JP2003080060A

JP2003080060A - 放電プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2003080060A
Application number: JP2001273742A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Iwane; 和良岩根
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2003-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】リモート型放電プラズマ処理装置において、
電極間に導入するガスの偏流を和らげて、大面積基材等
の処理にも対応できる放電プラズマ処理装置の提供。【解決手段】対向電極間に処理ガスを導入し、電界を
印加してグロー放電プラズマを発生するようになされた
放電プラズマ処理装置において、対向電極間への処理ガ
スの導入が、回転羽根による整流機構により電極間に均
一に導入することができるようになされていることを特
徴とする放電プラズマ処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、処理ガスを電極間に均一に導入する
ことのできる装置を有する放電プラズマ処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】化学蒸着（ＣＶＤ）法等により基板上に
薄膜を形成して半導体素子を製造する方法が種々開発さ
れているが、反応ガス流の均一性が基材面上に形成され
る薄膜の均質性等に影響を及ぼすことが知られており、
特に、大面積基板上に薄膜を形成する場合は、反応ガス
の流速、濃度がその薄膜形成に大きく影響を及ぼしてい
る。

【０００３】反応ガスを基材面に対して均一にする方法
としては、例えば、特開平８−２０９３４９号公報に記
載されているように、多孔質材料を用いたシャワー板を
用いる方法、特開２００１−１４００７８号公報に記載
されているような整流フィンを用いる方法が挙げられ
る。しかしながら、ガスの導入流れや導入方法について
は未だ十分に解決された方法であるとは言えなかった。
さらに、ガスの偏流に対しては十分な効果が発揮され
ず、特にプラズマ放電処理による薄膜形成方法において
は、偏流問題を解決する必要があった。

【０００４】また、一般的な常圧プラズマ処理方法で
は、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に、主に処理槽内部にお
いて、固体誘電体等で被覆した平行平板型電極間に被処
理体を設置し、処理槽に処理ガスを導入し、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方
法が採られている。このような方法によると、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。

【０００５】このような問題を解決するものとして、被
処理体の特定部分のみにプラズマ処理を行いやすく、し
かも被処理物を連続的に処理することができる装置とし
て、先端にプラズマガス吹き出し口を有するリモート型
プラズマ処理装置が開発されてきている。例えば、特開
平１１−２５１３０４号公報及び特開平１１−２６０５
９７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
ズマ処理装置が開示され、また、より大面積基材の処理
ができる平行平板型電極の先端に長尺ノズルを設けたリ
モート型プラズマ処理装置が開発されてきている。

【０００６】しかしながら、上記リモート型プラズマ処
理装置においては、特に平行平板型電極間で発生させた
プラズマを長尺ノズルから大面積基材表面を処理する場
合においては、電極間に導入する処理ガスの流量及び流
速に分布が生じてガスの導入流れに偏流が生じると、基
材に向かって吹き出されるプラズマ流に密度等の濃淡が
生じ、基材表面に形成される薄膜の均一性に影響を及ぼ
すという問題を生じていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題に
鑑み、リモート型放電プラズマ処理装置において、電極
間に導入するガスの偏流を和らげて、大面積基材等の処
理にも対応できる放電プラズマ処理装置を提供すること
を目的とする。

【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、電極間に導入するガスの
偏流を和らげるためにガス整流部に回転羽根（プロペ
ラ）機構を設け、偏りのあるガス流を攪拌することによ
り、局所的ガス流を回転羽根全体の流れにして、電極間
にガスを均一に導入す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の発明は、対向電
極間に処理ガスを導入し、電界を印加してグロー放電プ
ラズマを発生するようになされた放電プラズマ処理装置
において、対向電極間への処理ガスの導入が、回転羽根
による整流機構により電極間に均一に導入することがで
きるようになされてい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の発明は、対向電極
が、対向電極の対向面の少なくとも一方が固体誘電体で
被覆されている電極であ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、グロー放電
プラズマの発生が、大気圧近傍の圧力下で行われること
を特徴とする第１又は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、対向電極が
平行平板型電極であって、発生した放電プラズマを放電
空間外に設置された被処理基板に吹き付けるようになさ
れていることを特徴とする第１〜３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。

