JP2007227312A - プラズマ発生装置及びワーク処理装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間安定したプラズマを放出する。
【解決手段】電極ピン３８は、プラズマ発生ノズル３１から放出されるプラズマ中のイオンを取り込み、電流計９６１は、電極ピン３８により取り込まれたイオンのイオン電流値を測定し、センサ入力部９６に出力する。ＰＷＭ制御部９０１は、センサ入力部９６から出力されたイオン電流値が、目標イオン範囲に属するように、マイクロ波出力制御部９１にＰＷＭ信号を生成させ、マイクロ波のパワーを調整する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、基板等の被処理ワークなどに対してプラズマを照射することで、前記ワークの表面の清浄化や改質などを図ることが可能なプラズマ発生装置およびそれを用いるワーク処理装置に関する。

近年、半導体基板等の被処理ワークに対してプラズマを照射し、その表面の有機汚染物の除去、表面改質、エッチング、薄膜形成または薄膜除去等を行う技術が知られている。また、特許文献１には、プラズマ中の粒子密度を赤外吸収分光装置により計測し、計測結果に応じて高周波電界をパルス変調する技術が開示されている。また、特許文献２には、プラズマ中のイオンを質量分析計検出器で計測する技術が開示されている。また、特許文献３には、プラズマからイオンビーム電流を算出する技術が開示されている。また、特許文献４には、プラズマを計測し、プラズマを発生させるためのガスのガス圧力を制御する技術が開示されている。
特開平９−１９９４８５号公報 特開平４−１０６８５５号公報 特開平１−１９５６４４号公報 特開平４−７２０６４号公報

しかしながら、上記特許文献１〜４には、プラズマ中に含まれるイオンを測定し、その測定結果に基づいて、プラズマに含まれるイオンの量が目標量になるように制御することが開示されておらず、この点、改良の余地がある。特に、ワークに対して所望の改質効果を得るためには、一定のイオンの量が含まれるプラズマを長時間安定して放出する必要がある。

本発明の目的は、一定のイオンの量が含まれるプラズマを長時間安定して放出することができるプラズマ発生装置及びワーク処理装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明によるプラズマ発生装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部により発生されたマイクロ波を伝搬する導波部と、プラズマ化されるガスを供給するガス供給部と、前記マイクロ波を受信し、受信したマイクロ波を基に、前記ガス供給部から供給されるガスをプラズマ化して放出するプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部から放出されるプラズマに含まれるイオンの量を測定するイオン量測定部と、前記イオン量測定部により測定されるイオンの量が所定の目標イオン量を保つように、前記プラズマ発生部から出力されるプラズマの状態を制御する状態制御部とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、プラズマ発生部から放出されるプラズマ中のイオンの量が順次測定され、測定されたイオンの量が目標イオン量を保つように、プラズマ発生部から出力されるプラズマの状態が制御される。すなわち、プラズマ中に含まれるイオンの量が目標イオン量を保つように、プラズマの状態がフィードバック制御されているため、目標イオン量に合致するイオンの量が含まれるプラズマを長時間安定して放出することができる。

また、上記構成において、前記状態制御部は、前記マイクロ波発生部から出力されるマイクロ波のパワーを調整することで前記プラズマの状態を制御することが好ましい。

この構成によれば、マイクロ波発生部から出力されるマイクロ波のパワーを調整することで、プラズマ中のイオンの量が目標イオン量とされているため、目標イオン量を含むプラズマを長時間安定して放出することができる。

また、上記構成において、前記プラズマ発生部は、前記状態制御部により出力されるＰＷＭ信号により、出力するマイクロ波のパワーが調整され、前記状態制御部は、前記ＰＷＭ信号のデューティー比を所定の分解能で増減させることで、マイクロ波のパワーを調整し、前記イオン量測定部により測定されたイオンの量が前記目標イオン量に近づくにつれて、前記分解能を小さくすることが好ましい。

この構成によれば、測定されたイオンの量が目標イオン量に近づくにつれて、ＰＷＭ信号のデューティー比の分解能が小さくされるため、高速、かつ高精度にプラズマに含まれるイオンの量を目標イオン量に合致させる制御を行うことができる。

また、上記構成において、前記状態制御部は、前記ガス供給部から前記プラズマ発生部に供給されるガス量を調整することで前記プラズマに含まれるイオンの量を調整することが好ましい。

この構成によれば、ガス量を調整することでイオンの量が目標イオン量となるように制御されるため、目標イオン量を含むプラズマを長時間安定して放出することができる。

また、上記構成において、前記状態制御部は、前記ガス供給部から前記プラズマ発生部に供給されるガス量を調整する流量制御弁と、前記流量制御弁の開度を調整するガス流量調整部とを含み、前記ガス流量調整部は、前記流量制御弁の開度を所定の分解能で増減させることで、前記プラズマ発生部に供給されるガス量を調整し、前記イオン量測定部により測定されたイオンの量が前記目標イオン量に近づくにつれて、前記分解能を小さくすることが好ましい。

この構成によれば、測定されたイオンの量が目標イオン量に近づくにつれて、流量制御弁の開度の分解能が小さくされるため、高速、かつ高精度にイオンの量を目標イオン量にすることができる。

また、上記構成において、前記イオン量測定部は、前記プラズマ発生部から放出されるプラズマ化されたガスからなるプルームが照射される位置に配設され、表面に金属メッキが施された電極ピンと、前記電極ピンを流れる電流を検出する電流計とを含むことが好ましい。

この構成によれば、表面に金属メッキが施された電極ピンが、プラズマ発生部から放出されるプルームに挿入されるように配設され、電極ピンを流れる電流によりプラズマ中のイオンの量が測定されているため、イオンの量を正確に測定することができる。

本発明によるプラズマ発生装置は、請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ発生装置を備え、前記プラズマ発生装置から放出されたプラズマをワークに照射することを特徴とする。

