JP2010229557A - 表面処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡素かつ低コストの構成で、基材上への均一なガス供給を可能にして高質の表面処理を実現する。
【解決手段】基材１２を特定方向に搬送しながら、その表面に向けて表面処理用ガスを供給することにより、基材１２の表面処理を行う。具体的には、円筒状外周面を有して当該外周面が基材１２の表面に隙間２３をおいて対向し、基材１２の搬送方向と略直交する方向の軸を中心に回転する回転体２４と、回転体２４を当該回転体２４が基材１２の表面に対向する部位を残して覆う覆い部材１４と、この覆い部材１４が基材１２の表面に対向する面と当該基材１２の表面との間に電界を形成する手段とを備える。覆い部材１４内に供給された表面処理用ガスが回転体２４の回転に伴いその外周面に巻き込まれて隙間２３に導かれかつこの隙間２３から電界形成領域に供給されてプラズマを生じさせるように、回転体２４及び覆い部材１４が配置される。
【選択図】図１５

Description

本発明は、プラズマ等による化学反応を利用して、ガラス基板等の基材の表面に各種酸化膜の形成その他の表面処理を施すための装置に関するものである。
近年、化学反応を利用して成膜等の処理を行う手段として、基材と対向配置されるプラズマ発生用の電極を略円柱状とし、かつ、これを高速回転させるようにしたものが開発されるに至っている（特許文献１）。
この文献に記載の装置は、基材を搬送しながらこれと近接する回転電極を回転させるとともに、前記回転電極に高周波電力（直流電力でもよい）を印加し、当該回転電極の回転により当該回転電極と基材との間に表面処理用ガスが巻き込まれてプラズマが生成されるようにしたものであり、当該プラズマを生成しながら基材を搬送することにより、当該基材表面に薄膜を形成することができる。
この装置は、大気圧またはそれに近い圧力下での表面処理を実現し得る手段として有用であるが、前記基材と回転電極との間の微小隙間の寸法管理が非常に難しく、基材が搬送ベルト上ではねたり昇温で反ったりするだけでも良好な処理が阻害されるおそれがある。
このような厳しい寸法管理を不要にする手段として、特許文献２に示されるような遠隔プラズマＣＶＤが考えられる。この方法は、相対向する電極の少なくとも一方の対向面に固体誘電体を設置しておき、当該電極間に大気圧近傍の圧力下で表面処理用ガスを供給しかつパルス状の電界を印加することにより放電プラズマを生成し、このプラズマを放電空間外に配された基材の表面に誘導して接触させることにより、当該基材表面に膜を付着させるものである。
特開平９−１０４９８５号公報（第７〜８頁、図１〜図２） 特開２００２−２３７４８０号公報（第７〜８頁、図３）
前記のような遠隔プラズマＣＶＤにおいて、基材表面上における膜厚分布を均一にするためには、基材の搬送方向と直交する方向について表面処理用ガスを均等に分布させる必要がある。特に成膜処理では、薄膜原料ガスの流れがそのまま形成膜の膜厚分布に影響を与えるため、基材搬送方向と直交する方向についてのガス供給の均一化は非常に重要な課題となる。
ここで、従来の減圧下でのプロセスにおいては、分子の平均自由行程が長いため、適当な間隔でガス噴出孔を設けるだけでもガスを十分に混合して均一な性膜を行うことが比較的容易であったが、大気圧近傍の圧力下では前記ガスの流れが粘性流の領域に入るためガスの均一性を確保することが難しい。
その対策として、前記特許文献２の図６には、ガス導入口に斜板を配することにより、基材搬送方向と直交する方向について圧力損失及び流速を均一化させることが開示されているが、実際の流れは前記のような粘性流の領域であるため、ガス導入口一次側の圧力や、表面処理部における反応圧力、使用するガスの種類といった運転条件に左右され易く、当該条件にかかわらず常に均一なガス流を形成することは難しい。すなわち、様々な運転条件に見合った装置を設計することは非常に困難であり、かかる困難性は基材とプラズマ
等の活性源との距離が大きくなるほど顕著となる。
本発明は、このような事情に鑑み、簡素かつ低コストの構成で、基材上への均一なガス供給を可能にして高質の表面処理を実現することを目的とする。
前記課題を解決するための手段として、本発明は、特定方向に基材を搬送する基材搬送手段と、その基材の表面に向けて表面処理用ガスを供給するガス供給手段とを備え、当該表面処理用ガスを前記基材表面またはその近傍で化学反応させることにより当該基材表面を処理するための表面処理装置において、前記ガス供給手段は、円筒状外周面を有し、その外周面が前記基材搬送手段により搬送される基材の表面に対向し、かつ、その中心軸が前記基材の搬送方向と略直交する方向を向くように配置された回転体と、この回転体をその中心軸回りに回転させる回転駆動手段と、前記回転体を当該回転体が前記基材の表面に対向する部位を残して覆う覆い部材と、この覆い部材が前記基材の表面に対向する面と当該基材の表面との間に電界を形成する電界形成手段とを備え、前記覆い部材内に供給された表面処理用ガスが前記回転体の回転に伴いその外周面に巻き込まれて当該回転体の外周面と前記基材の表面との隙間に導かれ、かつ、この隙間から前記電界形成手段により電界が形成される領域に供給されて当該領域でプラズマが生成されるように前記回転体及び覆い部材が配置されているものである。
