JPWO2016136669A1 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

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Abstract

誘電体基板の内部の複雑で長いガス流路をなくして、プラズマの生成と維持が安定したマイクロ波プラズマ処理装置であって、低気圧に限らず中間気圧及び高気圧においても高い一様性と高密度、かつ安定な低温プラズマを発生することが可能なマイクロ波プラズマ処理装置を提供する。誘電体基板、マイクロ波入力部、マイクロストリップ線路、アース導体、ガス入力口、プラズマ発生部、プラズマを吹き出させるためのノズル等を備えるマイクロプラズマ処理装置において、前記ガス入力口を、前記アース導体又はマイクロストリップ線路に設け、好ましくは、該ガス入力口の直径が、ガス入力口の断面により決まる遮断波長より小さくして、マイクロ波が漏れないようにする。

Description

本発明は、マイクロ波電力によりプラズマを発生させて、ウエハ等の被処理基板に、プラズマを使用したＣＶＤ(化学気相合成)、エッチング、アッシング(レジスト灰化処理)、プラズマ窒化等の処理、及び空気清浄等を施す、マイクロ波プラズマ処理装置に関する。
近年、材料開発や生産技術等における多くの分野でプラズマ処理技術は不可欠なものになっている。プラズマは高いに非熱平衡性を持ちながら、高密度のラジカルを生成することができるので低温ドライプロセス技術に広く使われている。
低気圧(１ｔｏｒｒ以下)、及び中間気圧(１ｔｏｒｒ〜１００ｔｏｒｒ)から大気圧間の圧力下におけるプラズマ源の一つとして、プラズマジェットが利用されている。プラズマジェットは装置のノズルからプラズマを吹き出すので、ウエハ等の被処理基板に、プラズマを使用したＣＶＤ(化学気相合成)、エッチング、アッシング(レジスト灰化処理)、プラズマ窒化、及び空気清浄、滅菌・殺菌等の処理を施す、有用なものである。
現在、プラズマジェットを生成させるには、直流アーク放電又は直流パルス放電を用いる方法がよく知られている。しかし、直流アーク放電又は直流パルス放電を用いる方法は、電極が劣化しやすいこと、反応性ガスの使用ができないこと、等の様々な問題を有している。
また、誘電体バリア放電を用いる方法がよく知られている。しかし、誘電体バリア放電を用いる方法では、フィラメント状の放電が発生する、高密度のラジカル生成ができないこと、等の様々な問題を有している。
また、無電極方式のプラズマジェット生成装置も知られている。例えば、ＶＨＦ帯(３０−３００ＭＨｚ)の高周波を用いた誘導結合式熱プラズマ発生装置が提案されている(特許文献１参照)。しかし、提案されているプラズマジェット生成装置はインピーダンスマッチングが複雑であること、構造上の問題で大規模化ができないこと、かつ高電圧の電気回路を用いるので装置の製作上及び運転上における様々な限界と問題点を有している。
一方、マイクロ波を用いてプラズマジェットを生成すると次のような利点がある。
（１）マイクロ波電源が安い。
（２）無電極運転が可能であり、放電維持寿命が長い。
（３）インピーダンスマッチングが簡単な素子で可能。
（４）マイクロ波とプラズマのカップリング効率がよい。
（５）外部への放射損失が少なく，必要なところに電力を集中させることができる。
（６）大気圧を含め広い圧力範囲において安定な高密度プラズマが生成する。
ところが、従来のマイクロ波電力を用いたプラズマ発生装置ではマイクロ波伝送線路として金属管である導波管を用いており、マイクロ波伝送回路の構造が大型かつ高価になることや低電力での運転が難しい、等の問題点を有している。
最近では、従来の導波管の代わりに、小電力用マイクロ波伝送線路であるマイクロストリップ線路を用いてプラズマジェット生成装置を製作する方法が提案されている(特許文献２、３、及び非特許文献１、２参照)。
図１５に、従来のマイクロストリップ線路を用いたプラズマジェット生成装置の一例の斜視図を示す。この装置は、誘電体基板１の一方の端部断面に設けられたマイクロ波入力部１３、誘電体基板１の他方の端部に向けて形成されたテーパー部１４、誘電体基板１の内部に設けられたガス流路２３、誘電体基板１の一方の面に設けられたマイクロ波電力伝送用のマイクロストリップ線路１１、誘電体基板１の他方の一面を覆うアース導体１２、該マイクロストリップ線路１１と該アース導体１２の間に設けたプラズマ発生部２５、及びにプラズマを吐出させるノズル２４で構成されている。
該プラズマジェット生成装置においては、ガスは、誘電体の基板１の側面に設けた二つのガス入力口２２、２２から入力されてガス流路２３、２３を通って、プラズマ発生部２５で合流し、幅１０ｍｍのノズル２４から誘電体基板１の外部に吹き出る。
マイクロ波(２.４５ＧＨｚ)電力は、同軸用マイクロ波コネクト３１を通って誘電体基板１の内に導入され、マイクロストリップ線路１１とアース導体１２の間を伝搬し、プラズマ生成部２５のところに集中する。これにより、プラズマが発生し、ガス流と共にノズル２４から誘電体基板１の外部に吹き出る。
