JP2009301784A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マイクロ波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置は、処理容器と、マイクロ波源900と、マイクロ波を伝送する伝送線路900aと、処理容器の内壁に設けられ、マイクロ波を処理容器内に放出する複数の誘電体板305と、複数の誘電体板305に隣接し、マイクロ波を複数の誘電体板305に伝送する複数の第1の同軸管610と、伝送線路900aを伝送したマイクロ波を複数の第1の同軸管610に分配して伝送する1段又は2段以上の同軸管分配器700とを有する。同軸管分配器700は、入力部Inを有する第2の同軸管620と第2の同軸管620に概ね垂直に連結された3本以上の第3の同軸管630とを含み、各第3の同軸管630は、インピーダンス変換機構を有する。
【選択図】図5
Description
まず、本発明の第1実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置について、図1〜3を参酌しながらその概要を説明する。図1は、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の天井面を示す。図1は、図2の2−2断面である。図2は、マイクロ波プラズマ処理装置10の縦断面の一部を示す。図2は、図1の1−O−O’−1断面である。図3は、図1の領域Exの拡大図である。
図2に示したように、マイクロ波プラズマ処理装置10は、ガラス基板(以下、「基板G」という。)をプラズマ処理するための処理容器100を有している。処理容器100は、容器本体200と蓋体300とから構成される。容器本体200は、その上部が開口された有底立方体形状を有していて、その開口は蓋体300により閉塞されている。蓋体300は、上部蓋体300aと下部蓋体300bとから構成されている。容器本体200と下部蓋体300bとの接触面にはOリング205が設けられていて、これにより容器本体200と下部蓋体300bとが密閉され、処理室が画定される。上部蓋体300aと下部蓋体300bとの接触面にもOリング210及びOリング215が設けられていて、これにより、上部蓋体300aと下部蓋体300bとが密閉されている。容器本体200及び蓋体300は、たとえば、アルミニウム合金等の金属からなり、電気的に接地されている。
次に、図4を参照しながら、同軸管分岐のインピーダンス整合の原理について説明する。想定する同軸管分岐は、図4(1)に示したように、第2の同軸管620からN個(N≧3)の第3の同軸管630に多分岐している。隣接する第3の同軸管630のピッチは、λg/2の整数倍であり、第2の同軸管620の片方の端部の短絡面からその端部に最も近い分岐部分A(第2の同軸管620及び第3の同軸管630の連結部分)までの距離は、短絡板800により長さlに定められるとする。連結部から第3の同軸管630側を見たインピーダンスを、Rr+jXr(Rr:負荷抵抗、Xr:負荷リアクタンスと呼称する)とする。
Xp=Z0tan(2πl/λg)・・・(1)
ここで、Z0は、同軸管の特性インピーダンスである。
Xr 2=Rr(N×Z0−Rr)・・・(2)
Xp=−Xr×Z0/(N×Z0−Rr)・・・(3)
Xr=0・・・(4)
Xp=∞・・・(5)
次に、本実施形態に係る多分岐(対称8分岐)について、図5及び図6を参照しながら説明する。図5は、同軸管分配器700を含む分岐回路の模式図である。図6は、図2の3−3断面を示す。ここでは、インピーダンス変換タイプのインピーダンス整合を行う(図5のインピーダンス変換部)。
図7は、図6の4−4断面であって、第4の同軸管640と第2の同軸管620との連結部分を示す。第4の同軸管640と第2の同軸管620との連結部分は、T字状に2分岐している(T分岐)。第4の同軸管の内部導体640aの先端は、パイプ705状になっていて、その内部を内部導体620aが貫通している。これにより、第4の同軸管の内部導体640aと第2の同軸管の内部導体620aとは密着する。マイクロ波は、第4の同軸管640から第2の同軸管620に伝送される。
2分岐では、入力側の同軸管に2つの出力側の同軸管が並列に接続されるから、入出力間のインピーダンスを整合させるには、入力側の同軸管の特性インピーダンスを、出力側の特性インピーダンスの1/2にすればよい。本実施形態においては、第4の同軸管640(入力側の同軸管)の特性インピーダンスは30Ω、第2の同軸管620(出力側の同軸管)の特性インピーダンスは60Ωに設定されており、この関係が成り立っている。したがって、分岐部の反射を抑えて大電力のマイクロ波を伝送させることができる。
図2を参照すると、第3の同軸管の内部導体630aでは、ロッド630a1が内部導体連結板630a2に螺子Sにより固定されている。このように、第2の同軸管620と第3の同軸管630との連結部分では、第2の同軸管620に対して第3の同軸管630(ロッド630a1)が対向して連結されている。なお、第3の同軸管630は、各分岐部分にて1本のみ連結していてもよく2本以上連結していてもよい。また、各第3の同軸管630は、本実施形態のように対向して連結されていてもよいが、対向していなくてもよい。
