JP4932178B2 - 多相交流プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電によりプラズマを発生させるための装置であって、多相交流電源を利用して放電を行う多相交流プラズマ発生装置に関する。

従来、プラズマを発生させる装置は、対向する一対の電極の間で放電を行い、プラズマを発生させるものが一般的である。また、放電方法には、直流・交流放電、高周波静電結合放電、高周波誘導磁場結合放電、マイクロ波放電の４つに大別されることが知られている。近年、特許文献１（特開平8-330079：多電極型放電用電源装置）及び２（特開平10-130836：位相制御多電極型交流放電装置における壁密着型電極）にあるように、多電極型交流放電電源装置であって、共通の中性電極と分割電極から成る多電極型のプラズマ発生装置が提案されている。特許文献１、２に開示された多相交流放電電源装置は、いずれも各電極間で順次位相をずらして放電を行うことにより、プラズマを発生させることができる。

このプラズマの利用方法としては、半導体等の薄膜形成や各種イオンの発生、その他の加工装置に利用される。さらに、プラズマには中性種と荷電種があり、このうち中性種には、滅菌作用のある酸素ラジカルが含まれる。この酸素ラジカルに接触した有機物は、酸素ラジカルの作用により酸化分解されることが知られている。

前記従来の一般的な一対の対向電極間で放電させて、プラズマを発生させる方法による場合、直流放電では、電極表面に絶縁物などが付着すると放電できなくなることや、低ガス圧力下での放電は難しいという欠点があった。また、交流放電では、電源周波数によりプラズマの密度や温度などのプラズマ・パラメータが変動し、直流放電と同様に電極表面に絶縁物などが付着すると放電できなくなることや、低ガス圧力下での放電も難しいという問題があった。そのほか、高周波静電結合放電、高周波誘導磁場結合放電及びマイクロ波放電では、電源の発振・増幅および負荷整合などにコストがかかり、さらに、広い領域に一様なプラズマを発生させることが難しいという欠点があった。

これらの欠点を改善するため、特許文献１では、放電を行う電極を分割し、それぞれの電極間に給電する交流電力の位相を、順次ずらす制御をしながら放電させる位相制御多電極型交流放電電源装置を用いたプラズマ発生装置が提案されている。さらに、特許文献２では、電極間間隙における絶縁シート上に導電性の薄膜などが放電中にスパッタなどにより付着すると電極間がショートしてしまうので、電極間の電気的絶縁性を放電時において常に保つために、この多電極の側面に凹凸を形成し、隣り合う電極同士が非接触で且つ重なり合うように凹凸を組み合わせ、放電によるスパッタ粒子が付着し難い電極形状を提案している。

プラズマを発生させるためにほぼ真空状態にするチャンバ内に、多相交流放電用の多数の分割電極を収納するにあたっては、各分割電極及び共通の中性電極をチャンバ内に効率的に設けて、さらにそれらの電極とそれぞれに対応する端子をチャンバ外側に設け、各電極と端子を各々接続する必要がある。しかし、多相交流電源においては、分割電極が多数設けられており、電力を給電する電線を各電極に接続する接続箇所が多く、接続作業に手間を要し、扱いが面倒なものであった。
また、各分割電極間の絶縁性を保つために上記のような電極形状にすると、電極の加工や取り付けが複雑になり、製造コストがアップするという問題があった。
特開平8-330079号公報 特開平10-130836号公報

解決しようとする問題点は以上のような点であり、この発明は、多電極と多相交流電源との接続が容易で、比較的簡単な電極構造で放電時における電極間の絶縁性を保つことができる多相交流プラズマ発生装置を提供することを目的とする。

