JP2017016828A - マイクロ波プラズマ生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低圧下においても安定したマイクロ波プラズマを生成することができるマイクロ波プラズマ生成装置を提供する。
【解決手段】 マイクロ波プラズマ生成装置１は、マイクロ波を伝送する第一導波管１０Ｕと、真空容器８０内に配置され、磁性体からなる管壁部４３と、複数のスロット４４０が形成されたスロットアンテナ４４と、管内部に少なくともスロット４４０を覆うように配置される第二誘電体４５と、を有し一方向に延在する第二導波管４１と、第二導波管４１の外側に配置されスロットアンテナ４４のプラズマ生成側の表面におけるスロット４４０位置に電子サイクロトロン共鳴が生じる磁場を形成する磁石５０ａ、５０ｂと、を有するプラズマ生成部２０と、第一導波管１０Ｕと第二導波管４１との間に介在し、管内部に第二誘電体４５よりも屈折率が小さい第三誘電体３１を有する第三導波管３０Ｕと、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ波を用いてプラズマを生成するマイクロ波プラズマ生成装置に関する。

マイクロ波を利用した表面波プラズマは、広い空間領域に高密度のプラズマを生成することができるという利点から、樹脂部品、樹脂フィルム、半導体などの表面に対するクリーニング、改質、成膜などの様々な処理に用いられる。例えば特許文献１、２に記載されているように、従来のマイクロ波プラズマ生成装置は、導波管とスロットアンテナと誘電体板とを備える。スロットアンテナは、導波管の開口部に配置される。スロットアンテナには、複数のスロットが形成される。誘電体板は、スロットアンテナに積層して配置される。導波管により伝送されるマイクロ波は、スロットアンテナのスロットを通過し、誘電体板に入射して誘電体板の表面を伝播する。伝播するマイクロ波の強電界により真空容器内のガスが電離して、マイクロ波プラズマが生成される。

不純物の混入を抑制して、処理の純度を高めるためには、マイクロ波プラズマ処理をできるだけ低圧下で行うことが望ましい。しかし、従来のマイクロ波プラズマ生成装置によると、低圧下で安定したマイクロ波プラズマを生成することが難しく、処理圧力を５Ｐａ程度までにしか下げることができなかった。また、誘電体板は、表面にマイクロ波を伝播させて、プラズマを生成する役割を果たしている。しかし、誘電体板が真空容器内に表出しているため、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などにより成膜を行う場合、誘電体板の表面に膜の成分が付着しやすい。これにより、プラズマ密度が低下してしまう。また、付着した膜の成分が、伝播するマイクロ波により発熱し、誘電体板が割れるおそれもあった。

特開２００９−２２４２６９号公報 特開２００５−１９７３７１号公報 国際公開２０１４／１０３６０４号 特開２００９−１４６８３７号公報

上述した問題を解決するため、本発明者は、誘電体板が真空容器内に表出していないマイクロ波プラズマ生成装置を開発した（特許文献３参照）。図５に、特許文献３に記載されているマイクロ波プラズマ生成装置の構成を示す。図５に示すように、マイクロ波プラズマ生成装置９は、右から順に、第一導波管９０と、第三導波管９１と、第二導波管９２と、を備えている。第一導波管９０、第三導波管９１、および第二導波管９２は、いずれもアルミニウム製である。第三導波管９１は、第一導波管９０と第二導波管９２との間に配置されている。第三導波管９１の内部には、図５中、点線で示すように、石英からなる第三誘電体９１０が充填されている。第二導波管９２は、スロットアンテナ９２０を有している。スロットアンテナ９２０は、第二導波管９２の前壁として配置されている。スロットアンテナ９２０には、前後方向に貫通するスロット９２１が形成されている。第二導波管９２の内部には、図５中、一点鎖線で示すように、アルミナからなる第二誘電体９２２が充填されている。

図５中、矢印で示すように、マイクロ波は、第一導波管９０、第三導波管９１、第二導波管９２の順に伝播する。第二導波管９２を伝播するマイクロ波は、スロットアンテナ９２０のスロット９２１を通過して、スロットアンテナ９２０の前面を伝播する。この時のマイクロ波の強電界により真空容器内のガスが電離して、スロットアンテナ９２０の前方にマイクロ波プラズマが生成される。

マイクロ波プラズマ生成装置９においては、第二導波管９２の内部に空気より屈折率が大きい第二誘電体９２２が充填されている。これにより、第二導波管９２を伝播するマイクロ波の波長は、空気中を伝播する時の波長よりも短くなり、第二導波管９２内において電界強度が大きくなる部分が増加する。このため、スロットアンテナ９２０には、従来と比較して多くのスロット９２１を形成することができる。こうすると、スロットアンテナ９２０の前面の電界強度が大きくなるため、従来よりも低圧下でマイクロ波プラズマを生成しやすくなる。

また、図５に示すマイクロ波プラズマ生成装置９によると、スロットアンテナ９２０の前側に誘電体板を配置する必要はない。換言すると、マイクロ波プラズマ生成装置９は、真空容器内に表出する誘電体板を有さない。このため、成膜処理に使用しても、誘電体板の表面に膜の成分が付着するという問題は生じない。

しかしながら、図５に示すマイクロ波プラズマ生成装置は、マイクロ波プラズマをより低圧下で安定して生成させるという点において、充分とはいえない。具体的には、数Ｐａ程度の低圧下でプラズマを生成させる場合、最初に数十〜１００Ｐａ程度でプラズマを生成させておいてから、目的とする低圧まで圧力を低下させることが必要であった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、低圧下においても安定したマイクロ波プラズマを生成することができるマイクロ波プラズマ生成装置を提供することを課題とする。

