JP2008098059A - Atmospheric pressure plasma generating device, plasma treating method, and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被処理物の処理箇所のみの処理を簡単かつ生産性良く行うことができる大気圧プラズマ発生装置とプラズマ処理方法及び装置に関するものである。 The present invention relates to an atmospheric pressure plasma generator, a plasma processing method and an apparatus that can easily and efficiently process only a processing portion of an object to be processed.
従来、大気圧近傍(圧力では、500〜1500mmHgの範囲)で不活性ガスをプラズマ化し、発生した不活性ガスのラジカルによって反応性ガスをプラズマ化し、発生したプラズマを被処理物表面に照射して、表面のクリーニング、金属酸化物の還元、レジストの除去、表面改質、エッチング、成膜等のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置は知られている。また、従来のプラズマ処理装置においては、最初から不活性ガスと反応性ガスを所定の割合で混合して筒状の反応容器の一端に供給し、その反応容器に高周波電界を印加することで混合ガスをプラズマ化し、発生したプラズマを反応容器の他端から吹き出し、被処理物に照射して処理を行うようにしたものが通例であった。 Conventionally, an inert gas is turned into plasma near atmospheric pressure (at a pressure in the range of 500 to 1500 mmHg), a reactive gas is turned into plasma by the generated inert gas radicals, and the surface of the workpiece is irradiated with the generated plasma. Plasma processing apparatuses that perform plasma processing such as surface cleaning, metal oxide reduction, resist removal, surface modification, etching, and film formation are known. In addition, in a conventional plasma processing apparatus, an inert gas and a reactive gas are mixed at a predetermined ratio from the beginning, supplied to one end of a cylindrical reaction vessel, and mixed by applying a high-frequency electric field to the reaction vessel. Typically, gas is turned into plasma, and the generated plasma is blown out from the other end of the reaction vessel to irradiate the object to be processed.
また、大気圧プラズマを発生させて吹き出し口からプラズマジェットを吹き出すプラズマヘッドを設けるとともに、このプラズマヘッドに被処理物の特定の処理箇所を対向させるように、被処理物とプラズマヘッドを相対移動させる移動手段を設け、被処理物の特定の処理箇所にプラズマジェットを吹き付けることでプラズマ処理する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
ところが、上記特許文献1に記載されたプラズマ処理方法では、被処理物の処理箇所にプラズマジェットを照射する時だけでなく、処理箇所の間を移動する間も不活性ガスと反応性ガスの混合ガス又は少なくとも不活性ガスを供給し続けてプラズマジェットを連続的に吹き出させておく必要がある。その理由は、プラズマジェットの発生を一旦停止してしまうと、再度プラズマを点火して安定したプラズマジェットを発生させるのに時間がかかって著しく生産性が低下するためである。 However, in the plasma processing method described in Patent Document 1, mixing of an inert gas and a reactive gas is performed not only when a plasma jet is applied to a processing portion of an object to be processed but also during movement between the processing portions. It is necessary to continuously supply the gas or at least the inert gas and continuously blow out the plasma jet. The reason is that once the generation of the plasma jet is stopped, it takes time to ignite the plasma again to generate a stable plasma jet, and the productivity is significantly reduced.
また、プラズマジェットが連続的に吹き出しているため、被処理物の処理箇所に対しては安定的にプラズマジェットを照射しながら、処理箇所以外に対してはプラズマジェットが照射されないようにするのが難しいという問題がある。すなわち、処理箇所に対して安定したプラズマジェットの照射状況を得、かつ処理箇所以外には全く照射されないようにするには、プラズマヘッドと被処理物の相対移動を複雑に制御する必要があり、設備及び制御機構の構成が複雑になるという問題がある。 In addition, since the plasma jet is continuously blown out, it is possible to stably irradiate the processing portion of the object to be processed with the plasma jet and prevent the plasma jet from being irradiated to other than the processing portion. There is a problem that it is difficult. That is, in order to obtain a stable plasma jet irradiation state for the processing location and not to be irradiated at all other than the processing location, it is necessary to control the relative movement of the plasma head and the object to be processed in a complicated manner. There exists a problem that the structure of an installation and a control mechanism becomes complicated.
また、上記特許文献1に記載されたプラズマヘッドの構成では、不活性ガスと反応性ガスの混合ガスに高周波電界を印加してプラズマを発生させるようにしているが、その場合不活性ガスのみをプラズマ化する場合に比して印加電力を大きくしないとプラズマが発生しないため、プラズマを発生するのに大きな入力電力が必要で、装置が大型化したり、処理効率が低下するという問題もある。 In the configuration of the plasma head described in Patent Document 1, plasma is generated by applying a high-frequency electric field to a mixed gas of an inert gas and a reactive gas. In that case, only the inert gas is used. Since the plasma is not generated unless the applied power is increased as compared with the case where the plasma is generated, a large input power is required to generate the plasma, and there is a problem that the apparatus is enlarged and the processing efficiency is lowered.