この装置によれば、回転体により巻き込まれたガスが当該回転体と基材との隙間に導かれ、かつ、この隙間から基材の表面へ向けて供給されることになる。この場合も、従来のように回転電極と基材との間にプラズマを形成するのではなく、回転体と基材との隙間から別の領域における基材の表面にガスを供給するものであるため、回転体−基材間の厳密な寸法管理は要さず、しかも、基材表面に対してその搬送方向と直交する方向について均一に表面処理用ガスを供給することができる。
この装置において、前記ガス供給手段は、前記回転体と基材の表面との隙間から前記回転体の回転方向上流側に逆流したガスが前記電界形成領域に送り出されるように前記回転体及び覆い部材が配置されたものが、より好ましい。
また、前記電界形成領域における前記基材の表面とこれに対向する覆い部材の面との離間距離は前記基材の表面と前記回転体の外周面との離間距離よりも大きいことが、より好ましい。
以上のように本発明によれば、簡素かつ低コストの構成で、基材上への均一なガス供給を可能にして高質の表面処理を実現することができる効果がある。
本発明とは別の参考形態において回転体と対向板及び下流側対向板との組み合わせにより表面処理用ガスの供給を行う表面処理装置の例を示す断面正面図である。 （ａ）は図１に示す装置の要部を示す断面平面図、（ｂ）は同要部を示す断面正面図、（ｃ）は同装置における回転体外周面と対向板との隙間を示す断面図である。 本発明とは別の参考形態において回転体と略垂直状態で配置された対向板との組み合わせにより表面処理用ガスの供給を行う表面処理装置の要部を示す断面正面図である。 本発明とは別の参考形態において回転体と傾斜状態で配置された対向板との組み合わせにより表面処理用ガスの供給を行う表面処理装置の例を示す断面正面図である。 （ａ）は図４に示す装置の要部を示す断面平面図、（ｂ）は同要部を示す断面正面図である。 前記表面処理装置における放電電極を回転体の外周面に対向させた例を示す断面正面図である。 前記表面処理装置における放電電極を回転体の外周面に対向させた例を示す断面正面図である。 本発明とは別の参考形態において回転体の外周面が覆い部材の底壁の内側面に対向してその近傍にスリット状の表面処理用ガス排出口が設けられた表面処理装置であってその表面処理用ガス排出口の両側に放電電極及び接地電極が設けられた例を示す断面正面図である。 本発明とは別の参考形態において回転体の外周面が覆い部材の底壁の内側面に対向してその近傍にスリット状の表面処理用ガス排出口が設けられた表面処理装置であって接地された回転体の外周面に放電電極が対向する例を示す断面正面図である。 本発明とは別の参考形態において回転体の外周面が覆い部材の底壁における開口周縁部に対向してその近傍にスリット状の表面処理用ガス排出口が設けられた表面処理装置であってその表面処理用ガス排出口の両側に放電電極及び接地電極が設けられた例を示す断面正面図である。 本発明とは別の参考形態において回転体の外周面が覆い部材の底壁における開口周縁部に対向してその近傍にスリット状の表面処理用ガス排出口が設けられた表面処理装置であって接地された回転体の外周面に放電電極が対向する例を示す断面正面図である。 本発明とは別の参考形態において覆い部材の底壁に回転体の外周面に沿って湾曲する凹面が形成された表面処理装置であってその表面処理用ガス排出口の両側に放電電極及び接地電極が設けられた例を示す断面正面図である。 本発明とは別の参考形態において覆い部材の底壁に回転体の外周面に沿って湾曲する凹面が形成された表面処理装置であって接地された回転体の外周面に放電電極が対向する例を示す断面正面図である。 本発明の実施の形態において回転体を基材の表面に対向させて表面処理用ガスの供給を行う表面処理装置の例を示す断面正面図である。 （ａ）は図１４に示す装置の要部を示す断面平面図、（ｂ）は同要部を示す断面正面図である。 本発明とは別の参考形態において図４に示す装置において回転体を逆に回転させて表面処理を行う例を示す断面正面図である。 本発明とは別の参考形態において一対の回転体を相互対向させて表面処理用ガスの供給を行うようにした表面処理装置を示す断面正面図である。 （ａ）は図１４に示す装置における回転体と基材との隙間寸法と成膜速度との関係を示すグラフ、（ｂ）は同装置における回転体の回転数と膜厚分布との関係を示すグラフである。
本発明を実施するための形態及び参考形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は、チタニア、シリカ、ジルコン、酸化錫などからなる酸化膜の成膜に好適であるが、その他、一般のＣＶＤで成膜可能な全ての材料について本発明の適用が可能である。当該成膜の際のキャリアガスや酸化剤の種類についても薄膜の原料となる薄膜原料ガスの種類に応じて適宜選定すればよい。また、本発明は、成膜の他、例えばエッチングなど、他のプラズマ処理を行う場合にも適用が可能である。
