(57)【要約】【課題】基板の改質等、ワークの処理などに使用されるプラズマ発生装置において、構造を小型化する。【解決手段】マグネトロン４からのマイクロ波を伝搬する導波管を第１導波管４１と第２導波管とに分離し、間を同軸ケーブル装置４２で接続することで、前記ワークなどに対する設置の自由度を向上するようにしたプラズマ発生装置において、前記同軸ケーブル装置４２を中空の同軸ケーブル本体４２１と、その両端で気体が通過する貫通孔を有する接栓４２２，４２３とで構成する。したがって、第１導波管４１から第２導波管およびプラズマ発生ノズルへ、掃気およびプラズマの原料ガスを供給する管路を削減し、構造を小型化することができる。また、大パワーのマイクロ波による同軸ケーブル本体４２１の発熱に対する放熱も行うことができる。【選択図】図３
2011097446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心導体と、
前記中心導体と同心の外側導体と、
前記中心導体と外側導体との間に介在され、それらの前記同心の構造を維持しつつ、軸直角断面の少なくとも一部が中空となり、かつその中空の空間が前記中心導体および外側導体の軸線方向の一端側の端部から他端側の端部にまで連通するように、前記外側導体に対して中心導体を保持する保持部材とを備えて構成される可撓性を有する同軸ケーブル本体に、さらに
前記同軸ケーブル本体の前記一端側の端部から流体を導入する導入部と、
前記同軸ケーブル本体の前記他端側の端部から前記流体を導出させる導出部とを含み、
前記連通した中空の空間を前記流体の流路として使用することを特徴とする同軸ケーブル装置。
【請求項２】
前記中心導体および外側導体は、筒状で、軸線方向に等間隔で狭窄部が形成された蛇腹状に形成されることで前記可撓性を有し、
前記保持部材は、前記中心導体の外周面に螺旋状に巻回されてゆく巻回部と、その巻回部から予め定める周期毎に、前記外側導体の内周面に向けて立設される支柱部とを備えて構成されることで、前記支柱部間が前記連通した中空の空間となることを特徴とする請求項１記載の同軸ケーブル装置。
【請求項３】
マイクロ波発生手段と、
前記マイクロ波発生手段で発生されたマイクロ波を伝搬する第１の導波管と、
前記第１の導波管内に前記中心導体の一端側の先端がアンテナとして挿入される前記請求項１または２記載の同軸ケーブル装置と、
前記同軸ケーブル装置における前記中心導体の他端側の先端がアンテナとして挿入される第２の導波管と、
前記第２の導波管に取付けられ、前記同軸ケーブル装置を介して伝搬されたマイクロ波を受信し、その受信したエネルギに基づき、プラズマ化したガスを生成して放出するプラズマ発生ノズルとを備えて構成され、
前記同軸ケーブル装置における前記中空の空間を前記プラズマ発生ノズルにおける処理ガスの流路として使用することを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記導入部および導出部は、前記同軸ケーブル本体の端部に装着される接栓であって、
一端側が前記筒状の中心導体の内周側に嵌り込み、他端側がロッド状のアンテナとなる内側端子と、
前記内側端子と同心であり、前記外側導体の内周側に嵌め込まれる外側端子と、
前記内側端子と外側端子との間に介在され、軸線方向に前記中空の空間と連通する貫通孔が形成された支持部材とを備えて構成されることを特徴とする請求項３記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
少なくとも前記第２の導波管側の接栓における外側端子の少なくとも一部は、フランジ状に拡径されており、
前記接栓の受け側には、前記フランジで操作され、前記マイクロ波発生手段をインターロックする近接スイッチを備えることを特徴とする請求項４記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
前記請求項３〜５のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置を用いることを特徴とするワーク処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板等の被処理ワークなどに対してプラズマを照射することで、前記ワークの表面の清浄化や改質などを図ることが可能なプラズマ発生装置およびワーク処理装置ならびにそれに用いられる同軸ケーブル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば半導体基板等の被処理ワークに対してプラズマを照射し、その表面の有機汚染物の除去、表面改質、エッチング、薄膜形成または薄膜除去等を行うワーク処理装置が知られている。そのようなワーク処理装置において、マイクロ波の伝搬に、同軸ケーブルを用いることで、プラズマ発生ノズルの設置位置の自由度を向上するようにした従来技術が本件出願人の特許文献１によって提案されている。このワーク処理装置は、マイクロ波を伝搬する導波管から同軸ケーブルを延出させ、その同軸ケーブルの先端にプラズマ発生ノズルが取り付けられている。このプラズマ発生ノズルには、プラズマを発生させる原料ガスが、別系統の配管で供給される。
【０００３】
また、特許文献２には、同様に同軸ケーブルでマイクロ波を伝搬させる構成を備えるポータブルプラズマ発生装置が開示されている。この装置では、原料ガスの供給管の内部に同軸ケーブルが収容された供給ラインが用いられると共に、この供給ラインの先端にプラズマ発生ノズルが取り付けられている。従って、当該装置によれば、実質的に１つの供給ラインでマイクロ波の伝搬と原料ガスの供給とが実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６５８２９号公報
【特許文献２】ＵＳ２００７／０２９０６２０Ａ１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１のワーク処理装置によれば、導波管の一部を同軸ケーブルに置換えることで、上述のようにプラズマ発生ノズルの設置位置に自由度を持たせることはできる。しかしながら、プラズマ発生ノズルに対して別途冷却用やプラズマの原料ガスの供給用などの他の配管を引回す必要が有ることから、プラズマ発生ノズルの周辺の構造が煩雑化する不具合がある。
