JP2014102966A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを削減するとともに、一定出力の下においてプラズマ処理の効果をより一層高めることができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】大気圧又はその近傍下において処理ガスを用いてプラズマを生成させるプラズマ生成部と、プラズマが流動する第１空間部２２と、被処理物Ｔと前記プラズマとの位置関係に基づき第１空間部２２の圧力よりも低圧状態となり得る第２空間部２４と、を有し、被処理物Ｔとプラズマとが所定の距離まで接近あるいは接触したときに、第２空間部２４が低圧状態になって第１空間部２２のプラズマの一部が第２空間部２４に流入する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、プラズマを生成させ、当該プラズマによって被処理物を処理するためのプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

従来から、生成したプラズマによって被処理物を処理するためのプラズマ処理装置の一例として、真空プラズマ装置が知られている。真空プラズマ装置は、例えば、ドライエッチング装置あるいはＣＶＤ装置などに代表されるものであるが、真空環境を生成するための設備が必要になり、設備に要するコスト及び設備のランニングコストが高くなる傾向がある。

また、上記プラズマ処理装置の他の一例として、大気圧プラズマ装置が知られている。大気圧プラズマ装置は、真空プラズマ装置と比較して設備に要するコストを低減することができるが、以下に示す問題が生じる。

特開２００６−４８９４１号公報 特開２００７−２８４６４９号公報

すなわち、大気圧プラズマ装置を採用した場合には、大気圧プラズマ装置が低出力であるため、プラズマ電子密度が低くなり、効果の安定性に欠ける問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、コストを削減するとともに、一定出力の下においてプラズマ処理の効果をより一層高めることができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、被処理物に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、大気圧又はその近傍下において処理ガスを用いてプラズマを生成させるプラズマ生成部と、前記プラズマが流動する第１空間部と、前記被処理物と前記プラズマとの位置関係に基づき前記第１空間部の圧力よりも低圧状態となり得る第２空間部と、を有し、前記被処理物と前記プラズマとが所定の距離まで接近あるいは接触したときに、前記第２空間部が前記低圧状態になって前記第１空間部の前記プラズマの一部が前記第２空間部に流入することを特徴とする。

この場合、前記プラズマ生成部は、前記第１空間部に前記処理ガスを供給する供給部を有し、前記第１空間部は、環状に形成され、前記供給部は、第１空間部の周方向に向けて前記処理ガスを供給することにより前記第１空間部に前記プラズマの旋回流を形成させることが好ましい。

第２の発明は、被処理物に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、大気圧又はその近傍下において処理ガスを用いて第１空間部にプラズマを生成する第１の工程と、前記被処理物と前記プラズマとが所定の距離まで接近あるいは接触したときに、第２空間部が低圧状態になって前記第１空間部の前記プラズマの一部が前記第２空間部に流入する第２の工程と、を含むことを特徴とする。

この場合、前記第１の工程は、前記第１空間部の周方向に向けて前記処理ガスを供給することにより前記第１空間部に前記プラズマの旋回流を形成する工程を含むことが好ましい。

第１の発明によれば、第１空間部で生成したいわゆる大気圧プラズマ（１次プラズマ）と、被処理物とプラズマとが接近あるいは接触したときに第２空間部が低圧状態になって第１空間部のプラズマの一部が第２空間部に流入して生成されたいわゆる真空プラズマ（２次プラズマ）と、の２つのプラズマを利用して、被処理物を処理することができる。

これにより、大気圧プラズマ装置を用いて、大気圧プラズマ処理（１次プラズマ処理）と真空プラズマ処理（２次プラズマ処理）の両方のプラズマ処理を同時に実行することができる。この結果、真空プラズマ装置の設備が不要になるため、設備に要するコスト及び設備のランニングコストを削減することができるとともに、通常の大気圧プラズマ装置と比較してプラズマ処理の効果を高めることができる。

さらに、大気圧プラズマ（１次プラズマ）の生成に要する一定出力だけで、大気圧プラズマ（１次プラズマ）の他に真空プラズマ（２次プラズマ）までも生成することができる。これにより、プラズマ（大気圧プラズマ＋真空プラズマ）が発生する領域を大きく拡大することができる。この結果、プラズマ（大気圧プラズマ＋真空プラズマ）と被処理物との接触領域が拡大するため、プラズマ処理の効率を高めることができる。

