JP2024000194A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマを安定して着火させる。【解決手段】内部にプラズマ生成空間が形成される処理容器と、プラズマを生成するための電磁波が印加される電極と、前記電極の外周に沿って設けられた導波路と、誘電体で形成され、前記プラズマ生成空間に前記電磁波を放射する電磁波放射部と、を有したプラズマ処理装置において、前記電極と前記電磁波放射部との間に形成された隙間であり、前記プラズマ生成空間に臨むマルチパクタ放電部を有するプラズマ処理装置が提供される。【選択図】図１

Description

本開示は、プラズマ処理装置に関する。

例えば、特許文献１には、上部電極と下部電極と電磁波放射部とを備え、電磁波放射部は、上部電極及び下部電極の高さ位置の間の高さ位置に設けられ、処理容器の中心方向へ向けて開口するプラズマ処理装置が開示されている。

特開２０２１－９６９３４号公報

本開示は、プラズマを安定して着火することができるプラズマ処理装置を提供する。

本開示の一の態様によれば、内部にプラズマ生成空間が形成される処理容器と、プラズマを生成するための電磁波が印加される電極と、前記電極の外周に沿って設けられた導波路と、誘電体で形成され、前記プラズマ生成空間に前記電磁波を放射する電磁波放射部と、を有したプラズマ処理装置において、前記電極と前記電磁波放射部との間に形成された隙間であり、前記プラズマ生成空間に臨むマルチパクタ放電部を有するプラズマ処理装置が提供される。

一の側面によれば、プラズマを安定して着火することができる。

一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図。 一実施形態に係るプラズマ処理装置の他の一例を示す断面模式図。 一実施形態に係るマルチパクタ放電部の拡大図。 マルチパクタ放電を説明するための図。 一実施形態に係るマルチパクタ放電部の隙間のアスペクト比を説明するための図。 一実施形態に係るマルチパクタ放電部の隙間の距離と高周波の周波数の関係の一例を示す図。 一実施形態に係るマルチパクタ放電部の隙間の距離と高周波の周波数の関係の一例を示す図。

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

本明細書において平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、弓状に丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直、円、一致には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直、略円、略一致が含まれてもよい。

［プラズマ処理装置］
ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置による成膜では、短時間でプラズマのオン及びオフを繰り返し制御する。このために高速にインピーダンス整合を行い、高速にプラズマを着火させることが重要になっている。一方、ＡＬＤ装置において比較的低いパワーの高周波の供給及び負性ガスの使用が必要なプロセスでは、プラズマの着火が安定しない場合がある。

そこで、本開示の一実施形態に係るプラズマ処理装置では、ＡＬＤ装置において安定したプラズマの着火を実現するために、マルチパクタ放電を用いたプラズマの着火を提案する。以下、本開示の一実施形態に係るプラズマ処理装置１００の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１００の一例を示す断面模式図である。

プラズマ処理装置１００は、上部に開口を有する処理容器１と、処理容器１の上部開口を封止する蓋１Ｌと、処理容器１内に配置された載置台２（下部電極、ステージ）と、載置台２の上方に位置するプラズマ発生源とを有する。

プラズマ発生源は、載置台２に対向して配置された上部電極５と、電磁波放射口を有する電磁波放射部７を有する。処理容器１内の上部電極５と載置台２の間にはプラズマ生成空間Ｕが形成されている。電磁波放射部７は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の誘電体から構成されている。電磁波放射部７の下部から電磁波ＲＦが放射される。電磁波放射部７は、電磁波の導入部であり、処理容器１の内壁面上には、環状上面を有する段差が形成されている。電磁波放射部７は、この段差に係合し、この上面上に配置され、この上面によって支持されている。電磁波放射部７は、処理容器１の全周に沿って嵌め込まれている。つまり、電磁波ＲＦは、処理容器１の周方向に配置された電磁波放射部７から下方に全周に亘って放射される。

載置台２上には、基板Ｗが配置される。基板Ｗとしては、プラズマ処理が施されるものであれば、特に限定されないが、半導体基板、ガラスやアルミナなどの絶縁体基板、又は、金属基板などが挙げられる。

