KR20180122350A

KR20180122350A - 플라즈마 생성 장치

Info

Publication number: KR20180122350A
Application number: KR1020187026287A
Authority: KR
Inventors: 나오키 다카하시; 히로유키 우에야마; 고이치 노세
Original assignee: 가부시끼가이샤 제이씨유
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2018-11-12
Also published as: CN108781500A; US20190090341A1; DE112017001370T5; JPWO2017159838A1; JP6625728B2; WO2017159838A1; MX2018010985A

Abstract

(과제) 피성막 부재에 대한 플라즈마의 열에 의한 데미지를 회피하면서, 고효율로 성막할 수 있는 플라즈마 생성 장치를 제공한다.
(해결 수단) 본 발명의 플라즈마 생성 장치는, 주면 사이를 관통하는 관통공 (26, 28) 을 각각 복수 갖는 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 를 소정의 공극 (13) 을 개재하여 대향시키고, 그 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 의 일방의 측으로부터 가스를 상기 관통공에 유입시키고, 상기 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 사이에 고주파 전압을 부여함으로써 상기 공극에 플라즈마 방전을 발생시키고, 발생한 플라즈마를 상기 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 의 타방측으로 유출시키는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 생성 장치

본 발명은 플라즈마를 생성하여 소정의 플라즈마 처리를 실시하기 위한 플라즈마 생성 장치에 관한 것이다.

태양광 패널이나 차재용 램프의 제조에는, 프로세스 제어가 비교적 용이하다는 이점에서, 플라즈마 처리법이 클리닝 공정, 성막 공정, 에칭 공정 등에 이용되고 있다. 이와 같은 플라즈마 처리법을 실시하는 플라즈마 처리 장치로는, 플라즈마 화학 기상 성장 (CVD) 장치가 알려져 있으며, 중주파, 고주파, 마이크로파 전력 등에 의해, 원료 가스를 플라즈마화하여 기판 상에 박막이 형성된다.

예를 들어, 플라스틱 재료의 제품의 표면에 보호막을 형성하기 위해서는, 1 마이크로미터 이상의 두께로 하드 코트막을 형성함으로써, 보호막의 경도나 내흠집성을 확보할 수 있고, 그러기 위해서는 성막 레이트를 높일 필요가 있다. 성막 효율을 높이는 한 가지 방법으로서, 홀로 캐소드 방전을 이용한 플라즈마 CVD 장치가 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 1, 2 참조).

일본 공개특허공보 2015-098617호 일본 공개특허공보 2011-204955호

그러나, 홀로 캐소드 방전을 이용한 플라즈마 CVD 장치라 하더라도, 홀로 캐소드 전극과 애노드 전극 사이의 공간에 피성막 기판을 사이에 끼우는 타입의 장치 (예를 들어, 특허문헌 1 의 장치) 에서는, 홀로 캐소드 전극에 중합막이 퇴적되기 쉽고, 파티클 발생 등이 생겨 안정적인 성막을 할 수 없는 등의 문제가 있고, 또, 전극 사이로부터 더욱 그 외측까지 플라즈마가 확산되어 플라즈마 밀도가 저하되고, 가스 분포가 나빠져, 막두께가 불균일하다고 하는 문제도 있다. 또한, 홀로 캐소드 전극 자체가 고온이 되기 쉽고, 피성막 기판이 열가소성 수지재인 경우에는 기판이 변형되는 경우도 있어, 생산성의 저하로 이어진다.

또, 1 쌍의 평판 평행 전극을 사용하는 플라즈마 성막 장치 (예를 들어, 특허문헌 2 의 장치) 라 하더라도, 전극의 일방을 실리콘 재료로 형성하여, 그 전극 자체를 성막의 원료로 하는 방법에서는, 피성막 부품에 비교적 두꺼운 막두께로 성막하려고 한 경우에는, 전극 자체를 빈번하게 교환할 필요가 있어, 현실적으로는 생산 라인에 도입할 수 없다.

그래서, 본 발명은 상기 서술한 과제를 감안하여, 높은 플라즈마 밀도로 플라즈마를 생성할 수 있고, 막을 형성한 경우에는 성막 레이트를 높일 수 있는 플라즈마 생성 장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 서술한 기술적인 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 플라즈마 생성 장치는, 주면 (主面) 사이를 관통하는 관통공을 각각 복수 갖는 1 쌍의 판상 도체부를 소정의 공극을 개재하여 대향시키고, 그 1 쌍의 판상 도체부의 일방의 측으로부터 가스를 상기 관통공에 유입시키고, 상기 1 쌍의 판상 도체부 사이에 고주파 전압을 부여함으로써 상기 공극에 플라즈마 방전을 발생시키고, 발생한 플라즈마를 상기 1 쌍의 판상 도체부의 타방의 측으로 유출시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 플라즈마 생성 장치에 의하면, 상기 1 쌍의 판상 도체부 사이의 공극에서 플라즈마를 발생시키고, 1 쌍의 판상 도체부의 각각을 관통하는 복수의 관통공에 대한 가스 플로에 의해 발생한 플라즈마가 상기 1 쌍의 판상 도체부의 타방의 측으로 유출되는 것과 같은, 플라즈마 발생부와 플라즈마 처리부가 분리되는 구조가 된다. 이 때문에 피성막 부재에 대한 플라즈마나 열에 의한 데미지를 억제할 수 있고, 비교적 낮은 처리 온도로 할 수 있다. 또 본 발명의 플라즈마 생성 장치에 의하면, 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있기 때문에, 생산성을 높일 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 관련된 플라즈마 생성 장치를 일부 파단하여 나타내는 주요부 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 실시형태에 관련된 플라즈마 생성 장치의 개략 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 실시형태에 관련된 플라즈마 생성 장치의 구조를 나타내는 모식도이며, 예비 단계의 도면이다.
도 4 는 본 발명의 실시형태에 관련된 플라즈마 생성 장치의 구조를 나타내는 모식도이며, 플라즈마 생성 단계의 도면이다.
도 5 는 본 발명의 실시형태에 관련된 플라즈마 생성 장치의 구조를 나타내는 모식도이며, 플라즈마 유출 단계의 도면이다.
도 6 은 본 발명의 실시형태에 관련된 플라즈마 생성 장치를 사용한 플라즈마 성막 장치의 일례의 모식도이다.
도 7 은 본 발명의 실시형태에 관련된 플라즈마 생성 장치를 사용한 플라즈마 성막 장치의 다른 일례의 모식도이다.
도 8 은 본 발명의 실시예를 설명하는 도면이다.
도 9 는 본 발명의 실시예를 설명하는 도면이다.
도 10 은 본 발명의 실시예를 설명하는 도면이다.

