JP5559869B2

JP5559869B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP5559869B2
Application number: JP2012505556A
Authority: JP
Inventors: 浩之小林; 賢治前田; 匠丹藤; 昌一中島; 茂大野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-02-04
Also published as: WO2011114793A1; US20120325146A1; JPWO2011114793A1

Description

本発明はプラズマを用いて成膜、表面改質、洗浄等を行うためのプラズマ処理装置に関する。

プラズマ技術はこれまで半導体製造におけるエッチングやCVD（Chemical Vapor Deposition）等で広く用いられてきた。これらの処理は一般に真空チャンバーを用いて減圧下で処理する方式である。一方で近年、大気圧でプラズマを生成する技術の検討が進み、DLC（Diamond-like Carbon）等の機能成膜の生成や、材料表面の有機物除去、滅菌等にプラズマを用いる方法が広く検討されるようになった。例えば特許文献１には大気圧で基盤を処理するプラズマ処理装置に関して、複数枚の放電電極板を平行に並べた構造が記載されている。また特許文献２には平面上に２種類の電極を櫛形に向かい合わせた構造のプラズマ処理装置について記載されている。

特開２００５−１３５８９２号公報特開２００８−１８６８３２号公報

大気圧でプラズマを生成する方式としては、局所的な放電であるプラズマジェットか、あるいは平面処理向けのライン型（特許文献１）または平板型プラズマ（特許文献２）がある。減圧プラズマと比較し、大気圧プラズマでは、プラズマ中で生成されたイオンやラジカルの平均自由工程（寿命）が短いため、被処理体とプラズマの距離を短くする必要がある。従って、非平面の被処理体にプラズマ処理するためには、プラズマを被処理体に沿った非平面状に発生させる工夫が必要である。

本発明の代表的なものを示すと次のとおりである。

本発明は、円筒状の誘電体基板と、誘電体基板の外周に配置された、間隔が１ｍｍ以下の一対の導線と、一対の導線を覆う厚さ１ｍｍ以下の誘電体膜を備えるプラズマ処理装置である。

また、別の本発明は、円筒状の誘電体基板と、誘電体基板の内周に配置された、間隔が１ｍｍ以下の一対の導線と、一対の導線を覆う厚さ１ｍｍ以下の誘電体膜を備えるプラズマ処理装置である。

また、別の本発明は、複数の誘電体基板と、複数の誘電体基板の夫々に配置された、間隔が１ｍｍ以下の一対の導線と、一対の導線を覆う厚さ１ｍｍ以下の誘電体膜と、誘電体基板の夫々に対し、被処理体との距離および角度を調整する位置調整機構を備えるプラズマ処理装置である。

本発明によれば、略大気圧の雰囲気にて被処理体の形状に合わせてプラズマを生成できるため、非平面の被処理体に対してプラズマ処理を均一に行うことができる。

本発明の実施例１のプラズマ処理装置の放電部の斜視図である。本発明の実施例１のプラズマ処理装置全体の概略図である。本発明の実施例１のプラズマ処理装置を用いて成膜処理をしている様子を示す斜視図である。本発明の実施例１のプラズマ処理装置における計測系とガス導入系を説明するための要部断面図である。本発明の実施例１のプラズマ処理装置の放電部において電極の他の設置形態を示す斜視図である。図５Ａの放電部の円筒半径を含む断面図である。本発明の実施例１のプラズマ処理装置の放電部において電極の他の設置形態を示す斜視図である。本発明の実施例２のプラズマ処理装置の放電部の斜視図である。本発明の実施例２のプラズマ処理装置全体の概略図である。本発明の実施例２のプラズマ処理装置における計測系、ガス導入系を説明するための概略図である。本発明の実施例３のプラズマ処理装置全体の概略図である。本発明の実施例３のプラズマ処理装置の放電部の上面図である。図１１Ａのプラズマ処理装置の放電部の要部断面図である。本発明の実施例３のプラズマ処理装置の放電部の配列を示す図である。本発明の実施例３のプラズマ処理装置における計測系を説明するための要部断面図である。

本発明では誘電体基板に２本の導線を略平行に配置し、その上から誘電体膜を成膜することによって、誘電体バリア放電のための電極を形成し、非平面の被処理体に沿ってプラズマを生成できるようにした。

