JP4321308B2

JP4321308B2 - プラズマ発生方法及び装置

Info

Publication number: JP4321308B2
Application number: JP2004057220A
Authority: JP
Inventors: 智洋奥村; 光央齋藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2024-03-02
Also published as: JP2005251444A

Description

本発明は、プラズマ発生方法及びプラズマ発生装置に関するものである。

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表面改質、薄膜堆積、エッチングなどを行う方法が実用化されている。しかしながら、低圧条件下における処理は、真空ポンプや頑強な密閉容器が必要なことから工業的には不利であるため、半導体や高性能電子部品等の高価な製品に対してしか適用されていない。このため、大気圧近傍の圧力下で放電プラズマを発生させる方法が提案されており、ヘリウム雰囲気下で処理を行う方法がある（例えば、特許文献１を参照）。

また、アルゴンとアセトン及び／又はヘリウムからなる雰囲気下で処理を行う方法がある（例えば、特許文献２を参照）。また、パルス放電方式による大気圧プラズマ発生方法が提案されている（例えば、特許文献３を参照）。
特開平２−４８６２６号公報特開平４−７４５２５号公報特許第３０４０３５８号公報

しかしながら、従来例のプラズマ発生方法においては、高コストである、所望の反応が得られない、処理速度が遅い、電源が故障しやすい、などの問題点があった。

例えば、ヘリウム雰囲気下で処理を行う方法においては、一般にヘリウム濃度を９０％以上にまで高める必要があり、高価なヘリウムガスを大量に使用する点、ガス雰囲気が限定される点が問題であった。また、酸素、堆積材料ガスまたはハロゲン含有ガスなどの反応ガスの濃度を低くせざるを得ないため、処理速度が低いという問題があった。

また、アセトン等の有機化合物を含有するガス雰囲気中でプラズマを発生させる方法においては、有機化合物自身が被処理体と反応する場合が多く、所望する表面改質処理が出来ないことがあるという問題があった。また、酸素、堆積材料ガスまたはハロゲン含有ガスなどの反応ガスの濃度を低くせざるを得ないため、処理速度が低いという問題があった。

また、パルス放電方式においては、電気的な負荷となるプラズマの発生状況によっては想定よりも大きな電流が流れてしまう場合があり、電源が故障しやすいという問題があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、安価に所望の反応が高速で実現でき、電源の故障が生じにくいプラズマ発生方法及び装置を提供することを目的としている。

本願の第１発明のプラズマ発生方法は、対向して配置された第１及び第２の電極間にガスを流しながら、第１及び第２の電極間に電圧を印加し、第１及び第２の電極間にプラズマを発生させ前記第１及び第２の電極間に配置された基板を処理するプラズマ発生方法であって、前記電極の一方に前記基板を配置し、かつ、他方の電極と前記基板とのギャップを０．３ｍｍ〜５ｍｍに保持した状態で前記他方の電極と前記他方の電極に設けられたシャワー電極とで形成されるガス溜まりに配置されたピエゾ振動子によって前記ガス溜まりに供給されるガスの流れに周波数１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の脈動を与えることを特徴とする。

このような構成により、空気、窒素、酸素、堆積材料ガスまたはハロゲン含有ガスなどの反応ガスの濃度が高い領域に、アーク放電（火花）を生じさせることなく安定した放電を発生することができるため、安価に所望の反応が高速で実現でき、また、パルス状の電圧を用いる必要がなくなるため、電源の故障が生じにくいプラズマ発生方法を実現することができる。

本願の第１発明のプラズマ発生方法において、好適には、ガスが空気または窒素を主体とするガスであることが望ましい。このような構成により、極めて安価なプラズマ発生が可能となる。

本願の第１発明のプラズマ発生方法において、好適には、脈動の周波数が２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であることが望ましい。このような構成により、アーク放電（火花）の抑制効果が高く、かつ、安価なプラズマ発生が実現できる。

本願の第１発明のプラズマ発生方法において、好適には、電圧が１００Ｖ以上１００ｋＶ以下であることが望ましい。このような構成により、アーク放電（火花）の抑制効果が高く、かつ、高速な処理が実現できる。さらに好適には、電圧が１ｋＶ以上１０ｋＶ以下であることが望ましい。このような構成により、アーク放電（火花）の抑制効果がより高く、かつ、より高速な処理が実現できる。

また、圧力が０．１気圧以上１０気圧以下の領域にプラズマを発生させることが望ましい。このような構成により、より安価なプラズマ発生が実現できる。さらに好適には、大気圧近傍の領域にプラズマを発生させることが望ましい。このような構成により、さらに安価なプラズマ発生が実現できる。

本願の第２発明のプラズマ発生装置は、対向して配置された第１の電極及び第２の電極と、第１及び第２の電極間にガスを流すガス供給装置と、第１または第２の電極に電圧を印加する電源と、を備え、前記第１及び第２の電極のいずれか一方の電極に配置された基板を処理するプラズマ発生装置であって、他方の電極と前記他方の電極に設けられたシャワー電極とで形成されるガス溜まりに配置され第１及び第２の電極間に流れるガスの流れに脈動を与えるピエゾ振動子を備え、他方の電極と前記基板とのギャップを０．３ｍｍ〜５ｍｍに保持した状態で前記基板を処理することを特徴とする。

このような構成により、空気、窒素、酸素、堆積材料ガスまたはハロゲン含有ガスなどの反応ガスの濃度が高い領域に、アーク放電（火花）を生じさせることなく安定した放電を発生することができるため、安価に所望の反応が高速で実現でき、また、パルス状の電圧を用いる必要がなくなるため、電源の故障が生じにくいプラズマ発生装置を実現することができる。

本願の第２発明のプラズマ発生装置において、好適には、脈動の周波数が２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であることが望ましい。このような構成により、アーク放電（火花）の抑制効果が高く、かつ、安価なプラズマ発生が実現できる。

