JP6973429B2 - Plasma device - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマの発生またはプラズマを用いた処理を可能とするプラズマ装置に関する。 The present invention relates to a plasma apparatus capable of generating plasma or processing using plasma.
気体の分子(原子)が陽イオンと電子(両者を併せて単に「荷電粒子」という。)に電離した状態となるプラズマは、様々な分野で利用されている。特にグロー放電等により形成される低温プラズマは制御性に優れ、半導体層や絶縁層等の形成、DLC等の薄膜形成(特にCVD)、表面処理(表面改質)、エッチング等の各種処理に広く利用されている。 Plasma, in which gas molecules (atoms) are ionized into cations and electrons (collectively referred to as "charged particles"), is used in various fields. In particular, low-temperature plasma formed by glow discharge has excellent controllability and is widely used in various treatments such as formation of semiconductor layers and insulating layers, thin film formation such as DLC (especially CVD), surface treatment (surface modification), and etching. It's being used.
もっとも、従来のプラズマを用いた処理は、主に、数百Pa以下の低圧雰囲気中でなされていた。このプラズマを用いた処理が大気圧〜準大気圧の雰囲気(単に「大気圧近傍雰囲気」という。)で可能となれば、処理コストの大幅な低減が可能となる。そこで、大気圧近傍雰囲気下でプラズマを発生させ得る装置等に関する提案が種々なされており、例えば、下記の特許文献に関連する記載がある。 However, the conventional treatment using plasma is mainly performed in a low pressure atmosphere of several hundred Pa or less. If the processing using this plasma becomes possible in an atmosphere of atmospheric pressure to quasi-atmospheric pressure (simply referred to as "atmosphere near atmospheric pressure"), the processing cost can be significantly reduced. Therefore, various proposals have been made regarding devices and the like capable of generating plasma in an atmosphere near atmospheric pressure, and for example, there are descriptions related to the following patent documents.
特許文献1、2では、誘電体バリア放電によりプラズマを発生させている。誘電体バリア放電では、電極間の誘電体により放電電流が制限され、アーク放電が生じる前に終息する。つまり、誘電体バリア放電は、常にパルス的な放電となり、ジュール加熱も抑制さる。その結果、誘電体バリア放電を用いると、大気圧非平衡プラズマが安定的に得られる。しかし、誘電体バリア放電は、放電電流の抑制により電流密度が小さく、表面改質等の処理に十分なプラズマ密度が得られ難い。
In
特許文献3は、ホローカソード電極の電極孔内で、マイクロカソードプラズマ放電をさせて、プラズマを発生させている。もっとも、その電極はチャンバ内に露出しており、放電は電極孔のみならず、電極とチャンバ間でも生じ得る。例えば、特許文献3の図1を見ると、電極である有孔導電部材4bとチャンバ2の間には、直流電源7により電圧が印加されている。そして、チャンバ2内でもプラズマが生成される旨が記載されている([0026]、[0027]、[0037]等)。このため、特許文献3の装置では、電極孔(3)内で高密度なプラズマが生成され難く、電極孔からワークへプラズマ(ラジカル、イオン等)を効率的に付与できない。また、特許文献3の装置では、チャンバ内でもプラズマを生成させるため、チャンバー内壁面が汚染等され易く、頻繁なメンテナンスを必要とする。
In
さらにいうと、大気圧近傍雰囲気でプラズマを発生させる場合、電極は高温になり易い。このため特許文献3の場合なら、セラミックスからなる有孔スペーサ4aと金属からなる有孔導電部材4bとの間で、相応に大きな熱膨張差が生じ得る。しかし、特許文献3の有孔スペーサ4aと有孔導電部材4bは、両側端が拘束されたまま固定されている。つまり、特許文献3の装置では、熱膨張差(高温対策)が何ら考慮されておらず、この点に関して特許文献3は全く言及していない。
Furthermore, when plasma is generated in an atmosphere near atmospheric pressure, the electrodes tend to become hot. Therefore, in the case of
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは異なる新たな構造を有し、大気圧近傍雰囲気下でも、プラズマの発生やプラズマを用いた処理を安定的に行えるプラズマ装置等を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and has a new structure different from the conventional one, and is capable of stably generating plasma and processing using plasma even in an atmosphere near atmospheric pressure. The purpose is to provide equipment and the like.
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、貫通孔内に露出した電極の内周壁面間だけで放電(プラズマ発生)をさせて、その貫通孔からラジカルやイオン等をワークに向けて噴出させることを着想した。これを具現化した新たな構造のプラズマ装置を完成させた。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to solve this problem, the present inventor causes a discharge (plasma generation) only between the inner peripheral wall surfaces of the electrode exposed in the through hole, and directs radicals, ions, etc. from the through hole to the work. I came up with the idea of making it spout. We have completed a plasma device with a new structure that embodies this. By developing this result, the present invention described below was completed.
