JP2014001408A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被処理体以外の部位への成膜を抑制し、且つ被処理体への成膜処理を均一に行うことができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】 プラズマを生成するための高周波電源と、２種類の電極が１つの誘電体面内に形成された面放電型の放電電極面を有し、被処理体を該放電電極の放電面側の表面に密着させ、該被処理体表面近傍にプラズマを生成するプラズマ処理装置の、前記電極の直上における誘電体層表面までの高さをＨ２、前記電極と前記電極の間の誘電体層表面までの高さをＨ１としたとき、Ｈ１＞Ｈ２となるように誘電体層を設けたプラズマ処理装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は主に大気圧プラズマを用いて成膜処理を行うためのプラズマ処理装置に関する。

近年、大気圧でプラズマを生成する技術の検討が進み、Ｓｉ系薄膜やダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）薄膜等の機能性膜の生成や、材料表面の有機物除去、表面改質、滅菌等への適用が広く検討されるようになった。この大気圧プラズマ処理において、ある一定以上の面積の被処理体（例えば１ｍ×１ｍの基板）にプラズマ処理を行う場合には、誘電体バリア放電が広く用いられている。誘電体バリア放電には大きく２つの方式がある。１つは例えば特許文献１に記載のものであり、２枚の平行に配置させた金属の間に誘電体を挿入する平行平板方式である。もう１つは例えば特許文献２に記載されるものであり、２つの櫛形状の電極を１つの誘電体面内に配置している。この放電電極パターンは面放電方式として、古くからプラズマディスプレイパネルで採用されているものである。この面放電型の放電電極を用い、且つ、被処理体（処理基板）の厚さが薄く、被処理体の材質が誘電体（絶縁体）である場合、被処理体の裏面を放電電極の放電面側に密着させて、被処理体の表面側にプラズマを生成することができる（この方式をここでは、基板透過面放電と呼ぶ）。この方式では放電電極が直接プラズマに接しないため、特に堆積性のガスを処理ガスとして用いる成膜処理において、放電電極への堆積物の付着を抑えることができ、放電電極のクリーニング周期を長くすることができる。即ち、量産性の向上が期待できる。また、被処理体の表面側の上方の空間が広く開いているため、処理ガスの供給の自由度が高く、処理ガスを被処理体に対して均一に供給することができ、成膜処理における膜の厚さ分布を均一にしやすいメリットがある。

特開２００５−１３５８９２ 特開２００６−３３１６６４

前記基板透過面放電では被処理体の裏面と放電電極の放電面側の表面が密着し、その間に隙間がないことが望ましいが、被処理体を動かしながら成膜処理を行う場合（例えばフィルム（被処理体）を巻き取りながら処理するＲｏｌｌ−ｔｏ−Ｒｏｌｌ方式）では、被処理体を動かすことに伴って被処理体の裏面と放電電極の放電面側表面に隙間が生じてしまう場合があり、このとき、該隙間でプラズマ放電が発生することがある（以後、この放電を裏面放電とも言う）。この裏面放電によって生成したプラズマは、放電電極を加熱し、高温となった放電電極は処理基板を熱によって変形させることがある。また、裏面放電が発生した部位は処理基板表面に生成されるプラズマの強度が弱くなるか、あるいは、処理基板の表面側に全くプラズマが生成されなくなる。

本発明の代表的なものを示すと次のとおりである。すなわち、本発明のプラズマ処理装置は、２種類の電極（アンテナとアース）が１つの誘電体面内に形成された面放電型の放電電極（放電電極プレート）を有し、被処理体を該放電電極の放電面側の表面に密着させ、該被処理体の表面近傍にプラズマを生成してプラズマ処理を行う誘電体バリア放電方式のプラズマ処理装置において、前記、放電電極は、放電電極内に設置された電極（アンテナとアース）の直上における誘電体層表面までの高さ（図２のＨ２）に対して、電極と電極の間における誘電体層表面までの高さ（図２のＨ１）の方が高いことを特徴とする。

本発明によれば、放電電極と処理基板の間に形成された隙間におけるプラズマの生成（裏面放電）を防止することができ、成膜ムラや処理基板の劣化、破損、変質等を防止することができる。

