JP2010251008A - Plasma generating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、異常放電を抑制して安定したプラズマ放電を行うプラズマ発生装置に関する。 The present invention relates to a plasma generator that performs stable plasma discharge while suppressing abnormal discharge.
従来から、プラズマは反応活性な状態のため、表面処理、薄膜形成、エッチングなどに広く利用されている。より高速処理を行うためには、プラズマ密度を高くして反応活性種を増やす必要がある。プラズマ密度を高くするには、印加する電界を高電界化したり、ガス濃度を増加させ反応活性種を増加させる必要がある。電界を高電界化するには、印加する電圧を増加させたり、電極間距離を小さくすれば良い。しかしながら、電極間距離を小さくすると、アーク放電と呼ばれる異常放電が発生し、発生したジュール熱により電極や基材を損傷したり、形成した薄膜に欠陥を発生させるという問題があった。
特許文献1、2にみられるように、二重管電極構造で均一電界にする試みがなされているが、処理装置全体が複雑な構造となっていた。また、特許文献3に示すものは、プラズマ発生ノズルからプラズマ化したガスを放射する方式であり、プラズマ密度を均一にする上で問題があった。
Conventionally, since plasma is in a reactive state, it has been widely used for surface treatment, thin film formation, etching, and the like. In order to perform higher-speed processing, it is necessary to increase the plasma active density and increase reactive species. In order to increase the plasma density, it is necessary to increase the reactive electric species by increasing the electric field applied or increasing the gas concentration. In order to increase the electric field, the applied voltage may be increased or the distance between the electrodes may be reduced. However, when the distance between the electrodes is reduced, abnormal discharge called arc discharge occurs, and there is a problem that the generated Joule heat damages the electrodes and the base material, or causes defects in the formed thin film.
As seen in
本発明は、上記問題に鑑み、異常放電を抑制して安定したプラズマ放電を行うプラズマ発生装置を提供するものである。 In view of the above problems, the present invention provides a plasma generator that performs stable plasma discharge while suppressing abnormal discharge.
上記課題を解決するために、請求項1の発明は、円筒形電極(10)を有する円筒チェンバー部と、棒状電極(1)と、前記円筒形電極(10)の内周面を移動自在な電極補正リング(11)と、ベース(15)に設置されたチャック部(20、30、40)とを具備するプラズマ発生装置において、前記チャック部(20、30、40)は、棒状電極(1)の下端部を点接触して把持させることができ、前記電極補正リング(11)の中央部には、テーパ状の位置決め孔(18)が設けられており、前記円筒形電極(10)の中心軸が、前記チャック部(20、30、40)の中心軸と一致するように、前記円筒チェンバー部は上下動可能に構成され、前記電極補正リング(11)が、前記円筒形電極(10)の内周面の所定位置に位置決めされた状態で、前記円筒チェンバー部が下降すると、前記電極補正リング(11)のテーパ状の位置決め孔(18)によって、前記棒状電極(1)が前記円筒形電極(10)の中心軸に設置されるように位置補正されるようにした、電極間距離を一定にしてプラズマ放電を行うプラズマ発生装置である。
In order to solve the above problems, the invention of
これにより、棒状電極を簡単に設置できて、電極間距離が一定に保たれ、異常放電を誘発する電界集中をなくし、均一な電界を印加することによって異常放電を抑制することができる。 Accordingly, the rod-shaped electrodes can be easily installed, the distance between the electrodes is kept constant, the electric field concentration that induces abnormal discharge is eliminated, and abnormal discharge can be suppressed by applying a uniform electric field.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記チャック部(30)が、コレットチャックであることを特徴とする。
The invention of
請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記チャック部(40)が、ダイヤフラムチャックであることを特徴とする。
The invention of claim 3 is the invention of
請求項4の発明は、請求項1の発明において、前記チャック部(40)の作動が流体圧で行われることを特徴とする。
The invention of claim 4 is characterized in that, in the invention of
請求項5の発明は、請求項1から4のいずれか1項記載の発明において、前記棒状電極(1)の外周面と前記円筒形電極(10)の内周面との電極間距離が、5mm以下であることを特徴とする。これにより、電極間距離を小さくすることによって発生頻度が高くなる異常放電が抑制されて、安定したプラズマ放電が得られ、しかも、高速処理が行える。 According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, the interelectrode distance between the outer peripheral surface of the rod-like electrode (1) and the inner peripheral surface of the cylindrical electrode (10) is: It is 5 mm or less. Thereby, the abnormal discharge whose frequency of occurrence increases by reducing the distance between the electrodes is suppressed, a stable plasma discharge can be obtained, and high-speed processing can be performed.
