(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水との接触状態に応じて異なる出力電圧を出力するセンサであって、
先端部及び基端部を有し、該先端部と該基端部との間で延在する透光性のロッドであり、前記先端部の先端角が９７°以上１０７°以下である、該ロッドと、
前記ロッド内に伝搬させる光を前記基端部に対して出力する発光素子と、
前記基端部上に設けられ、前記発光素子から出力された光のうち、前記ロッドの先端部で反射された光を受光するフォトトランジスタと、
前記フォトトランジスタとグランド端子との間に設けられ、前記フォトトランジスタに直列に接続された抵抗素子を含む出力回路であり、前記フォトトランジスタを流れる電流に応じた大きさの電圧を出力する該出力回路と、
前記フォトトランジスタ及び前記抵抗素子を含む直列回路に入力電圧を印加する電源と、
前記出力回路から出力される電圧を増幅し、増幅した該電圧を前記出力電圧として出力する増幅回路と、
前記ロッドの軸線方向が鉛直方向に一致した状態で前記ロッドを保持する保持機構と、
を備え、
前記発光素子と前記フォトトランジスタとの間で光の損失がないと仮定したときに、前記電源が生成する前記入力電圧Ｖｉｎと、前記増幅回路の前記出力電圧Ｖｏｕｔとは、下記式（１）；｜Ｖｏｕｔ｜＝｜Ｇｖ・Ｖｉｎ｜      ・・・（１）で表される関係を有し、
式（１）において、Ｇｖはゲインであり、該ゲインは３２００以上、１４０００未満であり、
前記保持機構は、点接触で前記ロッドを保持する、センサ。
【請求項２】
前記ロッドは、１．４１４以上、１．６２７以下の屈折率を有する材料から構成されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記ロッドは、石英から構成されている、請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記先端部は、前記基端部から離れるにつれて互いに近づく２つの側面を含むくさび形状を有している、請求項１〜３の何れか一項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記先端部は、偶数個の側面を有し、前記基端部から離れるについて先細りになる多角錐形状を有している、請求項１〜３の何れか一項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記先端部は、前記基端部から離れるにつれて縮径する円錐形状を有している、請求項１〜３の何れか一項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記保持機構は、複数の粒状の弾性体を介して前記ロッドを保持する、請求項１〜６の何れか一項に記載のセンサ。
【請求項８】
前記保持機構は、前記ロッドの外周面に向けて突出する凸部が形成された環状の弾性体を介して前記ロッドを保持する、請求項１〜６の何れか一項に記載のセンサ。
【請求項９】
前記ロッドには、該ロッドの外周面から突出する突出部が形成され、該突出部は前記ロッドの軸線方向において前記先端部と前記基端部との間の位置しており、
前記保持機構は、前記突出部と前記先端部との間に設けられ、前記ロッドの軸線方向において前記突出部と対面する移動規制部を含む、請求項７又は８に記載のセンサ。
【請求項１０】
内部に水を貯留するための空間を画成するタンクと、
前記タンク内の水を加熱して、水蒸気を発生させる加熱器と、
請求項１〜９の何れか一項に記載の少なくとも一つのセンサであり、前記先端部が前記空間内において高さ方向の所定位置に配置された、該少なくとも一つのセンサと、
前記タンク内に水を供給する給水部と、
前記センサの前記増幅回路の前記出力電圧に応じて、前記給水部から前記タンクに対する水の供給を制御する制御部と、を備える、気化器。
【請求項１１】
前記制御部は、前記増幅回路の前記出力電圧が所定の閾値以上であるときに、前記タンク内に水が供給されるように前記給水部を制御する、請求項１０に記載の気化器。
【請求項１２】
前記少なくとも一つのセンサは、第１のセンサ及び第２のセンサを含み、
前記第１のセンサの前記先端部は、高さ方向において第１の位置に配置され、前記第２のセンサの前記先端部は、高さ方向において前記第１の位置よりも高い第２の位置に配置されている、請求項１０又は１１に記載の気化器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、センサ及び気化器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスといった電子デバイスの製造には、処理容器内に供給された処理ガスを励起してプラズマを生成し、当該プラズマに被処理体を晒すことによって被処理体を処理するプラズマ処理が行われることがある。このようなプラズマ処理を行うために、プラズマ処理装置に処理ガスとして水蒸気を供給する気化器が知られている。水蒸気は、アッシング処理に用いられることがあり、或いは、エッチングガス用の添加ガスとして用いられることがある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、貯水タンク、ヒータ、プロセスガスタンク、水蒸気管、プロセスガス管、及び合流管を備える気化器が記載されている。貯水タンクには、純水が貯留されている。貯水タンクの上部には、ヒータの加熱によって生成された水蒸気を搬送するための水蒸気管の一端が接続されている。また、プロセスガスタンクにはＣＦ４ガスが貯留されている。このプロセスガスタンクには、ＣＦ４ガスを搬送するためのプロセスガス管の一端が接続されている。水蒸気管の他端及びプロセスガス管の他端は互いに合流して、合流管の一端に接続されている。合流管の他端は、プラズマ処理装置に接続されている。特許文献１に記載の装置では、貯水タンクにおいて生成された水蒸気と、プロセスガスタンクからのＣＦ４ガスとが混合された混合ガスが、混合ガス管を介してプラズマ処理装置に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８７９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、液面高さが過剰に高くなったり低くなったりする等、タンク内の液面高さが異常な状態になることを防止するために、タンク内の液面高さが所定の高さよりも高い位置にあるか否かを検出するセンサを利用することが考えられる。このようなセンサとしては、図１２に示すようなセンサが利用されている。
【０００６】
図１２に示すセンサＬＳは、ロッドＬＤ、発光素子ＥＭ及び受光素子ＲＥを備えている。ロッドＬＤは、透光性の材料から構成されており、先端部ＬＤ１及び本体部ＬＤ３を有している。本体部ＬＤ３は、略円柱形状を有しており、先端部ＬＤ１は当該本体部ＬＤ３の一端に連続している。先端部ＬＤ１は、本体部ＬＤ３の他端、即ち基端部ＬＤ２から離れるにつれて縮径する円錐形状を有している。ロッドＬＤは、本体部ＬＤ３と先端部ＬＤ１との境界が基準位置ＲＨに位置するように配置される。この基準位置ＲＨは、タンクの底部を基準とする高さ方向の位置である。なお、図１２において、液面ＦＬはタンク内の水面を表している。
【０００７】
図１３は、先端部ＬＤ１を含むロッドＬＤの一部の拡大断面図であり、ロッドＬＤの中心軸線Ｚ１を含む平面において当該ロッドＬＤを切断して示す断面図である。先端部ＬＤ１は、先端角αを有している。図１３に示すように、先端角αは、中心軸線Ｚ１を含む断面において先端部ＬＤ１の表面が形成する二つの線（図中、参照符号「Ｘ」で示す）がなす角度として定義される。換言すると、先端角αは、中心軸線Ｚを含む平面と先端部ＬＤ１の表面との二つの交線がなす角度である。
【０００８】
図１２に戻り、発光素子ＥＭ及び受光素子ＲＥは、基端部ＬＤ２上に設けられている。発光素子ＥＭは、例えば発光ダイオードであり、受光素子ＲＥは、例えばフォトトランジスタである。発光素子ＥＭは、基端部ＬＤ２に対して光を出射する。基端部ＬＤ２に入射した光は、先端部ＬＤ１に向かって本体部ＬＤ３を伝搬し、先端部ＬＤ１において反射される。先端部ＬＤ１において反射された光は、再び本体部ＬＤ３を伝搬し、基端部ＬＤ２を透過して、受光素子ＲＥによって受光される。受光素子ＲＥは、受光した光の強度に応じた電圧を出力する。即ち、受光素子ＲＥは、受光した光の強度が大きいほど、大きな電圧を出力する。
