JP5787712B2

JP5787712B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP5787712B2
Application number: JP2011230222A
Authority: JP
Inventors: 小林　浩之; 浩之小林; 永石　英幸; 英幸永石; 匠丹藤; 板橋　直志; 直志板橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: US20130098556A1; US9293300B2; JP2013089515A

Description

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

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）等の機能性膜の生成や、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には基板の大きさに柔軟に対応可能な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

発明者らは、プラズマ放電部を複数並べて任意の大きさの試料（被処理体）に対応できるように放電面積を拡大する場合の課題について検討した。その結果、プラズマ放電部を複数個並べて大面積化する際に、放電用の高周波電源１つから電力を分配する方式の場合、例えば出力電圧が数十ワットを超えると、単位電力あたりの電源コストが増大すること、比較的出力の小さい電源を複数個用いた場合の方が電源コストを低減できるメリットがあることが分かった。一方で、電源を複数個用いたとき、各電源間の位相差により異常放電が発生する可能性が高くなる、また、放電部間のプラズマ密度や電子温度のばらつきが生じる可能性が高くなる等の問題のあることが分かった。

本発明の目的は、プラズマ放電部を複数並べて任意の大きさの試料（被処理体）に対応できるように放電面積を拡大する場合であっても、単位電力あたりの電力コストを増加することなく、均一なプラズマ生成が可能なプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明の代表的なものを示すと次のとおりである。すなわち、筐体と、前記筐体内に設置された放電電極と、プラズマ生成のための高周波電源とを有するプラズマ処理装置において、前記高周波電源は、周波数を決定する高周波信号回路と、前記高周波信号回路に電気的に接続され低電圧の高周波電力を生成する低電圧高周波電力回路と、前記低電圧高周波電力回路に電気的に接続され高電圧の高周波電力を生成する昇圧回路とを有し、少なくとも前記低電圧高周波電力回路と前記昇圧回路とを有する高周波電力回路は、前記放電電極を設置した前記筐体内に設置されてプラズマモジュールを構成し、前記放電電極と前記高周波電力回路と前記筐体から構成される前記プラズマモジュールが複数個並列接続され、複数個の前記プラズマモジュールとは独立に前記高周波信号回路は配置され、前記高周波信号回路からの周波数信号は、前記複数個のプラズマモジュールのうちの１つに入力され、前記複数個のプラズマモジュール間を並列に伝送されるものであることを特徴とするプラズマ処理装置。

また、隣接して配置された複数のプラズマモジュールと、複数の前記プラズマモジュールに電気的に接続された制御ユニットと、を備え、各々の前記プラズマモジュールは、放電電極と、前記放電電極に電気的に接続され、プラズマ生成のための高周波電力回路と、を備え、前記プラズマモジュールの各々の前記放電電極と前記高周波電力回路とは同じ長さとなるように調整された配線で接続されており、前記各放電電極は外周縁に段差が設けられ、隣接する前記放電電極間にガス流路が形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。