請求項6の発明は、請求項1から5のいずれか1項記載の発明において、プラズマCVD処理により円筒形電極内面に皮膜を形成することを特徴とする。
The invention of claim 6 is characterized in that in the invention of any one of
請求項7の発明は、請求項1から5のいずれか1項記載の発明において、プラズマCVD処理により棒状電極表面に皮膜を形成することを特徴とする。
The invention of claim 7 is characterized in that in the invention of any one of
なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。 In addition, the code | symbol attached | subjected above is an example which shows a corresponding relationship with the specific embodiment as described in embodiment mentioned later.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
本発明の一実施形態においては、被処理対象として、例えば、噴射弁のニードルや、型の押出ピンなどの円柱形状体に、プラズマ発生装置により、表面処理(汚染除去、改質)、薄膜形成、エッチングなどの処理を施す場合について説明する。被処理対象は上記例示に限定されるものではなく、円柱形状体、円筒形状体であれば本発明が適用可能である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. About each embodiment, the same code | symbol is attached | subjected to the part of the same structure, and the description is abbreviate | omitted.
In one embodiment of the present invention, as a processing target, for example, a cylindrical body such as a needle of an injection valve or an extrusion pin of a mold is subjected to surface treatment (contamination removal, modification), thin film formation by a plasma generator. A case where a process such as etching is performed will be described. The object to be processed is not limited to the above example, and the present invention can be applied to any columnar body or cylindrical body.
図1は、本発明の一実施形態を示す概要図である。図2は、チャックの構造を示す部分図である。図3、図4は、チャックの構造の別の実施形態を示す部分図である。
棒状電極1の外周面が、本実施形態において、被処理対象である。棒状電極1に対して、円筒形電極10との間に電界を印加してプラズマ発生させる。円筒チェンバー部は、円筒形電極10が内部に設けられており、鍔部17を有している。円筒チェンバー部は、上下方向に移動可能となっており、鍔部17がベース15に密着して、円筒チェンバーが形成される。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partial view showing the structure of the chuck. 3 and 4 are partial views showing another embodiment of the structure of the chuck.
In this embodiment, the outer peripheral surface of the rod-
円筒形電極10内には、絶縁性材料で作られた電極補正リング11が上下動可能に嵌合している。電極補正リング11は、移動用ロッド16で上下動する。電極補正リング11には中央にテーパ状の位置決め孔18が設けられている。一例として、孔径5mm程度のAl2O3製で、円筒形電極10の内径15mm程度である。
An electrode correction ring 11 made of an insulating material is fitted in the
円筒チェンバー部が下降してベース15にかぶせるように設置されると、円筒形電極10の所定位置で停留していた電極補正リング11の位置決め孔18が、棒状電極1の上端部をガイドして、棒状電極1と円筒形電極10とを、それぞれの軸心が一致するように位置決めさせる。電極補正リング11の中央部に明けられたテーパ状の位置決め孔18によって、棒状電極1が、円筒形電極内部の中央に設置されるように位置補正されるようになっている。
円筒形電極10の内部は、棒状電極1との間で電界が印加されてプラズマが発生する円筒チャンバーを構成している。円筒形電極10の上部端には、排気部13が設けられており、上部には整流板12が設置されている。
When the cylindrical chamber portion is installed so as to fall and cover the
The inside of the
ベース15の凹部18にはパワーチャック20が設置されている。パワーチャック20には、円錐状の爪21が120度隔てて3個設置されている。円錐状の爪21はシリンダ圧やバネ圧で棒状電極1の下端部を把持する。爪21は円錐状に限らず、角錐であってもよく、要は先端部が尖っていれば良い。棒状電極1はチャックを通じて電源と接続している。なお、これに限らず、棒状電極1の上部から電源とコネクターで接続させても良い。
パワーチャック20の中心は、円筒形電極10の内面の軸心と一致するようになっている。この軸心を中心に、ガス導入部14(長孔)が複数個放射状に設けられている。
A
The center of the
パワーチャック20の中心軸に円筒形電極10の内面の中心軸は一致するように、円筒チェンバー部とともに、円筒形電極10は上下に移動する。円筒チェンバー部の鍔部17がベース15に密着した後、円筒形電極10の内部は、棒状電極1との間で電界が印加されてプラズマが発生する円筒チャンバーが構成される。円筒チェンバー部の鍔部17とベース15とは、内部圧に応じてクランプで接合する。
