JP3951557B2

JP3951557B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

Info

Publication number: JP3951557B2
Application number: JP2000157445A
Authority: JP
Inventors: 典幸田口; 康志澤田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2020-05-26
Also published as: JP2001334147A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理物の表面に存在する有機物等の異物のクリーニング、レジストの剥離、有機フィルムの密着性の改善、金属酸化物の還元、製膜、表面改質などのプラズマ処理に利用されるプラズマを発生させるためのプラズマ処理装置、及びこれを用いたプラズマ処理方法に関するものであり、特に、精密な接合が要求される電子部品の表面のクリーニングに好適に応用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、大気圧下でプラズマ処理を行うことが試みられている。例えば、特開平２−１５１７１号公報や特開平３−２４１７３９号公報や特開平１−３０６５６９号公報には、反応容器内の放電空間に一対の電極を配置すると共に電極の間に誘電体を設け、放電空間をＨｅ（ヘリウム）やＡｒ（アルゴン）などの希ガスを主成分とするプラズマ生成用ガスで充満し、反応容器に被処理物を入れると共に電極の間に交流電界を印加するようにしたプラズマ処理方法が開示されており、誘電体が配置された電極の間に交流電界を印加することにより安定的にグロー放電を発生させ、このグロー放電によりプラズマ生成用ガスを励起して反応容器内にプラズマを生成し、このプラズマにより被処理物の処理を行うようにしたものである。
【０００３】
また、被処理物の特定の部分のみにプラズマ処理を行うために、特開平４−３５８０７６号公報、特開平３−２１９０８２号公報、特開平４−２１２２５３号公報、特開平６−１０８２５７号公報、特開平１１−２６０５９７号公報などに開示されているような、大気圧下でグロー放電によりプラズマ（特にプラズマの活性種）を被処理物にジェット状に吹き出してプラズマ処理することが行われている。
【０００４】
このようなプラズマ処理装置としては、例えば、図７に示すようなものを例示することができる。２は角筒状の反応容器であって、反応容器２の上端はガス導入口１０として開口されていると共に反応容器２の下端は吹き出し口１として開口されている。また、反応容器２の外周に上下一対の電極３、４が設けられている。電極３、４には高周波を発生する電源１１がインピーダンス整合器１２を介して接続されており、上側の一方の電極３が高圧電極として、下側の他方の電極４が接地（低圧）電極としてそれぞれ形成されている。インピーダンス整合器１２は、電極３、４の間に対応する位置において反応容器２内に形成されるプラズマ発生部１３と電源１１との間のインピーダンス整合を得るためのものである。
【０００５】
そして、ガス導入口１０から反応容器２内にプラズマ生成用ガスを導入すると共に電極３、４に電源１１で発生した高周波電圧を印加することによって、プラズマ発生部１３にプラズマを点灯させて放電（グロー放電）を開始させ、この後、プラズマ発生部１３に高周波電圧を印加し続けることによってプラズマ発生部１３でプラズマを連続的に生成し、このプラズマをプラズマ発生部１３から流下させて反応容器２の吹き出し口１から吹き出すようにするのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなプラズマ処理装置においては、大気圧近傍の圧力下（９３．３〜１０６．７ｋＰａ（７００〜８００Ｔｏｒｒ））での放電であるために、放電維持のために必要な高周波電圧が１ｋＶ以上もの高電圧になってしまうものであり、また、電極３、４に印加する高周波電圧の周波数（電源周波数）も１３．５６ＭＨｚに代表されるような高周波であるために、電極３、４からの放射ノイズが多くなるという問題があった。
【０００７】