この構成によれば、プラズマに含まれるイオンの量が目標イオン量であるプラズマを長時間安定してワークに放出することができるワーク処理装置を提供することができる。

本発明によれば、一定のイオンの量が含まれるプラズマを長時間安定して放出することができる。

以下、本発明の実施の形態１によるワーク処理装置Ｓについて図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係るワーク処理装置Ｓの全体構成を示す斜視図である。このワーク処理装置Ｓは、プラズマを発生し被処理物となるワークＷに前記プラズマを照射するプラズマ発生ユニットＰＵ（プラズマ発生装置）と、ワークＷを前記プラズマの照射領域を経由する所定のルートで搬送する搬送手段Ｃとから構成されている。図２は、図１とは視線方向を異ならせたプラズマ発生ユニットＰＵの斜視図、図３は一部透視側面図である。なお、図１〜図３において、Ｘ−Ｘ方向を前後方向、Ｙ−Ｙ方向を左右方向、Ｚ−Ｚ方向を上下方向というものとし、−Ｘ方向を前方向、＋Ｘ方向を後方向、−Ｙを左方向、＋Ｙ方向を右方向、−Ｚ方向を下方向、＋Ｚ方向を上方向として説明する。

プラズマ発生ユニットＰＵは、マイクロ波を利用し常温常圧でのプラズマ発生が可能なユニットであって、大略的に、マイクロ波を伝搬させる導波管１０、この導波管１０の一端側（左側）に配置され所定波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置２０、導波管１０に設けられたプラズマ発生部３０、導波管１０の他端側（右側）に配置されマイクロ波を反射させるスライディングショート４０、導波管１０に放出されたマイクロ波のうち反射マイクロ波がマイクロ波発生装置２０に戻らないよう分離するサーキュレータ５０、サーキュレータ５０で分離された反射マイクロ波を吸収するダミーロード６０及びインピーダンス整合を行うスタブチューナ７０を備えて構成されている。また搬送手段Ｃは、図略の駆動手段により回転駆動される搬送ローラ８０を含んで構成されている。本実施形態では、平板状のワークＷが搬送手段Ｃにより搬送される例を示している。

導波管１０は、例えば非磁性金属（アルミニウム等）からなり、断面矩形の長尺管状を呈し、マイクロ波発生装置２０により発生されたマイクロ波をプラズマ発生部３０へ向けて、その長手方向に伝搬させるものである。導波管１０は、分割された複数の導波管ピースが互いのフランジ部同士で連結された連結体で構成されており、一端側から順に、マイクロ波発生装置２０が搭載される第１導波管ピース１１、スタブチューナ７０が組み付けられる第２導波管ピース１２及びプラズマ発生部３０が設けられている第３導波管ピース１３が連結されてなる。なお、第１導波管ピース１１と第２導波管ピース１２との間にはサーキュレータ５０が介在され、第３導波管ピース１３の他端側にはスライディングショート４０が連結されている。

また、第１導波管ピース１１、第２導波管ピース１２及び第３導波管ピース１３は、それぞれ金属平板からなる上面板、下面板及び２枚の側面板を用いて角筒状に組み立てられ、その両端にフランジ板が取り付けられて構成されている。なお、このような平板の組み立てによらず、押し出し成形や板状部材の折り曲げ加工等により形成された矩形導波管ピース若しくは非分割型の導波管を用いるようにしても良い。また、断面矩形の導波管に限らず、例えば断面楕円の導波管を用いることも可能である。さらに、非磁性金属に限らず、導波作用を有する各種の部材で導波管を構成することができる。

マイクロ波発生装置２０は、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン等のマイクロ波発生源と、このマイクロ波発生源にて発生されたマイクロ波の強度を所定の出力強度に調整するアンプとを具備する装置本体部２１と、装置本体部２１で発生されたマイクロ波を導波管１０の内部へ放出するマイクロ波送信アンテナ２２とを備えて構成されている。本実施形態に係るプラズマ発生ユニットＰＵでは、例えば１Ｗ〜３ｋＷのマイクロ波エネルギーを出力できる連続可変型のマイクロ波発生装置２０が好適に用いられる。

図３に示すようにマイクロ波発生装置２０は、装置本体部２１からマイクロ波送信アンテナ２２が突設された形態のものであり、第１導波管ピース１１に載置される態様で固定されている。詳しくは、装置本体部２１が第１導波管ピース１１の上面板１１Ｕに載置され、マイクロ波送信アンテナ２２が上面板１１Ｕに穿設された貫通孔１１１を通して第１導波管ピース１１内部の導波空間１１０に突出する態様で固定されている。このように構成されることで、マイクロ波送信アンテナ２２から放出された例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、導波管１０により、その一端側（左側）から他端側（右側）に向けて伝搬される。

プラズマ発生部３０は、第３導波管ピース１３の下面板１３Ｂ（矩形導波管の一つの側面；処理対象ワークとの対向面）に、左右方向へ一列に整列して突設された８個のプラズマ発生ノズル３１を具備して構成されている。このプラズマ発生部３０の幅員、つまり８個のプラズマ発生ノズル３１の左右方向の配列幅は、平板状のワークＷの搬送方向と直交する幅方向のサイズｔと略合致する幅員とされている。これにより、ワークＷを搬送ローラ８０で搬送しながら、ワークＷの全表面（下面板１３Ｂと対向する面）に対してプラズマ処理が行えるようになっている。なお、８個のプラズマ発生ノズル３１の配列間隔は、導波管１０内を伝搬させるマイクロ波の波長λ_Ｇに応じて定めることが望ましい。例えば、波長λ_Ｇの１／２ピッチ、１／４ピッチでプラズマ発生ノズル３１を配列することが望ましく、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いる場合は、λ_Ｇ＝２３０ｍｍであるので、１１５ｍｍ（λ_Ｇ／２）ピッチ、或いは５７．５ｍｍ（λ_Ｇ／４）ピッチでプラズマ発生ノズル３１を配列すれば良い。

