JP2018129135A - プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来とは異なる構成により、高密度なプラズマを発生させ得るプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】本発明のプラズマ発生装置は、交流電圧が印加される誘電体バリヤ放電用電極（１）と、直流電圧が印加される直流グロー放電用電極（２）と、それら電極間に配設され、誘電体バリヤ放電用電極側と直流グロー放電用電極側とを連通させる連通部を有する共通接地電極（３）とを備える。この装置を用いて誘電体バリヤ放電と直流グロー放電を併行させると、誘電体バリヤ放電で生じた荷電粒子（高エネルギー電子等）が連通部を通過して直流グロー放電領域（ＧＤ域）にある中性粒子に衝突等して、ＧＤ域における電離を促進する。この結果、ＧＤ域で直流グロー放電により発生するプラズマ密度が、それ単独のときよりも大幅に増加し得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、高密度（高濃度）なプラズマが得られるプラズマ発生装置等に関する。

気体の分子（原子）が陽イオンと電子（両者を併せて単に「荷電粒子」という。）に電離した状態となるプラズマは、様々な分野で利用されている。特にグロー放電等により形成される低温プラズマは、制御性にも優れることから、半導体層や絶縁層等の形成、ＤＬＣ等の薄膜形成（特にＣＶＤ）、表面処理（表面改質）、エッチング等の各種処理に広く利用されている。

このようなプラズマを利用した処理の効率化を図るためには、プラズマ密度（濃度）を増加させることが有効である。ガス圧力や電源電圧等の単なる上昇だけではなく、安定的、効率的に高密度なプラズマを生成する方法が、例えば、下記の特許文献で提案されている。

特開２０１１−１２４１５３号公報 特開２０１５−１１９０２５号公報

特許文献１は、接地された円筒形電極からなるチャンバーをその内部に設けたオリフィスにより第１チャンバー室と第２チャンバー室とに分割し、第１チャンバー側で直流グロー放電または直流アーク放電をさせると共に、第２チャンバー室側で直流グロー放電させるプラズマ発生装置を提案している。ここで、第２チャンバー室は第１チャンバー室よりも低圧となっており、第１チャンバー室で生じた荷電粒子は、オリフィスを介してガス流に乗って第１チャンバー室へ流入する。こうして特許文献１では、被処理対象を載置する第２チャンバー室内で高密度なプラズマを発生させている。ちなみに、特許文献１では、第２チャンバー室内の放電をアーク放電へ移行させないようするため、高価なＤＣパルス電源を用いている。

特許文献２は、無声放電により第１活性種を生成する第１生成室と誘導結合プラズマ、容量結合プラズマまたはマイクロ波プラズマのいずれかにより第２活性種を生成する第２生成室を上下方向に直列に接続して、第１生成室（常圧）の底面に設けた吐出孔から第１活性種を、より低圧な第２生成室へ吐出している。こうして特許文献２では、第２生成室で高濃度な第２活性種を生成させている。

ちなみに、特許文献２に記載されている誘導結合プラズマ、容量結合プラズマまたはマイクロ波プラズマはいずれも、無声放電と同様に、交流を用いた放電（単に「交流放電」という。）である。つまり特許文献２は、交流放電同士を直列に組合わせることを提案しているのみであり、直流を用いた放電（単に「直流放電」という。）については一切触れていない。また特許文献２のプラズマ発生装置では、トーチ状（ノズル状）の第２生成室から、急激に拡張された大容量の処理室へ高濃度な活性種を一気に放出させている。このような装置構成では、処理室に載置された被処理体へ活性種（荷電粒子）を均一的に供給することは困難であると考えられる。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは異なる新たな構成からなり、高密度なプラズマを発生させ得るプラズマ発生装置等を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、誘電体バリヤ放電と直流グロー放電を組合わせることを着想し、それを具現化する装置を完成させて、現実に高密度なプラズマを発生させることに成功した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《プラズマ発生装置》
（１）本発明のプラズマ発生装置は、交流電圧が印加される誘電体バリヤ放電用電極と、
直流電圧が印加される直流グロー放電用電極と、該誘電体バリヤ放電用電極と該直流グロー放電用電極の間に配設され、該誘電体バリヤ放電用電極側と該直流グロー放電用電極側とを連通させる連通部を有する共通接地電極とを備える。

