JP4120087B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents
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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】
しかしこの方法では被処理物の特定の部分にのみプラズマ処理を行いにくく、また処理時間も長くかかるという問題があった。そこで上記方法を発展させて、大気圧下でグロー放電により生成したプラズマ（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を行うことが提案されている（例えば、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）。
【０００４】
上記のようなプラズマジェットで処理を行う方法において、使用する交流の周波数が１０ｋＨｚ未満であれば、生成されるラジカル量が少なくなってプラズマ処理の効果が小さくなる。従って、１０〜数十ＭＨｚの周波数の交流を用いるようにしているが、このように１０〜数十ＭＨｚの周波数の交流を用いると、プラズマの温度（ガス温度）が非常に高くなって被処理物が空気中で酸化したり炭化したりして熱的な損傷を受けるという問題があった。
【０００５】
また上記のようなプラズマジェットで処理を行う方法においては、ストリーマー放電が被処理物に向かって生成しやすく、このストリーマー放電により被処理物の表面が損傷を受けるという問題があった。
【０００６】
そこで、被処理物の熱的損傷を少なくすることができると共に被処理物のストリーマー放電による損傷を少なくすることができるプラズマ処理装置が本発明者らによって出願されている（特願平１０−３４４７３５号）。このプラズマ処理装置は、外側電極を備えた筒状の反応管、及び反応管の内部に配置される内側電極を具備して構成され、反応管に不活性ガスまたは不活性ガスと反応ガスの混合気体を導入すると共に外側電極と内側電極の間に交流電界を印加することにより大気圧下で反応管の内部に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すようにするプラズマ処理装置であって、外側電極と内側電極に冷却手段を設けるようにしたものであり、冷却手段で外側電極と内側電極を冷却手段で冷却することによって、大気圧下で周波数及び出力の高い交流でプラズマを生成しても、外側電極と内側電極の両方の温度上昇を抑えることができ、プラズマの温度が高くならないようにすることができて被処理物の熱的損傷を少なくすることができるものであり、また均質なグロー放電を生成してストリーマー放電の生成を抑えることができて被処理物のストリーマー放電による損傷を少なくすることができるようにしたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記のプラズマ処理装置では、図１０に示すように、反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置がずれていると、放電空間２２における反応管２の直径方向の断面内において、プラズマ生成用ガスの濃度や印加電力の不均一が生じ（図１０に点々模様で示す）、生成されるプラズマの密度が不均一になり、被処理物を均一にクリーニングしたりエッチングしたりする特性が低下したり、プラズマの生成そのものが不安定な動作となる恐れがあった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とするものであり、また本発明は、被処理物に対して安定で均一なプラズマ処理を施すことができる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Ａは、外側電極１を備えた筒状の反応管２、及び反応管２の内部に配置される内側電極３を具備して構成され、反応管２に不活性ガスまたは不活性ガスと反応ガスの混合気体を導入すると共に外側電極１と内側電極３の間に交流電界を印加することにより大気圧下で反応管２の内部にグロー放電を発生させ、反応管２からプラズマジェットを吹き出すようにするプラズマ処理装置において、反応管２に対して内側電極３が振れることを防止するための振れ防止スペーサ４０を反応管２と内側電極３の間に設け、電極本体管２５内に冷媒供給管２６を設けて内側電極３を形成し、電極本体管２５と冷媒供給管２６の間を冷媒供給管２６にて供給される冷媒の流路部２９として形成し、電極本体管２５に対して冷媒供給管２６が振れることを防止するための振れ防止爪４２を冷媒供給管２６の先端に複数個形成すると共に振れ防止爪４２の一部を放射状に外側に突出させ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Ａは、請求項１の構成に加えて、反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置をほぼ合致させて反応管２と内側電極３を保持するためのサポーター４１を備えて成ることを特徴とするものである。
【００１２】
また本発明の請求項３に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項１又は２の構成に加えて、振れ防止爪４２の一部を内側に曲げて成ることを特徴とするものである。
【００１３】
また本発明の請求項４に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項２又は３の構成に加えて、反応管２を下方より差し込んで装着するための反応管装着孔４３をサポーター４１に設け、反応管２の差し込み方向において反応管２を位置決めするための反応管位置決め部４４を反応管装着孔４３に設けて成ることを特徴とするものである。
【００１４】
また本発明の請求項５に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項２乃至４のいずれかの構成に加えて、内側電極３を上方より差し込んで装着するための内側電極装着孔４５をサポーター４１に設けて成ることを特徴とするものである。
【００１５】
また本発明の請求項６に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項２乃至５のいずれかの構成に加えて、反応管２の長手方向に対して内側電極３を位置決めするための内側電極位置決め機構４６をサポーター４１に設けて成ることを特徴とするものである。
【００１６】
また本発明の請求項７に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項１乃至６のいずれかの構成に加えて、内側電極３の表面に誘電体膜を設けて成ることを特徴とするものである。
【００１７】
また本発明の請求項８に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項７の構成に加えて、内側電極３の表面と誘電体膜の間にアンダーコートを設けて成ることを特徴とするものである。
【００１８】
また本発明の請求項９に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項７又は８の構成に加えて、誘電体膜に封孔処理を施して成ることを特徴とするものである。
【００１９】
また本発明の請求項１０に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項７乃至９のいずれかの構成に加えて、誘電体膜を誘電体材料で形成して成ることを特徴とするものである。
【００２０】
また本発明の請求項１１に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項８乃至１０のいずれかの構成に加えて、アンダーコートをニッケル、クロム、アルミニウム、イットリウムを含む合金膜で形成して成ることを特徴とするものである。
【００２１】
また本発明の請求項１２に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項９乃至１１のいずれかの構成に加えて、誘電体材料で封孔処理を施して成ることを特徴とするものである。
【００２２】
また本発明の請求項１３に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項７乃至１２のいずれかの構成に加えて、誘電体膜の厚みを１０〜５００μｍに形成して成ることを特徴とするものである。
【００２３】
また本発明の請求項１４に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項７乃至１３のいずれかの構成に加えて、誘電体膜を誘電体材料の溶射にて形成して成ることを特徴とするものである。
【００２６】
また本発明の請求項１５に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項１乃至１４のいずれかの構成に加えて、プラズマジェットが吹き出される吹き出し口２１を反応管２の先端面に設け、反応管２の先端を吹き出し口２１側に向かって先細りとなる集束部２０として形成し、集束部２０の外周面と集束部２０以外の反応管２の外周面との間に形成されるテーパー角αが１０〜３０°であることを特徴するものである。
【００２７】
また本発明の請求項１６に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項１乃至１５のいずれかの構成に加えて、プラズマジェットが吹き出される複数個の吹き出し口２１を反応管２に設けて成ることを特徴とするものである。
【００２８】
また本発明の請求項１７に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項１乃至１６のいずれかの構成に加えて、冷媒を流通させる冷媒流通溝４９を内電極管５０の外周面に螺旋状に形成し、外電極管５１の内側に内電極管５０を嵌め込んで外側電極１を形成して成ることを特徴とするものである。
【００２９】
本発明のプラズマ処理方法は、請求項１乃至１７のいずれかに記載のプラズマ処理装置Ａで発生させたプラズマジェットを被処理物に供給してプラズマ処理を行うことを特徴とするものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００３１】
図１に示すように反応管２は誘電体材料で円筒状に形成されるものであって、図７に示すように、その上端はガス導入口９０として開放されている。また、反応管２の下部には直径が下側ほど小さくなるような先細り形状に絞り込まれたテーパー構造の集束部２０が形成されていると共に、反応管２の下端面である集束部２０の下面には吹き出し口２１が設けられている。このように集束部２０を設けないで吹き出し口２１の口径を反応管２の直径とほぼ同じに形成した場合、吹き出し口２１から吹き出されるプラズマジェットの流速を加速しようとすると、後述の外側電極１と内側電極３の間隔を小さくして放電空間２２の体積を小さくしなければならず、このために外側電極１と内側電極３の冷却が難しくなるが、本発明のように反応管２よりも直径が絞り込まれた集束部２０を設けることによって、放電空間２２の体積を小さくすることなくプラズマジェットの流速を加速することができ、短寿命のラジカルなどの反応性ガス活性粒子が消滅する前に被処理物にプラズマジェットを到達させることができて被処理物のプラズマ処理を効率よく行うことができる。被処理物の表面のクリーニングに適したプラズマジェットの流速を得るためには、集束部２０の外周面と集束部２０以外の反応管２の外周面との間に形成されるテーパー角αが１０〜３０°であることが好ましい。
【００３２】
また、吹き出し口２１の開口面積は、直径が０．１〜５ｍｍの真円の面積に相当する大きさに形成されている。吹き出し口２１の開口面積が上記の範囲よりも小さすぎると、吹き出されるプラズマジェットの処理範囲が小さくなりすぎて、被処理物のプラズマ処理に長時間を要することになり、逆に、吹き出し口２１の開口面積が上記の範囲よりも大きすぎると、吹き出されるプラズマジェットの処理範囲が大きくなりすぎて、被処理物に局所的なプラズマ処理を施すことができなくなる恐れがある。
【００３３】
反応管２を形成する誘電体材料の誘電率は、外側電極１と内側電極３の間の放電空間２２における低温化の重要な要素であって、誘電率が２０００以下の誘電体材料を用いるのが好ましい。反応管２の誘電体材料の誘電率が２０００を超えると、外側電極１と内側電極３の空間に印加される電圧が大きくなる代わりに、放電空間２２でのプラズマの温度（ガス温度）が上昇する恐れがある。反応管２を形成する誘電体材料の誘電率の下限値は特に限定されないが、２であり、これよりも小さいと、放電を維持するために、外側電極１と内側電極３の間に印加する交流の電圧を大きくしなければならず、このため、外側電極１と内側電極３の間の放電空間２２での電力消費量が大きくなって放電空間２２でのプラズマの温度が上昇する恐れがある。
【００３４】
反応管２を形成する誘電体材料として具体的には、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。またマグネシア（ＭｇＯ）単体あるいはマグネシアを含む誘電体材料で反応管２を形成することもでき、このことでグロー放電の安定化を図ることができる。これは、マグネシアは二次電子放出係数が高いので、プラズマ中のイオンが反応管２の表面（内面）に衝突した場合、反応管２の表面から二次電子が多量に放出されることになり、この二次電子が反応管２の表面に形成されたシースで加速されてプラズマ生成用ガスを電離することになり、この結果、放電の安定化が保たれると推察される。
【００３５】
図２に示すように、外側電極１は内電極管５０と外電極管５１からなるジャケット構造に形成されている。内電極管５０と外電極管５１は熱伝導性の高い金属材料、例えば、銅、アルミニウム、真鍮、耐食性の高いステンレス（ＳＵＳ３０４など）などで形成することができる。内電極管５０の外周面には冷媒流通溝４９が下端から上端に亘って螺旋状に形成されている。外電極管５１の上部には外電極管５１の内周面に開口する流入孔５２が形成されていると共に、外電極管５１の上部の外周面には流入孔５２と連通する流入管３４が溶接により固着されて突設されている。また外電極管５１の下部には外電極管５１の内周面に開口する流出孔５３が形成されていると共に、外電極管５１の下部の外周面には流出孔５３と連通する流出管３５が溶接により固着されて突設されている。
【００３６】
