JP2003147535A - プラズマ処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コストの著しい増大を招くことなく、安定し
たプラズマ形成を実現する。 【解決手段】 放電発生用電極１２に対向する対向電極
１４上に基材１６を設置し、この基材１６と前記放電発
生用電極１２との間に所定の間隙を確保した状態で両電
極１２，１４間にグロー放電プラズマを発生させ、この
プラズマにより反応ガスを分解して前記基材の表面を処
理する。前記プラズマの形成にあたり、第１の高周波電
源２２によって放電発生用電極１２に高周波電圧を印加
すると同時に、第２の高周波電源２６によって対向電極
１４にも高周波電圧を印加し、これによって荷電粒子を
プラズマ中に閉じ込めてプラズマ密度を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、グロー放電プラズ
マによる化学反応を利用して基材表面に成膜や改質等の
処理を施するためのプラズマ処理方法及び装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、基材の表面処理を行う手段とし
て、放電発生用電極と対向電極とを対向配置するととも
に、前記対向電極に基材を載置してこの基材と放電発生
用電極との間に所定の間隙を確保し、前記対向電極を接
地する一方で前記放電発生用電極に高周波電圧もしくは
直流電圧を印加することにより、前記間隙中にグロー放
電プラズマを発生させ、このプラズマによって反応ガス
を分解することにより基材表面に適当な処理（例えば成
膜や改質）を施すプラズマ処理が知られている。

【０００３】このプラズマ処理は、当該プラズマを安定
して形成することができる低圧下（例えば0.1〜10Tor
r）で行われるのが一般的であったが、近年、設備の小
型化やタクトタイムの短縮化を目的として、大気圧また
はそれに近い圧力下においても安定したグロー放電プラ
ズマを形成できるようにする技術の開発が進められてい
る。

【０００４】具体的には、放電発生用電極にパルス電圧
を印加することによりグロー放電からアーク放電への移
行を回避するものや（特開平１０−１５４５９８号公
報）、放電発生用電極に印加する電圧を高周波化して電
極間にイオンや電子などの荷電粒子をトラップしてプラ
ズマを高密度化する技術が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記のように印加電圧
をパルス化する場合、使用ガス（不活性ガスや原料ガ
ス）の種類や放電条件に応じてパルス幅や立ち上げ時
間、デューティ比などを最適化する必要があり、設計が
面倒であるとともに、コストが増大する不都合がある。
また、１５０MHzといった非常に高い周波数をもつ電圧
を印加する場合もコスト増大は免れ得ず、またマッチン
グが困難であるという不都合もある。

【０００６】なお、印加電圧の周波数として工業的に一
般に用いられている周波数（例えば13.56MHz）を大気圧
下でのプラズマ処理に適用した場合、安定したプラズマ
を得ることは困難であり、電極間の電界が増大してグロ
ー放電が局所的にアーク放電に移行する等の不都合が生
ずるおそれがある。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑み、コスト
の著しい増大を招くことなく安定したプラズマ形成を実
現できる方法及び装置の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記従来技術は、いずれ
も、対向電極を接地した状態で放電発生用電極に所定電
圧を印加するものであり、放電発生用電極から放たれた
荷電粒子がその途中で反応ガス分子と衝突することなく
即座に対向電極側の基材表面へ至る確率が高い。従っ
て、高いプラズマ密度が得られにくく、これがプラズマ
安定化の妨げとなっている。

【０００９】本発明は、かかる点に着目してなされたも
のであり、放電発生用電極に対向する対向電極上に基材
を設置してこの基材と前記放電発生用電極との間に所定
の間隙を確保した状態で両電極間にグロー放電プラズマ
を発生させ、このプラズマにより反応ガスを分解して前
記基材の表面を処理するプラズマ処理方法において、前
記放電発生用電極に高周波電圧を印加すると同時に、前
記対向電極にも高周波電圧を印加して前記プラズマを発
生させるものである。

【００１０】また本発明は、放電発生用電極と、この放
電発生用電極に対向するように配置される対向電極とを
備え、この対向電極上に基材が設置された状態で両電極
間にグロー放電プラズマを発生させ、このプラズマによ
り反応ガスを分解して前記基材の表面を処理するプラズ
マ処理装置において、前記放電発生用電極に高周波電圧
を印加する第１の高周波電源と、前記対向電極に高周波
電圧を印加する第２の高周波電源とを備えたものであ
る。

【００１１】これらの方法及び装置によれば、放電発生
用電極だけでなく、これに対向する対向電極にも高周波
電源を印加することによって、基材表面側に向かおうと
する荷電粒子（例えば陽イオンや電子）をプラズマ中に
押し戻すことができ、これによってプラズマを高密度化
することが可能になる。

