JP2020043030A

JP2020043030A - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2020043030A
Application number: JP2018171481A
Authority: JP
Inventors: 剛本田; Takeshi Honda; 旭坂本; Akira Sakamoto; 一哉小谷; Kazuya Kotani
Original assignee: Nissin Co Ltd
Current assignee: Nissin Co Ltd
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2038-09-13
Also published as: JP7093552B2

Abstract

【課題】熱膨張による変位が生じたとしても、プラズマの均一生成が可能な装置を容易に製作することができるマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。【解決手段】給電線４１とアンテナ４２とが物理的に非接触であるので、熱膨張による変位が生じたとしても、プラズマを均一に生成することができる。共振周波数のときのみ給電線４１を介して半導体発振器２がアンテナ４２に磁界結合されるように構成されているので、弾性体を設ける必要がなく装置を容易に製作することができる。その結果、熱膨張による変位が生じたとしても、プラズマの均一生成が可能な装置を容易に製作することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波によるプラズマ処理を行うマイクロ波プラズマ処理装置に係り、特に、大気圧〜数Torrの圧力下でプラズマ処理を行う技術に関する。

従来、この種のマイクロ波プラズマ処理装置として、大気圧〜数Torrの圧力下でプラズマ処理を行う装置がある（例えば、特許文献１〜４参照）。特許文献１：特開２００８−０４１４９５号公報や特許文献２：特開２００５−２９３９５５号公報では、プラズマ励起ガスをトーチ内の誘電体管に通して、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をトーチ内のアンテナに供給し、アンテナの先端におけるマイクロ波放射によりプラズマ励起ガスが励起されてプラズマを発生する。一方、特許文献３：特開２００９−０３２５４５号公報や特許文献４：特開２０１３−１６５０６４号公報では、アンテナをトーチの外部に露出して設け、プラズマ励起ガスをアンテナの露出端部に向けて吐出して、当該露出端部にてプラズマを発生する。

また、ラジアルラインスロットアンテナのスロット板と同軸導波管の内部導体に取り付けられたテーパー状のコネクタ部（すなわち給電線）とが非接触の状態であって、テーパー状のコネクタ部とスロット板とを弾性体によって電気的に接続するマイクロ波プラズマ処理装置がある（例えば、特許文献５参照）。特許文献５の装置によれば、テーパー状のコネクタ部とスロット板とが非接触の状態であるので、熱膨張によるコネクタ部の上方への変位を弾性体が吸収しながら、当該コネクタ部とスロット板とを電気的に接続し、昇温後であってもコネクタの下面とスロット板の遅波板の下面とは同一面内に位置付けられる（段落番号「００１４」，「００２５」，「００５６」を参照）。これにより、空隙が変動せず、マイクロ波のモードを安定させ、プラズマを均一に生成することができる（同段落番号を参照）。

特開２００８−０４１４９５号公報特開２００５−２９３９５５号公報特開２００９−０３２５４５号公報特開２０１３−１６５０６４号公報特開２０１０−０２７６０１号公報

しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、特許文献１〜４の装置は、給電線とアンテナとが繋がっているので、各部品において熱膨張による変位が生じる。その結果、特許文献５の段落番号「００１０」にも記載されているように、マイクロ波のモードが不安定になり、プラズマの不均一を招く。特許文献５の装置は、給電線とアンテナとが物理的に非接触であるので、熱膨張による変位を弾性体が吸収することができる。しかし、特許文献５の装置では、弾性体を介して給電線とアンテナとを電気的に接続するので、必ず弾性体を設けなければならず、装置が製作しにくくなるという主たる課題がある。