本願の第２発明のプラズマ発生装置において、好適には、電圧が１００Ｖ以上１００ｋＶ以下であることが望ましい。このような構成により、アーク放電（火花）の抑制効果が高く、かつ、高速な処理が実現できる。さらに好適には、電圧が１ｋＶ以上１０ｋＶ以下であることが望ましい。このような構成により、アーク放電（火花）の抑制効果がより高く、かつ、より高速な処理が実現できる。

以上のように、本願発明のプラズマ発生方法及び装置によれば、安価に所望の反応が高速で実現でき、電源の故障が生じにくいプラズマ発生方法及び装置が実現できる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１〜図３を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態１において用いたプラズマ発生装置の概略構成図である。図１において、第１電極としての基板電極１上に被処理物としてのシリコン基板２が載置されている。基板電極１に対向して第２電極としての対向電極３が設けられ、対向電極３にはシャワー電極４及びシャワープレート５が設けられている。シャワー電極４及びシャワープレート５には互いに対応する位置にシャワー穴（貫通穴）６が設けられている。ガス供給装置７から配管８を介して、対向電極３とシャワー電極４の間に設けられた空間であるガス溜まり９にガスが供給され、シャワー穴６を通じて基板２上に噴出させる。この状態で基板電極１に高周波電源１０から１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、基板２に高周波電圧が生じ、シャワープレート５と基板２間にプラズマが発生する。

また、バイブレータとしての超音波振動子１１と基板電極１が、ホーン１２を介して接続されており、また、基板電極１の、ホーン１２と反対側の端に整合ユニット１３が接続されている。バイブレータ１１を動作させることにより、基板電極１と基板２が、対向電極３に対して平行に機械的に振動するように構成されている。ここでは、周波数５０ｋＨｚ、振幅１５μｍにて基板電極１を振動させた。ホーン１２は振動エネルギーを基板電極１に伝達するための部材であり、また、整合ユニット１３は、振動系の固有振動数をバイブレータ１１の発信周波数に整合させ、投入エネルギーに対してできるだけ大きい振動振幅を得るためのものである。

上記の各構成要素は大気圧中にあり、真空容器のような完全密閉型の頑丈な容器や、真空ポンプは不要である。なお、基板２を基板電極１に固定する方法としては、着脱可能な接着剤を用いる方法、粘着シートを用いる方法、押さえ治具を用いる方法などから適宜選択することができる。

図１におけるシャワープレート５と基板２間のギャップＧは、０．３ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。ギャップＧが狭すぎても広すぎても、放電が着火しない場合がある。シャワー穴６の直径は０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。シャワー穴６の直径が小さすぎると、処理を繰り返し行ったときの経時変化が大きくなり、再現性の低下を招くことがある。シャワー穴６の直径が大きすぎると、アーク放電を引き起こしやすい。動作圧力範囲は０．１気圧以上１０気圧以下が好ましい。圧力が小さいと、完全密閉型の容器や真空ポンプが必要となり、コスト面で不利である。圧力が大きい場合にも完全密閉型の容器が必要となる。大気圧近傍で動作させることが、コスト面、トータル処理時間の面からもっとも有利である。

また、高周波電力は基板の面積１平方センチ当たり概ね０．１Ｗ〜１０Ｗ供給する。電力が小さすぎると放電が発生しない場合がある。逆に電力が大きすぎると、アーク放電を引き起こしやすい。

このようなプラズマ発生装置において、直径８インチのシリコン基板２を用い、空気流量１０ｓｌｍ、高周波電力５００Ｗの条件で大気圧プラズマを発生させたところ、アーク放電（火花）は生じず、また、１秒間のプラズマ照射によって、基板２の表面の表面改質（濡れ性改善）が行えた。プラズマ照射前における基板２の水の接触角は３１°であったが、プラズマ照射後は１０°にまで低下させることができた。

このように、空気という極めて安価なガスを用いて、高速で、かつ、アーク放電（火花）を生じさせることなく、良好にプラズマ発生及びプラズマ処理が行えた理由について、図２を参照して詳しく説明する。

図２は、本発明の実施の形態１における、基板２とシャワープレート５の間の空間を拡大した断面図である。図２（ａ）において、高周波電力の印加を行うと放電が開始し、基板２またはシャワープレート５の一方よりストリーマ１４が他方に向けて進展する。ここでは、シャワープレート５から基板２に向けてストリーマ１４が進展する場合を例示している。次いで、図２（ｂ）のように、ストリーマ１４の先端が基板２に到達する。基板２はシャワープレート５に対して平行に機械的に振動しており、ここでは右から左へ基板２が移動している場合を例示している。

次いで、図２（ｃ）のように、基板２の振動（移動）に伴い、ストリーマ１４が分断される。次いで、図２（ｄ）のように、分断されたストリーマは縮退し、ついには消滅する。このような現象が、シャワープレート５と基板２の間で無数に起きるが、プラズマに曝露される領域たるシャワープレート５の表面と基板２の表面において、振動によって互いの相対位置が絶えず変化するため、ストリーマを契機としたアーク放電（火花）は発生しない。

比較のため、直径８インチのシリコン基板２を用い、空気流量１０ｓｌｍ、高周波電力５００Ｗの条件で、バイブレータ１１を動作させずに大気圧プラズマを発生させたところ、アーク放電（火花）が生じた。アーク放電（火花）の発生により、基板２とシャワープレート５の表面がダメージを受け、小さな傷が多数生じてしまった。

