JP2008153147A - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】短時間にワークの被処理面を処理することができる簡易な構造のプラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】プラズマ処理装置１は、上端から下端まで貫通した中空部４０を有する第１の電極と２、ワーク１０を設置するワーク設置部１００と、ワーク設置部１００を介して第１の電極２の下端と対向配置された第２の電極３と、中空部４０の下端側の開口部４２２の外周側に周方向に沿って形成された処理ガス噴出部５と、第１の電極２と第２の電極３との間に電圧を印加する電源７２を備えた電源回路７と、処理ガス噴出部５にプラズマ生成のための処理ガスを供給するガス供給手段８とを備え、第１の電極２と第２の電極３との間に電圧を印加することにより、処理ガス噴出部５から噴出され、開口部４２２付近に存在する処理ガスを活性化してプラズマを生成し、該プラズマによりワーク１０の被処理面１０１をプラズマ処理するよう構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関するものである。
材料の表面を加工する際、電圧もしくは高周波を印加した電極に反応ガスを供給し、反応ガスに基づくラジカルを発生させ、該ラジカルとワークとのラジカル反応によって生成された生成物質を除去することで加工を行う、いわゆるプラズマＣｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ（以下、「プラズマＣＶＭ」と略す。）が行われている。
近年、プラズマによって励起されるラジカル等の活性種を用いた所謂エッチングプロセスにおいては、ラジカル密度を高めて加工速度を向上させることが重要となっている。
これに対応するために、高密度なラジカルを発生することができるロール電極を用いたプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１）。また、ホロカソード放電電極を用いたプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献２）。
一方で、近年の処理面積の大規模化に伴い、種々の大きさのワークに対応できる簡易な構造のプラズマ処理装置が求められている。
これに対応するために、従来のプラズマ処理装置では、電極またはワークを走査するなどして、互いの位置関係を変化させながら処理する方法が採られている。
しかしながら、前記プラズマ処理装置では、ワークの加工効率、加工速度などが不十分であり、装置自体も簡易な構造とは言えないものである。
特開２００１−１２０９８８号公報 特開２００１−３５６９２号公報 特開平１−１２５８２９号公報
本発明の目的は、短時間にワークの被処理面を処理することができる簡易な構造のプラズマ処理装置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装置は、上端から下端まで貫通した中空部を有する第１の電極と、
ワークを設置するワーク設置部と、
前記ワーク設置部を介して前記第１の電極の下端と対向配置された第２の電極と、
前記中空部の下端側開口の外周側に周方向に沿って形成された処理ガス噴出部と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電源を備えた電源回路と、
前記処理ガス噴出部にプラズマ生成のための処理ガスを供給するガス供給手段とを備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより、前記処理ガス噴出部から噴出され、前記下端側開口付近に存在する前記処理ガスを活性化してプラズマを生成し、該プラズマにより前記ワークの被処理面をプラズマ処理するよう構成されていることを特徴とする。
これにより、貫通した中空部の下端側開口の直下近傍にプラズマが集中するので、ワークの被処理面に対するプラズマ処理の効率を上げることができる。
本発明のプラズマ処理装置では、前記プラズマ噴出部から噴出された前記処理ガスは、前記下端側開口に向かう方向の流れと、前記下端側開口から離間する方向の流れとを構成することが好ましい。
これにより、下端側開口の直下近傍に処理ガスが集まり易いので、プラズマ密度が増大し、ワークの被処理面を効率よく、短時間に加工することができる。
本発明のプラズマ処理装置では、前記中空部内において、前記下端側開口から上端側に向かう方向に処理ガスの流れが形成されることが好ましい。
これにより、プラズマ処理により発生した反応生成物が中空部の上端側に流れるので、プラズマ処理の効率が低下しない。
本発明のプラズマ処理装置では、前記処理ガス噴出部は、前記下端側開口の外周側に周方向に沿って間欠的に形成されていることが好ましい。
これにより、下端側開口の直下近傍に処理ガスが効率よく流れるので、少ないガス量で下端側開口の直下近傍のガス圧力を高めることができる。
本発明のプラズマ処理装置では、前記処理ガス噴出部は、前記下端側開口の周りに全周にわたって環状に形成されていることが好ましい。
これにより、下端側開口の直下近傍に処理ガスがより多く、均一に流れるので、下端側開口の直下近傍のガス圧力がより高くなり、高密度のプラズマを発生することができる。
本発明のプラズマ処理装置では、前記処理ガス噴出部は、そこから噴出する前記処理ガスの噴出方向が前記中空部の前記上端と前記下端とを結ぶ線分の延長線に向かって傾斜するように構成されていることが好ましい。
これにより、線分の延長線に向かって処理ガスが確実に流れるので、下端側開口の直下近傍のガス圧力がより一層高くなり、高密度のプラズマを発生することができる。
本発明のプラズマ処理装置では、前記処理ガス噴出部から噴出された処理ガスを、前記第１の電極の前記中空部上端から排気するガス排気手段を備えることが好ましい。
これにより、プラズマ処理により発生した反応生成物を確実に排気することができるので、プラズマ処理の効率が低下しない。
