JP3768854B2 - Plasma jet generator - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、プラズマジェット発生装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高密度プラズマを細いノズルからジェット状に噴出させ、被加工物の材料を選ばず、被加工物の局所部位に溶断、エッチング、薄膜堆積などの加工、表面処理を高速で行うプラズマジェット発生装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
従来より、プラズマジェットは、被加工物に溶断、エッチング、薄膜堆積等の加工および表面処理を行うのに有用とされており、また有害物質の高温処理等他の様々な分野で利用されている。
【0003】
このようなプラズマジェットに関し、現在、直径2mm以下の精細プラズマジェットを発生させるには、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、その他のプラズマ発生装置として知られている、無電極方式の高周波誘導結合式熱プラズマ発生装置に関しては、口径が大きく、大電力の入力が必要になることが知られており、大電力を入力する結果として生成する多量の熱の制御が困難であるため、微小面積にプラズマを照射できるものはこれまで存在していなかった。
【0004】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、高密度プラズマを細いノズルからジェット状に噴出させ、被加工物の局所部位に溶断、エッチング、薄膜堆積などの加工、表面処理を高速で行うことのできる、新しいプラズマジェット発生装置を提供することを課題としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第1には、放電管と、放電管の長さ方向の一部の周囲に巻回配置されたソレノイドアンテナと、該ソレノイドアンテナにプラズマを発生させるための電力を供給する電源を備えた高周波誘導結合式のプラズマジェット発生装置であって、放電管のプラズマ出力側の端部に放電管よりも内径の小さいノズルを有し、放電管の内径が5mm以下で放電が可能な大きさであり、且つ前記電源として30〜300MHzのVHF帯の高周波電源を用いて駆動されることを特徴とする無電極方式のプラズマジェット発生装置を提供する。
【0006】
第2には、第1の発明のプラズマジェット発生装置において、放電管の内径の下限が1.0mmであることを特徴とするプラズマジェット発生装置を提供する。
【0007】
第3には、第1または第2の発明のプラズマジェット発生装置において、ノズルの内径が2mm以下であることを特徴とし、第4には、第1ないし第3のいずれかの発明のプラズマジェット発生装置において、ノズルの内径の下限が0.4mmであることを特徴とするプラズマジェット発生装置を提供する。
【0008】
さらに、第には、第1ないし第のいずれかの発明のプラズマジェット発生装置において、放電管が石英管から成ることを特徴とするプラズマジェット発生装置を提供する。
【0009】
また、第には、第1ないし第のいずれかの発明のプラズマジェット発生装置において、ノズルがセラミックスから成ることをも特徴とするプラズマジェット発生装置を提供する。
【0010】
また、第には、第1ないし第のいずれかの発明のプラズマジェット発生装置において、プラズマジェットと反応性ガスを被加工物の局所部位に照射し、エッチング、膜堆積などの加工、表面処理を行うようになしたことを特徴とするプラズマジェット発生装置を提供する。
【0011】
には、第1ないし第のいずれかの発明のプラズマジェット発生装置において、大気圧で動作させるようになしたことを特徴とするプラズマジェット発生装置を提供する。
【0012】
さらに第には、第1ないし第のいずれかの発明のプラズマジェット発生装置において、放電開始時にアンテナ付近に高電界を印加するための補助高圧電源を有することを特徴とするプラズマジェット発生装置を提供する。
【0013】
【発明の実施の形態】
この出願の発明のプラズマジェット発生装置は、放電管と、放電管付近に配置されたアンテナおよびその電源から構成される高周波誘導結合式のプラズマ発生装置であって、放電管の一端に放電管よりも内径の小さいノズルを有し、放電管の内径を5mm以下として小型化し、またノズルの内径を2mm以下とすることから、生成するプラズマの体積を小さくしてプラズマ生成に必要な電力を低減することができる。尚、ノズルの内径dと放電管内径Dの比d/Dは1〜1/100の範囲とする。
【0014】
上記のように狭い放電管でのプラズマ生成では放電管壁での電子の損失が問題となるため、交番電界中での電子の捕捉効率を高めるために最適な周波数領域であるVHF帯(30−300MHz)の高周波をアンテナに印加することで低電力でのプラズマ生成が可能となる。このとき、アンテナとしてソレノイドアンテナを用いることができる。
【0015】
この結果、発生する総熱量は抑えられ、高密度プラズマを細いノズルの先端からジェット状に噴出させることのできる無電極方式の高周波誘導結合式のプラズマジェット発生装置が実現できる。
【0016】