このように、基板２とシャワープレート５の表面がダメージを受けた理由について、図３を参照して詳しく説明する。

図３は、従来技術（バイブレータ１１を動作させなかった場合）における、基板２とシャワープレート５の間の空間を拡大した断面図である。図３（ａ）において、高周波電力の印加を行うと放電が開始し、基板２またはシャワープレート５の一方よりストリーマ１４が他方に向けて進展する。ここでは、シャワープレート５から基板２に向けてストリーマ１４が進展する場合を例示している。次いで、図３（ｂ）のように、ストリーマ１４の先端が基板２に到達する。次いで、図３（ｃ）のように、ストリーマ１４が徐々に太く成長していくとともに、ストリーマ１４の先端部に相当する基板２の一部１５が局所的に加熱される。加熱によって、基板２の一部１５を構成するシリコン原子が揮発しはじめ、図３（ｄ）のように、火花が生じてシリコン粒子１６が基板２から飛び出すようになる。つまり、ストリーマを契機としたアーク放電（火花）が発生する。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図４を参照して説明する。

図４において、第１電極としての基板電極１上に被処理物としてのシリコン基板２が載置されている。基板電極１に対向して第２電極としての対向電極３が設けられ、対向電極３にはシャワー電極４及びシャワープレート５が設けられている。シャワー電極４及びシャワープレート５には互いに対応する位置にシャワー穴（貫通穴）６が設けられている。ガス供給装置７から配管８を介して、対向電極３とシャワー電極４の間に設けられた空間であるガス溜まり９にガスが供給され、シャワー穴６を通じて基板２上に噴出させる。この状態で基板電極１に高周波電源１０から１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、シャワープレート５と基板２間にプラズマが発生する。

また、バイブレータとしての超音波振動子１１と対向電極３が、ホーン１２を介して接続されており、また、対向電極３の、ホーン１２と反対側の端に整合ユニット１３が接続されている。バイブレータ１１を動作させることにより、対向電極３、シャワー電極４及びシャワープレート５が、基板電極１及び基板２に対して平行に機械的に振動するように構成されている。ここでは、周波数５０ｋＨｚ、振幅１５μｍにて対向電極３を振動させた。ホーン１２は振動エネルギーを対向電極３に伝達するための部材であり、また、整合ユニット１３は、振動系の固有振動数をバイブレータ１１の発信周波数に整合させ、投入エネルギーに対してできるだけ大きい振動振幅を得るためのものである。上記の各構成要素は大気圧中にあり、真空容器のような完全密閉型の頑丈な容器や、真空ポンプは不要である。

なお、基板２を基板電極１に固定する方法としては、載置、着脱可能な接着剤を用いる方法、粘着シートを用いる方法、押さえ治具を用いる方法などから適宜選択することができる。

図４におけるシャワープレート５と基板２間のギャップＧは、０．３ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。ギャップＧが狭すぎても広すぎても、放電が着火しない場合がある。シャワー穴６の直径は０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。シャワー穴６の直径が小さすぎると、処理を繰り返し行ったときの経時変化が大きくなり、再現性の低下を招くことがある。シャワー穴６の直径が大きすぎると、アーク放電を引き起こしやすい。動作圧力範囲は０．１気圧以上１０気圧以下が好ましい。圧力が小さいと、完全密閉型の容器や真空ポンプが必要となり、コスト面で不利である。圧力が大きい場合にも完全密閉型の容器が必要となる。大気圧近傍で動作させることが、コスト面、トータル処理時間の面からもっとも有利である。

このようなプラズマ発生装置において、直径８インチのシリコン基板２を用い、空気流量１０ｓｌｍ、高周波電力５００Ｗの条件で大気圧プラズマを発生させたところ、アーク放電（火花）は生じず、また、１秒間のプラズマ照射によって、基板２の表面の表面改質（濡れ性改善）が行えた。プラズマ照射前における基板２の水の接触角は３１°であったが、プラズマ照射後は９°にまで低下させることができた。

このように、空気という極めて安価なガスを用いて、高速で、かつ、アーク放電（火花）を生じさせることなく、良好にプラズマ発生及びプラズマ処理が行えた理由は、すでに図２を参照して詳しく説明したことと同様である。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図５を参照して説明する。

図５において、第１電極１７と第２電極１８が対向して配置されている。第１電極１７と第２電極１８の互いに対向する面は、絶縁体１９で覆われている。被処理物としての基板２は、基板電極１上に載置されている。図示しないガス供給装置から配管を介して、第１電極１７と第２電極１８の間の空間（２つの絶縁体１９の間）にガスが供給され、基板２上に噴出させる。この状態で第１電極１７に高周波電源１０から１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、第１電極１７と第２電極１８の間の空間（２つの絶縁体１９の間）にプラズマが発生する。

また、バイブレータとしての超音波振動子１１と第２電極１８が、ホーン１２を介して接続されており、また、第２電極１８の、ホーン１２と反対側の端に整合ユニット１３が接続されている。バイブレータ１１を動作させることにより、第２電極１８が、第１電極１７に対して平行に機械的に振動するように構成されている。ここでは、周波数９０ｋＨｚ、振幅１０μｍにて第２電極１８を振動させた。ホーン１２は振動エネルギーを第２電極１８に伝達するための部材であり、また、整合ユニット１３は、振動系の固有振動数をバイブレータ１１の発信周波数に整合させ、投入エネルギーに対してできるだけ大きい振動振幅を得るためのものである。上記の各構成要素は大気圧中にあり、真空容器のような完全密閉型の頑丈な容器や、真空ポンプは不要である。なお、基板２を基板電極１に固定する方法としては、載置、着脱可能な接着剤を用いる方法、粘着シートを用いる方法、押さえ治具を用いる方法などから適宜選択することができる。

図５における２つの絶縁体１９の間のギャップＧは、０．３ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。ギャップＧが狭すぎても広すぎても、放電が着火しない場合がある。動作圧力範囲は０．１気圧以上１０気圧以下が好ましい。圧力が小さいと、完全密閉型の容器や真空ポンプが必要となり、コスト面で不利である。圧力が大きい場合にも完全密閉型の容器が必要となる。大気圧近傍で動作させることが、コスト面、トータル処理時間の面からもっとも有利である。また、高周波電力は基板の面積１平方センチ当たり概ね０．１Ｗ〜１０Ｗ供給する。電力が小さすぎると放電が発生しない場合がある。逆に電力が大きすぎると、アーク放電を引き起こしやすい。

