JP2007109446A

JP2007109446A - プラズマ生成装置

Info

Publication number: JP2007109446A
Application number: JP2005296764A
Authority: JP
Inventors: Akira Sugiyama; 昭杉山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】従来技術では被処理物だけでなく金属電極、多孔金属電極、固体誘電体がプラズマにさらされるため、長時間使用すると反応性生物が付着したり、エッチングされたりして徐々に電極としての性能が低下する。
【解決手段】仕切り板を境にして分離された第１および第２チャンバーと、第１チャンバーにガスを供給・排気するガス供給部と、第２チャンバー内に設けられたプラズマ生成用電極とを備え、仕切り板が部分的に誘電体板から形成され、前記電極は誘電体板を介して第１チャンバー内に電界を形成して前記処理ガスによりプラズマを生成し、第１チャンバー内に設置される被処理物をプラズマ処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマの生成および制御技術を応用することで、例えば、半導体、液晶表示素子やELやPDP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ために必要な表面改質、洗浄、加工、成膜等の処理を行うプラズマ生成装置に関する。

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プラズマを利用することで、ガラス基板や半導体ウエハ等に対し改質、洗浄、加工、成膜等行ってきた。近年は低コスト競争の激化に伴って、簡易な装置構成とすることができ連続処理にも対応し易い大気圧プラズマ技術に注目が集まっており、一部のプロセスにおいては実用化が進んでいる。
このようなプラズマ生成装置の従来例としては、以下に説明するようなものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図7は従来のプラズマ発生装置の一例を示す説明図である。同図において、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。

この従来の装置では、金属電極の一面に第１の固体誘電体が設けられ、第１の固体誘電体と対向して多孔金属電極が設けられ、多孔金属電極は反応用ガスを供給可能とされ、第１の固体誘電体と多孔金属電極の間は側面が第２の固体誘電体で覆われた空間とされているプラズマ発生装置の、第２の固体誘電体で覆われた空間内に基板を設置して、基板に不活性ガスを供給すると共に、多孔金属電極を介して基板に反応用ガスを供給し、大気圧近傍の圧力下で、電極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表面に接触させるようにしている。

また、対向する電極は、少なくとも一方を対向面に第１の固体誘電体を配設した金属電極とし、少なくとも一方を反応用ガスを供給可能な多孔金属電極とするとあり、対向する２つの電極の構成としては５つの場合がある。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。
また、対向する第１の固体誘電体と多孔金属電極の配置構造としては、互いに平行平板型以外にも、同軸円筒型、円筒対平板型、双曲面対平板型等でもよいし、一方の電極の先端部が複数のパイプ状であってもよいし、複数の細線状であってもよい。

この従来の装置の特徴をまとめると次のようになる。
・基板は対向する電極間に置かれる。
・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。
・対向電極間に反応用ガスを供給する。
・反応用ガスは多孔金属電極の中を通って供給される。
・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接地される。
・グロー放電プラズマが発生するのは対向する２つの電極間である。
特許第２９５７０６８号公報

しかしながら、従来のプラズマ発生装置では、被処理物だけでなく金属電極、多孔金属電極、固体誘電体がプラズマにさらされるため、長時間使用していると反応性生物が付着したり、エッチングされたりして徐々に電極としての性能（電界を形成する性能）が低下するという問題点があった。

本発明は、仕切り板を境にして分離された第１および第２チャンバーと、第１チャンバーにガスを供給・排気するガス供給部と、第２チャンバー内に設けられたプラズマ生成用電極とを備え、仕切り板が部分的に誘電体板から形成され、前記電極は誘電体板を介して第１チャンバー内に電界を形成して前記処理ガスによりプラズマを生成し、第１チャンバー内に設置される被処理物をプラズマ処理するプラズマ生成装置を提供するものである。

第２チャンバーにガスを供給・排気するガス供給部をさらに備え、第１および第２チャンバーは、異なる組成のガスが供給されるか、異なる圧力に保持されるか、異なる組成のガスにより異なる圧力に保持されてもよい。
第１および第２チャンバーは圧力がほぼ大気圧に保持されてもよい。

