JP3853803B2 - プラズマ処理装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、処理ガスをプラズマ化してワークに当て、洗浄、成膜、エッチング、表面改質などの表面処理を行なう装置に関し、特に、プラズマ発生空間の外にワークを配置する所謂リモート式のプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理装置は、ワークを電極間のプラズマ発生空間内に配置する所謂ダイレクト式と、外部に配置する所謂リモート式に大別される。
リモート式のプラズマ処理装置として、例えば特許文献１に記載のものは、電源に接続された電圧印加電極と、この電極と対向するとともに接地された接地電極とを有し、これら電極どうし間にプラズマ化空間（プラズマ発生空間）が形成されるようになっている。このプラズマ化空間に処理ガスを導入してプラズマ化し、下方のワークへ向けて吹出す。これによって、ワークのプラズマ表面処理を行なうことができる。

この種リモート式プラズマ処理装置では、ワークとの距離が短いと電圧印加電極からワークにアークが落ち易くなり、逆に距離を大きくするとワークにプラズマガスが届きにくく処理効率が悪くなる。特に、略常圧下（大気圧近傍での圧力下）でのプラズマ処理において、その傾向が顕著である。そこで、上掲特許文献１では、電圧印加電極の下面に絶縁部材を介して金属板が設けられている。金属板は、電気的に接地されている。この金属板によって電極とワークの間の電界遮蔽を行なうことができる。これによって、ワークにアークが落ちるのを防止できるとともに、プラズマガスをワークに確実に到達させ処理効率を確保できる。

特開２００３−１００６４６号公報（第１頁）

前記特許文献１記載の装置において、絶縁部材と金属板の間に微小隙間等の空気層があると、そこで放電が生じ、絶縁部材等が焦げてパーティクルが発生し、処理品質が損なわれるおそれがある。

上記問題点を解決するために、本発明の第１の特徴は、プラズマ化空間（プラズマ発生空間）に通した処理ガスをプラズマ化空間の外部に配置したワークへ吹出し、ワークの表面処理を行なう装置であって、前記プラズマ化空間を形成するための電極と、電気的に接地された状態で、前記電極のワークを向くべき側を遮るように設けられた導電部材（電界遮蔽や放電防止のための導電性を有する部材）と、前記電極と導電部材の間に介在された絶縁体からなる絶縁部材と、を備え、前記絶縁部材が、当該絶縁部材と導電部材との間が火花電圧に達しない（すなわち絶縁破壊されない）程度の誘電率と厚さを有していることにある。また、前記絶縁部材と導電部材の間に間隙が形成され、この間隙にかかる電圧が火花電圧すなわち絶縁破壊電圧より小さくなるように（後述の式（２）が満たされるように）、前記絶縁部材の誘電率と厚さが設定されていることにある。これによって、絶縁部材と導電部材の間にアーク（火花）等の放電が発生するのを防止できる。

前記装置の設計・製造に際し、前記絶縁部材と導電部材の間の離間距離すなわちこれら部材間の間隙の厚さｄに拘わらず、これら部材間にかかる電圧が火花電圧より小さくなるように、前記絶縁部材の誘電率と厚さの設定を行なうことが望ましい。これによって、絶縁部材と導電部材の間の離間距離すなわち間隙の厚さｄが変動しても、これら部材間でアーク等の放電が発生するのを確実に防止することができる。前記設定は、離間距離すなわち間隙の変動が想定される一定の範囲内で有効であればよい。絶縁部材と導電部材がぴったり重ねられ、両者の間に隙間が形成されていなくても、仮想的に厚さｄの隙間を設けたとして、ｄの大きさに拘わらず、これら部材間にかかる電圧が火花電圧より小さくなるように、絶縁部材の誘電率と厚さを設定することが望ましい。絶縁部材と導電部材の間に厚さｄの隙間が設定されている場合、その厚さｄが多少増減したとしても、すなわちｄの大きさに拘わらず、絶縁部材と導電部材の間にかかる電圧が火花電圧より小さくなるように、絶縁部材の誘電率と厚さを設定することが望ましい。

前記装置の設計・製造に際し、前記火花電圧の測定実験を行ない、平均より低いレベルで火花が起きた測定データに基づいて、前記絶縁部材と導電部材の間の離間距離すなわちこれら部材間の間隙の厚さに対する火花電圧の関係を求めることが望ましい。これによって、絶縁部材と導電部材の間でアーク等の放電が発生するのを一層確実に防止することができる。

前記電極のプラズマ化空間形成面とワークを向くべき側の面に固体誘電体が設けられ、ワーク側の固体誘電体に前記絶縁部材が重ねられていてもよい。その場合、前記絶縁部材の誘電率と厚さは、固体誘電体の誘電率とワーク側部分の厚さを考慮して定められる。ワーク側の固体誘電体と絶縁部材とが一体に構成されていてもよい。ワーク側の固体誘電体を「絶縁部材」の一部とみなしてもよい。

本発明は、プラズマ化空間に通した処理ガスをプラズマ化空間の外部に配置したワークへ吹出し、ワークの表面処理を行なう装置であって、前記プラズマ化空間を形成するための電極と、電気的に接地された状態で、前記電極のワークを向くべき側を遮るように設けられた導電部材と、を備え、前記電極と導電部材の間に絶縁体として気体層が形成され、この気体層の厚さが、前記電極と導電部材の間にかかる電圧が火花電圧より小さくなるように設定されていることを第２の特徴とする。これによって、電極と導電部材の間にアーク（火花）等の放電が発生するのを防止できる。