《プラズマ装置》
(1)本発明は、ガスが供給される導入部と、該導入部の下流側に配設され、上流側から順に積層された第1絶縁体、第1電極、第2絶縁体および第2電極を有する生成部とを備え、該生成部は、該第1絶縁体、該第1電極、該第2絶縁体および該第2電極を上流側から下流側に貫通して導入部から連通する連通孔を有し、該導入部は、該連通孔へガスを流入させ、該第1電極と該第2電極の間に電圧が印加されたときに、該連通孔の一部を構成する該第1電極の内周面と該第2電極の内周面との間で生成されたプラズマを、該連通孔の下流側開口からワークに向けて噴出させ得るプラズマ装置である。
《Plasma device》
(1) In the present invention, the introduction portion to which gas is supplied, the first insulator, the first electrode, the second insulator, and the second insulator arranged on the downstream side of the introduction portion and laminated in order from the upstream side. A generation unit having an electrode is provided, and the generation unit penetrates the first insulator, the first electrode, the second insulator, and the second electrode from the upstream side to the downstream side and communicates with the introduction unit. The introduction portion has a communication hole, and when a gas is allowed to flow into the communication hole and a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the introduction portion constitutes a part of the communication hole. It is a plasma device capable of ejecting plasma generated between the inner peripheral surface of the first electrode and the inner peripheral surface of the second electrode toward the work from the opening on the downstream side of the communication hole.
(2)本発明のプラズマ装置(単に「装置」ともいう。)によれば、導入部内では放電が生じず、連通孔内に露出した第1電極の内周面と第2電極の内周面の間でのみ放電を生じ、連通孔内に高密度なプラズマを効率的に生成させ得る。連通孔内に生じた高密度な電子、ラジカル、イオン等は、連通孔の上流側にある上端開口から導入されたガスの流れ(気流)に押し出されて、連通孔の下流側にある下端開口から流出(さらには噴出)する。このように本発明の装置によれば、誘電体バリア放電の場合と異なり、大きな放電電流により、高い電流密度のプラズマを生成でき、大気圧近傍雰囲気(大気圧〜準大気圧の雰囲気)にあるワークに対しても、効率的なプラズマ処理が可能となる。 (2) According to the plasma device of the present invention (also simply referred to as “device”), no discharge occurs in the introduction portion, and the inner peripheral surface of the first electrode and the inner peripheral surface of the second electrode exposed in the communication hole. A discharge can be generated only between the holes, and a high-density plasma can be efficiently generated in the communication hole. High-density electrons, radicals, ions, etc. generated in the communication hole are pushed out by the gas flow (air flow) introduced from the upper end opening on the upstream side of the communication hole, and the lower end opening on the downstream side of the communication hole. Outflow (and even spout) from. As described above, according to the apparatus of the present invention, unlike the case of dielectric barrier discharge, a plasma having a high current density can be generated by a large discharge current, and the atmosphere is in the vicinity of atmospheric pressure (atmospheric pressure to quasi-atmospheric pressure atmosphere). Efficient plasma processing is possible even for workpieces.
《発生方法/処理方法》
本発明は、上述した装置を用いたプラズマ発生方法、または、その装置を用いて発生させたプラズマを利用した各種の処理方法(表面改質、成膜、洗浄等)としても把握できる。本明細書では、プラズマを利用した種々の処理を、単に「プラズマ処理」という。
<< Generation method / Processing method >>
The present invention can also be grasped as a plasma generation method using the above-mentioned apparatus or various treatment methods (surface modification, film formation, cleaning, etc.) using the plasma generated using the apparatus. In the present specification, various processes using plasma are simply referred to as "plasma process".
《その他》
(1)本明細書でいう放電は、特に断らない限り、グロー放電またはアーク放電である。
"others"
(1) The discharge referred to in the present specification is a glow discharge or an arc discharge unless otherwise specified.
本明細書でいう準大気圧(P)は、大気圧(P0)未満で、大気圧の1/100(0.01P0)以上の圧力(P0>P≧0.01P0)、さらには大気圧の1/10(0.1P0)以上の圧力(P0>P≧0.1P0)である。例えば、大気圧が標準気圧(P0=1.01325×105Pa≒1×105Pa)なら、準大気圧(P)は概ね、1×105Pa>P≧1×103Pa、さらには1×105Pa>P≧1×104Paの範囲と考えればよい。 Subatmospheric pressure in this specification (P) is less than the atmospheric pressure (P 0), 1/100 of atmospheric pressure (0.01P 0) or a pressure (P 0> P ≧ 0.01P 0 ), further is 1/10 of the atmospheric pressure (0.1P 0) or a pressure (P 0> P ≧ 0.1P 0 ). For example, if the atmospheric pressure is the standard atmospheric pressure (P 0 = 1.01325 × 10 5 Pa ≈ 1 × 10 5 Pa), the quasi-atmospheric pressure (P) is generally 1 × 10 5 Pa> P ≧ 1 × 10 3 Pa, Further, it may be considered as a range of 1 × 10 5 Pa> P ≧ 1 × 10 4 Pa.
(2)本明細書でいう上流と下流は、導入部または生成部(特に連通孔)において、ガスまたはプラズマが流れる方向に沿う。特に断らない限り、鉛直方向(実際の配置)とは関係なく、その流れる方向を上下方向という。例えば、適宜、上流側にある面、端等を上面、上端等といい、その反対側である下流側にある面、端等を下面、下端等という。他の部位等についても同様とする。 (2) The upstream and downstream as referred to in the present specification are along the direction in which gas or plasma flows in the introduction portion or the generation portion (particularly the communication hole). Unless otherwise specified, the flow direction is called the vertical direction regardless of the vertical direction (actual arrangement). For example, the surface, the end, etc. on the upstream side are appropriately referred to as the upper surface, the upper end, etc., and the surface, the end, etc. on the downstream side, which is the opposite side, are referred to as the lower surface, the lower end, etc. The same applies to other parts and the like.