また、この発明は別の観点から、仕切り板を境にして分離された第１および第２チャンバーと、第１および第２チャンバーのそれぞれに処理ガスを供給・排気するガス供給部と、第２チャンバー内に設けられたプラズマ生成用電極とを備え、仕切り板が開口部を有し、板状の被処理物がその開口部を塞ぐように第１チャンバー内に設置され、前記電極は第１および第２チャンバー内に電界を形成して前記各処理ガスによりプラズマを第１および第２チャンバー内に生成し、被処理物の表裏をプラズマ処理するプラズマ生成装置を提供するものである。

電極を被処理物に沿って搬送する電極搬送部をさらに備えてもよい。
第１チャンバーは第２チャンバーを内部に収容してなってもよい。
第２チャンバーを第1チャンバー内で搬送するチャンバー搬送部をさらに備えてもよい。
ガス供給部はプラズマが生成される空間に一様にガスを噴出するガス噴出部を備えてもよい。
電極に、サイン波形電力，パルス波形電力，サイン波形とパルス波形の混合波形電力，又はサイン波形電力とパルス波形電力との重畳電力の一つが供給されてもよい。

電極に与えられる電力が1〜100W/cm²の範囲にあることが好ましい。
誘電体板は、３以上の比誘電率を有することが好ましく、誘電体板は９以上の比誘電率を有することがさらに好ましい。

この発明によれば、電極の劣化が小さく、長期間にわたり安定したプラズマ生成を行うことができる。また被処理物の表面付近に電界を集中させることができるためプラズマによる表面反応やエッチング作用を極大化する効果も期待できる。

（実施例１）
以下、図に従い本発明の実施例について説明する。
図1はプラズマ生成装置の一例であり、装置全体を川幅方向に垂直な面で切った時の側面断面図である。処理室1は第1の空間（第1チャンバー）2と第2の空間（第2チャンバー）3から構成される。第1チャンバー2と第2チャンバー3とは仕切り板12によって分離され、仕切り板12の上に板状の被処理物18が戴置されている。図示しないガスボンベ、或いはガスタンク等の貯蔵手段から供給された各種ガスは、図示しないマスフローおよびミキサーで混合され処理ガスとなり、ガス供給管25を介してガス供給ユニット4に与えられる。ガス供給ユニット4に供給された処理ガスはガス溜4aで紙面奥行き方向に広がり、ガス溜4aより十分小さい断面積を持つスリット状、或いはシャワー状のガス噴出口4cが設けてあるプレート部材4bから狭ギャップ空間19中に噴き出す。このときガス噴出口4cは狭ギャップ空間19全体に等間隔配置されている。このようなプレート部材4bを用いることによって被処理物が大型となった場合でも狭ギャップ空間19内に処理ガスを均一に噴出することが可能となる。このプレート部材4bの材質としては樹脂材、或いは溶射や陽極酸化などにより表面に誘電体膜を形成した金属を用いることが好ましく、より好ましくはアルミナ等の誘電体を用いることである。

この時の処理ガスとしては例えば、表面改質を行う場合にはヘリウム、アルゴン、窒素の単体、或いは混合したものに酸素などを加え、またシリコンエッチングの場合にはヘリウム、アルゴン、窒素の単体、或いは混合したものにフッ素含有化合物ガスや酸素などを加えることとなる。

一方、上記とは異なる貯蔵手段（図示はなし）からマスフローおよびミキサー（図示はなし）、ガス供給管26を介して絶縁ガスがガス供給パイプ10に与えられる。ガス供給パイプ10には小さな断面積を持つスリット状、或いはシャワー状のガス噴出口10aが設けてあり、ここから被処理物の裏面近傍空間9に向かって絶縁ガスを噴き出す。噴き出した絶縁ガスは排気管20を通過し図示しない排気ポンプ、或いはブロア、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。

