KR20120117949A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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마사키 히라야마
타다히로 오오미
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고쿠리츠다이가쿠호진 도호쿠다이가쿠
도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

특성 임피던스가 입력측과 출력측에서 상이한 동축관 구조를 갖는 플라즈마 처리 장치를 제공한다. 마이크로파에 의해 가스를 여기시켜 기판을 플라즈마 처리하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)는, 처리 용기(100)와, 마이크로파를 출력하는 마이크로파원(900)과, 마이크로파원(900)으로부터 출력된 마이크로파를 전송시키는 제1 동축관(610)과, 처리 용기(100)의 내측에 면한 상태에서 제1 동축관(610)에 인접하여, 제1 동축관(610)을 전송한 마이크로파를 처리 용기(100)의 내부에 방출하는 유전체판(305)을 구비한다. 제1 동축관(610)의 내부 도체(610a)와 외부 도체(610b)와의 두께의 비는 길이 방향을 따라서 일정하지 않은 구조를 갖고 있다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING DEVICE AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은, 전자파를 이용하여 플라즈마를 생성하고, 피(被)처리체 상에 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다. 특히, 전송로의 임피던스 정합에 관한 것이다.
마이크로파 플라즈마 처리 장치에서는, 가스를 여기시켜 플라즈마를 생성하기 위해, 가스를 전리(ionize)나 해리(dissociate)시키기 위한 에너지로서 소망하는 마이크로파를 전송로에 전송시켜, 처리 용기 내에 방출한다. 처리 용기의 천정면에 가스의 통로를 형성하고, 천정면을 샤워 플레이트로 하여 천정면으로부터 처리 용기 내에 가스를 도입하는 구성의 플라즈마 처리 장치에서는, 마이크로파를 전송시키는 동축관 등과 간섭하지 않는 위치에 가스 유로를 형성하지 않으면 안되기 때문에, 동축관의 두께를 너무 두껍게 할 수 없다.
한편, 균일한 플라즈마를 안정적으로 생성하기 위해서는 상당한 전력이 필요하다. 예를 들면, 고밀도 플라즈마를 여기하는 데는 동축관에 수 100W?수 kW의 마이크로파를 전송시키지 않으면 안되기 때문에, 동축관의 내부 도체의 전류 밀도가 커져, 가열되어 버리는 문제가 있다. 동축관의 내부 도체가 가열되면, 내부 도체를 보지(保持)하고 있는 테플론(Teflon;등록 상표)링 등이 변형, 변질되거나, 내부 도체 표면이 산화되거나, 내부 도체가 늘어나 각부에 스트레스가 가해져 파손되어 버릴 위험성이 있다.
동축관의 파손을 피하면서 대(大)전력의 마이크로파를 플라즈마에 공급하기 위해서는, 동축관의 특성 임피던스를 각부에서 각각 최적화하여 마이크로파의 반사를 최소한으로 억제할 필요가 있다. 그러나, 종래의 플라즈마 처리 장치에서는, 구조가 단순한 동일 두께의 동축관을 이용하여 마이크로파를 처리 용기 내에 공급하고 있었다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이 때문에, 특성 임피던스는, 동축관의 길이 방향을 따라서 일정했었다.
일본공개특허공보 평9-106900호
그러나, 처리 용기의 천정면에 형성되어, 동축관을 전송한 마이크로파를 처리 용기 내에 방출하기 위한 유전체판을 얇게 하면, 플라즈마의 균일성은 높아지지만, 플라즈마측으로부터의 마이크로파의 반사를 작게 하기 위해서는, 유전체판에 인접한 동축관의 출력측(동축관의 플라즈마측의 단부)의 특성 임피던스를 10?20Ω 정도로 억제할 필요가 발생한다. 이에 대하여, 높은 전력을 공급하기 위해서는, 유전체판에 인접한 동축관의 입력측(동축관의 마이크로파원(源)측의 단부)의 특성 임피던스는, 10?20Ω보다 크게 할 필요가 있다. 따라서, 종래와 같이 길이 방향을 따라서 특성 임피던스가 일정한 동일 두께의 동축관에서는, 플라즈마측으로부터의 마이크로파의 반사가 커, 큰 전력을 전송시킬 수 없었다.
그래서, 본 발명은, 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적으로 하는 바는, 특성 임피던스가 입력측과 출력측에서 상이한 동축관 구조를 갖는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
즉, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 어느 관점에 의하면, 전자파에 의해 가스를 여기시켜 피처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 장치로서, 처리 용기와, 전자파를 출력하는 전자파원과, 내부 도체와 외부 도체와의 두께의 비(比)가 길이 방향을 따라서 일정하지 않은 구조를 갖고, 상기 전자파원으로부터 출력된 전자파를 전송시키는 제1 동축관과, 상기 처리 용기의 내부에 면하고 그리고 상기 제1 동축관에 인접하여, 상기 제1 동축관을 전송한 전자파를 상기 처리 용기의 내부에 방출하는 유전체판을 갖는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
동축관의 특성 임피던스는, 동축관의 내부 도체와 외부 도체와의 두께의 비의 변화에 따라 변화한다. 따라서, 내부 도체와 외부 도체와의 두께의 비가 길이 방향을 따라서 일정하지 않은 제1 동축관의 구조에 의하면, 제1 동축관의 특성 임피던스는 길이 방향을 따라서 일정하지 않게 된다. 이에 따라, 제1 동축관의 입력측의 특성 임피던스와 제1 동축관의 출력측의 특성 임피던스를 상이하게 할 수 있다.
상기 제1 동축관의 내부 도체와 외부 도체와의 두께의 비를, 상기 제1 동축관의 전자파의 입력측의 특성 임피던스가 상기 제1 동축관의 전자파의 출력측의 특성 임피던스보다도 커지도록 정해도 좋다. 이에 의하면, 플라즈마측으로부터의 전자파의 반사를 작게 억제함과 함께, 동축관으로 큰 전력을 전송시킬 수 있다.
내부 도체와 외부 도체와의 두께의 비가 길이 방향을 따라서 일정하지 않은 제1 동축관의 구조로서는, 예를 들면, 상기 제1 동축관의 내부 도체의 입력측의 두께가, 상기 제1 동축관의 내부 도체의 출력측의 두께보다 좁은 경우를 들 수 있다. 그 경우, 상기 제1 동축관의 내부 도체를 상기 제1 동축관의 길이 방향을 따라서 상기 입력측으로부터 상기 출력측을 향하여 연속적으로 두껍게 해도 좋다.