本明細書でいう面方向は、各部材(電極、絶縁体)やワークの主たる面が延在する方向である。通常、上述した上下方向に交差(さらには直交)する方向である。 The surface direction referred to in the present specification is a direction in which the main surface of each member (electrode, insulator) or work extends. Usually, it is a direction that intersects (further, is orthogonal) in the vertical direction described above.
(3)本明細書でいう「x〜y」は、特に断らない限り、下限値xおよび上限値yを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「a〜b」のような範囲を新設し得る。 (3) Unless otherwise specified, "x to y" in the present specification include a lower limit value x and an upper limit value y. A range such as "a to b" may be newly established with any numerical value included in the various numerical values or numerical ranges described in the present specification as a new lower limit value or upper limit value.
(4)本明細書でいう「x〜ymm」は、特に断らない限り、xmm〜ymmを意味する。他の単位系(kHz等)についても同様である。 (4) "x to ymm" as used herein means xmm to ymm unless otherwise specified. The same applies to other unit systems (kHz, etc.).
上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、装置としてのみならず方法にも適宜該当する。方法的な構成要素であっても物に関する構成要素ともなり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。 One or more components arbitrarily selected from the present specification may be added to the components of the present invention described above. The contents described in this specification appropriately apply not only to the device but also to the method. Even a methodical component can be a component related to an object. Which embodiment is the best depends on the target, required performance, and the like.
《生成部》
(1)電極と絶縁体
生成部は、少なくとも上流側から順に、第1絶縁体、第1電極、第2絶縁体、第2電極が配設(積層)されてなる。第1電極は、第1絶縁体と第2絶縁体の間に介装されている。このため、第1電極に高電圧が印加されても、第1電極の外周囲にある他の金属体(例えばチャンバー等の囲い)との間で放電は生じ難い。つまり、連通孔内における第1電極と第2電極の間でのみ放電が生じ、連通孔内でプラズマが効率的に発生し得る。
《Generator》
(1) The electrode and the insulator generation unit are arranged (laminated) with a first insulator, a first electrode, a second insulator, and a second electrode in order from at least the upstream side. The first electrode is interposed between the first insulator and the second insulator. Therefore, even if a high voltage is applied to the first electrode, discharge is unlikely to occur with another metal body (for example, an enclosure such as a chamber) around the outer periphery of the first electrode. That is, a discharge is generated only between the first electrode and the second electrode in the communication hole, and plasma can be efficiently generated in the communication hole.
特に、第1電極の両面全体が第1絶縁体と第2絶縁体により覆われているとよい。さらに、第1電極の外周側も絶縁体で覆われているとよい。例えば、環状絶縁体(絶縁環)と、その両側に配設された板状の第1絶縁体および第2絶縁体とにより形成される(閉)空間内に、第1電極が収容されているとよい。 In particular, it is preferable that both sides of the first electrode are entirely covered with the first insulator and the second insulator. Further, it is preferable that the outer peripheral side of the first electrode is also covered with an insulator. For example, the first electrode is housed in a (closed) space formed by an annular insulator (insulating ring) and plate-shaped first insulators and second insulators arranged on both sides thereof. It is good.
第1電極を絶縁体で包囲(囲繞)したとき、第1電極への通電(電源への配線)は、導入部を介して行ってもよい。例えば、導入部と第1電極を連結する第1連結具を設け、導入部および第1連結具を導電材とすればよい。このとき、導入部と第1電極は略同電位となるため、両者間(導入部内)で放電等が生じることもない。 When the first electrode is surrounded (enclosed) by an insulator, the first electrode may be energized (wiring to the power supply) via the introduction portion. For example, a first connecting tool for connecting the introduction portion and the first electrode may be provided, and the introduction portion and the first connecting tool may be used as a conductive material. At this time, since the introduction portion and the first electrode have substantially the same potential, no discharge or the like occurs between them (inside the introduction portion).
第1連結具は第1絶縁体に遊貫されているとよい。装置の稼働中(特に大気圧近傍雰囲気で稼働中)に生成部(特に電極)の温度が上昇すると、少なくとも、第1電極と第1絶縁体の間で熱膨張係数差による熱膨張差(熱応力)が生じ得る。第1連結具が第1絶縁体に遊貫されており、両者間に間隙(クリアランス)があると、その熱膨張差(熱応力)が吸収され得る。これにより生成部(特に第1絶縁体)の損傷(割れ等)が回避される。 The first connector may be loosely penetrated by the first insulator. When the temperature of the generator (especially the electrode) rises during the operation of the device (especially in the atmosphere near atmospheric pressure), at least the difference in thermal expansion (heat) due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the first electrode and the first insulator. Stress) can occur. If the first connector is loosely penetrated by the first insulator and there is a gap (clearance) between them, the difference in thermal expansion (thermal stress) can be absorbed. As a result, damage (cracking, etc.) of the generated portion (particularly the first insulator) is avoided.
