JP4436239B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、電極と固体誘電体が別体構造になっているプラズマ処理装置に関し、特に、電極構造の長尺化に適したプラズマ処理装置に関する。

一般に、プラズマ処理装置は、一対の電極間に放電を形成するとともにプロセスガスをプラズマ化し、基材のプラズマ表面処理を行なうようになっている。常圧プロセスでは、少なくとも一方の電極の対向面すなわち放電空間形成面に固体誘電体層が設けられている。この固体誘電体層は、特許文献２のように溶射等で電極に一体に被膜されるものの他、特許文献１のように例えば平らなセラミックの板で構成され、電極とは別体になっているものがある。
特開平９−９２４９３号公報 特開２００２−１５８２１９号公報

近年、基材の大型化に対応して、電極の長さを例えば１．５ｍ〜２ｍ以上に長尺化することが求められている。しかし、このような長尺電極に固体誘電体の溶射膜を一様に被膜するのは困難である。
一方、セラミック板を採用するにしても、固体誘電体層として必要な厚さが１ｍｍ〜２ｍｍであるのに対し、長さを１．５ｍ〜２ｍ以上もの長尺セラミック板を作るのは困難である。そこで、短いセラミック板を電極長手方向に継ぎ足すことが考えられる。しかし、その場合、セラミック板どうしの継目の部分を微視的に見ると、奥の金属電極が放電空間にむき出しの状態になり、アークが極めて飛びやすくなってしまう。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、固体誘電体層を電極本体とは別体のセラミック等製の部材で構成する場合において、これを短く複数分割して継ぎ足し長尺化に対応可能にするとともに、継目からアークが飛ぶのを防止できるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、
プラズマ処理のための放電空間を形成する面を有して一方向に延びる電極本体と、
この電極本体とは別体をなし、少なくとも前記放電空間形成面を覆う固体誘電体と、を備え、
前記固体誘電体が、前記電極の延び方向に分割されて並べられた第１誘電部材と第２誘電部材を含み、これら第１誘電部材と第２誘電部材の互いに対向する端部どうしが突き当てられて継目が形成されており、この継目の前記放電空間とは逆側の背部には、絶縁性の継目当接部材が、第１、第２誘電部材の間に跨るように当接されていることを特徴とする。
これによって、個々の誘電部材の長さを短くでき、その製作の容易化を図ることができるとともに、金属が第１誘電部材と第２誘電部材どうしの継目を通して放電空間にむき出しにならないようにすることができ、継目からアークが飛ぶのを防止することができる。
前記固体誘電体すなわち第１、第２誘電部材は、好ましくは、アルミナ等のセラミックにて構成されている。

前記継目当接部材は、小片状であることが望ましい。
前記電極本体が、延び方向に分割された第１電極部材と第２電極部材を含んでいることが望ましい。
前記第１誘電部材が、前記第１電極部材を収容するとともに背面（前記放電空間とは逆側）が開口されたケース状をなしていることが望ましい。また同じく、前記第２誘電部材が、前記第２電極部材を収容するとともに背面（前記放電空間とは逆側）が開口されたケース状をなしていることが、より望ましい。このように、固体誘電体がケース状をなしていても、個々の誘電部材の長さは短くできるので、容易かつ確実に製作することができる。
これらケース状の第１、第２誘電部材の互いに突き当てられた端板どうしの背部側の縁面どうしの間に、前記継目当接部材が跨っていることが望ましい。

前記第１電極部材と第２電極部材の背部にはこれら第１、第２電極部材に跨るようして、金属製の温調部材が、熱伝達可能に設けられていてもよい。これによって、第１電極部材と第２電極部材を１つの温調部材で温調することができる。
この温調部材と前記第１、第２誘電部材の端板どうしの間に、前記継目当接部材が介在されていることが望ましい。これによって、温調部材と第１、第２電極部材が電気的に導通していても、継目を介して温調部材からアークが飛ぶのを防止することができる。
温調部材と第１、第２電極部材が電気的に導通している場合は、温調部材も電極本体の一構成要素と見ることができる。