処理容器１の内部のガスは、ガス排気口１９を介して、排気装置２０によって外部に排気することができる。処理容器１の内部には、ガス供給源１８から、供給管１７を介して、処理ガスが供給される。具体的には、上部電極５は、その内部空間のガス拡散室１６を有するシャワー構造を有しており、供給管１７は、蓋１Ｌを貫通し、導波路９を横切り、ガス拡散室１６内に連通し接続されている。本例の上部電極５は、金属製のシャワープレート構造を有しており、処理ガスが導入されるガス拡散室１６と、ガス拡散室１６と処理容器１内の空間とを連通させる複数のガス孔１４とを有する。上部電極５は、下面に凹部を備えた上部金属部材５Ａと、複数のガス孔１４を備えた下部金属部材５Ｂとからなり、これらの金属部材間の凹部の位置にガス拡散室１６が形成されている。ガス拡散室１６内に導入された処理ガスは、上部電極５の下部領域に設けられた複数のガス孔１４を介して、処理容器１の内部に供給される。上部電極５は、プラズマを生成するための電磁波が印加される電極の一例である。

上部電極５と、蓋１Ｌの下面及び処理容器１の内面との間には、上部電極５の外周に沿って導波路９が形成されている。電源１１から第１整合器１０及び電力伝送線路８を介して、上部電極５の上部に電磁波の電力が供給される。供給された電磁波は、導波路９を通って放射状に水平方向に進行する。この電磁波は、処理容器１の内面に当たると、下方に進行し、電磁波放射部７内を通って、その下面及び後述するマルチパクタ放電部１５からプラズマ生成空間Ｕに放出される。電磁波は、ＶＨＦ帯またはマイクロ波帯の電磁波であってよい。

処理ガスが処理容器１内に導入され、排気装置２０によって、プラズマが発生可能な圧力まで処理容器１の内部が減圧された状態で、電磁波が処理容器１の内部に導入されると、上部電極５の下方のプラズマ生成空間Ｕにプラズマが発生する。プラズマ生成空間Ｕは、上部電極５の直下に位置することになる。なお、電源１１の一方端は、第１整合器１０に接続され、他方端はグランドに接続されている。また、電力伝送線路８としては、ＶＨＦ帯等の電磁波を伝送可能なものであればよく、電磁波伝送部品としては、導波管の他、同軸ケーブルを用いることも可能である。なお、載置台２は、本例では、グランドに電気的に接続されているが、高周波や電磁波等を印加することも可能である。

処理容器１において鉛直方向に延びた中心軸をＺ軸とし、Ｚ軸に垂直な軸をＸ軸とし、Ｚ軸及びＸ軸の双方に垂直な軸をＹ軸とする。この場合、ＸＹ平面は水平面を構成する。電磁波放射部７の中心軸は、処理容器１の鉛直方向の中心軸（Ｚ軸）に一致している。

上部電極５を上方から見た平面形状は円形であり、その中心の位置は、処理容器１の鉛直方向の中心軸（Ｚ軸）の位置に一致している。上部電極５の下面の外周角部には、全周に亘って上部電極５と電磁波放射部７との間に、上部電極５を切り欠いて形成された隙間（空間）がある。当該隙間は、上部電極５と電磁波放射部７との間に形成され、プラズマ生成空間Ｕに臨むマルチパクタ放電部１５の一例である。

電磁波放射部７は、導波路９の終点に設けられ、下部が内周側に吐出し、上部電極５の外周に設けられた上部電極５の切り欠きを外周から囲む。これにより、マルチパクタ放電部１５は、プラズマ生成空間Ｕと上部電極５と電磁波放射部７とに接する位置に設けられる。マルチパクタ放電部１５の隙間の径方向の断面は矩形状である。

マルチパクタ放電部１５は、処理容器１の中心軸を囲むように、環状に形成されており、上部電極５の下方から見たマルチパクタ放電部１５の隙間の平面形状は、円環である。

マルチパクタ放電部１５は、下部電極における基板配置領域（基板Ｗの直径３００ｍｍ）の外側領域の上方に配置されている。すなわち、マルチパクタ放電部１５の直下においては、プラズマ強度が高くなる傾向があるため、マルチパクタ放電部１５の位置を、基板Ｗの直上から遠ざけることで、基板Ｗ上のプラズマ強度の均一性を高めることができる。なお、本例では、マルチパクタ放電部１５は、載置台２の外側領域の上方に配置されている。

