特開 2024-146860 プラズマ発生器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024146860

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】プラズマ発生器

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/30 20060101AFI20241004BHJP

【ＦＩ】

H05H1/30

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024051471

(22)【出願日】2024-03-27

(31)【優先権主張番号】P 2023059135

(32)【優先日】2023-03-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】納富 隼人

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 悠輔

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 豊

(72)【発明者】

【氏名】天立 茂樹

【テーマコード（参考）】

2G084

【Ｆターム（参考）】

2G084AA02

2G084AA03

2G084AA18

2G084CC13

2G084CC34

2G084DD03

2G084DD13

2G084DD55

2G084FF32

2G084FF33

2G084GG02

2G084GG18

2G084GG26

(57)【要約】

【課題】ガスの分解効率を高めることができるプラズマ発生器を提供する。
【解決手段】プラズマ発生器２０は、放電管２２と、コイル２４と、放電管２２の一方の開口部２２ｂを覆い、放電管２２の内部にガスを導入する複数のガス導入孔２８が形成された被覆体２６Ａと、を備える。コイル２４は、少なくとも一部の巻線部分２４ａに、ＲＦ帯域の周波数の高周波電流が流れるように構成されている。複数のガス導入孔２８から導入されたガスにより、放電管２２の内部において、旋回流Ｆ１が形成されるように、各ガス導入孔２８には、中心軸ＣＬに沿った方向から視たときに中心軸ＣＬを中心とした同じ回りに、ガスが放出される放出流路２８ｂが形成されている。
【選択図】図４Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスを内部に導入し、内部においてプラズマを発生させるプラズマ発生器であって、
円筒形状を有した絶縁性の放電管と、
前記放電管の中心軸を中心に前記放電管の外周に巻かれた導電性のコイルと、
前記放電管の一方の開口部を覆い、前記放電管の内部にガスを導入する複数のガス導入孔が形成された被覆体と、を少なくとも備え、
前記コイルは、少なくとも一部の巻線部分に、ＲＦ帯域の周波数の高周波電流が流れるように構成されており、
前記複数のガス導入孔から導入されたガスにより、前記放電管の内部において、旋回流が形成されるように、前記各ガス導入孔には、前記中心軸に沿った方向から視たときに前記中心軸を中心とした同じ回りに、前記ガスが放出される放出流路が形成されていることを特徴とするプラズマ発生器。

【請求項2】

前記中心軸に沿った方向から視たときに、前記放出流路から放出されるガスの放出方向に沿った仮想線と、前記仮想線が前記放電管の内周面に接した接点を通過する前記内周面の円周の接線とが成す角度が、４５°以下であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生器。

【請求項3】

前記中心軸に沿った方向から視たときに、前記放出流路の放出口は、前記中心と前記内周面とを結ぶ半径方向において、前記中心と前記内周面との間の中央よりも前記内周面寄りに形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生器。

【請求項4】

前記中心軸に沿った方向から視たときに、前記複数のガス導入孔は、前記中心軸を中心とした同じ円周上に沿って等間隔に形成され、前記各ガス導入孔の前記放出流路から放出されるガスの放出方向に沿った仮想線と、前記放出流路の放出口を通過する前記円周の接線との成す角度は、同じ角度であり、
前記仮想線は、前記中心軸に沿った方向に対して、同じ角度に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生器。

【請求項5】

前記仮想線は、前記中心軸に沿った方向に対して、傾斜する角度は、６０°以上であることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ発生器。

【請求項6】

前記被覆体は、
前記放電管の前記一方の開口部から外挿され、前記放電管に連結された連結筒と、
前記連結筒の開口部を覆い、前記複数のガス導入孔が形成された蓋体と、
を有しており、
前記連結筒が前記放電管に連結された状態で、前記蓋体は、前記中心軸に沿った方向において、前記一方の開口部に対して間隔を空けて配置されており、
前記各ガス導入孔の前記放出流路は、前記放電管の内周面に向かってガスが放出されるように、前記中心軸に沿った方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ発生器に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造プロセスでは、誘導性結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）（以下、ＩＣＰ）を発生させ、そのＩＣＰを利用して各種の処理（クリーニング等）を行う場合がある。特許文献１および特許文献２には、ＩＣＰを発生させるプラズマ発生器が記載されている。

【0003】

ＩＣＰは、放電管の外周にコイルを巻いたプラズマ発生器を用いて発生させる。この際、コイルには高周波電流が流れるように高周波電源から高周波電圧を出力するとともに、放電管の内部にプロセスガス（以下、ガス）を導入する。そして、コイルに流れる高周波電流による誘導磁界によってガスを電離させてプラズマを発生させる。なお、初期の段階では、容量性結合プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）と呼ばれるプラズマが発生し、その後、コイルに流れる高周波電流を増加させていく段階でＩＣＰが発生すると考えられている。

【0004】

放電管の内部のガスが電離してプラズマが発生すると、電離により得られたプラズマ中の電子がガスに衝突し、ガスが分解する。例えば、ＮＦ_３（三フッ化窒素）であれば、Ｎ（窒素）と３Ｆ（フッ素）とに分解する。分解したガスは、例えば、プラズマ発生器の下流にあるプラズマ処理室に送出され、プラズマ処理室内のクリーニング等の処理が行われる。

【0005】

このように、ＩＣＰを発生させることによってガスが分解する。分解したガスを用いてクリーニング等の処理が行われる。そのため、ガスの分解効率を高めることが要求されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２０－１６１３１９号公報

