(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-16
(45)【発行日】2023-11-27
(54)【発明の名称】プラズマ発生装置およびプラズマ処理装置
(51)【国際特許分類】
H05H 1/46 20060101AFI20231117BHJP
H01L 21/3065 20060101ALI20231117BHJP
H01L 21/31 20060101ALI20231117BHJP
【ＦＩ】
H05H1/46 B
H01L21/302 101D
H01L21/31 C
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2023033669
(22)【出願日】2023-03-06
【審査請求日】2023-03-06
【早期審査対象出願】
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】593030923
【氏名又は名称】株式会社ニッシン
(74)【代理人】
【識別番号】100093056
【弁理士】
【氏名又は名称】杉谷 勉
(72)【発明者】
【氏名】南光 正平
(72)【発明者】
【氏名】中村 治
【審査官】藤本 加代子
(56)【参考文献】
【文献】特許第７１７４４６６（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特開２０１７－０２７８６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－３２５８９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１８－５３０１２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０９８６２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１８－５３１４９０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０５Ｈ １／００－１／５４
Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５
Ｈ０１Ｌ ２１／２０５
Ｈ０１Ｌ ２１／３１
Ｃ２３Ｃ １６／５０５
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
一端側に開口部を有する導電性の導波管と、前記導波管の内部において前記導波管の主軸に沿って延在し、マイクロ波を供給するマイクロ波供給ケーブルと接続されており、供給された前記マイクロ波を前記一端側へ伝送させてプラズマを発生させる誘電性部材と、
前記誘電性部材の形状に対応する基本モードのマイクロ波が前記誘電性部材を伝送することを抑制させる基本モード抑制部と、
を備え、
前記誘電性部材の直径Ｄは、
前記誘電性部材の形状に対応する第１高次モードのマイクロ波の遮断係数Ｌ１、前記誘電性部材の形状に対応する第２高次モードのマイクロ波の遮断係数Ｌ２、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
【数5】
の条件を満たすように前記誘電性部材が構成されることを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項2】
請求項１に記載のプラズマ発生装置において、前記誘電性部材は前記主軸に直交する断面が円形となるように構成されており、
前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
【数6】
の条件を満たすことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項3】
請求項１に記載のプラズマ発生装置において、前記誘電性部材は前記主軸に直交する断面が正六角形となるように構成されており、
前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
【数7】
の条件を満たすことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項4】
請求項１に記載のプラズマ発生装置において、前記誘電性部材は前記主軸に直交する断面が正方形となるように構成されており、
前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
【数8】
の条件を満たすことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項5】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のプラズマ発生装置において、前記誘電性部材は前記導波管の内部を充填するように前記導波管の主軸に沿って延在している
ことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項6】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のプラズマ発生装置において、前記誘電性部材は、前記マイクロ波供給ケーブルとの接続部において、比誘電率の変化を緩和させる比誘電率緩衝部を備えている
ことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項7】
マイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、前記マイクロ波供給部から供給されるマイクロ波を用いてプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
前記プラズマ発生部が発生させたプラズマを用いてワークを処理するプラズマ処理部と、
を備え、
前記プラズマ発生部は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のプラズマ発生装置である
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、プラズマを発生させるプラズマ発生装置、および当該プラズマ発生装置を備えておりワークに対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体製品、液晶パネルなどの製造プロセスでは、表面洗浄、エッチング、ＣＶＤ処理等においてプラズマが利用されている。また、これら以外にも幅広い分野において、被処理対象物（以下、「ワーク」と総称する）に対してプラズマを利用した表面改質処理や撥水処理などが行われている。
【0003】
ワークに対してプラズマ処理を行う装置は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、マイクロ波エネルギーを用いてプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、プラズマ発生装置と接続されておりワークを収容するプラズマ処理部とを備えている。プラズマ処理部は一例として金属製の真空チャンバであり、プラズマ処理部には１または２以上のプラズマ発生装置が接続されている。
【0004】
プラズマ処理装置に用いられるプラズマ発生装置としては、導波管構造を備えており先端部においてプラズマを発生させる装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に係るプラズマ発生装置は、先端側が開口部となっている円筒導波管の内部に誘電部材が配設されている。誘電部材は円筒導波管の主軸に沿って延在しており、円筒導波管の基端側においてマイクロ波供給ケーブルと接続されている。プラズマ発生装置に供給されたマイクロ波は誘電部材によって基端側から先端側へと伝送される。そして誘電部材の先端側表面（プラズマ処理面）に接触するガスが励起されることでプラズマが発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特許第７１７４４６６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
【0007】
従来の構成では、プラズマを発生させる誘電部材のサイズを大型化させることが困難である。すなわち誘電部材の直径が小さい場合、基本モードのマイクロ波のみが誘電部材の内部を伝送する。しかし誘電部材の直径を大きくすると基本モードのマイクロ波のみならず、高次モードのマイクロ波も誘電部材の内部を伝送するようになる。複数のモードのマイクロ波が混在すると、異なるモードのマイクロ波同士が干渉して位相歪または伝送損失などが発生する。その結果、発生するプラズマの形状が歪む事態またはプラズマ出力が低下する事態などが起こるので、ワークに対するプラズマ処理効率が低下することとなる。
【0008】
そのため、従来では位相歪または伝送損失などの悪影響を回避すべく単一モードのマイクロ波を伝送させるためには、プラズマ発生装置の径を小さくする必要がある。径を小さくすることにより、プラズマ発生装置がプラズマ処理を実行できる範囲（プラズマ処理面の面積）が狭くなるので、大面積のワークに対してプラズマ処理を行うには多数のプラズマ発生装置を用いる必要がある。その結果、プラズマ処理装置におけるプラズマ処理効率を向上させることが困難であり、またコストが高くなるという問題も懸念される。このように、従来のプラズマ発生装置では伝送されるマイクロ波のモードを単一化しつつ、広範囲に対してプラズマ処理を実行することが困難である。
【0009】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、マイクロ波のモードを単一化しつつ、より広い範囲に対してプラズマ処理を実行することを可能とする、プラズマ発生装置およびプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、本発明に係るプラズマ発生装置は、一端側に開口部を有する導電性の導波管と、前記導波管の内部において前記導波管の主軸に沿って延在し、マイクロ波を供給するマイクロ波供給ケーブルと接続されており、供給された前記マイクロ波を前記一端側へ伝送させてプラズマを発生させる誘電性部材と、を備え、前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の形状に対応する基本モードのマイクロ波の遮断係数Ｌｂ、前記誘電性部材の形状に対応する第１高次モードのマイクロ波の遮断係数Ｌ１、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
の条件を満たすように前記誘電性部材が構成されることを特徴とするものである。
すなわち、本発明に係るプラズマ発生装置は、一端側に開口部を有する導電性の導波管と、前記導波管の内部において前記導波管の主軸に沿って延在し、マイクロ波を供給するマイクロ波供給ケーブルと接続されており、供給された前記マイクロ波を前記一端側へ伝送させてプラズマを発生させる誘電性部材と、を備え、前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の形状に対応する基本モードのマイクロ波の遮断係数Ｌｂ、前記誘電性部材の形状に対応する第１高次モードのマイクロ波の遮断係数Ｌ１、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
【数1】
の条件を満たすように前記誘電性部材が構成されることを特徴とするものである。
【0011】
（作用・効果）この構成によれば、一端側に開口部を有する導電性の導波管が用いられており、当該導波管の内部には誘電性部材が導波管の主軸に沿って延在している。誘電性部材はマイクロ波供給ケーブルから供給されたマイクロ波を一端側へ伝送させ、当該マイクロ波を用いてプラズマを発生させる。
【0012】
そして誘電性部材の直径は、（１）式で示された条件を満たすように構成される。当該条件を満たす場合、基本モードのマイクロ波はカットオフされることなく誘電性部材によって伝送される一方、第１高次モードのマイクロ波はカットオフされ、誘電性部材による伝送が阻害される。また高次モードの中で最も遮断波長が長い第１高次モードがカットオフされるような直径であるので、第２高次モードおよび第３高次モードなどを含む全ての高次モードのマイクロ波が誘電性部材においてカットオフされることとなる。よって、（１）式で示された条件を満たす場合、誘電性部材が伝送するマイクロ波は基本モードに単一化されることとなる。従って、当該範囲内で誘電性部材の直径を最大化させることにより、マイクロ波のモードを確実に単一化させつつ、より広い範囲に対してプラズマ処理を実行できる。
【0013】
また、（１）式で示される範囲の上限および下限の各々は、誘電性部材の比誘電率の平方根に反比例する。すなわち誘電性部材の比誘電率を低くすることにより、（１）式の条件を満たすような誘電性部材の直径の範囲をさらに大きくすることができる。言い換えると、誘電性部材を構成する材料として、より比誘電率が低い材料を用いることで、基本モードのマイクロ波のみが伝送される状態を維持しつつ誘電性部材の直径をより大型化できる。その結果、マイクロ波のモードを確実に単一化させつつ、プラズマ処理範囲をさらに広くすることが可能となる。
【0014】
また、上述した発明において、前記誘電性部材は前記主軸に直交する断面が円形となるように構成されており、前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
の条件を満たすことが好ましい。
【数2】
の条件を満たすことが好ましい。
【0015】
（作用・効果）この構成によれば、誘電性部材は前記主軸に直交する断面が円形となるように構成されているので、誘電性部材を伝送するマイクロ波はＴＥ１１モードが基本モードに相当し、ＴＭ０１モードが第１高次モードに相当する。マイクロ波の遮断係数はモード毎に特定の値となるので、断面が円形である誘電性部材が伝送するマイクロ波を基本モードに単一化させるために誘電性部材の直径の値が満たすべき条件は、誘電性部材の比誘電率ε、誘電性部材を伝送するマイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いた（２）式によって定めることができる。よって、マイクロ波のモードを確実に単一化させつつ、より広い範囲に対してプラズマ処理を実行できるような誘電性部材の直径の値を、より確実かつ容易に特定できる。
【0016】
また、上述した発明において、前記誘電性部材は前記主軸に直交する断面が正六角形となるように構成されており、前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
の条件を満たすことが好ましい。
【数3】
の条件を満たすことが好ましい。
【0017】
