JP2011124153A

JP2011124153A - プラズマ発生装置

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Publication number: JP2011124153A
Application number: JP2009282062A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Itomura; 大輔糸村; Akinosuke Tera; 亮之介寺
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-23
Anticipated expiration: 2029-12-11
Also published as: DE102010060591B4; CN102098865A; DE102010060591A1; JP5212346B2; CN102098865B

Abstract

【課題】高密度プラズマを発生させるプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】円筒形電極１を有する円筒チャンバー部と、前記円筒チャンバー部を、ガス導入口１０を有する第１チャンバー室２と、ガス排出口１１を有する第２チャンバー室３とに仕切るように、前記円筒チャンバー部に配置されたオリフィス４と、前記第２チャンバー室内において前記円筒形電極の中心軸に設置されている棒状電極と、前記第１チャンバー室において設置された、前記円筒形電極とは異なる電位を印加できるサブ電極６とを具備したプラズマ発生装置において、前記円筒形電極と棒前記状電極の間に電界を印加しプラズマを発生させ、さらに、前記円筒形電極と前記サブ電極間に電界を印加してプラズマを発生させ、前記第１チャンバー室と前記第２チャンバー室のプラズマ領域が前記オリフィスの穴を通して接続している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極部分に安定したプラズマを形成し、高密度プラズマを発生させるプラズマ発生装置に関する。

従来から、プラズマは反応活性な状態のため、表面処理、薄膜形成、エッチングなどに広く利用されている。より高速処理を行うためには、プラズマ密度を高くして反応活性種を増やす必要がある。ＤＬＣのコーティングにおいても、プラズマ発生装置が用いられ、メタンやアセチレンなどの炭化水素ガスをプラズマ中で電離し、発生するラジカルやイオンなどの反応活性種を用いてＤＬＣを基材表面に形成する。ＤＬＣを高速で成膜する場合には、その反応活性種の密度が高い高密度プラズマを用いて形成する必要がある。

そのため、高密度プラズマを得るために、ガス圧力を高くして活性種そのものを増やす方法、電界強度を高くして電離度を向上させる方法、磁界によりプラズマを閉じ込める方法などが用いられていた。しかし、磁界によりプラズマを閉じ込める方法では、通常用いる１０⁸／ｃｍ³から１０¹⁰／ｃｍ³といわれるプラズマ密度を桁違いに向上させることはできない。また、ガス圧力を上げる方法や、電源電圧を上げる方法では、通常求められるグロー放電（低温プラズマ）ではなく、アーク放電（高温プラズマ）に移行しやすく、加工処理に問題があった。
電界強度（電界強度＝電圧／距離）を上げるための手法として電極間距離を縮めるといった手法が有効であるが、電極間距離を短くすると、より高電圧を印加しなければプラズマを発生させることはできなかった。（その理由を簡単に説明すると、パッシェン則により、放電開始電圧と（圧力×電極間距離）との間に、下に凸の曲線となる相関関係があるため、同じ圧力下で電極間距離が狭くなっていくと放電開始に必要な電圧が増加してしまい、今まで放電開始していた電圧では放電しなくなってしまうためである。）
その結果、電界集中などにより局所的・不安定的にアーク放電が発生したりして、安定した放電を得ることができなかった。特許文献１にみられる従来技術では、二重管電極構造で均一電界にする試みがなされているが、依然、上述の問題をかかえていた。

特開２００１−２３９７２号公報

本発明は、上記問題に鑑み、狭小電極部分に安定したプラズマを形成し、高密度プラズマを発生させるプラズマ発生装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、プラズマ発生装置であって、円筒形電極（１）を有する円筒チャンバー部と、前記円筒チャンバー部を、ガス導入口（１０）を有する第１チャンバー室（２）と、ガス排出口（１１）を有する第２チャンバー室（３）とに仕切るように、前記円筒チャンバー部に配置されたオリフィス（４）と、前記第２チャンバー室（３）内において前記円筒形電極（１）の中心軸に設置されている棒状電極（５）と、前記第１チャンバー室（２）において設置された、前記円筒形電極（１）とは異なる電位を印加できるサブ電極（６）とを具備し、前記円筒形電極（１）と前記棒状電極（５）の間に電界を印加しプラズマを発生させ、さらに、前記棒状電極（５）と前記円筒形電極（１）の間に発生させるプラズマとは別に、前記円筒形電極（１）と前記サブ電極（５）間に電界を印加してプラズマを発生させ、前記第１チャンバー室（２）と前記第２チャンバー室（３）のプラズマ領域が前記オリフィス（４）の穴を通して接続していることを特徴とするプラズマ発生装置である。