図４は、２つのプラズマ発生ノズル３１を拡大して示す側面図（一方のプラズマ発生ノズル３１は分解図として描いている）、図５は、図４のＡ−Ａ線側断面図である。プラズマ発生ノズル３１は、中心導電体３２、ノズル本体３３、ノズルホルダ３４、シール部材３５及び保護管３６を含んで構成されている。

中心導電体３２は、良導電性の金属から構成された棒状部材からなり、その上端部３２１の側が第３導波管ピース１３の下面板１３Ｂを貫通して導波空間１３０に所定長さだけ突出（この突出部分を受信アンテナ部３２０という）する一方で、下端部３２２がノズル本体３３の下端縁３３１と略面一になるように、上下方向に配置されている。この中心導電体３２には、受信アンテナ部３２０が導波管１０内を伝搬するマイクロ波を受信することで、マイクロ波エネルギー（マイクロ波電力）が与えられるようになっている。当該中心導電体３２は、長さ方向略中間部において、シール部材３５により保持されている。

ノズル本体３３は、良導電性の金属から構成され、中心導電体３２を収納する筒状空間３３２を有する筒状体である。また、ノズルホルダ３４も良導電性の金属から構成され、ノズル本体３３を保持する比較的大径の下部保持空間３４１と、シール部材３５を保持する比較的小径の上部保持空間３４２とを有する筒状体である。一方、シール部材３５は、テフロン（登録商標）等の耐熱性樹脂材料やセラミック等からなる絶縁性部材からなり、前記中心導電体３２を固定的に保持する保持孔３５１をその中心軸上に備える筒状体からなる。

ノズル本体３３は、上方から順に、ノズルホルダ３４の下部保持空間３４１に嵌合される上側胴部３３Ｕと、後述するガスシールリング３７を保持するための環状凹部３３Ｓと、環状に突設されたフランジ部３３Ｆと、ノズルホルダ３４から突出する下側胴部３３Ｂとを具備している。また、上側胴部３３Ｕには、所定の処理ガスを前記筒状空間３３２へ供給させるための連通孔３３３が穿孔されている。

このノズル本体３３は、中心導電体３２の周囲に配置された外部導電体として機能するもので、中心導電体３２は所定の環状空間Ｈ（絶縁間隔）が周囲に確保された状態で筒状空間３３２の中心軸上に挿通されている。ノズル本体３３は、上側胴部３３Ｕの外周部がノズルホルダ３４の下部保持空間３４１の内周壁と接触し、またフランジ部３３Ｆの上端面がノズルホルダ３４の下端縁３４３と接触するようにノズルホルダ３４に嵌合されている。なお、ノズル本体３３は、例えばプランジャやセットビス等を用いて、ノズルホルダ３４に対して着脱自在な固定構造で装着されることが望ましい。

ノズルホルダ３４は、第３導波管ピース１３の下面板１３Ｂに穿孔された貫通孔１３１に密嵌合される上側胴部３４Ｕ（上部保持空間３４２の位置に略対応する）と、下面板１３Ｂから下方向に延出する下側胴部３４Ｂ（下部保持空間３４１の位置に略対応する）とを備えている。下側胴部３４Ｂの外周には、処理ガスを前記環状空間Ｈに供給するためのガス供給孔３４４が穿孔されている。図示は省略しているが、このガス供給孔３４４には、所定の処理ガスを供給するガス供給管の終端部が接続するための管継手等が取り付けられる。かかるガス供給孔３４４と、ノズル本体３３の連通孔３３３とは、ノズル本体３３がノズルホルダ３４への定位置嵌合された場合に互いに連通状態となるように、各々位置設定されている。なお、ガス供給孔３４４と連通孔３３３との突き合わせ部からのガス漏洩を抑止するために、ノズル本体３３とノズルホルダ３４との間にはガスシールリング３７が介在されている。

シール部材３５は、その下端縁３５２がノズル本体３３の上端縁３３４と当接し、その上端縁３５３がノズルホルダ３４の上端係止部３４５と当接する態様で、ノズルホルダ３４の上部保持空間３４２に保持されている。すなわち、上部保持空間３４２に中心導電体３２を支持した状態のシール部材３５が嵌合され、ノズル本体３３の上端縁３３４でその下端縁３５２が押圧されるようにして組み付けられているものである。

保護管３６（図５では図示省略している）は、所定長さの石英ガラスパイプ等からなり、ノズル本体３３の筒状空間３３２の内径に略等しい外径を有する。この保護管３６は、ノズル本体３３の下端縁３３１での異常放電（アーキング）を防止して後述するプルームＰを正常に放射させる機能を有しており、その一部がノズル本体３３の下端縁３３１から突出するように、前記筒状空間３３２に内挿されている。なお、保護管３６は、その先端部が下端縁３３１と一致するように、或いは下端縁３３１よりも内側へ入り込むように、その全体が筒状空間３３２に収納されていても良い。

プラズマ発生ノズル３１は上記のように構成されている結果、ノズル本体３３、ノズルホルダ３４及び第３導波管ピース１３（導波管１０）は導通状態（同電位）とされている一方で、中心導電体３２は絶縁性のシール部材３５で支持されていることから、これらの部材とは電気的に絶縁されている。従って、図６に示すように、導波管１０がアース電位とされた状態で、中心導電体３２の受信アンテナ部３２０でマイクロ波が受信され中心導電体３２にマイクロ波電力が給電されると、その下端部３２２及びノズル本体３３の下端縁３３１の近傍に電界集中部が形成されるようになる。