制御装置２００は、ＡＬＤ法による成膜等の種々の工程をプラズマ処理装置１００に実行させるコンピュータが実行可能な命令を処理する。制御装置２００は、種々の工程を実行するようにプラズマ処理装置１００の各要素を制御するように構成され得る。一実施形態において、制御装置２００の一部又は全てがプラズマ処理装置１００に含まれてもよい。制御装置２００は、処理部、記憶部及び通信インターフェースを含んでもよい。制御装置２００は、例えばコンピュータにより実現される。処理部は、記憶部からプログラムを読み出し、読み出されたプログラムを実行することにより種々の制御動作を行うように構成され得る。このプログラムは、予め記憶部に格納されていてもよく、必要なときに、媒体を介して取得されてもよい。取得されたプログラムは、記憶部に格納され、処理部によって記憶部から読み出されて実行される。媒体は、コンピュータに読み取り可能な種々の記憶媒体であってもよく、通信インターフェースに接続されている通信回線であってもよい。処理部は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であってもよい。記憶部は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。通信インターフェースは、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の通信回線を介してプラズマ処理装置１００との間で通信を行ってもよい。

以上、説明したように、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、上部電極５と、下部電極（載置台２）と、電磁波放射部７とを有する。上部電極５は、複数のガス孔１４を備えており、処理容器１内へ処理ガスを吐出可能に設けられている。下部電極（載置台２）は、処理容器１内において基板を保持可能に設けられている。上部電極５の外周角部には切り欠き（溝）があり、電磁波放射部７との間にマルチパクタ放電部１５の隙間を構成する。

図２は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１００の他の一例を示す断面模式図である。図１に示すプラズマ処理装置１００と異なる点は、電磁波放射部７とマルチパクタ放電部１５の形状と位置である。その他の装置構成は同一であるため、電磁波放射部７とマルチパクタ放電部１５の形状と位置について説明する。

電磁波放射部７は、導波路９の終点に設けられ、下部が内周側に吐出し、上部電極５の外周に設けられた上部電極５の切り欠きを外周から囲む。マルチパクタ放電部１５は、プラズマ生成空間Ｕと上部電極５と電磁波放射部７とに接する位置に設けられ、径方向の断面がＬ字状の隙間（空間）である。すなわち、マルチパクタ放電部１５は、電磁波放射部７の下部の突出部に沿ってマルチパクタ放電部１５の外周から水平方向に伸び、突出部の上部の角部に沿って９０°垂直に曲がってプラズマ生成空間Ｕへ臨む隙間を構成している。

導波路９を通って放射状に水平方向に進行した電磁波は、処理容器１の内面に当たると、下方に進行し、電磁波放射部７内を通って、その下部の突出部の内側の先端面及びマルチパクタ放電部１５からプラズマ生成空間Ｕに放出され、処理容器１の中心軸に向けて水平方向に進行する。

［マルチパクタ放電部］
マルチパクタ放電部１５のバリエーションについて、図３を参照しながら説明する。図３（ａ）は、図１に示すマルチパクタ放電部１５の拡大図である。図３（ｂ）は、図２に示すマルチパクタ放電部１５の拡大図である。図３（ｃ）及び（ｄ）のマルチパクタ放電部１５は、プラズマ処理装置１００に設けられ得るマルチパクタ放電部１５の他のバリエーションの例である。

図３（ａ）のマルチパクタ放電部１５が上部電極５の下部の外周角部に形成されているのに対して、図３（ｃ）のマルチパクタ放電部１５は、電磁波放射部７の下部の内周角部に形成されている点で異なる。図３（ｃ）のマルチパクタ放電部１５は、電磁波放射部７側に形成された切り欠きであり、径方向の断面が矩形状で全周に亘って形成され、プラズマ生成空間Ｕに臨む隙間である。図３（ｄ）のマルチパクタ放電部１５は、上部電極５の下部の外周角部と対向する電磁波放射部７の下部の内周角部とに形成された切り欠きであり、径方向の断面が矩形状で全周に亘って形成され、プラズマ生成空間Ｕに臨む隙間である。

