JP2010170809A - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マイクロ波プラズマ処理装置10は、マイクロ波によりガスを励起させて基板Gをプラズマ処理するための処理容器100と、マイクロ波を出力するマイクロ波源900と、マイクロ波源900から出力されたマイクロ波を伝送する伝送線路と、処理容器100の内面に設けられ、マイクロ波を処理容器100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同軸管分配器600と、を有する。同軸管分配器600は、入力部Inを有する第2の同軸管620と、複数の第1の同軸管610に連結される異なる構成の分岐構造B1,B2とを含む。
【選択図】図5
Description
<第1実施形態>
[プラズマ処理装置の構成]
(全体構成)
(天井面の構成)
(伝送線路)
(同軸管分配器と分岐構造)
(第1の誘電体)
[各分岐構造のインピーダンス整合及び位相調整機構]
(特性インピーダンス変換/位相調整部)
(インピーダンス整合)
(第2の分岐構造のインピーダンス整合)
(第1の分岐構造のインピーダンス整合)
[効果の例]
<第1実施形態の変形例>
[変形例1に係る分岐構造]
[変形例2に係る分岐構造]
[変形例3に係る分岐構造]
[変形例4に係る分岐構造]
[変形例5に係る分岐構造]
[変形例6に係る分岐構造]
[プラズマ処理装置の構成]
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の構成について、図1及び図2を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置10の一部を拡大した縦断面(図2及び図5に示した3−0,0’−3断面)図である。図2は、図1の1−1断面であり、マイクロ波プラズマ処理装置10の天井面を示している。
図1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。
図2を参照すると、処理容器100の天井面には、誘電体板305、金属電極310及び金属カバー320が規則的に配置されている。誘電体板305及び金属電極310は、基板Gや処理容器100に対して概ね45°傾いた位置に等ピッチで20枚配置される。誘電体板305のわずかに削られた角部同士は隣接して配置される。金属カバー320は、誘電体板305及び金属電極310の間に12枚配置される。
次に、マイクロ波を伝送する伝送線路について説明する。マイクロ波源900は、915MHzのマイクロ波を出力する。蓋体300には、マイクロ波を伝送させる同軸管が埋め込まれている。蓋体300を掘り込んで形成された第1の同軸管610の外部導体610bには、内部導体610aが挿入されている。第1の同軸管610の端部は、誘電体板305に当接している。このようにして、複数の第1の同軸管610は、複数の誘電体板305に一対一に設けられ、これにより、マイクロ波を複数の誘電体板305に伝送する。
図5は、図1の2−2断面図である。本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置10は、天井面を20のセルCelに区画し、G4.5サイズの基板(920mm×730mm)を処理する。
図1に示した第1の同軸管610(第1の分岐構造の同軸管)には、テーパ状の第1の誘電体610cが埋め込まれている。テーパ状の第1の誘電体610cは、第1の同軸管610の内部導体610aと外部導体610bとの間に介在され、第3の同軸管630との連結部分から第1の同軸管610の下端部に向かって逆テーパ状に形成及び配置される。第3の同軸管630と第1の同軸管610との連結部分では、外部導体の空間が大きく、かつ内部導体に多少の丸みが形成されている。これにより、分岐部分でのマイクロ波の反射を抑えるとともに、テーパ状の第1の誘電体610cを固定する。テーパ状の第1の誘電体610cは、石英、アルミナ、イットリア等の誘電体から形成される。
次に、図8を参照しながら、各分岐構造のインピーダンス整合及び位相調整機構について説明する。図8は、第1の分岐構造B1及び第2の分岐構造B2を模式的に示した図である。図8では、入力部In右側の第2の分岐構造B2は省略されている。
第1の誘電体610cは、テーパ形状及び長さでマイクロ波の反射を抑えつつ特性インピーダンスを適切な値に変換すると同時に、第1の分岐構造B1の電気長を調整して全てのセルに供給されるマイクロ波の位相を揃える。
以上の特性インピーダンス変換/位相調整部の機能を踏まえて、本実施形態における第1の分岐構造B1及び第2の分岐構造B2とのインピーダンス整合について説明する。
P1(横の同軸管に供給される電力)=V2(入力部Inの電圧)/R1(横の同軸管を見た抵抗)
P2(縦の同軸管に供給される電力)=V2(入力部Inの電圧)/R2(縦の同軸管を見た抵抗)
P1/P2=4/1=R2/R1・・・(2)
1/(1/R1+1/R1+1/R2+1/R2)=30Ω・・・(3)
