(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を利用してプラズマを生成するマイクロ波プラズマ発生装置に備えられるものであって、
断面が線対称な凸多角形の角筒状、または筒状の側壁と、前記側壁の上端開口および下端開口をそれぞれ閉じる上壁および下壁とからなり、内部に空洞を有する導体製の共振器本体を備え、
前記共振器本体の前記側壁にはマイクロ波供給口が設けられ、前記上壁および前記下壁にはそれぞれ反応管取付口が設けられ、前記マイクロ波供給口の中心点における法線が前記側壁の断面の対称軸に沿ってのび、さらに、
前記共振器本体の前記マイクロ波供給口に誘導性窓を介して接続された導波管と、
前記共振器本体の前記反応管取付口に取り付けられ、前記空洞を上下に貫通し、前記導波管の軸と交差してのびる誘電体製の反応管と、
前記上壁および前記下壁間にのび、前記空洞内における前記側壁の内面および前記反応管から間隔をあけた位置に入れ子状に配置された少なくとも１つの角筒体または筒体と、を備え、
前記角筒体または前記筒体は、前記空洞の横断面形状と相似な横断面形状を有していて、前記共振器本体に同軸に配置され、さらに、その側面の全体に非磁性金属の格子状パターンを有するとともに、当該側面における、前記反応管および前記マイクロ波供給口間にあって前記マイクロ波供給口に対向する位置に前記マイクロ波供給口に対応する開口部を有し、前記角筒体または前記筒体の上端縁および下端縁がそれぞれ前記上壁および前記下壁に導電性を有するように接合されており、
前記反応管内を流れるガスが前記マイクロ波供給口から供給されるマイクロ波によってプラズマ化されるものであることを特徴とする空洞共振器。
【請求項２】
前記角筒体または前記筒体は、非磁性金属製の格子またはメッシュから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の空洞共振器。
【請求項３】
最外側に位置する前記角筒体または前記筒体と前記側壁の内面との間の間隙、および互いに隣接する前記角筒体または前記筒体間の間隙には、それぞれ、当該間隙に対応する形状を有する誘電体が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空洞共振器。
【請求項４】
前記角筒体または前記筒体は、角筒状または筒状の誘電体の表面に、非磁性金属層を格子状パターンで被覆したものからなっていることを特徴とする請求項１に記載の空洞共振器。
【請求項５】
マイクロ波を利用してプラズマを生成するマイクロ波プラズマ発生装置に備えられるものであって、
断面が線対称な凸多角形の角筒状の側壁と、前記側壁の上端開口および下端開口をそれぞれ閉じる上壁および下壁とからなり、内部に空洞を有する導体製の共振器本体を備え、
前記共振器本体の前記側壁にはマイクロ波供給口が設けられ、前記上壁および前記下壁にはそれぞれ反応管取付口が設けられ、前記マイクロ波供給口の中心点における法線が前記側壁の断面の対称軸に沿ってのび、さらに、
前記共振器本体の前記マイクロ波供給口に誘導性窓を介して接続された導波管と、
前記共振器本体の前記反応管取付口に取り付けられ、前記空洞を上下に貫通し、前記導波管の軸と交差してのびる誘電体製の反応管と、
前記上壁および前記下壁間にのび、前記空洞における前記反応管および前記側壁の内面間の空間を仕切る複数の仕切板と、を備え、
前記複数の仕切板は、前記対称軸に直交する方向に互いに間隔をあけて、それぞれ前記対称軸に平行にのびるとともに、前記対称軸に関して対称的に配置され、さらに、前記仕切板は、その側面の全体に非磁性金属の格子状パターンを有し、前記仕切板の上端縁および下端縁がそれぞれ前記上壁および前記下壁に導電性を有するように接合されており、
前記反応管内を流れるガスが前記マイクロ波供給口から供給されるマイクロ波によってプラズマ化されるものであることを特徴とする空洞共振器。
【請求項６】
マイクロ波を利用してプラズマを生成するマイクロ波プラズマ発生装置に備えられるものであって、
断面が線対称な凸多角形断面の角筒状の側壁と、前記側壁の上端開口および下端開口をそれぞれ閉じる上壁および下壁とからなり、内部に空洞を有する導体製の共振器本体を備え、
前記共振器本体の前記側壁にはマイクロ波供給口が設けられ、前記上壁および前記下壁にはそれぞれ反応管取付口が設けられ、前記マイクロ波供給口の中心点における法線が前記側壁の断面の対称軸に沿ってのび、さらに、
前記共振器本体の前記マイクロ波供給口に誘導性窓を介して接続された導波管と、
前記共振器本体の前記反応管取付口に取り付けられ、前記空洞を上下に貫通し、前記導波管の軸と交差してのびる誘電体製の反応管と、
前記上壁および前記下壁間にのび、前記空洞における前記反応管および前記側壁の内面間の空間を仕切る１つまたは複数の仕切板と、を備え、
