JPWO2008018159A1 - ２電源を備えたマイクロ波ラインプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

プラズマ処理領域において均一なプラズマ密度が得られるようなマイクロ波ラインプラズマ発生装置を提供する。導波管１と、第１および第２のマイクロ波発生源２、３と、第１のマイクロ波発生源と導波管の一端側開口との間に接続され、導波管内にマイクロ波を供給する第１のマイクロ波伝送路４と、第２のマイクロ波発生源と導波管の他端側開口との間に接続され、導波管内にマイクロ波を供給する第２のマイクロ波伝送路５と、第１および第２のマイクロ波伝送路のそれぞれの途中に設けられ、マイクロ波伝送路の伝送路長を調節する伝送路長調節手段１０、１１と、ガス源１２、１３と、プラズマ生成手段１６を備える。プラズマ生成手段１６は、導波管内のマイクロ波の伝播方向にのびるプラズマ生成室、およびプラズマ生成室で生成したプラズマをライン状に放出するプラズマ放出口を有する。

Description

本発明は、プラズマ生成用ガスをマイクロ波によって励起することでプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ発生装置に関するものであり、特に、大型のディスプレイパネルや長尺のフイルム等の広い面積をもつ被処理物のプラズマ処理に適したライン状プラズマを発生させるマイクロ波ラインプラズマ発生装置に関するものである。

図１１は、従来のマイクロ波ラインプラズマ発生装置の一例の全体構成を示した図であり、図１２は、図１１のマイクロ波ラインプラズマ発生装置の主要部の斜視図である。図１１を参照して、マイクロ波プラズマ発生装置は、導波管５１と、マイクロ波発生源５３と、マイクロ波発生源５３から導波管５１にマイクロ波を供給するテーパ導波管６０およびＬ字形導波管５９と、ガス源５５と、ガス源５５から導波管５１にガスを供給するガス供給管５４とを備えている。
導波管５１は、その始端が、テーパ導波管６０およびＬ字形導波管５９を介してマイクロ波発生源５３に接続されている。Ｌ字形導波管５９には、マイクロ波発生源５３側から、アイソレータ５７およびスリースタブ５８が取付けられている。また、導波管５１の終端には、テーパ導波管６１を介してショートサーキットプランジャー６２が接続されている。

図１２を参照して、導波管５１は、その中心軸に垂直な断面において幅ａが厚みｂより大きくなるように形成された扁平な方形導波管からなっている。そして、導波管５１の幅ａを規定する側面５１ａがＨ面を形成し、厚みｂを規定する側面５１ｂがＥ面を形成するようになっており、スリット５２が導波管５１のＥ面に設けられている。
マイクロ波ラインプラズマ発生装置は、さらに、導波管５１内に生じた電磁界をガス電離エネルギーに変換するプラズマ生成手段を備えている。プラズマ生成手段は、導波管５１の側壁に形成され、導波管５１の内部におけるマイクロ波の伝播方向（図１２の矢印Ｘ方向）にのびるスリット５２と、ガス源５５からスリット５２の近傍にガスを供給するガス供給管５４とからなっている。

ガス供給管５４は、誘電体から形成され、導波管５１のスリット５２の近傍よりも上流側の部分に、誘電体から形成されたバッファータンク５６を備え、ガス源５５から導入されたガスの一定量が蓄えられるようになっている。ガス供給管５４のバッファータンク５６より下流側の部分５４ｅは、細長い長方形断面の単一の管として構成される一方、ガス供給管５４のバッファータンク５６より上流側は、複数本の管５４ａ〜５４ｄの集合体として構成されている。
ガス供給管５４のバッファータンク５６より下流側の部分５４ｅは、導波管１の外側であって、導波管５１におけるスリット５２が設けられた側壁５１ｂに近接して配置され、かつ、スリット５２を全長にわたって被覆する幅をもってスリット５２を上下方向に横切ってのびており、ガス供給管５４の下流側部分５４ｅの下端は、スリット５２を越えて一定の長さのびている。
バッファータンク５６は、両端開口が閉じた円筒形状を有し、バッファータンク５６の上側周壁部分には、４本の管５４ａ〜５４ｄの集合体からなるガス供給管５４の上流側部分の一端が接続され、４本の管５４ａ〜５４ｄの他端はガス源５５に接続されている。バッファータンク５６に蓄えられたガスは、ガス供給管５４の下流側部分５４ｅに、その細長い長方形断面の全体にわたって均一に導入され、導波管５１のスリット５２の近傍に供給される。

こうして、マイクロ波発生源５３で発生せしめられたマイクロ波が、Ｌ字形導波管５９およびテーパ導波管６０を通じて導波管５１に導入されるとともに、ガスがガス源５５からガス供給管５４を通って導波管５１のスリット５２の近傍に供給される。そして、スリット５２から放射される電磁界によってガス供給管５４（下流側部分５４ｅ）内を通過するガスがプラズマ化され、ガス供給管５４の下端開口から放出される（特許文献１参照）。

