JP2006120516A - プラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理基板の表面にある有機物をプラズマによって、均一に分解、除去することができるプラズマ処理方法を提供すること。
【解決手段】本発明のプラズマ処理方法は、印加電極１５に電圧を印加して処理ガスＧ１を活性化させることによりプラズマが発生するプラズマ発生領域Ｐ内に、基板Ｗを進入させて、基板Ｗの表面にある有機物を分解、除去する処理方法である。このプラズマ処理方法では、基板Ｗの表面における有機物と同様の有機物が表面にあるダミー基板Ｄを、基板Ｗの進入方向に対して、基板Ｗの前方に置き、基板Ｗにおけるプラズマ発生領域Ｐ内への進入に先立って、ダミー基板Ｄをプラズマ発生領域Ｐ内に進入させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理方法に関する。

従来、大気圧下において、被処理基板の表面にある有機物層（有機膜）をプラズマにより分解、除去する（処理する）プラズマ処理装置としては、平行平板型プラズマ処理装置と呼ばれる大気圧プラズマ処理装置（表面処理装置）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このプラズマ処理装置は、被処理基板を搬送する移動ステージ（可動テーブル）と、高周波電界を発生させる電極と、電極と移動ステージ（被処理基板）との間（以下、「処理空間」という）に処理ガス（放電用ガス）を供給するガス通路とを備えている。

このような構成のプラズマ処理装置では、移動ステージにより搬送される被処理基板の移動方向と反対方向に流れる処理ガスを、処理空間に発生する高周波電界により活性化させる。当該活性化された処理ガスは、プラズマとなり、処理空間を通過する被処理基板の有機物層（表面）に接触して当該有機物層を分解、除去する。
しかしながら、このプラズマ処理装置は、電極と移動ステージとの間の距離（ギャップ）が非常に狭いため、処理空間における処理ガスの下流側では、上流側で発生した副生成物（例えば、ＣＯ_２やＨ_２Ｏ等）により、プラズマの発生が阻害され易い。このため、プラズマ処理する処理レート（処理速度）が経時的に低下し、被処理基板が処理空間を通過した際、当該被処理基板におけるプラズマ処理する箇所にムラが生じるおそれがあった。

特開２０００−１９２２６１号公報

本発明の目的は、被処理基板の表面にある有機物をプラズマによって、均一に分解、除去することができるプラズマ処理方法を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のプラズマ処理方法は、電極に電圧を印加して処理ガスを活性化させることによりプラズマが発生するプラズマ発生領域内に、被処理基板を進入させて、該被処理基板の表面にある有機物を分解、除去するプラズマ処理方法であって、
前記被処理基板の表面における有機物と同様の有機物が表面にあるダミー基板を、前記被処理基板の進入方向に対して、前記被処理基板の前方に置き、該被処理基板における前記プラズマ発生領域内への進入に先立って、前記ダミー基板を前記プラズマ発生領域内に進入させることを特徴とする。
これにより、被処理基板の表面にある有機物をプラズマによって、均一に分解、除去することができる。

本発明のプラズマ処理方法では、前記被処理基板と前記ダミー基板とは、互いに接近して置かれていることが好ましい。
これにより、被処理基板の表面にある有機物をプラズマによって、より均一に分解、除去することができる。
本発明のプラズマ処理方法では、前記ダミー基板が前記プラズマ発生領域内に進入する方向における該ダミー基板の長さは、前記被処理基板の長さが前記電極の幅と同程度であることが好ましい。
これにより、被処理基板の表面にある有機物をプラズマによって、より均一に分解、除去することができる。

本発明のプラズマ処理方法では、前記ダミー基板が前記プラズマ発生領域内に進入する方向における該ダミー基板の長さは、前記ダミー基板の表面に対してプラズマ処理が安定するのに十分な程度の長さであることが好ましい。
これにより、被処理基板の表面にある有機物をプラズマによって、より均一に分解、除去することができる。