（作用・効果）この構成によれば、誘電性部材は前記主軸に直交する断面が正六角形となるように構成されているので、誘電性部材を伝送するマイクロ波はＴＥ１１モードに類似するモードである類似ＴＥ１１モードが基本モードに相当し、ＴＭ０１モードに類似するモードである類似ＴＭ０１モードが第１高次モードに相当する。マイクロ波の遮断係数はモード毎に特定の値となるので、断面が正六角形である誘電性部材が伝送するマイクロ波を基本モードに単一化させるために誘電性部材の直径の値が満たすべき条件は、誘電性部材の比誘電率ε、誘電性部材を伝送するマイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いた（３）式によって定めることができる。よって、マイクロ波のモードを確実に単一化させつつ、より広い範囲に対してプラズマ処理を実行できるような誘電性部材の直径の値を、より確実かつ容易に特定できる。
【0018】
また、上述した発明において、前記誘電性部材は前記主軸に直交する断面が正方形となるように構成されており、前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
の条件を満たすことが好ましい。
【数4】
の条件を満たすことが好ましい。
【0019】
（作用・効果）この構成によれば、誘電性部材は前記主軸に直交する断面が正方形となるように構成されているので、誘電性部材を伝送するマイクロ波はＴＥ１０モードが基本モードに相当し、ＴＭ１１モードが第１高次モードに相当する。マイクロ波の遮断係数はモード毎に特定の値となるので、断面が正方形である誘電性部材が伝送するマイクロ波を基本モードに単一化させるために誘電性部材の直径の値が満たすべき条件は、誘電性部材の比誘電率ε、誘電性部材を伝送するマイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いた（４）式によって定めることができる。よって、マイクロ波のモードを確実に単一化させつつ、より広い範囲に対してプラズマ処理を実行できるような誘電性部材の直径の値を、より確実かつ容易に特定できる。
【0020】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとってもよい。
すなわち、本発明に係るプラズマ発生装置は、一端側に開口部を有する導電性の導波管と、前記導波管の内部において前記導波管の主軸に沿って延在し、マイクロ波を供給するマイクロ波供給ケーブルと接続されており、供給された前記マイクロ波を前記一端側へ伝送させてプラズマを発生させる誘電性部材と、
前記誘電性部材の形状に対応する基本モードのマイクロ波が前記誘電性部材を伝送することを抑制させる基本モード抑制部と、を備え、前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の形状に対応する第１高次モードのマイクロ波の遮断係数Ｌ１、前記導波管の形状に対応する第２高次モードのマイクロ波の遮断係数Ｌ２、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
の条件を満たすように前記誘電性部材が構成されることを特徴とするものである。
すなわち、本発明に係るプラズマ発生装置は、一端側に開口部を有する導電性の導波管と、前記導波管の内部において前記導波管の主軸に沿って延在し、マイクロ波を供給するマイクロ波供給ケーブルと接続されており、供給された前記マイクロ波を前記一端側へ伝送させてプラズマを発生させる誘電性部材と、
前記誘電性部材の形状に対応する基本モードのマイクロ波が前記誘電性部材を伝送することを抑制させる基本モード抑制部と、を備え、前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の形状に対応する第１高次モードのマイクロ波の遮断係数Ｌ１、前記導波管の形状に対応する第２高次モードのマイクロ波の遮断係数Ｌ２、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
【数5】
の条件を満たすように前記誘電性部材が構成されることを特徴とするものである。
【0021】
（作用・効果）この構成によれば、一端側に開口部を有する導電性の導波管が用いられており、当該導波管の内部には誘電性部材が導波管の主軸に沿って延在している。誘電性部材はマイクロ波供給ケーブルから供給されたマイクロ波を一端側へ伝送させ、当該マイクロ波を用いてプラズマを発生させる。また、基本モード抑制部を備えることにより、基本モードのマイクロ波が誘電性部材を伝送することが抑制される。
【0022】
そして誘電性部材の直径は、（５）式で示された条件を満たすように構成される。当該条件を満たす場合、第２高次モードの遮断波長より伝送させる波長が短いマイクロ波はカットオフされ、誘電性部材による伝送が阻害される。そのため、カットオフの対象外となるマイクロ波のモードは基本モードと第１高次モードに限定される。そして基本モードのマイクロ波は基本モード抑制部によって誘電性部材を伝送することが抑制されるので、誘電性部材を伝送可能なマイクロ波のモードは第１高次モードに限定されることとなる。
【0023】
よって、直径が（５）式で示された条件を満たす誘電性部材と基本モード抑制部とを備えることにより、誘電性部材が伝送するマイクロ波は第１高次モードに単一化されることとなる。従って、当該範囲内で誘電性部材の直径を最大化させることにより、マイクロ波のモードを確実に単一化させつつ、より広い範囲に対してプラズマ処理を実行できる。また基本モードと比べて第１高次モードはマイクロ波の波長が長く、遮断係数が低い。そのため（１）式の条件を満たす直径の値と比べて（５）式の条件を満たす直径の値は確実に大きくなる。従って、第１高次モードのマイクロ波のみが誘電性部材を伝送する構成とすることにより、誘電性部材をさらに大型化できる。
【0024】
また、（５）式で示される範囲の上限および下限の各々は、誘電性部材の比誘電率の平方根に反比例する。すなわち誘電性部材の比誘電率を低くすることにより、（５）式の条件を満たすような誘電性部材の直径の範囲をさらに大きくすることができる。言い換えると、誘電性部材を構成する材料として、より比誘電率が低い材料を用いることで、第１高次モードのマイクロ波のみが伝送される状態を維持しつつ誘電性部材の直径をより大型化できる。その結果、マイクロ波のモードを確実に単一化させつつ、プラズマ処理範囲をさらに広くすることが可能となる。
【0025】
また、上述した発明において、前記誘電性部材は前記主軸に直交する断面が円形となるように構成されており、
前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
の条件を満たすことが好ましい。
前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
【数6】
の条件を満たすことが好ましい。
【0026】
（作用・効果）この構成によれば、誘電性部材は前記主軸に直交する断面が円形となるように構成されているので、誘電性部材を伝送するマイクロ波はＴＭ０１モードが第１高次モードに相当し、ＴＥ２１モードが第２高次モードに相当する。マイクロ波の遮断係数はモード毎に特定の値となるので、直径が（６）式で示された条件を満たす誘電性部材と基本モード抑制部とを備えることにより、誘電性部材が伝送するマイクロ波は第１高次モードに単一化されることとなる。よって、マイクロ波のモードを確実に単一化させつつ、より広い範囲に対してプラズマ処理を実行できるような誘電性部材の直径の値を、より確実かつ容易に特定できる。
【0027】
また、上述した発明において、前記誘電性部材は前記主軸に直交する断面が正六角形となるように構成されており、
前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
の条件を満たすことが好ましい。
前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
【数7】
の条件を満たすことが好ましい。
【0028】
（作用・効果）この構成によれば、誘電性部材は前記主軸に直交する断面が正六角形となるように構成されているので、誘電性部材を伝送するマイクロ波はＴＭ０１モードに類似するモードである類似ＴＭ０１モードが第１高次モードに相当し、ＴＥ２１モードに類似するモードである類似ＴＥ２１モードが第２高次モードに相当する。マイクロ波の遮断係数はモード毎に特定の値となるので、直径が（７）式で示された条件を満たす誘電性部材と基本モード抑制部とを備えることにより、誘電性部材が伝送するマイクロ波は第１高次モードに単一化されることとなる。よって、マイクロ波のモードを確実に単一化させつつ、より広い範囲に対してプラズマ処理を実行できるような誘電性部材の直径の値を、より確実かつ容易に特定できる。
【0029】
また、上述した発明において、前記誘電性部材は前記主軸に直交する断面が正方形となるように構成されており、
前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
の条件を満たすことが好ましい。
前記誘電性部材の直径Ｄは、前記誘電性部材の比誘電率ε、前記誘電性部材を伝送する前記マイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて、
【数8】
の条件を満たすことが好ましい。
【0030】
（作用・効果）この構成によれば、この構成によれば、誘電性部材は前記主軸に直交する断面が正方形となるように構成されているので、誘電性部材を伝送するマイクロ波はＴＭ１１モードが第１高次モードに相当し、ＴＥ２０モードが第２高次モードに相当する。マイクロ波の遮断係数はモード毎に特定の値となるので、直径が（８）式で示された条件を満たす誘電性部材と基本モード抑制部とを備えることにより、誘電性部材が伝送するマイクロ波は第１高次モードに単一化されることとなる。よって、マイクロ波のモードを確実に単一化させつつ、より広い範囲に対してプラズマ処理を実行できるような誘電性部材の直径の値を、より確実かつ容易に特定できる。
【0031】
また、上述した発明において、前記誘電性部材は前記導波管の内部を充填するように前記導波管の主軸に沿って延在していることが好ましい。
【0032】
（作用・効果）この構成によれば、誘電性部材は導波管の内部を充填している。すなわち誘電性部材の表面が導波管と接している。すなわち導波管の内部を誘電性部材で充填させることにより、マイクロ波を伝送させる誘電性部材は広い範囲において、外部導体である導波管と接触している。従って、誘電性部材において発生する熱を効率良く導波管へと伝導させてプラズマ発生装置の外部へと逃がすことができる。その結果、高出力のマイクロ波を供給させる場合であっても誘電性部材に熱が蓄積することを回避できるので、プラズマ発生装置の高温化を防止しつつ、プラズマ発生装置におけるプラズマの出力を向上させることが可能となる。
【0033】
また、上述した発明において、前記誘電性部材は、前記マイクロ波供給ケーブルとの接続部において、比誘電率の変化を緩和させる比誘電率緩衝部を備えていることが好ましい。
【0034】
（作用・効果）この構成によれば、誘電性部材は比誘電率緩衝部を備えている。比誘電率緩衝部は、マイクロ波供給ケーブルと誘電性部材との接続部において、比誘電率の変化を緩和させる。比誘電率緩衝部を介してマイクロ波供給ケーブルと誘電性部材とを接続させることにより、マイクロ波供給ケーブルから誘電性部材までの部分における比誘電率の変化が小さくなる。そのため比誘電率緩衝部を備えることにより、比誘電率の急激な変化に起因するインピーダンス整合性の低下を回避できる。
【0035】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとってもよい。
すなわち、本発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、前記マイクロ波供給部から供給されるマイクロ波を用いてプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部が発生させたプラズマを用いてワークを処理するプラズマ処理部と、を備え、前記プラズマ発生部は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のプラズマ発生装置であることを特徴とするものである。
すなわち、本発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、前記マイクロ波供給部から供給されるマイクロ波を用いてプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部が発生させたプラズマを用いてワークを処理するプラズマ処理部と、を備え、前記プラズマ発生部は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のプラズマ発生装置であることを特徴とするものである。
【0036】
（作用・効果）この構成によれば、本発明に係るプラズマ発生装置にマイクロ波を供給してプラズマを発生させ、当該プラズマを用いてワークに対するプラズマ処理を行う。そのため、ワークに対してプラズマ処理を行う装置において本発明の効果を奏することができる。すなわち、本発明に係るプラズマ発生装置は単一のモードのマイクロ波が伝送される状態を維持しつつ誘電性部材を大型化できる。従って、伝送損失または位相歪などに起因してプラズマ処理効率が低下することを回避しつつ、プラズマ処理ができる範囲をより広くさせることが可能となる。
【発明の効果】
【0037】
本発明に係るプラズマ発生装置およびプラズマ処理装置によれば、一端側に開口部を有する導電性の導波管が用いられており、当該導波管の内部には誘電性部材が導波管の主軸に沿って延在している。誘電性部材はマイクロ波供給ケーブルから供給されたマイクロ波を一端側へ伝送させ、当該マイクロ波を用いてプラズマを発生させる。
【0038】
そして誘電性部材の直径は、数１または数５で示された条件を満たす範囲内となるように構成される。数１で示される条件を満たす場合、誘電性部材を伝送するマイクロ波のモードを基本モードに単一化できる。数５で示される条件を満たす場合、基本モード抑制部を備えることで、誘電性部材を伝送するマイクロ波のモードを第１高次モードに単一化できる。従って、当該範囲内で誘電性部材の直径を最大化させることにより、マイクロ波のモードを確実に単一化させつつ、より広い範囲に対してプラズマ処理を実行できる。
【0039】
また、数１または数５で示される範囲の上限および下限の各々は、誘電性部材の比誘電率の平方根に反比例する。すなわち誘電性部材の比誘電率を低くすることにより、条件を満たすような誘電性部材の直径の範囲をさらに大きくすることができる。言い換えると、誘電性部材を構成する材料として、より比誘電率が低い材料を用いることで、基本モードのマイクロ波のみが伝送される状態または第１高次モードのマイクロ波のみが伝送される状態を維持しつつ、誘電性部材の直径をより大型化できる。その結果、マイクロ波のモードを単一化しつつ、より広い範囲に対してプラズマ処理を実行することを可能とする、プラズマ発生装置およびプラズマ処理装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】実施例１に係るプラズマ処理装置の全体構成を説明する概略図である。