以下、図面を参照しながら、本発明を具体的に適用したプラズマ処理装置の実施例について詳細に説明する。

（実施の形態１）
まず、本発明の第１の実施例について説明する。図１は、円筒型の外周にプラズマを生成するプラズマ処理装置において、プラズマを生成するプラズマ源（プラズマ放電部）１０の基本構成例の斜視図である。円筒型のプラズマ源の左側の開口部が見え、右側の開口部は隠れており、右側の開口部は破線で示している。誘電体からなる円筒状の基板１１に対して、２本の導線１−１と１−２を略平行に保ちながら、螺旋状に巻き付けてある。そして、導線を巻き付けた状態で、厚さ（T2）1mm以下の誘電体膜１２を形成している。これによって導線を誘電体で覆い、誘電体バリア放電の電極を形成している。なお、２本の導線１−１と１−２は、識別しやすいように太さを変えて表示し、こちらから見て奥側の導線については破線で表示している。２本の導電の間隔D1は1mm以下としている。また、２本の導線が略平行である場合、D1とD1の間の間隔D2はD1よりも広くした方が望ましい。導線１−１と１−２との間で、間隔が近い導線間で放電が起き易く、安定した放電が望めるためである。誘電体基板１１及び誘電体膜１２の材料は耐プラズマ性の高い材料であることが望ましい。例えばガラスや透明イットリア、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いることが望ましい。ただし、処理によっては樹脂等を誘電体基板や誘電体薄膜に利用しても良い。

２本の導線のうち一方（１−１）は、図１において右側の端（図１中のＢ付近）を導線４−１を介し高周波電源３に接続して、左側（図１中のＡ付近）は基板１１上で終端してある。また、２本の電線のうち他方（１−２）は、左側の端を導線４−２を介し高周波電源３に接続して、右側の端は終端するようにする。これによってプラズマ密度分布を長さＬの区間においてできるだけ均一になるようにしている。２本の導線の終端を一方側に揃えると、プラズマ密度分布が不均一になる可能性があるからである。なお、２本の導線をそれぞれ、左端（図１中のＡ）と右端（図１中のＢ）の中間付近あたりで高周波電源３に接続する方式としても良いが、この場合、長さＬの中間付近でプラズマ密度が相対的に大きくなる場合があるため、図１に示す形態が望ましい。なお、基板１１の厚さ（T1）は、誘電体膜１２の厚さ（T2）より厚い必要がある。プラズマ放電を円筒型の外部に生じさせるためである。原理的にはT1がT2よりも大きければプラズマ放電を円筒型の外部に生じさせることができるが、基板の強度の面から、T1はT2の１０倍以上あることが望ましい。また、高周波電源３は、例えば１kHz〜１MHzの高周波電源である。

図２は図１に示したプラズマ源を用いたプラズマ処理装置５０の全体概要の一例を示している。この例では、プラズマ源１０は１０−１と１０−２を直列につなげることでプラズマ処理可能な長さを長くしている。プラズマ源１０は位置調整機構２０に接続されており、プラズマ源１０（１０−１および１０−２）をＸ，Ｙ，Ｚ、Ｒ方向に動かすことができるようになっている。処理室２１には処理ガスを供給するための処理ガス供給系２３と、処理ガスを排気する排気系２２が接続されている。例えば、プラズマによりシリコン系膜を成膜する場合にはシラン系ガスを用い、DLC膜を成膜する場合には炭化水素系ガスを用い、クリーニングを行う場合には酸素を主とする混合ガスを用いる。また、図示していないが１０−２のプラズマ源は１０−１のプラズマ源と別々の高周波電源３を用いることが望ましい。導線が長くなりすぎると出力の大きな電源が必要となり電源コストが高くなるためである。

図３は処理の一例として、被処理体４１が軸受部を有した構造であり、その軸受け内部にＤＬＣ膜を成膜する様子を示す斜視図である。円形の軸受け内部に均等にＤＬＣ膜を成膜するため、円筒型プラズマ源１０を軸受け内部に挿入し、円筒型プラズマ源１０と軸受け間の空間にプラズマを生成して成膜処理を行う。