本発明のプラズマ処理方法では、前記ダミー基板の厚さは、前記被処理基板の厚さとほぼ同等であることが好ましい。
これにより、ダミー基板と被処理基板との処理条件をほぼ同等とすることができる。
本発明のプラズマ処理方法では、前記ダミー基板の幅は、前記被処理基板の幅とほぼ同等であることが好ましい。
これにより、ダミー基板と被処理基板との処理条件をほぼ同等とすることができる。
本発明のプラズマ処理方法では、前記プラズマ発生領域における高さは、０．５〜２ｍｍであることが好ましい。
これにより、プラズマ発生領域内に電界を確実に発生させることができ、よって、処理ガスを確実に活性化させることができる。

以下、本発明のプラズマ処理方法の好適な実施形態について説明する。
図１は、プラズマ処理装置を模式的に示す断面図、図２は、図１に示すプラズマ処理装置によりプラズマ処理される被処理基板およびダミー基板の平面図、図３〜図５は、それぞれ、図１に示すプラズマ処理装置におけるプラズマ発生領域付近の拡大詳細図である。
なお、以下の説明では、図１〜図５中の左右方向を「水平方向」または「ｘ軸方向」、図１および図３〜図５中の上下方向を「垂直方向」または「ｙ軸方向」と言う。また、図１および図３〜図５中の上方を「上」、下方を「下」という。
また、プラズマ処理装置（大気圧プラズマ処理装置）が行うプラズマ処理（表面処理）としては、アッシング（レジストアッシング）を例に挙げて説明する。

まず、プラズマ処理装置１について説明する。
図１に示すように、プラズマ処理装置１は、基板（被処理基板）Ｗを搬送する搬送装置２と、搬送装置２の上方に設置されたヘッド１０とを備えている。このプラズマ処理装置１では、搬送装置２とヘッド１０との間に、プラズマが発生し得るプラズマ発生領域Ｐが形成される。以下、各部の構成について説明する。

搬送装置２は、基板Ｗを積載可能な移動ステージ２０を有している。
移動ステージ２０は、搬送装置２が有する移動手段（図示せず）の作動により、ｘ軸方向に移動することができる。
なお、移動ステージ２０の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属材料で構成されているのが好ましい。

ヘッド１０は、ヘッド本体１０１と、印加電極（電極）１５とを有している。
ヘッド１０には、移動ステージ２０（搬送装置２）とヘッド１０（第１の下面１０３ａ）との間隙１０２（プラズマ発生領域Ｐ）に、混合ガスＧ（処理ガスＧ１）を供給するガス供給流路１８が設けられている。
なお、混合ガスＧは、処理ガスＧ１としてのＯ_２ガスと、キャリアガスＧ２としてのＨｅガスとで構成されている。ここで、「キャリアガス」とは、放電開始と放電維持のために導入するガスのことをいう。

ガス供給流路１８は、ヘッド１０の下面１０３（第１の下面１０３ａ）に開口している。
また、下面１０３は、ガス供給流路１８に対してｘ軸正方向に形成された第１の下面１０３ａと、ガス供給流路１８に対してｘ軸負方向に形成された第２の下面１０３ｂとで構成されている。

第２の下面１０３ｂは、第１の下面１０３ａよりも下方に位置している。これにより、第２の下面１０３ｂと移動ステージ２０との間隙１０４を、間隙１０２よりも小さく（狭く）設定することができ、よって、混合ガスＧが間隙１０４に入り込むのを抑制または防止することができる、すなわち、混合ガスＧの流れの方向をｘ軸正方向とすることができる（図１参照）。
なお、ヘッド本体１０１の構成材料としては、例えば、主としてアルミナ、石英等の誘電体で構成されたものであるのが好ましい。
ヘッド１０（ヘッド本体１０１）には、ガス供給流路１８に対してｘ軸正方向に、印加電極１５が設置されている。この印加電極１５は、高周波電源１７に電気的に接続されている。

プラズマ処理装置１では、印加電極１５と、印加電極１５に対向する移動ステージ２０とにより、一対の平行平板型電極が構成されている。
また、印加電極１５と移動ステージ２０（基板Ｗ）と間の距離、すなわち、プラズマ発生領域における高さ（図１中、ｈ１で示す長さ）は、高周波電源１７の出力や、基板Ｗに施すプラズマ処理の種類等を考慮して適宜決定されるが、０．５〜２ｍｍであるのが好ましく、０．５〜１ｍｍであるのがより好ましい。これにより、印加電極１５と移動ステージ２０と間に電界Ｅを確実に発生させることができる。