（２）本発明のプラズマ発生装置（単に「発生装置」ともいう。）では、共通接地電極（単に「接地電極」ともいう。）を境として、プラズマの発生領域が、誘電体バリヤ放電用電極（単に「ＤＢＤ電極」ともいう。）がある側（単に「ＤＢＤ域」ともいう。）と、直流グロー放電用電極（単に「ＧＤ電極」ともいう。）がある側（単に「ＧＤ域」ともいう。）とに分かれる。そしてＤＢＤ域で誘電体バリヤ放電（ＤＢＤ：Dielectric Barrier Discharge）が生じ、ＧＤ域で直流グロー放電（単に「グロー放電」または「ＧＤ」ともいう。）が生じる。

ここで本発明に係るＧＤ域におけるプラズマ密度は、ＧＤ単独で生じるプラズマ密度とＤＢＤ単独で生じるプラズマ密度とを単純に相加した場合よりも、遙かに大きい。つまり本発明のようにＤＢＤとＧＤを相乗させることにより、ＧＤ域におけるプラズマ密度を大幅に増加させ得る。この理由は、現状、次のように推察される。

（３）本発明に係る接地電極は、ＤＢＤ域とＧＤ域を連通する連通部を有する。このため、ＤＢＤ域で生じた荷電粒子は、その連通部を通じてＧＤ域へ拡散等により移動する。この荷電粒子（特に高エネルギー電子）は、ＧＤ域にある中性粒子（気体分子または気体原子）等に衝突して、その中性粒子を励起、電離させ、新たな電子（一次電子）を生成する。こうしてＧＤ域で次々に生じる新たな電子と元の電子が、接地電極とＧＤ電極との間の電界（電場）で加速されて、さらに次の電離を起こす。また、電離により生じた陽イオンも、その電界により加速されて負側の電極に衝突して二次電子を放出させ得る。このような現象が相乗的に作用して、ＧＤ域の電子数が雪崩式に増え、ＤＢＤ単独のプラズマ密度を単純に足し合わせた以上に、ＧＤ域のプラズマ密度が大幅に増加したと考えられる。

《プラズマ発生方法》
（１）本発明は、上述した発生装置としてのみならず、プラズマ発生方法（単に「発生方法」ともいう。）としても把握できる。この際、上述した発生装置を用いると好ましい。

（２）本発明によれば、ＤＢＤ域で生じた荷電粒子（活性種）がＧＤ域へ導入されることにより、ＧＤ域におけるグロー放電ひいてはプラズマ発生が促進される。このため、ＧＤ域でグロー放電を発生、維持させる要件（ガス種、ガス圧、放電開始電圧等）を従来よりも緩和（拡大）させることも可能となる。また、そのために必要となるリモートプラズマ源は、整合機等を必要としない比較的安価な低周波電源（１ｋ〜１００ｋＨｚ程度）でも十分である。このため本発明によれば、低コストで高密度なプラズマを発生させることができ、各種の処理コストをより低減させ得る。

《その他》
（１）本発明でいう「接地」は基準電位（ＧＲＤ）を意味する。このため本発明に係る接地電極は、必ずしもアースされている必要はない。

（２）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。

プラズマ発生装置の模式図である。 その装置内で、誘電体バリヤ放電と直流グロー放電をさせた様子を示す写真である。 接地電極を金網として、各位置におけるプラズマ密度の測定結果を示す分散図である。 接地電極を金属板として、各位置におけるプラズマ密度の測定結果を示す分散図である。

