CN105684558B - 微波等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种微波激发等离子体处理装置，其即便在中间气压及高气压下也能够产生较高的均匀性与高密度、且低温的宽幅的等离子体射流，该微波等离子体处理装置的特征在于具备：介电质基板；锥形部，设置在所述介电质基板的一端部，且为该介电质基板的厚度慢慢变小的形状；微波传输带线路；接地导体；微波输入部；气体输入口，用以将气体输入至所述介电质基板内；等离子体产生部；气流宽幅化部，用以对所述等离子体产生部供给具有均匀流速的宽幅的气流而设置在所述介电质基板内部，且以随着气流前进而气流宽度变宽的方式形成；气体流路，用以将气体供给至所述气流宽幅化部；以及喷嘴，用以喷出等离子体。

Description

微波等离子体处理装置
技术领域
本发明涉及一种通过微波电力产生等离子体而对晶片等被处理基板实施使用等离子体的CVD(chemical vapor deposition，化学气相沉积)(化学气相合成)、蚀刻、灰化(抗蚀剂灰化处理)、等离子体氮化等处理的微波等离子体处理装置。
背景技术
近年来，在材料开发或生产技术等的多个领域中等离子体处理技术成为不可缺少的技术。由于等离子体具有较高的非热平衡性，并且可产生高密度的自由基，所以在低温干式制程技术中被广泛使用。
另外，以往作为中间气压(1托～100托)至大气压间的压力下的等离子体源之一而利用等离子体射流。等离子体射流由于从装置的喷嘴喷出等离子体，所以为对晶片等被处理基板实施使用等离子体的CVD(化学气相合成)、蚀刻、灰化(抗蚀剂灰化处理)、等离子体氮化等处理的有用者。
目前，为了产生等离子体射流，众所周知的有使用直流电弧放电或直流脉冲放电的方法。然而，使用直流电弧放电或直流脉冲放电的方法具有电极容易劣化及无法使用反应性气体等各种问题。
另外，众所周知有使用介电质阻挡放电的方法。然而，在使用介电质阻挡放电的方法中，具有产生丝状的放电及无法产生高密度的自由基等各种问题。
另外，也已知有无电极方式的等离子体射流产生装置。例如，提出有使用VHF频带(30-300MHz)的高频的感应耦合式热等离子体产生装置(参照专利文献1)。然而，所提出的等离子体射流产生装置由于阻抗匹配复杂、及因构造上的问题而无法大规模化、且使用高电压的电路，所以具有装置的制作上及运转上的各种极限与问题点。
另一方面，如果使用微波放电产生等离子体射流则具有如下优点。
(1)微波电源便宜。
(2)可实现无电极运转，且放电维持寿命较长。
(3)可利用阻抗匹配简单的元件来实现。
(4)微波与等离子体的耦合效率良好。
(5)向外部的辐射损耗较少，可使电力集中在需要的地方。
(6)包含大气压在内在广泛的压力范围产生稳定的高密度等离子体。
然而，在以往的使用微波电力的等离子体产生装置中，作为微波传输线路而使用金属管即波导管，具有微波传输回路的构造大型且价格高、及难以在低电力下运转等问题点。
最近，提出有代替以往的波导管而使用小电力用微波传输线路即微波传输带线路来制作等离子体射流产生装置的方法(参照专利文献2与非专利文献1)。
图19表示以往的使用微波传输带线路的等离子体射流产生装置的示意图。该装置包括：微波输入部31；介电质基板1，在一端部设置有锥形构造及在内部设置有气体流路；微波电力传输用微波传输带线路11；以及接地导体12，覆盖介电质基板的一表面。
气体从两个气体输入口21输入并通过气体流路22，且在锥形部14上在微波传输带线路11与接地导体12之间合流，并从宽度10mm的喷嘴24喷出至介电质基板1的外部。
在以往的装置中，为了在宽度10mm的喷嘴24形成具有均匀流速的气流，而在介电质基板1的两侧面分别设置气体输入口21，通过倾斜的气体流路22供给气体。
微波(2.45GHz)电力通过同轴用微波连接器31导入至介电质基板1内，并在微波传输带线路11与接地导体12之间传输，且在喷嘴24处集中。由此，产生等离子体，并与气流一起从喷嘴24喷出至介电质基板1的外部。
另一方面，为了在等离子体制程中提高生产性，而强烈要求开发具有能够大面积地进行等离子体处理的较宽宽度的等离子体射流。使用微波传输带线路的等离子体产生装置通过在构造上使微波传输带线路形成阵列而可实现大规模化，所以期待其将来。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开第2003-109795号公报
专利文献2：日本专利公开第2007-299720号公报
非专利文献
非专利文献1：Jaeho Kim，et.al.，“Microwave-excited atmospheric-pressureplasma jets using a microstripline”，Applied Physics Letters，Vol.93，191505(2008).