一方、プラズマプロセスにおいて生産性を高めるために、大面積にプラズマ処理が可能な広い幅を持つプラズマジェットの開発が強く要求されている。前述のマイクロストリップ線路を用いたプラズマ発生装置は、その構造上、誘電体基板、アース導体等を共用してマイクロストリップ線路をアレイすることにより大規模化が可能であるので(特許文献２参照)、その将来性が期待されている。
特開２００３−１０９７９５号公報 特開２００７−２９９７２０号公報 特開２００８−２８２７８４号公報
Susanne Schemer, et. al., "An improved microstrip plasma for optical emission spectrometry of gaseous species", Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, Vol.56, pp. 1585-1596 (2003). Jaeho Kim, et. al., "Microwave-excited atmospheric-pressure plasma jets using a microstrip line", Applied Physics Letters, Vol.93, 191505 (2008).
しかしながら、従来のマイクロストリップ線路を用いたプラズマ装置では、ガス入力口が誘電体の側面に設けられるため、誘電体の内部に複雑で長いガス流路を設けてあり、誘電体加工に高度な技術が必要になる。その結果、製作時間と費用が多く掛かる問題がある。
また、誘電体内に設ける長いガス流路のため、マイクロ波伝搬の特性インピーダンスの不連続面が広く生じる。そのため、マイクロ波伝搬においてマイクロ波の反射波が大きくなり、インピーダンスマッチングに悪影響が及ぶ。その結果、プラズマの生成と維持が不安定になることがある。
また、従来のプラズマを用いた低温処理は低気圧(１ｔｏｒｒ以下)で行われているため、高価な高真空装置が必要で装置にコストがかかるだけでなく、処理に時間がかかり、結果として製品のコストが高くなるなど、工業的には不利であった。そのため、より高圧の中間気圧(１ｔｏｒｒ〜１００ｔｏｒｒ)で、又は高気圧(１００ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒ)の圧力において非熱平衡プラズマを発生させる方法が要求されていた。
また、従来では、プラズマジェットを大規模化する具体的な技術、例えば、広い幅のノズルに一様なガス流を供給する方法、等が開発されておらず、広い幅のプラズマジェットを提供するのは困難であった。
本発明は、以上のような事情に鑑み、誘電体基板の内部の複雑で長いガス流路をなくして、プラズマの生成と維持が安定したマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。また、本発明は、低気圧に限らず中間気圧から大気圧までの高気圧でも低温の広い幅のプラズマジェットを安定して発生させることができるマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、前記プラズマ発生部にガスを供給するためのガス入力口を、前記アース導体又は前記マイクロストリップ線路に設けることにより、誘電体基板の内部の複雑で長いガス流路をなくすとともに、高度な誘電体の加工技術を不要とし、製作時間及び費用を減らすことができることが判明した。また、前記ガス入力口のサイズを遮断波長より小さくすることにより、マイクロ波が前記ガス入力口を突き抜けることができなくなり、マイクロ波伝搬特性に影響することなく、ガスを前記プラズマ発生部に供給することができることも判明した。
本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
すなわち、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の表面と裏面とのうちのいずれかの面である第１の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたマイクロストリップ線路と、
前記誘電体基板の前記第１の面と反対側の第２の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたアース導体と、
前記誘電体基板の一方の端部に設けられた、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、
前記マイクロ波入力部から入力されたマイクロ波によりプラズマを発生させるための空間であり、かつ、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間に設けられた空間であるプラズマ発生部と、
前記アース導体又は前記マイクロストリプ線路に設けられた、前記プラズマ発生部にガスを供給するためのガス入力口と、
前記プラズマ発生部に供給されるガスとマイクロ波により発生するプラズマを、前記誘電体基板の他方の端部から吐出させるためのノズルと、