前記複数の仕切板は、前記対称軸の方向に互いに間隔をあけて、それぞれ前記対称軸に直交してのび、さらに、前記仕切板は、その側面の全体に非磁性金属の格子状パターンを有し、前記仕切板の上端縁および下端縁がそれぞれ前記上壁および前記下壁に導電性を有するように接合されており、さらに、前記反応管および前記マイクロ波供給口間に位置する前記仕切板には、前記マイクロ波供給口に対向する位置に前記マイクロ波供給口に対応する開口部が設けられており、
前記反応管内を流れるガスが前記マイクロ波供給口から供給されるマイクロ波によってプラズマ化されるものであることを特徴とする空洞共振器。
【請求項７】
前記仕切板は、非磁性金属製の格子またはメッシュから形成されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の空洞共振器。
【請求項８】
最外側に位置する前記仕切板と前記側壁の内面との間の間隙、および互いに隣接する前記仕切板間の間隙には、それぞれ、当該間隙に対応する形状を有する誘電体が配置されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の空洞共振器。
【請求項９】
前記仕切板は、板状の誘電体の表面に、非磁性金属層を格子状パターンで被覆したものからなっていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の空洞共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を利用してプラズマを生成するマイクロ波プラズマ発生装置に備えられる空洞共振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の製造工程は、半導体ウエハーに対しシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜を形成する成膜処理を含んでいる。そして、成膜処理には、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法が広く用いられている。
成膜処理においては、半導体製造装置の処理容器内に、膜形成成分を主とする固体状堆積物が蓄積し、これを放置すると、蓄積された固体状堆積物が処理容器表面から剥がれ落ちて半導体ウエハー上に堆積し、成膜異常やデバイスの欠陥を生じさせるおそれがあり、そのため、成膜処理の頻度に応じて処理容器内をクリーニングする必要があった。【０００３】
クリーニングの方法としては、活性なフッ素原子によって固体状堆積物をガス状の四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）へと化学変化させて排気除去するドライクリーニング法が広く普及している。そして、活性なフッ素原子を生成するには、分子中にフッ素原子を有するガスが用いられ、通常、六フッ化エタン（Ｃ２Ｆ６）や三フッ化窒素（ＮＦ３）をプラズマ化する方法が用いられている。【０００４】
プラズマ化の方法には、半導体製造装置の処理容器がプラズマ生成チャンバも兼ねるin situプラズマと、プラズマ生成チャンバが半導体製造装置の処理容器の外側に配置されるリモート・プラズマがある。リモート・プラズマは、in situプラズマと比較して、半導体製造装置の処理容器の損傷が少なく、供給ガスの分解効率が良く、クリーニング時間が短くてすむ等の長所を有し、よって、特に、低温成膜用として設計された半導体製造装置に適している（例えば、特許文献１参照）。【０００５】
リモート・プラズマに使用されるプラズマ発生装置の１つとして、マイクロ波放電を利用してプラズマを形成するマイクロ波プラズマ発生装置が知られている。
マイクロ波プラズマ発生装置としては、例えば、マイクロ波キャビティ内にのびる導波管に、高周波電源で発生させたマイクロ波を供給するとともに、マイクロ波キャビティを貫通し、導波管の軸を横切ってのびるガス搬送管内にガスを供給し、ガス搬送管内に生じさせた放電によってガスをプラズマ化するタイプのものが従来技術において知られている（例えば、特許文献２参照）。【０００６】
この装置においては、マイクロ波キャビティ内のガス搬送管の位置でマイクロ波のパワーが最大となるようにインピーダンス整合が行われ、それによって、導波管内に定在波（共振状態）が維持されるようにマイクロ波プラズマ装置の初期設定がなされる。この初期設定は、共振周波数が、高周波電源から導波管内に供給されるマイクロ波の周波数（通常は、ＩＳＭバンドとして定められた周波数帯の１つである２．４５ＧＨｚ）に一致するようになされる。【０００７】
しかしながら、共振周波数は、ガス搬送管の物理的特性（比誘電率、直径および厚さ等）、およびガス搬送管内に形成されるプラズマ密度の変動に伴うプラズマの比誘電率の変化の影響を受けて数１００ＭＨｚの大きさで変動し、また、ガス搬送管として例えば石英管を使用した場合には、プラズマ化したイオンやラジカルによるガス搬送管内壁面の浸食に伴うガス搬送管の比誘電率の変化の影響を受けて数１０ＭＨｚの大きさで変動する。【０００８】