本発明の第１の実施例になる、プラズマ処理装置の全体構成を説明するための概略図である。 本発明の第１の実施例になる、プラズマ放電部の断面構造を説明する図である。 本発明の第１の実施例になる、プラズマ放電部について、電極パターンを示した概略図である。 本発明の第１の実施例になる、プラズマ処理装置について、被処理体の搬送方向から見た、プラズマ処理装置の構成を説明するための概略図である。 裏面放電が発生する要因を説明するための図である。 裏面放電が発生する別の要因を説明するための図である。 誘電体基板５−１に銅などの導体層５４が全面に形成された状態の断面構造を示す放電電極の製造方法を説明するための概略図である。 図３に示したような電極パターンをエッチング等で形成して得られた断面構造を示す放電電極の製造方法を説明するための概略図である。 誘電体層５−２を塗布や貼り合わせ等によって形成して得られた断面構造を示す放電電極の製造方法を説明するための概略図である。 電極と電極の間の上方の誘電体層５−２の表面のみに、誘電体層５−３を形成して得られた断面構造を示す放電電極の製造方法を説明するための概略図である。 図６Ｃの構造を形成した後、研磨によって電極直上の誘電体（６０の部分）を削る方法で得られた断面構造を示す放電電極の製造方法を説明するための概略図である。 一旦、誘電体層５−２を研磨して平坦にした後に、電極４と電極４の間の上方に誘電体層５−３を形成して得られた断面構造を示す放電電極の製造方法を説明するための概略図である。 電極４と電極４の間の上方に誘電体層５−３を形成することによって、電極４と電極４の間の誘電体表面高さＨ１と電極直上の誘電体表面高さＨ２が同程度として、図５Ｂに近い誘電体表面構造とした断面構造を示す放電電極の製造方法を説明するための概略図である。 電極４と電極４の間の上方に誘電体層５−３を形成することで、電極４と電極４の間の誘電体表面高さＨ１が電極直上の誘電体表面の高さＨ２よりも小さくてもＨ１とＨ２の差をできるだけ小さくした断面構造を示す放電電極の製造方法を説明するための概略図である。 本発明の第１の実施例になる、プラズマ生成のための高周波電源を説明するための概略図である。 本発明の第１の実施例になる、高周波電源における昇圧回路の概略図である。 本発明の第１の実施例になる、プラズマ生成のための高周波電源の他の構成を説明するための概略図である。 本発明の第１の実施例になる、高周波電源における昇圧回路の他の概略図である。 本発明の第２の実施例になる、プラズマ処理装置の全体構成を説明するための概略図である。 本発明の第３の実施例になる、プラズマ処理装置の放電電極プレートについて、ガス穴を設けた場合の、放電面側から見た構成を説明するための概略図である。 本発明の第３の実施例になる、プラズマ処理装置の放電電極プレートについて、ガス穴を設けた場合の、図１２ＡにおけるＡ−Ａ‘断面のガス穴６１付近の構成を説明するための概略図である。 本発明の第３の実施例の比較例になる、プラズマ処理装置の放電電極プレートについて、ガス穴を設けた場合の、放電面側から見た構成の望ましくない場合を説明するための概略図である。 本発明の第３の実施例の比較例になる、プラズマ処理装置の放電電極プレートについて、ガス穴を設けた場合の、図１３ＡのＡ−Ａ’断面におけるガス穴付近の構成の望ましくない場合を説明するための概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を具体的に適用したプラズマ処理装置の実施例について詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について図１ないし図１０を用いて説明する。図１は、本発明を適用した大気圧で被処理体に対して成膜処理を行うプラズマ処理装置３１の概要を示している。図４は、図１のプラズマ処理装置を被処理体の搬送方向側から見た概略を示している（図１に記載があるものの一部は図示を省略した）。処理室を形成している筐体３４の中には、プラズマを生成するための放電電極プレート１が複数個設置されている。被処理体（処理基板）２は、該被処理体の裏面側（プラズマ処理されない側の面）が放電電極プレート１に接触するように、ローラー３２がプラズマ処理装置３１に設置させている。プラズマ６は被処理体２の表側（プラズマ処理される側の面）の上方に生成される。被処理体には、例えば、ＰＥＴ樹脂フィルムなどのフレキシブルな誘電体（絶縁体）材料やガラスなどの堅い誘電体（絶縁体）を用いることが望ましい。フレキシブルな材料を被処理体として用いる場合は、プラズマ処理装置３１の両端で被処理体を巻き取る装置、及び被処理体を送り出す装置（Ｒｏｌｌ−Ｔｏ−Ｒｏｌｌ処理方式に必要な搬送装置）を設置するのがよい（図示せず）。