そして、外電極管５１の内側に内電極管５０を嵌め込んで内電極管５０の周囲を囲うように外電極管５１を取り付けると共に外電極管５１と内電極管５０を溶接により固着し、さらに、外面全体に金メッキを施すことによって外側電極１が形成されている。金メッキを施す理由は、外電極管５１と内電極管５０を銅で形成した場合の耐食性の向上と、放電用の高周波電力を供給する際に使用する金属製の端子５５との接触抵抗を低下させるためである。この外側電極１にあっては、冷媒流通溝４９の上端の位置に流入孔５２の開口を合致させると共に冷媒流通溝４９の下端の位置に流出孔５３の開口を合致させている。また、内電極管５０の内側が上下に開口する挿着孔３１として形成されている。また、挿着孔３１の上側開口縁部及び下側開口縁部には、外側電極１を反応管２に密着性させてがたつきなく取り付けるためのブッシュ５４が設けられている。そして、挿着孔３１に反応管２を差し込んで外側電極１の内周面を反応管２の外周面に接触させることによって、外側電極１を反応管２の集束部２０の上側に取り付けることができる。
【００３７】
プラズマ生成時において、外側電極１は反応管２を介してプラズマの発熱の影響を受けることになり、外側電極１が長期にわたってプラズマで加熱されることによって、外側電極１を構成する金属材料の酸化劣化を招き、給電不良（導通不良）を引き起こす恐れがある。従って、上記の外側電極１では異常な発熱を防止するために簡易な構造で冷却系を形成するようにしている。つまり、上記の外側電極１を冷却するにあたっては、流入管３４を通じて冷媒を冷媒流通溝４９に供給して（矢印▲４▼）、冷媒を冷媒流通溝４９に充満させるようにして外側電極１の冷却を行うようにしている。また、冷媒流通溝４９に充満させた冷媒は外側電極１の温度上昇により温度が高くなり冷却能力が低下してくるが、この冷却能力が低下した冷媒は流出管３５を通じて冷媒流通溝４９から排出し（矢印▲５▼）、これと同時に流入管３４を通じて冷却能力の高い冷媒を新たに冷媒流通溝４９に導入する。冷媒流通溝４９から排出された冷却能力の低下した冷媒は冷凍機に導入され、ここで冷却されて冷却能力の高い冷媒に戻される。冷却能力が向上した冷媒は、上記のように流入管３４を通じて冷媒流通溝４９に導入される。このように冷媒を循環させることによって、外側電極１を常に冷却して所望の温度に保つことができる。上記のように外側電極１の流通路３２と冷凍機の間で循環させる循環手段としては内側電極３の循環手段と同様にポンプを用いることができる。
【００３８】
上記の冷媒としてはイオン交換水や純水も使用することができるが、０℃で不凍性を有し、且つ電気絶縁性及び不燃性や化学安定性を有する液体であることが好ましく、冷媒の電気絶縁性能は０．１ｍｍ間隔での耐電圧が１０ｋＶ以上であることが好ましい。この範囲の絶縁性を有する冷媒を用いる理由は、高電圧が印加される電極からの漏電を防止するためである。このような性質を有する冷媒としては、パーフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル等を例示することができ、また純水にエチレングリコールを５〜６０重量％添加した混合液であってもよい。
【００３９】
図３（ａ）（ｂ）に示すように、内側電極３は電極本体管２５と冷媒供給管２６から構成される二重管で形成されていおり、内側電極３の内部において電極本体管２５と冷媒供給管２６の間には流路部２９として形成されている。電極本体管２５と冷媒供給管２６は外側電極１と同様の金属材料で形成されることが好ましい。電極本体管２５は上面が閉口する断面略円形で中空の棒状に形成されるものであって、その直径（外径）は１〜２０ｍｍに設定するのが好ましい。電極管本体２５の直径が１ｍｍ未満であれば、放電空間２２の面する内側電極３の表面積が小さくなり過ぎて放電が起こりにくくなり、プラズマを充分に生成することができなくなる恐れがあり、電極管本体２５の直径が２０ｍｍを超えると、相対的に反応管２や外側電極１を大きくしなければならず、装置が大型化する恐れがある。また、反応管２よりも上側に突出する箇所には流路部２９と連通する排出管部２７が設けられている。冷媒供給管２６は電極本体管２５よりも小径の管状に形成されており、電極本体管２５の中心部を貫くように電極本体管２５の下部から電極本体管２５の上側に突出するまでに設けられている。また、冷媒供給管２６の下端面は供給口２８として開口されている。供給口２８の周囲には複数個（図３（ｂ）では６個）の振れ防止爪４２を放射状に突出させて設けられている。
【００４０】
振れ防止爪４２は、冷媒供給管２６の下端に冷媒供給管２６の長手方向（上下方向）に長い複数本の切り込みを冷媒供給管２６の周方向に略等間隔で設けると共に切り込みで分割された部分を流路部２９側に折り曲げることによって形成することができる。
【００４１】
プラズマ生成時において、内側電極３はプラズマの発熱の影響を受けることになり、内側電極３が長期にわたってプラズマで加熱されることによって、内側電極３を構成する金属材料の酸化劣化を招き、給電不良（導通不良）を引き起こす恐れがある。従って、上記の内側電極３では異常な発熱を防止するために簡易な構造で冷却系を形成するようにしている。つまり、内側電極３を冷媒によって冷却するにあたっては、冷媒供給管２６にその上端の開口から冷媒を供給する（矢印▲２▼）と共に冷媒供給管２６の供給口２８から冷媒を内側電極３の内部の流路部２９に流入し、冷媒を流路部２９に充満させるようにして行うことができる。また流路部２９に充満させた冷媒は内側電極３の温度上昇により温度が高くなり冷却能力が低下してくるが、この冷却能力が低下した冷媒は排出管部２７を通じて流路部２９から排出し（矢印▲３▼）、これと同時に冷媒供給管２６を通じて冷却能力の高い冷媒を新たに流路部２９に導入する。流路部２９から排出された冷却能力の低下した冷媒は冷凍機に導入され、ここで冷却されて冷却能力の高い冷媒に戻される。冷却能力が向上した冷媒は、上記のように冷媒供給管２６を通じて流路部２９に導入される。このように冷媒を循環させることによって、内側電極３を常に冷却して所望の温度に保つことができる。上記のように内側電極３の流路部２９と冷凍機の間で循環させる循環手段としてはポンプを用いることができ、また、冷媒としては上記と同様のものを用いることができる。さらに、冷媒の流れは上記と逆であっても良い。
【００４２】
上記のようにして内側電極３を冷却するにあたって、振れ防止爪４２が無い場合、冷媒供給管２６が冷媒の圧力等により電極管本体２５に対して振れて電極管本体２５の上下方向の中心位置と冷媒供給管２６の上下方向の中心位置がずれると、流路部２９に狭い部分ができて冷媒の流れが不均一になることがある。最悪の場合、電極管本体２５の内周面と冷媒供給管２６の外周面が接触して流路部２９が無くなり、冷媒が流れなくなって、内側電極３の外面の冷却能力が著しく阻害されることになる。そして、内側電極３が冷却されないと、内側電極３の外面（界面）から水分等の付着ガスの脱離が生じ、プラズマの成分ガスの組成変化を生まれ、結果としてプラズマのクリーニング性能を劣化させてしまう。また、内側電極３の温度上昇により２次電子の放出を促進するために、プラズマ放電（グロー放電）がアーク放電（ストリーマ放電）に移行して内側電極３の寿命が短くなる恐れがある。さらに、内側電極３の温度上昇により内側電極３を構成する金属の溶融の原因になることも容易に類推することができる。
【００４３】
そこで図４（ａ）（ｂ）に示すように、上記の内側電極３では複数本の振れ防止爪４２を冷媒供給管２６の外周に放射状に突設したものであり、このことで振れ防止爪４２の先端が電極管本体２５の内周面に当接して冷媒供給管２６が振れないようにすることができ、電極管本体２５の中心位置と冷媒供給管２６の中心位置がほぼ合致した状態で同心円上に配置された状態に保つことができるものである。従って、流路部２９の狭い部分が形成されなくなって冷媒の流れ（図４（ａ）に冷媒の流れを矢印で示す）が均一になり、内側電極３を均一に冷却して温度を均一化することができるものである。
【００４４】
また、全ての振れ防止爪４２を外側の流路部２９に突出させると、冷媒供給管２６の下端付近において冷媒の圧力損失が大きくなって冷媒が流れにくくなり、しかも、隣接する振れ防止爪４２の間が狭くてここにスケール（不純物）等が溜まって流路部２９が詰まってしまう恐れがある。そこで図５に示すように、一部の振れ防止爪４２を内側（供給口２８側）に少し折り曲げるようにする。この場合、対向する一対の振れ防止爪４２を互いに近づく方向に折り曲げるのが好ましい。そして、このように一部の振れ防止爪４２を内側に折り曲げて流路部２９に突出させないようにすることによって、冷媒の圧力損失を小さくすることができ、冷媒が流れ易くなるものであり（図５に冷媒の流れを矢印で示す）、しかも、スケール等が溜まりにくくなって流路部２９の目詰まりを防止することができるものである。
【００４５】
放電空間２２における放電の安定化のため、及びプラズマの熱照射による消耗を低減して産業レベルでの実用的な寿命を確保するために、内側電極３の電極本体管２５の表面は誘電体材料で形成される誘電体膜でコーティングされていることが好ましい。誘電体材料の誘電率は２０００以下であることが好ましく、誘電体材料の誘電率が２０００を超えると、外側電極１と内側電極３の空間に印加される電圧が大きくなる代わりに、外側電極１と内側電極３の間の放電空間２２でのプラズマの温度（ガス温度）が上昇する恐れがある。絶縁性材料の誘電率の下限値は特に限定されないが、２であり、これよりも小さいと、放電を維持するために、外側電極１と内側電極３の間に印加する交流の電圧を大きくしなければならず、このため、外側電極１と内側電極３の間の放電空間２２での電力消費量が大きくなって放電空間２２でのプラズマの温度が上昇する恐れがある。
【００４６】
誘電体膜を形成する誘電体材料として具体的には、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。さらに、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、酸化チタン（チタニアでＴｉＯ2）、ＳｉＯ2、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ、ＳｉＣ、ＤＬＣ（ダイヤモンド様炭素被膜）、チタン酸バリウム、ＰＺＴ（チタン酸鉛ジルコネート）などの誘電体材質のものを例示することができる。またマグネシア（ＭｇＯ）単体あるいはマグネシアを含む誘電体材料を用いることもでき、このことでグロー放電の安定化を図ることができる。これは、マグネシアは二次電子放出係数が高いので、プラズマ中のイオンが内側電極３の表面のコーティングに衝突した場合、誘電体膜の表面から二次電子が多量に放出されることになり、この二次電子がコーティングの表面に形成されたシースで加速されてプラズマ生成用ガスを電離することになり、この結果、放電の安定化が保たれると推察される。このようなマグネシアを含む絶縁性材料としては、例えば、アルミナ等のセラミック粉末の中に微量（０．０１〜５ｖｏｌ％）のマグネシアを添加して焼結した焼結体、及び石英などのガラス質の表面にＣＶＤ等でＭｇＯ膜を形成したものなどを挙げることができる。
【００４７】
また、誘電体膜を形成するにあたっては、誘電体材料で円筒体（セラミック管やガラス管）を形成し、これの内側に内側電極３を挿着して密着させる方法、及びアルミナ、チタン酸バリウム、酸化チタン、ＰＺＴなどの粉末をプラズマ中で分散させ、内側電極３の電極本体管２５の表面に吹き付けるようにするプラズマ溶射法、及びシリカ、酸化スズ、チタニア、ジルコニア、アルミナなどの無機質粉末を溶剤などにより分散し、内側電極３の電極本体管２５の表面にスプレーなどで吹き付けて被覆した後、６００℃以上の温度で溶融させるいわゆる琺瑯被覆方法、及びゾルゲル法によるガラス質膜の形成方法などを採用することができる。さらに気相蒸着法（ＣＶＤ）もしくは物理蒸着法（ＰＶＤ）により内側電極３の電極本体管２５の表面を誘電体膜でコーティングすることもでき、これらの方法を採用することによって、極めて緻密で平滑な吸着性の乏しい誘電体膜で内側電極３の表面をコーティングすることができ、放電の安定化をより促進することができる。現実的な処理時間及びコストを考慮すると、上記の溶射法を用いるのが好ましい。
【００４８】
また、誘電体膜の厚みは１０〜５００μｍに設定するのが好ましい。誘電体膜の厚みが１０μｍ未満であれば、内側電極３の劣化防止の効果が小さく、内側電極３の長寿命化を図りにくくなる恐れがあり、誘電体膜の厚みが５００μｍを超えると、グロー放電が起こりにくくなってプラズマの発生の効率が低下する恐れがある。
【００４９】
内側電極３の電極本体管２５の表面と誘電体膜の間には、ニッケル、クロム、アルミニウム、イットリウムを含む合金膜で形成されるアンダーコートを介在させるのが好ましい。アンダーコートは合金の溶射により形成することができ、具体的な合金としては、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ａｌ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙなどを例示することができる。内側電極３は室温と高温のプラズマ下の繰り返しによる熱応力負荷環境に置かれることになり、この熱応力で誘電体膜が剥離してしまう恐れがある。そこで、誘電体膜にかかる熱応力負荷の衝撃を緩和させるためにアンダーコートを設けるようにする。金属である電極本体管２５と合金であるアンダーコートと誘電体である誘電体膜の熱膨張率の関係は、金属の膨張率＞合金の膨張率＞誘電体の膨張率となり、電極管本体２５の熱による伸縮がアンダーコートの介在によって誘電体膜に伝わりにくくなり、このことで、誘電体膜が剥離しにくくなって誘電体膜の長寿命化を図ることができるものである。
【００５０】
また、誘電体膜には封孔処理を施すのが好ましい。封孔処理は誘電体膜の欠陥部分を埋める処理であって、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの誘電体を含む溶液に浸漬して行う。この封孔処理を行うことによって、アーク放電を起こりにくくすることができ、プラズマの加熱による内側電極３の劣化を防止して長寿命化を図ることができるものである。
【００５１】
本発明のプラズマ処理装置Ａを被処理物の表面のクリーニングに用いる場合は、上記（１）で示される開口面積比を５〜６０％に形成するのが好ましい。尚、Ｄは集束部２０以外の反応管２の内径であって、放電空間２２の位置における反応管２の内径である。開口面積比が５％未満であれば、プラズマジェットの流速が大きすぎて被処理物に損傷が発生する恐れがあり、開口面積比が６０％を超えると、プラズマジェットの流速が小さすぎて被処理物のクリーニングが十分に行うことができない恐れがある。
