JP2008150703A - 変調マイクロプラズマによる加工方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高周波電圧を印加することによりプラズマ発生用細管内又はプラズマ発生用ノズル内に高周波プラズマを発生させ、該発生したプラズマを被加工基板に向けて照射し、該基板に加工を施すマイクロプラズマ加工法及びその装置であって、前記高周波電圧を変調させることで、断続的にプラズマを発生させることを特徴とするマイクロプラズマ加工法及び装置。
【選択図】なし
Description
中でも、直径がマイクロメートルオーダーであるマイクロプラズマを用いた大気中での材料プロセシング技術は、装置が小型であり操作性も良いことから、近年では多くの関連技術の開発がなされている。
本発明者らも、マイクロプラズマを利用した大気中での局所材料堆積技術に関して、既に幾つかの提案をしている。
しかしながら上記のような、原料としてガス種しか供給できない技術では、次のような技術的制約が考えられる。
ガス等の真空排気系装置を全く利用しない大気中での工程を考えた場合、人体、環境に対して有害なガス原料の使用は好ましくない。通常の金属乃至金属化合物薄膜作製工程では、有機金属ガス等の毒性を有するガスを使用するため、特許文献1に記載された技術で堆積可能な材料種は、必然的に限られてしまう。
特許文献3に記載された技術は、細管を利用して、あらゆる種類の基板上の数百μm2、さらには数cm2以上の大面積に金属乃至金属化合物を薄膜として堆積させるための技術である。
しかしながら、上記特許文献2及び3に記載の技術では、下記のような技術的限界がある。
すなわち、基板等の材料表面上、僅か数μm程の領域にのみ、材料堆積を行うための技術分野では、内径が数μm程度の極微細細管又は極微細ノズルの使用は必須であると考えられる。そのためには、ガス温度が低いプラズマの発生法を開発し、プラズマからの熱による極微細ノズル管壁破損を防ぐ技術の開発が必須である。
また、上記の極微細プラズマを利用した薄膜作製工程で、低融点材料ワイヤーならびに貴金属ワイヤーを原料として利用する場合に、原料ワイヤーの瞬時溶融、細管乃至ノズル内での細断化を防ぐためには、従来のプラズマとは異なった性質のプラズマ発生法の開発が必須である。
(1)高周波電圧を印加することによりプラズマ発生用細管内又はプラズマ発生用ノズル内に高周波プラズマを発生させ、該発生したプラズマを被加工基板に向けて照射し、該基板に加工を施すマイクロプラズマ加工法であって、前記高周波電圧を変調させることで、断続的にプラズマを発生させることを特徴とするマイクロプラズマ加工法。
(2)前記変調のために印加する電圧波形が、矩形、三角波形、又は正弦波形のいずれかであることを特徴とする上記(1)のマイクロプラズマ加工法。
(3)前記変調のために印加する電圧波形が、一定周期又は不定周期を有することを特徴とする上記(2)のマイクロプラズマ加工法。
(4)前記マイクロプラズマ加工が、薄膜堆積であることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかのマクロプラズマ加工方法。
(5)プラズマ発生用細管又はプラズマ発生用ノズル、該細管又はノズル内にプラズマを発生させるための高周波印加電極、該電極に高周波電圧を供給するプラズマ発生用高周波電源、被加工基板の支持台、及び発生したプラズマを被加工基板に向けて照射する手段を少なくとも有するマイクロプラズマ加工装置であって、前記高周波電圧を変調させて断続的にプラズマを発生させる手段を有していることを特徴とするマイクロプラズマ加工装置。
(6)前記細管内又はノズル内に原料ガスを導入する手段を有していることを特徴とする上記(5)のマイクロプラズマ加工装置。
(7)前記細管内又はノズル内に原料を配置したことを特徴とする上記(5)のマイクロプラズマ加工装置。
(8)前記原料が、低融点金属ワイヤーであることを特徴とする上記(7)のマイクロプラズマ加工装置。
(9)前記細管内又はノズル内に不活性ガスを導入する手段を有していることを特徴とする上記(5)のマイクロプラズマ加工装置。
(10)前記マイクロプラズマ加工が、薄膜堆積であることを特徴とする上記(5)〜(9)のいずれかのマクロプラズマ加工装置。