そこで、効率的なプラズマ生成を持続させるために、共振周波数の変動を補正する必要がある。
この共振周波数の変動を補正する方法として、例えば、マイクロ波を供給する高周波電源の周波数を可変にすることが考えられる。しかし、この方法によれば、マイクロ波の出力電力を大きくしようとすると、電源装置が複雑で大掛かりなものになって、電源装置の製造コストが増大し、また、高周波電源の周波数を、２．４５ＧＨｚの上下に数１００ＭＨｚ変動させることは、法律で定められたＩＳＭバンドを逸脱することになって好ましくない。【０００９】
また、マイクロ波キャビティの容積を可変にすることで、共振周波数の変動を補正する方法も考えられる。しかし、この方法によれば、マイクロ波キャビティの側壁を可動にする等の必要があり、そのため、マイクロ波キャビティの機械的構造が複雑で大掛かりなものになり、製造コストが増大する。さらには、マイクロ波キャビティの容積をフィードバック制御する手段を付加する必要があり、マイクロ波プラズマ発生装置のさらなる複雑化およびコストアップを招く。
こうして、従来の空洞共振器を備えたマイクロ波プラズマ発生装置において共振周波数の変動を補正しようとすると、マイクロ波プラズマ発生装置が複雑化し、製造コストが増大するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１６３１５号公報
【特許文献２】特表２００２−５４１６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の課題は、マイクロ波プラズマ発生装置における動作中の共振周波数の変動を補正する必要がなく、装置の低コスト化を図ることができる空洞共振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、第１発明によれば、マイクロ波を利用してプラズマを生成するマイクロ波プラズマ発生装置に備えられるものであって、断面が線対称な凸多角形の角筒状、または筒状の側壁と、前記側壁の上端開口および下端開口をそれぞれ閉じる上壁および下壁とからなり、内部に空洞を有する導体製の共振器本体を備え、前記共振器本体の前記側壁にはマイクロ波供給口が設けられ、前記上壁および前記下壁にはそれぞれ反応管取付口が設けられ、前記マイクロ波供給口の中心点における法線が前記側壁の断面の対称軸に沿ってのび、さらに、前記共振器本体の前記マイクロ波供給口に誘導性窓を介して接続された導波管と、前記共振器本体の前記反応管取付口に取り付けられ、前記空洞を上下に貫通し、前記導波管の軸と交差してのびる誘電体製の反応管と、前記上壁および前記下壁間にのび、前記空洞内における前記側壁の内面および前記反応管から間隔をあけた位置に入れ子状に配置された少なくとも１つの角筒体または筒体と、を備え、前記角筒体または前記筒体は、前記空洞の横断面形状と相似な横断面形状を有していて、前記共振器本体に同軸に配置され、さらに、その側面の全体に非磁性金属の格子状パターンを有するとともに、当該側面における、前記反応管および前記マイクロ波供給口間にあって前記マイクロ波供給口に対向する位置に前記マイクロ波供給口に対応する開口部を有し、前記角筒体または前記筒体の上端縁および下端縁がそれぞれ前記上壁および前記下壁に導電性を有するように接合されており、前記反応管内を流れるガスが前記マイクロ波供給口から供給されるマイクロ波によってプラズマ化されるものであることを特徴とする空洞共振器が提供される。【００１３】
第１発明の好ましい実施例によれば、前記角筒体または前記筒体は、非磁性金属製の格子またはメッシュから形成されている。
第１発明の別の好ましい実施例によれば、最外側に位置する前記角筒体または前記筒体と前記側壁の内面との間の間隙、および互いに隣接する前記角筒体または前記筒体間の間隙には、それぞれ、当該間隙に対応する形状を有する誘電体が配置されている。
第１発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記角筒体または前記筒体は、角筒状または筒状の誘電体の表面に、非磁性金属層を格子状パターンで被覆したものからなっている。【００１４】
上記課題を解決するため、また、第２発明によれば、マイクロ波を利用してプラズマを生成するマイクロ波プラズマ発生装置に備えられるものであって、断面が線対称な凸多角形の角筒状の側壁と、前記側壁の上端開口および下端開口をそれぞれ閉じる上壁および下壁とからなり、内部に空洞を有する導体製の共振器本体を備え、前記共振器本体の前記側壁にはマイクロ波供給口が設けられ、前記上壁および前記下壁にはそれぞれ反応管取付口が設けられ、前記マイクロ波供給口の中心点における法線が前記側壁の断面の対称軸に沿ってのび、さらに、前記共振器本体の前記マイクロ波供給口に誘導性窓を介して接続された導波管と、前記共振器本体の前記反応管取付口に取り付けられ、前記空洞を上下に貫通し、前記導波管の軸と交差してのびる誘電体製の反応管と、前記上壁および前記下壁間にのび、前記空洞における前記反応管および前記側壁の内面間の空間を仕切る複数の仕切板と、を備え、前記複数の仕切板は、前記対称軸に直交する方向に互いに間隔をあけて、それぞれ前記対称軸に平行にのびるとともに、前記対称軸に関して対称的に配置され、さらに、前記仕切板は、その側面の全体に非磁性金属の格子状パターンを有し、前記仕切板の上端縁および下端縁がそれぞれ前記上壁および前記下壁に導電性を有するように接合されており、前記反応管内を流れるガスが前記マイクロ波供給口から供給されるマイクロ波によってプラズマ化されるものであることを特徴とする空洞共振器が提供される。【００１５】