前記継目当接部材が、前記第１、第２誘電部材どうしの継目と電極本体との間に介在されていることが望ましい。
前記電極本体の放電空間形成面には前記継目に対応する位置に凹部が形成されており、この凹部に前記継目当接部材が収容されていることが望ましい。
前記第１誘電部材が、平板状をなしていることが望ましい。

電源に接続されるホット側の固体誘電体と、接地されるアース側の固体誘電体とに、それぞれ前記継目が形成されており、これらホット側とアース側の継目どうしが、前記延び方向にずれていることが望ましい。これによって、継目の部分での処理抜けを抑えることができる。
ホット側とアース側の継目どうしが、前記延び方向の同一位置に配置されていてもよい。
ホット側とアース側の何れか一方の固体誘電体のみが、第１、第２誘電部材に分割され、継目を有していてもよい。

本発明は、大気圧近傍の圧力下（略常圧）で実行する常圧プロセスにおいて特に効果的である。ここで、大気圧近傍とは、１．０１３×１０⁴〜５０．６６３×１０⁴Ｐａの範囲を言い、圧力調整の容易化や装置構成の簡便化を考慮すると、１．３３３×１０⁴〜１０．６６４×１０⁴Ｐａが好ましく、９．３３１×１０⁴〜１０．３９７×１０⁴Ｐａがより好ましい。

本発明によれば、個々の誘電部材の長さを短くでき、その製作の容易化を図ることができるとともに、金属が第１誘電部材と第２誘電部材どうしの継目を通して放電空間にむき出しにならないようにすることができ、継目からアークが飛ぶのを防止することができる。

以下、本発明の第１実施形態を図面にしたがって詳述する。
図２に示すように、常圧プラズマ処理装置は、大型の基材Ｗを常圧下でプラズマ処理するものであり、この基材Ｗ上に配置される処理ヘッド１と、この処理ヘッド１に接続されたプロセスガス供給源２を備えている。プロセスガス供給源２には、洗浄、成膜、エッチング等の処理目的に応じたプロセスガス成分が貯えられている。

処理ヘッド１は、ガス導入ユニット１０と放電処理ユニット２０を上下に積層することによって構成され、図２の紙面と直交する左右方向に長く延びている。詳細構造は省略するが、ガス導入ユニット１０は、プロセスガス供給源２からのプロセスガスを左右長手方向に均一化し、放電処理ユニット２０へ導入するようになっている。

図１及び図２に示すように、放電処理ユニット２０は、金属製の筐体２１と、この筐体２１内に絶縁性のホルダ２２を介して収容された電極構造を有し、左右に長く延びている。
電極構造は、一対をなすホット電極モジュール３０Ｈとアース電極モジュール３０Ｅを有している。これら電極モジュール３０Ｈ，３０Ｅは、左右に長く延びるとともに、互いに前後に対向している。電極モジュール３０Ｈ，３０Ｅの左右方向の長さは、大型基材Ｗの寸法に対応しており、例えば１．５ｍ〜２ｍであるが、２ｍ以上であってもよい。

これら電極モジュール３０Ｈ，３０Ｅの対向面どうし間に、左右に延びる狭いスリット状の隙間３０ａが形成されている。この隙間３０ａが、後記電源３による電界印加によって放電空間となる。隙間すなわち放電空間３０ａの厚さは、１ｍｍ〜２ｍｍ程度である。

図２に示すように、樹脂製ホルダ２２における放電空間３０ａの上流端に面する部分には、導入口形成部材２３が設けられている。導入口形成部材２３は、石英等の耐プラズマ材料にて構成されている。この導入口形成部材２３をはじめ、筐体２１及びホルダ２２の電極構造より上側部分には、ガス導入ユニット１０の下流端に連なる導入口２０ａが形成されている。導入口２０ａは、スリット状をなして図２の紙面と直交する左右方向に延び、放電空間３０ａの上端開口の略全長に連なっている。これにより、ガス導入ユニット１０で均一化されたプロセスガスが導入口２０ａを経て放電空間３０ａに導入され、プラズマ化されるようになっている。