【０００９】
このセンサＬＳは、水と空気の屈折率の差を利用して、先端部ＬＤ１の水の接触状態を検知する。図１２の（ａ）に示すように、先端部ＬＤ１が水に接していない場合、即ち、高さ方向において、液面ＦＬが、基準位置ＲＨよりも低い位置にある場合には、先端部ＬＤ１の屈折率と当該先端部ＬＤ１の表面に接する空気の屈折率の差が大きいので、先端部ＬＤ１において反射される光の量が多くなり、受光素子ＲＥによって受光される光の強度が大きくなる。一方、図１２の（ｂ）に示すように、先端部ＬＤ１が水と接している場合、即ち、液面ＦＬが、基準位置ＲＨと同一、又は、基準位置ＲＨよりも高い位置にある場合には、先端部ＬＤ１の屈折率と当該先端部ＬＤ１の表面に接する水の屈折率との差が小さいので、先端部ＬＤ１から水に透過する光の量が大きくなり、受光素子ＲＥによって受光される光の強度が小さくなる。このように、先端部ＬＤ１が水に接しているか否かに応じて受光素子ＲＥで受光される光の強度が変化するので、センサＬＳは、受光素子ＲＥで受光した光の強度に基づいて、先端部ＬＤ１の水の接触状態を検知することができる。先端部ＬＤ１の水の接触状態を検知することができれば、タンク内の液面ＦＬの高さ方向の位置が基準位置ＲＨと同じ、又は、それよりも高い位置にあるか否かを検知することができる。
【００１０】
しかしながら、本願発明者は、図１２に示すようなセンサを用いてタンク内の液面ＦＬの高さ方向の位置が基準位置ＲＨと同じ、又は、それよりも高い位置にあるか否かを検知しようとしたときに、次のような問題が生じることを発見した。例えば、図１４の（ａ）に示すように、液面ＦＬの高さ方向の位置が基準位置ＲＨよりも低いときにタンク内の水を加熱すると、ロッドＬＤの先端部ＬＤ１に水滴Ｄが付着することがある。先端部ＬＤ１に水滴Ｄが付着すると、ロッドＬＤの屈折率と水滴Ｄの屈折率の差が小さいので、先端部ＬＤ１から水滴Ｄに透過する光の量が増加する。その結果、受光素子ＲＥによって受光される光の強度が小さくなり、液面ＦＬの高さ方向の位置が基準位置ＲＨよりも所定の距離以上低い位置にあるにも関わらず、液面ＦＬの高さ方向の位置が基準位置ＲＨと同じ、又は、それよりも高い位置にあると誤検知されることがある。
【００１１】
また、図１４の（ｂ）に示すように、液面ＦＬの高さ方向の位置が基準位置ＲＨよりも高い位置にあるときにタンク内の水を加熱すると、タンク内の水が沸騰してロッドＬＤの先端部ＬＤ１に気泡Ｂが付着することがある。先端部ＬＤ１に気泡Ｂが付着すると、ロッドＬＤの屈折率と気泡Ｂの屈折率の差が大きいので、先端部ＬＤ１から基端部ＬＤ２に向けて反射される光の量が増加する。その結果、受光素子ＲＥによって受光される光の強度が大きくなり、液面ＦＬの高さ方向の位置が基準位置ＲＨよりも所定の距離以上高い位置にあるにも関わらず、液面ＦＬの高さ方向の位置が基準位置ＲＨよりも低い位置にあると誤検知されることがある。
【００１２】
かかる背景から、水との接触状態の誤検知を抑制することが可能なセンサ及び気化器を提供することが要請されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様では、水との接触状態に応じて異なる出力電圧を出力するセンサが提供される。このセンサは、ロッド、発光素子、フォトトランジスタ、出力回路、電源及び増幅回路を備えている。ロッドは、透光性を有しており、先端部及び基端部を有し、当該先端部と基端部の間で延在している。先端部の先端角は９７°以上１０７°以下である。発光素子は、ロッド内に伝搬させる光を基端部に対して出力する。フォトトランジスタは、基端部上に設けられ、発光素子から出力された光のうち、ロッドの先端部で反射された光を受光する。出力回路は、フォトトランジスタとグランド端子との間に設けられ、フォトトランジスタに直列に接続された抵抗素子を含み、フォトトランジスタを流れる電流に応じた大きさの電圧を出力する。電源は、フォトトランジスタ及び抵抗素子を含む直列回路に入力電圧を印加する。増幅回路は、出力回路から出力される電圧を増幅し、増幅した該電圧を出力電圧として出力する。発光素子とフォトトランジスタとの間で光の損失がないと仮定したときに、電源が生成する入力電圧Ｖｉｎと、増幅回路の出力電圧Ｖｏｕｔとは、下記式（１）；
｜Ｖｏｕｔ｜＝｜Ｇｖ・Ｖｉｎ｜      ・・・（１）
で表される関係を有している。この式（１）において、Ｇｖはゲインである。このセンサでは、該ゲインは３２００以上、１４０００未満の値に設定されている。
【００１４】
一態様に係るセンサでは、ロッドの先端部が９７°以上１０７°以下の先端角を有している。先端角を９７°以上にすることで、ロッドの先端部が水に接していないときの出力電圧を大きくすることができる。これは、先端角を９７°以上にすると、先端部において反射してフォトトランジスタによって受光される光の量が増加するためであると考えられる。また、先端角の上限値は１０７°である。この上限値は、先端部に付着した水滴が落下しやすくなるように規定された角度である。先端部に付着した水滴が落下することにより、水滴に起因するセンサの誤検知を減らすことができる。
【００１５】
さらに、このセンサでは、ゲインが、３２００以上１４０００未満に設定されている。ゲインを３２００以上に設定することによって、液面の高さ方向の位置が上述の所定位置よりも低い位置にあるときに先端部に水滴が付着した場合であっても、センサの出力電圧を大きくすることができる。よって、先端部に付着した水滴に起因するセンサの誤検知を減らすことができる。一方、センサのゲインが１４０００以上であると、水中において先端部に気泡が付着したときにセンサの出力電圧が大きくなりすぎてしまい、誤検知が発生することがある。このセンサでは、ゲインが１４０００未満に設定されているので、水中において先端部に気泡が付着したときに発生する誤検知を減らすことができる。故に、このセンサでは、誤検知を抑制することができる。
【００１６】
一実施形態では、ロッドは、１．４１４以上、１．６２７以下の屈折率を有する材料から構成されていてもよい。さらに、一実施形態では、ロッドは石英から構成されていてもよい。
【００１７】
一実施形態では、先端部は、他端から離れるにつれて互いに近づく２つの側面を含むくさび形状を有していてもよい。また、一実施形態では、先端部は、偶数個の側面を有し、他端から離れるについて先細りになる多角錐形状を有していてもよい。さらに、一実施形態では、先端部は、他端から離れるにつれて縮径する円錐形状を有していてもよい。
【００１８】
一実施形態では、ロッドの軸線方向が鉛直方向に一致した状態でロッドを保持する保持機構を更に備え、保持機構は、点接触又は線接触でロッドを保持してもよい。保持機構によってロッドが保持される場合には、ロッドと保持機構との接触部分では、光の屈折率が非接触部分と異なるので、ロッドに接触する接触物の材料によっては、ロッド内を伝播する光の一部が当該接触部分を介してロッドの外部に漏洩することがある。一実施形態では、ロッドが保持機構によって点接触又は線接触で保持されているので、ロッドと保持機構との接触面積を減らすことができ、その結果、ロッドと保持機構との接触部分で生じる光の損失を低減することができる。また、一実施形態では、保持機構は、ロッドの外周面を取り囲むＯリングを介してロッドを保持していてもよい。Ｏリングを介してロッドを保持することにより、ロッドと保持機構との接触面積を減らすことが可能となる。
【００１９】
一実施形態では、ロッドには、該ロッドの外周面から突出する突出部が形成され、該突出部はロッドの軸線方向において先端部と基端部との間の位置しており、保持機構は、突出部と先端部との間に設けられ、ロッドの軸線方向において突出部と対面する移動規制部を含んでもよい。かかる構成では、先端部に向かう力がロッドに作用した際に、移動規制部が突出部と当接することによってロッドの移動が規制される。このため、ロッドを確実に保持することができる。
【００２０】
本発明の一態様に係る気化器は、加熱器、上述の少なくとも一つのセンサ、給水部及び制御部を備える。加熱器は、タンク内の水を加熱して、水蒸気を発生させる。センサの先端部は空間内において高さ方向の所定位置に配置されている。給水部は、タンク内に水を供給する。制御部は、センサの増幅回路の出力電圧に応じて、給水部からタンクに対する水の供給を制御する。
【００２１】
