JP6576712B2 - Microwave plasma generator - Google Patents

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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。   The present invention relates to a microwave plasma generation apparatus that generates plasma using microwaves.

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。   Surface wave plasma using microwaves has the advantage of being able to generate high-density plasma in a wide space area, so it can be used for various purposes such as cleaning, modification, and film formation on the surface of resin parts, resin films, and semiconductors. Used for processing. For example, as described in Patent Documents 1 and 2, a conventional microwave plasma generation apparatus includes a waveguide, a slot antenna, and a dielectric plate. The slot antenna is disposed in the opening of the waveguide. A plurality of slots are formed in the slot antenna. The dielectric plate is stacked on the slot antenna. The microwave transmitted by the waveguide passes through the slot of the slot antenna, enters the dielectric plate, and propagates on the surface of the dielectric plate. Microwave plasma is generated by ionizing the gas in the vacuum chamber by the strong electric field of the propagating microwave.

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。   In order to suppress the mixing of impurities and increase the purity of the treatment, it is desirable to perform the microwave plasma treatment as low pressure as possible. However, according to the conventional microwave plasma generation apparatus, it is difficult to generate a stable microwave plasma under a low pressure, and the processing pressure can be reduced only to about 5 Pa. In addition, the dielectric plate plays a role of generating plasma by propagating microwaves on the surface. However, since the dielectric plate is exposed in the vacuum vessel, when the film is formed by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) or the like, the components of the film are likely to adhere to the surface of the dielectric plate. Thereby, a plasma density will fall. In addition, the attached film components may generate heat due to the propagated microwave, and the dielectric plate may break.

特開2009−224269号公報JP 2009-224269 A 特開2005−197371号公報JP-A-2005-197371 国際公開2014/103604号International Publication No. 2014/103604 特開2009−146837号公報JP 2009-146837 A

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。   In order to solve the above-mentioned problem, the present inventor has developed a microwave plasma generation apparatus in which a dielectric plate is not exposed in a vacuum vessel (see Patent Document 3). FIG. 5 shows the configuration of the microwave plasma generation apparatus described in Patent Document 3. As shown in FIG. 5, the microwave plasma generation device 9 includes a first waveguide 90, a third waveguide 91, and a second waveguide 92 in order from the right. The first waveguide 90, the third waveguide 91, and the second waveguide 92 are all made of aluminum. The third waveguide 91 is disposed between the first waveguide 90 and the second waveguide 92. The third waveguide 91 is filled with a third dielectric 910 made of quartz as shown by a dotted line in FIG. The second waveguide 92 has a slot antenna 920. The slot antenna 920 is disposed as the front wall of the second waveguide 92. The slot antenna 920 is formed with a slot 921 penetrating in the front-rear direction. The second waveguide 92 is filled with a second dielectric 922 made of alumina, as shown by a one-dot chain line in FIG.

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。   As indicated by arrows in FIG. 5, the microwave propagates in the order of the first waveguide 90, the third waveguide 91, and the second waveguide 92. The microwave propagating through the second waveguide 92 passes through the slot 921 of the slot antenna 920 and propagates through the front surface of the slot antenna 920. At this time, the gas in the vacuum vessel is ionized by the strong electric field of the microwave, and microwave plasma is generated in front of the slot antenna 920.

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。   In the microwave plasma generation apparatus 9, the second dielectric 92 having a refractive index larger than that of air is filled in the second waveguide 92. Thereby, the wavelength of the microwave propagating through the second waveguide 92 becomes shorter than the wavelength when propagating through the air, and the portion where the electric field strength increases in the second waveguide 92 increases. Therefore, more slots 921 can be formed in the slot antenna 920 than in the prior art. This increases the electric field strength on the front surface of the slot antenna 920, so that it is easier to generate microwave plasma under a lower pressure than in the past.

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。   Further, according to the microwave plasma generation apparatus 9 shown in FIG. 5, it is not necessary to dispose a dielectric plate on the front side of the slot antenna 920. In other words, the microwave plasma generation apparatus 9 does not have a dielectric plate exposed in the vacuum vessel. For this reason, even if it uses for a film-forming process, the problem that the component of a film adheres to the surface of a dielectric plate does not arise.

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。   However, the microwave plasma generator shown in FIG. 5 is not sufficient in that microwave plasma can be stably generated at a lower pressure. Specifically, when generating plasma under a low pressure of about several Pa, it was necessary to first generate the plasma at about several tens to 100 Pa and then reduce the pressure to the target low pressure. .

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。   This invention is made | formed in view of such a situation, and makes it a subject to provide the microwave plasma production | generation apparatus which can produce | generate the stable microwave plasma also under low pressure.

(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。   (1) In order to solve the above-described problem, a microwave plasma generation apparatus of the present invention is a microwave plasma generation apparatus that generates microwave plasma by ionizing a gas in a vacuum vessel, and is a first apparatus that transmits microwaves. A waveguide, a tube wall portion made of a magnetic material, a slot antenna formed with a plurality of slots through which the microwave propagating through the tube passes, and at least the tube inside the tube A second dielectric disposed so as to cover the slot, and extending in one direction; and a surface on the plasma generation side of the slot antenna disposed outside the second waveguide A magnet for forming a magnetic field in which electron cyclotron resonance is generated at the slot position, and is interposed between the first waveguide and the second waveguide, and the second waveguide is disposed inside the tube. Refractive than dielectric Characterized in that it and a third waveguide having a small third dielectric.

