(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理ガスをプラズマ化させるためのプラズマ発生炉と、
前記プラズマ発生炉にて発生したプラズマ化された処理ガスを用いて被処理物に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理室とを備え、
前記プラズマ発生炉は、マイクロ波の定在波が形成される導波管と、前記導波管内をその管軸方向に沿って延びるとともに内部を処理ガスが通過するプラズマ発生管とを有し、
当該プラズマ発生管は、導波管の一側から外方に突出し、処理ガスが供給される上流側ノズル部と、上流側ノズル部から延びるとともに導波管内において当該導波管の管軸方向に沿って延在する直線部と、直線部から延びるとともに導波管の他側から外方に突出し、プラズマ化された処理ガスが排出される下流側ノズル部とを有し、
上流側ノズル部、直線部および下流側ノズル部は、略同径の円筒形状からなり、
前記導波管は、幅広面および幅狭面を有する方形導波管からなることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記導波管内にて形成されるマイクロ波の定在波と協働して電子サイクロトロン共鳴を生じさせるための所定の磁場を印加する磁場印加手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記導波管は管軸方向に沿った接合面を介して互いに接合される複数の導波管部材からなることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ化された処理ガスを用いて被処理物に対して種々のプラズマ処理を行うマイクロ波プラズマ処理装置に係わり、とりわけ処理ガスをプラズマ化させるためのプラズマ発生炉の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、プラズマ化された処理ガスを用いて被処理物に対して種々のプラズマ処理を行う装置としてマイクロ波プラズマ処理装置が知られている。
【０００３】
図３は従来のマイクロ波プラズマ処理装置の一例を示す図である。図３に示すように、マイクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波発振機１と、マイクロ波発振機１にアイソレータ２、パワーモニタ３、整合器４および接続導波管５を介して接続された円筒状プラズマ発生炉６と、被処理物２０に対して所定のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理室８とを備えている。なお、プラズマ処理室８には真空弁１２を介して排気装置１１が接続されており、被処理物２０が設置されるプラズマ処理室８の内部を真空状態に保つことができるようになっている。
【０００４】
ここで、円筒状プラズマ発生炉６は、開口６ａを介して接続導波管５に接続されるとともに、開口６ａの反対側の開口を介してプラズマ処理室８に接続されている。なお、円筒状プラズマ発生炉６の開口６ａの近傍にはノズル６ｂが設けられており、ノズル６ｂを介して処理ガスＧが導入されるようになっている。また、円筒状プラズマ発生炉６の開口６ａには処理ガスＧの漏れを防止しつつマイクロ波を通過させるための石英等からなる気密保持板７が配置されている。
【０００５】
また、円筒状プラズマ発生炉６の外周には永久磁石９が配置されており、円筒状プラズマ発生炉６に導入されたマイクロ波の定在波と協働して電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：electron cyclotron resonance）を生じさせるための所定の磁場を印加するようになっている。
【０００６】
このようなマイクロ波プラズマ処理装置においては、まず、円筒状プラズマ発生炉６およびプラズマ処理室８の内部を排気装置１１および真空弁１２により減圧し、次いで、処理ガス供給系（図示せず）から供給された処理ガスＧをノズル６ｂを介して円筒状プラズマ発生炉６に導入し、円筒状プラズマ発生炉６内において所望のプラズマ発生条件（処理ガス：Ｏ2，処理圧力：１０-1〜１０-3Ｐａ）を形成する。
【０００７】