본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 설명은, 본 발명의 몇 가지 구체예이며, 본 발명은 그 양태에 한정되는 것은 아니다. 또, 본 발명은, 각 도면에 나타내는 각 구성 요소의 배치나 치수 등에 대해서도 한정되는 것은 아니다.

본 실시형태는, 플라즈마 성막 처리를 실시하는 플라즈마 생성 장치 (10) 의 예이며, 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 이 플라즈마 생성 장치 (10) 에는, 지지판 (18) 상에 케이싱 측부 (20) 가 형성되고, 그 케이싱 측부 (20) 에 1 쌍의 평행 평판상의 판상 도체부 (12, 14) 가 유지되는 구조를 가지고 있다. 1 쌍의 평행 평판상의 판상 도체부 (12, 14) 의 일방의 측인 이면측에는, 지지판 (18) 의 표면측에 돌출 형성부 (25) 를 형성하여 그 돌출 형성부 (25) 의 내측에 형성된 오목부 (24) 를 갖고, 이 오목부 (24) 에 면하여 수평 방향을 길이 방향으로 하는 플라즈마 생성 가스 도입관 (16) 이 형성되어 있다. 플라즈마 생성 가스 도입관 (16) 의 중앙부는, 장치 외부로부터 연장되는 플라즈마 생성 가스를 도입하는 가스 공급관 (22) 에 접속되어 있어, 이들 플라즈마 생성 가스 도입관 (16), 가스 공급관 (22) 을 통해 아르곤 등의 플라즈마를 생성하기 위한 가스가 도입된다.

1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 는, 평판상의 알루미늄 등의 금속판 혹은 그 밖의 도체판으로 이루어지고, 표면에는 유전체막을 가지고 있어도 되며, 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 의 플라즈마 가스의 도출측인 표면 (12s) 은, 아크 방전 등을 피하기 위해, 알루미나 용사 혹은 경질 양극 산화 처리에 의해 유전체막이 피복되는 구성으로 할 수 있다. 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 의 각각 양 주면에, 알루미나 용사 혹은 경질 양극 산화 처리를 실시해도 된다. 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 는, 각각 전체 둘레가 케이싱 측부 (20) 에 유지 혹은 밀착되어 있으며, 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 사이의 공극부 (13) 는, 케이싱 측부 (20) 와 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 로 둘러싸인, 판상 도체부 (12, 14) 의 면내 방향에서 등간격의 공간이 된다. 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 의 간격은, 도입하는 가스나 공급하는 전력의 주파수, 나아가서는 전극의 사이즈 등에 따라 바꾸는 것이 가능한데, 예를 들어 3 ㎜ ∼ 12 ㎜, 바람직하게는 3 ㎜ ∼ 9 ㎜, 보다 바람직하게는 3 ∼ 6 ㎜ 정도의 간격이 된다.

평행 평판상의 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 에는, 각각 양 주면의 사이를 관통하는 관통공 (26, 28) 이 복수 형성되어 있다. 가스 유출측에 위치하는 판상 도체부 (12) 는, 주면 내 매트릭스상으로 나열되도록 소정의 간격으로 복수의 관통공 (26) 을 형성하고 있으며, 가스 유입측에 위치하는 판상 도체부 (14) 는, 주면 내 매트릭스상으로 나열되도록 소정의 간격으로 복수의 관통공 (28) 을 형성하고 있다. 판상 도체부 (12) 의 관통공 (26) 과 판상 도체부 (14) 의 관통공 (28) 은, 각각 원통 형상의 구멍이며, 동축상으로 즉 도 1 의 X 방향으로 관통공 (26) 의 중심과 관통공 (28) 의 중심이 맞추어져 배치된다. 판상 도체부 (12) 의 관통공 (26) 은, 가스 유입측의 판상 도체부 (14) 의 관통공 (28) 보다 직경이 작아지고, 따라서, 가스가 X 방향으로 흐르는 경우에는, 판상 도체부 (14) 의 관통공 (28) 보다 유출측의 판상 도체부 (12) 의 관통공 (26) 을 통과할 때에 가속되어, 기세를 더하여 판상 도체부 (12) 의 표면 (12s) 측으로 유출된다. 이와 같이 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 에는, 복수의 관통공 (26, 28) 이 형성되어 홀로 전극 구조가 되고, 이들 복수의 관통공 (26, 28) 을 통해 생성된 플라즈마 가스가 고밀도로 흐르게 된다.