一態様に係る気化器は、上述したセンサを備えることで、タンク内の液面の高さ方向の位置が極端に高くなったり、低くなったりするような異常な状態になることを防止することができる。
【００２２】
一実施形態では、制御部は、増幅回路の出力電圧が所定の閾値以上であるときに、タンク内に水が供給されるように給水部を制御してもよい。また、一実施形態では、少なくとも一つのセンサは、第１のセンサ及び第２のセンサを含み、第１のセンサの先端部は、高さ方向において第１の位置に配置され、第２のセンサの先端部は、高さ方向において第１の位置よりも高い第２の位置に配置されていてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の一態様及び種々の実施形態によれば、水との接触状態の誤検知を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】第１のセンサ及び第２のセンサを概略的に示す図である。
【図３】先端部を含むロッドの一部の拡大断面図である。
【図４】回路部の回路構成の具体的な一例を示す図である。
【図５】第１のセンサの動作原理について説明する図である。
【図６】一実施形態のプラズマ処理装置の制御方法を示す流れ図である。
【図７】別の実施形態のプラズマ処理装置の制御方法を示す流れ図である。
【図８】先端部の先端角とセンサの出力電圧との関係を示す図である。
【図９】センサのゲインと出力電圧との関係を示す図である。
【図１０】先端部に水が接触しているか否かの判定結果の経時的な変化、及び、流量制御器を通過する水蒸気の流量の経時的な変化を示す図である。
【図１１】第１のセンサの出力電圧の経時的変化を示す図である。
【図１２】従来のセンサの一例を示す図である。
【図１３】先端部を含むロッドの一部の拡大断面図である。
【図１４】従来のセンサの問題点を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００２６】
まず、一実施形態の気化器を備えるプラズマ処理装置について説明する。図１は、一実施形態のプラズマ処理装置１を概略的に示す図である。図１に示すプラズマ処理装置１は、本体部１０を備えている。
【００２７】
本体部１０は、処理容器１２を備えている。処理容器１２は、ウエハＷを収容するように構成されている。即ち、処理容器１２は、ウエハＷを収容するための空間Ｓ１を提供している。
【００２８】
一実施形態では、処理容器１２は、第１部分１２ａ及び第２部分１２ｂを有している。第１部分１２ａは、略筒形状を有しており、処理容器１２の側壁及び底部を構成している。この第１部分１２ａの上端は開口している。また、第２部分１２ｂは、第１部分１２ａの上端に搭載されており、処理容器１２の天井部を構成している。
【００２９】
処理容器１２の内部には、載置台１４が設けられている。載置台１４は、その上に載置されるウエハＷを保持するよう構成されている。一実施形態では、載置台１４は、ウエハＷを静電吸着するための静電チャックを有し得る。また、載置台１４内には、ヒータＨＴが設けられている。ヒータＨＴは、処理容器１２の外部に設けられたヒータ電源ＨＰに電気的に接続されている。
【００３０】
また、処理容器１２の側壁には、ウエハＷが通過し得る通路が形成されている。この通路を介して、ウエハＷは処理容器１２内に搬入され、また、処理容器１２から外部に搬出される。処理容器１２に形成された通路は、ゲートバルブＧＶＬによって開閉可能となっている。
【００３１】
また、処理容器１２の底部には、排気口１２ｅが形成されている。排気口１２ｅには排気装置１６が接続されている。排気装置１６は、処理容器１２内の空間Ｓ１及び後述する石英管２２内の空間Ｓ２を減圧するよう構成されている。
【００３２】
また、処理容器１２内の空間Ｓ１には、プレート１８が設けられている。このプレート１８は、載置台１４の上方に設けられており、当該載置台１４の上面に対面している。プレート１８は、多数の貫通孔が形成された板状体であり、例えば、石英から構成されている。
【００３３】
また、本体部１０は、プラズマ発生ユニット２０を更に備えている。プラズマ発生ユニット２０は、処理容器１２の天井部、即ち第２部分１２ｂ上に設けられている。このプラズマ発生ユニット２０は、石英管２２を有している。石英管２２は、鉛直方向に延びる略筒形状を有しており、石英から構成されている。石英管２２は、当該石英管２２の内部の空間Ｓ２が空間Ｓ１と連通するように、処理容器１２の天井部上に設けられている。
【００３４】
石英管２２には、ガス導入口２２ａが形成されている。ガス導入口２２ａには、配管３０の一端が接続されている。配管３０の他端は、三方弁Ｖ４の第１ポートに接続されている。三方弁Ｖ４の第２ポートには、配管３１の一端が接続されている。配管３１の他端は、ガス供給部ＧＵに接続されている。ガス供給部ＧＵは、ガス供給系ＧＳＳ１、ガス供給系ＧＳＳ２、及び、ガス供給系ＧＳＳ３を含んでいる。
【００３５】
ガス供給系ＧＳＳ１は、ガス源ＧＳ１、流量制御器Ｆ１、及び、バルブＶ１を含み得る。ガス源ＧＳ１は、希ガスのガス源である。希ガスは、例えばＡｒガスであるが、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｋｒガス、Ｘｅガスといった任意の希ガスであってもよい。流量制御器Ｆ１は、例えば、フローコントロールシステム（ＦＣＳ）であり、ガス源ＧＳ１からの希ガスの流量を調整する。バルブＶ１は、ガス源ＧＳ１からの希ガスの供給及び供給停止を切り替える。ガス供給系ＧＳＳ１は、本体部１０の空間Ｓ２に希ガスを供給する。
【００３６】
ガス供給系ＧＳＳ２は、ガス源ＧＳ２、流量制御器Ｆ２、及び、バルブＶ２を含み得る。ガス源ＧＳ２は、Ｏ２ガスのガス源である。流量制御器Ｆ２は、例えば、フローコントロールシステムであり、ガス源ＧＳ２からのＯ２ガスの流量を調整する。バルブＶ２は、ガス源ＧＳ２からのＯ２ガスの供給及び供給停止を切り替える。ガス供給系ＧＳＳ２は、本体部１０の空間Ｓ２にＯ２ガスを供給する。
【００３７】
ガス供給系ＧＳＳ３は、ガス源ＧＳ３、流量制御器Ｆ３、及び、バルブＶ３を含み得る。ガス源ＧＳ３は、Ｎ２ガスのガス源である。流量制御器Ｆ３は、例えば、フローコントロールシステムであり、ガス源ＧＳ３からのＮ２ガスの流量を調整する。バルブＶ３は、ガス源ＧＳ３からのＮ２ガスの供給及び供給停止を切り替える。ガス供給系ＧＳＳ３は、本体部１０の空間Ｓ２、及び、後述する気化器５０の空間Ｓ３にＮ２ガスを供給する。
【００３８】
また、プラズマ発生ユニット２０は、プラズマ源を更に有している。一実施形態では、プラズマ発生ユニット２０は、プラズマ源としてコイル２４を有している。コイル２４は、石英管２２の外周面を囲むように設けられており、高周波電源ＲＧに電気的に接続されている。コイル２４に高周波電源ＲＧからの高周波電力が与えられると、石英管２２内の空間Ｓ２に供給されたガスが励起され、プラズマが生成される。このコイル２４は、後述する気化器５０で発生した水蒸気のプラズマを生成するプラズマ生成部として機能する。プラズマの生成により得られる活性種は、空間Ｓ２から空間Ｓ１に流れ、ウエハＷに対して供給される。これにより、ウエハＷに含まれる有機物又はウエハＷに付着した有機物の除去等が行われる。なお、プラズマ発生ユニット２０は筐体２６を更に有しており、石英管２２及びコイル２４は、筐体２６内に収容されている。
【００３９】
プラズマ処理装置１は、気化器５０を更に備えている。気化器５０は、プラズマ発生ユニット２０に水蒸気、即ち気体状のＨ２Ｏを供給する機構である。気化器５０は、タンク５２を備えている。タンク５２は、底面、側面及び上面を含み、内部に水を貯留するための空間Ｓ３を画成している。タンク５２の上面には、後述するセンサを挿入するための二つの貫通孔５２ａ及び５２ｂが形成されている。貫通孔５２ａ及び５２ｂの内面にはＯリング５３が設けられている（図２参照）。タンク５２の外側面には、温度センサＴＳが設けられている。温度センサＴＳは、例えば白金抵抗温度センサであり、タンク５２内に貯えられている水の温度を測定する。タンク５２の下方には、加熱器５４が設けられている。加熱器５４は、電源５６に接続されおり、電源５６から供給される電力によって発熱し、タンク５２内の水を加熱する。加熱器５４からの熱により水が加熱されると、タンク５２内の水が気化して水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、空間Ｓ３の上部に蓄えられる。タンク５２の上部には、タンク５２内の水蒸気を排出するための通気口５８が設けられている。