（１）上記課題を解決するため、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置は、真空容器内のガスを電離してマイクロ波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ生成装置であって、マイクロ波を伝送する第一導波管と、該真空容器内に配置され、磁性体からなる管壁部と、管内部を伝播する該マイクロ波が通過する複数のスロットが形成されたスロットアンテナと、管内部に少なくとも該スロットを覆うように配置される第二誘電体と、を有し一方向に延在する第二導波管と、該第二導波管の外側に配置され該スロットアンテナのプラズマ生成側の表面における該スロット位置に電子サイクロトロン共鳴が生じる磁場を形成する磁石と、を有するプラズマ生成部と、該第一導波管と該第二導波管との間に介在し、管内部に該第二誘電体よりも屈折率が小さい第三誘電体を有する第三導波管と、を備えることを特徴とする。

本発明のマイクロ波プラズマ生成装置においては、第二導波管の内部に第二誘電体が配置される。これにより、第二導波管内を伝播するマイクロ波の波長は、空気中を伝播する時の波長よりも短くなる。上述したように、マイクロ波の波長が短くなると、第二導波管内において電界強度が大きくなる部分が増加する。このため、スロットアンテナに多くのスロットを形成することができる。スロット間隔を小さくして、スロットを多数形成すると、スロットアンテナの単位面積当たりの電界強度が大きくなる。また、スロットが密に形成されると、隣接するスロットを通過するマイクロ波が互いに補完し合うことにより、スロットアンテナの表面全体の電界強度を大きくすることができる。

通常、屈折率が異なる媒体に対してマイクロ波を伝播させると、媒体の境界でマイクロ波の反射が生じてしまう。この点、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置においては、第一導波管と第二導波管との間に第三導波管が介在している。第三導波管内の第三誘電体の屈折率は、第二導波管内の第二誘電体の屈折率よりも小さい。よって、第一導波管から伝送されるマイクロ波は、一旦、第三導波管において波長が変換された後に、第二導波管に伝送される。波長の変換を二段階（若しくはそれ以上）で行うことにより、第一導波管から第二導波管へ直接マイクロ波を伝送する場合と比較して、第二導波管へ入射する際のマイクロ波の反射を、抑制することができる。これにより、マイクロ波のエネルギーが低下するのを抑制することができる。例えば、第一導波管内に充填物が無く、マイクロ波が空気中を伝送される場合、第三誘電体としては、屈折率が空気の屈折率よりも大きく、かつ、第二誘電体の屈折率よりも小さいものを採用すればよい。

このように、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置においては、スロットアンテナの表面の電界強度を大きくすることができるため、第二導波管を長尺状にした場合においても、長手方向に略均一なマイクロ波の放射が可能になる。また、第二導波管の短手方向の断面積を小さくして、第二導波管を小型化することができる。この場合、改質や成膜処理に必要な他の部材や装置との干渉が抑制される。したがって、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置は、例えば、被処理部材を供給、搬送する装置を備え改質処理や成膜処理を連続して行うような処理装置にも組み込みやすい。

加えて、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置のプラズマ生成部は、第二導波管の外側に磁石を有する。これにより、スロットアンテナのプラズマ生成側の表面におけるスロット位置に磁場を形成し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を発生させながらＥＣＲプラズマを生成することができる。マイクロ波プラズマ中の電子は、サイクロトロン角周波数ω_ｃｅに従って、磁力線方向に対して右回りの旋回運動を行う。一方、マイクロ波プラズマ中を伝播するマイクロ波は、電子サイクロトロン波と呼ばれる右回りの円偏波を励起する。電子サイクロトロン波が前方に伝播し、その角周波数ωがサイクロトロン角周波数ω_ｃｅに一致すると、電子サイクロトロン波が減衰し、波動エネルギーが電子に吸収される。すなわち、ＥＣＲが生じる。

ＥＣＲが発生するためには、マイクロ波の周波数ｆ［ＭＨｚ］とスロット位置の磁束密度Ｂ［ｍＴ］とが次式（ｉ）を満たす必要がある。
ω_ｃｅ＝２πｆ＝ｅＢ／ｍ_ｅ ・・・（ｉ）
［式（ｉ）中、ｅは素電荷、ｍ_ｅは電子の質量。］
式（ｉ）を展開すると、Ｂ＝ｆ／２８となる。例えば、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、スロット位置には８７．５ｍＴの磁束密度が必要になる。また、マイクロ波の周波数が９１５ＭＨｚの場合、スロット位置には３２．７ｍＴの磁束密度が必要になる。

ＥＣＲによりエネルギーが増大した電子は、磁力線に拘束されながら、周辺の中性粒子と衝突する。これにより、中性粒子が次々に電離する。電離により生じた電子も、ＥＣＲにより加速され、さらに中性粒子を電離させる。このようにして、高密度のＥＣＲプラズマが生成される。

このように、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置によると、ＥＣＲを利用してプラズマ密度を大きくすることにより、１Ｐａ以下の低圧下、さらには０．５Ｐａ以下の極低圧下においても、安定したプラズマを生成することができる。また、予め数十〜１００Ｐａ程度でプラズマを生成させておく必要はなく、真空容器内を所望の低圧にした状態でプラズマを生成させることができる。したがって、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置によると、真空容器内の圧力を低くして、純度の高い処理を行うことができる。

ちなみに、導波管の近傍に磁石が配置されると、導波管内部の電磁場が乱されるおそれがある。例えば、上記特許文献４には、永久磁石２５ａ〜２５ｄを備えるマイクロ波プラズマ処理装置が記載されている。このうち、永久磁石２５ａ、２５ｂは、導波管１５ａを挟んで導波管１５ａの長手方向に沿って配置されている。永久磁石２５ａ、２５ｂの磁極は不明であるが、導波管１５ａの材質はアルミニウム合金である（特許文献４の段落［００２８］）。このため、永久磁石２５ａ、２５ｂの磁場が導波管１５ａの内部に作用して、導波管１５ａ内の電磁場を変化させ、マイクロ波の伝播に影響を与えると考えられる。

