JP2010027601A - マイクロ波プラズマ処理装置及びマイクロ波の給電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】昇温後においてもマイクロ波の伝送路を適正な状態に保つマイクロ波プラズマ処理装置及びマイクロ波の給電方法の提供。
【解決手段】マイクロ波プラズマ処理装置１０は、ラジアルラインスロットアンテナのスロット板２０５ｂから放出されたマイクロ波の電界エネルギーによりガスを励起させ、基板Ｗをプラズマ処理する。内部にてプラズマ処理が行われる処理容器１００と、マイクロ波を出力するマイクロ波源３３５と、マイクロ波源から出力されたマイクロ波を伝送する矩形導波管３０５と、矩形導波管を伝送したマイクロ波のモードを変換する同軸変換機３１０と、同軸変換機にてモードを変換されたマイクロ波を伝送する同軸導波管と、スロット板２０５ｂに対して非接触の状態で同軸導波管の内部導体３１５に取り付けられたテーパーコネクタ３２０と、テーパーコネクタとスロット板とを電気的に接続する弾性体３３０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波プラズマ処理装置及びマイクロ波の給電方法に関する。特に、ラジアルラインスロットアンテナから放出されたマイクロ波の電界エネルギーによりガスを励起させ、被処理体をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置及びその装置を用いたマイクロ波の給電方法に関する。

マイクロ波プラズマは、マイクロ波を減圧状態の処理容器内に導入し、導入されたマイクロ波の電界エネルギーによりガスを励起させることによって発生される。マイクロ波プラズマ処理装置では、プラズマの電子密度がカットオフ密度よりも高い場合、マイクロ波はプラズマ内に入り込むことができず、誘電体板とプラズマとの間を伝搬し、その一部がプラズマに吸収され、プラズマの維持に使われる。

上記プラズマ生成の原理により、マイクロ波プラズマは、容量結合型や誘導結合型のマイクロ波プラズマ処理装置にて生成されるプラズマと比べると、プラズマの電子密度Ｎｅが高く、電子温度Ｔｅが低いため、高速でダメージの少ないプラズマ処理で高品質な製品を製造することができる。

マイクロ波プラズマを生成する装置の一つとして、ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ：Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ）を用いたマイクロ波プラズマ処理装置が提案されている(たとえば、特許文献１を参照。)。ラジアルラインスロットアンテナは、多数のスロットが切られたディスク状のスロット板の上部に同一形状の遅波板を載置した状態で、処理容器の天井部の開口に設けられた誘電体窓の上部に配置され、その中央部にて同軸導波管に接続されている。

かかる構成により、マイクロ波源から出力された、たとえば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、同軸導波管を経由してラジアルラインスロットアンテナの遅波板を半径方向へ放射状に伝えられる。伝送中、マイクロ波は、スロット板のスロットから漏れだして処理容器内に放射される。

特開平９−６３７９３号公報

しかしながら、プロセス中、処理容器内が２００℃以上の高温になることに伴い、図８に示したラジアルラインスロットアンテナ９０５、冷却ジャケット２１０、同軸導波管の外部導体３４０、矩形導波管３０５の各部材は熱膨張する。たとえば、プロセス中、ラジアルラインスロットアンテナ９０５の周辺を冷却ジャケット２１０により冷却したとしても、ラジアルラインスロットアンテナ９０５は１５０℃〜１６５℃、アンテナ上部の冷却ジャケット２１０は８０℃〜１００℃、外部導体３４０は４０℃〜６０℃程度温度が上昇し、プロセスによっては外部導体３４０近傍でも１００℃以上に加熱されてしまう場合もある。

これらの部材のうち、ラジアルラインスロットアンテナ９０５の遅波板９０５ａはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの誘電体から形成されている。一方、ラジアルラインスロットアンテナ上部の冷却ジャケット２１０、外部導体３４０、矩形導波管３０５は、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属から形成されている。アルミナの線膨張係数は７．０×１０^−６（／℃）であるのに対して銅の線膨張係数は１６．７×１０^−６、アルミニウムの線膨張係数は２３．５×１０^−６（／℃）であり、いずれの金属もアルミナの２倍以上である。このため、昇温後、ラジアルラインスロットアンテナ９０５、冷却ジャケット２１０、外部導体３４０、矩形導波管３０５がそれぞれ膨張することにより、矩形導波管３０５の上部の位置は昇温前より上方に変位する。