1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 에 형성되는 복수의 관통공 (26, 28) 은, 본 실시형태에서는, 판상 도체부 (12, 14) 의 주면 사이를 관통하는 각각 원통 형상이 되지만, 예를 들어, 사각형상의 구멍이어도 되고, 유출측의 직경을 좁게 하는 테이퍼드 형상으로 할 수도 있다. 또, 복수의 관통공 (26, 28) 은, 본 실시형태에서는, 매트릭스상으로 배열되는 것으로 하고 있지만, 동심원상으로 복수의 원을 그리는 배열이어도 되고, 나아가서는 복수의 관통공 (26, 28) 의 위치는 규칙적이지 않아도 된다. 본 실시형태에서는, 판상 도체부 (12) 에 형성되는 관통공 (26) 은, 각각 서로 동일한 직경을 갖고, 판상 도체부 (14) 에 형성되는 관통공 (28) 도 각각 서로 동일한 직경을 가지고 있다고 설명하지만, 예를 들어, 중심부와 주변부에서 직경의 크기를 단계적으로 바꿀 수도 있다. 또, 복수의 관통공 (26, 28) 의 방향을 X 축에 대해 경사지게 하고, 동심원상으로 나열되는 관통공의 방향을 비스듬하게 맞춤으로써, 플라즈마 가스의 소용돌이를 형성하도록 할 수도 있다.

1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 에는, 냉각부로서 냉각수나 냉각 가스 등의 냉매를 통과시키기 위해 환류시키는 유로 (30, 32) 가 형성되어 있다. 판상 도체부 (12) 의 일방의 표면 근처에 형성되는 유로 (30) 는, 예를 들어 미앤더 형상으로 둘러감겨져 많은 관통공 (26) 의 근방을 통과하여 열을 빼앗도록 기능한다. 판상 도체부 (14) 의 일방의 표면 근처에 형성되는 유로 (32) 도, 마찬가지로 예를 들어 미앤더 형상으로 둘러감겨져 많은 관통공 (28) 의 근방을 통과한다. 유로 (30, 32) 를 통과하는 냉매는, 장치 외부로부터 공급되고, 장치 외부에 배치되는 도시되지 않은 열교환 장치에 의해 재차 냉각되어 유로 (30, 32) 로 되돌아온다. 유로 (30, 32) 사이는 독립되어 있어도 되고 혹은 연속되어 있어도 된다. 본 실시형태에서는, 알루미늄재의 표면에 미앤더 형상으로 홈을 형성하고, 그 홈을 표면으로부터 알루미늄판 등으로 덮개를 덮도록 형성하고 있지만, 측부측으로부터 구멍을 뚫도록 형성할 수도 있다. 또, 본 실시형태에서는, 각 판상 도체부 (12, 14) 의 각각 1 개의 유로 (30, 32) 를 형성하고 있지만, 각각 복수의 유로를 형성해도 된다.

1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 에는, 후술하는 바와 같이 고주파 전압이 가해져, 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 에 형성된 유로 (30, 32) 를 냉매가 흐름으로써, 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 의 온도 상승을 억제할 수 있다. 또, 전술한 플라즈마 생성 가스 도입관 (16) 으로부터 플라즈마 생성용 가스가 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 의 유입측으로부터 도입된다. 전술한 바와 같이, 지지판 (18) 에는 대략 사각형상으로 형성되는 오목부 (24) 가 형성되고, 그 오목부 (24) 는 판상 도체부 (14) 의 이면측에서 모든 관통공 (28) 에 걸친 범위로 넓어진다. 이와 같은 오목부 (24) 와 판상 도체부 (14) 의 이면으로 형성되는 공간에는, 수평 방향을 길이 방향으로 하는 플라즈마 생성 가스 도입관 (16) 이 형성되고, 플라즈마 생성 가스 도입관 (16) 의 길이 방향을 따라 점재하는 복수의 가스공 (34) 으로부터 플라즈마 생성 가스가 오목부 (24) 와 판상 도체부 (14) 의 이면으로 형성되는 공간에 도입된다. 플라즈마 생성 가스 도입관 (16) 은 1 개의 관상 부재이며, 그 길이 방향의 중앙부에서 가스 공급관 (22) 에 T 자 형상으로 연결되는 점에서, 가스 공급관 (22) 으로부터 공급된 가스는, 플라즈마 생성 가스 도입관 (16) 을 지나 오목부 (24) 내에 도입된다. 플라즈마 생성 가스는, 플라즈마에 의해 처리하는 방법에 따라 선택되며, 예를 들어 아르곤이나 아르곤과 산소의 혼합 가스, 산소 혹은 질소의 단독 등이고, 나아가서는 헬륨, 이산화탄소, 아산화질소, 수소, 공기 및 그들의 혼합 가스여도 된다.

케이싱 측부 (20) 는, 지지판 (18) 으로부터 장치 표면측으로 돌출되어 형성되는 부재이며, 판상 도체부 (12) 의 전체 단부 (端部) 를 유지한다. 케이싱 측부 (20) 는, 케이싱 측부 (20) 의 표면부에서는 그 표면 단부와 판상 도체부 (12) 의 이면측이 밀접하여 덮개를 덮도록 장착된다. 케이싱 측부 (20) 는, 돌출 형성부 (25) 의 내측에 형성된 오목부 (24) 와 판상 도체부 (14) 의 이면으로 형성되는 공간, 및 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 사이의 공간을 각각 가스의 플라즈마 생성 가스 도입관 (16) 과 관통공 (26, 28) 이외에서는 기밀해지도록 형성된다. 케이싱 측부 (20) 는, 예를 들어 유리, 세라믹 등의 절연 재료에 의해 형성된다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 케이싱 측부 (20) 에는, 유출측의 판상 도체부 (12) 에 냉매를 공급하는 유로관 (36) 이 배치되어 있고, 유로관 (36) 은 케이싱 측부 (20) 를 X 축 방향으로 관통하여 판상 도체부 (12) 의 이면측으로부터 당해 판상 도체부 (12) 의 내부에 형성된 유로 (30) 에 연통된다. 유로관 (36) 의 타방은, 지지판 (18) 을 관통하여 장치 외부에 연통된다. 특히 지지판 (18) 을 관통할 때에는, 지지판 (18) 에 배치 형성된 절연 재료의 케이싱 측부 (20) 를 관통하기 위해, 지지판 (18) 과 유로관 (36) 은 전기적으로 절연이 유지된다. 판상 도체부 (14) 에는, 케이싱 측부 (20) 의 내측에서 유로관 (38) 이 장착되고, 유로관 (38) 은 지지판 (18) 을 관통하여 장치 외부에 연통된다. 이들 유로관 (36, 38) 에 예를 들어 냉각수 등의 냉매를 통과시킴으로써, 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 의 온도 상승을 억제할 수 있다.