本発明によれば、プラズマ放電部を複数並べて任意の大きさの試料（被処理体）に対応できるように放電面積を拡大する場合であっても、単位電力あたりの電力コストを増加することなく、均一なプラズマ生成が可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の第１の実施例になるプラズマ処理装置の主要部の概略構成図である。本発明の第１の実施例になるプラズマモジュールの詳細説明図であり、左側部がプラズマモジュールの斜視図、中央部が正面図（斜視図Ａ方向から見た図）、右側部が右側面図（斜視図Ｂ方向から見た図）、上部が上面図（斜視図Ｃ方向から見た図）、下部が下面図（斜視図Ｄ方向から見た図）である。本発明の第１の実施例になるプラズマ処理装置における各種回路間の配線接続の概略図である。本発明の第１の実施例になるプラズマ処理装置における制御ユニットの構成の概略図である。本発明の第１の実施例になるプラズマ処理装置におけるプラズマを生成するための放電電極の構成の概略図であり、下部は上面図、上部は上面図のＸ−Ｘ’断面図を示す。本発明の第１の実施例になるプラズマ処理装置の放電電極におけるプラズマ放電の原理を説明する概略図である。本発明の第１の実施例において、放電電極内の電極間ギャップと放電に必要である高周波電力の最大電圧の関係を説明するための図である。本発明の第１の実施例になるプラズマ処理装置の放電電極について、各種寸法を説明するための図である。本発明の第１の実施例になるプラズマ処理装置（プラズマ洗浄装置）の全体概略構成図である。本発明の第２の実施例になるプラズマ処理装置（プラズマ成膜装置）の全体概略構成図である。本発明の第２の実施例になるプラズマ処理装置（プラズマ成膜装置）のプラズマモジュールアレイについて説明するための上面図である。本発明の第２の実施例になる、プラズマ処理装置（プラズマ成膜装置）のプラズマモジュールアレイについて説明するための図であり、図１１ＡのＸ−Ｘ’断面図を示す。本発明の第２の実施例になるプラズマ処理装置（プラズマ成膜装置）における成膜処理の概略を示した図である。本発明の第２の実施例になるプラズマ処理装置（プラズマ成膜装置）の放電電極の構成において、他の電極パターンを用いた部分的成膜を説明するための図であり、上図は断面図、下図は上面図を示す。本発明の第２の実施例になるプラズマ処理装置（プラズマ成膜装置）における成膜処理のフローの一例を示した図である。本発明の第２の実施例になるプラズマ処理装置（プラズマ成膜装置）におけるプラズマモジュールアレイの他の並べ方を示した図である。本発明の第２の実施例になるプラズマ処理装置（プラズマ成膜装置）の放電電極における他の電極構造を示した図である。本発明の第３の実施例になるプラズマ処理装置（オゾン処理装置）の全体概略構成図である。本発明の第３の実施例になるプラズマ処理装置（オゾン処理装置）におけるガス供給部の概略構成上面図である。本発明の第３の実施例になるプラズマ処理装置（オゾン処理装置）におけるガス供給部の概略構成図であり、図１８ＡのＸ方向から見た側面図である。本発明の第３の実施例になるプラズマ処理装置（オゾン処理装置）におけるガス供給部の概略構成図であり、図１８ＡのＹ方向から見た側面図である。本発明の第３の実施例になるプラズマ処理装置（オゾン処理装置）における放電電極部へのガスの吹きつけ方法を説明するための図であり、望ましい場合の例を示す。本発明の第３の実施例になるプラズマ処理装置（オゾン処理装置）における放電電極へのガスの吹きつけ方法を説明するための図であり、望ましくない場合の例を示す。本発明の第１の実施例になるプラズマ処理装置の主要部の他の概略構成図である。

本発明では、放電電極と、該放電電極を固定する筐体と、該筐体内に設置された昇圧回路と整合回路を有するプラズマ生成のための高周波電力回路の組み合わせを１つのプラズマモジュールとして構成する。該プラズマモジュールは複数個を接続可能とし、前記プラズマモジュールとは独立に構成された制御ユニットから出力される高周波信号が、各プラズマモジュールに供給される構成とした。これにより、安価に、且つ、容易にプラズマ源の放電面積を拡大することができ、任意の大きさの被処理体への均一な処理を可能とする。

以下、図面を参照しながら、本発明を具体的に適用した実施例について詳細に説明する。

第１の実施例について図１から図９を用いて説明する。
図１は、本実施例になる、プラズマ処理装置の主要部の概略構成図であり、プラズマモジュールアレイの構成を示している。本実施例では横方向に３つのプラズマモジュールを並べている。図２は１つのプラズマモジュールの構成をより詳しく示したものである。図３はプラズマモジュールを含むプラズマ処理装置における各種回路間の配線接続の概要、図４はプラズマ処理装置における制御ユニットの構成の概略図である。

プラズマモジュール１は、図２に示すように筐体２１と筐体内に収納された高周波電力回路１１と、筐体２１の上部に取り付けられた放電電極２を基本構成としている。なお、符号２９はコネクタ、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３はそれぞれ高周波電力回路１１の幅、高さ、長さを示す。

又、プラズマモジュール間は、図１に示すように筐体２１の下部に設けられたコネクタ２９を介して、配線２８−２を用いて並列に接続することが可能となっている。また、１つ目のモジュール（図１の左端）は制御ユニット１２と配線２８−１を介して接続されている。なお、符号１３は高周波信号回路、符号１４−１、１４−２はＤＣ電源、符号２８−３、２８−４は配線、符号４２はコンセントプラグである。また、同一符号は同一構成要素を示す。

プラズマモジュールの筐体２１の側面は高周波電力回路を冷却可能とするため、角部の骨組み部分以外はできるだけ空洞とすることによって空気を流すことが可能となっている。また、側面を例えば通気性のよいパンチングメタル等で覆うことができるようになっている。筐体の下部（図２のＤ参照）にはコネクタ２９が２つ設置されている。該コネクタは制御ユニット、または、プラズマモジュール間の接続に用いる。