【特許文献2】特開２０２０－０５７４６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ガスの分解効率を高めることができるプラズマ発生器を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記課題を鑑みて、本発明に係るプラズマ発生器は、ガスを内部に導入し、内部においてプラズマを発生させるプラズマ発生器であって、円筒形状を有した絶縁性の放電管と、前記放電管の中心軸を中心に前記放電管の外周に巻かれた導電性のコイルと、前記放電管の一方の開口部を覆い、前記放電管の内部にガスを導入する複数のガス導入孔が形成された被覆体と、を少なくとも備え、前記コイルは、少なくとも一部の巻線部分に、ＲＦ帯域の周波数の高周波電流が流れるように構成されており、前記複数のガス導入孔から導入されたガスにより、前記放電管の内部において、旋回流が形成されるように、前記各ガス導入孔には、前記中心軸に沿った方向から視たときに前記中心軸を中心とした同じ回りに、前記ガスが放出される放出流路が形成されていることを特徴とする。

【0009】

本発明によれば、各ガス導入孔には、放電管の中心軸に沿った方向から視たときに中心軸を中心とした同じ回りに（例えば、時計回りに）、ガスが放出される放出流路が形成されている。これにより、複数のガス導入孔から導入されたガスにより、放電管の内部に、螺旋状の旋回流を形成することができる。その結果、本発明のプラズマ発生器では、放電管に導入するガスの流量が同じ場合であっても、ガスが放電管の中心軸に沿って直線的に流れる場合に比べて、放電管の中心軸に沿った速度成分を低下させることができる。そのため、高周波電流が流れるコイルの巻線部分に対応した放電管の内部の巻線部分に近い領域（以下、プラズマ発生領域）において、ガスの滞在時間を増加させることができるため、ガスの分解効率を高めることができる。

【0010】

ここで、放電管の内部に、導入されたがガスにより、旋回流を形成することができるのであれば、放出流路の放出方向は、特に限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記中心軸に沿った方向から視たときに、前記放出流路から放出されるガスの放出方向に沿った仮想線と、前記仮想線が前記放電管の内周面に接した接点を通過する前記内周面の円周の接線とが成す角度が、４５°以下である。

【0011】

この態様によれば、ガスの放出方向に沿った仮想線と、内周面の円周の接線とが成す角度を、４５°以下とすることにより、放電管の内周面に衝突したガスの流れが、旋回流が形成される方向と、反対方向に流れることを抑えることができる。これにより、ガス導入孔から噴出されたガスを、概略的には放電管の内周面に沿って螺旋状に流すことができる。

【0012】

さらに好ましい態様としては、前記中心軸に沿った方向から視たときに、前記放出流路の放出口は、前記中心と前記内周面とを結ぶ半径方向において、前記中心と前記内周面との間の中央よりも前記内周面寄りに形成されている。この態様によれば、放出口を中心と内周面との間の中央よりも内周面寄りに形成することにより、ガスの放出方向に沿った仮想線と、内周面の円周の接線とが成す角度を、より小さく設定することができる。これにより、ガス導入孔から放出されたガスを、概略的には放電管の内周面に沿って螺旋状に流すことができる。

【0013】

また、放電管の内部に、導入されたガスにより、旋回流を形成することができるのであれば、複数のガス導入孔の位置およびその形状は、特に限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記中心軸に沿った方向から視たときに、前記複数のガス導入孔は、前記中心軸を中心とした同じ円周上に沿って等間隔に形成され、前記各ガス導入孔の前記放出流路から放出されるガスの放出方向に沿った仮想線と、前記放出流路の放出口を通過する前記円周の接線との成す角度は、同じ角度であり、前記仮想線は、前記中心軸に沿った方向に対して、同じ角度に傾斜している。ここで、旋回流を形成することができるのであれば、仮想線が傾斜する角度は特に限定されるものではないが、前記仮想線は、前記中心軸に沿った方向に対して、傾斜する角度は、６０°以上であることがより好ましい。

【0014】

この態様によれば、中心軸に沿った方向から視たときに、複数のガス導入孔は、等間隔に形成され、ガスの放出方向に沿った仮想線と、円周の接線との成す角度は、同じ角度であり、仮想線は、中心軸に沿った方向に対して、同じ角度に傾斜しているので、中心軸に沿って、螺旋状の旋回流を安定して形成することができる。そのため、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）の発生・維持に関する安定性を向上させることができる。

【0015】

なお、ガス導入孔が放電管の中心軸を中心とする円周上に沿って等間隔に形成されていない場合は、放電管内部の円周方向におけるガス密度の不均一性が高まる。これに対して、上記のようにすると、プラズマ発生領域において、放電管内部の円周方向におけるガス密度の均一性を高めることができるので、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）の発生・維持に関する安定性を向上させることができる。すなわち、ガス流量等の条件が同じであれば、同じ結果を得られ易くなる。後述する発明者らの実験結果からも明らかなように、仮想線を、前記中心軸に沿った方向に対して、６０°以上の角度に傾斜させることにより、ガスの分解効率を一層高めることができる。

【0016】

より好ましい態様としては、前記被覆体は、前記放電管の前記一方の開口部から外挿され、前記放電管に連結される連結筒と、前記連結筒の開口部を覆い、前記複数のガス導入孔が形成された蓋体と、を有しており、前記連結筒が前記放電管に連結された状態で、前記蓋体は、前記中心軸に沿った方向において、前記一方の開口部に対して間隔を空けて配置されており、前記各ガス導入孔の前記放出流路は、前記放電管の内周面に向かってガスが放出されるように、前記中心軸に沿った方向に対して傾斜している。