The
円錐状の爪21は、流体圧で作動されて、棒状電極1の下端部を点接触して把持している。(把持の際はつるまきバネで押圧して、爪を開放する際には流体圧を用いるようにしても良い。)
このため、棒状電極1が、仮に円筒形電極10の内面の中心軸に対して傾いていても、電極補正リング11の中央部に明けられたテーパ状の位置決め孔18によって、円筒形電極内部の中央に設置されるように位置補正される。
これにより、棒状電極1と円筒形電極10との電極間距離が一定に保たれ、異常放電を誘発する電界集中をなくし、均一な電界を印加することによって異常放電を抑制する。
The
For this reason, even if the rod-
Thereby, the interelectrode distance between the rod-
次に、本発明の一実施形態の作動について、説明する。
ロボットハンドなどにより、パワーチャック20の中央に棒状電極1をセットして、ベース15中央部に棒状電極1をセットする。パワーチャック20の爪21が、棒状電極1は下端部を点で把持する。その上で、円筒形電極10の所定位置に電極補正リング11をセットして、棒状電極1を円筒形電極10にかぶせるように下降させる。
Next, the operation of one embodiment of the present invention will be described.
The rod-shaped
このプラズマ発生装置の円筒チェンバーを、1×10-2Pa以下までロータリーポンプ(その他、ターボ分子ポンプ、クライオポンプなどでもよい)にて排気した後、被成膜面のクリーニングのため、ガス導入口14からArガスを導入し、棒状電極1にDCパルス電源から電圧(100V〜5kV)を印加しプラズマを生成させ、Arイオンを棒状電極1、円筒形電極10に衝突させ被成膜面を活性化する。
The cylindrical chamber of this plasma generator is evacuated to 1 × 10 −2 Pa or less with a rotary pump (others may be a turbo molecular pump, cryopump, etc.), and then a gas inlet for cleaning the
次いでCH4、C2H4、C2H2等のメタン系、エチレン系、アセチレン系の炭化水素又はCF4等のフッ化炭化水素系のガスとH2ガスを導入する。このときの圧力は10Pa〜大気圧とする。次に、被成膜面のクリーニングと同様DCパルス電圧を印加しプラズマを生成し、被成膜面に膜を形成した。このようにして、異常放電なく皮膜形成することができる。以上の場合、CVDの一例を示したが、これに限定されるものではない。耐摩耗性膜、好摺動性膜の形成に限らず、表面処理(汚染除去、改質)、薄膜形成、エッチングなどの処理に応じて、適宜、使用するガス、印加電圧が選定される。 Next, a methane-based, ethylene-based, acetylene-based hydrocarbon such as CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 2 or a fluorinated hydrocarbon-based gas such as CF 4 and H 2 gas are introduced. The pressure at this time is 10 Pa to atmospheric pressure. Next, as in the cleaning of the film formation surface, a DC pulse voltage was applied to generate plasma, and a film was formed on the film formation surface. In this way, a film can be formed without abnormal discharge. In the above case, an example of CVD has been shown, but the present invention is not limited to this. The gas to be used and the applied voltage are appropriately selected according to the treatment such as surface treatment (contamination removal, modification), thin film formation, etching, etc., as well as the formation of the wear-resistant film and the slidable film.
使用するガスとして、Ar、N2、O2、H2、CH4、C2H2、C2H4、CF4、SF6、SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2などが挙げられる。また、電極補正リング11の絶縁材料としては、アルミナAl2O3、窒化珪素Si3N4、ジルコニアZr2O5、イットリアY2O3などが挙げられる。 Examples of the gas used include Ar, N 2 , O 2 , H 2 , CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , CF 4 , SF 6 , SiH 4 , SiH 3 Cl, SiH 2 Cl 2 and the like. . Examples of the insulating material for the electrode correction ring 11 include alumina Al 2 O 3 , silicon nitride Si 3 N 4 , zirconia Zr 2 O 5 , and yttria Y 2 O 3 .
本発明の別の実施形態として、次のような変形形態が考えられる。
本発明の一実施形態ではパワーチャック20で、棒状電極1の下端部を点接触して把持したが、図3に示すようなコレットチャック、図4に示すようなダイヤフラムチャックを用いても良い。
As another embodiment of the present invention, the following modifications can be considered.