第２の特徴において、前記電極のプラズマ化空間形成面とワークを向くべき側の面に固体誘電体が設けられ、ワーク側の固体誘電体と前記導電部材とによって前記気体層が画成され、この気体層の厚さが、前記ワーク側の固体誘電体と導電部材の間にかかる電圧が火花電圧より小さくなるように設定されていることが望ましい。設計・製造に際し、前記電極と導電部材の間の離間距離に拘わらず、前記ワーク側の固体誘電体と導電部材間にかかる電圧が火花電圧より小さくなるように、前記気体層の厚さを設定することが望ましい。これによって、電極と導電部材の間の離間距離が変動しても、これら部材間でアーク等の放電が発生するのを確実に防止することができる。前記設定は、離間距離の変動が想定される一定の範囲内で有効であればよい。また、前記火花電圧の測定実験を行ない、平均より低いレベルで火花が起きた測定データに基づいて、前記気体層の厚さに対する火花電圧の関係を求めることが望ましい。これによって、電極と導電部材の間でアーク等の放電が発生するのを一層確実に防止することができる。

第１、第２の特徴において、前記導電部材が、前記絶縁体を向く面と、前記プラズマ化空間に連なる吹出し口を形成する縁面と、ワークを向くべき面とを有し、前記絶縁体を向く面と吹出し口縁面とのなす角と、吹出し口縁面とワークを向くべき面とのなす角のうち、少なくとも前者が、面取り（Ｒ面取り、角面取りを含む）されていることが望ましい。前記吹出し口縁面が、絶縁体を向く面とワークを向くべき面にそれぞれ向かって丸みを付けられているのが、より望ましい。これによって、電極と導電部材の間、または絶縁部材と導電部材の間で放電が発生するのをより確実に防止できる。

第１の特徴において、前記絶縁部材が、前記電極を向く面と、前記プラズマ化空間に連なる処理ガス導出路を形成する面と、前記導電部材を向く面とを有し、前記電極を向く面と導出路形成面とのなす角と、導出路形成面と導電部材を向く面とのなす角のうち、少なくとも前者が、面取り（Ｒ面取り、角面取りを含む）されていることが望ましい。前者の面取りによって、絶縁部材の電極を向く面と導出路形成面とのなす角がプラズマによって欠けるのを防止でき、パーティクルが発生するのを防止できる。後者の面取りによって、絶縁部材と導電部材の間で放電が起きるのをより確実に防止できる。２つの角の両方を面取りする場合には、電極を向く面と導出路形成面とのなす角が、導出路形成面と導電部材を向く面とのなす角より大きく面取りされていることが望ましい。前記導電部材の吹出し口縁面が、前記絶縁部材の導電部材を向く面と導出路形成面とのなす角の面取りと導電部材を向く面との境と略同位置又はそれより引込んでいることが望ましい。これによって、絶縁部材と導電部材の間で放電が発生するのをより確実に防止できる。

本発明は、略常圧下でのプラズマ処理において特に有効である。本発明における略常圧（大気圧近傍の圧力）とは、１．０１３×１０⁴〜５０．６６３×１０⁴Ｐａの範囲を言い、圧力調整の容易化や装置構成の簡便化を考慮すると、好ましくは、１．３３３×１０⁴〜１０．６６４×１０⁴Ｐａであり、より好ましくは、９．３３１×１０⁴〜１０．３９７×１０⁴Ｐａである。

本発明によれば、ワークにアークが落ちるのを防止できるとともに処理効率を確保できるだけでなく、絶縁部材と導電部材の間に隙間があったり、絶縁部材を気体層に変えたとしても、その隙間や気体層でアーク等の放電が発生するのを防止でき、処理品質を確保することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るプラズマ処理装置Ｍの概略構成を示したものである。
プラズマ処理装置Ｍは、互いに対向する一対の電極３１，３２を有している。一方の電圧印加電極３１には、電圧印加手段としての電源３が接続され、他方の接地電極３２は接地されている。これら電極３１，３２の間にプラズマ発生空間３０ａが形成されている。プラズマ発生空間３０ａには、電源３によって電界が印加されてグロー放電が起きる。そこに処理ガス源２からの処理ガスが導入されてプラズマ化される。このプラズマ化された処理ガスが後記吹出し口４０ｂから下方のワークＷすなわち被処理物に吹付けられる。これによって、ワークＷの表面処理がなされるようになっている。なお、本実施形態の処理は、常圧下で実行されるようになっている。

各電極３１，３２の他方との対向面と下面には、空間３０ａでのアーク放電防止のための固体誘電体３３が溶射にて被膜されている。なお、図面において、固体誘電体３３の厚さは、誇張して図示されている。

電極３１，３２の下面側（ワーク側）の固体誘電体３３の下側には、固体の絶縁体からなる絶縁部材４０が設けられている。絶縁部材４０の中央部には、プラズマ発生空間３０ａの下流に連なる処理ガス導出路４０ａが形成されている。

絶縁部材４０の下側に金属板からなる導電部材５１が設けられている。導電部材５１の中央部には、導出路４０ａの下流に連なる吹出し口５０ａが形成されている。導電部材５１は、接地線５を介して電気的に接地されている。導電部材５１は、電極３１，３２より処理ガスの吹出し側すなわちワークＷの側に配され、電極構造３０がワークＷと直接対面するのを遮っている。導電部材５１において電極３１，３２とは逆側の下面が、処理すべきワークＷと直接対面するようになっている。