【００５２】
サポーター４１はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４など）やアルミニウムやアルミニウム系合金で形成されるものであって、図６に示すように、円筒状の反応管保持部６０の上面に反応管保持部６０よりも小径の円筒状の内側電極保持部６１を設けて形成されている。アルミニウムやアルミニウム合金を用いると、サポーター４１の軽量化を図ることができる。また、サポーター４１を金属材料で形成すると、内側電極３の接地をサポーター４１から容易に行うことができて好都合である。
【００５３】
反応管保持部６０には反応管２０の外径よりも大きい孔径の反応管差し込み孔６２が反応管保持部６０の下面に開口させて形成されており、反応管差し込み孔６２の内周には反応管２の軸出し用のブッシュ６３が設けられている。また、反応管差し込み孔６２の上側には反応管装着孔４３が反応管差し込み孔６２と連通して形成されている。この反応管装着孔４３は反応管２の外径とほぼ同じ孔径に形成されている。さらに、反応管装着孔４３の上側には内側電極装着孔４５が反応管装着孔４３と連通して形成されている。内側電極装着孔４５は内側電極保持部６１の上面に開口されており、内側電極装着孔４５は反応管２の内径とほぼ同じ孔径で、内側電極３の外径よりも大きい孔径に形成されている。また、内側電極装着孔４５の外側には内側電極３の軸出し用のブッシュ６４が設けられている。
【００５４】
そして、反応管装着孔４３と内側電極装着孔４５の接続部分において、内側電極装着孔４５の外周には段部分が形成されることになり、この段部分が反応管位置決め部４４として形成されている。また、反応管差し込み孔６２と反応管装着孔４３と内側電極装着孔４５は上下方向の中心位置がほぼ合致するように同心円状に形成されている。また、内側電極保持部６１の外周面にはガス導入管６５が溶接により固着されて突設されている。反応管保持部６０には反応管差し込み孔６２の孔径の大きさを調整するために反応管締め付け具６６が設けられている。反応管締め付け具６６は輪ネジで形成されており、反応管差し込み孔６２を囲うように螺着されている。また、内側電極保持部６１には内側電極装着孔４５の孔径の大きさを調整するために内側電極締め付け具６７が設けられている。内側電極締め付け具６７は輪ネジで形成されており、内側電極装着孔４５を囲うように螺着されている。この内側電極締め付け具６７は内側電極位置決め機構４６として形成されている。
【００５５】
図８に示すように、接地電極８０は外側電極１や内側電極３と同様の材料で形成されており、円筒状の接地電極本体７１の外周に一対の内側電極接続部７２を突設し、一方の内側電極接続部７２にコネクタ取り付け部７３を延設し、コネクタ取り付け部７３に高周波用のコネクタ７４を設けて形成されている。
【００５６】
そして本発明のプラズマ処理装置Ａの組立は次のようにして行う。図７に示すように、まず、サポーター４１の内側電極装着孔４５に上側から内側電極３を差し込むと共に内側電極３を反応管差し込み孔６２から突出させる。次に、内側電極締め付け具６７を回転させて内側電極装着孔４５の孔径を小さくすることによって、内側電極３の軸出し用のブッシュ６４の内周面を内側電極３の外周面に当接させて内側電極３をブッシュ６４で挟持する。このようにしてサポーター４１に内側電極３を取り付ける。
【００５７】
次に、サポーター４１よりも下側において内側電極３の外側に振れ防止スペーサ４０を設ける。振れ防止スペーサ４０はポリアセタール樹脂（ジュラコン）や四フッ化エチレン樹脂（テフロン）などの樹脂製でリング状に形成されるものであって、その外径は反応管２の内径とほぼ同じ形成されている。また、振れ防止スペーサ４０の略中央部には差し込み開口部７５が設けられており、この差し込み開口部７５に内側電極３を差し込んで取り付けるようにする。
【００５８】
次に、反応管２を内側電極３の下側から近づけて反応管２のガス導入口９０から内側電極３を反応管２の内部に差し込むと共に反応管２の上部をサポーター４１に反応管差し込み孔６２から差し込み、さらに、反応管２の上部を反応管装着孔４３に差し込むと共に反応管２の上端のガス導入口９０の開口縁部を反応管位置決め部４４に当接させる。次に、反応管締め付け具６６を回転させて反応管差し込み孔６２の孔径を小さくすることによって、反応管２の軸出し用のブッシュ６３の内周面を反応管２の外周面に当接させて反応管２をブッシュ６３で挟持する。このようにしてサポーター４１に反応管２を取り付ける。この時、振れ防止スペーサ４０の外周面が反応管２の内周面に当接される。
【００５９】
次に、反応管２を接地電極８０の接地電極本体７１内に差し込んで反応管２の外側に接地電極８０を取り付ける。この後、サポーター４１よりも上側に突出する内側電極３の上部と接地電極８０の内側電極接続部７２を電線７７で接続する。次に、反応管２を外側電極１の挿着孔３１に差し込んで反応管２の外側で集束部２０の上側に外側電極１を取り付ける。この後、外側電極１の流入管３４と流出管３５の間に架設した接続板７８とコネクタ７４を電線７９で接続し、コネクタ７４と外側電極１を電気的に接続する。このようにしてプラズマ処理装置Ａが形成され、反応管２の内部において、外側電極１と内側電極３の間の空間が放電空間２２として内側電極３を囲うように形成される。
【００６０】
このプラズマ処理装置Ａでは、反応管２に対して内側電極３が振れることを防止するための振れ防止スペーサ４０を反応管２と内側電極３の間に設けたので、反応管２に対して内側電極３が振れないようにして、反応管２の上下方向（長手方向）の中心位置と内側電極３の上下方向（長手方向）の中心位置をほぼ合致した状態を維持することができ、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。つまり、図１０に示すように、反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置がずれていると、放電空間２２における反応管２の直径方向の断面内において、プラズマ生成用ガスの濃度や印加電力の不均一が生じ（図１０に点々模様で示す）、生成されるプラズマの密度が不均一になり、被処理物を均一にクリーニングしたりエッチングしたりする特性が低下したり、プラズマの生成そのものが不安定な動作となる恐れがあるが、本発明では振れ防止スペーサ４０により、反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置をずれないようにするので、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。
【００６１】
上記の振れ防止スペーサ４０は、放電空間２２より上側に１０〜３０ｍｍ離れた箇所に設けるのが好ましい。この位置では内側電極３が冷媒で冷却されているためにほぼ常温であり、また、プラズマの熱の影響を受けることも少ないために、樹脂製の振れ防止スペーサ４０が溶解するのを防ぐことができる。
【００６２】
また、上記のように反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置を合致させることが均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することに不可欠であるが、本発明では反応管２と内側電極３をサポーター４１で保持することによって、反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置を容易に合致させている。つまり、サポーター４１に反応管装着孔４３を設けると共に、サポーター４１に内側電極装着孔４５を設け、反応管装着孔４３の中心位置と内側電極装着孔４５の中心位置を合致させて形成し、反応管装着孔４３の孔径を反応管２の外径とほぼ同等に形成すると共に内側電極装着孔４５の孔径を内側電極３の外径とほぼ同等に形成したので、反応管装着孔４３に反応管２を差し込んで装着すると共に内側電極装着孔４５に内側電極３を差し込んで装着するだけで反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置を容易に合致させることができる。
【００６３】
また、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成するためには、上下方向における反応管２と内側電極３の位置関係も重要である。そこで本発明では、反応管２の差し込み方向において反応管２を位置決めするための反応管位置決め部４４を反応管装着孔４３に設けたので、反応管２を反応管位置決め部４４に当接させて、反応管２の長手方向においてサポーター４１に対する反応管２の取り付け位置を容易に一意的に決めることができ、反応管２に対して内側電極３の取り付け位置を容易に決めることができるものである。
【００６４】
このように本発明のプラズマ処理装置Ａは、反応管２及び内側電極３の上部をサポーター４１で保持し、反応管２及び内側電極３の下部に振れ防止スペーサ４０を設け、上下の二点支持で反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置をほぼ合致させるようにしたものである。
【００６５】
内側電極３はサポーター４１の内側電極装着孔４５に対して移動自在に差し込まれ、内側電極位置決め機構４６である内側電極締め付け具６７で締め付けて反応管２の長手方向に対して内側電極３を位置決めするので、反応管２に対する内側電極３の差し込み深さを変えることができ、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成するように、反応管２と内側電極３の位置関係を容易に設定することができるものである。
【００６６】
さらに、反応管締め付け具６１を緩めることによって、反応管装着孔４３から反応管２を抜いてサポーター４１から容易に取り外すことができ、内側電極締め付け具６７を緩めることによって、内側電極装着孔４５から内側電極３を抜いてサポーター４１から容易に取り外すことができ、分解してメンテナンスを容易に行うことができるものである。
【００６７】
上記のようにして形成されるプラズマ処理装置Ａはケース内に設置されるが、この際、ケースに突設された保持板８１に反応管２の集束部２０を差し込み、取り付け板８２でサポーター４１の箇所をケースの内面に固定するようにする。このように金属製のサポーター４１の部分を取り付け板８２で押さえて固定することによって、反応管２に無理な力をかけることなく取り付けることができるものである。また、ガス導入管６５にガスコネクタ８４を介してガス供給ホース８３を接続すると共に、接地電極８０のコネクタ７４に高周波電源と接続される同軸ケーブルを接続する。
【００６８】
次に、上記のように形成されるプラズマ処理装置Ａを用いたプラズマ処理方法を説明する。まず、ガス供給ホース８３を通じてガス導入管６５にプラズマ生成用ガスを導入する（矢印▲１▼）と共にガス導入口９０を介してガス導入管６５から反応管２の内部にプラズマ生成用ガスを導入し、外側電極１と内側電極３に高周波などの交流を印加し、さらにこれと同時に外側電極１及び内側電極３を冷媒によって冷却する。この後、外側電極１と内側電極３の間に印加された交流電界により大気圧下で反応管２の放電空間２２でグロー放電を発生させ、グロー放電で反応管２の内部に導入されたプラズマ生成用ガスをプラズマ化し、プラズマ活性種を含むこのプラズマを吹き出し口２１からプラズマジェットとして吹き出して被処理物の表面に吹きつけることによって、エッチングやクリーニング等のプラズマ処理（改質処理）を行うことができる。
【００６９】
本発明においてプラズマ生成用ガスとしては、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ことができる。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、その添加量は不活性ガスに対して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。
【００７０】
また本発明において外側電極１と内側電極３の間の放電空間２２に印加される印加電力は２０〜３５００Ｗ／ｃｍ3に設定するのが好ましい。放電空間２２に印加される印加電力が２０Ｗ／ｃｍ3未満であれば、プラズマを充分に発生させることができなくなり、逆に、放電空間２２に印加される印加電力が３５００Ｗ／ｃｍ3を超えると、安定した放電を得ることができなくなる恐れがある。尚、印加電力の密度（Ｗ／ｃｍ3）は、（印加電力／放電空間体積）で定義される。
【００７１】
本発明において外側電極１と内側電極３に印加される交流の周波数は、１ｋＨｚ〜５０ＧＨｚ、好ましくは１０ｋＨｚ〜２００ＭＨｚに設定される。交流の周波数が１ｋＨｚ未満であれば、放電空間２２での放電を安定化させることができなくなる恐れがあり、交流の周波数が５０ＧＨｚを超えると、放電空間２２でのプラズマの温度上昇が著しくなる恐れがある。また外側電極１と内側電極３に交流を印加する場合、外側電極１と電源１５を接続し、内側電極３を接地するのが好ましく、このことで内側電極３と被処理物の間のストリーマー放電を抑制することができる。これは、内側電極３と被処理物の間の電位差がほとんど０になり、ストリーマー放電が生成されにくくなるためであり、特に、被処理物に金属部分が含まれている場合はストリーマー放電の生成が著しくなるので、内側電極３を接地するのが好ましい。
【００７２】
そして本発明では、外側電極１と内側電極の両方を冷媒により冷却するので、大気圧下で周波数の高い交流でプラズマを生成しても、外側電極１と内側電極３の両方の温度上昇をより抑えることができ、よってプラズマの温度（ガス温度）がより高くならないようにすることができて被処理物の熱的損傷をより少なくすることができるものである。また外側電極１と内側電極３の両方を冷却することによって、放電空間２２の局所的な加熱をより防ぐことができ、より均質なグロー放電を生成してストリーマー放電の生成を抑えることができて被処理物のストリーマー放電による損傷をより少なくすることができるものである。これは、外側電極１と内側電極３の両方を冷却することによって、外側電極１と内側電極３の両方からの部分的な電子の放出が抑えられるためであると考えられる。
【００７３】