まず、第2の分岐構造B2側のインピーダンス整合について説明する。電界集中と負荷側からの反射を抑えるために、各セルの金属電極310に繋がる第1の同軸管610の下部の特性インピーダンスを、たとえば20Ωに設定する。これに対して、第1の同軸管610の上部の特性インピーダンスを30Ωにするように第1の同軸管610の内部導体610aに段差を設ける。また、第1の同軸管610の下部の長さを調整することにより、反射をより小さく抑える。また、第5の同軸管650の特性インピーダンスを第1の同軸管610の上部の特性インピーダンスと等しい30Ωにする。
ここで、Zc7は主管700の(分岐部C近傍の)特性インピーダンス、Zc5は同軸管650の特性インピーダンスである。式(4)にZc7=60Ω、Zc5=30Ωを代入すると、Zc4=42.4Ωとなる。
次に、第1の分岐構造B1側のインピーダンス整合について説明する。第2の分岐構造のインピーダンス整合の場合と同様に、電界集中と負荷側からの反射を抑えるために、各セルの金属電極310に繋がる第1の同軸管610の下部の特性インピーダンスを20Ωに設定する。これに対して、第1の同軸管610の上部の特性インピーダンスを30Ωにするように第1の同軸管610の内部導体610aに段差を設けるとともに、反射が生じないように下部の長さを調整する。
ここで、Zc1は同軸管610の特性インピーダンス変換部上部の特性インピーダンスである。式(5)にZin=300Ω、Zc1=20Ωを代入すると、Zc3=77.4Ωとなる。
以上のように、分岐構造の最適化を図った同軸管分配器600分岐回路について、反射の状態及び位相の状態をシミュレーションにより求めた。図9は、図7に示す各ポートにおけるマイクロ波の入射、反射、透過の状態をSパラメータで表記した結果である。その結果を図9に示す。S11は、ポート1から入力してポート1から出力されるマイクロ波を示している。すなわち、S11は、ポート1から出力されるマイクロ波の反射波及び位相(かっこ内)を示す。これによれば、ポート1からのマイクロ波の反射は、「0.003」とほぼ「0」であり、反射が極めて小さいことが分かる。
[変形例1に係る分岐構造]
図10(b)に示したように、今まで述べてきた10分岐(セル数:5×2=10)の分岐構造を基本として、図10(a)、図10(c)〜図10(e)等の変形例が考えられる。たとえば、図10(a)に示した変形例1に係る分岐構造では、第2の同軸管(入力部In)に第2の分岐構造が配置され、その両側に第1の分岐構造B1が同軸管分配器600の主管700に対して対称的に配置される。つまり、第1の分岐構造B1及び第2の分岐構造B2は、第2の同軸管(入力部In)から両側に向けて第2の分岐構造B2、第1の分岐構造B1の順に主管700に連結されている。この場合、セル数は、8(=6×2)となる。
図10(c)に示した変形例2に係る分岐構造では、第1の分岐構造B1及び第2の分岐構造B2は、同軸管分配器600の主管700に対して対称的に配置される。つまり、第1の分岐構造B1及び第2の分岐構造B2は、第2の同軸管(入力部In)から両側に向けて第1の分岐構造B1、第2の分岐構造B2の順に主管700に連結されている。この場合、セル数は、12(=6×2)となる。
図10(d)に示した変形例3に係る分岐構造では、第1の分岐構造B1を中心として、第2の分岐構造B2、第1の分岐構造B1が入力部Inの両側に交互に出現する。この場合、セル数は、14(=7×2)となる。その際、第1の分岐構造B1の連結部と第2の分岐構造B2の連結部との距離は、すべて2πnrad(nは整数)にする。これにより、同一振幅のマイクロ波を各セルに供給することができる。
図10(e)に示した変形例4に係る分岐構造では、図10(c)の同軸管分配器600に対して、最も外側に、さらに第1の分岐構造B1が連結されている。この場合、セル数は、16(=8×2)となる。この場合にも、入力部Inから第1の分岐構造B1までの間の長さは自由に定められる。第1の分岐構造B1の連結部と第2の分岐構造B2の連結部との距離は、2πnrad(nは整数)にする。これにより、同一振幅のマイクロ波を各セルに供給することができる。
図11に示した変形例5では、図10(c)の同軸分配器600の構成が並列に4つ並べられている。これによれば、太陽電池基板サイズ1.20m×1.64mに適したプラズマ励起領域を確保することができる。
図12に示した変形例6では、図10(b)の同軸分配器600の構成が縦横に4つずつ合計8つ並べられている。これによれば、太陽電池基板サイズ1.64m×2.08mに適したプラズマ励起領域を確保することができる。
100 処理容器
105 サセプタ
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
350 サイドカバー
600 同軸管分配器
610 第1の同軸管
610a 内部導体
610b 外部導体
610c 第1の誘電体
620 第2の同軸管
630 第3の同軸管
640 第4の同軸管
650 第5の同軸管
700 主管
800,810,815,820 テフロンリング
805 テフロンロッド
900 マイクロ波源
905 ガス供給源
910 冷媒供給源
