特開 2024-112631 プラズマ処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024112631

(43)【公開日】2024-08-21

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20240814BHJP

   C23C 16/509 20060101ALI20240814BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 B

C23C16/509

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023017818

(22)【出願日】2023-02-08

(71)【出願人】

【識別番号】000003942

【氏名又は名称】日新電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】安藤 瞭汰

(72)【発明者】

【氏名】長町 学

(72)【発明者】

【氏名】辰巳 夏生

【テーマコード（参考）】

2G084

4K030

【Ｆターム（参考）】

2G084AA05

2G084BB11

2G084BB15

2G084BB25

2G084BB26

2G084CC04

2G084CC14

2G084CC33

2G084DD04

2G084DD12

2G084DD25

2G084DD38

2G084DD55

2G084FF08

2G084FF15

4K030BA28

4K030FA04

4K030JA01

4K030JA18

4K030KA02

4K030KA15

4K030KA30

(57)【要約】

【課題】設置面積に対して多くの被処理物を効率よくプラズマ処理することが求められている。
【解決手段】プラズマ処理装置（１）は、真空容器（１０）と、一つの平面内において互いのアンテナに対し平行に配置され、高周波電流が流されてプラズマを発生させる複数本のアンテナ（２３）と、真空容器内に、平面を挟んだ２面に被処理物（３１）を固定する複数のホルダー（３０）と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空容器と、
互いに平行に配置され、高周波電流が流されてプラズマを発生させる複数のアンテナと、
前記真空容器内に前記複数のアンテナを挟むように配置され、複数の被処理物を固定する複数のホルダーと、を備えた、プラズマ処理装置。

【請求項2】

前記複数のアンテナのそれぞれは、第１方向に延伸し、
前記複数のアンテナは、前記第１方向に垂直な第２方向に並んでいる、請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項3】

前記第１方向は、水平方向であり、前記第２方向は鉛直方向である、請求項２に記載のプラズマ処理装置。

【請求項4】

前記複数のホルダーの少なくとも１つには、前記複数のホルダーに挟まれた空間にガスを導入する噴出口が形成されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項5】

前記複数のホルダーは、前記第２方向において、前記アンテナ同士の中央に前記複数の被処理物が位置するように、前記複数の被処理物を固定する、請求項２に記載のプラズマ処理装置。

【請求項6】

前記複数のアンテナが位置する平面と前記被処理物の先端との間隔は、前記アンテナ同士の間隔以下となるように、前記複数のホルダーは、前記複数の被処理物を固定する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項7】

前記被処理物同士の間隔Ｄは、前記アンテナ同士の間隔をＬとした場合において、Ｌ／１０≦Ｄ≦Ｌ／２の条件を満たす、請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項8】

前記複数のホルダーは、棒状の前記被処理物を、前記複数のアンテナが位置する平面に対して垂直になるように固定する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項9】

前記高周波電流の周波数は、１３．５６［ＭＨｚ］またはその倍数である、請求項１から８のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項10】

前記被処理物に対し、ダイアモンドを成膜する、請求項１から８のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマを用いて被処理物を処理するプラズマ処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、プラズマを用いて被処理物を処理する技術が知られている。特許文献１には、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いたプラズマによって、ダイアモンドを成膜するＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相堆積法）装置が開示されている。

【0003】

一般に広く開放されている周波数帯として、マイクロ波以外に１３．５６ＭＨｚのＲＦ帯もある。マイクロ波は、プラズマ密度がＲＦ帯よりも高く、プラズマに対して高い電力を供給することができる。そのため、ダイアモンドの成膜において、マイクロ波のプラズマが広く用いられてきた。

【0004】

ここで、特許文献２には、ＲＦ帯のプラズマを用いて、原料ガスをＣＶＤするプラズマ処理装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－０９１５７６号公報

【特許文献2】特許第６３４１３２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述のような従来技術はＲＦ帯を用いて、ダイアモンドをＣＶＤすることが困難であった。また、特許文献２のようなプラズマ処理装置では、設置面積に対して一度に処理できる被処理物が限られており、スペ－ス効率が悪かった。