さらに、上記のように発生したプラズマ中のプラズマ化した反応性ガスの寿命は短いので、プラズマヘッドの吹き出し口から吹き出すと速やかにプラズマジェットが消失し、そのためプラズマヘッドの吹き出し口と被処理物の間の距離を短くしないと、プラズマ化した反応性ガスが有効に働かず、プラズマ処理の効率が悪くなるとともに、プラズマ処理できる距離範囲が小さく限定されてしまうため処理時の移動制御が複雑になるという問題もある。 Furthermore, since the lifetime of the plasma-ized reactive gas in the plasma generated as described above is short, the plasma jet disappears quickly when blown out from the blowout port of the plasma head. If the distance between them is not shortened, the plasmaized reactive gas will not work effectively, the efficiency of the plasma processing will deteriorate, and the distance range in which the plasma processing can be performed will be limited to a small size, so that the movement control during processing will be complicated. There is also a problem.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、被処理物の処理箇所のみに対して安定して効率的に処理でき、かつ簡単な構成及び制御にて生産性良く処理を行うことができる大気圧プラズマ発生装置とプラズマ処理方法及び装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, can stably and efficiently process only the processing portion of the object to be processed, and can perform processing with high productivity with a simple configuration and control. An object of the present invention is to provide an atmospheric pressure plasma generation apparatus, a plasma processing method, and an apparatus.
本発明の大気圧プラズマ発生装置は、反応空間内にガスを供給するとともに高周波電界を印加して大気圧プラズマを発生し、発生した大気圧プラズマを吹き出し口から吹き出すプラズマヘッドと、プラズマヘッドの吹き出し口近傍に設けられた吸引口に接続された吸引手段と、吸引口と吸引手段との間の吸引通路に配設された開閉制御手段とを備えたものである。 An atmospheric pressure plasma generator of the present invention supplies a gas into a reaction space and applies a high-frequency electric field to generate atmospheric pressure plasma, and blows out the generated atmospheric pressure plasma from an outlet, and an outlet of the plasma head. A suction unit connected to a suction port provided in the vicinity of the port, and an opening / closing control unit disposed in a suction passage between the suction port and the suction unit.
本発明者は、反応空間内にガスを供給するとともに高周波電界を印加して大気圧プラズマを発生させ、そのプラズマを被処理物に照射してプラズマ処理を行うに際して、プラズマ自体による処理の効率化とともに処理と非処理の切り替えを瞬時にかつ安定して行い、処理箇所のみのプラズマ処理を効率的に行うことを目指して鋭意研究を重ねる中で、プラズマヘッドのプラズマを吹き出している吹き出し口近傍を吸引してやると、プラズマの点火状態を維持したまま、プラズマの吹き出しが停止し、吸引を停止すると瞬時に安定したプラズマを吹き出すことを見出した。本発明は、この発見に基づいたもので、吹き出し口近傍に吸引口を設けて開閉制御手段を介して吸引手段に接続しているので、開閉制御手段を開くとプラズマの吹き出しが瞬時に停止し、閉じるとプラズマの点火状態が維持されているので瞬時に所要のプラズマが吹き出すことになり、開閉制御手段の開閉動作に伴って大気圧プラズマの吹き出しと停止を瞬時に切り替えることができる。 When the present inventors supply gas into the reaction space and apply a high-frequency electric field to generate atmospheric pressure plasma and irradiate the workpiece with the plasma to perform plasma processing, the processing efficiency by the plasma itself is improved. At the same time, the process of switching between treatment and non-treatment is performed instantaneously and stably, and while intensive research is being carried out with the aim of efficiently performing plasma treatment only at the treatment location, the vicinity of the blowout outlet where the plasma from the plasma head is blown out It has been found that when sucked, plasma blowing stops while maintaining the plasma ignition state, and when the suction is stopped, stable plasma is blown out instantly. The present invention is based on this discovery. Since the suction port is provided in the vicinity of the blowing port and connected to the suction unit via the opening / closing control unit, the plasma blowing is instantaneously stopped when the opening / closing control unit is opened. When closed, the plasma ignition state is maintained, so that the required plasma is blown out instantaneously, and the atmospheric pressure plasma blowing and stopping can be switched instantaneously in accordance with the opening / closing operation of the opening / closing control means.
また、プラズマヘッドが、反応空間内に第1の不活性ガスを供給して高周波電界を印加することで発生した一次プラズマを吹き出すプラズマ発生部と、第2の不活性ガスと反応性ガスの混合ガス領域に一次プラズマを衝突させることで発生した二次プラズマを吹き出し口から吹き出すプラズマ展開部とを有し、吸引口をプラズマ展開部の吹き出し口の近傍に開口したものであると、第1の不活性ガスがプラズマ化した一次プラズマを反応空間から吹き出させて第2の不活性ガスと反応性ガスの混合ガス領域に衝突させることで、一次プラズマが衝突した第2の不活性ガスが雪崩れ現象的にプラズマ化して混合ガス領域全体に展開し、プラズマ化した第2の不活性ガスのラジカルなどにて反応性ガスがプラズマ化した状態の二次プラズマが形成され、この二次プラズマを被処理物の処理箇所に吹き付けることで、処理箇所を効率的にプラズマ処理することができ、かつこの場合に吸引口をプラズマ展開部の吹き出し口の近傍に開口することで、二次プラズマによる効率的なプラズマ処理を確保しつつ上記作用効果を奏することができる。また、高周波電界は一次プラズマを発生する反応空間に印加するだけであるので小電力で済み、また入力電力が小さいので発生した二次プラズマのプラズマ温度も低く、耐熱性の低い部品が搭載又は設置された基板など、耐熱性の低い基板等のプラズマ処理も簡便に行うことが可能となるなどの効果も得られる。なお、プラズマ発生部は、コイル又はアンテナからVHF周波数帯以上の周波数の高周波電界を印加する誘導結合方式で、熱プラズマを発生するプラズマ発生部とするのが好適である。 In addition, the plasma head supplies a first inert gas into the reaction space and applies a high frequency electric field to blow out a primary plasma, and a mixture of the second inert gas and the reactive gas. A plasma expansion part that blows out secondary plasma generated by colliding primary plasma with the gas region from the blowout port, and the suction port is opened in the vicinity of the blowout port of the plasma development part, By blowing out the primary plasma in which the inert gas is turned into plasma from the reaction space and colliding with the mixed gas region of the second inert gas and the reactive gas, the second inert gas collided with the primary plasma is avalanche. Phenomenologically turns into plasma and expands to the entire mixed gas region, forming a secondary plasma in which the reactive gas is turned into plasma by radicals of the second inert gas turned into plasma By blowing this secondary plasma to the processing location of the workpiece, the processing location can be efficiently plasma-treated, and in this case, the suction port is opened near the blowout port of the plasma developing section. Thus, the above-described effects can be achieved while ensuring efficient plasma treatment with secondary plasma. In addition, high-frequency electric field is only applied to the reaction space where primary plasma is generated, so it requires only a small amount of power. Also, because the input power is low, the plasma temperature of the generated secondary plasma is low and components with low heat resistance are mounted or installed. It is also possible to obtain an effect that plasma treatment of a substrate having low heat resistance such as a processed substrate can be easily performed. The plasma generator is preferably an inductive coupling method that applies a high-frequency electric field having a frequency equal to or higher than the VHF frequency band from a coil or an antenna, and is preferably a plasma generator that generates thermal plasma.
