JP2003249490A

JP2003249490A - ラジカルガン

Info

Publication number: JP2003249490A
Application number: JP2002368133A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Shigenaka; 俊明茂中; Shin Asano; 伸浅野; Koji Satake; 宏次佐竹; Masahiro Funayama; 正宏舩山; Satoshi Tawara; 諭田原; Takayuki Goto; 崇之後藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2003-09-05

Abstract

(57)【要約】【課題】長期間にわたり安定した加工特性を維持でき
る長寿命のラジカルガンを提供する。【解決手段】プラズマ中の反応ガスの解離によって生
成した活性ラジカルを射出する射出口を有する絶縁性の
容器４と、反応ガスを射出口に向けて導く反応ガス供給
路１６と、容器内で反応ガス供給路を流れる反応ガスと
混じり合わないように不活性ガスを射出口に向けて導く
不活性ガス供給路１５と、不活性ガス供給路の開口端部
により構成される放電電極１１と、この放電電極と向き
合うように配置され、放電電極から絶縁されたアース電
極７と、放電電極に接続され、放電電極とアース電極と
の間に放電プラズマを発生させる電源１７と、反応ガス
供給路と放電プラズマ発生領域との間に設けられ、反応
ガス供給路を通って放電プラズマ発生領域に導入される
反応ガスを、不活性ガス供給路を通って放電プラズマ発
生領域に導入される不活性ガスと合流させる絞り機構１
３とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クラック、転位、
残留応力あるいは熱影響層といった物理的なダメージが
被加工物の致命的な欠陥となる半導体素子用シリコンや
太陽電池用基板等の加工に用いられ、また、極めて平滑
な表面を必要とする半導体、金属、セラミックス、ガラ
スなどを材質とした各種部品における平面及び球面ある
いは非球面といった曲面の平滑化や鏡面化などの表面加
工、およびコーティング等の表面処理に用いられるラジ
カルガンに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板、ガラス基板ならびに射出成
型用の超精密金型などでは、表面におけるクラック、転
位、残留応力あるいは熱影響層といった物理的なダメー
ジが致命的な欠陥となり、これにより製作される部品あ
るいはデバイスの性能を大きく左右することになる。

【０００３】従来、このような被加工物に対しては、機
械的研磨法あるいはＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃ
ｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）と呼ばれる、研
磨剤を含んだスラリや電解液を用いた化学的あるいは電
気化学的作用を伴う研磨法により被加工物表面の最終的
な仕上げ加工が行われている。

【０００４】

【特許文献１】特許第２５２１１２７号公報

【特許文献２】特開平０５−２３４９４２号公報

【特許文献３】特開平０８−３２３６９９号公報

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た加工法における除去量はサブミクロン単位のごく微量
な程度ではあるが、研磨剤と被加工物表面との機械的あ
るいは物理的接触を伴う加工法であるため、必然的に被
加工物表面に対して微小な傷、クラック及び歪を発生さ
せる。また、被加工物と研磨剤とを適正な圧力で押し付
けることを前提とした加工法であることから、被加工物
に対してこれに起因した不要な反りを発生させる。

【０００６】また、太陽電池の製造工程では、ガラス基
板上に形成した透明電極層、発電層あるいは裏面電極層
といった機能性を有する薄膜を、幅１００μｍ以下程度
の溝で分離し、セル化する製造工程がある。従来、この
工程にはＹＡＧレーザを用いた熱溶融加工法が用いられ
ているが、加工時に被加工物表面に生じる熱影響層やデ
ブリ（熱溶融飛散［ゴミ］物質）の堆積が、薄膜が本来
有する機能性を劣化させるという問題がある。

【０００７】このような状況に対して特許第２５２１１
２７号公報（以下、先願発明１という）では、プラズマ
中で生成された活性な中性ラジカルを利用した無歪精密
加工法が開示されている。

【０００８】図５を参照して先願発明１について説明す
る。

【０００９】先願発明１の加工方法では、まず、大気圧
程度の反応ガス雰囲気の下で、被加工物表面１２１に対
向した図示しない放電電極に高周波電圧を印加させるこ
とによってプラズマを発生させる。プラズマ中では、反
応ガス１２２の解離によって化学的に活性な中性ラジカ
ル１２３が生成されるが、この中性ラジカル１２３を被
加工物表面に輸送し被加工物１２１の表面を構成する原
子あるいは分子１２４と反応させる（ラジカル反応）。
この反応の結果、揮発性の高い反応生成物１２５が形成
され、この反応生成物１２５が被加工物１２１の表面か
ら脱離していくことで原子・分子オーダでの除去加工が
行われ、被加工物１２１の表面上に微小な凹部１２４が
形成される。