【0007】

本発明の一態様は、設置面積に対して多くの被処理物を効率よくプラズマ処理することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るプラズマ処理装置は、真空容器と、アンテナであって、一つの平面内において互いの前記アンテナに対し平行に配置され、高周波電流が流されてプラズマを発生させる複数本のアンテナと、前記真空容器内に、前記平面を挟んだ２面に被処理物を固定する複数のホルダーと、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一態様によれば、設置面積に対して多くの被処理物を効率よくプラズマ処理することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】プラズマ処理装置の概要を示すモデル図である。

【図2】プラズマ処理装置の斜視図である。

【図3】プラズマ処理装置の側面図である。

【図4】プラズマ処理装置の平面図である。

【図5】プラズマ処理装置の前面図である。

【図6】図３においてアンテナを表示しなかった場合の側面図である。

【図7】噴出口の配置を変更した変形例であるプラズマ処理装置を示す側面図である。

【図8】被処理物の配置を変更した変形例であるプラズマ処理装置を示す平面図である。

【図9】アンテナの延伸方向を変更した変形例であるプラズマ処理装置の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

〔実施形態１〕
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0012】

（プラズマ処理装置１の構成）
図１は、プラズマ処理装置１の概要を示すモデル図である。プラズマ処理装置１は、真空容器１０と、プラズマ源２０と、被処理物３１を固定するホルダー３０と、ＣＶＤするガスを供給するガス供給部４０と、を備える。

【0013】

真空容器１０は、金属製の容器であり、真空排気装置１１によって、その内部は真空排気される。真空容器１０は、電気的に接地されている。

【0014】

プラズマ源２０は、高周波電源２１と、整合回路２２と、アンテナ２３と、温調機構２４と、循環機構２５と、を備える。

【0015】

高周波電源２１から、整合回路２２を介して、アンテナ２３に高周波電流を流すことができる。高周波の周波数は一般的な１３．５６ＭＨｚまたはその倍数であるが、これに限られるものではない。アンテナ２３に対し高周波電流が流れることによって、真空容器１０内にはプラズマが発生する。

【0016】

アンテナ２３は、内部に冷却液が流通する流路を有した中空構造のものであり、温調機構２４でもって冷却液の温度は調整され、循環機構２５によって冷却液はアンテナ２３の内部を循環している。したがって、アンテナ２３の温度は一定に保たれている。冷却液としては純水を用いてもよいが、これに限られるものではなく、任意のクーラントを用いてもよい。

【0017】

ホルダー３０は、被処理物３１を固定するホルダーである。ホルダー３０は、例えば金属製である。ホルダー３０は、複数の被処理物３１をまとめて固定できる構造をしていてもよいし、個別に固定する構造をしていてもよい。なお、ホルダー３０は内部にヒータを有してもよく、ホルダー３０を加熱することによって、被処理物３１を加熱することができてもよい。ヒータの温度としては、７００℃が好ましい。

【0018】

また、ホルダー３０は、バイアス電源３２に接続されており、被処理物３１に対してバイアス電圧を印加することができる。このため、バイアス電圧を調整することで、プラズマによって被処理物３１を効率的に処理することができる。

【0019】

被処理物３１は、ドリル、エンドミル、またはリーマなどの回転工具であり、棒状の形状をしており、表面の硬度が必要な部材である。また、被処理物３１は回転工具に限定されず、金型などであってもよい。被処理物３１は、ホルダー３０によって、複数のアンテナ２３が位置する平面に対して垂直に固定される。

【0020】

ガス供給部４０は、真空容器１０内にＣＶＤに用いるガスを導入する。ガス供給部４０は、ホルダー３０の複数の噴出口４１に繋がっている。ガス供給部４０から導入されたガスは、ホルダー３０に開いた噴出口４１から噴出し、被処理物３１周辺に、ガスが均一に広がるようになっている。

【0021】

なお、ホルダー３０にガス供給部４０が直接接続され、噴出口４１以外からは真空容器に流入しなくてもよい。この場合、高圧のガスを被処理物３１の周りに供給することができるため、効率的な成膜が可能になる。

【0022】

また、図１のようにガス供給部４０のガスの流入方向にホルダー３０が位置し、ホルダー３０とガス供給部４０との間には隙間があり、該隙間から真空容器１０内部にガスが流入してもよい。この場合、真空容器１０内部を均一なガス濃度とすることが容易である。