发明内容
[发明要解决的问题]
然而，由于以往的使用等离子体的低温处理在低气压(0.01托～1托)下进行，所以不仅需要价格高的高真空装置且装置花费成本，而且处理花费时间，结果导致产品的成本变高等工业上的不利。因此，需要在较高压的中间气压(1托～100托)或高气压(100托～760托)的压力下产生非热平衡等离子体的方法。
另外，以往，未开发出使等离子体射流大规模化的具体技术，例如对宽幅的喷嘴供给均匀气流的方法等，从而难以提供宽幅的等离子体射流。
本发明是鉴于以上的情况而完成的，其目的在于提供一种不限定于低气压，即便在中间气压至大气压的高气压下也可稳定地产生低温的较宽宽度的等离子体射流的微波等离子体处理装置。
[解决问题的手段]
本发明的微波等离子体处理装置的主要特征在于具备：介电质基板；锥形部，设置在所述介电质基板的一端部，且为该介电质基板的厚度慢慢变小的形状；微波传输带线路，从所述介电质基板的正面与背面中的任一面即第1面的一端部横跨至另一端部而设置；接地导体，从所述介电质基板的所述第1面的相反侧的面即第2面的一端部横跨至另一端部而设置；微波输入部，用以在所述介电质基板的一端部将微波输入至所述微波传输带线路与所述接地导体之间；气体输入口，用以将气体输入至所述介电质基板内；等离子体产生部，为用以通过从所述微波输入部输入的微波来产生等离子体的空间，且为所述锥形部的设置在所述介电质基板内的空间；气流宽幅化部，用以对所述等离子体产生部供给具有均匀流速的宽幅的气流而设置在所述介电质基板内部，且以随着气流前进而气流宽度变宽的方式形成；气体流路，用以将从所述气体输入口输入的气体供给至所述气流宽幅化部；以及喷嘴，用以喷出通过供给至所述等离子体产生部的气体与微波而产生的等离子体。
另外，本发明的微波等离子体处理装置的主要特征在于具备：介电质基板；锥形部，设置在所述介电质基板的一端部，且为该介电质基板的厚度慢慢变小的形状；微波传输带线路，从所述介电质基板的正面与背面中的任一面即第1面的一端部横跨至另一端部而设置；接地导体，从所述介电质基板的所述第1面的相反侧的面即第2面的一端部横跨至另一端部而设置；微波输入部，用以在所述介电质基板的一端部将微波输入至所述微波传输带线路与所述接地导体之间；微波集中间隙，为所述锥形部的夹在所述接地导体的端部与所述微波传输带线路的端部之间的空间，且形成在所述介电质基板的所述第2面；气体供给板，与所述接地导体接触，且具有气流宽幅化部，所述气流宽幅化部用以对所述微波集中间隙供给均匀流速的宽幅的气流而设置，且以随着气流前进而气流宽度变宽的方式形成；气体输入口，用以将气体输入至所述气体供给板内；气体流路，用以在所述气体供给板中将从所述气体输入口输入的气体供给至所述气流宽幅化部；等离子体产生部，为用以从自所述气流宽幅化部供给的气体通过从所述微波集中间隙辐射的微波来产生等离子体而形成在所述气体供给板、且面向所述微波集中间隙的空间；以及喷嘴，用以喷出从供给至所述等离子体产生部的气体通过微波而产生的等离子体。
进而，本发明的微波等离子体处理装置的主要特征在于：所述气流宽幅化部具备沿着所述喷嘴的长轴方向以固定的间隔设置的多个突起状的障碍物，或形成有柱的部分即气体簇射部。
进而，另外，本发明的微波等离子体处理装置的主要特征在于，所述微波传输带线路具备：一个输入端，设置在一端部；分支部，使从所述输入端输入的微波分支；多条线路，从所述分支部分支；以及多个输出端，设置在与所述多条线路对应的另一端部；通过使所述另一端部的宽度慢慢变窄来提高阻抗而使所述等离子体产生部中的微波电场变强。
另外，本发明的微波等离子体处理装置的主要特征在于，所述气流宽幅化部具备：一个输入端，设置在一端部；分支部，使从所述气体流路输入的气流分支；多条线路，从所述分支部分支，且以随着气流前进而气流的宽度变宽的方式宽度慢慢变宽地形成；以及长轴形状的空间，使从所述多条线路流通的气流合流为一个。
进而，本发明的微波等离子体处理装置的主要特征在于：以通过共用所述介电质基板与所述接地导体而在横向排列来产生较长的长轴的等离子体的方式构成。
进而，另外，本发明的微波等离子体处理装置的主要特征在于：供给稀有气体、或反应性气体、或稀有气体与反应性气体的混合气体，而在低气压或中间气压或高气压下产生等离子体。
[发明的效果]
根据本发明，不限定于低气压，即便在中间气压及高气压下也能够产生、维持稳定的较宽宽度的等离子体射流。另外，根据本发明，以上的结果，能够进行使用大气压(或者低气压或中间气压)下较宽宽度的微波激发等离子体射流的大面积表面改质、蚀刻、灰化、清洁、氧化、氮化及CVD(Chemical Vapor Deposition)成膜等材料加工。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的实施例之一的等离子体处理装置的立体图。