また、第１空間部においていわゆる大気圧プラズマ（１次プラズマ）の旋回流を発生させることにより、第２空間部が低圧状態になり易くなる。この結果、第２空間部でいわゆる真空プラズマ（２次プラズマ）の発生を誘発することができる。

第２の発明によれば、第１工程において、第１空間部で大気圧プラズマ（１次プラズマ）が生成される。第２の工程において、第１空間部の大気圧プラズマ（１次プラズマ）の一部が、低圧状態になった第２空間部に流入する。そして、第２空間部では真空プラズマ（２次プラズマ）が生成される。

これにより、プラズマ装置を用いて、大気圧プラズマ処理（１次プラズマ処理）と真空プラズマ処理（２次プラズマ処理）の両方のプラズマ処理を同時に実行することができる。この結果、真空工程を削減することができ、また各工程の実行に要するコストも削減することができる。

また、第１の工程が、第１空間部でいわゆる大気圧プラズマ（１次プラズマ）の旋回流を発生させる工程を含むことにより、第２空間部が低圧状態になり易くなる。この結果、第２空間部において、いわゆる真空プラズマ（２次プラズマ）が速やかに生成され、プラズマ処理の各工程が終了するまでの時間を短縮することができる。

本発明のプラズマ処理装置の構成図である。 本発明のプラズマ処理装置で大気圧プラズマが生成された状態の図である。 本発明のプラズマ処理装置で生成された大気圧プラズマに被処理物を接近させていく状態の図である。 本発明の本発明のプラズマ処理装置で生成された大気圧プラズマに被処理物が接触した状態の図である。 本発明のプラズマ処理装置で大気圧プラズマと真空プラズマが生成された状態の図である。 本発明のプラズマ処理装置の大気圧プラズマ領域と真空プラズマ領域を示した図である。 本発明のプラズマ処理装置の変形例１を示した構成図である。 本発明のプラズマ処理装置の変形例２を示した構成図である。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法について説明する。

本実施形態のプラズマ処理装置は、大気圧プラズマの発生源を備えた装置であり、大気圧プラズマから真空プラズマを誘発し、双方のプラズマによって被処理物を処理するものである。

図１に示すように、プラズマ処理装置１０は、第１の電極１２を備えている。第１の電極１２には、マッチング回路１４を介して電源１６が接続されている。第１の電極１２は、固定具（図示しない）により、支持部材１８に取り付けられて位置決めされている。電源１６の周波数として、２０ＫＨｚを用いることも可能である。

なお、電源１６は、高周波電源を採用してもよい。高周波電源を採用することにより、第１の電極１２に高周波電力を供給することができる。

電源１６の周波数は、高周波数（数百ＫＨｚから数十ＭＨｚ）を用いるか、あるいはパルス波形のものがより好ましい。そして、後述の第１空間部２２の圧力は、大気圧（１０１３ｈＰａ）又はその近傍の圧力（９００ｈＰａ以上１０１３ｈＰａ以下）となる。

なお、第１空間部２２の圧力が９００ｈＰａよりも小さくなると、真空ポンプや真空容器が別途必要になり、設備の製造コスト及び設備のランニングコストが増大するため、不具合となる。

一方、第１空間部２２の圧力が１０１３ｈＰａよりも大きくなると、ガスが外部に漏れてしまうことを防止するための耐圧容器あるいはより高い気密性の環境が必要となり、好ましくない。

第１の電極１２と対向する位置には、第２の電極２０が配置されている。第１の電極１２の径方向外側の位置に、第２の電極２０が位置している。例えば、第１の電極１２は、第２の電極２０よりも短くなるように設定されている。

第２の電極２０は、固定具（図示しない）により、支持部材１８に取り付けられて位置決めされている。

第１の電極１２が円柱形状であれば、第２の電極２０は筒形状になる。この場合、第１の電極１２の外周面と第２の電極２０の内周面とが面接する。

なお、第２の電極２０は、アース接続されている。

第１の電極１２と第２の電極２０との間には、第１空間部２２が形成されている。第１の電極１２が円柱形状に形成され、かつ第２の電極２０が筒状に形成されている場合には、第１空間部２２は、環状（あるいはリング状）に形成される。