かかる状態で、ガス供給孔３４４から例えば酸素ガスや空気のような酸素系の処理ガスが環状空間Ｈへ供給されると、前記マイクロ波電力により処理ガスが励起されて中心導電体３２の下端部３２２付近においてプラズマ（電離気体）が発生する。このプラズマは、電子温度が数万度であるものの、ガス温度は外界温度に近い反応性プラズマ（中性分子が示すガス温度に比較して、電子が示す電子温度が極めて高い状態のプラズマ）であって、常圧下で発生するプラズマである。

このようにしてプラズマ化された処理ガスは、ガス供給孔３４４から与えられるガス流によりプルームＰとしてノズル本体３３の下端縁３３１から放射される。このプルームＰにはラジカルが含まれ、例えば処理ガスとして酸素系ガスを使用すると酸素ラジカルが生成されることとなり、有機物の分解・除去作用、レジスト除去作用等を有するプルームＰとすることができる。本実施形態に係るプラズマ発生ユニットＰＵでは、プラズマ発生ノズル３１が複数個配列されていることから、左右方向に延びるライン状のプルームＰを発生させることが可能となる。

因みに、処理ガスとしてアルゴンガスのような不活性ガスや窒素ガスを用いれば、各種基板の表面クリーニングや表面改質を行うことができる。また、フッ素を含有する化合物ガスを用いれば基板表面を撥水性表面に改質することができ、親水基を含む化合物ガスを用いることで基板表面を親水性表面に改質することができる。さらに、金属元素を含む化合物ガスを用いれば、基板上に金属薄膜層を形成することができる。

スライディングショート４０は、各々のプラズマ発生ノズル３１に備えられている中心導電体３２と、導波管１０の内部を伝搬されるマイクロ波との結合状態を最適化するために備えられているもので、マイクロ波の反射位置を変化させて定在波パターンを調整可能とするべく第３導波管ピース１３の右側端部に連結されている。従って、定在波を利用しない場合は、当該スライディングショート４０に代えて、電波吸収作用を有するダミーロードが取り付けられる。

図７は、スライディングショート４０の内部構造を示す透視斜視図である。図７に示すように、スライディングショート４０は、導波管１０と同様な断面矩形の筐体構造を備えており、導波管１０と同じ材料で構成された中空空間４１０を有する筐体部４１と、前記中空空間４１０内に収納された円柱状の反射ブロック４２と、反射ブロック４２の基端部に一体的に取り付けられ前記中空空間４１０内を左右方向に摺動する矩形ブロック４３と、この矩形ブロック４３に組み付けられた移動機構４４と、反射ブロック４２にシャフト４５を介して直結されている調整ノブ４６とが備えられている。

反射ブロック４２は、マイクロ波の反射面となる先端面４２１が第３導波管ピース１３の導波空間１３０に対向するよう左右方向に延在する円柱体である。この反射ブロック４２は、矩形ブロック４３と同様な角柱状を呈していても良い。前記移動機構４４は、調整ノブ４６の回転操作により矩形ブロック４３及びこれと一体化された反射ブロック４２を左右方向に推進若しくは後退させる機構であって、調整ノブ４６を回転させることで反射ブロック４２が中空空間４１０内において矩形ブロック４３にてガイドされつつ左右方向に移動可能とされている。かかる反射ブロック４２の移動による先端面４２１の位置調整によって、定在波パターンが最適化される。なお、調整ノブ４６の回転操作を、ステッピングモータ等を用いて自動化することが望ましい。

サーキュレータ５０は、例えばフェライト柱を内蔵する導波管型の３ポートサーキュレータからなり、一旦はプラズマ発生部３０へ向けて伝搬されたマイクロ波のうち、プラズマ発生部３０で電力消費されずに戻って来る反射マイクロ波を、マイクロ波発生装置２０に戻さずダミーロード６０へ向かわせるものである。このようなサーキュレータ５０を配置することで、マイクロ波発生装置２０が反射マイクロ波によって過熱状態となることが防止される。

図８は、サーキュレータ５０の作用を説明するためのプラズマ発生ユニットＰＵの上面図である。図示するように、サーキュレータ５０の第１ポート５１には第１導波管ピース１１が、第２ポート５２には第２導波管ピース１２が、さらに第３ポート５３にはダミーロード６０がそれぞれ接続されている。そして、マイクロ波発生装置２０のマイクロ波送信アンテナ２２から発生されたマイクロ波は、矢印ａで示すように第１ポート５１から第２ポート５２を経由して第２導波管ピース１２へ向かう。一方、第２導波管ピース１２側から入射する反射マイクロ波は、矢印ｂで示すように、第２ポート５２から第３ポート５３へ向かうよう偏向され、ダミーロード６０へ入射される。

ダミーロード６０は、上述の反射マイクロ波を吸収して熱に変換する水冷型（空冷型でも良い）の電波吸収体である。このダミーロード６０には、冷却水を内部に流通させるための冷却水流通口６１が設けられており、反射マイクロ波を熱変換することにより発生した熱が前記冷却水に熱交換されるようになっている。

スタブチューナ７０は、導波管１０とプラズマ発生ノズル３１とのインピーダンス整合を図るためのもので、第２導波管ピース１２の上面板１２Ｕに所定間隔を置いて直列配置された３つのスタブチューナユニット７０Ａ〜７０Ｃを備えている。図９は、スタブチューナ７０の設置状況を示す透視側面図である。図示するように、３つのスタブチューナユニット７０Ａ〜７０Ｃは同一構造を備えており、第２導波管ピース１２の導波空間１２０に突出するスタブ７１と、該スタブ７１に直結された操作棒７２と、スタブ７１を上下方向に出没動作させるための移動機構７３と、これら機構を保持する外套７４とから構成されている。