图2是图1所示的等离子体处理装置的垂直方向的剖视图。
图3是图1所示的等离子体处理装置的水平方向的剖视图。
图4是本发明的微波传输带线路的构成图。
图5是表示本发明的第1实施方式的实施例之一的等离子体处理装置的示意图。
图6是表示本发明中的第1实施方式的实施例之一的等离子体处理装置的示意图。
图7是表示图3所示的等离子体处理装置中的气流的流速分布的图。
图8是表示在图3所示的等离子体处理装置中在喷嘴24的长轴方向上的气流的流速分布的图。
图9是表示本发明的第2实施方式的实施例的等离子体处理装置的水平方向的剖视图。
图10是表示图9所示的等离子体处理装置的气流的流速分布的图。
图11是利用表示本发明的第2实施方式的实施例的等离子体处理装置在大气压空气中产生的宽幅的等离子体射流的照片。
图12是来自利用表示本发明中的第2实施方式的实施例的等离子体处理装置在大气压空气中产生的等离子体射流的发光的分光光谱。
图13是利用表示本发明中的第2实施方式的实施例的等离子体处理装置而产生的宽幅的氮等离子体射流的照片。
图14是表示利用表示本发明中的第2实施方式的实施例的等离子体处理装置而产生的等离子体射流的点火、及维持所需要的最少微波电力的图。
图15是表示本发明的第3实施方式的实施例之一的等离子体处理装置的示意图。
图16是图15所示的等离子体处理装置的垂直方向的剖视图。
图17是图15所示的等离子体处理装置的水平方向的剖视图。
图18是发明的第3实施方式的等离子体处理装置。
图19是以往的使用微波传输带线路的等离子体产生装置的说明立体图。
具体实施方式
<实施方式1>
图1、图2及图3是显示表示本发明中的第1实施方式的实施例之一的等离子体处理装置的构成的图。图1是等离子体处理装置的立体图，图2是垂直方向的剖视图，图3是水平方向的剖视图。
本实施方式的等离子体处理装置具备介电质基板1、微波输入部13、微波传输带线路11、接地导体12、锥形部14、气体输入口21、气体流路22、气流宽幅化部23、等离子体产生部2、及喷嘴24。
介电质基板1较理想的是微波的介电损耗较少、导热率较高的材质。介电质基板1例如使用氧化铝、石英、蓝宝石等适当的材料。介电质基板1也可为可弯曲(可挠曲)的材料，例如为聚苯乙烯(polystyrol)系、聚苯乙烯(polystyrene)系等适当的材料。介电质基板1的介电常数与厚度会影响到微波传输电路的特性阻抗。介电质基板1可考虑微波传输特性、等离子体处理装置的形状及等离子体处理装置的热特性等而使用适当的基板。介电质基板1既可使用一个基板，也可为将多个基板重叠而成。介电质基板1也可为将材质不同的多个基板重叠而成。
微波输入部13是用以在介电质基板1的一端部在微波传输带线路11与接地导体12之间激发微波。例如，可使用微波同轴缆线用的SMA连接器、SMB连接器、N连接器、BNC连接器、OSM连接器等。
微波输入部13也可通过形成接地导体12的孔并安装微波连接器而构成。
微波传输带线路11从介电质基板1的第1面的一端部横跨至另一端部而设置。此外，此处，作为一例，使用微波传输带的用语，但只要为用以传输微波者则可适当使用其他导体。
微波传输带线路11的形状为决定微波电路的阻抗、电场分布、微波电力的分配率等特性的重要因素。为了实现均匀的等离子体射流的产生，而必须使微波传输带线路11的形状最佳化。在微波传输带线路11的微波电路的设计中，关于微波电力的均匀分配、特性阻抗的一致、阻抗的匹配等，作为无线通讯技术已经确立了技术，所以可适当使用该些技术。
图4表示本发明中的实施例之一即微波传输带线路11的构成图。微波传输带线路11包括设置在一端部的一个输入端15、将从所述输入端输入的微波分支的分支部16、从分支部16分支的多条线路17、及设置在与多条线路17对应的另一输出侧的端部18的多个输出端19。
在图1所示的本发明的实施例的等离子体处理装置中，以如下方式设置：从一个微波输入部13将微波传输线路分支两次而分支为四条线路17，由此对50mm宽度的等离子体产生部2均匀地供给微波电力。
如图4所示，微波传输带线路11的输出侧的端部18与输出端19能够以等离子体产生部2(参照图3)中的微波电场的空间分布均匀、且电场强度变强的方式设为适当的形状。
