JP2008181800A - プラズマプロセス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】幅の広い基板に対して一様なプラズマ処理を施すプラズマプロセス装置の提供。
【解決手段】被処理基板２０の搬送方向に直交する方向に配列された複数の細長い電極対（図上、上部電極１ａのみ示す）を備え、各電極対は電極の両端部に近づくほど大きくなるギャップを有し、複数の電極対は、それぞれが（図上、右）先端部と（図上、左）後端部を有する第１、第２および第３電極対からなり、第１電極対の（右）先端部が前記搬送方向から見て第２電極対の（左）後端部に重なり、第２電極対の（右）先端部が前記搬送方向から見て第３電極対の（左）後端部に重なるように配列される。
【選択図】図８

Description

この発明は、薄膜形成・加工、および、表面処理用のプラズマプロセス装置に関し、更に詳しくは、プラズマを発生させ、基板に対してプラズマ処理を行なうインライン型のプラズマプロセス装置に関する。

半導体、フラットパネルディスプレイ、太陽電池などのさまざまな電子デバイスの製造には、エッチング、成膜、アッシング、表面処理などのさまざまなプラズマ処理を行なうプラズマプロセス装置が用いられている。これらのデバイスのうち、特にフラットパネルディスプレイや薄膜アモルファスシリコンを用いた薄膜太陽電池などのデバイスは、デバイスの大型化と製造コスト削減のため、基板などの被処理物が２ｍ以上のサイズに大型化してきており、これに伴ってプラズマプロセス装置も大型化してきている。

プラズマプロセス装置の多くは、処理速度や処理品質などからプラズマ生成のための電源としてＲＦ帯やＶＨＦ帯の周波数の高周波電源を用いている。例えば、一辺が１ｍの基板を処理するプラズマ処理装置は、少なくとも１辺が１ｍを超える相応の面積をもった電極が必要となる。

このようなプラズマプロセス装置は、従来は減圧下でのプラズマを利用するものが通常であったが、近年は大気圧、または、大気圧近傍でプラズマ処理を行なうプラズマプロセス装置も実用化されてきている。大気圧、または、大気圧近傍でプラズマプロセス装置は、真空容器を必要とせず装置サイズを小さくできる。また、プラズマの活性種の密度が高いため、高速処理を行うことができる。

しかしながら、１辺が１ｍ程度以上の電極となると、電極構成部材間で熱膨脹係数の差や電極表裏の温度差から発生する熱膨脹量の差により長さ方向と垂直な方向で反りが発生することが問題となる。図１２と図１３に被処理基板２０に対して対向型電極１ａ、１ｂに反りが発生した場合について模式的に描いた図を示しているが、このように反り量が大きくなると、特に大気圧プラズマのような高圧プラズマを用いる場合、電極間のギャップが数ｍｍから10数ｍｍオーダーと狭いので、その電極間で一定に保たれるべきギャップが電極長さ方向で無視できない程度に変動し被処理基板２０の処理量に影響を与える場合がある。

また、高圧プラズマではアーク放電を避けるために電極を誘電体で被覆する必要があるため、電極の長さが長くなるとそれに対応した大型の誘電体被覆部材を作る必要がある。特に１方向の長さが例えば２ｍ以上になると製作可能なメーカーも限定され、納期も長くなることや、更に大きい物を作る場合には、所望の精度を有する部品を製作することや製作自体が困難となる。そこで、これらの課題を解決するために電極を分割することが考えられている。

例えば、リモート方式の大気圧プラズマ電極において、複数電極部材からなる電極列を複数列配置し、隣り合う電極部材同士の極性が互いに逆極性とする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、ダイレクト方式の大気圧プラズマ電極においてライン幅方向に斜めに複数の電極を配置する構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許第３６８６６６３号 特開２００６−１６４６８３