【００１２】従って、前記プラズマを大気圧またはその
近傍圧力下で安定した状態で形成することが可能であ
り、これによって設備の小型化及びコストの低減を図る
ことができる。

【００１３】なお、「大気圧またはその近傍圧力」とは
100〜800Torrの圧力をいう。より好ましくは、基材のAi
r to air搬送が可能な700〜800Torrでプラズマ形成を行
うのがよい。

【００１４】前記方法及び装置では、前記対向電極に印
加される高周波電圧を利用してイオン衝撃効果を得るこ
とが可能になる。具体的には、前記高周波電圧の印加に
よって対向電極の電位が負電位となる時に陽イオンを当
該対向電極側に引き付け、基材表面に叩きつけることが
可能である。このようなイオン衝撃により、例えば基材
表面に成膜を行う場合には当該膜の硬質化を図ることが
できる。ただし、対向電極に印加される高周波電圧の周
波数が過度に高いと、その電圧変化に間隙中のイオン粒
子が追従できなくなるため、当該イオン粒子の質量等を
考慮して、前記イオン粒子が基材表面上に叩きつけられ
るように当該高周波電圧の周波数を低く設定する必要が
ある。

【００１５】一方、放電発生用電極に印加される高周波
電圧の周波数は、対向電極に印加される高周波電圧の周
波数よりも高くするのが望ましい。このように放電発生
用電極に印加される高周波電圧の周波数を高くすること
により、この放電発生用電極が前記イオン衝撃を受ける
のを抑止することができ、当該電極の表面を長期にわた
って良好に維持することが可能になる。

【００１６】前記放電発生用電極の形状や構造は適宜設
定が可能である。例えば、前記放電発生用電極が一方向
に延び、かつ、前記対向電極に向かって曲面状に膨出す
る膨出端部をもつ断面形状を有し、その膨出端部と前記
対向電極上に載置される基材との間に前記間隙が形成さ
れた状態で当該基材が前記放電発生用電極の長手方向と
直交する方向に搬送される構成とすれば、対向電極への
放電発生用電極の投影面積を小さく抑えながら、広面積
にわたって基材表面の処理を行うことができる。また、
放電発生用電極の端部が鋭く尖っているものに比べ、グ
ロー放電からアーク放電への移行をより確実に回避する
ことができる。

【００１７】なお、このようないわゆるライン状プラズ
マを形成する装置では、大面積の平行平板型電極を用い
る場合に比べ、イオン衝撃に有効な自己バイアス（直流
的な電圧）が発生しにくい傾向があるが、前記のように
適当な周波数の高周波電圧を対向電極に印加することに
よって、イオン衝撃を励起することが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施の形態
では、基材表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライク・カーボ
ン）薄膜を形成する例を示すが、本発明はその他の薄
膜、例えば耐食及び耐摩耗を目的としたＳｉＮ₄薄膜
や、Ｓｉ薄膜などの半導体薄膜、ＳｉＣ薄膜、ＴｉＣ薄
膜、ＴｉＮ薄膜などの耐食、耐摩耗、あるいは潤滑など
を目的とした種々の薄膜の形成や、その他のプラズマ処
理、例えば特開平９−３１６２０号公報に示されるよう
なプラズマ反応を利用した基材表面の除去加工などにも
適用できる。また、基材２４の材質も、プラスチック、
金属、紙、ガラスなど、その種類を問わない。

【００１９】図１に示すプラズマ処理装置は、チャンバ
１０を備え、その内部に放電発生用電極１２が設けられ
るとともに、この放電発生用電極１２の下方に同電極１
２と対向する平板状の対向電極１４が配置されている。

【００２０】放電発生用電極１２は、一方向（図１では
奥行き方向、図２では左右方向）に延び、かつ、その下
端に前記対向電極１４に向かって曲面状に膨出する膨出
端部をもつ断面形状を有し、絶縁フレーム１８を介して
チャンバ１０の天壁に固定されている。そして、前記対
向電極１４上に薄板状の基材１６が設置された状態で当
該基材１６の上面と前記膨出端部との間に所定の間隙が
確保されるとともに、この間隙を保ったまま前記対向電
極１４とともに基材１６が前記放電発生用電極１２の長
手方向と直交する方向に搬送されるようになっている。

【００２１】前記膨出端部の正面視形状（図１に示す形
状）は、滑らかな曲線状が好ましく、図示のような曲率
半径Ｒ１をもつ半円状の他、例えば楕円状や放物線状に
設定してもよい。また、放電発生用電極１２の長手方向
端部にも図２に示すような曲率半径Ｒ２が与えられてい
ることが好ましい。