【００１０】先願発明１では、上述した被加工物１２１
表面の除去過程が全て化学的な反応プロセスによって行
われるため、被加工物１２１に対してダメージを与えな
い除去加工となっていること、また大気圧という雰囲気
での加工であることから中性ラジカル１２３の高密度化
を図ることができるため加工速度を向上できるとしてい
る。

【００１１】しかしながら、先願発明１の加工方法で
は、加工用電極を被加工物に近接した位置に配置して、
加工用電極と被加工物１２１との間に形成された間隙に
プラズマを発生させるため、実際には中性ラジカル１２
３以外の電子やイオンなどが被加工物１２１表面に対し
て衝撃を加える可能性が極めて高い。最悪の場合には、
被加工物１２１が有する表面のうねりや加工用電極を移
動させる際の運動誤差などにより、加工用電極と被加工
物１２１が接触して過大な電流が被加工物１２１に流れ
ることになり、被加工物１２１の表面品質が損なわれる
ばかりでなく、被加工物１２１が機能性を有している場
合、その性能の著しい劣化を招く。

【００１２】また、上記と同様の原因によって、加工用
電極と被加工物１２１との間の間隙が変動するため、こ
の間隙での放電状態すなわちプラズマの状態が変化し、
このプラズマ中で発生するラジカルの生成量を変化させ
ることになる。その結果、被加工物１２１の単位時間当
たりの除去量が不安定になり、精密な除去加工量の制御
が困難になるという問題点がある。

【００１３】そこで、先願発明１の問題点を解決するた
めに、特開平５−２３４９４２号公報（以下、先願発明
２という）では、内部にガス供給路を介してプラズマ生
成部と連通する開口を設け、この開口から中性ラジカル
を含む反応ガスを、被加工物表面に対して噴出すること
で被加工物表面の除去加工を行う加工用電極を開示して
いる。

【００１４】図６を参照して先願発明２について説明す
る。

【００１５】先願発明２では、加工用電極１３２の内部
に、ガス供給路１３８とこれに連通する噴出口１３９を
設け、ガス供給路１３８に内部電極１４１を設置する。
ガス供給路１３８には、活性な中性ラジカルの起源とな
る反応性ガス１３３（反応ガスと不活性ガスとの混合ガ
ス）が満たされている。

【００１６】加工用電極１３２には、外部電極１４０と
内部電極１４１が設置されており、両者の間に高周波電
力を印加することによって、内部電極１４１の先端にプ
ラズマが発生する。よって、反応性ガス１３３に満たさ
れたガス供給路１３８内で、プラズマが発生することに
なり、ガス供給路１３８を通過して噴出口１３９に向か
う反応性ガス１３３はこのプラズマ中で解離される。こ
れにより活性な中性ラジカル１３４が生成されるため、
この中性ラジカル１３４が、噴出口１３９に対向した被
加工物１３１の表面に反応性ガス１３３と共に吹き付け
られることになる。

【００１７】その後、被加工物１３１の表面に吹き付け
られた中性ラジカル１３４を含む反応性ガス１３３は、
上記の先願発明１に開示された方法と同様な方法にて被
加工物１３１表面の原子または分子１３５と反応し、揮
発性の高い反応生成物１３６を生成することで、被加工
物１３１の表面から脱離し、最終的に被加工物１３１の
表面に微小な凹部が形成されることになる。

【００１８】一方、特開平８−３２３６９９号公報（以
下、先願発明３という）においても、上記の先願発明２
と同様な加工用電極に関して開示されている。図７を参
照して先願発明３について説明する。

【００１９】先願発明３の装置では、反応容器２０２内
に、加工ヘッド２０１と、連結管２３５と、プラズマ生
成室２０３と、供給管２３４および注入口２２１を有す
る加工用電極と、被加工物２０９が載置されるステージ
２０４とを備えている。加工ヘッド２０１には、被加工
物２０９の表面に対向する位置に、連結管２３５に連通
するように供給口２１１が形成されている。

