(57)【要約】      （修正有）【課題】  微小領域でプラズマを生成し必要な箇所にプラズマを照射できるマイクロプラズマ生成装置および方法を提供する。【解決手段】  移動用ステージ３に保持させて、真空チャンバー４内にプラズマ生成部２を配置する。プラズマ生成部２は、外側円筒電極内に絶縁管を介して内側円筒電極を同軸上に配設して形成する。ガスチューブ５を介して内側円筒電極から外側円筒電極内に導入したガスを、電源６でパルス放電させてプラズマを生成する。この生成したプラズマをガス流とともに真空チャンバー４内に噴出させて、マイクロプラズマ１０を得る。【選択図】  図１
2005276618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバー内にプラズマ生成部を具備し、
上記プラズマ生成部は、内側円筒電極と、該内側円筒電極と同軸になるように配設した外側円筒電極と、該外側円筒電極と上記内側円筒電極との間に配設した絶縁管とを備え、上記内側円筒電極の一端が、上記外側円筒電極内に位置しており、
上記内側円筒電極を通して上記外側円筒電極内に導入したガスを放電させてプラズマをを生成し、この生成したプラズマを上記真空チャンバー内に噴出させてマイクロプラズマを得ることを特徴とする、マイクロプラズマ生成装置。
【請求項２】
前記内側円筒電極の直径は０．５〜１．０ｍｍであり、前記外側円筒電極の内径は２ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロプラズマ生成装置。
【請求項３】
前記真空チャンバー内に移動用ステージを、さらに備え、
該移動用ステージは、前記プラズマ生成部を前記真空チャンバー内で三次元的に移動させることを特徴とする、請求項１または２に記載のマイクロプラズマ生成装置。
【請求項４】
前記外側円筒電極と前記内側円筒電極との間にパルス電圧を印加して放電を行うことを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のマイクロプラズマ生成装置。
【請求項５】
真空チャンバー内に、内側円筒電極と外側円筒電極とで構成されたプラズマ生成部を配設し、該内側円筒電極から該外側円筒電極内に導入されたガスを放電させてプラズマを生成し、生成したプラズマを真空チャンバー内に噴出させてマイクロプラズマを得ることを特徴とする、マイクロプラズマ生成方法。
【請求項６】
前記外側円筒電極と前記内側円筒電極との間にはパルス電圧を印加して放電を行うことを特徴とする、請求項５に記載のマイクロプラズマ生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小領域で生成したプラズマを、所望の微細な領域に照射するマイクロプラズマ生成装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、半導体製造工程において、微細加工のためのドライエッチングや膜形成のためのスパッタリング、プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 等が用いられている。
例えばドライエッチングの一つとしての反応性エッチングは、プラズマ中に試料を曝してエッチング反応を起こさせて試料表面の不要部分を除去するものであるが、エッチング形状の異常や、マイクロローディング効果の発生や、ゲート絶縁膜の劣化や破壊という問題があり、特許文献１には、この問題のいくつかの解決策として、被エッチング試料へ投入するバイアス電力をパルス変調したり、供給する反応ガスを交互に切り換えたりすることが開示されている。
また、パルス変調プラズマを用いて高選択で大面積高精度プラズマ処理を行うことが、特許文献２に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２１９９３８号公報
【特許文献２】特開２００３−２８２５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これらにおいては、何れも、広範囲にわたってプラズマを生成しているため、試料全体がプラズマに曝されており、試料表面において必要のない箇所もプラズマの影響を受けることになる。
また、プラズマをチャンバー内全体で生成するので、放電ガスや放電電力を必要以上に要し、また、真空中で行うことから、排気装置が大型となり高コストとなる。
【０００５】