また、以下に示す各形態のうち、回転体と対向部材との隙間から、回転体の回転方向上流側に逆流したガスが基材表面に送り出されるようにガス供給を操作するものについては、回転体と対向部材とがなす隙間の寸法は、後述のようなガスの逆流が生じ得る程度に小さく設定される。その具体的な寸法は適宜設定可能であるが、一般には５ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以下とするのがよい。このように隙間の寸法を適当な範囲内で定めることにより、ガスの遮断効果が生じ、当該隙間部分の圧力が上昇することにより、この隙間へ導かれるガスの一部または全部を回転体の回転方向上流側に逆流させることが可能になる。
なお、前記回転体と対向部材との隙間から回転体の回転方向上流側に逆流した前記ガスは、そのまま基材表面に送り出されるようにしてもよいし、ガス排出口などを通過してその流れ方向が調整された後に基材表面に送り出されるようにしてもよい。
図１及び図２は、本発明の実施形態とは別の参考形態であって回転体２４と対向板（対向部材）２０及び下流側対向板（下流側対向部材）２０′との組み合わせを利用した表面処理装置の例を示したものである。この装置は、図１に示すようなチャンバー２を備え、このチャンバー２の側部に排気口４が設けられている。同チャンバー２の底部には特定方向（図１では左右方向）に延びる基材搬送ベルト８が設置され、この基材搬送ベルト８に固定された基材搬送台１０上に基材１２が載置された状態で当該基材１２が水平姿勢を保ちながら前記基材搬送ベルト８の長手方向（図では左から右に向かう方向）に搬送されるようになっている。そして、この基材搬送ベルト８の上方に、チャンバー２内の空間の一部を取り囲む覆い部材１４が設けられている。
なお、前記基材１２は、表面処理が可能なものであれば特に限定されず、ガラスやプラスチックフィルムが例示される。基材としてガラスを用いる場合、そのガラスの厚さは０．３〜１５ｍｍであることが強度の点で好ましい。
図２にも示すように、前記覆い部材１４の頂部には少なくとも一つの表面処理用ガス供給口１６が設けられ、底部には表面処理用ガス排出口１８及び薄膜原料ガス排出口１８′が基材搬送方向に沿って並設されている。そして、この覆い部材１４の内部に、前記対向板２０及び下流側対向板２０′と、整流板（整流部材）２２と、回転体２４とが格納されている。
回転体２４は、円筒状の外周面をもつ円柱状に形成され、その中心軸が前記基材の搬送方向と略直交する水平方向（図２（ｂ）では奥行き方向）を向くように配置されている。具体的に、この回転体２４にはその中心軸に沿って当該回転体２４を貫く回転中心軸２６
が固定され、この回転中心軸２６の両端が、前記覆い部材１４の底壁上に立設された一対の軸受台２８を介して回転可能に支承されている。
覆い部材１４の外部には、回転駆動手段であるモータ３０が設置されている。このモータ３０の出力軸及び前記回転中心軸２６の一端部には互いに磁力で連動するマグネットカップリング３２が固定され、これらのマグネットカップリング３２が覆い部材１４の側壁を挟んでその内外に配置されている。従って、前記モータ３０の作動により、前記回転体２４が前記回転中心軸２６の中心軸回り、すなわち、基材搬送方向と略直交する方向の軸回りに回転駆動されるようになっている。また、前記表面処理用ガス排出口１８は前記薄膜原料ガス排出口１８′よりも回転体２４の回転方向上流側（図２（ａ）（ｂ）では右側）に形成されている。
対向板２０、下流側対向板２０′、及び整流板２２は全て平板状をなし、相互平行な姿勢で覆い部材１４の底壁から略垂直方向に立ち上がっている。
具体的に、前記対向板２０は、前記表面処理用ガス排出口１８の回転体回転方向下流側縁部（図２（ａ）（ｂ）では左側縁部）から上方に立ち上がり、その上端面２０ａが前記回転体２４の外周面に隙間２３をおいて対向している。また、当該上端面２０ａは前記回転体２４の外周面に沿う形状の曲面とされ、当該上端面２０ａと前記回転体２４の外周面との隙間の均一化が図られている。
下流側対向板２０′は、前記薄膜原料ガス排出口１８′の回転体回転方向下流側縁部（図２（ａ）（ｂ）では左側縁部）から上方に立ち上がり、その一側面（図２（ａ）（ｂ）では右側面）が前記回転体２４の外周面に対して側方から隙間２３′をおいて対向している。また、この下流側対向板２０′と前記対向板２０とで挟まれる領域には、当該領域に対して側方から後述の薄膜原料ガスを供給するための少なくとも一つのガス供給口６が設けられている。
ここで、前記対向板２０の上端面２０ａと前記回転体２４の外周面との隙間２３の寸法は、前記対向板２０の側面と整流板２２の側面との離間寸法よりも小さく、さらには、前記下流側対向板２０′と前記回転体２４の外周面との隙間２３′の寸法よりも小さく設定されていることが好ましい。具体的な隙間寸法は適宜設定可能であるが、一般には、隙間２３′の寸法を０．５〜１．０ｍｍ程度、隙間２３の寸法を０．１ｍｍ程度に設定すれば、当該隙間２３においてある程度のガス遮断効果を得ることが可能である。
前記整流板２２は、前記表面処理用ガス排出口１８の回転体回転方向上流側縁部（図２（ａ）（ｂ）では右側縁部）から上方に立ち上がり、前記対向板２０との間に略垂直方向の表面処理用ガス案内通路を形成している。すなわち、対向板２０の側面のうち整流板２２側の面が案内面として機能している。また、整流板２２の上端面と前記回転体２４との間には表面処理用ガスが円滑に流通できるのに十分な隙間（前記隙間２３，２３′よりも十分大きな隙間）が確保されている。
