JP2007243089A - プラズマ処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理運転の一時停止後、運転工程を短時間で再開可能にする。
【解決手段】プラズマ処理装置１の運転工程では、電圧印加回路３０によって連続波又は間欠波からなる処理電圧を一対の電極１１，１２間に印加して放電を形成するとともに、処理ガスを電極間に導入して被処理物Ｗに接触させ、被処理物Ｗのプラズマ処理を行なう。この運転工程が一時停止された場合、再開されるまでの一時停止期間中、電極１１，１２間に前記処理電圧を一定期間ｔ_１印加する動作を間欠的に行なう。
【選択図】図１

Description

この発明は、一対の電極間で生成したプラズマを被処理物に照射し、被処理物の洗浄、表面改質、エッチング、アッシング、成膜等のプラズマ処理を行なう方法および装置に関する。

一対の電極間に電圧を印加することにより放電を形成するとともに、処理ガスを電極間に導入してプラズマ化し、被処理物にプラズマガスを接触させて洗浄その他のプラズマ処理を行なうプラズマ処理技術は、公知である。
例えば、特許文献１には、電圧印加工程の前工程又は後工程として電極間に乾燥ガスを流し、電極を乾燥させることが記載されている。これによって、プラズマ放電の開始時、ただちに安定した放電状態を得ることができる。
特許文献２には、放電状態が安定するまで予備放電を行い、その後にプラズマを被処理体に接触させることが記載されている。
特開２００５−１０８７０９号公報 特開２００２−１５５３７０号公報

プラズマ処理においては、運転を途中で一時的に停止する場合がある。しかし、一時停止の期間が長過ぎると、例えばカーボン、ミスト、パーティクルなどの不純物を電極間に吸着したり、電極が冷め、表面の固体誘電体層が吸湿したりすることにより、再開時のプラズマ放電が不安定になる。そのため、プラズマ状態が安定するまで例えば２０〜３０分程度待った後でないと被処理物の処理を行なうことができないという問題があった。

上記問題点を解決するため、本発明に係るプラズマ処理方法は、
一対の電極間に連続波又は間欠波からなる処理電圧を印加して放電を形成するとともに、処理ガスを前記電極間に導入して被処理物に接触させ、被処理物のプラズマ処理を行なう運転工程と、
前記運転工程が一時停止された場合、再開されるまでの一時停止期間中、前記電極間に前記処理電圧を一定期間印加する電圧印加動作を間欠的に行なう運転再開準備工程と、
を含むことを特徴とする。
これによって、一時停止期間中に巻き込んだ不純物を除去することができ、電極が冷めて来たとしても温めなおしておくことができ、一時停止が解除されたとき、短時間でプラズマ安定状態にすることができ、運転工程を短時間で再開することができる。

前記運転再開準備工程が、前記運転工程の一時停止の開始から所定時間経過後に運転工程が再開されないとき、実行されることが好ましい。
前記運転再開準備工程において、少なくとも前記処理電圧の印加動作を行なう一定期間中、前記電極間への処理ガス導入を行なうことが好ましい。
電圧印加動作の開始前に電極間への処理ガス導入をしばらく行ない、処理ガス流を安定化させておくのが好ましい。

また、本発明は、処理ガスを放電空間に導入して被処理物に接触させ、被処理物のプラズマ処理運転を行なう装置であって、
処理ガスの導入されるガス導入空間を形成する一対の電極と、
前記一対の電極間に、前記ガス導入空間を前記放電空間にするための連続波又は間欠波からなる処理電圧を印加する電圧印加回路と、
前記プラズマ処理運転の一時停止と再開の指示のための入力部と、
を備え、
前記入力部から一時停止の入力があったとき、再開の指示がなされるまで、前記電圧印加回路が、前記電極間に前記処理電圧を一定期間印加する動作を間欠的に行なうことを特徴とする。
これによって、一時停止期間中に電極が冷めて来たとしても温めなおすことができ、再開の指示（一時停止解除）がなされたとき、短時間で放電状態を安定させプラズマ安定状態にすることができ、運転工程を短時間で再開することができる。
前記一対の電極の少なくとも一方の対向面には固体誘電体層が設けられているのが好ましい。

本発明は、大気圧近傍下でプラズマを生成し表面処理するのに好適である。大気圧近傍（略常圧）とは、１．０１３×１０⁴〜５０．６６３×１０⁴Ｐａの範囲を言い、圧力調整の容易化や装置構成の簡便化を考慮すると、１．３３３×１０⁴〜１０．６６４×１０⁴Ｐａ（１００〜８００Ｔｏｒｒ）が好ましく、９．３３１×１０⁴〜１０．３９７×１０⁴Ｐａ（７００〜７８０Ｔｏｒｒ）がより好ましい。

