JP3975521B2

JP3975521B2 - 回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工装置

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Publication number: JP3975521B2
Application number: JP26755397A
Authority: JP
Inventors: 勇藏森; 浩三赤田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: JPH11140674A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶等の半導体若しくは金属等の導体又はガラスやセラミックス等の絶縁体に欠陥や熱的変質層を導入することなく高精度且つ高能率で加工することができる回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工装置に係わり、更に詳しくは高出力光用ミラーであるＳＲ光用Ｘ線ミラーやＣＯ₂レーザー用ミラー等の形状加工に特に適した回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、本出願人は、特開平１−１２５８２９号公報にて開示される如く、高周波を印加した電極によって発生させた高密度プラズマによる反応ガスの中性ラジカルを被加工物の加工面に供給し、この中性ラジカルと加工面を構成する原子又は分子とのラジカル反応によって生成した揮発性物質を気化させて除去し、シリコン単結晶等の半導体若しくは導体又はガラスやセラミックス等の絶縁体に欠陥や熱的変質層を導入することなく高精度に加工することが可能な無歪精密加工方法（プラズマＣＶＭ法）を既に提案している。
【０００３】
この加工方法によって、数１０μｍ／分の最大加工速度が達成されている。この加工速度は、プラズマプロセスを利用した従来のプラズマドライエッチングの常識を遙に越える値であるが、工業的に大きな面積を数値制御加工したり、肉厚の大きな被加工物を切断加工するには不十分である。ここで、加工速度は、被加工物の加工進行部の近傍での中性ラジカルの密度、即ちそれを生成するための反応ガスの濃度及び投入電力に大きく関係する。従来から反応ガスの供給と使用済みガスの排気機構及び電極構造を種々工夫してきたが、何れの方法でも加工速度の大幅な向上が図れなかった。反応ガスの供給及び使用済みガスの排気が不十分である理由は、プラズマＣＶＭではガス雰囲気の圧力が通常のプラズマプロセスでは考えられないような高い圧力（大気圧近傍）であり、しかも加工ギャップが通常は１０〜２００μｍと非常に狭いので、ガスの粘性抵抗が大きいためであると思われる。また、投入電力の限界値が低い原因は、加工電極の電界集中部が加熱されて熱的なダメージを受けるからである。
【０００４】
そこで、本出願人は、特開平９−３１６７０号公報にて開示される如く、加工電極として回転電極を採用し、この回転電極を高速に回転させることで、該回転電極表面で雰囲気ガスを巻き込んで加工ギャップを横切るガス流を形成し、雰囲気ガスの高速度供給及び使用済みガスの高速度排気を同時に達成し、しかも回転電極の十分な冷却作用に基づく大電力の投入が図れ、これらが相乗して従来のプラズマＣＶＭと比較して１０〜１００倍の加工速度の大幅な向上が実現できる回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工方法及び加工装置を提供している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、前述の高速回転する回転電極を用いたプラズマＣＶＭは、雰囲気ガスを回転電極の回転によって巻き込んで加工ギャップに供給するものであるから、チャンバー内の雰囲気ガスは超清浄でなければならない。雰囲気ガス中にパーティクル等の不純物が含まれていると、この不純物が被加工物の加工面にダメージを与えたり、加工の進行を妨げて表面粗さを悪化させる原因となる。
【０００６】