この問題を解決する一つの手法として、アルミニウムなどの導電性材料でシールドケースを形成し、このシールドケースでプラズマ発生部１３や電極３、４などを覆ってシールドする方法が有効であるが、シールドを完全なものとするためには装置全体を覆う大きなシールドケースが必要となって装置が大型化するという問題があった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、大型化することなく放射ノイズを極力低減することができるプラズマ処理装置及びこれを用いたプラズマ処理方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るプラズマ処理装置は、大気圧近傍の圧力下で、片側を吹き出し口１として開放させた反応容器２内に高周波電圧を印加することによりプラズマを生成し、生成したプラズマを反応容器２の吹き出し口１よりジェット状に吹き出すプラズマ処理装置において、反応容器２内に高周波電圧を印加するための対をなす電極３、４と、対をなす電極３、４に逆位相の高周波電圧を印加するための逆位相印加手段５とを備え、前記逆位相印加手段５を、絶縁性筒体２２の内側と外側に一次巻線６と二次巻線７を同軸状に配置すると共に二次巻線７の経路間で接地された同軸空芯トランスで形成し、一次巻線６と二次巻線７を中空に形成して冷媒を通すようにして成ることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項２に係るプラズマ処理装置は、請求項１の構成に加えて、前記対をなす電極３、４に印加する逆位相の高周波電圧が、各位相で振幅が同一であることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の請求項３に係るプラズマ処理方法は、請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置の吹き出し口１の下方に被処理物２１を配置し、吹き出し口１より吹き出すプラズマＰを被処理物２１に供給することを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
図１に実施の形態の一例を示す。このプラズマ処理装置は反応容器２、対をなす（一対の）電極３、４、電源１１、逆位相印加手段５などを備えて形成されている。反応容器２は高融点の絶縁材料（誘電体材料）で幅広の角形筒状に形成されるものであって、その上面はガス導入口１０として略全面に亘って開口されていると共に反応容器２の下面には図２に示すようにスリット状の吹き出し口１が反応容器２の幅広方向に長く形成されており、この吹き出し口１を設けることにより反応容器２は片側（下側）に向いて開放されている。反応容器２を形成する絶縁材料として、石英、アルミナ、イットリア部分安定化ジルコニウムなどのガラス質材料やセラミック材料などを例示することができる。
【００１７】
電極３、４は、例えば、銅、アルミニウム、真鍮、耐食性の高いステンレス鋼（ＳＵＳ３０４など）などの導電性の金属材料で形成することができる。また、電極３、４はその内面が反応容器２の外周面の形状に合致するように、平面視で略ロ字状の角形環状に（角リング状）に形成されている。そして、電極３、４はその内周面を反応容器２の外周面に接触させ且つ反応容器２を全周に亘って囲うように挿着されて反応容器２の外側に配置されている。このようにして反応容器２の外周面には、対をなす一対の電極３、４が上下に対向して設けられており、また、電極３、４の間の空間に対応する位置において反応容器２内の空間がプラズマ発生部１３として形成されている。尚、電極３、４の間隔はプラズマを安定に生成するために３〜２０ｍｍに設定するのが好ましい。また、電極３、４はそれぞれ複数個設けても良い。
【００１８】
上記の電極３、４には逆位相印加手段５が電気的に接続されている。逆位相印加手段５は電源１１で発生させた高周波電圧を電極３と電極４に逆位相で印加するためのものであり、一次巻線６と二次巻線７を備えたトランスで形成されている。一次巻線６及び二次巻線７はそれぞれ巻方向を一定に形成されている。一次巻線６はインピーダンス整合器１２に電気的に接続されており、これにより、逆位相印加手段５はインピーダンス整合器１２に電気的に接続されている。逆位相印加手段５の二次巻線７の一端３０は上側の電極３に、二次巻線７の他端３１は下側の電極４にそれぞれ電気的に接続されている。また、二次巻線７にはその経路間（経路の途中）において中間タップ２０が設けられており、中間タップ２０を接地するようにしている。そして、インピーダンス整合器１２は電源１１と電気的に接続されている。
【００１９】
