JP2003197397A

JP2003197397A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2003197397A
Application number: JP2002254622A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Mayumi; 聡真弓
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2003-07-11
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: JP4044397B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高密度プラズマを得ることができる常圧プラ
ズマ処理装置を提供する。【解決手段】内側のホット電極３０とそれを囲む外側
のアース電極４０との間の筒状プラズマ化空間１ａに、
処理ガスを供給するとともに電界を印加してグロー放電
を起させる処理ガスをプラズマ化させて、ノズル孔５２
ｂから吹出す。プラズマ化空間１ａの上側（基端側）に
は、処理ガス供給路２１ｄに連なる環状空間２１ｅと、
この環状空間２１ｅから斜めに延びる複数の旋回導孔２
５ａを形成し、プラズマ化空間１ａへの処理ガスを旋回
流にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、プラズマ処理装
置に関するものであり、特に常圧下においてグロー放電
によりプラズマを生成して被処理物に吹き付け、薄膜形
成、エッチング、表面改質、有機汚染物除去、撥水化又
は親水化等の表面処理を行なうのに適した装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】グロー放電プラズマによる表面処理は低
圧下で行なうのが一般的であった。しかし、真空チャン
バーやその内部を真空引きする大容量の排気装置を要
し、高価であった。そこで、常圧下で行なうことのでき
る装置が種々開発されている（特開平６−２１４９号公
報、特開平７−８５９９７号公報、特開平１１−２５１
３０４号公報、特開平１１−２６０５９７号公報等参
照）。例えば、特開平１１−２５１３０４号公報に記載
の装置によれば、電極構造を筒状の外側電極とその軸心
に沿って配された内側電極との同心円筒型に構成し、こ
れら電極間に処理ガスを導入してプラズマ化させ、これ
を被処理物に吹き付け、局所的な表面処理を行なうよう
になっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上掲公報等の
常圧プラズマ処理装置では、処理ガスが電極間を流れる
短い時間内でしかプラズマ化できないため、高密度のプ
ラズマを得るのが難しく、処理強度と処理速度の面で改
善の余地があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明に係るプラズマ処理装置は、軸状に延びる
内側電極と、この内側電極をそれと同軸をなして囲む筒
状の外側電極と、これら電極の間に形成された筒状のプ
ラズマ化空間（活性化空間）に上記軸方向の基端側から
処理ガスを供給するガス供給手段と、上記電極間に電界
を印加して例えばグロー放電等を起させることにより上
記ガス供給手段からの処理ガスを上記筒状空間において
プラズマ化（イオン状態だけでなくラジカル状態も含
む）させる電界印加手段と、上記プラズマ化空間の先端
側に配され、上記プラズマ化後の処理ガスを被処理物へ
向けて吹出すノズル部とを備え、上記ガス供給手段が、
処理ガス源に接続されたガス供給路と、上記プラズマ化
空間の基端側に配され、上記ガス供給路からの処理ガス
を上記プラズマ化空間の周方向に旋回させながら上記ノ
ズル部へ向かわせる旋回流形成機構（旋回流形成手段）
とを有していることを特徴とする。これによって、処理
ガスを高密度にプラズマ化することができ、十分に大き
な処理強度と処理速度を得ることができる。

【０００５】上記旋回流形成機構が、上記ガス供給路に
連なるとともに上記プラズマ化空間と同軸でそれより大
径の環状空間と、この環状空間から上記プラズマ化空間
へ向けて延びるとともに環状空間の周方向に互いに離れ
て配された複数の旋回導孔とを有する旋回流形成路から
なり、各旋回導孔が、プラズマ化空間のほぼ接線に沿う
とともにプラズマ化空間に向かうにしたがって先端側へ
傾き、且つ上記ガス供給路より細いことが望ましい。こ
れによって、螺旋状の、しかも高速の旋回流を確実に形
成できる。旋回流形成路として、上記プラズマ化空間と
同軸をなす螺旋状の導孔を設けてもよい。上記旋回流形
成機構は、上記のような旋回流形成路の他、回転羽根と
これを回転させる駆動手段等で構成してもよい。

【０００６】本発明のプラズマ処理装置は、ノズルヘッ
ドを備えているのが望ましい。このノズルヘッドの筐体
を構成するヘッド本体には、絶縁ホルダが装填されると
ともにそれより先端側に上記外側電極が収容、支持さ
れ、更にそれより先端側に上記ノズル部が設けられてお
り、上記内側電極の基端部が、上記絶縁ホルダに支持さ
れ、先端部が、絶縁ホルダから突出して上記外側電極内
に挿入されており、上記絶縁ホルダに、上記ガス供給路
の一部又は全部と環状空間と旋回導孔とが形成されてい
る。これによって、内外の電極を確実に絶縁しながら安
定して保持することができる。

【０００７】上記ヘッド本体が、導電体からなり、上記
外側電極と導通するとともに接地されており、上記内側
電極の基端部が、上記電圧印加手段に接続されているこ
とが望ましい。これによって、電極の電気的接続や接地
を容易に行なうことができる。

【０００８】上記内側電極の内部には、基端側から先端
側へ向かい、その後基端側へ戻る内側電極冷却路が形成
され、上記外側電極の外周面と上記ヘッド本体との間に
は、環状の外側電極冷却路が形成され、これら内外の電
極冷却路の一端どうしが、上記絶縁ホルダ及びヘッド本
体内に形成された内部連通路を介して連通するととも
に、他端が、それぞれ絶縁ホルダ又はヘッド本体に形成
された外部連通路を介してノズルヘッドの外部へ出さ
れ、これら外部連通路のうち一方の外出端に電極冷却用
の冷媒供給源が接続され、他方の外出端に冷媒排出路又
は冷媒供給源への戻し路が接続されていることが望まし
い。これによって、冷媒を１つの経路に沿って流しなが
ら内外の電極を順次冷却することができる。また、ノズ
ルヘッドには、冷媒のインとアウトのポートをそれぞれ
１つ設けるだけでよく、これらポートに接続される配管
構成の簡略化を図ることができる。