電極が鋼材で絶縁体がセラミックスからなるとき、両者の熱膨張係数差は約10-5/Kである。500〜1200K(℃)の昇温を許容するなら、上記クリアランスは、例えば、基準長の0.005〜0.012倍以上(例えば0.008倍以上)とするとよい。なお、基準長は、例えば、第1電極の最大長でもよいし、第1連結具を設ける位置のピッチでもよい。具体例をいうなら、第1連結具の軸径:d1、第1絶縁体の穴径:d0、穴ピッチ:pとして、d0≧d1 +2×(0.005〜0.012)pとするとよい。また、別な具体例として、第1電極の外周側に環状の絶縁体(絶縁環)を設ける場合なら、第1電極の外径:D1、絶縁環の内径:D0として、D0≧D1+2×(0.005〜0.012)D1とするとよい。 When the electrode is made of steel and the insulator is made of ceramic, the difference in thermal expansion coefficient between the two is about 10-5 / K. If a temperature rise of 500 to 1200 K (° C.) is allowed, the clearance may be, for example, 0.005 to 0.012 times or more (for example, 0.008 times or more) the reference length. The reference length may be, for example, the maximum length of the first electrode or the pitch at the position where the first connector is provided. To give a specific example, the shaft diameter of the first connector: d 1 , the hole diameter of the first insulator: d 0 , and the hole pitch: p are d 0 ≧ d 1 + 2 × (0.005 to 0.012). It should be p. As another specific example, when an annular insulator (insulating ring) is provided on the outer peripheral side of the first electrode, the outer diameter of the first electrode is D 1 , the inner diameter of the insulating ring is D 0 , and D 0 ≧. D 1 + 2 × (0.005 to 0.012) D 1 is preferable.
第1電極は、第1絶縁体や第2絶縁体に対して、熱膨張量が大きくなる面方向へ相対変位可能な状態であるとよい。つまり、第1電極が各絶縁板に対して強固に固定または接着等されておらず(拘束または規制されておらず)、第1電極が各絶縁板に対して摺接等して移動可能であるとよい。同様に、第2電極も第2絶縁体に対して、面方向に相対変位可能であるとよい。ちなみに、第2電極は、放電(プラズマ生成)に伴う発熱に加えて、加熱されたステージやワークからの輻射熱によっても加熱され得る。 The first electrode is preferably in a state of being relatively displaceable with respect to the first insulator and the second insulator in the plane direction in which the amount of thermal expansion increases. That is, the first electrode is not firmly fixed or adhered to each insulating plate (not restrained or regulated), and the first electrode can be moved by sliding contact with each insulating plate. It would be nice to have one. Similarly, it is preferable that the second electrode can be displaced relative to the second insulator in the plane direction. Incidentally, the second electrode can be heated not only by the heat generated by the electric discharge (plasma generation) but also by the radiant heat from the heated stage or work.
第2電極は、下面側が絶縁体で覆われていたり、全体(連通孔を除く)が絶縁体で囲繞されていてもよい。但し、第2電極は、ワークや他部材(ステージ、チャンバー等)との電位差が小さければ、それらの間で放電が生じることはない。第2電極の下面側に絶縁体を設けないことにより、第2電極の下面(連通孔の下端開口)をワーク(ステージ)へ、より近接させることもできる。 The lower surface side of the second electrode may be covered with an insulator, or the entire second electrode (excluding the communication hole) may be surrounded by the insulator. However, if the potential difference between the second electrode and the work or other members (stage, chamber, etc.) is small, no discharge will occur between them. By not providing an insulator on the lower surface side of the second electrode, the lower surface of the second electrode (the lower end opening of the communication hole) can be made closer to the work (stage).
各電極は、例えば、ステンレス鋼、鉄、銅、チタン、タングステン、アルミニウム等の金属材からなる。絶縁体は、例えば、セラミックス、石英、ガラス、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド(例えばカプトン)等からなる。セラミックスには、例えば、耐熱性にも優れたアルミナ(Al2O3)窒化アルミニウム(AlN)、窒化ボロン(BN)等がある。 Each electrode is made of a metal material such as stainless steel, iron, copper, titanium, tungsten or aluminum. The insulator is made of, for example, ceramics, quartz, glass, polytetrafluoroethylene, polyimide (for example, Kapton) and the like. Examples of ceramics include alumina (Al 2 O 3 ) aluminum nitride (AlN) and boron nitride (BN), which are also excellent in heat resistance.
各電極の厚さは、例えば、1〜30mmさらには5〜15mmである。各絶縁体の厚さは、例えば、0.1〜20mmさらには1〜10mmである。特に、第1絶縁体の厚さ(第1電極と第2電極の間隔)は0.1〜5mmさらには0.5〜3mmとするとよい。この厚さが過小では絶縁体が部分的に絶縁破壊して放電が不安定となる。この厚さが過大では放電電圧が非常に大きくなり、電源の装置コストが高くなる。 The thickness of each electrode is, for example, 1 to 30 mm and further to 5 to 15 mm. The thickness of each insulator is, for example, 0.1 to 20 mm and further 1 to 10 mm. In particular, the thickness of the first insulator (distance between the first electrode and the second electrode) may be 0.1 to 5 mm, more preferably 0.5 to 3 mm. If this thickness is too small, the insulator will partially break down and the discharge will become unstable. If this thickness is excessive, the discharge voltage becomes very large, and the equipment cost of the power supply becomes high.
