(57)【要約】【課題】  プラズマと反応剤を十分に混合させて、電極に反応剤を堆積させないようにできるプラズマシステムを提供する。【解決手段】  プラズマシステムであって、プラズマキャビティと注入装置２００を含む。プラズマキャビティは、プラズマを発生するために、第１の電極と第２の電極を含む。注入装置は、プラズマ注入管２１０と少なくとも一つの反応剤注入管２２０を含む。プラズマ注入管はプラズマキャビティに接続される。プラズマ注入管は注入口Ｈ１、排出口Ｈ２、外部側壁Ｓ２を含む。プラズマ注入管は、注入口からプラズマを取り込み、排出口から出力する。外部側壁は注入口から排出口に向かって徐々に断面幅が小さくなる。反応剤注入管は、外部側壁の外側に配置される。反応剤注入管は、外部側壁へ反応剤を注入し、反応剤が外壁に沿って排出口に向かって流れ、プラズマと排出口で混合されるようにする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマシステムであって、
プラズマを発生するための第１の電極と第２の電極とを含むプラズマキャビティと、
前記プラズマキャビティに接続されるプラズマ注入管と、外部側壁の外側に配置される少なくとも一つの反応剤注入管とを含む注入装置と、
を含み、
前記プラズマ注入管は、
注入口と排出口と外部側壁とを含み、
前記注入口から前記プラズマを取り込み、前記排出口から前記プラズマを出力し、
前記外部側壁は前記注入口から前記排出口に向かって徐々に断面幅が小さくなり、
前記反応剤注入管は、
反応剤が前記外部側壁に沿って前記排出口に向かって流れ、前記プラズマと前記排出口で混合されるようにするために、前記反応剤を前記外部側壁へ注入する、プラズマシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマシステムにおいて、
前記外部側壁は、
前記反応剤を回転させるための複数のフィンを含む、プラズマシステム。
【請求項３】
請求項１乃至２のいずれかに記載のプラズマシステムにおいて、
前記プラズマ注入管は、
前記プラズマキャビティに対して回転可能に接続されている、プラズマシステム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマシステムにおいて、
前記注入口の直径は前記排出口の直径よりも大きい、プラズマシステム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマシステムにおいて、
前記プラズマ注入管は、
前記第２の電極と電気的に接続されている、プラズマシステム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマシステムにおいて、
前記反応剤注入管は、
前記注入口と前記排出口を結ぶ線に対してほぼ垂直に配置されている、プラズマシステム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマシステムにおいて、
前記注入装置は、
前記反応剤注入管に接続され開口部を含むカバーを含み、
前記開口部は、
前記排出口に対応する位置に配置されている、プラズマシステム。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマシステムにおいて、
前記開口部は、
その直径が前記排出口の直径よりも大きい、プラズマシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照することにより本書に組み込まれる２００９年１１月２日に出願された台湾出願番号９８１３７１６５の表題に係る出願の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は概してプラズマシステム、特に注入装置を備えるプラズマシステム等に関する。
【背景技術】
【０００３】
ここ数年発展し続けているプラズマ技術は、プラズマや活性種の高エネルギー粒子（電子とイオン）を用いることで、加工対象物に対して薄膜形成、エッチング加工、表面改善の効果を与える。プラズマ技術は、光電子および半導体産業、３Ｃ製品（コンピュータ、通信機器、コンシューマーエレクトロニクス）、自動車産業、民間の素材産業、医用材料の表面加工等に応用される。
【０００４】