【０００６】
また、特許文献２の装置によれば、実質的に１つの供給ラインでマイクロ波及び原料ガスがプラズマ発生ノズルに供給されることから、プラズマ発生ノズルの周辺の構造は簡素化される。しかしながら、特許文献２の供給ラインは、同軸ケーブルの外周にガス供給管が配置され、さらにその外周がジャケットで覆われた構成である。すなわち、性質の異なる２つの伝送体、つまり、マイクロ波を伝送する同軸ケーブルと原料ガスを供給するガス管とが、単にジャケットでハーネス化された構成である。このような供給ラインでは、外径がどうしても太くなり、また、たとえ個々の要素をフレキシブルなもので構成しても、優れた可撓性を期待することは出来ない。このため、プラズマ発生ノズルの引き回し性が悪いという問題が生じる。
【０００７】
本発明の目的は、電気的なエネルギと流体の伝送の役目を担いつつ、引き回し性に優れた同軸ケーブル装置ならびにそれを用いるプラズマ発生装置およびワーク処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の同軸ケーブル装置は、中心導体と、前記中心導体と同心の外側導体と、前記中心導体と外側導体との間に介在され、それらの前記同心の構造を維持しつつ、軸直角断面の少なくとも一部が中空となり、かつその中空の空間が前記中心導体および外側導体の軸線方向の一端側の端部から他端側の端部にまで連通するように、前記外側導体に対して中心導体を保持する保持部材とを備えて構成される可撓性を有する同軸ケーブル本体に、さらに前記同軸ケーブル本体の前記一端側の端部から流体を導入する導入部と、前記同軸ケーブル本体の前記他端側の端部から前記流体を導出させる導出部とを含み、前記連通した中空の空間を前記流体の流路として使用することを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、高周波信号の伝送に使用される同軸ケーブルにおいて、相互に同心の中心導体と外側導体との間は、通常の同軸ケーブルでは誘電体などで中実に形成されているのに対して、大パワー用途などでは、それらの前記同心の構造（間隔）を維持する保持部材の軸直角断面の少なくとも一部が中空となり、かつその中空の空間が前記中心導体および外側導体の軸線方向の一端側の端部から他端側の端部にまで連通するように形成されることで、中空構造となっているものがある。本発明では、このような構造の同軸ケーブルを可撓性を有する同軸ケーブル本体として、さらにその同軸ケーブル本体の前記一端側の端部から流体を導入する導入部と、他端側の端部から前記流体を導出させる導出部とを設けることで、前記連通した中空の空間を前記流体の流路として使用する。
【００１０】
したがって、前記同軸ケーブルの連結先への配管などの前記流体の流路を形成する構造物を省略することができ、前記流体の流路の取り回しが楽になるとともに、前記構造物を小型化することができる。また、前記大パワーによる発熱に対する同軸ケーブル本体の流体による放熱も行うことができる。
【００１１】
また、本発明の同軸ケーブル装置では、前記中心導体および外側導体は、筒状で、軸線方向に等間隔で狭窄部が形成された蛇腹状に形成されることで前記可撓性を有し、前記保持部材は、前記中心導体の外周面に螺旋状に巻回されてゆく巻回部と、その巻回部から予め定める周期毎に、前記外側導体の内周面に向けて立設される支柱部とを備えて構成されることで、前記支柱部間が前記連通した中空の空間となることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、前記中空構造の同軸ケーブル本体を実現するにあたって、前記中心導体および外側導体を、筒状で、軸線方向に等間隔で狭窄（くびれ）部が形成された蛇腹状に形成することで前記可撓性を生じさせ、前記保持部材を、前記中心導体の外周面に螺旋状に巻回されてゆく巻回部と、その巻回部から予め定める周期（間隔）毎に、前記外側導体の内周面に向けて立設される支柱部とを備えて構成し、前記支柱部間を前記連通した中空の空間とする。
【００１３】
したがって、前記予め定める周期（間隔）毎の支柱部で、撓みに対して前記中心導体と外側導体との同心の構造（間隔）を維持することができるとともに、前記支柱部間で、比較的広い流路断面を得ることができる。
【００１４】
さらにまた、本発明のプラズマ発生装置では、マイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段で発生されたマイクロ波を伝搬する第１の導波管と、前記第１の導波管内に前記中心導体の一端側の先端がアンテナとして挿入される前記の同軸ケーブル装置と、前記同軸ケーブル装置における前記中心導体の他端側の先端がアンテナとして挿入される第２の導波管と、前記第２の導波管に取付けられ、前記同軸ケーブル装置を介して伝搬されたマイクロ波を受信し、その受信したエネルギに基づき、プラズマ化したガスを生成して放出するプラズマ発生ノズルとを備えて構成され、前記同軸ケーブル装置における前記中空の空間を前記プラズマ発生ノズルにおける処理ガスの流路として使用することを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によれば、マイクロ波発生手段で発生されたマイクロ波を導波管を介してプラズマ発生ノズルへ伝搬し、そのプラズマ発生ノズルが受信したマイクロ波のエネルギに基づきプラズマ化したガスを生成して放出するようにしたプラズマ発生装置において、前記導波管とプラズマ発生ノズルとの間に、前記の同軸ケーブル装置を介在する。
【００１６】
したがって、導波管だけでは困難なマイクロ波の引回しの自由度を、前記同軸ケーブル装置の可撓性を利用して実現するとともに、前記同軸ケーブル装置における前記中空の空間を前記プラズマ発生ノズルにおける処理ガスの流路として使用することができる。これによって、前記プラズマ発生ノズル部分の構成を小型化することができる。