これにより、プラズマ密度を高くして反応活性種を増やすことができ、安定的に、より高速処理を行うことができる。狭小電極空間に活性な電子・イオンを供給してプラズマの粒子密度が向上し、低い電圧でも放電を維持することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記棒状電極（５）と前記円筒形電極（１）の間に発生させるプラズマがグロー放電、前記円筒形電極（１）と前記サブ電極（６）の間に発生させるプラズマがグロー放電又はアーク放電であることを特徴とする。これにより、請求項１の発明と同様な効果がある。

請求項３の発明は、請求項１、又は、２の発明において、前記第２チャンバー室（３）の圧力が、前記第１チャンバー室（２）の圧力よりも低いことを特徴とする。これにより、請求項１の発明と同様な効果がある。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、前記第２チャンバー室（３）の圧力は３００Ｐａから１０１ｋＰａの圧力であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記ガス導入口（１０）から導入されるガスは、希ガス、炭化水素、酸素ガスのうちのいずれか、又は、２種以上の組み合わせであることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記ガス導入口（１０）から導入されるガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ₂、Ｏ₂、Ｈ₂、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₂、Ｃ₂Ｈ₄、Ｃ₃Ｈ₈、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、ＳＦ₆、ＳｉＨ₄、ＳｉＨ₃Ｃｌ、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、Ｓｉ(ＣＨ₃)₄、(ＣＨ₃)₃Ｓｉ-ＮＨ-Ｓｉ(ＣＨ₃)₃のうちのいずれか、又は、２種以上の組み合わせであることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１から６のいずれか１項記載の発明において、前記棒状電極（５）の表面に、ＤＬＣをコーティングすることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１から６のいずれか１項記載の発明において、前記第２チャンバー室（３）内において、前記円筒形電極（１）と導電するように円筒体（１２）を設置し、前記円筒体（１２）の内周面の中心軸が、前記円筒形電極（１）の中心軸に設置されていることを特徴とする。これにより、円筒体（１２）の内周面に、表面処理や薄膜形成、エッチングなどを、高速で安定的に高密度プラズマを発生させて行うことができる。

請求項９の発明は、請求項８に記載の発明において、前記円筒体（１２）の内周面に、ＤＬＣをコーティングすることを特徴とする。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

本発明の一実施形態を示す概要図である。本発明の別の実施形態を示す概要図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
本発明の一実施形態においては、被処理対象として、円柱形状体（例えば、噴射弁のニードルや、型の押出ピンなど）や円筒形状体に、プラズマ発生装置により、表面処理（汚染除去、改質）、ＤＬＣ、ＳｉＯ₂などの薄膜形成、エッチングなどの処理を施す場合について説明する。被処理対象は上記例示に限定されるものではなく、円柱形状体、円筒形状体であれば、任意の具体的対象に本発明が適用可能である。

図１は、本発明の一実施形態を示す概要図である。
棒状電極５の外周面が、本実施形態において被処理対象であるとして説明する。被処理対象が円筒体１２の場合は後述する。円筒チャンバー部は、円筒形電極１内部の囲まれた室であって、ガス導入口１０を有する第１チャンバー室２と、ガス排出口１１を有する第２チャンバー室３とに分割されている。第１チャンバー室２と、第２チャンバー室３とに仕切るように、円筒チャンバー部にオリフィス４が配置されている。第２チャンバー室３には、棒状電極５が、円筒形電極１の中心軸に設置されており、円筒形電極１との間に電界を印加してプラズマ発生させる。

棒状電極５と円筒形電極１との間の電圧は、一例として、１００Ｖ〜５ｋＶが好ましい。第１チャンバー室２には、サブ電極６が設置されている。サブ電極６と円筒形電極１との間の電圧は、一例として、５０Ｖ〜５００Ｖが好ましい。円筒形電極１と棒状電極５の間に電界を印加しプラズマを発生させ、さらに、棒状電極５と円筒形電極１の間に発生させるプラズマとは別に、円筒形電極１とサブ電極５間に電界を印加してプラズマを発生させる。上下のチャンバー室を分離しないと上部の第１チャンバー室２でのアーク放電により、下部の第２チャンバー室３でのグロー放電が不安定になるため、オリフィス４による分離は必要である。