また、この発明のプラズマジェット発生装置においては、放電管を石英管から成るものとし、放電管よりも内径の小さいノズルを、石英と比べて熱に強いアルミナや窒化ケイ素等のセラミックスから成るものとすることでノズルを長時間使用することができる。
【0017】
尚、ノズルの先端と放電管中心部の距離は短い方がエネルギー損失は抑えられるが、距離が長い場合(15cm程度)であっても動作させることは可能である。
【0018】
さらにまた、この発明のプラズマジェット発生装置は、プラズマジェットと反応性ガスを被加工物の局所部位に照射し、エッチング、膜堆積などの加工、表面処理を行うことができる。つまり、反応性ガスが使用可能なため反応性ガスの作用により被加工物に対する加工において、加工精度を高めることができ、また加工速度を増大させることができるなど様々な効果を得ることができる。
【0019】
さらにこの発明のプラズマジェット発生装置は大気圧で動作させることが可能なため真空排気装置が無くとも動作させることができる。
【0020】
また、このプラズマジェット発生装置に、放電開始時にアンテナ付近に高電界を印加するのための補助高圧電源を加えることも可能である。補助高圧電源として、たとえば市販のテスラコイルと言われる一種の高圧パルス電源をアンテナ付近で動作させてアンテナ付近にパルス放電電流を流すことによって放電のトリガーとすることができる。
【0021】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【0022】
【実施例】
<実施例1>
まず、図1のような小型化した高周波誘導結合式のプラズマジェット発生装置(1)を試作した。外径3mm、内径1.5mmの石英管から成る放電管(2)に、冷却水(3)を内部に通すことで水冷可能な外径2.5mmの銅管を3巻きし、ソレノイドアンテナ(4)とした。放電管(2)の一端よりアルゴンガス(5)を導入し、放電管(2)の他端に配置されたノズル(6)を介して大気圧に開放し、VHF電源(9)から100MHzのVHF帯の高周波を、マッチング回路(7)を介してソレノイドアンテナ(4)に印加するとフレーム状に伸びたプラズマジェット(8)を生成することができた。
【0023】
次に放電管(2)とノズル(6)の長さおよび形状がプラズマジェット(8)に及ぼす影響を調べるため、発光分光法を用いて電子密度、励起温度を測定した。
【0024】
VHF電源(9)の電力が5−500Wの範囲であり、且つアルゴンガス(5)の流量が0.2−15リットル/分の範囲のとき、アルゴンプラズマジェット(8)を生成することができ、電力とガス流量を増加させると、プラズマジェット長は最大15mmまで伸びた。
【0025】
VHF電源(9)の電力を200Wで一定とし、ガス流量を変化させて電子密度の空間分布を測定した。その結果を図2に示す。
【0026】
図2のグラフに示しているように、ソレノイドアンテナ(4)直下(X=7mm)では、ガス流量6−10リットル/分で電子密度は1015cm-3以上となった。ガス流量を増加させると壁への熱伝導が抑制され高密度になること、またソレノイドアンテナ(4)直下の高密度部が下流域に広がることが確認された。X=25mmのジェット部分の電子密度はソレノイドアンテナ(4)直下(X=7mm)の約半分になる。以降のプラズマ計測は特に断らなければX=25mmの位置で行った。
【0027】
次にプラズマジェット(8)の径を絞るためのピンチノズルの効果について検討した。図3におけるグラフは、図3の挿し絵に示す(A)ノズルなしと、(B)ノズル有りの場合のガス流量による電子密度の変化を示す。どちらの場合もガス流量が増加すると電子密度が上昇する傾向にあり、ノズル(6)を内径0.2mmに絞った場合はさらに流速が増すため、電子密度は急激に増加した。流速の効果以外に、ノズル有りの場合、ノズル(6)の部分ではプラズマの体積が小さくなるため、エネルギー密度が増大するので電子密度が上昇するとも考えられる。さらに電子密度の電力依存を調べたところ、図4に示しているように、ガス流量を2リットル/分で一定にすると、(B)ノズル有りの場合は(A)ノズルなしの場合に比べ電子密度が約2倍になり、約300Wでは、1015cm-3程度の高密度が得られた。
【0028】
また励起温度の電力依存を調べたところ、図5に示しているように、(B)ノズル有りの場合が(A)ノズルなしの場合に比べて高く、5000−6000Kになった。この値は、サハの式から予測されるアルゴンプラズマの電子密度と温度の関係に矛盾しない。
【0029】
長時間の装置稼動の際には石英管を細くひきのばして加工したノズルは熱により軟化しやすいため、ノズルはアルミナや窒化珪素などのセラミックスを用いる方が実用的である。実際に、長さ20mm、内径0.4mmφのセラミックノズルを使用することで、高密度、高安定プラズマジェットを長時間生成することが可能になった。
【0030】
本装置を高精密プラズマ溶断に適用した例の写真を図6に示す。図6(A)に示すように厚さ30μmのステンレススチール薄板(10)に電力50Wで5秒間アルゴンプラズマジェット(8)を照射し、図6(B)に示すように開口径0.4mmφの円形穴(11)を加工できた。また、プラズマジェット(8)下で被加工物であるステンレススチール薄板(10)を水平方向に移動させることで、ステンレススチール薄板(10)を切断することができた。
<実施例2>