回転電極を高速に回転させる場合、回転軸の軸受や駆動部が必要となるが、通常のボールベアリングやローラベアリングを用いた転がり軸受を使用すると、接触部や摺動部で部材の摩耗によってパーティクルの発生は避けられない。また、回転電極と被加工物を相対的に移動させて加工を進行させるための駆動機構に転がり軸受を用いた直線ガイドを使用すると、前記同様にパーティクルが発生して問題となる。特に、ドライ潤滑の転がり軸受からのパーティクルの発生は非常に多く、摺動部材をフッ素樹脂でコーティングしたり、摺動部材そのものをフッ素樹脂で形成することによってある程度の発塵は抑制できるが十分でない。一方、オイル潤滑の転がり軸受は、パーティクルの発生は少ないものの、潤滑オイルが揮発して雰囲気ガスに混入することが避けられない。そこで、軸受や駆動部を密閉ケースの中に収容し、回転軸をメカニカルシールで密閉することも考えられるが、このメカニカルシールの摺動部からの発塵も問題となる。更に、別の観点から転がり軸受を見れば、振動の発生源となるばかりでなく、チャンバー等の固定部分から回転電極へ振動を伝達する媒体ともなるので、超精密な加工には好ましくない。
【０００７】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、回転電極を高速に回転する方式のプラズマＣＶＭにおいて、回転電極の軸受及びその他の駆動部から被加工物の加工面にダメージを与えたり、加工の進行を妨げて表面粗さを悪化させる原因となるパーティクルや潤滑オイル等を一切発生させず、しかも回転電極の回転を安定化させ、更に雰囲気ガスの供給をも同時に行える回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工装置を提供する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題解決のために、チャンバー内の反応ガス及び不活性ガスからなる大気圧近傍のガス雰囲気中に、回転軸心に対して回転対称形である回転電極と被加工物を配設し、該回転電極と被加工物の加工進行部との間に加工ギャップを維持しつつ、回転電極を高速に回転させて該回転電極表面でガスを巻き込むことによって前記加工ギャップを横切るガス流を形成するとともに、回転電極に高周波電力を供給し、加工ギャップでプラズマを発生して反応ガスに基づく中性ラジカルを生成し、該中性ラジカルと被加工物の加工進行部を構成する原子又は分子とのラジカル反応によって生成した揮発性物質を気化させて除去し且つ回転電極と被加工物とを相対的に変移させて加工を進行してなる回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工装置であって、前記チャンバー内で中央部に前記回転電極を設けた回転軸の両端部を気体軸受にて浮上させて支持するとともに、該気体軸受に供給する気体としてチャンバー内の雰囲気ガスと同じ種類の気体を用い、気体軸受に供給した雰囲気ガスを回転軸に沿って回転電極に向けて供給してなること、前記回転軸の一端に取付けた高周波絶縁性を有する絶縁軸部と、気密ケース及び雰囲気ガスに対して耐食性を有する磁性流体シールにより隔離された駆動用モータの駆動軸との間にマグネットカップリングを介在させ、該駆動軸の回転力を前記絶縁軸部及び回転軸に非接触状態で伝達してなることを特徴とする回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工装置を構成した。
【０００９】
また、前記気体軸受に供給する気体としてチャンバー内の雰囲気ガスを構成する不活性ガスを用いることが好ましい。
【００１０】
更に、前記駆動用モータを覆った気密ケースの内部を排気してなることも好ましい。
【００１１】
本発明に係る回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工装置の加工原理は、反応ガスと不活性ガスからなるガス雰囲気中に回転電極と被加工物とをその間に所定の加工ギャップを形成して配設し、回転電極を高速に回転させて加工ギャップを横切るガス流を形成しながら該回転電極に高周波電力を供給することによってその表面の近傍でプラズマを発生させ、そのプラズマ領域内で反応ガスを励起して反応性に富んだ中性ラジカルを生成し、該中性ラジカルと被加工物を構成する原子又は分子とのラジカル反応によって生じた揮発性物質を気化させて加工進行部から除去するとともに、所定の加工ギャップを維持しながら回転電極と被加工物とを相対的に変移させて加工を進行させるのである。尚、回転電極と被加工物の加工進行部との間の加工ギャップでプラズマが発生維持されるのは、電界集中のためである。