(2)連通孔
生成部は、第1絶縁体、第1電極、第2絶縁体および第2電極を上流側から下流側に貫通する連通孔を有する。連通孔の内周面の一部は、第1電極の内周面と第2電極の内周面からなる。第1電極と第2電極の間に電圧が印加されたときに、各電極の内周面間で放電(主にグロー放電)が生じて、連通孔内でプラズマが発生する。なお、当然、第1絶縁体の内周面と第2絶縁体の内周面は、連通孔の他の内周面を構成する。
(2) Communication hole The generation unit has a communication hole that penetrates the first insulator, the first electrode, the second insulator, and the second electrode from the upstream side to the downstream side. A part of the inner peripheral surface of the communication hole is composed of the inner peripheral surface of the first electrode and the inner peripheral surface of the second electrode. When a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, a discharge (mainly a glow discharge) occurs between the inner peripheral surfaces of each electrode, and plasma is generated in the communication hole. As a matter of course, the inner peripheral surface of the first insulator and the inner peripheral surface of the second insulator form other inner peripheral surfaces of the communication holes.
連通孔は導入部からワーク側(またはステージ側)へ連通しており、連通孔内には導入部からワークへ向かう気流が生じる。連通孔内で発生したプラズマは、その気流により搬送されて、下端開口からワークに向けて流出(噴出)される。 The communication hole communicates from the introduction portion to the work side (or the stage side), and an air flow from the introduction portion to the work is generated in the communication hole. The plasma generated in the communication hole is carried by the air flow and flows out (spouts) from the lower end opening toward the work.
連通孔は、一つもでも複数でもよい。連通孔が複数あると、プラズマの発生密度や処理効率を高められる。複数の連通孔の配置は、規則的でも不規則でもよく、例えば、格子状、放射状等に配置される。連通孔の孔数は、例えば、1〜100000個/m2さらには100〜40000個/m2とするとよい。 The number of communication holes may be one or more. When there are a plurality of communication holes, the plasma generation density and processing efficiency can be increased. The arrangement of the plurality of communication holes may be regular or irregular, and may be arranged in a grid pattern, a radial pattern, or the like, for example. Pore number of communication holes, for example, 1 to 100000 pieces / m 2 more or equal to 100 to 40,000 pieces / m 2.
連通孔の形状も種々あり得る。連通孔は、通常、円筒状のノズルを構成する。その孔径は、例えば、φ0.1〜10mmさらにはφ0.5〜5mmとするとよい。連通孔(孔径)が過小になると長時間の成膜によりノズルが詰まるおそれがある。連通孔が過大になるとプラズマの吹出長さが小さくなる。 There may be various shapes of the communication holes. The communication hole usually constitutes a cylindrical nozzle. The hole diameter may be, for example, φ0.1 to 10 mm, further φ0.5 to 5 mm. If the communication hole (hole diameter) is too small, the nozzle may be clogged due to long-term film formation. If the communication hole becomes excessive, the plasma ejection length becomes small.
《導入部》
導入部は、ガス源等から供給されるガスを連通孔へ導き入れる。導入部は、例えば、連通孔の上端開口(または第1絶縁体の上端開口)を囲うように、第1絶縁体の上面側に密接して配設された中空状(キャップ状)の容体である。この場合、供給されたガスは殆ど外部へ漏出することなく、連通孔のみへ流入する。また、連通孔が複数ある場合なら、導入部は、供給されたガスを均一的に分配して各連通孔へ流入させる。
<< Introduction >>
The introduction unit guides the gas supplied from the gas source or the like into the communication hole. The introduction portion is, for example, a hollow (cap-shaped) body closely arranged on the upper surface side of the first insulator so as to surround the upper end opening of the communication hole (or the upper end opening of the first insulator). be. In this case, the supplied gas hardly leaks to the outside and flows only into the communication hole. Further, when there are a plurality of communication holes, the introduction unit uniformly distributes the supplied gas and causes the supplied gas to flow into each communication hole.
《ステージ》
ステージは、生成部の下流側に配設され、連通孔の下端開口に対面させたワークを載置する。ステージは、ワークを加熱または冷却する温度調整手段を有してもよい。例えば、ステージにはヒーター等が内蔵されていてもよい。またステージは、ワークを移動させる移動手段を備えてもよい。例えば、ワークを面方向に移動させると、連通孔の下端開口から放出されるプラズマ等を広範囲へ照射したり、その照射位置を自在に変更できる。これにより、ワーク表面に対して均一的な処理をしたり、ワークの特定域のみを効率的に処理できる。
"stage"
The stage is arranged on the downstream side of the generation part, and a work facing the lower end opening of the communication hole is placed. The stage may have temperature control means for heating or cooling the work. For example, the stage may have a built-in heater or the like. Further, the stage may be provided with a moving means for moving the work. For example, when the work is moved in the plane direction, plasma or the like emitted from the lower end opening of the communication hole can be irradiated over a wide range, and the irradiation position thereof can be freely changed. As a result, it is possible to uniformly process the surface of the work or efficiently process only a specific area of the work.