反応性ガス雰囲気中でプラズマジェットを被加工物に照射するために試作した実験装置を図7に示す。プラズマジェット発生装置(1)はVHF電力供給のための3巻きソレノイドアンテナ(4)と外径3.0mm、内径1.0mmの石英管から成る放電管(2)とその末端に配置された内径0.4mmのセラミックス製ノズル(6)から構成され、プラズマジェット発生装置(1)の真下に備え付けられたSUS製容器(12)内に精細なプラズマジェット(8)を噴出する。プラズマジェット(8)直下の基板ステージ(13)は水平面内可動となっている。容器(12)内は大気圧であり、真空排気装置が無くとも動作できることは実用上大きな利点である。
【0031】
VHF電源(9)の電力250W、 放電管へのアルゴンガス(5)流量9リットル/分で精細プラズマジェット(8)を発生させ、シリコン基板(14)上に3分間照射した。微量のSF62cc/分の添加の有無による加工形状の違いを、レーザー顕微鏡を用いて観察した結果を図8に示す。
【0032】
図8(A)に示しているようにアルゴンガスのみでは蒸発により物理的エッチングが起こるため加工面の荒れが激しく、加工深さは10μm以下であった。一方、図8(B)に示しているようにSF6添加では化学的エッチングの効果により加工面は平滑で、プラズマジェット(8)の径にほぼ等しい0.5mmの径で等方的に深さ30μmの凹型形状が得られた。シリコンのエッチング速度はSF6の添加量とともに増大した。さらにシリコン基板(14)に13.56MHzの基板バイアスを印加し、プラズマ中のイオンをシリコン基板(14)上に加速して照射するとエッチング速度が増大し、1分間で1mm以上の加工深さが得られた。
【0033】
SF6のようなエッチング反応をもたらすガスの変わりにメタンガスのような薄膜堆積の原料となるガスを導入すると、プラズマジェット(8)がシリコン基板(14)に照射される局所面積にのみ薄膜堆積が起こった。また、エッチングや薄膜堆積を行いながら、シリコン基板(14)をプラズマジェット(8)下で移動させることにより、2次元あるいは3次元の任意形状を直接シリコン基板(14)上に加工することができた。
【0034】
図7に示す実験装置に補助高圧電源を加えた実験装置を図9に示す。図9では、高圧パルス電源(16)をソレノイドアンテナ(4)付近で動作させてソレノイドアンテナ(4)付近にパルス放電電流を流すことによって放電のトリガーとしている。尚、図9は基板ステージ(13)にプラズマ中のイオンを加速して照射するための高周波電源(15)およびマッチング回路(7)が備えられた図となっている。
【0035】
【発明の効果】
以上のようにこの出願の発明によれば、低電力の高周波放電により精細な高密度プラズマジェットの発生が可能であり、直流放電の場合とは異なり、金属、セラミックス、プラスチックなど被加工物の材料を選ばず、局所部位への高速ドライエッチングや成膜などの精密加工を施すために実用的なプラズマジェット発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の高周波誘導結合式の精細プラズマジェット発生装置の模式図である。
【図2】この発明のプラズマジェット発生装置内の電子密度の空間分布を測定した結果である。
【図3】この発明のプラズマジェット発生装置において、ノズルなしとノズル有りの場合の構造を示す図および電子密度のガス流量依存性を示すグラフである。
【図4】この発明のプラズマジェット発生装置において、ノズルなしとノズル有りの場合における電子密度の電力依存性を示すグラフである。
【図5】この発明のプラズマジェット発生装置において、ノズルなしとノズル有りの場合における励起温度の電力依存性を示すグラフである。
【図6】この発明のプラズマジェット発生装置を高精密プラズマ溶断に適用した例を示す写真である。
【図7】反応性ガス雰囲気中でプラズマジェットを被加工物に照射するために試作した実験装置である。
【図8】SF6添加有無の場合にプラズマジェットを照射したシリコン基板表面のレーザー顕微鏡像である。
【図9】図7の実験装置に、高圧パルス電源を加えた実験装置である。
【符号の説明】
1 プラズマジェット発生装置
2 放電管
3 冷却水
4 ソレノイドアンテナ
5 アルゴンガス
6 ノズル
7 マッチング回路
8 プラズマジェット
9 VHF電源
10 ステンレススチール薄板
11 円形穴
12 容器
13 基板ステージ
14 シリコン基板
15 高周波電源
16 高圧パルス電源
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention of this application relates to a plasma jet generator. More specifically, the invention of this application is such that high-density plasma is jetted out from a thin nozzle in a jet shape, and the material of the workpiece is not selected, and processing such as fusing, etching, thin film deposition, etc. on the local portion of the workpiece is performed. The present invention relates to a plasma jet generator that performs processing at high speed.
