特許 7059969 プラズマ処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-18

(45)【発行日】2022-04-26

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/00 20060101AFI20220419BHJP

   H05H 1/24 20060101ALI20220419BHJP

【ＦＩ】

H05H1/00 A

H05H1/24

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019039650

(22)【出願日】2019-03-05

(65)【公開番号】P2020145038

(43)【公開日】2020-09-10

【審査請求日】2020-12-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000232302

【氏名又は名称】日本電産株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001933

【氏名又は名称】特許業務法人 佐野特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 大輔

【審査官】関口 英樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０６４６１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１７３８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１７９０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０９１７０２９５（ＵＳ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｈ１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源部から出力される出力電圧が印加される電圧印加電極を備え、前記電圧印加電極と前記電圧印加電極に対向する対向電極との間で発生するプラズマにより被処理物を処理するプラズマ処理装置であって、
前記電圧印加電極と前記被処理物とを相対的に移動させるアクチュエータと、
前記対向電極と前記アクチュエータとの間に配置される絶縁部と、
前記対向電極を介して流れる電流を検出する電流検出部と、
を備え、
前記対向電極は前記被処理物である、プラズマ処理装置。

【請求項2】

前記アクチュエータは接地される、請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項3】

前記電源部は、前記電圧印加電極に前記出力電圧を印加させる第１出力端と、前記第１出力端とは他方の第２出力端と、を有し、
前記電流検出部は、前記対向電極と、前記第２出力端とを導通させる第１ラインに配置され、
前記第１ラインは、前記アクチュエータを接地させる第２ラインとは非接続である、請求項２に記載のプラズマ処理装置。

【請求項4】

前記被処理物が載置されるステージをさらに備え、
前記絶縁部は、前記ステージと前記アクチュエータとの間に配置され、
前記電流検出部と前記ステージとは第３ラインによって接続される、請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項5】

大気圧でのプラズマ放電により前記被処理物を処理する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項6】

前記電圧印加電極と前記対向電極の少なくとも一方の対向側電極面に誘電体部が配置される、請求項５に記載のプラズマ処理装置。

【請求項7】

前記電流検出部の検出結果に基づきプラズマ放電が正常状態であるかを判定する判定部をさらに備える、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項8】

前記判定部は、前記電流検出部による検出電流値に関する経時変化を検出する、請求項７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、プラズマ処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、密閉容器の内部を減圧してプラズマを発生し、当該密閉容器内に配置されたワークをプラズマ処理する技術が多く利用された。このようなプラズマ処理を行うプラズマ処理装置の一例は、特許文献１に開示される。

【0003】

上記特許文献１のプラズマ処理装置は、処理対象物を処理室内に収容してプラズマ処理を行う装置であって、放電検出センサを有する。放電検出センサは、板状の誘電体部材と、プローブ電極と、を有する。

【0004】

誘電体部材の一方の面は、処理室内で発生するプラズマに対向して真空チャンバに装着される。プローブ電極は、誘電体部材の他方の面に配置される。プローブ電極は、検出導線を介して信号記録部に接続される。

【0005】

プローブ電極には、プラズマの状態に応じた電位が誘起される。プローブ電極の電位は、検出導線によって信号記録部に導かれ、プラズマの状態に応じた電位変化の信号は、信号記録部によって記録される。これにより、処理室の内部において異常放電などが発生すると、プラズマの状態が変動し、この変動はプローブ電極の電位変化として検出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００９－１３５２５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、プラズマ処理装置には処理対象物を搬送するアクチュエータなどが搭載されており、アクチュエータではプラズマ生成用の電源から受けた電磁波によりノイズが発生する虞があり、上記特許文献１では、上記ノイズの放電検出センサへの影響は考慮されていない。

【0008】

特に近年では、大気圧下で安定的にプラズマ放電させる技術が確立されてきており、開放空間でのプラズマ処理が実用化されている。このような大気圧プラズマ処理においては、より高い電圧を電極に印加させる必要があるため、上記ノイズによる影響がより大きくなる。

【0009】

上記状況に鑑み、本発明は、簡易な構成によりプラズマ放電状態を精度良く検出できるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の例示的なプラズマ処理装置は、電源部から出力される出力電圧が印加される電圧印加電極を備え、前記電圧印加電極と前記電圧印加電極に対向する対向電極との間で発生するプラズマにより被処理物を処理するプラズマ処理装置であって、前記電圧印加電極と前記被処理物とを相対的に移動させるアクチュエータと、前記対向電極と前記アクチュエータとの間に配置される絶縁部と、前記対向電極を介して流れる電流を検出する電流検出部と、を備える。