図2は、本発明の高周波変調制御の基本概念を示すものであり、上段の(a)は、プラズマ発生のための高周波に電力のオン・オフを重畳して変調させる、いわゆるパルスプラズマ発生のためのシグナルであり、プラズマの発生と消失乃至プラズマの高出力発生と低出力発生の繰り返しが、下段(b)に示されたように可能となる。
したがって、耐熱性に劣る管壁が薄いノズル内、例えば、ガラスや石英の細管等を加熱引張加工することで作製された内径数μm以下のノズル内でのプラズマ発生が可能となる。
また、本発明の方法及び装置において、細管又はノズルの出口下流に設置する被加工基板として用いられる材料は、金属、金属酸化物、ガラス、セラミックス等の耐熱性を有する材料に限られず、例えば紙のような耐熱性が無い材料であっても、熱損傷を与えることなく、蒸着加工を施すことが可能である。
すなわち、プラズマの総エネルギー、ここでは熱容量の低下により、変調プラズマ発生後も、低融点材料および貴金属ワイヤーは瞬時に溶融することなく、徐々にエッチング等で消耗され、ノズル乃至細管出口下流に設置された基板上へ効率良く堆積される。
さらに、本発明の高周波変調によってもたらされるプラズマの遥動は、低出力での高周波印加によるプラズマの発生、維持をも可能にする。これは、印加高周波の変調によってもたらされる電場変動が、ガス中の荷電粒子の運動を促進し、プラズマ発生、維持のために求められる荷電粒子間の衝突が、低出力においても十分に促進されるためである。
実際には、1W以下でのプラズマ発生も可能であり、この低出力発生もまた、プラズマの温度低下、すなわち、低融点材料への材料堆積への応用を可能なものにする因子の一つである。
(低融点金属ワイヤを用いた低融点フィルム上への材料堆積の例)
低融点金属ワイヤーを原料として用い、低融点フィルム上へ低融点金属乃至金属化合物を堆積させた実施例を示す。
図6は、本実施例に用いた装置の概要を示す図であり、図中、1はプラズマ発生用細管、2は低融点金属ワイヤー、3は任意波形作成システム、4はファンクションジェネレータ、5は高周波発生器、6は高周波整合器、7は高周波印加電極、8はガス供給管、9は被処理材料、をそれぞれ示している。なお、図6に示す装置においては、高周波印加電極7として、コイル形状のものを用いているが、本発明において、高周波印加電極の形状は、コイル形状の限定されるものではなく、例えば、金属管や金属板であってもよい。
本例では、低融点金属として融点約230℃のスズを用い、融点約250℃のポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上へ堆積させた。
図8は、XPSによる、堆積された薄膜の解析結果であり、スズ成分がノズルから噴出、堆積されたことが示されている。本プロセスは大気中、デポジション領域周囲を不活性ガス等でシールせずに薄膜堆積工程を実施したものであるため、堆積されたスズ成分は酸化されていた。すなわち、大気中で本工程を行うと、低融点金属の酸化物の合成、蒸着をワンステップで行うことが示された。
図9は、堆積された薄膜表面の走査型電子顕微鏡観察写真であり、間歇的に発生した低温プラズマで、蒸発乃至エッチングされたことにより生成した粒子がPETフィルム上に衝突、堆積され、緻密な薄膜が作製されたことが分かる。本発明により形成された薄膜は、PETフィルムを曲げるなどの外的な力を作用させても剥離しない、付着力の強い薄膜である。
間歇的に発生させたプラズマは、そのガス温度が低く、ノズル下流に設置した基板に熱損傷を与えないため、PET等の低融点材料上への材料直接堆積が可能となる。高融点基板上への上記材料堆積が可能であることは言うまでも無い。
また、上記例は、酸化物に関するものであったが、アルゴンガス中へ混入する水素量を適切量に設定すれば、水素ガスによる還元効果により、純金属の堆積も可能である。
さらに、プラズマ中に窒素等、様々な反応性ガスを導入することで、窒化物等の金属化合物の薄膜を上記同様に作製することが可能である。
また、蒸着工程中に、ノズル或は基板を一定範囲で走査させることで、基板上広面積に亘って材料を堆積させることが可能である。
この例では、貴金属ワイヤーとして金ワイヤーを用いた以外は、前記の実施例と同様にして、図6に示す装置を用いて、大気中で紙表面に貴金属を堆積させた。