この時の絶縁ガスとしては絶縁破壊電圧が処理ガスより十分高いものを選ぶ必要があって、例えば、窒素、空気、ＳＦ_６などの単体、或いは混合したものが挙げられる。

高周波電源7から出力された高周波電力は電力伝送路（電圧印加側）23を経由し、電極（電圧印加側）14に印加され、誘電体16によって隔てられた電極（グランド側）15の存在によって電極ユニット6の上方空間に電界を形成する。このとき仕切り板12や板状の被処理物18が導体であると、電界が遮蔽（電磁シールド）され被処理物18の表面近傍空間13には電界が形成されない。しかしながら、仕切り板12の内、少なくとも被処理物18が載っている範囲（誘電体部12a）が誘電体となっていて、被処理物18がガラスやセラミックス等の誘電体であれば、もしその表面に金属層が形成されていても電源周波数に対するトータルの厚みが表1のような厚み以下であれば電磁シールドによる電界強度の減衰は十分に小さく、被処理物の表面近傍空間13に電界を形成することができる。

またこの場合、誘電体部12aに用いる誘電体としては、比誘電率が3以上のものが好ましく、より好ましくは9以上である。こうすることによって被処理物の表面近傍13に形成される電界強度をより強くすることが可能となる。

ガス噴出口4cから噴出された処理ガスはガスの流れG1方向に狭ギャップ空間19を移動するが、途中の被処理物の表面近傍空間13を通過する際に形成されている電界によって大気圧下でプラズマ化される。ここで大気圧とは圧力範囲が0.9気圧以上、1.1気圧以下を指すものとする。またその後処理ガスはガス排気口21部分で回収され、排気管22を通過し図示しない排気ポンプ、或いはブロア、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。この例では電極（電圧印加側）14と電極（グランド側）15は誘電体16を挟んで互いに対向させ配置してあるが、特にこの形態に限定するものではなく狭ギャップ空間19中に電界を形成できればこれ以外であってもよい。このとき被処理物の裏面近傍空間9にも同時に電界が形成されるが、この空間に充満させてある絶縁ガスのため、絶縁破壊は起こらずプラズマが生成されることはない。

この際、第１の空間（第1チャンバー）2と第２の空間（第2チャンバー）3の間に圧力差をつけることで被処理物18の裏面近傍空間9のプラズマ生成の抑制効果を高めることが可能である。これは例えば、ｉ）第２の空間3を大気圧状態、第1の空間2を0.5気圧、或いはii）第１の空間2を大気圧状態、第２の空間3を1.5気圧といった大気圧近傍での組合せの他、iii）第１の空間2を1Pa、第２の空間3を0.5Paにするといった減圧状態での組合せも可能である。またこの場合にそれぞれの空間の圧力制御はガス供給と排気速度のバランスとを調整することで行う。もしお互いの空間に圧力差をつけるだけでプラズマの生成／抑制がコントロールできる場合には必ずしも絶縁ガスを用いる必要はない。

各電極14,15内部には冷媒流路（電圧印加側）14aや冷媒流路（グランド側）15aが設けてあり、図示しない冷媒供給装置或いは冷媒供給施設から冷媒が供給され排出される。冷媒は電極を冷やす目的だけではなく電極14,15の温度を一定に保つことで安定したプラズマ処理を行いたい場合にも利用できる。

この時の電極ユニット6の構造としては、図１のように電極（電圧印加側）14と電極（グランド側）15が誘電体16により隙間なく取り囲まれていることが好ましい。こうなっていることにより誘電体16内側での放電を抑制でき、電力ロスや電極14,15、誘電体16の破損を防ぐことができる。

被処理物の表面近傍空間13においてプラズマ化された処理ガスは被処理物18の表面に作用し、表面改質、洗浄、加工、成膜等のプラズマ処理を行い、また電極ユニット6を搭載したスライダー付台座17がレール11上を電極ユニットの移動方向U1に移動することによって、被処理物18全体を処理することができる。