処理基板の入り口側、及び、出口側には、処理室内部のガス雰囲気と、処理室外側の大気雰囲気のガスを切り換えるためのガス雰囲気切り換え器３３が設置されている。また、プラズマ処理装置３１には、処理ガスを供給するためのガス供給系３７−１と、被処理体２の裏面と放電電極プレート１の間に生成された隙間でのプラズマの生成（裏面放電の発生）を抑制するため、放電抑制ガスを供給するガス供給系３７−２が設置されている。処理ガスとしては、ＣｘＨｙやＳｉｘＨｙ、ＮＨ_３、Ｈ_２、Ｎ_２ガス等に、希釈ガスとしてＡｒ、Ｈｅなどを添加した混合ガスを用いる。例えば、ダイヤモンドライクカーボン薄膜を形成する場合には、Ａｒ／Ｃ_２Ｈ_２／Ｈ_２混合ガス、ＳｉＮ膜を形成する場合は、Ｈｅ／ＳｉＨ_４／Ｈ_２／ＮＨ_３混合ガスを主成分とする処理ガスを用いる。放電抑制ガスとしてはＮ_２ガスを用いる。なお、放電抑制ガスは、放電に必要な電圧が処理ガスに対して高ければよく、Ｎ_２ガスに限定される必要はない。一般に、構成原子の数が多い分子は放電維持に必要な電圧が高くなる傾向にあることが知られており、例えば、ＳＦ_６（原子数７個）やＣ_３Ｈ_８（原子数１１個）を放電抑制ガスとして用いることが可能である。

処理ガスは、プラズマ６の生成領域から離れた高さ位置に設置したガス供給口３９−１から供給する。該ガス供給口３９−１にはガス供給のためのガス孔を複数個設けた構成としてもよいし、多孔質体を介して供給する構成としてもよい。放電抑制ガスは、放電電極プレート１と放電電極プレート１の間に形成された隙間（溝）５１、または、放電電極プレート１と高さ調整台５０の間に形成された隙間（溝）５１に供給する。これによって被処理体が搬送される際に、被処理体の裏面側に放電抑制ガスが供給されるようにする。

プラズマ処理装置３１には、処理室内の主に被処理体２の上方の空間にあるガスを排気するためのガス排気系３８−１と、処理室内の主に被処理体の下方の空間にあるガスを排気するためのガス排気系３８−２が設置されている。また、処理基板の上方の空間の処理ガスの雰囲気と、処理基板の下方の空間の放電抑制ガスの雰囲気をできるだけ区別するために、仕切り板５２が被処理体の高さ位置と同程度の高さ位置に設置されている。これにより、放電しやすい処理ガスが、処理基板と放電電極プレートの間にできた空間に侵入するのを低減することができ、被処理体の裏面と放電電極プレートの間にできた空間でプラズマが生成されるのを防ぐようにしている。また、処理基板の上方の空間の圧力をＰ１、処理基板下方の空間の圧力をＰ２としたとき、放電抑制ガスが成膜処理における膜質に影響を与えないように、Ｐ１＞Ｐ２（処理基板下方の空間の圧力が相対的に若干負圧）としている。また、図４に示したように、仕切り板５２は左右に１枚である必要はなく、複数枚設置してガスの流れに対してコンダクタンスがある程度小さくなるようにすることが望ましい。

次に、放電電極プレート（以後、放電電極とも言う）１について、図２、図３を用いて説明する。図３は、放電電極の放電面を上方から見たときの電極４のパターンの概略を示した図である。図２は、図３のＡ−Ａ‘の断面を説明するための概略図である。放電電極は、アンテナ線（電極４−１）とアース線（電極４−２）が交互に配置された櫛形のパターンが誘電体５内に設置された構造となっている。プラズマはアンテナ線とアース線の間で形成される電界（電気力線３５参照）のうち、誘電体表面より上方の空間の電界によって生成される。

本実施例では図２に示したように、放電電極プレート１の誘電体表面には凹凸の形状が形成されている。アンテナ線、アース線となる電極４−１、４−２の直上の誘電体層表面の高さ（Ｈ２）より、電極４−１と電極４−２の間の上方の誘電体表面の高さ（Ｈ１）の方が高くなるようにしている。この理由について次に説明する。例えば、図５Ａに示したように、電極４の直上の誘電体表面の高さＨ２の方が、電極と電極の間の誘電体層表面の高さＨ１よりも高い場合（Ｈ２＞Ｈ１）、電気力線３５−１の経路に空間領域３６−３があるため、ここでプラズマが生成されることがある。また、処理基板の上方の空間領域３６−４を通る電気力線３５−２は空間３６−３でプラズマが生成されると、このプラズマを通るように、電気力線３５−１と同様の経路にゆがめられ、空間領域３６−４の電界強度が低下する。これにより、処理基板の上方の空間領域３６−４においてはプラズマの強度が低下するか、あるいは、全くプラズマが生成されなくなる。また、空間領域３６−３でプラズマが生成されると、放電電極プレートがプラズマによって加熱される。この場合、高温になった放電電極プレートが処理基板を加熱し、特に、処理基板が樹脂の場合、被処理体が伸びたり、縮んだり、または、穴が開いたりする。被処理体が伸びたり、縮んだりすると、被処理体の裏面と放電電極プレートの間にさらに大きな隙間を作る原因となる。そのため、図５Ａに示した放電電極の誘電体表面の構造は望ましくない。