これに対して、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置によると、第二導波管の壁部（管壁部）は磁性体から形成される。磁石と第二導波管の壁部とで磁気回路を形成することにより、磁力線が第二導波管の内部に侵入するのを抑制すると共に、スロットアンテナの表面の磁場を強くすることができる。

（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記第二導波管の前記管内部および前記第三導波管の前記管内部は真空である構成にするとよい。

例えば、第二導波管の管内部のみを真空にする場合、スロットアンテナと第二誘電体との間の真空シール、スロットアンテナと管壁部との間の真空シールなど、第二導波管を構成する部材同士の真空シールが必要になる。さらに、第二導波管と第三導波管との間の真空シールも必要になる。しかし、部材ごとに真空シールを行うのは煩雑であり、寸法上真空シールが困難な場合もある。また、第二導波管は高温になるため、真空シールの熱対策が必要になる。この点、本構成によると、第二導波管の管内部と第三導波管の管内部とを全て真空にすることにより、部材ごとに真空シールを行う必要がなくなり、真空シールの熱対策も不要になる。

（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記真空容器内の前記ガスの圧力は、０．０５Ｐａ以上２０Ｐａ以下である構成にするとよい。

本構成によると、真空容器内が高真空状態になるため、不純物の混入が抑制され、処理の純度を高めることができる。また、生成したマイクロ波プラズマを広げることができる。

（４）好ましくは、上記（１）ないし（３）のいずれかの構成において、前記第二誘電体は、石英、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミニウム、酸化マグネシウムから選ばれる一種である構成にするとよい。

石英、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミニウム、酸化マグネシウムは、マイクロ波を吸収しにくい。つまり、プラズマソースとなるマイクロ波の損失が少ないため好適である。

また、第三誘電体は、第二誘電体よりも屈折率が小さければよい。このため、第三誘電体は、第二誘電体との組合せを考慮して、適宜選択すればよい。例えば、第二誘電体として石英を用いた場合には、第三誘電体は、ポリテトラフルオロエチレンなどを用いればよい。第二誘電体としてアルミナを用いた場合には、第三誘電体は、石英などを用いればよい。

（５）好ましくは、上記（１）ないし（４）のいずれかの構成において、前記第二導波管の短手方向断面は矩形状を呈し、前記スロットアンテナは該第二導波管のＨ面に配置される構成にするとよい。

（６）好ましくは、上記（１）ないし（５）のいずれかの構成において、前記第一導波管は、前記第二導波管の上流側に配置される上流側第一導波管と、下流側に配置される下流側第一導波管とを有し、該上流側第一導波管および該下流側第一導波管は、該第二導波管を挟んで対称なＬ字状に配置され、前記第三導波管は、少なくとも該上流側第一導波管と該第二導波管との間に介在する構成にするとよい。

本発明のマイクロ波プラズマ生成装置は、第一導波管として下流側第二導波管が配置されない形態、すなわち上流側第一導波管のみが配置される形態でも構わない。しかしながら、本構成のように、第二導波管の下流側にも導波管を接続させ、そこにプランジャなどの終端調整部材を配置することにより、管長を調整することができる。ここで、上流側第一導波管および下流側第一導波管は、第二導波管を挟んで対称なＬ字状に配置される。このため、第一導波管（上流側第一導波管および下流側第一導波管）を真空容器の一つの隔壁に貫通させて、マイクロ波プラズマ生成装置を真空容器に取り付けることができる。これにより、上流側第一導波管、プラズマ生成部、下流側第一導波管を直線状に配置する形態と比較して、取り付けが容易になり、省スペース化を図ることができる。また、上流側第一導波管、下流側第一導波管、プラズマ生成部、第三導波管、および隔壁をユニット化しておくと、種々の処理装置にマイクロ波プラズマ生成装置を容易に組み込むことができる。

（７）好ましくは、上記（６）の構成において、前記下流側第一導波管は、終端位置を変化させる終端調整部材を有する構成にするとよい。

本構成によると、終端調整部材により管長を伸縮して、スロット位置の電界強度を調整することができる。これにより、スロットからマイクロ波が伝播しやすくなり、安定したプラズマを生成することができる。

第一実施形態のマイクロ波プラズマ生成装置を備えるマイクロ波プラズマ処理装置を上方から見た断面図である。 同マイクロ波プラズマ生成装置の前面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 第二実施形態のマイクロ波プラズマ生成装置の左側面図である。 従来のマイクロ波プラズマ生成装置の斜視図である。 マイクロ波の出力に対する電子密度の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置の実施の形態について説明する。

＜第一実施形態＞
［マイクロ波プラズマ生成装置の構成］
まず、本実施形態のマイクロ波プラズマ生成装置の構成について説明する。図１に、本実施形態のマイクロ波プラズマ生成装置を備えるマイクロ波プラズマ処理装置を上方から見た断面図を示す。図２に、同マイクロ波プラズマ生成装置の前面図を示す。図３に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図を示す。図１〜図３に示すように、マイクロ波プラズマ処理装置８は、真空容器８０と、マイクロ波プラズマ生成装置１と、を備えている。

真空容器８０は、アルミ鋼製であって、直方体箱状を呈している。真空容器８０の後側の隔壁８３には、二つの導波管挿通孔８１Ｕ、８１Ｄが穿設されている。導波管挿通孔８１Ｕには、マイクロ波プラズマ生成装置１の上流側第一導波管１０Ｕが挿通されている。導波管挿通孔８１Ｄには、マイクロ波プラズマ生成装置１の下流側第一導波管１０Ｄが挿通されている。真空容器８０の右壁には、ガス供給孔８２が穿設されている。ガス供給孔８２には、真空容器８０の内部にガスを供給するためのガス供給管が接続されている。真空容器８０の下壁には、排気孔（図略）が穿設されている。排気孔には、真空容器８０の内部のガスを排出するための真空排気装置が接続されている。

