JP2006040667A - プラズマ表面処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低電圧でプラズマを発生させることのできる電極構造を有し、試料表面に高速かつ低ダメージな処理を行なうプラズマ表面処理装置を提供する。
【解決手段】 誘電体１１を挟んだ少なくとも一組の金属電極５、６を試料Ｊに対向して設置し、電極金属電極５、６の一方を接地し他方に電源Ｇによって高周波電圧を加えると共に、反応ガス供給口２から反応ガスを誘電体１１の試料対向面１１Ａに供給することによってプラズマＰを発生させ試料Ｊの表面を処理する装置において、電極金属電極５、６間の誘電体１１が試料対向面１１Ａに窪み１０を有することにより、低電圧でプラズマＰを発生させて、試料Ｊの表面処理を行なう。
【選択図】 図２

Description

本発明は、プラズマを用いた表面処理装置に関し、特に、高周波電源から電力を供給してプラズマを発生させるための電極構造に関する。

低圧力条件下でのプラズマによる成膜や表面改質、エッチングといった表面処理方法は従来から半導体やフラットパネルディスプレイの製造工程に用いられている。低圧力条件下でのプラズマを用いた方法においては、プラズマを発生させる圧力が低いために表面処理を行なうための活性種の密度が小さく処理速度が小さい課題や、あるいは、真空チャンバーや真空排気装置等が必要であるため表面処理装置は高価なものとなる課題を抱えている。

これらの課題を解決する目的で、上記プラズマを発生させる圧力を大気圧程度の高圧力にする方法および装置が、たとえば特許文献１および特許文献２に開示されている。これらの方法は、平行平板型電極に電圧を印加することでプラズマを発生させ、このプラズマ放電空間中に試料を配置させて処理を行なうものであり、処理速度が速い一方で試料にプラズマダメージを与えることになりやすい。

プラズマ放電空間中に試料を配置しない構成としては、たとえば特許文献３があり、電極間で発生させたプラズマを放電部外に配置された試料に向けて噴出するものであるが、この方法では試料から遠い位置で放電が起こるため処理速度が得にくい。

そこで、処理速度が速くかつプラズマダメージを受けない表面処理を実現する方法および装置が特許文献４に開示されている。図１１は上記公報に開示される装置の概略図である。これによれば内側電極５と外側電極６が誘電体１１を挟んで設けられ、その試料対向面は高精度平坦化耐蝕・高硬度絶縁体１８で覆われている。これを試料Ｊと対向して設置することにより、高精度平坦化耐蝕・高硬度絶縁体１８と試料Ｊとの間にガス流路が形成され、このガス流路に高圧反応ガス供給装置Ｒから反応ガスを供給すると共に、内側電極５と外側電極６との間に電圧を印加することで、ガス流路にプラズマＰを発生させ、このプラズマＰによって試料Ｊの表面処理を行なうというものである。

この方法によれば内側電極５と外側電極６との間にプラズマＰが発生し、プラズマＰを生成するための電界が試料面に垂直には印加されないため、試料Ｊへのダメージが少なく、また高精度平坦化耐蝕・高硬度絶縁体１８と試料Ｊとの間にガス流路が形成されその空間で放電が起こるため、プラズマ噴出型と比べて処理が高速となる。

しかしながら、上述の表面処理装置の構成では、最も強い電界が形成される金属電極の対向面間ではなく、ガス流路に漏れ出る電界を利用して放電を行なうので、放電に必要な電界を作るために電極間に大きな電位差を生じさせなければ、プラズマが発生しないという課題がある。

印加電圧が高くなると安定なグロー放電からアーク放電に移行しやすく、均一で安定なプラズマを発生させることが難しくなる。さらに金属電極と基板との間で放電が起きる場合や、電極構造の内部で放電が起きる場合もある。また、より低い電圧で放電を実現するには、プラズマを維持するための不活性ガスと表面処理を目的とする処理ガスの混合ガスからなる反応ガスにおいて、不活性ガスの割合を増やせば良いが、相対的に処理ガスの割合が減るため処理速度が落ちる。
特開平３−２２９８８６号公報 特開平６−２１４９号公報 特開平３−２１９０８２号公報 特開２０００−３０６８４８号公報

