(57)【要約】【課題】減圧または大気圧近傍の圧力下において、安定なグロー放電プラズマを発生させて試料面の温度上昇をできるだけ小さく抑えて、均一に且つ両面同時処理のできるプラズマ発生装置を提供する。【解決の手段】シャワー構造や水冷機能を持つ高周波印加電極と接地間に抵抗を介してフローティング電極を配備して、抵抗の制御により高密度であっても試料面での発熱を小さく抑えられ、プシュプル電源により試料面でのプラス、マイナスの電位を交互に印加することにより、大型電子基板やリールｔｏリールの両面同時処理を可能とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ発生用のガスの導入口とプラズマ処理後のガスの排出口を設置したチャンバ中に高周波印加電極と対向して最適の距離の位置に接地電極を配置する。この各電極間に各電極に対して目的に応じて最適な距離を離して、抵抗を介して接地して電極を配置する。この抵抗を介して接地した電極にプラズマ粒子またはガス分子を流通させるための多数の穴を形成して、この電極の片側または両側に誘電体を配置する。上記のように構成した電極間にプラズマ発生用のガスを導入して、高周波印加電極に電力を印加してプラズマを発生させることを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
高周波印加電極と接地電極間に目的に応じて最適の周波数を選定し、最適の電力を印加することにより、高周波印加電極と抵抗を介して接地した電極間での電界によりプラズマを発生させ、尚且つ抵抗を介して接地された電極を通して発生したプラズマ粒子を接地電極との間に導入することにより、抵抗を介して接地された電極と接地電極間の電界によりプラズマ粒子の密度を最適値に維持できるように、抵抗を可変、または各電極間距離を調整することにより、目的に応じたプラズマ処理を行うことを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は減圧領域から大気圧近傍の圧力領域において、安定なプラズマを発生させるためのプラズマ発生方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来は主に減圧下で、１３．５６ＭＨｚ等の高周波電源を用いて、高周波印加電極と接地電極間でプラズマを発生させるＤＰ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｐｌａｓｍａ）またはＰＥ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）方式であり、プラズマ処理をすべき試料を接地電極上に置き、プラズマ粒子との化学反応により、プラズマ処理する方法とＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）方式では、試料を高周波印加電極上に置くことにより、この電極でのマイナス電位のセルフバイアス電圧を利用して、プラスイオンをこの電圧により加速させて試料面上に衝突させることにより、物理的逆スパッタリング効果でプラズマ処理をしている。またこのイオンの衝突による損傷が問題になるような場合は、ＤＦ（Ｄｏｗｎ  Ｆｌｏｗ）またはＳＰ（Ｓｈｉｅｌｄｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）方式にて、試料面上に強いエネルギーを持ったイオンが直接衝突しないように、高周波印加電極と接地電極間でプラズマを発生させ、接地電極の多数の穴を形成し、この穴を通じて発生したプラズマ粒子を試料面上にあてることにより、化学反応を主体としたプラズマ処理方法等が行われている。
【０００３】