マイクロ波プラズマ生成装置１は、上流側第一導波管１０Ｕと、下流側第一導波管１０Ｄと、プラズマ生成部２０と、上流側第三導波管３０Ｕと、下流側第三導波管３０Ｄと、を備えている。

上流側第一導波管１０Ｕは、アルミニウム製であって、断面矩形の管状を呈している。上流側第一導波管１０Ｕは、上方から見てＬ字状を呈している。上流側第一導波管１０Ｕの上流端は、図示しないマイクロ波伝送部に接続されている。マイクロ波伝送部は、マイクロ波電源、マイクロ波発振器、アイソレータ、パワーモニタ、およびＥＨ整合器を備えている。上流側第一導波管１０Ｕの下流端は、上流側第三導波管３０Ｕに接続されている。

下流側第一導波管１０Ｄは、アルミニウム製であって、断面矩形の管状を呈している。下流側第一導波管１０Ｄは、上方から見て、プラズマ生成部２０を挟んで上流側第一導波管１０Ｕと対称のＬ字状（逆Ｌ字状）を呈している。下流側第一導波管１０Ｄの上流端は、下流側第三導波管３０Ｄに接続されている。下流側第一導波管１０Ｄの下流側には、プランジャ１１が配置されている。プランジャ１１は、前後方向に移動可能であり、プランジャ１１の前面が下流側第一導波管１０Ｄの終端を形成している。プランジャ１１は、本発明の終端調整部材の概念に含まれる。

プラズマ生成部２０は、真空容器８０内に配置され、本体部２１と一対の磁石部２２ａ、２２ｂとを有している。本体部２１は、筐体４０と、第二導波管４１と、三つの冷却板４２と、を有している。筐体４０は、Ｎｉめっきが施された鉄製であり、直方体状を呈している。筐体４０は、凹部４００を有している。凹部４００は、断面が角Ｃ字状で左右方向に延在している。三つの冷却板４２は、各々、ステンレス鋼製であり、左右方向に延在している。三つ冷却板４２は、凹部４００の上方、下方、後方の三方に一つずつ配置されている。

第二導波管４１は、凹部４００に配置され、左右方向に直線状に延在している。第二導波管４１は、管壁部４３と、スロットアンテナ４４と、第二誘電体４５と、を有している。管壁部４３は、Ｎｉめっきが施された鉄製である。スロットアンテナ４４は、鉄製であり、矩形板状を呈している。スロットアンテナ４４は、第二導波管４１のＨ面に配置されている。スロットアンテナ４４は、第二導波管４１の前壁を形成している。スロットアンテナ４４には、前後方向に貫通するスロット４４０が複数個形成されている。複数のスロット４４０は、各々、左右方向に伸びる長孔状を呈し、上下二列に配置されている。スロット４４０は、マイクロ波の定在波の腹の位置に対応して配置されている。管壁部４３とスロットアンテナ４４とにより、断面矩形状の空間が形成されている。第二誘電体４５は、当該空間に充填されている。第二誘電体４５は、アルミナ製であって、直方体状を呈している。第二誘電体４５は、スロット４４０を後方から覆っている。

一対の磁石部２２ａ、２２ｂは、本体部２１の前面に、スロットアンテナ４４を挟むようにして上下に一つずつ配置されている。上方の磁石部２２ａは、左右方向に直線状に延在している。磁石部２２ａは、永久磁石５０ａと二つの冷却パイプ５１ａ、５２ａとを有している。永久磁石５０ａは、左右方向に直線状に連結された十個の永久磁石から構成されている。十個の永久磁石は、各々、サマリウムコバルト磁石であり、直方体状を呈している。十個の永久磁石の下側はＮ極、上側はＳ極である。永久磁石５０ａのＮ−Ｓ方向は、スロットアンテナ４４の前面に対して平行である。永久磁石５０ａの下面は、アルミニウム製のカバー部材５３ａで覆われている。冷却パイプ５１ａ、５２ａは、前後方向において永久磁石５０ａを挟むように配置されている。冷却パイプ５１ａ、５２ａ内には、冷却液が流れている。下方の磁石部２２ｂの構成は、磁石部２２ａの構成と同じである。すなわち、磁石部２２ｂは、左右方向に直線状に延在し、永久磁石５０ｂと二つの冷却パイプ５１ｂ、５２ｂとを有している。永久磁石５０ｂは、直線状に連結された十個の永久磁石から構成されている。十個の永久磁石の上側はＮ極、下側はＳ極である。永久磁石５０ｂのＮ−Ｓ方向は、スロットアンテナ４４の前面に対して平行である。永久磁石５０ｂの上面は、アルミニウム製のカバー部材５３ｂで覆われている。冷却パイプ５１ｂ、５２ｂは、前後方向において永久磁石５０ｂを挟むように配置されている。冷却パイプ５１ａ、５２ｂ内には、冷却液が流れている。

永久磁石５０ａ、５０ｂにより、スロットアンテナ４４の前面（プラズマ生成側の表面）には磁場が形成されている。スロット４４０位置において、スロットアンテナ４４の前面から前方に１０ｍｍ離間した地点の磁束密度は、８７．５ｍＴである。