また、樹脂製ホルダ２２における放電空間３０ａの下流端に面する部分には、吹出し口形成部材２４が設けられている。吹出し口形成部材２４は、導入口形成部材２３と同様に、石英等の耐プラズマ材料にて構成されている。この吹出し口形成部材２４に、吹出し口２０ｂが形成されている。吹出し口２０ｂは、スリット状をなして図２の紙面と直交する左右方向に延び、放電空間３０ａ下端開口の略全長に連なっている。これにより、放電空間３０ａからのプラズマガスが吹出し口２０ｂから吹出されて基材Ｗに吹き付けられ、洗浄、成膜、エッチング等のプラズマ表面処理が行なわれるようになっている。
なお、放電処理ユニット２０の底部には、金属板２５がホルダ２２の底面を覆うようにして設けられている。金属板２５は、電気的に接地されている。これによって、電極構造と基材Ｗの間の電界遮蔽がなされている。

ホット電極モジュール３０Ｈの詳細構造を説明する。
ホット電極モジュール３０Ｈは、ホット電極本体と、この電極本体とは別体の固体誘電体を有している。図１及び図３に示すように、電極本体は、長手方向に分割された複数（３つ）の縦長板状の電極部材３１を含んでいる。これら電極部材３１の長さは、互いに略等しく、例えば５０ｃｍ〜７０ｃｍ弱程度である。これら電極部材３１が、左右長手方向に一列に並べられている。電極部材３１は、ステンレスやアルミ等の金属にて構成されている。

ホット電極モジュール３０Ｈの固体誘電体は、電極部材３１と同数だけ長手方向に分割されている。すなわち、固体誘電体は、複数（３つ）の誘電部材４０を含み、これら誘電部材４０が、左右に一列に並べられている。

図３に示すように、各誘電部材４０は、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）やＡｌＮなどのセラミックにて構成されている。誘電部材４０は、放電空間３０ａを向く垂直な主壁４１と、上下一対の水平な板４２と、左右一対の垂直な端板４３とを有し、放電空間３０ａとは逆側を向く背面（外側面）が開放されたケース状をなしている。上下の板４２は、端板４３より背部側へ突出されている。
各誘電部材４０の長さは、各電極部材３１と略同じであり、例えば５０ｃｍ〜７０ｃｍ弱程度である。誘電部材４０の主壁４１をはじめとする各部４１〜４３の厚さは、１ｍｍ〜２ｍｍ程度である。

図１及び図２に示すように、各誘電部材４０の内部には、背面開口を出し入れ口として、１つの電極部材３１がぴったり収容されている。
誘電部材４０の主壁４１は、電極部材３１の放電空間形成面を覆っている。誘電部材４０の上下の板４２は、電極部材３１の上下の面にそれぞれ宛がわれるとともに、電極部材３１の背面より突出されている。

各誘電部材４０の左右の端板４３は、電極部材３１の左右の端面にそれぞれ宛がわれている。これら端板４３の背部側の縁と電極３２の背面とは、面一をなしている。
隣り合う２つの誘電部材４０，４０の互いに対向する端板４３，４３どうしは、互いに重ね合わされ、これら誘電部材４０，４０どうしの継目４０ａを構成している。

ここで、隣り合う２つの誘電部材４０，４０の何れか一方を「第１誘電部材」とすると、他方が「第２誘電部材」となる。第１誘電部材４０に収容された電極部材３１は、「第１電極部材」を構成し、第２誘電部材４０に収容された電極部材３１は、「第２電極部材」を構成する。

ホット電極モジュール３０Ｈの電極本体は、ステンレス等の金属からなる温調部材３２を含んでいる。温調部材３２は、放電処理ユニット２０の略全長に及ぶ細長い板状をなしている。この温調部材３２が、ホット電極モジュール３０Ｈのすべて（３つ）の電極部材３１に跨るようにして、これら電極部材３１の背部に平行に配置されている。温調部材３２の内部には、温調路３２ａが略全長にわたって形成されている。この温調路３２ａに冷却水等の温調媒体が通されるようになっている。

