(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）内部に共振波長の１／２の整数倍の長さをもつ空間が形成された外側導体と、前記外側導体の内部空間内にその長さ方向にのびるように配置された内側導体と、内管および外管からなる二重管構造を有し、かつ前記外側導体および前記内側導体を長さ方向に貫通してのびる放電管と、前記放電管における前記内管の前記外管に対する軸方向の位置を調節する調節手段とを備えたキャビティを準備するステップと、
（Ｂ）前記放電管の一端側から前記外管内に第１のガスを供給するステップと、
（Ｃ）前記キャビティにマイクロ波を供給することによって、前記第１のガスをプラズマ化するステップと、
（Ｄ）前記放電管の一端側から前記内管内に第２のガスを供給しつつ、前記調節手段によって前記内管の前記軸方向の位置を調節し、前記第１のガスおよび前記第２のガスの混合プラズマを発生させ、前記放電管の他端から放出させるステップとを有していることを特徴とするマイクロ波プラズマ発生方法。
【請求項２】
前記放電管の他端側において前記外管を先細り状に形成することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマ発生方法。
【請求項３】
両端開口が閉じられた円筒形状を有し、内部に共振波長の１／２の整数倍の長さをもつ空間が形成された外側導体と、前記外側導体の内部空間内に軸方向にのびるように配置された内側導体と、内管および外管からなる二重管構造を有し、かつ前記外側導体および前記内側導体を軸方向に貫通してのびる放電管と、前記放電管における前記内管の前記外管に対する軸方向の位置を調節する調節手段とを有するキャビティと、
第１のガスおよび第２のガスをそれぞれ独立に供給し得るガス供給源と、
前記ガス供給源と前記放電管を接続し、前記放電管の外管内に前記第１のガスを供給するための第１のガス供給管路と、
前記第１のガス供給管路に設けられた第１の流量調節バルブと、
前記ガス供給源と前記放電管を接続し、前記放電管の内管内に前記第２のガスを供給するための第２のガス供給管路と、
前記第２のガス供給管路に設けられた第２の流量調節バルブと、
マイクロ波発生源と、
前記マイクロ波発生源から前記キャビティに対してマイクロ波を供給するマイクロ波供給路とを備え、前記放電管内においてマイクロ波によってプラズマ化された第１および第２のガスが前記放電管の他端から放出されるようになっていることを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項４】
前記放電管の他端側において前記外管が先細り状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項５】
前記ガス供給源は、さらに第３のガスを独立に供給し得るようになっており、前記第２のガス供給管路における前記第２の制御バルブおよび前記放電管の間の部分から分岐し、かつ前記ガス供給源に接続され、前記放電管の内管内に第３のガスを供給するための分岐管路と、前記分岐管路に設けられた第３の流量調節バルブとをさらに備えていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波プラズマ発生方法および装置、特に、二重管構造の放電管を使用し、マイクロ波によって混合ガスプラズマを発生させる方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
外管と内管とからなる二重管構造の放電管を有する同軸型マイクロ波キャビティーを備え、マイクロ波によって混合ガスプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ発生装置が、従来より知られている（特許文献１参照）。この従来のマイクロ波プラズマ発生装置においては、内管および外管は、いずれも軸方向に変位しないようにキャビティに固定されており、また、いずれも直管とされ、内管と外管との間の隙間部の断面積、すなわち、放電管の長さ方向に直交する断面における隙間部の開口面積が一定となっている。
【０００３】