また、本発明のプラズマ処理方法は、プラズマヘッドに設けた反応空間内にガスを供給するとともに高周波電界を印加して大気圧プラズマを発生し、発生した大気圧プラズマをプラズマヘッドの吹き出し口から吹き出し、吹き出したプラズマを被処理物の処理箇所に吹き付けて処理するプラズマ処理方法であって、プラズマヘッドと被処理物を相対移動させて処理箇所を処理するに際して、処理箇所以外の範囲ではプラズマヘッドの吹き出し口近傍位置で吸引してプラズマを維持したままプラズマの吹き出しを停止させ、処理箇所では吸引を停止してプラズマを吹き付けるものである。 In addition, the plasma processing method of the present invention supplies atmospheric gas into a reaction space provided in the plasma head and applies a high-frequency electric field to generate atmospheric pressure plasma. The generated atmospheric pressure plasma is blown out from the outlet of the plasma head. A plasma processing method for processing by blowing the blown plasma on a processing portion of the object to be processed, and processing the processing portion by moving the plasma head and the object to be processed relative to each other in the range other than the processing portion. The plasma is blown out while maintaining the plasma by sucking in the vicinity of the blow-out port, and the plasma is blown off while stopping the suction at the processing point.
この構成によると、処理箇所以外でプラズマヘッドの吹き出し口近傍位置で吸引することで、プラズマを維持したままプラズマの吹き出しを瞬時に停止させてプラズマ処理を停止でき、再度処理箇所になると、吸引を停止することでプラズマが維持されているので瞬時に安定してプラズマが吹き出し、効率的にプラズマ処理を行うことができ、被処理物の処理箇所のみに対して安定してかつ効率的にプラズマ処理することができる。また、非処理時にプラズマヘッドを被処理物から退避移動させるような移動が必要で無くなり、簡単な構成及び制御にて生産性良く、低コストにて処理箇所のみをプラズマ処理することができる。なお、非処理時にガス供給量を絞ることにより、高価なガスの消費量を少なくできる。 According to this configuration, by sucking at a position near the blowout port of the plasma head other than the processing point, the plasma blowing can be stopped instantaneously while maintaining the plasma, and the plasma processing can be stopped. Since plasma is maintained by stopping, plasma can be blown out instantaneously and stably, and plasma processing can be performed efficiently, and plasma processing can be performed stably and efficiently only on the processing location of the workpiece. can do. Further, it is not necessary to move the plasma head away from the workpiece during non-processing, and it is possible to perform plasma processing only at a processing point with a simple configuration and control with high productivity and low cost. Note that the consumption of expensive gas can be reduced by reducing the gas supply amount during non-treatment.
また、プラズマヘッドの吹き出し口から吹き出すプラズマが、プラズマヘッド内に設けた反応空間に第1の不活性ガスを供給するとともに高周波電界を印加して反応空間から一次プラズマを吹き出させ、プラズマヘッド内に第2の不活性ガスを主とし適量の反応性ガスを混合した混合ガス領域を形成してこの混合ガス領域に一次プラズマを衝突させて発生させた二次プラズマであると、二次プラズマを被処理物の処理箇所に吹き付けることで、上記のように処理箇所を効率的にプラズマ処理することができる。 Further, the plasma blown out from the outlet of the plasma head supplies the first inert gas to the reaction space provided in the plasma head and applies a high-frequency electric field to blow out the primary plasma from the reaction space. A secondary plasma generated by forming a mixed gas region mainly containing the second inert gas and mixing an appropriate amount of reactive gas and colliding the primary plasma with the mixed gas region is not covered by the secondary plasma. By spraying on the processing location of the processed product, the processing location can be efficiently plasma-treated as described above.
また、第1の不活性ガスと第2の不活性ガスは、異種のものを使用することもできるが、同種の不活性ガスであると、二次プラズマの展開が安定するとともに、ガス供給構成が簡単になるため好適である。 The first inert gas and the second inert gas may be different, but if the same kind of inert gas is used, the development of the secondary plasma is stabilized and the gas supply structure Is preferable because it becomes simple.
また、第1の不活性ガス及び第2の不活性ガスは、アルゴン、ヘリウム、キセノン、ネオン、窒素、又はこれらの1種又は複数種の混合ガスから選ばれたものであるのが好適である。 In addition, the first inert gas and the second inert gas are preferably selected from argon, helium, xenon, neon, nitrogen, or one or more mixed gases thereof. .
