JP3852653B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを用いて被処理物の灰化、エッチング、薄膜形成を行うプラズマ処理装置に係わり、特に酸素含有雰囲気中のプラズマにより生じた活性酸素原子を利用して使用済みイオン交換樹脂等の灰化処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のプラズマ処理装置においては、処理に用いるプラズマとして誘導結合プラズマを用いている。誘導結合プラズマは、誘導コイルに高周波電流を通電することによって生じる電磁誘導現象により得られるプラズマである。その基本的な発生原理は金属などの誘導加熱（ＩＨ：Induction Heating ）と同じであり、電磁誘導でθ方向に生ずる誘導電界によりプラズマに渦電流を生じさせ、プラズマを加熱するものである。無電極で高密度のプラズマが得られるという長所を持っている。
【０００３】
この誘導結合プラズマを用いる装置としては、例えば特開平７−２１１４９０号公報、特開平８−１９５２９６号公報、特開平１０−２８４２９８号公報に半導体素子あるいは液晶素子の製造に用いられるプラズマ処理装置が開示されている。また、特願平１０−２８４０６４号には使用済みのイオン交換樹脂の灰化処理に用いられるプラズマ処理装置が提示されている。
【０００４】
図１４は、上記の特願平１０−２８４０６４号に記載の高周波誘導コイルを利用したイオン交換樹脂減容処理装置の構成を模式的に示す断面図である。本減容処理装置は、被処理用のイオン交換樹脂３を搭載した処理皿４を内蔵する反応容器２、反応容器２の上面に配された石英よりなる平板窓４０、平板窓上部に巻装された高周波誘導コイル１５、高周波誘導コイル１５に高周波電流を供給する高周波電源１、反応容器２内部を排気する図示しない減圧ポンプに接続される排気口１７、および反応容器２の内部に酸素または酸素を含む複数のガスを導入するためのガス導入口５より構成されている。また、イオン交換樹脂３を積載した処理皿４を移動機構３１により鉛直方向に移動可能に組み込まれた移動ステージ３０の上に置載して、灰化減容処理を行うよう構成されている。本装置においては、反応容器２の内部を酸素含有雰囲気とし、高周波誘導コイル１５による高周波磁界を平板窓４０を通して高周波誘導コイル１５に反応容器２の内部に形成し、電磁誘導によって得られた酸素プラズマ６を被処理用のイオン交換樹脂３と反応させて灰化処理が行われる。
【０００５】
上記の酸素プラズマによる使用済みイオン交換樹脂灰化処理の概要は以下の通りである。まず、プラズマ中では、次式（１）、（２）で代表される過程により化学的活性の高い酸素原子や酸素イオン等の活性粒子が生成される。
【０００６】
５ｅＶ以上の電子衝突 ：
Ｏ2 ＋ｅ→Ｏ2 * ＋ｅ→Ｏ2 ＋ｅ＋ｈν→Ｏ＋Ｏ＋ｅ （１）
12ｅＶ以上の電子衝突 ：
Ｏ2 ＋ｅ→Ｏ2 * ＋ｅ→Ｏ2 + ＋２ｅ→Ｏ＋Ｏ+ ＋２ｅ （２）
これらの活性粒子は、イオン交換樹脂やイオン交換樹脂の分解ガスに直接作用して、アルキル基から水素を引き抜いたり、Ｃ−Ｃ結合への割り込みや切断を経て、炭化水素の酸化を行う。その結果、樹脂は、ＣＯやＣＯ2 、Ｈ2Ｏとしてガス化され減容される。また、イオン交換樹脂の交換基に吸着されていたCoなどの金属イオンは、酸化物として減容された残さ中に残留する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１４に示した従来のプラズマ処理装置は、樹脂灰化処理に優れた性能を有しており、特に原子力設備から廃棄されるイオン交換樹脂等の廃棄物の減容処理に有効である。しかしながら本装置においても下記のような問題を残している。
【０００８】
すなわち、実際の樹脂の処理においては、被処理樹脂の性状に合わせた処理を行う必要があり、温度耐性が大きくプラズマによる加熱で熱分解しにくい樹脂の場合には、プラズマ入力パワーを大きくして、活性粒子数を増大させ、処理効率を上げることによって不完全酸化物の生成が抑えられる。一方、キレート材を多量に含む場合や温度耐性の低い樹脂の場合には、プラズマ入力パワーを下げてプラズマによる加熱を抑制し、これによって熱分解ガスの大量発生を抑え、活性粒子の不足による不完全酸化物の生成に起因するタール等の生成を効果的に低減させることが必要である。この場合には、樹脂が枯れ始め、熱分解ガスの放出量が少なくなるのに応じてプラズマ入力パワーを徐々に上げて、処理が行われる。このように、イオン交換樹脂等の樹脂廃棄物の減容処理を行う場合には、気相における完全酸化を実現させるためには、被処理イオン交換樹脂の状況に応じて、プラズマ入力パワーを調整し、生成している活性粒子量に応じて熱分解気化ガスの発生量を調整することが必要である。
【０００９】
樹脂量に対してプラズマ入力パワーが過大になると、熱分解ガスが大量に発生し、タールが処理容器の内壁に付着する。容器の内壁の温度は室温程度と低く、またこの容器の内壁にはプラズマによる活性酸素原子も届き難いため、容器壁に付着したタールは処理されないで、付着したまま残ることとなる。本装置には、処理容器の圧力調整用のバルブや、処理皿を上下に駆動するための移動ステージが備えられており、生成したタールがこれらの駆動部に付着すると、所期の性能が維持できなくなる恐れがあるため、一度タールを発生させると、タールの除去作業が必要である。この除去作業は装置の稼働率を下げるにとどまらず、特に原子力設備からの放射性を有するイオン交換樹脂処理の場合では作業自体が困難となる。したがって、このような事態を引き起こさないためには、樹脂性状に合わせたプラズマ入力パワーの正確かつ精度の高い制御が必要である。
【００１０】
しかしながら、本構成のプラズマ処理装置においては以下に示すように二つのモードでプラズマが発生するため、プラズマ入力パワーの制御に問題が生じる。すなわち、本構成の装置においては、図８の発生原理と図９の発生原理によってプラズマが発生する。誘導結合プラズマは、その名の示すとおり高周波電源１より高周波誘導コイル１５に供給された高周波電流によって容器２の内部に発生する誘導電界Ｅ１がプラズマ６を生成する役割を果たす（図８）。しかしながら、高周波誘導コイル１５に高周波電流を供給すると、図９に示したように、誘導電界Ｅ１の他に、高周波誘導コイル１５に印可する高周波電圧による静電界Ｅ２も同時に発生しており、インダクティブな誘導結合とキャパシティブな容量結合が存在する。一般にプラズマ密度が低い場合には容量結合主体のプラズマ（Ｅモードプラズマ）、プラズマ密度の高い場合には誘導結合主体のプラズマ（Ｈモードプラズマ）が発生する。ＥモードからＨモードへの遷移はプラズマ密度に依存し、プラズマ密度がある値（しきい値）以上になるとプラズマへのパワー供給が急激に大きくなる。この現象を一般にモードジャンプと呼んでいる。
【００１１】