【0017】

この態様によれば、蓋体は、中心軸に沿った方向において、一方の開口部に対して間隔を空けて配置されているので、蓋体に形成されたガス導入孔から、放電管の開口部の端面を超え、放電管の内周面の方向に向かって、ガスが放出される。これにより、放電管の一方の開口部の端面において、ガスの流れに乱れが発生し難くなり、放電管の内部において、螺旋状の安定した旋回流を形成することができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明に係るプラズマ発生器によれば、ガスの分解効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係る実施形態に係るプラズマ発生装置の構成を示す図である。

【図2】図１に示す実施形態に係るプラズマ発生器の外観を示す斜視図である。

【図3】図２に示す実施形態に係るプラズマ発生器の断面図である。

【図4A】（ａ）は、図３に示す蓋体の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

【図4B】変形例に係る蓋体を説明するための図であり、（ａ）は、変形例に係る蓋体の平面図であり、（ｂ）は、別の変形例に係る蓋体の断面図である。

【図5】図３に示すプラズマ発生器におけるガスの流れを説明するための模式的斜視図である。

【図6】図３に示すプラズマ発生器における旋回流を説明するための断面図である。

【図7】比較例１に係るプラズマ発生器の断面図である。

【図8】実施例１、２および比較例１に係るプラズマ発生器において、放電管に導入されるガスの流量と、導入されたガスの分解効率との関係を示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に添付図面を参照して、実施形態に係るプラズマ発生器２０を備えたプラズマ発生装置１０を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

【0021】

１．プラズマ発生装置１０とプラズマ発生器２０の全体構成について
図１は、実施形態に係るプラズマ発生装置１０の構成を示す図である。実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を発生させる装置である。

【0022】

実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、高周波電源１２と、インピーダンス整合回路１４と、プラズマ発生器２０と、を備える。

【0023】

高周波電源１２は、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯域の周波数の高周波電圧を出力することにより、インピーダンス整合回路１４を介して、高周波電力をプラズマ発生器２０に供給する。インピーダンス整合回路１４は、高周波電源１２から出力された高周波電力をインピーダンス整合してプラズマ発生器２０へと供給する。

【0024】

プラズマ発生器２０は、ガスが内部に導入し、内部においてプラズマを発生する。プラズマ発生器２０により発生されたプラズマは、例えばプラズマ処理室へと送出され、エッチング等の各種の処理に用いられる。

【0025】

プラズマ発生器２０は、放電管２２と、コイル２４と、被覆体２６Ａとを、少なくとも備える。放電管２２は、円筒形状を有しており、石英、アルミナ等の絶縁性の材料からなる。

【0026】

コイル２４は、銅合金などの導電性の材料からなり、放電管２２の中心軸ＣＬを中心に、放電管２２の外周に巻かれる。コイル２４には、高周波電源１２からインピーダンス整合回路１４を介して高周波電力が供給される。具体的には、コイル２４は、少なくとも一部の巻線部分に、ＲＦ帯域の周波数の高周波電流が流れるように構成されている。

【0027】

被覆体２６Ａは、アルミニウム等の金属で構成されており、後述するように、放電管２２の一方の開口部２２ｂを覆っており、放電管２２の一方の開口部２２ｂを塞いている。被覆体２６Ａは、放電管２２の一方の開口部２２ｂから外挿された状態で、放電管２２に連結される上側連結筒４４と、上側連結筒４４の開口部４４ａを覆い、放電管２２の内部にガスを導入する複数のガス導入孔２８が形成された蓋体２６と、を備えている。

【0028】

このようなプラズマ発生器２０は、放電管２２の内部が高真空状態に保たれ、複数のガス導入孔２８からガスが内部に導入される。プラズマ発生器２０は、コイル２４に流れるＲＦ帯域の周波数の高周波電流により発生する変動磁場との誘導結合によって放電管２２の内部のガスを電離させてプラズマ化し、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を発生する。発生したプラズマは、放電管２２における、ガス導入孔２８とは反対側の開口部（他方の開口部２２ｃ）から、プラズマ処理室等へと送出される。

【0029】

放電管２２の内部のガスが電離してプラズマが発生する際には、ガスが分解する。例えば、ガスがＮＦ_３（三フッ化窒素）であれば、Ｎ（窒素）と３Ｆ（フッ素）とに分解される。分解されたＮ（窒素）と３Ｆ（フッ素）とは、例えば、プラズマ発生器２０の下流にあるプラズマ処理室（図示せず）に送出され、プラズマ処理室内のクリーニング等の処理が行われる。例えば、クリーニングを行う場合、プラズマ処理室内に残留しているＳｉ膜とＦ（フッ素）との化学反応により気体のＳｉＦ_４が発生するので、それらを真空ポンプで排出することにより、Ｓｉ膜を除去することができる。

【0030】

もちろん、本実施形態のプラズマ発生器２０が適用されるのは、上記のようなプラズマ処理室内のクリーニングに限定されない。例えば、有害ガスの除害処理等に適用することができる。有害ガスの除害処理に適用する場合は、上流から流れてくる有害ガスを電離させて、プラズマ化させる。この際に、有害ガスを分解し、無害化を図ることになる。また、使用するガスは、ＮＦ_３に限定されず、用途（クリーニング、除害処理等）によって、様々なガスが用いられる。例えば、Ｏ_２等が用いられる。