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。   In the microwave plasma generation apparatus of the present invention, the second dielectric is disposed inside the second waveguide. Thereby, the wavelength of the microwave propagating in the second waveguide is shorter than the wavelength when propagating in the air. As described above, when the wavelength of the microwave is shortened, the portion where the electric field strength increases in the second waveguide increases. For this reason, many slots can be formed in the slot antenna. When the slot interval is reduced and a large number of slots are formed, the electric field strength per unit area of the slot antenna increases. Further, when the slots are formed densely, the microwaves passing through the adjacent slots complement each other, so that the electric field strength of the entire surface of the slot antenna can be increased.

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。   Usually, when microwaves are propagated to media having different refractive indexes, the microwaves are reflected at the boundaries of the media. In this regard, in the microwave plasma generation apparatus of the present invention, the third waveguide is interposed between the first waveguide and the second waveguide. The refractive index of the third dielectric in the third waveguide is smaller than the refractive index of the second dielectric in the second waveguide. Therefore, the microwave transmitted from the first waveguide is transmitted to the second waveguide after the wavelength is once converted in the third waveguide. By performing wavelength conversion in two steps (or more), compared to the case where microwaves are directly transmitted from the first waveguide to the second waveguide, the wavelength is incident on the second waveguide. Microwave reflection can be suppressed. Thereby, it can suppress that the energy of a microwave falls. For example, when there is no filler in the first waveguide and microwaves are transmitted through the air, the third dielectric has a refractive index greater than the refractive index of air and the second dielectric is refracted. What is smaller than the rate may be adopted.

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。   As described above, in the microwave plasma generation apparatus of the present invention, since the electric field strength on the surface of the slot antenna can be increased, even when the second waveguide is elongated, it is substantially uniform in the longitudinal direction. Microwave radiation is possible. Further, the second waveguide can be reduced in size by reducing the cross-sectional area in the short direction of the second waveguide. In this case, interference with other members and apparatuses necessary for reforming and film formation is suppressed. Therefore, for example, the microwave plasma generation apparatus of the present invention can be easily incorporated into a processing apparatus that includes a device for supplying and transporting a member to be processed and continuously performs a reforming process and a film forming process.

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ωce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ωce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。 In addition, the plasma generation unit of the microwave plasma generation apparatus of the present invention has a magnet outside the second waveguide. Thereby, a magnetic field is formed at the slot position on the surface of the slot antenna on the plasma generation side, and ECR plasma can be generated while generating electron cyclotron resonance (ECR). Electrons in the microwave plasma perform a clockwise turning motion with respect to the direction of the magnetic field in accordance with the cyclotron angular frequency ωce . On the other hand, the microwave propagating in the microwave plasma excites a clockwise circular polarization called an electron cyclotron wave. When the electron cyclotron wave propagates forward and its angular frequency ω matches the cyclotron angular frequency ω ce , the electron cyclotron wave is attenuated and wave energy is absorbed by the electrons. That is, ECR occurs.

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。
ωce=2πf=eB/m ・・・(i)
[式(i)中、eは素電荷、m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。
In order to generate ECR, the microwave frequency f [MHz] and the magnetic flux density B [mT] at the slot position must satisfy the following equation (i).
ω ce = 2πf = eB / m e (i)
[In formula (i), e is an elementary charge, and me is the mass of an electron. ]
When formula (i) is expanded, B = f / 28. For example, when the microwave frequency is 2.45 GHz, a magnetic flux density of 87.5 mT is required at the slot position. When the microwave frequency is 915 MHz, a magnetic flux density of 32.7 mT is required at the slot position.

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。   Electrons whose energy has been increased by ECR collide with surrounding neutral particles while being restrained by the lines of magnetic force. Thereby, neutral particles are ionized one after another. Electrons generated by ionization are also accelerated by ECR and further ionize neutral particles. In this way, a high density ECR plasma is generated.

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。   Thus, according to the microwave plasma generation apparatus of the present invention, stable plasma can be obtained even under a low pressure of 1 Pa or less, and even under a very low pressure of 0.5 Pa or less by increasing the plasma density using ECR. Can be generated. In addition, it is not necessary to generate plasma at several tens to 100 Pa in advance, and plasma can be generated in a state where the inside of the vacuum vessel is at a desired low pressure. Therefore, according to the microwave plasma generation apparatus of the present invention, high-purity processing can be performed by reducing the pressure in the vacuum vessel.

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。   Incidentally, if a magnet is disposed in the vicinity of the waveguide, the electromagnetic field inside the waveguide may be disturbed. For example, Patent Document 4 describes a microwave plasma processing apparatus including permanent magnets 25a to 25d. Among these, the permanent magnets 25a and 25b are disposed along the longitudinal direction of the waveguide 15a with the waveguide 15a interposed therebetween. The magnetic poles of the permanent magnets 25a and 25b are unknown, but the material of the waveguide 15a is an aluminum alloy (paragraph [0028] in Patent Document 4). For this reason, it is considered that the magnetic fields of the permanent magnets 25a and 25b act on the inside of the waveguide 15a, change the electromagnetic field in the waveguide 15a, and affect the propagation of microwaves.

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。   On the other hand, according to the microwave plasma generation apparatus of the present invention, the wall portion (tube wall portion) of the second waveguide is formed of a magnetic material. By forming a magnetic circuit with the magnet and the wall portion of the second waveguide, it is possible to suppress the magnetic lines of force from entering the inside of the second waveguide and to increase the magnetic field on the surface of the slot antenna. .

(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。   (2) Preferably, in the configuration of (1) above, the inside of the tube of the second waveguide and the inside of the tube of the third waveguide are in a vacuum.