このようなプラズマ発生装置において、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍのガラス基板２を用い、空気流量３ｓｌｍ、高周波電力３００Ｗの条件で大気圧プラズマを発生させたところ、アーク放電（火花）は生じず、また、１秒間のプラズマ照射によって、基板２の表面の表面改質（濡れ性改善）が行えた。プラズマ照射前における基板２の水の接触角は２５°であったが、プラズマ照射後は９°にまで低下させることができた。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図６を参照して説明する。

図６は、本発明の実施の形態６において用いたプラズマ発生装置の概略構成図である。図６において、第１電極１７と第２電極１８が対向して配置されている。第１電極１７と第２電極１８の互いに対向する面は、絶縁体１９で覆われている。被処理物としての基板２は、基板電極１上に載置されている。図示しないガス供給装置から配管を介して、第１電極１７と第２電極１８の間の空間（２つの絶縁体１９の間）にガスが供給され、基板２上に噴出させる。この状態で第１電極１７に高周波電源１０から１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、第１電極１７と第２電極１８の間の空間（２つの絶縁体１９の間）にプラズマが発生する。

また、回転台としてのモータ２０と第２電極１８が、シャフト２１を介して接続されており、モータ２０を回転させることにより、第２電極１８が、第１電極１７に対して平行に回転するように構成されている。ここでは、回転数５０００ｒｐｍにて第２電極１８を回転させた。上記の各構成要素は大気圧中にあり、真空容器のような完全密閉型の頑丈な容器や、真空ポンプは不要である。

図６における２つの絶縁体１９の間のギャップＧは、０．３ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。ギャップＧが狭すぎても広すぎても、放電が着火しない場合がある。動作圧力範囲は０．１気圧以上１０気圧以下が好ましい。圧力が小さいと、完全密閉型の容器や真空ポンプが必要となり、コスト面で不利である。圧力が大きい場合にも完全密閉型の容器が必要となる。大気圧近傍で動作させることが、コスト面、トータル処理時間の面からもっとも有利である。

このようなプラズマ発生装置において、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍのガラス基板２を用い、空気流量３ｓｌｍ、高周波電力３００Ｗの条件で大気圧プラズマを発生させたところ、アーク放電（火花）は生じず、また、１秒間のプラズマ照射によって、基板２の表面の表面改質（濡れ性改善）が行えた。プラズマ照射前における基板２の水の接触角は２５°であったが、プラズマ照射後は１１°にまで低下させることができた。

このように、空気という極めて安価なガスを用いて、高速で、かつ、アーク放電（火花）を生じさせることなく、良好にプラズマ発生及びプラズマ処理が行えた理由は、すでに図２を参照して詳しく説明したことと同様であり、第２電極１８が回転することによって第１電極１７と第２電極１８の互いの相対位置が絶えず変化するため、ストリーマを契機としたアーク放電（火花）が発生しなかったためである。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図７を参照して説明する。

図７は、本発明の実施の形態５において用いたプラズマ発生装置の概略構成図である。図７において、第１電極としての基板電極１上に被処理物としてのシリコン基板２が載置されている。基板電極１に対向して第２電極としての対向電極３が設けられ、対向電極３にはシャワー電極４及びシャワープレート５が設けられている。シャワー電極４及びシャワープレート５には互いに対応する位置にシャワー穴（貫通穴）６が設けられている。ガス供給装置７から配管８を介して、対向電極３とシャワー電極４の間に設けられた空間であるガス溜まり９にガスが供給され、シャワー穴６を通じて基板２上に噴出させる。この状態で対向電極３に高周波電源１０から１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、シャワープレート５と基板２間にプラズマが発生する。また、回転台としてのモータ２０と基板電極１が、シャフト２１を介して接続されており、モータ２０を回転させることにより、基板電極１が、対向電極３に対して平行に回転するように構成されている。

ここでは、回転数３０００ｒｐｍにて基板電極１を回転させた。上記の各構成要素は大気圧中にあり、真空容器のような完全密閉型の頑丈な容器や、真空ポンプは不要である。なお、基板２を基板電極１に固定する方法としては、着脱可能な接着剤を用いる方法、粘着シートを用いる方法、押さえ治具を用いる方法などから適宜選択することができる。

図７におけるシャワープレート５と基板２間のギャップＧは、０．３ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。ギャップＧが狭すぎても広すぎても、放電が着火しない場合がある。シャワー穴６の直径は０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。シャワー穴６の直径が小さすぎると、処理を繰り返し行ったときの経時変化が大きくなり、再現性の低下を招くことがある。シャワー穴６の直径が大きすぎると、アーク放電を引き起こしやすい。動作圧力範囲は０．１気圧以上１０気圧以下が好ましい。圧力が小さいと、完全密閉型の容器や真空ポンプが必要となり、コスト面で不利である。圧力が大きい場合にも完全密閉型の容器が必要となる。大気圧近傍で動作させることが、コスト面、トータル処理時間の面からもっとも有利である。

（実施の形態６）
以下、本発明の実施の形態６について、図８を参照して説明する。

図８は、本発明の実施の形態６において用いたプラズマ発生装置の概略構成図である。図８において、第１電極としての基板電極１上に被処理物としてのシリコン基板２が載置されている。基板電極１に対向して第２電極としての対向電極３が設けられ、対向電極３にはシャワー電極４及びシャワープレート５が設けられている。シャワー電極４及びシャワープレート５には互いに対応する位置にシャワー穴（貫通穴）６が設けられている。ガス供給装置７から配管８を介して、対向電極３とシャワー電極４の間に設けられた空間であるガス溜まり９にガスが供給され、シャワー穴６を通じて基板２上に噴出させる。この状態で基板電極１に高周波電源１０から１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、シャワープレート５と基板２間にプラズマが発生する。また、回転台としてのモータ２０と対向電極３が、シャフト２１を介して接続されており、モータ２０を回転させることにより、対向電極３が、基板電極１に対して平行に回転するように構成されている。ここでは、回転数３０００ｒｐｍにて対向電極３を回転させた。上記の各構成要素は大気圧中にあり、真空容器のような完全密閉型の頑丈な容器や、真空ポンプは不要である。

