JP4937037B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

特許文献１によれば、剛性部材からなる筐体に一対の電極が収容されている。筐体にはネジ孔が形成され、このネジ孔にネジ部材が螺合されている。ネジ部材の先端部は、絶縁部材を介して電極の背面に当たり、電極を押圧している。
特開２００４−１１１３８５号公報

プラズマ処理時には、電極が熱を持ち、内部に熱応力が発生する。一方、筐体が剛体であると、熱応力の逃げ場が無く、電極を覆う誘電体などが破損するおそれがある。
また、処理ガスが正規のガス路から漏れて構成部材間の隙間に入り込んだ場合、筐体がそれを閉じ込めるため、腐食性成分が構成部材間の隙間に長期間とどまり、構成部材を腐食させたり異常放電を誘起したりするおそれがある。さらに、メンテナンス等で装置を分解したとき、毒性成分が放出されるおそれがある。

本発明は、上記問題点を解決するために提案されたものであり、処理ガスを放電空間に通して被処理物に接触させるプラズマ処理装置において、
第１方向に並べられた複数の電極を含み、前記放電空間を形成する電極群と、
ガスの出入り自由な骨組み状をなし前記電極群を囲んで保持するフレームと、を備え、
前記フレームが、前記電極群の前記第１方向の外側において前記第１方向と交差する方向に延びるフレーム部材を含み、前記フレーム部材の少なくとも一箇所が支持系に連結されて変位が拘束される被拘束部となり、その他の箇所が前記第１方向へ弾性変位可能な変位可能部となっており、
前記フレーム部材の変位可能部と前記電極群との間には、これら変位可能部と電極群とを前記第１方向に沿って互いに離間する向きに押圧する押圧手段を設けたことを特徴とする。
これにより、フレーム部材の弾性力にて電極群を確実に保持することができる。プラズマ処理時に電極内に熱応力が発生した場合は、フレーム部材の弾性変形により、電極の熱膨張を許容でき、誘電体等の電極周辺の構成部材の損傷を防止することができる。また、漏洩ガスがフレームの内側に滞留しないようにでき、構成部材の腐食や異常放電を防止できるとともに、メンテナンス時の安全性を確保することができる。

前記フレーム部材において、長手方向の両端部がそれぞれ前記被拘束部となり、これら被拘束部の間の部分が前記変位可能部となっていることが好ましい。
これにより、フレーム部材の弾性力を確実に発揮させ、電極を確実に保持することができる。

前記押圧手段が、前記変位可能部に設けられたネジ部材を含むことが好ましい。
このネジ部材をねじ込んで電極に押し当てることにより、フレーム部材に弾性力を付与することができる。
前記ネジ部材が、前記フレーム部材に直接的に設けられているのに限られず、前記フレーム部材の変位可能部には押圧受け部材が設けられ、この押圧受け部材に前記ネジ部材が設けられていてもよい。押圧受け部材は、弾性を有していてもよく、前記フレーム部材の延び方向及び前記第１方向と交差する方向に延びていてもよく、その延び方向の端部が解放されて片持ち状になっていてもよく、この端部に前記ネジ部材が設けられていてもよい。

前記電極群及びフレームを収容するチャンバーと、このチャンバー内を排気する排気手段とを、更に備えることが好ましい。
これにより、電極群ひいてはフレームから外に漏洩したガスをチャンバー内に閉じ込めるとともに排気手段にて適切に排出することができる。

隣り合う電極の少なくとも一方の対向面には、固体誘電体が設けられるのが好ましい。
固体誘電体は、セラミックの板状ないしはケース状であってもよく、溶射膜であってもよい。
隣り合う電極の間には、両者の間隔を保持するスペーサが介在される。上記板状ないしはケース状のセラミックの端部に上記スペーサとなる凸部を形成してもよい。