また、図９（ａ）（ｂ）に示すように、反応管２の下部に集束部２０が形成せずにほぼ真っ直ぐに形成すると共に反応管２の下端面を平板状の閉塞部１６で閉塞し、閉塞部１６に複数個（図９（ａ）（ｂ）のものでは四個で略円形の閉塞部１６の四等分線状に配置されている。）の吹き出し口２１を穿孔するようにしてもよい。反応管２の内部には電極本体管２５と冷媒供給管２６からなる内側電極３が反応管２の中心部を上下に貫くように配設されているが、内側電極３の電極本体管２５の下端は閉塞部１６の上面の近傍に配置されている。また、外側電極１の下端面と反応管２の下端面はほぼ同じ高さに設定されており、従って、外側電極１と内側電極３の間に形成される放電空間２２の下端から吹き出し口２１までの距離はほぼ０になっている。従って、活性の高い生きたプラズマ活性種を消滅させる前に、吹き出し口２１からプラズマジェットを吹き出して被処理物に吹き付けることができ、被処理物のプラズマ処理を高めることができる。また、被処理物の処理域の面積や形状の変更などに容易に任意に対応することができる。
【００７４】
【実施例】
以下本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００７５】
（実施例１）
図１乃至８に示す構造のプラズマ処理装置Ａを形成した。反応管２としては石英ガラス管を用い、外径を１５．４ｍｍ、内径を１３ｍｍに形成した。またテーパー角は２０°とし、開口面積比は１１．７とした。振れ防止スペーサ４０としてはジュラコン樹脂製のものを用い、放電空間２２の上側２０ｍｍの位置に設けた。内部電極３としては外径が８ｍｍのものを用い、酸化チタンの溶射により形成される厚さ５０μｍの誘電体膜と、Ｎｉ−Ｃｒ合金の溶射により形成される厚さ３０μｍのアンダーコートとを有し、誘電体膜はＳｉＯ2にて封孔処理がなされているものを用いた。外側電極１としては金メッキを施した銅製のものを用い、外径を３５ｍｍ、高さ３０ｍｍに形成した。
【００７６】
また、外側電極１と内側電極３に印加される高周波の周波数を１３．５６ＭＨｚ、印加電力は２５０Ｗとしてプラズマ処理（フォトレジストのエッチング）を行った。被処理物としては３インチシリコンウェハーの表面に膜厚が１．３μｍのフォトレジストを形成したものを用いた。また、吹き出し口２１と被処理物の間隔は５ｍｍにした。さらに、プラズマ生成用ガスはアルゴンが３リットル／ｍｉｎ、ヘリウムが１リットル／ｍｉｎ、酸素０．０３リットル／ｍｉｎの流量で反応管２に供給して調製した。
【００７７】
被処理物を金属台の上に置き、上記の条件にて１０００時間の連続運転でプラズマ処理を行った。連続運転後に振れ防止スペーサ４０の損傷は認められず、プラズマ処理装置Ａの異常停止もなく、安定した動作が可能であった。また、連続運転中に数回サンプリングしてクリーニング特性の評価をしたところ、プラズマ照射領域にてフォトレジストのエッチング形状は±２０％以内のずれに収まっており、安定性が認められた。
【００７８】
また、内側電極３には誘電体膜で形成される保護層を形成したので、変色や加熱酸化が防止されており、内側電極３は侵されていなかった。尚、誘電体膜がない場合では、内側電極３の電極管本体２５が黒色に変色し、加熱酸化により内側電極３が侵されており、内側電極３の寿命は２４０時間であった。
【００７９】
（実施例２）
冷媒供給管２６の下端に６個の振れ防止爪４２を放射状に突出させて実施例１と同様のプラズマ処理装置Ａを形成した。この場合、内側電極３に異常発熱が認められず、内側電極３の寿命を１０００時間以上に確保することができた。尚、振れ防止爪４２を設けなくて電極管本体２５の中心位置と冷媒供給管２６の中心位置がずれている場合では、実施例１と同条件でプラズマ処理を行うと、３８０時間で異常が発生した。これは、冷媒供給管２６が傾くことにより内側電極３内での冷媒の流れが不均一となり、冷媒の流れが少なくなった箇所で局所的な異常発熱が起こり、二次電子の発生率が上昇してプラズマがアーク放電に移行したことで内側電極３の表面の金属面が侵されたためである。
【００８０】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１の発明は、外側電極を備えた筒状の反応管、及び反応管の内部に配置される内側電極を具備して構成され、反応管に不活性ガスまたは不活性ガスと反応ガスの混合気体を導入すると共に外側電極と内側電極の間に交流電界を印加することにより大気圧下で反応管の内部に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すようにするプラズマ処理装置において、反応管に対して内側電極が振れることを防止するための振れ防止スペーサを反応管と内側電極の間に設けたので、振れ防止スペーサによって反応管の中心位置と内側電極の中心位置をほぼ合致した状態を維持することができ、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。また、電極本体管内に冷媒供給管を設けて内側電極を形成し、電極本体管と冷媒供給管の間を冷媒供給管にて供給される冷媒の流路部として形成し、電極本体管に対して冷媒供給管が振れることを防止するための振れ防止爪を冷媒供給管の先端に複数個形成すると共に振れ防止爪の一部を放射状に外側に突出させたので、振れ防止爪の先端を電極管本体の内周面に当接して冷媒供給管が振れないようにすることができ、電極管本体の中心位置と冷媒供給管の中心位置をほぼ合致した状態に保つことができるものであり、従って、流路部の狭い部分が形成されなくなって冷媒の流れが均一になり、内側電極を均一に冷却して温度を均一化することができるものであり、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。
【００８１】
また本発明の請求項２の発明は、反応管の中心位置と内側電極の中心位置をほぼ合致させて反応管と内側電極を保持するためのサポーターを備えたので、サポーターによって反応管の中心位置と内側電極の中心位置をほぼ合致した状態で保持することができ、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。
【００８３】
また本発明の請求項３の発明は、振れ防止爪の一部を内側に曲げたので、一部の振れ防止爪を内側に折り曲げて流路部に突出させないようにすることによって、冷媒の圧力損失を小さくすることができ、冷媒が流れ易くなるものであり、内側電極を均一に冷却して温度を均一化することができて均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。しかも、スケール等が溜まりにくくなって流路部の目詰まりを防止することができるものである。
【００８４】
また本発明の請求項４の発明は、反応管を下方より差し込んで装着するための反応管装着孔をサポーターに設け、反応管の差し込み方向において反応管を位置決めするための反応管位置決め部を反応管装着孔に設けたので、サポーターに対する反応管の位置決めを反応管位置決め部により容易に行うことができ、サポーターに保持される内側電極と反応管のサポーターへの差し込み方向における位置決めを簡単におこなうことができるものである。
【００８５】
また本発明の請求項５の発明は、内側電極を上方より差し込んで装着するための内側電極装着孔をサポーターに設けたので、内側電極装着孔への内側電極の差し込み及び抜き出しを上方から容易に行うことができ、サポーターへの内側電極の取り付け及び取り外しを簡単に行うことができるものであり、メンテナンス性を向上させることができるものである。
【００８６】
また本発明の請求項６の発明は、反応管の長手方向に対して内側電極を位置決めするための内側電極位置決め機構をサポーターに設けたので、サポーターに対する内側電極の位置決めを内側電極位置決め機構により容易に行うことができ、サポーターに保持される内側電極と反応管のサポーターへの長手方向における位置決めを簡単におこなうことができるものである。
【００８７】
また本発明の請求項７の発明は、内側電極の表面に誘電体膜を設けたので、内側電極を誘電体膜で保護することができ、放電の安定化を図ることができるものであり、しかもプラズマの熱照射による内側電極の消耗を低減することができて内側電極の長寿命化を図ることができるものである。
【００８８】
また本発明の請求項８の発明は、内側電極の表面と誘電体膜の間にアンダーコートを設けたので、誘電体膜にかかる熱応力負荷の衝撃をアンダーコートで緩和させることができ、誘電体膜が剥離しにくくなって誘電体膜の長寿命化を図ることができるものである。
【００８９】
また本発明の請求項９の発明は、誘電体膜に封孔処理を施したので、誘電体膜の欠陥部分を埋めることができ、アーク放電を起こりにくくすることができるものであり、しかも、プラズマの加熱による内側電極の劣化を防止して長寿命化を図ることができるものである。
【００９０】
また本発明の請求項１０の発明は、誘電体膜を誘電体材料で形成したので、放電の安定化を確実に図ることができるものであり、また、プラズマの熱照射による内側電極の消耗を確実に低減することができるものである。
【００９１】
また本発明の請求項１１の発明は、アンダーコートをニッケル、クロム、アルミニウム、イットリウムを含む合金膜で形成したので、誘電体膜にかかる熱応力負荷の衝撃をアンダーコートで確実に緩和させることができるものである。
【００９２】
また本発明の請求項１２の発明は、誘電体材料で封孔処理を施したので、誘電体膜の欠陥部分を埋めることができるものである。
【００９３】
また本発明の請求項１３の発明は、誘電体膜の厚みを１０〜５００μｍに形成したので、放電の安定化を確実に図ることができるものであり、また、プラズマの熱照射による内側電極の消耗を確実に低減することができるものである。
【００９４】
また本発明の請求項１４の発明は、誘電体膜を誘電体材料の溶射にて形成したので、誘電体膜を簡単に形成することができるものである。
【００９６】
また本発明の請求項１５の発明は、プラズマジェットが吹き出される吹き出し口を反応管の先端面に設け、反応管の先端を吹き出し口側に向かって先細りとなる集束部として形成し、集束部の外周面と集束部以外の反応管の外周面との間に形成されるテーパー角が１０〜３０°であるので、吹き出し口から吹き出されるプラズマジェットの流速を確実に加速することができ、反応性ガス活性粒子が消滅する前に被処理物にプラズマジェットを到達させることができて被処理物のプラズマ処理の効率を高めることができるものである。
【００９７】
また本発明の請求項１６の発明は、プラズマジェットが吹き出される複数個の吹き出し口を反応管に設けたので、被処理物のプラズマ処理する部分の面積や形状に対応させてプラズマジェットの吹き出す範囲を変更することができ、多くの形状の被処理物にプラズマ処理を確実に施すことができるものである。
【００９８】
また本発明の請求項１７の発明は、冷媒を流通させる冷媒流通溝を内電極管の外周面に螺旋状に形成し、外電極管の内側に内電極管を嵌め込んで外側電極を形成したので、冷媒流通溝に冷媒を流して外側電極の冷却を行うことができ、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。
【００９９】
本発明のプラズマ処理方法は、請求項１乃至１７のいずれかに記載のプラズマ処理装置で発生させたプラズマジェットを被処理物に供給してプラズマ処理を行うので、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができ、被処理物に対して損傷を与えることなく安定で均一なプラズマ処理を施す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断面図である。
【図２】同上の外側電極を示す断面図である。
【図３】同上の内側電極を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図である。
【図４】同上の内側電極の一部を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図である。
【図５】同上の他の内側電極の一部を示す断面図である。
【図６】同上のサポーターを示す正面図である。
【図７】同上の組立方法を示す断面図である。
【図８】同上の正面図である。
【図９】同上の反応管の他例の一部を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図である。
【図１０】従来例を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
１ 外側電極
２ 反応管
３ 内側電極
２０ 集束部
２５ 電極本体管
２６ 冷媒供給管
４０ 振れ防止スペーサ
４１ サポーター
４２ 振れ防止爪
４３ 反応管装着孔
４４ 反応管位置決め部
４５ 内側電極装着孔
４６ 内側電極位置決め機構
４９ 冷媒流通溝
５０ 内電極管
５１ 外電極管
Ａ プラズマ処理装置
α テーパー角
【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】
しかしこの方法では被処理物の特定の部分にのみプラズマ処理を行いにくく、また処理時間も長くかかるという問題があった。そこで上記方法を発展させて、大気圧下でグロー放電により生成したプラズマ（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を行うことが提案されている（例えば、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）。
【０００４】
上記のようなプラズマジェットで処理を行う方法において、使用する交流の周波数が１０ｋＨｚ未満であれば、生成されるラジカル量が少なくなってプラズマ処理の効果が小さくなる。従って、１０〜数十ＭＨｚの周波数の交流を用いるようにしているが、このように１０〜数十ＭＨｚの周波数の交流を用いると、プラズマの温度（ガス温度）が非常に高くなって被処理物が空気中で酸化したり炭化したりして熱的な損傷を受けるという問題があった。
【０００５】
また上記のようなプラズマジェットで処理を行う方法においては、ストリーマー放電が被処理物に向かって生成しやすく、このストリーマー放電により被処理物の表面が損傷を受けるという問題があった。
【０００６】
