JP4942360B2 - プラズマ処理装置の電極構造 - Google Patents

Description

この発明は、プラズマ放電により液晶パネルや半導体基板等の被処理物の洗浄、表面改質、エッチング、アッシング、成膜等の表面処理を行なう装置に関し、特にその電極構造に関する。

この種のプラズマ処理装置は、一対の電極を備えている。これら電極間で大気圧プラズマ放電を生成し、この放電空間に処理ガスを導入してプラズマ化する。このプラズマ化された処理ガスを被処理物に接触させる。これによって、洗浄、表面改質等の表面処理を行なうことができる。
電極の対向面には固体誘電体が設けられている。固体誘電体は、アルミナ等の溶射膜で構成される場合の他、セラミックや石英ガラス等の板で構成される場合もある。
特開平９−９２４９３号公報 特開２００４−１１１３８５号公報

固体誘電体が溶射膜の場合、電極と溶射膜固体誘電体がプラズマ処理時の熱で膨張する際、互いの膨張率の違いによって熱応力が生じ、撓むおそれがある。
固体誘電体が板状の場合、電極とは別体に構成でき、そうすると上記の熱応力が生じるおそれを回避できる。一方、電極と板状固体誘電体との間に隙間が出来やすい。特に、電極の放電面及び板状固体誘電体が鉛直になっている場合に、隙間が出来やすい。そのような隙間があると、そこで異常放電が起きやすく、セラミックが割れる等のダメージを招くおそれがある。

上記問題点を解決するため、本発明は、処理ガスを放電空間に導入してプラズマ化し被処理物に当て、該被処理物の表面処理を行なうプラズマ処理装置の電極構造において、
第２の電極と対向方向に離れて対向する放電面を有する第１の電極と、
固体誘電体からなり、前記第１の電極の前記放電面に被さって前記第２の電極との間に前記放電空間を画成する誘電部材と、
弾性を有し、前記第１の電極の前記放電面とは反対側の背部に配置されて、前記第１の電極を前記対向方向に押すように付勢する弾性部材と、
を備え、前記弾性部材の付勢力によって、前記第１の電極が前記誘電部材に弾性的に押し当てられて固定されることを特徴とする。
これによって、第１の電極の放電面と誘電部材の間に隙間が形成されるのを防止でき、アーク等の異常放電が起きるのを防止することができ、誘電部材や第１の電極がダメージを受けるのを回避することができる。また、第１の電極を誘電部材に弾性的に押し当てるものであるので、押し当て力が過度になるのを防止でき、誘電部材が過度の力を受けて破損するのを防止することができる。

前記誘電部材に対し位置固定された状態で前記第１の電極の前記放電面とは反対側の背部に配置されたリテーナを備え、
前記弾性部材が、前記リテーナと前記第１の電極の間に圧縮状態で挟まれていることが望ましい。
前記第１の電極の背面又は前記リテーナの前記第１の電極の背面との対向面に収容凹部が形成され、この収容凹部に前記弾性部材が圧縮状態で収容されていてもよい。
前記第１の電極と前記リテーナの両方に前記弾性部材のための収容凹部が形成されていてもよい。

前記弾性部材が、圧縮ばねにて構成されていることが好ましい。

前記誘電部材に対し位置固定された状態で前記第１の電極に宛がわれたリテーナを備え、
このリテーナが、弾性を有して前記第１の電極を前記固体誘電体の側へ付勢し、前記弾性部材として提供されるようになっていてもよい。

前記リテーナが、前記誘電部材に接合された接合部と、前記第１の電極に引っ掛けられた引掛部とを一体に有していることが好ましい。この引掛部が前記第１の電極を前記固体誘電体に向けて付勢していてもよい。

本発明は、大気圧近傍下でプラズマを生成し表面処理するのに好適である。大気圧近傍（略常圧）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（１００〜８００Ｔｏｒｒ）が好ましく、９．３３１×１０⁴〜１０．３９７×１０⁴Ｐａ（７００〜７８０Ｔｏｒｒ）がより好ましい。

