JP3777331B2

JP3777331B2 - 放電プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3777331B2
Application number: JP2002004365A
Authority: JP
Inventors: 毅之大野; 弘二下西; 正敏河田
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: JP2003209102A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電プラズマ処理装置に関し、特に、被処理体表面上の処理ガスの流れを均一にする放電プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、低圧条件下でグロー放電プラズマを発生させて被処理体の表面改質、又は被処理体上に薄膜形成を行う方法が実用化されている。しかし、これらの低圧条件下における処理装置は、真空チャンバー、真空排気装置等が必要であり、表面処理装置は高価なものとなり、大面積基板等を処理する際にはほとんど用いられていなかった。このため、特開平６−２１４９号公報、特開平７−８５９９７号公報等に記載されているような大気圧近傍の圧力下で放電プラズマを発生させる常圧プラズマ処理装置が提案されてきている。
【０００３】
しかしながら、常圧プラズマ処理方法においても、固体誘電体等で被覆した平行平板型等の電極間に被処理体を設置し、電極間に電圧を印加し、発生したプラズマで被処理体を処理する装置では、被処理体全体を放電空間に置くこととなり、被処理体にダメージを与えることになりやすいという問題があった。
【０００４】
このような問題を解決するものとして、被処理体を放電空間中に配置するのではなく、その近傍に配置し、放電空間から被処理体にプラズマを吹き付けるリモート型の装置が提案されている。特開平１１−２５１３０４号公報及び特開平１１−２６０５９７号公報には外側電極を備えた筒状の反応管及び反応管の内部に内側電極を具備し、両電極に冷却手段を設け、反応管内部でグロー放電を発生させ、反応管からプラズマジェットを吹き出して被処理体に吹きつけるプラズマ処理装置が、特開平１１−３３５８６８号公報には平行平板型の電極を用い、さらに被処理体近傍の排気手段によって、プラズマを被処理体に接触させるプラズマ処理装置が開発されている。
【０００５】
しかしながら、これらの装置においては、放電空間から被処理体へプラズマを吹き付けることにより被処理体上に形成される成膜の膜厚は、被処理体を設置した搬送台が小さい場合、被処理体上を流れるプラズマ流が急激に外部方向流れるため、被処理体の縁部において、薄くなり、被処理体上には不均一な厚さの薄膜が形成されてしまうという問題があった。また、これらの処理を排ガスの外部への流出、外部からの雰囲気ガスの流入を防止するために、チャンバー内で行う場合は、大面積被処理体を処理する際には、チャンバーを大型化しなくてはならなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑み、高速処理及び大面積処理に対応可能でかつ、被処理体上全面に渡って均一な厚さの薄膜を形成させることのできる放電プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、対向電極間で発生させたグロー放電プラズマを放電空間外に配置した被処理体に吹きつける際、被処理体を搬送する搬送台を拡大、縮小できるようにすることによって、大面積被処理体であってもその表面上を流れるプラズマ流を均一にすることができ、高速処理が可能で、厚さの均一な薄膜等を形成することができることを見出し、本発明を完成させた。
【０００８】
すなわち、本発明の第１の発明は、少なくとも一方の電極対向面を固体誘電体で被覆した一対の対向電極間に電界を印加し、前記対向電極間に処理ガスを導入して発生するグロー放電プラズマでプラズマ発生空間外の搬送台に配置された被処理体を処理する処理装置において、前記搬送台の搬送方向における被処理体の前後に拡展・折りたたみ構造を有する整流板を設けることを特徴とする放電プラズマ処理装置である。
【０００９】
また、本発明の第２の発明は、整流板がエアシリンダーにより拡展・折りたたみが可能にされていることを特徴とする第１の発明に記載の放電プラズマ処理装置である。
【００１０】