図５Ｂは、放電電極プレートの表面が平らな場合を示している。この場合、放電電極プレートに被処理体の裏面が密着すれば、裏面放電は発生しないが、例えば、ＰＥＴフィルムなどのフレキシブル基板を被処理体として用い、これを連続搬送しながら成膜処理をすると、被処理体の搬送に伴って僅かに被処理体の裏面と放電電極プレートの間に隙間が発生し、処理基板の裏面側と放電電極プレートの間でプラズマが生成することがある。これに対して、本実施例では、図２に示したように、電気力線３５−１の経路は誘電体で満たされているため、被処理体の裏面側ではプラズマが生成されず、被処理体の表面側の直上の空間領域３６−２で安定にプラズマが生成される。また、空間領域３６−１２は放電抑制ガスを供給するためのガスの供給ルート（流路）としての役割も担うことができる。また、被処理体の表面側の方が被処理体の裏面側に比べて若干陽圧になっているため、被処理体には放電電極プレート表面側に押されるような力が働いている。そのため、放電電極プレートの表面に凹凸をつけることで、放電電極プレートが平坦の場合と比べて、被処理体と放電電極プレートの接触面において、被処理体が放電電極側を押す力（密着強度）を増加させる効果がある。

また、放電抑制ガスを被処理体の裏面側に導入しても図２に示したような電極表面構造が望ましい更なる理由を以下に簡単に述べる。例えば、図５Ｂにおける空間領域３６−５の電界強度は、空間領域３６−６の電界強度よりも高くなる（または、図５Ａの空間領域３６−３の電界強度の方が空間領域３６−４の電界強度よりも高くなる）。そのため、ある一定の大きさの隙間が被処理体の裏面側と放電電極の間に形成された場合で、且つ、被処理体の表面側のガスと裏面側のガスで組成や圧力が同等であれば（または、放電に必要な電界強度が両者で同等であれば）、被処理体の表面側に比べて、被処理体の裏面側で優先的にプラズマが生成される。被処理体の裏面側に供給している放電抑制ガスの放電に必要な電界強度（Ｅｃ）が、被処理体の表面側に供給している処理ガスの放電に必要な電界強度（Ｅｐ）よりも大きくても、それ以上に被処理体の裏面側と放電電極の間の空間の電界強度（Ｅｂ）が被処理体の表面側の電界強度（Ｅｓ）に対して大きいと、裏面放電が発生するリスクが高くなる。即ち、
Ｅｃ−Ｅｐ＜Ｅｂ−Ｅｓ （１）
であるとき（放電抑制ガスと処理ガスの放電に必要な電界強度の差よりも処理基板の裏面と表面の電界強度の差の方が大きい場合）裏面放電のリスクが高くなる。例えば、被処理体の表面側でプラズマを生成するのに最低限必要な条件であるＥｐ＝Ｅｓの場合、式（１）はＥｃ＜Ｅｂとなり、裏面放電が起きやすくなることが分かる。従って、裏面放電を抑制するためには、本来は
Ｅｃ−Ｅｐ＞Ｅｂ−Ｅｓ （２）
であることが望ましい。一般に、希ガスでは、放電に必要な電圧がＮ_２ガスに比べて数分の１〜１／１０程度と低いため、希ガスで大きく希釈された処理ガスを用いている場合は、放電抑制ガスにＮ_２（窒素）ガスを用いれば、電極間ギャップＤや誘電体厚さＨ１、Ｈ２、被処理体の厚さＳなどの値によっては、式（２）を比較的容易に満たすことが可能である場合がある。しかし、既に述べたように、処理基板の表面側に対して裏面側を負圧にしているため、処理ガスの一部は処理基板の裏面側に到達することになる。この結果として、放電抑制ガスに放電しやすい処理ガスが混入すると、放電抑制ガスのみの場合と比べて裏面放電の抑制の効果が低下する。また、原料ガスであるＳｉＨ_４やＣ_２Ｈ_２などの多原子分子では、放電に必要な電界強度が窒素ガスの場合と比べて概ね同等かあるいはそれ以上であるため、多原子分子の混合比率が希ガスの比率に比べて大きくなると、処理ガスと放電抑制ガスにおいて放電に必要な電界強度の差が小さくなり、式（２）の条件を満たすことが難しくなる。そのため、放電抑制ガスの供給に加えて、放電電極の表面に図２に示したように凹凸構造を形成することが望ましい。