本発明によれば、一時停止期間中に電極への処理電圧印加を間欠的に行なうことによって、一時停止が解除されたとき、短時間でプラズマ安定状態にすることができ、運転工程を短時間で再開することができる。

以下、本発明の第１実施形態を説明する。
図１は、大気圧プラズマ処理装置１を示したものである。装置１は、処理部１０と、ガス導入系２０と、電圧印加回路３０と、ローラコンベア４０（搬送手段）とを備えている。
ローラコンベア４０は、処理物を載せて一方向（図１の矢印方向）へ搬送するようになっている。被処理物Ｗは、例えば半導体基板や液晶等のフラットパネル用ガラスが用いられる。搬送手段は、ローラコンベア４０に代えてベルトコンベアで構成されていてもよく、被処理物Ｗをセットするステージとこのステージを移動させる駆動部とで構成されていてもよい。ステージが固定され、これに対し処理部１０が移動するようになっていてもよい。

ローラコンベア４０の上方に処理部１０が配置されている。ローラコンベア４０にて送られてきた被処理物Ｗは、処理部１０の下方に通されるようになっている。処理部１０には一対の電極１１，１２が設けられている。一対の電極１１，１２は、互いに対向し、間に略大気圧の電極間空間１３が形成されている。電極間空間１３の下端部に吹出し口１４が連なっている。これら電極１１，１２の対向面及び上下面にはアルミナの溶射膜やセラミック等からなる固体誘電体層１５が設けられている。なお、固体誘電体層１５は、電極１１，１２のうち少なくとも一方の対向面に設けられていればよい。

一方の電極１１に電圧印加回路３０が接続され、他方の電極１２は電気的に接地されている。詳細な図示は省略するが、電圧印加回路３０は、インバータやトランス等を含み、電極１１に処理電圧を出力するようになっている。処理電圧は、パルス等の間欠波であってもよく、正弦波等の連続波であってもよい。この処理電圧が電極１１，１２間に印加されることによって、電極１１，１２間に大気圧グロー放電が形成され、電極間空間１３が大気圧グロー放電空間となるようになっている。

ガス導入系２０は、処理ガス源２１と、この処理ガス源２１から延びる供給路２２と、この供給路２２に設けられた流量制御弁やマスフローコントローラ等の流量制御手段２３を有している。処理ガス源２１には、処理ガスとして処理目的に対応するガス種が蓄えられている。流量制御手段２３によって処理ガスの流量が調節されたり、処理ガス供給が開始・停止されたりするようになっている。供給路２２は、電極間空間１３の上端部に接続されている。これによって、電極間空間１３がガス導入空間となるようになっている。この空間１３に導入された処理ガスは、下端部の吹出し口１４から吹き出されるようになっている。そして、ローラコンベア４０にて搬送される被処理物Ｗが処理部１０の下側に位置するようになったとき、吹出し口１４からの処理ガスが被処理物Ｗに吹き付けられるようになっている。

装置１には制御部５０が設けられている。制御部５０は、流量制御手段２３、電圧印加回路３０、ローラコンベア４０等の動作を制御するようになっている。
制御部５０には、操作パネル６０（入力部）が付設されている。操作パネル６０には、主スイッチ６１や一時停止スイッチ６２等が設けられている。

上記構成の大気圧プラズマ処理装置１の動作を、図２のタイムチャートにしたがって説明する。
立ち上げ工程
作業者が主スイッチ６１をオンすると、制御部５０からローラコンベア４０等に運転立ち上げ指令が出される。これに応じてコンベア４０では自己診断等の立ち上げ動作を行ない、完了すると、立ち上げ動作済み（運転準備完了）の信号を制御部５０に返す。

制御部５０は、このコンベア４０からの信号を受け、流量制御手段２３を操作し、処理ガス源２１から電極間空間１３への処理ガス供給を開始させる。制御部５０は、内蔵のクロックを用いて処理ガス供給の開始時からガス安定化期間をカウントする。ガス安定化期間は、処理ガスの供給状態が安定化するのに要する時間として設定されたものであり、例えば約１分〜３分である。このガス安定化期間内に処理ガス源２１から電極間空間１３への処理ガス供給状態（成分比、流量等）を安定化させることができる。