[0002]
[Prior art and its problems]
Conventionally, a plasma jet has been useful for processing and surface treatment such as fusing, etching, thin film deposition, etc. on a workpiece, and is also used in various other fields such as high-temperature treatment of harmful substances. .
[0003]
With respect to such a plasma jet, at present, a method using a DC arc discharge is well known for generating a fine plasma jet having a diameter of 2 mm or less. However, the method using direct-current arc discharge has various problems such as that the electrode is easily deteriorated, the reactive gas cannot be used, and the substrate is limited to a conductor. In addition, the electrodeless high-frequency inductively coupled thermal plasma generator known as another plasma generator is known to have a large aperture and require high power input. Since it is difficult to control a large amount of heat generated as a result of input, there has been no device that can irradiate a small area with plasma.
[0004]
Accordingly, the invention of this application has been made in view of the circumstances as described above, solves the problems of the prior art, and ejects high-density plasma in a jet form from a thin nozzle, thereby local regions of the workpiece. It is an object of the present invention to provide a new plasma jet generator capable of performing processing such as fusing, etching, thin film deposition, and surface treatment at high speed.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the invention of this application firstly includes a discharge tube, a solenoid antenna wound around a part of the discharge tube in the length direction, and the solenoid antenna. A high-frequency inductively coupled plasma jet generator equipped with a power supply for generating power for generating plasma, having a nozzle having a smaller inner diameter than the discharge tube at the end of the plasma output side of the discharge tube Provided is an electrodeless plasma jet generator characterized in that the inner diameter of the tube is 5 mm or less and is capable of discharging, and is driven by using a 30 to 300 MHz high frequency power source in the VHF band as the power source. To do.
