KR20120029349A - 플라즈마 생성 장치, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 생성 장치, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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고쿠리츠 다이가쿠 호우징 나고야 다이가쿠
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Abstract

본 발명의 과제는 마이크로파의 손실을 최대한 저감시켜, 고밀도 플라즈마를 효율적으로 생성할 수 있는 플라즈마 생성 장치를 제공하는 것이다.
플라즈마 생성 장치(100)는 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생 장치(21)와, 마이크로파 발생 장치(21)에 접속되어, 마이크로파의 전송 방향으로 장척을 이루는 동시에, 상기 전송 방향에 직교하는 방향의 단면이 직사각형을 이룬 중공 형상의 직사각형 도파관(22)과, 직사각형 도파관(22)에 접속되어 그 내부로 처리 가스를 공급하는 가스 공급 장치(23)와, 직사각형 도파관(22)의 일부분이며, 내부에서 생성한 플라즈마를 외부에서 방출하는 안테나부(40)를 구비하고 있다. 안테나부(40)는 그 단면에 있어서 단변을 이루는 벽(40a)에 하나 또는 복수의 슬롯 구멍(41)을 갖고 있고, 대기압 상태의 직사각형 도파관(22) 내에 공급된 처리 가스를 마이크로파에 의해 플라즈마화하고, 슬롯 구멍(41)으로부터 외부의 피처리체를 향해 방출한다.

Description

플라즈마 생성 장치, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA GENERATING APPARATUS, PLASMA PROCESSING APPARATUS, AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 생성 장치 및 이 플라즈마 생성 장치를 이용한 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
마이크로파를 처리 용기 내에 도입하여 처리 가스의 플라즈마를 발생시키는 마이크로파 플라즈마 처리 장치로서, 처리 용기 내를 감압으로 하여 플라즈마를 생성시키는 저압 플라즈마 방식과, 대기압에서 플라즈마를 생성시키는 대기압 플라즈마 방식이 알려져 있다.
저압 플라즈마 방식의 종래 기술로서, 예를 들어 특허 문헌 1에서는 도파관의 길이 방향으로 형성된 복수의 슬롯의 배치와 배치수를, 자유 공간 파장(λ) 및 관내 파장(λg)의 관계로 규정하는 동시에, 마이크로파 전원측으로부터 본 도파관 내의 임피던스를, 역방향으로 전원측을 본 도파관 내의 임피던스와 대략 동등하게 한 플라즈마 처리 장치가 제안되어 있다. 특허 문헌 1은 플라스틱 필름 등의 대면적의 피처리체에 대해, 균일한 플라즈마 처리를 행하는 것을 가능하게 한 점에서 우수한 제안이다. 그러나, 저압 플라즈마 방식을 채용하는 특허 문헌 1에서는, 처리 용기 내를 저압으로 유지하기 위해, 도파관과 처리 용기 사이에 유전체판을 개재시키고 있다. 이 유전체판은 플라즈마의 균일성을 높이는 관점에서는 효과적이지만, 도파관과 처리 용기 사이에 배치된 유전체판에 의해 마이크로파가 흡수되어, 에너지 이용 효율이 저하된다고 하는 면이 있다. 따라서, 에너지 손실을 최대한 적게 하여 피처리체를 고밀도 플라즈마로 처리한다고 하는 목적에 있어서는, 개선의 여지가 남겨져 있다.
또한, 프로세스 가스는 처리 용기 내에 도입되는 마이크로파에 대해 치우침 없이 공급하는 것이 효과적이다. 그러나, 일반적으로, 도파관과 처리 용기 사이에 유전체판을 개재시킨 구조에서는, 프로세스 가스를 처리 용기 내에 직접 도입해야만 한다. 또한, 유전체판의 존재에 의해, 처리 용기의 천장부에 샤워 헤드를 설치할 수 없으므로, 가스 도입부의 배치는 도파관으로부터 이격된 위치(예를 들어, 처리 용기의 측벽 등)로 제약되어 버린다. 이와 같이 가스 도입 부위가 제약됨으로써, 처리 용기 내에서 플라즈마의 균일성이나 피처리체의 면 내에서의 처리의 균일성을 실현하는 것이 곤란해지는 경우도 있다.
저압 플라즈마 방식의 다른 종래예로서, 특허 문헌 2에서는 마이크로파를 전파시키는 도파관을 진공 용기 내에 삽입한 플라즈마 처리 장치가 제안되어 있다. 이 특허 문헌 2에서는 도파관을 진공 용기 내에 설치함으로써, 진공을 유지하기 위한 유전체 부재를 작고, 또한 얇게 할 수 있어, 대면적의 피처리체에 대해 균일한 처리를 할 수 있는 것으로 되어 있다. 그러나, 특허 문헌 2의 장치는 기밀성이 요구되는 진공 용기 내에 도파관이 배치되는 2겹 구조로 되어 있어, 장치 구성이 복잡해 실현 가능성의 점에서 의문이 있다. 또한, 특허 문헌 2에서는 유전체판을 설치하고 있지 않지만, 도파관으로부터 이격된 처리 용기의 측벽에 가스 도입 부위가 설치되어 있으므로, 처리 용기 내에서 플라즈마의 균일성이나 피처리체의 면 내에서의 처리의 균일성이 얻어지기 어렵다고 하는 점에서 과제를 갖고 있다.
한편, 대기압 플라즈마 방식의 종래예로서, 특허 문헌 3에서는 플라즈마 발생부의 내부에, 슬롯 안테나와, 이 슬롯 안테나의 슬롯 형성면에 직각으로 접속하여 마이크로파를 균일하게 하는 균일화 선로와, 이 균일화 선로의 선단측에 설치되어 마이크로파를 방사하는 슬릿을 구비한 플라즈마 처리 장치가 제안되어 있다. 특허 문헌 3의 플라즈마 처리 장치에서는 상기 슬릿의 외측에 형성되는 피처리체와의 간극에 프로세스 가스를 연속적으로 공급하여 플라즈마를 생성시킴으로써, 대기압에서 피처리체를 플라즈마 처리하는 구성으로 되어 있다. 이 대기압 플라즈마 처리 장치는 유전체판이 불필요하다고 하는 이점이 있지만, 도파관의 슬롯과, 균일화 선로의 슬릿이 필요해, 말하자면 도파로와 슬롯을 각각 2개씩 설치한 구조로 되어 있다. 따라서, 장치 구성이 복잡한 동시에, 마이크로파의 전송 제어가 어렵고, 반사파의 발생에 의해 마이크로파가 도중에 감쇠할 가능성도 있어, 고효율로 플라즈마를 생성시킨다고 하는 관점에서 만족시키는 것은 아니었다.
일본 특허 출원 공개 제2009-224269호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-200390호 공보 일본 특허 출원 공개 제2001-93871호 공보
본 발명은 마이크로파의 손실을 최대한 저감시켜, 고밀도 플라즈마를 효율적으로 생성할 수 있는 플라즈마 생성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구를 행한 결과, 마이크로파의 전송 효율이 우수한 직사각형 도파관을 사용하여, 그 벽에 슬롯 구멍을 형성하는 동시에, 직사각형 도파관의 내부에 직접 처리 가스를 흘림으로써, 상기 슬롯 구멍에서 대기압 고밀도 플라즈마를 생성시킬 수 있는 것을 발견하였다. 또한, 이와 같이 생성시킨 고밀도 플라즈마 중의 라디칼을 슬롯 구멍으로부터 대향하는 피처리체를 향해 분출하고, 수송된 라디칼로 피처리체를 처리함으로써, 표면 처리 등의 용도에 적합한 플라즈마 처리 장치를 제공할 수 있는 것도 발견하였다.