【図2】実施例１に係るプラズマ発生部の構成を説明する縦断面図である。
【図3】実施例１に係るプラズマ発生部の構成を説明する斜視図である。
【図4】実施例１に係るプラズマ処理装置について、プラズマ発生部とプラズマ処理部とを組み合わせる状態を示す図である。
【図5】実施例１に係るプラズマ発生部について、誘電性部材と外部導体とを組み合わせる状態を示す図である。
【図6】実施例１に係るプラズマ発生部における比誘電率の変化を示す図である。（ａ）はプラズマ発生部の基端側を示す縦断面図であり、（ｂ）はプラズマ発生部の基端側について、マイクロ波の入力方向における比誘電率の変化を示すグラフ図である。
【図7】実施例１において、誘電性部材を伝送可能なマイクロ波のモードと誘電性部材の直径との関係を示す図である。
【図8】実施例１におけるマイクロ波のモードを説明する図である。（ａ）は基本モードに相当するＴＥ１１モードについて、誘電性部材の断面における電界の向きと遮断係数とを示す図であり、（ｂ）は第１高次モードに相当するＴＭ０１モードについて、誘電性部材の断面における電界の向きと遮断係数とを示す図であり、（ｃ）は第２高次モードに相当するＴＥ２１モードについて、誘電性部材の断面における電界の向きと遮断係数とを示す図である。
【図9】実施例２に係るプラズマ発生部の構成を説明する図である。（ａ）は実施例２に係るプラズマ発生部の側面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ－Ａ断面図である。
【図10】実施例２に係るプラズマ発生部の効果を説明する図である。（ａ）は実施例２においてプラズマが効率良く発生しやすい領域を示す図であり、（ｂ）は実施例１においてプラズマが効率良く発生しやすい領域を示す図である。
【図11】実施例３に係るプラズマ発生部の構成を説明する図である。（ａ）は実施例３に係るプラズマ発生部の構成を説明する斜視図であり、（ｂ）は実施例３に係る誘電性部材の直径を説明する断面図である。
【図12】実施例１ないし実施例６の各々における誘電性部材の断面形状、マイクロ波の基本モード、第１高次モード、第２高次モード、および単一化されるマイクロ波のモードを説明する一覧図である。
【図13】実施例４に係るプラズマ発生部の構成を説明する図である。（ａ）は実施例４に係るプラズマ発生部の構成を説明する斜視図であり、（ｂ）は実施例４に係る誘電性部材の断面図である。
【図14】実施例５に係るプラズマ発生部の構成を説明する図である。（ａ）は実施例５に係るプラズマ発生部の構成を説明する斜視図であり、（ｂ）は実施例５に係る誘電性部材の直径を説明する断面図である。
【図15】実施例６に係るプラズマ発生部の構成を説明する図である。（ａ）は実施例６に係るプラズマ発生部の構成を説明する斜視図であり、（ｂ）は実施例６に係る誘電性部材の断面図である。
【図16】変形例に係るプラズマ発生部の構成を説明する縦断面図である。（ａ）は誘電性部材の先端側部材が一様な径を有する変形例を示す図であり、（ｂ）は誘電性部材の先端側部材が先端側に向かって径が大きくなる変形例を示す図である。
【図17】変形例に係るプラズマ発生装置の構成を説明する縦断面図である。
【図18】変形例に係るプラズマ発生装置の構成を説明する縦断面図である。
【図19】変形例に係るプラズマ発生部について、第１誘電体と第２誘電体と外部導体とを組み合わせる状態を示す図である。
【図20】実施例３におけるマイクロ波のモードを説明する図である。（ａ）は基本モードに相当する類似ＴＥ１１モードについて、誘電性部材の断面における電界の向きと遮断係数とを示す図であり、（ｂ）は第１高次モードに相当する類似ＴＭ０１モードについて、誘電性部材の断面における電界の向きと遮断係数とを示す図であり、（ｃ）は第２高次モードに相当する類似ＴＥ２１モードについて、誘電性部材の断面における電界の向きと遮断係数とを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例1】
【0041】
以下、図面を参照してこの発明の実施例１を説明する。図１は実施例１に係るプラズマ処理装置１の概略図である。
【0042】
＜全体構成の説明＞
実施例１に係るプラズマ処理装置１は、マイクロ波発生部３と、マイクロ波供給ケーブル５と、プラズマ発生部７と、プラズマ処理部９と、を備えている。なお図１および図４において、プラズマ処理部９は縦断面図を示している。
実施例１に係るプラズマ処理装置１は、マイクロ波発生部３と、マイクロ波供給ケーブル５と、プラズマ発生部７と、プラズマ処理部９と、を備えている。なお図１および図４において、プラズマ処理部９は縦断面図を示している。
【0043】
マイクロ波発生部３は、周波数を可変にして特定の周波数のマイクロ波を発振する。本実施例において、マイクロ波発生部３は２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振するものとする。マイクロ波供給ケーブル５は、マイクロ波発生部３およびプラズマ発生部７の各々に接続されており、マイクロ波発生部３から発振したマイクロ波を伝送してプラズマ発生部７へと供給する。
【0044】
プラズマ発生部７は、マイクロ波発生部３から供給されたマイクロ波のエネルギーを用いて、先端部においてプラズマを発生させる。プラズマ発生部７はプラズマ処理部９と接続されており、プラズマを発生させる先端部はプラズマ処理部９の内部空間Ｌに接触するように構成されている。
【0045】
本実施例において、プラズマ処理装置１は３つのプラズマ発生部７を備える構成を例示しているが、プラズマ発生部７の数は適宜変更してよい。プラズマ処理装置１はプラズマ発生部７の数に応じた本数のマイクロ波供給ケーブル５を備えている。マイクロ波供給ケーブル５は、各々のプラズマ発生部７に接続されている。プラズマ発生部７の構成については後述する。プラズマ発生部７は、本発明におけるプラズマ発生装置に相当する。
【0046】
プラズマ処理部９は、ワークＷに対してプラズマ処理を行う。すなわちプラズマ処理部９は、プラズマ発生部７によって発生したプラズマを用いて、ワークＷに対する所定の処理を行う。ワークＷの例として、半導体製品、液晶パネル、太陽電池アレイなどが挙げられる。
【0047】
プラズマ処理部９は、チャンバ１１と、ワーク保持部１３とを備えている。チャンバ１１は接続プレート１５を備えており、図１に示すように、電磁バルブ１６を備えた排気用流路１７を介して排気装置１９と連通接続されている。排気装置１９が作動することにより、チャンバ１１の内部空間Ｌは脱気されて減圧する。
【0048】
またチャンバ１１は、電磁バルブ２０を備えた供給用流路２１を介して気体供給装置２３と連通接続されている。気体供給装置２３は、チャンバ１１の内部空間Ｌへ所定のガスＧを供給する。気体供給装置２３が供給するガスＧの例として、アルゴンガスを例とする稀ガス、または酸素などが挙げられる。
【0049】
またチャンバ１１は開閉扉２５を備えている。開閉扉２５は一例としてチャンバ１１の側面に形成されており、開閉可能に構成されている。開閉扉２５が開状態となることにより、図示しないワーク搬送機構によってワークＷをチャンバ１１へ搬入または搬出することが可能となる。電磁バルブ１６および電磁バルブ２０の開閉、排気装置１９および気体供給装置２３の動作、並びに開閉扉２５の開閉は、コンピュータなどを備える図示しない制御機構によって統括制御される。当該制御機構は、プラズマ処理装置１におけるその他の各種動作についても統括制御を行う。
【0050】
ワーク保持部１３は、チャンバ１１の内部空間Ｌに収納されており、ワークＷを保持する。ワーク保持部１３の例として、チャックテーブルなどが挙げられる。開閉扉２５を介してチャンバ１１の内部へ搬入されたワークＷは、ワーク保持部１３によって安定保持される。
【0051】
接続プレート１５は、チャンバ１１の外壁部（筐体）のうち一方の面を構成している。本実施例ではチャンバ１１の上面に接続プレート１５が配置されている。チャンバ１１の筐体と同様に、接続プレート１５は金属を例とする導電性材料で構成されている。プラズマ発生部７は、接続プレート１５を介してプラズマ処理部９と接続されている。すなわち図４に示すように、接続プレート１５にはプラズマ発生部７の先端部の形状に応じた貫通孔２７が形成されており、各々のプラズマ発生部７の先端部が貫通孔２７に嵌合可能に構成されている。各々のプラズマ発生部７の先端部が貫通孔２７に嵌合することで、図１に示すように接続プレート１５の表面側の空間と接続プレート１５の裏面側の空間（チャンバ１１の内部空間Ｌ）とは遮断され、内部空間Ｌは密閉状態となる。
【0052】
＜プラズマ発生部の構成＞
ここでプラズマ発生部７の構成について説明する。図２はプラズマ発生部７の縦断面図である。プラズマ発生部７は図２に示すように、外部導体２９と、誘電性部材３１と、マイクロ波供給口３３とを備えている。
ここでプラズマ発生部７の構成について説明する。図２はプラズマ発生部７の縦断面図である。プラズマ発生部７は図２に示すように、外部導体２９と、誘電性部材３１と、マイクロ波供給口３３とを備えている。
【0053】
外部導体２９は、金属を例とする導電性材料で構成されている筒状部材である。外部導体２９はマイクロ波の伝送モードに応じた形状の導波管であり、先端側に開口部３５が形成されている。外部導体２９の基端側（図２の右側）は、隔壁３６によって閉鎖されている。実施例１では外部導体２９として、円形導波管を例として説明する。
【0054】
外部導体２９の先端部における外周面にはリング状のストッパ３９が設けられている。図１および図４に示すように、接続プレート１５に設けられている貫通孔２７にプラズマ発生部７を嵌合させることによって、外部導体２９の外周部に設けられているストッパ３９が接続プレート１５の外表面に当接する。ストッパ３９が接続プレート１５に当接することで、プラズマ処理部９に接続されたプラズマ発生部７の姿勢を安定に維持できる。
【0055】
誘電性部材３１は、外部導体２９の主軸方向（図２などではｘ方向）に延びる棒状部材であり、外部導体２９の内部に配設される。誘電性部材３１はマイクロ波を伝送する誘電性材料で構成されている。誘電性部材３１は基端側においてマイクロ波供給ケーブル５と接続されており、マイクロ波供給ケーブル５が供給するマイクロ波を基端側から先端側へと伝送する。
【0056】
また実施例１において誘電性部材３１の基端側は、外部導体２９の内部を充填するように構成されている。本実施例において、誘電性部材３１は全体として円柱状の部材であるものとする。すなわち実施例１において、誘電性部材３１の断面は円形となるように構成されている。なお誘電性部材３１の断面とは、外部導体２９の主軸であるｘ方向に直交する面（ここではｙｚ平面）における、誘電性部材３１断面を意味するものとする。また本実施例において、誘電性部材３１は石英で構成されているものとする。
【0057】
誘電性部材３１の基端側には凹部３７が形成されている。実施例１において凹部３７はｘ方向に延在しており、マイクロ波供給ケーブル５をｘ方向へ挿入可能に構成されている。
【0058】
誘電性部材３１のうち先端側の部分は、外部導体２９の先端側に設けられている開口部３５を閉塞するように配設されている。誘電性部材３１の先端側部分は、外部導体２９の開口部３５からプラズマ発生部７の先端側方向に突出している。
【0059】
誘電性部材３１の先端側における表面を外表面４１とする。誘電性部材３１の基端部から先端部へと伝送されるマイクロ波エネルギーはさらに外表面４１へと伝送され、外表面４１の周囲においてプラズマを発生させることができる。なお本実施例において、第２誘電体３３の外表面４１（先端側の表面）は、外部導体２９の基端側から先端側に向かって先細りとなるテーパ状となっている。テーパ状とすることにより、プラズマ発生部７においてインピーダンスをより好適に整合できる。
【0060】
図２において、誘電性部材３１の直径を符号Ｄで示している。実施例１において、マイクロ波は誘電性部材３１の内部全体を伝送するので、直径Ｄは誘電性部材３１のうち最も径が大きい部分を示すものとする。実施例１では誘電性部材３１の先端側の部分が基端側の部分より僅かに大きくなるように構成されている。そのため、実施例１において誘電性部材３１の直径Ｄは、誘電性部材３１の先端側部分のうち径が最も大きい部分に相当する。また他の例として、誘電性部材３１のうち外部導体２９から突出している先端側の部分が、外部導体２９の内部を充填している基端側の部分より径が小さい構成である場合、外部導体２９の内径Ｐの値が誘電性部材３１の直径Ｄの値に相当する。なお、マイクロ波を伝送させる部分が誘電性部材３１の断面全体ではなく誘電性部材３１の一部に限定される場合、当該限定される部分のうち径が最大である部分を直径Ｄとして、当該直径Ｄの値が範囲Ｍ１または範囲Ｍ２となるように定めてよい。
【0061】
図１および図４に示すように、プラズマ発生部７の先端部すなわち誘電性部材３１の先端部が貫通孔２７に嵌合することにより、誘電性部材３１の外表面４１は接続プレート１５を通り抜けてチャンバ１１の内部空間Ｌに延出する。すなわちプラズマ発生部７は誘電性部材３１を介してチャンバ１１の内部空間Ｌと接続される。
【0062】
マイクロ波供給口３３は外部導体２９の基端部に配設されており、マイクロ波供給ケーブル５を誘電性部材３１へと案内させる。実施例１ではＴＥモードのマイクロ波を伝送させるので、マイクロ波供給口３３は導波管である外部導体２９の基端側（底面）において軸方向に延出するように構成されている。すなわちマイクロ波供給口３３は、外部導体２９の隔壁３６をｘ方向へ貫通するように配置されている。マイクロ波ケーブル５はマイクロ波供給口３３の内部を経由して誘電性部材３１の凹部３７へ案内され、凹部３７の延出方向（実施例１ではｘ方向）へ挿入されて誘電性部材３１に接続される。
【0063】
実施例１ではマイクロ波供給ケーブル５と誘電性部材３１との接続部において、凹部３７はインピーダンスを整合させる空隙部として作用する。すなわち凹部３７は、マイクロ波が入力（供給）される方向について比誘電率の変化を緩和させることで、より好適にインピーダンスを整合させる。
【0064】
すなわち図６（ａ）に示すように、プラズマ発生部７はマイクロ波が入力される方向（実施例１ではｘ方向）について、マイクロ波供給ケーブル５が延びる第１領域Ｒ１と、誘電性部材３１のうち凹部３７が延在していない第２領域Ｒ２と、誘電性部材３１のうち凹部３７が延在している第３領域Ｒ３とに分けられる。第３領域Ｒ３は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に存在する領域となる。
【0065】