【００４０】
通気口５８には、配管３２の一端が接続されている。配管３２の他端は、配管３３及び配管３４に分岐している。配管３３は、三方弁Ｖ４の第３ポートに接続されている。この三方弁Ｖ４は、配管３１及び配管３３の何れか一方を配管３０に選択的に連通させるバルブである。即ち、三方弁Ｖ４は、ガス供給系ＧＳＳ１，ＧＳＳ２，ＧＳＳ３からのガス、及び、気化器５０からの水蒸気の何れか一方が本体部１０の空間Ｓ２に選択的に供給されるように各ポートの接続を切り替える。また、配管３２にはバルブＶ５が設けられており、配管３３には流量制御器Ｆ４が設けられている。この流量制御器Ｆ４は、配管３３を介して流量制御器Ｆ４に導入されたガスの流量に対して当該流量制御器Ｆ４を通過するガスの流量の割合（以下、「流量制御器通過率」という。）を０％〜１００％の範囲で制御する機能を有している。配管３２及び配管３３は、気化器５０から排出された水蒸気を、配管３０を介して本体部１０の空間Ｓ２に搬送する流路を提供する。
【００４１】
配管３４は、ガス供給系ＧＳＳ３のガス源ＧＳ３に接続されている。この配管３４には、バルブＶ６が設けられている。配管３２及び配管３４は、ガス源ＧＳ３からのＮ２ガスをタンク５２内に搬送する流路を提供する。
【００４２】
また、気化器５０は、第１のセンサ６０ａ及び第２のセンサ６０ｂを更に備えている。第１のセンサ６０ａ及び第２のセンサ６０ｂは、水との接触状態に応じて異なる出力電圧を出力する。この出力電圧は、後述するロッドの材質、液面からの距離、及び、ロッドの先端角度によって調整することが可能である。
【００４３】
図２は、第１のセンサ６０ａ及び第２のセンサ６０ｂを概略的に示す図である。図２において、液面ＦＬはタンク５２内の水面を表している。第１のセンサ６０ａは、ロッド６１及び回路部６５を備えている。第２のセンサ６０ｂは、ロッド６２及び回路部６６を備えている。ロッド６１及びロッド６２の各々は、透光性且つ長尺状の部材である。一実施形態では、ロッド６１及びロッド６２の各々は、１．４１４以上、１．６２７以下の屈折率を有する任意の材料から構成され得る。このような屈折率を有する材料としては、石英（屈折率：１．４６）、蛋白石（屈折率：１．４７）、蛍石（屈折率：１．４３）、光学ガラス（屈折率：１．４３）等が例示される。
【００４４】
ロッド６１は、先端部６１ａ及び本体部６１ｃを有している。本体部６１ｃは、略円柱形状を有しており、タンク５２の外部からタンク５２の内部まで鉛直方向に延在している。先端部６１ａは、本体部６１ｃの一端、即ち下端に連続している。先端部６１ａは、本体部６１ｃの他端、即ち基端部６１ｂから離れるにつれて縮径する円錐形状を有している。この先端部６１ａは、先端角α１を有している。図３の（ａ）は、先端部６１ａを含むロッド６１の一部の拡大断面図であり、ロッド６１の中心軸線Ｚ２を含む平面において当該ロッド６１を切断して示す断面図である。図３の（ａ）に示すように、先端角α１は、中心軸線Ｚ２を含む断面において、中心軸線Ｚ２上で互いに接する先端部６１ａの表面が形成する二つの線（図中、参照符号「６１Ｘ」で示す）がなす角度として定義される。換言すると、先端角α１は、中心軸線Ｚ２を含む平面と中心軸線Ｚ２上で互いに接する先端部６１ａの表面との二つの交線６１Ｘがなす角度である。この先端角α１は、９７°以上１０７°以下の角度に設定されている。
【００４５】
なお、先端部６１ａは、先端角α１を有していれば、円錐形とは異なる形状を有していてもよい。例えば、先端部６１ａは、基端部６１ｂから離れるにつれて互いに近づく２つの側面を含むくさび形状を有していてもよい。また、先端部６１ａは、偶数個の側面を有し、基端部６１ｂから離れるについて先細りになる多角錐形状を有していてもよい。先端部６１ａがくさび形状又は多角錐形状を有する場合においても、先端角α１は、中心軸線Ｚ２を含む断面において、中心軸線Ｚ２上で互いに接する先端部６１ａの表面が形成する二つの線がなす角度として定義される。なお、一実施形態では、先端部６１ａの表面には研磨による鏡面加工が施されており、一方、本体部６１ｃの表面には鏡面加工が施されていなくてもよい。
【００４６】
一実施形態では、第１のセンサ６０ａは保持機構１５０ａを更に備え得る。保持機構１５０ａは、ロッド６１の軸線方向が鉛直方向に一致した状態でロッド６１を保持する機構である。保持機構１５０ａは、先端部６１ａが貫通孔５２ａを介してタンク５２の内部に挿入された状態でロッド６１を保持する。これにより、ロッド６１は、先端部６１ａがタンク５２内に位置し、基端部６１ｂがタンク５２の外部に位置するように配置される。より詳細には、ロッド６１の本体部６１ｃと先端部６１ａとの境界が、タンク５２の底部を基準とする高さ方向において第１の基準位置（第１の位置）Ｈ１に配置される。
【００４７】
保持機構１５０ａは、フランジ１５２、プレート１５４及び環状体１５６を備えている。フランジ１５２は、本体部６１ｃの外径よりも僅かに大きな内径を有する環状部材であり、本体部６１ｃの外周を取り囲むように設けられている。このフランジ１５２は、タンク５２の上面上に固定されている。プレート１５４は、略Ｌ字形状の縦断面を有する板材であり、第１の部分１５４ａ及び第２の部分１５４ｂを含んでいる。第１の部分１５４ａはフランジ１５２上に固定されており、第２の部分１５４ｂは第１の部分１５４ａに対して略垂直に設けられている。環状体１５６は、本体部６１ｃの外径よりも僅かに大きな内径を有する環状を有しており、本体部６１ｃの外周面を取り囲むようにフランジ１５２の上方に設けられている。この環状体１５６は、第２の部分１５４ｂに固定されている。一実施形態では、環状体１５６には、その内周面に沿ってＯリング１５８が固定されている。このＯリング１５８は、環状体１５６と本体部６１ｃとの間で圧縮された状態で設けられている。これにより、本体部６１ｃの外周面にはＯリング１５８を介して押圧力が付与される。この押圧力によってロッド６１が保持機構１５０ａに保持される。ここで、ロッド６１はＯリング１５８を介して保持機構１５０ａに保持されているので、ロッド６１と保持機構との接触は実質的に線接触となる。なお、図２では、環状体１５６と本体部６１ｃとの間に一つのＯリングが設けられているが、一実施形態では、複数のＯリングが環状体１５６と本体部６１ｃとの間に設けられていてもよい。複数のＯリングを設けることにより、ロッド６１をより確実に保持することが可能となる。
【００４８】
なお、保持機構１５０ａは、当該保持機構１５０ａとロッド６１との接触が点接触になるようにロッド６１を保持してもよい。例えば、複数の粒状の弾性体が環状体１５６と本体部６１ｃとの間で圧縮された状態で設けられており、当該複数の粒状の弾性体を介して本体部６１ｃの外周面に押圧力が付与されることによってロッド６１が保持されてもよい。これにより、ロッド６１が実質的に点接触で保持される。なお、ロッド６１を保持するための構成は、上述した構成に限られない。例えば、本体部６１ｃに向けて突出する凸部が形成された環状の弾性体が環状体１５６と本体部６１ｃとの間で圧縮された状態で配置されており、この凸部が本体部６１ｃに点接触するようにしてもよい。また、一部分が他の部分よりも拡径された環状の弾性体が環状体１５６と本体部６１ｃとの間で圧縮された状態で配置されており、この拡径された一部分が本体部６１ｃに線接触するようにしてもよい。
【００４９】
ロッド６１と保持機構１５０ａとの接触部分では、光の屈折率が非接触部分と異なるので、ロッド６１に接触する接触物の材料によってはロッド６１内を伝播する光の一部が当該接触部分を介してロッドの外部に漏洩することがある。これに対し、上記構成では、ロッド６１を点接触又は線接触で保持しているのでロッド６１と保持機構１５０ａとの接触面積を極めて小さくすることができる。これにより、ロッド６１と保持機構１５０ａとの間の接触部分で生じる光の損失を低減することができ、光の損失に起因するセンサ感度の低下を抑制することができる。なお、上述の点接触及び線接触という用語は、接触面積が０であることを示す幾何学的な点接触及び線接触を意味するものではなく、接触面積が極めて小さな実質的な点接触及び線接触であることを示している。例えば、図２に示す構成では、Ｏリング１５８の弾性変形量に応じた面積で本体部６１ｃとＯリング１５８が接触することになるが、例えばロッド６１の表面に接着剤又は封止剤を塗布してプレート１５４に固定する方法に比べてロッド６１と保持機構１５０ａとの間の接触面積を小さくすることができる。