また、電極間、若しくは電極・ワーク間において異常放電により発生するゴミ（電極材質等）についても、排気、除去することができるので、プラズマ処理の効率が低下しない。
本発明のプラズマ処理装置では、前記ガス排気手段は、前記中空部上端から排気される処理ガスの排気流量を調整する排気流量調整手段を有することが好ましい。
これにより、処理ガスを適切な排気流量に設定できるので、下端側開口の直下近傍にプラズマを維持しつつ、反応生成物を確実に排気することができる。
また、処理ガスの噴出により加工形状が乱れ易いので、排気タイミングを断続的に制御（調整）し、第１の電極下のガス圧力を調整することによって、処理形状（加工痕跡）を制御することができる。
さらに、排気タイミングを断続的に制御（調整）し、（高）プラズマ発生領域におけるラジカルの滞在時間を制御することによって、処理速度（加工レート）を制御することができる。
本発明のプラズマ処理装置では、前記排気流量調整手段は、前記中空部の上端に接続された排出管と、
前記排出管内の流路を開閉するバルブと、
前記バルブを介して前記排出管の下流側に設置されたポンプとを備えることが好ましい。
これにより、処理ガスの排気流量を確実に設定できるので、下端側開口の直下近傍にプラズマを維持しつつ、反応生成物を確実に排気することができる。
本発明のプラズマ処理装置では、前記第１の電極を冷却するための冷却手段を備えることが好ましい。
これにより、放電により発熱した第１の電極を冷却できるので、高密度なプラズマを安定性よく発生することができる。
また、第１の電極の穴径を小さくすることで、第１の電極が発熱することを抑制できるので、放電によって発生する熱のワークへの影響を抑制することができる。
本発明のプラズマ処理装置では、前記第１の電極は、少なくとも前記第２の電極と対向する面側が誘電体部で覆われていることが好ましい。
これにより、１対の電極間において、電極である金属等が露出しないため、アーク放電を防止し、電界を均一に発生させることができる。
本発明のプラズマ処理装置では、前記処理ガス噴出部は、誘電体部に形成されていることが好ましい。
これにより、第１の電極と第２の電極との間において、電極である金属等が露出しないため、電界を均一に発生させ、グローライクな放電を得ることができる。
本発明のプラズマ処理装置では、前記誘電体部は、その外径が前記第１の電極の外径よりも拡径している。
これにより、処理ガスが中空部の下端側開口に向かう方向から離間する方向に乱流することなく流れるので、処理ガスの流れを制御することができる。
本発明のプラズマ処理装置では、前記第１の電極を複数個備えることが好ましい。
これにより、ワークの被処理面に合わせた処理を施すことができる。
以下、本発明のプラズマ処理装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明のプラズマ処理装置の第１実施形態の概略構成を示す縦断面図、図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図、図３は、誘電体部の下面図である。
なお、以下の説明では、図１中の上側を「上」、下側を「下」という。
図１に示すように、プラズマ処理装置１は、上端から下端まで貫通した中空部４０を有する第１の電極２と、ワーク１０を設置するワーク設置部１００と、ワーク設置部１００を介して第１の電極２の下端と対向配置された第２の電極３と、第１の電極２を収容する誘電体部４と、中空部４０の下端側の開口部４２２の外周側に周方向に沿って形成された処理ガス噴出部５と、ガス供給手段８から供給される処理ガスを処理ガス噴出部５に導く処理ガス供給流路６と、第１の電極２と第２の電極３との間に電圧を印加する電源７２を備えた電源回路７と、処理ガス噴出部５にプラズマ生成のための処理ガスを供給するガス供給手段８と、処理ガス噴出部５から噴出された処理ガスを中空部４０上端から排気する排気手段９とを備えている。
このプラズマ処理装置１は、第１の電極２と第２の電極３間に電圧を印加することにより、処理ガス噴出部５から噴出され、下端側の開口部４２２の直下近傍に存在する処理ガスを活性化してプラズマを生成させ、該プラズマによりワーク１０の被処理面１０１を処理する装置である。
本実施形態では、プラズマによりエッチング処理またはダイシング処理する場合について説明する。
以下、プラズマ処理装置１の各部の構成について説明する。
第１の電極２は、ワーク設置部１００に設置されたワーク１０と対向して配置されている。第１の電極２は、その上端面中心部２１から下端面中心部２２を貫通する中空部４０が形成された筒状の電極（いわゆるホロカソード電極）である。
第１の電極が中空部４０を有することにより、中空部４０内で放電により発生した電子が第１の電極２の内壁へ衝突を繰り返す、いわゆる電子の閉じ込め効果が生じる。そして、その電子の一部、あるいは、その電子によって電離されたガスのイオンが電極に衝突することによってできる２次電子の一部は、下端側の開口部４２２から当該開口部４２２の直下近傍（以下、「高密度プラズマ発生領域３０１」と略す。）に飛び出す。そのため、中空部４０および高密度プラズマ発生領域３０１の電子の密度が向上する。その結果、中空部４０および高密度プラズマ発生領域３０１で電界強度が増大する。そして、処理ガスの供給により、中空部４０と高密度プラズマ発生領域３０１で高密度なプラズマが発生し、ワーク１０の被処理面１０１を効率的に処理することができる。
この中空部４０は、第１の電極２の上端面に開口する上端面開口部４０１と、第１の電極２の下端面に開口する下端面開口部４０２とを有している。そして、上端面開口部４０１は、後述するガス排気手段９と連通している。また、下端面開口部４０２は、下端側開口（以下、「開口部」と略す。）４２２と連通している。
なお、中空部４０の横断面形状は、特に限定されず、円形状、楕円形状、四角形状などが挙げられる。
第１の電極２は、上面４１１が開口し、凹部４１２を有する略円柱状の誘電体部４に収容されている（図１では第１の電極２の上端部以外の部分）。