しかし、ＤＰ方式は化学反応が主体であり、イオンによる物理的逆スパッタリング効果がないため、有機物の除去のためには良いが、ＲＩＥ方式のように物理的逆スパッタリング効果により、無機物を除去することは難しい。ハロゲン系ガスを利用して化学反応的に無機物をエッチングにより除去することが可能だが、排ガス等の処理設備を必要とする。また、ＤＰ方式では試料がプラズマ発生領域に直接さらされるため、低い耐熱性の試料の場合は、温度が問題となる場合がある。また、ＲＩＥ方式では、主に上記の化学反応のみではなく、イオンによる物理的スパッタリング効果であるため、プラズマ処理は迅速であるが、同様に発熱の問題があると共に、イオンの衝突による試料面の損傷に係わる場合には何らかの工夫をしないと使用できない。更にＤＦ方式は上述のようなイオンの損傷はなく、試料面での温度上昇は少なく、特に低い耐熱性の試料に対しては極めて有効的であるが、試料面上に到達するプラズマ粒子が減少するため、プラズマ処理反応が弱く、処理時間が長くなるので生産性が上がらない。特に電子基板のビア（Ｖｉａ）のスミア（残渣）除去はファイン化になるほどとれない。ＲＩＥ、ＤＰ方式はいずれも試料の両面を同時に処理することが難しいが、ＤＦ方式では試料の両側に２個の電源を利用して行うことは可能である。
【０００４】
また、２．４５ＧＨｚ程度のマイクロ波を利用した処理も行われているが、この方法は高密度プラズマが発生できるため、化学反応的には非常に有効的であるが、ＲＩＥ効果は出せない。また大気圧近傍の圧力下では発熱が極めて大きいために、高温を必要とする分野で利用されているが、耐熱性の低い試料の場合には適さない。
【０００５】
１３．５６ＭＨｚの高周波でも特に大気圧近傍での圧力下ではガス分子の密度が高く、電子の衝突回数が大きく、原子や分子の電離、解離または励起に必要な大きな電子のエネルギーを得るためには、大きな電力を必要とするため一旦プラズマが発生すると、プラズマ密度が非常に大きくなり、熱電離が発生してアーク放電になりやすい。
【０００６】
また電極間隔を小さくして、低い周波数を利用しても、発熱は大きく問題であり、特にこの場合はストリーマコロナ放電のような部分放電が発生しやすく、均一な放電現象が困難である。
【０００７】
また大気圧近傍の圧力下で数十ＫＨｚの低い周波数を使用して、ヘリウムガス等を使用して放電開始電圧を低くすると共に、ヘリウムのラジカル粒子の励起電圧が高く、また寿命が長いことから安定なグロー放電を得る方法が実用化されているが、ヘリウムガスが高価であるためランニングコストに問題がある。
【０００８】
また大気圧近傍の圧力下で、印加する電圧を交流波形ではなく、電圧の立上がりの時間が早いパルス電圧を利用することにより、プラズマを発生させ、アーク放電前に印加電圧を切断することによりアーク放電を防止して、グロー放電を維持する方法が発表されている。しかし試料を挟んで接地電極と高周波印加電極が配置されているため、試料面での温度は高くなる。従って高周波印加電極と接地電極間の横からガスを導入して、電極間でプラズマを発生させ、導入ガス分子とプラズマ粒子を混合することにより温度の上昇を小さくすると共に、多量に発生したプラズマ粒子を試料面上に吹き付けるようにした吹き付け型のプラズマ装置が発表されているが、同様に試料の両面を同時に処理するには同等の２個のプラズマ発生装置が必要となり不経済である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような諸問題を改善して、減圧または大気圧近傍の圧力下で安定なグロー放電プラズマを発生させ、試料面のクリーニング等の表面処理または表面改質等を試料面での温度上昇を出来るだけ小さくして、更に試料の片面のみならず両面を同時に且つ均一に処理するプラズマ処理方式を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
高周波印加電極にプラズマ発生用のガスを導入するための導入口を設置し、このガスを均一にプラズマ発生領域に分散導入するように高周波印加電極をシャワー構造にして、高周波印加電極と接地電極間にプラズマ発生用のガスを導入させる。
【００１１】
高周波印加電極と接地電極の中間に各電極から最適の距離を離して、抵抗を介して接地した電極（以下フローティング電極と呼ぶ）を配置して、  高周波印加電極とフローティング電極間でプラズマを発生させ、このフローティング電極を通して発生したプラズマ粒子を試料面上に到達させるようにフローティング電極に多数の穴を形成する。更に同じように穴を形成した誘電体をこのフローティング電極の片側または両側に配置する。またこの誘電体は各電極との中間の適当な位置に配置しても良い。この誘電体は各電極間でのストリーマコロナ放電の防止とプラズマ発生の均一化をするためのものである。