상기 제1 동축관의 외부 도체의 입력측의 두께를 상기 제1 동축관의 외부 도체의 출력측의 두께보다 두껍게 해도 좋다. 그 경우, 상기 제1 동축관의 외부 도체를 상기 제1 동축관의 길이 방향을 따라서 상기 입력측으로부터 상기 출력측을 향하여 연속적으로 좁게 해도 좋다. 또한, 상기 제1 동축관의 내부 도체 및 외부 도체 중 적어도 어느 쪽에 단차부를 형성함으로써, 상기 제1 동축관의 내부 도체와 외부 도체와의 두께의 비를 불연속하게 변화시켜도 좋다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 제1 동축관의 입력측의 특성 임피던스가 18Ω?46Ω가 되도록 제1 동축관의 형상을 최적화함으로써, 좁은 동축관에서도 큰 전력을 공급할 수 있다. 도 12에 의하면, 제1 동축관의 입력측의 특성 임피던스를 22Ω?40Ω로 한정하면, 더욱 큰 전력을 공급할 수 있어, 바람직하다.
상기 제1 동축관의 내부 도체는, 부분적으로 좁아진 잘록부를 갖고 있어도 좋다. 이는, 제1 동축관에 직렬로 인덕턴스를 삽입한 것과 등가이며, 잘록부의 직경이나 길이에 따라 삽입되는 인덕턴스의 값을 최적화함으로써, 반사를 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 제1 동축관의 내부 도체와 외부 도체와의 사이에는, 상기 유전체판에 인접하여 유전체링이 형성되어 있어도 좋다. 이는, 제1 동축관과 병렬로 커패시턴스를 삽입한 것과 등가이며, 유전체링의 두께나 유전율에 따라 삽입되는 커패시턴스의 값을 최적화함으로써, 반사를 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 유전체링에 의해 유전체판 근방의 간극을 메움으로써, 제1 동축관과 유전체판과의 인접 부분에 전계가 집중되는 것을 피하여, 이상(異常) 방전을 방지할 수 있다.
상기 제1 동축관의 내부 도체와 외부 도체와의 사이에는, 제1 유전체 지지 부재가 형성되고, 상기 제1 유전체 지지 부재는, 상기 제1 동축관의 내부 도체의 외주에 형성된 홈에 끼워지게되어 있어도 좋다. 제1 동축관의 내부 도체를 외부 도체에 지지하기 위해서이다. 또한, 제1 동축관과 병렬로 커패시턴스를 삽입한 것과 등가로서, 유전체링의 두께나 유전율에 따라 삽입되는 커패시턴스의 값을 최적화함으로써, 반사를 억제하는 것이 가능해진다.
상기 제1 동축관에 연결되어, 상기 제1 동축관에 전자파를 전송하는 제2 동축관과, 상기 제1 동축관의 내부 도체와 상기 제2 동축관의 내부 도체와의 연결부에 형성되고, 상기 제1 동축관의 내부 도체를 직접적으로 또는 다른 부재를 개재하여 간접적으로 상기 유전체판에 밀어붙이는 스프링 부재를 갖고 있어도 좋다. 이에 의하면, 스프링 부재의 탄성력에 의해 제1 동축관의 내부 도체를 직접적으로 또는 다른 부재를 개재하여 간접적으로 유전체판측에 밀어붙여 밀착시킴으로써 전자파의 전송을 안정화시킬 수 있다.
상기 제1 동축관의 내부 도체와 상기 제2 동축관의 내부 도체와의 연결부에는, 상기 제1 동축관의 내부 도체와 상기 제2 동축관의 내부 도체를 전기적으로 접속하는 접점 부재를 형성해도 좋다.
상기 제2 동축관의 내부 도체는, 상기 제1 동축관의 내부 도체보다도 두꺼워져 있어도 좋다. 상기 연결부에는, 상기 제2 동축관의 내부 도체에 대하여 상기 제1 동축관의 내부 도체의 각도를 바꿀 수 있는 유격(裕隔)이 있어도 좋다. 장치의 조립을 용이하게 하기 위해서이다.
상기 제2 동축관의 내부 도체와 외부 도체와의 사이에는, 제2 유전체 지지 부재가 형성되고, 상기 제2 유전체 지지 부재는, 상기 제2 동축관의 내부 도체의 외주에 형성된 홈에 끼워지게되어 있어도 좋다. 제2 동축관의 내부 도체를 외부 도체에 지지하기 위해서이다.
상기 연결부 근방의 상기 제2 동축관의 내부 도체와 외부 도체와의 사이에는, 유전체 로드가 형성되고, 상기 유전체 로드는, 상기 제2 동축관의 내부 도체에 형성된 구멍에 끼워지게되어 있어도 좋다. 제2 동축관의 내부 도체를 외부 도체에 지지하기 위해서이다.
상기 연결부에는, 상기 제1 동축관의 내부 도체가 상기 제2 동축관의 내부 도체로부터 탈락하는 것을 방지하기 위한 계합부(係合部)가 형성되어 있어도 좋다.
상기 제1 동축관의 내부 도체와 상기 유전체판과의 사이는, 금속 금구(金具)를 개재하여 인접하고 있어도 좋다. 이에 의하면, 금속 금구에 의해 제1 동축관의 내부 도체와 상기 유전체판과의 밀착성을 높여, 전자파의 전송이 흐트러지는 것을 방지할 수 있다.
상기 연결부에 있어서의 상기 제1 동축관의 특성 임피던스와 상기 제2 동축관의 특성 임피던스는 동일해져 있어도 좋다. 연결부를 전송하는 전자파의 반사를 억제하기 위해서이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 처리 용기의 내부에 가스를 도입하고, 전자파원으로부터 전자파를 출력하고, 내부 도체와 외부 도체와의 두께의 비가 길이 방향을 따라서 일정하지 않은 구조를 갖는 제1 동축관에 상기 출력한 전자파를 전송하고, 상기 제1 동축관을 전송한 전자파를, 상기 처리 용기의 내부에 면하고 그리고 상기 제1 동축관에 인접한 유전체판으로부터 상기 처리 용기의 내부로 방출하고, 상기 방출된 전자파에 의해 상기 도입된 가스를 여기시켜 피처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 방법이 제공된다.
이에 의하면, 특성 임피던스가 길이 방향을 따라서 일정하지 않은 구조의 제1 동축관을 이용하여, 플라즈마측으로부터의 전자파의 반사를 작게 억제함과 함께, 동축관에 큰 전력을 전송시킬 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 동축관의 입력측과 출력측에서 특성 임피던스를 상이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 각 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 종단면도(도 2의 2-O-O'-2 단면)이다.
도 2는 도 1의 1-1 단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 따른 제1 동축관 및 그 근방의 확대도이다.
도 4는 도 3의 3-3 단면도이다.
도 5는 도 3의 4-4 단면도이다.
도 6은 동축관의 내부 도체에 대한 외부 도체의 비와 특성 임피던스와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 제1 동축관의 형상의 변형예이다.
도 8은 제1 동축관의 형상의 변형예이다.
도 9는 임피던스 정합을 설명하기 위한 스미스 차트이다.
도 10은 제2 실시 형태에 따른 제1 동축관 및 그 근방의 확대도이다.
도 11은 제3 실시 형태에 따른 제1 동축관 및 그 근방의 확대도이다.