[0006]
2ndly, the plasma jet generator of 1st invention WHEREIN: The minimum of the internal diameter of a discharge tube is 1.0 mm, The plasma jet generator characterized by the above-mentioned is provided.
[0007]
Third, in the plasma jet generator of the first or second invention, the inner diameter of the nozzle is 2 mm or less, and fourth, the plasma jet of any one of the first to third inventions In the generator, there is provided a plasma jet generator characterized in that the lower limit of the inner diameter of the nozzle is 0.4 mm .
[0008]
In addition, the fifth, the plasma jet generator of the first to fourth any one of the discharge tube to provide a plasma jet generator, characterized in that it consists of a quartz tube.
[0009]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the plasma jet generator according to any one of the first to fifth aspects, wherein the nozzle is made of ceramics.
[0010]
Moreover, the seventh, the plasma jet generator of any of the first to sixth, the plasma jet and the reactive gas by irradiating the local region of a workpiece, etching, processing such as film deposition, surface Provided is a plasma jet generator characterized in that processing is performed .
[0011]
Eighth , the plasma jet generator according to any one of the first to sixth inventions is characterized in that it is operated at atmospheric pressure.
[0012]
More ninth, the plasma jet generator of any of the first to sixth, jet generator apparatus characterized by having an auxiliary high-voltage power supply for applying a high electric field in the vicinity of the antenna at the discharge starting I will provide a.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The plasma jet generator of the invention of this application is a high-frequency inductively coupled plasma generator composed of a discharge tube, an antenna disposed near the discharge tube, and a power supply thereof, and is connected to one end of the discharge tube from the discharge tube. Also has a nozzle with a small inner diameter, the discharge tube is reduced to an inner diameter of 5 mm or less, and the nozzle inner diameter is set to 2 mm or less, thereby reducing the volume of plasma generated and reducing the power required for plasma generation. be able to. The ratio d / D between the inner diameter d of the nozzle and the inner diameter D of the discharge tube is in the range of 1 to 1/100.
[0014]
In the plasma generation in the narrow discharge tube as described above, the loss of electrons on the discharge tube wall becomes a problem. Therefore, the VHF band (30−30), which is an optimum frequency region in order to increase the efficiency of capturing electrons in an alternating electric field. By applying a high frequency of 300 MHz to the antenna, plasma generation with low power is possible. At this time, a solenoid antenna can be used as the antenna.
[0015]
As a result, the total amount of heat generated can be suppressed, and an electrodeless high frequency inductively coupled plasma jet generator capable of jetting high density plasma in the form of a jet from the tip of a thin nozzle can be realized.
[0016]
Further, in the plasma jet generator of the present invention, the discharge tube and made of a quartz tube, the small nozzle inner diameter than the discharge tube, which compared with the quartz consists of strong alumina or silicon nitride arsenide ceramic thermal By doing so, the nozzle can be used for a long time.
[0017]
Note that energy loss is suppressed when the distance between the tip of the nozzle and the center of the discharge tube is short, but it is possible to operate even when the distance is long (about 15 cm).
[0018]
Furthermore, the plasma jet generator according to the present invention can perform processing such as etching and film deposition, and surface treatment by irradiating a plasma jet and a reactive gas to a local portion of the workpiece. That is, since the reactive gas can be used, various effects can be obtained such as the processing accuracy can be increased and the processing speed can be increased in processing the workpiece by the action of the reactive gas.
[0019]
Furthermore, since the plasma jet generator of the present invention can be operated at atmospheric pressure, it can be operated without a vacuum exhaust device.
[0020]
It is also possible to add an auxiliary high-voltage power supply for applying a high electric field near the antenna at the start of discharge to the plasma jet generator. As the auxiliary high-voltage power source, for example, a kind of high-voltage pulse power source called a commercially available Tesla coil is operated near the antenna, and a pulse discharge current is allowed to flow in the vicinity of the antenna, thereby triggering the discharge.
