JP5511555B2 - 大気圧プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気圧プラズマ処理装置に関する。

従来、大気圧下において、雰囲気制御を行いながら基板表面に成膜するプラズマ処理装置が提案されている。例えば対向する電極間に反応ガスを供給し、電圧を印加しプラズマ励起して発生したプラズマガスを基板の表面に接触させ、プラズマガスと基板との接触部の外周部を排気している。

つまり、発生するプラズマの周囲を供給量が反応ガス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及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、上記従来技術では、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なるため、排気ダクトへの大気雰囲気の混入が生じてしまい、使用に関しての制約が大きいという問題があった。

たとえば、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と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可能性が生じる爆発性気体などを使用する場合は、さらに周囲を不活性ガスからなるパージガスで覆い、反応ガスと大気との混合を防止する必要が生じる。さらに、大面積の基板に成膜するなどプラズマ処理ヘッドと基板を相対的に移動する必要が生じた場合、周囲の雰囲気制御に使用するカーテンガス量が大きくなるという問題もあった。

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、大気との混合を避けるべき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、大気圧プラズマ処理装置であって、プラズマ処理ヘッドと基板とを相対的に移動する際に、雰囲気制御に使用するカーテンガスの供給量を従来より低減させることにより、低コスト化を図っ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、本発明は、高周波電力が印加される第１電極と、接地された第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に形成され被処理部材の被処理面に反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応ガス流路と前記第１および第２電極との外周に配置された排気流路と、前記反応ガス流路と前記第１および第２電極と前記排気流路の外周に前記反応ガス流路を挟んで互いに反対側に配置されカーテンガスを供給する第１および第２カーテンガス供給路とを備えた大気圧プラズマ処理ヘッドと、前記反応ガス流路から供給される前記反応ガスに前記被処理面が曝されるように前記大気圧プラズマ処理ヘッドに対向して前記被処理部材を保持する接地されたステージであって、前記大気圧プラズマ処理ヘッドの前記第１カーテンガス供給路から前記反応ガス流路を経て前記第２カーテンガス供給路へと向かう方向に相対移動可能なステージとを備え、大気雰囲気中において、前記高周波電力の印加によって前記第１電極と前記第２電極との間に電界を発生させた状態で前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給することにより前記反応ガスがプラズマ化されたプラズマ流を生成し、前記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装置であって、前記反応ガスの流量よりも前記排気流路の排気の総流量が多く且つ前記排気の総流量よりも前記第１および第２カーテンガス供給路からのカーテンガスを含むカーテンガスの総供給量が多くなるよう制御し、前記大気圧プラズマ処理ヘッドに対して前記ステージを前記方向に相対移動させて前記プラズマ処理を実行する際には、相対移動させないときに比べて、カーテンガスの前記総供給量を増加させない条件下で前記第１カーテンガス供給路からのカーテンガスの供給量を増やし且つ前記第２カーテンガス供給路からのカーテンガスの供給量を減らすよう制御する制御手段を備え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、大気との混合を避けるべき気体を反応ガスとして使用した場合においても、当該反応ガスを外部雰囲気である大気と混合させることを防いだ上で、カーテンガスの使用量を必要最小限にして排気することが可能な、経済性に優れた大気圧プラズマ処理装置を提供することができるという効果を奏する。

図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斜視図である。 図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を示す断面図である。 図３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を示す上面図である。 図４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においてステージと大気圧プラズマ処理ヘッドが互いに静止しているときの基板と大気圧プラズマ処理ヘッド間のガスの流れの様子を示す断面図である。 図５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においてステージと大気圧プラズマ処理ヘッドが相対移動しているときの基板と大気圧プラズマ処理ヘッド間のガスの流れの様子を示す断面図である。 図６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における第１のガス流速とステージ速度の関係を示すグラフである。 図７は、本発明の実施の形態２および４にかかる大気圧プラズマ処理装置を示す断面図である。 図８は、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において、基板と大気圧プラズマ処理ヘッド間のガスの流れの様子を示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態５にかかる大気圧プラズマ処理装置を示す断面図である。