上記のように形成されるプラズマ処理装置では、プラズマ生成用ガスとして不活性ガス（希ガス）あるいは不活性ガスと反応ガスの混合気体を用いる。不活性ガスとしては、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトンなどを使用することができるが、放電の安定性や経済性を考慮すると、アルゴンやヘリウムを用いるのが好ましい。また反応ガスの種類は処理の内容によって任意に選択することができる。例えば、被処理物の表面に存在する有機物のクリーニング、レジストの剥離、有機フィルムのエッチングなどを行う場合は、酸素、空気、ＣＯ₂、Ｎ₂Ｏなどの酸化性ガスを用いるのが好ましい。また反応ガスとしてＣＦ₄などのフッ素系ガスも適宜用いることができ、シリコンなどのエッチングを行う場合にはこのフッ素系ガスを用いるのが効果的である。また金属酸化物の還元を行う場合は、水素、アンモニアなどの還元性ガスを用いることができる。反応ガスの添加量は不活性ガスの全量に対して１０重量％以下、好ましくは０．１〜５重量％の範囲である。反応ガスの添加量が０．１重量％未満であれば、処理効果が低くなる恐れがあり、反応ガスの添加量が１０重量％を超えると、放電が不安定になる恐れがある。
【００２０】
そして、プラズマ処理装置を用いてプラズマ処理を行うにあたっては、次のようにして行う。まず、大気圧近傍の圧力下において、ガス導入口１０から反応容器２の内部にプラズマ生成用ガスを上から下に向かって流して導入すると共にインピーダンス整合器１２及び逆位相印加手段５を介して電源１１で発生させた高周波電圧を電極３、４に印加する。この時、逆位相印加手段５により一方の電極３に印加される高周波電圧の位相と他方の電極４に印加される高周波電圧の位相とは互いに逆になるものである。そして、この電極３、４への高周波電圧の印加によりプラズマ発生部１３に高周波電圧を印加してプラズマ発生部１３でグロー状の放電を発生させ、この放電によりプラズマ生成用ガスからプラズマを生成する。プラズマ点灯後にプラズマ発生部１３でプラズマを連続的に生成するためには、電極３、４に印加する高周波電圧は０．５〜１ｋＶに、また、プラズマ発生部１３に印加される高周波電界の周波数は１ｋＨｚ〜２００ＭＨｚに、さらに、プラズマ発生部１３に印加される印加電力は２０〜３５００Ｗ／ｃｍ³にそれぞれ設定するのが好ましい。尚、印加電力の密度（Ｗ／ｃｍ³）は（印加電力／プラズマ発生部１３の体積）で定義される。この後、図６に示すように、プラズマ発生部１３で生成されたプラズマＰを吹き出し口１から下方にジェット状（連続的）に流出させて吹き出し口１の下側に配置された被処理物２１の表面にプラズマを吹き付けるようにする。このようにして被処理物２１のプラズマ処理を行うことができる。このプラズマ処理装置では吹き出し口１を幅広のスリット状に形成したので、一度に被処理物２１の幅方向の広い範囲にプラズマを供給することができ、スポット状にプラズマを吹き出すものに比べて、効率よくプラズマ処理を行うことができるものである。
【００２１】
本発明のプラズマ処理装置では、逆位相印加手段５としてコイルである一次巻線６と二次巻線７を備えたトランスを用い、二次巻線７の巻方向を一定にし、二次巻線７の一端３０を上側の電極３に、二次巻線７の他端３１を下側の電極４にそれぞれ接続し、二次巻線７の途中に設けた中間タップ２０を接地するので、電源１１を用いて一次巻線６へ高周波電流を通電することによって二次巻線７に電磁誘導により高周波電流を発生させると共に二次巻線７に生じた高周波電流により電極３、４の間の任意の電位（中間タップ２０の電位）を基準電位点として電極３と電極４に互いに逆位相の高周波電圧を印加することができる。従って、基準電位点（接地点）より計測した各電極３、４に印加される高周波電圧の値は、対をなす電極３、４の間の高周波電圧の値よりも低い値となり、このことで、電極３、４からの放射ノイズを小さくすることができる。
【００２２】
また、中間タップ２０の位置は任意であるが、二次巻線７の一端３０と中間タップ２０の間の巻数と、二次巻線７の他端３１と中間タップ２０の間の巻数とが同一になるように、中間タップ２０の位置を二次巻線７の中間に設けるのが好ましく、このことで、二次巻線７の一端３０に発生する高周波電圧の振幅と、二次巻線７の他端３１に発生する高周波電圧の振幅とが同一になって、各電極３、４に振幅が同一の高周波電圧を印加することができる。従って、中間タップ２０の位置を二次巻線７の中間以外に設ける場合に比べて、基準電位点（接地点）より計測した各電極３、４に印加される高周波電圧の値が最小となり、電極３、４からの放射ノイズを最小にすることができる。
【００２３】
通常、高周波電圧を電極３、４に印加すると、空間中へ放射される放射ノイズは印加される高周波電圧の振幅に依存し、高周波電圧の振幅が大きくなるほど放射ノイズの量が増えて大きくなる。従って、図８に示すような従来のプラズマ処理装置では、図３（ａ）に示すように一方（下側）の電極４を接地して接地電極として形成し、他方（上側）の電極３を電源１１と接続して高圧電極として形成しているので、電極３のみに放電に必要な高周波電圧Ｖを印加する必要があり、このような電源配置では基準電位点Ｇに対して各電極３、４にかかる高周波電圧Ｖが対称でなく、電極３と電極４において高周波的な電流の流れにアンバランスが生じて放射ノイズが大きくなる。
