JP5025614B2

JP5025614B2 - 大気圧プラズマ処理方法

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Publication number: JP5025614B2
Application number: JP2008271271A
Authority: JP
Inventors: 晋一出尾; 幸久吉田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: JP2010103188A

Description

本発明は、大気圧プラズマ処理方法に関するものである。

従来、プラズマを用いた技術として、大気圧中において被処理部材の表面に成膜するプラズマ処理装置がある。大気圧下において薄膜を成膜する場合には、大気雰囲気に起因した不純物の薄膜への混入を極力少なくする必要がある。例えばシリコン薄膜の成膜においては、酸素や水分を極力減らすことが必要となる。

従来の技術においては、発生するプラズマの周囲を窒素（Ｎ_２）やアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、キセノン（Ｘｅ）などの不活性ガスにより遮断する技術が知られている。このような技術として、例えば発生するプラズマの回りにおいて、供給量が反応ガスのより多い不活性ガスをカーテンガスとして使用し、周辺雰囲気をパージガスで覆い、基板に向けて吹き出されたカーテンガスおよびパージガスを排気ダクトにより吸引して排出する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−５００７号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、不活性ガスおよび反応ガスは、プラズマ処理部の最外周に位置する排気ダクトから排出される構成とされるため、排気ダクトへの大気雰囲気の混入が生じる。ここで、反応ガスとして、モノシランガスなどのように大気と混合することで自然発火するガスや、水素ガスのように大気と混合することで爆発の危険性が生じる爆発性気体などのように大気と混合すると有害な気体を用いる場合は、さらに周囲を不活性ガスからなるパージガスで覆うなど、反応ガスと大気との混合を防止しなければならず、使用に関しての制約が大きい、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大気雰囲気中におけるプラズマ処理において、大気と混合すると有害な気体を反応ガスとして使用した場合においても、プラズマ処理後に排気されるガスを外部雰囲気である大気と混合させることなく排気可能な、安全性に優れた大気圧プラズマ処理装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる大気圧プラズマ処理方法は、大気圧雰囲気中において被処理面が電極と対向するように被処理部材を接地された保持部に保持し、電源により前記電極に電力を印加して前記電極と前記保持部との間隙に電界を発生させた状態で、前記電極中に設けられた反応ガスの供給路を介して前記反応ガスを前記電極と前記被処理面との間隙に供給することにより前記反応ガスをプラズマ化させたプラズマ流を生成し、該プラズマ流により前記被処理面に対してプラズマ処理を行う大気圧プラズマ処理方法であって、前記電極の外周において前記電極を囲う排気流路を介して、前記電極と前記被処理面との間隙のガスを排気し、前記排気流路の外周において前記排気流路と隔てられて前記排気流路を囲う不活性ガスの供給路を介して、前記保持部における前記被処理面側に向けて不活性ガスを供給し、前記排気流路を介した前記ガスの排気流量を前記反応ガスの供給流量より大とし、前記不活性ガスの供給路を介した前記不活性ガスの供給流量を前記排気流量よりも大とすること、を特徴とする。

この発明によれば、大気雰囲気中におけるプラズマ処理において、大気と混合すると有害な気体を反応ガスとして使用した場合においても排気されるガスへの大気の混入を防止することができ、安全に大気圧プラズマ処理を実施することができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる大気圧プラズマ処理装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。また、以下の図面において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。

実施の形態１．
図１−１は、本発明の実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す模式図である。図１−２は、本発明の実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す図であり、図１−１のＡ−Ａ断面図である。実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置は、反応ガスをプラズマ発生領域に供給する機能と、不活性ガスからなるカーテンガスをプラズマ発生領域の周辺に供給する機能と、未反応状態の未反応ガス、プラズマで分解されたガス、基板と反応して生成された反応生成ガス、およびカーテンガスＣＧ（以下、これらのガスを総称して未反応ガス等と呼ぶ場合がある）を排気する機能と、を有する。以下、図１−１および図１−２を参照して詳細に説明する。

実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置は、図１−１および図１−２に示すように、直径方向の中心領域が略円柱状の中空部とされた円筒形状の高周波電極１０、高周波電極１０を囲って該高周波電極１０の外周部に配置される四角柱形状の絶縁体からなる流路形成部材１２、高周波電極１０に高周波電力を印加する電源１４、反応ガスＲＧを供給する反応ガス供給部１６、カーテンガスＣＧとして不活性ガスを供給するカーテンガス供給部１８、排気ガス処理部１９、および、被処理部材である基板Ｗの被処理面が高周波電極１０の中心軸方向と略垂直となるように基板Ｗを保持するとともに接地された保持部である基板台２０備える。

