JP2008282784A - マイクロ波励起プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大気圧下で又は大気圧付近の圧力で、プラズマの自己着火ができ、被加工物に対する電気的及び物理的ダメージを回避し、安定した処理速度を得ることができるマイクロ波励起プラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】誘電体の基板３と、マイクロストリップ線路１と、アース導体２と、マイクロストリップ線路１とアース導体２との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部３１と、ガスを流すために基板３内部に設けられているガスチャンネルと、そのガスチャンネルにガスを導入するためのガス導入部５０と、ガスチャンネルからガスが出るノズル部５１と、ノズル部５１の断面に金属網６０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波電力によりプラズマを発生させて、高密度のラジカルをノズルから吹き出せ、被加工物の材料を選ばず、ＣＶＤ（化学気相成長法）、エッチング、アッシング、表面改質等の材料プロセシングを施す、大気圧下又は大気圧付近の圧力におけるマイクロ波励起ブラズマ処理装置に関する。

現在、材料開発や生産技術等における多くの分野でプラズマプロセッシング技術は不可欠なものになっている。例えば、半導体、マイクロ・ナノマシンの製造、固体表面改質するプロセスにおいて、プラズマが広く用いられている。ところが、低圧力の条件下ではさまざまな処理ガスを用いた非熱平衡プラズマにより各種表面処理が行われているが、高価な真空装置が必要でかつすぐに試料を真空容器から取り出すことができず、装置にコストがかかるだけでなく、処理に時間がかかり、結果として製品のコストが高くなるなど、工業的には不利であった。そのため、大気圧下で又は大気圧付近の圧力で非熱平衡プラズマを発生させる方法が要求されている。

また、従来より、プラズマをノズルから吹き出す吹き出し形プラズマは、被加工物にプラズマを使用したＣＶＤ（化学蒸着）、エッチング、アッシング、表面改質等を行うのに有用とされており、様々な分野で利用されている。また、近年では、プロセスの微細化が進んでおり、空間的に局所プラズマプロセシング技術が必要になっており、そのため、断面サイズが数ミリメートルオーダー又はその以下の微小プラズマジェット発生装置および処理方法が要求されている。

大気圧下で又は大気圧付近の圧力における吹き出し形プラズマに関し、現在、直径数ミリメートルオーダー又はその以下の吹き出し形プラズマを発生させるには、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、無電極方式の吹き出し形プラズマ発生装置も知られている、例えば、ＶＨＦ帯（３０−３００ＭＨｚ）の高周波を用いた誘導結合式熱プラズマ発生装置が提案されている（特願２００１−２９７８５０参照）。しかし、提案されているプラズマ発生装置は、インピーダンスマッチングが複雑で、かつ大型、高電圧の回路になっている等装置の製作上及び運転上における様々な限界と問題点を有している。また、アレイ化による大規模化が困難である。

一方、マイクロ波電源を用いたマイクロ波励起プラズマ装置の場合は、上述のような電源を用いたプラズマ装置に比べて、次のような利点が知られている。
（１） マイクロ波電源が安い。
（２） 無電極運転が可能であり、放電維持寿命が長い。
（３） インピーダンスマッチングが簡単な素子で可能。
（４） マイクロ波とプラズマのカップリング効率がよい。
（５） 大気圧を含め広い圧力範囲において安定な高密度のプラズマが発生する。

最近、マイクロストリップ技術を用いた大気圧における吹き出し形マイクロ波励起プラズマ処理装置が開発されている（非特許文献１参照）。その装置の構成図を図８に示す。それは、誘電体の基板３と、その基板３の厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部７と、マイクロストリップ線路１と、アース導体２と、基板のテーパー部７に設置される幅が徐々に広がるテーパー形状のマイクロストリップ線路１１と、マイクロストリップ線路１とアース導体２との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部３１と、基板内部に設けられているガスチャンネル、そのチャンネルにガスを導入するためのガス導入部５０と、チャンネルからガスが吹き出すノズル部５１を備えている。
"Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｅｘｃｉｔｅｄ ｂｌｏｗｉｎｇ−ｔｙｐｅ ｐｌａｓｍａｓ ａｔ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ"、金載浩、大崎博之、桂井誠、平成１８年電気学会Ａ部門大会講演予稿集、講演予稿番号Ｐ−９（２００６年８月）

しかし、上述した吹き出し形マイクロ波励起プラズマ処理装置では、大気圧下又は大気圧付近の圧力においてプラズマの自己着火が難しくて初期放電のために別の手段（例えば、低圧でプラズマを着火させて圧力を上々に上げる方法、又は火花発生装置を用いてプラズマを着火させる方法）が必要である。さらに、被加工物に対するマイクロ波照射による電気的ダメージ、またプラズマからの荷電粒子に起因すると考えられる電気的および物理的ダメージを避けることができない。

本発明は、以上の点に鑑み、大気圧下で又は大気圧付近の圧力でマイクロ波電力によりプラズマの自己着火ができ、さらにノズルから出るマイクロ波およびプラズマの荷電粒子密度を減少させることにより被加工物に対する電気的、物理的、および化学的損傷等を回避し、それに対して高密度のラジカルをノズルから吹き出し、期待される処理特性を得ることができ、被加工物にＣＶＤ（化学気相合成法）、エッチング、アッシング、表面改質等の材料プロセシングを行うプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