本発明によれば、弾性部材によって電極を固体誘電体に押し付けることができ、電極と固体誘電体との間に隙間が形成されるのを防止することができる。ひいては、電極と固体誘電体との間に異常放電が起きるのを防止でき、電極や固体誘電体がダメージを受けるのを回避することができる。

以下、本発明の第１実施形態を説明する。
図１及び図２は、大気圧プラズマ処理装置の処理ヘッド１を示したものである。処理ヘッド１は、図示しない架台によって支持されている。処理ヘッド１の下方の処理位置に、被処理物Ｗが配置されるようになっている。被処理物Ｗは、例えば一辺の長さが１〜２ｍ程度の大面積の液晶パネル用ガラス基板である。ガラス基板Ｗは、搬送機構によって左右（図１の矢印方向）にスキャンされるようになっている。基板Ｗが静止する一方、処理ヘッド１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１は、上側の整流部２と、下側のプラズマ生成部３を有している。整流部２とプラズマ生成部３は、図１と直交する前後方向（図２において左右）に長く延びている。

整流部２は、図示しない処理ガス源（図示せず）に接続されている。処理ガス源には、処理目的に応じた処理ガスが蓄えられている。整流部２は、処理ガス源から供給された処理ガスを長手方向に均一化するようになっている。

処理ヘッド１のプラズマ生成部３は、金属からなる外筐１０と、左右一対をなす電極ホルダ２０，２０と、電極３０，３０と、誘電部材４０，４０を有している。図１に示すように、プラズマ生成部３は、略左右対称になっている。

外筐１０は、金属にて構成されている。外筐１０は、プラズマ生成部３の左右側部と前後端部に配置されている。
外筐１０の内部に左右一対のホルダ２０が設けられている。ホルダ２０は、硬質樹脂等の絶縁体にて構成されている。ホルダ２０は、大略コ字状の断面をなし、図１と直交する前後方向に延びている。

各ホルダ２０に電極３０が収容されている。各電極３０は、アルミニウム等の金属で構成されている。電極３０は、大略四角形の断面を有し、図１と直交する前後方向に延びている。電極３０の長さは、処理すべき基板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。

左右の電極３０は、狭い間隔を隔てて対向するように配置されている。左右の電極３０のうち何れか一方が、電源（図示せず）に接続されて電源電極となり、他方の電極３０が、接地されて接地電極となっている。電源電極３０への電圧供給により、一対の電極３０間に電界が印加され大気圧プラズマ放電が生成されるようになっている。これら電極３０の互いの対向面が、放電面を構成している。各電極３０の放電面は垂直になっている。

各電極３０の底部には、放電延長凸部３３が凸設されている。放電延長凸部３３は、電極３０の長手方向に延びている。放電延長凸部３３は、電極３０の主部分３１の放電面と面一に連続する面を有している。放電延長凸部３３によって、電極３０の放電面が下方に延長されている。
各電極３０の放電面とは反対側の背面には、上下に離れて一対の凸条３４，３４が形成されている。各凸条３４は、電極３０の長手方向に延びている。
各電極３０の内部には、温調用媒体を通す温調媒体通路３９が形成されている。

各電極３０の放電面に誘電部材４０が被せられている。誘電部材４０は、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からなる一体物で構成されている。誘電部材４０は、幅方向を垂直に向けるとともに、前後方向に延びる板状をなしている。一対の誘電部材４０，４０どうしが、左右に対向して配置されている。

各誘電部材４０の対向面とは反対側の背部に凹部が形成されている。これにより、誘電部材４０の上端部と下端部は、相対的に厚肉になる一方、上下方向の中間の主誘電部４１は、垂直な薄板状になっている。
各誘電部材４０の背部の凹部に、対応する電極３０の放電面側の部分が収容されている。主誘電部４１の背面に電極３０の放電面が当接されている。誘電部材４０の上端部は、電極３０の上面の放電面寄りの部分に被さっている。誘電部材４０の下端部は、電極３０の放電延長凸部３３を含む底部の放電面寄りの部分の下側に配置されている。