図１０はこの現象の実測例を示したものであり、高周波誘導コイルに通電する誘導コイル電流値がある値に達すると急激にプラズマ入力が大きくなることがわかる。この一定のコイル電流値以下で発生しているプラズマがＥモード、このコイル電流値以上で発生しているプラズマがＨモードである。
【００１２】
図１１は、このモードジャンプの説明図で、本図のＥ１モードとＨモードより構成される挙動が図１０の実測例に対応している。すなわち、高周波誘導コイルに通電する誘導コイル電流を増加させていくと、プラズマ入力がある値（しきい値Ｐs1）に達するまでは、コイルに印加される電圧によりプラズマにパワーが供給されることとなり、図中のＥ１モードに従ってプラズマ入力が増大する。このしきい値Ｐs1に達すると（図中のＡ点）、モードジャンプが生じてＨモードへと移行する（図中のＢ点）。 E１モードによってプラズマ入力がしきい値Ｐs1に到達したときのコイル電流値が比較的小さければ、Ｈモードへの移行に伴うプラズマ入力のジャンプ幅も比較的小さいが、しきい値Ｐs1に到達したときのコイル電流値が非常に大きければ、プラズマ入力のジャンプ幅も大きくなる。モードジャンプによってＨモードになると、プラズマ入力は、誘導コイル電流の調整によってＨモードの特性に従って制御される。しかしながら、コイル電流が減少し、プラズマ入力がある値（しきい値Ｐs2）に達すると（図中のＣ点）、ＨモードからＥモードへの移行が生じる。したがって、プラズマ入力はコイル電流に対してヒステリシスループを描くこととなる。このため、プラズマ入力は一義的に制御できないばかりでなく、Ｐs1とＰs2の間の値に制御することは不可能である。特に、しきい値Ｐs1に到達したときのコイル電流値が大きければヒステリシスループも大きくなり、制御はより困難となる。
【００１３】
このように、図１４に示した従来のプラズマ処理装置においては、プラズマ入力が高周波誘導コイルに通電する誘導コイル電流に対してヒステリシスループを描くので、誘導コイル電流を制御してもプラズマ入力を一義的に制御することはできない。したがって、被処理用の樹脂の性状に合わせたプラズマ入力パワーの制御を十分に行うことができないで、プラズマ入力パワーが過大となり、熱分解ガスが大量に発生してタールが処理容器の内壁に付着し、その除去のために多大のメンテナンスを必要とし、装置の稼働率が大幅に低下してしまうという問題点がある。
【００１４】
本発明の目的は、上記のごとき従来技術の難点を解消し、被処理用の樹脂の性状に合わせた精密なプラズマ入力パワーの制御が可能で、樹脂処理に伴うタールの発生が抑制され、そのメンテナンスが軽減され、高い稼働率で運転できるイオン交換樹脂等の処理用のプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
被処理物を内包する金属製の処理容器、処理容器の一面に設けられた電気絶縁性材料よりなる窓、この窓の近傍に配置された高周波誘導コイル、高周波電流を供給する高周波電源、および処理容器内に反応性ガスまたは反応性ガスを含む複数のガスを導入するためのガス導入手段を備え、高周波電源より高周波誘導コイルに高周波電流を通電して処理容器内部に高周波磁界を形成し、電磁界作用によって処理容器内にプラズマを発生させ、反応性ガスのプラズマ化により生じた活性原子あるいはイオンを作用させて被処理物を灰化、あるいはエッチングし、あるいは被処理物に薄膜を形成するプラズマ処理装置において、
（ａ）窓の表面積がＳ（m2）、窓の厚さがｄ（ｍ）、窓を形成する電気絶縁性材料の比誘電率がεS 、高周波誘導コイルに通電される高周波電流の周波数がｆ（Hz）のとき、高周波誘導コイルの導体の窓に対向する表面積の総和Ａ（m2）が、Ａ＞ 4×108 ×Ｓ×ｄ／（ｆ・εS ）となるように高周波誘導コイルを形成する。
【００１６】
（ｂ）さらに上記の（ａ）において、高周波誘導コイルを、窓に対向する面に幅広面を配した平板状の断面を有するコイルとする。
【００１７】
（ｃ）さらに上記の（ｂ）において、高周波誘導コイルを上記の窓の大気側表面に薄膜として形成することとする。
【００１８】
（ｄ）あるいは、高周波誘導コイルを窓の内部に形成することとする。
【００１９】
ところで、図１１に見られるように、前述のモードジャンプは、Ｅモードにおけるプラズマ入力〜誘導コイル電流特性の傾きが、Ｈモードにおけるプラズマ入力〜誘導コイル電流特性の傾きに比べて小さいことが原因となって生じている。したがって、Ｅモードにおけるプラズマ入力〜誘導コイル電流特性の傾きが大きくなれば、モードジャンプの幅が小さくなることになる。
【００２０】
図１２は、図１４の装置のＨモードにおけるプラズマ発生の等価回路、図１３はＥモードプラズマ発生の等価回路を示したものである。Ｅモードでは、図１３のごとく、容器と高周波誘導コイルの間に位置する石英製の窓部分がコンデンサＣｗを形成し、プラズマの等価抵抗Ｒｐに流れる電流Ｉを制限する。すなわち、プラズマへの入力はＩ2 Ｒｐで与えられるが、窓部分のコンデンサ容量Ｃｗが小さい場合には、インピーダンス１／（ωＣｗ）が大きくなり、このためプラズマの等価抵抗Ｒｐに流れる電流Ｉが小さくなるので、プラズマへの入力は小さくなる。これに対して、窓部分のコンデンサＣｗが大きければ大きいほどインピーダンス１／（ωＣｗ）が小さくなり、電流Ｉが上昇するので、Ｅモードにおけるプラズマへのパワー供給量が大きくなることになる。一方、Ｈモードでは、図１２のようにプラズマ発生の等価回路には窓部分のコンデンサＣｗは現れず、誘導コイルに通電する電流値に依存してプラズマにパワーが供給されることが解る。すなわち、Ｈモードでは、窓部分のコンデンサ容量Ｃｗを変えても、プラズマ入力〜誘導コイル電流特性には影響を与えないことがわかる。
【００２１】
したがって、平板形状の窓部分が形成するコンデンサのインピーダンスを低減させれば、Ｅモードにおけるプラズマ入力〜誘導コイル電流特性の傾きが大きくなり、Ｈモードにおけるプラズマ入力〜誘導コイル電流特性の傾きに近づいてモードジャンプの幅が小さく抑えられるため、プラズマ入力の精度の高い制御が可能となる。
【００２２】
すなわち、モードジャンプを説明するために示した図１１のプラズマ入力〜誘導コイル電流特性において、Ｅモードのしきい値Ｐs1への到達点の電流値が、Ｈモードのしきい値Ｐs1での電流値となるように構成すれば、すなわち、図に示したＥ２モードのごとき特性を有するように構成すれば、プラズマ入力〜誘導コイル電流特性は、Ｅ２モードとＨモードを点Ｑにおいて連結した特性を持つこととなる。このような特性においては、しきい値Ｐs1においてＥ２モードからＨモードへとジャンプを生じることなく連続的に移行するので、Ｅ１モードのごときヒステリシスは生じない。したがって、プラズマへの入力は、誘導コイル電流の調整によって精度よく制御される。なお、Ｅモードの傾きがさらに増大して、点Ｑの電流値より小さな電流値でしきい値Ｐs1に到達した場合には、誘導コイル電流を増大させると、プラズマ入力Ｐs1を維持したまま点Ｑに達し、Ｈモードへと移行するので、ヒステリシスを生じることはなく、プラズマへの入力は精度よく制御できる。
【００２３】
