JP3955835B2 - プラズマ表面処理装置とその処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ表面処理装置に関し、さらに詳細には、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ），ＦＰＤ用フィルター、プリント基板、フィルム状基板、半導体ウエ−ハ、フォトマスク、太陽電池基板等の被処理基板に、大気圧近傍圧力の下にプラズマによって表面処理をするプラズマ表面処理技術に関する。

ＦＰＤ製造工程、およびＩＣ等の半導体デバイス製造工程は、ガラス基板や半導体ウエーハ等の基板の上に、有機物又は無機物材質の薄膜の形成を繰り返して行うことにより進められる。

これらの形成の際には、前処理としての表面改質が必要とされる。これは、レジスト塗布前、現像処理前、現像処理後のレジスト残渣物除去、ウエットエッチ前処理、ウェット洗浄前処理等である。

この前処理は、一般に、ＵＶランプ、エキシマランプによる光洗浄によって行なわれている。しかし、ランプ寿命のため高額のランプを年間に数回交換する必要があり、ランプ費用の負担とランプ交換に伴う稼働率低下により、製品製造コストの増加要因になっていた。

また、上記ランプを使用する場合、ランプハウス下部の光照射窓に装着されている合成石英板が、オゾン効果により被処理基板表面から発生するアウトガスによる生成物の付着によって曇る。合成石英板は、曇り防止用のヒータを内蔵しているが、所期の性能を確保するためには、１〜３ヶ月間に数回のクリーニングが必要で、最低２年に１回もしくは２回以上の交換が必要になる。この合成石英板は高額なものであり、上記同様の製造コストの問題がある。

このようにＵＶランプやエキシマランプを用いた表面改質は、製造コストの増大を招くので、プラズマ表面処理装置による表面改質も試みられている。

これは、大気圧近傍の圧力の下に、プラズマ化した反応ガスによって被処理基板の表面改質を行うもので、ダウンストリーム方式（以下Ｄ方式と言う）とプラナー方式（以下Ｐ方式と言う）がある。Ｄ方式は、反応ガスを高周波電圧が加えられた対向電極の間を通してプラズマ化し、これを被処理基板に噴射供給して表面改質を行う。Ｐ方式は、被処理基板を挟むように対向配置された対向電極間に高周波電力を加え、供給した反応ガスをプラズマ化して被処理基板に直に作用させて表面改質を行う。

上記反応ガスとして、希ガス、特にＨｅガスがよく使用される。本出願人は、ランニングコストを低減することを目的とし、高額な希ガスに代え、反応ガスとして窒素ガスを使用することを考えた。窒素ガスは安価であるが、所定の処理能力を得るには、希ガスに比べて流量を相当多くする必要がある。また、大気圧下でプラズマ化に必要な高周波電力の使用量で比較しても、窒素ガスは希ガスよりも多く電力を必要とする。窒素ガスの場合に必要な使用電力量は、希ガスの中で、他のＨｅ、Ｋｒ、Ｘｅガスに比べ最も使用電力量が大きいＡｒガスより４倍の電力量が必要になる。

すなわち、製造ラインで使用するためには窒素ガスの使用量と使用電力量の双方を少なくする必要がある。このような前提のもとに、窒素ガスを反応ガスとして使用し、Ｄ方式とＰ方式のプラズマ表面処理装置について実験により比較すると、次のようになった。

上記Ｄ方式のプラズマ表面処理装置による表面改質は、処理効率が低い。これはプラズマ活性種のライフタイムが異常に短く、生成したプラズマの一部が噴射供給時間の間に消滅するためである。このため製造ラインの送り速度に合致する処理効率を確保しようとすれば、反応ガスの使用量と電極部に印加する電力密度を増加するか、プラズマ発生装置を複数台併設して使用する必要があった。このためランニングコストの増大と、さらに複数台設置時の設備費の増大が問題になっていた。この処理効率は、特にＩＴＯ（透明導電膜）等の有機物表面に対して特に低くなり問題となる。

