JP2005268170A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大気圧下でワークディスタンスの制御範囲が広い安定したプラズマを発生させることが可能で、低ランニングコストと高速処理を両立できるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】 このプラズマ処理装置は、プラズマ処理空間１５を挟んで対向する主電極５,３１を備える。また、主電極５の側面５Ｂ-１,５Ｂ-２に対向する側電極６を有し、主電極３１の側面３１Ｂ-１,３１Ｂ-２に対向する側電極３２を有する。したがって、主電極５と主電極３１との間のプラズマ処理空間１５に加えて、主電極５,３１の側面と側電極６,３２との間の空間を予備放電領域１６-１,１６-２として電界を形成でき、この電界によって、予備放電領域１６-１,１６-２に存する処理ガスをプラズマ化できる。この予備放電領域１６-１,１６-２で発生されたプラズマによる電子や励起種をプラズマ処理空間１５に直接供給できる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、プラズマの生成、制御技術を応用することで、表面改質、洗浄、加工、成膜等の処理を行うプラズマ処理装置に関し、例えば、半導体、液晶表示素子やＥＬ(エレクトロルミネッセンス)パネルやＰＤＰ(プラズマディスプレイパネル)をはじめとするフラットパネルディスプレイ、太陽電池等を製造する装置で用いられるプラズマ処理装置に関する。

従来、半導体、フラットパネルディスプレイ、太陽電池等の製造工程では、減圧下で発生させたプラズマを利用し、ガラス基板(以下、基板という)や半導体ウエハ(以下、ウエハという)等に対して、改質、洗浄、加工、成膜等の処理を行ってきた。

近年、コスト競争力強化の激化に伴って真空チャンバーや排気装置など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。この大気圧プラズマ技術は、表面改質や洗浄、ドライエッチングといった一部のプロセスにおいては実用化されつつある。

大気圧プラズマ処理装置の代表的な従来例としては、特許文献１(特開平７-１１８８５７号公報)に記載されているものが挙げられる。この従来例について、図１３を参照して説明する。

図１３は、上記特許文献１に記載されたプラズマ処理装置の一例を示す模式断面図である。

図１３において、１０１は電源、１０２は処理容器、１０２ａは上面、１０２ｂは底面、１０２ｃは側面、１０２ｄは絶縁体、１０３は多孔金属電極、１０３ａはガスの流路、１０３ｂは開孔、１０４は金属電極、１０５はプラズマ処理部、１０６は第１の固体誘電体、１０７は基板、１０８は第２の固体誘電体、１０９はガス導入口、１１０はガス導入管、１１０ａはガス導入口、１１０ｂはガス出口、１１１は気体排出口、１１２は排出口である。

この従来例では、金属電極１０４の一面に第１の固体誘電体１０６が設けられ、第１の固体誘電体１０６と対向して多孔金属電極１０３が設けられ、多孔金属電極１０３は反応用ガスを供給可能とされ、第１の固体誘電体１０６と多孔金属電極１０３の間は側面が第２の固体誘電体１０８で覆われた空間とされている。

このプラズマ処理装置は、第２の固体誘電体１０８で覆われた空間内に基板１０７を設置して、この基板１０７に不活性ガスを供給すると共に、多孔金属電極１０３を介して基板１０７に反応用ガスを供給する。そして、大気圧近傍の圧力下で、電極１０３に電圧を与えてグロー放電プラズマを発生させて、そのプラズマによって励起された活性種を基板１０７の表面に接触させて、基板１０７の表面処理を行う。

また、対向する電極１０４と電極１０３のうちの電極１０４は、対向面に第１の固体誘電体１０６を配設した金属電極１０４であり、電極１０３は反応用ガスを供給可能な多孔金属電極１０３である。なお、この特許文献１では、更に、多孔金属電極と金属電極はどちらか一方が陽極側、他方が陰極側となるように接続され、上下は逆になってもよいとも記載されている。

つまり、上記特許文献１では、以下の(ｉ)〜(ｖii)のことが記載されている。

(ｉ) 被処理物(基板１０７)は対向する電極間に置かれること、
(ii) 対向する電極の少なくとも一方の対向面側に固体誘電体を設けること、
(iii) 対向電極間に反応用ガスを供給すること、
(iv) 反応用ガスは多孔金属電極の中を通って供給されること、
(ｖ) 対向する２つの電極に与えられる電圧は異なる極性であるがいずれか一方は地絡されること、
(ｖi) グロー放電プラズマが生成されるのは対向する２つの電極間であること、
(ｖii) 多孔金属電極単体、或いは金属電極単体ではグロー放電プラズマが生成されない(電極が対となってはじめてプラズマが生成される)こと。

しかしながら、上記従来のプラズマ発生装置では以下の(ａ)〜(ｆ)に示すような課題がある。

(ａ) 対向する固体誘電体と多孔金属電極の間の距離が大きくなると、放電が不安定になったり、放電の局所化が起こったり、放電自体が起こらなくなったりする。

(ｂ) 上記(ａ)のような場合に、印加電圧を上げることで放電を安定化させようとすると被処理物にダメージが発生する。

(ｃ) 処理ガスの分解が進みにくくガスの利用効率が低い。

(ｄ) 装置化した場合に大掛かりになる、被処理物を所定の平面上で移動させながら処理する平流し処理が実現し難い。

(ｅ) 対向する固体誘電体と多孔金属電極の間の距離が小さくなると多孔金属電極の開孔パターンに起因する処理ムラが発生する。

(ｆ) 対向する固体誘電体と多孔金属電極の間の距離を調整し難い。
特開平７−１１８８５７号公報

そこで、この発明の課題は、大気圧下でワークディスタンスの制御範囲が広い安定したプラズマを発生させることが可能で、低ランニングコストと高速処理を両立できるプラズマ処理装置を提供することにある。さらには、周辺機器や人体に対する障害をなくした安全で安価なプラズマ処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のプラズマ処理装置は、被処理物が配置される所定のプラズマ処理空間に所定の処理ガスを供給するガス供給部と、
上記プラズマ処理空間に対向すると共に上記プラズマ処理空間に電界を発生させる第１の電極と、
上記プラズマ処理空間を挟んで上記第１の電極に対向する第２の電極と、
上記プラズマ処理空間に対向する上記第１の電極の対向面に隣り合う上記第１の電極の側面に対して所定の間隙を隔てて対向する第３の電極と、
上記第１の電極に第１の電力を供給する第１の電力供給部とを備えたことを特徴としている。

