JP4564874B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、処理ガスをプラズマ空間でプラズマ化し基材を表面処理する装置に関し、特に基材を前記プラズマ空間の外部に配置し、これに向けてプラズマガスを吹付ける所謂リモート式のプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理装置には一対の電極が設けられている。これら電極間に電界を印加してプラズマ空間を形成し、このプラズマ空間に処理ガスを導入してプラズマ化する。このプラズマガスを基材に接触させ、表面処理を行なう。基材は、前記プラズマ空間の内部に配置する場合と、プラズマ空間の外部に配置する場合とがあり、前者はダイレクト式と呼ばれ、後者はリモート式と呼ばれている。ダイレクト方式では、プラズマガスを基材に直接的に当てることができるが基材がダメージを受けるおそれがある。一方、リモート式では、プラズマ空間から基材までの距離が遠すぎると十分な処理効率を得ることができない。しかし、基材を近づけすぎると電源側（ホット側）の電極から基材にアーク放電が落ちて基材がダメージを受けるおそれがある。
そこで、特許文献１には、リモート式のプラズマ処理装置において、少なくともホット電極と基材の間に金属製のアース板を設置し、このアース板と電極の間に絶縁部材を挟むことが記載されている。これによって、ホット電極と基材との間の電界を遮蔽でき、基材へのアーク放電を防止しつつ基材をプラズマ空間に近づけて処理効率を高めることができる。
特開２００３−１００６４６

上掲の特許文献ではアース板の固定手段については開示されていない。そこで、アース板の中間部に逆Ｌ字状のフックを溶接にて取り付け、このフックを絶縁部材に設けた係止部に引っ掛けるようにすることが考えられる。
しかし、逆Ｌ字状のフックをまっすぐ垂直に溶接固定するのは難しい。また、片持ち状であるので固定強度を確保しづらい。さらに、フックを係止部に引っ掛けやすくするにはフックをある程度の高さにしなければならないが、あまり高く突出させると電極とフックの間にアーク等の異常放電が発生しやすくなる。これを防止すべく、絶縁部材を厚くし、電極とフックの間の距離ひいては電極とアース板との間の距離を大きくすると、電極間のプラズマ空間から被処理基材までの距離が遠くなり、処理効率が減殺されてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、
処理ガスをプラズマ空間に通すとともに前記プラズマ空間の外部の基材に向けて吹出すプラズマ処理装置において、
前記プラズマ空間を形成するための電極と、
前記電極の基材配置側に被さるアース部材と、
前記アース部材と電極の間に介在された介在部を含み、前記電極を絶縁して保持する絶縁ホルダと、を備え、
前記アース部材には断面円形状の小突起が前記電極へ向けて突出するように設けられ、この小突起が、前記介在部に形成された受け入れ部に挿入され、抜け止めされていることを特徴とする。

前記小突起の電極対向面と周側面との角は面取りするのが好ましい。
前記小突起の周側面に環状溝が形成されており、この環状溝に周方向の一部が切欠されたリング部材が嵌め込まれることにより、前記小突起が抜け止めされることが望ましい。

前記小突起が、前記アース部材に固定された基部と、この基部の前記電極側の端部に連なる頭部とを有し、この頭部が、前記介在部の受け入れ部と嵌合して抜け止めされるようになっていてもよい。
前記頭部は、前記基部より大径であるのが好ましい。

前記アース部材は、少なくともホット電極（電源からの電圧供給を受ける側の電極）に対応していればよい。
前記アース部材は、金属等の導電性材料からなり、好ましくは板形状をなし、電気的に接地（アース）されている。
本発明は、前記電極が長尺状をなし、前記アース部材が前記電極と同方向に延びている電極構造に好適である。前記小突起は、前記アース部材のプラズマ吹出し口側の縁に寄せて配置するのが好ましい。

本発明は、略常圧（略大気圧）でグロー放電等のプラズマ放電を起こす大気圧プラズマ放電処理に好適である。ここで、「略常圧ないしは略大気圧」とは、１．０１３×１０^４〜５０．６６３×１０^４Ｐａの範囲を言い、圧力調節の容易化や装置構成の簡便化を考慮すると、好ましくは、１．３３３×１０^４〜１０．６６４×１０^４Ｐａであり、より好ましくは、９．３３１×１０^４〜１０．３９７×１０^４Ｐａである。

本発明によれば、小突起をアース部材上に正確に設置しやすい。溶接にて設置する場合も作業性がよい。さらに、電極とアース部材の距離を小さくでき、処理効率を高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって詳述する。
図１に示すように、プラズマ処理装置Ｍは、放電ユニット１０を備えている。放電ユニット１０の下方に、処理すべき基材Ｗが配置されるようになっている。