上記課題を解決するため、また、第３発明によれば、マイクロ波を利用してプラズマを生成するマイクロ波プラズマ発生装置に備えられるものであって、断面が線対称な凸多角形の角筒状の側壁と、前記側壁の上端開口および下端開口をそれぞれ閉じる上壁および下壁とからなり、内部に空洞を有する導体製の共振器本体を備え、前記共振器本体の前記側壁にはマイクロ波供給口が設けられ、前記上壁および前記下壁にはそれぞれ反応管取付口が設けられ、前記マイクロ波供給口の中心点における法線が前記側壁の断面の対称軸に沿ってのび、前記共振器本体の前記マイクロ波供給口に誘導性窓を介して接続された導波管と、前記共振器本体の前記反応管取付口に取り付けられ、前記空洞を上下に貫通し、前記導波管の軸と交差してのびる誘電体製の反応管と、前記上壁および前記下壁間にのび、前記空洞における前記反応管および前記側壁の内面間の空間を仕切る１つまたは複数の仕切板と、を備え、前記複数の仕切板は、前記対称軸の方向に互いに間隔をあけて、それぞれ前記対称軸に直交してのび、さらに、前記仕切板は、その側面の全体に非磁性金属の格子状パターンを有し、前記仕切板の上端縁および下端縁がそれぞれ前記上壁および前記下壁に導電性を有するように接合されており、さらに、前記反応管および前記マイクロ波供給口間に位置する前記仕切板には、前記マイクロ波供給口に対向する位置に前記マイクロ波供給口に対応する開口部が設けられており、前記反応管内を流れるガスが前記マイクロ波供給口から供給されるマイクロ波によってプラズマ化されるものであることを特徴とする空洞共振器が提供される。【００１６】
第２および第３発明の好ましい実施例によれば、前記仕切板は、非磁性金属製の格子またはメッシュから形成されている。
第２および第３発明の別の好ましい実施例によれば、最外側に位置する前記仕切板と前記側壁の内面との間の間隙、および互いに隣接する前記仕切板間の間隙には、それぞれ、当該間隙に対応する形状を有する誘電体が配置されている。
第２および第３発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記仕切板は、板状の誘電体の表面に、非磁性金属層を格子状パターンで被覆したものからなっている。
【発明の効果】
【００１７】
第１発明によれば、線対称な凸多角形または円形の横断面を有する共振器本体の空洞内の本体側壁内面と反応管との間の空間を、共振器本体の軸方向にのび、側面に非磁性金属の格子状パターンを有する少なくとも１つの角筒体または筒体によって共振器本体に同軸にかつ入れ子状に複数の部分に仕切ることにより、空洞共振器にスタガ機能をもたせ、空洞共振器の共振周波数を広帯域化することができる。【００１８】
第２発明によれば、線対称な凸多角形の横断面を有する共振器本体の空洞内の本体側壁内面と反応管との間の空間を、共振器本体の軸方向にのび、側面に非磁性金属の格子状パターンを有する１つまたは複数の仕切板によって、共振器本体の横断面の対称軸に直交する方向に複数の部分に仕切ることにより、空洞共振器にスタガ機能をもたせ、空洞共振器の共振周波数を広帯域化することができる。【００１９】
第３発明によれば、線対称な凸多角形断面の横断面を有する共振器本体の空洞内の本体側壁内面と反応管との間の空間を、共振器本体の軸方向にのび、側面に非磁性金属の格子状パターンを有する１つまたは複数の仕切板によって、共振器本体の横断面の対称軸に平行な方向に複数の部分に仕切ることにより、空洞共振器にスタガ機能をもたせ、空洞共振器の共振周波数を広帯域化することができる。【００２０】
こうして、本発明によれば、プラズマの発生によって共振周波数が変動しても、空洞共振器内にＴＥ１０１モードの電磁界を維持することができ、その結果、空洞共振器に高電力のマイクロ波を供給し続けることができ、より効率的にリモート・プラズマを生成させることが可能となる。【００２１】
さらには、本発明によれば、従来の空洞共振器に比較的簡単な構造変更を加えるだけで、空洞共振器の共振周波数を広帯域化することができ、よって、マイクロ波プラズマ発生装置の動作中の共振周波数の変動を補正する機構が不要となるので、装置を低コスト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の１実施例によるマイクロ波プラズマ発生装置の空洞共振器を示す図であり、（Ａ）は空洞共振器の縦断面図であり、（Ｂ）は空洞共振器の横断面図である。