【００１７】
また、本発明のプラズマ発生装置では、前記導入部および導出部は、前記同軸ケーブル本体の端部に装着される接栓であって、一端側が前記筒状の中心導体の内周側に嵌り込み、他端側がロッド状のアンテナとなる内側端子と、前記内側端子と同心であり、前記外側導体の内周側に嵌め込まれる外側端子と、前記内側端子と外側端子との間に介在され、軸線方向に前記中空の空間と連通する貫通孔が形成された支持部材とを備えて構成されることを特徴とする。
【００１８】
上記の構成によれば、前記流体を同軸ケーブル本体内に導入および同軸ケーブル本体内から導出させることができる前記導入部および導出部を、前記同軸ケーブル本体の端部に装着される接栓として実現することができる。
【００１９】
さらにまた、本発明のプラズマ発生装置では、少なくとも前記第２の導波管側の接栓における外側端子の少なくとも一部は、フランジ状に拡径されており、前記接栓の受け側には、前記フランジで操作され、前記マイクロ波発生手段をインターロックする近接スイッチを備えることを特徴とする。
【００２０】
上記の構成によれば、上述のような構成のプラズマ発生装置の場合、第２の導波管側の接栓が接続されていない場合、該接栓の内側端子からマイクロ波が放射されてしまう可能性があるので、その少なくとも第２の導波管側の接栓に、マイクロ波発生手段のインターロックの構造を設ける。
【００２１】
したがって、安全性を向上することができる。なお、第１の導波管側にも、同様の構造が設けられてもよい。
【００２２】
また、本発明のワーク処理装置は、前記のプラズマ発生装置を用いることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、プラズマ発生ノズルの設置位置の自由度を向上することができるとともに、プラズマ発生ノズル周りの構造を小型化することができるワーク処理装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の同軸ケーブル装置によれば、同軸ケーブル自身で、電気的なエネルギの伝送と流体の供給の役目が担われることになる。つまり、同軸ケーブルの中心導体と外側導体との間に存在する空間を利用して流体が供給されるので、電気的なエネルギ及び流体の供給という２つの目的物の伝送が求められる供給ラインを、一本の同軸ケーブルのみで構成することができる。
【００２５】
従って、特許文献１の装置のように、同軸ケーブルの連結先に対して別途の流体供給配管の設置を省略することができ、構造をシンプルにすることができる。また、特許文献２の装置のように供給ラインが大径化したり、可撓性が悪化したりする懸念はなく、同軸ケーブル本来の外径並びに可撓性を有した供給ラインを構築することができる。このため、極めて引き回し性に優れ、また構造物の小型化を図ることができる。また、同軸ケーブルの内部導体の発熱を、同軸ケーブル内を流通する流体により放熱させる効果も期待することができる。
【００２６】
さらにまた、本発明のプラズマ発生装置は、以上のように、マイクロ波発生手段で発生されたマイクロ波を導波管を介してプラズマ発生ノズルへ伝搬し、そのプラズマ発生ノズルが受信したマイクロ波のエネルギに基づきプラズマ化したガスを生成して放出するようにしたプラズマ発生装置において、前記導波管とプラズマ発生ノズルとの間に、前記の同軸ケーブル装置を介在する。
【００２７】
それゆえ、導波管だけでは困難なマイクロ波の引回しの自由度を、前記同軸ケーブル装置の可撓性を利用して実現するとともに、前記同軸ケーブル装置における前記中空の空間を前記プラズマ発生ノズルにおける処理ガスの流路として使用することができる。これによって、前記プラズマ発生ノズル部分の構成を小型化することができる。
【００２８】
また、本発明のワーク処理装置は、以上のように、前記のプラズマ発生装置を用いる。
【００２９】
それゆえ、プラズマ発生ノズルの設置位置の自由度を向上することができるとともに、プラズマ発生ノズル周りの構造を小型化することができるワーク処理装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置の斜視図である。
【図２】前記プラズマ発生装置における第１装置の筐体を取外して内部構造を示す斜視図である。
【図３】前記第１装置を含むプラズマ発生装置を示す図である。
【図４】前記第１装置内のマイクロ波の経路を説明するための概略図である。
【図５】前記プラズマ発生装置における第２装置の斜視図である。
【図６】前記プラズマ発生装置の冷却システムの概略構成図である。
【図７】前記プラズマ発生装置の送気システムの概略構成図である。
【図８】前記第２装置の断面図である。
【図９】本発明に用いられる同軸ケーブル本体の一構造例を示す斜視図である。
【図１０】前記同軸ケーブル本体と接栓との取付け構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１について図面を参照して説明する。尚、以下の説明中、「上」、「下」、「右」、「左」等の方向を表す文言は、単に、説明を明瞭とすることを目的とするものであり、何ら、本発明を限定するものではない。以下の説明中の「管路」或いはこれに類する用語は、単一の管体部品のみを意味するものではなく、複数の管体部品を連結させて所定区間の流路を形成する管路も意味する。以下の説明において、液体、気体やエネルギ等を所定方向に案内するための部材（たとえば、管路等）において、特段の表記がない限り、「基端部」との用語は液体、気体やエネルギ等の流れの上流側に位置する端部を意味し、「先端部」との用語は、下流側に位置する端部を意味する。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１の斜視図であり、図１（ａ）〜図１（ｄ）は、それぞれ異なる角度から見た図である。このプラズマ発生装置１は、マイクロ波を発生させるマグネトロン４と前記マイクロ波を案内する第１導波管４１とを備える第１装置２と、マイクロ波を案内する第２導波管４３とマイクロ波のエネルギを用いて生成されたプラズマを放出するためのノズル４４とを備える第２装置３と、第１導波管４１内のマイクロ波を第２導波管４３内へ伝達する同軸ケーブル装置４２とを備えて構成される。