また、主たる課題とは別に、プラズマ着火時の周波数は、アンテナの形状や、プラズマ励起ガスを通す誘電体管の形状や、プラズマ励起ガスの種類や、プラズマ励起ガスの供給量や、アンテナ周辺の温度によって変化するという課題もある。したがって、適切な周波数でないとプラズマが発生しなくなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、熱膨張による変位が生じたとしても、プラズマの均一生成が可能な装置を容易に製作することができるマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波によるプラズマ処理を行うマイクロ波プラズマ処理装置であって、周波数を可変にして特定の周波数のマイクロ波を発振する半導体発振器と、当該半導体発振器から発振したマイクロ波を伝送する同軸ケーブルと、当該同軸ケーブルに電気的に接続された給電線，マイクロ波放射によりプラズマを発生するアンテナ，プラズマ励起ガスを通す誘電体管およびそれらを収容する導体製の筐体からなる共振器とを備え、前記給電線と前記アンテナとが物理的に非接触であって、共振周波数のときのみ前記給電線を介して前記半導体発振器が前記アンテナに磁界結合されるように構成されたものである。

［作用・効果］本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置によれば、周波数を可変にして特定の周波数のマイクロ波を発振する半導体発振器を備えている。（半導体発振器から発振したマイクロ波を伝送する同軸ケーブルに電気的に接続された）給電線と（マイクロ波放射によりプラズマを発生する）アンテナとが物理的に非接触である。また、共振周波数のときのみ給電線を介して半導体発振器がアンテナに磁界結合されるように構成されている。給電線とアンテナとが物理的に非接触であるので、熱膨張による変位が生じたとしても、プラズマを均一に生成することができる。共振周波数のときのみ給電線を介して半導体発振器がアンテナに磁界結合されるように構成されているので、弾性体を設ける必要がなく装置を容易に製作することができる。その結果、熱膨張による変位が生じたとしても、プラズマの均一生成が可能な装置を容易に製作することができる。

本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置において、共振器の反射電力を測定する検波器と、周波数を掃引しながら得られた検波器による反射電力の測定結果から、プラズマ着火時の周波数になるように半導体発振器を制御する制御手段とを備えるのが好ましい。共振周波数から離れた周波数のマイクロ波を発振した場合、マイクロ波のほとんどが反射電力となりプラズマを発生することができない。

そこで、周波数を掃引しながら得られた検波器による反射電力の測定結果から、プラズマ着火時の周波数になるように半導体発振器を制御することで、プラズマ着火時の周波数においてプラズマを発生することができる。したがって、内部の環境（アンテナの形状や、プラズマ励起ガスを通す誘電体管の形状や、プラズマ励起ガスの種類や、プラズマ励起ガスの供給量や、アンテナ周辺の温度）に左右されずにプラズマを発生することができる。

図５に示すように、プラズマ着火時の周波数が変化する。また、図６に示すように、ユーザが予め設定した閾値Ｔｈに応じてプラズマ着火時の周波数の範囲（ａ）は変動する。このように、閾値Ｔｈよりも低い反射電力での周波数をプラズマ着火時の周波数とすることができる。閾値Ｔｈが高くなるのにしたがってプラズマ着火時の周波数の範囲（ａ）は広くなり、閾値Ｔｈが低くなるのにしたがってプラズマ着火時の周波数の範囲（ａ）は狭くなる。

よって、検波器によって反射電力を測定し、プラズマ着火時の反射電力が極小となる周波数になるように制御手段は半導体発振器を制御するのがより一層好ましい。プラズマ着火時の反射電力が極小となる周波数（すなわち、共振周波数）では、マイクロ波のほとんどがプラズマ点灯に用いられるので、効率良くプラズマを最大限に発生することができる。

本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置によれば、給電線とアンテナとが物理的に非接触であるので、熱膨張による変位が生じたとしても、プラズマを均一に生成することができる。共振周波数のときのみ給電線を介して半導体発振器がアンテナに磁界結合されるように構成されているので、弾性体を設ける必要がなく装置を容易に製作することができる。その結果、熱膨張による変位が生じたとしても、プラズマの均一生成が可能な装置を容易に製作することができる。