915 導波管
B1 第1の分岐構造
B2 第2の分岐構造
Cel セル
Claims (19)
- 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、
前記処理容器の内面に設けられ、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段以上の所定の段数を有する複数の同軸管分配器と、を備え、
前記複数の同軸管分配器のうち少なくとも一つは、他の同軸管分配器と段数が異なることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記複数の同軸管分配器のうち少なくとも一つは段数が1段であり、他の同軸管分配器の段数は2段である請求項1に記載のプラズマ処理装置。
- 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、
前記処理容器の内面に設けられ、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、前記複数の第1の同軸管にそれぞれ連結される異なる構成の分岐構造と、前記異なる構成の分岐構造が連結する主同軸管と、を含むプラズマ処理装置。 - 前記主同軸管に連結される入力部を有する第2の同軸管を有する請求項3に記載のプラズマ処理装置。
- 前記分岐構造は、第1の分岐構造及び第2の分岐構造の2種類を有する請求項3又は請求項4のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記第1の分岐構造は、分岐せずに前記複数の第1の同軸管の少なくともいずれかに連結される請求項5に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第2の分岐構造は、分岐して前記複数の第1の同軸管の少なくともいずれかに連結される請求項5又は請求項6のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記第2の分岐構造は、2分岐である請求項7に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第1の分岐構造及び前記第2の分岐構造は、前記主同軸管に交互に連結される請求項5〜8のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記第1の分岐構造及び前記第2の分岐構造は、前記第2の同軸管と前記主同軸管との連結部から前記主同軸管の両側に向かって前記主同軸管に交互に連結される請求項5〜8のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記第1の分岐構造及び前記第2の分岐構造が前記主同軸管に連結する連結部分のピッチは、電気長で2πnrad(nは整数)である請求項5〜9のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記第1の分岐構造及び前記第2の分岐構造が前記主同軸管に連結する連結部分のピッチは、前記第2の同軸管と前記主同軸管との連結部を除いて電気長で2πnrad(nは整数)である請求項5〜8、10のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記第1の分岐構造及び前記第2の分岐構造は、前記第2の同軸管に対して対称的に前記主同軸管に連結されている請求項9〜12のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記複数の第1の同軸管内の少なくともいずれかには、第1の誘電体が埋め込まれている請求項5〜13のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記第1の誘電体は、テーパ状である請求項14に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第1の誘電体は、前記第1の同軸管の内部導体と外部導体との間に介在される請求項14又は請求項15のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記第1の誘電体は、その形状により前記第1の同軸管の特性インピーダンスを変換する請求項14〜16のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記第1の誘電体は、その長さにより前記第1の同軸管の電気長を調整する請求項14〜17のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記複数の第1の同軸管は、前記複数の誘電体板に等ピッチでそれぞれ連結され、各ピッチは、前記主同軸管の電気長を基準として4πn/3rad(nは整数)である請求項3〜18のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
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