【0031】

２．放電管２２と冷却および接続の構造について
図２は、図１に示す実施形態に係るプラズマ発生器２０の外観を示す斜視図である。図３は、図２に示す実施形態に係るプラズマ発生器２０の断面図である。

【0032】

プラズマ発生器２０は、図中上側からガスが導入され、図中下側からプラズマを送出する。プラズマ発生器２０に流れるガスの上流側を上側、ガスの下流側を下側としている。ただし、この上側および下側は、説明の便宜上、特定したものであり、プラズマ発生器２０を構成する各部材および部位は、これに限定されるものではない。なお、本実施形態では、プラズマ発生器２０は、流れるガスの上流側を上側、ガスの下流側を下側としたが、例えば、流れるガスの上流側を下側、ガスの下流側を上側となるように、図３に示すプラズマ発生器２０に対して上下を反転させて、プラズマ発生装置を配置してもよい。また、ガスの上流側と下流側が水平方向に沿うように、図３に示すプラズマ発生器２０を横置きにしてもよい。このように、プラズマ発生器２０により、後述する効果を奏することができるのであれば、プラズマ発生器２０の配置される姿勢は特に限定されるものではない。

【0033】

上述した如く、プラズマ発生器２０の放電管２２は、円筒形状を有しており、放電管２２は内部に、プラズマの材料となるガスが通過する。放電管２２には、円板状の上側フランジ４２を、放電管２２に外挿した状態で、取り付けられている。上側フランジ４２は、アルミニウム等の金属で構成されており、中心軸ＣＬに沿った放電管２２の外周面のうち、コイル２４が巻かれた領域と、一方側の開口部２２ｂとの間において、放電管２２に外挿されている。

【0034】

さらに、放電管２２には、円板状の下側フランジ７２と、下側連結筒７４とが、放電管２２に外挿された状態で、取り付けられている。下側フランジ７２は、アルミニウム等の金属で構成されており、中心軸ＣＬに沿った放電管２２の外周面のうち、コイル２４が巻かれた領域と、他方側の開口部２２ｃとの間において、放電管２２に外挿されている。

【0035】

下側連結筒７４は、アルミニウム等の金属で構成されており、放電管２２の下端を含む位置に取り付けられている。下側連結筒７４は、略円筒形状であって、内周が放電管２２の外周と一致しており、内部に放電管２２が挿入される。下側連結筒７４には、下側フランジ７２と対向した位置に、フランジ部７６が形成されており、下側フランジ７２とフランジ部７６が当接している。下側連結筒７４には、下部位置において、下側フランジ部７８が形成されている。

【0036】

さらに、放電管２２には、冷却管支持体８２が、放電管２２に外挿された状態で、取り付けられており、冷却管支持体８２には、下側冷却管８４の一部が収容されている。冷却管支持体８２は、アルミニウム等の金属で構成されており、コイル２４と下側フランジ７２との間に配置されている。

【0037】

冷却管支持体８２の下端位置の内側（放電管２２側）には溝が形成されており、この溝には、Ｏリング９２が挿入される。冷却管支持体８２と下側フランジ７２とをボルト等で固定することによって、Ｏリング９２が冷却管支持体８２と下側フランジ７２との間に挟み込まれる状態となっている。これにより、Ｏリング９２が変形するので、放電管２２と冷却管支持体８２との間が塞がれ、放電管２２の下方における気密性が保たれる。

【0038】

下側冷却管８４は、下側フランジ７２の上側部分の放電管２２の外周に略１周巻かれる。下側冷却管８４は、一方の端部に第３接続部８６が設けられ、他方の端部に第４接続部８８が設けられている。第３接続部８６および第４接続部８８の一方は、冷媒を下側冷却管８４に導入するための接続治具であり、その他方が、冷媒を下側冷却管８４から送出させるための接続治具である。これにより、下側冷却管８４は、放電管２２を冷却することができる。

【0039】

３．コイル２４について
プラズマ発生器２０のコイル２４は、放電管２２における中心軸ＣＬ方向における中央領域に設けられている。コイル２４は、断面の外周形状が矩形、例えば正方形である。コイル２４は、線状の導電体であって、放電管２２の外周に、放電管２２の中心軸ＣＬを中心に所定のピッチで、所定の周回数分巻かれる。これにより、コイル２４は、放電管２２の外周に、放電管２２の中心軸ＣＬを中心に巻かれた状態となる。

【0040】

コイル２４は、内部が中空であって、内部に冷媒が流れる冷却流路５２が形成されている。コイル２４は、一方の端部に第１接続部５４が設けられ、他方の端部に第２接続部５６が設けられている。第１接続部５４および第２接続部５６のうち一方は、冷媒をコイル２４の内部の冷却流路５２に導入するための接続治具であり、その他方が冷媒をコイル２４の冷却流路５２から送出させるための接続治具である。これにより、コイル２４内の冷却流路５２は、一方の端部から他方の端部まで、内部に冷媒を流し、コイル２４および放電管２２を冷却することができる。コイル２４は、このような冷却流路５２を含むことにより、コイル２４による発熱を効率良く冷却することができる。

【0041】

コイル２４は、少なくとも通電される巻線部分２４ａを有している。巻線部分２４ａは、コイル２４の一方の端部から他方の端部までの間の途中に設けられており、巻線部分２４ａの両端には、第１電極６２および第２電極６４が設けられている。第１電極６２および第２電極６４には、インピーダンス整合回路１４から高周波電力が供給される。これにより、コイル２４は、第１電極６２と第２電極６４との間に高周波電力に応じた電流が流され、高周波磁界を発生させることができる。なお、コイル２４の一方の端部から他方の端部に、第１および第２電極６２、６４を設け、コイル２４全体に通電してもよい。

