JP4398330B2 - プラズマ表面処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波電力が印加される対向電極間に反応ガスを流し、これをプラズマ化して、大気圧近傍圧力の下に被処理基板に噴射供給するダウンストリーム方式のプラズマ表面処理装置に関し、さらに詳細には、誘導電流およびアークによる被処理基板の損傷を防止する技術に関する。

ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）の製造工程、およびＩＣや太陽電池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各種基板の上に、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、製品の製造コストの増加要因になっていた。また、ランプハウス下部の光照射窓に装着されている高額な合成石英板が処理に伴う生成物の付着によって曇るので、１〜３ヶ月間に数回のクリーニング、２年に１、２回以上の交換が必要になるため、これによっても製造コストの上昇を招いていた。そのため、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といった問題があった。

このような問題を解消するため、最近では、プラズマ化した反応ガスによって、大気圧近傍の圧力の下に被処理基板の表面処理を行うプラズマ表面処理装置が使用され始めている。

ところで、このようなプラズマ化した反応ガスによる表面処理において、被処理基板の損傷を少なくしたい場合には、ダウンストリーム方式が採用されている（下記の特許文献１参照）。これは、図６に示すように、高周波電圧が加えられたリアクタの対向電極ａ,ｂを被処理基板Ｗと直交するように配置し、この対向電極ａ，ｂの間に反応ガスｎを通してプラズマ化し、このプラズマ化した反応ガスを被処理基板ｗに噴射供給するもので、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ている。
特開平４−３５８０７６号公報

しかしながら、このように対向電極ａ,ｂの間に反応ガスｎを通してプラズマ化したものを被処理基板ｗに噴射供給する方式では、被処理基板ｗに、トランジスタや配線等の微小パターンが半導体や導体によって形成されている場合には、これらを損傷することがある。

これは、対向電極ａ,ｂの間に高周波高電圧を加えると、図６に示すように、その側方に膨らむように高周波電界ｈｓが生じ、この高周波電界ｈｓが被処理基板ｗに作用して上記微小パターンに誘導電流を流し、被処理基板ｗ内でアーク又は絶縁破壊を発生させるためである。ここで、損傷を最も受け易いのは、基板上に形成されているトランジスタ部のゲートで、上記側方の高周波電界ｈｓによって絶縁性が損なわれ、流入する電流によって特性が劣化する。上記誘導電流またはアークが大きく、熱による損傷に至る場合もあるが、被処理基板ｗに対する表面処理では、上記ＦＥＴのゲートのように構造的に最も弱い部分の特性をも劣化させないことが求められ、上記側方の高周波電界ｈｓの対策が必要になる。

本発明は、このようにダウンストリーム方式のプラズマ表面処理装置において問題となっている被処理基板への誘導電流の発生、それに伴うアークによる基板表面の損傷をなくすことができる装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係るプラズマ表面処理装置は、固体誘電体で覆われた対向電極を被処理基板と直交するように配置し、上記対向電極間の高周波電力によってプラズマ化された反応ガスを、大気圧近傍の圧力の下に被処理基板に噴射供給して表面処理を行う装置において、上記対向電極の一方の電極が高周波電源の出力端子の接地側に接続され、他方の電極が上記高周波電源の他方の出力端子と接続されてなり、上記他方の電極には、該電極と上記被処理基板との間に接地されたシールド導体板が配置され、上記他方の電極は、該電極とシールド導体板との容量結合の度合いが可及的に小さくなるように、上記一方の電極と平行な対向面を有し、かつ、シールド導体板側の端部の断面形状が肉薄に形成されていることを特徴とする。

このように、他方の電極と被処理基板との間には接地されたシード導体板が介装されることにより、対向電極の側方に生じる高周波電界をシールド導体板で遮蔽することができ、高周波電界による被処理基板への影響を抑制することができる。また、上記一方の電極およびシールド導体板が接地電位に保たれるので、これらと被処理基板との電位差がなくなり、被処理基板への誘導電流の発生が防止される。