【００１２】
ここで、回転電極を高速で回転させる効果は、反応ガスの高速度供給及び使用済みガスの高速度排気による加工速度の大幅な向上、回転電極表面の高精度な位置決め及び高精度なギャップ制御による大幅なガス利用効率及び加工精度の向上、回転電極の十分な冷却効果に基づく大電力の投入による加工能率の大幅な向上であり、具体的には回転電極を用いることにより、加工能率を従来の方法に比べ１０〜１００倍に高め得ることができるとともに、加工精度も寸法精度及び表面粗さについても一桁向上させることができるのである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、不対電子を有する反応性に富んだラジカル（遊離基）を被加工物の加工進行部の近傍で発生させ、この中性ラジカルと被加工物を構成する原子又は分子とのラジカル反応（遊離基反応）を利用し、生成した揮発性物質を気化させて除去し、回転電極と被加工物とを相対的に移動させて加工を進行させる原理に基づき、回転電極の形状、特に直接加工に寄与する電界集中部の形状によって被加工物の切断加工、ポリッシング加工、任意形状の数値制御加工、ダイシング加工、更には形状転写加工、自由曲線切断加工を行うことができるものである。
【００１４】
ここで、ラジカルを発生させる方法としては、従来から１Torr以下（１０^-3〜１Torr）程度の真空度で放電により容易に生成できるプラズマを利用することが、プラズマドライエッチングでは行われている。プラズマドライエッチングは、その目的が被加工物の表層部のみの除去であるため、加工速度は大して問題にならないが、本発明の目的とする加工では加工速度は非常に重要であり、中性ラジカルの密度が低い前述のプラズマドライエッチングのような低密度プラズマは利用できない。そのため、本発明ではプラズマプロセスでは類を見ない大気圧近傍といった高い圧力で高周波電力（１５０ＭＨｚ）を投入して高密度のプラズマを発生し、高密度の中性ラジカルを生成している。
【００１５】
加工速度は、中性ラジカルの種類、即ち反応ガスの種類とそれを希釈する不活性ガスの種類及び被加工物の材質に大きく依存するので、被加工物に応じて最適な反応ガス及び不活性ガスを選択する必要がある。この反応ガスは高周波電力の投入によって発生するプラズマ中で励起されて中性ラジカルを生成するのである。更に詳しくは、反応ガスと不活性ガスとからなる０．１〜１０気圧、好ましくは１気圧以上のガス雰囲気中に、回転電極と被加工物とを所定の加工ギャップを設けて配設し、回転電極に高周波電力を供給してプラズマを発生させ、このプラズマ中で反応ガスに基づく中性ラジカルを生成するのである。プラズマ中における反応ガスに基づく中性ラジカルの生成効率は、プラズマを構成する不活性ガスの種類にも依存する。例えば、被加工物をシリコン単結晶又は石英ガラスとした場合には、反応ガスはＳＦ₆が適し、不活性ガスはＨｅが適している。その他の反応ガスとしては、フッ素系ではＣＦ₄等があり、塩素系ではＣｌ₂，ＣＣｌ₄ ，ＰＣｌ₅等があり、その他の不活性ガスとしては、Ｎｅ、Ａｒ等がある。これらのガスはそれぞれ１種類のみ又は混合して用いることも可能である。
【００１６】
従って、被加工物の材質に応じて最適な反応ガス及び不活性ガスの種類が選択されていることを前提とすれば、加工速度を大きくするためには加工領域にいかに反応ガスを効率よく大量供給し且つ排気するかということと、いかに反応ガスに効率良くエネルギーを与えるかということが現実問題として重要である。
【００１７】
また、加工量（深さ）は、加工速度が一定であるとした場合には、加工時間に比例するので、この加工時間を制御することによって目的の加工量が得られる。加工時間は、被加工物の加工進行部に対する回転電極の停止時間あるいは平均滞在時間によって決まる。
