JP2003109795A - プラズマジェット発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高密度プラズマを細いノズルからジェット
状に噴出させ、被加工物の局所部位に溶断、エッチン
グ、薄膜堆積などの加工、表面処理を高速で行うプラズ
マジェット発生装置を提供する。 【解決手段】 放電管（２）と、放電管（２）付近に
配置されたソレノイドアンテナ（４）およびその電源
（９）から構成されている高周波誘導結合式のプラズマ
発生装置であって、放電管（２）の一端に放電管（２）
よりも内径の小さいノズル（６）を有し、放電管（２）
の内径が５ｍｍ以下であり且つＶＨＦ帯の高周波電源
（９）により駆動されることを特徴とするプラズマジェ
ット発生装置（１）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、プラズマ
ジェット発生装置に関するものである。さらに詳しく
は、この出願の発明は、高密度プラズマを細いノズルか
らジェット状に噴出させ、被加工物の材料を選ばず、被
加工物の局所部位に溶断、エッチング、薄膜堆積などの
加工、表面処理を高速で行うプラズマジェット発生装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来より、プラズマジェット
は、被加工物に溶断、エッチング、薄膜堆積等の加工お
よび表面処理を行うのに有用とされており、また有害物
質の高温処理等他の様々な分野で利用されている。

【０００３】このようなプラズマジェットに関し、現
在、直径２ｍｍ以下の精細プラズマジェットを発生させ
るには、直流アーク放電を用いる方法がよく知られてい
る。しかしながら、直流アーク放電を用いる方法は、電
極が劣化しやすいこと、反応性ガスの使用ができないこ
と、基板が導体に限定されることなどの様々な問題を有
している。また、その他のプラズマ発生装置として知ら
れている、無電極方式の高周波誘導結合式熱プラズマ発
生装置に関しては、口径が大きく、大電力の入力が必要
になることが知られており、大電力を入力する結果とし
て生成する多量の熱の制御が困難であるため、微小面積
にプラズマを照射できるものはこれまで存在していなか
った。

【０００４】そこで、この出願の発明は、以上のとおり
の事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点
を解消し、高密度プラズマを細いノズルからジェット状
に噴出させ、被加工物の局所部位に溶断、エッチング、
薄膜堆積などの加工、表面処理を高速で行うことのでき
る、新しいプラズマジェット発生装置を提供することを
課題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、まず第１には、放電管
と、放電管付近に配置されたアンテナおよびその電源か
ら構成される高周波誘導結合式のプラズマ発生装置にお
いて、放電管の一端に放電管よりも内径の小さいノズル
を有し、放電管の内径が５ｍｍ以下であり且つＶＨＦ帯
の高周波電源により駆動されることを特徴とするプラズ
マジェット発生装置を提供する。

【０００６】第２には、第１の発明のプラズマジェット
発生装置において、ノズルの内径が２ｍｍ以下であるこ
とを特徴とするプラズマジェット発生装置を提供する。

【０００７】第３には、第１または第２の発明のプラズ
マジェット発生装置において、アンテナがソレノイドア
ンテナであることを特徴とするプラズマジェット発生装
置を提供する。

【０００８】さらに、第４には、第１ないし第３のいず
れかの発明のプラズマジェット発生装置において、放電
管が石英管から成ることを特徴とするプラズマジェット
発生装置を提供する。

【０００９】また、第５には、第１ないし第４のいずれ
かの発明のプラズマジェット発生装置において、ノズル
がセラミックスから成ることを特徴とするプラズマジェ
ット発生装置をも提供する。

【００１０】また、第６には、第１ないし第５のいずれ
かの発明のプラズマジェット発生装置において、プラズ
マジェットと反応性ガスを被加工物の局所部位に照射
し、エッチング、膜堆積などの加工、表面処理を行うよ
うになしたことを特徴とするプラズマジェット発生装置
を提供する。

【００１１】第７には、第１ないし第５のいずれかの発
明のプラズマジェット発生装置において、大気圧で動作
させるようになしたことを特徴とするプラズマジェット
発生装置を提供する。

【００１２】さらに第８には、第１ないし第５のいずれ
かの発明のプラズマジェット発生装置において、放電開
始時にアンテナ付近に高電界を印加するのための補助高
圧電源を有することを特徴とするプラズマジェット発生
装置を提供する。

