JP3962280B2

JP3962280B2 - Discharge plasma processing equipment

Info

Publication number: JP3962280B2
Application number: JP2002146405A
Authority: JP
Inventors: 剛上原
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-05-21
Also published as: JP2003338399A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電プラズマ処理装置に関し、特に、３枚の電極で２つの放電空間を有するプラズマ処理装置における、放電空間の間隔を調整することのできる放電プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、低圧条件下でグロー放電プラズマを発生させて被処理体の表面改質、又は被処理体上に薄膜形成を行う方法が実用化されている。しかし、これらの低圧条件下における処理装置は、真空チャンバー、真空排気装置等が必要であり、表面処理装置は高価なものとなり、大面積基板等を処理する際にはほとんど用いられていなかった。このため、特開平６−２１４９号公報、特開平７−８５９９７号公報等に記載されているような大気圧近傍の圧力下で放電プラズマを発生させる常圧プラズマ処理装置が提案されてきている。
【０００３】
しかしながら、常圧プラズマ処理方法においても、固体誘電体等で被覆した平行平板型等の電極間に被処理体を設置し、電極間に電圧を印加し、発生したプラズマで被処理体を処理する装置では、被処理体全体を放電空間に置くこととなり、被処理体にダメージを与えることになりやすいという問題があった。
【０００４】
このような問題を解決するものとして、被処理体を放電空間中に配置するのではなく、その近傍に配置し、放電空間から被処理体にプラズマを吹き付けるリモート型の装置が提案されている。特開平１１−２５１３０４号公報及び特開平１１−２６０５９７号公報には外側電極を備えた筒状の反応管及び反応管の内部に内側電極を具備し、両電極に冷却手段を設け、反応管内部でグロー放電を発生させ、反応管からプラズマジェットを吹き出して被処理体に吹きつけるプラズマ処理装置が記載されている。
【０００５】
しかし、プラズマを発生させる放電空間は単純な一室タイプのものであるので、半導体素子等の製造工程における複合酸化物薄膜の形成、積層薄膜の形成、エッチング処理、アッシング処理等の複雑な処理に十分に対応できないという問題があり、複数の放電空間を形成してそれらの問題を解決しようとする試みがおこなわれてきている。
【０００６】
複数の放電空間の形成において、対向した表面平滑な電極用いて放電空間を形成し、常圧で均一なプラズマを発生させようとすると、対向する電極の間隔を均一に保持する必要がある。その間隔を均一にするためには、厚みの均一な絶縁体を電極間に挟み込み、電極を固定する方法がとられてきた。しかし、電極をケースの中に収める場合、電極とケースの固定方法によっては、電極の間隔が一定にならない場合がある。
特に、３枚の電極を対向させてできた２つの放電空間に同時に２つのプラズマを立てる場合や、１つの電源（同じ電圧）で２つの放電空間に異種のガスで同時にプラズマを発生させようとしたときには、２つの放電空間をそれぞれ微妙に調整する必要があるが、絶縁体を挟み込んで放電空間間隔を均一にする場合には、その度に微妙に厚みの異なる絶縁体を用意し、トライアンドエラーで調整を行う必要があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、３枚の電極を用いて２つの放電空間を形成する放電プラズマ処理装置において、簡便に両放電空間の電極間距離を微調整することができ、均一なプラズマを発生させ、継続して安定した処理を行うことのできる放電プラズマ処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、３枚の電極の中央電極を固定し、両端の電極を可動にして両側の電極を微調整することによって、２つの電極間間隔を調整することにより、２つの放電空間において均一なプラズマを容易に発生させることができることを見出し、本発明を完成させた。
【０００９】
すなわち、本発明の第１は、対向面の少なくとも一方を固体誘電体で被覆した３枚の電極によって形成された２つの放電空間を有する対向電極間に電界を印加することによってグロー放電プラズマを発生させて被処理体を処理する装置において、前記３枚の電極の中央の電極を固定し、両端の２枚の電極を可動にして、２つの放電空間の間隔を調整することを特徴とする放電プラズマ処理装置である。
【００１０】
また、本発明の第２発明は、可動電極が、中央の固定電極に向かって押す機構及び引く機構を備えていることを特徴とする第１の発明に記載の放電プラズマ処理装置である。
【００１１】
また、本発明の第３の発明は、中央の固定電極に向かって押す機構が、電極周囲のケースに雌ネジを穿ち、該雌ネジに係合する雄ネジを有するボルトをその先端が可動電極に当接するようにして嵌合させ、該ボルトをケースに押し込むことにより、可動電極を固定電極側に押し込み、電極間間隔を狭める機構であることを特徴とする第２の発明に記載の放電プラズマ処理装置である。
【００１２】
また、本発明の第４の発明は、中央の固定電極に向かって引く機構が、電極周囲のケース及び可動電極に雌ネジを穿ち、該両雌ネジに係合する雄ネジを有するボルトを、ケースを貫通しその先端を可動電極にまで嵌合させ、該ボルトをケースに押し込むことにより、可動電極をケース側に引き寄せ、電極間間隔を拡げる機構であることを特徴とする第２の発明に記載の放電プラズマ処理装置である。
【００１３】
また、本発明の第５の発明は、中央の固定電極に向かって押す機構及び引く機構を各両端電極に、それぞれ少なくとも２箇所設けることを特徴とする第２〜４のいずれかの発明に記載の放電プラズマ処理装置である。
【００１４】
