(57)【要約】【課題】プラズマビームを発生させ、プラズマ発生空間の外に配置された基板を処理することができ、ガスのフローが可能な限り均一で、ガスの消費を低減することができるプラズマ発生装置及びプラズマ発生方法を提供する。【解決手段】本発明は、互いに離間して配置された第一及び第二の電極３、４を備え、電極３、４間でプラズマ１３を発生させるプラズマ発生装置に関し、誘電体８が電極３、４間に配置され、プラズマ発生ガス１２を供給するガス吸気口１０が電極３，４間の空間に設けられ、電極３、４のうちの一方は、少なくとも一つの開口５を有し、この開口５は、電極３、４間の空間のガス排出口として機能し、電極３、４間で発生したプラズマ１３が、電極３、４によってこの電極３、４間に生じた電界の方向に対して平行となるように開口５を介して発射され、格子、網及び／または繊維１が、少なくとも一つの開口５の断面にわたって配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ離間して設けられた、２つの電極（３、４）間にプラズマ（１３）を発生させるための第一及び第二の電極（３、４）と、
前記二つの電極（３、４）間に配置された誘電体（８）と、
前記二つの電極（３、４）間の空間に配置され、プラズマ発生ガス（１２）を供給するためのガス吸気口（１０）と、
前記二つの電極（３、４）のいずれか一方に設けられ、該二つの電極（３、４）間の空間のガス排出口として機能し、該二つの電極（３、４）間で発生したプラズマ（１３）を、該二つの電極（３、４）間で該二つの電極（３、４）により形成された電界の方向に対して平行に発射する少なくとも一つの開口（５）と、
を備えるプラズマ発生装置であって、
格子、網及び／または繊維（１）が、前記少なくとも一つの開口（５）の断面にわたって形成されている、
ことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記格子、網または繊維（１）が、数個または全ての開口（５）の断面にわたって配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記格子、網または繊維（１）が、前記第二の電極（４）上の前記二つの電極（３、４）間の空間の内または外、あるいは、前記開口（５）内に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記格子、網または繊維（１）が、５％から７０％、好適には３０％から５５％の多孔率と、及び／または０．００５ｍｍから２ｍｍ、好適には０．０１ｍｍから０．５ｍｍのメッシュ幅とを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記格子、網または繊維（１）が、ガスまたはプラズマに対して浸透性を有し、かつ、光学的に高密度または光に対して非透過性を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
前記格子、網または繊維（１）が、該格子、網または繊維（１）にわたるプラズマ（６）の圧力低下が、３ｍｂａｒから５０ｂａｒ、好適には１ｍｂａｒから１ｂａｒ、さらに好適には１ｍｂａｒから４００ｍｂａｒとなるように構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項７】
前記格子、網または繊維（１）が、導電性を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項８】
前記格子、網または繊維（１）が、前記第二の電極（４）の一部を構成することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】
前記格子、網または繊維（１）が、ステンレス鋼、銅金属及び／または多孔性の焼結金属から構成されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つ、数個または全ての開口（５）が、ギャップ、スロット及び／または穴から構成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つ、数個または全ての開口（５）が、前記プラズマビーム（６）によって処理される基板（７）、特にその幅に対応した断面を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つ、数個または全ての開口（５）が、プラズマ（１３）が通過中及び／またはその通過後にプラズマ（１３）が層流を有するように構成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つ、数個または全ての開口（５）が、ノズル状に形成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つ、数個または全ての開口（５）が、０．１から１０ｍｍ、好適には０．３ｍｍから２ｍｍ、さらに好適には０．３ｍｍから１ｍｍの幅、及び／または、５ｃｍから２００ｃｍ、好適には１０ｃｍから１５０ｃｍの長さを有することを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１５】