放電ユニット１０の上側には二点鎖線で示すガス導入ユニット２０が設けられている。処理ガス源２からのガス供給路２ａがガス導入ユニット２０に連なっている。ガス導入ユニット２０は、処理ガスを均一化し、放電ユニット１０へ導入するようになっている。

放電ユニット１０は、金属製の側壁４１を含む筐体と、この筐体内に設けられた絶縁ホルダ３０と、このホルダ３０に囲まれるようにして保持された一対の電極１１，１１とを備えている。
各電極１１は、断面四角形状をなし、図１の紙面と直交する前後方向（一方向）に長く延びている。電極１１の内部には冷却水等の温調媒体を通す温調路１１ｃが形成されている。一対の電極１１，１１は、左右に対向している。少なくとも一方の電極１１の対向面には溶射膜等からなる固体誘電体層（図示省略）が設けられている。これら電極１１，１１どうし間にスリット状の空間１１ａが形成されている。この電極間空間１１ａの上端部は、導入路１０ａを介してガス導入ユニット２０に接続され、下端部は、吹出し路１０ｂに連なっている。

一対の電極１１，１１のうちの一方は、電源３に接続されてホット電極となり、他方は、電気的に接地されてアース電極となっている。（以下、これら電極１１を区別するときはホット電極に符号１１Ｈを付し、アース電極に符号１１Ｅを付す。）
電源３からの電圧供給によってスリット状空間１１ａ内に大気圧グロー放電が生成されるようになっている。これによって、スリット状空間１１ａが、プラズマ空間１１ａとなる。併行して、処理ガス供給源からの処理ガスが、ガス導入ユニット２０で均一化された後、導入路１０ａを経てプラズマ空間１１ａに導入され、プラズマ化されるようになっている。このプラズマガスが、吹出し路１０ｂを経て吹出され、下方の被処理基材Ｗに照射されるようになっている。これによって被処理基材Ｗのプラズマ表面処理を行なうことができるようになっている。

放電ユニット１０には、電極１１ごとにホルダ３０が設けられている。各ホルダ３０は、導入側部材３１と、背面部材３２と、サポート部材３３と、吹出し側部材３４とを有している。これらホルダ構成部材３１〜３４は、熱膨張率の小さい絶縁材料（例えばガラス繊維入りポリカーボネート、ユニレート等）にて構成されている。
導入側部材３１は、電極１１と同方向（図１の紙面直交方向）に長く延び、電極１１の上面に被せられている。一対の導入側部材３１，３１どうし間に上記導入路１０ａが形成されている。
背面部材３２は、電極１１と同方向（図１の紙面直交方向）に延び、電極１１の背面（他方の電極側とは反対側の面）に添えられている。

吹出し側部材３４は、耐プラズマ性、耐熱性を有する絶縁材料にて構成され、断面Г字状をなして電極１１と同方向（図１の紙面直交方向）に延びている。吹出し側部材３４は、電極１１の下側に設けられている。一対の吹出し側部材３４，３４どうし間に上記吹出し路１０ｂが形成されている。吹出し側部材３４の対向面すなわち吹出し路形成面は、電極１１のプラズマ空間１１ａ形成面と面一をなしている。これによって、プラズマ空間１１ａと吹出し路１０ｂの流路断面積が等しくなっている。
図３に示すように、吹出し側部材３４の下端のエッジは、マイクロクラック防止等のため面取りされている。これにより、吹出し路１０ｂの下端部が、下方へ向かって拡開されている。

図２に示すように、サポート部材３３は、縦片部３６と下片部３７を有してＬ字状をなしている。サポート部材３３は、電極１１の長手方向に離間して複数配置されている（図２では１つだけ図示）。隣り合うサポート部材３３，３３どうし間には絶縁空間が形成されている。
図１に示すように、サポート部材３３の縦片部３６は、側壁４１と背面部材３２の間に挟まれている。サポート部材３３の下片部３７は、背面部材３２及び電極１１の下側（基材配置側）に配置されている。下片部３７の先端部は、吹出し側部材３４の懐部に挿入されている。サポート部材３３と背面部材３２は、ピン３５にて連結されている。

なお、図１において符号「６１」は、ホット電極１１Ｈを外側へ引くボルトであり、符号「６２」は、アース電極１１Ｅを側壁４１に引き付けておくボルトである。

図１に示すように、放電ユニット１０の底部にはアース部材５０が配置されている。アース部材５０は、ステンレス等の金属板にて構成され、電極１１と同方向（図１の紙面直交方向）に延びている。アース部材５０の平らな主部５０Ｘが、側壁４１の下面と、サポート部材３３の下片部３７の下面と、吹出し側部材３４の下面に跨っている。このアース部材５０の主部５０Ｘが、電極１１の下側すなわち基材配置側に被さり、基材Ｗに面するようになっている。

