(57)【要約】【課題】プラズマ処理空間を清浄空間にでき、ガスを確実に排気する大気圧プラズマ処理装置を得ること。【解決手段】反応ガスを供給する反応ガス導入口２４ａとカーテンガスを供給するカーテンガス導入口２８ａと反応ガス導入口２４ａとカーテンガスの導入口２８ａとの間に設ける第１排気口２６ａとカーテンガスの外側に設ける第２排気口３０ａが配置され、反応ガス供給流量＞第１排気流量、第１排気口にて反応ガス供給圧力＞カーテンガス供給圧力、全排気流量＞（反応ガス供給流量＋カーテンガス流量）とする。【選択図】図１
2014053136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、被処理部材の被処理面が前記電極と対向するとともに前記電極との間に間隙を有するように前記被処理部材を保持する接地された保持部と、前記電極と前記保持部との間に電力を印加する電源と、前記電極と前記被処理面との間隙に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、を備え、大気圧雰囲気中において前記電源により前記電極に電力を印加して前記電極と前記保持部との間隙に電界を発生させた状態で、前記電極中に設けられた反応ガスの供給路を介して前記反応ガスを前記電極と前記被処理面との間隙に供給することにより前記反応ガスをプラズマ化し、プラズマ処理空間を生成し、該プラズマ処理空間で前記被処理面に対してプラズマ処理を行う大気圧プラズマ処理装置であって、
前記電極の外周に前記電極を囲むように設けられた第１排気流路を有し、該第１排気流路に設けられた第１排気口を介して、前記電極と前記被処理面との間隙のガスを排気する第１排気部と、
前記第１排気流路の外周に前記電極を囲むように設けられた不活性ガスの供給路を有し、該不活性ガスの供給路を介して、前記保持部における前記被処理面側に向けて不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記不活性ガス供給部の外周に前記電極を囲むように設けられた第２排気流路を有し、該第２排気流路に設けられた第２排気口を介して、前記電極と前記被処理面との間隙のガスと不活性ガスを排気する第２排気部と、
を有し、
前記プラズマ処理空間が外気圧よりも負圧とならないように、
前記反応ガスの供給流量が前記第１排気部における排気流量より大であり、
前記第１排気口付近において前記反応ガスの供給圧力が前記不活性ガスの供給圧力よりも大であるようにしたこと、
を特徴とする大気圧プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記第１排気部と前記第２排気部の合計排気流量が前記反応ガスの供給流量と不活性ガスの供給流量の合計供給流量より大であること、
を特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記電極と前記被処理面の間隙が、前記第１排気流路と前記不活性ガスの供給路を構成している流路形成部材と基板台との間隙より広いこと、
を特徴とする請求項２に記載の大気圧プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記第２排気口は、前記基板台に対して、前記第１排気口と同一面側に配置されたこと、
を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の大気圧プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記第２排気口は、前記基板台側に配置されたこと、
を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の大気圧プラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気圧プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プラズマを用いた技術として、大気圧中において被処理部材の表面に反応性プラズマを用いて成膜あるいはエッチングなどのプラズマ処理を行なうプラズマ処理装置がある。例えば、大気圧下において薄膜を成膜する場合には、大気雰囲気に起因した不純物の薄膜への混入を極力少なくする必要がある。例えばシリコン薄膜の成膜においては、酸素や水分を極力減らすことが必要となる。
【０００３】