制御ユニット１２は、図３に示すように高周波信号回路１３と２つのＤＣ電源１４−１と１４−２から構成される。ＤＣ電源１４−１は高周波信号回路１３を駆動させるためのものであり、配線２８−９により高周波信号回路１３に接続されている。また、ＤＣ電源１４−２は高周波電力回路１１へ電力を供給するためのものであり、１つ目のモジュールのコネクタに配線２８−６により接続されている。

次に図３を用いて電力、電気信号の流れを説明する。大元の電源は本実施例では商用の１００Ｖ交流電源を用いることとした。配線２８−４を介してコンセント（コンセントプラグ４２）から得た交流の電力は、ＤＣ電源１４−１と１４−２にてＤＣ電力に変換される。ＤＣ電源１４−１で生成されたＤＣ電力は高周波信号回路１３へ伝送され、ここで高周波信号が生成される。生成された高周波信号は配線２８−５及びコネクタ２９を介して各プラズマモジュールの高周波電力回路１１内の低電圧高周波電力回路１５へ伝送される。また、ＤＣ電源１４−２で生成されたＤＣ電力は配線２８−６及びコネクタ２９を介して各プラズマモジュールの低電圧高周波電力回路１５に入力される。

低電圧高周波電力回路１５では高周波信号に基づいて、ＤＣ電源１４−２から供給されたＤＣ電力を低電圧高周波電力に変換する。該低電圧高周波電力は、配線２８−７を介して昇圧回路１６に入力され昇圧回路１６において高電圧高周波電力（以後、高周波電力と呼ぶ）に変換される。該高周波電力は、配線２８−８を介して整合回路に入力される。次に、整合回路１７を介して、放電電極２へ供給され、該放電電極２においてプラズマが生成される。

高周波電力回路１１と放電電極２を接続する配線２８−３の長さが、プラズマもモジュール間で異なると、配線容量がモジュール間で一定とならない。この場合、プラズマに投入される電力がプラズマモジュール毎に異なるため、均一なプラズマ処理を行うためには、すべてのプラズマモジュールで配線２８−３の長さはできるだけ同じにする必要がある。

制御ユニット１２は少なくとも高周波電力の周波数と電圧を調整できる機能を有している。制御ユニット１２には、図４に示すように高周波電力の周波数、及び、電圧を設定するためのダイヤル２２−１、２２−２と高周波電力の周波数、及び、電圧を表示するための表示部２３−１、２３−２が設置されている。高周波電力の周波数は、ダイヤル２２−１によって高周波信号回路における高周波信号の周波数を変更することによって調整できるようになっている。また、高周波電力の出力電圧はダイヤル２２−２によってＤＣ電源１４−２で生成されるＤＣ電力の電圧を調整することによって変化させることができるようになっている。即ち、ＤＣ電源１４−２で生成されたＤＣ電圧に応じて、低電圧高周波電力回路１５にて生成される低電圧の高周波電力の電圧値が決定され、さらに、昇圧回路１６において生成される高電圧高周波電力の電圧は、低電圧高周波電力の電圧値によって決まるような回路構成となっている。もちろん高周波電力の生成の詳細方式については、図１の基本構成を満たせば他の方式でもよい。

次に図５を用いて放電電極２の構成について説明する。放電電極２は誘電体５の内部に電極４が設置された構造となっている。電極４は２つの櫛形電極４−１と４−２からなり、放電電極の断面を見たとき、電極４−１と４−２が交互に配置された構造となっている。電極４は例えば一方をアンテナ、他方をアースとして用いる。もちろん逆位相の高周波電力「＋Ｖ」と「−Ｖ」をそれぞれ電極４−１と４−２に印加する方式としてもよい。即ち、放電電極２は誘電体バリア放電に基づく面放電型の放電電極となっている。電極４は配線２８−３を介して、高周波電力回路１１へ接続されている。なお、符号７は放電面、Ｌ１は電極間隔（ギャップ）、Ｌ２は電極の幅、Ｔ１は電極４上方の誘電体５の厚さ、Ｔ２は電極４下方の誘電体５の厚さを示す。

図６は放電電極２の断面を拡大して示したものである。電極４−１と４−２を結ぶ電気力線９のうち、誘電体５の上方の気相側８にしみ出した電気力線９がプラズマ３の生成に寄与する。そのため、誘電体の表面厚さＴ１は絶縁破壊や消耗による破損の問題が起こらない範囲で、電極間隔Ｌ１に対してできるだけ小さい方がよい。また、放電電極の裏面側でプラズマ３が生成しないようにするため、電極４の下方の誘電体層の厚さＴ２はＴ１に比べて十分大きくしている。大気圧の空気中での放電では例えばＬ１を０．１ｍｍ、Ｔ１を０．０１〜０．０５ｍｍ、Ｔ２を２ｍｍとするのが望ましい。