【００２０】この装置の加工用電極では、注入口２２１
からプラズマ生成室２０３へ供給管２３４を介して反応
性ガスが導入される。プラズマ生成室２０３には、電源
２３１に繋がれたコイルが巻かれており誘導的に高周波
電力と結合されているため、このコイルに高周波電力を
印加することによってプラズマ生成室２０３内にプラズ
マが発生する。プラズマ生成室２０３内に導入された反
応性ガスは、このプラズマによって解離され、中性ラジ
カルが生成される。この中性ラジカルは反応ガスと共に
結合管２３５内を流れ、供給口２１１から被加工物２０
９の表面へ吹き付けられる。その後、被加工物２０９に
吹き付けられた中性ラジカルは、加工ヘッド２０１と被
加工物２０９との間に形成された間隙２１２を流れ、こ
の間に被加工物２０９表面の原子及び分子と反応を起こ
しながら揮発性の高い反応化合物を生成していく。その
結果、被加工物２０９を構成する原子及び分子は揮発性
反応生成物の形で表面から脱離していき、被加工物２０
９の除去加工が進行していく。

【００２１】上述した先願発明２および先願発明３で
は、加工用電極の内部にプラズマ発生部を設け、加工用
電極と被加工物との間でプラズマを発生させる構成を回
避しているため、先願発明１で明らかになった問題点、
すなわち加工用電極と被加工物との接触による過大電流
の被加工物への流れ込みによる被加工物への致命的なダ
メージ発生や、プラズマ発生状態の不安定性による被加
工物の除去加工量の制御不安定性といった問題点を解決
している。

【００２２】しかし、先願発明２および先願発明３で
は、プラズマ生成室を加工用電極の内部に設置したこと
による固有の解決すべき問題がある。

【００２３】これらの加工用電極では、不活性ガス（Ｈ
ｅ，Ｎ_２等）に反応ガス（ＣＦ_４，ＳＦ_６，Ｃｌ_２等）
を予混合状態でプラズマ生成室に供給するか、もしく
は、不活性ガスに基づき内部電極先端で発生したプラズ
マに対して、加工用電極に加工された噴出口（供給口）
に向かう下流側で反応ガスを導入することで、中性ラジ
カルを生成させる方式を採っている。

【００２４】先願発明２および先願発明３の中には噴出
口の形状及び寸法に関する詳細な記述はないが、特に噴
出口の寸法が小さくなってくると、噴出口におけるコン
ダクタンスの低下及びプラズマの発生に伴う温度上昇に
より急激に加工用電極内の内圧が増加してくる。

【００２５】また、噴出口のコンダクタンスの低下に伴
い、反応ガスと不活性ガスとの分子量や粘性などのガス
固有の特性の相違により、噴出口を通過できるガス流量
に関し両者の差異が現れてくるため、加工用電極内部の
反応ガス濃度が変化するのである。その結果、加工用電
極内部における圧力や濃度といったプラズマの発生条件
が変化することになるため、プラズマの発生状態が不安
定となり、被加工物の加工特性を安定に維持することが
困難になるのである。

【００２６】さらに、上述の先願発明１，２および３で
は、被加工物表面を構成する原子、分子と中性ラジカル
との反応によって、揮発性の高い反応生成物を生成し、
これが被加工物表面から自然に脱離していくことで除去
加工が進行していくことを基本原理とした除去加工とな
っている。

【００２７】しかし、実際に加工対象となる材料では、
揮発性の高い反応生成物が生じるケースは少なく、特に
産業上広く用いられているＦｅ系の金属材料を加工対象
とした場合には、反応生成物の形成により被加工物の揮
発性を高めることができたとしても、常温・常圧の下で
は自然に脱離していくまでには至らない。このため、金
属材料を加工対象とした場合には、加工雰囲気の減圧化
あるいは被加工物の加熱によって反応生成物の脱離を促
進する必要が出てくるが、減圧を行うことによる工程数
増大や被加工物の加熱による材料の特性劣化といった問
題が生じる。

【００２８】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであり、長期間にわたり安定した加工特性を維
持できる長寿命のラジカルガンを提供することを目的と
する。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、先の特願
２００１−０４８６７７（以下、先願発明４という）に
おいて、中性ラジカルと被加工物表面を構成する原子、
分子との反応によって生成した反応生成物に対して、レ
ーザ等の局所加熱手段によって加熱を行うことで被加工
物から反応生成物を脱離させ、減圧や被加工物全体を加
熱すること無く、比較的ダメージの小さい除去加工を被
加工物の限られた領域についてのみ実現する方法を開示
している。