次に、放電電極プレートの製造手順について図６を用いて説明する。図６Ａは、誘電体基板５−１に銅などの導体層５４が全面に形成された状態の断面構造を示している。このプレートにおいて、図３に示したような電極パターンをエッチング等で形成し、図６Ｂのような断面構造を得る。次に、誘電体層５−２を塗布や貼り合わせ等によって形成する（図６Ｃ）。なお、図６Ｃでは電極４の厚みによって、誘電体層５−２の表面に凹凸が生じている。次に、電極と電極の間の上方の誘電体層５−２の表面のみに、誘電体層５−３を形成する（図６Ｄ）。このような手順によって、図２に示したような放電電極表面の凹凸構造（電極直上の誘電体表面高さ（Ｈ２）よりも電極と電極間の上方の誘電体表面高さ（Ｈ１）の方が高い状態を得ることができる。もちろん、図６Ｃの構造を形成した後、図６Ｅに示したように、研磨によって電極直上の誘電体（６０の部分）を削る方法でも良い。また、図６Ｆに示したように、一旦、誘電体層５−２を研磨して平坦にした後に、電極４と電極４の間の上方に誘電体層５−３を形成してもよい。誘電体層５−１、５−２、５−３にはお互いに同じ誘電体材料を用いるか、または、お互いに物性的に近い材料を用いることが望ましい。誘電体材料としては、例えばＳｉＯ_２を主成分とするガラス（石英や焼結ガラスなど）やＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするアルミナなどが考えられる。

なお、図６Ａないし図６Ｃに示したように、誘電体基板５−１に電極パターン４を形成し、その上に誘電体層５−２を形成する方式では、一般に、図６Ｃのように電極直上が凸となった構造、即ち図５Ａに示した、最も望ましくない構造となる可能性が高いことが分かる。従って、図６Ｃに示したような構造となったときは、図６Ｇに示したように、電極４と電極４の間の上方に誘電体層５−３を形成することによって、電極４と電極４の間の誘電体表面高さＨ１と電極直上の誘電体表面高さＨ２が同程度として、図５Ｂに近い誘電体表面構造にするだけでも、
図６Ｃに示した構造よりは被処理体の裏面側でプラズマの生成を抑制する効果がある。また、図６Ｈに示したように、電極４と電極４の間の上方に誘電体層５−３を形成することで、電極４と電極４の間の誘電体表面高さＨ１が電極直上の誘電体表面の高さＨ２よりも小さくてもＨ１とＨ２の差をできるだけ小さくすることで、被処理体の裏面側におけるプラズマ放電の発生を抑制する効果が少なからずある。

次に、図２に示した放電電極プレート１における、電極４と電極４のギャップＤ、誘電体層の厚さＨ１、Ｈ２の寸法について述べる。まず、被処理体の表面でプラズマを生成する観点で
Ｈ１＋Ｓ ≦ Ｄ／２ または Ｈ２＋Ｓ ≦ Ｄ／２ （３）
となることが望ましい。なお、裏面放電の発生や、放電電極プレートのクリーニングのための放電（被処理体２が放電電極プレート１上に無い状態での放電）による表面誘電体層の消耗、劣化等を考慮する場合、上記式（３）の右辺はＤ／２よりも大きい値、例えばＤ程度としても良い。ただし、右辺の値をＤ／２よりも大きくし過ぎると、強い電界を被処理体の表面側に生成するのが次第に困難になる。

また、放電電極プレートの絶縁破壊を防止するため、図２の領域３６−１１における誘電体内の電界強度が、誘電体の絶縁破壊電圧よりも小さくなるようにしなければならない。プラズマ処理を行っているときの高周波電力の電圧をＶ（波高値（Ｐｅａｋ−ｔｏ−Ｐｅａｋ電圧の半分の値））、誘電体５の絶縁破壊電界強度をＥｍとすると、
Ｖ ／ （２ × Ｈ２） ＜ Ｅｍ （４）
となるようにＨ２を決定する必要がある（ここでプラズマは抵抗負荷とし、誘電体５のインピーダンスと比較して抵抗値が十分小さいことを仮定した）。例えば、電極間ギャップＤを１ｍｍ、誘電体層の厚さＨ２を０．１ｍｍ、被処理体の厚さＳを０．１ｍｍとすると、ＨｅやＡｒを主成分とする場合（他のガス種の濃度は数％以下の場合）、およそ１ｋＶ（周波数はｋＨｚから数十ｋＨｚのオーダーの場合）で被処理体の表側でプラズマを生成することが可能である。この場合、例えば誘電体５の絶縁破壊電界強度Ｅｍを２０ＭＶ／ｍとすると、式（４）より、
Ｈ２ ＞ １［ｋＶ］／２０［ＭＶ／ｍ］／２＝０．０２５［ｍｍ］
となり、Ｈ２を０．１ｍｍとした場合、絶縁破壊は生じないことが分かる。そして、Ｈ１はＨ２よりも若干大きい値、例えば、Ｈ１はＨ２に対して０．０１ｍｍないし０．０５ｍｍ程度大きい値とする。もちろんＨ１とＨ２の差を大きくし過ぎて、空間領域３６−１２でプラズマが生成されないように注意する必要がある。被処理体の厚さＳが厚い場合は、電極間ギャップＤ、誘電体層厚さＨ２、印加電圧（放電電圧）を大きくすればよい。例えば、処理基板の厚さ０．５ｍｍでは、電極間ギャップを５ｍｍ、誘電体層の厚さＨ２を０．５ｍｍ、印加電圧を５ｋＶとすればよい。また、この場合でも、Ｈ１とＨ２の差は必ずしも大きくする必要は無く、０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度としてもよい。この理由は、電極間ギャップＤを大きくすると、それに伴って、印加電圧（放電電圧）Ｖを増加させる必要が生じ、放電電圧Ｖを高くしたことに伴って、誘電体層の絶縁破壊を防止するためにＨ２も大きくしなければならないが、これに対して、電極間ギャップＤ、放電電圧Ｖ、誘電体の厚さＨ２すべてを同程度の倍率で大きくした場合、電界強度分布はあまり変わらないためである（ここでＨ１とＨ２の差はＨ２に比べて十分小さい（Ｈ２−Ｈ１＜＜Ｈ２）と仮定した）。即ち、被処理体の裏面側と放電電極の間の隙間における電界強度が変化しなければ、Ｈ１とＨ２の差は変えなくても良い。