その後、マイクロ波発振機１を動作させてマイクロ波を発生させ、アイソレータ２、パワーモニタ３、整合器４および接続導波管５を介して円筒状プラズマ発生炉６にマイクロ波を送り込み、円筒状プラズマ発生炉６に導入された処理ガスＧをプラズマ化させる。なお、このようにして円筒状プラズマ発生炉６にて発生したプラズマ化された処理ガスＧは排気装置１１による排気に伴うガスの流れによりプラズマ処理室８に導入され、被処理物２０に照射されることにより被処理物２０に対して所定のプラズマ処理が施される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のマイクロ波プラズマ処理装置においては、マイクロ波発振機１により発生させたマイクロ波を接続導波管５を介して円筒状プラズマ発生炉６に送り込み、円筒状プラズマ発生炉６に導入された処理ガスＧをプラズマ化させている。
【０００９】
しかしながら、上述した従来のマイクロ波プラズマ処理装置では、円筒状プラズマ発生炉６が空洞共振器構造をなしているので、円筒状プラズマ発生炉６内におけるマイクロ波の状態は、接続導波管５等の導波管内にて形成されるような定在波の状態（シングルモード）ではなく、円筒状プラズマ発生炉６の内壁にて反射を繰り返す共振状態（マルチモード）となる。このため、上述した従来のマイクロ波プラズマ処理装置では、円筒状プラズマ発生炉６の共振周波数とマイクロ波の周波数とのマッチングを非常に厳密に行う必要があり、このようなマッチングを適切に行わない場合には、処理ガスＧのプラズマ状態が不安定となり、最悪の場合には処理ガスＧがプラズマ化されないこともあり得る。また、マイクロ波発振機１に収容されている発振管（マグネトロン）の発振周波数が発振開始からの時間経過に起因した負荷変動や温度変化等により経時的に変化するので、処理開始当初において適切にマッチングを行ったとしても、その後の経時変化によりマッチングがずれて処理ガスＧのプラズマ状態が不安定となることもあり得る。なお、このようなマッチングのずれは、例えばオートチューナ（図示せず）を利用して整合器４を調整することにより解消することができるが、オートチューナは非常に高価なものであり経済的な採算をとることが困難である。
【００１０】
また、上述した従来のマイクロ波プラズマ処理装置では、円筒状プラズマ発生炉６の内部の体積を比較的大きくとる必要があり、接続導波管５から気密保持板７を介して導入されるマイクロ波は体積の大きな円筒状プラズマ発生炉６内に一気に供給されることとなる。このため、上述した従来のマイクロ波プラズマ処理装置では、円筒状プラズマ発生炉６内におけるマイクロ波のエネルギー分布に疎密が生じやすく、円筒状プラズマ発生炉６内にて処理ガスＧを均一にプラズマ化させることが困難となり、このため円筒状プラズマ発生炉６に接続されたプラズマ処理室８に設置された被処理物２０に対して均一なプラズマ処理を施すことが困難となる。
【００１１】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、オートチューナ等の高価な機器を利用することなく、処理ガスのプラズマ化を安定的に行うとともに被処理物に対して均一なプラズマ処理を施すことができるマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、処理ガスをプラズマ化させるためのプラズマ発生炉と、前記プラズマ発生炉にて発生したプラズマ化された処理ガスを用いて被処理物に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理室とを備え、前記プラズマ発生炉は、マイクロ波の定在波が形成される導波管と、前記導波管内をその管軸方向に沿って延びるとともに内部を処理ガスが通過するプラズマ発生管とを有し、当該プラズマ発生管は、導波管の一側から外方に突出し、処理ガスが供給される上流側ノズル部と、上流側ノズル部から延びるとともに導波管内において当該導波管の管軸方向に沿って延在する直線部と、直線部から延びるとともに導波管の他側から外方に突出し、プラズマ化された処理ガスが排出される下流側ノズル部とを有し、上流側ノズル部、直線部および下流側ノズル部は、略同径の円筒形状からなり、前記導波管は、幅広面および幅狭面を有する方形導波管からなることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。である。
【００１３】
本発明によれば、導波管の内部に形成されるマイクロ波の定在波により、導波管内に延在するプラズマ発生管に導入された処理ガスをプラズマ化させているので、マイクロ波の発振周波数が経時的に変化したとしても、マイクロ波のうち最も電界の強い部分は導波管の管軸方向に沿って、すなわちプラズマ発生管に沿って移動するだけであり、プラズマ発生管に対しては依然としてマイクロ波のエネルギーが安定して供給され、処理ガスのプラズマ化を安定して行うことができる。このため、オートチューナ等の高価な機器を利用することなく処理ガスのプラズマ化を安定的に行うことができ、被処理物に対して均一なプラズマ処理を施すことができる。