実施例１において、第１領域Ｒ１ではマイクロ波供給ケーブル５の周囲に存在する媒体は空気である。そのため図６（ｂ）に示すように、領域Ｒ１における比誘電率ε１は１．０と比較的低い。また第２領域Ｒ２において、誘電性部材３１が外部導体２９の内部を充填している。そのため、第２領域Ｒ２における比誘電率ε２は誘電性部材３１を構成する材料（ここでは石英）の比誘電率に相当する。すなわち第２領域Ｒ２における比誘電率ε２は３．７８であり、ε１より高い値となる。
【0066】
ここで、凹部３７が形成されている第３領域Ｒ３における比誘電率ε３は、第１領域Ｒ１における比誘電率ε１より高く、かつ第２領域Ｒ２における比誘電率ε２より低い。すなわち第３領域Ｒ３では、外部導体２９の径方向（ｙ方向）において、凹部３７を充填する媒体（空気）と、誘電性部材３１を構成する材料（石英）とが混在している。その結果、領域Ｒ３における比誘電率ε３は、空気の比誘電率１．０と石英の比誘電率３．７８との間の値となる。
【0067】
その結果、マイクロ波供給ケーブル５が凹部３７に挿入される部分（第１領域Ｒ１と第３領域Ｒ３との境界部分）において、比誘電率が１．０からε３へと変化する。そして凹部３７に挿入されたマイクロ波供給ケーブル５と誘電性部材３１との接続部（第３領域Ｒ３と第２領域Ｒ２との境界部分）において、比誘電率がε３から３．７８へと変化する。すなわち凹部３７を有しない場合は比誘電率が１．０から３．７８へと急激に変化する一方、凹部３７を備える構成では、凹部３７が設けられている第３領域Ｒ３が比誘電率の変化を緩衝する領域として作用し、マイクロ波入力方向について比誘電率は緩やかに変化する。マイクロ波が入力される方向について比誘電率の変化を緩和することにより、入力側と出力側とのインピーダンスを整合させることがより容易となる。実施例１において、凹部３７は本発明における比誘電率緩衝部に相当する。
【0068】
また、実施例１に係るプラズマ発生部７において外部導体２９は導波管構造を備えている。すなわち外部導体２９の内部に導電体を配設する必要がないので、プラズマ発生部７の絶縁距離Ｐは外部導体２９の内径に相当する。一方、同軸管構造を備える外部導体を用いる場合、外部導体の中央に中心導体（中央コア）を有するため、絶縁距離は外部導体の内径の半分以下になる。よって同軸管構造を有する従来のプラズマ発生装置と比べて、実施例１に係るプラズマ発生部７は外部導体２９の内径が同じであっても絶縁距離を２倍以上の長さに確保できるので、絶縁破壊をより確実に回避できる。
【0069】
＜誘電性部材の説明＞
ここで、実施例１に係る誘電性部材３１における適切な直径Ｄの範囲について説明する。発明者は、図２および図５に示される誘電性部材３１の直径Ｄを大型化していくと、誘電性部材３１によって伝送されるマイクロ波のモードが多様化するという知見を得た。図７に示すように、誘電性部材３１の直径Ｄが基本カットオフ径Ｄｂ以上になると、基本モードのマイクロ波が誘電性部材３１の内部を伝送可能となる。基本モードは誘電性部材３１の内部を伝送可能であるマイクロ波のうち、最も遮断波長が長いマイクロ波のモードである。誘電性部材３１の断面は円形であるので、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波の基本モードはＴＥ１１モードである。すなわち基本カットオフ径Ｄｂは、基本モードのマイクロ波がカットオフされる直径Ｄの最大値に相当する。
ここで、実施例１に係る誘電性部材３１における適切な直径Ｄの範囲について説明する。発明者は、図２および図５に示される誘電性部材３１の直径Ｄを大型化していくと、誘電性部材３１によって伝送されるマイクロ波のモードが多様化するという知見を得た。図７に示すように、誘電性部材３１の直径Ｄが基本カットオフ径Ｄｂ以上になると、基本モードのマイクロ波が誘電性部材３１の内部を伝送可能となる。基本モードは誘電性部材３１の内部を伝送可能であるマイクロ波のうち、最も遮断波長が長いマイクロ波のモードである。誘電性部材３１の断面は円形であるので、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波の基本モードはＴＥ１１モードである。すなわち基本カットオフ径Ｄｂは、基本モードのマイクロ波がカットオフされる直径Ｄの最大値に相当する。
【0070】
そして直径Ｄをさらに大きくさせて直径Ｄの値が第１カットオフ径Ｄ１以上になると、基本モードに加えて第１高次モードのマイクロ波が誘電性部材３１の内部を伝送可能となる。第１高次モードは外部導体２９の内部を伝送可能であるマイクロ波のうち、基本モードの次に遮断波長が長いマイクロ波のモードである。誘電性部材３１の断面は円形である場合、第１高次モードはＴＭ０１モードである。第１カットオフ径Ｄ１の値は、第１高次モードのマイクロ波がカットオフされる直径Ｄの最大値に相当する。
【0071】
そして直径Ｄをさらに大きくさせて直径Ｄの値が第２カットオフ径Ｄ２以上になると、基本モードおよび第１高次モードに加えて、さらに第２高次モードのマイクロ波が誘電性部材３１の内部を伝送可能となる。誘電性部材３１の断面が円形である場合、第２高次モードはＴＥ２１モードである。第２カットオフ径Ｄ２は、第２高次モードのマイクロ波がカットオフされる直径Ｄの最大値に相当する。つまり、誘電性部材３１の直径Ｄが範囲Ｍ１（Ｄｂ＜Ｄ＜Ｄ１）にある場合、基本モードのマイクロ波のみが誘電性部材３１を伝送する。言い換えると、誘電性部材３１の直径Ｄが範囲Ｍ１の範囲内である場合、誘電性部材３１を伝送されるマイクロ波のモードが単一である状態となる。
【0072】
その一方で、誘電性部材３１の直径Ｄが範囲Ｍ２（Ｄ１＜Ｄ＜Ｄ２）である場合、基本モードのマイクロ波と第１高次モードのマイクロ波とが誘電性部材３１の内部を伝送する。複数種類のモードのマイクロ波が伝送されると、異なるモードのマイクロ波が干渉することに起因して、位相歪または伝送損失が発生しうる。また誘電性部材３１の直径Ｄが範囲Ｍ３（Ｄ２＜Ｄ）である場合、さらに第２高次モードのマイクロ波が誘電性部材３１の内部を伝送可能となるので、少なくとも３種類のモードのマイクロ波が混在することとなる。そして直径Ｄをさらに大型化させると、第３高次モード、第４高次モード…と、さらに多種のマイクロ波が混在することとなる。マイクロ波のモードの種類が多くなることにより、誘電性部材３１において位相歪または伝送損失が発生する頻度がさらに高くなる。
【0073】
そのため、複数のモードのマイクロ波が干渉することを防止する方法として、誘電性部材３１の直径Ｄを範囲Ｍ１に収めることが考えられる。直径Ｄが範囲Ｍ１である場合、伝送されるマイクロ波は基本モードのみとなりモードが単一化されるので、マイクロ波の干渉に起因する位相歪などの問題は回避できる。しかしながら誘電性部材３１の直径Ｄは第１カットオフ径Ｄ１未満に限定されるので、プラズマが発生される誘電性部材３１の外表面４１を大型化させることが困難となる。一例として、一般的に誘電性材料として用いられる酸化アルミニウム（ε＝９．８）を用いて周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を伝送させる場合、第１カットオフ径Ｄ１は約３０ｍｍである。すなわちマイクロ波のモードを基本モードに単一化させる場合、誘電性部材３１の直径Ｄは約３０ｍｍが上限であるので、大面積のワークＷに対してプラズマ処理を行う場合、多数のプラズマ発生部が必要となる。
【0074】
ここで発明者が鋭意検討を行った結果、誘電性部材３１の比誘電率εを低くすることにより、マイクロ波のモードを単一に維持しつつ誘電性部材３１の直径Ｄを大型化できるという知見を得るに至った。すなわち、所定モードのマイクロ波がカットオフされる直径Ｄの最大値をカットオフ径Ｄｘとすると、マイクロ波の遮断係数Ｌ、マイクロ波の周波数Ｆ、誘電性部材３１の比誘電率ε、および光速ｃを用いて、カットオフ径Ｄｘは以下の（９）式によって求めることができる。
【数9】
【0075】
本実施例において、遮断係数Ｌとは伝送されるマイクロ波の遮断波長λｃと誘電性部材３１の半径ａとの比に相当する値である。すなわちマイクロ波の遮断波長λｃと遮断係数Ｌと誘電性部材３１の半径ａとは以下の（１０）式が成立する。すなわち遮断波長λｃの値は、遮断係数Ｌと誘電性部材３１の半径ａとの積によって求めることができる。
【数10】
【0076】
遮断係数Ｌは、マイクロ波のモードに応じて異なる定数となる。すなわちマイクロ波のモードが基本モードである場合の遮断係数をＬｂとすると、基本モードの遮断係数Ｌｂは、基本モードのマイクロ波の遮断波長λｃｂを用いて以下の（１１）式によって算出される。
【数11】
【0077】
また、マイクロ波のモードが第１高次モードである場合の遮断係数をＬ１とすると、第１高次モードの遮断係数Ｌ１は、第１高次モードのマイクロ波の遮断波長λｃ１を用いて以下の（１２）式によって算出される。
【数12】
【0078】
さらにマイクロ波のモードが第２高次モードである場合の遮断係数をＬ２とすると、第２高次モードの遮断係数Ｌ２は、第２高次モードのマイクロ波の遮断波長λｃ２を用いて以下の（１３）式によって算出される。
【数13】
【0079】
一例として図８（ａ）に示すように、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波がＴＥ１１モードである場合、マイクロ波の遮断波長λｃと誘電性部材３１の半径ａとの間にはλｃ＝（３．４１２）・ａの数式が成立する。また図８（ｂ）に示すように、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波がＴＭ０１モードである場合、遮断波長λｃと誘電性部材３１の半径ａとの間にはλｃ＝（２．６１３）・ａの数式が成立する。さらに図８（ｃ）に示すように、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波がＴＥ２１モードである場合、遮断波長λｃと誘電性部材３１の半径ａとの間にはλｃ＝（２．０５７）・ａの数式が成立する。なお図８の各図において、符号Ａｒは電界の向きを示している。
【0080】
以上の数式で示されるように、マイクロ波のモードがＴＥ１１モードである場合、当該マイクロ波における遮断係数Ｌの値は３．４１２である。また、マイクロ波のモードがＴＭ０１モードである場合、遮断係数Ｌの値は２．６１３である。マイクロ波のモードがＴＥ２１モードである場合、遮断係数Ｌの値は２．０５７である。
【0081】
上述した通り、誘電性部材３１において基本モードのマイクロ波のみを伝送させるには、誘電性部材３１の直径Ｄの値は範囲Ｍ１に含まれる必要がある。すなわち、直径Ｄの値はＤｂ＜Ｄ＜Ｄ１の条件を満たす必要がある。一般的なカットオフ径Ｄｘを算出する（９）の式を基本カットオフ径Ｄｂに当てはめると、基本モードのマイクロ波における遮断係数Ｌｂを用いることで、基本カットオフ径Ｄｂの値は以下の（１４）式によって算出できる。
【数14】
【0082】
また、（９）の式を第１カットオフ径Ｄ１に当てはめると、第１高次モードのマイクロ波における遮断係数Ｌ１を用いることで、第１カットオフ径Ｄ１の値は以下の（１５）式によって算出できる。
【数15】
【0083】
既に述べたように、誘電性部材３１の内部を基本モードのマイクロ波のみが伝送される状態とするには、誘電性部材３１の直径Ｄが基本カットオフ径Ｄｂより大きく第１カットオフ径Ｄ１未満である必要がある。すなわち直径Ｄの値が、Ｄｂ＜Ｄ＜Ｄ１の条件を満たす必要がある。当該条件に（１４）の数式および（１５）の数式を適用することにより、基本モードのマイクロ波のみが誘電性部材３１の内部を伝送する状態にするために直径Ｄが満たすべき具体的な条件は、誘電性部材３１の比誘電率ε、マイクロ波の周波数Ｆ、光速ｃ、基本モードの遮断係数Ｌｂ、および第１高次モードの遮断係数Ｌ１を用いることにより、以下の（１）で示される式となる。
【数1】
【0084】
実施例１のように誘電性部材３１の断面が円形である場合、マイクロ波の基本モードはＴＥ１１モードであり、第１高次モードはＴＭ０１モードである。よって実施例１において、基本カットオフ径ＤｂはＴＥ１１モードであるマイクロ波のカットオフ径に相当する。そして第１カットオフ径Ｄ１はＴＭ０１モードであるマイクロ波のカットオフ径に相当する。
【0085】
図８（ａ）で示すように、ＴＥ１１モードの遮断係数Ｌは３．４１２である。すなわち断面が円形である誘電性部材３１を用いる実施例１において、基本モードの遮断係数Ｌｂは３．４１２である。そのため（１４）式における基本モードの遮断係数Ｌｂの項にＴＥ１１モードの遮断係数Ｌの値である３．４１２を代入することで、実施例１における基本カットオフ径Ｄｂは比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いて算出できる数式となる。
【0086】
また図８（ｂ）で示すように、ＴＭ０１モードの遮断係数Ｌは２．６１３である。すなわち断面が円形である誘電性部材３１を用いる実施例１において、第１高次モードの遮断係数Ｌ１は２．６１３である。そのため（１５）式における第１高次モードの遮断係数Ｌ１の項にＴＭ０１モードの遮断係数Ｌの値である２．６１３を代入することで、実施例１における第１カットオフ径Ｄ１は比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いて算出できる数式となる。言い換えると、断面が円形である誘電性部材３１を用いる実施例１において直径Ｄが満たす条件は、比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いた（２）の式で表すことができる。
【数2】
【0087】
実施例１において、マイクロ波発生部３が発振するマイクロ波の周波数Ｆは２．４５ＧＨｚである。そのため（２）式における周波数Ｆの項に２．４５ＧＨｚの値（２．４５×１０９）を代入することで、基本モードのマイクロ波のみが誘電性部材３１の内部を伝送する状態にするために直径Ｄが満たすべき具体的な条件は、誘電性部材３１を構成する材料の比誘電率εを用いた数式となる。すなわち実施例１においてマイクロ波の周波数Ｆが２．４５ＧＨｚである場合、誘電性部材３１の直径Ｄが以下の（１６）式の条件を満たすことによって、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波のモードは、基本モードであるＴＥ１１モードに単一化される。
【数16】
【0088】
このように発明者の鋭意検討により、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波を基本モードに単一化させるために直径Ｄが満たす範囲Ｍ１の上限および下限は、誘電性部材３１の比誘電率εの平方根に反比例するという知見が得られた。よって、誘電性部材３１の比誘電率εを低くすることにより、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波を基本モードに単一化させつつ、誘電性部材３１の直径Ｄを大型化させることができる。直径Ｄが大型化することにより、プラズマが発生される外表面４１のサイズを大型化させることが可能となるので、プラズマ発生部７の各々におけるプラズマ処理範囲を広くすることができる。