そこで、発生するプラズマの周囲を窒素（Ｎ2）やアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、キセノン（Ｘｅ）などの不活性ガスにより遮断する技術が提案されている。このような技術として、例えば発生するプラズマの回りにおいて、排気量が反応ガスの供給量より多い排気口を設け、さらに、供給量が排気量より多い不活性ガスをカーテンガスとして使用する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１０３１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術によれば、排気を行なうことでプラズマ処理部の圧力が低くなり、カーテンガスがプラズマ処理部に混入する可能性がある。さらに、カーテンガスと共に大気も混入する可能性があり、プラズマ処理部を清浄な雰囲気にするのが困難である、という問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、プラズマ処理部にカーテンガスおよび大気を混入させることなく、プラズマ処理を行なうことのできる大気圧プラズマ処理装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる大気圧プラズマ処理装置は、電力が印加される電極と、被処理部材の被処理面が前記電極と対向するとともに前記電極との間に間隙を有するように前記被処理部材を保持する接地された保持部と、前記電極に電力を印加する電源と、前記電極と前記被処理面との間隙に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、を備え、大気圧雰囲気中において前記電源により前記電極に電力を印加して前記電極と前記保持部との間隙に電界を発生させた状態で、前記電極中に設けられた反応ガスの供給路を介して前記反応ガスを前記電極と前記被処理面との間隙に供給することにより前記反応ガスをプラズマ化し、プラズマ処理空間を生成し、該プラズマ処理空間で前記被処理面に対してプラズマ処理を行う大気圧プラズマ処理装置であって、前記電極の外周に前記電極を囲むように設けられた第１排気流路を有し、該第１排気流路を介して、前記電極と前記被処理面との間隙のガスを排気する第１排気部と、前記第１排気流路の外周に前記電極を囲むように設けられた不活性ガスの供給路を有し、該不活性ガスの供給路を介して、前記保持部における前記被処理面側に向けて不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、前記不活性ガス供給部の外周に前記電極を囲むように設けられた第２排気流路を有し、該第２排気流路を介して、前記電極と前記被処理面との間隙のガスと不活性ガスを排気する第２排気部とを有し、前記プラズマ処理空間が外気圧よりも負圧とならないように、前記反応ガスの供給流量が前記第１排気部における排気流量より大であり、前記第１排気口付近にて前記反応ガスの供給圧力が前記不活性ガスの供給圧力よりも大であるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、大気雰囲気中におけるプラズマ処理において、外部に反応ガスが漏れるのを抑制するとともに、大気が混入するのを防止し、プラズマ処理空間を清浄な雰囲気にすることができ、信頼性の高い大気圧プラズマ処理を実施することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す図であり、図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】図５は、第１排気口２６ａ近傍における反応ガスＲＧの圧力とカーテンガスＣＧの圧力との関係を説明するための模式図である。
【図６】図６は、図５のＲ−Ｒ断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明にかかる大気圧プラズマ処理装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。また、以下の図面において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す模式図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面図である。実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置は、反応ガスＲＧをプラズマ処理空間Ｐに供給する機能と、不活性ガスからなるカーテンガスＣＧを、プラズマ処理空間Ｐを囲む領域に供給する機能と、装置内部のガスを２重構造で排気する機能と、を有する。装置内部のガスには、Ｈｅなどの未反応状態の未反応ガス、Ｈラジカルなどのプラズマで分解されたガス、基板と反応して生成されたＨ2などの反応生成物ガス、およびＡｒなどのカーテンガスＣＧがあり、以下、これらプラズマ処理に寄与しないガスを総称して未反応ガス等と呼ぶ場合がある。以下、図１および図２を参照して詳細に説明する。
【００１２】
実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置は、図１および図２に示すように、直径方向の中心領域が略円柱状の高周波電極１０、高周波電極１０を囲むように該高周波電極１０の外周部に配置される四角柱形状の絶縁体からなる流路形成部材１２、高周波電極１０に高周波電力を印加する電源１４、反応ガスＲＧを供給する反応ガス供給部１６、カーテンガスＣＧとして不活性ガスを供給するカーテンガス供給部１８、排気ガス処理部１９、および、基板台２０を備える。この基板台２０は、被処理部材である基板Ｗの被処理面が高周波電極１０の中心軸方向と略垂直となるように基板Ｗを保持する保持部であり、接地されている。そして、高周波電極１０の先端部には、この被処理部材である基板Ｗに対向して、ターゲット電極４０が配置されており、ターゲット電極４０の位置は、流路形成部材１２の下端位置より、０．１〜５ｍｍほど高くなっている。
