JP4714557B2

JP4714557B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4714557B2
Application number: JP2005319419A
Authority: JP
Inventors: 裕人竹内
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2025-11-02
Also published as: JP2007128710A

Description

この発明は、プロセスガスをプラズマ化して基材に当て、洗浄、成膜、エッチング、表面改質などの表面処理を行なう装置に関し、特に、プラズマ発生空間の外に基材を配置する所謂リモート式のプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理装置は、基材を電極間のプラズマ発生空間内に配置する所謂ダイレクト式と、外部に配置する所謂リモート式に大別される。
リモート式のプラズマ処理装置は、電源に接続された電圧印加電極と、この電極と対向するとともに接地された接地電極とを有し、これら電極どうし間にプラズマ放電空間が形成されるようになっている。このプラズマ放電空間にプロセスガスを導入してプラズマ化し、下方の基材へ向けて吹出す。これによって、基材のプラズマ表面処理を行なうことができる。

この種リモート式プラズマ処理装置では、基材との距離が短いと電圧印加電極から基材にアークが落ち易くなり、逆に距離を大きくすると基材にプラズマガスが届きにくく処理効率が悪くなる。特に、大気圧近傍での圧力下でのプラズマ処理において、その傾向が顕著である。そこで、少なくとも電圧印加電極の下側に金属板を設け、この金属板を電気的に接地することが知られている。
特開２００５−２５１７１９号公報特開２００３−１００６４６号公報特開平９−２４６７０５号公報

上記の金属板は、電圧印加電極から基材への電界を遮蔽するためのものである。しかし、発明者がシミュレーションしてみたところ、吹出し口の直下で電界強度が残存していることが判明した（後記比較例１参照）。これは、吹出し口から電界が漏れているためと推察される。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、
プロセスガスをプラズマ放電空間に通して吹出し、前記プラズマ放電空間の外部の処理位置に配置された基材に接触させ、該基材のプラズマ表面処理を行なうプラズマ処理装置において、
前記プラズマ放電空間を形成するための電極と、
電気的に接地された状態で前記電極と前記処理位置との間に配置された導電部材と、を備え、
前記導電部材が、前記プラズマ放電空間に連なる吹出し口に面する吹出し側部を有し、
前記吹出し側部の前記吹出し口のガス吹出し方向に沿う寸法が、前記吹出し口からの電界漏れを十分に阻止可能な大きさに設定されていることを特徴とする。
上記の寸法は、印加電圧の大きさ、前記電極と導電部材との間の絶縁体の誘電率及び厚さ等に応じて設定するとよい。
これによって、電極から吹出し口に入って来る電界（電気力線）を導電部材の吹出し側部で遮蔽することができ、吹出し口からの電界漏れを抑制することができる。
前記導電部材は、基本的には、前記吹出し側部だけでなくその他の部分についても前記設定寸法になっていてもよく、導電部材の略全体が前記設定寸法になっていてもよい（図５参照）。

一方、導電部材の全体が上記設定寸法を満たすようにすると重量が嵩む。
そこで、本発明は、
プロセスガスをプラズマ放電空間に通して吹出し、前記プラズマ放電空間の外部の処理位置に配置された基材に接触させ、該基材のプラズマ表面処理を行なうプラズマ処理装置において、
前記プラズマ放電空間を形成するための電極と、
電気的に接地された状態で前記電極と前記処理位置との間に配置された導電部材と、を備え、
前記導電部材が、前記プラズマ放電空間に連なる吹出し口に面する吹出し側部を有し、
前記吹出し側部に、前記吹出し口のガス吹出し方向に沿って突出する凸部が設けられていることを特徴とする。
また、前記導電部材における吹出し側部が、該吹出し側部より吹出し口から遠い側の部分より前記吹出し口のガス吹出し方向の寸法が大きいことを、更なる特徴とする。
これにより、電極から吹出し口に入って来る電界（電気力線）を導電部材の吹出し側部で遮蔽することができ、吹出し口からの電界漏れを抑制することができるだけでなく、導電部材の軽量化を図ることができる。すなわち、導電部材の全体を増肉するのではなく、吹出し側部だけを部分的に増肉し、その他の部分は薄くすればよいので、重量が嵩むのを防止することができる。

