【手続補正書】
【提出日】平成19年9月20日(2007.9.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ励起用のマイクロ波電力を供給するマイクロ波供給手段と、
中心導体および前記導体を囲む誘電体管からなり、前記導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、前記誘電体管の外周に高導電性を示すプラズマが形成され、このプラズマがマイクロ波伝送路の外導体を形成するプラズマ発生手段と、
前記プラズマ発生手段の中心導体の他端に接続され、前記プラズマ発生手段により形成されるマイクロ波伝送路を通過したマイクロ波電力を終端するためのマイクロ波終端手段と、
前記プラズマ発生手段の誘電体管の周囲にプラズマ原料ガスを供給するプラズマ原料ガス供給手段と、
から構成した進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項２】
前記マイクロ波供給手段と前記プラズマ発生手段、前記プラズマ発生手段と前記マイクロ波終端手段との結合部は、前記プラズマ発生手段の中心導体を電気的または機械的に一体に接続したものであり、結合部は動作状態におけるインピーダンス整合が成立する構造である請求項１記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項３】
前記マイクロ波供給手段と前記マイクロ波終端手段は導波管路線をもち、前記プラズマ発生手段の中心導体の両端は前記各導波管内でアンテナ結合している請求項１記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項４】
前記プラズマ発生手段の中心導体および誘電体管は、前記プラズマ原料ガス供給手段によりプラズマ原料ガスが導入される容器内の任意の平面内に渦巻き状に配置され、面状のプラズマを発生するように構成されている請求項１記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項５】
前記プラズマ発生手段の中心導体および誘電体管は、前記プラズマ原料ガス供給手段によりプラズマ原料ガスが導入される容器内の任意の平面内で複数回曲げ折り戻されて配置され、面状のプラズマを発生するように構成されている請求項１記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項６】
プラズマ励起用のマイクロ波電力を供給するマイクロ波供給手段と、
中心導体および前記導体を囲む誘電体管からなり、前記導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、前記誘電体管の外周に高導電性を示すプラズマが形成され、このプラズマがマイクロ波伝送路の外導体を形成する第１のプラズマ発生手段と、
前記第１のプラズマ発生手段と間隔を保って位置され、中心導体および前記導体を囲む誘電体管からなり、前記導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、前記誘電体管の外周に高導電性を示すプラズマが形成され、このプラズマがマイクロ波伝送路の外導体を形成する第２のプラズマ発生手段と、
前記各プラズマ発生手段の中心導体の他端に接続され、前記各プラズマ発生手段により形成されるマイクロ波伝送路を通過したマイクロ波電力を終端するためのマイクロ波終端手段と、
前記各プラズマ発生手段の誘電体管の周囲にプラズマ原料ガスを供給するプラズマ原料ガス供給手段と、
から構成した進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項７】
前記進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、前記第１および第２のプラズマ発生手段に対してさらに他のプラズマ発生手段が併設され、マイクロ波供給手段とマイクロ波終端手段とを共用している請求項６記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項８】
前記マイクロ波供給手段と前記マイクロ波終端手段は、前記各マイクロ波発生手段との結合部を導波管で構成し、各結合部の結合程度を調整可能にした請求項６または７記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項９】
前記マイクロ波供給手段と前記マイクロ波終端手段は、前記各マイクロ波発生手段との結合部を同軸分配器で構成した請求項６または７記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項１０】
請求項１，６または７記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置において、