この発明のプラズマ処理装置では、上記第１の電極は上記第１の電力供給部から第１の電力が供給されて、第２の電極との間に電界を形成することで、上記プラズマ処理空間に上記電界を形成する。一方、上記ガス供給部は上記プラズマ処理空間に処理ガスを供給する。これにより、この処理ガスは、大気圧下で、上記プラズマ処理空間に形成された上記電界によって、プラズマ化される。このプラズマ化された処理ガスによって、上記プラズマ処理空間に配置された被処理物がプラズマ処理される。

このとき、上記第１の電極の側面と上記第３の電極との間にも電界が形成され、この電界によって、上記第１の電極の側面と上記第３の電極との間に存在する処理ガスがプラズマ化される。すなわち、上記第１の電極の側面と上記第３の電極との間の空間が予備放電領域となり、この予備放電領域で発生されたプラズマが、上記プラズマ処理空間と上記第１の電極との間の領域にまで達すると、上記プラズマにより、上記プラズマ処理空間に対して直接に、電子や励起種が供給される。ここで、この現象を沿面放電という。

このように、上記予備放電領域においてプラズマを発生させることで、プラズマ処理空間に直接に電子や励起種を供給するので、上記プラズマ処理空間においてプラズマが未発生である場合には、プラズマ処理空間における放電開始をアシストでき、上記プラズマ処理空間において放電中である場合には、放電を安定化できる。

この発明によれば、上記沿面放電を活用することで、次の(Ｉ)〜(VI)のような効果を期待できる。

(Ｉ) 第１の電極と第２の電極との間のワークディスタンスの制御範囲を広げることが可能となる。

(II) プラズマ処理空間に加えて、予備放電領域でも処理ガスの分解が行われるので、処理ガスの利用効率が高くなる。

(III) 従来のプラズマ発生装置に比べて、プラズマ処理空間での電界を弱くしても、プラズマを維持でき、結果的に被処理物へのダメージを低減できる。

(IV) 装置がコンパクトになり、平流し処理が容易になる。

(Ｖ) 上記ガス供給部を上記第１の電極の背面側に配置して第１の電極の側面と第３の電極との間の予備放電領域に処理ガスを供給する構造とすることで、ガス供給部のガス噴出口をプラズマ処理空間から離隔することが可能となるので、このガス噴出口の開口パターンに起因する処理ムラが発生し難くなる。

(VI) 第１の電極と第２の電極との間の距離を調整し易くなる。

したがって、この発明によれば、大気圧下でワークディスタンスの制御範囲が広い安定したプラズマを発生させることが可能で、低ランニングコストと高速処理を両立できるプラズマ処理装置を実現できる。

また、一実施形態のプラズマ処理装置は、上記第１の電極の上記対向面と上記側面とを覆う第１の誘電体部と、
上記第１の電極の上記側面に対向する上記第３の電極の側面を覆う第２の誘電体部とを有し、
上記第１の誘電体部と上記第２の誘電体部とは、所定の間隙を隔てて対向している。

この実施形態では、上記第１の電極の対向面と側面とを覆う第１の誘電体部と、第３の電極の側面を覆う第２の誘電体部とを備えたので、第１の電極と第３の電極が放電によってダメージを受けるのを防ぐことができる。

また、一実施形態のプラズマ処理装置は、上記第３の電極は地絡されており、
上記第２の電極に第２の電力を供給する第２の電力供給部を有し、
上記第１の電力供給部が上記第１の電極に供給する第１の電力と、上記第２の電力供給部が上記第２の電極に供給する第２の電力とは、位相または振幅の少なくとも一方が異なり、
上記第１の電力および上記第２の電力は、
高周波電力、または、パルス波電力、または、高周波電力とパルス波電力とをスイッチングして得られる電力、または、高周波電力とパルス波電力とを重畳した電力である。

この実施形態では、プラズマ処理に要求される諸条件、処理ガスの種類、要求される処理能力、さらには、周辺機器に対する電磁波障害や人体に対する安全性を考慮して、第１,第２の電力の波形を、高周波電力、または、パルス波電力、または、高周波電力とパルス波電力とをスイッチングして得られる電力、または、高周波電力とパルス波電力とを重畳した電力のうちから選択すればよい。ここで、高周波電力とは、周波数が１ｋＨｚ以上で１００ＭＨｚ以下の電力を言う。また、パルス電力とは、繰り返し周波数が１ＭＨｚ以下で波形の立上り時間が１００μ秒、パルス印加時間が１ミリ秒以下であるものをいう。

また、一実施形態のプラズマ処理装置は、上記ガス供給部が供給する処理ガスは、上記第１の電極の側面と上記第３の電極との間の上記間隙を通過した後に、上記第１の電極と第２の電極との間の上記プラズマ処理空間を通過する構造とした。

この実施形態では、上記ガス供給部を上記第１の電極の背面側に配置して第１の電極の側面と第３の電極との間の予備放電領域に処理ガスを供給する構造として、ガス供給部のガス噴出口をプラズマ処理空間から離隔することが可能となる。したがって、上記ガス噴出口の開口パターンに起因する処理ムラが発生し難くなる。

