JP2007193996A

JP2007193996A - 多相交流プラズマ発生方法と装置

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Publication number: JP2007193996A
Application number: JP2006009184A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Kawakami; 一視河上; Hidefumi Uchiyama; 英史内山; Kenji Nagai; 健治長井
Original assignee: Tateyama Machine Co Ltd
Current assignee: Tateyama Machine Co Ltd
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2007-08-02

Abstract

【課題】比較的簡単な装置で、処理対象物に対する熱負荷が小さく、プラズマによる処理効率がよい多相交流プラズマ発生方法と装置を提供する。
【解決手段】内部でプラズマを発生させる真空チャンバ１２と、真空チャンバ１２内に収納されプラズマ発生空間１８に対面して互いに平行に配置され固定された複数対の電極１７を有する。電極１７間に位置するとともに電極１７を挟んで異なる極性に配置された複数の磁石２０，２１と、磁石２０，２１に対して互いに同じ磁極でプラズマ発生空間１８を介して対向した他方の磁石２１,２０を備える。複数対の電極１７間で位相をずらして放電しプラズマを発生させる電源装置を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、放電によりプラズマを発生させるための装置であって、位相制御多電極型交流放電装置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。

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が、近年、特許文献１及び２にあるように、位相制御された多相の多電極型交流放電装置から成る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プラズマ発生装置は、各電極間で順次位相をずらして放電を行い、プラズマを発生させている。この構造は、例えば平行平板型の電極配置の場合、平行に配列された隣接する電極間に平行に磁石が配置され、各々対向する磁石及び隣接する磁石は、互いに極性が異なる配置になっている。これにより、対向電極間のプラズマ発生空間に生じるプラズマの密度を大きくしている。

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、その他エッチング等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、殺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が酸化分解されることから、これを利用した滅菌装置も提案されている。
特開平１０−１２５４９５号公報特開平１０−１３４９９４号公報

上記従来の多相交流プラズマ発生装置は、プラズマによる処理工程において、プラズマ発生空間の温度が高くなり、処理対象物に対する熱負荷が大きいという問題があった。また、プラズマ密度は真空チャンバの中心部で高くなり、プラズマ密度を極力一様に保つために、磁石の位置を調整する等の必要性があり、調整が面倒なものであった。しかも、プラズマ密度を下げれば温度も下がるが、エッチング等の処理効率が落ちるという問題がある。

この発明は、上記従来技術の問題に鑑みて成されたもので、比較的簡単な装置で、処理対象物に対する熱負荷が小さく、プラズマによる処理効率がよい多相交流プラズマ発生方法と装置を提供することを目的とする。

この発明は、真空チャンバ内に収納されプラズマ発生空間に対面して互いに平行に配置され固定された複数対の電極と、この複数対の電極間に位置するとともに前記電極を挟んで異なる極性に配置された複数の磁石と、この磁石に対して互いに同じ磁極で前記プラズマ発生空間を介して対向した他方の磁石を設け、前記複数対の電極間で位相をずらして順次放電しプラズマを発生させる多相交流プラズマ発生方法である。

前記電極は、互いに隣接する電極間で放電を発生させるものである。また、前記電極は対向して複数配置され、隣接する電極間で放電を発生させるとともに、互いに対向する電極同士は同相で放電するものである。

またこの発明は、内部でプラズマを発生させる真空チャンバと、この真空チャンバ内に収納されプラズマ発生空間に対面して互いに平行に配置され固定された複数対の電極と、この複数対の電極間に位置するとともに前記電極を挟んで異なる極性に配置された複数の磁石と、この磁石に対して互いに同じ磁極で前記プラズマ発生空間を介して対向した他方の磁石と、前記複数対の電極間で位相をずらして放電しプラズマを発生させる電源装置を備えた多相交流プラズマ発生装置である。

前記磁石は、前記電極を取り付けた電極取付板の前記電極とは反対側の前記電極間に対応して固定されている。

この発明の多相交流プラズマ発生方法と装置によれば、簡単な装置で低いプラズマ温度で安定した一様なプラズマを得ることができ、処理対象物に対する熱損傷を抑え、プラズマによる良好な処理が可能になる。