前記マイクロ波発生手段の一方端に第１のマイクロ波源と第１の負荷が第１のサーキュレータを介して接続されており、
前記マイクロ波発生手段の他方端に第２のマイクロ波源と第２の負荷が第２のサーキュレータを介して接続されており、
前記マイクロ波発生手段は、対向する進行波によりマイクロ波プラズマを発生させられる進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項１１】
請求項１，６または７記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置において、
前記プラズマ発生手段の誘電体管の表面には、プラズマ発生前の誘電体管の表面に電界を局部的に集中するための山形の突起部を設けて構成した進行波形マイクロ波プラズマ発生装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、プラズマ励起用のマイクロ波電力を供給するマイクロ波供給手段と、
中心導体および前記導体を囲む誘電体管からなり、前記導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、前記誘電体管の外周に高導電性を示すプラズマが形成され、このプラズマがマイクロ波伝送路の外導体を形成するプラズマ発生手段と、
前記プラズマ発生手段の中心導体の他端に接続され、前記プラズマ発生手段により形成されるマイクロ波伝送路を通過したマイクロ波電力を終端するためのマイクロ波終端手段と、
前記プラズマ発生手段の誘電体管の周囲にプラズマ原料ガスを供給するプラズマ原料ガス供給手段と、から構成されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明による請求項４記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載の装置において、前記プラズマ発生手段の中心導体および誘電体管は、前記プラズマ原料ガス供給手段によりプラズマ原料ガスが導入される容器内の任意の平面内に渦巻き状に配置され、面状のプラズマを発生するように構成されている。
本発明による請求項５記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載の装置において、前記プラズマ発生手段の中心導体および誘電体管は、前記プラズマ原料ガス供給手段によりプラズマ原料ガスが導入される容器内の任意の平面内で複数回曲げ折り戻されて配置され、面状のプラズマを発生するように構成されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明による請求項６記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、プラズマ励起用のマイクロ波電力を供給するマイクロ波供給手段と、
中心導体および前記導体を囲む誘電体管からなり、前記導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、前記誘電体管の外周に高導電性を示すプラズマが形成され、このプラズマがマイクロ波伝送路の外導体を形成する第１のプラズマ発生手段と、
前記第１のプラズマ発生手段と間隔を保って位置され、中心導体および前記導体を囲む誘電体管からなり、前記導体の一端に前記マイクロ波供給手段からのマイクロ波電力の供給を受ける動作状態において、前記誘電体管の外周に高導電性を示すプラズマが形成され、このプラズマがマイクロ波伝送路の外導体を形成する第２のプラズマ発生手段と、
前記各プラズマ発生手段の中心導体の他端に接続され、前記各プラズマ発生手段により形成されるマイクロ波伝送路を通過したマイクロ波電力を終端するためのマイクロ波終端手段と、
前記各プラズマ発生手段の誘電体管の周囲にプラズマ原料ガスを供給するプラズマ原料ガス供給手段と、から構成されている。
本発明による請求項７記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、
前記請求項６の前記第１および第２のプラズマ発生手段に対してさらに他のプラズマ発生手段が併設され、マイクロ波供給手段とマイクロ波終端手段とを共用するように構成したものである。
本発明による請求項８記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項６または７記載の装置において、前記マイクロ波供給手段と前記マイクロ波終端手段は、前記各マイクロ波発生手段との結合部を導波管で構成し、各結合部の結合程度を調整可能に構成したものである。
本発明による請求項９記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項６または７記載の装置において、前記マイクロ波供給手段と前記マイクロ波終端手段は、前記各マイクロ波発生手段との結合部を同軸分配器で構成されている。