スタブチューナユニット７０Ａ〜７０Ｃに各々備えられているスタブ７１は、その導波空間１２０への突出長が各操作棒７２により独立して調整可能とされている。これらスタブ７１の突出長は、例えばマイクロ波電力パワーをモニターしつつ、中心導電体３２による消費電力が最大となるポイント（反射マイクロ波が最小になるポイント）を探索することで決定される。なお、このようなインピーダンス整合は、必要に応じてスライディングショート４０と連動させて実行される。このスタブチューナ７０の操作も、ステッピングモータ等を用いて自動化することが望ましい。

搬送手段Ｃは、所定の搬送路に沿って配置された複数の搬送ローラ８０を備え、図略の駆動手段により搬送ローラ８０が駆動されることで、処理対象となるワークＷを、前記プラズマ発生部３０を経由して搬送させるものである。ここで、処理対象となるワークＷとしては、プラズマディスプレイパネルや半導体基板のような平型基板、電子部品が実装された回路基板等を例示することができる。また、平型形状でないパーツや組部品等も処理対象とすることができ、この場合は搬送ローラに代えてベルトコンベア等を採用すれば良い。

次に、実施の形態１に係るワーク処理装置Ｓの電気的構成について説明する。図１０は、ワーク処理装置Ｓの制御系を示すブロック図である。この制御系は、本装置を統括制御する全体制御部９０（状態制御部の一例に相当）、マイクロ波出力制御部（状態制御部の一例に相当）９１、ガス流量制御部９２、搬送制御部９３、ユーザからの操作指令を受け付け、全体制御部９０に操作指令に応じた信号を出力する操作部９５、ＩＯポートやアナログ／デジタル変換器等から成るセンサ入力部９６，９７、速度センサ９７１、電極ピン（イオン量測定部の一例に相当）３８、駆動モータ９３１、８個の流量制御弁９２３、及び８個の電流計９６１（イオン量測定部の一例に相当）を備えている。

マイクロ波出力制御部９１は、マイクロ波発生装置２０から出力されるマイクロ波のＯＮ−ＯＦＦ制御等を行うと共に、全体制御部９０から出力される制御信号に従って、ＰＷＭ信号を生成し、マイクロ波発生装置２０に出力し、マイクロ波発生装置２０から２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させる。

ガス流量制御部９２は、プラズマ発生部３０の各プラズマ発生ノズル３１へ供給する処理ガスの流量制御を行うものである。具体的には、ガスボンベ等の処理ガス供給源９２１と各プラズマ発生ノズル３１との間を接続するガス供給管９２２に設けられた前記流量制御弁９２３の開閉制御乃至は開度調整をそれぞれ行う。

搬送制御部９３は、搬送ローラ８０を回転駆動させる駆動モータ９３１の動作制御を行うもので、ワークＷの搬送開始／停止、および搬送速度の制御等を行うものである。操作部９５は、テンキー、タッチパネル等から構成され、ユーザからの種々の入力を受け付ける。

全体制御部９０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及びＲＯＭ（リードオンリーメモリ）等から構成され、当該ワーク処理装置Ｓの全体的な動作制御を司るもので、操作部９５から与えられる信号に応じて、搬送制御部９３等を制御する。特に、本実施の形態では、ＰＷＭ制御部９０１、目標イオン範囲記憶部９０２の機能を備えている。これらの機能は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することで実現される。

ＰＷＭ制御部９０１は、８個の電流計３６１の各々により測定されたプラズマ中のイオンの量を示すイオン電流値を、センサ入力部９６を介して順次受信し、受信した８個のイオン電流値の代表値（例えば平均値、中央値）を算出し、算出したイオン電流代表値が目標イオン範囲記憶部９０２に記憶された目標イオン範囲内に属するようなデューティー比を有するＰＷＭ信号をマイクロ波出力制御部９１に生成させる。

目標イオン範囲記憶部９０２は、ＰＷＭ制御部９０１が算出したイオン電流代表値が目標とする目標イオン範囲に属するか否かを判定する際に参照する目標イオン範囲を記憶している。この目標イオン範囲は、ワークＷに対して十分なプラズマ処理を施すことができるような範囲であり、予め実験的に定められたものである。なお、目標イオン範囲は、操作部９５を操作することで変更することが可能であり、目標イオン範囲記憶部９０２は、目標光量範囲が変更された場合、変更後の目標光量範囲を記憶する。これにより、ユーザは、操作部９５を操作するという簡便な操作を行うだけで目標イオン範囲を所望の値に変更することが可能となり、処理対象となるワークＷに応じて好ましいイオンが含まれるプラズマを照射することができる。

センサ入力部９６は、マルチプレクサ及びアナログ／デジタル変換器等から構成され、各電流計９６１が測定したイオンの量を示すイオン電流値を順次全体制御部９０に出力する。ここで、マルチプレクサは、例えば、左から１番目のプラズマ発生ノズル３１に対応する電流計９６１から、左から８番目のプラズマ発生ノズル３１に対応する電流計９６１までのイオン電流値をサイクリックにアナログ／デジタル変換器を介して全体制御部９０に出力する。これにより、ＰＷＭ制御部９０１は、受信したイオン電流値がどのプラズマ発生ノズル３１に対応するイオン電流値であるかを判定することができる。

８個の電流計９６１は、各々、一端が電極ピン３８に接続され、他端が接地され、電極ピン３８から流れる電流値を各プラズマ発生ノズル３１から放出されるプラズマ中に含まれるイオンの量として検出し、検出した電流値をイオン電流値としてセンサ入力部９６に出力する。センサ入力部９７は、速度センサ９７１により測定されたワークＷの搬送速度をセンサ入力部９７に出力する。