【0089】
具体的な例として、実施例１の構成において誘電性部材３１の材料として酸化アルミニウムを用いた場合、酸化アルミニウムの比誘電率は９．８であるので、（１６）式を満たす直径Ｄの条件は、２２．９ｍｍ＜Ｄ＜２９．９ｍｍ程度となる。一方、酸化アルミニウムよりも比誘電率が低い石英を誘電性部材３１の構成材料として用いた場合、石英の比誘電率は３．７８であるので、（１６）式を満たす直径Ｄの条件は、３６．９ｍｍ＜Ｄ＜４８．２ｍｍ程度となる。すなわち誘電性部材３１の比誘電率を低くすることにより、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波のモードが基本モードに単一化された状態を維持しつつ、誘電性部材３１の直径Ｄをさらに大型化させることが可能となる。なお比誘電率が２．１であるテフロン（登録商標）を材料とする誘電性部材３１を用いる場合、（１６）式を満たす直径Ｄの条件は４９．５ｍｍ＜Ｄ＜６４．６ｍｍ程度となり、誘電性部材３１の比誘電率を下げることによって誘電性部材３１の直径Ｄをさらに大型化できる。
【0090】
＜動作の説明＞
ここで、プラズマ処理装置１の動作について説明する。まずは図示しないワーク搬送機構を用いて開閉扉２５からワークＷをチャンバ１１の内部へと搬入させ、ワーク保持部１３に載置させる。ワーク保持部１３は、吸着保持などの方法によってワークＷを安定に保持する。そしてワーク保持部１３を適宜移動させ、ワークＷにおいてプラズマ処理を行う領域をプラズマ発生部７の外表面４１へと近接させる。
ここで、プラズマ処理装置１の動作について説明する。まずは図示しないワーク搬送機構を用いて開閉扉２５からワークＷをチャンバ１１の内部へと搬入させ、ワーク保持部１３に載置させる。ワーク保持部１３は、吸着保持などの方法によってワークＷを安定に保持する。そしてワーク保持部１３を適宜移動させ、ワークＷにおいてプラズマ処理を行う領域をプラズマ発生部７の外表面４１へと近接させる。
【0091】
ワークＷを外表面４１に近接させることによってワークＷの配置が完了すると、チャンバ１１の内部空間Ｌを調整する。すなわち、制御機構は開閉扉２５を閉じてチャンバ１１を密閉状態にした後、電磁バルブ１６を開いて排気装置１９を作動させる。排気装置１９が作動することにより、チャンバ１１の内部空間Ｌに滞留していた空気が排気される。
【0092】
チャンバ１１の内部空間Ｌを排気させた後、制御機構は電磁バルブ１６を閉じるとともに電磁バルブ２０を開いて気体供給装置２３を作動させる。気体供給装置２３が作動することにより、チャンバ１１の内部空間Ｌへ励起用のガスＧが供給される。
【0093】
チャンバ１１の内部空間ＬへガスＧが供給されると、マイクロ波発生部５を作動させてマイクロ波を発振させる。発振されたマイクロ波はマイクロ波供給ケーブル５によってプラズマ発生部７へと供給される。供給されたマイクロ波は、接続機構３５において誘電性部材３１へ伝送される。すなわち凹部３７に挿入されているマイクロ波供給ケーブル５から誘電性部材３１の基端部へとマイクロ波が伝送される。
【0094】
このとき、誘電性部材３１に形成された凹部３７にマイクロ波供給ケーブル５を挿入させることにより、マイクロ波の入力方向における比誘電率の変化が緩和されている。そのため、マイクロ波のインピーダンスはより好適に調整されるので、不要な反射電力が発生することをより確実に防止できる。
【0095】
誘電性部材３１の基端部に供給されたマイクロ波は誘電性部材３１の内部を伝送する。すなわちマイクロ波は誘電性部材３１が延びるｘ方向へ伝送し、誘電性部材３１の先端部へと伝送される。誘電性部材３１の先端部にマイクロ波が伝送されることにより、チャンバ１１の内部空間Ｌのうち外表面４１の周囲においてガスＧが励起されてプラズマが発生する。プラズマ発生部７によって発生したプラズマにより、外表面４１に近接配置されていたワークＷが所定の処理を受ける。ワークＷに対するプラズマ処理が完了した後、制御機構は開閉扉２５を開状態にしてワークＷをチャンバ１１から搬出させ、ワークＷのプラズマ処理に関する一連の工程が終了する。
【0096】
＜実施例１の構成による効果＞
このように、実施例１に係るプラズマ発生部７では、モードが異なるマイクロ波同士の干渉を回避しつつ、より大面積のワークＷに対してプラズマ処理を行うことができる。従来のプラズマ発生装置の問題点として、プラズマ発生装置の直径が２９．９ｍｍを超えると複数のモードのマイクロ波が伝送されて互いに干渉し、位相歪または伝送損失を例とする問題が発生することが知られていた。すなわち従来のプラズマ発生装置では直径を２９．９ｍｍ以上とすることが困難であり、広範囲のワークにプラズマ処理を行うには多数のプラズマ発生装置が必要となるという問題点が懸念されていた。
このように、実施例１に係るプラズマ発生部７では、モードが異なるマイクロ波同士の干渉を回避しつつ、より大面積のワークＷに対してプラズマ処理を行うことができる。従来のプラズマ発生装置の問題点として、プラズマ発生装置の直径が２９．９ｍｍを超えると複数のモードのマイクロ波が伝送されて互いに干渉し、位相歪または伝送損失を例とする問題が発生することが知られていた。すなわち従来のプラズマ発生装置では直径を２９．９ｍｍ以上とすることが困難であり、広範囲のワークにプラズマ処理を行うには多数のプラズマ発生装置が必要となるという問題点が懸念されていた。
【0097】
ここで発明者が鋭意検討を行った結果、プラズマ発生装置に用いられる誘電体の材料について、比誘電率が低い材料とすることでプラズマ発生装置の大型化が可能となるという知見を得るに至った。すなわち従来のプラズマ発生装置では、比誘電率が高いという理由により、誘電体として酸化アルミニウム（ε＝９．８）を用いることが一般的である。発明者は、酸化アルミニウムを誘電性部材３１として用いた場合、直径Ｄは２９．９ｍｍ未満に限定される一方、誘電性部材３１として比誘電率がやや低い石英（ε＝３．７８）を用いることで、異なるモードのマイクロ波の干渉を回避しつつ直径Ｄを従来の最大値である２９．９ｍｍより大型化できることを見出した。
【0098】
そして発明者はさらに鋭意検討を進めた結果、誘電性部材３１が基本モードのマイクロ波のみを伝送させるような直径Ｄの範囲Ｍ１を示す条件、すなわち（１）の条件を特定するに至った。（１）の条件に係る基本カットオフ径Ｄｂおよび第１カットオフ径Ｄ１はいずれも比誘電率εの平方根に反比例する値である。よって、誘電性部材３１の比誘電率εを低くすることにより、範囲Ｍ１の最大値をより大きくすることができることが判明した。また、（１）の条件に係る基本カットオフ径Ｄｂおよび第１カットオフ径Ｄ１は、いずれもマイクロ波の周波数Ｆに反比例する値である。よって、マイクロ波発生装部３が発振するマイクロ波の周波数Ｆを小さくすることによって、範囲Ｍ１の最大値をより大きくすることができることも判明した。つまり、マイクロ波の周波数Ｆを低くすることで、異なるモードのマイクロ波の干渉を回避しつつ直径Ｄを従来の最大値である２９．９ｍｍより大型化できることをも見出した。
【0099】
また（１）式で示された条件（範囲Ｍ１）の最大値である第１カットオフ径Ｄ１は、誘電性部材３１の比誘電率ε、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波の周波数Ｆ、第１高次モードの遮断係数Ｌ１、光速ｃによって算出できる値である。遮断係数Ｌ１は、誘電性部材３１の形状によって、誘電性部材３１を伝送する第１高次モードは特定され、遮断係数Ｌ１は第１高次モードに応じて定まる値である。従って、誘電性部材３１の形状に応じて遮断係数Ｌ１は定まる値である。よって、誘電性部材３１の構成材料、誘電性部材３１の形状、周波数Ｆの条件が決定することにより、基本モードのみを伝送させる状態となるような誘電性部材３１の直径Ｄの最大値を容易に特定できる。その結果、実施例１の構成によって、基本モードのみを伝送させる状態を確実に維持しつつ、誘電性部材３１によってプラズマが発生する範囲を最大化させることが可能となる。すなわち、異なるモードの干渉に起因する位相歪などの問題が発生することを回避しつつプラズマ処理効率を最大化させるプラズマ発生部７の実現が可能となる。
【実施例2】
【0100】
次に、本発明の実施例２を説明する。なお、実施例１で説明したプラズマ処理装置１と同一構成については同一符号を付すに留め、異なる構成部分について詳述する。実施例２に係るプラズマ発生部７Ａは、第１高次モードのマイクロ波のみを伝送させてプラズマを発生させる構成であるという点で、基本モードのマイクロ波のみを伝送させる構成を有する実施例１のプラズマ発生部７と相違する。なお実施例２のプラズマ処理装置１における動作は実施例１と同様であるので説明を省略する。
【0101】
図９（ａ）は実施例２に係るプラズマ発生部７Ａの側面を示す図であり、図９（ｂ）はプラズマ発生部７ＡのＡ－Ａ断面図である。実施例２では実施例１と同様に、外部導体２９Ａは円形導波管であり誘電性部材３１は全体として円柱状の部材である。すなわち断面が円形である誘電性部材３１Ａを用いる実施例２のプラズマ発生部７Ａにおいて、実施例１と同様にマイクロ波の基本モードはＴＥ１１モードであり第１高次モードはＴＭ０１モードであり、第２高次モードはＴＥ２１モードである。
【0102】
実施例２に係るプラズマ発生部７Ａにおいて、外部導体２９Ａは複数のスリット部４３を備えている。スリット部４３は外部導体２９Ａの外周に沿って並ぶように設けられている。スリット部４３の各々は、外部導体２９Ａの主軸（ここではｘ方向）に延びるように形成されている。スリット部４３は、ＴＭ０１モードのマイクロ波とＴＥ１１モードのマイクロ波とのうち、ＴＥ１１モードのマイクロ波の伝送を抑制する。すなわちスリット部４３は、基本モードのマイクロ波と第１高次モードのマイクロ波とのうち、基本モードのマイクロ波の伝送を抑制する。本実施例において、スリット部４３は基本モード抑制部に相当する。スリット部４３の内部または外部には電磁波吸収体が配設されていてもよい。
【0103】
スリット部４３は外部導体２９Ａの主軸に延びるように形成されており、外部導体２９ＡにおけるＴＥ１１モードの表面電流分布は基本的に外部導体２９Ａの主軸に交差する方向となっている。すなわちＴＥ１１モードの表面電流分布がスリット部４３と交差するので、ＴＥ１１モードのマイクロ波はスリット部４３を介してプラズマ発生部７の外部へ放射される。その結果、ＴＥ１１モードのマイクロ波が誘電性部材３１の先端側へと伝送されることが抑制される。特に電磁波吸収体がスリット部４３に配設されている場合、スリット部４３と交差するＴＥ１１モードのマイクロ波は当該電磁波吸収体によって吸収されるので、ＴＥ１１モードのマイクロ波をより効率良く減衰させることができる。
【0104】
一方、ＴＭ０１モードの表面電流分布は外部導体２９Ａの主軸に平行であるのでスリット部４３と交差しない。そのため、ＴＭ０１モードのマイクロ波はスリット部４３と交差することなく誘電性部材３１Ａの基端側から先端側へと伝送される。その結果、ＴＭ０１モードのマイクロ波はスリット部４３によって減衰されることなく、誘電性部材３１の先端側へと伝送される。このように、実施例２に係るプラズマ発生部７Ａでは外部導体２９Ａおよび誘電性部材３１Ａの延在方向に沿ってスリット部４３を配設することにより、基本モードに相当するＴＥ１１モードのマイクロ波と第１高次モードに相当するＴＭ０１モードのマイクロ波とのうち、第１高次モードに相当するＴＭ０１モードのみを選択的に誘電性部材３１Ａの先端側へと伝送させることができる。
【0105】
＜誘電性部材の説明＞
ここで、実施例２に係る誘電性部材３１Ａにおける適切な直径Ｄの範囲について説明する。実施例１に係る誘電性部材３１は直径Ｄの値が図７に示される範囲Ｍ１に含まれるように構成されるのに対し、実施例２に係る誘電性部材３１Ａは直径Ｄの値が範囲Ｍ２に含まれるように構成される。すなわち誘電性部材３１Ａの直径ＤはＤ１＜Ｄ＜Ｄ２の条件を満たしている。言い換えると、誘電性部材３１Ａの直径Ｄの下限は第１カットオフ径Ｄ１であり、上限は第２カットオフＤ２である。直径Ｄが範囲Ｍ２に含まれる場合、第２高次モード以上の波長を有するマイクロ波はカットオフされて誘電性部材３１Ａを伝送できなくなる。一方、第１高次モード以下の波長を有するマイクロ波、すなわち基本モードのマイクロ波と第１高次モードのマイクロ波とはカットオフされない。
ここで、実施例２に係る誘電性部材３１Ａにおける適切な直径Ｄの範囲について説明する。実施例１に係る誘電性部材３１は直径Ｄの値が図７に示される範囲Ｍ１に含まれるように構成されるのに対し、実施例２に係る誘電性部材３１Ａは直径Ｄの値が範囲Ｍ２に含まれるように構成される。すなわち誘電性部材３１Ａの直径ＤはＤ１＜Ｄ＜Ｄ２の条件を満たしている。言い換えると、誘電性部材３１Ａの直径Ｄの下限は第１カットオフ径Ｄ１であり、上限は第２カットオフＤ２である。直径Ｄが範囲Ｍ２に含まれる場合、第２高次モード以上の波長を有するマイクロ波はカットオフされて誘電性部材３１Ａを伝送できなくなる。一方、第１高次モード以下の波長を有するマイクロ波、すなわち基本モードのマイクロ波と第１高次モードのマイクロ波とはカットオフされない。
【0106】
そして、プラズマ発生部７Ａは基本モードの伝送を抑制させるスリット部４３を備えている。よって、第１高次モードのマイクロ波は誘電性部材３１Ａを伝送できる一方、基本モードのマイクロ波は誘電性部材３１Ａを伝送できなくなる。このように、実施例２では誘電性部材３１Ａは直径Ｄの値が範囲Ｍ２に含まれるように設定され、かつ基本モードの伝送を抑制するスリット部４３を備えることにより、第１高次モードのマイクロ波のみが誘電性部材３１Ａを伝送する状態となる。
【0107】
上述した通り、誘電性部材３１Ａにおいて第１高次モードのマイクロ波のみを伝送させるには、誘電性部材３１Ａの直径Ｄの値は範囲Ｍ２に含まれる必要がある。すなわち、直径Ｄの値はＤ１＜Ｄ＜Ｄ２の条件を満たす必要がある。言い換えると、実施例２において誘電性部材３１Ａの直径Ｄが含まれる範囲Ｍ２は、第１カットオフ径Ｄ１を下限とし、第２カットオフ径Ｄ２を上限とする範囲に相当する。一般的なカットオフ径Ｄｘを算出する（９）の式を第１カットオフ径Ｄ１に当てはめると、第１高次モードのマイクロ波における遮断係数Ｌ１を用いることで、第１カットオフ径Ｄ１の値は以下の（１５）式によって算出できる
【数15】
【0108】
また、（９）の式を第２カットオフ径Ｄ２に当てはめると、第２高次モードのマイクロ波における遮断係数Ｌ２を用いることで、第２カットオフ径Ｄ２の値は以下の（１７）式によって算出できる。
【数17】
【0109】