【００１３】また、本発明の第５の発明は、電界が、電
圧立ち上がり時間が１０μｓ以下、電界強度が１０〜１
０００ｋＶ／ｃｍのパルス状の電界であることを特徴と
する第１〜４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】

【発明の実施の形態】本発明の放電プラズマ処理装置
は、対向電極間に処理ガスを導入し、電界、好ましくは
パルス電界を印加することによって、グロー放電プラズ
マを発生するようになされた放電プラズマ処理装置であ
って、特に、平行平板型電極間で発生させた放電プラズ
マを長尺ノズルから被処理基材表面に吹き付けるリモー
ト型プラズマ処理装置において、処理ガス導入部に処理
ガスの流量及び流速に分布が生じる偏流を和らげる回転
羽根による整流機構を導入し、電極間に導入するガス流
を均一化し、被処理基材に向かって吹き出されるプラズ
マ流を均一化するようになされている放電プラズマ処理
装置である。以下、詳細に説明する。

【００１５】本発明の放電プラズマ処理装置を図で説明
する。図１は、本発明の装置の一例を斜視図で示した模
式的概略図である。図１において、処理ガスは、ガス吹
き込み口６からガス導入室５に導入され、ガス導入室５
内で整流機構により均一整流化され、平行平板型電極１
及び２の間の放電空間３の長さに対応するスリット状ガ
ス吹き出し口７から放電空間３に吹き込まれる。吹き込
まれた処理ガスは、放電空間３で励起されプラズマ化
し、プラズマ吹き出し口４から被処理基材２０の表面に
吹き付けられる。

【００１６】図２は、本発明で用いる整流機構を備えた
ガス導入室の一例の側断面図であり、図３はガス導入室
の下部側からの一部透視した模式的斜視図である。ガス
導入室５は、一次室１０と二次室１１に分割され、一次
室１０から二次室１１へは一次ガス吹き出し口１２が複
数個設けられ、二次室側には一次ガス吹き出し口１２に
対応して複数枚の回転羽根１３が回転軸１４に取り付け
られた複数の回転羽根機構が設けられている。処理ガス
は、ガス吹き込み口６より一次室１０に導入され、一次
室内で略均一化され、次に複数の一次ガス吹き出し口１
２から二次室１１に導入される。二次室へ導入された処
理ガスは、回転羽根１３に衝突し、回転羽根１３を回転
させると同時に、回転羽根１３で攪拌され、整流化さ
れ、スリット状ガス吹き出し口７から、放電空間３に送
り込まれる。

【００１７】上記回転羽根機構は、二次室側の一次ガス
吹き出し口１２に対応して設けられており、一次ガス吹
き出し口１２から二次室へ流入するガス流で動力を用い
ないで、回転するようになされているものであっても、
動力で回転するようになされたものであっても良く、回
転軸が首を振るような機構を有しても良い。回転羽根１
３は、回転軸１４に取り付けられるが、その枚数には制
限はなく、使用する処理ガスの種類等にしたがい取り付
け、取り外しができるようにしておくのが好ましい。回
転羽根１３の回転軸１４への取り付け角度は、０〜９０
゜の範囲で適宜変更できるようにして取り付けられる。
また、回転羽根１３の材質としては、特に制限はなく、
使用する処理ガスの種類に応じて、ポリテトラフルオロ
エチレン樹脂、ナイロン樹脂、金属等が挙げられる。

【００１８】なお、一次室及び二次室には、処理ガスの
ガス流の均一化、整流化を促進させる、邪魔板、多孔
板、風向変化機能板等を設けてもよい。さらに、一次ガ
ス吹き出し口１２の形状は、回転羽根の回転を加速でき
るようなノズル形状にしてもよい。特に、複数種の処理
ガスを用いる場合又は処理ガスと希釈ガスとの混合気体
を用いる場合、供給時に不均一になることを避けるよう
な装置の工夫がなされていることが好ましく、特に面積
の大きな被処理体に適用する場合や比重差の大きい複数
のガスを用いる場合は、不均一になり易いので本発明の
装置が効果を発揮する。

【００１９】本発明の放電プラズマ処理装置において、
放電プラズマを発生させる処理圧力としては、大気圧近
傍の圧力下が好ましく、具体的には、１．３３３×１０
⁴〜１０．６６４×１０⁴Ｐａの圧力下が好ましい。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の範囲が特に好まし
い。