図１３は、このマイクロ波ラインプラズマ発生装置によって発生せしめられたプラズマについて測定した、ガス供給管５４の幅方向（スリット５２方向）に沿ったプラズマ密度を示したグラフであり、（Ａ）はプラズマ発生領域（ガス供給管５４内部の導波管５１のスリット５２の近傍領域）におけるグラフを、（Ｂ）はプラズマ処理領域（ガス供給管５４の下端開口から下方に３０ｍｍ〜４０ｍｍ程度離れた領域）におけるグラフをそれぞれ示している。なお、図１３のグラフ中、ｚ軸方向の距離は、ガス供給管５４の一方の端から測った幅方向の距離を表している。また、プラズマ発生領域のプラズマ密度を直接測定することは困難であるので、プラズマ発生領域の近傍で測定したプラズマ密度の測定値を基に予測される該プラズマ発生領域のプラズマ密度のグラフを、図１３（Ａ）に示している。

図１３のグラフからわかるように、従来のマイクロ波ラインプラズマ発生装置では、プラズマ発生領域において、プラズマ密度はガス供給管５４の幅方向に沿って著しいムラを生じており、所々で殆どゼロになっており、また、プラズマ処理領域においても、プラズマ密度がゼロとなる位置は存在しないもの、ガス供給管５４の幅方向に沿ってかなりのムラを生じている。このように、生成されたライン状のプラズマのプラズマ密度がプラズマ処理領域で不均一であると、被処理物のプラズマ処理の効率が著しく低下するという問題があった。
特開２００５‐３４００７９号公報

したがって、本発明の課題は、プラズマ処理領域において均一なプラズマ密度が得られるようなマイクロ波ラインプラズマ発生装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、第１発明は、導波管と、第１および第２のマイクロ波発生源と、前記第１のマイクロ波発生源と前記導波管の一端側開口との間に接続され、前記導波管内にマイクロ波を供給する第１のマイクロ波伝送路と、前記第２のマイクロ波発生源と前記導波管の他端側開口との間に接続され、前記導波管内にマイクロ波を供給する第２のマイクロ波伝送路と、前記第１および第２のマイクロ波伝送路のそれぞれの途中に設けられ、それらのマイクロ波伝送路の伝送路の長さを調節する伝送路長調節手段と、プラズマ生成用ガスを供給するガス源と、前記導波管に備えられ、前記導波管内のマイクロ波の伝播方向にのびるプラズマ生成室、および前記プラズマ生成室で生成したプラズマをライン状に放出するプラズマ放出口を有し、前記ガス源から前記プラズマ生成室に供給されたプラズマ生成用ガスを、前記導波管内に供給されたマイクロ波によって励起してプラズマを生成し、該プラズマを前記プラズマ放出口から放出するプラズマ生成手段と、を備えていることを特徴とするマイクロ波ラインプラズマ発生装置を構成したものである。

第１発明の構成において、前記第１および第２のマイクロ波伝送路はそれぞれ第２の導波管から形成され、前記伝送路長調節手段はＵ字状の第３の導波管からなり、前記第３の導波管は、さらに、それぞれ前記第１および第２のマイクロ波伝送路のそれぞれの上流側部分および下流側部分に接続された一対の平行部分と、前記一対の平行部分にそれらに対してスライド運動可能に、かつマイクロ波が外部に漏れないように嵌合したＵ字状部分と、からなっていることが好ましい。
あるいは、前記第１および第２のマイクロ波伝送路はそれぞれ導波管から形成され、前記伝送路長調節手段は、前記第１および第２のマイクロ波伝送路の途中に挿入されたサーキュレータと、前記サーキュレータに接続されたショートサーキットプランジャと、からなっていることが好ましく、または、前記第１および第２のマイクロ波伝送路はそれぞれ導波管から形成され、前記伝送路長調節手段はマジックＴからなっていることが好ましい。

上記課題を解決するため、第２発明は、また、導波管と、第１および第２のマイクロ波発生源と、前記第１のマイクロ波発生源と前記導波管の一端側開口との間に接続され、前記導波管内にマイクロ波を供給する第１のマイクロ波伝送路と、前記第２のマイクロ波発生源と前記導波管の他端側開口との間に接続され、前記導波管内にマイクロ波を供給する第２のマイクロ波伝送路と、プラズマ生成用ガスを供給するガス源と、前記導波管に備えられ、前記導波管内のマイクロ波の伝播方向にのびるプラズマ生成室、および前記プラズマ生成室で生成したプラズマをライン状に放出するプラズマ放出口を有し、前記ガス源から前記プラズマ生成室に供給されたプラズマ生成用ガスを、前記導波管内に供給されたマイクロ波によって励起してプラズマを生成し、該プラズマを前記プラズマ放出口から放出するプラズマ生成手段と、前記プラズマ生成手段のプラズマ放出口の近傍に設けられ、前記プラズマ放出口から放出されたプラズマを少なくとも部分的に遮ることによって該プラズマの密度を調節するプラズマ密度調節手段と、を備えていることを特徴とするマイクロ波ラインプラズマ発生装置を構成したものである。