オリフィス４の通過穴は、円筒形電極１のサイズによって適宜径で、適宜数配設する。一例として、径（以下直径を指す）１５ｍｍ、高さ１５０ｍｍ程度の円筒形電極１の中に、高さ５５ｍｍ程度の位置に円筒チャンバー内部を分割するように、オリフィス４が配置され、第２チャンバー室内に円筒形電極１の中心軸上に径５ｍｍ、高さ５０ｍｍ程度の棒状電極５がセットされるような実施例が考えられる。この場合、オリフィス４の通過穴は、円周上に径１ｍｍ程度で４〜８個あけると良い。この円筒形電極１のサイズの具体例は、単なる一例であって、これに限定されるものではない。

ガス導入口１０は、絶縁体２０に設けられており、上部チャンバー室に設置されている。ガス排気口１１は、絶縁体２１に設けられており、下部チャンバー室に設置されている。ガス導入口１０、ガス排気口１１は、それぞれ上部チャンバー室、下部チャンバー室のいずれかの箇所に設置されていれば良い。上下の絶縁体２０、２１と円筒形電極１とのシールは、パッキン、Ｏ−リングなどで行えばよい。棒状電極の固定はチャックなどが考えられる。チャックの中心は、円筒形電極１の内面の軸心と一致するようになっている。この軸心を中心に、ガス排出口１１が複数個放射状に設けられている。

ガス導入口１０から導入するガス圧は、３００Ｐａ〜１０１ｋＰａである。ガスとしては、代表的には、希ガス、炭化水素、酸素ガスのうちのいずれか、又は、２種以上の組み合わせである。さらに、具体的には、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ₂、Ｏ₂、Ｈ₂、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₂、Ｃ₂Ｈ₄、Ｃ₃Ｈ₈、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、ＳＦ₆、ＳｉＨ₄、ＳｉＨ₃Ｃｌ、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、Ｓｉ(ＣＨ₃)₄、(ＣＨ₃)₃Ｓｉ-ＮＨ-Ｓｉ(ＣＨ₃)₃のうちのいずれか、又は、２種以上の組み合わせなどであって、形成する膜や、目的とする表面処理により適宜選択すべきものである。

上部の第１チャンバー室２から、オリフィス４の穴を通して、下部の第２チャンバー室３に、ガス流れの流入で移動する。拡散でも全方位に移動するものの、１００Ｐａ以上の高い圧力下では拡散よりガス流れの影響が大きくなり、主としては、ガス流れでの電荷移動となる。第２チャンバー室３の圧力は、第１チャンバー室２の圧力よりも低く、第２チャンバー室３の圧力は３００Ｐａから１０１ｋＰａの圧力で設定される。
このように、本発明では、本来所望のプラズマ室とは別の箇所でプラズマを発生させ、そこでのグロー放電で発生する電子・イオンや、アーク放電で発生するプラズマの熱電子等を利用して所望のプラズマ室に導入することで、より低い電界でもグロープラズマを発生維持することができるのである。

次に、本発明の一実施形態の作動について、説明する。
このプラズマ発生装置の円筒チャンバーを、１×１０^-2Ｐａ以下までロータリーポンプ（その他、ターボ分子ポンプ、クライオポンプなどでもよい）にて排気した後、被成膜面のクリーニングのため、ガス導入口１４からＡｒガスを導入し、棒状電極１にＤＣパルス電源から電圧（１００Ｖ〜５ｋＶ）を印加しプラズマを生成させ、Ａｒイオンを棒状電極１、円筒形電極１０に衝突させ被成膜面を活性化する。この場合、第１チャンバー室の放電も使用するとよい。