これによって、電極３１からワークＷにアークが落ちるのを防止できるとともに、吹出し口５０ａをワークＷに近づけ、プラズマガスをワークＷに確実に到達させることができ、処理効率を確保することができる。また、電界がワークＷへ洩れるのを防止でき、ワークＷが電界によって影響を受けないようにすることができる。導電部材５１は、アーク等の放電を防止する放電防止部材または電極３１からの電界を遮蔽する電界遮蔽部材を構成している。
なお、導電部材５１は、一対の電極３１，３２のうち少なくとも電圧印加電極３１の下側に設けられていればよい。

絶縁部材４０と導電部材５１の間には間隙４０ｂが形成されている。常圧下の間隙４０ｂ内には、空気が入り込んでいる。間隙４０ｂは、絶縁性を高めるために積極的に形成した場合もあり、本来形成されるべきでないが何らかの原因で形成された場合もある。例えば、互いに別体の絶縁部材４０と導電部材５１を単に重ね合わせただけの場合、間隙が形成されることがある。

上記間隙４０ｂにかかる電圧Ｖｘは、次式で表される。
Ｖｘ＝ε_Ａε_ＢＶ_ｐｐｄ／２（ε_Ａｔ_Ｂ＋ε_Ｂｔ_Ａ＋ε_Ａε_Ｂｄ） （式１）
ここで、ｄ：間隙４０ｂの厚さすなわち絶縁部材４０と導電部材５１の間の離間距離
Ｖ_ｐｐ：電極３１のピーク間電圧
ε_Ａ：固体誘電体３３の比誘電率
ε_Ｂ：絶縁部材４０の比誘電率
ｔ_Ａ：固体誘電体３３の電極下側部分の厚さ
ｔ_Ｂ：絶縁部材４０の厚さ
なお、間隙４０ｂすなわち空気の比誘電率は、「１」としてある。

ピーク間電圧Ｖ_ｐｐは、所望のグロー放電プラズマが得られるように例えば数ｋＶ〜数十ｋＶの範囲で決められている。
固体誘電体３３の電極下側部分の厚さｔ_Ａは、プラズマ発生空間３０ａ側部分の厚さと等しくなっている。この固体誘電体３３の比誘電率ε_Ａ（すなわち材質）と厚さｔ_Ａは、良好なグロー放電を維持できるように設定されている。

プラズマ処理装置Ｍの絶縁部材４０の比誘電率ε_Ｂと厚さｔ_Ｂは、上記Ｖ_ｐｐ、ε_Ａ、ｔ_Ａを考慮しつつ、間隙４０ｂの空気が絶縁破壊を起さないように設定してある。すなわち、間隙４０ｂの火花電圧（絶縁破壊電圧）をＶｘｏとすると、
Ｖｘｏ＞Ｖｘ＝ε_Ａε_ＢＶ_ｐｐｄ／２（ε_Ａｔ_Ｂ＋ε_Ｂｔ_Ａ＋ε_Ａε_Ｂｄ） （式２）
が満たされるように設定されている。
これによって、間隙４０ｂでアークが形成されるのを防止できる。よって、絶縁部材４０が焦げてパーティクルが発生するのを防止でき、その結果、処理品質を確保することができ、歩留まりを向上させることができる。

ところで、絶縁部材４０の比誘電率ε_Ｂは、その材質によって定まる。アルミナでは、約７．５であり、アルカリガラスでは６〜９であり、パイレックス（登録商標）ガラスでは４．５〜５．０であり、石英ガラスでは３．５〜４．５であり、塩化ビニールでは３．０〜３．５である。したがって、材質を定めたうえで、その比誘電率ε_Ｂに応じて厚さｔ_Ｂを設定するのが望ましい。

間隙４０ｂの火花電圧Ｖｘｏは、下記の既知文献式３を用いて求めることが可能である。
Ｖｘｏ＝２．４０５δｄ（１＋０．３２８（δｄ／１０）^−１／２） （式３）
〔文献：電気学会大学講座 電離気体論 Ｐ．１１６（オーム社刊）より〕
式３において、火花電圧Ｖｘｏの単位は「ｋＶ」であり、間隙４０ｂの厚さｄの単位は、「ｍｍ」である（式５において同様）。δは、相対空気密度であり、間隙４０ｂ内の温度をＴ〔℃〕、圧力をＰ〔ｍｍＨｇ〕とすると、
δ＝０．３８６Ｐ／（２７３＋Ｔ） （式４）
である。例えば、２０℃、７６０ｍｍＨｇでは、δ＝１．００１２２８６７である。このときの式３すなわち間隙４０ｂの厚さｄに対する火花電圧Ｖｘｏ（文献値）をグラフ化すると、図３の一点鎖線のようになる。

しかし、上記文献式３は平均を示し、実際にはそれより低い電圧で火花が起きる場合もあり得る。そこで、発明者らは、火花電圧Ｖｘｏを実験によって改めて式化することにした。すなわち、図２に示すように、電極３１に相当する電圧印加側の電極板３１Ｘの下面に比誘電率が同一（比誘電率＝４．４）で厚さの異なるガラス４９をかわるがわる取り付け、ガラス４９とその下方の導電部材相当の接地金属板５１Ｘの間隙４０ｂに火花放電が立つときのピーク間電圧Ｖ_ｐｐを調べた。間隙４０ｂの厚さは、ｄ＝０．５ｍｍとした。ここで、ガラス４９は、プラズマ処理装置Ｍの固体誘電体３３および絶縁部材４０に相当する。したがって、その厚さはｔ_Ａ＋ｔ_Ｂに相当する。また、ε_Ａ＝ε_Ｂ＝４．４である。

