JP2006022392A - 回転電極を用いたプラズマ処理方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 除去加工を行うプラズマＣＶＭ法又は成膜を行うプラズマＣＶＤ法に使用するプラズマ処理方法及びその装置であって、プラズマＣＶＭの場合には最小加工痕が、プラズマＣＶＤの場合には最小成膜部が軸対称となるようにした回転電極を用いたプラズマ処理方法及びその装置を提供する。
【解決手段】 反応ガス及び不活性ガスを含むガス雰囲気中に回転電極２００とワーク２０１とを配設し、ワークと回転電極をＸＹ軸方向へ相対的に走査するとともに、Ｚ軸方向の回転軸２０２を有する回転電極とワークとの間に所定のギャップ２０３を形成するように回転電極とワークをＺ軸方向へ相対的に変位させ、回転電極を回転させてギャップ近傍に渦流を形成するとともに、回転電極に高周波電圧を印加してギャップでプラズマを発生し、反応ガスに基づいて生成した中性ラジカルを用いてワーク表面を加工又はワーク表面に成膜する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転電極を用いたプラズマ処理方法及びその装置に係わり、更に詳しくはプラズマＣＶＭ法やプラズマＣＶＤ法に用いることが可能な回転電極を用いたプラズマ処理方法及びその装置に関するものである。

従来から、本発明者は、高電圧を印加した加工電極により発生させた反応ガスに基づく中性ラジカルをワークの加工面に供給し、この中性ラジカルと加工面の原子又は分子とのラジカル反応によって生成した揮発性物質を気化させて除去し、加工電極を加工面に対して相対的に変化させて加工するものであって、反応ガスの種類とワークの材質に応じて決定される、加工時間と加工量との間の相関データと、前加工面と目的加工面の座標データとに基づきその座標差に応じて加工時間を数値制御してなるラジカル反応による無歪精密数値制御加工方法を提案している（特許文献１）。この加工方法を数値制御プラズマＣＶＭ（Chemical Vaporization Machining）と呼んでいる。

この特許文献１に記載の数値制御加工方法は、プラズマプロセスを用いながら通常の機械加工のようにワークを任意の形状に自動的に加工でき、しかもワークに結晶学的な欠陥や熱的変質層を導入することなく高精度に加工することができる画期的な加工方法であった。ここで使用した加工電極は、反応ガスと不活性ガスを含む雰囲気ガスを先端部から噴出させるとともに、高周波電圧を印加して大気圧近傍の圧力で局所プラズマを発生させ、該プラズマにより生成された反応ガスに基づく中性ラジカルを、雰囲気ガスの供給圧力でのガス流に乗せてワーク表面と加工電極間のギャップに供給し、加工するものである。しかし、この加工ギャップは１００μｍ程度と狭く、しかもガス圧は大気圧近傍の高圧力であるので、ガスの粘性により加工ギャップに充分にガスを供給することができず、また加工電極の先端部が過度に加熱されるため投入電力を大きくすることができない等の理由によって加工速度を大幅に高めることができなかった。

この改善策として、本発明者は、反応ガス及び不活性ガスを含むガス雰囲気中に無端状の加工電極とワークを配設し、該加工電極とワークの加工進行部との間に加工ギャップを維持しつつ、加工電極を高速に回転させることで該加工電極表面を加工進行部に対して高速移動させ且つ加工電極表面でガスを巻き込むことによって前記加工ギャップを横切るガス流を形成するとともに、加工電極に高周波電圧を印加して加工ギャップでプラズマを発生し、反応ガスに基づく中性ラジカルを生成し、該中性ラジカルとワークの加工進行部を構成する原子又は分子とのラジカル反応によって生成した揮発性物質を気化させて除去し且つ加工電極とワークとを相対的に変位させて加工を進行してなる回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工方法を提案した（特許文献２）。

同様に、本発明者は、電極に高周波電力を印加することによりプラズマを発生させ、該プラズマ中に反応ガスを供給して化学反応により基板上に薄膜を形成する方法において、前記電極として、ドラム状の回転電極を用いる高速成膜方法も提案している（特許文献３）。

前述の特許文献２、３に記載されたプラズマ処理方法では、ワークの表面と略平行な回転軸を有する回転電極を用い、該回転電極を高速で回転させることによって、反応ガスの高速度供給及び使用済みガスの高速度排気による加工速度の大幅な向上、加工電極の十分な冷却効果に基づく大電力の投入による加工能率の大幅な向上を図ることができたのである。しかし、前記回転電極によって形成されるギャップを横切るガス流の上流側と下流側とでは、そのガス流の形態が異なるため、プラズマによって生成する中性ラジカルの密度も異なり、それが加工においては加工速度の相違から単位加工痕の形状が非対称形となって高精度な加工に支障を来たし、また成膜においては成膜速度や膜質の相違から均質な連続成膜をすることが困難になるといった問題を有している。
特許第２９６２５８３号公報 特許第３０６９２７１号公報 特許第３２９５３１０号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、チャンバー内の１０ｋＰａ〜１Ｍｐａ（約０．１〜１０気圧）のガス雰囲気中においてプラズマを発生させて、除去加工を行うプラズマＣＶＭ法又は成膜を行うプラズマＣＶＤ法に使用するプラズマ処理方法及びその装置であって、プラズマＣＶＭの場合には最小加工痕が、プラズマＣＶＤの場合には最小成膜部が軸対称となるようにした回転電極を用いたプラズマ処理方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明は、前述の課題解決のために、反応ガス及び不活性ガスを含むガス雰囲気中に回転電極とワークとを配設し、該ワークと回転電極をＸＹ軸方向へ相対的に走査するとともに、Ｚ軸方向の回転軸を有する前記回転電極とワークとの間に所定のギャップを形成するように該回転電極とワークをＺ軸方向へ相対的に変位させ、前記回転電極を回転させて前記ギャップ近傍に渦流を形成するとともに、該回転電極に高周波電圧を印加して前記ギャップでプラズマを発生し、反応ガスに基づいて生成した中性ラジカルを用いてワーク表面を加工又はワーク表面に成膜してなる回転電極を用いたプラズマ処理方法を提供する（請求項１）。

