JP4862375B2

JP4862375B2 - 進行波形マイクロ波プラズマ発生装置

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Publication number: JP4862375B2
Application number: JP2005352121A
Authority: JP
Inventors: 英二田辺
Original assignee: 株式会社エーイーティー
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-12-06
Also published as: JP2007157535A

Description

本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置、さらに詳しく言えば、進行波形マイクロ波がプラズマ発生部にマイクロ波電力を供給することにより、大面積で均一なプラズマ密度分布を形成し、安定してマイクロ波プラズマを発生させることができる進行波形マイクロ波プラズマ発生装置に関する。

マイクロ波プラズマは表面の処理、殺菌、蒸着その他の分野で利用され、広い面積で安定してプラズマを発生させたいという要請があり、数多くの研究がなされている。特に半導体ウエハの表面の均一な洗浄には、均一なプラズマ状態のもとでの洗浄が欠かせない。しかしながら、大面積に対応するプラズマ発生装置は、アンテナの配置の制約やキャビティ内部のマイクロ波共振時の定在波の存在のために、電界強度分布が位置により変わることが原因で、実現困難であった。

特許文献１に示されている表面波励起プラズマの装置は、ガス導入部３からガスをチャンバー内に導入するとともに、スロットアンテナ６から石英板窓４を介してマイクロ波電力を供給する構成である。この装置ではスロットアンテナの形状はあらかじめ加工されていて、形状寸法を後で可変することができないので、表面波の強度分布を微調整することができない。よってプラズマの強度分布を一様にすることが困難である。

特許文献２に示されているプラズマ処理装置は、導波管２内を伝播するマイクロ波Ｍを磁界面Ｈの設けられた第１および第２のスロットアンテナからマイクロ波導入窓３に導き、表面波Ｓによってチャンバー４内のプロセスガスを励起して表面波励起プラズマＰを生成し、このプラズマＰにより被処理物を処理する。この装置ではスロットアンテナの形状はあらかじめ加工されていて、形状寸法を後で可変することができないので、同様に表面波の強度分布を微調整することができない。よってプラズマの強度分布を一様にすることが困難である。

特許文献３に示されているプラズマ処理装置は、導電体近接領域で表面波励起プラズマを発生する方法を用いた装置である。特に導電体からなるターゲット近傍において誘電体を介在しない表面波励起プラズマ現象を発生させている。よって導電体からなるターゲットが直接ガスに接している構造になっているのが特徴である。
そして前記表面波は積極的に進行波として動作させて電力効率を上げることについて明細書の中で一切記述されていない。

以上の各文献によると、マイクロ波プラズマ発生装置の構造は、入力端からの電力を受けるアンテナまたは開口部とマイクロ波を限られた空間に閉じ込めるキャビティで構成されている。そのためマイクロ波がキャビティの壁面で反射して内部に定在波が立つことになる。このような定在波の存在はキャビティ内部の位置により電界強度分布が異なることになる。この原因により、プラズマの強度分布を広い面積にわたり一様にすることが困難になる欠点がある。
特開２０００−３４８８９８号公報特開２００４−２３５５６２号公報特開２００４−４７２０７号公報

本発明の目的は、進行波形マイクロ波がプラズマ発生部にマイクロ波電力を供給することにより大面積で均一な密度分布をもつプラズマを形成し、安定したマイクロ波プラズマを発生させることができる進行波形マイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、中心導体と前記中心導体を誘電体で囲み、前記中心導体にマイクロ波電力を供給することによって前記誘電体の外周にプラズマを形成させるマイクロ波プラズマ発生装置において、プラズマ励起用のマイクロ波電力を供給するマイクロ波供給手段と、前記中心導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、一様な進行波形マイクロ波によって誘電体管の外周に、導電性を示すプラズマが均一に形成され、このプラズマがマイクロ波伝送路の外導体を形成するプラズマ発生手段と、前記プラズマ発生手段の中心導体の他端に接続され、前記プラズマ発生手段により形成されるマイクロ波伝送路を通過したマイクロ波電力を終端するためのマイクロ波終端手段と、前記プラズマ発生手段の誘電体管の周囲にプラズマ原料ガスを供給するプラズマ原料ガス供給手段とを具備し、前記マイクロ波供給手段と前記プラズマ発生手段、前記プラズマ発生手段と前記マイクロ波終端手段との結合部は、中心導体の周りを誘電体で囲み、さらにその外側を外部導体で覆った構造であって前記プラズマ発生手段の中心導体を電気的に且つ機械的に一体に接続したものであり、結合部は動作状態におけるインピーダンス整合が成立する構造であることを特徴とする。

本発明による請求項２記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載の装置において、前記マイクロ波供給手段と前記マイクロ波終端手段は導波管をもち、前記プラズマ発生手段の中心導体の両端は前記各導波管内でアンテナ結合するように構成されている。