このとき、スロット板９０５ｂが同軸導波管の内部導体３１５に取り付けられたテーパー状のコネクタ部（以下、テーパーコネクタとも称呼する。テーパー状のコネクタ部に相当）にねじ止めされていると、矩形導波管３０５の位置が処理容器１００の外側に向かって変位することに伴い、一体に形成された同軸変換機３１０、内部導体３１５及びテーパーコネクタも処理容器１００の外側鉛直上方に向かって引き上げられる。

特に、同軸変換機３１０及び内部導体３１５は、内部導体３１５の内部にて二重に配管された冷媒配管３６０の内側から外側に冷媒を通すことにより、プロセス中も冷却される。このため、プロセス中、同軸変換機３１０や内部導体３１５の温度は、外部導体３４０、矩形導波管３０５の温度より低くなる。よって、プロセス中の同軸変換機３１０及び内部導体３１５は、外部導体３４０、矩形導波管３０５より膨張しない。これにより、図９の上図に示した理想状態に対して、実際の昇温後には、その下図に示したように内部導体３１５に連結されたテーパーコネクタ３２０の下面は、遅波板９０５ａの下面より上方に持ち上げられ、これに伴い空隙Ｒａが変動する。空隙Ｒａはマイクロ波の伝送路の一部となるため、空隙Ｒａを一定に保つことは、マイクロ波のモードを安定させるために重要であり、空隙Ｒａが変動するとマイクロ波のモードが不安定になり、プラズマの不均一を招く。

また、昇温されてテーパーコネクタ３２０が遅波板９０５ａより上方に持ち上げられると、テーパーコネクタ３２０の下面にねじ止めされたスロット板９０５ｂも上方に引き上げられ、歪む。これによっても、マイクロ波の伝送路が変動し、均一なプラズマを生成する妨げとなる。

そこで、上記課題に対処するために、本発明は、ラジアルラインスロットアンテナを用いてマイクロ波を処理容器内に給電する際、実際の昇温時のマイクロ波の伝搬領域が設計上設定された昇温時のマイクロ波の伝搬領域から変動することを抑止し、プラズマの乱れを防止するマイクロ波プラズマ処理装置及びその装置を用いたマイクロ波の給電方法を提供する。

すなわち、上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、ラジアルラインスロットアンテナのスロット板から放出されたマイクロ波を用いて生成されたプラズマにより被処理体をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置であって、内部にてプラズマ処理が行われる処理容器と、マイクロ波を出力するマイクロ波源と、前記マイクロ波源から出力されたマイクロ波を伝送する矩形導波管と、前記矩形導波管を伝送したマイクロ波のモードを変換する同軸変換機と、前記同軸変換機にてモードを変換されたマイクロ波を伝送する同軸導波管と、前記スロット板に対して非接触の状態で前記同軸導波管の内部導体に取り付けられたテーパー状のコネクタ部と、前記テーパー状のコネクタ部と前記スロット板とを電気的に接続する弾性体とを備えたマイクロ波プラズマ処理装置が提供される。

これによれば、弾性体は、テーパー状のコネクタ部とそのコネクタ部に非接触に設けられたスロット板とを電気的に接続する。これにより、図４の下部に示したように、弾性体３３０は、熱膨張によるテーパーコネクタ３２０の上方への変位を吸収しながら、テーパー状のコネクタ部及びスロット板間の電気的接続を維持することができる。このため、昇温後においてテーパーコネクタ３２０の下面Ｓｂと遅波板２０５ａの下面Ｓａとは同一面内に位置付けられ、空隙Ｒａが変動しない。これにより、マイクロ波のモードを安定させ、プラズマを均一に生成することができる。

また、これによれば、スロット板２０５ｂは、テーパーコネクタ３２０の下面にてねじ止めされていないため、スロット板２０５ｂが上方に引き込まれることがない。これによってもマイクロ波のモードを安定させ、プラズマを均一に生成することができる。

なお、前記弾性体は、線材の金属シールド部材であってもよい。

前記スロット板は、前記テーパー状のコネクタ部の先端の面より大きな開口を有し、前記テーパー状のコネクタ部は、前記スロット板の開口を貫通して前記弾性体を配置する設置台と連結していてもよい。