を備えることを一つの主要な特徴としている。
更に、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記ガス入力口の直径が、前記ガス入力口の断面により決まる遮断波長より小さいガス入力口を備えることをもう一つの特徴としている。
更にまた、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記誘電体基板の第１の面又は第２の面に、前記マイクロストリップ線路又は前記アース導体板をはめ込む溝を備えることをもう一つの特徴としている。
更にまた、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、
前記誘電体基板が、該誘電体基板の他方の端部に向けて厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部を備えることをもう一つの特徴としている。
更にまた、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、
前記アース導体又は前記マイクロストリプ線路に二つ以上のガス入力口を設け、それぞれのガス入力口に異なるガス種を供給することで、プラズマ放電特性及びプラズマ処理特性を変えられるようにしたことをもう一つの特徴としている。
更にまた、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、
前記アース導体又は前記マイクロストリプ線路に二つ以上のガス入力口を設け、いずれかのガス入力口に液状材料の気化供給手段を備え、液状材料をプラズマ化することをもう一つの特徴としている。
更にまた、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、
前記誘電体基板に前記マイクロストリップ線路が設けられた面に接して設けられた第２の誘電体基板と、
前記第２の誘電体基板の一方の端部から他方の端部に渡って設けられた第２のアース導体と、
前記マイクロストリップ線路と前記第２のアース導体との間に設けられた空間である第２のプラズマ発生部と、
前記第２のプラズマ発生部にガスを供給するために、前記第２のアース導体に設けられた第２のガス入力口と、
前記第２のプラズマ発生部に供給されるガスとマイクロ波により発生するプラズマを、前記第２の誘電体基板の他方の端部から吐出させるための第２のノズルと、
を備えることをもう一つの特徴としている。
更にまた、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、
前記誘電体基板と前記アース導体を共用して、横に並べることで、長い長軸のプラズマを発生させるように構成することをもう一つの特徴としている。
更にまた、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、希ガス、又は反応性ガス、又は希ガスと反応性ガスの混合ガスを供給し、低気圧又は中間気圧又は高気圧においてプラズマを発生させるようにしたことをもう一つの特徴としている。
本発明のマイクロ波プラズマ処理装置によると、低気圧に限らず中間気圧及び高気圧においても安定した広い幅のプラズマジェットの発生・維持させることが可能となる。また、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置によると、以上の結果、大気圧(又は、低気圧若しくは中間気圧)で広い幅のマイクロ波励起プラズマジェットを用いた大面積表面改質、エッチング、アッシング、クリーニング、酸化・窒化及びＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)成膜等の材料プロセシングが可能となる。
本発明の第１の実施の形態の実施例の一つを示すマイクロ波プラズマ処理装置の斜視図。 図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置の垂直方向の断面図。 本発明の第１の実施の形態の別の実施例の一つで、マイクロ波入力部をアース導体に設けたマイクロ波プラズマ処理装置の断面図。 本発明の第１の実施の形態の別の実施例の一つで、マイクロストリップ線路をはめ込む溝を設けた誘電体基板の模式図。 本発明の第１の実施の形態の別の実施例の一つで、プラズマ発生部とノズルをアース導体板に接して設けたプラズマ処理装置の断面図。 本発明の第２の実施の形態の実施例の一つを示すマイクロ波プラズマ処理装置の斜視図。 本発明の第３の実施の形態の実施例の一つを示すマイクロ波プラズマ処理装置の斜視図。 図７に示すマイクロ波プラズマ処理装置の垂直方向の断面図。 本発明の第４の実施の形態の実施例の一つを示すマイクロ波プラズマ処理装置の垂直方向の断面図。 本発明の第４の実施の形態の実施例の一つで、液状材料の気化供給手段を設けたマイクロ波プラズマ処理装置の垂直方向の断面図。 本発明の第５の実施の形態を第１の実施の形態へ適用した実施例の一つを示すマイクロ波プラズマ処理装置の垂直方向の断面図。 本発明の第５の実施の形態を第３の実施の形態へ適用した実施例の一つを示すマイクロ波プラズマ処理装置の垂直方向の断面図。 本発明の第６の実施の形態の実施例の一つを示すマイクロ波プラズマ処理装置の模式図。 本発明の第７の実施の形態の実施例の一つを示すマイクロ波プラズマ処理装置の模式図。 従来のマイクロストリップ線路を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の一例を示す斜視図。
