JP2006196224A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 グロー放電が維持できるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】 プラズマ処理装置１００は、電源部１０３と、昇圧トランス１０７と、電極１０１ａ，１０１ｂと、予め接地されている接地電極１０９ａ，１０９ｂとを含む。電源部１０３は、高周波発振器１０５と、周波数逓倍器１０６とを含む。プラズマ処理装置１００には、外部から被処理基材１０８が搬入され、電極１０１ａと電極１０１ｂとの間において予め定められた位置に配置され、予め定められたプラズマ処理が実行される。電極１０１ａと接地電極１０９ａとは、これらの電極の間隔が、電極１０１ａと搬入予定の被処理基材１０８との表面との距離よりも短くなるように、配置されている。電極１０１ｂと接地電極１０９ｂとの位置関係も同様である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、大気圧近傍の圧力下におけるプラズマ処理技術に関する。本発明は、より特定的には、液晶パネルディスプレイに代表されるフラットパネルディスプレイ、太陽電池、フィルム状製品の製造工程において、製膜、エッチング、アッシングまたは表面改質などのプラズマ処理を大気圧近傍の圧力下で行なうためのプラズマ処理装置に関する。

近年、液晶パネルディスプレイ装置の製造工程やその他のプラズマ処理工程において、低圧下でグロー放電を発生させるプラズマ処理にかわり、大気圧近傍の圧力下でグロー放電を発生させるプラズマ処理が行なわれるようになってきている。

大気圧近傍の圧力下でグロー放電を発生させた場合、低圧下でグロー放電を発生させる場合と比較して、プラズマの発生が不安定となる。

そこで、たとえば特許第３０４０３５８号公報（特許文献１）は、処理の際のガス雰囲気を問わず、大気圧近傍の圧力下で均一なグロ−放電プラズマを継続して発生させ、安定してグロー放電プラズマ処理を行なう方法を開示している。この方法は、大気圧近傍の圧力下で対向電極の少なくとも一方の対向面に固体誘電体を配置し、電圧立ち上がり時間が１００μｓ以下、電界強度が１〜１００ｋＶ／ｃｍとなるパルス化された電界を上記対向電極間に印加することによりグロー放電プラズマ処理を行なうステップを含む。

特許文献１に開示されたプラズマ装置は、片方の電極を接地電位として、他方の電極に正負が交互に連続的に繰り返す高電圧パルスを印加し、その高電圧パルスの立ち上がりを急峻にする。これにより、プラズマ処理効率を向上させることができる。

また、特開２００４−１３４７１６号公報（特許文献２）は、大気圧近傍の圧力下又は減圧下で、より単純で価格の安い電源を利用して電力損失も小さくすると共に、ヘリウム等の高価なガスを使用することなく簡単に安定なグロー放電を発生させる方法を開示している。この方法は、２つの異なる周波数の電源を用い、各電極を重畳組み合わせて、印加電圧の立上りと立下りを制御することにより、電極間での電位差の立上り、立下りの時間を各電源での電圧の立上り、立下り時間より早くすることにより、大気圧近傍の圧力下で安定なプラズマを生成させる。
特許第３０４０３５８号公報 特開２００４−１３４７１６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたプラズマ装置によると、ガラス板などの厚みを持った被処理物を処理するために、電極間距離を大きくするとグロー放電が維持できなくなり、ストリーマ状の不均一な放電となる場合がある。また、一般的にパルス発生電源は高周波高圧電源よりも大型であると共に、高価であるため、設置スペースおよびコストの観点からフラットパネルディスプレイ、太陽電池、フィルム状製品等の製造工程に用いることが困難な場合もある。

一方、特許文献２に記載のプラズマ発生装置は、対向電極の両方の電極に異なる周波数の電圧を印加することによってプラズマを生成する。そのため、成膜、エッチング、アッシングまたは表面改質といった所望のプラズマ処理を行なう場合、両電極ともプラス電位あるいはマイナス電位になった場合に被処理基材が電極間に導入されると、プラズマが生成されていない状態で、高電圧の電極に被処理基材が近づく。その結果、電極と被処理基材との間で局所的な放電が起き、被処理基材へのダメージ、不均一なプラズマの形成、さらには素子の破壊といった問題が生じる場合がある。

また、異なる２つの独立した電源を用いているために、数秒〜数分といったプラズマ処理時間にわたって出力電圧の位相合わせを行なうことが容易ではなく、位相にずれが生じる恐れがある。