本発明による請求項３記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載の装置において、前記プラズマ発生手段の中心導体および誘電体管は、前記プラズマ原料ガス供給手段によりプラズマ原料ガスが導入される容器内の任意の平面内に渦巻き状に配置され、面状のプラズマを発生するように構成されている。
本発明による請求項４記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載の装置において、前記プラズマ発生手段の中心導体および誘電体管は、前記プラズマ原料ガス供給手段によりプラズマ原料ガスが導入される容器内の任意の平面内で複数回曲げ折り戻されて配置され、面状のプラズマを発生するように構成されている。

本発明による請求項５記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、中心導体と前記中心導体を誘電体で囲み、前記中心導体にマイクロ波電力を供給することによって前記誘電体の外周にプラズマを形成させるマイクロ波プラズマ発生装置において、プラズマ励起用のマイクロ波電力を供給するマイクロ波供給手段と、前記中心導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、一様な進行波形マイクロ波によって誘電体管の外周に、導電性を示すプラズマが均一に形成され、このプラズマがマイクロ波伝送路の外導体を形成する第１のプラズマ発生手段と、前記第１のプラズマ発生手段と所定の間隔を保って位置され、前記中心導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、一様な進行波形マイクロ波によって前記誘電体管の外周に、導電性を示すプラズマが均一に形成され、このプラズマがマイクロ波伝送路の外導体を形成する第２のプラズマ発生手段と、前記各プラズマ発生手段の中心導体の他端に接続され、前記各プラズマ発生手段により形成されるマイクロ波伝送路を通過したマイクロ波電力を終端するためのマイクロ波終端手段と、前記各プラズマ発生手段の誘電体管の周囲にプラズマ原料ガスを供給するプラズマ原料ガス供給手段とから構成し、１つのプラズマ発生手段を設置するより大きい面積で一様なプラズマ密度分布を得ることを特徴とする。
本発明による請求項６記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項５記載の装置において、前記第１および第２のプラズマ発生手段に対してさらに他のプラズマ発生手段が隣接するプラズマ発生手段に対し所定の間隔を保って併設され、マイクロ波供給手段とマイクロ波終端手段とを共用しているものである。
本発明による請求項７記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項５または６記載の装置において、前記マイクロ波供給手段と前記マイクロ波終端手段は、前記各プラズマ発生手段との結合部を導波管で構成し、各結合部の結合程度を調整可能に構成したものである。
本発明による請求項８記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項５または６記載の装置において、前記マイクロ波供給手段と前記マイクロ波終端手段は、前記各プラズマ発生手段との結合部を同軸分配器で構成されている。
本発明による請求項９記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１，５または６記載の装置において、前記プラズマ発生手段の一方端に第１のマイクロ波源と第１の負荷が第１のサーキュレータを介して接続されており、前記プラズマ発生手段の他方端に第２のマイクロ波源と第２の負荷が第２のサーキュレータを介して接続されており、前記プラズマ発生手段は、双方向進行波によりマイクロ波プラズマを発生させられ、一方向のみの進行波で発生させるプラズマ密度分布よりさらに一様なプラズマ密度分布を得るように構成されている。
本発明による請求項１０記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１，５または６記載の装置において、前記プラズマ発生手段の誘電体管の表面には、プラズマ発生前の誘電体管の表面に電界を局部的に集中するための山形の突起部を設けて構成されている。

本発明の構成によれば、図１に示すプラズマ発生手段２では反射波はなく、進行波のみが発生し、この電磁界エネルギーがガスのプラズマ化を促進する。当然定在波が発生しないので、プラズマ発生手段２の一部に集中して電界強度が強くなることはないので、プラズマガスの密度は広い面積で一様になる。
なお、ガスのプラズマ化が促進した状態では前記プラズマ発生手段の誘電体管２Ｃの外壁の近傍において導電性のよいプラズマ化ガスが覆うので、前記プラズマ化ガスはちょうど同軸ケーブルの外側の導体と同じ働きをする。すなわちマイクロ波伝送路の外導体を形成する。よってマイクロ波の電力がプラズマ発生手段２に効率よく供給される。このことから、前述の回路の特性インピーダンスの整合性を図る場合、前記プラズマ発生手段２の特性インピーダンスＺにプラズマ化ガスの導電性を加味して設定することにより電力効率よいプラズマ発生装置が可能になる。