前記設置台は、外周につば部を有し、前記弾性体は、前記つば部と前記スロット板との間に設けられてもよい。

前記設置台のつば部は、段差を有し、前記弾性体は、前記つば部に設けられた最も内側の段差より外側に設けられてもよい。

前記設置台のつば部と前記スロット板との間隔は、前記弾性体が、膨張によるテーパー状のコネクタ部の変位を吸収しながら前記テーパー状のコネクタ部と前記スロット板とを電気的に接続する程度に離れていてもよい。

さらに、つば部の段差は、その角が丸く形成されていてもよい。これによれば、マイクロ波の電界エネルギーが、角に集中して異常放電を生じさせることを防止できる。

前記遅波板及び前記ラジアルラインスロットアンテナの上部に設けられた冷却ジャケットの少なくともいずれかの表面を絶縁材にてコーティングしてもよい。

これによれば、絶縁材を遅波板や冷却ジャケットにコーティングすることにより、冷却ジャケットとスロット板との間の電位差を低下させ、異常放電の発生を抑止することができる。なお、絶縁材としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・バーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、アルミナ（アルマイト処理、溶射）などを用いることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、ラジアルラインスロットアンテナのスロット板から放出されたマイクロ波を用いて生成されたプラズマにより被処理体をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置にマイクロ波を給電する方法であって、マイクロ波源からマイクロ波を出力し、前記出力されたマイクロ波を矩形導波管に伝送し、前記伝送したマイクロ波のモードを同軸変換機にて変換し、前記スロット板に対して非接触の状態で前記同軸導波管の内部導体に取り付けられたテーパー状のコネクタ部と前記スロット板とを弾性体により電気的に接続するマイクロ波の給電方法が提供される。

これによれば、テーパー状のコネクタ部は、スロット板に対して非接触の状態で内部導体に取り付けられる。弾性体は、熱膨張によるコネクタ部の上方への変位を吸収しながら、テーパー状のコネクタ部とスロット板とを電気的に接続する。これにより、昇温後、テーパー状のコネクタ部の下面と遅波板の下面とを同一面内に位置付けることができる。この結果、空隙Ｒａが変動せず、マイクロ波のモードを安定させ、プラズマを均一に生成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ラジアルラインスロットアンテナを用いてマイクロ波を処理容器内に給電する際、実際の昇温時のマイクロ波の伝送路が設計上設定された昇温時のマイクロ波の伝送路から変動することを抑止し、プラズマの乱れを防止するマイクロ波プラズマ処理装置及びその装置を用いたマイクロ波の給電方法を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面図である。 同実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置をマイクロ波が伝搬する経路を説明するための図である。 同実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置のテーパーコネクタ周辺を拡大した図である。 同実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の設計上の昇温後及び実際の昇温後の状態を説明するための図である。 矩形導波管と同軸変換機との嵌め合い構造を設けた同実施形態の変形例にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面図である。 ギャップ近傍の電界強度分布のシミュレーション結果を示した図である。 矩形導波管と同軸変換機との嵌め合い構造を説明するための図である。 一般的なマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面図である。 一般的なマイクロ波プラズマ処理装置の設計上の昇温後及び実際の昇温後の状態を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の構成及び機能を有する構成要素については、同一符号を付することにより、重複説明を省略する。

（マイクロ波プラズマ処理装置の全体構成）
まず、本発明の一実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１０について、その縦断面を示した図１を参照しながら説明する。本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１０は、処理容器１００、蓋体２００、伝送路３００、冷却機構４００及びガス供給機構５００を有している。

処理容器１００は、天井が開口された円筒状の容器であり、たとえば、アルミニウム等の金属から形成されている。処理容器１００の天井の開口には、天板１０５（誘電体窓に相当）が嵌め込まれている。天板１０５は、誘電体から形成されている。天板１０５の下面は、その中央が張り出しているとともに中間部も周方向に張り出している。処理容器１００と天板１０５との接触面には、Ｏリング１１０が配設されていて、これにより、処理室Ｕは密閉される。