高周波電極１０の材料としては、例えば銅、アルミニウム、ステンレス、真鍮などを使用できる。また、高周波電極１０の内周面および基板Ｗ側の端面は、絶縁膜２２により被覆されている。この絶縁膜２２の役割は、高周波電極１０におけるアーク発生を防止することである。高周波電極１０においてアークが発生した場合には、電極が溶解して反応ガスＲＧに不純物が混入する虞がある。絶縁膜２２としては、例えばポリエチレンテレフタート、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や酸化チタン（ＴｉＯ_２）を使用できる。高周波電極１０は、半径方向の略中心部において中心軸方向に略円柱状の中空部が設けられており、この中空部が反応ガス供給部１６から供給される反応ガスＲＧの流路（反応ガス流路）２４となる。また、反応ガス流路２４のうち、反応ガス供給部１６側が反応ガス流路２４に反応ガスＲＧを導入する反応ガス導入口２４ａとなり、基板Ｗ側が反応ガスＲＧの噴出口となる。また、高周波電極１０と基板Ｗとの間に存在する隙間領域が、プラズマが発生するプラズマ発生領域Ｐとなる。

流路形成部材１２は、使用する未反応ガス等と反応しない材料により構成されることが好ましく、例えば酸化アルミニウムのような絶縁体が好ましい。流路形成部材１２における内部側には、略円柱形状の中空部が設けられており、中空部の中心に高周波電極１０が配置されている。そして、この流路形成部材１２の内周面と高周波電極１０の外周面とで挟まれた領域が排気流路２６となり、その下端部が排気口２６ａとなる。この排気流路２６は、プラズマ発生領域Ｐを外側から囲うように設けられており、この排気流路２６から未反応ガス等が排気ガスとして排気管２６ｂを通して排気ガス処理部１９へ排出される。排気ガス処理部１９では、排気ガスに対して所定の処理を施す。この排気流路２６と排気ガス処理部１９とにより排気部が構成される。

また、流路形成部材１２において、排気流路２６の外側には、複数の略円柱形状の中空部が設けられており、この中空部がカーテンガスＣＧの流路（カーテンガス流路）２８となる。また、カーテンガス流路２８のうち、カーテンガス供給部１８側がカーテンガス流路２８にカーテンガスＣＧを導入するカーテンガス導入口２８ａとなり、基板Ｗ側がカーテンガスＣＧの噴出口となる。このカーテンガス流路２８は、排気流路２６を略均一に囲うように排気流路２６の外側に設けられており、カーテンガス供給部１８から供給されるカーテンガスＣＧである不活性ガスが該カーテンガス流路２８を介して基板Ｗに対して吹き付けられる。このカーテンガス流路２８とカーテンガス供給路１８とにより不活性ガス供給部が構成される。

基板Ｗに吹付けられたカーテンガスＣＧの一部は排気口２６ａから吸引され、残りは外部雰囲気中に開放される。カーテンガス供給部１８から供給されたカーテンガス（不活性ガス）を効率良く排気口２６ａに導入するためには、カーテンガス流路２８の形状はカーテンガスの噴出口がプラズマ発生領域Ｐの方向に向かったノズル形状であることが好ましい。

なお、高周波電極１０の中心から見て、反応ガス流路２４、排気流路２６およびカーテンガス流路２８の順に半径方向に順に並んでいれば、反応ガス流路２４の断面形状は角型などであってもよく、高周波電極１０の形状も円筒形状以外に四角柱形状などであってもよい。また、排気流路２６およびカーテンガス流路２８の断面形状も略円形に限定されず、他の形状であっても良い。

例えば図１−３は、実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置の他の構成を示す図であり、図１−１のＡ−Ａ断面図に対応する断面図である。図１−３に示す大気圧プラズマ処理装置においては、流路形成部材１２における内部側には、中心部を囲うように４個の略四角柱状の穴が設けられており、この穴に囲まれた流路形成部材１２の中心部に高周波電極１０が配置されている。そして、この略四角柱状の穴と高周波電極１０の外周面とで形成された中空部が排気流路２６となり、その下端部が排気口２６ａとなる。この排気流路２６から未反応ガス等が排気ガスとして排気管２６ｂを通して排気ガス処理部１９へ排出される。

実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置において、排気流路２６の排気流量は、反応ガス流量より多く、且つカーテンガスＣＧの流量より少なくされる。これにより、反応ガスＲＧが外部雰囲気に漏洩することなく、確実に排気口２６ａに導入することが可能となる。これはカーテンガス流路２８からカーテンガスＣＧが吹き出される領域の圧力が正圧となり、反応ガス流路２４から吹き出された反応ガスＲＧの外部雰囲気に向かった流れがカーテンガスＣＧにより遮断されるためであると考えられる。