【００２０】本発明の装置で用いる対向電極の材質とし
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、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
げられるが、特に平行平板型電極を用い、電極の放電空
間で発生したプラズマを放電空間外に設置した被処理基
材に吹き付けるようにしたリモート型の構造を構成する
電極が好ましい。このような構造にすることにより、被
処理基材は、直接高電界プラズマ空間にさらされること
が無く、表面のみにプラズマ状態のガスが運ばれ、処理
が行われるので電気的熱的負担が軽減される。

【００２１】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。

【００２２】上記固体誘電体の形状は、シート状でもフ
ィルム状でもよいが、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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】上記固体誘電体で被覆された電極間の距離
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。

【００２６】また、対向電極には、電界を印加して、プ
ラズマを発生させるが、特にパルス電界を印加するのが
好ましい。

【００２７】上記パルス電界の立ち上がり時間及び立ち
下がり時間は、１０μｓ以下が好ましい。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得られに
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は
実現しにくい。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。

【００２８】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１０μ
ｓ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、例えば本発明の実施
例で使用した電源装置では、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。

【００２９】上記パルス電界の電界強度は、１０〜１０
００ｋＶ／ｃｍであり、好ましくは２０〜３００ｋＶ／
ｃｍである。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。

【００３０】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１３．５６Ｍ
Ｈｚ、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。

【００３１】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、図９中に例を示してある
が、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。

【００３２】本発明の放電プラズマ処理装置に用いる処
理ガスとしては、電界、好ましくはパルス電界を印加す
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。

【００３３】例えば、処理ガスとして、ＣＦ₄、Ｃ
₂Ｆ₆、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。

【００３４】また、処理ガスとして、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。

【００３５】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、ＳｎＯ
₂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。

【００３６】経済性及び安全性の観点から、上記処理ガ
スは、単独雰囲気よりも、以下に挙げるような希釈ガス
によって希釈された雰囲気中で処理を行うことが好まし
い。希釈ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、
キセノン等の希ガス、窒素気体等が挙げられる。これら
は単独でも２種以上を混合して用いてもよい。また、希
釈ガスを用いる場合、処理ガスの濃度は、処理ガスと不
活性ガスとの混合ガス中の０．００１〜１０体積％であ
ることが好ましく、より好ましくは０．００１〜０．３
体積％である。

【００３７】本発明の放電プラズマ処理装置で処理でき
る被処理基材としては、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、アクリル
樹脂等のプラスチック、ガラス、セラミック、金属等が
挙げられる。基材の形状としては、板状、フィルム状等
のものが挙げられるが、特にこれらに限定されない。本
発明の表面処理方法によれば、様々な形状を有する基材
の処理に容易に対応することができる。

【００３８】本発明の装置を用いたパルス電界を用いた
大気圧放電では、全くガス種に依存せず、電極間におい
て直接大気圧下で放電を生じせしめることが可能であ
り、より単純化された電極構造、放電手順による大気圧
プラズマ装置、及び処理手法でかつ高速処理を実現する
ことができる。また、パルス周波数、電圧、電極間隔等
のパラメータにより処理に関するパラメータも調整でき
る。

【００３９】

【実施例】本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明
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。

【００４０】実施例１（１）流速分布図２及び図３に示すガス導入室（整流器）を用い、放電
空間に整流ガスを送り込む際の流速分布を測定した。図
２において、５ｍｍφのガス吹込み口６を設けたガス導
入室５は、幅１００ｍｍ×長さ１４０ｍｍ×高さ２００
ｍｍで、一次室１０と二次室１１に分割され、一次ガス
吹き出し口１２は、２ｍｍφで２０ｍｍピッチで６個設
けられ、二次室側には１０ｍｍφのプロペラが４５度の
角度に８枚回転軸に取り付けられた回転羽根機構が一次
ガス吹き出し口１２に対応して３個取り付けられ、ガス
吹き出し口７は、５ｍｍ×１００ｍｍのスリット状とし
た。ガスとして、１０Ｌ／ｍｉｎの空気をガス吹込み口
６から一次室１０内に導入し、ガス吹き出し口７におけ
る長さ方向の各位置における流速を測定した。その結果
を、プロペラを取り付けない比較例の場合の流速ととも
に図４に示した。