電極ピン３８は、８個のプラズマ発生ノズル３１の各々に対して配設された８個の電極ピン３８が存在する。図１１は、８個の電極ピン３８のうち、いずれか１つの電極ピン３８の配置図を示している。図１１に示すように、電極ピン３８は、先端に向かうにつれて断面積が小さくなるような円錐、或いは四角錐等の形状を有し、表面に金、銀等のメッキが施された金属からなる部材により構成され、プラズマ発生ノズル３１から放出されるプルームＰに、先端側の一部の領域が埋没するように配設されている。電極ピン３８の先端側とは反対側の他端側には、電流計９６１が接続され、電極ピン３８は電流計９６１を介して接地されている。これにより、電極ピン３８は、プラズマ発生ノズル３１から放出されたプラズマ中に含まれるイオンを受け取り、電流計９６１に電流を流す。電流計９６１はこの電流を測定し、イオン電流値として全体制御部９０に出力する。

図１２は、実施の形態１によるワーク処理装置Ｓの動作を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１において、ガス流量制御部９２は、全体制御部９０の制御の下、８個の流量制御弁９２３を開き、処理ガス供給源９２１から供給されるガスを、ガス供給管９２２を介して、プラズマ発生ノズルに供給する。ここで、ガス流量制御部９２は、全体制御部９０から出力される制御信号のレベルに従って、各流量制御弁９２３の開度を調整する。また、このときの全流量制御弁９２３の開度は同一であり、予め定められた開度である。

ステップＳ２において、マイクロ波出力制御部９１は、全体制御部９０の制御の下、マイクロ波発生装置２０にマイクロ波を出力させる。

ステップＳ３において、センサ入力部９６は、８個の電流計９６１の各々から順次イオン電流値を取り込み、全体制御部９０に順次出力する。ステップＳ４において、ＰＷＭ制御部９０１は、センサ入力部９６から順次出力された８個のイオン電流値の平均値を求め、イオン電流代表値Ｉｉを算出する。

ステップＳ５において、ＰＷＭ制御部９０１は、算出したイオン電流代表値Ｉｉが目標イオン範囲記憶部９０２に記憶された目標イオン範囲に属するか否かを判定する。そして、イオン電流代表値Ｉｉが、目標イオン範囲の下限値Ｉｍｉｎ以上、かつ、目標イオン範囲の上限値Ｉｍａｘ以下であり、目標イオン範囲に属する場合（ステップＳ５でＩｍｉｎ≦Ｉｉ≦Ｉｍａｘ）、ＰＷＭ信号のデューティー比を変更することなく、処理をステップＳ５に戻す。

一方、イオン電流代表値Ｉｉが目標イオン範囲の上限値Ｉｍａｘより大きい場合（ステップＳ５でＩｉ＞Ｉｍａｘ）、ＰＷＭ制御部９０１は、現在のデューティー比に対して、所定の分解能分、デューティー比が小さくされたＰＷＭ信号をマイクロ波出力制御部９１に出力させ、処理をステップＳ３に戻す（ステップＳ７）。これにより、マイクロ波発生装置２０から出力されるマイクロ波のパワーは小さくなる。

また、イオン電流代表値Ｉｉが目標イオン範囲の下限値Ｉｍｉｎより小さい場合（ステップＳ５でＩｉ＜Ｉｍｉｎ）、ＰＷＭ制御部９０１は、現在のデューティー比に対して、所定の分解能分、デューティー比が大きくされたＰＷＭ信号をマイクロ波出力制御部９１に出力させ、処理をステップＳ３に戻す（ステップＳ６）。これにより、マイクロ波発生装置２０から出力されるマイクロ波のパワーは大きくなる。

ここで、ＰＷＭ制御部９０１は、イオン電流代表値Ｉｉが目標イオン範囲に対してどの程度離れているかに応じて、増減させるデューティー比の分解能を変更する。図１３は、目標イオン範囲とデューティー比の分解能との関係を示した表であり、（ａ）はイオン電流代表値Ｉｉが下限値Ｉｍｉｎより小さい場合を示し、（ｂ）はイオン電流代表値Ｉｉが上限値Ｉｍａｘより大きい場合を示している。

（ａ）に示すように、ＰＷＭ制御部９０１は、イオン電流代表値Ｉｉが下限値Ｉｍｉｎより小さい場合、イオン電流代表値Ｉｉと下限値Ｉｍｉｎとの差をイオン電流代表値Ｉｉで除した値（Ｉａ＝（Ｉｉ−Ｉｍｉｎ）÷Ｉｉ）の百分率が小さくなるにつれて、すなわち、イオン電流値Ｉｉが下限値Ｉｍｉｎに近づくにつれてデューティー比の分解能を小さくする。

具体的には、Ｉａの百分率が５％以下である場合、分解能が０．２％に設定され、デューティー比は、現在設定されているデューティー比に対して、０．２％単位で増加されていく。また、Ｉａが５％より大きく１０％以下である場合、デューティー比は０．５％単位で増加され、１０％より大きく、２０％以下の場合、デューティー比は１．０％単位で増加され、２０％より大きい場合、デューティー比は５．０％単位で増加される。

このように、してＰＷＭ信号のデューティー比が調整されるため、高速、かつ正確にイオン電流代表値Ｉｉを目標イオン電流範囲内にすることが可能となる。

一方、イオン電流代表値Ｉｉが上限値Ｉｍａｘより大きい場合（ステップＳ５でＩｉ＞Ｉｍａｘ）、ＰＷＭ制御部９０１は、（ｂ）に示すように、イオン電流代表値Ｉｉと上限値Ｉｍａｘとの差をイオン電流代表値Ｉｉで除した値（Ｉｂ＝（Ｉｉ−Ｉｍａｘ）÷Ｉｉ）の百分率が小さくなるにつれて、すなわち、イオン電流値Ｉｉが上限値Ｉｍａｘに近づくにつれてデューティー比の分解能を小さくする。

具体的には、Ｉｂの百分率が５％以下である場合、分解能が０．２％に設定され、デューティー比は、現在設定されているデューティー比に対して、０．２％単位で減少されていく。以下、（ｂ）に示すようにして、イオン電流代表値Ｉｉを基に算出されたＩｂの値に応じて、デューティー比の分解能が変更される。