その結果、上記式３の文献値に対するばらつきがマイナス方向に最も大きかったのは、厚さ（ｔ_Ａ＋ｔ_Ｂ）が２．９ｍｍのときのＶ_ｐｐ＝１１．４ｋＶであった。この結果を式１の右辺に代入することによって、下記の通り、間隙４０ｂの厚さｄに対する火花電圧Ｖｘｏの式を得た。
Ｖｘｏ＝８．６５ｄ／（１．５２ｄ＋１） （式５）
この式５は、間隙４０ｂの厚さｄに対し、火花が起きるいわば最低レベルの火花電圧Ｖｘｏを表したものである。式５をグラフにすると、図３の破線のようになる。当然ながら、この破線は、文献式３の一点鎖線より下に位置している。

プラズマ処理装置Ｍの製造において、絶縁部材４０の比誘電率ε_Ｂと厚さｔ_Ｂを設定する際は、式５すなわち最低レベルの火花電圧Ｖｘｏを基準にして間隙４０ｂの電圧Ｖｘがそれより小さくなるか否か、すなわち式２が満たされるか否かを判定する。これによって、間隙４０ｂでアーク等の放電が発生するのを一層確実に防止することができる。

また、図３に示すように、グラフ上において、式１で表される電圧Ｖｘの曲線（同図の実線）が、式５の最低レベル火花電圧Ｖｘｏを示す破線より全体的（またはｄの取り得る範囲において部分的）に下になるようにする。下限は、厚さｄに対する電圧Ｖｘの値が、同じ厚さｄにおける火花電極Ｖｘｏの値の例えば０．８〜０．９倍になるあたりが好ましい。これによって、間隙４０ｂの厚さｄの大小に拘わらず、該間隙４０ｂでアーク等の放電が発生するのを防止することができる。特に、間隙４０ｂが本来形成されるべきでないのに何らかの原因で形成され、その厚さｄが予測不能な場合に有効である。

なお、図３の実線は、以下の条件による。
固体誘電体３３の材質：アルミナ（ε_Ａ＝７．５） 厚さ：ｔ_Ａ＝０．５ｍｍ
絶縁部材４０の材質：アルカリガラス（ε_Ｂ＝７．０） 厚さ：ｔ_Ｂ＝６．２ｍｍ
ピーク間電圧：Ｖ_ｐｐ＝１３ｋＶ

勿論、間隙４０ｂを積極的に形成したときのようにその厚さｄが分かっている場合には、当該厚さｄにおいて式２が満たされていれば足りる。図３のグラフ上で言うと、電圧Ｖｘの線が、少なくとも当該厚さｄの地点（またはその周辺）で最低レベル火花電圧Ｖｘｏの線より下に位置していればよい。

パーソナルコンピュータ等の計算機で実行されるグラフ作成機能付きの表計算ソフトウェアを用意し、これに式１や式５を登録しておき、ε_Ａ，ε_Ｂ，ｔ_Ａ，ｔ_Ｂ等を入力パラメータとして図３のようなグラフが描かれるようにしておけば、上記判定を簡単に行なうことができる。

次に、本発明に係るプラズマ処理装置の一具体態様を説明する。
図４〜図６に示すように、該具体態様に係るプラズマ処理装置Ｍ１は、ワーク送り機構４と、この送り機構４上に位置するようにして架台（図示せず）に支持されたプラズマノズルヘッド１と、このノズルヘッド１に接続された処理ガス源２と、電源３を備えている。

処理ガス源２には、処理内容に応じた処理ガスが貯えられている。例えばプラズマ洗浄用の処理ガスとしてＮ_２の純ガスまたはＮ_２と微量のＯ_２との混合ガスが貯えられている。液相で貯え、適量ずつ気化するようになっていてもよい。

電源３は、例えばパルス状の高周波電圧を出力するようになっている。このパルスの立上がり時間及び／又は立下り時間は、１０μｓ以下、電極３１，３２間での電界強度は１０〜１０００ｋＶ／ｃｍ、周波数は０．５ｋＨｚ以上であることが望ましい。なお、電圧形状は、パルス状に代えて、正弦波状であってもよい。上記概略構成で述べたように、ピーク間電圧Ｖ_ｐｐは、数ｋＶ〜数十ｋＶの範囲で定められる。ここでは、例えばＶ_ｐｐ＝１４〔ｋＶ〕に設定されている。

図５に示すように、送り機構４は、水平に並べられた多数のローラ４ａを有している。これらローラ４ａ上に大面積の板状ワークＷが載せられ、左右へ送られる。このワークＷに、上記ノズルヘッド１でプラズマ化された処理ガスが吹き付けられ、例えば洗浄などのプラズマ表面処理が行なわれる。勿論、ワークＷを固定する一方、ノズルヘッド１を移動させるようになっていてもよい。

プラズマ処理装置Ｍ１のプラズマノズルヘッド１について詳述する。
ノズルヘッド１は、上側のガス整流部１０と、下側の放電処理部２０を備え、図５の紙面と直交する前後方向に長く延びている。

ガス整流部１０は、前後細長の容器状をなす本体１１を有し、この本体１１にパイプユニット１２が収容されている。パイプユニット１２は、左右一対のパイプ１３，１３と、これらを挟持する上下一対のパイプホルダ１４，１４を有し、本体１１と同方向に延びている。パイプユニット１２によって本体１１の内部が上下２つのチャンバー１１ａ，１１ｂに仕切られている。図４及び図６に示すように、ガス整流部１０の長手方向の一端部に一方のパイプ１３のインレットポート１３ａが設けられ、他端部に他方のパイプ１３のインレットポート１３ａが設けられている。なお、各パイプ１３，１３のポート１３ａ，１３ａ側の端部とは逆側の端部は、プラグによって塞がれている。