【図２】図１の空洞共振器内に配置された角筒体の１例を示す斜視図である。
【図３】図１の空洞共振器の等価回路を示す図である。
【図４】図１の空洞共振器の角筒体に使用した非磁性金属製メッシュの拡大写真である。
【図５】図１の空洞共振器から角筒体を取り外した場合の共振周波数特性を示すグラフである。
【図６】図１の空洞共振器の共振周波数特性を示すグラフである。
【図７】図１の空洞共振器を備えたマイクロ波プラズマ発生装置の構成の１例を示す側面図である。
【図８】本発明の別の実施例による空洞共振器を示す図１（Ｂ）に類似の図である。
【図９】本発明のさらに別の実施例による空洞共振器を示す図１（Ｂ）に類似の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本発明の１実施例によるマイクロ波プラズマ発生装置の空洞共振器を図示したものであり、（Ａ）は、空洞共振器の縦断面図であり、（Ｂ）は導波管の中心軸に沿った空洞共振器の横断面図である。図２は、図１の空洞共振器内に配置された角筒体を例示する斜視図である。
【００２４】
図１を参照して、本発明による空洞共振器は、断面が矩形の角筒状の側壁２と、側壁２の上端開口および下端開口をそれぞれ閉じる上壁３および下壁４とから構成されて、内部に空洞５を有する導体製の共振器本体１を備えている。
【００２５】
共振器本体１の側壁２、すなわち、側壁２を構成する４つの矩形状側壁部分２ａ〜２ｄのうちの１つの側壁部分２ｂには、矩形状のマイクロ波供給口６が設けられている。この場合、マイクロ波供給口６の中心点における法線が側壁２の断面の対称軸に沿ってのびている。
また、共振器本体１の上壁３および下壁４にはそれぞれ反応管取付口３a、４aが設けられている。この場合、反応管取付口３ａ、４ａは、それぞれ、上壁３および下壁４の中心よりも少しプラズマ供給口６側に寄った位置に設けられることが好ましい。それによって、反応管８（後述する）の中心軸に沿って均一にプラズマが発生するようになる。
【００２６】
マイクロ波供給口６には、導波管７が誘導性窓（「誘導性アイリス」ともいう）１３を介して接続されている。誘導性窓１３は、マイクロ波供給口６の左右両側に設けられて共振器本体１の軸を直角に横切る向きにスライド可能とされた一対の絞り板からなっている。そして、絞り板間の間隔が調整されることによって、誘導性窓１３の開口部の大きさが設定されるようになっている。
また、反応管取付口３ａ、４ａには、誘電体製の反応管８（この実施例では、石英管）が、環状の固定部材９を介して取り付けられて、空洞５を上下に貫通するとともに、導波管７の軸と交差してのびている。
【００２７】
共振器本体１は、また、上壁３および下壁４間にのび、空洞５内における側壁２の内面および反応管８から間隔をあけた位置に入れ子状に配置された３つの角筒体１０ａ〜１０ｃを有している。
【００２８】
図２Ａには、３つの角筒体１０ａ〜１０ｃの代表例として、１つの角筒体１０ａを示した。図２Ａを参照して、角筒体１０ａは、非磁性金属製のメッシュから形成され、空洞５の横断面形状と相似な横断面形状（この実施例では、矩形）をなしている。
この場合、メッシュは、メッシュサイズがλ／４（λは共振器本体１に供給されるマイクロ波の波長）よりも小さく、かつメッシュの開口率（メッシュの全面積に占める開口領域の割合）ができるだけ大きくなるような構成を有していることが好ましい。
【００２９】
角筒体１０ａは共振器本体１に同軸に配置され、角筒体１０ａの側面における、反応管８およびマイクロ波供給口６間にあってマイクロ波供給口６に対向する位置に開口部１１ａを有している。
こうして、横断面のサイズが異なる３つの角筒体１０ａ〜１０ｃが、共振器本体１の空洞５内に、共振器本体１と同軸に、それぞれの開口部１１ａがマイクロ波供給口６（誘導性窓１３の開口部）に重なり合うようにして入れ子状に配置され、そして、各角筒体１０ａ〜１０ｃの上端縁および下端縁がそれぞれ共振器本体１の上壁３および下壁４に導電性を有するように接合される。
【００３０】
この場合、角筒体１０ａ〜１０ｃの構成はこの実施例に限定されず、空洞５の横断面形状と相似な横断面形状を有し、共振器本体１と同軸に配置され、その側面の全体に非磁性金属製の格子状パターンを有しているとともに、側面にマイクロ波供給口６に対応する開口を備えてさえいれば、任意の構成であってよい。
【００３１】
例えば、非磁性金属製メッシュからなる角筒体の代わりに、図２Ｂに示すように、角筒体１０ａ’として、高耐熱性の非金属板からなる角筒体１２ａの表面の全体に非磁性金属片１２ｂを格子状に貼着したものを使用することもできる。この場合、格子の内側開口の長辺がλ／４（λは共振器本体１に供給されるマイクロ波の波長）よりも短く、かつ開口率（格子の全面積に占める開口領域の割合）ができるだけ大きくなっていることが好ましい。
【００３２】