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、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図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１００の概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、大気圧プラズマ処理ヘッド１は、反応ガス２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３をプラズマ発生及び輸送領域の周囲に供給する機能と、未反応状態の反応ガス、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、及びカーテンガス（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４として排気する機能を有している。また、後述する冷却機構を通る冷却水５の流れも示してある。

図２および図３は、図１に示した大気圧プラズマ処理装置１００の配管経路を省いた断面図及び上面図を示したものである。ただし、図２には、図１では示さなかったガス流量を制御する制御手段５０を示してある。大気圧プラズマ処理装置１００が備える制御手段５０は、反応ガス２、カーテンガス３、および排気４の流量をそれぞれ制御する。以下、図２および図３を参照して本実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置１００は、図２および図３に示すように、平板形状のターゲット１４と接触して高周波電力を印加できる高周波電極１１ａ（第１電極）および１１ｂ（第２電極）とアーク発生を防止する絶縁体１２を備える。高周波電極１１ａ、１１ｂはそれぞれ冷却機構１０を搭載している。

大気圧プラズマ処理装置１００は、さらに絶縁体１２の外周部に配置される流路形成部材１３、高周波電力を投入されるターゲット１４、高周波電極１１ａ、１１ｂに高周波電力を印加する電源１５、反応ガス２を供給する反応ガス流路１６、不活性ガスなどからなるカーテンガス３を供給するカーテンガス供給路１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、未反応ガス等を排気する排気流路１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、および、被処理部材である基板１９の被処理面が反応ガス流路１６と略垂直となるように基板１９を保持し、且つ電気的に接地されたステージ２０を備える。

高周波電極１１ａおよび１１ｂの材料としては、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、真鍮などを使用可能であり、内部に冷却水５を導入して冷却を図る冷却機構１０が備わっている。また、高周波電極１１ａ、１１ｂの周囲は、基板１９側も含めて、高周波電極１１ａがターゲット１４に接触している部分以外は、それぞれ絶縁体１２で覆われており、アーク発生を防止している。

絶縁体１２としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、酸化アルミニウム、酸化チタンや石英などが使用できる。反応ガス２は反応ガス流路１６を通り、基板１９側に噴出する。また、高周波電極１１ａおよび１１ｂの間の領域がプラズマの発生する領域、即ち、プラズマ発生領域となり、このプラズマ発生領域から基板１９に向けて、反応ガス２の流れに沿って、プラズマが輸送され、反応ガス流路１６の出口近傍の基板１９にプラズマが吹き付けられ、プラズマ処理させることになる。

流路形成部材１３は、使用する未反応ガス等と反応しない材料により構成することが望ましく、アルミ、ステンレスや酸化アルミニウムなどが好ましい。また、排気流路１８ａ〜１８ｄは、プラズマ発生及び輸送領域を外側から囲うように設けられており、この排気流路１８ａ〜１８ｄを通して、排気４は排気ガス処理部（図示せず）へと排出される。

この排気流路１８ａ〜１８ｄの外側には、カーテンガス３を供給するカーテンガス供給路１７ａ〜１７ｄが設けられており、基板１９側がカーテンガス３の噴出口となる。このカーテンガス供給路１７ａ〜１７ｄから噴出された不活性ガス（カーテンガス３）は、基板１９に対して噴きつけられ、一部は排気流路１８ａ〜１８ｄから吸引され、残りは外部雰囲気中に放出される。

図４は、本実施の形態にかかる大気圧プラズマ処理装置１００においてステージ２０と大気圧プラズマ処理ヘッド１が共に静止しているときの基板１９と大気圧プラズマ処理ヘッド１間のガスの流れの様子を示す断面図である。ステージ２０と大気圧プラズマ処理ヘッド１とが互いに静止しているときは、図４に示される反応ガス２、カーテンガス３、及び排気４それぞれの総流量は以下の関係を満たす必要がある。

反応ガス２の流量＜排気４の総流量＜カーテンガス３の総流量

制御手段５０は、上記関係が保持されるように反応ガス流路１６、カーテンガス供給路１７ａ〜１７ｄ、および排気流路１８ａ〜１８ｄを流れる反応ガス２、カーテンガス３、及び排気４それぞれの流量を流路毎に制御する。

