JP2004127853A

JP2004127853A - プラズマ表面処理装置の電極構造

Info

Publication number: JP2004127853A
Application number: JP2002294127A
Authority: JP
Inventors: Hironari Kitahata; 北畠　裕也
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-07
Also published as: JP3723794B2

Abstract

【課題】プラズマ表面処理装置において、電極間の間隔維持手段が別途不要で、部品点数を削減でき、コンパクト化可能な電極構造を提供する。
【解決手段】プラズマ表面処理装置Ｍ１の電界印加電極本体２１と接地電極本体３１には、互いの対向面に誘電板２５，３５がそれぞれ添わされている。双方の誘電板２５，３５が、合掌状態に突き合わされるとともに双方の電極本体２１，３１によって挟まれている。誘電板２５，３５の突き合わせ面には、正面視ツリー形状の凹溝２５ｘ，３５ｘが形成され、これらが合わさってツリー状通路（プラズマ空間）１０ｘが構成されている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマによって被処理物のエッチング、成膜、表面改質、洗浄等の表面処理を行なうプラズマ表面処理装置におけるプラズマ発生用の電極の構造に関し、特に所謂リモート式のプラズマ表面処理装置における電極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ表面処理装置では、一対の電極間（プラズマ空間）に処理ガスを導入するとともに電界を印加してプラズマを発生させ、これを被処理物に当てて所望の表面処理を行なう。一対の電極は、例えば２つの金属導体平板を平行に配置してなり、これら平板どうしの対向面には、セラミック等からなる固体誘電体が溶射等で被膜されている（例えば、特許文献１参照）。
また、一対の電極の外に被処理物を配置し、これに向けてプラズマ化した処理ガスを吹き付ける所謂リモート式のプラズマ表面処置装置も公知である（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２３６６７６号公報（第５頁段落００４９、第９図）
【特許文献２】
特開平１１−２５１３０４号公報（第１頁、第２図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプラズマ表面処理装置では、一対の電極間に処理ガスを通すとともにプラズマ化させるための空間を確保するために、電極間の間隔を所定に維持するスペーサ等の間隔維持手段が別途必要であった。また、電極間のプラズマ空間ひいてはその下流端の処理ガス吹き出し口が、例えばスリット状に延びている場合には、この延び方向に処理ガスを分散、均一化させたうえでプラズマ空間に導入するための分散、均一化手段が別途必要であった。
【０００５】
【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、本発明は、対向配置された一対の電極どうし間のプラズマ空間に処理ガスを導入するとともに印加電界によりプラズマ化（活性化）して被処理物（基材、ワーク）へ吹き出す所謂リモート式のプラズマ表面処理装置において、上記一対の電極の各々が、電極本体と、この電極本体の少なくとも他方の電極との対向面に設けられた固体誘電体層としての誘電板とを備え、双方の誘電板が、合掌状態に突き合わされるとともに双方の電極本体によって挟まれ、少なくとも一方の誘電板の突き合わせ面に上記プラズマ空間となる凹溝が形成されており、一対の誘電板における被処理物側を向くべき先端面どうしの境に上記凹溝が開口して、上記プラズマ空間の下流端の吹き出し口を形成していることを特徴とする。これによって、電極間の間隔を所定に維持するための別途の間隔維持手段が不要となり、部品点数を少なくでき、構造のコンパクト化を図ることができる。
【０００６】
更に、上記一対の誘電板の間に、上記処理ガスを上記境に沿う方向に均一化させるガス均一化路が形成されていることが望ましい。これによって、別途のガス均一化手段も不要となり、部品点数の一層の削減を図ることができる。この場合、一対の誘電板を被処理物とは逆側を向く基端側へ電極本体より延出させ、この延出部に上記ガス均一化路を形成し、このガス均一化路に上記空間が連なるようにしてもよい。更に、上記延出部には、互いの対向面にガス均一化路を半割りにした凹部を形成し、一対の延出部どうしを突き合わせ、上記半割り凹部を合わせることによって、ガス均一化路が形成されるようにしてもよい。