また、本発明のプラズマ処理装置は、反応空間内にガスを供給するとともに高周波電界を印加することで大気圧プラズマを発生し、発生した大気圧プラズマを吹き出し口から吹き出すプラズマヘッドと、ガスを供給するガス供給手段と、高周波電界を印加する高周波電源と、プラズマヘッドの吹き出し口近傍に設けられた吸引口に接続された吸引手段と、吸引口と吸引手段との間の吸引通路に配設された開閉制御手段と、被処理物とプラズマヘッドを相対移動させる移動手段と、被処理物の処理箇所にプラズマヘッドが対向位置するタイミングを認識する手段と、ガス供給手段と高周波電源と開閉制御手段と移動手段を制御する制御手段とを備え、制御手段はプラズマヘッドが被処理物の処理箇所に対向する時に開閉制御手段を閉成させ、処理不要箇所に対向する時に開成させるものである。 In addition, the plasma processing apparatus of the present invention generates atmospheric pressure plasma by supplying a gas into the reaction space and applying a high-frequency electric field, and supplies the generated atmospheric pressure plasma from the outlet and the gas. Gas supply means, a high-frequency power source for applying a high-frequency electric field, a suction means connected to a suction port provided in the vicinity of the blowout port of the plasma head, and a suction passage between the suction port and the suction unit. Open / close control means, moving means for relatively moving the object to be processed and the plasma head, means for recognizing the timing when the plasma head faces the processing location of the object to be processed, gas supply means, high frequency power supply, and opening / closing control means And a control means for controlling the moving means. The control means closes the open / close control means when the plasma head faces the processing location of the object to be processed. It is intended to open when facing the unnecessary portions.
この構成によると、プラズマヘッドを移動手段にて被処理物に対して相対移動させ、プラズマヘッドが被処理物の処理不要箇所に対向位置したときに制御手段にて開閉制御手段を開成し、処理箇所に対向位置したときに閉成することで、処理箇所でのみプラズマを吹き出してプラズマ処理が行われ、上記プラズマ処理方法を実施してその効果を発揮することができる。 According to this configuration, the plasma head is moved relative to the object to be processed by the moving means, and the opening / closing control means is opened by the control means when the plasma head is positioned opposite the processing unnecessary portion of the object to be processed. By closing the position when facing the location, the plasma treatment is performed by blowing out plasma only at the treatment location, and the plasma treatment method can be implemented to exert the effect.
また、プラズマヘッドが、プラズマ化した第1の不活性ガスから成る一次プラズマを吹き出させるプラズマ発生部と、第2の不活性ガスと反応性ガスの混合ガス領域に一次プラズマを衝突させてプラズマ化した混合ガスから成る二次プラズマを発生するプラズマ展開部とを有し、高周波電源はプラズマ発生部に高周波電界を印加し、ガス供給手段は、プラズマ発生部に第1の不活性ガスを供給する第1の不活性ガス供給手段と、混合ガス領域に第2の不活性ガスと反応性ガスを供給する混合ガス供給手段とから成ると、上記のように二次プラズマが被処理物の処理箇所に吹き付けられることで、処理箇所を効率的にプラズマ処理することができる。 In addition, the plasma head collides with the plasma generation unit that blows out the primary plasma composed of the first inert gas that has been converted into plasma, and the mixed gas region of the second inert gas and the reactive gas to generate plasma. A high-frequency electric power source that applies a high-frequency electric field to the plasma generation unit, and a gas supply means supplies a first inert gas to the plasma generation unit. When the first inert gas supply means and the mixed gas supply means for supplying the second inert gas and the reactive gas to the mixed gas region are formed, the secondary plasma is processed at the processing location of the workpiece as described above. It is possible to efficiently perform plasma processing on the processing portion.
また、混合ガス供給手段を、第2の不活性ガスと反応性ガスを予め混合した混合ガスを混合ガス領域に供給するようにすると、混合ガス領域を簡単な構成で形成できるとともに第2の不活性ガスと反応性ガスが均等に混合しているので、均一なプラズマ処理を安定して実現することができる。 Further, when the mixed gas supply means supplies a mixed gas in which the second inert gas and the reactive gas are mixed in advance to the mixed gas region, the mixed gas region can be formed with a simple configuration and the second inert gas can be formed. Since the active gas and the reactive gas are evenly mixed, uniform plasma treatment can be realized stably.
また、混合ガス供給手段を、第2の不活性ガスを混合ガス領域に供給する第2の不活性ガス供給手段と、反応性ガスを混合ガス領域に供給する反応性ガス供給手段にて構成すると、反応性ガスを任意の濃度に調整して混合することができ、所望のプラズマ処理を行うことができる。 Further, the mixed gas supply means includes a second inert gas supply means for supplying the second inert gas to the mixed gas region and a reactive gas supply means for supplying the reactive gas to the mixed gas region. The reactive gas can be adjusted to an arbitrary concentration and mixed, and a desired plasma treatment can be performed.
また、移動手段がロボット装置を備え、そのロボット装置のX、Y、Z方向に移動可能な可動ヘッドにプラズマヘッドを搭載した構成とすると、極めて高い汎用性をもってプラズマ処理を行うことができる。 Further, if the moving means includes a robot device and the plasma head is mounted on a movable head that can move in the X, Y, and Z directions of the robot device, plasma processing can be performed with extremely high versatility.