본 발명의 플라즈마 생성 장치는 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생 장치와,
상기 마이크로파 발생 장치에 접속되어, 마이크로파의 전송 방향으로 장척을 이루는 동시에, 상기 전송 방향에 직교하는 방향의 단면이 직사각형을 이룬 중공 형상의 도파관과,
상기 도파관에 접속되어 그 내부로 처리 가스를 공급하는 가스 공급 장치와,
상기 도파관의 일부분이며, 마이크로파에 의해 생성한 플라즈마를 외부로 방출하는 안테나부를 구비하고,
상기 안테나부는 그 단면에 있어서 단변을 이루는 벽에 하나 또는 복수의 슬롯 구멍을 갖고 있고, 대기압 상태의 상기 도파관 내에 공급된 처리 가스를 마이크로파에 의해 상기 슬롯 구멍에서 플라즈마화하고, 상기 슬롯 구멍으로부터 외부로 방출한다.
본 발명의 플라즈마 생성 장치에 있어서, 상기 마이크로파 발생 장치와 상기 안테나부 사이의 상기 도파관 내에, 상기 처리 가스의 통과를 차단하는 격벽을 구비하고 있어도 좋다.
또한, 본 발명의 플라즈마 생성 장치에 있어서, 상기 슬롯 구멍은 직사각 형상으로 형성되어 있고, 그 길이 방향과 상기 안테나부의 길이 방향이 일치하도록 배치되어 있어도 좋다. 이 경우, 복수의 슬롯 구멍이 일렬로 배치되어 있어도 좋다.
또한, 본 발명의 플라즈마 생성 장치는 상기 안테나부에 단일의 슬롯 구멍이 형성되어 있어도 좋다.
또한, 본 발명의 플라즈마 생성 장치에 있어서, 상기 슬롯 구멍의 테두리면은 상기 벽의 두께 방향으로 개구 폭이 변화되도록 경사져 설치되어 있어도 좋다.
또한, 본 발명의 플라즈마 생성 장치는 펄스 발생기를 더 구비하여, 마이크로파를 펄스 형상으로 발생시켜 플라즈마를 생성시키는 것이라도 좋다.
또한, 본 발명의 플라즈마 생성 장치는 상기 안테나부가 병렬적으로 복수 배치되어 있어도 좋다. 이 경우, 병렬적으로 복수 배치된 상기 안테나부에 있어서, 상기 벽의 폭 방향으로, 복수의 상기 안테나부에 걸쳐서, 적어도 하나의 상기 슬롯 구멍이 존재하도록, 상기 안테나부마다 길이 방향의 위치를 어긋나게 하여 상기 슬롯 구멍이 배치되어 있어도 좋다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치는 상기한 어느 하나의 플라즈마 생성 장치를 구비하고, 발생시킨 플라즈마를 이용하여 피처리체에 대해 소정의 처리를 행하는 것이다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치는 상기 슬롯 구멍이 피처리체에 대향하도록 상기 안테나부가 배치되는 것이라도 좋다. 이 경우, 피처리체의 표리 양면에 각각 안테나부가 배치되어도 좋다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 피처리체가 필름 형상을 이루고, 롤ㆍ투ㆍ롤 방식으로 반송 가능하게 설치되어 있어도 좋다.
본 발명의 플라즈마 처리 방법은 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 장치를 사용하여 피처리체를 처리하는 것이다.
본 발명의 플라즈마 생성 장치 및 플라즈마 처리 장치는 진공 용기를 필요로 하지 않는 대기압 플라즈마 장치이므로, 도파관과 피처리체 사이에 유전체판을 설치할 필요가 없어, 유전체판에서의 마이크로파의 흡수에 의한 손실을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 플라즈마 생성 장치 및 플라즈마 처리 장치는 도파관 내에 공급된 처리 가스를 마이크로파에 의해 플라즈마화하고, 슬롯 구멍으로부터 외부로 방출하기 위해, 고밀도 플라즈마를 효율적으로 생성시키는 것이 가능하다. 또한, 전용의 가스 도입 기구를 필요로 하지 않아, 장치의 크기도 작게 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 플라즈마 생성 장치 및 플라즈마 처리 장치를 사용하여 피처리체에 대해 플라즈마 처리를 행함으로써, 에너지 손실을 최대한 억제하면서 고밀도의 플라즈마에 의한 처리를 행하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 플라즈마 처리 장치의 개략 구성도.
도 2는 마이크로파 발생 장치의 구성예를 도시하는 도면.
도 3은 제어부의 구성예를 도시하는 도면.
도 4a는 도파관의 안테나부의 슬롯 구멍의 설명에 제공하는 사시도.
도 4b는 도 4a에 있어서의 슬롯 구멍의 형성면의 평면도.
도 5a는 도파관의 안테나부의 슬롯 구멍의 다른 배치 예의 설명에 제공하는 사시도.
도 5b는 도 5a에 있어서의 슬롯 구멍의 형성면의 평면도.
도 6a는 슬롯 구멍의 단면 형상의 일례를 설명하는 도면.
도 6b는 슬롯 구멍의 단면 형상의 다른 예를 설명하는 도면.
도 7은 슬롯 구멍의 배치예를 도시하는 도면.
도 8은 슬롯 구멍의 다른 배치예를 도시하는 도면.
도 9는 슬롯 구멍의 또 다른 배치예를 도시하는 도면.
도 10은 슬롯 구멍의 또 다른 배치예를 도시하는 도면.
도 11은 슬롯 구멍의 또 다른 배치예를 도시하는 도면.
도 12는 슬롯 구멍의 또 다른 배치예를 도시하는 도면.
도 13은 도파관의 안테나부를 복수개 병렬적으로 배치한 플라즈마 처리 장치의 구성예를 도시하는 설명도.
도 14는 피처리체를 롤ㆍ투ㆍ롤 방식으로 반송시키는 플라즈마 처리 장치의 구성예를 도시하는 설명도.
도 15는 피처리체를 롤ㆍ투ㆍ롤 방식으로 반송시키는 플라즈마 처리 장치의 다른 구성예를 도시하는 설명도.
다음에, 본 발명의 실시 형태에 대해, 적절하게 도면을 참조하면서 설명한다.
[제1 실시 형태]
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치(100)의 개략 구성을 도시하는 단면도이다. 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)는 처리 용기(10)와, 플라즈마를 발생시켜 처리 용기(10) 내의 피처리체(S)를 향해 방출하는 플라즈마 생성 장치(20)와, 피처리체(S)를 지지하는 스테이지(50)와, 플라즈마 처리 장치(100)를 제어하는 제어부(60)를 구비하고, 피처리체(S)에 대해 상압으로 처리를 행하는 대기압 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있다.
<처리 용기>
처리 용기(10)는 플라즈마 처리 공간을 구획하기 위한 용기이며, 예를 들어 알루미늄, 스테인리스 등의 금속에 의해 형성할 수 있다. 처리 용기(10)의 내부는, 예를 들어 알루마이트 처리와 같은 내플라즈마 이로젼성을 높이는 표면 처리를 실시해 두는 것이 바람직하다. 처리 용기(10)에는 피처리체(S)의 반입출을 행하기 위한 개구가 형성되어 있다(도시하지 않음). 또한, 대기압 플라즈마 처리 장치인 본 실시 형태의 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서, 처리 용기(10)는 필수가 아니라, 임의의 구성이다.
<플라즈마 생성 장치>
플라즈마 생성 장치(20)는 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생 장치(21)와, 마이크로파 발생 장치(21)에 접속된 직사각형 도파관(22)과, 직사각형 도파관(22)에 접속되어 그 내부로 처리 가스를 공급하는 가스 공급 장치(23)와, 안테나부(40) 내의 가스 및 필요에 따라서 처리 용기(10) 내를 배기하기 위한 배기 장치(25)를 구비하고 있다. 또한, 직사각형 도파관(22)의 내부에는 처리 가스의 통과를 차단하기 위해 석영 등의 유전체로 이루어지는 격벽(24)이 배치되어 있다. 또한, 직사각형 도파관(22)의 하나의 벽면에 슬롯 구멍(41)을 형성하고, 슬롯 구멍(41)에서 생성한 플라즈마를 외부의 피처리체(S)를 향해 방출하는 안테나부(40)를 갖고 있다.