そのためこの発明は、円筒形の一端開口部を入口とし他端を閉鎖したチャンバと、
チャンバの内周とは隙間を空けて同心状に収納した被処理材料格納用の多孔円筒金属籠と、
多孔円筒金属籠の外周に放射状に取り付けたｎ組の支持部材と、
ｎ組の支持部材に支持されて、前記多孔円筒金属籠の外周を僅かな間隙を設けて同心状に囲むように、多孔円筒金属籠とチャンバの隙間に配置した板状のｎ枚の分割電極と、
各分割電極のチャンバ入口側端部に取り付けられ、同一円周線上に並んだｎ個の分割電極用の受電端子と、
多孔円筒金属籠のチャンバ入口側端部に取り付けられ、分割電極用の受電端子が並ぶ円周線の内側に位置する１個の多孔円筒金属籠用の受電端子と、
これら分割電極用及び多孔円筒金属籠用の受電端子と1対1に結合するように、チャンバ入口の扉の内側に配置したｎ＋１個の給電端子と、
分割電極用の受電端子に結合する給電端子には各位相成分の電圧を、また多孔円筒金属籠用の受電端子と結合する給電端子には中性の基準電圧を、それぞれ供給するように接続した、チャンバ外部に設置する多相交流電源と、
を備えてなることを最も主要な特徴とする。

この発明の多相交流プラズマ発生装置によれば、ｎ枚の分割電極と多孔円筒金属籠の入口側端部にそれぞれ取り付けた合計ｎ＋１個の受電端子と、扉の裏側に取り付けた多相交流電源の各相成分と中性点に接続するｎ＋１個の給電端子とが、扉の閉鎖時に１対１に結合するので、ワンタッチで簡単に多数の多電極と多孔円筒金属籠および多相交流電源の各相成分と中性点を接続できるようになる。
また、ｎ枚の分割電極を絶縁シート等に張り付けて支持するのではなく、ｎ組の支持部材で空中に浮かせて支持するので、従来のように電極間の絶縁シート上にスパッタ粒子が付着堆積して絶縁性が失われるようなことがなくなる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

この発明の多相交流プラズマ発生装置の一実施形態について、図１〜図５を基にして説明する。この実施形態の多相交流プラズマ発生装置により生成されるプラズマとは、気体分子が励起され、電離状態が発生し、荷電種であるイオンや電子、及び中性種であるラジカルなどの集団である。このプラズマは、有機物の分解や滅菌、表面改質、金属酸化物の除去、薄膜形成など種々の用途に使用されている。

この実施形態の多相交流プラズマ発生装置２は、図１に示すように、装置本体４の中に、チャンバ１０と電源装置１４等を備えている。チャンバ１０は、全体が横置きの円筒形に形成され、その軸方向の一端開口部に入口６を有し、対向する他方が半球状に膨出した閉鎖部となっている。閉鎖部の中央には、外側に突出した排気口８を備え、排気口８は、図示しない真空ポンプに接続されている。また、このチャンバ１０の外部に、電源装置１４が固定されている。

チャンバ１０の入口６が位置した側には、図示しない開閉装置により本体４に対して上下にスライド自在に設けられた扉１６が取り付けられている。図の矢印に示すように、扉１６を開くときは開閉装置のリンク機構により扉１６をいったん横方向に移動して入口６から離間し、その後下方に移動する。反対に扉１６を閉じるときは最初に扉１６を上方に移動して入口６の前面に位置付け、その後開閉装置のリンク機構により扉１６を横方向に移動して入口６に接合する。扉１６の内側には、入口６の環状の縁１８と当接する部分に、気密用のパッキン２０を備え、さらに、扉１６の外側から内側に貫通して環状に複数配置されたコンタクトプローブ２２が取り付けられている。
このコンタクトプローブ２２は、電気的絶縁材により扉１６の周辺導体部と絶縁され、扉１６の外側に突出した部分には、電源装置１４からの電線２４が接続されている。
また、環状に配置したコンタクトプローブ２２のやや内側に、コンタクトプローブ２２と同様の構造で、基準電位に接続された中性電極の１個のコンタクトプローブ２３が設けられ、電源装置１４に接続されている。また、コンタクトプローブ２２、２３の扉裏面側に露出した給電端子１２、１３は、図示しないコイルバネにより扉内側面から突出する方向に付勢され、後述する受電端子３４、３５に当接するとバネ圧に抵抗して後退するように設けられている。