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、微小領域でプラズマを生成し必要な箇所にプラズマを照射できるマイクロプラズマ生成装置および方法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】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載のマイクロプラズマ生成装置では、真空チャンバー内にプラズマ生成部を具備し、このプラズマ生成部は、内側円筒電極と、内側円筒電極と同軸になるように配設した外側円筒電極と、外側円筒電極と内側円筒電極との間に配設した絶縁管とを備え、内側円筒電極の一端が、外側円筒電極内に位置しており、内側円筒電極を通して外側円筒電極内に導入したガスを放電させてプラズマをを生成し、この生成したプラズマを真空チャンバー内に噴出させてマイクロプラズマを得ることを特徴とする。
この構成により、プラズマ生成部でプラズマを生成して、プラズマ生成部から真空チャンバー内に噴出させて、プラズマで生じた磁場から各荷電粒子が磁力を受けてプラズマが絞られ、プラズマ生成部から離れるにつれてプラズマの減衰によりマイクロプラズマを得ることができる。よって、必要な箇所にだけプラズマを照射させることができ、真空チャンバー内の他の箇所に影響を与えることがない。
【０００７】
請求項２に記載のマイクロプラズマ生成装置では、前記内側円筒電極の直径は０．５〜１．０ｍｍであり、前記外側円筒電極の内径は２ｍｍ以下であることを特徴とする。この構成により、最適なマイクロプラズマを得ることができる。
請求項３に記載のマイクロプラズマ生成装置では、真空チャンバー内に移動用ステージをさらに備え、この移動用ステージで、プラズマ生成部を真空チャンバー内で三次元的に移動させることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載のマイクロプラズマ生成装置では、前記外側円筒電極と前記内側円筒電極との間にパルス電圧を印加して放電を行うことを特徴とする。この構成により、放電で生じる熱量を少なくすることができ、プラズマ生成部の温度による周りへの影響を防ぐことができる。また、消費電力を抑えることができる。
【０００９】
請求項５に記載のマイクロプラズマ生成方法では、真空チャンバー内に内側円筒電極と外側円筒電極とで構成されたプラズマ生成部を配設して、該内側円筒電極から該外側円筒電極内に導入されたガスを放電させてプラズマを生成し、生成したプラズマを真空チャンバー内に噴出させてマイクロプラズマを得ることを特徴とする。
この構成により、プラズマ生成部でプラズマを生成して、プラズマ生成部から真空チャンバー内に噴出させて、プラズマ流で生じた磁場から各荷電粒子が磁力を受けてプラズマが絞られ、プラズマ生成部から離れるにつれてプラズマの減衰によりマイクロプラズマを得ることができる。よって、必要な箇所にだけプラズマを照射させることができ、真空チャンバー内の他の箇所に影響を与えないようにすることができる。
【００１０】
請求項６に記載のマイクロプラズマ生成方法では、前記外側円筒電極と前記内側円筒電極との間にはパルス電圧を印加して放電を行うことを特徴とする。この構成により、放電で生じる熱量を抑え、プラズマ生成部の温度上昇を少なくでき、また消費電力を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のマイクロプラズマ生成装置によれば、プラズマ生成部でプラズマを生成し、真空チャンバー内に生成したプラズマを噴出させてマイクロプラズマを得るので、必要な箇所にだけプラズマを照射させることができ、真空チャンバー内の他の箇所に影響を与えることがない。また、移動用ステージでマイクロプラズマ生成部を三次元的に移動できるので、真空チャンバー内の任意の位置でマイクロプラズマを照射させることができる。パルス放電とすることで、マイクロ生成部の温度上昇を抑え、消費電力を低減できる。
【００１２】