以下図面等を参照して本発明による装置の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置で単一のプラズマ発生手段を用いた第１の実施形態を示す略図である。内部構造の理解を容易にするためにプラズマ発生手段の誘電体管とプラズマ励起室の一部を破断して示してある。
マイクロ波電源６からのプラズマ励起用のマイクロ波電力はマイクロ波供給手段１を介して供給される。プラズマ発生手段２は、中心導体２Ｄおよび前記導体を囲む石英で構成する誘電体管２Ｃからなる。前記導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、前記誘電体管２Ｃの外周に高導電性を示すプラズマガス５が形成される。このプラズマガス５がマイクロ波伝送路の外導体を形成する。マイクロ波終端手段８は終端側同軸ケーブル７を含んでいる。このマイクロ波終端手段８はプラズマ発生手段２の中心導体の他端に接続され前記プラズマ発生手段により形成されるマイクロ波伝送路を通過したマイクロ波電力を終端する。プラズマ原料ガス供給手段９は前記プラズマ発生手段２の誘電体管２Ｃの周囲にプラズマ原料ガスを供給する。

マイクロ波供給手段は、マイクロ波供給手段の中心導体１Ａとマイクロ波供給手段の外部側導体管１Ｃとこれらに挟まれたマイクロ波供給手段の同軸誘電体１Ｂとで構成されている。
前記マイクロ波供給手段の同軸誘電体１Ｂは、マイクロ波に対して誘電体損失の少ないテフロン（登録商標）の誘電体であり、その誘電率はε₁ である。

前記マイクロ波供給手段の中心導体１Ａはプラズマ発生手段のテーパ部２Ａに接続する。
さらに前記プラズマ発生手段のテーパ部２Ａはプラズマ発生手段の中心導体２Ｄに接続する。
前記プラズマ発生手段のテーパ部２Ａと接続する前記プラズマ発生手段の中心導体２Ｄの外側に石英で構成するプラズマ発生手段の誘電体管２Ｃが配置されている。
ここで、石英で構成する前記プラズマ発生手段の誘電体管２Ｃの誘電率はε₂ である。
前記プラズマ発生手段の誘電体管２Ｃの外側は、プラズマ励起室４に充満するプラズマガス５に接触している。
前記プラズマ発生手段の中心導体２Ｄの右側端はプラズマ発生手段のテーパ部２Ｂに接続する。そして前記プラズマ発生手段のテーパ部２Ｂは右側に配置するマイクロ波供給手段の中心導体１Ａに接続する。前記プラズマ発生手段のテーパ部２Ｂの外側にテフロン（登録商標）のマイクロ波供給手段の同軸誘電体１Ｂを配置し、さらに外側にマイクロ波供給手段の外部側導体管１Ｃを配置する。
プラズマ用ガスは、プラズマ励起室のガス導入管４Ａから供給され、プラズマ励起室のガス排出管４Ｂから排出される。前記ガスは前記プラズマ発生手段の中心導体２Ｄに誘起されるマイクロ波電磁界により誘電体を介して励起され、プラズマ化される。

図２は前記実施形態のプラズマ発生手段２とマイクロ波供給手段との連結部分を説明するための略図的な断面図である。マイクロ波供給手段１を形成する同軸ケーブルは、半径ｒ₁ のマイクロ波供給手段の中心導体１Ａ、内径がｒ₁ 、外径ｒ₂ であるテフロン（登録商標）の誘電体で構成するマイクロ波供給手段の同軸誘電体１Ｂ、マイクロ波供給手段の外部側導体管１Ｃで構成されている。
図２では特に前記プラズマ発生手段のテーパ部２Ａの誘電体はテフロン（登録商標）を使用した例を示している。ここでは詳しく説明しないが、内径半径ｒ₁ の同軸誘電体部を空気（誘電率はε₀ ）として、前記プラズマ発生手段のテーパ部の誘電体をテフロン（登録商標）で構成する構造も可能である。
前記プラズマ発生手段のテーパ部２Ａの長さはｌであり、λ／２より十分長くする。これによりインピーダンスの整合性がはかれる。
プラズマ発生手段２は半径Ｒ₁ のプラズマ発生手段２の中心導体２Ｄ、プラズマ発生手段のテーパ部２Ａと外径Ｒ₂ 、内径Ｒ₁ のプラズマ発生手段１の誘電体管２Ｃで構成されている。
前記プラズマ発生手段２の誘電体管２Ｃは石英管で製作されている。その誘電率はε₂ である。
前記プラズマ発生手段２の誘電体管２Ｃの外側には、プラズマ用ガスが充満し、励起用マイクロ波が前記ガスを励起して、プラズマガス５に変化させる。

このプラズマ発生手段２における励起用マイクロ波がプラズマガスに電磁エネルギーを効率よく供給するために、前記誘電体管２Ｃの表面上を伝播するマイクロ波は特に進行波を使用する。進行波を伝播するためには、必要条件として、マイクロ波供給手段１の同軸ケーブルとプラズマ発生手段２とのインピーダンスの整合性が成立することである。
本発明のプラズマ発生装置はこの点を配慮して構成している。
マイクロ波供給手段１の同軸ケーブルの特性インピーダンスＺ₀ は、マイクロ波供給手段の中心導体１Ａの半径がｒ₁ 、テフロン（登録商標）の誘電体で構成するマイクロ波供給手段の同軸誘電体１Ｂの内径と外径がｒ₁ 、ｒ₂ であるとし、次式であらわされる。

