JP2009064618A

JP2009064618A - プラズマプロセス装置

Info

Publication number: JP2009064618A
Application number: JP2007230007A
Authority: JP
Inventors: Naoko Yamamoto; 直子山本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-03-26

Abstract

【課題】被処理基板にダメージを与えないプラズマプロセス装置を提供する。
【解決手段】プラズマプロセス装置１００は、プロセスガスとして、少なくともＨｅとＮ_２とを含むガスを用い、大気圧または大気圧近傍の圧力下で電極間にプラズマ励起用の電源に高周波を印加してプラズマを生成し、被処理物をプラズマ処理する。プラズマプロセス装置１００は、マッチングボックス２と、一対の電極部６と、電源１１，１２とを備える。電源１１，１２の周波数は、１００ｋＨｚ以上である。好ましくは、電源１１，１２の周波数は、１００ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理に利用されるプラズマを発生するためのプラズマプロセス装置に関する。

従来、大気圧近傍の圧力下で動作するプラズマプロセス装置として、対向電極の対向面に固体誘電体を配置したプラズマプロセス装置が知られている。このようなプラズマプロセス装置は、大気圧近傍の圧力下で処理をすることから真空容器や真空ポンプを必要とせず、装置の小型化やタクトタイムの短縮を図ることができる。そのため、近年の被処理物の大型化に伴い、開発が盛んになされている。

上記のようなプラズマプロセス装置には、大きく分類して２種類の方式がある。そのうちの１つは、電極間で生成したプラズマをガスの流れ等により被処理物面に輸送してプラズマ処理を行うリモート方式のプラズマプロセス装置である。他の１つは、電極間で生成したプラズマ中に被処理物を入れてプラズマ処理を行うダイレクト方式のプラズマプロセス装置である。

上記のうちダイレクト方式のプラズマプロセス装置では、電極間に被処理物を入れるため、電極間のギャップを被処理物の厚み以上にする必要がある。また、被処理物と電極とが相対的に移動しながらプラズマ処理する装置においては、被処理物の厚みに加えて、被処理物、または、電極の上下動のマージンを考慮する必要があることから、そのマージンを含めた電極間のギャップにする必要がある。しかし、電極間のギャップが大きくなると、大気圧近傍の圧力下では真空中の場合と異なりパッシェンの法則から電極間の電圧を高くしないと放電が生じず、かつ、放電状態もグロー状の放電にならずにストリーマ状の放電になる場合がある。そして、放電がストリーマ状になると、たとえば、被処理物に金属配線等が含まれていると金属配線の影響で放電が集中する場合がある。そのため、被処理物にダメージを与えるため金属配線等のある被処理物には使用できない場合があった。

上記のことを解決するために、たとえば、特開２００４−１０３４２３号公報（特許文献１）は、２つの電極に正負が逆で位相を重複させた交互に繰り返す交番電圧を印加することにより、放電をグロー放電にしてプラズマ処理性能を向上させる技術を開示している。

また、特開２００６−１９６２２４号公報（特許文献２）は、一対の電極間に周波数ｆと周波数ｎ×fの交流電界を印加して放電をグロー放電にする技術を開示している。
特開２００４−１０３４２３号公報特開２００６−１９６２２４号公報

しかしながら、特開２００４−１０３４２３号公報に開示された技術によると、２つの電極に正負が逆で位相を重複させた交互に繰り返す交番電圧の周波数として、０．５ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚの周波数が用いられている。ガスについては、希ガス、窒素、酸素、空気、水素、炭酸ガスの単独、あるいは、混合ガスが用いられている。この場合、周波数が数１０ｋＨｚと低く、かつ、ヘリウムなどの比較的グロー放電になりやすい希ガスの比率が低いガス組成になると、放電状態がストリーマ状になり、金属配線等がある被処理物にダメージを与える場合があった。

また、特開２００６−１９６２２４号公報は、１対の電極間に周波数ｆと周波数ｎ×ｆの交流電界を印加した場合を開示している。1対の電極に周波数ｆを与えた場合と比較すると、電極間の電圧は、たとえば図６のように示される。図６は、従来の技術に従うプラズマプロセス装置における電圧の波形を表わす図である。図６には、周波数ｆの交流電圧と周波数ｎ×ｆ（ｎ＝３）の交流電圧に基づく各波形が示されている。

電圧がたとえば任意単位で１．５以上のときに放電すると仮定すると、特開２００６−１９６２２４号公報に開示された技術の場合の方が周波数ｆの周期の中での時間は短くなる。そのため、グロー放電になりやすい。その一方で、電圧が低くなる時間が長くなっており、一定時間当たりの放電時間が短くなり、放電時間効率が低下している。そのため、処理能力が低下することになる。すなわち、特開２００６−１９６２２４号公報に開示された技術によると、グロー放電になりやすくなるが装置としての能力は低下するという問題点があった。

