JP2004259484A

JP2004259484A - プラズマプロセス装置

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Publication number: JP2004259484A
Application number: JP2003046297A
Authority: JP
Inventors: Akira Sugiyama; 昭杉山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-24
Also published as: KR20040076217A; US20050001527A1; KR100530821B1; JP4233348B2

Abstract

【課題】安全性に優れるとともに、被処理物の表面を所望の状態で効率良く処理することができるプラズマプロセス装置を提供する。
【解決手段】プラズマプロセス装置１０１は、基板９の被処理面９ａに向い合う被覆面２５および２６を有し、互いに隣り合う電極１および２と、電極１と電極２との間を充填し、かつ被覆面２５および２６を覆うように設けられる誘電体３０とを備える。誘電体３０は、第１の対向面３１と第２の対向面３２とを有する。プラズマプロセス装置１０１は、第１の対向面３１に設けられるガス供給口４を有し、被処理面９ａに処理ガスを供給するガス供給ライン１５と、第２の対向面３２に設けられるガス排出口５を有し、被処理面９ａに供給された処理ガスを排出するガス排出ライン１６とをさらに備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般的には、プラズマプロセス装置に関し、より特定的には、半導体や、液晶表示素子、エレクトロルミネセンス（ＥＬ）およびプラズマディスプレイ（ＰＤＰ）などのフラットパネルディスプレイや、太陽電池などの製造工程時において、表面改質、洗浄、加工および成膜などを行なう際に利用されるプラズマプロセス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体、フラットパネルディスプレイおよび太陽電池などの製造プロセスには、減圧下で発生させたプラズマを利用することによって、ガラス基板または半導体ウエハなどに対して、表面改質、洗浄、加工および成膜などを行なってきた。近年、コスト競争の激化に伴って真空チャンバーまたは排気装置などの大掛かりな設備を必要としない大気圧プラズマ技術への注目度が高まってきている。そして、表面改質および洗浄といった一部のプロセスにおいては、大気圧プラズマ技術を利用したプラズマプロセス装置が実用化されつつある。
【０００３】
大気圧プラズマ技術を利用した常圧プラズマ処理装置が、特開２００２−１５１４９４号公報に開示されている（特許文献１）。図１５は、特許文献１に開示されている常圧プラズマ処理装置を示す断面図である。図１６は、図１５中に示す常圧プラズマ処理装置の底面図である。
【０００４】
図１５および図１６を参照して、常圧プラズマ処理装置は、電源（高電圧パルス電源）２０１と、電極２０２および２０３と、固体誘電体２０４と、ガス吹き出し口２０５と、処理ガス導入口２０７と、内周排気ガス筒２１０と、外周排気ガス筒２１１と、不活性ガス導入口２１２と、不活性ガス吹き出し細孔２１３とを備える。常圧プラズマ処理装置の下方には、搬入ベルト２４１、処理部ベルト２４２および搬出ベルト２４３が設けられている。被処理体２１４は、処理部ベルト２４２によって搬送されている際にガス吹き出し口２０５の下方を通過する。
【０００５】
処理ガスは、処理ガス導入口２０７から固体誘電体２０４によって形成された容器内に導入される。固体誘電体２０４の外側に配置された電極２０２および２０３にパルス電界を印加することによって、電極２０２と電極２０３との間を通過する処理ガスがプラズマ化される。処理ガスは、プラズマガスとしてガス吹き出し口２０５から被処理体２１４に向けて吹き付けられる。その後、処理ガスは、内周排気ガス筒２１０から回収される。
【０００６】
また、不活性ガス導入口２１２から導入された不活性ガスは、不活性ガス吹き出し細孔２１３から被処理体２１４が位置する下方に向けて吹き付けられる。不活性ガスがガスカーテンの役割を果たすことによって、被処理体２１４周りの雰囲気が不活性ガス雰囲気に保たれる。不活性ガスは、主に外周排気ガス筒２１１から回収される。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１５１４９４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に開示された常圧プラズマ処理装置では、最も電界強度が強くなるのは電極２０２と電極２０３との間であり、この位置が最もプラズマが発生しやすい位置となる。このため、処理ガスは、電極２０２と電極２０３との間を通過する際にプラズマ化され、その後、プラズマガスとして被処理体２１４に向けて吹き付けられている。このように、処理ガスがプラズマ化される位置と処理対象である被処理体２１４とが離れている場合、プラズマ処理の処理効率が低下するという問題が発生する。また、電極２０２および２０３に導入する電力をプラズマ処理に効率良く利用するという観点からも好ましくない。
【０００９】
また、プラズマ処理の処理効率を向上させるために、電極２０３および２０４と被処理体２１４との間の隙間を小さくするという方法が考えられる。しかし、この場合、特許文献１に開示された常圧プラズマ処理装置では、被処理体２１４の被処理面がイオンダメージまたはチャージアップダメージなどを受けるという問題が発生する。
【００１０】
また、特許文献１に開示された常圧プラズマ処理装置では、被処理体２１４を酸化雰囲気などの汚染雰囲気から保護することを目的として、不活性ガスを吹き付けている。このため、常圧プラズマ処理装置のランニングコスト、特にガスにかかるコストが大きくなるという問題が発生する。
【００１１】
また、不活性ガスを吹き付けるための装置は、電極周りの構造を大型にしている。このため、複数セットの電極を同時に備えるといった電極のマルチヘッド化を図ることが困難となっている。したがって、電極のマルチヘッド化によってプラズマ処理の処理効率を向上させることもできない。