図４はプラズマ源１０に設置された計測系の概要を説明するための図３の要部断面図である。プラズマ源１０の内部には被処理体４１との距離を測定するための距離計３１が周方向に複数個設置されている。被処理体４１の開口円の中心とプラズマ源１０の円筒中心を一致させ、被処理体４１の内面に均一にプラズマ処理を行うためである。なお、図ではプラズマ源１つに対し１個のみ図示している。そして、該距離計３１で測定した情報を元に、位置調整機構２０（図２参照）によってプラズマ源１０の位置を調整し、被処理体とプラズマ源の距離を所定の距離に保つようにしている。また、プラズマ源１０には膜厚モニタ３２が設置されている。誘電体である基板１１及び薄膜１２が共に略透明である場合、即ち、誘電体基板１１及び誘電体膜１２にガラスや透明イットリアを用いる等の場合、プラズマ光または膜圧モニタ３２から照射される外部導入光を用い、成膜した機能性膜４２による干渉波形を観測にすることにより膜厚を知ることができる。距離計と同様に、プラズマ源１０の内部の周方向に複数個配置されている。なお、図では、プラズマ源１つに対し１個のみ図示している。

また、処理ガスはガス孔８を介して円筒外周に供給されるようになっており、プラズマ源１０の両端には蓋２８をすることによって、処理ガスが円筒内部に溜まるようになっている。必須の構成ではないが、蓋２８により円筒外周に効率的にガスを供給することができるようになる。

なお、本実施例では、２本の導線を略平行に螺旋状に設置する構成について述べたが、例えば図５や図６のような形態でも構わない。図５Ａでは、基板１１の円周に２種類の電極（９−１および９−２）を交互に設置する方式である。図５Ｂは図５Ａの円筒半径を含む断面図である。また、図６のように円筒の長さ方向に電極を交互に設置する方法でもよい。ただし、図５、６の場合は複数の引き出し線が必要となるため、構造が複雑になる。その一方で、図１の様に、２本の導線を螺旋状に配置する構成の場合には、夫々の引き出し線（４−１および４−２）が１本で済むため構造が簡単になる利点がある。

（実施の形態２）
次に、第２の実施例として、円筒型プラズマ源において、円筒の内周でプラズマを生成するプラズマ処理装置について述べる。図７は円筒の内周にプラズマ生成するプラズマ源１０を示した斜視図である。図１と同様に、２本の導線を略平行に保ちながら、円筒状の誘電体基板１１に対して螺旋状に巻き付けている。そして、その上から誘電体膜１２を成膜している。ただし、本実施例ではプラズマを円筒内部の内側で生成するため、誘電体基板１１の厚さＨ１は誘電体膜１２の厚さＨ２に比べて十分薄くしてある。例えば、誘電体基板の厚さＨ１は１ｍｍ以下、誘電体膜の厚さＨ２はＨ１の１０倍以上である。原理的には、Ｈ１はＨ２より薄ければ誘電体基板１１の内部にプラズマを発生させることができるものの、実施例１同様、強度の理由からである。また、ここでは、誘電体基板１１を円筒内側、誘電体膜１２を円筒外側の構成として説明しているが、誘電体基板を１２、誘電体膜を１１としても良い。製造方法が異なるだけで装置として得られる効果は同じであるためである。なお、螺旋状に巻いた導線の引き出し線４−１、４−２は円筒の外側へ引き出すようにしてある。また、引き出し線４−１、４−２の導線の終端および高周波電源３への接続形態については、実施例１で説明したものと同様であり、説明は省略する。

図８にプラズマ処理装置の全体概要を示す。本装置は例えば電線等の棒状の被処理体４１に成膜処理等を行う装置であり、処理室２１にプラズマ源１０を３つ設置している。そして、被処理体４１はX方向に移動させながら処理を行い、例えば１０―１は洗浄、１０−２は表面改質、１０−３は成膜処理を行うためのプラズマ源である。プラズマ源１０はそれぞれ、位置調整機構２０（２０−１、２０−２および２０−３）に設置されており、夫々被処理体４１との距離を調整できるようになっている。処理室２１には処理ガスを供給する処理ガス供給系２３、及び処理ガスを排気するための排気系２２が設置されている。処理ガスについて、例えば、洗浄工程を担うプラズマ源１０−１には酸素ガスを導入し、表面改質工程を担うプラズマ源１０−２には水素等を供給し、成膜処理を担うプラズマ源１０−３には炭化水素系ガスを供給する。もちろんこれらの処理に窒素や希ガス等を希釈ガスとして用いてもよい。プラズマ源の左右には仕切板２５を設置し、仕切板２５間に窒素ガスを供給することによって、ガス交換領域２４を処理室２１内に設けている。なお、被処理体４１がＸ方向に移動させながら処理を行うことを述べたが、プラズマ源自体が−Ｘ方向に動くように設計しても良い。