実施例に係るマイクロ波プラズマ処理装置の概略図である。放電管を十字型に開口したときの共振器の概略図であって、（ａ）は共振器の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。放電管を楕円形状に開口し、アンテナの先端を楕円形状としたときの共振器の概略図であって、（ａ）は共振器の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。放電管を楕円形状に開口し、アンテナの先端を楕円形状としたときの共振器を複数並べたライン型マイクロ波プラズマ処理装置の平面図である。周波数を変化させたときの電力強度のシミュレーション結果である。プラズマ着火時の周波数の範囲の説明に供する、周波数を変化させたときの電力強度の模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、実施例に係るマイクロ波プラズマ処理装置の概略図であり、図２は、放電管を十字型に開口したときの共振器の概略図であって、図２（ａ）は、共振器の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図であり、図３は、放電管を楕円形状に開口し、アンテナの先端を楕円形状としたときの共振器の概略図であって、図３（ａ）は、共振器の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図であり、図４は、放電管を楕円形状に開口し、アンテナの先端を楕円形状としたときの共振器を複数並べたライン型マイクロ波プラズマ処理装置の平面図である。なお、図１では、同軸コネクタを除く共振器のみ断面図で図示する。

マイクロ波プラズマ処理装置１は、図１に示すように、半導体発振器２と同軸ケーブル３と共振器４と検波器５とコントローラ６とを備えている。共振器４は、給電線４１とアンテナ４２と放電管４３と外部導体４４と同軸コネクタ４５とを備えている。外部導体４４は導体製の筐体であって、給電線４１，アンテナ４２および放電管４３を収容している。放電管４３は、本発明における誘電体管に相当し、外部導体４４は、本発明における導体製の筐体に相当し、コントローラ６は、本発明における制御手段に相当する。

半導体発振器２は、周波数を可変にして特定の周波数のマイクロ波を発振する。本実施例では、半導体発振器２は、２．４５ＧＨｚを中心とした２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの範囲で周波数を変化させてマイクロ波を発振する。単体で周波数変調を行うのが困難なマグネトロン(magnetron)と異なり、半導体発振器の場合には周波数変調を行うことができる。

同軸ケーブル３は、半導体発振器２から発振したマイクロ波を伝送する。同軸ケーブル３と共振器４の給電線４１とを共振器４の同軸コネクタ４５によって電気的に接続することで、給電線４１は同軸ケーブル３に電気的に接続されている。

共振器４のアンテナ４２は、マイクロ波放射によりプラズマを発生する。アンテナ４２は、共振器４の放電管４３に収容されている。また、給電線４１とアンテナ４２とが物理的に非接触となるようにそれぞれが設置されている。後述するように、共振周波数のときのみ給電線４１を介して半導体発振器２がアンテナ４２に磁界結合されている。よって、磁界結合が有効に発揮されるのは、給電線４１とアンテナ４２との距離が数ｍｍ程度である。給電線４１とアンテナ４２との距離が数ｍｍよりも長くなると、磁界結合し難くなる。

共振器４の放電管４３は、プラズマ励起ガスを通す誘電体管で構成されている。放電管４３は、ガス導入口４３ａに接続されている。このガス導入口４３ａからプラズマ励起ガスを導入することにより、プラズマ励起ガスを放電管４３に通す。共振器４の外部導体４４は、円筒形である。

上述したように、給電線４１とアンテナ４２とが物理的に非接触であって、共振周波数のときのみ給電線４１を介して半導体発振器２がアンテナ４２に磁界結合されている。したがって、給電線４１とアンテナ４２とが物理的に非接触であっても、共振周波数のときに半導体発振器２から発振したマイクロ波を、アンテナ４２に伝送することができる。その結果、給電線４１とアンテナ４２とが物理的に非接触であっても、共振周波数のときにアンテナ４２でのマイクロ波放射によりプラズマを発生することができる。