本図に見られるように、従来の装置の特性（図１０）を摸式的に示したＥ１モードと、点ＱにおいてＨモードに連結するＥ２モードのそれぞれの傾きを比較すると、Ｅ２モードの傾きがＥ１モードの傾きの約２倍であることが認められる。一方、Ｅモードの傾きは、前述のごとく、窓部分のコンデンサ容量Ｃｗに依存し、そのインピーダンス１／（ωＣｗ）が大きくなるほど小さくなり、後述の測定例に示したように、この傾きはほぼ（ωＣｗ）に比例して増大する。したがって、一般的に、プラズマにパワーが投入される面積、すなわち窓部分の面積がＳ（m2）、窓部分のコンデンサ容量がＣｗ、誘導コイル電流の周波数がｆ（Hz）、したがってω＝ 2πｆのとき、（ωＣｗ）／Ｓの値を、図１０の特性を示した図１４の装置の窓部分の面積、コンデンサ容量等から算出される（ωＣｗ）／Ｓの値の約２倍以上とすれば、プラズマ入力〜誘導コイル電流特性は、ＥモードとＨモードが連続する特性を示すこととなり、プラズマへの入力の高精度の制御が可能となる。ここで、窓材の比誘電率をεS 、厚さをｄ（ｍ）、誘導コイルの窓部に対向する導体面積をＡ（m2）とすれば、Ｃｗ＝εS ・εS ・Ａ／ｄで表されるので、上記の（ωＣｗ）／Ｓの値は、ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）に比例することとなる。したがって、ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値が図１４の装置の値の約２倍以上であれば、プラズマへの入力は高い精度で制御できることとなる。
【００２４】
図１４の装置においては、窓には石英ガラス（比誘電率εS ＝3.7 ）が用いられており、その半径は 0.33 m 、したがって窓の面積は 0.108 m2 、厚さｄは30×10-3 mである。また、高周波誘導コイルの石英ガラス窓に対向する導体面積Ａは1.36×10-2 m2 、誘導コイルの電流の周波数ｆは13.56 ×106 Hzである。これらの数値より本装置のｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値は 2.1×108 と算出される。したがって、この種のプラズマ処理装置において、ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値が、凡そ、
【００２５】
ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）≧ ４×108 （３）
となるように構成すれば、プラズマへの入力は高い精度で制御できることとなる。
【００２６】
したがって、上記（ａ）のごとくプラズマ処理装置を構成すれば、上記の式（３）が満たされることとなり、基本的にプラズマ入力〜高周波誘導コイル電流特性は、ＥモードとＨモードが連続する特性を示すこととなるので、少なくともモードジャンプの幅が小さく抑えられ、プラズマへの入力の高精度の制御が可能となる。
【００２７】
また上記（ｂ）のごとく構成すれば、高周波誘導コイルの大型化を引き起こすことなく上記の式（３）が満たされることとなる。したがって、コンパクトな構成で、プラズマ入力パワーの精度の高い制御が可能となる。
【００２８】
また、上記（ｃ）のごとく構成すれば、平板形状の窓と高周波誘導コイルとの間の空気層ギャップを皆無とすることができ、また、上記（ｄ）のごとく構成すれば、窓部分のコンデンサとして作用する実効的な誘電体層の厚さｄが薄くなるので、窓部に対向する誘導コイルの導体面積Ａが相対的に小さくとも上記の式（３）が満たされることとなる。したがって、コンパクトな構成で、プラズマ入力パワーの精度の高い制御を可能とするのに効果的である。
【００２９】
また、上記（ｄ）のごとく通常用いられている石英より誘電率の高い材料により平板形状の窓を形成することとすれば、実効的な静電容量は誘導コイルとプラズマとの間の静電容量に依存し、窓の厚さに依らないので、窓部の機械的強度を損なうことなく静電容量を大きくすることができ、上記（１）と同様に、プラズマ入力パワーの精度の高い制御が可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
図１は、本発明のプラズマ処理装置の第１の実施例の基本構成を模式的に示す図である。本プラズマ処理装置は、図１４に示した従来の実施例の構成を基に形成されたもので、図１４のプラズマ処理装置との相違点は、高周波誘導コイル１５Ａの導体の断面形状を幅の広いリボン状とし、かつ、窓部に対向する高周波誘導コイル１５Ａの導体面積を従来例の２倍にしたことにある。
【００３１】
すなわち、図１のプラズマ処理装置においては、石英ガラスよりなる窓４０の面積Ｓ、厚さｄは従来例と同一であり、高周波誘導コイル１５Ａの電流の周波数ｆも 13.56×106 Hzで従来例と同一である。これに対して、高周波誘導コイル１５Ａの導体の断面形状は、従来例の 8 mm の方形から、窓に対向する幅が 16 mm、高さが 4 mm の平板形状に替わり、コイル長は双方とも1.7 m である。したがって、本実施例の高周波誘導コイル１５Ａの石英ガラス窓４０に対向する導体の面積Ａは従来例の 1.36 ×10-2 m2 の２倍の 2.72 ×10-2 m2 に上昇しており、ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値は、 4.2×108 である。
【００３２】
図２は、本実施例のプラズマ処理装置のコイル電流に対するプラズマ入力パワーの変化を従来例と対比して示した特性図である。図中、Ａで示した特性は、比較にために示した従来例の特性で、図１０に示した特性と同一であり、Ｂで示した特性が本実施例の特性である。図に見られるように、特性Ｂではいわゆるモードジャンプは見られず、ＥモードとＨモードとの間でスムーズな遷移が生じている。すなわち、コイル面積を２倍に増大させてｆ・εS・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値を 4×108 以上としたことによって、窓部での静電容量が増大し、ＥモードとＨモードとの間の遷移がスムーズとなり、プラズマ入力の制御性が向上したことが判る。
【００３３】
なお、本実施例では高周波誘導コイル１５Ａの形状を平板型（あるいはリボン型）としているが、本実施例のようにＥモードとＨモードとの間でスムーズな遷移が得られるための条件は、上述のように、ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値の選定にある。したがって、ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値を所定値以上とすれば、コイル形状が平板型（あるいはリボン型）でなくとも、同様な効果が得られる。したがって、図３の高周波誘導コイル１５Ｂあるいは図４の高周波誘導コイル１５Ｃのごとく窓に対向する面が広い面を備えた断面のコイル形状とすれば、静電容量が大きくなり、上記のｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値が増大するので好適である。
