JP2013222627A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電電流の帰還回路のインピーダンスを可及的に低くでき、エネルギー効率良くプラズマに高周波電力を投入するプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置は、ドラム５の周面部分の放電空間ＣＳに対向配置される第１電極７と、この放電空間の周方向両側でドラム周面部分を、非放電空間ＵＳを存して覆う第２電極９と、第１電極に高周波電力を投入する高周波電源と、この高周波電源と第１電極との間のインピーダンス整合を図る整合回路を有するマッチングボックスＭＢとを備え、第１電極は真空チャンバの壁面に着脱自在に装着されてこの第１電極を真空チャンバに開設した透孔を挿通させて所定位置に保持する電極ホルダ６を備え、電極ホルダの装着方向後面にマッチングボックスが一体に設けられると共に、この電極ホルダを真空チャンバの壁面に装着すると、第２電極をアース接地のマッチングボックスに直結する導電性の接続部材８を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関し、より詳しくは、真空チャンバ内に設けたドラムに長尺のシート状の基材を巻き掛け、このシート状の基材を走行させながらシート状の基材の一方の面にプラズマ処理を施すものに関する。

例えば長尺で樹脂製または金属製のシート状の基材は可撓性を有し、加工性も良いことから、その表面に所定の金属膜や金属化合物膜（金属酸化物膜）等の所定の薄膜を成膜したり、エッチング処理を施したりして電子部品や光学部品とすることが一般に知られている。従来、真空チャンバ内に回転自在に設けたドラムに長尺のシート状の基材を巻き掛け、ドラムに回転によりシート状の基材を走行させながらシート状の基材の一方の面に、プラズマ処理としてのプラズマＣＶＤ法による成膜を行うものが例えば特許文献１で知られている。

上記従来例のものは、真空ポンプが接続された真空チャンバ内に、シート状の基材を繰り出す繰出手段と、処理後のシート状の基材を巻き取る巻取手段とを設け、ドラムの周面部分を利用してプラズマＣＶＤ法による成膜を行う放電空間（成膜室）が画成されるようにしている。つまり、放電空間を臨むようにシャワー電極を、シート状の基材が巻き掛けられているドラムの周面部分に対向配置し、この放電空間の周方向両側でドラムの周面部分を、非放電空間を存して夫々覆うように、ドラムの曲率に対応させて湾曲させたアース板を配置する。そして、シャワー電極を通して成膜室内に成膜しようとする薄膜の組成に応じて選択される原料ガスをガス導入手段により導入すると共に、プラズマ発生用の高周波電源によりシャワー電極に高周波電力を投入し、放電空間にプラズマを形成して原料ガスを分解して基材の一方の面に付着、堆積させて成膜される。

ここで、シャワー電極とアース板との間で高周波電力を投入して成膜室内に容量結合型プラズマを発生させる場合、高周波電源とシャワー電極との間のインピーダンスの整合を図るため、整合回路を備えたマッチングボックスを介在させることが通常である（例えば、特許文献２参照）。この場合、上記従来例のものにおいては、高周波電力がマッチングボックスから給電線を介してシャワー電極（カソード電極）に供給され、このときの高周波電流は、シャワー電極から負荷（プラズマ）を介して静電容量結合するアース板へと流れ、アース板が接触しているチャンバの壁面を通って、例えばマッチングボックスのアースへと帰還するようになる。

然しながら、真空チャンバの壁面を通してマッチングボックスに放電電流を回収するのでは、電流の帰還回路のインピーダンスが高くなる（特に、誘導成分の負荷が大きくなってしまう）。このため、エネルギー効率が悪くなってプラズマに高周波電力を効率よく投入することができず、安定した放電を維持できない場合があり、これでは、例えば成膜速度の低下を招来したりして再現性よく成膜できない。

特開２０１１−５８０６９号公報 特開２０００−９１３１７号公報

本発明は、以上の点に鑑み、電流の帰還回路のインピーダンスを可及的に低くでき、エネルギー効率良くプラズマに高周波電力を投入することができるようにしたプラズマ処理装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、真空チャンバ内に設けたドラムに長尺のシート状の基材を巻き掛け、このシート状の基材を走行させながらシート状の基材の一方の面にプラズマ処理を施す本発明のプラズマ処理装置は、シート状の基材が巻き掛けられているドラムの周面部分に放電空間を存して対向配置される第１電極と、この放電空間の周方向両側でドラムの周面部分を、非放電空間を存して夫々覆う第２電極と、第１電極に高周波電力を投入する高周波電源と、この高周波電源と第１電極との間のインピーダンスの整合を図る整合回路を有するマッチングボックスとを備え、前記第１電極は、真空チャンバの壁面に着脱自在に装着されてこの第１電極を真空チャンバに開設した透孔を挿通させて所定位置に保持する電極ホルダを備え、電極ホルダの装着方向後面にマッチングボックスが一体に設けられると共に、この電極ホルダを真空チャンバの壁面に装着すると、第２電極をアース接地のマッチングボックスに直結する導電性の接続部材を更に備えることを特徴とする。