温調部材３２と各電極部材３１の間には伝熱部材３３が挟まれている。伝熱部材３３は、アルミ等の伝熱性の良好な金属にて構成され、各電極部材３１の長さより短い板状をなしている。３つの伝熱部材３３が、３つの電極部材３１に一対一に対応するように配置されている。

伝熱部材３３を挟んで電極部材３１と温調部材３２とは、ネジ部材３４にて連結固定され、構造的に一体化されている。これにより、伝熱部材３３を介して電極部材３１と温調部材３２とが、確実に熱伝達できるとともに、電気的に確実に導通し合うようになっている。
図１に示すように、電源３からの給電線３ａが、ホット電極モジュール３０Ｈの温調部材３２に接続されている。これにより、電圧が、温調部材３２及び３つの伝熱部材３３を介して、３つの電極部材３１に供給されるようになっている。

なお、図１において、符号６１は、筐体２１を通して温調部材３２にねじ込まれ、温調部材３２を背部側へ引く引きネジ部材であり、符号６２は、筐体２１にねじ込まれ、ホルダ２２を介して温調部材３２を電極部材３１の側へ押す押しネジ部材である。これらネジ部材６１，６２によって、温調部材３２ひいては電極部材３１の歪みが阻止され、ひいては放電空間３０ａが一定の均一厚さに維持されるようになっている。

図２及び図３に示すように、温調部材３２と伝熱部材３３は、樹脂製の一対の挟持板５１によって上下から挟持されている。各挟持板５１は、放電処理ユニット２０の略全長にわたって延びている。上側の挟持板５１の上面と下側の挟持板５１の下面には、それぞれ浅い段差面５１ａが形成されており、この段差面５１ａに誘電部材４０の上下の板４２がそれぞれ嵌め合わされている。各挟持板５１の電極部材３１側の縁には、切欠き５１ｂが形成されている。切欠き５１ｂは、挟持板５１の長手方向に離れて複数（２つ）設けられている

図１及び図３に示すように、ホット電極モジュール３０Ｈには、複数（２つ）の継目当接部材５２が設けられている。継目当接部材５２は、絶縁樹脂にて構成され、垂直な小片板状をなしている。各継目当接部材５２は、左右に隣り合う伝熱部材３３どうしの間に配置されるとともに、背部には温調部材３２が宛がわれている。図３及び図４に示すように、継目当接部材５２の上下高さは、伝熱部材３３より大きく、上下両端部が、上下の挟持板５１の切欠き５１ｂに差し入れられている。

図５に示すように、継目当接部材５２の左右幅方向の中央部は、隣り合う誘電部材４０，４０どうしのちょうど継目４０ａに位置され、これら誘電部材４０，４０の重なり合った端板４３，４３の背部側の縁面に跨るように当接されている。継目当接部材５２は、これら端板４３，４３を挟んで隣り合う電極部材３１，３１の背面間に跨っている。そして、端板４３，４３及び電極部材３１，３１と温調部材３２との間に介在されている。

図１及び図２に示すように、アース電極モジュール３０Ｅは、ホット電極モジュール３０Ｈと略同一構造になっている。（図面において、モジュール３０Ｈ，３０Ｅ間で共通する構成要素については同一符号を付す。）ただし、アース電極モジュール３０Ｅでは、温調部材３２にアース線３ｂが接続されており、温調部材３２及び伝熱部材３３を介して電極部材３１がアースされている。また、温調部材３２が固定用ネジ部材６３によって筐体２１に固定されているのみで、引きネジ部材６１及び押しネジ部材６２は設けられていない。

図５に示すように、アース電極モジュール３０Ｅにおいては、電極部材３１及び誘電部材４０の継目４０ａの位置が、ホット電極モジュール３０Ｈのものに対して左右方向にずれている。したがって、継目当接部材５２の配置位置もずれている。

