JP2004249260A

JP2004249260A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2004249260A
Application number: JP2003044870A
Authority: JP
Inventors: Kinpei Fukushima; 金平福島; Tetsuya Akitsu; 哲也秋津; Keiji Fujii; 啓次藤井; Hiroshi Okawa; 博司大川; Hiroyuki Sugimoto; 裕幸杉本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: JP4068474B2

Abstract

【課題】専用の電極をなくすと共に、より多くのラジカルの発生を可能とする。
【解決手段】プロセスガスが供給される真空容器３内に、プラズマ発生用の高周波電源の電極となる磁石９を配置する。磁石９は前記真空容器３の天井面３ａ、両側面３ｂ、底面３ｃに沿って支持されたエンドレスのリング状に形成し、内側領域と外側領域の内、いずれか一方をＳ極、他方をＮ極として、磁石９によって閉じ込めたプラズマ中の電子をエンドレスに循環させることで、高密度のプラズマ状態を作る。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマにより被処理物の表面酸化及び滅菌等を行なうのに適するプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プラズマを用いた表面処理にあっては、プロセスガスが供給される真空状態のチャンバ内にプラズマを生成する。プラズマ中には、プラズマ密度に比例したイオン、電子、ラジカル等が存在し、それらが被処理物の表面に作用することで表面処理が行なわれる。この場合、処理速度を高める手段として、あるいは、処理の均一性を得るために、例えば、永久磁石を用いてプラズマ中の電子を閉じ込め、密度の高いプラズマを利用する手段が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５９−１４３３３０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマ処理に永久磁石を用いる特許文献１にあっては、プラズマ生成用の電極と磁石がそれぞれ独立して設けられた構造となっている。
【０００５】
また、独立して設けられた磁石が真空容器を取囲むよう外側に配置されている場合には、電極によって生成されたプラズマ中の電子が最も集まる磁気中性点が真空容器の容器壁外部にできるようになるため、多数の電子が容器壁に衝突して消滅するためプラズマ密度はそれほど増大しない。
【０００６】
また、プラズマを直接処理に使用する場合、電極と磁石が別々の方がプラズマ密度均一性などの面で好ましいが、より確実な滅菌処理を求める場合には、プラズマ密度を均一にするよりは、むしろ滅菌作用に優れるプラズマ中のラジカルを多く発生させたいという要望があった。
【０００７】
そこで、この発明は、専用の電極をなくすと共に、より多くのラジカルが得られるプラズマ処理装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明の請求項１にあっては、プロセスガスが供給される真空容器と真空容器内に配置されプラズマ発生用の高周波電源の電極となる磁石とを備え、磁石は、前記真空容器の天井面、両側面、底面に沿ってセット支持されたエンドレスのリング状の形状で、２個以上設置されており内側領域と外側領域の内、いずれか一方がＳ極、他方がＮ極で隣り合う磁石の対向面は互いに反対の磁極となっていることを特徴とする。
【０００９】
これにより、磁石が電極となることで専用の電極がいらなくなる。一方、プラズマ中の電子は、磁場によって磁気中性点となる磁石の近接部位に閉じ込められると共に、くり返し受ける高周波電圧によって加速され、リング状に沿ってエンドレスに移動するため、壁面衝突による消滅が回避される。
【００１０】
したがって、高密度のプラズマを磁石近傍に閉じ込めることが可能となり、プラズマ密度に比例してラジカルも増えるようになる。この結果、磁場に影響されないプラズマ中のラジカルは四方に拡散し被処理物の周囲の滅菌処理を行なうようになる。
【００１１】