【００３０】先願発明４の装置では、図８に示すよう
に、反応性ガスに満たされた反応容器３０１内に被加工
物３０２を配し、図中Ａ部にて、この表面に対向して配
置された加工用電極３０３に高周波電力を投入すること
によってプラズマを発生させ、ここで生じた中性ラジカ
ルによって被加工物３０２の表面に揮発性の高い反応生
成物を形成させる表面処理を行う。その後、被加工物３
０２が搭載されたスライド３１３を移動させることによ
って、図中Ｂ部にて、例えばレーザ発振器などの局所加
熱手段３１５を用いて前述の表面処理領域のみを加熱す
ることで常温常圧のもとでは脱離しにくい反応生成物の
脱離を促す方法を採っている。

【００３１】この方法によれば、加熱領域を局所空間に
限定できるため、上記の先願発明１，２及び３で問題と
なった減圧による工程数の増大や被加工物全体を加熱す
ることによる材料特性の劣化を回避できる。

【００３２】しかし、先願発明４の装置は、反応容器内
の加工雰囲気を反応ガスで満たす必要があることから、
高価な反応ガスを多量に消費するので、加工コストが増
大する。

【００３３】そこで、本発明者らは、局所的な放電プラ
ズマ加工において高価な反応ガスの消費量を低減するた
めの研究開発を鋭意進めた結果、以下に述べる本発明を
完成させるに至った。

【００３４】本発明に係るラジカルガンは、放電プラズ
マ発生領域を規定し、該領域にて発生させた放電プラズ
マ中の反応ガスの解離によって生成した活性ラジカルを
射出するための射出口を有する絶縁性の容器と、この容
器内を通過して前記射出口に連通し、前記反応ガスを前
記射出口に向けて導く反応ガス供給路と、前記容器内を
通過して前記射出口に連通し、かつ前記容器内で前記放
電プラズマ発生領域に到達するまでの間において前記反
応ガス供給路を流れる前記反応ガスと混じり合わないよ
うに不活性ガスを前記射出口に向けて導く不活性ガス供
給路と、前記不活性ガス供給路が前記放電プラズマ発生
領域において開口する前記不活性ガス供給路の開口端部
により構成される放電電極と、この放電電極と向き合う
ように配置され、前記放電電極から絶縁されたアース電
極と、前記放電電極に接続され、前記放電電極と前記ア
ース電極との間に放電プラズマを発生させる電源と、前
記反応ガス供給路と前記放電プラズマ発生領域との間に
設けられ、前記反応ガス供給路を通って前記放電プラズ
マ発生領域に導入される反応ガスを、前記不活性ガス供
給路を通って前記放電プラズマ発生領域に導入される不
活性ガスと合流させる絞り機構と、を具備することを特
徴とする。

【００３５】上記の反応ガス供給路と不活性ガス供給路
とを同軸の多重管構造とすることが好ましく、この場合
に、不活性ガス供給路を反応ガス供給路よりも内側に配
置することが望ましい。このような同軸の多重管構造と
することにより不活性ガス中に反応ガスが周囲から噴射
され、反応ガスが速やかに解離するとともに、放電がノ
ズルの前方に維持され、ノズルから噴出されるラジカル
流がより強くなるからである。

【００３６】絞り機構は、放電電極と容器内壁との間に
形成される微小間隙からなる。この微小間隙をなす放電
電極と容器内壁との距離は、１０μｍ以上１００μｍ以
下とすることが望ましい。微小間隙を広くすると、放電
電圧が高くなり、省電力の観点から望ましくない。特
に、図９に示す放電ギャップ長と放電開始電圧との関係
からも明らかなように、微小間隙を１００μｍよりも広
くすると、放電電圧が高くなって消費電力が増加する。
さらに、微小間隙を１００μｍを超えて極端に広くする
と、本来放電してほしい部分以外で絶縁破壊が起こる可
能性もあり、好ましくない。また、放電プラズマ発生領
域における反応ガスの解離が進み難くなり、未反応ガス
の割合が多くなって高価なガスを無駄にしてしまうので
効率的でない。一方、微小間隙を狭くすればするほど放
電プラズマ発生領域における反応ガスの解離が促進さ
れ、未反応ガスの割合が少なくなって高価なガスの無駄
な消費が抑えられる。しかしながら、微小間隙を１０μ
ｍよりも狭めると、図９に示すように放電が困難になる
ばかりでなく、反応ガスの円滑な流通が阻害されたり、
パーティクル等の付着体積によりガス流路が塞がれ易く
なったりして、ついには放電が不可能になってしまうか
らである。さらに、容器の外部から導入される局所加熱
用ビームを通過させるために、容器の後端から射出口に
至るまで容器の内部を貫通する局所加熱用ビーム光路を
有することが好ましい。このような局所加熱用ビーム光
路を付加することにより局所的な放電プラズマと局所加
熱加工とを同一の装置により連続して行うことが可能に
なり、処理のスループットが向上する。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明の種々の好ましい実施の形態について説明する。