処理ガス源２からのガス供給管２ａが二手に分岐し、一方のパイプ１３の前端部と、他方のパイプの後端部にそれぞれ接続されている。処理ガス源２の処理ガスが、管２ａを経て２つのパイプ１３，１３に導入され、これらパイプ１３，１３内を互いに逆方向に流れる。各パイプ１３，１３の上側部および上側のパイプホルダ１４には、孔１１ｅが前後長手方向に延在されている。孔１１ｅは、スポット状をなして前後に短間隔置きに多数設けられていてもよく、スリット状をなして前後に延びていてもよい。パイプ１３，１３内の処理ガスは、この孔１１ｅを通って上側チャンバー１１ａへ漏れ出る。その後、パイプユニット１２の両脇のスリット状の隙間１１ｃを通って下側チャンバー１１ｂへ流れ込む。これによって、処理ガスを長手方向に均一化することができる。

プラズマノズルヘッド１の放電処理部２０について説明する。
図５及び図６に示すように、放電処理部２０は、左右一対の電極３１，３２からなる電極構造３０と、この電極構造３０を保持するホルダ２１とを有している。

各電極３１，３２は、例えばステンレス等の導電性材料によって出来、断面四角形状をなして図５の紙面と直交する前後方向へ直線状に延びている。各電極３１，３２の角は、アーク防止のためにＲになっている。これら電極３１，３２間に、プラズマ発生空間３０ａが前後方向へスリット状に延びるようにして形成されている。プラズマ発生空間３０ａの厚さ（電極３１，３２間の間隔）は、例えば２ｍｍである。各電極３０の対向面と上面と下面には、サンドブラストが施されたうえで、例えば比誘電率ε_Ａ＝７．５のアルミナからなる固体誘電体３３が溶射にて被膜されている。固体誘電体３３の厚さｔ_Ａは、例えばｔ_Ａ＝１ｍｍである。

なお、図５において、符号３ａは、電源３から電圧印加電極３１への給電線であり、符号３ｂは、接地電極３２からの接地線である。また、符号３０ｃは、電極温調用の冷媒路である（図６において省略）。

電極３０，３０のためのホルダ２１は、アッパープレート２２と、左右一対のサイドプレート２３と、左右一対のアングル部材（アングルホルダ）２４と、ロア部５０（図４において省略）を備えている。各アングル部材２４は、絶縁樹脂からなり、断面逆Ｌ字状をなして図５の紙面と直交する前後方向へ延びている。アングル部材２４は、各電極３０の上面と背面に宛がわれている。２つのアングル部材２４，２４の上側部どうし間に間隙２４ａが形成されている。間隙２４ａは、電極３１，３２間のプラズマ発生空間３０ａの上流に連なっている。

２つのアングル部材２４，２４の上面に剛性鋼材からなるアッパープレート２２が被せられている。アッパープレート２２の左右中央部には、前後に延びるスリット２２ａが形成されている。スリット２２ａは、ガス整流部１０の下側チャンバー１１ｂの下流に連なるとともに、間隙２４ａの上流に連なっている。これによって、ガス整流部１０からの処理ガスが、スリット２２ａおよび間隙２４ａを経て、電極間空間３０ａに導入されるようになっている。

各アングル部材２４の背面（外側面）には、剛性鋼材からなるサイドプレート２３が、それぞれ宛がわれている。各サイドプレート２３の上端部は、アッパープレート２２にボルト締めにて連結され、剛結合されている。アッパープレート２２と左右のサイドプレート２３により門型のフレームが構成されている。

各サイドプレート２３には、押しボルト２５（電極接近手段）と引きボルト２６（電極離間手段）が、それぞれ長手方向に離間して複数設けられている。押しボルト２５は、サイドプレート２３にねじ込まれるとともに、先端がアングル部材２４の背面に突き当てられ、ひいてはアングル部材２４を介して電極３０を他方の電極に接近する方向に押している。引きボルト２６は、樹脂製のボルトカラー（ボルトホルダ）２７に収容された状態で電極３０にねじ込まれ、電極３０を他方の電極から遠ざかる方向に引いている。これらボルト２５，２６のねじ込み量を調節することによって、長尺電極３０，３０の歪みを矯正でき、電極間空間３０ａの厚さを全長にわたって一定にすることができる。また、電極３１，３２が、クーロン力や、該電極３１,３２の金属本体と表面の誘電体層３３との熱膨張率の違いや電極内部の温度差による熱応力等熱応力等によって歪むのを阻止することができる。この結果、処理ガスを確実に均一に吹出すことができ、ひいてはワークＷを確実に均一にプラズマ処理することができる。

ホルダ２１の底部を構成するロア部５０は、板状の絶縁部材４０と、金属板からなる導電部材５１を備え、図５の紙面と直交する前後方向に水平に延びている。ロア部５０は、左右のサイドプレート２３，２３とアングル部材２４，２４と電極構造３０の下面に跨り、自身より上側のノズルヘッド１の構成要素を支持している。ロア部５０の左右両端部は、サイドプレート２３，２３より突出されている。この左右突出部が、図示しない支持手段によって支持されている。