また、本発明の回転電極を用いたプラズマ処理方法は、前記反応ガスに基づく中性ラジカルと前記ワークを構成する原子又は分子とのラジカル反応によって生成した揮発性物質を気化させて除去し且つ回転電極とワークとを相対的に変位させて加工を進行する（請求項２）。あるいは、前記反応ガスに基づく中性ラジカルを前記ワークの表面に堆積させて且つ回転電極とワークとを相対的に変位させて成膜するものである（請求項３）。

そして、前記回転電極の表面に、前記ギャップの方向へのガス流を形成するためのスクリュー形状の凹溝若しくは突条を形成してなること（請求項４）、前記回転電極の上部に、前記ギャップの方向へのガス流を形成するためのプロペラを設けてなること（請求項５）、前記回転電極の上部に、前記ギャップの方向へのガス流を形成するためのガス供給ノズルを設けてなること（請求項６）が好ましく、更にこれらを併用することも可能である。

また、本発明は、気密チャンバー内に配したワーク保持台をＸ軸駆動機構とＹ軸駆動機構とでＸＹ軸方向へ駆動するとともに、前記ワーク保持台に保持したワークに対面して配したＺ軸方向の回転軸を有する回転電極を、Ｚ軸駆動機構で該ワーク保持台の移動面に直交したＺ軸方向へ駆動して、前記回転電極とワークとの間に所定のギャップを形成し、前記チャンバー内に反応ガス及び不活性ガスを供給するガス供給手段を備えるとともに、前記回転電極に高周波電圧を印加する電力供給手段を備えてなる回転電極を用いたプラズマ処理装置を構成した（請求項７）。

又は、回転電極とワークとを内部に配設するとともに、反応ガス及び不活性ガスを含む雰囲気ガスを密封若しくは循環させ得るチャンバーと、前記回転電極へ高周波電圧を印加する電力供給手段と、前記回転電極とワークとの間に所定のギャップを形成するとともに、前記回転電極とワークとを相対的に変位させる駆動機構と、前記回転電極を前記ワークの表面に略垂直な回転軸にて回転させる回転駆動機構と、を少なくとも備え、前記回転電極に高周波電圧を印加して前記ギャップでプラズマを発生し、反応ガスに基づいて生成した中性ラジカルを用いてワーク表面を加工又はワーク表面に成膜してなる回転電極を用いたプラズマ処理装置を構成した（請求項８）。

以上にしてなる本発明の回転電極を用いたプラズマ処理方法及びその装置は、回転電極の回転軸がＺ軸方向に一致しているので、ワークと回転電極との間に渦巻き流が発生し、プラズマＣＶＭの場合には最小加工痕が、プラズマＣＶＤの場合には最小成膜部が軸対称となるので、高精度な形状精度で加工を行うことができ、また均質な連続成膜を行うことができるのである。

先ず、図１に基づいて本発明の回転電極を用いたプラズマ処理方法を説明する。本発明の回転電極を用いたプラズマ処理方法は、反応ガス及び不活性ガスを含むガス雰囲気中に回転電極２００とワーク２０１とを配設し、該ワーク２０１と回転電極２００をＸＹ軸方向へ相対的に走査するとともに、Ｚ軸方向の回転軸２０２を有する前記回転電極２００とワーク２０１との間に所定のギャップ２０３を形成するように該回転電極２００とワーク２０１をＺ軸方向へ相対的に変位させ、前記回転電極２００を回転させて前記ギャップ近傍に渦流を形成するとともに、該回転電極２００に高周波電圧を印加して前記ギャップ２０３でプラズマを発生し、反応ガスに基づいて生成した中性ラジカルを用いてワーク表面を加工又はワーク表面に成膜するものである。ここで、図中符号２０４は、ＸＹテーブルからなるワーク保持台、２０５は単位加工痕を示している。前記回転電極２００とワーク保持台２０４は、数値制御によってＸＹＺ軸方向へ相対的に変位させ、ワーク２０１の表面を任意曲面に加工し、また任意曲面のワーク２０１の表面に成膜をするのである。

つまり、本発明の回転電極を用いたプラズマ処理方法は、前記反応ガスに基づく中性ラジカルと前記ワーク２０１を構成する原子又は分子とのラジカル反応によって生成した揮発性物質を気化させて除去し且つ回転電極２００とワーク２０１とを相対的に変位させて加工を進行するのである。あるいは、前記反応ガスに基づく中性ラジカルを前記ワーク２０１の表面に堆積させて且つ回転電極２００とワーク２０１とを相対的に変位させて成膜するのである。

そして、図示しないが、前記回転電極２００の表面に、前記ギャップ２０３の方向へのガス流を形成するためのスクリュー形状の凹溝若しくは突条を形成してなること、前記回転電極２００の上部に、前記ギャップ２０３の方向へのガス流を形成するためのプロペラを設けてなること、前記回転電極２００の上部に、前記ギャップ２０３の方向へのガス流を形成するためのガス供給ノズルを設けてなることが好ましい。更に、これらの手段を併用することも可能である。

次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図２は本発明のプラズマ処理装置の正面（Ｙ軸方向）から見た全体縦断面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は図２のＢ−Ｂ線断面図を示し、図中符号１はベース体、２はチャンバー、３はＺ軸支持台、４はＸ軸駆動機構、５はＹ軸駆動機構、６はＺ軸駆動機構、７はワーク保持台、８はヘッド取付部、９は処理ヘッド、１０は半同軸型空洞共振器をそれぞれ示している。