Ｐ方式のプラズマ表面処理装置によって表面改質を行うと、生成したプラズマが、直に被処理基板に作用するので表面改質効率が高い。このＰ方式と同等以上の性能をＤ方式で得ようとすれば、電極部に印加する電力密度をＰ方式の１０倍以上、反応ガスをＰ方式の２倍以上使用しなければならない。

しかし、Ｐ方式は、電極間隙に高電圧の高周波電圧を印加してプラズマを発生させるため、被処理基板の表面に対する作用が強く、例えばＴＦＴ液晶パネルや、半導体デバイス製造工程において、ＦＥＴなどのトランジスタの形成工程で、その処理条件によっては、トランジスタのゲート損傷などのダメージを与え歩留まりを低下させる可能性がある。

上述したようにＤ方式とＰ方式には一長一短があり、何れの方式のプラズマ表面処理装置を採用するかの決定は困難である。これは、表面処理の対象が、有機物と無機物、トランジスタのパターン有無等の区別で多岐に亘る場合に、特に困難になる。そして、装置導入後の運用に問題が生じる。

なお、Ｄ方式またはＰ方式による表面処理は、表面改質の他に残留物の除去等による密着性向上や乾燥等にも使用されるもので、上記Ｄ方式とＰ方式の長所と短所は、この場合も同様に現れる。また、反応ガスとして希ガスを使用した場合にも上記Ｄ方式とＰ方式の長所と短所は同様の傾向として現れる。
特開２００２−１１０６３９

そこで、本発明は、表面処理の対象と目的に合わせて、一台の装置でＤ方式とＰ方式の表面処理をユーザが任意に選択して実行できる装置を提供することを目的とする。

さらに本発明はＤ方式のプラズマ表面処理方法において、反応ガスの使用量を大幅に減少させてランニングコストを低減できる方法をも提供することを目的とする。

本発明のプラズマ表面処理装置は、大気圧近傍の圧力の下に、プラズマ化した反応ガスによって被処理基板の表面処理を行う装置であって、被処理基板を挟むように対向配置された一対のプラナー方式の電極（４，５）と、被処理基板への反応ガスの供給路を形成するように、上記プラナー方式の電極（４，５）の一方の電極（４）の両側面に対向配置された一対の補助電極（６，７）と、これらの電極（４，５，６，７）に高周波電圧を切り換えて供給する切換えスイッチ回路とを備え、上記切換えスイッチ回路は、高周波電圧を上記プラナー方式の電極（４，５）間に加えると同時に、上記対向配置された補助電極（６，７）の電位を上記プラナー方式の一方の電極（４）と同電位に保つ切換接点と、高周波電圧を上記プラナー方式の電極（４，５）間に加えると同時に、上記補助電極（６，７）を電気的に中立に保つ切換接点と、高周波電圧を上記プラナー方式の一方の電極（４）と上記補助電極（６，７）に加え、上記プラナー方式の他方の電極（５）は電気的に中立とする切換接点とを備えていることを特徴とする。

また、本発明のプラズマ表面処理方法は、被処理基板を挟むように対向配置された一対のプラナー方式の電極（４，５） と、被処理基板への反応ガスの供給路を形成するように、上記プラナー方式の電極（４，５）の一方の電極（４）の両側面に対向配置された一対の補助電極（６，７）を備え、上記一方の電極（４）とこれに対向配置された補助電極（６，７）をダウンストリーム方式の電極としてなるプラズマ表面処理装置において、上記対向配置された補助電極（６，７）を電気的に中立にし、一対のプラナー方式の電極（４，５）に高周波電圧を印加することにより、対向配置された補助電極（６，７）に上記印加される高周波電圧の分圧を誘導させ、この分圧によってダウンストリーム方式の電極を動作させて、反応ガスを予めプラズマ化してプラナー方式の電極に供給することを特徴とする。

上記プラズマ表面処理装置は、被処理基板の表面の損傷を極力少なくしたいときにＤ方式の電極によって表面処理を行い、処理効率を重視するときＰ方式の電極によって効率良く表面処理を行う使用方法が可能である。