連通孔の下端開口からワークまでの距離(間隔)は0.1〜20mmさらには0.5〜10mmとするとよい。その間隔が過大では効率的な処理ができず、その間隔が過小では連通孔内の気流やプラズマの噴出が不安定になる。 The distance (interval) from the lower end opening of the communication hole to the work may be 0.1 to 20 mm, more preferably 0.5 to 10 mm. If the interval is too large, efficient processing cannot be performed, and if the interval is too small, the airflow in the communication hole and the ejection of plasma become unstable.
《電源》
電源から各電極間に、プラズマ発生に必要な電圧が印加される。電源は、直流電源でも、交流電源でも、パルス電源でもよい。交流電源またはパルス電源は、例えば、周波数を1k〜100kHzさらには10k〜75kHzとするとよい。
"Power supply"
The voltage required for plasma generation is applied between the power supply and each electrode. The power source may be a DC power source, an AC power source, or a pulse power source. The frequency of the AC power supply or the pulse power supply may be, for example, 1 k to 100 kHz, more preferably 10 k to 75 kHz.
印加電圧(ピーク・ピーク値/最大と最小の電圧差)は、例えば、−200〜−3000Vさらには−400〜−1500Vとするとよい。通常、第2電極に対してプラズマ発生に必要な電位が、第1電極に付与される。第2電極は、例えば、接地されているとよい。ステージは、第2電極に対して同電位でもよいし、バイアス電位でもよい。バイアス電圧を印加しないとき、第2電極とステージを共に接地してもよい。金属製のチャンバーを設けるときは、そのチャンバーも接地するとよい。 The applied voltage (peak / peak value / maximum and minimum voltage difference) may be, for example, −200 to -3000V and further to −400 to -1500V. Normally, the potential required for plasma generation is applied to the first electrode with respect to the second electrode. The second electrode may be, for example, grounded. The stage may be equipotential with respect to the second electrode or may be a bias potential. When no bias voltage is applied, the second electrode and the stage may be grounded together. When a metal chamber is provided, the chamber should also be grounded.
《雰囲気》
本発明の装置によるプラズマの発生やそのプラズマを用いた処理は、種々の雰囲気下でなされ得る。例えば、本発明の装置は、低圧雰囲気中の処理に利用されても、大気圧近傍雰囲気下の処理に利用されてもよい。本発明の装置では、連通孔内でプラズマが発生するため、ワーク周辺(連通孔の下流側)だけが所望の雰囲気にされてもよい。例えば、少なくとも連通孔の下流側を準大気圧雰囲気とする場合なら、それらを囲うチャンバー等の内部を排気するとよい。排気手段は、例えば、ドラフト装置、真空ポンプ等である。勿論、ワークを載置するステージを含む装置全体を、チャンバー等内に収容して排気してもよい。少なくともワーク周辺を排気して準大気圧雰囲気とすることにより、処理に用いたガスやプラズマ等の外部への漏出や拡散を防止でき、好適な作業環境の維持が図られる。
"atmosphere"
The generation of plasma by the apparatus of the present invention and the processing using the plasma can be performed in various atmospheres. For example, the apparatus of the present invention may be used for processing in a low pressure atmosphere or may be used for processing in an atmosphere near atmospheric pressure. In the apparatus of the present invention, since plasma is generated in the communication hole, only the periphery of the work (downstream side of the communication hole) may have a desired atmosphere. For example, if at least the downstream side of the communication holes has a quasi-atmospheric pressure atmosphere, it is advisable to exhaust the inside of the chamber or the like surrounding them. The exhaust means is, for example, a draft device, a vacuum pump, or the like. Of course, the entire device including the stage on which the work is placed may be housed in a chamber or the like and exhausted. By exhausting at least the periphery of the work to create a quasi-atmospheric pressure atmosphere, it is possible to prevent leakage and diffusion of the gas and plasma used for the treatment to the outside, and it is possible to maintain a suitable working environment.
《ガス》
導入部には種々のガスを供給し得る。例えば、不活性ガス(希ガス(Ar、Ne、He等)、N2等)、炭化水素等の原料ガス、それらの混合ガス等である。なお、導入部へ供給するプラズマ源ガスとは別に、プラズマと反応させる原料ガスを、連通孔の下端開口近傍またはワークの表面近傍へ供給してもよい。
"gas"
Various gases can be supplied to the introduction section. For example, an inert gas (noble gas (Ar, Ne, He, etc.), N 2, etc.), a raw material gas such as a hydrocarbon, a mixed gas thereof, or the like. In addition to the plasma source gas supplied to the introduction portion, the raw material gas that reacts with the plasma may be supplied to the vicinity of the lower end opening of the communication hole or the vicinity of the surface of the work.
《用途》
本発明の装置は、種々のプラズマ処理に用いられる。例えば、電子部品や機械部品に対する表面改質、成膜、洗浄等に本発明の装置を用いることができる。
《Use》
The apparatus of the present invention is used for various plasma treatments. For example, the apparatus of the present invention can be used for surface modification, film formation, cleaning and the like for electronic parts and mechanical parts.