一対の誘電部材４０の対向面どうし間にスリット状のガス通路４９が形成されている。ガス通路４９の上端部は、一対のホルダ２０の上端部どうし間を介して整流部２に連なっている。ガス通路４９の下端は、吹出し口４９ａとなっている。
一方の誘電部材４０の対向面に浅い凹部を形成し、この凹部と他方の誘電部材４０との間に上記ガス通路４０が形成されるようにするとよい。
上記一対の電極３０間への電界印加によって、ガス通路４９内がプラズマ放電空間となる。

誘電部材４０の底部とホルダ２０の底部との境界の上端部は、電極３０の放電延長凸部３３と電極３０の主部分３１の底面とによって作る凹部に臨むように位置されている。これによって、アークが放電延長凸部３３から上記境界を伝って基板Ｗに落ちるのが防止されている。

処理ヘッド１の底面には、薄い金属板１８が設けられている。金属板１８は、ホルダ２０の底面と誘電部材４０の底面に跨るように被さっている。金属板１８は、図示しないアース線を介して電気的に接地されている。金属板１８によって、電源電極３０から基板Ｗへのアーク等の異常放電が防止されている。

図３に示すように、電極３０の背部には、リテーナ５０が設けられている。リテーナ５０は、ユニレート（登録商標）等の適度な強度を有する樹脂にて構成され、大略コ字状をなし、上下に延びている。リテーナ５０の材質としては、上記の他、ガラス、セラミック、ロスナボード、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の高耐熱樹脂を適用してもよい。図２に示すように、リテーナ５０は、電極３０の長手方向に離れて複数配置されている。リテーナ５０の配置間隔は、例えば２０〜５０ｃｍ程度が好ましく、等間隔で配置するのが好ましい。
図４に示すように、電極３０の背面の上下の凸条３４には、それぞれ一定の間隔置きに切欠部３５が形成されている。この切欠部３５にリテーナ５０が嵌め込まれている。

図３に示すように、リテーナ５０の上端部は、電極３０の上面に被さるとともに、誘電部材４０の上端部の背面に宛がわれ、ボルト６０によって誘電部材４０の上端部に接合されている。リテーナ５０の下端部は、電極３０の下側に入り込むとともに、誘電部材４０の下端部の背面に宛がわれ、他のボルト６０にて誘電部材４０の下端部に接合されている。ボルト６０はＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の樹脂で構成され、絶縁性を有している。

リテーナ５０の電極背面を向く面には、収容凹部５０ａが形成されている。凹部５０ａは、上下に離れて２つ（複数）設けられている。
一方、電極３０の背面のちょうど凸条３４の切欠部３５の底面には、収容凹部３５ａが形成されている。電極３０の収容凹部３５ａは、リテーナ５０の収容凹部５０ａと互いに向き合って連なっている。

上記の収容凹部５０ａ，３５ａに、圧縮コイルばね７０からなる弾性部材が圧縮状態で収容されている。圧縮コイルばね７０の一端部は、リテーナ５０の凹部５０ａの底面に押し当てられ、他端部は、電極３０の凹部３５ａの底面に押し当てられている。この圧縮ばね７０により、電極３０が誘電部材４０の主誘電部４１側へ付勢されている。

上記構成のプラズマ処理装置によって基板Ｗをプラズマ処理する際は、処理ガス源から処理ガスを、処理ヘッド１の整流部２に導入する。処理ガスは、整流部２を経て、プラズマ生成部３のガス通路４９に均一に導入される。併行して、電源電極３０に電圧を供給する。これによって、一対の電極３０間に電界が印加されて略大気圧下でプラズマ放電が生成される。これによって、ガス通路４９が略大気圧のプラズマ放電空間となり、このガス通路４９内に導入された処理ガスがプラズマ励起される。このプラズマガスが、吹出し口４９ａから吹き出され、基板Ｗの表面と接触する。これによって、洗浄や表面改質（例えば濡れ性向上）などの所望の表面処理を施すことができる。

