JP6046985B2 - マイクロ波プラズマ生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波により反応ガスをプラズマ化するマイクロ波プラズマ生成装置に関する。

マイクロ波により反応ガスをプラズマ化し、それを被加工物に接触させて、親水化処理、エッチング処理、クリーニング処理、プラズマイオン注入処理、ＣＶＤ処理等のプラズマ加工処理を実行するマイクロ波プラズマ生成装置が知られている。

かかるマイクロ波プラズマ生成装置は、マイクロ波を伝播させる導波管を含んで構成され、導波管には、マイクロ波の進行方向に延在するスロットが形成される。また、そのスロットを導波管の内側から封止する誘電体も設けられる。そして、導波管外側のスロット近傍において、マイクロ波により反応ガスがプラズマ化される（例えば、特許文献１、２）。

特開２０１０−２１９００３号公報 特開２０１０− ８０３５０号公報

上述した特許文献１、２に記載の技術は、真空雰囲気下でのプラズマ化を想定しており、かかる技術をそのまま大気圧に適用すると、真空雰囲気下と比べて高い電界強度を要し、そのような電界強度を生成するための大容量のマイクロ波生成源が必要であった。

しかし、大気圧下において上述したプラズマ加工処理を実現できるようなマイクロ波生成源は非常に高価であり現実的ではなかった。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、マイクロ波生成源の容量を増やすことなく、マイクロ波プラズマ生成装置に生じる電界強度を高め、真空より高い気圧下でも安価にプラズマ加工処理を実現可能な、マイクロ波プラズマ生成装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のマイクロ波プラズマ生成装置は、管状に形成され、管内でマイクロ波を伝播し、管の内面と外面とを貫通しマイクロ波の進行方向に延在するスロットが形成された導波管と、誘電体で構成され、導波管の内側からスロットを封止する封止部と、導波管の外側からスロットに反応ガスを導入するガス導入部と、を備え、導波管と封止部との当接面には、スロットから延在し、反応領域と連通する切り欠きが設けられていることを特徴とする。

ガス導入部は、濃度を低下させることなく、ガス供給源からスロットまで反応ガスを誘導する誘導路を含んでもよい。

誘導路は、スロットの切り欠きに反応ガスを直接誘導してもよい。

封止部のスロットから離れる方向の厚みは、プラズマ化に必要な電界強度に応じて設定されてもよい。

スロットの反応領域の気圧は大気圧以上であってもよい。

本発明によれば、マイクロ波生成源の容量を増やすことなく、マイクロ波プラズマ生成装置に生じる電界強度を高め、真空より高い気圧下でも安価にプラズマ加工処理を実現することが可能となる。

プラズマ加工システムの概略的な構成を示した機能ブロック図である。 マイクロ波プラズマ生成装置の概略的な構成を説明するための縦断面図である。 導波管のスロットの形状を説明するための説明図である。 電界強度の分布を示した説明図である。 スロットの切り欠きのバリエーションを示した説明図である。 ガス導入部の構成を示した説明図である。 封止部の厚みを説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（プラズマ加工システム１００）
図１は、プラズマ加工システム１００の概略的な構成を示した機能ブロック図である。本実施形態の図１や以下の図では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。プラズマ加工システム１００は、マイクロ波生成源１１０と、中継管１１２と、マイクロ波プラズマ生成装置１１４と、プランジャ１１６と、整合器１１８と、ダミーロード１２０と、電力計１２２と、表示部１２４と、反応領域１２６と、ガス供給源１２８とを含んで構成される。

マイクロ波生成源１１０は、マグネトロン等で構成され、例えば、２．４５ＧＨｚの直流パルス方式のマイクロ波を生成し、導波管（中空の金属管）からなる中継管１１２を通じて、生成したマイクロ波をマイクロ波プラズマ生成装置１１４に伝達する。マイクロ波プラズマ生成装置１１４は、導波管を含み、中継管１１２を通じて伝達されたマイクロ波をプランジャ１１６に伝達する。

プランジャ１１６は、マイクロ波プラズマ生成装置１１４から入力されたマイクロ波を反射し、マイクロ波プラズマ生成装置１１４に戻す。したがって、マイクロ波プラズマ生成装置１１４では、中継管１１２を通じて入力されたマイクロ波とプランジャ１１６で反射したマイクロ波とが重畳される。