なお、基板２を基板電極１に固定する方法としては、着脱可能な接着剤を用いる方法、粘着シートを用いる方法、押さえ治具を用いる方法などから適宜選択することができる。

図８におけるシャワープレート５と基板２間のギャップＧは、０．３ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。ギャップＧが狭すぎても広すぎても、放電が着火しない場合がある。シャワー穴６の直径は０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。シャワー穴６の直径が小さすぎると、処理を繰り返し行ったときの経時変化が大きくなり、再現性の低下を招くことがある。シャワー穴６の直径が大きすぎると、アーク放電を引き起こしやすい。動作圧力範囲は０．１気圧以上１０気圧以下が好ましい。圧力が小さいと、完全密閉型の容器や真空ポンプが必要となり、コスト面で不利である。圧力が大きい場合にも完全密閉型の容器が必要となる。大気圧近傍で動作させることが、コスト面、トータル処理時間の面からもっとも有利である。

（実施の形態７）
以下、本発明の実施の形態７について、図９を参照して説明する。

図９は、本発明の実施の形態７において用いたプラズマ発生装置の概略構成図である。図９において、第１電極としての基板電極１上に被処理物としてのシリコン基板２が載置されている。基板電極１に対向して第２電極としての対向電極３が設けられ、対向電極３にはシャワー電極４及びシャワープレート５が設けられている。シャワー電極４及びシャワープレート５には互いに対応する位置にシャワー穴（貫通穴）６が設けられている。ガス供給装置７から配管８を介して、対向電極３とシャワー電極４の間に設けられた空間であるガス溜まり９にガスが供給され、シャワー穴６を通じて基板２上に噴出させる。この状態で基板電極１に高周波電源１０から１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、シャワープレート５と基板２間にプラズマが発生する。

また、振動バルブとしてのピエゾ振動子２２が、ガス溜まり９に接して設けられており、ピエゾ振動子２２を動作させることにより、ガスの流れに脈動を与えることができるように構成されている。ここでは、周波数１０ｋＨｚにてピエゾ振動子２２を動作させ、ガスの流れに脈動を与えた。上記の各構成要素は大気圧中にあり、真空容器のような完全密閉型の頑丈な容器や、真空ポンプは不要である。

図９におけるシャワープレート５と基板２間のギャップＧは、０．３ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。ギャップＧが狭すぎても広すぎても、放電が着火しない場合がある。シャワー穴６の直径は０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。シャワー穴６の直径が小さすぎると、処理を繰り返し行ったときの経時変化が大きくなり、再現性の低下を招くことがある。シャワー穴６の直径が大きすぎると、アーク放電を引き起こしやすい。動作圧力範囲は０．１気圧以上１０気圧以下が好ましい。圧力が小さいと、完全密閉型の容器や真空ポンプが必要となり、コスト面で不利である。圧力が大きい場合にも完全密閉型の容器が必要となる。大気圧近傍で動作させることが、コスト面、トータル処理時間の面からもっとも有利である。

このようなプラズマ発生装置において、直径８インチのシリコン基板２を用い、空気流量４ｓｌｍ、高周波電力４００Ｗの条件で大気圧プラズマを発生させたところ、アーク放電（火花）は生じず、また、１秒間のプラズマ照射によって、基板２の表面の表面改質（濡れ性改善）が行えた。プラズマ照射前における基板２の水の接触角は３１°であったが、プラズマ照射後は１１°にまで低下させることができた。

このように、空気という極めて安価なガスを用いて、高速で、かつ、アーク放電（火花）を生じさせることなく、良好にプラズマ発生及びプラズマ処理が行えた理由は、振動バルブとしてのピエゾ振動子２２が振動することによってガスの流れに脈動が生じ、ストリーマがその衝撃によって分断されるため、ストリーマを契機としたアーク放電（火花）が発生しなかったためである。

（実施の形態８）
以下、本発明の実施の形態８について、図１０を参照して説明する。

図１０は、本発明の実施の形態８において用いたプラズマ発生装置の概略構成図である。図１０において、第１電極１７と第２電極１８が対向して配置されている。第１電極１７と第２電極１８の互いに対向する面は、絶縁体１９で覆われている。被処理物としての基板２は、基板電極１上に載置されている。図示しないガス供給装置から配管を介して、第１電極１７と第２電極１８の間の空間（２つの絶縁体１９の間）にガスが供給され、基板２上に噴出させる。この状態で第１電極１７に高周波電源１０から１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、第１電極１７と第２電極１８の間の空間（２つの絶縁体１９の間）にプラズマが発生する。また、振動バルブとしてのピエゾ振動子２２が、第２電極１８側の絶縁体１９に設けられており、ピエゾ振動子２２を動作させることにより、ガスの流れに脈動を与えることができるように構成されている。

ここでは、周波数７０ｋＨｚにてピエゾ振動子２２を動作させ、ガスの流れに脈動を与えた。上記の各構成要素は大気圧中にあり、真空容器のような完全密閉型の頑丈な容器や、真空ポンプは不要である。なお、基板２を基板電極１に固定する方法としては、載置、着脱可能な接着剤を用いる方法、粘着シートを用いる方法、押さえ治具を用いる方法などから適宜選択することができる。