上記構成の常圧プラズマ処理装置によれば、電極構造が全体として大型基材Ｗに対応するように長尺になっているが、固体誘電体層は、複数の誘電部材４０に分割されているため、個々の誘電部材４０の長さが１ｍ以下の短寸法で済む。これによって、アルミナ等のセラミック材料からなるケース状の誘電部材４０を容易かつ確実に製作することができる。
また、電極本体も短い電極部材３１に分割されているため、容易かつ安価に製作できる。そして、ケース状の誘電部材４０に電極部材３１を収容保持することができる。

隣り合う誘電部材４０どうしの継目４０ａの背部には、絶縁樹脂製の継目当接部材５２が宛がわれているので、金属が継目４０ａを通して放電空間３０ａにむき出しにならないようにすることができる。これによって、継目４０ａからアークが飛ぶのを防止することができる。
ホット電極モジュール３０Ｈとアース電極モジュール３０Ｅの誘電部材４０の継目４０ａの位置が互いにずれているので、継目４０ａの部分における処理抜けを抑えることができる。

次に、第２実施形態を説明する。以下、第１実施形態と同様の構成に対しては図面に同一符号を付して説明を簡略化する。
図６に示すように、第２実施形態では、電極本体３５が、長尺処理ヘッド１の略全長にわたって一本物になっている。また、図７に示すように、電極本体３５は、第１実施形態の電極部材３１より太くなっており、それ自体の内部に温調路３５ａが形成され、この温調路３５ａに冷却水等の温調媒体が通されるようになっている。したがって、第１実施形態の温調部材３２や伝熱部材３３は不要である。
勿論、電源３からの給電線３ａは、ホット電極モジュール３０Ｈの電極本体３５に直接接続され、アース線３ｂは、アース電極モジュール３０Ｅの電極本体３５から直接引き出されている。
ホット側の引きネジ部材６１は、ホット電極本体３５に直接ねじ込まれ、アース側の固定用ネジ部材６３は、アース電極本体３５に直接ねじ込まれている。

一方、図６に示すように、第２実施形態の固体誘電体は、第１実施形態と同様に処理ヘッド１の長手方向に複数の誘電部材７０に分割されている。誘電部材７０は、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）やＡｌＮ等のセラミックにて薄い平板状に形成されている。各誘電部材７０の長さは短くてよいので、容易に製作することができる。

隣り合う誘電部材７０，７０の対向端面どうしが突き当てられ、継目７０ａが形成されている。図８及び９に示すように、この継目７０ａの背部側には、両誘電部材７０，７０間に跨るように絶縁樹脂製の小片状の継目当接部材５２が当接されている。
電極本体３５の放電空間形成面（誘電部材７０の当接面）には、上記継目７０ａに対応する位置に凹部３５ｂが形成されている。この凹部３５ｂに継目当接部材５２が収容されている。これによって、電極本体３５が継目７０ａを通して放電空間３０ａにむき出しにならないようにすることができ、継目７０ａからアークが飛ばないようにすることができる。
ホット電極モジュール３０Ｈの誘電部材７０，７０どうしの継目７０ａと、アース電極モジュール３０Ｅの誘電部材７０，７０どうしの継目７０ａとは、処理ヘッド１の長手方向にずれて配置されている。これによって、継目７０ａの部分における処理抜けを抑えることができる。

誘電部材７０及び継目当接部材５２は、電極構造の上下の導入口形成部材２３及び吹出し口形成部材２４にて支持されている。
詳述すると、図７及び図９に示すように、誘電部材７０と継目当接部材５２の上側の端面は、導入口２０ａから離れるにしたがって上に傾く斜面になっており、下側の端面は、吹出し口２０ｂから離れるにしたがって下に傾く斜面になっている。
一方、図７に示すように、導入口形成部材２３の下面の中央部には、導入口２０ａを中心とする逆さ凹部２３ａが形成されている。この逆さ凹部２３ａの上底面が、導入口２０ａから離れるにしたがって上へ傾く斜面状をなす一対の上側支持面２３ｂになっている。この支持面２３ｂに誘電部材７０及び継目当接部材５１の上端の斜面が宛がわれている。
また、吹出し口形成部材２４の上面の中央部には、吹出し口２０ｂを中心とする凹部２４ａが形成されている。この凹部２４ａの底面が、吹出し口２０ａから離れるにしたがって下へ傾く斜面状をなす一対の下側支持面２４ｂになっている。この支持面２４ｂに誘電部材７０と継目当接部材５１の下端の斜面が宛がわれている。そして、誘電部材７０及び継目当接部材５１の背部が電極本体３５にて押さえられている。これによって、誘電部材７０と継目当接部材５１が固定されている。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をなすことができる。
例えば、ホット側の継目とアース側の継目がずれておらず、互いに一致していてもよい。
上記実施形態では、ホット側とアース側の両方に本発明構造が適用されていたが、何れか一方の電極だけに適用されていてもよい。
上記実施形態の常圧プラズマ処理装置は、基材Ｗを放電空間３０ａの外側に配置する所謂リモート式であったが、放電空間３０ａ内に直接配置する所謂ダイレクト式であってもよい。

