WO2014103604A1 - マイクロ波プラズマ生成装置 - Google Patents

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WO2014103604A1
WO2014103604A1 PCT/JP2013/082043 JP2013082043W WO2014103604A1 WO 2014103604 A1 WO2014103604 A1 WO 2014103604A1 JP 2013082043 W JP2013082043 W JP 2013082043W WO 2014103604 A1 WO2014103604 A1 WO 2014103604A1
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dielectric
microwave plasma
microwave
tube
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PCT/JP2013/082043
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Inventor
建典 笹井
浩孝 豊田
Original Assignee
東海ゴム工業株式会社
国立大学法人名古屋大学
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
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    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/4622—Microwave discharges using waveguides

Definitions

  • the present invention relates to a microwave plasma generation apparatus that generates plasma using microwaves.
  • 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 (see, for example, Patent Documents 1 to 4).
  • the microwave plasma processing apparatus 9 includes a vacuum vessel 90 and a plasma generation unit 91.
  • the plasma generation unit 91 includes a waveguide 910, a slot antenna 920, and a dielectric plate 930.
  • the waveguide 910 extends in the left-right direction.
  • the slot antenna 920 is disposed so as to close the lower opening of the waveguide 910.
  • the slot antenna 920 is formed with a slot 921 having a long hole shape.
  • the dielectric plate 930 is made of quartz and is disposed on the lower surface of the slot antenna 920.
  • the microwave is transmitted from the right side of the waveguide 910.
  • the microwave propagates inside the waveguide 910, passes through the slot 921 of the slot antenna 920, and enters the dielectric plate 930.
  • the microwave incident on the dielectric plate 930 propagates along the lower surface 931 of the dielectric plate. Due to the strong electric field of the propagating microwave, the gas in the vacuum vessel 90 is ionized, and the microwave plasma P is generated below the dielectric plate 930. With the generated microwave plasma P, the upper surface of the substrate 94 is processed.
  • FIG. 4 is a perspective view of the plasma generation unit 91 in the conventional microwave plasma processing apparatus 9.
  • the plasma generation unit 91 includes a waveguide 910, a slot antenna 920, and a dielectric plate 930.
  • the slot antenna 920 forms the lower wall of the waveguide 910.
  • the dielectric plate 930 is disposed on the lower surface (vacuum container side) of the slot antenna 920 so as to cover the slot 921.
  • the microwave transmitted from the right end of the waveguide 910 passes through the slot 921 and enters the dielectric plate 930 as indicated by the vertical arrow Y1 in the vertical direction in the drawing.
  • the microwave incident on the dielectric plate 930 propagates along the lower surface 931 of the dielectric plate 930 as indicated by the white arrow Y2 in the left-right direction in the drawing. Thereby, the microwave plasma P is generated.
  • the incident direction (arrow Y1) of the microwave that enters the dielectric plate 930 from the slot 921 is orthogonal to the lower surface 931 of the dielectric plate 930.
  • the microwave incident on the dielectric plate 930 is blocked by the generated microwave plasma P and propagates through the lower surface 931 of the dielectric plate 930 by changing the traveling direction by 90 ° (arrow Y2).
  • the microwave that is the plasma source is difficult to propagate to the microwave plasma P.
  • the electric field energy tends to decrease due to reflection and scattering of the microwave incident from the slot 921 by the dielectric plate 930. For this reason, it is considered that plasma generation is difficult under low pressure.
  • the dielectric plate 930 is exposed in the vacuum vessel 90. For this reason, when film formation is performed by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) or the like, film components are likely to adhere to the surface of the dielectric plate 930. Thereby, a plasma density will fall. Further, the attached film component may generate heat due to the propagated microwave, and the dielectric plate 930 may break.
  • plasma CVD Chemical Vapor Deposition
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a microwave plasma generation apparatus capable of generating a stable microwave plasma even under a low pressure.
  • a microwave plasma generation apparatus of the present invention is a microwave plasma generation apparatus that generates microwave plasma in a vacuum vessel, and includes a first waveguide that transmits microwaves, A tube portion having a slot antenna in which a plurality of slots through which the microwave propagates and the microwave passes in the inner direction of the vacuum vessel are formed, and at least the slot is covered inside the tube portion.
  • a plasma generator having a dielectric in the tube body disposed between the first waveguide and the plasma generator, and having a smaller refractive index than the dielectric in the tube body.
  • a second waveguide having a dielectric disposed in contact with the dielectric in the tube body portion.
  • the dielectric plate is arranged outside the slot antenna (vacuum vessel side).
  • the dielectric plate plays a role of generating plasma by propagating microwaves to the surface.
  • a dielectric plate disposed outside the slot antenna is not necessary.
  • an in-tube dielectric is disposed inside the tube body of the plasma generating unit, in other words, inside the slot antenna.
  • the microwave plasma generation apparatus of the present invention can be easily incorporated into a processing apparatus that includes a device that supplies and conveys a member to be processed, and that continuously performs a reforming process and a film forming process.
  • the microwave plasma generation apparatus of the present invention 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
  • the second waveguide is interposed between the first waveguide and the plasma generation unit.
  • a dielectric is disposed inside the second waveguide.
  • the dielectric in the second waveguide is connected to the dielectric in the tube part that is disposed in the tube part.
  • the refractive index of the dielectric in the second waveguide is smaller than the refractive index of the dielectric in the tube portion. Therefore, the microwave transmitted from the first waveguide is transmitted to the tube portion of the plasma generation unit after the wavelength is once converted in the second waveguide.
  • Patent Document 4 discloses a discharge separation type chemical dry etching (CDE) apparatus that performs etching using microwave plasma generated at a position distant from the processing chamber.
  • the plasma processing apparatus disclosed as the CDE apparatus includes a waveguide filled with a dielectric and a discharge tube formed of the dielectric, and irradiates the discharge tube with microwaves from the slit of the waveguide. Then, plasma is generated inside the discharge tube.