ガス安定化期間が満了した時、制御部５０は、処理ガス源２１からの処理ガス供給を継続させつつ、電圧印加回路３０から電極１１への処理電圧の印加を開始させる。これにより、電極間空間１３にグロー放電が形成され、プラズマが生成される。制御部５０は、処理部１０からのプラズマ生成信号を受け、内蔵のクロックを用いてプラズマ安定化期間をカウントする。プラズマ安定化期間は、電極間空間１３のプラズマが安定するのに要する時間として設定されたものであり、装置１の立ち上げ時においては例えば１０分〜３０分である。このプラズマ安定化期間内に電極間空間１３でのプラズマ状態を安定化させることができる。

運転工程
プラズマ安定化期間が満了したとき、プラズマ処理の運転工程の実行が開始される。すなわち、制御部５０が、運転実行信号をコンベアへ送り、これを受けたコンベアが被処理物Ｗの搬送動作を開始する。また、前記安定化工程から継続して、ガス導入系２０による電極間空間１３への処理ガス供給と、電圧印加回路３０による電極１１への処理電圧供給を実行する。これにより、電極間空間１３でグロー放電によるプラズマが生成され、処理ガスがプラズマ化される。このプラズマ化された処理ガスが、処理部１０の下方を通る被処理物Ｗに接触して反応が起きる。これによって、被処理物Ｗの洗浄や表面改質等のプラズマ処理運転が実行される。

一時停止
運転工程中に作業者が一時停止スイッチ６２をオンしたものとする。すると、この一時停止オン信号を受けた制御部５０が、電圧印加回路３０から電極１１への電圧供給を停止させる。これにより、電極間空間１３でのプラズマ生成が停止される。また、制御部５０は、処理ガス源２１から電極間空間１３への処理ガス供給量を運転工程時より低下させる。（図２のタイムチャートにおいて、処理ガス供給量の減少区間は、運転工程時より段を低くして示す。）
プラズマ照射の停止と同時に、制御部５０が内蔵のクロックを用いて再開準備待ち期間ｔ_０のカウントを開始する。

再立ち上げ・再運転工程
再開準備待ち期間ｔ_０が所定時間Ｔ_０に達する前（ｔ_０＜Ｔ_０）に、作業者によって一時停止スイッチ６２がオフされたものとする。所定時間Ｔ_０は、運転停止後、電極１１，１２が冷め、固体誘電体層１５が吸湿し出すまでの時間として設定されたものであり、例えばＴ_０＝１０分間である。制御部５０は、一時停止スイッチ６２のオフ信号を受け、再開準備待ち期間満了前の一時停止解除動作を実行する。すなわち、処理ガス源２１からの処理ガス供給量を増やし運転工程時と同じ所定量に戻す。また、再開準備待ち期間ｔ_０のタイマをリセットする。そして、ガス安定化期間として例えば１〜３分程度経った後、プラズマ安定化期間を経て運転工程を再開する。この再開準備待ち期間満了前の再開時においては、電極１１，１２が未だ温かい状態になっており、固体誘電体層１５は未だ乾燥した状態になっているので、プラズマ安定化期間は、立ち上げ時より短時間でよく、例えば１〜３分程度でよい。

運転再開準備工程
一方、再開準備待ち期間ｔ_０が上記所定時間Ｔ_０に達した時（ｔ_０＝Ｔ_０）、一時停止スイッチ６２が未だオンのままであった場合、制御部５０は、再開準備待ち期間の満了（ｔ_０≧Ｔ_０）を受けて、運転の再開準備工程を実行する。この再開準備工程では、電圧印加回路３０から電極１１への処理電圧の印加動作を間欠的に行なう。すなわち、処理電圧を印加する期間ｔ_１と印加を停止する期間ｔ_２を交互に繰り返す。

処理電圧の印加期間ｔ_１は、例えば約１〜３分間の範囲内で設定しておくとよい。この実施形態では、処理電圧の印加期間ｔ_１をプラズマ安定化期間ｔ_３より若干長くしてあるが（ｔ_１＞ｔ_３）、プラズマ安定化期間ｔ_３と同じ長さ（ｔ_１＝ｔ_３）にしてもよい。処理電圧印加期間ｔ_１は、処理電圧の印加停止期間ｔ_２より短時間であるのが好ましい（ｔ_１＜ｔ_２）。処理電圧印加停止期間ｔ_２は、上記の所定待ち時間Ｔ_０と同じ長さ（ｔ_２＝Ｔ_０）にしてもよく、所定待ち時間Ｔ_０より多少短く設定したり長く設定したりしてもよい。
このように処理電圧印加を間欠的に実行することによって、電極１１，１２が冷めかかっても温めなおすことができ、電極１１，１２の対向面の固体誘電体層１５の乾燥状態を維持することができる。また、一時停止期間中に例えばカーボン、ミスト、パーティクルなどの不純物が電極間空間１３に侵入して来たとしても、これを除去することができる。