本発明によれば、接続部材を設けたため、マッチングボックスを介して高周波電力を第１電極に投入したときの高周波電流が、負荷（プラズマ）を介して静電容量結合する第２電極へと流れた後、この接続部材により、真空チャンバの壁面を経ることなく、マッチングボックスのアースへと最短ルートで帰還して回収される。これにより、電流の帰還回路のインピーダンスが可及的に小さくできてエネルギー効率が良くなることで、プラズマに高周波電力を効率よく投入することができ、常時安定した放電を実現することができる。

ところで、第１電極はプラズマに曝させるため、定期的にメンテナンスを行うことが必要となる。このとき、本発明では、第１電極を保持する電極ホルダにマッチングボックスが一体に設けられた構成であるため、メンテナンス時、電極ホルダを装着方向と反対方向に引き出すだけで、第１電極を含む電極ホルダが真空チャンバから脱離され、真空チャンバ内に第２電極のみが残る構成となる。そして、メンテナンス終了後に当該電極ホルダを再装着することになるが、この再装着時に、ドラムや第２電極に対して第１電極の相対位置が簡単に位置決めされると共に、第２電極をマッチングボックスのアースに電気的に直結されるようにしておくことが望ましい。

本発明においては、前記接続部材は、電極ホルダ内で第１電極の周囲を囲う筒状の輪郭を有し、この筒状部材の装着方向前面に、周方向外側に向かって延出する、第２電極に面接触可能な延出部を有し、第２電極と延出部とのいずれか一方の当接面にピン部材を立設すると共に、いずれか他方の当接面にピン部材が嵌着する受入れ凹部を形成する構成とすれば、ピン部材を受入れ凹部に嵌着させるだけで、ドラム及び第２電極に対して第１電極の相対位置が簡単に位置決めされると共に、第２電極をマッチングボックスのアースに電気的に直結される構成が実現できる。なお、ピン部材としては、接触抵抗が低い所謂他面接触式の接点を持つものを用いるのがよく、また、ピン部材は複数本設けられることが好ましい。

本発明においては、前記第２電極と前記延出部との当接面に、弾性を有する無端状の接触子を更に備えることが好ましい。これにより、真空チャンバの壁面に対して電極ホルダを繰り返し着脱したときでも、接触部材と第２電極との接触を確実に確保されるようにできてよい。

本発明の実施形態のプラズマＣＶＤ装置の構成を説明する模式的断面図。 図１に示すプラズマＣＶＤ装置の電極ホルダを真空チャンバから取り外した状態で示す部分拡大断面図。 電極ホルダの正面図。

以下、図面を参照して、プラズマ処理装置をプラズマＣＶＤ装置とし、樹脂製のシート状の基材Ｓの一方の面に成膜処理するものを例として本発明の実施形態を説明する。以下においては、図１を基準に、ドラムが設けられる側を下とし、上、右、左といった方向を示す用語を用いるものとする。

図１を参照して、ＰＭは、本実施形態のプラズマ処理装置としてプラズマＣＶＤ装置である。プラズマＣＶＤ装置ＰＭは、真空ポンプＶＰが接続された真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１内は仕切板２により上下の空間に区間され、上側空間には、シート状の基材Ｓを巻回され、一定の速度でこのシート状の基材Ｓを繰り出す繰出手段としての繰出ローラ３と、成膜済みのシート状の基材Ｓを巻き取る巻取手段としての巻取ローラ４とが収納されている。なお、基材Ｓを繰り出して巻き取るまでの機構は公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。そして、繰出ローラ３から繰り出された基材Ｓは、ガイドローラ３１を経て仕切板２に形成した第１透孔２１を通して下側空間に引き出され、この下側空間に回転自在に配置されたドラム５に巻き掛きられた後、仕切板２に形成した第２透孔２２を通し、ガイドローラ４１を経て巻取ローラ４に巻き取られる。なお、ドラム５には、基材Ｓを加熱または冷却する手段を内蔵していてもよい。

真空チャンバ１の左側壁には、ドラム５の母線方向の長さより長い横幅（図１の前後方向）を有する矩形の透孔１１が開設され、この透孔１１の外周縁部を囲うようにして真空チャンバ１の外壁面には電極ユニットＣＵが着脱自在に装着される。電極ユニットＣＵは、図２に示すように、導電性板材を断面視皿状に成形してなる電極ホルダ６を備え、電極ホルダ６の右端（電極ホルダ６の装着方向前端）のフランジ６１に図示省略のＯリング等の真空シールを介して真空チャンバ１の左側壁に当接させ、この状態で図外のボルト等で締結されることで装着される。そして、電極ホルダ６が、基材Ｓが巻き掛けられているドラム５の周面部分に放電空間ＣＳを存して対向配置される第１電極（カソード電極）７を保持する。