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。   For example, when only the inside of the tube of the second waveguide is evacuated, the second waveguide such as a vacuum seal between the slot antenna and the second dielectric, a vacuum seal between the slot antenna and the tube wall, etc. It is necessary to vacuum seal the members constituting the. Furthermore, a vacuum seal between the second waveguide and the third waveguide is required. However, it is complicated to perform vacuum sealing for each member, and vacuum sealing may be difficult in terms of dimensions. Moreover, since the second waveguide is at a high temperature, it is necessary to take measures against heat of the vacuum seal. In this regard, according to the present configuration, by making the inside of the second waveguide tube and the third waveguide tube all vacuum, it is not necessary to perform vacuum sealing for each member, and heat countermeasures for the vacuum seal Is also unnecessary.

(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。   (3) Preferably, in the configuration of the above (1) or (2), the pressure of the gas in the vacuum vessel may be 0.05 Pa or more and 20 Pa or less.

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。   According to this structure, since the inside of a vacuum vessel will be in a high vacuum state, mixing of an impurity will be suppressed and the purity of a process can be raised. Moreover, the generated microwave plasma can be expanded.

(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。   (4) Preferably, in any one of the constitutions (1) to (3), the second dielectric is a kind selected from quartz, alumina, zirconia, aluminum nitride, and magnesium oxide.

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。   Quartz, alumina, zirconia, aluminum nitride, and magnesium oxide are difficult to absorb microwaves. In other words, it is preferable because there is little loss of the microwave that becomes the plasma source.

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。   Further, it is sufficient that the third dielectric has a refractive index smaller than that of the second dielectric. For this reason, the third dielectric may be appropriately selected in consideration of the combination with the second dielectric. For example, when quartz is used as the second dielectric, polytetrafluoroethylene or the like may be used as the third dielectric. When alumina is used as the second dielectric, quartz or the like may be used as the third dielectric.

(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。   (5) Preferably, in any one of the configurations (1) to (4), a cross section in a short direction of the second waveguide has a rectangular shape, and the slot antenna has an H of the second waveguide. It is good to have a configuration arranged on the surface.

(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。   (6) Preferably, in any one of the configurations (1) to (5), the first waveguide is an upstream first waveguide disposed upstream of the second waveguide. A downstream first waveguide disposed on the downstream side, and the upstream first waveguide and the downstream first waveguide are symmetrical with respect to the second waveguide. It is preferable that the third waveguide is disposed between the at least one upstream first waveguide and the second waveguide.

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。   The microwave plasma generation apparatus of the present invention may have a configuration in which the downstream second waveguide is not disposed as the first waveguide, that is, only the upstream first waveguide is disposed. However, the tube length can be adjusted by connecting the waveguide also to the downstream side of the second waveguide and disposing a terminal adjusting member such as a plunger there as in this configuration. Here, the upstream first waveguide and the downstream first waveguide are arranged in a symmetrical L shape with the second waveguide interposed therebetween. For this reason, the microwave plasma generator can be attached to the vacuum vessel by passing the first waveguide (the upstream first waveguide and the downstream first waveguide) through one partition of the vacuum vessel. . Thereby, compared with the form which arrange | positions an upstream 1st waveguide, a plasma production | generation part, and a downstream 1st waveguide linearly, attachment becomes easy and can attain space saving. In addition, if the upstream first waveguide, the downstream first waveguide, the plasma generator, the third waveguide, and the partition are unitized, the microwave plasma generator can be easily used in various processing devices. Can be incorporated.

(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。   (7) Preferably, in the configuration of (6), the downstream first waveguide may have a termination adjusting member that changes a termination position.

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。   According to this configuration, the electric field strength at the slot position can be adjusted by extending and contracting the tube length by the terminal adjusting member. Thereby, the microwave easily propagates from the slot, and stable plasma can be generated.

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。It is sectional drawing which looked at the microwave plasma processing apparatus provided with the microwave plasma generation apparatus of 1st embodiment from upper direction. 同マイクロ波プラズマ生成装置の前面図である。It is a front view of the same microwave plasma generator. 図2のIII−III断面図である。It is III-III sectional drawing of FIG. 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。It is a left view of the microwave plasma generation apparatus of 2nd embodiment. 従来のマイクロ波プラズマ生成装置の斜視図である。It is a perspective view of the conventional microwave plasma generator. 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。It is a graph which shows the measurement result of the electron density with respect to the output of a microwave.

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。   Hereinafter, embodiments of the microwave plasma generation apparatus of the present invention will be described.

<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。
<First embodiment>
[Configuration of microwave plasma generator]
First, the configuration of the microwave plasma generation apparatus of this embodiment will be described. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a microwave plasma processing apparatus provided with the microwave plasma generation apparatus of the present embodiment as viewed from above. FIG. 2 shows a front view of the microwave plasma generation apparatus. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. As shown in FIGS. 1 to 3, the microwave plasma processing apparatus 8 includes a vacuum vessel 80 and a microwave plasma generation apparatus 1.

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。   The vacuum vessel 80 is made of aluminum steel and has a rectangular parallelepiped box shape. Two waveguide insertion holes 81U and 81D are formed in the partition wall 83 on the rear side of the vacuum vessel 80. The upstream first waveguide 10U of the microwave plasma generation apparatus 1 is inserted into the waveguide insertion hole 81U. The downstream first waveguide 10D of the microwave plasma generating apparatus 1 is inserted into the waveguide insertion hole 81D. A gas supply hole 82 is formed in the right wall of the vacuum vessel 80. A gas supply pipe for supplying gas to the inside of the vacuum vessel 80 is connected to the gas supply hole 82. An exhaust hole (not shown) is formed in the lower wall of the vacuum vessel 80. A vacuum exhaust device for discharging the gas inside the vacuum vessel 80 is connected to the exhaust hole.