(마이크로파 발생 장치)
마이크로파 발생 장치(21)는, 예를 들어 2.45㎓ 내지 100㎓, 바람직하게는 2.45㎓ 내지 10㎓의 주파수의 마이크로파를 발생시킨다. 본 실시 형태의 마이크로파 발생 장치(21)는 펄스 발진 기능을 구비하고 있고, 펄스 형상의 마이크로파를 발생시킬 수 있다. 마이크로파 발생 장치(21)의 구성예를 도 2에 도시한다. 마이크로파 발생 장치(21)에 있어서는, 전원부(31)로부터 발진부(32)의 마그네트론(또는 클라이스트론)(33)까지를 연결하는 고전압 라인(34) 상에 콘덴서(35)와 펄스 스위치부(36)가 설치되어 있다. 또한, 펄스 스위치부(36)에는 펄스 제어부(37)가 접속되어 있고, 주파수나 듀티비 등을 제어하는 제어 신호의 입력이 행해진다. 이 펄스 제어부(37)는 제어부(60)의 컨트롤러(61)(후술)로부터의 지시를 받아 제어 신호를 펄스 스위치부(36)를 향해 출력한다. 그리고, 전원부(31)로부터 고전압을 공급하면서 펄스 스위치부(36)에 제어 신호를 입력함으로써, 소정 전압의 구형파가 발진부(32)의 마그네트론(또는 클라이스트론)(33)에 공급되어, 펄스 형상의 마이크로파가 출력된다. 이 마이크로파의 펄스는, 예를 들어 펄스 온 타임 10 내지 50㎲, 펄스 오프 타임 200 내지 500㎲, 듀티비를 5 내지 70％, 바람직하게는 10 내지 50％로 제어할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 펄스 발진 기능은 연속으로 방전시킨 경우에, 안테나부(40)에 열이 축적되기 쉬워, 저온 비평형 방전으로부터 아크 방전으로 이행하는 것을 방지하는 목적으로 설치하고 있다. 안테나부(40)의 냉각 기구를 별도 구비하면, 펄스 발진 기능은 필수가 아니라, 임의의 구성이다.
마이크로파 발생 장치(21)에서 발생한 마이크로파는, 도시는 생략하지만, 마이크로파의 진행 방향을 제어하는 아이솔레이터나 도파관의 임피던스 정합을 하는 정합기 등을 통해 직사각형 도파관(22)의 안테나부(40)로 전송되도록 되어 있다.
(도파관)
직사각형 도파관(22)은 마이크로파의 전송 방향으로 장척을 이루는 동시에, 마이크로파의 전송 방향에 직교하는 방향의 단면이 직사각형을 이룬 중공 형상을 이루고 있다. 직사각형 도파관(22)은, 예를 들어 구리, 알루미늄, 철, 스테인리스 등의 금속이나 이들 합금에 의해 형성되어 있다.
직사각형 도파관(22)은 그 일부분으로서 안테나부(40)를 포함하고 있다. 안테나부(40)는 그 단면에 있어서 단변을 이루는 벽에 하나 또는 복수의 슬롯 구멍(41)을 갖고 있다. 즉, 직사각형 도파관(22)의 일부분이며, 슬롯 구멍(41)이 형성된 개소가 안테나부(40)이다. 도 1에서는 안테나부(40)를 1점쇄선으로 둘러싸서 도시하고 있다. 안테나부(40)의 길이는 피처리체(S)의 크기에 따라서 정할 수 있지만, 예를 들어 0.3 내지 1.5m로 하는 것이 바람직하다. 슬롯 구멍(41)은 안테나부(40)의 단면에 있어서 단변을 이루는 벽을 관통하는 개구이다. 슬롯 구멍(41)은 피처리체(S)를 향해 플라즈마를 방사하기 위해, 피처리체(S)에 대향하여 형성되어 있다. 또한, 슬롯 구멍(41)의 배치나 형상에 대해서는 후술한다.
본 실시 형태에 있어서, 플라즈마 생성 장치(20)는 마이크로파 발생 장치(21)와 안테나부(40) 사이의 직사각형 도파관(22) 내에, 처리 가스의 통과를 차단하는 격벽(24)을 구비하고 있다. 격벽(24)은, 예를 들어 석영, 테프론(등록 상표) 등의 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 유전체로 형성되어 있고, 마이크로파의 통과를 허용하면서, 직사각형 도파관(22) 내의 처리 가스가 마이크로파 발생 장치(21)를 향해 흘러가는 것을 방지한다.
(가스 공급 장치)
가스 공급 장치(GAS)(23)는 직사각형 도파관(22)으로부터 분기한 분기관(22a)에 설치된 가스 도입부(22b)에 접속되어 있다. 가스 공급 장치(23)는 도시하지 않은 가스 공급원, 밸브, 유량 제어 장치 등을 구비하고 있다. 가스 공급원은 처리 가스의 종류별로 구비되어 있다. 처리 가스로서는, 예를 들어 수소, 질소, 산소, 수증기, 플론(CF4) 가스 등을 들 수 있다. 플론(CF4) 가스의 경우에는 배기 장치(25)도 병용할 필요가 있다. 또한, 예를 들어 아르곤, 헬륨, 질소 가스 등의 불활성 가스의 공급원도 설치할 수 있다. 가스 공급 장치(23)로부터 직사각형 도파관(22) 내에 공급된 처리 가스는 마이크로파에 의해 슬롯 구멍(41)에서 방전이 발생하여 플라즈마화된다.
(배기 장치)
배기 장치(25)는 도시하지 않은 밸브나 터보 분자 펌프나 드라이 펌프 등을 구비하고 있다. 배기 장치(25)는 직사각형 도파관(22) 내 및 처리 용기(10)의 배기를 행하기 위해, 직사각형 도파관(22)의 분기관(22a) 및 처리 용기(10)의 배기구(10a)에 접속되어 있다. 예를 들어, 프로세스 정지 시에 직사각형 도파관(22) 내에 남겨진 처리 가스는 배기 장치(25)를 작동시킴으로써 처리 가스를 빠르게 제거할 수 있다. 또한, 방전 개시 시에는 직사각형 도파관(22) 내 및 처리 용기 (10) 내에 존재하는 대기 중의 가스를 처리 가스로 효율적으로 치환하기 위해 배기 장치(25)를 사용한다. 또한, 대기압 플라즈마 처리 장치인 본 실시 형태의 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서, 배기 장치(25)는 필수가 아니라, 임의의 구성이다. 그러나, 처리 가스가 특히 CF4 가스와 같이 상온에서는 안정되지만, 플라즈마화함으로써 반응성이 높은 불소 라디칼(F)이나 플루오로 카본 라디칼(CxFy) 등을 생성할 가능성이 있는 경우에는, 배기 장치(25)를 설치하는 것이 바람직하다.
<스테이지>
스테이지(50)는 처리 용기(10) 내에서 피처리체(S)를 수평으로 지지한다. 스테이지(50)는 처리 용기(10)의 저부에 설치된 지지부(51)에 의해 지지된 상태로 설치되어 있다. 스테이지(50) 및 지지부(51)를 구성하는 재료로서는, 예를 들어 석영이나 AlN, Al2O3, BN 등의 세라믹스 재료나 Al, 스테인리스 등의 금속 재료를 들 수 있다. 또한, 필요에 따라서 250℃ 정도까지 피처리체(S)를 가열할 수 있도록 히터를 매립하고 있어도 좋다. 또한, 본 실시 형태의 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서, 스테이지(50)는 피처리체(S)의 종류에 따라서 설치하면 좋고, 임의의 구성이다.
<피처리체>
플라즈마 처리 장치(100)는 피처리체(S)로서, 예를 들어 LCD(액정 표시 디스플레이)용 글래스 기판으로 대표되는 FPD(플랫 패널 디스플레이) 기판이나, 상기 FPD 기판에 접착시키는 다결정 실리콘 필름, 폴리이미드 필름 등의 필름 부재를 대상으로 할 수 있다. 또한, 유기 반도체 등의 능동 소자 및 수동 소자를 형성하는 목적으로, 예를 들어 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 필름 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 등의 필름 부재의 표면 청정화, 표면 처리 등도 할 수 있다. 플라즈마 처리 장치(100)는, 예를 들어 FPD 기판 상에 설치된 박막의 개질 처리나, 상기 FPD 기판으로의 밀착성을 개선하는 목적으로 행하는, 상기 필름 부재로의 표면 처리, 청정화 처리, 개질 처리 등의 용도에 사용할 수 있다. 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 이와 같은 비교적 대면적의 피처리체(S)에 대한 처리를 효율적으로 행할 수 있다.