Ｚ₀ ＝（μ₀ ／ε₁ ）^1/2 ・ｌｎ（ｒ₂ ／ｒ₁ ）

一方前記プラズマ発生手段２の特性インピーダンスＺは、プラズマ発生手段の中心導体２Ｄの半径がＲ₁ 、プラズマ発生手段の誘電体管２Ｃの外径がＲ₂ 、内径がＲ₁ 、誘電率がε₂ であるとして、近似的に次式で表される。

Ｚ≒（μ₀ ／ε₂ ）^1/2 ・ｌｎ（Ｒ₂ ／Ｒ₁ ）

前述したように、前記プラズマ発生手段の中心導体２Ｄの半径Ｒ₁ 、プラズマ発生手段の誘電体管２Ｃの外径Ｒ₂ 、前記マイクロ波供給手段の同軸誘電体１Ｂの内径ｒ₁ と外径ｒ₂ のそれぞれの値を最適に設定することにより、前記プラズマ発生手段２の特性インピーダンスＺが前記マイクロ波供給手段１の同軸ケーブルの特性インピーダンスＺ₀ に等しくすることができる。
すなわち
Ｚ＝Ｚ₀
この条件が満足すれば、プラズマ発生手段２では反射波はなく、進行波のみが発生し、この電磁界エネルギーがガスのプラズマ化を促進する。当然定在波が発生しないので、プラズマ発生手段２の一部に電界強度が強くなることはないので、プラズマガスの密度は広い面積で一様になりやすい。
なお、ガスのプラズマ化が促進した状態では前記プラズマ発生手段の誘電体管２Ｃの外壁近傍において導電性のよいプラズマ化ガスが覆うので、前記プラズマ化ガスはちょうど同軸ケーブルの外側の導体と同じ働きをする。すなわちマイクロ波伝送路の外導体を形成する。
よってマイクロ波の電力がプラズマ発生手段２に効率よく供給される。このことから、前述した回路の特性インピーダンスの整合性を図る場合、前記プラズマ発生手段２の特性インピーダンスＺにプラズマ化ガスの導電性を加味して設定すればさらに電力効率がよいプラズマ発生装置が可能になる。
また整合性のよいことから、大電力を供給することが可能である。
前記発生手段の誘電体管２Ｃの外側面がガスと接触しているが、その一部のＰ点を拡大すると、図２に示すように誘電体管２Ｃを構成する石英管の表面は山形の形状に加工されている。この山形は石英管の円周上をリング状に加工されている。山の高さは約１００ミクロン程度である。
進行波形マイクロ波が誘電体管２Ｃに伝播すると、この山形の部分でマイクロ波の電界が集中するので、ガスはこの部分でプラズマ化し、そして周囲にプラズマ化が伝達する。特に電源を投入時にプラズマ化が開始する時間の短縮やプラズマ化が点火しやすい利点が得られる。

図３Ａは本発明による前記単一のプラズマ発生手段を用いた進行波形マイクロ波プラズマ発生装置のマイクロ波供給手段を導波管とした場合の関係図である。
マイクロ波は導波管３４に入力される。導波管３４の内部に同軸アンテナ３１Ａが配置され、マイクロ波を吸収する。前記同軸アンテナ３１Ａはプラズマ発生手段３１にあるマイクロ波供給手段の中心導体３１Ｃに接続されていて、マイクロ波の電力をプラズマ発生手段３１に供給する。マイクロ波の電力は同軸用誘電体（石英）３２を介してガスに加わり、プラズマ化されたガス３５が発生する。この場合、マイクロ波は、前記のインピーダンス整合を取っているので、進行波として動作する。プラズマ化に消費した電力以外の残りの電力は同軸アンテナ３１Ｂから導波管３４を通して図示しない外部の負荷により消費される。

まず図３Ａに示すマイクロ波プラズマ発生手段の軸に直交する断面のＸＹ平面（図３Ｂの右側の図を参照）におけるプラズマの密度分布を考える。
図３Ｂの左側の図は、プラズマ発生手段３１で発生するプラズマ密度分布を示す。
ｙ＝Ｒ₁ の高さでＸ軸のゼロ点からＸの位置を増加して、各位置におけるプラズマ密度を計測すると、図３Ｂの右側の図のｙ＝Ｒ₁ をパラメータとするプラズマ密度分布になる。すなわち、プラズマ密度分布はＸ軸のゼロ点から増加し、プラズマ発生手段３１の近傍で最高になり、プラズマ発生手段３１から離れるにしたがい、再び減少する。
ｙ＝４Ｒ₁ とプラズマ発生手段３１から離れた高さで、Ｘ軸方向に移動した各点におけるプラズマ密度分布が図３Ｂに示すようにガスの拡散効果などが加わり、一様なプラズマ密度分布になることを示している。
当然Ｚ軸方向の強度分布も一様になる。
よって一定の距離を離した位置では広い面積でプラズマの密度分布が一様になる。

