JP6155455B2 - Electrode for atmospheric pressure plasma generation, atmospheric pressure plasma generation apparatus, and method for producing atmospheric pressure plasma workpiece using the same - Google Patents
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Description
本発明は、大気圧プラズマ発生用電極および大気圧プラズマ発生装置、ならびにそれを用いた大気圧プラズマ加工物の製造方法に関する。 The present invention relates to an atmospheric pressure plasma generation electrode, an atmospheric pressure plasma generation apparatus, and a method for manufacturing an atmospheric pressure plasma workpiece using the same.
被加工面を精密に加工する方法の1つとして、大気圧下で発生させたプラズマを利用する大気圧プラズマ法が知られている。大気圧プラズマ法は、高周波電圧を印加した所定の電極にプロセスガスを供給し、大気圧プラズマとともにプロセスガスに基づくラジカルを発生させ、該ラジカルと被加工面とのラジカル反応によって生成した物質を除去することで被加工面を加工する方法である(例えば、特許文献1参照)。
このような大気圧プラズマ法に用いる電極としては、効率よく被加工面を加工できるものが望ましい。
As one method for precisely processing a surface to be processed, an atmospheric pressure plasma method using plasma generated under atmospheric pressure is known. In the atmospheric pressure plasma method, a process gas is supplied to a predetermined electrode to which a high-frequency voltage is applied, a radical based on the process gas is generated together with the atmospheric pressure plasma, and a substance generated by a radical reaction between the radical and a surface to be processed is removed. This is a method of processing the surface to be processed (see, for example, Patent Document 1).
As an electrode used in such an atmospheric pressure plasma method, an electrode that can efficiently process a surface to be processed is desirable.
本発明の課題は、大気圧プラズマによって効率よく被加工面を加工することができる大気圧プラズマ発生用電極および大気圧プラズマ発生装置、ならびにそれを用いた大気圧プラズマ加工物の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide an atmospheric pressure plasma generating electrode and an atmospheric pressure plasma generating apparatus that can efficiently process a surface to be processed by atmospheric pressure plasma, and a method of manufacturing an atmospheric pressure plasma workpiece using the same. That is.
本発明の大気圧プラズマ発生用電極は、上面および下面を有する板状の底部、該底部の外周部に接続されて上方に延びている管状の側壁部、前記底部の上面および前記側壁部の内面によって囲まれている中空部、該中空部に位置しており第1プロセスガスが流れる第1ガス内側流路、ならびに前記側壁部に位置しており前記第1ガス内側流路につながっている少なくとも1つの貫通孔を有する電極部と、隙間を介して内面で前記側壁部の外面を囲んでいる管状体と、前記隙間に位置しており前記少なくとも1つの貫通孔につながっている第1ガス外側流路と、前記底部と前記管状体の下端部との間に位置しており前記第1ガス外側流路につながっている少なくとも1つの第1ガス供給口とを備えており、前記電極部は、前記中空部に前記第1ガス内側流路とは仕切られて位置しており第2プロセスガスが流れる第2ガス流路と、前記底部に位置しており前記第2ガス流路につながっている少なくとも1つの第2ガス供給口とをさらに有する。 The electrode for generating atmospheric pressure plasma of the present invention includes a plate-shaped bottom portion having an upper surface and a lower surface, a tubular side wall portion connected to the outer peripheral portion of the bottom portion and extending upward, an upper surface of the bottom portion, and an inner surface of the side wall portion A hollow portion surrounded by the first gas inner flow path which is located in the hollow portion and through which the first process gas flows, and is located in the side wall portion and connected to the first gas inner flow path. An electrode portion having one through-hole, a tubular body surrounding the outer surface of the side wall portion on the inner surface through a gap, and a first gas outer side located in the gap and connected to the at least one through-hole A flow path, and at least one first gas supply port located between the bottom and the lower end of the tubular body and connected to the first gas outer flow path, , The first portion in the hollow portion A second gas flow path through which the second process gas flows, and at least one second gas supply located at the bottom and connected to the second gas flow path. And a mouth.
本発明の大気圧プラズマ発生装置は、上述した大気圧プラズマ発生用電極と、該大気圧プラズマ発生用電極の下方に位置して被加工材を支持する支持台と、前記被加工材の下方に前記大気圧プラズマ発生用電極に対向して位置している対向電極と、前記大気圧プラズマ発生用電極と前記対向電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記第1ガス内側流路に前記第1プロセスガスを供給するとともに、前記第2ガス流路に前記第2プロセスガスを供給するガス供給手段とを備える。 An atmospheric pressure plasma generation apparatus according to the present invention includes the above-described atmospheric pressure plasma generation electrode, a support base that is positioned below the atmospheric pressure plasma generation electrode and supports the workpiece, and below the workpiece. A counter electrode positioned opposite to the atmospheric pressure plasma generating electrode; voltage applying means for applying a voltage between the atmospheric pressure plasma generating electrode and the counter electrode; and the first gas inner flow path. And a gas supply means for supplying the second process gas to the second gas flow path.
本発明の大気圧プラズマ加工物の製造方法は、上述した大気圧プラズマ発生装置を用いて大気圧プラズマ加工物を製造する方法であって、前記ガス供給手段によって、前記第1プロセスガスを前記第1ガス内側流路に供給するとともに、前記第2プロセスガスを前記第2ガス流路に供給する工程と、前記第1プロセスガスを前記少なくとも1つの第1ガス供給口から前記被加工材の被加工面の外周近傍に供給するとともに、前記第2プロセスガスを前記少なくとも1つの第2ガス供給口から前記被加工面に供給する工程と、前記電圧印加手段によって、前記大気圧プラズマ発生用電極と前記対向電極との間に電圧を印加し、大気圧プラズマを発生させる工程とを備える。 The method for producing an atmospheric pressure plasma workpiece according to the present invention is a method for producing an atmospheric pressure plasma workpiece using the atmospheric pressure plasma generator described above, wherein the first process gas is produced by the gas supply means. Supplying the second process gas to the second gas flow path, and supplying the first process gas from the at least one first gas supply port. Supplying the second process gas to the processing surface from the at least one second gas supply port, and supplying the atmospheric pressure plasma generating electrode by the voltage applying means. Applying a voltage between the counter electrode and generating atmospheric pressure plasma.
