JP2019135327A - 糸状コンポーネントの表面処理または被覆を実行するための電子サイクロトロン共鳴（ｅｃｒ）の場におけるマイクロ波エネルギーによってエネルギーを付与されたプラズマを発生するためのプロセス及びデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】最小の体積のプラズマ発生チャンバーで、任意の種類の糸状コンポーネントの周囲に閉じ込められた線形プラズマを発生させるためのプロセスの提供。
【解決手段】糸状コンポーネントＦが互いに対向し、処理チャンバーを構成するチューブの周囲に配置された磁気ダイポール１及び２を通って連続的かつ線形的に移動し、マイクロ波エネルギーが少なくとも２つの磁気ダイポール１及び２の間に導入されるプロセス。
【選択図】図２

Description

本発明は、気体媒体から電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によってプラズマを発生する技術分野に関する。

より具体的には、本発明は、ワイヤー、チューブ、ファイバー及び、より一般的に直径に対して非常に長い長さのその他任意の製品のような任意の種類の糸状コンポーネントの真空プラズマ表面処理に関する。糸状コンポーネントは、連続的かつ線形的に駆動される。

プラズマによる真空表面処理は、例えば糸状コンポーネントのＰＥＣＶＤ（プラズマ支援化学気相成膜）による表面の被覆の機能部の洗浄、酸洗浄、活性化、接合を指す。

様々な種類の部品の処理のためにマイクロ波印加を行う多くの技術的解決手段が知られている。例として、情報のためであり限定を目的とするものではなく、使用するものの表面に関して均一なプラズマを発生することに関して、単純なプラズマを発生させるプロセス及びデバイスに関する特許文献１の教示を参照することができる。また、電子サイクロトロン共鳴によって単純なプラズマ源を用いた少なくとも１つの部分の表面処理プロセスに関する特許文献２の教示も参照することができる。これらの特許文献から得られる各解決手段は、互いに隣り合って配置され、一般的に処理すべき複数の面を有する部品の大きな面積またはバッチ処理を処理するのに特に適している。

磁気端部を有するマイクロ波印加部を用いることによる従来技術によれば、プラズマはプラズマ濃度の高い領域を作り出す各磁石の端部において発生する。また、低圧マイクロ波プラズマを発生するために、電子サイクロトロン共鳴効果が使用されることも知られている。ＥＣＲ領域内に密度の高いプラズマを発生する高速衝撃の可能性は、顕著に増加する。そのため、２．４５ＧＨｚの周波数について、ＥＣＲ領域は８７５ガウス（Ｇ）の磁力線にある。この８７５ガウス（Ｇ）の領域は磁石の周囲である。

このプラズマ印加技術は、半径方向に配置され、処理されるワイヤーの走る軸に沿って移動速度を得るために複数回繰り返される複数の印加部を必要とする、ワイヤー（またはその他の糸状コンポーネント）の連続的な処理には適していない。

実際に、印加部の端部にちょうど位置するプラズマの体積において、ワイヤー（またはその他の糸状コンポーネント）の周囲全体の複数の印加部は、軸対称に均一な成膜を確実に行うように使用されなければならない。そのような構成は、大量の気体及びエネルギーを消費する大きな成膜チャンバーを必要とする。印加部を増加し、小型化が困難になると、このシステムの製造が高価になる。

そのため、従来のＥＣＲ源の並列は、糸状構成要素の成膜に好適なプラズマ構成を得ることはできないと考えられる。

特許文献３から７の教示から明らかなように、従来技術によれば、真空中におけるワイヤーの処理について、ＰＶＤ（物理気相成膜）型処理が提案されてきた。

また、特許文献８によれば、従来の真空チャンバーが使用され、ワイヤーの表面を最大限プラズマに暴露するためにワイヤーがチャンバー内で複数回往復移動するようにされることが知られている。この解決手段は、ワイヤーの表面がチャンバーの大きさに対して無視可能であり、真空中で動作する往復システムを実装することにより比較的複雑になるため、効率的でない。

この従来技術から、任意の種類の糸状コンポーネントにおいて前述のようにプラズマによる真空下における表面処理を実行することができるようにするという目的が求められている。特許文献９の教示によれば、被覆はＰＥＣＶＤによって成膜され、例えばプラズマを発生させるための表面プラズママイクロ波を用いることによりファイバー上に炭素被覆が成膜される。しかし、この解決手段は、誘電体に対してのみ行うことができ、電気的に絶縁性の成膜を実行することができるのみであるという点で用途が非常に限られている。換言すれば、導電性のファイバーには被覆することができない。さらに、発生器の周波数はファイバーを構成する材料ごとの誘電率に適合されなければならない。そのため、プロセスは１つの材料から他へ切り替えることによって容易に変更することができない。最後に、プロセスは、成膜が実行される際及びされる間、材料の誘電率が変化するために制御することが困難である。この変化は、表面波とプラズマの結合による遡及的効果を有する。