ところで、この種のマイクロ波プラズマ発生装置においては、内管および外管からそれぞれ導入されるキャリアガスおよび反応ガスのキャビティ内部での混ざり具合によってラジカル（遊離基）およびイオン等の活性種の発生量が異なる。そして、ラジカルおよびイオン等の活性種を所望の量だけ発生させるためには、各ガスの流量、濃度およびマイクロ波がガスに与えるエネルギー量を調節する必要があったが、従来のマイクロ波プラズマ発生装置の構成では、この調節を行うことが非常に難しかった。
また、放電管をこのような構成とすると、キャリアガスと反応ガスとの反応効率が非常に悪く、所望のプラズマを得るのに、キャリアガスおよび反応ガスを大量に使用する必要があった。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１３３４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の課題は、従来より反応効率が良く、ラジカルおよびイオン等の活性種の発生量を容易に調節することができ、容易に必要とされるプラズマを生成し、かつ消費ガス量の低減を図ることができるマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、第１発明は、（Ａ）内部に共振波長の１／２の整数倍の長さをもつ空間が形成された外側導体と、前記外側導体の内部空間内にその長さ方向にのびるように配置された内側導体と、内管および外管からなる二重管構造を有し、かつ前記外側導体および前記内側導体を長さ方向に貫通してのびる放電管と、前記放電管における前記内管の前記外管に対する軸方向の位置を調節する調節手段とを備えたキャビティを準備するステップと、（Ｂ）前記放電管の一端側から前記外管内に第１のガスを供給するステップと、（Ｃ）前記キャビティにマイクロ波を供給することによって、前記第１のガスをプラズマ化するステップと、（Ｄ）前記放電管の一端側から前記内管内に第２のガスを供給しつつ、前記調節手段によって前記内管の前記軸方向の位置を調節し、前記第１のガスおよび前記第２のガスの混合プラズマを発生させ、前記放電管の他端から放出させるステップとを有していることを特徴とするマイクロ波プラズマ発生方法を構成したものである。
【０００７】
第１発明の構成において、必要に応じて、前記放電管の他端側において前記外管を先細り状に形成することもできる。
また、前記ステップ（Ｄ）において、さらに、（１）一定量の前記第２のガスを供給しつつ、第３のガスを前記放電管の一端側から前記内管内に供給しながら、前記内管の前記軸方向の位置を調節し、前記放電管の他端から混合プラズマを放出させること、または、（２）前記第２のガスの供給量を徐々に減少させ（最終的に停止させる）、その間に、第３のガスを前記放電管の一端側から前記内管内に供給し、その供給量を徐々に増大させながら、前記内管の前記軸方向の位置を調節し、前記放電管の他端から混合プラズマを放出させること、または、（３）前記第２のガスの供給を停止し、第３のガスを前記放電管の一端側から前記内管内に供給しつつ、前記内管の前記軸方向の位置を調節し、前記放電管の他端から混合プラズマを放出させること、または、（４）前記第２のガスの供給を停止して、前記内管の前記軸方向の位置を調節した後、第３のガスを前記放電管の一端側から前記内管内に供給し、前記放電管の他端から混合プラズマを放出させることもできる。
【０００８】
また、第１発明の構成において、前記放電管における前記内管の前記外管に対する軸方向の位置を調節する前記調節手段を、前記外管の一端開口を封閉するとともに前記内管を軸方向に沿ってスライド運動可能に案内する封閉部材と、前記内管および前記封閉部材の間に配置されたシール部材と、前記キャビティに設けられ、前記封閉部材の外側に配置された回転軸を備えた回転ハンドルと、前記内管における前記封閉部材から外側に突出する部分、および前記回転ハンドルの回転軸の間に配置されて、前記回転ハンドルの回転運動を前記内管の往復スライド運動に変換する機構とから構成し、前記第２のガス供給管路を前記内管の上端に接続することが好ましい。さらに、前記変換する機構を、ラック・アンド・ピニオン機構から形成することが好ましい。さらに、前記回転ハンドルの回転軸を、キャビティに設けられたモータ等の駆動装置によって、自動的に回転駆動させることが好ましい。