【発明の効果】

【0011】

本発明の例示的なプラズマ処理装置によれば、簡易な構成によりプラズマ放電状態を精度良く検出できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置の全体構成を概略的に示す図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置における電圧印加電極に印加される出力電圧と、電流検出部により検出される検出電流信号の波形例を示す図である。

【図3】図３は、比較例に係るプラズマ処理装置における出力電圧と検出電流信号の波形例を示す図である。

【図4】図４は、被処理物の処理工程の一例を示す上面図である。

【図5】図５は、第２実施形態に係るプラズマ処理装置の全体構成を概略的に示す図である。

【図6】図６は、第３実施形態に係るプラズマ処理装置の全体構成を概略的に示す図である。

【図7】図７は、第４実施形態に係るプラズマ処理装置の全体構成を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

【0014】

＜１．第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０の全体構成を概略的に示す図である。

【0015】

図１に示すプラズマ処理装置１０は、大気圧下でプラズマを発生させ、金属製の被処理物１に対してプラズマ処理を行う装置である。プラズマ処理装置１０は、電圧印加電極２と、誘電体部３と、電源部４と、ステージ５と、絶縁部６と、アクチュエータ７と、を有する。

【0016】

電源部４は、第１出力端４１と、第２出力端４２と、を有する。電源部４は、第１出力端４１から電圧印加電極２に高周波であって高電圧の出力電圧を印加する。上記出力電圧は、交流電圧である。すなわち、プラズマ処理装置１０は、電源部４から出力される出力電圧が印加される電圧印加電極２を備える。また、電源部４は、電圧印加電極２に出力電圧を印加させる第１出力端４１と、第１出力端４１とは他方の第２出力端４２と、を有する。

【0017】

電源部４が印加する電圧の周波数は、例えば、１ｋＨ～１００ｋＨｚである。電源部４が印加する電圧の波形は、パルス波形が望ましいが、その他にも正弦波、矩形波等でもよく、大気圧プラズマ放電で用いられる公知の波形を用いればよい。また、電源部４が印加する電圧は、例えば５ｋＶｐｐ～２０ｋＶｐｐであり、電圧印加電極２と被処理物１との間のギャップ等によって適宜設定される。

【0018】

被処理物１は、金属製であり、電圧印加電極２と上下方向に対向する。電圧印加電極２は、被処理物１と対向する側の端面として、対向側電極面２１を有する。被処理物１は、電圧印加電極２と対向する側の端面として、対向側電極面１１を有する。

【0019】

誘電体部３は、対向側電極面２１に配置される。誘電体部３の材料としては、アルミナ、ジルコニアなどのセラミック材料、または快削性セラミックなどが好適に使用される。誘電体部３と被処理物１との間に隙間Ｓ１が形成される。隙間Ｓ１において発生したプラズマＰにより被処理物１の被処理面としての対向側電極面１１がプラズマ処理される。被処理物１は、電圧印加電極２と対向する対向電極として機能し、誘電体部３と被処理物１との間に発生するプラズマＰによってダイレクトに被処理物１は処理される。すなわち、プラズマ処理装置１０は、電圧印加電極２と電圧印加電極２と対向する対向電極１との間で発生するプラズマにより被処理物１を処理する。

【0020】

ステージ５は、被処理物１が載置されて、被処理物１を保持する。すなわち、プラズマ処理装置１０は、被処理物１が載置されるステージ５を備える。ステージ５は、金属製である。

【0021】

絶縁部６は、ステージ５とアクチュエータ７との間に配置される。すなわち、絶縁部６は、対向電極１とアクチュエータ７との間に配置される。絶縁部６は、例えばシート状の絶縁材により構成される。絶縁部６は、ステージ５とアクチュエータ７とを電気的に絶縁する。

【0022】

アクチュエータ７は、被処理物１をステージ５および絶縁部６ごと搬送方向に搬送する。すなわち、アクチュエータ７は、電圧印加電極２と被処理物１とを相対的に移動させる。

【0023】

ステージ５は、第１ラインＬ１を介して第２出力端４２に接続される。信号処理ボックス８は、電流検出部８１と、判定部８２を収容する。電流検出部８１は、第１ラインＬ１の途中に配置される。すなわち、電流検出部８１は、対向電極１と第２出力端８２とを導通させる第１ラインＬ１に配置される。