【００３４】
＜実施例２＞
図５は、本発明のプラズマ処理装置の第２の実施例の基本構成を模式的に示す図である。
【００３５】
本実施例のプラズマ処理装置の基本構成は図１に示した実施例１と同様であるが、高周波誘導コイル１５Ｄが平板状窓４０の大気側の表面に薄膜として形成され、かつ、窓４０に対向する面が上述の実施例１の高周波誘導コイル１５Ａと同等の広さを持つように考慮されている点が特徴である。
【００３６】
本構成では、高周波誘導コイル１５Ｄの窓４０に対向する面が広く、静電容量が増大するのみならず、高周波誘導コイル１５Ｄと窓４０との間の空気層ギャップを皆無にすることができるので、窓部に形成される静電容量はより大きくなり、プラズマ入力パワーの制御性の向上に効果的である。
【００３７】
＜実施例３＞
図６は、本発明のプラズマ処理装置の第３の実施例の基本構成を模式的に示す図である。
【００３８】
本実施例の基本構成も図１に示した実施例１と同様である。実施例１との相違は高周波誘導コイル１５Ｅが平板状窓４０Ａの内部に内装されていることにある。本基本構成のプラズマ処理装置では、窓の厚さは大気圧に対する強度から決まるため、ある値以上の厚さを備える必要があり、任意に厚みを変えることはできない。したがって、上記の実施例１あるいは２のごとく高周波誘導コイルを窓の外側に配置した構成においては、窓部の静電容量は、高周波誘導コイルとプラズマ間に挿入される窓の厚みｄに依存するが、本実施例のごとく、高周波誘導コイルを平板状窓４０Ａの内部に内装すれば、静電容量は高周波誘導コイルとプラズマ間に存在する部分の厚さｄ1 によって定まり、窓の厚さには依存しないので、強度上必要な窓の厚さｄを変えることなく、窓の静電容量を大きくすることが可能となる。したがって、プラズマ入力が安定して制御できる条件式は、式（３）においてｄをｄ1 で置換したものとなり、高周波誘導コイルの導体のプラズマに対向する面積少ないものにあっても、プラズマ入力を安定して制御することが可能となる。
【００３９】
＜実施例４＞
図７は、本発明のプラズマ処理装置の第４の実施例の基本構成を模式的に示す断面図である。本プラズマ処理装置も、図１４に示した従来の実施例の構成を基に形成されたもので、図１４の処理装置との相違点は、窓４０Ｂの材質を従来例の窓４０，４０Ａに用いられていた石英ガラスからセラミックに変えたことにある。
【００４０】
既に述べたように、ＥモードとＨモードとの間のスムーズな遷移を可能とするには窓部の静電容量を大きくして式（３）が成り立つように構成する必要がある。本式（３）に見られるように、当然のことながら、窓部を構成する材料の誘電率が高ければ高いほど式（３）を満たすことが容易となる。したがって、本実施例のごとく、窓の構成材料を石英ガラス（誘電率：3.7 程度）からセラミック（誘電率：5 〜 8程度）に変更すれば、式（３）を満たすことが容易となる。
【００４１】
なお、上記の実施例１〜４の特徴をそれぞれ組み合わせて構成することも可能であり、組み合わせることによってその効果も大きくなる。
【００４２】
また、上記の実施例においては、処理容器２に設けられた窓４０，４０Ａ，４０Ｂがいずれも平板形状をもつものとして例示されているが、その形状は平板形状に限定されるものではなく、例えば略半球状に外側に突出した、いわゆるドーム型の窓においても適用されることは、本発明の思想から容易に想定される。
【００４３】
【発明の効果】
上述のごとく本発明によれば、プラズマ処理装置を請求項１、あるいは請求項２〜３のごとく構成することとしたので、プラズマ入力〜誘導コイル電流特性のＥモードとＨモードとの間の遷移によるプラズマ入力のジャンプ現象、ヒステリシス現象が無くなり、被処理イオン交換樹脂の性状に合わせたプラズマ入力の精密な制御が可能となった。その結果、樹脂処理におけるタール発生の問題を解消し、装置のメンテナンスを軽減させ、装置の稼働率を向上させたプラズマ処理装置が得られることとなった。
【００４４】
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明によるプラズマ処理装置の第１の実施例の基本構成を模式的に示す断面図。
【００４６】
【図２】本発明の第１の実施例のプラズマ処理装置と従来のプラズマ処理装置のプラズマ入力パワーのコイル電流依存性を示す特性図。
【００４７】
【図３】本発明の第１の実施例の高周波誘導コイルの断面形状の他の例を示す断面図。
【００４８】
【図４】本発明の第１の実施例の高周波誘導コイルの断面形状のさらに他の例を示す断面図。
【００４９】
【図５】本発明によるプラズマ処理装置の第２の実施例の基本構成を模式的に示す断面図。
【００５０】
【図６】本発明によるプラズマ処理装置の第３の実施例の基本構成を模式的に示す断面図。
【００５１】
【図７】本発明によるプラズマ処理装置の第４の実施例の基本構成を模式的に示す断面図。
【００５２】
【図８】誘導結合Ｈモードプラズマの発生原理を示す図。
【００５３】
【図９】容量結合Ｅモードプラズマの発生原理を示す図。
【００５４】
【図１０】ＥモードからＨモードへの遷移を表す図。
【００５５】
【図１１】ＥモードからＨモードへのジャンプ現象を説明する図。
【００５６】
【図１２】Ｅモードプラズマの電気等価回路図。
【００５７】
【図１３】Ｈモードプラズマの電気等価回路図。
【００５８】
【図１４】従来のイオン交換樹脂処理用プラズマ処理装置の構成を模式的に示す断面図。
【００５９】
【符号の説明】
１ 高周波電源
２ 反応容器
３ イオン交換樹脂
４ 処理皿
５ ガス導入口
６ プラズマ
１５，１５Ａ，１５Ｂ 高周波誘導コイル
１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ 高周波誘導コイル
１７ 排気口
３０ 移動ステージ
３１ 移動機構
４０，４０Ａ，４０Ｂ 窓
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを用いて被処理物の灰化、エッチング、薄膜形成を行うプラズマ処理装置に係わり、特に酸素含有雰囲気中のプラズマにより生じた活性酸素原子を利用して使用済みイオン交換樹脂等の灰化処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のプラズマ処理装置においては、処理に用いるプラズマとして誘導結合プラズマを用いている。誘導結合プラズマは、誘導コイルに高周波電流を通電することによって生じる電磁誘導現象により得られるプラズマである。その基本的な発生原理は金属などの誘導加熱（ＩＨ：Induction Heating ）と同じであり、電磁誘導でθ方向に生ずる誘導電界によりプラズマに渦電流を生じさせ、プラズマを加熱するものである。無電極で高密度のプラズマが得られるという長所を持っている。
【０００３】