＜実施形態１＞
本発明における第１の実施の形態を示すプラズマ処理装置は、ガス入力口２２がマイクロストリップ線路１１に設けられたマイクロ波プラズマ処理装置である。
図１と図２は、本発明における第１の実施の形態の実施例の１つのマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す図であって、図１は斜視図であり、図２は垂直方向の断面図である。
本実施の形態のプラズマ処理装置は、誘電体基板１、マイクロ波入力部１３、マイクロストリップ線路１１、アース導体１２、ガス入力口２２、ノズル２４、プラズマ発生部２５、ガス供給手段２６等を備える。
誘電体基板１は、マイクロ波の誘電損失が少なく、熱伝導率が高い材質が望ましい。誘電体基板１は、例えば、アルミナ、石英、サファイア等の適宜の材料が用いられる。誘電体基板１は、曲げられる(フレキシブル)材料、例えば、ポリスチロール系、ポリスチレン系等の適宜の材料でもよい。誘電体基板１の誘電率と厚みはマイクロ波伝搬回路の特性インピーダンスに影響する。誘電体基板１はマイクロ波伝搬特性やプラズマ処理装置の形状やプラズマ処理装置の熱特性等を考慮して適宜のものを使うことができる。誘電体基板１は、一枚の基板を用いても良いし、複数の基板を重ねたものでも良い。誘電体基板１は、材質が異なる複数の基板を重ねたものでも良い。
マイクロ波入力部１３は、図２に示すように誘電体基板１の一方の端部において、マイクロストリップ線路１１とアース導体１２との間にマイクロ波を励起するためのものである。例えば、マイクロ波同軸ケーブル用であるＳＭＡコネクト、ＳＭＢコネクト、Ｎコネクト、ＢＮＣコネクト、ＯＳＭコネクト等を用いることができる。
図３は、本発明における第１の実施の形態の別の実施例のマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す断面図である。マイクロ波入力部１３は、図３に示すようにアース導体１２の孔を作り、マイクロ波コネクトを取り付けることで、アース導体１２が接する誘電体基板１の表面に設けることもできる。
マイクロストリップ線路１１は、誘電体基板１の第１の面のマイクロ波入力部１３から他方の端部に渡って設けられる。なお、ここでは、一例として、マイクロストリップという語句を用いたが、マイクロ波を伝搬するためのものであれば他の導体を適宜用いることができる。
マイクロストリップ線路１１の形状は、マイクロ波回路のインピーダンス、電界分布、マイクロ波電力の分配率等の特性を決める重要な因子である。一様なプラズマジェットの発生を実現するためには、マイクロストリップ線路１１の形状を最適化する必要がある。マイクロストリップ線路１１のマイクロ波回路の設計において、マイクロ波電力の均一な分配、特性インピーダンスの合わせ、インピーダンスのマッチング等については無線通信技術として既に技術が確立されているので、それらを適宜に用いることができる。
アース導体１２は、図１ないし図３に示すように、誘電体基板１の第１の面(マイクロストリップ線路１１が形成された面)の反対側の面である第２の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられる。アース導体１２は、誘電体基板１の第２の面全体を覆う導体で構成しても良いし、第２の面の一部に形成された導体で構成してもよい。
マイクロストリップ線路１１及びアース導体１２は、例えば、銅、金、銀、アルミニウム、ニッケル等の適宜の導体材料が用いられる。マイクロストリップ線路１１及びアース導体１２は、誘電体基板１に金属の蒸着、エッチング等の通常のＩＣ製作技術を用いて作成することができる。
または、マイクロストリップ線路１１及びアース導体１２は、適宜の導体板を誘電体基板１の表面に接着材を用いて貼ることで作っても良い。
図４は、本発明における第１の実施の形態の別の実施例のマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す断面図であって、図４に示すように、マイクロストリップ線路１１は、誘電体基板１の表面に面に適宜の溝１５を設けて、マイクロストリップ線路の導体板をその溝にはめ込み、マイクロストリップ線路１１を設けることもできる。この方法は、第２の面の一部にアース導体１２を設ける場合にも、同様にして用いることができる。
プラズマ発生部２５とノズル２４は、マイクロストリップ線路１１とアース導体１２との間に設けられる。プラズマ発生部２５とノズル２４は、図２に示すように誘電体内部に設けられる。