プラズマ装置の一例を示しつつ、本発明をより具体的に説明する。 The present invention will be described in more detail with reference to an example of a plasma apparatus.
《装置構成》
本発明の一実施例であるプラズマ装置S(単に「装置S」という。)の概要を模式的に図1に示した。また、その一部の拡大図を図2に示した。なお、説明の便宜上、上下方向また左右方向は、図中に示した矢印方向とする。
"Device configuration"
The outline of the plasma apparatus S (simply referred to as “device S”) which is an embodiment of the present invention is schematically shown in FIG. Further, an enlarged view of a part thereof is shown in FIG. For convenience of explanation, the vertical direction and the horizontal direction are the arrow directions shown in the figure.
装置Sは、ガスgの供給部1と、プラズマの生成部2と、ステージ3と、排気部4と、チャンバー5と、電源6を備える。
The device S includes a gas g supply unit 1, a
(1)供給部1は、キャップ11(導入部)、導管12、ボルト13(第1連結具)を有する。キャップ11は、段付き状の有底円筒体からなる。キャップ11の上円筒部111には導管12が連結されている。プラズマ源となるガスgは、ガス源から導管12を通じてキャップ11内へ供給される。キャップ11内へ供給されたガスgは、上円筒部111から大径な下円筒部112へ拡散し、後述する各ノズル20(連通孔)内へ上端開口20aから流入する。
(1) The supply unit 1 has a cap 11 (introduction unit), a
キャップ11は、生成部2の絶縁板211の上端面に、下円筒部112の側壁部112aの下端面を密接させて、ボルト13により固定される。ボルト13は、側壁部112aと絶縁板211を貫通して、電極板221のねじ穴221aに螺合する。
The
ここで、絶縁板211の貫通穴211aの内径(穴径:d0)は、ボルト13のねじ部13aの外径(軸径:d1)よりも大きくなっている。つまり、ねじ部13aと貫通穴211aの間に隙間が形成されている。この隙間(c)は、装置Sの稼働中に生じる絶縁板211と電極板221の熱膨張差よりも十分に大きく設定される。例えば、電極板221がステンレス鋼からなり、絶縁板211がセラミックスからなる場合、貫通穴211aの左右ピッチ:pとして、c=d0―d1=2×0.008×pと設定される。
Here, the inner diameter (hole diameter: d 0 ) of the through
なお、キャップ11とボルト13は金属(例えばステンレス鋼)からなり、導管12は絶縁材(例えば樹脂製チューブ)からなる。
The
このようにボルト13は絶縁板211に遊貫されている。このため、装置Sの稼働中に生成部2(特に電極板221)が高温になっても、熱応力(熱膨張差)に起因した割れ等の損傷が絶縁板211に生じることがない。なお、当然、キャップ11、絶縁板211はおよび電極板221は、隣接間で左右方向(面方向)に相対変位(摺動)し得る。本明細書でいう相対変位は、熱膨張差を解消する程度に移動できればよい。ちなみに、絶縁板211、電極板221、絶縁体212、絶縁環213および電極222に関しても同様に、隣接間で相対変位し得る。
In this way, the
(2)生成部2は、上方から順に、絶縁板211(第1絶縁体)、電極板221(第1電極)および絶縁環213、絶縁板212(第2絶縁体)、電極板222(第2電極)が積層されてなる。絶縁板211、絶縁板212、電極板221および電極板222は円板状であり、絶縁環213は円環状である。
(2) The
絶縁板211、絶縁環213および絶縁板212はボルト23により連結されている。ボルト23は、それらを遊貫し、電極板222のねじ穴に螺合している。電極板221は、絶縁板211、絶縁環213および絶縁板212により形成された薄い円筒状の窪み(空間)に収容されている。電極板221の熱膨張量を考慮して、絶縁環213の内径は電極板221の外径より十分に大きくなっている。
The insulating
なお、絶縁板211は、上述したボルト13により、キャップ11と電極板221で挟持された状態ともなっている。また、絶縁板212は、電極板222の中央域に形成された薄い円筒状の窪みに収容され、両者の上端面は面一状態となっている。
The insulating
ちなみに、各絶縁板および絶縁環はセラミックス(例えばアルミナ)からなり、各電極板は金属(例えばステンレス鋼)からなり、ボルト23はセラミックス(例えばアルミナ)からなる。
Incidentally, each insulating plate and the insulating ring are made of ceramics (for example, alumina), each electrode plate is made of metal (for example, stainless steel), and the
(3)生成部2には、上下方向に貫通した円筒状のノズル20が複数形成されている。ノズル20は、積層された絶縁板211の孔2110、電極板221の孔2210、絶縁板212の孔2120、電極板222の孔2220が積層されてなる。電極板211と電極板221の間に高電圧が印加されると、孔2210の内周面2210aと孔2220の内周面2220aとの間で放電が生じて、ノズル20内にプラズマpが発生する。プラズマpは、上流から下流に向かうノズル20内の気流に押されて、ノズル20の下端開口20bから噴出する。
(3) A plurality of
(4)ステージ3は、基台31と、基台31内に内蔵されたヒータ32と、基台31を面方向(X軸方向および/Y軸方向)へ移動される駆動機構(図略)と、ヒータ32と駆動機構を制御する制御装置(図略)とを備える。ヒータ32と制御装置(温度調整手段)により、基台31に載置されたワークwの温度管理がなされる。駆動機構と制御装置(移動手段)により、基台31に載置されたワークwの位置管理(処理範囲の調整等)がなされる。
(4) The
(5)供給部1、生成部2およびステージ3はチャンバー5内に収容されている。チャンバー5の内圧は、排気ポンプ41(真空ポンプ)と調整弁42(圧力制御バルブ)により、準大気圧とされる。準大気圧は、原料ガス(プラズマの生成用ガス、プラズマとの反応ガス)が漏出しない程度に、チャンバー5内が排気されるだけ足る。
(5) The supply unit 1, the
(6)電源6は、電極板221と電極板222の間に、プラズマ生成に必要な高電圧を印加する。電極板221への通電は、キャップ11およびボルト13を介してなされる。また、電極板222、ステージ3およびチャンバー5は共に接地されている。
(6) The
《プラズマ生成》
装置Sを実際に試作して、プラズマの発生を確認した。
《Plasma generation》
The device S was actually prototyped and the generation of plasma was confirmed.