【００２４】
これに対して、本発明は図３（ｂ）に示すように、電極３、４のそれぞれに基準電位点Ｇに対してほぼＶ／２の高周波電圧を逆位相で印加して電極３、４の間にＶの高周波電圧を印加するようにしたものであり、このような電源配置にすることにより、基準電位点Ｇに対して各電極３、４にかかる高周波電圧Ｖ／２がほぼ対称となって、電極３と電極４において高周波的な電流の流れにアンバランスがなくなり、放射ノイズを小さく（最小に）することができるものである。
【００２５】
本発明において逆位相印加手段５のトランスとしては、図４に示すような同軸空芯トランスを用いるのが好ましい。同軸空芯トランスは銅などの低抵抗の導電性材料で形成される線材をコイル状に巻いて一次巻線６と二次巻線７を形成し、この一次巻線６と二次巻線７を適当なギャップを介して同軸状に配置することによって形成するものである。この際、一次巻線６と二次巻線７のいずれを内側に配置しても良い（図４のものでは一次巻線６を二次巻線７の内側に配置して形成されている）。また、一次巻線６と二次巻線７の間にはガラスパイプ等で形成される絶縁性筒体２２を設けることができ、このことで一次巻線６と二次巻線７の保形性を高めることができると共に一次巻線６と二次巻線７の絶縁性を高めることができる。さらに、一次巻線６と二次巻線７の線材を中空（パイプ状）に形成しても良く、このことで一次巻線６と二次巻線７に水などの冷媒を通して冷却することができるものである。
【００２６】
本発明で用いる逆位相印加手段５として同軸空芯トランスを用いる理由は次の通りである。低周波の領域で用いるトランスは鉄芯などを利用して結合度を非常に高くすることが可能である。しかし、本発明のように高周波（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の領域で使用するトランスに鉄芯を用いると、鉄芯でのロスが非常に大きくなり、非常に結合度が低くなってしまう。そこで、鉄芯等を用いない空芯形状の一次巻線６と二次巻線７を組み合わせて空芯トランスを形成すると共に、一次巻線６と二次巻線７の結合度を高めるために一次巻線６と二次巻線７を同軸状に配置するものであり、このことで、一次巻線６で発生した磁束を効率よく二次巻線７に伝えることが可能となって、結合度の高いトランスを形成することができるものである。
【００２９】
図５に他の実施の形態を示す。このプラズマ処理装置は反応容器２を円管状に、電極３、４を円環状（ドーナツ状）にそれぞれ形成したものである。その他の構成は上記の実施の形態と同様である。図６（ａ）（ｂ）に他の実施の形態を示す。図６（ａ）のものは、電極３、４を、反応容器２の外周面に接触して設けられた外側電極４１と反応容器２の内側に配置された内側電極４０とで構成したものである。また、図６（ｂ）のものは電極３、４が反応容器２を挟んで対向するように、反応容器２の外周面に電極３、４を設けたものである。その他の構成は図１に示すものと同様に形成されている。このように本発明は反応容器２の形状、電極３、４の形状や配置等を任意に形成することができる。
【００３０】
【実施例】
以下本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００３１】
（実施例１）
図１に示すプラズマ処理装置を用いた。このプラズマ処理装置の反応容器２は内側寸法が５５ｍｍ×１ｍｍで石英で形成されている。反応容器２の外部には対をなす電極３、４を吹き出し口１に対して上下に配置しており、電極３、４は逆位相印加手段５とインピーダンス整合器１２を介して電源１１と電気的に接続されている。高周波を発生する電源１１としては１３．５６ＭＨｚの周波数の電圧を発振するものを用いた。
【００３２】
逆位相印加手段５としては図４に示す同軸空芯トランスを用いた。この同軸空芯トランスは外側のコイルを二次巻線７、内側のコイルを一次巻線６として形成されるものである。一次巻線６と二次巻線７は銅製で、直径が５ｍｍの中空のパイプを用いて形成し、一次巻線６と二次巻線７に水を通して冷却した。また、一次巻線６と二次巻線７の間（間隔は２ｍｍ）には絶縁性を高めるために、外径６０ｍｍのガラスパイプ（絶縁性筒体２２）を配置した。また、一次巻線６の巻数は６ターン、二次巻線７の巻数は８ターンとし、二次巻線７のほぼ中央部に中間タップ２０を設けて中間タップ２０を接地した。