本発明の大気圧プラズマ発生装置によれば、大気圧プラズマを発生して吹き出すプラズマヘッドにおけるプラズマの吹き出し口近傍に吸引口を設けて開閉制御手段を介して吸引手段に接続したことで、開閉制御手段を開くとプラズマの点火状態は維持したままプラズマの吹き出しを瞬時に停止でき、閉じるとプラズマの点火状態が維持されているので瞬時に所要のプラズマが吹き出すことになり、開閉制御手段の開閉動作に伴って大気圧プラズマの吹き出しと停止を瞬時に切り替えることができる。 According to the atmospheric pressure plasma generator of the present invention, the opening / closing control is achieved by providing a suction port in the vicinity of the plasma outlet in the plasma head that generates and blows off the atmospheric pressure plasma and is connected to the suction unit via the opening / closing control unit. When the means is opened, the plasma blowing can be stopped instantaneously while the plasma ignition state is maintained. When the means is closed, the plasma ignition state is maintained, so that the required plasma is blown out instantaneously. Along with this, it is possible to instantaneously switch between blowing and stopping the atmospheric pressure plasma.
以下、本発明の大気圧プラズマ発生装置を用いたプラズマ処理装置の各実施形態について、図1〜図10を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of a plasma processing apparatus using the atmospheric pressure plasma generation apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS.
(第1の実施形態)
まず、本発明のプラズマ処理装置の第1の実施形態について、図1〜図8を参照して説明する。
(First embodiment)
First, a first embodiment of the plasma processing apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態の大気圧プラズマ処理装置1は、図1に示すように、3軸方向に移動及び位置決め可能な移動手段としてのロボット装置2を備えている。ロボット装置2は、水平面内で直交する2軸方向(X−Y軸方向)に移動及び位置決め可能な移動体3に垂直方向(Z軸方向)に移動及び位置決め可能に可動ヘッド4を取付けて構成され、その可動ヘッド4にプラズマヘッド10が設置されている。一方、被処理物5は、搬入・搬出部7によってプラズマヘッド10の可動範囲の下部位置に搬入・搬出されるとともに、所定位置に位置決めされて固定される。
As shown in FIG. 1, the atmospheric pressure plasma processing apparatus 1 according to the present embodiment includes a
被処理物5には、図2(a)、(b)に示すように、プラズマ処理を行うべき処理箇所6が複数箇所に分散して配されている。このような被処理物5としては、例えば図2(a)に示すように電子部品実装用のランド配設領域が処理箇所6である回路基板8の例や、図2(b)に示すように異方導電膜の貼付領域が処理箇所6である液晶パネルやプラズマディスプレイパネルなどのフラットパネルディスプレイ9の例があり、それぞれプラズマ処理にてランド表面の表面改質や貼付面のクリーニングを行うものである。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
プラズマヘッド10の構成を、図3(a)、(b)を参照して説明する。断面円形の反応空間11を形成する誘電体からなる円筒状の反応容器12の周囲にコイル状のアンテナ13を配設し、アンテナ13に高周波電源14から高周波電圧を印加して反応空間11に高周波電界を印加し、反応容器12の上端12aから第1の不活性ガス15を供給することで、反応容器12の下端12bから一次プラズマ16を吹き出すように構成されている。この反応容器12がプラズマ発生部を構成している。
The configuration of the
反応容器12の下端12b近傍の周囲に角筒形状の混合ガス容器17が配設され、その四周壁上部に混合ガス18を内部に供給する複数のガス供給口19が配設されている。混合ガス容器17は、反応容器12の下端12bより下方に延出され、反応容器12の下端12bより下方の部分に、一次プラズマ16が衝突して二次プラズマ21を発生する下端開放の混合ガス領域20が形成されている。この混合ガス容器17がプラズマ展開部を構成している。
A rectangular tube-shaped
混合ガス容器17の下端開口の近傍には吸引口22が設けられ、この吸引口22と吸引手段23を接続する吸引通路24の途中に電磁開閉弁などの開閉制御手段25が配置されている。吸引手段23としては、簡便な機構のエゼクタ吸引装置やその他各種の真空ポンプなどを適用できる。開閉制御手段25は、吸引口22での吸引作用のオン・オフの応答性を良くするため吸引口22の近傍に配設するのが好適である。開閉制御手段25を開成して吸引口22での吸引作用をオンすると、図4に示すように、一次プラズマ16の点火状態は維持しつつ、二次プラズマ21が混合ガス容器17内で極小化し、混合ガス容器17の下端から二次プラズマ21が吹き出さない状態となり、開閉制御手段25を閉成して吸引口22での吸引作用をオフすると、直ちに図3(a)に示すように二次プラズマ21が大きく展開して混合ガス容器17の下端から吹き出す。
A
アンテナ13に高周波電圧を供給する高周波電源14としては、その出力周波数帯がRF周波数帯、又はVHF周波数帯、さらにマイクロ波周波数帯のものなどを使用することができる。なお、RF周波数帯やVHF周波数帯やマイクロ波周波数帯を使用する場合には、高周波電源14とアンテナ13との間に、アンテナ13で発生する反射波を抑制する整合器(マッチング回路)を介装する必要がある。
