JP6544762B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本願発明は、プラズマ処理装置に関するものである。

この種のプラズマ処理装置としては、例えば特許文献１に示すように、被処理物を収容するチャンバと、チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生源と、プラズマ中のイオンを被処理物に向けて加速させるイオン加速手段とを具備するものがある。
この構成により、加速されたイオンが高エネルギーな状態で被処理物に照射されるので、被処理物の表面に剥がれにくい被膜を形成することができる。

より具体的にイオン加速手段は、被処理物が金属などの導電性のものである場合は、該被処理物に負の電圧を印加して、プラズマ中のイオンを被処理物に向けて加速させながら引き寄せる。また、処理物がゴムなどの絶縁性のものである場合は、該被処理物に取り付けた導電性の電極に負の電圧を印加して、プラズマ中のイオンを被処理物に向けて加速させながら引き寄せる。

ここで、本願発明者は、被処理物が金属である場合に、この被処理物に高エネルギーなイオンを照射することで電子が放出されることに着目し、この電子を利用して被膜を高速に形成することを検討した。

特開２０１２−０２１２２３号公報

本願発明は上述した検討に基づきなされたものであり、被処理物に被膜を高速に形成することをその主たる課題とするものである。

すなわち本願発明に係るプラズマ処理装置は、被処理物を収容する処理チャンバと、前記処理チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生源と、前記プラズマ発生源が発生させたプラズマ中のイオンを前記被処理物に向けて加速させ、前記被処理物が金属である場合に、該被処理物から電子を放出させるイオン加速手段とを具備し、前記イオン加速手段が、前記被処理物の周囲に設けられ、前記イオンが通り抜ける複数のイオン通過孔を有する導電性部材と、前記導電性部材に前記イオンを加速させるための負の電圧を印加する電源とを備えていることを特徴とするものである。

このようなプラズマ処理装置であれば、電源から導電性部材にイオンを加速させるための負の電圧が印加されるので、プラズマ中のイオンは導電性部材に向かって加速しながら引き寄せられ、一部のイオンがイオン通過孔を通り抜けて高エネルギーな状態で被処理物の表面に照射される。
被処理物が金属の場合は、導電性部材が負に帯電しているので、被処理物から放出された電子が導電性部材の近傍で跳ね返され、被処理物と導電性部材との間にトラップされる。この結果、被処理物と導電性部材との間で電子の密度が濃くなり、これにより密度の高いプラズマが発生する。そして、この高密度プラズマが被膜の形成を助長することで、被処理物に被膜を高速に形成することが可能になる。

一方、被処理物が絶縁性のものである場合は、従来であれば、被処理物に取り付けた導電性の電極に負の電圧を印加して、プラズマ中のイオンを被処理物に引き寄せるようにしていたので、被処理物の電極を取り付けた部分には被膜を形成することができなかった。
これに対して、上述したプラズマ処理装置によれば、被処理物の周囲に設けられた導電性部材に負の電圧を印加してプラズマ中のイオンを引き寄せるので、被処理物が絶縁性のものであっても、従来のように導電性の電極を取り付ける必要がなく、被処理物の外面における所望の領域に被膜を形成することができる。

被処理物の略全面に被膜を形成するためには、前記導電性部材が、前記被処理物を囲うように設けられているものが好ましい。

前記導電性部材の具体的な実施態様としては、メッシュ電極が挙げられる。

前記プラズマ発生源が、高周波電源から高周波電力が印加されて、前記処理チャンバ内にプラズマを発生させるものであり、前記電源が、前記高周波電源とは別であることが好ましい。
これならば、導電性部材に印加する負の電圧を、所望の大きさに設定することができる。

前記負の電圧が、パルス電圧であるものが好ましい。
これならば、パルス幅や繰り返し周波数を調整することで、負の電圧を必要な時間だけ導電性部材に印加することができ、消費電力を抑制することができる。

具体的な実施態様としては、前記負の電圧が、−２０ｋＶ以上−０．２ｋＶ以下であるものが挙げられる。

このように構成した本願発明によれば、被処理物から放出される電子を利用して高密度なプラズマを生成し、この高密度プラズマによって、被処理物に被膜を高速に形成することができる。

本実施形態のプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図。 本実施形態の高密度な二次プラズマが発生する原理を示す模式図。 変形実施形態のプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図。 変形実施形態のプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図。 変形実施形態のプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図。

以下に本願発明に係るプラズマ処理装置１００の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、プラズマ発生源２０に高周波電流を流すことで発生する電磁界を用いて放電プラズマ（以下、一次プラズマともいう）を発生させる、いわゆる誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式のものである。