誘電体の基板と、
前記基板の第１の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたマイクロストリップ線路と、
前記基板の第１の面の反対の第２の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたアース導体と、
前記基板の一方の端部において、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、
前記基板の内部に一方の面からマイクロストリップ線路の端がある他方の端部に渡って設けられたガスを流すためのガスチャンネルと、
前記基板の一方の面において、前記ガスチャンネルにガスを導入するためのガス導入部と、
前記マイクロストリップ線路の端部と前記アース導体の端部が設けられた前記基板の他の端部の断面に、前記ガス導入部から導入されて前記ガスチャンネルを沿って流れたガスが吹き出すノズル部と、
前記ノズル部の断面において、前記マイクロ波入力部から入力されて伝搬したマイクロ波によりプラズマを自己着火させるため、前記ノズルからのプラズマの荷電粒子の吹き出し及びマイクロ波の放射を減衰させるための金属網と、
を設けられたマイクロ波励起プラズマ装置が提供される。

図１は、本発明における実施の形態を示すマイクロ波励起ブラズマ発生装置の構成図である。
この装置は、誘電体の基板３と、マイクロストリップ線路１と、アース導体２と、マイクロストリップ線路１とアース導体２との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部３１と、ガスを流すために基板内部に設けられているガスチャンネル５と、そのガスチャンネル５にガスを導入するためのガス導入部５０と、ガスチャンネル５からガスが出るノズル部５１と、ノズル部５１の断面に金属網６０を備える。

誘電体の基板３は、マイクロ波の誘電損失が少なく、耐熱性が大きい材料が良い。例えば、アルミナ、石英、サファイア等の適宜の材料、あるいは、その複合構造が用いられる。マイクロ波導入部３１は、商用の高周波コネクトで、例えば、ＳＭＡコネクト、Ｎ型コネクト、ＢＮＣコネクト、Ｍ型コネクト等を適宜用いることができる。マイクロストリップ線路１とアース導体２は、導電性が良い導体であればよい。例えば、無線通信分野でよく使われている銅箔、あるいは、アルミニウムテープ等を適宜用いることができる。高周波コネクト３１からマイクロストリップ線路１の端部の間にインピーダンスマッチング用スタブを適宜備えても良い。または、マイクロ波電源とマイクロ波入力部３１の間にインピーダンスマッチング用装置を適宜備えても良い。誘電体内部のガスチャンネル５と、ガス導入部５０と、ノズル部５１の形状は、望む吹き出し形プラズマの大きさや形状を考えて適宜の形にすることができる。その一つの例を図７に示す。図７は誘電体の基板３の内部に設けられたガスチャンネル５を示す模式図である。この場合、誘電体の基板３の両側面に設けられたガス導入部５０から入力されたガスは、マイクロストリップ線路１を中心に左右対称となっているそれぞれのガスチャンネルを通ってノズル部５１の手間で合流され、ノズル部５１から吹き出される。

金属網６０は、耐熱性が大きい材料が良い、例えば、ステンレス網、タングステン網等が用いられる。
ノズル部５１の断面において、金属網６０は、
（１）金属網６０の両方の端がそれぞれマイクロストリップ線路１とアース導体２とはつながり、ノズル部５１の断面の全面を覆うように設置する、
（２）金属網６０の一方の端がマイクロストリップ線路１、又はアース導体２とはつながり、金属網６０の他方の端がノズル部５１の断面にあるように設置する、
（３）金属網６０の両方の端がマイクロストリップ線路とアース導体２とは離れており、ノズル部５１の断面にあるように設置する、すなわち、金属網６０の幅がマイクロストリップ線路とアース導体２との距離より小さい金属網６０を用いて、金属網６０の一方の端とマイクロストリップ線路１との間、金属網６０の他方の端とアース導体２との間に隙間を形成するように設置する
等が可能である。上記の金属網６０の設置方法によりノズル部５１におけるマイクロ波電界集中とマイクロ波伝送線路のインピーダンス特性が変わる。
金属網６０における、貫通穴の形状は○、△、□等が適宜用いられる。その貫通穴のサイズ、すなわち、貫通穴の横断距離が誘電体の基板３の内部におけるマイクロ波の半波長の長さより十分短い方が望ましい。

図２は、図８に示した従来のマイクロ波励起プラズマ発生装置への本発明における実施の形態を示すマイクロ波励起ブラズマ発生装置の構成図である。
この装置は、誘電体の基板３と、テーパー部７と、マイクロストリップ線路１と、アース導体２と、テーパー形状のマイクロストリップ線路４と、マイクロストリップ線路１とアース導体２との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部３１と、ガスを流すために基板内部に設けられているガスチャンネル５と、そのガスチャンネル５にガスを入力するためのガス導入部５０と、ガスチャンネル５からガスが出るノズル部５１と、ノズル部５１の断面に金属網６０を備える。