【０００７】
上記凹溝が、上記電極の被処理物とは逆側を向くべき基端部から被処理物側へ向くべき先端部へ近づくにしたがって上記一対の誘電板の先端面どうしの境に沿って広がるように枝分かれしていることが望ましい。これによって、処理ガスを上記空間の通過過程で分散させて吹き出すことができ、構成の一層のコンパクト化を図ることができる。
【０００８】
【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１及び図２は、本発明の第１実施形態に係るプラズマ表面処理装置Ｍ１を示したものである。装置Ｍ１は、処理ガス源１と、パルス電源２（電界印加手段）と、電極ユニット１０とを備えている。処理ガス源１には、プラズマ表面処理の目的に応じた処理ガスが貯えられている。パルス電源４（電界印加手段）は、電極本体２１にパルス電圧を出力するようになっている。この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１〜１０００ｋＶ／ｃｍ、周波数は０．５ｋＨｚ以上であることが望ましい。
【０００９】
詳細な図示は省略するが、電極ユニット１０は、ノズルヘッドに収容された状態で架台に支持されている。電極ユニット１０の下方には、大面積の板状の基材（被処理物）Ｗがセットされており、、この基材Ｗに成膜、エッチング、表面改質等の表面処理が施されるようになっている。
【００１０】
電極ユニット１０は、互いに別体をなす一対の電極２０，３０で構成され、これら電極２０，３０が、前後（図１において左右）に対向するとともに、突き合されて一体化されている。電極２０，３０は、それぞれ導電金属製の電極本体２１，３１と、この電極本体３１における他方の電極との対向面に設けられた固体誘電体層としての誘電板２５とを備えている。後側の電界印加電極２０の本体２１は、断面四角形状をなして左右（図１において紙面と直交する方向）へ長く延びている。この電界印加電極本体２１に、上記パルス電源２が給電線２ａを介して接続されている。前側の接地電極３０の本体３１は、上記電界印加電極本体２１と同一形状をなして左右に長く延びている。この接地電極本体３１から接地線３ａが延び、接地されている。
【００１１】
電界印加電極２０の誘電板２５は、セラミック等の固体誘電体の板で構成され、長尺の電極本体２１に合わせて左右に長く延びている。図２に示すように、誘電板２５には、上端縁の中央部から出発して下方（被処理物側へ向くべき先端部）に向かうにしたがって左右長手方向に（誘電板２５，３５の先端面どうしの境に沿って）広がるように複数段階にわたって枝分かれするツリー状の溝２５ｘと、このツリー状溝２５ｘの末端の多数の枝に連なる凹部２５ｙとが形成されている。凹部２５ｙは、誘電板２５の略全長にわたって延びるとともに下端面へ達している。ツリー溝２５ｘと凹部２５ｙとによって、「プラズマ空間となるべき凹溝」が構成されている。
【００１２】
同様に、接地電極３０の誘電板３５は、固体誘電体の板で構成され、接地電極本体３１に合わせて左右に長く延びている。詳細な図示は省略するが、誘電板３２にも、電界印加電極２０の誘電板２５と同一形状のツリー状溝３５ｘ及び凹部３５ｙが形成されている（図１参照）。
【００１３】
そして、双方の誘電板２５，３５が、合掌状態に突き合されて互いに貼り合わされるとともに、双方の電極本体２１，３１によって前後両側から挟まれている。これにより、誘電板２５，３５のツリー状溝２５ｘ，３５ｘどうしが合わさってツリー状通路（ガス均一化路、ガス分散路）１０ｘが形成されている。ツリー状通路１０ｘの上流端は、誘電板２５，３５の上面どうしの境に開口され、供給口１０ｘ_ＩＮとなっている。この供給口１０ｘ_ＩＮにガス供給管１ａを介して上記処理ガス源１が接続されている。
また、凹部２５ｙ，３５ｙどうしが合わさって、上記通路１０ｘに連なるガス吹出し通路１０ｙが形成されている。通路１０ｙの下端は、ケース本体２２，３２の下面どうしの境へ開口し、吹き出し口１０ｙ_ＯＵＴを構成している。
これら通路１０ｘ，１０ｙは、略全体が電極本体２１，３１の間に介在され、「プラズマ空間」となっている。
【００１４】
上記構成のプラズマ表面処理装置Ｍ１の動作を説明する。