さらに、設置スペースが大きくなる、コストが高くなるといった問題があるため、フラットパネルディスプレイ、太陽電池、フィルム状製品等の製造工程に用いることが困難な場合もある。

本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、厚みを持った被処理物を対向電極間に導入して処理するために電極間距離を大きくしてもグロー放電が維持でき、また、プラズマ処理に必要な電力を投入することができるプラズマ処理装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、この発明のある局面に従うと、プラズマ処理装置は、固体誘電体が設置された対向電極を備える。このプラズマ処理装置は、大気圧近傍の圧力下で対向電極間に処理用ガスを供給しつつ、対向電極間に電圧を印加することによりグロー放電を生成し、グロー放電が生成される空間に被処理基材を導入することにより被処理基材をプラズマ処理する。プラズマ処理装置は、接地された電極であって、対向電極の各々の電極と電場を形成するように配置された一対の電極を備える。一対の電極の各々と対向電極の各々との間隔は、対向電極の各々と被処理基材の表面との距離を下回る。プラズマ処理装置は、対向電極の一方に、予め定められた周波数を有する第１の交流電圧を印加する第１の印加手段と、対向電極の他方に、周波数の整数倍の周波数を有する第２の交流電圧を印加する第２の印加手段とを備え、第２の交流電圧の位相は、第１の交流電圧の位相の整数倍である。

好ましくは、プラズマ処理装置は、電源をさらに備える。第１の印加手段は、電源により供給される電力に基づいて第１の交流電圧を印加する。第２の印加手段は、電力に基づいて第２の交流電圧を印加する。

好ましくは、第２の印加手段は、予め定められた周波数の２倍および３倍のいずれかの周波数を有する第２の交流電圧を印加する。

好ましくは、第２の印加手段は、予め定められた周波数の２倍の周波数を有する第２の交流電圧を印加する。第２の交流電圧の位相は、第１の交流電圧の位相と同位相および逆位相のいずれかである。

好ましくは、第２の印加手段は、予め定められた周波数の３倍の周波数を有する第２の交流電圧を印加する。第２の交流電圧の位相は、第１の交流電圧の位相と同位相である。

好ましくは、予め定められた周波数の範囲は、１〜１００ｋＨｚである。

好ましくは、対向電極の電界強度は、１〜１００ｋＶ／ｃｍである。

好ましくは、プラズマ処理装置は、対向電極と被処理基材の表面との距離を計測する計測手段と、計測された距離に基づいて、対向電極と一対の電極との距離を調整するための調整手段とをさらに備える。

好ましくは、第２の印加手段は、第２の交流電圧の印加のために入力される信号の位相に応じて、第２の交流電圧を印加する。

本発明に係るプラズマ処理装置によると、対向電極により形成される電場に、被処理基材がプラズマ処理のために搬入された場合、対向電極による放電は、被処理基材に対するよりも、対向電極と電場を形成するように配置された一対の電極に対して発生する。そのため、プラズマ処理のための電場が、グロー放電の状態からアーク放電その他の異常放電に移行することが抑制される。したがって、被処理基材に対する損傷が防止され、安定したプラズマ処理の実行が可能になる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

図１を参照して、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図１は、プラズマ処理装置１００の構成を表わすブロック図である。

プラズマ処理装置１００は、電源部１０３と、昇圧トランス１０７と、電極１０１ａ，１０１ｂと、予め接地されている接地電極１０９ａ，１０９ｂと、を含む。電源部１０３は、高周波発振器１０５と、周波数逓倍器１０６とを含む。

プラズマ処理装置１００には、外部から被処理基材１０８が搬入され、電極１０１ａと電極１０１ｂとの間において予め定められた位置に配置され、予め定められたプラズマ処理が実行される。

ここで、電極１０１ａと接地電極１０９ａとは、これらの電極の間隔が、電極１０１ａと搬入予定の被処理基材１０８との表面との距離よりも短くなるように、配置されている。電極１０１ｂと接地電極１０９ｂとの位置関係も同様である。これらの電極の位置関係の詳細については、後述する。

電極１０１ａ，１０１ｂは、銅、アルミニウム、真鍮、耐食性の高いステンレス鋼等の導電性の高い材料で形成されている。電極１０１ａ，１０１ｂには、固体誘電体１０２が配置されている。接地電極１０９ａ，１０９ｂにも同様に固体誘電体１０２が配置されている。

