CN1720349A - 以大气压力等离子体处理衬底表面的装置 - Google Patents

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Abstract

一种表面处理装置，包含a)处理气体储存部分，包含：第一入口，经由该第一入口引入处理气体，及b)等离子体产生部分，包含：彼此面对的上电极及下电极；形成在电极之间的等离子体产生空间；使上电极及下电极绝缘的至少一个电介体；降低电极的表面温度的散热器；第二入口，经由该第二入口，处理气体自处理气体储存部分被引入等离子体产生空间；出口，经由该出口，等离子体及未被转换成等离子体的处理气体被排出到等离子体产生空间的外面；以及施加交流电压的交流电源；其中上电极及下电极二者都是平板电极，出口形成在下电极上，以及衬底位于下电极下面。该装置并不限制衬底形状，可以加宽衬底的有效处理面积及在大气压力下执行连续处理。

Description

以大气压力等离子体处理衬底表面的装置
技术领域
本发明涉及表面处理装置(或等离子体处理装置)，尤其涉及在大气压力下产生等离子体并且排出等离子体到等离子体产生空间外面(或放电空间)用以将等离子体与被处理的衬底(substrate)表面接触的表面处理装置。
背景技术
诸如从衬底表面去除诸如有机物质等污染、剥除抗蚀剂、增加有机薄膜的粘附力、表面修正、薄膜形成、还原金属氧化物、或清洗液晶用玻璃衬底等表面处理可分成化学表面处理及等离子体表面处理。在表面处理中，化学表面处理有化学对环境产生不利影响的缺点。
其中一种等离子体表面处理方法是利用低温低压等离子体的表面处理。该方法在低压室内产生等离子体，然后低压等离子体与衬底接触以处理其表面。尽管其优良的性能，但是该方法并未普遍被使用，因为该方法需要保持低压的真空装置，如此难以将该方法应用到在大气压力下执行的连续处理。结果，已积极对大气压力下产生等离子体及将它们使用于表面处理等方面做研究。
日本未审查专利申请案号2-15171，3-241739，或1-306569揭示了衬底位于等离子体产生空间内的表面处理方法及装置。尤其是，该方法包含配置一对彼此平行的金属电极并且以至少一电介体(dielectric)加以绝缘，将处理气体引进形成在电极之间的等离子体(plasma)产生空间，在电极之间施加交流电以由处理气体产生等离子体，及以产生的等离子体处理位于等离子体产生空间内的衬底的表面。然而，根据文件中所说明的方法及装置，因为衬底需被定位于两电极之间，所以只能处理极薄的衬底。为此原因，其应用非常有限。另外，当衬底不是电介体而是导电金属或半导体时，由于施加到电介体的高电压，有破坏衬底的高危险性。
为了解决此缺点，建议有一方法，其中在等离子体产生空间内产生的等离子体被排出到等离子体产生空间外面，在那里与衬底接触以处理衬底表面。
US 5,185,132揭示了一表面处理方法，包含将稀有气体及反应气体的混合气体引进具有电介涂层的平板电极的反应容器，其中彼此平行的两或更多电极表面被设有固体电介体，及其中在该电极下游提供衬底，在大气压力下用等离子体激励该混合气体以产生活性物种(active species)，及以该活性物种处理该衬底的表面。图1a为使用该方法的表面处理装置的立体图，及图1b为图1a的装置所使用的电极结构的横剖面图。如图1a及1b所示，表面处理装置包含两个平板电极(101a，101b)，彼此平行并且以电介体(106a，106b)加以绝缘；处理气体入口(103)，装设在形成在电极(101a，101b)之间的等离子体产生空间(102)一侧上；出口(104)，装设在等离子体产生空间(102)的相对侧上。处理气体首先经由入口(103)引进等离子体产生空间(102)，在那里以施加到电极(101a，101b)的交流电压转换成等离子体。等离子体及未被转换成等离子体的处理气体经由出口(104)排出到等离子体产生空间(102)的外面，然后与衬底表面接触并处理它。然而，因为出口(104)被装设在等离子体产生空间(102)的一侧上，所以该表面处理装置有表面的有效处理宽度(W)被限制的缺点。加宽宽度(W)需要突然上升施加的交流电压。