具体的にこのプラズマ処理装置１００は、図１に示すように、例えば平板状をなす金属製の被処理物Ｗを収容する処理チャンバ１０と、処理チャンバ１０内に一次プラズマを発生させるプラズマ発生源２０と、一次プラズマ中のイオンを被処理物Ｗに向けて加速させるイオン加速手段３０とを具備するものである。

処理チャンバ１０は、例えばアルゴンと水素との混合ガスが導入されるとともに、内部空間Ｓが密閉されて所定の真空度に保たれている。
なお、本実施形態の被処理物Ｗは、図示しない保持部材によって、前記処理チャンバ１０の上部から吊り下げられて保持されている。

プラズマ発生源２０は、処理チャンバ１０内に絶縁物であるフィードスルーＦＴを介して設けられた高周波アンテナ２１と、高周波アンテナ２１に高周波電力である高周波電流を印加する高周波電源２２とを備えている。

イオン加速手段３０は、上述したプラズマ発生源２０が発生させた一次プラズマ中の例えば炭素イオン等の正のイオンを被処理物Ｗに向けて加速させ、これにより、正のイオンを高エネルギーな状態で被処理物Ｗの表面に照射するものである。

具体的にこのイオン加速手段３０は、図１及び図２に示すように、被処理物Ｗの周囲に設けられ、イオンが通り抜ける複数のイオン通過孔３１１を有する導電性部材３１と、導電性部材３１に負の加速電圧を印加する電源３２とを具備してなる。

導電性部材３１は、例えばＳＵＳ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ等の金属からなるメッシュ電極であり、本実施形態ではこのメッシュ電極の網目が前記イオン通過孔３１１として形成されている。
この導電性部材３１は、接続配線３３によって処理チャンバ１０の上部から吊り下げられて保持されており、本実施形態では、処理チャンバ１０内で被処理物Ｗを取り囲むように、つまり被処理物Ｗの周囲を全て囲うように連続的に設けられている。
なお、本実施形態の接続配線３３は、処理チャンバ１０の上部にフィールドスルーＦＴを介して設けられ、一端が被処理物Ｗに接続されるとともに、他端が電源３２に接続されている。

電源３２は、前記接続配線３３を介して導電性部材３１にプラズマ中の正のイオンを加速させるための負の電圧を印加するものである。
本実施形態の電源３２は、上述した高周波電源２２とは別に設けられたものであり、高周波電流とは別に上述した加速電圧を導電性部材３１に印加することにより、一次プラズマ中のイオンを該導電性部材３１に引き寄せながら加速させるものである。
具体的にこの電源３２は、−２０ｋＶ以上−０．２ｋＶ以下の負のパルス電圧を発生させるパルス電源である。

なお、本実施形態では、上述した高周波電源２２と電源３２とを制御する図示しない制御部が設けられている。
具体的にこの制御部は、高周波電源２２から高周波アンテナ２１に印加する高周波電流を停止した後、所定時間経過後に、電源３２から導電性部材３１に負の電圧を印加するように高周波電源２２及び電源３２を制御する。

ここで、被処理物Ｗへ被膜が形成される原理について、図２を参照して説明する。
まず、高周波電源２２から高周波アンテナ２１に高周波電流が印加されると、導電性部材３１の周囲に一次プラズマが発生する。ここでいうプラズマとは、正のイオンと電子とが同時に存在している状態を指す。
そこへ、電源３２から導電性部材３１に上述した負のパルス電圧を印加すると、一次プラズマ中の電子は、導電性部材３１から追いやられ、導電性部材３１の周囲には正のイオンが取り残される。このように、電子が導電性部材３１から追いやられることで、一次プラズマは、導電性部材３１から徐々に遠ざかるように変化し、この一次プラズマと正のイオンが取り残された領域との境界をシースという。（以下、一次シースともいう）
一次シースと導電性部材３１との間に取り残された正のイオンは、導電性部材３１に印加されている負のパルス電圧、つまり加速電圧によって導電性部材３１に向かって加速しながら引き寄せられ、一部のイオンが導電性部材３１に形成されたイオン通過孔３１１（本実施形態では、メッシュ電極に形成された網目）を通り抜けて高エネルギーな状態で被処理物Ｗの表面に照射される。
これにより、正のイオンは被処理物Ｗの表面から内部に深く侵入して被処理物Ｗと結合するので、被処理物Ｗの表面に形成された被膜を、例えばＣＶＤ（化学気相堆積：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成した被膜に比べて、剥がれにくいものにすることができる。

本実施形態のプラズマ処理装置１００によれば、上述したように、高エネルギーなイオンが被処理物Ｗに照射されるため、被膜を形成する際に、金属からなる被処理物Ｗから電子が放出される。