また、一実施形態のプラズマ処理装置では、上記ガス供給部は、上記第１の電極と上記第３の電極との間の上記間隙に上記処理ガスを供給するガス噴出口と、上記ガス噴出口の開口面積または開口形状の少なくとも一方を変更する開口制御部を備えた。

この実施形態では、上記ガス供給部は、上記開口制御部でもって、上記ガス噴出口の開口面積または開口形状の少なくとも一方を変更することによってガス流量とガス流速を制御可能となる。これにより、上記プラズマ処理空間に供給する処理ガスの流量および流速を制御できる。

また、一実施形態のプラズマ処理装置では、上記第１の電極の上記対向面と上記側面に形成された誘電体被膜を有し、上記第１の誘電体部は、上記誘電体被膜に被さっている。

この実施形態では、上記第１の電極の上記対向面と上記側面に形成された誘電体被膜を有するので、上記第１の誘電体部を上記第１の電極とは別体の独立した部品として、上記第１の誘電体部を上記誘電体被膜に被せた場合でも、第１の電極と第１の誘電体部との間に生じる隙間(空間)を最小限に抑えることが可能となる。したがって、プラズマ処理空間や予備放電領域における電界強度の低下を抑制でき、上記隙間での放電を抑制して電力損失や電極損傷の発生を抑制できる。

また、一実施形態では、上記第１の電極と上記第１の誘電体部との間の隙間を５００μｍ以下にした。

この実施形態では、上記第１の電極と上記第１の誘電体部との間の隙間を５００μｍ以下にしたから、電界強度低下を抑制する効果、および、隙間での放電を抑制する効果を発揮できる。上記隙間が５００μｍを超えると、上記抑制の効果が不十分になる。なお、上記第１の電極と第１の誘電体部との間の隙間は、１００μｍ以下であることがより好ましい。

この発明によれば、第１の電極と第２の電極との間のプラズマ処理空間に加えて、第１の電極の側面と第３の電極との間にも電界を形成でき、この電界によって、第１の電極の側面と第３の電極との間に存する処理ガスをプラズマ化できる。したがって、この発明によれば、第１の電極の側面と第３の電極との間の空間を予備放電領域とし、この予備放電領域で発生されたプラズマによる電子や励起種をプラズマ処理空間に直接供給できる。

したがって、プラズマ処理空間でプラズマが発生し易くなると共に、プラズマ放電を安定化できるので、大気圧下でワークディスタンスの制御範囲が広い安定したプラズマを発生させることが可能で、低ランニングコストと高速処理を両立できるプラズマ処理装置を実現できる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

(第１の実施の形態)
図１に、この発明のプラズマ処理装置の第１実施形態を示す。図１は、このプラズマ処理装置を、板状の被処理物１４に垂直で、かつ、上記被処理物１４を搬送する方向に延びる線分を含む面で切断した断面を示す側面断面図である。また、図２は、上記プラズマ処理装置の主要部を示す図１の拡大図である。上記被処理物１４は一例として半導体基板である。

図１,図２に示すように、このプラズマ処理装置は、チャンバ上部１とチャンバ下部２と上部電極ユニット３と下部電極ユニット４を備える。チャンバ上部１とチャンバ下部２とがチャンバＣを構成している。このチャンバＣは、上記搬送方向の両端で、チャンバ上部１とチャンバ下部２との間に被処理物１４の出入口１７ａ,１７ｂを有している。

上部電極ユニット３は、チャンバ上部１の略中央に形成された開口に嵌合され、上部電極カバー１２で覆われている。この上部電極カバー１２は、上部電極ユニット３に連通するガス供給口２１-１を有する。

また、下部電極ユニット４は、チャンバ下部２の略中央に配置され、上部電極ユニット３に対して所定の間隔を隔てて対向している。この下部電極ユニット４の両側には、ローラ軸２３で軸支された搬送用ローラ１３が配置されている。また、チャンバ下部２の側壁２ａ,２ｂの外側にも、搬送用ローラ１３が配置されている。この搬送用ローラ１３で被処理物１４を所定の平面上で搬送方向に搬送可能になっている。このチャンバ下部２は、下部電極ユニット４に連通するガス供給口２１-２を有する。また、このチャンバ下部２は、下部電極ユニット４の両側で貫通している２つの排気口２２を有する。

図３に示すように、上部電極ユニット３は、中心部に配置された第１の電極としての主電極５と、この主電極５の側面５Ｂ-１,５Ｂ-２に対向する側面６Ｂ-１,６Ｂ-２を有する第３の電極としての側電極６とを有する。主電極５と側電極６は金属で作製されている。

上記主電極５は、固体誘電体からなる第１の誘電体部７-１で覆われており、この第１の誘電体部７-１は、主電極５の対向面５Ｃと側面５Ｂ-１,５Ｂ-２および背面５Ｄを覆っている。また、側電極６は、側面６Ｂ-１,６Ｂ-２を含む端部６Ｃが固体誘電体からなる第２の誘電体部８-１で覆われている。上記第１の誘電体部７-１と第２の誘電体部８-１とは所定の間隙を隔てて対向しており、この間隙が予備放電領域１６-１となっている。

図３に示すように、この予備放電領域１６-１は、側電極６の基部６Ｄに形成されたガス流路２６-１に連通している。また、第１の誘電体部７-１は、側電極６の基部６Ｄのうちのガス流路２６-１に隣接する部分６Ｅに固定されている。図２に示すように、この側電極６は、上方に開口した凹部からなるガス溜り９-１を有し、このガス溜り９-１はガス流路２６-１およびガス供給口２１-１に連通している。上記ガス溜り９-１、ガス流路２６-１およびガス供給口２１-１がガス供給部Ｇ１を構成している。また、ガス流路２６-１は、予備放電領域１６-１に処理ガスを供給するガス噴出口１１-１をなす。