【0024】

アクチュエータ７は、第２ラインＬ２によって接地される。第１ラインＬ１は、アクチュエータ７を接地させる第２ラインＬ２とは非接続である。

【0025】

電流検出部８１とステージ５とは、第３ラインＬ３によって接続される。すなわち、第３ラインＬ３は、第１ラインＬ１の一部である。

【0026】

電流検出部８１は、例えば電流を電圧に変換する抵抗によって構成される。隙間Ｓ１において放電が発生した場合、放電電流は被処理物１およびステージ５を介して電流検出部８１を流れる。これにより、電流検出部８１は、放電電流を検出する。すなわち、電流検出部８１は、対向電極１を介して流れる電流を検出する。

【0027】

判定部８２は、電流検出部８１の検出結果に基づき判定処理を行う。判定部８２による判定の具体例については後述する。

【0028】

＜２．プラズマ放電について＞
大気圧下で被処理物１をプラズマ処理するプラズマ処理装置１０においては、電圧印加電極２に誘電体部３を配置して、電源部４により電圧印加電極２に高電圧・高周波の出力電圧を印加することで、隙間Ｓ１において誘電体バリア放電が発生する。放電電流により運ばれる電荷が誘電体部３に蓄積することで隙間Ｓ１に加わる電圧が減少し、自動的に放電が停止される。これにより、誘電体バリア放電はパルス状の放電となり、安定した大気圧非熱平衡プラズマを得ることができる。

【0029】

なお、ガス供給手段により隙間Ｓ１に処理ガスを供給してもよい。処理ガスは、窒素、または窒素と空気との混合ガスなど、ガス種は限定されない。

【0030】

ここで、図２は、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０における電圧印加電極２に印加される出力電圧Ｖと、電流検出部８１により検出される検出電流信号Ｉの波形例を示す図である。なお、図２では、一例として正弦波状の出力電圧Ｖを印加した場合を示す。

【0031】

図２に示すように、出力電圧Ｖの極性が切替わるタイミング付近でパルス状の放電電流が発生する。図２の例えばＡ領域において、放電電流が発生している。図２では、検出電流信号Ｉへのノイズの影響は小さく、放電電流はpeak to peak値が大きく明確となっている。これは、アクチュエータ７からのノイズの電流検出部８１への流入を絶縁部６により抑制し、被処理物１を流れる放電電流のアクチュエータ７への流出を絶縁部６により抑制できるためと考えられる。これにより、電流検出部８１により検出される放電電流のＳ／Ｎ比を向上させることができる。従って、簡易な構成によりプラズマ放電状態を精度良く検出できる。

【0032】

参考として図３は、仮にアクチュエータ７とステージ５とを絶縁しなかった場合の出力電圧と検出電流信号の波形例を示す図である。この場合、検出電流信号Ｉへのノイズの影響が大きくなり、例えばＢ領域で示すように放電電流は、peak to peak値が小さくなっており不明確である。これにより、放電電流のＳ／Ｎ比が劣化している。

【0033】

なお、アクチュエータ７からのノイズは、アクチュエータ７が駆動する際に発生するノイズに加え、アクチュエータ７が電源部４から受ける電磁波に基づくノイズも含まれる。本実施形態のプラズマ処理装置１０は、大気圧でのプラズマ放電により被処理物１を処理する。大気圧でのプラズマ放電では、電源部４により高電圧・高周波の出力電圧が電圧印加電極２に印加されるため、アクチュエータ７が電源部４から受ける電磁波によりノイズが発生しやすいが、絶縁部６によりノイズの電流検出部８１への流入を抑制できる。

【0034】

また、本実施形態では、対向電極は、被処理物１である。これにより、ダイレクト方式によるプラズマ処理を行うプラズマ処理装置１０において、簡易な構成によりプラズマ放電状態を精度良く検出できる。

【0035】

また、アクチュエータ７は、第２ラインＬ２によって接地されるので、アクチュエータ７で発生したノイズは接地により吸収され、ノイズの電流検出部８１への流入をより抑制できる。

【0036】

また、第１ラインＬ１は、アクチュエータ７を接地させる第２ラインＬ２とは非接続であるので、グランドからのノイズが電流検出部８１へ流入することを抑制できる。

【0037】

また、電流検出部８１とステージ５とは第３ラインＬ３によって接続されるので、被処理物１に電流検出部８１をラインによって接続させる必要がなくなり、処理工程を簡易化できる。

【0038】

＜３．被処理物の処理工程＞
次に、被処理物１の処理工程の一例について説明する。図４は、被処理物１の処理工程の一例を示す上面図である。図４において、Ｙ軸方向はアクチュエータ７により被処理物１を搬送する方向を示し、Ｚ軸方向は上下方向を示し、Ｘ軸方向はＹ軸方向およびＺ軸方向に直交する方向である。