本発明のプラズマ処理装置は、超清純な雰囲気中で一切の汚染を排除してワークを加工又は成膜処理するために使用するものであり、具体的には、大気圧近傍のガス雰囲気中においてプラズマを発生させて、反応ガスに基づく中性ラジカルを生成し、ワークの表面原子又は分子を除去して加工を行い又はワークの表面に堆積させて成膜を行うのである。本発明のプラズマ処理装置は、Ｘ軸駆動機構４、Ｙ軸駆動機構５、Ｚ軸駆動機構６として、大きな移動量と高速移動が可能でしかも汎用的なボールねじを用いた送りねじ機構を採用するが、摺動部や駆動部、ＡＣサーボモータ等のパーティクルや有機物を発生させる部位を金属製、好ましくはステンレス製のベローズやカバーで外被してチャンバー２内の処理空間から完全に隔離し、また駆動によって体積が変化する部分は大気開放して動作に支障がないようにしている。

ここで、プラズマプロセスを伴うプラズマＣＶＭやプラズマＣＶＤでは、前記処理空間内には不活性ガスや反応ガスからなる雰囲気ガスが大気圧近傍の圧力（１０ｋＰａ〜１Ｍｐａ）で存在しているが、これらの雰囲気ガス中に駆動機構の摺動部等で発生するパーティクルや有機物が混入しないようにし、制御された環境を作っている。本実施形態では、前記ワーク保持台７のＸ軸方向のストロークは８００ｍｍ、Ｙ軸方向のストロークは４００ｍｍとし、また前記ヘッド取付部８のＺ軸方向のストロークは３００ｍｍとしている。前記ヘッド取付部８には、プラズマＣＶＭやプラズマＣＶＤでは、高周波電力を供給できる回転電極型等の処理ヘッド９が取付けられ、処理の種類に応じて変更できるようにしている。そして、Ｚ軸駆動機構６によってワーク保持台７に固定したワーク表面と処理ヘッド９の先端とのギャップを調整しつつ、Ｘ軸駆動機構４及びＹ軸駆動機構５によってＸＹ軸方向へワークと処理ヘッド９の相対位置を変化させて走査し、ワーク表面の特定位置に対する処理ヘッド９の平均滞在時間を調節して任意曲面を数値制御（ＮＣ）加工若しくは成膜することができる。

本発明に使用するプラズマ処理装置は、ベース体１の上に気密チャンバー２を設置し、該チャンバー２内に配したワーク保持台７をＸ軸駆動機構４とＹ軸駆動機構５とでＸＹ軸方向に駆動するとともに、前記ワーク保持台７に対面して配した処理ヘッド９をＺ軸駆動機構６で該ワーク保持台７の移動面に直交したＺ軸方向に駆動し、ワーク保持台７に固定したワークを処理ヘッド９で処理してなるプラズマ処理装置であって、前記Ｘ軸駆動機構４とＹ軸駆動機構５はそれぞれ少なくとも一対の平行な案内部材とその中間に平行に配した駆動部材とを備え、前記Ｙ軸駆動機構５を構成するＹ軸案内部材１１，１１とＹ軸駆動部材１２の両端を前記チャンバー２の側壁１３を貫通させて前記ベース体１に固定するとともに、該Ｙ軸案内部材１１の中間部にＹ軸方向にスライド可能にＸ軸保持体１４を装着し、該Ｙ軸駆動部材１２の中間部にＹ軸方向に駆動するＹ軸駆動体１５を有し、また前記Ｘ軸駆動機構４を構成するＸ軸案内部材１６，１６とＸ軸駆動部材１７の両端を両Ｘ軸保持体１４，１４に固定するとともに、該Ｘ軸案内部材１６の中間部にＸ軸方向にスライド可能にＸ軸移動体１８を装着し、該Ｘ軸駆動部材１７の中間部にＸ軸方向へ駆動するＸ軸駆動体１９を有し、前記Ｙ軸駆動体１５を両Ｘ軸保持体１４，１４間に渡設した連動部材２０の中間に連結するとともに、前記Ｘ軸駆動体１９とＸ軸移動体１８，１８を前記ワーク保持台７に連結し、前記各案内部材及び駆動部材の露出部を全て金属製ベローズ２１で外被して、Ｘ軸駆動機構４とＹ軸駆動機構５の摺動部や駆動部をチャンバー２内の処理空間と区画したものである。同様に、前記Ｚ軸駆動機構６の摺動部を金属製ベローズ２１で外被してチャンバー２内の処理空間と区画している。

更に詳しくは、前記ベース体１は、縦（Ｘ軸方向の寸法）が３５００ｍｍ、横（Ｙ軸方向の寸法）が１８００ｍｍ、厚さ（Ｚ軸方向の寸法）が２００ｍｍのアルミニウム製の定盤である。このベース体１の上面に、内寸で縦３３４０ｍｍ、横１０５０ｍｍ、高さ４００ｍｍの上下開口したチャンバー胴体２２を気密状態で固定し、該チャンバー胴体２２の上に四角錐台形状のチャンバーカバー２３を気密状態に着脱可能に被せて連結し、前記チャンバー２を形成する。ここで、前記ベース体１の上面からチャンバーカバー２３の上面までの高さは１０００ｍｍである。更に、前記チャンバーカバー２３の上面の中央部には上方へ円筒形のＺ軸導入部２４を取付け、該Ｚ軸導入部２４の上端にはカバーを兼ねた半同軸型空洞共振器１０を設けている。ここで、前記チャンバー胴体２２、チャンバーカバー２３及びＺ軸導入部２４はＳＵＳ製であり、半同軸型空洞共振器１０はアルミニウム製である。