【００２２】放電発生用電極１２の膨出端部と基材１６
の表面との距離（間隙寸法）は、0.5〜10mmが好適であ
る。特に当該間隙寸法が１mm程度の場合、本発明による
プラズマ高密度化の効果は顕著となる。

【００２３】なお、本発明において放電発生用電極の具
体的な形状は特に問わず、例えば従来の平行平板型電極
や、特開平９−１０４９８５号公報に示されるような回
転電極を適用してもよい。

【００２４】また、各電極１２，１４の表面には、アー
ク放電を防止するための誘電体層（例えば金属酸化物）
が形成されていることが好ましい。

【００２５】図１に示すように、前記放電発生用電極１
２には、整合器（マッチング装置）２０を介して第１の
高周波電源２２が接続され、この第１の高周波電源２２
によって前記放電発生用電極１２に高周波電圧が印加さ
れるようになっている。

【００２６】さらに、この装置の特徴として、前記対向
電極１４には整合器２４を介して第２の高周波電源２６
が接続され、この第２の高周波電源２６によって前記対
向電極１４にも高周波電圧が印加されるようになってい
る。

【００２７】なお、各電極１２，１４に印加される電圧
の周波数については後に詳述する。

【００２８】両電極１２，１４を挟んでチャンバ１０の
一方の側部には入口圧力調節室２８が設けられ、他方の
側部には出口圧力調節室３０が設けられている。両室２
８，３０内に対しては、不活性ガスの給排が適宜行わ
れ、これにより室内圧力の調節が行われる。入口圧力調
節室２８には、同室２８内を装置外部に対して開閉する
ゲートバルブ３２と、当該室２８内をチャンバ１０内に
対して開閉するゲートバルブ３４とが設けられ、同様に
出口圧力調節室３０には、同室３０内を装置外部に対し
て開閉するゲートバルブ３８と、当該室３０内をチャン
バ１０内に対して開閉するゲートバルブ３６とが設けら
れている。

【００２９】なお、放電発生用電極１２の近傍には排気
ダクト４０が設けられ、この排気ダクト４０はバルブ４
２を介して排気装置４４に接続されている。

【００３０】次に、この装置の作用を説明する。

【００３１】処理対象となる基材１６は、入口圧力調節
室２８を通じてチャンバ１０内に搬入され、対向電極１
４上に載置される。そして、この対向電極１４とともに
出口圧力調節室３０側に向かって（図１では左側に向か
って）搬送される。

【００３２】一方、排気ダクト４０から適当な排気が行
われることにより、チャンバ１０内が大気圧またはその
近傍圧力に保持される。

【００３３】さらに、チャンバ１０内にはガス導入口１
３から反応ガス（ＤＬＣを成膜する場合には例えばＣＨ
₄）及び不活性ガス（例えばＨｅ）が導入されるととも
に、高周波電源２２，２６から放電発生用電極１２，１
４にそれぞれ高周波電圧が印加される。

【００３４】かかる電圧の印加によって、放電発生用電
極１２の膨出端部と基材１６の表面との間に当該放電発
生用電極１２に沿って延びるプラズマＰ（図２）が形成
され、このプラズマＰによって反応ガスが分解される。
そして、このプラズマＰの長手方向と直交する方向に前
記基材１６が搬送されることにより、当該基材１６上に
成膜が施される。この基材１６は、出口圧力調節室３０
を通じて装置外へ搬出される。

【００３５】かかるプラズマ処理において、従来は対向
電極１４が接地されていたのに対し、図示の装置では対
向電極１４にも高周波電圧が印加されているため、その
印加によって、プラズマ高密度化及びイオン衝撃の励起
という従来装置では得られない優れた作用効果を得るこ
とが可能となっている。その詳細は次のとおりである。

【００３６】１）プラズマ高密度化について 図３（ａ）（ｂ）は、放電発生用電極１２と基材１６と
の間の領域における性状を模式的に示したものである。
図示のように、放電発生用電極１２の表面近傍及び基材
１６の表面近傍にはそれぞれ電界領域（シース）Ｅ１，
Ｅ２が形成され、両シースの間にプラズマ形成領域が存
在する。

【００３７】ここで、対向電極１４への高周波電極によ
り基材１６の表面が正に帯電するときには、図３（ａ）
に示すように基材１６近傍の陽イオン（例えば不活性ガ
スとしてＨｅを用いる場合にはヘリウムイオン）がプラ
ズマ内に押し戻され、逆に基材１６の表面が負に帯電す
るときには同図（ｂ）に示すように電子がプラズマ内に
押し戻される。このようにして荷電粒子である陽イオン
や電子がプラズマ内に閉じ込められることにより、プラ
ズマ密度が高まり、ひいては良好なプラズマを安定した
状態で形成することができる。

