CN102098865B

CN102098865B - 等离子体发生器

Info

Publication number: CN102098865B
Application number: CN2010105827474A
Authority: CN
Inventors: 糸村大辅; 寺亮之介
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: DE102010060591A1; DE102010060591B4; CN102098865A; JP5212346B2; JP2011124153A

Abstract

一种等离子体发生器，其被提供有圆柱形腔室部分，该圆柱形腔室部分具有圆柱电极；孔板，其设置在该圆柱形腔室部分中以便将该圆柱形腔室部分分隔成具有进气口的第一腔室和具有排气口的第二腔室；杆状电极，其设置在第二腔室内部并位于圆柱电极的中心轴处，以及子电极，其设置在第一腔室处并且能够施加与该圆柱电极不同的电势，该等离子体发生器在圆柱电极与杆状电极之间施加电场以产生等离子体，进一步在圆柱电极和子电极之间分离地施加电场以产生与在杆状电极和圆柱电极之间产生的等离子体分离的等离子体，以及具有通过孔板的孔连接的第一腔室和第二腔室的等离子体区域。

Description

等离子体发生器

技术领域

本发明涉及等离子体发生器，其在电极部分形成稳定的等离子体并且产生高密度等离子体。

背景技术

等离子体处于反应状态，因此按照常规其已经广泛地用在表面处理、薄膜形成、蚀刻和其它领域中。为了实现更快的处理，有必要增大等离子体密度并增加活性反应离子。甚至在DLC（类金刚石碳）涂敷中也使用等离子体发生器。甲烷或乙炔或另一种烃气在等离子体中分离以生成基团（radical）或离子或其它活性反应离子，其用于在基底材料的表面上形成DLC。当以高速形成DLC时，有必要利用具有高密度活性反应离子的高密度等离子体。

由于这个缘故，为了获得高密度等离子体，已经使用了增大气体压力来增加活性离子本身的方法、增大电场强度来改进分离程度的方法、利用磁场以便封入等离子体中的方法，以及其它方法。然而，使用利用磁场以便封入等离子体中的方法，不可能成数量级地改进通常使用的10⁸/cm³至10¹⁰/cm³的等离子体密度。此外，使用增大气体压力的方法或增大电源电压的方法，很容易从通常探寻的（sought）辉光放电（低温等离子体）转移到弧光放电（高温等离子体）并且因此在工作过程中出现问题。

与用于增大电场密度（电场密度＝电压/距离）的技术一样，缩短电极间距的技术也是有效的，但是如果缩短电极间距，除非施加更高的电压，否则不可能产生等离子体。接下来简要地说明该原因。由于帕邢（Paschen）法则，放电起始电压与（压力×电极间距离）之间存在面向下的相关曲线。由于这个缘故，如果电极间距离在相同的压力下变窄，那么开始放电所需的电压就会停止增大，并且在到目前为止开始放电的电压处不再发生放电。

结果，由于电场的集中等，弧光放电局部且不稳定地发生并且不能获得稳定的放电。在未审查的公开号为2001-23972的日本专利中所看到的现有技术中，已经尝试使用双管电极结构来获得均匀的电场，然而，仍然存在上面的问题。

发明内容

本发明是在考虑了上面的问题的情况中作出的并提供一种等离子体发生器，其在窄且小的电极部分处形成稳定的等离子体并且产生高密度等离子体。

为了解决上面的问题，本发明的权利要求1的方面（aspect）是一种等离子体发生器，其被提供有圆柱形腔室部分，该圆柱形腔室部分具有圆柱电极（1）；孔板（4），其设置在该圆柱形腔室部分中以便将该圆柱形腔室部分分隔成具有进气口（10）的第一腔室（2）和具有排气口（11）的第二腔室（3）；杆状电极（5），其设置在第二腔室（3）内部并位于圆柱电极（1）的中心轴处，以及子电极（6），其设置在第一腔室（2）处并且能够施加与该圆柱电极（1）不同的电势，该等离子体发生器在圆柱电极（1）与杆状电极（5）之间施加电场以产生等离子体，进一步在圆柱电极（1）和子电极（6）之间分离地施加电场以产生与在杆状电极（5）和圆柱电极（1）之间产生的等离子体分离的等离子体，以及具有通过孔板（4）的孔连接的第一腔室（2）和第二腔室（3）的等离子体区域。