【０００９】上記ノズル部には、上記処理ガスを吹出す
ノズル孔を囲むようにして吸込み孔が形成され、上記絶
縁ホルダ又はヘッド本体には、上記吸込み孔における周
方向に互いに離れた位置から基端側へ延びる複数の第１
吸込み路と、これら第１吸込み路を互いに連ねて均圧化
する連絡路と、この連絡路における上記複数の第１吸込
み路を均等吸引可能な位置から延びる単一の第２吸込み
路とが形成されており、この第２吸込み路が、ノズルヘ
ッドから出て吸込み手段に接続されていることが望まし
い。これによって、ノズルヘッド内の限られたスペース
に吸込み路を有効配置して、ノズル孔の周りを周方向に
均等に吸込むことができ、処理済みの被処理物が排ガス
で悪影響を受けるのを確実に防止できる。

【００１０】上記ノズルヘッドの基端部に、上記の各接
続部（すなわちガス供給路と処理ガス源との接続部、内
側電極と電圧印加手段との接続部、外部連通路のうち一
方の外出端と冷媒供給源との接続部、他方の外部連通路
の外出端と冷媒排出路又は冷媒供給源への戻し路との接
続部、第２吸込み路と吸込み手段との接続部）が、それ
ぞれ配されていることが望ましい。これによって、接続
作業や接続状態の確認を容易に行なうことができる。ま
た、外観をすっきりさせることができる。

【００１１】本発明では、上記電極間に、高周波電界、
パルス電界等の電界が印加され、プラズマを発生させる
が、中でもパルス電界を印加することが好ましく、特
に、パルスの立上がり及び／又は立下がり時間が、１０
μｓ以下のものが好ましい。１０μｓを越えると放電状
態がアークに移行しやすく不安定なものとなり、高密度
プラズマ状態を保持しにくくなる。また、立上がり時間
及び立下がり時間が短いほどプラズマ発生の際のガスの
電離が効率よく行なわれるが、４０ｎｓ未満の立上がり
時間のパルス電界を実現することは、実際には困難であ
る。より好ましくは５０ｎｓ〜５μｓである。なお、こ
こでいう立上がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して
増加する時間、立下り時間とは、電圧（絶対値）が連続
して減少する時間を指すものとする。

【００１２】上記パルス電界の電界強度は、１０〜１０
００ｋＶ／ｃｍとなるようにするのが好ましく、１５〜
１０００ｋＶ／ｃｍがより好ましい。電界強度が１０ｋ
Ｖ／ｃｍ未満であると処理に時間がかかりすぎ、１００
０ｋＶ／ｃｍを越えるとアーク放電が発生しやすくな
る。上記パルス電界の周波数は、０．５ｋＨｚ以上であ
ることが好ましい。０．５ｋＨｚ未満であると、プラズ
マ密度が低く、処理に時間がかかりすぎる。上限は特に
限定されないが、常用されている１３．５６ＭＨｚ、試
験的に使用されている５００ＭＨｚといった高周波帯で
も構わない。負荷との整合のとり易さや取り扱い性を考
慮すると、５００ｋＨｚ以下が好ましい。このようなパ
ルス電界を印加することにより、処理速度を大きく向上
させることができる。上記パルス電界における１つのパ
ルスの継続時間は、２００μｓ以下であることが好まし
い。２００μｓを越えるとアーク放電に移行しやすくな
る。ここで、１つのパルス継続時間とは、ＯＮ、ＯＦＦ
の繰り返しからなるパルス電界における、１つのパルス
の連続するＯＮ時間を言う。

【００１３】本発明のプラズマ処理装置は、どのような
圧力下でも用いることができるが、特に大気圧近傍の圧
力下（常圧下）で用いるとその効果を十分に発揮でき
る。大気圧近傍の圧力とは、１．３３３×１０⁴〜１
０．６６４×１０⁴Ｐａの範囲を指す。中でも、９．３
３１×１０⁴〜１０．３９７×１０⁴Ｐａの範囲は、圧力
調整が容易で装置が簡便になり、好ましい。大気圧近傍
の圧力下では、ヘリウム、ケトン等の特定のガス以外
は、プラズマ状態が安定して保持されずにアーク放電に
移行しやすいことが知られているが、印加電界をパルス
状にすることによって、アーク放電に移行する前に放電
を止めることができる。上記パルス電界を用いた大気圧
放電プラズマ処理装置によると、ガス種にまったく依存
せず、電極間において大気圧下で放電を起こすことが可
能であり、電極構造や放電手順を単純化でき、高速処理
を実現できる。

【００１４】本発明で処理できる被処理基材（被処理
物）は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレ
ン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、
ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、液晶ポリマ
ー、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等のプラスチック、ガ
ラス、セラミック、金属等が挙げられる。基材の形状と
しては、板状、フィルム状等のものが挙げられるが、こ
れらに限定されない。特に、エッチング処理を行なう場
合は、シリコンウェーハ、ＧａＡｓウェーハ、ＩｎＰウ
ェーハ等の半導体ウェーハ、各種絶縁膜や金属薄膜やＳ
ＡＷフィルタなども処理の対象となる。

