CN1286349C - 等离子体处理装置与等离子体处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体处理装置与等离子体处理方法，能够保持稳定的等离子体放电、实现充分的等离子体处理、降低等离子体温度。该等离子体处理装置包括多个电极，在多个电极之间形成一放电空间，并且一电介质材料设置于至少一个电极的放电空间一侧。一等离子体产生气体提供到放电空间中，且一电压作用于施加在电极之间，以在基本等于大气气压的气压下、在放电空间中产生放电，并且从放电空间提供由放电产生的等离子体。在该等离子体处理装置中，在电极之间施加的电压的波形是无静止期间的交流电压波形。该交流电压波形的上升和下降时间的至少一项为100μs或更短。重复频率在0.5至1000kHz的范围中。在电极之间施加的电场强度在0.5至200kV/cm的范围中。

Description

等离子体处理装置与等离子体处理方法
技术领域
本发明涉及一种等离子体处理装置与一种使用该装置的等离子体处理方法，它们可用于清理待处理物体表面上的杂质比如有机材料、蚀刻或剥离防护材料、改善有机薄膜的粘合、减少金属氧化物、薄膜的形成(filmformation)、用于电镀(plating)或涂覆(coating)的预处理、以及表面处理比如各种材料或部件的表面修正(surface modification)，并且特别优选地应用于对需要精确连接的电子部件进行表面清理。
背景技术
以往，对要处理的物体进行等离子体处理比如表面修正，是通过在一对对置的电极之间限定一放电空间；向该放电空间中提供一等离子体产生气体的同时，在电极之间施加一电压，以在放电空间中产生放电从而获得等离子体；及将来自放电空间的等离子体或等离子体的活性物质(species)喷射到该物体上。
例如，在日本专利早期公开号2001-126898所公开的一种喷射型等离子体处理方法中，在电极之间施加一13.56MHz的高频电压以改善处理性能比如等离子体处理速度，并且通过连接到高频电源的阻抗匹配设备，向电极提供电力。
然而，当上述高频电压施加到电极之间以改善等离子体处理性能时，会出现增加了从放电空间射出的等离子体的温度的问题。这时，由于待处理物体受到由等离子体热量所造成的热损坏，该处理方法不适用于具有不良热防护的薄膜。此外，高频电源和阻抗匹配设备很昂贵。而且，由于需要在反应器或电极附近设置阻抗匹配设备，会降低等离子体处理装置的设计自由度。
因此，已经提出降低施加在电极之间的电压的频率(即启动等离子体的频率)。由此能够降低等离子体温度，并且减少物体的热损坏。此外，由于相对便宜的半导体器件变为电源可用，能够减少电源设备的成本。而且，不需要阻抗匹配(设备)。结果，由于允许延长在电源和电极之间的线缆长度，可增加等离子体处理装置的设计自由度。
然而，仅仅通过降低施加在电极之间的电压的频率，无法获得充分的等离子体处理性能。此外，为了降低等离子体温度，已经提出降低施加到电极的电力。然而，这样就难以保持稳定的放电，并且会有无法获得充分的等离子体处理性能的顾虑。
此外，在“Mechanisms Controlling the Transition from Glow SilentDischarge to Streamer Discharge in Nitrogen(Nicolas Gherardi and FrancoiseMassines，IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE，VOL.29，NO.3，536-544页，2001年6月)”中，报道了用于在氮环境中实现均匀辉光放电的条件，以及频率(大约10kHz或更小)和施加电压之间的关系。
按照本申请发明人的研究，当在喷射型等离子体处理装置中使用上述报道所公开的条件时，等离子体处理性能非常低，因此不适于工业使用。为了改善等离子体处理性能，需要增加施加电压的频率以产生等离子体。
然而，问题是当频率增加到高频区域时，例如13.56MHz，等离子体温度会更高。结果，由于待处理物体受到由等离子体的热量所造成的热损坏，上述等离子体处理装置无法用来对具有不良热防护的薄膜进行等离子体处理。
发明内容
因此，考虑到上述问题，本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置，其具有保持稳定的放电、提供充分的等离子体处理性能、降低等离子体温度等性能，还提供一种等离子体处理方法。
也就是说，本发明的等离子体处理装置用于在一基本等于大气气压的气压下的放电空间中产生一放电，并且用于提供由放电空间的放电产生的等离子体，该放电是这样产生的：排列多个电极以在电极之间限定放电空间，在至少一个电极的放电空间一侧设置一电介质材料，并且在电极之间施加一电压，同时将一等离子体产生气体提供到放电空间中。该装置的特征在于，在电极之间施加的电压的波形是一无静止期间(rest period)的交流电压波形，交流电压波形的上升和下降时间的至少一段为100μs或更短，所述交流电压波形的重复频率在0.5至1000kHz的范围中，并且在电极之间施加的电场强度在0.5至200kV/cm的范围中。
按照本发明，能够保持稳定的放电，并且获得充分的等离子体处理性能。此外，可降低等离子体温度。也就是说，由于等离子体处理是通过利用电介质阻挡放电进行的，就无需使用氦。结果，就能够降低等离子体处理的成本。而且，由于能够输入更大的电力到放电空间以增大等离子体密度，可获得改善的等离子体处理性能。当上升时间为100μs或更短时，可在放电空间中容易地产生均匀的电子流，以在放电空间中改善等离子体密度的均匀度。结果，能够均匀地进行等离子体处理。此外，当交流电压波形的重复频率在0.5至1000kHz的范围中时，能够避免增大等离子体的温度，并且改善电介质阻挡放电的等离子体密度。因此，能够增强等离子体处理性能，同时防止发生待处理物体的损坏和不想要的放电。而且，当在电极之间施加的电场强度在0.5至200kV/cm的范围中时，能够防止出现电弧放电，增大电介质阻挡放电的等离子体密度，并且改善等离子体处理性能，同时防止物体发生损坏。
在上述等离子体处理装置中，优选地，一脉冲状的高电压叠加到施加在电极之间的电压上，该电压具有无静止期间的交流电压波形。这时，通过在放电空间中加速电子，能够产生高能电子。这些高能电子增强等离子体产生的离子化和激励，从而产生高密度的等离子体。结果，能够提高等离子体处理效率。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，该脉冲状的高电压在从该交流电压波形的电压极性发生改变起、过去一段所需时间后叠加。这时，可在放电空间中改变电子的加速状态。因此，通过改变在电极之间施加的脉冲状高电压的定时，能够在放电空间中控制等离子体产生气体的离子化和激励。结果，可容易地获得适于想要的等离子体处理的等离子体。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，该脉冲状的高电压在该交流电压波形的一个周期内的多个时间叠加。这时，可在放电空间中容易地改变电子的加速状态。因此，通过改变在电极之间施加的脉冲状高电压的定时，能够在放电空间中容易地控制等离子体产生气体的离子化或激励，并且更容易地获得适于想要的等离子体处理的等离子体状态。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，该脉冲状的高电压的上升时间为0.1μs或更短。这时，能够在放电空间中仅仅有效地加速电子，并且在放电空间中增强等离子体产生气体的离子化或激励以产生高密度等离子体。结果，可改善等离子体处理效率。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，该脉冲状高电压的脉冲高度值等于或大于该交流电压波形的最大电压值。这时，能够在放电空间中有效地进行等离子体产生气体的离子化或激励，以产生高密度等离子体。结果，可改善等离子体处理效率。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，在电极之间施加的无静止期间的交流电压波形通过叠加具有多种频率的交流电压波形而形成。这时，放电空间中的电子由具有高频分量的电压加速，以产生高能电子。由于通过利用这些高能电子，在放电空间中有效地实现等离子体产生气体的离子化或激励，以产生高密度等离子体，就能够改善等离子体处理效率。
本发明的另一目的在于提供一种等离子体处理装置，该装置包括用以实现上述用途的如下特征。也就是说本发明的等离子体处理装置用于在一基本等于大气气压的气压下、在一放电空间中产生一放电，并且用于提供由放电空间的放电产生的等离子体，该放电是这样产生的：排列多个电极以在电极之间限定放电空间，在至少一个电极的放电空间一侧设置一电介质材料，并且在电极之间施加一电压，同时提供一等离子体产生气体到放电空间中。该装置的特征在于，在电极之间施加的电压的波形为脉冲状波形。
按照本发明，能够保持稳定的放电，并且获得充分的等离子体处理性能。此外，可降低等离子体温度。也就是说，由于等离子体处理是通过利用电介质阻挡放电进行的，就无需使用氦。结果，能够降低等离子体处理的成本。而且，由于能输入更大的电力到放电空间以增大等离子体密度，可获得改善的等离子体处理性能。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，该脉冲状波形的上升时间为100μs或更短。这时，可在放电空间中容易地产生均匀的电子流，从而改善等离子体密度的均匀度。结果，能够均匀地进行等离子体处理。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，该脉冲状波形的下降时间为100μs或更短。这时，在放电空间中容易地产生均匀的电子流，从而改善等离子体密度的均匀性。因此，能够均匀地进行等离子体处理。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，该脉冲状波形的重复频率在0.5至1000kHz的范围中。这时，能够避免增加等离子体温度，并且改善电介质阻挡放电的等离子体密度。因此，能够增强等离子体处理性能，同时防止发生待处理物体的损坏和不希望的放电。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，在该电极之间施加的电场强度在0.5至200kV/cm的范围中。这时，能够避免出现反放电，并且改善电介质阻挡放电的等离子体密度。因此，能够增强等离子体处理性能，同时防止出现待处理物体的损坏。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，该电极设置为，通过在电极之间施加电压，在放电空间中产生的电场基本平行于等离子体产生气体在放电空间中的流向。这时，由于在放电空间中产生的电子流的电流密度增大，能够增大等离子体密度，并且改善等离子体处理性能。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，该电极设置为，通过在电极之间施加电压，在放电空间中产生的一电场基本正交于等离子体产生气体在放电空间中的流向。这时，由于电子流在电极平面均匀地产生，能够改善等离子体处理的均匀性。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，一凸缘部分形成于电极之间，在该凸缘部分中，允许贮留一部分提供到放电空间中的等离子体产生气体。这时，对置电极之间的所有空间用作放电空间，可防止在反应器外部和电极之间发生反放电，从而有效地使用施加于电极之间的电力以产生放电。因此，能够有效地产生稳定的等离子体。此外，由于放电是在对置电极之间产生的，放电启动电压在凸缘部分变得很低。因此，能够可靠地进行等离子体点火。而且，由于在凸缘部分产生的等离子体附加到在放电空间产生的等离子体中，可获得改善的等离子体处理性能。