図３（ａ）～（ｄ）に示すマルチパクタ放電部１５の隙間は、全周に亘って形成されている方が好ましい。プラズマ着火のマージンが増え、かつ、周方向のプラズマを均一に形成できるためである。ただし、マルチパクタ放電部１５の隙間は、全周に亘って形成されていなくてもよい。

電界が集中するマルチパクタ放電部１５を形成するための切り欠き（凹凸）を電磁波放射部７側に設けると、誘電体の角部やエッジ部でダメージを受け易い。このため、図３（ａ）～（ｄ）に示すマルチパクタ放電部１５のうち、好ましくは金属製の上部電極５に切り欠きを設けた図３（ａ）及び（ｂ）の構成が好ましい。ただし、図３（ｃ）及び（ｄ）のマルチパクタ放電部１５の構成を採用することもできる。

図４は、マルチパクタ放電を説明するための図である。電源１１からＶＨＦ帯又はマイクロ波帯のような高い周波数を持つ電磁波を供給するとき、処理容器１内にマルチパクタ放電部１５を設けることは可能である。３０ＭＨｚ未満の高周波の場合、波長が長くなり、マルチパクタ放電を起こすためにはマルチパクタ放電部１５の隙間を大きくする必要があるため、この構造を上部電極５のプラズマと接する部分に設けることは難しい。本実施形態では、電源１１からＶＨＦ帯又はマイクロ波帯の電磁波を供給し、マルチパクタ放電部１５の以下の構造によりプラズマ着火を促進することができる。

本開示のプラズマ処理装置１００では、上部電極５の下部の外周角部に切り欠き（溝）を設ける。そして、上部電極５と電磁波放射部７の対向面間の距離（マルチパクタ放電部１５の隙間の距離）をマルチパクタ発生共振空間となるように１～１０ｍｍ（電磁波の真空における波長の１／３００程度）として、プラズマ着火を促進する構造とする。

電源１１から例えばＶＨＦ帯の電磁波（以下、「ＶＨＦ波」ともいう）が上部電極５に供給されると、マルチパクタ放電部１５に発生する電界Ｅによって電子が加速する。図４（ａ）に示すように、ＶＨＦ波がマイナスの周期では、電界Ｅの向きは電磁波放射部７から上部電極５へ向かう方向であり、これにより、電子は上部電極５から電磁波放射部７へ向かって加速する。加速された電子が電磁波放射部７の側壁に衝突すると、図４（ｂ）に示すように、アルミナ等の誘電体から形成されている電磁波放射部７の側壁から電子が放出される。

電界Ｅの向きの切り替えタイミングと、電子が壁に衝突するタイミングと、がほぼ同じとき、出てきた電子を加速させることができる。つまり、ＶＨＦ波の周期をＴ、電子が上部電極５から電磁波放射部７に到達するまでの平均時間、または、電磁波放射部７から上部電極５に到達するまでの平均時間をｔ_０とすると，Ｔ／２≒ｔ_０が成り立つときに，マルチパクタ放電が促進される。

図４（ｂ）の電子が電磁波放射部７の壁に衝突するタイミングと、ＶＨＦ波がマイナスからプラスの周期に切り替わるタイミングがほぼ同じ場合、図４（ｃ）に示すように、電界Ｅの向きが上部電極５から電磁波放射部７へ向かう方向に切り替わる。これにより、図４（ｃ）に示すように、電磁波放射部７から放出された電子を上部電極５へ向かって加速させることができる。

同様にして、電子が上部電極５の壁に衝突するタイミングと、ＶＨＦ波がプラスからマイナスの周期に切り替わるタイミングとがほぼ同じ場合、上部電極５から放出された電子を電磁波放射部７へ向かって加速させることができる（図４（ｃ）及び（ｄ））。このようにして電子の衝突と加速が繰り返し起こることで、図４（ｆ）に示すように、電子が所定数以上に増え、プラズマ着火が生じる。

パッシェンの法則による放電と比較して、マルチパクタ放電の特徴は、電子の衝突により壁から放出された電子に対して更にエネルギーを与えて電子を加速させ、対向する壁へ衝突させて更に多くの電子を放出させることを繰り返す点である。３０ＭＨｚ未満の高周波よりも波長が短いＶＨＦ波（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）又はマイクロ波（３００ＭＨｚ～３ＴＨｚ）を使用することで、電界の切り替えタイミングと電子が壁に衝突するタイミングをほぼ同じにすることができる。これにより、放出された電子に対して更にエネルギーを与えて電子を加速することができる。