チャンバ１０の内部には、図１及び図２に示すように、多孔円筒金属籠２６と、それを同心状に囲む複数の分割電極３０を一体的に備えて成る放電ユニット３２が設けられている。分割電極３０は、板状に形成され、互いに所定の間隙２８を空けて配置されている。また、２本の平行な折り線３０ａで長さ方向に沿って僅かに折り曲げられ、幅方向の側面が多孔円筒金属籠２６の曲面に沿うように形成されている。
複数の分割電極３０の扉側端部には、扉１６のコンタクトプローブ２２の給電端子１２と当接可能に、分割電極用の端子である受電端子３４が固定されている。また、多孔円筒金属籠２６の扉側端部にも、扉１６に設けた基準電位のコンタクトプローブ２３の給電端子１３と当接可能に、中性電極用の端子である１個の受電端子３５が固定されている。

各分割電極３０は、多孔円筒金属籠２６の外周に位置して、支持部材３６により多孔円筒金属籠２６に固定されている。支持部材３６は、径の表面に凹凸が形成されたアルミナ等の無機絶縁体から成るセラミック製スペーサ４２と、ポリフェニレンサルファイド樹脂等の耐熱性樹脂製のボルト３８とナット４０から成る。これらのスペーサ４２、ボルト３８及びナット４０は、プラズマにより変質または分解等を起こし難いものである。このスペーサ４２により、各分割電極３０と多孔円筒金属籠２６との間は、一定の適当な間隔に保たれている。スペーサ４２は、図４に示すように、円環状の段付き部材４２ａを同軸に複数重ねたものである。

多孔円筒金属籠２６と各分割電極３０とは、段付き部材４２ａを所定数、例えば６段に重ねて、ボルト３８とナット４０により固定されている。ボルト３８は、分割電極３０の外側からテフロン(商品名)ワッシャ４６を介して挿通され、スペーサ４２を介して多孔円筒金属籠２６の内部に先端部が突出し、ナット４０により固定される。従って、多孔円筒金属籠２６の周囲に固定された分割電極３０の外側には、チャンバ１０に収納した状態で支持部材３６のボルト３８の各頭部３８ａが突出し、この各頭部３８ａが、チャンバ１０の内面に各々当接し、同心状に配置した内側の多孔円筒金属籠２６と外側の分割電極３０を一体に支持する。

この実施形態の多相交流プラズマ発生装置２の電源装置１４は、多電極型交流放電電源装置であり、図５に示すようなインバータ４４が、互いに対向する一対の分割電極３０毎に設けられ、この実施形態では６対の分割電極３０に対して６個のインバータ４４を備えている。さらに、それぞれのインバータ４４の位相等を制御する制御部４５とインバータ４４に直流電圧を印加する整流器４６を備えている。

次に、この実施形態の多相交流プラズマ発生装置２の使用方法について説明する。
まず、多孔円筒金属籠２６と、その周囲に固定された複数の分割電極３０が一体に設けられた放電ユニット３２をチャンバ１０に収納する。このとき、図示しない位置決め部材により放電ユニット３２の受電端子３４、３５が所定の位置に来るように設置角度を調整し固定する。そして、プラズマにより有機物の分解や滅菌、表面改質、金属酸化物の除去などを行う材料を多孔円筒金属籠２６内に格納する。格納に際しては、図示しない棚等が多孔円筒金属籠２６内に設けられる。この後、扉１６を図示しない開閉装置により閉じる。扉１６を閉じると、扉１６の内側に突出したコンタクトプローブ２２、２３の給電端子１２、１３と、多孔円筒金属籠２６及び分割電極３０の給電端子３４、３５が1対1に当接して電気的に結合する。
次に、図示しない真空ポンプ等により、排気口８からチャンバ１０内の空気を抜き取り、チャンバ２０内部を所定の低圧または真空状態にし、プラズマを発生させる気体を所定の気圧になるようにチャンバ１０内に入れる。そして、電源装置１４から電力を供給することにより、多孔円筒金属籠２６と分割電極３０の間に放電が発生し、プラズマが生成される。