このように、第２の電極２が誘電体部４に収容されることにより、第１の電極２と第２の電極３との間において、電極である金属等が露出しないため、第１の電極２内に電界を均一に発生させることができる。
また、インピーダンスの増大を防止することができ、比較的低電圧で所望の放電を生じさせ、プラズマを確実に発生させることができる。
さらに、電圧印加時における絶縁破壊を防止して、アーク放電が生じるのを好適に防止し、グローライクな安定した放電を得ることもできる。
この誘電体部４は、凹部４１２を有する本体４１を有し、本体４１の下面側には、外径が拡径している拡径部（フランジ部）４２が形成されている。
拡径部４２の外径が本体４１よりも拡径していることにより、ガス流の乱れを防止して、処理ガスの流れを円滑に制御することができる。
本体４１には、凹部４１２の外周側に周方向に沿って後述する処理ガス供給流路６が形成されている。
なお、本体４１の形状は、例えば、円柱状、円錐台や方形状など、特に限定されない。
拡径部４２の下面４２１には、図３に示すように、その中心部に、プラズマ処理により発生した反応生成物を第１の電極２と第２の電極３の間（以下、「プラズマ発生領域３０」という。）から排気する開口部（中空部４０の下端側開口）４２２が設けられている。
このように、拡径部４２の下面４２１に開口部４２２が設けられていることにより、プラズマ処理により発生した反応生成物を含む処理ガスをプラズマ発生領域３０から排気できるので、該反応生成物がプラズマ発生領域３０に残存することによる、処理速度の低下を防止することができる。
また、下面４２１に開口部４２２が設けられていることにより、処理ガスが開口部４２２から中空部４０の上端に流れるので、反応生成物がワーク１０の被処理面１０１に付着することを防止することができる。
また、高密度プラズマ発生領域３０１はプラズマ密度が高く、反応生成物が中心部に集まり易いので、下面４２１の中心部に開口部４２２が設けられていることにより、効率よく反応生成物を排気することができる。
拡径部４２の下面４２１には、図３に示すように、開口部４２２の外周側に周方向に沿って間欠的に処理ガス噴出部５が形成されている。そして、処理ガス噴出部５は、拡径部４２の下面４２１に開口し、ワーク１０に望むように位置している。
このように、処理ガス噴出部５が開口部４２２の外周側に周方向に沿って間欠的に形成されていることにより、プラズマ発生領域３０に処理ガスが効率よく流れるので、より少ないガス量でプラズマ発生領域３０のガス圧力を上げることができる。
また、プラズマ噴出部５から中空部４０の上端と下端とを結ぶ線分の延長線（以下、単に「線分２０」という。）に向かう方向に流れた処理ガスは、線分２０でそれぞれ衝突して線分２０から離間する方向に流れる。そのため、活性化（電離、イオン化、励起等）された処理ガスがプラズマ発生領域３０に存在する時間が長くなるため、処理レートが向上する。
なお、処理ガス噴出部５の横断面形状は、例えば、円形状、帯状など、特に限定されない。
この処理ガス噴出部は、誘電体部４の本体４１内の上下方向に延在して設けられる処理ガス供給流路６と連通している。
処理ガス供給流路６は、処理ガスを処理ガス噴出部５に導入するガス供給手段８側の導入路６１と、導入路６１から分岐して処理ガスを処理ガス噴出部５に導く分岐流路６２と、導入路６１からの処理ガスを分岐流路６２に導く円環流路６３とを備える。
円環流路６３は、誘電体部４の本体４１の中間部に円環状に形成されている。その円環流路６３には、本体４１の内部に上下方向に延在する導入路６１の一端が連通している。この導入路６１の他端は、本体４１の上面４１１に開口して、ガス供給手段８の処理ガス管８４と連通している。本実施形態では、第１の電極２を介して本体４１の対向する位置に２本の導入路６１が設けられている。
また、円環流路６３には、本体４１の内部に上下方向に延在する分岐流路６２の一端が連通している。この分岐流路６２の他端は、処理ガス噴出部５と連通している。本実施形態では、図１、２に示すように、円環流路６３から８つの分岐流路６２が等間隔で配置されている。
なお、導入路６１、分岐流路６２、円環流路６３の横断面形状は、それぞれ、例えば円形状、帯状など、特に限定されない。
処理ガス供給流路６がこのような構成となっていることにより、１本の導入路６１で処理ガスを処理ガス噴出部５に導入するよりも、導入路６１（分岐流路６２）に流れる処理ガスの流路抵抗を少なくすることができ、分岐流路６２に処理ガスを効率よく分配することができる。
前述した誘電体部４の構成材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート等の各種プラスチック、石英ガラス等の各種ガラス、無機酸化物等が挙げられる。前記無機酸化物としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２等の金属酸化物、窒化シリコンなどの窒化物、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）等の複合酸化物等の誘電体材料等が挙げられる。これらのうち、金属酸化物が好ましく、アルミナがより好ましい。このような材料を用いることにより、電界におけるアーク放電の発生をより確実に防止することができる。
第１の電極２は、その上端部が誘電体部４から露出している。そして、この第１の電極２は、電圧を印加するための電極であるため、該露出した位置で電気的接続をとるために導線７１を介して電源７２に接続されている。
第１の電極２の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、銅、アルミニウム、鉄、銀等の金属単体、ステンレス鋼、真鍮、アルミニウム合金等の各種合金、金属間化合物、各種炭素材料等が挙げられる。
なお、第１の電極２の形状は、中空部を有する形状であれば特に限定されず、例えば、円筒状、角柱状などが挙げられる。
第２の電極３は、ワーク設置部１００に設置されたワーク１０を介して第１の電極２と対向配置され、導線７１を介して直接接地されている。そして、第２の電極３はワーク設置部１００としての機能も有するため、第２の電極３の上面（ワーク設置部１００）に、ワーク１０が接触して設置されている。