図４は前記第１の実施形態の変形例を示す略図である。
本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置で前記プラズマ発生手段の導体と誘電体管をプラズマ発生空間の一平面内において、らせん状に配置してある。マイクロ波源４７からのマイクロ波は同軸ケーブルの入力端部４１からプラズマ励起室４０の内部に配置された中心導体４５に供給される。中心導体４５の外側には同軸用誘電体（図示せず）が被覆されている。マイクロ波は前記同軸用誘電体を介してプラズマ励起室４０の内部に充満するガスを励起し、ガスはプラズマ化される。マイクロ波の一部は同軸ケーブルの出力終端部４２に配置された負荷（ダミーロード）４６に消費される。

図５は前記第１の実施形態のさらに他の変形例を示す略図である。この変形例は、本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置で前記プラズマ発生手段の導体と誘電体管をプラズマ発生空間の一平面内において、複数の平行部分とそれらを連結する曲げ戻し部分を配置してある。
マイクロ波源５５からのプラズマ励起用のマイクロ波は同軸ケーブルの入力端部５１からプラズマ励起室５０の内部に配置された中心導体５４に供給される。中心導体５４の外側には同軸用誘電体（図には記載していない）が被覆されている。マイクロ波は前記同軸用誘電体を介してプラズマ励起室５０の内部に充満するガスを励起し、ガスはプラズマ化される。
マイクロ波の一部は同軸ケーブルの出力終端部５２に配置された負荷（ダミーロード）５６に消費される。

本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置の第２の実施形態は少なくとも一対のプラズマ発生手段を用いるものであり、各プラズマ発生手段の発生するプラズマが連携して大面積プラズマ発生領域を形成するものである。
図６は本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置の第２の実施形態を一般化したｎ本の例を示す。
プラズマ励起室６０には、原料ガス供給手段６３０からプラズマ原料ガスが供給されている。マイクロ波がマイクロ波源６１０から導波管の入力部６００ｉｎに入力される。このときのマイクロ波のモードはＴＥ₀₁モードである。前記導波管６００の内部にはプラズマ発生手段が６１、６２、６３、６４、６５、６６、６ｎに示すように、並列に配置されている。前記各プラズマ発生手段のアンテナ（たとえば６１Ｃ）は前記導波管６００の壁面に配置されている。各アンテナの長さは入力部に近い方から奥に進むにしたがって順番に大きくなっている。これは導波管６００の奥に進むにしたがって、マイクロ波の電力が減衰するので、その減衰量を補うために、アンテナの長さを変えることによって前記各プラズマ発生手段に入る電力を一定の大きさに保ち、プラズマの強度分布が一様になるように設計されている。前記各プラズマ発生手段の終端にもアンテナ（６１Ｄなど）が配置されていて、余った電力は右側の導波管から外部に出力される。
前記各プラズマ発生手段の発生するマイクロ波のモードはＴＥＭモードになる。このマイクロ波はプラズマ発生手段の中心軸に沿って伝播し、その波は、前述したように入力同軸と前記各プラズマ発生手段の特性インピーダンスを整合することにより、進行波になる。また前記各プラズマ発生手段に入力する電力を一様にするための微調整方法として、導波管６００の側面に配置された各チューナ（６０１Ａから６０ｎＡと６０１Ｂから６０ｎＢ）を調整する方法をとる。
このチューナの微調整方法により、入力電力の微調整ができる。すなわち前記各プラズマ発生手段に発生するプラズマの強度分布の一様化の精度をさらにあげることができる。

次に導波管内部を伝播するマイクロ波の管内波長をλ_g とすると、前記各プラズマ発生手段の間隔はλ_g ／２になる。たとえば、励起するマイクロ波の周波数が２．４５０ＧＨｚとすれば、λ_g ≒１５ｃｍになる。なお導波管に設置されているプランジャー６０２は導波管内部の各アンテナ部の定在波の振幅を調整するために利用する。
この構成により、大面積のプラズマ発生装置が可能になる。
各プラズマ発生手段６１〜６ｎで消費されたマイクロ波電力の残りは出力側の導波管６００に同軸アンテナ（例えば６１Ｄ）を介して結合される。集められた残存電力は負荷６２０で消費される。