【０００９】
上記課題を解決するため、また、第２発明は、両端開口が閉じられた円筒形状を有し、内部に共振波長の１／２の整数倍の長さをもつ空間が形成された外側導体と、前記外側導体の内部空間内に軸方向にのびるように配置された内側導体と、内管および外管からなる二重管構造を有し、かつ前記外側導体および前記内側導体を軸方向に貫通してのびる放電管と、前記放電管における前記内管の前記外管に対する軸方向の位置を調節する調節手段とを有するキャビティと、第１のガスおよび第２のガスをそれぞれ独立に供給し得るガス供給源と、前記ガス供給源と前記放電管を接続し、前記放電管の外管内に前記第１のガスを供給するための第１のガス供給管路と、前記第１のガス供給管路に設けられた第１の流量調節バルブと、前記ガス供給源と前記放電管を接続し、前記放電管の内管内に前記第２のガスを供給するための第２のガス供給管路と、前記第２のガス供給管路に設けられた第２の流量調節バルブと、マイクロ波発生源と、前記マイクロ波発生源から前記キャビティに対してマイクロ波を供給するマイクロ波供給路とを備え、前記放電管内においてマイクロ波によってプラズマ化された第１および第２のガスが前記放電管の他端から放出されるようになっていることを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置を構成したものである。
【００１０】
第２発明の構成において、好ましくは、前記放電管の他端側において前記外管が先細り状に形成されている。
また、第２発明の構成において、好ましくは、前記ガス供給源は、さらに第３のガスを独立に供給し得るようになっており、前記第２のガス供給管路における前記第２の制御バルブおよび前記放電管の間の部分から分岐し、かつ前記ガス供給源に接続され、前記放電管の内管内に第３のガスを供給するための分岐管路と、前記分岐管路に設けられた第３の流量調節バルブとをさらに備えている。
【００１１】
また、第２発明の構成において、前記放電管における前記内管の前記外管に対する軸方向の位置を調節する前記調節手段は、前記外管の一端開口を封閉するとともに前記内管を軸方向に沿ってスライド運動可能に案内する封閉部材と、前記内管および前記封閉部材の間に配置されたシール部材と、前記キャビティに設けられ、前記封閉部材の外側に配置された回転軸を備えた回転ハンドルと、前記内管における前記封閉部材から外側に突出する部分、および前記回転ハンドルの回転軸の間に配置されて、前記回転ハンドルの回転運動を前記内管の往復スライド運動に変換する機構とから構成され、前記第２のガス供給管路が前記内管の上端に接続されるようになっていることが好ましい。さらに、前記変換する機構は、ラック・アンド・ピニオン機構から構成されていることが好ましい。さらに、前記回転ハンドルの回転軸が、キャビティに設けられたモータ等の駆動装置によって、自動的に回転駆動せしめられるようになっていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、マイクロ波プラズマ発生装置において、放電管を二重管構造にするとともに、内管の外管に対する軸方向の位置を調節可能としたので、ラジカルおよびイオン等の活性種の発生量の調節を容易に行い、その発生量を最適化することができる。さらに、放電管の外管を、プラズマ放出端側において先細り状に形成したので、放電管内での反応効率がさらに向上し、必要とされるラジカルおよびイオン等の活性種をより容易に取り出すことができ、かつガスの消費量が低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。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方法を説明するフロー図である。図１を参照して、本発明の方法によれば、まず最初、内部に共振波長の１／２の整数倍の長さをもつ空間が形成された外側導体と、外側導体の内部空間内にその長さ方向にのびるように配置された内側導体と、内管および外管からなる二重管構造を有し、かつ外側導体および内側導体を長さ方向に貫通してのびる放電管と、放電管における内管の外管に対する軸方向の位置を調節する調節手段とを備えたキャビティが準備される（図１のステップＳ１）。