【００１３】
高周波電極１０の材料としては、例えば銅、アルミニウム、ステンレス、真鍮などを使用することができる。また、高周波電極１０の外周面および基板Ｗ側の端面は、絶縁膜２２により被覆されている。この絶縁膜２２は、高周波電極１０におけるアーク発生を防止する。高周波電極１０においてアークが発生した場合には、高周波電極１０が溶解して反応ガスＲＧに不純物が混入する虞がある。絶縁膜２２としては、例えばポリエチレンテレフタート、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）や酸化チタン（ＴｉＯ2）を使用できる。
【００１４】
流路形成部材１２においては、高周波電極１０の周りに略円柱状の中空部が設けられており、この中空部が反応ガス供給部１６から供給される反応ガスＲＧの流路（反応ガス流路）２４となる。また、反応ガス流路２４のうち、反応ガス供給部１６側が反応ガス流路２４に反応ガスＲＧを導入する反応ガス導入口２４ａとなり、基板Ｗ側が反応ガスＲＧの噴出口となる。また、ターゲット電極４０と基板Ｗとの間に存在する間隙領域で、噴出された反応ガスＲＧによる、ガスプラズマが生成されプラズマ処理空間Ｐとなる。
【００１５】
流路形成部材１２は、反応ガスＲＧはもとより、使用する未反応ガス等と反応しない材料により構成されることが好ましく、例えば酸化アルミニウムのような絶縁体が好ましい。流路形成部材１２における内部側には、前述したように略円柱形状の中空部が設けられており、流路形成部材１２の中心に高周波電極１０が配置されている。そして、反応ガス流路２４の外側に第１排気流路２６が配置され、その下端部が第１排気口２６ａとなる。この第１排気流路２６は、プラズマ処理空間Ｐを外側から囲むように設けられており、この第１排気流路２６から未反応ガス等が排気ガスとして第１排気管２６ｂを通して排気ガス処理部１９へ排出される。
【００１６】
また、流路形成部材１２において、第１排気流路２６の外側には、複数の略円柱形状の中空部が設けられており、この中空部がカーテンガスＣＧの流路（カーテンガス流路）２８となる。また、カーテンガス流路２８のうち、カーテンガス供給部１８側がカーテンガス流路２８にカーテンガスＣＧを導入するカーテンガス導入口２８ａとなり、基板Ｗ側がカーテンガスＣＧの噴出口となる。このカーテンガス流路２８は、第１排気流路２６を略均一に囲むように第１排気流路２６の外側に設けられており、カーテンガス供給部１８から供給されるカーテンガスＣＧである不活性ガスが該カーテンガス流路２８を介して基板Ｗに対して吹き付けられる。このカーテンガス流路２８とカーテンガス供給部１８とにより不活性ガス供給部が構成される。
【００１７】
基板Ｗに吹付けられたカーテンガスＣＧの一部は第１排気口２６ａから吸引され、残りは外部雰囲気側に開放される。
【００１８】
さらに、この流路形成部材１２において、カーテンガス流路２８の外側には、複数の略円柱形状の中空部が設けられており、この中空部が第２排気流路３０となり、その下端部が第２排気口３０ａとなる。この第２排気流路３０は、カーテンガス流路２８を略均一に囲むようにカーテンガス流路２８の外側に設けられており、第１排気流路２６で排気出来なかった未反応ガス、カーテンガス等が排気ガスとして第２排気管３０ｂを通して排気ガス処理部１９へ排出される。排気ガス処理部１９では、図示しない排気ガス処理装置を用いて、触媒などにより排気ガスから有毒性を除去し、大気中に排気しても問題のないように処理を施す。この第１排気流路２６と第２排気流路３０と排気ガス処理部１９とにより排気部が構成される。
【００１９】
なお、高周波電極１０の中心から見て、反応ガス流路２４、第１排気流路２６、カーテンガス流路２８および第２排気流路３０の順に半径方向に順に並んでいれば、反応ガス流路２４の断面形状は角型などであってもよく、高周波電極１０の形状も円筒形状以外に四角柱形状などであってもよい。また、第１排気流路２６、第２排気流路３０およびカーテンガス流路２８の断面形状も略円形に限定されず、他の形状であっても良い。
【００２０】
実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置において、反応ガス流量は、プラズマ処理空間Ｐが外気に比べて負圧とならないように、第１排気流路２６の排気流量より多く供給される。第１排気口２６ａ付近の流路形成部材１２と基板Ｗ、基板台２０の間に流れる反応ガスＲＧの圧力がカーテンガスＣＧの圧力より大きくなるように設定される。さらに、カーテンガス流路２８の外側には、複数の略円柱形状の中空部が設けられており、この中空部からなる第２排気流路３０が設けられており、２重構造で排気がなされる。そしてさらに外気に排気ガスが混入しないように、第１排気流路２６と第２排気流路３０の排気流量の合計流量は、反応ガスＲＧの流量とカーテンガスＣＧの流量の合計流量より多く設定される。