前記Ｘ軸駆動機構４とＹ軸駆動機構５は、前記チャンバー胴体２２に内蔵し、前記Ｚ軸駆動機構６は、前記チャンバー２を跨ぐように前記ベース体１の上面に固定したＺ軸支持台３に取付け、その下部を前記半同軸型空洞共振器１０の中心を貫通させてチャンバー２内に引き込んでいる。前記Ｚ軸支持台３は、前記ベース体１の上面に固定した４本のＳＵＳ製パイプからなる脚杆２５，…の上端に、アルミニウム製のＺ軸ベース体２６を水平に固定したものである。前記脚杆２５は外形１１４．３ｍｍ、肉厚が４ｍｍで、前記Ｚ軸ベース体２６は縦横１１５０ｍｍ×１１５０ｍｍ、厚さ９６ｍｍであり、Ｚ軸支持台３の剛性を充分に高かめている。更に、前記Ｚ軸支持台３は、４本の脚杆２５，…を同一角度で内向きに傾斜させ、対称な形状にしているため、剛性を高めるとともに、熱的安定性も高めている。

本発明に係るプラズマ処理装置において、前記Ｙ軸駆動機構５は前記ベース体１の上面を基準とし、前記Ｚ軸駆動機構６は前記ベース体１の上面に直接固定したＺ軸支持台３のＺ軸ベース体２６を基準として取付けているので、チャンバー２の精度に影響されず、高い位置決め精度を達成している。

前記チャンバー胴体２２の側壁１３には、主排気用の排気ポート２７と、粗引き用、作動流体（反応ガスと不活性ガス）の循環用、真空計装着用等の種々の目的に使用するポート２８，…を複数個設けている。また、前記チャンバーカバー２３の対面した傾斜面には、ワークの出し入れ用、内部のメンテナンス用のために開閉可能なハッチ２９，２９をそれぞれ設けている。また、前記ハッチ２９の中央部には内部を観察可能な観察窓３０を設けるとともに、上面には斜め上方からワークを見下ろすことが可能な観察ポート３１，３１を設けている。また、図２及び図３には、前記処理ヘッド９をヘッド取付部８に対して着脱する際に、前記ハッチ２９を通過させて行うが、そのためにチャンバー２内に支持脚３２，…で支持され一端部がチャンバー２外まで伸びたガイド部材３３を着脱可能に設け、該ガイド部材３３に載置した処理ヘッド９をチャンバー２の内外へ簡単に移動できるようにしている。

次に、駆動機構を中心として各部の詳細を更に説明する。先ず、図２〜図９に基づいてＹ軸駆動機構５を説明する。前記Ｙ軸案内部材１１は、図７に示すように、直径６０ｍｍの中実若しくはパイプ状のシャフトであり、両端部を前記チャンバー胴体２２の側壁１３，１３に設けた導出ポート３４，３４を貫通させ、前記ベース体１の上面にブロック台３５，３５で固定する。このブロック台３５は、前記ベース体１の上面に固定する台座部３５Ａと該台座部３５Ａとの間にＹ軸案内部材１１の端部を挟持して固定する押え部３５Ｂとからなっている。そして、前記Ｙ軸案内部材１１の中間部には、ブロック状の前記Ｘ軸保持体１４をその下部に形成した貫通孔３６内の両端部に装着したリニアブッシュ３７，３７にてＹ軸方向へ移動可能として設けている。そして、前記Ｙ軸案内部材１１の露出部を、互にフランジ板３８にて連結した複数のベローズ２１，…で外覆し、一端部のベローズ２１を前記導出ポート３４の内面に連結するとともに、他端部のベローズ２１を前記Ｘ軸保持体１４の側端面に連結している。前記フランジ板３８はリング状の円板であり、外径はベローズ２１の外径と同等か若干小さく設定している。そして、前記フランジ板３８の内周部には四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）製のリング状スライダー３９を取付けて前記Ｙ軸案内部材１１に接触させ、前記ベローズ２１の撓みを防止している。また、前記Ｙ軸案内部材１１は導出ポート３４の開口を接触しないように貫通させ、前記チャンバー２の寸法誤差や温度の変化による材料の伸縮が多少生じても影響がないようにしている。ここで、前記Ｘ軸保持体１４がＹ軸方向へ移動すると、該Ｘ軸保持体１４の両側にあるベローズ２１，…で囲まれる空間の体積が増減するが、このように前記導出ポート３４で大気開放するか、あるいはＸ軸保持体１４の貫通孔３６で連通させることにより、前記Ｘ軸保持体１４の移動に際して抵抗力を極力低下させることが可能である。

また、図６、図８及び図９に示すように、前記Ｙ軸駆動部材１２は、駆動シャフト４０と、該駆動シャフト４０の先端部を回動可能に支持する支持軸４１と、該駆動シャフト４０の基端側を貫通させて回転可能に支持する支持パイプ４２とからなり、前記駆動シャフト４０の端部を前記ベース体１の上面に取付けたＹ軸駆動モータ４３で回転させ、該駆動シャフト４０の一部で前記支持軸４１と支持パイプ４２との間に設けたボールねじ４４に対して螺合した前記Ｙ軸駆動体１５のボールナット４５が進退することで、当該Ｙ軸駆動体１５をＹ軸方向へ移動させるのである。