また、この発明の請求項２にあっては、プロセスガスが供給される真空容器と真空容器内に配置セットされたプラズマ発生用の高周波電源の電極となる磁石とを備え、磁石は、内側領域と外側領域の内、いずれか一方がＳ極、他方がＮ極となるエンドレスのリング状に形成されると共に、そのリング状の内側中央部位に配置セットされ、外側のリング状の磁石との対向面が互いに反対の磁極となる直線状の磁石によって長円形の閉軌道空間を備えた形状となっていることを特徴とする。
【００１２】
これにより、磁石により閉じ込められたプラズマ中の電子は、長円形の閉軌道空間によって容易にエンドレスに移動することが可能となるため、壁面衝突による消滅が回避され、高密度のプラズマが得られる。
【００１３】
これにより、プラズマ密度に比例してラジカルも増えるようになると共に、磁場に影響されないプラズマ中のラジカルは、四方に拡散し、被処理物の一面となる表面の滅菌処理を行なう。したがって、被処理物の一面処理に適するようになる。
【００１４】
また、この発明の請求項３にあっては、長円形の閉軌道空間は、水平方向から垂直方向へ連続して屈曲された逆Ｌ字形の二極面形状となっていることを特徴とする。
【００１５】
これにより、真空容器内において、例えば、天井面及び側壁の二極面にわたって閉じ込められた高密度のプラズマが得られる。これにより、プラズマ密度に比例してラジカルも増えるようになると共に、磁場の影響されないプラズマ中のラジカルは、四方に拡散し、被処理物の２面となる表面と側面の滅菌処理を行なう。したがって、被処理物の二面処理に適するようになる。
【００１６】
また、この発明の請求項４にあっては、長円形の閉軌道空間は、水平方向から垂直方向、さらに水平方向へと連続して屈曲されたコ字形の三極面形状となっていることを特徴とする。
【００１７】
これにより、真空容器内において、例えば、天井面、側壁、底面の三極面にわたって閉じ込められた高密度のプラズマが得られる。これにより、プラズマ密度に比例してラジカルも増えるようになると共に、磁場に影響されないプラズマ中のラジカルは、四方に拡散し、被処理物の３面となる上下及び側面の滅菌処理を行なう。したがって、被処理物の三面処理に適するようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図３の図面を参照しながらこの発明の第１の実施形態について具体的に説明する。
【００１９】
図１はこの発明にかかるプラズマ処理装置１全体の概要説明図を示している。
【００２０】
プラズマ処理装置１のチャンバ３は、真空容器となっている。前面は被処理物を出し入れするための開閉扉５（図３参照）となっていて、容器本体はアースＧに接続されている。
【００２１】
チャンバ３内には、プラズマ発生用の高周波電源７の電極となる磁石９が配置セットされている。
【００２２】
磁石９は、前記チャンバ３の天井面３ａ、両側面３ｂ、底面３ｃからほぼ同一の距離をおいたエンドレスのリング状に形成され、絶縁材からなる支脚１１によって固定支持されている。
【００２３】
磁石９とチャンバ３の壁面との距離は、近づきすぎると異常放電を起こしたり、あるいは、電子が壁面と衝突し易くなる不具合いを招く。一方、壁面から磁石９を離しすぎると内部空間、即ち、被処理物１３を入れる処理空間が狭くなるため、これらの不具合が起きない位置に設定されている。
【００２４】
磁石９の数は、チャンバ３内の広さによって決定される。この実施形態では図３に示すように開閉扉５側となる入口から奥へ向かって３箇所に配置され、内側領域と外側領域の磁極はＳ極とＮ極との関係に設定されている。具体的には、三つ並んだ磁石９の内、開閉扉５側から内側領域がＳ極、Ｎ極、Ｓ極の順となっている。外側領域がＮ極、Ｓ極、Ｎ極の順となる配置関係となっていて、隣り合う磁石の中央でリング状に形成された内側領域と外側領域のＳ極とＮ極の対向面が磁気中性点となっている。
【００２５】
プラズマ発生用の高周波電源７は、回路インピーダンスを一定に調整するマッチング回路１５を介して前記磁石９と接続連通している。
【００２６】
なお、高周波電源７としては、１３．５６ＭＨｚのＲＦ周波数が好ましいが、プラズマが発生する電源であれば、本発明の適用は可能である。
【００２７】
一方、チャンバ３には吸引口１７と供給口１９がそれぞれ設けられている。供給口１９はガス供給管２１と接続し図外のプロセスガス供給部からチャンバ３内にプロセスガスが供給されるようになっている。供給管２１にはガス制御弁２３を有し、このガス制御弁２３の開又は閉によってプロセスガスの供給及び遮断が可能となっている。