【００１８】
そこで、本発明の要旨とするところは、チャンバー内の反応ガス及び不活性ガスからなる大気圧近傍のガス雰囲気中に、回転軸心に対して回転対称形である回転電極と被加工物を配設し、該回転電極と被加工物の加工進行部との間に加工ギャップを維持しつつ、回転電極を高速に回転させて該回転電極表面でガスを巻き込むことによって前記加工ギャップを横切るガス流を形成するとともに、回転電極に高周波電力を供給し、加工ギャップでプラズマを発生して反応ガスに基づく中性ラジカルを生成し、該中性ラジカルと被加工物の加工進行部を構成する原子又は分子とのラジカル反応によって生成した揮発性物質を気化させて除去し且つ回転電極と被加工物とを相対的に変移させて加工を進行してなる回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工装置であって、前記回転電極の回転軸を気体軸受にて浮上させて支持するとともに、該気体軸受に供給する気体としてチャンバー内の雰囲気ガスと同じ気体を用い、気体軸受に供給した雰囲気ガスを回転軸に沿って回転電極に向けて供給してなることにある。
【００１９】
次に本発明の詳細を添付図面に示した実施形態に基づいて更に説明する。図１及び図２は本発明の加工装置の全体を示す概略説明図であり、図中１はチャンバー、２は石定盤、３は回転電極ユニット、４はＸＹ軸駆動機構、５はＺ軸駆動機構、６はθ軸駆動機構、７は半同軸型空洞共振器、８は被加工物をそれぞれ示している。以下に各部の詳細を説明する。
【００２０】
前記チャンバー１は、内面鏡面仕上げのアルミニウム合金製のものを用い、外側をＳＵＳ３０４製の鏡面板で覆ったものであり、寸法は幅３１００ｍｍ、奥行１９５０ｍｍ、高さ１７５０ｍｍである。反応ガスとして使用するフッ素系ガスに対する耐食性金属としては、アルミニウム、ＳＵＳ等があるが、軽量化のために耐食アルミニウム合金であるＡ５０５２を採用した。また、本装置のチャンバー１は、装置本体の駆動系から分離させた単なる容器で、容器本体１Ａの前面側に開閉扉１Ｂを設け、気密状に密閉可能となっており、反応ガス置換のための真空引きによる圧力変化に対しては耐えうる強度を有している。そして、チャンバー１の内面は、反応ガス置換の際の真空引き作業で、内面よりの放出ガス特性向上及びパーティクル発生を防ぐため、バフ研磨にて鏡面仕上げ（０．２μｍ程度の表面粗さ）としている。また、容器本体１Ａの上面中央部には、後述の半同軸型空洞共振器７を取付けている。
【００２１】
前記石定盤２は、経年変化がなく、硬度が大きく傷つき難く、しかも温度変化に対する寸法精度が高い花崗岩（南アフリカ産ラステンバーグ）製とし、寸法は幅２５００ｍｍ、奥行１５００ｍｍ、高さ２５０ｍｍであり、特に上面９は後述のＸＹ軸駆動機構４の基準面（スライド面）となることから高い表面精度に加工している。また、石定盤２の上面９には、断面四角形で長さ２０００ｍｍの花崗岩（南アフリカ産ラステンバーグ）製のＸ軸ガイド１０をＸ軸方向にに固定している。このＸ軸ガイド１０の長手方向に沿った両側面１１，１１は、後述のＸＹ軸駆動機構４のストロークにおける基準面となることから、高い寸法精度に加工している。オートコリメータで測定した前記石定盤２の上面９の平面度は３．７μｍであり、Ｘ軸ガイド１０の真直度は２．３μｍであった。
【００２２】
本実施形態では、回転電極ユニット３を含む装置本体の駆動部を全て前記石定盤２の上面９に構成し、装置本体の保守・点検、被加工物８のセッティングと駆動系の調整時には、図２に示すようにチャンバー１から引き出すことができるようになっている。そのため、チャンバー１の底面には奥行方向に延びた搬送用レール１２，１２を設け、石定盤２をこの搬送用レール１２，１２に沿って移動可能にするとともに、チャンバー１の外部に設置した石定盤搬送架台１３に移し替えるることができるようになっている。また、装置本体の全ての構成要素は、３点支持された前記石定盤２の上面９に構築されていることから、チャンバー１の変形や剛性の影響を受けずに精度を維持することができる。
【００２３】