一方、本発明のマイクロプラズマ生成方法によれば、プラズマ生成部でプラズマを生成してプラズマ生成部から真空チャンバー内に噴出させてマイクロプラズマを得るので、必要な箇所にだけプラズマを照射させることができ、真空チャンバー内の他の箇所に影響を与えない。また、パルス放電とすることで、マイクロ生成部の温度上昇を抑えて消費電力を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１はマイクロプラズマ生成装置の概略図である。マイクロプラズマ生成装置１は、マイクロプラズマ１０を生成するプラズマ生成部２と、プラズマ生成部２を保持しこのプラズマ生成部２を三次元的に移動させ得る移動用ステージ３とを、真空チャンバー４内に備え、真空チャンバー４の外部から、ガスチューブ５を介してプラズマ生成部２にガスを導入するようになっている。また、電源６は、真空チャンバー４の外からプラズマ生成部２にパルス電圧を印加してガスを放電させる。電源６は、プラズマ生成部２の温度上昇を抑え、放電のための消費電力を低減するために、パルス電源とするのが好ましい。
そして、プラズマ生成部２で生成されたプラズマを、ターゲット９ａに照射できるように、サンプル台９が真空チャンバー４内に設けられている。
ここで、真空チャンバー４は、バルブ７を開いて真空ポンプ（図示せず）で排気して、所定の圧力、例えば０．１〜１０Ｔｏｒｒになるようにする。真空チャンバー４には圧力ゲージ８が備えられ、圧力を測定できるようになっている。
【００１４】
図２は、プラズマ生成部２の断面図である。
プラズマ生成部２は、外側円筒電極２１内に内側円筒電極２２を同軸上に配設し、外側円筒電極２１と内側円筒電極２２との間に絶縁管２３を介在させて構成される。
すなわち、外側円筒電極２１内に絶縁管２３の一端２３ａが配置され、外側円筒電極２１の電極面を露出させている。また、内側円筒電極２２の一端２２ａは絶縁管２３内に配設されている。これで、内側円筒電極２２の一端２ａと絶縁管２３の一端２３ａとは軸方向に距離Ｌ１離れている。一方、内側円筒電極２２の他端側は円筒支持管２４で保持され、円筒支持管２４は絶縁管２３の他端側に内接して保持されている。円筒支持管２４は、絶縁管２３に挿入する側で内側円筒電極２２を突出させている。この突出している内側円筒電極２２の外周は、絶縁管２３の内周には接していない。円筒支持管２４の他端は、図１に示したガスチューブ５に接続されている。
【００１５】
ここで、外側円筒電極２１および内側円筒電極２２の径は小さく細い。例えば、内側円筒電極２２の直径は０．５〜１．０ｍｍ、外側円筒電極２１の内径は２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
そして、プラズマ生成部２に電力を供給する電源６からの各配線６ａ，６ｂが、外側円筒電極２１と金属製の円筒支持管２４とに接続されている。外側円筒電極２１を電源６の＋極、円筒支持管２４を電源６の−極に接続して電圧を印加し、外側円筒電極２１の露出している内周面と、内側円筒電極２２の一端２２ａとの間に電界が形成され、内側円筒電極２２内にガスを流し外側円筒電極２１内にガスを導入して真空チャンバー４内に噴出させることにより、外側円筒電極２１内のガスが冷陰極放電する。
【００１７】
図３は、プラズマ生成部２と移動用ステージ３とを模式的に示した図である。移動用ステージ３は、プラズマ生成部２の軸（ｚ軸）方向に移動するｚステージ３ａと、ｘ軸およびｙ軸方向に移動するｘｙステージ３ｂとで構成され、真空チャンバー４の外からコントロールできるようになっている。この移動用ステージ３にプラズマ生成部２を保持させることで、真空チャンバー４内を三次元的に移動させることができる。
ここで、後述するように、プラズマ生成部２からプラズマを噴出することでマイクロオーダーのプラズマ（マイクロプラズマ）１０を形成するので、移動用ステージ３はマイクロオーダーで移動を制御できるものが好ましい。
【００１８】
次に、以上のように構成されたプラズマ生成装置１でマイクロプラズマ１０が生成されることを説明する。
図４は、プラズマ生成部２内で円柱プラズマ１１が生成され、その円柱プラズマ１１が真空チャンバー４内に噴出されて円錐形プラズマ１２となり、円錐形プラズマ１２の先端がマイクロプラズマ１０となる様子を模式的に示した図である。
内側円筒電極２２から外側円筒電極２１内に導入されたガスは、外側円筒電極２１と内側円筒電極２２との間にパルス電圧を印加することで、外側円筒電極２１の露出した内側面と内側円筒電極２２の一端２２ａとの間に電界が形成されてガスが放電する。すなわち、外側円筒電極２１内で径がＤの円柱プラズマ（円筒状のプラズマ）１１が生成される。  そして、生成された円柱プラズマ１１が真空チャンバー４内に噴出することで、円錐形プラズマ１２が生成される。
【００１９】