しかしながら、特許文献１には、大気圧プラズマのリモート方式の電極に関するものが開示されているが、ダイレクト方式の電極について分割した場合に均一な処理を実現させる方法については記載されていない。
特許文献２には、ダイレクト方式の電極において搬送方向に斜めに電極を配置し基板の撓みをキャンセルする技術において、複数電極を使用する場合の配置について開示されているが、このような構成の電極ではコンベアにライン幅程度の長さのシャフトが基板の搬送方向に平行に配列されているようなコロ搬送方式の搬送装置に設置することは実質的に不可能である。また、ダイレクト方式のプラズマ装置の電極で、長手方向の断面が図１４のような電極であると、電極の端部において電界の集中が生じ、その部分の処理量が図１５に示すように電極端部で集中的に大きくなるためライン幅方向に単純に複数の電極を並べるだけではライン幅方向で均一の処理をすることができない。
この発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、ライン幅方向（被処理物の搬送方向に直交する方向）に複数の電極を配列することにより、ライン幅方向に処理の均一性の高いプラズマプロセス装置を提供するものである。

この発明は、被処理基板の搬送方向に直交する方向に配列された複数の細長い電極対を備え、各電極対は電極の両端部に近づくほど大きくなるギャップを有することを特徴とするプラズマプロセス装置を提供するものである。

この発明のプラズマプロセス装置によれば、被処理基板の搬送方向に直交する方向に配列された複数の電極対を備えるので、幅の広い基板を処理する場合においても、電極部の放電面の表裏で生じる反りを許容値内に抑えることができ、基板の幅方向に対して均一性の高いプラズマ処理を行うことが可能となる。

この発明のプラズマプロセス装置は、被処理基板の搬送方向に直交する方向に沿って配列された複数の細長い電極対を備え、各電極対は電極の両端部に近づくほど大きくなるギャップを有することを特徴とするものである。
複数の電極対は、それぞれが先端部と後端部を有する細長い第１および第２電極対からなり、第１電極対の先端部が前記搬送方向から見て第２電極対の後端部に重なるように配列されてもよい。
複数の電極対は、それぞれが先端部と後端部を有する細長い第１、第２および第３電極対からなり、第１電極対の先端部が前記搬送方向から見て第２電極対の後端部に重なり、第２電極対の先端部が前記搬送方向から見て第３電極対の後端部に重なるように配列されてもよい。

複数の電極対は、それぞれが先端部と後端部を有し、かつ、複数列に配列され、前記搬送方向に隣接する２つの電極対の一方の先端部が、前記搬送方向から見て他方の後端部に重なるように配列されてもよい。
各電極対は、互いの対向面を覆う誘電体を備えてもよい
複数の細長い電極対は、基板の搬送方向に直交する方向に沿って間隔をおいて一列に配列された列が平行に１列からｎ列まで配列されるように設けられ、基板搬送方向から見たとき、奇数列の間隔を偶数列の電極対が補間し、偶数列の間隔を奇数列の電極対が補間するように配置されてもよい。

以下、図面に示す実施形態を用いてこの発明を説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は、この発明の実施形態によるプラズマプロセス装置に用いられる電極の長手方向の中心付近におけるＹＺ 断面を説明する図である。この発明の実施形態に従うプラズマプロセス装置は、インライン方式の基板処理や、シート状、あるいは、ロール状の被処理物の処理をするプラズマプロセス装置であり、ここでは、被処理基板２０が搬送される方向の断面（ＹＺ断面）が示されている。

図1を参照して、このプラズマプロセス装置は、対向電極型で基板をダイレクトに処理を行うダイレクト方式の電極方式で、対向して対になる電極部１ａと１ｂを備える。電極部１ａ，１ｂは、例えば、コロ搬送装置の２つのコロ２２間に設置されており、それぞれ被処理基板２０の被処理面２１に対向して、鉛直方向上方（Ｚ軸方向正側）、及び、鉛直方向下方（Ｚ軸方向負側）に配置されている。また、電極部１ａ，と１ｂとのギャップ間隔dは、３〜２０ｍｍの範囲の間の適当な値が選択されて設定される。

次に、電極部１ａ，１ｂの構成について詳細に説明する。
図２は、電極部１ａ，１ｂの斜視図である。なお、電極部１ａ，１ｂの基本構成は、配置がＸＹ面に対して一部を除いて対称である。

