JP2004022883A

JP2004022883A - 大気圧プラズマ処理方法

Info

Publication number: JP2004022883A
Application number: JP2002177166A
Authority: JP
Inventors: Hideo Takei; 竹井　日出夫; Susumu Sakio; 崎尾　進; Satoshi Ikeda; 池田　智; Akira Ishibashi; 石橋　暁
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】処理速度を向上させることができ、しかもヘリウムガス等のキャリアガスの必要量も大幅に削減できる大気圧プラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】処理チャンバ１内に、電圧の印加される第１の電極２と接地される第２の電極３とを交互に二つ以上配置し、第１の電極２及び第２の電極３の少なくとも一方の電極を誘電体４で被覆又は封止し、これら電極間に方形波電圧を印加して放電を発生させて大気圧プラズマを生成し、処理チャンバ１内に挿置した被処理基板７を処理するようにした大気圧プラズマ処理方法において、電界強度がアーキングに至る閾値電圧（Ｖｔｈ）に対して式
｜Ｖ１｜＜｜Ｖｔｈ｜＜｜Ｖ２｜の関係にある低電圧値Ｖ１及び高電圧値Ｖ２の方形波電圧を予定の周波数で切り替えて印加することを特徴としている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種表面処理、アッシング、エッチング、成膜等に用いられ得る大気圧プラズマ処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
低圧条件下ではさまざまな処理ガスを用いたグロー放電プラズマにより各種表面処理が行われているが、高価な真空装置が必要でかつすぐに試料を真空容器から取り出すことができず、装置にコストがかかるだけでなく、処理に時間がかかり、結果として製品のコストが高くなるなど、工業的には不利であった。
【０００３】
そこで大気圧下でグロー放電プラズマを発生させる方法が提案され、これにより装置のコストの低減や処理作業の簡易化が計られるようになった。大気圧プラズマ処理装置は、一般的には、大気圧チャンバ内に大気圧プラズマヘッドを処理すべき基板に対向して配置し、大気圧チャンバ内に作業ガスと共に大量のヘリウムガスを供給して安定した大気圧プラズマを発生させ、基板をプラズマ処理するように構成されている。　この種の大気圧プラズマ処理技術については例えば、特開平４−７４５２５号公報、特開平１１−２３６６７６号公報に開示されている。
【０００４】
高温状態ではアーク放電が発生し易く、電子が発生し易くなる。すなわち熱拡散密度が高くなると、アーク放電が発生し、安定なグロー放電とならない。そのため、安定な大気圧プラズマを発生させるためにはキャリアガスとして大流量のヘリウムが有効であるが、ヘリウムガスは高価であり、また処理速度も遅く、そのため基板のプラズマ処理にコストが掛り、最終製品のコストが高くなる一つの要因となっている。特開平１０−１５４５９８号公報には任意のガス雰囲気中の大気圧近傍の圧力下で短時間の内に電極間に高電圧を印加し、アーキングに至る前に電圧印加を遮断してプラズマを生成させるグロー放電プラズマ発生方法が開示されている。しかしこの方法でもやはり十分な処理速度は得られていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上従来技術に伴う上述のような問題点を解決して、処理速度を向上させることができ、しかもヘリウムガス等のキャリアガスの必要量も大幅に削減できる大気圧プラズマ処理方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、処理チャンバ内に、電圧の印加される第１の電極と接地される第２の電極とを交互に二つ以上配置し、第１の電極及び第２の電極の少なくとも一方の電極を誘電体で被覆又は封止し、これら電極間に方形波電圧を印加して放電を発生させて大気圧プラズマを生成し、処理チャンバ内に挿置した被処理基板を処理するようにした大気圧プラズマ処理方法において、電界強度がアーキングに至る閾値電圧（Ｖｔｈ）に対して式
｜Ｖ１｜＜｜Ｖｔｈ｜＜｜Ｖ２｜
の関係にある低電圧値Ｖ１及び高電圧値Ｖ２の方形波電圧を予定の周波数で切り替えて印加することを特徴としている。
【０００７】
本発明の大気圧プラズマ処理方法においては、周波数は１ｋＨｚ以上で、デューティ比は１０％〜８０％であり、電界強度は高電圧時には１ｋＶ／ｃｍ以上であり、低電圧時には１ｋＶ／ｃｍ以下であるように構成され得る。
【０００８】
本発明の一実施の形態では、電極間に印加される高電圧値Ｖ２及び低電圧値Ｖ１をもつ方形波電圧はプラス側及びマイナス側に交互に繰返される波形をもつ。
【０００９】
本発明の別の実施の形態では、電極間に印加される高電圧値Ｖ２及び低電圧値Ｖ１をもつ方形波電圧はプラス側において交互に繰返される波形をもつ。
【００１０】
本発明のさらに別の実施の形態では、電極間に印加される高電圧値Ｖ２及び低電圧値Ｖ１をもつ方形波電圧は、１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電圧から成り、周波数が１ｋＨｚ以上で、デューティ比が１０％〜８０％であり、電界強度が高電圧時には１ｋＶ／ｃｍ以上であり、低電圧時には１ｋＶ／ｃｍ以下である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施の形態による大気圧プラズマ処理装置を示している。図示装置において、１は処理チャンバであり、この処理チャンバ１内には、一つの電圧印加電極２を挟んで接地電極３が間隔を置いて配列されている。少なくとも一方の電極すなわちは図示例では接地電極３は誘電体４で被覆又は封止されている。電圧印加電極２は高周波交番電源５に接続され、一方、各接地電極３は図示したように接地されている。また、電圧印加電極２と各接地電極３との組立体の下方には、ホットプレート６が配置され、このホットプレート６には処理すべき基板７が装着される。