ここで、実施例２に係る誘電性部材３１Ａの直径Ｄが満たすべきＤ１＜Ｄ＜Ｄ２の条件式に（１５）の数式および（１７）の数式を適用することにより、実施例２に係る誘電性部材３１Ａの直径Ｄが満たすべき具体的な条件を特定できる。すなわち誘電性部材３１Ａの直径Ｄが満たすべき具体的な条件は、誘電性部材３１Ａの比誘電率ε、マイクロ波の周波数Ｆ、光速ｃ、第１高次モードの遮断係数Ｌ１、および第２高次モードの遮断係数Ｌ２を用いることにより、以下の（５）で示される式となる。
【数5】
【0110】
実施例２では実施例１と同様に誘電性部材３１Ａの断面が円形であるので、マイクロ波の第１高次モードはＴＭ０１モードであり、マイクロ波の第２高次モードはＴＥ２１モードである。よって実施例２において、第１カットオフ径Ｄ１はＴＭ０１モードであるマイクロ波のカットオフ径に相当する。そして第２カットオフ径Ｄ２は、ＴＥ２１モードであるマイクロ波のカットオフ径に相当する。
【0111】
図８（ｂ）で示すように、ＴＭ０１モードの遮断係数Ｌは２．６１３である。すなわち断面が円形である誘電性部材３１Ａを用いる実施例２において、第１高次モードの遮断係数Ｌ１は２．６１３である。そのため（１５）式における第１高次モードの遮断係数Ｌ１の項にＴＭ０１モードの遮断係数Ｌの値である２．６１３を代入することで、実施例２における第１カットオフ径Ｄ１は比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いて算出できる数式となる
【0112】
また図８（ｃ）で示すように、ＴＥ２１モードの遮断係数Ｌは２．０５７である。すなわち断面が円形である誘電性部材３１Ａを用いる実施例２において、第２高次モードの遮断係数Ｌ２は２．６１３である。そのため（１７）式における第２高次モードの遮断係数Ｌ２の項にＴＥ２１モードの遮断係数Ｌの値である２．０５７を代入することで、実施例２における第２カットオフ径Ｄ２は比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いて算出できる数式となる。言い換えると、断面が円形である誘電性部材３１Ａを用いる実施例２において直径Ｄが満たす条件は、比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いた（６）の式で表すことができる。
【数6】
【0113】
すなわち実施例２において誘電性部材３１Ａの直径Ｄが（６）式の条件を満たす場合、誘電性部材３１Ａを伝送できるマイクロ波のモードは、基本モードであるＴＥ１１モードまたは第１高次モードであるＴＭ０１モードに限定される。なお実施例２では実施例１と同様に、マイクロ波発生部３が発振するマイクロ波の周波数Ｆは２．４５ＧＨｚである。そのため（６）式における周波数Ｆの項に２．４５ＧＨｚの値（２．４５×１０９）を代入することで、基本モードのマイクロ波のみが誘電性部材３１の内部を伝送する状態にするために直径Ｄが満たすべき具体的な条件は、誘電性部材３１を構成する材料の比誘電率εを用いた数式となる。
【0114】
すなわち実施例２においてマイクロ波の周波数Ｆが２．４５ＧＨｚである場合、誘電性部材３１Ａの直径Ｄが以下の（１８）式の条件を満たすことによって、誘電性部材３１Ａを伝送可能なマイクロ波のモードは、基本モードであるＴＥ１１モードまたは第１高次モードであるＴＭ０１モードに限定される。
【数18】
【0115】
そして実施例２に係るプラズマ発生部７Ａはスリット部４３を備えている。基本モード（ＴＥ１１モード）のマイクロ波が誘電性部材３１Ａを伝送することは、スリット部４３によって抑制される。そのため、スリット部４３を備えるプラズマ発生部７Ａにおいて、誘電性部材３１Ａの直径Ｄが（１８）式の条件を満たすように構成されることにより、誘電性部材３１Ａを伝送するマイクロ波のモードは、第１高次モードであるＴＭ０１モードに単一化される。図７に示すように、範囲Ｍ２の最大値は範囲Ｍ１の最大値より大きい値である。従って、伝送されるマイクロ波のモードを第１高次モードに単一化させる実施例２の構成では、伝送されるマイクロ波のモードを基本モードに単一化させる実施例１の構成と比べて、誘電性部材３１Ａの直径Ｄをさらに大型化させることができる。よって、実施例２の構成では、伝送されるマイクロ波のモードを単一化させるという効果を得つつ、誘電性部材３１Ａによってプラズマが発生される範囲をさらに広域化できる。
【0116】
さらに実施例２の構成では誘電性部材３１Ａの外表面４１において、実施例１と比べてさらに均一なプラズマ処理を行うことができる。すなわち実施例２の構成では、ＴＭ０１モードに単一化されたマイクロ波が誘電性部材３１Ａの基端部から先端部の外表面４１へと伝送される。ＴＭ０１モードは図８（ｂ）の中央図に示すように、誘電性部材３１の主軸に直交する面（ｙｚ平面）において、電界Ａｒは誘電性部材３１の主軸（中心軸）について点対称である。また、図示しない磁界についても誘電性部材３１の主軸について点対称である。そのため実施例２の構成では、誘電性部材３１Ａの外表面４１においてマイクロ波はｙｚ平面について均等に伝送される。従って実施例２に係る誘電性部材３１Ａの外表面４１においてプラズマが効率良く発生する領域Ｐｍは、図１０（ａ）に示すように誘電性部材３１Ａの断面形状と同じ形（ここでは円形）となる。すなわちｙ方向およびｚ方向の各々について、プラズマは誘電性部材３１Ａの中心から外周部にわたって均等かつ効率良く発生する。
【0117】
一方、実施例１ではＴＥ１１モードに単一化されたマイクロ波が誘電性部材３１の基端部から先端部の外表面４１へと伝送される。ＴＥ１１モードは図８（ａ）に示すように、誘電性部材３１の主軸に直交する面（ｙｚ平面）について、ｚ方向の中央部では電界Ａｒの流れが比較的強い一方、ｚ方向の両端部では電界Ａｒの流れが比較的弱い。そのため、実施例１に係る誘電性部材３１の外表面４１においてプラズマが効率良く発生する領域Ｐｍは、図１０（ｂ）に示すように、ｙ方向を長軸としてｚ方向を短軸とする楕円形となる。その結果、誘電性部材３１の外表面４１のうち、ｚ方向における外周部ではプラズマの発生効率がｚ方向における中央部と比べて低くなる。このように、実施例２の構成では伝送されるマイクロ波のモードがＴＭ０１モードに単一化されるので、想定されているプラズマ処理領域（ワークＷのうち、外表面４１に近接している領域）において、より均一かつ高効率なプラズマ処理を行うことができる。
【実施例3】
【0118】
次に、本発明の実施例３を説明する。なお、実施例１で説明したプラズマ処理装置１と同一構成については同一符号を付すに留め、異なる構成部分について詳述する。実施例３に係るプラズマ発生部７Ｂは、ｙｚ平面における形状（断面形状）が実施例１に係るプラズマ発生部７と相違する。図１１（ａ）は、実施例３に係るプラズマ発生部７Ｂの斜視図である。
【0119】
実施例１に係るプラズマ発生部７Ｂにおいて、外部導体２９は円形導波管であり誘電性部材３１は全体として円柱状の部材である。すなわち実施例１に係る外部導体２９および誘電性部材３１は、いずれもｙｚ平面における断面が円形である。一方、実施例３に係るプラズマ発生部７Ｂにおいて、外部導体２９Ｂとして正六角形の導波管が用いられる。そのため、外部導体２９Ｂの内部を充填するように配設される誘電性部材３１Ｂは、全体として正六角柱状の部材である。すなわち実施例３に係る外部導体２９Ｂおよび誘電性部材３１Ｂは、いずれもｙｚ平面における断面が正六角形となるように構成されている。
【0120】
なお実施例３において、断面が正六角形である誘電性部材３１Ｂの直径Ｄは以下のものを意味する。誘電性部材３１Ｂの直径Ｄは、誘電性部材３１Ｂの最大径に相当する。すなわち図１１（ｂ）に示すように、誘電性部材３１Ｂの断面を構成する正六角形の外接円Ｈｃの直径が、実施例３に係る誘電性部材３１Ｂの直径Ｄに相当するものとする。言い換えると、誘電性部材３１Ｂの断面を構成する正六角形の対角線のうち最も長い対角線が誘電性部材３１Ｂの直径Ｄに相当する。
【0121】
実施例３に係るプラズマ発生部７Ｂは、ｙｚ平面における形状が実施例１と異なるので、誘電性部材３１Ｂを伝送されるマイクロ波のモードが実施例１と実施例３とは異なる。図１２に示すように、実施例１または実施例２では誘電性部材３１の断面が円形であるので、伝送されるマイクロ波は基本モードがＴＥ１１モードであり、第１高次モードがＴＭ０１モードであり、第２高次モードがＴＥ２１モードである。一方、実施例３では誘電性部材３１Ｂの断面が正六角形である。正六角形は円形に近いが異なる形状である。そのため、断面が正六角形である誘電性部材３１Ｂを伝送するマイクロ波のモードは、断面が円形である誘電性部材３１を伝送するマイクロ波のモードと似ているが異なるモードとなる。
【0122】
実施例３において、断面が正六角形である誘電性部材３１Ｂを伝送するマイクロ波は、基本モードが類似ＴＥ１１モードであり、第１高次モードが類似ＴＭ０１モードであり、第２高次モードが類似ＴＥ２１モードである。
【0123】
なお本実施例において、類似ＴＥ１１モードとは、断面が円形である誘電性部材３１を伝送するマイクロ波におけるＴＥ１１モードに、電磁界分布が似ている一方で遮断係数が異なっているモードを意味するものとする。類似ＴＭ０１モードとは、断面が円形である誘電性部材３１を伝送するマイクロ波におけるＴＭ０１モードに、電磁界分布が似ている一方で遮断係数が異なっているモードを意味するものとする。類似ＴＥ２１モードとは、断面が円形である誘電性部材３１を伝送するマイクロ波におけるＴＥ２１モードに電磁界分布が似ている一方で遮断係数が異なっているモードを意味するものとする。
【0124】
断面が正六角形である誘電性部材３１Ｂにおける電界および遮断係数について、図２０の各図に示している。図２０（ａ）は、類似ＴＥ１１モードの電界および遮断係数を示している。類似ＴＥ１１モードの電界Ａｆは、図８（ａ）に示すＴＥ１１モードの電界Ａｒと同様に、誘電性部材３１Ｂの下側から上側へ向かう形状となっている。但し、ＴＥ１１モードの電界Ａｒと比べて、類似ＴＥ１１モードの電界Ａｆは若干崩れた形状となっている。すなわち類似ＴＥ１１モードの電界ＡｆとＴＥ１１モードの電界Ａｒとは形状の概要は同一であるが、形状の細部に相違がある。そのため、類似ＴＥ１１モードの遮断係数はＴＥ１１モードの遮断係数と比べてわずかに低い値である。すなわち、ＴＥ１１モードの遮断係数Ｌは３．４１２である一方、類似ＴＥ１１モードの遮断係数Ｌは３．１３０である。
【0125】
図２０（ｂ）は、類似ＴＭ０１モードの電界および遮断係数を示している。類似ＴＭ０１モードの電界Ａｆは、図８（ｂ）に示すＴＭ０１モードの電界Ａｒと同様に、誘電性部材３１Ｂの中心から外周に向かう形状となっている。誘電性部材の断面が正六角形である場合に伝送される類似ＴＭ０１モードの電界Ａｆと、誘電性部材の断面が円形である場合に伝送されるＴＭ０１モードの電界Ａｒとは、形状の概要は同一であるが形状の細部に相違がある。ＴＭ０１モードの遮断係数Ｌは２．６１３である一方、類似ＴＭ０１モードの遮断係数Ｌは２．３５１である。
る。
る。
【0126】
図２０（ｃ）は、類似ＴＥ２１モードの電界および遮断係数を示している。類似ＴＥ２１モードの電界Ａｆは、図８（ｃ）に示すＴＥ２１モードの電界Ａｒと形状の概要が同一であるが、形状の細部に相違がある。ＴＥ２１モードの遮断係数Ｌは２．０５７である一方、類似ＴＭ０１モードの遮断係数Ｌは１．９０７である。
【0127】
なお、類似ＴＥ１１モードを例とする、断面が正六角形である誘電性部材３１Ｂを伝送するマイクロ波のモードにおける遮断係数を算出する方法の一例として、頂点の数ｎを用いた以下の（１９）式を乗算することによって、遮断係数の近似値を算出する方法が挙げられる。実施例３では誘電性部材３１Ｂ断面が正六角形であるので、ｎ＝６を代入して遮断係数を算出する。なお誘電性部材の断面が正八角形である場合、ｎ＝８を代入する。
【数19】
【0128】
具体的な一例として、（１９）式を用いて類似ＴＥ１１モードの遮断係数を算出する場合、ＴＥ１１モードの遮断係数Ｌの数値に（１９）式の数値を乗算することにより、類似ＴＥ１１モードの遮断係数Ｌを算出できる。すなわち３．４１２に（１９）式の数値を乗算することにより、類似ＴＥ１１モードの遮断係数Ｌを算出できる。また、ＴＭ０１モードの遮断係数Ｌの数値に、ｎ＝６における（１９）式の数値を乗算することにより、類似ＴＭ０１モードの遮断係数Ｌを算出できる。類似ＴＥ２１モードの遮断係数Ｌは、ＴＥ２１モードの遮断係数Ｌの値に、ｎ＝６における（１９）式の数値を乗算することによって算出できる。
【0129】
また、誘電性部材３１Ｂを伝送するマイクロ波のモードにおける遮断係数を算出する方法の他の例として、電磁界シミュレーションを用いた演算が挙げられる。なお電磁界シミュレーション用の演算ソフトとして、HFSS(High-Frequency Structure Simulator、Ansys社製)を使用している。電磁界シミュレーション演算を用いることにより、類似ＴＥ１１モードなどの遮断係数をより正確に算出することができる。
【0130】
実施例３の構成では実施例１と同様に、基本モードのマイクロ波のみが誘電性部材３１Ｂを基端側から先端側へと伝送されるように直径Ｄの値が定められている。すなわち誘電性部材３１Ｂの直径ＤがＤｂ＜Ｄ＜Ｄ１の条件を満たすように、直径Ｄの値が定められる。すなわち実施例３において直径Ｄは図７に示す範囲Ｍ１に含まれるので、実施例３に係る誘電性部材３１Ｂの直径Ｄが満たすべき具体的な条件は、実施例１と同様に（１）で示される式となる。
【数1】
【0131】
実施例３のように誘電性部材３１Ｂの断面が正六角形である場合、マイクロ波の基本モードは類似ＴＥ１１モードであるので、実施例３における基本カットオフ径Ｄｂは類似ＴＥ１１モードのカットオフ径に相当する。すなわち、実施例３において基本モードの遮断係数Ｌｂは、類似ＴＥ１１モードの遮断係数Ｌに相当する。発明者の鋭意検討により、図１２に示すように、正六角形の誘電性部材３１Ｂを伝送する類似ＴＥ１１モードの遮断係数Ｌは３．１３０であるという知見が得られた。そのため（１）式または（１４）式における基本モードの遮断係数Ｌｂの項に類似ＴＥ１１モードの遮断係数Ｌの値である３．１３０を代入することで、実施例３における基本カットオフ径Ｄｂは比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いて算出できる数式となる。
【0132】
また誘電性部材３１Ｂの断面が正六角形である場合、マイクロ波の第１高次モードは類似ＴＭ０１モードであるので、実施例３における第１カットオフ径Ｄ１は類似ＴＭ０１モードのカットオフ径に相当する。発明者の鋭意検討により、図１２に示すように、正六角形の誘電性部材３１Ｂを伝送する類似ＴＭ０１モードの遮断係数Ｌは２．３５１であるという知見が得られた。そのため（１）式または（１５）式における第１高次モードの遮断係数Ｌ１の項に類似ＴＭ０１モードの遮断係数Ｌの値である２．３５１を代入することで、実施例３における第１カットオフ径Ｄ１は比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いて算出できる数式となる。
【0133】