アース部材５０は、アース線５９を介してアースされている。これによって、電極１１から基材Ｗへのアーク放電を防止できるとともに、放電ユニット１０と基材Ｗの間のワーキングディスタンスを小さくでき、処理効率を向上させることができる。
電極１１とアース部材５０の間にはサポート部材３３の下片部３７（介在部）が介在されており、これによって、電極１１Ｈとアース部材５０の間の絶縁が取られている。

図３に示すように、アース部材５０の内端部は、吹出し側部材３４の下面と面取り部のちょうど境の付近に位置されている。一対のアース部材５０の内端部どうし間に吹出し路１０ｂの下端開口すなわち吹出し口が形成されている。

図１及び図２に示すように、アース部材５０の外縁部（プラズマ吹出し口に面する側とは逆側の縁部）は、上方（基材配置側とは逆側）へ直角に折曲され、凸縁部５２が形成されている。凸縁部５２は、アース部材５０の全長にわたって延びている。この凸縁部５２が、側壁４１の外側面に宛がわれ、ボルト５８（連結手段）にて止められている。ボルト５８は、凸縁部５２の長手方向（図１の紙面直交方向）に間隔を置いて複数設けられている。

アース部材５０の外縁部に凸縁部５２を設けることによってアース部材５０の保形強度が高められている。これにより、アース部材５０の主部５０Ｘが、確実に平らに維持され、サポート部材３３の下片部３７の下面及び吹出し側部材３４の下面にぴったり当接されている。ひいてはワーキングディスタンスの均一性が確保されている。

図２に示すように、凸縁部５２には、切り込み５２ａ（切欠き状の熱応力逃がし部）が形成されている。切り込み５２ａは、凸縁部５２の長手方向に間隔を置いて複数設けられている（図２では１つだけ図示）。切り込み５２ａの位置は、ボルト５８に対し凸縁部５２の長手方向にずれて配置されている。切り込み５２ａは、凸縁部５２の上端から垂直に入れられている。切り込み５２ａの下端部は、凸縁部５２の下端部（アース板５０の折曲部）の近くまで達している。これにより、長時間処理等でアース部材５０が熱を持ってきた場合でも、切り込み５２ａによって熱応力を逃がすことができ、アース部材５０が３次元的に変形するのを抑制することができる。ひいては、ワーキングディスタンス精度がより一層確保されている。

アース部材５０は、次のようにしてサポート部材３３の下片部３７に固定されている。
図２及び図３に示すように、アース部材５０の内端面（吹出し口形成面）の近くの上面には小さな突起５１が設けられている。小突起５１は、アース部材５０の長手方向（図１の紙面直交方向）に間隔を置いて複数設けられている（図面では１つだけ図示）。小突起５１は円柱形状をなし、アース部材５０に溶接にて固定されている。小突起５１の上面と周側面の角は全周にわたって面取りされている。小突起５１の周側面には、溝５１ａが環状に形成されている。

一方、サポート部材３３の下片部３７には段差が形成され、この段差より先端側が薄肉になっている。この下片部３７の先端部に貫通孔からなる受け入れ部３７ａが形成されている。この受け入れ部３７ａに小突起５１が挿通されている。小突起５１の環状溝５１ａ及びそれより上側部分が、下片部３７から突出されている。そして、環状溝５１ａに抜け止め手段としてＥリング７１（周方向の一部が切欠されたリング部材）が嵌め込まれている。Ｅリング７１は、サポート部材３３の下片部３７の上面に当接されている。これによって、小突起５１が抜け止めされ、ひいてはアース部材５０がホルダ３０に固定されている。

サポート部材３３の下片部３７ひいては小突起５１の上側には、テフロン（登録商標）等の絶縁材料からなるカバー部材３８が被せられている。

上記構成の固定手段によれば、小突起５１の高さを小さくできる。しかも、小突起５１は円柱形状であるのでアーク放電がおきにくい。これによって、電極１１とアース部材５０の距離を小さくできる。ひいては、処理効率を高めることができる。
円柱形状の小突起５１は、アース部材５０上にまっすぐ垂直に立てやすく、溶接固定もしやすい。これによって、アース部材５０を精度良く、しっかりと固定することができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において既述の実施形態と重複する構成に関しては図面に同一符号を付して説明を省略する。
図４〜図６は、第２実施形態を示したものである。図４及び図５に示すように、この実施形態の小突起５１は、基部５１ｃと、その上端部に設けられた頭部５１ｂとを有している。基部５１ｃがアース部材５０に溶接固定されている。頭部５１ｂは、基部５１ｃより大径をなすとともに、その下側部分は基部５１ｃへ向かって縮径するテーパになっている。