【００３８】（第１の実施形態）図１及び図２を参照し
て第１の実施形態のラジカルガンについて説明する。

【００３９】不活性ガスバッファタンク１は中空構造と
なっており、図示しないガス供給源から不活性ガス供給
ポート８を介して毎分１０リットル前後（代表的には毎
分５リットル）の一定流量の不活性ガス（Ｈｅ，Ｎ_２な
ど）がラジカルガン１００の内部流路１ａ，２ａ，１５
に導入されるようになっている。不活性ガスバッファタ
ンク１は、セラミックス（アルミナ，窒化アルミ等）の
絶縁材料から成る絶縁管２と金属（ステンレス鋼等）の
導電体材料から成る高周波電力供給部３ならびに内部導
体５さらにはセラミックス（アルミナ，窒化アルミ等）
の絶縁材料から成るノズル４と同軸に連結されており、
各同軸中心に設けられた不活性ガス供給路１５によって
連通している。不活性ガスは、不活性ガスバッファタン
ク１及び絶縁管２を経由して不活性ガス供給路１５内を
流れ、内部導体５の開口端部１１（放電電極）を通過し
て放電プラズマ発生領域３０に流れ込み、さらにラジカ
ル射出口としてのノズル開口１２から流れ出すようにな
っている。

【００４０】一方、反応ガス（ＳＦ_６，ＣＦ_４，Ｃｌ_２
等）は、図示しないガス供給源から高周波電力供給部３
の反応ガス供給ポート９を介してラジカルガン１００の
内部流路に導入され、放電プラズマ発生領域３０に連通
された反応ガス供給路１６に流れ込むようになってい
る。

【００４１】反応ガス供給路１６は、ノズル４の内壁と
内部導体５の外壁との間隙で構成され、本実施形態にお
いてはノズル４の先端部を先細り形状とすることによ
り、内部導体５の開口１１の端部にて反応ガス供給路１
６を微小ギャップ１３に絞り込むようにしている。

【００４２】内部導体５は、高周波電力供給部３に対し
てセットビス等により動かないように固定されている。
一方、ノズル４は、後方側外周の雄ねじ部が高周波電力
供給部３の雌ねじ部に螺合し、先端側外周の雄ねじ部が
アース電極７の雌ねじ部に螺合している。このためノズ
ル４は内部導体５に対して移動可能であり、ノズル４を
回転させると、ノズル４は内部導体５に対してノズル４
は図中のＺ方向に変位し、絞り機構としての微小ギャッ
プ１３をなすノズル４の内壁と内部導体５の外壁との間
の距離は、１０μｍ（マイクロメートル）以上１００μ
ｍ以下の範囲を含む調整可能範囲内で任意に選択するこ
とができるようになっている。

【００４３】なお、微小ギャップ１３の形成に関しては
本実施形態で示した構造のみに限定されるものではな
く、これをスリットあるいは多孔質セラミックスなどを
用いた構造として反応ガス流路の開口量を制御すること
も可能である。

【００４４】また、本実施形態では、反応ガス供給路１
６において、微小ギャップ１３の上流側にスワル６を取
り付け、これによって反応ガスの流れを制御するように
しているが、このスワル６は本発明において任意のもの
である。すなわち、スワル６を取り付けない場合であっ
ても、本発明におけるラジカルガンの性能には大きな影
響は無い。

【００４５】内部導体５は、高周波電力供給部３に対し
て電気的な導通を保って固定されており、高周波電力供
給部３を介して高周波電源１７から高周波電力が投入さ
れるものである。

【００４６】一方、ノズル４の先端には冷媒流路７ａを
もつ冷却ジャケットを兼ねたアース電極７が取り付けら
れている。このアース電極７は、微小ギャップ１３及び
ノズル４の壁を介して内部導体開口端部１１（放電電
極）に対向して配置されている。内部導体５の開口から
は不活性ガスが流れ込んでくるため、内部導体５に高周
波電力を印加すると、微小ギャップ１３から放電プラズ
マ発生領域３０までの空間において不活性ガスに基づく
放電プラズマが発生する。