在本实施例中，如图1所示，微波传输带线路11的端部18成为其宽度慢慢变窄的形状，且与分别对应的长轴形状的输出端19连接。如果微波传输带线路11的宽度变窄，则微波传输电路的特性阻抗变高。如果特性阻抗变高，则相对于固定的微波电力，而施加至微波传输带线路11与接地导体12的电压变高。其结果，根据下述的数学式1而微波传输带线路11与接地导体12之间的微波的电场变得更强。
[数1]
E＝V/d
此处，E为电场，V与d分别为微波传输带线路11与接地导体12之间的电压及距离。微波传输带线路11的端部也可如图5所示设为微波传输带线路11的输出侧的端部18的宽度慢慢变宽的形状。
或者，微波传输带线路11的输出端19既可与分支为多条的多条线路17对应而分别分开设置，也可如图6所示多个输出端19连接为一个的形状。
如图1、图2所示，接地导体12从介电质基板1的第1面(形成有微波传输带线路11的面)的相反侧的面即第2面的一端部横跨至另一端部而设置。接地导体12既可由覆盖介电质基板1的第2面整体的导体构成，也可由形成在第2面的一部分的导体构成。
微波传输带线路11与接地导体12例如使用铜、金、银、铝、镍等适当的导体材料。微波传输带线路11与接地导体12可在介电质基板1使用金属的蒸镀、蚀刻等通常的IC制作技术而制成。或者，微波传输带线路11与接地导体12也可通过在介电质基板1的表面使用粘接材料贴附适当的导体板而制成。
锥形部14通过设为在介电质基板1的一端部使介电质基板1的厚度慢慢变小的形状而设置。锥形部14既可为使介电质基板1的第1面的斜面的斜率与第2面的斜面的斜率相同的形状，也可为仅在介电质基板1的第1面或第2面的任一表面设置斜面的形状。
介电质基板1的厚度越薄，也就是说，微波传输带线路11与接地导体12之间的距离越短，则微波传输带线路11与接地导体12之间的微波的电场越强(参照数1)。根据该原理，在锥形部14中，微波电场变强。
锥形部14的长度以形成在介电质基板内的微波的驻波的1/4波长的长度设置即可。或者，锥形部14的长度也可考虑锥形部14的形状的斜率的角度及特性阻抗等而适当设定。另外，通过使锥形部14的形状的斜率的角度与长度适当，可大幅抑制从等离子体反射的微波的反射波。
气体输入口21与气体流路22是用以将气体向气流宽幅化部23(图3)供给而设置的，可考虑等离子体处理装置的形状及大小等而设为适当的数量与形状。
气体输入口21可设置在介电质基板1的一端部，或者，也可设置在介电质基板1的其他表面。连接在气体输入口21的气体管26与气体连接器的材质较理想的是绝缘体，但也可为金属制。在使用金属制的气体管26与气体连接器的情况下，必须考虑对微波传输的影响而设置在适当的位置。
气流宽幅化部23(图3)是用以使从气体流路22供给的气体均匀地扩散并供给至等离子体产生部2而设置。气流宽幅化部23具备设置在一端部的一个输入端、将从气体流路22输入的气流分支的分支部、从所述分支部分支且以气流的宽度变宽的方式而宽度慢慢变宽的多条线路、以及将从所述多条线路流通的气流合流为一个的长轴形状的空间，如果从气体输入口输入的气体通过气流宽幅化部23则以均匀流速呈长轴形状扩散。
图3表示与本发明的气流宽幅化部23相关的实施例。在该实施例中，气体从两个气体输入口21分别输入至气体流路22。所输入的气体的气流在气流宽幅化部23处分别分支为两个。另外，气体的气流的宽度在气流宽幅化部23处慢慢扩大。然后，所分支的四个气体的气流在等离子体产生部2处合流为一个。由此，可将气体的气流均匀地扩散至宽度50mm并供给至等离子体产生部2。
图7表示模拟求出图3所示的实施例的气流宽幅化部23中的气流的流速分布的结果。作为模拟的条件，气体种类为氮，进入至两个气体输入口21的气体流量的合计为300sccm，周围的压力为大气压(760托)，气体输入口21的截面面积为宽度1mm，等离子体产生部2与喷嘴24的长度为50mm，气体输入口21、气流宽幅化部23、等离子体产生部2及喷嘴24的高度为0.5mm。
通过气体输入口21与气体流路22输入至气流宽幅化部23的气体在通过气流宽幅化部23的期间，以均匀流速向宽度50mm宽幅化，并通过等离子体产生部2从喷嘴24喷出至外部。
从气体流路22输入至气流宽幅化部23的气体的流速为约12.0m/sec。喷嘴24中的气体流速在喷嘴24的长轴方向的流速分布为0.33～0.35m/sec，且扩散为均匀的分布。图8表示相对于喷嘴24的长轴的气体流速的分布。
如果从气体流路22输入至气流宽幅化部23的气体的流速进一步加快，则喷嘴24中的气体流速的均匀性变差。从气体流路22输入至气流宽幅化部23的气体的流速大幅依赖于输入至气体输入口21的气体流量、气体流路22的截面面积、及喷嘴24的外侧的压力等。