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。   The microwave plasma generation apparatus 1 includes an upstream first waveguide 10U, a downstream first waveguide 10D, a plasma generation unit 20, an upstream third waveguide 30U, and a downstream third waveguide. A tube 30D.

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。   The upstream first waveguide 10U is made of aluminum and has a tubular shape with a rectangular cross section. The upstream first waveguide 10U has an L shape when viewed from above. The upstream end of the upstream first waveguide 10U is connected to a microwave transmission unit (not shown). The microwave transmission unit includes a microwave power source, a microwave oscillator, an isolator, a power monitor, and an EH matching device. The downstream end of the upstream first waveguide 10U is connected to the upstream third waveguide 30U.

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。   The downstream first waveguide 10D is made of aluminum and has a tubular shape with a rectangular cross section. The downstream first waveguide 10D has an L shape (inverted L shape) symmetrical to the upstream first waveguide 10U with the plasma generation unit 20 in between when viewed from above. The upstream end of the downstream first waveguide 10D is connected to the downstream third waveguide 30D. A plunger 11 is disposed on the downstream side of the downstream first waveguide 10D. The plunger 11 is movable in the front-rear direction, and the front surface of the plunger 11 forms the end of the downstream first waveguide 10D. The plunger 11 is included in the concept of the termination adjusting member of the present invention.

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。   The plasma generation unit 20 is disposed in the vacuum vessel 80 and includes a main body unit 21 and a pair of magnet units 22a and 22b. The main body 21 has a housing 40, a second waveguide 41, and three cooling plates 42. The housing 40 is made of iron plated with Ni and has a rectangular parallelepiped shape. The housing 40 has a recess 400. The recess 400 has a C-shaped cross section and extends in the left-right direction. The three cooling plates 42 are each made of stainless steel and extend in the left-right direction. The three cooling plates 42 are arranged one on each of the upper, lower and rear sides of the recess 400.

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。   The second waveguide 41 is disposed in the recess 400 and extends linearly in the left-right direction. The second waveguide 41 has a tube wall portion 43, a slot antenna 44, and a second dielectric 45. The tube wall portion 43 is made of iron plated with Ni. The slot antenna 44 is made of iron and has a rectangular plate shape. The slot antenna 44 is disposed on the H surface of the second waveguide 41. The slot antenna 44 forms the front wall of the second waveguide 41. The slot antenna 44 has a plurality of slots 440 penetrating in the front-rear direction. The plurality of slots 440 each have a long hole shape extending in the left-right direction, and are arranged in two upper and lower rows. The slot 440 is arranged corresponding to the antinode position of the standing wave of the microwave. A space having a rectangular cross section is formed by the tube wall portion 43 and the slot antenna 44. The second dielectric 45 is filled in the space. The second dielectric 45 is made of alumina and has a rectangular parallelepiped shape. The second dielectric 45 covers the slot 440 from the rear.

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。   The pair of magnet portions 22 a and 22 b are arranged one above the other on the front surface of the main body portion 21 so as to sandwich the slot antenna 44. The upper magnet portion 22a extends linearly in the left-right direction. The magnet part 22a has a permanent magnet 50a and two cooling pipes 51a and 52a. The permanent magnet 50a is composed of ten permanent magnets connected linearly in the left-right direction. Each of the ten permanent magnets is a samarium cobalt magnet and has a rectangular parallelepiped shape. The ten permanent magnets have N poles on the lower side and S poles on the upper side. The NS direction of the permanent magnet 50 a is parallel to the front surface of the slot antenna 44. The lower surface of the permanent magnet 50a is covered with an aluminum cover member 53a. The cooling pipes 51a and 52a are arranged so as to sandwich the permanent magnet 50a in the front-rear direction. The cooling liquid flows in the cooling pipes 51a and 52a. The configuration of the lower magnet portion 22b is the same as the configuration of the magnet portion 22a. That is, the magnet portion 22b extends linearly in the left-right direction, and includes a permanent magnet 50b and two cooling pipes 51b and 52b. The permanent magnet 50b is composed of ten permanent magnets connected linearly. The ten permanent magnets have N poles on the upper side and S poles on the lower side. The NS direction of the permanent magnet 50 b is parallel to the front surface of the slot antenna 44. The upper surface of the permanent magnet 50b is covered with an aluminum cover member 53b. The cooling pipes 51b and 52b are arranged so as to sandwich the permanent magnet 50b in the front-rear direction. The cooling liquid flows in the cooling pipes 51a and 52b.

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。   A magnetic field is formed on the front surface (the surface on the plasma generation side) of the slot antenna 44 by the permanent magnets 50a and 50b. At the position of the slot 440, the magnetic flux density at a point spaced 10 mm forward from the front surface of the slot antenna 44 is 87.5 mT.

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。   The upstream third waveguide 30U is made of aluminum and has a short tubular shape with a rectangular cross section. The upstream third waveguide 30 </ b> U is disposed between the upstream first waveguide 10 </ b> U and the plasma generation unit 20. The upstream end of the upstream third waveguide 30U is connected to the downstream end of the upstream first waveguide 10U. The downstream end of the upstream third waveguide 30 </ b> U is connected to the upstream end of the second waveguide 41. The third dielectric 31 is filled in the upstream third waveguide 30U. The third dielectric 31 is made of quartz and has a rectangular parallelepiped shape. The right end of the third dielectric 31 is in contact with the second dielectric 45. The refractive index of the third dielectric 31 (quartz) is an intermediate value between the refractive index of the inside (air) of the upstream first waveguide 10U and the refractive index of the second dielectric 45 (alumina).