本发明的另一目的在于提供一种等离子体处理装置，该装置包括用以实现上述用途的下述特征。也就是说，本发明的等离子体处理装置具有一反应器和至少一对电极，该反应器具有一作为一出口的打开端。通过在电极之间施加一电压，同时将一等离子体产生气体提供到反应器中，该装置在一基本等于大气气压的气压下、在所述反应器中产生一等离子体，并且从反应器的出***出等离子体。在该等离子体处理装置中，其特征在于，该电极设置有一凸缘部分，该凸缘部分形成于电极之间和反应器外部，从而通过在电极之间施加电压，在一放电空间中产生的一电场基本平行于等离子体产生气体在放电空间中的流向。
按照本发明，能够稳定地保持放电，并且获得充分的等离子体处理性能。此外，可降低等离子体温度。也就是说，由于等离子体处理是通过利用电介质阻挡放电进行的，就无需使用氦。结果，能够降低等离子体处理的成本。此外，能够增大输入到放电空间的电力，以获得更大的等离子体密度。结果，可改善等离子体处理性能。而且，由于可防止在电极之间和反应器外部发生电介质击穿，能够在反应器中的放电空间稳定地启动和保持等离子体，并且同时防止增大等离子体温度的问题。结果，可靠地实现等离子体处理。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，在电极之间施加的电压的波形为一脉冲状波形或一无静止期间的交流电压波形。这时，能够稳定地保持放电，并且获得充分的等离子体处理性能。此外，可降低等离子体温度。也就是说，由于等离子体处理是通过利用电介质阻挡放电进行的，就无需使用氦。结果，能够降低等离子体处理的成本。此外，能够增大输入到放电空间的电力，并且获得更高的等离子体密度。结果，可改善等离子体处理性能。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，该脉冲状波形或该无静止期间的交流电压波形的上升时间为100μs或更短。这时，由于在放电空间中容易地产生均匀的电子流，可改善在放电空间中等离子体密度的均匀性。因此，能够均匀地进行等离子体处理。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，该脉冲状波形或该无静止期间的交流电压波形的下降时间为100μs或更短。这时，由于在放电空间中容易地产生均匀的电子流，可改善在放电空间中等离子体密度的均匀性。因此，能够均匀地进行等离子体处理。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，该脉冲状波形或该无静止期间的交流电压波形的重复频率在0.5至1000kHz的范围中。这时，能够避免增大等离子体温度的问题，并且增大了电介质阻挡放电的等离子体密度。因此，能够防止物体的损坏和不希望的放电，并且改善等离子体处理性能。
在上述的等离子体处理装置中，优选地，在电极之间施加的一电场强度在0.5至200kV/cm的范围中。这时，能够防止发生反放电，并且增大电介质阻挡放电的等离子体密度。结果，能够防止损坏物体，并且改善等离子体处理性能。
在上述等离子体处理装置中，优选地，该放电空间局部变窄。这时，能够防止这样的情况，即产生的电子流绕着反应器的内表面流动，在晃动时会有喷射状的等离子体从出***出。结果，能够降低等离子体处理的不稳定性。
在上述等离子体处理装置中，优选地，一填充材料提供于电极和凸缘部分之间，从而电极通过填充材料连接到凸缘部分。这时，能够通过完全封闭电极和凸缘部分之间的空隙，防止发生电晕放电。此外，由于防止了电极的腐蚀，可实现电极更长的工作寿命。
在上述等离子体处理装置中，优选地，该电压作用为使得两个电极相对于接地电势均处于浮动状态。这时，由于可降低等离子体相对于地的电压，能够防止在等离子体和待处理物体之间发生电介质击穿。也就是说，通过防止从等离子体向物体发生反放电，能够防止反放电造成物体损坏的情况。
在上述等离子体处理装置中，优选地，该等离子体产生气体包括稀有气体、氮、氧、空气、氢或其混合气体。这时，能够通过使用稀有气体或氮的等离子体产生气体进行物体表面的修正，通过使用氧的等离子体产生气体去除有机材料，通过使用空气的等离子体产生气体进行表面修正和有机材料的去除，通过使用氢的等离子体产生气体减少金属氧化物，通过使用稀有气体和氧的混合气体的等离子体产生气体进行表面修正和有机材料的去除，并且通过使用稀有气体和氢的混合气体的等离子体产生气体减少金属氧化物。
在上述等离子体处理装置中，优选地，该等离子体产生气体是通过将CF4、SF6、NF3或其混合物与稀有气体、氮、氧、空气、氢或其混合物以2％至40％的体积比混合而获得的混合气体。这时，能够有效地进行物体表面上的有机材料的清理，抗蚀膜的剥离，有机薄膜的蚀刻，LCD或玻璃片的表面清理，硅或抗蚀蚀刻，以及灰化。
在上述等离子体处理装置中，优选地，该等离子体产生气体是通过混合氧气而获得的混合气体，从而氧气和氮气的体积比为1％或更小。这时，能够有效地进行清理物体表面上的有机材料，剥离抗蚀膜，蚀刻有机薄膜，以及表面清理LCD或玻璃片。
在上述等离子体处理装置中，优选地，该等离子体产生气体是通过混合空气而获得的混合气体，从而空气和氮气的体积比为4％或更小。这时，能够有效地进行清理物体表面上的有机材料，剥离抗蚀膜，蚀刻有机薄膜，以及表面清理LCD或玻璃片。
在上述等离子体处理装置中，优选地，该等离子体产生气体提供到放电空间中，从而在非放电状态下从该出口提供的等离子体产生气体的流速在2米/秒至100米/秒的范围中。这时，能够获得很好的等离子体处理效果，而不会发生不寻常的放电或修正效果的下降。
此外，本发明的另一目的在于提供一种利用上述等离子体处理装置的等离子体处理方法。按照本发明的等离子体处理方法，能够获得充分的等离子体处理性能，同时保持稳定的放电，并且也降低等离子体温度。
从下述的发明和实例的详细说明中，可理解本发明的进一步特征及其由此带来的效果。
附图说明
图1是表示本发明实施例的透视图；
图2A和2B是表示用于实现电介质阻挡放电(dielectric barrier discharge)的电极和电介质材料的排列的截面图；
图3是表示电介质阻挡放电的产生状态的截面图；
图4是表示施加电压和间隙电流在电介质阻挡放电的产生状态下随时间变化的图；
图5是表示电介质阻挡放电的等效电路的电路图；
图6是表示电源电压、放电空间(放电间隙部分)的等效电容Cg和等离子体阻抗Rp在电介质阻挡放电的产生状态下随时间变化的图；
图7A和7B是表示使电源极性反相的状态的截面图；
图8A，8B，8C和8D是本发明所使用的交流电压波形的说明图；
图9A，9B，9C，9D和9E是本发明所使用的交流电压波形的说明图；
图10A和10B是通过在具有本发明所使用的交流电压波形的电压上叠加脉冲状的高电压而获得的每个波形的说明图；
图11A，11B，11C，11D和11E是本发明所使用的脉冲状波形的说明图；
图12是本发明用于限定上升和下降时间的说明图；
图13A，13B和13C是本发明用于限定重复频率的说明图；
图14A和14B是本发明用于限定电场强度的说明图；
图15是本发明另一实施例的透视图；
图16是本发明另一实施例的透视图；
图17是本发明另一实施例的截面图；
图18是本发明另一实施例的透视图；
图19A和19B是本发明另一实施例的正视图和平面图；
图20是本发明另一实施例的正视图；
图21是本发明另一实施例的透视图；
图22是本发明另一实施例的透视图；
图23是本发明另一实施例的透视图；
图24是本发明另一实施例的截面图；
图25是本发明另一实施例的透视图；
图26是本发明另一实施例的局部截面图；
图27是本发明另一实施例的局部截面图；
图28是本发明另一实施例的截面图；
图29是表示本发明实施例1中所用电源的电路图；
图30是表示图29H桥(H-bridge)开关电路的电路图；
图31是说明图30中所示半桥开关电路的操作的时序图；
图32是说明图29中所示电源的操作的时序图；
图33是本发明另一实施例的局部截面图；
图34是本发明另一实施例的局部截面图；
图35是本发明另一实施例的局部截面图；
图36A和36B是表示图1中产生的电子流的说明图；
图37是本发明另一实施例的局部截面图；
图38是本发明另一实施例的局部截面图；
图39是本发明另一实施例的局部截面图。
具体实施方式
按照优选实施例，详细说明本发明。
本发明的等离子体处理装置如图1中所示。该装置具有反应器10(reaction vessel)和多个(对)电极1、2。
反应器10由具有高熔点的电介质材料(绝缘材料)形成，比如石英玻璃等玻璃材料或者氧化铝、氧化钇或氧化锆等陶瓷材料。然而，并不限于这些材料。此外，反应器10是上、下线性延伸充分长度的圆柱形。反应器10的内部空间用作气流通道20。气流通道20的上端用作在反应器10的整个顶面上打开的气体入口11。气流通道20的下端用作在反应器10的整个底面上打开的气流出口12。例如，反应器10的内径可为0.1至10毫米。当内径小于0.1毫米时，等离子体产生区域变得过窄，导致等离子体无法有效地产生。另一方面，当内径大于10毫米时，因为气流速度在等离子体产生区域变慢，就需要大量气体用以有效地产生等离子体。结果，在工业规模上的整体效率会降低。按照发明人的研究，内径优选为0.2至2毫米的范围，以通过使用最少量的等离子体产生气体，有效地产生等离子体。此外，当使用很宽的反应器10时，如图21和25中所示，较窄的一侧(厚度方向)对应于内径，其可在0.1至10毫米的范围，优选为0.2至2毫米。
电极1、2形成为环状，并由导电的金属材料比如铜、铝、黄铜、具有腐蚀防护的不锈钢(如SUS304)、钛、13％铬钢或SUS410等形成。此外，冷却水循环通道可在电极1、2的内部形成。通过在循环通道中循环冷却水，可以冷却电极1、2。而且，比如镀金的镀膜可形成于电极1、2(外)表面上，用于防止腐蚀。
电极1、2位于反应器10外部，从而电极的内圆周表面在其整个圆周上接触反应器的外圆周表面。此外，电极1、2设置为在纵向方向即反应器10的上、下方向上彼此相对。在反应器10中，上电极1的顶端和下电极2的底端之间的区域定义为放电空间3。也就是说，气流通道20位于上电极1的顶端和下电极2的底端之间的一部分定义为放电空间3。因此，由电介质材料4制成的反应器10的侧壁设置于电极1、2的放电空间一侧。放电空间3与气体入口11和出口12连通。等离子体产生气体在气流通道20中从气体入口11流向出口12。因此，电极1、2在与等离子体产生气体在气流通道20中的流向基本平行的方向上并排排列。