前記二つの電極（３、４）が、互いに平行または対称的に配置されていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１６】
前記第一及び／または前記第二の電極（３、４）が、開口（５）の長手方向に沿って５ｃｍから２００ｃｍ、好適には１０ｃｍから１５０ｃｍの長さを有することを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１７】
前記第一及び第二の電極（３、４）が、高電圧源（１１）に接続されていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１８】
互いに離間した二つの電極間に、バリア放電によって発生するプラズマであって該二つの電極間の空間からいずれか一方の電極内の開口を介して発射されるプラズマは、該二つの電極間で形成される電界の方向に対して平行なプラズマビームとして生成するプラズマ発生方法であって、
前記プラズマビームを、前記開口の断面にわたって配置された格子、網及び／または繊維を介して誘導する、
ことを特徴とするプラズマ発生方法。
【請求項１９】
前記プラズマビームを、請求項１から１７のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置によって生成することを特徴とする請求項１８に記載のプラズマ発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、シート体、平面体及び３次元的な基板の処理に適したプラズマジェットを発生させるプラズマ発生装置及びプラズマ発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気圧プラズマ法による表面の加工は、商業上より重要となっている。この方法は、しばしば複雑でかつ制限された管内操作のみが可能な環境上問題のある湿式化学処理及びコストのかかる低圧プラズマ法を代替するものとして益々利用されている。大気圧プラズマ法によれば、固体、気体、液体のすべてを処理することができる。かかる方法は、特に、オゾンの発生及びポリマー表面体の処理において長い時間をかけて確立されてきた。
【０００３】
シート体の処理においては、とりわけバリア放電が広く用いられている。この種の放電においては、二つの導電電極の間に少なくとも一つの絶縁体が配置されており、この絶縁体は、電圧が印加された際に電極間における短絡アークを直接的に刺激することを防止する。中間周波数、典型的にはｋＨｚレンジの周波数を有する数ｋＶの交流電圧が印加された際に、マイクロ放電が電極間で生じ、表面体のクリーニング、活性化及びコーティングに利用される。
【０００４】
処理のため、基板が電極間に誘導されるが、電極間の空間は、空間とともに増加する放電のフィラメンテーションによって制限されているため、すべての厚みの基板を処理できるわけではない。さらに、放電は、基板の表面の上にあるガスチャンバ内のみならず、基板が配置される電極とその基板との間の一部分においても生じる。この、リアサイドトリートメントとして知られる作用は、しばしば望ましいものではなく、複雑な対応策によっても避けられない場合が多い。
【０００５】
金属の基板の場合、一般的に、基板自体が電極を形成する。放電の形成は、電場の形成に直接的に依拠するので、不均一な基板の一部においては非常に不均一な放電が生じる結果となる。
【０００６】
ここ数年、大気圧プラズマ法は、選択された表面領域の処理に関して重要度を増している。特許文献１は、直接放電を引き起こして発射する円筒状のノズルを開示する。ジェットの不利益点は、特に、プラズマビームを点状に形成する点である。このため、広い表面を均一に処理することが困難であった。
【０００７】
貴ガスを用いた場合、発生したプラズマは、温度が低い。このため、大きなビーム径を得ることができ、また、基板とプラズマ源との間に広い空間を確保することができる。しかしながら、貴ガスは非常に高価なので、その使用は多くの用途においては採算が合わない。
【０００８】