つまり、プラズマ発生及び輸送領域が正圧となり、反応ガス２や未反応ガス等は、カーテンガス３の流れによりブロックされすべて排気流路１８ａ〜１８ｄから排気４として排気される。さらに、カーテンガス３は、外部雰囲気中にも放出され、外部雰囲気がプラズマ発生及び輸送領域に流入しない関係にある。即ち、ステージ２０と大気圧プラズマ処理ヘッド１とが互いに静止しているとき（相対移動速度＝０）は、基板１９と大気圧プラズマ処理ヘッド１との間のガスの流れは図４に示すような関係になるように制御手段５０によって制御される。

即ち、第１のガス流２１ａは反応ガス流路１６の反応ガス２の供給口から排気流路１８ａへと流れ、第１のガス流２１ｃは反応ガス流路１６の反応ガス２の供給口から排気流路１８ｃへと流れる。第２のガス流２２ａはカーテンガス供給路１７ａのカーテンガス３の供給口から排気流路１８ａへと流れ、第３のガス流２３ａはカーテンガス供給路１７ａのカーテンガス３の供給口から外部雰囲気側に流れる。

さらに、第２のガス流２２ｃはカーテンガス供給路１７ｃのカーテンガス３の供給口から排気流路１８ｃへと流れ、第３のガス流２３ｃはカーテンガス供給路１７ｃのカーテンガス３の供給口から外部雰囲気側に流れる。そして、第４のガス流２４ａおよび２４ｃは大気圧プラズマ処理ヘッド１から左右の外部雰囲気へと噴出するように制御手段５０によって制御される。

これに対して図５は、実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置１００においてステージ２０と大気圧プラズマ処理ヘッド１が移動速度Ｖで相対移動しているときの基板１９と大気圧プラズマ処理ヘッド１間のガスの流れの様子を示す断面図である。ステージ２０と大気圧プラズマ処理ヘッド１が相対移動して基板１９の全面を処理する際には、例えば大気圧プラズマ処理ヘッド１が静止して、ステージ２０が図５で示した向きに移動する。

ここでは、ステージ２０が大気圧プラズマ処理ヘッド１のカーテンガス供給路１７ａ（第１カーテンガス供給路）から反応ガス流路１６を経てカーテンガス供給路１７ｃ（第２カーテンガス供給路）へと向かう方向に移動している。このとき図４の静止状態の場合と同じ様に制御手段５０が流量制御していると、図５の第１のガス流２１ａ、第２のガス流２２ｃ、第４のガス流２４ａのように各流速の向きが図４で示した静止状態のときの流れの向きに対して逆転する箇所が生じてしまう。

上記した流れの逆転を回避するためには、このステージ２０の移動速度Ｖに打ち勝つだけ、反応ガス２及びカーテンガス３の供給量を増加させればよいが、この方法では、移動速度Ｖを上昇させればその分に応じてこれらのガスの供給量を増加させる必要が生じてしまう。

このため、カーテンガス３のガス量の消費を抑えるためには、カーテンガス３の総供給量を増加させずに、上流側、即ちカーテンガス供給路１７ａからのカーテンガス３の供給量を増大させ、下流側、即ちカーテンガス供給路１７ｃからのカーテンガス３の供給量を減少させるように制御手段５０が流量制御する。そして、排気４の排気量をそれに応じて排気流路１８ａ〜１８ｄの間で適切に配分するようにして、各流速の向きが図４に示したガスの流れにする必要がある。

このようにステージ２０と大気圧プラズマ処理ヘッド１の相対移動の方向に応じて、カーテンガス３の供給量、排気４の排気量を制御手段５０によりコントロールして、図４に示すガスの流れが生じるようにする。これにより、最小のガス供給量で反応ガス２などを外部雰囲気へ流出させず、また、プラズマ発生及び輸送領域内に外部雰囲気が流入しない大気圧プラズマ処理装置１００を構成することができる。