이들 유로관 (36, 38) 은 냉매를 공급하는 관을 이루는데, 각각 도체에 의해 구성되고, 평행 평판형의 판상 도체부 (12, 14) 각각의 전극 취출부로서도 기능한다. 평행 평판형의 판상 도체부 (12, 14) 사이에는, 공극부 (13) 가 개재되는데, 그 공극부 (13) 는 용량의 유전부로서 기능한다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 고주파 전원 (RF) (42) 의 일방의 단부는 접지 (44) 되어 있고, 지지판 (18) 도 접지되어, 지지판 (18) 을 절연물을 개재시키지 않고 관통하는 유로관 (38) 을 개재하여 이면측의 판상 도체부 (14) 도 접지된다. 고주파 전원 (42) 의 타방의 단부는 용량 등을 조작하여 플라즈마와의 정합성을 얻기 위한 매칭 박스 (MB) (40) 를 개재하여 유로관 (36) 에 접속된다. 유로관 (36) 은 전술한 바와 같이 지지판 (18) 과는 절연되어 관통하고, 표면측의 판상 도체부 (12) 와 도통한다. 따라서, 고주파 전원 (42) 을 가동시킨 경우에는, 예를 들어 13.56 ㎒ 등의 소정의 주파수에서 판상 도체부 (12) 의 전위가 플러스와 마이너스로 흔들리게 된다.

지지판 (18) 의 측부에는, 성막용 가스를 유입시키는 포트 (50, 52) 가 장착되어 있으며, 각각 질량 유량계에 유량 제어의 기능을 갖게 한 매스 플로 컨트롤러 (MFC) (46, 48) 를 통해 성막 가스가 공급된다. 성막용 가스의 도입부는, 본 실시형태에서는, 일례로서 지지판 (18) 의 측부가 되지만, 플라즈마 처리를 실시하는 제품 근처의 위치에 성막 가스를 공급하는 기구라면, 다른 구조여도 된다. 플라즈마를 사용한 세정 등에 당해 플라즈마 생성 장치를 사용하는 경우에는, 매스 플로 컨트롤러 (46, 48) 에 의해 성막용 가스의 유입은 중단된다. 성막용 가스는, 예를 들어 메탄, 아세틸렌, 부타디엔, 티타늄테트라이소프로폭시드 (TTIP), 헥사메틸디실록산 (HMDSO), 헥사메틸디실라잔 (HMDS), 테트라메틸실란 (TMS) 등을 선택하여 공급된다.

지지판 (18) 자체는, 예를 들어 플라즈마 성막 장치의 챔버 (56) 에 장착되는 것이며, 포트 (50, 52) 를 통해 도입되는 성막용 가스는 후술하는 바와 같은 플라즈마 성막 장치의 챔버 내에 도입된다. 플라즈마 생성 장치 (10) 를 성막 장치의 챔버에 장착한 경우에는, 챔버 안은 도시되지 않은 진공 배기에 의해, 예를 들어 10 내지 300 ㎩ 정도의 비교적 저진공이 된다. 이와 같은 상태에서 통전에 의해 플라즈마를 발생시키고, 발생한 플라즈마에 의해, 성막이나 세정 등의 플라즈마 처리를 진행할 수 있다.

여기에서, 플라즈마를 높은 밀도로 생성하고, 또한 안정적으로 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성 장치 (10) 의 주요부의 각 치수의 일례에 대하여 설명한다. 먼저, 오목부 (24) 와 판상 도체부 (14) 의 이면 사이에 위치한 용적 (V₁) 의 공간에 대해서는, 그 두께로서 3 ㎜ 내지 20 ㎜, 바람직하게는 5 ㎜ 내지 12 ㎜ 의 두께가 되는 것이 효율을 높이는 데에 유효하다는 실험 결과가 얻어졌고, 판상 도체부 (14) 의 판두께를 t₁ 로 하고, 관통공 (28) 의 직경을 d₁ 로 하고, 관통공의 수를 A 로 하면, d₁ 은 2t₁ 이하이고, 전체 관통공 (28) 의 용적의 총합인 At₁π(d₁)²/4 가 공간 V₁/120 ㎤ 내지 V₁/80 ㎤ 범위의 수치인 것이 바람직하고, 공간 V₁/110 ㎤ 내지 V₁/90 ㎤ 범위의 수치인 것이 보다 바람직하다. 다음으로, 판상 도체부 (12) 와 판상 도체부 (14) 사이의 공극부 (13) 의 용적 (V₂) 에 대해서는, 그 두께로서 2 ㎜ 내지 12 ㎜, 바람직하게는 3 ㎜ 내지 6 ㎜ 의 두께가 되는 것이 효율을 높이는 데에 유효하다는 실험 결과가 얻어졌고, 판상 도체부 (12) 의 판두께를 t₂ 로 하고, 관통공 (26) 의 직경을 d₂ 로 하고, 관통공 (26) 의 수를 A 로 하면, d₂ 는 2t₂ 이하이고, 또한 전체 관통공 (26) 의 용적의 총합인 At₂π(d₂)²/4 가 공간 V₂/120 ㎤ 내지 V₂/80 ㎤ 범위의 수치인 것이 바람직하고, 공간 V₂/110 ㎤ 내지 V₂/90 ㎤ 범위의 수치인 것이 보다 바람직하다. 또한, 관통공 (26) 과 관통공 (28) 은 동축 상에 나란히 배치되고, 각각의 수 A 는 동수로 하고 있다.