図５は、本発明における第１の実施の形態の別の実施例のマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す斜視図であって、該図５に示すように、プラズマ発生部２５とノズル２４は、アース導体１２に接して設けても良い。又は、図示しないが、マイクロストリップ線路１１に接して設けても良い。
ガス入力口２２は、ガス供給手段２６から供給されるガスをプラズマ生成部２５に供給するためにアース導体１２に設けた穴である。ガス入力口２２の穴の形状は、〇、△、□、☆等の色々な形にすることができる。
ガス入力口２２の直径は、ガス入力口２２の断面により決まる遮断波長(cut-off wavelength)より十分小さいサイズが望ましい。これにより、マイクロ波がガス入力口を通って誘電体外部に放射されることを放止することができる。又、ガス入力口２２がマイクロストリップ回路におけるマイクロ波伝搬特性に影響することを抑えることができる。
＜ガス入力口のサイズを決める原理＞
マイクロ波がマイクロストリップ回路に伝搬すると金属の表面に電流が誘起される。アース導体１２又はマイクロストリップ線路１１に穴を設けるとその電流の流れが切られてマイクロ波がその穴を通って外部に放射されることになる場合もあるが、その場合には、穴のサイズを遮断波長より小さくすると、電流の流れが切れず、穴の周りの導体を通って流れることになる。その結果、マイクロ波は穴を突き抜けることができなく、全反射する。
遮断波長は、穴の形状が〇の場合、誘電体基板１内におけるマイクロ波の波長の１／２に近くなる。従って、ガス入力口２２の直径を誘電体基板１内におけるマイクロ波の波長の１／２より十分小さくすると、マイクロ波伝搬特性に影響することなく、ガスを供給することができる。
ガス入力口２２は、プラズマ発生部２５の下面に設けることが好ましいが、アース導体１２の任意の位置で設けて、誘電体基板１内にガス線路を設けてプラズマ発生部２５までガス流路を繋げても良い。その場合は、誘電体基板１におけるマイクロ波伝搬特性に及ぼす影響を抑えるために、ガス入力口２２からプラズマ発生部２５までのガス線路の距離が短い方が好ましい。
＜プラズマ発生の原理＞
マイクロ波入力部１３から、マイクロストリップ線路１１とアース導体１２との間の誘電体基板１に入力されるマイクロ波は、マイクロストリップ線路１１に沿って誘電体基板１内を伝搬する。マイクロ波はマイクロストリップ線路１１の端の所で反射波を起こし、誘電体基板１内に定在波を生成する。この定在波の電界は、マイクロストリップ線路１１の端とアース導体１２の端との間で最大値となる。この強い電界により、プラズマ発生部２５に供給されるガスが励起され、プラズマが発生する。発生したプラズマはガスの流れと共にノズル２４から吹き出る。これにより、プラズマジェットを供給できる。
＜実施形態２＞
本発明における第２の実施の形態を示すプラズマ処理装置は、ガス入力口２２がマイクロストリップ線路１１に設けられたマイクロ波プラズマ処理装置である。
図６は、本発明における第２の実施の形態の実施例の１つのマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す斜視図であり、図に示すとおり、マイクロストリップ線路１１にガス入力口２２が設けられている。
本発明の第２の実施の形態では、ガス入力口２２がマイクロストリップ線路１１に設けられている以外は、前記の第１の実施の形態と同様のマイクロ波プラズマ処理装置であって、ガス入力口２２の穴の形状は、〇、△、□、☆、等の色々な形にすることができ、また、また、ガス入力口２２の直径は、ガス入力口２２の断面により決まる遮断波長(cut-off wavelength)より十分小さいサイズが望ましい。これにより、マイクロ波がガス入力口を通って誘電体外部に放射されることを放止することができる。
＜実施形態３＞
本発明における第３の実施の形態を示すプラズマ処理装置は、上記の第１又は第２の実施の形態を示すプラズマ処理装置において、誘電体基板１に、該誘電体基板の他方の端部に向けて厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部１４が設けられた装置である。
図７と図８は、本発明の第３の実施の形態の実施例の一つのマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示すものであって、図７は斜視図であり、図８は垂直方向の断面図である。
図７、８に示すマイクロ波プラズマ処理装置では、誘電体基板１におけるテーパー部１４は、誘電体基板１の第１の面だけに斜面を設けた形状であるが、テーパー部１４は、誘電体基板１の第１の面の斜面の傾きと第２の面の斜面の傾きを同じにする形状で良いし、誘電体基板１の第１の面、又は、第２の面のどちらかの一方の面だけに斜面を設けた形状でも良い。
マイクロストリップ線路１１とアース導体１２との間におけるマイクロ波の電界は、誘電体基板１の厚みが薄くなる程、すなわち、マイクロストリップ線路１１とアース導体１２との間の距離が短くなる程、強くなる。この原理により、テーパー部１４のところに設けたプラズマ発生部２５におけるマイクロ波電界が強くなる。これにより、プラズマがより低い電力で安定に生成・維持できることになる。又、テーパー部は、プラズマ発生部２５とノズル２４におけるマイクロ波の反射を抑える効果もある。