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、大気圧近傍のプラズマプロセス装置において、通常であればストリーマ状の放電となるガス組成においても放電をグロー状にすることができ、金属配線を有する被処理物においてもダメージを与えることなく、処理能力を高められるプラズマプロセス装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、この発明のある局面に従うと、プロセスガスとして少なくともＨｅとＮ_２を含むガスを用い、大気圧または大気圧近傍の圧力下で生成されるプラズマに基づいて被処理物を処理するプラズマプロセス装置が提供される。このプラズマプロセス装置は、一対の電極と、一対の電極間にプラズマを励起するために、各電極に電圧を印加する電源とを備える。電源の周波数ｆはｆ≧１００kＨｚである。

好ましくは、全プロセスガス流量に対するＨｅ流量比率Ｄは、Ｄ≦８０％である。
好ましくは、電源の周波数ｆは、３００kＨｚ≧ｆ≧１００kＨｚである。

好ましくは、プロセスガスは、Ｏ_２と、フッ素系のガスと、塩素系のガスとのいずれかをさらに含む。

本発明によれば、大気圧近傍のプラズマプロセス装置において、通常であればストリーマ状の放電となるガス組成においても放電をグロー状とでき、金属配線を有する被処理物を処理する場合においてもダメージを与えることなく、処理能力を高められるプラズマプロセス装置を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

図１から図５を参照して、本発明の実施の形態に係るプラズマプロセス装置１００について説明する。プラズマプロセス装置１００は、被処理基板の主表面に対してプラズマ処理を行なう。被処理基板の一例は液晶テレビを構成するガラス基板であるが、当該プラズマプロセス装置による処理の対象は、ガラス基板に限られず、他の基板に対しても適用することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマプロセス装置１００の電極部の断面の概略を表わす図である。プラズマプロセス装置１００は、マッチングボックス２と、一対の電極部６と、電源１１，１２とを備える。電源１１，１２の周波数は、たとえば、２００ｋＨｚである。電極部６は、１対の対向した電極３と、誘電体４１，４２とを含む。電極３のうち少なくとも電極と対向する側が誘電体４１で覆われている。誘電体４１と誘電体４２とは、プロセスガスの導入路４０を形成している。１対の電極３の各電極には、マッチングボックス２を介して電源１１，１２が接続されている。電源１１と電源１２とは、高周波を発振する電源であり、互いの位相が１８０°異なるように構成されている。電源１１，１２が高周波を発振すると、１対の電極３の間には、片側の電源の電圧振幅の２倍の電圧振幅の電圧が印加される構成となっている。

次に、図２を参照して、プラズマプロセス装置１００の動作について説明する。図２は、プラズマプロセス装置１００の構成を断面方向から表わす図である。本実施の形態では、被処理物が搬送コロにより搬送される場合について説明する。

ある局面において、たとえば、ガラス基板上に金属電極等の配線パターンが形成された被処理物５は、搬送コロ１０によりプラズマプロセス装置１００の筐体９の内部に搬送される。プラズマプロセス装置１００は、図１に示される構成に加えて、複数対の電極部６と、電極部６の両側に設置された複数の排気部７と、出入り口付近に設置された複数のガスカーテン部８と、電極部６および排気部７およびガスカーテン部８を覆う筐体９とを備える。なお、排気部７およびガスカーテン部８の各構成は、プロセスガスの条件、搬送装置の構成、搬送速度あるいは出入り口の大きさなどに応じて変わるため、必要に応じて、プラズマプロセス装置１００に設置される。

次にプラズマプロセス装置１００の動作について説明する。排気部７は電極部６の近傍に配置されて電極部６の被処理物通路の付近にあるガスを排気する。ガスカーテン部８は、被処理物５の出入り口付近に配置されている。ガスカーテン部８は、筐体９の外部からの外気の混入を低減する。ガスカーテン部８は、筐体９の外部に向けてガスを吹き出すように構成されている。電極部６の導入路４０にプロセスガスを導入することにより、電極３の対向部付近の被処理物５の通路の雰囲気は、概略プロセスガスの雰囲気になるように構成されている。通常は、放電開始の数秒〜数１０秒程度前からプロセスガスが導入され、電極３の間に滞留したガスが置換され、概略プロセスガスの雰囲気が維持されるように構成されている。