【００１３】

【発明の実施の形態】この出願の発明のプラズマジェッ
ト発生装置は、放電管と、放電管付近に配置されたアン
テナおよびその電源から構成される高周波誘導結合式の
プラズマ発生装置であって、放電管の一端に放電管より
も内径の小さいノズルを有し、放電管の内径を５ｍｍ以
下として小型化し、またノズルの内径を２ｍｍ以下とす
ることから、生成するプラズマの体積を小さくしてプラ
ズマ生成に必要な電力を低減することができる。尚、ノ
ズルの内径ｄと放電管内径Ｄの比ｄ／Ｄは１〜１／１０
０の範囲とする。

【００１４】上記のように狭い放電管でのプラズマ生成
では放電管壁での電子の損失が問題となるため、交番電
界中での電子の捕捉効率を高めるために最適な周波数領
域であるＶＨＦ帯（３０−３００ＭＨｚ）の高周波をア
ンテナに印加することで低電力でのプラズマ生成が可能
となる。このとき、アンテナとしてソレノイドアンテナ
を用いることができる。

【００１５】この結果、発生する総熱量は抑えられ、高
密度プラズマを細いノズルの先端からジェット状に噴出
させることのできる無電極方式の高周波誘導結合式のプ
ラズマジェット発生装置が実現できる。

【００１６】また、この発明のプラズマジェット発生装
置においては、放電管を石英管から成るものとし、放電
管よりも内径の小さいノズルを、石英と比べて熱に強い
アルミナや窒化水素等のセラミックスから成るものとす
ることでノズルを長時間使用することができる。

【００１７】尚、ノズルの先端と放電管中心部の距離は
短い方がエネルギー損失は抑えられるが、距離が長い場
合（１５ｃｍ程度）であっても動作させることは可能で
ある。

【００１８】さらにまた、この発明のプラズマジェット
発生装置は、プラズマジェットと反応性ガスを被加工物
の局所部位に照射し、エッチング、膜堆積などの加工、
表面処理を行うことができる。つまり、反応性ガスが使
用可能なため反応性ガスの作用により被加工物に対する
加工において、加工精度を高めることができ、また加工
速度を増大させることができるなど様々な効果を得るこ
とができる。

【００１９】さらにこの発明のプラズマジェット発生装
置は大気圧で動作させることが可能なため真空排気装置
が無くとも動作させることができる。

【００２０】また、このプラズマジェット発生装置に、
放電開始時にアンテナ付近に高電界を印加するのための
補助高圧電源を加えることも可能である。補助高圧電源
として、たとえば市販のテスラコイルと言われる一種の
高圧パルス電源をアンテナ付近で動作させてアンテナ付
近にパルス放電電流を流すことによって放電のトリガー
とすることができる。

【００２１】以下、添付した図面に沿って実施例を示
し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく
説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定される
ものではなく、細部については様々な態様が可能である
ことは言うまでもない。

【００２２】

【実施例】＜実施例１＞まず、図１のような小型化した
高周波誘導結合式のプラズマジェット発生装置（１）を
試作した。外径３ｍｍ、内径１．５ｍｍの石英管から成
る放電管（２）に、冷却水（３）を内部に通すことで水
冷可能な外径２．５ｍｍの銅管を３巻きし、ソレノイド
アンテナ（４）とした。放電管（２）の一端よりアルゴ
ンガス（５）を導入し、放電管（２）の他端に配置され
たノズル（６）を介して大気圧に開放し、ＶＨＦ電源
（９）から１００ＭＨｚのＶＨＦ帯の高周波を、マッチ
ング回路（７）を介してソレノイドアンテナ（４）に印
加するとフレーム状に伸びたプラズマジェット（８）を
生成することができた。

【００２３】次に放電管（２）とノズル（６）の長さお
よび形状がプラズマジェット（８）に及ぼす影響を調べ
るため、発光分光法を用いて電子密度、励起温度を測定
した。

【００２４】ＶＨＦ電源（９）の電力が５−５００Ｗの
範囲であり、且つアルゴンガス（５）の流量が０．２−
１５リットル／分の範囲のとき、アルゴンプラズマジェ
ット（８）を生成することができ、電力とガス流量を増
加させると、プラズマジェット長は最大１５ｍｍまで伸
びた。

【００２５】ＶＨＦ電源（９）の電力を２００Ｗで一定
とし、ガス流量を変化させて電子密度の空間分布を測定
した。その結果を図２に示す。

【００２６】図２のグラフに示しているように、ソレノ
イドアンテナ（４）直下（Ｘ＝７ｍｍ）では、ガス流量
６−１０リットル／分で電子密度は１０¹⁵ｃｍ^-3以上と
なった。ガス流量を増加させると壁への熱伝導が抑制さ
れ高密度になること、またソレノイドアンテナ（４）直
下の高密度部が下流域に広がることが確認された。Ｘ＝
２５ｍｍのジェット部分の電子密度はソレノイドアンテ
ナ（４）直下（Ｘ＝７ｍｍ）の約半分になる。以降のプ
ラズマ計測は特に断らなければＸ＝２５ｍｍの位置で行
った。