【００１５】本発明で用いる処理ガスとしては、電界を
印加することによってプラズマを発生するガスであれ
ば、特に限定されず、処理目的により種々のガスを使用
できる。本発明の装置によれば、プラズマ発生空間中に
存在する気体の種類を問わずグロー放電プラズマを発生
させることが可能であり、開放系あるいは気体の自由な
流失を防ぐ程度の低気密系での処理が可能となる。処理
ガスとして、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、ＣＣｌＦ₃、ＳＦ₆等のフ
ッ素含有化合物ガスを用いることによって、撥水性表面
を得ることができる。処理ガスとして、Ｏ₂、Ｏ₃、水、
空気等の酸素元素含有化合物、Ｎ₂、ＮＨ₃等の窒素元素
含有化合物、ＳＯ₂、ＳＯ₃等の硫黄元素含有化合物を用
いることによって、基材表面にカルボニル基、水酸基、
アミノ基等の親水性官能基を形成させて表面エネルギー
を高くし、親水性表面を得ることができる。また、アク
リル酸、メタクリル酸等の親水基を有する重合性モノマ
ーを用いて親水性重合膜を被膜することもできる。Ｓ
ｉ、Ｔｉ、Ｓｎ等の金属の金属−水素化合物、金属−ハ
ロゲン化合物、金属アルコラート等の処理ガスを用いる
ことによって、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂等の金属酸
化物薄膜を形成でき、基材表面に電気的、光学的機能を
与えることができる。さらに、ハロゲン系ガスを用いて
エッチング処理やダイシング処理を行なったり、酸素系
ガスを用いてレジスト処理や有機物汚染の除去を行なっ
たり、アルゴン、窒素等の不活性ガスを用いて表面クリ
ーニングや表面改質を行なうこともできる。

【００１６】特に、エッチングの処理ガスとしては、例
えば、塩素ガス、臭素ガス、フッ素ガス等のハロゲンガ
ス、ハロゲンと炭素、あるいはハロゲンと水素を含有す
るハロゲン化合物ガスが挙げられる。ハロゲン化合物ガ
スとしては、例えばＣＦ₄、ＣＣｌ₃Ｆ₃、ＳＦ₆、ＨＣｌ
等が挙げられる。酸素等の反応性ガスは、ハロゲン系ガ
スによるエッチングに対して直接的あるいは触媒的に働
いて効果を高める場合があるので、酸素や空気等の汎用
的なガスでハロゲン化合物ガスを希釈してもよい。本発
明の装置は、処理ガスの高密度プラズマを被処理基材へ
局所的に吹き付けることができるので、ハロゲン系ガス
を用いたエッチング処理に特に有効である。ドライエッ
チング処理を行なう場合は、被処理基材を加熱または冷
却して行なってもよい。温度は８０〜４００℃にするの
が好ましい。

【００１７】経済性及び安全性の観点から、処理ガス単
独雰囲気よりも、以下に挙げる希釈ガスによって希釈さ
れた雰囲気中で処理を行なうことが望ましい。希釈ガス
としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の
希ガス、窒素ガス等が挙げられる。これらは単独でも２
種以上を混合して用いてもよい。希釈ガスを用いる場
合、処理ガスの割合は０．０１〜１０体積％であること
が好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を、図面
を参照して説明する。図１１は、本発明の第１実施形態
に係るプラズマ処理装置Ｓ１を示したものである。プラ
ズマ処理装置Ｓ１は、架台ＳＴと、この架台ＳＴ上に設
置されたハウジングＨＳと、このハウジングＨＳ内に設
けられた移動機構ＴＲと、ハウジングＨＳ上に取り付け
られたノズルヘッド１とを備えている。移動機構ＴＲ上
のテーブルＴＢに、図１に示す基板Ｗ（被処理物）がセ
ットされた後、テーブルＴＢがノズルヘッド１の直下へ
移動されることにより、基板Ｗにエッチング等の表面処
理が施されるようになっている。架台ＳＴの傍のボック
スＢＸには、後記パルス電源装置ＰＳや処理ガスに定量
の水蒸気を添加する気化器（図示せず）等が収容されて
いる。なお、移動機構ＴＲは、テーブルＴＢひいては基
板ＷをＸＹＺの３方向へ位置調節できるようになってい
るが、ＸＹの２方向だけに位置調節できるものを用いて
もよい。被処理物がフィルム状である場合には、上記移
動機構ＴＲに代えて、繰り出しロールと巻き取りロール
からなる搬送系を用いるとよく、枚葉状のものである場
合には、搬送コンベアや搬送ロボット等の搬送系を用い
るとよい。

【００１９】ノズルヘッド１について詳述する。図１及
び図２に示すように、ノズルヘッド１は、筐体を構成す
るヘッド本体１０と、このヘッド本体１０に装填された
絶縁ホルダ２０とを備えている。ヘッド本体１０及び絶
縁ホルダ２０の内部に同軸円筒型の一対の電極３０，４
０が収容、支持されている。

【００２０】詳述すると、ヘッド本体１０は、軸線Ｌを
鉛直に向けた筒状のセンターボディ１１と、このセンタ
ーボディ１１の上端部（基端部）のフランジ１１ａに重
ねられた中空円盤状のキャップ１２と、センターボディ
１１の下端部（先端部）に連ねられたやや小径筒状のロ
アボディ１３とを有し、下段ほど小径の三段筒形状をな
している。各ボディ１１〜１３は、導電性材料（例えば
ステンレス）で構成されている。

【００２１】センターボディ１１が、上記ハウジングＨ
Ｓの上板部に形成された収容穴ＨＳａに嵌め込まれてい
る。センターボディ１１の上端フランジ１１ａとキャッ
プ１２とが、ハウジングＨＳにボルト６０にて固定され
ている。ロアボディ１３の下端部には、ノズル部５０が
取り付けられている。ノズル部５０の詳細構造について
は、後記の処理ガス供給機構で述べることとする。