図９にはプラズマ源１０に設置された計測系、ガス導入系について説明する図７の要部断面図である。なお、図９では、プラズマ源を実施例１の図２と同様に２つ直列に繋げた構造としている。プラズマ源１０の外周には被処理体の距離（Ｄ）を測定する距離計３１が周方向に複数個設置されている。なお、図では、プラズマ源１つに対し１個のみ図示している。また、被処理体に成膜した膜の厚さ（Ｔ）を測定するため、膜厚モニタ３２がプラズマ源１０の外周方向に複数個設置されている。なお、図では、プラズマ源１つに対し１個のみ図示している。図９では、被処理体４１がプラズマ源１０に対し、相対的に左側に移動している様子を示しており、成膜量が左側に従って厚くなっていることが分かる。また、処理ガスはガスライン２６及びガス孔８を介して円筒内部に導入されるようにしてある。なお、本実施例では、２本の導線を螺旋状に配置する構成例を示したが、他の形態でも良い。螺旋状に配置した場合には、夫々の引き出し線が１本で済むため構造が簡単になる利点がある。

（実施の形態３）
次に、第３の実施例として、非平面を持つ、大型の被処理体に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置について述べる。図１０は本発明のプラズマ処理装置５０の全体概要を示している。平板型のプラズマ源１０（１０−１から１０−５）は位置調整機構２０に接続されており、被処理体４１との距離、及び被処理体に対する向き（角度）を調整できるようになっている。図１１にプラズマ源１０の一例を示す。図１１Ａは上面図、図１１Ｂは側面断面図を示している。２種類の導線１−１と1−２が略平行になるように配置して、その上から誘電体膜１２（図１１Ｂ参照）を成膜することで、誘電体に覆われた電極を形成している。誘電体膜１２の厚さは１ｍｍ以下であり、誘電体基板１１の厚さは強度確保のため誘電体膜の１０倍以上の厚さとしている。電極１−１、１−２は引き出し線４−１、４−２によって高周波電源３に接続されている。図１２は平面型プラズマ源１０を並べた状態の上面図である。図１２中のX-X’の断面を側面から見た状態が図１０中のプラズマ源部分に相当している。なお、プラズマ源を密に配置するためプラズマ源の夫々が六角形状となっているが、この形態に限定されることなく、五角形、四角形でもよい。

図１３は平面型プラズマ源単体に設置されたモニタ系を説明する図面である。被処理体４１がプラズマ源１０に対し、相対的に右側に移動している様子を示しており、成膜量が右側に従って厚くなっていることが分かる。実施例１及び２と同様に、被処理体との距離を測定する距離計３１が設置されおり、誘電体膜１２及び誘電体基板１１を通してプラズマ源１０と基板４１との距離Ｄを測定する。そして、その情報を元に位置調整機構２０によって、被処理体４１とプラズマ源１０の距離および向き（角度）を調整する。本実施例では、プラズマ源が平面型である一方で被処理体が非平面であることを想定しているため、距離以外にも向きを調整する必要がある。また、プラズマ源１０には膜厚モニタ３２が設置されている。誘電体膜１２及び誘電体基板１１を通して、プラズマ光または膜厚モニタ３２から照射された光の機能成膜４２での干渉波形を観察することによって被処理体４１に成膜された膜厚を測定する。なお、図１３では、距離計３１および膜厚モニタ３２が夫々１つ配置されているが、位置調整機構２０がプラズマ源の向きを調整する必要があることから、少なくとも距離計３１は２つ以上配置されている。

また、図１０のプラズマ源（１０−１から１０−５）の夫々は、図１１Ａに示すように周波数電源３を夫々備えている。共通電源とすると、出力の大きな電源が必要となり電源コストが高くなるためである。また、各々電源を備えている利点として、プラズマ源１０のうち、一部のプラズマ源のみを利用することができるようになるため、被処理体の形状や成膜量の様々な条件に応じて、プラズマ処理を行うプラズマ源を適宜選択することができる。