【００２７】次にプラズマジェット（８）の径を絞るた
めのピンチノズルの効果について検討した。図３におけ
るグラフは、図３の挿し絵に示す（Ａ）ノズルなしと、
（Ｂ）ノズル有りの場合のガス流量による電子密度の変
化を示す。どちらの場合もガス流量が増加すると電子密
度が上昇する傾向にあり、ノズル（６）を内径０．２ｍ
ｍに絞った場合はさらに流速が増すため、電子密度は急
激に増加した。流速の効果以外に、ノズル有りの場合、
ノズル（６）の部分ではプラズマの体積が小さくなるた
め、エネルギー密度が増大するので電子密度が上昇する
とも考えられる。さらに電子密度の電力依存を調べたと
ころ、図４に示しているように、ガス流量を２リットル
／分で一定にすると、（Ｂ）ノズル有りの場合は（Ａ）
ノズルなしの場合に比べ電子密度が約２倍になり、約３
００Ｗでは、１０¹⁵ｃｍ^-3程度の高密度が得られた。

【００２８】また励起温度の電力依存を調べたところ、
図５に示しているように、（Ｂ）ノズル有りの場合が
（Ａ）ノズルなしの場合に比べて高く、５０００−６０
００Ｋになった。この値は、サハの式から予測されるア
ルゴンプラズマの電子密度と温度の関係に矛盾しない。

【００２９】長時間の装置稼動の際には石英管を細くひ
きのばして加工したノズルは熱により軟化しやすいた
め、ノズルはアルミナや窒化珪素などのセラミックスを
用いる方が実用的である。実際に、長さ２０ｍｍ、内径
０．４ｍｍφのセラミックノズルを使用することで、高
密度、高安定プラズマジェットを長時間生成することが
可能になった。

【００３０】本装置を高精密プラズマ溶断に適用した例
の写真を図６に示す。図６（Ａ）に示すように厚さ３０
μｍのステンレススチール薄板（１０）に電力５０Ｗで
５秒間アルゴンプラズマジェット（８）を照射し、図６
（Ｂ）に示すように開口径０．４ｍｍφの円形穴（１
１）を加工できた。また、プラズマジェット（８）下で
被加工物であるステンレススチール薄板（１０）を水平
方向に移動させることで、ステンレススチール薄板（１
０）を切断することができた。 ＜実施例２＞反応性ガス雰囲気中でプラズマジェットを
被加工物に照射するために試作した実験装置を図７に示
す。プラズマジェット発生装置（１）はＶＨＦ電力供給
のための３巻きソレノイドアンテナ（４）と外径３．０
ｍｍ、内径１．０ｍｍの石英管から成る放電管（２）と
その末端に配置された内径０．４ｍｍのセラミックス製
ノズル（６）から構成され、プラズマジェット発生装置
（１）の真下に備え付けられたＳＵＳ製容器（１２）内
に精細なプラズマジェット（８）を噴出する。プラズマ
ジェット（８）直下の基板ステージ（１３）は水平面内
可動となっている。容器（１２）内は大気圧であり、真
空排気装置が無くとも動作できることは実用上大きな利
点である。

【００３１】ＶＨＦ電源（９）の電力２５０Ｗ、 放電
管へのアルゴンガス（５）流量９リットル／分で精細プ
ラズマジェット（８）を発生させ、シリコン基板（１
４）上に３分間照射した。微量のＳＦ₆２ｃｃ／分の添
加の有無による加工形状の違いを、レーザー顕微鏡を用
いて観察した結果を図８に示す。

【００３２】図８（Ａ）に示しているようにアルゴンガ
スのみでは蒸発により物理的エッチングが起こるため加
工面の荒れが激しく、加工深さは１０μｍ以下であっ
た。一方、図８（Ｂ）に示しているようにＳＦ₆添加で
は化学的エッチングの効果により加工面は平滑で、プラ
ズマジェット（８）の径にほぼ等しい０．５ｍｍの径で
等方的に深さ３０μｍの凹型形状が得られた。シリコン
のエッチング速度はＳＦ ₆の添加量とともに増大した。
さらにシリコン基板（１４）に１３．５６ＭＨｚの基板
バイアスを印加し、プラズマ中のイオンをシリコン基板
（１４）上に加速して照射するとエッチング速度が増大
し、１分間で１ｍｍ以上の加工深さが得られた。