  • a dielectric is filled in the waveguide.
  • the microwave that has passed through the slit of the waveguide is incident on a dielectric discharge tube. In this respect, it is not different from a conventional surface wave plasma generation apparatus using microwaves provided with a dielectric plate.
  • the electric field energy tends to decrease due to the reflection and scattering of microwaves by the discharge tube. For this reason, plasma generation under low pressure is difficult.
  • the region for generating the microwave plasma and the vacuum vessel for performing etching are separated from each other. For this reason, active gas such as radicals is introduced into the vacuum vessel instead of plasma. Therefore, even if the plasma processing apparatus described in Patent Document 4 is used, the film forming process cannot be performed in the vacuum vessel.
  • the refractive index inside the first waveguide is smaller than the refractive index of the dielectric in the tube part, and is arranged inside the second waveguide.
  • the refractive index of the dielectric is a value between the refractive index inside the first waveguide and the refractive index of the dielectric in the tube portion.
  • the refractive index of air is 1.
  • the dielectric in the second waveguide has a refractive index greater than 1 and the refraction of the dielectric in the tube portion. What is smaller than the rate may be adopted. By doing so, wavelength conversion can be performed in two stages, and reflection of microwaves incident on the tube portion can be suppressed.
  • the refractive index of the dielectric disposed inside the second waveguide is such that the refractive index inside the first waveguide and the inside of the tube portion
  • the characteristic impedance of the waveguide which is an intermediate value with respect to the refractive index of the dielectric and is determined by the cross-sectional dimension of the waveguide and the internal dielectric constant
  • the characteristic impedance of the second waveguide is It is the square root of the product of the characteristic impedance of the wave tube and the characteristic impedance of the tube part of the plasma generation unit, and the length of the second waveguide is 1 / of the in-tube wavelength of the second waveguide. 4 is better.
  • the pipe body dielectric is a kind selected from quartz, alumina, zirconia, aluminum nitride, and magnesium oxide. Is good.
  • These materials are suitable because they hardly absorb microwaves. In other words, it is preferable because there is little loss of the microwave that becomes the plasma source.
  • the dielectric of the second waveguide has a refractive index smaller than that of the dielectric in the tube part.
  • the dielectric of the second waveguide may be selected as appropriate in consideration of the combination with the dielectric of the tube body.
  • quartz when quartz is used as the dielectric in the tube portion, polytetrafluoroethylene or the like may be used as the dielectric of the second waveguide.
  • alumina when alumina is used as the dielectric in the tube portion, quartz or the like may be used as the dielectric of the second waveguide.
  • the tubular body portion has a rectangular cross section.
  • the slot antenna is preferably arranged on the H surface of the tube portion.
  • the microwave plasma generation apparatus having the configuration of any one of (1) to (6) can generate the microwave plasma under a pressure of 0.5 Pa to 100 Pa.
  • a pressure of 0.5 Pa to 100 Pa For example, by making the inside of the vacuum vessel a high vacuum state of 0.5 Pa or more and 3 Pa or less, mixing of impurities can be suppressed and the purity of the treatment can be increased.
  • microwave plasma processing apparatus 8: vacuum vessel
  • 10 microwave plasma generation apparatus
  • 20 first waveguide
  • 30 second waveguide
  • 31 dielectric
  • 40 plasma generation unit
  • 41 Tube part
  • 42 Slot antenna
  • 43 Dielectric in tube part
  • 50 Microwave transmission part
  • 51 Microwave power source
  • 52 Microwave oscillator
  • 53 Isolator
  • 54 Power monitor
  • 55 EH matching device
  • 80 waveguide insertion hole
  • 81 gas supply hole
  • 82 exhaust hole
  • 420: slot 420: slot.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view in the left-right direction of a microwave plasma processing apparatus provided with the microwave plasma generation apparatus of this embodiment.
  • FIG. 2 shows a partial perspective view of the microwave plasma generation apparatus.
  • the microwave plasma processing apparatus 1 includes a vacuum vessel 8 and a microwave plasma generation apparatus 10.
  • the vacuum vessel 8 is made of aluminum steel and has a rectangular parallelepiped box shape.
  • a waveguide insertion hole 80 and a gas supply hole 81 are formed in the right wall of the vacuum vessel 8.
  • the microwave plasma generation device 10 is inserted into the waveguide insertion hole 80.
  • the gas supply hole 81 is connected to a downstream end of a gas supply pipe (not shown).
  • An exhaust hole 82 is formed in the lower wall of the vacuum vessel 8.
  • a vacuum exhaust device (not shown) for exhausting the gas inside the vacuum vessel 8 is connected to the exhaust hole 82.
  • the microwave plasma generation apparatus 10 includes a first waveguide 20, a second waveguide 30, a plasma generation unit 40, and a microwave transmission unit 50.
  • the first waveguide 20 is made of aluminum and has a tubular shape with a rectangular cross section.
  • the first waveguide 20 is connected to the microwave transmission unit 50.
  • the microwave transmission unit 50 includes a microwave power source 51, a microwave oscillator 52, an isolator 53, a power monitor 54, and an EH matching unit 55.
  • the microwave oscillator 52, the isolator 53, the power monitor 54, and the EH matching device 55 are connected by the first waveguide 20.
  • the second waveguide 30 is made of aluminum and has a short tubular shape with a rectangular cross section.
  • the second waveguide 30 is disposed between the first waveguide 20 and the plasma generation unit 40.
  • the right end of the second waveguide 30 is connected to the first waveguide 20.
  • the left end of the second waveguide 30 is connected to the plasma generation unit 40.
  • the second waveguide 30 is filled with a dielectric 31 as indicated by a dotted line in FIG.
  • the dielectric 31 is made of quartz and has a rectangular parallelepiped shape. The left end of the dielectric 31 is in contact with an in-tube dielectric 43 of the plasma generator 40 described later.