このような構成を有する大気圧プラズマ処理装置での処理例を、シリコン膜の成膜を例に説明する。まず、高周波電極１０に電源１４を繋ぎ、接地された基板台２０上に基板Ｗを載置する。基板Ｗは、反応ガス流路２４から吹き出された反応ガスＲＧがシリコン膜の成膜を行う面に吹き付けられるようにして基板台２０上に配置される。また、高周波電極１０の表面を被覆する絶縁膜２２の表面と基板Ｗとの最短距離は、１ｍｍから５ｍｍの範囲で設定される。これにより大気圧下での放電が励起できる。

次に、反応ガスＲＧとしてモノシラン（ＳｉＨ_４）ガス：１０ｓｃｃｍ、水素（Ｈ_２）ガス：８０ｓｃｃｍ、ヘリウム（Ｈｅ）ガス：３０００ｓｃｃｍを、反応ガス供給部１６から反応ガス導入口２４ａを介して反応ガス流路２４に供給する。排気流路２６の排気流量は、反応ガスＲＧの流量を上回る４０００ｓｃｃｍとする。また、カーテンガスＣＧとして、不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスを、カーテンガス供給部１８からカーテンガス導入口２８ａを介してカーテンガス流路２８に供給する。アルゴン（Ａｒ）ガスの流量は、排気量４０００ｓｃｃｍより多く流せばよいので、５０００ｓｃｃｍとする。

このように排気流量よりカーテンガスＣＧの流量を多くすることで、カーテンガス流路２８から基板Ｗに向かって不活性ガスが吹き出される領域近辺の気体圧力を、外部雰囲気の圧力に対して若干正圧に保つことができる。これにより、基板Ｗに向けて吹き出された反応ガスＲＧの外部雰囲気への流れを遮断することが可能となる。さらに、排気流量を反応ガス流量より多く保つことで、反応ガス流路２４から反応ガスＲＧが基板に吹き出される領域の圧力、すなわちプラズマ発生領域Ｐの圧力は、排気流路２６に向かって負の圧力勾配をもつため、未反応ガス、プラズマで分解されたガス、基板Ｗと反応して生成された生成ガスを確実に排気口２６ａに導入することができる。これらの作用により、本実施の形態にかかる大気圧プラズマ処理装置においては、反応ガスＲＧの外部雰囲気への流出を反応ガスＲＧのｐｐｍ以下に防ぐことができる。また、排気流路２６への外部雰囲気からの大気の流入量を未反応ガス等の排気ガスのｐｐｍ以下に抑えることができる。

また、実際に反応ガスＲＧを反応ガス流路２４に導入する前には、カーテンガス流路２８および反応ガス流路２４に希ガスを３０分程度流しておくことが好ましい。これによりプラズマ発生領域における大気中の酸素や水分をｐｐｍレベル以下まで低減することができる。この希ガスを流す時間は適宜、必要な膜質に応じて時間を変えればよい。

そして、上記のような状態において電源１４により高周波電極１０に高周波電力を印加すると、プラズマ発生領域Ｐ、すなわち基板Ｗと高周波電極１０とが対向する隙間領域において反応ガスＲＧが励起されてプラズマが発生する。

高周波電極１０には周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加する。高周波電極１０と基板Ｗとが対向する面積により印加する電力は変化するが、およそ８０Ｗ／ｃｍ^２までの電力密度とすることが好ましい。これ以上大きな電力を高周波電極１０に印加すると、高周波電極１０に熱が蓄積し、アーク放電が発生しやすくなる。なお、印加する高周波電力の周波数は１３．５６ＭＨｚに限定されるものではないが、１０ＫＨｚ以上２００ＭＨｚ以下程度の周波数が、安定した均一なグロー放電を得る上で好ましい。また、高周波電力の波形についてはサイン波が一般に用いられるが、インパルス波や方形波、異なる周波数で変調した波形であってもよい。

また高周波電極１０は、高周波電力を印加する際に、外部冷却水等によって冷却されることが好ましい。例えば、外部チラーによって１０℃〜２０℃の範囲に冷却された冷却水を高周波電極１０内部に設けた流路に流すことで高周波電極１０の高周波電力による過熱を防ぐことができ、高周波電極１０の発熱に起因した熱電子発生によるアーク転移を防止することができる。