また、本発明の第３の発明は、チャンバー内で稼働させることを特徴とする第１又は２の発明に記載の放電プラズマ処理装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、対向する電極の少なくとも一方の対向面を固体誘電体で被覆した一対の対向電極間に電界を印加し、当該電極間に処理ガスを導入してグロー放電プラズマを発生させる装置（以下、リモートソースという）を用い、放電空間外に配置された被処理体を処理する際、被処理体を搬送する搬送台に拡展・折りたたみ可能な整流板を取り付けることにより、被処理体を移動させても常にその表面のプラズマ流を一定に保つことができ、特に、一定の大きさのチャンバー内で大面積被処理体の処理を行っても、被処理体上のプラズマ流の速さを均一にし、被処理体表面上に形成される薄膜の厚さを均一にすることのできる放電プラズマ処理装置である。以下に詳細に本発明を説明する。
【００１２】
本発明の装置の一例を図で説明する。図１は、チャンバー内で、拡展・折りたたみ機構を有する整流板を設けた搬送台上の被処理体をリモートソースで処理する装置を説明する模式的装置断面図である。図１において、チャンバー１内に、リモートソース２、搬送台３、搬送機構５が設置され、搬送台３上の被処理体４にリモートソース２からプラズマを吹き付けて、放電プラズマ処理をできるようになされている。リモートソース２は、平行平板型の対向電極２１及び２２、両電極の間に構成される放電空間２３、放電空間への処理ガス導入口２４及びプラズマ吹き出し口２５、電極近傍に設けられた排ガス回収口２６及び２７から構成され、両電極には電源から電界を印加するようになされ、処理ガス導入ラインと排ガス回収ラインが設けられている。被処理体４を搬送する搬送台３は、搬送方向の前後に整流板３１及び３２が、拡展・折りたたみ機構３３及び３４で、折りたたみ可能に取り付けられ、搬送台支持棒３５で搬送台移動回転軸５１により左右に移動されるようになされている。搬送台移動機構５は、搬送台支持棒３５を移動させる搬送台移動回転軸５１、回転軸の両端を支える支柱５２、回転軸５１を駆動させる電動モーターを含む搬送コントローラ５３から構成されている。
【００１３】
処理ガスは、リモートソース２に導入され、電界を印加された電極の放電空間２３でプラズマ化され、プラズマ吹き出し口２５から吹き出される。被処理体４は、搬送台３に設置され、搬送されてプラズマ吹き出し口２５から吹き出されるプラズマで処理される。本発明の装置においては、プラズマ吹き出し口２５から吹き出されるプラズマ流は、搬送台３の搬送方向の前後に設けられた整流板３１及び３２により、急激にガス流を乱されることなく流れ、被処理体表面を均一に処理することができる。また、本発明の装置においては、整流板３１及び３２が拡展・折りたたみ機構を有しているため、搬送台３の全体の大きさの大面積被処理体を設置しても両整流板を一杯に拡げることにより対応でき、一定の大きさのチャンバー内でも整流板をチャンバー内壁に衝突させることなく大きくすることができ、円滑なプラズマ処理を行うことができる。
【００１４】
本発明の放電プラズマ処理装置において、搬送台３に取り付けられた整流板３１及び３２を拡げ、折りたたみながら放電プラズマ処理を行う処理操作工程の一例を図２で説明する。一定の大きさのチャンバー１内において、搬送台３に被処理体４を設置し、左から右方向に搬送台３を移動させ、リモートソース２から吹き出したプラズマで処理する順序は、次のような３段階になる。第１段階として、図２（ａ）に示すように右側整流板３２を拡げ、リモートソース２から吹き出されるプラズマ流を整流板３２から搬送台３方向に一様に流れるようにして安定させる。第２段階として搬送台３を搬送機構５により徐々に右方向に移動させ、搬送台左側の整流板３１を拡げていき、図２（ｂ）に示すように左右の両整流板３１及び３２を拡げ、プラズマ流を両方向に安定に流れるようにする。第３段階として、搬送台３がチャンバー１の右端側に進むに連れて、チャンバー内壁にぶつからないよう整流板３２をたたむが、プラズマ流は、整流板３１から被処理体４の全体の上を流れ、被処理体４の表面上には、流れの乱れが生ぜず、均一な処理が継続される。このように、本発明の装置は、大面積被処理体であってもチャンバーの大きさ全体を用いて処理することができ、被処理体が大きいからといって、チャンバー等を取り換える必要のない装置である。
【００１５】