そして、本実施形態のプラズマ処理装置１００は、図２に示すように、導電性部材３１と被処理物Ｗとの間に上述した電子をトラップする電子トラップ機構４０を有している。

具体的にこの電子トラップ機構４０は、導電性部材３１と、導電性部材３１に負の電圧を印加する電源３２とによってその機能を発揮するように構成されている。つまり、本実施形態では、上述したイオン加速手段３０が電子トラップ機構４０としての機能を発揮するものである。

本実施形態の電子トラップ機構４０は、導電性部材３１に負の電圧を印加することにより、被処理物Ｗから放出された電子を導電性部材３１の近傍で跳ね返し、導電性部材３１と被処理物Ｗとの間に電子を閉じ込めるものであり、本実施形態では、導電性部材３１の内側の空間に電子を閉じ込めるように構成されている。

これにより、上述した電子トラップ機構４０は、導電性部材３１の内側の空間を電子の密度が高い状態にするとともに、この空間に高濃度な二次プラズマを発生させることができる。
ここで、被処理物Ｗに電源３２から負のパルス電圧が印加されると、上述した一次シースの形成原理と同様に、二次プラズマ中の電子は被処理物Ｗに反発し、正のイオンは被処理物Ｗの周囲に取り残され、その結果、図２に示すように、被処理物Ｗの周囲には二次シースが形成される。二次プラズマのプラズマ密度が高いことから、二次シースと被処理物Ｗとの間は、一次シースと導電性部材３１との間よりも幅が狭く、これにより、被処理物Ｗの形状が複雑であっても、その形状に沿って被処理物Ｗの周囲に二次シースが形成される。

このように構成された本実施形態に係るプラズマ処理装置１００によれば、一次プラズマ中のイオンを高エネルギーな状態で被処理物Ｗの表面に照射することにより、剥がれにくい被膜を形成することができるうえ、電子トラップ機構４０が、導電性部材３１の内側の空間に電子をトラップして高密度な二次プラズマを発生させるので、この二次プラズマが被膜の形成を助長して、被膜の形成を高速化することができる。

また、導電性部材３１が、被処理物Ｗを取り囲むように設けられているので、被処理物Ｗの表面及び裏面に被膜を形成することができる。

さらに、図示しない制御部が、高周波電源２２からプラズマ発生源２０に印加する高周波電力を停止しても短時間（５μｓ）以内ではプラズマは残存する。その後、所定時間経過後に、電源３２から導電性部材３１に負の電圧を印加するように各電源２２、３２を制御して、前記負の電圧を必要な時間だけ導電性部材３１に印加して被膜が形成でき、高周波の消費電力を抑制することができる。

そのうえ、電源３２が、高周波電源２２とは別に設けられているので、この電源３２から導電性部材３１に印加する負の電圧を、被処理物Ｗにイオンが照射されて電子が放出される大きさに設定することができる。

なお、本願発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、高周波電源２２から高周波アンテナ２１に高周波電力を印加することでプラズマを発生させていたが、必ずしも専用のプラズマ発生源２０を設ける必要はなく、例えば導電性部材３１に接続されている接続配線３３を介して、電源３２から印加されるパルス電圧に高周波電圧を重畳させるように構成しても良い。

また、プラズマ発生源２０に関しては、例えば図３に示すように、処理チャンバ１０に複数のプラズマ発生源２０を設けても良い。
具体的には、一方のプラズマ発生源２０が処理チャンバ１０における被処理物Ｗの表面側に設けられ、他方のプラズマ発生源２０が処理チャンバ１０における被処理物Ｗの裏面側に設けられている。
この構成により、処理チャンバ１０内における被処理物Ｗの表面側及び裏面側に均一なプラズマを発生させることができる。

さらに、前記実施形態の被処理物Ｗは、平板状をなすものであったが、図４に示すように、外面に複数の凹凸が形成された複雑な形状をなすものであっても良い。
このような被処理物Ｗであっても、本願発明に係るプラズマ処理装置１００によれば、導電性部材３１が、被処理物Ｗを取り囲むように設けられているので、該被処理物Ｗの略全面に被膜を形成することができる。
この原理をより詳細に説明すると、本願発明に係るプラズマ処理装置１００によれば、上述したように、高密度な二次プラズマが被処理物Ｗの周囲に発生する。ここで、被処理物Ｗに電源３２から負のパルス電圧が印加されると、二次プラズマ中の電子は被処理物Ｗに反発し、正のイオンは被処理物Ｗの周囲に取り残され、その結果、図４に示すように、被処理物Ｗの周囲には二次シースが形成される。二次プラズマのプラズマ密度が高いことから、二次シースと被処理物Ｗとの間は、一次シースと導電性部材３１との間よりも幅が狭く、これにより、被処理物Ｗの形状が複雑であっても、その形状に沿って被処理物Ｗの周囲に二次シースが形成されることになる。つまり、被処理物Ｗが複雑な形状をなすものであっても、被処理物Ｗの外面に形成された窪みや凹部に沿って二次シースが形成され、これにより窪みや凹部の内面に正のイオンを到達させることができ、その結果、被処理物Ｗの全面に被膜を形成することが可能になる。