絶縁部材４０の材質には、例えば比誘電率ε_Ｂ＝４．４のガラスが用いられている。
絶縁部材４０の上面には、凸条４０ｃが図５の紙面と直交する前後長手方向に延びるようにして形成されている。この凸条４０ｃが、アングルホルダ２４の下端面に形成された凹溝２４ｂに嵌め込まれている。
絶縁部材４０の左右幅方向の中央部に導出路４０ａ（吹出し路）が形成されている。導出路４０ａは、スリット状をなして図３の紙面と直交する前後方向に細長く延び、プラズマ化空間３０ａの下流に連なっている。絶縁部材４０において導出路４０ａの左右両側の内端面すなわち導出路形成面は、電極３１，３２の対向面すなわちプラズマ化空間形成面よりそれぞれ左右外側に僅かに引込んでいる。これによって、導出路４０ａは、プラズマ化空間３０ａより幅広すなわち流路断面積が大きくなっている。

導電部材５１は、絶縁部材４０の下面を全体的に覆っている。導電部材５１は、例えばステンレスの板にて構成されている。導電部材５１の左右幅方向の中央部には、吹出し口５０ａが形成されている。吹出し口５０ａは、スリット状をなして図５の紙面と直交する前後長手方向に細長く延び、導出路４０ａの下流に連なっている。ひいては、導出路４０ａを介して電極構造３０のプラズマ化空間３０ａに連なっている。導電部材５１の吹出し口５０ａ縁面は、絶縁部材４０の導出路４０ａ形成面より外側に僅かに引込んでいる。これによって、吹出し口５０ａは、導出路４０ａより幅広すなわち流路断面積が大きくなっている。
なお、絶縁部材４０を、一体モノに代えて左右一対の板部材によって構成し、これら板部材どうしの間に導出路４０ａを形成してもよい。同様に、導電部材５１を、一体モノに代えて左右一対の板部材によって構成し、これら板部材どうしの間に吹出し口５０ａを形成してもよい。
導電部材５１の下方に、ワークＷが配置されるようになっている。これによって、ワークＷへのアークを防止しつつ、ノズルヘッド１０をワークＷに近づけることができ、常圧下においてもプラズマをワークＷに確実に到達させることができる。

導電部材５１の左右両側部の上面には、ナット５５が溶接にて固定されている。一方、絶縁部材４０の下面には、ナット５５を嵌め込む凹部４０ｄが形成されている。また、絶縁部材４０には、上面から凹部４０ｄに達するボルト挿通孔４０ｅが形成されている。そして、金属製のボルト５６が、挿通孔４０ｅを通してナット５５に螺合されている。これによって、絶縁部材４０に導電部材５１が固定されている。ボルト５６の頭部に、接地リード線５の端子５ａが係合されている。このリード線５が、接地されている。これによって、導電部材５１が、ボルト５６およびナット５５を介して電気的に接地されている。

絶縁部材４０における電極３１，３２の下側部分４０ｘの下面には、凹部４０ｆが形成されている。これによって、絶縁部材４０と導電部材５１の間に間隙４０ｂが積極的に形成されている。凹部４０ｆひいては間隙４０ｂは、導出路４０ａと吹出し口５０ａに連なっている。間隙４０ｂの厚さｄは、例えば、ｄ＝１ｍｍである。

常圧プラズマ処理装置Ｍ１において、絶縁部材４０（ε_Ｂ＝４．４）の電極下側部分４０ｘ（間隙４０ｂを除く）の厚さｔ_Ｂは、式２を満たすように設定されている。例えばｔ_Ｂ＝５ｍｍである。これによって、間隙４０ｂでのアークを防止することができ、処理品質を確保できる。

次に、本発明の他の態様を説明する。
図７に示すように、電極３１，３２と導電部材５１との間には、絶縁部材４０が無くてもよい。すなわち、電極３１，３２と導電部材５１は、所定の距離ｄだけ離れ、両者の間に間隙４０ｂが形成されている。詳細には、電界印加電極３１の下面に、厚さ：ｔ_Ａ、比誘電率：ε_Ｂの固体誘電体３３が被膜されており、この固体誘電体３３の下面と導電部材５１の上面とによって間隙４０ｂが画成されている。間隙４０ｂ内は、空気で満たされている。空気は、良好な絶縁耐力を有する絶縁体となる。これにより、間隙すなわち気体層（空気層）４０ｂは、電極３１と導電部材５１を絶縁する絶縁手段を構成している。なお、図７において、固体誘電体３３は、電界印加電極３１の対向面と下面にのみ被膜され、接地電極３２には被膜されていないが、図１と同様に、両電極３１，３２に被膜することにしてもよい。

気体層４０ｂの厚さｄは、当該気体層４０ｂが絶縁破壊を起さないように設定されている。すなわち、電極３１の下側の固体誘電体３３と導電部材５１の間にかかる電圧Ｖｘが、火花電圧Ｖｘｏより小さくなるように設定されている。具体的には、次式が満たされるように設定されている。
Ｖｘｏ＞Ｖｘ＝ε_ＡＶ_ｐｐｄ／２（ｔ_Ａ＋ε_Ａｄ） （式６）
式６は、上記式２において、ε_Ｂ＝１、ｔ_Ｂ＝０と置いたものである。基準となる火花電圧Ｖｘｏは、式３の文献値（図３の一点鎖線）よりも、式５の最小レベル実験値（同図の破線）を用いるのが望ましい。これによって、気体層４０ｂでアークが発生するのを防止できる。また、図３の実線と同様に、Ｖｘがｄの値に拘わらずＶｘｏを下回るようにすることにより、気体層４０ｂの厚さｄが何らかの原因で変動したとしても、アーク発生を確実に防止することができる。なお、ｄが本来の値を含む一定の範囲内において、Ｖｘｏ＞Ｖｘが満たされていれば十分である。