さらに、この装置では、回転体２４と基材１２との間の位置（前記表面処理用ガス案内通路の途中の位置）に、プラズマ生成用の電界を形成するための放電電極３４及び接地電極３６が設けられている。このうち、接地電極３６は、前記表面処理用ガス排出口１８の近傍における前記対向板２０の側面に固定され、放電電極３４は前記整流板２２の側面において前記接地電極３６に対向する位置に固定されている。そして、前記接地電極３６が接地される一方、前記放電電極３４に高周波電圧（直流電圧でもよい）が印加されることにより、両電極３４，３６間にプラズマ生成用の電界が形成されるようになっている。
次に、この装置を用いて基材１２の表面に酸化膜を形成する方法の例を説明する。
この方法では、次の各操作が同時並行して行われる。
１）基材搬送操作：基材搬送台１０に基材１２を載置し、図略のヒータによって予熱した後、搬送ベルト８の長手方向に沿って覆い部材１４の表面処理用ガス排出口１８及び薄膜原料ガス排出口１８′の下方の位置へ搬送する。
２）薄膜原料ガス供給操作：ガス供給口６を通じて、薄膜原料となるガス（例えばシリコン酸化膜を形成する場合にはテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）など）と、アルゴン等のキャリアガスとを対向板２０と下流側対向板２０′とで挟まれた領域内に供給する。
３）表面処理用ガス供給操作：表面処理用ガス供給口１６を通じて覆い部材１４内に表面処理用ガスを供給する。この実施の形態では、表面処理用ガスに、アルゴン等の不活性ガスからなるキャリアガスと、Ｏ２，Ｎ２Ｏ，ＮＯ２，空気、水蒸気といった酸素含有ガスからなる酸化剤の少なくとも一方を含む。また、覆い部材１４内では、モータ３０の作動で回転体２４を図１及び図２（ａ）（ｂ）の矢印方向、すなわち、回転体２４の外周面と対向板２０の上端面２０ａとの隙間２３における当該回転体２４の外周面の周速成分が基材搬送台１０上の基材１２の表面から離れる向きとなる方向に高速回転させる。
この回転体２４の回転により、その外周面に前記表面処理用ガスが巻き込まれて前記隙間２３に導かれるが、この隙間２３の寸法が小さいために多くの表面処理用ガスが回転体２４の回転方向上流側に逆流し、対向板２０の側面（案内面）に沿って、すなわち当該対向板２０と整流板２２との間の案内通路を通じて表面処理用ガス排出口１８から基材１２の表面に向けて排出される。
その際、前記放電電極３４と接地電極３６との間に所定強さの電界を形成しておくと、両電極３４，３６間を前記表面処理用ガスが通過することによりプラズマが生成され、当該プラズマ、もしくは、少なくとも当該プラズマによって前記表面処理用ガスが活性化されたラジカル種が、基材１２の表面に供給される。
さらに、前記対向板２０よりも回転体２４の回転方向下流側の領域では、前記ガス供給口６から供給される薄膜原料ガスが前記と同様に回転体２４の外周面に巻き込まれて当該回転体２４の外周面と下流側対向板２０′との隙間２３′へ導かれ、この隙間２３′から逆流した薄膜原料ガスが前記下流側対向板２０′の側面に沿って薄膜原料ガス排出口１８′から基材１２の表面に供給される。そして、この薄膜原料ガスが前記プラズマまたはラジカル種に混合されて化学反応を起こすことにより、基材１２の表面に薄膜が形成される。反応に使われなかったガスはガス排出口４からチャンバー２の外部へ排出される。
この方法では、例えば回転電極と基材１２との微小隙間にプラズマを生成する従来方法に比べ、隙間寸法の厳しい管理が要求されず、しかも、回転体２４の回転による表面処理用ガスの巻き込みと、当該回転体２４と対向板２０との隙間２３からの表面処理用ガスの逆流とを利用して、基材１２に対してその幅方向（基材搬送方向と直交する方向）に均一な表面処理用ガスの供給をすることにより、高質の表面処理を実現することができる。
特に、図示の装置では、共通の回転体２４を用いて、前記表面処理用ガスと薄膜原料ガスとを同時に並行して基材１２の表面に供給することが可能となっており、小型かつ簡素な構成で良好な薄膜形成を行うことが可能となっている。
なお、参考形態として図３に示すように単一の対向板２０のみを設置して一系統のガス供給を行うようにしてもよい。この装置において薄膜形成を行うには、例えばチャンバー２に前記ガス供給口６を設けて当該チャンバー２内に薄膜原料ガスを供給するようにすればよい。
図４及び図５は、本発明の実施形態とは別の参考形態として、対向板２０が傾斜するように配置されたものを示している。図例では、対向板２０の上面（案内面）が前記表面処理用ガス排出口１８に向かってなだらかに傾斜するように覆い部材１４の底部に配置されている。整流板２２も、前記対向板２０と略平行となるように傾斜し、かつ、前記表面処理用ガス排出口１８の近傍で前記対向板２０の端部に対して上側から対向するように配置され、当該対向板２０との間に表面処理用ガス案内通路を形成している。この場合も、図４に示すガス供給口６から薄膜原料ガスを供給すれば、当該ガスが前記表面処理用ガス案内通路から供給されるプラズマまたはラジカル種との混合によって化学反応を起こして基材１２の表面に薄膜を形成することになる。また、前記回転体２４の外周面と対向板２０の表面との隙間２３の寸法（離間距離）はなるべく小さい方が好ましく、当該寸法よりも、前記表面処理用ガス排出口１８の隙間寸法や、前記覆い部材１４の底壁と基材１２の表面との離間寸法を大きくするのが好ましい。