さらに、メッシュ電極に負の加速電圧を印加する電源は、前記実施形態ではパルス電圧を印加するパルス電源であったが、負の脈流電圧又は直流電圧を印加するバイアス電源であってもよい。

加えて、前記実施形態では、導電性部材が被処理物を囲うように連続的に設けられていたが、導電性部材が被処理物の周囲に間欠的に設けられていても良いし、例えば平板状の導電性部材をプラズマ発生源と被処理物との間に設けるように構成してもよい。
また、前記実施形態の導電性部材はメッシュ電極であったが、例えば複数の孔が形成されたパンチングメタル等であっても構わない。

そのうえ、前記実施形態のプラズマ処理装置は被処理物の表面に被膜を形成するものであったが、例えば被処理物の表面を酸素プラズマエッチングするなど、その他の表面処理に用いられるものであってもよい。

また、前記実施形態の被処理物Ｗは、金属からなるものであったが、例えばゴム等の樹脂からなり、絶縁性を有するものであってもよい。
絶縁性を有する被処理物Ｗの表面に被膜を形成する場合、従来であれば、被処理物Ｗに導電性の電極を取り付けて、この電極に負の電圧を印加することにより、プラズマ中のイオンを被処理物Ｗに引き寄せるようにしていた。しかしながら、この方法では、被処理物Ｗの電極を取り付けた部分には被膜を形成することができなかった。
一方、図５に示すように、本願発明に係るプラズマ処理装置１００によれば、被処理物Ｗの周囲に導電性部材３１が設けられており、この導電性部材３１に負の加速電圧を印加してプラズマ中のイオンを加速しながら引き寄せられ、一部のイオンが導電性部材３１の孔を通り抜けて高エネルギーな状態で被処理物Ｗの表面に照射されるので、被処理物Ｗが絶縁性を有するものであっても、従来のように被処理物Ｗに導電性の電極を取り付ける必要がなく、被処理物Ｗの略全面に被膜を形成することが可能になる。
なお、被処理物Ｗが絶縁性を有するものである場合は、図５に示すように、接続配線３３の一端は導電性部材３１に接続されていれば良い。

その他、本願発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・プラズマ処理装置
Ｗ ・・・被処理物
１０ ・・・処理チャンバ
２０ ・・・プラズマ発生源
３０ ・・・イオン加速手段
３１ ・・・導電性部材
３１１・・・イオン通過孔
３２ ・・・電源

Claims (6)

1. 被処理物を収容する処理チャンバと、
   前記処理チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生源と、
   前記プラズマ発生源が発生させたプラズマ中のイオンを前記被処理物に向けて加速させ、前記被処理物が金属である場合に、該被処理物から電子を放出させるイオン加速手段とを具備し、
   前記イオン加速手段が、
   前記被処理物の周囲に設けられ、前記イオンが通り抜ける複数のイオン通過孔を有する導電性部材と、
   前記導電性部材に前記イオンを加速させるための負の電圧を印加する電源とを備えており、
   前記イオン加速手段が、前記導電性部材と前記被処理物との間で電子をトラップする電子トラップ機構としての機能を兼ね備えており、
   前記導電性部材が、前記被処理物の周囲を全て囲うように設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 被処理物を収容する処理チャンバと、
   前記処理チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生源と、
   前記プラズマ発生源が発生させたプラズマ中のイオンを前記被処理物に向けて加速させ、前記被処理物が金属である場合に、該被処理物から電子を放出させるイオン加速手段とを具備し、
   前記イオン加速手段が、
   前記被処理物の周囲に設けられ、前記イオンが通り抜ける複数のイオン通過孔を有する導電性部材と、
   前記導電性部材に前記イオンを加速させるための負の電圧を印加する電源とを備えており、
   前記イオン加速手段が、前記導電性部材と前記被処理物との間で電子をトラップする電子トラップ機構としての機能を兼ね備えており、
   接続配線の一端が前記被処理物に接続されるとともに、他端が前記電源に接続されて、前記電源からの前記負の電圧が、前記被処理物に印加されることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 前記導電性部材が、メッシュ電極であることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記プラズマ発生源が、高周波電源から高周波電力が印加されて、前記処理チャンバ内にプラズマを発生させるものであり、
   前記電源が、前記高周波電源とは別であることを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記負の電圧が、パルス電圧であることを特徴とする請求項１乃至４のうち何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記負の電圧が、−２０ｋＶ以上−０．２ｋＶ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のうち何れか一項に記載のプラズマ処理装置。