再開準備待ちから再開準備工程に移行した時は、処理ガス源２１から電極間空間１３への処理ガス供給量を運転工程時と同じ所定量に戻し、ガス安定化期間ｔ_４を経たうえで、最初の処理電圧印加期間ｔ_１に入る。ガス安定化期間ｔ_４は、例えば約１〜３分の範囲で設定する。これによって、処理電圧の印加期間ｔ_１中は、運転工程と同じ量の処理ガス供給がなされる。処理電圧印加期間ｔ_１から印加停止期間ｔ_２に移行した時は、処理ガス供給量を運転工程時より小さくし、準備待ち期間ｔ_０における供給量と同じにする。その後、次の処理電圧印加期間ｔ_１の開始より時間ｔ_４だけ早いタイミングで処理ガス供給量を運転工程時と同じ量に戻し、ガス安定化期間ｔ_４を確保する。したがって、１サイクルにおける処理ガス供給量を運転工程時と同じにする期間は、ｔ_４＋ｔ_１である。
各期間ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、ｔ_４のカウントは、制御部５０に内蔵のクロックにて行なう。

再開準備工程の処理電圧印加停止期間ｔ_２中に作業者によって一時停止スイッチ６２がオフされ、一時停止が解除されたときは、ガス安定化期間及びプラズマ安定化期間を含む再立ち上げ工程を経て、運転工程に移行し、被処理物Ｗの搬送及びプラズマ照射を再開する。この時、電極１１，１２は、再開準備工程における数次の処理電圧印加によって十分に温められており、固体誘電体層１５は乾燥状態になっており、電極間空間１３に巻き込まれた不純物は再開準備工程の度に除去されているので、プラズマ安定化に要する時間を最初の立ち上げ時より十分短くすることができる。また、一時停止期間中に再開準備工程を実行しなかった場合と比べ、プラズマ安定化に要する時間を十分短くすることができる。例えば、一時停止期間に運転再開準備工程を実行しなかった場合、運転再開時、プラズマ安定化のために約１０〜３０分の時間が必要であるが、本実施形態では運転再開時のプラズマ安定化期間は、１〜３分程度で済む。

図３に示すように、再開準備工程の処理電圧印加のためのプラズマ安定化期間ｔ_３中に作業者によって一時停止スイッチ６２がオフされ、一時停止が解除されたときは、そのプラズマ安定化期間ｔ_３が満了した段階で、運転工程に移行することができる。すなわち、処理電圧の印加と処理ガス供給を継続して行なうとともに、プラズマ安定化期間ｔ_３の満了を待って、被処理物Ｗの搬送及びプラズマ照射を再開する。
また、図４に示すように、プラズマ安定化期間ｔ_３満了後の処理電圧印加期間ｔ_１中に作業者によって一時停止スイッチ６２がオフされ、一時停止が解除されたときは、再立ち上げ工程を経ることなく、そのまま運転工程に移行することができる。すなわち、処理電圧の印加と処理ガス供給を継続して行ないながら、被処理物Ｗの搬送及びプラズマ照射を直ちに再開することができる。（被処理物Ｗの搬送前にコンベア４０の状態確認等を要する場合もある。）
これによって、作業時間の一層の短縮を図ることができる。

図２に示すように、運転工程の実行中、作業者によって主スイッチ６１がオフされたときは、コンベア４０の動作が停止され、処理電圧の印加が停止され、処理ガスの供給が停止される。これにより、プラズマ処理運転が終了する。