<제어부>
플라즈마 처리 장치(100)를 구성하는 각 구성부는 제어부(60)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 컴퓨터 기능을 갖는 제어부(60)는, 도 3에 예시한 바와 같이, CPU를 구비한 컨트롤러(61)와, 이 컨트롤러에 접속된 유저 인터페이스(62)와, 기억부(63)를 구비하고 있다. 기억부(63)에는 플라즈마 처리 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 컨트롤러(61)의 제어로 실현하기 위한 제어 프로그램(소프트웨어)이나 처리 조건 데이터 등이 기록된 레시피가 보존되어 있다. 그리고, 필요에 따라서, 유저 인터페이스(62)로부터의 지시 등에서 임의의 제어 프로그램이나 레시피를 기억부(63)로부터 호출하여 컨트롤러(61)에 실행시킴으로써, 제어부(60)의 제어 하에서, 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서 원하는 처리가 행해진다. 또한, 상기 제어 프로그램이나 처리 조건 데이터 등의 레시피는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체(64)에 저장된 상태의 것을 기억부(63)에 인스톨함으로써도 이용할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체(64)로서는, 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 CD-ROM, 하드 디스크, 플렉시블 디스크, 플래시 메모리, DVD 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 레시피는 다른 장치로부터, 예를 들어 전용 회선을 통해 수시 전송시켜 온라인에서 이용하는 것도 가능하다.
<슬롯 구멍의 구성>
다음에, 도 4a 내지 도 12를 참조하면서, 안테나부(40)에 있어서의 슬롯 구멍(41)의 배치와 형상에 대해 구체예를 들어 설명한다. 슬롯 구멍(41)의 배치와 형상은 슬롯 구멍(41)의 개구의 대부분(바람직하게는, 개구의 전체면)에서 플라즈마가 생성되도록 설계하는 것이 바람직하다. 슬롯 구멍(41)의 개구의 대부분에서 플라즈마가 생성되도록 하기 위해서는, 슬롯 구멍(41)의 배치와 형상의 조합이 중요해진다. 이와 같은 관점으로부터, 이하에서는 슬롯 구멍(41)의 배치와 형상의 바람직한 형태에 대해 설명한다.
도 4a, 도 4b 및 도 5a, 도 5b는 안테나부(40)를 구성하는 하나의 벽(40a 또는 40b)에 6개의 직사각형의 슬롯 구멍(41)을 형성한 예를 도시하고 있다. 도 4a는 직사각형 도파관(22)의 안테나부(40)의 슬롯 구멍(41)의 형성면[벽(40a)]을 상향으로 도시한 것이다. 도 4b는 도 4a에 있어서의 벽(40a)의 평면도이다. 또한, 도 5a는 직사각형 도파관(22)의 안테나부(40)의 슬롯 구멍(41)의 형성면[벽(40b)]을 상향으로 도시한 것이다. 도 5b는 도 5a에 있어서의 벽(40b)의 평면도이다. 플라즈마 처리 장치(100)에서는 슬롯 구멍(41)이 배치된 벽(40a 또는 40b)은 피처리체(S)에 대향하여 배치된다.
도 4a, 도 4b 및 도 5a, 도 5b에 도시한 바와 같이, 슬롯 구멍(41)은 안테나부(40)의 단면에 있어서 단변을 이루는 벽(40a)과, 장변을 이루는 벽(40b) 중 어느 곳에 설치해도 좋지만, 단변을 이루는 벽(40a)에 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 안테나부(40)의 단면의 단변의 길이를 L1, 장변의 길이를 L2로 한 경우(즉, L1＜L2), 도 4a, 도 4b에 도시한 바와 같이 길이가 L1의 단변을 이루는 벽(40a)에 슬롯 구멍(41)을 배치하는 것이 바람직하다. 마이크로파의 전파는 직사각형 도파관(22)의 단변을 이루는 한 쌍의 벽(40a) 사이를 반사하면서 직사각형 도파관(22)의 단부면에 도달하고, 그곳에서 반사되어 직사각형 도파관(22) 내를 진행 방향과는 역방향으로 진행하여 정재파를 형성한다. 전파에 대해 직교하는 자기파는 직사각형 도파관(22)의 장변을 이루는 한 쌍의 벽(40b) 사이를 반사하면서 진행되고, 직사각형 도파관(22)의 단부면에서 반사되어, 진행 방향과 역방향으로 진행되어 자계의 정재파를 만든다. 이와 같이, 마이크로파는 직사각형 도파관(22)의 일부분인 안테나부(40) 내에 진입하여 정재파를 형성한다. 이 정재파의 전파의 배 부분에 슬롯 구멍(41)을 형성하면, 강한 플라즈마를 형성할 수 있다. 단변을 이루는 벽(40a)에 슬롯 구멍(41)을 형성한 경우, 벽(40a)을 흐르는 표면 전류는 장변을 이루는 벽(40b)에 직교하는 방향으로 흐른다. 이로 인해, 슬롯 구멍(41)은 안테나부(40)의 길이 방향에 평행하면, 벽(40a) 중 어느 곳에 형성해도 표면 전류는 슬롯 구멍(41)에 대해 직교하여 흐르게 되어, 강한 플라즈마를 얻을 수 있다. 그러나, 설계상의 간편함으로부터 슬롯 구멍(41)은 단변을 이루는 벽(40a)의 중앙 부근[벽(40a)의 폭 방향의 중심을 도파관 길이 방향으로 연결하는 선(중심선)(C)의 근방]에 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 도 5a, 도 5b에 도시한 바와 같이, 장변을 이루는 벽(40b)에 슬롯 구멍(41)을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우에도, 자기파의 배의 부분에 슬롯 구멍(41)을 형성하는 것이, 강한 플라즈마를 형성하기 위해 효과적이다. 직사각형 도파관(22)의 전자기계 계산에 따르면, 전계는 한 쌍의 단변을 이루는 벽(40a)의 근방에서 강해지므로, 벽(40b)의 중앙이 아니라, 양측의 벽(40a)에 가까운 위치에 설치한 쪽이 강한 플라즈마를 얻을 수 있다. 그로 인해, 도 5a, 도 5b에서는 장변을 이루는 벽(40b)의 폭 방향의 중심을 도파관 길이 방향으로 연결하는 선(중심선)(C)으로부터 벗어난 위치에 슬롯 구멍(41)을 형성하고 있다.
도 4b 및 도 5b에서는 안테나부(40)의 벽(40a)에 형성된 6개의 직사각형의 슬롯 구멍(41)을 부호 41A1 내지 부호 41A6으로 나타내고 있다. 도 4b 및 도 5b에서는 가장 외측에 위치하는 2개의 슬롯 구멍(41A1)의 단부와, 슬롯 구멍(41A6)의 단부 사이가 안테나부(40)로 되어 있다. 일렬로 배열된 슬롯 구멍(41A1 내지 41A6)의 배열 간격은 관내 파장에 따라서 결정하는 것이 바람직하다. 고밀도의 플라즈마를 방사하는 목적에서는, 인접하는 슬롯 구멍(41)끼리 근접하고 있어, 양자 간격이 작은 것이 바람직하다.
또한, 각 슬롯 구멍(41A1 내지 41A6)의 길이나 폭은 임의이지만, 폭이 좁고, 가늘고 긴 형상인 것이 바람직하다. 직사각형의 슬롯 구멍(41)의 단변의 길이를 L3, 장변의 길이를 L4로 한 경우, 슬롯 구멍(41)의 장변의 길이(L4)는 에너지 손실을 저감시켜, 고밀도의 플라즈마를 방사할 수 있도록 하는 관점으로부터, 직사각형 도파관(22) 내의 정재파의 반파장 이하의 길이로 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명자들에 의한 실험에서는, 슬롯 구멍(41)의 폭(L3)을 가능한 한 작게 하면 강한 전계 강도가 얻어지고, 그 결과, 고밀도의 플라즈마가 얻어졌다. 구체적으로는, L3은 0.3㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.