【0042】

４．被覆体２６Ａについて
被覆体２６Ａは、放電管２２の一方の開口部２２ｂを覆うカバ部材であり、被覆体２６Ａには、放電管２２の内部にガスを導入する複数（ここでは８つ）のガス導入孔２８が形成されている。被覆体２６Ａは、上側連結筒（連結筒）４４と蓋体２６とを有している。なお、本実施形態では、被覆体２６Ａは、上側連結筒４４と蓋体２６とで構成されるが、放電管２２の一方の開口部２２ｂを蓋体２６で覆うように、蓋体２６を配置することができるのであれば、被覆体２６Ａは蓋体２６のみで構成されていてもよい。

【0043】

上側連結筒４４は、円筒状であり、アルミニウム等の金属で構成されている。放電管２２の一方の開口部２２ｂから外挿され、上側フランジ４２を介して放電管２２に連結されている。放電管２２の中心軸ＣＬと、上側連結筒４４の（円筒の）軸心とは、一致している。上側連結筒４４は、略円筒形状であって、内周が放電管２２の外周と一致しており、内部に放電管２２が挿入されている。上側連結筒４４には、上側フランジ４２と対向する位置に、フランジ部４６が形成されている。上側連結筒４４は、上部位置において、ガス供給源（図示せず）に接続されるフランジ部４８が形成されている。

【0044】

上側連結筒４４の下端位置の内側（放電管２２側）には溝が形成されており、Ｏリング４９が挿入されている。フランジ部４６と上側フランジ４２とをボルト等で固定することによって、Ｏリング４９がフランジ部４６と上側フランジ４２との間に挟み込まれる状態となる。これにより、Ｏリング４９が変形するので、放電管２２とフランジ部４６との間が塞がれ、放電管２２の上方における気密性が保たれる。

【0045】

蓋体２６は、円板形状であり、上側連結筒４４に形成された開口部４４ａを覆うように配置されている。蓋体２６は、上側連結筒４４に形成されたフランジ部４８の上に載置された状態で、上側連結筒４４に固定されている。これにより、蓋体２６は、放電管２２の一方の開口部２２ｂを塞ぐことができる。また、上側連結筒４４が放電管２２に連結された状態で、蓋体２６は、放電管２２の中心軸ＣＬに沿った方向において、放電管２２の一方の開口部２２ｂの端面２２ｅに対して間隔を空けて配置されている。なお、蓋体２６とフランジ部４８とを一体形成してもよい。このようにすれば、コストを低減することができる。

【0046】

ところで、一般的に知られているように、ガスを電離させてプラズマを発生させることに適したガス密度がある。ガスの電離は、主に放電管２２の内部のプラズマ発生領域ＰＲ（図６参照）において生じるので、このプラズマ発生領域ＰＲにおけるガス密度が重要となる。このガス密度は、ガスの種類、ガス流量、コイルの電圧、コイルに流れる電流、高周波電源１２から出力する高周波電圧の周波数、放電管の内径等の様々な条件によって異なる。また、プラズマ処理プロセスの進行状況によっても異なる。そのため、実験等を行って、ガスの種類毎に、ガス流量等の条件を見出していくことが必要である。例えば、プラズマ発生前の段階では、ＣＣＰを発生させるために適した条件を見出す必要があり、その後は、ＩＣＰを発生させ、また維持するのに適した条件を見出す必要がある。また、ＩＣＰの発生・維持段階では、ガスの分解効率を高めることが重要になる。ただし、ガスの分解効率は、放電管２２の内部のプラズマ発生領域ＰＲにおけるガス密度が大きな要因となるが、従来のプラズマ発生器では、その調整が困難であった。このような観点から、本実施形態では、蓋体２６に、以下に示す複数のガス導入孔２８を設けている。

【0047】

５．ガス導入孔２８について
本実施形態では、蓋体２６は、ガス供給源（図示せず）に面した円形状の第１面２６ａと、放電管２２に面した円形状の第２面２６ｂを有した円板状の部材である。本実施形態では、図４Ａ（ｂ）に示すように、蓋体２６には、第１面２６ａと第２面２６ｂを貫通するように、複数のガス導入孔２８が形成されている。ガス導入孔２８は、蓋体２６を貫通するように形成された直線状の孔であり、第１面２６ａには、ガス導入孔２８にガスを供給する供給口２８ａが形成され、第２面２６ｂには、ガス導入孔２８からガスを排出する放出口２８ｃが形成されている。なお、図３に示す蓋体２６にガス導入孔２８は、説明上、便宜的に、その形状を記載しているが、実際のガス導入孔２８の配置および形状は、図４Ａ～図５を参照して詳細に説明する。

【0048】

ガス導入孔２８には、ガスが放出される放出流路２８ｂが形成されている。放出流路２８ｂの端部には、放出口２８ｃが形成されており、放出流路２８ｂは、放出口２８ｃから放出されるガスの放出方向に沿った直線状の経路であり、本実施形態では、ガス導入孔２８は、直線状の孔であることから、放出流路２８ｂが延在する方向と、ガス導入孔２８が延在する方向は、一致する。