도 12는 특성 임피던스와 최대 전송 전력과의 관계를 나타낸 그래프이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 매우 적합한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명 및 첨부 도면에 있어서, 동일한 구성 및 기능을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일 부호를 붙임으로써, 중복 설명을 생략한다.
(제1 실시 형태)
우선, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 구성에 대해서, 도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)의 종단면이다. 도 1은, 도 2의 2-O-O'-2 단면을 나타내고 있다. 도 2는, 본 장치(10)의 천정면으로, 도 1의 1-1 단면을 나타내고 있다.
(마이크로파 플라즈마 처리 장치의 개략)
도 2에 나타낸 바와 같이, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)는, 유리 기판(이하, 「기판(G)」이라고 함)을 플라즈마 처리하기 위한 처리 용기(100)를 갖고 있다. 처리 용기(100)는, 용기 본체(200)와 덮개체(300)로 구성된다. 용기 본체(200)는, 그 상부가 개구된 바닥 있는 입방체 형상을 갖고 있고, 그 개구는 덮개체(300)에 의해 폐색되어 있다. 덮개체(300)는, 상부 덮개체(300a)와 하부 덮개 체(300b)로 구성되어 있다. 용기 본체(200)와 하부 덮개체(300b)와의 접촉면에는 O 링(205)이 형성되어 있고, 이에 의해 용기 본체(200)와 하부 덮개체(300b)가 밀폐되어, 처리실이 획정(define)된다. 상부 덮개체(300a)와 하부 덮개체(300b)와의 접촉면에도 O 링(210) 및 O 링(215)이 형성되어 있고, 이에 의해, 상부 덮개체(300a)와 하부 덮개체(300b)가 밀폐되어 있다. 용기 본체(200) 및 덮개체(300)는, 예를 들면, 알루미늄 합금 등의 금속으로 이루어지고, 전기적으로 접지되어 있다.
처리 용기(100)의 내부에는, 기판(G)을 올려놓기 위한 서셉터(105)(스테이지)가 형성되어 있다. 서셉터(105)는, 예를 들면, 질화 알루미늄으로 형성되어 있다. 서셉터(105)는, 지지체(110)에 지지되어 있고, 그 주위에는 처리실의 가스의 흐름을 바람직한 상태로 제어하기 위한 배플판(115)이 형성되어 있다. 또한, 처리 용기(100)의 저부(底部)에는 가스 배출관(120)이 형성되어 있고, 처리 용기(100)의 외부에 형성된 진공 펌프(도시하지 않음)를 이용하여 처리 용기(100) 내의 가스가 배출된다.
도 1 및 도 2를 보면, 처리 용기(100)의 천정면에는, 유전체판(305), 금속 전극(310) 및 금속 커버(320)가 규칙적으로 배치되어 있다. 금속 전극(310) 및 금속 커버(320)의 주위에는, 사이드 커버(350)가 형성되어 있다. 유전체판(305), 금속 전극(310) 및 금속 커버(320)는, 근소하게 모서리가 깎인 대략 정방형의 플레이트이다. 또한, 마름모꼴이라도 좋다. 본 명세서에 있어서, 금속 전극(310)은, 금속 전극(310)의 외연부로부터 유전체판(305)이 대체로 균등하게 노출되도록 유전체판(305)에 인접하여 형성된 평판을 말한다. 이에 따라, 유전체판(305)은, 덮개체(300)의 내벽과 금속 전극(310)에 의해 샌드위치된다. 금속 전극(310)은, 처리 용기(100)의 내벽과 전기적으로 접속되어 있다.
유전체판(305) 및 금속 전극(310)은, 기판(G)이나 처리 용기(100)에 대하여 대체로 45° 경사진 위치에 등(等)피치로 8매 배치된다. 피치는, 하나의 유전체판(305)의 대각선의 길이가, 서로 이웃하는 유전체판(305)의 중심 간의 거리의 0.9배 이상이 되도록 정해져 있다. 이에 따라, 유전체판(305)의 근소하게 깎인 모서리부끼리는 인접하여 배치된다.
금속 전극(310)과 금속 커버(320)는, 유전체판(320)의 두께만큼, 금속 커버(320) 쪽이 두껍다. 이러한 형상에 의하면, 천정면의 높이가 거의 동일해짐과 동시에, 유전체판(305)이 노출된 부분이나 그 근방의 요면(凹面)의 형상도 모두 거의 동일한 패턴이 된다.
유전체판(305)은 알루미나에 의해 형성되고, 금속 전극(310), 금속 커버(320) 및 사이드 커버(350)는 알루미늄 합금에 의해 형성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 8매의 유전체판(305) 및 금속 전극(310)이 2열로 4단 배치되지만, 이에 한정되지 않으며, 유전체판(305) 및 금속 전극(310)의 매수를 늘릴 수도 줄일 수도 있다.
유전체판(305) 및 금속 전극(310)은, 나사(325)에 의해 4개소로부터 균등하게 지지되어 있다(도 2 참조). 도 1에 나타낸 바와 같이, 상부 덮개체(300a)와 하부 덮개체(300b)와의 사이에는, 지면에 수직인 방향으로 격자 형상으로 형성된 주(主)가스 유로(330)가 형성되어 있다. 주가스 유로(330)는, 복수의 나사(325) 내에 형성된 가스 유로(325a)에 가스를 분류(分流)한다. 가스 유로(325a)의 입구에는, 유로를 좁히는 세관(細管; 335)이 끼워지게되어 있다. 세관(335)은, 세라믹이나 금속으로 이루어진다. 금속 전극(310)과 유전체판(305)과의 사이에는 가스 유로(310a)가 형성되어 있다. 금속 커버(320)와 유전체판(305)과의 사이 및 사이드 커버(350)와 유전체판(305)과의 사이에도 가스 유로(320a)가 형성되어 있다. 나사(325)의 선단면(先端面)은, 플라즈마의 분포를 흐트러뜨리지 않도록, 금속 전극(310), 금속 커버(320) 및 사이드 커버(350)의 하면과 동일면으로 되어 있다. 금속 전극(310)에 개구된 가스 방출 구멍(345a)과 금속 커버(320)나 사이드 커버(350)에 개구된 가스 방출 구멍(345b)은 균등한 피치로 설치되어 있다.
가스 공급원(905)으로부터 출력된 가스는, 주가스 유로(330)로부터 가스 유로(325a)(분기 가스 유로)를 통과하고, 금속 전극(310) 내의 제1 가스 유로(310a) 및 금속 커버(320)나 사이드 커버(350) 내의 제2 가스 유로(320a)를 통과하여 가스 방출 구멍(345a, 345b)으로부터 처리실 내에 공급된다. 제1 동축관(610)의 외주 근방의 하부 덮개체(300b)와 유전체판(305)과의 접촉면에는 O 링(220)이 형성되어 있어, 제1 동축관(610) 내의 대기가 처리 용기(100)의 내부에 들어가지 않도록 되어 있다.