【００１２】
また、特許文献１に開示された常圧プラズマ処理装置では、電極２０２および２０３の周囲に電磁波が漏れ易い構造となっており、その電磁波による周辺機器または人体などへの影響が問題となっている。
【００１３】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、安全性に優れるとともに、被処理物の表面を所望の状態で効率良く処理することができるプラズマプロセス装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に従ったプラズマプロセス装置は、大気圧下でプラズマを発生させ、被処理物を処理するプラズマプロセス装置である。プラズマプロセス装置は、被処理物の表面に向い合う被覆面を有し、互いに隣り合う第１および第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間を充填し、かつ被覆面を覆うように設けられる誘電体とを備える。誘電体は、被処理物と第１の電極との間で被処理物の表面と間隔を隔てて位置決めされる第１の対向面と、被処理物と第２の電極との間で被処理物の表面と間隔を隔てて位置決めされる第２の対向面とを有する。プラズマプロセス装置は、第１の対向面に設けられる供給口を有し、供給口を介して被処理物の表面に処理ガスを供給するガス供給手段と、第２の対向面に設けられる排出口を有し、排出口を介して被処理物の表面に供給された処理ガスを排出するガス排出手段とをさらに備える。
【００１５】
このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、第１および第２の電極間に電圧を印加することによって、被処理物の表面と誘電体との間の空間であって、第１の電極と第２の電極とが互いに隣り合う位置においてプラズマが発生する。一方、第１の対向面に設けられた供給口を介して被処理物の表面に供給された処理ガスが、第２の対向面に設けられた排出口を介して被処理物の表面から排出されるまでの間、処理ガスは、被処理物の表面と誘電体との間の空間をガス流路として被処理物の表面上を移動する。上述のプラズマは第１の対向面と第２の対向面との間の領域を中心に発生するため、この際、処理ガスはプラズマが発生している位置を通過することとなる。これにより、処理ガスはプラズマ化され、被処理物の処理が行なわれる。なお、大気圧とは、圧力範囲が、１０１３．２５×１０^−１（ｈＰａ）以上１０１３．２５×１０（ｈＰａ）以下にある場合を示すものとする。
【００１６】
本発明では、誘電体が第１および第２の電極の間を充填するように設けられているため、第１および第２の電極の間でプラズマが発生することがない。また、誘電体は、被処理物の表面に向い合う被覆面を覆うように設けられているため、第１および第２の電極の最も近接した部分において放電が集中することもない。これらの理由から、被処理物の表面上において安定したプラズマを発生させることができる。そして、処理対象となる被処理物の表面に近い位置にプラズマを発生させることによって、プラズマ処理の処理効率を向上させることができる。
【００１７】
また好ましくは、ガス供給手段は、第１の電極の内部に設けられており、ガス排出手段は、第２の電極の内部に設けられている。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、第１および第２の電極の内部は、それぞれ同電位であるため、ガス供給手段およびガス排出手段に処理ガスが存在してもプラズマまたは異常放電が発生することがない。このため、第１および第２の電極に投入する電力を、被処理物の表面上におけるプラズマの発生に効率良く利用することができる。また、ガス供給手段およびガス排出手段を電極の外部に設けた場合と比較して、装置の小型化を図ることができる。
【００１８】
また好ましくは、ガス供給手段およびガス排出手段の周りには、誘電体材料から形成された内壁が設けられている。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、ガス供給手段およびガス排出手段に、プラズマまたは異常放電が発生することをより確実に防止できる。
【００１９】
また好ましくは、第１および第２の電極の各々が有する被覆面は、被処理物の表面に平行な平面上において延在している。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、第１の電極の被覆面から第２の電極の被覆面に向かう被処理物の表面上の位置が、電界強度が最も強くなる位置である。したがって、プラズマは、この位置に最も発生しやすくなる。
【００２０】
また好ましくは、第１および第２の電極間に電圧を印加した場合に、第１および第２の電極間を結ぶ電気力線は、被処理物の表面上においてその表面にほぼ平行に延びている。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、電気力線に沿って加速する電子またはイオンが被処理物の表面に向かうことがない。このため、被処理物の表面上において発生するプラズマによって、被処理物の表面がイオンダメージまたはチャージアップダメージなどを受けることを抑制できる。
【００２１】
また好ましくは、供給口および排出口は、第１の対向面と第２の対向面との間に位置する領域の近傍に設けられている。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、プラズマは、第１の対向面と第２の対向面との間に位置する領域を中心に発生する。したがって、この領域の近傍に供給口および排出口を設けることによって、処理ガスをプラズマが発生する位置により確実に供給することができる。
【００２２】
また好ましくは、誘電体は、被処理物の表面から第２の対向面までの距離が被処理物の表面から第１の対向面までの距離よりも大きくなるように形成された凹部を含む。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、排出口を設けた第２の対向面に凹部を形成することによって、処理ガスの排出口側におけるコンダクタンスを大きくすることができる。これにより、供給口から供給された処理ガスをより積極的に排出口側へと導くことができる。