本発明によれば、大気圧プラズマによって効率よく被加工面を加工できるという効果がある。本発明は、いわゆる大気圧プラズマCVM(Chemical Vaporization Machining)法に好適である。 According to the present invention, there is an effect that a processing surface can be efficiently processed by atmospheric pressure plasma. The present invention is suitable for the so-called atmospheric pressure plasma CVM (Chemical Vaporization Machining) method.
<大気圧プラズマ発生用電極>
以下、本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ発生用電極(以下、「電極」と言うことがある。)について、図1〜図4を用いて詳細に説明する。
<Electrode for atmospheric pressure plasma generation>
Hereinafter, an atmospheric pressure plasma generation electrode (hereinafter sometimes referred to as an “electrode”) according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
図1に示すように、本実施形態の大気圧プラズマ発生用電極1は、後述する大気圧プラズマ発生装置10が備えるものであり、電極部2を備えている。本実施形態の電極部2は、図2に示すように、板状の底部21と、管状の側壁部22と、底部21および側壁部22によって囲まれている中空部23と、中空部23に位置している第1ガス内側流路24と、側壁部22に位置している少なくとも1つの貫通孔25とを有する。以下、電極部2の各構成要素について、順に説明する。
As shown in FIG. 1, the atmospheric pressure
本実施形態の底部21は、上面21aおよび下面21bを有する。また、本実施形態の底部21は、図3に示すように、下面視において円形である。下面視とは、下面21b側から底部21を見た状態を意味するものとする。なお、下面視における底部21の形状は、円形に限定されるものではなく、例えば四角形等の多角形であってもよい。底部21は、板状としたが、平坦面である必要はない。例えば、下面21bが下側に凸となるような曲面であってもよい。
The
本実施形態の側壁部22は、底部21の外周部に接続されて上方に延びている。より具体的に説明すると、本実施形態の側壁部22は、底部21の上面21aの外周部に接続されて上方に延びている。上方とは、底部21に対して後述するプロセスガスの流通方向の上流側のことを意味するものとする。
The
また、本実施形態の側壁部22は、底部21と一体に形成されている。このような構成によれば、電極部2の強度を向上することができる。なお、側壁部22は、必要に応じて、底部21と別部材で構成することもできる。また、本実施形態の側壁部22は、底部21の上面21aの外周部の端部と接続されている。なお、側壁部22は、底部21の上面21aの外周部の端部よりも内側に接続されていてもよい。
Further, the
本実施形態の側壁部22は、略円管状(略円筒状)である。なお、側壁部22の形状は、略円管状に限定されるものではなく、管状である限り、底部21の形状に対応して所望の形状にすることができる。
The
本実施形態の側壁部22は、底部21側から上方に向かって順に下側壁部221と、下側壁部221よりも外径が大きい上側壁部222とを有する。
The
本実施形態の中空部23は、底部21の上面21aおよび側壁部22の内面22aによって囲まれている。本実施形態の中空部23は、その長手方向に垂直な断面視において、略円形である。なお、上述した断面視における中空部23の形状は、略円形に限定されるものではなく、例えば四角形等の多角形であってもよい。
The
本実施形態の第1ガス内側流路24は、第1プロセスガスが流れる部位である。第1プロセスガスとしては、例えばCF4、C2F6、C3F6、C4F8、CClF3、SF6、CHF3等のフッ素原子含有化合物ガス;Cl2、BCl3、CCl4等の塩素原子含有化合物ガス等のハロゲン系ガス等が挙げられ、これらは1種または2種以上を混合して用いてもよい。また、第1プロセスガスは、例示したこれらのプロセスガスと、いわゆるキャリアガスとの混合ガスであるのがよい。キャリアガスとは、放電開始と放電維持のために導入するガスのことを意味するものとする。キャリアガスとしては、例えばHe、Ne、Ar、Xe等の希ガス等が挙げられ、これらは1種または2種以上を混合して用いてもよい。また、プロセスガスの解離促進のために、O2を混合ガスに混ぜてもよい。例示したこれらのガスは、後述する被加工材100に応じて所望の組み合わせで用いることができる。
The first gas
混合ガス中におけるプロセスガスの占める割合(混合比)は、特に限定されないが、例えば混合ガス中のプロセスガスの割合を0.1〜10%にすればよい。特に、混合ガス中のプロセスガスの割合を0.1〜5%にすると、希ガスを十分に励起することができる。 Although the ratio (mixing ratio) of the process gas in the mixed gas is not particularly limited, for example, the ratio of the process gas in the mixed gas may be 0.1 to 10%. In particular, when the ratio of the process gas in the mixed gas is 0.1 to 5%, the rare gas can be sufficiently excited.