図１と図２に示すように、電極部１ａ，１ｂは、金属電極２ａ，２ｂと、金属電極２ａ，２ｂを覆うように略Ｕ字型に形成された誘電体３ａ，３ｂと、誘電体３ａ，３ｂと組み合わされて金属電極２ａ，２ｂを密閉する略Ｔ字型の誘電体４ａ，４ｂと、誘電体４ａ，４ｂの上部、および、下部に設けられ、内部にガス流路が設けられた金属電極７ａ，７ｂと、金属電極７ａ，７ｂの各々の両側に設けられた略Ｉ型の誘電体５ａ，５ｂを備える。そして、電極部１ａには、電極部１ｂと異なり、誘電体５ａの側面の凹状部分に埋設された金属電極６ａを備える。
金属電極２ａ，２ｂの内部には、金属電極２ａ，２ｂ、および、Ｕ字型誘電体３ａ，３ｂを冷却するための冷却水流路９ａ，９ｂが設けられ、各流路の両端で図示しない冷却水導入口、及び、冷却水排出口にそれぞれ接続されている。

金属電極２ａ，２ｂは、Ｙ軸方向の幅３３ｍｍ、Ｚ軸方向の高さ１５ｍｍ、Ｘ軸方向の長さ８００ｍｍの寸法を有する。また、誘電体３ａ，３ｂは、ＹＺ断面が略Ｕ字型で幅４２ｍｍ、高さ３０ｍｍ、長さ８５０ｍｍの寸法を有する。また、誘電体４ａ，４ｂは、ＹＺ断面が略Ｔ字型で幅４２ｍｍ、高さ３０ｍｍ、長さ９００ｍｍの寸法を有する。誘電体５ａ，５ｂは、略Ｉ字型で幅８ｍｍ、高さ６５ｍｍ、長さ８００ｍｍの寸法を有する。金属電極６ａは、幅４ｍｍ、高さ４ｍｍ、長さ９００ｍｍの寸法を有する。

ここで、金属電極２ａは、誘電体３ａと誘電体４ａとにより長手方向の４面が覆われており、金属電極２ｂとの間でアーク放電が生じるのを防止している。金属電極６ａと金属電極２ａとの間には、略Ｕ字型の誘電体３ａと略Ｉ字型の誘電体５ａが設けられている。また、金属電極７ａと金属電極２ａとの間には、略Ｔ字型の誘電体４ａが設けられており、上記と同様にアーク放電が生じるのを防止している。電極部１ｂについても金属電極２ｂと、誘電体３ｂ，４ｂ，５ｂは同様に構成される。
なお、図１に示すように、誘電体５ａ，５ｂと誘電体３ａ，３ｂとの間にはそれぞれ１ｍｍ程度の隙間８ａ，８ｂが設けられており、金属から成る支持体１０ａ，１０ｂ及び金属電極７ａ，７ｂに設けた図示しないガス導入口により、プロセスガスを隙間８ａ，８ｂに導入できる構成となっている。

電極部１ａ，１ｂのＺＸ断面は、図３のようになる。金属電極の２ａ，２ｂは、互いに対向する部分のＸ方向の端部において、端部にいくほど電極間隔（ギャップ）が中央部に比べて大きくなる形状になっている。これは、従来技術に見られるように断面が図１４のように端部で角部のある形状であると電界が集中して、角部での処理量が図１５に示すように集中的に大きくなるためである。従って、この実施形態では、電極長手方向の断面は図３のような形状としている。

このような形状は電極の長手方向の長さに対して被処理基板２０の幅が大きい場合に特に効果を発揮する。なぜならば、電極の長手方向の長さに比べ基板２０のライン幅（基板の搬送方向に直交する方向の長さ）が短い場合には図１５のように集中的に処理量が大きくなる部分で基板を処理する必要がないため集中的に処理される部分に基板が通らないようにすることにより図１４のような断面形状でも均一に処理を行うことができるからである。

これに対して、電極の長手方向の長さに対して基板のライン幅が大きい場合には、必ず電極の端部でも基板の処理を行うことになり、電極端部の電界集中部分を無視することができなくなる。このためこの電界集中部分を無くすために図３のような形状とする。これにより端部で電界が集中することなく図４に示すように電極幅全体にわたって処理量をほぼ均等とすることができる。
このような電極対を基板のライン幅に対応して処理できるようにライン幅方向に配列することにより、基板をインラインで処理した場合に均一な処理を行うことができる。