そして、本発明のプラズマ表面処理装置は、上記他方の電極が、上記一方の電極と平行な対向面を有し、かつ、シールド導体板側の端部の断面形状が肉薄に形成されていることから、シールド導体板と対向する上記他方の電極のシールド導体板側の端面の面積が小さくなり、上記他方の電極とシールド導体板との容量結合を弱めることができ、対向電極に高周波電力を供給したときのシールド導体板の発熱を抑制することができる。また、電極を肉薄に形成することにより、対向電極の側方に生じる高周波電磁界が弱められ、高周波電界による被処理基板への影響をほぼ完全になくすことができる。

また、その好適な実施態様として、本発明のプラズマ表面処理装置は、上記他方の電極と被処理基板との間に上記シールド導体板が複数枚配置されていることを特徴とする。

すなわち、上記高周波電源の非接地側の出力端子に接続された上記他方の電極と被処理基板との間に、接地されたシールド導体板が並列的に複数枚配置されることにより、対向電極の側方に生じる高周波電磁界が、これら複数のシールド導体板によって遮蔽されるので、上記対向電極の側方に生じる高周波電磁界による被処理基板への影響をより少ないものとすることができる。

さらに、他の好適な実施態様として、本発明のプラズマ表面処理装置は、上記被処理基板の裏面側に、該被処理基板と対面するように接地されたアース板が配置されていることを特徴とする。

これにより、仮に上記対向電極の側方に生じる高周波電磁界の影響によって被処理基板に微弱な誘導電流が発生した場合でも、被処理基板の裏面側に被処理基板と対面して接地されたアース板が設けられていることから、被処理基板とこのアース板とが容量結合するので、被処理基板に発生した電流・電圧はこのアース基板によって限りなくアースレベルに抑えられ、被処理基板への影響を極めて小さなものとすることができる。

本発明のプラズマ表面処理装置によれば、対向電極間の高周波電磁界による被処理基板の誘導電流の発生、および、被処理基板へアーク電流の流れ込みが抑制されるので、表面にトランジスタや配線等の微小パターンが半導体や導体によって形成された被処理基板の表面処理を行う場合でも、誘導電流による微小パターンの破壊がなく、精度良く表面処理を行うことができる。

また、本発明によれば、プラズマ表面処理装置（対向電極）を被処理基板に接近させて表面処理を行うことができるので、被処理基板の処理効率を高くできる。殊に、反応ガス中に生じさせるプラズマ活性種の寿命は短いので、処理効率の高いプラズマ表面処理装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

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、被処理基板ｗに対してプラズマ活性化した反応ガスを噴射して被処理基板ｗの表面処理を行うための装置であって、たとえば図１に示すように、被処理基板ｗを載置して搬送するコンベア２の搬送経路上に配置される。

このプラズマ表面処理装置１は、接地される導体板により、下方を開放した細長い箱型のシールドケース３を作り、その内部に、高周波電力が供給されるリアクタを収容したものである。

このリアクタの代表的構造例を、図２乃至図４に断面図で示して説明する。これらの断面図は、図１のプラズマ表面処理装置１をコンベア２の搬送方向に沿う鉛直な面で切断したもので、いずれの図のリアクタ４、５も紙面と垂直な方向に、コンベア２を横断する長さの奥行きを持っている。

図２は、リアクタ４を平行に配置された一対の対向電極６，７で構成した場合を示しており、各電極６，７は、図示のように、コンベア２によって搬送される被処理基板ｗと直交するように配置され、上述した接地導体板であるシールドケース３の内部に固定される（シールドケース３の接地は図中のＥ３参照）。

各電極６，７は、例えばアルミニウムなどの金属で製作され、その周囲はセラミックスなどの固体誘電体８で覆われている。ここで、上記各平板電極６，７を固体誘電体９で覆ったのは、平板電極６、７の金属によって被処理基板ｗが汚染されるのを防止するためであり、固体誘電体８の比誘電率が大きく、固体誘電体８の表面間に電界が集中するので、固体誘電体８の間隙が、実質的な電極間隙Ｇとなる。この電極間隙Ｇの長さは、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で観測することにより決定される。