本発明の装置における整流板３２及び３３の拡展・折りたたみ機構は、どのような機構を用いてもよく、整流板自体が蛇腹状に伸び縮みする機構、整流板自体が巻き込み巻開きする機構、平滑な板を空気の圧縮・排気により気筒内のピストンを駆動させるエアシリンダーにより拡展・折りたたみ機構等を挙げることができるが、整流板を拡げたときにより平滑な面を維持するためには、エアシリンダーによる平滑板の拡展・折りたたみ機構を用いるのが好ましい。例えば、図３に示すように、整流板コントローラ３６によりソレノイドバルブ３７を稼働させエアシリンダー３４を駆動して整流板３２を拡展し、折りたたむことができる。図３（ａ）は、エアシリンダー３４を伸ばして整流板３２を拡展した状態を示す図であり、図３（ｂ）は、エアシリンダー３４を縮めて整流板３２を折りたたんだ状態を示す図である。なお、整流板コントローラ３６は、チャンバー１の大きさに合わせて搬送台がチャンバー内壁に衝突しないように駆動できるようにするのが大面積被処理体を処理するのに好ましい。
【００１６】
なお、本発明の装置における整流板３１及び３２の大きさは、搬送台３の大きさ、チャンバーの大きさ等により適宜決めることができる。また、搬送台３としては、被処理体の加熱機構を有するようにし、ＸＹ方向またはＸＹＺ方向に移動可能な制御装置を設けて適宜、処理の必要箇所に移動させる制御システムを備えているようにするのが好ましい。また、整流板の拡展・折りたたむ操作もそれに伴う制御システムにより操作するようにするのが好ましい。
【００１７】
上記電極の材質としては、銅、アルミニウム等の金属単体、ステンレス、真鍮等の合金、金属間化合物等からなるものが挙げられる。電極の形状としては、プラズマ放電が安定にできれば、特に限定されないが、電界集中によるアーク放電の発生を避けるために、対向電極間の距離が一定となる構造であることが好ましく、より好ましくは電圧印加電極と接地電極間の間が平行平坦部分を有する形状であり、特に好ましくは、両電極が略平面形状であるのが好ましい。
【００１８】
上記固体誘電体は、電極の対向面の一方又は双方を被覆する。この際、固体誘電体と被覆される電極は密着し、かつ、接する電極の対向面を完全に覆うようにする。固体誘電体によって覆われずに電極同士が直接対向する部位があると、そこからアーク放電が生じやすい。
【００１９】
上記固体誘電体の厚みは、０．０１〜４ｍｍであることが好ましい。厚すぎると放電プラズマを発生するのに高電圧を要することがあり、薄すぎると電圧印加時に絶縁破壊が起こり、アーク放電が発生することがある。
【００２０】
固体誘電体の材質としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチック、ガラス、二酸化珪素、酸化アルミニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化物、チタン酸バリウム等の複酸化物等が挙げられる。
【００２１】
特に、２５℃環境下における比誘電率が１０以上のものである固体誘電体を用いれば、低電圧で高密度の放電プラズマを発生させることができ、処理効率が向上する。比誘電率の上限は特に限定されるものではないが、現実の材料では１８，５００程度のものが入手可能であり、本発明に使用出来る。特に好ましくは比誘電率が１０〜１００の固体誘電体である。上記比誘電率が１０以上である固体誘電体の具体例としては、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化物、チタン酸バリウム等の複酸化物を挙げることが出来る。
【００２２】
上記電極間の距離は、固体誘電体の厚さ、印加電圧の大きさ、プラズマを利用する目的等を考慮して適宜決定されるが、０．１〜５０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．１〜５ｍｍである。０．１ｍｍ未満では、電極間の間隔を置いて設置するのに充分でないことがあり、一方、５０ｍｍを超えると、均一な放電プラズマを発生させにくい。
【００２３】
本発明では、上記電極間に、高周波、パルス波、マイクロ波等による電界が印加され、プラズマを発生させるが、パルス電界を印加することが好ましく、特に、電界の立ち上がり及び／又は立ち下がり時間が、１０μｓ以下である電界が好ましい。１０μｓを超えると放電状態がアークに移行しやすく不安定なものとなり、パルス電界による高密度プラズマ状態を保持しにくくなる。また、立ち上がり時間及び立ち下がり時間が短いほどプラズマ発生の際のガスの電離が効率よく行われるが、４０ｎｓ未満の立ち上がり時間のパルス電界を実現することは、実際には困難である。より好ましくは５０ｎｓ〜５μｓである。なお、ここでいう立ち上がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して増加する時間、立ち下がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して減少する時間を指すものとする。