【００２１】
このように、カーテンガス流路２８の外側に、複数の略円柱形状の中空部が設けられ、この中空部からなる第２排気流路３０が設けられて、２重構造で排気がなされることで、第１排気流量を反応ガス流量よりも小さくすることができる。このようにして、反応ガス流量を第１排気流量より大きくすることで、プラズマ処理空間Ｐの圧力を正圧とすることができる。また、第１排気口２６ａ付近の流路形成部材１２と基板Ｗ、基板台２０の間に流れる反応ガスＲＧの圧力ＰRGをカーテンガスＣＧの圧力ＰCGより大きくする（ＰRG＞ＰCG）ことで、カーテンガスＣＧとカーテンガスＣＧが巻き込んだ大気が、プラズマ処理空間Ｐに混入するのを防止することができる。
【００２２】
これにより、反応ガスＲＧが外部雰囲気に漏洩することなく、プラズマ処理空間Ｐが清浄な空間に保たれることが可能となる。これはプラズマ処理空間Ｐの圧力が正圧となり、カーテンガスＣＧや大気の混入が防止されることで清浄雰囲気を保ち、さらに、２つの排気機構（第１排気流路２６と第２排気流路３０）により、反応ガスＲＧが外部に漏れることを遮断できるためである。
【００２３】
このような構成を有する大気圧プラズマ処理装置を用いた処理例として、半導体膜の成膜方法について説明する。まず、高周波電極１０に電源１４を繋ぎ、接地された基板台２０上に基板Ｗを載置する。基板Ｗは、反応ガス流路２４から噴出される反応ガスＲＧがシリコン膜の成膜を行う面に吹き付けられるようにして基板台２０上に配置される。なお基板Ｗを基板台２０上で矢印Ｓ方向に搬送しながら、あるいは基板台２０ごと基板Ｗを搬送しながら、成膜することで、大面積基板への成膜が可能となる。また、高周波電極１０の表面を被覆する絶縁膜２２の表面と基板Ｗとの最短距離は、０．５ｍｍから５ｍｍの範囲で設定される。これにより大気圧下での放電が励起できる。
【００２４】
まず、基板台２０上に基板Ｗが載置され、また、カーテンガス供給部１８からカーテンガスＣＧがカーテンガス導入口２８ａを介して基板台２０に噴き付けられ、反応ガス供給部１６から反応ガスＲＧが反応ガス流路２４を介して高周波電極１０と基板台２０との間の空間に供給される。さらに、高周波電源１４から高周波電極１０に対して高周波電力が印加され、ターゲット４０と基板台２０との間の空間で反応ガスＲＧをプラズマ化させる。このとき、カーテンガスＣＧの一部を含む未反応ガス等は図示しない排気ポンプによって第１排気流路２６、第２排気流路３０を介して排気される。また、高周波電極１０の冷却機構（図示せず）と基板台２０（接地側高周波電極）の加熱機構（図示せず）とを作動させ、所定の温度となるように制御する。
【００２５】
この状態で、図示しない搬送手段によって基板台２０が移動方向（Ｓ方向）に移動され、基板Ｗがプラズマ処理空間Ｐに進入する。基板台２０は、連続的に移動してもよく、またステップ的に移動、停止を繰り返して移動してもよい。
【００２６】
基板台２０のＳ方向への移動に伴い、基板Ｗ端部の被処理面がターゲット電極４０の下部に進入する。ターゲット電極４０下部では、プラズマ化した反応ガス（水素原子、水素ラジカル等）によって、ターゲット電極４０と基板Ｗの表面において、ターゲット電極４０の構成物質の水素化物が生成し揮発することによるターゲット電極の構成物質のエッチングと、また、ターゲット電極４０と基板Ｗの表面において、揮発したターゲット電極の構成物質の水素化物がプラズマ中で再分解されターゲット電極４０と基板Ｗの表面に付着することによる半導体膜の成膜と、の両工程が同時に起こる。
【００２７】
ターゲット電極４０としてＳｉを用いる場合には、次式（１）に示す反応によって反応性ターゲット物質のエッチングが起こり、次式（２）に示す反応によって半導体膜（シリコン膜）が成膜される。
Ｓｉ＋ｘＨ→ＳｉＨx  （ｘ＝０，１，２，・・・）  ・・・（１）
ＳｉＨx→Ｓｉ＋ｘＨ  （ｘ＝０，１，２，・・・）  ・・・（２）
【００２８】
ターゲット電極４０エッチングと成膜の速度は、低温側のターゲット電極４０の表面では、エッチングの速度の方が成膜の速度よりも大きい。一方、基板Ｗは基板台２０に内蔵された抵抗体ヒータにより所望の温度に加熱されており、高温側の基板Ｗの表面では、成膜の速度の方がエッチングの速度よりも大きい。したがって、両者の温度差を適度に大きくしておくことによって、エッチングおよび成膜の速度差が大きくなり、低温側のターゲット電極４０から高温側の基板Ｗへの比較的高速の物質移動が生じ、基板Ｗ上に半導体膜が成膜されることになる。このような密閉空間の減圧下で行われていない物質移動は、大気圧プラズマ化学輸送法と呼ばれている。
【００２９】