そこで、被処理物の熱的損傷を少なくすることができると共に被処理物のストリーマー放電による損傷を少なくすることができるプラズマ処理装置が本発明者らによって出願されている（特願平１０−３４４７３５号）。このプラズマ処理装置は、外側電極を備えた筒状の反応管、及び反応管の内部に配置される内側電極を具備して構成され、反応管に不活性ガスまたは不活性ガスと反応ガスの混合気体を導入すると共に外側電極と内側電極の間に交流電界を印加することにより大気圧下で反応管の内部に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すようにするプラズマ処理装置であって、外側電極と内側電極に冷却手段を設けるようにしたものであり、冷却手段で外側電極と内側電極を冷却手段で冷却することによって、大気圧下で周波数及び出力の高い交流でプラズマを生成しても、外側電極と内側電極の両方の温度上昇を抑えることができ、プラズマの温度が高くならないようにすることができて被処理物の熱的損傷を少なくすることができるものであり、また均質なグロー放電を生成してストリーマー放電の生成を抑えることができて被処理物のストリーマー放電による損傷を少なくすることができるようにしたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記のプラズマ処理装置では、図１０に示すように、反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置がずれていると、放電空間２２における反応管２の直径方向の断面内において、プラズマ生成用ガスの濃度や印加電力の不均一が生じ（図１０に点々模様で示す）、生成されるプラズマの密度が不均一になり、被処理物を均一にクリーニングしたりエッチングしたりする特性が低下したり、プラズマの生成そのものが不安定な動作となる恐れがあった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とするものであり、また本発明は、被処理物に対して安定で均一なプラズマ処理を施すことができる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Ａは、外側電極１を備えた筒状の反応管２、及び反応管２の内部に配置される内側電極３を具備して構成され、反応管２に不活性ガスまたは不活性ガスと反応ガスの混合気体を導入すると共に外側電極１と内側電極３の間に交流電界を印加することにより大気圧下で反応管２の内部にグロー放電を発生させ、反応管２からプラズマジェットを吹き出すようにするプラズマ処理装置において、反応管２に対して内側電極３が振れることを防止するための振れ防止スペーサ４０を反応管２と内側電極３の間に設け、電極本体管２５内に冷媒供給管２６を設けて内側電極３を形成し、電極本体管２５と冷媒供給管２６の間を冷媒供給管２６にて供給される冷媒の流路部２９として形成し、電極本体管２５に対して冷媒供給管２６が振れることを防止するための振れ防止爪４２を冷媒供給管２６の先端に複数個形成すると共に振れ防止爪４２の一部を放射状に外側に突出させ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Ａは、請求項１の構成に加えて、反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置をほぼ合致させて反応管２と内側電極３を保持するためのサポーター４１を備えて成ることを特徴とするものである。
【００１２】
また本発明の請求項３に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項１又は２の構成に加えて、振れ防止爪４２の一部を内側に曲げて成ることを特徴とするものである。
【００１３】
また本発明の請求項４に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項２又は３の構成に加えて、反応管２を下方より差し込んで装着するための反応管装着孔４３をサポーター４１に設け、反応管２の差し込み方向において反応管２を位置決めするための反応管位置決め部４４を反応管装着孔４３に設けて成ることを特徴とするものである。
【００１４】
また本発明の請求項５に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項２乃至４のいずれかの構成に加えて、内側電極３を上方より差し込んで装着するための内側電極装着孔４５をサポーター４１に設けて成ることを特徴とするものである。
【００１５】
また本発明の請求項６に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項２乃至５のいずれかの構成に加えて、反応管２の長手方向に対して内側電極３を位置決めするための内側電極位置決め機構４６をサポーター４１に設けて成ることを特徴とするものである。
【００１６】
また本発明の請求項７に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項１乃至６のいずれかの構成に加えて、内側電極３の表面に誘電体膜を設けて成ることを特徴とするものである。
【００１７】
また本発明の請求項８に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項７の構成に加えて、内側電極３の表面と誘電体膜の間にアンダーコートを設けて成ることを特徴とするものである。
【００１８】
また本発明の請求項９に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項７又は８の構成に加えて、誘電体膜に封孔処理を施して成ることを特徴とするものである。
【００１９】
また本発明の請求項１０に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項７乃至９のいずれかの構成に加えて、誘電体膜を誘電体材料で形成して成ることを特徴とするものである。
【００２０】
また本発明の請求項１１に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項８乃至１０のいずれかの構成に加えて、アンダーコートをニッケル、クロム、アルミニウム、イットリウムを含む合金膜で形成して成ることを特徴とするものである。
【００２１】
また本発明の請求項１２に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項９乃至１１のいずれかの構成に加えて、誘電体材料で封孔処理を施して成ることを特徴とするものである。
【００２２】
また本発明の請求項１３に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項７乃至１２のいずれかの構成に加えて、誘電体膜の厚みを１０〜５００μｍに形成して成ることを特徴とするものである。
【００２３】
また本発明の請求項１４に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項７乃至１３のいずれかの構成に加えて、誘電体膜を誘電体材料の溶射にて形成して成ることを特徴とするものである。
【００２６】
また本発明の請求項１５に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項１乃至１４のいずれかの構成に加えて、プラズマジェットが吹き出される吹き出し口２１を反応管２の先端面に設け、反応管２の先端を吹き出し口２１側に向かって先細りとなる集束部２０として形成し、集束部２０の外周面と集束部２０以外の反応管２の外周面との間に形成されるテーパー角αが１０〜３０°であることを特徴するものである。
【００２７】
また本発明の請求項１６に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項１乃至１５のいずれかの構成に加えて、プラズマジェットが吹き出される複数個の吹き出し口２１を反応管２に設けて成ることを特徴とするものである。
【００２８】
また本発明の請求項１７に係るプラズマ処理装置Ａは、請求項１乃至１６のいずれかの構成に加えて、冷媒を流通させる冷媒流通溝４９を内電極管５０の外周面に螺旋状に形成し、外電極管５１の内側に内電極管５０を嵌め込んで外側電極１を形成して成ることを特徴とするものである。
【００２９】
本発明のプラズマ処理方法は、請求項１乃至１７のいずれかに記載のプラズマ処理装置Ａで発生させたプラズマジェットを被処理物に供給してプラズマ処理を行うことを特徴とするものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００３１】
図１に示すように反応管２は誘電体材料で円筒状に形成されるものであって、図７に示すように、その上端はガス導入口９０として開放されている。また、反応管２の下部には直径が下側ほど小さくなるような先細り形状に絞り込まれたテーパー構造の集束部２０が形成されていると共に、反応管２の下端面である集束部２０の下面には吹き出し口２１が設けられている。このように集束部２０を設けないで吹き出し口２１の口径を反応管２の直径とほぼ同じに形成した場合、吹き出し口２１から吹き出されるプラズマジェットの流速を加速しようとすると、後述の外側電極１と内側電極３の間隔を小さくして放電空間２２の体積を小さくしなければならず、このために外側電極１と内側電極３の冷却が難しくなるが、本発明のように反応管２よりも直径が絞り込まれた集束部２０を設けることによって、放電空間２２の体積を小さくすることなくプラズマジェットの流速を加速することができ、短寿命のラジカルなどの反応性ガス活性粒子が消滅する前に被処理物にプラズマジェットを到達させることができて被処理物のプラズマ処理を効率よく行うことができる。被処理物の表面のクリーニングに適したプラズマジェットの流速を得るためには、集束部２０の外周面と集束部２０以外の反応管２の外周面との間に形成されるテーパー角αが１０〜３０°であることが好ましい。
【００３２】
また、吹き出し口２１の開口面積は、直径が０．１〜５ｍｍの真円の面積に相当する大きさに形成されている。吹き出し口２１の開口面積が上記の範囲よりも小さすぎると、吹き出されるプラズマジェットの処理範囲が小さくなりすぎて、被処理物のプラズマ処理に長時間を要することになり、逆に、吹き出し口２１の開口面積が上記の範囲よりも大きすぎると、吹き出されるプラズマジェットの処理範囲が大きくなりすぎて、被処理物に局所的なプラズマ処理を施すことができなくなる恐れがある。
【００３３】
反応管２を形成する誘電体材料の誘電率は、外側電極１と内側電極３の間の放電空間２２における低温化の重要な要素であって、誘電率が２０００以下の誘電体材料を用いるのが好ましい。反応管２の誘電体材料の誘電率が２０００を超えると、外側電極１と内側電極３の空間に印加される電圧が大きくなる代わりに、放電空間２２でのプラズマの温度（ガス温度）が上昇する恐れがある。反応管２を形成する誘電体材料の誘電率の下限値は特に限定されないが、２であり、これよりも小さいと、放電を維持するために、外側電極１と内側電極３の間に印加する交流の電圧を大きくしなければならず、このため、外側電極１と内側電極３の間の放電空間２２での電力消費量が大きくなって放電空間２２でのプラズマの温度が上昇する恐れがある。
【００３４】
反応管２を形成する誘電体材料として具体的には、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。またマグネシア（ＭｇＯ）単体あるいはマグネシアを含む誘電体材料で反応管２を形成することもでき、このことでグロー放電の安定化を図ることができる。これは、マグネシアは二次電子放出係数が高いので、プラズマ中のイオンが反応管２の表面（内面）に衝突した場合、反応管２の表面から二次電子が多量に放出されることになり、この二次電子が反応管２の表面に形成されたシースで加速されてプラズマ生成用ガスを電離することになり、この結果、放電の安定化が保たれると推察される。
【００３５】
図２に示すように、外側電極１は内電極管５０と外電極管５１からなるジャケット構造に形成されている。内電極管５０と外電極管５１は熱伝導性の高い金属材料、例えば、銅、アルミニウム、真鍮、耐食性の高いステンレス（ＳＵＳ３０４など）などで形成することができる。内電極管５０の外周面には冷媒流通溝４９が下端から上端に亘って螺旋状に形成されている。外電極管５１の上部には外電極管５１の内周面に開口する流入孔５２が形成されていると共に、外電極管５１の上部の外周面には流入孔５２と連通する流入管３４が溶接により固着されて突設されている。また外電極管５１の下部には外電極管５１の内周面に開口する流出孔５３が形成されていると共に、外電極管５１の下部の外周面には流出孔５３と連通する流出管３５が溶接により固着されて突設されている。
【００３６】
そして、外電極管５１の内側に内電極管５０を嵌め込んで内電極管５０の周囲を囲うように外電極管５１を取り付けると共に外電極管５１と内電極管５０を溶接により固着し、さらに、外面全体に金メッキを施すことによって外側電極１が形成されている。金メッキを施す理由は、外電極管５１と内電極管５０を銅で形成した場合の耐食性の向上と、放電用の高周波電力を供給する際に使用する金属製の端子５５との接触抵抗を低下させるためである。この外側電極１にあっては、冷媒流通溝４９の上端の位置に流入孔５２の開口を合致させると共に冷媒流通溝４９の下端の位置に流出孔５３の開口を合致させている。また、内電極管５０の内側が上下に開口する挿着孔３１として形成されている。また、挿着孔３１の上側開口縁部及び下側開口縁部には、外側電極１を反応管２に密着性させてがたつきなく取り付けるためのブッシュ５４が設けられている。そして、挿着孔３１に反応管２を差し込んで外側電極１の内周面を反応管２の外周面に接触させることによって、外側電極１を反応管２の集束部２０の上側に取り付けることができる。
【００３７】
プラズマ生成時において、外側電極１は反応管２を介してプラズマの発熱の影響を受けることになり、外側電極１が長期にわたってプラズマで加熱されることによって、外側電極１を構成する金属材料の酸化劣化を招き、給電不良（導通不良）を引き起こす恐れがある。従って、上記の外側電極１では異常な発熱を防止するために簡易な構造で冷却系を形成するようにしている。つまり、上記の外側電極１を冷却するにあたっては、流入管３４を通じて冷媒を冷媒流通溝４９に供給して（矢印▲４▼）、冷媒を冷媒流通溝４９に充満させるようにして外側電極１の冷却を行うようにしている。また、冷媒流通溝４９に充満させた冷媒は外側電極１の温度上昇により温度が高くなり冷却能力が低下してくるが、この冷却能力が低下した冷媒は流出管３５を通じて冷媒流通溝４９から排出し（矢印▲５▼）、これと同時に流入管３４を通じて冷却能力の高い冷媒を新たに冷媒流通溝４９に導入する。冷媒流通溝４９から排出された冷却能力の低下した冷媒は冷凍機に導入され、ここで冷却されて冷却能力の高い冷媒に戻される。冷却能力が向上した冷媒は、上記のように流入管３４を通じて冷媒流通溝４９に導入される。このように冷媒を循環させることによって、外側電極１を常に冷却して所望の温度に保つことができる。上記のように外側電極１の流通路３２と冷凍機の間で循環させる循環手段としては内側電極３の循環手段と同様にポンプを用いることができる。
【００３８】