[0021]
Embodiments of the present invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.
[0022]
【Example】
<Example 1>
First, a miniaturized high-frequency inductively coupled plasma jet generator (1) as shown in FIG. 1 was prototyped. A discharge tube (2) made of a quartz tube with an outer diameter of 3 mm and an inner diameter of 1.5 mm is wound with 3 turns of a copper tube with an outer diameter of 2.5 mm that can be cooled by passing cooling water (3) through the inside, and a solenoid antenna ( 4). Argon gas (5) is introduced from one end of the discharge tube (2), opened to atmospheric pressure via a nozzle (6) disposed at the other end of the discharge tube (2), and 100 MHz from the VHF power source (9). When a high frequency in the VHF band was applied to the solenoid antenna (4) via the matching circuit (7), a plasma jet (8) extending in a frame shape could be generated.
[0023]
Next, in order to investigate the influence of the length and shape of the discharge tube (2) and the nozzle (6) on the plasma jet (8), the electron density and the excitation temperature were measured using emission spectroscopy.
[0024]
When the power of the VHF power source (9) is in the range of 5-500 W and the flow rate of the argon gas (5) is in the range of 0.2-15 liters / minute, the argon plasma jet (8) can be generated. When the power and gas flow rate were increased, the plasma jet length increased to a maximum of 15 mm.
[0025]
The electric power of the VHF power source (9) was kept constant at 200 W, and the spatial distribution of electron density was measured by changing the gas flow rate. The result is shown in FIG.
[0026]
As shown in the graph of FIG. 2, the electron density was 10 15 cm −3 or more at a gas flow rate of 6-10 liters / minute immediately below the solenoid antenna (4) (X = 7 mm). When the gas flow rate was increased, heat conduction to the wall was suppressed and the density was increased, and it was confirmed that the high-density portion directly under the solenoid antenna (4) spreads in the downstream area. The electron density of the jet portion of X = 25 mm is about half of that directly below the solenoid antenna (4) (X = 7 mm). Subsequent plasma measurement was performed at a position of X = 25 mm unless otherwise specified.
[0027]
Next, the effect of the pinch nozzle for reducing the diameter of the plasma jet (8) was examined. The graph in FIG. 3 shows the change in electron density according to the gas flow rate when (A) no nozzle and (B) nozzle are shown in the inset of FIG. In either case, the electron density tends to increase as the gas flow rate increases, and when the nozzle (6) is narrowed to an inner diameter of 0.2 mm, the flow velocity further increases, so the electron density increased rapidly. In addition to the effect of the flow velocity, in the case where there is a nozzle, it is considered that the electron density increases because the energy density increases because the volume of the plasma is reduced in the nozzle (6). Further, when the power dependence of the electron density was examined, as shown in FIG. 4, when the gas flow rate was kept constant at 2 liters / minute, the electrons with (B) nozzle were compared with those with (A) no nozzle. The density doubled, and a density as high as 10 15 cm −3 was obtained at about 300 W.
[0028]
Further, when the power dependence of the excitation temperature was examined, as shown in FIG. 5, the case with (B) nozzle was higher than the case with (A) no nozzle, and was 5000-6000K. This value is consistent with the relationship between the electron density and temperature of the argon plasma predicted from the Saha equation.
[0029]
When the apparatus is operated for a long time, the nozzle formed by thinly stretching the quartz tube is easily softened by heat. Therefore, it is more practical to use ceramics such as alumina or silicon nitride for the nozzle. Actually, a high-density, highly stable plasma jet can be generated for a long time by using a ceramic nozzle having a length of 20 mm and an inner diameter of 0.4 mmφ.
[0030]
The photograph of the example which applied this apparatus to the high precision plasma fusing is shown in FIG. As shown in FIG. 6 (A), a 30 μm thick stainless steel thin plate (10) was irradiated with an argon plasma jet (8) for 5 seconds at a power of 50 W, and an opening diameter of 0.4 mmφ was shown in FIG. 6 (B). A circular hole (11) could be processed. Moreover, the stainless steel thin plate (10) was able to be cut | disconnected by moving the stainless steel thin plate (10) which is a workpiece under a plasma jet (8) to a horizontal direction.