また、例えば、角筒体は、非磁性金属製の格子またはパンチ板からなっていてもよい。この場合、格子の内側開口またはパンチ板のパンチ穴は、その長辺または直径のサイズがλ／４（λは共振器本体１に供給されるマイクロ波の波長）よりも小さく、かつ開口率（格子またはパンチ板の全面積に占める開口領域の割合）ができるだけ大きくなっていることが好ましい。
あるいは、例えば、角筒体は、角筒状の誘電体の表面に、非磁性金属層を格子状パターンで被覆したものからなっていてもよい。
【００３３】
また、共振器本体１の各部の寸法が、次のようにして決定される。
導波管７は方形導波管からなっており、通常、その矩形断面の長辺と短辺の長さの比が２：１になるように設計されている。そして、この実施例では、導波管７は、短辺が共振器本体１の軸に平行となる配置で、誘導性窓１３を介して共振器本体１のマイクロ波供給口６に接続される。
このとき、導波管７の長辺の長さをｄ、真空中のマイクロ波の波長をλ０として、導波管７の管内波長λｇが、関係式、
【数１】
0005458427.tif 000002
によって決定される。
【００３４】
さらに、共振器本体１の空洞５の、導波管７の軸に垂直な方向に沿った幅ａと、高さｂと、導波管７の軸方向に沿った奥行ｃとが、共振器本体１に供給されるマイクロ波の周波数をｆ０、共振器本体１内に生じさせるべき電磁界のモードをＴＥｍｎｓ、ｖ０を光速度として、
関係式
【数２】
0005458427.tif 000003
を満足するように設定される。
本発明では、共振器本体１内にＴＥ１０１モードの電磁界が生じるように設定がなされるので、（２）式において、ｍ＝１、ｎ＝０、ｓ＝１に設定される。
【００３５】
ところで、（２）式で設定される共振器本体１の空洞５のサイズ（幅ａ、高さｂ、奥行ｃ）は、反応管８が未装着状態での数値である点に留意されたい。
反応管８は誘電体製であるため、反応管８が共振器本体１に装着されると、空洞５内の電磁界の波長が初期設定値よりも短縮される。その結果、（２）式に従って設定された共振器本体１の共振周波数が変動し、そして、この変動が補正されなければならない（上記従来技術の場合と同様）。
【００３６】
さらには、反応管８内にプラズマが発生すると、プラズマによって空洞５内の電磁界の波長が伸張される。その結果、（２）式に従って設定された空洞共振器の共振周波数が変動し、そして、この変動が補正されなければならない（上記従来技術の場合と同様）。
【００３７】
この点に関し、本発明によれば、共振器本体１の空洞５を仕切る３つの角筒体１０ａ〜１０ｃのそれぞれが、共振器本体１（側壁内面）と同様に、その幅および奥行の大きさに基づき、（２）式に従って決定される共振周波数を有する。
その結果、共振器本体１内に反応管８を配置しない状態でＴＥ１０１モードの電磁界が維持されるとしたとき、共振器本体１は、
（１）ｆ１＝共振器本体１の側壁２の内面によって得られる共振周波数（最低値）
（２）ｆ２＝第１の角筒体１０ａによって得られる共振周波数
（３）ｆ３＝第２の角筒体１０ｂによって得られる共振周波数
（４）ｆ４＝第３の角筒体１０ｃによって得られる共振周波数（最高値）
の４つの共振周波数を有している。言い換えれば、共振器本体１はｆ４−ｆ１の帯域幅の共振周波数を有している。
【００３８】
そして、上述のような、共振器本体１への反応管８の取り付けによる共振周波数の変動およびプラズマの発生による共振周波数の変動は、この帯域幅ｆ４−ｆ１の範囲内で生じるに過ぎない。よって、もはやこのような共振周波数の変動を補正する必要はない。
【００３９】
図３は、図１の空洞共振器の等価回路を示したものである。図３中、図１に示した構成要素に対応する回路要素には、図１中の番号と同じ参照番号を付してある。なお、図３中、番号１４はマイクロ波を供給する高周波電源を示している。図３に示すように、共振器本体１は、誘導性窓１３を介して導波管７と磁気結合している。そして、誘導性窓１３を適正化することによって、共振器本体１と導波管７を臨界結合状態にすることができる。
【００４０】
次に、本発明による空洞共振器の共振周波数特性がどの程度広帯域化されるのかを調べた。
まず、図１に示したものと同じ構造の空洞共振器を作製した。そして、３つの角筒体１０ａ〜１０ｃは、図４に示すような非磁性金属製のメッシュから作製した。
製作製した空洞共振器の各部の寸法は以下のとおりである。
導波管７の長辺の長さ＝１０９．２ｍｍ
導波管７の短辺の長さ＝５４．６ｍｍ
共振器本体１の空洞５の幅ａ０＝９０ｍｍ
共振器本体１の空洞５の高さｂ０＝１６３．８ｍｍ
共振器本体１の空洞５の奥行ｃ０＝８０ｍｍ
第１の角筒体１０ａの内部空間の幅ａ１＝８５ｍｍ
第１の角筒体１０ａの内部空間の奥行ｃ１＝７５ｍｍ
第２の角筒体１０ｂの内部空間の幅ａ２＝７９ｍｍ
第２の角筒体１０ｂの内部空間の奥行ｃ２＝６９ｍｍ
第３の角筒体１０ｃの内部空間の幅ａ３＝７３ｍｍ
第３の角筒体１０ｃの内部空間の奥行ｃ３＝６３ｍｍ
誘導性窓１３の開口部の大きさ＝４２ｍｍ
反応管（石英管）８の内径＝５０ｍｍ、厚さ＝５ｍｍ
【００４１】