次に、図6を参照しながら、第3及び第5の同軸管630,650によるT分岐の構造を説明する。第3の同軸管630は、第2の同軸管620と第5の同軸管650とは概ね垂直に連結する。第5の同軸管の内部導体650aは、第2及び第3の同軸管の内部導体620a,630aと同様に銅から形成されている。第3及び第5の同軸管の内部導体630a、650aの連結部分は、第3の同軸管の内部導体630aを第5の同軸管の内部導体650aの凹部に嵌め込んだ状態で半田付け又はロウ付けにより固定されている。
次に、同軸管のインピーダンス変換機構について、インピーダンス変換タイプ、容量結合タイプの順に説明する。
前述したように、同軸管分配器700における反射を無くすには、第2の同軸管620と第3の同軸管630の連結部から第3の同軸管側を見たインピーダンスが所望の値の実数となっていればよい。第3の同軸管630の出力側が整合されているとすれば、第3の同軸管630の電気長を、概ねπ/2radに設計することにより、連結部から第3の同軸管側を見たインピーダンスを実数にすることができる。さらに、第3の同軸管の特性インピーダンスを変えることにより、連結部から第3の同軸管側を見たインピーダンスを所望の値にすることができる。
内部導体が太いほど特性インピーダンスは小さくなり、内部導体が細いほど特性インピーダンスは大きくなる。よって、太さが異なる第3の同軸管の内部導体630aと第5の同軸間の内部導体650aとを直接連結すると、特性インピーダンスが大きく異なるため連結部分にて反射が大きくなる。そこで、第5の同軸管の内部導体650aと第3の同軸管の内部導体630aとの連結部分のくびれ部650a1は、反射を小さくする機能も有する。このようにして、くびれ部650a1がインピーダンス緩衝部となって、特性インピーダンスを徐々に段階的に変えながら連結させることができ、マイクロ波の反射を抑え、第5の同軸管650の左右にマイクロ波を入り込みやすくすることができる。
次に、容量結合タイプのインピーダンス整合について、図8を参照しながら詳述する。容量結合タイプでは、多分岐する同軸管の連結部に誘電体部材が設けられる。図8では、誘電体カップリング820が、第2の同軸管の内部導体620aとの連結部分に設けられる。誘電体カップリング820は、インピーダンスを調整するインピーダンス変換機構の一例であって、第2の同軸管620との連結部分に設けられた誘電体部材に相当する。本実施形態では、誘電体カップリング820はテフロンから形成されている。
次に、第2実施形態にかかるG4.5用ガラス基板の分岐回路について図9及び図10を参照しながら説明する。図9は、本実施形態に係る同軸管分配器700を含む分岐回路の模式図である。図10は、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置10の天井面を示す。本実施形態は、同軸管を非対称に6分岐した多分岐である。G4.5用ガラス基板のサイズは、730×920mmである。インピーダンス変換機構は、上述したインピーダンス変換タイプである。
図11は、第2実施形態の変形例を示している。本変形例は、非対称多分岐であるが、第2の同軸管620の入力部Inから両端を見たインピーダンスがそれぞれ整合されている。第2の同軸管620の入力部Inから右側には4本の第3の同軸管630が、左側には2本の第3の同軸管630が連結されている。従って、全てのセルに均等にマイクロ波電力を供給するには、右側に供給する電力を左側の2倍にすればよい。このために、第2の同軸管の左側の内部導体620a2を右側の内部導体620a1よりも細くして、左側の特性インピーダンス(120Ω)を右側の特性インピーダンス(60Ω)の2倍に設定している。さらに、入力部Inから両端を見たインピーダンスがそれぞれ整合されるように、前述した整合条件に基づいて第3の同軸管の特性インピーダンス(全て60Ω)が最適化されている。本変形例によれば、誘電体リング等で連結部A2〜A3間の電気長を調整する必要がないため、設計が容易である。
次に、第3実施形態にかかる太陽電池ガラス基板の分岐回路について図12及び図13を参照しながら説明する。図12は、同軸管分配器700を含む分岐回路の模式図である。図13は、マイクロ波プラズマ処理装置上に載置された導波管分配850を示す。本実施形態は、同軸管を対称的に8分岐した多分岐である。インピーダンス変換機構は、上述したインピーダンス変換タイプである。
100 処理容器
200 容器本体
300 蓋体
300a 上部蓋体
300b 下部蓋体
305 誘電体板
310 金属電極
320 金属カバー
325 螺子
335 細管
610 第1の同軸管
620 第2の同軸管
630 第3の同軸管
630a2 内部導体連結板
640 第4の同軸管
650 第5の同軸管
700 同軸管分配器