テーパー部１４の長さは、テーパー部１４の傾きが４５度になるように設けると良い。又は、テーパー部１４の長さは、テーパー部１４の形状の傾きの角度や特性インピーダンス、等を考慮し、適宜にすることもできる。また、テーパー部１４の形状の傾きの角度と長さを適宜にすることにより、プラズマから反射されるマイクロ波の反射波を大きく抑えることができる。
マイクロストリップ線路１１の端部は、図７に示すようにプラズマ発生部２５におけるマイクロ波電界の空間分布が一様に、かつ電界強度が強くなるように適宜な形状にすることができる。
プラズマ発生部２５の大きさは、任意の寸法で良いが、マイクロ波電界分布を考慮して決めることで、マイクロ波の伝搬特性に改善しながら、より安定なプラズマが生成できる。
例えば、プラズマ発生部２５の誘電体基板１内部へ奥行距離は、誘電体基板１内に生成する上記定在波の１／４波長とすると、定在波の電界強度がノズル２４で最大値と、プラズマ発生部の内部壁で最低値となる。これにより、より安定にプラズマ生成・維持できる。
＜実施形態４＞
本発明における第４の実施の形態を示すマイクロ波プラズマ処理装置は、上記の第１ないし第３の実施の形態を示すプラズマ処理装置において、アース導体１２に二つ以上のガス入力口２２を設けた装置である。
図９は、本発明の第４の実施の形態の実施例の一つのマイクロ波プラズマ処理装置の垂直方向の断面図を示す。該図に示すように、三つのガス入力口２２がアース導体１２に設けられた装置である。三つのガス入力口２２にそれぞれ異なるガス種を入力することで、プラズマ放電特性及びプロセス特性を変えることができる。
一般的に、大気圧のような高気圧ではプラズマを安定に生成させるためにアルゴンＡｒやヘリウムＨｅ等の不活性ガスを用いている。しかし、プロセス用ガスとして分子ガスを混合するとプラズマが不安定となり、プラズマが維持しにくくなる問題があった。
本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、プラズマ発生部２５における電界の空間分布に対応して、各ガス種を入れる位置を決めることができるので、不活性ガスで安定なプラズマを維持しながら、プロセスガスをプラズマ発生部内に供給することができる。
本実施例では、ノズル２４から奥にあるガス入力口(ガスＡ)にアルゴンＡｒ又はヘリウムＨｅを、次のガス入力口(ガスＢ)に水素Ｈ2を、ノズル２４に近いガス入力口(ガスＣ)にメタンＣＨ4を供給すことで、低気圧又は中間気圧又は高気圧において反応ガスプラズマを安定に生成・維持することができた。
本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、ＤＬＣ(diamond like carbon)薄膜やダイヤモンド薄膜、カーボンナノチューブ、グラフェン膜、等のカーボン材料合成用のプラズマＣＶＤとして応用が可能である。
また、別の実施例として、二つのガス入力口を設けたプラズマ処理装置を制作し、ノズル２４から奥にあるガス入力口に不活性ガス(アルゴンＡｒ又はヘリウムＨｅ)を、ノズル２４に近いガス入力口に窒素Ｎ2ガスを供給することで、低気圧又は中間気圧又は高気圧において窒素プラズマを低電力で安定に発生することができた。この窒素プラズマは、銅等の金属表面の窒化処理や窒化物半導体の製作、等のプラズマ窒化処理への応用が期待される。
また、本発明に第４の実施形態の別の実施例として、二つのガス入力口を設け、その内、一つのガス入力口には液体の気化供給手段を設けたマイクロ波プラズマ処理装置を制作した。該マイクロ波プラズマ処理装置によれば、水やエタノール等の液状材料をプラズマ化したプラズマ処理装置を提供することができる。
図１０は、該実施例のマイクロ波プラズマ処理装置の一例を示す垂直方向の断面図であり、ノズル２４に近いガス入力口に液体材料２７の気化供給手段２８を備えている。本実施例では、ノズル２４から奥にあるガス入力口に不活性ガス(アルゴンＡｒ又はヘリウムＨｅ)を、ノズル２４に近いガス入力口に水Ｈ2Ｏを気化させて供給し、大気圧においても安定したプラズマを生成することができた。このプラズマ中には水Ｈ2Ｏが励起されて生成したＯＨ、Ｈ、Ｏ等のラジカル(化学活性種)が高密度に含まれており、個体表面の親水性処理やクリーニング、空気清浄や消臭、滅菌・殺菌等の処理への応用が期待される。
＜実施形態５＞
本発明における第５の実施の形態を示すマイクロ波プラズマ処理装置は、上記の第１の実施の形態、第３の実施の形態、又は第４の実施の形態を示すプラズマ処理装置において、マイクロストリップ線路１１が設けられた誘電体基板１の第１の面に、第２の誘電体基板１ａと、アース導体１２ａと、ガス入力口２２ａと、ノズル２４ａと、プラズマ発生部２５ａと、ガス供給手段２６ａ等を備えた装置である。