As the high
プラズマ処理装置1の制御構成は、図5に示すように、制御部31にて記憶部32に予め記憶された動作プログラムや制御データに基づいて、プラズマヘッド10の移動手段としてのロボット装置2、高周波電源14、開閉制御手段25、及びガス供給部26からプラズマヘッド10へのガス供給を制御する流量制御部27を動作制御するように構成されている。また、制御部31による開閉制御手段25の制御は、被処理物5の処理箇所6にプラズマヘッド10が対向位置するタイミング、即ち処理箇所6に対する処理の開始と終了を認識する処理開始認識手段33と処理終了認識手段34から入力された信号に基づき、処理開始信号によって開閉制御手段25を閉成して吸引口22での吸引作用を停止することで処理箇所6に対するプラズマ処理を行い、処理終了信号によって開閉制御手段25を開成して吸引口22で吸引することで処理箇所6に対するプラズマ処理を終了するように構成されている。また、この開閉制御手段25の開閉動作に同期して流量制御部27を制御し、混合ガス容器17への混合ガス18の供給量を増減し、プラズマ処理を行わない場合のガス消費量の低減を図るようにしても良い。なお、本実施形態においては、処理開始認識手段33及び処理終了認識手段34は、記憶部32に記憶された制御データとロボット装置2からの現在位置データの比較によって認識するように構成されているが、別にプラズマヘッド10が処理箇所6の開始点と終了点に対向位置した時に認識する手段を設けても良い。
As shown in FIG. 5, the control configuration of the plasma processing apparatus 1 is based on an operation program and control data stored in the
ガス供給部26と流量制御部27は具体的には図6に示すように構成されている。すなわち、ガス供給部26は第1の不活性ガス15を供給する第1の不活性ガス源28と、第2の不活性ガスと反応性ガスの混合ガス18を供給する混合ガス源29とを備え、それぞれのガス出口には圧力調整弁28a、29aが設けられている。第1の不活性ガス15は、マスフローコントローラなどから成る第1の流量制御装置27aを介して反応容器12に供給され、混合ガス18は、マスフローコントローラなどから成る第2の流量制御装置27bを介して混合ガス容器17に供給するように構成されている。これら第1と第2の流量制御装置27a、27bが流量制御部27を構成し、それぞれ制御部31にて制御されている。
Specifically, the
なお、第1及び第2の不活性ガスは、アルゴン、ネオン、キセノン、ヘリウム、窒素から選択された単独ガス又は複数の混合ガスが適用される。また、反応性ガスは、プラズマ処理の種類に応じて、酸素、空気、CO2 、N2 Oなどの酸化性ガス、水素、アンモニアなどの還元性ガス、CF4 などのフッ素系ガスなどが適用される。なお、窒素ガスは、字義通りの不活性ガスではないが、大気圧プラズマの発生においては、本来の不活性ガスに準ずる挙動を示し、ほぼ同様に用いることができるので、本明細書においては不活性ガスに窒素ガスを含むものとする。 As the first and second inert gases, a single gas or a plurality of mixed gases selected from argon, neon, xenon, helium, and nitrogen are applied. In addition, reactive gases such as oxygen, air, oxidizing gases such as CO 2 and N 2 O, reducing gases such as hydrogen and ammonia, and fluorine-based gases such as CF 4 are applicable depending on the type of plasma treatment. Is done. Although nitrogen gas is not literally an inert gas, it exhibits a behavior similar to that of the original inert gas in the generation of atmospheric pressure plasma, and can be used in substantially the same manner. It is assumed that the active gas contains nitrogen gas.
以上の構成において、反応容器12の下端12bから一次プラズマ16を吹き出している状態で、混合ガス容器17内に混合ガス18を供給することで、混合ガス領域20内で混合ガス18に一次プラズマ16が衝突して二次プラズマ21が発生し、その二次プラズマ21が混合ガス領域20の全領域に展開するとともにさらにこの混合ガス領域20から下方に吹き出す。この二次プラズマ21を被処理物5の処理箇所6に照射することで、所望のプラズマ処理が行われる。このように二次プラズマ21が大きく展開するので、反応容器12の下端12bと被処理物5の間の間隔が大きくても、また平面方向にも反応容器12の断面積に比して大きな領域のプラズマ処理を短時間で効率的かつ確実に行うことができる。
In the above configuration, the
ここで、プラズマヘッド10の構成と供給ガスの具体例について説明すると、図3(a)において、反応容器12の内径R1=0.8mm、混合ガス容器17の内径R2=5mm、混合ガス容器17の下端と被処理物5の間の間隔L1=1mm、反応容器12の下端と混合ガス容器17の下端の間の間隔L2=4mmの装置構成とし、第1の不活性ガス15としてはアルゴンガスを用いて流量を50sccmとし、第2の不活性ガスとしてアルゴンガスやヘリウムガスを用い、反応性ガスとして酸素ガスなどを用いて、混合比を10対1として、混合ガスの流量を550sccmと設定した。そして、上記第1の不活性ガス15を反応容器12に供給して所定の高周波電界を印加し、第2の不活性ガスと反応性ガスの混合ガス18を混合ガス容器17内に供給することで二次プラズマ21を発生させ、この二次プラズマ21を被処理物5の表面に照射したところ被処理物5の表面処理を短時間で効果的に行うことができた。
Here, the configuration of the
次に、以上の構成のプラズマ処理装置1による被処理物5の処理箇所6のプラズマ処理過程について説明する。
Next, the plasma processing process of the