また、電界Ｅにおいてアーク放電の発生を防止する観点から、印加電極１５の表面（下面１５１）をアルミナ、石英等の誘電体で被覆するのが好ましい。この誘電体の厚みは、厚すぎるとプラズマを発生するために高電圧を要することがあり、薄すぎると電圧印加時に絶縁破壊が起こり、アーク放電が発生することがあるため、０．０１〜４ｍｍであるのが好ましく、１〜２ｍｍであるのがより好ましい。
また、印加電極１５の構成材料としては、特に限定されず、例えば、移動ステージ２０についての説明で挙げたような構成材料を用いることができる。
また、高周波電源１７の周波数は、特に限定されないが、１０〜５０ＭＨｚであるのが好ましく、１０〜４０ＭＨｚであるのがより好ましい。

次に、プラズマ処理装置１によりプラズマ処理される基板Ｗについて説明する。
図３〜図５に示すように、基板Ｗは、その形状が板状をなしており、基板本体Ｗ２と有機物層Ｗ３とで構成されている。この基板Ｗは、移動ステージ２０に載置される。
基板本体Ｗ２（基板Ｗ）としては、ガラス、シリコンウェハー等からなるものが挙げられる。

基板本体Ｗ２（基板Ｗ）の表面Ｗ１のほぼ全面には、有機物層（有機物）Ｗ３が形成されている（図２参照）。なお、有機物層（有機膜）Ｗ３としては、特に限定されず、例えば、フォトレジスト、ポリイミド等が挙げられる。
この有機物層Ｗ３は、プラズマ処理装置１のプラズマ発生領域Ｐ内で、分解、除去（プラズマ処理）される。
また、図１に示すように、プラズマ処理装置１、すなわち、本発明のプラズマ処理方法では、基板Ｗ（有機物層Ｗ３）をプラズマ処理するに際し、ダミー基板Ｄを用いる。

図３〜図５に示すように、ダミー基板Ｄは、基板Ｗと同様に、形状が板状をなしており、基板本体Ｄ２と有機物層Ｄ３とで構成されている。このダミー基板Ｄは、基板Ｗと同様に、移動ステージ２０に載置される。なお、基板本体Ｄ２（ダミー基板Ｄ）としては、特に限定されず、例えば、基板Ｗについての説明で挙げたようなものであってもよい。
また、基板本体Ｄ２（ダミー基板Ｄ）の表面Ｄ１のほぼ全面には、有機物層Ｗ３と同様の有機物層Ｄ３が形成されている（図２参照）。

このような構成のプラズマ処理装置１では、基板Ｗをプラズマ処理するとき、まず、印加電極１５と移動ステージ２０とに電圧が印加されて、電界Ｅが発生するとともに、ガス供給流路１８から間隙１０２に、処理ガスＧ１を含む混合ガスＧが流入する。間隙１０２に流入した処理ガスＧ１のうち、電界Ｅに流入した処理ガスＧ１は、放電によって活性化される。この活性化された処理ガスＧ１は、基板Ｗの有機物層Ｗ３に接触して、プラズマ処理を施す。
なお、混合ガスＧにおける処理ガスＧ１の占める割合は、プラズマ処理の種類によって異なるが、処理ガスＧ１の割合が大きすぎると、電界Ｅにおける放電の発生が困難となったり、プラズマ処理の効率に寄与し難くなったりするため、例えば、その割合が０．１〜１０％であるのが好ましく、１％前後（程度）であるのがより好ましい。