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、発生装置としてのみならず発生方法にも適宜該当する。方法的な構成要素であっても物に関する構成要素ともなり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《発生装置》
（１）接地電極は、ＤＢＤとＧＤの両方で共用される電極であり、ＤＢＤ域で生じた荷電粒子（活性種）がＧＤ域へ移動できる連通部を有する。連通部の形態は種々考えられるが、例えば、複数の貫通孔（穴）や隙間が分散したものであればよい。そこで接地電極は、例えば、メッシュ状、格子状、櫛歯状等でもよいし、さらには導電繊維（金属繊維等）からなるフィルター状等でもよい。

連通部は、荷電粒子の透過が遮断されず、さらには阻害されないサイズが好ましい。また本発明の場合、ＤＢＤ域とＧＤ域のガス圧は同程度で良く、連通部のサイズを小さくする必要もない。このため、連通部の孔径や隙間幅等をある程度大きくすることにより、ＤＢＤ域で生じた荷電粒子を低損失でＧＤ域へ移動させて、ＤＢＤ域で生じるリモートプラズマ源を効率的に利用することが可能となる。具体的にいうと、例えば、接地電極の全面積（投影面積）に対する連結部の開口面積の合計は２５％以上、５０％以上さらには７５％以上あると好ましい。連通部を構成する一つずつの各開口面積は、例えば、０．１〜５００ｍｍ^２さらには０．５〜１００ｍｍ^２とすると好ましい。

但し、本発明は、連通部をオリフィス等にして、ＧＤ域とＤＢＤ域とでガス圧差を設ける場合を排除しない。例えば、ＤＢＤ域のガス圧をＧＤ域のガス圧よりも大きくなるようにしてもよい。

（２）接地電極とＧＤ電極は、平行に配置された平板状であると好適である。これにより、例えば、ＧＤ域で生成したプラズマを利用して各種の表面理等を行うような場合、面積の大きい処理面に対しても、むら無く均一的な処理が可能となる。この場合、被処理物の載置台等がＧＤ電極を兼用してもよい。

ＤＢＤ電極、接地電極およびＧＤ電極は、一方向に沿って直列的に配置されていると、ＤＢＤ域で生じた荷電粒子（活性種や電子）がＧＤ域へ移動し易くなり、ＧＤ域における高密度なプラズマの発生が容易となり、装置の簡素化やコンパクト化等も図れて好ましい。

但し、ＤＢＤ域で生じた荷電粒子がＧＤ域へ導入されて、ＧＤ域におけるグロー放電またはプラズマ発生が促進される限り、ＤＢＤ域とＧＤ域の配置は種々あり得る。例えば、ＤＢＤ域とＧＤ域は、並列的に配置等されてもよい。

（３）接地電極とＧＤ電極は、金属等の導電材からなる。具体的にいうと、接地電極やＧＤ電極は、ステンレス、鉄、銅、チタン、タングステン等からなると好ましい。ＤＢＤ電極は、接地電極との間に誘電体（絶縁体）が介在すればよく、例えば、接地電極側にある金属等の表面が誘電体で被覆された電極を用いることができる。誘電体は、例えば、アルミナ、ポリテトラフルオロエチレン、石英、セラミックス、ガラス等である。ＤＢＤ電極は、接地電極との間に誘電体が介在するため、必ずしもプラズマを発生させる容体（チャンバー）内にある必要はない。例えば、容体自体が誘電体（絶縁体）からなる場合、ＤＢＤ電極はその内壁面に埋設されたり、その外側に配設されてもよい。

（４）ＧＤ域で安定的にグロー放電を維持するためには、ＧＤ域内を所望の低圧（真空）環境にすると好ましい。このような低圧環境は、容体（チャンバー）を用いることにより実現できる。容体が絶縁材（誘電材）からなる場合、接地電極とＧＤ電極は、その容体内に別途設けられるとよい。容体（またはその一部）が導電材（金属等）からなる場合なら、容体自体をＧＤ電極として用いたり、接地された容体と接地電極を導通させてもよい。