また、検波器５は、半導体発振器２に電気的に接続されており、共振器４の反射電力を検波器５が測定する。検波器５は、コントローラ６にも電気的に接続されている。したがって、周波数を掃引しながら得られた検波器５による反射電力の測定結果を、コントローラ６を介して、モニタ（図示省略）に表示したり、ＲＡＭ(Random Access Memory)などに代表される記憶媒体（図示省略）に書き込んで記憶することができる。

コントローラ６は、半導体発振器２に電気的に接続されている。コントローラ６から電力や周波数制御信号を半導体発振器２に送り込むことによって、任意の振幅（電力）を有したマイクロ波や任意の周波数のマイクロ波を半導体発振器２が発振するようにコントローラ６は制御する。したがって、半導体発振器２から周波数を掃引しながら各々のマイクロ波をそれぞれに発振するようにコントローラ６は制御することができる。コントローラ６は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）などで構成されている。

ここで、アンテナ４２や放電管４３の形状については、図１に限定されない。
例えば、図２に示すように放電管４３を十字型に開口してもよい。図２の場合には、十字型の開口を通して、アンテナ４２から発生したプラズマを十字形状にすることができる。また、図３に示すように放電管４３を楕円形状に開口し、アンテナ４２の先端を楕円形状としてもよい。図３の場合には、アンテナ４２の楕円形状の先端から発生したプラズマを、楕円形状の開口を通して楕円形状にすることができる。

また、図４に示すように共振器４の外部導体４４を直方体とし、図３と同様に放電管４３を楕円形状に開口し、アンテナ４２の先端を楕円形状とし、共振器４を複数並べてもよい。図４の場合には、直方体の外部導体４４からなる共振器４を複数並べることにより、各アンテナ４２から発生したプラズマをライン形状にすることができる。

次に、周波数の変化によるプラズマ発生の制御について、図５および図６を参照して説明する。図５は、周波数を変化させたときの電力強度のシミュレーション結果であり、図６は、プラズマ着火時の周波数の範囲の説明に供する、周波数を変化させたときの電力強度の模式図である。

半導体発振器２（図１を参照）から、２．４５ＧＨｚを中心とした２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの範囲で周波数を変化させてマイクロ波を発振するように、コントローラ６（図１を参照）は半導体発振器２に各々の周波数制御信号を送り込んで、半導体発振器２を制御する。そして、半導体発振器２は２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの範囲で周波数を掃引しながら、各々の周波数毎に共振器４（図１を参照）の反射電力を検波器５（図１を参照）が測定する。２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの範囲で周波数を掃引しながら得られた検波器５による反射電力の測定結果は、図５に示す通りである。

ここで、図５は、円筒形の共振器４（図１を参照）の外部導体４４（図１を参照）をモデル化して、模擬プラズマを設定したとき（図５の「プラズマ有り：Ａ」を参照），模擬プラズマを設定しなかったとき（図５の「プラズマ無し：Ｂ」を参照）それぞれにおける、周波数を変化させたときの電力強度のシミュレーション結果であるが、実際にプラズマを点灯させたときも、図５と同様の結果になることに留意されたい。図５の横軸は周波数であって、図５の縦軸は電力強度［ｄＢ］である。電力強度［ｄＢ］は、底が10である対数（すなわち常用対数）で、入射電力に対する反射電力の比率をデシベル計算したものであって、10×log₁₀（反射電力／入射電力）で電力強度［ｄＢ］を表すことができる。

「課題を解決するための手段」の欄でも述べたように、共振周波数から離れた周波数のマイクロ波を発振した場合、マイクロ波のほとんどが反射電力となりプラズマを発生することができない。したがって、共振周波数から離れた周波数のマイクロ波を発振した場合には、反射電力／入射電力＝１であるので、０［ｄＢ］である。そして、周波数が共振周波数に近づくにしたがって、反射電力／入射電力が１よりも小さくなって、電力強度［ｄＢ］も小さくなる。