次に複数の電極対の配置の方法について以下に説明する複数の電極対を並べる場合、図３に示すように、電極長手方向の端部側方には誘電体があるため、同じライン幅方向上に隣り合わせて配置すると電極端部側方の金属電極がない部分の直下ではプラズマ処理されない。そのため、ライン幅方向には少なくとも端部の誘電体幅分だけ重なりを持たせて配置する必要がある。例えば搬送にコロ搬送装置を用いる場合、コロ搬送用のシャフト間に電極を配置するが、２組の電極対の配置は、図６のように配置する。このとき、金属電極２ａ，２ｂの端部は図５に示すようにＸ１（≧０）だけ重なりを持たせるように配置する。このように２組の電極対を隣同士のコロ搬送軸間に配置することにより、基板をインラインで処理を行ったときに均一な処理を行うことができる。例えば基板のライン幅が２０００ｍｍ以上の場合において、３電極対で構成する場合は図７，図８のように配置することもできる。

次に、図９に示すように電極部１ａ、１bの電極対を基板の搬送方向に２対並べた構成のプラズマプロセス装置を装置の動作を説明する。電極部１ａ、１b、及び、ガスカーテン部５０ａ、５０ｂ、及び、内部排気部６０ａ、６０ｂは、電極枠１１ａ、１１ｂに固定されている。電極枠の外側には筐体４０ａ、４０ｂがあり、筐体４０ａ，４０ｂの内側は負圧になるように筐体の排気口４１ａ、４１ｂより図示しないポンプで矢印の方向に排気している。ここで、ガスカーテン部５０ａ、５０ｂは、Ｘ方向に長いスリット状の噴出口を基板搬送面側に有しており、ここからカーテン状にガスを噴出することにより筐体４０ａ，４０ｂ内のガス雰囲気と外気とを分離する役割を有している。また、基板が搬送されるときに筐体内に流入する外気やクリーンルーム内に装置を設置した際などには筐体外部にはダウンフローがありこの空気の流れが基板に当り筐体内部に流入しようとするためこれを防止する目的で設置している。内部排気部はプロセスガスや、プラズマ生成、反応後のガスの排気とガスカーテン部で流入を防げなかった筐体外部から外気を電極部に流入させない目的を有している。そして、大気圧、あるいは、大気圧近傍の圧力下で、ガス導入口４２ａ、４２ｂより隙間８ａ，８ｂ（図１）に、例えば、Ｈｅ＝１０ＳＬＭ、Ｎ₂＝３ＳＬＭ、Ａｉｒ＝０．１５ＳＬＭ、を混合したプロセスガスを数１０秒以上導入し続けることにより、大気圧、あるいは、大気圧近傍の圧力下でも電極部１ａ，１ｂ付近の雰囲気を空気からプロセスガスの組成比に近い雰囲気に置換する。

その後、金属電極２ａ，２ｂの冷却水流路９ａ，９ｂ（図１，図２）に冷却水を流す。そして、図１６に示すように、金属電極２ａ，２ｂに高周波電源ＰＳ１，ＰＳ２から周波数３０ｋＨｚで電圧振幅（Ｖｐｐ）７．５ｋＶの電圧を互い逆位相で印加すると、金属電極２ａ，２ｂ間には電圧振幅（Ｖｐｐ）１５ｋＶの電圧が印加される。なお、電源ＰＳ１，ＰＳ２の接続点Ｎは接地され、金属電極６ａおよび金属電極７ａ，７ｂに接続されている。

従って、金属電極２ａと金属電極６ａとの間の空隙（ギャップ）部には電圧振幅Ｖｐｐ＝７．５ｋＶの電圧が印加され、このギャップ部は図１に示すように金属電極２ａ，２ｂ間のギャップ部より小さいために電界が大きく、種プラズマＰ２が先に生成され、次に金属電極２ａと２ｂとの間の空隙（ギャップ）部にメインプラズマＰ１が生成される。つまり、種プラズマＰ２がメインプラズマＰ１の生成を誘導する役割を有している。これらのプラズマＰ１、Ｐ２生成の後、図１，図９に示すように、レジストやポリイミドなどの有機物が成膜されパターンが形成された１５００ｍｍ×１８００ｍｍ×０．７ｍｍの被処理基板２０を電極部１ａ，１ｂ間に搬送用コロ２２を用いてインラインでメインプラズマＰ１中に通す。このことによりプラズマ処理装置が被処理基板２０に対してレジストのアッシング処理や、ガラス基板部分のポリイミド膜や有機物除去などの親水処理を行うことができる。このプラズマプロセス装置において電極の長手方向の幅が基板のライン幅より小さくできるため電極の反りを抑えることができ電極ライン幅方向で均一な処理をすることが可能となる。