図７は進行波形マイクロ波プラズマ発生装置の前記第２の実施形態の装置の双方向励起を可能にする回路図である。
この回路は２個のマイクロ波源７００Ａと７００Ｂを含んでいる。
両方のマイクロ波源からプラズマ発生手段に電力を供給する。すなわちマイクロ波源７００Ａはマイクロ波電力をサーキュレータ７０１Ａに供給する。
前記サーキュレータ７０１Ａの出力に矢印の実線で示す方向に伝播する進行波のマイクロ波がプラズマ発生手段（７０２、７０３、７０４、７０５）に電力を供給する。残った電力は右側のサーキュレータ７０１Ｂに供給されて、前記マイクロ波の電力は前記サーキュレータ７０１Ｂにより負荷（ダミーロード）７１１で消費される。
一方マイクロ波源７００Ｂはマイクロ波電力をサーキュレータ７０１Ｂに供給する。
前記サーキュレータ７０１Ｂの出力に矢印の破線で示す方向に伝播する進行波のマイクロ波がプラズマ発生手段（７０２、７０３、７０４、７０５）に電力を供給する。残った電力は左側のサーキュレータ７０１Ａに供給されて、前記マイクロ波の電力は前記サーキュレータ７０１Ａにより負荷（ダミーロード）７１０で消費される。
この方法を利用することにより、前記プラズマ発生手段の電力分布はＺ軸方向に対してさらに一様な分布になる。
マイクロ波の電力が前記プラズマ発生手段７０２を左から右に伝播するとその電力は次式で示す割合で減衰する。

ここでＰ（ｚ）はＺの位置における電力の大きさ、Ｐ₀ は前記プラズマ発生手段７０２の左端の入力電力の大きさ、αは減衰定数である。
前記プラズマ発生手段７０２のＺ軸方向の長さをＬとすると、
マイクロ波の電力が前記プラズマ発生手段７０２を右から左に伝播するとその電力は次式で示す割合で減衰する。

ここでＰ（ｚ）はＺの位置における電力の大きさ、Ｐ₀ は前記プラズマ発生手段７０２の右端の入力電力の大きさ、αは減衰定数である。
よってＺ軸のＺの位置における電力は次式で示される。

これによって前記プラズマ発生手段７０２におけるＺ軸方向の電力分布は一様に改善される。同様に前記プラズマ発生手段の７０３、７０４、７０５についても同じ方法で調整することにより、広い面積の領域でプラズマの強度分布が一様になるプラズマ発生装置が可能になる。

図８Ａは前記第２の実施形態におけるプラズマの強度分布を説明するための略図であって、座標と実施形態の関係を示す概略配置図である。図８Ｂは、ｘ，ｙ面におけるプラズマ密度を示す図である。マイクロ波は導波管８４に入力される。導波管８４の内部に同軸アンテナ８１Ａが配置され、マイクロ波を吸収する。前記同軸アンテナ８１Ａはプラズマ発生手段８１にあるマイクロ波供給手段の中心導体８１Ｃに接続されていて、マイクロ波の電力をプラズマ発生手段８１に供給する。マイクロ波の電力は同軸用誘電体（石英）８２を介してガスに加わり、プラズマ化されたガス８５が発生する。この場合、前記の方法でインピーダンス整合を取っているので、マイクロ波は進行波として動作する。プラズマ化に消費した電力以外の残りの電力は同軸アンテナ８１Ｂから導波管８４を通して外部に放出する。同様にほかのプラズマ発生手段８１においても同じ動作をする。

図８Ｂは、前記構成例におけるマイクロ波プラズマ発生手段の軸に直交する断面におけるプラズマの密度分布を示している。プラズマ発生手段８１で発生するプラズマガスの密度分布は、図に示すように、プラズマ発生手段８１の近傍では密度分布が高い。密度分布のピークの繰り返す幅Ｌは当然前記プラズマ発生手段８１間の間隔になる。
プラズマ発生手段８１からＹ軸方向に離れるにしたがって、Ｘ軸方向の位置の変化に対して密度分布が、一様になることを示している。特にプラズマ発生手段８１が複数で構成するのでＸ軸方向の広い領域に対して密度分布が一様に設定されることは明確である。当然Ｚ軸方向の密度分布も一様になる。よって一定の距離を離した位置では広い面積で密度分布が一定になることになる。

図９は前記第２の実施形態において、複数のプラズマ発生手段が同軸分配器を用いて結合される変形例を説明するための略図である。マイクロ波はマイクロ波源９１から出力される。マイクロ波は、はじめにマイクロ波電力を２分割にする同軸分配器９２に入力される。さらにマイクロ波は同軸分配器９３で分配され、同軸分配器９４により結果的に４分割される。そして４本のプラズマ発生手段に電力を供給する。同軸分配器を増加すれば、プラズマ発生手段は大きくなる。
この方法は、同軸分配器のコストがかかる点が不利であるが、図６で説明した各プラズマ発生手段間の間隔がλ_g ／２の幅に制限される問題点はないので、用途により使い分けることができる。