なお、上記で述べた計算においては、被処理体の被誘電率（ε２）が、誘電体層の被誘電率（ε１）と同程度であると仮定した。被処理体２の比誘電率と誘電体層５の比誘電率の違いを考慮する場合は、上記式においてＳをＳ×ε１／ε２に置き換えて考えるとよい。

次に、本実施例におけるプラズマ生成のための高周波電源３について図７、図８を用いて説明する。高周波電源３は、制御回路４０と昇圧回路４１からなる。制御回路４０は１台とし、昇圧回路４１は放電電極プレートの数と同じ台数とする。制御回路４０では周波数を決定するための高周波信号回路４２が設置されている。この高周波信号回路４２から出力された周波数信号は昇圧回路４１にそれぞれ入力され、該昇圧回路４１において発生させるプラズマ放電用の高周波電力の周波数、及び、位相を決定する。これによって、複数個の昇圧回路４１を用いて複数個の放電電極プレート１にてプラズマを生成しても、お互いの放電周波数及び、高周波電力の位相が同じになるようにしている。

該昇圧回路４１においては、１つ、又は複数個の昇圧用のコイル４３を設置可能としている。これは１つの昇圧回路４１の出力電力を増加させるためであり、放電電極１における放電面積等によって、昇圧回路４１に装着するコイルの数を変更できるようにした。図８には昇圧回路の回路図の概略を示す。図８のaはＤＣ電力、bは高周波信号、cはbと逆位相の高周波信号の入力端子であり、dはプラズマ放電用の高周波電力の出力端子、eはアース側の端子（放電電極プレートのアース電線側に接続する）である。本回路は昇圧コイル４３を並列に複数個接続できるように構成されている（複数個の昇圧コイルの２次側をお互いに並列に接続させた後に放電電極プレートに接続されている）。即ち、１つの昇圧コイル４３と１つのコンデンサ４５−１と、１つのスイッチング素子対（ＦＥＴ２個を１組として用いている）からなる回路構成をＸとし、この回路Ｘが複数個並列に接続された構造としている。この複数個の回路Ｘの入力側と出力側はそれぞれお互いに接続されている。なお、図８では、コンデンサ４５−２は回路Ｘそれぞれに設置してあるが、回路Ｘの出力側を合流させた後の段階でコンデンサ４５−２を設置する構成としてもよい。

即ち、図７、８に示した構成は、昇圧回路におけるコイルの複数個の並列接続、及び、回路の複数個の並列接続を可能とすることによって、放電電極プレートの個々の放電面積を大きくする、または、放電電極プレートの設置枚数を増加させて処理能力を高めている場合等において、プラズマ生成に必要な電力の供給量を簡便に増加させることを可能としている。図７では１枚の放電電極プレートに１つの昇圧回路を接続しているが、もちろん、１枚の放電電極プレートに複数個の昇圧回路４１を接続してもよい。