ここで、この実施形態のプラズマを発生させる方法について説明する。この実施形態のプラズマの生成方法は、図５に示すように、インバータ４４に直流電圧を供給しインバータ４４により交流に変換された電力が、電線２４を経て分割電極３０に供給される。そして、電源装置１４の制御部４５の位相制御により、互いに対向する一対の分割電極３０と基準電位である多孔円筒金属籠２６の間で、一対の分割電極３０がプラス側とマイナス側の電位となり放電が行われる。放電は、所定の位相、例えば６０°ずれた状態で各対の分割電極３０と多孔円筒金属籠２６との間で、順次発生しプラズマが生成される。

この間に生成したプラズマ等のうち中性種の酸素ラジカル等が、多孔円筒金属籠２６の孔を通過して、多孔円筒金属籠２６内部に入る。多孔円筒金属籠２６は、プラズマの酸素ラジカル等の中性種に対しては透過性であるが、イオン及び電子等の荷電種に対してはシールド効果により不透過性となる。この結果、多孔円筒金属籠２６の内部には、中性種の酸素ラジカル等が存在することになる。これにより、中の有機物の分解や滅菌、表面改質、金属酸化物の除去などの処理が行われる。

この実施形態の多相交流プラズマ発生装置２によれば、電源装置１４からの出力を受け複数の分割電極３０と基準中性電位の多孔円筒金属籠２６との間で効率的に放電が行われプラズマを発生させる。この実施形態の多孔円筒金属籠２６は、その外側の分割電極３０により支持部材３６を介して固定するため、隣り合う分割電極３０の端部は一定の狭い間隙２８を空けた状態に固定され、さらに、空中に位置した状態であるため、スパッタにより導電体が堆積して絶縁不良を起こすことがなく、安定した放電が可能である。しかも間隙２８が狭いので、分割電極３０とチャンバ１０との間にプラズマが入り込みにくく、この間にプラズマも発生しない。

また、分割電極３０は、２本の平行な折り線３０ａで僅かに折られて多孔円筒金属籠２６に固定されているので、多孔円筒金属籠２６の曲面に沿って、ほぼ一定の間隔で多孔円筒金属籠２６に対面する。これにより安定な放電が可能となる。また、折り線３０ａで折るだけなので分割電極３０の加工も容易である。なお、分割電極３０を折り曲げた構造ではなく、多孔円筒金属籠２６の曲面に沿った円弧状にしても良い。ただしこの場合、分割電極３０の狭い幅で僅かな曲率を形成しなければならないので、製造が難しくなる欠点がある。

対向電極となる多孔円筒金属籠２６と各々の分割電極３０との間に存在する支持部材３６は、段付き部材４２ａによるスペーサ４２により構成されているので、支持部材３６表面の凹部分に対して、スパッタ粒子が堆積し難いため絶縁性を確実に確保でき、安定した放電状態の持続を可能としている。

さらに、チャンバ１０の扉１６の開閉操作に連動して、受電端子３４、３５とコンタクトプローブ２２、２３の給電端子１２、１３の接続が一度に行なわれるため、各々の受電端子３４、３５への面倒な接続作業が不要になる。この際に、図示しない開閉装置により扉１６を移動して接続するときに、給電箇所が扉１６の内側にあり、手で触れることができない位置にあるので、誤操作による感電事故を未然に防ぐことができ安全である。
その他、複数の分割電極３０が多孔円筒金属籠２６と一体設にけられ、放電ユニット３２として構成されているため、放電ユニット３２として一度にチャンバ１０に対して出し入れが可能となり、作業性が良くなる。

なお、この実施形態では、扉内面及びチャンバ内面は電気的に浮遊または一様な不導体で構成されることが望ましい。これは、多孔円筒金属籠２６内に漏れた電荷種が、電位を持ったチャンバ１０の内壁面や扉に衝突して、スパッタが発生するのを防止するためである。さらに、放電領域に対面する多孔円筒金属籠２６及び分割電極３０の表面部は、多孔部や電極端部にバリ等、鋭い突起があると、その箇所に電力が集中しアーク放電の状態になる可能性があるので、平面部は極力平滑で、角部は緩やかなRを持つことが望ましい。また、分割電極３０は、多孔円筒金属籠２６を同心状に囲む形状に成形されていればより好ましい。