言い換えると、断面が正六角形である誘電性部材３１Ｂを用いる実施例３において直径Ｄが満たす条件は、比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いた（３）の式で表すことができる。すなわち実施例３において誘電性部材３１Ｂの直径Ｄが以下の（３）式の条件を満たす場合、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波のモードは、基本モードである類似ＴＥ１１モードに単一化される。
【数3】
【0134】
一例として実施例３において、マイクロ波発生部３が発振するマイクロ波の周波数Ｆが２．４５ＧＨｚである場合、（３）式における周波数Ｆの項に２．４５ＧＨｚの値（２．４５×１０９）を代入することで、基本モードのマイクロ波のみが誘電性部材３１Ｂの内部を伝送する状態にするために直径Ｄが満たすべき具体的な条件は、誘電性部材３１Ｂを構成する材料の比誘電率εを用いた数式となる。当該数式の上限および下限はいずれも比誘電率εの平方根に反比例する値である。よって、比誘電率εが低い材料を誘電性材料３１Ｂとして用いることで、伝送するマイクロ波を基本モードに単一化させつつ誘電性材料３１Ｂの直径Ｄをより大型化できる。
【0135】
また実施例３では誘電性部材３１Ｂの断面が正六角形である。すなわち誘電性部材３１Ｂの外表面４１を介してプラズマ処理が行われる範囲は正六角形の領域となる。正六角形は繰り返し並列させることで平面を充填できる形状であるので、断面が正六角形である実施例３のプラズマ発生部７をｙｚ平面に沿って複数並列させることにより、大面積のワークＷにおいて確実にムラなくプラズマ処理を行うことができる。
【実施例4】
【0136】
次に、本発明の実施例４を説明する。実施例４は、断面が正六角形である実施例３と、伝送するマイクロ波を第１高次モードに単一化させる実施例２とを組み合わせた構成である。図１３（ａ）は、実施例４に係るプラズマ発生部７Ｃの斜視図である。
【0137】
実施例４に係るプラズマ発生部７Ｃにおいて、外部導体２９Ｃおよび誘電性部材３１Ｃはいずれも実施例３と同様に断面が正六角形となるように構成されている。そのため図１２に示すように、実施例４においてマイクロ波の基本モードは類似ＴＥ１１モードであり、第１高次モードは類似ＴＭ０１モードであり、第２高次モードは類似ＴＥ２１モードである。
【0138】
そして実施例４に係るプラズマ発生部７Ｃにおいて、外部導体２９Ｃは実施例２と同様に複数のスリット部４３を備えている。スリット部４３は図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、外部導体２９Ｃの外周に沿って並ぶように設けられている。スリット部４３の数は適宜変更してよいが、４～８個程度であることが好ましい。スリット部４３の各々は、外部導体２９Ａの主軸（ここではｘ方向）に延びるように形成されている。スリット部４３は、類似ＴＭ０１モードのマイクロ波と類似ＴＥ１１モードのマイクロ波とのうち、類似ＴＥ１１モードのマイクロ波の伝送を抑制する。すなわちスリット部４３は、基本モードのマイクロ波と第１高次モードのマイクロ波とのうち、基本モードのマイクロ波の伝送を抑制する。スリット部４３の内部または外部には電磁波吸収体が配設されていてもよい。
【0139】
スリット部４３は外部導体２９Ｃの主軸に延びるように形成されており、外部導体２９Ｃにおける類似ＴＥ１１モードの表面電流分布はＴＥ１１モードと同様に外部導体２９Ｃの主軸に交差する方向となっている。すなわち類似ＴＥ１１モードのマイクロ波はスリット部４３を介してプラズマ発生部７Ｃの外部へ放射される。その結果、類似ＴＥ１１モードのマイクロ波が誘電性部材３１Ｃの先端側へと伝送されることが抑制される。
【0140】
一方、類似ＴＭ０１モードの表面電流分布はＴＭ０１モードと同様に外部導体２９Ｃの主軸に平行であるのでスリット部４３と交差しない。そのため、類似ＴＭ０１モードのマイクロ波はスリット部４３と交差することなく誘電性部材３１Ｃの基端側から先端側へと伝送される。その結果、類似ＴＭ０１モードのマイクロ波はスリット部４３によって減衰されることなく、誘電性部材３１Ｃの先端側へと伝送される。このように、実施例４に係るプラズマ発生部７Ｃでは外部導体２９Ｃおよび誘電性部材３１Ｃの延在方向に沿ってスリット部４３を配設することにより、基本モードに相当する類似ＴＥ１１モードのマイクロ波と第１高次モードに相当する類似ＴＭ０１モードのマイクロ波とのうち、第１高次モードに相当する類似ＴＭ０１モードのみを選択的に誘電性部材３１Ｃの先端側へと伝送させることができる。
【0141】
ここで、実施例４に係る誘電性部材３１Ｃにおける適切な直径Ｄの範囲について説明する。実施例２と同様に、実施例４に係る誘電性部材３１Ｃは、伝送するマイクロ波を第１高次モードに単一化させる。すなわち誘電性部材３１Ｃの直径Ｄの値は範囲Ｍ２に含まれるので、実施例４に係る誘電性部材３１Ｃの直径Ｄが満たすべき具体的な条件は、実施例２と同様に以下の（５）で示される式となる
【数5】
【0142】
実施例４では実施例３と同様に誘電性部材３１Ｃの断面が正六角形であるので、マイクロ波の第１高次モードは類似ＴＭ０１モードであり、マイクロ波の第２高次モードは類似ＴＥ２１モードである。よって実施例４において、第１カットオフ径Ｄ１は類似ＴＭ０１モードであるマイクロ波のカットオフ径に相当する。そして第２カットオフ径Ｄ２は、類似ＴＥ２１モードであるマイクロ波のカットオフ径に相当する。
【0143】
図１２で示すように、類似ＴＭ０１モードの遮断係数Ｌは２．３５１である。すなわち断面が正六角形である誘電性部材３１Ｃを用いる実施例４において、第１高次モードの遮断係数Ｌ１は２．３５１である。そのため（５）式または（１５）式における第１高次モードの遮断係数Ｌ１の項に類似ＴＭ０１モードの遮断係数Ｌの値である２．３５１を代入することで、実施例４における第１カットオフ径Ｄ１は比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いて算出できる数式となる
【0144】
また図１２で示すように、類似ＴＥ２１モードの遮断係数Ｌは１．９０７である。すなわち断面が正六角形である誘電性部材３１Ｃを用いる実施例４において、第２高次モードの遮断係数Ｌ２は１．９０７である。そのため（５）式または（１７）式における第２高次モードの遮断係数Ｌ２の項に類似ＴＥ２１モードの遮断係数Ｌの値である１．９０７を代入することで、実施例４における第２カットオフ径Ｄ２は比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いて算出できる数式となる。言い換えると、断面が正六角形である誘電性部材３１Ｃを用いる実施例４において直径Ｄが満たす条件は、比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いた（７）の式で表すことができる。
【数7】
【0145】
すなわち実施例４において誘電性部材３１Ｃの直径Ｄが（７）式の条件を満たす場合、誘電性部材３１Ｃを伝送できるマイクロ波のモードは、基本モードである類似ＴＥ１１モードまたは第１高次モードである類似ＴＭ０１モードに限定される。
【0146】
具体例として、実施例４においてマイクロ波の周波数Ｆが２．７０ＧＨｚである場合、（７）式における周波数Ｆの項に２．７０ＧＨｚの値（２．７０×１０９）を代入することで、直径Ｄが満たすべき具体的な条件は、誘電性部材３１を構成する材料の比誘電率εを用いた数式である、以下の（２０）で示される式となる。すなわち、誘電性部材３１Ｃの直径Ｄが以下の（２０）式の条件を満たすことによって、誘電性部材３１Ｃを伝送可能なマイクロ波のモードは、第１高次モードである類似ＴＭ０１モードまたは第２高次モードである類似ＴＥ２１モードに限定される。
【数20】
【0147】
そして実施例４に係るプラズマ発生部７Ｃはスリット部４３を備えている。基本モード（類似ＴＥ１１モード）のマイクロ波が誘電性部材３１Ｃを伝送することは、スリット部４３によって抑制される。そのため、スリット部４３を備えるプラズマ発生部７Ｃにおいて、誘電性部材３１Ｃの直径Ｄが（７）式の条件を満たすように構成されることにより、誘電性部材３１Ｃを伝送するマイクロ波のモードは、第１高次モードである類似ＴＭ０１モードに単一化される。
【0148】
図７に示すように、範囲Ｍ２の最大値は範囲Ｍ１の最大値より大きい値である。従って、伝送されるマイクロ波のモードを第１高次モードに単一化させる実施例４の構成では、伝送されるマイクロ波のモードを基本モードに単一化させる実施例３の構成と比べて、誘電性部材３１Ｃの直径Ｄをさらに大型化させることができる。よって、実施例４の構成では、伝送されるマイクロ波のモードを単一化させるという効果を得つつ、誘電性部材３１Ｃによってプラズマが発生される範囲をさらに広域化できる。
【実施例5】
【0149】
次に、本発明の実施例５を説明する。図１４（ａ）は、実施例５に係るプラズマ発生部７Ｄの斜視図である。実施例５に係るプラズマ発生部７Ｄにおいて、外部導体２９Ｄとして正方形の導波管が用いられる。そのため、外部導体２９Ｄの内部を充填するように配設される誘電性部材３１Ｄは、全体として四角柱状の部材である。すなわち実施例５に係る外部導体２９Ｄおよび誘電性部材３１Ｄは、いずれもｙｚ平面における断面が正方形となるように構成されている。
【0150】
なお実施例５において、断面が正方形である誘電性部材３１Ｄの直径Ｄは以下のものを意味する。すなわち図１１（ｂ）に示すように、誘電性部材３１Ｄの断面を構成する正方形の外接円Ｈｃの直径が、実施例３に係る誘電性部材３１Ｄの直径Ｄに相当するものとする。言い換えると、誘電性部材３１Ｄの断面を構成する正方形の対角線が誘電性部材３１Ｄの直径Ｄに相当する。
【0151】
実施例５に係るプラズマ発生部７Ｄは、ｙｚ平面における形状が実施例１と異なるので、誘電性部材３１Ｄを伝送されるマイクロ波のモードが実施例１と実施例５とは異なる。図１２に示すように、実施例５では誘電性部材３１Ｄの断面が正方形であるので、伝送されるマイクロ波は基本モードがＴＥ１０モードであり、第１高次モードがＴＭ１１モードであり、第２高次モードがＴＥ２０モードである。
【0152】
実施例５の構成では実施例１と同様に、基本モードのマイクロ波のみが誘電性部材３１Ｄを基端側から先端側へと伝送されるように直径Ｄの値が定められている。すなわち誘電性部材３１Ｄの直径ＤがＤｂ＜Ｄ＜Ｄ１の条件を満たすように、直径Ｄの値が定められる。すなわち実施例５において直径Ｄは図７に示す範囲Ｍ１に含まれるので、実施例５に係る誘電性部材３１Ｄの直径Ｄが満たすべき具体的な条件は、実施例１と同様に（１）で示される式となる。
【数1】
【0153】
実施例５のように誘電性部材３１Ｄの断面が正方形である場合、マイクロ波の基本モードはＴＥ１０モードであるので、実施例５における基本カットオフ径ＤｂはＴＥ１０モードのカットオフ径に相当する。すなわち、実施例５において基本モードの遮断係数Ｌｂは、ＴＥ１０モードの遮断係数Ｌに相当する。図１２に示すように、ＴＥ１０モードの遮断係数Ｌは２．８２８であるので、（１）式または（１４）式における基本モードの遮断係数Ｌｂの項にＴＥ１０モードの遮断係数Ｌの値である２．８２８を代入することで、比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いて実施例３における基本カットオフ径Ｄｂを算出できる数式が得られる。
【0154】
また誘電性部材３１Ｄの断面が正方形である場合、マイクロ波の第１高次モードはＴＭ１１モードであるので、実施例５における第１カットオフ径Ｄ１はＴＭ１１モードのカットオフ径に相当する。図１２に示すように、ＴＭ１１モードの遮断係数Ｌは２．０００であるので、（１）式または（１５）式における第１高次モードの遮断係数Ｌ１の項にＴＭ１１モードの遮断係数Ｌの値である２．０００を代入することで、比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いて実施例５における第１カットオフ径Ｄ１を算出できる数式が得られる。
【0155】
言い換えると、断面が正方形である誘電性部材３１Ｄを用いる実施例５において直径Ｄが満たす条件は、比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いた（４）の式で表すことができる。すなわち実施例５において誘電性部材３１Ｄの直径Ｄが以下の（４）式の条件を満たす場合、誘電性部材３１Ｄを伝送するマイクロ波のモードは、基本モードであるＴＥ１０モードに単一化される。
【数4】
【0156】
一例として実施例５において、マイクロ波発生部３が発振するマイクロ波の周波数Ｆが２．４５ＧＨｚである場合、（３）式における周波数Ｆの項に２．４５ＧＨｚの値（２．４５×１０９）を代入することで、基本モードのマイクロ波のみが誘電性部材３１Ｄの内部を伝送する状態にするために直径Ｄが満たすべき具体的な条件は、誘電性部材３１Ｄを構成する材料の比誘電率εを用いた数式となる。当該数式の上限および下限はいずれも比誘電率εの平方根に反比例する値である。よって、比誘電率εが低い材料を誘電性材料３１Ｄとして用いることで、伝送するマイクロ波を基本モードに単一化させつつ誘電性材料３１Ｄの直径Ｄをより大型化できる。
【0157】
また実施例５では誘電性部材３１Ｄの断面が正方形である。すなわち誘電性部材３１Ｂの外表面４１を介してプラズマ処理が行われる範囲は正方形の領域となる。正方形は正六角形と同様に、繰り返し並列させることで平面を充填できる形状である。そのため断面が正方形である実施例５のプラズマ発生部７Ｄをｙｚ平面に多数並列させることにより、ワークＷにおいて確実にムラなくプラズマ処理を行うことができる。
【実施例6】
【0158】
次に、本発明の実施例６を説明する。実施例６は、断面が正方形である実施例５と、伝送するマイクロ波を第１高次モードに単一化させる実施例２とを組み合わせた構成である。図１５（ａ）は、実施例６に係るプラズマ発生部７Ｅの斜視図である。
【0159】
実施例６に係るプラズマ発生部７Ｅにおいて、外部導体２９Ｅおよび誘電性部材３１Ｅはいずれも実施例５と同様に断面が正方形となるように構成されている。そのため図１２に示すように、実施例６において基本モードはＴＥ１０モードであり、第１高次モードはＴＭ１１モードであり、第２高次モードはＴＥ２０モードである。
【0160】
そして実施例６に係るプラズマ発生部７Ｅにおいて、外部導体２９Ｅは実施例２と同様にスリット部４３を備えている。スリット部４３は図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、外部導体２９Ｅの外周に沿って並ぶように設けられている。スリット部４３の数は適宜変更してよいが、４～８個程度であることが好ましい。スリット部４３の各々は、外部導体２９Ａの主軸（ここではｘ方向）に延びるように形成されている。スリット部４３は、ＴＭ１１モードのマイクロ波とＴＥ１０モードのマイクロ波とのうち、ＴＥ１０モードのマイクロ波の伝送を抑制する。すなわちスリット部４３は、基本モードのマイクロ波と第１高次モードのマイクロ波とのうち、基本モードのマイクロ波の伝送を抑制する。スリット部４３の内部または外部には電磁波吸収体が配設されていてもよい。