【００５０】
また、一実施形態では、ロッド６１の先端部６１ａと基端部６１ｂとの間の位置には本体部６１ｃの表面から突出する突出部６１ｐが形成されていてもよい。この突出部６１ｐは、フランジ１５２とプレート１５４の第１の部分１５４ａとの間に配置されている。突出部６１ｐが形成された位置におけるロッド６１の軸線方向に直交する方向の幅Ｄは、フランジ１５２の内径ｄよりも小さくなっている。よって、フランジ１５２は、ロッド６１の軸線方向において突出部６１ｐと対面する。かかる構成では、ロッド６１に対してタンク５２に向かう力が作用したときに、突出部６１ｐがフランジ１５２の上面に当接することによってロッド６１の全体がタンク５２内に挿入されることが防止される。即ち、フランジ１５２は、ロッド６１の先端部６１ａ方向への移動を規制する移動規制部として機能する。
【００５１】
ロッド６１と同様に、ロッド６２は、先端部６２ａ及び本体部６２ｃを有している。本体部６２ｃは、略円柱形状を有しており、タンク５２の外部からタンク５２の内部まで鉛直方向に延在している。先端部６２ａは、本体部６２ｃの一端、即ち下端に連続している。先端部６２ａは、本体部６２ｃの他端、即ち基端部６２ｂから離れるにつれて縮径する円錐形状を有している。この先端部６２ａは、先端角α２を有している。図３の（ｂ）は、先端部６２ａを含むロッド６２の一部の拡大断面図であり、ロッド６２の中心軸線Ｚ３を含む平面において当該ロッド６２を切断して示す断面図である。図３の（ｂ）に示すように、先端角α２は、中心軸線Ｚ３を含む断面において、中心軸線Ｚ３上で互いに接する先端部６２ａの表面が形成する二つの線（図中、参照符号「６２Ｘ」で示す）がなす角度として定義される。換言すると、先端角α２は、中心軸線Ｚ３を含む平面と中心軸線Ｚ３上で互いに接する先端部６２ａの表面との二つの交線６２Ｘがなす角度である。この先端角α２は、先端角α１と同一の角度であってもよいし、異なる角度であってもよい。
【００５２】
なお、先端部６１ａと同様に、先端部６２ａは先端角α２を有していれば、円錐形とは異なる形状を有し得る。例えば、先端部６２ａは、基端部６２ｂから離れるにつれて互いに近づく２つの側面を含むくさび形状を有していてもよい。また、先端部６２ａは、偶数個の側面を有し、基端部６２ｂから離れるについて先細りになる多角錐形状を有していてもよい。先端部６２ａがくさび形状又は多角錐形状を有する場合においても、先端角α２は、中心軸線Ｚ３を含む断面において、中心軸線Ｚ３上で互いに接する先端部６２ａの表面が形成する二つの線がなす角度として定義される。なお、一実施形態では、先端部６２ａの表面には研磨による鏡面加工が施されており、一方、本体部６２ｃの表面には鏡面加工が施されていなくてもよい。
【００５３】
また、一実施形態では、第２のセンサ６０ｂは、保持機構１５０ｂを更に備え得る。保持機構１５０ｂは、ロッド６２の軸線方向が鉛直方向に一致した状態でロッド６２を保持する機構である。保持機構１５０ｂは、先端部６２ａが貫通孔５２ｂを介してタンク５２の内部に挿入された状態でロッド６２を保持する。これにより、先端部６２ａがタンク５２内に位置し、基端部６２ｂがタンク５２の外部に位置するように配置される。より詳細には、ロッド６２の本体部６２ｃと先端部６２ａとの境界が、タンク５２の底部を基準とする高さ方向において第２の基準位置（第２の位置）Ｈ２に配置される。この第２の基準位置Ｈ２は、第１の基準位置Ｈ１よりも上方の位置である。保持機構１５０ｂは、保持機構１５０ａと同様にフランジ１５２、プレート１５４及び環状体１５６を備えている。保持機構１５０ｂは、保持機構１５０ａと略同一の構成を備えているので、再度の説明を省略する。また、図２では、ロッド６２の長さがロッド６１の長さよりも短く描かれているが、ロッド６２はロッド６１の長さと同一、又は、それ以上の長さを有していてもよい。
【００５４】
また、一実施形態では、ロッド６２の先端部６２ａと基端部６２ｂとの間の位置には本体部６２ｃの表面から突出する突出部６２ｐが形成されていてもよい。この突出部６２ｐは、フランジ１５２とプレート１５４の第１の部分１５４ａとの間に配置されている。突出部６２ｐが形成された位置におけるロッド６２の軸線方向に直交する方向の幅は、フランジ１５２の内径よりも小さくなっている。よって、フランジ１５２は、ロッド６２の軸線方向において突出部６２ｐと対面する。かかる構成では、ロッド６２に対してタンク５２に向かう力が作用したときに、突出部６２ｐがフランジ１５２の上面に当接することによってロッド６２の全体がタンク５２内に挿入されることが防止される。即ち、フランジ１５２は、ロッド６２の先端部６２ａ方向への移動を規制する移動規制部として機能する。
【００５５】
次に、第１のセンサ６０ａ及び第２のセンサ６０ｂが備える回路部について説明する。図２に示すように、第１のセンサ６０ａの回路部６５は、フォトリフレクタ６４を有している。フォトリフレクタ６４は、発光素子１０４、及び、受光素子であるフォトトランジスタ１０６を含んでいる。発光素子１０４及びフォトトランジスタ１０６は、基端部６１ｂ上に設けられている。発光素子１０４は、基端部６１ｂに対して光を出力する。基端部６１ｂに入射した光は、本体部６１ｃ内で伝搬して先端部６１ａに入射する。先端部６１ａに入射した光の全部又は一部は反射される。先端部６１ａで反射された光は、本体部６１ｃ内で伝搬して基端部６１ｂに向かい、フォトトランジスタ１０６によって受光される。フォトトランジスタ１０６は、受光した光の強度（光量）に応じた電流を出力する。そして、回路部６５は、当該電流に応じた電圧を生成し、当該電圧を増幅して出力電圧を生成する。なお、第２のセンサ６０ｂの回路部６６は、第１のセンサ６０ａの回路部６５と同一の回路構成及び機能を有している。以下では特に区別する必要があるときを除き、回路部６６の説明は省略し、回路部６５についてのみ説明する。
【００５６】
図４は、回路部６５の回路構成の具体的な一例を示している。回路部６５には、交流電源ＡＣが設けられている。交流電源ＡＣは、入力電圧Ｖｉｎを生成する。交流電源ＡＣの一方の端子は、抵抗素子１０２の一方の端子に接続されている。交流電源ＡＣの他方の端子は、グランド端子ＧＮＤに接続されている。抵抗素子１０２の他方の端子は、発光素子１０４のアノードに接続されている。発光素子１０４のカソードはグランド端子ＧＮＤに接続されている。抵抗素子１０２及び発光素子１０４は、互いに直列に接続されている。この発光素子１０４は、例えば発光ダイオードであり、当該発光素子１０４に流れる電流に応じた強度を有する光を出射する。
【００５７】
また、回路部６５は、フォトトランジスタ１０６を含んでいる。このフォトトランジスタ１０６は、抵抗素子１０２及び発光素子１０４からなる直列回路に対して並列に接続されている。フォトトランジスタ１０６のコレクタ端子１０６Ｃは、交流電源ＡＣの一方の端子に接続されている。フォトトランジスタ１０６のエミッタ端子１０６Ｅは、当該フォトトランジスタ１０６に対して直列に接続された抵抗素子１０８の一方の端子に接続されている。抵抗素子１０８の他方の端子は、グランド端子ＧＮＤに接続されている。これらフォトトランジスタ１０６及び抵抗素子１０８を含む直列回路には、交流電源ＡＣから入力電圧が印加される。このフォトトランジスタ１０６は、発光素子１０４から受光した光の強度に応じて、コレクタ端子１０６Ｃからエミッタ端子１０６Ｅに流れる電流を変化させる。具体的に、フォトトランジスタ１０６によって受光される光の強度が大きくなると、コレクタ端子１０６Ｃからエミッタ端子１０６Ｅに流れる電流が大きくなり、フォトトランジスタ１０６によって受光される光の強度が小さくなると、コレクタ端子１０６Ｃからエミッタ端子１０６Ｅに流れる電流が小さくなる。このフォトトランジスタ１０６に接続された抵抗素子１０８の両端間には、コレクタ端子１０６Ｃからエミッタ端子１０６Ｅに流れる電流に応じた電圧が発生する。即ち、フォトトランジスタ１０６によって受光される光の強度が大きくなるほど大きな電圧が抵抗素子１０８の両端間に発生する。
【００５８】