通过与输入至气流宽幅化部23的气体流速的最大值对应而设置适当形状的气流宽幅化部23，例如通过将气流宽幅化部23设置得更长，可对等离子体产生部2及喷嘴24均匀地供给宽幅的气流。
等离子体产生部2(图3)为从气流宽幅化部23供给的气体通过微波电场而成为等离子体状态的空间。等离子体产生部2较理想的是以均匀地产生宽幅的等离子体的方式设置为一个空间。等离子体产生部2的空间也可考虑等离子体处理装置的应用而由多个空间构成。
喷嘴24为将在等离子体产生部2产生的等离子体与气体一起喷出至介电质基板1的外部的口。喷嘴24较理想的是以均匀地喷出宽幅的等离子体的方式设置一个。喷嘴24可根据期望的等离子体射流的截面的形状而设为适当的形状。
<等离子体产生的原理>
从微波输入部13导入至微波传输带线路11与接地导体12之间的介电质基板1的微波沿着微波传输带线路11传输及分支。该微波的电场在锥形部14处因微波传输带线路11与接地导体12的距离变窄而慢慢变强，在微波传输带线路11的端部与接地导体12的端部之间成为最大值。该集中的微波的电场激发供给至等离子体产生部的气体而产生等离子体。所产生的等离子体与气体的气流一起从喷嘴24喷出。由此，可供给均匀的宽幅的等离子体射流。
<实施方式2>
表示本发明中的第2实施方式的等离子体处理装置是在表示所述第1实施方式的等离子体处理装置中，如图9所示在气流宽幅化部23设置有气体簇射部25以使气流均匀地扩散的装置。
如果气流宽幅化部23与微波传输带线路11的重叠区域较宽，则产生对微波传输电路的特性阻抗影响变大，等离子体产生区域2容易扩散至气流宽幅化部23的区域的问题。为了抑制该问题，可使气体流路22变长且使气流宽幅化部23变短。
另一方面，如果气流宽幅化部23变短，则难以使较快流速的气流均匀扩散。因此，通过设置气体簇射部25，即便相对于较快流速的气流，也可使之均匀地扩散。
气体簇射部25是通过沿着喷嘴24的长轴方向以固定的间隔形成多个突起状的障碍物而设置。气体簇射部25也可通过以固定的间隔形成多个柱而设置。
气体簇射部25的所述突起状的障碍物与所述柱既可另外设置，也可对介电质基板1加工而形成。所述的突起状的障碍物与所述的柱的截面形状既可为圆形，或者也可为三角形、四边形等。
形成所述突起状的障碍物与所述柱的间隔与截面面积，可考虑气体粒子的平均自由行程(气体粒子与其他气体粒子碰撞后至下一次碰撞为止的飞行距离的平均值)而适当决定。
图9表示本发明的第2实施方式的等离子体处理装置的水平方向剖视图。设置在第2实施方式的等离子体处理装置的气体簇射部25是通过对介电质基板1进行加工，以3mm间隔(从柱的中心至相邻的柱的中心为止的距离)形成多个直径2mm的圆形的柱而设置。
图10表示模拟求出图9所示的第2实施方式的等离子体处理装置的气流的流速分布的结果。作为模拟的条件，气体种类为氮，进入至两个气体输入口21的气体流量的合计为400sccm，周围的压力为大气压(760托)，气体输入口21的截面面积为宽度1mm，等离子体产生部2与喷嘴24的长度为50mm，气体输入口21、气流宽幅化部23、等离子体产生部2及喷嘴24的高度为0.5mm。气体簇射部中的圆形的柱的直径为2mm，柱之间的间隔为3mm。
从气体流路22输入至气流宽幅化部23的气体的流速为约18.0m/sec。喷嘴24中的气体流速在喷嘴24的长轴方向上的流速分布为0.44～0.50m/sec，且扩散为均匀的分布。
通过气体输入口21与气体流路22流入至气流宽幅化部23的气体在通过气流宽幅化部23的期间，以均匀流速向宽度50mm宽幅化，并通过等离子体产生部2从喷嘴24喷出至外部。
本发明中的等离子体处理装置能够提供不限定于低气压即便在中间气压及高气压下也可稳定产生、维持的宽幅的等离子体射流。
其次，对宽幅的等离子体射流的产生的实验进行说明。图11表示使用本发明中的第2实施方式的等离子体处理装置在大气压空气中产生的等离子体射流的照片。
在大气压下，为了稳定地产生、维持等离子体，作为运转气体而使用氩(Ar)气体。在大气压中稳定地喷出50mm的宽幅的等离子体。作为运转条件，Ar气体的流量为0.1L/mim～10L/mim，微波的频率为2.45GHz，微波电力为30W～100W。作为运转气体，也可代替Ar气体而使用氦(He)、或氖(Ne)等稀有气体。
通过该宽幅的等离子体射流能够在大气压中进行各种等离子体处理。例如，通过将Ar气体的等离子体射流喷出至放置在空气中的被处理基板的表面，可进行被处理基板的表面改质(提高亲水性或密接性等)。