図１０における２つの絶縁体１９の間のギャップＧは、０．３ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。ギャップＧが狭すぎても広すぎても、放電が着火しない場合がある。動作圧力範囲は０．１気圧以上１０気圧以下が好ましい。圧力が小さいと、完全密閉型の容器や真空ポンプが必要となり、コスト面で不利である。圧力が大きい場合にも完全密閉型の容器が必要となる。大気圧近傍で動作させることが、コスト面、トータル処理時間の面からもっとも有利である。

このようなプラズマ発生装置において、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍのガラス基板２を用い、空気流量３ｓｌｍ、高周波電力３００Ｗの条件で大気圧プラズマを発生させたところ、アーク放電（火花）は生じず、また、１秒間のプラズマ照射によって、基板２の表面の表面改質（濡れ性改善）が行えた。プラズマ照射前における基板２の水の接触角は２５°であったが、プラズマ照射後は１０°にまで低下させることができた。

（実施の形態９）
以下、本発明の実施の形態９について、図１１を参照して説明する。

図１１は、本発明の実施の形態９において用いたプラズマ発生装置の概略構成図である。図１１において、第１電極としての基板電極１上に被処理物としてのシリコン基板２が載置されている。基板電極１に対向して第２電極としての対向電極３が設けられ、対向電極３にはシャワー電極４及びシャワープレート５が設けられている。シャワー電極４及びシャワープレート５には互いに対応する位置にシャワー穴（貫通穴）６が設けられている。ガス供給装置７から配管８を介して、対向電極３とシャワー電極４の間に設けられた空間であるガス溜まり９にガスが供給され、シャワー穴６を通じて基板２上に噴出させる。この状態で対向電極３に高周波電源１０から１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、シャワープレート５と基板２間にプラズマが発生する。また、回転台としてのモータ２０と基板電極１が、シャフト２１を介して接続されており、モータ２０を回転させることにより、基板電極１が、対向電極３に対して平行に回転するように構成されている。

また、第２の回転台としての第２モータ２３とモータ２０が、第２シャフト２４を介して接続されており、第２モータ２３を回転させることにより、モータ２０が回転するように構成されている。なお、シャフト２１と第２シャフト２４は軸をずらして配置されている。ここでは、回転数１０００ｒｐｍにてモータ２０を回転させるとともに、回転数１０００ｒｐｍにて第２モータ２３を回転させた。上記の各構成要素は大気圧中にあり、真空容器のような完全密閉型の頑丈な容器や、真空ポンプは不要である。

図１１におけるシャワープレート５と基板２間のギャップＧは、０．３ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。ギャップＧが狭すぎても広すぎても、放電が着火しない場合がある。シャワー穴６の直径は０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。シャワー穴６の直径が小さすぎると、処理を繰り返し行ったときの経時変化が大きくなり、再現性の低下を招くことがある。シャワー穴６の直径が大きすぎると、アーク放電を引き起こしやすい。動作圧力範囲は０．１気圧以上１０気圧以下が好ましい。圧力が小さいと、完全密閉型の容器や真空ポンプが必要となり、コスト面で不利である。圧力が大きい場合にも完全密閉型の容器が必要となる。大気圧近傍で動作させることが、コスト面、トータル処理時間の面からもっとも有利である。

このようなプラズマ発生装置において、直径８インチのシリコン基板２を用い、空気流量８ｓｌｍ、高周波電力５００Ｗの条件で大気圧プラズマを発生させたところ、アーク放電（火花）は生じず、また、１秒間のプラズマ照射によって、基板２の表面の表面改質（濡れ性改善）が行えた。プラズマ照射前における基板２の水の接触角は３１°であったが、プラズマ照射後は９°にまで低下させることができた。

このように、空気という極めて安価なガスを用いて、高速で、かつ、アーク放電（火花）を生じさせることなく、良好にプラズマ発生及びプラズマ処理が行えた理由は、モータ２０及び第２モータ２３が回転することによって、基板２がシャワープレート５に対して複雑に回転運動し、シャフト２１の回転中心までもがシャワープレート５に対して絶えず相対位置が変化したため、ストリーマを契機としたアーク放電（火花）が発生しなかったためである。

（実施の形態１０）
以下、本発明の実施の形態１０について、図１２を参照して説明する。

図１２は、本発明の実施の形態１０において用いたプラズマ発生装置の概略構成図である。図１２において、第１電極としての基板電極１上に被処理物としてのシリコン基板２が載置されている。基板電極１に対向して第２電極としての対向電極３が設けられ、対向電極３にはシャワー電極４及びシャワープレート５が設けられている。シャワー電極４及びシャワープレート５には互いに対応する位置にシャワー穴（貫通穴）６が設けられている。ガス供給装置７から配管８を介して、対向電極３とシャワー電極４の間に設けられた空間であるガス溜まり９にガスが供給され、シャワー穴６を通じて基板２上に噴出させる。この状態で対向電極３に高周波電源１０から１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、シャワープレート５と基板２間にプラズマが発生する。

また、回転台としてのモータ２０と基板電極１が、シャフト２１を介して接続されており、モータ２０を回転させることにより、基板電極１が、対向電極３に対して平行に回転するように構成されている。ここでは、回転数１０００ｒｐｍにてモータ２０を回転させた。また、バイブレータとしての超音波振動子１１と対向電極３が、ホーン１２を介して接続されており、また、対向電極３の、ホーン１２と反対側の端に整合ユニット１３が接続されている。バイブレータ１１を動作させることにより、対向電極３、シャワー電極４及びシャワープレート５が、基板電極１及び基板２に対して平行に機械的に振動するように構成されている。

ここでは、周波数５０ｋＨｚ、振幅１５μｍにて対向電極３を振動させた。ホーン１２は振動エネルギーを対向電極３に伝達するための部材であり、また、整合ユニット１３は、振動系の固有振動数をバイブレータ１１の発信周波数に整合させ、投入エネルギーに対してできるだけ大きい振動振幅を得るためのものである。上記の各構成要素は大気圧中にあり、真空容器のような完全密閉型の頑丈な容器や、真空ポンプは不要である。なお、基板２を基板電極１に固定する方法としては、着脱可能な接着剤を用いる方法、粘着シートを用いる方法、押さえ治具を用いる方法などから適宜選択することができる。