また、フォトトランジスタ１０６のエミッタ端子１０６Ｅ及び抵抗素子１０８の一方の端子には、第１の端子１１０ａが接続されている。さらに、抵抗素子１０８の他方の端子には、第２の端子１１０ｂが接続されている。したがって、抵抗素子１０８の両端間の電圧は、第１の端子１１０ａと第２の端子１１０ｂとの間の電圧Ｖｃｅとして出力される。これら抵抗素子１０８、第１の端子１１０ａ及び第２の端子１１０ｂは、電圧Ｖｃｅを出力するための出力回路７０として機能している。なお、図４に示す回路例では、電圧Ｖｃｅは入力電圧Ｖｉｎよりも小さい。
【００５９】
回路部６５は、電圧Ｖｃｅを増幅して、増幅した電圧を第３の端子１１８ａと第４の端子１１８ｂ間の出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する増幅回路１２０を更に有している。この増幅回路１２０は、抵抗素子１１２、抵抗素子１１４、及びオペアンプ１１６を有している。抵抗素子１１２の一方の端子は、上述の第１の端子１１０ａに接続されている。抵抗素子１１２の他方の端子は、抵抗素子１１４の一方の端子に接続されており、且つ、オペアンプ１１６の反転入力端子に接続されている。抵抗素子１１４の他方の端子は、オペアンプ１１６の出力端子及び第３の端子１１８ａに接続されている。オペアンプ１１６の非反転入力端子は、第２の端子１１０ｂに接続されており、且つ、第４の端子１１８ｂに接続されている。この第４の端子１１８ｂは、第２の端子１１０ｂに接続されている。
【００６０】
この回路部６５では、抵抗素子１１２の抵抗値をＲｉとし、抵抗素子１１４の抵抗値をＲｆとしたときに、出力電圧Ｖｏｕｔと電圧Ｖｃｅとが、下記式（２）に示す関係を有する。即ち、増幅回路１２０は、電圧Ｖｃｅに対して位相が反転した出力電圧Ｖｏｕｔを出力する反転増幅回路である。
Ｖｏｕｔ＝−（Ｒｆ／Ｒｉ）・Ｖｃｅ      ・・・（２）
【００６１】
なお、増幅回路１２０は、電圧Ｖｃｅを増幅して出力することができれば図４に示す反転増幅回路に限定されるものではない。例えば、増幅回路１２０として、電圧Ｖｃｅと同位相の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する非反転増幅回路が用いられてもよい。また、一実施形態では、増幅回路１２０が整流回路を更に含み、当該整流回路が第３の端子１１８ａと第４の端子１１８ｂとの間に発生する交流電圧を直流電圧に変換し、当該直流電圧が出力電圧Ｖｏｕｔとして出力されてもよい。さらに、一実施形態では、交流電源ＡＣに代えて直流電源が用いられてもよい。
【００６２】
次に、第１のセンサ６０ａ及び第２のセンサ６０ｂの動作原理について説明する。第１のセンサ６０ａ及び第２のセンサ６０ｂは、互いに同一の機能及び特性を有しているので、以下では特に区別する必要があるときを除き、第１のセンサ６０ａについて説明する。図５の（ａ）は、タンク５２内の液面ＦＬの高さ方向の位置が第１の基準位置Ｈ１よりも低い状態、即ち、第１のセンサ６０ａの先端部６１ａが水中にない状態を示している。図５の（ｂ）は、タンク５２内の液面ＦＬの高さ方向の位置が第１の基準位置Ｈ１よりも高い状態、即ち、第１のセンサ６０ａの先端部６１ａが水中にある状態を示している。
【００６３】
図５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトリフレクタ６４の発光素子１０４から出射された光は、基端部６１ｂから先端部６１ａに向けてロッド６１内を伝搬する。先端部６１ａに到達した光の全部又は一部は、先端部６１ａにおいて反射される。先端部６１ａで反射された光は、基端部６１ｂに向けて伝搬し、フォトトランジスタ１０６によって受光される。そして、フォトトランジスタ１０６を流れる電流に応じた出力電圧Ｖｏｕｔが後述する制御部４０に出力される。
【００６４】
先端部６１ａにおいて反射される光の量は、先端部６１ａとの水との接触状態によって定まる。図５の（ａ）に示すように、先端部６１ａが水に接していない場合、即ち、高さ方向において、液面ＦＬが第１の基準位置Ｈ１よりも低い位置にある場合には、先端部６１ａの屈折率と当該先端部６１ａの表面に接する空気の屈折率の差が大きいので、先端部６１ａにおいて反射される光の量が多くなり、フォトトランジスタ１０６によって受光される光の強度が大きくなる。一方、図５の（ｂ）に示すように、先端部６１ａが水と接している場合、即ち、液面ＦＬが第１の基準位置Ｈ１と同一、又は、第１の基準位置Ｈ１よりも高い位置にある場合には、先端部６１ａの屈折率と当該先端部６１ａの表面に接する水の屈折率との差が小さいので、先端部６１ａから水に透過する光の量が大きくなり、フォトトランジスタ１０６によって受光される光の強度が小さくなる。このように、先端部６１ａにおいて反射される光の量が先端部６１ａの水との接触状態に応じて増減するので、第１のセンサ６０ａの回路部６５から出力される出力電圧Ｖｏｕｔを所定の閾値と比較することによって、先端部６１ａが水に接触しているか否かを判別することが可能となる。
【００６５】
また、先端部６１ａにおいて反射される光の量は、先端部６１ａの先端角α１にも依存する。一例として、中心軸線Ｚ２に平行な方向に進行して先端部６１ａの表面に入射する光について考える。この光は、先端部６１ａの表面にα１／２の入射角で入射する。例えば先端部６１ａの先端角α１が９０°であるときには、先端部６１ａに入射した光は、先端部６１ａの表面において４５°の反射角で２回反射し、中心軸線Ｚ２に平行な方向に沿って先端部６１ａから基端部６１ｂに向けて再び進行する。このような反射をしたときに、先端部６１ａの表面で生じる光の損失は最も小さくなる。即ち、発光素子１０４から中心軸線Ｚ２に平行な方向に進行する光が出射されたときには、先端部６１ａの先端角α１を９０°に設定するとフォトトランジスタ１０６において受光される光の量が最も大きくなる。
【００６６】
しかしながら、実際には、発光素子１０４から出射し、先端部６１ａに向けて本体部６１ｃを進行する光は発散光であり、中心軸線Ｚ２に平行な方向に進行する成分のみでなく、様々な角度成分を有する光である。具体的に、先端部６１ａに向けて本体部６１ｃを進行する光の強度分布は、角度方向においてガウス分布を有している。このような発散光は、先端角α１を９０°以上に設定することで、先端部６１ａにおいて効率よく反射されるものと推測される。上述したように、先端部６１ａの先端角α１は９７°以上の角度を有しているので、発光素子１０４から出射された光を先端部６１ａにおいて効率よく反射することができる。また、先端角α１は１０７°以下である。先端角α１を１０７°以下にすることにより、先端部６１ａに付着した水滴が落下しやすくなる。
【００６７】
次に、第１のセンサ６０ａの特性について説明する。第１のセンサ６０ａにおいて、発光素子１０４とフォトトランジスタ１０６との間で光の損失がないと仮定したときに、入力電圧Ｖｉｎと、回路部６５の出力電圧Ｖｏｕｔとは、下記式（１）で表される関係を有している。下記式（１）において、Ｇｖは第１のセンサ６０ａのゲインを表している。式（１）に示すように、ゲインＧｖを大きく設定することで、一定の入力電圧Ｖｉｎに対する出力電圧Ｖｏｕｔが増加する。このゲインＧｖは、抵抗素子１１２の抵抗値Ｒｉ、及び、抵抗素子１１４の抵抗値Ｒｆを変更することによって調整することが可能である。
【００６８】
｜Ｖｏｕｔ｜＝｜Ｇｖ・Ｖｉｎ｜      ・・・（１）
【００６９】
第１のセンサ６０ａでは、式（１）に示すゲインＧｖが、３２００以上、１４０００未満に設定されている。ゲインを３２００以上に設定することによって、液面ＦＬの高さ方向の位置が第１の基準位置Ｈ１よりも低いときに、先端部６１ａに水滴が付着した場合であっても、出力電圧Ｖｏｕｔを大きくすることができる。よって、先端部６１ａに水滴が付着したときに出力電圧Ｖｏｕｔが所定の閾値を下回ることが抑制され、その結果、先端部６１ａに付着した水滴に起因するセンサの誤検知を抑制することができる。一方、ゲインを１４０００以上に設定すると、水中において先端部６１ａに気泡が付着したときに、出力電圧Ｖｏｕｔが大きくなりすぎてしまい、誤検知が発生することがある。第１のセンサ６０ａでは、ゲインが１４０００未満に設定されているので、出力電圧Ｖｏｕｔが過剰に大きくなることが抑制され、その結果、水中において先端部６１ａに付着した気泡に起因する誤検知を抑制することができる。また、上述したように、第２のセンサ６０ｂは、第１のセンサ６０ａと同様の構成、機能及び特性を有している。よって、第２のセンサ６０ｂでも、先端部６２ａに付着した水滴に起因するセンサの誤検知を抑制することができ、且つ、水中において先端部６２ａに付着した気泡に起因する誤検知を抑制することができる。