【００３３】
第１装置２は、略矩形平板状の基台部２１と、基台部２１上に配設される略直方体形状の筐体２２とを含む。筐体２２の正面板２２１上には、該プラズマ発生装置１を操作するための制御つまみや該プラズマ発生装置１の運転状況を表す表示部が適宜配設される。筐体２２の正面板２２１、上面板２２２および右側面板２２３とで構成される角隅部には、マイクロ波を発生させるマグネトロン４の一部が露出する。筐体２２の右側面および第１装置２の外面の一部をなすマグネトロン４の面には、第１装置２内部の温度上昇を抑制するための通気口２２４が適宜設けられている。尚、本実施形態のマグネトロン４は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させるが、本発明はこれに限られるものではなく、任意の周波数のマイクロ波を発生させるマグネトロンを用いることができる。更に、本実施形態では、マイクロ波の発生源となるマイクロ波発生装置として、マグネトロン４が用いられているが、本発明はこれに限られるものではなく、マイクロ波を発生させることができる任意の高周波電源等のマイクロ波発生装置を用いることができる。尚、このようなマイクロ波発生装置が、たとえば１Ｗ以上３ｋＷ以下のマイクロ波のエネルギを連続的に変更できるように形成されることが好ましい。
【００３４】
第１導波管４１の大部分は、筐体２２内に収容されているが、基台部２１の下面からは、第１導波管４１の一部が下方に突出する。マグネトロン４から発生したマイクロ波は、第１導波管４１により、筐体２１外に露出する第１導波管４１の部分まで案内される。第１導波管４１からは、同軸ケーブル装置４２が第２装置３に向けて延出する。同軸ケーブル装置４２の基端部（一端部）は、第１導波管４１内に位置し、マグネトロン４により発生され、第１導波管４１内を伝搬されたマイクロ波を捕捉する。基台部２１の下面からは更に、第１装置２および第２装置３を冷却するための冷却管路５が、第２装置３に向けて延出する。同軸ケーブル装置４２および冷却管路５は、可撓性を有する。したがって、第２装置３は、第１装置２に対して、自在に相対移動可能である。
【００３５】
第２装置３は、同軸ケーブル装置４２により伝搬されたマイクロ波のエネルギを用いてプラズマを生成する役割を担う。第２装置３は、たとえば半導体基板等の加工対象物上でプラズマを放出し、このようなプラズマ発生装置１と、前記加工対象物を移動させる図示しないＸ，Ｙテーブルなどとによって、ワーク処理装置が構成される。
【００３６】
前記第２装置３は、全体として、略直方体形状をなす。この第２装置３の上面３１は、同軸ケーブル装置４２の取付面となる。また、冷却管路５は、第２装置３の上面３１を貫通して、該第２装置３の内部に侵入する。第２装置３の上部には、第２導波管４３を構成する第１の反射板４３１が現れる。第２導波管４３は、第２装置３の上部を構成する。同軸ケーブル装置４２は、第２導波管４３に接続され、その先端部（他端部）から第２導波管４３内にマイクロ波が放出される。
【００３７】
第２装置３の下面には、ノズル４４の一部が現れる。ノズル４４の下端中央には、円形の開口部４４１が形成される。ノズル４４内の開口部４４１からプラズマが放出される。冷却管路５内を流れる冷媒の一部は、ノズル４４を冷却するために用いられる。尚、本実施形態では、冷媒として、水が用いられるが、これに限定されず、冷却作用をもたらす液体や気体を好適に利用することができる。
【００３８】
図２は、図１に示される第１装置２を、その筐体２２を取外して内部構造を示す斜視図である。また、図３は、その第１装置２を含むプラズマ発生装置１を示す図であり、図３（ａ）は右側面図であり、図３（ｂ）は背面図であり、図３（ｃ）は左側面図である。さらにまた、図４は、第１装置２内のマイクロ波の経路を説明するための第１装置２の内部構造の概略図である。
【００３９】
第１装置２内のマイクロ波の伝達について説明する。第１装置２の筐体２２の内部には、マグネトロン４が配される。マグネトロン４は、マイクロ波を発生させる本体部４００と、マイクロ波を発生させるための電力を本体部４００に供給する電源４０１とを含む。本体部４００は、断面略矩形の空間を形成する第１導波管４１の基端部に接続される。本体部４００は、電源４０１からの電力を用いて、マイクロ波を発生させる。本体部４００により発生されたマイクロ波は、第１導波管４１内に放射され、該第１導波管４１内を伝搬する。
【００４０】
第１導波管４１の途中部には、第１出力センサ４１１が配設される。第１出力センサ４１１は、本体部４００から第１導波管４１内に放射されたマイクロ波のエネルギを検出する。第１出力センサ４１１が検出したマイクロ波のエネルギの大きさは、必要に応じて、図１に関連して説明された第１装置２の筐体２２の正面板２２１上に設けられた表示部に表示されてもよい。
【００４１】
第１導波管４１の先端部は、基台部２１を貫通し、外部に露出している。その第１導波管４１の先端部には、同軸ケーブル装置４２が接続される。同軸ケーブル装置４２の基端部における内側端子４２２１は、マイクロ波受信用のアンテナとして、第１導波管４１内に突出する。第１導波管４１の先端部に到達したマイクロ波の内、前記内側端子４２２１で捕捉されなかったマイクロ波は、該第１導波管４１の先端を閉塞するとともに先端面を形成する反射面４１２にて反射される。尚、反射面４１２と前記内側端子４２２１との間の距離は、マイクロ波の波長の１／４の整数倍の長さに設定されることが好ましい。これにより、第１導波管４１の先端部で発生するマイクロ波の定在波の腹に同軸ケーブル４２の内側端子４２２１が位置することになり、より大きなマイクロ波のエネルギを第２装置３へ送ることが可能になる。
【００４２】
第１出力センサ４１１と前記同軸ケーブル装置４２の内側端子４２２１との間には、サーキュレータ４１３が配設される。サーキュレータ４１３は、第１導波管４１の基端部から先端部へ向かう方向のマイクロ波を直進させる一方で、第１導波管４１の反射面４１２により反射された反射マイクロ波の進行方向を屈曲させる。図２〜図４に示される例においては、反射マイクロ波の進行は直角方向に屈曲される。