次に、共振器本体１に反応管８を取り付けた状態で、ベクトル・ネットワーク・アナライザーを用いて定在波比（ＳＷＲ）を測定した。
図６は測定結果を示すグラフである。図６のグラフ中、縦軸はＳＷＲの値を表し、横軸は周波数（ＧＨｚ）を表している。なお、このグラフの横軸の数値範囲は２ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚであるので、横軸の１目盛は５０ＭＨｚである。
【００４２】
また、この共振器本体１から角筒体１０ａ〜１０ｃを取り外した状態で、同様の測定を行った。図５は測定結果を示すグラフである。図５のグラフ中、縦軸はＳＷＲの値を表し、横軸は周波数（ＧＨｚ）を表している。また、このグラフの横軸の数値範囲は２〜３ＧＨｚであるので、横軸の１目盛は１００ＭＨｚである。
【００４３】
図５および図６のグラフを比較すると、図５のグラフでは、ＳＷＲ曲線Ｃ１は、点Ｐ０において最小値をとるが、この場合、非常に狭小なピークを形成している。一方、図６のグラフでは、ＳＷＲ曲線Ｃ２が４つの点（点Ｐ１〜点Ｐ４）において最小値をとる。この場合、点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３および点Ｐ４は、それぞれ、共振器本体１の側壁２内面、第１の角筒体１０ａ、第２の角筒体１０ｂおよび第３の角筒体１０ｃによって得られたものである。
【００４４】
この測定結果から、共振器本体１の空洞５内に非磁性金属製メッシュから形成した角筒体１０ａ〜１０ｃを、共振器本体１と同軸にかつ入れ子状に配置することにより、共振器本体１がスタガ機能を発揮し、共振器本体１の共振周波数が広帯域化することが確かめられた。
【００４５】
図７は、図１の空洞共振器を備えたマイクロ波プラズマ発生装置の構成の１例を示す側面図である。本発明の共振器本体１は、上述のように広帯域の共振周波数を有しているので、マイクロ波プラズマ発生装置は、図７に示すように、共振器本体１に接続された導波管７を高周波電源１４に接続するとともに、導波管７の途中に入射波電力／反射波電力測定器１５を配置しただけの非常に簡単な構成となる。なお、図７中、１６ａ〜１６ｃは、反応管８内にプラズマが均一に発生しているか否かを目視によって確認するための観測窓である。
【００４６】
このマイクロ波プラズマ発生装置においては、装置を動作させてプラズマを発生させる前に、入射波電力／反射波電力測定器１５による測定値を見ながら、空洞共振器の誘導性窓１３が調節され、誘導性窓１３の開口部の大きさが、共振器本体１の臨界結合状態が達成されるように設定される。その後、高周波電源１４から空洞共振器にマイクロ波が供給されるとともに、反応管８内にガスが供給される。そして、空洞共振器内に、ＴＥ１０１モードの電磁界が維持され、反応管８内に安定に、かつ効率的にプラズマを発生させることができる。
【００４７】
こうして、本発明によれば、マイクロ波プラズマ発生装置によるプラズマ発生動作中に共振周波数が変動しても、空洞共振器内にＴＥ１０１モードの電磁界を常に維持することができ、その結果、空洞共振器に高電力のマイクロ波を供給し、より効率的にリモート・プラズマを生成させることが可能となる。
【００４８】
また、本発明によれば、従来の空洞共振器に対し比較的簡単な構造変更を加えるだけで、空洞共振器の共振周波数を広帯域化することができ、よって、共振器本体への反応管の取り付け時およびプラズマ発生時に生じる共振周波数の変動を補正する機構が不要となるので、マイクロ波プラズマ発生装置の構成が複雑化および高コスト化することはない。
【００４９】
以上、本発明の好ましい１実施例について説明したが、本発明の構成は、上述の実施例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載した構成の範囲内で種々の変形例を創作することができる。
【００５０】
例えば、上述の実施例では、共振器本体は、断面が矩形の角筒状の側壁を有しているが、図９Ａに示すように、共振器本体が筒状の側壁を有していてもよい。
図９Ａを参照して、共振器本体１’の側壁２’が筒状を有している場合には、共振器本体１’の空洞５’内における側壁２’の内面および反応管８から間隔をあけた位置に、角筒体の代わりに、少なくとも１つの筒体１９ａ〜１９ｃが共振器本体１と同軸にかつ入れ子状に配置される。
【００５１】
筒体１９ａ〜１９ｃは、図１に示した角筒体１０ａ〜１０ｃと同様、空洞５’の横断面形状と相似な横断面形状を有し、共振器本体１’と同軸に配置され、その側面の全体に非磁性金属製の格子状パターンを有しているとともに、側面にマイクロ波供給口６’に対応する開口を備えてさえいれば、任意の構成であってよい。
また、筒体１９ａ〜１９ｃは共振器本体１’の上壁および下壁間にのび、筒体１９ａ〜１９ｃの上端縁および下端縁はそれぞれ共振器本体１’の上壁および下壁に導電性を有するように接合されている。
【００５２】