第２の電極３の構成材料は、第１の電極２と同様の材料が挙げられ、特に限定されない。また、第２の電極３の形状も第１の電極２と同様の形状が挙げられ、特に限定されない。
電源回路７は、第１の電極２と第２の電極３との間に電圧を印加する高周波電源７２と、第２の電極３と高周波電源７２と第１の電極２とを導通する導線７１とを備えている。そして、図示されていないが、供給する電力に対する整合回路（インピーダンスマッチング回路）や、高周波電源７２の周波数を変える周波数調整手段（回路）や、高周波電源７２の印加電圧の最大値（振幅）を変える電圧調整手段（回路）などが必要に応じて設置されている。これにより、ワーク１０に対するプラズマ処理の処理条件を適宜調整することができる。
第１の電極２に、導線（ケーブル）７１を介して、高周波電源（電源部）７２が接続され、また、第２の電極３に、導線７１を介して、高周波電源７２が接続されており、これにより、電源回路７が構成されている。この電源回路７は、その一部、すなわち、第２の電極３側の導線７１がアース（接地）されている。
ワーク１０にプラズマ処理を施すときは、高周波電源７２が作動して第１の電極２と第２の電極３との間に電圧が印加される。このとき、その第１の電極２の中空部４０内と第１の電極２と第２の電極３との間には、電界が発生し、ガスが供給されると、放電が生じて、プラズマが発生する。
また、高周波電源７２の周波数は、特に限定されないが、１０〜７０ＭＨｚであるのが好ましく、１０〜４０ＭＨｚであるのがより好ましい。
ガス供給手段８は、プラズマ生成のための処理ガスを処理ガス供給流路６に供給する。このガス供給手段８は、所定のガスを充填し供給するガスボンベ（ガス供給源）８１と、ガスボンベ８１から供給されるガスの流量を調整するマスフローコントローラ（流量調整手段）８２と、マスフローコントローラ８２より下流端側で、処理ガス管８４内の流路を開閉するバルブ（流路開閉手段）８３と、処理ガス供給流路６に接続された処理ガス管８４とを有している。
このようなガス供給手段８は、ガスボンベ８１から所定のガスを送り出し、マスフローコントローラ８２で流量を調節する。そして、処理ガス管８４を通って、誘電体部４の本体４１の上面４１１に開口する導入路６１から、処理ガス噴出部５に処理ガスを導入（供給）する。
このようなプラズマ処理に用いるガス（処理ガス）には、処理目的により種々のガスを用いることができる。本実施形態のようにエッチング処理やダイシング処理を目的とする場合には、例えば、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、ＣＣｌＦ３、ＳＦ６等のフッ素原子含有化合物ガスやＣｌ２、ＢＣｌ３、ＣＣｌ４等の塩素原子含有化合物ガスなどの各種ハロゲン系ガスが用いられる。
また、その他の処理目的の場合には、目的別に以下示すような処理ガスを用いることができる。
（ａ）ワーク１０の被処理面１０１を加熱することを目的とする場合、例えば、Ｎ２、Ｏ２等が用いられる。
（ｂ）ワーク１０の被処理面１０１を撥水（撥液）化することを目的とする場合、例えば、前記フッ素原子含有化合物ガスが用いられる。
（ｃ）ワーク１０の被処理面１０１を親水（親液）化することを目的とする場合、例えば、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、空気等の酸素原子含有化合物、Ｎ２、ＮＨ３等の窒素原子含有化合物、ＳＯ２、ＳＯ３等の硫黄原子含有化合物が用いられる。これにより、ワーク１０の被処理面１０１にカルボニル基、水酸基、アミノ基等の親水性官能基を形成させて表面エネルギーを高くし、親水性表面を得ることができる。また、アクリル酸、メタクリル酸等の親水基を有する重合性モノマーを用いて親水性重合膜を堆積（形成）することもできる。
（ｄ）ワーク１０の被処理面１０１に電気的、光学的機能を付加することを目的とする場合、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２等の金属酸化物薄膜をワーク１０の被処理面１０１に形成するために、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｓｎ等の金属の金属−水素化合物、金属−ハロゲン化合物、金属アルコキシド（有機金属化合物）等が用いられる。
（ｅ）レジスト処理や有機物汚染の除去を目的とする場合は、例えば酸素系ガスが用いられる。
このような処理ガスは、一般に、上記処理ガスとキャリアガスとからなる混合ガス（以下、単に「ガス」とも言う）が用いられる。なお、「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言う。
この場合、ガスボンベ８１内に、混合ガス（処理ガス＋キャリアガス）を充填して用いてもよいし、処理ガスとキャリアガスとがそれぞれ別のガスボンベに充填され、処理ガス管８４の途中でこれらが所定の混合比で混合されるような構成であってもよい。
キャリアガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ等の希ガスを用いることができる。これらは、単独でも２種以上を混合した形態でも用いることができる。
混合ガス中における処理ガスの占める割合（混合比）は、処理の目的によっても若干異なり、特に限定されないが、例えば、混合ガス中の処理ガスの割合が１〜１０％であるのが好ましく、５〜１０％であるのがより好ましい。これにより、効率的に放電が開始され、処理ガスにより、所望のプラズマ処理をすることができる。
供給するガスの流量は、ガスの種類、処理の目的、処理の程度等に応じて適宜決定される。通常は、３０ＳＣＣＭ〜５０ＳＬＭ程度であるのが好ましい。これにより、効率的にプラズマ発生領域３０の圧力が上がるため、微細な加工をすることができる。
ガス排気手段９は、プラズマ発生領域３０で生成したプラズマ、反応生成物、未活性の処理ガスなどを中空部４０の上端面開口部４０１から排気し、回収する。