次に、プラズマ処理装置１を用いて基板Ｗをプラズマ処理する方法（過程）について説明する。
まず、図２に示すように、移動ステージ２０に、ダミー基板Ｄと基板Ｗとを載置する。このとき、ダミー基板Ｄは、基板Ｗにおけるプラズマ発生領域Ｐ内への進入方向に対して、基板Ｗの前方すなわちｘ軸負方向に載置されている。また、ダミー基板Ｄと基板Ｗとは、互いに接して（接近して）いる。
次に、図１に示すように、ガス供給流路１８の供給口（開口）１８１から、基板Ｗとヘッド１０との間隙１０２に混合ガスＧ（処理ガスＧ１）を流入させる（供給する）。
なお、混合ガスＧの流量は、特に限定されないが、１〜２０ＳＬＭであるのが好ましく、３〜１０ＳＬＭであるのがより好ましい。

次に、前述したような混合ガスＧの流れを維持しつつ、高周波電源１７を作動させて、印加電極１５と移動ステージ２０との間に電圧を印加する。このとき、印加電極１５と移動ステージ２０との間には、電界Ｅが発生する。この電界Ｅ内では、混合ガスＧ中の処理ガスＧ１が活性化されることとなる。これにより、プラズマが発生する、すなわち、プラズマ発生領域Ｐが形成（構成）される。
次に、搬送装置２を作動させる。これにより、移動ステージ２０の移動に伴って、ダミー基板Ｄと基板Ｗとがプラズマ発生領域Ｐに接近（進入）する（図３参照）が、基板Ｗがプラズマ発生領域Ｐ内への進入するのに先立って、ダミー基板Ｄがプラズマ発生領域Ｐ内に進入する（図４参照）。

図４に示すように、ダミー基板Ｄがプラズマ発生領域Ｐ内に進入すると、活性化された処理ガスＧ１（プラズマ）が、ダミー基板Ｄの有機物層Ｄ３に接触して、有機物層Ｄ３にプラズマ処理（レジストアッシング）を施すように作用する。
しかしながら、有機物層Ｄ３は、その全面に渡って均一にプラズマ処理されない。
換言すれば、ダミー基板Ｄの進入に伴って、プラズマ発生領域Ｐ内には、有機物層Ｄ３と反応したプラズマ（酸素プラズマ）による副生成物（例えば、ＣＯ_２やＨ_２Ｏ等）が発生するため、有機物層Ｄ３を処理する処理速度（処理レート）が徐々に低下することとなる、すなわち、処理（除去）される有機物層Ｄ３の厚さ（図４中、ｔで示す長さ）がｘ軸正方向に向って漸減することとなる。

プラズマによる処理速度は、基板Ｗが左端から印加電極１５の幅（長さ）程度、すなわちプラズマ発生領域Ｐの長さ程度処理されるまで漸減し、その後、一定となる。従って、ダミー基板Ｄの長さ（図４中、Ｌ_Ｄで示す長さ）が印加電極１５の幅、すなわちプラズマ発生領域Ｐの長さと同程度であればよい。
その後、ダミー基板Ｄに続いて（連なって）、基板Ｗがプラズマ発生領域Ｐ内に進入する。基板Ｗの有機物層Ｗ３が、均一にプラズマ処理される、すなわち、処理される有機物層Ｗ３の厚さ（図５中、ｔで示す長さ）が一定となる。

そして、基板Ｗの有機物層Ｗ３の全面にプラズマ処理が均一に施された後、搬送装置２は、基板Ｗを印加電極１５および移動ステージ２０の間隙１０２（プラズマ発生領域Ｐ）から搬出するように作動する。
以上のような過程を経ることにより、基板Ｗの有機物層Ｗ３を全面に渡って、均一な深さにアッシングすることができる。

また、図２に示すように、ダミー基板Ｄの幅は、基板Ｗの幅とほぼ同等であるのが好ましい。これにより、単位時間あたりにプラズマ処理されるダミー基板Ｄ（有機物層Ｄ３）の面積と、単位時間あたりにプラズマ処理される基板Ｗ（有機物層Ｗ３）の面積とをほぼ同等とすることができる、すなわち、ダミー基板Ｄと基板Ｗとの処理条件をほぼ同等とすることができる。