【0039】

まず、工程ＳＴ１において、被処理物１はステージ５にセットされる。ここで、被処理物１は、一例として円筒形状を有する部材であり、上面である被処理面として円環面を有する。すなわち、当該円環面は、対向側電極面１１である。

【0040】

ステージ５に載置された被処理物１は、アクチュエータ７によりＹ軸方向一方側へ搬送される。そして、工程ＳＴ２において、変位計１５により被処理物１の被処理面の高さが計測される。このとき、被処理物１はアクチュエータ７によりＹ軸方向への移動を制御され、変位計１５はＸ軸方向への移動を制御される。これにより、被処理面である円環面の高さを計測することができる。

【0041】

次に、被処理物１はアクチュエータ７によりＹ軸方向一方側へ搬送される。そして、工程ＳＴ３において、被処理物１の被処理面は、電圧が印加された電圧印加電極２によって発生するプラズマによりプラズマ処理される。具体的には、被処理物１はアクチュエータ７によりＹ軸方向の移動を制御され、電圧印加電極２はＸ軸方向の移動を制御される。このとき、電圧印加電極２は、工程ＳＴ２での計測結果に基づいてＺ軸方向の移動を制御されるので、電圧印加電極２と被処理面との間のギャップが円環面の周方向において一定に制御される。

【0042】

そして、被処理物１はアクチュエータ７によりＹ軸方向一方側へ搬送され、工程ＳＴ４で被処理物１はステージ５から取り外されて搬出される。

【0043】

なお、アクチュエータ７と、変位計１５および電圧印加電極２を移動させる機構による被処理物１と変位計１５および電圧印加電極２との相対的な移動についての３軸方向の分担は任意でよい。例えば、変位計１５および電圧印加電極２は固定とし、アクチュエータ７が被処理物１を３軸方向に移動させてもよい。または、被処理物１は固定とし、変位計１５を２軸方向へ移動させ、電圧印加電極２を３軸方向へ移動させてもよい。この場合、アクチュエータは、電圧印加電極２を移動させる。すなわち、アクチュエータ７は、電圧印加電極２と被処理物１とを相対的に移動させる。

【0044】

＜４．判定部による判定処理＞
判定部８２は、電流検出部８１による検出結果に基づいて各種の判定処理を行うことができる。以下、判定処理の一例について説明する。

【0045】

例えば、判定部８２は、電流検出部８１により検出された検出電流値を第１閾値および第１閾値よりも高い第２閾値と比較してもよい。この場合、検出電流値が第１閾値以上かつ第２閾値以下であれば、正常放電状態であると判定し、検出電流値が第１閾値より低ければ、非放電状態であると判定し、検出電流値が第２閾値より高ければ、異常放電状態であると判定する。なお、検出電流値は、例えば検出電流信号のpeak to peak値を用いる。

【0046】

上記異常放電状態は、誘電体部３の絶縁破壊または隙間Ｓ１への異物の混入などによりアーク放電が生じた状態である。

【0047】

また、判定部８２は、検出電流値のレベルが経時的に低下しているかを判定してもよい。この場合、判定部８２は、例えば不図示の表示部などを用いて電圧印加電極２の交換を促す警告を行うこともできる。

【0048】

また、判定部８２は、検出電流値が所定の閾値を上回る回数が経時的に増加しているかを判定してもよい。

【0049】

すなわち、プラズマ処理装置１０は、電流検出部８１の検出結果に基づきプラズマ放電が正常状態であるかを判定する判定部８２を備える。これにより、プラズマ放電が正常状態であるかを精度良く判定できる。

【0050】

また、判定部８２は、電流検出部８１による検出電流値に関する経時変化を検出する。これにより、各種の警告を行うことができる。

【0051】

＜５．第２実施形態＞
図５は、第２実施形態に係るプラズマ処理装置１０１の全体構成を概略的に示す図である。

【0052】

プラズマ処理装置１０１の第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０との相違点は、ステージ５に接続されて途中に電流検出部８１が配置される第４ラインＬ４と、アクチュエータ７に接続される第５ラインＬ５と、第２出力端４２に接続される第６ラインＬ６と、がともに接地されることである。

【0053】

＜６．第３実施形態＞
図６は、第３実施形態に係るプラズマ処理装置１０２の全体構成を概略的に示す図である。

【0054】

プラズマ処理装置１０２の第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０との相違点は、アクチュエータ７が接地されず、フローティング状態であることである。アクチュエータ７から発生するノイズが少ない場合は、プラズマ処理装置１０２の構成であっても、電流検出部８１へ流入するノイズを絶縁部６により十分に抑制できる。