第１チャンバー室２に円筒形電極１とは異なる電位を印加できるサブ電極６が設置されており、サブ電極６に電界印加することで、第１チャンバー室２にプラズマ生成する。その後、棒状電極５にパルス電源より電界が印加され、もう一方の第２チャンバー室３にもプラズマが生成される。膜形成のためには、原料であるＣＨ₄等炭化水素系ガス等を導入し圧力３００〜１０１ｋＰａに調整し、プラズマを生成し膜を形成する。このようにして、狭小電極部分に安定したプラズマを形成し、高密度プラズマを発生させることができる。
例示としては、棒状電極５の表面に、ＤＬＣをコーティングする場合があげられるが、これに限定されるものではない。耐摩耗性膜、高摺動性膜の形成に限らず、表面処理（汚染除去、改質）、薄膜形成、エッチングなどの処理に応じて、適宜、使用するガス、印加電圧が選定される。

本発明の別の実施形態として、次のような変形形態が考えられる。図２は、本発明の別の実施形態を示す概要図である。
第２チャンバー室３内において、円筒形電極１と導電するように円筒体１２を設置し、円筒体１２の内周面の中心軸が、円筒形電極１の中心軸に設置されている。前述のように、一実施形態と同様に、プラズマを発生させる。この場合においては、円筒体１２の内周面が被処理対象であり、一例としては、ＤＬＣをコーティングする場合があげられる。なお、これに限定されるものではなく、耐摩耗性膜、高摺動性膜の形成に限らず、表面処理（汚染除去、改質）、薄膜形成、エッチングなどの処理に応じて、適宜、使用するガス、印加電圧が選定される。

１円筒形電極
２第１チャンバー室
３第２チャンバー室
４オリフィス
５棒状電極
６サブ電極
１０ガス導入口
１１ガス排出口

Claims

プラズマ発生装置であって、円筒形電極（１）を有する円筒チャンバー部と、前記円筒チャンバー部を、ガス導入口（１０）を有する第１チャンバー室（２）と、ガス排出口（１１）を有する第２チャンバー室（３）とに仕切るように、前記円筒チャンバー部に配置されたオリフィス（４）と、前記第２チャンバー室（３）内において前記円筒形電極（１）の中心軸に設置されている棒状電極（５）と、前記第１チャンバー室（２）において設置された、前記円筒形電極（１）とは異なる電位を印加できるサブ電極（６）とを具備し、
前記円筒形電極（１）と前記棒状電極（５）の間に電界を印加しプラズマを発生させ、
さらに、前記棒状電極（５）と前記円筒形電極（１）の間に発生させるプラズマとは別に、前記円筒形電極（１）と前記サブ電極（５）間に電界を印加してプラズマを発生させ、
前記第１チャンバー室（２）と前記第２チャンバー室（３）のプラズマ領域が前記オリフィス（４）の穴を通して接続していることを特徴とするプラズマ発生装置。
前記棒状電極（５）と前記円筒形電極（１）の間に発生させるプラズマがグロー放電、前記円筒形電極（１）と前記サブ電極（６）の間に発生させるプラズマがグロー放電又はアーク放電であることを特徴とする請求項１のプラズマ発生装置。
前記第２チャンバー室（３）の圧力が、前記第１チャンバー室（２）の圧力よりも低いことを特徴とする請求項１、又は、２記載のプラズマ発生装置。
前記第２チャンバー室（３）の圧力は３００Ｐａから１０１ｋＰａの圧力であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
前記ガス導入口（１０）から導入されるガスは、希ガス、炭化水素、酸素ガスのうちのいずれか、又は、２種以上の組み合わせであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
前記ガス導入口（１０）から導入されるガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ₂、Ｏ₂、Ｈ₂、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₂、Ｃ₂Ｈ₄、Ｃ₃Ｈ₈、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、ＳＦ₆、ＳｉＨ₄、ＳｉＨ₃Ｃｌ、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、Ｓｉ(ＣＨ₃)₄、(ＣＨ₃)₃Ｓｉ-ＮＨ-Ｓｉ(ＣＨ₃)₃のうちのいずれか、又は、２種以上の組み合わせであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
前記棒状電極（５）の表面に、ＤＬＣをコーティングすることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
前記第２チャンバー室（３）内において、前記円筒形電極（１）と導電するように円筒体（１２）を設置し、前記円筒体（１２）の内周面の中心軸が、前記円筒形電極（１）の中心軸に設置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
前記円筒体（１２）の内周面に、ＤＬＣをコーティングすることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ発生装置。