Ｐ方式の電極の側面に電極を対向配置して、Ｄ方式の電極とした前記構造においては、対向配置された電極を電気的に中立にし、Ｐ方式の電極に高周波電圧を印加することにより、対向配置された電極に前記印加される高周波電圧の分圧を誘導させ、この分圧によってＤ方式の電極を動作させて、反応ガスを予めプラズマ化してＰ方式の電極に供給する使用方法が可能である。

本発明において、Ｄ方式の電極とＰ方式の電極を併置し、表面改質の対象と目的に応じ、高周波電圧を切換えて供給できるようにした構成によって、複数台のプラズマ表面処理装置を設置しなくても、一台の装置でＰ方式とＤ方式の表面処理をユーザが任意に選択して実施することができる。そして、ユーザがＰ方式とＤ方式の長所を生かした運用をすることが可能になる。

上記構成でＤ方式の電極とＰ方式の電極の一部を共用すると、装置を小型化できると同時にコストを低減できる。

上記プラズマ表面処理装置を、被処理基板の表面の損傷を極力少なくしたいときにＤ方式の電極によって表面処理を行い、処理効率を重視するときＰ方式の電極によって効率良く表面処理を行うように使用すると、製品の歩留まりの低下を抑制しながらランニングコストを低減できる。

前述したようにＤ方式の電極とＰ方式の電極の一部を共用するために、Ｐ方式の電極の側面に電極を対向配置して、Ｄ方式の電極とした構造においては、対向配置された電極を電気的に中立にすると、ここにＰ方式の電極に印加された高周波電圧の分圧を誘導することができる。そして、この分圧によってＤ方式の電極で働かせ反応ガスをプラズマ化することができる。このプラズマ化した反応ガスはＰ方式の電極に供給され、Ｐ方式の電極におけるプラズマ濃度を高くして、処理性能を高くすることができる。

図１は、本発明の一実施形態であるプラズマ表面処理装置１の外観を示す斜視図である。プラズマ表面処理装置１は、被処理物である基板Ｗを載置して運ぶコンベア２の途中に配置され、そのスリット状の開口３に基板Ｗを通過させてプラズマによる表面処理を行う。

このプラズマ表面処理装置１の内部構造を、図２に示す断面図で説明する。図において、４，５は等間隔に対向させた一対の電極、６，７は電極４の両側面に対向配置された一対の電極（補助電極）である。これらの電極は、図１に示すコンベア２の幅に相当する有効な処理幅を得るため、紙面と直交する方向に長いもので、例えばアルミニウム等の金属を加工して製作され、内部に図示しない水冷用の空洞が形成され、その周囲を固体誘電体８で覆っている。

また電極４，５，６，７のプラズマ発生に関る部分の幅ａ，ｂ，ｃの決定は、この部分の単位面積当り消費電力の最適値から決定する。反応ガスの流量、高周波電力を一定とした場合、１ｃｍ²当り７ワットから１５ワットが望ましい。それ以上の電力を印加して高いプラズマ密度を得ようとしても熱に変換されてしまい、余り効率が良くないからである。

水冷用の空洞には、図示しない冷却液供給パイプを通して、冷却液である絶縁液体が循環圧送され、電極の発熱を抑える。絶縁液体は、例えば、純水または市水、エチレングリコール、ガルデン、フロリナートなどであり、冷却温度は、例えば、電極が１００℃以下に保たれるようにして、基板Ｗの熱損傷が起こらないようにしている。

各電極は固体誘電体８を介して対向することになり、固体誘電体８の対向面はプラズマを発生させる放電面となる。

固体誘電体８で電極を覆ったのは、当該電極を外気及び使用ガスと隔離して、電極の金属で基板Ｗが汚染されるのを防止するためである。この固体誘電体８の比誘電率は、放電間隙に電界を集中させるために、９から１３程度が望ましく、固体誘電体の金属電極からの被覆厚さtは１ｍｍから１０ｍｍが望ましい。