この誘導結合プラズマを用いる装置としては、例えば特開平７−２１１４９０号公報、特開平８−１９５２９６号公報、特開平１０−２８４２９８号公報に半導体素子あるいは液晶素子の製造に用いられるプラズマ処理装置が開示されている。また、特願平１０−２８４０６４号には使用済みのイオン交換樹脂の灰化処理に用いられるプラズマ処理装置が提示されている。
【０００４】
図１４は、上記の特願平１０−２８４０６４号に記載の高周波誘導コイルを利用したイオン交換樹脂減容処理装置の構成を模式的に示す断面図である。本減容処理装置は、被処理用のイオン交換樹脂３を搭載した処理皿４を内蔵する反応容器２、反応容器２の上面に配された石英よりなる平板窓４０、平板窓上部に巻装された高周波誘導コイル１５、高周波誘導コイル１５に高周波電流を供給する高周波電源１、反応容器２内部を排気する図示しない減圧ポンプに接続される排気口１７、および反応容器２の内部に酸素または酸素を含む複数のガスを導入するためのガス導入口５より構成されている。また、イオン交換樹脂３を積載した処理皿４を移動機構３１により鉛直方向に移動可能に組み込まれた移動ステージ３０の上に置載して、灰化減容処理を行うよう構成されている。本装置においては、反応容器２の内部を酸素含有雰囲気とし、高周波誘導コイル１５による高周波磁界を平板窓４０を通して高周波誘導コイル１５に反応容器２の内部に形成し、電磁誘導によって得られた酸素プラズマ６を被処理用のイオン交換樹脂３と反応させて灰化処理が行われる。
【０００５】
上記の酸素プラズマによる使用済みイオン交換樹脂灰化処理の概要は以下の通りである。まず、プラズマ中では、次式（１）、（２）で代表される過程により化学的活性の高い酸素原子や酸素イオン等の活性粒子が生成される。
【０００６】
５ｅＶ以上の電子衝突 ：
Ｏ2 ＋ｅ→Ｏ2 * ＋ｅ→Ｏ2 ＋ｅ＋ｈν→Ｏ＋Ｏ＋ｅ （１）
12ｅＶ以上の電子衝突 ：
Ｏ2 ＋ｅ→Ｏ2 * ＋ｅ→Ｏ2 + ＋２ｅ→Ｏ＋Ｏ+ ＋２ｅ （２）
これらの活性粒子は、イオン交換樹脂やイオン交換樹脂の分解ガスに直接作用して、アルキル基から水素を引き抜いたり、Ｃ−Ｃ結合への割り込みや切断を経て、炭化水素の酸化を行う。その結果、樹脂は、ＣＯやＣＯ2 、Ｈ2Ｏとしてガス化され減容される。また、イオン交換樹脂の交換基に吸着されていたCoなどの金属イオンは、酸化物として減容された残さ中に残留する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１４に示した従来のプラズマ処理装置は、樹脂灰化処理に優れた性能を有しており、特に原子力設備から廃棄されるイオン交換樹脂等の廃棄物の減容処理に有効である。しかしながら本装置においても下記のような問題を残している。
【０００８】
すなわち、実際の樹脂の処理においては、被処理樹脂の性状に合わせた処理を行う必要があり、温度耐性が大きくプラズマによる加熱で熱分解しにくい樹脂の場合には、プラズマ入力パワーを大きくして、活性粒子数を増大させ、処理効率を上げることによって不完全酸化物の生成が抑えられる。一方、キレート材を多量に含む場合や温度耐性の低い樹脂の場合には、プラズマ入力パワーを下げてプラズマによる加熱を抑制し、これによって熱分解ガスの大量発生を抑え、活性粒子の不足による不完全酸化物の生成に起因するタール等の生成を効果的に低減させることが必要である。この場合には、樹脂が枯れ始め、熱分解ガスの放出量が少なくなるのに応じてプラズマ入力パワーを徐々に上げて、処理が行われる。このように、イオン交換樹脂等の樹脂廃棄物の減容処理を行う場合には、気相における完全酸化を実現させるためには、被処理イオン交換樹脂の状況に応じて、プラズマ入力パワーを調整し、生成している活性粒子量に応じて熱分解気化ガスの発生量を調整することが必要である。
【０００９】
樹脂量に対してプラズマ入力パワーが過大になると、熱分解ガスが大量に発生し、タールが処理容器の内壁に付着する。容器の内壁の温度は室温程度と低く、またこの容器の内壁にはプラズマによる活性酸素原子も届き難いため、容器壁に付着したタールは処理されないで、付着したまま残ることとなる。本装置には、処理容器の圧力調整用のバルブや、処理皿を上下に駆動するための移動ステージが備えられており、生成したタールがこれらの駆動部に付着すると、所期の性能が維持できなくなる恐れがあるため、一度タールを発生させると、タールの除去作業が必要である。この除去作業は装置の稼働率を下げるにとどまらず、特に原子力設備からの放射性を有するイオン交換樹脂処理の場合では作業自体が困難となる。したがって、このような事態を引き起こさないためには、樹脂性状に合わせたプラズマ入力パワーの正確かつ精度の高い制御が必要である。
【００１０】
しかしながら、本構成のプラズマ処理装置においては以下に示すように二つのモードでプラズマが発生するため、プラズマ入力パワーの制御に問題が生じる。すなわち、本構成の装置においては、図８の発生原理と図９の発生原理によってプラズマが発生する。誘導結合プラズマは、その名の示すとおり高周波電源１より高周波誘導コイル１５に供給された高周波電流によって容器２の内部に発生する誘導電界Ｅ１がプラズマ６を生成する役割を果たす（図８）。しかしながら、高周波誘導コイル１５に高周波電流を供給すると、図９に示したように、誘導電界Ｅ１の他に、高周波誘導コイル１５に印可する高周波電圧による静電界Ｅ２も同時に発生しており、インダクティブな誘導結合とキャパシティブな容量結合が存在する。一般にプラズマ密度が低い場合には容量結合主体のプラズマ（Ｅモードプラズマ）、プラズマ密度の高い場合には誘導結合主体のプラズマ（Ｈモードプラズマ）が発生する。ＥモードからＨモードへの遷移はプラズマ密度に依存し、プラズマ密度がある値（しきい値）以上になるとプラズマへのパワー供給が急激に大きくなる。この現象を一般にモードジャンプと呼んでいる。
【００１１】
図１０はこの現象の実測例を示したものであり、高周波誘導コイルに通電する誘導コイル電流値がある値に達すると急激にプラズマ入力が大きくなることがわかる。この一定のコイル電流値以下で発生しているプラズマがＥモード、このコイル電流値以上で発生しているプラズマがＨモードである。
【００１２】
図１１は、このモードジャンプの説明図で、本図のＥ１モードとＨモードより構成される挙動が図１０の実測例に対応している。すなわち、高周波誘導コイルに通電する誘導コイル電流を増加させていくと、プラズマ入力がある値（しきい値Ｐs1）に達するまでは、コイルに印加される電圧によりプラズマにパワーが供給されることとなり、図中のＥ１モードに従ってプラズマ入力が増大する。このしきい値Ｐs1に達すると（図中のＡ点）、モードジャンプが生じてＨモードへと移行する（図中のＢ点）。 E１モードによってプラズマ入力がしきい値Ｐs1に到達したときのコイル電流値が比較的小さければ、Ｈモードへの移行に伴うプラズマ入力のジャンプ幅も比較的小さいが、しきい値Ｐs1に到達したときのコイル電流値が非常に大きければ、プラズマ入力のジャンプ幅も大きくなる。モードジャンプによってＨモードになると、プラズマ入力は、誘導コイル電流の調整によってＨモードの特性に従って制御される。しかしながら、コイル電流が減少し、プラズマ入力がある値（しきい値Ｐs2）に達すると（図中のＣ点）、ＨモードからＥモードへの移行が生じる。したがって、プラズマ入力はコイル電流に対してヒステリシスループを描くこととなる。このため、プラズマ入力は一義的に制御できないばかりでなく、Ｐs1とＰs2の間の値に制御することは不可能である。特に、しきい値Ｐs1に到達したときのコイル電流値が大きければヒステリシスループも大きくなり、制御はより困難となる。