【0023】

例えば、ガスとしては、水素：メタン：二酸化炭素：アルゴン＝１０：５：１３：１１２［ＳＣＣＭ］の比で導入し、ガスの圧力は１５［Ｐａ］とすることができる。

【0024】

（プラズマ処理装置における幾何配置）
図２は、プラズマ処理装置１の斜視図である。プラズマ処理装置１は、フロアに対して垂直なＸＺ面内に、アンテナ２３を有する。アンテナ２３は、一つの平面（ＸＺ平面）内において互いのアンテナ２３に対し、平行に配置されている。そのため、真空容器１０内のアンテナ２３が配置されているＸＺ平面を挟んだ２面にプラズマを発生させ、該プラズマによって被処理物３１を処理する。被処理物３１をプラズマが作用する範囲内に配置するために、複数のホルダー３０が設けられている。

【0025】

アンテナ２３のそれぞれは、Ｘ方向に延伸し、複数本のアンテナは、互いに対してＺ方向に並べられている。つまり、アンテナ２３は、水平方向に延伸し、互いに対して平行に鉛直方向に並べられている。

【0026】

ホルダー３０には、複数本の被処理物３１がＸ方向に並んで配置されている。また、ホルダー３０は、Ｚ方向に複数並んで配置されていてもよく、例えば図２のように、被処理物３１は二段に並べられてもよい。

【0027】

アンテナ２３を挟んだ被処理物３１は、互いにＸＺ平面から矢視した際に、同じ位置に位置する。つまり、被処理物３１は、アンテナ２３を挟んで対向する。つまり、被処理物３１を固定する複数のホルダー３０は、真空容器１０内に複数のアンテナ２３を挟むように配置されている。ホルダー３０は、Ｚ方向において、アンテナ２３同士の中央に複数の被処理物３１が位置するように、複数の被処理物３１を固定する。

【0028】

噴出口４１は、アンテナ２３が配置されているＸＹ平面内に位置し、かつ、被処理物３１の間に位置する。そのため、噴出口４１から噴出されたガスは、アンテナ２３の周囲に均一に広がるようになっている。

【0029】

（プラズマ処理装置１の側面視）
次に、プラズマ処理装置１を側面視（ＸＺ平面から矢視）した場合に関して詳細に説明する。図３は、プラズマ処理装置１の側面図である。アンテナ２３同士は、ピッチＬで鉛直方向に同一の鉛直平面内に並べられている。また、被処理物３１は、アンテナ２３同士の中央に配置される。つまり、アンテナ２３から距離Ｌ／２離れた位置に、被処理物３１は位置する。例えば、Ｌは１０［ｃｍ］である。

【0030】

なお、プラズマ処理装置１を側面視した際は、アンテナ２３と噴出口４１とが重なり合う配置であるため、噴出口４１はアンテナ２３に隠されることになる。

【0031】

（プラズマ処理装置１の平面視）
プラズマ処理装置１を平面視（ＸＹ平面から矢視）した場合に関して詳細に説明する。図４は、プラズマ処理装置１の平面図である。図４に示すように、アンテナ２３同士は、互いに対して重なり合うために、平面視では重なって１本に見える。

【0032】

アンテナ２３が位置する平面から、Ｈ離れた位置に、被処理物３１の先端が位置する。Ｈは、１［ｃｍ］≦Ｈ≦Ｌであることが好ましい。例えば、Ｈは１［ｃｍ］である。

【0033】

被処理物３１同士は、Ｘ方向において、互いに対しＤのピッチで並べられている。Ｄは、Ｌ／１０≦Ｄ≦Ｌ／２であることが好ましい。

【0034】

（プラズマ処理装置１の前面視）
プラズマ処理装置１を前面視（ＹＺ平面から矢視）した場合に関して説明する。図５は、プラズマ処理装置１の前面図である。上述したように、アンテナ２３は互いに対し、Ｚ軸方向に並んでいる。また、複数のアンテナ２３が位置する平面（ＸＺ平面）から、Ｈの距離に被処理物３１の先端は位置する。

【0035】

また、噴出口４１が位置する平面は、アンテナ２３が位置する平面と同一平面状に位置する。

【0036】

（噴出口４１）
図６は、図３においてアンテナ２３を表示しなかった場合の側面図である。図６に示すように、被処理物３１と噴出口４１とは千鳥配置されている。この配置によって、各被処理物３１の先端におけるガス濃度が均一になり、ほぼ同じ条件でＣＶＤを行うことができる。