また、成膜する膜材質によって異なるが、成膜処理対象である基板Ｗを載せる基板台２０に加熱機構を設けることで良好な膜を得ることができる。例えば前述したモノシラン（ＳｉＨ_４）ガス、水素（Ｈ_２）ガスによるシリコン膜の成膜の場合は、基板温度を２００℃〜４００℃の範囲とすることが好ましい。

上記のようにして大気圧プラズマ処理を実施することにより、およそ１ｎｍ／ｓｅｃの成膜速度で多結晶シリコン膜を基板Ｗ上に成膜することができる。そして、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガスおよび水素（Ｈ_２）ガスを外部雰囲気である大気と混合させることなく、確実に排気することができ、安全に大気圧プラズマ処理を実施することができる。なお、基板台２０を移動させる機構を追加することで大面積への成膜も可能となり、大気圧プラズマ処理による大面積の成膜処理を簡便な構成で実現することができる。

上述したように、実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、大気と混合することにより自然発火するモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスや、大気と混合することにより爆発の危険性が生じる水素（Ｈ_２）ガスを反応ガスＲＧとして使用した場合においても、該ガスを外部雰囲気である大気と混合させることなく排気することができる。したがって、実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、排気ガスへの外部雰囲気（大気）の混入を防ぐことができるため、大気と混合すると危険な気体であっても反応ガスとして取り扱うことが可能となり、安全性に優れた大気圧プラズマ処理が実現されている。

また、実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、周囲雰囲気をパージガスで覆う必要が無く、簡便な構成且つ低コストで大気圧プラズマ処理が可能な大気圧プラズマ処理装置が実現されている。

実施の形態２．
図２−１は、本発明にかかる大気圧プラズマ処理装置の他の形態である実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す模式図である。図２−２は、本発明の実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す模式図であり、図２−１におけるＢ−Ｂ断面図である。実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置は、実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置と同様に、反応ガスをプラズマ発生領域に供給する機能と、不活性ガスからなるカーテンガスをプラズマ発生領域の周辺に供給する機能と、未反応状態の未反応ガス、プラズマで分解されたガス、基板と反応して生成された反応生成ガス、およびカーテンガスを排気する機能と、を有する。以下、図２−１および図２−２を参照して詳細に説明する。なお、実施の形態１と同じ部材については詳細な説明は省略する。

実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置は、図２−１および図２−２に示すように、直径方向の中心領域が中空部とされた円筒形状の接地電極４０、接地電極４０の中空部内の略中央部に該接地電極４０と対向して配置された円柱形状の高周波電極１０、接地電極４０を囲って該接地電極４０の外周部に配置される四角柱形状の流路形成部材４４、高周波電極１０に高周波電力を印加する電源１４、接地電極４０と高周波電極１０との間隙に反応ガスＲＧを供給する反応ガス供給部１６、カーテンガスＣＧを供給するカーテンガス供給部１８、排気ガス処理部１９、および、被処理部材である基板Ｗの被処理面が高周波電極１０および接地電極４０の軸方向と略垂直となるように基板Ｗを保持するとともに接地された基板台２０を備える。なお、図２−１においては、反応ガス供給部１６およびカーテンガス供給部１８については図示を省略している。

ここで、高周波電極１０と接地電極４０との間隙が反応ガス流路２４とされるとともにプラズマ発生領域Ｐとなる。反応ガス流路２４のうち反応ガス供給部１６側がガスの導入口２４ａとなる。また、反応ガス流路２４のうち基板Ｗ側は、反応ガスＲＧがプラズマ励起して発生したプラズマを含むガス流であるプラズマ流の噴出口となる。また、反応ガス流路２４からのプラズマ流の噴出方向は、基板Ｗの被処理面と略垂直とされる。

また、接地電極４０は、高周波電極１０と対向する内周面および基板Ｗ側の端面が、該内周面に沿って絶縁膜４２で被覆されている。この絶縁膜４２の役割は、接地電極４０と高周波電極１０との間のアーク発生を防止することである。接地電極４０と高周波電極１０との間でアークが発生した場合には、電極が溶解して反応ガスＲＧに不純物が混入する虞がある。このような絶縁膜４２としては、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）膜が適している。なお、アークが発生し難い反応ガスＲＧ、例えばヘリウム（Ｈｅ）ガスを用いて１３．５６ＭＨｚのような高周波電流で接地電極４０および高周波電極１０間に放電を発生させる場合は、必ずしもこの絶縁膜は必要ない。