【0161】
スリット部４３を備えることにより、ＴＥ１０モードのマイクロ波が誘電性部材３１の先端側へと伝送されることが抑制される。一方、ＴＭ１１モードのマイクロ波はスリット部４３によって減衰されることなく、誘電性部材３１Ｅの先端側へと伝送される。このように、実施例６に係るプラズマ発生部７Ｅでは外部導体２９Ｅおよび誘電性部材３１Ｅの延在方向に沿ってスリット部４３を配設することにより、基本モードに相当するＴＥ１０モードのマイクロ波と第１高次モードに相当するＴＭ１１モードのマイクロ波とのうち、第１高次モードに相当するＴＭ１１モードのみを選択的に誘電性部材３１Ｅの先端側へと伝送させることができる。
【0162】
ここで、実施例６に係る誘電性部材３１Ｅにおける適切な直径Ｄの範囲について説明する。実施例２と同様に、実施例６に係る誘電性部材３１Ｅは、伝送するマイクロ波を第１高次モードに単一化させる。すなわち誘電性部材３１Ｅの直径Ｄの値は範囲Ｍ２に含まれるので、実施例６に係る誘電性部材３１Ｅの直径Ｄが満たすべき具体的な条件は、実施例２と同様に以下の（５）で示される式となる
【数5】
【0163】
実施例６では実施例５と同様に誘電性部材３１Ｅの断面が正六角形であるので、マイクロ波の第１高次モードはＴＭ１１モードであり、マイクロ波の第２高次モードはＴＥ２０モードである。よって実施例６において、第１カットオフ径Ｄ１はＴＭ１１モードであるマイクロ波のカットオフ径に相当する。そして第２カットオフ径Ｄ２は、ＴＥ２０モードであるマイクロ波のカットオフ径に相当する。
【0164】
図１２で示すように、ＴＭ１１モードの遮断係数Ｌは２．０００である。すなわち断面が正方形である誘電性部材３１Ｅを用いる実施例６において、第１高次モードの遮断係数Ｌ１の値は２．０００である。そのため（５）式または（１５）式における第１高次モードの遮断係数Ｌ１の項にＴＭ１１モードの遮断係数Ｌの値である２．０００を代入することで、比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いて実施例６における第１カットオフ径Ｄ１を算出できる数式が得られる。
【0165】
また図１２で示すように、ＴＥ２０モードの遮断係数Ｌは１．４１４（正確には２の平方根）である。すなわち断面が正方形である誘電性部材３１Ｅを用いる実施例６において、第２高次モードの遮断係数Ｌ２の値は１．４１４である。そのため（５）式または（１７）式における第２高次モードの遮断係数Ｌ２の項にＴＥ２０モードの遮断係数Ｌの値である１．４１４を代入することで、比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いて実施例６における第２カットオフ径Ｄ２を算出できる数式が得られる。言い換えると、断面が正方形である誘電性部材３１Ｅを用いる実施例５において直径Ｄが満たす条件は、比誘電率εとマイクロ波の周波数Ｆと光速ｃの値とを用いた（８）の式で表すことができる。
【数8】
【0166】
すなわち実施例６において誘電性部材３１Ｅの直径Ｄが（８）式の条件を満たす場合、誘電性部材３１Ｅを伝送できるマイクロ波のモードは、基本モードであるＴＥ１０モードまたは第１高次モードであるＴＭ１１モードに限定される。
【0167】
そして実施例６に係るプラズマ発生部７Ｅはスリット部４３を備えている。基本モード（ＴＥ１０モード）のマイクロ波が誘電性部材３１Ｅを伝送することは、スリット部４３によって抑制される。一方、第１高次モード（ＴＭ１１モード）のマイクロ波はスリット部４３に阻害されることなく誘電性部材３１Ｅの基端部から先端部へと伝送される。そのため、スリット部４３を備えるプラズマ発生部７Ｅにおいて、誘電性部材３１Ｅの直径Ｄが（８）式の条件を満たすように構成されることにより、誘電性部材３１Ｅを伝送するマイクロ波のモードは、第１高次モードであるＴＭ１１モードに単一化される。
【0168】
図７に示すように、範囲Ｍ２の最大値は範囲Ｍ１の最大値より大きい値である。従って、伝送されるマイクロ波のモードを第１高次モードに単一化させる実施例６の構成では、伝送されるマイクロ波のモードを基本モードに単一化させる実施例５の構成と比べて、誘電性部材３１Ｅの直径Ｄをさらに大型化させることができる。よって、実施例６の構成では、伝送されるマイクロ波のモードを単一化させるという効果を得つつ、誘電性部材３１Ｅによってプラズマが発生される範囲をさらに広域化できる。
【0169】
＜他の実施形態＞
なお、今回開示された実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲、並びに、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。例として、本発明は下記のように変形実施することができる。
なお、今回開示された実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲、並びに、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。例として、本発明は下記のように変形実施することができる。
【0170】
（１）上述した各実施例において、外部導体２９および誘電性部材３１の形状は円形、正六角形、または正方形に限ることはなく、別の形状に変更してもよい。誘電性部材３１の形状に応じて、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波は基本モード、第１高次モード、および第２高次モードが異なる。そのため誘電性部材３１の形状に応じて、基本カットオフ径Ｄｂと第１カットオフ径Ｄ１と第２カットオフ径Ｄ２との値がそれぞれ定まる。そして実施例１などのように誘電性部材３１を伝送されるマイクロ波のモードを基本モードに単一化させる場合、誘電性部材３１の形状に応じて定まる基本カットオフ径Ｄｂより大きく、かつ第１カットオフ径Ｄ１より小さくなるように誘電性部材３１の直径Ｄの大きさを調節すればよい。すなわち第１カットオフ径Ｄ１に近い値となるように直径Ｄを設定することで、誘電性部材３１を伝送されるマイクロ波のモードを基本モードに単一化させつつ、誘電性部材３１の直径Ｄを最大化できる。
【0171】
また実施例２などのように誘電性部材３１を伝送されるマイクロ波のモードを第１高次モードに単一化させる場合、スリット部４３のように基本モードのマイクロ波が伝送されることを抑止する構成を設けるとともに、誘電性部材３１の形状に応じて定まる第１カットオフ径Ｄ１より大きく、かつ第２カットオフ径Ｄ２より小さくなるように誘電性部材３１の直径Ｄの大きさを調節すればよい。すなわち第２カットオフ径Ｄ２に近い値となるように直径Ｄを設定するとともにスリット部４３などを備えることで、誘電性部材３１を伝送されるマイクロ波のモードを第１高次モードに単一化させつつ、誘電性部材３１の直径Ｄを最大化できる。
【0172】
（２）上述した各実施例において、誘電性部材３１の先端側は先細りとなるテーパ状となっている構成に限ることはない。すなわち図１６（ａ）に示すように、誘電性部材３１の先端部は主軸に沿って径が一様な構成であってもよい。また図１６（ｂ）に示すように、誘電性部材３１の先端部は基端側から先端側に向かって径が大きくなる構成であってもよい。このような変形例において、誘電性部材３１においてマイクロ波の伝送またはプラズマの発生が行われる領域のうち最も径が大きい部分を直径Ｄとして、当該直径Ｄの値が範囲Ｍ１または範囲Ｍ２となるように定めることが好ましい。この場合、誘電性部材３１の全体について伝送されるマイクロ波を単一化させつつ、直径Ｄをより大型化できる。なおマイクロ波を伝送させる部分が、ｙｚ平面について誘電性部材３１の全体ではなく誘電性部材３１の一部に限定される場合、当該限定される部分のうち径が最大である部分を直径Ｄとして、当該直径Ｄの値が範囲Ｍ１または範囲Ｍ２となるように定めてよい。
【0173】
（３）上述した各実施例において、図１７に示すように凹部３７の代わりに接続部材４５を備えていてもよい。接続部材４５は、第１誘電体３１とマイクロ波供給ケーブル５が接続する部分に配設されている。一例として、接続部材４５は誘電性部材３１の基端側に配設される。接続部材４５は、誘電性部材３１よりも比誘電率が低い誘電性材料で構成される。一例として誘電性部材３１が石英（ε＝３．７８）で構成されている場合、接続部材４５の構成材料としてテフロン（登録商標、ε＝２．１）が挙げられる。また接続部材４５は、マイクロ波供給ケーブル５の周囲に存在する媒体よりも比誘電率が高い誘電性材料で構成される。
【0174】
当該変形例ではマイクロ波供給ケーブル５と誘電性部材３１との接続部において、接続部材４５が比誘電率の変化が緩和する領域となる。すなわち接続部材４５は、マイクロ波が入力される方向について比誘電率の変化を緩和させることで、より好適にインピーダンスを整合させる。なお、プラズマ発生部７は凹部３７または接続部材４５を備える構成に限ることはなく、凹部３７および接続部材４５をいずれも省略した構成であってもよい。
【0175】
（４）上述した各実施例において、誘電性部材３１は外部導体２９の内部を充填する構成に限ることはない。すなわち図１８に示すように、誘電性部材３１の外径が外部導体２９の内径より小さく、誘電性部材３１と外部導体２９との間に内部媒体４７が配設される構成も本発明に係る構成に含まれる。なお内部媒体４７の一例としては空気などが挙げられる。空気は比誘電率が１．０であるので、空気を含むことにより等価な比誘電率εの値をさらに下げることができる。その結果、直径Ｄをさらに大型化させることができる。
【0176】
（５）上述した各実施例において、誘電性部材３１は基端側から先端側にわたって全体的に単一の部材で構成されているが、複数の部材を組み合わせた構成であってもよい。当該変形例の一例として、図１９に示すように、誘電性部材３１は基端側を構成する第１誘電体５１と先端側を構成する第２誘電体５２との２つの部材を組み合わせた構成を挙げて説明する。
【0177】
第１誘電体５１は誘電性部材３１の基端側部分を構成する。第１誘電体５１は、誘電性部材３１のうち外部導体２９の内部を充填する部分を構成する。第１誘電体５１の基端側に凹部３７が形成されている。第２誘電体５２は誘電性部材３１の先端側部分を構成する。第２誘電体５２は、外部導体２９の開口部３５を閉塞するように配設されており、誘電性部材３１のうち外部導体２９から先端側へと突出している部分を構成する。
【0178】
第１誘電体５１と第２誘電体５２とは、接続部５３を介して接続されている。接続部５３は、第１誘電体５１の先端部に形成されている第１接続部５３Ａと、第２誘電体５２の基端部に形成されている第２接続部５３Ｂによって構成されている。接続部５３が第１誘電体５１と第２誘電体５２とを接続させる構成は、螺合、嵌合、または係合する構成などを適宜用いてよい。
【0179】
誘電性部材３１が複数の部材を組み合わせる構成とすることにより、外表面４１の形状が異なる複数種類の第２誘電体５２を第１誘電体５１に対して適宜換装させることで、誘電性部材３１の先端部の形状を適宜変更することができる。一例として、先端側に向かって先細りとなっている形状の外表面４１を有する第２誘電体５２を第１誘電体５１から取り外し、基端側から先端側に向かって径が大きくなる形状を有する第２誘電体５２（図１６（ｂ）を参照）を第１誘電体３１と接続させることにより、誘電性部材３１の外表面の形状を、先端に向かって径が小さくなる形状から先端に向かって径が大きくなる形状へと変更させることができる。
【0180】
このような変形例に係るプラズマ発生部７では、プラズマを発生させる範囲やプラズマ処理の用途に応じて、外表面４１の形状がそれぞれ異なる第２誘電体５２を適宜換装できる。そのため、プラズマ発生部７の汎用性をより高めることができる。
【0181】
（６）上述した実施例２、実施例４、実施例６において、スリット部４３を備える構成を例示したが、スリット部４３を備える構成に限られない。すなわち基本モードと第１高次モードのうち基本モードのマイクロ波が伝送されることを抑制する構成であれば、他の構成を当該実施例の構成に適用することができる。一例として、特開２００８－２８８８７４に開示されている、磁気壁板をモードフィルタとして用いる構成を適用することができる。
【符号の説明】
【0182】
１ …プラズマ処理装置
３ …マイクロ波発生部
５ …マイクロ波供給ケーブル
７ …プラズマ発生部（プラズマ発生装置）
９ …プラズマ処理部
１１ …チャンバ
１３ …ワーク保持部
１５ …接続プレート
２９ …外部導体
３１ …誘電性部材
３３ …マイクロ波供給口
３５ …開口部
３６ …隔壁
３７ …凹部
４１ …外表面
４３ …スリット部（基本モード抑制部）
３ …マイクロ波発生部
５ …マイクロ波供給ケーブル
７ …プラズマ発生部（プラズマ発生装置）
９ …プラズマ処理部
１１ …チャンバ
１３ …ワーク保持部
１５ …接続プレート
２９ …外部導体
３１ …誘電性部材
３３ …マイクロ波供給口
３５ …開口部
３６ …隔壁
３７ …凹部
４１ …外表面
４３ …スリット部（基本モード抑制部）
【要約】 （修正有）
【課題】マイクロ波のモードを単一化しつつ、より広い範囲に対してプラズマ処理を実行することを可能とする、プラズマ発生装置およびプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】導電性の外部導体２９と、その内部において外部導体２９の主軸に沿って延在し、マイクロ波を供給するマイクロ波供給ケーブル５と接続されており、供給されたマイクロ波を先端側へ伝送させてプラズマを発生させる誘電性部材３１と、を備え、誘電性部材３１の直径Ｄは、誘電性部材３１の形状に対応する基本モードのマイクロ波の遮断係数Ｌｂ、誘電性部材３１の形状に対応する第１高次モードのマイクロ波の遮断係数Ｌ１、誘電性部材３１の比誘電率ε、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて
（１）式の条件を満たすように誘電性部材３１が構成される。
【選択図】図２
【解決手段】導電性の外部導体２９と、その内部において外部導体２９の主軸に沿って延在し、マイクロ波を供給するマイクロ波供給ケーブル５と接続されており、供給されたマイクロ波を先端側へ伝送させてプラズマを発生させる誘電性部材３１と、を備え、誘電性部材３１の直径Ｄは、誘電性部材３１の形状に対応する基本モードのマイクロ波の遮断係数Ｌｂ、誘電性部材３１の形状に対応する第１高次モードのマイクロ波の遮断係数Ｌ１、誘電性部材３１の比誘電率ε、誘電性部材３１を伝送するマイクロ波の周波数Ｆ、および光速ｃを用いて
（１）式の条件を満たすように誘電性部材３１が構成される。
【選択図】図２
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】