도 3 내지 도 5 는 본 실시형태의 플라즈마 생성 장치 (10) 의 동작을 설명하기 위한 모식도이다. 도 3 은 예비 단계를 나타내고 있으며, 그 회로 상은, 1 쌍의 평행 평판형의 판상 도체부 (12, 14) 가 대향 전극이 되도록 구성되고, 고주파 전원 (42) 의 일단은 접지되고, 타단은 스위치 (60) 를 개재하여 판상 도체부 (12) 에 접속된다. 평행 평판형의 판상 도체부 (14) 도 고주파 전원 (42) 의 일단과 마찬가지로 접지된다. 플라즈마 생성 가스 공급 장치 (58) 는, 도시되지 않은 유량 제어부를 개재하여 플라즈마 생성 가스 도입관 (16) 에 접속되어 있다. 이 예비 단계에서, 당해 플라즈마 생성 장치 (10) 는 진공 펌프 등을 작동시켜 예를 들어 10 ∼ 300 ㎩ 정도의 저진공 상태가 되고, 평행 평판형의 판상 도체부 (12) 의 표면측에 비처리 부재 (62) 가 배치된다.

이와 같은 단계에서 도 4 에 나타내는 바와 같이 스위치 (60) 를 닫아 평행 평판형의 판상 도체부 (12, 14) 사이의 공극부 (13) 를 고주파 방전 상태로 하고, 동시에 플라즈마 생성 가스 공급 장치 (58) 로부터 산소와 아르곤의 혼합 가스와 같은 플라즈마 생성 가스를 평행 평판형의 판상 도체부 (12, 14) 사이의 공극부 (13) 에 플라즈마 생성 가스 도입관 (16) 을 통해 도입한다. 그 결과, 판상 도체부 (12, 14) 사이의 공극부 (13) 에는 플라즈마가 생성된다.

판상 도체부 (12, 14) 사이의 공극부 (13) 에서 플라즈마가 생성되는 것과 동시 진행으로, 플라즈마 생성 가스 공급 장치 (58) 로부터 가스는 계속해서 공급되고, 그 결과, 생성된 플라즈마는 판상 도체부 (12, 14) 사이의 공극부 (13) 로부터 판상 도체부 (12) 의 표면측으로 보내진다. 이면측의 판상 도체부 (14) 쪽이 관통공 (28) 의 직경이 크고, 표면측의 판상 도체부 (12) 의 관통공 (26) 쪽이 직경이 작은 점에서, 도 5 에 나타내는 바와 같이 표면측의 판상 도체부 (12) 의 표면으로부터는 비교적 빠른 유속으로 플라즈마 가스가 유출된다. 이 유출된 플라즈마 가스에 성막용 가스를 비처리 부재 (62) 의 근방에서 흘림으로써, 매우 효율이 양호한 성막이 가능해진다. 당해 플라즈마 생성 장치 (10) 가 배치 형성된 챔버 내에서는, 상기 서술한 바와 같이, 종래의 스퍼터링에 비해 높은 압력하에 있고, 이와 같은 압력하에서는, 고에너지인 입자는 아르곤과의 충돌에 의해 그 운동 에너지를 잃는 경향이 있고, 비처리 부재 (62) 의 표면에 형성되는 막은 데미지가 적은 막이 된다. 또, 그 성장 속도도 빠르게 할 수 있다.

또한, 플라즈마 생성 장치 (10) 는 성막용 가스를 흘림으로써, 소정의 성막 처리가 가능하지만, 그 밖의 플라즈마 가스의 응용도 가능하다. 예를 들어, 에칭이나 클리닝, 나아가서는 표면의 산화나 질화 등의 표면 개질 등에도 사용할 수 있다.

전술한 바와 같이, 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 의 내부에는, 냉각부로서 기능하는 유로관 (36, 38) 이 형성되어 있으며, 예를 들어 냉각수 등의 냉매가 유로관 (36, 38) 을 통과하도록 하게 함으로써, 1 쌍의 판상 도체부 (12, 14) 의 온도 상승을 억제할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 플라즈마 생성 장치 (10) 에 의하면, 소요 (所要) 의 성막시에는, 판상 도체부 (12, 14) 측에 막이 형성되는 것을 억제하여, 비처리 부재 (62) 측의 막의 형성 속도를 높일 수 있어, 비교적 짧은 시간에 두꺼운 막두께의 막을 형성할 수 있다.

도 6 은 본 실시형태의 플라즈마 생성 장치를 사용한 플라즈마 성막 장치의 일례의 모식도이다. 이 플라즈마 성막 장치 (80) 는, 전술한 바와 같은 플라즈마 생성 장치 (90, 92) 를 챔버 (82) 에 배치 형성하고, 또한 성막용 스퍼터링 장치 (94) 를 동일 챔버 (82) 에 배치 형성하여 구성된다. 수평 단면이 대략 팔각형인 4 방향의 측벽에는, 플라즈마 생성 장치 (90), 플라즈마 생성 장치 (92), 스퍼터링 장치 (94) 가 나란히 배치 형성되고, 나머지 측벽은 처리용 부재의 도입구가 된다.