【００２８】
プロセスガスとしては、アルゴン等の不活性ガス、酸素等の活性ガスがあり、それらを前記ガス制御弁２３によって単独で用いてもよく、あるいはそれらを組合せた混合ガスとして用いることも可能である。
【００２９】
吸引口１７は、開閉弁２５を介して真空ポンプ２７と接続連通し、前記開閉弁２５を開とすることで、真空ポンプ２７の働きによってチャンバ３内は大気圧より減圧された所定の真空度が確保されるようになっている。チャンバ３内の真空度は真空センサ２９からの信号を図外のコントローラで処理し、前記開閉弁２５を調節することによって制御管理されるようになっている。なお、図１において３１は大気開放用の弁を示している。
【００３０】
このように構成されたプラズマ処理装置１によれば、真空状態のチャンバ３内にプロセスガスが供給される一方、高周波電源７から磁石９に高周波電圧が印加されることでプラズマが生成される。この場合、専用の電極が不用になると共に、プラズマは磁場によって磁石９の近接部位に閉じ込められると同時に、くり返し受ける高周波電圧によって加速されるため、原子状酸素の発生に必要な８電子ボルトのエネルギーを有する電子群が発生する。Ｓ極、Ｎ極の磁極の間に閉じ込められた電子は３つのグループからなり、一つはグランド電位のチャンバ３壁面と電極である磁石９との間に閉じ込められた一群の電子である。この電子は磁石９とチャンバ３の間に発生する自己バイアス電界と、磁極間の磁力線の両方に対して垂直方向に磁石９に沿ってゆっくりと運動する、いわゆるマグネトロンドリフトを示す。残りの一つは、チャンバ３中央側の磁石９表面近傍に閉じ込められる一群の電子、他の一つは、一対の磁極の中間部分に生じる磁気中性点近傍に閉じ込められる電子群である。これらの閉じ込められた電子群は磁石９の周囲をゆっくりと循環するため、チャンバ３の壁面や磁石９に衝突する可能性が小さい。これにより電極表面全体に高密度のプラズマを生成する。これにより、プラズマ密度に比例してラジカルも増えるようになると共に、磁場に影響されないプラズマ中のラジカルは、チャンバ内に拡散し被処理物１３の四周の滅菌処理を行なうようになる。
【００３１】
図４は、電極となる磁石９の第２の実施形態を示したものである。
【００３２】
第２の実施形態の磁石９にあっては、図示していないが、例えば、チャンバ３の天井面３ａ側に配置セットして使用するものである。
【００３３】
その構造は、内側領域となる下側をＮ極、外側領域となる上側をＳ極とした磁石９をエンドレスのリング状に形成する一方、エンドレスのリング状に形成された磁石９の中央部位に、上側領域がＮ極、下側領域がＳ極となる真線状の磁石３３を配置し、長円形の閉軌道空間３５を備えた形状となっている。
【００３４】
この場合、磁石９を配置セットするチャンバ内の広さに対応して、例えば、仮想線で示すように並列配置とすることも可能である。
【００３５】
なお、図示していないが、チャンバ３を含めた他の構成要素は第１の実施形態と全く同一である。
【００３６】
したがって、この第２の実施形態の磁石９によれば、長円形の閉軌道空間３５によって閉じ込められたプラズマ中の電子は閉軌道空間３５内をエンドレスに循環することで、壁面衝突による消滅がなくなり、高密度のプラズマが生成される。この時、磁場に影響されないプラズマ中の多量のラジカルは下方へ向け拡散することで、被処理物１３の上面となる表面の滅菌処理を行なうようになる。
【００３７】
したがって、この第２の実施形態にあっては表面となる一面を処理する一面処理の被処理物１３に適している。
【００３８】
図５は、第２の実施形態の変形例を示す第３の実施形態であって、長円形の閉軌道空間３５を水平方向３５ａから垂直方向３５ｂへ連続して屈曲された逆Ｌ字形の２極面形状の構造とするものである。
【００３９】
この場合、磁石９を配置セットするチャンバ内の広さに対応して、例えば仮想線で示すように並列配置とすることも可能である。
【００４０】
したがって、この第３の実施形態の磁石９によれば、水平方向３５ａと垂直方向３５ｂの二極面にわたって高密度のプラズマが生成される結果、磁場に影響されないプラズマ中の多量のラジカルは、下方及び側方へ向け拡散することで被処理物１３の上面及び側面の滅菌処理を行なうようになる。