本実施形態の貫通孔25は、側壁部22のうち下側壁部221に位置しており、第1ガス内側流路24につながっている。また、本実施形態の貫通孔25は、下側壁部221の内面22aおよび外面22bの間を貫通している。
The
ここで、電極部2は、複数の貫通孔25を有し、複数の貫通孔25が、同じ高さで外周方向に沿って互いに略等間隔に位置しているのがよい。本実施形態の電極部2は、4つの貫通孔25を有する。そして、4つの貫通孔25は、同じ高さで下側壁部221の外周方向に沿って互いに略等間隔に位置している。このような構成によれば、側壁部22の強度を維持しつつ、第1プロセスガスをスムーズに、かつ、均一に後述する第1ガス外側流路4に流すことができる。なお、貫通孔25の数は4つに限定されるものではなく、複数の貫通孔25の高さ、および互いの距離についても上述した構成に限定されるものではない。
Here, the
上述した構成を有する電極部2の構成材料としては、例えばアルミニウム、銅、鉄、銀等の金属およびこれらの合金等が挙げられる。
As a constituent material of the
一方、本実施形態の電極1は、上述した電極部2に加えて、隙間31を介して内面3aで側壁部22の外面22bを囲んでいる管状体3と、隙間31に位置している第1ガス外側流路4と、底部21と管状体3の下端部33との間に位置している少なくとも1つの第1ガス供給口5とをさらに備えている。言い換えると、底部21と管状体3の下端部33とを隙間31をあけて配置することにより第1ガス供給口5が形成される。
On the other hand, in addition to the
本実施形態の管状体3は、側壁部22のうち下側壁部221の外面22bを囲んでいる。また、本実施形態の管状体3は、次のような状態で電極部2に取り付けられている。すなわち、上述した側壁部22は、下側壁部221および上側壁部222のそれぞれと接続している段部223をさらに有する。段部223は、上側壁部222側に位置しており、底部21側に凸状である係止部223aを有する。本実施形態の管状体3は、円管状(円筒状)であり、その上端部32側を係止部223aに係止させた状態で電極部2に取り付けられている。
The
本実施形態の管状体3の下端部33は、電極部2の底部21よりも下方に位置している。このような構成によれば、第1プロセスガスの流れを面方向に発散させずに下方に向けてガイドしいわゆるマイクロチャンバーを形成することができ、安定して大気圧プラズマを発生させることが可能となる。なお、下方とは、底部21に対してプロセスガスの流通方向の下流側のことを意味するものとする。例えば、下端部33は底部21よりも50μm〜200μm程度下方に位置するようにすればよい。
The
上述した構成を有する管状体3は、絶縁材料からなるのがよい。絶縁材料としては、例えばアルミナ等のセラミックスやテフロン(登録商標)等が挙げられる。なお、管状体3は、絶縁材料以外の材料で構成することもできる。絶縁材料以外の材料としては、例えば銅、鉄、銀等の金属およびこれらの合金等が挙げられる。なお、管状体3は耐プラズマ性を有し、かつ高い強度を有する材料で構成することが好ましく、このような例としてアルミナを例示することができる。
The
本実施形態の第1ガス外側流路4は、少なくとも1つの貫通孔25につながっており、本実施形態の第1ガス供給口5は、第1ガス外側流路4につながっている。このような構成によれば、上述した第1プロセスガスを、図1に示すように、第1ガス内側流路24、貫通孔25および第1ガス外側流路4の順に流すことが可能となる。また、第1プロセスガスを第1ガス供給口5から後述する被加工材100の被加工面101の外周近傍に供給することも可能となる。その結果、被加工面101の外周近傍に第1プロセスガスによるシールドを形成することができ、それゆえプラズマ発生領域内に外気が流入するのを抑制することができ、大気圧プラズマによる局所的な加工が可能となる。
The first gas outer channel 4 of the present embodiment is connected to at least one through
本実施形態の第1ガス供給口5は、図3に示すように、下面視において、底部21の外周部に沿って環状に連続している。このような構成によれば、第1プロセスガスによる上述した効果を向上することができる。
As shown in FIG. 3, the first
ここで、上述した本実施形態の電極部2は、図2に示すように、中空部23に第1ガス内側流路24とは仕切られて位置している第2ガス流路26と、底部21に位置している少なくとも1つの第2ガス供給口27とをさらに有する。第2ガス流路26は、第2プロセスガスが流れる部位である。第2ガス供給口27は、第2ガス流路26につながっており、底部21の上面21aおよび下面21bの間を貫通している。このような構成によれば、第2プロセスガスを第2ガス供給口27から被加工面101に直接供給することができ、それゆえ反応種であるラジカルの生成効率を向上させることができ、大気圧プラズマによって効率よく被加工面101を加工することが可能となる。なお、第2プロセスガスとしては、上述した第1プロセスガスで例示したのと同じガスが挙げられる。
Here, as shown in FIG. 2, the
本実施形態の電極部2は、複数の第2ガス供給口27を有する。複数の第2ガス供給口27のそれぞれは、図3に示すように、下面視において円形であり、その直径は底部21の下面21bの直径よりも十分に小さい。そして、本実施形態の複数の第2ガス供給口27は、仮想上の斜め格子子の交差部に位置するように配置している。言い換えると、本実施形態の複数の第2ガス供給口27は、互い違いに配置されている。このような構成によれば、複数の第2ガス供給口27を互いに密集するように配置させることができ、第2ガス供給口27から供給される第2プロセスガスの流速を適度に低減することができる。その結果、第2プロセスガスの流速が早いことによるプラズマの消滅を抑制することができ、ラジカルの生成効率を向上させることが可能となる。なお、互いに密集するとは、互いに隣接している第2ガス供給口27、27同士の間の距離が、第2ガス供給口27の直径と同じか、または第2ガス供給口27の直径よりも小さいことを意味するものとする。なお、本実施形態では、複数の第2ガス供給口の密集度を向上させるために、複数の第2ガス供給口27を互い違いに(千鳥状に)配置した例を用いて説明したが、複数の第2ガス供給口27は互いに密集していればよく、例えば直交格子状や放射状に配置してもよい。
The
また、底部21のうち複数の第2ガス供給口27が位置している領域211は、電極としても機能することから、上述した構成によれば、電界強度を維持しつつ、効率的なガス供給が可能となる。なお、複数の第2ガス供給口27のそれぞれの形状は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、第2ガス供給口27の数および形状等は、領域211が電極として機能する限り、特に限定されないが、例えば複数の第2ガス供給口27のそれぞれの直径を、底部21と被加工面101との間の距離に対して1/10以下となるように構成するのがよい。また、領域211に、複数の第2供給口27のそれぞれをハニカム構造となるように形成してもよい。このような構成とすることにより、領域211の強度を保ちつつ、第2プロセスガスの供給と電極としての機能を同じ領域において両立させることができる。
Moreover, since the area |