このような構成を有する大気圧プラズマ処理装置１００での処理例をシリコン膜の成膜を例に説明する。まず、図２に示すように高周波電極１１ａおよび１１ｂに電源１５をつなぎ、ターゲット１４に接触している高周波電極１１ａ側に高周波電力を印加し、高周波電極１１ｂを接地する。また、基板１９を設置するステージ２０も接地する。基板１９はシリコンを成膜する面にプラズマ流が吹きつけられるように、被処理面を上にしてステージ２０上に配置される。ターゲット１４は、９９．９９９９９％以上のシリコン板で構成されている。

次に反応ガス２として水素ガス４００ｓｃｃｍを反応ガス流路１６へ、カーテンガス３（不活性ガス）としてヘリウム５０００ｓｃｃｍ（合計）をカーテンガス供給路１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄに各々１２５０ｓｃｃｍずつ流す。また、排気流路１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの排気流量は合計１０００ｓｃｃｍで、排気流路１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄともに各々２５０ｓｃｃｍを流す。

このときの流量関係は、上記した「反応ガス２の流量＜排気４の総流量＜カーテンガス３の総流量」の関係を満たしており、図４に示すように第１のガス流２１ａ、２１ｃ、第２のガス流２２ａ、２２ｃ、第３のガス流２３ａ、２３ｃ、第４のガス流２４ａ、２４ｃが図の矢印の向きに流れている。

この場合、未反応ガス等は外部雰囲気へ流出せず、プラズマ発生及び輸送領域内に外部雰囲気が流入しない条件を満たしている。基板１９と大気圧プラズマ処理ヘッド１が相対的に静止している場合は上記の流量でよいが、大型基板などに成膜する際には、大気圧プラズマ処理ヘッド１と基板１９を相対移動させる必要がある。

たとえば、図５に示すように、ステージ２０が速度Ｖで移動した場合、静止状態と同じガス量では、ステージ移動速度Ｖが第１のガス流２１ａ、第２のガス流２２ｃ、第４のガス流２４ａの速度と同程度以上になった場合は、第１のガス流２１ａ、第２のガス流２２ｃ、第４のガス流２４ａの流れの向きが図４とは逆向きになる。従って、未反応ガス等が外部雰囲気へ流出せず、プラズマ発生及び輸送領域内に外部雰囲気が流入しないという条件を満たさなくなる。

これを回避するためには、ステージ２０の移動速度Ｖに打ち勝つ速度になるように、反応ガス２、カーテンガス３、排気４の流量を増加させる必要がある。しかし、カーテンガス３や反応ガス２の供給量を増加させると、コスト増につながってしまう。

したがって、コスト増とならないように上記問題を回避するためには、カーテンガス３および反応ガス２それぞれの供給量を増加させずに、カーテンガス３の供給量、排気４の排気量をステージ２０の移動時の上流側、下流側で調節すればよい。たとえば、ステージが図５の矢印方向に移動している場合、上流側のカーテンガス供給路１７ａにヘリウム２０００ｓｃｃｍを、下流側のカーテンガス供給路１７ｃにヘリウム５００ｓｃｃｍを、側面のカーテンガス供給路１７ｂおよび１７ｄには各々ヘリウム５００ｓｃｃｍを供給する。

また、上流側の排気流路１８ａは１５００ｓｃｃｍ、下流側の排気流路１８ｃは５００ｓｃｃｍ、側面の排気流路１８ｂおよび１８ｄには、各々５００ｓｃｃｍの排気を行えば、第１のガス流２１ａ、２１ｃ、第２のガス流２２ａ、２２ｃ、第３のガス流２３ａ、２３ｃ、および第４のガス流２４ａ、２４ｃの向きが図４に示す静止状態と同様の向きとなり、未反応ガス等は外部雰囲気へ流出せず、プラズマ発生及び輸送領域内に外部雰囲気が流入しない条件を満たす。

つまり、基板１９と大気圧プラズマ処理ヘッド１との間のガス流の流れの方向が重要である。次に、ステージ２０の移動速度Ｖと第１のガス流２１ａの速度の関係のグラフを図６に示す。ここでの流速は、基板１９と大気圧プラズマ処理ヘッド１との間隔の中央での値とする。