为了解决上述缺点，US 6,424,091揭示一表面处理装置，包含：a)至少一对电极，该对电极的至少一个在其外表面具有电介体层；b)气体供应机构，用以供应等离子体产生用气体到界定在该电极之间的该放电空间，其中该气体供应机构自该放电空间朝衬底提供一股等离子体产生用气体；及c)电源，用以在该电极之间提供AC电压以在该放电空间产生等离子体产生用气体的该等离子体，其中该对电极的至少一个具有突出到该放电空间内的弯曲表面，该放电空间被配置成自该放电空间朝该衬底向外散开该等离子体。图2为该表面处理装置所使用的电极结构的较佳实施例的横剖面图，其中等离子体产生在以电介体(202a，202b)加以绝缘的两圆柱形电极(201a，201b)之间，如此产生的等离子体接触并且处理位于表面处理装置外面的衬底(204)表面。具有圆柱形电极的表面处理装置可以加宽处理宽度。但是，因为与平板电极结构比较，圆柱形电极的每电极单位面积的等离子体产生空间装置明显减少，所以该装置仍然有低等离子体转换效率的缺点。即将处理气体转换成等离子体的电极有效面积明显减少，如此减少等离子体转换效率及降低衬底的处理效率。而且，由于低等离子体转换效率的结果所浪费的电力，所以该表面处理装置比平板电极需要更多电力。
发明内容
因此，本发明的目的是为了提供一表面处理装置，解决传统平板电极结构所导致的有效处理面积的窄小宽度问题，及解决圆柱形电极结构所产生的等离子体放电空间减小问题。
本发明的另一目的是为了提供一表面处理装置，可以在增加衬底的总处理面积同时，又能够以连续方法处理衬底表面。
藉由提供由处理气体储存部分及位于处理气体储存部分下面的等离子体产生部分组成的表面处理装置将完成在本发明的详细说明将说明的上述目的及其它，其中a)处理气体储存部分包含：第一入口，经由该第一入口引入处理气体，及b)等离子体产生部分包含：彼此面对的上电极及下电极；形成在电极之间的等离子体产生空间；使上电极及下电极绝缘的至少一个电介体；降低电极的表面温度的散热器；第二入口，经由该第二入口，处理气体自处理气体储存部分被引入等离子体产生空间；出口，经由该出口，等离子体及未被转换成等离子体的处理气体被排出到等离子体产生空间的外面；以及施加交流电压的交流电源；其中上电极及下电极二者都是平板电极，出口形成在下电极上，以及衬底位于下电极下面。
附图说明
图1a为具有平板电极结构的传统表面处理装置的立体图。
图1b为图1a的装置所使用的电极结构的横剖面图。
图2为具有圆柱形电极结构的传统表面处理装置所使用的电极结构的横剖面图。
图3为根据本发明的表面处理装置的横剖面图。
图4a及4b为图3的表面处理装置所使用的电极结构的较佳实施例的立体图。
主要组件对照表
101a  平板电极
101b  平板电极
102   等离子体产生空间
103   入口
104   出口
105   衬底
106a  电介体
106b  电介体
201a  圆柱形电极
201b  圆柱形电极
202a  电介体
202b  电介体
203   等离子体
204   衬底
300   处理气体储存部分
301a  第一入口
301b  第一入口
400   等离子体产生部分
401a  平板上电极
401b  平板下电极
402     等离子体产生空间
403a    电介体
403b    电介体
404a    散热器
404b    散热器
405a    第二入口
405b    第二入口
406     出口
406a    出口
406b    出口
406c    出口
406d    出口
406e    出口
407     交流电源
408     衬底
具体实施方式