また、本発明の第６の発明は、中央の電極を電圧印加側電極とし、両端の電極を接地側電極とすることを特徴とする第１〜５のいずれかの発明に記載の放電プラズマ処理装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、３枚の対向電極による２つの放電空間を有し、中央の１つが２つの放電空間により共有され、３枚の対向電極間に電界を印加し、２つの放電空間で発生する放電プラズマにより処理ガスを励起して、放電空間外に設置された被処理体を処理する放電プラズマ処理装置（以下、リモートソースということがある。）を用いる大気圧近傍の圧力下の常圧放電プラズマ処理装置であって、前記リモートソースは、対向電極の少なくとも一方の対向面が固体誘電体で被覆された３枚の電極を有し、３枚の電極の中央の電極は固定され、両端の電極を可動にして電極間間隔を微調整することが可能にされた放電プラズマ処理装置である。
ただし、本発明の装置においては、一対の電極により形成される１つの放電空間を、直列又は並列に並べることにより複数の放電空間を形成させている装置は除外される。以下、詳細に説明する。
【００１６】
本発明の装置を図で説明する。例えば、図１に、平行平板電極を３枚使用し、放電空間を２つ設けたリモートソースの一例の模式的断面図を示す。図１の装置において、リモートソース１は、ケース２内で固体誘電体で被覆された平行平板電極３、４及び４’の３枚が対向して設置されており、それぞれの電極間に放電空間５及び５’を形成し、放電空間５及び５’に処理ガスを導入する処理ガス導入室７及び７’、放電空間内で発生したプラズマを吹き出すプラズマ吹き出し口８及び８’を有するように構成されている。中央の電極３を電圧印加電極にして固定し、両端の電極４及び４’を接地電極にして可動にし、かつ両端の電極４及び４’は、電極間隔微調整用ボルト２１、２２、２１’及び２２’で放電空間５及び５’を調整できるようにしてある。
【００１７】
処理ガスは、処理ガス導入口６及び６’から処理ガス導入室７及び７’に導入され、処理ガス導入室７及び７’内で整流化された後、放電空間５及び５’に導入され、電極に印加された電界により放電空間５及び５’内でプラズマ化され、プラズマ吹き出し口８及び８’より吹き出され、被処理体１０の表面に吹き付けられ表面処理を行う。
【００１８】
上記放電空間５及び５’において、中央電極３を固定し、両端の電極４及び４’を可動にすることにより、容易に両電極間間隔を均一な幅にすることができる。
【００１９】
両端の電極４及び４’の可動方法としては、電極間隔微調整用ボルト２１、２２、２１’及び２２’で、電極４及び４’を中央の固定電極３に向かって押す機構（電極間間隔を狭める機構）と引く機構（電極間間隔を拡げる機構）を備えるよにして可動させる方法が好ましい。
【００２０】
上記固定電極３に向かって押す機構及び引く機構を図で説明する。図２に図１に示したリモートソース１の電極４側の拡大模式的断面図を示す。図２の装置において、中央の固定電極３はケース２に固定され、可動電極４はケース２内で放電空間５の電極間間隔を微調整できるように放電空間５と反対側に隙間２３を形成する様に設置されている。ケース２には、雌ネジ２４を穿ち、該雌ネジ２４に係合する雄ネジを有する微調整ボルト２１が嵌合されており、ボルト２１の先端部が可動電極４に当接するように設けられている。該微調整ボルト２１をケース２内に押し込むと、電極４は中央固定電極３側に押され、放電空間５の間隔を狭めるように動く。また、電極４に雌ネジ２６を穿ち、微調整ボルト２２をケース２を貫通させ、その先端を可動電極４にまで嵌合させ、該微調整ボルト２２を回すと、電極４はケース２側に引き寄せられ、放電空間５の間隔を拡げるように動く。
【００２１】
上記固定電極３に向かって押す機構及び引く機構は、各両端電極４及び４’に、それぞれ少なくとも押す機構を２箇所、引く機構を２箇所、好ましくは、押す機構を３箇所以上、引く機構を３箇所以上設けることにより、各放電空間の電極間間隔を微調整することができる。
【００２２】
本発明の装置においては、上記ケース２の材質としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリオキシメチレン等の樹脂、セラミックス等を用いることができ、ボルトの材質としては、樹脂、セラミックス、金属等を用いることができる。
【００２３】
また、中央電極３を電圧印加電極とし、両側の電極４及び４’を接地電極とすることにより、放電空間５及び５’の両方を１つの電圧印加電極で放電させることができる。さらに、３枚の電極で生じた２つの放電空間５及び５’にプラズマ発生電圧の異なるガスを流してプラズマを同時に発生させる場合にも、その電極間間隔を調整することによって、同電圧でプラズマを発生することができる。すなわち、低い電圧でプラズマが発生するガス側は、放電空間の電極間間隔を広くし、高い電圧でプラズマが発生するガス側は、放電空間の電極間間隔を狭くすることにより、異種ガスを用いたプラズマ処理を同時に行うことができる。
【００２４】
上記電極の材質としては、例えば、銅、アルミニウム等の金属単体、ステンレス、真鍮等の合金、金属間化合物等からなるものが挙げられる。上記対向電極は、電界集中によるアーク放電の発生を避けるために、対向電極間の距離が略一定となる構造であることが好ましい。この条件を満たす電極構造としては、例えば、平行平板型、ロール型、円筒対向平板型、球対向平板型、双曲面対向平板型、同軸円筒型構造等が挙げられる。
【００２５】
上記電極を被覆する固体誘電体は、電極の対向面の一方又は双方に設置される。この際、固体誘電体と設置される側の電極とが密着し、かつ、接する電極の対向面を完全に覆うようにする。固体誘電体によって覆われずに電極同士が直接対向する部位があると、そこからアーク放電が生じやすい。
【００２６】
上記固体誘電体は、厚みが０．０１〜４ｍｍであることが好ましい。厚すぎると放電プラズマを発生するのに高電圧を要し、薄すぎると電圧印加時に絶縁破壊が起こりアーク放電が発生しやすい。
【００２７】
上記固体誘電体の材質としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチック、ガラス、二酸化珪素、酸化アルミニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化物、チタン酸バリウム等の複酸化物、及びこれらの複層化したもの等が挙げられる。
【００２８】