また、ここでは接地電極４０における高周波電極１０と対向する面に絶縁膜４２を被覆した例を示しているが、接地電極４０および高周波電極１０のうち少なくとも一方における他方の電極に対向する面に絶縁膜４２が被覆されていればよく、また両方の電極に絶縁膜４２が被覆されていてもよい。なお、高周波電極１０の材料を成膜材料源にする場合には、接地電極４０側に絶縁膜４２を形成する方が好ましい。

流路形成部材４４における内部側には、略円柱形状の中空部が設けられており、この中空部の中心部に高周波電極１０および接地電極４０が配置されている。そして、この中空部のうち接地電極４０の外周面と流路形成部材４４の内周面とで囲まれた領域が排気流路２６となり、その下端部が排気口２６ａとなる。この排気流路２６は、プラズマ発生領域Ｐを外側から囲うように設けられており、この排気流路２６から未反応ガス等が排気ガス処理部１９へ排出される。この排気流路２６と排気ガス処理部１９とにより排気部が構成される。

この排気流路２６を形成する流路形成部材４４は金属材料により構成されており、接地される。流路形成部材４４の材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼などが好ましい。接地することで排気流路２６内の静電気着火を防止できる。このように排気流路２６を形成する流路形成部材４４として金属材料を使用し、且つ接地することにより、排気流路２６内に発生する静電気に起因した静電気着火を防止することができる。

また、流路形成部材４４において、排気流路２６の外側には、複数の略円柱形状の中空部が設けられており、この中空部がカーテンガス流路２８となる。また、カーテンガス流路２８のうち、カーテンガス供給部１８側がカーテンガス流路２８にカーテンガスＣＧを導入するカーテンガス導入口２８ａとなり、基板Ｗ側がカーテンガスＣＧの噴出口となる。このカーテンガス流路２８は、排気流路２６を均一に囲うように排気流路２６の外側に設けられており、このカーテンガス流路２８を介して、カーテンガス供給部１８から供給されるカーテンガスＣＧである不活性ガスが基板Ｗに対して吹き付けられる。このカーテンガス流路２８とカーテンガス供給路１８とにより不活性ガス供給部が構成される。

基板Ｗに吹付けられたカーテンガスＣＧの一部は排気口２６ａから吸引され、残りは外部雰囲気中に開放される。カーテンガス供給部１８から供給されたカーテンガスＣＧを効率良く排気口２６ａに導入するためには、カーテンガス流路２８の形状はカーテンガスＣＧの噴出口がプラズマ発生領域Ｐの方向に向かったノズル形状であることが好ましい。

このような構成において、高周波電極１０に高周波電力を印加すると、高周波電極１０と接地電極４０との間に反応ガスＲＧが励起してプラズマが発生し、基板Ｗには発生したプラズマ流が吹付けられることになる。

このような構成を有する大気圧プラズマ処理装置での処理例を、シリコン膜の成膜を例に説明する。まず、高周波電極１０に電源１４を繋ぎ、接地電極４０を接地する。また、接地された基板台２０上に基板Ｗを載置する。基板Ｗは、シリコン膜の成膜を行う面にプラズマ流が吹き付けられるように、被処理面を上にして基板台２０上に配置される。

高周波電極１０および接地電極４０は、基板Ｗの被処理面にプラズマ流を吹きつけられるように、基板Ｗに対向させて配置され、高周波電極１０と接地電極４０との最短距離は１ｍｍ〜５ｍｍの範囲で設定される。高周波電極１０と接地電極４０との最短距離が１ｍｍより短いと、反応ガスＲＧの流れの点で阻害が生じる。また、高周波電極１０と接地電極４０との最短距離が５ｍｍより長いと、プラズマが生成しなくなる。高周波電極１０または接地電極４０と基板Ｗとの最短距離は、３ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定する。高周波電極１０は、純度９９．９９９９９％以上のシリコン板から構成される。

次に、反応ガスＲＧとして水素（Ｈ_２）ガス：８０ｓｃｃｍ、ヘリウム（Ｈｅ）ガス：３０００ｓｃｃｍを、反応ガス供給部１６から反応ガス導入口２４ａを介して反応ガス流路２４に供給する。排気流路２６の排気流量は、反応ガスＲＧの流量を上回る４０００ｓｃｃｍとする。また、カーテンガスＣＧとして、不活性ガスである窒素（Ｎ_２）ガスを、カーテンガス供給部１８からカーテンガス導入口２８ａを介してカーテンガス流路２８に供給する。窒素（Ｎ_２）ガスの流量は、排気量４０００ｓｃｃｍより多く流せばよいので、５０００ｓｃｃｍとする。