  • the refractive index of the dielectric 31 is an intermediate value between the refractive index of the inside (air) of the first waveguide 20 and the refractive index of the in-tube portion dielectric 43 (alumina).
  • the characteristic impedance of the second waveguide 30 is the square root of the product of the characteristic impedance of the first waveguide 20 and the characteristic impedance of the tube part 41 of the plasma generation unit 40.
  • the length of the second waveguide 30 in the left-right direction is 1 ⁇ 4 of the in-tube wavelength of the second waveguide 30.
  • the plasma generation unit 40 includes a tube unit 41 and a tube unit dielectric 43.
  • the tube part 41 is made of aluminum and has a tubular shape with a rectangular cross section.
  • the tube part 41 extends in the left-right direction.
  • a slot antenna 42 is disposed on the front surface of the tubular body portion 41.
  • the slot antenna 42 forms the front wall of the tube part 41.
  • the slot antenna 42 is disposed on the H surface of the tubular body portion 41.
  • Ten slots 420 are formed in the slot antenna 42.
  • the slot 420 has a long hole shape extending in the left-right direction.
  • the slot 420 is disposed at a position where the electric field strength is high.
  • the tube body dielectric 43 is made of alumina and has a rectangular parallelepiped shape. As shown by a dotted line in FIG. 2, the inner dielectric body 43 in the tubular body portion is filled in the entire interior of the tubular body portion 41. The in-tube portion dielectric 43 covers the slot 420 from the rear.
  • microwave plasma generation apparatus 10 Next, the operation of the microwave plasma generation apparatus 10 will be described. First, an evacuation device (not shown) is operated to discharge the gas inside the vacuum vessel 8 and make the inside of the vacuum vessel 8 in a reduced pressure state. Next, a predetermined gas is supplied into the vacuum vessel 8 from the gas supply pipe. At this time, the flow rate of the supply gas is adjusted so that the pressure in the vacuum vessel 8 is about 10 to 100 Pa. Subsequently, the microwave power source 51 is turned on. When the microwave power source 51 is turned on, the microwave oscillator 52 oscillates a microwave having a frequency of 2.45 GHz. The oscillated microwave propagates in the first waveguide 20.
  • an evacuation device (not shown) is operated to discharge the gas inside the vacuum vessel 8 and make the inside of the vacuum vessel 8 in a reduced pressure state.
  • a predetermined gas is supplied into the vacuum vessel 8 from the gas supply pipe. At this time, the flow rate of the supply gas is adjusted so that the pressure in the vacuum vessel 8 is about 10 to 100 Pa.
  • the isolator 53 suppresses the microwave reflected from the second waveguide 30 from returning to the microwave oscillator 52.
  • the power monitor 54 monitors the output of the generated microwave and the output of the reflected microwave.
  • the EH matching unit 55 adjusts the amount of reflected microwaves.
  • the microwave that has passed through the first waveguide 20 propagates through the second waveguide 30.
  • the second waveguide 30 is filled with a dielectric 31 made of quartz. For this reason, the wavelength of the microwave is converted and shortened in the second waveguide 30. Subsequently, the microwave that has passed through the second waveguide 30 propagates through the tube portion 41 of the plasma generation unit 40.
  • the tubular body portion 41 is filled with an alumina tubular body internal dielectric 43 made of alumina. For this reason, in the tube part 41, the wavelength of the microwave is further shortened.
  • the microwave in the tube body part 41 passes through the slot 420 of the slot antenna 42 and propagates through the front surface of the slot antenna 42. Due to the strong electric field of the propagating microwave, the gas in the vacuum chamber 8 is ionized, and microwave plasma is generated in front of the slot antenna 42.
  • the pressure in the vacuum vessel 8 is adjusted to a predetermined pressure, and the substrate (not shown) disposed in front of the plasma generation unit 40 is processed.
  • an inner tube body dielectric 43 made of alumina is disposed inside the tube body 41 of the plasma generation unit 40.
  • the wavelength of the microwave propagating in the tube portion 41 can be made shorter than the wavelength when propagating in the air, that is, in the first waveguide 20.
  • the wavelength 122 mm of the microwave in the first waveguide 20 can be set to 49 mm in the tube part 41.
  • the microwave plasma generator 10 When the wavelength of the microwave is shortened, the portion where the electric field strength is increased in the tube portion 41 increases. Therefore, a large number of small slots 420 can be formed in the slot antenna 420. Thereby, the electric field intensity per unit area of the slot antenna 42 increases. Further, the electric field strength of the entire surface of the slot antenna 42 is increased. Therefore, according to the microwave plasma generator 10, stable microwave plasma can be generated even under a low pressure of about 1 Pa. Further, by reducing the pressure in the vacuum vessel 8, high-purity processing can be performed.
  • the microwave plasma generation apparatus 10 since the electric field strength on the surface of the slot antenna 42 is large, the plasma generation unit 40 is downsized. Thereby, in the microwave plasma processing apparatus 1, the microwave plasma production
  • the microwave plasma generation apparatus 10 does not have a dielectric plate exposed in the vacuum vessel 8. For this reason, even if it uses for a film-forming process, the problem that the component of a film
  • a second waveguide 30 filled with a dielectric 31 is interposed between the first waveguide 20 and the plasma generation unit 40. Therefore, the microwave transmitted from the first waveguide 20 is transmitted to the tube body portion 41 of the plasma generation unit 40 after the wavelength is once converted in the second waveguide 30.
  • the refractive index of the dielectric 31 is an intermediate value between the refractive index of the inside (air) of the first waveguide 20 and the refractive index of the dielectric body 43 (alumina) in the tube portion.
  • the characteristic impedance of the second waveguide 30 is the square root of the product of the characteristic impedance of the first waveguide 20 and the characteristic impedance of the tube part 41 of the plasma generation unit 40.