このガス排気手段９は、中空部４０の上端面開口部４０１から排気される処理ガスの排気流量を調整する排気流量調整手段９０と、排出管９１の下流端側に設けられたＰＦＣ除害装置やスクラバーなどの除害設備９５とを有している。
この排気流量調整手段９０は、中空部４０の上端面開口部４０１に接続された排出管９１と、排出管９１内の流路を開閉するバルブ（流路開閉手段）９２と、ポンプ９４により排出されるガスの流量を調整するマスフローコントローラ９３と、バルブ９２を介して排出管９１の下流側に設置されたポンプ９４とを有している。
このようなガス排気手段９は、バルブ９２を開くとともに、ポンプ９４を作動させ、中空部４０を一時的に減圧状態にする。次に、ガス排気手段９は、マスフローコントローラ９３を作動させ、排気流量を調整する。そして、ガス排気手段９は、反応生成物やプラズマを含んだ処理ガスを上端面開口部４０１から排出管９１に排気し、除害設備９５から外部に排気する。
処理ガス噴出部５から噴出された処理ガスは、線分２０に向かう方向の流れと、線分２０から離間する方向の流れの２つの方向に流れる。線分２０に向かって流れた処理ガスは、線分２０付近（高密度プラズマ発生領域３０１）に到達し、処理ガスの圧力が増大する。このとき、ガス排気手段９のポンプ９４が作動して排出管９１内が一時的に減圧状態となっているので、高密度プラズマ発生領域３０１と排出管９１との圧力差により、処理ガスが高密度プラズマ発生領域３０１から開口部４２２へと流れる。そして、中空部４０の下端面開口部４０２から中空部４０の上端面開口部４０１に向かう処理ガスの流れが形成される。その結果、処理ガスが上端面開口部４０１から排出管９１に排気される。
このようにプラズマ処理装置１がガス排気手段９を備えていることにより、ガス排気手段９が排気流量を促進できるので、プラズマ処理により発生した反応生成物を確実に排気できる。
また、ガス排気手段９は、処理ガスの排気流量を調整できるので、高密度のプラズマを高密度プラズマ発生領域３０１に留めておくことができる。その結果、処理レートを低下することなく、短時間にワーク１０の被処理面１０１を処理することができる。
また、開口部４２２から中空部４０の上端面開口部４０１に向かう処理ガスの流れが確実に形成されるので、効率よく新しい処理ガスを高密度プラズマ発生領域３０１に供給することができる。
さらに、処理ガスが中空部４０の下端側から上端側へと流れるので、ガス排気手段９は、第１の電極２の放電により生じた第１の電極２由来の異物（電極材質等のゴミ）、プラズマ発生領域３０において異常放電により生じた異物も排気することができる。その結果、該異物による被処理面１０１の汚染を防止することができるとともに、プラズマ処理効率の低下を防止できる。
また、プラズマ噴出部５からの処理ガスの噴出により加工形状が乱れ易いので、排気タイミングを断続的に制御（調整）し、第１の電極２下のガス圧力を調整することによって、処理形状（加工痕跡）を制御することができる。
さらに、排気タイミングを断続的に制御（調整）し、プラズマ発生領域３０（３０１）におけるラジカルの滞在時間を制御することによって、処理速度を制御することができる。
なお、ガス排気手段９がない場合でも、後述する第４実施形態のように、高密度プラズマ発生領域３０１の圧力が高まるので、大気との圧力差により、開口部４２２から中空部４０の上端面開口部４０１に向かう処理ガスの自然な流れが形成される。
ワーク１０としては、特に限定されないが、本実施形態では、例えば、電子デバイスの基板として用いられるものが挙げられる。具体的な材料としては、例えば、石英ガラス、無アルカリガラス、水晶等の各種ガラス、アルミナ、シリカ、チタニア等の各種セラミックス、シリコン、ガリウム−ヒ素等の各種半導体材料、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、液晶ポリマー、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等各種プラスチック（樹脂材料）のような誘電体材料で構成されたものが挙げられる。これらのうち、特に、水晶や石英などの各種ガラスや各種半導体材料に好ましく用いられる。
ワーク１０の形状としては、板状のもの、長尺な層状のものなどが挙げられる。
［２］処理装置の動作方法
次に、処理装置１の作用（動作）を説明する。
ワーク１０を第２の電極３の中央（ワーク設置部１００）に設置する。電源回路７を作動させるとともに、バルブ８３を開く。そして、マスフローコントローラ８２によりガスの流量を調整し、ガスボンベ８１からガスを送り出す。これにより、ガスボンベ８１から送り出されたガスは、処理ガス管８４内を流れ、導入路６１に導入される。導入路６１に導入された処理ガスは、下方へと流れ、本体４１の中間部の円環流路６３を流れる。そして、円環流路６３を流れる処理ガスは、下方へと分岐流路６２を流れ、処理ガス噴出部５から噴出される。
処理ガス噴出部５から噴出された処理ガスは、噴出直後は真下に向かって噴出されるが、処理ガス噴出部５の真下のワーク１０にあたって、一部は線分２０に向かう方向（高密度プラズマ発生領域３０１方向）へ、一部は線分２０から離間する方向（外周方向）へ分流される。そして、処理ガスが高密度プラズマ発生領域３０１に集まり、ガス圧力が増大する。
一方、電源回路７の作動により、第１の電極２と第２の電極３との間に高周波電圧が印加され、プラズマ発生領域３０および中空部４０に電界が発生する。
このとき、中空部４０で発生した電子は、中空部４０の内壁に繰り返し衝突し、電離効率が促進される。そして、その電子の一部、あるいは、その電子によって電離されたガスのイオンが電極に衝突することによってできる２次電子の一部は、開口部４２２から高密度プラズマ発生領域３０１に飛び出す。その結果、中空部４０および高密度プラズマ発生領域３０１において、電界強度が大きくなる。
なお、高密度プラズマ発生領域３０１の外周に向かうほど、処理ガスの密度が小さくなるので、グロー放電状態となっている。
プラズマ発生領域３０に流入した処理ガスは、放電によって活性化され、プラズマが発生する。