用于产生电压的电源13连接到电极1、2。上电极1形成为高电压电极，下电极2形成为低电压电极。当下电极2连接于地时，下电极2形成为地电极。电极1、2之间的距离优选为3至20毫米的范围以稳定地产生等离子体。通过从该电源13向电极1、2之间施加电压，交流或脉冲状电场可通过电极1、2施加到放电空间3。交流(交流电)电场具有无或几乎无静止期间(电压为零的静止状态的时间周期)的电场波形(如正弦波形)。脉冲状电场具有含静止期间的电场波形。
通过使用上述等离子体处理装置，可如下进行等离子体处理。等离子体产生气体从气体入口11提供到反应器10中，在气流通道20中从上至下流动，从而将等离子体产生气体提供给放电空间3。另一方面，在电极1、2之间施加电压，从而在基本等于大气气压(93.3至106.7kPa(700至800托))的气压下、在放电空间3中产生放电。通过这样的放电，提供到放电空间3中的等离子体产生气体变成包括活性物质的等离子体5。等离子体5经由出口12从放电空间3向下连续提供，并以喷射状方式喷射到位于出口12下方的待处理物体上。这样，可对该物体进行等离子体处理。
在该物体和反应器10整个底面上打开的出口12之间的距离，按照气流量和等离子体产生密度可调整。例如，该距离可设置在1至20毫米的范围中。当该距离小于1毫米时，会有因为在传递或扭曲或弄弯该物体时物体的上下振动，造成该物体接触反应器10的顾虑。当该距离大于20毫米时，等离子体处理效果会降低。按照本申请发明人的研究，该距离优选为2至10毫米的范围，以便以最小的气流量、有效地产生等离子体。
在本发明中，在放电空间3中实现的放电是电介质阻挡放电。下面说明电介质阻挡放电的基本特征(参考资料：Author Izumi Hayashi“High VoltagePlasma Technology”第35页，MARUZEN有限公司)。电介质阻挡放电是一种按照如下方式在放电空间3中获得的放电现象：将一对电极1、2置于对置的位置以在电极1、2之间限定放电空间3；在放电空间3的一侧、各个电极1和2的表面上形成(固体)电介质材料4，如图2A所示，或者在放电空间3的一侧、在电极1(或另一电极2)之一的表面上形成电介质材料4，如图2B所示，以防止在电极1、2之间出现直接放电；以及在这种条件下通过电源13在电极之间施加交流电压。这样，当在放电空间3填充有近似1个大气气压气体的状态下，在电极之间施加交流高电压时，无限数量的极强光线在与放电空间3中的电场平行的方向上均匀地出现，如图3所示。这些光线由电子流9引起。因为电极被电介质材料4覆盖，电子流9的电荷无法流入电极1、2中。因此，放电空间3中的电荷存储在电极表面上的电介质材料4中(称为壁电荷(wall charges))。
在图7A的状态中，由壁电荷造成的电场与电源13所提供的交流电场反向。因此，当壁电荷增加时，放电空间3的电场随之减少，从而电介质阻挡放电终止。然而，在电源13的下一交流电压的半循环(图7B的状态)中，由于壁电荷造成的电场与电源13所提供的交流电场的方向一致，容易产生电介质阻挡放电。也就是说，一旦电介质阻挡放电开始，就能够在相对低的电压下连续保持下去。
在电介质阻挡放电中产生的无限数量的电子流仅仅是放电空间3中产生的电介质阻挡放电。因此，产生的电子流的数量和在每束电子流中流入的电流值会影响等离子体密度。电介质阻挡放电的电流-电压特性实例如图4中所示。从该电流-电压特性中可明显看出，电介质阻挡放电中的电流波形(间隙电流的波形)等同于通过在正弦电流波形上叠加刺状(spike-like)电流而获得的波形。当产生电子流9时，刺状电流是在放电空间3中流动的电流。在图4中，标号①和②分别代表施加电压的波形和间隙电流的波形。
电介质阻挡放电的等效电路如图5中所示。该图中的各个符号具有如下含义。
Cd：电极1、2上的电介质材料4的电容
Cg：放电空间3(放电间隙部分)的等效电容
Rp：等离子体阻抗
放电空间3中产生的无限数量的电子流9是指，当进行如图所示的开关S的开-关操作时，电流在Rp中流动。如前所述，等离子体密度受产生的电子流9的数量和各电子流9所流的电流值影响。从等效电路的方面来看，它由开-关操作的频率、开周期以及开关S在开周期内的电流值来限定。
按照该等效电路，简要说明电介质阻挡放电的行为(behavior)。图6表示由电源13施加的电压波形与Cg和Rp的电流波形的模式图。由于Cg中流动的电流是放电空间3的等效电容的充电和放电电流，因此它并不是确定等离子体密度的电流。相反地，在开关S打开瞬间流入Rp中的电流仅仅是电子流9的电流。当该电流的持续时间和电流值增大时，等离子体密度会变得更高。
如上所述，当壁电荷增加，从而放电空间3的电场降低时，电介质阻挡放电会终止。因此，电介质阻挡放电在某个区域(图6的区域A1)无法产生，在该区域施加到电极1、2的电压超过最大值，然后下降，或者电介质阻挡放电在某个区域(图6的区域A2)无法产生，在该区域施加到电极1、2的电压超出最小值，然后上升，并且只有电容的充电和放电电流流动，直到电源13所施加的交流电压的极性反相为止。因此，通过减少区域A1的期间或区域A2的期间，可缩短电介质阻挡放电的终止期间，以增大等离子体密度。结果，就能够改善等离子体处理性能(效率)。
可使用单独的稀有气体、氮、氧、空气或氢或者其混合物作为等离子体产生气体。对于空气，优选地使用没有或几乎没有湿气的干燥后的空气。在本发明中，当使用并非辉光放电的电介质阻挡放电时，不需要使用专门的气体比如稀有气体。因此，可以降低等离子体处理成本。此外，为了稳定地产生电介质阻挡放电，优选使用氦以外的稀有气体，或氦以外的稀有气体和活性(reactive)气体的混合气体，作为等离子体产生气体。可以使用氩、氖或氪作为稀有气体。考虑到放电的稳定性和经济效率，优选使用氩。因此，当在本发明中使用并非辉光放电的电介质阻挡放电时，无需使用氦。因此，可降低等离子体处理成本。活性气体的种类可按照处理目的随意地选择。例如，在清理物体表面上的有机材料、剥离抗蚀膜、蚀刻有机薄膜、表面清理LCD或玻璃片的情况下，优选使用氧化气体比如氧气、空气、CO2或N2O。此外，可以使用含氟气体比如CF4、SF6或NF3作为活性气体。当进行灰化或蚀刻硅或抗蚀涂层时，使用含氟气体很有效。而且，在减少金属氧化物的情况下，能够使用还原气体比如氢或氨。
优选地，活性气体的添加量相对于稀有气体的总量为10vol％或更小，并且优选在0.1至5vol％的范围中。当活性气体的添加量小于0.1vol％时，处理效果会降低。当添加量大于10vol％，阻挡放电会变得不稳定。
对于等离子体产生气体，当使用通过单独将含氟气体比如CF4、SF6、NF3或将它们的混合物与单独的稀有气体、氮、氧气、空气、氢或它们的混合物混合而获得的混合气体时，含氟气体与等离子体产生气体总量的体积比优选为2至40％。当体积比小于2％时，将获得不充分的处理效果。当体积比大于40％时，放电变得不稳定。
在使用氮和氧的混合物作为等离子体产生气体的情况下，优选地按照0.005％至1％的体积比混合氧与氮。在使用空气和氮的混合气体作为等离子体产生气体的情况下，优选地按照0.02％至4％的体积比混合空气和氮。在这些情况下，能够有效地进行：清理物体表面上的有机材料、剥离抗蚀膜、蚀刻有机薄膜、表面清理LCD以及玻璃片。
当混合两种或两种以上的气体以产生等离子体5时，这些气体可以在提供到放电空间3中之前预先混合。可选地，在由一种或一种以上的气体产生等离子体之后，可将另一气体混合到从出口12射出的等离子体5。
在本发明中，可使用无静止期间的交流电压波形作为施加到电极1、2之间的电压的波形。例如，本发明中使用的无静止期间的交流电压波形随时间变化，如图8A至8D、图9A至9E所示(水平轴为时间(t))。图8A表示正弦波形。在图8B中，由幅度表示的快速电压变化在较短的上升时间(使电压从零点交叉到达最大值所需的时间段)内发生，然后缓慢的电压变化在比该上升时间要长的较长下降时间(使电压从最大值到达零点交叉所需的时间段)内发生。在图8C中，迅速的电压变化在较短的下降时间内发生，缓慢的电压变化在比该下降时间要长的较长上升时间内发生。图8D表示通过连续反复重复单元循环而获得的振荡波形，在该振荡波形中，振荡波在常数周期(constant period)内衰减或放大。图9A示出了矩形波形。在图9B中，迅速的电压变化在较短的下降时间内发生，缓慢的电压变化在比该下降时间要长的较长上升时间内以步进(stepwise)方式发生。在图9C中，迅速的电压变化在较短的上升时间内发生，然后缓慢的电压变化在比该上升时间要长的较长下降时间内以步进方式发生。图9D表示调幅波形。图9E表示衰减的振荡波形。
交流电压波形的上升和下降时间的至少一项，优选两项，可以为100μs或更短。当上升和下降时间都大于100μs时，放电空间3中的等离子体密度不会增加，导致等离子体处理性能降低。此外，会变得难以均匀地产生电子流。结果，就不能均匀地进行等离子体处理。优选为最小化上升和下降时间。因此，并不具体地限定下限。然而，考虑到具有最短上升和下降时间的常规电源，下限可近似为40纳秒。借助于未来的技术发展，如果能进一步缩短上升和下降时间，优选使用短于40纳秒的上升和下降时间。上升和下降时间优选为20μs或更短，特别是5μs或更短。
此外，如图10A所示，具有交流电压波形的电压可施加到电极1、2之间，其中在该电压上叠加有脉冲状的高电压，该电压波形无静止期间。通过将脉冲状的高电压叠加到交流电压波形的电压上，电子在放电空间3中被加速以产生高能电子。通过高能电子在放电空间3中有效地离子化或激励等离子体产生气体，以获得高密度的等离子体。结果，可改善等离子体处理效率。
这样，在将脉冲状的高电压叠加到交流电压波形的电压的情况下，优选地，在从交流电压波形的电压极性发生变化起、过去一段所需的时间段之后叠加该脉冲状的高电压，并且改变待叠加的脉冲状高电压的施加时间。由此，能够在放电空间3中改变电子的加速状态。因此，通过改变在电极1、2之间施加脉冲状高电压的定时，能够在放电空间3中控制等离子体产生气体的离子化或激励状态，并且容易产生适用于想要的等离子体处理的等离子体状态。
此外，如图10B所示，可以在交流电压波形的一个周期内的多个时间叠加脉冲状的高电压。这时，与图10A的情况相比而言，能够在放电空间3中更容易地改变电子的加速状态。因此，通过改变在电极1、2之间施加脉冲状高电压的定时，就能够在放电空间3中控制等离子体产生气体的离子化或激励状态，并且容易地产生适用于想要的等离子体处理的等离子体状态。
此外，待叠加的脉冲状高电压的上升时间优选为0.1μs或更短。当脉冲状高电压的上升时间大于0.1μs时，放电空间3中的离子会跟随脉冲状电压而移动，导致难以有效地仅仅加速电子。因此，通过使用脉冲状高电压的0.1μs或更短的上升时间，能够在放电空间3中有效地离子化或激励等离子体产生气体，并且产生高密度等离子体。结果，可改善等离子体处理效率。待叠加的脉冲状高电压的下降时间也优选为0.1μs或更短。
此外，脉冲状高电压的脉冲高度值优选为等于或大于交流电压波形的最大电压值。当脉冲高度值小于交流电压波形的最大电压值时，由叠加脉冲状的高电压所带来的效果会降低，导致等离子体状态会变得与未叠加脉冲状高电压的情况相同。因此，当脉冲状高电压的脉冲高度值等于或大于交流电压波形的最大电压值时，可在放电空间3中有效地离子化或激励等离子体产生气体，以产生高密度的等离子体。结果，可改善等离子体处理效率。