前記凸部を含む吹出し側部は、電極からの電界が吹出し口から漏れるのを阻止ないし抑制する漏れ防止部となる。
前記凸部は、前記処理位置に向けて突出されていてもよく、前記処理位置とは逆側へ突出されていてもよい。

前記導電部材の前記凸部を含む吹出し側部の端面が、前記吹出し口を画成していることが好ましい。

前記吹出し側部（前記凸部を含む）の前記吹出し口のガス吹出し方向に沿う寸法は、少なくとも２ｍｍ以上であることが好ましい。この下限寸法は、印加電圧の大きさ、前記電極と導電部材との間の絶縁体の誘電率及び厚さ等に応じて適宜変更するのが好ましい。

本発明は、大気圧近傍（略常圧）の圧力環境での常圧プラズマ処理に特に効果的である。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、導電部材の吹出し側部を増肉することができる。これにより、電極から吹出し口に入って来る電界（電気力線）を導電部材の吹出し側部で遮蔽することができ、吹出し口からの電界漏れを抑制することができる。これによって、基材における吹出し口の直下の部分の電界強度を低減でき、この直下部分の基材表面が電界の影響を受けたり、直下部分にアークが落ちたりするのを確実に防止することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１に示すように、大気圧プラズマ処理装置１は、プロセスガス源２と、電源３と、処理ヘッド４を備えている。
プロセスガス源２には、処理目的に応じたプロセスガスが蓄えられている。
電源３は、例えばパルス状の電圧を出力するようになっている。電圧の大きさは、例えばＶｐｐ＝十数ｋＶである。電源３の出力電圧は、パルス等の間欠波に限定されず、連続波であってもよい。

処理ヘッド１０の下方に離れて処理位置が設定されている。この処理位置に、処理すべき基材Ｗが配置されるようになっている。
基材Ｗは、例えば一辺の長さが１〜２ｍ程度の大面積の液晶用ガラスである。基材Ｗは、図示しない搬送機構によって左右に移動されるようになっている。基材Ｗが静止する一方、処理ヘッド４が左右に移動されるようになっていてもよい。

処理ヘッド４は、上側の整流部５と、下側のプラズマ生成部６を有している。整流部５とプラズマ生成部６は、図１と直交する前後方向に長く延びている。

プロセスガス源２からのガス供給路が整流部５に接続されている。整流部５は、チャンバーやスリット（図示省略）を有し、プロセスガス源２からのプロセスガスを長手方向に均一化するようになっている。

プラズマ生成部６は、金属製の外筐１０を有している。外筐１０は、左右の側壁１１，１２と前後の端壁（図示せず）とを有し、前後（図１の紙面直交方向）に延びる箱状をなしている。この外筐１０の内部に、一対のホルダ２１，２２と、一対の電極３１，３２と、一対の誘電部材４１，４２とが収容されている。

ホルダ２１，２２は、高強度のエンジニアリングプラスチック等の絶縁体で構成され、断面が大略コ字状になっている。
左のホルダ２１に電極３１が収容され、右のホルダ２２に電極３２が収容されている。

各電極３１，３２は、大略四角形の断面をなし、前後（図１の紙面直交方向）に延びている。電極３１，３２の長さは、処理すべき基材Ｗの前後方向の寸法より大きいことが望ましく、例えば１ｍ〜２ｍである。一対の電極３１，３２は、左右に対向するように配置されている。
電極３１は、電源３に接続されて電圧印加電極となり、電極３２は接地されて接地電極となっている。
電圧印加電極３１の下面には、凹部３１ｂが形成されている。凹部３１ｂは、電極３１の背面（電極３２との対向面とは逆側の面）に達している。
図示は省略するが、各電極３１，３２の内部には、冷却通路が形成されている。