次に電極４−１と４−２の電極間ギャップＬ１を０．１ｍｍとした理由を述べる。図７は発明者等が調べた、大気中における放電に必要な高周波電力の電圧（波高値）と電極間ギャップＬ１の関係を示している。誘電体５の表面厚さＴ１は数十μｍである。電極間ギャップＬ１が０．１ｍｍのとき、約１．５ｋＶで放電が開始される。ただし、１．５ｋＶでは放電電極の放電面７の面内において放電ムラが見られ、放電電極の放電面の全面で安定に放電するためには約１．８ｋＶの電圧が必要であった。即ち、放電電極の面内において均一にプラズマを生成するためには、放電開始に必要な電圧よりも２０〜３０％程度高い電圧の印加が必要である。Ｌ１が０．２ｍｍのとき、放電開始に必要な電圧は約３ｋＶであり、ムラなく全面で放電させるためには４ｋＶ程度の電圧が必要である。高周波電力回路１１内の昇圧回路１６には昇圧コイルが設置されている。この昇圧コイルに関して、耐圧を約２ｋＶとすると、ニクロム線を用いることができるメリットがある。また、耐圧を２ｋＶよりも大きい例えば４ｋＶ、６ｋＶ等と大きくすると、昇圧コイルの絶縁対策が大がかりとなり、部品コストが高くなる。当然、高周波電力回路全体の絶縁対策も大がかりなものとなる上に、高周波電力回路１１と放電電極２を接続する配線２８−３の耐圧も大きくする必要が生じる。また、耐圧を大きくすると昇圧回路１６のコイルのサイズが大きくなるデメリットも生じる。図１に示したように、高周波電力回路１１と放電電極２を含む構成を１つのモジュールとして複数個並べるためには、図２に示したように、高周波電力回路１１の幅Ｅ１、高さＥ２、長さＥ３について、少なくとも、これらのうち２つが、放電電極２の大きさＷ１、Ｗ２よりも小さい必要がある。そうでない場合は、高周波電力回路がじゃまになって、放電電極を隙間無く並べることができなくなる。一般に高周波電力回路に用いる素子で一番大きい部品は昇圧コイルであり、この昇圧コイルを小さくすることが重要である。そのためには放電電圧を概ね２ｋＶ以下とし、耐圧約２ｋＶのコイルを用いるようにするのが望ましい。この場合、放電電極２の電極間ギャップは必然的に０．１ｍｍと決定される。

次に放電電極２のサイズ等（Ｗ１×Ｗ２）について述べる。発明者等の実験結果では、電極間ギャップＬ１を０．１ｍｍとしたとき、１Ｗの電力で生成できるプラズマは、１対の電極によって生成される１ラインのプラズマの長さに換算して約１００ｍｍであった。これを基に、放電電極２の大きさの決定方法について述べる。例えば図８に示すように、電極長さをＬ１０、電極４−１、４−２の配列の右端から左端までの距離をＬ１１とすると、放電領域の面積Ｓは

Ｓ＝Ｌ１０×Ｌ１１ ‥‥ （１）

となる。また、電極４−１と４−２で形成される電極間ギャップの数をＮとすると、電極間ギャップＬ１と電極の幅Ｌ２を用いて、Ｌ１１は次の式で示される。

Ｌ１１＝Ｌ１×Ｎ＋Ｌ２×（Ｎ＋１） ‥‥ （２）

電極間ギャップの総長さ（１ラインの放電に換算した時のプラズマの長さ）Ｌｇは

Ｌｇ＝Ｌ１０×Ｎ ‥‥ （３）

である。高周波電力回路１１の出力をＰ（Ｗ）としたとき、

Ｌｇ≦Ｐ×１００ ‥‥ （４）

である必要がある。式（４）の右辺の１００は、１Ｗで長さ１００ｍｍの１ラインのプラズマを生成できることに基づく値である。ここで、具体的な数値として、例えばＰを２０Ｗ、Ｌ１０を４０ｍｍ、Ｌ１１を３０ｍｍ、放電ギャップを０．１ｍｍとすると、