静止状態（ステージ２０の移動速度０ｍ／ｓ）での反応ガス流路１６の流速０．６ｍ／ｓとカーテンガス供給路（不活性ガス流路）１７ａ〜１７ｄそれぞれでの流速０．０８ｍ／ｓ、排気流路１８ａ〜１８ｄそれぞれでの流速０．０２ｍ／ｓのときに、第１のガス流２１ａは−０．０５ｍ／ｓとなり、図４に示す向きに流れる。

ここで、ステージ２０の移動速度を０．０１ｍ／ｓにしたときは、グラフに示すように第１のガス流２１ａの速度は絶対値が若干低下するだけで符号（向きの）反転は起こらず、未反応ガス等が外部雰囲気へ流出せず、プラズマ発生及び輸送領域内に外部雰囲気が流入しないという条件は維持される。

次にステージ移動速度を０．１ｍ／ｓに増加させたときは、図６のグラフから第１のガス流２１ａの速度は０．０３ｍ／ｓとなり、図５で示したように、流速の向きが反対となり、未反応ガス等が外部雰囲気へ流出せず、プラズマ発生及び輸送領域内に外部雰囲気が流入しないという条件が満たされなくなる。

このとき、下流側の排気流路１８ｃの流速を０．０５ｍ／ｓに増加させ、下流側のカーテンガス供給路１７ｃの不活性ガスの流速を０．０４ｍ／ｓに減少させ、上流側の排気流路１８ａの流速を０．１ｍ／ｓに増加、上流側のカーテンガス供給路１７ａの不活性ガスの流速を０．１ｍ／ｓに増加させると、図６のグラフに示す上流下流の制御ありの第１のガス流２１ａの速度は−０．０４ｍ／ｓとなり、流速の向きが静止時と同じ向きに維持され、未反応ガス等は外部雰囲気へ流出せず、プラズマ発生及び輸送領域内に外部雰囲気が流入しないという条件を満たす。

つまり、第１のガス流２１ａの速度がステージ２０の移動速度Ｖより十分速ければ、制御しなくても条件を満たすが、ステージ２０の速度Ｖが第１のガス流２１ａの速度を超えると、条件を満たさなくなる。ここでは、第１のガス流２１ａを挙げて説明したが、他のガス流でも同様である。

従って、高速でステージ移動を行うためには、ガス流の制御に加え、第１から第４のガス流２１ａ、２１ｃ、〜、２４ａ、２４ｃの各流速を上げる手段を講じればよい。たとえば、基板１９と大気圧プラズマ処理ヘッド１との距離を小さくする、また、各流路の出口にしぼりを設け、流速を高速にすることで、高速でも安定した成膜が可能となる。

以上のようにして、プラズマ発生及び輸送領域内に酸素のない清浄な環境を作り出す。本実施の形態においてはさらに、シリコンターゲット１４を冷却機構１０で冷却し、低温を維持する。基板１９は、ステージ２０内に組み込まれたヒータ（図示せず）で加熱され高温を維持している。水素化物が揮発性であるシリコンターゲット１４に電源１５から高周波電極１１ａおよび１１ｂに高周波電界を印加する。

すると、反応ガス流路１６から流れてくる反応ガス２、例えば水素ガス流により、ターゲット１４と基板１９との間で、水素プラズマによる励起した原子状水素との化学反応によるターゲット物質シリコンの水素化物（ＳｉＨｘ）（ｘ＝１，２・・・．）の生成、揮発によるエッチング、及び、エッチングにより生成された水素化物がプラズマ中で再分解されることによるターゲット物質の堆積の両工程が同時に起こる。

この反応速度は、低温側のターゲット１４の表面ではエッチングの方が大きく、堆積の方が小さい。一方、高温側の基板１９の表面では、堆積の速度が大きく、エッチングの速度が小さい。したがって、両者の温度差を適度に大きくしておくことにより、エッチング及び堆積の速度差は非常に大きなものとなり、低温側のターゲット１４から高温側の基板１９への比較的高速の物質移動が生じ、基板１９上にシリコンが堆積される。

このような密閉空間の減圧下ではない環境下で行われる物質移動は、大気圧プラズマ化学輸送法と呼ばれている。低温の温度としては、たとえば１５℃、高温の温度としては、たとえば３００℃などと、２８５℃程度の温度差があるのが好ましい。したがって、低温側を−３５℃とすると、高温側は２５０℃程度が好ましいが、温度差が１００℃以上あれば、低温側と高温側の温度の組み合わせは何℃でもかまわない。