【００４１】図４より明らかなように、二次室にプロペ
ラ機構を設けることによりガス吹き出し口７の各位置に
おける流速は、ほぼ一定となった。一方、二次室にプロ
ペラ機構を設けない場合は、ガス吹き出し口７の各位置
における流速分布に大きな乱れが生じていた。

【００４２】（２）放電プラズマ処理次に、上記整流器のガス吹き出し口７の大きさを２ｍｍ
×１００ｍｍのスリットに変更し、平行平板型電極を用
いた放電空間に処理ガスを導入してプラズマ放電処理を
行った。電極としては、固体誘電体としてアルミナを１
ｍｍの厚さに溶射した長さ３００ｍｍ×幅１００ｍｍ×
厚み２０ｍｍのＳＵＳ３０４製平行平板型電極を２ｍｍ
の間隔をおいて平行に設置し、プラズマ吹き出し口から
５ｍｍ離れた位置に窒化珪素膜を形成した１００ｍｍ×
１００ｍｍ×厚み５０μｍのウェハーを被処理基材とし
て設置した。装置全体を油回転ポンプで１．３３３×１
０ ²Ｐａになるまで排気を行った後、アルゴンガスで装
置全体を１０．１３×１０⁴Ｐａにした後、処理ガスと
して、ＣＨ₃Ｓｉ（ＯＣＨ₃）₃０．２％、ＣＨ₄０．２％
をアルゴンガスにより希釈した混合ガスをガス吹き込み
口６から導入し、放電空間でプラズマ化しウェハー上に
吹き付け、成膜を行ったところ基板上にシロキサン系薄
膜がむらなく均一に形成されていることを目視で確認し
た。なお、電界条件は、パルス立ち上がり速度５μｓ、
周波数１０ｋＨｚ、ピーク−ピーク電圧２０ｋＶ、９５
ｋＰａ下（大気圧下）とした。

【００４３】

【発明の効果】本発明の放電プラズマ処理装置によれ
ば、放電空簡に整流化した処理ガスを導入することがで
きるので、安定して均一な放電プラズマを発生させるこ
とができ、大面積基板等の処理に有効に用いることがで
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を説明する模式
的斜視図である。

【図２】ガス導入室の側断面図である。

【図３】ガス導入室の下部よりみた一部透視の模式的斜
視図である。

【図４】実施例における流速分布の結果を示す図であ
る。

【符号の説明】

１、２電極３放電空間４プラズマ吹き出し口５ガス導入室６ガス吹き込み口７ガス吹き出し口１０一次ガス室１１二次ガス室１２一次ガス吹き出し口１３プロペラ（回転羽根）１４回転軸２０被処理基材

フロントページの続きＦターム(参考） 4G075 AA24 BC01 BC04 BD03 CA14 CA16 DA02 EB01 EB42 ED02 ED06 ED08 FC15 4K030 EA03 FA03 JA09 JA11 JA13 JA14 KA12 KA14 KA15 KA47 5F045 AA08 AC01 AC07 AE25 BB01 EE20 EF13 EH08 EH13 EH18 EH19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向電極間に処理ガスを導入し、電界を
印加してグロー放電プラズマを発生するようになされた
放電プラズマ処理装置において、対向電極間への処理ガ
スの導入が、回転羽根による整流機構により電極間に均
一に導入することができるようになされていることを特
徴とする放電プラズマ処理装置。
【請求項２】対向電極が、対向電極の対向面の少なく
とも一方が固体誘電体で被覆されている電極であること
を特徴とする請求項１に記載の放電プラズマ処理装置。
【請求項３】グロー放電プラズマの発生が、大気圧近
傍の圧力下で行われ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。
【請求項４】対向電極が平行平板型電極であって、発
生した放電プラズマを放電空間外に設置された被処理基
板に吹き付けるようになされていることを特徴とする請
求項１〜３のいずれか１項に記載の放電プラズマ処理装
置。
【請求項５】電界が、電圧立ち上がり時間が１０μｓ
以下、電界強度が１０〜１０００ｋＶ／ｃｍのパルス状
の電界であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
１項に記載の放電プラズマ処理装置。