【００２４】
上記パルス電界の電界強度は、１０〜１０００ｋＶ／ｃｍとなるようにするのが好ましい。電界強度が１０ｋＶ／ｃｍ未満であると処理に時間がかかりすぎ、１０００ｋＶ／ｃｍを超えるとアーク放電が発生しやすくなる。
【００２５】
上記パルス電界の周波数は、０．５ｋＨｚ以上であることが好ましい。０．５ｋＨｚ未満であるとプラズマ密度が低いため処理に時間がかかりすぎる。上限は特に限定されないが、常用されている１３．５６ＭＨｚ、試験的に使用されている５００ＭＨｚといった高周波帯でも構わない。負荷との整合のとり易さや取り扱い性を考慮すると、５００ｋＨｚ以下が好ましい。このようなパルス電界を印加することにより、処理速度を大きく向上させることができる。
【００２６】
また、上記パルス電界におけるひとつのパルス継続時間は、２００μｓ以下であることが好ましい。２００μｓを超えるとアーク放電に移行しやすくなる。ここで、ひとつのパルス継続時間とは、ＯＮ、ＯＦＦの繰り返しからなるパルス電界における、ひとつのパルスの連続するＯＮ時間を言う。
【００２７】
本発明の放電プラズマ処理装置は、どのような圧力下でも用いることができるが、大気圧近傍の圧力下でグロー放電プラズマを発生させる常圧放電プラズマ処理に用いるとその効果を十分に発揮できる。常圧放電プラズマ処理においては、低圧下の処理よりも高い電圧を必要とするため、本発明の装置が特に有利である。
【００２８】
上記大気圧近傍の圧力下とは、１．３３３×１０^４〜１０．６６４×１０^４Ｐａの圧力下を指す。中でも、圧力調整が容易で、装置が簡便になる９．３３１×１０^４〜１０．３９７×１０^４Ｐａの範囲が好ましい。
【００２９】
本発明で処理できる被処理基材としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等のプラスチック、ガラス、セラミック、金属等が挙げられる。基材の形状としては、板状、フィルム状等のものが挙げられるが、特にこれらに限定されない。本発明の表面処理方法によれば、様々な形状を有する基材の処理に容易に対応することができる。
【００３０】
本発明で用いる処理ガスとしては、電界を印加することによってプラズマを発生するガスであれば、特に限定されず、処理目的により種々のガスを使用できる。
【００３１】
上記処理用ガスとして、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＣｌＦ_３、ＳＦ_６等のフッ素含有化合物ガスを用いることによって、撥水性表面を得ることができる。
【００３２】
また、処理用ガスとして、Ｏ_２、Ｏ_３、水、空気等の酸素元素含有化合物、Ｎ_２、ＮＨ_３等の窒素元素含有化合物、ＳＯ_２、ＳＯ_３等の硫黄元素含有化合物を用いて、基材表面にカルボニル基、水酸基、アミノ基等の親水性官能基を形成させて表面エネルギーを高くし、親水性表面を得ることができる。また、アクリル酸、メタクリル酸等の親水基を有する重合性モノマーを用いて親水性重合膜を堆積することもできる。
【００３３】
さらに、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｓｎ等の金属の金属−水素化合物、金属−ハロゲン化合物、金属アルコラート等の処理用ガスを用いて、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｎＯ_２等の金属酸化物薄膜を形成させ、基材表面に電気的、光学的機能を与えることができ、ハロゲン系ガスを用いてエッチング処理、ダイシング処理を行ったり、酸素系ガスを用いてレジスト処理や有機物汚染の除去を行ったり、アルゴン、窒素等の不活性ガスによるプラズマで表面クリーニングや表面改質を行うこともできる。
【００３４】
経済性及び安全性の観点から、上記処理ガスを以下に挙げるような希釈ガスによって希釈された雰囲気中で処理を行うこともできる。希釈ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の希ガス、窒素気体等が挙げられる。これらは単独でも２種以上を混合して用いてもよい。希釈ガスの混合割合は、用途によって異なるが、例えば、親水生重合膜、金属酸化物薄膜を形成する場合は、処理用ガスの割合が０．０１〜１０体積％であることが好ましい。
【００３５】