また、基板１９と大気圧プラズマ処理ヘッド１との間隔は、シリコンの水素化物が基板１９まで到達しなければならないため、５ｍｍ程度以下が好ましい。可能であれば、１ｍｍ以下の方が、基板１９と大気圧プラズマ処理ヘッド１との間の流速が高まるため、同じ流量でもスキャン速度を早くすることが可能となるので、より好適であることはいうまでもない。

以上説明したような構成にすることにより、周囲雰囲気をパージガスで覆う必要がなく、簡便な構成か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を実現することが可能となる。即ち、スキャン時の不活性ガス使用量の増加を抑え、プラズマ発生及び輸送領域内に外部雰囲気を流入させず、外部雰囲気に未反応ガスなどを流出させない、安価で安全な大気圧プラズマ処理装置を提供することが可能となる。

また、本実施の形態においては、図１、図３に示したように大気圧プラズマ処理ヘッド１の形状を、四角柱形状として説明したが、四角柱形状に限定されず、円筒形状でも、他の形状であってもかまわない。また、排気流路１８やカーテンガス供給路１７は、図中では４か所に分割されているが、移動方向に対応して２か所以上に分割されていれば、いくつに分割されていてもかまわない。

実施の形態２．
図７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２００の概略構成を示す断面図である。実施の形態１にかかる図２と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。図１及び図２に示した大気圧プラズマ処理ヘッド１本体との違いは、固体のターゲット１４を使用しない点である。

たとえば、反応ガス２として、モノシランガス、水素ガス、ヘリウムガスを反応ガス流路１６に流し、カーテンガス３としてアルゴンをカーテンガス供給路１７ａ〜１７ｄに流し、排気流路１８ａ〜１８ｄから排気を行う。

排気流路１８ａ〜１８ｄからの各排気流量は、図４に示したガス流の向きになるように反応ガス２およびカーテンガス３の供給量と共に制御手段５０によって調節される。次に、高周波電力を印加すると、高周波電極１１ａおよび１１ｂの間にプラズマが発生し、反応ガス２の流れに沿って、プラズマが輸送され、反応ガス流路１６の出口近傍の基板１９にプラズマが吹き付けられ、プラズマ処理され、基板１９上にシリコン膜を成膜することができる。

高周波電極１１ａおよび１１ｂは冷却機構１０により冷却することで、高周波電力による加熱を防ぐことができ、高周波電極１１ａおよび１１ｂ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、成膜する膜材質にもよるが、基板１９を載せるステージ２０に加熱機構（図示しないが、ヒータ等）を搭載することで、良好な膜を得ることができる。

たとえば、シリコン成膜では、基板１９の温度を２００℃から４００℃の範囲とすることが望ましい。基板１９と大気圧プラズマ処理ヘッド１を相対的に移動して、大面積に成膜する際には、実施の形態１で説明したように、上流側（カーテンガス供給路１７ａ）および下流側（カーテンガス供給路１７ｃ）からのカーテンガス３の供給量や排気流路１８ａおよび１８ｃからの排気量を調節する。

これにより、図４と同様なガス流の向きにすることで、スキャン時の不活性ガス使用量の増加を抑え、プラズマ発生及び輸送領域内に外部雰囲気を流入させず、外部雰囲気に未反応ガスなどを流出させない、安全で安価に成膜することが可能な大気圧プラズマ処理装置を提供することができる。

実施の形態３．
図８は、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３００の概略構成を示す断面図である。実施の形態１にかかる図４と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。図１及び図２に示した大気圧プラズマ処理ヘッド１本体との違いは、大気圧プラズマ処理ヘッド１の外周部に突起部３１ａ、３１ｃを設けている点である。

このようにすることで、カーテンガス供給路１７ａおよび１７ｃから外部雰囲気へ流出するガス流２３ａおよび２３ｃの速度を増大させて、より少ないカーテンガス３のガス供給量で、プラズマ発生及び輸送領域内への外部雰囲気の流入を抑える効果がある。つまり、安全で安価に成膜することが可能となる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４にかかる大気圧プラズマ処理装置４００の概略構成を示す断面図は、実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置２００の概略構成を示す断面図である図７と同じである。