なお、図７、８に示した高周波電源は、複数個の昇圧回路に対して、１つの制御回路（高周波信号回路）を接続しているが、図９、図１０に示すように、複数個の昇圧回路のそれぞれが、高周波信号を発生する（周波数を決定する）方式としてもよい。図９は、図７と同様な構成であるが、制御回路４０には高周波信号回路４２が無く、昇圧回路に供給するＤＣ電力の電圧の調整が主な機能となる。図１０には図９における昇圧回路４１の概略図を示す。昇圧コイル４３、コンデンサ４５−１、スイッチングトランジスタ対４４が複数個設置されている。本回路は高周波電力の周波数が、主にコンデンサ４５−１と昇圧コイル４３のＬＣ共振によって決定される方式の回路である。スイッチングトランジスタ対４４は、トランジスタ２つを１組で用いており、複数個のトランジスタ対４４はお互いに並列に接続されている。また、コンデンサ４５−１は複数個設置されており、お互いに並列に接続されている。昇圧コイル４３は一次側がお互いに並列に接続されており、２次側の高電圧側はコンデンサ４５−２を介して並列に接続されている。なお、図１０の回路では、スイッチングトランジスタ対４４を１つとする、または、コンデンサ４５−１を１つとして、昇圧コイル４３を複数個設置することもできる。ただし、この場合、昇圧コイルの数を変更しても、周波数を変えないようにする場合、コンデンサ４５−１の容量を変更する必要が生じる。昇圧コイルの個数と同じ個数のコンデンサ４５−１を設置することにより、コイルの装着数を増減させたとき、その数に応じてコンデンサ４５−１の数も増減させれば、高周波電力の周波数を変えないで、簡便に出力電力を調整できる。また、スイッチングトランジスタ対４４を昇圧コイルと同じ個数設置している理由は、スイッチングトランジスタに多くの電力が供給されると、発熱し、これが熱損失となるため、この熱損失を抑制することが主な目的である。

図９に示した高周波電源３の場合、昇圧回路から出力される高周波電力の位相が、昇圧回路毎に異なるため、１つの放電電極プレート１に複数個の昇圧回路を接続することはできない。また、１つの放電電極プレート１に１つの昇圧回路４１を接続する場合でも、複数個の放電電極プレート１の距離がお互いに近い（生成したプラズマの距離がお互いに近い）と、プラズマを介して昇圧回路の出力端子（図１０のｄ）が、昇圧回路間でつながってしまう（ショートしてしまう）ため、放電電極プレートのお互いの設置距離に制限が生じる。一方で、高周波電力回路の構成が簡単であるメリットがある。

本発明の第２の実施例について図１１を用いて説明する。実施例１と同様の構成は説明を省略する。本実施例では、成膜処理を減圧した状態で処理するプラズマ処理装置を示している。処理室を構成する筐体３４は別のチャンバー２６と接続されている。このチャンバー２６は大気と減圧雰囲気を切り換えるロードロックチャンバーであっても良いし、筐体３４に含まれる機能と同様の機能を持つ処理チャンバーであっても良いし、その他の処理を行うチャンバーであっても良い。チャンバー２６と筐体３４の間は、ゲートバルブ１５を介して接続されている。排気系３８−１、または、３８−２には処理室を減圧するための真空ポンプが設置されている。また、処理室内の圧力を測定するための真空計１６−１と１６−２が設置されている。基板透過面放電方式では、大気圧雰囲気に限らず、減圧雰囲気でも、加圧雰囲気でもプラズマを処理基板の表面側に生成することが可能である。特に、減圧雰囲気では、成膜処理における膜質の向上が容易であるメリットがある。一方で、処理圧力を低くし過ぎると、成膜処理の速度が低下する可能性がある。また、図１に示した大気圧での処理に比べて、筐体３４の強度を大きくする必要があり、さらに、排気系３８−１及び３８−２にはターボ分子ポンプなどの真空排気に必要な大がかりな排気手段が必要となる。そのため、プラズマ処理装置３１が全体に大がかりになるデメリットがある。

以上、実施例１及び実施例２について説明してきたが、実施例１及び実施例２にて用いる放電電極プレート１について、ガス穴を設けた場合の構成を図１２に示す。図１２に示したように、放電電極プレートの放電面側と処理基板の間のガスを逃がすためのガス穴６１を放電電極プレートの表面に設けた構造としてもよい。図１２Ａは放電面側から見た構成、図１２Ｂは図１２ＡにおけるＡ−Ａ‘断面のガス穴６１付近の構成を示す図である。ガス穴は電極４−１と電極４−１の間に設けてある。もちろん電極４−２と電極４−２の間に設けても良い。即ち、アンテナ線とアンテナ線の間、または、アース線とアース線の間にガス穴を設けるのが望ましい。一方で、ガス穴を設けた場合の構成の望ましくない場合を図１３に示す。図１３（図１３Ａは放電面側からみた構成、図１３Ｂは図１３ＡのＡ−Ａ’断面におけるガス穴付近の構成を示している）に示すように、電極４−１と電極４−２の間、即ちアンテナ線とアース線である対の電極間にガス穴を設けるのは望ましくない。もし、ガス穴６１の両側にあるアンテナ線とアース線の距離（図１３ＢにおけるＤ１）が十分大きくない場合、図１３Ｂに示すように、アンテナ線とアース線間で生成される電気力線のうち、ガス穴６１を通る電気力線３５−２０によって、ガス穴６１内の領域３６−２０においてプラズマが生成する恐れがあるためである。このプラズマは、各種寸法や放電電力、高周波電力の周波数等の条件によってはホローカソード効果等により非常に強い放電に発展し、放電電極プレートや処理基板にダメージが発生する要因となる恐れがある。そのため、図１３の構成の場合は、ガス穴６１の両側にある電極間の距離Ｗを大きくしなければならない。一方で、距離Ｄ１を大きくすると、それに応じて放電電極の面積が大きくなり、プラズマ処理装置３１も大きくなるというデメリットが生じる。