このように共振器本体１が円形の横断面を有する場合には、共振器本体１の空洞５の半径ｒと高さｌが、共振器本体１に供給されるマイクロ波の周波数をｆ０、共振器本体１内に生じさせるべき電磁界のモードをＴＭｍｎｓ（通常は、ＴＭ０１０モード）、ｖ０を光速度として、関係式
【数３】
0005458427.tif 000004
を満足するように設定される。
【００５３】
また、図１および図９Ａに示した構成において、最外側に位置する角筒体１０ａまたは筒体１９ａと側壁２、２’の内面との間の間隙、および互いに隣接する角筒体１０ａ、１０ｂ；１０ｂ、１０ｃまたは筒体１９ａ、１９ｂ；１９ｂ、１９ｃ間の間隙には、それぞれ、当該間隙に対応する形状を有する誘電体が配置されていてもよい。
【００５４】
また、共振器本体１が線対称な凸多角形の横断面を有している場合には、角筒体１０ａ〜１０ｃに代えて、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、共振器本体１の軸方向にのびる１つまたは複数の仕切板によって、空洞５における反応管８および側壁２の内面間の空間を仕切ることもできる。
【００５５】
図８Ａに示した実施例では、複数の仕切板１７ａ〜１７ｃが、共振器本体１の横断面の対称軸に直交する方向に互いに間隔をあけて、それぞれ対称軸に平行にのびるとともに、対称軸に関して対称的に配置される。さらに、仕切板１７ａ〜１７ｃは、その側面の全体に非磁性金属の格子状パターンを有し、仕切板１７ａ〜１７ｃの上端縁および下端縁がそれぞれ共振器本体１の上壁および下壁に導電性を有するように接合される。なお、仕切板１７ａ〜１７ｃの両側縁は、側壁２の内面から間隔をあけて位置している。
【００５６】
図８（Ｂ）に示した実施例では、１つまたは複数の仕切板１８ａ〜１８ｃが、共振器本体１の横断面の対称軸の方向に互いに間隔をあけて、対称軸に直交してのびている。仕切板１８ａ〜１８ｃは、その側面の全体に非磁性金属の格子状パターンを有し、仕切板１８ａ〜１８ｃの上端縁および下端縁がそれぞれ共振器本体１の上壁および下壁に導電性を有するように接合される。なお、仕切板１８ａ〜１８ｃの両側縁は、側壁２の内面から間隔をあけて位置している。
この場合、反応管８およびマイクロ波供給口６間に位置する仕切板には、マイクロ波供給口６に対向する位置にマイクロ波供給口６に対応する開口部が設けられる。
【００５７】
本発明の別の好ましい実施例によれば、空洞共振器の空洞内の最外側に位置する筒体または角筒体と空洞共振器の側壁の内面との間の間隙、および互いに隣接する筒体または角筒体間の間隙には、それぞれ、当該間隙に対応する形状を有する誘電体が配置される。
【００５８】
また、図１に示した実施例では、共振器本体１の側壁２は、矩形断面の角筒状を有しているが、角筒状の側壁２の断面は、矩形に限定されず、正多角形を含む任意の線対称な凸多角形とし得る。
【００５９】
図９Ｂは、角筒状の側壁の断面を等脚台形とした構成の１例を示した図１Ｂに類似の図である。
図９Ｂを参照して、この実施例では、側壁２”の断面の対称軸は、等脚台形の上底および下底の各中点を通る直線であり、共振器本体１”の側壁２”断面の下底を形成する壁面にマイクロ波供給口６”が形成されている。そして、側面の全体に非磁性金属の格子状パターンを有する一対の仕切板２０ａ、２０ｂが、反応管８を挟んで上記対称軸に直交する方向の両側に、対称軸に関して対称的に配置されている。
【符号の説明】
【００６０】
１、１’、１”  共振器本体
２、２’、２”  側壁
２ａ、２ｂ  第１の側壁部分
２ｃ、２ｄ  第２の側壁部分
３  上壁
３a  反応管取付口
４  下壁
４a  反応管取付口
５、５’、５”  空洞
６、６’、６”  マイクロ波供給口
７  導波管
８  反応管
９  固定部材
１０ａ〜１０ｃ  角筒体
１０ａ’  角筒体
１１ａ  開口部
１２ａ〜１２ｃ  筒体
１３  誘導性窓
１４  高周波電源
１５  入射波電力／反射波電力測定器
１６ａ〜１６ｃ  観測窓
１７ａ〜１７ｃ  仕切板
１８ａ〜１８ｃ  仕切板
１９ａ〜１９ｃ  筒体
２０ａ、２０ｂ  仕切板
【要約】
矩形断面を有する側壁２と、側壁の上端開口および下端開口をそれぞれ閉じる上壁３および下壁４とから構成されて、内部に空洞５を有する導体製の共振器本体１を備える。側壁にはマイクロ波供給口６が設けられ、マイクロ波供給口に誘導性窓１３を介して導波管７が接続される。上壁および下壁にはそれぞれ反応管取付口３ａ、４ａが設けられる。反応管取付口に反応管８が取り付けられて、空洞を上下に貫通するとともに、導波管の軸と交差してのびる。空洞内の側壁内面および反応管から間隔をあけた位置に、非磁性金属製メッシュから形成された角筒体１０ａ〜１０ｃが、共振器本体１と同軸にかつ入れ子状に配置される。【図１】
0005458427.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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