前記支持軸４１は、一端部を前記チャンバー胴体２２の側壁１３に設けた導出ポート３４から外部に貫通させてブロック台３５にてベース体２の上面に固定し、また同様に前記支持パイプ４２は、一端部を前記チャンバー胴体２２の側壁１３に設けた導出ポート３４から外部に貫通させてブロック台３５にてベース体２の上面に固定している。そして、前記駆動シャフト４０は、前記ボールねじ４４の基端側と先端側にそれぞれ縮径部４６とねじ部４７を形成し、基端側の縮径部４６には二つのアンギュラベアリング４８，４８を背面組合せに配置し、その間に内外輪にそれぞれ当接するように円筒状のスペーサ４９，５０を介在させて、前記ねじ部４７に固定ナット５１を螺合してボールねじ４４と縮径部４６の段差部に圧接して取付け、一方、先端側の縮径部４６には二つのアンギュラベアリング４８，４８を並列組合せに配置し、その間に内外輪にそれぞれ当接するように円筒状のスペーサ４９，５０を介在させて、前記ねじ部４７に固定ナット５１を螺合してボールねじ４４と縮径部４６の段差部に圧接して取付けている。そして、前記支持パイプ４２を貫通させた駆動シャフト４０の基端側のアンギュラベアリング４８，４８を該支持パイプ４２のチャンバー内側端部に設けた拡径孔部５２内に嵌合するとともに、該支持パイプ４２の端面に固定リング５３をねじ止めして両アンギュラベアリング４８，４８の外輪を挟持して軸方向に移動不能に取付けている。また、前記駆動シャフト４０の先端側のアンギュラベアリング４８，４８を前記支持軸４１の端部に形成した軸孔５４内に嵌挿するとともに、該支持軸４１の端面に保持リング５５を、コイルばね５６を巻装した押えねじ５７で弾性的に保持し、温度変化によって該駆動シャフト４０等が伸縮するのを吸収できるようにしている。

また、前記駆動シャフト４０のチャンバー外側端部は前記支持パイプ４２から突出し、その外側に取付けた前記Ｙ軸駆動モータ４３に継手５８にて回転を伝達できるように連結している。尚、前記Ｙ軸駆動モータ４３で発生する微小な振動を前記駆動シャフト４０に伝達しないようにするため、前記継手５８としてはマグネットカップリング等の非接触タイプのものを使用することも好ましい。また、前記Ｙ軸駆動モータ４３は、前記駆動シャフト４０のボールねじ４４に螺合したボールナット４５の送り量を微小且つ正確に制御するためＡＣサーボモータ等の回転速度をパルス制御できるものを使用する。

前記Ｙ軸駆動体１５は、ブロック体５９に貫通孔を形成し、該貫通孔に前記ボールナット４５を固定するとともに、該ブロック体５９の両側端に同軸状に円筒体６０，６０を連結したものである。そして、前記導出ポート３４の内面と円筒体５９との間であって、前記支持軸４１及び支持パイプ４２を互にフランジ板６１を介して直列に連結した複数のベローズ２１，…で外覆している。前記フランジ板６１はリング状の円板であり、外径はベローズ２１の外径と同等か若干小さく設定している。そして、対面する一対の前記導出ポート３４，３４間に、平行に２本の支持棒６２，６２を張設し、該支持棒６２，６２は前記Ｙ軸駆動体１５のブロック体５９を貫通し、両円筒体６０，６０の内部を通過し、各フランジ板６１，…に設けたリニアブッシュ６３，…を貫通し、該支持棒６２，６２で各ベローズ２１，…の荷重を支持している。ここでは、前記各ベローズ２１，…の荷重が、前記ブロック体５９を介してボールナット４５とボールねじ４４に加わらないように配慮している。

また、前記Ｘ軸駆動機構４は、図２、図４、図５及び図７に示すように、基本構造は前述のＹ軸駆動機構５と同様である。前記Ｘ軸案内部材１６は、前記両Ｘ軸保持体１４，１４に固定する２本の固定パイプ６４，６４と、その中間に渡設する直径５０ｍｍのシャフト６５とからなる。そして、前記Ｘ軸保持体１４の上部に等間隔で三つの固定孔６６，…を形成し、両端部の固定孔６６に前記固定パイプ６４の基端部を焼嵌め若しくは圧入してリジットに連結し、相対向する両固定パイプ６４，６４の先端部に前記シャフト６５の一端部を焼嵌めし、他端部を嵌入して連結する。また、前記Ｘ軸移動体１８は、前記シャフト６５に挿通した円筒状のスリーブ６７の孔内両端部に、該シャフト６５を摺動するリニアブッシュ６８，６８を設けて構成している。そして、前記Ｘ軸保持体１４の側端面とスリーブ６７との間であって、前記Ｘ軸案内部材１６の固定パイプ６４及びシャフト６５を互にフランジ板６９を介して直列に連結した複数のベローズ２１，…で外覆している。前記フランジ板６９はリング状の円板であり、外径はベローズ２１の外径と同等か若干小さく設定し、内周は前記固定パイプ６４及びシャフト６５に接触しないようにしている。

前記Ｘ軸駆動部材１７は、前記Ｙ軸駆動部材１２と長さが異なるだけで、構造は全く同一であり、またＸ軸駆動体１９も前記Ｙ軸駆動体１５と長さが異なるだけで、構造は全く同一である。つまり、前記Ｘ軸駆動部材１７は、駆動シャフト７０と、該駆動シャフト７０の先端部を回動可能に支持する支持軸７１と、該駆動シャフト７０の基端側を貫通させて回転可能に支持する支持パイプ７２とからなり、前記駆動シャフト７０の端部を一方の前記Ｘ軸保持体１４の外側面に取付けたＸ軸駆動モータ７３で回転させ、該駆動シャフト７０の一部で前記支持軸７１と支持パイプ７２との間に設けたボールねじ７４に対して螺合した前記Ｘ軸駆動体１９のボールナット７５が進退することで、当該Ｘ軸駆動体１９をＸ軸方向へ移動させるのである。ここで、前記支持軸７１と支持パイプ７２とは、前記Ｘ軸保持体１４の中間部の固定孔６６にその基端部を焼嵌め若しくは圧入してリジットに連結している。