図１２におけるシャワープレート５と基板２間のギャップＧは、０．３ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。ギャップＧが狭すぎても広すぎても、放電が着火しない場合がある。シャワー穴６の直径は０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。シャワー穴６の直径が小さすぎると、処理を繰り返し行ったときの経時変化が大きくなり、再現性の低下を招くことがある。シャワー穴６の直径が大きすぎると、アーク放電を引き起こしやすい。動作圧力範囲は０．１気圧以上１０気圧以下が好ましい。圧力が小さいと、完全密閉型の容器や真空ポンプが必要となり、コスト面で不利である。圧力が大きい場合にも完全密閉型の容器が必要となる。大気圧近傍で動作させることが、コスト面、トータル処理時間の面からもっとも有利である。

このようなプラズマ発生装置において、直径８インチのシリコン基板２を用い、空気流量８ｓｌｍ、高周波電力５００Ｗの条件で大気圧プラズマを発生させたところ、アーク放電（火花）は生じず、また、１秒間のプラズマ照射によって、基板２の表面の表面改質（濡れ性改善）が行えた。プラズマ照射前における基板２の水の接触角は３１°であったが、プラズマ照射後は８°にまで低下させることができた。

このように、空気という極めて安価なガスを用いて、高速で、かつ、アーク放電（火花）を生じさせることなく、良好にプラズマ発生及びプラズマ処理が行えた理由は、モータ２０が回転することと、超音波振動子１１が振動することによって、基板２がシャワープレート５に対して複雑に運動し、基板２がシャワープレート５に対して絶えず相対位置が変化したため、ストリーマを契機としたアーク放電（火花）が発生しなかったためである。

以上述べた本発明の実施形態において、プラズマ源としていくつかの構成例を示したが、様々なプラズマ源を用いることができる。例えば、誘導結合型プラズマ源や、マイクロ波プラズマ源を用いることも可能である。

また、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を用いてプラズマを発生させる場合を例示したが、数百ｋＨｚから数ＧＨｚまでの高周波電力を用いてプラズマを発生させることが可能である。あるいは、直流電力を用いてもよいし、パルス電力を供給することも可能である。パルス電力を用いる場合は、正負のパルスを交互に供給することによって、誘電体の帯電を解消して連続的に放電を発生させることが可能となる。

また、パルスはアーク放電（火花）を防止させる効果が不要であるので、さほど高速なパルスである必要はなく、数十Ｈｚから数百Ｈｚであってもよいが、もちろん、数ｋＨｚから数ＭＨｚという高速であれば、アーク放電（火花）をより効果的に防止することが可能となる。

また、実施の形態では電力値によって投入電力を表記したが、放電の開始は概ね電圧で決まる。投入電圧は１００Ｖ以上１００ｋＶ以下であることが好ましい。投入電圧が１００Ｖ以下であると、放電が開始しない場合がある。投入電圧が１００ｋＶ以上であると、本発明の適用によってもアーク放電（火花）の発生を抑制できない場合がある。より好ましくは、電圧が１ｋＶ以上１０ｋＶ以下であることが望ましい。投入電圧が１ｋＶ以下であると、放電が開始しない場合がある。投入電圧が１０ｋＶ以上であると、本発明の適用によってもアーク放電（火花）の発生を抑制できない場合がある。

また、第１電極を振動させながら第２電極を回転させる、電極または被処理物を振動または回転させながら、ガスの流れに脈動を与えるなど、実施の形態に示したいくつかの方法を組み合わせて用いることにより、アーク放電（火花）をより効果的に抑制することが可能である。

また、機械的な振動の周波数としていくつかを例示したが、周波数は１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下であることが好ましい。周波数が１ｋＨｚ未満だと、ストリーマの分断が不十分となり、アーク放電（火花）が発生する場合がある。また、周波数が１ＭＨｚより大きいと、振幅が小さすぎてアーク放電（火花）が発生する場合がある。さらに好ましくは、周波数は２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であることが望ましい。周波数が２０ｋＨｚ未満だと、ストリーマの分断が不十分となり、アーク放電（火花）が発生する場合がある。また、周波数が１００ｋＨｚより大きいと、振幅が小さすぎてアーク放電（火花）が発生する場合がある。

また、機械的な振動の振幅としていくつかを例示したが、振幅は１μｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。振幅が１μｍ未満だと、ストリーマの分断が不十分となり、アーク放電（火花）が発生する場合がある。また、振幅が１０ｍｍより大きい振動を与えることは、原理的に極めて困難である。さらに好ましくは、振動の振幅は１０μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。振幅が１０μｍ未満だと、ストリーマの分断が不十分となり、アーク放電（火花）が発生する場合がある。また、振幅が１００μｍより大きい振動を与えるには、高価な振動システムを要する。

また、機械的な振動の向きとして、第１電極または第２電極を互いに平行な方向に振動させる場合、または、基板と対向電極を互いに平行な方向に振動する場合を例示した。いずれも、プラズマを発生させる空間のギャップを一定として振動させる場合である。この場合、ギャップが変化しないので、放電が安定するという利点がある。これとは異なり、プラズマを発生させる空間のギャップが変化する方向に振動させてもよい。この場合、ギャップが広がっていく位相において、ストリーマを引っ張るサイクルが生じるため、ストリーマが分断されやすいという利点がある。

また、微小領域のみにプラズマを照射したい場合、例えば、マスクレスパターニングを行いたい場合などは、プラズマを発生させる空間のギャップが変化する方向に振動させることにより、プラズマを照射する領域を小さく保つことができるという利点がある。一方、マスクレスパターニングの中でも、微細線を加工する場合には、第１電極または第２電極を、または、基板と対向電極を、互いに平行で、かつ、加工したい線方向に振動させることによって、プラズマを照射する領域を小さく保つことも可能である。