処理室1や、誘電体部12a以外の仕切り板12は金属や樹脂材で構成することが望ましく、また金属についてはその表面には溶射や陽極酸化などにより、誘電体膜を形成しておくことが好ましい。ガス供給ユニット4の寸法は紙面奥行き方向については被処理物より10mm以上大きくなっていることが好ましく、より好ましくは200mm以上大きくなっていることである。これより小さな場合には端部の流速と中央の流速との差が大きくプラズマ処理の均一性が低下する。この数値範囲は処理ガスの消費量を極小にしつつ所望のプロセスを実施するために、我々が鋭意研究した結果、経験的に見出したものである。

電力供給については高周波電源7の他にパルス電源を用いる方法、或いは両者を交互にスイッチングする方法や、両者を重畳する方法があるが、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必要がある。ここでいう高周波電源とは周波数が1kHz以上500MHz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100μsec以下、パルス印加時間が1msec以下であるものを指す。電極に与える電力は1〜100W/cm²の範囲であることが好ましく、これより小さいと処理能力が低く、逆に大きいとプラズマが集中して処理が不均一になったり被処理物にダメージが発生したり電極が破損したりする。

図４は電極に与える高周波電力の電圧波形の一例を示している。同図は電極（電圧印加側）14に与える電圧波形31を示している。

図５は電力がサイン波形パルスの場合の電圧波形32を示している。図６は電力が方形パルスの場合の電圧波形33を示している。上記では電圧波形が単一形態の場合を示しているがこれは一例であって、サイン波形パルスと方形パルスとの混合波形或いは重畳波形であってもよい。

上記で示した電圧波形、印加形態は本発明の適用範囲を限定するものではなく、数量、その配置などの何れもがこれ以外であっても構わないことは言うまでもない。

（実施例２）
図２はプラズマ生成装置の別例である。基本的な構造、ガスや電力の供給形態、電極ユニットの移動機構などは図1と同じである。図１の装置との違いは誘電体部12aが板状の被処理物18より一回り小さな開口部12bを有し、この開口部12bを塞ぐように被処理物18を置くことで、第１の空間（第1チャンバー）2と第2の空間（第2チャンバー）3とが仕切られ、被処理物の表面近傍空間13と被処理物の裏面近傍空間9とが形作られることである。

このようにすることで電極ユニット6を被処理物18により近付けることができ、被処理物の表面近傍空間13の電界強度を強め易くなり、少ない投入電力でプラズマを生成することができる。

またガス供給パイプ10から噴き出すガスをガス供給ユニット6と同一の処理ガスとすることで、被処理物18の裏面にもプラズマを生成し、両面を同時に処理することが可能となる。この際、ガス供給パイプから噴き出す処理ガスをガス供給ユニット6とは異なるガス組成とすることで、表面と裏面とで異なる処理を被処理物18に施すことができる。更に、裏面側に処理ガス、表面側に絶縁ガスを与え、裏面側のみを処理するといった使い方も可能である。

（実施例３）
図３はプラズマ生成装置のもう一つの例である。図１、図２の装置との違いは以下の通りである。
(a) 第２の空間（第2チャンバー）3が、第１の空間（第1チャンバー）2の中に収容されている点。
(b) スライダー付台座17に搭載されている第２の空間3全体が、レール11上を第２の空間の移動方向U2に移動する点。
(c) (b)に伴い排気管20、26の一部が、蛇腹状になり伸縮可能となっている点。
(d) 電極ユニット6が、固定されている点。
(e) 第１の空間2への処理ガス供給が、図１や図２のガス供給ユニット4より噴き出す面積の範囲が狭いガス供給ノズル34となっている点。

このような構成を有するプラズマ生成装置において、上記(e)のようなガス供給ノズル34を用いることによって、被処理物18が大型となった場合でも狭ギャップ空間19内に処理ガスを均一に噴出することが可能となるだけでなく、処理ガスの使用量を削減することができる。これは上記(a)〜(d)のようにしているため、電極ユニット6を移動させなくても被処理物18全体が処理できるようになり、これにより処理ガスも電極ユニット6の直上にだけ噴き出させればよくなったことによる効果である。
また図３の装置においても、実施例2と同様に誘電体部12aに開口部を設けて開口部を板状被処理物18で塞ぎ、その表裏面でプラズマを生成してもよいことはいうまでもない。