上記の冷媒としてはイオン交換水や純水も使用することができるが、０℃で不凍性を有し、且つ電気絶縁性及び不燃性や化学安定性を有する液体であることが好ましく、冷媒の電気絶縁性能は０．１ｍｍ間隔での耐電圧が１０ｋＶ以上であることが好ましい。この範囲の絶縁性を有する冷媒を用いる理由は、高電圧が印加される電極からの漏電を防止するためである。このような性質を有する冷媒としては、パーフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル等を例示することができ、また純水にエチレングリコールを５〜６０重量％添加した混合液であってもよい。
【００３９】
図３（ａ）（ｂ）に示すように、内側電極３は電極本体管２５と冷媒供給管２６から構成される二重管で形成されていおり、内側電極３の内部において電極本体管２５と冷媒供給管２６の間には流路部２９として形成されている。電極本体管２５と冷媒供給管２６は外側電極１と同様の金属材料で形成されることが好ましい。電極本体管２５は上面が閉口する断面略円形で中空の棒状に形成されるものであって、その直径（外径）は１〜２０ｍｍに設定するのが好ましい。電極管本体２５の直径が１ｍｍ未満であれば、放電空間２２の面する内側電極３の表面積が小さくなり過ぎて放電が起こりにくくなり、プラズマを充分に生成することができなくなる恐れがあり、電極管本体２５の直径が２０ｍｍを超えると、相対的に反応管２や外側電極１を大きくしなければならず、装置が大型化する恐れがある。また、反応管２よりも上側に突出する箇所には流路部２９と連通する排出管部２７が設けられている。冷媒供給管２６は電極本体管２５よりも小径の管状に形成されており、電極本体管２５の中心部を貫くように電極本体管２５の下部から電極本体管２５の上側に突出するまでに設けられている。また、冷媒供給管２６の下端面は供給口２８として開口されている。供給口２８の周囲には複数個（図３（ｂ）では６個）の振れ防止爪４２を放射状に突出させて設けられている。
【００４０】
振れ防止爪４２は、冷媒供給管２６の下端に冷媒供給管２６の長手方向（上下方向）に長い複数本の切り込みを冷媒供給管２６の周方向に略等間隔で設けると共に切り込みで分割された部分を流路部２９側に折り曲げることによって形成することができる。
【００４１】
プラズマ生成時において、内側電極３はプラズマの発熱の影響を受けることになり、内側電極３が長期にわたってプラズマで加熱されることによって、内側電極３を構成する金属材料の酸化劣化を招き、給電不良（導通不良）を引き起こす恐れがある。従って、上記の内側電極３では異常な発熱を防止するために簡易な構造で冷却系を形成するようにしている。つまり、内側電極３を冷媒によって冷却するにあたっては、冷媒供給管２６にその上端の開口から冷媒を供給する（矢印▲２▼）と共に冷媒供給管２６の供給口２８から冷媒を内側電極３の内部の流路部２９に流入し、冷媒を流路部２９に充満させるようにして行うことができる。また流路部２９に充満させた冷媒は内側電極３の温度上昇により温度が高くなり冷却能力が低下してくるが、この冷却能力が低下した冷媒は排出管部２７を通じて流路部２９から排出し（矢印▲３▼）、これと同時に冷媒供給管２６を通じて冷却能力の高い冷媒を新たに流路部２９に導入する。流路部２９から排出された冷却能力の低下した冷媒は冷凍機に導入され、ここで冷却されて冷却能力の高い冷媒に戻される。冷却能力が向上した冷媒は、上記のように冷媒供給管２６を通じて流路部２９に導入される。このように冷媒を循環させることによって、内側電極３を常に冷却して所望の温度に保つことができる。上記のように内側電極３の流路部２９と冷凍機の間で循環させる循環手段としてはポンプを用いることができ、また、冷媒としては上記と同様のものを用いることができる。さらに、冷媒の流れは上記と逆であっても良い。
【００４２】
上記のようにして内側電極３を冷却するにあたって、振れ防止爪４２が無い場合、冷媒供給管２６が冷媒の圧力等により電極管本体２５に対して振れて電極管本体２５の上下方向の中心位置と冷媒供給管２６の上下方向の中心位置がずれると、流路部２９に狭い部分ができて冷媒の流れが不均一になることがある。最悪の場合、電極管本体２５の内周面と冷媒供給管２６の外周面が接触して流路部２９が無くなり、冷媒が流れなくなって、内側電極３の外面の冷却能力が著しく阻害されることになる。そして、内側電極３が冷却されないと、内側電極３の外面（界面）から水分等の付着ガスの脱離が生じ、プラズマの成分ガスの組成変化を生まれ、結果としてプラズマのクリーニング性能を劣化させてしまう。また、内側電極３の温度上昇により２次電子の放出を促進するために、プラズマ放電（グロー放電）がアーク放電（ストリーマ放電）に移行して内側電極３の寿命が短くなる恐れがある。さらに、内側電極３の温度上昇により内側電極３を構成する金属の溶融の原因になることも容易に類推することができる。
【００４３】
そこで図４（ａ）（ｂ）に示すように、上記の内側電極３では複数本の振れ防止爪４２を冷媒供給管２６の外周に放射状に突設したものであり、このことで振れ防止爪４２の先端が電極管本体２５の内周面に当接して冷媒供給管２６が振れないようにすることができ、電極管本体２５の中心位置と冷媒供給管２６の中心位置がほぼ合致した状態で同心円上に配置された状態に保つことができるものである。従って、流路部２９の狭い部分が形成されなくなって冷媒の流れ（図４（ａ）に冷媒の流れを矢印で示す）が均一になり、内側電極３を均一に冷却して温度を均一化することができるものである。
【００４４】
また、全ての振れ防止爪４２を外側の流路部２９に突出させると、冷媒供給管２６の下端付近において冷媒の圧力損失が大きくなって冷媒が流れにくくなり、しかも、隣接する振れ防止爪４２の間が狭くてここにスケール（不純物）等が溜まって流路部２９が詰まってしまう恐れがある。そこで図５に示すように、一部の振れ防止爪４２を内側（供給口２８側）に少し折り曲げるようにする。この場合、対向する一対の振れ防止爪４２を互いに近づく方向に折り曲げるのが好ましい。そして、このように一部の振れ防止爪４２を内側に折り曲げて流路部２９に突出させないようにすることによって、冷媒の圧力損失を小さくすることができ、冷媒が流れ易くなるものであり（図５に冷媒の流れを矢印で示す）、しかも、スケール等が溜まりにくくなって流路部２９の目詰まりを防止することができるものである。
【００４５】
放電空間２２における放電の安定化のため、及びプラズマの熱照射による消耗を低減して産業レベルでの実用的な寿命を確保するために、内側電極３の電極本体管２５の表面は誘電体材料で形成される誘電体膜でコーティングされていることが好ましい。誘電体材料の誘電率は２０００以下であることが好ましく、誘電体材料の誘電率が２０００を超えると、外側電極１と内側電極３の空間に印加される電圧が大きくなる代わりに、外側電極１と内側電極３の間の放電空間２２でのプラズマの温度（ガス温度）が上昇する恐れがある。絶縁性材料の誘電率の下限値は特に限定されないが、２であり、これよりも小さいと、放電を維持するために、外側電極１と内側電極３の間に印加する交流の電圧を大きくしなければならず、このため、外側電極１と内側電極３の間の放電空間２２での電力消費量が大きくなって放電空間２２でのプラズマの温度が上昇する恐れがある。
【００４６】
誘電体膜を形成する誘電体材料として具体的には、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。さらに、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、酸化チタン（チタニアでＴｉＯ2）、ＳｉＯ2、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ、ＳｉＣ、ＤＬＣ（ダイヤモンド様炭素被膜）、チタン酸バリウム、ＰＺＴ（チタン酸鉛ジルコネート）などの誘電体材質のものを例示することができる。またマグネシア（ＭｇＯ）単体あるいはマグネシアを含む誘電体材料を用いることもでき、このことでグロー放電の安定化を図ることができる。これは、マグネシアは二次電子放出係数が高いので、プラズマ中のイオンが内側電極３の表面のコーティングに衝突した場合、誘電体膜の表面から二次電子が多量に放出されることになり、この二次電子がコーティングの表面に形成されたシースで加速されてプラズマ生成用ガスを電離することになり、この結果、放電の安定化が保たれると推察される。このようなマグネシアを含む絶縁性材料としては、例えば、アルミナ等のセラミック粉末の中に微量（０．０１〜５ｖｏｌ％）のマグネシアを添加して焼結した焼結体、及び石英などのガラス質の表面にＣＶＤ等でＭｇＯ膜を形成したものなどを挙げることができる。
【００４７】
また、誘電体膜を形成するにあたっては、誘電体材料で円筒体（セラミック管やガラス管）を形成し、これの内側に内側電極３を挿着して密着させる方法、及びアルミナ、チタン酸バリウム、酸化チタン、ＰＺＴなどの粉末をプラズマ中で分散させ、内側電極３の電極本体管２５の表面に吹き付けるようにするプラズマ溶射法、及びシリカ、酸化スズ、チタニア、ジルコニア、アルミナなどの無機質粉末を溶剤などにより分散し、内側電極３の電極本体管２５の表面にスプレーなどで吹き付けて被覆した後、６００℃以上の温度で溶融させるいわゆる琺瑯被覆方法、及びゾルゲル法によるガラス質膜の形成方法などを採用することができる。さらに気相蒸着法（ＣＶＤ）もしくは物理蒸着法（ＰＶＤ）により内側電極３の電極本体管２５の表面を誘電体膜でコーティングすることもでき、これらの方法を採用することによって、極めて緻密で平滑な吸着性の乏しい誘電体膜で内側電極３の表面をコーティングすることができ、放電の安定化をより促進することができる。現実的な処理時間及びコストを考慮すると、上記の溶射法を用いるのが好ましい。
【００４８】
また、誘電体膜の厚みは１０〜５００μｍに設定するのが好ましい。誘電体膜の厚みが１０μｍ未満であれば、内側電極３の劣化防止の効果が小さく、内側電極３の長寿命化を図りにくくなる恐れがあり、誘電体膜の厚みが５００μｍを超えると、グロー放電が起こりにくくなってプラズマの発生の効率が低下する恐れがある。
【００４９】
内側電極３の電極本体管２５の表面と誘電体膜の間には、ニッケル、クロム、アルミニウム、イットリウムを含む合金膜で形成されるアンダーコートを介在させるのが好ましい。アンダーコートは合金の溶射により形成することができ、具体的な合金としては、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ａｌ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙなどを例示することができる。内側電極３は室温と高温のプラズマ下の繰り返しによる熱応力負荷環境に置かれることになり、この熱応力で誘電体膜が剥離してしまう恐れがある。そこで、誘電体膜にかかる熱応力負荷の衝撃を緩和させるためにアンダーコートを設けるようにする。金属である電極本体管２５と合金であるアンダーコートと誘電体である誘電体膜の熱膨張率の関係は、金属の膨張率＞合金の膨張率＞誘電体の膨張率となり、電極管本体２５の熱による伸縮がアンダーコートの介在によって誘電体膜に伝わりにくくなり、このことで、誘電体膜が剥離しにくくなって誘電体膜の長寿命化を図ることができるものである。
【００５０】
また、誘電体膜には封孔処理を施すのが好ましい。封孔処理は誘電体膜の欠陥部分を埋める処理であって、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの誘電体を含む溶液に浸漬して行う。この封孔処理を行うことによって、アーク放電を起こりにくくすることができ、プラズマの加熱による内側電極３の劣化を防止して長寿命化を図ることができるものである。
【００５１】
本発明のプラズマ処理装置Ａを被処理物の表面のクリーニングに用いる場合は、上記（１）で示される開口面積比を５〜６０％に形成するのが好ましい。尚、Ｄは集束部２０以外の反応管２の内径であって、放電空間２２の位置における反応管２の内径である。開口面積比が５％未満であれば、プラズマジェットの流速が大きすぎて被処理物に損傷が発生する恐れがあり、開口面積比が６０％を超えると、プラズマジェットの流速が小さすぎて被処理物のクリーニングが十分に行うことができない恐れがある。
【００５２】
サポーター４１はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４など）やアルミニウムやアルミニウム系合金で形成されるものであって、図６に示すように、円筒状の反応管保持部６０の上面に反応管保持部６０よりも小径の円筒状の内側電極保持部６１を設けて形成されている。アルミニウムやアルミニウム合金を用いると、サポーター４１の軽量化を図ることができる。また、サポーター４１を金属材料で形成すると、内側電極３の接地をサポーター４１から容易に行うことができて好都合である。
【００５３】
反応管保持部６０には反応管２０の外径よりも大きい孔径の反応管差し込み孔６２が反応管保持部６０の下面に開口させて形成されており、反応管差し込み孔６２の内周には反応管２の軸出し用のブッシュ６３が設けられている。また、反応管差し込み孔６２の上側には反応管装着孔４３が反応管差し込み孔６２と連通して形成されている。この反応管装着孔４３は反応管２の外径とほぼ同じ孔径に形成されている。さらに、反応管装着孔４３の上側には内側電極装着孔４５が反応管装着孔４３と連通して形成されている。内側電極装着孔４５は内側電極保持部６１の上面に開口されており、内側電極装着孔４５は反応管２の内径とほぼ同じ孔径で、内側電極３の外径よりも大きい孔径に形成されている。また、内側電極装着孔４５の外側には内側電極３の軸出し用のブッシュ６４が設けられている。
【００５４】
そして、反応管装着孔４３と内側電極装着孔４５の接続部分において、内側電極装着孔４５の外周には段部分が形成されることになり、この段部分が反応管位置決め部４４として形成されている。また、反応管差し込み孔６２と反応管装着孔４３と内側電極装着孔４５は上下方向の中心位置がほぼ合致するように同心円状に形成されている。また、内側電極保持部６１の外周面にはガス導入管６５が溶接により固着されて突設されている。反応管保持部６０には反応管差し込み孔６２の孔径の大きさを調整するために反応管締め付け具６６が設けられている。反応管締め付け具６６は輪ネジで形成されており、反応管差し込み孔６２を囲うように螺着されている。また、内側電極保持部６１には内側電極装着孔４５の孔径の大きさを調整するために内側電極締め付け具６７が設けられている。内側電極締め付け具６７は輪ネジで形成されており、内側電極装着孔４５を囲うように螺着されている。この内側電極締め付け具６７は内側電極位置決め機構４６として形成されている。