【００４７】この放電プラズマ中に微小ギャップ１３に
よって流量を制御された反応ガスが流れ込み、反応ガス
が解離することによって中性ラジカルが生成される。中
性ラジカルは、不活性ガスを主体とした流れと共に、ノ
ズル４の先端に設けられた射出口１２から射出される。

【００４８】不活性ガスとしてＨｅを、反応ガスとして
ＳＦ_６を用いる比較例の場合について説明する。Ｈｅの
分子量（４）がＳＦ_６の分子量（１９６）に比べて極め
て小さいこと、およびＨｅの粘性がＳＦ_６の粘性に比べ
て極めて低いこと、これら流体固有の特性の相違によっ
て、例えば直径０．５ｍｍ程度のノズル開口１２に対し
て両者を予混合状態で通過させようとすると、ＳＦ_６に
比べてＨｅが通過し易くなる。その結果として、プラズ
マによって解離されずにノズル開口１２に至るＳＦ_６が
ノズル４の内部に蓄積していき、これに起因してノズル
４内部の反応ガス濃度の上昇、ならびにノズル４の内圧
上昇の傾向を示す。これによりノズル４の内部で発生す
る放電プラズマが不安定となり、この不安定性が内部導
体５の損耗を増大させるとともに、中性ラジカルの生成
量も不安定となる。

【００４９】これに対して本実施形態のラジカルガン１
００においては、Ｈｅを内部導体５の同軸中心から毎分
５リットルの流量で流し、これに絞り機構としての微小
ギャップ１３で流量を制御した濃度のＳＦ_６ガスを流し
込む構成としているので、小さなノズル開口１２であっ
てもＨｅ主体の混合ガスがノズル開口１２を流れるた
め、ノズル４内部において顕著な濃度上昇ならびに圧力
上昇を低減でき、引いては内部導体５の損耗低減及び加
工の安定性を実現することができる。

【００５０】また、本実施形態によれば、予混合状態で
反応ガスを流したときに比べて、上記流路構成では内圧
で約４０％の低減効果を実現でき、プラズマの不安性に
伴う内部導体５の損耗による交換回数を大幅に低減する
ことができた。

【００５１】本実施形態の上述の流路構成および流量条
件にて、内部導体５に周波数１３．５６ＭＨｚ、電力２
５０Ｗの高周波電力を投入し、ノズル開口１２から中性
ラジカルを射出させ、窒素雰囲気下でノズル開口１２に
対向して配置したＳｉ単結晶に中性ラジカルを照射しな
がら毎秒２５ｍｍの送り速度で移動させたところ、Ｓｉ
単結晶の表面に深さ１．３６μｍの溝が安定して加工で
きることが確認された。また、このような溝加工を繰り
返し行った場合であってもプラズマの発生状態は極めて
安定していることが確認された。

【００５２】なお、上述した加工条件は全て代表値であ
り、使用するガスの流体特性や対象となる被加工物、さ
らにはラジカルガンの形状及び寸法によって各条件は適
正に選択する必要がある。また、今回開示した加工雰囲
気については窒素に限定するものではなく、空気、アル
ゴン、キセノンあるいは上記の反応ガスなどを用いるこ
とも可能である。

【００５３】（第２の実施形態）次に、図３を参照して
第２の実施形態のラジカルガンについて説明する。な
お、本実施形態が上記第１の実施形態と重複する部分は
説明を省略する。

【００５４】本実施形態のラジカルガン１００Ａでは、
ガンの中心軸に一致するように外部に局所加熱用ビーム
光路２１を設けている。具体的には、不活性ガスバッフ
ァタンク１の後部に窓１８を設置する。この窓１８は、
石英ガラスやサファイア等の透過性に優れた材料からな
り、中心同軸がラジカルガン１００Ａに一致するように
不活性ガスバッファタンク１の後部に取り付けられてい
る。

【００５５】ＹＡＧレーザ発振器などの局所加熱用ビー
ム発生源２０から発したレーザビームは、集光レンズ１
９によって絞り込まれながら局所加熱用ビーム光路２１
に沿って窓１８に達し、窓１８を介してラジカルガン１
００Ａの内部に導入された後に、不活性ガス供給路１５
を通過してノズル開口１２から出射される。

【００５６】本実施形態のラジカルガン１００Ａによれ
ば、ノズル開口１２からは中性ラジカルと局所加熱用ビ
ームとが同軸で出射されることになるため、ノズル開口
１２に対向して配置した被加工物表面に対して、中性ラ
ジカルによる反応生成物の生成と、局所加熱用ビームに
よる反応生成物の除去とが同時に行えるようになる。