整合器１１８は、プランジャ１１６で反射されたマイクロ波とマイクロ波生成源１１０で生成されたマイクロ波との整合をとり、マイクロ波生成源１１０で生成されたマイクロ波を効率よくマイクロ波プラズマ生成装置１１４に伝達する。ダミーロード１２０は、プランジャ１１６で反射されたマイクロ波を吸収し、反射されたマイクロ波がマイクロ波生成源１１０に伝達するのを防止する。

電力計１２２は、中継管１１２を通過するマイクロ波の電力を測定し、表示部１２４に表示する。反応領域１２６は、チャンバー等で閉鎖された空間であり、内部にマイクロ波プラズマ生成装置１１４が配置されている。ガス供給源１２８は、反応領域１２６においてマイクロ波プラズマ生成装置１１４に反応ガスを供給する。

プラズマ加工システム１００では、マイクロ波プラズマ生成装置１１４が、マイクロ波プラズマ生成装置１１４自体を伝播するマイクロ波に基づき、マイクロ波プラズマ生成装置１１４外部において反応ガスをプラズマ化する。そして、プラズマ化された反応ガスを用いて、例えば、被加工物に、親水化処理、エッチング処理、クリーニング処理、プラズマイオン注入処理、ＣＶＤ処理等のプラズマ加工処理を実行する。以下、マイクロ波プラズマ生成装置１１４の構成を詳細に説明する。

（マイクロ波プラズマ生成装置１１４）
図２は、マイクロ波プラズマ生成装置１１４の概略的な構成を説明するための縦断面図である。マイクロ波プラズマ生成装置１１４は、導波管１３０と、封止部１３２と、ガス供給治具１３４と、ガス導入部１３６とを含んで構成される。

導波管１３０は、断面が扁平な矩形となる管であり、マイクロ波生成源１１０で生成されたマイクロ波を伝播する。また、その一面には、導波管１３０の内面と外面とを貫通しマイクロ波の進行方向（長手方向）に延在するスロット１３０ａが形成されている。かかるスロット１３０ａの幅は、当該マイクロ波プラズマ生成装置１１４が生成すべきプラズマの幅に基づいて設定される。

封止部１３２は、誘電性の高い誘電体で構成され、導波管１３０内側からスロット１３０ａによって形成された導波管１３０の開口を封止し、導波管１３０を密封する。かかる封止部１３２において、スロット１３０ａから離れる方向（Ｚ軸に沿った方向）の厚みは任意に設定することができ、導波管１３０におけるスロット１３０ａの対向面に亘って存在してもよい。

ガス供給治具１３４は、ガス供給源１２８から反応ガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）等の希ガスを受け、ガス導入部１３６に供給する。ガス導入部１３６は、ガス供給治具１３４から受けた反応ガスをスロット１３０ａに向かって導入する。

マイクロ波プラズマ生成装置１１４では、導波管１３０内で伝播されるマイクロ波の電磁エネルギーが、誘電体である封止部１３２を通過し、導波管１３０外の封止部１３２近傍にマイクロ波による電界を集中させて高電界を形成する。そして、かかる高電界領域に反応ガスを導入すると、供給された反応ガスが励起されてプラズマが生じる。

このようなプラズマを生成するため、反応ガスが存在する導波管１３０外の空間は、真空等、気圧が極めて低い雰囲気であることが望ましい。しかし、真空雰囲気を形成するための減圧にはコストを要するので、気圧の高い、例えば、大気圧でプラズマを生成させる技術が希求される。

この場合、例えば、３ｋＶ／ｍといった、真空雰囲気下と比べて大きな電界強度を要する。かかる電界強度を生じさせるためには、従来の装置で２００〜３００ｋＷといった大容量のマイクロ波生成源１１０が必要となる。

また、導入する反応ガスとしては、プラズマが生じ易いという理由からヘリウムが用いられることが多いが、本実施形態では、表面処理に有効とされる酸素（Ｏ_２）と比較的安価なアルゴンとの混合気を用いる。一般にプラズマを生成するための電界強度は、その反応ガスの種類に依存し、かかる混合気のプラズマ化には、ヘリウムと比べ５倍程度の電界強度を要する。