【0049】

なお、図４Ｂ（ｂ）に示すように、ガス導入孔２８は、屈曲した流路であってもよい。この場合には、放出流路２８ｂは、放出口２８ｃから第２面２６ｂに対して、蓋体２６の厚さ方向に対して、傾斜した流路となる。本実施形態およびこの変形例では、ガス導入孔２８は、円形状の同じ孔径を有しており、放出流路２８ｂの流路断面の円形状である。

【0050】

本実施形態では、複数のガス導入孔２８は、複数のガス導入孔２８から、放電管２２の内部に導入されたガス（具体的には放出口２８ｃから放出されたガス）により、放電管２２の内部において、旋回流Ｆ１が形成されるように、配置されている。具体的には、各ガス導入孔２８には、放電管２２の中心軸ＣＬに沿った方向から視たときに、放電管２２の中心軸ＣＬを中心Ｃとした同じ回りに（図４Ａ、４Ｂでは時計回り）、ガスが放出される放出流路２８ｂが形成されている。なお、本実施形態では、その一例として、旋回流Ｆ１が時計回りとなるように、放出流路２８ｂが形成されているが、旋回流Ｆ１が反時計回りとなるように、放出流路２８ｂが形成されてもよい。

【0051】

本実施形態では、図４Ａ（ａ）に示すように、中心軸ＣＬに沿った方向から視たときに、複数のガス導入孔２８は、中心軸ＣＬを中心Ｃとした同じ円周Ｃ１上に沿って等間隔に形成されている。本実施形態では、複数のガス導入孔２８は、同じ形状であり、供給口２８ａは、円周Ｃ１上に形成されている。放出口２８ｃは、円周Ｃ１よりもわずかに大きい半径を有した円周Ｃ３上に形成されている。図４Ａ（ａ）では、便宜上、円周Ｃ１と円周Ｃ３は、便宜上、同じ円周として示している。

【0052】

本実施形態では、放電管２２の中心軸ＣＬに沿った方向から視たときに、放出流路２８ｂから放出されるガスの放出方向に沿った仮想線Ｌ１は、円周Ｃ３の接線に相当する。したがって、本実施形態では、各ガス導入孔２８の放出流路２８ｂから放出されるガスの放出方向に沿った仮想線Ｌ１と、放出流路２８ｂの放出口２８ｃを通過する円周Ｃ３の接線Ｌ３とは略一致している。なお、図４Ｂ（ｂ）に示すように、仮想線Ｌ１と接線Ｌ３とが角度θ２を成すように、供給口２８ａを、円周Ｃ１上に形成し、放出口２８ｃを、円周Ｃ１よりも大きい半径を有した円周Ｃ３上に形成してもよい。

【0053】

図４Ａ（ａ）の例では、この仮想線Ｌ１と、仮想線Ｌ１が放電管２２の内周面２２ａに接した接点Ｐ１を通過する内周面２２ａの円周Ｃ２の接線Ｌ２とが成す角度θ１が、４５°以下となる位置に、複数のガス導入孔２８が形成されている。

【0054】

さらに、図４Ａ（ｂ）に示すように、各ガス導入孔２８の放出流路２８ｂにより、その放出方向は、異なるものの、各ガス導入孔２８の放出方向に沿った仮想線Ｌ１は、中心軸ＣＬに沿った方向ＣＤに対して、同じ角度に傾斜している。

【0055】

本実施形態では、図４Ａ（ａ）に示すように、中心軸ＣＬに沿った方向から視たときに、放出流路２８ｂの放出口２８ｃは、中心Ｃと、放電管２２の内周面２２ａとを結ぶ半径方向において、中心Ｃと内周面２２ａとの間の中央よりも内周面２２ａ寄りに形成されている。ここで、「中央」とは、この半径方向において、中心Ｃと内周面２２ａとの区間の中点である。具体的には、中心Ｃと放電管２２の内周面２２ａとの距離（円周Ｃ２の半径）Ｒは、中心Ｃから放出口２８ｃまでの距離Ｒ１と、放出口２８ｃから内周面２２ａまでの距離Ｒ２との合計であり、距離Ｒ１は、距離Ｒ２よりも長いこれにより、放出方向に沿ったガスが、放電管２２の内周面２２ａまたは上側連結筒４４の内周面に衝突する。放出方向に沿ったガスが放電管２２の内周面２２ａに衝突する場合、より安定した旋回流Ｆ１を形成するには、距離Ｒに対して、距離Ｒ１は、０．５を超えていること好ましく、後述する実施例１および実施例２に示すように、０．６以上であることがより好ましい。放出方向に沿ったガスが上側連結筒４４の内周面に衝突する場合も同様に考えることができる。

【0056】

さらに、本実施形態では、図３に示すように、上側連結筒４４が放電管２２に連結された状態で、蓋体２６は、中心軸ＣＬに沿った方向において、放電管２２の一方の開口部２２ｂを形成する端面２２ｅに対して間隔を空けて配置されている。また、図５に示すように、各ガス導入孔２８の放出流路２８ｂは、放電管２２の内周面２２ａに向かってガスが放出されるように、中心軸ＣＬに沿った方向に対して傾斜している。

【0057】

このような構成のプラズマ発生器２０は、ガス導入孔２８からプラズマの材料となるガスが内部に導入されるとともに、コイル２４に高周波電力を供給される。まず、プラズマ発生器２０は、コイル２４の電圧により、真空状態とされた放電管２２の内部でガスを電離させて容量性結合プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を発生させる。そして、プラズマ発生器２０は、コイル２４に流れる電流が増加されると、誘導磁界を発生させ、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を発生させる。本実施形態に係るプラズマ発生器２０は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を安定的に発生させ、発生を維持させることができる。