また、これら各電極６，７は、特に図示しないが、その内部に冷却用空洞が設けられており、この冷却用の空洞に冷却液である純水等の絶縁液体が循環圧送され、電極６，７の発熱が抑えられている。この冷却は、被処理基板ｗの熱損傷が起こらないように、例えば電極を１００℃以下に保つようにされている。

そして、上記各電極６、７は、高周波電源ＲＦから給電を受ける。ここで、この高周波電源ＲＦは、図示しない昇圧トランスを介して上記各電極６，７に高周波電力を供給するように構成され、一方の電極６に接続される出力端子（図で−で示される側）を接地している（図中の符号Ｅ１参照）。なお、図示しないが、この高周波電源ＲＦには、各電極６、７に上記昇圧トランスの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回路が備えられ、無効電力を最小にして電力の供給効率が高められている。

一方、高周波電源ＲＦの他方の出力端子（図で＋で示される側）は電極７と接続されており、この電極７と被処理基板ｗとの間にはシールド導体板９が配設されている。このシールド導体板９は、上述したように、対向電極６，７の側方に膨らむように発生する高周波電界（図６の符号ｈｓ参照）を遮蔽するためのシールドであって、図示のように、接地された金属板を、上記電極７の被処理基板側の端面７ａに沿って、該端面７ａと所定間隔を空けて配設することにより構成されている（このシールド導体板９の接地については図中の符号Ｅ２参照）。

なお、この図示例では、シールド導体板９を固体誘電体８内に配置した場合を示したが、このシールド導体板９は固体誘電体８の外側に設けることも可能である。要は、このシールド導体板９は、対向電極６，７の側方に生じる高周波電界を遮蔽可能な位置に配置されていればよい。

そして、この図２に示す構造のリアクタ４においては、反応ガスは、対向電極６，７（固体誘電体８，８）間に形成された内部通路を通って被処理基板ｗに供給される。ここで、上記反応ガスとしては、たとえばＨｅガスなどの希ガスが好適に採用される。そして、この内部通路は、上記コンベア２の幅寸法に合わせて形成されており、反応ガスはこの内部通路の上部に設けられた供給孔１０から供給され、電極間隙Ｇをプラズマ化されながら下方に流れ、内部通路の下部に設けられたスリット孔状に開口した噴射孔１１から、被処理基板ｗが搬送されるコンベア２の上に噴射される。

このように、図２に示す構造のリアクタ４を備えたプラズマ表面処理装置では、上記対向電極６，７の一方の電極６が、高周波電源ＲＦの出力端子の接地側に接続されて接地電位に保たれ、リアクタ４の外周は、接地導体板からなるシールドケース３が配置されているので、高周波電磁界の漏れを略完全になくすことができる。

しかも、対向電極６，７の側方に膨らむように発生する高周波電界は、上述したシールド導体板９によって遮蔽されているので、コンベア２によって搬送される被処理基板ｗに上記対向電極６，７の側方の高周波電界による誘導電流が流れるのが抑制される。したがって、表面にトランジスタや配線等の微小パターンが半導体や導体によって形成された被処理基板ｗの表面処理を行う場合でも、誘導電流による微小パターンの破壊が防止され、精度良く表面処理を行うことができるようになる。

次に、図３に示すリアクタの構造について説明する。図３に示すリアクタ５は、上述した図２に示すリアクタ４の電極７（高周波電源ＲＦの非接地側（図において＋側）の出力端子に接続された電極）の構造を改変したものであって、電極７の構造以外の他の構成は上述した図２のリアクタ４と同様であるので、構成が共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