そのため、当該技術の状態のこの分析から、チャンバーの体積がコンポーネントの大きさに対して大きくなりすぎ、前駆体ガス及び必要なエネルギーが大きくなる一方でプラズマが被覆すべきワイヤーの近傍で発生しないため、印加部を用いるプラズマ発生は、糸状コンポーネントの連続的な処理には適していないということが分かる。また、表面波に基づく代替的なマイクロ波プラズマ技術はその用途が限られ、実装が困難であるということも分かる。

欧州特許出願公開第１０７５１６８号明細書 仏国特許出願公開第２９２２３５８号明細書 国際公開第２００５／０９５０７８号 国際公開第２００６／００２６７３号 仏国特許出願公開第２６６７６１６号明細書 欧州特許出願公開第１２３１２９２号明細書 欧州特許出願公開第１２７７８７４号明細書 米国特許第６６３８５６９号明細書 米国特許第５５９５７９３号明細書

本発明は、安全であり、効率的かつ合理的にこれらの欠点を解決することを目的とする。

本発明が解決しようとする課題は、チャンバーの体積を最小化し、結果的に前駆体ガスの消費及び必要なエネルギーにおける費用を最小化するように、特にＰＥＣＶＤによって部品の処理の均一性を補償できるように軸対称プラズマを発生するという目的のために、任意の種類の糸状コンポーネントの周囲に閉じ込められた線形プラズマの発生を可能にすることである。

そのような問題を解決するために、糸状コンポーネントの周囲に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）の場におけるマイクロ波エネルギーによって励起されたプラズマを用いて真空下で表面処理または被覆を行うためのプロセスであって、糸状コンポーネントが、互いに対向して、処理チャンバーを構成するチューブの周囲に配置された磁気ダイポールを通って連続的かつ線形的に移動し、マイクロ波エネルギーが少なくとも２つの磁気ダイポールの間に導入される、プロセスが設計され、開発された。

本発明はまた、連続的かつ線形的に移動する糸状コンポーネントにプラズマによる真空下の処理を行い、サイクロトロン共鳴の場においてマイクロ波エネルギーを発生するための手段を含むデバイスであって、互いに対向して配置され、好適には処理チャンバーを構成するチューブの周囲に取り付けられた２つの磁気ダイポールであって、それらを通して処理される糸状コンポーネントが線形的に移動される２つの磁気ダイポールからなる少なくとも１つのモジュールを含み、マイクロ波印加部が２つのダイポールの間に取り付けられた、デバイスに関する。

これらの特性から、デバイス（反応器）の大きさが減少し、それによって、気体消費の減少を可能にするため費用の減少をもたらす。また、従来技術から得られる解決手段から明らかになるように、より密度の高いプラズマがワイヤー上に存在し、それに近接せず、それによって成膜速度の増加が可能になることが確かめられる。またこれらの特性により、均一な成膜を、磁力線の軸対称性が与えられるワイヤー上で得ることが可能になる。プラズマ処理に関して、化学成膜を行うことができるように、これはモノマーのより良好な使用及び反応器の壁の汚染をより遅くすることをもたらすことにも注意すべきである。

他の特性によれば、
磁気ダイポールは環状磁石である。これらの環状磁石は永久磁石、電磁石コイルまたはその他任意の磁場を発生することが可能な手段でありうる。
マイクロ波印加部はチューブの中心軸に対して垂直に配置される。
チューブはＴ字状を構成し、その中間枝部はマイクロ波印加部を受容し、その一方他の２つの枝部はその中間枝部のそれぞれの側部において磁石を受容する。

環状磁石の大きさは、２つの磁石間のシステムの中心における磁場が、電子サイクロトロン共鳴における磁場と等しくなるようにすべきである。

例えば環状磁石が電流Ｉでカバーされたｎ個のコイルを含む半径Ｒのコイルである場合、２つのコイル間の距離Ｄは以下の通りとすべきである。

ここで、ｍは電子の質量であり、ｅは電荷であり、ωはマイクロ波パルスである。

ビオ・サバール方程式は、この方程式の右辺で理解可能である。

実施形態の１つの形態において、デバイスは、直列に取り付けられ線形に整列され、シーリングリングによって一体に接続された複数のモジュールを含む。各リングは気体ポンピング集約部へリンクされることによってポンピング領域として、または気体供給デバイスへリンクされた気体導入領域として働く。

糸状コンポーネントは、プラズマのイオン衝撃が可能となるように電気的に分極可能であることに注意すべきである。糸状コンポーネントが分極する場合、気体のイオンレイアウトはコンポーネント上で達成可能である。