また、図３〜図５に示すように、ダミー基板Ｄの厚さは、基板Ｗの厚さとほぼ同等であるのが好ましい。これにより、プラズマ発生領域Ｐ内におけるダミー基板Ｄの有機物層Ｄ３の高さ（位置）と、プラズマ発生領域Ｐ内における基板Ｗの有機物層Ｗ３の高さとをほぼ同等とすることができる、すなわち、ダミー基板Ｄと基板Ｗとの処理条件をほぼ同等とすることができる。

また、ダミー基板Ｄの構成材料は、基板Ｗの構成材料と同一であるのが好ましい。これにより、ダミー基板Ｄと基板Ｗとの処理条件を同等とすることができる。
また、ｘ軸方向におけるダミー基板Ｄの長さ（図１中、Ｌ_Ｄで示す長さ）は、印加電極１５の幅、すなわちプラズマ発生領域Ｐの長さと同程度とするのが好ましい。
これにより、除去される有機物層Ｄ３の厚さｔが一定となるのに十分な程度のダミー基板Ｄの長さＬ_Ｄを設定することができる、すなわち、基板Ｗの有機物層Ｗ３をより均一に処理することができる。

以上、本発明のプラズマ処理方法について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
また、プラズマ処理としては、アッシングであるのに限定されず、例えば、エッチング、改質（表面改質）、表面クリーング等でもよい。
また、処理ガスとしては、Ｏ_２ガスであるのに限定されず、エッチングでは、例えばハロゲン系ガスが用いることができ、表面クリーニングや表面改質では、例えばＡｒ、Ｎ_２等の不活性ガスを用いることができる。

また、キャリアガスとしては、Ｈｅガスであるのに限定されず、例えば、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ等の希ガスが用いることができ、これらは単独でも２種以上を混合した形態でも用いられる。
また、基板の形状としては、板状であるのに限定されず、例えば、フィルム状等のものが挙げられる。

また、被処理基板における有機物層は、被処理基板の表面のほぼ全面に形成されているのに限定されず、例えば、被処理基板の表面の一部に形成されていてもよい。
また、ダミー基板における有機物層も、被処理基板の有機物層と同様に、ダミー基板の表面のほぼ全面に形成されているのに限定されず、例えば、ダミー基板の表面の一部に形成されていてもよい。

また、プラズマ処理装置に載置されたダミー基板と被処理基板とは、互いに接しているのに限定されず、例えば、移動ステージの移動に伴って、ダミー基板がプラズマ発生領域内から脱出するまでに、被処理基板がプラズマ発生領域内に進入することができる程度に、これら基板が互いに離間していてもよい。
また、ダミー基板の厚さは、被処理基板の厚さとほぼ同等であるのに限定されず、例えば、被処理基板の厚さより大きく（厚く）てもよいし、被処理基板の厚さより小さく（薄く）てもよい。

また、印加電極に印加される電圧は、高周波によるものに限られず、例えば、パルス波やマイクロ波によるものであってもよい。
また、印加電極および印加電極の表面を覆う誘電体の材料としては、アルミナ、石英に限られず、例えば、ガラス、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２等の金属酸化物、ＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）等の複酸化物等を用いることができる。ここで、２５℃における比誘電率が１０以上のものである誘電体を用いれば、電界において、低電圧で高密度のプラズマを発生させることができ、処理効率が向上する。

次に、本発明の具体的実施例について説明する。
１．被処理基板のプラズマ処理
（実施例）
図１に示すプラズマ処理装置に被処理基板およびダミー基板を載置し、被処理基板に以下の条件のプラズマ処理（アッシング）を施した。

被処理基板は、長さ５０ｍｍ×幅２００ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの基板本体に、厚さ１μｍの有機物層が形成されたものである。また、被処理基板の基板本体の構成材料は、ガラスであり、有機物層の構成材料は、東京応化製「ＯＦＰＲ８６００−Ａ２」である。
ダミー基板は、長さ１０ｍｍ×幅２００ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの基板本体に、厚さ１μｍの有機物層が形成されたものである。また、ダミー基板の基板本体の構成材料は、ガラスであり、有機物層の構成材料は、東京応化製「ＯＦＰＲ８６００−Ａ２」である。