【0037】

ここで、噴出口４１の配置は千鳥配置に制限されない。噴出口４１の少なくとも一つは、ホルダー３０が位置する面から、ホルダー３０に挟まれた空間に向けてガスを導入することができればよい。

【0038】

特に、アンテナ２３周辺にガスを吹き付けることができるため、強いプラズマでガスを反応させることができる。そのため、効率的にダイアモンドを合成し、被処理物３１に対して成膜することができる。

【0039】

また、噴出口４１とアンテナ２３とが同一平面に位置するため、噴出口４１から噴出したガスはアンテナ２３に吹き付けられることで、拡散する。そのために、アンテナ２３周辺でのガスの均一性が高くなるというメリットもある。

【0040】

（小括）
複数本のアンテナ２３を水平方向に延伸させ、該複数本のアンテナを鉛直方向に並べた、鉛直平面を挟んだ二面において、被処理物３１をプラズマ処理することができる。そのため、被処理物３１を水平に載置した場合よりも、小さなフロア面積で多くの被処理物３１をプラズマ処理することができる。つまり、設置面積に対して多くの被処理物を効率よくプラズマ処理、例えばＣＶＤを行うことができる。

【0041】

また、被処理物３１の交換およびアンテナ２３の点検を行うために、ホルダー３０およびアンテナ２３を真空容器１０外に引き出す際には、水平方向にこれらを引き出せばよい。そのため、天井高さがプラズマ処理装置１を収められる高さだけあればよく、天井が低い場所でも装置を設置することができる。

【0042】

多数の被処理物３１をプラズマ処理する場合であっても、鉛直方向には、多くの被処理物３１が存在しない。そのため、上部の被処理物３１から下部の被処理物３１に対するパーティクルの落下等を気にする必要がない。

【0043】

〔変形例〕
（噴出口４１の配置）
図７は、噴出口４１の配置を変更した変形例であるプラズマ処理装置２を示す側面図である。実施形態では、噴出口４１の配置は、噴出口４１および被処理物３１で、千鳥配置となるように配置し、アンテナ２３と噴出口４１とが同じ水平面内に配置された。対して、本変形例では、噴出口４１は同じ水平面内の被処理物３１の間に配置される。

【0044】

この結果、噴出口４１とアンテナ２３とが同じ水平面内に位置しなくなる。そのため、噴出口４１から噴出されたガスが直接的にアンテナ２３に吹き付けられなくなるため、アンテナ２３の表面にカーボン膜が成膜されることを防止することができる。

【0045】

また、この場合であっても、被処理物３１の周りのガス濃度は均一になり、被処理物３１は均等に反応していくことができる。

【0046】

（被処理物３１の配置）
図８は、被処理物３１の配置を変更した変形例であるプラズマ処理装置３を示す平面図である。実施形態では、アンテナ２３を挟んだ２つの被処理物３１は、互いに対向していた。対して、本変形例では、２つの被処理物３１は対向せずに、一方の被処理物の取り付け間隔の中央位置に、他方の被処理物が位置するようにする。つまり、被処理物３１がアンテナ２３を挟んだ二面において、互い違いに配置されることになる。

【0047】

実施形態では対向する２つの被処理物の先端で電界集中が発生し、プラズマ密度が均一ではなくなることがある。本変形例では、被処理物３１が対向せずに、互い違いに配置されるため、被処理物３１の先端で発生する電界集中が離散化する。その結果、均一な反応が促進されて、被処理物３１に均一にダイアモンドを成膜することができる。

【0048】

（アンテナ２３の延伸方向）
実施形態では、アンテナ２３は水平方向に延伸し、複数のアンテナは互いに対し鉛直方向に並べられた。

【0049】

ここで、アンテナ２３の延伸方向は水平方向に限定されず、任意の第１軸方向であればよい。また、複数のアンテナ２３の並び方は、鉛直方向に限定されず、第１軸に対して垂直な任意の第２軸方向であればよい。

【0050】

例えば、第１軸が鉛直方向であり、第２軸が水平方向であってもよい。図９は、アンテナ２３の延伸方向を変更した変形例であるプラズマ処理装置４の斜視図である。この場合、実施形態のものよりも多数の被処理物３１を鉛直方向に配置することができるため、プラズマ処理装置１よりもさらにプラズマ処理装置４の設置面積を小さくすることができる。そのため、設置面積に対して効率的にプラズマ処理することができる。