其原因在于，由于Ar气体的等离子体射流在喷出时会卷入周围的空气(包含N2、O2、H2O、CO2等)而将空气等离子体化，所以产生氧系及氮系等化学反应种(自由基)。
图12表示来自喷出至大气压空气中的Ar气体的等离子体射流的分光光谱。除Ar以外，还表示有OH、O、及N2激发种等的发光光谱。其中，尤其OH自由基在表面改质等的等离子体处理中为重要的自由基之一。如图12所示，波长309cm-1左右的OH自由基的发光光谱的峰值，与在N2分子的第二正系统(2nd Positive System)内最强的峰值(337cm-1左右)相比强3.4倍。这表示OH自由基与其他自由基相比高密度地产生。另一方面，在使用通常被广泛使用的介电质阻挡放电的大气压等离子体射流(作为运转气体而使用Ar气体或He气体)的情况下，OH自由基的发光光谱低于N2分子发光光谱。
这是本发明的等离子体处理装置的特征，且是本发明的等离子体处理装置为了具有如下性能而获得的特性，即，可使用微波传输带线路高效率地使微波电力集中在等离子体产生部的等离子体产生空间而稳定地产生高密度的等离子体。
通过使用本实施例的Ar气体的等离子体射流，可在大气中对聚碳酸酯基板、聚酰亚胺膜、玻璃基板、印刷用纸等的表面进行处理而获得超亲水性等优异的实验成果。另外，确认出使用本实施例的Ar气体的等离子体射流，可在大气中进行剥离抗蚀剂的等离子体灰化实验而实现低温且高速处理。
本发明的等离子体处理装置也可在运转气体即Ar气体中混合少量的反应气体而运转。例如，在所述表面改质与灰化处理中，通过在Ar气体中混合少量的氧、或空气而供给，处理时间变得更短。
本发明的等离子体处理装置通过在运转气体即Ar气体中以适当的比率混合少量的甲烷(CH4)气体与氢(H2)气体等而供给，可应用于DLC(diamond like carbon)薄膜或纳米晶金刚石薄膜、石墨烯膜等碳材料合成用的大气压等离子体CVD。本发明的等离子体处理装置通过在宽幅的等离子体射流的下部设置移动式的基板平台，而可实现被处理的连续处理。
本发明的等离子体处理装置在低气压及中间气压中不使用Ar气体与He气体等稀有气体的运转气体即可产生反应气体的等离子体。为了改善等离子体的稳定性或均匀性，或者为了降低运转电力，可使用Ar气体与He气体等稀有气体的运转气体。
使用本发明的等离子体处理装置，在中间气压中进行等离子体产生实验。将表示本发明中的第2实施方式的等离子体处理装置设置在真空容器内，通过法兰将微波电力与气体供给至等离子体处理装置。作为气体，不使用所述运转气体而仅使用N2气体。真空容器内的气体压力的控制是通过将N2气体的流量固定为500sccm，并对真空容器的排气阀进行控制而进行。
等离子体自行点火并维持。图13表示以10托产生的宽幅的等离子体射流照片。照片是从等离子体射流的正面拍摄。从照片的等离子体发光可知，产生均匀的宽幅的等离子体。
图14表示对等离子体的点火、及等离子体的维持所需要的最少微波电力与容器内的压力(3托～50托)进行调查的结果。在真空容器内的压力3托中，等离子体以微波电力22W点火，并维持至13W为止。等离子体点火与等离子体维持所需要的最少电力伴随容器内的压力的增加而变高。在真空容器内的压力50托中，等离子体以微波电力52W点火，并维持至50W为止。
如这些实施例所示，本发明的等离子体处理装置能以低电力产生稳定的氮等离子体。该氮等离子体可期待应用于铜等金属表面的氮化处理或氮化物半导体的制作等等离子体氮化处理。
<实施方式3>
表示本发明中的第3实施方式的等离子体处理装置是在所述第1实施方式的等离子体处理装置中设置在介电质基板1的内部的气体输入口21、气体流路22、气流宽幅化部23、等离子体产生部2、及喷嘴24设置在介电质基板1的外部的等离子体处理装置。气体输入口21、气体流路22、气流宽幅化部23、等离子体产生部2、及喷嘴24设置在与接地导体12接触而设置的气体供给板27。
图15、图16及图17是表示本发明中的第3实施方式的等离子体处理装置的构成图。图15为等离子体处理装置的立体图，图16为垂直方向的剖视图，图17为气体供给板27的水平方向的剖视图。
在本实施方式中，介电质基板1中的锥形部14以仅在介电质基板1的第1面设置有斜面的形状而形成。锥形部14既可为使介电质基板1的第1面的斜面的斜率与第2面的斜面的斜率相同的形状，也可为仅在介电质基板1的第1面或第2面的任一表面设置有斜面的形状。在该情况下，接地导体12与气体供给板27的形状必须与介电质基板1的形状适当一致。