そして、発生したプラズマ（活性化されたガス）が、ワーク１０の被処理面１０１に接触し、その被処理面１０１に加工（エッチングやダイシング等）が施される。
高密度プラズマ発生領域３０１では、ガス圧力が増大しているので、高密度プラズマ発生領域３０１と排出管９１との圧力差によって、未反応の処理ガス、プラズマやプラズマ処理により発生した反応生成物を含む処理ガスが開口部４２２に向けて流れる。開口部４２２に向かって流れたそれらの処理ガスは、開口部４２２から下端面開口部４０２へと流れる。そして、処理ガスは、下端面開口部４０２から中空部４０を通過して上端面開口部４０１へと流れる。
このとき、ポンプ９４を作動させるとともに、バルブ９２を開く。そして、マスフローコントローラ９３によりガスの排気流量を調整する。これにより、処理ガスが吸引され、処理ガスが上端面開口部４０１に接続された排出管９１を流れて除害設備９５から外部に排気される。また、反応生成物は、除害設備９５から外部に排気されるか除害設備９５に回収される。
このようなプラズマ処理装置１では、第２の電極３に設置されたワーク１０に対して、移動手段（図示しない）によって第１の電極２をｘ軸方向、ｙ軸方向に移動しながら、ワーク１０上の所望の位置をプラズマ処理する。
例えば、プラズマを発生させた状態で、被処理面１０１のｙ軸プラス方向に第１の電極２を走査した後、所定のピッチ分（例えば、第１の電極２の外径分だけ）ｘ軸方向に移動し、ｙ軸マイナス方向に走査する。このような走査（移動）を順次繰り返し、ワーク１０の被処理面１０１の全面を処理してもよい。
また、上記の第１の電極２の走査方法において、所定のピッチ分ｘ軸方向に移動させる際、１度プラズマの発生を停止し、所定のピッチ分ｘ軸方向に移動した後、再度プラズマを発生させて加工を行ってもよい。
以上のような動作により、ワーク１０の大きさによらず、ワーク１０の被処理面１０１を効率よく処理することができる。
なお、第１の電極２を移動する代わりに、ワーク１０が設置された第２の電極３（ワーク設置部１００）またはワーク１０を、前記した第１の電極２の移動と同様に移動させてもよい。
以上説明した処理装置１は、水晶振動子加工、センサー基板の穴あけ，溝加工電極形成（太陽電池、フィルタ、積層基板）、プリント基板のスミヤ処理ＨＤＤ部材のパターン加工などの電子部品の分野、ＩＣ樹脂モールドパッケージのバリ取り、デバイスウェハの穴あけ、溝加工セラミックスウェハなどの半導体関連分野、導電膜剥離隔壁形成などのＦＰＤ関連分野、その他、酸化絶縁膜の加工、除去、ガラス（石英）などの無歪加工、水晶加工などに適用することができる。また、ＭＥＭＳ等への応用も可能である。また、フォトレズストマスクを用いれば、微細なパターニングも可能である。
＜第２実施形態＞
図４は、本発明のプラズマ処理装置の第２実施形態の概略構成を示す、誘電体部の下面図である。
以下、第２実施形態のプラズマ処理装置について、前述した第１実施形態との違いを中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。
本実施形態のプラズマ処理装置１は、処理ガス噴出部５が、開口部４２２の外周側に周方向に全周にわたって環状に形成されている点で第１実施形態と相違する。そのため、円環流路６３の全周がそのまま本体４１を下方へと延在し、分岐流路６２となって処理ガス噴出部５に連通している。
このように、処理ガス噴出部５が開口部４２２の外周側に周方向に全周にわたって環状に配置されていることにより、処理ガスが高密度プラズマ発生領域３０１により多く均一に流れるので、高密度プラズマ発生領域３０１のガス圧力がより高くなり、高密度のプラズマを発生することができる。
また、分岐流路６２が円環状の流路を形成しているので、第１実施形態の場合よりも分岐流路６２を流れる処理ガスの抵抗をより少なくすることができる。
＜第３実施形態＞
図５は、本発明の処理装置の第３実施形態の概略構成を示す縦断面図である。
なお、以下の説明では、図５中の上側を「上」、下側を「下」という。
以下、第３実施形態の処理装置について、前述した第１実施形態との違いを中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。
本実施形態のプラズマ処理装置１は、第１実施形態のプラズマ処理装置１と以下の点で相違する。
拡径部４２の下面４２１に形成された処理ガス噴出部（ノズル）５は、高密度プラズマ発生領域３０１に向かって傾斜している。
このように、ノズル５が高密度プラズマ発生領域３０１に向かう方向に傾斜していることにより、噴出される処理ガスが高密度プラズマ発生領域３０１に確実に流れるので、処理ガスの囲い込み効果により、処理ガスをより集中させることができる。その結果、高密度プラズマ発生領域３０１のガス圧力が高くなり、高密度のプラズマを発生することができる。
ノズル５よりも内周側の拡径部４２の下面４２１に該下面４２１を底面４２３とする凹部４２４が形成されている。
また、誘電体部４の本体４１の下端部に円環状の円環流路６３が形成されている。その円環流路６３には導入路６１の一端が連通している。導入路６１の他端は本体４１の下端部側面４１３に開口して、ガス供給手段８の処理ガス管８４と連通している。
また、円環流路６３には本体４１を上下方向に延在する分岐流路６２の一端が連通している。分岐流路６２の他端は高密度プラズマ発生領域３０１に向かって傾斜するノズル５と連通している。そして、ノズル５は、凹部４２４の側面に開口している。本実施形態では８つのノズル５が凹部４２４の側面に間欠的に形成されている。
なお、ノズル５は、開口部４２２の周りに全周にわたって環状に形成されていてもよい。この場合、ノズル５は円錐台状に形成されている。
ノズル５の線分２０に対する傾斜角度は、特に限定されないが、例えば、０．５〜４０°程度とすることができる。また、ノズル５の傾斜角度は、例えば、０（第１実施形態と同じ）〜４０°の範囲で適宜変更可能な構成（例えば、可動ノズルを用いる構成、拡径部４２を本体４１に対し着脱自在（交換可能）な構成など）としてもよい。
＜第４実施形態＞
第４実施形態のプラズマ処理装置について、前述した第３実施形態との違いを中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。