《発生方法》
（１）本発明によるプラズマ発生は、次のような条件下でなされると好ましい。先ず、少なくともＧＤ域のガス圧（ｐ）は、１〜１５００Ｐａ、１３〜１３３３Ｐａ（０．１〜１０ｔｏｒｒ）さらには３０〜５００Ｐａとすると好ましい。電極間距離（ｄ）にも依るが、ガス圧が過小でも過大でも、グロー放電（ひいてはプラズマ発生）に高電圧が必要となって好ましくない。

なお、ＤＢＤ自体は大気圧下等でも可能であるが、本発明に係るＤＢＤ域のガス圧はＧＤ域のガス圧と実質的に同じにすると、簡素な構造で高密度なプラズマを得ることができて好ましい。

（２）ＤＢＤ電極に印加する交流電圧は、周波数が１ｋ〜１００ｋＨｚ、５ｋ〜５０ｋＨｚさらには１０ｋ〜３０ｋＨｚであると好ましい。周波数が過小ではＤＢＤ域のプラズマ密度が低下して好ましくない。周波数が過大では、高価な電源装置や整合器等が必要となり好ましくない。

その交流電圧は、ピーク・ピーク値（最大電圧と最小電圧の電圧差）が３００〜１５００Ｖさらには７００〜１３００であると好ましい。交流電圧が過小ではＤＢＤ域での放電やプラズマ発生が困難となり、交流電圧が過大になると装置が大型化して好ましくない。

（３）ＧＤ電極に印加する直流電圧は、その絶対値が２００〜８００Ｖさらには３００〜６００Ｖであると好ましい。直流電圧が過小ではＧＤ域での放電やプラズマ発生が困難となり、直流電圧が過大になると装置が大型化して好ましくない。なお、本発明に係るＧＤ電極は、接地電極に対して高電位な正極としても低電位な負極としてもよい。

《用途》
本発明の発生装置や発生方法は、プラズマを利用する種々の分野で様々な用途に適する。例えば、電子機器分野であれば半導体層や絶縁層の形成等に用いることができ、機械装置分野であれば、摺動部材等の表面改質（エッチング等を含む）や薄膜形成等に用いることができる。

ＤＢＤ域とＧＤ域を有する発生装置を製作し、ＧＤ域におけるプラズマ密度を測定することにより、本発明の有効性を実証した。このような実施例に基づいて、本発明を以下により具体的に説明する。

《発生装置》
本発明の一実施例であるプラズマ発生装置Ｓ（単に「装置Ｓ」という。）の概要を図１に示した。装置Ｓは、ＤＢＤ電極１と、ＧＤ電極２と、接地電極３と、それらを収容するチャンバー４（容体）とを備える。

ＤＢＤ電極１は、ステンレスからなるベース電極１１の一面側がアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる誘電体１２で被覆されてなる。ＧＤ電極２は銅からなり、接地電極３はステンレスからなる。接地電極３は、メッシュサイズ：０．８ｍｍ×０．８ｍｍ＝０．６４ｍｍ^２、線径：φ０．４ｍｍの金網（開口面積率：約４４％）からなる。

接地電極３は、装置Ｓのフレームグランド（ＦＧ）に接続されている。なお、漏電対策等のため、ＦＧはアースされている。ＤＢＤ電極１と接地電極３の間には電源１０から交流電力が供給される。ＧＤ電極２と接地電極３の間には電源２０から直流電力が供給される。

チャンバー４には、マスフローコントローラー（図略）を介して所定量のガスが導入される。またチャンバー４は真空ポンプ（図略）により排気され、所定の圧力に制御される。

《放電》
装置Ｓのチャンバー４へアルゴンガス（Ａｒ）を導入して、ＤＢＤ電極１と接地電極３の間であるＤＢＤ域で誘電体バリヤ放電をさせ、ＧＤ電極２と接地電極３の間であるＧＤ域で直流グロー放電をさせた。この様子を図２に示した。