【００４３】
サーキュレータ４１３により屈曲される反射マイクロ波の進行方向に沿って、第２出力センサ４１４およびダミーロード４１５が連設される。したがって、サーキュレータ４１３は、反射マイクロ波を第２出力センサ４１４およびダミーロード４１５へ案内する役割を担う。第２出力センサ４１４は、反射マイクロ波のエネルギを検出する。第２出力センサ４１４が検出した反射マイクロ波のエネルギの大きさは、必要に応じて、図１に関連して説明された第１装置２の筐体２２の正面板２２１上に設けられた表示部に表示されてもよい。
【００４４】
ダミーロード４１５は、マイクロ波を吸収する電波吸収体であり、マイクロ波を熱エネルギに変換する。本実施形態において、ダミーロード４１５は、水冷式であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、空冷式のダミーロードを利用してもよい。
【００４５】
図５は、図１に示されるプラズマ発生装置１が備える第２装置３の斜視図である。図５（ａ）は、第２装置３の拡大斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示される第２装置３から筐体を除去した状態を示す。図５ならびに図２ないし図４を参照しつつ、引き続き、マイクロ波の伝達について説明する。
【００４６】
同軸ケーブル装置４２は、第１導波管４１の先端部から延出し、第２装置３に接続される。同軸ケーブル装置４２の先端部における内側端子４２２７（図８参照）は、マイクロ波放射用のアンテナとして、第２導波管４３内に突出している。第２導波管４３の下方には、該第２導波管４３の下面に接続される略直方体形状のプラズマ生成ブロック４４２と、プラズマ生成ブロック４４２の下面に接続される略２段円筒形状のノズル４４とを含むノズル体４４０が配設される。ノズル４４の下部は、ノズル４４の上部よりも径小に形成される。第２導波管４３内を移動するマイクロ波のエネルギは、その後、プラズマ生成ブロック４４２内でプラズマの生成に用いられる。最後に、プラズマは、ノズル４４の下端開口部４４１から放出されることとなる。
【００４７】
光センサ４３２は、第２導波管４３内でプラズマが発生したときのプラズマからの光を検知する。第２導波管４３内でプラズマが発生した場合には、光センサ４３２からの信号に基づいて、マグネトロン４の作動を停止させることが好ましい。
【００４８】
図６は、図１に示されるプラズマ発生装置１の冷却システム５００の概略構成図である。図６ならびに図２および図５を参照しつつ、プラズマ発生装置１が備える冷却システム５００について説明する。
【００４９】
第１装置２のダミーロード４１５および第２装置３のノズル体４４０には、プラズマの生成に使用されなかったマイクロ波からエネルギ変換された熱が蓄積されやすい。このため、ダミーロード４１５およびノズル体４４０を冷却するための冷却システム５００が構築されることが好ましい。冷却システム５００は、主に、冷媒供給装置５０１、ダミーロード４１５、プラズマ生成ブロック４４２およびこれらを接続する冷却管路５から構成される。本実施形態では、冷媒供給装置５０１は、冷媒として水を供給するが、本発明はこれに限定されるものではなく、冷却効果をもたらす任意の流体を供給することができる。また、本実施形態では、ノズル４４と別体に形成されたプラズマ生成ブロック４４２を冷却部として用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ノズル４４にプラズマ生成ブロック４４２の構造を組み込むようにして、これらを一体化させた構造体も含む。したがって、ノズル体４４０を冷却するための冷媒を導入するための入口部および冷媒を排出するための出口部を備える任意の構造並びに形状を冷却部と称することができる。
【００５０】
第１装置２は、流入口５１を備える。流入口５１は、冷媒供給装置５０１からの冷媒を案内する第１接続管５２と接続される。冷媒供給装置５０１から送出された冷媒は、流入口５１を介して、第１装置２内に導入される。流入口５１とダミーロード４１５との間で、導入管路５３が延びる。導入管路５３の基端部は流入口５１に接続され、先端部はダミーロード４１５の入口ポート４１６に接続される。ダミーロード４１５に流入した冷媒は、ダミーロード４１５を冷却する。
【００５１】
ダミーロード４１５の下流には、第１管路５４が配設される。第１管路５４の基端部は、ダミーロード４１５の出口ポート４１７に接続される。第１管路５４の先端部５４１には、第１出口部５４２と第２出口部５４３が形成される。このような第１管路５４の先端部５４１は、たとえばＴ字型のフィッティングを用いることにより形成することができる。図６において、管路５を示す線の太さで表現されるように、第１管路５４の先端部５４１を通過する冷媒は、２方向に分岐して流れることになる。したがって、第１管路５４の先端部に接続される第２管路５５および第４管路５６内を流れる冷媒の流量は、第１管路５４内を流れる冷媒の流量よりも小さくなる。
【００５２】
プラズマ生成ブロック４４２は、第１入口ポート２４１、第１出口ポート２４２、第２入口ポート２４３および第２出口ポート２４４を含む。第２管路５５の基端部は、第１管路５４の先端部５４１の第１出口部５４２に接続され、第２管路５５の先端部は、プラズマ生成ブロック４４２の第１入口ポート２４１に接続される。したがって、ダミーロード４１５を冷却した後の冷媒の一部は、第１管路５４と第２管路５５とに案内され、プラズマ生成ブロック４４２に到達する。第１入口ポート２４１に流入した冷媒は、プラズマ生成ブロック４４２内部を通過し、第１出口ポート２４２に向かう。
【００５３】