此外，在电极1、2之间作用的、无静止期间的交流电压波形优选地通过叠加具有多种频率的交流电压波形来形成，如图8A至8D和图9A至9E所示。这时，放电空间3中的电子由含有一个或多个高频分量的一个或多个电压加速以产生高能电子。因此，可通过高能电子、在放电空间3中有效地离子化或激励等离子体产生气体，以获得高密度的等离子体。结果，可改善等离子体处理效率。
在电极1、2之间施加的、具有无静止期间的交流电压波形的电压的重复频率优选在0.5至1000kHz的范围中。当该重复频率低于0.5kHz时，在单位时间内产生的电子流9的数量会减少，从而降低电介质阻挡放电的等离子体密度。结果，等离子体处理性能(效率)会降低。另一方面，当重复频率高于1000kHz时，在单位时间内产生的电子流9的数量会增加，从而改善等离子体密度。然而，会有容易出现反放电(arc discharge)，并且等离子体温度会上升的顾虑。
此外，虽然按照电极1、2之间的距离(间隙长度)、等离子体产生气体的种类以及将由等离子体处理的物体的种类，可改变在电极1、2之间施加的、无静止期间的交流电压波形的电场强度，但是该电场强度优选为0.5至200kV/cm的范围。当电场强度小于0.5kV/cm时，电介质阻挡放电的等离子体密度会减少，导致等离子体处理性能(效率)会降低。另一方面，当电场强度大于200kV/cm时，会有容易产生反放电，对物体造成损坏的顾虑。
在本发明的等离子体处理装置中，由于等离子体处理是这样进行的，从电介质阻挡放电中产生大量电子流9的等离子体5，并且将等离子体5喷射到物体表面，因此就无需使用以往在辉光放电中使用的氦，并且可减少等离子体处理成本。此外，由于使用电介质阻挡放电代替了辉光放电，可将更大的电力输入到放电空间3以增大等离子体密度。结果，改善了等离子体处理性能。也就是说，在辉光放电中，电流以每半个电压周期仅一个电流脉冲的速度流动。另一方面，在电介质阻挡放电中，大量电流脉冲以对应于电子流9的形式出现。因此，能够增大电介质阻挡放电中的输入电力。在以往的使用辉光放电的等离子体处理装置中，在放电空间3中输入的最大电力值近似为2W/cm2。然而，在本发明中，高至5W/cm2的电力可提供于放电空间3中。此外，由于交流电压波形的上升和下降时间的至少一项为100μs或更短，就能够增大在放电空间3中的等离子体密度，并且改善等离子体处理性能。而且，在放电空间3中更容易均匀地产生等离子体流9。因此，可在放电空间3中改善等离子体密度的均匀性。结果，能够均匀地进行等离子体处理。
此外，在电极1、2之间施加的电压的波形可为脉冲状波形。如图11A所示的脉冲状波形是通过在如图9A中所示的波形中、每半个周期(半个波长)给出一静止期间而获得的。如图11B所示的脉冲状波形是通过在如图9A中所示的波形中、每一个周期(一个波长)给出一静止期间而获得的。如图11C所示的脉冲状波形是通过在如图8A所示的波形中、每一个周期(一个波长)给出一静止期间而获得的。如图11D所示的脉冲状波形是通过在如图8A中所示的波形中、每多个周期给出一静止期间而获得的。如图11E所示的脉冲状波形是通过在如图8D中所示的波形中、每一个重复单元周期给出一静止期间而获得的。
在使用该脉冲状波形的电压的情况下，基于与上述相同的理由，上升和下降时间的至少一项优选为100μs或更短。此外，重复频率优选在0.5至1000kHz的范围，并且电场强度也优选在0.5至200kV/cm的范围中。该实施例可提供与使用无静止期间的交流电压波形的情况基本相同的效果。
在本发明中，如图12所示，上升时间定义为使电压从电压波形的零交叉到达最大值所需的时间段t1，下降时间定义为使电压从电压波形的最大值到达零交叉所需的时间段t2。此外，如图13A、图13B、图13C所示，本发明中的重复频率定义为重复单元周期所需的时间周期t3的倒数。在本发明中，如图14A和图14B所示，电场强度定义为(电极1、2之间施加的电压“V”)/(电极之间的距离“d”)。在图14A中，电极1、2在上、下方向上设置为彼此相对。在图14B中，电极1、2在水平方向上设置为彼此相对，稍后描述。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图15所示。该装置与图1的装置基本相同，不同的是它在图1的装置中、反应器10的下端形成锥形的喷嘴(nozzle)部分14。喷嘴部分14这样形成，它的内、外径朝着下端逐渐减小。出口12在喷嘴部分14下端的整个表面上打开。反应器10的喷嘴部分14位于下电极2下方。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。
由于图15的等离子体处理装置具有喷嘴部分14，与图1的装置相比而言，从出口12射出的等离子体5的流速变得更快。结果，能够进一步改善等离子体处理性能。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图16所示。该装置与图1的装置基本相同，不同的是它在图1的装置中的电极1、2之间形成由电介质材料4制成的凸缘(flange)部分6。凸缘部分6形成为在反应器10的整个外圆周上延伸。此外，凸缘部分6与反应器10形成为一体，从而从反应器的管状部分的外表面凸出到导电极1、2之间的空间中。如图17所示，凸缘部分6的大部分顶面接触上电极1的整个底面，凸缘部分6的大部分底面接触下电极2的整个顶面。与由气流通道20的一部分提供的放电空间3连通的凸缘部分6的内部空间定义为贮留区域15。提供到放电空间3中的一部分等离子体产生气体可暂时保存在该贮留区域15中。通过在电极1、2之间施加电压，在电极1、2之间的贮留区域15中产生放电，以产生等离子体5。也就是说，贮留区域15包括在放电空间3中。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。
由于图16的等离子体处理装置具有凸缘部分6，与图1的装置相比而言，对置电极1、2之间的所有空间基本上成为放电空间(贮留区域15)。因此，可防止在反应器10外部和电极1、2之间出现反放电。结果，由于电极之间施加的电力有效地用于放电，就能够产生稳定的等离子体。此外，由于在贮留区域15中获得对置电极1、2之间的放电，就能够降低放电启动电压，并且可靠地实现等离子体的离子化。而且，将贮留区域15中产生的等离子体5添加到在作为气流通道20一部分的放电空间3中产生的等离子体5，并且合成的等离子体从出口12射出。结果，就能够总体上进一步改善等离子体处理性能。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图18中所示。与图16或17的情况相同，该装置与图15的装置基本相同，不同的是它在图15的装置中形成凸缘部分6。如图18所示的凸缘部分6提供与上述相同的效果。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图19A和19B所示。该装置与图1的装置基本相同，不同的是它改变了图1的装置中电极1、2的形状和排列。每个电极1、2形成为在上、下方向(平行于等离子体产生气体的流向)上纵向延伸，从而外、内***表面变得弯曲。电极1、2设置在反应器10外部，从而各电极的内部弯曲表面接触反应器10的外部***表面，并且电极1、2穿过反应器10在基本水平的方向上彼此相对。反应器10在电极1、2之间的内部空间定义为放电空间3。也就是说，气流通道20位于电极1、2之间的一部分用作放电空间3。因此，电介质材料4的反应器10的侧壁位于电极1、2的放电空间一侧。放电空间3连通气体入口11和出口12。等离子体产生气体在气流通道20中从气体入口11流向出口12。因此，电极1、2在一方向上并排排列，该方向基本正交于等离子体产生气体在气流通道20中的流向。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图20中所示。该装置与图15的装置基本相同，不同的是它改变了图15的装置中电极1、2的形状和排列。电极1形成为一在上、下方向(平行于等离子体产生气体的流向)上延伸的长杆。电极2形成为如上所述的环状。电极1设置于反应器10中的气流通道20中。电极2位于反应器10外部，以在锥形喷嘴部分14的上侧接触反应器10的外部***表面。因此，电极1穿过反应器10侧壁在水平方向上与电极2相对。反应器10在电极1、2之间的内部空间定义为放电空间3。也就是说，在反应器10中、在电极1和2之间提供的气流通道20的一部分定义为放电空间3。因此，电介质材料4的反应器10的侧壁位于电极2的放电空间一侧。等离子体产生气体在气流通道20中从气体入口11流向出口12。电极1、2在一方向上并排排列，该方向基本正交于等离子体产生气体在气流通道20中的流向。电介质材料4的薄膜可通过热喷涂形成于电极1的外表面上。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图21中所示。该装置与图1的装置基本相同，不同的是它改变了反应器10和电极1、2的形状。
反应器10形成为一在上、下方向上延伸的矩形直管，并且也形成为平板(flat-plate)形状，该形状在水平面上、与宽度方向正交的厚度方向上的长度远小于在宽度方向上的长度。此外，反应器10的内部空间定义为在上、下方向上延伸的长气流通道20。气流通道20的上端用作气体入口11，该入口在反应器10的整个顶面上打开。气流通道20的下端用作气体出口12，该出口在反应器10的整个底面上打开。反应器10的厚度方向(长度较短的方向)上的内部大小可设置在0.1至10毫米的范围中。然而，该内部大小并不限于该范围。出口12和气体入口11均形成于一长切口(slit)中，该切口在与反应器10的宽度方向平行的方向上延伸。
电极1、2通过使用与上述相同的材料形成于矩形结构中。电极1、2位于反应器10的外部，从而电极的内圆周表面在其整个圆周上接触反应器10的外圆周表面。此外，电极1、2在纵向方向即反应器10的上、下方向上并排排列以彼此相对。在反应器10中，上电极1顶端和下电极2底端之间的空间定义为放电空间3。也就是说，气流通道20在电极之间的一部分形成为放电空间3。因此，电介质材料4的反应器10的侧壁位于电极1、2的放电空间一侧。等离子体产生气体在气流通道20中从气体入口11流向出口12。因此，电极1、2在一方向上并排排列，该方向基本平行于等离子体产生气体在气流通道20中的流向。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。按照如图1至20中所示的装置，可通过以点状(spot-like)方式将等离子体5喷射到物体表面以局部地进行等离子体处理。另一方面，按照如图21以及后续附图中所示的装置，可通过一次(at once)以带状(band-like)方式将等离子体5喷射到物体表面，对物体表面的大块区域进行等离子体处理。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图22中所示。该装置与图21的装置基本相同，不同的是它在图21的装置中形成凸缘部分6，与图16或17的情况相同。如图22中所示的凸缘部分6提供与上述相同的效果。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图23中所示。该装置与图22的装置基本相同，不同的是它改变图22的装置中电极1、2的形状和排列。如图23中所示的凸缘部分6提供与上述相同的效果。电极1由每个构造为矩形条(bar)的一对电极元件1a、1b形成。电极2由每个构造为矩形条的一对电极元件2a、2b形成。每个电极元件(1a、1b、2a、2b)设置为它的纵向方向平行于反应器10的宽度方向。