이와 같이 하여 천정부의 금속면에 가스 샤워 플레이트를 형성함으로써, 종래 발생하고 있던, 플라즈마 중의 이온에 의한 유전체판 표면의 에칭 및 처리 용기 내벽으로의 반응 생성물의 퇴적을 억제하여, 컨태미네이션이나 파티클의 저감을 도모할 수 있다. 또한, 유전체와 상이하게 금속은 가공이 용이하기 때문에, 비용을 큰 폭으로 저감할 수 있다.
덮개체(300)를 파내어 형성된 제1 동축관의 외부 도체(610b)에는, 내부 도체(610a)가 삽입되어 있다. 동일하게 하여 파내어 형성된 제2?제4 동축관의 외부 도체(620b?640b)에는, 제2?제4 동축관의 내부 도체(620a?640a)가 삽입되고, 그 상부는 덮개체 커버(660)로 덮여 있다. 각 동축관의 내부 도체는 열전도가 좋은 구리로 형성되어 있다.
도 1에 나타낸 유전체판(305)의 표면은, 제1 동축관(610)으로부터 유전체판(305)에 마이크로파가 입사하는 부분과 유전체판(305)으로부터 마이크로파가 방출되는 부분을 제외하고 금속막(305a)으로 피복되어 있다. 이에 따라, 유전체판(305)과 그에 인접하는 부재 간에 발생한 공극에 의해서도 마이크로파의 전파가 흐트러지지 않아, 안정적으로 마이크로파를 처리 용기 내에 인도할 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 유전체판(305)은, 유전체판(305)에 일대일로 인접한 금속 전극(310)과 유전체판(305)이 배치되어 있지 않은 처리 용기(100)의 내벽(금속 커버(320)로 덮인 처리 용기(100)의 내벽을 포함함)의 사이로부터 노출되어 있다. 유전체판(305)과 유전체판(305)이 배치되어 있지 않은 처리 용기(100)의 내벽(금속 커버(320)로 덮인 처리 용기(100)의 내벽을 포함함)은, 실질적으로 상사(相似)를 이루는 형상이거나, 또는 실질적으로 대칭이 되는 형상으로 되어 있다. 이에 따라, 유전체판으로부터 금속 전극측 및 내벽측(금속 커버(320) 및 사이드 커버(350)측)에 대체로 균등하게 마이크로파의 전력을 공급할 수 있다. 이 결과, 유전체판(305)으로부터 방출된 마이크로파는, 표면파가 되어 전력을 절반으로 분배하면서 금속 전극(310), 금속 커버(320) 및 사이드 커버(350)의 표면을 전파한다. 처리 용기 내면의 금속면과 플라즈마와의 사이를 전파하는 표면파를, 이하, 도체 표면파(금속 표면파:Metal Surface Wave)라고 한다. 이에 따라, 천정면 전체에, 도체 표면파가 전파하여, 본 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)의 천정면 아래쪽에서, 균일한 플라즈마가 안정적으로 생성된다.
사이드 커버(350)에는, 8매의 유전체판(305) 전체를 둘러싸도록 8각형의 홈(340)이 형성되어 있어, 천정면을 전파하는 도체 표면파가, 홈(340)보다 외측으로 전파하는 것을 억제한다. 복수의 홈(340)을 평행하게 다중으로 형성해도 좋다.
1매의 금속 전극(310)을 중심으로 하여, 인접하는 금속 커버(320)의 중심점을 정점에 갖는 영역을, 이하, 셀(Cel)(도 2 참조)이라고 한다. 천정면에서는, 셀(Cel)을 1단위로 하여 동일 패턴의 구성이 8셀(Cel) 규칙적으로 배치되어 있다.
냉매 공급원(910)은, 덮개체 내부의 냉매 배관(910a) 및 제4 동축관의 내부 도체(640a)의 냉매 배관(910b)에 접속되어 있고, 냉매 공급원(910)으로부터 공급된 냉매가 냉매 배관(910a, 910b) 내를 순환하여 재차 냉매 공급원(910)으로 되돌아감으로써, 덮개체(300) 및 내부 도체의 과열을 억지하도록 되어 있다.
(동축관 내부 도체 고정)
다음으로, 제1 및 제2 동축관 및 그 연결 부분에 대해서, 도 3?도 5를 참조하면서 설명한다. 도 3은, 제1 및 제2 동축관(610, 620) 및 그 연결 부분(Dc)의 단면도이다. 도 4는, 도 3의 3-3 단면이다. 도 5는, 도 3의 4-4 단면이다.
전술한 바와 같이, 제1 동축관(610)은, 내부 도체(610a) 및 외부 도체(610b)로 형성되어 있다. 동일하게, 제2 동축관(620)은, 내부 도체(620a) 및 외부 도체(620b)로 형성되어 있다. 제1 및 제2 동축관(610, 620)의 내부 도체는, 모두 구리로 형성되어 있다. 외부 도체(610b, 620b)는, 덮개체(300)에 형성된 파임과 덮개체 커버(660)에 의해 획정되어 있다. 제1 동축관(610)과 제2 동축관(620)은, 연결부(Dc)에서 대체로 수직으로 연결되어 있다.
연결부(Dc)에서는, 제2 동축관의 하면에 형성된 바닥 있는 세로 구멍(620a1)에, 제1 동축관의 내부 도체(610a)의 선단에 형성된 로드(610a1)가 끼워 넣어져 있다.
제1 동축관의 내부 도체(610a)의 외주에 형성된 홈(610a2)에는, 유전체링(710)(제1 유전체 지지 부재의 일 예)이 끼워지게되고, 이에 따라, 내부 도체(610a)를 외부 도체(610b)에 지지하여 내부 도체(610a)의 축 흔들림을 방지하도록 되어 있다.
제2 동축관의 내부 도체(620a)의 외주에 형성된 홈(620a2)에도, 유전체링(715)(제2 유전체 지지 부재의 일 예)이 끼워지게되고, 이에 따라, 내부 도체(620a)를 외부 도체(620b)에 지지하도록 되어 있다. 유전체링(710, 715)은, 예를 들면, 테플론(등록 상표)에 의해 형성되어 있다.
제2 동축관의 내부 도체(620a)는, 유전체 로드(720)에 의해 측부로부터도 지지되어 있다. 유전체 로드(720)는, 제2 동축관의 내부 도체(620a)에 형성된 바닥 있는 가로 구멍(620a3)에 삽입되고, 로드(610a1)에 형성된 가로 구멍을 관통하여, 가로 구멍(620a3)의 저부까지 끼워지게된다.