電極３１の電極３２との対向面に誘電部材４１が設けられ、電極３２の電極３１との対向面に誘電部材４２が設けられている。誘電部材４１，４２は、それぞれアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）をはじめとするセラミック等の固体誘電体の一体物で構成され、断面コ字状をなして前後（図１の紙面直交方向）に延びている。誘電部材４１，４２の内部にそれぞれ電極３１，３２がほぼ半分程度嵌め込まれている。誘電部材４１，４２の垂直部分（電極３１，３２の対向面に被さる部分）の厚さは、０．数ｍｍ〜数ｍｍ程度であり、例えば１．５ｍｍ程度である。この誘電部材４１，４２の垂直部分が、電極３１，３２の固体誘電体層として機能している。

誘電部材４１，４２の上下部分は、それぞれ電極３１，３２の上面及び下面に部分的に被さっている。各誘電部材４１，４２の上下部分の端面は、それぞれホルダ２１，２２に当接されている。誘電部材４１，４２の下部分の高さ（上下方向の寸法）は、十数ｍｍであり、例えば１０〜１３ｍｍ程度である。

左の誘電部材４１の下部分とホルダ２１との当接面は、電極３１の凹部３１ｂの左右方向の中間部に対応する位置に配置されている。これにより、電極３１からの沿面放電が、誘電部材４１とホルダ２１の当接面に入り込むのを防止することができる。

一対の誘電部材４１，４２どうし間にスリット状のプロセスガス通路５０が形成されている。プロセスガス通路５０の幅（左右方向の寸法）は、例えば１ｍｍ〜２ｍｍ程度である。
整流部５の下流端が、プロセスガス通路５０の上端部に連なっている。プロセスガス通路５０の下端は、後記導電部材６１，６２どうし間の吹出し口５１を介して、処理ヘッド４の下方へ開放されている。

電源３から電極３１への電圧供給によって、電極３１，３２間に電界が印加されて大気圧プラズマ放電が生成されるようになっている。これによって、通路５０が大気圧プラズマ放電空間になる。この大気圧プラズマ放電空間５０にプロセスガス源２からのプロセスガスが均一に導入されてプラズマ化される。このプラズマ化されたプロセスガスが吹出し口５１から下方の基材Ｗに吹付けられる。これによって、基材Ｗの表面処理がなされるようになっている。

処理ヘッド４の底面には、電極３１，３２と前記処理位置との間に一対の導電部材６１，６２が設けられている。各導電部材６１，６２は、薄い金属板にて構成され、前後（図１の紙面直交方向）に延びている。導電部材６１，６２は、アース線６３を介して電気的に接地されている。左の導電部材６１は、電極３１の下側（基材配置側）に配置され、左の外壁１１の底面とホルダ２１の底面と誘電部材４１の底面に跨っている。電極３１と導電部材６１との間のホルダ２１及び誘電部材４１は、電極３１と導電部材６１とを絶縁する絶縁体として機能している。右の導電部材６２は、電極３２の下側（基材配置側）に配置され、右の外壁１２の底面とホルダ２２の底面と誘電部材４２の底面に跨っている。

一対の導電部材６１，６２の対向端面どうし間に吹出し口５１が形成されている。
吹出し口５１の幅（一対の導電部材６１，６２の対向端面どうし間の間隔）は、例えば１ｍｍ〜２ｍｍ程度である。
導電部材６１における導電部材６２との対向端面は、誘電部材４１における放電空間５０を形成する面と面一になっている。導電部材６２における導電部材６１との対向端面は、誘電部材４２における放電空間５０を形成する面と面一になっている。

導電部材６１，６２の対向端面は、それぞれ誘電部材４１，４２の放電空間形成面と面一になっているのに限られず、それぞれ誘電部材４１，４２の放電空間形成面より若干突出していてもよく、引っ込んでいてもよい。
吹出し口５１の幅（左右方向の寸法）は、放電空間５０の幅と同じになっているのに限られず、放電空間５０の幅より大きくてもよく、放電空間５０の幅より小さくてもよい。