本実施形態のプラズマ処理装置１は、ガス排気手段９を備えていないこと以外は、第１実施形態と同様である。
本実施形態のプラズマ処理装置１は、ガス排気手段９を備えていないので、プラズマ処理装置１の装置構成を簡易なものとすることができる。また、プラズマ処理装置１は、ガス排気手段９を備えていないので、プラズマ処理装置１の設置スペースを低減することができる。
また、本実施形態のプラズマ処理装置１は、ガス排気手段９を備えていないため、処理ガスの排気動作が第３実施形態と相違する。
すなわち、処理ガス噴出部５から噴出された処理ガスは、線分２０に向かう方向の流れと、線分２０から離間する方向の流れの２つの方向に流れる。線分２０に向かって流れた処理ガスは、線分２０付近（高密度プラズマ発生領域３０１）に到達し、処理ガスの圧力が増大する。このとき、高密度プラズマ発生領域３０１と排出管９１との圧力差により、処理ガスが高密度プラズマ発生領域３０１から開口部４２２へと流れる。そして、中空部４０の下端面開口部４０２から中空部４０の上端面開口部４０１に向かう処理ガスの自然な流れが形成される。その結果、処理ガスが上端面開口部４０１から排気される。
なお、本実施形態のプラズマ処理装置１は、排気された処理ガスを所定の場所に排気するための排気管を設けていてもよい。
＜第５実施形態＞
図６は、本発明のプラズマ処理装置の第５実施形態の概略構成を示す縦断面図である。
以下、第５実施形態のプラズマ処理装置について、前述した第１実施形態との違いを中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。
本実施形態のプラズマ処理装置１は、冷却手段５０が設けられていること以外は第１実施形態と同様である。
この冷却手段５０は、冷媒を貯留し供給する冷媒タンク５０１と、冷媒管５０２と、冷媒管５０２に接続された冷媒ジャケット５０３と、冷媒ジャケット５０３から冷媒を排出する冷媒排出管５０４と、冷媒を回収する冷媒回収タンク５０５とを有している。
冷媒タンク５０１は、第１の電極２の冷却に使用される冷媒を貯留する。
このような冷媒は、種々の冷媒を用いることができる。典型的には水が用いられる。また、例えば、代替フロン系冷媒、アンモニアや二酸化炭素などの無機化合物系冷媒、イソブタンなどの有機化合物系冷媒などを用いてもよい。これらの冷媒は、２種以上組み合せて用いてもよい。
冷媒ジャケット５０３は、誘電体部４の本体４１内で、第１の電極２の外周面に接して設けられている。そして、冷媒ジャケット５０３は、第１の電極２を取り巻くように螺旋状に形成されている。
このように冷媒ジャケット５０３が第１の電極２の外周面に接して設けられていることにより、第１の電極２を確実に冷却することができる。
冷媒ジャケット５０３の一端側は本体４１の上面４１１に開口し、冷媒管５０２と連通している。一方、冷媒ジャケット５０３の他端側は、螺旋状の冷媒ジャケット５０３の外周側で、本体４１内を上下方向に延在する冷媒排出管５０４と連通している。
このような冷却手段５０を設けることにより、放電により発熱した第１の電極２の温度を一定に保つことができるので、プラズマを安定性よく発生することができる。その結果、一定の処理効率でワーク１０の被処理面１０１を処理することができる。
次に、冷却手段５０の動作の一例を説明する。
電源回路７を作動する前に、冷媒タンク５０１から冷媒を冷媒管５０２に送り出す。冷媒管５０２に送り出された冷媒は、所定の流量で冷媒ジャケット５０３内を流れ、冷媒排出管５０４を通って、冷媒回収タンクに回収される。回収された冷媒は、再び冷媒として使用することができる。
このとき、冷媒が冷媒ジャケット５０３を流れる間に、第１の電極２と熱交換を行って、第１の電極２を冷却する。
なお、冷媒ジャケット５０３は、前記と同様の構成で第１の電極内２に設けられていてもよい。
また、冷却手段５０は、内径を小さくした中空部４０であってもよい。中空部４０の内径を小さくすることで、第１の電極２が放電によって発熱することを抑制できるので、放電によって発生する熱がワー１０の被処理面１０１に悪影響を及ぼすことを防止、抑制することができる。
＜第６実施形態＞
図７は、本発明のプラズマ処理装置の第６実施形態の概略構成を示す縦断面図である。
なお、以下の説明では、図７中の上側を「上」、下側を「下」という。
以下、第６実施形態の処理装置について、前述した第１実施形態との違いを中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。
本実施形態のプラズマ処理装置１は、誘電体部４に収容された第１の電極２が３つ並列に繋げられ、第１の電極２同士の間の処理ガス供給流路６が互いに兼用されていること以外は第１実施形態と同様である。
本実施形態のプラズマ処理装置１は、図７に示すように、第１の電極２が、それぞれの電気的接続をとるために導線７１を介して電源７２に接続されている。
また、ガス排気手段９の排出管９１は分岐して、それぞれ上端面開口部４０１に接続している。
また、ガス供給手段の処理ガス管８４は分岐して、それぞれ導入路６１に接続している。
なお、第１の電極２は、それぞれ着脱自在に構成されていてもよい。これにより、あらゆる種類のワーク１０に対応することができる。
このように、プラズマ処理装置１が第１の電極２を複数個備えることにより、第１の電極２の数分だけプラズマ発生領域３０が形成されるので、極めて迅速にワーク１０の被処理面１０１を処理することができる。
また、第１の電極２が複数個備えられているので、あらゆる種類のワーク１０、例えば、大面積のワーク１０にも対応することができる。
以上、本発明のプラズマ処理装置について、図示の各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。プラズマ処理装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