成膜に必要な温度は、物質によって異なるが、たとえばシリコンの場合には、ターゲット電極４０と基板台２０上の基板Ｗとの間の温度差が１００℃以上であれば成膜が可能である。ただし、低温側の温度としてたとえば１５℃とし、高温側の温度としてたとえば３００℃とすると、温度差が１００℃のときに比してさらに成膜速度が大きくなるので、温度差は大きい方が好ましい。
【００３０】
このようにして、基板台２０のＳ方向への移動に伴い、基板Ｗの被処理面に半導体膜が成膜され、基板Ｗの被処理面に隣接する基板Ｗの被処理面が表面処理される。以下同様に、基板台２０のＸ軸負方向への移動に伴い、基板Ｗの被処理面に表面処理と成膜処理が順に実行される。そして、意図する基板Ｗの被処理面全てに半導体膜が形成されると、表面処理と成膜処理の連続処理が終了する。
【００３１】
ここで、このような構成を有する大気圧プラズマ処理装置を用いた処理の具体例について、基板として結晶系のシリコン基板を用い、シリコン基板上にシリコン膜を成膜する場合を例に挙げて図１を参照しながら説明する。まず、高周波電極４０に電源１４を接続し、ターゲット電極４０を装着した高周波電極１０側に電力を投入し、接地側電極を兼ねる基板台２０を接地する。
【００３２】
シリコン基板は、被処理面にプラズマが照射されるように被処理面を上に向けた状態で、石英製ウエハトレー（図示せず）を介して基板台２０上に装着される。ターゲット電極４０は、純度９９．９９９９９％以上のシリコンで形成される。また、ターゲット電極４０表面と基板Ｗの被処理面との間隔は、パッシェンの法則から定まる放電開始の容易さから、５ｍｍ程度以下とするのが好ましい。これによって大気圧下でプラズマを励起することができる。そして、ターゲット電極４０を循環冷却水で２０℃に冷却し、低温を維持する。また、基板Ｗは、基板台２０内に組み込まれた抵抗体ヒータで３００℃に加熱し、高温を維持する。
【００３３】
ついで、反応ガス流路２４に反応ガスＲＧを流し、カーテンガス流路２４にカーテンガスを流し、第１排気流路２６、第２排気流路３０を通して排気を行う。ここでは、反応ガスＲＧとして水素（Ｈ2）ガス：１２０ｓｃｃｍ、ヘリウム（Ｈｅ）ガス：８８０ｓｃｃｍを、反応ガス供給部１６から反応ガス導入口２４ａを介して反応ガス流路２４に供給する。第１排気流路２６の排気流量は、プラズマ処理空間Ｐが負圧とならないように、反応ガスＲＧの流量を下回る５００ｓｃｃｍとする。また、カーテンガスＣＧとして、不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスを、カーテンガス供給部１８からカーテンガス導入口２８ａを介してカーテンガス流路２８に供給する。アルゴン（Ａｒ）ガスの流量は、反応ガスＲＧの流量を多少下回る９００ｓｃｃｍとする。第２排気流路３０の排気流量は、プラズマ処理空間Ｐが大気圧よりも負圧とならない程度に、全排気量が全供給量を上回る１５００ｓｃｃｍとする。
【００３４】
本構造は主に大気圧プラズマ化学輸送法によるシリコン成膜を実現する構成となっている。プラズマ化学輸送法は物質の精製などに主に使用される手法で、固体材料を化学反応によって一度ガス化し、それを輸送・再分解することで成膜を行う方法である。
【００３５】
ターゲット電極４０の材料としては、シリコン、ヨウ素など化学輸送法のターゲットとなる材料を使用できる。材料としてシリコンを用いた場合は、反応ガスＲＧとして水素（Ｈ2）を使用することでシリコンを成膜することができる。
【００３６】
なお、この大気圧プラズマ処理装置は、プラズマＣＶＤなどの他の成膜処理、プラズマエッチング、プラズマによる粗面化処理など、通常のプラズマ処理としても使用可能である。この場合、ターゲット電極４０は化学輸送法のターゲットとならない材料、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、真鍮などを使用できる。
【００３７】
このように反応ガスＲＧの流量を第１排気量、カーテンガスＣＧの流量より多くすることで、プラズマ処理空間Ｐの圧力を正圧にすることが出来、カーテンガスＣＧや外部雰囲気の混入を防ぐことが可能となる。圧力は、流量÷配管断面積÷流速で示される。本実施の形態の構成では反応ガスＲＧの供給は中央から、カーテンガスＣＧの供給は外周からであり、また、カーテンガスＣＧは外部雰囲気側にも流れるので、配管断面積としては反応ガスＲＧ側が小さいものと考えることができる。そのため、反応ガスＲＧの流量をカーテンガスＲＧの流量より大きくすることで、第１排気口２６ａ付近の反応ガスの圧力ＲＧをカーテンガスＣＧの圧力より大きくすることが可能となる。
【００３８】
さらに、全排気量を全供給量より多くすることで、未反応ガス、プラズマで分解されたガス、基板Ｗと反応して生成された生成ガスの外部漏洩を防止することができる。これらの作用により、本実施の形態にかかる大気圧プラズマ処理装置においては、反応ガスＲＧの外部雰囲気への流出を外部雰囲気に対してｐｐｍレベルに防ぐことができる。また、プラズマ処理空間Ｐへの外部雰囲気からの大気の流入量を反応ガスＲＧに対してｐｐｍレベルに抑えることができる。
【００３９】