本発明は、大気圧近傍下（ほぼ常圧）でのプラズマ処理に好適である。ここで、ほぼ常圧（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易化を考慮すると、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、フレーム部材の弾性力にて電極群を確実に保持することができる。プラズマ処理時に電極内に熱応力が発生した場合は、フレーム部材の弾性変形により、電極の熱膨張を許容でき、電極周辺の構成部材の損傷を防止することができる。また、漏洩ガスがフレームの内側に滞留するのを回避でき、電極等の腐食を防止できるとともに、メンテナンス時の安全性を確保することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図４に示すように、大気圧プラズマ処理装置Ｍは、チャンバー１と、このチャンバー１内に収容された処理ヘッド２とを備えている。チャンバー１は、塩化ビニールで構成されているが、これに限定されるものではない。チャンバー１から例えば塩化ビニール製の排気ダクト３ａが延びている。排気ダクト３ａにスクラバ３ｂ、真空ポンプ３ｃ等を含む排気手段３が接続されている。

チャンバー１には開閉部１ａが設けられている。この開閉部１ａを介して被処理物Ｗがチャンバー１内に出し入れされるようになっている。チャンバー１内に差し入れられた被処理物Ｗは、ステージやコンベア等の被処理物設置部４に載置され、処理ヘッド２の下方に位置されるようになっている。

処理ヘッド２と被処理物設置部４上の被処理物Ｗとは、左右に相対移動されるようになっている。処理ヘッド２が固定され、被処理物Ｗが移動されるようになっていてもよく、被処理物Ｗが位置固定され、処理ヘッド２が移動されるようになっていてもよい。

処理ヘッド２は、複数（図４では１つだけ図示）のプラズマ生成器１１と、プラズマ生成器１１の下側に設けられた噴射ノズル１２とを有している。詳細な図示は省略するが、噴射ノズル１２は、図４の紙面と直交する前後方向に延びている。複数のプラズマ生成器１１が噴射ノズル１２の長手方向に並べられている。

各プラズマ生成器１１の上に供給ノズル１０が設けられている。処理ガス源５からガス送出路５ａが延び、各供給ノズル１０に接続されている。
供給ノズル１０は、処理ガスを左右方向に均一化し、下方のプラズマ生成器１１に供給するようになっている。
プラズマ生成器１１は、処理ガスをプラズマ化し、下方の噴射ノズル１２へ導出するようになっている。
噴射ノズル１２は、各プラズマ生成器１１からの処理ガスを長手方向に均一化し、下方の被処理物Ｗへ噴射するようになっている。これにより、被処理物Ｗのプラズマ表面処理がなされる。
処理ガスは、処理目的に応じて適宜選択される。例えば、窒化膜のエッチングには、ＣＨＦ_３等のハロゲン系ガスが用いられる。プラズマ生成器１１でのプラズマ化によりＨＦ等の反応性成分が生成されるようになっている。

各プラズマ生成器１１の詳細構造を説明する。
図１〜図３に示すように、プラズマ生成器１１は、電極群２０と、この電極群２０を囲んで保持するフレーム３０とを備えている。図２及び図３に示すように、電極群２０は、複数（例えば５つ）の電極２１と、複数の誘電板２２を有している。各電極２１は、長手方向を左右に向け、幅方向を上下に向けた長方形の板状をなしている。電極２１の大きさは、特に限定はないが、例えば高さ５ｃｍ、長さ１０ｃｍ、厚さ２５ｍｍである。電極２１の材質は、表面にアルマイト処理を施したアルミニウムであるが、これに限定されるものではなく、ステンレス等の他の金属を用いてもよい。
各電極２１の内部には、冷却水を通す冷却路２１ａが形成されている。

複数の電極２１は、前後（第１方向）に並べられている。１つ置きの電極２１Ｈが電源（図示せず）に接続され、他の１つ置きの電極２１Ｅが電気的に接地されている。これにより、隣り合う電極２１Ｈ，２１Ｅ間に電界が印加され、放電が生成されるようになっている。電極群２０の両外側の電極２１が、接地電極２１Ｅとなるようにするのが好ましい。
必ずしもすべての隣り合う電極２１，２１間で放電が生成される必要はない。例えば、接地電極２１Ｅ、電源電極２１Ｈ、電源電極２１Ｈ、接地電極２１Ｅの順に並べられていてもよい。この場合、同極の電極２１Ｈ，２１Ｈ間では放電が立たない。