本実施形態では、マイクロ波プラズマ生成装置１１４を以下のように工夫することで、マイクロ波生成源１１０を、例えば、１ｋＷといった現実性のある容量に抑えつつ、高い気圧雰囲気下で上記混合気を用いてプラズマを生成する。以下、スロット１３０ａ、ガス導入部１３６、封止部１３２の順に本実施形態の特徴的な構成を詳述する。

（スロット１３０ａ）
図３は、導波管１３０のスロット１３０ａの形状を説明するための説明図であり、図４は、電界強度の分布を示した説明図である。

図３（ａ）に示した、比較例である、切り欠き１５０を設けていないマイクロ波プラズマ生成装置では、マイクロ波による電界が、誘電体である封止部１３２から金属である導波管１３０のスロット１３０ａに向かって生じうる。ここで、封止部１３２と導波管１３０とが当接する領域Ａでは、電界の方向がＺ軸に沿った方向となり電界強度は高くなるものの、その間には反応ガスが浸入する余地がないのでプラズマが生じない。反応ガスが存在しうる領域Ｂでは、封止部１３２の外面とスロット１３０ａの外面とが垂直な位置関係となるので、電界の軌跡は、図３（ａ）中矢印で示すように湾曲する。すると、スロット１３０ａ内で生じる電力線の軌跡が長くなり、電界強度は高くならない。

封止部１３２は、導波管１３０に当接してスロット１３０ａを封止するが、本実施形態においては、図３（ｂ）に示すように、封止部１３２と導波管１３０との当接面の一部に、スロット１３０ａの内面からＹ軸に沿った方向に延在する切り欠き（空隙）１５０を設けている。こうして、スロット１３０ａは、導波管１３０の内側における開口面積が導波管１３０の外側における開口面積よりも大きくなる。また、切り欠き１５０を介して封止部１３２と導波管１３０とが対面し、電力線の湾曲度合いが緩和される。スロット１３０ａをこのように形成することで、図３（ｂ）に示すように、切り欠き１５０で生じる電力線の軌跡は、図３（ａ）の電力線と比較して短く、かつ、直線に近くなり、また、その密度がかかる切り欠き１５０に集中し、図４の電界強度分布において濃い色で示すように、切り欠き１５０近傍の電界強度が高まる。

こうして、スロット１３０ａおよびスロット１３０ａ近傍に存在する反応ガス（酸素とアルゴンの混合気）をプラズマ化することができる。

図５は、スロット１３０ａの切り欠き１５０のバリエーションを示した説明図である。例えば、図５（ａ）では、その切り欠き面がテーパーを形成するようにＹＺ断面三角の切り欠き１５０が設けられ、図５（ｂ）では、ＹＺ断面が扇形（円の一部）となる切り欠き１５０が設けられている。このような切り欠きにおいても、図５中に電力線で示したように、その軌跡が短くなり、電界強度を高め、反応ガスを容易にプラズマ化することが可能となる。

また、本実施形態の趣旨からすれば、導波管１３０と封止部１３２との間に空隙を形成し、その間の距離が短ければよいので、切り欠き１５０の奥まで反応ガスが浸透しさえすれば、図５（ｃ）のように、切り欠き１５０をさらに延在させてもよい。

（ガス導入部１３６）
図６は、ガス導入部１３６の構成を示した説明図である。ガス導入部１３６は、外部のガス供給源１２８からスロット１３０ａ近傍まで濃度を低下させることなく（希釈することなく）、反応ガスを誘導する誘導路１３６ａを含んでいる。ここで、スロット１３０ａ近傍は、スロット１３０ａのみならず、スロット１３０ａに反応ガスを直接誘導しなくとも、実質的にスロット１３０ａに反応ガスが到達する程度近い距離にある領域を含む。誘導路１３６ａは、ガス供給治具１３４を通じて導入された高濃度の反応ガスを反応領域１２６の雰囲気中に拡散せず、例えば、スロット１３０ａの側面からスロット１３０ａ全体に直接誘導しプラズマ化する。また、上述したように、スロット１３０ａの切り欠き１５０において電力線の密度が高くなるので、図６に示すように、誘導路１３６ａを切り欠き１５０に向かって屈折させ、切り欠き１５０における、封止部１３２と対向する面から、スロット１３０ａの特に切り欠き１５０に反応ガスを直接誘導するのが好ましい。