微波传输带线路11与接地导体12分别从与介电质基板1的第1面为其相反侧的面即第2面的一端部横跨至另一端部而设置，在夹在所述接地导体的端部与所述微波传输带线路的端部之间的介电质基板1的表面形成有微波集中间隙3。
在微波传输带线路11与接地导体12之间的介电质传输而来的微波在微波集中间隙3中电场的强度成为最大，并强烈地辐射至介电质基板1的外部。通过该较强的微波的电场而产生、维持等离子体。微波集中间隙3的宽度，也就是说微波传输带线路11的端部与接地导体12的距离为决定微波的电场强度、及微波放电特性的重要因素，必须配合于等离子体处理装置的运转特性而适当地调整。
微波集中间隙3的宽度例如可通过将微波传输带线路11固定，并改变接地导体12的端部与介电质基板1的端部之间的距离而简单地控制。气体供给板27与接地导体12接触而设置，材质既可为与接地导体相同的材质的金属，也可为与接地导体12不同的金属材料，也可为介电质材料。例如，也可使用氧化铝、石英等适当的材料。在气体供给板27设置有表示所述本发明中的第1实施方式的等离子体处理装置的气体输入口21、气体流路22、气流宽幅化部23、等离子体产生部2、及喷嘴24。
本实施方式中的气流宽幅化部23可使用表示本发明中的第1实施方式或第2实施方式的等离子体处理装置所使用的形状的气流宽幅化部。气体输入口21与气体流路22为了对气流宽幅化部23供给气体而以适当的位置与构造设置在气体供给板27。设置在气体供给板27的等离子体产生部2的一面以全部或一部分打开，且配置有微波集中间隙3的方式设置。喷嘴24如图17所示由气体供给板27的端部与介电质基板1的端部形成。
<实施方式4>
表示本发明中的第4实施方式的等离子体处理装置为在所述第3实施方式的等离子体处理装置中，用以使气流均匀地扩散而在气流宽幅化部23设置有气体簇射部25的装置。通过设置气体簇射部25，即便相对于更快的流速的气流，也可使气流均匀地宽幅化。
<利用阵列化所实现的等离子体射流的大规模化>
通过在本发明中的第1、第2、第3、及第4实施方式中使用阵列化的技术，可使等离子体射流大规模化。
本发明中的第1实施方式的等离子体处理装置的大规模化，可通过在设置有锥形部14的一个长轴的介电质基板1，适当设置多个微波传输带线路11、一个接地导体12、多个气体输入口21、多个气体流路22、多个气流宽幅化部23、一个长轴的等离子体产生部、一个长轴的喷嘴而实现。
本发明中的第2实施方式的大规模化，可通过在表示所述第1实施方式的等离子体处理装置的大规模化中沿着长轴的喷嘴24适当地设置气体簇射部25而实现。
表示本发明中的第3实施方式的等离子体处理装置的大规模化，可通过在设置有锥形部14的一个长轴的介电质基板1设置多个微波传输带线路11与一个接地导体12，并在一个长轴的气体供给板27适当地设置多个气体输入口21、多个气体流路22、多个气流宽幅化部23、一个长轴的等离子体产生部、及一个长轴的喷嘴而实现。
本发明中的第4实施方式的大规模化，可通过在表示所述第2实施方式的等离子体处理装置的大规模化中沿着长轴的喷嘴24适当地设置气体簇射部25而实现。
另外，在大规模化中，微波传输带线路11、气体流路22、及气流宽幅化部23也可代替将多个形成阵列，而使该些分支为多个来大规模化。
如果使用本发明的大规模化的技术，则可对长轴的等离子体产生部2与长轴的喷嘴24沿着长轴方向供给具有均匀的分布的微波电场与具有均匀流速的气流，从而可提供均匀地产生宽幅的等离子体射流的等离子体处理装置。
图18(a)与图18(b)表示本发明的其他实施方式。图18(a)与图18(b)分别为通过阵列化而大规模化的等离子体射流产生装置的立体图、及气流宽幅化部23中的水平方向的剖视图。
本实施方式是通过将表示本发明中的第2实施方式的等离子体处理装置形成四个阵列而可提供宽度200mm的宽幅等离子体射流的装置。
大规模化通过在一个长轴(宽度210mm，厚度6mm)的介电质基板1设置四个微波输入部13、四个微波传输带线路11、一个长轴(210mm)的接地导体12、八个气体输入口21、八个气体流路22、四个气流宽幅化部23、一个长轴(200mm)的等离子体产生部2、设置在气流宽幅化部23与等离子体产生部2之间的气体簇射部25、及一个长轴(200mm)的喷嘴24而实现。由此，可产生并维持宽度200mm的宽幅等离子体射流。
[工业上的可利用性]
本发明的装置的制作及运转成本较低，且不限定于低气压，在中间气压及高气压下也可提供低温的较宽宽度的等离子体射流，且可产生高密度的自由基，所以可作为工业用的大量生产制程而加以利用。