如图24中所示，两个电极元件1a、1b在凸缘部分6上设置于反应器10的两侧，从而穿过反应器10在水平方向上彼此相对。电极元件1a、1b的底面接触凸缘部分6的顶面。电极元件1a、1b的侧面接触反应器10的对置侧壁10a。另一方面，另两个电极元件2a、2b在凸缘部分6上设置于反应器10的两侧，从而穿过反应器10在水平方向上彼此相对。电极元件2a、2b的顶面接触凸缘部分6的底面。电极元件2a、2b的侧面接触反应器10的对置侧壁10a。电极1a、2a设置为穿过凸缘部分6在上、下方向上彼此相对。相似地，电极元件1b、2b设置为穿过凸缘部分6在上、下方向上彼此相对。
与上述情况相同，电极元件1a、2a连接到电源13。相似地，其他电极元件1b、2b连接到另一电源13。电极元件1a、2a形成为高电压电极。另一方面，电极元件1b、2b形成为低电压电极(地电极)。对于上、下方向，对置电极元件1a、2a和对置电极元件1b、2b分别排列为基本平行于等离子体产生气体在气流通道20中的流向。对于水平方向，对置电极元件1a、1b和对置电极元件2a、2b分别排列为基本正交于等离子体产生气体在气流通道20中的流向。在反应器10中，电极元件1a、1b、2a、2b所围绕的空间定义为放电空间3。因此，电介质材料4的反应器10的侧壁和凸缘部分6设置于电极元件1a、1b、2a、2b的放电空间一侧。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图25中所示。该装置与图21的装置基本相同，不同的是它改变图21的装置中气体入口11的形状与电极1、2的形状和排列。气体入口11基本位于反应器10的顶面的中央，并且形成为一在平行于反应器10宽度方向的方向上延伸的长切口。
电极1、2通过使用与上述相同的金属材料形成为平面形状。此外，电极1、2设置为在反应器10的厚度方向上接触对置侧壁10a的外表面。因此，电极穿过反应器10平行延伸。在反应器10中，电极1、2之间的区域定义为放电空间3。也就是说，气流通道20位于电极之间的一部分用作放电空间3。此外，由电介质材料4制成的反应器10的侧壁10a位于两个电极1、2的放电空间一侧。等离子体产生气体在气流通道20中从气体入口11流向出口12。因此，电极1、2在一方向上并排排列，该方向基本上正交于等离子体产生气体在气流通道20中的流向。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图26中所示。该装置形成有一对电极本体30。电极本体30由平面电极1(2)和盖罩31组成，前者由上述金属材料制成，后者由上述电介质材料制成。盖罩31可通过电介质材料4的热喷涂形成于电极1(2)上，以覆盖电极1(2)的前表面、顶端表面、底端表面和一部分后表面，。
这对电极本体30经过一空隙(clearance)设置为彼此相对。此外，与上述情况相同，电极连接到电源。这时，电极1、2的平面方向(planar direction)与上、下方向一致，并且电极设置为平行延伸。此外，电极本体30的盖罩31所覆盖的前表面彼此相对。对置电极本体30之间的空隙形成为气流通道20。气流通道20在对置电极1、2之间的区域定义为放电空间3。也就是说，在电极1、2之间提供的气流通道20的一部分用作放电空间3。因此，由电介质材料4制成的盖罩31位于电极1、2的放电空间一侧。打开气流通道20的顶端作为气体入口11，打开气流通道20的底端作为出口12。放电空间3与气体入口11和出口12连通。等离子体产生气体在气流通道20中从气体入口11流向气体出口12。因此，电极1、2在一方向上并排排列，该方向基本上正交于等离子体产生气体在气流通道20中的流向。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的波形和电场强度与图1的情况基本相同。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图27中所示。该装置具有一对侧电极本体35和一中心电极本体36。与上述电极本体30的情况相同，侧电极本体35由平面电极1和电介质材料制成的盖罩31组成。盖罩31可通过电介质材料4的热喷涂形成于电极1(2)上，以覆盖电极1的前表面、顶端表面、底端表面和一部分后表面。中心电极本体36由平面电极2和盖罩37组成，前者由上述金属材料制成，后者由上述电介质材料4制成。盖罩37可通过电介质材料4的热喷涂形成于电极2上，以覆盖电极2的对置平面表面和底端表面。
这对侧电极本体35设置为经过一空隙彼此相对，中心电极本体36位于侧电极本体之间，从而在中心电极本体和每个侧电极本体之间提供一空隙。如图28中所示，电源13连接到电极1、2。这时，电极1、2的平面方向与上、下方向一致，并且电极1、2平行设置。侧电极本体35的盖罩31所覆盖的前表面正对着中心电极本体36。中心电极本体36和每个侧电极本体35之间的空隙形成为气流通道20。气流通道20在电极1、2之间的区域定义为放电空间3。也就是说，气流通道20在电极1、2之间的一部分用作放电空间3。因此，由电介质材料4制成的盖罩31、37形成于电极1、2的放电空间一侧。打开气流通道20的上端作为气体入口11，打开气流通道20的下端作为气体出口12。放电空间3与气体入口11和出口12连通。等离子体产生气体在气流通道20中从气体入口11流向出口12。电极1、2在一方向上并排排列，该方向基本上正交于等离子体产生气体在气流通道20中的流向。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。另外，该等离子体处理装置具有多个(两个)用于产生等离子体5的放电空间3。因此，能够增加等离子体一次处理的物体的数量，并且改善等离子体处理效率。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图33中所示。该装置与图1的装置基本相同，不同的是它在图1的装置中、在电极1和2之间形成由电介质材料4制成的凸缘部分6。因此，图33的等离子体处理装置的视觉外观与图16相同。凸缘部分6形成为在反应器10的整个外圆周上延伸。此外，凸缘部分6与反应器10形成为一体，从而从反应器的管状部分的外表面凸出到电极1、2之间的空间中。凸缘部分6的大部分顶面接触上电极1的整个底面，凸缘部分6的大部分底面接触下电极2的整个顶面。在该实施例中，在凸缘部分6中没有空间。也就是说，由于凸缘部分6填充有电介质材料4，它不具有如图16中所示的贮留空间15那样的中空结构。因此，图33的等离子体处理装置与图16的装置基本相同，不同的是它没有形成贮留区域15。因此，与图16的装置相比而言，能够容易地产生反应器10。此外，与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。
在上述专利文件1的等离子体处理装置中，施加到放电空间用于电介质阻挡放电的电力可通过一个周期的电力乘以频率来确定。在使用13.56MHz的高频电压产生放电的情况下，即使一个周期的电力很小，频率仍然很高。结果，电力值整体上变得很大。为了在电极之间施加的电压的频率(进行等离子体的离子化所需的电压的频率)很小的情况下，获得等效于13.56MHz的施加电力，就需要增加每个周期的电力。为了实现这一点，就需要增加施加到电极的电压。在使用13.56MHz的情况下，在电极之间施加的电压最大值近似为2kV。因此，在电极之间和反应器外部造成电介质击穿的可能性极低。相反地，在降低电极1、2之间施加的电压的频率的情况下，虽然在电极1、2之间施加的电压随着所用频率而变化，仍然需要该电压为6kV或更大。因此，在电极1、2之间和反应器10外部造成电介质击穿的可能性变大。当电介质击穿出现时，在反应器10中的放电空间3就无法获得等离子体5。结果，造成等离子体处理装置不能正常工作以提供等离子体处理的问题。也就是说，为了降低在电极1、2之间施加的电压的频率，需要增大在电极之间施加的电压。结果，就可能在电极1、2之间和反应器10外部造成电介质击穿。
在图33的等离子体处理装置中，由于凸缘部分6形成于反应器10外部和电极1、2之间，能够防止在反应器10的外部和电极1、2之间直接发生电介质击穿的情形，并且能够在反应器10中的放电空间3稳定地进行等离子体5的离子化。结果，该等离子体处理装置能够可靠地工作以进行等离子体处理。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图34中所示。该装置与图33的装置基本相同，不同的是它在图33的装置中的电极1、2和凸缘部分6之间的空隙中填充有填充剂70，以使电极1、2通过该填充剂紧密地接触凸缘部分6。也就是说，通过将填充剂70填充于上电极1的底面和凸缘部分的顶面之间的空隙中，以及下电极2的顶面和凸缘部分6的底面之间的空隙中，就能够使电极1、2通过在这些空隙中填充的填充剂70紧密地接触凸缘部分。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。
在该发明中，由于反应器10(包括凸缘部分6)由电介质材料比如玻璃制成，就难以获得凸缘部分的完全(unrelieved)的平坦表面。因此，就会有在凸缘部分6和电极1、2之间出现空隙的情况。这时，因为在电极之间施加的电压很高，会在空隙出现电晕放电。当电极暴露于电晕放电时，会导致电极的腐蚀并且从而减少寿命。
通过使凸缘部分6紧密地接触电极1、2，可防止在凸缘部分6和电极1、2之间的空隙中出现电晕放电。然而，如上所述，当凸缘部分6具有崎岖不平的表面时，就难以将凸缘部分机械地装配到电极。因此，通过将填充材料70填充在电极1、2和凸缘部分6之间的空隙中，可很好地密封空隙以防止电极1、2的腐蚀，并延长电极的寿命。作为填充材料70，可以使用具有一定程度粘性的粘合材料比如油脂，以及粘结(binding)材料或软片材料比如橡胶片。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图35中所示。该装置与图33的装置基本相同，不同的是它在图33的装置中的在电极1、2之间的放电空间3局部变窄。也就是说，凸出部分71在对应于凸缘部分6的一位置、在反应器10的内表面上、形成于整个反应器圆周上。放电空间3在凸出部分71的大小(即在突出部分71的内径)小于放电空间在凸出部分71之外的部分的大小(即反应器10的内径)。此外，凸出部分71形成为具有与凸缘部分6基本相同的厚度。放电空间3的狭窄区域基本位于放电空间3在上、下方向上的中心。在该等离子体处理装置中，可使用上述的填充材料70。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。
如图36A和36B所示，在使用无凸出部分71的反应器10的情况下，通过低频电压产生的电介质阻挡放电是这样的放电，在该放电中，电子流9在放电空间3中产生，从而接触反应器10的内表面。由于电子流在时间上并不稳定，它们在圆周方向上绕着反应器10的内表面移动(流动)。因此，以喷射状方式从反应器10的出口12射出的等离子体5同步于电子流9的运动而晃动。结果，在物体上会出现等离子体处理的变化。