本実施形態の第2ガス供給口27は、底部21の中央部に位置している。また、領域211の外縁部211aは、底部21の上面21aと側壁部22(下側壁部221)の内面22aとの交線部28と同じ位置か、または交線部28よりも内側に位置しているのがよい。本実施形態では、外縁部211aの位置は交線部28の位置と同じである。本実施形態では、外縁部211aの位置は、第2ガス流路26の外周部との交線の位置と同じである。このような構成によれば、第2ガス供給口27が位置していない底部21の外周部によって電極部2の強度を維持することができるとともに、放熱性を高めることができる。また、底部21の外周部直下に位置している被加工面101には、底部21の中央部直下に位置している被加工面101よりも第2プロセスガスの供給量が少なくなるものの、底部21の外周部は第2ガス供給口27が位置していない分、底部21の中央部よりも電界強度が高く、それゆえラジカルの生成効率を向上させることができる。また、底部21の外周部は、第1ガス供給口5から第1プロセスガスが供給されることにより、第1プロセスガスの一部をプラズマ発生用として用いることができる。これにより、底部21の外周部においても、ラジカルの生成効率を確保することができる。このような効果は、特に第1プロセスガスと第2プロセスガスを同一とし、領域211の中央と底部21の中央が揃っているときに顕著である。
The second
本実施形態の第2ガス供給口27は、図4に示すように、その直径Dが、底部21の上面21aから下面21bに向かうにつれて大きくなっている。これにより、第2ガス供給口27から供給される第2プロセスガスを拡散させることができ、ラジカルの生成効率を向上させることが可能となる。直径Dを上述した関係にするには、例えば底部21の下面21b側から第2ガス供給口27を形成すればよい。
As shown in FIG. 4, the second
本実施形態の第2ガス流路26は、図2に示すように、中空部23を底部21に向かって延びているガス供給管261である。本実施形態のガス供給管261は、その先端部が底部21の上面21aに接触している。また、本実施形態のガス供給管261は、管状の側壁部22と軸を合わせて配置されている。そして、第1ガス内側流路24は、ガス供給管261の外面261aと側壁部22の内面22aとの間に位置している。このような構成によれば、中空部23内において、第2ガス流路26を第1ガス内側流路24と仕切ることができ、両流路を互いに独立した流路として構成できることから、第1プロセスガスおよび第2プロセスガスのそれぞれの組成および流量を制御することができる。
As shown in FIG. 2, the second
<大気圧プラズマ発生装置>
次に、本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ発生装置(以下、「装置」と言うことがある。)について説明する。図1に示すように、本実施形態の大気圧プラズマ発生装置10は、上述した一実施形態に係る電極1と、電極1の下方に位置して被加工材100を支持する支持台11と、被加工材100の下方に電極1に対向して位置している対向電極12と、電圧印加手段13と、ガス供給手段14とを備えている。
<Atmospheric pressure plasma generator>
Next, an atmospheric pressure plasma generation apparatus (hereinafter sometimes referred to as “apparatus”) according to an embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the atmospheric pressure
支持台11は、被加工材100を吸着する吸着手段を有していてもよい。吸着手段としては、例えば真空チャック等が挙げられる。 The support 11 may have a suction unit that sucks the workpiece 100. As an adsorption | suction means, a vacuum chuck etc. are mentioned, for example.
本実施形態の対向電極12は、支持台11の内部に位置している。また、本実施形態の対向電極12は、電圧印加手段13が有する第1導線133を介して電極1と電気的に接続しているとともに、第2導線134を介して接地している。
The counter electrode 12 of this embodiment is located inside the support base 11. In addition, the counter electrode 12 of the present embodiment is electrically connected to the
電圧印加手段13は、電極1と対向電極12との間に電圧を印加するものである。本実施形態の電圧印加手段13は、高周波電源131と、マッチング機器132と、第1導線133と、第2導線134とを有する。
The
ガス供給手段14は、第1ガス内側流路24に第1プロセスガスを供給するとともに、第2ガス流路26に第2プロセスガスを供給するものである。ガス供給手段14としては、例えばガスボンベ等が挙げられる。
The gas supply means 14 supplies the first process gas to the first gas
ガス供給手段14は、第1プロセスガスおよび第2プロセスガスのそれぞれの流量を制御する流量制御手段を有していてもよい。これにより、ガス流量の精度を向上することができ、安定した加工が可能となる。流量制御手段としては、例えばマスフローコントローラ等が挙げられる。 The gas supply means 14 may have a flow rate control means for controlling the flow rates of the first process gas and the second process gas. Thereby, the accuracy of the gas flow rate can be improved, and stable machining can be performed. Examples of the flow rate control means include a mass flow controller.
なお、装置10は、電極1および支持台11を相対的にx軸方向、y軸方向およびz軸方向に移動させる移動手段をさらに備えていてもよい。
The
<大気圧プラズマ加工物の製造方法>
次に、本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ加工物の製造方法について、上述した一実施形態に係る大気圧プラズマ発生装置10を用いる場合を例にとって説明する。
<Method for producing atmospheric plasma processed product>
Next, a method for manufacturing an atmospheric pressure plasma workpiece according to an embodiment of the present invention will be described taking as an example the case of using the atmospheric pressure
本実施形態の大気圧プラズマ加工物の製造方法は、以下の(a)〜(c)の工程を備えている。
(a)図1に示すように、ガス供給手段14によって、第1プロセスガスを第1ガス内側流路24に供給するとともに、第2プロセスガスを第2ガス流路26に供給する工程。
(b)第1プロセスガスを第1ガス供給口5から被加工材100の被加工面101の外周近傍に供給するとともに、第2プロセスガスを第2ガス供給口27から被加工面101に供給する工程。
(c)電圧印加手段13によって、電極1と対向電極12との間に電圧を印加し、大気圧プラズマを発生させる工程。
The manufacturing method of the atmospheric pressure plasma workpiece of this embodiment includes the following steps (a) to (c).