可作为大规模等离子体产生系统而利用于材料表面制程、材料合成、环境应用、医疗应用等。
[符号的说明]
1：介电质基板
2：等离子体产生部
3：微波集中间隙
11：微波传输带线路
12：接地导体
13：微波导入部
14：锥形部
15：微波传输带线路的输入端
16：微波传输带线路的分支部
17：微波传输带线路的输出侧的端部
18：微波传输带线路的分支的线
19：微波传输带线路的输出端
21：气体输入口
22：气体流路
23：气流宽幅化部
24：喷嘴
25：气体簇射部
26：气体管
27：气体供给板
31：微波连接器

Claims (7)

1.一种微波等离子体处理装置，其特征在于具备：
介电质基板；
锥形部，设置在所述介电质基板的一端部，且为该介电质基板的厚度慢慢变小的形状；
微波传输带线路，从所述介电质基板的正面与背面中的任一面即第1面的一端部横跨至另一端部而设置；
接地导体，从所述介电质基板的所述第1面的相反侧的面即第2面的一端部横跨至另一端部而设置；
微波输入部，用以在所述介电质基板的一端部将微波输入至所述微波传输带线路与所述接地导体之间；
气体输入口，用以将气体输入至所述介电质基板内；
等离子体产生部，为用以通过从所述微波输入部输入的微波来产生等离子体的空间，且为所述锥形部的设置在所述介电质基板内的空间；
气流宽幅化部，用以对所述等离子体产生部供给具有均匀流速的宽幅的气流而设置在所述介电质基板内部，且以随着气流前进而气流宽度变宽的方式形成；
气体流路，用以将从所述气体输入口输入的气体供给至所述气流宽幅化部；以及
喷嘴，用以喷出通过供给至所述等离子体产生部的气体与微波而产生的等离子体。
2.一种微波等离子体处理装置，其特征在于具备：
介电质基板；
锥形部，设置在所述介电质基板的一端部，且为该介电质基板的厚度慢慢变小的形状；
微波传输带线路，从所述介电质基板的正面与背面中的任一面即第1面的一端部横跨至另一端部而设置；
接地导体，从所述介电质基板的所述第1面的相反侧的面即第2面的一端部横跨至另一端部而设置；
微波输入部，用以在所述介电质基板的一端部将微波输入至所述微波传输带线路与所述接地导体之间；
微波集中间隙，为在所述锥形部中夹在所述接地导体的端部与所述微波传输带线路的端部之间的空间，且形成在所述介电质基板的所述第2面；
气体供给板，与所述接地导体接触，且具有气流宽幅化部，所述气流宽幅化部是用以对所述微波集中间隙供给均匀流速的宽幅的气流而设置，且以随着气流前进而气流宽度变宽的方式形成；
气体输入口，用以将气体输入至所述气体供给板内；
气体流路，用以在所述气体供给板中将从所述气体输入口输入的气体供给至所述气流宽幅化部；
等离子体产生部，为用以从自所述气流宽幅化部供给的气体通过从所述微波集中间隙辐射的微波来产生等离子体而形成在所述气体供给板、且面向所述微波集中间隙的空间；以及
喷嘴，用以喷出从供给至所述等离子体产生部的气体利用微波产生的等离子体。
3.根据权利要求1或2所述的微波等离子体处理装置，其中所述气流宽幅化部具备沿着所述喷嘴的长轴方向以固定的间隔设置的多个突起状的障碍物，或形成有柱的部分即气体簇射部。
4.根据权利要求1或2所述的微波等离子体处理装置，其中所述微波传输带线路具备：
一个输入端，设置在一端部；
分支部，使从所述输入端输入的微波分支；
多条线路，从所述分支部分支；以及
多个输出端，设置在与所述多条线路对应的另一端部；并且
通过使所述另一端部的宽度慢慢变窄来提高阻抗而使所述等离子体产生部中的微波电场变强。
5.根据权利要求1或2所述的微波等离子体处理装置，其中所述气流宽幅化部具备：
一个输入端，设置在一端部；
分支部，使从所述气体流路输入的气流分支；
多条线路，从所述分支部分支，且以随着气流前进而气流的宽度变宽的方式使宽度慢慢变宽地形成；以及
长轴形状的空间，使从所述多条线路流通的气流合流为一个。
6.根据权利要求1或2所述的微波等离子体处理装置，其以通过共用所述介电质基板与所述接地导体而横向排列，以产生较长的长轴的等离子体的方式构成。
7.根据权利要求1或2所述的微波等离子体处理装置，其供给稀有气体、或者N2、O2、H2O、CO2、CH4和H2中的至少一种、或者稀有气体与N2、O2、H2O、CO2、CH4和H2中的至少一种的混合气体，
而在0.01托～1托的低气压或1托～100托的中间气压或100托～760托的高气压中产生等离子体。
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