이와 같이 하여, 제1 동축관의 내부 도체(610a)는, 유전체 로드(720)에 의해 제2 동축관(620)의 내부 도체(620a)에 고정된다. 이러한 구성에 의하면, 장치를 조립할 때에, 제1 동축관의 내부 도체(610a)와 제2 동축관의 내부 도체(620a)가 연결된 상태에서 덮개체(300)에 형성된 파임에 끼워 넣을 수 있기 때문에, 시공하기 쉽다. 또한, 나사를 이용하지 않고 제1 및 제2 동축관의 내부 도체(610a, 620a)를 연결 및 고정하여, 제1 동축관의 내부 도체(610a)가 제2 동축관의 내부 도체(620a)로부터 탈락하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 유전체 로드(720)는, 제1 동축관의 내부 도체(610a)가 제2 동축관의 내부 도체(620a)로부터 탈락하는 것을 방지하기 위한 계합부의 일 예이다.
로드(610a1)에 형성된 가로 구멍은, 세로로 긴 구멍으로 되어 있으며, 제1 동축관의 내부 도체(610a)는 다소 상하로 움직이게 하도록 되어 있다. 이에 따라, 내부 도체(610a)와 유전체판(305)을 확실하게 접촉시킬 수 있다. 또한, 제2 동축관의 세로 구멍(620a1)과 로드(610a1)와의 사이에는 간극이 있어, 내부 도체(620a)에 대하여 제1 동축관의 내부 도체(610a)의 각도를 다소 바꿀 수 있도록 되어 있다. 이는, 내부 도체(610a, 620a)를 연결한 상태에서 외부 도체(620a, 620b) 내에 이들 내부 도체를 넣을 때, 유격이 없으면 각부의 미소(微小)한 치수의 차이에 의해 테플론(등록 상표)링(710)과 제1 동축관의 외부 도체(610b)가 접촉하여 스트레스가 가해져 버리기 때문이다.
제2 동축관의 내부 도체(620a) 중, 제1 동축관의 내부 도체(610a)와의 당접 부분에는 평탄면이 형성되어 있으며, 실드 스파이럴(705)에 의해 내부 도체(610a와 620a)가 전기적으로 확실하게 접속되도록 되어 있다. 또한, 실드 스파이럴의 탄성력에 의해, 제1 동축관의 내부 도체(610a)를 유전체판(305)에 밀어붙임으로써, 제1 동축관의 내부 도체(610a)와 유전체판(305)과의 사이에 간극이 벌어지는 것을 방지하고 있다. 실드 스파이럴(705)은, 제1 동축관의 내부 도체(610a)와 제2 동축관의 내부 도체(620a)를 전기적으로 접속하는 접점 재료의 일 예이고, 그리고, 제1 동축관의 내부 도체(610a)를 유전체판(305)에 밀어붙이는 스프링 부재의 일 예이다.
그러나, 제1 동축관의 내부 도체(610a)와 제2 동축관의 내부 도체(620a)와의 접속부에 있어서, 각각의 내부 도체의 외주면에 가능한 가까운 부분에서 전기적으로 접속되어 있는 것이 바람직하다. 외주면으로부터 떨어진 내부에서 전기적으로 접속되면, 내부 도체 간에 발생하는 부분적인 간극에 의해 불안정한 리액턴스 성분이 부가되어, 반사가 발생해 버리기 때문이다.
도 4를 보면 이해하기 쉽지만, 제2 동축관의 내부 도체(620a)를 제1 동축관의 내부 도체(610a)보다 굵게 함으로써, 제2 동축관의 내부 도체(620a) 하부의 평탄면을 외주면에 근접시켜, 외주면에 가까운 부분에서 실드 스파이럴(705)에 의해 전기적으로 접속되도록 되어 있다.
제1 동축관의 내부 도체(610a)의 유전체측의 선단은, 구리로 형성된 원판 형상의 금속 금구(725)를 사이에 끼우고 유전체판(305)에 형성된 요면(305a)에 맞닿는다. 금속 금구(725)를 개재함으로써 제1 동축관의 내부 도체(610a)와 유전체판(305)과의 밀착성을 높일 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1, 제2 동축관의 외부 도체(610b, 620b)는, 덮개체(300)를 상부로부터 파내어 형성되어 있다. 이 때문에, 도 4에 나타낸 제2 동축관의 외부 도체(620b)의 상부는 평면, 하부는 반원의 반원기둥형으로 되어 있다. 외부 도체(620b)의 하부를 반원으로 하고, 내부 도체(620a)와 외부 도체(620b)와의 사이의 거리를 가능한 한 균일하게 함으로써, 전계의 집중을 억제하여, 이상 방전을 방지한다.
연결부(Dc)에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 덮개체 커버(660)의 하면에 오목부를 형성함으로써 외부 도체(610b)의 단부를 제2 동축관(620)의 위쪽으로 돌출시키고 있다. 또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제2 동축관의 외부 도체(620b)의 형상을 크게 하여, 제1, 제2 동축관의 내부 도체(610a, 620a)와 외부 도체(610b, 620b) 간에 넓은 공간을 형성하고 있다. 이와 같이 하여, 제2 동축관(620)으로부터 제1 동축관(610)으로 마이크로파를 전송할 때, 연결부(Dc)에서 반사가 발생하지 않도록 설계되어 있다.
(동축관 정합)
다음으로, 제1 동축관(610)의 특성 임피던스의 정합에 대해서 설명한다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 제1 동축관의 내부 도체(610a)의 직경을 A, 제1 동축관의 외부 도체(610b)의 직경(내경)을 B로 하면, 제1 동축관(610)의 특성 임피던스(Zc)와 제1 동축관(610)의 두께와의 관계는 다음의 식 (1)로 나타난다.
Figure pat00001
예를 들면, B/A＝2.3일 때, 대기 중에서는 εr＝1이기 때문에, 동축관의 특성 임피던스(Zc)는, 50Ω가 된다.
제1 동축관(610)에서는, 내부 도체(610a)와 외부 도체(610b)와의 두께의 비가 길이 방향을 따라서 일정하지 않다. 일 예로서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 동축관의 내부 도체(610a)의 두께(지름(A))는 길이 방향을 따라서 일정하지만(A1＝A2), 외부 도체(610b)의 두께(지름(B))는, 길이 방향을 따라서 마이크로파의 입력측으로부터 출력측을 향하여 연속적으로(서서히) 좁아진다(B1>B2). 이에 따르면, 제1 동축관에 마이크로파가 입력하는 측(제1 동축관의 내부 도체(610a)의 입력 측, 이하, 단순히 입력측이라고도 칭호함)의 내부 도체(610a)와 외부 도체(610b)와의 지름의 비(B1/A1)와, 제1 동축관의 내부 도체(610a)로부터 마이크로파가 출력하는 측(제1 동축관의 내부 도체(610a)의 출력측, 이하, 단순히 출력측이라고도 칭호함)의 내부 도체(610a)와 외부 도체(610b)와의 지름의 비(B2/A2)와의 관계는, B1/A1>B2/A2가 된다. 이 결과, 식 (1)에 의해, 입력측의 제1 동축관(610)의 특성 임피던스(Zc1)와 출력측의 제1 동축관(610)의 특성 임피던스(Zc2)와의 관계는, Zc1>Zc2가 된다.