また、上記固体誘電体は、比誘電率が２以上（２５℃環境下、以下同じ）であることが好ましい。比誘電率が２以上の誘電体の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン、ガラス、金属酸化膜等を挙げることができる。さらに高密度の放電プラズマを安定して発生させるためには、比誘電率が１０以上の固定誘電体を用いことが好ましい。比誘電率の上限は特に限定されるものではないが、現実の材料では１８，５００程度のものが知られている。比誘電率が１０以上の固体誘電体としては、例えば、酸化チタニウム５〜５０重量％、酸化アルミニウム５０〜９５重量％で混合された金属酸化物皮膜、または、酸化ジルコニウムを含有する金属酸化物皮膜からなるものが好ましい。
【００２９】
上記電極間の距離は、固体誘電体の厚さ、印加電圧の大きさ、プラズマを利用する目的等を考慮して適宜決定されるが、０．１〜５０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは５ｍｍ以下である。５０ｍｍを超えると、均一な放電プラズマを発生させ難い。
【００３０】
本発明の装置においては、上記電極間に、高周波、パルス波、マイクロ波等による電界が印加され、プラズマを発生させるが、パルス電界を印加することが好ましく、特に、電界の立ち上がり及び／又は立ち下がり時間が、１０μｓ以下である電界が好ましい。１０μｓを超えると放電状態がアークに移行しやすく不安定なものとなり、パルス電界による高密度プラズマ状態を保持しにくくなる。また、立ち上がり時間及び立ち下がり時間が短いほどプラズマ発生の際のガスの電離が効率よく行われるが、４０ｎｓ未満の立ち上がり時間のパルス電界を実現することは、実際には困難である。より好ましくは５０ｎｓ〜１μｓである。なお、ここでいう立ち上がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して増加する時間、立ち下がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して減少する時間を指すものとする。
【００３１】
また、パルス電界の立ち下がり時間も急峻であることが好ましく、立ち上がり時間と同様の１０μｓ以下のタイムスケールであることが好ましい。パルス電界発生技術によっても異なるが、立ち上がり時間と立ち下がり時間とが同じ時間に設定できるものが好ましい。
【００３２】
上記パルス電界の電界強度は、１０〜１０００ｋＶ／ｃｍとなるようにするのが好ましい。電界強度が１０ｋＶ／ｃｍ未満であると処理に時間がかかりすぎ、１０００ｋＶ／ｃｍを超えるとアーク放電が発生しやすくなる。
【００３３】
上記パルス電界の周波数は、０．５ｋＨｚ以上であることが好ましい。０．５ｋＨｚ未満であるとプラズマ密度が低いため処理に時間がかかりすぎる。上限は特に限定されないが、常用されている１３．５６ＭＨｚ、試験的に使用されている５００ＭＨｚといった高周波帯でも構わない。負荷との整合のとり易さや取り扱い性を考慮すると、５００ｋＨｚ以下が好ましい。このようなパルス電界を印加することにより、処理速度を大きく向上させることができる。
【００３４】
また、上記パルス電界におけるオフ時間は、０．５〜１０００μｓであることが好ましく、より好ましくは０．５〜５００μｓである。０．５μｓ未満であると放電が不安定なものとなり、１０００μｓを超えるとアーク放電に移行しやすくなる。
【００３５】
また、上記パルス電界における電流密度は、１０〜５００ｍＡ／ｃｍ²であることが好ましく、より好ましくは５０〜５００ｍＡ／ｃｍ²である。１０ｍＡ／ｃｍ²未満であると放電が不安定なものとなり、５００ｍＡ／ｃｍ²を超えるとアーク放電に移行しやすくなる。
【００３６】
また、上記パルス電界におけるひとつのパルス継続時間は、２００μｓ以下であることが好ましく、より好ましくは３〜２００μｓである。２００μｓを超えるとアーク放電に移行しやすくなる。ここで、ひとつのパルス継続時間とは、ＯＮ、ＯＦＦの繰り返しからなるパルス電界における、ひとつのパルスの連続するＯＮ時間を言う。
【００３７】
本発明の装置は、大気圧近傍の圧力で用いるのが好ましい。大気圧近傍の圧力下とは、１．３３３×１０⁴〜１０．６６４×１０⁴Ｐａの圧力下を指す。中でも、圧力調整が容易で、装置が簡便になる９．３３１×１０⁴〜１０．３９７×１０⁴Ｐａの範囲が好ましい。
【００３８】
本発明で用いる処理ガスとしては、電界を印加することによってプラズマを発生するガスであれば、特に限定されず、処理目的により種々のガスを使用できる。
【００３９】
上記処理用ガスとして、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、ＣＣｌＦ₃、ＳＦ₆等のフッ素含有化合物ガスを用いることによって、撥水性表面を得ることができる。
【００４０】
また、処理用ガスとして、Ｏ₂、Ｏ₃、水、空気等の酸素元素含有化合物、Ｎ₂、ＮＨ₃等の窒素元素含有化合物、ＳＯ₂、ＳＯ₃等の硫黄元素含有化合物を用いて、基材表面にカルボニル基、水酸基、アミノ基等の親水性官能基を形成させて表面エネルギーを高くし、親水性表面を得ることができる。また、アクリル酸、メタクリル酸等の親水基を有する重合性モノマーを用いて親水性重合膜を堆積することもできる。
【００４１】
さらに、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｓｎ等の金属の金属−水素化合物、金属−ハロゲン化合物、金属アルコラート等の処理用ガスを用いて、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂等の金属酸化物薄膜を形成させ、基材表面に電気的、光学的機能を与えることができ、ハロゲン系ガスを用いてエッチング処理、ダイシング処理を行ったり、酸素系ガスを用いてレジスト処理や有機物汚染の除去を行ったり、アルゴン、窒素等の不活性ガスによるプラズマで表面クリーニングや表面改質を行うこともできる。
【００４２】
経済性及び安全性等の観点から、処理ガスが不活性ガスによって希釈された雰囲気中で処理を行うこともできる。
【００４３】
本発明の装置で処理できる被処理体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等のプラスチック、ガラス、セラミック、シリコンウエハー、金属、繊維、紙等が挙げられる。基材の形状としては、シート状、フィルム状等のものが挙げられ、特に半導体用途においては、銅張積層体、プリント基板、プリプレグ等を挙げることができる。
【００４４】