Ｌｇ＝Ｐ×１００＝２０×１００＝２０００（ｍｍ） ‥‥ （５）

Ｎ＝Ｌｇ÷Ｌ１０＝２０００÷４０＝５０ ‥‥ （６）

Ｌ２＝（Ｌ１１−Ｌ１×Ｎ）÷（Ｎ＋１）
＝（３０−０．１×５０）÷（５０＋１）
≒０．５ ‥‥ （７）

となり、電極幅Ｌ２は０．５ｍｍと算出される。
また、Ｗ１、Ｗ２は、Ｌ１０、Ｌ１１よりもやや大きめとなるため、例えばＷ１は４２ｍｍ、Ｗ２は３２ｍｍとなる。なお、断面における電極４−１と４−２の本数が同じになるのはＮが奇数の時のため、上記計算ではＮは４９（または５１）とするのがよい。放電電源の出力Ｐが２０Ｗよりも大きい場合にはＬ２は０．５ｍｍよりも小さくすることができ、Ｐ２が２０Ｗよりも小さい場合にはＬ２は０．５ｍｍよりも大きい必要がある。

なお、既に述べたように、大気圧の空気（窒素約８０％、酸素約２０％）では１対のアンテナとアースにおける１ラインのプラズマ放電の場合は、１Ｗの電力で約１００ｍｍの長さのプラズマ放電が可能であるが、大気圧のアルゴンガスでは約５倍の５００ｍｍ、大気圧のヘリウムガスでは約１０倍の１０００ｍｍの長さのプラズマを生成することができる。従って、アルゴンの場合には式（４）の１００は５００に、ヘリウムの場合には１０００に置き換えて計算する。

また、ＳｉｘＨｙやＣｘＨｙガスを用いる場合でも、アルゴンやヘリウムで例えば９９％希釈されているような場合には、空気中での放電に比べて、少ない電力で同じ面積のプラズマ放電が可能となる。そのため、高周波電力回路の出力電力Ｐが同じであれば、Ｌ１０、Ｌ１１の大きさを大きくすることができる。

また、図７に示した放電電極の電極間ギャップＬ１と放電開始に必要な電圧はプラズマを生成する気相中のガス組成によって変化し、空気中（大気圧）では電極間ギャップ０．１ｍｍにおいて放電開始に必要な電圧は１．５ｋＶ程度であるのに対して、アルゴンやヘリウム雰囲気（大気圧）では電極間ギャップ０．１ｍｍでは５００Ｖ以下で放電開始可能である。そのため、耐圧が２ｋＶの高周波電力回路を用いれば、電極間ギャップＬ１は約１ｍｍまで拡大可能である。

次に本プラズマ処理装置の一例としてプラズマ洗浄装置に適用した場合の装置構成例を示す。図９はプラズマ洗浄装置の例を示している。処理装置３１は処理チャンバー３４に複数個のプラズマモジュール１が設置されている。被処理体（処理基板）６はローラー３２によって処理室内を搬送される。処理室にはガス、または、空気を排気するための排気系３８に接続されている。また、被処理体の搬入口、または、搬送口には外気と処理室内の雰囲気を分離するためのガス切り換えユニット３３が設置されている。プラズマモジュール１で生成したプラズマ３を被処理体６に照射するため、プラズマモジュール１の放電面と被処理体６の処理表面との距離は０．１ｍｍから１０ｍｍ程度とするとよい。

本装置と同等の構成の具体的な装置例としては、被処理体がガラス基板であり、そのガラス基板上に付着している有機物を除去するプラズマ洗浄装置、被処理体がエスカレーターのハンドレール（手摺り）であり、この手摺りに付着した手垢や、殺菌処理を行うプラズマ滅菌・洗浄装置、被処理体が樹脂、または、金属であり、例えば樹脂と金属等へ貼り合わせる前処理としてプラズマを照射するプラズマ表面改質装置などが挙げられる。
本プラズマ洗浄装置を用いて大きさの異なる液晶用ガラス基板の表面を洗浄したところいずれの大きさの基板でも放電部間のプラズマ密度や電子温度のばらつきを抑制でき、均一性の向上を図ることができた。また、基板の大きさに応じてプラズマモジュールの数を調整することで電力コストの点でも良好な結果が得られた。

なお、以上の説明では、図１に示したように、プラズマモジュールについて、周波数を決定する回路は制御ユニット側に設置する構成とした。このメリットとしては、複数個のプラズマモジュールにおいて、高周波電力の位相が同じになっているため、放電電極間での電位差による異常放電を抑制できることが挙げられる。また、周波数が複数個のプラズマモジュールで同一となるため、生成されるプラズマの特性が同等になるメリットもある。