上記電極のアッシング量などのプラズマ処理能力は、プロセスガスの種類、構成比率、総流量、高周波電源の周波数、メインプラズマＰ１部での消費電力、金属電極２ａ及び２ｂの基板搬送方向の長さ、電極部間のギャップ量ｄ、被処理基板の搬送速度、及び、プロセスガスの流速などによって決定される。
なお、前記プラズマ処理で必要とされるアッシング量などの処理能力等により、例えば図１０のような４組の電極対や図１１に示すような８組の電極対などが被処理基板２０に対して配置される構成としたり、電極部１ａ，１ｂの金属電極２ａ，２ｂの幅を変更したりすることが可能である。

本発明の実施形態によるプラズマプロセス装置の電極部の横断面図である。 図１に示す電極部の斜視図である。 図１に示す電極部の縦断面図である。 図３に示す電極部に対応する処理量について説明する説明図である。 本発明の実施形態による電極部を２組配置した場合の基板搬送方向から見た説明図である。 図５に示す電極部の上面図である。 本発明の実施形態による電極部を３組配置した場合の基板搬送方向から見た説明図である。 図７に示す電極部の上面図である。 本発明の実施形態によるプラズマプロセス装置の構成説明図である。 本発明の実施形態による電極部を４組配置した場合の図８対応図である。 本発明の実施形態による電極部を８組配置した場合の図８対応図である。 従来例の電極間隔を示す説明図である。 従来例の電極間隔を示す説明図である。 従来例の電極部の断面図である。 図１４に対応する処理量を示す説明図である。 本発明の実施形態における電源回路を示す回路図である。

符号の説明

１ａ 電極部
１ｂ 電極部
２ａ 金属電極
２ｂ 金属電極
３ａ 誘電体
３ｂ 誘電体
４ａ 誘電体
４ｂ 誘電体
５ａ 誘電体
５ｂ 誘電体
６ａ 金属電極
７ａ 金属電極
７ｂ 金属電極
８ａ 隙間
８ｂ 隙間
９ａ 冷却水流路
９ｂ 冷却水流路
１１ａ 電極枠
１１ｂ 電極枠
２０ 基板

Claims (6)

1. 被処理基板の搬送方向に直交する方向に沿って配列された複数の細長い電極対を備え、各電極対は電極の両端部に近づくほど大きくなるギャップを有することを特徴とするプラズマプロセス装置。
2. 複数の電極対は、それぞれが先端部と後端部を有する細長い第１および第２電極対からなり、第１電極対の先端部が前記搬送方向から見て第２電極対の後端部に重なるように配列される請求項１記載のプラズマプロセス装置。
3. 複数の電極対は、それぞれが先端部と後端部を有する細長い第１、第２および第３電極対からなり、第１電極対の先端部が前記搬送方向から見て第２電極対の後端部に重なり、第２電極対の先端部が前記搬送方向から見て第３電極対の後端部に重なるように配列される請求項１記載のプラズマプロセス装置。
4. 複数の電極対は、それぞれが先端部と後端部を有し、かつ、複数列に配列され、前記搬送方向に隣接する２つの電極対の一方の先端部が、前記搬送方向から見て他方の後端部に重なるように配列されてなる請求項１記載のプラズマプロセス装置。
5. 各電極対は、互いの対向面を覆う誘電体を備える請求項１〜４のいずれか１つに記載のプラズマプロセス装置。
6. 複数の細長い電極対は、基板の搬送方向に直交する方向に沿って間隔をおいて一列に配列された列が平行に１列からｎ列まで配列されるように設けられ、基板搬送方向から見たとき、奇数列の間隔を偶数列の電極対が補間し、偶数列の間隔を奇数列の電極対が補間するように配置された請求項１〜５のいずれか１つに記載のプラズマプロセス装置。

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