各電極板221、222にはステンレス鋼(SUS304)の圧延板を、絶縁板211、212および絶縁環213にはアルミナ(Al2O3)の焼成体を用いた。電極板221の厚みは2mm、電極板222の中央域の厚みは1mm、その外周域の厚みは2mmとした。絶縁板211の厚みは2mm、212の厚みは1mm、絶縁環213の厚みは2mmとした。
A rolled stainless steel (SUS304) plate was used for each of the
ノズル20は、中心とその周囲6箇所との合計7箇所に形成した。ノズル20はいずれも、孔径φ1mm×長さ6mmとした。
キャップ11には、ステンレス鋼(SUS304)のプレス成形品を用いた。ボルト13の材質はSUS304、ボルト23の材質はアルミナとした。
For the
導管12には、ガスボンベから0.2MPaのArガスを供給した。チャンバー5内は準大気圧(2.0×104Pa)とした。電源にはパルス電源を用いた。パルス電圧は、周波数50kHzの矩形波で、0〜600Vの間で変化させた。
0.2 MPa of Ar gas was supplied to the
こうして、電極板222の下面側を観察したところ、図3に示すように、ノズル20の下端開口20bから紫色のグロー放電が噴出されている様子が観察され、プラズマの発生が確認された。
When the lower surface side of the
S プラズマ装置
1 供給部
11 キャップ(導入部)
2 生成部
20 ノズル(連通孔)
211 絶縁板(第1絶縁体)
212 絶縁板(第2絶縁体)
221 電極板(第1電極)
222 電極板(第2電極)
3 ステージ
S Plasma device 1
2
211 Insulation plate (first insulator)
212 Insulation plate (second insulator)
221 Electrode plate (1st electrode)
222 Electrode plate (second electrode)
3 stages
Claims (10)
該導入部の下流側に配設され、上流側から順に積層された第1絶縁体、第1電極、第2絶縁体および第2電極を有する生成部とを備え、
該生成部は、該第1絶縁体、該第1電極、該第2絶縁体および該第2電極を上流側から下流側に貫通して導入部から連通する連通孔を有し、
該導入部は、該連通孔へガスを流入させ、
該第1電極は、該第1絶縁体および該第2絶縁体に対して面方向に相対変位でき、
該第1電極と該第2電極の間に電圧が印加されたときに、該連通孔の一部を構成する該第1電極の内周面と該第2電極の内周面との間で生成されたプラズマを、該連通孔の下端開口からワークに向けて噴出させ得るプラズマ装置。 Introductory part where gas is supplied and
It is provided with a first insulator, a first electrode, a second insulator, and a generation portion having a second electrode, which are arranged on the downstream side of the introduction portion and are laminated in order from the upstream side.
The generation unit has a communication hole that penetrates the first insulator, the first electrode, the second insulator, and the second electrode from the upstream side to the downstream side and communicates with the introduction unit.
The introduction portion causes gas to flow into the communication hole, and the introduction portion causes the gas to flow into the communication hole.
The first electrode can be displaced relative to the first insulator and the second insulator in the plane direction.
When a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, between the inner peripheral surface of the first electrode and the inner peripheral surface of the second electrode forming a part of the communication hole. A plasma device capable of ejecting the generated plasma from the lower end opening of the communication hole toward the work.
該導入部および該第1連結具は導電材からなる請求項1〜3のいずれかに記載のプラズマ装置。 Further, a first connecting tool for connecting the introduction portion and the first electrode is provided.
The plasma device according to any one of claims 1 to 3, wherein the introduction portion and the first connecting tool are made of a conductive material.
前記ステージは、前記第2電極に対して同電位またはバイアス電位とされる請求項7〜9のいずれかに記載のプラズマ装置。 The first electrode has a potential required for plasma generation with respect to the second electrode.
The plasma apparatus according to any one of claims 7 to 9, wherein the stage has the same potential or a bias potential with respect to the second electrode.
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