【００１２】
上記のように構築して高周波印加電極とフローティング電極間での電界によりプラズマを発生させ、このプラズマ粒子をフローティング電極と接地電極間に導入して、尚且つフローティング電極と接地電極間でのより低い電界により、プラズマ粒子の減衰を小さくして最適のプラズマ密度に維持することにより、試料面付近での発熱を小さくして、プラズマ処理を可能とするように、各電極間隔とフローティング電極に接続された抵抗を可変して制御することにより、試料のプラズマによる焼けを防止して最適のプラズマ処理を行う。
【００１３】
上述のように構成することにより、減圧下でのＲＩＥ方式、ＤＰ方式のように試料を直接プラズマ発生部に設置した場合におけるイオンによる損傷や温度による影響を少なくでき、またＤＦ方式よりはラジカル粒子だけでなくイオン反応がプラスされるため、プラズマ処理がより効果的である。
【００１４】
また大気圧近傍の圧力下では同様に特に大気圧近傍での圧力下でプラズマを発生させた場合、温度上昇が極めて大きくなるため、試料の焼けが問題となるが、試料をフローティング電極と接地電極間に配置することにより、温度の高いプラズマ発生部から離して設置されるため、試料周辺での発熱が小さいので焼けの防止ができる。この場合は高周波印加電極とフローティング電極を冷却することが重要である。
【００１５】
またプラズマ処理すべき試料の両側に高周波印加電極を配置し、更にこの高周波印加電極と試料間に適当な距離を置いてフローティング電極を設置する。この高周波印加電極にはプシュプル電源より各電極がプラス、マイナスと交互に変換されるように印加することにより、試料の両面を同時にプラズマ処理すると共に、試料面上の温度上昇を小さく抑制するようにしたプラズマ処理方式を提供する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１、図２及び図３により本発明の実施例を説明する。図１に示すように高周波電源１からマッチング回路（整合器）２を介して、高周波印加電極３に接続する。この高周波印加電極３のプラズマ発生用のガス導入口４を通してガスを導入してプラズマ発生領域にこのガスを均一に分散導入するように多数の穴のガス排出口５を形成して分散させる。
【００１７】
さて、この高周波印加電極３に対向して配置する接地電極６の中間に各電極と最適の距離をとって抵抗７を介して接地されたフローティング電極８を配置する。このフローティング電極８の片側または両側に誘電体９を配置する。これらの電極は多数の穴を設けてプラズマ粒子導入口１０を形成し、高周波印加電極３とフローティング電極８の間で発生したプラズマ粒子を試料１４面方向に到達させるようにする。
【００１８】
減圧の場合は放電開始電圧が低くプラズマが発生しやすいので、電極間距離は大きくとることが可能であるが、大気圧近傍下の圧力下ではフローティング電極８と高周波印加電極３または接地電極６との距離は１ｍｍから７ｍｍ程度に設置するのが好ましい。電極間距離が大きいと電力を大きく印加する必要があり、発熱が大きくなり熱電離が発生してアーク放電がおこる。
【００１９】
さて、大気圧近傍下の圧力下では前記したように一般的に発熱が大きくなるために図１、図２及び図３に示すように高周波印加電極３を冷却するために冷却板１１を接続して冷却水インレット１２に導入して、冷却水アウトレット１３から排水するように冷却することは、電極間距離を最適値に設定すると共に重要である。
【００２０】
また従来から減圧下で行われているＤＦ方式は、本発明でのフローティング電極を接地した状態であり、試料への熱損傷やイオンによる衝撃が小さいが、イオンが除去されるためにＤＰ方式やＲＩＥ方式に比較して、プラズマ処理効果が少なくなり、処理時間が長くかかる欠点が発生する。しかしながら大気圧近傍下の圧力下ではガス分子の密度が高いため、ＤＦ方式では接地電極と試料間でのプラズマ密度の減衰が大きく、効率が更に悪くなる。またこの接地電極と試料間の距離を小さくすると、接地電極のシャワーからプラズマ粒子を拡散分散しているため、穴の近くと遠くの試料面でのプラズマ粒子の密度に大きな差が生じ、試料面へのプラズマ処理が不均一になりやすい。従って電極間で発生したプラズマを各電極と垂直に試料を設置して、プラズマ粒子を点状またはライン状に吹き付けるような吹き付け型としているのが一般的である。しかしながら、この方式ではプラズマ粒子の発生を大きくして、ガスの流量を多くする必要があり、また大きな面積でのプラズマ処理の均一性に問題が残る。