この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をなすことができる。
例えば、上記実施形態では、一時停止の際の再開準備待ち期間ｔ_０には、処理ガス源２１から電極間空間１３への処理ガス供給量を運転工程時より小さくしていたが、再開準備待ち期間は、処理ガス供給を停止することにしてもよい。また、再開準備工程における処理電圧印加停止期間ｔ_２（ガス安定化期間ｔ_４を除く）は、処理ガス供給を停止することにしてもよい。
再開準備工程における処理電圧印加期間ｔ_１の処理ガス供給量を、運転工程時より小さくし、再開準備待ち期間ｔ_０及び処理電圧印加停止期間ｔ_２での供給量と同じにしてもよい。その場合、一時停止の期間中、処理ガス供給量が一定になるので、運転再開準備工程におけるガス安定化期間ｔ_４は不要である。
一時停止の全期間にわたって処理ガス供給量を運転工程時と同量に維持し続けることにしてもよい。その場合、運転再開準備工程におけるガス安定化期間ｔ_４や一時停止解除後の再立ち上げ時におけるガス安定化期間は不要である。
一時停止の全期間にわたって処理ガス供給を停止してもよく、したがって、再開準備工程の処理電圧印加期間ｔ_１中も処理ガス供給を行なわないことにしてもよい。

上記実施形態では、一時停止スイッチ６２を一度押すと装置１が一時停止され、一時停止スイッチ６２をもう一度押すと一時停止が解除されて運転が再開されるようになっているが、一時停止スイッチ６２に加えて運転再開用のスイッチを別途設け、一時停止スイッチ６２を押すと装置１が一時停止され、運転再開スイッチを押すと運転再開されるようになっていてもよい。

本発明は、洗浄、表面改質（親水化、撥水化等）、成膜、エッチング、アッシング等の種々のプラズマ表面処理に適用可能である。
図１に示す実施形態のプラズマ処理装置１は、被処理物Ｗを電極間空間１３の外部に配置し、これに向けてプラズマを吹き出す所謂リモート式のプラズマ処理装置であったが、本発明はこれに限定されず、被処理物を電極間空間の内部に配置し、電極間で生成したプラズマを被処理物に直接的に照射する所謂ダイレクト式のプラズマ処理装置にも適用可能である。
本発明は、大気圧プラズマ放電処理の他、真空化におけるプラズマ処理にも適用可能である。
本発明は、グロー放電によるプラズマ処理の他、コロナ放電や沿面放電等によるプラズマ処理にも適用可能である。

本発明は、例えば液晶テレビやプラズマテレビ等のフラットパネル用ガラスの表面処理や半導体製造における基板のプラズマ表面処理に利用可能である。

本発明の第１実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置の概略構成図である。 上記大気圧プラズマ処理装置の動作の一例を示すタイムチャートである。 上記大気圧プラズマ処理装置の動作の一例を示すタイムチャートである。 上記大気圧プラズマ処理装置の動作の一例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 大気圧プラズマ処理装置
１０ 処理部
１１，１２ 電極
１３ 電極間空間（ガス導入空間、放電空間）
１４ 吹出し口
１５ 固体誘電体層
２０ ガス導入系
２１ 処理ガス源
２２ 供給路
２３ 流量制御手段
３０ 電圧印加回路
４０ ローラコンベア（搬送手段）
５０ 制御部
６０ 操作パネル（入力部）
６１ 主スイッチ
６２ 一時停止スイッチ
Ｔ_０ 運転工程の一時停止開始からの所定時間
ｔ_１ 処理電圧の印加動作を行なう一定期間
Ｗ 被処理物

Claims (4)

1. 一対の電極間に連続波又は間欠波からなる処理電圧を印加して放電を形成するとともに、処理ガスを前記電極間に導入して被処理物に接触させ、被処理物のプラズマ処理を行なう運転工程と、
   前記運転工程が一時停止された場合、再開されるまでの一時停止期間中、前記電極間に前記処理電圧を一定期間印加する動作を間欠的に行なう運転再開準備工程と、
   を含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 前記運転再開準備工程が、前記運転工程の一時停止の開始から所定時間経過後に運転工程が再開されないとき、実行されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。
3. 前記運転再開準備工程において、少なくとも前記処理電圧の印加動作を行なう一定期間中、前記電極間への処理ガス導入を行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理方法。
4. 処理ガスを放電空間に導入して被処理物に接触させ、被処理物のプラズマ処理運転を行なう装置であって、
   処理ガスの導入されるガス導入空間を形成する一対の電極と、
   前記一対の電極間に、前記ガス導入空間を前記放電空間にするための連続波又は間欠波からなる処理電圧を印加する電圧印加回路と、
   前記プラズマ処理運転の一時停止と再開の指示のための入力部と、
   を備え、
   前記入力部から一時停止の入力があったとき、再開の指示がなされるまで、前記電圧印加回路が、前記電極間に前記処理電圧を一定期間印加する動作を間欠的に行なうことを特徴とするプラズマ処理装置。

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