JP2005108482A - プラズマ表面処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ダウンストリーム方式のプラズマ表面処理装置において、誘導電流およびアークによる被処理基板の損傷をなくし、反応ガスの使用量および消費電力を削減する。
【解決手段】 反応ガスをプラズマ化するリアクタ４、５、６の対向電極を、被処理基板ｗと対面する一方の電極７、１６ａ、１６ｂと、これと所定の間隙を保ち、一方の電極によって被処理基板ｗから隠される位置に配置される他方の電極８、８ａ、８ｂ、１７とから構成し、一方の電極を高周波電源ＲＦの接地側出力端子に接続し、リアクタ４、５、６の外周に、一方の電極と反応ガスの噴射孔の位置を除いて、接地導体板３を配置する。また、反応ガスに添加される酸素を個別にプラズマ活性化した後に反応ガスに混入して、電力効率を高める。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高周波電圧が印加される対向電極間に反応ガスを流し、これをプラズマ化して、大気圧近傍圧力の下に被処理基板に噴射供給するダウンストリーム方式のプラズマ表面処理装置に関し、さらに詳細には、誘導電流およびアークによる被処理基板の損傷を防止する技術に関する。

ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）の製造工程、およびＩＣや太陽電池等の半導体デバイス製造工程は、ガラス基板や半導体ウエーハ等の各種基板の上に、有機物又は無機物材質の薄膜の形成を繰り返して行うことにより進められる。

これらの形成の際には、前処理としての表面改質が必要とされる。これは、レジスト塗布前、現像処理前、現像処理後のレジスト残渣物除去、ウエットエッチ前処理、ウェット洗浄前処理等である。

この前処理は、一般に、ＵＶランプ、エキシマランプによる光洗浄によって行なわれている。しかし、ランプ寿命のため高額のランプを年間に数回交換する必要があり、ランプ費用の負担とランプ交換に伴う稼働率低下により、製品の製造コストの増加要因になっていた。

また、上記ランプを使用する場合、ランプハウス下部の光照射窓に装着されている高額な合成石英板が処理に伴う生成物の付着によって曇るので、１〜３ヶ月間に数回のクリーニング、２年に１、２回以上の交換が必要になる。このことによっても製造コストが上昇する。
このようにＵＶランプやエキシマランプを用いた表面改質は、製造コストの増大を招く。

このため、プラズマ化した反応ガスによって、大気圧近傍の圧力の下に被処理基板の表面処理を行うプラズマ表面処理装置が使用され始めている。

この表面処理において、被処理基板の損傷を少なくしたい場合は、ダウンストリーム方式が採用される。これは、図６（ａ）に示すように高周波電圧が加えられたリアクタの対向電極ａ,ｂの間に反応ガスｎを通してプラズマ化し、被処理基板ｗに噴射供給するもので、残留物の除去等による密着性向上や乾燥等にも使用される。

このダウンストリーム方式は、図６（ｂ）に示すプラナー方式のように、対向電極ｃ、ｄ間の高周波電界ｈを被処理基板ｗに直接作用させないので、損傷を与え難い。

しかし、被処理基板ｗに、トランジスタや配線等の微小パターンが半導体や導体によって形成されている場合は、ダウンストリーム方式であっても、これらを損傷させることがある。

これは、図６（ａ）に示すように、対向電極ａ,ｂの間に高周波高電圧を加えると、その側方に膨らむように生じる高周波電界ｈｓが被処理基板ｗに作用して上記微小パターンに誘導電流を流し、対向電極ａ,ｂと被処理基板ｗの間にアークを発生させるためである。損傷を最も受け易いのは、Ｃ結合構造を持つＦＥＴのゲートで、前記側方の高周波電界ｈｓによって絶縁性が損なわれ、流入する電流によって特性が劣化する。上記誘導電流またはアークが大きく、熱による損傷に至る場合もあるが、被処理基板Ｗに対する表面処理では、上記ＦＥＴのゲートのように構造的に最も弱い部分の特性をも劣化させないことが求められ、前記側方の高周波電界ｈｓの対策が必要になる。

上記反応ガスとしては、希ガス、特にＨｅガスがよく使用される。本出願人は、ランニングコストを低減することを目的とし、高額な希ガスに代え、窒素ガスを反応ガスとして使用することを考えた。

窒素ガスは安価であるが、所定の処理能力を得るには、希ガスに比べて流量を相当多くする必要がある。また、大気圧下でプラズマ化に必要な高周波電力の使用量で比較しても、窒素ガスは希ガスよりも多く電力を必要とする。窒素ガスの場合に必要な使用電力量は、希ガスの中で、他のＨｅ、Ｋｒ、Ｘｅガスに比べ最も使用電力量が大きいＡｒガスより４倍の電力量が必要になる。