【００５７】よって、本実施形態のラジカルガンをステ
ンレス鋼などの金属材料の除去加工に適用した場合に、
中性ラジカルによる反応生成物の生成のみでは、反応生
成物の飽和蒸気圧が低く常温・常圧の下では除去しきれ
ない材料も、局所加熱用ビームにより除去できるように
なる。このとき、局所加熱用ビームが照射された領域の
みが除去されることになるため、周辺部への熱的な影響
が小さくなる。

【００５８】また、本実施形態によれば、中性ラジカル
と被加工物との反応によって生成した被加工物は、一般
に揮発性が高まるため、レーザ等による溶融加工に比べ
るとより小さなパワー密度で除去加工が実現でき、これ
によるダメージ低減効果も現れる。

【００５９】さらに、本実施形態によれば、窓１８を不
活性ガスバッファタンク１の後部に設置したことによ
り、ラジカルガン内のプラズマ中で発生した中性ラジカ
ル等の活性粒子による衝撃に起因した損傷も未然に回避
することができる。

【００６０】（第３の実施形態）次に、図４を参照して
第３の実施形態のラジカルガンについて説明する。な
お、本実施形態が上記第１ならびに第２の実施形態と重
複する部分は説明を省略する。

【００６１】本実施形態のラジカルガン１００Ｂでは内
部導体の開口端部を尖鋭化している。具体的には、内部
導体５Ｂの開口端部１１Ｂにノズル４の内壁に沿うテー
パ形状を施している。このテーパ形状において内部導体
５Ｂの先端に施す先端角はノズル４の先細り形状の先端
角と同じかこれより小さい角度が望ましい。また、開口
端部１１Ｂとして内部導体５Ｂの先端にテーパ形状をも
つ部品を導電性を保った状態で接合することでも同様の
効果が得られる。

【００６２】本実施形態のラジカルガン１００Ｂによれ
ば、放電を生ずる微小ギャップ１３の位置が前述の第１
ならびに第２の実施形態において述べたラジカルガン１
００ならびにラジカルガン１００Ａに比してノズル射出
口１２に近い領域に位置し、これにより放電プラズマ発
生領域３０がノズル射出口１２に近接した領域に移動さ
れる。この結果、短寿命の中性ラジカルを速やかに被加
工物表面へと輸送することが可能となる。

【００６３】よって本実施形態のラジカルガンをステン
レス鋼などの金属材料の除去加工に適用した場合に、反
応生成物の除去加工速度が向上し、処理のスループット
が向上する。

【００６４】また、本実施形態によれば、放電プラズマ
発生領域３０での内圧上昇に伴う放電プラズマの不安定
性を回避し、より安定したプラズマ放電を得ることがで
きた。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、活性ラジカルが射出す
る容器開口部の寸法低下に伴うコンダクタンスの低下と
不活性ガス及び反応ガスの流体特性に起因したラジカル
ガン内の反応ガス濃度ならびに内圧の上昇を軽減するこ
とができ、これにより安定したプラズマの発生と内部導
体の損耗回避を実現できる。

【００６６】本発明のラジカルガンを用いた除去加工で
は安定した加工特性を実現することができ、その寿命を
飛躍的に伸ばすことができる。

【００６７】さらに、本発明のラジカルガンに一般の特
徴としてプラズマ発生のための混合ガスの雰囲気制御を
ラジカルガンの内部に限定できるため高価なガスを無駄
に消費することなく低コストな加工を実現できるように
なる。加えて、放電電極と容器内壁との間の距離を１０
μｍ以上１００μｍ以下とすることで、消費電力の低減
と高価なガスの節約が可能になり、これによっても低コ
ストな加工を実現することができる。

【００６８】また、容器外部から容器内部を通過し開口
部に連通する局所加熱用ビーム光路を設けたことによ
り、活性ラジカルと被加工物の反応による反応生成物の
生成と、局所加熱用ビームによる反応生成物の除去を同
時に行えるようになり、ステンレス鋼などの反応生成物
の生成のみでは除去が困難な除去加工に対しても、比較
的低温でかつ局所的に除去加工をできるようになり、ダ
メージの少ない金属の除去加工を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るラジカルガン
を示す内部透視断面図。