この発明が解決しようとする課題は、特許文献４に開示される構成のプラズマ表面処理装置においては、ガス流路に漏れ出る電界を利用して放電を行なうため、放電に必要な電界を作るために電極間に大きな電位差を生じさせなければならない点にある。

したがって、この発明の目的は、低電圧でプラズマを発生させることのできる電極構造を有し、試料表面に高速かつ低ダメージな処理を行なうプラズマ表面処理装置を提供することにある。

この発明に基づいたプラズマ表面処理装置においては、誘電体を挟んだ少なくとも一組の金属電極を試料に対向して設置し、上記金属電極の一方を接地し他方に高周波電圧を加えると共に、反応ガスを上記誘電体の試料対向面に供給することによってプラズマを発生させて試料の表面を処理するプラズマ表面処理装置であって、上記金属電極間に位置する上記誘電体の上記試料対向面に、上記試料から遠ざかる方向に向かう窪みを有することを特徴とする。

また、この発明に基づいた他のプラズマ表面処理装置においては、誘電体を挟んだ少なくとも一組の金属電極を試料に対向して設置し、上記金属電極の一方を接地し他方に高周波電圧を加えると共に、反応ガスを上記誘電体の試料対向面に供給することによってプラズマを発生させて試料の表面を処理する装置であって、上記金属電極同士が対向する近傍領域において、上記金属電極が対向する試料面に向かう突起を有することを特徴とする。

本発明に基づいたプラズマ表面処理装置によれば、誘電体に窪みを設けることによって、この窪み空間に、ガス流路より強い電界が形成される領域を創成することになる。また、本発明に基づいた他のプラズマ表面処理装置によれば、金属電極同士が対向する近傍領域において、金属電極が対向する試料面に向かう突起を設けることで、この突起に挟まれた空間において、ガス流路より強い電界が形成される領域を創成することになる。

これにより、この窪み区間および突起に挟まれた空間において低い印加電圧でプラズマの予備放電を、新たな電極や電源の追加を行なわずに起こさせることができる。この予備放電によってまず反応ガスを電離または活性化させるため、ガス流路における処理空間でのプラズマが発生しやすくなり、従来構成に比べ、低い印加電圧で安定した均一なプラズマを広い面積に発生させることができる。その結果、プラズマを維持するための不活性ガスと表面処理を目的とする処理ガスの混合からなる反応ガスにおいて、処理ガスの割合を増やしても安定なプラズマを維持でき、これにより試料表面に対し高速かつ低ダメージな処理を低印加電圧で行なうことが可能となる。

以下、本発明に基づいた各実施の形態におけるプラズマ表面処理装置の構成について、図面を参照しながら具体的に説明する。

（実施の形態１）
図１は本実施の形態におけるプラズマ表面処理装置の電極付近の構成を示す模式的断面図であり、図２は、図１に示す装置においてプラズマＰが発生した状態を示す模式的断面図である。両図を参照して、本実施の形態におけるプラズマ表面処理装置は、反応ガス供給装置Ｒにより高圧反応ガス供給経路１から反応ガスを導入する。反応ガスは大気圧グロー放電の維持を目的としたヘリウム等の不活性ガスと、表面処理を目的とした処理ガスとの混合により成り立つ。処理ガスとしては、行ないたい表面処理内容によって異なるが、たとえば空気、窒素、酸素、四フッ化炭素ガス、六フッ化珪素ガス、メタン、アンモニア等の単独ガス又はこれらの混合ガスが挙げられる。