このように排気流量を反応ガス流量より多く保つことで、高周波電極１０および接地電極４０と基板Ｗとの間隙の近傍領域から排気口２６ａに向かって負の圧力勾配が生じるので、未反応ガス等を確実に排気口２６ａに導入することができ、未反応ガス等のガス流れとして高周波電極１０および接地電極４０と基板Ｗとの近傍領域から反応ガス流路２４内に未反応ガス等が逆流することを極力防止することができる。これらの作用により、本実施の形態にかかる大気圧プラズマ処理装置においては、反応ガスＲＧの外部雰囲気への流出を反応ガスＲＧのｐｐｍ以下に防ぐことができる。また、排気流路２６への外部雰囲気からの大気の流入量を排気ガスのｐｐｍ以下に抑えることができる。

また、カーテンガス導入口２８ａから導入されたカーテンガスＣＧである窒素（Ｎ_２）ガスも反応ガス流路２４内に侵入することなく、排気流路２６から排出される。したがって、プラズマ発生領域Ｐへの窒素（Ｎ_２）ガスの混入を極力防止することができる。

シリコン膜を成膜する場合には、窒素がプラズマ中に混入すると窒化シリコン膜となり電気特性が変化してしまう。しかしながら、実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置においては、プラズマ発生領域Ｐへの窒素（Ｎ_２）ガスの混入を防止することができるため、カーテンガスＣＧに窒素（Ｎ_２）ガスを用いても窒化シリコン膜の生成を防止することができ、半導体としてのシリコン膜の電気特性の変化を防ぐことが可能となる。これにより、電気特性の良好なシリコン膜を歩留まり良く形成することができ、原材料の減量化にも寄与する。また、カーテンガスＣＧとしてアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）などの希ガス以外に、窒素などの不活性ガスを用いることができ、カーテンガスＣＧの選択の自由度が大きくなる。

また、排気量４０００ｓｃｃｍより多い流量の窒素（Ｎ_２）ガスをカーテンガス導入口２８ａから流し、排気流量よりカーテンガスＣＧの流量を多くすることで、カーテンガス流路２８から基板Ｗに向かって窒素（Ｎ_２）ガスが吹き出される領域近辺の気体圧力を、排気口２６ａおよび外部雰囲気に対して若干正圧に保つことができる。これにより、外部雰囲気が混入すること無く、窒素（Ｎ_２）ガスを排気口２６ａへの流入させることが可能となる。また、基板Ｗに向けて吹き出された未反応ガス等の外部雰囲気への流れを遮断することが可能となる。

次に、高周波電極１０に周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加する。高周波電極１０と接地電極４０とが対向する面積により印加する電力は変化するが、およそ８０Ｗ／ｃｍ^２までの電力密度とすることが好ましい。これ以上大きな電力を高周波電極１０に印加すると、高周波電極１０に熱が蓄積し、アーク放電が発生しやすくなる。なお、印加する高周波電力の周波数は１３．５６ＭＨｚに限定されるものではないが、１０ＫＨｚ以上２００ＭＨｚ以下程度の周波数が、安定した均一なグロー放電を得る上で好ましい。また、高周波電力の波形についてはサイン波が一般に用いられるが、インパルス波や方形波、異なる周波数で変調した波形であってもよい。

また、成膜する膜材質によって異なるが、成膜処理対象である基板Ｗを載せる基板台２０に加熱機構を設けることで良好な膜を得ることができる。例えばシリコン膜の成膜の場合は、基板温度を２００℃〜４００℃の範囲とすることが好ましい。

上記のようにして大気圧プラズマ処理を実施することにより、プラズマ発生領域Ｐで形成された水素ラジカルが高周波電極１０の構成材料であるシリコンを分解し、分解されたシリコンが基板Ｗに堆積することで、およそ１ｎｍ／ｓｅｃの成膜速度でシリコン膜を基板Ｗ上に成膜することができる。すなわち、この大気圧プラズマ処理においては、高周波電極１０の構成材料自体が、成膜材料の供給源となっている。そして、水素（Ｈ_２）ガスを外部雰囲気である大気と混合させることなく、確実に排気することができ、安全に大気圧プラズマ処理を実施することができる。なお、基板台２０を移動させる機構を追加することで大面積への成膜も可能となり、大気圧プラズマ処理による大面積の成膜処理を簡便な構成で実現することができる。

上述したように、実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、大気と混合することにより爆発の危険性が生じる水素（Ｈ_２）ガスを反応ガスＲＧとして使用した場合においても、該ガスを外部雰囲気である大気と混合させることなく排気することができる。したがって、実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、排気ガスへの外部雰囲気（大気）の混入を防ぐことができるため、大気と混合すると危険な気体であっても反応ガスＲＧとして取り扱うことが可能となり、安全性に優れた大気圧プラズマ処理が実現されている。