在该实施例中，通过形成凸出部分71，放电空间3局部变窄，以限制电子流9绕着反应器10的内表面流动的空间。结果，能够防止这样的情形，即等离子体5在晃动时以喷射状方式从出口12喷出，因此最小化等离子体处理的变化。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图37中所示。该装置与图35的装置基本相同，不同的是它在图33的装置中施加一电压，以使两个电极1、2相对于接地电势的电压处于浮动状态。也就是说，电极1、2分别连接到相对于地置于浮动状态的单个电源13a、13b。由此，电力可从处于浮动状态的电源13a、13b施加到电极1、2。与图1的情况相同，该装置具有产生等离子体5以进行等离子体处理的性能。因此，等离子体产生气体的组成以及在电极1、2之间施加的电压的波形和电场强度与图1的情况基本相同。电源13a、13b可由单个电源装置提供。可选地，它们可由多个电源装置组成。
当降低在电极1、2之间施加的电压的重复频率时，就需要增大在电极1、2之间施加的电压。增大电极1、2之间施加的电压会导致增大在反应器10中的放电空间3所产生的等离子体5的电势。这时，由于等离子体5和物体(通常接地)之间的电压差变大，其间会出现电介质击穿(反放电)。在该实施例中，为了防止在等离子体5和物体之间出现电介质击穿，两个电极1、2相对于接地电势处于浮动状态。这时，即使在电极1、2之间施加的电压值与在其他实施例中施加的电压值相同，仍然能够降低等离子体5相对于地的电压，并且防止在等离子体5和物体之间出现电介质击穿。结果，能够避免其间出现反放电和物体受到反放电损坏的情况。
在本发明中，如图1、15至18、21至24和33至37的实施例所示，电极1、2在一方向(上、下方向)上并排排列，该方向基本上平行于等离子体产生气体在气流通道20中的流向，从而通过在电极1、2之间施加电压，在放电空间3中、在基本平行于等离子体产生气体流向的方向上产生电场。这时，由于在放电空间3中产生的电子流9的电流密度增大，等离子体密度也增大。结果，可改善等离子体处理性能。
另一方面，如图19、20和23至28的实施例所示，当电极1、2在一(水平)方向上并排排列，该方向基本上正交于等离子体产生气体在气流通道20中的流向时，通过在电极1、2之间施加电压，在放电空间3中、在基本正交于等离子体产生气体流向的方向上产生电场，从而电子流在电极表面均匀地产生。因此，由于电子流9在放电空间3中均匀地产生，可改善等离子体处理的均匀性。
在图23和24中所示的等离子体处理装置中，可实现产生具有高等离子体密度的电子流9，以及产生电子流9在放电空间3中的均匀分布。因此，能改善等离子体处理性能和等离子体处理的均匀性。
本发明的等离子体处理装置的另一实施例如图39中所示。该装置具有一对电极1、2。电介质材料4通过陶瓷材料比如氧化铝、氧化钛或氧化锆的热喷涂，形成于电极1、2表面上。这时，优选进行密封处理。作为密封材料，可使用有机材料比如环氧或无机材料比如硅。可选地，搪瓷涂层可通过使用无机釉面材料比如硅、氧化钛、氧化铝、氧化锡或氧化锆来实现。在使用热喷涂或搪瓷涂层的情况下，可将电介质材料的厚度设置在0.1至3毫米的范围中，优选为0.3至1.5毫米。当该厚度小于0.1毫米时，可能出现电介质材料的电介质击穿。当该厚度大于3毫米时，就难以将电压施加到放电空间，导致放电变得不稳定。此外，与图37的情况相同，电压施加到相对于地处于浮动状态的电极1、2。其他结构与上述其他实施例基本相同。
而且，在本发明中，当将物体暴露于等离子体射流以进行等离子体处理时，在物体的表面上发生的反应是化学反应。因此，随着反应温度增高，反应速度变得更快。于是优选地预先加热等离子体产生气体或加热物体。结果，可获得改善的等离子体处理速度。
在本发明中，当使用很宽的反应器10时，使用一用以保持电极1、2之间的距离恒定的装置，以及一用以在宽度方向上均匀地射出气体的装置(空气喷嘴)是有效的，后者的目的是在宽度方向上确保处理的均匀性。
此外，在本发明中，当对出口12下方放置的物体进行等离子体处理时，在一个方向传送物体的同时，从出口12射出等离子体5的方向优选地朝着传送物体的(向前)方向倾斜，从而等离子体射出方向不与传送方向正交。由此，当吸入出口12和物体之间存在的空气时，从出口12提供的等离子体5可以喷涂在物体表面上。结果，等离子体5中产生的受激发物质与空气中的氧气分子相撞以分离氧气。由于分离的氧气修正了物体表面，就能够改善等离子体处理性能。
等离子体5从出口12的射出方向优选为相对于物体的传送方向倾斜2至6度。然而，并不限于该范围。
氮气可以从氮气产生装置提供，该氮气产生装置用于从空气中分离和净化氮。这时，可使用薄膜分离处理或PSA(加压回转吸附)方法作为净化方法。
为了改善等离子体处理性能，需要增大为产生等离子体而施加的电压的频率。这样的话，当从出口12射出的等离子体产生气体在非放电状态下的流速小于2m/s时，辉状的均匀放电会消失，并且会出现电子流状的放电。当在这种条件下保持放电时，会出现异常放电(反放电)。在本发明中，当从出口12射出的等离子体产生气体在非放电状态下的流速为2m/s至100m/s的范围时，电子流会被压缩，从而会出现无限数量的细的丝状放电。结果，可通过修正放电状态实现极高的处理效果。当流速大于100m/s时，气体温度会降低，导致修正效果恶化。在本发明中，可调节提供到放电空间3中的等离子体产生气体的气流量，以将流速设置在2至100m/s的范围中。
下面按照实例具体地说明本发明。
(实例1-5)
使用如图16所示的等离子体处理装置用于点(spot)处理。该等离子体处理装置的反应器10由一具有3毫米内径和5毫米外径的石英管制成，其具有外径为50毫米的中空凸缘部分6(贮留区域15)。电极1、2和凸缘部分6设置为具有如图17中所示的横截结构。
等离子体产生气体从反应器10的入口11提供到气流通道20，并且通过从电源13提供的电压产生等离子体，电源13连接到上游(upstream)一侧的电极1和下游(downstream)一侧的电极2。等离子体5从出口12射出。通过将位于出口12下游一侧的物体暴露于等离子体中，可实现等离子体处理。使用氩和氧的混合物作为等离子体产生气体。产生等离子体的其他条件如表2中所示。
这里，作为优选实施例，说明在实例中使用的电源13。实例4的电源13具有如图29中所示的电路。
在图29的电路中，首先说明用于产生正、负脉冲的H桥开关电路(反相器)50，该正、负脉冲施加到高压变压器66的初级端。如图29中所示，该H桥开关电路50具有第一、第二、第三和第四半导体开关装置(SW1，SW2，SW3，SW4)，这些开关装置以H桥方式连接，SW1和SW4为上臂，SW2为SW1的下臂，SW3为SW4的下臂(H桥是通过利用包括两个MOS-FET等的半导体模块而形成)。此外，开关电路包括二极管(D1，D2，D3，D4)，每个二极管平行地连接到对应的开关装置。作为H桥开关电路50的电源，可使用直流电源，包括整流电路41和直流稳压电源电路45，该整流电路41用于调整具有商业电源频率的电压。直流稳压电源电路45的输出电压可通过输出调节器42调整。
通过使用门驱动电路49和初级电路，该H桥开关电路50以表1中所示五个开/关操作①、②、③、④、⑤的组合方式重复地工作。图31是从第一和第二开关装置SW1、SW2之间的中间点，以及第三和第四开关装置SW3、SW4之间的中间点输出的正、负交流脉冲的时序图。
            表1
  ①   ②   ③   ④   ⑤
 SW1   关   开   关   关   关
 SW2   开   关   开   开   开
 SW3   开   开   开   关   开
 SW4   关   关   关   开   关
  D2   关   关   关   关   开
  D3   关   关   开   关   关
图30表示H桥开关电路50的等效电路。如图31中所示，关闭第二开关装置SW2时的时间宽度在向前和向后方向上大于打开第一开关装置SW1时的时间宽度。此外，关闭开关装置SW3时的时间宽度在向前和向后方向上大于打开开关装置SW4时的时间宽度。
在图30中，当在关闭SW1后打开SW1时，电流以方向“I1”流动，从而负载被正向充电。接着，当在关闭SW1后打开SW2时，电流在方向“I2”上流经SW2和D3，从而负载的寄生电容和漏电感由SW2和D3强制复位。
接着，当在关闭SW3后打开SW4时，电流在方向“I3”上流动，从而负载被反向充电。接着，当在关闭SW3后打开SW4时，电流在方向“I4”上流动，从而负载的漏电感和寄生电容由SW2和D3强制复位。
按照表1说明这些操作。
在①中，SW2和SW3由输入的门信号打开，从而负载的两端变为短路状态。
在②中，当SW2的门信号关闭时，并且在一小段延时后，SW1由输入的门信号打开，因为SW3保持在开状态，电流在方向“I1”上从SW1流过负载。结果，负载被正向充电。
在③中，在向SW1输入门信号结束，并且关闭SW1后，再次向SW2输入门信号以打开SW2。负载中存储的电荷经过SW2和D3放电。结果，回到与①相同的状态。
在④中，当SW3关闭，并且在一小段延时后，门信号输入到SW4以打开SW4时，因为SW2保持在开状态，电流在“I3”方向上从SW4流过负载。结果，负载被反向充电。
在⑤中，在向SW4输入门信号结束，并且关闭SW4之后，门信号再次输入到SW3以打开SW3。负载中存储的电荷经过SW3和D2放电。结果，回到与③相同的状态。
因此，当通过给定一死区(dead time)，以①至⑤的顺序进行开关操作，从而SW1和SW2的设置不同时打开，并且SW3和SW4的设置不同时打开时，可获得一输出信号(彼此相隔一特定时间的一对正、负脉冲)，该输出信号具有与输入信号(门信号)相称的波形。这时，由于通过上述开关操作可复位漏电感和寄生电容(stray capacitance)，就能够获得无变形的输出波形。
在图29中，通过上述开关操作获得的H桥开关电路50的输出这样提供，使得第一和第二开关装置SW1、SW2之间的中间点是一极，第三和第四开关装置SW3、SW4之间的中间点是另一极，并且H桥开关电路50的输出经过电容器C，作用于施加到高压变压器66的初级端。
接着，参照图32的时序图说明初级电路，该初级电路用于通过控制门驱动电路49，从H桥开关电路50重复地输出一对正、负脉冲，并且用于调整周期和脉冲宽度。
如图32(1)所示，压控振荡器(VCO)52重复地输出矩形波。重复频率由重复频率调节器51控制。
如图32(2)所示，第一单稳态(one-shot)多频振荡器53输出一脉冲，该脉冲在压控振荡器52的输出(VCO输出)升高时升高。脉冲宽度可由第一脉冲宽度调节器58调节。
如图32(3)所示，延时电路54输出具有特定时间宽度(死区)的脉冲，该脉冲在第一单稳态多频振荡器53的脉冲升高时升高。
如图32(4)所示，第二单稳态多频振荡器55输出一脉冲，该脉冲在延时电路54的输出升高时升高。脉冲宽度可由第二脉冲宽度调节器59调节。
从第一单稳态多频振荡器53提供的脉冲输入到第一与门46，从第二单稳态多频振荡器55提供的脉冲输入到第二与门60。可由启动开关43打开/关闭的启动/停止电路44的输出被输入到这些与门46、60。当处于开状态时，第一和第二单稳态多频振荡器53、55的脉冲分别输入到第三和第四与门47、56。