【0058】

本実施形態によれば、各ガス導入孔２８には、放電管２２の中心軸ＣＬに沿った方向から視たときに中心軸ＣＬを中心Ｃとした同じ回りに（時計回りに）、ガスが放出される放出流路２８ｂが形成されている。これにより、複数のガス導入孔２８から導入されたガスにより、放電管２２の内部に、螺旋状の旋回流Ｆ１を形成することができる。その結果、放電管２２に導入するガスの流量が同じ場合であっても、ガスが放電管２２の中心軸ＣＬに沿って直線的に流れる場合に比べて、放電管２２の中心軸ＣＬに沿った速度成分を低下させることができる。そのため、高周波電流が流れるコイル２４の巻線部分２４ａに対応した放電管２２の内部の巻線部分２４ａに近い領域（以下、プラズマ発生領域ＰＲ）において、ガスの滞在時間を増加させることができるため、ガスの分解効率を高めることができる。

【0059】

さらに、ガスの放出方向に沿った仮想線Ｌ１と、内周面２２ａの円周Ｃ２の接線Ｌ２とが成す角度θ１を、４５°以下とすることにより、放電管２２の内周面２２ａに衝突したガスの流れが、旋回流Ｆ１が形成される方向と、反対方向に流れることを抑え、ガス流れの乱れを抑えることができる。これにより、ガス導入孔２８から噴出されたガスを、概略的には放電管２２の内周面２２ａに沿って、螺旋状の旋回流Ｆ１で安定して流すことができる。

【0060】

さらに、図４Ａ（ａ）、図４Ｂ（ａ）に示すように、ガス導入孔２８の放出口２８ｃを中心Ｃよりも内周面２２ａ寄りに形成することにより、ガスの放出方向に沿った仮想線Ｌ１と、内周面２２ａの円周Ｃ２の接線Ｌ２とが成す角度θ１を、より小さく設定することができる。これにより、ガス導入孔２８から噴出されたガスを、概略的には放電管２２の内周面２２ａに沿って螺旋状に流すことができる。

【0061】

本実施形態では、中心軸ＣＬに沿った方向から視たときに、複数のガス導入孔２８は、等間隔に形成され、ガス導入孔２８のそれぞれに対して、図４Ａ（ａ）では、ガスの放出方向に沿った仮想線Ｌ１と、円周Ｃ１の接線Ｌ３と、が一致し（これらの成す角度は０°で同じあり）、図４Ａ（ｂ）では、仮想線Ｌ１と接線Ｌ３との成す角度θ２は、同じ角度である。さらに、仮想線Ｌ１は、中心軸ＣＬに沿った方向ＣＤに対して、同じ角度θ３に傾斜している。したがって、放電管２２の中心軸ＣＬに沿って、螺旋状の旋回流Ｆ１を安定して形成することができる。そのため、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）の発生・維持に関する安定性を向上させることができる。ガスの放出方向に沿った仮想線Ｌ１が、中心軸ＣＬに沿った方向ＣＤに対して、傾斜する角度θ３の大きさは、螺旋状の旋回流Ｆ１が形成されるのでれば、特に限定されるものではない。なお、本実施形態では、方向ＣＤは、平面状の蓋体２６の表面（平面）の法線の方向と一致し、中心線ＣＬは、方向ＣＤと平行な位置関係にある。発明者らの実験によれば、角度θ３は、４５°以上であることが好ましく、より好ましくは、角度θ３は、６０°以上である。螺旋状の旋回流Ｆ１によるガスの分解効率を高めることができる。ガス導入孔２８を有した蓋体２６の製造上の観点から、角度θ３は、８０°以下であることが好ましい。

【0062】

さらに、図３に示すように、蓋体２６は、中心軸ＣＬに沿った方向において、放電管２２の一方の開口部２２ｂ（具体的には端面２２ｅ）に対して間隔を空けて配置されている。このような場合であっても、図５に示すように、蓋体２６に形成されたガス導入孔２８から、放電管２２の開口部２２ｂの端面２２ｅを超え、放電管２２の内周面２２ａの方向に向かって、ガスが放出される。これにより、放電管２２の開口部２２ｂの端面２２ｅにおいて、ガスの流れに乱れが発生し難くなり、放電管２２の内部において、螺旋状の安定した旋回流Ｆ１を形成することができる。

【実施例0063】

以下に、本発明の実施例を以下に示す。
〔実施例１〕
図４Ａに示す蓋体２６を有したプラズマ発生器を準備した。具体的には、厚さ４ｍｍの蓋体に、直径５０ｍｍの円周上に、平面視において（中心軸ＣＬに沿った方向から視て）、接線方向にガスが放出され、かつ、中心軸ＣＬに沿った方向ＣＤに対して、４５°で傾斜した孔径１．５ｍｍのガス導入孔を等間隔で、８個設けた。すなわち、実施例１では、ガス導入孔２８のガスの放出方向に沿った仮想線Ｌ１が、中心軸ＣＬに沿った方向ＣＤに対して傾斜する角度θ３を４５°にした。なお、放電管２２の内径は、７３ｍｍであり、上述した距離Ｒ１／距離Ｒは、０．６８である。このプラズマ発生器に対して、ＮＦ_３のガスを導入し、導入したガスの流量と、ＮＦ_３のガス分解効率を測定した。この結果を表１および図８に示す。