以下、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２を基にして説明する。先ず、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、表面改質、金属酸化物の除去、薄膜形成、有機物の分解や滅菌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１０は、図１に示すように、真空チャンバ１２と図示しない電源装置や真空ポンプ等を備えている。真空チャンバ１２は、全体が直方体に形成され、その一方の側面板１２ａが着脱自在に形成され、コ字状のチャンバ本体１２ｂの開口縁に気密状態で取付可能に設けられている。さらに、チャンバ本体１２ｂの対向する両端開口部も、図示しない側面板により気密状態で密閉される。

真空チャンバ１２内には、非磁性体の一対の電極取付板１４が所定の間隔を空けて互いに絶縁状態で、平行に位置して固定されている。電極取付板１４の上下端部は、絶縁性の連結板１５に固定され、連結板１５の一端縁部が、チャンバ本体１２ｂの内面にネジ止めされ、他端は固定板１６にネジ止めされている。そして、固定板１６が側面板１２ａにネジ止めされる。

電極取付板１４には、互いに平行に位置した複数枚の細長い長方形状の電極１７が各々固定され、一対の電極取付板１４間で、各電極１７はプラズマ発生空間１８を介して、互いに平行に対向して位置している。

互いに平行に隣り合う各電極１７間には、その隙間に沿って電極１７と平行に磁石２０，２１が設けられている。磁石２０，２１は、互いに対向する面が同極性で、隣接する磁石２０，２１の極性は互いに異極性に配置されている。図面上では、矢印で極性を示している。これにより、真空チャンバ１２内には、隣接する磁石２０，２１間で磁界が形成される。磁石２０，２１は、電極１７を取り付けた電極取付板１４の、電極１７とは反対側の面に固定され、電極１７間の隙間に対応して位置している。

次に、この実施形態の多相交流プラズマ発生装置１０のプラズマ発生方法について説明する。まず、この実施形態の多相交流プラズマ発生装置１０の電源装置は、多電極型交流放電装置であり、その電源装置内の複数のインバータが、互いに放電させる一対の電極１７毎に接続されている。例えば、互いに隣接する一対の電極１７毎に、または対向する電極１７毎に設けられる。各インバータは、その位相を制御する図示しない制御部に接続されている。そして、プラズマ発生時には、一対の電極１７に対して隣り合う一対の電極の交流電力位相差を、例えば９０°に設定する。ここでは、隣り合う一対の電極の位相差が９０°で対向する電極間では位相差を０°にする。この場合が最も効率よくプラズマを発生させることができる。これにより、真空チャンバ１２内の隣接する磁石２０，２１間に形成された磁界により、電極１７の表面近傍で相対的に高密度にプラズマを閉じ込める。

この実施形態の多相交流プラズマ発生装置１０は、図示しない真空ポンプ等により、排気口から真空チャンバ１２内の空気を抜き取り、真空チャンバ１２内部を所定の低圧または真空状態し、この後プラズマを発生させる気体を所定の気圧になるように真空チャンバ１２内に入れる。そして、電源装置から電力を供給することにより、各電極１７間に放電を発生させ、真空チャンバ１２内の気体によるプラズマを生成する。

この実施形態のプラズマの生成方法は、インバータにより所定周波数の交流に変換された電力が、電極１７に供給され、電源装置の制御部による位相制御により、互いに隣接または対向する一対の電極１７間で放電が発生し、所定の位相、例えば９０°ずれた状態で各対の電極１７間で、順次放電が発生しプラズマが生成される。そして、この間に生成したプラズマにより、真空チャンバ１２中の表面改質、金属酸化物の除去、有機物の分解や滅菌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１０によれば、磁石２０，２１の配置を互いに同極性の磁極が対向するように配置するだけで、相対的に低いプラズマ温度で安定した一様なプラズマを得ることができる。これにより、処理対象物に対する熱損傷を抑え、プラズマによる良好な処理が可能になる。

なお、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、各電極対の位相差は９０°以外に適宜の位相差に設定することができ、効率よくプラズマが発生可能な位相差を選択することができるものであればよい。また、隣接電極間で放電させる場合は、電極は互いに対向していなくても良い。その他、真空チャンバや電極の形状は適宜設定可能なものであり、複数対の電極は、例えばマイナス側を共通電極にして複数設けたものでも良く、多相交流放電可能な電極であればその形態は問わない。