反応ガスは、試料台Ｔ上の試料固定部Ｆに支持固定された試料Ｊに沿ってガス流路を通り、反応生成物排気経路３から排気装置Ｅへと排気される。また電源Ｇにより高周波電力、たとえば１３．５６ＭＨｚの電力を発生させる。この電力は電力伝送路Ｉを通って内側電極５と外側電極６との間に電界を生じさせる。内側電極５と外側電極６との間および試料対向面１１Ａには誘電体１１が存在し、また誘電体１１の試料対向面１１Ａには縦断面において矩形形状（紙面垂直方向に伸びる）の窪み１０が設けられている。誘電体１１の厚さは電極間で２ｍｍ〜６ｍｍ、試料対向面側で０．５ｍｍ〜２ｍｍが好ましく、窪み１０の深さは誘電体１１の試料対向面側の厚さｔに対し０．７ｔ以上、また断面積は４ｍｍ^２以上が好ましい。

誘電体１１の材料としては、たとえば酸化アルミニウムや窒化珪素や窒化アルミニウム等が挙げられる。内側電極５と外側電極６との間に電界が生じると、誘電体１１における窪み１０は窪みの外側１１Ｂに比べて電極間経路の短い部分に存在しているため強い電界となる。徐々に印加電圧を上げると、まず、最初に窪み１０によって規定される空間内にプラズマＰが生じる。さらに電圧を上げると放電は拡大し、図２に示すように、窪み１０によって規定される空間内に収まりきらず、窪み１０の外側１１Ｂに達する。

この時、窪み１０での放電によって電離或いは活性化された反応ガスがさらなる放電を誘発するため、窪み１０が無い構造と比べて低い印加電圧でも試料対向面１１ＡでプラズマＰを生じさせることができる。窪みの外側１１Ｂまで拡大したプラズマＰは窪み１０のみで発生していた時よりも大きくまた試料Ｊにも近いため、試料Ｊの表面処理に適している。さらに放電中何らかの影響によって電界強度にゆらぎのような変化が生じた場合にも、窪み１０での放電は維持しやすいので、安定したプラズマＰを発生させることができる。

このように低い電圧で安定した大きなプラズマＰが得られるため、反応ガスにおける不活性ガスの割合を減らしても放電を維持でき、相対的に処理ガスの割合を増やせるので処理効率を上げることができる。また、電圧が低いためアーク放電に移行しにくく、プラズマＰで消費される電力も少ないので、均一性に優れたプラズマＰを得ることができる。

図１に示すプラズマ表面処理装置においては、窪み１０の断面形状として、縦断面において矩形形状の場合を示しているが、図３〜図６に示すような形状を採用することも可能である。なお、図３および図５は、プラズマＰが発生する前の状態を示し、図４および図６は、プラズマＰが発生した状態を示している。図３および図４に示す誘電体１１の窪み１０は、縦断面において所定角度を持つ２平面により形成された略三角形形状の空間が規定され、また、図５および図６に示す誘電体１１の窪み１０は、縦断面において隣り合う１組以上の平面同士が滑らかにつながるように形成され、三角形形状の斜辺が曲面を有する空間が規定されている。

窪み１０によって規定される空間が、図３および図５に示すような形状の場合、奥へ（深さ方向に）行くほど窪み１０の幅（電極間距離）が徐々に狭くなる。所定の２電極間に、所定の誘電率を持つ誘電体が存在する場合において、電極間距離が同じでその間に存在する誘電体の割合が増え空間の幅が狭くなれば、この空間には電界がより集中するので、誘電体の窪み１０の幅が狭いほどプラズマＰが発生しやすくなる。よって、窪み１０によって規定される空間が、図３および図５に示すような形状であることは予備放電を行なう上で好ましい。また滑らかにつなぐことで、放電がエッジ部に集中することを防ぐことができる。

また、金属電極５，６の形状として、図７に示すように、金属電極５，６同士が対向する近傍領域において、金属電極５，６に対向する試料面に向かう突起５ｐ、６ｐを設けるようにすることもできる。この場合、試料対向面１１Ａの誘電体１１が窪みを持つ時と比べてプラズマＰが拡大しやすく、また窪みがない分、プラズマＰの体積が減るため消費電力を少なくすることができる。