第１空間部２２では、大気圧プラズマが生成され、自在に流動する。

第１の電極１２の一方側端部の先には、第２空間部２４が形成されている。詳細には、例えば被処理物Ｔが第１の電極１２及び第２の電極２０に近接していない場合では、第２空間部２４は、第１の電極１２の一方側端部と、第１空間部２２の一部と、で区画された領域を意味する。一方、例えば被処理物Ｔが第１の電極１２及び第２の電極２０に近接している場合では、第２空間部２４は、第１の電極１２の一方側端部と、第１空間部２２の一部と、被処理物Ｔとで区画され得る。

第２の電極２０には、ガス供給部２６が接続されている。ガス供給部２６は、第１空間部２２に対してガスを供給できる機能を備えたものである。ガス供給部２６は、例えば、パイプ状の導管２６ａと、ガス流量計測装置２６ｂと、ガス源２６ｃと、を含む。

ガス源２６ｃの内部には、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、アルゴン（Ａｒ）＋水素（Ｈ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）＋四フッ化炭素（ＣＦ_４）などのいずれか１つのガス、あるいはいずれか２つ以上が混合したガスが充填されている。なお、当該ガスには、空気を含めてもよい。

なお、本明細書では、空気を含む前記ガスあるいは空気を含まない前記ガスをまとめて、「処理ガス」と称する。

第２の電極２０には、第１空間部２２に向けてガスを吐出するための供給口２８が形成されている。供給口２８は、第２の電極２０の内周方向に向けられて形成されている。供給口２８には、ガス供給部２６の先端部が接続されている。このため、ガス供給部２６によって流体（一例として、空気及びガスを含むもの）が供給口２８から第１空間部２２の内周方向に沿って吐出可能になる。そして、第１空間部２２に吐出された流体（一例として、空気及びガスを含むもの）によって、第１空間部２２において旋回流が発生する。

ここで、供給口２８は、例えば２箇所に形成されていてもよい。これにより、２つの供給口２８から吐出される流体は、第１の電極１２の内周方向に沿って同一方向に吐出され、相互に旋回流を強め合うことができる。

なお、例えば前記ガスに空気が含まれない場合には、第１空間部２２に供給されるガス（空気を含まないガスを意味する）と空気は、別系統の供給源から供給される。例えば、ガス供給部２６からはガスのみが供給され、別途設けた空気供給部（図示省略）から空気のみを供給してもよい。

また、第１の電極１２をアース接続された電極とし、第２の電極２０を電圧が印加される電極として構成してもよい。

なお、本発明の「プラズマ生成部」には、第１の電極１２と、第２の電極２０と、マッチング回路１４と、電源１６と、ガス供給部２６と、が含まれる。図面では、プラズマ生成部に符号３０を付して表している。

次に、プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法について説明する。

図１に示すように、ガス供給部２６からは所定の流量の処理ガスが第１空間部２２に供給される。このとき、処理ガスは、供給口２８から第１空間部２２に吹き込まれ、第１空間部２２で高速の旋回流となって整流される。処理ガスは、例えば環状に形成された第１空間部２２を高速流として周回しながら、第１空間部２２の一方側端部側へ向かう。やがて、処理ガスは、一方側端部から外部に排出される。

ここで、第１の電極１２には、電源１６により電圧が印加される。例えば、電源に高周波電源を採用する場合には、第１の電極１２に高周波電圧が印加される。そして、第１空間部２２では、上述した通り、大気圧（１０１３ｈＰａ）又はその近傍の圧力（９００ｈＰａ以上１０１３ｈＰａ以下）となる。

第１の電極１２と第２の電極２０との間に形成された第１空間部２２に処理ガスが供給されるとともに所定の電圧（例えば、高周波電圧）が印加されたときに、第１空間部２２という放電空間内の処理ガスが電離してプラズマＰが発生し、処理ガスが電離した励起状態となって活性化される。

