JP6387242B2

JP6387242B2 - マイクロ波プラズマ生成装置

Info

Publication number: JP6387242B2
Application number: JP2014079911A
Authority: JP
Inventors: 泰二酒井; 正一原; 上松　和夫; 和夫上松; 春雄進藤
Original assignee: IHI Corp; Tokai University Educational Systems
Current assignee: IHI Corp; Tokai University Educational Systems
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2034-04-09
Also published as: JP2015201364A

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、導波管から放射される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）。

特開２０１０−２１９００３号公報

上述したマイクロ波プラズマ生成装置では、導波管内に配置されている誘電体がマイクロ波によって加熱される。また、誘電体は、プラズマが生成されるスロット近傍にも位置しているため、プラズマ化の影響を受けて温度が上昇する。したがって、熱膨張によって誘電体に亀裂が生じたり、溶解したりするおそれがあった。

そこで、誘電体やその周囲部位の温度上昇を抑制すべく、誘電体に蓄積された熱を逃がす機構をマイクロ波プラズマ生成装置に設けることが考えられる。しかし、加工が容易な誘電体のスリット側（露出側）に熱を逃がす機構を設けると、それによってスリットが遮蔽され、プラズマ化に影響を及ぼしてしまう。また、誘電体中に冷却媒体を通流する貫通孔を設けることも考えられるが、貫通孔を有する特別な誘導体を作成し、かつ、導波管内で貫通孔に冷却媒体を通流させる複雑な機構を構成しなくてはならなくなり、コスト高となってしまう。さらに、安易に導波管内を改変すると、マイクロ波の伝搬構造が変化してしまいマイクロ波の形状が意図したものにならない等の弊害が生じうる。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、簡易な構成で、プラズマを生じさせる機能を損なうことなく、温度上昇を抑制することが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、内部にマイクロ波を伝播し、内面と外面とを貫通させつつ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第１封止部と、誘電体で構成され、導波管の外側からスロットを封止する第２封止部と、第２封止部より導波管の外側方向において、第２封止部と部分的に重なる金属部と、導波管の外側から金属部および第２封止部が臨む空隙に反応ガスを導入するガス導入路と、を備え、スロットに冷却媒体を通流することを特徴とする。

金属部と第２封止部との当接面には、空隙から進行方向と直交する方向に延在する切り欠きが設けられてもよい。

ガス導入路は、空隙の切り欠きに反応ガスを直接誘導してもよい。

第１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。

本発明によれば、既存の構成を最大限利用し、簡易な構成で、プラズマを生じさせる機能を損なうことなく、温度上昇を抑制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。マイクロ波プラズマ生成装置の空隙の形状を説明するための説明図である。空隙の切り欠きのバリエーションを示した説明図である。第１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、本明細書および図面において、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、第１封止部１３２と、第２封止部１３４と、金属部１３６と、ガス供給治具１３８と、ガス導入路１４０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させた状態で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。

第１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。ここで、内側とは、導波管１３０によって囲まれた空間を言う。かかる第１封止部１３２の、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。当該第１封止部１３２の厚みについては後述する。

第２封止部１３４は、誘電性の高い誘電体で構成され、導波管１３０外側からスロット１３０ａによって形成された導波管１３０の開口を封止する。したがって、スロット１３０ａは、導波管１３０と、第１封止部１３２と、第２封止部１３４によって縦断面方向に密閉空間が形成される。本実施形態では、かかるスロット１３０ａを冷却媒体の媒体流路１３０ｂとして利用する。媒体流路１３０ｂについては後述する。

金属部１３６は、第２封止部１３４より導波管１３０の外側方向において、第２封止部１３４と部分的に重なるように配置される。すなわち、第２封止部１３４の導波管１３０の外側方向では、金属部１３６と重なる部位と重ならない部位が存在する。また、本実施形態では、金属部１３６は、２つの金属板で構成され、金属板の側面と第２封止部１３４とによってマイクロ波の進行方向（長手方向）に延在する空隙１３６ａが形成される。かかる空隙１３６ａ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。本実施形態では、金属部１３６が第２封止部１３４から導波管１３０の側面まで延在しているが、かかる構成に限らず、金属部１３６の一部と第２封止部１３４とが重なれば足りる。