由此，可以增大等离子体密度以便增加活性反应离子并且可以稳定而更快速度地进行处理。可以在窄且小的电极空间内提供激活电子和离子，从而提高该等离子体的粒子密度并甚至使用低电压保持放电。

本发明权利要求2的方面包括本发明权利要求1的方面，其中在杆状电极（5）和圆柱电极（1）之间产生的等离子体是辉光放电，并且在圆柱电极（1）和子电极（6）之间产生的等离子体是辉光放电或弧光放电。由此，存在与本发明权利要求1的方面类似的效果。

本发明权利要求3的方面包括本发明权利要求1的方面，其中第二腔室（3）的压力低于第一腔室（2）的压力。由此，存在与本发明权利要求1的方面类似的效果。

本发明权利要求4的方面包括本发明权利要求1的方面，其中第二腔室（3）的压力是300Pa至101kPa的压力。

本发明权利要求5的方面包括本发明权利要求1的方面，其中从进气口（10）引入的气体是稀有气体、烃和氧气中的任何一种，或者是两种或多种上述气体的组合。

本发明权利要求6的方面包括本发明权利要求1的方面，其中从进气口（10）引入的气体是Ar、He、N₂、O₂、H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₃H₈、CF₄、C₂F₆、SF₆、SiH₄、SiH₃Cl、SiH₂Cl₂、Si(CH₃)₄和(CH₃)₃Si-NH-Si(CH₃)₃中的任何一种，或者是两种或多种上述气体的组合。

本发明权利要求7的方面包括本发明权利要求1至6中任意一个的方面，其利用DLC来涂敷杆状电极（5）的表面。

本发明权利要求8的方面包括本发明权利要求1至6中任意一个的方面，其在第二腔室（3）的内部设置圆柱体（12）以便与圆柱电极（1）导电，并且其中圆柱体（12）的内圆周表面的中心轴设置在圆柱电极（1）的中心轴处。由此，可以通过高速稳定地产生高密度等离子体进行表面处理、薄膜形成、蚀刻等来对圆柱体（12）的内圆周表面进行处理。

本发明权利要求9的方面包括本发明权利要求8的方面，其利用DLC来涂敷圆柱体（12）的内圆周表面。

注意，上面分配的附图标记是用于表明与稍后说明的实施例部分中所描述的特定实施例的对应关系的例子。

附图说明

图1是显示出本发明一个实施例的示意视图。

图2是显示出本发明另一个实施例的示意视图。

具体实施方式

下面将参考附图的同时来说明本发明的实施例。这些实施例中相同构造的部件被分配相同的附图标记并且省略对其所作的说明。

在本发明这一实施例中处理的物体例如是注射器的针、模具的挤压针（extrusion pin）或其它柱状物体。这里，将要说明利用等离子体发生器来对表面进行处理（除去污染物或者对其加以改进）、形成DLC、SiO₂等的薄膜、蚀刻或以另外的方式对柱状物体进行处理的实施例。所处理的物体不限于上面所举出的例子。只要物体是柱状的或圆柱形的，都可适用本发明。

图1是显示出本发明第一实施例的示意视图。

利用如本发明中所处理的杆状电极5的外圆周表面来进行说明。后面将要说明所处理的物体是圆柱体12的情况。圆柱形腔室部分是由圆柱电极1的内部所围绕的腔室，且其被分成具有进气口10的第一腔室2和具有排气口11的第二腔室3。为了隔开第一腔室2和第二腔室3，将孔板4放置在圆柱形腔室部分中。第二腔室3具有设置在其内部且位于圆柱电极1的中心轴上的杆状电极5。在杆状电极5与圆柱电极1之间施加电场以产生等离子体。