（実施例）
次に、図１に示す構造を備えるプラズマ表面処理装置の具体的な一実施例について説明する。まず、図１に示す断面形状を有する電極構造５，６を用いて放電実験を行った。金属電極５，６の角は全て半径２ｍｍの曲面に丸められている。誘電体１１の素材は酸化アルミニウムであり、その幅は電極間で６ｍｍ、試料対向面側で２ｍｍである。また窪み１０の幅は３ｍｍであり、窪み１０の深さ（ｄ）は０．４ｍｍ、１．４ｍｍ、２．４ｍｍ、３．４ｍｍ、４．４ｍｍの５条件に変化させた。反応ガスはヘリウムであり、電源周波数は１３．５６ＭＨｚである。また、供給される反応ガスの圧力は大気圧近傍である。なお、大気圧近傍とは１０ｋＰａ〜１０００ｋＰａの範囲を指す。この条件での放電時の電圧および電力は、図８に示すとおりである。

図８に示すように、窪み１０の深さ（ｄ）が深ければ深いほど、窪み１０でのプラズマ発生電圧、および、窪み１０の外側でのプラズマ発生電圧は低くなっていることが判る。特に窪みの深さが１．４ｍｍを超えたとき、プラズマ発生電圧は、窪み１０および窪み１０の外側のいずれにおいても大きく低下している。これは窪み１０が浅いときに誘電体１１中を通っていた電気力線が、窪み１０を深くすることで空間を通るようになるだけでなく、より比誘電率の低い空間を優先的に通ったためである。よって窪み１０は深い方が、窪み１０でのプラズマ発生電圧の低減という観点からは好ましい。

一方、窪み１０の外側でプラズマＰが発生した時のプラズマ発生電力は、窪み１０が深いほど大きくなっている。ここで窪み１０の断面積と暫定プラズマ発生電流の関係に注目してみると、比例関係にあることが分かる。これは窪み１０が深くなればなるほど断面積は大きくなり、窪み１０に発生するプラズマＰの体積が増え、多くの電流が流れるからであると考えられる。窪み１０で放電しているプラズマＰは実際の表面処理への寄与は少なく、またある程度の窪み１０があればプラズマ発生に必要な電圧もそれ以上はあまり小さくならないので、窪み１０が大きすぎると効率が悪くなる。

ここで窪み１０の深さ（ｄ）についてもう少し詳しく検討する。図９はプラズマ発生領域付近における垂直方向の電界強度の分布を、それぞれの窪みの深さ（ｄ）の構造について計算しグラフにしたものである。縦軸に窪み内部で電界強度（Ｖ／ｍ）を示し、横軸に試料対向面１１Ａ（アルミナ下面）からの距離（ｍ）を示す。窪み１０の深さ（ｄ）が１．４ｍｍを超えたあたりから窪み１０の内部で電界の強さが強調され始め、また３．４ｍｍを超えたあたりで窪み１０内部の電界強度が飽和している。これは窪み１０の深さが誘電体１１の厚み２ｍｍと金属電極５，６の角を丸めた半径である２ｍｍを足した辺り、つまり金属電極５，６同士の対向する面が平行となっている領域まで達すると電界強度が飽和しているということを意味する。また、図１０は深さ（ｄ）１．４ｍｍの窪み１０を設けるかわりに、誘電体１１の試料対向面側の厚みを０．６ｍｍとしたときの電界強度分布を示している。このように窪み１０が無ければ誘電体１１の厚みを薄くしても電界の強い部分は現れず、ある程度の厚みに対してある程度の深さの窪みが必要であることがわかる。以上より誘電体１１の窪み１０の深さ（ｄ）は誘電体１１の試料対向面側の厚みｔに対して０．７ｔ以上（本実施例においては、０．７×２ｍｍ＝１．４ｍｍ）で効果が得られるということが分かった。

（実施例２）
上記と同じ放電条件で放電を行い、その安定性を検討した。窪み１０の深さが１．４ｍｍ以上の場合は、２箇所のプラズマ発生領域全体に均一で安定したプラズマを発生させることができたが、窪み１０が無い場合および窪み１０の深さが０．４ｍｍの場合は、２箇所のプラズマ発生領域全体に安定したプラズマを発生させることはできず、一部でプラズマが消えるなどした。この原因として、放電領域が２箇所あるため一方で起きた電界強度の変化が他方にもその影響を与え、両方の放電領域に均等な電圧が印加されず、一方の放電領域において一時的に印加電圧が低くなることが考えられるが、窪み１０が無い場合や窪み１０の深さが十分でない場合は、発生するプラズマの体積が小さすぎるために電界強度の変化の影響を大きく受けてしまい、放電を維持できずに一部でプラズマが消えるなどしたと思われる。このことより窪みの断面積は４ｍｍ^２以上であれば、プラズマＰの安定性に効果が得られることが分かった。