第２発明の構成において、好ましくは、前記プラズマ密度調節手段は、前記プラズマ放出口の下側であって前記プラズマ放出口の一方の側または両側に該プラズマ放出口の長手方向に沿って間隔をあけて配列された棒体と、前記棒体を支持するとともに、前記棒体のそれぞれを独立にその軸方向でかつ前記プラズマ放出口を横切る方向に、前記棒体が前記プラズマ放出口から放出されるプラズマを少なくとも部分的に遮る第１の位置と、前記棒体が該プラズマに接触しない第２の位置との間において移動させる棒体移動手段とを有している。あるいは、前記プラズマ密度調節手段は、前記プラズマ放出口の下側であって該プラズマ放出口の一方の側または両側に配置された水平なプレート集合体を有し、前記プレート集合体は、前記プラズマ放出口の長手方向に隣接して配置された複数のプレート要素からなり、さらに、前記プレート要素を支持するとともに、前記プレート要素のそれぞれを独立に前記プラズマ放出口を横切る方向に、前記プレート要素が前記プラズマ放出口から放出されるプラズマを少なくとも部分的に遮る第１の位置と、前記プレート要素が該プラズマに接触しない第２の位置との間において移動させるプレート要素移動手段とを有していることが好ましい。

第１および第２発明の構成において、前記導波管は、その中心軸に垂直な断面において幅が厚みより大きくなるように形成された扁平な方形導波管からなり、前記導波管の幅ａが、真空自由空間内におけるマイクロ波の波長λ_０、前記導波管の内部におけるマイクロ波の波長λ_ｇ、および前記導波管の幅ａの間に成立する関係式、

から決定され、それによって、前記幅ａは、生成すべきプラズマの長さよりも長い前記導波管の内部におけるマイクロ波の波長λ_ｇに対応していることが好ましい。

また好ましくは、前記導波管にはマイクロ波の伝播方向にのびる縦長の開口部が形成され、前記プラズマ生成手段は、前記導波管の開口部に装着された誘電体製の放電管を有し、前記放電管は、その周壁の一部が前記導波管の内部空間に近接または侵入し、前記放電管における前記導波管の外側に露出する周壁部分には前記プラズマ放出口が形成されており、前記ガス源からプラズマ生成用ガスが前記放電管内に供給され、前記放電管内で前記プラズマ生成用ガスがマイクロ波によって励起され、生成されたプラズマが前記プラズマ放出口から放出されるようになっている。

また好ましくは、前記導波管の開口部が前記導波管のＨ面に設けられ、前記放電管が、前記開口部に沿って、その周壁の一部が前記導波管の内部空間に近接または侵入するように装着されており、また、前記放電管のプラズマ放出口は、前記放電管の長さ方向にのびる縦長の開口からなっていることが好ましい。

第１発明によれば、導波管の両端開口のそれぞれからマイクロ波を供給し、導波管内にそれら２つのマイクロ波の重畳波を生じさせるとともに、マイクロ波供給路に設けた伝送路長調節手段によって各マイクロ波の位相をずらすことで、重畳波の波形を変化させてプラズマ生成室（プラズマ発生領域）におけるプラズマ密度を調節することにより、プラズマ放出口の外側のプラズマ処理領域において均一な密度のラインプラズマを得ることができる。
また、第２発明によれば、導波管の両端開口のそれぞれからマイクロ波を供給し、導波管内にそれら２つのマイクロ波の重畳波を生じさせ、その重畳波によってプラズマ生成室（プラズマ発生領域）にプラズマを発生させるとともに、プラズマ放出口から放出されたプラズマの密度を、プラズマ密度調節手段によって調節することによって、プラズマ処理領域において均一な密度のラインプラズマを得ることができる。
こうして、本発明によれば、被処理物に均一な密度のラインプラズマを照射することができるので、大きな面積の被処理物に対して非常に効率的かつ均一にプラズマ処理を行うことが可能となる。

本発明の１実施例によるマイクロ波ラインプラズマ発生装置の概略構成を示す図である。 伝送路長調節手段のいくつかの実施例を示す図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図３のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図３のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図１の装置によって発生せしめられるライン状のプラズマについての、プラズマの長さ方向（放電管２５のプラズマ生成室の長さ方向）に沿ったプラズマ密度を示すグラフであり、（Ａ）はプラズマ生成室におけるグラフを、（Ｂ）はプラズマ処理領域におけるグラフをそれぞれ示している。 図１に示したマイクロ波ラインプラズマ発生装置によって発生せしめられたライン状のプラズマについて、プラズマ放出口の下方の異なる３つの位置で測定した、プラズマの長さ方向におけるプラズマ密度を示したグラフである。 本発明の別の実施例によるマイクロ波ラインプラズマ発生装置の概略構成を示した斜視図である。 図８に示したマイクロ波ラインプラズマ発生装置の図３に類似の図である。 本発明の別の実施例によるマイクロ波ラインプラズマ発生装置の概略構成を示した斜視図である。 従来のマイクロ波ラインプラズマ発生装置の一例の全体構成を示した図である。 図１１に示したマイクロ波ラインプラズマ発生装置の主要部の斜視図である。 図１２に示したマイクロ波ラインプラズマ発生装置によって発生せしめられたライン状のプラズマについて測定した、プラズマの長さ方向におけるプラズマ密度示したグラフであり、（Ａ）はプラズマ発生領域におけるグラフを、（Ｂ）はプラズマ処理領域におけるグラフをそれぞれ示している。