【００１２】
各電極２、３は図面の紙面に垂直な方向にのびており、各電極の紙面に垂直な方向の長さは、処理すべき基板７の図面の紙面に垂直な方向の長さに対応して設定される。また各電極２、３の数は任意に決めることができ、いずれの場合も電圧印加電極２と接地電極３とを交互に適当な間隔を置いて配置する必要がある。
【００１３】
また、図１において８はガス導入管であり、このガス導入管８の先端は隣接した電極２、３間に連通している。ガス導入管８の他端は処理チャンバ１の外側に設けた放電ガス源及び処理ガス源（いずれも図示されていない）に接続されている。放電ガス源及び処理ガス源からの放電ガス及び処理ガスは混合されてガス導入管８を通って処理チャンバ１内の電圧印加電極２と各接地電極３との間に導入される。電極２には電源５から方形波電圧が印加される。これにより処理チャンバ１内に大気圧プラズマが生成され、電圧印加電極２と各接地電極３との間から処理すべき基板７に向って吹き出される。
【００１４】
図２〜図４には、電極２に印加される方形波電圧を示している。図２に示す方形波電圧は高電圧値Ｖ２及び低電圧値Ｖ１をもち、プラス側及びマイナス側に交互に連続して繰返される波形をもっている。図３に示す方形波電圧も同様に高電圧値Ｖ２及び低電圧値Ｖ１をもつが、この例ではプラス側において交互に連続して繰返される波形をもつている。また図４に示す例では高電圧値Ｖ２及び低電圧値Ｖ１をもつ方形波電圧は、１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電圧から成なっている。いずれの例でも印加電圧はパルス化するが、完全に休止することなく、アーク放電開始電圧以下の電圧を印加するようににされる。
【００１５】
以下このように構成した図示装置を用いて実施した実施例について説明する。
【００１６】
【実施例１】
電圧印加電極２と各接地電極３との間に、ガス導入管８を介して、放電ガス源からＡｒ：５００ｓｃｃｍ、処理ガス源からＳＦ_６：３００ｓｃｃｍ、ＣＦ_４：７００ｓｃｃｍから成る処理ガスを導入し、図１に示す周波数が５０ｋＨｚで、デューティ比が５０％であり、電界強度が高電圧時は１．５ｋＶ／ｃｍであり、低電圧時は０．３ｋＶ／ｃｍである電界を電極２、３間に印加し、安定なグロー放電を得た。ホットプレート６により８０℃に加熱したシリコン基板を該グロー放電に３０分間暴露した。その結果、得られたエッチング深さを表１に示す。
【００１７】
【実施例２】
印加電圧波形として図２の波形を用いた以外は、実施例１と同様に処理した。すなわち、電圧印加電極２と各接地電極３との間に、ガス導入管８を介して、放電ガス源からＡｒ：５００ｓｃｃｍ、処理ガス源からＳＦ_６：３００ｓｃｃｍ、ＣＦ_４：７００ｓｃｃｍから成る処理ガスを導入し、図２に示す周波数が５０ｋＨｚで、デューティ比が５０％であり、電界強度が高電圧時は１．５ｋＶ／ｃｍであり、低電圧時は０．３ｋＶ／ｃｍである電界を電極２、３間に印加し、安定なグロー放電を得た。ホットプレート６により８０℃に加熱したシリコン基板を該グロー放電に３０分間暴露した。その結果、得られたエッチング深さを表１に示す。
【００１８】
【実施例３】
印加電圧波形として図３の波形を用いた以外は、実施例１と同様に処理した。高周波電界の周波数は１３．５６ＭＨｚである。
【００１９】
【比較例１】
低電圧時の電界強度が０Ｖ／ｃｍである以外は実施例１と同様に処理を行った。
【００２０】
【比較例２】
低電圧時の電界強度が０Ｖ／ｃｍである以外は実施例２と同様に処理を行った。
【００２１】
【比較例３】
低電圧時の電界強度が０Ｖ／ｃｍである以外は実施例３と同様に処理を行った。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表１から認められるように、本発明による方法では、電極間に高電圧を印加し、アーキングに至る前に電圧印加を遮断してプラズマを生成させる従来の方法と比較してほぼ同等のエネルギー消費で、１．４倍以上のエッチング効率が得られている。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の大気圧プラズマ処理方法においては、電界強度がアーキングに至る閾値電圧（Ｖｔｈ）に対して式
｜Ｖ１｜＜｜Ｖｔｈ｜＜｜Ｖ２｜
の関係にある低電圧値Ｖ１及び高電圧値Ｖ２の方形波電圧を予定の周波数で切り替えて印加しているので、アーク放電に至ることなくプラズマ密度が向上するため、表面改質、エッチング、アッシング、クリーニング、酸化・窒化及びＣＶＤ成膜時の処理効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するための大気圧プラズマ処理装置の一例を示す概略部分断面図。
【図２】電極間に印加される方形波電圧の一例の波形を示す波形線図。
【図３】電極間に印加される方形波電圧の別の例の波形を示す波形線図。
【図４】電極間に印加される方形波電圧の更に別の例の波形を示す波形線図。
【符号の説明】
１　：処理チャンバ
２　：電圧印加電極
３　：接地電極
４　：誘電体
５　：電源
６　：ホットプレート
７　：処理すべき基板
８　：ガス導入管