【００１４】
次に、放電管の一端側から外管内に第１のガスが供給される（図１のステップＳ２）。第１のガスとしては、希ガス、例えばアルゴンガスが使用される。
その後、キャビティにマイクロ波が供給されて、第１のガスがプラズマ化される（図１のステップＳ３）。そして、放電管の一端側から内管内に第２のガスが供給されつつ、調節手段によって内管の軸方向の位置が調節され、第１のガスおよび第２のガスの混合プラズマが発生せしめられ、放電管の他端から放出せしめられる（図１のステップＳ４）。第２のガスとしては、例えばハロゲンガスが使用される。ステップＳ４において、常に、第２のガスの一定量を供給してもよいし、第２のガスの供給量を時間的に変動させてもよい。後者の場合には、必要に応じて、内管の軸方向の位置が再調節させる。
このように、放電管における内管の外管に対する軸方向の位置を調節することで、第１および第２のガスの流量や濃度等の予め与えられた条件に対して、ラジカルの発生量を容易に調節し、その発生量を最適化することができる。
【００１５】
ステップＳ４において、さらに、さらに、（１）一定量の第２のガスを供給しつつ、第３のガスを放電管の内管内に供給しながら、内管の軸方向の位置を調節し、放電管の他端から混合プラズマを放出させること、または、（２）第２のガスの供給量を徐々に減少させ（最終的に停止させる）、その間に、第３のガスを放電管の内管内に供給し、その供給量を徐々に増大させながら、内管の軸方向の位置を調節し、放電管の他端から混合プラズマを放出させること、または、（３）第２のガスの供給を停止し、第３のガスを放電管の内管内に供給しつつ、内管の軸方向の位置を調節し、放電管の他端から混合プラズマを放出させること、または、（４）第２のガスの供給を停止して、内管の軸方向の位置を調節した後、第３のガスを放電管の内管内に供給し、放電管の他端から混合プラズマを放出させることもできる。
それによって、異なる種類のラジカルを段階的に効率良く発生させることができ、または、発生するプラズマを安定化させることができる。
また、放電管の他端側において外管を先細り状に形成するようにすれば、発生するプラズマを絞ることにより、微細加工に適したプラズマを得ることができ、また、反応効率をより向上させ、ガス消費量を低減させることができる。
【００１６】
図２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概略構成を示す縦断面図である。図２を参照して、本発明によるマイクロ波プラズマ発生装置は、キャビティ１を備えており、キャビティ１は、外側導体２および内側導体３を有している。外側導体２は、両端開口が閉じられた円筒形状を有し、内部に共振波長の１／２の整数倍の長さをもつ空間４が形成されている。内側導体３は、外側導体２の内部空間４内に軸方向にのびるように配置されている。
【００１７】
キャビティ１は、また、内管５および外管６からなる二重管構造を有し、かつ外側導体２および内側導体３を軸方向に貫通してのびる放電管７と、放電管７における内管５の外管６に対する軸方向の位置を調節する調節機構を有している。放電管は、石英等の誘電体から形成されている。
この調節機構は、外管６の一端（この実施例では上端）開口を封閉するとともに内管５を軸方向に沿ってスライド運動可能に案内する封閉部材８と、内管５および封閉部材８の間に配置されたＯリング９を備えている。Ｏリング９は、内管５のスライド運動の間に、外管６内からガスが外部に漏れることを防止するシール部材として機能する。
【００１８】
調節機構は、また、キャビティ１の上端面に設けられたハウジング１０に対し、水平な回転軸１２のまわりに回転可能に取付けられた調節ハンドル１１を備えている。なお、ハウジング１０は、放電管７の内管５における封閉部材８から上方に突出する部分を内部に収容している。さらに、図示はされないが、調節機構は、内管５における封閉部材８から外側に突出する部分、および調節ハンドル１１の回転軸１２の間に配置されてたラック・アンド・ピニオン機構を備えている。