本発明のプラズマ処理装置においては、プラズマの発生直後から放電が安定するまでの間、予備放電を行い、その後被処理体に接触させる機構を備えることもできる。
【００４５】
また、被処理体や被処理面が大気中の湿潤空気やその他の不純物に接触することを防いだり、排ガスの外部流出を防ぐために、上記プラズマを被処理体に接触させる装置に加えて、プラズマと被処理体との接触部近傍に排ガス吸収機構、不活性ガス雰囲気に保つ機構等を付加した装置を用いることもできる。
【００４６】
さらに、被処理体を搬送する手段としては、搬送コンベア、搬送ロボット等の搬送系を組み合わせた装置を用いることができる。
【００４７】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
【００４８】
実施例１
図１に示す装置において、ケース２としてポリオキシメチレンを用い、電極３、４、４’として、幅１００ｍｍ×高さ５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍのＳＵＳ３０４製の平行平板電極を使用し、固体誘電体として、厚さ１．０ｍｍのアルミナを電極の表面に溶射した。可動電極側４及び４’側には、電極３に向かって押す機構のボルト２１（径２ｍｍ）６個及び引く機構としてのボルト２２（径２ｍｍ）６個を交互に設け、放電空間５及び５’の間隔を約１ｍｍなるように設置した。それぞれの放電空間に空気を１５Ｌ／ｍｉｎで流し、電源より周波数１０ｋＨｚ、パルス立ち上がり速度５μｓのパルス電界を印加した。両放電空間での放電が均一になるように電極間間隔の調整に要した時間は、５分であった。放電空間５及び５’では、均一なプラズマが発生した。
【００４９】
比較例１
対向する３枚の電極の間に１ｍｍ厚のアルミナをスペーサーとして挟み込み、電極ケースに両端の電極は背面から、真ん中の電極は両端からボルトで固定する以外は、実施例１と同様にして放電空間にプラズマを発生させた。放電空間の一方には、強いプラズマが発生し、もう一方には部分的にアーク状のプラズマが発生した。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の放電プラズマ処理装置によれば、３枚の電極を用い、２つの放電空間を有するリモートソースにおいて、放電空間毎の電極間間隔を簡単に調整でき、安定して均一な放電プラズマを発生させることが出来るので、半導体素子等に必要な複雑な薄膜形成、表面処理等を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電プラズマ処理装置の一例の模式的断面図である。
【図２】図１の部分的拡大図である。
【符号の説明】
１リモートソース
２ケース
３固定電極
４、４’ 可動電極
５、５’ 放電空間
６、６’ 処理ガス導入口
７、７’ 処理ガス導入室
８、８’ プラズマ吹き出し口
１０被処理体
２１、２１’、２２、２２’ 微調節ボルト
２３隙間
２３、２６雌ネジ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a discharge plasma processing apparatus, and more particularly to a discharge plasma processing apparatus capable of adjusting the interval between discharge spaces in a plasma processing apparatus having two discharge spaces with three electrodes.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a method for generating a glow discharge plasma under a low pressure condition to perform surface modification of a target object or forming a thin film on a target object has been put into practical use. However, the processing apparatus under these low-pressure conditions requires a vacuum chamber, an evacuation apparatus, and the like, and the surface processing apparatus becomes expensive, and is hardly used when processing a large area substrate or the like. For this reason, there has been proposed an atmospheric pressure plasma processing apparatus for generating discharge plasma under a pressure in the vicinity of atmospheric pressure as described in JP-A-6-2149, JP-A-7-85997, and the like.
[0003]
However, even in the atmospheric pressure plasma processing method, an object to be processed is installed between parallel plate type electrodes coated with a solid dielectric or the like, a voltage is applied between the electrodes, and the object to be processed is processed with the generated plasma. In the apparatus, there is a problem that the entire object to be processed is placed in the discharge space, and the object to be processed is likely to be damaged.