각 슬롯 구멍(41)은 그 길이 방향과 안테나부(40)의 길이 방향[즉, 직사각형 도파관(22)의 길이 방향]이 일치하여, 서로 평행해지도록 배치하는 것이 바람직하다. 슬롯 구멍(41)의 길이 방향이 안테나부(40)의 길이 방향에 대해 평행하지 않고, 각도를 갖고 형성되어 있으면, 전파의 배 부분을 슬롯 구멍(41)이 비스듬히 가로지르게 되므로, 강한 전파의 배 부분을 유효하게 이용할 수 없어, 슬롯 구멍(41)의 개구의 전체에 플라즈마를 세우는 것이 곤란해진다.
또한, 도 5a 및 도 5b와 같이, 장변을 이루는 벽(40b)에 슬롯 구멍(41)을 형성한 경우, 표면 전류는 자계의 배 부분으로부터 방사상으로 흐르기 때문에, 슬롯 구멍(41)의 개구의 전체 영역에 일정한 표면 전류를 가로지르도록 하기 위해서는, 방사상으로 흐르는 표면 전류가 슬롯 구멍(41)에 대해 직각으로 입사하도록, 슬롯 구멍(41)을 원호 형상으로 하는 것도 효과가 있다(도 11 및 도 12 참조). 이 경우, 벽(40b)의 중심선(C)에 대해, 볼록형(도 11) 또는 오목형(도 12)으로 되도록 원호 형상의 슬롯 구멍(41)을 배치하는 것이 효과적이다. 그러나, 장변을 이루는 벽(40b)에 슬롯 구멍(41)을 형성한 경우에는, 단변을 이루는 벽(40a)에 슬롯 구멍(41)을 형성한 경우와 비교하여, 슬롯 구멍(41) 전체에 플라즈마를 넓히는 것이 어려워, 균일한 플라즈마를 형성하는 것이 곤란했다.
또한, 도 6a에 도시한 바와 같이, 슬롯 구멍(41)의 개구의 테두리면(40c)은 벽(40a)의 두께 방향에 내측으로부터 외측으로 개구가 넓어지도록 경사지게 하여 형성하는 것이 바람직하다. 슬롯 구멍(41)의 테두리면(40c)을 경사면으로 하여 설치함으로써, 직사각형 도파관(22)의 내벽면측의 슬롯 구멍(41)의 개구부의 폭(L3)을 짧게 할 수 있고, 이에 의해 방전 개시 전력을 저감시켜, 에너지 손실을 적게 억제할 수 있어, 고밀도 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 또한, 도 6a에 있어서, 부호 P는 슬롯 구멍(41)으로부터 방출되는 플라즈마를 모식적으로 도시하고 있다. 한편, 도 6b에 도시한 바와 같이, 직사각형 도파관(22) 내측의 개구 폭보다도 외측의 개구 폭을 좁게 하는 경우(즉, 도 6a와는 반대로 경사를 부여한 경우)에도 방전 영역을 넓히는 효과는 있었지만, 도 6a 정도의 고밀도 플라즈마는 얻어지지 않았다.
슬롯 구멍(41)의 구체적 형상과 배열예는, 예를 들어 특허 문헌 1에도 상세하게 기술되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 도파관 안테나를 사용하는 경우, 직사각형 도파관(22) 내에 마이크로파를 도입했을 때에 직사각형 도파관(22) 내에 형성되는 마이크로파의 정재파를 이용하므로, 슬롯 구멍(41)은 정재파의 배 부분에 형성하는 것이, 강한 플라즈마를 발생시키기 위해 사정이 좋다. 또한, 슬롯 구멍(41)의 길이는 정재파의 반파장 이하로 하는 것이 강한 플라즈마를 슬롯 구멍(41)으로 형성하기 위해 효율적이다. 정재파의 마디 부분에 슬롯 구멍(41)을 형성해도 전자기계가 약해, 슬롯 구멍(41)에 있어서 플라즈마가 형성되지 않는다. 이와 같이, 도파관 안테나를 사용하는 경우, 직사각형 도파관(22) 내에 형성되는 정재파의 마디 부분에는 플라즈마가 도달하지 않거나, 혹은 약한 플라즈마밖에 도달하지 않으므로, 1개의 직사각형 도파관(22) 내에 슬롯열을 복수의 열로 설치하거나, 1개의 슬롯열을 설치한 직사각형 도파관(22)을 복수개 병렬적으로 배치하여, 1개의 직사각형 도파관(22) 내에 생기는 마이크로파의 마디 부분을 다른 직사각형 도파관(22)의 슬롯열에 의해 서로 보충하는 구조로 하는 것이 바람직하다.
복수의 슬롯 구멍(41)은 일렬로 배치해도 좋고, 복수열로 배치해도 좋다. 직사각형 도파관(22)의 단변을 이루는 벽(40a)에 슬롯 구멍(41)을 형성하는 경우에는, 벽(40a)의 면에 흐르는 표면 전류는 단변을 이루는 벽(40a)에 있어서, 도파관 길이 방향의 중심축에 항상 직교하는 방향으로 흐르기 때문에, 슬롯 구멍(41)은 단변을 이루는 벽(40a)의 도파관 길이 방향의 중심축에 평행하게 형성한 쪽이 낫다. 또한, 슬롯 구멍(41)의 배치 위치는 도파관 길이 방향으로는 정재파의 배의 위치에 형성하는 것이 바람직하지만, 도파관 길이 방향에 직교하는 단변 방향의 위치는 원칙적으로 어디든 좋다. 단, 가공의 용이, 편리한 사용을 생각하면 단변을 이루는 벽(40a)의 중심선(C)의 근방에 슬롯 구멍(41)을 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 직사각형 도파관(22)의 장변을 이루는 벽(40b)의 면에 슬롯 구멍(41)을 형성하는 경우에는 직사각형 도파관(22) 내에 발생하는 정재파의 배의 부분에 직사각형의 슬롯 구멍(41)을 형성하는 것이 강한 플라즈마를 얻으므로 사정이 좋다. 이 경우, 전자기계는 정재파의 배의 부분에서 최대로 되고, 장변을 이루는 벽(40b)을 흐르는 표면 전류는 배의 부분으로부터 단변을 이루는 벽(40a)을 향하는 방향으로 흐르고, 직사각형 도파관(22)의 벽(40a)에 근접할수록 표면 전류는 커진다. 이로 인해, 직사각형의 슬롯 구멍(41)은 장변을 이루는 벽(40b)의 벽면이며, 또한 직사각형 도파관(22)의 단변을 이루는 벽(40a)에 가까운 부분에 형성한 쪽이, 강한 플라즈마를 직사각형의 슬롯 구멍(41)에 형성할 수 있다.
직사각형의 슬롯 구멍(41)을 2열로 배치한 예를 도 7에 도시하였다. 도 7에서는, 안테나부(40)의 벽(40b)에 6개의 직사각형의 슬롯 구멍(41)이 직선 형상으로 배치되어 열을 이루고, 합계 2열로 배치되어 있다. 즉, 도 7에 있어서, 슬롯 구멍(41A1 내지 41A6)은 1조로 되어 열을 이루고 직선 형상으로 배열되어 있고, 슬롯 구멍(41B1 내지 41B6)은 1조로 되어 열을 이루고 직선 형상으로 배열되어 있다. 도 7에서는 가장 외측에 위치하는 2개의 슬롯 구멍(41A1)의 단부와, 슬롯 구멍(41B6)의 단부 사이가 안테나부(40)로 되어 있다. 또한, 슬롯 구멍(41)은 2열로 한정되지 않고, 3열 이상 배치할 수도 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 슬롯 구멍(41)을 2열 이상 배열하여 배치하는 경우, 에너지 손실을 저감시켜, 고밀도의 플라즈마를 방사할 수 있도록 하는 관점으로부터, 안테나부(40)에 있어서, 장변을 이루는 벽(40b)의 폭 방향에 적어도 하나의 슬롯 구멍(41)이 존재하도록 열마다 길이 방향의 위치를 어긋나게 하여 배치하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 7에서는 동일한 열에 속하는 슬롯 구멍(41A1과 41A2) 사이에는 안테나부(40)의 폭 방향으로 이웃하는 열의 슬롯 구멍(41B1)이 존재하고 있다. 또한, 동일한 열에 속하는 슬롯 구멍(41B1과 41B2) 사이에는 안테나부(40)의 폭 방향으로 이웃하는 열의 슬롯 구멍(41A2)이 존재하고 있다. 이와 같이, 안테나부(40)의 장변을 이루는 벽(40b)의 내측을 폭 방향으로 횡단하는 표면 전류가, 반드시 1개의 슬롯 구멍(41)과 교차하도록 배치하는 것이 바람직하다.