隣り合う電極２１，２１間に、２枚で一組になった誘電板２２，２２が互いに重ね合わされた状態で挟持されている。各誘電板２２は、アルミナ（誘電体）のセラミックの板で構成され、長手方向を左右に向け、幅方向を上下に向けた長方形をなしている。誘電板２２は、電極２１より大きく、例えば高さ７ｃｍ、長さ１３ｃｍである。これら誘電板２２が電極２１間のスペーサの役目を果たしている。

図２に示すように、誘電板２２は、電極２１のための収容凹部２２ａを有して側面視で大略コ字状の断面をなしている。各電極２１の上下の端面と誘電板２２の収容凹部２２ａの上下の端部との間には、樹脂製の絶縁部材２３が設けられている。

図３に示すように、隣り合う電極２１，２１間の２枚の誘電板２２，２２のうち少なくとも一方の重ね合わせ面には、放電空間形成凹部２２ｂが形成されている。図２に示すように、放電空間形成凹部２２ｂの上端部は、誘電板２２の上端面に達し、放電空間形成凹部２２ｂの下端部は、誘電板２２の下端面に達している。この放電空間形成凹部２２ｂ内の電極２１，２１間に対応する部分が、放電空間１１ａになっている。

電極群２０の上側にはガス導入通路部材４１が配置され、下側にはガス導出通路部材４２が配置されている。これら通路部材４１，４２は、金属剛体で構成され、長手方向を前後方向に向け幅方向を水平に向けた長方形をなしている。ガス導入通路部材４１には、複数条（例えば４条）のスリット状のガス導入路４１ａが形成されている。ガス導出通路部材４２には、複数条（例えば４条）のスリット状のガス導出路４２ａが形成されている。
放電空間１１ａの上端部が、ガス導入路４１ａを介して供給ノズル１０の供給路１０ａに連なっている。
放電空間１１ａの下端部が、ガス導出路４２ａを介して噴射ノズル１２の噴射路１２ａに連なっている。

フレーム３０について説明する。
図１〜図３に示すように、フレーム３０は、垂直な柱部材３１と水平な梁部材３２，３３，３４とを備え、骨組み状になっている。これらフレーム構成部材３１〜３４は、ステンレス等の金属製の角材で構成されている。フレーム構成部材３１〜３４の断面寸法は、特に限定がないが、例えば一辺１０ｍｍの正方形の断面をなし、各辺を構成する板の厚さは１ｍｍである。

床梁部材３２は、ガス導出通路部材４２の上面の前側の縁と後側の縁とに左右に向けられて載置、固定されている。

柱部材３１は、各床梁部材３２の両端部に立設されている。４つの柱部材３１の上端部間に一対の縦梁部材３３，３３と一対の横梁部材３４，３４が架け渡されている。

縦横４つの梁部材３３，３４は、平面視で互いに長方形に組まれ、電極群２０を囲んでいる。これら梁部材３３，３４は、電極２１の上下方向のほぼ中間の高さに位置されている。

一対の縦梁部材（フレーム部材）３３，３３は、それぞれ電極群２０の前後（第１方向）の外側に配置され、電極群２０の外側面に沿って左右（第１方向と交差する方向（第２方向））に延びている。各縦梁部材３３の両端部は、柱部材３１及び床梁部材３２を介しガス導出通路部材４２（支持系）に連結・固定され、支持系４２に対し変位不能な被拘束部３３ａとなっている。図３の仮想線で誇張して示すように、縦梁部材３３の中間部（被拘束部３３ａを除いた部分）は、前後（第１方向）に撓むように弾性変位可能になっており、変位可能部３３ｂを構成している。