（変形例等）以上進行波形マイクロ波プラズマ発生装置について、実施形態とその変形例について説明した。本発明の範囲内でこれらにさらに変形を施し、また組み合わせを変えることができる。プラズマ発生手段が一つの場合について双方向励起の説明を省略したが、図７の例を参照すると、当業者ならば容易に実現可能である。

本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、進行波形マイクロ波がプラズマ発生部にマイクロ波電力を供給することにより、大面積で均一なプラズマ密度分布を形成し、安定してマイクロ波プラズマを発生させることができる進行波形マイクロ波プラズマ発生装置である。最近のプラズマディスプレイや液晶テレビは高画質化の動向により大面積のガラスやフィルムが素材として要求される。ディスプレイの高品質を維持するにはこれらの素材の洗浄が大切になる。本発明の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、比較的安価であり、この大型化に対応できる特徴があり、マイクロ波を用いた表面処理の技術の分野で広い応用がある。

本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置で単一のプラズマ発生手段を用いた第１の実施形態を示す略図である。前記実施形態のプラズマ発生手段とマイクロ波供給手段を同軸ケーブルとした場合の連結部分を説明するための断面図である。本発明による前記単一のプラズマ発生手段を用いた進行波形マイクロ波プラズマ発生装置のマイクロ波供給手段を導波管とした場合のマイクロ波プラズマ発生手段の結合状態を説明するための略図である。図３Ａに示した実施例においてマイクロ波プラズマ発生手段の軸に直交する断面におけるプラズマの強度分布を示すグラフである。本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置で前記プラズマ発生手段の導体と誘電体管をプラズマ発生空間の一平面内において、らせん状に配置した変形例を示す略図である。本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置で前記プラズマ発生手段の導体と誘電体管をプラズマ発生空間の一平面内において、複数の平行部分とそれらを連結する曲げ戻し部分を配置した変形例を示す略図である。本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置の第２の実施形態をさらに一般化し３以上のプラズマ発生手段を用いる実施例を示す略図である。図６に示した実施形態を双方向性励起に変形した場合の回路図である。前記第２の実施形態（および一般化した実施例）においてプラズマの強度分布を説明するための配置と座標系の関係を示す略図である。図８Ａに示した実施形態におけるプラズマ密度を示す図である。前記第２の実施形態（および一般化した実施例）において、同軸分配器を用いて複数のプラズマ発生手段を結合する変形例を説明するための略図である。

符号の説明

１マイクロ波供給手段
１Ａマイクロ波供給手段の中心導体
１Ｂマイクロ波供給手段の同軸用誘電体
１Ｃマイクロ波供給手段の外部側導体管
２プラズマ発生手段
２Ａプラズマ発生手段のテーパ部
２Ｂプラズマ発生手段のテーパ部
２Ｃプラズマ発生手段の誘電体管
２Ｄプラズマ発生手段の中心導体
４プラズマ励起室
４Ａプラズマ励起室のガス導入管
４Ｂプラズマ励起室のガス排出管
５プラズマガス
６マイクロ波電源
７終端側同軸ケーブル
８マイクロ波終端手段
９原料ガス供給手段
３１プラズマ発生手段
３１Ａ同軸アンテナ
３１Ｂ同軸アンテナ
３１Ｃプラズマ発生手段の中心導体
３２プラズマ発生手段の誘電体管
３４導波管
３５プラズマガス
４０プラズマ励起室
４１入力端部
４２出力終端部
４５中心導体
４６負荷（ダミーロード）
４７マイクロ波源
５０プラズマ励起室
５１入力端部
５２出力終端部
５４中心導体
６０プラズマ励起室
６１，６２，６３，６４，６５，６６，６ｎプラズマ発生手段
６１Ａ，６２Ａプラズマ発生手段の中心導体
６１Ｃ，６１Ｄ同軸アンテナ
６００導波管
６０１Ａ，６０２Ａ，６０３Ａ，６０４Ａ，６０５Ａ，６０６Ａ，６０ｎＡチューナ
６０１Ｂ，６０２Ｂ，６０３Ｂ，６０４Ｂ，６０５Ｂ，６０６Ｂ，６０ｎＢチューナ
６０２プランジャー
６１０マイクロ波源
６２０，７１０，７１１負荷（ダミーロード）
６３０原料ガス供給手段
７００Ａ，７００Ｂマイクロ波源
７０１Ａ，７０１Ｂサーキュレータ
７０２，７０３，７０４，７０５プラズマ発生手段
７０２Ａプラズマ発生手段の誘電体管
７０２Ｂプラズマ発生手段の中心導体
８１プラズマ発生手段
８１Ａ，８１Ｂ同軸アンテナ
８１Ｃプラズマ発生手段の中心導体
８２同軸用誘電体
８４導波管
８５プラズマガス
９１マイクロ波源
９２，９３，９４同軸分配器
９５プラズマ発生手段