図３に示すように、側電極６の基部６Ｄの部分６Ｅには、開口制御部としての流量調整プレート３５-１,３５-１が左右方向にスライド自在に配置されている。この流量調整プレート３５-１,３５-１は、左右にスライドすることで、ガス流路２６-１の流入側の開口面積および開口形状を変更する。

また、側電極６には、貫通孔６Ａが形成されていて、この貫通孔６Ａに冷媒１０を流通させることで、側電極６を冷却するようになっている。また、主電極５にも、貫通孔５Ａが形成されていて、この貫通孔５Ａに冷媒１０を流通させることで、主電極５を冷却するようになっている。

上記第１の電極である主電極５は電力伝達路２７で第１の電力供給部である高周波電源１８に接続され、高周波電源１８はグランドに接続されている。また、側電極６は電路２８で地絡されている。

一方、上記下部電極ユニット４は、図３に示すように、上部電極ユニット３と略同じ構造であり、中心部に配置された第２の電極としての主電極３１と、この主電極３１の側面３１Ｂ-１,３１Ｂ-２に対向する側面３２Ｂ-１,３２Ｂ-２を有する第３の電極としての側電極３２を有する。この主電極３１と側電極３２は金属で作製されている。

この主電極３１は、固体誘電体からなる第１の誘電体部７-２で覆われており、この第１の誘電体部７-２は、主電極３１の対向面３１Ｃと側面３１Ｂ-１,３１Ｂ-２および背面３１Ｄを覆っている。また、側電極３２は、側面３２Ｂ-１,３２Ｂ-２を含む端部３２Ｃが固体誘電体からなる第２の誘電体部８-２で覆われている。第１の誘電体部７-２と第２の誘電体部８-２とは所定の間隔を隔てて対向しており、この間隙が予備放電領域１６-２となっている。

この予備放電領域１６-２は、側電極３２の基部３２Ｄに形成されたガス流路２６-２に連通している。また、第１の誘電体部７-２は、側電極３２の基部３２Ｄのうちのガス流路２６-２に隣接する部分３２Ｅに固定されている。この側電極３２は、下方に開口する凹部からなるガス溜り９-２を有し、このガス溜り９-２は、ガス流路２６-２およびガス供給口２１-２に連通している。上記ガス溜り９-２、ガス流路２６-２およびガス供給口２１-２がガス供給部Ｇ２を構成している。また、ガス流路２６-２は、予備放電領域１６-２に処理ガスを供給するガス噴出口１１-２をなす。

図３に示すように、側電極３２の基部３２Ｄの部分３２Ｅには、開口制御部としての流量調整プレート３５-２,３５-２が左右方向にスライド自在に配置されている。この流量調整プレート３５-２,３５-２は、左右にスライドすることで、ガス流路２６-２の流入側の開口面積および開口形状を変更する。

また、側電極３２には、貫通孔３２Ａが形成されていて、この貫通孔３２Ａに冷媒１０を流通させることで、側電極３２を冷却するようになっている。また、主電極３１にも、貫通孔３１Ａが形成されていて、この貫通孔３１Ａに冷媒１０を流通させることで、側電極３１を冷却するようになっている。

図１に示すように、上記主電極３１は電力伝達路２９で高周波電源３３に接続され、高周波電源３３はグランドに接続されている。また、側電極３２は電路３０で地絡されている。

上記主電極５と主電極３１との間の距離は、高周波電源１８,３３から与えられる電力の大きさや周波数、処理ガスの種類や流量、上記誘電体部７-１,７-２をなす固体誘電体の電気的特性や二次電子放出係数や厚み、各部の温度等に基づいて設定される。

図１２に、この第１実施形態のプラズマ処理装置の斜視図を示す。図１２に示すように、チャンバ上部１とチャンバ下部２の側端面にはチャンバ側面部材２５が取り付けられる。また、チャンバ下部２の外側にも搬送用ローラ１３が複数配置され、板状の被処理物１４をプラズマ処理空間１５を通過する所定の平面上で搬送できるようになっている。

上記構成のプラズマ処理装置では、第１の電極である主電極５には、第１の電力供給部である高周波電源１８から出力された第１の電力として高周波電力が電力伝送路２７を経由して供給される。また、第２の電極である主電極３１には、第２の電力供給部である高周波電源３３から第２の電力として高周波電力が電力伝送路２９を経由して供給される。これにより、主電極５と主電極３１との間に電界を形成することで、プラズマ処理空間１５に上記電界を形成する。なお、この実施形態では、上記高周波電源１８が出力する高周波電力と高周波電源３３が出力する高周波電力とは周波数が同じで位相が異なる電力とした。

一方、上部電極ユニット３のガス供給部Ｇ１のガス供給口２１-１には、図示しないガス供給ボンベまたはガス供給タンクから、図示しないマスフローおよびミキサーにより複数のガス種を混合した処理ガスが供給される。図２に示すように、この処理ガスは、上記ガス供給口２１-１からガス溜り９-１に供給され、このガス溜まり９-１で紙面奥行き方向に広がり、ガス溜まり９-１よりも十分に狭い断面積を持つスリット状(もしくはシャワー穴状)のガス流路２６-１に達する。処理ガスはガス流路２６-１を通過する際に流速を上げ、ガス噴出口１１-１、予備放電領域１６-１を経由して、被処理物１４に向けて噴出されるとともにプラズマ処理空間１５に供給される。同様に、下部電極ユニット４のガス供給部Ｇ２のガス供給口２１-２から処理ガスが供給され、この処理ガスはガス溜り９-２、ガス流路２６-２、ガス噴出口１１-２、予備放電領域１６-２を経由して、プラズマ処理空間１５に供給される。