本実施の形態の実施の形態２との違いは、反応ガス流路１６に水素を流し、水素プラズマを発生させ、基板１９の表面処理を行う点である。たとえば、反応ガス２として、水素ガスを反応ガス流路１６に流し、カーテンガス３として窒素をカーテンガス供給路１７ａ〜１７ｄに流し、排気流路１８ａ〜１８ｄから排気を行う。

排気流路１８ａ〜１８ｄからの各排気流量は、図４に示したガス流の向きになるように反応ガス２およびカーテンガス３の供給量と共に制御手段５０によって調節される。次に、高周波電力を印加すると、高周波電極１１ａおよび１１ｂの間に水素プラズマが発生し、反応ガス２の流れに沿って、水素プラズマが輸送され、反応ガス流路１６の出口近傍の基板１９に水素プラズマが吹き付けられる。つまり、基板１９上に水素プラズマを照射することができる。

高周波電極１１ａおよび１１ｂは冷却機構１０により冷却することで、高周波電力による加熱を防ぐことができ、高周波電極１１ａおよび１１ｂ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、成膜する膜材質にもよるが、基板１９を載せるステージ２０を移動して大面積に成膜する際には、実施の形態１で説明したように、上流側と下流側とで、制御手段５０によりカーテンガス供給路１７ａおよび１７ｃからのカーテンガス３の供給量や排気流路１８ａおよび１８ｃからの排気量をそれぞれ個別に調節する。この流量制御によって図４と同様なガス流の向きにすることで、安全で安価に表面処理を行うことが可能となる。

実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５にかかる大気圧プラズマ処理装置５００の概略構成を示す断面図である。実施の形態４とは、大気圧プラズマ処理ヘッド１に流速を測定するエアフローセンサ２５（流速測定センサ）を取り付けた点が異なる。

本実施の形態においては、基板１９の被処理面と大気圧プラズマ処理ヘッド１の間のガス流の流速をエアフローセンサ２５によって直接測定することができるため、制御手段５０はこれらの実測値に基づいて上流側と下流側でのカーテンガス３（不活性ガス）の供給量や排気流路１８ａおよび１８ｃからの排気量の調節をより適切かつ精密に行うことが可能となる。

これによって、カーテンガス３等の流量を従来より増加させることなく或いは従来より少なくした上で、未反応ガス等は外部雰囲気へ流出させず、プラズマ発生及び輸送領域内に外部雰囲気を流入させない条件を満たすことが可能となる。また、各部位での流速をエアフローセンサ２５によって測定することにより、ガス流量の制御だけでなく、基板１９の被処理面と大気圧プラズマ処理ヘッド１との間隔についてもフィードバック制御などの制御を加えることにより、さらに適切な調節が可能となる。このようにすることで、ステージ２０の速度を高速にした際にも、より安価で安定したプラズマ処理が可能となる。

以上説明したように、プラズマ処理装置のプラズマ処理ヘッドに備えた排気流路のさらに外周にカーテンガス供給路を配置し、プラズマ処理ヘッドと被処理基板を相対的に移動するスキャニングの際に、カーテンガスの流量を相対移動の方向、即ちスキャニング方向に応じて、上流側及び下流側で個別に制御する。

これにより、大気雰囲気中におけるプラズマ処理において、大気との混合を避けるべき気体を反応ガスとして使用した場合においても、スキャニング時に当該反応ガスを外部雰囲気である大気と混合させることを防いだ上で、雰囲気制御に使用するカーテンガスの供給量を低減することが可能となる。従って、必要最小限のカーテンガスの供給量で経済性に優れた大気圧プラズマ処理を実施することが可能となる。

更に、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。

例えば、上記実施の形態１乃至５それぞれに示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、上記実施の形態１乃至５にわたる構成要件を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかるプラズマ処理装置は、被処理部材の被処理面に成膜を行うプラズマ処理装置に有用であり、特に、基板を被処理部材として、基板表面方向にカーテンガスを供給することにより大気圧下で雰囲気制御を行う大気圧プラズマ処理装置に適している。