【００２３】
また好ましくは、供給口および排出口は、一方向に延在するスリット形状および一方向に複数の孔が並んで配置された形状のいずれかに形成されている。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、被処理物の表面の広い範囲に渡って処理ガスを均一に行き渡らせることができる。これにより、被処理物の表面に対してプラズマ処理を均一に行なうことができる。
【００２４】
また好ましくは、ガス供給手段およびガス排出手段は、排出口を介して排出されるガスの総流量が、供給口を介して供給される処理ガスの総流量以上となるように形成されている。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、排出口からは、被処理物の表面に向けて供給された処理ガスに加えて、被処理物の周りを占める大気も排出される。これにより、被処理物の表面と誘電体との間の空間から処理ガスが漏れ出すことを防止できる。また、被処理物を汚染雰囲気から保護するために、不活性ガスなどを被処理物の表面上に吹き付ける必要がない。このため、装置の小型化を図れるとともに、装置に使用されるガスのコストを削減することができる。
【００２５】
また好ましくは、被処理物の表面に向い合う誘電体の部分において、供給口から最短距離に位置する誘電体の端部と供給口との間の距離をＬ１、供給口と排出口との間の距離をＬ２、排出口と排出口から最短距離に位置する誘電体の端部との間の距離をＬ３とする場合、Ｌ１、Ｌ２およびＬ３は、４≦Ｌ１／Ｌ２≦１０００および４≦Ｌ３／Ｌ２≦１０００の関係を満たす。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、供給口から見て排出口に向かう方向に存在するプラズマ発生位置により多くの処理ガスを供給するとともに、排出口からより多くの処理ガスを排出することができる。また、同時に第１および第２の電極が必要以上に大きくなることを防止できる。
【００２６】
また好ましくは、プラズマプロセス装置は、外部に露出した第１および第２の電極の表面を覆うように設けられ、接地されている導電性カバーをさらに備える。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、第１および第２の電極から電磁波が漏洩することを防止できる。これにより、安全性に優れたプラズマプロセス装置を実現することができる。
【００２７】
また好ましくは、プラズマプロセス装置は、第２の電極に隣り合い、第２の電極に対して第１の電極と反対側に位置決めされた第３の電極をさらに備える。プラズマプロセス装置は、第２の電極の中心線に対して対称形状となるように形成されている。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、第１、第２および第３の電極によって外部に形成される電界が互いに打ち消し合う。このため、さらに安全性に優れたプラズマプロセス装置を実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１におけるプラズマプロセス装置を示す断面図である。図１を参照して、プラズマプロセス装置１０１は、基板９の被処理面９ａに平行に並べられた電極１、２および３と、電極１、２および３の表面の一部を覆う誘電体３０と、電極１および３の内部に形成されたガス供給ライン１５と、電極２の内部に形成されたガス排出ライン１６とを備える。
【００３０】
電極１、２および３は、電極１と電極３との間に電極２が位置するようにそれぞれ隙間を設けて配置されている。電極１、２および３は、電極２の中心線に対して対称形状となるように形成されている。電極１および３は、基板９の被処理面９ａに向い合う被覆面２５を有し、電極２は、同様に基板９の被処理面９ａに向い合う被覆面２６を有する。被覆面２５および２６は、基板９の被処理面９ａに平行な平面上に延在している。
【００３１】
電極２の頂面側には、電力導入部１４が設けられている。電力導入部１４は、電力伝送路２１を介して高周波電源１１に接続されている。電極１および３は、頂面側において接地されている。
【００３２】
なお、高周波電源１１にかえてパルス電源を設けても良いし、両者をスイッチングまたは重畳しても良い。電力を供給する手段は、周波数および繰り返し周波数に加えて、処理に要求される諸条件、処理ガスの制限、要求される処理能力、および被処理面へのダメージの程度などを考慮して慎重に決定する必要がある。なお、本実施の形態において、高周波電源とは周波数が１０（Ｈｚ）以上１００（ＧＨｚ）以下のものを指し、パルス電源とは繰り返し周波数が１０（ＭＨｚ）以下、波形の立ち上がり時間が１００（μｓｅｃ）以下、パルス印加時間が１００（ｍｓｅｃ）以下のものを指す。
【００３３】
電極１および２の間の隙間と電極２および３の間の隙間とを充填し、被覆面２５および２６を覆うように誘電体３０が設けられている。誘電体３０は、基板９に被処理面９ａに向い合う対向面３０ａを有する。対向面３０ａは、電極１および３と基板９との間に形成された第１の対向面３１と、電極２と基板９との間に形成された第２の対向面３２とを含む。対向面３０ａは、基板９の被処理面９ａに対して間隔を隔てて平行に位置する平面上に延在している。
【００３４】
電極１から３の外部に露出した表面を覆うように導電性材料から形成されたシールドケース８が設けられている。シールドケース８は、接地されている。
【００３５】
高周波電源１１によって、電極１および２の間ならびに電極２および３の間に電圧を印加すると、基板９の被処理面９ａと誘電体３０の間の空間であって、第１の対向面３１と第２の対向面３２との間に位置するプラズマ発生領域６を中心にプラズマが発生する。この際、電極１および２の間ならびに電極２および３の間は誘電体３０によって充填されているため、この場所にプラズマが発生することはない。
【００３６】