【００１４】
また、本発明によれば、処理ガスをプラズマ化させるためのプラズマ発生管の内部の体積を小さく保つことができるので、プラズマ発生管にて発生した密度の濃い（小領域に集中した均一な）プラズマをプラズマ処理室に供給することができ、このためプラズマ処理室に設置された被処理物に対して均一なプラズマ処理を施すことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１および図２は本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の一実施の形態を示す図である。ここで、図１はマイクロ波プラズマ処理装置の全体構成を示す図、図２は図１に示すプラズマ発生炉を拡大して示す図である。
【００１６】
図１および図２に示すように、マイクロ波プラズマ処理装置は、処理ガスＧをプラズマ化させるためのプラズマ発生炉１０と、プラズマ発生炉１０にて発生したプラズマ化された処理ガスＧを用いて被処理物２０に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理室８とを備えている。なお、プラズマ処理室８には真空弁１２を介して排気装置１１が接続されており、被処理物２０が設置されるプラズマ処理室８の内部を真空状態に保つことができるようになっている。
【００１７】
ここでプラズマ発生炉１０は、マイクロ波の定在波が形成される導波管２１と、導波管２１内をその管軸方向に沿って延びるプラズマ発生管２３とを有している。
【００１８】
このうち導波管２１は、図２に示すように、幅広面（図中の上面および下面）および幅狭面（図中の左側面および右側面）を有する方形導波管である。なお、導波管２１の一端にはアイソレータ２、パワーモニタ３および整合器４を介してマイクロ波発振機１が接続され、他端（終端）には短絡フランジ２２が接続されており、マイクロ波発振機１を動作させてマイクロ波を発生させた場合にその内部にマイクロ波の定在波が形成されるようになっている。
【００１９】
またプラズマ発生管２３は、処理ガスＧが供給される上流側ノズル部２３ａと、上流側ノズル部２３ａから延びるとともに導波管２１内に延在する直線部２３ｂと、直線部２３ｂから延びるとともに処理ガスＧが排出される下流側ノズル部２３ｃとを有している。ここで、上流側ノズル部２３ａは導波管２１の一側幅広面から外方に突出して処理ガス供給系（図示せず）に接続され、下流側ノズル部２３ｃは導波管２１の他側幅広面から外方に突出してプラズマ処理室８に接続されている。なお、プラズマ発生管２３の上流側ノズル部２３ａから供給された処理ガスＧは、導波管２１内に延在する直線部２３ｂを通過し、導波管２１の内部に形成されるマイクロ波の定在波により処理ガスＧがプラズマ化される。そして、プラズマ発生管２３の直線部２３ｂにて発生したプラズマ化された処理ガスＧはプラズマ処理室８に導かれる。
【００２０】
なお、導波管２１の幅狭面の略中央部分にはプラズマ発生管２３の直線部２３ｂを挟んだ状態で対向する一対の永久磁石（磁場印加手段）２４ａ，２４ｂが取り付けられており、マイクロ波の定在波に対してマイクロ波の電界方向と略直交する方向の磁場を印加し、導波管２１内にて形成されるマイクロ波の定在波の腹の領域の電子のスピン効果を向上させて電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：electron cyclotron resonance）を生じさせることができるようになっている。
【００２１】
また、導波管２１は、図２に示すように、管軸方向に沿った接合面３０を介して互いに接合される２つの導波管部材２１ａ，２１ｂから構成されている。
【００２２】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００２３】
まず、プラズマ発生炉１０のプラズマ発生管２３およびプラズマ処理室８の内部を排気装置１１および真空弁１２により減圧し、次いで、処理ガス供給系（図示せず）から供給された処理ガスＧをプラズマ発生管２３の上流側ノズル部２３ａを介して直線部２３ｂに導入し、導波管２１内に延在するプラズマ発生管２３の直線部２３ｂ内において所望のプラズマ発生条件（処理ガス：Ｏ2，処理圧力：１０-1〜１０-3Ｐａ）を形成する。