また、実際に反応ガスＲＧを反応ガス流路２４に導入する前には、カーテンガス流路２８および反応ガス流路２４に希ガスを３０分程度流しておくことが好ましい。これによりプラズマ処理空間Ｐにおける大気中の酸素や水分をｐｐｍレベル以下まで低減することができる。この希ガスを流す時間は適宜、必要な膜質に応じて時間を変えればよい。
【００４０】
本例では反応ガスＲＧとカーテンガスＣＧの流量で擬似的に反応ガスＲＧ側の圧力を高くするようにしているが、流路の断面形状等に大きく依存するため、第１排気口２６ａ付近での反応ガスＲＧ、カーテンガスＣＧの圧力を測定する圧力計を設置することが好ましい。ただし、圧力計の露出部は反応ガスＣＧ、カーテンガスＲＧに反応しない素材で、プラズマにさらされても劣化しないように保護する必要がある。
【００４１】
そして、上記のような状態において電源１４により高周波電極１０に高周波電力を印加すると、プラズマ処理空間Ｐ、すなわち基板Ｗと高周波電極１０とが対向する間隙領域において反応ガスＲＧが励起されてプラズマが発生する。
【００４２】
高周波電極１０には周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加する。高周波電極１０と基板Ｗとが対向する面積により印加する電力は変化するが、およそ８０Ｗ／ｃｍ2までの電力密度とすることが好ましい。これ以上大きな電力を高周波電極１０に印加すると、高周波電極１０に熱が蓄積し、アーク放電が発生しやすくなる。なお、印加する高周波電力の周波数は１３．５６ＭＨｚに限定されるものではないが、１０ＫＨｚ以上２００ＭＨｚ以下程度の周波数が、安定した均一なグロー放電を得る上で好ましい。また、高周波電力の波形についてはサイン波が一般に用いられるが、インパルス波や方形波、異なる周波数で変調した波形であってもよい。パルス周波数を用いることで、温度上昇等が抑えられ、２００ＭＨｚ以上の周波数の印加も可能となる。
【００４３】
また高周波電極１０は、高周波電力を印加する際に、外部冷却水等によって冷却されることが好ましい。例えば、外部チラーによって１０℃〜２０℃の範囲に冷却された冷却水を高周波電極１０内部に設けた流路に流すことで高周波電極１０の高周波電力による過熱を防ぐことができ、高周波電極１０の発熱に起因した熱電子発生によるアーク転移を防止することができる。
【００４４】
また、成膜する膜の材質によって成膜に最適な温度は異なるが、成膜処理対象である基板Ｗを載せる基板台２０に加熱機構を設けることで良好な膜を得ることができる。例えば、水素（Ｈ2）ガスによるシリコン膜の成膜の場合は、基板温度を２００℃〜４００℃の範囲とすることが好ましい。
【００４５】
また、ターゲット電極４０の位置を、流路形成部材１２の下端位置より、０．１〜５ｍｍほど高く、配置すると、反応ガスＲＧがプラズマ処理空間Ｐに滞留することができ、プラズマ反応種を大量に留まらせることができ、成膜速度を速くすることができる。雰囲気制御でのプラズマ処理装置においては、ガスの流量が多く、流速が早くなっている。そのため、プラズマ反応種がすぐに排出される可能性がある。圧力、流量一定であれば、配管断面積と流速は反比例で示されるので、ターゲット電極４０の位置を、流路形成部材１２の位置より、０．１〜５ｍｍほど高く、配置すると、ガスが流れる断面積が大きくなり、流速が小さくなる。そのため、プラズマ反応種をプラズマ処理空間Ｐに留まらせることが可能となる。なお、ターゲット電極４０の位置は、流路形成部材１２の下端位置と同程度であってもよい。
【００４６】
上記のようにしてプラズマ化学輸送法を利用した大気圧プラズマ処理を実施することにより、およそ０．１〜１ｎｍ／ｓｅｃの成膜速度で汚染のない高品質の多結晶シリコン膜を基板Ｗ上に成膜することができる。そして、水素（Ｈ2）ガスを大気に放出することなく、確実に排気することができ、大気圧プラズマ処理を実施することができる。なお、基板台２０を移動させる機構を追加することで大面積への成膜も可能となり、大気圧プラズマ処理による大面積の成膜処理を簡便な構成で実現することができる。
【００４７】
上述したように、実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、プラズマ処理空間ＰにカーテンガスＣＧ、大気が混入することなく清浄な空間を保つことができ、良質の膜を形成することが可能である。
【００４８】
また、実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、周囲雰囲気をパージガスで覆う必要が無く、簡便な構成且つ低コストで大気圧プラズマ処理が可能な大気圧プラズマ処理装置を実現することができる。