【００７０】
再び図１を参照する。図１に示すように、タンク５２には導管７２が設けられている。導管７２は、その先端が空間Ｓ３の下部に位置するようにタンク５２の外部からタンク５２の内部まで略鉛直方向に延在している。導管７２には、配管７４の一端が接続されている。配管７４の他端には、給水部７６が接続されている。給水部７６は、給水用の水を貯留しており、配管７４を介して水をタンク５２内に供給する。配管７４の途中位置にはバルブＶ７が設けられている。バルブＶ７は、給水部７６からタンク５２に対する水の供給及び供給停止を切り替える。また、バルブＶ７よりも配管７４の一端に近い配管７４上の位置には、排水管７８が接続されている。排水管７８は、導管７２及び配管７４を介してタンク５２から排出された水を気化器５０の外部に排出する。また、排水管７８の途中位置にはバルブＶ８が設けられている。バルブＶ８は、タンク５２内の水の排出、及び、排出停止を切り替える。
【００７１】
さらに、プラズマ処理装置１は、制御部４０を備えている。制御部４０は、プラズマ処理装置１の各部を制御する。制御部４０は、例えば、プロセッサ、記憶装置、入力装置、表示装置等を備えるコンピュータであり得る。制御部４０は、プラズマ処理装置１の各部を制御するためのプログラムを記憶装置に格納しており、当該プログラムを実行することにより、プラズマ処理装置１の各部、例えば、バルブＶ１〜Ｖ３，Ｖ５〜Ｖ８、三方弁Ｖ４、流量制御器Ｆ１〜Ｆ４、高周波電源ＲＧ、ヒータ電源ＨＰ、排気装置１６、及び、電源５６を制御する。一例では、制御部４０は、第１のセンサ６０ａ及び第２のセンサ６０ｂから出力される出力電圧Ｖｏｕｔに応じて、給水部７６からタンク５２に対する水の供給を制御する。
【００７２】
次に、一実施形態のプラズマ処理装置１の制御方法について説明する。図６は、希ガス、Ｏ２ガス、及び、Ｎ２ガスのプラズマによってウエハＷをプラズマ処理するためのプラズマ処理装置１の制御方法ＭＴ１を示す流れ図である。
【００７３】
制御方法ＭＴ１では、まず工程ＳＴ１において、ガス供給部ＧＵからＯ２ガス、Ｎ２ガス、及び、希ガスが石英管２２内の空間Ｓ２に供給される。これらのガスを空間Ｓ２に供給するために、制御部４０は、バルブＶ１〜Ｖ３を開放し、バルブＶ５〜Ｖ８を閉鎖する。また、制御部４０は、配管３１が配管３０に対して連通されるように三方弁Ｖ４を制御する。このように各バルブが制御されることにより、ガス供給部ＧＵからのＯ２ガス、Ｎ２ガス、及び、希ガスが、配管３１及び配管３０を通って空間Ｓ２に供給される。
【００７４】
次いで、制御方法ＭＴ１では、工程ＳＴ２が行われる。工程ＳＴ２では、Ｏ２ガス、Ｎ２ガス、及び、希ガスのプラズマが生成される。このために、工程ＳＴ２では、高周波電源ＲＧからコイル２４に高周波電力が与えられる。この高周波電力によって、空間Ｓ２において、Ｏ２ガス、Ｎ２ガス、及び、希ガスのプラズマが生成される。そして、このプラズマの活性種によって、ウエハＷに含まれる有機物、及び／又はウエハＷに付着した有機物が除去される。即ち、アッシング処理が行われる。
【００７５】
次に、プラズマ処理装置１の別の制御方法について説明する。図７は、Ｈ２Ｏガス、即ち水蒸気のプラズマによってウエハＷをプラズマ処理するためのプラズマ処理装置１の制御方法ＭＴ２を示す流れ図である。
【００７６】
制御方法ＭＴ２では、まず工程ＳＴ１１において、タンク５２内の水の温度が設定温度に制御される。この設定温度は、タンク５２の容量、配管３０，３２の内径及び長さ、並びに、空間Ｓ２に供給されるべきＨ２Ｏガスの流量によって定まる温度であり、例えば摂氏５０度〜７８度である。タンク５２内の水の温度を制御するために、制御部４０は電源５６に制御信号を送信し、加熱器５４で生じる熱量を制御する。タンク５２内の水の温度が設定温度になると、次いで工程ＳＴ１２が行われる。工程ＳＴ１２では、気化器５０からＨ２Ｏガスが石英管２２内の空間Ｓ２に供給される。工程ＳＴ１２では、Ｈ２Ｏガスを空間Ｓ２に供給するために、制御部４０は、バルブＶ５を開放し、バルブＶ１〜３，Ｖ６〜Ｖ８を閉鎖する。また、制御部４０は、配管３３が配管３０に連通されるように三方弁Ｖ４を制御する。このように各バルブが制御されることにより、空間Ｓ３内のＨ２Ｏガスが配管３２、配管３３及び配管３０を通って空間Ｓ２に供給される。
【００７７】
次いで、制御方法ＭＴ２では、工程ＳＴ１３が行われる。工程ＳＴ１３では、Ｈ２Ｏガスのプラズマが生成される。このために、工程ＳＴ１３では、高周波電源ＲＧからコイル２４に高周波電力が与えられる。この高周波電力によって、空間Ｓ２において、Ｈ２Ｏガスのプラズマが生成される。そして、このプラズマの活性種によって、ウエハＷに含まれる有機物、及び／又はウエハＷに付着した有機物が除去される。即ち、アッシング処理が行われる。
【００７８】
次いで、制御方法ＭＴ２では、工程ＳＴ１４が行われる。工程ＳＴ１４では、タンク５２内の液面ＦＬの高さ方向の位置が第１の基準位置Ｈ１よりも低いか否かが判定される。制御部４０は、第１のセンサ６０ａの出力電圧Ｖｏｕｔの実効値（以下、単に「出力電圧Ｖｏｕｔ」という。）が所定の閾値以上であるときに、液面ＦＬの高さ方向の位置が第１の基準位置Ｈ１よりも低いと判定する。工程ＳＴ１４において、液面ＦＬの高さ方向の位置が第１の基準位置Ｈ１よりも低いと判定された場合、即ち、第１のセンサ６０ａの出力電圧Ｖｏｕｔが所定の閾値以上であると判定された場合には、工程ＳＴ１５が行われる。工程ＳＴ１５では、液面ＦＬの高さ方向の位置が第１の基準位置Ｈ１と同じに、又は、第１の基準位置Ｈ１よりも高くなるように給水部７６からタンク５２に水が供給される。タンク５２内に水を供給するために、制御部４０はバルブＶ７に制御信号を送信し、バルブＶ７を開放する。これにより、給水部７６に貯留された水が配管７４及び導管７２を介してタンク５２内に供給される。また、制御部４０は、液面ＦＬの高さ方向の位置が第１の基準位置Ｈ１と同じ、又は、第１の基準位置Ｈ１よりも高くなると、バルブＶ７を閉鎖してタンク５２に対する給水を停止する。
【００７９】
一方、工程ＳＴ１４において液面ＦＬの高さ方向の位置が第１の基準位置Ｈ１と同じ、又は、それよりも高い位置にあると判定されたときには、工程ＳＴ１６が行われる。また、工程ＳＴ１５において給水部７６からタンク５２に水が供給された場合にも、工程ＳＴ１６が行われる。この工程ＳＴ１６では、終了条件が満たされたか否かが判定される。例えば、工程ＳＴ１６では、工程ＳＴ１３のアッシング処理が所定回数以上実施されたか否かが判定される。工程ＳＴ１６において、終了条件が満たされていないと判定されたときには、工程ＳＴ１１が再び行われる。一方、工程ＳＴ１６において、終了条件が満たされたと判定されたときには、処理を終了する。
【００８０】
次に、先端部６１ａの先端角に関する実験結果について説明する。図８は、先端部６１ａが完全に空気と接している場合における、先端部６１ａの先端角と出力電圧Ｖｏｕｔとの関係を示す実験結果である。図８に示すように、先端部６１ａの先端角が８０°以上９７°未満の範囲内の角度である場合には、先端部６１ａの先端角が大きくなるほど出力電圧Ｖｏｕｔが大きくなることが確認された。一方、先端部６１ａの先端角が９７°以上１０７°以下の範囲内の角度である場合では、先端部６１ａの先端角が大きくなっても出力電圧Ｖｏｕｔは略一定となることが確認された。この結果は、図４に示すように、フォトトランジスタ１０６及び抵抗素子１０８を含む直列回路に入力電圧Ｖｉｎが印加されているので、抵抗素子１０８の両端子間に発生する電圧Ｖｃｅが入力電圧Ｖｉｎを超えないことに起因するものと推察される。
【００８１】
上記結果から、先端部６１ａの先端角を９７°以上にすることで、先端部６１ａが空気と接しているときのセンサの出力電圧Ｖｏｕｔが大きくなることが確認された。この結果は、先端角を９７°以上にすることによって、先端部６１ａにおいて反射されフォトトランジスタによって受光される光の量が増加したために得られたものであると考えられる。よって、先端部６１ａの先端角を９７°以上にすることで、タンク５２内の液面ＦＬが第１の基準位置Ｈ１よりも低い位置にあるときにロッド６１の先端部６１ａに水滴が付着したとしても、センサの出力電圧Ｖｏｕｔを大きなものにすることができる。これにより、先端部６１ａに水滴が付着した場合であっても出力電圧Ｖｏｕｔが所定の閾値を下回りにくくなるので、水滴の付着に起因するセンサの誤検知を抑制することが可能となる。また、ロッド６２の先端部６１ａの先端角を１０７°以下にすることにより、先端部６１ａに付着した水滴が落下しやすくなる。よって、先端部６１ａに水滴が付着することを抑制することができる。