実施例では、金属網６０の形状を図３、図４、図５、図６に示したように、その端部が針状である金属網（１）（図３参照）と、その周りが金属線で囲まれている金属網（２）（図４参照）と、ガスノズル部５１が設けられた断面においてマイクロストリップ線路１とアース電極２に対して平行方向に複数の金属線が並列された金属網（３）（図５参照）と、金属板に複数の穴が設けられた金属網（４）（図６参照）を用いてプラズマ発生実験を行った。金属網６０はマイクロストリップ線路１とアース導体２とは電気的に絶縁され、その一方の端とマイクロストリップ線路１との間、その他方の端とアース導体２との間に隙間を形成するように設置された。

電源は２．４５ＧＨｚマイクロ波、圧力は大気圧、ガスはアルゴン、マイクロ波入力部３１はＳＭＡコネクタ、マイクロストリップ線路１とアース導体２としてはアルミニウムテープ、誘電体の基板３は厚み６ｍｍのアルミナ板を用いた。マイクロストリップ線路１の幅は２ｍｍ、ノズル部５１の断面積は１ｍｍ×１０ｍｍ、テーパー形状のマイクロストリップ線路４の端幅は１０ｍｍとした。ガス流量は２Ｌ／ｍｉｎとした。

上記の条件で実験を行った結果、前記の図３に示す金属網６０の端部が針形である場合において、インピーダンスマッチング用装置あるいはマッチング用回路を用いなくても、マイクロ波電力約５０Ｗでプラズマが自己着火した。発生したプラズマはマイクロ波電力を１０Ｗまで下げても安定であった。プラズマはガスチャンネル４内部で発生及び維持され、ノズル部５１からは、目視による限り発光がないガスのみが吹き出された。その吹き出るガスをノズル部５１から３ｍｍ離れたところにおいてポリカーボンネード基板の表面に照射したところ、ポリカーボネート基板の表面における親水性が改良された。すなわち、水滴とポリカーボネート基板の表面の角度（接触角と言い）が約８０°から約１０°になった。

一方、前記の図４と図５と図６に示す形状の金属網（１）を用いてプラズマ発生実験を行ったが、本実験ではプラズマの自己着火ができなかった。より低マイクロ波電力でプラズマを自己着火させるには、マイクロ波電界を集中させるためにマイクロストリップ線路１とアース導体２と対向している金属網の端が鋭い突起の形状が必要とされる。

発明の効果

本発明によると、大気圧下で又は大気圧付近の圧力で、マイクロ波電力によりプラズマの自己着火ができ、さらにノズルから出るマイクロ波およびプラズマの荷電粒子を減少させることにより被加工物に対する電気的及び物理的、化学的損傷を回避し、それに対して高密度のラジカルをノズルから吹き出し、期待した処理特性を得ることができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法の提供が可能となる。

実施例１のマイクロプラズマ発生装置の構成図 実施例２のマイクロプラズマ発生装置の構成図 実施例２に用いた金属網（１） 実施例２に用いた金属網（２） 実施例２に用いた金属網（３） 実施例２に用いた金属網（４） ガス導入部とガスチャンネルとノズル部の一例を示す断面図 従来のマイクロプラズマ発生装置の構成図

符号の説明

１ マイクロストリップ線路
２ アース導体
３ 誘電体基板
４ テーパー形状のマイクロストリップ線路
５ ガスチャンネル
７ テーパー部
３０ 同軸ケーブル
３１ マイクロ波入力部
５０ ノズル部
５１ ガス導入部
６０ 金属網

Claims (3)

1. 誘電体の基板と、
   前記基板の第１の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたマイクロストリップ線路と、
   前記基板の第１の面の反対の第２の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたアース導体と、
   前記基板の一方の端部において、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、
   前記基板の内部に一方の面からマイクロストリップ線路の端がある他方の端部に渡って設けられたガスを流すためのガスチャンネルと、
   前記基板の一方の面において、前記ガスチャンネルにガスを導入するためのガス導入部と、
   前記マイクロストリップ線路の端部と前記アース導体の端部が設けられた前記基板の他の端部の断面に、前記ガス導入部から導入されて前記ガスチャンネルを沿って流れたガスが吹き出すノズル部と、
   前記ノズル部の断面において、前期マイクロ波入力部から入力されて伝搬したマイクロ波及びそのマイクロ波により前記ガスチャンネル内に発生したプラズマの荷電粒子密度を減少させるための金属網と、
   を備えたマイクロ波励起プラズマ処理装置。
2. 前記金属網は前記マイクロストリップ線路と前記アース導体の両方又は一方と電気的に絶縁され、前記ノズル部の断面において、前記マイクロ波入力部から入力されて伝搬したマイクロ波の電界が集中するために、前記金属網の両方又は一方の端が前記ノズル部の断面に設けられている請求項１に記載のマイクロ波励起プラズマ処理装置。
3. 前記金属網の端が、前記マイクロ波入力部から入力されて伝搬したマイクロ波の電界を集中させるために、突起状あるいは針状になっている請求項１と請求項２に記載のマイクロ波励起プラズマ処理装置。

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