一方で、プロセスによってはプラズマモジュールに一定の間隔を開けたり、モジュール間でプラズマの特性に多少のばらつきがあっても、影響が少ないものが考えられる。

この場合は、必ずしも周波数を決定する回路が制御ユニット１２ではなく、昇圧回路を有する高周波電力回路側にあっても良い。この例を図２０に示す。図１と同等の構成は説明を省略する。図２０の構成では、高周波電力回路１１それぞれに高周波信号回路１３と、低電圧高周波電力回路１５と、昇圧回路１６と、整合回路１７が設置されている。制御ユニット１２には２つのＤＣ電源１４−１、１４−２が設置されている。一方は高周波信号回路１３の電力として用い、他方はメインの高周波電力の電源として用いる。

また、例えば、スイッチング回路と昇圧コイルを基本構成とする自励式のインバーター電源を用いる際は、スイッチング回路が高周波信号回路と低電圧高周波電力回路を兼ねるため、各高周波電力回路１１はスイッチング回路と昇圧回路と整合回路を有する構成とする。なお、図２０のような構成にした場合でも、放電電極２と高周波電力回路１１との距離はモジュール間で同等にすることにより、プラズマ密度をモジュール間で同等にすることが可能である。

以上、本実施例によれば、放電電極と高周波電力回路を１つのプラズマモジュールとすることにより、プラズマ放電部を複数並べて任意の大きさの試料に対応できるように放電面積を拡大する場合であっても、単位電力あたりの電力コストを増加することなく、均一なプラズマ生成が可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

次に本発明の第２の実施例について図１０〜図１６を用いて説明する。なお、実施例1に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

図１０は、本実施例になるプラズマ処理装置（プラズマ成膜装置）の全体概略構成図である。本プラズマ成膜装置は放電電極２の直上に処理基板（被処理体）６を設置し、処理基板６の上方でプラズマ３を生成させて成膜する方式の成膜装置を示している。本処理装置３１は処理室を構成する筐体３４と、プラズマモジュール１と、被処理体６を搬送するためのローラー３２が設置されている。また、被処理体６の搬送口にはガス雰囲気を処理室内と処理室外で切り換えるためのガス雰囲気切り換えユニット３３が設置されている。また、処理室内に処理ガスを供給するため、処理ガス供給源３７から供給された処理ガスをガス配管３６及びガス供給口３５を介して、処理室内に供給できるようになっている。ガス供給口３５には、ガス供給口面から均等に処理ガスを供給するため、例えば多孔質体を用いるとよい。なお、図１０に示す装置構成の場合には処理基板の上方でプラズマを発生させるため、放電電極における電極の間隔や電極の幅等は基板の材料と厚さを考慮して決めることが必要である。

図１１Ａ、図１１Ｂはプラズマモジュールのアレイを示したものであり、図１１Ａは上面図、図１１Ｂは図１１ＡのＸ−Ｘ’断面図を示す。この図では、プラズマモジュール１は外枠２４−１に取り付けており、単一のプラズマモジュール（右手前）が取り外しとなっている。外枠２４−１の上部２４−２は放電電極２の放電面７と同じ高さになるようになっている。また、放電電極２の外周部はガスの流路２５を形成するために段差４１が付けられている。また、放電電極２の段差４１は押さえ３０によりパッキン２７を押しつけるようになっている。また、ガスの流路である溝２５には所々にガスを供給するためのガス穴２６−１、及びガスを吸い込むためのガス穴２６−２が設けられている。ガス供給口２６−１からは、希ガスに比べて放電しにくい、例えば窒素ガス等の放電抑制ガスを供給する。また、ガス排気口２６−２からは供給した放電抑制ガスを排気し、被処理体と放電電極の間の圧力を若干、負圧にすることにより、被処理体を放電電極２の放電面７にできるだけ密着させるようにしている。なお、ガス穴２６−１、２６−２、または、ガスの流路２５は前記実施例１の表面処理装置（プラズマ洗浄装置）のプラズマモジュールアレイにも同様に設けるようにするとよい。

図１２はプラズマ成膜処理の様子を示しており、被処理体（処理基板）６を紙面において右から左方向に搬送しながらプラズマ３内で機能成膜５２を成膜している様子を示している。図１３は放電電極２の電極パターンに沿って成膜する場合の例を示している。図１３にように電極４−１と４−２が放電してプラズマ３を生成するための間隔Ｌ１と放電させないための間隔Ｌ３を有する構成となっている場合、処理基板６を放電電極２上に静止させて成膜すると、放電領域に沿って、選択的に成膜することが可能となる。