電極４，５は被処理物である基板Ｗを挟むように対向して、平行平板電極を形成する。これは、生成したプラズマを直に基板Ｗに作用させるプラナー（Ｐ）方式の電極となる。

電極６，７は、電極４の基板Ｗの導入側と排出側の両側面に、基板Ｗへの反応ガスの供給路を形成するように対向配置された一対の補助電極であり、電極４と電極６および電極４と電極７が、夫々ダウンストリーム（Ｄ）方式の電極となる。

反応ガスの供給路２０，２１となる電極４と６および電極４と７の対向間隔Ｌは、改質性能に大きい変化を与えるので、通過する反応ガスの励起状態を発光分光器を用いて観測することにより決定する。

これは、反応ガスの種別、その流量、高周波電圧の大きさへの依存性があり、基板Ｗとの距離dにも影響されるが、この実施例の構造では、反応ガスを窒素とし、その吸収波長の一番高くなる間隔を求めると、この間隔Ｌは、０．５ｍｍ〜５ｍｍが望ましいことが分かった。

これらの電極４，５，６，７に対して、上下の電極部カバー９，１０が被せられ、内部に反応ガス圧を均一化するためのキャビティ１１，１２が形成される。このキャビティ１１，１２には、反応ガスを大気近傍下で導入する供給管１３，１４が接続される。この電極部カバー９，１０には、処理に使用された反応ガスを排出する排気管１５，１６，１７，１８も取付けられている。

さらに、これらの電極４，５，６，７をＰ方式の電極及びＤ方式の電極として切換使用するため、高周波電源ＲＦと切換えスイッチ回路ＳＷが設けられている。

高周波電源ＲＦは、昇圧トランスを介して前記電極に高周波電力を供給するもので、電極に前記昇圧トランスの２次側が接続されて生じる並列共振回路の共振周波数の変動に、高周波周波数を追従させるＰＬＬ回路を備えている。

切換えスイッチ回路ＳＷは、２回路の連動スイッチで、Ｐ1，Ｐ2，Ｄの３つの切換接点を持つ。

切換接点Ｐ1に投入されたときは、高周波電力を電極４，５間に加えると同時に、電極６，７の電位を電極４の同電位に保つ。これはＰ方式としての動作をするためのものである。

このとき、反応ガスの供給管１４からキャビティ１１に入って均一化された反応ガスは、電極４と電極６の間、及び電極４と電極７の間に形成された反応ガスの供給路２０，２１を通り、大気圧近傍の圧力になって、基板Ｗの通過する空間に上側から放出される。

また、反応ガスの供給管１３からキャビティ１２に入って均一化された反応ガスは、電極５の両側に仕切り壁２４によって形成された反応ガスの供給２２，２３を通り、大気圧近傍の圧力になって、基板Ｗの通過する空間に下側から放出される。

この状態で、電極４と電極５の間に高周波電力が加えられるので、放電が起りプラズマを発生させる。これが、上側および下側から直に基板Ｗに作用して、表裏両面の同時処理を効率良く行える。また、電極４と同電位に保たれている電極６及び７と電極５の間でも補助的な放電が起り、これによって発生したプラズマによっても効率の良い表面処理が行われる。

切換接点Ｐ2に投入されたときは、高周波電圧が電極４，５間に加えられ、電極６，７は電気的に中立に保たれる。これもＰ方式としての動作をするためのものであるが、先に述べたＰ1に投入されたときとは、電極６，７の作用が異なる。

電極６，７は中立に保たれているので、高周波電圧が電極４，５間に加えられると、誘導により、その分圧が電極４との間に発生する。このため、反応ガスが電極４と電極６の間、及び電極４と電極７の間に形成された反応ガスの供給路２０，２１を通るとき、この分圧で放電が起り、プラズマを発生させる。このように一部がプラズマ化した反応ガスは、基板Ｗの通過する空間に上側から放出される。このとき、電極４，５間でも放電が発生して基板Ｗの上側および下側の空間にプラズマを発生させる。基板Ｗの上側では、プラズマ化が二重に行われるので、上側の空間のプラズマ密度を高くでき、Ｐ1に投入されたときよりも、基板Ｗの上側の面に対する改質性能が向上する。