In one embodiment of the present invention, the
図3に示すコレットチャックの場合は、コレットチャック30は3つ割り構造体30’になっており、相互間にはバネ32で拡張するように付勢されている。構造体30’上部には爪31がそれぞれ形成されている。構造体30’下部には作動ロッド33が係合している。作動ロッド33が下方に引っ張られると、コレットチャック30の構造体30’の外周がテーパ面となっており、ベース15のテーパ面との楔作用により、棒状電極1の下端部を点接触して把持することができる。
In the case of the collet chuck shown in FIG. 3, the
図4に示すダイヤフラムチャックの場合は、ダイヤフラム40に3個の爪41が突設されており、作動ロッド42を下方に引っ張ると、棒状電極1の下端部を点接触して把持することができる。
In the case of the diaphragm chuck shown in FIG. 4, three
次に、本発明の一実施形態では、電極補正リング11は、移動用ロッド16で上下動するように構成されていた。電極補正リング11の上下動の作動方式としては、様々な変形形態が考えられる。移動用ロッド16は円筒チェンバー部に設けられていたが、ベース15から延びてきた移動用ロッドで、電極補正リング11を上下動させても良い。
Next, in one embodiment of the present invention, the electrode correction ring 11 is configured to move up and down by the moving
移動用ロッド16を用いない方式としては、出没自在な係止ピンで円筒形電極10の所定位置で停留させておき、電極補正リング11による棒状電極1の位置補正を行う。その後、係止ピンの停留をはずし、円筒チェンバー内で、電極補正リング11の上部から圧をかけて、電極補正リング11を落下させて、棒状電極1に電圧を印加してプラズマ処理する方式としても良い。
As a method not using the moving
円筒チェンバー内で、電極補正リング11の下部から圧をかけて、電極補正リング11を棒状電極1の処理面から上方に離間させる方式も考えられる。
以上の説明においては、棒状電極1の外周面が被処理対象であった。円筒チェンバー部に着脱自在に円筒形電極(10)を設置すれば、円筒形電極(10)を被処理対象とすることもできる。
A method of applying pressure from the lower part of the electrode correction ring 11 to separate the electrode correction ring 11 upward from the processing surface of the rod-shaped
In the above description, the outer peripheral surface of the rod-shaped
1 棒状電極
10 円筒形電極
11 電極補正リング
15 ベース
17 鍔部
18 位置決め孔
20、30、40 チャック部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記チャック部(20、30、40)は、棒状電極(1)の下端部を点接触して把持させることができ、
前記電極補正リング(11)の中央部には、テーパ状の位置決め孔(18)が設けられており、
前記円筒形電極(10)の中心軸が、前記チャック部(20、30、40)の中心軸と一致するように、前記円筒チェンバー部は上下動可能に構成され、
前記電極補正リング(11)が、前記円筒形電極(10)の内周面の所定位置に位置決めされた状態で、前記円筒チェンバー部が下降すると、前記電極補正リング(11)のテーパ状の位置決め孔(18)によって、前記棒状電極(1)が前記円筒形電極(10)の中心軸に設置されるように位置補正されるようにした、
電極間距離を一定にしてプラズマ放電を行うプラズマ発生装置。 A cylindrical chamber portion having a cylindrical electrode (10), a rod-shaped electrode (1), an electrode correction ring (11) movable on the inner peripheral surface of the cylindrical electrode (10), and a base (15). In the plasma generator comprising the chuck portions (20, 30, 40),
The chuck part (20, 30, 40) can be gripped by making point contact with the lower end of the rod-like electrode (1),
A tapered positioning hole (18) is provided in the center of the electrode correction ring (11),
The cylindrical chamber part is configured to be movable up and down so that the central axis of the cylindrical electrode (10) coincides with the central axis of the chuck part (20, 30, 40),
When the cylindrical chamber portion is lowered in a state where the electrode correction ring (11) is positioned at a predetermined position on the inner peripheral surface of the cylindrical electrode (10), the taper-shaped positioning of the electrode correction ring (11) is performed. The position of the rod-shaped electrode (1) is corrected by the hole (18) so that the rod-shaped electrode (1) is installed on the central axis of the cylindrical electrode (10).
A plasma generator that performs plasma discharge with a constant distance between electrodes.
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