【００１３】
このように、図１４に示した従来のプラズマ処理装置においては、プラズマ入力が高周波誘導コイルに通電する誘導コイル電流に対してヒステリシスループを描くので、誘導コイル電流を制御してもプラズマ入力を一義的に制御することはできない。したがって、被処理用の樹脂の性状に合わせたプラズマ入力パワーの制御を十分に行うことができないで、プラズマ入力パワーが過大となり、熱分解ガスが大量に発生してタールが処理容器の内壁に付着し、その除去のために多大のメンテナンスを必要とし、装置の稼働率が大幅に低下してしまうという問題点がある。
【００１４】
本発明の目的は、上記のごとき従来技術の難点を解消し、被処理用の樹脂の性状に合わせた精密なプラズマ入力パワーの制御が可能で、樹脂処理に伴うタールの発生が抑制され、そのメンテナンスが軽減され、高い稼働率で運転できるイオン交換樹脂等の処理用のプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
被処理物を内包する金属製の処理容器、処理容器の一面に設けられた電気絶縁性材料よりなる窓、この窓の近傍に配置された高周波誘導コイル、高周波電流を供給する高周波電源、および処理容器内に反応性ガスまたは反応性ガスを含む複数のガスを導入するためのガス導入手段を備え、高周波電源より高周波誘導コイルに高周波電流を通電して処理容器内部に高周波磁界を形成し、電磁界作用によって処理容器内にプラズマを発生させ、反応性ガスのプラズマ化により生じた活性原子あるいはイオンを作用させて被処理物を灰化、あるいはエッチングし、あるいは被処理物に薄膜を形成するプラズマ処理装置において、
（ａ）窓の表面積がＳ（m2）、窓の厚さがｄ（ｍ）、窓を形成する電気絶縁性材料の比誘電率がεS 、高周波誘導コイルに通電される高周波電流の周波数がｆ（Hz）のとき、高周波誘導コイルの導体の窓に対向する表面積の総和Ａ（m2）が、Ａ＞ 4×108 ×Ｓ×ｄ／（ｆ・εS ）となるように高周波誘導コイルを形成する。
【００１６】
（ｂ）さらに上記の（ａ）において、高周波誘導コイルを、窓に対向する面に幅広面を配した平板状の断面を有するコイルとする。
【００１７】
（ｃ）さらに上記の（ｂ）において、高周波誘導コイルを上記の窓の大気側表面に薄膜として形成することとする。
【００１８】
（ｄ）あるいは、高周波誘導コイルを窓の内部に形成することとする。
【００１９】
ところで、図１１に見られるように、前述のモードジャンプは、Ｅモードにおけるプラズマ入力〜誘導コイル電流特性の傾きが、Ｈモードにおけるプラズマ入力〜誘導コイル電流特性の傾きに比べて小さいことが原因となって生じている。したがって、Ｅモードにおけるプラズマ入力〜誘導コイル電流特性の傾きが大きくなれば、モードジャンプの幅が小さくなることになる。
【００２０】
図１２は、図１４の装置のＨモードにおけるプラズマ発生の等価回路、図１３はＥモードプラズマ発生の等価回路を示したものである。Ｅモードでは、図１３のごとく、容器と高周波誘導コイルの間に位置する石英製の窓部分がコンデンサＣｗを形成し、プラズマの等価抵抗Ｒｐに流れる電流Ｉを制限する。すなわち、プラズマへの入力はＩ2 Ｒｐで与えられるが、窓部分のコンデンサ容量Ｃｗが小さい場合には、インピーダンス１／（ωＣｗ）が大きくなり、このためプラズマの等価抵抗Ｒｐに流れる電流Ｉが小さくなるので、プラズマへの入力は小さくなる。これに対して、窓部分のコンデンサＣｗが大きければ大きいほどインピーダンス１／（ωＣｗ）が小さくなり、電流Ｉが上昇するので、Ｅモードにおけるプラズマへのパワー供給量が大きくなることになる。一方、Ｈモードでは、図１２のようにプラズマ発生の等価回路には窓部分のコンデンサＣｗは現れず、誘導コイルに通電する電流値に依存してプラズマにパワーが供給されることが解る。すなわち、Ｈモードでは、窓部分のコンデンサ容量Ｃｗを変えても、プラズマ入力〜誘導コイル電流特性には影響を与えないことがわかる。
【００２１】
したがって、平板形状の窓部分が形成するコンデンサのインピーダンスを低減させれば、Ｅモードにおけるプラズマ入力〜誘導コイル電流特性の傾きが大きくなり、Ｈモードにおけるプラズマ入力〜誘導コイル電流特性の傾きに近づいてモードジャンプの幅が小さく抑えられるため、プラズマ入力の精度の高い制御が可能となる。
【００２２】
すなわち、モードジャンプを説明するために示した図１１のプラズマ入力〜誘導コイル電流特性において、Ｅモードのしきい値Ｐs1への到達点の電流値が、Ｈモードのしきい値Ｐs1での電流値となるように構成すれば、すなわち、図に示したＥ２モードのごとき特性を有するように構成すれば、プラズマ入力〜誘導コイル電流特性は、Ｅ２モードとＨモードを点Ｑにおいて連結した特性を持つこととなる。このような特性においては、しきい値Ｐs1においてＥ２モードからＨモードへとジャンプを生じることなく連続的に移行するので、Ｅ１モードのごときヒステリシスは生じない。したがって、プラズマへの入力は、誘導コイル電流の調整によって精度よく制御される。なお、Ｅモードの傾きがさらに増大して、点Ｑの電流値より小さな電流値でしきい値Ｐs1に到達した場合には、誘導コイル電流を増大させると、プラズマ入力Ｐs1を維持したまま点Ｑに達し、Ｈモードへと移行するので、ヒステリシスを生じることはなく、プラズマへの入力は精度よく制御できる。
【００２３】
本図に見られるように、従来の装置の特性（図１０）を摸式的に示したＥ１モードと、点ＱにおいてＨモードに連結するＥ２モードのそれぞれの傾きを比較すると、Ｅ２モードの傾きがＥ１モードの傾きの約２倍であることが認められる。一方、Ｅモードの傾きは、前述のごとく、窓部分のコンデンサ容量Ｃｗに依存し、そのインピーダンス１／（ωＣｗ）が大きくなるほど小さくなり、後述の測定例に示したように、この傾きはほぼ（ωＣｗ）に比例して増大する。したがって、一般的に、プラズマにパワーが投入される面積、すなわち窓部分の面積がＳ（m2）、窓部分のコンデンサ容量がＣｗ、誘導コイル電流の周波数がｆ（Hz）、したがってω＝ 2πｆのとき、（ωＣｗ）／Ｓの値を、図１０の特性を示した図１４の装置の窓部分の面積、コンデンサ容量等から算出される（ωＣｗ）／Ｓの値の約２倍以上とすれば、プラズマ入力〜誘導コイル電流特性は、ＥモードとＨモードが連続する特性を示すこととなり、プラズマへの入力の高精度の制御が可能となる。ここで、窓材の比誘電率をεS 、厚さをｄ（ｍ）、誘導コイルの窓部に対向する導体面積をＡ（m2）とすれば、Ｃｗ＝εS ・εS ・Ａ／ｄで表されるので、上記の（ωＣｗ）／Ｓの値は、ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）に比例することとなる。したがって、ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値が図１４の装置の値の約２倍以上であれば、プラズマへの入力は高い精度で制御できることとなる。