【図２】第１実施形態のラジカルガンの要部を示す拡
大断面図。

【図３】本発明の第２の実施形態に係るラジカルガン
を示す内部透視断面図。

【図４】本発明の第３の実施形態に係るラジカルガン
を示す内部透視断面図。

【図５】従来の表面加工方法（先願発明１）で生じる
ラジカル反応を説明するための概念図。

【図６】従来のラジカルガン（先願発明２）の先端部
分を模式化して示す構成ブロック図。

【図７】従来のラジカルガン（先願発明３）を模式化
して示す内部透視断面図。

【図８】ラジカル反応と局所加熱を併用した表面加工
方法（先願発明４）を比較例として示す構成ブロック
図。

【図９】放電ギャップ長と放電開始電圧との関係を示
す図。

【符号の説明】

１…不活性ガスバッファタンク、２…絶縁管、３…高周波電力供給部、４…ノズル（容器）、５…内部導体、５Ｂ…先端部にテーパ形状を施した内部導体、６…スワル、７…アース電極、７ａ…冷却水流路、８…不活性ガス供給ポート、９…反応ガス供給ポート、１０…冷却水供給ポート、１１…内部導体開口端部（放電電極）、１１Ｂ…テーパ形状を施した内部導体開口端部（放電電
極）、１２…ノズル開口（射出口）、１３…微小ギャップ（絞り機構）、１４…Ｏリング、１５…不活性ガス供給路、１６…反応ガス供給路、１７…高周波電源、１８…窓、１９…集光レンズ、２０…レーザ発振器（ビーム発生源）、２１…局所加熱用ビーム光路、３０…放電プラズマ発生領域、３１…ラジカル、１００，１００Ａ，１００Ｂ…ラジカルガン。

フロントページの続き (72)発明者佐竹宏次神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社先進技術研究センター内 (72)発明者舩山正宏神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社先進技術研究センター内 (72)発明者田原諭神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社先進技術研究センター内 (72)発明者後藤崇之神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社先進技術研究センター内Ｆターム(参考） 5F004 AA06 BA03 BA11 BB02 BB13 DA01 DA04 DA18 DA22 DA25 DB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電プラズマ発生領域を規定し、該領域
にて発生させた放電プラズマ中の反応ガスの解離によっ
て生成した活性ラジカルを射出するための射出口を有す
る絶縁性の容器と、この容器内を通過して前記射出口に連通し、前記反応ガ
スを前記射出口に向けて導く反応ガス供給路と、前記容器内を通過して前記射出口に連通し、かつ前記容
器内で前記放電プラズマ発生領域に到達するまでの間に
おいて前記反応ガス供給路を流れる前記反応ガスと混じ
り合わないように不活性ガスを前記射出口に向けて導く
不活性ガス供給路と、前記不活性ガス供給路が前記放電プラズマ発生領域にお
いて開口する前記不活性ガス供給路の開口端部により構
成される放電電極と、この放電電極と向き合うように配置され、前記放電電極
から絶縁されたアース電極と、前記放電電極に接続され、前記放電電極と前記アース電
極との間に放電プラズマを発生させる電源と、前記反応ガス供給路と前記放電プラズマ発生領域との間
に設けられ、前記反応ガス供給路を通って前記放電プラ
ズマ発生領域に導入される反応ガスを、前記不活性ガス
供給路を通って前記放電プラズマ発生領域に導入される
不活性ガスと合流させる絞り機構と、を具備することを
特徴とするラジカルガン。
【請求項２】前記反応ガス供給路と前記不活性ガス供
給路とを同軸の多重管構造としたことを特徴とする請求
項１記載のラジカルガン。
【請求項３】前記不活性ガス供給路を前記反応ガス供
給路よりも内側に配置したことを特徴とする請求項１又
は２のいずれか一方に記載のラジカルガン。
【請求項４】前記絞り機構は、前記放電電極と前記容
器内壁との間に形成される微小間隙からなることを特徴
とする請求項１乃至３のうちのいずれか１記載のラジカ
ルガン。
【請求項５】前記微小間隙をなす前記放電電極および
前記容器内壁との距離を、１０μｍ以上１００μｍ以下
とすることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれ
か１記載のラジカルガン。
【請求項６】前記電源は、前記放電電極と前記アース
電極との間に高周波電力を給電することを特徴とする請
求項１乃至５のうちのいずれか１記載のラジカルガン。
【請求項７】さらに、前記容器の外部から導入される
局所加熱用ビームを通過させるために、前記容器の後端
から前記射出口に至るまで前記容器の内部を貫通する局
所加熱用ビーム光路を有することを特徴とする請求項１
乃至６のうちのいずれか１記載のラジカルガン。