すなわち、この図３に示すリアクタ５では、高周波電源ＲＦの非接地側の出力端子に接続される電極７′は、図示のように、シールド導体板側が肉薄に形成されている。

これは、上述したように、各電極６，７には、その内部に冷却用空洞が設けられていることから、通常、各電極６，７は、図２に示すように、ある程度の厚みを持って形成される。しかし、このように電極にある程度の厚みがあると、電極７のシールド導体板側の端面７ａは、この電極の厚みに応じて一定の面積をもった面を形成するので、この端面７ａとシールド導体板９とが容量結合することとなり、対向電極６，７に高周波電力が供給されるとシールド導体板９が発熱してしまう。そのため、図２に示す構造では、シールド導体板９の発熱を抑制するために、別途シールド導体板９の発熱対策（冷却構造）が必要となる。

図３に示すリアクタ５は、このようなシールド導体板９の発熱を防止するため、電極７′とシールド導体板９とができるだけ容量結合しないように、電極７′のシールド導体板側の端部の肉厚を薄く形成したものである。

具体的には、上記冷却用空洞をできるだけ電極７′の上部に形成し、この冷却用空洞のない部分（つまり、電極７′のシールド導体板側）の肉厚を薄くし、電極７′のシールド導体板側の端部をできるだけ鋭角な略尖頭形に形成することで、電極７′のシールド導体板側の端部とシールド導体板９とがいわば線と面とで結合するようにしている。

これにより、電極７′とシールド導体板９との容量結合の度合いが小さくなり、シールド導体板９の発熱が抑制される。

なお、ここでシールド導体板９の発熱を抑制する方法として、電極７′のシールド導体板側の端部とシールド導体板９の対向面との距離Ｌを長く設定することも考えられるが、それでは対向電極６，７′と被処理基板ｗとの間隔が離れてしまい、ライフタイムが短いプラズマ活性種が被処理基板ｗに到達するまでに損なわれてしまう。また、その一方で、反応ガスを大量に供給するようにしたのでは、反応ガスの消費量が増大する。これに対して、図３に示す構造では、対向電極６，７′と被処理基板ｗとを近づけることができ、反応ガスの使用量を増加させることなく効率よく基板の表面処理を行うことができる。

また、このように電極７′のシールド導体板側の肉厚を薄くすることで、シールド導体板９による高周波電磁界の遮蔽効果も向上し、被処理基板ｗへの電磁誘導による影響をほぼ完全になくすことができるようになる。

なお、この点に関して、本願出願人は、表面にトランジスタの微小パターンを形成した被処理基板ｗに対して図３の構造のリアクタ５による表面処理を行い、その処理前後におけるトランジスタのＶｔｈ特性およびＣＶ特性を測定したところ、処理の前後でこれらの特性に変化がないことが判明した。つまり、図３の構造のリアクタ５を用いて被処理基板ｗの表面を処理を行っても、被処理基板ｗには誘導電流等によるダメージが殆どないことが確認された。

このように、本発明のプラズマ表面処理装置によれば、対向電極６，７（７′）間の高周波電磁界による被処理基板ｗの誘導電流の発生、および、被処理基板ｗへアーク電流の流れ込みが抑制されるので、表面にトランジスタや配線等の微小パターンが半導体や導体によって形成された被処理基板の表面処理を行う場合でも、誘導電流による微小パターンの破壊がなく、精度良く表面処理を行うことができる。

さらに、本発明によれば、対向電極６，７（７′）を被処理基板ｗに接近させて表面処理を行うことができるので、被処理基板ｗの処理効率を高かめることができる。

図４は、上述した図３に示すリアクタの改変例を示している。この図４に示すリアクタは、上記高周波電源ＲＦの非接地側（図において＋側）の出力端子に接続された電極７′と被処理基板ｗとの間に、接地されたシールド導体板９を並列的に複数枚（図示例では２枚）配置するとともに、被処理基板ｗの裏面側（被処理基板ｗを挟んで上記シールド導体板９とは反対側の面）に、該被処理基板と対面するように接地された導体のアース板を配置することにより構成されている（アース板１２の接地は図中のＥ４参照）。