上流側第三導波管３０Ｕは、アルミニウム製であって、断面矩形の短い管状を呈している。上流側第三導波管３０Ｕは、上流側第一導波管１０Ｕとプラズマ生成部２０との間に配置されている。上流側第三導波管３０Ｕの上流端は、上流側第一導波管１０Ｕの下流端に接続されている。上流側第三導波管３０Ｕの下流端は、第二導波管４１の上流端に接続されている。上流側第三導波管３０Ｕの内部には、第三誘電体３１が充填されている。第三誘電体３１は、石英製であって、直方体状を呈している。第三誘電体３１の右端は、第二誘電体４５に接触している。第三誘電体３１（石英）の屈折率は、上流側第一導波管１０Ｕの内部（空気）の屈折率と第二誘電体４５（アルミナ）の屈折率との中間値である。

下流側第三導波管３０Ｄは、アルミニウム製であって、断面矩形の短い管状を呈している。下流側第三導波管３０Ｄは、下流側第一導波管１０Ｄとプラズマ生成部２０との間に配置されている。下流側第三導波管３０Ｄの上流端は、第二導波管４１の下流端に接続されている。下流側第三導波管３０Ｄの下流端は、下流側第一導波管１０Ｄの上流端に接続されている。下流側第三導波管３０Ｄの構成は、上流側第三導波管３０Ｕの構成と同じである。すなわち、下流側第三導波管３０Ｄの内部には、第三誘電体３１が充填されている。第三誘電体３１の左端は、第二誘電体４５に接触している。図１、図２に示すように、上流側第三導波管３０Ｕから下流側第三導波管３０Ｄまでの区間Ｖの管内部は、真空になっている。上流側第三導波管３０Ｕの上流端および下流側第三導波管３０Ｄの下流端には、図示しないシール部材が配置されている。

［マイクロ波プラズマ生成装置の動作］
次に、マイクロ波プラズマ生成装置１の動作について説明する。まず、真空排気装置を作動させて、真空容器８０の内部のガスを排出し、真空容器８０の内部を減圧状態にする。次に、ガス供給管から、所定のガスを真空容器８０内へ供給し、真空容器８０内の圧力を所定の圧力にする。続いて、マイクロ波伝送部のマイクロ波電源をオンにして、マイクロ波発振器から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振する。発振されたマイクロ波は、図１中、白抜き矢印で示すように、上流側第一導波管１０Ｕを通って上流側第三導波管３０Ｕ内を伝播する。上流側第三導波管３０Ｕの内部には、石英製の第三誘電体３１が充填されている。このため、上流側第三導波管３０Ｕ内において、マイクロ波の波長は変換され短くなる。続いて、マイクロ波は、プラズマ生成部２０の第二導波管４１内を伝播する。第二導波管４１内には、アルミナ製の第二誘電体４５が充填されている。このため、第二導波管４１内において、マイクロ波の波長はさらに短くなる。第二導波管４１を通過したマイクロ波は、下流側第三導波管３０Ｄを通って下流側第一導波管１０Ｄに伝播する。

第二導波管４１内において、マイクロ波は、スロットアンテナ４４のスロット４４０を通過して、スロットアンテナ４４の前面を伝播する。このマイクロ波の強電界により、真空容器８０内のガスが電離して、スロットアンテナ４４の前方にマイクロ波プラズマが生成される。生成したマイクロ波プラズマ中の電子は、サイクロトロン角周波数に従って、磁力線方向に対して右回りの旋回運動を行う。一方、マイクロ波プラズマ中を伝播するマイクロ波は、電子サイクロトロン波を励起する。電子サイクロトロン波の角周波数は、磁束密度８７．５ｍＴで、サイクロトロン角周波数に一致する。これにより、ＥＣＲが生じる。ＥＣＲによりエネルギーが増大した電子は、磁力線に拘束されながら、周辺の中性粒子と衝突する。これにより、中性粒子が次々に電離する。電離により生じた電子も、ＥＣＲにより加速され、さらに中性粒子を電離させる。このようにして、スロットアンテナ４４の前方に、ＥＣＲプラズマＰが生成される。これにより、予めスロットアンテナ４４の前方に対向配置されていたワーク（図略）が処理される。

［作用効果］
次に、本実施形態のマイクロ波プラズマ生成装置の作用効果について説明する。マイクロ波プラズマ生成装置１においては、第二導波管４１の内部に第二誘電体４５が配置されている。これにより、第二導波管４１内を伝播するマイクロ波の波長は、上流側第一導波管１０Ｕ内を伝播する時の波長よりも短くなる。これにより、スロットアンテナ４４に多数のスロット４４０を形成することができるため、スロットアンテナ４４の前面全体の電界強度が大きくなる。また、上流側第一導波管１０Ｕと第二導波管４１との間には、上流側第三導波管３０Ｕが介在している。上流側第三導波管３０Ｕ内の第三誘電体３１の屈折率は、第二誘電体４５の屈折率よりも小さい。よって、上流側第一導波管１０Ｕから伝送されるマイクロ波は、一旦、上流側第三導波管３０Ｕにおいて波長が変換された後に、第二導波管４１へ伝送される。波長の変換を二段階で行うことにより、上流側第一導波管１０Ｕから第二導波管４１へ直接マイクロ波を伝送する場合と比較して、第二導波管４１へ入射する際のマイクロ波の反射を抑制することができる。これにより、マイクロ波のエネルギーが低下するのを抑制することができる。

このように、マイクロ波プラズマ生成装置１においては、スロットアンテナ４４の前面の電界強度が大きいため、長尺状の第二導波管４１により、長手方向に略均一なマイクロ波を放射することができる。また、第二導波管４１の短手方向の断面積を小さくして、第二導波管４１を小型化することができる。すなわち、プラズマ生成部２０を小型化することができる。この場合、改質や成膜処理に必要な他の部材や装置との干渉が抑制される。したがって、マイクロ波プラズマ生成装置１は、例えば、被処理部材を供給、搬送する装置を備え改質処理や成膜処理を連続して行うような処理装置にも組み込みやすい。