各導電部材６１，６２の対向端部（吹出し側部６４）には、凸部６５が下方に突出するように形成されている。これにより、導電部材６１，６２の吹出し側部６４が、該吹出し側部６４より吹出し口５１の側とは逆側の主部分６６より厚肉になっている。
図２に示すように凸部６５を含む吹出し側部６４の端面によって吹出し口５１が画成されている。
凸部６５を含む吹出し側部６４の厚さｔ１（上下方向の寸法）は、ｔ１＝数ｍｍ程度であり、少なくともｔ１＝２ｍｍ以上であることが好ましい。吹出し側部６４及び凸部６５の幅ｔ２（左右方向の寸法）は、ｔ２＝数ｍｍである。
主部分６６の厚さは、０．数ｍｍであり、例えば０．５ｍｍである。
また、凸部６５の前後方向の寸法は、電極３１，３２の前後寸法にほぼ等しい。もちろん、電極３１，３２の前後寸法より長くてもよい。

上記構成によれば、図２の太矢印線で示すように、電極３１からほぼ真下に向かう電界（電気力線）を導電部材６１の主部分６６によって遮ることができる。また、電極３１から電極３２の下側へ斜めに向かう電界を導電部材６２によって遮ることができる。これによって、基材Ｗにアーク等の異常放電が落ちるのをほとんど防止することができる。

一部の電気力線は、吹出し口５１内に入る。一方、導電部材６１，６２の吹出し側部６４が上下に増肉され、これにより、吹出し口５１を画成する導電部材６１，６２の対向端面が上下に十分な長さを有している。したがって、吹出し口５１内に入って来た電気力線を、左右何れかの導電部材６１，６２の対向端面に確実に落すことができる。これにより、吹出し口５１から電界（電気力線）が漏れるのを確実に防止することができる。この結果、基材Ｗにおける吹出し口５１の直下の部分の電界強度を低減することができ、この直下部分の基材表面が電界の影響を受けたり、直下部分にアークが落ちたりするのを確実に防止することができる。

導電部材６１，６２の全体を増肉するのではなく、吹出し側部６４だけを部分的に増肉し、その他の部分６６は薄くしてあるので、重量が嵩むのを防止することができる。
凸部６５を設けることによって導電部材６１，６２の断面強度を増大でき、変形を抑制することができる。

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適宜省略する。
第１実施形態では、導電部材６１，６２の吹出し側部６４の左右方向の寸法ｔ２が、ｔ２＝数ｍｍに設定されていたが、図３に示すように、第２実施形態では、ｔ２＝０．数ｍｍ（例えば０．５ｍｍ）になっている。一定厚さの金属板の一端部が下に折曲され、この折曲部が凸部６５を構成している。

凸部６５を含む吹出し側部６４の上下寸法ｔ１は、第１実施形態と同程度（例えばｔ１＝２ｍｍ）である。したがって、吹出し口５１に入った電気力線を導電部材６１，６２の対向端面に確実に落とすことができる。よって、吹出し口５１からの電界漏れを確実に防止でき、基材Ｗにおける吹出し口５１の直下部分の電界強度を低減することができる。

第１及び第２実施形態では、導電部材６１，６２の凸部６５が下へ突出されていたが、図４に示すように、第３実施形態では、導電部材６１，６２の凸部６７が上に突出されている。凸部６７を含む吹出し側部６４の上下方向の寸法ｔ１は、第１実施形態と同様に、ｔ１＝数ｍｍ程度であり、少なくともｔ１＝２ｍｍ以上であることが好ましい。凸部６７の左右方向の寸法ｔ２は、ｔ２＝０．数ｍｍ（例えば０．５ｍｍ）になっている
この場合でも、吹出し口５１に入った電気力線を左右何れかの吹出し側部６４の端面に落とすことができる。これによって、吹出し口５１からの電界漏れを防止でき、基材Ｗにおける吹出し口５１の直下部分の電界強度を低減することができる。