前記回転電極ユニット３は、図３に示すように回転軸心に対して回転対称形である回転電極１４を、回転軸１５の中央部に設け、該回転軸１５の両端部を気体軸受１６，１７にて支持し、この気体軸受１６，１７をそれぞれ高周波に対して絶縁した支持脚１８，１９を介して前記石定盤２の上面９に取付けている。ここで、軸受スパンは５００ｍｍであり、この回転電極ユニット３は、後述のＸＹ軸駆動機構４を跨ぐアーチ状となっており、回転軸１５の向きはＸ軸と直交するように配設している。
【００２４】
前記回転電極１４は、図３及び図４に示すように、アルミニウム合金（Ａ５０５２）で作製し、直径３００ｍｍで、電極外周部はガス流の乱れを防ぐためと、被加工物８の加工面の曲率より十分小さくするために半径２５ｍｍの曲率を持たせた形状とし、表面にはアーク放電を防ぐために絶縁体であるアルミナを約３５０μｍ溶射し、Ｒａで約１μｍの表面粗さに研磨仕上げをしている。尚、前記回転軸１５は、ＳＵＳ３０４製である。
【００２５】
前記気体軸受１６，１７は、複数のブロックを組み合わせて作製し、前記回転軸１５の端部１５Ａを挿通する軸受孔２０を有し、作動気体の供給口２１からブロックの内部及びブロック間に複雑な流路２２を形成し、前記軸受孔２０の内周面であって軸方向に離れた２ヵ所に前記端部１５Ａの円周面に向けて気体を噴出する環状の吹出口２３，２３を形成してラジアル軸受を構成している。また、一方の気体軸受１６には、回転軸１５の端部１５Ａに固定した円板２４を受け入れる環状凹部２５を形成し、該環状凹部２５の半径方向両面に前記円板２４に向けて気体を噴出する吹出口２６，２６を形成してスラスト軸受を構成している。
【００２６】
前記気体軸受１６，１７に供給する作動気体として、チャンバー１内の雰囲気ガスを構成する不活性ガス（Ｈｅ）を選択する。また、本実施形態の具体的な諸元において数値計算によって軸受剛性が最大となる前記回転軸１５の端部１５Ａと軸受孔２０との隙間を見出し、その値を１０μｍとした。そして、作動気体であるＨｅの供給圧力を５．０３３ｋｇ／ｃｍ²とすれば、回転電極１４と回転軸１５の合計重量約２４ｋｇを所定の偏心率で浮上状態で支持することができる。ここで、５ｋｇ／ｃｍ²のＨｅを供給した場合の両気体軸受１６，１７による軸受剛性（静剛性）は、１．７ｋｇ／μｍとなる。尚、気体軸受１６，１７に供給する作動気体は、不活性ガスのみに限定されるものではなく、雰囲気ガスを構成する反応ガス又はチャンバー１内の雰囲気ガスと同じ気体とすることも可能である。
【００２７】
また、前記回転電極１４を回転駆動する駆動部は、図３に示すように、前記回転軸１５の一端に取付けた高周波絶縁性を有する絶縁軸部２７と、気密ケース２８及び雰囲気ガスに対して耐食性を有する磁性流体シールにより隔離された駆動用モータ２９の駆動軸３０との間にマグネットカップリング３１を介在させ、該駆動軸３０の回転力を前記絶縁軸部２７及び回転軸１５に非接触状態で伝達する構造となっている。ここで、前記駆動用モータ２９を気密ケース２８で覆い、更に好ましくはこの気密ケース２８の内部を排気し、摺動部でパーティクルが発生してもチャンバー１内に出ないようにしている。尚、後述の各モータも同様に気密ケースで覆い、好ましくは内部を排気している。
【００２８】
前記気体軸受１６，１７の供給口２１から供給した作動気体は、半径方向の吹出口２３，２３及び軸方向の吹出口２６，２６から噴出し、回転軸１５の端部１５Ａ，１５Ａを回転可能に気体浮上させるとともに、軸方向の移動を規制している。この気体軸受１６，１７によって、最高回転数１０，０００ｒｐｍ、回転精度１μｍで回転電極１４を回転させることが可能となる。そして、前述の作動気体（不活性ガス、反応ガス又は雰囲気ガス）は、前記軸受孔２０と回転軸１５の端部１５Ａの隙間から回転軸１５の軸方向に沿って回転電極１４に向けて供給され、回転電極１４の高速回転によって巻き込まれ、回転電極１４の外周部の電界集中部と被加工物８との間の加工ギャップを横切るガス流となる。
【００２９】