이와 같이 하여, 본 실시 형태에서는, 제1 동축관의 내부 도체(610a)와 외부 도체(610b)와의 두께의 비를 제1 동축관(610)의 입력측과 출력측에서 상이하게 함으로써, 제1 동축관(610)의 특성 임피던스를 변화시킨다. 특히, 본 실시 형태에서는, 외부 도체(610b)의 두께를 서서히 좁게 함으로써, 제1 동축관(610)의 특성 임피던스를 서서히 작게 한다. 이에 따라, 반사를 일으키기 어렵게 할 수 있다.
(임피던스 정합, 단차부)
예를 들면, 제1 동축관(610)의 입력측의 특성 임피던스가 30Ω, 제1 동축관(610)의 출력측의 특성 임피던스가 15Ω이 되도록 내부 도체(610a) 및 외부 도체(610b)의 지름을 조정한다. 이하에서는, 제1 동축관의 출력측을 15Ω의 저특성 임피던스 선로라고 칭하고, 제1 동축관의 입력측을 30Ω의 고특성 임피던스 선로라고 칭하며, 저특성 임피던스 선로와 고특성 임피던스 선로와의 연결 방법에 대해서 설명한다.
저특성 임피던스 선로에 있어서 무(無)반사로 할 수 있는 경우, 도 3이나 도 7에 나타낸 바와 같이, 저특성 임피던스 선로와 고특성 임피던스 선로와의 사이의 특성 임피던스를 서서히 변화시키면, 반사를 억제한 채 특성 임피던스가 상이한 선로 간의 접속이 가능하다.
도 3에서는, 제1 동축관의 외부 도체(610b)의 두께(지름(B))의 길이 방향을 따라서 마이크로파의 출력측을 향하여 연속적으로(서서히) 좁게 하고, 내부 도체(610a)의 두께(지름(A))를 길이 방향을 따라서 일정하게 하고 있다. 도 7과 같이, 제1 동축관의 외부 도체(610b)의 두께(지름(B))를 길이 방향을 따라서 일정하게 하고, 내부 도체(610a)의 두께(지름(A))를 길이 방향을 따라서 마이크로파의 출력측을 향하여 연속적으로(서서히) 굵게 해도 좋다.
저특성 임피던스 선로에 있어서 무반사로 할 수 없는 경우(여기에서는 반사가 그렇게 크지 않다고 함)에는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 내부 도체(610a)에 단차부(610a6)를 형성하거나, 외부 도체에 단차부(도시하지 않음)를 형성하여, 단차부(610a6)로부터 저특성 임피던스 선로측을 본 임피던스가 고특성 임피던스 선로의 특성 임피던스에 가장 근접하도록 저특성 임피던스 선로의 길이를 조정하면, 반사를 가장 작게 할 수 있다.
단차부(610a6)로부터 저특성 임피던스 선로측을 본 반사 계수는, 저특성 임피던스 선로의 길이를 길게 하면, 도 9의 복소 평면 상(스미스 차트 상에서)에서, 시계 방향으로 회전한다. 반사 계수가 정(正)의 실수가 되도록(복소 평면 상에서 우단(右端)에 오도록) 저특성 임피던스 선로의 길이를 조절하면, 단차부(610a6)로부터 저특성 임피던스 선로측을 본 임피던스는, 임피던스(Zd)로부터 실수로 최대치인 임피던스(Zm)로 조정되어, 반사를 가장 작게 할 수 있다. 이때, 단차부(610a6)로부터 저특성 임피던스 선로측을 본 임피던스를 고특성 임피던스 선로의 특성 임피던스에 일치시킬 수 있으면, 무반사로 할 수 있다. 또한, 선로의 길이를 λg/2로 바꾸면 반사 계수는, 스미스 차트 상 1회전하기 때문에, 저특성 임피던스 선로의 길이는, λg/2 이하로 충분하다. 도 9의 경우에는, 저특성 임피던스 선로의 길이는, λg/4가 된다.
또한, 도 7에서는, 내부 도체(610a)의 말단에 금속 금구(725) 및 실드 스파이럴(740)이 형성되어 있지 않아, 내부 도체(610a)와 유전체판의 요면의 금속막(305a)이 직접 밀착하고 있다. 도 7에서는, 내부 도체(610a)에 잘록부(610a3)가 형성되어 있지 않다.
도 8에서는, 금속 금구(725)가 형성되어 있지 않아, 실드 스파이럴(740)이 유전체판의 요면의 금속막(305a)에 직접 접촉하고 있다. 또한, 도 8에 나타낸 바와 같이, 단차부(610a)가 있는 경우에는, 내부 도체(610a) 및 외부 도체(610b)는 테이퍼 형상으로 되어 있지 않다.
(제1 동축관의 입력측의 특성 임피던스의 적정값)
동축관의 내부 도체의 온도 상승이 일정하다고 가정하면, 제1 동축관의 입력측의 특성 임피던스는, 18Ω?46Ω의 범위 중 어느 값이면 좋고, 보다 바람직하게는, 22Ω?40Ω의 범위 중 어느 값이면 좋다. 그 근거를 설명한다.
전술한 바와 같이, 금속 전극(310) 및 금속 커버(320)에 가스의 통로를 형성하고, 샤워 플레이트로 하여 가스를 흘리는 구성으로 한 경우, 제1 동축관 등과 간섭하지 않는 위치에 가스 유로를 형성하지 않으면 안되기 때문에, 제1 동축관(610)의 두께를 그다지 두껍게 할 수 없다. 한편, 고밀도 플라즈마를 여기하는 데는 제1 동축관(610)에 수 100W?수 kW의 마이크로파를 전송시키지 않으면 안되기 때문에, 제1 동축관의 내부 도체(610a)의 전류 밀도가 커져, 가열되어 버리는 문제가 있다. 제1 동축관의 내부 도체(610a)가 가열되면, 내부 도체(610a)를 보지하고 있는 유전체링(710) 등이 변형, 변질되거나, 내부 도체 표면이 산화되거나, 내부 도체(610a)가 연장되어 각부에 스트레스가 가해져 파손되어 버리는 위험성이 있다.
동축관을 전송할 수 있는 최대 전력(Pmax)은, 다음 식으로 주어진다.
Figure pat00002
여기에서, Emax는 동축관 내의 최대 전계(내부 도체 표면에 있어서의 전계)로, 내부 도체의 상승 온도와 비례한다. 출전은, 「마이크로파 공학 기초와 응용」 오카다 후미아키 저, 가쿠켄사, P.142이다.
위 식으로부터 Pmax와 특성 임피던스의 관계를 구하면, 도 12과 같이 된다. 세로축은 외부 도체의 내경을 일정하게 했을 때의 규격화된 최대 전송 전력이다. 최대 전송 전력은, 특성 임피던스가 30Ω일 때에 극대가 되는 것을 알 수 있다. 최대 전송 전력의 90％ 이상의 전력을 전송시키기 위해서는, 제1 동축관의(입력측의) 특성 임피던스를 18?46Ω로 하면 좋고, 보다 바람직하게는, 95％ 이상의 전력을 전송시키기 위해 22?40Ω로 하면 좋다.