  • the length in the left-right direction is 1 ⁇ 4 of the in-tube wavelength of the second waveguide 30.
  • the material of the slot antenna, the number, shape, and arrangement of the slot antenna in the plasma generation unit are not particularly limited.
  • the material of the slot antenna may be a nonmagnetic metal, and may be stainless steel or brass in addition to aluminum.
  • what gave electroconductive plating, such as silver plating may be used.
  • the arrangement of the slots may be one row or two or more rows.
  • the number of slots may be odd or even.
  • the slots may be arranged in a zigzag shape by changing the arrangement angle of the slots.
  • the size of the plasma generation unit and the second waveguide is not particularly limited.
  • the material of the dielectric in the tube body and the dielectric in the second waveguide there are no particular limitations on the material of the dielectric in the tube body and the dielectric in the second waveguide.
  • a material having a low dielectric constant and hardly absorbing microwaves is desirable.
  • quartz, alumina, zirconia, aluminum nitride, magnesium oxide and the like are suitable.
  • the dielectric in the second waveguide one having a refractive index smaller than the refractive index of the dielectric in the tube portion is selected. It is desirable that the refractive index of the dielectric in the second waveguide be a value between the refractive index inside the first waveguide and the refractive index of the dielectric in the tube portion.
  • the in-tube portion dielectric is disposed throughout the inside of the tube portion.
  • the dielectric in the tube part only needs to be disposed so as to cover at least the slot, and does not necessarily have to be disposed in the entire interior of the tube part.
  • a microwave with a frequency of 2.45 GHz was used.
  • 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.
  • the microwave plasma generation apparatus of the present invention can generate microwave plasma under a pressure of 0.5 Pa to 100 Pa. Therefore, what is necessary is just to determine the pressure in a vacuum vessel suitably according to a process. For example, by setting a high vacuum state of 0.5 Pa or more and 3 Pa or less, mixing of impurities can be suppressed and the purity of treatment can be increased. In order to spread the generated microwave plasma, it is desirable to generate the microwave plasma under a pressure of 0.5 Pa to 10 Pa. Moreover, what is necessary is just to determine the gas to supply suitably according to a process.
  • the gas to be supplied may be one type or two or more types.
  • Example 1 Using the microwave plasma processing apparatus 1 of the above embodiment, the generation state of microwave plasma under a pressure of 0.7 Pa was confirmed.
  • the reference numerals of members in the following processing correspond to FIG.
  • the evacuation device (not shown) was operated to exhaust the gas inside the vacuum vessel 8 from the exhaust hole 82, and the internal pressure of the vacuum vessel 8 was set to 8 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa.
  • argon gas was supplied into the vacuum vessel 8 from the gas supply hole 81, and the internal pressure of the vacuum vessel 8 was set to 100 Pa.
  • the microwave power source 51 was turned on, and microwave plasma was generated by the oscillated microwave of 700 W output (frequency: 2.45 GHz). Thereafter, the flow rate of argon gas was reduced, the internal pressure of the vacuum vessel 8 was set to 0.7 Pa, and the generation state of the microwave plasma was visually confirmed. As a result, it was confirmed that a stable microwave plasma was maintained.
  • the vacuum exhaust device (not shown) was operated to discharge the gas inside the vacuum vessel 90, and the internal pressure of the vacuum vessel 90 was set to 8 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa.
  • argon gas was supplied into the vacuum container 90 to set the internal pressure of the vacuum container 90 to 100 Pa.
  • a microwave (frequency: 2.45 GHz) with an output of 700 W was transmitted into the waveguide 910 to generate microwave plasma.
  • the flow rate of the argon gas was reduced, the internal pressure of the vacuum vessel 90 was set to 0.7 Pa, and the generation state of the microwave plasma was visually confirmed. As a result, plasma generation could not be continued and the microwave plasma disappeared.
  • Example 2 A microwave plasma was generated in the same manner as in Example 1 except that the pressure in the vacuum vessel was changed to 6.7 Pa, and the electron density of the microwave plasma at a position 1.5 cm away from the slot antenna was measured. As a result, the electron density was 6.7 ⁇ 10 17 m ⁇ 3 .
  • the electron density was measured using a Langmuir probe.
  • 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.
  • Example 3 A microwave plasma was generated in the same manner as in Example 1 except that the gas supplied to the vacuum vessel was changed to hydrogen gas, the microwave output was changed to 600 W, and the pressure in the vacuum vessel was changed to 20 Pa. Then, the electron density of the microwave plasma at a position 2 cm away from the slot antenna was measured. As a result, the electron density was 6.5 ⁇ 10 17 m ⁇ 3 .
  • the microwave plasma generation apparatus of the present invention can generate stable microwave plasma even under a low pressure of 1 Pa or less. Moreover, compared with the conventional surface wave plasma generator using a dielectric plate, it was possible to generate a high-density microwave plasma without using a dielectric plate. In particular, it was possible to generate a high-density microwave plasma having an electron density about two orders of magnitude higher than that of a general radio frequency (RF) plasma.
  • RF radio frequency
  • the microwave plasma generation apparatus of the present invention can be used for various processes such as cleaning, reforming, 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.