プラズマ生成部２０は、スロットアンテナ４４を挟んで配置される一対の永久磁石５０ａ、５０ｂを有している。これにより、スロットアンテナ４４の前面に磁場を形成して、ＥＣＲプラズマＰを生成することができる。このため、マイクロ波プラズマ生成装置１によると、１Ｐａ以下の低圧下、さらには０．５Ｐａ以下の極低圧下においても、安定したＥＣＲプラズマＰを生成することができる。また、予め数十〜１００Ｐａ程度でプラズマを生成させておく必要はなく、真空容器８０内を所望の低圧にした状態でＥＣＲプラズマＰを生成させることができる。したがって、マイクロ波プラズマ生成装置１によると、真空容器８０内の圧力を低くして、純度の高い処理を行うことができる。

第二導波管４１の管壁部４３はＮｉめっきが施された鉄製であり、スロットアンテナ４４は鉄製である。すなわち、管壁部４３、スロットアンテナ４４はいずれも磁性体から形成されている。よって、図３中、点線矢印で示すように、永久磁石５０ａ−スロットアンテナ４４−管壁部４３、永久磁石５０ｂ−スロットアンテナ４４−管壁部４３により、磁気回路が形成される。これにより、磁力線が第二導波管４１の内部に侵入するのを抑制すると共に、スロットアンテナ４４の前面の磁場を強くすることができる。また、一対の永久磁石５０ａ、５０ｂは、Ｎ極が対向するように配置されており、かつ、Ｎ−Ｓ方向が上下方向に、換言するとスロットアンテナ４４の面方向と平行に配置されている。これにより、第二導波管４１の内部に対する磁場の影響を少なくしつつ、スロットアンテナ４４の前面の磁場を強くすることができる。また、管壁部４３は、表面の導電性が高く磁気回路が形成されやすいと共に、防食性に優れる。

永久磁石５０ａの厚さ方向両側には、冷却パイプ５１ａ、５２ａが配置されている。永久磁石５０ｂの厚さ方向両側には、冷却パイプ５１ｂ、５２ｂが配置されている。これにより、永久磁石５０ａ、５０ｂの温度上昇が抑制され、磁性の低下を抑制することができる。また、第二導波管４１の周囲にも、冷却板４２が配置されている。これにより、第二導波管４１の内部の温度上昇が抑制される。

永久磁石５０ａにおいて、スロットアンテナ４４に近い後面は冷却パイプ５１ａに接しており、下面はカバー部材５３ａで覆われている。永久磁石５０ｂにおいて、スロットアンテナ４４に近い後面は冷却パイプ５１ｂに接しており、上面はカバー部材５３ｂで覆われている。このようにして、生成するＥＣＲプラズマＰに対して永久磁石５０ａ、５０ｂを保護している。

マイクロ波プラズマ生成装置１においては、第二導波管４１の下流側にも導波管（下流側第三導波管３０Ｄ、下流側第一導波管１０Ｄ）が接続されている。下流側第一導波管１０Ｄは、終端位置を調整するためのプランジャ１１を有している。プランジャ１１を前後方向に移動させ、下流側第一導波管１０Ｄの長さを調整することにより、スロット４４０位置の電界強度を調整することができる。これにより、スロット４４０からマイクロ波が伝播しやすくなり、安定したプラズマを生成することができる。また、上流側第三導波管３０Ｕから下流側第三導波管３０Ｄまでの区間Ｖの管内部は真空である。これにより、第二導波管４１を構成する部材間（スロットアンテナ４４と第二誘電体４５との間、スロットアンテナ４４と管壁部４３との間など）や、第二導波管４１と上流側第三導波管３０Ｕ、下流側第三導波管３０Ｄとの間で真空シールを行う必要はなく、真空シールの熱対策も不要である。

上流側第一導波管１０Ｕと下流側第一導波管１０Ｄとは、上方から見て、第二導波管４１を挟んで対称なＬ字状に配置されている。このため、上流側第一導波管１０Ｕおよび下流側第一導波管１０Ｄを真空容器８０の隔壁８３に貫通させて、マイクロ波プラズマ生成装置１を真空容器８０に取り付けることができる。これにより、上流側第一導波管１０Ｕ、プラズマ生成部２０、下流側第一導波管１０Ｄを直線状に配置する形態と比較して、取り付けが容易になり、省スペース化を図ることができる。また、上流側第一導波管１０Ｕ、上流側第三導波管３０Ｕ、プラズマ生成部２０、下流側第三導波管３０Ｄ、下流側第一導波管１０Ｄ、および隔壁８３をユニット化しておくと、種々の処理装置にマイクロ波プラズマ生成装置１を容易に組み込むことができる。

＜第二実施形態＞
本実施形態のマイクロ波プラズマ生成装置と、第一実施形態のマイクロ波プラズマ生成装置と、の相違点は、上流側第一導波管および下流側第一導波管を途中で下方に傾斜させた点である。したがって、ここでは相違点を中心に説明する。また、上流側第一導波管の構成と下流側第一導波管の構成とは同じである。したがって、ここでは上流側第一導波管の構成について説明する。

図４に、本実施形態のマイクロ波プラズマ生成装置の左側面図を示す。図４において、図１と対応する部材は同じ符号で示す。図４に示すように、上流側第一導波管１０Ｕは、真空容器の後側の隔壁８３を貫通した後、下方に傾斜して配置されている。上流側第一導波管１０Ｕの水平面に対する傾斜角度αは２５°である。上流側第一導波管１０Ｕの上壁は、水平部と傾斜部との境界付近に、面取りされ緩やかに傾斜する面取り部１００Ｕを有している。

本実施形態によると、処理対象であるワークＷに対して最適な角度でＥＣＲプラズマを照射することができる。また、ワークＷにプラズマ生成部２０をより近づけることができるため、省スペース化を図ることができる。また、水平部と傾斜部との境界付近に面取り部１００Ｕが配置されることにより、傾斜部の壁面によるマイクロ波の反射を抑制することができる。したがって、マイクロ波のエネルギーが低下しにくい。