【0064】

〔実施例２〕
実施例１と同様のプラズマ発生器を準備した。実施例２のプラズマ発生器が、実施例１のものと相違する点は、実施例２では、ガス導入孔２８のガスの放出方向に沿った仮想線Ｌ１が、中心軸ＣＬに沿った方向ＣＤに対して傾斜する角度θ３を６０°にした点である。すなわち、実施例２では、ガス導入孔２８は、平板状の蓋体２６の表面（平面）に対して３０°の角度で、蓋体２６に穿設されている。このプラズマ発生器に対して、ＮＦ_３のガスを導入し、導入したガスの流量と、ＮＦ_３のガス分解効率を測定した。この結果を表１および図８に示す。

【0065】

〔比較例１〕
図７に示す蓋体２６Ｃを有したプラズマ発生器２０Ｃを準備した。実施例１と相違する点は、厚さ４ｍｍの蓋体２６Ｃに対して、放電管２２の中心軸ＣＬに沿った蓋体２６Ｃの中央に、孔径４．０ｍｍのガス導入孔２８Ｃを１つ設けた点である。このプラズマ発生器２０Ｃに対して、実施例１と同様に、ＮＦ_３のガスを導入し、導入したガスの流量と、ＮＦ_３のガス分解効率を測定した。この結果を表１および図８に示す。

【0066】

〔比較例２〕
実施例１と相違する点は、蓋体を取り外したプラズマ発生器を準備した点である。実施例１と同様に、ＮＦ_３のガスを導入し、導入したガスの最大流量を測定した。この結果を表１に示す。

【0067】

【表1】

【0068】

比較例１の蓋体を用いた場合、プラズマを発生させることができるガス流量は、最大２．５ｓｌｍであった。これに対して、実施例１および実施例２の蓋体２６では、プラズマを発生させることができるガス流量は、最大５．０ｓｌｍであった。このように、実施例１および実施例２の蓋体２６を用いた方が、比較例１の蓋体を用いるよりも、プラズマを発生させることができるガス流量を多くできることを確認できた。なお、比較例１の場合には、コイルに供給する電力を、５．５ｋＷにして実験をしたところ、ガスの流量を増加させ、２．５ｓｌｍを超えたときに、放電管２２が破損した。一方、実施例１および実施例２の場合には、コイル２４に供給する電力を、４．５ｋＷにし制限したにもかかわらず、比較例１よりも、ガスの流量を増加させ、最大５．０ｓｌｍまで増加させることができた。

【0069】

図８に示すように、比較例１（▲）では、導入ガスの流量を１．５ｓｌｍからさらに増やしていくと、ガスの分解効率が急激に低下して、２．５ｓｌｍで７０％以下まで低下した。一方で、実施例１（●）では、コイル２４に供給された電力が４．５ｋＷにあるにもかかわらず、２．０ｓｌｍでも９０％以上のガスの分解効率を維持しており、３．０ｓｌｍでも分解効率が８０％程度確保されていた。さらに、実施例２（■）では、コイル２４に供給された電力が４．５ｋＷにあるにもかかわらず、２．０ｓｌｍでも９４％以上のガスの分解効率を維持しており、３．０ｓｌｍでもガスの分解効率が８５％程度確保されていた。このことから、実施例２のプラズマ発生器２０の如く、ガスの放出方向に沿った仮想線Ｌ１を、中心軸ＣＬに沿った方向ＣＤに対して、角度θ３を大きくすれば（すなわち、平板状の蓋体２６に対して小さく傾斜させれば）、プラズマ発生領域ＰＲにおいて、ガスの滞在時間を増加させることができるため、ガスの分解効率を高めることができるといえる。実施例１および実施例２の結果から、角度θ３は、４５°以上であることが好ましく、より好ましくは、角度θ３が６０°以上であるといえる。

【0070】

比較例１では、図７に示すように、放電管２２の内部に導入されたガスは、放電管２２の中心軸ＣＬの方向に下方に向かって直線的に流れる。ガスが下方に向かう過程で、ガスは、徐々に放電管２２の内部を拡散していく。しかし、ガスの多くは、放電管２２の中心軸ＣＬ周辺を流れる。そのため、実施例１および実施例２のプラズマ発生器２０よりも、高周波電流が流れるコイルの巻線部分２４ａに近い、放電管２２の内部のプラズマ発生領域ＰＲを通過するガス流量が少ない。この結果、比較例１のプラズマ発生器２０Ｃは、実施例１のものに比べて、ガスの分解量が少なく、ガスの分解効率も低くなったと考えられる。

【0071】

比較例２では、蓋体が無いため、放電管２２の内部に導入されたガスは、放電管２２の中心軸ＣＬに下方に向かっていく。ただし、放電管２２の一方の開口部２２ｂの全体からガスが放電管２２の内部に導入される。比較例１と同様に、比較例２のプラズマ発生器は、放電管２２の内部の巻線部分２４ａに近いプラズマ発生領域ＰＲを通過するガス流量は少ない。この結果、比較例２のプラズマ発生器は、実施例１および実施例２のものに比べて、ガスの分解量が少なく、ガスの分解効率も低くなったと考えられる。

【0072】

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

【符号の説明】

【0073】

２０：プラズマ発生器、２２：放電管、２４；コイル、２６Ａ：被覆部、２６：蓋体、２８：ガス導入孔、２８ｂ：放出流路、２８ｃ：放出口、４４：上側連結筒（連結筒）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】