【００３８】すなわち、従来のように荷電粒子がほとん
ど抵抗を受けずにそのまま基材１６に到達してしまう場
合には、放電発生用電極１２の膨出端部と基材１６とを
結ぶ直線上で高いプラズマ密度を確保することができ
ず、その結果、図４（ａ）に示すようにプラズマＰの形
成領域が薄く広がってしまい、グロー放電を安定して維
持することが困難になる。これに対して本発明のよう
に、対向電極１４への高周波電圧の印加によって荷電粒
子をプラズマ形成領域中に閉じ込めることにより、図４
（ｂ）に示すように、放電発生用電極１２と基材１６と
の間の特定領域に集中して高密度プラズマＰを形成する
ことが可能になり、その結果、良好なグロー放電を安定
して維持することが可能になる。

【００３９】従って、従来のように放電発生用電極１２
に対してパルス電圧や極めて周波数の高い特別な電圧を
印加しなくても、ごく一般的な高周波電圧（例えば13.5
6MHz）を印加するだけで、大気圧またはそれに近い圧力
下においても安定したプラズマ形成を実現することがで
きる。

【００４０】２）イオン衝撃の励起について 前記対向電極１４への高周波電圧の印加により、基材１
６が負に帯電しているときには、図３（ｂ）に示すよう
に、プラズマ中の陽イオンがクーロン力によって基材１
６側に引き付けられ、当該基材１６の表面に叩きつけら
れる。このようなイオン衝撃の励起により、例えば成膜
時においては既成の膜を再構成して硬化することが可能
となり、好適な硬度をもつ膜（例えばＤＬＣ膜）を得る
ことが可能になる。また、その他のプラズマ処理におい
ても、当該処理を促進する効果を得ることかできる。

【００４１】なお、このようなイオン衝撃効果を得るた
めには、対向電極１４へ印加する高周波電圧の周波数を
適正な周波数に設定することが肝要である。すなわち、
イオン粒子にはその質量に比例した慣性が存在してお
り、対向電極１４へ印加する高周波電圧の周波数が過度
に高いとその電圧振動にイオン粒子が追従できず、イオ
ン衝撃効果を得ることが困難となるため、当該周波数は
所定値以下にしておく必要がある。

【００４２】具体的に、素電荷量をｅ、電界強さをＥ
ｏ、イオン粒子の質量をｍ、周波数をｆ、角周波数をω
（＝２πｆ）とすると、前記イオン粒子の振動振幅Ａ
は、Ａ＝｜ｅＥｏ／ｍω²｜で表されるので、例えば、
不活性ガスにヘリウムを用いた場合、基材１６側の電界
領域（シース）Ｅ２の厚みを0.1mm、Ｅｏ＝10⁶Ｖ／ｍと
すると、前記周波数ｆを１０MHz以下にすることによ
り、前記シースの厚みを超えた振幅をもつ振動をプラズ
マ中のヘリウムイオンに付与することができ、これによ
ってイオン衝撃を励起することが可能となる。

【００４３】ただし、前記周波数を過度に低くすると前
述の荷電粒子の閉じ込めによるプラズマ高密度化の効果
が得られにくくなるので、当該周波数は100kHz以上に設
定することが、より好ましい。

【００４４】その一方、放電発生用電極１２に印加する
電圧の周波数は、対向電極１４に印加する電圧の周波数
よりも高く設定しておくことが、より好ましい。このよ
うに放電発生用電極１２側の周波数を高くすることによ
り、イオン粒子が放電発生用電極１２の表面に叩きつけ
られるのを抑止することができ、当該電極１２の表面を
長期にわたって良好に維持することが可能になる。

【００４５】

【実施例】前記図１に示す装置において、次のような条
件下でＤＬＣの成膜を行う。

【００４６】・放電発生用電極１２の膨出端部におい
て、正面から見た曲率半径Ｒ１を50mm、側面から見た曲
率半径Ｒ２を10mmとする。

【００４７】・放電発生用電極１２及び対向電極１４の
表面にはプラズマ溶射によってアルミナをコーティング
する。その厚みは、放電発生用電極１２側で150μｍ、
対向電極１４側で100μｍとする。

【００４８】・基材１６として、厚さ1.1mm、搬送方向
長さ300mm、幅250mmのガラス板を用い、この基材１６と
放電発生用電極１２との距離（間隙寸法）を１mmとす
る。