图3为根据本发明的表面处理装置的较佳实施例的横剖面图。如图3所示，表面处理装置由处理气体储存部分(300)及位于处理气体储存部分下面的等离子体产生部分(400)组成。处理气体储存部分(300)具有将处理气体平稳供应到等离子体产生部分(400)的作用，因此，可就处理容量及转换效率适当选择其体积。等离子体产生部分(400)具有将处理气体转换成等离子体的作用。
经由第一入口(301a，301b)等离子体产生用处理气体被引进处理气体储存部分(300)，第一入口(301a，301b)被放置在处理气体储存部分(300)的一侧上。虽然举例两第一入口(301a，301b)将处理气体引进处理气体储存部分(300)，但是应理解第一入口的数目并不局限于此。若需要的话可放置四个第一入口在处理气体储存部分(300)的四侧上，或只有一入口位于处理气体储存部分(300)的上壁中央上。
等离子体产生部分(400)包括上平板电极(401a)及下平板电极(401b)、形成在电极(401a，401b)之间的等离子体产生空间(402)、使电极(401a，401b)绝缘的电介体(403a，403b)、降低电极(401a，401b)的表面温度的散热器(404a，404b)、自处理气体储存部分(300)将处理气体引到等离子体产生部分(400)的第二入口(405a，405b)、及将产生的等离子体及剩下的未转换处理气体排到等离子体产生空间(402)外面的出口(406a，406b，406c，406d，406e，总称”406”)。衬底(408)位于在下电极(401b)下面。上电极(401a)连接到交流电源(407)及下电极(401b)被接地。
处理气体首先经由装设在处理气体储存部分(300)的侧壁上的第一入口(301a，301b)引入处理气体储存部分(300)。引入的处理气体然后经由位于电介体(403a)上的第二入口(405a，405b)供应到等离子体产生空间(402)，在那里藉由自交流电源(407)提供的交流电压帮助转换成等离子体。等离子体及剩下的未转换处理气体经由位于下电极(401b)上的出口(406)排到等离子体产生空间(402)外面，以接触将处理的衬底(408)表面。
图4a为图3的表面处理装置所使用的电极结构的立体图。如上述，电极结构包含彼此面对的上平板电极(401a)及下平板电极(401b)、形成在电极(401a，401b)之间的等离子体产生空间(402)、使电极(401a，401b)绝缘的电介体(403a，403b)。在电介体(403a)上形成第二入口(405a，405b)，处理气体经由第二入口(405a，405b)自处理气体储存部分(300)供应到等离子体产生空间(402)。以交流电源所提供的交流电压将引入等离子体产生空间(402)的处理气体转换成等离子体。产生的等离子体及剩下的未转换成等离子体的处理气体经由形成在下电极(401b)上的出口(406a到406b，”406”)排到等离子体产生空间(402)外面，然后等离子体接触衬底(408)表面并处理它。在此实施例中，出口(406)的总处理宽度(D1+D2+D3+D4+D5)明显大于传统平板电极结构的处理宽度(W)，藉以大大增加被处理的衬底可能宽度。而且，本发明的另一优点是，尽管处理宽度(W)受被提供电压的限制很大，但是电极(D)的长度并未明显受到影响。换言之，虽然处理宽度(W)典型地被提供电压限制到0.01mm～30mm，但是电极(D)的长度几乎不会被电压影响，使得其长度可充分增加。结果，总处理宽度(D1+D2+D3+D4+D5)也可显著增加。此外，根据传统例子，因为需要装置的许多修正，所以难以改变出口的形状。根据本发明，出口(406)形状可有圆形、三角形、椭圆形、或任何其它形状的各式各样变化，除了散热器之外，无需改变装置的任何部分。因此，具有依据被处理的衬底(408)形状可改变出口(406)形状的优点。图4b图示出口被形成多个孔的此种示范性实施例。而且，虽然在图4a中第二入口(405a，405b)位于电介体(403a)的两边缘上，但是明显地，第二入口可位于有关等离子体产生空间(402)的总体积的电介体(403a)的所有四边缘上。