以上説明したように、実施の形態１によるワーク処理装置Ｓによれば、プラズマ発生ノズル３１から放出されるプラズマ中に含まれるイオンの量が測定され、測定されたイオンの量が目標とする範囲になるように、マイクロ波のパワーがフィードバック制御されるため、一定のイオンの量が含まれるプラズマを長時間安定して放出することができる。

次に、実施の形態２によるワーク処理装置Ｓａについて説明する。実施の形態２によるワーク処理装置Ｓａは、プラズマ発生ノズルに供給するガス量を調整することで、プラズマに含まれるイオンの量を目標範囲にすることを特徴とする。なお、実施の形態２によるワーク処理装置Ｓａにおいて、実施の形態１のワーク処理装置Ｓと同一のものは同一の符号を付して説明を省略する。

図１４は、実施の形態２によるワーク処理装置Ｓａの制御系を示すブロック図である。図１４に示す制御系は、図１０に示す制御系に対して全体制御部９０が、ガス流量調整部（状態制御部の一例に相当）９０３の機能を備えている点が相違している。ガス流量調整部９０３は、各電流計９６１により測定された８個のイオン電流値の各々が、目標イオン範囲に属するように、ガス流量制御部（状態制御部の一例に相当）９２に、８個の流量制御弁９２３の各々の開度を調整させる。

次に実施の形態２によるワーク処理装置Ｓａの動作について説明する。図１５は、実施の形態２によるワーク処理装置Ｓａの動作を示すフローチャートである。なお、図１５のフローチャートは、８個の流量制御弁９２３のうちある１つの流量制御弁９２３に対する処理を示しており、実際には、ステップＳ１３〜Ｓ１６までの処理が８個の流量制御弁９２３の各々に対して実行される。

ステップＳ１１及びステップＳ１２は、図１２に示すステップＳ１及びＳ２の処理と同一であるため、説明を省略する。ステップＳ１３において、センサ入力部９６は、電流計９６１により測定されたイオン電流値Ｉｉを取り込み、全体制御部９０に出力する。

ステップＳ１４において、ガス流量調整部９０３は、センサ入力部９６から出力されたイオン電流値Ｉｉが目標イオン範囲に属するか否かの判定を行い、イオン電流値Ｉｉが目標イオン範囲内に属する場合（ステップＳ１４でＩｍｉｎ≦Ｉｉ≦Ｉｍａｘ）、ガス流量を調整することなく、処理をステップＳ１４に戻す。

一方、イオン電流値Ｉｉが目標イオン範囲の下限値Ｉｍｉｎよりも小さい場合（ステップＳ１４でＩｉ＜Ｉｍｉｎ）、ガス流量調整部９０３は、プラズマ発生ノズル３１に供給するガス流量を増加させるために、ガス流量制御部９２に、流量制御弁９２３の開度を所定の分解能分、大きくさせ、処理をステップＳ１３に戻す（ステップＳ１５）。これにより、プラズマ発生ノズル３１から放出されるプラズマに含まれるイオンの量は増大する。一方、イオン電流値Ｉｉが目標イオン範囲の上限値Ｉｍａｘよりも大きい場合（ステップＳ１４でＩｉ＞Ｉｍａｘ）、ガス流量調整部９０３は、流量制御弁９２３の開度が所定の分解能分小さくされるように、ガス流量制御部９２に、流量制御弁９２３の開度を所定の分解能分小さくさせ、処理をステップＳ１３に戻す。（ステップＳ１６）。これにより、プラズマ発生ノズル３１から放出されるプラズマに含まれるイオンの量は減少する。

ここで、ガス流量調整部９０３は、図１０に示すＰＷＭ制御部９０１と同様にイオン電流値Ｉｉと上限値ｍａｘとの差、又はイオン電流値Ｉｉと下限値ｍｉｎとの差が小さくなるにつれて分解能が小さくなるように、流量制御弁９２３の開度を調整することが好ましい。具体的には、図１３（ａ），（ｂ）に示す表のように、ＩａとＩｂとを４つの階級に分け、現在のイオン電流値Ｉｉを基に算出されるＩａとＩｂとが、４つの階級のうち、いずれの階級に属するかに応じて、分解能を変更する。

以上説明したように、実施の形態２によるワーク処理装置Ｓａによれば、プラズマ発生ノズル３１より放出されるプラズマ中のイオンの量が測定され、測定されたイオンの量が目標とするイオンの量となるように、各プラズマ発生ノズル３１に供給されるガス量がフィードバック制御されるため、プラズマ発生ノズル３１から一定のイオンの量が含まれるプラズマを長時間安定して放出することができる。

なお、本発明は以下の態様を採用することができる。

（１）上記実施の形態１では、複数のプラズマ発生ノズル３１を一列に整列配置した例を示したが、ノズル配列はワークＷの形状やマイクロ波電力のパワー等に応じて適宜決定すればよく、たとえばワークＷの搬送方向に複数列プラズマ発生ノズル３１をマトリクス整列したり、千鳥配列したりしてもよい。

（２）上記実施の形態１では、搬送手段Ｃとして搬送ローラ８０の上面に平板状のワークＷを載置して搬送する形態を例示したが、この他に、たとえば上下の搬送ローラ間にワークＷをニップさせて搬送させる形態、搬送ローラを用いず所定のバスケット等にワークＷを収納し前記バスケット等をラインコンベア等で搬送させる形態、或いはロボットハンド等でワークＷを把持してプラズマ発生部３０へ搬送させる形態であってもよい。

（３）上記実施の形態１，２では、マイクロ波発生源として２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロンを例示したが、マグネトロン以外の各種高周波電源も使用可能であり、また２．４５ＧＨｚとは異なる波長のマイクロ波を用いるようにしてもよい。