プラズマによる薄膜形成技術を例にとる。薄膜形成において、反応剤とプラズマを混合することは、反応剤を活性化させて基材表面の活量を増大させ得る。現在まで、プラズマによる薄膜形成技術において、プラズマと反応剤を混合するいくつかの方法が開発されてきた。例えば、日本の特許出願公開番号２０００−１２１８０４の出願は、上部電極と下部電極の間でプラズマが発生する発明を開示する。基材は下部電極の上に配置される。反応剤は、上部電極と下部電極の間の空間に注入される。しかしながら、このプラズマと反応剤を混合する方法では、反応剤が上部電極の表面に容易に堆積し、プラズマの安定性に影響を与えてしまい、続く製造工程に悪影響を与えることとなる。
【０００５】
さらに、欧州特許番号０６１７１４２の出願は、電極棒と円筒状電極を用いてプラズマを発生させる発明を開示する。電極棒は円筒状電極の中央に配置される。反応剤は、電極棒と円筒状電極の間の空間に注入される。この方法でも、反応剤は電極棒、又は円筒状電極の表面に堆積する。
【０００６】
その上、定期刊行物である応用物理レター８９．２５１５０４（２００６年）において、「堆積手段としての大気圧マイクロプラズマジェット」という論文は小さな電極管と大きな電極管によってプラズマを発生することが報告されている。小さな電極管は大きな電極管の中央に配置され、反応剤は小さな電極管を経由して小さな電極管と大きな電極管の間の空間に注入される。この方法でも、反応剤は小さな電極管、又は大きな電極管の表面に堆積する。
【０００７】
前記特許公報や前記定期刊行物に記載された方法は、プラズマと反応剤を十分に混合することを目的とするが、その結果反応剤を電極に堆積させてしまう。
【０００８】
いくつかの方法によると電極に反応剤が堆積しないようにできるが、プラズマと反応剤が十分に混合しない可能性があり、その結果、製造効率を低下させる。プラズマ技術は現在発達途上にあるため、電極に反応剤を堆積させずにプラズマと反応剤を十分に混合させる方法は存在せず、このことはプラズマ技術の発達を著しく制限している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は注入装置を備えるプラズマシステム等に関する。適切な構造設計を用いることで、プラズマと反応剤を十分に混合させて、電極に反応剤を堆積させないようにできる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の態様によればプラズマシステムが提供される。当該プラズマシステムは、プラズマキャビティと注入装置を含む。プラズマキャビティは、プラズマを発生するために、第１の電極と第２の電極を含む。注入装置は、プラズマ注入管と少なくとも一つの反応剤注入管を含む。プラズマ注入管はプラズマキャビティに接続される。プラズマ注入管は注入口、排出口、外部側壁を含む。プラズマ注入管は、注入口からプラズマを取り込み、排出口から出力する。外部側壁は注入口から排出口に向かって徐々に断面幅が小さくなる。反応剤注入管は、外部側壁の外側に配置される。反応剤注入管は、外部側壁へ反応剤を注入し、反応剤が外部側壁に沿って排出口に向かって流れ、プラズマと排出口で混合されるようにする。
【００１１】
本発明は下記の実施形態についての詳細な説明から明らかとなるであろう。下記の記載は添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマシステムを示す図。
【図２】図２は、図１の注入装置の断面を示す立体図。
【図３】図３は、図１の注入装置の断面を示す平面図。
【図４】図４は、図２又は図３のプラズマ注入管の立体図。
【図５】図５は、図２又は図３のプラズマ注入管の立体図。
【図６】図６は、図２又は図３のプラズマ注入管の立体図。
【図７】図７は、図６のプラズマ注入管の底面図。
【図８】図８は、非回転条件下におけるプラズマ注入管内でのプラズマと反応剤を示す図。
【図９】図９は、回転条件下におけるプラズマ注入管内でのプラズマと反応剤を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