このようにして、上部電極ユニット３および下部電極ユニット４からプラズマ処理空間１５に導入された処理ガスは、プラズマ処理空間１５に形成された上記電界によって、大気圧下で、プラズマ化される。このプラズマ化された処理ガスによって、プラズマ処理空間１５に、搬送され配置された被処理物１４がプラズマ処理される。ここでは、大気圧とは、一例として、圧力範囲が０.１気圧以上、２気圧以下をいう。この実施形態で採用される処理ガスとしては、例えば、被処理物１４の表面改質を行う場合には、ヘリウム、アルゴン、酸素、空気などが採用されるが、この処理ガスの組成はプロセスごとに異なり、適宜最適な組み合わせと混合比を選ぶ必要がある。

そして、プラズマ処理空間１５を通過した処理ガスは、図１に示す排気側ガス溜２０に一旦溜まり、排気口２２を通って図示しない排気ポンプまたはブロア、場合によっては除害装置で無害化された後、系外へと排出される。

また、この実施形態では、上部電極ユニット３において、主電極５の側面５Ｂ-１,５Ｂ-２と側電極６の側面６Ｂ-１,６Ｂ-２との間にも電界が形成される。この電界によって、主電極５の側面５Ｂ-１,５Ｂ-２を覆う第１の誘電体部７-１と側電極６を覆う第２の誘電体部８-１との間(つまり予備放電領域１６-１)に存する処理ガスがプラズマ化される。同様に、下部電極ユニット４において、主電極３１の側面３１Ｂ-１,３１Ｂ-２と側電極３２の側面３２Ｂ-１,３２Ｂ-２との間にも電界が形成される。この電界によって、主電極３１の側面３１Ｂ-１,３１Ｂ-２を覆う第１の誘電体部７-２と側電極３２を覆う第２の誘電体部８-２との間(つまり予備放電領域１６-２)に存する処理ガスがプラズマ化される。

ここで、この予備放電領域１６-１,１６-２におけるプラズマ化は、第１の誘電体部７-１,７-２と第２の誘電体部８-１,８-２との間の距離を適切に選ぶことで実現される。この距離は、高周波電源１８,３３が主電極５,３１に与える電力や周波数、処理ガスの種類や流量、第１,第２の誘電体部７-１,７-２,８-１,８-２の電気的特性や二次電子放出係数や厚さや温度などで決まる。この実施形態では、予備放電領域１６-１,１６-２で形成される電界強度がプラズマ処理空間１５で形成される電界よりも強くなるように設定した。

この実施形態では、上記予備放電領域１６-１、１６-２で発生されたプラズマが、第１の誘電体部７-１,７-２の沿面放電部２４にまで達し、上記プラズマ処理空間１５に対して直接に、電子や励起種が供給される(沿面放電)。沿面放電部２４は主電極５,３１とプラズマ処理空間１５との間に存在している。

このように、上記予備放電領域１６-１,１６-２においてプラズマを発生させることで、プラズマ処理空間１５に直接に電子や励起種を供給することが可能となる。これにより、プラズマ処理空間１５においてプラズマが未発生である場合には、プラズマ処理空間１５における放電開始をアシストでき、プラズマ処理空間１５において放電中である場合には、放電を安定化できる。この効果は、沿面放電部２４のエッジを無くして滑らかにすることで、より一層高めることができる。一例として、上記沿面放電部２４のコーナー部を湾曲形状とする場合には、曲率半径を０.５ｍｍ以上とすることが望ましい。

上記沿面放電を活用することで、次の(Ｉ)〜(VI)のような効果を期待できる。

(Ｉ) 主電極５と主電極３１との間のワークディスタンスの制御範囲を広げることが可能となる。

(II) プラズマ処理空間１５に加えて、予備放電領域１６-１,１６-２でも処理ガスの分解が行われるので、処理ガスの利用効率が高くなる。

(III) 従来のプラズマ発生装置に比べて、プラズマ処理空間１５での電界を弱くしても、プラズマを維持でき、結果的に被処理物１４へのダメージを低減できる。

(IV) 装置がコンパクトになり、平流し処理が容易になる。

(Ｖ) ガス供給部Ｇ１,Ｇ２を主電極５,３１の背面５Ｄ,３１Ｄ側に配置して、主電極５,３１と側電極６,３２との間の予備放電領域１６-１,１６-２に処理ガスを供給する構造とすることで、ガス供給部Ｇ１,Ｇ２のガス噴出口１１-１,１１-２をプラズマ処理空間１５から離隔している。したがって、ガス噴出口１１-１,１１-２の開口パターンに起因する処理ムラが発生し難くなる。

(VI) 主電極５と主電極３１との間の距離を調整し易くなる。

このように、この実施形態において、プラズマ処理空間１５と予備放電領域１６-１,１６-２の両方でプラズマが生成されているときに、搬送用ローラ１３を回転させて被処理物１４を搬送し、被処理物１４の表面にプラズマを接触させる。このことで、活性種による反応促進効果や、イオンによる物理的なエッチング効果により、表面改質、洗浄、加工、成膜等のプラズマ処理が進行し被処理物１４に対する所望の処理を行うことができる。

したがって、この実施形態によれば、大気圧下でワークディスタンスの制御範囲が広い安定したプラズマを発生させることが可能で、低ランニングコストと高速処理を両立できるプラズマ処理装置を実現できる。

なお、この実施形態では、被処理物１４の搬送に搬送用ローラ１３を採用したが、これは一例であり、搬送には搬送用ホルダを使用してもよい。また、プラズマ処理中に搬送を行わず、被処理物に対して局所的なプラズマ処理を行うことにしてもよい。また、高周波電源１８,３３に替えて、パルス電源１９,３４を採用してもよい。