誘電体３０は、溶射や陽極酸化などによって、電極１から３の表面に直接形成することもできるが、メンテナンス時の労力およびコストの観点から、電極１から３に脱着可能に設けることが好ましい。電極１および２の間ならびに電極２および３の間における誘電体３０の厚みは、高周波電源１１の周波数、高周波電源１１のかわりに設けたパルス電源の繰り返し周波数、処理ガスの種類、およびプラズマに対する誘電体３０の材料特性などを考慮して決定される。一般的には、電極１および２の間ならびに電極２および３の間における誘電体３０の厚みは、１０ｍｍ以下であることが好ましく、特に高周波電源１１の周波数が１（ＭＨｚ）以上となる場合には、２ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３７】
同様に、被覆面２５および２６と対向面３０ａとの間における誘電体３０の厚みについて考えてみると、この厚みを出来る限り小さくすることによってプラズマ発生領域６における電界強度を強くすることができる。しかし、この厚みを小さくしすぎた場合、誘電体３０の強度を十分に確保できず破損するおそれが生じる。したがって、実用上は、被覆面２５および２６と対向面３０ａとの間における誘電体３０の厚みは、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。また、誘電体３０を電極１から３に直接形成する場合には、上述の数値範囲より小さい厚みで誘電体３０を形成しても良い。
【００３８】
図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った断面図である。図１および図２を参照して、電極１から３および誘電体３０は、基板９の幅よりも２０パーセントほど大きい幅で形成されている。電極２の内部には、電極２によって内壁が規定されたガス排出ライン１６が形成されている。ガス排出ライン１６は、電極２の頂面側から被覆面２６まで貫通し、さらに誘電体３０の第２の対向面３２まで達するように形成されている。ガス排出ライン１６は、電極２の内部において、図１の紙面に対して垂直方向に延在するガス溜り部１６ｂと、ガス溜り部１６ｂから２つのルートに枝分かれして第２の対向面３２まで達するスリット状流路部１６ｃとを含む。
【００３９】
電極１および３の内部には、電極１および３によって内壁が規定されたガス供給ライン１５が形成されている。ガス供給ライン１５は、電極１および３の頂面側から被覆面２５まで貫通し、さらに誘電体３０の第１の対向面３１まで達するように形成されている。ガス供給ライン１５は、電極１および３の内部において、図１の紙面に対して垂直方向に延在するガス溜り部１５ｂと、ガス溜り部１６ｂから第１の対向面３１まで達するスリット状流路部１５ｃとを含む。
【００４０】
このようにガス供給ライン１５およびガス排出ライン１６を電極内部に形成することによってプラズマプロセス装置１０１の小型化を図ることができる。
【００４１】
ガス供給ライン１５には、電極１および３の頂面側においてガス導入部２２が設けられている。ガス導入部２２は、図示しないガスボンベまたはガスタンクに接続されている。ガス排出ライン１６には、電極２の頂面側においてガス排出部２３が設けられている。ガス排出部２３は、図示しない吸引ポンプに接続されている。
【００４２】
図３は、図１中の矢印ＩＩＩに示す方向から見たプラズマプロセス装置を示す底面図である。図１および図３を参照して、ガス排出ライン１６によって、誘電体３０の第２の対向面３２にはガス排出口５が形成されている。また、ガス供給ライン１５によって、誘電体３０の第１の対向面３１にはガス供給口４が形成されている。ガス排出口５およびガス供給口４は、一方向に延在するスリット形状に形成されている。図２および図３を参照して、ガス排出口５およびガス供給口４は、基板９の幅と同程度かそれ以上の幅で形成されている。このようにガス排出口５およびガス供給口４を形成することによって、処理ガスを被処理面９ａの全体に供給するとともに、被処理面９ａから処理ガスを確実に回収することができる。
【００４３】
図４は、図３中のガス供給口およびガス排出口の変形例を示すためのプラズマプロセス装置の底面図である。図４を参照して、ガス供給口４およびガス排出口５を、一方向に並んで細孔を配置した形状に形成しても良い。この場合、電極１から３には、スリット状流路部１５ｃおよび１６ｃにかえて、ガス供給口４およびガス排出口５が形成された形状と同様の形状を有する細孔が形成される。なお、図３および図４に示す形状を適宜組合せて、ガス供給口４およびガス排出口５を形成しても良い。
【００４４】
図１および図２を参照して、電極１から３の内部には、冷媒流路７が形成されている。冷媒流路７によって、電極の頂面側から電極の内部を通り再び頂面側に達する経路が形成されている。冷媒流路７が電極の頂面側に達する位置には、冷媒導入部１７および冷媒排出部１８が設けられている。冷媒流路７に冷媒を供給するために、冷媒導入部１７および冷媒排出部１８は図示しないクーラーまたはヒーターに接続されている。冷媒流路７に導入された冷媒は、温度が上昇した電極１から３および誘電体３０を冷却する役割を果たす。
【００４５】
基板９を搬送するための手段として、搬送用ローラー１０が複数設けられている。基板９を搬送する他の手段として、ステージまたは基板ホルダなどを用いても構わない。ステージまたは基板ホルダなどを用いる場合、接地するか、直流または交流のバイアス電圧を印加することによって、イオンを基板９側に引き寄せることが可能となる。これにより、処理の種類によっては、プラズマ処理の高速化および品質向上を図ることが可能となる。また、プラズマ処理中に基板９の搬送を行なわない場合は、局所的な処理も可能である。
【００４６】
続いて、図１に示すプラズマプロセス装置を用いて基板９に処理を行なう工程について説明する。
【００４７】
図１を参照して、図示しないガスボンベまたはガスタンクから導入された複数種類のガスが、マスフロー、場合によってはミキサーによって混合される。このように混合されたガスが、処理ガスとして高圧な状態でガス導入部２２からガス供給ライン１５に導入される。処理ガスは、ガス溜り部１５ｂにおいて図１の紙面の垂直方向に行き渡る。そして、処理ガスは、断面積が小さく形成されたスリット状流路部１５ｃを通過することによって流速が加速され、その後、ガス供給口４から基板９の被処理面９ａに向けて吹き出される。