(A) A step of supplying the first process gas to the first gas
(B) The first process gas is supplied from the first
(C) A step of generating atmospheric pressure plasma by applying a voltage between the
以上のような各工程を経て、被加工面101を精密に加工した大気圧プラズマ加工物110が製造される。
Through each of the steps as described above, an atmospheric pressure plasma workpiece 110 in which the
なお、(a)の工程において、第1プロセスガスおよび第2プロセスガスのそれぞれの組成は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。同様に、第1プロセスガスおよび第2プロセスガスのそれぞれの流量は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。第1プロセスガスおよび第2プロセスガスのそれぞれの組成および流量は、大気圧プラズマを安定して発生させることが可能な限り、被加工材100に応じて所望の値を採用することができる。すなわち、本実施形態によれば、第1プロセスガスおよび第2プロセスガスのそれぞれの組成および流量を制御できることから、効率よく且つ安定した被加工面101の加工が可能となる。
In the step (a), the compositions of the first process gas and the second process gas may be the same or different. Similarly, the flow rates of the first process gas and the second process gas may be the same or different. As the respective compositions and flow rates of the first process gas and the second process gas, desired values can be adopted according to the workpiece 100 as long as atmospheric pressure plasma can be stably generated. That is, according to the present embodiment, since the respective compositions and flow rates of the first process gas and the second process gas can be controlled, the
特に、(b)の工程では、第1プロセスガスを第1ガス供給口5から供給することによって、被加工面101の外周近傍に第1プロセスガスによるシールドを形成することから、プラズマ発生領域内に外気が流入するのを抑制することができ、大気圧プラズマによる局所的な加工が可能となる。さらに、第2プロセスガスを第2ガス供給口27から被加工面101に直接供給することによって、反応種であるラジカルの生成効率を向上させることから、大気圧プラズマによって効率よく被加工面101を加工することが可能となる。なお、第1プロセスガスは、上述したシールド形成のみならず、プラズマ発生用としても機能する。以上より、第1プロセスガスは外気を遮断するために第2プロセスガスの流量に比べ大きくすることが好ましい。
In particular, in the step (b), the first process gas is supplied from the first
(b)の工程において使用する被加工材100としては、例えば石英ガラス、無アルカリガラス等のガラス;水晶等の結晶性材料;アルミナ、シリカ、チタニア等のセラミックス;珪素、炭化珪素等の半導体材料;ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂材料;GaN;AlN等が挙げられる。 Examples of the workpiece 100 used in the step (b) include glass such as quartz glass and alkali-free glass; crystalline material such as quartz; ceramics such as alumina, silica and titania; semiconductor materials such as silicon and silicon carbide. Resin materials such as polyethylene, polystyrene, polycarbonate and polyethylene terephthalate; GaN; AlN and the like.
(c)の工程において、電圧印加手段13によって電極1と対向電極12との間に印加する印加電力としては、大気圧プラズマを発生させることが可能な限り、特に限定されない。
In the step (c), the applied power applied between the
以上、本発明に係るいくつかの実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることができるのは言うまでもない。 As mentioned above, although several embodiment which concerns on this invention was described, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, It cannot be overemphasized that many corrections and changes can be added within the scope of the present invention. Yes.
例えば、上述の実施形態では、電極部2は、複数の第2ガス供給口27を有するが、これに代えて、第2ガス供給口27の数を1つにしてもよい。ここで、第2ガス供給口27の直径が大きくなるにつれて、第2ガス供給口27から供給されるガスの流速も大きくなる。ガスの流速が大きくなると、プラズマが消えるおそれがある。したがって、第2ガス供給口27の数を1つにする場合には、第2ガス供給口27の直径をプラズマが消えるのを抑制できる程度の大きさにするのがよい。具体的には、第2ガス供給口27の直径を、底部21と被加工面101との間の距離に対して1/10以下となるように構成するのがよい。また、第2ガス供給口27の直径を、ガス供給管261の内径に対して1/10以下となるように構成するのがよい。
For example, in the above-described embodiment, the
また、第2ガス供給孔27は、底部21の上面21aにおいて1つの孔のものが、下面21bに至るまでに枝分かれして下面21bにおいては複数の孔を有するようにしてもよい。
In addition, the second
また、上述の実施形態の構成に代えて、電極1は、プラズマ発生領域近傍を吸引する吸引手段をさらに備えていてもよい。これにより、余分なラジカルを吸引除去して、余分なラジカルが拡散することによる加工不良の発生を抑制することができる。具体的には、電極1が、管状体3の外面を覆い、かつ排気口を有するカバーをさらに備えるものとする。そして、排気口から真空排気用ポンプにより排気する吸引手段を形成する。次に、このような吸引手段を備える本発明の他の実施形態に係る大気圧プラズマ発生用電極について、図5を用いて詳細に説明する。なお、図5においては、上述した図1〜図4と同一の構成部分には同一の符号を付して説明は省略する場合がある。
Further, instead of the configuration of the above-described embodiment, the