切換接点Ｄに投入されたときは、高周波電圧を電極４と電極６，７に加え（具体的には、電極４と６、及び電極４，７に加え）、電極５は中立とする。これはＤ方式としての動作をするためのものである。

このとき、基板Ｗの下面に対しての処理を行わないので、反応ガスは供給管１４からのみ供給する。キャビティ１１に入って均一化された反応ガスは、供給路２０，２１を通り、大気圧近傍の圧力で、基板Ｗの通過する空間に上側から放出される。

このとき、供給路２０，２１を挟んで対向する電極４と６、及び電極４，７には、高周波電圧が加えられているので、放電が起りプラズマを発生させる。そして、プラズマ化した反応ガスが基板Ｗの通過する空間に上側から噴出され、表面処理が行われる。このようにＤに投入されたときは、基板Ｗの上面に対してのみ表面処理が行われる。

本発明のプラズマ表面処理装置の電極構造は、図２と異なるものであってもよい。つまり、本発明の電極は一対以上のＤ方式の電極と一対以上のＰ方式の電極を、必要に応じ一部を共用し、組み合わせて設計されるものである。

例えば、この設計例の一つとして、図２の電極４を基板Ｗの移動方向に複数に分割することも可能である。この場合は、分割された電極を同一極性として高周波電圧を加えることにより、Ｐ方式の電極として使用し、分割された電極の隣接するもの同士を異なる極性として高周波電圧を加えることによりＤ方式の電極として使用する。

夫々の設計で高周波電圧を切り換えて供給する回路は、それらの電極構造と使用態様によって異なるので、切り替えスイッチＳＷは、それらに合わせて適宜に設計する。

上記プラズマ表面処理装置１では、Ｄ方式としての動作をさせるとき、反応ガスの消費量が多くて、ランニングコストが高くなる問題は残っている。

そこで、反応ガスの消費量を削減してコストを低減できるプラズマ表面処理方法を次に説明する。

この方法は、Ｄ方式の表面処理方法において、反応ガスとして、窒素ガスに０．０１〜０．２５％の酸素を混入したもの、または、窒素ガスに０．１〜２．５％の空気を混入したものを使用するものである。
このようにすると、反応ガスの消費量を削減してコストを低減できることについて、実験データで説明する。

図３〜図５は、上記プラズマ表面処理装置１を用いて、ＦＰＤ用素ガラス基板を使用し表面改質実験を実施した結果を示すものである。

図３は、Ｄ方式で、反応ガスとして、窒素ガス単体、窒素ガスに酸素を混入したもの、窒素ガスに空気を混入したものの三種を用い、基板に噴出したガス量とその結果得られた、接触角の改善の関係を表わしている。因みに、接触角を１０°以下にすることが、表面改質の達成目標値の一つである。

この図から明らかなように、窒素ガスに酸素又は空気を混入したものでは、窒素ガス単体の場合に比べて１／７の流量で、接触角を５°以下にすることが可能になっている。

このデータによって、窒素ガスに酸素又は空気を混入すれば、Ｄ方式において反応ガスの使用量を大きく削減できることが解る。これは、Ｄ方式専用の装置においても同じ効果が得られるのである。

次に、図４は、Ｄ方式での酸素、空気添加量の表面改質依存性を調べたものである。窒素ガスに酸素を添加した場合と、空気を添加した場合とで添加ガス量に対する接触角の改善効果が異なっている。

反応ガスとして窒素ガスを用い、接触角を１０°以下にすることを目標値とすると、酸素の場合は、体積比で０．０１〜０．２５％の酸素を混入すればよい。これに対して、空気の場合は、体積比で０．１〜２．５％の空気を混入すればよい。

図５は、被処理基板サイズに対して、表面改質の結果として同一の接触角（１０°）を得るための反応ガスの使用量を、窒素ガス単体、窒素ガスに酸素を混入したもの、窒素ガスに空気を混入したものの三種について測定した結果を示す。

