JP3962280B2

JP3962280B2 - 放電プラズマ処理装置

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

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。
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。
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。