図８に示すように、電極３１，３２と導電部材５１との間に絶縁部材４０が無いだけでなく、電界印加電極３１に固体誘電体３３が設けられていなくてもよい。これによって、電極３１の金属本体と導電部材５１とによって、気体層４０ｂが画成されている。なお、この場合、接地電極３２の少なくとも他方の電極３１との対向面には、固体誘電体３３を設ける必要がある。

図８態様において、気体層４０ｂの厚さｄは、電極３１と導電部材５１の間にかかる電圧Ｖｘ（＝Ｖｐｐ）が、火花電圧Ｖｘｏより小さくなるように設定されている。火花電圧Ｖｘｏとしては、既述態様と同様に、式３の文献値（図３の一点鎖線）よりも、式５の最小レベル実験値（同図の破線）を用いるのが望ましい。
すなわち、最小レベル実験値の式５より、
Ｖｐｐ≦８．６５ｄ／（１．５２ｄ＋１） （式７）
が満たされるように、使用電圧Ｖｐｐに対し気体層４０ｂの厚さｄを設定する。これによって、気体層４０ｂでアークが発生するのを防止できる。

なお、図８態様の装置について、気体層４０ｂの厚さｄを１ｍｍとし、供給電圧Ｖｐｐを増減させ、アークが少しでも確認される範囲を測定したところ、Ｖｐｐ≧３ｋＶであった。これによって、式７が、十分に安全域であることが確認された。

図９は、絶縁部材４０の導出路形成部の形状についての変形態様を示したものである。該態様では、絶縁部材４０の上面（電極構造３０を向く面）と導出路４０ａ形成面とのなす角が、Ｒ面取りされ、第１面取り部４０ｒが形成されている。また、絶縁部材４０の導出路４０ａ形成面と下面（導電部材３０を向く面）とのなす角が、Ｒ面取りされ、第２面取り部４０ｓが形成されている。

第１面取り部４０ｒによって、絶縁部材４０の上面と導出路形成面とのなす角がプラズマによって欠けるのを防止でき、パーティクルが発生するのを防止できる。ひいては、処理品質を向上させることができ、歩留まりを高めることができる。
第１面取り部４０ｒは、第２面取り部４０ｓより大きい。すなわち、第１面取り部４０ｒの曲率半径Ｒが、第２面取り部４０ｓのものより大きい。これによって、絶縁部材４０の上面と導出路形成面とのなす角の欠損、ひいてはパーティクルの発生をより確実に防止できる。
なお、第１、第２面取り部を、Ｒ面取りに代えて、角面取りにて形成することにしてもよい。

更に、図９態様では、導電部材５１の吹出し口５０ａ縁面が、絶縁部材４０を向く上面とワークＷを向くべき下面にそれぞれ向かって半円状の丸みを付けられている。換言すると、導電部材５１の上面と吹出し口５０ａ縁面とのなす角がＲ面取りされるとともに、吹出し口５０ａ縁面と下面のなす角がＲ面取りされている。これによって、電極３１と導電部材５１の間、または絶縁板４１と導電部材５１の間でアークが飛ぶのを一層確実に防止することができる。なお、導電部材５１の上面と吹出し口５０ａ縁面とのなす角だけを面取りし、吹出し口５０ａ縁面と下面のなす角は面取りしないことにしてもよい。Ｒ面取りに代えて、角面取りにしてもよい。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その精神に反しない限りにおいて種々の形態を採用可能である。
例えば、導電部材としての導電部材５１は、少なくとも電圧印加電極３１に対して設けられていればよく、接地電極３２に対しては設けられていなくてもよい。
絶縁部材４０は、少なくとも電圧印加電極３１と導電部材５１の間に設けられていればよく、接地電極３２と導電部材５１の間には設けられていなくてもよい。
最低レベルの火花電圧Ｖｘｏ（式５）に代えて、平均の火花電圧Ｖｘ（文献式３）を基準にして、絶縁部材４０の比誘電率ε_Ｂと厚さｔ_Ｂを定めることにしてもよい。
電極３１，３２の対向面や下面に設けられる固体誘電体３３は、溶射膜に代えて、電極３１，３２の金属本体とは別体の誘電体の薄板にて構成してもよい。
本発明は、常圧下だけでなく、減圧下でのプラズマ処理にも適用でき、グロー放電だけでなく、コロナ放電等の他の放電を利用したプラズマ処理にも適用できる。また、洗浄、エッチング、成膜、表面改質、アッシング等の種々のプラズマ処理に遍く適用できる。

本発明は、例えば、半導体製造工程における基材の洗浄、エッチング、成膜等の表面処理に利用可能である。

本発明に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す正面断面図である。 最低レベルの火花電圧式を求めるための実験装置の概略図である。 絶縁部材と金属板（導電部材）の間の間隙の厚さに対する電圧を示すグラフである。 本発明の一具体態様に係る常圧プラズマ処理装置のノズルヘッドの斜視図である。 上記ノズルヘッドの正面断面図である。 図５のVI−VI線に沿う上記ノズルヘッドの側面断面図である。 本発明の変形態様を示す断面図である。 本発明の変形態様を示す断面図である。 本発明の変形態様を示す断面図である。

符号の説明

Ｍ，Ｍ１ 常圧プラズマ処理装置
Ｗ ワーク
３０ａ プラズマ化空間
３１ 電圧印加電極
３２ 接地電極
３３ 固体誘電体
４０ａ 導出路
４０ｂ 間隙、気体層
４０ 絶縁部材
４０ｒ，４０ｓ 面取り部
５１ 導電部材
５０ａ 吹出し口

Claims (12)