Abstract

　マイクロ波プラズマ生成装置（１０）は、マイクロ波を伝送する第一導波管（２０）と、該マイクロ波が伝播し、該マイクロ波が真空容器（８）の内側方向に通過する複数のスロット（４２０）が形成されたスロットアンテナ（４２）を有する管体部（４１）と、管体部（４１）の内部に少なくともスロット（４２０）を覆うように配置される管体部内誘電体（４３）と、を有するプラズマ生成部（４０）と、第一導波管（２０）とプラズマ生成部（４０）との間に介在し、内部に管体部内誘電体（４３）よりも屈折率が小さく管体部内誘電体（４３）に接触して配置される誘電体（３１）を有する第二導波管（３０）と、を備える。マイクロ波プラズマ生成装置（１０）によると、低圧下においても真空容器（８）内に安定したマイクロ波プラズマを生成することができる。

Description

マイクロ波プラズマ生成装置
　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。
　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１～４参照）。
　従来のマイクロ波プラズマ処理装置の一例を、図３に示す。図３に示すように、マイクロ波プラズマ処理装置９は、真空容器９０と、プラズマ生成部９１と、を備えている。プラズマ生成部９１は、導波管９１０と、スロットアンテナ９２０と、誘電体板９３０と、を有している。導波管９１０は左右方向に延在している。スロットアンテナ９２０は、導波管９１０の下方開口部を塞ぐように配置されている。スロットアンテナ９２０には、長孔状のスロット９２１が形成されている。誘電体板９３０は石英製であり、スロットアンテナ９２０の下面に配置されている。
　図中白抜き矢印で示すように、導波管９１０の右方から、マイクロ波が伝送される。マイクロ波は、導波管９１０の内部を伝播し、スロットアンテナ９２０のスロット９２１を通過して、誘電体板９３０に入射する。誘電体板９３０に入射したマイクロ波は、誘電体板の下面９３１に沿って伝播する。伝播するマイクロ波の強電界により、真空容器９０内のガスが電離して、誘電体板９３０の下方にマイクロ波プラズマＰが生成される。生成したマイクロ波プラズマＰにより、基材９４の上面が処理される。
特開２００９－２２４２６９号公報 特開２００５－１９７３７１号公報 特開２００７－１８４２５９号公報 特開２０００－３４９０７５号公報
　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処理装置によると、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。この理由は、次のように考えられる。
　図４に、上記従来のマイクロ波プラズマ処理装置９におけるプラズマ生成部９１の斜視図を示す。図４に示すように、プラズマ生成部９１は、導波管９１０と、スロットアンテナ９２０と、誘電体板９３０と、を有している。スロットアンテナ９２０は、導波管９１０の下壁をなしている。誘電体板９３０は、スロット９２１を覆うように、スロットアンテナ９２０の下面（真空容器側）に配置されている。導波管９１０の右端から伝送されたマイクロ波は、図中上下方向の白抜き矢印Ｙ１で示すように、スロット９２１を通過して、誘電体板９３０に入射する。誘電体板９３０に入射したマイクロ波は、図中左右方向の白抜き矢印Ｙ２で示すように、誘電体板９３０の下面９３１に沿って伝播する。これにより、マイクロ波プラズマＰが生成される。
　ここで、スロット９２１から誘電体板９３０へ入射するマイクロ波の入射方向（矢印Ｙ１）と、誘電体板９３０の下面９３１と、は直交する。このため、誘電体板９３０に入射したマイクロ波は、生成したマイクロ波プラズマＰに遮られ、進行方向を９０°変えて、誘電体板９３０の下面９３１を伝播する（矢印Ｙ２）。このように、生成したマイクロ波プラズマＰに対して垂直方向にマイクロ波が入射するため、プラズマソースであるマイクロ波がマイクロ波プラズマＰに伝播しにくい。また、誘電体板９３０による、スロット９２１から入射したマイクロ波の反射、散乱により、電界エネルギーが低下しやすい。このため、低圧下においては、プラズマ生成が難しいと考えられる。
　また、従来のプラズマ生成部９１においては、誘電体板９３０が真空容器９０内に表出している。このため、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などにより成膜を行う場合、誘電体板９３０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９３０が割れるおそれもある。
　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。
　（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、真空容器内に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、該マイクロ波が伝播し、該マイクロ波が該真空容器の内側方向に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を有する管体部と、該管体部の内部に少なくとも該スロットを覆うように配置される管体部内誘電体と、を有するプラズマ生成部と、該第一導波管と該プラズマ生成部との間に介在し、内部に該管体部内誘電体よりも屈折率が小さく該管体部内誘電体に接触して配置される誘電体を有する第二導波管と、を備えることを特徴とする。
　上述したように、従来のプラズマ生成部においては、誘電体板がスロットアンテナの外側（真空容器側）に配置される。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。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、スロットアンテナの外側に配置する誘電体板は必要ない。その代わり、プラズマ生成部の管体部の内部、換言すると、スロットアンテナの内側に、管体部内誘電体が配置される。これにより、管体部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。
　マイクロ波の波長を短くすると、管体部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、従来と比較して、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、管体部内誘電体により、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高めることができる。これにより、１Ｐａ程度の低圧下においても、安定したマイクロ波プラズマを生成することができる。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。
　また、スロットアンテナの表面の電界強度が大きいため、プラズマ生成部自体を、小型化することができる。これにより、マイクロ波プラズマ処理装置を構成する他の部材や装置との干渉を、抑制することができる。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、組み込みやすい。
　本発明のマイクロ波プラズマ生成装置は、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、誘電体板の表面全体に膜の成分が付着するという問題は生じない。したがって、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置は、クリーニングや改質処理は勿論、プラズマＣＶＤなどの処理にも好適である。