なお、今回開示した上記実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるのではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、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。

実施の形態１におけるプラズマ表面処理装置の電極付近の構成を示す模式的断面図である。 図１に示す装置においてプラズマが発生した状態を示す模式的断面図である。 実施の形態１におけるプラズマ表面処理装置の他の窪み形状を有する電極付近の構成を示す模式的断面図である。 図３に示す装置においてプラズマが発生した状態を示す模式的断面図である。 実施の形態１におけるプラズマ表面処理装置の他の窪み形状を有する電極付近の構成を示す模式的断面図である。 図４に示す装置においてプラズマが発生した状態を示す模式的断面図である。 実施の形態１におけるプラズマ表面処理装置の他の窪み形状を有する電極付近の構成を示す模式的断面図である。 窪みの深さを変化させた場合の、放電時の電圧および電力を示す図である。 プラズマ発生領域付近における垂直方向の電界強度の分布を、それぞれの窪みの深さの構造について計算しグラフにした図である。 深さ１．４ｍｍの窪みを設けるかわりに、誘電体の試料対向面側の厚みを０．６ｍｍとしたときの電界強度分布を示す図である。 従来のプラズマ表面処理装置の電極付近の構成を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ 反応ガス供給経路、２ 反応ガス供給口、３ 反応生成物排気経路、４ 反応ガス排気口、５ 内側電極、６ 外側電極、８ コネクタ、１０ 窪み、１１ 誘電体、１１Ａ 試料対向面、１１Ｂ 窪みの外側、Ｅ 排気装置、Ｆ 試料固定部、Ｇ 電源、Ｉ 電力伝達線路、Ｊ 試料、Ｐ プラズマ、Ｒ 反応ガス供給装置、Ｔ 試料台。

Claims (8)

1. 誘電体を挟んだ少なくとも一組の金属電極を試料に対向して設置し、前記金属電極の一方を接地し他方に高周波電圧を加えると共に、反応ガスを前記誘電体の試料対向面に供給することによってプラズマを発生させて試料の表面を処理するプラズマ表面処理装置であって、
   前記金属電極間に位置する前記誘電体の前記試料対向面に、前記試料から遠ざかる方向に向かう窪みを有することを特徴とするプラズマ表面処理装置。
2. 前記誘電体の窪みが、縦断面において矩形形状であ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. 前記誘電体の窪みが、縦断面において所定角度を持つ２平面により形成された略三角形形状であ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。
4. 前記誘電体の窪みが、縦断面において隣り合う１組以上の平面同士が滑らかにつながるように形成された形状であ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。
5. 前記誘電体の持つ窪みの深さが、前記誘電体の試料対向面側の厚さｔに対し０．７ｔ以上であることを特徴とする、請求項２から４のいずれかに記載のプラズマ表面処理装置。
6. 前記誘電体の持つ窪みの縦断面における断面積が、４ｍｍ^２以上であることを特徴とする、請求項２から５のいずれかに記載のプラズマ表面処理装置。
7. 誘電体を挟んだ少なくとも一組の金属電極を試料に対向して設置し、前記金属電極の一方を接地し他方に高周波電圧を加えると共に、反応ガスを前記誘電体の試料対向面に供給することによってプラズマを発生させて試料の表面を処理する装置であって、
   前記金属電極同士が対向する近傍領域において、前記金属電極が対向する試料面に向かう突起を有することを特徴とする、プラズマ表面処理装置。
8. 供給される前記反応ガスの圧力が大気圧近傍である、請求項１から７のいずれかに記載のプラズマ表面処理装置。

Images