高周波発振器１０５は、予め定められた周波数の信号を発振する。昇圧トランス１０７は、電源部１０３により出力される電圧を昇圧して、電極１０１ａに供給する。周波数逓倍器１０６は、高周波発振器１０５により発振された信号の周波数を予め定められた整数倍（２倍、３倍等）の周波数に変換して出力する。昇圧トランス１０７は、周波数逓倍器１０６から出力される電圧を昇圧して電極１０１ｂに供給する。

周波数逓倍器１０６は、入力信号の位相と出力信号の位相とを比較する位相比較器（図示しない）を含む。位相のずれは、位相比較器によって補正されるため、電極１０１ａ，１０１ｂに印加される電圧の位相は同期される。なお、電極１０１ａ，１０１ｂに対する電圧の位相は、必ずしも同一である必要はなく、各位相が、ある程度の範囲内でずれていてもよい。なお、印加される電圧の位相は、好ましくは、周波数ｆの信号の位相が２ｎπ（ｎは整数）の時、周波数２×ｆの信号の位相は、４ｎπ±π／６の範囲内であればよい。また、周波数３×ｆの信号の位相は、６ｎπ±π／９であればよい。

電極１０１ａと電極１０１ｂとにそれぞれ電力が供給されると、プラズマ１０４が、電極１０１ａと電極１０１ｂとの間に発生する。また、電極１０１ａと接地電極１０９ａとの間には、プラズマ１１０が発生する。

図２を参照して、プラズマ処理装置１００における電極の配置について説明する。図２は、電極１０１ａ，１０１ｂと接地電極１０９ａ，１０９ｂとの間の位置関係を概念的に表わす図である。

ここでは、厚みｔを有する被処理基材１０８が電極１０１ａと電極１０１ｂとの間に設置されている場合、電極１０１ａと被処理基材１０８の表面との間の距離は、ｄ（１）と表される。同様に、電極１０１ｂの表面と被処理基材１０８の表面との間の距離は、ｄ（２）と表わされる。

また、電極１０１ａと接地電極１０９ａとの間の距離は、ｌ（１）と表わされる。同様に電極１０１ｂと接地電極１０９ｂとの間の距離は、ｌ（２）と表わされる。この場合、接地電極１０９ａは、ｌ（１）＜ｄ（１）となるように電極１０１ａに対して配置される。同様に、接地電極１０９ｂは、電極１０１ｂに対して、ｌ（２）＜ｄ（２）となるように配置される。すなわち、電極１０１ａによる放電が、被処理基材１０８に対してよりも、接地電極１０９ａに対して先に行なわれるように、各電極の位置関係は、定められる。なお、被処理基材１０８の厚みｔは、基材に応じて変化するため、上述の距離ｄ（１）およびｄ（２）の値も変化する。したがって、電極１０１ａと接地電極１０９ａとの間の距離ｌ（１）は、被処理基材１０８の厚みｔに応じて変更され得る。

この場合、たとえば、被処理基材１０８がプラズマ処理のためにプラズマ処理装置１００に搬入される際、距離ｄ（１）を計測し、計測結果に応じて、距離ｌ（１）を調整するためのアクチュエータを、接地電極１０９ａに追加してもよい。このようにすると、距離ｌ（１）が被処理基材１０８の厚みの変更に応じて自動的に変更されるため、被処理基材１０８の種類の変更にも容易に対応することができる。したがって、距離ｌ（１）の調整忘れによる局所的な放電の発生を防止することができる。なお、接地電極１０９ｂに対しても、同様である。

なお、以上の図２を用いた説明においては、誘電体１０２におけるプラズマ１０４に面した部分とプラズマ１１０に面した部分の厚みは同じである。厚みが異なる場合では、距離ｌ（１）の部分の単位面積あたりの静電容量をｃ（１）、距離ｄ（１）の部分の単位面積あたりの静電容量をｅ（１）とした時、ｃ（１）＞ｅ（１）とする。これにより、電極１０１ａによる放電が、被処理基材１０８に対してよりも、接地電極１０９ａに対して先に行なわれるようになる。

同様に、距離ｌ（２）の部分の単位面積あたりの静電容量をｃ（２）、距離ｄ（２）の部分の単位面積あたりの静電容量をｅ（２）とした時、ｃ（２）＞ｅ（２）であるとよい。

図３および図４を参照して、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００の電圧特性について説明する。図３は、周波数ｆの電圧が電極１０１ａに印加された場合の電圧値の変化を表わす図である。