【0055】

＜７．第４実施形態＞
図７は、第４実施形態に係るプラズマ処理装置１０３の全体構成を概略的に示す図である。

【0056】

プラズマ処理装置１０３は、電圧印加電極２０と、誘電体部３０と、電源部４０と、対向電極５０と、絶縁部６０と、アクチュエータ７０と、信号処理ボックス８０と、を備える。

【0057】

電圧印加電極２０は、電源部４０の第１出力端４０１から出力される出力電圧が印加される電極であり、例えば上下方向である軸方向に延びる円柱状に構成される。対向電極５０は、電圧印加電極２０と軸方向に対する径方向に対向する電極であり、例えば電圧印加電極２０の径方向外側を囲む筒状体に構成される。

【0058】

誘電体部３０は、電圧印加電極２０の外周面である対向側電極面２０１に配置されて円筒状を有し、対向電極５０と電圧印加電極２０との間に配置される。これにより、誘電体部３０と対向電極５０との間に円筒状の隙間Ｓ２が形成される。

【0059】

対向電極５０は、第７ラインＬ７により電源部４０の第２出力端４０２に接続される。信号処理ボックス８０は、電流検出部８０１と判定部８０２を収容する。電流検出部８０１は、第７ラインＬ７の途中に配置される。

【0060】

被処理物９０は、電圧印加電極２０の下方に配置される。処理ガスを上方から隙間Ｓ２に導き、電源部４０により高電圧・高周波の出力電圧を電圧印加電極２０に印加させることで、大気圧下で隙間Ｓ２において誘電体バリア放電が発生し、隙間Ｓ２にプラズマが発生する。発生したプラズマは、被処理物９０の被処理面に導かれ、被処理面がプラズマ処理される。すなわち、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０３は、リモート方式によるプラズマ処理を行う。

【0061】

絶縁部６０は、対向電極５０とアクチュエータ７０とを電気的に絶縁する。アクチュエータ７０は、電圧印加電極２０、誘電体部３０、および対向電極５０を被処理物９０に対して移動させる。なお、アクチュエータ７０は、被処理物９０を移動させてもよい。すなわち、アクチュエータ７０は、電圧印加電極と被処理物とを相対的に移動させる。アクチュエータ７０は、接地される。

【0062】

隙間Ｓ２において放電が発生すると、対向電極５０を介して流れる放電電流は電流検出部８０１により検出される。このとき、放電電流は絶縁部６０によりアクチュエータ７０へ流出することが抑制される。また、アクチュエータからのノイズの電流検出部８０１への流入を絶縁部６０により抑制できる。これにより、電流検出部８０１により検出される放電電流のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

【0063】

なお、誘電体部３０は、電圧印加電極２０の対向側電極面２０１の代わりに対向電極５０の対向側電極面５０１に設けてもよいし、対向側電極面２０１と対向側電極面５０１の両方に設けてもよい。すなわち、電圧印加電極２０と対向電極５０の少なくとも一方の対向側電極面に誘電体部３０が配置される。これにより、誘電体バリア放電方式において、誘電体部３０の絶縁破壊または放電空間への異物の混入などによりアーク放電が生じた場合でも、異常放電を精度良く検出できる。

【0064】

＜８．その他＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々の変形が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0065】

本発明は、被処理物に対する各種のプラズマ処理に利用することができる。

【符号の説明】

【0066】

１・・・被処理物、１１・・・対向側電極面、２・・・電圧印加電極、２１・・・対向側電極面、３・・・誘電体部、４・・・電源部、４１・・・第１出力端、４２・・・第２出力端、５・・・ステージ、６・・・絶縁部、７・・・アクチュエータ、８・・・信号処理ボックス、８１・・・電流検出部、８２・・・判定部、１０・・・プラズマ処理装置、１５・・・変位計、１０１～１０３・・・プラズマ処理装置、２０・・・電圧印加電極、２０１・・・対向側電極面、３０・・・誘電体部、４０・・・電源部、４０１・・・第１出力端、４０２・・・第２出力端、５０・・・対向電極、５０１・・・対向側電極面、６０・・・絶縁部、７０・・・アクチュエータ、８０・・・信号処理ボックス、８０１・・・電流検出部、８０２・・・判定部、９０・・・被処理物、Ｌ１・・・第１ライン、Ｌ２・・・第２ライン、Ｌ３・・・第３ライン、Ｌ４・・・第４ライン、Ｌ５・・・第５ライン、Ｌ６・・・第６ライン、Ｌ７・・・第７ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】