符号の説明

１ 放電管
２ 第１のマイクロ波発生源
３ 第２のマイクロ波発生源
４ 第１のマイクロ波伝送路
５ 第２のマイクロ波伝送路
６ａ、６ｂ テーパ導波管
７ａ、７ｂ Ｌ字形導波管
８ａ、８ｂ アイソレータ
９ａ、９ｂ スリースタブ
１０、１１ 伝送路長調節手段
１２、１３ ガス源
１４、１５ ガス供給管

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。図１は、本発明の１実施例によるマイクロ波ラインプラズマ発生装置の概略構成を示す図である。図１を参照して、本発明によれば、偏平な方形導波管１と、第１および第２のマイクロ波発生源２、３が備えられる。そして、第１のマイクロ波発生源２と導波管１の一端側開口との間には、第１のマイクロ波伝送路４が接続され、導波管１内にマイクロ波を供給するようになっており、また、第２のマイクロ波発生源３と導波管１の他端側開口との間には、第２のマイクロ波伝送路５が接続され、導波管１内にマイクロ波を供給するようになっている。
第１および第２のマイクロ波伝送路４、５は、テーパ導波管６ａ、６ｂおよびＬ字形導波管７ａ、７ｂからなっている。Ｌ字形導波管７ａ、７ｂには、マイクロ波発生源２、３側から、アイソレータ８ａ、８ｂおよびスリースタブ９ａ、９ｂが取付けられている。

第１および第２のマイクロ波伝送路４、５のそれぞれの途中には、さらに、それらのマイクロ波伝送路の伝送路の長さを調節する伝送路長調節手段１０、１１が設けられる。
図２（Ａ）〜（Ｃ）には、伝送路長調節手段１０、１１のいくつかの実施例が示してある。図２（Ａ）の実施例では、伝送路長調節手段はＵ字状の導波管１９からなっている。Ｕ字状の導波管１９は、さらに、それぞれ第１および第２のマイクロ波伝送路４、５のそれぞれのＬ字形導波管７ａ、７ｂ上流側部分および下流側部分に接続された一対の平行部分２０ａ、２０ｂと、一対の平行部分２０ａ、２０ｂにそれらに対してスライド運動可能に、かつマイクロ波が外部に漏れないように嵌合したＵ字状部分２１とからなっている。この場合、Ｕ字状部分２１は、平行部分２０ａ、２０ｂと嵌合する部分が、軸方向にのびる多数のひだ２１ａ状に形成され、これらのひだ２１ａと平行部分２０ａ、２０ｂの内壁面が常に接触するようになっている。
この構成において、Ｕ字状部分２１が一対の平行部分２０ａ、２０ｂに対してスライド運動することによって、第１および第２のマイクロ波伝送路４、５のそれぞれの伝送路長が延長または短縮される。

図２（Ｂ）の実施例では、伝送路長調節手段は、第１および第２のマイクロ波伝送路４、５の途中に挿入されたサーキュレータ２２と、サーキュレータ２２に接続されたショートサーキットプランジャ２３とからなっている。
この構成において、第１および第２のマイクロ波伝送路４、５の上流側から伝播してきたマイクロ波は、サーキュレータ２２によって直角に曲げられ、ショートサーキットプランジャ２３内に導入される。ショートサーキットプランジャ２３内に導入されたマイクロ波は、その後、ショートサーキットプランジャ２３の末端部で反射せしめられ、サーキュレータ２２に向けられる。そしてそこで再び直角に曲げられて、第１および第２のマイクロ波伝送路４、５の下流側に導かれる。すなわち、マイクロ波がショートサーキットプランジャ２３中を往復伝播する分だけ伝送路長は長くなる。こうして、ショートサーキットプランジャ２３によって、第１および第２のマイクロ波伝送路の伝送路長が調節される。

図２（Ｃ）の実施例では、伝送路長調節手段はマジックＴ１９’からなっている。この構成において、第１および第２のマイクロ波伝送路４、５の上流側から伝播してきたマイクロ波は、マジックＴ１９’の分岐部によって直角に曲げられた後、反射せしめられて再び分岐部に戻ってくる。そしてそこでマイクロ波のうちの半分が第１および第２のマイクロ波伝送路４、５の下流側に、残りの半分が上流側に伝送される。すなわち、マイクロ波がマジックＴ１９’中を往復伝播する分だけ伝送路長は長くなる。こうして、マジックＴ１９’によって、第１および第２のマイクロ波伝送路の伝送路長が調節される。