本发明并不特别限制等离子体产生用处理气体的种类，可广泛使用在此领域中一般所使用的处理气体。例如，可使用氮、氧、稀有气体、二氧化碳、氧化氮、全氟化气体、氢、氨、氯化物气体、臭氧或其混合物等。可使用氦、氩、氖、或氙当作稀有气体。可使用CF4、C2F6、CF3CF＝CF2、CClF3及SF6当作全氟化气体。
可就本领于的普通技术人员所熟知并且适合本发明的等离子体处理目的适当选择处理气体。例如，使用氮气体、氮及氧的混合物、氮及空气的混合物、稀有气体或氮及稀有气体的混合物较佳。就经济观点而言，氮、氮及氧的混合物、氮及空气的混合物更好。当去除抗蚀剂或蚀刻有机薄膜时，使用氧、臭氧、空气、二氧化碳(CO2)、蒸汽或氧化氮(N2O)较佳。此外，当蚀刻硅时，连同诸如CF4等氟基气体或氯化气体一起使用氮或稀有气体是有效的。当还原金属氧化物时，可以使用诸如氢或氨等还原气体。
AC电源频率在50Hz到200MHz的范围较佳。当频率低于50Hz时，有放电不稳定的可能。当频率大于200MHz时，由于等离子体相当大的温度上升，所以可能发生弧放电。频率在1kHz～100MHz的范围较佳，频率在5kHz～100kHz的范围更好。可就两个电极(401a，401b)之间的距离、电极的面积、及等离子体转换效率、及使用的电极种类适当选择施加的电压。通常，电压被调整在1kV～40kV的范围内。电压低于1kV时几乎不会产生等离子体放电，而电压大于40kV时可能破坏电介体。较佳的电压是在2kV～10kV的范围内，而最好的电压是在2kV～8kV的范围内。当频率及电压各自被调整在5kHz～100MHz及2kV～10kV的范围内时，就不需要符合施加较高频率及电压的阻抗，使得可达成装置的简化及经济利益。并不特别限制交流电源(407)产生的波形，可使用脉冲波及正弦波。
在等离子体处理期间，电极(401a，401b)的表面温度维持在250℃或更低，尤其是200℃或更低较佳。当电极温度大于250℃时，可能出现弧放电。尽管当温度被维持在室温下时需要额外的冷却，但是关于电极温度的下限值并无限制。藉由在电极(401a，401b)四周装设散热器(404a，404b)执行电极(401a，401b)的表面冷却。虽然并未特别限制下电极(401b)的散热器(404b)形状，但是下电极(401b)的散热器(404b)形状必须根据出口(406)的形状加以界定。尤其是，下电极(401b)的散热器(404b)形状需具有不可妨碍等离子体经由下电极(401b)流出的形状。藉由空气、水、或冷却剂的循环可执行电极(401a，401b)的表面冷却。对低电力而言，空气循环较佳，对高电力而言，水或冷却剂循环较佳。虽然上电极(401a)及下电极(401b)的散热器(404a，404b)可独立冷却，但是利用连接管(未图示)连接散热器(404a，404b)较佳。而且，当施加低电力时可不需要下电极(401b)的散热器(404b)。
以电介体(403a，403b)使上电极(401a)及下电极(401b)绝缘。虽然图3及4使用两个电介体(403a，403b)，但是可只用一个电介体使上电极(401a)及下电极(401b)绝缘，此为本领域的普通技术人员所知的。电介体(403a，403b)由具有2000或更少的电介体常数的绝缘材料制成较佳，但并不局限于此。例如，可使用MgF2、CaF2、LiF、矾土、玻璃、及陶瓷等。尤其是，使用氧化镁保持稳定性较佳。例如，可以藉由备制诸如矾土等陶瓷粉末及少量(0.01～5vol％)氧化镁的混合物并且烧结该混合物产生烧结本体，使用该烧结本体当作含氧化镁的电介体材料。作为另一选择例子藉由以溅射、电子束淀积、或热喷涂加以涂层MgO薄膜在诸如矾土或石英等电介体衬底表面上可备制含氧化镁的电介体材料。电介体(403a，403b)的厚度在0.1～2mm范围内较佳。当厚度小于0.1mm时，会降低电介体层的可承受的电压。此外，可能发生破裂或剥落，使得难以保持均匀的辉光放电。当厚度大于2mm时，承受的电压会过度增加。
可藉由诸如电极材料的熔化结合、陶瓷喷涂、或化学或物理汽相淀积等已知技术完成电(403a，403b)及电极(401a，401b)之间的连接。