図１１は、本発明の第５の実施の形態の実施例の一つのマイクロ波プラズマ処理装置の垂直方向の断面図を示す。図１２は、本発明の第５の実施の形態の別の実施例の一つを示すマイクロ波プラズマ処理装置の断面図を示し、テーパー部を備えた誘電体基板を用いた実施例のプラズマ処理装置の垂直方向の断面図を示す。
本発明における第５の実施の形態において、誘電体基板１と誘電体基板１aは異なる材質の誘電体基板を用いることができるが、誘電率が同じである誘電体基板を用いることが望ましい。
＜プラズマ発生の原理＞
マイクロ波入力部１３から入力されるマイクロ波は、誘電体基板１と誘電体基板１ａの両方に導入される。このマイクロ波は、それぞれ、マイクロストリップ線路１１を沿って誘電体基板１と誘電体基板１ａの内を伝搬する。
マイクロ波はマイクロストリップ線路１１の端の所で反射波を起こし、誘電体基板１と誘電体基板１ａの内に定在波を生成する。この定在波の電界は、マイクロストリップ線路１１の端とアース導体１２の端との間で、及びマイクロストリップ線路１１の端とアース導体１２ａの端との間で最大値となる。
この強い電界により、プラズマ発生部２５とプラズマ発生部２５ａに供給されるガスが励起され、プラズマが発生する。発生したプラズマはガスの流れと共にノズル２４とノズル２４ａからそれぞれ吹き出る。
＜実施形態６＞
本発明における第６の実施の形態を示すマイクロ波プラズマ処理装置は、上記の第１ないし第５の実施の形態を示すマイクロ波プラズマ処理装置において、マイクロストリップ線路１１を、一方の端部から他方の端部に向けて複数に分岐させて、プラズマ発生部２５にマイクロ波電力を均一に供給することができるようしたマイクロ波プラズマ処理装置である。
図１３に、本発明の第６の実施の形態の実施例の一つを示す。図１３(ａ)は、一つのマイクロ波入力部１３から複数に分岐されたマイクロストリップ線路１１と、複数のガス入力口２２と、長軸のプラズマ発生部２５と、長軸のノズル２４と、複数のガス入力口２２にガスを供給するためのガス供給手段２６を設けることにより大規模化したプラズマ処理装置の斜視図である。図１３(ｂ)は、図１３(ａ)の斜視図に示すａとｂの断面を表している水平方向の断面図である。図１３に示す本発明の実施例のマイクロ波プラズマ処理装置では、一方の端部からマイクロストリップ線路１１を二回分岐して、四つのラインに分岐することで、プラズマ発生部２５にマイクロ波電力を均一に供給することができるように設けられている。
なお、マイクロストリップ線路１１の他方の端部において適宜な形状にすることで、インピーダンスを高め、前記プラズマ発生部２５におけるマイクロ波電界が強くなるようにすることができる。図１３に示す実施例の形状はその一例にすぎず、例えば、図１３に示す実施例ではマイクロストリップ線路１１の他方の端部は、前記四つのラインに対応してそれぞれ分かれているが、一つに繋がった形状でもよい。
＜実施形態７＞
本発明における第７の実施の形態を示すマイクロ波プラズマ処理装置は、上記の第１ないし第６の実施の形態を示すマイクロ波プラズマ処理装置において、アレイ化する技術を適用し、大規模化されるプラズマ処理装置であって、前記誘電体基板と前記アース導体を共用して、横に並べることで、長い長軸のプラズマを発生できるように構成したマイクロ波プラズマ処理装置である。
＜アレイ化によるプラズマジェットの大規模化＞
本発明における第１ないし第６の実施の形態に、アレイ化する技術を用いることにより、吹き出るプラズマ、及びプラズマ処理面積を大規模化することができる。
本発明におけるマイクロ波プラズマ処理装置の大規模化は、一つの長軸の誘電体基板１において、複数のマイクロストリップ線路１１と、アース導体１２と、アース導体１２又はマイクロストリップ線路１１に一定の間隔で設けた複数のガス入力口２２と、長軸のプラズマ発生部２５と、長軸のノズル２４と、複数のガス入力口２２にガスを供給するためのガス供給手段２６を適宜に設けることにより可能となる。
図１４に、本発明の第７の実施形態の実施例の一つを示す。該図では、前記図１３に示す第６の実施の形態のプラズマ処理装置を四つアレイ化したマイクロ波プラズマ処理装置を示しており、図１４(ａ)は、複数のマイクロ波入力部１３を設けてアレイ化することにより大規模化されたマイクロ波プラズマ処理装置の斜視図である。図１４(ｂ)は、図１４(ａ)の斜視図に示すａとｂの断面を表している水平方向の断面図である。図１４(ｃ)は、ガス入力口２２における水平方向の断面図である。図１４(ｄ)は、ガス供給手段２６における水平方向の断面図である。
本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、広幅のプラズマの下部に移動式の基板ステージを設けることにより、被処理の連続処理が可能となる。本発明のマイクロ波プラズマ装置は、希ガス、又は反応性ガス、又は希ガスと反応性ガスの混合ガスを供給し、低気圧又は中間気圧又は高気圧においてプラズマを発生させることができるので、多様な産業分野への応用が期待される。