【００２２】絶縁ホルダ２０は、中空円形ブロック状の
メインホルダ２１と、このメインホルダ２１の上に載せ
られた下部大径短筒状、上部小径長筒状のインターナル
ホルダ２２と、このインターナルホルダ２２の上部長筒
に挿入された細長筒状のトップホルダ２３とを有してい
る。これらホルダ２１〜２３は、絶縁性材料（例えばポ
リテトラフルオロエチレン）で構成されている。メイン
ホルダ２１は、センターボディ１１の下側部に収容され
るとともに、ロアボディ１３上に載せられ、ボルト６１
（図３及び図８）によってロアボディ１３と連結されて
いる。インターナルホルダ２２の下部大径短筒部が、セ
ンターボディ１１の上側部に収容されている。メイン及
びインターナルホルダ２１，２２の外周とセンターボデ
ィ１１の内周との間には、ホルダ２１〜２３と同様の絶
縁性材料からなる円筒形状のライナーリング２４が挟ま
れている。

【００２３】ノズルヘッド１の電極構造について説明す
る。ヘッド本体１０のロアボディ１３内に、上記アース
電極４０（外側電極）が装着されている。アース電極４
０は、ノズルヘッド１の軸線Ｌと同軸の円筒形状をな
し、その内周面に固体誘電体層４１が被膜されている。
アース電極４０の材質としては、銅やアルミニウム等の
金属単体、ステンレスや真鍮等の合金、金属間化合物等
を用いることができる。

【００２４】固体誘電体層４１の厚さは、０．０１〜４
ｍｍであることが好ましい。厚すぎると放電プラズマを
発生するのに高電圧を要することがあり、薄すぎると電
圧印加時に絶縁破壊が起こり、アーク放電が発生するこ
とがある。固体誘電体層４１の材質としては、酸化アル
ミニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属
酸化物、チタン酸バリウム等の複酸化物、ポリテトラフ
ルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート等のプラ
スチックの他、ガラスや二酸化珪素等を用いることがで
きる。特に、２５℃環境下における比誘電率が７、好ま
しくは１０以上のものを用いると、低電圧で高密度の放
電プラズマを発生させることができ、処理効率が向上す
る。比誘電率の上限は特に限定されるものではないが、
現実の材料では１８,５００程度のものが入手可能であ
り、本発明に使用できる。特に好ましくは比誘電率が１
０〜１００の固体誘電体である。比誘電率が１０以上で
ある固体誘電体の具体例としては、二酸化ジルコニウ
ム、二酸化チタン等の金属酸化物、チタン酸バリウム等
の複酸化物を挙げることができる。

【００２５】アース電極４０は、ロアボディ１３と接し
て導通し、ひいてはセンターボディ１１と導通し、更に
はハウジングＨＳと導通している。このハウジングＨＳ
が接地されることにより、ボディ１１，１３を介してア
ース電極４０が接地されている。

【００２６】絶縁ホルダ２０によって上記ホット電極３
０（内側電極）がアース電極４０及びヘッド本体１０か
ら絶縁された状態で支持されている。ホット電極３０の
材質については上記アース電極４０と同様である。ホッ
ト電極３０は、大径環状の頭部３０ｂと、それから下方
へ延びる有底筒状の電極本体３０ａとを一体に有し、軸
線Ｌに沿って配されている。頭部３０ｂが、メインホル
ダ２１の上側部の大径中心孔部２１ａに嵌め込まれると
ともに、インターナルホルダ２２とメインホルダ２１と
によって上下から挟まれている。

【００２７】電極本体３０ａの外面（周面及び底面）に
は、上記層４１と同様の固体誘電体層３１が被膜されて
いる。電極本体３０ａは、メインホルダ２１の小径中心
孔部２１ｂを貫通するとともに、メインホルダ２１より
下方へ延びてアース電極４０内に差し入れられている。
ホット電極本体３０ａの下端部は、後述するノズルピー
ス５２の円錐状凹部５２ａに若干量入り込み、この入り
込み量の分だけアース電極４０より下方に突出されてい
る。ホット電極本体３０ａとアース電極４０との間に
は、円筒状のプラズマ化空間１ａが形成されている。な
お、メインホルダ２１の下側部の大径中心孔部２１ｃの
内周には、ポリテトラフルオロエチレン等の絶縁性材料
からなる断面円形状の短パイプ２５が嵌め込まれてい
る。この短パイプ２５の内周とホット電極本体３０ａと
の間に、円筒空間１ｂが形成され、この円筒空間１ｂの
下方に上記プラズマ化空間１ａがストレートに連なって
いる。

【００２８】絶縁ホルダ２０のトップホルダ２３の縦孔
２３ａには、ノズルヘッド１の軸線に沿うようにして導
電性金属からなるパイプ３２が挿入されている。パイプ
３２のトップホルダ２３より上への延出部分に、給電線
ＰＬを介してパルス電源装置ＰＳ（電界印加手段）が接
続されている。パイプ３２の下端は、ホット電極３０の
電極本体３０ａ内に差し入れられ、電極本体３０ａの内
底面近くに達している。パイプ３２の中間部には、ハス
テロイ（三菱マテリアルの商標）等の導電性金属からな
る導電リング３３が装着されている。導電リング３３
は、ホット電極３０の頭部３０ｂに嵌め込まれている。
この導電リング３３を介してホット電極３０がパイプ３
２と導通し、ひいてはパルス電源装置ＰＳと導通してい
る。

【００２９】ノズルヘッド１には、プラズマを形成する
ための処理ガス供給機構が設けられている。すなわち、
図１及び図２に示すように、ヘッド本体１０のキャップ
１２の上面には、ガス入口ポート１２ａが形成され、こ
のインレットポート１２ａにガス供給管ＧＰを介してＣ
Ｆ₄等の処理ガスの供給源ＧＳが接続されている。キャ
ップ１２内には、インレットポート１２ａから延びるガ
ス供給路１２ｂが形成されている。絶縁ホルダ２０のホ
ルダ２２，２１には、上記路１２ｂに連なるガス供給路
２２ｂ，２１ｄが縦に延びるようにして形成されてい
る。図１及び図３に示すように、メインホルダ２１のガ
ス供給路２１ｄは、下端部において径方向内側へ向けて
延びている。一方、ホルダ２１の下側孔部２１ｃの内周
面には、浅い環状凹部２１ｅ（環状空間）が形成されて
いる。この環状凹部２１ｅの周方向の一箇所に、上記ガ
ス供給路２１ｃが連なっている。環状凹部２１ｄの内周
側開口は、上記短パイプ２５によって塞がれている。環
状凹部２１ｅは、上記円筒空間１ｂ及びプラズマ空間１
ａと同軸Ｌをなすとともにこれら空間１ａ，１ｂより大
径をなしている。