図5に示すように、本実施形態の電極1は、排気用隙間61を介して内面6aで管状体3の外面3bを囲んでいるカバー6と、管状体3とカバー6の下端部62との間に位置している少なくとも1つの吸引口7と、排気用隙間61に位置しており少なくとも1つの吸引口7につながっている排気流路8と、カバー6に位置しており排気流路8につながっている少なくとも1つの排気口9と、少なくとも1つの排気口9に接続している図示しない排気手段とをさらに備えている。これらの構成によれば、プラズマ発生領域近傍を局所排気することが可能となる。
As shown in FIG. 5, the
このような構成を有する本実施形態の電極1は、次のような場合に好適に使用することができる。例えば、被加工材100として珪素(Si)を使用した場合、大気圧プラズマを発生させて加工すると、SiF4等を主成分とした排ガスが被加工面101周辺に漂うため、Siの再付着が発生し、膜厚分布または算術平均粗さ(Ra)が悪化することがある。また、上述した排ガスが装置10の金属部品を腐食させ、装置10の信頼性を低下させることがある。さらに、大気圧プラズマによって発生するラジカルが被加工面101周辺に漂い、ターゲット以外の箇所でエッチングが生じて膜厚分布が悪化することがある。これらの問題に対しては、通常、支持台11を含めたユニット全体を筐体で囲むとともに、筐体の端部から吸引排気する筐体排気によって対応するが、筐体排気では不十分な場合がある。このような場合に、カバー6を使用して局所排気できる本実施形態の電極1を使用するのがよい。
The
本実施形態のカバー6は、絶縁材料からなるのがよい。これにより、被加工面101およびカバー6の間で意図しないプラズマの発生を抑制することができる。すなわち、本実施形態のカバー6は、放電を生じる電極部2に近い位置に配置するため、無用の放電、意図しない電界の発生を抑制する観点から、絶縁材料によって構成するのがよい。
The
絶縁材料としては、例えばアルミナ、窒化アルミニウム等のセラミックス;サファイア等が挙げられる。絶縁材料としては、熱伝導率が低いものがよい。すなわち、プラズマ局所加工では、加工時間の増加に伴って被加工材100の温度が上昇し、電極1は被加工材100からの放熱を受ける。電極1の条件を一定化するために、カバー6は熱伝導率の低い材料によって構成するのがよい。また、カバー6を配置する位置は、被加工材100からの放射熱等によって雰囲気温度が上昇する。このような温度変化によらず、被加工材100、電極部2および管状体3の相対的な位置関係を固定するために、カバー6は、熱膨張係数が小さく、弾性率の低い材料によって構成するのがよい。また、カバー6は、プラズマによってエッチングされ難い材料で構成するのがよい。これらの物性に対応するうえで、カバー6は、上述の例示した絶縁材料によって構成するのがよい。
Examples of the insulating material include ceramics such as alumina and aluminum nitride; sapphire and the like. An insulating material having a low thermal conductivity is preferable. That is, in the plasma local processing, the temperature of the workpiece 100 increases as the processing time increases, and the
カバー6の位置は、管状体3に近接しているのがよい。また、カバー6の位置は、吸引口7が、第1および第2プロセスガスの供給量と同等以上のレートで吸引できる位置がよい。
The position of the
特に、カバー6の位置は、その下端部62が、電極部2の少なくとも1つの貫通孔25よりも下方に位置しているとともに、管状体3の下端部33と同じ位置か、または管状体3の下端部33よりも上方に位置しているのがよい。このような構成によれば、電極1の機能を確実に発揮させつつ、プラズマ発生領域近傍を局所排気できる。すなわち、カバー6の下端部62が、電極部2の貫通孔25よりも下方に位置していると、カバー6の下端部62が、電極部2の底部21から離れすぎるのを抑制できる。また、カバー6の下端部62が、管状体3の下端部33と同じ位置か、または上方に位置していると、第1ガス供給口5から供給される第1プロセスガスによりマイクロチャンバーを形成するという上述した管状体3の機能を発揮させることができる。それゆえ、上述した構成によれば、電極1の機能を確実に発揮させつつ、プラズマ発生領域近傍の局所排気が可能となる。
In particular, the position of the
本実施形態のカバー6の下端部62は、管状体3の下端部33よりも上方に位置している。このような構成によれば、次のような効果が得られる。すなわち、プラズマ局所加工では、上述の通り、加工時間の増加に伴って被加工材100の温度が上昇し、電極1は被加工材100からの放熱を受ける。加工レートを精密制御するには、電極1の温度を知る必要がある。カバー6の下端部62が管状体3の下端部33よりも上方に位置していると、管状体3の一部が露出することから、放射温度計または分光測定が可能となる。また、プラズマの発光波長を解析することによって、励起強度の相対比較および励起されている元素の特定が可能となる。さらに、アルゴン等の標的元素の添加によって、アクチノメトリ法による間接的なラジカル密度計測が可能となる。
The
一方、吸引口7は、その形状が第1ガス供給口5の形状と同一であるのがよい。本実施形態では、第1ガス供給口5が底部21の外周部に沿って環状に連続していることから、吸引口7は管状体3の外面3bに沿って環状に連続している。また、排気手段としては、例えば真空排気用ポンプ等が挙げられる。
その他の構成は、上述した一実施形態に係る電極1と同様であるので、説明を省略する。
On the other hand, the shape of the
Other configurations are the same as those of the
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited only to a following example.
上述した一実施形態に係る電極1および装置10を用いて、被加工材100を加工した。用いた電極1および装置10の具体的な構成は、以下の通りである。
The workpiece 100 was processed using the
<電極1および装置10の構成>
電極部2:アルミニウム製
管状体3:アルミナ製
底部21の下面21bの直径:3mm
第2ガス供給口27の直径:56μm
その他の構成は、上述した図1〜図4に示す通りである。
<Configuration of
Electrode portion 2: Aluminum tubular body 3: Alumina Diameter of
Diameter of second gas supply port 27: 56 μm
Other configurations are as shown in FIGS. 1 to 4 described above.
第1プロセスガスおよび第2プロセスガスとしては、いずれもHe、CF4およびO2の混合ガスを用いた。この混合ガスを、表1に示すガス流量で、第1ガス供給口5および第2ガス供給口27から被加工材100に供給した。なお、表1中のガス流量の単位は、sccm(standard cubic centimeter per minutes = mm3/分)である。
As the first process gas and the second process gas, a mixed gas of He, CF 4 and O 2 was used. This mixed gas was supplied to the workpiece 100 from the first
被加工材100の加工条件は、以下の通りである。
<加工条件>
被加工材100:珪素(Si)
印加電力:120W
加工時間:60秒
底部21と被加工面101との間の距離:300μm
The processing conditions of the workpiece 100 are as follows.