第１電極７は、導電性を有する底有の筒状部材７１と、右側開口面に取り付けられた、複数個のガス噴射口７２ａが開設された同一材質のシャワープレート７２とで構成され、底部たる左側面にはガス供給管７３が接続されている。この場合、ガス供給管７３は、後述のマッチングボックスＭＢの壁面までのび、ガス源からのガス管７４が着脱自在に接続できるようになっている。そして、ガス供給管７３から所定の原料ガスを供給すると、筒状部材７１内で一旦拡散され、各ガス噴射口７２ａを介して放電空間ＣＳに原料ガスが導入される。原料ガスとしては、例えば、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜を形成するような場合、ＳｉＨ_４、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｏ、Ａｒ、Ｈ_２やＮ_２等のガスが用いられる。

電極ホルダ６内にはまた、第１電極７の周囲に同心に接続部材８が設けられている。接続部材８もまた、導電性を有する筒状部材で構成され、接続部材８の内周面に筒状の絶縁体Ｉを介して第１電極７を保持するようになっている。なお、第１電極７の保持方法としては、ねじによる締結や嵌合等公知の方法を用いることができる。この場合、接続部材８の左側端には、径方向内方に向かって延出させたフランジ８１が形成され、フランジ８１を介して電極ホルダ６の内面に固定される。これにより、電極ホルダ６を真空チャンバ１の左壁面に装着するだけで、シート状の基材Ｓが巻き掛けられているドラム５の周面部分に放電空間ＣＳを存して対向する位置に第１電極７、具体的にはシャワープレート７２が位置決めされ保持される。

電極ホルダ６の左側面にはマッチングボックスＭＢが固定されている。アース接地のマッチングボックスＭＢ内には、マッチング可変コンデンサ、チューニング可変コンデンサやコイル等、公知の構成を有する整合回路（図示せず）が備えられ、この整合回路からの給電線ＭＷが、電極ホルダ６及び接続部材８を通して第１電極７に接続されている。この場合、給電線ＭＷは、例えば金属ブスバーで構成され、電極ホルダ６及び接続部材８に設けた真空シール兼用の碍子ＭＧで支持されている。なお、ガス供給管７３もまた、上記碍子ＭＧで支持されるようにしている。そして、マッチングボックスＭＢは、公知の構造の高周波電源ＨＥに接続され、第１電極に高周波電力を投入できるようになっている（図１参照）。

また、真空チャンバ１内には、放電空間ＣＳの周方向両側（図１中、上下方向）でドラム５の周面部分を、隙間を存して夫々覆う上下一対の第２電極９（アノード電極）が設けられている。第２電極９は、ドラム５の母線方向の長さより長い横幅を有する導電性の板材で構成され、ドラム５に周面に対応して湾曲され、特に図示して説明しないが、真空チャンバ１の内壁面に絶縁体を介在させて固定されている。この場合、第２電極９の面積は、高周波電源ＨＥの周波数をｆとした時のインピーダンス＝（１／２πｆｃ）が十分小さくなる値とし、静電容量Ｃ=Ｓ／Ｄより面積Ｓ=Ｃ／Ｄ等を考慮して、リターン電流を多く回収し得るように設定される。また、上記隙間は、シート状の基材Ｓの走行に影響を与えない距離であり、かつ、上記の式隙間Ｄ=Ｃ／Ｓよりインピーダンスが小さくなるように隙間が短くなること等を考慮して設定され、これにより、ドラム５の周面と第２電極９とで画成される空間が、放電空間にプラズマを形成したときにプラズマが周り込まない非放電空間ＵＳとなる。この場合、第２電極９とドラム５との間に、ドラム５の径方向に所定の長さでのびる非放電空間ＵＳたる隙間が形成されるため、放電空間ＣＳからの排気コンダクタンスが高くなってガス雰囲気分離に有効となる。そして、電極ホルダ６を真空チャンバ１の左側壁に装着した状態では、第２電極９が接続部材８に直結される。

第２電極９の放電空間ＣＳ側の端部には、装着方向後側に向けてのびる４本のピン部材９１が立設されている。この場合、ピン部材９１は、バナナプラグのように、接触抵抗が低い所謂他面接触式の接点を持つものとして構成されている。他方、接続部材８の右側面には、周方向外側（図２中、上下方向）に向かって延出する、第２電極９の放電空間ＣＳ側の端部に対応させて湾曲させた延出部８２が設けられている。この延出部８２には、ピン部材９１の位置に対応させてこのピン部材９１が嵌着される、装着方向（図２中、左右方向）にのびる受入れ凹部８３が形成されている。それに加えて、図３に示すように、また、接続部材８の延出部８２の装着方向前面には、この延出部８２と第２電極９との当接面に、弾性を有する無端状の接触子８４が設けられている。このような接触子８４としては、例えば、ゴム製のＯリングの表面をメッシュ金属で被覆したようなものを用いることができる。