本発明による請求項１０記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１，６または７記載の装置において、前記マイクロ波発生手段の一方端に第１のマイクロ波源と第１の負荷が第１のサーキュレータを介して接続されており、
前記マイクロ波発生手段の他方端に第２のマイクロ波源と第２の負荷が第２のサーキュレータを介して接続されており、
前記マイクロ波発生手段は、対向する進行波によりマイクロ波プラズマを発生させられるように構成されている。
本発明による請求項１１記載の進行波形マイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１，６または７記載の装置において、前記プラズマ発生手段の誘電体管の表面には、プラズマ発生前の誘電体管の表面に電界を局部的に集中するための山形の突起部を設けて構成されている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
このプラズマ発生手段２における励起用マイクロ波がプラズマガスに電磁エネルギーを効率よく供給するために、前記誘電体管２Ｃの表面上を伝播するマイクロ波は特に進行波を使用する。進行波を伝播するためには、必要条件として、マイクロ波供給手段１の同軸ケーブルとプラズマ発生手段２とのインピーダンスの整合性が成立することである。
本発明のプラズマ発生装置はこの点を配慮して構成している。
マイクロ波供給手段１の同軸ケーブルの特性インピーダンスＺ0 は、マイクロ波供給手段の中心導体１Ａの半径がｒ1 、テフロン（登録商標）の誘電体で構成するマイクロ波供給手段の同軸誘電体１Ｂの内径と外径がｒ1 、ｒ2 であるとし、次式であらわされる。
Ｚ0 ＝（μ0 ／ε1 ）1/2 ・ｌｎ（ｒ2 ／ｒ1 ）
一方前記プラズマ発生手段２の特性インピーダンスＺは、プラズマ発生手段の中心導体２Ｄの半径がＲ1 、プラズマ発生手段の誘電体管２Ｃの外径がＲ2 、内径がＲ1 、誘電率がε2 であるとして、近似的に次式で表される。
Ｚ≒（μ0 ／ε2 ）1/2 ・ｌｎ（Ｒ2 ／Ｒ1 ）
前述したように、前記プラズマ発生手段の中心導体２Ｄの半径Ｒ1 、プラズマ発生手段の誘電体管２Ｃの外径Ｒ2 、前記マイクロ波供給手段の同軸誘電体１Ｂの内径ｒ1 と外径ｒ2 のそれぞれの値を最適に設定することにより、前記プラズマ発生手段２の特性インピーダンスＺが前記マイクロ波供給手段１の同軸ケーブルの特性インピーダンスＺ0 に等しくすることができる。
すなわち
Ｚ＝Ｚ0 
この条件が満足すれば、プラズマ発生手段２では反射波はなく、進行波のみが発生し、この電磁界エネルギーがガスのプラズマ化を促進する。当然定在波が発生しないので、プラズマ発生手段２の一部に電界強度が強くなることはないので、プラズマガスの密度は広い面積で一様になりやすい。
なお、ガスのプラズマ化が促進した状態では前記プラズマ発生手段の誘電体管２Ｃの外壁近傍において導電性のよいプラズマ化ガスが覆うので、前記プラズマ化ガスはちょうど同軸ケーブルの外側の導体と同じ働きをする。すなわちマイクロ波伝送路の外導体を形成する。
よってマイクロ波の電力がプラズマ発生手段２に効率よく供給される。このことから、前述した回路の特性インピーダンスの整合性を図る場合、前記プラズマ発生手段２の特性インピーダンスＺにプラズマ化ガスの導電性を加味して設定すればさらに電力効率がよいプラズマ発生装置が可能になる。
また整合性のよいことから、大電力を供給することが可能である。
前記発生手段の誘電体管２Ｃの外側面がガスと接触しているが、その一部のＰ点を拡大すると、図２に示すように誘電体管２Ｃを構成する石英管の表面は山形の形状に加工されている。この山形は石英管の円周上をリング状に加工されている。山の高さは約１００ミクロン程度である。
進行波形マイクロ波が誘電体管２Ｃに伝播すると、この山形の部分でマイクロ波の電界が集中するので、ガスはこの部分でプラズマ化し、そして周囲にプラズマ化が伝達する。特に電源を投入時にプラズマ化が開始する時間の短縮やプラズマ化が点火しやすい利点が得られる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
まず図３Ａに示すマイクロ波プラズマ発生手段の軸に直交する断面のＸＹ平面（図３Ｂの右側の図を参照）におけるプラズマの密度分布を考える。
図３Ｂの左側の図は、プラズマ発生手段３１で発生するプラズマ密度分布を示す。
ｙ＝Ｒ1 の高さでＸ軸のゼロ点からＸの位置を増加して、各位置におけるプラズマ密度を計測すると、図３Ｂの右側の図のｙ＝Ｒ1 をパラメータとするプラズマ密度分布になる。すなわち、プラズマ密度分布はＸ軸のゼロ点から増加し、プラズマ発生手段３１の近傍で最高になり、プラズマ発生手段３１から離れるにしたがい、再び減少する。