【００４８】
この際、処理ガスは電極１および３の内部を通過することとなるが、電極１および３の内部には電位差が生じていない。このため、原理的にはガス供給ライン１５にプラズマまたは異常放電が発生することはない。しかし、ガス供給ライン１５の経路を滑らかに設定した上で、ガス溜り部１５ｂ付近の角部に丸みをつけることによって、ガス供給ライン１５の内部でプラズマまたは異常放電が発生することを確実に防止することができる。
【００４９】
基板９に表面改質のプラズマ処理を行なう場合を想定すると、処理ガスには、たとえば、ヘリウム、アルゴン、酸素および空気の混合ガスが使用される。但し、使用される処理ガスは行なう処理の種類によって異なり、その都度、混合するガスの種類および混合比を適切に選択する必要がある。
【００５０】
基板９の被処理面９ａに向けて吹き出された処理ガスは、第１の対向面３１側からプラズマ発生領域６上を移動し、ガス排出口５が設けられた第２の対向面３２側へと達する。その後、処理ガスは、ガス排出口５からガス排出ライン１６を通って図示しない吸引ポンプへと回収される。
【００５１】
この際、電極２の内部においても電位差は生じていないため、ガス排出ライン１６にプラズマまたは異常放電が発生することはない。また、ガス供給ライン１５と同様にガス排出ライン１６においても、経路を滑らかに設定した上で、ガス溜り部１６ｂ付近の角部に丸みをつけることが好ましい。
【００５２】
一方、高周波電源１１から出力された高周波電力は、電力伝送路２１および電力導入部１４を介して電極２に印加される。高周波電力が印加された電極２と接地された電極１および３との間で電界が形成される。その電界は、基板９の被処理面９ａと誘電体３０の間の空間であって、第１の対向面３１と第２の対向面３２との間に位置するプラズマ発生領域６において最も強くなる。これにより、基板９の被処理面９ａ上を移動中の処理ガスは、プラズマ発生領域６を中心にした位置においてプラズマ化される。
【００５３】
プラズマは、搬送用ローラー１０によって搬送されてきた基板９の被処理面９ａに接触する。そして、活性種による反応促進効果またはイオンによる物理的エッチング効果によって、表面改質、洗浄、加工または成膜などのプラズマ処理が基板９に行なわれる。なお、プラズマを被処理面９ａに接触させない場合であっても、拡散してきた活性種またはイオンによってプラズマ処理を行なうことができる。しかし、プラズマを被処理面９ａに接触させた場合、被処理面９ａとプラズマとの境界にシース（空間電荷層）を形成することができる。これにより、プラズマ処理をさらに高速に行なうことができる。
【００５４】
一般的にプラズマ処理においては、基板９の被処理面９ａへの物理的ダメージまたはチャージアップダメージなどが懸念される。しかし、本実施の形態におけるプラズマプロセス装置１０１の場合、電極１および３の被覆面２５と電極２の被覆面２６とが被処理面９ａに平行な平面上に延在している。このため、電極１および２の間ならびに電極２および３の間に形成される電気力線が、被処理面９ａ上で被処理面９ａに平行に延びる。
【００５５】
このため、電気力線に沿って加速するイオンまたは電子が被処理面９ａに向かうことがない。これにより、被処理面９ａに対するイオンまたは電子のアタックがソフトになり、チャージアップダメージが生じにくくなる。また、処理速度を犠牲にしてもさらにダメージの少ない処理を行ないたい場合には、プラズマを被処理面９ａに接触させないで処理を行なえば良い。
【００５６】
このように行なうプラズマ処理において、プラズマを安定して発生させること、および処理ガスの利用効率を上げることは、処理能力の向上およびランニングコストの低減を図る上で重要である。したがって、プラズマ発生領域６に効率良く処理ガスを供給し、プラズマ発生領域６から効率良く処理ガスを排出するために、処理ガスの流量および流速を適切に制御することが必要となる。
【００５７】
図５は、図１中のプラズマ発生領域の近傍を模式的に拡大した断面図である。図５を参照して、電極１および２の間に位置するプラズマ発生領域６が示されている。図５では、誘電体３０が、対向面３０ａにおいて、第１の対向面３１側に端部３０ｂを有し、第２の対向面３２側に端部３０ｃを有する場合を想定している。また、端部３０ｂからガス供給口４までの距離をＬ１、ガス供給口４からガス排出口５までの距離をＬ２、ガス排出口５から端部３０ｃまでの距離をＬ３、対向面３０ａから被処理面９ａまでの距離をｄとする。
【００５８】
ガス供給口４から被処理面９ａに向けて供給された処理ガスは、端部３０ｂが位置する方向とプラズマ発生領域６が位置する方向とに分かれて移動する。より多くの処理ガスをプラズマ発生領域６に向かわせるとともに、さらに処理ガスを効率良くガス排出口５から回収するためには、処理ガスが被処理面９ａ上において通過する空間の断面積Ｓおよび距離Ｌの決め方が重要となる。大気圧下における処理ガスの流れは粘性流と考えられるので、これらのパラメータと、処理ガスの流れやすさの指標であるコンダクタンスＵとは、（１）式に表わす関係を有する。但し、図５の紙面に垂直方向における空間の長さは無限長であるものとする。
【００５９】
Ｕ＝Ａ・Ｓ^２／Ｌ（１）
（１）式中のＡは、処理ガスの粘性係数および圧力により決まる定数である。
【００６０】
対向面３０ａから被処理面９ａまでの距離ｄはどの位置においても一定であるため、コンダクタンスＵを決定する要因が距離Ｌであることが（１）式から分かる。
【００６１】
より多くの処理ガスをプラズマ発生領域６に供給するためには、距離Ｌ２に対して距離Ｌ１を大きくする必要がある。この際、電極１のサイズが必要以上に大きくならないよう考慮しなければならない。具体的には、距離Ｌ１およびＬ２が、４≦Ｌ１／Ｌ２≦１０００の関係を満たすことが好ましい。また、さらに効率良く処理ガスをプラズマ発生領域６に供給するためには、距離Ｌ１およびＬ２が、１０≦Ｌ１／Ｌ２≦１０００の関係を満たすことが好ましい。
【００６２】
また、処理ガスを効率良くガス排出口５から回収するためには、距離Ｌ２に対して距離Ｌ３を大きくする必要がある。この際においても、電極２のサイズが必要以上に大きくならないよう考慮しなければならない。具体的には、距離Ｌ２およびＬ３が、４≦Ｌ３／Ｌ２≦１０００の関係を満たすことが好ましい。また、処理ガスをさらに効率良くガス排出口５から回収するためには、距離Ｌ２およびＬ３が、１０≦Ｌ３／Ｌ２≦１０００の関係を満たすことが好ましい。