＜その他の形態＞
以上、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

第一導波管、プラズマ生成部、第三導波管の大きさは特に限定されない。上記実施形態においては、第二導波管の下流側にも下流側第三導波管および下流側第一導波管を配置した。しかし、第二導波管の下流側の導波管は、必ずしも必要ではない。例えば、マイクロ波プラズマ生成装置を、上流側第一導波管、上流側第三導波管、およびプラズマ生成部により構成してもよい。この場合、第二導波管の終端を金属製の壁にすればよい。また、上記実施形態においては、上流側第一導波管および下流側第一導波管を上方から見てＬ字状に配置した。しかし、上流側第一導波管および下流側第一導波管の配置形態は、特に限定されない。例えば、上流側第一導波管および下流側第一導波管の少なくとも一方とプラズマ生成部とを直線状に配置してもよい。第二実施形態のように、上流側第一導波管および下流側第一導波管の少なくとも一方を傾斜させて配置してもよい。この場合、傾斜角度は特に限定されない。下流側第一導波管を配置する場合、下流側第一導波管は終端調整部材を有さなくてもよい。すなわち、下流側第一導波管の終端は固定端でもよい。終端調整部材の構成も特に限定されない。

上記実施形態においては、第二導波管（管壁部）の材質として、Ｎｉめっきが施された鉄を採用した。しかし、第二導波管の材質は磁性体であればよく、その種類は特に限定されない。磁性体としては、例えば、鉄、ニッケル、ステンレス鋼、およびこれらを用いた合金類が好適である。上記実施形態においては、鉄製のスロットアンテナを採用した。しかし、スロットアンテナの材質は、金属であればよく、鉄の他、アルミニウム、ステンレス鋼、真鍮などでも構わない。

スロットアンテナのプラズマ生成側の表面に磁場を形成する磁石は、ＥＣＲを発生させることができれば、その形状、種類、個数、配置形態等は特に限定されない。例えば、永久磁石ではなく、電磁石を用いてもよい。磁石は、スロットが形成された位置において、スロットアンテナの表面から垂直方向に１０ｍｍ離間した地点における磁束密度Ｂ［ｍＴ］がＢ≧ｆ／２８（ｆはマイクロ波の周波数［ＭＨｚ］）となるように、配置されることが望ましい。上記実施形態においては、スロットアンテナの長手方向に沿ってスロットアンテナの両側に磁石を配置した。しかし、スロットアンテナの片側にのみ磁石を配置してもよい。スロットアンテナの両側に磁石を配置する場合、同じ磁極が対向するように配置するとよい。こうすることにより、第二導波管の内部に対する磁場の影響を少なくしつつ、スロットアンテナの表面の磁場を強くすることができる。上記実施形態においては、一対の永久磁石をＮ極同士が対向するように配置したが、Ｓ極同士が対向するように配置してもよい。

上記実施形態においては、永久磁石の温度上昇を抑制するために、永久磁石の近傍に冷却パイプを配置した。しかし、永久磁石の冷却手段の構成、数、配置形態などは、特に限定されない。例えば、冷却パイプの代わりに、あるいは冷却パイプと組み合わせて、冷却板などを配置してもよい。また、上記実施形態においては、第二導波管の内部の温度上昇を抑制するために、第二導波管の周囲に冷却板を配置した。しかし、第二導波管の冷却手段は必ずしも必要ではない。第二導波管の冷却手段を配置する場合、その構成、数、配置形態などは特に限定されない。

スロットアンテナに形成されるスロットの数、形状、配置などは、特に限定されない。スロットの配列は、一列でも、二列以上でもよい。スロットの数は、奇数個でも偶数個でもよい。また、スロットの配置角度を変えて、ジグザグ状に配置してもよい。

第二誘電体、第三誘電体の材質については、特に限定されない。いずれについても、誘電率が低く、マイクロ波を吸収しにくい材料が望ましい。例えば、石英、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミニウム、酸化マグネシウムなどが好適である。ここで、第三誘電体としては、屈折率が、第二誘電体の屈折率よりも小さいものを選択する。第三誘電体の屈折率は、第一導波管の内部の屈折率と第二誘電体の屈折率との間の値であることが望ましい。上記実施形態においては、第二導波管内の空間全体に第二誘電体を配置した。しかし、第二誘電体は、少なくともスロットを覆うように配置されていればよく、必ずしも内部空間の全体に配置される必要はない。

上記実施形態においては、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用した。しかし、マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚ帯に限定されるものではなく、３００ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数帯であれば、いずれの周波数帯を用いてもよい。この範囲の周波数帯としては、例えば、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ、９１５ＭＨｚなどが挙げられる。

真空容器内の圧力は、処理に応じて適宜決定すればよい。本発明のマイクロ波プラズマ生成装置は、０．０５Ｐａ以上２０Ｐａ以下の比較的低圧下でマイクロ波プラズマを生成することができる。真空容器内の好適な圧力は、０．１Ｐａ以上４Ｐａ以下である。４Ｐａ以下の高真空状態にすることにより、不純物の混入が抑制され、処理の純度を高めることができる。供給するガスは、処理に応じて適宜決定すればよい。例えば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガス、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、水素（Ｈ_２）などが挙げられる。供給するガスは、一種でも二種以上でもよい。

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

＜低圧下におけるマイクロ波プラズマの生成＞
［実施例１］
上記第一実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置８を用いて、０．４Ｐａの圧力下におけるマイクロ波プラズマの生成状態を確認した。以下の処理における部材の符号は、前出図１に対応している。