窒素や空気を用いた場合、プラズマは動作ガスを数百度の温度にまで加熱するが、これによって処理対象の基板が破壊されてしまう。
【０００９】
特許文献２は、電気的に制御されたまたは誘電的なバリア放電を用いたプラズマジェット発生装置を示唆する。しかしながら、ビームが点状に形成されるために、処理が不均一であるという問題が残っていた。
【００１０】
特許文献３は、電極の間に基板を配置しないようにしてバリア放電を利用することを示唆する。このシステムによれば、プラズマが電極間で刺激され、電極ギャップから基板の上に噴出される。しかし、放電のエネルギー密度が低いということが、特に問題であった。このシステムは、基板とプラズマ源との間に小さな空間を必要とする。
【００１１】
特許文献４は、誘電的に妨げられた放電をさらに利用することを開示する。基板が、電極から離間して配向された格子の側面に配置された状態で、電極と格子との間で放電が引き起こされる。基板は、その表面への紫外線の放射及び／または高速電子によって処理される。励起イオン及び分子の拡散が非常に小さいので、表面の処理に影響を与えず、または、格子においてのみ直接的に影響する。特に、高エネルギーのＵＶの放射は、空気中で急速に吸収され、処理の作用を大きく制限する。加えて、電子は急速に中性原子及び分子と衝突し、非常に短い寿命及び飛程を有する。このため、かかる処理の用途は制限されている。
【００１２】
同様に、特許文献５は、大気圧下でプラズマを用いて基板に処理を施すプラズマ発生装置を開示する。この装置は、一方が他方の上方において平行となるように配置された２つの電極を備え、電極の間に誘電体が配置される。下側の電極は、多数の開口を有し、それぞれの開口を介して、プラズマが基板の方向に流れる。多数の開口は、例えば、多孔性の金属シートの種類による。しかしながら、開口は、多孔性の金属シート内において顕微鏡的次元に存在するので、径の大きなプラズマビームが追い払われてしまう。
【特許文献１】ドイツ特許公報第１９５３２４１２号
【特許文献２】ドイツ実用新案第２０２００４００８２８５Ｕ１号
【特許文献３】ドイツ実用新案第９４０５６１１Ｕ１号
【特許文献４】ドイツ特許公報第４３３２８６６Ａ１号
【特許文献５】国際公開公報第２００４／０５１７０２Ａ２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、本発明は、プラズマビームを発生させ、プラズマ発生空間の外に配置された基板を処理することができ、ガスのフローが可能な限り均一で、ガスの消費を低減することができるプラズマ発生装置及びプラズマ発生方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的は、請求項１に係るプラズマ発生装置及び請求項１８に係るプラズマ発生方法により達成することができる。本発明に係るプラズマ発生装置及びプラズマ発生方法のさらに発展させたものを、それぞれの従属項に記載する。
【００１５】
本発明によれば、２つの電極を有し、電極間に放電バリアとして誘電体を配置したプラズマ発生装置により本発明の目的が達成される。誘電体バリアは、電極の直接的な短絡を防止する。このため、電気的出力、ひいてはプラズマの温度が低減される。一方の電極は、ガスまたはプラズマ排出口として開口を備え、この開口を介してプラズマが基板の方向に発射される。本発明によれば、網または繊維が開口の断面にわたって配置される。そのような開口を多数電極に設けた場合は、１つ、数個または全ての開口が格子、網または繊維を備えていてもよい。
【００１６】
かかる格子、網または繊維は、ガスのフローを均一にし、この結果、ガスの消費が低減されることとなる。開口の断面積は、かかる格子、網または繊維によって低減されることとなるが、しかし、同時に流量が増加する。
【００１７】
プラズマは、かかる格子、網または繊維を介して現れる。格子、網または繊維は、その浸透性を特徴づけるような多孔率を有する。この多孔率は、織り目の種類、層の数、網目の大きさ、形状、分布、配向、相含有量等によって異なり、また決定される。好適には、格子、網または繊維の多孔率は、５％から７０％、さらに好適には３０％から５５％の範囲である。
【００１８】
格子、網または繊維の網目幅は、好適には、０．０００５ｍｍから２ｍｍ、さらに好適には０．０１ｍｍから０．５ｍｍの範囲である。網目は、どのような形状であってもよく、具体例としては、四角形または正方形である。また、網または繊維は、単一または複数層からなるように、一回のみならず複数回編み込まれていてもよい。
【００１９】