また、電極または被処理物を回転させる際の回転数としていくつかを例示したが、回転数は１０００ｒｐｍ以上１０００００ｒｐｍ以下であることが好ましい。回転数が１０００ｒｐｍ未満だと、ストリーマの分断が不十分となり、アーク放電（火花）が発生する場合がある。また、回転数が１０００００ｒｐｍより大きいものは、製作が困難で安定した動作ができない。

また、第１及び第２の電極間、または、電極と被処理物の間にガス（空気）を流す場合を例示したが、高速な処理が不要である場合、粉体を処理したい場合などはガスを流さない方がよいことがある。

また、ガスの流れに脈動を与える際の脈動の周波数としていくつかを例示したが、周波数は１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下であることが好ましい。周波数が１ｋＨｚ未満だと、ストリーマの分断が不十分となり、アーク放電（火花）が発生する場合がある。また、周波数が１ＭＨｚより大きいと、脈動の振幅が小さすぎてアーク放電（火花）が発生する場合がある。さらに好ましくは、周波数は２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であることが好ましい。周波数が２０ｋＨｚ未満だと、ストリーマの分断が不十分となり、アーク放電（火花）が発生する場合がある。また、周波数が１００ｋＨｚより大きいと、脈動の振幅が小さすぎてアーク放電（火花）が発生する場合がある。

また、ガスとして空気を用いる場合を例示したが、所望の反応に応じて適切なガスを選択することが可能である。例えば、酸化であれば空気または酸素を用いてもよいし、エッチングであればハロゲン含有ガスと酸素などの混合ガスを用いてもよい。あるいは、ＴＥＯＳガスと酸素を用いてシリコン酸化膜を形成することも可能である。単純な濡れ性改善が目的であれば、窒素を主体とするガスを用いてもよい。空気または窒素を主体とするガスを用いると、高価な希ガスを用いないため、ランニングコストが極めて小さくなるという利点がある。

また、プラズマを発生させる領域の圧力を大気圧よりも高くすることによって、振動の振幅、回転速度、脈動の振幅などを小さくすることができる。なぜなら、ストリーマの物理的な大きさが小さくなるためである。

本願発明のプラズマ発生方法及び装置によれば、安価に所望の反応が高速で実現でき、電源の故障が生じにくいプラズマ発生方法及び装置が実現できる。したがって、プラズマを発生させて表面改質、薄膜堆積、エッチングなどを行うための構成として、広範に適用することができ、半導体や、液晶、ＦＥＤ、ＰＤＰなどのディスプレイ、あるいは、電子部品、プリント基板などの製造に利用できる。

本発明の実施の形態１において用いたプラズマ発生装置の概略構成図本発明の実施の形態１における基板とシャワープレートの間の空間を拡大した断面図従来技術における基板とシャワープレートの間の空間を拡大した断面図本発明の実施の形態２において用いたプラズマ発生装置の概略構成図本発明の実施の形態３において用いたプラズマ発生装置の概略構成図本発明の実施の形態４において用いたプラズマ発生装置の概略構成図本発明の実施の形態５において用いたプラズマ発生装置の概略構成図本発明の実施の形態６において用いたプラズマ発生装置の概略構成図本発明の実施の形態７において用いたプラズマ発生装置の概略構成図本発明の実施の形態８において用いたプラズマ発生装置の概略構成図本発明の実施の形態９において用いたプラズマ発生装置の概略構成図本発明の実施の形態１０において用いたプラズマ発生装置の概略構成図

符号の説明

１基板電極
２基板
３対向電極
４シャワー電極
５シャワープレート
６シャワー穴
７ガス供給装置
８配管
９ガス溜まり
１０高周波電源
１１超音波振動子
１２ホーン
１３整合ユニット
Ｇギャップ

Claims

対向して配置された第１及び第２の電極間にガスを流しながら、第１及び第２の電極間に電圧を印加し、第１及び第２の電極間にプラズマを発生させ前記第１及び第２の電極間に配置された基板を処理するプラズマ発生方法であって、前記電極の一方に前記基板を配置し、かつ、他方の電極と前記基板とのギャップを０．３ｍｍ〜５ｍｍに保持した状態で前記他方の電極と前記他方の電極に設けられたシャワー電極とで形成されるガス溜まりに配置されたピエゾ振動子によって前記ガス溜まりに供給されるガスの流れに周波数１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の脈動を与えることを特徴とするプラズマ発生方法。
ガスが空気または窒素を主体とするガスであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生方法。
脈動の周波数が２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生方法。
電圧が１００Ｖ以上１００ｋＶ以下であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生方法。
電圧が１ｋＶ以上１０ｋＶ以下であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生方法。
圧力が０．１気圧以上１０気圧以下の領域にプラズマを発生させることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生方法。
大気圧近傍の領域にプラズマを発生させることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生方法。
対向して配置された第１の電極及び第２の電極と、第１及び第２の電極間にガスを流すガス供給装置と、第１または第２の電極に電圧を印加する電源と、を備え、前記第１及び第２の電極のいずれか一方の電極に配置された基板を処理するプラズマ発生装置であって、他方の電極と前記他方の電極に設けられたシャワー電極とで形成されるガス溜まりに配置され第１及び第２の電極間に流れるガスの流れに脈動を与えるピエゾ振動子を備え、他方の電極と前記基板とのギャップを０．３ｍｍ〜５ｍｍに保持した状態で前記基板を処理することを特徴とするプラズマ発生装置。
脈動の周波数が２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項８記載のプラズマ発生装置。
電圧が１００Ｖ以上１００ｋＶ以下であることを特徴とする、請求項８に記載のプラズマ発生装置。
電圧が１ｋＶ以上１０ｋＶ以下であることを特徴とする、請求項８に記載のプラズマ発生装置。