処理ガス源１からの処理ガスは、ガス供給管１ａを経て、供給口１０ｘ_ＩＮからツリー状通路１０ｘに導入される。そして、このツリー状通路１０ｘによって長手方向へ順次均一に分散されながら下へ向かい、通路１０ｙへ流れて行く。一方、パルス電源２によって電極本体２１，３１間に電界が印加される。これによって、通路１０ｘ、１０ｙ内でグロー放電が発生する。この結果、処理ガスが、ツリー状通路１０ｘでの分散流通の過程で順次プラズマ化され、ガス吹き出し通路１０ｙにおいても更にプラズマ化された後、下端の吹き出し口１０ｙ_ＯＵＴから基材Ｗへ向けて吹出される。これによって、基材Ｗの長手方向に一度に、しかも均一に所望の表面処理を施すことができる。
【００１５】
このように、装置Ｍ１によれば、誘電板２５，３５どうしを合掌状態で突き当て、更にこれを電極本体２１，３１で挟持したことによって、電極本体２１，３１間の間隔を所定に維持することができる。したがって、別途の間隔維持手段が不要であり、部品点数を削減でき、構造のコンパクト化を図ることができる。また、誘電板２５，３５どうしを合掌させることによって、ガス通路１０ｘ，１０ｙを構成することができ、この通路１０ｘ、１０ｙ内において処理ガスを分散、均一化させながらプラズマ化させることができる。したがって、別途のガス分散・均一化手段が不要であり、部品点数の一層の削減を図ることができ、構成の一層のコンパクト化を図ることができる。
【００１６】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において、既述の実施形態と同様の構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を簡略化する。
図３及び図４は、本発明の第２実施形態を示したものである。この実施形態に係るプラズマ表面処理装置Ｍ２では、上記装置Ｍ１と同様に、電極ユニット２０が、互いに別体をなす一対の電界印加電極２０及び接地電極３０で構成され、これら電極２０，３０どうしが、突き合されることによって一体化されている。各電極２０，３０は、長尺の電極本体２１，３１と誘電ケース２２，３２を備えている。
【００１７】
電界印加電極２０の誘電ケース２２は、長尺の電極本体２１に合わせて左右に長く延びるケース本体２３と蓋２４を備えている。これらケース本体２３及び蓋２４５は、セラミック等の固体誘電体で構成されている。ケース本体２３には、接地電極３０とは逆側の背面へ開口する内部空間２３ａが形成されている。この内部空間２３ａに、電界印加電極本体２１が着脱可能に収容され、内部空間２３ａの背面開口が蓋２４で塞がれている。ケース本体２３において、内部空間２３ａの奥壁を構成するとともに接地電極３０と対向すべき対向壁２５Ａ（誘電板）には、上記第１実施形態と同様のツリー状溝２５ｘ及び凹部２５ｙが形成されている（図４）。
なお、誘電ケース２２は、電界印加電極本体２１を包む固体誘電体層としての機能を有している。したがって、対向壁２５Ａは、電界印加電極本体２１の接地電極３０との対向面に設けられるべき固体誘電体層としての機能を有している。給電線２ａは、ケース本体２３を通して引き出してもよく、蓋２４を通して引き出してもよい。
【００１８】
同様に、接地電極３０の誘電ケース３２は、接地電極本体３１に合わせて左右に長く延びる固体誘電体製のケース本体３３及び蓋３４を備えている。ケース本体３３には、電界印加電極２０とは逆側の背面へ開口する内部空間３３ａが形成されている。内部空間３３ａには接地電極本体３１が着脱可能に収容され、内部空間３３ａの背面開口が蓋３４で塞がれている。ケース本体３３において、内部空間３３ａの奥壁を構成するとともに電界印加電極２０と対向すべき対向壁３５Ａ（誘電板）には、上記対向壁２５Ａと同様のツリー状溝３５ｘ及び凹部３５ｙが形成されている（図３参照）。
なお、誘電ケース３２は、接地電極本体３１を包む固体誘電体層としての機能を有している。したがって、対向壁３５Ａは、接地電極本体３１の電界印加電極２０との対向面に設けられるべき固体誘電体層としての機能を有している。接地線３ａは、ケース本体３３を通して引き出してもよく、蓋３４を通して引き出してもよい。
【００１９】
そして、双方の電極２０，３０の対向面どうし、すなわち、対向壁２５Ａ，３５Ａどうしが、合掌状態に突き合されて互いに貼り合わされている。（対向壁２５Ａ，３５Ａが、電極本体２１，３１によって前後両側から挟まれた状態になっている。）これにより、対向壁２５Ａ，３５Ａのツリー状溝２５ｘ，３５ｘどうしが合わさってツリー状通路（ガス均一化路、ガス分散路）１０ｘが形成され、凹部２５ｙ，３５ｙどうしが合わさって、上記通路１０ｘに連なるガス吹出し通路１０ｙが形成されている。
【００２０】