前記ＸＹ軸駆動機構４は、図６〜図８に詳しく示すように、前記石定盤２の上面９に配設したＸ軸ガイド１０に沿った石定盤２の上面９に載置した長方形枠体からなるＸテーブル３２と、該Ｘテーブル３２の枠内であって石定盤２に載置したＹテーブル３３と、それぞれの駆動機構であるＸ軸モータ３４とＳＵＳ製のベルト３５及びＹ軸モータ３６とＳＵＳ製のベルト３７から構成され、前記Ｘテーブル３２は複数の気体軸受方式の静圧パッド３８，…によって石定盤２の上面９に浮上し且つＸ軸ガイド１０に沿って移動可能となし、前記Ｙテーブル３３は、同様に複数の静圧パッド３８，…によって石定盤２の上面９に浮上し且つＸテーブル３２の枠体内をＹ軸方向に移動可能となっている。ここで、前記Ｘテーブル３２とＹテーブル３３とは、それぞれＸ軸モータ３４とＹ軸モータ３６で駆動するＳＵＳベルト３５及び３７による牽引方式によって移動させている。この方式は、テーブルの運動に与える外乱が少なく、また長距離の移動に有利であり、高精度で長いストロークが達成できる。
【００３０】
更に詳しくは、前記ＸＹ軸駆動機構４は、Ｘテーブル３２、Ｙテーブル３３共に同一基準面となる石定盤２の上面９をスライドする構造となっており、スライド機構には気体軸受方式の静圧パッド３８を採用して石定盤上に浮上し、Ｘテーブル３２は平行度の取れた前記Ｘ軸ガイド１０の両側面１１，１１をＸ軸ガイド面とし、またＹテーブル３３は枠状のＸテーブル３２の内面に取付けられた石英ガラス３９，３９をＹ軸ガイド面としてそれぞれスライドする構造である。各テーブル案内の拘束形式には、外力をテーブルの自重と積載物（θ軸駆動機構６、ワークテーブル、被加工物８）の重量で与える重量バランス拘束型を採用している。本形式はテーブルの面積を大きく取ることができ、また形状が単純であるため部品精度が出し易いという利点を有する。
【００３１】
前記静圧パッド３８は、図８に詳細に示すように、複数のブロックを組み合わせて構成し、長辺側の一方の側面と短辺側の一方の側面にはそれぞれ作動気体の供給口４０，４０を形成し、平滑となした一面には隙間１０μｍの吹出口４１，…を四ヶ所に形成し、前記供給口４０と吹出口４１とを内部に形成した複雑な流路４２で連通させ、更に各吹出口４１の周囲にエアポケット４３を形成した構造である。前記吹出口４１を有する面は、１２０ｍｍ×１５０ｍｍの寸法を有している。尚、前記静圧パッド３８を取付ける位置及び向きによって、二つの供給口４０，４０の内の配管し易い方を使用し、他方は塞ぐものとする。この静圧パッド３８に供給する作動気体としては、チャンバー１内の雰囲気ガスと同じ種類の気体、即ち不活性ガス又は反応ガス又は雰囲気ガスそのものを用いる。
【００３２】
そして、前記静圧パッド３８は、Ｘテーブル３２の浮上用にＸテーブル３２の下面コーナー部に４個、Ｘ軸ガイド用に一方のＸ軸ガイド１０の両側面を挟む位置に２対の合計４個、Ｙテーブル３３の浮上用にＹテーブル３３の下面に６個、Ｙ軸ガイド用に前記石英ガラス３９，３９に面したＹテーブル３３の両側面に２個づつ合計４個使用した。Ｙテーブル３３にθ軸駆動機構６を含む合計重量２８０ｋｇを積載した状態において、作動気体として５ｋｇ／ｃｍ²（絶対圧）のＨｅを各静圧パッド３８に供給したところ、約２０μｍの浮上量を得た。
【００３３】
前記ＸＹ軸駆動機構４のストロークは、Ｘ軸に関しては±２７５ｍｍ、Ｙ軸に関しては±１００ｍｍであり、図９に示すようにストロークの全長に渡り、大ストロークにもかかわらず１μｍ以下の真直度が得られた。ここで、図９において、Ｃの行欄は、Ｙテーブル３３がストロークの中心位置でのデータであり、Ｒ及びＬの行欄は、Ｙテーブル３３をそれぞれ中心から−１００ｍｍ、＋１００ｍｍ偏位した位置でのデータであり、θ軸回転角度の０°、−３０°、＋３０°の各列欄は、後述のθ軸駆動機構６の回転角度をそれぞれ０°、−３０°、＋３０°に変化させた場合のデータである。
【００３４】