第３実施形態によれば、凸部が基材Ｗに引っ掛かるのを防止でき、基材Ｗの損傷を防止することができる。また、処理ヘッド４と基材Ｗとの間のギャップをより小さくすることができる。
上へ突出する凸部６７においても、左右方向の寸法ｔ２は適宜設定でき、ｔ２＝０．数ｍｍ程度に限られず、図１及び図２と同様の大きさ（ｔ２＝数ｍｍ）に設定してもよい。

本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、種々の改変をなすことができる。
例えば、凸部６５，６７の断面形状は、丸みを帯びていてもよい。
図５に示すように、導電部材６１，６２の吹出し側部６４だけでなく主部分６６をも厚くし、導電部材６１，６２の全体を一定の厚さにしてもよい。
電源電極３１に対応する導電部材６１だけを設け、接地電極３２に対応する導電部材６２は省略してもよい。
電極３１，３２と導電部材６１，６２のうち、少なくとも電源電極３１と導電部材６１の間がホルダ２１及び誘電部材４１等で絶縁されていればよく、接地電極３２と導電部材６２の間には絶縁体が設けられていなくてもよい。
導電部材６１，６２の下面にセラミック等の絶縁部材を設けてもよい。導電部材６１，６２の吹出し側部６４の端面にセラミック等の耐プラズマ性の絶縁部材を設けてもよい。この耐プラズマ性絶縁部材によって吹出し口５１が画成されていてもよい。
本発明は、常圧下だけでなく、減圧下でのプラズマ処理にも適用でき、グロー放電だけでなく、コロナ放電等の他の放電を利用したプラズマ処理にも適用できる。また、洗浄、エッチング、成膜、表面改質、アッシング等の種々のプラズマ処理に遍く適用できる。

実施例を説明する。
図１及び図２に示す装置と同様の構成の解析モデルを用いて有限要素法による電位・電界シミュレーションを行なった。設定条件は、以下の通りとした。
電源３からの供給電圧：Ｖｐｐ＝１７ｋＶ
誘電部材４１，４２における電極３１，３２の対向面に被さる部分の厚さ：１．５ｍｍ
誘電部材４１，４２の下部分の上下寸法（電極３１，３２と導電部材６１，６２との間の距離）：１２．５ｍｍ
誘電部材４１，４２の比誘電率：εｓ＝１０
大気圧プラズマ放電空間５０及び吹出し口５１の厚さ（左右方向の寸法）：１．０ｍｍ
導電部材６１，６２の主部分６６の厚さ：０．５ｍｍ
凸部６５と基材Ｗとの間の距離：３．０ｍｍ
凸部６５を含む吹出し側部６４の厚さ（上下寸法）：ｔ１＝２．０ｍｍ
凸部６５の幅（左右方向の寸法）：ｔ２＝６．５ｍｍ
上記の設定条件下において、吹出し口５１の直下の基板表面での電界強度Ｅを算出したところ、Ｅ＝０．０１０４Ｖ／ｍｍであった。

凸部６５の幅（左右方向の寸法）をｔ２＝４．０ｍｍとし、その他の条件は実施例１と同じにして、吹出し口５１の直下の基板表面での電界強度Ｅを算出したところ、Ｅ＝０．０１０６Ｖ／ｍｍであった。

図３に示す装置と同様の構成の解析モデルを用いた。凸部６５の左右方向の寸法ｔ２を、ｔ２＝０．５ｍｍとし、凸部６５を含む吹出し側部６４の上下寸法ｔ１を、ｔ１＝２．０ｍｍとした。その他の条件は実施例１と同じに設定した。そして、吹出し口５１の直下の基板表面での電界強度Ｅを算出したところ、Ｅ＝０．０１０５Ｖ／ｍｍであった。

図４に示す装置と同様の構成の解析モデルを用いた。凸部６７の左右方向の寸法ｔ２を、ｔ２＝０．５ｍｍとし、凸部６７を含む吹出し側部６４の上下寸法ｔ１を、ｔ１＝２．０ｍｍとした。導電部材６１，６２の下面と基板Ｗとの間の距離は、４．５ｍｍとした。その他の条件は実施例１と同じに設定した。そして、吹出し口５１の直下の基板表面での電界強度Ｅを算出したところ、Ｅ＝０．０１２１Ｖ／ｍｍであった。