【００４９】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置の概略構成を示す模式図である。図４は図３のＢ−Ｂ断面を示す図である。実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置は、実施の形態１にかかる大気圧プラズマ処理装置と同様に、反応ガスをプラズマ処理空間に供給する機能と、不活性ガスからなるカーテンガスをプラズマ処理空間の周辺に供給する機能と、未反応状態の未反応ガス、プラズマで分解されたガス、基板と反応して生成された反応生成ガス、およびカーテンガスを排気する機能と、を有する。本実施の形態においては、カーテンガス流路２８の外側には、下方に吸引する第２排気流路３０が設けられており、実施の形態１と同様、２重構造で排気がなされる。そしてさらにプラズマ処理空間Ｐが外気に比べて負圧とならないように、構成されている。以下、図３および図４を参照して詳細に説明する。なお、実施の形態１と同じ部材については詳細な説明は省略する。図４は図３のＢ−Ｂ断面図である。
【００５０】
実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置は、実施の形態１とはカーテンガス供給路２８と第２排気路３０部分が異なる。図３および図４に示すように、流路形成部材１２において、第１排気流路２６の外側には、複数の略円柱形状の中空部が下方に行くに従って外側に広がるように設けられており、この中空部がカーテンガスＣＧの流路（カーテンガス流路）２８となる。また、カーテンガス流路２８のうち、カーテンガス供給部１８側がカーテンガス流路２８にカーテンガスＣＧを導入するカーテンガス導入口２８ａとなり、基板Ｗ側がカーテンガスＣＧの噴出口となる。カーテンガスＣＧの噴出口は大気雰囲気側に流れるようになっているのが好ましい。このカーテンガス流路２８は、第１排気流路２６を略均一に囲むように第１排気流路２６の外側に設けられており、カーテンガス供給部１８から供給されるカーテンガスＣＧである不活性ガスが該カーテンガス流路２８を介して基板Ｗに対して吹き付けられる。このカーテンガス流路２８とカーテンガス供給部１８とにより不活性ガス供給部が構成される。
【００５１】
基板Ｗに吹付けられたカーテンガスＣＧの一部は第１排気口２６ａから吸引され、下方に対向して設けられた第２排気流路３０に排気されるが、一部が外部雰囲気側に開放されることもある。
【００５２】
さらに、基板台２０において、カーテンガス流路２８の下側には、複数の略円柱形状の中空部が設けられており、この中空部が第２排気流路３０となり、その上端部が第２排気口３０ａとなる。この第２排気流路３０は、カーテンガス流路２８を略均一に囲むようにカーテンガス流路２８の下側に設けられており、第１排気流路２６で排気出来なかった未反応ガス、カーテンガス等が排気ガスとして第２排気管３０ｂを通して排気ガス処理部１９へ排出される。排気ガス処理部１９では、排気ガスに対して排気処理装置を用いて有毒性を除去するなどの処理を施す。この第１排気流路２６と第２排気流路３０と排気ガス処理部１９とにより排気部が構成される。
【００５３】
なお、高周波電極１０の中心から見て、反応ガス流路２４、第１排気流路２６およびカーテンガス流路２８の順に半径方向に順に並んでいればよく、その外周部に、カーテンガス噴出口２８ｂと対向する位置に第２排気流路３０が配置されているのが望ましい。
【００５４】
また、第２排気流路３０はカーテンガス流路２８が傾いていなければカーテンガス噴出口２８ｂと対向するようにカーテンガス流路２８の同位置直下にあればよい。例えば、カーテンガス流路２８が傾いていれば、カーテンガスの噴出方向に対向する位置に第２の排気口３０ａを配置するなど、カーテンガスを層流状態のまま維持し、効率よく排出できる位置にするなど、最もカーテンガスを排気する位置に配置すれば良い。
【００５５】
反応ガス流路２４の断面形状は円形に限らず、角型など他の形状であってもよく、高周波電極１０の形状も円筒形状以外に四角柱形状などであってもよい。また、第１排気流路２６、第２排気流路３０およびカーテンガス流路２８の断面形状も略円形に限定されず、他の形状であっても良い。
【００５６】
実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置において、第２排気流路を下側に配置することで構造を小型化することができる。
【００５７】
また、本実施の形態においても、反応ガス流量は、第１排気流路２６の排気流量より多くされる。カーテンガスＣＧの流量は、可能な限り多くされ、第１排気口２６ａ付近での反応ガスＲＧの圧力がカーテンガスＣＧの圧力より大きくなるように設定される。図５および図６は第１排気口２６ａ近傍における反応ガスＲＧの圧力とカーテンガスＣＧの圧力との関係を説明するための模式図である。図５のＲ−Ｒ断面が図６に相当する。なお、反応ガス流路２４、第１排気流路２６、カーテンガス流路２８は、小円柱の集合体で形成されているが、説明の簡略化のためにここでは、上部では小円柱の集合体とし、開口部で一体化したものとしている。
【００５８】
ここで、圧力は、流量÷配管断面積÷流速で示される。本実施の形態の構成では反応ガスＲＧの供給は中央部にある反応ガス導入口２４ａから、カーテンガスＣＧの供給は外周部にあるカーテンガス供給口２６ａから行われる。そして、カーテンガスＣＧは外部雰囲気側にも流れるので、配管断面積としては反応ガスＲＧ側の方が十分に小さいものと考えることができる。そのため、反応ガスＲＧの流量をカーテンガスＣＧの流量より大きくすることで、本実施の形態のプラズマ処理装置においても、第１排気口２６ａ付近の反応ガスＲＧの圧力ＰRGをカーテンガスＣＧの圧力ＰCGより大きくする（ＰRG＞ＰCG）ことが可能となる。