【００３３】
そして、大気圧下で、反応容器２にヘリウムを２リットル／分、アルゴンを１０リットル／分、酸素を０．４リットル／分で導入し、電源１１を用いて対をなす電極３、４に振幅が同一で逆位相の高周波電圧を印加し、７００Ｗの高周波電力にてプラズマ発生部１３でプラズマを生成し、このプラズマをジェット状に吹き出し口１から吹き出した。
【００３４】
このプラズマ処理装置では逆位相印加手段５を用いない従来例（図７のもの）に比べて、電極３、４やプラズマ発生部１３からの放射ノイズが約半分となった。
【００３９】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１の発明は、大気圧近傍の圧力下で、片側を吹き出し口として開放させた反応容器内に高周波電圧を印加することによりプラズマを生成し、生成したプラズマを反応容器の吹き出し口よりジェット状に吹き出すプラズマ処理装置において、反応容器内に高周波電圧を印加するための対をなす電極と、対をなす電極に逆位相の高周波電圧を印加するための逆位相印加手段とを備えるので、基準電位点より計測した各電極に印加される高周波電圧の値は、対をなす電極の間の高周波電圧の値よりも低くすることができ、電極からの放射ノイズを小さくすることができるものである。しかも、シールドケースを用いる必要がなく、放射ノイズを小さくすることができるものであり、装置を大型化する必要がないものである。
また、前記逆位相印加手段が、一次巻線と二次巻線を有すると共に二次巻線の経路間で接地されたトランスで形成されるので、簡単な構成で逆位相印加手段を形成することができ、対をなす電極に逆位相の高周波電圧を印加することができると共に対をなす電極に印加する逆位相の高周波電圧が各位相で振幅を同一にすることができるものである。
また、前記トランスが同軸空芯トランスであるので、結合ロスの少ないトランスで逆位相印加手段を形成することができるものである。
【００４０】
また、本発明の請求項２の発明は、前記対をなす電極に印加する逆位相の高周波電圧が、各位相で振幅が同一であるので、基準電位点より計測した各電極に印加される高周波電圧の値が最小となり、電極からの放射ノイズを最小にすることができるものである。
【００４４】
また、本発明の請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置の吹き出し口の下方に被処理物を配置し、吹き出し口より吹き出すプラズマを被処理物に供給するので、放射ノイズを少なくしながらプラズマ処理を行うことができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図２】同上の底面図である。
【図３】（ａ）は本発明において、電極に印加される高周波電圧の位相を示す説明図、（ｂ）は従来例において、電極に印加される高周波電圧の位相を示す説明図である。
【図４】同上の同軸空芯トランスを示す斜視図である。
【図５】同上の他の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は同上の他の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図７】従来例を示す概略図である。
【符号の説明】
１吹き出し口
２反応容器
３電極
４電極
５逆位相印加手段
６一次巻線
７二次巻線
８絶縁体
２１被処理物
２２絶縁性筒体
Ｐプラズマ

Claims

大気圧近傍の圧力下で、片側を吹き出し口として開放させた反応容器内に高周波電圧を印加することによりプラズマを生成し、生成したプラズマを反応容器の吹き出し口よりジェット状に吹き出すプラズマ処理装置において、反応容器内に高周波電圧を印加するための対をなす電極と、対をなす電極に逆位相の高周波電圧を印加するための逆位相印加手段とを備え、前記逆位相印加手段を、絶縁性筒体の内側と外側に一次巻線と二次巻線を同軸状に配置すると共に二次巻線の経路間で接地された同軸空芯トランスで形成し、一次巻線と二次巻線を中空に形成して冷媒を通すようにして成ることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記対をなす電極に印加する逆位相の高周波電圧が、各位相で振幅が同一であ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。
請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置の吹き出し口の下方に被処理物を配置し、吹き出し口より吹き出すプラズマを被処理物に供給することを特徴とするプラズマ処理方法。