また、この実施形態によれば、主電極５の対向面５Ｃと側面５Ｂ-１,５Ｂ-２とを覆う第１の誘電体部７-１と、側電極６の側面６Ｂ-１,６Ｂ-２を含む端部６Ｃを覆う第２の誘電体部８-１とを備えたので、主電極５と側電極６が放電によってダメージを受けるのを防ぐことができる。同様に、主電極３１の対向面３１Ｃと側面３１Ｂ-１,３１Ｂ-２とを覆う第１の誘電体部７-２と、側電極３２の側面３２Ｂ-１,３２Ｂ-２を含む端部３２Ｃを覆う第２の誘電体部８-２とを備えたので、主電極３１と側電極３２が放電によってダメージを受けるのを防ぐことができる。

また、この実施形態では、ガス供給部Ｇ１,Ｇ２は、開口制御部をなす流量調整プレート３５-１,３５-２でもって、ガス噴出口１１-１,１１-２の開口面積および開口形状を変更することができ、ガス流量とガス流速を制御可能である。したがって、上記プラズマ処理空間１５に供給する処理ガスの流量および流速を制御できる。

また、この実施形態では、上部電極ユニット３,下部電極ユニット４において、主電極５,３１を第１誘電体部７-１,７-２で覆い、側電極６,３２を第２誘電体部８-１,８-２で覆った。この第１，第２の誘電体部７-１,７-２,８-１,８-２は、主電極５,３１,側電極６,３２に溶射や陽極酸化などを行うことで、主電極５,３１,側電極６,３２の表面に直接形成してもよい。もっとも、メンテナンス時の労力やコストの観点からは、第１誘電体部７-１,７-２および第２誘電体部８-１,８-２を主電極５,３１および側電極６,３２に対して独立した部品として交換可能とすることが好ましい。なお、第１誘電体部７-１,７-２および第２誘電体部８-１,８-２の厚さは、高周波電源１８,３３(あるいはパルス電源１９,３４)の繰り返し周波数、処理ガスの種類や誘電体自体の材料特性と密接に関係して決定される値である。したがって、上記値は一概に決めるのは難しいが、一般的な一例として、第１誘電体部７-１,７-２および第２誘電体部８-１,８-２を独立部品とした場合、第１誘電体部７-１,７-２および第２誘電体部８-１,８-２の厚さは、通常５ｍｍ以下であることが好ましい。特に、電源周波数が１ＭＨｚ以上となる場合は２ｍｍ以下であることがより好ましい。

また、上記第１,第２の誘電体部７-１,７-２,８-１,８-２の厚さが薄いほど、プラズマ処理空間１５や予備放電領域１６-１,１６-２における電界強度を強くできる一方、強度的には弱くなり破損し易くなる。このため、上記厚さは、実用上は、０.５ｍｍ以上、５ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。ただし、第１,第２の誘電体部７-１,７-２,８-１,８-２を別体部品としない場合は、上記範囲よりも厚さを薄くしても構わない。

また、上記実施形態は、図１の紙面奥行き方向には、被処理物１４と同じかそれ以上の長さを有する。また、上記実施形態は、実用的には、図１の紙面奥行き方向において、被処理物１４の長さよりも少なくとも２０％以上程度長い構造であることが望ましい。

また、上記実施形態では、冷媒１０は、図示しない冷媒供給装置または冷媒供給施設から供給され、主電極５および側電極６などの各部を通った後、排出される。この冷媒１０は電極を冷やす目的だけでなく、装置の各部の温度を一定に保つ役割に用いることもできる。

また、上記実施形態において、チャンバ上部１とチャンバ下部２は、上部電極ユニット３と下部電極ユニット４を支持し、主電極５と主電極３１との間の電極間ギャップを設定できるように、マイクロメーターヘッド等を含む図示しないギャップ調整および保持機構を有している。加えて、チャンバ上部１とチャンバ下部２は、排気口２２から使用後の処理ガスを排出するまでの間、処理ガスを溜めておき、外部に漏れないようにする役割を果たす。

つまり、チャンバＣは、被処理物１４が出入口１７ａ,１７ｂから出入りする箇所と排気口２２以外では、ガスが漏れない気密な構造になっている。さらに、処理プロセスや使用する処理ガスの種類によっては、被処理物１４の出入口１７ａ,１７ｂに不活性ガスに対するカーテン機構やシャッター機構を有していてもよい。

上記のプラズマ処理の一連の過程において、プラズマを安定して発生させることと、処理ガスの利用効率を上げることは、プロセスの処理能力やランニングコストの低減にとって重要である。これを達成するためには、プラズマ処理空間１５への効果的なガス供給だけでなく、ガス排気の調整を行い、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。

このためには、図３に示すような流量調整プレート３５-１,３５-２のように、供給側のコンダクタンス(ガスの流れ易さ)を調整する機構のほか、排気側の排気口２２でもチャンバ上部１,チャンバ下部２のコンダクタンスを考慮して、給排気のバランスをとる必要がある。

この場合、以下のような考え方に基づき各部の寸法を決めるのが簡便かつ実用的である。

すなわち、ガスの流路の実効的な断面積をＳ(ｍ^２)、ガスの流路の長さ(距離)をＬ(ｍ)とする。大気圧下でのガスの流れは粘性流なので、これらパラメータとガスの流れ易さの指標であるコンダクタンスＵとは、奥行き方向を無限長とした場合には以下の(１)式の関係がある。

Ｕ＝ａ・Ｓ^２／Ｌ … (１)
ａ：ガス種の粘性係数や圧力により決まる定数
電力供給については、高周波電源１８の他に、パルス電源１９、或いは両者のスイッチング、或いは、両者を重畳する方法が考えられ、周波数や、繰り返し周波数の他にプロセスに要求される諸条件、使用ガスの制限、要求される処理能力、ダメージの発生有無の観点から決定することが望ましい。