図６に示すように、サポート部材３３の下片部３７には、平面視ほぼ長円形の孔からなる受け入れ部３７ｘが形成されている。この受け入れ部３７ｘは、挿入孔３７ｂと、これに連なる嵌合孔３７ｃを含んでいる。挿入孔３７ｂは、小突起５１の頭部５１ｂを適宜なクリアランスをもって挿通可能な大きさの円形断面をなし、サポート部材３３の下片部３７を厚さ方向に貫通している。この挿入孔３７ｂの一側部に嵌合孔３７ｃが連なっている。嵌合孔３７ｃには段差が形成され、この段差より上側は挿入孔３７ｂと同じ直径になり、段差より下側は挿入孔３７ｂより小径、かつ小突起５１の基部５１ｃより大径になっている。嵌合孔３７ｃの段差面３７ｄは、小突起５１の頭部５１ｂの下側部分に合わせてテーパになっている。

アース部材５０の取り付け時には、図６の二点鎖線で示すように、先ず小突起５１を挿入孔３７ｂに差し込む。その後、横スライドさせて嵌合孔３７ｃ内に差し入れ、同図の一点鎖線で示すように、小突起５１の頭部５１ｂを嵌合孔３７ｃの段差面３７ｄより上側の部分に嵌め込む。これによって、小突起５１の抜け止めがなされる。

図７に示すように、第３実施形態のサポート部材３３には、下片部３７の下面に凹部からなる受け入れ部３７ｅが形成されている。この受け入れ部３７ｅにアース部材５０の小突起５１が挿入されるようになっている。小突起５１の周側面には係止溝５１ｅが環状に形成されている。係止溝５１ｅは、断面Ｖ字状をなしている。

サポート部材３３の下片部３７の先端面には、係止ネジ７２（抜け止め手段）が螺合されている。係止ネジ７２の小突起５１を向く端部は先細に尖っている。この係止ネジ７２の尖り部が突起５１の係止溝５１ｅに差し入れられている。

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、第１実施形態において、周方向の一部が切欠されたリング部材としてＥリングに代えてＣリングを用いてもよい。
第２実施形態において、長円状の受け入れ部３７ｘは、サポート部材３３の下片部３７を貫通せず、下片部３７の下面に凹部として形成されていてもよい。

この発明は、例えば半導体基材の洗浄、表面改質、成膜等の表面処理に適用可能である。

本発明の第１実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置を示す正面断面図である。 上記装置のアース部材とサポート部材の分解斜視図である。 上記装置のホット電極より下側（基材配置側）の部分を拡大して示す正面断面図である。 アース部材の取り付け構造の変形例を示すアース部材とサポート部材の分解斜視図である。 図４に示す変形例に係る装置のホット電極より下側（基材配置側）の部分を拡大して示す正面断面図である。 図４に示す変形例に係るサポート部材の下片部の先端部の平面図である。 アース部材の取り付け構造の他の変形例を示し、ホット電極より下側（基材配置側）の部分の拡大正面断面図である。

符号の説明

Ｍ プラズマ処理装置
Ｗ 基材Ｗ
１０ 放電ユニット
１１ 電極１１
１１ａ プラズマ空間
３０ ホルダ（絶縁部材）
３３ サポート部材
３７ 下片部（介在部）
３７ａ 貫通孔（受け入れ部）
３７ｘ 受け入れ部
３７ｅ 凹部（受け入れ部）
５０ アース部材
５０Ｘ アース部材の主部
５１ 小突起
５１ａ 環状溝
５１ｂ 頭部
５１ｃ 基部
７１ Ｅリング（抜け止め手段）
７２ 係止ネジ（抜け止め手段）

Claims (3)

1. 処理ガスをプラズマ空間に通すとともに前記プラズマ空間の外部の基材に向けて吹出すプラズマ処理装置において、
   （ａ）前記プラズマ空間を形成するための電極と、
   （ｂ）前記電極の基材配置側に被さるアース部材と、
   （ｃ）前記アース部材と電極の間に介在された介在部を含み、前記電極を絶縁して保持する絶縁ホルダと、
   を備え、
   前記アース部材には断面円形状の小突起が前記電極へ向けて突出するように設けられ、この小突起が、前記介在部に形成された受け入れ部に挿入され、抜け止めされていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記小突起の周側面に環状溝が形成されており、この環状溝に周方向の一部が切欠されたリング部材が嵌め込まれることにより、前記小突起が抜け止めされ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. 前記小突起が、前記アース部材に固定された小径の基部と、この基部の前記電極側の端部に連なる大径の頭部とを有し、この頭部が、前記介在部の受け入れ部と嵌合して抜け止めされ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。

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