以上から、ＶＨＦ波が１／２の周期でプラスからマイナス、又はマイナスからプラスへ切り替わるタイミングと、電子が上部電極５や磁波放射部７の壁に衝突するタイミングが同じになるように図３に示す隙間の距離Ｄを設計すればマルチパクタ放電が起きやすい。

ＶＨＦ波を上部電極５に供給したとき、マルチパクタ放電部１５の電界中での時間ｔにおける電子の平均速さは、式（１）により示される。

式（１）のｅは素電荷、Ｅ_０は電界の振幅、ｍ_ｅは電子の質量、ωは角周波数である。例えば２２０ＭＨｚのＶＨＦ波を供給した場合、ω＝２πＦから角周波数ωが算出される。

周波数Ｆが２２０ＭＨｚにおいて１／２周期である２．２×１０^－９ｓから時間Ｔ／２を算出できる。１／２周期における電子の最大移動距離は、上部電極５に印加される標準電界Ｅ_０（電界の振幅）に例えば２×１０^４Ｖ／ｍを代入し、ｅは１．６０×１０^－１９（Ｃ）、ｍ_ｅは９．１×１０^－３１（ｋｇ）、ω＝２πＦから式（２）により３．８ｍｍと算出される。

これにより、上部電極５と電磁波放射部７の対向面間の距離Ｄが３．８ｍｍの隙間があると、マルチパクタ放電を行う可能性が高まる。

［アスペクト比］
また、図３に示す距離Ｄ（マルチパクタ放電部１５の隙間の距離）に対する深さＨを示すアスペクト比は、１以上が好ましい。図５は、一実施形態に係るマルチパクタ放電部１５のアスペクト比を説明するための図である。図５（ａ）は、アスペクト比（Ｈ／Ｄ）が１以上になるように、マルチパクタ放電部１５の隙間を設計する場合を示し、図５（ｂ）は、アスペクト比（Ｈ／Ｄ）が１未満になるように、マルチパクタ放電部１５の隙間を設計する場合を示す。

図４に示した電子の衝突及び電子の放出の観点からマルチパクタ放電部１５の隙間に生じる電界Ｅは、横方向に向かうことが好ましい。図５（ａ）に示すアスペクト比が１以上の場合、電界Ｅは、横方向に向かう。電界Ｅが上部電極５と電磁波放射部７の対向面へ一方向に一様に向かうことにより、最適なマルチパクタ放電に対応する隙間の距離Ｄを定義でき、電子の衝突確率を高めることができる。これに対して、図５（ｂ）に示すアスペクト比が１未満の場合、電界Ｅの一部は、電子が放出された壁の近くの側壁に向かって曲がり、電子も電界Ｅの向かう方向に曲がるため、電子の衝突が少なくなり、マルチパクタ放電が生じ難くなる。以上から、アスペクト比（Ｈ／Ｄ）は１以上が好ましく、これにより、電子の衝突が多くなりプラズマを安定して着火させ、更に着火タイミングをより早くすることができる。

また、アスペクト比（Ｈ／Ｄ）が５以下になるように、マルチパクタ放電部１５の隙間を設計してもよい。アスペクト比が大きすぎると、マルチパクタ放電部１５の隙間の奥（プラズマ生成空間に開口する側の反対側）がプラズマ生成空間Ｕから遠くなり、隙間の奥の電界Ｅがプラズマの生成に寄与しない。以上から、アスペクト比（Ｈ／Ｄ）は１以上であって５以下が好ましく、これにより、プラズマ着火を安定させ、かつ、マルチパクタ放電で生成した電子をプラズマ生成空間Ｕへ効率よく拡散することができ、プラズマの生成効率を高めることができる。

［マルチパクタ放電部の距離と高周波の周波数の関係］
マルチパクタ放電部１５の距離ＤとＶＨＦ波の周波数Ｆとの関係について説明する。図１に示す金属のシャワー構造を有する上部電極５と誘電体（アルミナ）から成る電磁波放射部７の構造体を同心型のコンデンサーと見なす。電源１１から上部電極５にＶＨＦ波を供給したとき、周波数が２２０ＭＨｚにおける電磁波放射部７の特性インピーダンスの大きさは、式（３）により算出される。