本発明は、添付した図面を参照して以下により詳細に説明される。

被覆するワイヤー上への成膜を行うための、先行技術による反応器の原理的な図を示す。 本発明に従うデバイスの原理を示す図１に対応する図である。 本発明に従うデバイスの基本的なモジュールの斜視図である。 処理速度を増加させるためのデバイスのいくつかのモジュールのアセンブリーを示す斜視図である。 Ｏ_２／ＨＭＤＳＯ比が高い場合に成膜がＳｉＯ_２に一層近づくことを非常に古典的に示すＦＩＴＲ分析の曲線である。

示されるように、本発明は、導電体を含む、ワイヤー型、ファイバー、チューブ、スリーブなど任意の種類の糸状コンポーネント、及びより具体的には直径に対して顕著な長さを有する任意のコンポーネント（Ｆ）の表面処理を目的としてプラズマを発生するための、特に有利な用途を明らかにする。本発明による目的は、「通過」、換言すればワイヤーの線形移動によるコンポーネント（Ｆ）の連続的な処理を行うことである。

本発明によれば、デバイスまたは反応器は、対向して配置され、好適には処理チャンバーを構成するチューブ（３）の周囲に取り付けられた２つの磁気ダイポール（１）及び（２）を含む少なくとも１つのモジュールを含む。各磁気ダイポール（１）及び（２）は例えばチューブ（３）に対して同心円状に配置された環状磁石からなる。このアセンブリーは、特に磁石の冷却を容易にする。実際には、従来技術において説明されたＥＣＲ印加部とは反対に、磁石は真空中にはない。コンポーネント（Ｆ）は、チューブ（３）と同心円状に結合されて、既知の適切な手段によって連続的かつ線形的に移動される。任意の既知の適切な種類のマイクロ波印加部（４）は、２つの磁石（１）と（２）との間に取り付けられる。マイクロ波印加部（４）は、チューブ（３）の中心線に対して垂直に配置される。好適には反対の極性は、磁力線がコンポーネントＦに対して平行になるように対向される。ＥＣＲ領域でプラズマがワイヤー上にあることを示す図２を参照する。コンポーネント（Ｆ）上に均一な成膜がなされることを可能にする磁力線（Ｃ）の軸対称性も確認される。

実施形態の１つの形態において、チューブ（３）はＴ字状を構成し、その中間の枝部（３ａ）はマイクロ波印加部（４）、特にその同軸ガイド（４ａ）を受容する。Ｔ字状の他の２つの枝部（３ｂ）及び（３ｃ）は、中間枝部（３ａ）のそれぞれの側部で磁石（１）及び（２）を受容する。

デバイスのこの基本的な設計から、図４に示されるようにいくつかのモジュールを直列に取り付け、線形的に整列させることが可能になる。この構成において、モジュール間の接続は、気体をポンプするためのコネクタ（６）に接続されるポンピング領域としても働くシーリングリング（５）によって提供される。この構成において、プラズマ及び任意の反応性気体は、好適にはマイクロ波印加部とは反対側に導入される（導入は図には示されていない）。示されたものに対して代替的な構成は、シーリングリングが交互に気体ポンピング領域及び気体導入領域として働くように構成される。

ポンピングは、反応器の中心と、その左右端部との間に分布する。糸状コンポーネント（Ｆ）は、各枝部（３ｂ）、（３ｃ）、チューブ及びリング（５）の線形的な整列及び直列的な取り付けで形成されるチューブからなる処理チャンバーに線形的に挿入される。糸状構成要素（Ｆ）の移動速度を増加させるために、モジュールの数を増倍させることが十分である。

各モジュール内に適切な前駆体を導入し、各モジュールの動作圧力を調整するためのポンピング回路をラミネートすることは不可能であることに注意すべきである。

８７５Ｇの磁場を発生させるために、ネオジム鉄ホウ素のような他の任意の材料を除外しないサマリウムコバルト（Ｓｍ_２Ｃｏ_１７）磁石で試験がされた。

これらの試験は、２つの構成に従ってなされた。

第１の構成
磁石は以下の寸法を有する。
内径 ２０ｍｍ
外径 ２８ｍｍ
厚さ ２０ｍｍ、厚さに従う分極
磁石間の距離 ３１．５ｍｍ
磁石間で反対の極性。

第２の構成
磁石は以下の寸法を有する。
内径 ３３．８ｍｍ
外径 ５０ｍｍ
厚さ ２５ｍｍ、厚さに従う分極
磁石間の距離 ４６ｍｍ
処理チャンバーとして働くチューブの特性 ＮＤ２５、すなわち外径３３．７ｍｍ
磁石間で反対の極性。