前記Ｘ軸駆動体１９は、ブロック体７６に貫通孔を形成し、該貫通孔に前記ボールナット７５を固定するとともに、該ブロック体７６の両側端に同軸状に円筒体７７，７７を連結したものである。そして、前記Ｘ軸保持体１４の内側面と円筒体７７との間であって、前記支持軸７１及び支持パイプ７２を互にフランジ板７８を介して直列に連結した複数のベローズ２１，…で外覆している。前記フランジ板７８はリング状の円板であり、外径はベローズ２１の外径と同等か若干小さく設定している。そして、対面する前記Ｘ軸保持体１４，１４間に、平行に２本の支持棒７９，７９を張設し、該支持棒７９，７９は前記Ｘ軸駆動体１９のブロック体７６を貫通し、両円筒体７７，７７の内部を通過し、各フランジ板７８，…に設けたリニアブッシュ８０，…を貫通し、該支持棒７９，７９で各ベローズ２１，…の荷重を支持している。ここでは、前記各ベローズ２１，…の荷重が、前記ブロック体７６を介してボールナット７６とボールねじ７５に加わらないように配慮している。それから、図１０に示すように、前記Ｘ軸駆動部材１７におけるフランジ板７８の上端と、その両側の前記Ｘ軸案内部材１６，１６におけるフランジ板６９，６９の上端間を吊支部材８１で連結し、Ｘ軸駆動機構４における全てのベローズ２１，…の荷重を前記支持棒７９，７９で支持し、前記Ｘ軸案内部材１６とＸ軸駆動部材１７にベローズ２１，…の荷重が加わらないようにしている。

前記Ｘ軸保持体１４，１４の下面間には薄板状の前記連動部材２０を渡設し、該連動部材２０の中央部を前記Ｙ軸駆動体１５に連結部材８２を介して固定している。更に、両Ｘ軸保持体１４，１４の上部側面間には厚板状の補強板８３，８３を渡設し、両Ｘ軸保持体１４，１４とＸ軸案内部材１６，１６とで構成されるＸ軸駆動機構４のフレーム構造の剛性を高めている。そして、図１１に示すように、前記ワーク保持台７の下面と、前記Ｘ軸移動体１８及びＸ軸駆動体１９とを連結するが、一方のＸ軸移動体１８とワーク保持台７を連結ブロック８４によって固定するとともに、他方のＸ軸移動体１８及びＸ軸駆動体１９とワーク保持台７とは、板面をＸ軸方向に向けた複数の板ばね８４Ａ，…で連結している。ここで、前記Ｘ軸駆動体１９は、連結ブロック８４、板ばね８４，…、Ｘ軸移動体１８を介してＸ軸案内部材１６，１６で支持されている。

また、図１２に示すように、前記Ｘ軸保持体１４の外側面にＸ軸駆動モータ７３を取付け、該Ｘ軸駆動モータ７３と前記固定孔６６，…に出現した前記Ｘ軸案内部材１６，１６の端部を全て覆うように箱型のカバー８５を設け、また該カバー８５からは前記Ｘ軸駆動モータ７３を駆動制御するケーブルを引き出すための保護パイプ８６を側方へ延設し、該保護パイプ８６を前記チャンバー胴体２２の側壁１３に設けた導出ポート８７を貫通させている。尚、処理ヘッド９に高周波電力を投入するプラズマＣＶＭやプラズマＣＶＤ等では、高周波からＸ軸駆動モータ７３を保護するために、前記カバー８５を金属製で作成することが必要である。更に、前記カバー８５の側面と導出ポート８７の内面間で、前記保護パイプ８６を外覆するように、複数のベローズ８８，…をフランジ板８９を介して連結して取付け、前記カバー８５内を大気開放している。更に、前記固定パイプ６４，６４と支持パイプ７２の端部は前記カバー８５内に連通しているので、積極的にベローズ２１，…内の空間と連通させるために、前記固定パイプ６４に通気孔９０を設けている。尚、他方のＸ軸保持体１４の外側面にも前記固定パイプ６４，６４と支持パイプ７２の端部が開放しているので、この外側面には気密カバー９１を取付けている。このように、Ｘ軸駆動機構４におけるベローズ２１，…内を大気開放することによって、前記Ｘ軸移動体１８及びＸ軸駆動体１９のＸ軸方向への移動に際して、移動方向前後のベローズ２１，…内の容積が変化しても大きな抵抗にはならないのである。

また、前記両Ｘ軸保持体１４，１４の間隔は２４００ｍｍもあるので、剛性の高いＸ軸案内部材１６，１６を使用しても、該案内部材１６の自重や、前記Ｘ軸移動体１８、Ｘ軸駆動体１９及びワーク保持台７、更にはワーク自体の重量のため、僅かではあるが前記Ｘ軸案内部材１６，１６が下方へ撓む恐れがある。そのため、本実施形態では、図１３に示すように、前記Ｘ軸移動体１８と補強板８３の取付部分において、該Ｘ軸移動体１８の上端部に対して補強板８３の上端部をジャッキボルト９２で押圧することで、前記Ｘ軸案内部材１６，１６を上方へ反らせる向きにプレテンションを掛けることができるようにしている。このＸ軸案内部材１６，１６に掛けたプレテンションでワーク保持台７等の荷重を相殺するのである。