<Example 2>
FIG. 7 shows an experimental apparatus that was prototyped for irradiating a workpiece with a plasma jet in a reactive gas atmosphere. The plasma jet generator (1) includes a three-turn solenoid antenna (4) for supplying VHF power, a discharge tube (2) composed of a quartz tube having an outer diameter of 3.0 mm and an inner diameter of 1.0 mm, and an inner diameter disposed at the end thereof. A fine plasma jet (8) is ejected into a SUS container (12) which is composed of a 0.4 mm ceramic nozzle (6) and is provided immediately below the plasma jet generator (1). The substrate stage (13) immediately below the plasma jet (8) is movable in a horizontal plane. The inside of the container (12) is at atmospheric pressure, and the fact that it can operate without a vacuum exhaust device is a great advantage in practice.
[0031]
A fine plasma jet (8) was generated at a power of 250 W from a VHF power source (9) and an argon gas (5) flow rate of 9 liters / min to the discharge tube, and irradiated onto the silicon substrate (14) for 3 minutes. FIG. 8 shows the results of observation using a laser microscope of the difference in the processing shape depending on whether or not a small amount of SF 6 was added at 2 cc / min.
[0032]
As shown in FIG. 8A, when only argon gas is used, physical etching occurs due to evaporation, so that the processed surface is very rough and the processing depth is 10 μm or less. On the other hand, as shown in FIG. 8B, when SF 6 is added, the processed surface is smooth due to the effect of chemical etching, and isotropically deep with a diameter of 0.5 mm substantially equal to the diameter of the plasma jet (8). A concave shape with a thickness of 30 μm was obtained. The etching rate of silicon increased with the amount of SF 6 added. Further, when a substrate bias of 13.56 MHz is applied to the silicon substrate (14) and ions in the plasma are accelerated and irradiated onto the silicon substrate (14), the etching rate increases, and a processing depth of 1 mm or more per minute is obtained. Obtained.
[0033]
When a gas that is a raw material for thin film deposition such as methane gas is introduced instead of a gas that causes an etching reaction such as SF 6, the thin film deposition is performed only on the local area where the plasma jet (8) is irradiated onto the silicon substrate (14). Happened. Also, by moving the silicon substrate (14) under the plasma jet (8) while performing etching or thin film deposition, a two-dimensional or three-dimensional arbitrary shape can be directly processed on the silicon substrate (14). It was.
[0034]
FIG. 9 shows an experimental apparatus in which an auxiliary high-voltage power supply is added to the experimental apparatus shown in FIG. In FIG. 9, the high voltage pulse power supply (16) is operated near the solenoid antenna (4), and a pulse discharge current is caused to flow near the solenoid antenna (4), thereby triggering discharge. FIG. 9 is a diagram provided with a high-frequency power source (15) and a matching circuit (7) for accelerating and irradiating ions in plasma to the substrate stage (13).
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention of this application, it is possible to generate a fine high-density plasma jet by low-power high-frequency discharge, and unlike the case of direct current discharge, the material of the workpiece such as metal, ceramics, plastic, etc. It is possible to provide a practical plasma jet generator for performing precision processing such as high-speed dry etching and film formation on a local part.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a high-frequency inductively coupled fine plasma jet generator according to the present invention.
FIG. 2 is a result of measuring a spatial distribution of electron density in the plasma jet generator of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a structure with and without a nozzle in the plasma jet generator of the present invention, and a graph showing the gas flow rate dependence of electron density.
FIG. 4 is a graph showing the power dependence of the electron density when there is no nozzle and when there is a nozzle in the plasma jet generator of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the power dependence of the excitation temperature when there is no nozzle and when there is a nozzle in the plasma jet generator of the present invention.
FIG. 6 is a photograph showing an example in which the plasma jet generator of the present invention is applied to high-precision plasma fusing.
FIG. 7 is an experimental apparatus that was prototyped to irradiate a workpiece with a plasma jet in a reactive gas atmosphere.