（４）実施の形態１では、マイクロ波のパワーを調整し、実施の形態２では、ガス量を調整して、プラズマに含まれるイオンの量を調整していたが、これに限定されず、マイクロ波のパワーを調整すると共に、ガス量を調整することで、すなわち、実施の形態１と実施の形態２とを組み合わせた構成により、プラズマに含まれるイオンの量を調整してもよい。

（５）実施の形態２では、８個の流量制御弁９２３を個別に制御したが、これに限定されず、全ての流量制御弁９２３をまとめて制御してもよい。これにより制御を簡便化することができる。

（６）実施の形態１，２では、８個のプラズマ発生ノズル３１の各々に対して電極ピン３８を設けたが、これに限定されず、いずれか１つのプラズマ発生ノズル３１に対してのみ電極ピン３８を設け、この電極ピン３８に流れるイオン電流値が目標イオン範囲に属するように、８個の流量制御弁９２３を一括して制御してもよい。これにより制御の簡略化を図ることができる。

（７）実施の形態１，２では、電流計９６１を用いてイオンの量を測定したが、これに限定されず、電圧計を用いてイオンの量を測定してもよい。

本発明に係るワーク処理装置およびプラズマ発生装置は、半導体ウェハ等の半導体基板に対するエッチング処理装置や成膜装置、プラズマディスプレイパネル等のガラス基板やプリント基板の清浄化処理装置、医療機器等に対する滅菌処理装置、タンパク質の分解装置等に好適に適用することができる。

本発明に係るワーク処理装置の全体構成を示す斜視図である。 図１とは視線方向を異ならせたプラズマ発生ユニットの斜視図である。 ワーク処理装置の一部透視側面図である。 ２つのプラズマ発生ノズルを拡大して示す側面図（一方のプラズマ発生ノズルは分解図として描いている）である。 図４のＡ−Ａ線側断面図である。 プラズマ発生ノズルにおけるプラズマの発生状態を説明するための透視側面図である。 スライディングショートの内部構造を示す透視斜視図である。 サーキュレータの作用を説明するためのプラズマ発生ユニットの上面図である。 スタブチューナの設置状況を示す透視側面図である。 ワーク処理装置の制御系を示すブロック図である。 電極ピンの配置図を示している。 実施の形態１によるワーク処理装置の動作を示すフローチャートである。 目標イオン範囲とデューティー比の分解能との関係を示した表であり、（ａ）はイオン電流代表値Ｉｉが下限値Ｉｍｉｎより小さい場合を示し、（ｂ）はイオン電流代表値Ｉｉが上限値Ｉｍａｘより大きい場合を示している。 実施の形態２によるワーク処理装置の制御系を示すブロック図である。 実施の形態２によるワーク処理装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 導波管
２０ マイクロ波発生装置
３０ プラズマ発生部
３１ プラズマ発生ノズル
３８ 電極ピン
４０ スライディングショート
５０ サーキュレータ
６０ ダミーロード
７０ スタブチューナ
９０ 全体制御部
９１ マイクロ波出力制御部
９２ ガス流量制御部
９３ 搬送制御部
９５ 操作部
９６，９７ センサ入力部
３６１ 電流計
９０２ 目標イオン範囲記憶部
９０３ ガス流量調整部
９２１ 処理ガス供給源
９２２ ガス供給管
９２３ 流量制御弁
９３１ 駆動モータ
９６１ 電流計
Ｉｉ イオン電流代表値
Ｉｉ イオン電流値
Ｉｍａｘ 上限値
Ｉｍｉｎ 下限値
Ｐ プルーム
ＰＵ プラズマ発生ユニット
Ｓ ワーク処理装置

Claims (7)

1. マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
   前記マイクロ波発生部により発生されたマイクロ波を伝搬する導波部と、
   プラズマ化されるガスを供給するガス供給部と、
   前記マイクロ波を受信し、受信したマイクロ波を基に、前記ガス供給部から供給されるガスをプラズマ化して放出するプラズマ発生部と、
   前記プラズマ発生部から放出されるプラズマに含まれるイオンの量を測定するイオン量測定部と、
   前記イオン量測定部により測定されるイオンの量が所定の目標イオン量を保つように、前記プラズマ発生部から出力されるプラズマの状態を制御する状態制御部とを備えることを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記状態制御部は、前記マイクロ波発生部から出力されるマイクロ波のパワーを調整することで前記プラズマに含まれるイオンの量を調整することを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
3. 前記プラズマ発生部は、前記状態制御部により出力されるＰＷＭ信号により、出力するマイクロ波のパワーが調整され、
   前記状態制御部は、前記ＰＷＭ信号のデューティー比を所定の分解能で増減させることで、マイクロ波のパワーを調整し、前記イオン量測定部により測定されたイオンの量が前記目標イオン量に近づくにつれて、前記分解能を小さくすることを特徴とする請求項２記載のプラズマ発生装置。
4. 前記状態制御部は、前記ガス供給部から前記プラズマ発生部に供給されるガス量を調整することで前記プラズマに含まれるイオンの量を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
5. 前記状態制御部は、前記ガス供給部から前記プラズマ発生部に供給されるガス量を調整する流量制御弁と、前記流量制御弁の開度を調整するガス流量調整部とを含み、
   前記ガス流量調整部は、前記流量制御弁の開度を所定の分解能で増減させることで、前記プラズマ発生部に供給されるガス量を調整し、前記イオン量測定部により測定されたイオンの量が前記目標イオン量に近づくにつれて、前記分解能を小さくすることを特徴とする請求項４記載のプラズマ発生装置。
6. 前記イオン量測定部は、前記プラズマ発生部から放出されるプラズマ化されたガスからなるプルームが照射される位置に配設され、表面に金属メッキが施された電極ピンと、前記電極ピンを流れる電流を検出する電流計とを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ発生装置を備え、前記プラズマ発生装置から放出されたプラズマをワークに照射することを特徴とするワーク処理装置。

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