図３（Ａ）に示されるように、高周波発振器１０５により発生された周波数ｆの電圧は、たとえば正弦波を描くように変化する。ここで、最大電圧値は、説明のため、±１．０と表わす。

この場合、電圧が高周波発振器１０５から周波数逓倍器１０６に供給され、周波数逓倍器１０６が周波数ｆを２倍に上げると、図３（Ｂ）に示されるように、電圧は、周波数ｆの周期ｐの２分の１の周期で変化する。電極１０１ｂには、電極１０１ａに供給される電圧の２倍の周波数を有する電圧が印加される。

ここで電極１０１ａと電極１０１ｂとの間の電位差を算出すると、電位差は、図３（Ｃ）に示されるように変化する。ここで、放電開始電圧値がたとえば０．５である場合には、１周期ｐの間に放電を休止している時間は、周期ｐの約４８％となる。また放電開始電圧値が１．０の場合には、放電を休止している時間は、周期ｐの約６２％となる。放電開始電圧値が１．５の場合には、その時間は、約７８％となる。この放電を休止している時間は、電極１０１ａ，１０１ｂに印加される電圧、放電用ガスの種類、あるいは電極１０１ａと電極１０１ｂとの間隔に応じて変化するため、プラズマ処理条件に応じて放電開始電圧値を設定するのが好ましい。

図４は、高周波発振器１０５が電極１０１ａ，１０１ｂに対して周波数ｆの電圧を印加する場合において、周波数逓倍器１０６が３倍の周波数に増加して電極１０１ｂに電圧を印加する場合の関係を表わすグラフである。

なお、図４（Ａ）に示される電圧値の変化は、図３（Ａ）に示されるものと同じであるので、その説明はここでは繰り返さない。図４（Ｂ）は、電極１０１ｂに印加される電圧値の変化を表わすグラフである。図４（Ａ）と図４（Ｂ）に示される電圧値の推移に基づいて電極１０１ａと電極１０１ｂとの間の電位差を算出すると、電位差は図４（Ｃ）に示される形で推移する。ここで図４（Ｃ）に示されるように、たとえば放電開始電圧値が０．５（単位は任意である）の場合、実効的に電圧の印加を休止している時間は、周期ｐの約４８％となる。同様に放電開始電圧値が１．０の場合には、その時間は、周期ｐの約７０％となる。放電開始電圧値が１．５の場合には、上記時間は、周期ｐの約７８％となる。これらの値は、上述のように電極１０１ａ，１０１ｂに印加される電圧値、放電用ガスの種類、あるいは電極１０１ａと電極１０１ｂとの間の間隔に応じて変化するため、プラズマ処理条件および目的に応じて各値を設定するのが好ましい。

また、周波数逓倍器１０６により電極１０１ｂに対して印加される周波数は、プラズマ処理の目的に応じて選択してもよい。たとえば実効的な電圧印加休止状態における電極１０１ａと電極１０１ｂとの間の電位差を小さくしたい場合には、予め定められた周波数ｆの２倍の周波数を選択し得る。また、電極１０１ａと電極１０１ｂとの間の電位差をより大きくとりたい場合には、図４（Ｃ）に示されるように、周波数ｆの３倍の周波数を選択してもよい。

ここで、図５を参照して、他の局面におけるプラズマ処理装置５００について説明する。図５は、プラズマ処理装置５００の概略構成を表わす図である。

プラズマ処理装置５００は、高周波発振器５０５ａ，５０５ｂと、電極１０１ａ，１０１ｂとを含む。電極１０１ａ，１０１ｂには、固体誘電体１０２が配置されている。プラズマ処理装置５００には、被処理基材１０８が予め定められたプラズマ処理のために搬入可能である。その搬入は、たとえば図５に示される矢印方向に対して行なわれる。

プラズマ処理装置５００において被処理基材１０８が搬入されていない場合、電圧が高周波発振器１０５ａ，１０５ｂによって電極１０１ａと電極１０１ｂとに対して印加されると、プラズマ５０４が発生する。この場合、被処理基材１０８を電極１０１ａと電極１０１ｂとの間に搬入すると、局所的な放電５１１ａが、電極１０１ａと被処理基材１０８との間において発生する。同様に、局所的な放電５１１ｂが、電極１０１ｂと被処理基材１０８との間に発生する。