また、本発明のプラズマ処理装置は、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。例えば、第１実施形態と第４実施形態との構成を組み合わせたもの、第３実施形態と第５実施形態との構成を組み合わせたもの、第４実施形態と第６実施形態との構成を組み合わせたもの等であってもよい。
また、第２の電極を移動する移動手段は、特に限定されず、例えば、各種移動機構が挙げられる。
高周波電源は、同電位であれば直流であってもよい。
本発明のプラズマ処理装置の第１実施形態の概略構成を示す縦断面図である。 図１中のＡ−Ａ線断面図である。 図１中の誘電体部の下面図である。 本発明のプラズマ処理装置の第２実施形態を示す誘電体部の下面図である。 本発明のプラズマ処理装置の第３実施形態の概略構成を示す縦断面図である。 本発明のプラズマ処理装置の第５実施形態の概略構成を示す縦断面図である。 本発明のプラズマ処理装置の第６実施形態の概略構成を示す縦断面図である。
符号の説明
１……プラズマ処理装置 ２……第１の電極 ２１……上端面中心部 ２２……下端面中心部 ３……第２の電極 ４……誘電体部 ４１……本体 ４１１……上面 ４１２……凹部 ４１３……下端部側面 ４２……拡径部 ４２１……下面 ４２２……開口部 ４２３……底面 ４２４……凹部 ５……処理ガス噴出部 ６……処理ガス供給流路 ６１……導入路 ６２……分岐流路 ６３……円環流路 ７……電源回路 ７１……導線 ７２……電源 ８……ガス供給手段 ８１……ガスボンベ ８２……マスフローコントローラ ８３……バルブ ８４……処理ガス管 ９……ガス排気手段 ９１……排出管 ９２……バルブ ９３……マスフローコントローラ ９４……ポンプ ９５……除害設備 １０……ワーク １０１……被処理面 ２０……線分 ３０……プラズマ発生領域 ３０１……高密度プラズマ発生領域 ４０……中空部 ４０１……上端面開口部 ４０２……下端面開口部 ５０……冷却手段 ５０１……冷媒タンク ５０２……冷媒管 ５０３……冷媒ジャケット ５０４……冷媒排出管 ５０５……冷媒回収タンク ９０……排気流量調整手段 １００……ワーク設置部

Claims (14)

  1. 上端から下端まで貫通した中空部を有する第１の電極と、
    ワークを設置するワーク設置部と、
    前記ワーク設置部を介して前記第１の電極の下端と対向配置された第２の電極と、
    前記中空部の下端側開口の外周側に周方向に沿って形成された処理ガス噴出部と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電源を備えた電源回路と、
    前記処理ガス噴出部にプラズマ生成のための処理ガスを供給するガス供給手段とを備え、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより、前記処理ガス噴出部から噴出され、前記下端側開口付近に存在する前記処理ガスを活性化してプラズマを生成し、該プラズマにより前記ワークの被処理面をプラズマ処理するよう構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記プラズマ噴出部から噴出された前記処理ガスは、前記下端側開口に向かう方向の流れと、前記下端側開口から離間する方向の流れとを構成する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記中空部内において、前記下端側開口から上端側に向かう方向に処理ガスの流れが形成される請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記処理ガス噴出部は、前記下端側開口の外周側に周方向に沿って間欠的に形成されている請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記処理ガス噴出部は、前記下端側開口の周りに全周にわたって環状に形成されている請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記処理ガス噴出部は、そこから噴出する前記処理ガスの噴出方向が前記中空部の前記上端と前記下端とを結ぶ線分の延長線に向かって傾斜するように構成されている請求項１ないし５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記処理ガス噴出部から噴出された処理ガスを、前記第１の電極の前記中空部上端から排気するガス排気手段を備える請求項１ないし６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記ガス排気手段は、前記中空部上端から排気される処理ガスの排気流量を調整する排気流量調整手段を有する請求項７に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記排気流量調整手段は、前記中空部の上端に接続された排出管と、
    前記排出管内の流路を開閉するバルブと、
    前記バルブを介して前記排出管の下流側に設置されたポンプとを備える請求項８に記載のプラズマ処理装置。
  10. 前記第１の電極を冷却するための冷却手段を備える請求項１ないし９のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
  11. 前記第１の電極は、少なくとも前記第２の電極と対向する面側が誘電体部で覆われている請求項１ないし１０のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
  12. 前記処理ガス噴出部は、誘電体部に形成されている請求項１１に記載のプラズマ処理装置。
  13. 前記誘電体部は、その外径が前記第１の電極の外径よりも拡径している請求項１１または１２に記載のプラズマ処理装置。
  14. 前記第１の電極を複数個備える請求項１ないし１３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
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