なお、本発明の装置によれば、プラズマ発生空間中に存在する気体の種類を問わずグロー放電プラズマを発生させることが可能である。公知の低圧条件下におけるプラズマ処理はもちろん、特定のガス雰囲気下の大気圧プラズマ処理においても、外気から遮断された密閉容器内で処理を行うことが必須であったが、本発明のグロー放電プラズマ処理装置を用いた方法によれば、開放系、あるいは、気体の自由な流失を防ぐ程度の低気密系での処理が可能となる。
【００３６】
本発明のパルス電界を用いた大気圧放電処理装置によると、全くガス種に依存せず、電極間において直接大気圧下で放電を生じせしめることが可能であり、より単純化された電極構造、放電手順による大気圧プラズマ装置、及び処理手法でかつ高速処理を実現することができる。また、パルス周波数、電圧、電極間隔等のパラメータにより処理に関するパラメータも調整できる。
【００３７】
【実施例】
本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
【００３８】
実施例１
図１に示す装置を用い、放電プラズマ処理を行った。チャンバー１として７００ｍｍ×５００ｍｍ×５００ｍｍの大きさのアルミニウム製容器を用い、リモートソース２の電極２１及び電極２２として、長さ２５０ｍｍ×高さ５０ｍｍ×厚み２０ｍｍのＳＵＳ製平行平板電極を用い、各電極には固体誘電体としてアルミナを１ｍｍの厚さに溶射し、２ｍｍの間隔をおいて設置した。被処理体４として、２００ｍｍφのシリコーンウェーハを用い、搬送台３の両側に１００ｍｍ×２７０ｍｍのステンレス製整流板３１及び３２をエアシリンダーで拡展・折りたたみ可能に設け、搬送台３を５０ｍｍ／ｍｉｎで移動させ、図２の順序に整流板の拡展・折りたたみを行いながら処理を行った。処理ガスとして、テトラエトキシシラン０．１６体積％、酸素１６体積％をアルゴンガスにより希釈した混合ガスを用い、電極間にパルス立ち上がり速度５μｓ、電圧２０ｋＶ_ＰＰ、周波数１０ｋＨｚのパルス電界を印加した。シリコーンウェーハ基材上にＳｉＯ_２薄膜が１００ｎｍの厚さで均一に形成され、表面厚さのばらつきは、±３％であった。
【００３９】
比較例１
整流板を折りたたんだままの状態で処理を行う以外は、実施例１と同様にして放電プラズマ処理を行った。シリコーンウェーハ基材上にはＳｉＯ_２薄膜が形成され、基材中心部は、厚さのばらつきが±３％の１００ｎｍの厚さのＳｉＯ_２薄膜であったが、基材の縁先端部は、厚さが６０〜１００ｎｍに変化し、縁部は中心部より薄くなり、均一な厚さの薄膜は得られなかった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の放電プラズマ処理装置は、被処理体を均一に処理することができ、基材上に均一な厚さの薄膜を形成することができる簡便な処理装置であり、特に一定の大きさのチャンバー内においても大面積被処理体の安定処理に対応可能であるので、半導体製造工程で用いられる種々の方法を始めとして、あらゆるプラズマ処理方法において、インライン化及び高速化を実現するのに有効に用いることができる。これにより、処理時間の短縮化、コスト低下が可能になり、従来では不可能あるいは困難であった様々な用途への展開が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電プラズマ処理装置の例を説明する模式的装置図である。
【図２】本発明の放電プラズマ処理の処理工程を説明する模式的装置図である。
【図３】本発明の整流板の取り付け機構の一例を説明する模式的装置図である。
【符号の説明】
１チャンバー
２リモートソース
３搬送台
４被処理体
５搬送機構
２１、２２電極
２３放電空間
２４処理ガス導入口
２５プラズマ吹き出し口
２６、２７排ガス回収口
３１、３２整流板
３３、３４整流板拡展・折りたたみ機構（エアシリンダー）
３５搬送台支持棒
３６整流板コントローラ
３７ソレノイドバルブ
５１搬送台移動回転軸
５２支柱
５３搬送コントローラ

Claims

少なくとも一方の電極対向面を固体誘電体で被覆した一対の対向電極間に電界を印加し、前記対向電極間に処理ガスを導入して発生するグロー放電プラズマでプラズマ発生空間外の搬送台に配置された被処理体を処理する処理装置において、前記搬送台の搬送方向における被処理体の前後に拡展・折りたたみ構造を有する整流板を設けることを特徴とする放電プラズマ処理装置。
整流板がエアシリンダーにより拡展・折りたたみが可能にされていることを特徴とする請求項１に記載の放電プラズマ処理装置。
チャンバー内で稼働させることを特徴とする請求項１又は２に記載の放電プラズマ処理装置。