【００６３】
図１を参照して、本実施の形態では、１箇所のプラズマ発生領域６に対してガス供給口４およびガス排出口５をそれぞれ設けている。また、ガス供給口４およびガス排出口５は、プラズマ発生領域６の近傍に設けられている。このため、より多くの処理ガスをプラズマ発生領域６に向かわせるとともに、処理ガスを効率良くガス排出口５から回収することができる。
【００６４】
また、ガス排出ライン１６によって排出するガスの総流量は、ガス供給ライン１５によって基板９の被処理面９ａに供給する処理ガスの総流量以上であることが好ましい。この場合、ガス排出ライン１６から、被処理面９ａ上に供給した処理ガスに加えて被処理面９ａ周りの大気も排出することとなる。これにより、対向面３０ａと被処理面９ａとの隙間から処理ガスが漏れ出すことを防止できる。
【００６５】
なお、プラズマ発生領域６を通過する処理ガスの流速と、印加する高周波電力の周波数との間には密接な関係がある。たとえば、高周波電力の周波数が小さい場合、処理ガスの流速が速すぎると、十分なプラズマ励起が行なわれない。また逆に流速が遅すぎると、誘電体の冷却効果が不十分となり、プラズマが不安定になったりアーク放電に移行したりするおそれが生じる。
【００６６】
この発明の実施の形態１に従ったプラズマプロセス装置１０１は、大気圧下でプラズマを発生させ、被処理物としての基板９を処理するプラズマプロセス装置である。プラズマプロセス装置１０１は、基板９の表面としての被処理面９ａに向い合う被覆面２５および２６を有し、互いに隣り合う第１および第２の電極としての電極１および２と、電極１と電極２との間を充填し、かつ被覆面２５および２６を覆うように設けられる誘電体３０とを備える。誘電体３０は、基板９と電極１との間で基板９の被処理面９ａと間隔を隔てて位置決めされる第１の対向面３１と、基板９と電極２との間で基板９の被処理面９ａと間隔を隔てて位置決めされる第２の対向面３２とを有する。プラズマプロセス装置１０１は、第１の対向面３１に設けられる供給口としてのガス供給口４を有し、ガス供給口４を介して基板９の被処理面９ａに処理ガスを供給するガス供給手段としてのガス供給ライン１５と、第２の対向面３２に設けられる排出口としてのガス排出口５を有し、ガス排出口５を介して基板９の被処理面９ａに供給された処理ガスを排出するガス排出手段としてのガス排出ライン１６とをさらに備える。
【００６７】
ガス供給ライン１５は、電極１の内部に設けられており、ガス排出ライン１６は、電極２の内部に設けられている。電極１および２の各々が有する被覆面２５および２６は、基板９の被処理面９ａに平行な平面上において延在している。電極１および２の間に電圧を印加した場合に、電極１および２の間を結ぶ電気力線は、基板９の被処理面９ａ上において被処理面９ａにほぼ平行に延びている。
【００６８】
ガス供給口４およびガス排出口５は、第１の対向面３１と第２の対向面３２との間に位置する領域としてのプラズマ発生領域６の近傍に設けられている。ガス供給口４およびガス排出口５は、一方向に延在するスリット形状および一方向に複数の孔が並んで配置された形状のいずれかに形成されている。
【００６９】
ガス供給口４およびガス排出口５は、ガス排出口５を介して排出されるガスの総流量が、ガス供給口４を介して供給される処理ガスの総流量以上となるように形成されている。
【００７０】
プラズマプロセス装置１０１は、外部に露出した電極１および２の表面を覆うように設けられ、接地されている導電性カバーとしてのシールドケース８をさらに備える。プラズマプロセス装置１０１は、電極２に隣り合い、電極２に対して電極１と反対側に位置決めされた第３の電極としての電極３をさらに備える。プラズマプロセス装置１０１は、電極２の中心線に対して対称形状となるように形成されている。
【００７１】
このように構成されたプラズマプロセス装置１０１によれば、処理対象である被処理面９ａの近くに位置するプラズマ発生領域６を中心にプラズマを発生させることができる。これにより、基板９を効率良くプラズマ処理することができる。また、プラズマプロセス装置１０１は、電力が導入される電極２の両側を接地された電極１および３で挟む対称構造となっている。これにより、電極１から３の外部に形成される電界が互いに打ち消し合うため、電磁波の漏洩が少ないプラズマプロセス装置を実現することができる。また、電極１から３の周りには、接地されたシールドケース８が設けられているため、電磁波の漏洩をさらに防止することができる。
【００７２】
（実施の形態２）
図６は、この発明の実施の形態２におけるプラズマプロセス装置を示す断面図である。図７は、図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線上に沿った断面図である。図６および図７を参照して、プラズマプロセス装置１０２は、実施の形態１におけるプラズマプロセス装置１０１と基本的に同様の構造を備える。以下において、プラズマプロセス装置１０１と重複する構造の説明は省略する。
【００７３】
誘電体３０には、第２の対向面３２に位置して掘り込み部４１が設けられている。基板９の被処理面９ａから掘り込み部４１の底面に位置する第２の対向面３２までの距離は、被処理面９ａから第１の対向面３１までの距離よりも大きい。ガス排出ライン１６は、掘り込み部４１の底面に位置する第２の対向面３２に達している。
【００７４】
図８は、図６中の矢印ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩから見たプラズマプロセス装置を示す底面図である。図８を参照して、ガス排出口５およびガス供給口４が一方向に延在するスリット形状に形成されている。掘り込み部４１は、ガス排出口５およびガス供給口４が延在する方向に沿って形成されている。
【００７５】
図９は、図８中のガス供給口およびガス排出口の変形例を示すプラズマプロセス装置の底面図である。図９を参照して、実施の形態１と同様に、ガス供給口４およびガス排出口５を、一方向に並んで細孔を配置した形状に形成しても良い。