すなわち、製造ラインで使用するためには窒素ガスの使用量と使用電力量の双方を少なくする必要がある。
特開２００２−１１０６３９

そこで、本発明は、ダウンストリーム方式のプラズマ表面処理装置において問題となっている誘導電流およびアークによる損傷をなくすことができる装置を提供することを目的とする。

さらに本発明は上記装置において、反応ガスの使用量を大幅に減少させるために酸素を添加し、その活性度を高める工夫により、反応ガスの使用量および消費電力を、さらに削減することを目的とする。

本発明は、リアクタの対向電極間の強い高周波電界によってプラズマ化された反応ガスを、大気圧近傍の圧力の下に被処理基板に噴射供給して表面処理を行うプラズマ表面処理装置において、リアクタの対向電極が、被処理基板と対面する一方の電極と、この一方の電極と所定の間隙を保ち、この一方の電極によって被処理基板から隠される位置に配置される他方の電極とから構成されていることを特徴とする。

上記一方の電極は、高周波電源の出力端子の接地側に接続されて接地電位に保ち、リアクタの外周は、一方の電極と反応ガスの噴射孔の位置を除いて、接地導体板を配置することにより、高周波電磁界の漏れを略完全になくすことができる。

リアクタの構造は、反応ガスの流し方によって、次のような構造例がある。
（Ａ）リアクタの対向電極の間隙を通り、その一側端に抜ける反応ガスが、被処理基板に向けて噴射されるように構成されている構造。

（Ｂ） 被処理基板から隠れされる位置に配置される他方の電極が、反応ガスの供給孔となる間隔を開けて二分割され、この供給孔を通って流入し、対向電極の両側端に達した反応ガスが、被処理基板に向けて別々に噴射されるように構成されている構造。

（Ｃ） 被処理基板と対面する一方の電極が、反応ガスの噴射孔となる間隔を開けて二分割され、被処理基板から隠される位置に配置される他方の電極が、この二分割された一方の電極の夫々と反応ガスの供給路となる所定の間隙を形成し、かつ、これら二つの供給路が合流して、前記反応ガスの噴射孔につながる形状とされている構造。

反応ガスとして窒素を使用した場合に、その使用量と消費電力量を大幅に削減できる方法として、キャリアガスである窒素に酸素を添加して反応ガスとする場合がある。このとき、さらに使用量と消費電力量を削減するために、酸素を単独でプラズマ化する専用の対向電極を設けることができる。なお、この場合の酸素とは、酸素単体のほかに空気を意味するものとする。

上記（Ｃ）の構造を採用する場合は、その二つの供給路の一方から窒素等のキャリアガスを供給し他方から酸素または空気を供給すれば、上記専用の対向電極を設けたことになる。

本発明では、リアクタの対向電極が、被処理基板と対面する一方の電極と、この一方の電極と所定の間隙を保ち、被処理基板から隠された位置に配置される他方の電極とから構成されている。すなわち、一方の電極と他方の電極との間に生じる高周波電磁界が、一方の電極によって被処理基板に対して隠され、被処理基板に流れる誘導電流とアークを少なくすることができる。

さらに、本発明は、一方の電極を高周波電源の出力端子の接地側に接続して接地電位に保つことによって、一方の電極と被処理基板との電位差を生じさせない。これによって、一方の電極に完全なシールド作用をさせて、被処理基板の損傷を防止できる。

これは、対向電極間の高周波電磁界による被処理基板の誘導電流の発生がなくなること、および電位差がないことから一方の電極から被処理基板へアーク電流の流れ込みがなくなることによる。

この構造は、リアクタと被処理基板の間に別のシールド板を配置する構造と比較し、リアクタを被処理基板に接近させて、処理効率を高くできるという効果を有するものである。反応ガス中に生じさせるプラズマ活性種の寿命は短いので、リアクタを被処理基板から離すと、プラズマ活性種の被処理基板への到達率が低下するのである。

さらに、本発明では、リアクタの外周に、一方の電極と反応ガスの噴射孔の位置を除いて、接地導体板を配置したので、リアクタ全体からの高周波電磁界の漏れをなくして、上記シールド作用を完全なものにすることができる。