<Processing conditions>
Workpiece 100: Silicon (Si)
Applied power: 120W
Processing time: 60 seconds Distance between the bottom 21 and the processing surface 101: 300 μm
上述した加工条件で被加工材100を加工したときの、ガス利用効率および加工レートを評価した。各評価方法を以下に示すとともに、その結果を表1に示す。 The gas utilization efficiency and the processing rate when the workpiece 100 was processed under the above-described processing conditions were evaluated. Each evaluation method is shown below, and the results are shown in Table 1.
<ガス利用効率の評価方法>
被加工物100である珪素(Si)は、以下に示す反応式(A)の過程でガス化して除去される。なお、反応式(A)中、(a)の過程は、HeプラズマによるCF4の電離とSiの酸化過程である。
<Evaluation method of gas utilization efficiency>
Silicon (Si), which is the workpiece 100, is gasified and removed in the process of the reaction formula (A) shown below. In the reaction formula (A), the process (a) is the ionization of CF 4 by He plasma and the oxidation process of Si.
[反応式(A)]
加工時間60秒後の被加工物100の被加工面101には、凹面形状の加工痕が形成される。この凹面形状の加工痕からSi除去体積(mm3)を測定し、さらに揮発したSiの60秒間当たりのモル数、すなわち60秒間当たりのSi除去モル数を算出する。また、CF4の60秒間当たりのガス流量から、60秒間当たりのCF4供給モル数を算出する。そして、算出した値を、式:(60秒間当たりのSi除去モル数)/(60秒間当たりのCF4供給モル数)に当てはめることによって、ガス利用効率(%)を算出した。
A concave processing mark is formed on the
<加工レートの評価方法>
上述したガス利用効率におけるSi除去体積(mm3)から、加工レート(mm3/秒)を算出した。また、後述する比較例1の加工レート(mm3/秒)を100%としたときの加工レート(%)を、式:{[実施例1の加工レート(mm3/秒)]/[比較例1の加工レート(mm3/秒)]}×100から算出した。
<Processing rate evaluation method>
The processing rate (mm 3 / sec) was calculated from the Si removal volume (mm 3 ) at the gas utilization efficiency described above. Further, the processing rate (%) when the processing rate (mm 3 / sec) of Comparative Example 1 described later is 100% is expressed by the formula: {[processing rate of Example 1 (mm 3 / sec)] / [Comparison The processing rate of Example 1 (mm 3 / sec)]} × 100.
加工条件の印加電力を120Wに代えて135Wとし、底部21と被加工面101との間の距離を500μmにした以外は、実施例1と同じ電極1および装置10を用いて、実施例1と同じようにしてガス利用効率および加工レートを評価した。その結果を、表1に示す。
The applied power under the processing conditions was set to 135 W instead of 120 W, and the
[比較例1]
電極部が、第2ガス流路26および第2ガス供給口27を有していない以外は、実施例1と同じ構成を有する電極および装置を用いた。そして、ガス流量を表1に示す値にし、加工条件の印加電力を120Wに代えて100Wにした以外は、実施例1と同じようにしてガス利用効率および加工レートを評価した。その結果を、表1に示す。
[Comparative Example 1]
An electrode and an apparatus having the same configuration as in Example 1 were used except that the electrode part did not have the second
表1から明らかなように、実施例1、2の電極1は、比較例1の電極よりも、ガス利用効率および加工レートの結果が著しく高く、大気圧プラズマによって効率よく被加工面を加工できているのがわかる。
As is apparent from Table 1, the
また、実施例1,2の加工痕を確認した結果、底部21のうち、第2ガス供給孔27が形成された領域211内において加工量が減ることはなく、厚み方向における断面視で放物線状の加工痕をなしていることを確認した。このことからも、第2ガス供給孔27の存在に拘わらず、底部21の領域211においても平均的に電界強度が維持できていることを確認できた。
In addition, as a result of confirming the machining traces of Examples 1 and 2, the machining amount does not decrease in the
カバー6を使用して局所排気を行ったときの被加工面101の状態を評価した。まず、図5に示すカバー6を電極1に取り付けた。用いたカバー6の具体的な構成は、以下の通りである。
The state of the
<カバー6の構成>
カバー6:アルミナ製
カバー6の下端部62の位置:電極部2の貫通孔25よりも下方、かつ、管状体3の下端部33よりも上方
その他の構成は、上述した図5に示す通りである。
<Configuration of
Cover 6: Made of alumina Position of the
また、カバー6の排気口9に接続する吸引手段として、第1真空排気用ポンプを使用した。さらに、支持台11を含めたユニット全体を囲む筐体を使用するとともに、筐体の端部に第2真空排気用ポンプを接続して筐体排気が可能なように構成した。
Further, as the suction means connected to the
第1プロセスガスおよび第2プロセスガスとしては、いずれもHe、CF4およびO2の混合ガスを用いた。この混合ガスを、実施例1と同じガス流量で、第1ガス供給口5および第2ガス供給口27から被加工材100に供給した。
As the first process gas and the second process gas, a mixed gas of He, CF 4 and O 2 was used. This mixed gas was supplied to the workpiece 100 from the first
そして、局所排気および筐体排気を行う以外は、実施例1と同じ電極1および装置10を用いて、実施例1と同じようにして被加工材100を加工した。なお、局所排気は、第1真空排気用ポンプの吸引条件を10slmにすることによって行った。
And the to-be-processed material 100 was processed like Example 1 using the
その結果、ターゲット以外の箇所にエッチングされた箇所はなく、所望の被加工面101を加工することができた。なお、カバー6を電極1に取り付けず、筐体排気のみを行った結果、ターゲット以外の箇所が若干エッチングされていた。これらの結果より、電極1から排出されるガス、加工に伴い生じる副生成物が問題となる場合には、カバー6を使用して局所排気を行うのがよいとわかる。
As a result, there was no etched portion other than the target, and the desired processed
1 大気圧プラズマ発生用電極
2 電極部
21 底部
21a 上面
21b 下面
211 領域
22 側壁部
22a 内面
22b 外面
221 下側壁部
222 上側壁部
223 段部
223a 係止部
23 中空部
24 第1ガス内側流路
25 貫通孔
26 第2ガス流路
261 ガス供給管
261a 外面
27 第2ガス供給口
28 交線部
3 管状体
31 隙間
32 上端部
33 下端部
3a 内面
3b 外面
4 第1ガス外側流路
5 第1ガス供給口
6 カバー
61 排気用隙間
62 下端部
6a 内面
7 吸引口
8 排気流路
9 排気口
10 大気圧プラズマ発生装置
11 支持台
12 対向電極
13 電圧印加手段
131 高周波電源
132 マッチング機器
133 第1導線
134 第2導線
14 ガス供給手段
100 被加工材
101 被加工面
110 大気圧プラズマ加工物
DESCRIPTION OF
Claims (16)
隙間を介して内面で前記側壁部の外面を囲んでいる管状体と、
前記隙間に位置しており前記少なくとも1つの貫通孔につながっている第1ガス外側流路と、
前記底部と前記管状体の下端部との間に位置しており前記第1ガス外側流路につながっている少なくとも1つの第1ガス供給口とを備えており、