搬送装置（図示しない）は、被処理物５を筐体９の外部から内部に順次搬送する。プラズマプロセス装置１００のコントローラ（図示しない）が、被処理物５の位置等に応じて、電源１１，１２のスイッチをオンに切り替えると、電源１１，１２は、被処理物５の位置等に応じた電力を各電極３に供給し、電極３の間にプラズマを発生させる。搬送装置は、コントローラからの搬送指令に基づいて、被処理物５を電極３間に搬送し、被処理物５の先頭部分からプラズマ処理が順次行なわれる。搬送装置は、プラズマ処理が行なわれた部分（各電極３間を通過した部分）から筐体９の外部に被処理物５を順次搬送し、被処理物５の後端がプラズマ処理されると、当該コントローラは、電源１１，１２をオフに切り替える。被処理物５の全体が筐体９の外部に搬出されると、プラズマ処理が完了する。

本実施の形態では、プラズマ処理する電極３の搬送方向の長さや筐体９の搬送方向の長さよりも被処理物５が大きい場合について説明されている。しかしながら、本発明の適用はこのような場合に限られるものではない。すなわち、被処理物５が電極３の搬送方向の長さあるいは筐体９の搬送方向の長さより小さい場合においても、搬送装置が筐体９の内部に被処理物５を搬送し、コントローラが、被処理物５の位置に応じて電源１１，１２のオン／オフを切り替えてプラズマ処理を行い、搬送装置は、被処理物５を筐体９の外部に搬送することができる。このような態様であっても、通常であればストリーマ状の放電となるガス組成においても放電をグロー状とでき、金属配線を有する被処理物を処理する場合においてもダメージを与えることなく、処理能力を高めることができる。

本実施の形態のプラズマプロセス装置１００において、電極間の空間ギャップを４ｍｍに構成し、プロセスガスの組成比率として、Ｈｅ＝６８．６％、Ｎ_２＝３１.０％、Ｏ_２＝０．４％とした。上記のガス組成によると、後述の比較例に示すように、電源の周波数が１０ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの場合には、放電がストリーマ状となり、金属配線のある被処理物を処理した場合に配線付近の絶縁物を破壊してしまう場合があった。しかしながら、本発明の実施の形態に係るプラズマプロセス装置１００において、電源１１，１２の周波数を１００ｋＨｚ以上とすることにより、放電をグロー状態とし、その結果、金属配線があるような被処理物５に対してもダメージを与えることなくプラズマ処理を実現することができた。また、電源１１，１２の周波数を１００ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下にすることにより、プラズマプロセス装置１００は、被処理物５にダメージを与えることなく、かつ、処理能力を下げることなく、プラズマ処理を実現することができた。上記のようにプラズマプロセス装置１００を構成することにより金属配線があるような被処理物５に対してダメージが無く処理ができた理由としては、たとえば、以下の比較例の結果から説明できる。

（比較例）
そこで、図３〜図５を参照して、プラズマプロセス装置１００における条件によるプラズマ処理の結果の相違について説明する。図３は、プラズマプロセス装置１００の電極部６において電圧および電流波形を計測した際の回路構成を表わす図である。図４は、条件１〜４として行なった実験について、ガス流量比（組成比）と被処理物５に対するダメージの有無との関係を表わす図である。図５は、プラズマプロセス装置１００において周波数２８ｋＨｚの正弦波形の電圧を印加した場合の電流の波形を表わす図である。

より詳しくは、実験時の電源１１，１２の周波数は、２８ｋＨｚである。プロセスガスとして、ＨｅとＮ_２とＯ_２とからなる混合ガスを用いた。そのうち、ＨｅとＮ_２のガス組成を変化させて、図４に示される４つの条件１〜条件４で放電を行ない、図３に示される回路構成における電圧と電流の計測を行なった。電圧波形（図示しない）は、周波数２８ｋＨｚの正弦波である。

プラズマプロセス装置３００は、プラズマプロセス装置１００が備える構成に加えて、高圧プローブ１０１，１０２と、電流プローブ１１１，１１２とを備える。

しかしながら、このときの電流波形は図５に示すように、正弦波形状が概略三角波形状に歪んだ形状となっていた。図５の波形をさらに詳細に解析すると、歪の形状も図４の条件により形状が異なっていた。より具体的には、Ｈｅ比率が高い条件４は、グロー放電の条件を示している。電流の波形は、最大値付近で窪み（凹部５１０，５１２，５１４，５１６）のある形状となっており、電圧値が最大のときに電流値が最大となっていない。すなわち、電流の波形は、電圧の波形（正弦波形）とは異なり、高周波成分を含んだ上下動する波形となっている。