Claims

処理チャンバ内に、電圧の印加される第１の電極と接地される第２の電極とを交互に二つ以上配置し、第１の電極及び第２の電極の少なくとも一方の電極を誘電体で被覆又は封止し、これら電極間に方形波電圧を印加して放電を発生させて大気圧プラズマを生成し、処理チャンバ内に挿置した被処理基板を処理するようにした大気圧プラズマ処理方法において、電界強度がアーキングに至る閾値電圧（Ｖｔｈ）に対して式
｜Ｖ１｜＜｜Ｖｔｈ｜＜｜Ｖ２｜
の関係にある低電圧値Ｖ１及び高電圧値Ｖ２の方形波電圧を予定の周波数で切り替えて印加することを特徴とする大気圧プラズマ処理方法。
周波数が１ｋＨｚ以上で、デューティ比が１０％〜８０％であり、電界強度が高電圧時は１ｋＶ／ｃｍ以上であり、低電圧時は１ｋＶ／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の大気圧プラズマ処理方法。
電極間に印加される高電圧値Ｖ２及び低電圧値Ｖ１をもつ方形波電圧がプラス側及びマイナス側に交互に繰返される波形をもつことを特徴とする請求項２記載の大気圧プラズマ処理方法。
電極間に印加される高電圧値Ｖ２及び低電圧値Ｖ１をもつ方形波電圧がプラス側において交互に繰返される波形をもつことを特徴とする請求項２記載の大気圧プラズマ処理方法。
電極間に印加される高電圧値Ｖ２及び低電圧値Ｖ１をもつ方形波電圧が、１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電圧から成り、周波数が１ｋＨｚ以上で、デューティ比が１０％〜８０％であり、電界強度が高電圧時は１ｋＶ／ｃｍ以上であり、低電圧時は１ｋＶ／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ処理方法。