上記（Ａ）のリアクタの構造は、対向電極が平行平板電極であるので構造が簡単で、製造コストを低減できる特徴を有する。

上記（Ｂ）のリアクタの構造は、一つの装置で、搬送ラインを運ばれる被処理基板に対して、プラズマ化した反応ガスを上流と下流の二本の噴射孔から供給することができる。

上記（Ｃ）のリアクタの構造は、反応ガスの供給路が二本形成され、各供給路で反応ガスを個別にプラズマ化し、これらを合流させて噴射供給するので、リアクタが二つの対向電極を持つことになり、プラズマ活性化の効率を高くすることができる。

上記（Ｃ）の構造は、各供給路に同種の反応ガスを流す他に、異種の反応ガスを流す場合がある。一方の供給路から窒素ガスを供給し、他方の供給路から酸素または空気を供給すると、初めから混合した場合と比較して酸素のプラズマ活性度を十分なものにし、反応ガスの使用量と使用電力量を低減することができる。

この理由は、表面処理に直接機能するのが酸素であること、および、初めから窒素に微量の酸素を混合すると、リアクタに供給した高周波電力の大半が窒素のプラズマ化に消費され、酸素の活性化が十分に行われないことによる。
なお、酸素を単独でプラズマ活性化する構造は、上記（Ｃ）以外の構造であってもよい。

図１は、本発明の一実施形態であるプラズマ表面処理装置１の外観を示す斜視図である。プラズマ表面処理装置１は、被処理基板ｗを載置して運ぶコンベア２の途中に直交して配置され、被処理基板ｗに対して上方からプラズマ活性化した反応ガスを噴射して表面処理を行う。

このプラズマ表面処理装置１は、接地される導体板により、下方を開放した細長い箱型のシールドケース３を作り、その内部に、高周波電力が供給されるリアクタを収容したものである。

このリアクタの代表的構造例を、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に断面図で示して説明する。これらの断面図は、図1のプラズマ表面処理装置１をコンベア２の搬送方向に沿う鉛直な面で切断したもので、いずれの図のリアクタ４、５、６も紙面と垂直な方向に、コンベア２を横断する長さの奥行きを持っている。

図２（ａ）は、リアクタ４を平行平板電極７、８で構成したもので、一方の電極７を被処理基板ｗと対面させ、他方の電極８を、一方の電極７により被処理基板ｗから隠される位置に配置して、接地導体板であるシールドケース３ａの内部に固定している。

各平板電極７、８は、例えばアルミニウムで製作され固体誘電体９で覆われている。
固体誘電体９で覆ったのは、平板電極７、８の金属で被処理基板ｗが汚染されるのを防止するためで、固体誘電体９の比誘電率が大きく、固体誘電体９の表面間に電界が集中するので、固体誘電体９の間隙が、実質的な電極間隙Ｇとなる。この電極間隙Ｇの長さは、改質性能に大きい変化を与えるので、通過する反応ガスの励起状態を発光分光器で観測することにより決定する。

各平板電極７、８は高周波電源ＲＦから給電を受ける。この高周波電源ＲＦは、昇圧トランスを介して前記電極に高周波電力を供給するもので、被処理基板ｗに対面する一方の電極７に接続される出力端子（図で−で示される）を接地ｅ1している。

また、この高周波電源ＲＦは、各平板電極７、８に前記昇圧トランスの２次側が接続されて生じる並列共振回路の共振周波数の変動に、高周波周波数を追従させるＰＬＬ回路を備え、無効電力を最小にして電力の供給効率を高めている。

反応ガスは、固体誘電体９と絶縁物１２で形成された内部通路を通る。すなわち、反応ガスは平行平板電極７、８の一方の側端に、前記コンベア２の幅の長さで設けた供給孔１０から供給され、電極間隙Ｇをプラズマ化されながら横方向に流れて、平行平板電極７、８の他方の側端に下方に向けスリット孔状に開口した噴射孔１１から、被処理基板ｗが搬送されるコンベア２の上に噴射される。

さらに、シールドケース３ａも一方の電極７と同様に接地ｅ2されて、コンベア２の上の被処理基板ｗと同じ接地電位に保たれる。これによって、リアクタ４から被処理基板ｗに漏れる高周波電磁界を小さなものにし、誘導電流やアーク放電によって被処理基板ｗの微小パターンを損傷させない。

図２（ｂ）のリアクタ５は、図２（ａ）で説明したリアクタ４の平行平板電極７、８の他方の電極８を、反応ガスの供給孔１３となる間隔を開けて二分割し、８ａ、８ｂとしたものである。