ここでいう高周波電源とは、一例として、周波数が１ＫＨｚ以上１００ＭＨｚ以下のものを指し、パルス電源とは繰り返し周波数が１ＭＨｚ以下、波形の立ち上がり時間が１００μ秒以下、パルス印加時間が１ｍ秒以下であるものを指す。

図３に示す流量調整プレート３５-１,３５-２は、ガス噴出口１１-１,１１-２がスリット状の場合を示しているがシャワー孔状になっていても構わない。ここでは、上,下の電極ユニット３,４でガス噴出口１１-１,１１-２が同じ開口パターンの場合を示しているが、この組み合わせに限定するものではなく、スリット状の開口とシャワー状の開口とを組み合わせの全てが可能であることはいうまでもない。

なお、図３に示した開口制御部としての流量調整プレート３５-１,３５-２に替えて、図４に示すように、楕円形状の断面を有する流量調整用カム４３-１,４３-２をガス流路２６-１の流入側の開口に設けても良い。このカム４３-１,４３-２を中心軸周りに所定の角度だけ回転させることで、ガス流路２６-１の流入側開口の断面積を連続的に変更できる。

次に、図５に、高周波電源１８が主電極５に与える高周波電圧波形３６を実線で示し、高周波電源３３が主電極３１に与える高周波電圧波形３７を破線で示す。図５に示す一例では、高周波電圧波形３６と３７とは、位相がπずれている。この場合、主電極５と主電極３１との間に発生する電位差は、高周波電圧波形３６の振幅Ｖ１と高周波電圧波形３７の振幅Ｖ２との和(Ｖ１＋Ｖ２)となる。また、主電極５と側電極６との間に生じる電位差はＶ１となる。

また、図６に、高周波電源１８,３３に替えて、パルス電源１９,３４を備えた場合に、パルス電源１９が主電極５に与えるパルス波形の一例を符号３８で示される実線で示し、パルス電源３４が主電極３１に与えるパルス波形の一例を符号３９で示される破線で示す。図６に示す一例では、パルス波形３８と３９とでは、位相がπずれている。

また、図７に、パルス電源１９が主電極５にＤＣパルス波形を与える場合の波形の一例を符号４０で示される実線で示し、パルス電源３４が主電極３１にＤＣパルス波形を与える場合の波形の一例を符号４１で示される破線で示す。

なお、図５〜図７に示す一例では、主電極５に与える電圧波形と主電極３１に与える電圧波形との位相差がπである一例を示したが、この位相差はπ以外であってもよい。また、主電極５,３１に与える各電圧波形は、高周波波形とパルス波形を切り替えて形成される波形としてもよく、高周波波形とパルス波形とを重畳した波形であっても構わない。

また、上記実施形態では、上部電極ユニット３,下部電極ユニット４において、中央に主電極５,３１を配置し、両サイドに側電極６,３２を配置したが、この配置に限定されるものではなく、グランド電極である側電極を主電極の片側だけに配置してもよいし、主電極の片側に複数の側電極を配置してもよい。さらには、主電極の両サイドに複数の側電極を配置してもよい。

(第２の実施の形態)
次に、図８に、この発明のプラズマ処理装置の第２の実施の形態を示す。この第２実施形態は、下部電極ユニット４に替えて、下部電極ユニット５０を備えた点が前述の第１実施形態と異なる。この下部電極ユニット５０は、電路３０でもってグランドに接続されている。

この下部電極ユニット５０は、主電極５１を有し、この主電極５１の先端部５１Ａが誘電体部５３で覆われている。この先端部５１Ａは、対向面５１Ｃが主電極５の対向面５Ｃに対向している。

図９に、高周波電源１８が、主電極５に与える高周波電圧波形の一例を符号４２で示す。この第２実施形態は、下部電極ユニット５０が地絡されている点を除いて、基本的な動作は前述の第１実施形態と同じである。この第２実施形態では、被処理物１４の裏面１４Ａを処理する必要が無い場合に適し、使用するガス量が少なくて済み、電源の制御も簡単になる利点が有る。

(第３の実施の形態)
次に、図１０に、この発明のプラズマ処理装置の第３実施形態を示す。この第３実施形態は、主電極５の表面に誘電体溶射膜６１が形成され、主電極３１の表面に誘電体溶射膜６２が形成されている点が、前述の第１実施形態と異なる。また、第１の誘電体部７-１は誘電体溶射膜６１に被さっており、第１の誘電体部７-２は誘電体溶射膜６２に被さっている。

この第３実施形態では、主電極５の対向面５Ｃと側面５Ｂ-１,５Ｂ-２に形成された誘電体被膜６１を有するので、第１の誘電体部７-１を主電極５とは別体の独立した部品として、第１の誘電体部７-１を誘電体被膜６１に被せた場合でも、主電極５と第１の誘電体部７-１との間に生じる隙間(空間)を最小限に抑えることが可能となる。また、主電極３１の対向面３１Ｃと側面３１Ｂ-１,３１Ｂ-２に形成された誘電体被膜６２を有するので、第１の誘電体部７-２を主電極３１とは別体の独立した部品として、第１の誘電体部７-２を誘電体被膜６２に被せた場合でも、主電極３１と第１の誘電体部７-２との間に生じる隙間(空間)を最小限に抑えることが可能となる。

したがって、この実施形態によれば、プラズマ処理空間１５や予備放電領域１６-１,１６-２における電界強度の低下を抑制でき、上記隙間での放電を抑制して電力損失や電極損傷が発生することを抑制できる。なお、上記隙間は、５００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１００μｍ以下である。