こうして、調節ハンドル１１を回転させることによって、内管５を軸方向（この実施例では、上下方向）に沿って往復スライド運動させることができる。この構成では、調節ハンドル１１を手で回転させるようになっているが、回転軸１２を、例えばモータ駆動機構等によって所望の回転数だけ自動回転させる構成とすることもできる。また、ハウジング１０の外側面にはスケール１３が設けられ、内管５の軸方向の移動距離を測定可能となっている。
【００１９】
また、第１のガスを供給する第１のガスボンベ１４および第２のガスを供給する第２のガスボンベ１５が備えられる。この実施例では、第１のガスは、希ガス、例えばアルゴンガスであり、第２のガスは、ハロゲンガスである。第１のガスボンベ１４と放電管７の外管６のガス導入口２０は、第１のガス供給パイプ１６によって接続され、第２のガスボンベ１５と放電管７の内管５の上端開口は、第２のガス供給パイプ１７によって接続される。さらに、第１のガス供給パイプ１６には第１の流量調節バルブ１８が設けられ、第２のガス供給パイプ１７には第２の流量調節バルブ１９が設けられる。そして、第１および第２の流量制御バルブ１８、１９により、第１および第２のガスの放電管７への供給量を調節可能となっている。
【００２０】
マイクロ波プラズマ発生装置は、さらに、マイクロ波発生源２１と、マイクロ波発生源２１からキャビティ１に対してマイクロ波を供給するマイクロ波供給路２２を備えている。マイクロ波供給路２２は、キャビティ１に設けられたアンテナ２３と、アンテナ２３およびマイクロ波供給源２１を接続する同軸ケーブル２４を有している。
【００２１】
この実施例では、内側導体３が、キャビティ１の空間４内において、放電管７の上端側（ガス供給口側）から下端側（プラズマ放出口側）に向かってのび、それによって、放電管７は、キャビティ１の空間４内において、上端側部分が内側導体３で覆われ、下端側部分は露出している。そして、アンテナ２３は、放電管７の空間４内に露出する部分に対向配置されている。しかしながら、内側導体３、放電管７およびアンテナ２３の配置はこれに限定されるものではなく、例えば、キャビティ１の空間４内において、放電管７がその全長にわたって内側導体３に覆われていてもよいし、また、アンテナ２３を放電管７の内側導体３に覆われた部分に対向配置してもよい。
【００２２】
こうして、まず最初、第２の流量調節バルブ１９が閉じられた状態で、第１の流量調節バルブ１８が開かれ、第１のガスボンベ１４から、放電管７の外管６内に第１のガスが供給される。そして、マイクロ波発生源２１から、同軸ケーブル２４およびアンテナ２３を通じて、キャビティ１にマイクロ波が供給され、それによって、第１のガスがプラズマ化される。この場合、本発明の装置は、反応効率が良いので、プラズマ着火装置を付加的に設けることなく、容易にプラズマ着火することができる。
【００２３】
さらに、第２の流量調節バルブ１９が開かれて第２のガスボンベ１５から、放電管７の内管５内に第２のガスが供給されつつ、調節ハンドル１１が回転せしめられて、放電管７における内管５の外管６に対する軸方向の位置、すなわち、内管５の下端５ａの高さレベルが調節される。それによって、第１および第２のガスの混合プラズマが放電管７内で発生せしめられ、放電管７の他端（外管６の下端６ａ開口）から放出せしめられるとともに、ラジカルおよびイオン等の活性種の発生量が最適化される。この場合、第２のガスの一定量が常に供給されてもよいし、第２のガスの供給量が時間的に変動せしめられてもよい。後者の場合には、必要に応じて、内管の軸方向の位置が再調節される。
【００２４】
図３は、本発明の別の実施例によるマイクロ波プラズマ発生装置の縦断面図である。この実施例は、図２に示された実施例とは、放電管の外管の構成および、ガス供給源の構成が相違している。したがって、図３中、図２に示されたものと同じ構成要素には、同一番号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２５】