플라즈마 생성 장치 (90) 와 플라즈마 생성 장치 (92) 는, 전술한 바와 같이, 1 쌍의 평행 평판형의 판상 도체부 (112, 114) 사이의 공극부, 1 쌍의 평행 평판형의 판상 도체부 (116, 118) 사이의 공극부에 플라즈마를 발생시켜, 도면 중 파선으로 나타내는 지지대 (84) 상의 비처리재 (86) 에 플라즈마 처리를 실시하는 구조를 가지고 있다. 플라즈마 생성 장치 (90, 92) 에는, 각각 선택 스위치 (120, 122) 를 통해 고주파 전원 (124) 으로부터의 고주파 전력이 매칭 박스 (126) 를 통해 선택적으로 공급된다. 스퍼터링 장치 (94) 는, 아르곤 가스가 주위에 공급되고, 직류 전압이 공급되는 타깃 (96) 으로부터의 타깃의 물질이 대치하는 비처리재 (86) 에 피착되는 구조를 가지고 있다.

이 구조의 플라즈마 성막 장치 (80) 는, 챔버 (82) 의 중앙부로부터 3 방향으로 연장되는 아암부 (100) 를 가지고 있으며, 이 아암부 (100) 는 축부 (101) 를 중심으로 회동 (回動) 한다. 3 방향으로 연장되는 아암부 (100) 의 선단에는, 각각 셔터 (102) 가 형성되어 있으며, 이들 아암부 (100) 와 셔터 (102) 에 의해 셔터 기구가 구성된다. 이 셔터 기구에 의해, 아암부 (100) 의 신축에 따라, 이들 플라즈마 생성 장치 (90, 92) 및 스퍼터링 장치 (94) 의 사이가 단속되고, 플라즈마 생성 장치 (90, 92) 및 스퍼터링 장치 (94) 를 선택적으로 챔버 (82) 안과 연속시키는 것이 가능하다.

또한, 플라즈마 성막 장치 (80) 의 챔버 (82) 에는, 소요의 배기 유닛 (88) 이 장착되어 있어, 챔버 (82) 내를 저진공으로 할 수 있다.

플라즈마 성막 장치 (80) 는, 특히 수지재의 표면에 비교적 두꺼운 금속막을 형성하는 경우에, 생산성이 양호하게 가동시킬 수 있다. 즉, 금속 박막을 도금에 의해 수지재 상에 형성할 때에, 플라즈마 생성 장치 (90, 92) 및 스퍼터링 장치 (94) 의 사이를 반시계 방향으로 지지대 (84) 상의 예를 들어 수지 재료로 이루어지는 비처리재 (86) 를 처리한다. 먼저, 플라즈마 생성 장치 (90) 를 플라즈마 세정 장치로서 사용하고, 이 플라즈마 생성 장치 (90) 에 비처리재 (86) 를 대향시킴으로써, 플라즈마에 의해 세정이나 개질이 이루어진다. 다음으로, 아암부 (100) 를 반시계 방향으로 90 도 돌려, 비처리재 (86) 에 소요의 중합 작용으로 얇은 금속 촉매층의 형성이나 관능기를 부여한다. 또한 스퍼터링 장치 (94) 에서는, 스퍼터링을 실시하여 니켈 등의 시드층을 비처리재 (86) 상에 형성한다. 플라즈마 생성 장치 (90, 92) 를 사용하지 않고 스퍼터링도 가능하지만, 스퍼터링 전에 플라즈마 생성 장치 (90, 92) 를 사용하여 플라즈마에 의한 세정이나 개질, 얇은 금속 촉매층의 형성이나 관능기를 부여하면, 후공정에서 형성되는 막의 밀착력이 매우 높아지는 것이 실험에 의해 얻어졌다.

또한, 플라즈마 성막 장치 (80) 는 스퍼터링 장치 (94) 를 삽입한 장치로 하고 있지만, 단수 혹은 복수의 플라즈마 CVD 장치를 삽입하는 것도 가능하고, 스퍼터링 장치 (94) 대신에 증착 장치 등을 삽입하는 것도 가능하다. 또, 플라즈마 생성 장치는 에칭 처리에도 유용하다.

도 7 은 본 실시형태의 플라즈마 생성 장치를 사용한 플라즈마 성막 장치 (128) 의 다른 일례의 모식도이다. 이 플라즈마 성막 장치 (128) 는, 3 개의 챔버 (136, 138, 140) 를 가지고 있으며, 전술한 바와 같은 플라즈마 생성 장치 (130, 132) 를 각각의 챔버 (136, 138) 에 배치 형성하고, 또한 성막용 스퍼터링 장치 (134) 를 또한 이웃하는 챔버 (140) 에 배치 형성하여 구성된다. 맨 처음의 챔버 (136) 에서는, 지지 아암 (142) 의 선단부에 장착된 피처리재 (144) 가 플라즈마 생성 장치 (130) 에 대향하여, 플라즈마 세정이 이루어진다. 이어서 피처리재 (144) 가 지지 아암 (142) 과 함께 이동하여, 그 다음의 챔버 (138) 에서는, 플라즈마 생성 장치 (132) 가 플라즈마 처리를 실시하여, 소요의 중합 작용으로 얇은 금속 촉매층의 형성이나 관능기가 피처리재 (144) 에 부여된다. 3 번째 챔버 (140) 에서는, 스퍼터링을 실시하여 예를 들어 니켈 등의 시드층을 피처리재 (144) 상에 형성한다.

이와 같이 챔버를 독립된 구성으로 하더라도, 본 실시형태의 플라즈마 생성 장치를 사용한 플라즈마 성막 장치 (128) 에 의하면, 플라즈마에 의한 세정이나 개질, 얇은 금속 촉매층의 형성이나 관능기의 부여가 가능하여, 후공정에서 형성되는 막의 밀착력을 매우 높게 할 수 있다. 또, 플라즈마 생성 장치 (130, 132) 를 동일한 챔버 내에 배치 형성하고, 스퍼터링 장치를 다른 챔버로 하는 조합도 가능하다.