【００２４】
図１４の装置においては、窓には石英ガラス（比誘電率εS ＝3.7 ）が用いられており、その半径は 0.33 m 、したがって窓の面積は 0.108 m2 、厚さｄは30×10-3 mである。また、高周波誘導コイルの石英ガラス窓に対向する導体面積Ａは1.36×10-2 m2 、誘導コイルの電流の周波数ｆは13.56 ×106 Hzである。これらの数値より本装置のｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値は 2.1×108 と算出される。したがって、この種のプラズマ処理装置において、ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値が、凡そ、
【００２５】
ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）≧ ４×108 （３）
となるように構成すれば、プラズマへの入力は高い精度で制御できることとなる。
【００２６】
したがって、上記（ａ）のごとくプラズマ処理装置を構成すれば、上記の式（３）が満たされることとなり、基本的にプラズマ入力〜高周波誘導コイル電流特性は、ＥモードとＨモードが連続する特性を示すこととなるので、少なくともモードジャンプの幅が小さく抑えられ、プラズマへの入力の高精度の制御が可能となる。
【００２７】
また上記（ｂ）のごとく構成すれば、高周波誘導コイルの大型化を引き起こすことなく上記の式（３）が満たされることとなる。したがって、コンパクトな構成で、プラズマ入力パワーの精度の高い制御が可能となる。
【００２８】
また、上記（ｃ）のごとく構成すれば、平板形状の窓と高周波誘導コイルとの間の空気層ギャップを皆無とすることができ、また、上記（ｄ）のごとく構成すれば、窓部分のコンデンサとして作用する実効的な誘電体層の厚さｄが薄くなるので、窓部に対向する誘導コイルの導体面積Ａが相対的に小さくとも上記の式（３）が満たされることとなる。したがって、コンパクトな構成で、プラズマ入力パワーの精度の高い制御を可能とするのに効果的である。
【００２９】
また、上記（ｄ）のごとく通常用いられている石英より誘電率の高い材料により平板形状の窓を形成することとすれば、実効的な静電容量は誘導コイルとプラズマとの間の静電容量に依存し、窓の厚さに依らないので、窓部の機械的強度を損なうことなく静電容量を大きくすることができ、上記（１）と同様に、プラズマ入力パワーの精度の高い制御が可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
図１は、本発明のプラズマ処理装置の第１の実施例の基本構成を模式的に示す図である。本プラズマ処理装置は、図１４に示した従来の実施例の構成を基に形成されたもので、図１４のプラズマ処理装置との相違点は、高周波誘導コイル１５Ａの導体の断面形状を幅の広いリボン状とし、かつ、窓部に対向する高周波誘導コイル１５Ａの導体面積を従来例の２倍にしたことにある。
【００３１】
すなわち、図１のプラズマ処理装置においては、石英ガラスよりなる窓４０の面積Ｓ、厚さｄは従来例と同一であり、高周波誘導コイル１５Ａの電流の周波数ｆも 13.56×106 Hzで従来例と同一である。これに対して、高周波誘導コイル１５Ａの導体の断面形状は、従来例の 8 mm の方形から、窓に対向する幅が 16 mm、高さが 4 mm の平板形状に替わり、コイル長は双方とも1.7 m である。したがって、本実施例の高周波誘導コイル１５Ａの石英ガラス窓４０に対向する導体の面積Ａは従来例の 1.36 ×10-2 m2 の２倍の 2.72 ×10-2 m2 に上昇しており、ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値は、 4.2×108 である。
【００３２】
図２は、本実施例のプラズマ処理装置のコイル電流に対するプラズマ入力パワーの変化を従来例と対比して示した特性図である。図中、Ａで示した特性は、比較にために示した従来例の特性で、図１０に示した特性と同一であり、Ｂで示した特性が本実施例の特性である。図に見られるように、特性Ｂではいわゆるモードジャンプは見られず、ＥモードとＨモードとの間でスムーズな遷移が生じている。すなわち、コイル面積を２倍に増大させてｆ・εS・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値を 4×108 以上としたことによって、窓部での静電容量が増大し、ＥモードとＨモードとの間の遷移がスムーズとなり、プラズマ入力の制御性が向上したことが判る。
【００３３】
なお、本実施例では高周波誘導コイル１５Ａの形状を平板型（あるいはリボン型）としているが、本実施例のようにＥモードとＨモードとの間でスムーズな遷移が得られるための条件は、上述のように、ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値の選定にある。したがって、ｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値を所定値以上とすれば、コイル形状が平板型（あるいはリボン型）でなくとも、同様な効果が得られる。したがって、図３の高周波誘導コイル１５Ｂあるいは図４の高周波誘導コイル１５Ｃのごとく窓に対向する面が広い面を備えた断面のコイル形状とすれば、静電容量が大きくなり、上記のｆ・εS ・Ａ／（Ｓ・ｄ）の値が増大するので好適である。
【００３４】
＜実施例２＞
図５は、本発明のプラズマ処理装置の第２の実施例の基本構成を模式的に示す図である。
【００３５】
本実施例のプラズマ処理装置の基本構成は図１に示した実施例１と同様であるが、高周波誘導コイル１５Ｄが平板状窓４０の大気側の表面に薄膜として形成され、かつ、窓４０に対向する面が上述の実施例１の高周波誘導コイル１５Ａと同等の広さを持つように考慮されている点が特徴である。
【００３６】
本構成では、高周波誘導コイル１５Ｄの窓４０に対向する面が広く、静電容量が増大するのみならず、高周波誘導コイル１５Ｄと窓４０との間の空気層ギャップを皆無にすることができるので、窓部に形成される静電容量はより大きくなり、プラズマ入力パワーの制御性の向上に効果的である。
【００３７】
＜実施例３＞
図６は、本発明のプラズマ処理装置の第３の実施例の基本構成を模式的に示す図である。
【００３８】