第１出口ポート２４２および第２入口ポート２４３は、戻り管路５７を用いて接続される。第１出口ポート２４２から排出された冷媒は、戻り管路５７に案内され、再度、プラズマ生成ブロック４４２内に戻り、プラズマ生成ブロック４４２内部を通過する。プラズマ生成ブロック４４２内に再流入した冷媒は、第２出口ポート２４４を通じて、プラズマ生成ブロック４４２から排出される。本実施形態において、第１入口ポート２４１から第１出口ポート２４２に冷媒が向かう間および第２入口ポート２４３から第２出口ポート２４４に冷媒が向かう間、プラズマ生成ブロック４４２の熱エネルギが冷媒により奪われることとなる。また、プラズマ生成ブロック４４２に接続するノズル４４も熱伝達作用により熱を奪われることになり、ノズル４４は好適に冷却されることとなる。本実施形態において、４つのポート２４１〜２４４をプラズマ生成ブロック４４２の入口部および出口部として用いたが、本発明は、これに限定されるものではなく、１つの入口部と１つの出口部を備えるものであってもよい。この場合には、プラズマ生成ブロック４４２内で入口部と出口部との間で延びる内部管路が形成される。
【００５４】
第２出口ポート２４４に第３管路５８の基端部が接続される。第１管路５４の先端部５４１の第２出口に第４管路５６の基端部が接続される。第３管路５８の先端部と第４管路５６の先端部は、排出管路５９の基端部５９１に接続される。第３管路５８により案内されたプラズマ生成ブロック４４２を冷却した後の冷媒および第４管路５６により案内されたダミーロード４１５を冷却した後の冷媒は、排出管路５９の基端部５９１にて合流する。排出管路５９の先端部は、排出口５０に接続される。排出管路５９に案内され、排出口５０に到達した冷媒は、排出口５０に接続される第２接続管５０２により、再度、冷媒供給装置５０１に戻される。冷媒供給装置５０１が備える冷却ユニットは、冷媒供給装置５０１に戻された冷媒を冷却し、第１接続管５２を通じて、冷媒を再度第１装置２に送り出す。本実施形態では、冷媒供給装置５０１を始点・終点とする循環路を用いたが、循環路は必須の構成ではない。
【００５５】
図７は、図１に示されるプラズマ発生装置１の送気システム６００の概略構成図である。図７ならびに図２および図５を参照しつつ、プラズマ発生装置１が備える送気システム６００について説明する。尚、本実施形態の送気システム６００は、ノズル体４４０内でプラズマ化される気体を供給する他、第１導波管４１および第２導波管４３内の気体を掃気するための気体を供給する役割を担う。
【００５６】
プラズマ発生装置１を用いて、任意の対象物の表面改質等の処理を行なう場合、不活性ガス（たとえばアルゴンガス）や窒素含有ガスが用いられる。本実施形態では、空気を処理ガスとして使用するが、他の気体を用いてもよい。特に、第２導波管４３内に送気システム６００を用いて気体を導入することにより、第２導波管４３内の気圧を比較的高くすることができ、プラズマ生成ブロック４４２において、第２導波管４３側でプラズマが発生することを防止することができる。
【００５７】
送気システム６００は、主に、気体供給源となる送気装置６０１と、第１導波管４１、第２導波管４３、ノズル体４４０およびこれらを接続するための気体管路６から構成される。本実施形態では、送気装置６０１として、エアコンプレッサを利用するが、気体をプラズマ発生装置１内に導入することが可能な任意の装置を利用することができる。たとえば、エアコンプレッサの代わりに、加圧気体が封入されたボンベを用いてもよい。
【００５８】
第１装置２は、気体を該第１装置２内に導入するための流入口６１を備える。流入口６１と送気装置６０１とは、接続管６２を用いて接続される。流入口６１の下流には第１管路６３が配設される。第１管路６３の基端部は、流入口６１に接続される。第１管路６３の途中部には、該第１管路６３内を流れる気体を清浄化するフィルタ部６４と、フィルタ部６４の下流に配されるとともに、該第１管路６３内を流れる気体を整流するレギュレータ６５とが配設される。
【００５９】
第１管路６３の先端部は、流量計６６の入口ポート６６１に接続される。流量計６６は、第１管路６３を通じて流れる気体の流量を測定する。尚、流量計６６の測定値が、図１に関連して示された第１装置２の筐体２２の正面板２２１上の表示部に表示されてもよい。また、流量計６６の測定結果に応じて、レギュレータ６５或いは送気装置６０１にフィードバック制御を行い、所定の流量の気体が第２管路６７に向けて流れるようにしてもよい。流量計６６の出口ポート６６２には第２管路６７の基端部が接続される。第２管路６７の先端部は、第１導波管４１に接続される。第１導波管４１内へ流入した気体は、該第１導波管４１内を掃気して冷却させた後、同軸ケーブル装置４２を介して、第２導波管４３に供給される。
【００６０】
第２導波管４３内へ流入した気体は、該第２導波管４３内を掃気して冷却させた後、第３管路６８を介して、プラズマ生成ブロック４４２に供給され、プラズマ化されて、ノズル４４から放出されることとなる。こうして、前記送気装置６０１からは、ノズル４４からのプルームを維持するための流量で空気が供給される。
【００６１】
図８は、第２装置３の断面図であり、第２装置３の内部構造を示す。図８と併せて、図１および図２を参照する。第２装置３の上部には、第２導波管４３が配設される。第２導波管４３は、たとえばアルミ製の略直方体形状の筒体である。第２導波管４３の上板４３３は、第２装置３の上面の一部をなす。上板４３３は、円形開口部４３４を含む。上板４３３上には、円形開口部４３４と同心に、環状の取付板４３５が据え付けられる。取付板４３５上で、同軸ケーブル装置４２の先端部に取付けられたフランジ４２８が、ビス４２９によって取付けられる。
【００６２】
取付板４３５と隣接して、スイッチボックス４９３が配設される。スイッチボックス４９３内には、近接スイッチ４９４が配設される。フランジ４２８は、該フランジ４２８の周面から突出する球体４２８１を含む。フランジ４２８が取付板４３５に取付けられたとき、球体４２８１は、近接スイッチ４９４のスイッチレバー４９６を動作させる。このとき、近接スイッチ４９４は、同軸ケーブル装置４２が第２装置３に取り付けられたことを示す信号をプラズマ生成装置１の制御盤（図示せず）に送信する。制御盤は、近接スイッチ４９４からの信号に基づき、たとえば同軸ケーブル装置４２が装着されている場合にのみ、マグネトロン４の動作を可能とするインターロックを行う。こうして、安全性を向上することができる。なお、第１導波管４１側にも、同様の構造が設けられてもよい。本発明のポイントとなる同軸ケーブル装置４２については、後に詳述する。