【００４１】
したがって、この第３の実施形態によれば、表面と側面の２面処理の被処理物に適している。
【００４２】
図６は、第３の実施形態の変形例を示す第４の実施形態であって、長円形の閉軌道空間３５を、水平方向３５ａから垂直方向３５ｂに加えてさらに水平方向３５ｃへ連続して屈曲されたコ字形の三極面形状の構造とするものである。
【００４３】
この場合、磁石９を配置セットするチャンバ内の広さに対応して、例えば、仮想線で示すように並列配置としたり、あるいは、図示していないが、組合せることで上下、全側面を取囲む形状とすることも可能である。
【００４４】
したがって、この第４の実施形態によれば、上下の面と側面の３極面にわたって高密度のプラズマが生成される結果、磁場に影響されないプラズマ中の多量のラジカルは、下方、上方、側方へ向け拡散することで被処理物１３の表面、裏面、側面の三面にわたって滅菌処理を行なうようになる。したがって、この第４の実施形態によれば、表面、裏面、側面の３面処理の被処理物に適している。
【００４５】
尚、第４の実施形態で、２組の磁石を組み合わせることにより６面の処理に適するようにすることができる。また、実施に当たっては磁石の保護や冷却のため、磁石をパイプ内に設置したりパイプ内に冷却材を流す場合もある。
【００４６】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明の請求項１によれば、電極となる磁石によって専用の電極がいらなくなる。
【００４７】
また、プラズマ中の電子をリング状に循環させることが可能となるため壁面衝突による消滅を回避し高密度のプラズマが生成される結果、磁場に影響されないプラズマ中の多量のラジカルによって、被処理物の四周の滅菌処理を効率よく行なうことができる。
【００４８】
また、この発明の請求項２によれば、閉軌道空間によってプラズマ中の電子を消滅させることなくエンドレスに循環させることが可能となるため、高密度のプラズマが得られる結果、被処理物の表面となる一面に適した滅菌処理を効率よく行なうことができる。
【００４９】
また、この発明の請求項３によれば、被処理物の表面と側面の２極面に適した滅菌処理を効率よく行なうことができる。
【００５０】
また、この発明の請求項４によれば、被処理物の上下の面及び側面の３極面に適した滅菌処理を効率よく行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかるプラズマ処理装置全体の概要説明図。
【図２】チャンバ内を正面からみた概要説明図。
【図３】チャンバ内を側面からみた概要説明図。
【図４】磁石の第２の実施形態を示した概要説明図。
【図５】磁石の第３の実施形態を示した概要説明図。
【図６】磁石の第４の実施形態を示した概要説明図。
【符号の説明】
３チャンバ（真空容器）
３ａ天井面
３ｂ両側面
３ｃ底面
７高周波電源
９磁石
３５閉軌道空間
３５ａ、３５ｃ閉軌道空間の水平方向
３５ｂ閉軌道空間の垂直方向

Claims

プロセスガスが供給される真空容器と真空容器内に配置されプラズマ発生用の高周波電源の電極となる磁石とを備え、磁石は、前記真空容器の天井面、両側面、底面に沿ってセット支持されたエンドレスのリング状の形状で、２個以上設置されており内側領域と外側領域の内、いずれか一方がＳ極、他方がＮ極で隣り合う磁石の対向面は互いに反対の磁極となっていることを特徴とするプラズマ処理装置。
プロセスガスが供給される真空容器と真空容器内に配置セットされプラズマ発生用の高周波電源の電極となる磁石とを備え、磁石は、内側領域と外側領域の内、いずれか一方がＳ極、他方がＮ極となるエンドレスのリング状に形成されると共にそのリング状の内側中央部位に配置セットされ、外側のリング状の磁石との対向面が互いに反対の磁極となる直線状の磁石によって長円形の閉軌道空間を備えた形状となっていることを特徴とするプラズマ処理装置。
長円形の閉軌道空間は、水平方向から垂直方向へ連続して屈曲された逆Ｌ字形の二極面形状となっていることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
長円形の閉軌道空間は、水平方向から垂直方向、さらに水平方向へと連続して屈曲されたコ字形の三極面形状となっていることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。