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。   The downstream third waveguide 30D is made of aluminum and has a short tubular shape with a rectangular cross section. The downstream third waveguide 30 </ b> D is disposed between the downstream first waveguide 10 </ b> D and the plasma generation unit 20. The upstream end of the downstream third waveguide 30 </ b> D is connected to the downstream end of the second waveguide 41. The downstream end of the downstream third waveguide 30D is connected to the upstream end of the downstream first waveguide 10D. The configuration of the downstream third waveguide 30D is the same as the configuration of the upstream third waveguide 30U. That is, the third dielectric 31 is filled in the downstream third waveguide 30D. The left end of the third dielectric 31 is in contact with the second dielectric 45. As shown in FIGS. 1 and 2, the inside of the tube in the section V from the upstream third waveguide 30U to the downstream third waveguide 30D is evacuated. Seal members (not shown) are arranged at the upstream end of the upstream third waveguide 30U and the downstream end of the downstream third waveguide 30D.

[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。
[Operation of microwave plasma generator]
Next, the operation of the microwave plasma generation apparatus 1 will be described. First, the vacuum evacuation device is operated, the gas inside the vacuum vessel 80 is discharged, and the inside of the vacuum vessel 80 is brought into a reduced pressure state. Next, a predetermined gas is supplied into the vacuum container 80 from the gas supply pipe, and the pressure in the vacuum container 80 is set to a predetermined pressure. Subsequently, the microwave power source of the microwave transmission unit is turned on, and a microwave having a frequency of 2.45 GHz is oscillated from the microwave oscillator. The oscillated microwave propagates in the upstream third waveguide 30U through the upstream first waveguide 10U as shown by the white arrow in FIG. The third dielectric 31 made of quartz is filled in the upstream third waveguide 30U. For this reason, the wavelength of the microwave is converted and shortened in the upstream third waveguide 30U. Subsequently, the microwave propagates in the second waveguide 41 of the plasma generation unit 20. The second waveguide 41 is filled with a second dielectric 45 made of alumina. For this reason, the wavelength of the microwave is further shortened in the second waveguide 41. The microwaves that have passed through the second waveguide 41 propagate to the downstream first waveguide 10D through the downstream third waveguide 30D.

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。   In the second waveguide 41, the microwave propagates through the slot 440 of the slot antenna 44 and propagates through the front surface of the slot antenna 44. Due to this strong microwave electric field, the gas in the vacuum chamber 80 is ionized, and microwave plasma is generated in front of the slot antenna 44. Electrons in the generated microwave plasma perform a clockwise turning motion with respect to the direction of the magnetic field lines according to the cyclotron angular frequency. On the other hand, the microwave propagating through the microwave plasma excites the electron cyclotron wave. The angular frequency of the electron cyclotron wave is a magnetic flux density of 87.5 mT and matches the cyclotron angular frequency. This causes ECR. Electrons whose energy has been increased by ECR collide with surrounding neutral particles while being restrained by the lines of magnetic force. Thereby, neutral particles are ionized one after another. Electrons generated by ionization are also accelerated by ECR and further ionize neutral particles. In this way, ECR plasma P is generated in front of the slot antenna 44. As a result, the workpiece (not shown) that has been previously disposed in front of the slot antenna 44 is processed.

[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。
[Function and effect]
Next, the effect of the microwave plasma generation apparatus of this embodiment is demonstrated. In the microwave plasma generating apparatus 1, a second dielectric 45 is disposed inside the second waveguide 41. Thereby, the wavelength of the microwave propagating in the second waveguide 41 is shorter than the wavelength when propagating in the upstream first waveguide 10U. As a result, a large number of slots 440 can be formed in the slot antenna 44, so that the electric field strength of the entire front surface of the slot antenna 44 increases. An upstream third waveguide 30U is interposed between the upstream first waveguide 10U and the second waveguide 41. The refractive index of the third dielectric 31 in the upstream third waveguide 30U is smaller than the refractive index of the second dielectric 45. Therefore, the microwave transmitted from the upstream first waveguide 10U is transmitted to the second waveguide 41 after the wavelength is once converted in the upstream third waveguide 30U. By performing wavelength conversion in two stages, compared to the case where microwaves are directly transmitted from the upstream first waveguide 10U to the second waveguide 41, the wavelength is changed when entering the second waveguide 41. Microwave reflection can be suppressed. Thereby, it can suppress that the energy of a microwave falls.

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。   As described above, in the microwave plasma generating apparatus 1, since the electric field strength on the front surface of the slot antenna 44 is large, the long second waveguide 41 can radiate a substantially uniform microwave in the longitudinal direction. it can. Further, the second waveguide 41 can be reduced in size by reducing the cross-sectional area of the second waveguide 41 in the short direction. That is, the plasma generation unit 20 can be reduced in size. In this case, interference with other members and apparatuses necessary for reforming and film formation is suppressed. Therefore, for example, the microwave plasma generation apparatus 1 can be easily incorporated into a processing apparatus that includes a device that supplies and conveys a member to be processed and continuously performs a reforming process and a film forming process.

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。   The plasma generation unit 20 has a pair of permanent magnets 50 a and 50 b arranged with the slot antenna 44 interposed therebetween. As a result, a magnetic field is formed on the front surface of the slot antenna 44, and the ECR plasma P can be generated. For this reason, according to the microwave plasma generator 1, the stable ECR plasma P can be generated even under a low pressure of 1 Pa or less, and even under an extremely low pressure of 0.5 Pa or less. In addition, it is not necessary to generate plasma at several tens to 100 Pa in advance, and ECR plasma P can be generated in a state where the inside of the vacuum vessel 80 is at a desired low pressure. Therefore, according to the microwave plasma generation apparatus 1, the pressure in the vacuum vessel 80 can be lowered and high-purity processing can be performed.