【００３０】短パイプ２５には、周方向に等間隔ごとに
離れて４つ（複数）の旋回導孔２５ａが穿設され、これ
ら旋回導孔２５ａを介して環状凹部２１ｄとパイプ２５
内の円筒空間１ｂひいてはプラズマ化空間１ａとが連通
されている。各旋回導孔２５ａは、上記ガス供給路２１
ｄ，２２ｂ，１２ｂより十分に細くなっている。旋回導
孔２５ａは、環状凹部２１ｄから円筒空間１ｂへ向け
て、空間１ｂ，１ａのほぼ接線に沿うようにして径方向
に対して斜めに延び、しかも、空間１ｂに向かうにした
がって下側へ傾いている。環状凹部２１ｄと旋回導孔２
５ａとによって特許請求の範囲の「旋回流形成機構」が
構成されている。

【００３１】プラズマ化空間１ａの下端部は、ノズル部
５０のノズル孔５２ｂに連なっている。詳述すると、ノ
ズル部５０は、導電性金属（例えばステンレス）からな
る円盤形状のアウターノズルピース５１と、このアウタ
ーノズルピース５１の上面凹部５１ａにセットされた絶
縁性材料（例えばポリテトラフルオロエチレン）からな
る小円盤形状のインナーノズルピース５２とを有してい
る。アウターノズルピース５１が、ヘッド本体１０のロ
アボディ１３の下面にボルト６２（図６及び図８）によ
って固定されている。このピース５１とロアボディ１３
との間に、インナーノズルピース５２が正姿勢を保つよ
うにして挟まれている。アウターノズルピース５１の下
面は、上記テーブルＴＢにセットされた基板Ｗから微小
距離だけ上に離間して配されている。

【００３２】インナーノズルピース５２の上面には、下
方へ向かうにしたがって縮径する円錐形状の凹部５２ａ
が形成されている。この凹部５２ａ内とホット電極３０
の下端部との空間に、上記プラズマ化空間１ａが連なっ
ている。インナーノズルピース５２の下面中央部は、下
方へ向けて錐状に突出している。この突出部分５２ｃに
円錐状凹部５２ａの下端が臨むとともに、この凹部５２
ａの下端からノズル孔５２ｂが延び、ノズルピース５２
の下面へ貫通している。図５に示すように、ノズル孔５
２ｂは、長円形状をなしている。ノズル孔５２ｂの下端
開口周縁は、上記錐状突出部分５２ｃの周面と交差する
ことにより、エッジを構成している。アウターノズルピ
ース５１の中央部には、錐状突出部分５２ｃが挿入され
る錐状孔部５１ｂが形成されている。

【００３３】ノズルヘッド１には、更に、排気機構が形
成されている。詳述すると、図４及び図５に示すよう
に、上記アウターノズルピース５１の錐状孔部５１ｂの
内周面とインナーノズルピース５２の錐状突出部分５２
ｃの外周面とよって、ノズル孔５２ｂを囲む吸込み孔５
０ａが形成されている。図４及び図６に示すように、吸
込み孔５０ａは、ノズルピース５１，５２どうしの間の
平面視円形状の隙間５０ｂを介し、ロアボディ１３の下
面に形成された円形ピット１３ａに連なっている。ロア
ボディ１３とメインホルダ２１とインターナルホルダ２
２には、円形ピット１３ａから上へ延びる２本（複数）
の第１吸込み路１３ｂ，２１ｆ，２２ｃが周方向に１８
０度離れて形成されている。

【００３４】図７に示すように、インターナルホルダ２
２の外周面には、ほぼ半周にわたる凹部２２ｄ（連絡
路）が形成されている。半円状凹部２２ｄは、内部のガ
ス圧を均一化可能な程度に十分な容積を有している。こ
の半円状凹部２２ｄの周方向の両端部に、上記２本の第
１吸込み路２２ｃがそれぞれ連なっている。図７及び図
８に示すように、インターナルホルダ２２とキャップ１
２には、半円状凹部２２ｄの周方向の中間部から延びる
１本（単一）の第２吸込み路２２ｅ，１２ｃが形成され
ている。第２吸込み路１２ｃは、キャップ１２の上面に
開口して、吸込みポート１２ｄを形成している。吸込み
ポート１２ｄには、排気管ＥＰを介して排気ポンプＶＰ
（吸込み手段）が接続されている。

【００３５】ノズルヘッド１には、電極３０，４０のた
めの冷却機構が設けられている。詳述すると、図９に示
すように、軸線Ｌに沿うパイプ３２の上端部（外出端）
には、水等の冷媒の供給源ＣＳから延びる冷媒供給管Ｃ
Ｐが接続されている。これによって、筒状ホット電極３
０の内周とパイプ３２との間の筒状空間３０ｃが、パイ
プ３２の内部通路及び管ＣＰを介して冷媒供給源ＣＳに
連なっている。パイプ３２におけるホット電極３０への
挿入部分の内部通路と、筒状空間３０ｃとによってホッ
ト電極冷却路１ｃ（内部電極冷却路）が構成されてい
る。パイプ３２におけるホット電極３０より上側の内部
通路は、特許請求の範囲の「内部電極冷却路の他端を外
部に連ねる外部連通路」を構成している。