[0004]
In order to solve such a problem, a remote type apparatus has been proposed in which the object to be processed is not disposed in the discharge space but is disposed in the vicinity thereof, and plasma is blown from the discharge space to the object to be processed. In JP-A-11-251304 and JP-A-11-260597, a cylindrical reaction tube provided with an outer electrode, an inner electrode inside the reaction tube, a cooling means provided on both electrodes, and the inside of the reaction tube Describes a plasma processing apparatus in which glow discharge is generated and a plasma jet is blown out from a reaction tube and sprayed onto an object to be processed.
[0005]
However, since the discharge space for generating plasma is a simple one-chamber type, it can be used for complex processes such as complex oxide thin film formation, multilayer thin film formation, etching, and ashing in semiconductor device manufacturing processes. There is a problem that it cannot be sufficiently handled, and attempts have been made to solve these problems by forming a plurality of discharge spaces.
[0006]
In forming a plurality of discharge spaces, if the discharge space is formed by using electrodes having smooth surfaces facing each other to generate a uniform plasma at normal pressure, it is necessary to keep the distance between the facing electrodes uniform. In order to make the spacing uniform, a method has been adopted in which an insulator having a uniform thickness is sandwiched between electrodes and the electrodes are fixed. However, when the electrode is housed in the case, the distance between the electrodes may not be constant depending on the method of fixing the electrode and the case.
In particular, when two plasmas are simultaneously generated in two discharge spaces formed by three electrodes facing each other, an attempt is made to simultaneously generate plasma with different gases in two discharge spaces with one power source (same voltage). In this case, it is necessary to finely adjust the two discharge spaces, but when sandwiching the insulator to make the discharge space interval uniform, prepare an insulator with a slightly different thickness each time. It was necessary to make adjustments with errors.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a discharge plasma processing apparatus in which two discharge spaces are formed using three electrodes, and the distance between the electrodes in both discharge spaces can be easily finely adjusted. An object of the present invention is to provide a discharge plasma processing apparatus capable of generating plasma and continuously performing stable processing.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventor fixed the center electrode of the three electrodes, moved the electrodes on both ends, and finely adjusted the electrodes on both sides, thereby reducing the distance between the two electrodes. By adjusting, it was found that uniform plasma can be easily generated in the two discharge spaces, and the present invention has been completed.
[0009]
That is, according to the first aspect of the present invention, glow discharge plasma is generated by applying an electric field between two opposing electrodes having two discharge spaces formed by three electrodes in which at least one of the opposing surfaces is coated with a solid dielectric. In the apparatus for processing an object to be processed, the center electrode of the three electrodes is fixed, the two electrodes at both ends are movable, and the interval between the two discharge spaces is adjusted. A plasma processing apparatus.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the discharge plasma processing apparatus according to the first aspect, wherein the movable electrode includes a mechanism for pushing and pulling the movable electrode toward the center fixed electrode.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, the mechanism for pushing toward the center fixed electrode has a female screw in a case around the electrode, and a bolt having a male screw that engages with the female screw. The discharge plasma according to the second aspect of the invention is characterized in that the movable plasma is pushed to the fixed electrode side and the gap between the electrodes is reduced by pushing the bolt into the case so as to contact with the case. It is a processing device.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a bolt having a male screw that engages with both the female screw and the case where the mechanism pulling toward the central fixed electrode has a female screw in the case and the movable electrode surrounding the electrode, The second invention is characterized in that it is a mechanism that extends the distance between the electrodes by penetrating the case and fitting the tip of the case to the movable electrode and pushing the bolt into the case, thereby pulling the movable electrode to the case side. It is a discharge plasma processing apparatus of description.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the invention according to any one of the second to fourth aspects, wherein a mechanism for pushing toward the center fixed electrode and a mechanism for pulling are provided on each of the both end electrodes. This is a discharge plasma processing apparatus.
[0014]
According to a sixth aspect of the present invention, the discharge plasma treatment according to any one of the first to fifth aspects is characterized in that the central electrode is a voltage application side electrode and the electrodes at both ends are ground side electrodes. Device.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention has two discharge spaces by three counter electrodes, one at the center is shared by the two discharge spaces, an electric field is applied between the three counter electrodes, and the discharge is generated in the two discharge spaces. Atmospheric discharge plasma under a pressure near atmospheric pressure using a discharge plasma processing apparatus (hereinafter, also referred to as a remote source) that excites a processing gas with plasma and processes an object to be processed installed outside the discharge space. In the processing apparatus, the remote source has three electrodes in which at least one facing surface of the counter electrode is coated with a solid dielectric, and the center electrode of the three electrodes is fixed, and the electrodes at both ends are fixed This is a discharge plasma processing apparatus in which the distance between the electrodes can be finely adjusted by moving.
However, the apparatus of the present invention excludes an apparatus in which a plurality of discharge spaces are formed by arranging one discharge space formed by a pair of electrodes in series or in parallel. Details will be described below.