搬入・搬出部7にて被処理物5が搬入されて所定位置に位置決めされると、ロボット装置2が動作を開始し、プラズマヘッド10を被処理物5の最初の処理箇所6の処理開始点に向けて移動させる。また、プラズマ発生部としての反応容器12に第1の不活性ガス15を供給するとともに高周波電源14にて高周波電界を印加することで一次プラズマ16が発生し、その一次プラズマ16が混合ガス容器17に吹き出した状態とされ、次いで混合ガス容器17に混合ガス18が供給され、上記のように二次プラズマ21が発生した状態とされ、以降その状態が連続して維持される。また、処理開始点にプラズマヘッド10が近付くまでは、開閉制御手段25が開成され、吸引口22からの吸引が行われて、図4に示すように、二次プラズマ21が吹き出さない状態に維持されている。
When the
この状態で、プラズマヘッド10が処理開始点に近付くと、図7に示すように、t0 時点で、処理開始認識手段33の検知信号に基づいて開閉制御手段25が閉成され、直後のt1 時点で吸引口22からの吸引が停止され、図3(a)に示すように、二次プラズマ21が吹き出して処理個所6のプラズマ処理が開始され、その後プラズマ処理状態を維持しつつプラズマヘッド10が処理個所6上を移動することで処理個所6のプラズマ処理が行われる。次いで、t2 時点で、処理終了認識手段34の検知信号に基づいて開閉制御手段25が開成され、直後のt3 時点で二次プラズマ21の吹き出しが停止し、プラズマ処理が直ちに停止し、最初の処理箇所6のプラズマ処理が終了する。
In this state, when the
引き続いてロボット装置2の動作が継続してプラズマヘッド10が被処理物5の次の処理箇所6の処理開始点に向けて移動する。その間、一次プラズマ16が混合ガス容器17に吹き出した状態は維持され、二次ブラズマ21の点火状態は維持されていても、二次ブラズマ21は吹き出さず、プラズマ処理は全く行われない。そして、t4 時点で処理開始点に近付くと、処理開始認識手段33の検知信号に基づいて開閉制御手段25が閉成され、直後のt5 時点で上記のように二次プラズマ21が吹き出して次の処理個所6のプラズマ処理が開始される。以降、被処理物5の全ての処理箇所6のプラズマ処理が終了するまで以上の動作が繰り返される。全ての処理箇所6のプラズマ処理が終了すると、搬入・搬出部7にて被処理物5が搬出され、次の被処理物5が搬入され、 同様にプラズマ処理が行われる。
Subsequently, the operation of the
このように開閉制御手段25にて吸引口22での吸引・停止によって、応答性良くかつ的確に二次プラズマ21の吹き出しと停止の切替を行うことができるので、本実施形態によれば、図8(a)に示すように、プラズマヘッド10をA位置から、最初の処理箇所6の処理開始点Bまで下降させた後、プラズマヘッド10を処理終了点C(=D)に向けて移動させることでこの最初の処理箇所6をプラズマ処理し、引き続いてプラズマヘッド10をその高さを維持したまま次の処理箇所6の処理開始点E(=F)に向けて移動し、その位置から処理終了点G(=H)に向けて移動する間にプラズマ処理し、同じ位置Hから次の処理箇所6に向けて移動するという動作を繰り返すことで、プラズマヘッド10の高さ位置を維持したまま複数の処理箇所6のみを安定してプラズマ処理することができ、プラズマヘッド10の移動経路がストレートで、その移動制御が簡単であるため生産性良くプラズマ処理を行うことができる。
As described above, since the opening / closing control means 25 can switch the blowing and stopping of the
これに対して、従来は、図8(b)に示すように、プラズマヘッド10をA位置から、最初の処理箇所6の処理開始点Bをプラズマ処理できる高さ位置まで下降させた後、プラズマヘッド10を処理終了点Cに向けて移動させることでこの最初の処理箇所6をプラズマ処理した後、プラズマヘッド10を被処理物5に対してプラズマ処理を行うことのない高さのD位置まで上昇させ、次いでプラズマヘッド10をその高さを維持したまま次の処理箇所6の処理開始点Fの上方のE位置に向けて移動し、そのE位置からプラズマ処理が可能な高さのF位置まで下降させた後、処理終了点Gに向けて移動する間にプラズマ処理し、その後プラズマヘッド10をH位置まで上昇させ、次の処理箇所6に向けて移動するという動作を繰り返す必要があるため、プラズマヘッド10の移動経路及びその移動制御が複雑であるためプラズマ処理の生産性が良くないという問題があった。
On the other hand, conventionally, as shown in FIG. 8B, after the
なお、上記実施形態のプラズマヘッド10では、図3のように混合ガス容器17が四角筒形状のものを例示したが、円筒形状や、下方に向けて径が小さくなる倒立接頭四角錐形状や接頭円錐形状のものとしても良い。また、図3の構成例では、複数の全てのガス供給口19から混合ガス容器17内に混合ガス18を供給するようにしたが、第2の反応性ガスと反応性ガスを別々に各ガス供給口19から混合ガス容器17内に供給するようにして、混合ガス容器17内でこれらのガスが混合して混合ガス領域20を形成するようにしても良い。
In the
また、上記実施形態では、プラズマヘッド10と被処理物5を相対移動させる移動手段として、プラズマヘッド10を搭載したロボット装置2を用いた例を示したが、移動手段はこれに限定されるものではなく、例えば被処理物5を搬送する搬送手段を移動手段とし、プラズマヘッド10は固定位置とした構成とすることもできる。また、被処理物5とプラズマヘッド10をそれぞれ移動させる手段を設けても良い。
Moreover, in the said embodiment, although the example using the
(第2の実施形態)
次に、本発明のプラズマ処理装置の第2の実施形態について、図9を参照して説明する。尚、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態と同一の構成要素については同一の参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the plasma processing apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. In the following description of the embodiment, the same components as those in the preceding embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only differences will be mainly described.