その結果、被処理基材１０８そのものに対する損傷が生じる。また、被処理基材１０８の表面にプラズマ処理工程の前工程において素子が形成されている場合には、当該素子が不均一なプラズマの形成により破壊される場合もある。

これに対して、図２に示されるように、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００は、対向するように配置された電極１０１ａと電極１０１ｂとのそれぞれに対して、接地電極１０９ａと１０９ｂとが前述の位置関係に応じて配置されている。そのため、電極１０１ａと電極１０１ｂとの間にプラズマ１０４が発生している場合に被処理基材１０８が処理のために搬入されても、被処理基材１０８と電極１０１ａ，１０１ｂとの間には、局所的な放電が生じない。

以上のようにして、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００によると、被処理基材１０８に対する損傷を防止し、また被処理基材１０８の表面に素子が形成されている場合には、当該素子が不均一なプラズマの形成により破壊されることが防止される。

以上詳述したように、この発明に従えば、異常放電への移行を抑制し、被処理基材の導入に対してもダメージのない安定したプラズマが生成でき、液晶パネルディスプレイに代表されるフラットパネルディスプレイ、太陽電池、フィルム状製品の製造工程に、製膜、エッチング、アッシングまたは表面改質などの処理を行なうプラズマ処理装置を提供することができる。

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。

本発明に係るプラズマ処理装置の基本構成を示す図である。 図１に示されるプラズマ処理装置における電極の位置関係を表わす図である。 周波数ｆおよび２×ｆの電圧を印加した場合における電極間の電位差の時間に対する変化を示す図である。 周波数ｆおよび３×ｆの電圧を印加した場合における電極間の電位差の時間に対する変化を示す図である。 従来のプラズマ処理装置の基本構成を示す図である。

符号の説明

１００，５００ プラズマ処理装置、１０１ａ，１０１ｂ 電極、１０２ 固体誘電体、１０３ 電源部、１０４，１１０ プラズマ、１０９ａ，１０９ｂ 接地電極、１０５，５０５ａ，５０５ｂ 高周波発振器、１０６ 周波数逓倍器、１０７ 昇圧トランス、５１１ａ，５１１ｂ 局所的な放電。

Claims (9)

1. 固体誘電体が設置された対向電極を備え、大気圧近傍の圧力下で前記対向電極間に処理用ガスを供給しつつ、前記対向電極間に電圧を印加することによりグロー放電を生成し、前記グロー放電が生成される空間に被処理基材を導入することにより前記被処理基材をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
   接地された電極であって、前記対向電極の各々の電極と電場を形成するように配置された一対の電極を備え、前記一対の電極の各々と前記対向電極の各々との間隔は、前記対向電極の各々と前記被処理基材の表面との距離を下回り、
   前記対向電極の一方に、予め定められた周波数を有する第１の交流電圧を印加する第１の印加手段と、
   前記対向電極の他方に、前記周波数の整数倍の周波数を有する第２の交流電圧を印加する第２の印加手段とを備え、前記第２の交流電圧の位相は、前記第１の交流電圧の位相の整数倍である、プラズマ処理装置。
2. 電源をさらに備え、
   前記第１の印加手段は、前記電源により供給される電力に基づいて前記第１の交流電圧を印加し、
   前記第２の印加手段は、前記電力に基づいて前記第２の交流電圧を印加する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第２の印加手段は、前記予め定められた周波数の２倍および３倍のいずれかの周波数を有する前記第２の交流電圧を印加する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第２の印加手段は、前記予め定められた周波数の２倍の周波数を有する前記第２の交流電圧を印加し、
   前記第２の交流電圧の位相は、前記第１の交流電圧の位相と同位相および逆位相のいずれかである、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記第２の印加手段は、前記予め定められた周波数の３倍の周波数を有する前記第２の交流電圧を印加し、
   前記第２の交流電圧の位相は、前記第１の交流電圧の位相と同位相である、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記予め定められた周波数の範囲は、１〜１００ｋＨｚである、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記対向電極の電界強度は、１〜１００ｋＶ／ｃｍである、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記対向電極と前記被処理基材の表面との距離を計測する計測手段と、
   前記計測された距離に基づいて、前記対向電極と前記一対の電極との距離を調整するための調整手段とをさらに備える、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記第２の印加手段は、前記第２の交流電圧の印加のために入力される信号の位相に応じて、前記第２の交流電圧を印加する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。

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