まず、真空排気装置を作動させて、真空容器８０の内部のガスを排気孔から排出し、真空容器８０の内部圧力を８×１０^−３Ｐａとした。次に、ガス供給孔８２からアルゴンガスを真空容器８０内へ供給して、真空容器８０の内部圧力を０．４Ｐａとした。続いて、マイクロ波電源をオンにして、発振された出力１．６ｋＷのマイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を上流側第一導波管１０Ｕ、上流側第三導波管３０Ｕ、プラズマ生成部２０、下流側第三導波管３０Ｄ、および下流側第一導波管１０Ｄに伝送して、スロットアンテナ４４の前方におけるマイクロ波プラズマの生成状態を目視確認した。その結果、マイクロ波プラズマが安定して生成されていることを確認した。

このように、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置は、予め数十Ｐａの圧力にてマイクロ波プラズマを生成しておかなくても、１Ｐａ以下の低圧下で安定したマイクロ波プラズマを生成できることが確認された。

［比較例１］
真空容器内に、永久磁石を備えない従来のマイクロ波プラズマ生成装置（前出図５参照）を配置して、実施例１と同じ条件でマイクロ波プラズマを生成させた。以下の処理における部材の符号は、図５に対応している。

まず、真空排気装置を作動させて、真空容器内のガスを排出し、真空容器内の圧力を８×１０^−３Ｐａとした。次に、アルゴンガスを真空容器内へ供給して、圧力を０．４Ｐａとした。続いて、出力１．６ｋＷのマイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を第一導波管９０、第三導波管９１、および第二導波管９２に伝送して、スロットアンテナ９２０の前方におけるマイクロ波プラズマの生成状態を目視確認した。しかしながら、プラズマは生成しなかった。

＜マイクロ波プラズマの電子密度＞
マイクロ波の出力を変化させて、実施例１と同様にしてマイクロ波プラズマを生成し、スロットから前方に１０ｍｍ離間した位置におけるマイクロ波プラズマの電子密度を測定した。電子密度の測定には、ラングミュアプローブを用いた。プローブ電極は、太さ０．２ｍｍ、長さ５ｍｍである。プローブ電極に可変電圧を印加して、電極に流れる電流の変化を測定した。図６に、マイクロ波の出力に対する電子密度の測定結果を示す。図６中、グラフの縦軸の「１．００Ｅ＋０８」、「１．００Ｅ＋０９」、「１．００Ｅ＋１０」は、順に「１．００×１０^８」、「１．００×１０^９」、「１．００×１０^１０」を意味する。図６に示すように、マイクロ波の出力が１．０〜２．０ｋＷにおいて、１０^８ｃｍ^−３以上の電子密度が実現されていた。

本発明のマイクロ波プラズマ生成装置は、基材に対するクリーニング、改質、成膜などの様々な処理に用いることができる。例えば、タッチパネル、ディスプレイ、ＬＥＤ（発光ダイオード）照明、太陽電池、電子ペーパー等に用いられる透明導電膜等の形成に有用である。

１：マイクロ波プラズマ生成装置、８：マイクロ波プラズマ処理装置、１０Ｕ：上流側第一導波管、１０Ｄ：下流側第一導波管、１１：プランジャ（終端調整部材）、２０：プラズマ生成部、２１：本体部、２２ａ、２２ｂ：磁石部、３０Ｕ：上流側第三導波管、３０Ｄ：下流側第三導波管、３１：第三誘電体、４０：筐体、４１：第二導波管、４２：冷却板、４３：管壁部、４４：スロットアンテナ、４５：第二誘電体、５０ａ、５０ｂ：永久磁石、５１ａ、５２ａ、５１ｂ、５２ｂ：冷却パイプ、５３ａ、５３ｂ：カバー部材、８０：真空容器、８１Ｕ、８１Ｄ：導波管挿通孔、８２：ガス供給孔、８３：隔壁、１００Ｕ：面取り部、４００：凹部、４４０：スロット、Ｐ：ＥＣＲプラズマ、Ｖ：区間、Ｗ：ワーク。

Claims (7)

1. 真空容器内のガスを電離してマイクロ波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ生成装置であって、
   マイクロ波を伝送する第一導波管と、
   該真空容器内に配置され、磁性体からなる管壁部と、管内部を伝播する該マイクロ波が通過する複数のスロットが形成されたスロットアンテナと、管内部に少なくとも該スロットを覆うように配置される第二誘電体と、を有し一方向に延在する第二導波管と、該第二導波管の外側に配置され該スロットアンテナのプラズマ生成側の表面における該スロット位置に電子サイクロトロン共鳴が生じる磁場を形成する磁石と、を有するプラズマ生成部と、
   該第一導波管と該第二導波管との間に介在し、管内部に該第二誘電体よりも屈折率が小さい第三誘電体を有する第三導波管と、
   を備えることを特徴とするマイクロ波プラズマ生成装置。
2. 前記第二導波管の前記管内部および前記第三導波管の前記管内部は真空である請求項１に記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
3. 前記真空容器内の前記ガスの圧力は、０．０５Ｐａ以上２０Ｐａ以下である請求項１または請求項２に記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
4. 前記第二誘電体は、石英、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミニウム、酸化マグネシウムから選ばれる一種である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
5. 前記第二導波管の短手方向断面は矩形状を呈し、前記スロットアンテナは該第二導波管のＨ面に配置される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
6. 前記第一導波管は、前記第二導波管の上流側に配置される上流側第一導波管と、下流側に配置される下流側第一導波管とを有し、
   該上流側第一導波管および該下流側第一導波管は、該第二導波管を挟んで対称なＬ字状に配置され、
   前記第三導波管は、少なくとも該上流側第一導波管と該第二導波管との間に介在する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
7. 前記下流側第一導波管は、終端位置を変化させる終端調整部材を有する請求項６に記載のマイクロ波プラズマ生成装置。

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