図１に示すように、ｂはプラズマ処理装置１００の中心軸から処理容器１の側壁の内面までの径方向の距離であり、２１５ｍｍである。ａはプラズマ処理装置１００の中心軸から上部電極５の外周面までの径方向の距離であり、１７５ｍｍである。

周波数Ｆが２２０×１０^６Ｈｚのとき、ωは、２π×２２０×１０^６である。真空の誘電率をε_０、アルミナの比誘電率をε_ｒとし、電磁波放射部７の部分の誘電率εは、ε_０×ε_ｒ＝８．８×１０^－１２×１０で算出される。１は図１に示す電磁波放射部７の高さであり、５×１０^－２ｍｍである。

以上を式（３）に代入すると、特性インピーダンス｜Ｚ_ｃ｜は５．３Ωと算出される。これにより、アルミナの電磁波放射部７に印加される電圧は式（４）により７３Ｖと算出される。

ＰはＶＨＦ波のパワーであり、ここでは１０００Ｗに設定される。アルミナの電磁波放射部７にかかる電界Ｅは、マルチパクタ放電部１５の隙間のＤで示す方向の電界Ｅ_{Ａｌ２Ｏ３⊥}であり、Ｅ＝Ｅ_{Ａｌ２Ｏ３⊥}＝Ｖ／Ｗで示される。式（４）によりアルミナの電磁波放射部７に印加される電圧Ｖは７３Ｖと求められ、Ｗは図１に示すように４０ｍｍである。よって、式（５）により１８３０Ｖ／ｍと算出される。

マルチパクタ放電部１５の真空の隙間と電磁波放射部７の壁との境界面における電束密度の垂直成分Ｄ_{ｖａｃｕｕｍ⊥}はアルミナ（電磁波放射部７）の電束密度Ｄ_{Ａｌ２Ｏ３⊥}と等しい。すなわち、マクスウェルの法則により、マルチパクタ放電部１５の隙間と電磁波放射部７のアルミナの境界面において垂直方向の連続性により電束密度は等式で表せる。よって、次式が成り立つ。

ε_{ｖａｃｕｕｍ}Ｅ_{ｖａｃｕｕｍ⊥}＝ε_{Ａｌ２Ｏ３}Ｅ_{Ａｌ２Ｏ３⊥}
真空の隙間の誘電率ε_{ｖａｃｕｕｍ}は、真空の誘電率ε_０に等しく、Ｅ_{Ａｌ２Ｏ３⊥}は式（５）により１８３０Ｖ／ｍと求められている。また、ε_{Ａｌ２Ｏ３}／ε_{ｖａｃｕｕｍ}は１０である。以上から、マルチパクタ放電部１５の隙間のＤで示す方向の電界Ｅ_{ｖａｃｕｕｍ⊥}は、約１８３００Ｖ／ｍと算出される。

ＰはＶＨＦ波のパワーであり、１０００Ｗとして計算した。これに対して、Ｐを５００Ｗとしたとき、式（６）から電磁波放射部７のアルミナにかかる電界Ｅ_ｐは約１３００Ｖ／ｍと算出され、マルチパクタ放電部１５の隙間のＤで示す方向の電界Ｅ_{ｖａｃｕｕｍ⊥}は、約１３０００Ｖ／ｍと求められる。また、Ｐを２０００Ｗとしたとき、式（６）から電磁波放射部７のアルミナにかかる電界Ｅ_ｐは約２６００Ｖ／ｍと算出され、マルチパクタ放電部１５の隙間のＤで示す方向の電界Ｅ_{ｖａｃｕｕｍ⊥}は、約２６０００Ｖ／ｍと求められる。

式（２）を一般化した式（７）を以下に示す。

両辺に対数を取ると、次のように展開することができ、式（８）を得る。

式（８）から、ｙ＝ｌｎ（Ｄ）、ｘ＝ｌｎ（ω）とおくと、以下の式（９）を得る。

これにより、図６に示すように、マルチパクタ放電部１５の最適な隙間の距離Ｄの対数（縦軸）は、電源１１から供給される電磁波の周波数をＦとしたときの周波数Ｆの対数（横軸）と１次関数の関係にあることが分かる。