【００６３】
第２導波管４３の上面には、環状の取付台座４３６が配設される。取付台座４３６は、電極保持体４３７を据え付けるために用いられる。電極保持体４３７は、略２段円筒形状の把持部４３８と、把持部４３８と嵌合する基端部および棒状の電極４４３を挟持する先端部を含む保持筒４３９とを含む。把持部４３８の小径部は、取付台座４３６にねじ止めされる。把持部４３８の大径部は、取付台座４３６上に位置する。保持筒４３９は、低誘電率材料から形成される。電極４４３の基端部は、第２導波管４３内で突出する。したがって、同軸ケーブル装置４２の出力アンテナとなる内側端子４２２７から放出されたマイクロ波は、保持筒４３９を透過し、電極４４３で捕捉される。電極４４３の第２導波管４３内への突出量は大きい方が好ましい。尚、電極４４３は、導電性金属からなる芯材と、芯材表面を被覆する金鍍金層から構成されることが好ましい。金鍍金層の厚さは、たとえば７μｍとされる。これにより、導電性の高い金鍍金層に９９％程度の電流が流れるので、電極４４３の消耗を抑制することができる。電極４４３および内側端子４２２７は、第２導波管４３の長手方向軸に沿って整列することが好ましい。
【００６４】
第２導波管４３の一端部は、第１の反射板４３１により閉塞される。第１の反射板４３１の縁部は折り曲げ加工され、第２導波管４３の外周面に沿って配設される。第１の反射板４３１の縁部は、リベット３３１を用いて、第２導波管４３の周壁に接合される。第２導波管４３の他端部は、第２の反射板６２２により閉塞される。電極４４３は、第１の反射板４３１と内側導体４２７との間に位置し、内側導体４２７は、電極４４３と第２の反射板６２２との間に位置する。
【００６５】
内側端子４２２７の中心軸と電極４４３の中心軸との間の距離Ｄ１は、マグネトロン４が発生させるマイクロ波の波長の１／４以上であることが好ましい。また、電極４４３の中心軸と第１の反射板４３１の内面との間の距離Ｄ２は、マイクロ波の波長の１／４の整数倍であることが好ましい。内側端子４２２７から放出されたマイクロ波は、第１の反射板４３１に到達すると、該第１の反射板４３１により反射される。電極４４３の中心軸と第１の反射板４３１の内面との間の距離Ｄ２をマイクロ波の波長の１／４の整数倍に等しくすることで、電極４４３は、内側端子４２２７と第１の反射板４３１との間の定在波の腹に位置することになる。この結果、電極４４３は一層高いマイクロ波のエネルギを電極４４３の先端に向けて伝達することが可能となる。
【００６６】
一方で、内側導体４２７の中心軸と第２の反射板６２２の内面との間の距離Ｄ３は、マイクロ波の波長の１／４の整数倍に等しくないことが好ましい。これにより、内側端子４２２７が捕捉するマイクロ波のエネルギ量を小さくすることができる。電極４４３の長さは、マイクロ波の波長の１／２の整数倍に等しいことが好ましい。この結果、共振作用により、該電極４４３の先端において、マイクロ波のエネルギの一層高い集中を得ることが可能となる。
【００６７】
プラズマ生成ブロック４４２は、貫通穴４４４を含む。ノズル４４は、電極４４３の周面を取り囲む外郭体４４５を含む。外郭体４４５は、良導電性の金属から構成されるプラズマ生成ブロック４４２に取り付けられる。プラズマ生成ブロック４４２は、電極４４３周囲でアース電位を形成する役割を担う。
【００６８】
ノズル４４は更に、外郭体４４５を貫く円筒形状のスリーブ４４６を含む。スリーブ４４６は、たとえば石英ガラスから形成される。スリーブ４４６の基端部は、外郭体４４５がプラズマ生成ブロック４４２の下面に取り付けられたとき、プラズマ生成ブロック４４２の貫通穴４４４に挿入される。このとき、電極４４３の先端部は、スリーブ４４６内に挿入される。スリーブ４４６は、マイクロ波のエネルギが集中する電極４４３の先端からの異常放電（アーキング）を防止する役割を担う。スリーブ４４６の先端開口部からプラズマ化されたガスが放出される。スリーブ４４６の内周面と電極４４３との間には環状の空隙（流路）が形成される。また、プラズマ生成ブロック４４２の貫通穴４４４を形成するとともに電極４４３を取り囲むプラズマ生成ブロック４４２の内壁面と電極４４３との間にも空隙（流路）が形成される。
【００６９】
前記同軸ケーブル装置４２から第２導波管４３に供給された気体は、前述のように第３管路６８を介して、このプラズマ生成ブロック４４２に送り込まれる。プラズマ生成ブロック４４２に送り込まれた気体は、プラズマ生成ブロック４４２の貫通穴４４４およびノズル４４のスリーブ４４６を通じて開口部４４１から放出される。電極４４３の先端部には、マイクロ波のエネルギが集中する。したがって、気体が、プラズマ生成ブロック４４２の貫通穴４４４およびノズル４４のスリーブ４４６を通過している間、電極４４３の先端部に集中したエネルギにより気体分子が励起され、プラズマガスが発生することになる。
【００７０】
プラズマ生成ブロック４４２には更に、光センサ４４７が取り付けられる。光センサ４４７は、ノズル体４４０内の電極４４３の存否を検知する。プラズマ生成装置１の制御盤（図示せず）は、光センサ４７の信号に基づき、マグネトロン４を制御し、ノズル体４４０内に電極４４３が存在するときのみ、マグネトロン４が動作するようにすることができる。
【００７１】
図８に示される如く、冷却管路５は、第２導波管４３の側方において、上方から下方に延び、第２導波管４３の下方において、第２装置３と接続されている。したがって、第２導波管４３への冷却管路５の接続は、冷却管路５からの漏液による第２装置３の故障の可能性を抑制する構造となっている。また、冷却管路５が、第１装置２と第２装置３との間の経路において、継ぎ目を備えないならば、更に、冷却管路５からの漏液による第２装置３の故障の可能性が低減されることとなる。
【００７２】