図１４は実施例になるプラズマ処理装置（プラズマ成膜装置）における成膜処理のフローの一例を示した図であり、デバイスの製造例として、太陽電池の製造工程を例に挙げたものである。例えば、被処理体（基板）６として透明な樹脂のフィルムを用いる。最初に、ガスバリア層として例えばＳｉＮ膜６１を基板６上に生成する（図１４Ａ）。このとき、処理ガスには例えば、ＳｉＨ４とＨ２とＮＨ３の混合ガスをＨｅで希釈したガスを用いる。次に図１４に示したような放電電極を設置した成膜装置で導電性の電極６２の成膜を行う（図１４Ｂ）。次に、ｎ型Ｓｉ層６３の成膜のため、Ｈｅで希釈されたＳｉＨ４、Ｈ２、ＰＨ３等から成る混合ガスを用いる（図１４Ｃ）。次にｉ型Ｓｉ層６４の成膜のため、Ｈｅで希釈されたＳｉＨ４、Ｈ２等からなる混合ガスを用いて成膜する（図１４Ｄ）。次にｐ型Ｓｉ層６５の成膜のため、Ｈｅで希釈されたＳｉＨ４、Ｈ２、Ｂ２Ｈ６等からなる混合ガスを用いて成膜を行う（図１４Ｅ）。次に裏面電極として導電性の膜６６を形成し（図１４Ｆ）、最後に、バリア膜６７を形成する（図１４Ｇ）。これにより製造した太陽電池は、繰り返し電極パターンの均一性や電力コストの点で良好な結果が得られた。また、プラズマモジュールを任意に組み合わせることが容易にできるため、被処理体の大きさに応じて安価に、且つ、簡便に放電電極の拡大、縮小を行うことができる。

なお、成膜処理の途中では複数の電極６２はお互いに電気的に接続されていない状態とし、成膜処理の最後の方で接続する方法としてもよい。

また、プラズマ処理装置における放電電極の並べ方としては図１５のように配置してもよい。さらに、放電電極の電極パターンは、図１６に示したようなパターンでもよい。

以上、本実施例によれば、プラズマ放電部を複数並べて任意の大きさの試料に対応できるように放電面積を拡大する場合であっても、単位電力あたりの電力コストを増加することなく、均一なプラズマ生成が可能なプラズマ処理装置を提供することができる。また、電極間隔を変えることにより、処理基板上に所望の繰り返しパターンを均一性よく形成することができる。また、処理基板を放電電極上に配置する構成とすることにより、所望のガスを処理基板上に均一に供給することが可能となる。

本発明の第３の実施例について図１７〜図１９Ａ、図１９Ｂを用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

図１７はプラズマ処理装置の一つであるオゾン処理装置の全体概略構成図である。図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃは、本オゾン処理装置におけるガス供給部とプラズマ放電部の概略構成図であり、図１８Ａは上面図、図１８Ｂは図１８ＡのＸ方向から見た側面図、図１８Ｃは図１８ＡのＹ方向から見た側面図である。
図１９Ａ、図１９Ｂはガスの吹きつけ方法の簡単な例について説明する図であり、図１９Ａは望ましい場合の例、図１９Ｂは望ましくない場合の例である。プラズマ処理装置（オゾン処理装置）３１には、図１７に示すように筐体３４に複数のプラズマモジュール１が設置されている。オゾンを生成するためのガスは、空気または酸素ガスなどを用い、ガス供給系３７からガスライン３６、ガス供給口３５を介してオゾン生成空間７１へ供給される。オゾン生成空間７１で生成されたオゾンは、オゾン供給配管７２を介して、例えば被処理体である配管７３内の水７４に供給される。被処理体としては池の水やプールの水であってもよい。符号７５はオゾンを含むガスである。

プラズマ放電部は上方から見たとき、図１８Ａに示すように長方形の領域にプラズマ３を生成している。吹き出し口（ガス供給口）３５の形状はプラズマ３の放電領域の形と同等の矩形型のノズルとなっており、処理ガスはプラズマ放電領域全体に対して、直上から供給するようにした。オゾンはガスの温度が高温となると、分解反応が進むため、ガスの温度を低く抑える工夫がある方が望ましい。そして、ガスの温度は放電電極２の表面温度に大きく依存しているため、ガス温度を低くするためには放電電極２の表面の冷却が重要である。放電電極２の裏面側に例えば冷却水を流すことは１つの有効な冷却方法である。一方で、放電電極２の裏面側を冷却した場合、放電電極２の表面側を十分冷却できるとは限らない。図１８Ｂ、図１８Ｃに示したように、放電電極２の表面に向けてガス５１を供給できるようにし、処理ガスをでるだけ勢いよく噴射することによって放電電極２を直接冷却することが望ましい。なお、例えば、図１９Ａ、図１９Ｂに示したように、ガス配管の先端（ガス供給口３５）をプラズマ放電領域に向けて処理ガスを放電電極２の表面に吹き付ける場合は、図１９Ａに示したようにプラズマ３の長手方向に向けてガスを吹き付けることにより放電領域全体を冷却する方が望ましく、長手方向に垂直に吹き付ける図１９Ｂは、吹き付けた領域付近のみの冷却となり、その周囲の領域Ｄの範囲はあまり冷却されない。また、ガスのプラズマ中の滞在時間が短い、または、プラズマを通過するガスの量を大きくしにくい等の理由によりオゾン生成量を多くするのは難しい。処理ガスによる放電電極表面の冷却を目的として、処理ガスを放電電極表面の放電領域全体に勢いよく吹き付けることができる構成であれば、図１８の構成にはとらわれないことは言うまでもない。