作为一个例子，杆状电极5与圆柱电极1之间的电压优选是100V至5kV。在第一腔室2内部设置子电极6。作为一个例子，子电极6与圆柱电极1之间的电压优选是50V至500V。在圆柱电极1和杆状电极5之间施加电场以产生等离子体。而且，与在杆状电极5和圆柱电极1之间产生的等离子体分离，在圆柱电极1和子电极6之间施加电场来产生等离子体。如果顶部腔室和底部腔室没有分隔开，那么在顶部的第一腔室2中的弧光放电将会导致在底部的第二腔室3中的辉光放电变得不稳定，因此有必要用孔板4将两个腔室分隔开。

根据圆柱电极1的尺寸而将孔板4的通孔设置成适当的直径和适当的数量。作为该实施例的一个例子，将孔板4设置在直径大约为15mm且高度大约为150mm的圆柱电极1的内部，以便在高度大约为55mm的位置处将圆柱形腔室的内部隔开。而且，在第二腔室的内部，在圆柱电极1的中心轴上设置直径大约为5mm且高度大约为50mm的杆状电极5。在这种情况下，可以在圆周上形成四至八个直径大约为1mm的通孔。圆柱电极1的尺寸的该特定例子仅仅是一个例子。本发明不限于此。

在绝缘体20中提供进气口10并且将这些进气口设置在顶部腔室。在绝缘体21中提供排气口11并且将这些排气口设置在底部腔室。进气口10和排气口11可以分别设置在顶部腔室和底部腔室的任何位置。顶部和底部绝缘体20、21以及圆柱电极1可以通过封装、O型环等进行密封。杆状电极可以通过卡盘等来固定。卡盘的中心设计成与圆柱电极1的内圆周的轴向中心相匹配。多个排气口11关于该轴向中心而径向地设置。

从进气口10引入的气体的压力是300pa至101kPa。关于该气体，通常可以使用稀有气体、烃和氧气中的任一种或者两种或多种的组合。而且，特别是，可以依照要形成的膜或者目标表面处理来适当地选择Ar、He、N₂、O₂、H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₃H₈、CF₄、C₂F₆、SF₆、SiH₄、SiH₃Cl、SiH₂Cl₂、Si(CH₃)₄和(CH₃)₃Si-NH-Si(CH₃)₃中的任一种或者两种或多种的组合。

气体从顶部的第一腔室2通过孔板4的孔而流到底部的第二腔室3。即使在扩散的同时其也可以向各个方向移动，但是在100pa或更高的压力下，扩散致使气体流动的效果变得更大。电荷主要通过气体流动而进行移动。第二腔室3的压力低于第一腔室2的压力。第二腔室3的压力设置成300Pa至101kPa的压力。

按照这种方式，在本发明中，在与本来希望的等离子腔室分离的位置处产生等离子体。使用由于在该处的辉光放电而产生的电子和离子，通过弧光放电产生的等离子体的热离子（thermions）等，并且将其引入到所希望的等离子体腔室中。由此，即使利用较低的电场，也能够产生并保持辉光等离子体。

接下来将说明本发明第一实施例的操作。

通过回转泵（涡轮分子泵、低温泵等也是可以的）将等离子体发生器的圆柱形腔室抽空达到1×10^-2Pa或更低，然后通过从进气口10引入Ar气来清洁该膜形成表面。从DC脉冲电源向杆状电极5施加电压（100V至5kV）以产生等离子体，使Ar离子与杆状电极5和圆柱电极1碰撞，并且活化该膜形成表面。在这种情况下，也可以利用第一腔室2的放电（electrodischarge）。

在第一腔室2的内部设置子电极6，其能够施加与圆柱电极1不同的电势。通过向子电极6施加电场，第一腔室2产生等离子体。之后，通过脉冲电源向杆状电极5提供电场，因此在另外的（other）第二腔室3中同样产生等离子体。为了形成膜，引入CH₄或另一种烃基气体等的材料，将压力调整为300至101kPa，并且产生等离子体来形成膜。按照这种方式，可以在窄且小的电极部分形成稳定的等离子体并且产生高密度等离子体。