또, 상기 서술한 실시형태에 있어서는, 1 쌍의 평행 평판형의 판상 도체부에 공급되는 전력의 전원을 고주파 전원으로서 설명하였지만, 고주파 전원 대신에 교류 전원, 펄스 직류 전원 등이어도 된다.

[실시예 1 : 기재 표면 개질 후 상태 확인]

본 실시형태에 관련된 플라즈마 생성 장치를 사용하여 ABS 기재의 표면 개질을 실시하고, 개질 후 기재 표면을 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 및 SEM (Scanning Electron Microscope) 에 의해 평가하였다.

＜플라즈마 처리 공정＞

장치 챔버 내에 ABS 기재를 설치하고, 당해 챔버 안을 소정 압력까지 감압 후, 산소 가스를 공급하고, 판상 도체부로 이루어지는 대향 전극에 소정의 고주파 전압을 부여하였다. 발생한 플라즈마를 ABS 기재 표면에 조사함으로써 기재 표면의 개질을 실시하였다. 플라즈마 처리 조건을 표 1 에 정리하였다. 또한, 표 1 에 있어서의 T-S 간 거리 (㎜) 는, 전극-기재 사이의 거리를 나타내고 있다.

＜XPS 에 의한 확인＞

표 1 의 처리 1 ∼ 처리 5 에서 나타내는 각 처리를 실시한 ABS 기재 및 미처리의 ABS 기재 표면을 XPS 를 사용하여 분석하고, 광전자 피크 위치의 에너지 시프트(량)으로부터 기재 표면에 있어서의 화학 결합 상태를 관찰하였다. 도 8 은, XPS 분석에 의해 얻어진 처리마다의 기재 표면에 있어서의 화학 결합 상태를 나타내는 그래프이며, 종축은 광전자 강도, 횡축은 결합 에너지를 나타내고 있다. 도 8 로부터도 분명한 바와 같이, 처리 1 ∼ 처리 5 에서 나타내는 각 처리를 실시한 ABS 기재 표면에 있어서, 289 eV 부근의 카르복실기 특유의 광전자 피크가 관찰된 점에서, 본 실시형태에 관련된 플라즈마 생성 장치에 의해 ABS 기재 표면의 개질이 이루어진 것이 확인되었다.

＜SEM 에 의한 확인＞

XPS 측정과 마찬가지로, 표 1 의 처리 1 ∼ 처리 5 에서 나타내는 각 처리를 실시한 ABS 기재 및 미처리의 ABS 기재 표면을 SEM 에 의해 관찰하였다. 도 9 는, SEM 관찰에 의해 얻어진 ABS 기재 표면의 현미경 관찰 이미지이다. 처리 1 ∼ 처리 5 를 실시한 ABS 기재 표면의 관찰 결과로부터, 나노 오더로 ABS 기재 표면이 에칭되어 있는 것이 확인되었다.

[실시예 2 : 기재 표면 개질 후의 밀착성 향상 확인]

본 실시형태에 관련된 플라즈마 생성 장치를 사용하여 ABS 기재 및 PC/ABS 기재의 표면을 개질시키고, 구리 도금 피막을 형성 후, 필 강도 시험을 실시하였다.

＜플라즈마 처리 공정＞

장치 챔버 내에 ABS 기재 또는 PC/ABS 기재를 설치하고, 당해 챔버 내를 소정 압력까지 감압 후, 산소 가스를 일정량 공급하고, 판상 도체부로 이루어지는 대향 전극에 소정의 고주파 전압을 부여하였다. 발생한 플라즈마를 ABS 기재 또는 PC/ABS 기재 표면에 조사함으로써 기재 표면의 개질을 실시하였다. 플라즈마 처리 조건을 표 2 에 정리하였다. 또한, 표 2 에 있어서의 T-S 간 거리 (㎜) 는, 전극-기재 사이의 거리를 나타내고 있다.

＜시드층 성막 공정＞

상기 표면 개질 후의 기재를 스퍼터 장치 챔버 내에 설치하고, 챔버 내를 소정의 압력까지 감압 후, 아르곤 가스를 일정량 공급하고, 구리 타깃에 직류 전압을 부여함으로써, 기재 표면에 두께 약 400 ㎚ 의 구리 시드층을 형성시켰다.

＜전기 도금 공정＞

상기 구리 시드층 형성 후의 기재를 도금용 지그에 장착하고, 구리 애노드와 함께 장식용 황산구리 도금욕에 침지시켰다. 양극을 구리 애노드, 음극을 피도금 기재로 하고, 직류 전압을 부여함으로써, 두께 약 32 ㎛ 의 구리 도금 피막을 형성시켰다.

＜밀착성의 확인＞

상기 3 가지 공정에 의해, ABS 기재 및 PC/ABS 기재에 구리 도금 피막을 형성 후, 인장 시험기 (주식회사 시마즈 제작소 : AGS-H500N) 를 사용하여 90°필 강도 시험을 실시하였다. 표 2 의 우측의 필 강도 시험 결과에 나타나 있는 바와 같이, ABS 기재, PC/ABS 기재의 양 기재 모두 고밀착되어 있는 것이 확인되었다.

[실시예 3 : 내마모성 확인]

본 실시형태에 관련된 플라즈마 생성 장치를 사용하여, SUS304 기재 상에 컬러링 (광학 간섭막 두께 ; 약 300 ㎚) 이 실시된 기재의 표면을 개질시키고, SiOx 막을 형성 후, 내마모성 시험을 실시하였다.

＜플라즈마 처리 공정＞

장치 챔버 내에 상기 기재를 설치하고, 당해 챔버 내를 소정 압력까지 감압 후, 헥사메틸디실란 (HMDS), 산소 가스를 일정량 공급하고, 판상 도체부로 이루어지는 대향 전극에 소정의 고주파 전압을 부여하였다. CVD 에 의해 성막 속도 3 ㎚/sec 로 투명한 SiOx 를 성막하였다. 플라즈마 처리 조건을 표 3 에 정리하였다. 또한, 표 3 에 있어서의 T-S 간 거리 (㎜) 는, 전극-기재 사이의 거리를 나타내고 있다.