この発明の多相交流プラズマ発生装置は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、チャンバに導電性の金属チャンバを使用した場合、分割電極とチャンバとの間で、放電させることが可能である。この場合、プラズマは分割電極とチャンバ内壁面との間に発生するので、分割電極は、多孔の板状のものが望ましい。
また、金属製のチャンバを使用する場合に、多孔円筒金属籠とその外周表面に絶縁層を形成し、多孔円筒金属籠と絶縁層を挟んで、スパッタリングされ難い材質の分割電極の層を持つ電極ユニットをチャンバ内に設置し、チャンバと分割電極層との間にてプラズマを生成することも可能である。また、各分割電極及び中性電極への給電をするための給電端子を、チャンバ内部に設け、給電ユニット収納時に電気的接続状態を成すようにしてもよい。
そのほか、金属籠の形状は円筒状以外の形状でも良く、分割電極の素材はスパッタリングされ難い素材であれば適宜選択可能である。さらに、金属籠の孔形状や種類は適宜変更可能である。

本発明を実施した多相交流プラズマ発生装置の概略断面図である。 チャンバの開口部の正面図である。 扉に設けた給電端子の配置図である。 支持部材の分解側面図である。 多相交流電源の構成図である。

２ 多相交流プラズマ発生装置
４ 本体
６ 開口部
８ 排気口
１０ チャンバ
１２、１３ 給電端子
１４ 電源装置
１６ 扉
１８ 縁
２０ パッキン
２２、２３ コンタクトプローブ
２４ 電線
２６ 多孔円筒金属籠
２８ 間隙
３０ 分割電極
３０ａ 折り線
３２ 放電ユニット
３４、３５ 受電端子
３６ 支持部材
３８ ボルト
３８ａ 頭部
４０ ナット
４２ スペーサ
４２ａ 段付き部材
４４ インバータ
４６ テフロン(商品名)ワッシャ

Claims (4)

1. 円筒形の一端開口部を入口とし他端を閉鎖したチャンバと、
   チャンバの内周とは隙間を空けて同心状に収納した被処理材料格納用の多孔円筒金属籠と、
   多孔円筒金属籠の外周に放射状に取り付けたｎ組の支持部材と、
   ｎ組の支持部材に支持されて、前記多孔円筒金属籠の外周を僅かな間隙を設けて同心状に囲むように、多孔円筒金属籠とチャンバの隙間に配置した板状のｎ枚の分割電極と、
   各分割電極のチャンバ入口側端部に取り付けられ、同一円周線上に並んだｎ個の分割電極用の受電端子と、
   多孔円筒金属籠のチャンバ入口側端部に取り付けられ、分割電極用の受電端子が並ぶ円周線の内側に位置する１個の多孔円筒金属籠用の受電端子と、
   これら分割電極用及び多孔円筒金属籠用の受電端子と1対1に結合するように、チャンバ入口の扉の内側に配置したｎ＋１個の給電端子と、
   分割電極用の受電端子に結合する給電端子には各位相成分の電圧を、また多孔円筒金属籠用の受電端子と結合する給電端子には中性の基準電圧を、それぞれ供給するように接続した、チャンバ外部に設置する多相交流電源と、
   を備えてなることを特徴とする多相交流プラズマ発生装置。
2. 前記多孔円筒金属籠とｎ枚の分割電極がｎ組の支持部材を介して一体に組み立てられ、出し入れ自在に前記チャンバ内に格納されることを特徴とする請求項１記載の多相交流プラズマ発生装置。
3. 前記支持部材が大小２つの径を持つ絶縁性の段付き円板を同軸に重ねたものであることを特徴とする請求項１記載の多相交流プラズマ発生装置。
4. 前記分割電極が長さ方向の２本の平行な折り線に沿って山折りし、側面視台形状に形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の多相交流プラズマ発生装置。

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