【００３６】一方、図９及び図１０に示すように、ロア
ボディ１３の内周面とアース電極４０の外周面との間に
は、環状のアース電極冷却路１ｄが形成されている。上
記筒状空間３０ｃの上端部とアース電極冷却路１ｄの周
方向の一箇所とが（内外の電極冷却路１ｃ，１ｄの一端
どうしが）、ホット電極頭部３０ａとメインホルダ２１
とロアボディ１３とに連続形成された内部連通路３０
ｄ，２１ｇ，１３ｃを介して連なっている。

【００３７】ロアボディ１３とホルダ２１，２２とキャ
ップ１２には、環状アース電極冷却路１ｄにおける内部
連通路１３ｃとは１８０度逆側の位置（他端）から延び
る外部連通路１３ｄ，２１ｈ，２２ｆ，１２ｅが連続形
成されている。外部連通路１２ｅは、キャップ１２の上
面に開口して冷媒排出ポート１２ｆ（外出端）を構成し
ている。このポート１２ｆから冷媒排出管ＤＰ（冷媒排
出路）が延びている。なお、ポート１２ｆに冷媒供給管
ＣＰを介して冷媒供給源ＣＳを接続し、パイプ３２の上
端を冷媒排出管ＤＰに接続することにしてもよい。排出
管ＤＰからの冷媒を除熱手段を経由させる等して冷媒供
給源ＣＳへ戻すようにしてもよい。

【００３８】上記のように構成されたプラズマ処理装置
Ｓ１の動作について説明する。処理ガス源ＧＳからの処
理ガスは、ガス供給管ＧＰを経てノズルヘッド１のガス
入口ポート１２ａへ導入される。その後、ノズルヘッド
１内部のガス供給路１２ｂ，２２ｂ，２１ｄを経て、環
状凹部２１ｅの全周に行き渡る。そして、４つの旋回導
孔２５ａから円筒空間１ｂへ導出される。これによっ
て、円筒空間１ｂひいてはプラズマ化空間１ａの周方向
に周りながら下降する螺旋状の旋回流を形成することが
できる。旋回導孔２５ａが細くなっているため、旋回流
の勢いを十分に大きくすることができる。

【００３９】一方、パルス電源装置ＰＳからパルス電圧
を出力する。パルスの立上がり時間及び／又は立下り時
間は、１０μｓ以下、電界強度は１０〜１０００ｋＶ／
ｃｍであることが望ましい。このパルス電圧が、給電線
ＰＬ、パイプ３２、リング３３を順次介してホット電極
３０に印加され、電極３０，４０間、すなわちプラズマ
化空間１ａにパルス電界が形成される。これによって、
空間１ａ内でグロー放電が起き、上記処理ガスがプラズ
マ化される。この処理ガスは空間１ａの周方向に旋回し
ているため、電界中での通過距離を長くすることがで
き、高密度にプラズマ化することができる。この高密度
プラズマガスが、ノズル部５０の円錐状凹部５２ａで収
斂された後、ノズル孔５２ｂから噴射される。そして、
基板Ｗに吹き付けられることにより、エッチング等の所
望の表面処理を行なうことができる。吹き付けられるプ
ラズマが高密度になっているので、十分な処理強度と処
理速度を得ることができる。また、ホット電極３０の下
端部がアース電極４０より突出してテーブルＴＢに近接
しているので、ホット電極３０とテーブルＴＢとの間に
垂直電界を形成して、そこでもプラズマを発生させるこ
とができ、基板Ｗの表面処理を一層効率化することがで
きる。

【００４０】上記の表面処理と併行して、排気ポンプＶ
Ｐを駆動する。これによって、吹付け後の処理ガスや反
応生成ガス等からなる排ガスが、ノズル孔５２ｂの周囲
の吸込み孔５０ａからノズルヘッド１内に吸い込まれ
る。これによって、処理済みの基板Ｗが排ガスで悪影響
を受けるのを防止することができる。吸込み孔５０ａか
ら吸い込まれた排ガスは、隙間５０ｂ及び円形ピット１
３ａを経て、２本の第１吸込み路１３ｂ，２１ｆに沿っ
て上昇し、半円状凹部２２ｄの両端部に至る。この半円
状凹部２２ｄ内でガス圧を均一化できる。その後、排ガ
スは、半円状凹部２２ｄの中間から延びる１本の第２吸
込み路２２ｅ，１２ｃに吸い込まれる。これによって半
円状凹部２２ｄの両側部ひいては２本の第１吸込み路１
３ｂ，２１ｆ内を均等に吸い込むことができ、ひいて
は、ノズル孔５２ｂの周りを周方向に均等に吸い込むこ
とができ、排ガスによる悪影響を一層確実に防止するこ
とができる。第２吸込み路２２ｅ，１２ｃ内に吸い込ま
た排ガスは、その後吸込みポート１２ｄから出され、排
気管ＥＰを介して排気ポンプＶＰから排気される。