【００５９】
さらに、第１排気流路２６と第２排気流路３０の排気流量の合計流量は、反応ガスＲＧの流量とカーテンガスＣＧの流量の合計流量より多くなるように設定される。これにより、反応ガスＲＧが外部雰囲気に漏洩することなく、プラズマ処理空間Ｐを清浄な空間に保持することが可能となる。これはプラズマ処理空間Ｐの圧力が正圧となり、カーテンガスＣＧや大気の混入が防止されることで清浄雰囲気を保ち、さらに、２つの排気機構により、反応ガスＲＧが外部に漏れることを遮断できるためである。カーテンガス流路が外部雰囲気側に傾くようにし、さらに、第２排気流路がその下側にあるように配置することでカーテンガス流量を多くでき、大気の混入をより確実に防ぐことが可能となり、プラズマ処理空間Ｐのさらなる清浄化が可能となる。
【００６０】
このように、実施の形態２にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、より小型の構造で、プラズマ処理空間Ｐへの大気の混入をより確実に防止することができ清浄な空間を保つことが可能となる。
【００６１】
以上説明してきたように、前記実施の形態１、２のいずれにおいても、プラズマ処理空間が外気圧よりも負圧とならないように、反応ガスの供給流量が第１排気部における排気流量より大であり、第１排気口付近において反応ガスの供給圧力が不活性ガスの供給圧力よりも大であるようにしている。この構成により、大気のプラズマ処理空間への混入を防止することができる。
【００６２】
また、排気部を第１排気部と第２排気部との二重構造で構成し、第１排気部と第２排気部の合計排気流量が反応ガスの供給流量と不活性ガスの供給流量の合計供給流量より大であることにより、外気への反応ガスの流出を防止することが可能となる。
【００６３】
上記実施の形態１，２のプラズマ処理方法は、電極の外周に電極を囲むように設けられた第１排気部から、電極と被処理面との間隙のガスを排気する第１排気工程と、第１排気部の外周に電極を囲むように設けられた不活性ガスの供給路を介して、保持部における被処理面側に向けて不活性ガスを供給する不活性ガス供給工程と、不活性ガス供給部の外周に前記電極を囲むように設けられた第２排気流部から、電極と被処理面との間隙のガスと不活性ガスを排気する第２排気工程とを含む。そして、プラズマ処理空間が外気圧よりも負圧とならないように、反応ガスの供給流量が第１排気部における排気流量より大であり、第１排気部の第１排気口付近において前記反応ガスの供給圧力が前記不活性ガスの供給圧力よりも大であるようにしたことで、大気のプラズマ処理空間への混入を防止することができる。
【００６４】
なお、前記実施の形態１、２では化学的輸送法を用いたプラズマ処理方法について説明したが、本実施の形態の大気圧プラズマ処理装置は、ＣＨ4+Ｈ2ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によるダイヤモンド成膜、などのプラズマＣＶＤ法、Ａｒプラズマなどを用いたガラスの表面の濡れ性向上のためのプラズマ表面処理など、種々のプラズマ処理に適用可能である。
【００６５】
また、前記実施の形態１、２において、カーテンガス流路２８は、小円柱を多数個配列したが、第１排気流路を囲む、円筒状の隙間空間とすることも可能である。これにより、カーテンガスを層流状態で供給することができ、確実に外気を遮断することができる。ただし実際には、内側構造の保持や流路の構成などを考慮すると、ガス供給上部は小円柱にし、下部を連通させて円筒状にするのが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
以上説明してきたように、本発明にかかる大気圧プラズマ処理装置によれば、プラズマ処理空間への大気の流入を抑制できることから、プラズマ処理空間を清浄な雰囲気にすることができ、特に太陽電池の製造工程において、大基板上への信頼性の高い薄膜形成に適している。
【符号の説明】
【００６７】
１０  高周波電極、１２  流路形成部材、１４  電源、１６  反応ガス供給部、１８  カーテンガス供給部、１９  排気ガス処理部、２０  基板台、２２  絶縁膜、２４  反応ガス流路、２４ａ  反応ガス導入口、２６  第１排気流路、２６ａ  第１排気口、２６ｂ  第１排気管、２８  カーテンガス流路、２８ａ  カーテンガス導入口、３０  第２排気流路、３０ａ  第２排気口、３０ｂ  第２排気管、４０  ターゲット電極、ＣＧ  カーテンガス、Ｐ  プラズマ処理空間、ＲＧ  反応ガス、Ｗ  基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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