処理容器１００の底部には、ウエハＷを載置するサセプタ（載置台）１１５が絶縁体１２０を介して設置されている。サセプタ１１５には、整合器１２５ａを介して高周波電源１２５ｂが接続されていて、高周波電源１２５ｂから出力された高周波電力により処理容器１００の内部に所定のバイアス電圧を印加する。また、サセプタ１１５には、コイル１３０ａを介して高圧直流電源１３０ｂが接続されていて、高圧直流電源１３０ｂから出力された直流電圧によりウエハＷを静電吸着する。処理容器１００には、真空ポンプ（図示せず）が取り付けられていて、ガス排出管１３５を介して処理容器１００内のガスを排出することにより、処理室Ｕを所望の真空度まで減圧する。

蓋体２００は、ラジアルラインスロットアンテナ２０５（以下、単にアンテナ２０５とも称呼する。）及び冷却ジャケット２１０を有している。アンテナ２０５は、天板１０５の直上に載置されている。アンテナ２０５の上部には、冷却ジャケット２１０が設けられている。冷却ジャケット２１０はアルミニウムから形成され、冷却ジャケット２１０に設けられた流路に冷媒を循環させることにより、アンテナ２０５の近傍を調温する。冷却ジャケット２１０は接地されている。

ラジアルラインスロットアンテナ２０５は、ディスク状の一枚の平板であって、図２にアンテナ２０５の左側縦断面にて拡大された遅波板２０５ａおよびスロット板２０５ｂとから形成されている。

スロット板２０５ｂは、金属のシート材から形成され、天井部に設けられた天板１０５（誘電体窓）と遅波板２０５ａとに挟まれる形で載置されている。テーパーコネクタの近傍をさらに拡大した図３を参照すると、スロット板２０５ｂには、その中央にてテーパーコネクタ３２０の下面より大きい円形の開口２０５ｂ１が形成されている。テーパーコネクタ３２０の下面には設置台（フランジ）３２５がねじ止めされていて、設置台３２５はスロット板中央の開口２０５ｂ１を貫通している。スロット板２０５ｂには、マイクロ波を放射する図示しないスロットが複数設けられている。スロット板２０５ｂは、その外周にて図２に示したねじ２１５により冷却ジャケット２１０に固定されている。

遅波板２０５ａは、アルミナなどの誘電体により形成され、マイクロ波をスロットに伝える。遮蔽部材２２０，２２５，２３０，２３５は、スロットから漏れたマイクロ波の一部が、冷却ジャケット２１０側の隙間や蓋体２００と処理容器１００との隙間からリークすることを防ぐ。

伝送路３００は、主に、矩形導波管３０５、同軸変換機３１０、内部導体３１５、外部導体３４０、テーパーコネクタ３２０、ラジアルラインスロットアンテナ２０５から形成されている。マイクロ波は、伝送路３００により画定される空間（以下、マイクロ波の伝送路Ｒとも称呼する。）を伝送される。このとき、マイクロ波は、遅波板２０５ａの内部を伝搬して遅波板２０５ａの端面にて反射し、図示しないチューナにより放電負荷と伝送路のインピーダンスの整合をとりながら、進行波と反射波との干渉により伝送路の空間に定在波が生じる。

マイクロ波の電流は、上記マイクロ波の伝送路Ｒを画定する部材の金属表面を流れる。マイクロ波は、遅波板２０５ａの内部を伝搬し、その際、遅波板に隣接したスロット板２０５ｂのスロットから処理容器内に放出される。

装置の製造時、加工精度上、各部材間には空隙が生じてしまう。たとえば、遅波板２０５ａと冷却ジャケット２１０、遅波板２０５ａとテーパーコネクタ３２０との間にも、加工精度上、空隙Ｒａが生じる。空隙Ｒａはマイクロ波の伝送路の一部となるため、空隙Ｒａを一定に保つことは、マイクロ波のモードを安定させるために重要である。

矩形導波管３０５は、マイクロ波源３３５に接続されている。同軸変換機３１０は、コーン状に形成され、マイクロ波のモードをＴＥモードからＴＥモードとＴＭモードの混在モードに変換する。モードが変換されたマイクロ波は、同軸導波管（内部導体３１５及び外部導体３４０）に伝えられる。内部導体３１５及び外部導体３４０は、銀メッキした銅から形成されている。