前記電極部は、前記中空部に前記第1ガス内側流路とは仕切られて位置しており第2プロセスガスが流れる第2ガス流路と、前記底部に位置しており前記第2ガス流路につながっている少なくとも1つの第2ガス供給口とをさらに有する、大気圧プラズマ発生用電極。 A plate-like bottom portion having an upper surface and a lower surface, a tubular side wall portion connected to the outer peripheral portion of the bottom portion and extending upward, a hollow portion surrounded by an upper surface of the bottom portion and an inner surface of the side wall portion, the hollow portion A first gas inner flow path through which the first process gas flows, and an electrode section having at least one through hole located in the side wall and connected to the first gas inner flow path;
A tubular body that surrounds the outer surface of the side wall at the inner surface through a gap;
A first gas outer channel located in the gap and connected to the at least one through hole;
And at least one first gas supply port located between the bottom and the lower end of the tubular body and connected to the first gas outer channel,
The electrode part is located in the hollow part so as to be partitioned from the first gas inner flow path, and the second gas flow path through which the second process gas flows, and the second gas flow is located at the bottom part. An atmospheric pressure plasma generating electrode further comprising at least one second gas supply port connected to the path.
前記第1ガス内側流路は、前記ガス供給管の外面と前記側壁部の内面との間に位置している、請求項1〜6のいずれかに記載の大気圧プラズマ発生用電極。 The second gas flow path is a gas supply pipe extending through the hollow portion toward the bottom;
The said 1st gas inner side flow path is an electrode for atmospheric pressure plasma generation in any one of Claims 1-6 located between the outer surface of the said gas supply pipe, and the inner surface of the said side wall part.
前記管状体と前記カバーの下端部との間に位置している少なくとも1つの吸引口と、
前記排気用隙間に位置しており前記少なくとも1つの吸引口につながっている排気流路と、
前記カバーに位置しており前記排気流路につながっている少なくとも1つの排気口と、
前記少なくとも1つの排気口に接続している排気手段とをさらに備えている、請求項1〜11のいずれかに記載の大気圧プラズマ発生用電極。 A cover made of an insulating material surrounding the outer surface of the tubular body on the inner surface through an exhaust gap;
At least one suction port located between the tubular body and the lower end of the cover;
An exhaust passage located in the exhaust gap and connected to the at least one suction port;
At least one exhaust port located in the cover and connected to the exhaust flow path;
The atmospheric pressure plasma generation electrode according to claim 1, further comprising an exhaust unit connected to the at least one exhaust port.
該大気圧プラズマ発生用電極の下方に位置して被加工材を支持する支持台と、
前記被加工材の下方に前記大気圧プラズマ発生用電極に対向して位置している対向電極と、
前記大気圧プラズマ発生用電極と前記対向電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記第1ガス内側流路に前記第1プロセスガスを供給するとともに、前記第2ガス流路に前記第2プロセスガスを供給するガス供給手段と
を備える、大気圧プラズマ発生装置。 An electrode for generating atmospheric pressure plasma according to any one of claims 1 to 13,
A support base that is positioned below the atmospheric pressure plasma generating electrode and supports a workpiece;
A counter electrode positioned opposite to the atmospheric pressure plasma generating electrode below the workpiece;
Voltage applying means for applying a voltage between the atmospheric pressure plasma generating electrode and the counter electrode;
An atmospheric pressure plasma generator comprising gas supply means for supplying the first process gas to the first gas inner flow path and supplying the second process gas to the second gas flow path.
前記ガス供給手段によって、前記第1プロセスガスを前記第1ガス内側流路に供給するとともに、前記第2プロセスガスを前記第2ガス流路に供給する工程と、
前記第1プロセスガスを前記少なくとも1つの第1ガス供給口から前記被加工材の被加工面の外周近傍に供給するとともに、前記第2プロセスガスを前記少なくとも1つの第2ガス供給口から前記被加工面に供給する工程と、
前記電圧印加手段によって、前記大気圧プラズマ発生用電極と前記対向電極との間に電圧を印加し、大気圧プラズマを発生させる工程と
を備える、大気圧プラズマ加工物の製造方法。 A method for producing an atmospheric pressure plasma workpiece using the atmospheric pressure plasma generator according to claim 14, comprising:
Supplying the first process gas to the first gas inner flow path and supplying the second process gas to the second gas flow path by the gas supply means;
The first process gas is supplied from the at least one first gas supply port to the vicinity of the outer periphery of the work surface of the workpiece, and the second process gas is supplied from the at least one second gas supply port. Supplying the processed surface;
A method for producing an atmospheric pressure plasma workpiece, comprising: applying a voltage between the atmospheric pressure plasma generating electrode and the counter electrode by the voltage applying means to generate atmospheric pressure plasma.
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