次に、図２、図３、図１４及び図１５に基づいて、Ｚ軸駆動機構６を説明する。このＺ軸駆動機構６は、前記Ｚ軸支持台３に固定部９３を取付け、可動部９４を前記Ｚ軸導入部２４からチャンバー２の内部に引き込み、該チャンバー２内に位置する前記可動部９４を複数のＳＵＳ製のベローズ９５，…で外覆し、摺動部で発生するパーティクルや有機物がチャンバー２内に混入することを防止している。具体的には、前記固定部９３は、前記Ｚ軸支持台３を構成するＺ軸ベース体２６の中央部に上下貫通形成した取付孔９６に、円筒状の固定スリーブ９７の下半縮径部を上方から嵌合固定するとともに、該固定スリーブ９７の上部に筒状の保高部９８を固定し、更に該保高部９８の上面に継手ボックス９９を介してＺ軸駆動モータ１００を垂直に取付けて構成している。そして、前記可動部９４は、前記固定スリーブ９７の中心貫通孔１０１内の上下部に内挿したボールスプライン外筒１０２，１０２で上下摺動案内されたスプライン軸からなるパイプ状のＺ軸駆動体１０３と、前記半同軸型空洞共振器１０又は上蓋の中央部に開口した挿通孔１０４からチャンバー２内に引き込まれた該Ｚ軸駆動体１０３の下端に設けたヘッド取付部８とで構成している。そして、前記保高部９８の上面部に、一対の背面組合せのアンギュラベアリング１０５，１０５にて定位置回動可能に保持して垂設したＺ軸駆動部材１０６のボールねじ１０７を、前記Ｚ軸駆動体１０３の上端部に固定したボールナット１０８に螺合するとともに、Ｚ軸駆動部材１０６の上端を前記継手ボックス９９内でＺ軸駆動モータ１００に継手１０９にて連結し、該Ｚ軸駆動モータ１００の回転駆動によって前記Ｚ軸駆動体１０３を昇降させるのである。

ここで、前記Ｚ軸駆動モータ１００は、前記Ｚ軸駆動部材１０６のボールねじ１０７に螺合したボールナット１０８の送り量を微小且つ正確に制御するためＡＣサーボモータ等の回転速度をパルス制御できるものを使用する。また、前記Ｚ軸駆動体１０３の内部には、前記処理ヘッド９に接続するためのケーブル１１０やチューブを挿通するが、前記Ｚ軸駆動体１０３の内部に進入している前記Ｚ軸駆動部材１０６のボールねじ１０７に接触しないようにするため、該ボールねじ１０７の下部を保護パイプ１１１で外覆している。そして、前記チャンバー２内に引き込まれた前記Ｚ軸駆動体１０３の下部は、前記半同軸型空洞共振器１０又は上蓋の下面と前記ヘッド取付部８との間に互に円板状のフランジ板１１２で連結した複数の前記ベローズ９５，…で外覆している。全てのベローズ９５，…が均一に伸縮するように、各フランジ板１１２，１１２間及び最上段のフランジ板１１２と前記半同軸型空洞共振器１０又は上蓋の下面との間、最下段のフランジ板１１２と前記ヘッド取付部８との間に、引張りコイルばね１１３を介装し、ベローズ９５のばね定数を高めている。

最後に、本発明のプラズマ処理装置をプラズマＣＶＭやプラズマＣＶＤとして使用する場合には、前記処理ヘッド９として、図１４に示すように、ヘッド容器１１４の下端にシャフト１１５を回転可能に取付け、その下端に回転電極１１６を着脱可能に取付けるとともに、ヘッド容器１１４の内部に電極駆動モータ１１７を配置して前記シャフト１１５を回転駆動するようにしたものを用いる。この回転電極１１６と前記ワーク保持台７に固定したワークとの間のギャップをＺ軸駆動機構６にて５０〜１０００μｍ程度に維持しながら、前記半同軸型空洞共振器１０から例えば１５０ＭＨｚの高周波電力を回転電極１１６に印加し、前記Ｘ軸駆動機構４とＹ軸駆動機構５とで回転電極１１６に対してワークをＸＹ平面上で移動させて加工若しくは成膜を行うのである。ここで、前記回転電極１１６は、その回転軸がＺ軸方向に一致しているので、ワークと回転電極１１６との間に渦巻き流が発生し、プラズマＣＶＭの場合には最小加工痕が、プラズマＣＶＤの場合には最小成膜部が軸対称となるので、高精度な形状精度で加工、成膜を行うことが可能となる。

本発明の回転電極を用いたプラズマ処理方法の簡略説明図である。 本発明のプラズマ処理装置の正面（Ｙ軸方向）から見た全体縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 Ｘ軸案内部材に沿って破断して示した部分断面図である。 Ｙ軸駆動部材に沿って破断して示した部分縦断面図である。 Ｙ軸案内部材とＸ軸案内部材の部分断面を示し、（ａ）は部分横断面図、（ｂ）はＹ軸案内部材をベース体に固定するブロック台の縦断面図である。 （ａ）はＹ軸駆動部材に沿って破断して示した部分横断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線拡大断面図である。 Ｙ軸駆動部材の部分拡大断面図である。 Ｘ軸駆動機構におけるベローズの支持構造を示す拡大断面図である。 Ｘ軸駆動機構とワーク保持台の関係を示す部分拡大断面図である。 Ｘ軸駆動モータに接続するケーブルの引き出し構造を示す部分断面図である。 Ｘ軸駆動機構における撓み調整機構を示す拡大断面図である。 Ｚ軸駆動機構を示す部分縦断面図である。 Ｚ軸駆動機構の拡大縦断面図である。