ガス供給治具１３８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）等を受け、ガス導入路１４０に供給する。ガス導入路１４０は、ガス供給治具１３８から受けた反応ガスを、金属部１３６および第２封止部１３４が臨む空隙１３６ａ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、誘電体である第１封止部１３２および第２封止部１３４を通過し、導波管１３０外の第２封止部１３４近傍の空隙１３６ａ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、真空雰囲気下でプラズマを生成する場合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の空隙１３６ａに切り欠きを設ける等、様々な工夫を施すことで、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、大気圧など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。

ところで、マイクロ波プラズマ生成装置１１４では、上述したプラズマ化の過程で、導波管１３０内に配置されている第１封止部１３２が、マイクロ波によって加熱されたり、プラズマ化の影響を受けてその近傍の温度が上昇したりする。しかし、導波管１３０の中において、安易に第１封止部１３２中やその周囲に熱を逃がす機構を構築すると、マイクロ波の伝搬構造が変化してしまいマイクロ波の形状が意図したものにならない等の弊害が生じる。

本実施形態では、例えば、既存のプラズマ化の構成である、スロット１３０ａと第１封止部１３２とを敢えてプラズマ化に利用せず、第２封止部１３４を用いて、スロット１３０ａを、冷却媒体が通流する媒体流路１３０ｂとして利用する。そして、新たに金属部１３６による空隙１３６ａと第２封止部１３４によってプラズマ化が可能となるように構成している。

こうして、既存の構成を最大限利用し、簡易な構成で、プラズマを生じさせる機能を損なうことなく、温度上昇を抑制することが可能となる。以下、空隙１３６ａ、媒体流路１３０ｂ、ガス導入路１４０、第１封止部１３２の順に本実施形態の特徴的な構成を詳述する。

（空隙１３６ａ）
図３は、マイクロ波プラズマ生成装置１１４の空隙１３６ａの形状を説明するための説明図である。図３（ａ）に示した比較例である、切り欠き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、誘電体である第２封止部１３４から空隙１３６ａを通じて金属部１３６に向かって生じうる。ここで、第２封止部１３４と金属部１３６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進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、第２封止部１３４の外面と空隙１３６ａ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、空隙１３６ａ内で生じる電気力線の軌跡が長くなり、電界強度は高くならない。

第２封止部１３４は、金属部１３６に当接させて配置しているが、本実施形態においては、図３（ｂ）に示すように、第２封止部１３４と金属部１３６との当接面の一部に、空隙１３６ａの内面からＹ軸に沿った方向に延在する切り欠き１５０を設けている。こうして、空隙１３６ａは、第２封止部１３４に近い側における開口面積が第２封止部１３４から遠い側における開口面積よりも大きくなる。また、切り欠き１５０を介して第２封止部１３４と金属部１３６とが対面し、電気力線の湾曲度合いが緩和される。空隙１３６ａをこのように形成することで、図３（ｂ）に示すように、空隙１３６ａを経由して放出されたマイクロ波によって切り欠き１５０で生じる電気力線の軌跡は、図３（ａ）の電気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、切り欠き１５０近傍の電界強度が高まる。

こうして、空隙１３６ａおよび空隙１３６ａ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４は、空隙１３６ａ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４（ａ）では、その切り欠き面がテーパーを形成するようにＹＺ断面が三角となる切り欠き１５０が設けられ、図４（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１５０においても、図４中に電気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。

（媒体流路１３０ｂ）
図２に戻って説明すると、このように反応ガスがプラズマ化すると、それに伴って第２封止部１３４やその近傍の温度が上昇する。また、マイクロ波プラズマ生成装置１１４では、導波管１３０内に配置されている第１封止部１３２がマイクロ波によって加熱される。ここでは、上述したように、導波管１３０に形成されたスロット１３０ａを、Ｚ軸方向から第１封止部１３２と、第２封止部１３４とで挟持し、縦断面方向に密閉して、媒体流路１３０ｂを形成している。そして、その媒体流路１３０ｂに冷却媒体を通流する。