この第２実施形態に係るプラズマ表面処理装置Ｍ２によれば、各電極本体２１，３１の全体が、固体誘電体層としての誘電ケース２２，３２で覆われているため、互いの対向面では勿論、背面やエッジにおいても異常放電を防止できる。また、ケース２２，３２に膜等の汚れが付着した場合には、電極本体２１，３１を取り出し、ケース２２，３２だけを例えば強酸等の薬液に漬ける等して洗浄することができ、メンテナンスを容易化できる。
【００２１】
図５及び図６は、本発明の第３実施形態を示したものである。この実施形態に係るプラズマ表面処理装置Ｍ３では、ケース本体２３，３３が、それぞれ電極本体２１，３１より上へ延出されている。一対のケース本体２３，３３のこれら上側延出部どうしによってガス均一化部１１が構成され、下側部どうしによって電極対向配置部１２が構成されている。
【００２２】
電界印加側のケース本体２３の上側部（ガス均一化部１１）は、水平な隔壁２６によって仕切られた上下２つの半割り膨張室２３ｂ，２３ｄを有して、大略Ｅ字状の断面をなしている。半割り膨張室２３ｂ，２３ｄは、接地側のケース本体３３へ向けて開口されている。同様に、接地側のケース本体３３の上側部（ガス均一化部１１）は、水平隔壁３６によって仕切られるとともに電界印加側ケース本体２３へ向けて開口する上下２つの半割り膨張室３３ｂ，３３ｄを有している。
【００２３】
電界印加側のケース本体２３の下側部（電極対向配置部１２）には、接地電極３０とは逆側の背面へ開口する内部空間２３ａが形成されている。内部空間２３ａには電界印加電極本体２１が着脱可能に収容され、内部空間２３ａの背面開口が蓋２４で塞がれている。ケース本体２３において、内部空間２３ａの奥壁を構成するとともに接地電極３０と対向すべき対向壁２５Ａ（誘電板）には、電極３０との対向面に凹部（凹溝）２５ａが形成されている。凹部２５ａは、ケース本体２３の略全長にわたって延びるとともにケース本体２３の下端面（被処理物を向くべき先端面）へ達している。
【００２４】
同様に、接地側のケース本体３３の下側部（電極対向配置部１２）には、電界印加電極２０とは逆側の背面へ開口する内部空間３３ａが形成されている。内部空間３３ａには接地電極本体３１が着脱可能に収容され、内部空間３３ａの背面開口が蓋３４で塞がれている。ケース本体３３において、内部空間３３ａの奥壁を構成するとともに電界印加電極２０と対向すべき対向壁３５Ａ（誘電板）には、電極２０との対向面に凹部３５ａが形成されている。凹部３５ａは、ケース本体３３の略全長にわたって延びるとともにケース本体３３の下端面（被処理物を向くべき先端面）へ達している。
【００２５】
そして、一対のケース本体２３，３３の上側及び左右両側の対向縁どうしが、突き合されている。これにより、双方のガス均一化部１１において、上側の半割り膨張室２３ｂ，３３ｂどうしが合わさって第１膨張室１１ｂが形成され、下側の半割り膨張室２３ｄ，３３ｄどうしが合わさって下側の第２膨張室１１ｄが形成されている。これら膨張室１１ｂ，１１ｄは、それぞれ左右に延びるとともに、前後幅方向にも広がり、十分に大きな容積を有している。
【００２６】
一対のケース本体２３，３３の上板には、互いの対向縁の長手方向の中央部に供給口１１ａが形成されている。この供給口１１ａにガス供給管１ａを介して上記処理ガス源１が接続されている。また、供給口１１ａに第１膨張室１１ｂが連なっている。
【００２７】
一対のケース本体２３，３３の隔壁２６，３６の対向縁どうし間にはスリット状の隙間１１ｃ（圧損形成路）が形成されている。この隙間１１ｃを介して上下の膨張室１１ｂ，１１ｄどうしが連なっている。
一対のケース本体２３，３３において、ガス均一化部１１と電極対向配置部１２との境板２７，３７の対向縁どうし間にはスリット状の隙間１１ｅ（プラズマ空間への導入路）が形成されている。この隙間１１ｅを介して、第２膨張室１１ｄが後記プラズマ空間１２ａに連なっている。供給口１１ａ、膨張室１１ｂ、隙間１１ｃ、膨張室１１ｄ、隙間１１ｅによって「ガス均一化路」が構成されている。
【００２８】
更に、双方のケース本体２３，３３の電極対向配置部１２において、凹部２５ａ，３５ａどうしが合わさってプラズマ空間１２ａが形成されている。プラズマ空間１２ａは、ケース本体２３，３３の下面へ開口し、左右に細長い吹き出し口１２ａ_ＯＵＴを構成している。
【００２９】