すなわち、真空チャンバー４内の圧力が外側円筒電極２１内に比べて低いことから、噴出したプラズマが拡散する。ここで、プラズマは電子やイオンなどの荷電粒子を含むので荷電粒子の動きで、噴出したプラズマの周りではアンペールの法則により磁場が形成される。この形成された磁場から各荷電粒子に磁力が作用してプラズマが絞られる（自己ピンチ効果）。つまり、各荷電粒子にローレンツ力が作用してプラズマの拡散が抑えられる。そして、プラズマ生成部２の外側円筒電極２１および内側円筒電極２２の径を小さくして細くすることと相俟って、図４に示すように、プラズマ生成部２から噴出したプラズマは円錐形プラズマ（プラズマトーチ）１２となる。このとき、円錐形プラズマ１２の先端は針状になり、外側円筒電極２１の一端２１ａから距離Ｌだけ離れた位置ではマイクロオーダーまで細くなっており、マイクロプラズマ１０が形成される。
よって、マイクロプラズマ１０の大きさは、プラズマ生成部２の外側円筒電極２１および内側円筒電極２２の内径で制御することができる。
また、マイクロプラズマ１０の容積や特性（電子温度、電子密度など）は、ガス種、ガス流、印加電圧、パルス幅や周期により所望に制御することができる。
【００２０】
次に、プラズマ生成部２の外側円筒電極２１と内側円筒電極２２との間に印加される電圧と、電子密度との関係について説明する。
図５は、パルス電圧の時間的変動と電子密度との関係を模式的に示した図で、（ａ）は印加電圧、（ｂ）は外側円筒電極２１内（点Ｐ１の位置）での電子密度、（ｃ）は外側円筒電極２１の一端２１ａから距離Ｌ離れた位置（点Ｐ２の位置）での電子密度の時間依存性である。なお、Ｔはパルス電圧の一周期、ｔo はパルス幅である。
図から分かるように、外側円筒電極２１内、およびその一端２１ａでは、印加電圧に準じてプラズマが生成され、プラズマの消滅量に比べてプラズマの生成量が上回るので、電子密度が増加する。放電開始から時間ｔo 経過すると、電圧が印加されなくなるので、外側円筒電極２１内でのプラズマの生成は終了する。プラズマの再結合による消滅には僅かに時間がかかるので、放電開始から時間ｔo では電子密度がゼロとはならず、ゼロになるまで遅れが生じる。
一方、外側円筒電極２１の一端２１ａから距離Ｌだけ離れた位置（点Ｐ２の位置）では、プラズマ生成部２内のプラズマがガス流とともに軸方向に移動するので、その移動時間δだけ電子密度の変化に遅れが生じる。また、その移動の過程でプラズマが消滅したり拡散するので、電子密度は減少する。
【００２１】
図６は、電子密度のｚ軸依存性を示した図である。プラズマ生成部２から真空チャンバー４内にプラズマが噴出される方向を、ｚ軸の正の方向としている。図６では、一パルス電圧あたりでの空間的な電子密度の変化を示している。
電子密度はｚが増加すると減少する。これは、プラズマ生成部２からプラズマが噴出されることで、プラズマがガス流とともに移動し、移動に伴い印加した電圧で形成された電界が及ばなくなり、拡散とプラズマの消滅で、電子密度が減少するためである。
【実施例】
【００２２】
次に実施例を示す。
プラズマ生成部２の外側円筒電極２１には、外径３ｍｍ、内径２ｍｍ、長さ３０ｍｍのステンレスパイプ、内側円筒電極２２には、外径０．７ｍｍ、内径０．４ｍｍ、長さ２０ｍｍのステンレスパイプを用いた。絶縁管２３には、外径２ｍｍ、内径１．５ｍｍ、長さ３０ｍｍのセラミックチューブを用いた。円筒支持管２４として、外径１．５ｍｍ、内径０．４ｍｍの銅管を用いた。なお、電極間距離、すなわち絶縁管２３の一端２３ａから内側円筒電極２２の一端２２ａまでの距離Ｌ１を３ｍｍとした。
電源６には、パルス幅ｔｏ＝１μ秒、パルス周期Ｔ＝１／５ｋＨｚ＝２００μ秒で、電圧３ｋＶのパルス電源を用いた。ガスチューブ５を介してプラズマ生成部２に空気を導入した。このとき図１に示したガスゲージ８のガス圧は、２．４Ｔｏｒｒであった。
【００２３】
以上の条件で空気プラズマを生成した。
空気の混合比から主として窒素プラズマが生成される。なお、空気のうちプラズマとなっているのは、１％よりもはるかに少ない。
図７はプラズマ生成部２の放電方向（ｚ方向）に対して垂直な方向から撮影した写真図で、（ａ）〜（ｉ）はそれぞれ放電開始ｔ＝０から０．４秒毎に撮影した写真図である。なお、図に向かって右側がｚ軸の正の方向である。
図７から分かるように、プラズマの発光強度が時間の経過に伴い強くなり、プラズマの密度、特に、プラズマ生成部２の外側円筒電極２１内での密度が増加した。