１ 大気圧プラズマ処理ヘッド
２ 反応ガス
３ カーテンガス（不活性ガス）
４ 排気
５ 冷却水
１０ 冷却機構
１１ａ、１１ｂ 高周波電極
１２ 絶縁体
１３ 流路形成部材
１４ ターゲット
１５ 電源
１６ 反応ガス流路
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ カーテンガス供給路
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ 排気流路
１９ 基板
２０ ステージ
２１ａ、２１ｃ 第１のガス流
２２ａ、２２ｃ 第２のガス流
２３ａ、２３ｃ 第３のガス流
２４ａ、２４ｃ 第４のガス流
２５ エアフローセンサ
３１ａ、３１ｃ 突起部
５０ 制御手段
１００、２００、３００、４００、５００ 大気圧プラズマ処理装置

Claims (9)

1. 高周波電力が印加される第１電極と、接地された第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に形成され被処理部材の被処理面に反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応ガス流路と前記第１および第２電極との外周に配置された排気流路と、前記反応ガス流路と前記第１および第２電極と前記排気流路の外周に前記反応ガス流路を挟んで第１方向に互いに反対側に配置されカーテンガスを供給する第１および第２カーテンガス供給路と、前記反応ガス流路と前記第１および第２電極と前記排気流路の外周に前記反応ガス流路を挟んで前記第１方向と垂直な第２方向に互いに反対側に配置されカーテンガスを供給する第３および第４カーテンガス供給路とを備えた大気圧プラズマ処理ヘッドと、
   前記反応ガス流路から供給される前記反応ガスに前記被処理面が曝されるように前記大気圧プラズマ処理ヘッドに対向して前記被処理部材を保持する接地されたステージであって、前記大気圧プラズマ処理ヘッドの前記第１カーテンガス供給路から前記反応ガス流路を経て前記第２カーテンガス供給路へと向かう前記第１方向に相対移動可能なステージと、
   を備え、
   大気雰囲気中において、前記高周波電力の印加によって前記第１電極と前記第２電極との間に電界を発生させた状態で前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給することにより前記反応ガスがプラズマ化されたプラズマ流を生成し、前記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装置であって、
   前記反応ガスの流量よりも前記排気流路の排気の総流量が多く且つ前記排気の総流量よりも前記第１および第２カーテンガス供給路からのカーテンガスを含むカーテンガスの総供給量が多くなるよう制御し、前記大気圧プラズマ処理ヘッドに対して前記ステージを前記第１方向に相対移動させて前記プラズマ処理を実行する際には、相対移動させないときに比べて、カーテンガスの前記総供給量を増加させない条件下で前記第１カーテンガス供給路からのカーテンガスの供給量を増やし且つ前記第２カーテンガス供給路からのカーテンガスの供給量を減らすよう制御する制御手段を備える
   ことを特徴とする大気圧プラズマ処理装置。
2. 前記第１電極と前記反応ガス流路との間にシリコンターゲットを配置した
   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装置。
3. 前記大気圧プラズマ処理ヘッドの前記第１および第２カーテンガス供給路よりも外側の外周部に、前記ステージに向けて突起部を設けた
   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装置。
4. 前記大気圧プラズマ処理ヘッドに、前記ステージとの間を流れるガスの流速を測定する流速測定センサを取り付けた
   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装置。
5. 前記反応ガスは、モノシランガス、水素ガス、およびヘリウムであり、前記カーテンガスはアルゴンである
   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装置。
6. 前記反応ガスは、水素ガスであり、前記カーテンガスは窒素である
   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装置。
7. 前記反応ガスは水素ガスであり、前記カーテンガスはヘリウムガスである
   ことを特徴とする請求項２に記載の大気圧プラズマ処理装置。
8. 前記第１および第２電極は、銅、アルミニウム、ステンレス、真鍮のいずれかの材料からなる
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の大気圧プラズマ処理装置。
9. 前記第１および第２電極は、それぞれ内部に冷却機構を備えている
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の大気圧プラズマ処理装置。