以上、本発明について、成膜処理装置を例に説明したが、洗浄、滅菌、表面改質など、プラズマで処理を行うことが可能であるその他の処理に適用してもよい。

本発明によれば、放電電極と処理基板の間に形成された隙間におけるプラズマの生成（裏面放電）を防止することができ、成膜ムラや処理基板の劣化、破損、変質等を防止することができる。従って、被処理体以外の部位への成膜を抑制し、且つ被処理体への成膜処理を均一に行うことができるプラズマ処理装置を提供出来る。

１：放電電極プレート、２：被処理体（処理基板）、３：放電用電源、４：電極、５：誘電体、６：プラズマ、１５：ゲートバルブ、１６：真空計、２６：チャンバー、２９：ガス供給口、３０：凸部分、３１：プラズマ処理装置、３２：ローラー、３３：ガス雰囲気切り換え器、３４：筐体、３５：電気力線、３６：領域、３７：ガス供給系、３８：ガス排気系、３９：ガス供給口、４０：制御回路、４１：昇圧回路、４２：高周波信号回路、４３：コイル、４４：スイッチング素子、４５：コンデンサ、５０：高さ調整台、５１：溝、５２：仕切り板、５３：ガスの流れ、５４：導体、６１：ガス穴

Claims (10)

1. プラズマを生成するための高周波電源と、２種類の電極が１つの誘電体面内に形成された面放電型の放電電極面を有し、被処理体を該放電電極の放電面側の表面に密着させ、該被処理体表面近傍にプラズマを生成するプラズマ処理装置の、前記電極の直上における誘電体層表面までの高さをＨ２、前記電極と前記電極の間の誘電体層表面までの高さをＨ１としたとき、Ｈ１＞Ｈ２となるように誘電体層を設けたことを特徴するプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、前記電極の直上の誘電体層の厚さをＨ２、前記被処理体の上方でプラズマを生成するために印加する高周波電力の電圧をＶ、前記誘電体層の絶縁破壊電界強度をＥｍとしたとき、
   Ｖ ／ （２ × Ｈ２） ＜ Ｅｍ
   を満たすことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、前記被処理体と同程度の高さ位置において、仕切板が処理室内に設置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、プラズマ生成のための高周波電源は昇圧回路と制御回路からなり、前記昇圧回路には複数個の昇圧コイルが設置されており、前記複数個の昇圧コイルの２次側がお互いに並列に接続された後、前記放電電極に接続されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、該２種類の電極のうちの一方の電極と電極の間にガス穴を設けたことを特徴するプラズマ処理装置。
6. プラズマを生成するための高周波電源と、２種類の電極が１つの誘電体面内に形成された面放電型の放電電極面を有し、被処理体を該放電電極の放電面側の表面に密着させ、該被処理体表面近傍にプラズマを生成するプラズマ処理装置の、前記電極の下方に密着して形成された第１の誘電体層と、前記電極、または前記第１の誘電体層の表面に形成された第２の誘電体層と、前記電極と前記電極の間における第２の誘電体層の表面に形成された第３の誘電体層からなる誘電体層を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項６に記載のプラズマ処理装置において、前記電極の直上の誘電体層の厚さをＨ２、前記被処理体の上方でプラズマを生成するために印加する高周波電力の電圧をＶ、前記誘電体層の絶縁破壊電界強度をＥｍとしたとき、
   Ｖ ／ （２ × Ｈ２） ＜ Ｅｍ
   を満たすことを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 請求項６に記載のプラズマ処理装置において、前記被処理体と同程度の高さ位置において、仕切板が処理室内に設置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 請求項６に記載のプラズマ処理装置において、プラズマ生成のための高周波電源は昇圧回路と制御回路からなり、前記昇圧回路には複数個の昇圧コイルが設置されており、前記複数個の昇圧コイルの２次側がお互いに並列に接続された後、前記放電電極に接続されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
10. 請求項６に記載のプラズマ処理装置において、該２種類の電極のうちの一方の電極と電極の間にガス穴を設けたことを特徴するプラズマ処理装置。