下記において、いくつかの実施形態についての詳細な説明を行う。しかしながら、これらの実施形態は図に示された形態のみと理解されるべきでなく、本発明の範囲を限定するものではない。さらに、これらの実施形態における図面は、発明の特徴を明確に示すために不必要な要素を省略している。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマシステム１０００を示す。本実施形態に係るプラズマシステム１０００は、表面活性化、クリアランス（間隙）、エッチング加工、薄膜形成に応用され得る。本実施形態では、プラズマシステム１０００は薄膜堆積プロセスで利用されるものとして例示する。プラズマシステム１０００はプラズマキャビティ１００と注入装置２００を含む。プラズマキャビティ１００は例えば真空キャビティであってもよいし、大気圧キャビティであってもよい。本実施形態のプラズマシステム１０００は、真空中のプロセスで応用されてもよいし、大気圧下のプロセスで応用されてもよい。本実施形態において、プラズマキャビティ１００は図のように大気圧下のプロセスで応用されているものとして例示する。プラズマキャビティ１００はプラズマＥを発生させるために使われる。注入装置２００は反応剤Ｒを注入するためにプラズマキャビティ１００に接続される。プラズマシステム１０００が薄膜堆積プロセスに応用される場合、反応剤は例えば薄膜素材を含む気体、又は霧状になった液体である。反応剤Ｒはキャリアガスによって注入装置２００に至る。反応剤Ｒは薄膜形成モノマー又は前駆物質とも呼ばれ得る。注入装置２００を経由することで、プラズマＥは反応剤Ｒと混合される。
【００１５】
プラズマキャビティ１００は第１の電極１１０と第２の電極１２０を含む。第１の電極１１０と第２の電極１２０の間で生じた電圧降下によって、プラズマキャビティ１００のガスがイオン化してプラズマＥとなる。第１の電極１１０と第２の電極１２０はそれぞれ正電極と接地電極であってもよい。
【００１６】
図２、図３はそれぞれ図１の注入装置２００の断面を示す立体図、平面図である。注入装置２００はプラズマ注入管２１０と少なくとも一つの反応剤注入管２２０とカバー２３０を含む。プラズマ注入管２１０は、図１のプラズマキャビティ１００に接続される。プラズマ注入管２１０は、注入口Ｈ１、排出口Ｈ２、内部側壁Ｓ１、外部側壁Ｓ２を含む。プラズマ注入管２１０は、注入口Ｈ１からプラズマＥを取り込み、排出口Ｈ２から出力する。反応剤注入管２２０は、外部側壁Ｓ２の外側に配置される。本実施形態では、２種類の反応剤Ｒを注入するために２つの反応剤注入管２２０が注入装置２００内に配置されている。他の実施形態において、２種類より多い反応剤Ｒを注入するために、２つよりも多くの反応剤注入管２２０が使用されてもよい。カバー２３０は反応剤注入管２２０に接続されており、カバー２３０は排出口Ｈ２に対応する位置にある開口部Ｈ３を有する。
【００１７】
図３の通り、プラズマ注入管２１０がプラズマＥを発生させるのに使われる内部空間を有するように、本実施形態のプラズマ注入管２１０は金属で作られており、図１の第２の電極１２０と電気的に接続されている。プラズマ注入管２１０の内部側壁Ｓ１は注入口Ｈ１から排出口Ｈ２に向かって徐々に断面幅が小さくなる。すなわち、注入口Ｈ１の直径Ｄ１は排出口Ｈ２の直径Ｄ２よりも大きい。そのため、プラズマＥが排出口Ｈ２から出力されるとき、プラズマＥの流速は加速される。さらに、プラズマ注入管２１０の外部側壁Ｓ２も注入口Ｈ１から排出口Ｈ２に向かって徐々に断面幅が小さくなる。そのため、プラズマ注入管２１０はまるで円錐構造のようになる。
【００１８】
図３のように、反応剤注入管２２０は反応剤Ｒを外部側壁Ｓ２に注入するのに使用される。プラズマ注入管２１０の外部側壁Ｓ２は注入口Ｈ１から排出口Ｈ２に向かって徐々に断面幅が小さくなるので、反応剤Ｒが外部側壁Ｓ２に注入されると、反応剤Ｒは自然と外部側壁Ｓ２に沿って排出口Ｈ２へと流れる。
【００１９】
さらに、本実施形態の反応剤注入管２２０は、注入口Ｈ１と排出口Ｈ２を結ぶ線Ｌ１に対してほぼ垂直に配置されている。外部側壁Ｓ２は、注入口Ｈ１と排出口Ｈ２を結ぶ線Ｌ１に対して傾いている。したがって、外部側壁Ｓ２は反応剤注入管２２０に対しても傾いている。そのため、反応剤注入管２２０は反応剤Ｒをスムーズに外部側壁Ｓ２に沿って排出口Ｈ２へと導くことができる。
【００２０】
図３のように、カバー２３０はプラズマ注入管２１０の排出口Ｈ２に配置されて、排出口Ｈ２で混合用スペースＳＰを形成する。外部側壁Ｓ２に沿って排出口Ｈ２へと流れた後で、反応剤Ｒは混合用スペースＳＰにおいてプラズマＥと十分に混ざることができる。さらに、カバー２３０の開口部Ｈ３がプラズマＥと混ざった反応剤Ｒを噴出させられるように、本実施形態の開口部Ｈ３の直径Ｄ３は排出口Ｈ２の直径Ｄ２よりも大きく設計されている。カバー２３０と反応剤注入管２２０は、必要ならば２つの分離した部分からなる構造であってもよいし、一体化した構造であってもよい。