720、810 シールドスパイラル
800 短絡板
820 誘電体カップリング
900 マイクロ波源
905 ガス供給源
910 冷媒供給源
Cel セル
Claims (23)
- 電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
処理容器と、
電磁波を出力する電磁波源と、
前記電磁波源から出力された電磁波を伝送する伝送線路と、
前記処理容器の内壁に設けられ、電磁波を前記処理容器内に放出する複数の誘電体板と、
前記複数の誘電体板に隣接し、電磁波を前記複数の誘電体板に伝送する複数の第1の同軸管と、
前記伝送線路を伝送した電磁波を前記複数の第1の同軸管に分配して伝送する1段又は2段以上の同軸管分配器と、を備え、
前記同軸管分配器のうち少なくとも一段は、入力部を有する第2の同軸管と前記第2の同軸管に概ね垂直に連結された3本以上の第3の同軸管とを含み、
各第3の同軸管は、インピーダンス変換機構を有するプラズマ処理装置。 - 前記第2の同軸管の入力部から前記第2の同軸管の端部までの間の前記第2の同軸管と前記第3の同軸管との連結部分の数は、2以下である請求項1に記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第2の同軸管と前記第3の同軸管との連結部間の長さは、前記第2の同軸管の管内波長をλg2としたとき、概ねλg2/2の整数倍に等しい請求項1又は請求項2のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第2の同軸管と前記第3の同軸管との連結部間の長さは、前記第2の同軸管の管内波長をλg2としたとき、概ねλg2の整数倍に等しい請求項3に記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第2の同軸管と前記第3の同軸管との連結部分では、前記第2の同軸管に対して前記第3の同軸管が2本ずつ連結されている請求項1〜4のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第3の同軸管の内部導体は、前記第2の同軸管の内部導体よりも細い請求項1〜5のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第3の同軸管の外部導体は、前記第2の同軸管の外部導体よりも細い請求項1〜6のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第2の同軸管の内部導体と外部導体とは、前記第2の同軸管の少なくとも片方の端部にて短絡され、
前記第2の同軸管の端部から前記端部に最も近い前記第2の同軸管と前記第3の同軸管との連結部分までの電気長は、概ねπ/2radの奇数倍と等しい請求項1〜7のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。 - 前記第1の同軸管からプラズマ側を見たインピーダンスが整合されているとき、前記第2の同軸管と前記第3の同軸管との連結部分から前記第3の同軸管側を見たインピーダンスは概ね抵抗性であり、
前記連結部分から前記第3の同軸管側を見た抵抗をRr3、前記第2の同軸管の入力部から前記第2の同軸管の片端までの間に連結される第3の同軸管の数をNs、前記第2の同軸管の特性インピーダンスをZc2としたとき、前記第2の同軸管の特性インピーダンスZc2は概ねRr3/Nsに等しい請求項1〜8のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。 - 前記第2の同軸管の入力部には、特性インピーダンスがZc4の第4の同軸管が連結され、
前記第1の同軸管からプラズマ側を見たインピーダンスが整合されているとき、前記第2の同軸管と前記第3の同軸管との連結部分から前記第3の同軸管側を見たインピーダンスは概ね抵抗性であり、
前記連結部分から前記第3の同軸管側を見た抵抗をRr3、前記第2の同軸管に連結される第3の同軸管の数をNtとしたとき、特性インピーダンスZc4は概ねRr3/Ntと等しい請求項1〜9のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。 - 前記第3の同軸管の電気長が概ねπ/2radとなっている請求項1〜10に記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第3の同軸管の内部導体のうち、前記第2の同軸管との連結部分が他の部分より細い請求項1〜11のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第1の同軸管からプラズマ側を見たインピーダンスが整合されているとき、前記第3の同軸管の出力端から出力側を見たインピーダンスが概ね抵抗性であり、前記第3の同軸管の出力端から出力側を見た抵抗をRr5、前記第2の同軸管の入力部から前記第2の同軸管の片端までの間に連結される第3の同軸管の数をNs、前記第2の同軸管の特性インピーダンスをZc2としたとき、前記第3の同軸管の特性インピーダンスZc3は、概ね(Rr5×Ns×Zc2)1/2と等しい請求項11又は請求項12のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第2の同軸管の入力部には、特性インピーダンスがZc4の第4の同軸管が接続され、