テーパーコネクタ３２０の拡大図３に示したように、テーパーコネクタ３２０はテーパー形状であって、内部導体３１５の下面にて内部導体３１５にねじ止めされている。

設置台３２５はフランジであって、テーパーコネクタ３２０の下面にて複数箇所でテーパーコネクタ３２０にねじ止めされている。テーパーコネクタ３２０及び設置台３２５は、金メッキした銅から形成されている。設置台３２５は、外周につば部３２５ａを有している。つば部３２５ａには段差が設けられている。

つば部３２５ａとスロット板２０５ｂとの間には、弾性体３３０が配設されている。弾性体３３０は、テーパーコネクタ３２０とスロット板２０５ｂとを電気的に接続する。

図２に示した外部導体３４０は、上部にて矩形導波管３０５にねじ止めされ、下部にて冷却ジャケット２１０にねじ止めされている。冷却ジャケット２１０と遅波板２０５ａ、テーパーコネクタ３２０と遅波板２０５ａの間には、加工精度上空隙Ｒａが生じる。

矩形導波管３０５の開口に同軸変換機３１０を挿入して、矩形導波管３０５と同軸変換機３１０とを組み立てる際、矩形導波管３０５と同軸変換機３１０との対向側面に生じるギャップＧには、マイクロ波のリークを防止するためのスパイラルシールド３７０が設けられる。

図１の内部導体３１５の内部には、冷媒配管３６０が挿入されている。冷媒配管３６０は二重配管となっている。冷却機構４００では、冷媒供給源４０５と冷媒配管３６０とが接続されるとともに冷媒供給源４０５と冷却ジャケット２１０とが接続されている。冷媒供給源４０５から供給された冷媒は、冷媒配管３６０の内側から外側に通され、これにより、内部導体３１５は調温される。同様に、冷媒供給源４０５から供給された冷媒は、冷却ジャケット２１０内の流路を循環し、これにより、冷却ジャケット近傍が調温される。

ガス供給機構５００では、ガス供給源５０５と上部ガス供給ライン５１０とが連結されるとともにガス供給源５０５とシャワープレート５１５とが連結されている。シャワープレート５１５は、複数のガス供給孔が下に向けて均等に設けられている。ガス供給源５０５から供給されたプラズマ励起ガスは、処理容器１００の側壁を貫通した複数の上部ガス供給ライン５１０の貫通孔から処理室Ｕの内部に向けて横向きに供給される。ガス供給源５０５から供給された処理ガスは、格子状のシャワープレート５１５に形成された複数のガス供給孔から下向きに供給される。

（テーパーコネクタ周辺）
つぎに、テーパーコネクタ３２０の周辺について、図３及び図４を参照しながら詳しく説明する。本実施形態では、スロット板２０５ｂをテーパーコネクタ３２０に固定させず、非接触とし、スロット板２０５ｂとテーパーコネクタ３２０とを弾性体３３０により電気的に接続させる構成とした。その理由について、スロット板をテーパーコネクタに固定した一般的なマイクロ波プラズマ処理装置と比較しながら説明する。

図８及び図９に示したように、ラジアルラインスロットアンテナ９０５を用いた一般的なマイクロ波プラズマ処理装置では、スロット板９０５ｂは、その外周部にてねじ９１０により冷却ジャケット２１０に固定されるとともに、その中央部にてテーパーコネクタ３２０と固定用プレート９１５との間に挟まれた状態でねじ止めされる。

上記マイクロ波プラズマ処理装置を構成する各部材の素材やプロセス中の処理容器の温度により各部材の膨張量は異なる。特に、内部導体３１５及び同軸変換機３１０は、前述したようにプロセス中も冷却されるため、外部導体３４０、矩形導波管３０５の温度より低くなる。よって、プロセス中の内部導体３１５及び同軸変換機３１０は、外部導体３４０、矩形導波管３０５より熱膨張しない。これらの理由から、昇温後、たとえば、テーパーコネクタ３２０の下面Ｓｂと遅波板２０５ａの下面Ｓａとを、図９の上図に示した同一面内に位置付けることは難しく、実際には、図９の下図に示したように、テーパーコネクタ３２０の下面Ｓｂが遅波板２０５ａの下面Ｓａより上に位置し、これにより空隙Ｒａが変動して、マイクロ波のモードが不安定になり、生成されるプラズマが不均一になる場合があった。