[0016]
The apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings. For example, FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an example of a remote source using three parallel plate electrodes and two discharge spaces. In the apparatus of FIG. 1, the remote source 1 has three parallel plate electrodes 3, 4 and 4 ′ covered with a solid dielectric in a case 2 facing each other, and a discharge space is provided between the electrodes. 5 and 5 ′ are formed, and processing gas introduction chambers 7 and 7 ′ for introducing a processing gas into the discharge spaces 5 and 5 ′, and plasma outlets 8 and 8 ′ for blowing out plasma generated in the discharge space are provided. Has been. The center electrode 3 is fixed as a voltage application electrode, the electrodes 4 and 4 ′ at both ends are movable as ground electrodes, and the electrodes 4 and 4 ′ at both ends are made to be electrode spacing fine adjustment bolts 21, 22, 21 ′. And 22 ', the discharge spaces 5 and 5' can be adjusted.
[0017]
The processing gas is introduced into the processing gas introduction chambers 7 and 7 ′ from the processing gas introduction ports 6 and 6 ′, rectified in the processing gas introduction chambers 7 and 7 ′, and then introduced into the discharge spaces 5 and 5 ′. Then, plasma is generated in the discharge spaces 5 and 5 ′ by the electric field applied to the electrodes, blown out from the plasma blowing ports 8 and 8 ′, and blown onto the surface of the object 10 to be surface-treated.
[0018]
In the discharge spaces 5 and 5 ′, by fixing the central electrode 3 and making the electrodes 4 and 4 ′ at both ends movable, the distance between both electrodes can be easily made uniform.
[0019]
As a method for moving the electrodes 4 and 4 'at both ends, a mechanism (electrode spacing) is provided by pressing the electrodes 4 and 4' toward the center fixed electrode 3 with the electrode spacing fine adjustment bolts 21, 22, 21 'and 22'. And a pulling mechanism (mechanism for widening the distance between the electrodes) and a moving method are preferable.
[0020]
A mechanism for pushing and pulling toward the fixed electrode 3 will be described with reference to the drawings. FIG. 2 shows an enlarged schematic cross-sectional view on the electrode 4 side of the remote source 1 shown in FIG. In the apparatus of FIG. 2, the central fixed electrode 3 is fixed to the case 2, and the movable electrode 4 forms a gap 23 on the opposite side of the discharge space 5 so that the inter-electrode spacing of the discharge space 5 can be finely adjusted in the case 2. It is installed to do. The case 2 is fitted with a fine adjustment bolt 21 that has a female screw 24 and has a male screw that engages with the female screw 24, and the tip of the bolt 21 is in contact with the movable electrode 4. ing. When the fine adjustment bolt 21 is pushed into the case 2, the electrode 4 is pushed toward the center fixed electrode 3 side and moves so as to narrow the interval between the discharge spaces 5. Further, bored female screw 26 to the electrode 4, the fine adjustment bolt 22 is passed through the case 2, it is fitted to its tip to the movable electrode 4, and turn the fine adjusting bolt 22, the electrodes 4 on the case 2 side It is attracted and moves so as to widen the interval of the discharge space 5.
[0021]
The mechanism for pushing toward and pulling toward the fixed electrode 3 includes at least two pushing mechanisms and two pulling mechanisms for each of the end electrodes 4 and 4 ', preferably three or more pushing mechanisms. By providing three or more locations, the distance between the electrodes in each discharge space can be finely adjusted.
[0022]
In the apparatus of the present invention, the case 2 can be made of a resin such as polytetrafluoroethylene or polyoxymethylene, ceramics, etc., and the bolt can be made of resin, ceramics, metal or the like. Can do.
[0023]
Further, by using the central electrode 3 as a voltage application electrode and the electrodes 4 and 4 ′ on both sides as ground electrodes, both the discharge spaces 5 and 5 ′ can be discharged with one voltage application electrode. Furthermore, when plasmas are generated simultaneously by flowing gases having different plasma generation voltages in the two discharge spaces 5 and 5 'generated by the three electrodes, the plasma is generated at the same voltage by adjusting the distance between the electrodes. Can be generated. That is, the gas side where plasma is generated at a low voltage widens the distance between the electrodes in the discharge space, and the gas side where plasma is generated at a high voltage uses a different gas by narrowing the distance between the electrodes in the discharge space. Can be performed simultaneously.
[0024]
Examples of the material of the electrode include a single metal such as copper and aluminum, an alloy such as stainless steel and brass, and an intermetallic compound. The counter electrode preferably has a structure in which the distance between the counter electrodes is substantially constant in order to avoid occurrence of arc discharge due to electric field concentration. Examples of the electrode structure that satisfies this condition include a parallel plate type, a roll type, a cylindrical opposed flat plate type, a spherical opposed flat plate type, a hyperboloid opposed flat plate type, and a coaxial cylindrical type structure.
[0025]
The solid dielectric covering the electrode is placed on one or both of the opposing surfaces of the electrode. At this time, the solid dielectric and the electrode on the installation side are in close contact with each other, and the opposing surface of the electrode in contact is completely covered. If there is a portion where the electrodes directly face each other without being covered by the solid dielectric, arc discharge is likely to occur therefrom.
[0026]
The solid dielectric preferably has a thickness of 0.01 to 4 mm. If it is too thick, a high voltage is required to generate discharge plasma, and if it is too thin, dielectric breakdown occurs during voltage application, and arc discharge is likely to occur.
[0027]
Examples of the material of the solid dielectric include plastics such as polytetrafluoroethylene and polyethylene terephthalate, glass, metal dioxide such as silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium dioxide, and titanium dioxide, double oxide such as barium titanate, And those having a multi-layered structure.