＜내마모성의 확인＞

표 3 에 나타나 있는 바와 같이, 상기 처리 공정에 의해 SiOx 막두께가 각각 3 ㎛, 6 ㎛, 9 ㎛ 로 형성된 기재 표면에 대해 모래 지우개 (주식회사 시드 제조 : E-512) 를 1 kgf 의 압력으로 눌러 갖다 대고, 150 회의 왕복 운동을 실시한 결과를 도 10 에 나타냈다. 도 10 에 나타나 있는 바와 같이, 막두께가 3 ㎛ 인 것에서는, 광학 간섭막이 기재 표면 면적에 대해 약 절반 정도 박리되었지만, 막두께를 6 ㎛, 9 ㎛ 로 두껍게 할수록 광학 간섭막의 박리는 적어져, 스크래치 특성이 개선되는 것이 확인되었다.

산업상 이용가능성

상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 생성 장치에 의하면, 플라즈마 발생부와 플라즈마 처리부가 분리되는 구조가 된다. 이 때문에 피성막 부재에 대한 플라즈마의 열에 의한 데미지를 회피하는 용도에 특히 유용하고, 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있기 때문에, 생산성을 높이는 데에 적합하다.

10 : 플라즈마 생성 장치
12 : 판상 도체부
12s : 표면
13 : 공극부
14 : 판상 도체부
16 : 플라즈마 생성 가스 도입관
18 : 지지판
20 : 케이싱 측부
22 : 가스 공급관
24 : 오목부
25 : 돌출 형성부
26, 28 : 관통공
30, 32 : 유로
34 : 가스공
36, 38 : 유로관
40 : 매칭 박스
42 : 고주파 전원
44 : 접지
46, 48 : 매스 플로 컨트롤러
50, 52 : 포트
56 : 챔버
58 : 플라즈마 생성 가스 공급 장치
60 : 스위치
62 : 비처리 부재
80 : 플라즈마 성막 장치
82 : 챔버
84 : 지지대
86 : 비처리재
88 : 배기 유닛
90, 92 : 플라즈마 생성 장치
94 : 스퍼터링 장치
96 : 타깃
100 : 아암부
101 : 축부
102 : 셔터
112, 114, 116, 118 : 판상 도체부
120, 122 : 선택 스위치
124 : 고주파 전원
126 : 매칭 박스
128 : 플라즈마 성막 장치
130, 132 : 플라즈마 생성 장치
134 : 스퍼터링 장치
136, 138, 140 : 챔버
142 : 지지 아암
144 : 피처리재

Claims

주면 사이를 관통하는 관통공을 각각 복수 갖는 1 쌍의 판상 도체부를 소정의 공극을 개재하여 대향시키고, 그 1 쌍의 판상 도체부의 일방의 측으로부터 가스를 상기 관통공에 유입시키고, 상기 1 쌍의 판상 도체부 사이에 고주파 전압을 부여함으로써 상기 공극에 플라즈마 방전을 발생시키고, 발생한 플라즈마를 상기 1 쌍의 판상 도체부의 타방의 측으로 유출시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 1 쌍의 판상 도체부는, 대략 평판상의 주면끼리가 등간격으로 평행하게 대향하여 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 1 쌍의 판상 도체부 사이의 공극은 3 ∼ 12 ㎜ 정도 이간하여 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 1 쌍의 판상 도체부에 형성되는 복수의 관통공은, 상기 1 쌍의 판상 도체부의 일방과 타방에서, 각각의 관통공이 동축이 되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 관통공은 각각 원통 형상이 되고, 상기 1 쌍의 판상 도체부의 가스 유입측의 관통공은, 상기 1 쌍의 판상 도체부의 가스 유출측의 관통공보다 직경이 커지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 1 쌍의 판상 도체부는, 당해 판상 도체부를 냉각시키기 위한 냉각부를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 냉각부는, 상기 1 쌍의 판상 도체부 내에 형성되는, 장치 외부로부터 공급되는 냉매를 환류시키는 유로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 1 쌍의 판상 도체부의 가스 유출측의 면에는, 그 표면을 덮는 유전체막을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체막은 알루미나 용사 혹은 경질 양극 산화 처리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
주면 사이를 관통하는 관통공을 각각 복수 갖고, 소정의 공극을 개재하여 대향되는 1 쌍의 판상 도체부와,
상기 1 쌍의 판상 도체부의 일방의 측으로부터 가스를 상기 관통공에 유입시키는 가스 유입부와,
상기 1 쌍의 판상 도체부 사이에 고주파 전압을 부여하는 고주파 발생부와,
상기 1 쌍의 판상 도체부의 타방의 측으로 유출시킨 플라즈마에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급부를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
제 1 항에 기재된 플라즈마 생성 장치를 챔버에 배치 형성하고, 또한 성막용 스퍼터링 장치를 동일 챔버에 배치 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
적어도 2 개의 챔버를 형성하여, 제 1 항에 기재된 플라즈마 생성 장치를 1 개의 챔버에 배치 형성하고, 또한 성막용 스퍼터링 장치를 다른 챔버에 배치 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
제 1 항에 기재된 플라즈마 생성 장치를 복수 개 챔버에 면하도록 배치 형성하고, 또한 성막용 스퍼터링 장치를 동일 챔버에 면하도록 배치 형성하여, 이들 플라즈마 생성 장치 및 스퍼터링 장치 사이를 단속시키는 셔터 기구에 의해, 복수의 상기 플라즈마 생성 장치 및 상기 스퍼터링 장치를 선택적으로 상기 챔버와 연속시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.