なお、前記覆い部材１４内に供給する表面処理用ガスに薄膜原料ガスを含め、この薄膜原料ガスもともにプラズマ化して基材１２の表面に供給するようにしても、薄膜形成は可能である。その場合、ガス供給口６からはチャンバー２内に例えばキャリアガスのみを供給するようにすればよい。ただし、その場合には回転体２４の表面にもある程度の薄膜が形成されてしまうのに対し、前記方法のように覆い部材１４内に供給される表面処理用ガスには薄膜原料ガスを含めずに別途基材１２の表面に供給するようにすれば、回転体２４の表面に薄膜が形成されるのを回避できる分、効率が向上し、また回転体２４のメンテナンス周期を延長させることができる利点が得られる。
また、覆い部材１４内でプラズマを生成させるにあたり、電界形成位置は適宜設定可能であり、例えば前記放電電極３４を図６に示すような整流板２２の直上方の位置に設けたり図７に示すように対向板２０に組み込んだりした上で、回転体２４を接地することにより、当該放電電極３４と回転体２４との間に電界を形成してその電界形成位置でプラズマを生成するようにしてもよい。その場合も、当該プラズマが表面処理用ガスとともに表面処理用ガス排出口１８を通じて基材１２の表面に供給されることにより、当該基材表面の処理が実現される。
具体的に、図６に示す装置では、放電電極３４と回転体２４との間の放電により励起された表面処理用ガスが回転体２４と対向板２０との隙間２３またはその近くまで巻き込まれた後、逆流して基材１２の表面に供給され、図７に示す装置では、前記隙間２３またはその近くまで巻き込まれた表面処理用ガスが同隙間２３で形成されるプラズマにより励起されてから逆流して基材１２の表面に供給されることとなる。
前記図１〜図７に示した装置は、回転体２４及びこれに対向する対向板２０が覆い部材１４内に収容されたものであるが、当該覆い部材１４の壁の一部を対向部材として構成することも可能であり、これによって装置の構造はより簡素化される。
図８は、本発明の実施形態とは別の参考形態において、前記覆い部材１４の底壁１５が対向部材として構成されたものである。図において、覆い部材１４は回転体２４全体を収容しており、当該覆い部材１４の底壁１５が前記回転体２４の外周面と基材１２の表面との間に介在している。前記回転体２４は、その外周面が覆い部材１４の底壁１５の内側面（上面）と微小な隙間２３をおいて対向する位置に設けられている。
前記覆い部材１４の底壁１５には、同底壁１５を上下方向に貫通する表面処理用ガス排出口１８が形成されている。この表面処理用ガス排出口１８は、回転体２４の回転軸２６と平行な方向に延びるスリット状をなし、前記回転体２４の外周面と覆い部材１４の底壁１５との隙間が最小となる位置よりも当該回転体２４の回転方向上流側（図例では右側）に位置している。さらに、プラズマ生成手段である放電電極３４及び接地電極３６が前記表面処理用ガス排出口１８を前後から挟むようにして前記覆い部材１４の底壁１５の下面に取付けられている。
この装置において、覆い部材１４内に供給される表面処理用ガスは、前記回転体２４の回転によりその外周面に巻き込まれて前記隙間２３に導かれ、そのガスの多くが回転体２４の回転方向上流側に逆流するが、その上流側にスリット状の前記表面処理用ガス排出口１８が存在するため、前記隙間２３から逆流したガスは、前記表面処理用ガス排出口１８から基材１２の表面に対し、前記回転体２４の回転軸２６と平行な方向（すなわち基材搬送方向と直交する方向）に延びるカーテン状に安定した状態で供給される。この供給ガスは、前記放電電極３４と接地電極３６との間に形成された所定強さの電界を通過することによりプラズマを生成し、当該プラズマ、もしくは、少なくとも当該プラズマによって前記表面処理用ガスが活性化されたラジカル種が、基材１２の表面に供給され、薄膜４２を形成する。
なお、前記プラズマ生成手段としては、前記図６に示した装置と同様に、前記回転体２４が接地され、かつ、その外周面に対向するように放電電極３４が配設されたものでもよい。図９に示す装置では、前記表面処理用ガス排出口１８よりもさらに回転体２４の回転方向上流側の位置で放電電極３４が覆い部材１４の底壁１５上に固定されており、その放電電極３４には前記回転体２４の外周面と対向する傾斜面３４ａが形成されている。この装置では、回転する回転体２４の外周面に巻き込まれた表面処理用ガスが前記放電電極３４と回転体２４との間に形成されたプラズマ４０を通過した後に隙間２３の手前で逆流して表面処理用ガス排出口１８から基材１２の表面に向けて送り出される。
図８及び図９に示す装置によれば、表面処理用ガス排出口１８の形状設定によって底壁１５から供給されるガスの流量及び領域を適正に制御することができ、これにより安定した表面処理を実現することができる。その隙間２３や表面処理用ガス排出口１８の寸法、位置等の好適例については後述の参考例３，４として提示する。
前記のように覆い部材１４の底壁１５を対向部材として利用する場合でも、必ずしも前記回転体２４の全体が覆い部材１４内に収容されていなくてもよく、参考形態として図１０及び図１１に示すように、当該底壁１５に設けられた開口３８から回転体２４の一部が覆い部材１４の外部に突出（図では基材１２に向けて突出）したものであってもよい。この場合、図示のように、前記底壁１５における開口３８の周縁部が前記回転体２４の外周面との間に微小な隙間２３を形成し、それよりも回転体２４の回転方向上流側に前記底壁１５の表面処理用ガス排出口１８が位置する構成とすればよい。