【００４１】更に、冷媒供給源ＣＳから管ＣＰを介して
冷媒をパイプ３２内に送る。この冷媒は、パイプ３２に
沿って下降し、パイプ３２の下端からホット電極３０の
内低部へ導出される。その後、ホット電極本体３０ａの
内周とパイプ３２との間の筒状空間３０ｃを上昇する。
この時、ホット電極本体３０ａを冷却することができ
る。上記筒状空間３０ｃの上端部に達した冷媒は、内部
連通路３０ｄ，２１ｇ，１３ｃに導かれて、ロアボディ
１３とアース電極４０との間の環状冷却路１ｄにおける
周方向の一端部へ至る。ここで冷媒は、環状冷却路１ｄ
の時計回りと反時計回りとの２手に分岐してそれぞれ環
状冷却路１ｄを半周する。この時、アース電極４０を冷
却することができる。その後、冷媒は、環状冷却路１ｄ
における周方向の他端部で合流し、外部連通路１３ｄ，
２１ｈ，２２ｆ，１２ｅを経て、冷媒排出ポート１２ｆ
から出され、更に、冷媒排出管ＤＰを通って排出され
る。この電極冷却機構によれば、冷媒を１つの経路に沿
って流しながら電極３０，４０を順次冷却することがで
き、冷媒供給管ＣＰ及び冷媒排出管ＤＰがそれぞれ１本
で済み、配管構成を簡略化できる。更に、ノズルヘッド
１においては、各種の管ＧＰ，ＣＰ，ＤＰや配線ＰＬ
が、キャップ１２の上側にまとめられているので、接続
作業や接続状態の確認を容易に行なうことができる。ま
た、外観をすっきりさせることができる。

【００４２】次に、本発明の第２実施形態を図１２にし
たがって説明する。この実施形態では、ノズル部５０に
おける吸込み口５０ａより径方向外側に、カーテンガス
導入口５０ｘが形成されている。この導入口５０ｘに、
カーテンガス供給源が連ねられている。この供給源から
不活性ガス等のカーテンガスを導入口５０ｘへ導入して
下方へ吹き出すことにより、吸込み口５０ａひいてはノ
ズル孔５２ｂの周囲を囲むガスカーテンを形成すること
ができる。これによって、基板Ｗの処理部分を局所的に
周りの環境から遮断することができる。カーテンガスは
処理後の排ガスと一緒に吸込み口５０ａから吸込まれて
排出される。

【００４３】

【実施例】本発明の実施例を説明する。なお、本発明が
該実施例に限定されるものでないことは言うまでもな
い。

【００４４】図１２に示す装置を用い、水晶ウェーハ上
に櫛型アルミニウム電極をプリントしたＳＡＷフィルタ
をエッチングした。１チップの大きさは、１ｍｍ×１０
ｍｍとし、隣接するチップとのクリアランスは０．５ｍ
ｍとした。内側のホット電極３０は、外径８ｍｍφ×２
４ｍｍＬの銅製円筒電極を用い、内部に６．５ｍｍφの
銅製のパイプ３２を挿入、配置した。外側のアース電極
４０は、内径１２ｍｍφ×２４ｍｍＬの銅製円筒電極を
用いた。したがって、電極３０，４０間の距離は２ｍｍ
となった。これら電極３０，４０の互いの対向面には、
０．５ｍｍｔのチタン酸バリウム及び０．５ｍｍｔのア
ルミナを順次溶射してなる固体誘電体層３１，４１をそ
れぞれ被膜した。装置全体において、電極間の絶縁材、
処理ガス導入部材、締結ボルト等として、ポリテトラフ
ルオロエチレン樹脂を用い、冷媒及び処理ガスのシール
は耐熱性・耐食性に優れたフッ素系ゴムのＯリングを用
いた。ノズル部５０は、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテ
ルケトン）固体誘電体製を用い、２．５×５．５ｍｍの
ノズル孔を形成し、ホット電極３０との間隔を１ｍｍに
設定した。局所排気機構として上記電極ひいてはノズル
孔の外側に１ｍｍスリット状の吸込み孔５０ａを形成
し、基材近傍の圧力が一定になるように吸込み排気量を
コントロールバルブで制御した。さらにその外側にガス
カーテン機構の不活性ガス導入口５０ｘを設け、これに
１００ｓｓｃｍｎｏ窒素ガスを導入した。処理ガスは、
ＣＦ₄が１００ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガスが２０ｓｃｃｍ、アル
ゴンガスが２００ｓｃｃｍの混合ガスを用いた。電極の
冷却水（冷媒）は、３０℃に温調設定し、循環量は８Ｌ
／ｍｉｎとした。

【００４５】電極間にパルス立上がり時間５μｓ、電圧
１４ｋＶ_pp、周波数９．８ｋＨｚのパルス電界を印加
し、プラズマを生成して基材上に吹き付け、エッチング
した。そして、ＳＡＷ周波数が小さくなっていくのを見
ながら目標値になった時点で処理を終了した。ウェーハ
上のすべてのチップを同一条件で処理した後、プローバ
とネットワークアナライザによって周波数を測定し、Ｐ
Ｃ等の処理装置に記憶させ、変換ソフトにより処理条件
データ（時間、周波数、電圧）に変換した後のデータを
装置に送信し、ウェーハの処理前条件との差によりその
効果を確認した。その結果、エッチングレートは、９０
Å／ｍｉｎであった。また、周波数初期値８６．５ＭＨ
ｚの全チップのうちいくつかのチップだけを８５．２Ｍ
Ｈｚに処理調節して、そのチップに隣接する８個のチッ
プの周波数を測定したところ、初期値が変化していない
ことが確認できた。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
処理ガスをプラズマ化空間で旋回させることによって高
密度プラズマを得ることができ、処理強度及び処理速度
を大きく向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置
におけるノズルヘッドの縦断面図である。

【図２】上記ノズルヘッドの平面図である。

【図３】図１のIII−III線に沿う上記ノズルヘッドの平
面断面図である。

【図４】図２のIV−IV線に沿う上記ノズルヘッドの縦断
面図である。

【図５】図４のV−V線に沿う上記ノズルヘッドの底面拡
大図である。

【図６】図４のVI−VI線に沿う上記ノズルヘッドの底面
断面図である。

【図７】図４のVII−VII線に沿う上記ノズルヘッドの平
面断面図である。

【図８】図２のVIII−VIII線に沿う上記ノズルヘッドの
縦断面図である。

【図９】図２のIX−IX線に沿う上記ノズルヘッドの縦断
面図である。

【図１０】図９のX−X線に沿う上記ノズルヘッドの底面
断面図である。

【図１１】（ａ）本発明の第１実施形態に係るプラズマ
処理装置の平面図である。（ｂ）上記プラズマ処理装置の正面図である。（ｃ）上記プラズマ処理装置の側面図である。

【図１２】本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装
置のノズルヘッドの概略構成を示す縦断面図である。