上記オゾン処理装置を用い、配管の大きさや水量によりプラズマモジュールの数を変更してプール内の水の処理を行った結果、プラズマモジュール毎の均一性や電力コストに関して良好な結果が得られた。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：プラズマモジュール、２：放電電極、３：プラズマ、４、４−１、４−２：電極、５：誘電体、６：処理基板（被処理体）、７：放電面、８：気相、９：電気力線、１１：高周波電力回路、１２：制御ユニット、１３：高周波信号回路、１４−１、１４−２：ＤＣ電源、１５：低電圧高周波電力回路、１６：昇圧回路、１７：整合回路、２１：筐体、２２−１、２２−２：ダイヤル、２３−１、２３−２：表示部、２４−１、２４−２：外枠、２５：ガス流路（溝）、２６−１、２６−２：ガス穴、２７：パッキン、２８−１〜２８−９：配線、２９：コネクタ、３０：押さえ、３１：処理装置、３２：ローラー、３３：ガス切り換えユニット、３４：筐体（処理チャンバー）、３５：ガス供給口、３６：ガスライン、３７：ガス供給源、３８：排気系、４１：段差、４２：コンセントプラグ、５１：ガスの流れ方向、５２：成膜された機能性膜、６１：バリア層、６２：電極、６３：ｎ型Ｓｉ層、６４：ｉ型Ｓｉ層、６５：ｐ型Ｓｉ層、６６：導電性膜、６７：バリア膜、７１：オゾン生成空間、７２：オゾン供給配管、７３：配管、７４：水、７５：オゾンを含むガス。

Claims

筐体と、前記筐体内に設置された放電電極と、プラズマ生成のための高周波電源とを有するプラズマ処理装置において、
前記高周波電源は、周波数を決定する高周波信号回路と、前記高周波信号回路に電気的に接続され低電圧の高周波電力を生成する低電圧高周波電力回路と、前記低電圧高周波電力回路に電気的に接続され高電圧の高周波電力を生成する昇圧回路とを有し、
少なくとも前記低電圧高周波電力回路と前記昇圧回路とを有する高周波電力回路は、前記放電電極を設置した前記筐体内に設置されてプラズマモジュールを構成し、
前記放電電極と前記高周波電力回路と前記筐体から構成される前記プラズマモジュールが複数個並列接続され、
複数個の前記プラズマモジュールとは独立に前記高周波信号回路は配置され、
前記高周波信号回路からの周波数信号は、前記複数個のプラズマモジュールのうちの１つに入力され、前記複数個のプラズマモジュール間を並列に伝送されるものであることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記放電電極は、誘電体内に２種類の導線が設置された構成とし、２種類の導線の間隔は０．１ｍｍとすることで、ピーク電圧２ｋＶ以下の高周波電力で大気中にてプラズマ生成が可能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記放電電極は、誘電体内に２種類の導線が設置された構成とし、２種類の導線の間隔は０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下とすることで、ピーク電圧２ｋＶ以下の高周波電力で、希ガス、または希ガスを主成分とする処理ガスを用いて、大気圧でプラズマを生成できるようにしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
隣接して配置された複数のプラズマモジュールと、
複数の前記プラズマモジュールに電気的に接続された制御ユニットと、を備え、
各々の前記プラズマモジュールは、
放電電極と、
前記放電電極に電気的に接続され、プラズマ生成のための高周波電力回路と、を備え、
前記プラズマモジュールの各々の前記放電電極と前記高周波電力回路とは同じ長さとなるように調整された配線で接続されており、
前記各放電電極は外周縁に段差が設けられ、隣接する前記放電電極間にガス流路が形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項４に記載のプラズマ処理装置において、
前記ガス流路にはガス供給口とガス排気口とが設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。