すなわち、この図４に示すリアクタにおいては、電極７′と被処理基板ｗとの間にシールド導体板９が複数枚配置されるので、対向電極６，７′の側方に生じる高周波電磁界がこれら複数のシールド導体板９，９によって遮蔽される。そのため、シールド導体板９が１枚のみの場合に比べて遮蔽効果が高く、対向電極６，７′の側方に生じる高周波電磁界による被処理基板ｗへの影響を図３に示すリアクタよりも少なく抑えることができる。なお、このシールド導体板９の配設枚数は適宜変更可能であり、たとえばシールド導体板９を３枚以上配設することも可能である。また、その配設位置も固体誘電体８内に限られられず、固体誘電体８の外側に設けてもよいこととは、上述した図３のリアクタの場合と同様である。

また、この図４に示すリアクタでは、上記被処理基板ｗの裏面側に、この被処理基板ｗと対面して接地されたアース板１２が設けられていることから、被処理基板ｗとこのアース板とが容量結合する。したがって、上記シールド導体板９による遮蔽にもかかわらず被処理基板ｗに発生する微弱な電流・電圧はこのアース板１２によって限りなくアースレベルに抑えられ、被処理基板ｗへの影響をより少なくすることができ、誘導電流等による微小パターンの破壊をほぼ完全に防止することができる。なお、このアース板１２と被処理基板ｗとの間隔Ｌ２はこれらの容量結合を強めるため可能な限り近接していることが望ましいのはもちろんである。

なお、上述した実施形態はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した図３に示すリアクタ５の構造では、電極７′は、シールド導体板側の端部を薄板状に形成した場合を示したが、電極７′とシールド導体板９とがいわゆる線と面とで対向するように構成されていれば、例えば図５に示すように、電極７′を下方に向かってテーパ状に肉薄に形成した、いわゆるくさび状に形成することも可能である。また、電極７′のシールド導体板側端縁に凹凸を設けて、電極７′とシールド導体板９とが部分的に点と面で対向するように構成することもできる。要は、電極７′とシールド導体板９との容量結合の度合いが小さくなるように形成されていれば、電極７′の端部の形状は適宜設計変更可能である。

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。 同プラズマ表面処理装置の内部構造の一例を示す断面図である。 同プラズマ表面処理装置の内部構造の他の一例を示す断面図である。 図３のプラズマ表面処理装置における電極構造の改変例を示す断面図である。 図３のプラズマ表面処理装置における電極構造の他の改変例を示す断面図である。 従来のリアクタの構造を示す断面図である。

符号の説明

１ プラズマ表面処理装置
２ コンベア
３ シールドケース
４，５ リアクタ
６ 一方の電極
７，７′ 他方の電極
８ 固体誘電体
９ シールド導体板
１０ 反応ガスの供給孔
１１ 反応ガスの噴射孔
１２ アース板
Ｇ 電極間隙
ＲＦ 高周波電源

Claims (5)

1. 固体誘電体で覆われた対向電極を被処理基板と直交するように配置し、前記対向電極間の高周波電力によってプラズマ化された反応ガスを、大気圧近傍の圧力の下に被処理基板に噴射供給して表面処理を行う装置において、
   前記対向電極の一方の電極が高周波電源の出力端子の接地側に接続され、他方の電極が前記高周波電源の他方の出力端子と接続されてなり、
   前記他方の電極には、該電極と前記被処理基板との間に接地されたシールド導体板が配置され、
   前記他方の電極は、該電極とシールド導体板との容量結合の度合いが可及的に小さくなるように、前記一方の電極と平行な対向面を有し、かつ、シールド導体板側の端部の断面形状が肉薄に形成されていることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
2. 前記他方の電極は、前記一方の電極と平行な対向面を有し、かつ、シールド導体板側の端部の断面形状が略尖塔形に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ表面処理装置。
3. 前記シールド導体板は、前記他方の電極を覆う固体誘電体内に配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ表面処理装置。
4. 前記他方の電極と前記被処理基板との間に前記シールド導体板が、複数枚配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ表面処理装置。
5. 前記被処理基板の裏面側に、該被処理基板と対面するように接地されたアース板が配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ表面処理装置。

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