なお、第１空間部２２に発生したプラズマＰを、説明の便宜上、大気圧プラズマＡＰ又は１次プラズマＡＰと定義する。

第１空間部２２の大気圧プラズマＡＰは、第２の電極２０がアース接続されている場合には、印加電極である第１の電極１２側から第２の電極２０側に移動する。また同時に、第１空間部２２の大気圧プラズマＡＰは、旋回流の影響を受け、第１空間部２２を周方向に沿って高速流として旋回する。

このときには、第１空間部２２において大気圧プラズマＡＰが発生しており、第２空間部２４では、プラズマが発生していない。

そして、被処理物Ｔを大気圧プラズマＡＰに所定の距離まで接近させたり、あるいは大気圧プラズマＡＰに接触させた場合には、第２空間部２４が第１の電極１２の先端と第１空間部２２の大気圧プラズマＡＰと被処理物Ｔとで完全に区画される。このとき、第２空間部２４の圧力が第１空間部２２の圧力（すなわち大気圧又はその近傍圧力）よりも低圧になり、いわゆる一種の真空状態になる。

第２空間部２４の圧力が第１空間部２２の圧力よりも低圧になった状態では、第１空間部２２で流動している大気圧プラズマＡＰが第２空間部２４の領域に引き込まれるようにして流入する。これを現象面で捉えれば、第１空間部２２の大気圧プラズマＡＰが第２空間部２４側へ次第にのびていく。この結果、第２空間部２４には、プラズマＰが生成される。このとき、第２空間部２４が前記したように低圧状態になっているため、第２空間部２４で生成したプラズマＰは、いわゆる真空プラズマＢＰになる。あるいは、第２空間部２４のプラズマＰは、１次プラズマＡＰにより誘発されて生成されるため、２次プラズマＢＰともいえる。

このようにして、図６に示すように、外側の領域が大気圧プラズマ領域ＡＰＲとなり、内側の領域が真空プラズマ領域ＢＰＲになる。大気圧プラズマ領域ＡＰＲでは大気圧プラズマＡＰが旋回流として流動し、真空プラズマ領域ＢＰＲでは真空プラズマＢＰが流動する。

換言すれば、大気圧プラズマ領域ＡＰＲを形成させるための装置を用いて、大気圧プラズマ領域ＡＰＲの他に真空プラズマ領域ＢＰＲも形成されることになる。

被処理物Ｔは、大気圧プラズマ領域ＡＰＲにおいて大気圧プラズマＡＰによる処理が実行され、また同時に、真空プラズマ領域ＢＰＲにおいて真空プラズマＢＰによる処理が実行される。

以上のように、プラズマ処理装置１０は、真空チャンバなどの真空環境を形成するための設備を一切要することなく、大気圧プラズマ処理と真空プラズマ処理の２つのプラズマ処理を同時に実現することが可能になる。このため、プラズマ処理装置１０の製造コスト及びランニングコストを削減することができる。

従来の大気圧プラズマ処理装置では低出力のためプラズマ処理の効果及び効率が真空プラズマ装置と比較して悪くなっていたが、本実施形態のプラズマ処理装置１０によれば、大気圧プラズマから真空プラズマを誘発させて、２種類のプラズマを同時に発生させることができる。この結果、プラズマ処理装置１０の出力が向上し、プラズマ処理の効果及び効率の両方を高めることができる。

本実施形態のプラズマ処理装置１０によれば、印加電圧を上げるなど高出力にすることなく、プラズマの流動領域を、本来の大気圧プラズマ領域ＡＰＲに加えて真空プラズマ領域ＢＰＲまで拡大することができる（プラズマ領域の大口径化）。これにより、一定出力の下で、被処理物Ｔの広い領域でプラズマ処理を実行することができる。特に、被処理物Ｔの表面が湾曲状に形成されていたり、被処理物Ｔの表面に凹凸が形成されている場合でも、大気圧プラズマＡＰと真空プラズマＢＰとにより被処理物Ｔの全ての表面においてプラズマ処理を実行することができる。

このように、本実施形態のプラズマ処理装置１０を用いれば、低電力及び少量の処理ガスで高密度のプラズマを得ることができる。また、真空設備が不要であるため、小型・軽量で、かつ低コストのプラズマ処理装置を得ることができる。