(第４の実施の形態)
次に、図１１に、この発明のプラズマ処理装置の第４実施形態を示す。この第４実施形態は、チャンバ上部１とチャンバ下部２からなるチャンバＣに替えて、チャンバ上部７１とチャンバ下部７２からなるチャンバＤを備え、このチャンバＤに、２つの上部電極ユニット３と２つの下部電極ユニット４を備えた点が前述の第１実施形態と異なる。この２つの上部電極ユニット３,３の主電極６,６はそれぞれ電力伝達路２７-１,２７-２で高周波電源１８に接続され、側電極６,６はそれぞれ電路２８-１,２８-２でグランドに接続されている。また、２つの下部電極ユニット４,４の主電極３１,３１はそれぞれ電力伝達路２９で高周波電源３３に接続されている。また、側電極３２,３２は電路３０でグランドに接続されている。

この第４実施形態では、上部電極ユニット３と下部電極ユニット４との組を複数組備えたので、各組のプラズマ処理空間において同じプラズマ処理を行った場合には、処理能力の向上を図れる。また、各組のプラズマ処理空間において、異なるプラズマ処理を行った場合には、平流し方式による連続処理が可能となる。

この発明のプラズマ処理装置の第１実施形態の構成を示す側断面図である。 上記第１実施形態のプラズマ処理装置の主要部の構成を示す拡大側断面図である。 第１実施形態のプラズマ処理装置の電極部分の構成を示す側断面図である。 第１実施形態のプラズマ処理装置のガスの流量および流速を調整する開口制御部の別の一例を示す模式断面図である。 第１実施形態のプラズマ処理装置の主電極に印加する電圧波形の一例を示す波形図である。 第１実施形態のプラズマ処理装置の主電極に印加する電圧波形の他の一例を示す波形図である。 第１実施形態のプラズマ処理装置に印加する電圧波形のさらに別の一例を示す波形図である。 この発明の第２実施形態のプラズマ処理装置の構成を示す側断面図である。 上記第２実施形態のプラズマ処理装置に印加する電圧波形の一例を示す波形図である。 この発明の第３実施形態のプラズマ処理装置の構成を示す側断面図である。 この発明の第４実施形態のプラズマ処理装置の構成を示す側断面図である。 上記第１実施形態におけるプラズマ処理装置の斜視図である。 従来のプラズマ処理装置の断面図である。

符号の説明

１ チャンバ上部
２ チャンバ下部
３ 上部電極ユニット
４ 下部電極ユニット
５ 主電極
６ 側電極
７ 第１の誘電体部
８ 第２の誘電体部
９-１、９-２ ガス溜り
１０ 冷媒
１１-１、１１-２ ガス噴出口
１２ 上部電極カバー
１３ 被処理物搬送用ローラ
１４ 被処理物
１５ プラズマ処理空間
１６-１、１６-２ 予備放電領域
１７ａ、１７ｂ 被処理物出入口
１８、３３ 高周波電源
１９、３４ パルス電源
２０ ガス溜(排気側)
２１-１、２１-２ ガス供給口
２２ 排気口
２３ ローラ軸
２４ 沿面放電部
２５ チャンバ側面部材
２６-１、２６-２ ガス流路
２７ 電力伝送路(上部、ホット)
２８ 電路(上部、グランド)
２９ 電力伝送路(下部、ホット)
３０ 電路(下部、グランド)
３１ 主電極(下部)
３２ 側電極(下部)
３５-１、３５-２ 流量調整用プレート
３６ 主電極５に与える高周波電圧
３７ 主電極３１に与える高周波電圧
３８ 主電極５に与えるパルス電圧
３９ 主電極３１に与えるパルス電圧
４０ 主電極５に与えるＤＣパルス電圧
４１ 主電極３１に与えるＤＣパルス電圧
４２ 主電極５に与える高周波電圧
４３-１、４３-２ 流量調整用カム

Claims (7)

1. 被処理物が配置されるプラズマ処理空間に所定の処理ガスを供給するガス供給部と、
   上記プラズマ処理空間に対向すると共に上記プラズマ処理空間に電界を発生させる第１の電極と、
   上記プラズマ処理空間を挟んで上記第１の電極に対向する第２の電極と、
   上記プラズマ処理空間に対向する上記第１の電極の対向面に隣り合う上記第１の電極の側面に対して所定の間隙を隔てて対向する第３の電極と、
   上記第１の電極に第１の電力を供給する第１の電力供給部とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   上記第１の電極の上記対向面と上記側面とを覆う第１の誘電体部と、
   上記第１の電極の上記側面に対向する上記第３の電極の側面を覆う第２の誘電体部とを有し、
   上記第１の誘電体部と上記第２の誘電体部とは、所定の間隙を隔てて対向していることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   上記第３の電極は地絡されており、
   上記第２の電極に第２の電力を供給する第２の電力供給部を有し、
   上記第１の電力供給部が上記第１の電極に供給する第１の電力と、上記第２の電力供給部が上記第２の電極に供給する第２の電力とは、位相または振幅の少なくとも一方が異なり、
   上記第１の電力および上記第２の電力は、
   高周波電力、または、パルス波電力、または、高周波電力とパルス波電力とをスイッチングして得られる電力、または、高周波電力とパルス波電力とを重畳した電力であることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   上記ガス供給部が供給する処理ガスが、上記第１の電極の側面と上記第３の電極との間の上記間隙を通過した後に、上記第１の電極と第２の電極との間の上記プラズマ処理空間を通過する構造としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   上記ガス供給部は、
   上記第１の電極と上記第３の電極との間の上記間隙に上記処理ガスを供給するガス噴出口と、
   上記ガス噴出口の開口面積または開口形状の少なくとも一方を変更する開口制御部を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
   上記第１の電極の上記対向面と上記側面に形成された誘電体被膜を有し、
   上記第１の誘電体部は、上記誘電体被膜に被さっていることを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項６に記載のプラズマ処理装置において、
   上記第１の電極と上記第１の誘電体部との間の隙間を５００μｍ以下にしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
   

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