【0051】

また、この場合であっても、アンテナ２３およびホルダー３０を水平方向に引き出すことで容易に被処理物３１の交換およびメンテナンスを行うことができる。

【0052】

〔まとめ〕
本発明の態様１に係るプラズマ処理装置は、真空容器と、互いに平行に配置され、高周波電流が流されてプラズマを発生させる複数のアンテナと、前記真空容器内に前記複数のアンテナを挟むように配置され、複数の被処理物を固定する複数のホルダーと、を備える。

【0053】

上記の構成によれば、複数のアンテナが配置された一つの平面を挟んだ２面において、プラズマ処理を行うことができ、設置面積に対して効率的なプラズマ処理が可能となる。

【0054】

本発明の態様２に係るプラズマ処理装置は、前記態様１において、前記複数のアンテナのそれぞれは、第１方向に延伸し、前記複数のアンテナは、前記第１方向に垂直な第２方向に並んでもよい。

【0055】

上記の構成によれば、第１方向および第２方向によって構成される平面を、鉛直平面とすることによって、プラズマ処理装置の設置面積を小さくすることができる。

【0056】

本発明の態様３に係るプラズマ処理装置は、前記態様２において、前記第１方向は、水平方向であり、前記第２方向は鉛直方向であってもよい。

【0057】

上記の構成によれば、小さな設置面積において、多くの被処理物を処理できるプラズマ処理装置を実現することができる。また、鉛直方向において多くの被処理物が存在しないために、パーティクル等のリスクを低減することができる。

【0058】

本発明の態様４に係るプラズマ処理装置は、前記態様１から３のいずれかにおいて、前記複数のホルダーの少なくとも１つには、前記複数のホルダーに挟まれた空間にガスを導入する噴出口が形成されてもよい。

【0059】

上記の構成によれば、被処理物を均一なガスによって反応させることができるため、均一なプラズマ処理が可能となる。

【0060】

本発明の態様５に係るプラズマ処理装置は、前記態様２から４のいずれかにおいて、前記複数のホルダーは、前記第２方向において、前記アンテナ同士の中央に前記複数の被処理物が位置するように、前記複数の被処理物を固定してもよい。

【0061】

上記の構成によれば、均一なプラズマ密度によって、被処理物を処理することができる。

【0062】

本発明の態様６に係るプラズマ処理装置は、前記態様１から５のいずれかにおいて、前記複数のアンテナが位置する平面と前記被処理物の先端との間隔は、前記アンテナ同士の間隔以下となるように、前記複数のホルダーは、前記複数の被処理物を固定してもよい。

【0063】

上記の構成によれば、十分なプラズマ密度でもって、被処理物を処理することができる。

【0064】

本発明の態様７に係るプラズマ処理装置は、前記態様１から６のいずれかにおいて、前記被処理物同士の間隔Ｄは、前記アンテナ同士の間隔をＬとした場合において、Ｌ／１０≦Ｄ≦Ｌ／２の条件を満たしてもよい。

【0065】

上記の構成によれば、十分なプラズマ密度でもって、被処理物を処理することができる。

【0066】

本発明の態様８に係るプラズマ処理装置は、前記態様１から７のいずれかにおいて、前記複数のホルダーは、棒状の前記被処理物を、前記複数のアンテナが位置する平面に対して垂直になるように固定してもよい。

【0067】

上記の構成によれば、被処理物として棒状の形状、例えばドリル・エンドミル・リーマなどをプラズマ処理することができる。

【0068】

本発明の態様９に係るプラズマ処理装置は、前記態様１から８のいずれかにおいて、前記高周波電流の周波数は、１３．５６［ＭＨｚ］またはその倍数であってもよい。

【0069】

上記の構成によれば、プラズマを発生させる高周波電流は１３．５６［ＭＨｚ］とすることができる。

【0070】

本発明の態様１０に係るプラズマ処理装置は、前記態様１から９のいずれかにおいて、前記被処理物に対し、ダイアモンドを成膜してもよい。

【0071】

上記の構成によれば、被処理物に対してダイアモンドを成膜することができる。

【0072】

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0073】

１、２、３、４ プラズマ処理装置
１０ 真空容器
１１ 真空排気装置
２０ プラズマ源
２１ 高周波電源
２２ 整合回路
２３ アンテナ
２４ 温調機構
２５ 循環機構
３０ ホルダー
３１ 被処理物
４０ ガス供給部
４１ 噴出口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】