FIG. 8 is a laser microscope image of the surface of a silicon substrate irradiated with a plasma jet when SF 6 is added.
9 is an experimental apparatus obtained by adding a high-voltage pulse power supply to the experimental apparatus of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma jet generator 2 Discharge tube 3 Cooling water 4 Solenoid antenna 5 Argon gas 6 Nozzle 7 Matching circuit 8 Plasma jet 9 VHF power source 10 Stainless steel thin plate 11 Circular hole 12 Container 13 Substrate stage 14 Silicon substrate 15 High frequency power source 16 High voltage pulse power source

Claims (9)

放電管と、放電管の長さ方向の一部の周囲に巻回配置されたソレノイドアンテナと、該ソレノイドアンテナにプラズマを発生させるための電力を供給する電源を備えた高周波誘導結合式のプラズマジェット発生装置であって、放電管のプラズマ出力側の端部に放電管よりも内径の小さいノズルを有し、放電管の内径が5mm以下で放電が可能な大きさであり、且つ前記電源として30〜300MHzのVHF帯の高周波電源を用いて駆動されることを特徴とする無電極方式のプラズマジェット発生装置。 A high-frequency inductively coupled plasma jet comprising a discharge tube, a solenoid antenna wound around a part of the discharge tube in the length direction, and a power source for supplying electric power for generating plasma in the solenoid antenna The generator has a nozzle having a smaller inner diameter than the discharge tube at the end of the discharge tube on the plasma output side, and has a size capable of discharging when the inner diameter of the discharge tube is 5 mm or less. An electrodeless plasma jet generator, which is driven by using a high frequency power source in the VHF band of ˜300 MHz . 請求項1のプラズマジェット発生装置において、放電管の内径の下限が1.0mmであることを特徴とするプラズマジェット発生装置。2. The plasma jet generator according to claim 1, wherein the lower limit of the inner diameter of the discharge tube is 1.0 mm . 請求項1または請求項2のプラズマジェット発生装置において、ノズルの内径が2mm以下であることを特徴とするプラズマジェット発生装置。3. The plasma jet generator according to claim 1, wherein an inner diameter of the nozzle is 2 mm or less . 請求項1ないし請求項3のいずれかのプラズマジェット発生装置において、ノズルの内径の下限が0.4mmであることを特徴とするプラズマジェット発生装置。The plasma jet generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the lower limit of the inner diameter of the nozzle is 0.4 mm . 請求項1ないし請求項4のいずれかのプラズマジェット発生装置において、放電管が石英管から成ることを特徴とするプラズマジェット発生装置。5. The plasma jet generator according to claim 1, wherein the discharge tube comprises a quartz tube . 請求項1ないし請求項5のいずれかのプラズマジェット発生装置において、ノズルがセラミックスから成ることを特徴とするプラズマジェット発生装置。6. The plasma jet generator according to claim 1, wherein the nozzle is made of ceramics . 請求項1ないし請求項のいずれかのプラズマジェット発生装置において、プラズマジェットと反応性ガスを被加工物の局所部位に照射し、エッチング、膜堆積などの加工、表面処理を行うようになしたことを特徴とするプラズマジェット発生装置。In any of the plasma jet generator of claims 1 to 6, the plasma jet and the reactive gas by irradiating the local region of the workpiece, and no to perform etching, processing such as film deposition, surface treatment A plasma jet generator characterized by that. 請求項1ないし請求項のいずれかのプラズマジェット発生装置において、大気圧で動作させるようになしたことを特徴とするプラズマジェット発生装置。In any of the plasma jet generator of claims 1 to 6, the plasma jet generator being characterized in that none to operate at atmospheric pressure. 請求項1ないし請求項6のいずれかのプラズマジェット発生装置において、放電開始時にアンテナ付近に高電界を印加するための補助高圧電源を有することを特徴とするプラズマジェット発生装置。7. The plasma jet generator according to claim 1, further comprising an auxiliary high-voltage power supply for applying a high electric field in the vicinity of the antenna at the start of discharge.
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