また、実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、周囲雰囲気をパージガスで覆う必要が無く、簡便な構成且つ低コストで大気圧プラズマ処理が可能な大気圧プラズマ処理装置が実現されている。

また、実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、カーテンガスＣＧは反応ガス流路２４内に侵入することなく排気流路２６から排出され、プラズマ発生領域Ｐへの混入が防止されている。これにより、カーテンガスＣＧに窒素（Ｎ_２）ガスを用いた場合でも窒化シリコン膜の生成を防止することができ、成膜したシリコン膜の電気特性の変化を防ぐことができる。したがって、カーテンガスによるプラズマ生成物の変化を防止できるため、カーテンガスＣＧとしてアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）などの希ガス以外に、窒素などの不活性ガスを用いることができ、カーテンガスＣＧの選択の自由度が大きくなる。

実施の形態３．
図３は、本発明にかかる大気圧プラズマ処理装置の他の形態である実施の形態３にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す模式図である。実施の形態３にかかる大気圧プラズマ処理装置は、実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置と同様の、反応ガスをプラズマ発生領域に供給する機能、カーテンガスをプラズマ発生領域の周辺に供給する機能、未反応状態の未反応ガス、プラズマで分解されたガス、基板と反応して生成された反応生成ガス、およびカーテンガスを排気する機能に加えて、カーテンガス流路内のガス圧力を測定する機能を有する。以下、図３を参照して詳細に説明する。なお、実施の形態１と同じ部材については詳細な説明は省略する。また、図３においては、反応ガス供給部１６およびカーテンガス供給部１８については図示を省略している。

実施の形態３にかかる大気圧プラズマ処理装置の基本的な構成および動作は、実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置と同様である。以下では、実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置と異なる点について説明する。図３に示す実施の形態３にかかる大気圧プラズマ処理装置では、高周波電極１０の表面を被覆する絶縁膜２２の表面と基板Ｗとの最短距離が、高周波電極１０と基板Ｗとの最短距離より短くなるように配置されている。これにより、高周波電極１０と基板Ｗとの接触が防止されている。

また、流路形成部材１２の外周部の一部には、流路形成部材１２の外周面からカーテンガス流路２８に通じる圧力測定用導入口５０を介して圧力計５２が設置され、カーテンガスＣＧの流量とカーテンガス流路２８内のガス圧力を常に計測できるようにされている。

ここで、カーテンガスＣＧ温度が一定であれば、カーテンガスＣＧの流量とカーテンガス流路２８内のガス圧力とから流路形成部材１２の基板Ｗ側の端面と基板Ｗとの距離を推定することが可能であるため、基板Ｗと流路形成部材１２の基板Ｗ側の端面との距離を制御することができる。そして、流路形成部材１２と高周波電極１０は一体となって構成されているので、基板Ｗと流路形成部材１２の基板Ｗ側の端面との距離を制御することにより、間接的に高周波電極１０の基板Ｗ側の端面と基板Ｗとの距離を制御することができる。プラズマの状態は、高周波電極１０の基板Ｗ側の端面と基板Ｗとの距離と、気体圧力とに依存するので、高周波電極１０の基板Ｗ側の端面と基板Ｗとの距離を制御することで大気圧状態でのプラズマを安定化することが可能となる。これにより、実施の形態３にかかる大気圧プラズマ処理装置では、安定した大気圧プラズマ処理が可能となる。

上述したように、実施の形態３にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、大気と混合することにより自然発火するモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスや、大気と混合することにより爆発の危険性が生じる水素（Ｈ_２）ガスなどを反応ガスＲＧとして使用した場合においても、該ガスを外部雰囲気である大気と混合させることなく排気することができる。したがって、実施の形態３にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、排気ガスへの外部雰囲気（大気）の混入を防ぐことができるため、大気と混合すると危険な気体であっても反応ガスＲＧとして取り扱うことが可能となり、安全性に優れた大気圧プラズマ処理が実現されている。

また、実施の形態３にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、周囲雰囲気をパージガスで覆う必要が無く、簡便な構成且つ低コストで大気圧プラズマ処理が可能な大気圧プラズマ処理装置が実現されている。

また、実施の形態３にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、カーテンガス流路内のガス圧力を測定する機能を有することにより流路形成部材１２の基板Ｗ側の端面と基板Ｗとの距離を推定することができるため、基板Ｗと流路形成部材１２の基板Ｗ側の端面との距離を制御して、間接的に高周波電極１０の基板Ｗ側の端面と基板Ｗとの距離を制御することができる。これにより、大気圧状態でのプラズマを安定化することが可能となるため、安定した大気圧プラズマ処理を実施することができる。