導電部材６１，６２の下面と基板Ｗとの間の距離を３．０ｍｍとし、その他の条件は実施例４と同じにして、吹出し口５１の直下の基板表面での電界強度Ｅを算出したところ、Ｅ＝０．０１５３Ｖ／ｍｍであった。

図５に示すように、導電部材６１，６２を全体的に２ｍｍの厚さにし、この導電部材６１，６２と基材Ｗとの間の距離を３．０ｍｍとし、その他の条件は実施例１と同様にして、吹出し口５１の直下の基板表面での電界強度Ｅを算出したところ、Ｅ＝０．０１０６Ｖ／ｍｍであった。

〔比較例１〕
比較例として、図６に示すように、導電部材６１，６２の厚さを全体的に０．５ｍｍにし、凸部６５，６７を無くし、導電部材６１，６２と基材Ｗとの間の距離を４．５ｍｍとし、その他の条件は実施例１と同様にして、吹出し口５１の直下の基板表面での電界強度Ｅを算出したところ、Ｅ＝０．３６６Ｖ／ｍｍであった。
以上の実施例及び比較例から、導電部材６１，６２の吹出し側部６４に凸部６５，６７を設ける等して、少なくとも吹出し側部６４の厚さ（上下寸法）を大きくすることにより、吹出し口５１の直下の基板表面での電界強度Ｅを大幅に低減することができ、吹出し口５１での電界遮蔽をなすことができることが判明した。吹出し側部６４の厚さ（上下寸法）を２ｍｍ以上とすることにより、吹出し口５１から基材Ｗへのアーク落ちを確実に防止できる程度にまで、吹出し口５１の直下の基板表面での電界強度Ｅを低減できることが判明した。

本発明は、例えば半導体の製造工程における基材の洗浄、エッチング、成膜等の表面処理技術に適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す正面断面図である。図１の装置の処理ヘッドの吹出し口の周辺部における電気力線の様子を示す正面解説図である。本発明の第２実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置の処理ヘッドの吹出し口の周辺部を示す正面解説図である。本発明の第３実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置の処理ヘッドの吹出し口の周辺部を示す正面解説図である。本発明の他の実施例に係る処理ヘッドの吹出し口の周辺部を示す正面解説図である。比較例に係る処理ヘッドの吹出し口の周辺部を示す正面解説図である。

符号の説明

Ｗ基材
１大気圧プラズマ処理装置
２プロセスガス源
３電源
４処理ヘッド
５整流部
６プラズマ生成部
１０外筐
１１左側壁
１２右側壁
２１ホルダ
２２ホルダ
３１電極
３２電極
３１ｂ凹部
４１誘電部材
４２誘電部材
５０スリット状プロセスガス通路
５１吹出し口
６１導電部材
６２導電部材
６３アース線
６４導電部材の吹出し側部
６５凸部
６６導電部材の吹出し側部以外の主部分
６７凸部
ｔ１凸部を含む吹出し側部の上下方向の寸法
ｔ２吹出し側部及び凸部の左右方向の寸法

Claims

プロセスガスをプラズマ放電空間に通して吹出し、前記プラズマ放電空間の外部の処理位置に配置された基材に接触させ、該基材のプラズマ表面処理を行なうプラズマ処理装置において、
前記プラズマ放電空間を形成するための電極と、
電気的に接地された状態で前記電極と前記処理位置との間に配置された導電部材と、
を備え、
前記導電部材が、前記プラズマ放電空間に連なる吹出し口に面する吹出し側部を有し、
前記吹出し側部に、前記吹出し口のガス吹出し方向に沿って突出する凸部が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記凸部が、前記処理位置に向けて突出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。
前記凸部が、前記処理位置とは逆側へ突出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。
前記導電部材の前記凸部を含む吹出し側部の端面が、前記吹出し口を画成していることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のプラズマ処理装置。
前記吹出し側部の前記吹出し口のガス吹出し方向に沿う寸法が、２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のプラズマ処理装置。