[0028]
The solid dielectric preferably has a relative dielectric constant of 2 or more (in the environment of 25 ° C., the same shall apply hereinafter). Specific examples of the dielectric having a relative dielectric constant of 2 or more include polytetrafluoroethylene, glass, and metal oxide film. In order to stably generate a high-density discharge plasma, it is preferable to use a fixed dielectric having a relative dielectric constant of 10 or more. The upper limit of the relative dielectric constant is not particularly limited, but about 18,500 is known as an actual material. Examples of the solid dielectric having a relative dielectric constant of 10 or more include a metal oxide film mixed with 5 to 50% by weight of titanium oxide and 50 to 95% by weight of aluminum oxide, or a metal oxide film containing zirconium oxide. Those consisting of are preferred.
[0029]
The distance between the electrodes is appropriately determined in consideration of the thickness of the solid dielectric, the magnitude of the applied voltage, the purpose of using plasma, etc., but is preferably 0.1 to 50 mm, more preferably 5 mm or less. If it exceeds 50 mm, it is difficult to generate uniform discharge plasma.
[0030]
In the apparatus of the present invention, an electric field by a high frequency, a pulse wave, a microwave, or the like is applied between the electrodes to generate plasma, but it is preferable to apply a pulse electric field, and in particular, the rising and / or rising of the electric field. An electric field with a fall time of 10 μs or less is preferred. If it exceeds 10 μs, the discharge state tends to shift to an arc and becomes unstable, and it becomes difficult to maintain a high-density plasma state by a pulse electric field. Also, the shorter the rise time and fall time, the more efficiently ionization of the gas during plasma generation, but it is actually difficult to realize a pulsed electric field with a rise time of less than 40 ns. More preferably, it is 50 ns to 1 μs. The rise time here refers to the time during which the voltage (absolute value) increases continuously, and the fall time refers to the time during which the voltage (absolute value) decreases continuously.
[0031]
The fall time of the pulse electric field is preferably steep, and the time scale is preferably 10 μs or less, which is the same as the rise time. Although different depending on the pulse electric field generation technique, it is preferable that the rise time and the fall time can be set to the same time.
[0032]
The electric field strength of the pulse electric field is preferably 10 to 1000 kV / cm. When the electric field strength is less than 10 kV / cm, it takes too much time for processing, and when it exceeds 1000 kV / cm, arc discharge tends to occur.
[0033]
The frequency of the pulse electric field is preferably 0.5 kHz or more. If it is less than 0.5 kHz, the plasma density is low, and the process takes too much time. The upper limit is not particularly limited, but it may be a high frequency band such as 13.56 MHz that is commonly used and 500 MHz that is used experimentally. In consideration of ease of matching with the load and handleability, 500 kHz or less is preferable. By applying such a pulse electric field, the processing speed can be greatly improved.
[0034]
The off time in the pulse electric field is preferably 0.5 to 1000 μs, more preferably 0.5 to 500 μs. If it is less than 0.5 μs, the discharge becomes unstable, and if it exceeds 1000 μs, it tends to shift to arc discharge.
[0035]
The current density in the pulsed electric field is preferably 10~500mA / cm ^2, more preferably 50~500mA / cm ^2. If it is less than 10 mA / cm ² , the discharge becomes unstable, and if it exceeds 500 mA / cm ² , it tends to shift to arc discharge.
[0036]
Moreover, it is preferable that one pulse duration in the said pulse electric field is 200 microseconds or less, More preferably, it is 3-200 microseconds. If it exceeds 200 μs, it tends to shift to arc discharge. Here, one pulse duration refers to the continuous ON time of one pulse in a pulse electric field consisting of repetition of ON and OFF.
[0037]
The apparatus of the present invention is preferably used at a pressure near atmospheric pressure. Under the pressure in the vicinity of atmospheric pressure refers to the pressure under 1.333 × 10 ^{4 to} 10.664 × 10 ⁴ Pa. Among them, easy pressure adjustment range of the apparatus is simplified ^{^{9.331 × 10 4 ~10.397 × 10 4}} Pa is preferred.
[0038]
The processing gas used in the present invention is not particularly limited as long as it is a gas that generates plasma by applying an electric field, and various gases can be used depending on the processing purpose.
[0039]
A water-repellent surface can be obtained by using a fluorine-containing compound gas such as CF ₄ , C ₂ F ₆ , CClF ₃ , or SF ₆ as the processing gas.
[0040]
Further, as the processing gas, oxygen element-containing compounds such as O ₂ , O ₃ , water and air, nitrogen element-containing compounds such as N ₂ and NH ₃ , and sulfur element-containing compounds such as SO ₂ and SO ₃ are used, A hydrophilic surface such as a carbonyl group, a hydroxyl group, and an amino group can be formed on the surface of the substrate to increase the surface energy, thereby obtaining a hydrophilic surface. Alternatively, a hydrophilic polymer film can be deposited using a polymerizable monomer having a hydrophilic group such as acrylic acid or methacrylic acid.
[0041]
Furthermore, a metal oxide thin film such as SiO ₂ , TiO ₂ , or SnO ₂ is formed using a processing gas such as metal metal-hydrogen compound, metal-halogen compound, metal alcoholate such as Si, Ti, or Sn, Electrical and optical functions can be given to the substrate surface. Etching treatment and dicing treatment using halogen gas, resist treatment and removal of organic matter contamination using oxygen gas, argon, Surface cleaning and surface modification can also be performed with plasma using an inert gas such as nitrogen.
[0042]
From the viewpoints of economy and safety, the treatment can be performed in an atmosphere in which the treatment gas is diluted with an inert gas.