Claims

中心導体と前記中心導体を誘電体で囲み、前記中心導体にマイクロ波電力を供給することによって前記誘電体の外周にプラズマを形成させるマイクロ波プラズマ発生装置において、
プラズマ励起用のマイクロ波電力を供給するマイクロ波供給手段と、
前記中心導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、一様な進行波形マイクロ波によって誘電体管の外周に、導電性を示すプラズマが均一に形成され、このプラズマがマイクロ波伝送路の外導体を形成するプラズマ発生手段と、
前記プラズマ発生手段の中心導体の他端に接続され、前記プラズマ発生手段により形成されるマイクロ波伝送路を通過したマイクロ波電力を終端するためのマイクロ波終端手段と、
前記プラズマ発生手段の誘電体管の周囲にプラズマ原料ガスを供給するプラズマ原料ガス供給手段とを具備し、
前記マイクロ波供給手段と前記プラズマ発生手段、前記プラズマ発生手段と前記マイクロ波終端手段との結合部は、中心導体の周りを誘電体で囲み、さらにその外側を外部導体で覆った構造であって前記プラズマ発生手段の中心導体を電気的に且つ機械的に一体に接続したものであり、結合部は動作状態におけるインピーダンス整合が成立する構造であることを特徴とする進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
前記マイクロ波供給手段と前記マイクロ波終端手段は導波管をもち、前記プラズマ発生手段の中心導体の両端は前記各導波管内でアンテナ結合している請求項１記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
前記プラズマ発生手段の中心導体および誘電体管は、前記プラズマ原料ガス供給手段によりプラズマ原料ガスが導入される容器内の任意の平面内に渦巻き状に配置され、面状のプラズマを発生するように構成されている請求項１記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
前記プラズマ発生手段の中心導体および誘電体管は、前記プラズマ原料ガス供給手段によりプラズマ原料ガスが導入される容器内の任意の平面内で複数回曲げ折り戻されて配置され、面状のプラズマを発生するように構成されている請求項１記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
中心導体と前記中心導体を誘電体で囲み、前記中心導体にマイクロ波電力を供給することによって前記誘電体の外周にプラズマを形成させるマイクロ波プラズマ発生装置において、
プラズマ励起用のマイクロ波電力を供給するマイクロ波供給手段と、
前記中心導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、一様な進行波形マイクロ波によって誘電体管の外周に、導電性を示すプラズマが均一に形成され、このプラズマがマイクロ波伝送路の外導体を形成する第１のプラズマ発生手段と、
前記第１のプラズマ発生手段と所定の間隔を保って位置され、前記中心導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、一様な進行波形マイクロ波によって前記誘電体管の外周に、導電性を示すプラズマが均一に形成され、このプラズマがマイクロ波伝送路の外導体を形成する第２のプラズマ発生手段と、
前記各プラズマ発生手段の中心導体の他端に接続され、前記各プラズマ発生手段により形成されるマイクロ波伝送路を通過したマイクロ波電力を終端するためのマイクロ波終端手段と、
前記各プラズマ発生手段の誘電体管の周囲にプラズマ原料ガスを供給するプラズマ原料ガス供給手段と、
から構成し、
１つのプラズマ発生手段を設置するより大きい面積で一様なプラズマ密度分布を得ることを特徴とする進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
前記進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、前記第１および第２のプラズマ発生手段に対してさらに他のプラズマ発生手段が隣接するプラズマ発生手段に対し所定の間隔を保って併設され、マイクロ波供給手段とマイクロ波終端手段とを共用している請求項５記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
前記マイクロ波供給手段と前記マイクロ波終端手段は、前記各プラズマ発生手段との結合部を導波管で構成し、各結合部の結合程度を調整可能にした請求項５または６記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
前記マイクロ波供給手段と前記マイクロ波終端手段は、前記各プラズマ発生手段との結合部を同軸分配器で構成した請求項５または６記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
請求項１，５または６記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置において、
前記プラズマ発生手段の一方端に第１のマイクロ波源と第１の負荷が第１のサーキュレータを介して接続されており、
前記プラズマ発生手段の他方端に第２のマイクロ波源と第２の負荷が第２のサーキュレータを介して接続されており、
前記プラズマ発生手段は、双方向進行波によりマイクロ波プラズマを発生させられ、
一方向のみの進行波で発生させるプラズマ密度分布よりさらに一様なプラズマ密度分布を得る進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
請求項１，５または６記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置において、
前記プラズマ発生手段の誘電体管の表面には、プラズマ発生前の誘電体管の表面に電界を局部的に集中するための山形の突起部を設けて構成した進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。