上記実施の形態１〜３において詳細に説明したように、本発明は、非平面形状の被処理体に対して、略大気圧でプラズマ処理を行う。

本発明のプラズマ処理装置は、被処理体に形状に合わせた誘電体基板上に一対の導線を１ｍｍ以下の間隔で配置し、その上から誘電体を溶射する等して、該導線を１ｍｍ以下の厚さの誘電体薄膜で覆い、一対の導線に高周波電力を印加することで、被処理体の形状に沿ってプラズマを生成する。

１：電極、３：高周波電源、４：導線８：ガス孔、１０：プラズマ源（プラズマ放電部）、１１：誘電体基板、１２：誘電体膜、２０：位置調整機構、２１：処理室、２２：排気系、２３：処理ガス供給系、２４：ガス交換領域、２５：仕切板、２６：ガスライン、２８：蓋、３１：距離計、３２：膜厚モニタ、４１：被処理体、４２：機能性膜、５０：プラズマ処理装置

Claims

円筒状の誘電体基板と、
前記誘電体基板の外周に配置された、間隔が１ｍｍ以下の一対の導線と、
前記一対の導線を覆う厚さ１ｍｍ以下の誘電体膜を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記一対の導線は平行に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
さらに、前記誘電体基板を駆動する位置調整機構を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
さらに、前記誘電体基板の外部に配置される被処理体との距離を測定する、前記誘電体基板の内部に配置された距離計を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
さらに、前記誘電体基板の外部に配置される被処理体にプラズマにより成膜された膜厚を測定する、前記誘電体基板の内部に配置された膜厚モニタを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
さらに、前記誘電体基板を駆動する位置調整機構と、前記誘電体基板の外部に配置される被処理体との距離を測定する、前記誘電体基板の内部に配置された複数の測定計とを備え、
前記複数の測定計により得られた距離情報に基づき、前記誘電体基板と前記被処理体とが所定の距離を保つよう、前記位置調整機構は前記誘電体基板を駆動することを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記一対の導線は前記誘電体基板に対し螺旋状に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
さらに、前記一対の導線に対し交流電圧を印加する高周波電源を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
円筒状の１ｍｍ以下の厚さを備える誘電体基板と、
前記誘電体基板の外周に配置された、間隔が１ｍｍ以下の一対の導線と、
前記一対の導線を覆う誘電体膜を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項９記載のプラズマ処理装置において、
前記一対の導線は平行に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項９記載のプラズマ処理装置において、
さらに、前記誘電体基板を駆動する位置調整機構を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項９記載のプラズマ処理装置において、
さらに、前記誘電体基板の内部に配置される被処理体との距離を測定する、前記誘電体基板の外部に配置された距離計を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項９記載のプラズマ処理装置において、
さらに、前記誘電体基板の内部に配置される被処理体にプラズマにより成膜された膜厚を測定する、前記誘電体基板の外部に配置された膜厚モニタを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項９記載のプラズマ処理装置において、
さらに、前記誘電体基板を駆動する位置調整機構と、前記誘電体基板の内部に配置される被処理体との距離を測定する、前記誘電体基板の外部に配置された複数の測定計とを備え、
前記複数の測定計により得られた距離情報に基づき、前記誘電体基板と前記被処理体とが所定の距離を保つよう、前記位置調整機構は前記誘電体基板を駆動することを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項９記載のプラズマ処理装置において、
前記一対の導線は前記誘電体基板に対し螺旋状に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項９記載のプラズマ処理装置において、
さらに、前記一対の導線に対し交流電圧を印加する高周波電源を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
複数の誘電体基板と、
前記複数の誘電体基板の夫々に配置された、間隔が１ｍｍ以下の一対の導線と、
前記一対の導線を覆う厚さ１ｍｍ以下の誘電体膜と、
前記誘電体基板の夫々に対し、被処理体との距離および角度を調整する位置調整機構を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１７記載のプラズマ処理装置において、
前記一対の導線は平行に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１７記載のプラズマ処理装置において、
さらに、前記複数の誘電体基板の夫々は、被処理体との距離を測定する複数の測定計とを備え、
前記複数の測定計により得られた距離情報に基づき、前記誘電体基板と前記被処理体とが所定の距離を保つよう、前記位置調整機構は前記誘電体基板を駆動することを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１７記載のプラズマ処理装置において、
さらに、複数の前記一対の導線の夫々に対し交流電圧を印加する高周波電源を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。