導波管１には、プラズマ生成手段１６が備えられる。プラズマ生成手段１６は、導波管１内のマイクロ波の伝播方向にのびるプラズマ生成室と、プラズマ生成室で生成したプラズマをライン状に放出するプラズマ放出口を有している。
図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、プラズマ生成手段１６の構成をより詳細に示した図である。また、図４は、図３のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図５は、図３のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

図３からわかるように、導波管１は、その中心軸に垂直な断面において幅ａが厚みｂより大きくなるように形成されている。そして、導波管の幅ａが、真空中におけるマイクロ波の波長λ_０、導波管の内部におけるマイクロ波の波長λ_ｇ、および導波管の幅ａの間に成立する関係式、

から決定され、それによって、幅ａは、生成すべきプラズマの長さよりも長い導波管の内部におけるマイクロ波の波長λ_ｇに対応する。

また、導波管１のＨ面（この実施例では、下面が対応する）には、マイクロ波の伝播方向にのびる縦長の開口部が形成され、この開口部に放電管２５が装着される。放電管２５は、石英ガラスやセラミック等の誘電体から形成され、両端部が閉じられるとともに、中間部は逆Ｕ字状の断面を有している。放電管２５は、その周壁の一部２５’が導波管１の内部空間に侵入し、かつ当該周壁の一部２５’に対向する縦長の開口が下向きになるように配置される。この実施例では、放電管２５内にプラズマ生成室が形成され、そして、放電管２５の縦長の開口は、プラズマ放出口１７を形成する。この実施例では、放電管２５の周壁の一部２５’が導波管１の内部空間に侵入する構成となっているが、周壁の一部２５’が導波管１の内部空間に近接するように放電管２５してもよい。

導波管１は支持ブロックＢによって支持されるとともに、放電管２５はこの支持ブロックＢに保持される。支持ブロックＢの両側には、放電管２５にガスを供給するガス導入路Ｇ１、Ｇ２が設けられる。図４に示されるように、ガス導入路Ｇ１、Ｇ２は、支持ブロックＢ内において放電管２５の周壁に向かってその長手方向に沿って等間隔に複数本配置される。
Ｇ１は、プラズマ生成用ガス導入路であり、ガス供給パイプ１４を介してプラズマ生成ガス供給用ガス源１２に接続され、Ｇ２は、反応ガス導入路であり、ガス供給パイプ１５を介して反応ガス供給用ガス源１３に接続される。また、Wは、プラズマによる放電管２５の発生熱を冷却するための冷却液還流路である。この冷却液還流路Ｗは、放電管２５内のプラズマ熱によって、導波管１や支持ブロックＢが高温になるのを防止するためのもので、必要に応じて導波管１とプラズマ生成用ガス導入路Ｇ１の間や、放電管２５の側部に設けられ得る。

図５に示されるように、放電管２５の側部には、長手方向に沿って、スリット状のガス導入用開口部２５”が設けられる。このスリット状のガス導入用開口部２５”は、放電管２５の機械的強度を保持するために巣穴状の開口列となっている。また、プラズマ生成用ガス導入路Ｇ１は、放電管２５へのガス導入部近辺に拡張部Ｇ１’を備えており、拡張部Ｇ１’においてガス導入用開口部２５”に接続されている。そして、プラズマ生成用ガス導入路Ｇ１から導入されたガスは、拡張部Ｇ１’において放電管２５の長さ方向に拡散されて放電管２５内に導入される。なお、図示されないが、反応ガス導入路Ｇ２と放電管２５との接続部もこれと同様の構成を有している。
Ｓ１、Ｓ２は、ガス導入路Ｇ１、Ｇ２の拡張部Ｇ１’に配置されたバッフルプレート、即ち多数の孔を設けたガス拡散板で、ガス導入路Ｇ１、Ｇ２から導入されたガスの流れを、放電管２５の縦軸方向に広げて放電管２５内に均一に案内する。

こうして、第１のマイクロ波発生源２で発生せしめられたマイクロ波が、第１のマイクロ波伝送路４（Ｌ字形導波管７ａおよびテーパ導波管６ａ）を通じて導波管１の一端側から該導波管１内に供給されるとともに、第２のマイクロ波発生源３で発生せしめられたマイクロ波が、第２のマイクロ波伝送路５（Ｌ字形導波管７ｂおよびテーパ導波管６ｂ）を通じて導波管１の他端側から該導波管１内に供給される。そして、導波管１内には、２つのマイクロ波の重畳波が生成される。

さらに、プラズマ生成用ガスがガス源１２からガス供給管１４およびガス導入路Ｇ１を通じて放電管１内に供給される。そして、導波管１内に生成された重畳波による電磁界によって、放電管２５のプラズマ生成室においてプラズマ生成用ガスが励起され、プラズマ化される。
また、反応ガスがガス源１３からガス供給管１５およびガス導入路Ｇ２を通じて放電管１内に供給される。反応ガスは、導波管１内の重畳波による電磁界、およびプラズマ生成用ガスの励起によるプラズマによって、放電管２５のプラズマ生成室において励起され、プラズマ化される。
こうして、プラズマ生成用ガスおよび反応ガスの混合ガスのプラズマが、プラズマ放出口１７からライン状に放出される。