ｙ＝４Ｒ1 とプラズマ発生手段３１から離れた高さで、Ｘ軸方向に移動した各点におけるプラズマ密度分布が図３Ｂに示すようにガスの拡散効果などが加わり、一様なプラズマ密度分布になることを示している。
当然Ｚ軸方向の強度分布も一様になる。
よって一定の距離を離した位置では広い面積でプラズマの密度分布が一様になる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置の第２の実施形態は少なくとも一対のプラズマ発生手段を用いるものであり、各プラズマ発生手段の発生するプラズマが連携して大面積プラズマ発生領域を形成するものである。
図６は本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置の第２の実施形態を一般化したｎ本の例を示す。
プラズマ励起室６０には、原料ガス供給手段６３０からプラズマ原料ガスが供給されている。マイクロ波がマイクロ波源６１０から導波管の入力部６００ｉｎに入力される。このときのマイクロ波のモードはＴＥ01モードである。前記導波管６００の内部にはプラズマ発生手段が６１、６２、６３、６４、６５、６６、６ｎに示すように、並列に配置されている。前記各プラズマ発生手段のアンテナ（たとえば６１Ｃ）は前記導波管６００の壁面に配置されている。各アンテナの長さは入力部に近い方から奥に進むにしたがって順番に大きくなっている。これは導波管６００の奥に進むにしたがって、マイクロ波の電力が減衰するので、その減衰量を補うために、アンテナの長さを変えることによって前記各プラズマ発生手段に入る電力を一定の大きさに保ち、プラズマの強度分布が一様になるように設計されている。前記各プラズマ発生手段の終端にもアンテナ（６１Ｄなど）が配置されていて、余った電力は右側の導波管から外部に出力される。
前記各プラズマ発生手段の発生するマイクロ波のモードはＴＥＭモードになる。このマイクロ波はプラズマ発生手段の中心軸に沿って伝播し、その波は、前述したように入力同軸と前記各プラズマ発生手段の特性インピーダンスを整合することにより、進行波になる。また前記各プラズマ発生手段に入力する電力を一様にするための微調整方法として、導波管６００の側面に配置された各チューナ（６０１Ａから６０ｎＡと６０１Ｂから６０ｎＢ）を調整する方法をとる。
このチューナの微調整方法により、入力電力の微調整ができる。すなわち前記各プラズマ発生手段に発生するプラズマの強度分布の一様化の精度をさらにあげることができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
【図１】本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置で単一のプラズマ発生手段を用いた第１の実施形態を示す略図である。
【図２】前記実施形態のプラズマ発生手段とマイクロ波供給手段を同軸ケーブルとした場合の連結部分を説明するための断面図である。
【図３Ａ】本発明による前記単一のプラズマ発生手段を用いた進行波形マイクロ波プラズマ発生装置のマイクロ波供給手段を導波管とした場合のマイクロ波プラズマ発生手段の結合状態を説明するための略図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示した実施例においてマイクロ波プラズマ発生手段の軸に直交する断面におけるプラズマの強度分布を示すグラフである。
【図４】本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置で前記プラズマ発生手段の導体と誘電体管をプラズマ発生空間の一平面内において、らせん状に配置した変形例を示す略図である。
【図５】本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置で前記プラズマ発生手段の導体と誘電体管をプラズマ発生空間の一平面内において、複数の平行部分とそれらを連結する曲げ戻し部分を配置した変形例を示す略図である。
【図６】本発明による進行波形マイクロ波プラズマ発生装置の第２の実施形態をさらに一般化し３以上のプラズマ発生手段を用いる実施例を示す略図である。
【図７】図６に示した実施形態を双方向性励起に変形した場合の回路図である。
【図８Ａ】前記第２の実施形態（および一般化した実施例）においてプラズマの強度分布を説明するための配置と座標系の関係を示す略図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示した実施形態におけるプラズマ密度を示す図である。
【図９】前記第２の実施形態（および一般化した実施例）において、同軸分配器を用いて複数のプラズマ発生手段を結合する変形例を説明するための略図である。