以上の理由により、共振周波数のときに反射電力が極小となって、電力強度［ｄＢ］も極小となる。共振周波数のときに反射電力が極小となる理由は、共振周波数のときにマイクロ波のほとんどがプラズマ点灯に用いられるからである。「課題を解決するための手段」の欄でも述べたように、プラズマ着火時の周波数が変化する。

このことから、効率良くプラズマを最大限に発生するためには、周波数を掃引しながら得られた検波器５による反射電力の測定結果において、プラズマ着火時の反射電力が極小となる周波数（すなわち、共振周波数）になるように、コントローラ６は半導体発振器２を制御するのが最も好ましい。しかし、ユーザの設定に応じて、必ずしも共振周波数になるように制御する必要はない。図６に示すように、電力強度［ｄＢ］が、ユーザが予め設定した閾値Ｔｈよりも低ければ、プラズマ点灯として用いるのに十分であるとして、閾値Ｔｈよりも低い反射電力での周波数をプラズマ着火時の周波数とすることができる。

本実施例に係るマイクロ波プラズマ処理装置１によれば、周波数を可変にして特定の周波数（本実施例では２．４５ＧＨｚを中心とした２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの範囲）のマイクロ波を発振する半導体発振器２を備えている。（半導体発振器２から発振したマイクロ波を伝送する同軸ケーブル３に電気的に接続された）給電線４１と（マイクロ波放射によりプラズマを発生する）アンテナ４２とが物理的に非接触である。また、共振周波数のときのみ給電線４１を介して半導体発振器２がアンテナ４２に磁界結合されるように構成されている。給電線４１とアンテナ４２とが物理的に非接触であるので、熱膨張による変位が生じたとしても、プラズマを均一に生成することができる。共振周波数のときのみ給電線４１を介して半導体発振器２がアンテナ４２に磁界結合されるように構成されているので、弾性体を設ける必要がなく装置を容易に製作することができる。その結果、熱膨張による変位が生じたとしても、プラズマの均一生成が可能な装置を容易に製作することができる。

上記の効果以外に、本実施例では下記のような効果をも奏する。
・放電管４３からのプラズマ噴出（プラズマジェット）の強度を、電力だけでなく、アンテナ４２の共振特性を利用して半導体発振器２の周波数調整により変化させることができる。
・発熱による損傷が少ない。発熱は主にアンテナ４２の先端部であるが、放電管４３の内部とアンテナ４２との間の空間に対してプラズマ励起ガスを流しているので、当該プラズマ励起ガスの吹き付けによって冷却することが可能である。
・長時間のプラズマの点灯が可能である。なお、１０分程度のプラズマ点灯の実績が確認されている。
・共振器４におけるリアクタ(reactor)内部（主に給電線４１やアンテナ４２や放電管４３）も簡易な構成であるので、装置のメンテナンス性に優れている。給電線４１とアンテナ４２とが物理的に非接触であることによる非接触給電の場合、各部品（給電線４１，アンテナ４２，放電管４３）が分解可能な構造であり、各部品の交換が容易である。
・放電管４３の開口部を直径1mm（Φ1mm）以下にすると、Φ1mm以下のプラズマを発生することができる。したがって、ブラインド・ビア・ホール(BVH: Blind Via Hole)やスルーホール・ビア(THV: Through Hole Via)のような基板加工時に発生するスミア除去や樹脂材の切断加工時に発生するバリ取りなど微小な領域に対する処理に活用することができる。
ここで、「スミア」とは、多層基板のドリル工程で、樹脂が溶けてスルホール内部に付着したものである。スミアを除去せずにそのままスルーホールメッキをすると表層と内層パターンとの導通がとれなくなる。そこで、メッキ前にスミア除去を行う。「バリ取り」とは、樹脂や金属の加工時に発生する不要な突起を研磨する作業のことである。