符号の説明

２００ 回転電極 ２０１ ワーク
２０２ 回転軸 ２０３ ギャップ
２０４ ワーク保持台 ２０５ 単位加工痕
１ ベース体 ２ チャンバー
３ Ｚ軸支持台 ４ Ｘ軸駆動機構
５ Ｙ軸駆動機構 ６ Ｚ軸駆動機構
７ ワーク保持台 ８ ヘッド取付部
９ 処理ヘッド １０ 半同軸型空洞共振器
１１ Ｙ軸案内部材 １２ Ｙ軸駆動部材
１３ 側壁 １４ Ｘ軸保持体
１５ Ｙ軸駆動体 １６ Ｘ軸案内部材
１７ Ｘ軸駆動部材 １８ Ｘ軸移動体
１９ Ｘ軸駆動体 ２０ 連動部材
２１ ベローズ ２２ チャンバー胴体
２３ チャンバーカバー ２４ Ｚ軸導入部
２５ 脚杆 ２６ Ｚ軸ベース体
２７ 排気ポート ２８ ポート
２９ ハッチ ３０ 観察窓
３１ 観察ポート ３２ 支持脚
３３ ガイド部材 ３４ 導出ポート
３５ ブロック台 ３６ 貫通孔
３７ リニアブッシュ ３８ フランジ板
３９ スライダー ４０ 駆動シャフト
４１ 支持軸 ４２ 支持パイプ
４３ Ｙ軸駆動モータ ４５ ボールナット
４６ 縮径部 ４７ ねじ部
４８ アンギュラベアリング ４９ スペーサ
５０ スペーサ ５１ 固定ナット
５２ 拡径孔部 ５３ 固定リング
５４ 軸孔 ５５ 保持リング
５８ 継手 ５９ ブロック体
５９ 円筒体 ６０ 円筒体
６１ フランジ板 ６２ 支持棒
６３ リニアブッシュ ６４ 固定パイプ
６５ シャフト ６６ 固定孔
６７ スリーブ ６８ リニアブッシュ
６９ フランジ板 ７０ 駆動シャフト
７１ 支持軸 ７２ 支持パイプ
７３ Ｘ軸駆動モータ ７５ ボールナット
７６ ブロック体 ７６ ボールナット
７７ 円筒体 ７８ フランジ板
７９ 支持棒 ８０ リニアブッシュ
８１ 吊支部材 ８２ 連結部材
８３ 補強板 ８４ 板ばね
８５ カバー ８６ 保護パイプ
８７ 導出ポート ８８ ベローズ
８９ フランジ板 ９０ 通気孔
９１ 気密カバー ９２ ジャッキボルト
９３ 固定部 ９４ 可動部
９５ ベローズ ９６ 取付孔
９７ 固定スリーブ ９８ 保高部
９９ 継手ボックス １００ Ｚ軸駆動モータ
１０１ 貫通孔 １０２ ボールスプライン外筒
１０３ Ｚ軸駆動体 １０４ 挿通孔
１０５ アンギュラベアリング １０６ Ｚ軸駆動部材
１０８ ボールナット １０９ 継手
１１０ ケーブル １１１ 保護パイプ
１１２ フランジ板 １１３ 引張りコイルばね
１１４ ヘッド容器 １１５ シャフト
１１６ 回転電極 １１７ 電極駆動モータ

Claims (8)

1. 反応ガス及び不活性ガスを含むガス雰囲気中に回転電極とワークとを配設し、該ワークと回転電極をＸＹ軸方向へ相対的に走査するとともに、Ｚ軸方向の回転軸を有する前記回転電極とワークとの間に所定のギャップを形成するように該回転電極とワークをＺ軸方向へ相対的に変位させ、前記回転電極を回転させて前記ギャップ近傍に渦流を形成するとともに、該回転電極に高周波電圧を印加して前記ギャップでプラズマを発生し、反応ガスに基づいて生成した中性ラジカルを用いてワーク表面を加工又はワーク表面に成膜してなることを特徴とする回転電極を用いたプラズマ処理方法。
2. 前記反応ガスに基づく中性ラジカルと前記ワークを構成する原子又は分子とのラジカル反応によって生成した揮発性物質を気化させて除去し且つ回転電極とワークとを相対的に変位させて加工を進行してなる請求項１記載の回転電極を用いたプラズマ処理方法。
3. 前記反応ガスに基づく中性ラジカルを前記ワークの表面に堆積させて且つ回転電極とワークとを相対的に変位させて成膜してなる請求項１記載の回転電極を用いたプラズマ処理方法。
4. 前記回転電極の表面に、前記ギャップの方向へのガス流を形成するためのスクリュー形状の凹溝若しくは突条を形成してなる請求項１〜３何れかに記載の回転電極を用いたプラズマ処理方法。
5. 前記回転電極の上部に、前記ギャップの方向へのガス流を形成するためのプロペラを設けてなる請求項１〜３何れかに記載の回転電極を用いたプラズマ処理方法。
6. 前記回転電極の上部に、前記ギャップの方向へのガス流を形成するためのガス供給ノズルを設けてなる請求項１〜３何れかに記載の回転電極を用いたプラズマ処理方法。
7. 気密チャンバー内に配したワーク保持台をＸ軸駆動機構とＹ軸駆動機構とでＸＹ軸方向へ駆動するとともに、前記ワーク保持台に保持したワークに対面して配したＺ軸方向の回転軸を有する回転電極を、Ｚ軸駆動機構で該ワーク保持台の移動面に直交したＺ軸方向へ駆動して、前記回転電極とワークとの間に所定のギャップを形成し、前記チャンバー内に反応ガス及び不活性ガスを供給するガス供給手段を備えるとともに、前記回転電極に高周波電圧を印加する電力供給手段を備えたことを特徴とする回転電極を用いたプラズマ処理装置。
8. 回転電極とワークとを内部に配設するとともに、反応ガス及び不活性ガスを含む雰囲気ガスを密封若しくは循環させ得るチャンバーと、
   前記回転電極へ高周波電圧を印加する電力供給手段と、
   前記回転電極とワークとの間に所定のギャップを形成するとともに、前記回転電極とワークとを相対的に変位させる駆動機構と、
   前記回転電極を前記ワークの表面に略垂直な回転軸にて回転させる回転駆動機構と、
   を少なくとも備え、前記回転電極に高周波電圧を印加して前記ギャップでプラズマを発生し、反応ガスに基づいて生成した中性ラジカルを用いてワーク表面を加工又はワーク表面に成膜してなることを特徴とする回転電極を用いたプラズマ処理装置。
   

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