【００２１】
本実施形態では、プラズマ注入管２１０の外側の混合用スペースＳＰでプラズマＥと反応剤Ｒが混ざる。第１の電極１１０と第２の電極１２０は反応剤Ｒと接触しないようにプラズマキャビティ１００内に配置される。したがって、反応剤Ｒは第１の電極１１０にも第２の電極１２０にも堆積することはない。このことにより、プラズマＥは安定性を増すだけでなく、続く製造工程への悪影響も防ぐ。
【００２２】
図４から図６は、図２又は図３のプラズマ注入管２１０の立体図である。本実施形態のプラズマ注入管２１０は、図１のプラズマキャビティ１００に対して回転可能に接続されている。プラズマ注入管２１０の外部側壁Ｓ２は６つのフィン２１１を有する。図７は、図６のプラズマ注入管２１０の底面図である。フィン２１１はプラズマ注入管２１０の中心点Ｃからわずかに離れて配置されている。したがって、図３の反応剤Ｒが外部側壁Ｓ２に到達すると、フィン２１１を押してプラズマ注入管２１０が回転し、続いて注入される反応剤Ｒはプラズマ注入管２１０と共に回転できる。このように、反応剤Ｒは渦を巻きながら外部側壁Ｓ２に沿って排出口Ｈ２へと流れ込むことができる。
【００２３】
図８、図９は、それぞれ非回転条件下、回転条件下におけるプラズマ注入管２１０内でのプラズマＥと反応剤Ｒの混合を示す図である。図８のように、非回転条件下におけるプラズマ注入管２１０では、プラズマＥと反応剤Ｒはほぼ平行に下方に噴出される。図９のように、回転条件下におけるプラズマ注入管２１０では、反応剤Ｒは中心部に向かって集められプラズマＥの周りを回転する。図８と図９を比較すると、反応剤Ｒが中心部に向かって集められプラズマＥの周りを回転する時に、プラズマＥと反応剤Ｒはより長い反応時間とより良好な混合状態を有するので、その結果として堆積速度が増大することがわかる。
【００２４】
前記の実施形態のプラズマ注入管２１０は、反応剤Ｒが外部側壁Ｓ２に到達するとフィン２１１を押すために、自動的に回転することができる。しかしながら、別の実施形態では、プラズマシステム１０００はプラズマ注入管２１０を回転させるために、プラズマ注入管２１０に接続される例えばモーターのような電気的な動力源をさらに含んでいてもよい。これにより、プラズマ注入管２１０は、能動的に反応剤Ｒが渦を巻きながら排出口Ｈ２へと流れるようにすることができる。
【００２５】
さらに、本実施形態の反応剤注入管２２０は、プラズマ注入管２１０に対して対称的に配置されている。この構造により、前記の動力源を要することなく、反応剤注入管２２０経由で反応剤Ｒを異なる流量又は流速で注入してフィン２２１を回転させることができる。別の実施形態において、反応剤Ｒがより容易にフィン２１１を押してプラズマ注入管２１０の回転速度を速められるように、反応剤注入管２２０はプラズマ注入管２１０に対して若干非対称に設計されていてもよい。
【００２６】
いくつかの実施形態において、前記の動力源、異なる反応剤の流量、流速、非対称の反応剤注入管２２０といった設計のうち２つ又は３つが必要に応じて同時に選択されてもよい。
【００２７】
本発明は例示により、そして適する実施形態の観点から記載されたが、本発明がこれらの形態に限定されるものでないことは理解されるであろう。それどころか、様々な変形、類似のアレンジや手順をも意図するものであり、そのような変形、類似のアレンジや手順の全てを包含するために、特許請求の範囲の補正可能な範囲は最も広義に解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００２８】
１００…プラズマキャビティ、１１０…第１の電極、１２０…第２の電極、２００…注入装置、２１０…プラズマ注入管、２１１…フィン、２２０…反応剤注入管、２３０…カバー、１０００…プラズマシステム、Ｈ１…注入口、Ｈ２…排出口、Ｈ３…開口部、Ｓ１…内部側壁、Ｓ２…外部側壁、ＳＰ…混合用スペース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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