また、図７からわかるように、プラズマはプラズマ生成部２から＋ｚ軸方向へ約３０ｍｍ伸びている。放電開始から２秒以上経過すると、プラズマがｚ軸の正の方向に伸びている様子を確認した。このとき、プラズマは外側円筒電極２１の一端２１ａから距離３０ｍｍ（図６のｚ＝ｚｏ）まで伸びていた。
【００２４】
ここで、図５（ｃ）に示したδを算出する。
前提として、ベルヌイの定理を当てはめ、プラズマ生成部２から噴出されるガスの流速を求める。
ベルヌイの定理から、流速ｖB は次式（１）で求めることができる。
【数１】
2005276618.tif 000003
ここで、ＳA は大気圧からの空気注入口の断面積（１５．２×１０-6ｍ2 ）、ＰA はガス導入口での圧力（７６０Ｔｏｒｒ＝１．０１３×１０5 Ｎ／ｍ2 ）、  ＳB は吹き出し口の断面積（３．１４×１０-6ｍ2 ）、ＰB は真空チャンバー４内の圧力（２．４Ｔｏｒｒ）、ρは空気密度（０．００１２ｋｇ／リットル）である。
式（１）に各値を代入すると吹き出し口での流速ｖB は６５．３６ｍ／秒となる。
いま、実験では、直径Ｄ＝２ｍｍの円柱プラズマ１１が、プラズマ生成部２の一端２１ａから噴出して、３０ｍｍの位置まで伸びてマイクロプラズマ１０を形成している。
このことから、プラズマ生成部２から噴出して、３０ｍｍの位置に達するまでの時間δは、δ＝３０ｍｍ／ｖB から４６０μ秒と求まる。尚、図６に示したｔ１は１１５μ秒となる。
【００２５】
このようにして、マイクロプラズマ生成部２で円柱プラズマ１１を生成し、それを真空チャンバー４内に噴出するので、マイクロプラズマ１０を得ることができる。
これにより、狭い領域に多数の部品が設置されるようなデバイスにおける超微細加工（例えばエッチング）や微小領域へのプラズマ蒸着などを行うことができる。また、プラズマ生成部２を、マイクロオーダーで外部コントロールできる移動用ステージに設置することで、プラズマ噴射を任意に行うことができる。よって新たなプラズマ利用に道を開くことができる。
また、フラットエキシマ光源の開発、高感度フォトセンサーなどの光学装置への応用や歯科治療や癌治療などの医療機器への応用にも可能である。
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、これらは本発明の一例に過ぎず、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明を実施するための最良の形態であるマイクロプラズマ生成装置の概略図である。
【図２】図１のプラズマ生成部の断面図である。
【図３】図１のプラズマ生成部と移動用ステージとを模式的に示した図である。
【図４】プラズマ生成部でプラズマが生成されて真空チャンバー内に噴出される様子を模式的に示した図である。
【図５】パルス電圧の時間的変動と電子密度との関係を模式的に示すもので、（ａ）は印加電圧、（ｂ）は外側円筒電極端での電子密度、（ｃ）は外側円筒電極端から距離Ｌ離れた位置での電子密度の各時間依存性を示した図である。
【図６】電子密度のｚ軸依存性を示した図である。
【図７】プラズマ生成部の放電方向（ｚ方向）に対して垂直な方向から撮影した写真図で、（ａ）〜（ｉ）は放電開始ｔ＝０から０．４秒毎に撮影した写真図である。
【符号の説明】
【００２７】
１          マイクロプラズマ生成装置
２          プラズマ生成部
２１        外側円筒電極
２２        内側円筒電極
２３        絶縁管
２４        円筒支持管
３          移動用ステージ
３ａ        ｚステージ
３ｂ        ｘｙステージ
４          真空チャンバー
５          ガスチューブ
６          電源
６ａ，６ｂ  配線
７          バルブ
８          圧力ゲージ
９          サンプル台
９ａ        サンプル
１０        マイクロプラズマ
１１        円柱プラズマ
１２        円錐形プラズマ
【図１】
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【図２】
2005276618.tif 000005
【図３】
2005276618.tif 000006
【図４】
2005276618.tif 000007
【図５】
2005276618.tif 000008
【図６】
2005276618.tif 000009
【図７】
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