第三与门47的输出被输入到用于延时的第一与电路48和用于延时的第一或非电路57。第四与门56的输出被输入到用于延时的第二与电路61和用于延时的第二或非电路62。这些与电路48、61和或非电路57、62的输出波形如图32(5)、(6)、(7)、(8)中所示。按照这些输出，门驱动电路49输出用于H桥开关电路50的四个半导体开关装置SW1、SW2、SW3、SW4的门脉冲，并且如前所述切换这些开关装置。
因此，如图32(9)所示，彼此间隔一特定时间的一对正、负脉冲从H桥开关电路50以一重复频率作为正、负脉冲波输出。该重复频率可由重复频率调节器51调节。此外，脉冲宽度可由脉冲宽度调节器58、59正或负调节。
这些正、负脉冲波经过电容器C施加到高压变压器66的初级端，并且通过高压变压器66的LC分量，变成衰减振荡波形的高压周期波，其中重复共振衰减振荡波。作用于施加到电极1、2之间的高电压如图32(10)中所示。通过利用脉冲宽度调节器58、59调节脉冲宽度，就能够获得与高压变压器66的LC分量相匹配的共振条件。
设置一具有1.2μm的负型保护膜(resist)的硅衬底，作为待处理的物体，然后蚀刻该保护膜。将保护层蚀刻速度作为离子处理性能进行评估。
此外，当物体由具有不良热防护的材料制成时，高的等离子体温度会造成物体热损坏。因此，利用热电偶在出口12的位置测量等离子体温度。
(比较实例1、2)
使用如图1中所示的等离子体处理装置用于点处理。该装置的反应器10与实例1至5中使用的反应器基本相同，不同的是它未形成凸缘部分6。其他结构与实例1至5的情况相同。等离子体5在表2所示的等离子体产生条件下产生。与实例1至5的情况相同，进行相同的评估。结果如表2中所示。
表2
  实例1   实例2   实例3   实例4   实例5   比较实例1   比较实例2
  等离子体产生气体的组成   Ar+O2   Ar+O2   Ar+O2   Ar+O2   Ar+O2   Ar+O2   Ar+O2
  气流量(l/min)   Ar 1.75O2 0.1   Ar 1.75O2 0.1   Ar 1.75O2 0.1   Ar 1.75O2 0.1   Ar 1.75O2 0.1   Ar 1.75O2 0.022   Ar 1.75O2 0.022
  电压波形   图8A   图8B   图8C   图8D   图11A   图8A   图8A
  上升时间(μs)   5   0.1   5   1   0.1   0.018   250
  下降时间(μs)   5   5   0.1   1   0.1   0.018   250
  重复频率(kHz)   50   100   100   100   100   13.56MHz   1
  电场强度(kV/cm)   5   7   7   7   7   2   10
  输入电力(w)   200   200   200   200   300   100   400
  蚀刻速度(μm/min)   2   3   2   4   3   4   0.5
  等离子体温度(℃)   60   70   70   80   70   450   50
从表2中明显看出，等离子体温度在实例1至5的等离子体处理装置中为100℃或更低，比作用施加13.56MHz高频电压的比较实例1的温度低得多。另一方面，就蚀刻速度而言，实例1至5的每一个与比较实例1基本相同。因此，在等离子体处理性能方面是充分的。此外，实例1至5在蚀刻速度上快于具有250μs的上升和下降时间的比较实例2。因此，综合考虑可推断得出实例1至5在性能上优于比较实例1、2。
(实例6至10)
使用如图22所示的等离子体处理装置用于宽域(wide)处理。该装置的反应器10由石英玻璃制成，具有1毫米×30毫米的内径，且具有切口状的出口12和中空的凸缘部分6(贮留区域15)。其他结构与实例1至5基本相同。等离子体在表3中所示的等离子体产生条件下产生。与实例1至5的情况相同，进行相同的评估。
(比较实例3、4)
使用图21中所示的等离子体处理装置用于宽域(wide)处理。该装置的反应器10与实例6至10中使用的反应器基本相同，不同的是它未形成凸缘部分6。其他结构与实例6至10基本相同。等离子体5在表3中所示的等离子体产生条件下产生。与实例6至10的情况相同，进行相同的评估。上述评估的结果如表3所示。
(表3)
  实例6   实例7   实例8   实例9   实例10   比较实例3   比较实例4
  等离子体产生气体的组成   Ar+O2   Ar+O2   Ar+O2   Ar+O2   Ar+O2   Ar+O2   Ar+O2
  气流量(l/min)   Ar 6O2 0.3   Ar 6O2 0.3   Ar 6O2 0.3   Ar 6O2 0.3   Ar 6O2 0.3   Ar 6O2 0.3   Ar 6O2 0.3
  电压波形   图8A   图8B   图8C   图8D   图11A   图8A   图8A
  上升时间(μs)   5   0.1   5   1   0.1   0.018   250
  下降时间(μs)   5   5   0.1   1   0.1   0.018   250
  重复频率(kHz)   50   100   100   100   100   13.56MHz   1
  电场强度(kV/cm)   5   7   7   7   7   2   10
  输入电力(W)   800   800   800   800   1200   450   1300
  蚀刻速度(μm/min)   8   10   8   15   10   15   1
  等离子体温度(℃)   60   70   70   80   70   450   50
从表3中明显看出，等离子体温度在实例6至10的等离子体处理装置中为100℃或更低，比施加13.56MHz高频电压的比较实例3的温度低得多。另一方面，就蚀刻速度而言，实例6至10与比较实例3基本相同。因此，在等离子体处理性能方面是充分的。此外，实例6至10在蚀刻速度上快于具有250μs的上升和下降时间的比较实例4。因此，综合考虑可得出实例6至10在性能上优于比较实例3、4。
(实例11)
使用如图18所示的等离子体处理装置用于点处理。该装置的反应器10通过在实例1至5的反应器10的下侧、形成一锥形喷嘴部分14而获得，喷嘴部分14带有内径为1毫米的出口12。其他结构与实例1至5基本相同。等离子体5在表4中所示的等离子体产生条件下产生。与实例1至5的情况相同，进行评估。
(实例12)
使用如图15所示的等离子体处理装置用于点处理。该装置的反应器10通过在比较实例1、2的反应器10的下侧、形成一锥形喷嘴部分14而获得，喷嘴部分14带有内径为1毫米的出口12。其他结构与实例1至5基本相同。等离子体5在表4中所示的等离子体产生条件下产生。与实例1至5的情况相同，进行评估。上述评估结果如表4中所示。
(表4)
  实例11   实例12
  等离子体产生气体的组成   Ar+O2   Ar+O2
  气流量(l/min)   Ar 1.3  O2 0.07   Ar 1.3  O2 0.07
  电压波形   图8D   图8D
  上升时间(μs)   1   1
  下降时间(μs)   1   1
  重复频率(kHz)   100   100
  电场强度(kV/cm)   6   5
  输入电力(W)   150   150
  蚀刻速度(μm/min)   4   3
  等离子体温度(℃)   80   80
从表4中显而易见，与实例4相比而言，等离子体5的流速由于反应器10的出口12变窄而增大，从而在使用较小流量和较低电力的条件下，可获得等效的性能。然而，当增大电极1、2之间施加的电压以改善等离子体性能时，在如图12所示的无凸缘部分6的反应器中，在反应器10外部和电极1、2之间会发生反放电。产生反放电的条件随着电极1、2之间的距离或施加的电压的波形而变化。因此，虽然不是一贯如此，仍会有当电场强度为10kV/cm或更大时会产生反放电的顾虑。
(实例13)
使用与实例1至5相同的等离子体处理装置。使用1.75l/min的氩和0.1l/min的氧气的混合气体作为等离子体产生气体。如图10B中所示，电极1、2之间施加的电压的波形通过在正弦电压波形上叠加两个脉冲状电压而获得。正弦波的重复频率是50kHz(上升和下降时间为5μs，最大电压为2.5kV)。具有5kV的脉冲高度值的脉冲状高电压(上升时间为0.08μs)叠加到该正弦波上。对于叠加脉冲状高电压的定时，第一脉冲在从正弦电压的极性发生变化起、过去1μs之后叠加，第二脉冲在从施加第一脉冲起、过去2μs之后叠加。除此之外，等离子体5在与实例1至5相同的条件下产生，并且保护膜的蚀刻如同实例1至5的情况下一样进行。结果，蚀刻速度为3μm/min。
(实例14)
使用与实例11相同的等离子体处理装置。使用干燥空气作为等离子体产生气体。当以3l/min的流量将干燥空气提供到气流通道20中时，在电极1、2之间施加一具有如图8B所示波形的电压。对于波形条件，上升时间为0.1μs，下降时间为0.9μs，重复频率为500kHz。由于等离子体产生气体是干燥空气，就需要相对较高的电场强度。这里为20kV/cm。此外，施加电力为300W。其他结构与实例1至5基本相同。
使用液晶玻璃(水的接触角在等离子体处理之前大约为45度)作为待处理物体。等离子体处理通过向该物体喷射等离子体大约1秒来进行。结果，水在玻璃上的接触角变为5度或更小。因此，有机材料可在很短的时间内从玻璃表面去除。
(实例15)
使用与实例11相同的等离子体处理装置。使用1.5l/min的氩和100cc/min的氢气的混合气体作为等离子体产生气体。当该混合气体提供到气流通道20中时，在电极1、2之间施加一具有如图8D所示波形的电压。对于波形条件，上升和下降时间为1μs，重复频率为100kHz。电场强度为7kV/cm，施加的电力为200W。其他的结构与实例1至5基本相同。
通过屏幕印刷银钯浆料在一氧化铝衬底上，并且然后烘烤它，以在该衬底上获得一电路(包括结合片)从而形成待处理的物体。对于结合片的XPS分析的结果，确认在等离子体处理之前存在氧化银的峰值(peak)，但是该峰值在等离子体处理之后变为银金属的峰值。因此，氧化银的量在结合片上被减少。
(实例16)
使用如图23、24中所示的等离子体处理装置。在该装置中，在电极元件1a、1b之间和在电极元件2a、2b之间产生的电场基本正交于等离子体产生气体在放电空间3中的流向。此外，在电极元件1a、2a之间和在电极元件1b、2b之间产生的电场基本平行于等离子体产生气体在放电空间3中的流向。
在上述等离子体处理装置中，使用6l/min的氩和0.3l/min的氧气的混合气体作为等离子体产生气体。当该混合气体提供到气流通道20中时，在电极1、2之间施加一具有如图8D所示波形的电压。对于波形条件，上升和下降时间为1μs，重复频率为100kHz。电场强度为7kV/cm，施加的电力为800W。其他结构与实例1至5基本相同。保护膜的蚀刻在上述条件下进行。结果，蚀刻速度为3μm/min。