上記第1の実施形態と本実施形態との相違点はプラズマヘッド10の構成にある。上記第1の実施形態のプラズマヘッド10では円筒状の反応容器12を用い、その周囲に配設したアンテナ13から反応空間11内に高周波電界を印加するようにし、反応容器12の下端12bの周囲に混合ガス容器17を配設した例を示したが、本実施形態では、図9に示すように、断面形状が長方形の角筒状の反応容器41の互いに対向する長壁に一対の電極42a、42bを配置するとともに、反応容器41を誘電体で構成し又は電極42a、42bの対向面の少なくとも一方に誘電体を配置し、かつ電極42a、42b間に高周波電源14から高周波電圧を印加して反応容器41内の反応空間11内に高周波電界を印加するように構成されている。かくして、反応容器41の上端から第1の不活性ガス15を供給するとともに、反応空間11内に高周波電界を印加することで反応容器41の下端から一次プラズマ16を吹き出す。
The difference between the first embodiment and the present embodiment is the configuration of the
また、反応容器41の下端部一側に隣接して混合ガス容器43が配設され、かつこの混合ガス容器43の上部に設けられたガス供給口44から第2の不活性ガスと反応性ガスの混合ガス18を供給するように構成されている。反応容器41及び混合ガス容器43の外側壁及び両端壁が下方に長く延出されて下端開放の混合ガス領域20が形成され、混合ガス容器43から混合ガス領域20に流出した混合ガスに一次プラズマ16が衝突して二次プラズマ21を発生して下端開口から吹き出すように構成されている。さらに、混合ガス容器43の下端近傍に吸引口22が設けられ、吸引通路24にて開閉制御手段25を介して吸引手段23に接続されている。
Further, a
本実施形態においても、開閉制御手段25が閉成している状態で、混合ガス領域20で混合ガス18に一次プラズマ16が衝突することで二次プラズマ21が発生して全領域に展開し、この混合ガス領域20の下端開口から下方に二次プラズマ21が吹き出し、この二次プラズマ21を被処理物5の処理箇所6に照射することで、所望のプラズマ処理が行われ、開閉制御手段25を開成すると、二次プラズマ21の点火状態を維持したまま、二次プラズマ21が極小化して吹き出しが停止され、プラズマ処理が停止される。
Also in the present embodiment, the
なお、図9に示した構成例では、反応容器41の一側に混合ガス容器43を配設した例を示したが、反応容器41の両側に混合ガス容器43を配設し、両側から供給された混合ガス18に対して一次プラズマ16が効果的に衝突する構成としても良く、さらに両側の混合ガス容器43の外側壁を内傾させることで、一次プラズマ16が混合ガス18にさらに効果的に衝突するようにして、さらに効率的に二次プラズマ21が発生するとともに、下端の吸引口22での吸引作用がより効果的に作用するようにしても良い。
In the configuration example shown in FIG. 9, the
(第3の実施形態)
次に、本発明のプラズマ処理装置の第3の実施形態について、図10を参照して説明する。本実施形態と上記実施形態との相違点もプラズマヘッド10の構成にある。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the plasma processing apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. The difference between the present embodiment and the above embodiment is also the configuration of the
上記第1及び第2の実施形態では反応容器12、41の下端の周囲に、混合ガス18を供給する混合ガス容器17、43を配設して二次プラズマ21を発生させて吹き出し、この二次プラズマ21でプラズマ処理するようにした例を示したが、本実施形態では、図10に示すように、プラズマヘッド10が、一次プラズマ16を吹き出す反応容器41のみにて構成されている。そして、反応容器41の下端開口の近傍に吸引口22が設けられ、吸引通路24にて開閉制御手段25を介して吸引手段23に接続されている。
In the first and second embodiments, the
この構成においても、吸引口22からの吸引を停止した状態で、吹き出した一次プラズマ16にてプラズマ処理を行うことができるとともに、吸引口22から吸引すると、反応空間11での一次プラズマ16の点火状態を維持しつつ、反応容器41の下端からの一次プラズマ16の吹き出しを停止することができる。
Even in this configuration, the plasma processing can be performed with the blown-out
本発明の大気圧プラズマ発生装置とプラズマ処理方法及び装置によれば、大気圧プラズマを発生して吹き出すプラズマヘッドにおけるプラズマの吹き出し口近傍に吸引口を設けて開閉制御手段を介して吸引手段に接続したことで、開閉制御手段の開閉動作に伴って大気圧プラズマの吹き出しと停止を瞬時に切り替えることができるので、各種基板の特定箇所のみのプラズマ処理に好適に利用することができる。 According to the atmospheric pressure plasma generator and the plasma processing method and apparatus of the present invention, a suction port is provided in the vicinity of the plasma outlet in the plasma head that generates and blows off the atmospheric pressure plasma, and is connected to the suction unit through the opening / closing control unit. As a result, the blowing and stopping of the atmospheric pressure plasma can be instantaneously switched in accordance with the opening / closing operation of the opening / closing control means, so that it can be suitably used for plasma processing only at specific locations on various substrates.
1 ブラズマ処理装置
2 ロボット装置(移動手段)
4 可動ヘッド
5 被処理物
6 処理箇所
10 プラズマヘッド
11 反応空間
12、41 反応容器(プラズマ発生部)
14 高周波電源
15 第1の不活性ガス
16 一次プラズマ
17、43 混合ガス容器(プラズマ展開部)
18 混合ガス
20 混合ガス領域
21 二次プラズマ
22 吸引口
23 吸引手段
24 吸引通路
25 開閉制御手段
26 ガス供給部
28 第1の不活性ガス源
29 混合ガス源
31 制御部
33 処理開始認識手段
34 処理終了認識手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
14 High-
18
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