従来では、反応領域１２６の雰囲気全体に反応ガスが希釈され、濃度が反応領域１２６内で均一化されていたところ、上記の誘導路１３６ａによって、スロット１３０ａ内といった狭小の空間でのみ均一化され、望ましくは、切り欠き１５０といった、さらに電力線の密度が高い狭小の空間でのみ均一化されるので、高濃度の反応ガスを直接プラズマ化することができるようになり、プラズマ化の促進を図ることが可能となる。

また、図６に示すように、誘導路１３６ａを形成するＺ軸方向上部の側面１３６ｂと、導波管１３０上部の側面１３０ｂとを面一とすることで、その面にプラスチック等の被加工物を容易かつ安定的に載置することができ、プラズマ加工処理を容易に遂行することが可能となる。

（封止部１３２）
図７は、封止部１３２の厚みを説明するための説明図である。上述したように、封止部１３２は、スロット１３０ａから離れる方向（Ｚ軸に沿った方向）の厚みを任意に設定することができる。封止部１３２は、誘電体なので、図７に示す厚みｄによって下記数式１に示すように電界強度が導かれる。
…（数式１）
ここで、ε_ｒは封止部１３２の比誘電率、ｈは導波管１３０の内面における鉛直上下間の距離、Ｅは封止部１３２と導波管１３０内に形成される電界、Ｅｉは封止部１３２内の電界である。

数式１を参照して理解できるように、厚みｄに応じて電界比Ｅ／Ｅ_ｉを調整することができ、対象となる反応ガスの種類に応じて厚みｄを設定することで、プラズマ化に必要な電界強度を調整することが可能となる。

また、図示は省略するが、封止部１３２の厚みｄによって、当該マイクロ波プラズマ生成装置１１４で生成されるプラズマの形状が異なる。したがって、被加工物やプラズマ加工処理の種別（親水化処理、エッチング処理、クリーニング処理、プラズマイオン注入処理、ＣＶＤ処理等）に応じて封止部１３２の厚みを調整し、最適な形状のプラズマを適用することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、マイクロ波生成源１１０の容量を増やすことなく、上記スロット１３０ａの切り欠き１５０、ガス導入部１３６、封止部１３２の構成により、マイクロ波プラズマ生成装置１１４に生じる電界強度を高めることができ、真空より高い気圧、例えば大気圧下においても安価にプラズマを通じた加工処理を行うことが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、マイクロ波プラズマ生成装置１１４に対してマイクロ波生成源１１０で生成したマイクロ波を一方から伝播する構成を示したが、マイクロ波の伝播態様はかかる場合に限らず、マイクロ波生成源１１０をマイクロ波プラズマ生成装置１１４の導波管１３０の両側に設け、両方向からマイクロ波を伝播するとしてもよい。

本発明は、マイクロ波により反応ガスをプラズマ化するマイクロ波プラズマ生成装置に利用することができる。

１１４ …マイクロ波プラズマ生成装置
１２６ …反応領域
１２８ …ガス供給源
１３０ …導波管
１３０ａ …スロット
１３２ …封止部
１３６ …ガス導入部
１５０ …切り欠き

Claims (5)

1. 管状に形成され、該管内でマイクロ波を伝播し、該管の内面と外面とを貫通しマイクロ波の進行方向に延在するスロットが形成された導波管と、
   誘電体で構成され、前記導波管の内側から前記スロットを封止する封止部と、
   前記導波管の外側から前記スロットに反応ガスを導入するガス導入部と、
   を備え、
   前記導波管と前記封止部との当接面には、前記スロットから延在し、反応領域と連通する切り欠きが設けられていることを特徴とするマイクロ波プラズマ生成装置。
2. 前記ガス導入部は、濃度を低下させることなく、ガス供給源から前記スロットまで前記反応ガスを誘導する誘導路を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
3. 前記誘導路は、前記スロットの前記切り欠きに前記反応ガスを直接誘導することを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
4. 前記封止部の前記スロットから離れる方向の厚みは、プラズマ化に必要な電界強度に応じて設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ生成装置。
5. 前記スロットの反応領域の気圧は大気圧以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ生成装置。