本実施例の基本構成も図１に示した実施例１と同様である。実施例１との相違は高周波誘導コイル１５Ｅが平板状窓４０Ａの内部に内装されていることにある。本基本構成のプラズマ処理装置では、窓の厚さは大気圧に対する強度から決まるため、ある値以上の厚さを備える必要があり、任意に厚みを変えることはできない。したがって、上記の実施例１あるいは２のごとく高周波誘導コイルを窓の外側に配置した構成においては、窓部の静電容量は、高周波誘導コイルとプラズマ間に挿入される窓の厚みｄに依存するが、本実施例のごとく、高周波誘導コイルを平板状窓４０Ａの内部に内装すれば、静電容量は高周波誘導コイルとプラズマ間に存在する部分の厚さｄ1 によって定まり、窓の厚さには依存しないので、強度上必要な窓の厚さｄを変えることなく、窓の静電容量を大きくすることが可能となる。したがって、プラズマ入力が安定して制御できる条件式は、式（３）においてｄをｄ1 で置換したものとなり、高周波誘導コイルの導体のプラズマに対向する面積少ないものにあっても、プラズマ入力を安定して制御することが可能となる。
【００３９】
＜実施例４＞
図７は、本発明のプラズマ処理装置の第４の実施例の基本構成を模式的に示す断面図である。本プラズマ処理装置も、図１４に示した従来の実施例の構成を基に形成されたもので、図１４の処理装置との相違点は、窓４０Ｂの材質を従来例の窓４０，４０Ａに用いられていた石英ガラスからセラミックに変えたことにある。
【００４０】
既に述べたように、ＥモードとＨモードとの間のスムーズな遷移を可能とするには窓部の静電容量を大きくして式（３）が成り立つように構成する必要がある。本式（３）に見られるように、当然のことながら、窓部を構成する材料の誘電率が高ければ高いほど式（３）を満たすことが容易となる。したがって、本実施例のごとく、窓の構成材料を石英ガラス（誘電率：3.7 程度）からセラミック（誘電率：5 〜 8程度）に変更すれば、式（３）を満たすことが容易となる。
【００４１】
なお、上記の実施例１〜４の特徴をそれぞれ組み合わせて構成することも可能であり、組み合わせることによってその効果も大きくなる。
【００４２】
また、上記の実施例においては、処理容器２に設けられた窓４０，４０Ａ，４０Ｂがいずれも平板形状をもつものとして例示されているが、その形状は平板形状に限定されるものではなく、例えば略半球状に外側に突出した、いわゆるドーム型の窓においても適用されることは、本発明の思想から容易に想定される。
【００４３】
【発明の効果】
上述のごとく本発明によれば、プラズマ処理装置を請求項１、あるいは請求項２〜３のごとく構成することとしたので、プラズマ入力〜誘導コイル電流特性のＥモードとＨモードとの間の遷移によるプラズマ入力のジャンプ現象、ヒステリシス現象が無くなり、被処理イオン交換樹脂の性状に合わせたプラズマ入力の精密な制御が可能となった。その結果、樹脂処理におけるタール発生の問題を解消し、装置のメンテナンスを軽減させ、装置の稼働率を向上させたプラズマ処理装置が得られることとなった。
【００４４】
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明によるプラズマ処理装置の第１の実施例の基本構成を模式的に示す断面図。
【００４６】
【図２】本発明の第１の実施例のプラズマ処理装置と従来のプラズマ処理装置のプラズマ入力パワーのコイル電流依存性を示す特性図。
【００４７】
【図３】本発明の第１の実施例の高周波誘導コイルの断面形状の他の例を示す断面図。
【００４８】
【図４】本発明の第１の実施例の高周波誘導コイルの断面形状のさらに他の例を示す断面図。
【００４９】
【図５】本発明によるプラズマ処理装置の第２の実施例の基本構成を模式的に示す断面図。
【００５０】
【図６】本発明によるプラズマ処理装置の第３の実施例の基本構成を模式的に示す断面図。
【００５１】
【図７】本発明によるプラズマ処理装置の第４の実施例の基本構成を模式的に示す断面図。
【００５２】
【図８】誘導結合Ｈモードプラズマの発生原理を示す図。
【００５３】
【図９】容量結合Ｅモードプラズマの発生原理を示す図。
【００５４】
【図１０】ＥモードからＨモードへの遷移を表す図。
【００５５】
【図１１】ＥモードからＨモードへのジャンプ現象を説明する図。
【００５６】
【図１２】Ｅモードプラズマの電気等価回路図。
【００５７】
【図１３】Ｈモードプラズマの電気等価回路図。
【００５８】
【図１４】従来のイオン交換樹脂処理用プラズマ処理装置の構成を模式的に示す断面図。
【００５９】
【符号の説明】
１ 高周波電源
２ 反応容器
３ イオン交換樹脂
４ 処理皿
５ ガス導入口
６ プラズマ
１５，１５Ａ，１５Ｂ 高周波誘導コイル
１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ 高周波誘導コイル
１７ 排気口
３０ 移動ステージ
３１ 移動機構
４０，４０Ａ，４０Ｂ 窓
Claims (3)
- 被処理物を内包する金属製の処理容器、処理容器の一面に設けられた電気絶縁性材料よりなる窓、該窓の近傍に配置された高周波誘導コイル、高周波電流を供給する高周波電源、および処理容器内に反応性ガスまたは反応性ガスを含む複数のガスを導入するためのガス導入手段を備え、高周波電源より高周波誘導コイルに高周波電流を通電して処理容器内部に高周波磁界を形成し、電磁界作用によって処理容器内にプラズマを発生させ、反応性ガスのプラズマ化により生じた活性原子あるいはイオンを作用させて被処理物を灰化、あるいはエッチングし、あるいは被処理物に薄膜を形成するプラズマ処理装置において、
前記の窓の表面積がＳ（ｍ２）、窓の厚さがｄ（ｍ）、窓を形成する電気絶縁性材料の比誘電率がεｓ、高周波誘導コイルに通電される高周波電流の周波数がｆ（Ｈｚ）のとき、高周波誘導コイルの導体の窓に対向する表面積の総和Ａ（ｍ２）が、Ａ＞４×１０８×Ｓ×ｄ／（ｆ・εｓ）となるように形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記高周波誘導コイルの導体断面が、前記の窓に対向する面に幅広面を配した平板状の断面を有することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
- 前記高周波誘導コイルが、前記の窓の大気側表面に薄膜として形成されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23642899A JP3852653B2 (ja) | 1999-08-24 | 1999-08-24 | プラズマ処理装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP23642899A JP3852653B2 (ja) | 1999-08-24 | 1999-08-24 | プラズマ処理装置 |
Publications (2)
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