なお、図１０は、前記表面処理用ガス排出口１８を前後から挟むようにして放電電極３４と接地電極３６とが覆い部材１４の底壁１５に組み込まれた例を示しており、図１１は、前記隙間２３よりもさらに回転体２４の回転方向上流側の位置で当該回転体２４の外周面に放電電極３４が対向し、この放電電極３４と接地された回転体２４との間にプラズマ４０が形成される例を示している。
前記隙間２３からガスを逆流させて基材１２に供給する場合、当該隙間２３でのガスの流れ抵抗は高いことが好ましく、当該流れ抵抗が高いほど逆流するガスの割合を増やすことが可能である。参考形態である図１２，図１３に示す装置では、対向部材としての覆い部材１４の底壁１５の上面において、前記表面処理用ガス排出口１８よりも回転体２４の回転方向下流側の位置に、前記回転体２４の外周面に沿って湾曲する凹面１５ａが形成され、この凹面１５ａと前記回転体２４の外周面との間にその周方向に亘って略均一な隙間２３が形成されている。このような構成では、隙間２３におけるガスの流れ抵抗を著しく増大させることができ、当該隙間２３の手前で逆流するガスの量を有効に増やすことができる。
このような装置においても、プラズマ生成手段として種々の態様が存在する。前記図１２に示す装置では、前記表面処理用ガス排出口１８よりもさらに回転体２４の回転方向上流側の位置で放電電極３４が覆い部材１４の底壁１５上に固定され、その放電電極３４に前記回転体２４の外周面と対向する傾斜面３４ａが形成されており、この傾斜面３４ａと前記回転体２４との間でプラズマ４０が形成される。これに対して図１３に示す装置では、表面処理用ガス排出口１８の出口を覆うようにガスの透過が可能なメッシュ状の放電電極３４が配設され、この放電電極３４と回転体２４との間で前記表面処理用ガス排出口１８内にプラズマ４０が形成される。
なお、前記図１２に示す装置では、覆い部材１４の底壁１５の一部をそのまま放電電極として構成してもよい。当該図１２に示す装置における各寸法の好適例については、後述の実施例６として提示する。
前記対向板２０や覆い部材１４の底壁１５に代え、回転体２４の外周面を基材１２の表面に対向させることによっても、良好な表面処理用ガスの供給を行うことが可能である。その例として本発明の実施の形態を図１４及び図１５に示す。なお、図１４において、チャンバー２内の基本構成は前記図１に示したものと全く同等であり、ここでは説明を省略する。
図１５（ａ）（ｂ）に示すように、回転体２４は、前記図２（ａ）（ｂ）に示したものと同様に円筒状の外周面をもつ円柱状に形成されているが、ここでは、その下部を残してそれよりも上側の部分が覆い部材１４で覆われている。詳しくは、覆い部材１４の底壁に回転体２４の形状に対応した形状の表面処理用ガス排出口１８が設けられ、この表面処理用ガス排出口１８から回転体２４の下部が覆い部材１４の下方に突出するように当該回転体２４が配設されており、基材１２の搬送時に当該基材１２と回転体２４の下面とが微小な隙間２３をおいて対向するようになっている。
この装置においても、回転体２４の中心軸は前記基材１２の搬送方向と略直交する方向を向き、当該回転体２４にその中心軸に沿って当該回転体２４を貫く回転中心軸２６が固定されており、この回転中心軸２６の両端が、前記覆い部材１４の底壁上に立設された一対の軸受台２８を介して回転可能に支承されている。そして、覆い部材１４の外部に回転駆動手段であるモータ３０が設置されるとともに、このモータ３０の出力軸及び前記回転中心軸２６の一端部には互いに磁力で連動するマグネットカップリング３２が固定され、これらのマグネットカップリング３２が覆い部材１４の側壁を挟んでその内外に配置されており、当該モータ３０の作動により、前記回転体２４が前記回転中心軸２６の中心軸回り（基材搬送方向と略直交する方向の軸回り）に回転駆動されるようになっている。
この装置では、前記覆い部材１４の底壁の下面（すなわち覆い部材１４が基材１２の表面と対向する面）に放電電極３４が設けられている。この放電電極３４は、前記回転体２４を基準として、当該回転体２４と基材１２との隙間２３における当該回転体２４の外周面の周速の向き（図では右向き）と反対の側（図では左側）に設けられている。そして、この放電電極３４に高周波電圧（直流電圧でもよい）が印加される一方、基材１２が接地された状態で搬送されることにより、前記放電電極３４と基材１２との間にプラズマ生成用の電界が形成されるようになっている。
また、この装置でも、前記対向板２０の案内面と整流板２２の側面との離間寸法が前記回転体２４の外周面と対向板２０の上面との隙間２３の寸法（離間距離）よりも大きく設定されている。
次に、この装置を用いて基材１２の表面に酸化膜を形成する例を説明する。
この方法で行われる各操作のうち、「１）基材搬送操作」は前記の方法と全く同等である。また、「２）薄膜原料ガス供給操作」も、単にチャンバー２内に当該薄膜原料ガスを供給するようにすればよい。
「３）表面処理用ガス供給操作」についても、前記と同様、表面処理用ガス供給口１６を通じて覆い部材１４内にアルゴン等のキャリアガス及びＯ２，Ｎ２Ｏ，ＮＯ２，空気等の酸化剤を含む表面処理用ガスを供給するが、覆い部材１４内では、モータ３０の作動で回転体２４を図１及び図２の矢印方向、すなわち、回転体２４の外周面と基材１２の表面との隙間２３における当該回転体２４の外周面の周速成分が基材搬送台１０上の基材１２の表面から離れる向きとなる方向に高速回転させる。