(잘록부)
도 3 및 도 4에서는, 제1 동축관의 내부 도체(610a)는, 부분적으로 좁아진 잘록부(610a3)를 갖는다. 잘록부(610a3)는, 그 지름 및 길이에 따라 정해지는 임의의 크기의 직렬 인덕턴스이다. 제1 동축관(610)의 설계에 있어서는, 제1 동축관에 있어서, 소망하는 위치로부터 출력측을 본 임피던스가 용량성인 경우에, 그 위치에 필요에 따라서 잘록부(610a3)를 형성함으로써, 반사를 억제할 수 있다.
(유전체링)
유전체링(710)은, 그 두께나 유전율에 따라 정해지는 임의의 크기의 병렬 커패시턴스이다. 제1 동축관(610)의 설계에 있어서는, 제1 동축관에 있어서, 소망하는 위치로부터 출력측을 본 임피던스가 유도성인 경우에, 그 위치에 필요에 따라서 잘록부(610a3)를 형성함으로써, 반사를 억제할 수 있다.
(제2 실시 형태)
다음으로, 제2 실시 형태에 따른 제1 동축관의 내부 도체(610a)의 고정 및 동축관 정합에 대해서 도 10을 참조하면서 설명한다. 도 10은, 제1 실시 형태를 설명할 때에 사용한 도 3에 대응한 도면이다. 제2 실시 형태에서는, 연결부(Dc)의 구성과, 유전체판 근방에 유전체링이 형성되어 있는 점에서 주로 제1 실시 형태와 상이하다. 따라서, 이하에서는 이 상이점을 중심으로 하며, 그 외의 설명을 생략한다.
제2 실시 형태에 따른 연결부(Dc)에서는, 유전체 로드(720)가, 제2 동축관의 내부 도체(620a)의 가로 구멍(620a3)에 삽입되고, 이에 따라, 내부 도체(620a)는 외부 도체(620b)에 지지된다. 한편, 본 실시 형태에서는, 유전체 로드(720)는, 제1 동축관의 내부 도체(610a)를 관통하고 있지 않기 때문에, 내부 도체(610a)의 탈락 방지의 기능은 갖지 않는다. 그 대신, 본 실시 형태에서는, 제2 동축관의 내부 도체(620a)의 세로 구멍(620a1)의 하부가 나사홈이 파여짐과 함께, 내부 도체(610a) 단부의 로드(610a1)의 머리 부분에도 나사홈이 파여 있다. 세로 구멍(620a1)의 상부는 나사홈이 파여 있지 않고, 구멍 지름이 로드(610a1)의 외경보다도 커져 있다. 이 때문에, 로드(610a1)의 머리를 세로 구멍(620a1)에 틀어넣어 로드(610a) 단부의 나사홈을 판 부분을 세로 구멍(620a1) 상부의 나사홈을 파지 않은 부분에 나사 결합시킴으로써, 로드(610a1)를 세로 구멍(620a1)에 고정한다. 이에 따라, 제1 동축관의 내부 도체(610a)의 탈락을 방지하면서, 제1 동축관의 내부 도체(610a)를 자유롭게 움직이게 하는 상태에서 고정할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 따른 내부 도체(610a)의 로드(610a1)와 내부 도체(620a)의 세로 구멍(620a1)과의 계합 부분은, 제1 동축관의 내부 도체(610a)가 제2 동축관의 내부 도체(620a)로부터 탈락하는 것을 방지하기 위한 계합부의 일 예이다.
제1 동축관의 내부 도체(610a)에는, 연결부(Dc)에서 오목부(610a4)가 형성되어 있고, 오목부(610a4)의 내부에는, 금속 스프링(730)이 형성되어 있다. 금속 스프링(730)은, 제1 동축관의 내부 도체(610a)를 유전체판(305)에 밀어붙이는 스프링 부재의 일 예이다.
제1 동축관의 내부 도체(610a)의 단부는, 제2 동축관의 내부 도체(620a)의 하부에 형성된 요면에 삽입되도록 되어 있다. 내부 도체(610a, 620a)의 접촉면에는, 실드 스파이럴(705)이 형성되어 있다. 실드 스파이럴(705)은, 내부 도체(610a와 620a)를 전기적으로 접속하는 접점 부재의 일 예이다.
제1 동축관의 내부 도체(610a)와 외부 도체(610b)와의 사이에는, 전술한 유전체링(710) 외에, 유전체판(305)에 인접하여 유전체링(735)이 부착되어 있다. 이에 의하면, 제1 동축관(610)과 유전체판(305)과의 인접 부분의 강(强)전계부를 유전체로 덮음으로써, 이상 방전을 방지할 수 있다.
또한, 도 10에서는, 금속 금구(725)와 유전체판(305)과의 접촉면(유전체판(305)의 요면 부분)에는, 금속막(305a)이 형성되어 있지 않다.
(제3 실시 형태)
다음으로, 제3 실시 형태에 따른 제1 동축관의 내부 도체(610a)의 고정 및 동축관 정합에 대해서 도 11을 참조하면서 설명한다. 도 11은, 제1 실시 형태의 설명에 사용한 도 3 및 제2 실시 형태의 설명에 사용한 도 10에 대응한 도면이다. 제3 실시 형태에서는, 연결부(Dc)의 구성이 제2 실시 형태와 상이하다. 따라서, 이하에서는 이 상이점을 중심으로 설명하고, 그 외의 설명을 생략한다.
제3 실시 형태에 따른 연결부(Dc)에서는, 내부 도체(610a)의 로드(610a1)의 외주에 오목부(610a4)가 형성되고, 그 외측이 판스프링(610a5)으로 되어 있다. 계합 부분에 실드 스파이럴은 형성되어 있지 않다. 판스프링(610a5)은, 내부 도체(610a와 620a)를 전기적으로 접속하는 접점 부재의 일 예이다.
제1 동축관의 내부 도체(610a)의 오목부(610a4)에는, 금속 스프링(730)이 형성되어 있고, 금속 스프링(730)(스프링 부재의 일 예)의 탄성력에 의해 제1 동축관의 내부 도체(610a)를 유전체판(305)에 밀어붙여 밀착시킨다.
이상에 설명한 각 실시 형태에서는, 915MHz의 마이크로파를 출력하는 마이크로파원(900)을 들었지만, 896MHz, 922MHz, 2.45GHz 등의 마이크로파를 출력하는 마이크로파원이라도 좋다. 또한, 마이크로파원은, 플라즈마를 여기하기 위한 전자파를 발생하는 전자파원의 일 예로, 100MHz 이상의 전자파를 출력하는 전자파원이라면, 마그네트론이나 고주파 전원도 포함된다.