作为图解说明，提到了利用DLC来涂敷杆状电极5的表面的情况，但是本发明不限于此。本发明不限于形成耐磨的膜或者高滑动性质的膜。依照表面处理（除去污染物或对其加以改进）、薄膜形成、蚀刻或其它处理来适当地选择所用的气体和施加的电压。

作为本发明的另一个实施例，可以考虑下面的修改。图2是显示出本发明另一个实施例的概念视图。

在第二腔室3内部，设置圆柱体12以便与圆柱电极1导电。圆柱体12的内圆周表面的中心轴设置在圆柱电极1的中心轴处。如上面所说明的，按照与第一实施例相同的方式来产生等离子体。在这种情况下，对圆柱体12的内圆周表面进行处理。作为一个例子，提到了利用DLC对其进行涂敷的情况。注意，本发明不限于此。本发明不限于形成耐磨的膜或高滑动性质的膜。依照表面处理（除去污染物或对其加以改进）、薄膜形成、蚀刻或其它处理来适当地选择所用的气体和施加的电压。

尽管已经参考为了图解说明的目的而选择的特定实施例来描述本发明，但是很显然，本领域技术人员能够在不背离本发明的基本概念和范围的情况下对本发明进行许多修改。

Claims

1.一种等离子体发生器，其被提供有圆柱形腔室部分，该圆柱形腔室部分具有圆柱电极（1）；孔板（4），其设置在所述圆柱形腔室部分中以便将所述圆柱形腔室部分分隔成具有进气口（10）的第一腔室（2）和具有排气口（11）的第二腔室（3）；杆状电极（5），其设置在所述第二腔室（3）内部并位于所述圆柱电极（1）的中心轴处，以及子电极（6），其设置在所述第一腔室（2）处并且能够施加与所述圆柱电极（1）不同的电势，

所述等离子体发生器在所述圆柱电极（1）与所述杆状电极（5）之间施加电场以产生等离子体，

进一步在所述圆柱电极（1）和所述子电极（6）之间分离地施加电场以产生与在所述杆状电极（5）和所述圆柱电极（1）之间产生的等离子体分离的等离子体，

在所述杆状电极（5）和所述圆柱电极（1）之间产生的等离子体包括辉光放电，并且在所述圆柱电极（1）和所述子电极（6）之间产生的等离子体包括弧光放电，以及

具有彼此分离且通过所述孔板（4）的孔连接的所述第一腔室（2）和所述第二腔室（3）的等离子体区域，

其中所述第二腔室（3）的压力是300Pa至101kPa的压力。

2.如权利要求1所述的等离子体发生器，其中在所述杆状电极（5）和所述圆柱电极（1）之间产生的等离子体是辉光放电，并且在所述圆柱电极（1）和所述子电极（6）之间产生的等离子体是辉光放电或弧光放电。

3.如权利要求1所述的等离子体发生器，其中所述第二腔室（3）的压力低于所述第一腔室（2）的压力。

4.如权利要求1所述的等离子体发生器，其中从所述进气口（10）引入的气体是稀有气体、烃基气体和氧气中的任何一种，或者是两种或多种上述气体的组合。

5.如权利要求1所述的等离子体发生器，其中从所述进气口（10）引入的气体是Ar、He、N₂、O₂、H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₃H₈、CF₄、C₂F₆、SF₆、SiH₄、SiH₃Cl、SiH₂Cl₂、Si(CH₃)₄和(CH₃)₃Si-NH-Si(CH₃)₃中的任何一种，或者是两种或多种上述气体的组合。

6.如权利要求1至5中任一项所述的等离子体发生器，其利用类金刚石碳来涂敷所述杆状电极（5）的表面。

7.如权利要求1至5中任一项所述的等离子体发生器，其在所述第二腔室（3）的内部设置圆柱体（12）以便与所述圆柱电极（1）导电，并且其中圆柱体（12）的内圆周表面的中心轴设置在所述圆柱电极（1）的中心轴处。

8.如权利要求7所述的等离子体发生器，其利用类金刚石碳来涂敷所述圆柱体（12）的内圆周表面。