このとき、伝送路長調節手段１０によって、第１のマイクロ波伝送路４の伝送路長が変化せしめられると、この伝送路４を通じて導波管１内に供給されるマイクロ波の位相がずれ、また、伝送路長調節手段１１によって、第２のマイクロ波伝送路５の伝送路長が変化せしめられると、この伝送路５を通じて導波管１内に供給されるマイクロ波の位相がずれ、導波管１内の重畳波の波形が変化せしめられる。
そして、プラズマ生成室において、それに対応するエネルギー密度のプラズマが生成され、プラズマ放出口１７から放出されるとともに、その下方のプラズマ処理領域において均一な密度のライン状のプラズマが得られる。

図６は、この装置によって発生せしめられるライン状のプラズマについての、プラズマの長さ方向（放電管２５のプラズマ生成室の長さ方向）に沿ったプラズマ密度を示すグラフであり、（Ａ）はプラズマ生成室におけるグラフを、（Ｂ）はプラズマ処理領域におけるグラフをそれぞれ示している。なお、図６のグラフ中、ｚ軸方向の距離は、プラズマの一方の端から測った長さ方向の距離を表している。図６のグラフを参照して、プラズマ生成室で生成されるライン状プラズマのプラズマ密度が、プラズマの両端部分でそれぞれピークを有するように２つのマイクロ波の位相を調節すれば、プラズマ処理領域で均一なプラズマ密度を有するライン状プラズマが得られる。
このようにプラズマ処理領域において均一なプラズマ密度が得られるのは、プラズマの両端部から中央部へのプラズマの拡散や、プラズマの両端部とプラズマプラズマ生成室の両端壁との相互作用による再結合が原因であると考えられる。

この実施例では、Ｇ１にプラズマ生成用ガス、Ｇ２に反応ガスを導入するようにしたが、両方のガスを混合した状態で両方のガス導入路Ｇ１、Ｇ２から同時に導入してもよく、このようにすれば放電管１４内においてガスの混合もよくなりプラズマの安定化に貢献できる。また、プラズマ処理において反応ガスを使用しない場合には、両方のガス導入路Ｇ１、Ｇ２にプラズマ生成用ガスを供給するか、あるいは反応ガス導入管路Ｇ２を閉鎖するようにしてもよい。

図１中、１８はプラズマ生成手段１６から放出されたプラズマを被処理物に照射してプラズマ処理を行うためのプラズマ処理室である。
なお、装置を大気圧下で作動させる場合には、導波管１と放電管２５との装着部、支持ブロックＢと放電管２５との接合部、および支持ブロックＢとプラズマ処理室１８との接合部等の気密シールは不要であるが、大気圧以下〜数Ｔｏｒｒの低圧状態で作動させる場合には、従来の真空プラズマ処理装置のような気密シールが必要となる。

次に、上述のマイクロ波ラインプラズマ発生装置を実際に作動させて、発生せしめられるライン状プラズマの密度を測定する実験を行った。この実験で使用した装置は、幅ａが約６２ｍｍ、長さｃが約６００ｍｍの導波管と、幅が約１０ｍｍ、深さが約２０ｍｍ、長さｃ’が約５００ｍｍの放電管を備えていた。実験では、ガス導入路Ｇ２は閉鎖し、ガス導入路Ｇ１からプラズマ生成用ガスとしてＨｅガスを供給し、２Ｔｏｒｒの圧力下で、導波管の両端から１ｋＷ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入した。

そして、放電管２５の内壁上端を原点として下向きにｙ軸（単位ｍｍ）を設定し（図３参照）、ｙ座標がそれぞれ２５ｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍの３つの位置において、ライン状のプラズマの長さ方向（放電管２５のプラズマ生成室の長さ方向）に沿ってプラズマ密度を測定した。この場合、プラズマ生成室のプラズマ密度を直接測定することは困難であるので、ｙ＝２０ｍｍの位置でのプラズマ密度の測定値をもって、プラズマ生成室のプラズマ密度のグラフの振る舞いを予測するようにしている。
測定結果を図７に示した。図７のグラフ中、横軸のｚ方向の距離とは、ライン状プラズマの一方の端から測った長さ方向の距離を表している。また、「■」、「●」、「▲」は、それぞれ、２５ｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍの位置での測定値を表している。図７のグラフから、上述のように、プラズマ生成室において両端部分でプラズマ密度がピークを有するようなライン状プラズマを生成すれば、放電管２５の内壁上端から３５ｍｍの位置、すなわち、プラズマ放出口１７から下方に１５ｍｍの位置において、プラズマ密度が均一になることがわかる。そして、この位置にプラズマ処理領域を設ければ、均一な密度のライン状プラズマが得られる。