このときの各設定は次の通りとした。
ＤＢＤ電極間距離（ｄ_１）：１４ｍｍ、ＧＤ電極間距離（ｄ_２）：７８ｍｍ、
Ａｒ流量：３００ｓｃｃｍ、チャンバー内圧（ｐ）：５０Ｐａ、
交流周波数（ｆ）：１５ｋＨｚ、交流電圧（Ｅ_ａ）：１０００Ｖ、
直流電圧（Ｅ_ｄ）：―４００Ｖ

なお、ＤＢＤ電極間距離（ｄ_１）はＤＢＤ電極１と接地電極３の対面間距離であり、ＧＤ電極間距離（ｄ_２）はＧＤ電極２と接地電極３の対面間距離である。交流電圧（Ｅ_ａ）は正弦波形電圧の peak to peak 値である。

《プラズマ密度》
（１）ＤＢＤ域とＧＤ域で、それぞれ個別に放電をさせたときの各位置におけるプラズマ密度と、両域で同時に放電させたときのＧＤ域内の各位置におけるプラズマ密度とをそれぞれ、ラングミュアプローブをもちいて測定した。このときの測定結果を図３Ａに示した。また、接地電極３を金網から金属板（金網と同材質）へ変更して、同様に測定した結果も図３Ｂに示した。

（２）図３Ａから明らかなように、連通部を有する接地電極を用いた場合、ＧＤ域におけるプラズマ密度が単独のときよりも１５〜５０％程度も増加することが明らかとなった。一方、図３Ｂから明らかなように、連通部のない接地電極を用いた場合、ＤＢＤはＧＤ域のプラズマ密度へ実質的に影響を与えないことも確認された。

以上のことから、荷電粒子が通過できる連通部を有する接地電極を中間に設けて、誘電体バリヤ放電と直流グロー放電を併行させると、直流グロー放電により生じるプラズマ密度がそれ単独のときよりも大幅に増加し得ることが明らかとなった。

Ｓ プラズマ発生装置
１ ＤＢＤ電極 （誘電体バリヤ放電用電極）
２ ＧＤ電極 （直流グロー放電用電極）
３ 接地電極 （共通接地電極）

Claims (9)

1. 交流電圧が印加される誘電体バリヤ放電用電極と、
   直流電圧が印加される直流グロー放電用電極と、
   該誘電体バリヤ放電用電極と該直流グロー放電用電極の間に配設され、該誘電体バリヤ放電用電極側と該直流グロー放電用電極側とを連通させる連通部を有する共通接地電極と、
   を備えるプラズマ発生装置。
2. 前記共通接地電極は、メッシュ状、格子状または櫛歯状である請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記直流グロー放電用電極と前記共通接地電極は、平行に配置された平板状である請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記誘電体バリヤ放電用電極、前記共通接地電極および前記直流グロー放電用電極は、一方向に沿って直列に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
5. 前記共通接地電極および前記直流グロー放電用電極は金属からなり、
   前記誘電体バリヤ放電用電極は、少なくとも該共通接地電極側の表面が誘電体で被覆されてなる請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載のプラズマ発生装置を用いたプラズマ発生方法であって、
   前記誘電体バリヤ放電用電極側と前記直流グロー放電用電極側のガス圧は共に１〜１５００Ｐａであり、
   前記交流電圧の周波数は１ｋ〜１００ｋＨｚであるプラズマ発生方法。
7. 前記交流電圧のピーク・ピーク値は、３００〜１５００Ｖである請求項６に記載のプラズマ発生方法。
8. 前記直流電圧の絶対値は、２００〜８００Ｖである請求項６または７に記載のプラズマ発生方法。
9. 前記直流グロー放電用電極は、前記共通接地電極に対して負極である請求項６〜８のいずれかに記載のプラズマ発生方法。