本実施例において、マイクロ波プラズマ処理装置１は、共振器４の反射電力を測定する検波器５と、周波数を掃引しながら得られた検波器５による反射電力の測定結果から、プラズマ着火時の周波数になるように半導体発振器２を制御する制御手段（本実施例ではコントローラ６）とを備えるのが好ましい。上述したように、共振周波数から離れた周波数のマイクロ波を発振した場合、マイクロ波のほとんどが反射電力となりプラズマを発生することができない。

そこで、周波数を掃引しながら得られた検波器５による反射電力の測定結果から、プラズマ着火時の周波数になるように半導体発振器２を制御することで、プラズマ着火時の周波数においてプラズマを発生することができる。したがって、内部の環境（アンテナ４２の形状や、プラズマ励起ガスを通す誘電体管で構成された放電管４３の形状や、プラズマ励起ガスの種類や、プラズマ励起ガスの供給量や、アンテナ４２周辺の温度）に左右されずにプラズマを発生することができる。

上述したように、プラズマ着火時の周波数が変化する（図５の「プラズマ有り：Ａ」および「プラズマ無し：Ｂ」を参照）。また、図６に示すように、ユーザが予め設定した閾値Ｔｈに応じてプラズマ着火時の周波数の範囲（ａ）は変動する。このように、閾値Ｔｈよりも低い反射電力での周波数をプラズマ着火時の周波数とすることができる。閾値Ｔｈが高くなるのにしたがってプラズマ着火時の周波数の範囲（ａ）は広くなり、閾値Ｔｈが低くなるのにしたがってプラズマ着火時の周波数の範囲（ａ）は狭くなる。

よって、検波器５によって反射電力を測定し、プラズマ着火時の反射電力が極小となる周波数になるように制御手段（コントローラ６）は半導体発振器２を制御するのがより一層好ましい。プラズマ着火時の反射電力が極小となる周波数（すなわち、共振周波数）では、マイクロ波のほとんどがプラズマ点灯に用いられるので、効率良くプラズマを最大限に発生することができる。

本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、２．４５ＧＨｚを中心とした２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの範囲で周波数を変化させてマイクロ波を発振したが、一般的にマイクロ波の周波数は、３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲で、マイクロ波プラズマ処理に用いられるマイクロ波の周波数は、１ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲である。よって、上記の範囲（１ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲）であれば、マイクロ波の周波数については、特に限定されない。

（２）マイクロ波プラズマ処理であれば、アッシングやエッチングなどの表面改質処理や、表面成膜処理等に適用してもよい。

以上のように、本発明は、アッシングやエッチングなどの表面改質処理や、表面成膜処理等に適している。

１ … マイクロ波プラズマ処理装置
２ … 半導体発振器
３ … 同軸ケーブル
４ … 共振器
４１ … 給電線
４２ … アンテナ
４３ … 放電管
４４ … 外部導体
５ … 検波器
６ … コントローラ

Claims

マイクロ波によるプラズマ処理を行うマイクロ波プラズマ処理装置であって、
周波数を可変にして特定の周波数のマイクロ波を発振する半導体発振器と、
当該半導体発振器から発振したマイクロ波を伝送する同軸ケーブルと、
当該同軸ケーブルに電気的に接続された給電線，マイクロ波放射によりプラズマを発生するアンテナ，プラズマ励起ガスを通す誘電体管およびそれらを収容する導体製の筐体からなる共振器と
を備え、
前記給電線と前記アンテナとが物理的に非接触であって、
共振周波数のときのみ前記給電線を介して前記半導体発振器が前記アンテナに磁界結合されるように構成された
マイクロ波プラズマ処理装置。
請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置において、
前記共振器の反射電力を測定する検波器と、
周波数を掃引しながら得られた前記検波器による反射電力の測定結果から、プラズマ着火時の周波数になるように前記半導体発振器を制御する制御手段と
を備えた
マイクロ波プラズマ処理装置。
請求項２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置において、
前記検波器によって反射電力を測定し、プラズマ着火時の反射電力が極小となる周波数になるように前記制御手段は前記半導体発振器を制御する
マイクロ波プラズマ処理装置。