上述のように構成されるプラズマ発生装置１において、注目すべきは、本実施の形態では、前述のように、同軸ケーブル装置４２を、気体の流路として使用することである。図９は、同軸ケーブル本体４２１の構造を示すために、一部を切り欠いて示す斜視図である。この同軸ケーブル本体４２１は、中心導体４２１１と、前記中心導体４２１１と同心の外側導体４２１２と、前記中心導体と外側導体との間に介在され、それらの前記同心の構造を維持しつつ、軸直角断面の少なくとも一部が中空となり、かつその中空の空間が前記中心導体４２１１および外側導体４２１２の軸線方向の一端側の端部から他端側の端部にまで連通するように、前記外側導体４２１２に対して中心導体４２１１を保持する保持部材４２１３と、電気絶縁性の外被４２１４とを備えて構成される。
【００７３】
そして、前記中心導体４２１１および外側導体４２１２は、筒状で、軸線方向に等間隔で狭窄（くびれ）部４２１１ａ，４２１２ａが形成された蛇腹状に形成されることで、前記同軸ケーブル本体４２１は可撓性を有する。また、前記保持部材４２１３は、前記中心導体４２１１の外周面４２１１ｂに螺旋状に巻回されてゆく巻回部４２１３ａと、その巻回部４２１３ａから予め定める周期（間隔）毎に、前記外側導体４２１２の内周面４２１２ｂに向けて立設される支柱部４２１３ｂとを備えて構成されることで、前記支柱部４２１３ｂ間が前記連通した中空の空間を形成する。
【００７４】
このように構成することで、前記予め定める周期（間隔）毎の支柱部４２１３ｂで、撓みに対して前記中心導体４２１１と外側導体４２１２との同心の構造（間隔）を維持することができるとともに、前記支柱部４２１３ｂ間で、比較的広い流路断面を得ることができる。このような同軸ケーブル本体４２１には、日立電線株式会社製のＨＦ形高周波同軸ケーブルなどを用いることができる。
【００７５】
図３で示すように、上述のような同軸ケーブル本体４２１の基端部（一端部）に気体の導入部となる接栓４２２が取付けられ、先端部（他端部）に気体の導出部となる接栓４２３が取付けられて、前記同軸ケーブル装置４２を構成する。図１０は、同軸ケーブル本体４２１の基端（第１導波管４１）側で、接栓４２２との取付け構造を詳しく説明するための断面図である。接栓４２２は、前記内側端子４２２１と、前記フランジ４２８を有する外側端子４２２２と、それらの間に充填される誘電体から成る支持部材４２２３とを備えて構成される。支持部材４２２３には、前記気体の通路としての１または複数の（複数の場合には周方向に等間隔に）貫通孔４２２４が形成されている。
【００７６】
内側端子４２２１は、基端側が前記筒状の中心導体４２１１の内側に嵌り込むように先細部４２２１ａを有し、それに連なる部分４２２１ｂが前記誘電体４２２３を介して外側端子４２２２に支持され、遊端側の部分４２２１ｃが前記マイクロ波受信用のアンテナとなる。外側端子４２２２は、一端側に前記フランジ４２８を有する筒状に形成される。このような接栓４２２の同軸ケーブル本体４２１への取付けは、前記先細部４２２１ａが中心導体４２１１の内側に嵌め込まれるとともに、外側端子４２２２が外側導体４２１２の内側に嵌め込まれ、外側導体４２１２の外周側から締め付けが行われた後、その部分が樹脂４２４でモールドされることで行われる。そして、接栓４２３は、この接栓４２２と同様に構成され、受信アンテナとなる内側端子４２２１が、送信アンテナとなる内側端子４２２７となるだけである。
【００７７】
このように構成することで、前記気体の導入部となる接栓４２２が第１導波管４１から気体を取込み、同軸ケーブル本体４２１内を通して、気体の導出部となる接栓４２３から第２導波管４３へ出力され、前記第３管路６８を介して、プラズマ生成ブロック４４２に供給される。したがって、通常の同軸ケーブルでは誘電体などで中実に形成されているのに対して、このような一部が中空構造の同軸ケーブル本体４２１を用いることで、該同軸ケーブル本体４２１の連結先である第２導波管４３への気体の配管を省略することができ、前記気体の流路の取り回しが楽になるとともに、構造を小型化することができる。また、大パワーのマイクロ波を伝搬することによる同軸ケーブル本体４２１の発熱を、気体によって放熱させることもできる。また、前記同軸ケーブル装置４２を介する気体を、ノズル４４の処理ガスとして使用することで、該ノズル４４部分の構成も小型化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明に係るワーク処理装置およびプラズマ発生装置は、半導体ウェハ等の半導体基板に対するエッチング処理装置や成膜装置、プラズマディスプレイパネル等のガラス基板やプリント基板の清浄化処理装置、医療機器等に対する滅菌処理装置、タンパク質の分解装置等に好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１    プラズマ発生装置
２    第１装置
２１    基台部
２２    筐体
３    第２装置
４    マグネトロン
４１    第１導波管
４２    同軸ケーブル装置
４２１  同軸ケーブル本体
４２１１    中心導体
４２１１ａ，４２１２ａ    狭窄（くびれ）部
４２１２    外側導体
４２１３    保持部材
４２１３ａ    巻回部
４２１３ｂ    支柱部
４２１４    外被
４２２，４２３    接栓
４２２１，４２２７    内側端子
４２２２    外側端子
４２２３    支持部材
４２２４    貫通孔
４２８  フランジ
４３    第２導波管
４３７  電極保持体
４４    ノズル
４４０  ノズル体
４４２  プラズマ生成ブロック
４４３  電極
４９３  スイッチボックス
４９４  近接スイッチ
５    冷却管路
５００  冷却システム
５０１  冷媒供給装置
６    気体管路
６００  送気システム
６０１  送気装置
６４    フィルタ部
６５    レギュレータ
６６    流量計
６８    第３管路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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