【符号の説明】

Ｓ１プラズマ処理装置ＰＳパルス電源装置（電界印加手段）ＧＳ処理ガス源ＣＳ冷媒供給源ＤＰ冷媒排出管（冷媒排出路）ＶＰ排気ポンプ（吸込み手段）１ノズルヘッド１ａプラズマ化空間１ｃホット電極冷却路（内側電極冷却路）１ｄアース電極冷却路（外側電極冷却路）１０ヘッド本体１２ｂ，２２ｂ，２１ｄガス供給路１２ｆ冷媒排出ポート（他方の外部連通路の外出端）１３ｂ，２１ｆ，２２ｃ第１吸込み路１３ｃ，２１ｇ，３０ｄ内外の電極冷却路の内部連通
路１３ｄ，２１ｈ，２２ｆ，１２ｅ外部連通路２０絶縁ホルダ２１ｅ環状凹部（環状空間、旋回流形成機構）２２ｄ半円状凹部（複数の第１吸込み路の連絡路）２２ｅ，１２ｃ第２吸込み路２５ａ旋回導孔（旋回流形成機構）３０ホット電極（内側電極）３２パイプ（内側電極冷却路の一部及び外部連通路）４０アース電極（外側電極）５０ノズル部５０ａ吸込み孔５２ｂノズル孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4G075 AA24 AA30 AA37 BA05 BB10 BC06 BD08 CA16 DA02 EA06 EB01 EB43 EC01 EC21 FC11 FC15 4K030 AA02 AA05 AA11 BA44 BA45 BA46 EA05 FA01 FA03 JA09 KA17 KA26 4K057 DA11 DB06 DD01 DE08 DE14 DG15 DG18 DM06 DM13 5F004 BA03 BB11 BC03 DA01 DA02 DA07 DA18 DA25 DA26 DA27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸状に延びる内側電極と、この内側電極
をそれと同軸をなして囲む筒状の外側電極と、これら電
極の間に形成された筒状のプラズマ化空間に上記軸方向
の基端側から処理ガスを供給するガス供給手段と、上記
電極間に電界を印加することにより上記ガス供給手段か
らの処理ガスを上記空間においてプラズマ化させる電界
印加手段と、上記プラズマ化空間の先端側に配され、上
記プラズマ化後の処理ガスを被処理物へ向けて吹出すノ
ズル部とを備え、上記ガス供給手段が、処理ガス源に接続されたガス供給
路と、上記プラズマ化空間の基端側に配され、上記ガス
供給路からの処理ガスを上記プラズマ化空間の周方向に
旋回させながら上記ノズル部へ向かわせる旋回流形成機
構とを有していることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】上記旋回流形成機構が、上記ガス供給路
に連なるとともに上記プラズマ化空間と同軸でそれより
大径の環状空間と、この環状空間から上記プラズマ化空
間へ向けて延びるとともに環状空間の周方向に互いに離
れて配された複数の旋回導孔とを有し、各旋回導孔が、
プラズマ化空間のほぼ接線に沿うとともにプラズマ化空
間に向かうにしたがって先端側へ傾き、且つ上記ガス供
給路より細いことを特徴とする請求項１に記載のプラズ
マ処理装置。
【請求項３】ノズルヘッドを備え、このノズルヘッドの筐体を構成するヘッド本体には、絶
縁ホルダが装填されるとともにそれより先端側に上記外
側電極が収容、支持され、更にそれより先端側に上記ノ
ズル部が設けられており、上記内側電極の基端部が、上記絶縁ホルダに支持され、
先端部が、絶縁ホルダから突出して上記外側電極内に挿
入されており、上記絶縁ホルダに、上記ガス供給路の一部又は全部と環
状空間と旋回導孔とが形成されていることを特徴とする
請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】上記ヘッド本体が、導電体からなり、上
記外側電極と導通するとともに接地されており、上記内側電極の基端部が、上記電圧印加手段に接続され
ていることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理
装置。
【請求項５】上記内側電極の内部には、基端側から先
端側へ向かい、その後基端側へ戻る内側電極冷却路が形
成され、上記外側電極の外周面と上記ヘッド本体との間
には、環状の外側電極冷却路が形成され、これら内外の
電極冷却路の一端どうしが、上記絶縁ホルダ及びヘッド
本体内に形成された内部連通路を介して連通するととも
に、他端が、それぞれ絶縁ホルダ又はヘッド本体に形成
された外部連通路を介してノズルヘッドの外部へ出さ
れ、これら外部連通路のうち一方の外出端に電極冷却用
の冷媒供給源が接続され、他方の外出端に冷媒排出路又
は冷媒供給源への戻し路が接続されていることを特徴と
する請求項３又は４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】上記ノズル部には、上記処理ガスを吹出
すノズル孔を囲むようにして吸込み孔が形成され、上記
絶縁ホルダ又はヘッド本体には、上記吸込み孔における
周方向に互いに離れた位置から基端側へ延びる複数の第
１吸込み路と、これら第１吸込み路を互いに連ねて均圧
化する連絡路と、この連絡路における上記複数の第１吸
込み路を均等吸引可能な位置から延びる単一の第２吸込
み路とが形成されており、この第２吸込み路が、ノズル
ヘッドから出て吸込み手段に接続されていることを特徴
とする請求項３〜５の何れかに記載のプラズマ処理装
置。
【請求項７】上記ノズルヘッドの基端部に、上記の各
接続部が配されていることを特徴とする請求項３〜６の
何れかに記載のプラズマ処理装置。