【００５５】
図８に示すように、接地電極８０は外側電極１や内側電極３と同様の材料で形成されており、円筒状の接地電極本体７１の外周に一対の内側電極接続部７２を突設し、一方の内側電極接続部７２にコネクタ取り付け部７３を延設し、コネクタ取り付け部７３に高周波用のコネクタ７４を設けて形成されている。
【００５６】
そして本発明のプラズマ処理装置Ａの組立は次のようにして行う。図７に示すように、まず、サポーター４１の内側電極装着孔４５に上側から内側電極３を差し込むと共に内側電極３を反応管差し込み孔６２から突出させる。次に、内側電極締め付け具６７を回転させて内側電極装着孔４５の孔径を小さくすることによって、内側電極３の軸出し用のブッシュ６４の内周面を内側電極３の外周面に当接させて内側電極３をブッシュ６４で挟持する。このようにしてサポーター４１に内側電極３を取り付ける。
【００５７】
次に、サポーター４１よりも下側において内側電極３の外側に振れ防止スペーサ４０を設ける。振れ防止スペーサ４０はポリアセタール樹脂（ジュラコン）や四フッ化エチレン樹脂（テフロン）などの樹脂製でリング状に形成されるものであって、その外径は反応管２の内径とほぼ同じ形成されている。また、振れ防止スペーサ４０の略中央部には差し込み開口部７５が設けられており、この差し込み開口部７５に内側電極３を差し込んで取り付けるようにする。
【００５８】
次に、反応管２を内側電極３の下側から近づけて反応管２のガス導入口９０から内側電極３を反応管２の内部に差し込むと共に反応管２の上部をサポーター４１に反応管差し込み孔６２から差し込み、さらに、反応管２の上部を反応管装着孔４３に差し込むと共に反応管２の上端のガス導入口９０の開口縁部を反応管位置決め部４４に当接させる。次に、反応管締め付け具６６を回転させて反応管差し込み孔６２の孔径を小さくすることによって、反応管２の軸出し用のブッシュ６３の内周面を反応管２の外周面に当接させて反応管２をブッシュ６３で挟持する。このようにしてサポーター４１に反応管２を取り付ける。この時、振れ防止スペーサ４０の外周面が反応管２の内周面に当接される。
【００５９】
次に、反応管２を接地電極８０の接地電極本体７１内に差し込んで反応管２の外側に接地電極８０を取り付ける。この後、サポーター４１よりも上側に突出する内側電極３の上部と接地電極８０の内側電極接続部７２を電線７７で接続する。次に、反応管２を外側電極１の挿着孔３１に差し込んで反応管２の外側で集束部２０の上側に外側電極１を取り付ける。この後、外側電極１の流入管３４と流出管３５の間に架設した接続板７８とコネクタ７４を電線７９で接続し、コネクタ７４と外側電極１を電気的に接続する。このようにしてプラズマ処理装置Ａが形成され、反応管２の内部において、外側電極１と内側電極３の間の空間が放電空間２２として内側電極３を囲うように形成される。
【００６０】
このプラズマ処理装置Ａでは、反応管２に対して内側電極３が振れることを防止するための振れ防止スペーサ４０を反応管２と内側電極３の間に設けたので、反応管２に対して内側電極３が振れないようにして、反応管２の上下方向（長手方向）の中心位置と内側電極３の上下方向（長手方向）の中心位置をほぼ合致した状態を維持することができ、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。つまり、図１０に示すように、反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置がずれていると、放電空間２２における反応管２の直径方向の断面内において、プラズマ生成用ガスの濃度や印加電力の不均一が生じ（図１０に点々模様で示す）、生成されるプラズマの密度が不均一になり、被処理物を均一にクリーニングしたりエッチングしたりする特性が低下したり、プラズマの生成そのものが不安定な動作となる恐れがあるが、本発明では振れ防止スペーサ４０により、反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置をずれないようにするので、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。
【００６１】
上記の振れ防止スペーサ４０は、放電空間２２より上側に１０〜３０ｍｍ離れた箇所に設けるのが好ましい。この位置では内側電極３が冷媒で冷却されているためにほぼ常温であり、また、プラズマの熱の影響を受けることも少ないために、樹脂製の振れ防止スペーサ４０が溶解するのを防ぐことができる。
【００６２】
また、上記のように反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置を合致させることが均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することに不可欠であるが、本発明では反応管２と内側電極３をサポーター４１で保持することによって、反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置を容易に合致させている。つまり、サポーター４１に反応管装着孔４３を設けると共に、サポーター４１に内側電極装着孔４５を設け、反応管装着孔４３の中心位置と内側電極装着孔４５の中心位置を合致させて形成し、反応管装着孔４３の孔径を反応管２の外径とほぼ同等に形成すると共に内側電極装着孔４５の孔径を内側電極３の外径とほぼ同等に形成したので、反応管装着孔４３に反応管２を差し込んで装着すると共に内側電極装着孔４５に内側電極３を差し込んで装着するだけで反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置を容易に合致させることができる。
【００６３】
また、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成するためには、上下方向における反応管２と内側電極３の位置関係も重要である。そこで本発明では、反応管２の差し込み方向において反応管２を位置決めするための反応管位置決め部４４を反応管装着孔４３に設けたので、反応管２を反応管位置決め部４４に当接させて、反応管２の長手方向においてサポーター４１に対する反応管２の取り付け位置を容易に一意的に決めることができ、反応管２に対して内側電極３の取り付け位置を容易に決めることができるものである。
【００６４】
このように本発明のプラズマ処理装置Ａは、反応管２及び内側電極３の上部をサポーター４１で保持し、反応管２及び内側電極３の下部に振れ防止スペーサ４０を設け、上下の二点支持で反応管２の中心位置と内側電極３の中心位置をほぼ合致させるようにしたものである。
【００６５】
内側電極３はサポーター４１の内側電極装着孔４５に対して移動自在に差し込まれ、内側電極位置決め機構４６である内側電極締め付け具６７で締め付けて反応管２の長手方向に対して内側電極３を位置決めするので、反応管２に対する内側電極３の差し込み深さを変えることができ、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成するように、反応管２と内側電極３の位置関係を容易に設定することができるものである。
【００６６】
さらに、反応管締め付け具６１を緩めることによって、反応管装着孔４３から反応管２を抜いてサポーター４１から容易に取り外すことができ、内側電極締め付け具６７を緩めることによって、内側電極装着孔４５から内側電極３を抜いてサポーター４１から容易に取り外すことができ、分解してメンテナンスを容易に行うことができるものである。
【００６７】
上記のようにして形成されるプラズマ処理装置Ａはケース内に設置されるが、この際、ケースに突設された保持板８１に反応管２の集束部２０を差し込み、取り付け板８２でサポーター４１の箇所をケースの内面に固定するようにする。このように金属製のサポーター４１の部分を取り付け板８２で押さえて固定することによって、反応管２に無理な力をかけることなく取り付けることができるものである。また、ガス導入管６５にガスコネクタ８４を介してガス供給ホース８３を接続すると共に、接地電極８０のコネクタ７４に高周波電源と接続される同軸ケーブルを接続する。
【００６８】
次に、上記のように形成されるプラズマ処理装置Ａを用いたプラズマ処理方法を説明する。まず、ガス供給ホース８３を通じてガス導入管６５にプラズマ生成用ガスを導入する（矢印▲１▼）と共にガス導入口９０を介してガス導入管６５から反応管２の内部にプラズマ生成用ガスを導入し、外側電極１と内側電極３に高周波などの交流を印加し、さらにこれと同時に外側電極１及び内側電極３を冷媒によって冷却する。この後、外側電極１と内側電極３の間に印加された交流電界により大気圧下で反応管２の放電空間２２でグロー放電を発生させ、グロー放電で反応管２の内部に導入されたプラズマ生成用ガスをプラズマ化し、プラズマ活性種を含むこのプラズマを吹き出し口２１からプラズマジェットとして吹き出して被処理物の表面に吹きつけることによって、エッチングやクリーニング等のプラズマ処理（改質処理）を行うことができる。
【００６９】
本発明においてプラズマ生成用ガスとしては、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ことができる。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、その添加量は不活性ガスに対して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。
【００７０】
また本発明において外側電極１と内側電極３の間の放電空間２２に印加される印加電力は２０〜３５００Ｗ／ｃｍ3に設定するのが好ましい。放電空間２２に印加される印加電力が２０Ｗ／ｃｍ3未満であれば、プラズマを充分に発生させることができなくなり、逆に、放電空間２２に印加される印加電力が３５００Ｗ／ｃｍ3を超えると、安定した放電を得ることができなくなる恐れがある。尚、印加電力の密度（Ｗ／ｃｍ3）は、（印加電力／放電空間体積）で定義される。
【００７１】
本発明において外側電極１と内側電極３に印加される交流の周波数は、１ｋＨｚ〜５０ＧＨｚ、好ましくは１０ｋＨｚ〜２００ＭＨｚに設定される。交流の周波数が１ｋＨｚ未満であれば、放電空間２２での放電を安定化させることができなくなる恐れがあり、交流の周波数が５０ＧＨｚを超えると、放電空間２２でのプラズマの温度上昇が著しくなる恐れがある。また外側電極１と内側電極３に交流を印加する場合、外側電極１と電源１５を接続し、内側電極３を接地するのが好ましく、このことで内側電極３と被処理物の間のストリーマー放電を抑制することができる。これは、内側電極３と被処理物の間の電位差がほとんど０になり、ストリーマー放電が生成されにくくなるためであり、特に、被処理物に金属部分が含まれている場合はストリーマー放電の生成が著しくなるので、内側電極３を接地するのが好ましい。
【００７２】
そして本発明では、外側電極１と内側電極の両方を冷媒により冷却するので、大気圧下で周波数の高い交流でプラズマを生成しても、外側電極１と内側電極３の両方の温度上昇をより抑えることができ、よってプラズマの温度（ガス温度）がより高くならないようにすることができて被処理物の熱的損傷をより少なくすることができるものである。また外側電極１と内側電極３の両方を冷却することによって、放電空間２２の局所的な加熱をより防ぐことができ、より均質なグロー放電を生成してストリーマー放電の生成を抑えることができて被処理物のストリーマー放電による損傷をより少なくすることができるものである。これは、外側電極１と内側電極３の両方を冷却することによって、外側電極１と内側電極３の両方からの部分的な電子の放出が抑えられるためであると考えられる。
【００７３】
また、図９（ａ）（ｂ）に示すように、反応管２の下部に集束部２０が形成せずにほぼ真っ直ぐに形成すると共に反応管２の下端面を平板状の閉塞部１６で閉塞し、閉塞部１６に複数個（図９（ａ）（ｂ）のものでは四個で略円形の閉塞部１６の四等分線状に配置されている。）の吹き出し口２１を穿孔するようにしてもよい。反応管２の内部には電極本体管２５と冷媒供給管２６からなる内側電極３が反応管２の中心部を上下に貫くように配設されているが、内側電極３の電極本体管２５の下端は閉塞部１６の上面の近傍に配置されている。また、外側電極１の下端面と反応管２の下端面はほぼ同じ高さに設定されており、従って、外側電極１と内側電極３の間に形成される放電空間２２の下端から吹き出し口２１までの距離はほぼ０になっている。従って、活性の高い生きたプラズマ活性種を消滅させる前に、吹き出し口２１からプラズマジェットを吹き出して被処理物に吹き付けることができ、被処理物のプラズマ処理を高めることができる。また、被処理物の処理域の面積や形状の変更などに容易に任意に対応することができる。
【００７４】
【実施例】
以下本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００７５】
（実施例１）
図１乃至８に示す構造のプラズマ処理装置Ａを形成した。反応管２としては石英ガラス管を用い、外径を１５．４ｍｍ、内径を１３ｍｍに形成した。またテーパー角は２０°とし、開口面積比は１１．７とした。振れ防止スペーサ４０としてはジュラコン樹脂製のものを用い、放電空間２２の上側２０ｍｍの位置に設けた。内部電極３としては外径が８ｍｍのものを用い、酸化チタンの溶射により形成される厚さ５０μｍの誘電体膜と、Ｎｉ−Ｃｒ合金の溶射により形成される厚さ３０μｍのアンダーコートとを有し、誘電体膜はＳｉＯ2にて封孔処理がなされているものを用いた。外側電極１としては金メッキを施した銅製のものを用い、外径を３５ｍｍ、高さ３０ｍｍに形成した。
【００７６】
また、外側電極１と内側電極３に印加される高周波の周波数を１３．５６ＭＨｚ、印加電力は２５０Ｗとしてプラズマ処理（フォトレジストのエッチング）を行った。被処理物としては３インチシリコンウェハーの表面に膜厚が１．３μｍのフォトレジストを形成したものを用いた。また、吹き出し口２１と被処理物の間隔は５ｍｍにした。さらに、プラズマ生成用ガスはアルゴンが３リットル／ｍｉｎ、ヘリウムが１リットル／ｍｉｎ、酸素０．０３リットル／ｍｉｎの流量で反応管２に供給して調製した。
【００７７】
被処理物を金属台の上に置き、上記の条件にて１０００時間の連続運転でプラズマ処理を行った。連続運転後に振れ防止スペーサ４０の損傷は認められず、プラズマ処理装置Ａの異常停止もなく、安定した動作が可能であった。また、連続運転中に数回サンプリングしてクリーニング特性の評価をしたところ、プラズマ照射領域にてフォトレジストのエッチング形状は±２０％以内のずれに収まっており、安定性が認められた。
【００７８】