さらに、プラズマ装置１０を用いたプラズマ処理方法によれば、大気圧プラズマ処理（１次プラズマ処理）と真空プラズマ処理（２次プラズマ処理）の両方のプラズマ処理を同時に実行することができる。このため、真空工程を削減することができ、また各工程の実行に要するコストも削減することができる。

また、第１空間部２２でいわゆる大気圧プラズマ（１次プラズマ）の旋回流を発生させる工程を含むことにより、第２空間部２４が低圧状態になり易くなる。この結果、第２空間部２４において、いわゆる真空プラズマ（２次プラズマ）が速やかに生成されるため、プラズマ処理の各工程が終了するまでの時間を短縮することができる。

次に、プラズマ処理装置１０の変形例について説明する。

（変形例１）
変形例１として、図７に示すように、第１空間部２２に供給された処理ガスを吸引する吸引装置３２を用い、前記処理ガスを吸引してもよい。この構成では、第１空間部２２において旋回流を発生させることなく、第２空間部２４をいわゆる一種の真空状態にすることができる。

（変形例２）
変形例２として、図８に示すように、第１の電極１２を筒状に形成し、第２空間部２４の領域にある気体を吸引する吸引装置３２を用い、前記気体を吸引してもよい。この構成では、第１空間部２２において旋回流を発生させることなく、第２空間部２４をいわゆる一種の真空状態にすることができる。

プラズマ処理装置１０を用いた被処理物Ｔの処理内容として、例えば、被処理物表面から酸化物を除去するための還元処理、有機物を除去するための酸化処理、被処理物Ｔの表面改質、被処理物表面の接着性を向上させるための処理、被処理物表面に窒化膜を形成するための処理などを実行することができる。

例えば、還元処理の原理を一例として説明すると、被処理物Ｔとして例えば銅板を採用した場合、活性化された水素ラジカル（以下の式でＨと表す）によって、
ＣｕＯ＋２Ｈ→Ｃｕ＋Ｈ_２Ｏ ………（１）
Ｃｕ_２Ｏ＋２Ｈ→２Ｃｕ＋Ｈ_２Ｏ ………（２）
という反応が起こり、銅酸化膜が銅に還元される。このように、プラズマ処理装置１０によって、還元処理を実行することができる。

１０ プラズマ処理装置
１２ 第１の電極（プラズマ生成部）
１４ マッチング回路（プラズマ生成部）
１６ 電源（プラズマ生成部）
２０ 第２の電極（プラズマ生成部）
２２ 第１空間部
２４ 第２空間部
２６ ガス供給部（プラズマ生成部）
ＡＰ 大気圧プラズマ
ＢＰ 真空プラズマ
ＡＰＲ 大気圧プラズマ領域
ＢＰＲ 真空プラズマ領域
Ｔ 被処理物

Claims (4)

1. 被処理物に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
   大気圧又はその近傍下において処理ガスを用いてプラズマを生成させるプラズマ生成部と、
   前記プラズマが流動する第１空間部と、
   前記被処理物と前記プラズマとの位置関係に基づき前記第１空間部の圧力よりも低圧状態となり得る第２空間部と、
   を有し、
   前記被処理物と前記プラズマとが所定の距離まで接近あるいは接触したときに、前記第２空間部が前記低圧状態になって前記第１空間部の前記プラズマの一部が前記第２空間部に流入することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記プラズマ生成部は、前記第１空間部に前記処理ガスを供給する供給部を有し、
   前記第１空間部は、環状に形成され、
   前記供給部は、第１空間部の周方向に向けて前記処理ガスを供給することにより前記第１空間部に前記プラズマの旋回流を形成させることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 被処理物に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
   大気圧又はその近傍下において処理ガスを用いて第１空間部にプラズマを生成する第１の工程と、
   前記被処理物と前記プラズマとが所定の距離まで接近あるいは接触したときに、第２空間部が低圧状態になって前記第１空間部の前記プラズマの一部が前記第２空間部に流入する第２の工程と、
   を含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 前記第１の工程は、前記第１空間部の周方向に向けて前記処理ガスを供給することにより前記第１空間部に前記プラズマの旋回流を形成する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理方法。

Images