또한, 금속 전극(310)의 형상은, 4각형에 한정되지 않으며, 3각형, 6각형, 8각형이라도 좋다. 이 경우에는, 유전체판(305) 및 금속 커버(320)의 형상도 금속 전극(310)의 형상과 동일해진다. 금속 커버(320)나 사이드 커버는 있어도 없어도 좋다. 금속 커버(320)가 없는 경우에는, 덮개체(300)에 직접 가스 유로가 형성된다. 또한, 가스 방출 구멍이 없어, 가스 방출 기능이 없어도 좋고, 하단 샤워가 형성되어 있어도 좋다. 금속 전극(310)이나 유전체판(305)의 수는 8개로 한정되지 않으며, 1개 이상 중 몇 개라도 좋다.
또한, 유전체판(305)이 금속막(305a)으로 피복되어 있지 않은 경우, 유전체판(305)과 덮개체(300) 및, 유전체판(305)과 금속 전극(310)과의 사이의 간극은, 0.2mm 이하가 바람직하다. 그 이유를 설명한다. 유전체판(305)과 인접하는 금속면과의 사이의 간극에서 방전이 일어나면, 플라즈마 마이크로파의 에너지를 손실하여 플라즈마 여기 효율이 현저하게 악화됨과 함께, 유전체(305)나 금속 전극(310)을 파손시켜 버린다. 간극이 전자의 평균자유행정(平均自由行程)보다 작으면, 간격을 좁게 함으로써 전자가 마이크로파 전계로부터 전리에 필요한 에너지를 얻기 전에 벽에 충돌하여 에너지를 잃기 때문에, 간극에 있어서 방전하기 어려워진다. 가스 유로의 지름은, 실사용 조건에 있어서 가장 방전하기 쉬운 상황에 있어서도 방전하지 않는 것과 같은 치수로 설정해야 한다.
평균자유행정은, ua/υc로 주어진다. 여기에서, ua는 전자의 평균 속도, νc는 전자의 충돌 주파수이다. 전자의 평균 속도(ua)는,
ua＝(8kT/πm)1/2
로 주어진다. 여기에서, k는 볼츠만 상수, T는 전자 온도, m은 전자의 질량이다. 간극에서 방전이 유지되는 전자 온도를 3eV라고 하면, 위 식으로부터, ua＝1.14×106m/s가 된다.
전자의 충돌 주파수와 마이크로파 각주파수(角周波數)가 일치하면, 마이크로파로부터 전자에 주어지는 에너지가 최대가 되어 가장 방전하기 쉬워진다. 마이크로파 주파수가 915MHz일 때, υc＝5.75×109Hz가 되는 압력일 때(아르곤 가스로는 약 200Pa) 가장 방전하기 쉬워진다. 이때의 평균자유행정을 위 식으로부터 계산하면, 0.20mm가 된다. 즉, 가스 유로의 지름을 0.2mm 이하로 하면, 간극에서 방전하는 일 없이 항상 안정된 플라즈마를 여기 할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 매우 적합한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 말할 것도 없다. 당업자라면, 특허청구의 범위에 기재된 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 생각이 미칠 수 있는 것은 분명하며, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다
플라즈마 처리 장치는, 전술한 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 한정되지 않고, 성막 처리, 확산 처리, 에칭 처리, 애싱 처리, 플라즈마 도핑 처리 등, 플라즈마에 의해 피처리체를 미세 가공하는 장치라면 좋다.
또한, 예를 들면, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 대면적의 유리 기판, 원형의 실리콘 웨이퍼나 각형의 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 처리할 수도 있다.
10 : 마이크로파 플라즈마 처리 장치
100 : 처리 용기
200 : 용기 본체
300 : 덮개체
300a : 상부 덮개체
300b : 하부 덮개체
305 : 유전체판
305a : 금속막
310 : 금속 전극
320 : 금속 커버
325 : 나사
330 : 주가스 유로
335 : 세관
350 : 사이드 커버
610 : 제1 동축관
620 : 제2 동축관
705, 740 : 실드 스파이럴
710, 715, 735 : 유전체링
720 : 유전체 로드(dielectric rod)
725 : 금속 금구
900 : 마이크로파원
905 : 가스 공급원
910 : 냉매 공급원
Cel : 유닛 셀
Dc : 연결부

Claims (10)

  1. 전자파에 의해 가스를 여기시켜 피(被)처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 장치로서,
    처리 용기와,
    전자파를 출력하는 전자파원과,
    상기 전자파원으로부터 출력된 전자파를 전송시키는 제1 동축관과,
    상기 처리 용기의 내부에 면하고 그리고 상기 제1 동축관에 인접하여, 상기 제1 동축관을 전송한 전자파를 상기 처리 용기의 내부에 방출하는 유전체판을 구비하며,
    상기 제1 동축관의 외부 도체의 내경은 일정하고,
    상기 제1 동축관의 내부 도체의 외경은 길이 방향을 따라서 변화시킨 구조를 갖는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 동축관의 내부 도체의 외경과 외부 도체의 내경과의 비는, 상기 제1 동축관의 전자파의 입력측의 특성 임피던스가 상기 제1 동축관의 전자파의 출력측의 특성 임피던스보다도 커지도록 정해져 있는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 동축관의 내부 도체의 입력측의 외경은, 상기 제1 동축관의 내부 도체의 출력측의 외경보다 작은 플라즈마 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 동축관의 내부 도체의 외경은, 상기 제1 동축관의 길이 방향을 따라서 상기 입력측으로부터 상기 출력측을 향하여 연속적으로 커지고 있는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 동축관의 내부 도체에는 단차부가 형성되고,
    상기 제1 동축관의 내부 도체의 외경과 외부 도체의 내경과의 비는, 상기 단차부에 의해 불연속으로 변화하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 동축관의 상기 입력측의 특성 임피던스는, 18Ω?46Ω의 범위 중 어느 값을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 동축관의 상기 입력측의 특성 임피던스는, 22Ω?40Ω의 범위 중 어느 값을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 동축관의 내부 도체와 외부 도체와의 사이에는, 상기 유전체판에 인접하여 유전체링이 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 동축관의 내부 도체와 외부 도체와의 사이에는, 제1 유전체 지지 부재가 형성되고,
    상기 제1 유전체 지지 부재는, 상기 제1 동축관의 내부 도체의 외주에 형성된 홈에 끼워지게 되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  10. 처리 용기의 내부에 가스를 도입하고,
    전자파원으로부터 전자파를 출력하고,
    외부 도체의 내경은 일정하고, 내부 도체의 외경은 길이 방향을 따라서 변화시킨 구조를 갖는 제1 동축관에 상기 출력한 전자파를 전송하고,
    상기 제1 동축관을 전송한 전자파를, 상기 처리 용기의 내부에 면하고 그리고 상기 제1 동축관에 인접한 유전체판으로부터 상기 처리 용기의 내부에 방출하고,
    상기 방출된 전자파에 의해 상기 도입된 가스를 여기시켜 피처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 방법.
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