前記Ｚ軸駆動機構５は、厳密な意味でのＺ軸方向の駆動機構ではないが、実用上問題がない程度に回転電極１４の電界集中部と被加工物８の加工面間の加工ギャップを調整できるものであり、具体的には図３に示すように前記支持脚１８，１９に組み込まれている。即ち、前記駆動用モータ２９側の一方の支持脚１８の固定部１８Ａと可動部１８Ｂの直交したコーナー部間を十字バネ４４で連結し、他方の支持脚１９の固定部１９ＡにＺ軸モータ４５を垂直に取付け、該Ｚ軸モータ４５の下部に連結したボールネジ機構部４６から垂下したＺ駆動軸４７に支持脚１９の可動部１９Ｂを連結し、前記可動部１８Ｂに窒化珪素からなる絶縁体４８を介して前記気体軸受１６を載置固定するとともに、前記可動部１９Ｂに窒化珪素からなる絶縁体４９を介して前記気体軸受１７を載置固定した構造である。従って、前記Ｚ軸モータ４５を駆動するとボールネジ機構部４６によってＺ駆動軸４７が上下変移し、前記十字バネ４４を支点として電極部全体を上下に変移させるのである。ここで、前記ボールネジ機構部４６は密閉され、好ましくは内部を排気しており、またＺ駆動軸４７はベローズで覆われている。尚、図中符号５０は、両絶縁体４８，４９より上部の回転電極１４、回転軸１５及び気体軸受１６，１７を取り囲むように設けた電磁シールドカバーである。
【００３５】
前記θ軸駆動機構６は、図１に示すように、Ｙテーブル３３の上面に構築し、前記被加工物８を保持し、回転電極１４の電界集中部に対して被加工物８をθ軸回りに回転変移させ、被加工物８であるシリンドリカルミラー等を加工する場合に用いるものである。具体的には、Ｙテーブル３３のＸ軸方向両端部に支持台５１，５１を立起固定し、一方の支持台５１の上部にθ軸モータ５２の駆動軸部を貫通して取付け、他方の支持台５１の上部に従動軸部を貫通して設け、両軸部に吊下板と両吊下板の下端間に渡設した連結板からなるワーク保持部５３を取付け、該ワーク保持部５３に適宜な厚さのスペーサ５４を介して被加工物８を固定するようになっている。また、図中符号５５は、θ軸モータ５２の回転位置の変化に対するワーク保持部５３のモーメントをなくするために設けたカウンターウエイトである。
【００３６】
前記半同軸型空洞共振器７は、高周波電源から供給する高周波電力を回転電極１４の電界集中部近傍のプラズマに効率良く供給するために、電源側と負荷側とのインピーダンスマッチングに用いるものである。本実施形態で用いる１５０ＭＨｚのような高周波帯域においては、電極やその他のチャンバー内部構造物によって生じる各部の浮遊容量や小さなインダクタンスが無視できなくなる。即ち、周波数が高くなればなるほど電荷の移動の向きが頻繁に変わるため、小さな容量であっても大きな高周波電流が流れたり、小さなインダクタンスであっても高周波にとっては流れ難くなったりする。そのため、高周波電力をプラズマにまで効率良く伝えるためには、プラズマまでの電力の導入回路において、あらゆる断面のインピーダンスが整合していなければならない。本装置では、半同軸型空洞共振器７を用いてプラズマを含めたチャンバー内部のインピーダンスと電源のインピーダンス（５０Ω）との整合をとっている。
【００３７】
また、加工中にＸＹ軸駆動機構４、Ｚ軸駆動機構５及びθ軸駆動機構６の変移によって、チャンバー内部の浮遊容量（１００〜数１００ｐＦ）が変化するが、浮遊容量が変化しても、インピーダンスの整合に影響が少ない程度に半同軸型空洞共振器７を大容量（１０００ｐＦ）に設計している。また、半同軸型空洞共振器７は、共振周波数を調整することができるように、容量部にシリコンオイルを制御して注入するようになっている。
【００３８】
また、図３に示すように、前記半同軸型空洞共振器７から高周波電力導入部５６、容量結合部５７を介して回転電極１４に高周波電力を供給するか、若しくは直接容量結合部５７に連結した伝導板５８を介して両気体軸受１６，１７から回転軸１５へ高周波電力を供給している。
【００３９】
本実施形態における本加工装置は、回転電極ユニット３における軸受部及びＸＹ軸駆動機構４、その他の機構部からは、被加工物８の加工面にダメージを与えたり、加工の進行を妨げて表面粗さを悪化させる原因となるパーティクルや潤滑オイル等を一切発生させず、また駆動部の各モータは完全に気密ケースで覆われ、更に好ましくはその内部を排気していることから、この駆動部からのパーティクルや潤滑オイルがチャンバー１内に侵入することがないのである。また、機構部に気体軸受方式を採用していることから、摩擦抵抗が極めて小さいので、正確な位置決め精度が可能であり、またＸＹ軸駆動機構４においてはＸテーブル３２とＹテーブル３３が直接石定盤２の上面９をスライドする機構であるから、従来のように軸の積み重ねによる精度劣化が無く、高精度の移動ステージを実現でき、もって高精度の加工が行えるのである。