ここで、媒体流路１３０ｂを通流する冷却媒体は、冷却用のガスでもよいし、低損失、かつ、第１封止部１３２や第２封止部１３４より低誘電率の液体でもよい。

媒体流路１３０ｂは、第１封止部１３２に面している。したがって、媒体流路１３０ｂを流れる冷却媒体は、マイクロ波によって加熱された熱を吸収することができ、第１封止部１３２の温度上昇を抑制することが可能となる。また、第１封止部１３２が導波管１３０内における媒体流路１３０ｂの対向面に亘って存在している場合、すなわち、第１封止部１３２の媒体流路１３０ｂ側とは逆の面が導波管１３０の底部に接している場合、マイクロ波によって生じた熱を導波管１３０底部から外部に放出することもできる。

また、媒体流路１３０ｂは、第２封止部１３４にも面している。したがって、媒体流路１３０ｂを流れる冷却媒体は、プラズマ化によって第２封止部１３４に生じた熱を吸収することができ、第２封止部１３４の温度上昇を抑制することが可能となる。また、第２封止部１３４の媒体流路１３０ｂ側とは逆の面には、ガス導入路１４０から吹き込まれる反応ガスによっても熱交換がなされ、第２封止部１３４の上方からも熱を放出することが可能となる。さらに、第２封止部１３４の厚みを薄く形成することで、熱膨張による形状のゆがみを抑え、第２封止部１３４の融解や割れを防止することができる。

（ガス導入路１４０）
ガス導入路１４０は、図２に示すように、外部のガス供給源１２８から空隙１３６ａ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、直接、誘導する（吹き付ける）。ここで、空隙１３６ａ近傍は、空隙１３６ａのみならず、空隙１３６ａに反応ガスを直接誘導しなくとも、実質的に空隙１３６ａに反応ガスが到達する程度近い距離にある領域を含む。ガス導入路１４０は、ガス供給治具１３８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、空隙１３６ａの側面から空隙１３６ａ全体に直接誘導しプラズマ化する。また、上述したように、空隙１３６ａの切り欠き１５０において電気力線の密度が高くなるので、図２に示すように、ガス導入路１４０を切り欠き１５０に向け、切り欠き１５０における、第２封止部１３４と対向する面から、空隙１３６ａ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、上記のガス導入路１４０によって、空隙１３６ａ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、さらに電気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。

（第１封止部１３２）
図５は、第１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、第１封止部１３２は、媒体流路１３０ｂ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。第１封止部１３２は、誘電体なので、図５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は第１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は第１封止部１３２と導波管１３０内に形成される電界、Ｅｉは第１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、第１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）に応じて第１封止部１３２の厚みｄ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、既存の構成を最大限利用し、簡易な構成で、プラズマを生じさせる機能を損なうことなく、温度上昇を抑制することが可能となる。また、マイクロ波生成源１１０の容量を増やすことなく、上記空隙１３６ａの切り欠き１５０、ガス導入路１４０、第２封止部１３４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向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
１３０ｂ媒体流路
１３２第１封止部
１３４第２封止部
１３６金属部
１３６ａ空隙
１３８ガス供給治具
１４０ガス導入路
１５０切り欠き

Claims

管状に形成され、内部にマイクロ波を伝播し、内面と外面とを貫通させつつ該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第１封止部と、
誘電体で構成され、前記導波管の外側から前記スロットを封止する第２封止部と、
前記第２封止部より前記導波管の外側方向において、前記第２封止部と部分的に重なる金属部と、
前記導波管の外側から前記金属部および前記第２封止部が臨む空隙に反応ガスを導入するガス導入路と、
を備え、
前記スロットに冷却媒体を通流することを特徴とするマイクロ波プラズマ生成装置。
前記金属部と前記第２封止部との当接面には、前記空隙から前記進行方向と直交する方向に延在する切り欠きが設けられている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。
前記ガス導入路は、前記空隙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。
前記第１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。