特に光学的に高密度または光に対して非透過性の格子、網または繊維を用いることができる。このような網、格子または繊維を用いた場合は、格子、網または繊維の全体にわたってプラズマの圧力低下を３ｍｂａｒから５０ｂａｒの間で設定することができる点で有益である。
【００２０】
網は、第一の電極に向かって配向された第二の電極の側部、開口内、または基板に向けて配向された第二の電極の外側に配置することができる。
【００２１】
好適には、格子、網または繊維は、導電性であり、第二の電極の機能を補完し、または、代替する。格子、網または繊維自体は、第二の電極の一部であったり、または、開口内で、第二の電極の代わりとなるものである。第二の電極、または、導電性の網、格子、若しくは繊維が基板の電位を有する場合、プラズマビームと基板との間には、電位差がなくなる。導電性の表面は、ホット放電を形成することなく処理される。加えて、全ての物質において、好ましくないリアサイドトリートメントが防止される。しかしながら、本システムによって得られる基板の表面の加工は、直接的バリア放電によるものと比較しても遜色ないものである。
【００２２】
開口の形状は、異なっていてもよい。特に、ギャップ、スロット及び／または穴を開口として用いてもよい。ギャップを用いた場合には、基板の送り方向に対して横に配向されるとよい。ギャップの長さは、表面のコーティングまたは処理される領域の幅を定める。好適なギャップの長さ及び電極の長さを選択することにより、あらゆる基板に本発明を適用でき、基板に完全または望ましい部分のみに処理を施すことができるようになる。
【００２３】
従来のバリアまたは「コロナ」放電に対する具体的な利点は、上述した装置が対向電極を有することなく動作し、発生したプラズマが、電位を有することなく処理対象の表面に到達する点である。これにより、導電性、半導電性及び絶縁性の基板を処理することが可能となる。本発明に係る絶縁体は、また、誘電体でもある。
【００２４】
好適な実施の形態において、ギャップ及びガスのフローは、２ｍ／ｓ以上の流量がギャップにおいて得られるような寸法を有する。プラズマ領域が広がるので、プラズマビームを、除去された基板の表面にさらに誘導することができる。
【００２５】
装置のプラズマビームは、表面の加工に非常に有益である。本システムは、貴ガスを用いない。従って、空気、または、窒素、酸素、二酸化炭素、水素、ハロゲンを含むガス等のありふれたガス及びその混合ガスを用いることができる。
【００２６】
必須ではないが、好ましくは、ガスは、少量の酸素または層形成物質のみを含む。このようにすると、電極へのダメージ及び汚れが防止されることとなる。
【００２７】
装置から発生したプラズマビームは、基板の処理の間作用し続け、基板に密着する。その結果、ギャップ幅またはジェットの断面の寸法よりも実質的に幅広な処理区域が形成されることとなる。このため、処理区域を狭めることなく、小さなギャップを選択することができる。当業者であれば、０．１ｍｍから１０ｍｍ、より具体的には０．３ｍｍから２ｍｍ、さらに具体的にはおよそ１ｍｍのギャップ幅、及び、５ｃｍから２００ｃｍ、好適には１０ｃｍから１５０ｃｍのギャップ長を選択することが有益であることは、自明である。
【００２８】
シート体または金属シートの処理のための幅広な処理区域を得るため、電極は、縦方向に延伸するように配置され、例えば、およそ１５ｃｍから２ｍ、好適には、１０ｃｍから１５０ｃｍの範囲である。この結果、パッケージ用フィルム等のシート体を、一の動作ステップにおいて全体的に処理することができる。処理時間は、プラズマビームの幅と、送り速度とに依拠する。
【００２９】
基板のための空間は、ジェットの排出長により自由に選択することができる。
【００３０】
本発明に係る線形ジェットは、また、表面を平坦にコーティングすることに有益である。この目的のため、コーティングガスまたは先駆物質（コーティング先駆物質）で強化したガスを、２つのジェット間に供給し、放電によってガスを活性化し、基板の上で励起して層を堆積する。ギャップまたはジェットの網は、非コーティングガスのフローの対象となるので、寄生汚染は生じない。
【００３１】
処理領域は、不活性ガスを用いて浄化することができ、または、環境ガスの侵入から保護される。この結果、例えば、酸素を用いない処理及びコーティングが可能となり、望ましくない化学反応が防止される。
【００３２】
電極間でのプラズマの励起は、商業上利用可能なコロナジェネレータによって得ることができる。放電は、ガスのブレイクスルー電圧により、数百ボルトから数１０ｋＶの典型的な電圧で制御することができる。同様に、交流電圧の周波数は、数Ｈｚから数ＭＨｚの範囲で、自由に選択することができる。ジェットの長さは、電極の長さのみによって制限される。ガスの供給は、ガス分配器を介して、全領域で均一化される。