この回転体２４の回転により、その外周面に前記表面処理用ガスが巻き込まれ、覆い部材１４内から表面処理用ガス排出口１８を通じて基材１２の表面に抜け出て前記隙間２３に導かれる。しかし、この隙間２３の寸法が小さいために多くの表面処理用ガスが回転体２４の回転方向上流側に逆流し、基材１２の表面と覆い部材１４の底壁とで挟まれた空間内に導かれる。
その際、当該基材１２の表面と放電電極３４との間に所定強さの電界を形成しておくと、この電界形成領域に前記表面処理用ガスが供給されることによりプラズマ４０が生成され、当該プラズマ４０によってチャンバー２内の薄膜原料ガスが基材１２上で化学反応を起こすことにより当該基材１２の表面に薄膜が形成される。
この方法でも、例えば従来のように回転電極と基材１２との微小隙間にプラズマを生成する方法に比べ、隙間寸法の厳しい管理が要求されず、しかも、回転体２４の回転による表面処理用ガスの巻き込みと、当該回転体２４と基材１２との隙間２３からの表面処理用ガスの逆流とを利用して基材１２に対してその幅方向（基材搬送方向と直交する方向）について均一な表面処理用ガスの供給をすることができ、これにより高質の表面処理を実現することができる。
また、前記覆い部材１４内に供給する表面処理用ガスに薄膜原料ガスを含め、この薄膜原料ガスもともにプラズマ化して基材１２の表面に供給するようにしても、薄膜形成は可能であり、その場合、ガス供給口６からはチャンバー２内に例えばキャリアガスのみを供給するようにすればよいことは、前記図４及び図５に示した装置と同様である。
なお、本発明は以上示したプラズマＣＶＤに限るものではなく、例えば、予め基材１２を高温に加熱しておいてその熱エネルギーを利用してガスに化学反応を起こさせる熱ＣＶＤの適用も可能である。その場合も、前記と同じ要領で適当な表面処理用ガスを基材１２の表面に供給するようにすればよい。
また、前記図１〜図１５に示した装置はいずれも、回転体２４と対向板２０または基材１２との隙間２３から逆流したガスを基材１２の表面に供給するようにしているが、例えば参考形態として図１６に示すように、前記図２に示した装置において回転体２４を逆向きに回転させ、当該回転体２４と対向板２０との隙間２３を通過したガスがそのまま回転体２４の周速の向きに基材１２の表面に供給されるようにしてもよい。
あるいは、参考形態として図１７に示すように、覆い部材１４内に一対の回転体２４を微小な隙間２３をおいて相対向させて相互逆向きに回転させ、当該隙間２３を通過したガスがそのまま基材１２の表面に供給されるようにしてもよい。この場合、両回転体２４がそれぞれ対向部材を兼用することになる。
また、前記図１４及び図１５に示した装置においても、前記回転体２４を図の矢印方向と逆の方向に回転させ、当該回転体２４と基材１２との隙間２３を通過したガスが基材１２の表面に供給されるようにしてもよい。
ただし、前記のように隙間２３から逆流したガスが供給されるようにすれば、より安定した圧力状態で表面処理用ガスを基材１２の表面に対して均一に供給することができる利点が得られる。
参考例１
前記図４及び図５に示す装置でチタニア（チタン酸化膜）の形成を行った。基材１２には厚さ４ｍｍのガラス基板を用い、薄膜原料ガスにはＴｉ（ｉ−ＯＣ３Ｈ７）４を用い、覆い部材１４内へはヘリウムと酸素の混合ガスを表面処理用ガス供給口１６から導入し、チャンバー２内へは前記薄膜原料ガスをヘリウムガスで希釈したガスをガス供給口６から導入するようにした。放電電極３４には１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加してプラズマを発生させ、基材１２上にヘリウム・酸素の活性ガスを供給した。
この条件において、回転体２４を１５００ｒｐｍで回転させた場合には基材１２の表面に対してその幅方向（基材搬送方向と直交する方向）について±１％内の精度で均一にガスを供給することができた。また、薄膜原料ガスとして前記のＴｉ（ｉ−ＯＣ３Ｈ７）４に代えてＴｉ（ｔ−ＯＣ４Ｈ９）４を用いた場合にも同様の効果を得ることができた。これに対し、前記回転体２４を回転させなかった場合にはいずれの薄膜原料ガスを用いても成膜を確認することができなかった。
参考例２
前記図１６に示す装置において、熱ＣＶＤによりシリカ（シリコン酸化膜）の形成を行った。基材１２には厚さ０．７ｍｍのガラス基板を用い、これを３００℃に加熱した状態で搬送し、さらに表面処理用ガス排出口１８の直前で６００℃まで加熱した状態でこれに表面処理用ガスを吹き付けた。この表面処理用ガスには、キャリアガスであるヘリウムに薄膜原料ガスであるテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を１．５％混合したものを用いた。
この条件において、回転体２４を１５００ｒｐｍで回転させた場合には基材１２の表面に対してその幅方向（基材搬送方向と直交する方向）について±３％内の精度で均一にガスを供給することができたのに対し、前記回転体２４を回転させず、覆い部材１４内への表面処理用ガス供給圧力のみによって表面処理用ガス排出口１８からガスを排出させた場合には、±５０％程度の均一性しか得ることができなかった。