一方、Ｈｅ比率が低い条件２、条件３の場合には、放電がストリーマ放電になるが、電流の波形については、電圧値が最大値であるときに、電流値が最大値となる形状である。したがって、上記の結果から、条件による電流の波形の違いは放電の状態（グロー放電、ストリーマー放電）に対応していると考えられる。Ｈｅ比率が高い場合については、電源１１，１２の周波数とは異なり、高周波成分が含まれる波形となる。条件４の場合や他の実験結果から、Ｈｅ比率が８０％以上の条件でグロー放電となっており、電流の波形の高調波の周期を求めると、１００ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲となる。自然に放電時間が長時間持続しないようになっていることが確認された。

上記の比較例の結果から、Ｈｅ比率の低いガス条件では、放電時間が自然に長時間持続するために被処理物にダメージを与えてしまうと考えられる。そこで、意図的にグロー放電を実現するために電圧の周波数を１００ｋＨｚ以上とすることにより、電流の周期も１００ｋＨｚ以上とすることができ、グロー状の放電を得ることができ、その結果、被処理物５へのダメージがなくなったと考えられる。また、周波数をさらに上げて３００ｋＨｚ以上にすると、処理能力が低下するため、電源の周波数としては１００ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下がより望ましい。処理能力の低下の原因の１つとしては、放電持続時間が短くなりすぎることが考えられる。

以上のようにして、本発明の実施の形態に係るプラズマプロセス装置１００によると、通常であればストリーマ状の放電となるガス組成においても放電をグロー状にすることができる。これにより、金属配線を有する被処理物５を処理する場合においてもダメージを与えることなく、処理能力を高められるプラズマプロセス装置を提供することができる。

なお、上記の実施の形態では、２つの電源１１，１２を用いて２つの電極に同じ電圧で位相を１８０°ずらして印加する場合について記載している。しかしながら、電圧の印加の態様は、上述のものに限られない。たとえば、電極間の電圧が所望の電圧であれば、２つの電源１１，１２の電圧をそれぞれ異ならせて（非平衡にして）印加してもよい。あるいは、電極１０，１１のいずれか一方を接地電位（０ｖ）として、もう一方の電極にのみ所望の電圧を印加する構成にしても同様の効果が得られる。

上記の実施の形態では、ガスとしてＨｅとＮ_２とＯ_２の混合ガスを使用したが、プロセスガスの組成は上記のものに限られない。たとえば、被処理物５の材料組成に応じて、あるいは、アッシング処理、エッチング処理その他の処理の目的に応じて、Ｏ_２の代わりにＣＦ_４、ＳＦ_６、Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３などのフッ素系のガス、塩素系のガス等を混合して用いてもよい。この場合も、上記の混合ガスと同様に、被処理物５にダメージを与えることなくプラズマ処理することができた。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係るプラズマプロセス装置１００の電極部の断面の概略を表わす図である。プラズマプロセス装置１００の構成を断面方向から表わす図である。プラズマプロセス装置１００の電極部６において電圧および電流波形を計測した際の回路構成を表わす図である。プラズマプロセス装置１００について行なった実験について、ガス流量比（組成比）と被処理物５に対するダメージの有無との関係を表わす図である。プラズマプロセス装置１００において周波数２８ｋＨｚの正弦波形の電圧を印加した場合の電流の波形を表わす図である。従来の技術に従うプラズマプロセス装置における電圧の波形を表わす図である。

符号の説明

２マッチングボックス、３電極、５被処理物、６電極部、７排気部、８ガスカーテン部、９筐体、１０搬送コロ、１１，１２電源、４０導入路、４１，４２誘電体、１０１，１０２高圧プローブ、１１１，１１２電流プローブ、１００プラズマプロセス装置。

Claims

プロセスガスとして少なくともＨｅとＮ_２を含むガスを用い、大気圧または大気圧近傍の圧力下で生成されるプラズマに基づいて被処理物を処理するプラズマプロセス装置であって、
一対の電極と、
前記一対の電極間にプラズマを励起するために、各前記電極に電圧を印加する電源とを備え、
前記電源の周波数ｆはｆ≧１００kＨｚである、プラズマプロセス装置。
全プロセスガス流量に対するＨｅ流量比率Ｄは、Ｄ≦８０％である、請求項１に記載のプラズマプロセス装置。
前記電源の周波数ｆは、３００kＨｚ≧ｆ≧１００kＨｚである、請求項１または２に記載のプラズマプロセス装置。
前記プロセスガスは、Ｏ_２と、フッ素系のガスと、塩素系のガスとのいずれかをさらに含む、請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマプロセス装置。