また、テーパーコネクタ３２０が遅波板９０５ａより上方に持ち上げられると、これとともにテーパーコネクタ３２０の下面Ｓｂでねじ止めされたスロット板９０５ｂも上方に引き上げられ、歪む。これによっても、マイクロ波の伝送路が変動し、均一なプラズマを生成する妨げとなる。

以上に説明したマイクロ波の伝送路の変動は、プロセス中のマイクロ波プラズマ処理装置の安定性及び信頼性に影響を与える。そこで、図３に示したように、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１０では、スロット板２０５ｂの中央にテーパーコネクタ３２０の下面Ｓｂの面積より大きな開口２０５ｂ１を設ける。

テーパーコネクタ３２０と設置台３２５とは、スロット板２０５ｂの開口２０５ｂ１を貫通した状態で、スロット板２０５ｂに対して非接触に連結される。設置台３２５の外周には、つば部３２５ａが形成される。弾性体３３０は、つば部３２５ａとスロット板２０５ｂとの間に配置され、テーパーコネクタ３２０とスロット板２０５ｂとを電気的に接続する。

弾性体３３０は、線材の金属シールド部材から形成されている。金属シールド部材は、スパイラルシールドに比べて反力が小さいため、スロット板２０５ｂや設置台３２５に過度な荷重を掛けずにこれらの部材間の電気的接続を良好にする。

弾性体３３０は、つば部３２５ａに設けられた最も内側の段差より外側に設けられる。また、つば部３２５ａの段差は、その角が丸く形成されている。これによれば、マイクロ波の電界エネルギーが、つば部３２５ａの内側や角に集中して異常放電が生じることを防止できる。

設置台３２５のつば部３２５ａとスロット板２０５ｂとの間隔は、弾性体３３０が、膨張によるテーパーコネクタ３２０の変位を吸収しながらテーパーコネクタ３２０とスロット板２０５ｂとを電気的に接続できる程度に離れている。

かかる構成によれば、弾性体３３０を設けることによりテーパーコネクタ３２０とテーパーコネクタ３２０に非接触に設けられたスロット板２０５ｂとを電気的に接続する。これにより、図４の下部に示したように、弾性体３３０は、熱膨張によるテーパーコネクタ３２０の上方への変位を吸収しながら、テーパーコネクタ３２０及びスロット板２０５ｂ間にマイクロ波を伝える。このため、昇温後においてテーパーコネクタ３２０の下面Ｓｂと遅波板２０５ａの下面Ｓａとは同一面内に位置付けられる。この結果、空隙Ｒａが変動せず、マイクロ波のモードが安定し、プラズマを均一に生成することができる。

また、これによれば、スロット板２０５ｂは、テーパーコネクタ３２０の下面にてねじ止めされていないため、スロット板２０５ｂが上方に引き上げられることがない。これによってもマイクロ波の伝送路Ｒを変動させず、マイクロ波のモードを安定させ、プラズマを均一に生成することができる。

なお、設置台３２５と弾性体３３０とは、一体として形成されていてもよい。この場合、載置台３２５のつば部３２５ａの上面に突起（例えば環状の突起）を設け、その突起部分を弾性体３３０と同様な機能を持つ素材で形成する。これによっても、弾性体３３０に替わる突起部分が、膨張によるテーパーコネクタ３２０の変位を吸収しながらテーパーコネクタ３２０とスロット板２０５ｂとを電気的に接続することができる。

（ギャップＧ）
図５に示したように、矩形導波管３０５の開口に同軸変換機３１０を挿入することにより矩形導波管３０５を伝送したマイクロ波のモードを変換して伝送する経路を組み立てる際、公差により、矩形導波管３０５の側部壁面と対向する同軸変換機３１０の側部壁面とにギャップＧが生じる。

このギャップＧは、マイクロ波のモードをＴＥモードからＴＥモードとＴＭモードの混在モードに変換する位置に存在する。また、ギャップＧの近傍では、矩形導波管３０５の反射端３０５ａにてマイクロ波が反射するため、マイクロ波の電界が乱れやすい。

実際に、矩形導波管３０５の反射端３０５ａ及びギャップＧの位置にマイクロ波の節が来るように反射端３０５ａからギャップＧまでの距離をλｇ／２に設計したが、異常放電は抑止されなかった。そこで、矩形導波管３０５の反射端３０５ａからギャップＧまでの距離を管理することに加えて、矩形導波管と同軸変換機とに嵌め合い構造を設けることによりギャップＧを均一に管理することとした。