式（９）から、ＶＨＦ波のパワーＰを５００Ｗ～２０００Ｗに変化させたとき、ＶＨＦ波の周波数Ｆを２００ＭＨｚとすると、ＶＨＦ波の３／８周期（＝１／２周期－１／８周期）では隙間の距離Ｄは２．６ｍｍとなる。また、ＶＨＦ波の１／２周期では隙間の距離Ｄは４．３ｍｍとなる。また、ＶＨＦ波の５／８周期（＝１／２周期＋１／８周期）では隙間の距離Ｄは７．０ｍｍとなる。

図７に、ＶＨＦ波の３／８周期、１／２周期、５／８周期のときのＶＨＦ波の周波数Ｆと隙間の距離Ｄとの関係を示す。ＶＨＦ波の周波数Ｆを２００ＭＨｚとしたとき、マルチパクタ放電部１５の隙間の距離Ｄが２．６ｍｍ～７．０ｍｍの範囲を超えると、図４に示した半周期毎の電子の減速が大きくなる。これにより、共振現象が起こりにくくなるためにマルチパクタ放電が起きにくくなることがわかる。

よって、隙間の距離Ｄは、電磁波の１／２周期分±１／８周期分の時間により移動する電子であって、隙間にマルチパクタ放電を発生させる電子の移動距離になるように設定される。なお、ここで用いる１／８周期分の時間は、マルチパクタ放電を発生させる許容時間として経験値から設定した時間である。

以上に説明したように、本実施形態によれば、プラズマを安定して着火することができるプラズマ処理装置１００を提供することができる。

プラズマ処理装置は、ＡＬＤ装置に適用すると好適である。ＡＬＤ装置では、短時間でプラズマのオン及びオフを繰り返し制御する。このために高速にインピーダンス整合を行い、高速にプラズマを着火させることが重要になっている。この点、本開示のプラズマ処理装置１００によれば、短時間でプラズマを安定して着火することができるため、ＡＬＤ装置に最適な装置である。

今回開示された実施形態に係るプラズマ処理装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

１ 処理容器
２ 載置台
５ 上部電極
７ 電磁波放射部
１１ 電源
１５ マルチパクタ放電部
２０ 排気装置
１００ プラズマ処理装置

Claims (10)

1. 内部にプラズマ生成空間が形成される処理容器と、
   プラズマを生成するための電磁波が印加される電極と、
   前記電極の外周に沿って設けられた導波路と、
   誘電体で形成され、前記プラズマ生成空間に前記電磁波を放射する電磁波放射部と、を有したプラズマ処理装置において、
   前記電極と前記電磁波放射部との間に形成された隙間であり、前記プラズマ生成空間に臨むマルチパクタ放電部を有するプラズマ処理装置。
2. 前記マルチパクタ放電部は、
   前記電極と前記電磁波放射部との間に、前記電極又は前記電磁波放射部の少なくともいずれかを切り欠いて形成される、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記電極に電磁波の電力を供給する電源を有し、
   前記電極と前記電磁波放射部との対向面の前記隙間の距離をＤとし、前記電源から供給される電磁波の周波数をＦとしたとき、前記隙間の距離Ｄの対数と、前記電磁波の周波数Ｆの対数とは、１次関数の関係にある、
   請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記隙間の距離Ｄは、前記電磁波の１／２周期分±１／８周期分の時間により移動する電子であって、前記隙間にマルチパクタ放電を発生させる電子の移動距離である、
   請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記マルチパクタ放電部の隙間のアスペクト比は１以上である、
   請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記マルチパクタ放電部の隙間のアスペクト比は５以下である、
   請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記マルチパクタ放電部は、前記電極を切り欠いて形成され、前記電極の全周に亘って形成されている、
   請求項２に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記電磁波放射部は、前記導波路の終点に設けられ、前記電極の外周に設けられた前記電極の切り欠きを外周から囲む、
   請求項７に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記電磁波は、ＶＨＦ帯またはマイクロ波帯である、
   請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記プラズマ処理装置は、ＡＬＤ装置である、
    請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。

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