　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、第一導波管とプラズマ生成部との間に第二導波管を介在させる。第二導波管の内部には、誘電体が配置される。第二導波管内の誘電体は、管体部に配置される管体部内誘電体に接続される。第二導波管内の誘電体の屈折率は、管体部内誘電体の屈折率よりも小さい。したがって、第一導波管から伝送されるマイクロ波は、一旦、第二導波管において波長が変換された後に、プラズマ生成部の管体部に伝送される。波長の変換を二段階で行うことにより、第一導波管から管体部へ直接マイクロ波を伝送する場合と比較して、管体部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。
　ちなみに、上記特許文献４には、処理室から離れた位置で生成させたマイクロ波プラズマを用いてエッチングを行う、放電分離型のケミカルドライエッチング（ＣＤＥ）装置が開示されている。当該ＣＤＥ装置として開示されたプラズマ処理装置は、誘電体を充填した導波管と、誘電体で形成された放電管と、を備え、該導波管のスリットからマイクロ波を該放電管に照射して、該放電管の内部にプラズマを発生させる。特許文献４に記載のプラズマ処理装置においては、導波管の内部に誘電体が充填されている。しかし、導波管のスリットを通過したマイクロ波は、誘電体製の放電管に入射する。この点において、誘電体板を備える従来のマイクロ波による表面波プラズマ生成装置と変わらない。すなわち、放電管によるマイクロ波の反射、散乱により、電界エネルギーが低下しやすい。このため、低圧下におけるプラズマ生成は困難である。また、特許文献４に記載のプラズマ処理装置においては、マイクロ波プラズマを生成する領域と、エッチングを行う真空容器と、は離れている。このため、真空容器内には、プラズマではなく、ラジカルなどの活性ガスが導かれる。したがって、特許文献４に記載のプラズマ処理装置を用いても、真空容器内で成膜処理を行うことはできない。
　（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記第一導波管の内部の屈折率は、前記管体部内誘電体の屈折率よりも小さく、前記第二導波管の内部に配置される前記誘電体の屈折率は、該第一導波管の内部の屈折率と該管体部内誘電体の屈折率との間の値である構成とする方がよい。
　空気の屈折率は１である。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、第二導波管内の誘電体としては、屈折率が１よりも大きく、かつ、管体部内誘電体の屈折率よりも小さいものを、採用すればよい。こうすることにより、波長の変換を二段階で行うことができ、管体部へ入射するマイクロ波の反射を抑制することができる。
　（３）好ましくは、上記（２）の構成において、前記第二導波管の内部に配置される前記誘電体の屈折率は、前記第一導波管の内部の屈折率と前記管体部内誘電体の屈折率との中間値であり、導波管の断面寸法および内部の誘電率で決定される導波管の特性インピーダンスについて、該第二導波管の特性インピーダンスは、該第一導波管の特性インピーダンスと前記プラズマ生成部の前記管体部の特性インピーダンスとの積の平方根であり、かつ、該第二導波管の長さは該第二導波管の管内波長の１／４である構成とする方がよい。
　本構成によると、管体部へ入射するマイクロ波の反射抑制効果がより大きくなる。これは、本構成により、誘電体を有する導波管に入射するマイクロ波の反射強度を抑制することができるためである。
　（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、前記管体部内誘電体は、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とする方がよい。
　これらの材料は、マイクロ波を吸収しにくいため好適である。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。
　また、第二導波管の誘電体は、管体部内誘電体よりも屈折率が小さければよい。このため、第二導波管の誘電体は、管体部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、管体部内誘電体として石英を用いた場合には、第二導波管の誘電体は、ポリテトラフルオロエチレンなどを用いればよい。また、管体部内誘電体としてアルミナを用いた場合には、第二導波管の誘電体は、石英などを用いればよい。
　（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、前記管体部は、断面矩形の管状を呈することが望ましい。
　（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、前記スロットアンテナは、前記管体部のＨ面に配置される構成とする方がよい。
　（７）上記（１）ないし（６）のいずれかの構成のマイクロ波プラズマ生成装置は、０．５Ｐａ以上１００Ｐａ以下の圧力下で前記マイクロ波プラズマを生成可能である。例えば、真空容器内を０．５Ｐａ以上３Ｐａ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。また、生成したマイクロ波プラズマを広げるためには、０．５Ｐａ以上１０Ｐａ以下の圧力下でマイクロ波プラズマを生成することが望ましい。
本発明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の左右方向断面図である。 同マイクロ波プラズマ生成装置の部分斜視図である。 従来のマイクロ波プラズマ処理装置の左右方向断面図である。 同マイクロ波プラズマ処理装置におけるプラズマ生成部の斜視図である。
１：マイクロ波プラズマ処理装置、８：真空容器、１０：マイクロ波プラズマ生成装置、２０：第一導波管、３０：第二導波管、３１：誘電体、４０：プラズマ生成部、４１：管体部、４２：スロットアンテナ、４３：管体部内誘電体、５０：マイクロ波伝送部、５１：マイクロ波電源、５２：マイクロ波発振器、５３：アイソレータ、５４：パワーモニタ、５５：ＥＨ整合器、８０：導波管挿通孔、８１：ガス供給孔、８２：排気孔、４２０：スロット。
　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。
　＜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の左右方向断面図を示す。図２に、同マイクロ波プラズマ生成装置の部分斜視図を示す。図１、図２に示すように、マイクロ波プラズマ処理装置１は、真空容器８と、マイクロ波プラズマ生成装置１０と、を備えている。
　真空容器８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８の右壁には、導波管挿通孔８０とガス供給孔８１とが、穿設されている。導波管挿通孔８０には、マイクロ波プラズマ生成装置１０が挿通されている。ガス供給孔８１には、ガス供給管（図略）の下流端が接続されている。真空容器８の下壁には、排気孔８２が穿設されている。排気孔８２には、真空容器８の内部のガスを排出するための真空排気装置（図略）が接続されている。
　マイクロ波プラズマ生成装置１０は、第一導波管２０と、第二導波管３０と、プラズマ生成部４０と、マイクロ波伝送部５０と、を備えている。第一導波管２０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。第一導波管２０は、マイクロ波伝送部５０に接続されている。マイクロ波伝送部５０は、マイクロ波電源５１と、マイクロ波発振器５２と、アイソレータ５３と、パワーモニタ５４と、ＥＨ整合器５５と、を有している。マイクロ波発振器５２、アイソレータ５３、パワーモニタ５４、およびＥＨ整合器５５は、第一導波管２０により連結されている。