【００４０】
【発明の効果】
以上にしてなる本発明の回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工装置は、回転電極の軸受及びその他の駆動部から被加工物の加工面にダメージを与えたり、加工の進行を妨げて表面粗さを悪化させる原因となるパーティクルや潤滑オイル等を一切発生させず、しかも回転電極の回転を安定化させ、更に雰囲気ガスの供給をも同時に行うことができるので、被加工物を高精度且つ高能率で加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加工装置を一部省略して示した全体説明用斜視図である。
【図２】同じく加工装置をチャンバー外に引き出した状態を示す斜視図である。
【図３】回転電極ユニット及びＺ軸駆動機構を示す断面図である。
【図４】回転電極ユニットの要部を示す断面図である。
【図５】気体軸受を１／４断面で示した斜視図である。
【図６】ＸＹ軸駆動機構を示す斜視図である。
【図７】同じくＸＹ軸駆動機構の一部省略した平面図である。
【図８】静圧パッドを部分断面で示した斜視図である。
【図９】ＸＹ軸駆動機構の真直度の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１チャンバー２石定盤
３回転電極ユニット４ＸＹ軸駆動機構
５Ｚ軸駆動機構６ θ軸駆動機構
７半同軸型空洞共振器８被加工物
９上面１０Ｘ軸ガイド
１１側面１２搬送用レール
１３石定盤搬送架台１４回転電極
１５回転軸１６気体軸受
１７気体軸受１８支持脚
１９支持脚２０軸受孔
２１供給口２２流路
２３吹出口２４円板
２５環状凹部２６吹出口
２７絶縁軸部２８気密ケース
２９駆動用モータ３０駆動軸
３１マグネットカップリング３２Ｘテーブル
３３Ｙテーブル３４Ｘ軸モータ
３５ベルト３６Ｙ軸モータ
３７ベルト３８静圧パッド
３９石英ガラス４０供給口
４１吹出口４２流路
４３エアポケット４４十字バネ
４５Ｚ軸モータ４６ボールネジ機構部
４７Ｚ駆動軸４８絶縁体
４９絶縁体５０電磁シールドカバー
５１支持台５２ θ軸モータ
５３ワーク保持部５４スペーサ
５５カウンターウエイト５６高周波電力導入部
５７容量結合部５８伝導板

Claims

チャンバー内の反応ガス及び不活性ガスからなる大気圧近傍のガス雰囲気中に、回転軸心に対して回転対称形である回転電極と被加工物を配設し、該回転電極と被加工物の加工進行部との間に加工ギャップを維持しつつ、回転電極を高速に回転させて該回転電極表面でガスを巻き込むことによって前記加工ギャップを横切るガス流を形成するとともに、回転電極に高周波電力を供給し、加工ギャップでプラズマを発生して反応ガスに基づく中性ラジカルを生成し、該中性ラジカルと被加工物の加工進行部を構成する原子又は分子とのラジカル反応によって生成した揮発性物質を気化させて除去し且つ回転電極と被加工物とを相対的に変移させて加工を進行してなる回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工装置であって、前記チャンバー内で中央部に前記回転電極を設けた回転軸の両端部を気体軸受にて浮上させて支持するとともに、該気体軸受に供給する気体としてチャンバー内の雰囲気ガスと同じ種類の気体を用い、気体軸受に供給した雰囲気ガスを回転軸に沿って回転電極に向けて供給してなること、前記回転軸の一端に取付けた高周波絶縁性を有する絶縁軸部と、気密ケース及び雰囲気ガスに対して耐食性を有する磁性流体シールにより隔離された駆動用モータの駆動軸との間にマグネットカップリングを介在させ、該駆動軸の回転力を前記絶縁軸部及び回転軸に非接触状態で伝達してなることを特徴とする回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工装置。
前記気体軸受に供給する気体としてチャンバー内の雰囲気ガスを構成する不活性ガスを用いてなる請求項１記載の高密度ラジカル反応による高能率加工装置。
前記駆動用モータを覆った気密ケースの内部を排気してなる請求項１又は２記載の回転電極を用いた高密度ラジカル反応による高能率加工装置。