前記図１４及び図１５に示す装置において、回転体２４と対向板２０との隙間２３の寸法を適宜変更しつつ、薄膜原料ガスにテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、キャリアガスにヘリウムを用いてシリコン酸化膜の形成を行った。ここで、基材と放電電極３４との間隔は５ｍｍ、回転体２４の直径は１００ｍｍとし、回転数は１５００ｒｐｍとした。
図１８（ａ）は、前記隙間２３の寸法と、成膜を開始してから１分の間に形成された薄
膜の膜厚との関係を示したものである。図示のように、この実施例では、回転体２４の外周面と対向板２０との隙間２３を５ｍｍ以下とすることによって成膜速度の著しい向上が見られ、特に当該隙間２３を２ｍｍ以下（さらに好ましくは１ｍｍ以下）とすることによりきわめて速度の高い成膜を実現できることが確認できた。
また、この実施例３において、前記隙間差の寸法を１ｍｍに固定する一方、回転体２４の回転数を変えて成膜実験を行った結果を図１８（ｂ）に示す。図示のように、回転体２４を回転させない場合（０ｒｐｍ）では、成膜速度が上がらないのは勿論のこと、回転体２４の両外側の広い空間にガスが逃げ込むために基材１２の両外側に膜厚が偏在するのに対し、回転体２４の回転数を上げるに従って成膜速度及び膜厚の均一性が向上し、回転数を１５００ｒｐｍまで高めると基材幅方向（基材搬送方向と直交する方向）の膜厚の変動割合を±１％以下のレベルまで高めることが可能になる。
参考例３
前記図８に示した装置における主要寸法の好適例を以下に提示する。
１）回転体２４の外周面と覆い部材底壁１５との隙間の最小寸法：１ｍｍ
２）前記隙間が最小となる位置から表面処理用ガス排出口１８までの距離：１１ｍｍ
３）表面処理用ガス排出口１８のスリット幅：１〜５ｍｍ未満
４）底壁１５の厚さ（表面処理用ガス排出口１８の深さ）：５ｍｍ
５）底壁１５の下面と基材１２との離間距離：５ｍｍ
６）放電電極３４及び接地電極３６の断面形状：矩形状（縦３ｍｍ×横５ｍｍ）
参考例４
前記図９に示した装置における主要寸法の好適例を以下に提示する。
１）回転体２４の外周面と覆い部材底壁１５との隙間の最小寸法：１ｍｍ
２）前記隙間が最小となる位置から表面処理用ガス排出口１８までの距離：１１ｍｍ
３）表面処理用ガス排出口１８のスリット幅：１〜５ｍｍ未満
４）底壁１５の厚さ（表面処理用ガス排出口１８の深さ）：５ｍｍ
５）底壁１５の下面と基材１２との離間距離：５ｍｍ
６）放電電極３４の傾斜面３４ａの傾斜角度：３０°
７）放電電極３４の傾斜面３４ａと回転体２４の外周面との水平距離の最小値：２ｍｍ
参考例５
前記図１２に示した装置における主要寸法の好適例を以下に提示する。
１）回転体２４の外周面と凹面１５ａとの隙間１ｍｍ
２）底壁１５の厚さ：６〜１０ｍｍ
３）底壁１５の下面と基材１２との離間距離：５ｍｍ
４）放電電極３４の傾斜面３４ａの傾斜角度：３０°
５）放電電極３４の傾斜面３４ａと回転体２４の外周面との水平距離：１〜５ｍｍ
６ ガス供給口
８ 基材搬送ベルト（基材搬送手段）
１０ 基材搬送台
１２ 基材
１４ 覆い部材
１５ 覆い部材の底壁
１５ａ 凹面
１６ 表面処理用ガス供給口
１８ 表面処理用ガス排出口
２０ 対向板（対向部材）
２０ａ 対向板の上端面
２０′下流側対向板（下流側対向部材）
２２ 整流板（整流部材）
２３，２３′隙間
２４ 回転体
３０ モータ（回転駆動手段）
３４ 放電電極
３６ 接地電極
４０ プラズマ

Claims (3)

  1. 特定方向に基材を搬送する基材搬送手段と、その基材の表面に向けて表面処理用ガスを供給するガス供給手段とを備え、当該表面処理用ガスを前記基材表面またはその近傍で化学反応させることにより当該基材表面を処理するための表面処理装置において、前記ガス供給手段は、円筒状外周面を有し、その外周面が前記基材搬送手段により搬送される基材の表面に対向し、かつ、その中心軸が前記基材の搬送方向と略直交する方向を向くように配置された回転体と、この回転体をその中心軸回りに回転させる回転駆動手段と、前記回転体を当該回転体が前記基材の表面に対向する部位を残して覆う覆い部材と、この覆い部材が前記基材の表面に対向する面と当該基材の表面との間に電界を形成する電界形成手段とを備え、前記覆い部材内に供給された表面処理用ガスが前記回転体の回転に伴いその外周面に巻き込まれて当該回転体の外周面と前記基材の表面との隙間に導かれ、かつ、この隙間から前記電界形成手段により電界が形成される領域に供給されて当該領域でプラズマが生成されるように前記回転体及び覆い部材が配置されていることを特徴とする表面処理装置。
  2. 請求項１記載の表面処理装置において、前記ガス供給手段は、前記回転体と基材の表面との隙間から前記回転体の回転方向上流側に逆流したガスが前記電界形成領域に送り出されるように前記回転体及び覆い部材が配置されたものであることを特徴とする表面処理装置。
  3. 請求項１または２記載の表面処理装置において、前記電界形成領域における前記基材の表面とこれに対向する覆い部材の面との離間距離が前記基材の表面と前記回転体の外周面との離間距離よりも大きいことを特徴とする表面処理装置。
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