【００３３】
放電による熱エネルギーは、ガスによって消散される。熱エネルギーが小さいと、電極及びその上に配置されたものは冷却されることとなる。固有の貫流を得るため、網の両側部で圧力差を生じさせる必要がある。これは、典型的には、１ｍｂａｒから１ｂａｒ、具体的に好ましくは１ｍｂａｒから４００ｍｂａｒの間である。好適な圧力差を選択する際には、当業者であればギャップの数及びサイズ、好適なガスの貫流及び好適なプラズマ領域を考慮することが自明である。
【００３４】
出力、処理及びコーティングを制御するため、また、さらに電極または網間での放電を均一化するため、プラズマは、間欠電圧によってパルス化される。追加的にＵＶを放射することにより、均一化を促進することができる。
【００３５】
電極を平行に配置することに加え（図１）、例えば対称的に配置する構成をシステムに採用することも可能である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、プラズマビームを発生させ、プラズマ発生空間の外に配置された基板を処理することができ、ガスのフローが可能な限り均一で、ガスの消費を低減することができるプラズマ発生装置及びプラズマ発生方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明に係るプラズマ発生装置及び方法の一例について説明する。
【００３８】
図１は、本発明に係るプラズマ発生装置を示す。
【００３９】
なお、図における描写は、本実施の形態における説明に関連するものであるが、本実施の形態の説明によって示されるそれぞれの態様は、本発明に関連した重要性を有するものである。
【００４０】
図１は、本発明に係るプラズマ発生装置の断面図である。この装置は、図中では下側に配置されている第二の電極４と、それに対向する第一の電極３とを備える。第一の電極３は、誘電体８によって被覆されており、高電圧源１１から高電圧を電極３、４に印加することにより、２つの電極３、４の間の、放電チャンバとして機能する中間領域２において放電が生じる。さらに、第一の電極３は、ガスのフロー１２用の吸気口１０を有する筐体１４に覆われており、吸気口１０は、電極４から離間して設けられた電極３の一側に配置されている。ガスは、筐体１４９と電極３との間を流れ、放電チャンバ２内に流れ込み、高電圧バリア放電のもとでプラズマ１３を発生させる。
【００４１】
電極４は、ギャップのような形状を有する開口５を備える。図１において、開口５は基板７の全幅にわたる平面に対して垂直に延伸する。プラズマジェット６が、この開口を介して発射され、基板７に対して作用する。例えば、動作ガス及びプラズマガスとして、窒素を用いる。
【００４２】
２つの電極３、４に交流電圧を印加するため、十分な電圧となることにより、電極３、４間にブレイクスルー電界強度を得ることができ、ガスは、継続して流入するガスフロー１２によってギャップ５から発射されるプラズマを生成し、プラズマジェット６として装置の外側で燃焼する。開口５内において、プラズマジェット６が侵入する網１が配置されている。この網は、多孔率４５％のステンレス鋼から構成される。図１は、電極３、４が、互いに平行となるように配置されたプラズマ発生装置の構成を示す。電極を対称的に配置することも可能である。
【００４３】
以下、図１に示すプラズマ発生装置を用いた２つの具体的な実施例について説明する。
【実施例１】
【００４４】
１ｍｍ幅のガスギャップを有する２００ｍｍの長さの線形ジェットを、５０ｓｍｌの窒素と１５０Ｗのコロナジェネレータとを用いて作用させた。ｓｍｌという単位は、標準リットル／分という意味で、一分間に流れるガスの粒子が、１０１３．２５ｍｂａｒの常用圧力及び２９３．１５Ｋの常温で１リットルの容積に含まれる、という意味である。ジェットは、５ｍｍ／ｓの速さでＢＯＰＰフィルムに作用した。処理の前は、フィルムは３０ｍＮ／ｍの表面エネルギーを有していた。処理の後は、表面エネルギーは、６０ｍＮ／ｍになった。
【実施例２】
【００４５】
シリコンウェハを、線形ジェットによって処理した。処理の前は、ウェハ上の水滴の接触角は、５６度だった。処理の後は、接触角は１５度になった。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係るプラズマ発生装置を示す図である。
【図１】
2009505342.tif 000003
【国際調査報告】
2009505342.tif 000004
2009505342.tif 000005
2009505342.tif 000006
2009505342.tif 000007