これら２つの構成において、
マイクロ波は２つの磁石の間の空間の中間に導入される。マイクロ波導入部の侵入深さは、プラズマの点火及び作動を容易にするように最適化されるべきである。
磁石は大気圧にある。磁石は流体、例えば水が循環する外部ケーシングと接触して冷却される。気体ポンピング領域及び気体導入領域は交互に配置されている。
磁石は３つの圧力ねじによって、引き寄せられないようにシステム内に維持される。

利点は説明から明らかになるが、以下は特に強調され、想起される。
チャンバーの体積を最小化し、その結果、費用並びに前駆体ガス及びエネルギーの消費を最小化することができるように、処理されるコンポーネント周囲に閉じ込められた線形プラズマを発生させる。
処理されるコンポーネント上への成膜の均一性を補償するために、軸対称なプラズマを発生させる。
ワイヤー型、ファイバーからなる導体を含むすべての種類の糸状コンポーネント及びより一般的には直径より大きな長さを有するすべての製品の処理を可能にする。

例として、第２の構成に従う反応器内でＰＥＣＶＤ ＥＣＲによるＳｉＯ_ｘ成膜試験が、以下に示される。

第１のＰＥＣＶＤプロセス
ＴＭＳ（テトラメチルシラン）の流量率 ５ｓｃｃｍ
Ｏ_２（酸素）の流量率 １８ｓｃｃｍ
圧力 １．３×１０^−２ｍｂａｒ
マイクロ波導入出力 １００Ｗ

このＯ_２／ＴＭＳの比が３．６である状態で、チャンバー中間部において２つの磁石の間で得られた成膜速度が２５０ｎｍ／分である。

成膜速度は、反応器の中央に配置されたシリコンプレート上で測定された。

第２のＰＥＣＶＤプロセス
圧力 １×１０^−２ｍｂａｒ
マイクロ波導入出力 ５０Ｗ
Ｏ_２／ＨＭＤＳＯ混合物の使用

１、２ 磁気ダイポール
３ チューブ
３ａ、３ｂ、３ｃ 枝部
４ マイクロ波印加部
４ａ 同軸ガイド
５ シーリングリング
６ コネクタ
Ｃ 磁力線
Ｆ コンポーネント

Claims (13)

1. 糸状コンポーネント（Ｆ）の表面処理または被覆を実行するための電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）の場におけるマイクロ波エネルギーによって励起されたプラズマを発生させるためのプロセスであって、
   前記糸状コンポーネント（Ｆ）が、互いに対向して、処理チャンバーを構成するチューブ（３）の周囲に配置された磁気ダイポール（１）及び（２）を通って連続的かつ線形的に移動し、
   前記マイクロ波エネルギーが少なくとも２つの前記磁気ダイポール（１）と（２）との間に導入される、プロセス。
2. 前記表面処理が、特に洗浄、酸洗浄、機能化、接合である、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記被覆がＰＥＣＶＤ（プラズマ支援化学気相成膜）によって得られる、請求項１に記載のプロセス。
4. 連続的かつ線形的に移動する糸状コンポーネント（Ｆ）の周囲にプラズマを発生させ、サイクロトロン共鳴の場においてマイクロ波エネルギーを発生するための手段を含むデバイスであって、
   互いに対向して配置され、処理チャンバーを構成するチューブ（３）の周囲に取り付けられた２つの磁気ダイポール（１）及び（２）であって、それらを通して処理される前記糸状コンポーネント（Ｆ）が線形的に移動される２つの磁気ダイポール（１）及び（２）からなる少なくとも１つのモジュールを含み、マイクロ波印加部が前記２つのダイポールの間に取り付けられた、デバイス。
5. 前記磁気ダイポール（１）及び（２）が環状磁石である、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記環状磁石が永久磁石である、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記環状磁石が電磁石コイルである、請求項５に記載のデバイス。
8. 前記マイクロ波印加部（４）が前記チューブ（３）の前記中心軸に対して垂直に配置された、請求項４に記載のデバイス。
9. 前記チューブ（３）がＴ字形状を構成し、その中間枝部（３ａ）がマイクロ波印加部を受容し、その一方他の２つの枝部（３ｂ）及び（３ｃ）が前記中間枝部（３ａ）のそれぞれの側部で前記磁石（１）及び（２）を受容する、請求項４に記載のデバイス。
10. 直列に取り付けられ、線形的に整列され、シーリングリング（５）によって一体に接続された複数のモジュールを含む、請求項４から９のいずれか一項に記載のデバイス。
11. 各リング（５）が気体ポンピング集約部に接続されたポンピング領域として働く、請求項１０に記載のデバイス。
12. 前記リング（５）が交互に気体ポンピング領域及び気体導入領域として働く、請求項１０に記載のデバイス。
13. 前記糸状コンポーネント（Ｆ）が、プラズマのイオン衝撃を可能にするように電気的に分極された、請求項４から１２のいずれか一項に記載のデバイス。