前記第1の同軸管からプラズマ側を見たインピーダンスが整合されているとき、前記第3の同軸管の出力端から出力側を見たインピーダンスが概ね抵抗性であり、前記第3の同軸管の出力端から出力側を見た抵抗をRr5、前記第2の同軸管に連結される第3の同軸管の数をNtとしたとき、前記第3の同軸管の特性インピーダンスZc3は、概ね(Rr5×Nt×Zc4)1/2と等しい請求項11又は請求項12のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。 - 前記第3の同軸管のインピーダンス変換機構は、前記第2の同軸管の内部導体と前記第3の同軸管の内部導体との連結部分に設けられた誘電体部材である請求項1〜7のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第2の同軸管の入力部から前記第2の同軸管の片端までの間に連結される第3の同軸管の数をNs、前記第2の同軸管の特性インピーダンスをZc2、前記第3の同軸管の特性インピーダンスをZc3としたとき、Zc3<Ns×Zc2の関係を満たし、
前記誘電体部材のリアクタンスXrが、概ね−(Zc3(Ns×Zc2−Zc3))1/2と等しく、
前記第2の同軸管の少なくとも片方の端部において、前記端部に最も近い前記第2の同軸管と前記第3の同軸管との連結部分から前記第2の同軸管の端部側を見たリアクタンスXpが概ね−Xr×Zc2/(Ns×Zc2−Zc3)と等しい請求項15に記載されたプラズマ処理装置。 - 前記第2の同軸管の入力部には、特性インピーダンスがZc4の第4の同軸管が連結され、
前記第2の同軸管に連結される第3の同軸管の数をNt、前記第3の同軸管の特性インピーダンスをZc3としたとき、Zc3<Nt×Zc4の関係を満たし、
前記誘電体部材のリアクタンスXrが、概ね−(Zc3(Nt×Zc4−Zc3))1/2と等しく、
前記第2の同軸管の両端において、前記端部に最も近い前記第2の同軸管と前記第3の同軸管との連結部分から前記第2の同軸管の端部側を見たリアクタンスXpが概ね−2Xr×Zc4/(Nt×Zc4−Zc3)と等しい請求項15に記載されたプラズマ処理装置。 - 前記第2の同軸管の少なくとも片端において、前記第2の同軸管の内部導体と外部導体とが短絡されており、前記端部に最も近い前記第2の同軸管と前記第3の同軸管との連結部分から前記端部側を見たリアクタンスが所望の値となるように、前記端部から前記端部に最も近い前記連結部分までの距離が設定されている請求項15〜17のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第2の同軸管の外部導体と内部導体との間に、誘電体リングが設けられている請求項1〜18のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第2の同軸管の外部導体の断面形状は、非円形である請求項1〜19のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第2の同軸管の外部導体の断面形状は、上方を底辺とした蒲鉾型である請求項20に記載されたプラズマ処理装置。
- 前記処理容器の内壁に電気的に接続され、前記複数の誘電体板に一対一に隣接した複数の金属電極を備え、
各誘電体板は、前記隣接した各金属電極と前記各誘電体板が配置されていない処理容器の内壁の間から露出し、
前記各誘電体板が配置されていると前記各誘電体板が配置されていない処理容器の内壁又は前記内壁に設けられた金属カバーとは、実質的に相似をなす形状か、または実質的に対称となる形状である請求項1〜21のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。 - 処理容器の内部にガスを導入し、
電磁波源から電磁波を出力し、
前記出力した電磁波を伝送線路に伝送し、
前記伝送線路を伝送した電磁波を1段又は2段以上の同軸管分配器から複数の第1の同軸管に分配して伝送し、
前記第1の同軸管を伝送した電磁波を、前記処理容器の内壁に設けられた複数の誘電体板から前記処理容器内に放出し、
電磁波を前記同軸管分配器に伝送させる際、前記同軸管分配器のうち少なくとも一段は入力部を有する第2の同軸管と前記第2の同軸管に連結された3本以上の第3の同軸管とを含み、インピーダンス変換機構を有する各第3の同軸管に電磁波を伝送し、前記第1の同軸管を介して前記処理容器内に放出された電磁波により前記ガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法。
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