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。   The tube wall 43 of the second waveguide 41 is made of iron with Ni plating, and the slot antenna 44 is made of iron. That is, both the tube wall portion 43 and the slot antenna 44 are made of a magnetic material. Therefore, as indicated by a dotted arrow in FIG. 3, a magnetic circuit is formed by the permanent magnet 50a-slot antenna 44-tube wall portion 43 and permanent magnet 50b-slot antenna 44-tube wall portion 43. Thereby, it is possible to suppress the magnetic lines of force from entering the second waveguide 41 and to increase the magnetic field in front of the slot antenna 44. Further, the pair of permanent magnets 50 a and 50 b are arranged so that the N poles face each other, and the NS direction is arranged in the vertical direction, in other words, parallel to the surface direction of the slot antenna 44. Thereby, the magnetic field in front of the slot antenna 44 can be strengthened while reducing the influence of the magnetic field on the inside of the second waveguide 41. In addition, the tube wall portion 43 has high surface conductivity and is easy to form a magnetic circuit, and is excellent in corrosion resistance.

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。   Cooling pipes 51a and 52a are arranged on both sides of the permanent magnet 50a in the thickness direction. Cooling pipes 51b and 52b are disposed on both sides in the thickness direction of the permanent magnet 50b. Thereby, the temperature rise of permanent magnet 50a, 50b is suppressed, and the fall of magnetism can be suppressed. A cooling plate 42 is also disposed around the second waveguide 41. Thereby, the temperature rise inside the second waveguide 41 is suppressed.

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。   In the permanent magnet 50a, the rear surface close to the slot antenna 44 is in contact with the cooling pipe 51a, and the lower surface is covered with a cover member 53a. In the permanent magnet 50b, the rear surface close to the slot antenna 44 is in contact with the cooling pipe 51b, and the upper surface is covered with a cover member 53b. In this way, the permanent magnets 50a and 50b are protected against the generated ECR plasma P.

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。   In the microwave plasma generating apparatus 1, a waveguide (downstream third waveguide 30 </ b> D, downstream first waveguide 10 </ b> D) is also connected to the downstream side of the second waveguide 41. The downstream first waveguide 10D has a plunger 11 for adjusting the terminal position. The electric field intensity at the slot 440 position can be adjusted by moving the plunger 11 in the front-rear direction and adjusting the length of the downstream first waveguide 10D. Thereby, the microwave easily propagates from the slot 440, and stable plasma can be generated. Further, the inside of the tube in the section V from the upstream third waveguide 30U to the downstream third waveguide 30D is vacuum. Accordingly, between the members constituting the second waveguide 41 (between the slot antenna 44 and the second dielectric 45, between the slot antenna 44 and the tube wall portion 43, etc.) It is not necessary to perform a vacuum seal between the upstream third waveguide 30U and the downstream third waveguide 30D, and no heat countermeasures for the vacuum seal are required.

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。   The upstream first waveguide 10U and the downstream first waveguide 10D are arranged in a symmetrical L shape with the second waveguide 41 interposed therebetween as viewed from above. For this reason, the microwave plasma generator 1 can be attached to the vacuum vessel 80 by passing the upstream first waveguide 10U and the downstream first waveguide 10D through the partition wall 83 of the vacuum vessel 80. Thereby, compared with the form which arrange | positions the upstream 1st waveguide 10U, the plasma production | generation part 20, and the downstream 1st waveguide 10D linearly, attachment becomes easy and it aims at space saving. it can. Further, the upstream first waveguide 10U, the upstream third waveguide 30U, the plasma generation unit 20, the downstream third waveguide 30D, the downstream first waveguide 10D, and the partition wall 83 are unitized. In other words, the microwave plasma generation apparatus 1 can be easily incorporated into various processing apparatuses.

<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。
<Second embodiment>
The difference between the microwave plasma generation apparatus of this embodiment and the microwave plasma generation apparatus of the first embodiment is that the upstream first waveguide and the downstream first waveguide are inclined downward in the middle. It is a point. Therefore, the difference will be mainly described here. The configuration of the upstream first waveguide and the configuration of the downstream first waveguide are the same. Therefore, here, the configuration of the upstream first waveguide will be described.

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。   FIG. 4 shows a left side view of the microwave plasma generation apparatus of the present embodiment. In FIG. 4, members corresponding to those in FIG. As shown in FIG. 4, the upstream first waveguide 10 </ b> U is disposed so as to be inclined downward after passing through the partition wall 83 on the rear side of the vacuum vessel. The inclination angle α of the upstream first waveguide 10U with respect to the horizontal plane is 25 °. The upper wall of the upstream first waveguide 10U has a chamfered portion 100U that is chamfered and gently inclined near the boundary between the horizontal portion and the inclined portion.

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。   According to this embodiment, it is possible to irradiate ECR plasma at an optimum angle with respect to the workpiece W to be processed. Further, since the plasma generation unit 20 can be brought closer to the workpiece W, space saving can be achieved. Further, by arranging the chamfered portion 100U near the boundary between the horizontal portion and the inclined portion, it is possible to suppress the reflection of microwaves by the wall surface of the inclined portion. Therefore, the microwave energy is unlikely to decrease.

<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。
<Other forms>
The embodiment of the microwave plasma generation apparatus of the present invention has been described above. However, the embodiment is not limited to the above embodiment. Various modifications and improvements that can be made by those skilled in the art are also possible.