図３を参照して、この実施例では、放電管７の外管６が、放電管７の下端側において先細り状に形成されている。この場合、図３から明らかなように、内管５は、外径および内径がその長さ方向に常に一定となるように形成され、一方、放電管７の外径、すなわち外管６の外径は全長にわたって一定となるように形成されるが、外管６の内径が、その長さ方向の所定の位置Ｐから次第に小さくなるように形成されることによって、外管６の先細り形状が構成される。
また、外管６のキャビティ１から突出する下端部分には、金網２８等の導体の被覆が施され、マイクロ波の漏れを防止するようになっている。
【００２６】
第３のガスを供給する第３のガスボンベ２６が備えられる。第３のガスとしては、例えば酸素が使用される。第３のガスボンベ２６は、第２のガス供給パイプ１７における第２の制御バルブ１９および放電管７の間の部分から分岐するパイプ２５に接続され、このパイプ２５には第３の流量調節バルブ２７が設けられる。
【００２７】
この実施例によれば、第１および第２のガスの混合プラズマが、図２の実施例の場合と同様にして放出された後、必要に応じて、第２のガスの供給が制御されつつ、第３のガスの供給がなされ、内管５の軸方向の位置が調節される。以下に、この動作の具体例をいくつか挙げる。
（１）一定量の第２のガスが供給されつつ、第３の流量調節バルブ２７が開放されて、第３のガスが放電管７の内管５内に供給され、それと同時に、調節ハンドル１１が回転せしめられて、内管５の軸方向の位置が調節され、放電管７の下端から混合プラズマが放出される。
（２）第２の流量調節バルブ１９が徐々に閉じられて、第２のガスの供給量が徐々に減少せしめられ（最終的に停止せしめられる）、その間に、第３の流量調節バルブ２７が徐々に開かれて第３のガスの放電管７の内管５への供給が開始され、かつその供給量が徐々に増大せしめられながら、調節ハンドル１１が回転せしめられて内管５の軸方向の位置が調節され、放電管７の他端から混合プラズマが放出される。
（３）第２の流量調節バルブ１９が閉じられて第２のガスの供給が停止され、第３の流量調節バルブ２７が開かれて第３のガスが放電管７から内管５内に供給されつつ、調節ハンドル１１が回転せしめられて内管５の軸方向の位置が調節され、放電管７の他端から混合プラズマが放出される。
（４）第２の流量調節バルブ１９が閉じられて第２のガスの供給が停止され、調節ハンドル１１が回転せしめられて内管５の軸方向の位置が調節された後、第３の流量調節バルブ２７が開かれて第３のガスが放電管７の内管５内に供給され、放電管７の他端から混合プラズマが放出される。
それによって、異なる種類のラジカルおよびイオン等の活性種を段階的に効率良く発生させることができ、または、発生するプラズマを安定化させることができる。
また、放電管７の他端側において外管６を先細り状に形成したので、発生するプラズマを絞ることにより、微細加工に適したプラズマを得ることができ、また、反応効率をより向上させ、ガス消費量をより低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の１実施例によるマイクロ波プラズマ発生方法のフロー図である。
【図２】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概略構成を示す縦断面図である。
【図３】本発明の別の実施例によるマイクロ波プラズマ発生装置の概略構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  キャビティ
２  外側導体
３  内側導体
４  空間
５  内管
５ａ  下端
６  外管
６ａ  下端
７  放電管
８  封閉部材
９  Ｏリング
１０  ハウジング
１１  調節ハンドル
１２  回転軸
１３  スケール
１４  第１のガスボンベ
１５  第２のガスボンベ
１６  第１のガス供給パイプ
１７  第２のガス供給パイプ
１８  第１の流量調節バルブ
１９  第２の流量調節バルブ
２０  ガス導入口
２１  マイクロ波発生源
２２  マイクロ波供給路
２３  アンテナ
２４  同軸ケーブル
【図１】
0004489680.tif 000002
【図２】
0004489680.tif 000003
【図３】
0004489680.tif 000004