本発明は、希ガス、又は反応性ガス、又は希ガスと反応性ガスの混合ガスを供給し、低気圧に限らず中間気圧及び高気圧において安定な低温プラズマジェットを発生させるマイクロ波プラズマ処理装置が提供でき、かつ、装置の製作と運転コストが安く、高密度のラジカル生成ができるので、工業用の大量生産プロセスへの利用が期待される。また、本発明のマイクロ波プラズマ装置は、材料表面プロセスや、材料合成や、環境応用や、医療応用などに大規模プラズマ発生システムとして利用することができる。
１ 誘電体基板
１１ マイクロストリップ線路
１２ アース導体
１３ マイクロ波入力部
１４ テーパー部
１５ 溝
２２ ガス入力口
２３ 誘電体の内部のガス流路
２４ ノズル
２５ プラズマ発生部
２６ ガス供給手段
２７ 液体材料
２８ 気化供給手段
３１ マイクロ波コネクト

Claims (9)

  1. 誘電体基板と、
    前記誘電体基板の表面と裏面とのうちのいずれかの面である第１の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたマイクロストリップ線路と、
    前記誘電体基板の前記第１の面と反対側の第２の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたアース導体と、
    前記誘電体基板の一方の端部
    に設けられた、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、
    前記マイクロ波入力部から入力されたマイクロ波によりプラズマを発生させるための空間であり、かつ、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間に設けられた空間であるプラズマ発生部と、
    前記アース導体又は前記マイクロストリップ線路に設けられた、前記プラズマ発生部にガスを供給するためのガス入力口と、
    前記プラズマ発生部に供給されるガスとマイクロ波により発生するプラズマを、前記誘電体基板の他方の端部から吐出させるためのノズルと、
    を備えることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
  2. 前記ガス入力口の直径が、前記ガス入力口の断面により決まる遮断波長より小さい、請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  3. 前記誘電体基板の第１の面又は第２の面に、前記マイクロストリップ線路又は前記アース導体板をはめ込む溝を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  4. 前記誘電体基板が、該誘電体基板の他方の端部に向けて厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部を備え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処理装置。
  5. 前記アース導体又は前記マイクロストリップ線路に二つ以上のガス入力口を設け、それぞれのガス入力口に異なるガス種を供給することで、プラズマ放電特性及びプラズマ処理特性を変え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処理装置。
  6. 前記アース導体又は前記マイクロストリップ線路に二つ以上のガス入力口を設け、いずれかのガス入力口に液状材料の気化供給手段を備えることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  7. 前記誘電体基板に前記マイクロストリップ線路が設けられた面に接して設けられた第２の誘電体基板と、
    前記第２の誘電体基板の一方の端部から他方の端部に渡って設けられた第２のアース導体と、
    前記マイクロストリップ線路と前記第２のアース導体との間に設けられた空間である第２のプラズマ発生部と、
    前記第２のプラズマ発生部にガスを供給するために、前記第２のアース導体に設けられた第２のガス入力口と、
    前記第２のガス入力口にガスを供給するために設けられた第２のガス供給手段と、
    前記第２のプラズマ発生部に供給されるガスとマイクロ波により発生するプラズマを、前記第２の誘電体基板の他方の端部から吐出させるための第２のノズルと、
    を備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
  8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ装置を、前記誘電体基板と前記アース導体を共用して、横に並べることで、長い長軸のプラズマを発生させるように構成したマイクロ波プラズマ処理装置。
  9. 請求項１から８のいずれかに１項記載のマイクロ波プラズマ装置を、希ガス、又は反応性ガス、又は希ガスと反応性ガスの混合ガスを供給し、
    低気圧又は中間気圧又は高気圧においてプラズマを発生させるようにしたマイクロ波プラズマ処理装置。
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