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。   The sizes of the first waveguide, the plasma generation unit, and the third waveguide are not particularly limited. In the above embodiment, the downstream third waveguide and the downstream first waveguide are also arranged on the downstream side of the second waveguide. However, the waveguide on the downstream side of the second waveguide is not always necessary. For example, the microwave plasma generation apparatus may be configured by an upstream first waveguide, an upstream third waveguide, and a plasma generation unit. In this case, the end of the second waveguide may be a metal wall. In the above embodiment, the upstream first waveguide and the downstream first waveguide are arranged in an L shape when viewed from above. However, the arrangement form of the upstream first waveguide and the downstream first waveguide is not particularly limited. For example, at least one of the upstream first waveguide and the downstream first waveguide and the plasma generation unit may be arranged linearly. As in the second embodiment, at least one of the upstream first waveguide and the downstream first waveguide may be inclined. In this case, the inclination angle is not particularly limited. When the downstream first waveguide is disposed, the downstream first waveguide does not have to have a termination adjusting member. That is, the terminal end of the downstream first waveguide may be a fixed end. The configuration of the termination adjusting member is not particularly limited.

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。   In the above embodiment, iron plated with Ni is adopted as the material of the second waveguide (tube wall portion). However, the material of the second waveguide may be a magnetic material, and the type thereof is not particularly limited. As the magnetic material, for example, iron, nickel, stainless steel, and alloys using these are suitable. In the above embodiment, an iron slot antenna is employed. However, the material of the slot antenna may be metal, and may be aluminum, stainless steel, brass, etc. in addition to iron.

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。   The shape, type, number, arrangement form, and the like of the magnet that forms a magnetic field on the surface of the slot antenna on the plasma generation side are not particularly limited as long as ECR can be generated. For example, an electromagnet may be used instead of a permanent magnet. The magnet has a magnetic flux density B [mT] at a position 10 mm away from the surface of the slot antenna in the vertical direction at the position where the slot is formed so that B ≧ f / 28 (f is the frequency [MHz] of the microwave). It is desirable to be arranged at the same time. In the above embodiment, magnets are arranged on both sides of the slot antenna along the longitudinal direction of the slot antenna. However, the magnet may be arranged only on one side of the slot antenna. When magnets are arranged on both sides of the slot antenna, they should be arranged so that the same magnetic poles face each other. By doing so, the magnetic field on the surface of the slot antenna can be strengthened while reducing the influence of the magnetic field on the inside of the second waveguide. In the above embodiment, the pair of permanent magnets is arranged so that the N poles face each other, but may be arranged so that the S poles face each other.

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。   In the above embodiment, a cooling pipe is disposed in the vicinity of the permanent magnet in order to suppress the temperature rise of the permanent magnet. However, the configuration, number, arrangement, etc. of the cooling means for the permanent magnet are not particularly limited. For example, a cooling plate or the like may be arranged instead of the cooling pipe or in combination with the cooling pipe. Moreover, in the said embodiment, in order to suppress the temperature rise inside a 2nd waveguide, the cooling plate was arrange | positioned around the 2nd waveguide. However, the cooling means for the second waveguide is not always necessary. When the cooling means for the second waveguide is arranged, the configuration, number, arrangement form, etc. are not particularly limited.

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。   The number, shape, arrangement, and the like of the slots formed in the slot antenna are not particularly limited. The arrangement of the slots may be one row or two or more rows. The number of slots may be odd or even. Further, the slots may be arranged in a zigzag shape by changing the arrangement angle of the slots.

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。   The material of the second dielectric and the third dielectric is not particularly limited. In any case, a material having a low dielectric constant and hardly absorbing microwaves is desirable. For example, quartz, alumina, zirconia, aluminum nitride, magnesium oxide and the like are suitable. Here, as the third dielectric, one having a refractive index smaller than that of the second dielectric is selected. The refractive index of the third dielectric is preferably a value between the refractive index inside the first waveguide and the refractive index of the second dielectric. In the above embodiment, the second dielectric is disposed in the entire space in the second waveguide. However, the second dielectric is only required to be disposed so as to cover at least the slot, and is not necessarily disposed in the entire internal space.

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。   In the above embodiment, a microwave having a frequency of 2.45 GHz is used. However, the frequency of the microwave is not limited to the 2.45 GHz band, and any frequency band may be used as long as it is a frequency band of 300 MHz to 100 GHz. Examples of the frequency band in this range include 8.35 GHz, 1.98 GHz, and 915 MHz.

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)、酸素(O)、水素(H)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。 What is necessary is just to determine the pressure in a vacuum vessel suitably according to a process. The microwave plasma generation apparatus of the present invention can generate microwave plasma under a relatively low pressure of 0.05 Pa to 20 Pa. A suitable pressure in the vacuum vessel is 0.1 Pa or more and 4 Pa or less. By making a high vacuum state of 4 Pa or less, mixing of impurities can be suppressed and the purity of the treatment can be increased. What is necessary is just to determine the gas to supply suitably according to a process. For example, argon (Ar), helium (He), neon (Ne), krypton (Kr), xenon (Xe), or other rare gas, nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), hydrogen (H 2 ), or the like Can be mentioned. The gas to be supplied may be one type or two or more types.

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。   Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

<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。
<Generation of microwave plasma under low pressure>
[Example 1]
Using the microwave plasma processing apparatus 8 of the first embodiment, the generation state of microwave plasma under a pressure of 0.4 Pa was confirmed. The reference numerals of members in the following processing correspond to FIG.

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。 First, the vacuum evacuation device was operated, the gas inside the vacuum vessel 80 was discharged from the exhaust hole, and the internal pressure of the vacuum vessel 80 was set to 8 × 10 −3 Pa. Next, argon gas was supplied into the vacuum vessel 80 from the gas supply hole 82, and the internal pressure of the vacuum vessel 80 was set to 0.4 Pa. Subsequently, the microwave power source is turned on, and the oscillated microwave (frequency 2.45 GHz) having an output of 1.6 kW is supplied to the upstream first waveguide 10U, the upstream third waveguide 30U, and the plasma generation unit 20. Then, it was transmitted to the downstream third waveguide 30D and the downstream first waveguide 10D, and the generation state of the microwave plasma in front of the slot antenna 44 was visually confirmed. As a result, it was confirmed that microwave plasma was stably generated.