【００２４】
その後、マイクロ波発振機１を動作させてマイクロ波を発生させ、アイソレータ２、パワーモニタ３および整合器４を介して、プラズマ発生炉１０の導波管２１にマイクロ波を送り込み、導波管２１の内部に形成されたマイクロ波の定在波により、導波管２１内に延在するプラズマ発生管２３の直線部２３ｂに導入された処理ガスＧをプラズマ化させる。なお、このようにしてプラズマ発生管２３の直線部２３ｂにて発生したプラズマ化された処理ガスＧは排気装置１１の排気に伴うガスの流れによりプラズマ処理室８に導入され、被処理物２０に照射されることにより被処理物２０に対して所定のプラズマ処理が施される。
【００２５】
このように本実施の形態によれば、導波管２１の内部に形成されるマイクロ波の定在波により、導波管２１内に延在するプラズマ発生管２３の直線部２３ｂに導入された処理ガスＧをプラズマ化させているので、マイクロ波発振機１に収容されている発振管（マグネトロン）の発振周波数が発振開始からの時間経過に起因した負荷変動や温度変化等により経時的に変化したとしても、マイクロ波のうち最も電界の強い部分は導波管２１の管軸方向に沿って、すなわちプラズマ発生管２３の直線部２３ｂに沿って移動するだけであり、プラズマ発生管２３の直線部２３ｂに対しては依然としてマイクロ波のエネルギーが安定して供給され、処理ガスＧのプラズマ化を安定して行うことができる。このため、オートチューナ等の高価な機器を利用することなく処理ガスＧのプラズマ化を安定的に行うことができ、被処理物２０に対して均一なプラズマ処理を施すことができる。
【００２６】
また、本実施の形態によれば、処理ガスＧをプラズマ化させるためのプラズマ発生管２３の直線部２３ｂの内部の体積を小さく保つことができるので、プラズマ発生管２３の直線部２３ｂにて発生した密度の濃い（小領域に集中した均一な）プラズマをプラズマ処理室８に供給することができ、このためプラズマ処理室８に設置された被処理物２０に対して均一なプラズマ処理を施すことができる。
【００２７】
なお、本実施の形態によれば、永久磁石２４ａ，２４ｂによりマイクロ波の電界方向と略直交する方向の磁場を印加し、導波管２１内にて形成されるマイクロ波の定在波に電子サイクロトロン共鳴を生じさせているので、プラズマ発生管２３の直線部２３ｂの真空度が比較的高い場合（１〜１０-3Ｐａ）でも容易にプラズマ（ＥＣＲプラズマ）を発生させることができる。また、導波管２１が管軸方向に沿った接合面３０を介して互いに接合される２つの導波管部材２１ａ，２１ｂから構成されているので、導波管２１の導波管部材２１ａ，２１ｂの分離および組立により導波管２１内にプラズマ発生管２３を容易に収容することができる。
【００２８】
なお、上述した実施の形態においては、導波管２１の幅狭面の略中央部分に磁場印加手段としての永久磁石２４ａ，２４ｂを取り付けるようにしているが、マイクロ波の電界方向と略直交する方向の磁場を印加することができるものであれば、これに限らず、例えば電磁石等の手段を磁場印加手段として用いることができ、また磁場印加手段の取り付け位置についても任意に設定することができる。
【００２９】
また、上述した実施の形態においては、導波管２１を２つの導波管部材２１ａ，２１ｂから構成しているが、これに限らず、３つ以上の導波管部材から導波管２１を構成することも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、オートチューナ等の高価な機器を利用することなく、処理ガスのプラズマ化を安定的に行うとともに被処理物に対して均一なプラズマ処理を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の一実施の形態を示す一部断面図。
【図２】図１に示すプラズマ発生炉を拡大して示す斜視図。
【図３】従来のマイクロ波プラズマ処理装置を示す一部断面図。
【符号の説明】
１  マイクロ波発振機
２  アイソレータ
３  パワーモニタ
４  整合器
８  プラズマ処理室
１０  プラズマ発生炉
１１  排気装置
１２  真空弁
２０  被処理物
２１  導波管
２１ａ，２１ｂ  導波管部材
２２  短絡フランジ
２３  プラズマ発生管
２４ａ，２４ｂ  永久磁石（磁場印加手段）
３０  接合面
【図１】
0004005244.tif 000002
【図２】
0004005244.tif 000003
【図３】
0004005244.tif 000004