1. 処理ガスを、電極にて形成したプラズマ化空間に通しプラズマ化空間の外部に配置されたワークへ吹出し、ワークの表面処理を行なう装置を製造するに際し、
   電気的に接地される導電部材を前記電極のワークを向くべき側を遮るように設け、前記電極と導電部材の間には絶縁体からなる絶縁部材を介在させることにし、
   前記絶縁部材と導電部材の間の離間距離すなわちこれら部材間の間隙の厚さの変動が想定される範囲内において前記絶縁部材と導電部材の間にかかる電圧が火花電圧より小さくなるように、前記絶縁部材の誘電率と厚さを設定することを特徴とするプラズマ処理装置の製造方法。
2. 処理ガスを、電極にて形成したプラズマ化空間に通しプラズマ化空間の外部に配置されたワークへ吹出し、ワークの表面処理を行なう装置を製造するに際し、
   電気的に接地される導電部材を前記電極のワークを向くべき側を遮るように設け、前記電極と導電部材の間には絶縁体からなる絶縁部材を介在させることにし、
   前記絶縁部材と導電部材の間の火花電圧の測定実験を行ない、平均より低いレベルで火花が起きた測定データに基づいて、前記絶縁部材と導電部材の間の離間距離すなわちこれら部材間の間隙の厚さに対する火花電圧の関係を求める一方、
   前記間隙の厚さの変動が想定される範囲内において前記絶縁部材と導電部材の間にかかる電圧が、前記測定データに基づく火花電圧より小さくなるように、前記絶縁部材の誘電率と厚さを設定することを特徴とするプラズマ処理装置の製造方法。
3. 前記電極のプラズマ化空間形成面とワークを向くべき側の面に固体誘電体を設け、ワーク側の固体誘電体に前記絶縁部材を重ねることにし、
   前記絶縁部材の誘電率と厚さの設定に際し、前記ワーク側の固体誘電体の誘電率と厚さを考慮することを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置の製造方法。
4. 処理ガスを、電極にて形成したプラズマ化空間に通しプラズマ化空間の外部に配置されたワークへ吹出し、ワークの表面処理を行なう装置を製造するに際し、
   電気的に接地される導電部材を前記電極のワークを向くべき側を遮るようにして設け、前記電極と導電部材の間には絶縁体として気体層を形成し、
   この気体層の厚さの変動が想定される範囲内において前記電極と導電部材の間にかかる電圧が火花電圧より小さくなるように、前記気体層の厚さを設定することを特徴とするプラズマ処理装置の製造方法。
5. 処理ガスを、電極にて形成したプラズマ化空間に通しプラズマ化空間の外部に配置されたワークへ吹出し、ワークの表面処理を行なう装置を製造するに際し、
   前記電極のプラズマ化空間形成面とワークを向くべき側の面に固体誘電体を設けるとともに、
   電気的に接地される導電部材を前記電極のワークを向くべき側を遮るように設け、前記電極のワーク側の固体誘電体と前記導電部材の間には絶縁体として気体層を形成し、
   前記気体層の厚さの変動が想定される範囲内において前記ワーク側の固体誘電体と導電部材の間にかかる電圧が火花電圧より小さくなるように、前記気体層の厚さを設定することを特徴とするプラズマ処理装置の製造方法。
6. 前記火花電圧の測定実験を行ない、平均より低いレベルで火花が起きた測定データに基づいて、前記気体層の厚さに対する火花電圧の関係を求める一方、
   前記気体層の厚さの変動が想定される範囲内において前記気体層にかかる電圧が前記測定データに基づく火花電圧より小さくなるように、前記気体層の厚さを設定することを特徴とする請求項４又は５に記載のプラズマ処理装置の製造方法。
7. 請求項１〜３の何れかに記載の製造方法によるプラズマ処理装置であって、
   前記絶縁部材と前記導電部材との間の間隙の厚さが、ゼロであることを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 請求項１〜３の何れかに記載の製造方法によるプラズマ処理装置であって、
   前記絶縁部材と前記導電部材との間に間隙が形成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１〜６の何れかに記載の製造方法によるプラズマ処理装置であって、
   前記導電部材が、前記絶縁体を向く面と、前記プラズマ化空間に連なる吹出し口を形成する縁面と、ワークを向くべき面とを有し、前記絶縁体を向く面と吹出し口縁面とのなす角と、吹出し口縁面とワークを向くべき面とのなす角のうち、少なくとも前者が、面取り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１〜６の何れかに記載の製造方法によるプラズマ処理装置であって、
    前記導電部材が、前記絶縁体を向く面と、前記プラズマ化空間に連なる吹出し口を形成する縁面と、ワークを向くべき面とを有し、前記吹出し口縁面が、絶縁体を向く面とワークを向くべき面にそれぞれ向かって丸みを付けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
11. 請求項１〜３の何れかに記載の製造方法によるプラズマ処理装置であって、
    前記絶縁部材が、前記電極を向く面と、前記プラズマ化空間に連なる処理ガス導出路を形成する面と、前記導電部材を向く面とを有し、前記電極を向く面と導出路形成面とのなす角と、導出路形成面と導電部材を向く面とのなす角のうち、少なくとも前者が、面取りされていることを特徴とするプラズマ処理装置。
12. 請求項１〜３の何れかに記載の製造方法によるプラズマ処理装置であって、
    前記絶縁部材が、前記電極を向く面と、前記プラズマ化空間に連なる処理ガス導出路を形成する面と、前記導電部材を向く面とを有し、前記電極を向く面と導出路形成面とのなす角と、導出路形成面と導電部材を向く面とのなす角が、それぞれ面取りされ、しかも、前者が、後者より大きく面取りされていることを特徴とするプラズマ処理装置。

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