（ギャップの管理）
初めに、嵌め合い構造Ｆ及びギャップＧの適正範囲を具体的に決定するために、ギャップＧ近傍のマイクロ波の電界強度分布をシミュレーションにより求めた。

図６（ａ）に示した位置Ｐ１〜Ｐ４の電界強度をシミュレーションにより計算した。その結果を図６（ｂ）に示す。この結果から、位置Ｐ１、Ｐ３にてマイクロ波の電界強度が強く、Ｐ２、Ｐ４では、その強度が弱くなっていることがわかる。また、ギャップ（リークパス厚）が大きくなればなるほど電界強度は大きくなるが、ギャップが均一であれば、ギャップの大きさが０．１ｍｍ変化しても極端に電界強度が大きくなるわけではないことがわかる。

パッシェンの法則によれば、Ｖ＝ｆ（ｐｄ）の式に示すように、平行な電極間での放電開始電圧Ｖは、ガス圧力ｐ及び電極間の距離ｄの積の関数で表される。ギャップＧの位置や均一なリークパス厚の変化に対する電界強度の変化量は小さいので、狭くなった部位での電界集中による影響の方が大きいと考えられる。よって、ギャップＧの間隔を所定の基準間隔ｋｍｍ（ｋ≧０．３）に対して（ｋ±ｎ）（ｎ≦０．１）ｍｍの範囲内にすることにより、電界強度に偏りが生じにくく、放電が起きにくい状態にギャップＧを管理することによって、異常放電の発生を防ぐことができる。

そこで、環状に形成されたギャップＧがいずれの対向位置に置いても所定の範囲内の間隔となるように、ギャップＧより外周側にて矩形導波管３０５と同軸変換機３１０とに高度な嵌め合い構造Ｆ（図５，図７参照）を設けた。具体的には、ギャップＧの基準間隔ｋを０．３ｍｍと定め、環状のギャップＧのいずれの対向位置においてもギャップＧが（ｋ±ｎ）ｍｍ（ｎ≦０．１）の範囲内に管理されるように嵌め合い構造Ｆを設けた。組み立て時に発生する公差を考慮して、嵌め合い構造ＦにギャップＧにて許容される隙間より充分に小さい隙間（たとえば、ギャップＧの間隔差の最大値の約２０％以内）を許容することにより、どんな作業員が組み立ててもギャップＧを設計上許容されている間隔差以内に管理することができる。この結果、矩形導波管３０５と同軸変換機３１０との間のギャップＧにて異常放電が発生することを回避することができる。

（絶縁材にてコーティング）
ギャップＧ周りの矩形導波管３０５及び同軸変換機３１０は、絶縁材にてコーティングされている。絶縁材としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・バーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、アルミナ（アルマイト処理、溶射）などが挙げられる。これにより、ギャップ間の電位差を低下させることができ、異常放電の発生をさらに抑止することができる。

以上に説明したように、本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１０によれば、昇温時の空隙Ｒａが変動しない。これにより、マイクロ波のモードを安定させ、プラズマを均一に生成することができる。この結果、マイクロ波プラズマ処理装置１０の安定性及び信頼性を向上させることができる。

なお、遅波板２０５ａ及び冷却ジャケット２１０の少なくともいずれかの表面にも絶縁材がコーティングされているほうがよい。これによれば、絶縁材を遅波板２０５ａや冷却ジャケット２１０にコーティングすることにより、冷却ジャケット２１０とスロット板２０５ｂとの間の空隙に生じる電位差を低下させ、異常放電の発生を抑止することができる。

なお、遅波板２０５ａや冷却ジャケット２１０辺にコーティングする絶縁材としては、ＰＴＦＥ、ＰＦＡなど、摩擦係数が低く、摺動により発塵しない素材が好ましい。

上記実施形態において、各部の動作はお互いに関連しており、互いの関連を考慮しながら、一連の動作として置き換えることができる。そして、このように置き換えることにより、上記マイクロ波プラズマ処理装置の実施形態を上記マイクロ波プラズマ処理装置を用いたマイクロ波の給電方法の実施形態とすることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