【００７６】
図１０は、図６中のプラズマ発生領域の近傍を模式的に拡大した断面図である。図１０は、実施の形態１における図５に対応する図である。図１０を参照して、図６において規定した距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３およびｄに加えて、掘り込み部４１の底面に位置する第２の対向面３２から被処理面９ａまでの距離をＤとする。
【００７７】
実施の形態１において説明した（１）式から明らかなように、対向面３０ａから被処理面９ａまでの距離を大きくすることによって、処理ガスのコンダクタンスＵを増大させることができる。この際、コンダクタンスＵを増大させる効果は、距離Ｌを大きくする場合よりも顕著に現われる。
【００７８】
したがって、第２の対向面３２から被処理面９ａまでの距離がｄよりも大きいＤとなる掘り込み部４１を形成することによって、ガス排出口５側における処理ガスのコンダクタンスＵを大幅に増大させることができる。
【００７９】
図１１は、処理ガスが被処理面上を移動する様子を示す断面図である。図１１を参照して、掘り込み部４１によってガス排出口５側における処理ガスのコンダクタンスＵが増大するため、ガス供給口４から被処理面９ａ上に供給された処理ガスは、効率良くプラズマ発生領域６へと導かれる。処理ガスは、矢印５１に示す方向に沿って掘り込み部４１の内部を進み、その後ガス排出口５から回収される。
【００８０】
この発明の実施の形態２に従ったプラズマプロセス装置１０２では、誘電体３０は、基板９の被処理面９ａから第２の対向面３２までの距離が基板９の被処理面９ａから第１の対向面３１までの距離よりも大きくなるように形成された凹部としての掘り込み部４１を含む。
【００８１】
このように構成されたプラズマプロセス装置１０２によれば、実施の形態１に記載に効果を奏することができる。加えて、被処理面９ａ上に供給された処理ガスをより積極的にプラズマ発生領域６に導くことができる。これにより、プラズマ発生領域６においてより多くの処理ガスをプラズマ化させて、プラズマ処理の処理効率を向上させることができる。
【００８２】
（実施の形態３）
図１２は、この発明の実施の形態３におけるプラズマプロセス装置を示す断面図である。図１２を参照して、プラズマプロセス装置１０３は、実施の形態２におけるプラズマプロセス装置１０２と基本的に同様の構造を備える。以下において、プラズマプロセス装置１０２と重複する構造の説明は省略する。
【００８３】
電極１は、ガス供給ライン１５に対して電極２側に位置する部分１ｍと、ガス供給ライン１５に対して電極２と反対側に位置する部分１ｎとによって構成されている。電極３は、ガス供給ライン１５に対して電極２側に位置する部分３ｍと、ガス供給ライン１５に対して電極２と反対側に位置する部分３ｎとによって構成されている。部分１ｍおよび３ｍは、導電性材料によって形成されており、部分１ｎおよび３ｎは、誘電性材料によって形成されている。これにより、ガス供給ライン１５の一部は、誘電体である部分１ｎおよび３ｎによって規定されている。
【００８４】
電極２は、電極１および３に隣り合う部分２ｍと、ガス排出ライン１６のガス溜り部１６ｂおよびスリット状流路部１６ｃに囲まれる部分２ｎとによって構成されている。部分２ｍは、導電性材料によって形成されており、部分２ｎは、誘電性材料によって形成されている。これにより、ガス排出ライン１６の一部は、誘電体である部分２ｎによって規定されている。
【００８５】
このように構成されたプラズマプロセス装置１０３によれば、実施の形態２に記載の効果を奏することができる。加えて、ガス供給ライン１５およびガス排出ライン１６において、プラズマまたは異常放電が発生することをより確実に防止することができる。
【００８６】
（実施の形態４）
図１３は、この発明の実施の形態４におけるプラズマプロセス装置を示す断面図である。図１３を参照して、プラズマプロセス装置１０４は、実施の形態２におけるプラズマプロセス装置１０２と基本的に同様の構造を備える。以下において、プラズマプロセス装置１０２と重複する構造の説明は省略する。
【００８７】
ガス供給ライン１５およびガス排出ライン１６を規定する電極１から３の表面には、誘電性材料から形成された内壁７１が設けられている。したがって、ガス供給ライン１５およびガス排出ライン１６は、電極１から３の内部において完全に誘電体によって覆われている。
【００８８】
この発明の実施の形態４に従ったプラズマプロセス装置１０４では、ガス供給ライン１５およびガス排出ライン１６の周りには、誘電体材料から形成された内壁７１が設けられている。
【００８９】
このように構成されたプラズマプロセス装置１０４によれば、実施の形態２に記載の効果を奏することができる。加えて、ガス供給ライン１５およびガス排出ライン１６において、プラズマまたは異常放電が発生することをより確実に防止することができる。
【００９０】
（実施の形態５）
図１４は、この発明の実施の形態５におけるプラズマプロセス装置を示す断面図である。図１４を参照して、プラズマプロセス装置１０５は、実施の形態１におけるプラズマプロセス装置１０１を複数備える。基板９の被処理面９ａ上には、広い面積に渡って誘電体３０の対向面３０ａが延在している。
【００９１】
電力は一台の電源から供給してもよいし、各プラズマプロセス装置１０１ごとに供給しても構わない。各プラズマプロセス装置１０１ごとに電力を供給した場合、プラズマ処理の制御を各プラズマプロセス装置１０１ごとに行なえるという利点がある。また、プラズマプロセス装置１０１の各々に供給する処理ガスの組成を変えることによって、各プラズマプロセス装置１０１で種類の異なる処理を行なうことができる。
【００９２】
このように構成されたプラズマプロセス装置１０５によれば、プラズマが発生する領域の実効面積を増加させることによって、プラズマ処理の処理速度を向上させることができる。
【００９３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に従えば、安全性に優れるとともに、被処理物の表面を所望の状態で効率良く処理することができるプラズマプロセス装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１におけるプラズマプロセス装置を示す断面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った断面図である。