前記実施例と同じく、ノズル下流に設置した紙表面にプラズマが直接接触しても、紙は損傷を受けることはなかった。
図11は、図10のものと全く同条件で得られた薄膜のXPSによる解析結果である。この結果は、堆積された材料が、酸素やプラズマ発生用細管材質等の不純物を全く含まない、純金であることを明確に示している。
本発明の工程では、プラズマが発生した瞬間、爆発的に増加する細管内圧力によりもたらされた衝撃が微粒子生成に寄与するものであり、間歇的に繰り返される衝撃により高速に加速されたプラズマ中の荷電粒子が、金ワイヤーに衝突し、その結果ワイヤー表面がエッチング乃至スパッタリングされ、微粒子が生成するものと考えられる。
本発明に用いられる微細管ノズルは、内径数mm以下のガラス等の絶縁性直管、望ましくは石英管を加熱引張加工して作製する。このような微細ノズル内でプラズマを安定発生させるためには、次のような数種類の電極配置法が可能である。
図13は、リング状電極とワイヤーを組み合わせる方法を示すものあり、図において、2は金属ワイヤ、8はガス供給管、10は極微細ノズル、11はリング状高周波印加電極、をそれぞれ示している。
ワイヤーの挿入深さに関しては、(a)のように、下流電極よりさらに下流位置まで挿入してもよく、また、(b)のように、両電極の間までの挿入であっても良い。
また、同図(c)に示すように、1個のリング状電極11と、挿入金属ワイヤー2とを組み合わせた方法も有効である。この場合は、リング状電極11を高周波発生器に、挿入ワイヤー2は、金属製ガス送管8を介して接地しておくのが望ましい。
さらに、リング状電極11を、図6に示したようなコイル、或いは、管や鰐口クリップのような挟み込み式電極等に置き換えても同様の効果を発揮する。
2:金属ワイヤー
3:任意波形作成システム
4:ファンクションジェネレーター
5:高周波発生器
6:高周波整合器
7:高周波印加電極
8:ガス供給管
9:被処理材料
10:極微細ノズル
11:リング状高周波印加電極
Claims (10)
- 高周波電圧を印加することによりプラズマ発生用細管内又はプラズマ発生用ノズル内に高周波プラズマを発生させ、該発生したプラズマを被加工基板に向けて照射し、該基板に加工を施すマイクロプラズマ加工法であって、前記高周波電圧を変調させることで、断続的にプラズマを発生させることを特徴とするマイクロプラズマ加工法。
- 前記変調のために印加する電圧波形が、矩形、三角波形、又は正弦波形のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載のマイクロプラズマ加工法。
- 前記変調のために印加する電圧波形が、一定周期又は不定周期を有することを特徴とする請求項1に記載のマイクロプラズマ加工法。
- 前記マイクロプラズマ加工が、薄膜堆積であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のマクロプラズマ加工方法。
- プラズマ発生用細管又はプラズマ発生用ノズル、該細管又はノズル内にプラズマを発生させるための高周波印加電極、該電極に高周波電圧を供給するプラズマ発生用高周波電源、被加工基板の支持台、及び発生したプラズマを被加工基板に向けて照射する手段を少なくとも有するマイクロプラズマ加工装置であって、前記高周波電圧を変調させて断続的にプラズマを発生させる手段を有していることを特徴とするマイクロプラズマ加工装置。
- 前記細管内又はノズル内に原料ガスを導入する手段を有していることを特徴とする請求項5に記載のマイクロプラズマ加工装置。
- 前記細管内又はノズル内に原料を配置したことを特徴とする請求項5に記載のマイクロプラズマ加工装置。
- 前記原料が、低融点金属ワイヤーであることを特徴とする請求項7に記載のマイクロプラズマ加工装置。
- 前記細管内又はノズル内に不活性ガスを導入する手段を有していることを特徴とする請求項5に記載のマイクロプラズマ加工装置。
- 前記マイクロプラズマ加工が、薄膜堆積であることを特徴とする請求項5乃至9のいずれか1項に記載のマクロプラズマ加工装置。
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