図１に示すように、各縦梁部材３３の中間部（変位可能部３３ｂ）には、左右に離れて２つの押圧受け部材３５が設けられている。押圧受け部材３５は、柱部材３１及び梁部材３２，３３，３４と同様の金属製（例えばステンレス）の角材で構成されている。押圧受け部材３５の中間部が縦梁部材３３と直交して連結されている。押圧受け部材３５の両端部は、縦梁部材３３から上下方向（第１方向と交差する方向（第３方向））に片持ち状に延びている。押圧受け部材３５は、前後（第１方向）に弾性変位可能であり、縦梁部材３３の中間部と共に変位可能部３３ｂを構成している。

押圧受け部材３５の上下両端部には、ヘリサートからなる雌ネジ孔３６が前後（第１方向）に貫通形成されている。この雌ネジ孔３６に軸線を前後（第１方向）に向けたネジ部材５１が螺合されている。電極群２０の両外側面には添え板５２が設けられている。この添え板５２にネジ部材５１の先端が突き当てられている。
ネジ部材５１のネジ部と添え板５２は、フレーム部材３３の変位可能部３３ｂと電極群２０との間において、これら変位可能部３３ｂと電極群２０とを前記第１方向に沿って互いに離間する向きに押圧する押圧手段５０を構成している。

一対の横梁部材（第２フレーム部材）３４，３４は、それぞれ長手方向を前後方向に向けて電極群２０の左右の外側に配置されている。横梁部材３４は、縦梁部材３３より短い。左側の横梁部材３４は、一対の縦梁部材３３，３３の左端部どうし間に架け渡され、これら縦梁部材３３の左端部どうしを連結している。右側の横梁部材３４は、一対の縦梁部材３３，３３の右端部どうし間に架け渡され、これら縦梁部材３３の右端部どうしを連結している。

フレーム構成部材３１〜３５どうしの連結手段は、溶接であるが、これに限定されるものではなく、ボルトなどの他の連結手段を用いてもよい。

上記構成のプラズマ処理装置Ｍにおいて、ネジ部材５１を締め込むと、添え板５２が電極群２０に前後から押し当てられる。これにより、電極群２０を前後から挟み付け保持することができる。縦梁部材３３の中間部及び押圧受け部材３５は、ネジ部材５１の締め込みにより前後外側へ弾性変位する。この弾性力によって電極群２０を保持することができる。
横梁部材３４は、強い引っ張り強度を発揮し、縦梁部材３３の端部（被拘束部３３ａ）の前後（第１方向）への変位を確実に阻止する。これによって、縦梁部材３３が弾性力を確実に発揮することができ、電極群２０を一層確実に保持することができる。

プラズマ処理に際し、電極２１，２１間に電界を印加して放電を生成すると、電極２１が熱を持ち、内部に熱応力が発生する。この応力は、添え板５２及びネジ部材５１を介して押圧受け部材３５に伝達され、更に縦梁部材３３に伝達され、縦梁部材３３の中間部及び押圧受け部材３５が前後方向（第１方向）に弾性変位する。これにより、電極２１を面外方向（第１方向）に膨張変形させることができ、内部応力が蓄積されるのを防止できる。この結果、誘電板２２の破損を回避することができる。