【００３３】ＳＦ₆のようなエッチング反応をもたらす
ガスの変わりにメタンガスのような薄膜堆積の原料とな
るガスを導入すると、プラズマジェット（８）がシリコ
ン基板（１４）に照射される局所面積にのみ薄膜堆積が
起こった。また、エッチングや薄膜堆積を行いながら、
シリコン基板（１４）をプラズマジェット（８）下で移
動させることにより、２次元あるいは３次元の任意形状
を直接シリコン基板（１４）上に加工することができ
た。

【００３４】図７に示す実験装置に補助高圧電源を加え
た実験装置を図９に示す。図９では、高圧パルス電源
（１６）をソレノイドアンテナ（４）付近で動作させて
ソレノイドアンテナ（４）付近にパルス放電電流を流す
ことによって放電のトリガーとしている。尚、図９は基
板ステージ（１３）にプラズマ中のイオンを加速して照
射するための高周波電源（１５）およびマッチング回路
（７）が備えられた図となっている。

【００３５】

【発明の効果】以上のようにこの出願の発明によれば、
低電力の高周波放電により精細な高密度プラズマジェッ
トの発生が可能であり、直流放電の場合とは異なり、金
属、セラミックス、プラスチックなど被加工物の材料を
選ばず、局所部位への高速ドライエッチングや成膜など
の精密加工を施すために実用的なプラズマジェット発生
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の高周波誘導結合式の精細プラズマジ
ェット発生装置の模式図である。

【図２】この発明のプラズマジェット発生装置内の電子
密度の空間分布を測定した結果である。

【図３】この発明のプラズマジェット発生装置におい
て、ノズルなしとノズル有りの場合の構造を示す図およ
び電子密度のガス流量依存性を示すグラフである。

【図４】この発明のプラズマジェット発生装置におい
て、ノズルなしとノズル有りの場合における電子密度の
電力依存性を示すグラフである。

【図５】この発明のプラズマジェット発生装置におい
て、ノズルなしとノズル有りの場合における励起温度の
電力依存性を示すグラフである。

【図６】この発明のプラズマジェット発生装置を高精密
プラズマ溶断に適用した例を示す写真である。

【図７】反応性ガス雰囲気中でプラズマジェットを被加
工物に照射するために試作した実験装置である。

【図８】ＳＦ₆添加有無の場合にプラズマジェットを照
射したシリコン基板表面のレーザー顕微鏡像である。

【図９】図７の実験装置に、高圧パルス電源を加えた実
験装置である。

【符号の説明】

１ プラズマジェット発生装置 ２ 放電管 ３ 冷却水 ４ ソレノイドアンテナ ５ アルゴンガス ６ ノズル ７ マッチング回路 ８ プラズマジェット ９ ＶＨＦ電源 １０ ステンレススチール薄板 １１ 円形穴 １２ 容器 １３ 基板ステージ １４ シリコン基板 １５ 高周波電源 １６ 高圧パルス電源

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電管と、放電管付近に配置されたアン
   テナおよびその電源から構成される高周波誘導結合式の
   プラズマ発生装置において、放電管の一端に放電管より
   も内径の小さいノズルを有し、放電管の内径が５ｍｍ以
   下であり且つＶＨＦ帯の高周波電源により駆動されるこ
   とを特徴とするプラズマジェット発生装置。
2. 【請求項２】 請求項１のプラズマジェット発生装置に
   おいて、ノズルの内径が２ｍｍ以下であることを特徴と
   するプラズマジェット発生装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２のプラズマジェ
   ット発生装置において、アンテナがソレノイドアンテナ
   であることを特徴とするプラズマジェット発生装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれかのプ
   ラズマジェット発生装置において、放電管が石英管から
   成ることを特徴とするプラズマジェット発生装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のいずれかのプ
   ラズマジェット発生装置において、ノズルがセラミック
   スから成ることを特徴とするプラズマジェット発生装
   置。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれかのプ
   ラズマジェット発生装置において、プラズマジェットと
   反応性ガスを被加工物の局所部位に照射し、エッチン
   グ、膜堆積などの加工、表面処理を行うようになしたこ
   とを特徴とするプラズマジェット発生装置。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項５のいずれかのプ
   ラズマジェット発生装置において、大気圧で動作させる
   ようになしたことを特徴とするプラズマジェット発生装
   置。
8. 【請求項８】 請求項１ないし請求項５のいずれかのプ
   ラズマジェット発生装置において、放電開始時にアンテ
   ナ付近に高電界を印加するのための補助高圧電源を有す
   ることを特徴とするプラズマジェット発生装置。