上記実施形態によれば、接続部材８を設けたため、マッチングボックスＭＢを介して高周波電力を第１電極に投入したときの高周波電流が、負荷（プラズマ）を介して静電容量結合する第２電極９へと流れた後、接続部材８により真空チャンバ１の壁面を経ることなく、マッチングボックスＭＢのアースへと最短ルートで帰還して回収される。これにより、電流の帰還回路のインピーダンスが可及的に小さくできてエネルギー効率が良くなることで、プラズマに高周波電力を効率よく投入することができ、常時安定した放電を実現することができる。

ところで、上記実施形態では、第１電極７を保持する電極ホルダ６にマッチングボックスＭＢが一体に設けられた構成であるため、メンテナンス時、電極ホルダ６を装着方向と反対の方向に引き出すだけで、第１電極７を含む電極ホルダ６が真空チャンバ１から脱離され、真空チャンバ１内に第２電極９のみが残る構成となる。そして、メンテナンス終了後に、ピン部材９１を受入れ凹部８３に夫々嵌着させるだけで、ドラム５及び第２電極９に対して第１電極７、ひいてはシャワープレート７２の相対位置が簡単に位置決めされると共に、第２電極９をマッチングボックスＭＢのアースに電気的に直結される構成が実現できる。しかも、第２電極９と接続部材８の延出部８２との当接面に、弾性を有する無端状の接触子８４を更に備えるため、真空チャンバ１の壁面に対して電極ホルダ６を繰り返し着脱し、ピン部材９１と受入れ凹部８３との接触が不十分になるようなことがあっても、この接触子８４により接触部材８と第２電極９との接触を確実に確保されるようにできてよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、プラズマ処理装置をプラズマＣＶＤ装置として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば酸化物ターゲットをスパッタリングして成膜するスパッタリング装置やエッチング装置のように、高周波電力を投入してプラズマ処理するものに広く適用することができる。また、上記実施形態では、プラズマＣＶＤ法により成膜を行う箇所が１つのものを例としているが、ドラムの周囲に複数箇所設けたような場合でも本発明は適用することができる。

上記実施形態では、電極ホルダ６内に接続部材８を内蔵したものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、電極ホルダ６の外側に設けてもよい。また、ピン部材９１、受入れ凹部８３や接触子８４を形成する部材は上記に限定されるものではなく、例えば、ピン部材９１を延出部８２側に形成するようにしてもよい。

ＰＭ…プラズマＣＶＤ装置（プラズマ処理装置）、１…真空チャンバ、５…ドラム、６…電極ホルダ、７…第１電極、８…接続部材、８２…延出部、８３…受入れ凹部、８４…接触子、９…第２電極、９１…ピン部材、ＣＳ…放電空間、ＵＳ…非放電空間、ＨＥ…高周波電源、ＭＢ…マッチングボックス、Ｓ…シート状の基材。

Claims (3)

1. 真空チャンバ内に設けたドラムに長尺のシート状の基材を巻き掛け、このシート状の基材を走行させながらシート状の基材の一方の面にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
   シート状の基材が巻き掛けられているドラムの周面部分に放電空間を存して対向配置される第１電極と、この放電空間の周方向両側でドラムの周面部分を、非放電空間を存して夫々覆う第２電極と、第１電極に高周波電力を投入する高周波電源と、この高周波電源と第１電極との間のインピーダンスの整合を図る整合回路を有するマッチングボックスとを備え、
   前記第１電極は、真空チャンバの壁面に着脱自在に装着されてこの第１電極を真空チャンバに開設した透孔を挿通させて所定位置に保持する電極ホルダを備え、電極ホルダの装着方向後面にマッチングボックスが一体に設けられると共に、この電極ホルダを真空チャンバの壁面に装着すると、第２電極をアース接地のマッチングボックスに直結する導電性の接続部材を更に備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記接続部材は、電極ホルダ内で第１電極の周囲を囲う筒状の輪郭を有し、この筒状部材の装着方向前面に、周方向外側に向かって延出する、第２電極に面接触可能な延出部を有し、第２電極と延出部とのいずれか一方の当接面にピン部材を立設すると共に、いずれか他方の当接面にピン部材が嵌着する受入れ凹部を形成したことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第２電極と前記延出部との当接面に、弾性を有する無端状の接触子を更に備えることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
   

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