なお、上記においては、電極の構成として実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置と同じ電極構造を有する場合を例に説明したが、実施の形態２で説明したように反応ガス流路２４中にプラズマを生成する電極構造であっても、上記と同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる大気圧プラズマ処理装置は、大気と混合することにより自然発火や爆発性気体を生成する気体を反応ガス等の処理ガスとして使用して大気雰囲気中におけるプラズマ処理を実施する場合に有用である。

本発明の実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す模式図である。本発明の実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す図であり、図１−１のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施の形態１にかかる他の大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す図である。本発明の実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す模式図である。本発明の実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す図であり、図２−１におけるＢ−Ｂ断面図である。本発明の実施の形態３にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１０高周波電極
１２流路形成部材
１４電源
１６反応ガス供給部
１８カーテンガス供給部
１９排気ガス処理部
２０基板台
２２絶縁膜
２４反応ガス流路
２４ａ反応ガス導入口
２６排気流路
２６ａ排気口
２８カーテンガス流路
２８ａカーテンガス導入口
４０接地電極
４２絶縁膜
４４流路形成部材
５０圧力測定用導入口
５２圧力計
ＣＧカーテンガス
Ｐプラズマ発生領域
ＲＧ反応ガス
Ｗ基板

Claims

大気圧雰囲気中において被処理面が電極と対向するように被処理部材を接地された保持部に保持し、電源により前記電極に電力を印加して前記電極と前記保持部との間隙に電界を発生させた状態で、前記電極中に設けられた反応ガスの供給路を介して前記反応ガスを前記電極と前記被処理面との間隙に供給することにより前記反応ガスをプラズマ化させたプラズマ流を生成し、該プラズマ流により前記被処理面に対してプラズマ処理を行う大気圧プラズマ処理方法であって、
前記電極の外周において前記電極を囲う排気流路を介して、前記電極と前記被処理面との間隙のガスを排気し、
前記排気流路の外周において前記排気流路と隔てられて前記排気流路を囲う不活性ガスの供給路を介して、前記保持部における前記被処理面側に向けて不活性ガスを供給し、
前記排気流路を介した前記ガスの排気流量を前記反応ガスの供給流量より大とし、
前記不活性ガスの供給路を介した前記不活性ガスの供給流量を前記排気流量よりも大とすること、
を特徴とする大気圧プラズマ処理方法。
前記不活性ガスの供給路内の前記不活性ガスの圧力を測定すること、
を特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ処理方法。
前記電極における前記反応ガスの供給路の内面および前記電極と前記被処理面との対向面に絶縁膜が被覆されていること、
を特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ処理方法。
前記被処理面に前記反応ガスの成分を含む被膜を成膜すること、
を特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ処理方法。
接地された接地電極の中空部内に前記接地電極と間に反応ガスの供給路を形成するように高周波電極を配置し、被処理部材の被処理面が前記接地電極および前記高周波電極と間隙を有して対向するように前記被処理部材を接地された保持部に保持して、電源により前記高周波電極に電力を印加して前記反応ガスの供給路に電界を発生させた状態で前記反応ガスの供給路に前記反応ガスを流通させることにより前記反応ガスをプラズマ化させたプラズマ流を生成し、前記プラズマ流の前記反応ガスの供給路からの噴出方向が前記被処理面と略垂直となるように前記被処理部材に前記プラズマ流を照射するプラズマ処理方法であって、
前記接地電極の外周において前記接地電極を囲う排気流路を介して、前記接地電極および前記高周波電極と前記被処理面との間隙のガスを排気し、
前記排気流路の外周において前記排気流路と隔てられて前記排気流路を囲う不活性ガスの供給路を介して、前記保持部における前記被処理面側に向けて不活性ガスを供給し、
前記排気流路を介した前記ガスの排気流量を前記反応ガスの供給流量より大とし、
前記不活性ガスの供給路を介した前記不活性ガスの供給流量を前記排気流量よりも大とすること、
を特徴とする大気圧プラズマ処理方法。
前記不活性ガスの供給路内の前記不活性ガスの圧力を測定すること、
を特徴とする請求項５に記載の大気圧プラズマ処理方法。
前記接地電極および前記高周波電極のうち少なくとも一方における他方の電極に対向する面に絶縁膜が被覆されていること、
を特徴とする請求項５に記載の大気圧プラズマ処理方法。
前記被処理面に前記反応ガスの成分を含む被膜を成膜すること、
を特徴とする請求項５に記載の大気圧プラズマ処理方法。