도 8은 2개의 직사각형 도파관(22A, 22B)의 안테나부(40A, 40B)를 병렬적으로 배열한 형태를 도시하고 있다. 각 안테나부(40A, 40B)에는 복수의 슬롯 구멍(41)이 각각 1열로 배열되어 있다. 안테나부(40A)에 있어서, 슬롯 구멍(41A1 내지 41A6)은 1조로 되어 열을 이루고 직선 형상으로 배열되어 있고, 안테나부(40B)에 있어서, 슬롯 구멍(41B1 내지 41B6)은 1조로 되어 열을 이루고 직선 형상으로 배열되어 있다. 도 8에서는 단변을 이루는 벽(40a) 또는 장변을 이루는 벽(40b)의 폭 방향(도면 중에 화살표로 나타냄)으로 2개의 안테나부(40A, 40B)에 걸쳐서 적어도 하나의 슬롯 구멍(41)이 존재하도록, 안테나부(40A, 40B)마다 서로 보충하도록 길이 방향의 위치를 어긋나게 하여 슬롯 구멍(41A1 내지 41A6, 41B1 내지 41B6)이 배치되어 있다.
또한, 도 7 및 도 8의 예에 있어서, 슬롯 구멍(41)은 벽(40a 또는 40b)의 폭 방향의 중심으로부터 벗어난 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 7에서는 장변을 이루는 벽(40b)의 폭 방향의 중심선(C)으로부터 벗어난 위치에 슬롯 구멍(41)을 형성하고 있다. 이와 같이, 슬롯 구멍(41)의 열을 편심시켜 형성함으로써, 장변을 이루는 벽(40b)의 벽면 상을 흐르는 표면 전류가 최대로 되어, 에너지 손실을 저감시켜, 고밀도의 플라즈마를 방사할 수 있다. 또한, 도 8에서도 단변을 이루는 벽(40a) 또는 장변을 이루는 벽(40b)의 폭 방향의 중심선(C)으로부터 벗어난 위치에 슬롯 구멍(41)을 형성하고 있다. 이와 같이, 슬롯 구멍(41)의 열을 편심시켜 형성함으로써, 벽(40a)[또는(40b)]의 벽면 상을 흐르는 표면 전류가 최대로 되어, 에너지 손실을 저감시켜, 고밀도의 플라즈마를 방사할 수 있다.
또한, 단변을 이루는 벽(40a), 또는 장변을 이루는 벽(40b)에 슬롯 구멍(41)을 형성하는 경우, 안테나부(40)의 전체 영역에 걸쳐서, 장척의 단일의 슬롯 구멍(41)을 배치할 수도 있다. 예를 들어, 도 9는 단변을 이루는 벽(40a)의 중심축 근방에, 안테나부(40)에 장척의 직선 형상의 슬롯 구멍(41C)을 1개 형성한 예를 도시하고 있다. 도 9에서는 슬롯 구멍(41C)이 형성되어 있는 범위의 길이가, 안테나부(40)의 길이와 동일하므로, 안테나부(40)의 전체 영역에 있어서, 단변을 이루는 벽(40a)의 폭 방향으로 슬롯 구멍(41C)이 존재하고 있게 된다.
도 10 내지 도 12에 슬롯 구멍(41)의 또 다른 예를 도시하였다. 도 10은 H형의 슬롯 구멍(41E)을 직선 형상으로 배열한 구성예이다. 이와 같이 H형의 슬롯 구멍(41E)은 직사각형의 긴 개구의 양단부에 있어서 각각 직각으로 교차한 직사각형의 짧은 개구를 갖고 있으므로, 안테나부(40)의 벽(40a)의 내측[직사각형 도파관(22) 내]에 발생한 표면 전류가, 효과적으로 슬롯 구멍(41E)을 가로지르도록 할 수 있다. 예를 들어, 직사각형 도파관(22)의 단변을 이루는 벽(40a)의 벽면에 직사각형의 슬롯 구멍(41)을 형성하는 경우를 상정하면, 앞서 서술한 바와 같이, 단변을 이루는 벽(40a)의 벽면의 중심선(C)의 근방에 직사각형의 슬롯 구멍(41)을 형성하는 것이 바람직하다. 표면 전류는 이 직사각형의 슬롯 구멍(41)에 직각으로 침입하여, 직사각형의 슬롯 구멍(41) 내에 강전계를 형성하여 플라즈마를 생성한다. 이때, 직사각형의 슬롯 구멍(41)의 장변 단부에서는 표면 전류가 직사각형의 슬롯 구멍(41)에 대해 직각으로 침입하는 것보다는, 보다 저항이 낮은 주변 부분으로 돌아 들어가기 쉽다. 이로 인해, 직사각형의 슬롯 구멍(41)의 장변의 단부에서는, 플라즈마 밀도가 내려가거나, 극단적인 경우에는 직사각형의 슬롯 구멍(41)의 장변 단부에서는 플라즈마가 형성되지 않는 경우가 있다. 본 발명자들은 이와 같은 현상을 회피하기 위해, 도 10의 H형의 슬롯 구멍(41E)이 유효한 것을 발견하였다. H형의 슬롯 구멍(41E)의 장변 단부에 직각으로 침입한 표면 전류는 H형의 슬롯 구멍(41E)의 양단부에 형성된 직사각형의 짧은 개구로 인해, 주변의 저저항 영역에 흐르는 것을 방해할 수 있다. 그 결과, 슬롯 구멍(41E)에 직각으로 침입한다. 이에 의해, 직사각형의 슬롯 구멍(41)의 장변 단부에서 나타난, 플라즈마 밀도의 저하 혹은 플라즈마의 소광 현상이 발생하지 않게 되었다. 이와 같이, H형의 슬롯 구멍(41E)에서는 그 H형의 형상에 의해, 슬롯 구멍(41E)의 주위에서 표면 전류가 개구를 우회하여 피하는 현상을 억제할 수 있고, 이에 의해 슬롯 구멍(41E)의 장변 단부의 주변 영역에서도 전계가 형성되기 쉬워져, 단순한 직사각형(사각형)의 슬롯 구멍(41)에 비해, 방전 영역이 증대되어 효율적으로 고밀도 플라즈마를 생성시킬 수 있다.
도 11 및 도 12는 직사각형 도파관(22)의 장변을 이루는 벽(40b)의 벽면에, 슬롯 구멍(41)을 원호 형상으로 형성한 구성예이다. 도 11은 안테나부(40)의 벽(40b)의 중심선(C)을 향해 볼록형으로 원호 형상의 슬롯 구멍(41F)을 형성한 예이다. 한편, 도 12는 안테나부(40)의 벽(40b)의 외측을 향해 볼록형으로 원호 형상의 슬롯 구멍(41G)을 형성한 예이다. 이와 같이 원호 형상의 슬롯 구멍(41F, 41G)의 경우에도, 안테나부(40)의 벽(40b)의 내측[직사각형 도파관(22) 내]에 발생한 방사상의 표면 전류가 일정한 밀도로 슬롯 구멍(41F, 41G)의 개구를 가로지를 수 있으므로, 슬롯 구멍(41F, 41G)의 주위에서 전계가 형성되기 쉬워지고, 방전 영역이 증대되어 효율적으로 고밀도 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 또한, 도 11 및 도 12에 도시한 원호 형상의 슬롯 구멍(41F, 41G)의 경우, 원호의 2개의 단부를 연결하는 방향을 길이 방향이라고 생각하면, 안테나부(40)의 길이 방향에 일치하고 있다.