　第二導波管３０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。第二導波管３０は、第一導波管２０とプラズマ生成部４０との間に配置されている。第二導波管３０の右端は、第一導波管２０に接続されている。第二導波管３０の左端は、プラズマ生成部４０に接続されている。第二導波管３０の内部には、図２中点線で示すように、誘電体３１が充填されている。誘電体３１は、石英製であって、直方体状を呈している。誘電体３１の左端は、後述するプラズマ生成部４０の管体部内誘電体４３に、接触している。誘電体３１の屈折率は、第一導波管２０の内部（空気）の屈折率と管体部内誘電体４３（アルミナ）の屈折率との中間値である。第二導波管３０の特性インピーダンスは、第一導波管２０の特性インピーダンスとプラズマ生成部４０の管体部４１の特性インピーダンスとの積の平方根である。また、第二導波管３０の左右方向の長さは、第二導波管３０の管内波長の１／４である。
　プラズマ生成部４０は、管体部４１と、管体部内誘電体４３と、を有している。管体部４１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。管体部４１は、左右方向に延在している。管体部４１の前面には、スロットアンテナ４２が配置されている。スロットアンテナ４２は、管体部４１の前壁を形成している。スロットアンテナ４２は、管体部４１のＨ面に配置されている。スロットアンテナ４２には、スロット４２０が十個形成されている。スロット４２０は、左右方向に伸びる長孔状を呈している。スロット４２０は、電界強度が大きい位置に配置されている。
　管体部内誘電体４３は、アルミナ製であって、直方体状を呈している。管体部内誘電体４３は、図２中点線で示すように、管体部４１の内部全体に充填されている。管体部内誘電体４３は、スロット４２０を後方から覆っている。
　＜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１０の動作について説明する。まず、真空排気装置（図略）を作動させて、真空容器８の内部のガスを排出し、真空容器８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８内へ供給する。この際、真空容器８内の圧力が、約１０～１００Ｐａになるように、供給ガスの流量を調整する。続いて、マイクロ波電源５１をオンにする。マイクロ波電源５１をオンにすると、マイクロ波発振器５２が周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振する。発振されたマイクロ波は、第一導波管２０内を伝播する。ここで、アイソレータ５３は、第二導波管３０から反射されたマイクロ波が、マイクロ波発振器５２に戻るのを抑制する。パワーモニタ５４は、発生したマイクロ波の出力と、反射したマイクロ波の出力と、をモニタリングする。ＥＨ整合器５５は、マイクロ波の反射量を調整する。
　第一導波管２０内を通過したマイクロ波は、第二導波管３０内を伝播する。第二導波管３０の内部には、石英製の誘電体３１が充填されている。このため、第二導波管３０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、第二導波管３０内を通過したマイクロ波は、プラズマ生成部４０の管体部４１内を伝播する。管体部４１の内部には、アルミナ製の管体部内誘電体４３が充填されている。このため、管体部４１内において、マイクロ波の波長は、さらに短くなる。
　管体部４１内のマイクロ波は、スロットアンテナ４２のスロット４２０を通過して、スロットアンテナ４２の前面を伝播する。伝播するマイクロ波の強電界により、真空容器８内のガスが電離して、スロットアンテナ４２の前方にマイクロ波プラズマが生成される。
　この後、マイクロ波プラズマの生成を維持したまま、真空容器８内の圧力を所定の圧力に調整して、プラズマ生成部４０の前方に対向配置される基材（図略）の処理を行う。
　＜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。本実施形態のマイクロ波プラズマ生成装置１０においては、プラズマ生成部４０の管体部４１の内部に、アルミナ製の管体部内誘電体４３が配置される。これにより、管体部４１内を伝播するマイクロ波の波長を、空気中、すなわち第一導波管２０内を伝播する時の波長よりも、短くすることができる。例えば、第一導波管２０内のマイクロ波の波長１２２ｍｍを、管体部４１内において４９ｍｍにすることができる。
　マイクロ波の波長を短くすると、管体部４１内において電界強度が大きくなる部分が増加する。よって、スロットアンテナ４２０に、小さなスロット４２０を多数形成することができる。これにより、スロットアンテナ４２の単位面積当たりの電界強度が、大きくなる。また、スロットアンテナ４２の表面全体の電界強度が、大きくなる。したがって、マイクロ波プラズマ生成装置１０によると、１Ｐａ程度の低圧下においても、安定したマイクロ波プラズマを生成することができる。また、真空容器８内の圧力を低くすることにより、純度の高い処理を行うことができる。
　マイクロ波プラズマ生成装置１０においては、スロットアンテナ４２の表面の電界強度が大きいため、プラズマ生成部４０が小型化されている。これにより、マイクロ波プラズマ処理装置１において、マイクロ波プラズマ生成装置１０と、他の部材や装置とが、干渉しにくい。したがって、マイクロ波プラズマ生成装置１０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、組み込みやすい。
　マイクロ波プラズマ生成装置１０は、真空容器８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、誘電体板の表面全体に膜の成分が付着するという問題は生じない。したがって、マイクロ波プラズマ生成装置１０は、クリーニングや改質処理は勿論、プラズマＣＶＤなどの処理にも好適である。
　マイクロ波プラズマ生成装置１０においては、第一導波管２０とプラズマ生成部４０との間に、誘電体３１が充填された第二導波管３０が介在する。したがって、第一導波管２０から伝送されるマイクロ波は、一旦、第二導波管３０において波長が変換された後に、プラズマ生成部４０の管体部４１に伝送される。波長の変換を二段階で行うことにより、第一導波管２０から管体部４１へ直接マイクロ波を伝送する場合と比較して、管体部４１へ入射する際のマイクロ波の反射が抑制される。ここで、誘電体３１の屈折率は、第一導波管２０の内部（空気）の屈折率と管体部内誘電体４３（アルミナ）の屈折率との中間値である。また、第二導波管３０の特性インピーダンスは、第一導波管２０の特性インピーダンスとプラズマ生成部４０の管体部４１の特性インピーダンスとの積の平方根であり、第二導波管３０の左右方向の長さは、第二導波管３０の管内波長の１／４である。これにより、管体部４１へ入射するマイクロ波の反射抑制効果が、より大きくなる。
　＜その他＞
　以上、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置の一実施形態について説明した。しかしながら、マイクロ波プラズマ生成装置の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。
　例えば、プラズマ生成部におけるスロットアンテナの材質、スロットの数、形状、配置などは、特に限定されない。例えば、スロットアンテナの材質は、非磁性の金属であればよく、アルミニウムの他、ステンレス鋼や真鍮などでも構わない。また、銀めっきなどの導電めっきを施したものでも構わない。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。また、プラズマ生成部や第二導波管の大きさも、特に限定されない。
　管体部内誘電体、および第二導波管内の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、第二導波管内の誘電体としては、屈折率が、管体部内誘電体の屈折率よりも小さいものを選択する。第二導波管内の誘電体の屈折率は、第一導波管の内部の屈折率と管体部内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、管体部の内部全体に管体部内誘電体を配置した。しかし、管体部内誘電体は、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、必ずしも管体部の内部全体に配置される必要はない。