供給孔１３は、リアクタ５の全長に延びて形成され、この供給孔１３から入った反応ガスは、平行平板電極の両側の部分７,８ａと７，８ｂの電極間隙Ｇに分流し、ここでプラズマ化される。そして、両側の端部に設けた噴射口１４、１５から被処理基板ｗが搬送されるコンベア上に供給される。

この図２（ｂ）のリアクタ５は、一台の装置に、二つの平行な反応ガスの噴射孔１４、１５を持つことが特徴で、二つのリアクタを併設する代わりに使用できる。その他の部分の構造と、その作用と効果は、図２（ａ）のリアクタ４と共通する。

図２（ｃ）のリアクタ６は、反応ガスの供給路を二本設けたものである。このために、被処理基板ｗと対面する一方の電極１６ａ、１６ｂを、反応ガスの噴射孔１８となる間隔を開けて二分割されたものとする。また、被処理基板ｗから隠される位置に配置される他方の電極１７の形状を、二分割された一方の電極１６ａ、１６ｂの夫々との間に、反応ガスの供給路１９ａ、１９ｂとなる所定の間隙Ｇを形成し、かつ、これら二つの供給路１９ａ、１９ｂが合流して、前記反応ガスの噴射孔１８につながるものとする。

この目的のため、図示例においては、二分割された一方の電極１６ａ、１６ｂの断面は直角三角形状、他方の電極１７の断面は二等辺三角形状となり、二つの供給路１９ａ、１９ｂの断面は逆Ｙ字形状となっている。そして、反応ガスの供給孔２０、２１は上方に二つ設けられる。

上記図２（ａ）のリアクタ４の具体的構造例を図３に示す。この例では、他方の電極８の幅を一方の電極７の幅より小さくし、一方の電極７の遮蔽効果を、確実なものとしている。
反応ガスは、絶縁体１２に設けた内部空洞２２から、拡散板２３ａを備えた拡散室２３に流され、乱流をなくした状態で対向した一方の電極７と他方の電極８との間に供給される構造となっている。

また、一方の電極７と他方の電極８の内部に冷却用空洞２４、２４を設け、ここに冷却液である純水等の絶縁液体を循環圧送して電極７、８の発熱を抑えている。この冷却は、被処理基板Ｗの熱損傷が起こらないように、例えば電極が１００℃以下に保たれるようする。

上記図２（ｃ）のリアクタ６の具体的構造例を図４に示す。この構造例は、二つの供給路１９ａ、１９ｂを持つので、反応ガスの供給系を二系統設ける。すなわち、絶縁体１２に、二つの内部空洞２５、２５と、拡散板２６ａ、２６ａを備える二つの拡散室２６、２６を設け、反応ガスを、個別に二つの供給路１９ａ、１９ｂに供給する。各供給路１９ａ、１９ｂでプラズマ活性化された反応ガスは、混合室２９で混合されて噴射孔１８から噴射される。

また、一方の電極１６ａ、１６ｂには冷却用空洞２７、２７を設け、他方の電極１７には冷却用空洞２８を設け、被処理基板Ｗの熱損傷を防止している。

上記図２（ｃ）と図４で説明したリアクタ６の使用法を説明する。リアクタ６は、電極間隙Ｇである供給路１９ａ、１９ｂを二つ持つ。この構造は、対向電極が一つの場合に比べて効率良くプラズマ活性化を行うことができる。 そこで、これらに同じ反応ガスを供給して、この効果を得ることができる。

反応ガスに、窒素等のキャリアガスに酸素または空気を添加したものを用いる場合のリアクタ６の使用法を考察する。

窒素等のキャリアガスに酸素を添加すると、キャリアガス単体の場合に比べて、例えば１／７の流量で、表面改質の達成目標値の一つである接触角を５°以下にすることが可能になるというデータがある。これは、反応ガスに安価な窒素を使用すると、ガス使用量と使用電力量が多くなるという前記問題を解決するものである。

このために、図５（ａ）に示すように、流量調整弁３０、３１で供給量を設定した窒素と酸素を、混合器３２で混合して、リアクタ６の二つの供給路に供給する方法を採用してみた。

この場合は、上述したように、１／７の流量で接触角を５°以下にするという結果は得られた。しかし、酸素の添加量が、例えば０．０１〜０．２５％と微量であるため、リアクタ６に供給された高周波電力のほとんどが、窒素の活性化に費やされ、表面処理の実質的な有効成分である酸素が十分に活性化されないことが分かった。