【００４９】・チャンバ１０内にはＨｅ，ＣＨ₄，Ｈ₂を
５：１：１のモル比で導入し、チャンバ内圧力は700Tor
rに保持する。

【００５０】・放電発生用電極１２に13.56MHzの周波数
をもつ600Ｗの高周波電力を印加する一方、対向電極に
は400kHzの周波数をもつ60Ｗの高周波電力を印加してプ
ラズマを形成し、2.0mm／secの速度で基材１６を搬送す
る。

【００５１】このようにしてプラズマ処理を試みた結
果、基材１６上に厚さ200mmのＤＬＣ膜を形成すること
ができた。また、その膜硬度をナノインダンターで測定
したところ７Gpaという優れた値が得られた。一方、比
較例として、従来と同様に対向電極１４を接地して放電
発生用電極１２にのみ13.56MHzの周波数をもつ600Ｗの
高周波電力を印加して成膜を行ったところ、得られたＤ
ＬＣ膜の厚さは30mm、硬度は１GPaであった。従って、
本発明の適用により、膜厚及び硬度がともに従来に比し
て７倍近く改善されたこととなる。

【００５２】

【発明の効果】以上のように本発明は、放電発生用電極
と対向電極との間にプラズマを形成して基材表面をプラ
ズマ処理するにあたり、前記放電発生用電極に高周波電
圧を印加するのに加え、対向電極にも高周波電圧を印加
するようにしたものであるので、プラズマ中の荷電粒子
を基材表面からプラズマ中に押し返すことによってプラ
ズマ密度を高め、これにより、コストの著しい増大を招
くことなく安定したプラズマ形成を実現することができ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置
の全体構成図である。

【図２】前記プラズマ処理装置の要部を示す側面図であ
る。

【図３】（ａ）（ｂ）はプラズマ処理中における荷電粒
子を挙動を模式的に示した図である。

【図４】（ａ）は本発明により安定したプラズマが集中
形成されている状態を示す図、（ｂ）はプラズマ領域が
拡散された状態を示す図である。

【符号の説明】

１０ チャンバ １２ 放電発生用電極 １４ 対向電極 １６ 基材 ２２ 第１の高周波電源 ２６ 第２の高周波電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 AA09 BA28 FA03 JA03 JA09 JA18 KA14 5F045 AA08 AB02 AB06 AB07 AB33 AC01 AC17 AE25 DP03 DP21 EB08 EG10 EH04 EH12 EH19 EN02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電発生用電極に対向する対向電極上に
   基材を設置してこの基材と前記放電発生用電極との間に
   所定の間隙を確保した状態で両電極間にグロー放電プラ
   ズマを発生させ、このプラズマにより反応ガスを分解し
   て前記基材の表面を処理するプラズマ処理方法におい
   て、前記放電発生用電極に高周波電圧を印加すると同時
   に、前記対向電極にも高周波電圧を印加して前記プラズ
   マを発生させることを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のプラズマ処理方法におい
   て、前記プラズマを大気圧またはその近傍圧力下で形成
   することを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 【請求項３】 放電発生用電極と、この放電発生用電極
   に対向するように配置される対向電極とを備え、この対
   向電極上に基材が設置された状態で両電極間にグロー放
   電プラズマを発生させ、このプラズマにより反応ガスを
   分解して前記基材の表面を処理するプラズマ処理装置に
   おいて、前記放電発生用電極に高周波電圧を印加する第
   １の高周波電源と、前記対向電極に高周波電圧を印加す
   る第２の高周波電源とを備えたことを特徴とするプラズ
   マ処理装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載のプラズマ処理装置におい
   て、前記第２の高周波電源による前記対向電極への高周
   波電圧の印加によって前記間隙中のイオン粒子が基材表
   面上に叩きつけられるように当該高周波電圧の周波数が
   設定されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載のプラズマ処理装置におい
   て、前記第１の高周波電源により放電発生用電極に印加
   される高周波電圧の周波数が前記第２の高周波電源によ
   り前記対向電極に印加される高周波電圧の周波数よりも
   高いことを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 請求項３〜５のいずれかに記載のプラズ
   マ処理装置において、前記放電発生用電極は一方向に延
   び、かつ、前記対向電極に向かって曲面状に膨出する膨
   出端部をもつ断面形状を有し、その膨出端部と前記対向
   電極上に載置される基材との間に前記間隙が形成された
   状態で当該基材が前記放電発生用電極の長手方向と直交
   する方向に搬送されることを特徴とするプラズマ処理装
   置。