第３実施形態のプラズマ表面処理装置Ｍ３では、処理ガス源１からの処理ガスが、ガス供給管１ａを経て供給口１１ａへ供給される。そして、第１膨張室１１ｂに導入されて膨張（高コンダクタンス化）された後、隙間１１ｃで絞られて圧損を生じ（低コンダクタンス化され）、次に第２膨張室１１ｄに導入されて再び膨張される。更に、隙間１１ｅで絞られて再び圧損を生じる。このように、膨張と絞りを交互に加えることにより、処理ガスを左右長手方向に十分に均一化させた後、プラズマ空間１２ａへ導入することができる。そして、電極本体２１，３１間に電界を印加することによって、処理ガスがプラズマ化される。このプラズマ化された処理ガスが、下端の吹き出し口１２ａ_ＯＵＴから基材Ｗへ吹き付けられる。
【００３０】
装置Ｍ３によれば、ケース２２，３２にガス均一化部１１が一体に組み込まれているので、別途のガス均一化手段が不要であり、部品点数の一層の削減を図ることができる。
なお、ガス均一化部の膨張室は、第１、第２の二段だけに限られず、３段以上設けてもよい。これら膨張室どうしを連ねる圧損形成路は、隙間１１ｃ，１１ｅのようなスリット状に代えて、スポット（貫通小孔）状になるように構成していもよい。
【００３１】
本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の改変が可能である。
例えば、「プラズマ空間となる凹溝」は、少なくとも一方の誘電板の対向面に形成されていればよく、他方の誘電板の対向面はフラットになっていてもよい。或いは、途中までは一方の誘電板に形成され、そこから先は他方の誘電板に形成されていてもよい。
本発明は、常圧下、減圧下の何れのプラズマ表面処理にも適用できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラズマ表面処理装置における電極間の間隔を所定に維持するための別途の間隔維持手段が不要となり、部品点数を少なくでき、構造のコンパクト化を図ることができる。
【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表面処理装置の概略構成を示す側面断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩに沿う上記装置の電極ユニットの電界印加電極誘電板の正面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るプラズマ表面処理装置の概略構成を示す側面断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶに沿う上記第２実施形態に係る装置の電極ユニットの電界印加電極誘電ケースの正面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るプラズマ表面処理装置の概略構成を示す側面断面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩに沿う上記第３実施形態に係る装置の電極ユニットの電界印加電極誘電ケースの正面図である。
【符号の説明】
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３　プラズマ表面処理装置
Ｗ　基材（被処理物）
１０ｘ　ツリー状通路（プラズマ空間）
１０ｙ　ガス吹き出し通路（プラズマ空間）
１１　ガス均一化部
１２ａ　プラズマ空間
２１，３１　電極本体
２５，３５　誘電板
２５Ａ，３５Ａ　対向壁（誘電板）
２５ａ　凹部（凹溝）
２５ｘ　ツリー状溝（凹溝）
２５ｙ　凹部（凹溝）

Claims

対向配置された一対の電極どうし間のプラズマ空間に処理ガスを導入するとともにプラズマ化して被処理物へ吹き出すプラズマ表面処理装置において、
上記一対の電極の各々が、電極本体と、この電極本体の少なくとも他方の電極との対向面に設けられた固体誘電体層としての誘電板とを備え、双方の誘電板が、合掌状態に突き合わされるとともに双方の電極本体によって挟まれ、少なくとも一方の誘電板の突き合わせ面に上記プラズマ空間となる凹溝が形成されており、一対の誘電板における被処理物側を向くべき先端面どうしの境に上記凹溝が開口して、上記プラズマ空間の下流端の吹き出し口を形成していることを特徴とするプラズマ表面処理装置の電極構造。
更に、上記一対の誘電板の間に、上記処理ガスを上記境に沿う方向に均一化させるガス均一化路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ表面処理装置の電極構造。
上記凹溝が、先端部へ向かうにしたがって上記境に沿って広がるように枝分かれするツリー状溝を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ表面処理装置の電極構造。