【図３】図１中の矢印ＩＩＩに示す方向から見たプラズマプロセス装置を示す底面図である。
【図４】図３中のガス供給口およびガス排出口の変形例を示すためのプラズマプロセス装置の底面図である。
【図５】図１中のプラズマ発生領域の近傍を模式的に拡大した断面図である。
【図６】この発明の実施の形態２におけるプラズマプロセス装置を示す断面図である。
【図７】図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線上に沿った断面図である。
【図８】図６中の矢印ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩから見たプラズマプロセス装置を示す底面図である。
【図９】図８中のガス供給口およびガス排出口の変形例を示すプラズマプロセス装置の底面図である。
【図１０】図６中のプラズマ発生領域の近傍を模式的に拡大した断面図である。
【図１１】処理ガスが被処理面上を移動する様子を示す断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態３におけるプラズマプロセス装置を示す断面図である。
【図１３】この発明の実施の形態４におけるプラズマプロセス装置を示す断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態５におけるプラズマプロセス装置を示す断面図である。
【図１５】特許文献１に開示されている常圧プラズマ処理装置を示す断面図である。
【図１６】図１５中に示す常圧プラズマ処理装置の底面図である。
【符号の説明】
１，２，３電極、１ｍ，１ｎ，２ｍ，２ｎ，３ｍ，３ｎ部分、２４ガス供給口、５ガス排出口、６プラズマ発生領域、８シールドケース、９基板、９ａ被処理面、１５ガス供給ライン、１６ガス排出ライン、２５，２６被覆面、３０誘電体、３１，３２対向面、４１掘り込み部、７１内壁、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５プラズマプロセス装置。

Claims

大気圧下でプラズマを発生させ、被処理物を処理するプラズマプロセス装置であって、
被処理物の表面に向い合う被覆面を有し、互いに隣り合う第１および第２の電極と、
被処理物と前記第１の電極との間で被処理物の表面と間隔を隔てて位置決めされる第１の対向面と、被処理物と前記第２の電極との間で被処理物の表面と間隔を隔てて位置決めされる第２の対向面とを有し、前記第１の電極と前記第２の電極との間を充填し、かつ前記被覆面を覆うように設けられる誘電体と、
前記第１の対向面に設けられる供給口を有し、前記供給口を介して被処理物の表面に処理ガスを供給するガス供給手段と、
前記第２の対向面に設けられる排出口を有し、前記排出口を介して被処理物の表面に供給された処理ガスを排出するガス排出手段とを備える、プラズマプロセス装置。
前記ガス供給手段は、前記第１の電極の内部に設けられており、前記ガス排出手段は、前記第２の電極の内部に設けられている、請求項１に記載のプラズマプロセス装置。
前記ガス供給手段および前記ガス排出手段の周りには、誘電体材料から形成された内壁が設けられている、請求項２に記載のプラズマプロセス装置。
前記第１および第２の電極の各々が有する被覆面は、被処理物の表面に平行な平面上において延在している、請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマプロセス装置。
前記第１および第２の電極間に電圧を印加した場合に、前記第１および第２の電極間を結ぶ電気力線は、被処理物の表面上においてその表面にほぼ平行に延びている、請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマプロセス装置。
前記供給口および前記排出口は、前記第１の対向面と前記第２の対向面との間に位置する領域の近傍に設けられている、請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマプロセス装置。
前記誘電体は、被処理物の表面から前記第２の対向面までの距離が被処理物の表面から前記第１の対向面までの距離よりも大きくなるように形成された凹部を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載のプラズマプロセス装置。
前記供給口および前記排出口は、一方向に延在するスリット形状および一方向に複数の孔が並んで配置された形状のいずれかに形成されている、請求項１から７のいずれか１項に記載のプラズマプロセス装置。
前記ガス供給手段および前記ガス排出手段は、前記排出口を介して排出されるガスの総流量が、前記供給口を介して供給される処理ガスの総流量以上となるように形成されている、請求項１から８のいずれか１項に記載のプラズマプロセス装置。
被処理物の表面に向い合う前記誘電体の部分において、前記供給口から最短距離に位置する前記誘電体の端部と前記供給口との間の距離をＬ１、前記供給口と前記排出口との間の距離をＬ２、前記排出口と前記排出口から最短距離に位置する前記誘電体の端部との間の距離をＬ３とする場合、Ｌ１、Ｌ２およびＬ３は、４≦Ｌ１／Ｌ２≦１０００および４≦Ｌ３／Ｌ２≦１０００の関係を満たす、請求項１から９のいずれか１項に記載のプラズマプロセス装置。
外部に露出した前記第１および第２の電極の表面を覆うように設けられ、接地されている導電性カバーをさらに備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載のプラズマプロセス装置。
前記第２の電極に隣り合い、前記第２の電極に対して前記第１の電極と反対側に位置決めされた第３の電極をさらに備え、前記第２の電極の中心線に対して対称形状となるように形成されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載のプラズマプロセス装置。