実施例１のプラズマ生成装置の構成を説明する側面断面図である。実施例２のプラズマ生成装置の構成を説明する側面断面図である。実施例３のプラズマ生成装置の構成を説明する側面断面図である。この発明のプラズマ生成装置に印加する電圧波形の一例である。この発明のプラズマ生成装置に印加する電圧波形の一例である。この発明のプラズマ生成装置に印加する電圧波形の一例である。従来のプラズマ発生装置の一例を示す説明図である。

符号の説明

1 処理室
2 第１の空間（第1チャンバー）
3 第２の空間（第2チャンバー）
4 ガス供給ユニット
4a ガス溜
4b プレート部材
4c ガス噴出口
5 ガス排気部
6 電極ユニット
7 高周波電源
9 被処理物の裏面近傍空間
10 ガス供給パイプ
10a ガス噴出口
11 レール
12 仕切り板
12a 誘電体部
12b 開口部
13 被処理物の表面近傍空間
14 電極（電圧印加側）
14a 冷媒流路（電圧印加側）
15 電極（グランド側）
15a 冷媒流路（グランド側）
16 誘電体
17 スライダー付台座
18 被処理物
19 狭ギャップ空間
20 排気管

Claims

仕切り板を境にして分離された第１および第２チャンバーと、第１チャンバーにガスを供給・排気するガス供給部と、第２チャンバー内に設けられたプラズマ生成用電極とを備え、仕切り板が部分的に誘電体板から形成され、前記電極は誘電体板を介して第１チャンバー内に電界を形成して前記処理ガスによりプラズマを生成し、第１チャンバー内に設置される被処理物をプラズマ処理するプラズマ生成装置。
第２チャンバーにガスを供給・排気するガス供給部をさらに備え、第１および第２チャンバーは、異なる組成のガスが供給されるか、異なる圧力に保持されるか、異なる組成のガスにより異なる圧力に保持される請求項１記載のプラズマ生成装置。
第１および第２チャンバーは圧力がほぼ大気圧に保持される請求項１記載のプラズマ生成装置。
仕切り板を境にして分離された第１および第２チャンバーと、第１および第２チャンバーのそれぞれに処理ガスを供給・排気するガス供給部と、第２チャンバー内に設けられたプラズマ生成用電極とを備え、仕切り板が開口部を有し、板状の被処理物がその開口部を塞ぐように第１チャンバー内に設置され、前記電極は第１および第２チャンバー内に電界を形成して前記各処理ガスによりプラズマを第１および第２チャンバー内に生成し、被処理物の表裏をプラズマ処理するプラズマ生成装置。
電極を被処理物に沿って搬送する電極搬送部をさらに備える請求項１又は４記載のプラズマ生成装置。
第１チャンバーは第２チャンバーを内部に収容してなる請求項１又は４記載のプラズマ生成装置。
第２チャンバーを第1チャンバー内で搬送するチャンバー搬送部をさらに備える請求項６記載のプラズマ生成装置。
ガス供給部はプラズマが生成される空間に一様にガスを噴出するガス噴出部を備える請求項１又は４記載のプラズマ生成装置。
電極に、サイン波形電力，パルス波形電力，サイン波形とパルス波形の混合波形電力，又はサイン波形電力とパルス波形電力との重畳電力の一つが供給される請求項１又は４記載のプラズマ生成装置。
電極に与えられる電力が1〜100W/cm²の範囲にある請求項１又は４記載のプラズマ生成装置。
誘電体板は、３以上の比誘電率を有する請求項１又は４記載のプラズマ生成装置。
誘電体板は９以上の比誘電率を有する請求項１又は４記載のプラズマ生成装置。