窒素ガスに酸素又は空気を混入したものでは、必要な流量と基板のサイズが比例関係にあるが、窒素ガス単体では、基板のサイズが大きくなると効率が低下し、単位面積当たりの反応ガス使用量が増大することが分かった。

近年、処理する基板サイズが大型化する傾向にあるので、図５のデータは、これに対応したプラズマ表面処理装置を製造する上で、本発明方法が有益であることを示している。

本発明は、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ），ＦＰＤ用フィルター、プリント基板、フィルム状基板、半導体ウエ−ハ、フォトマスク、太陽電池基板等の被処理基板に、大気圧近傍圧力の下にプラズマによって表面処理をして、親水性または疎水性を与えるための改質処理、残留物の除去等による密着性向上、乾燥等を行うのに利用できる。

本発明の一実施形態であるプラズマ表面処理装置の外観を示す斜視図である。 図１のプラズマ表面処理装置の内部構造を示す断面図である。 Ｄ方式で表面改質をした場合に、窒素ガスに対して酸素または空気混入した場合の接触角の改善効果を比較して示す図である。 Ｄ方式で表面改質をした場合に、窒素ガスに対する酸素または空気の添加量に対する接触角の改善効果を比較して示す図である。 Ｄ方式で表面改質をした場合に、被処理基板サイズ拡大に対して、酸素または空気の添加をした場合と、しない場合の窒素ガス使用量を比較して示す図である。

符号の説明

１ プラズマ表面処理装置
２ コンベア
Ｗ 被処理物である基板
３ プラズマ表面処理装置の開口
４ プラナー（Ｐ）方式とダウンストリーム（Ｄ）方式に共用される電極
５ プラナー（Ｐ）方式の電極
６，７ ダウンストリーム（Ｄ）方式の電極
８ 固体誘電体
ａ，ｂ，ｃ 電極のプラズマ発生に関る部分の幅
Ｌ 電極の対向間隔
９，１０ 電極部カバー
１１，１２ キャビティ
１３，１４ 反応ガスの供給管
１５，１６，１７，１８ 排気管
ＲＦ 高周波電源
ＳＷ 切換えスイッチ回路
Ｐ1，Ｐ2，Ｄ 切換接点

Claims (2)

1. 大気圧近傍の圧力の下に、プラズマ化した反応ガスによって被処理基板の表面処理を行う装置であって、
   被処理基板を挟むように対向配置された一対のプラナー方式の電極（４，５）と、被処理基板への反応ガスの供給路を形成するように、前記プラナー方式の電極（４，５）の一方の電極（４）の両側面に対向配置された一対の補助電極（６，７）と、これらの電極（４，５，６，７）に高周波電圧を切り換えて供給する切換えスイッチ回路とを備え、
   前記切換えスイッチ回路は、高周波電圧を前記プラナー方式の電極（４，５）間に加えると同時に、前記対向配置された補助電極（６，７）の電位を前記プラナー方式の一方の電極（４）と同電位に保つ切換接点と、高周波電圧を前記プラナー方式の電極（４，５）間に加えると同時に、前記補助電極（６，７）を電気的に中立に保つ切換接点と、高周波電圧を前記プラナー方式の一方の電極（４）と前記補助電極（６，７）に加え、前記プラナー方式の他方の電極（５）は電気的に中立とする切換接点とを備えていることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
2. 被処理基板を挟むように対向配置された一対のプラナー方式の電極（４，５） と、被処理基板への反応ガスの供給路を形成するように、前記プラナー方式の電極（４，５）の一方の電極（４）の両側面に対向配置された一対の補助電極（６，７）を備え、前記一方の電極（４）とこれに対向配置された補助電極（６，７）をダウンストリーム方式の電極としてなるプラズマ表面処理装置において、
   前記対向配置された補助電極（６，７）を電気的に中立にし、一対のプラナー方式の電極（４，５）に高周波電圧を印加することにより、対向配置された補助電極（６，７）に前記印加される高周波電圧の分圧を誘導させ、この分圧によってダウンストリーム方式の電極を動作させて、反応ガスを予めプラズマ化してプラナー方式の電極に供給することを特徴とするプラズマ表面処理方法。

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