次に、この発明の多相交流プラズマ発生装置の一実施例について説明する。図２に示したグラフは、上記実施形態の真空チャンバ１２内の電極１７間での放電形態（隣接電極間、又は対向電極間）、磁場の有無、磁場の極性、によって対象物の温度上昇がどうなるかを測定した結果である。ここで、グラフ中の「対向同極」は、対向電極間放電且つ対向磁石が同極を意味し、「隣接同極」は、隣接電極間放電且つ対向磁石が同極を意味する。同様に、「対向異極」は、対向電極間放電且つ対向磁石が異極、「隣接異極」は、隣接電極間放電且つ対向磁石が異極を意味する。また、「対向なし」、「隣接なし」は、対向電極放電磁石なし、隣接電極放電磁石なしを意味する。

この実施例では、対向電極間放電では、向かい合う電極の位相差を１８０°にし、その電極と隣り合う電極の位相差を９０°にして実験を行った。隣接電極間放電の場合は、隣り合う電極の位相差を９０°にして、向かい合う電極の位相差を０°にして実験を行った。

この結果より、放電形態よりも磁場によるプラズマの閉じ込め効果が大きく、温度にも影響が大きいものであった。また、対向磁石が同極の方が、異極よりもプラズマの温度上昇が低いものであった。

次に、処理対象物のエッチング結果について示す。そこで、実験に用いた試料は、有機物試料としてカプトンを選択し、種々の実験条件に対して２０分ずつプラズマの照射を行って削れた量を測定した。測定は、真空チャンバのプラズマ発生空間内の２箇所の各測定場所１，２に試料をセットし、各試料について５箇所をマイクロメータにより測定して比較した。その結果を、以下の表１に示す。

表１の結果で、最も削れている場所は、対向電極放電・磁場なし、隣接電極放電・同極対向磁場、隣接電極放電・異極対向磁場が同じ値を示した。

以上の図２、表１の実験より、隣接電極間に磁石を取り付け、且つ隣接電極間に磁界を形成してプラズマを閉じ込めることにより、エッチング対象物への熱負荷を軽減することができることが確認された。さらに、放電形態は、隣接電極間で放電させる方が、温度が低くプラズマ密度が小さくなったにもかかわらず、エッチング効率が良いことが確認された。

この発明の一実施形態の多相交流プラズマ発生装置の部分破断斜視図である。この発明の実施例の多相交流プラズマの温度と時間の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０多相交流プラズマ発生装置
１２真空チャンバ
１４電極取付板
１７電極
１８プラズマ発生空間
２０，２１磁石

Claims

真空チャンバ内に収納されプラズマ発生空間に対面して互いに平行に配置され固定された複数対の電極と、この複数対の電極間に位置するとともに前記電極を挟んで異なる極性に配置された複数の磁石と、この磁石に対して互いに同じ磁極で前記プラズマ発生空間を介して対向した他方の磁石を設け、前記複数対の電極間で位相をずらして順次放電しプラズマを発生させることを特徴とする多相交流プラズマ発生方法。
前記電極は、互いに隣接する電極間で放電を発生させる請求項１記載の多相交流プラズマ発生方法。
前記電極は対向して複数配置され、隣接する電極間で放電を発生させるとともに、互いに対向する電極同士は同相で放電する請求項１又は２記載の多相交流プラズマ発生方法。
内部でプラズマを発生させる真空チャンバと、この真空チャンバ内に収納されプラズマ発生空間に対面して互いに平行に配置され固定された複数対の電極と、この複数対の電極間に位置するとともに前記電極を挟んで異なる極性に配置された複数の磁石と、この磁石に対して互いに同じ磁極で前記プラズマ発生空間を介して対向した他方の磁石と、前記複数対の電極間で位相をずらして放電しプラズマを発生させる電源装置を備えたことを特徴とする多相交流プラズマ発生装置。
前記磁石は、前記電極を取り付けた電極取付板の前記電極とは反対側の前記電極間に対応して固定された請求項４記載の多相交流プラズマ発生装置。