(实例17)
使用如图38中所示的等离子体处理装置。该装置的反应器10与图37的反应器具有相同的结构，并且由石英玻璃制成。此外，用于产生等离子体的电极1、2由SUS304制成。电极1、2形成为使得冷却水在其中循环。反应器10的凸出部分71的内径“r”为1.2mmφ，其他部分的内直径“R”为3mmφ。凸缘部分6的厚度“t”为5mm。此外，硅质润滑脂作为填充材料70填充在电极1、2之间的空隙中，以使凸缘部分6紧密地接触电极1、2。
此外，电源13具有增压(step-up)变压器72，增压变压器72的次级端的中间点接地。因此，电压可施加电极1、2之间，电极1、2相对于地处于浮动状态。
使用1.58l/min的氩和0.07l/min的氧气的混合气体作为等离子体产生气体。在电极1、2之间施加的电压具有正弦波形。上升和下降时间为1.7μs，重复频率为150kHz。相对于接地，对每个电极1、2施加3kV的电压。因此，在电极1、2之间施加的电压为6kV，电场强度为12kV/cm。
对于待处理的物体，负型保护膜涂在厚度为1μm的硅衬底上，然后蚀刻该保护膜。将蚀刻速度作为等离子体处理性能进行评估。结果，蚀刻速度为4μm/min。
(实例18)
使用如图39中所示的等离子体处理装置。电极1、2由钛制成，具有1100毫米的长度。通过热喷射，将厚度为1毫米的氧化铝层作为电介质层4形成于电极表面1、2上。此外，冷却水循环于电极1、2中。这些电极1、2面对面地排列以彼此间隔1毫米。在非放电状态下，从放电空间3的上游一侧提供氮气，从而气流速度在出口12处为20m/s。为了产生等离子体5，具有频率为80kHz正弦波的7kV电压经过中间点接地类型的增压变压器72，从电源13施加到电极1、2。由于使用中间点接地类型的增压变压器72，相对于地的浮动电压可施加到两个电极1、2。其他结构与图17基本相同。
等离子体5在上述条件下产生，然后当待处理物体(液晶玻璃)位于距离出口12的下游一侧5毫米处时，以8m/min的速度经过该物体。水的接触角在处理之前约为50度，但在处理之后变为大约5度。此外，处理一滤色镜(color filter)，该滤色镜用于由丙烯酸树脂制成的液晶。水的接触角在处理之前大约为50度，但在处理之后改善为大约15度。
(实例19)
使用与实例18相同的装置。体积比大约为0.05％的氧气与氮气混合，提供合成的气体作为等离子体产生气体，从而它的气流速度在出口12处为10m/s。为了产生等离子体5，经过中间点接地类型的增压变压器72，向电极1、2施加具有80kHz频率正弦波的6kV电压。由于使用中间点接地类型的增压变压器72，相对于地的浮动电压可施加到两个电极1、2。其他结构与实例18基本相同。
等离子体5在上述条件下产生，然后当待处理物体(液晶玻璃)位于距离出口12的下游一侧5毫米处时，以8m/min的速度经过该物体。水的接触角在处理之前大约为50度，但在处理之后变为大约5度。此外，处理一滤色镜，该滤色镜用于由丙烯酸树脂制成的液晶。水的接触角在处理之前大约为50度，但在处理之后改善为大约10度。
(实例20)
使用与实例18相同的装置。体积比大约为0.1％的空气与氮气混合，提供合成的混合物作为等离子体产生气体，从而它的气流速度在出口12处为10m/s。为了产生等离子体5，经过中间点接地类型的增压变压器72，向电极1、2施加具有80kHz频率正弦波的6kV电压。由于使用中间点接地类型的增压变压器72，相对于地的浮动电压可施加到两个电极1、2。其他结构与实例18基本相同。
等离子体5在上述条件下产生，然后当待处理物体(液晶玻璃)位于距离出口12的下游一侧5毫米处时，以8m/min的速度经过该物体。水的接触角在处理之前大约为50度，但在处理之后变为大约5度。此外，处理一滤色镜，该滤色镜用于由丙烯酸树脂制成的液晶。水的接触角在处理之前大约为50度，但在处理之后改善为大约8度。
(实例21)
使用与实例18相同的装置。体积比大约为30％的CF4与氧气混合，提供合成的混合物作为等离子体产生气体，从而它的气流速度在出口12处为10m/s。为了产生等离子体5，经过中间点接地类型的增压变压器72，向电极1、2施加具有80kHz频率正弦波的6kV电压。由于使用中间点接地类型的增压变压器72，相对于地的浮动电压可施加到两个电极1、2。其他结构与实例18基本相同。
等离子体5在上述条件下产生，然后当待处理物体(通过在液晶玻璃上涂上厚度为1μm的保护膜而获得的样本)位于距离出口12的下游一侧5mm处时，以1m/min的速度经过该物体。结果，保护膜厚度变为5000。这时，当衬底在150℃被加热时进行等离子体处理。
在每个实例1至21中，可稳定地保持放电并且以降低的等离子体温度获得充分的等离子体处理性能。
工业实用性
因此，由于尽管会有在基本等于大气气压的气压下产生的等离子体，本发明的等离子体处理装置仍然能够改善等离子体处理效率和降低等离子体温度，不但可适用于常规等离子体处理所能处理的物体，也可适用于常规等离子体处理由于等离子体温度太高而无法处理的物体。特别地，进行物体表面的清理也是有效的。

Claims (27)

1.一种等离子体处理装置，该装置用于在一基本等于大气气压的气压下、在一放电空间中产生一放电，且用于提供从所述放电空间的所述放电产生的等离子体，该放电是这样产生的：排列多个电极以在所述电极之间限定所述放电空间，在至少一个所述电极的放电空间一侧设置一电介质材料，并且在所述电极之间施加一电压，同时将一等离子体产生气体提供到所述放电空间中，
其中在所述电极之间施加的所述电压的波形是一无静止期间的交流电压波形，所述交流电压波形的上升和下降时间的至少一项为100μs或更短，所述交流电压波形的重复频率在0.5至1000kHz的范围中，并且在所述电极之间施加的电场强度在0.5至200kV/cm的范围中。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中一脉冲状的高电压叠加到施加在所述电极之间的所述电压上，所述电压具有无静止期间的交流电压波形。
3.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其中所述脉冲状高电压在该交流电压波形的一个周期内的多个时间叠加。
4.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其中所述脉冲状高电压的上升时间为0.1μs或更短。
5.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其中所述脉冲状高电压的脉冲高度值等于或大于该交流电压波形的最大电压值。
6.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中在所述电极之间施加的无静止期间的交流电压波形是通过叠加具有多种频率的交流电压波形而形成的。
7.一种等离子体处理装置，该装置用于在一基本等于大气气压的气压下、在一放电空间中产生一放电，且用于提供从所述放电空间的所述放电产生的等离子体，该放电是这样产生的：排列多个电极以在所述电极之间限定所述放电空间，在至少一个所述电极的放电空间一侧设置一电介质材料，并且在所述电极之间施加一电压，同时将一等离子体产生气体提供到所述放电空间中，
其中在所述电极之间施加的所述电压的波形为脉冲状波形，并且所述脉冲状波形的上升时间或下降时间为100μs或更短。
8.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其中所述脉冲状波形的重复频率在0.5至1000kHz的范围中。
9.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其中在所述电极之间施加的电场强度在0.5至200kV/cm的范围中。
10.如权利要求1或7所述的等离子体处理装置，其中所述电极设置为，通过在所述电极之间施加所述电压，在所述放电空间中产生的电场基本平行于所述等离子体产生气体在所述放电空间中的流向。
11.如权利要求1或7所述的等离子体处理装置，其中所述电极设置为，通过在所述电极之间施加所述电压，在所述放电空间中产生的电场基本正交于所述等离子体产生气体在所述放电空间中的流向。
12.如权利要求1或7所述的等离子体处理装置，其中一凸缘部分形成于所述电极之间，在该凸缘部分中，允许贮留提供到所述放电空间中的所述等离子体产生气体的一部分。
13.一种等离子体处理装置，包括一反应器和至少一对电极，该反应器具有一打开端作为一出口，所述装置用于在一基本等于大气气压的气压下、在所述反应器中产生等离子体，且用于从所述反应器的出口提供所述等离子体，该等离子体是这样产生的：在所述电极之间施加一电压，同时将一等离子体产生气体提供到所述反应器中，
其中所述电极与一凸缘部分一起设置，该凸缘部分形成于所述电极之间和所述反应器外部，从而通过在所述电极之间施加所述电压，在一放电空间中产生的一电场基本平行于所述等离子体产生气体在所述放电空间中的流向。
14.如权利要求13所述的等离子体处理装置，其中在所述电极之间施加的所述电压的波形为一脉冲状波形或一无静止期间的交流电压波形。
15.如权利要求14所述的等离子体处理装置，其中该脉冲状波形或该无静止期间的交流电压波形的上升时间为100μs或更短。
16.如权利要求14所述的等离子体处理装置，其中该脉冲状波形或该无静止期间的交流电压波形的下降时间为100μs或更短。
17.如权利要求14所述的等离子体处理装置，其中该脉冲状波形或该无静止期间的交流电压波形的重复频率在0.5至1000kHz的范围中。
18.如权利要求13所述的等离子体处理装置，其中在所述电极之间施加的电场强度在0.5至200kV/cm的范围中。
19.如权利要求13所述的等离子体处理装置，其中所述放电空间局部变窄。
20.如权利要求13所述的等离子体处理装置，其中一填充材料提供于所述电极和所述凸缘部分之间，从而所述电极通过所述填充材料连接到所述凸缘部分。
21.如权利要求1、7和13任一项所述的等离子体处理装置，其中，施加所述电压后，使得两个所述电极相对于地电势均处于浮动状态。
22.如权利要求1、7和13任一项所述的等离子体处理装置，其中所述等离子体产生气体包括稀有气体、氮、氧、空气、氢或其混合物。
23.如权利要求1、7和13任一项所述的等离子体处理装置，其中所述等离子体产生气体是通过将CF4、SF6、NF3或其混合物与稀有气体、氮、氧、空气、氢或其混合物以2％至40％的体积比混合而获得的混合气体。
24.如权利要求22所述的等离子体处理装置，其中所述等离子体产生气体是通过混合氧气使得氧气和氮气的体积比为1％或更小而获得的混合气体。
25.如权利要求22所述的等离子体处理装置，其中所述等离子体产生气体是通过混合空气使得空气和氮气的体积比为4％或更小而获得的混合气体。
26.如权利要求1、7和13任一项所述的等离子体处理装置，其中所述等离子体产生气体提供到所述放电空间中，从而在放电状态下从该出口提供的所述等离子体产生气体的流速在2m/s至100m/s的范围中。
27.一种等离子体处理方法，包括利用如权利要求1、7和13任一项所述的等离子体处理装置进行等离子体处理的步骤。
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