プラズマ放電によって電極３０や誘電部材４０が熱を持ち、互いに異なる膨張率で膨張しようとする。一方、電極３０と誘電部材４０は、互いに独立して伸長でき、熱応力が生じるのを防止することができる。

プラズマ処理装置によれば、圧縮ばね７０によって電極３０の垂直な放電面を誘電部材４０の垂直な主誘電部４１の背面に押し当てることができる。これによって、電極３０の放電面と誘電部材４０の間に隙間が形成されるのを防止することができる。よって、電極３０と誘電部材４０の間にアーク等の異常放電が起きるのを防止でき、誘電部材４０や電極３０がダメージを受けるのを回避することができる。圧縮ばね７０によって電極３０を弾性的に付勢するものであるので、電極３０が誘電部材４０に過度の力で押し付けられるのを防止できる。したがって、セラミック製誘電部材４０が過度の力を受けて破損することはない。

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５に示すように、第２実施形態の装置では、上記リテーナ５０及び圧縮ばね７０に代えて、上下一対のリテーナ８０，９０が用いられている。図６に示すように、上下の各リテーナ８０，９０は、電極３０の長手方向に離れて複数配置されている。これらリテーナ８０，９０は、弾性を有する樹脂で構成されている。リテーナ８０，９０の材質としては、ユニレート（登録商標）等やポリカーボネートを用いてもよい。

上側のリテーナ８０は、接合部８１と引掛部８２を一体に有する略Ｌ字状のピースである。リテーナ８０の接合部８１は、誘電部材４０の上端部の背面に宛がわれ、ボルト６０によって誘電部材４０の上端部に接合されている。引掛部８２は、接合部８１の誘電部材側とは反対側の端部から下方へ突出されている。

一方、電極３０の凸条３４の上面には、引掛凹部３６が形成されている。引掛凹部３６は、電極３０の長手方向に離れて複数配置されている。各引掛凹部３６にリテーナ８０の引掛部８２が引っ掛けられている。この引っ掛け状態の引掛部８２は、自然状態（図５の二点鎖線）よりも誘電部材側とは反対側の方向に弾性変形されている。これによって、リテーナ８０は、電極３０の上側部を誘電部材４０の主誘電部４１に向けて付勢する弾性部材として提供されている。

下側のリテーナ９０は、接合部９１と引掛部９２を一体に有する略Ｌ字状のピースである。リテーナ９０の接合部９１は、誘電部材４０の下端部の背面に宛がわれ、ボルト６０によって誘電部材４０の下端部に接合されている。接合部９１は、誘電部材４０の下端部から上方へ延び、電極３０の主部分３１の底面に突き当たっている。この接合部９１の上端部から引掛部９２が他方の電極との対向方向へ向けて突出されている。引掛部９２の先端は、放電延長凸部３３の背面に突き当たっている。この状態のリテーナ９０は、自然状態（図５の二点鎖線）よりも背部方向に弾性変形されている。これによって、リテーナ９０は、電極３０を誘電部材４０の主誘電部４１に向けて付勢する弾性部材として提供されている。

第２実施形態によれば、上下のリテーナ８０，９０によって、電極３０の放電面を誘電部材４０の主誘電部４１の背面に押し当てることができ、第１実施形態と同様に、電極３０と主誘電部４１との間に隙間が形成されるのを防止することができる。