そこで、図５（ｂ）に示すように、窒素と酸素を別々にリアクタ６の供給路１９ａ、１９ｂに供給するという方法を採用してみた。すると、酸素が十分にプラズマ活性化される結果、表面処理の効率が高まり、窒素および酸素の使用量と、使用電力量を、図５（ａ）で説明した場合に比べて削減できることが分かった。

なお、酸素を添加する代わりに、０．１〜２．５％の空気を添加する方法を採用してもよい。空気には窒素が含まれるが、その比率がキャリアガスに比べるとかなり小さいので、酸素を十分に活性化することができる。

このように、酸素を個別にプラズマ活性化した後に、窒素等のキャリアガスに混入するという手法は、図２（ｃ）と図４で説明したリアクタ６以外の構造のリアクタで採用することも可能である。

本発明は、ダウンストリーム方式の表面処理装置を用いて、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ），ＦＰＤ用フィルター、プリント基板、フィルム状基板、半導体ウエ−ハ、フォトマスク、太陽電池基板等の被処理基板に、大気圧近傍圧力の下にプラズマによって表面処理をして、親水性または疎水性を与えるための改質処理、残留物の除去等による密着性向上、乾燥等を行う場合において、被処理基板に流れる誘導電流とアークによる損傷を回避するのに利用できる。また、この用途において、反応ガスの使用量と消費電力量を低減するのに使用できる。

本発明の一実施形態であるプラズマ表面処理装置の外観を示す斜視図である。 図１のプラズマ表面処理装置の内部構造例（ａ）（ｂ）（ｃ）を列挙して示す断面図である。 図２（ａ）のリアクタの、具体的構造例を示す断面図である。 図２（ｃ）のリアクタの、具体的構造例を示す断面図である。 酸素を添加した反応ガスをリアクタに供給する方法を説明する図で、（ａ）は混合して供給する場合、（ｂ）は別々に供給する場合を示す。 従来のリアクタの構造を示す断面図で、（ａ）はダウンストリーム型、（ｂ）はプラナー型を示す。

符号の説明

1 プラズマ表面処理装置
２ コンベア
３ シールドケース
４、５、６ リアクタ
７、１６ａ、１６ｂ 一方の電極
８、８ａ、８ｂ、１７ 他方の電極
９ 固体誘電体
１０、１３、２０、２１ 反応ガスの供給孔
１２ 絶縁物
１１、１４、１５、１８ 反応ガスの噴射孔
１９ａ、１９ｂ 供給路
２２、２５ 内部空洞
２３ａ、２６ａ 拡散板
２３、２６ 拡散室
２４、２７、２８ 冷却用空洞
２９ 混合室
３０、３１ 流量調整弁
３２ 混合器
Ｇ 電極間隙
ＲＦ 高周波電源

Claims (8)

1. リアクタの対向電極間の高周波電界によってプラズマ化された反応ガスを、大気圧近傍の圧力の下に被処理基板に噴射供給して表面処理を行う装置において、
   リアクタの対向電極が、被処理基板と対面する一方の電極と、この一方の電極と所定の間隙を保ち、この一方の電極によって被処理基板から隠される位置に配置される他方の電極とから構成されていることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
2. 被処理基板に対面する一方の電極が、高周波電源の出力端子の接地側に接続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。
3. リアクタの外周に、一方の電極と反応ガスの噴射孔の位置を除いて、接地導体板を配置したことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ表面処理装置。
4. リアクタの対向電極の間隙を通り、その一側端に抜ける反応ガスが、被処理基板に向けて噴射されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載したプラズマ表面処理装置。
5. 被処理基板から隠される位置に配置される他方の電極が、反応ガスの供給孔となる間隔を開けて二分割され、この供給孔を通って対向電極の間隙に流入し、対向電極の両側端に達した反応ガスが、被処理基板に向けて別々に噴射されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載したプラズマ表面処理装置。
6. 被処理基板と対面する一方の電極が、反応ガスの噴射孔となる間隔を開けて二分割され、被処理基板から隠される位置に配置される他方の電極の形状が、二分割された一方の電極の夫々との間に、反応ガスの供給路となる所定の間隙を形成し、かつ、これら二つの供給路が合流して、前記反応ガスの噴射孔につながるものとされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載したプラズマ表面処理装置。
7. 反応ガスとしてキャリアガスに酸素を添加したものを用いる場合において、酸素を単独でプラズマ化する専用の対向電極を備えたことを特徴とするプラズマ表面処理装置。
8. 反応ガスとしてキャリアガスに酸素を添加したものを用いる場合において、一方の供給路にキャリアガスを供給し、他方の供給路に酸素を供給することを特徴とする請求項６に記載したプラズマ表面処理装置。

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