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。   As described above, it is confirmed that the microwave plasma generation apparatus of the present invention can generate a stable microwave plasma under a low pressure of 1 Pa or less without generating the microwave plasma at a pressure of several tens of Pa in advance. It was done.

[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。
[Comparative Example 1]
A conventional microwave plasma generation apparatus (see FIG. 5) provided with no permanent magnet was placed in the vacuum vessel, and microwave plasma was generated under the same conditions as in Example 1. The reference numerals of members in the following processing correspond to FIG.

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。 First, the vacuum evacuation device was operated to discharge the gas in the vacuum vessel, and the pressure in the vacuum vessel was set to 8 × 10 −3 Pa. Next, argon gas was supplied into the vacuum vessel, and the pressure was set to 0.4 Pa. Subsequently, a microwave (frequency: 2.45 GHz) with an output of 1.6 kW is transmitted to the first waveguide 90, the third waveguide 91, and the second waveguide 92, and the microwave in front of the slot antenna 920 is transmitted. The generation state of the wave plasma was visually confirmed. However, no plasma was generated.

<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」、「1.00×10」、「1.00×1010」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、10cm−3以上の電子密度が実現されていた。
<Electron density of microwave plasma>
A microwave plasma was generated in the same manner as in Example 1 while changing the output of the microwave, and the electron density of the microwave plasma at a position 10 mm away from the slot forward was measured. A Langmuir probe was used to measure the electron density. The probe electrode has a thickness of 0.2 mm and a length of 5 mm. A variable voltage was applied to the probe electrode, and the change in the current flowing through the electrode was measured. FIG. 6 shows the measurement result of the electron density with respect to the microwave output. In FIG. 6, “1.00E + 08”, “1.00E + 09”, “1.00E + 10” on the vertical axis of the graph are “1.00 × 10 8 ”, “1.00 × 10 9 ”, “1. 00 × 10 10 ”. As shown in FIG. 6, when the microwave output was 1.0 to 2.0 kW, an electron density of 10 8 cm −3 or more was realized.

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。   The microwave plasma generation apparatus of the present invention can be used for various processes such as cleaning, modification, and film formation on a substrate. For example, it is useful for forming a transparent conductive film used for touch panels, displays, LED (light emitting diode) illumination, solar cells, electronic paper, and the like.

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。 1: microwave plasma generator, 8: microwave plasma processing apparatus, 10U: upstream first waveguide, 10D: downstream first waveguide, 11: plunger (terminating member), 20: plasma generator , 21: body part, 22a, 22b: magnet part, 30U: upstream third waveguide, 30D: downstream third waveguide, 31: third dielectric, 40: housing, 41: second guide Wave tube, 42: cooling plate, 43: tube wall, 44: slot antenna, 45: second dielectric, 50a, 50b: permanent magnet, 51a, 52a, 51b, 52b: cooling pipe, 53a, 53b: cover member 80: vacuum vessel, 81U, 81D: waveguide insertion hole, 82: gas supply hole, 83: partition wall, 100U: chamfered portion, 400: recessed portion, 440: slot, P: ECR plasma, V: section, W: work.

Claims (7)

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長尺状の第二導波管と、該スロットアンテナのプラズマ生成側を前方として、該第二導波管の外側かつ該スロットアンテナよりも前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。
A microwave plasma generation apparatus for generating microwave plasma by ionizing a gas in a vacuum vessel,
A first waveguide for transmitting microwaves;
A tube wall portion made of a magnetic material, a slot antenna formed with a plurality of slots through which the microwave propagating inside the tube is formed, and disposed inside the tube so as to cover at least the slot An elongated second waveguide extending in one direction, and the outside of the second waveguide and the slot with the plasma generation side of the slot antenna as the front disposed in front of the antenna, a plasma generator having a magnet, a to form a magnetic field electron cyclotron resonance to the slot position on the surface of the plasma generation side of the slot antenna is produced,
A third waveguide having a third dielectric interposed between the first waveguide and the second waveguide and having a refractive index smaller than that of the second dielectric inside the tube;
A microwave plasma generation apparatus comprising:
前記第三導波管は前記真空容器内に配置され、
前記第二導波管の前記管内部および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。
The third waveguide is disposed in the vacuum vessel;
Microwave plasma generating device of claim 1 wherein the tube inside the tube interior and said third waveguide of the second waveguide is a vacuum.
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。   The microwave plasma generation apparatus according to claim 1 or 2, wherein the pressure of the gas in the vacuum vessel is 0.05 Pa or more and 20 Pa or less. 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。   4. The microwave plasma generation apparatus according to claim 1, wherein the second dielectric is one type selected from quartz, alumina, zirconia, aluminum nitride, and magnesium oxide. 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。   5. The micro of claim 1, wherein a cross section of the second waveguide in a short direction has a rectangular shape, and the slot antenna is disposed on an H surface of the second waveguide. Wave plasma generator. 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。
The first waveguide has an upstream first waveguide disposed on the upstream side of the second waveguide, and a downstream first waveguide disposed on the downstream side,
The upstream first waveguide and the downstream first waveguide are arranged in a symmetrical L shape across the second waveguide,
The microwave plasma generating apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the third waveguide is interposed at least between the upstream first waveguide and the second waveguide. .
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。   The microwave plasma generation apparatus according to claim 6, wherein the downstream first waveguide has a termination adjusting member that changes a termination position.
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