この発明は、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、弾性部材は、ばねや弾性樹脂に限られず、ゴムを用いてもよい。
第１実施形態において、圧縮ばね７０のための収容凹部は、電極３０にのみ形成されていてもよく、リテーナ５０にのみ形成されていてもよい。
リテーナ５０は一体物が好ましいが、強度等に問題がなければ、例えば上下に複数のピースに分割されていてもよい。
ばね７０は、１つのリテーナ５０につき２つに限られず、１つでもよく、３つ以上でもよい。ばね７０の強度は、誘電部材４０が割れるほど強過ぎず、電極３０を主誘電部４１に十分に押し付け得ないほど弱すぎない範囲内において適宜設定可能である。
実施形態のプラズマ処理装置は、被処理物を一対の電極間の放電空間の外部に配置し、これに向けてプラズマガスを吹き出す所謂リモート式であったが、本発明はこれに限られず、被処理物を一対の電極間の放電空間の内部の配置する所謂ダイレクト式のプラズマ処理装置にも適用可能である。
本発明は、洗浄、表面改質、エッチング、アッシング、成膜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、例えば半導体製造における基板のプラズマ表面処理に利用可能である。

本発明の第１実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置の処理ヘッドの正面断面図である。 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。 上記処理ヘッドの要部を拡大して示す正面断面図である。 上記処理ヘッドの主要構成の分解斜視図である。 第２実施形態に係る処理ヘッドの図３相当の正面断面図である。 上記第２実施形態に係る処理ヘッドの主要構成の分解斜視図である。

符号の説明

Ｗ ガラス基板（被処理物）
１ 処理ヘッド
２ 整流部
３ プラズマ生成部
１０ 外筐
１８ 金属板
２０ ホルダ
３０ 電極
３１ 電極の主部分
３３ 放電延長凸部
３４ 凸条
３５ 切欠部
３５ａ 収容凹部
３６ 引掛凹部
３９ 温調媒体通路
４０ 誘電部材
４０ａ 凹部
４１ 主誘電部
４９ ガス通路，プラズマ放電空間
４９ａ 吹出し口
５０ リテーナ
５０ａ 収容凹部
６０ ボルト
７０ 圧縮ばね（弾性部材）
８０，９０ リテーナ（弾性部材）
８１，９１ 接合部
８２，９２ 引掛部

Claims (6)

1. 処理ガスを放電空間に導入してプラズマ化し被処理物に当て、該被処理物の表面処理を行なうプラズマ処理装置の電極構造において、
   第２の電極と対向方向に離れて対向する放電面を有する第１の電極と、
   固体誘電体からなり、前記第１の電極の前記放電面に被さって前記第２の電極との間に前記放電空間を画成する誘電部材と、
   弾性を有し、前記第１の電極の前記放電面とは反対側の背部に配置されて、前記第１の電極を前記対向方向に押すように付勢する弾性部材と、
   を備え、前記弾性部材の付勢力によって、前記第１の電極が前記誘電部材に弾性的に押し当てられて固定されることを特徴とするプラズマ処理装置の電極構造。
2. 前記誘電部材に対し位置固定された状態で前記第１の電極の前記放電面とは反対側の背部に配置されたリテーナを備え、
   前記弾性部材が、前記リテーナと前記第１の電極の間に圧縮状態で挟まれていることを特徴とする請求項１に記載の電極構造。
3. 前記第１の電極又はリテーナに収容凹部が形成され、この収容凹部に前記弾性部材が圧縮状態で収容されていることを特徴とする請求項２に記載の電極構造。
4. 前記弾性部材が、圧縮ばねにて構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電極構造。
5. 前記誘電部材に対し位置固定された状態で前記第１の電極に宛がわれたリテーナを備え、
   このリテーナが、弾性を有して前記第１の電極を前記固体誘電体の側へ付勢し、前記弾性部材として提供されていることを特徴とする請求項１に記載の電極構造。
6. 前記リテーナが、前記誘電部材に接合された接合部と、前記第１の電極に引っ掛けられた引掛部とを一体に有していることを特徴とする請求項５に記載の電極構造。

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