図８は、本発明の別の実施例によるマイクロ波ラインプラズマ発生装置の概略構成を示した斜視図であり、図９は、図８に示したマイクロ波ラインプラズマ発生装置の図３に類似の図である。この実施例は、図１に示した実施例と、プラズマ処理領域でのラインプラズマの密度を均一にするための手段が異なるだけである。したがって、図８および図９中、図１に示した構成要素を同じ構成要素については同一番号を付して詳細な説明を省略する。なお、明瞭化のため、図８において、マイクロ波発生源およびマイクロ波伝送路を省略してある。

図８および図９を参照して、この実施例では、プラズマ処理領域でのラインプラズマの密度を均一にするための手段は、プラズマ生成手段１６のプラズマ放出口１７の近傍に設けられ、プラズマ放出口１７から放出されたプラズマを少なくとも部分的に遮ることによって該プラズマの密度を調節するプラズマ密度調節手段からなっている。
プラズマ密度調節手段３１は、この実施例では、プラズマ放出口１７の下側であってプラズマ放出口１７の両側にプラズマ放出口１７の長手方向に沿って間隔をあけて配列された導体または誘電体製の棒体３０と、プラズマ処理室１８の側壁１８ａ、１８ｂに設けられ、棒体３０を支持するとともに、各棒体３０を独立にその軸方向でかつプラズマ放出口１７を横切る方向に、棒体３０がプラズマ放出口１７から放出されるプラズマを少なくとも部分的に遮る第１の位置と、棒体３０が該プラズマに接触しない第２の位置との間においてスライド運動可能に案内する軸受（図示はされない）と、を有している。

この構成によれば、棒体３０によって遮られたプラズマ部分は、棒体３０によって遮られないプラズマ部分に比べ、プラズマ処理領域においてそのプラズマ密度が低くなる。したがって、各棒体３０の位置を手動で調節することによって、プラズマ処理領域において、均一な密度のラインプラズマが得られる。

図１０は、本発明の別の実施例によるマイクロ波ラインプラズマ発生装置の概略構成を示した斜視図である。この実施例は、図８に示した実施例と、プラズマ密度調節手段の構成が異なっているだけである。したがって、図１０中、図８に示した構成要素と同じ構成要素については同一番号を付して詳細な説明を省略する。

図１０を参照して、この実施例では、プラズマ密度調節手段３１’は、プラズマ放出口１７の下側であってプラズマ放出口１７の両側に配置された水平なプレート集合体を有している。プレート集合体は、プラズマ放出口１７の長手方向に隣接して配置された複数の導体または誘電体製のプレート要素３２ａ〜３２ｄからなっている。プラズマ密度調節手段３１’は、さらに、プラズマ処理室１８の側壁１８ａ、１８ｂに設けられて、プレート要素３２ａ〜３２ｄを支持するとともに、各プレート要素３２ａ〜３２ｄを独立にプラズマ放出口１７を横切る方向に、プレート要素３２ａ〜３２ｄがプラズマ放出口１７から放出されるプラズマを少なくとも部分的に遮る第１の位置と、プレート要素３２ａ〜３２ｄが該プラズマに接触しない第２の位置との間においてスライド運動可能に案内するガイド手段（図示されない）とを有している。

この構成においても、図８の実施例の棒体３０の場合と同様、プレート要素３２ａ〜３２ｄによって遮られたプラズマ部分は、プレート要素３２ａ〜３２ｄによって遮られないプラズマ部分に比べ、プラズマ処理領域においてそのプラズマ密度が低くなる。したがって、各プレート要素３２ａ〜３２ｄの位置を手動で調節することによって、プラズマ処理領域においてラインプラズマの密度を均一にすることができる。

Claims (11)