尽管在连接电介体(403b)到下电极(401b)之后，藉由切掉特定区将出口(406)形成在下电极(401b)上，但是淀积或喷涂电介体材料(如，铜、银、铝、金、铂、钯、钼、钨、或其合金等)在已藉由切掉特定区形成出口(406)的电介体上较佳。
根据本发明的表面处理装置可修正成各种形式。例如，图4的电极结构能够以平行结构彼此连接。而且，可藉由装设温度计量测电极的表面温度、装设监视器显示被量测的电极温度、及装设控制器控制表面温度等加以控制电极的表面温度。有关此种修正，请参照US6,424,091。藉由如US 5,185,132所示一般，在处理气体储存部分内装设流量均匀器或多孔板可达成更一致的处理气体供应。
根据本发明的表面处理装置可用于去除衬底表面诸如有机物质等污染、剥除抗蚀剂、增加有机薄膜的黏附力、表面修正、薄膜形成、还原金属氧化物、或清洗液晶用玻璃衬底、蚀刻氧化物薄膜、或蚀刻硅酮或金属等例如，可用于清洗PCB(多氯联苯)条及引线框的清洗、TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)使用的大型玻璃的预先清洗、及剥除充满于TFT-LCD使用的大型玻璃上的抗蚀剂。而且，可用于半导体制造处理的所有包装步骤，诸如黏接、模制、焊接、芯片装附、浸泡、及标示处理等。而且，可用于去除半导体的金属氧化物材料、形成亲水表面、或形成防水表面。
根据本发明的表面处理装置可以在大气压力下连续处理衬底表面。换言之，可用于藉由移动与根据本发明的表面处理装置有关的衬底连续处理。
虽然根据本发明的表面处理装置之上电极及下电极是平板型电极，但是该装置解决传统平板电极结构所导致的有效处理面积宽度窄小的问题，及解决由于圆柱形电极结构所导致的等离子体放电空间减少的问题。此外，该装置并不限制衬底形状并且能够在大气压力下以连续方式处理衬底表面。

Claims (11)

1、一种表面处理装置，包含处理气体储存部分及位于处理气体储存部分下面的等离子体产生部分，其中
a)处理气体储存部分包含：第一入口，经由该第一入口引入处理气体，及
b)等离子体产生部分包含：
彼此面对的上电极及下电极；
形成在电极之间的等离子体产生空间；
使上电极及下电极绝缘的至少一个电介体；
降低电极的表面温度的散热器；
第二入口，经由该第二入口，处理气体自处理气体储存部分被引入等离子体产生空间；
出口，经由该出口，等离子体及未被转换成等离子体的处理气体被排出到等离子体产生空间的外面；以及
施加交流电压的交流电源；
其中上电极及下电极二者都是平板电极，出口形成在下电极上，以及衬底位于下电极下面。
2、根据权利要求1所述的表面处理装置，其中出口具有矩形、圆形、三角形、或椭圆形的形状。
3、根据权利要求1所述的表面处理装置，其中交流电源的频率是在50Hz～200MHz范围，及其电压是在1kV～40kV范围。
4、根据权利要求1所述的表面处理装置，其中交流电源的频率是在5kHz～100kHz范围，及其电压是在2kV～10kV范围。
5、根据权利要求1所述的表面处理装置，还包含流量均匀器。
6、根据权利要求1所述的表面处理装置，其中处理气体选自氮、氧、稀有气体、二氧化碳、氧化氮、全氟化气体、氢、氨、氯化物气体、臭氧或其混合物。
7、根据权利要求1所述的表面处理装置，其中处理气体选自氮、氮及氧的混合物、氮及空气的混合物。
8、根据权利要求1所述的表面处理装置，其中衬底是半导体。
9、根据权利要求1所述的表面处理装置，其中衬底是PCB条或引线框。
10、根据权利要求1所述的表面处理装置，其中衬底是TFT-LCD用大型玻璃。
11、根据权利要求1所述的表面处理装置，其中装置用于去除衬底表面的污染、剥除抗蚀剂、增加有机薄膜的粘附力、表面修正、薄膜形成、还原金属氧化物、或清洗液晶用玻璃衬底、蚀刻氧化物薄膜、或蚀刻硅酮或金属。
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