フレーム３０は骨組み状であるので、軽量であり、組み立ても容易であり、さらには低廉化を図ることができる。また、電極群２０からＨＦ等の処理ガスが漏れた場合、この漏洩ガスをフレーム３０の外側のチャンバー１内にすみやかに拡散させることができ、プラズマ生成器１１内に長期間滞留しないようにすることができる。チャンバー１内に拡散した漏洩ガスは、排気ダクト３ａから吸引し、スクラバ３ｂで無害化して排出することができる。よって、処理ガス中に腐食性成分が含まれていても、電極２１その他の部材が腐食するのを防止することができる。また、処理ガス中に毒性成分が含まれていても、メンテナンス作業の安全性を確保することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の改変をなすことができる。
例えば、押圧手段を、フレーム部材に設けるのに代えて、電極群に外側へ突出するように設け、フレーム部材に突き当ててもよい。
フレーム部材の被拘束部は、長手方向の両端に限られず、一端のみに配置されていてもよく、中間の一箇所のみに配置されていてもよく、中間部に２箇所配置されていてもよく、長手方向に離れて３箇所以上に配置されていてもよい。
フレーム部材は、角材（断面四角形状）に限られず、長手方向を前後（第１方向）に向け幅方向を上下に向けた平板状であってもよく、断面Ｌ字形状であってもよく、円筒状であってもよい。フレーム部材の材質は、金属に限られず、樹脂であってもよい。
フレーム部材は、第１方向と直交しているのに限られず、第１方向に対し斜めに交差していてもよい。
縦梁部材３３の中間部が剛体であり、押圧受け部材３５が「フレーム部材」を構成していてもよい。縦梁部材３３の押圧受け部材３５との接合部が被拘束部となり、そこから押圧受け部材３５が片持ち状に延びる部分が変位可能部となっていてもよい。
フレーム３０の左右の端部には、横梁部材３４に代えて、ガス導出通路部材４２から立ち上がる側壁を設け、この側壁にて縦梁部材３３の端部（被拘束部３３ａ）を支持してもよい。
排気ダクト３ａにＨＦ等の特定成分の検出器を設け、特定成分の排出濃度を監視することにしてもよい。
電極群２０は、少なくとも２つ（一対）の電極２１，２１があればよい。
本発明は、エッチング、アッシング、成膜、洗浄、表面改質等の種々のプラズマ表面処理に適用可能である。

本発明は、例えば半導体基板の製造やフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）の製造に利用可能である。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の処理ヘッドの正面図である。 図１のII-II線に沿う、上記処理ヘッドの側面断面図である。 図１のIII-III線に沿う、上記処理ヘッドの平面断面図である。 上記プラズマ処理装置の概略構成を示す正面図である。

符号の説明

Ｍ プラズマ処理装置Ｍ
Ｗ 被処理物
１ チャンバー
２ 処理ヘッド
３ 排気手段
１１ プラズマ生成器
１１ａ 放電空間
２０ 電極群
２１ 電極
４２ 底板（支持系）
３０ フレーム
３３ 縦梁部材（フレーム部材）
３３ａ 被拘束部
３３ｂ 変位可能部
３５ 押圧受け部材
３６ 雌ネジ孔
４２ 底板（支持系）
５０ 押圧手段
５１ ネジ部材
５２ 添え板

Claims (5)

1. 処理ガスを放電空間に通して被処理物に接触させるプラズマ処理装置において、
   第１方向に並べられた複数の電極を含み、前記放電空間を形成する電極群と、
   ガスの出入り自由な骨組み状をなし前記電極群を囲んで保持するフレームと、を備え、
   前記フレームが、前記電極群の前記第１方向の外側において前記第１方向と交差する方向に延びるフレーム部材を含み、前記フレーム部材の少なくとも一箇所が支持系に連結されて変位が拘束される被拘束部となり、その他の箇所が前記第１方向へ弾性変位可能な変位可能部となっており、
   前記フレーム部材の変位可能部と前記電極群との間には、これら変位可能部と電極群とを前記第１方向に沿って互いに離間する向きに押圧する押圧手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記フレーム部材において、長手方向の両端部がそれぞれ前記被拘束部となり、これら被拘束部の間の部分が前記変位可能部とな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. 前記押圧手段が、前記変位可能部に設けられたネジ部材を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記変位可能部には、弾性を有して前記フレーム部材の延び方向及び前記第１方向と交差する方向に片持ち状に延びる押圧受け部材が設けられ、この押圧受け部材の延び方向の端部に前記ネジ部材が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記電極群及びフレームを収容するチャンバーと、このチャンバー内を排気する排気手段とを、更に備えたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のプラズマ処理装置。

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