　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。
　本発明のマイクロ波プラズマ生成装置は、０．５Ｐａ以上１００Ｐａ以下の圧力下でマイクロ波プラズマを生成することができる。したがって、真空容器内の圧力は、処理に応じて適宜決定すればよい。例えば、０．５Ｐａ以上３Ｐａ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。また、生成したマイクロ波プラズマを広げるためには、０．５Ｐａ以上１０Ｐａ以下の圧力下でマイクロ波プラズマを生成することが望ましい。また、供給するガスも、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（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）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。
　次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
　＜低圧下におけるマイクロ波プラズマの生成＞
　［実施例１］
　上記実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１を用いて、０．７Ｐａ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。
　まず、真空排気装置（図略）を作動させて、真空容器８の内部のガスを排気孔８２から排出し、真空容器８の内部圧力を８×１０－３Ｐａとした。次に、ガス供給孔８１からアルゴンガスを真空容器８内へ供給して、真空容器８の内部圧力を１００Ｐａとした。続いて、マイクロ波電源５１をオンにして、発振された出力７００Ｗのマイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）により、マイクロ波プラズマを生成した。その後、アルゴンガスの流量を絞り、真空容器８の内部圧力を０．７Ｐａにして、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、安定したマイクロ波プラズマが維持されていることを確認した。
　［比較例１］
　従来のマイクロ波プラズマ処理装置９（前出図３参照）を用いて、上記実施例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、前出図３に対応している。
　まず、真空排気装置（図略）を作動させて、真空容器９０の内部のガスを排出し、真空容器９０の内部圧力を８×１０－３Ｐａとした。次に、アルゴンガスを真空容器９０内へ供給して、真空容器９０の内部圧力を１００Ｐａとした。続いて、出力７００Ｗのマイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を、導波管９１０内に伝送して、マイクロ波プラズマを生成した。その後、アルゴンガスの流量を絞り、真空容器９０の内部圧力を０．７Ｐａにして、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、プラズマ生成を持続することができず、マイクロ波プラズマは消失した。
　＜マイクロ波プラズマの電子密度＞
　［実施例２］
　真空容器内の圧力を６．７Ｐａにした以外は、実施例１と同様にしてマイクロ波プラズマを生成し、スロットアンテナから１．５ｃｍ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。その結果、電子密度は、６．７×１０１７ｍ－３であった。電子密度は、ラングミュアプローブを用いて測定した。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。
　［実施例３］
　真空容器へ供給するガスを水素ガスに変更し、マイクロ波の出力を６００Ｗ、真空容器内の圧力を２０Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にしてマイクロ波プラズマを生成した。そして、スロットアンテナから２ｃｍ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。その結果、電子密度は、６．５×１０１７ｍ－３であった。
　＜まとめ＞
　以上より、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置は、１Ｐａ以下の低圧下においても、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。また、誘電体板を用いた従来の表面波プラズマ生成装置と比較して、誘電体板を用いること無く、高密度なマイクロ波プラズマを生成することができた。特に、一般的な高周波（ＲＦ）プラズマよりも、電子密度が２桁程度大きい、高密度なマイクロ波プラズマを生成することができた。
　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。

Claims (7)

  1. 　真空容器内に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、
    　該マイクロ波が伝播し、該マイクロ波が該真空容器の内側方向に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を有する管体部と、該管体部の内部に少なくとも該スロットを覆うように配置される管体部内誘電体と、を有するプラズマ生成部と、
    　該第一導波管と該プラズマ生成部との間に介在し、内部に該管体部内誘電体よりも屈折率が小さく該管体部内誘電体に接触して配置される誘電体を有する第二導波管と、
    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。
  2. 　前記第一導波管の内部の屈折率は、前記管体部内誘電体の屈折率よりも小さく、
    　前記第二導波管の内部に配置される前記誘電体の屈折率は、該第一導波管の内部の屈折率と該管体部内誘電体の屈折率との間の値である請求項１に記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
  3. 　前記第二導波管の内部に配置される前記誘電体の屈折率は、前記第一導波管の内部の屈折率と前記管体部内誘電体の屈折率との中間値であり、
    　導波管の断面寸法および内部の誘電率で決定される導波管の特性インピーダンスについて、該第二導波管の特性インピーダンスは、該第一導波管の特性インピーダンスと前記プラズマ生成部の前記管体部の特性インピーダンスとの積の平方根であり、かつ、該第二導波管の長さは該第二導波管の管内波長の１／４である請求項２に記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
  4. 　前記管体部内誘電体は、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ないし請求項３のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
  5. 　前記管体部は、断面矩形の管状を呈する請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
  6. 　前記スロットアンテナは、前記管体部のＨ面に配置される請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
  7. 　０．５Ｐａ以上１００Ｐａ以下の圧力下で前記マイクロ波プラズマを生成可能な請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
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