プラズマ処理の条件は、以下のとおりである。
被処理基板とダミー基板との距離（間隔） ：０ｍｍ
印加電極と移動ステージとの距離（間隔） ：１．１ｍｍ
印加電極の幅 ：５ｍｍ
印加電力 ：２４０Ｗ
高周波周波数 ：４０．６８ＭＨｚ
印加電極と被処理基板との距離（間隔） ：０．６ｍｍ
処理ガス ：Ｏ_２
キャリアガス ：Ｈｅ
ガス流量 ：３０ｓｃｃｍ／３ＬＳＭ
移動ステージ加熱温度 ：１００℃
移動ステージの速度 ：５ｍｍ／秒

（比較例）
ダミー基板を省略した以外は、前記実施例と同様にして、被処理基板にプラズマ処理を施した。

２．プラズマ処理後の有機物層のアッシング量の測定
前記実施例および前記比較例でプラズマ処理が施された有機物層のアッシング量を測定した。なお、この測定はラムダエース（大日本スクリーン製）により行なった。この結果を図６に示す。
図６に示すように、実施例では、被処理基板の有機物層の各位置（端面からの各距離）において、アッシングがほぼ等しかった。すなわち、有機物層に対して均一なプラズマ処理を施すことができた。
これに対し、比較例では、被処理基板の有機物層の中央部付近において、アッシング量がほぼ等しいが、両端部付近では、中央部付近よりもアッシング量が過剰であった。すなわち、比較例では、被処理基板の有機物層を均一にプラズマ処理するのが困難であった。

プラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。 図１に示すプラズマ処理装置によりプラズマ処理される被処理基板およびダミー基板の平面図である。 図１に示すプラズマ処理装置におけるプラズマ発生領域付近の拡大詳細図である。 図１に示すプラズマ処理装置におけるプラズマ発生領域付近の拡大詳細図である。 図１に示すプラズマ処理装置におけるプラズマ発生領域付近の拡大詳細図である。 図１に示すプラズマ処理装置を用いてプラズマ処理したときの被処理基板における端面からの距離とアッシング量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１……プラズマ処理装置 ２……搬送装置 １０……ヘッド １０１……ヘッド本体 １０２、１０４……間隙 １０３……下面 １０３ａ……第１の下面 １０３ｂ……第２の下面 １５……印加電極 １５１……下面 １７……高周波電源 １８……ガス供給流路 １８１……供給口 ２０……移動ステージ Ｄ……ダミー基板 Ｄ１……表面 Ｄ２……基板本体 Ｄ３……有機物層 Ｅ……電界 Ｇ……混合ガス Ｇ１……処理ガス Ｇ２……キャリアガス Ｐ……プラズマ発生領域 Ｗ……基板 Ｗ１……表面 Ｗ２……基板本体 Ｗ３……有機物層

Claims (7)

1. 電極に電圧を印加して処理ガスを活性化させることによりプラズマが発生するプラズマ発生領域内に、被処理基板を進入させて、該被処理基板の表面にある有機物を分解、除去するプラズマ処理方法であって、
   前記被処理基板の表面における有機物と同様の有機物が表面にあるダミー基板を、前記被処理基板の進入方向に対して、前記被処理基板の前方に置き、該被処理基板における前記プラズマ発生領域内への進入に先立って、前記ダミー基板を前記プラズマ発生領域内に進入させることを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 前記被処理基板と前記ダミー基板とは、互いに接近して置かれている請求項１に記載のプラズマ処理方法。
3. 前記ダミー基板が前記プラズマ発生領域内に進入する方向における該ダミー基板の長さは、前記被処理基板の長さが前記電極の幅と同程度である請求項１または２に記載のプラズマ処理方法。
4. 前記ダミー基板が前記プラズマ発生領域内に進入する方向における該ダミー基板の長さは、前記ダミー基板の表面に対してプラズマ処理が安定するのに十分な程度の長さである請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
5. 前記ダミー基板の厚さは、前記被処理基板の厚さとほぼ同等である請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
6. 前記ダミー基板の幅は、前記被処理基板の幅とほぼ同等である請求項１ないし５のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
7. 前記プラズマ発生領域における高さは、０．５〜２ｍｍである請求項１ないし６のいずれかに記載のプラズマ処理方法。

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