また、内側電極３には誘電体膜で形成される保護層を形成したので、変色や加熱酸化が防止されており、内側電極３は侵されていなかった。尚、誘電体膜がない場合では、内側電極３の電極管本体２５が黒色に変色し、加熱酸化により内側電極３が侵されており、内側電極３の寿命は２４０時間であった。
【００７９】
（実施例２）
冷媒供給管２６の下端に６個の振れ防止爪４２を放射状に突出させて実施例１と同様のプラズマ処理装置Ａを形成した。この場合、内側電極３に異常発熱が認められず、内側電極３の寿命を１０００時間以上に確保することができた。尚、振れ防止爪４２を設けなくて電極管本体２５の中心位置と冷媒供給管２６の中心位置がずれている場合では、実施例１と同条件でプラズマ処理を行うと、３８０時間で異常が発生した。これは、冷媒供給管２６が傾くことにより内側電極３内での冷媒の流れが不均一となり、冷媒の流れが少なくなった箇所で局所的な異常発熱が起こり、二次電子の発生率が上昇してプラズマがアーク放電に移行したことで内側電極３の表面の金属面が侵されたためである。
【００８０】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１の発明は、外側電極を備えた筒状の反応管、及び反応管の内部に配置される内側電極を具備して構成され、反応管に不活性ガスまたは不活性ガスと反応ガスの混合気体を導入すると共に外側電極と内側電極の間に交流電界を印加することにより大気圧下で反応管の内部に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すようにするプラズマ処理装置において、反応管に対して内側電極が振れることを防止するための振れ防止スペーサを反応管と内側電極の間に設けたので、振れ防止スペーサによって反応管の中心位置と内側電極の中心位置をほぼ合致した状態を維持することができ、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。また、電極本体管内に冷媒供給管を設けて内側電極を形成し、電極本体管と冷媒供給管の間を冷媒供給管にて供給される冷媒の流路部として形成し、電極本体管に対して冷媒供給管が振れることを防止するための振れ防止爪を冷媒供給管の先端に複数個形成すると共に振れ防止爪の一部を放射状に外側に突出させたので、振れ防止爪の先端を電極管本体の内周面に当接して冷媒供給管が振れないようにすることができ、電極管本体の中心位置と冷媒供給管の中心位置をほぼ合致した状態に保つことができるものであり、従って、流路部の狭い部分が形成されなくなって冷媒の流れが均一になり、内側電極を均一に冷却して温度を均一化することができるものであり、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。
【００８１】
また本発明の請求項２の発明は、反応管の中心位置と内側電極の中心位置をほぼ合致させて反応管と内側電極を保持するためのサポーターを備えたので、サポーターによって反応管の中心位置と内側電極の中心位置をほぼ合致した状態で保持することができ、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。
【００８３】
また本発明の請求項３の発明は、振れ防止爪の一部を内側に曲げたので、一部の振れ防止爪を内側に折り曲げて流路部に突出させないようにすることによって、冷媒の圧力損失を小さくすることができ、冷媒が流れ易くなるものであり、内側電極を均一に冷却して温度を均一化することができて均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。しかも、スケール等が溜まりにくくなって流路部の目詰まりを防止することができるものである。
【００８４】
また本発明の請求項４の発明は、反応管を下方より差し込んで装着するための反応管装着孔をサポーターに設け、反応管の差し込み方向において反応管を位置決めするための反応管位置決め部を反応管装着孔に設けたので、サポーターに対する反応管の位置決めを反応管位置決め部により容易に行うことができ、サポーターに保持される内側電極と反応管のサポーターへの差し込み方向における位置決めを簡単におこなうことができるものである。
【００８５】
また本発明の請求項５の発明は、内側電極を上方より差し込んで装着するための内側電極装着孔をサポーターに設けたので、内側電極装着孔への内側電極の差し込み及び抜き出しを上方から容易に行うことができ、サポーターへの内側電極の取り付け及び取り外しを簡単に行うことができるものであり、メンテナンス性を向上させることができるものである。
【００８６】
また本発明の請求項６の発明は、反応管の長手方向に対して内側電極を位置決めするための内側電極位置決め機構をサポーターに設けたので、サポーターに対する内側電極の位置決めを内側電極位置決め機構により容易に行うことができ、サポーターに保持される内側電極と反応管のサポーターへの長手方向における位置決めを簡単におこなうことができるものである。
【００８７】
また本発明の請求項７の発明は、内側電極の表面に誘電体膜を設けたので、内側電極を誘電体膜で保護することができ、放電の安定化を図ることができるものであり、しかもプラズマの熱照射による内側電極の消耗を低減することができて内側電極の長寿命化を図ることができるものである。
【００８８】
また本発明の請求項８の発明は、内側電極の表面と誘電体膜の間にアンダーコートを設けたので、誘電体膜にかかる熱応力負荷の衝撃をアンダーコートで緩和させることができ、誘電体膜が剥離しにくくなって誘電体膜の長寿命化を図ることができるものである。
【００８９】
また本発明の請求項９の発明は、誘電体膜に封孔処理を施したので、誘電体膜の欠陥部分を埋めることができ、アーク放電を起こりにくくすることができるものであり、しかも、プラズマの加熱による内側電極の劣化を防止して長寿命化を図ることができるものである。
【００９０】
また本発明の請求項１０の発明は、誘電体膜を誘電体材料で形成したので、放電の安定化を確実に図ることができるものであり、また、プラズマの熱照射による内側電極の消耗を確実に低減することができるものである。
【００９１】
また本発明の請求項１１の発明は、アンダーコートをニッケル、クロム、アルミニウム、イットリウムを含む合金膜で形成したので、誘電体膜にかかる熱応力負荷の衝撃をアンダーコートで確実に緩和させることができるものである。
【００９２】
また本発明の請求項１２の発明は、誘電体材料で封孔処理を施したので、誘電体膜の欠陥部分を埋めることができるものである。
【００９３】
また本発明の請求項１３の発明は、誘電体膜の厚みを１０〜５００μｍに形成したので、放電の安定化を確実に図ることができるものであり、また、プラズマの熱照射による内側電極の消耗を確実に低減することができるものである。
【００９４】
また本発明の請求項１４の発明は、誘電体膜を誘電体材料の溶射にて形成したので、誘電体膜を簡単に形成することができるものである。
【００９６】
また本発明の請求項１５の発明は、プラズマジェットが吹き出される吹き出し口を反応管の先端面に設け、反応管の先端を吹き出し口側に向かって先細りとなる集束部として形成し、集束部の外周面と集束部以外の反応管の外周面との間に形成されるテーパー角が１０〜３０°であるので、吹き出し口から吹き出されるプラズマジェットの流速を確実に加速することができ、反応性ガス活性粒子が消滅する前に被処理物にプラズマジェットを到達させることができて被処理物のプラズマ処理の効率を高めることができるものである。
【００９７】
また本発明の請求項１６の発明は、プラズマジェットが吹き出される複数個の吹き出し口を反応管に設けたので、被処理物のプラズマ処理する部分の面積や形状に対応させてプラズマジェットの吹き出す範囲を変更することができ、多くの形状の被処理物にプラズマ処理を確実に施すことができるものである。
【００９８】
また本発明の請求項１７の発明は、冷媒を流通させる冷媒流通溝を内電極管の外周面に螺旋状に形成し、外電極管の内側に内電極管を嵌め込んで外側電極を形成したので、冷媒流通溝に冷媒を流して外側電極の冷却を行うことができ、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができるものである。
【００９９】
本発明のプラズマ処理方法は、請求項１乃至１７のいずれかに記載のプラズマ処理装置で発生させたプラズマジェットを被処理物に供給してプラズマ処理を行うので、均一な密度のプラズマジェットを安定して生成することができ、被処理物に対して損傷を与えることなく安定で均一なプラズマ処理を施す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断面図である。
【図２】同上の外側電極を示す断面図である。
【図３】同上の内側電極を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図である。
【図４】同上の内側電極の一部を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図である。
【図５】同上の他の内側電極の一部を示す断面図である。
【図６】同上のサポーターを示す正面図である。
【図７】同上の組立方法を示す断面図である。
【図８】同上の正面図である。
【図９】同上の反応管の他例の一部を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図である。
【図１０】従来例を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
１ 外側電極
２ 反応管
３ 内側電極
２０ 集束部
２５ 電極本体管
２６ 冷媒供給管
４０ 振れ防止スペーサ
４１ サポーター
４２ 振れ防止爪
４３ 反応管装着孔
４４ 反応管位置決め部
４５ 内側電極装着孔
４６ 内側電極位置決め機構
４９ 冷媒流通溝
５０ 内電極管
５１ 外電極管
Ａ プラズマ処理装置
α テーパー角
Claims (18)
- 外側電極を備えた筒状の反応管、及び反応管の内部に配置される内側電極を具備して構成され、反応管に不活性ガスまたは不活性ガスと反応ガスの混合気体を導入すると共に外側電極と内側電極の間に交流電界を印加することにより大気圧下で反応管の内部に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すようにするプラズマ処理装置において、反応管に対して内側電極が振れることを防止するための振れ防止スペーサを反応管と内側電極の間に設け、電極本体管内に冷媒供給管を設けて内側電極を形成し、電極本体管と冷媒供給管の間を冷媒供給管にて供給される冷媒の流路部として形成し、電極本体管に対して冷媒供給管が振れることを防止するための振れ防止爪を冷媒供給管の先端に複数個形成すると共に振れ防止爪の一部を放射状に外側に突出させて成ることを特徴とするプラズマ処理装置。
- 反応管の中心位置と内側電極の中心位置をほぼ合致させて反応管と内側電極を保持するためのサポーターを備えて成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。
- 振れ防止爪の一部を内側に曲げて成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
- 反応管を下方より差し込んで装着するための反応管装着孔をサポーターに設け、反応管の差し込み方向において反応管を位置決めするための反応管位置決め部を反応管装着孔に設けて成ることを特徴とする請求項２又は３に記載のプラズマ処理装置。
- 内側電極を上方より差し込んで装着するための内側電極装着孔をサポーターに設けて成ることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 反応管の長手方向に対して内側電極を位置決めするための内側電極位置決め機構をサポーターに設けて成ることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 内側電極の表面に誘電体膜を設けて成ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 内側電極の表面と誘電体膜の間にアンダーコートを設けて成ることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ処理装置。
- 誘電体膜に封孔処理を施して成ることを特徴とする請求項７又は８に記載のプラズマ処理装置。
- 誘電体膜を誘電体材料で形成して成ることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- アンダーコートをニッケル、クロム、アルミニウム、イットリウムを含む合金膜で形成して成ることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 誘電体材料で封孔処理を施して成ることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 誘電体膜の厚みを１０〜５００μｍに形成して成ることを特徴とする請求項７乃至１２のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 誘電体膜を誘電体材料の溶射にて形成して成ることを特徴とする請求項７乃至１３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- プラズマジェットが吹き出される吹き出し口を反応管の先端面に設け、反応管の先端を吹き出し口側に向かって先細りとなる集束部として形成し、集束部の外周面と集束部以外の反応管の外周面との間に形成されるテーパー角が１０〜３０°であることを特徴する請求項１乃至１４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- プラズマジェットが吹き出される複数個の吹き出し口を反応管に設けて成ることを特徴とする請求項１乃至１５に記載のプラズマ処理装置。
- 冷媒を流通させる冷媒流通溝を内電極管の外周面に螺旋状に形成し 、外電極管の内側に内電極管を嵌め込んで外側電極を形成して成ることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 請求項１乃至１７のいずれかに記載のプラズマ処理装置で発生させたプラズマジェットを被処理物に供給してプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
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