この発明は、例えば半導体基材の製造における洗浄や成膜等の表面処理工程に用いる表面処理装置に適用可能である。

本発明の第１実施形態に係る常圧プラズマ処理装置の処理ヘッドを示し、図２のI−I線に沿う放電処理ユニットの平面断面図である。 図１のII−II線に沿う処理ヘッドの側面断面図である。 上記放電処理ユニットの電極構造の分解斜視図であり、各種ネジ部材用のネジ孔等の図示は省略する。 上記電極構造のホット電極モジュールを示し、誘電部材の継目における断面図である。 上記継目の部分を拡大して示す平面断面図である。 本発明の第２実施形態に係る常圧プラズマ処理装置の処理ヘッドを示し、図７のVI−VI線に沿う放電処理ユニットの平面断面図である。 図６のVII−VII線に沿う処理ヘッドの側面断面図である。 第２実施形態の継目の部分を拡大して示す平面断面図である。 第２実施形態のホット電極モジュールの分解斜視図である。

符号の説明

３１ 電極部材
３２ 温調部材
３５ 電極本体
３５ｂ 凹部
４０ ケース状誘電部材
４０ａ 継目
５２ 継目当接部材
７０ 平板状誘電部材
７０ａ 継目

Claims (7)

1. プラズマ処理のための放電空間を形成する面を有して一方向に延びる電極本体と、
   この電極本体とは別体をなし、少なくとも前記放電空間形成面を覆う固体誘電体と、を備え、
   前記固体誘電体が、前記電極の延び方向に分割されて並べられた第１誘電部材と第２誘電部材を含み、これら第１誘電部材と第２誘電部材の互いに対向する端部どうしが突き当てられて継目が形成されており、この継目の前記放電空間とは逆側の背部には、絶縁性の継目当接部材が、第１、第２誘電部材の間に跨るように当接されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記電極本体が、延び方向に分割された第１電極部材と第２電極部材を含み、
   前記第１誘電部材が、前記第１電極部材を収容するとともに背面が開口されたケース状をなし、
   前記第２誘電部材が、前記第２電極部材を収容するとともに背面が開口されたケース状をなし、
   これらケース状の第１、第２誘電部材の互いに突き当てられた端板どうしの背部側の縁面どうしの間に、前記継目当接部材が跨ってい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。
3. 前記第１電極部材と第２電極部材の背部にはこれら第１、第２電極部材に跨るようして、金属製の温調部材が、熱伝達可能に設けられており、この温調部材と前記第１、第２誘電部材の端板どうしの間に、前記継目当接部材が介在されていることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記継目当接部材が、前記第１、第２誘電部材どうしの継目と電極本体との間に介在されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記電極本体の放電空間形成面には前記継目に対応する位置に凹部が形成されており、この凹部に前記継目当接部材が収容されていることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第１誘電部材が、平板状をなしていることを特徴とする請求項１、４又は５の何れかに記載のプラズマ処理装置。
7. 電源に接続されるホット側の固体誘電体と、接地されるアース側の固体誘電体とに、それぞれ前記継目が形成されており、
   これらホット側とアース側の継目どうしが、前記延び方向にずれていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のプラズマ処理装置。

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