또한, 도 9 내지 도 12의 구성예에서도, 직사각형 도파관(22)의 단변을 이루는 벽면(40a)에 슬롯 구멍(41)을 형성하는 경우에는, 슬롯 구멍(41)은 단변을 이루는 벽(40a)의 중심선(C)의 근방에 배치하는 것이 바람직하다. 직사각형 도파관(22)의 장변을 이루는 벽(40b)에 슬롯 구멍(41)을 형성하는 경우에는, 단변을 이루는 벽(40a)의 근방에[즉, 장변을 이루는 벽(40b)의 폭 방향의 중심선(C)으로부터 벗어난 위치에] 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 도 9 내지 도 12의 구성예에 있어서, 슬롯 구멍(41)을 복수열로 배치할 수도 있다. 또한, 도 10 내지 도 12의 구성예에서는, 일렬로 6개의 슬롯 구멍(41)을 형성한 예를 나타냈지만, 슬롯 구멍(41)의 수는 특별히 제한되는 것은 아니다.
다음에, 플라즈마 처리 장치(100)의 동작에 대해 설명한다. 우선, 피처리체(S)를 처리 용기(10) 내로 반입하여, 스테이지(50) 상에 적재한다. 그리고, 가스 공급 장치(23)로부터, 처리 가스를 소정의 유량으로, 가스 도입부(22b), 분기관(22a)을 통해 직사각형 도파관(22) 내에 도입한다. 직사각형 도파관(22) 내의 처리 가스를 도입함으로써, 직사각형 도파관(22) 내의 압력이 외부의 대기압보다도 상대적으로 높아진다.
다음에, 마이크로파 발생 장치(21)의 파워를 온(ON)으로 하여, 마이크로파를 발생시킨다. 이때, 마이크로파를 펄스 형상으로 발생시켜도 좋다. 마이크로파는 도시하지 않은 매칭 회로를 거쳐서 직사각형 도파관(22)에 도입된다. 이와 같이 도입된 마이크로파에 의해, 직사각형 도파관(22) 내에서 전자기계가 형성되고, 직사각형 도파관(22)의 내부에 공급된 처리 가스를 안테나부(40)의 슬롯 구멍(41)에서 플라즈마화시킨다. 이 플라즈마는 상대적으로 압력이 높은 직사각형 도파관(22)의 안테나부(40) 내부로부터 슬롯 구멍(41)을 통해 외부의 피처리체(S)를 향해 방사된다. 본 실시 형태의 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 예를 들어 아르곤(Ar) 희석 0.4 내지 1.0％ 수소 가스를 처리 가스로 하여, 50L/min의 유량을 흘리고, 마이크로파 출력 1.5㎾의 조건으로, 슬롯 구멍(41)의 위치에서 측정하고, 전자 밀도로 1×1014 내지 1×1016/㎤, 슬롯 구멍(41)의 바로 아래 7㎜의 위치에서 측정하여 수소 라디칼 밀도로 1×1014 내지 1×1015/㎤의 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있었다. 따라서, 이 고밀도 플라즈마를 피처리체(S)에 대해 작용시킴으로써, 효율적인 플라즈마 처리가 실현된다.
또한, 아르곤 희석 1％ 수소 가스를 10L/min(slm) 흘리고, 마이크로파 출력 1.5㎾의 조건으로 플라즈마를 생성시켜, 진공 자외 흡수 분광법으로 수소 라디칼 농도를 계측하면, 안테나부의 바로 아래 7㎜에서는 2×1014/㎤였다. 수소 라디칼 농도의 안테나부로부터의 거리 의존성으로부터, 슬롯 구멍(41)에서의 수소 농도를 어림잡으면 1×1016/㎤의 고밀도 플라즈마가 형성되어 있는 것을 알 수 있었다.
한편, 아르곤 14slm(표준 상태 litter/min), 수소 유량 100sccm(표준 상태 cc/min), 질소 유량 100sccm(표준 상태 cc/min)의 혼합 가스를 흘리고, 마이크로파 주파수 10㎓, 마이크로파의 펄스 ON 시간＝10 내지 50㎲, OFF 시간＝200 내지 500㎲, 정미의 마이크로파 입력 1.2 내지 1.6㎾의 조건으로 플라즈마를 생성시켰다. 그리고, 슬롯 바로 아래로부터 22㎜의 위치에 석영의 판을 두고, 광파이버로 채광하여, 수소 원자의 발광의 Hβ의 스타르크 중폭으로부터 슬롯부의 전자 밀도를 어림잡으면, 1.5 내지 1.7×1015/㎤이고, 고밀도 플라즈마가 형성되어 있는 것을 알 수 있었다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 플라즈마 생성 장치(20) 및 이것을 구비한 플라즈마 처리 장치(100)는 진공 용기를 필요로 하지 않는 대기압 플라즈마 장치이므로, 직사각형 도파관(22)과 피처리체(S) 사이에 유전체판을 설치할 필요가 없어, 유전체판에서의 마이크로파의 흡수에 의한 손실을 방지할 수 있다. 또한, 대기압 플라즈마 장치이므로, 내압의 진공 용기나 시일 기구 등도 불필요해, 간이한 장치 구성이라도 좋다. 또한, 처리 가스의 치환 효율을 올리는 것 등의 목적으로, 감압으로 할 수 있는 배기 설비와, 폐쇄된 공간 내에 대기압 플라즈마를 방출할 수 있는 기구를 구비하고 있어도 좋다.
또한, 본 실시 형태의 플라즈마 생성 장치(20) 및 이것을 구비한 플라즈마 처리 장치(100)는 직사각형 도파관(22) 내에 공급된 처리 가스를 마이크로파에 의해 슬롯 구멍(41)에서 플라즈마화하고, 슬롯 구멍(41)으로부터 외부로 방출하기 위해, 전용의 가스 도입 기구를 필요로 하지 않아, 장치의 크기도 작게 할 수 있다. 즉, 직사각형 도파관(22)이 샤워 헤드의 역할을 발휘하므로, 별도의 샤워 헤드나 샤워 링과 같은 가스 도입 기구를 설치할 필요가 없어, 장치 구성을 간소화할 수 있다. 또한, 직사각형 도파관(22) 내에서 처리 가스에 마이크로파를 작용시키므로, 피처리체(S)를 향해 균일한 플라즈마를 방사할 수 있다.
다음에, 도 1에 도시한 것과 동일한 구성의 플라즈마 처리 장치를 사용하여 행한 실시예에 대해 설명한다.
[제1 실시예]
폴리이미드 필름의 표면 처리:
안테나부는 마이크로파 주파수 10㎓인 경우에 41개/열의 직사각형의 슬롯 구멍이 직사각형 도파관의 단변을 이루는 벽의 중심선을 따라서 직선 형상으로 배열되어 있는 것을 사용하였다. 주파수 10㎓, 출력 1.6㎾의 마이크로파 발생 장치를 사용하여 펄스 모듈레이터의 온 타임, 오프 타임을 각각 30㎲, 220㎲로 설정하여, 아르곤 가스를 14L/min(slm) 흘리고, 마이크로파 방전을 하여 플라즈마를 생성시켰다. 이때, 처리 시료의 폴리이미드 필름을 안테나부의 바로 아래 4㎜의 위치에 두고 0 내지 60초 처리하였다. 처리 중의 안테나 정미의 출력은 1.56㎾였다. 처리하지 않은 폴리이미드 필름(처리 시간 0초)과 4초 처리 후의 폴리이미드 필름의 물의 접촉각을 조사하면, 70도로부터 18도로 변화되었다. 처리 전의 폴리이미드막은 소수성이었던 것에 비해, 플라즈마 처리 후는 물의 접촉각이 18도로 대폭으로 감소하고, 그 표면이 친수성으로 개질되었다. 또한, 폴리이미드 필름과 안테나부의 슬롯 형성면의 거리를 이격하면 처리 효과는 약해지고, 특히 20㎜ 이상 이격하면 급격하게 처리 효과는 약해졌다.