たとえば、嵌め合い構造Ｆは、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置１０に備えられているほうが好ましいが、本発明に必須の構成ではない。

また、設置台３２５のつば部３２５ａの段部は２段以上であればよい。しかしながら、いずれの場合にも、異常放電を防止するために、弾性体３３０は最も内側の段部には配設されない。

また、ガスは、上部ガス供給ライン５１０のみから供給されてもよく、シャワープレート５１５のみから供給されてもよい。また、これらのガス供給機構５００に代えて、又は、これらのガス供給機構５００に加えて、天板１０５にガス経路を設けて天板１０５をシャワープレートとして用いてもよい。

１０ マイクロ波プラズマ処理装置
１００ 処理容器
１０５ 天板
２００ 蓋体
２０５、９０５ ラジアルラインスロットアンテナ（アンテナ）
２０５ａ、９０５ａ 遅波板
２０５ｂ、９０５ｂ スロット板
２１０ 冷却ジャケット
２１５、９１０ ねじ
３０５ 矩形導波管
３１０ 同軸変換機
３１５ 内部導体
３２０ テーパーコネクタ
３２５ 設置台
３２５ａ つば部
３３０ 弾性体
３３５ マイクロ波源
３４０ 外部導体
３６０ 冷媒配管
３７０ スパイラルシールド
４０５ 冷媒供給源
５０５ ガス供給源
Ｇ ギャップ
Ｆ 嵌め合い構造

Claims (10)

1. ラジアルラインスロットアンテナのスロット板から放出されたマイクロ波を用いて生成されたプラズマにより被処理体をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置であって、
   内部にてプラズマ処理が行われる処理容器と、
   マイクロ波を出力するマイクロ波源と、
   前記マイクロ波源から出力されたマイクロ波を伝送する矩形導波管と、
   前記矩形導波管を伝送したマイクロ波のモードを変換する同軸変換機と、
   前記同軸変換機にてモードを変換されたマイクロ波を伝送する同軸導波管と、
   前記スロット板に対して非接触の状態で前記同軸導波管の内部導体に取り付けられたテーパー状のコネクタ部と、
   前記テーパー状のコネクタ部と前記スロット板とを電気的に接続する弾性体とを備えたマイクロ波プラズマ処理装置。
2. 前記スロット板は、前記テーパー状のコネクタ部の先端面より大きな開口を有し、
   前記テーパー状のコネクタ部は、前記スロット板の開口を貫通して設置台と連結し、
   前記設置台に前記弾性体が配置されている請求項１に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
3. 前記弾性体は、線材の金属シールド部材である請求項２に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
4. 昇温後において前記テーパー状のコネクタ部の被処理体に向かう面と前記遅波板の被処理体に向かう面とが同一面内に位置する請求項１〜３のいずれか一項に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
5. 前記設置台は、外周につば部を有し、
   前記弾性体は、前記つば部と前記スロット板との間に設けられる請求項１〜４のいずれか一項に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
6. 前記設置台のつば部は、段差を有し、
   前記弾性体は、前記つば部に設けられた最も内側の段差より外側に設けられる請求項５に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
7. 前記設置台のつば部は、段差の角が丸く形成されている請求項６に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
8. 前記設置台のつば部と前記スロット板との間隔は、前記弾性体が、昇温によるテーパー状のコネクタ部の変位を吸収しながら前記テーパー状のコネクタ部と前記スロット板とを電気的に接続する程度に離れている請求項５〜７のいずれか一項に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
9. 前記遅波板及び前記遅波板に隣接して設けられた冷却ジャケットの少なくともいずれかの表面に絶縁材をコーティングする請求項１〜８のいずれか一項に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
10. ラジアルラインスロットアンテナのスロット板から放出されたマイクロ波を用いて生成されたプラズマにより被処理体をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置にマイクロ波を給電する方法であって、
    マイクロ波源からマイクロ波を出力し、
    前記出力されたマイクロ波を矩形導波管に伝送し、
    前記伝送したマイクロ波のモードを同軸変換機にて変換し、
    前記スロット板に対して非接触の状態で前記同軸導波管の内部導体に取り付けられたテーパー状のコネクタ部と前記スロット板とを弾性体により電気的に接続するマイクロ波の給電方法。

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