【００８２】
次に、第１のセンサ６０ａのゲインＧｖに関する実験結果について説明する。この実験結果を得た実験では、先端部６１ａにおける光の全反射を模擬的に発生させるために、第１のセンサ６０ａからロッド６１を取り外し、フォトリフレクタ６４の直下に反射率が互いに異なる黄色及び紫色の色紙を配置した状態で発光素子１０４から光を出射させた。そして、これらの色紙が配置されたときに回路部６５から出力された出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ測定した。図９は、実験において得られた出力電圧ＶｏｕｔとゲインＧｖとの関係を示す図である。図９に示すように、回路部６５のゲインＧｖを増加させていくと、ある値以上のゲインＧｖに対して出力電圧Ｖｏｕｔが飽和して略一定となっていた。ここで、ゲインが４倍になったときに出力電圧Ｖｏｕｔの増加率が１１％以内となるゲインＧｖの範囲を平坦範囲と定義すると、平坦範囲の下限であるゲインＧｖは３２００となる。図９に示すように、第１のセンサ６０ａのゲインＧｖを平坦範囲に含まれる値に設定した場合には、回路部６５の直下に何れの色紙が配置された場合であっても、大きな出力電圧Ｖｏｕｔが出力されることが確認された。即ち、第１のセンサ６０ａのゲインＧｖを３２００以上に設定することにより、先端部６１ａにおける反射率が低く当該先端部６１ａの表面で光の損失が生じる場合でも、第１のセンサ６０ａから大きな出力電圧Ｖｏｕｔが出力させることができることが確認された。このことから、先端部６１ａに水滴が付着しており、当該先端部６１ａの表面から水滴に光が漏れて光の損失が生じる場合でも、第１のセンサ６０ａから大きな出力電圧Ｖｏｕｔが出力させることができることが確認された。
【００８３】
次に、加熱器５４によりタンク５２内の水を加熱し、タンク５２から石英管２２内の空間Ｓ２に水蒸気が間欠的に供給されるように流量制御器Ｆ４を制御した。そして、第１のセンサ６０ａの判定結果の経時的変化を得た。図１０の（ａ）〜（ｃ）の上段のグラフは、第１のセンサ６０ａのゲインＧｖをそれぞれ１４００、３２００、６５００に設定したときの、第１のセンサ６０ａの判定結果の経時的変化を示している。これらのグラフにおいて、縦軸は先端部６１ａの水の接触状態の判定結果であり、横軸は時間である。図１０の上段のグラフに示される判定結果の「１」とは、制御部４０において先端部６１ａが水に接触していると判定されたことを示しており、判定結果の「０」とは、制御部４０において先端部６１ａが水に接触していないと判定されたことを示している。このように、制御部４０は、第１のセンサ６０ａからの出力電圧Ｖｏｕｔを所定の閾値に基づいて二値化することによって、先端部６１ａに対する水の接触状態を判別している。また、図１０の（ａ）〜（ｃ）の下段のグラフは、流量制御器通過率の経時的な変化を示している。これらのグラフにおいて、縦軸は水蒸気の流量制御器通過率であり、横軸は時間である。なお、図１０の（ａ）〜（ｃ）の上段のグラフの横軸の時間及び下段のグラフの横軸の時間は、互いに一致している。
【００８４】
図１０の（ａ）〜（ｃ）の上段のグラフで示すように、本実験では、時間が４６分のときに第１のセンサ６０ａの判定結果が「０」から「１」に変化している。これは、タンク５２内に水が供給されたことを示している。本実験では、その後はタンク５２内に水の供給が行われないようにした。その結果、図１０の（ａ）〜（ｃ）の上段のグラフでは、時間が６５分になったときに第１のセンサ６０ａの判定結果が「１」から「０」に変化した。
【００８５】
その後も観測を続けたところ、図１０の（ａ）の上段のグラフで示すように、ゲインＧｖを１４００に設定した場合には、時間が７１分になったところで第１のセンサ６０ａの判定結果が「０」から「１」に再び変化した。本実験では、４６分の給水以降はタンク５２内に水の供給が行われないようにしていたので、時間が７１分になったときには第１のセンサ６０ａの先端部６１ａに水は接触していなかったはずである。したがって、時間が７１分になったときに、先端部６１ａが水に接触しているという判定は誤検知であると判断される。図１０の（ａ）の下段のグラフを参照すると、この誤検知は、流量制御器通過率が１００％から０％に変化した直後に発生していることが分かる。流量制御器通過率が１００％から０％に変化すると、タンク５２内の空間Ｓ３と処理容器１２内の空間Ｓ２との連通が解除されるのでタンク５２内の圧力が上昇する。これに伴い、タンク５２内の水蒸気は液化し易くなる。これらの結果から、この誤検知は、タンク５２内の圧力が上昇してロッド６１の先端部６１ａに水滴が付着したことに起因して発生したものであると推認される。一方、図１０の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、第１のセンサ６０ａのゲインＧｖを３２００又は６５００に設定した場合には、流量制御器通過率の変化に関わらず、６５分以降の判定結果が「０」のままであった。即ち、誤検知は確認されなかった。
【００８６】
次に、図１１を参照する。図１１は、タンク５２内の液面ＦＬが第１の基準位置Ｈ１よりも高い位置にある状態で、加熱器５４を用いてタンク５２内の水を加熱したときに、第１のセンサ６０ａから出力された出力電圧Ｖｏｕｔの経時的変化を示す図である。図１１の（ａ）は、第１のセンサ６０ａのゲインＧｖを１８０に設定したときの結果であり、図１１の（ｂ）は、第１のセンサ６０ａのゲインＧｖを１４０００に設定したときの結果である。ここで先端部６１ａに水が接触しているか否かを判定するための閾値は６Ｖとした。
【００８７】
第１のセンサ６０ａのゲインＧｖが１８０である場合には、図１１の（ａ）に示すように、水の加熱によって気泡が発生しても、第１のセンサ６０ａの出力電圧Ｖｏｕｔは大きく増加しなかった。一方、第１のセンサ６０ａのゲインＧｖが１４０００である場合には、水の加熱によって生じる気泡の影響により、第１のセンサ６０ａの出力電圧Ｖｏｕｔは大きく増加した。この出力電圧Ｖｏｕｔは、連続的に６Ｖを超過することはなかったものの、瞬間的に６Ｖを超過した。この結果から、ゲインＧｖを１４０００以上に設定した場合には、水中において先端部６１ａに気泡が付着したときに誤検知が生じる可能性が高いことが確認された。しかし、第１のセンサ６０ａのゲインＧｖが１４０００である場合には、出力電圧Ｖｏｕｔは連続的に６Ｖを超えることはなかったので、第１のセンサ６０ａのゲインＧｖを１４０００未満に設定した場合には第１のセンサ６０ａに誤検知が発生する可能性を低くすることができると考えられる。
【００８８】
以上、一実施形態に係るセンサ及び気化器について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、気化器５０は、プラズマ処理装置１に水蒸気を供給しているが、水蒸気を供給する対象はプラズマ処理装置に限定されるものではない。また、図１に示す実施形態では、制御部４０によってプラズマ処理装置１の全体が制御されているが、一実施形態では、制御部４０とは別の制御部を備え、当該別の制御部によって気化器５０が個別に制御されてもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１…プラズマ処理装置、１０…本体部、４０…制御部、５０…気化器、５２…タンク、５４…加熱器、６０ａ…第１のセンサ、６０ｂ…第２のセンサ、６１，６２…ロッド、６１ａ，６２ａ…先端部、６１ｂ，６２ｂ…基端部、６１ｐ,６２ｐ…突出部、６１Ｘ，６２Ｘ…交線、６４…フォトリフレクタ、６５，６６…回路部、７０…出力回路、７２…導管、７６…給水部、１０２…抵抗素子、１０４…発光素子、１０６…フォトトランジスタ、１０６Ｃ…コレクタ端子、１０６Ｅ…エミッタ端子、１０８…抵抗素子、１２０…増幅回路、１５８…Ｏリング、ＦＬ…液面、ＧＮＤ…グランド端子、Ｓ３…空間、α１，α２…先端角。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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