[제2 실시예]
산화구리의 환원:
아르곤 14slm(표준 상태 litter/min), 수소 유량 100sccm(표준 상태 cc/min), 질소 유량 140sccm(표준 상태 cc/min)의 혼합 가스를 흘리고, 마이크로파 주파수 10㎓, 마이크로파의 펄스 ON 시간＝10 내지 50㎲, OFF 시간＝200 내지 500㎲, 정미의 마이크로파 입력 1.2 내지 1.6㎾의 조건으로 생성시킨 플라즈마에 의해, 이하의 방법으로 시험을 행하였다. 직사각형 슬롯 바로 아래 4㎜의 위치에, 스패터법으로 형성한 구리(Cu)막을 열산화에 의해 약 20㎚의 막 두께로 형성한 CuOx막을 두고, 30초간 내지 15분간 걸려서 플라즈마 처리를 행하였다. 그 결과, 슬롯 바로 아래의 위치로부터 CuOx가 환원되어 가는 모습이, CuOx의 짙은 자색으로부터 Cu의 구리색으로 변화됨으로써 확인할 수 있었다. 이는, 플라즈마에서 생성한 수소 원자가, CuOx의 O를 제거하고, 금속의 구리의 표면이 나온 것으로 추정되었다.
[제2 실시 형태]
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 대해, 도 13 내지 도 15를 참조하면서 설명한다. 도 13은 직사각형 도파관(22)의 안테나부(40)를 복수개(도 13에서는 3개) 병렬적으로 배치한 플라즈마 처리 장치(101)의 구성예를 도시하고 있다. 플라즈마 처리 장치(101)에서는 도시하지 않은 구동 기구에 의해, 안테나부(40)에 대해 피처리체(S)가 도 13 중 화살표로 나타내는 방향으로 상대 이동 가능하게 설치되어 있다. 안테나부(40)[직사각형 도파관(22)]의 길이 방향과, 피처리체(S)의 이동 방향은 서로 직교하도록 배치되어 있다. 안테나부(40)의 슬롯 구멍(41)은 피처리체(S)의 폭 이상의 길이로 배치되어 있다. 도 13에 도시한 바와 같이, 복수의 안테나부(40)를 병렬적으로 배치하고, 또한 피처리체(S)를 상대 이동시킴으로써, 피처리체(S)에 대해, 처리 불균일이 없고, 균일한 플라즈마 처리를 연속적으로 행하는 것이 가능해진다. 또한, 안테나부(40)를 포함하는 플라즈마 생성 장치(20)의 구성은 제1 실시 형태와 마찬가지이므로, 세부에 대한 도시 및 설명은 생략한다. 또한, 병렬적으로 배치되는 안테나부(40)의 수는 3개로 한정되지 않고, 2개라도, 4개 이상이라도 좋다.
도 14는 플라즈마 처리 장치(101)에 있어서, 장척의 시트 형상(필름 형상)의 피처리체(S)를 롤ㆍ투ㆍ롤 방식으로 반송시키면서 처리하는 형태를 도시하고 있다. 피처리체(S)는 제1 롤(70A)로부터 송출되어, 제2 롤(70B)에 권취된다. 이와 같이, 본 실시 형태의 플라즈마 처리 장치(101)를 사용함으로써, 피처리체(S)가 권취 가능한 시트 형상(필름 형상)인 경우에, 연속적인 처리를 용이하게 행할 수 있다.
도 15는 도 14에 대한 변형예를 도시하고 있다. 이 플라즈마 처리 장치(101A)에서는 병렬적으로 배치된 3개의 안테나부(40)가, 피처리체(S)를 사이에 두도록 상하에 배치되어 있다. 피처리체(S)의 상방에 배치된 안테나부(40A, 40A, 40A)는 그들의 하면[피처리체(S)와의 대향면]에 슬롯 구멍(41)이 형성되어 있다. 피처리체(S)의 하방에 배치된 안테나부(40B, 40B, 40B)는 그들의 상면[피처리체(S)와의 대향면]에 슬롯 구멍(41)이 형성되어 있다. 이와 같이, 피처리체(S)의 상하 양쪽에 안테나부(40)를 배치함으로써, 롤ㆍ투ㆍ롤 방식으로 피처리체(S)를 반송시키면서, 그 양면에 대해 동시에 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 예시한 목적으로 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 형태로 제약되지 않는다. 당업자는 본 발명의 사상 및 범위를 일탈하지 않고 많은 개변을 할 수 있고, 그들도 본 발명의 범위 내에 포함된다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서는 피처리체(S)로서 FPD 기판이나 상기 기판에 대립되는 필름 등을 들었지만, 처리 대상은 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 반도체 웨이퍼 등의 기판에 대해서도 적용할 수 있다.
10 : 처리 용기
20 : 플라즈마 생성 장치
21 : 마이크로파 발생 장치
22 : 직사각형 도파관
23 : 가스 공급 장치
24 : 격벽
25 : 배기 장치
40 : 안테나부
41 : 슬롯 구멍
50 : 스테이지
60 : 제어부
100 : 플라즈마 처리 장치
S : 피처리체

Claims (14)

  1. 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생 장치와,
    상기 마이크로파 발생 장치에 접속되어, 마이크로파의 전송 방향으로 장척을 이루는 동시에, 상기 전송 방향에 직교하는 방향의 단면이 직사각형을 이룬 중공 형상의 도파관과,
    상기 도파관에 접속되어 그 내부로 처리 가스를 공급하는 가스 공급 장치와,
    상기 도파관의 일부분이며, 마이크로파에 의해 생성한 플라즈마를 외부로 방출하는 안테나부를 구비하고,
    상기 안테나부는 그 단면에 있어서 단변을 이루는 벽에 하나 또는 복수의 슬롯 구멍을 갖고 있고, 대기압 상태의 상기 도파관 내에 공급된 처리 가스를 마이크로파에 의해 상기 슬롯 구멍에서 플라즈마화하고, 상기 슬롯 구멍으로부터 외부로 방출하는, 플라즈마 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파 발생 장치와 상기 안테나부 사이의 상기 도파관 내에, 상기 처리 가스의 통과를 차단하는 격벽을 구비한, 플라즈마 생성 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 슬롯 구멍은 직사각 형상으로 형성되어 있고, 그 길이 방향과 상기 안테나부의 길이 방향이 일치하도록 배치되어 있는, 플라즈마 생성 장치.
  4. 제3항에 있어서, 복수의 슬롯 구멍이 일렬로 배치되어 있는, 플라즈마 생성 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 안테나부에 단일의 슬롯 구멍이 형성되어 있는, 플라즈마 생성 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 슬롯 구멍의 테두리면은 상기 벽의 두께 방향으로 개구 폭이 변화되도록 경사져서 설치되어 있는, 플라즈마 생성 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 펄스 발생기를 더 구비하여, 마이크로파를 펄스 형상으로 발생시켜 플라즈마를 생성시키는, 플라즈마 생성 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 안테나부가 병렬적으로 복수 배치되어 있는, 플라즈마 생성 장치.
  9. 제8항에 있어서, 병렬적으로 복수 배치된 상기 안테나부에 있어서, 상기 벽의 폭 방향으로, 복수의 상기 안테나부에 걸쳐서, 적어도 하나의 상기 슬롯 구멍이 존재하도록, 상기 안테나부마다 길이 방향의 위치를 어긋나게 하여 상기 슬롯 구멍이 배치되어 있는, 플라즈마 생성 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 기재된 플라즈마 생성 장치를 구비하고, 발생시킨 플라즈마를 이용하여 피처리체에 대해 소정의 처리를 행하는, 플라즈마 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 슬롯 구멍이 피처리체에 대향하도록 상기 안테나부가 배치되는, 플라즈마 처리 장치.
  12. 제11항에 있어서, 피처리체의 표리 양면에 각각 안테나부가 배치되는, 플라즈마 처리 장치.
  13. 제11항에 있어서, 피처리체가 필름 형상을 이루고, 롤ㆍ투ㆍ롤 방식으로 반송 가능하게 설치되어 있는, 플라즈마 처리 장치.
  14. 제10항에 기재된 플라즈마 처리 장치를 사용하여 피처리체를 처리하는, 플라즈마 처리 방법.
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