1. 導波管と、
   第１および第２のマイクロ波発生源と、
   前記第１のマイクロ波発生源と前記導波管の一端側開口との間に接続され、前記導波管内にマイクロ波を供給する第１のマイクロ波伝送路と、
   前記第２のマイクロ波発生源と前記導波管の他端側開口との間に接続され、前記導波管内にマイクロ波を供給する第２のマイクロ波伝送路と、
   前記第１および第２のマイクロ波伝送路のそれぞれの途中に設けられ、それらのマイクロ波伝送路の伝送路の長さを調節する伝送路長調節手段と、
   プラズマ生成用ガスを供給するガス源と、
   前記導波管に備えられ、前記導波管内のマイクロ波の伝播方向にのびるプラズマ生成室、および前記プラズマ生成室で生成したプラズマをライン状に放出するプラズマ放出口を有し、前記ガス源から前記プラズマ生成室に供給されたプラズマ生成用ガスを、前記導波管内に供給されたマイクロ波によって励起してプラズマを生成し、該プラズマを前記プラズマ放出口から放出するプラズマ生成手段と、を備えていることを特徴とするマイクロ波ラインプラズマ発生装置。
2. 前記第１および第２のマイクロ波伝送路はそれぞれ第２の導波管から形成され、前記伝送路長調節手段はＵ字状の第３の導波管からなり、前記第３の導波管は、さらに、それぞれ前記第１および第２のマイクロ波伝送路のそれぞれの上流側部分および下流側部分に接続された一対の平行部分と、前記一対の平行部分にそれらに対してスライド運動可能に、かつマイクロ波が外部に漏れないように嵌合したＵ字状部分と、からなっていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波ラインプラズマ発生装置。
3. 前記第１および第２のマイクロ波伝送路はそれぞれ導波管から形成され、前記伝送路長調節手段は、前記第１および第２のマイクロ波伝送路の途中に挿入されたサーキュレータと、前記サーキュレータに接続されたショートサーキットプランジャと、からなっていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波ラインプラズマ発生装置。
4. 前記第１および第２のマイクロ波伝送路はそれぞれ導波管から形成され、前記伝送路長調節手段はマジックＴからなっていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波ラインプラズマ発生装置。
5. 導波管と、
   第１および第２のマイクロ波発生源と、
   前記第１のマイクロ波発生源と前記導波管の一端側開口との間に接続され、前記導波管内にマイクロ波を供給する第１のマイクロ波伝送路と、
   前記第２のマイクロ波発生源と前記導波管の他端側開口との間に接続され、前記導波管内にマイクロ波を供給する第２のマイクロ波伝送路と、
   プラズマ生成用ガスを供給するガス源と、
   前記導波管に備えられ、前記導波管内のマイクロ波の伝播方向にのびるプラズマ生成室、および前記プラズマ生成室で生成したプラズマをライン状に放出するプラズマ放出口を有し、前記ガス源から前記プラズマ生成室に供給されたプラズマ生成用ガスを、前記導波管内に供給されたマイクロ波によって励起してプラズマを生成し、該プラズマを前記プラズマ放出口から放出するプラズマ生成手段と、
   前記プラズマ生成手段のプラズマ放出口の近傍に設けられ、前記プラズマ放出口から放出されたプラズマを少なくとも部分的に遮ることによって該プラズマの密度を調節するプラズマ密度調節手段と、を備えていることを特徴とするマイクロ波ラインプラズマ発生装置。
6. 前記プラズマ密度調節手段は、前記プラズマ放出口の下側であって前記プラズマ放出口の一方の側または両側に該プラズマ放出口の長手方向に沿って間隔をあけて配列された棒体と、前記棒体を支持するとともに、前記棒体のそれぞれを独立にその軸方向でかつ前記プラズマ放出口を横切る方向に、前記棒体が前記プラズマ放出口から放出されるプラズマを少なくとも部分的に遮る第１の位置と、前記棒体が該プラズマに接触しない第２の位置との間において移動させる棒体移動手段とを有していることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波ラインプラズマ発生装置。
7. 前記プラズマ密度調節手段は、前記プラズマ放出口の下側であって該プラズマ放出口の一方の側または両側に配置された水平なプレート集合体を有し、前記プレート集合体は、前記プラズマ放出口の長手方向に隣接して配置された複数のプレート要素からなり、さらに、前記プレート要素を支持するとともに、前記プレート要素のそれぞれを独立に前記プラズマ放出口を横切る方向に、前記プレート要素が前記プラズマ放出口から放出されるプラズマを少なくとも部分的に遮る第１の位置と、前記プレート要素が該プラズマに接触しない第２の位置との間において移動させるプレート要素移動手段とを有していることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波ラインプラズマ発生装置。
8. 前記導波管は、その中心軸に垂直な断面において幅が厚みより大きくなるように形成された扁平な方形導波管からなり、前記導波管の幅ａが、真空自由空間内におけるマイクロ波の波長λ_０、前記導波管の内部におけるマイクロ波の波長λ_ｇ、および前記導波管の幅ａの間に成立する関係式、
   

   

   から決定され、それによって、前記幅ａは、生成すべきプラズマの長さよりも長い前記導波管の内部におけるマイクロ波の波長λ_ｇに対応していることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のマイクロ波ラインプラズマ発生装置。
9. 前記導波管にはマイクロ波の伝播方向にのびる縦長の開口部が形成され、前記プラズマ生成手段は、前記導波管の開口部に装着された誘電体製の放電管を有し、前記放電管は、その周壁の一部が前記導波管の内部空間に近接または侵入し、前記放電管における前記導波管の外側に露出する周壁部分には前記プラズマ放出口が形成されており、前記ガス源からプラズマ生成用ガスが前記放電管内に供給され、前記放電管内で前記プラズマ生成用ガスがマイクロ波によって励起され、生成されたプラズマが前記プラズマ放出口から放出されるようになっていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載のマイクロ波ラインプラズマ発生装置。
10. 前記導波管の開口部が前記導波管のＨ面に設けられ、前記放電管が、前記開口部に沿って、その周壁の一部が前記導波管の内部空間に近接または侵入するように装着されていることを特徴とする請求項９に記載のマイクロ波ラインプラズマ発生装置。
11. 前記放電管のプラズマ放出口は、前記放電管の長さ方向にのびる縦長の開口からなっていることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のマイクロ波ラインプラズマ発生装置。

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