[0043]
Examples of the object to be treated by the apparatus of the present invention include polyethylene, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polytetrafluoroethylene, polyimide, liquid crystal polymer, epoxy resin, acrylic resin and other plastics, glass, ceramics, silicon wafers, Metal, fiber, paper, etc. are mentioned. Examples of the shape of the substrate include sheet-like and film-like shapes, and in particular for semiconductor applications, copper-clad laminates, printed boards, prepregs and the like can be mentioned.
[0044]
In the plasma processing apparatus of the present invention, a mechanism can be provided in which preliminary discharge is performed immediately after the generation of plasma until the discharge is stabilized, and then brought into contact with the object to be processed.
[0045]
Further, in order to prevent the object to be processed and the surface to be processed from coming into contact with wet air and other impurities in the atmosphere, or to prevent the exhaust gas from flowing out to the outside, in addition to the apparatus for bringing the plasma into contact with the object to be processed, plasma It is also possible to use an apparatus to which an exhaust gas absorption mechanism, a mechanism for maintaining an inert gas atmosphere, and the like are added in the vicinity of the contact portion between the substrate and the object to be processed.
[0046]
Furthermore, as a means for transporting the object to be processed, an apparatus combining transport systems such as a transport conveyor and a transport robot can be used.
[0047]
【Example】
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to only these examples.
[0048]
Example 1
In the apparatus shown in FIG. 1, polyoxymethylene is used as the case 2, and parallel plate electrodes made of SUS304 having a width of 100 mm × height of 50 mm × thickness of 10 mm are used as the electrodes 3, 4, 4 ′. Alumina having a thickness of 1.0 mm was sprayed on the surface of the electrode. On the movable electrode side 4 and 4 ′ side, six bolts 21 (diameter 2 mm) for pushing toward the electrode 3 and six bolts 22 (diameter 2 mm) as pulling mechanisms are alternately provided, and the discharge spaces 5 and 5 are provided. The spacing of 'was set to be about 1 mm. Air was allowed to flow through each discharge space at 15 L / min, and a pulse electric field having a frequency of 10 kHz and a pulse rising speed of 5 μs was applied from a power source. The time required for adjusting the distance between the electrodes so that the discharge in both discharge spaces was uniform was 5 minutes. Uniform plasma was generated in the discharge spaces 5 and 5 ′.
[0049]
Comparative Example 1
A discharge space was obtained in the same manner as in Example 1 except that 1 mm thick alumina was sandwiched between three opposing electrodes as a spacer, the electrodes at both ends were fixed to the electrode case from the back, and the middle electrode was fixed from both ends with bolts. A plasma was generated. Strong plasma was generated in one of the discharge spaces, and arc-shaped plasma was partially generated in the other.
[0050]
【The invention's effect】
According to the discharge plasma processing apparatus of the present invention, a remote source having two discharge spaces using three electrodes can easily adjust the distance between the electrodes for each discharge space, and generates stable and uniform discharge plasma. Therefore, complex thin film formation, surface treatment, and the like necessary for semiconductor elements can be easily performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of a discharge plasma processing apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Remote source 2 Case 3 Fixed electrode 4, 4 'Movable electrode 5, 5' Discharge space 6, 6 'Process gas inlet 7, 7' Process gas inlet chamber 8, 8 'Plasma outlet 10 To-be-processed object 21, 21 ' , 22 , 22' Fine adjustment bolt 23 Clearance 23 , 26 Female thread

Claims

放電空間で処理ガスをプラズマ化して吹き出し、前記放電空間外に設置された被処理体を処理する装置において、
ケースと、
前記ケース内に固定された固定電極と、
前記ケース内に、前記固定電極に対し接近・離間可能に対向するように設けられ、前記固定電極との間に前記放電空間を形成する可動電極と、
前記固定電極と可動電極のうち少なくとも一方の対向面を被覆する固体誘電体と、
前記ケースにねじ嵌合され、その先端が前記可動電極の前記対向面とは反対側に当接された押し用のボルトと、
前記ケースを貫通し、その先端が前記可動電極の前記反対側にねじ嵌合された引き用のボルトと、
を備えたことを特徴とする放電プラズマ処理装置。 In a device for processing a processing object installed outside the discharge space by turning the processing gas into plasma in the discharge space and blowing it out ,
Case and
A fixed electrode fixed in the case;
A movable electrode provided in the case so as to face the fixed electrode so as to be capable of approaching and separating, and forming the discharge space between the fixed electrode,
A solid dielectric covering at least one opposing surface of the fixed electrode and the movable electrode;
A screw that is screwed to the case, and a push bolt whose tip is in contact with the opposite side of the opposed surface of the movable electrode;
A pulling bolt penetrating the case, the tip of which is screwed to the opposite side of the movable electrode;
Discharge plasma processing device comprising the.

前記押し用のボルトと前記引き用のボルトとを、前記可動電極に対しそれぞれ少なくとも２つ設けることを特徴とする請求項１に記載の放電プラズマ処理装置。Discharge plasma processing device according to claim 1, and a bolt for the draw bolt for the press, and characterized by providing at least two each with respect to the movable electrode.

前記固定電極を電圧印加側電極とし、前記可動電極を接地側電極とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の放電プラズマ処理装置。 The fixed electrode and a voltage application side electrode, discharge plasma processing device according to claim 1 or 2, characterized in that the ground-side electrode of the movable electrode.