【００２１】
しかし、本発明による図１、図２の様に高周波印加電極３と接地電極６、６′または図３に示すプシュプル電源１′を使用した場合は、各高周波印加電極３、３′の間にあらたにフローティング電極８、８′を配置することにより、特に大気圧近傍での圧力下においては高周波印加電極３、３′と接地電極６、６′との距離を多少大きくしても、高周波印加電極３、３′とフローティング電極８、８′間の距離が、プラズマ発生に必要な最適の距離に設定されていれば問題がなく、フローティング電極８、８′と試料１４、１４′間での発熱を小さくすることが可能であり、熱による損傷の防止が可能であった。
【００２２】
今、図１の様に構成して、大気圧近傍の圧力下で周波数１５ＫＨｚ、電圧４ＫＶを印加して、電流２０〜４０ｍＡの範囲に調整して高周波印加電極３とフローティング電極８の距離を３ｍｍとし、フローティング電極面上に厚さ１ｍｍの誘電体９を置き、フローティング電極８と接地電極６の距離約３ｍｍとし、試料の厚さ０，５ｍｍのＣＳＰ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）用として使用しているＢＴ（Ｂｉｓｕｍａｌｅｉｍｄｅ  Ｔｒｉａｚｉｎｅ）基板１４を接地電極６上に置く。上記の高周波印加電極３を介してフローティング電極８間に、アルゴンガス２００ＳＣＣＭと酸素ガス５０ＳＣＣＭを混合して流し、プラズマを発生させた。高周波印加電極３は発熱するので冷却板を高周波印加電極３に接続して冷却板に水を流して冷却した。全体に反応ガスを保持するためにチャンバ中に配置しておこなった。実験は１５秒間処理後、試料のプラズマ前の水滴接触角が８７°程度のものが、処理後は１８°程度に小さくなり、充分に表面処理されたと考えられる。またこの時の表面温度が約６０°以下であったので充分問題のないレベルであった。またＢＴ基板の金メッキの厚さ０、２μｍに２５μ中の金線でボンデングをした場合の強度は１１、０ｇｒであり充分に問題のない結果であった。
【００２３】
特に大気圧近傍での圧力下ではガス分子が多いために、距離が大きくなると大きな電力が必要となり、発熱が問題となる。一般に良く知られているパッシェンの法則のＰＬ積（Ｐは圧力、Ｌは電極間距離）で、ＰＬ積が７００ｐａ・ｍ以上になると熱電離が発生して、アーク放電状態になる。従って、大気圧近傍（７６０ｍｍＨｇ）の圧力下では電極間距離はガスの種類により多少変わるが、６、９ｍｍ以内が良いことになる。図４に示した様にパッシェンの法則のＰＬ積と放電開始電圧の関係から、最小値近くの圧力と電極間距離を選定するのが好ましい。大気圧近傍の圧力下で電極間距離が１０ｍｍの場合で、電源周波数が１００ＫＨｚ以内では、放電開始電圧が空気中で約３．２ｘ１０４Ｖ、アルゴンガス中は約７ｘ１０３Ｖとなる。また１ｍｍの場合は、アルゴンガス中で約１ｘ１０３Ｖ、空気中では約４ｘ１０３Ｖとなる。しかし周波数がＭＨｚ以上に高くなると放電開始電圧は低くなる。
【００２４】
従って、特に大気圧近傍の圧力下では、プラズマ密度は高くなるが、発熱が大きくなるため低い耐熱性の試料を処理する場合には、電極間のプラズマ発生領域に直接試料を置くのではなく、高周波印加電極と接地電極間でプラズマを発生させ、これらの発生したプラズマ粒子をダウンフロー的に物理的な拡散分散させることにより熱損傷から防止しているのが一般的である。
【００２５】
本発明で説明した如くフローティング電極を図２の様に配置して、約８０Ｐａの減圧下において試料（モールド用金型）１４、１４′に高周波印加電極３を通して、反応ガスとして酸素４００ＳＣＣＭ、フロン１４  １００ＳＣＣＭを混合させて導入し、周波数１３、５６ＭＨｚの高周波電源の単位当たり、１、０Ｗ／ｃｍ２の電力で１５分間処理した。結果はプラズマ処理前は肉眼及び顕微鏡での観察で、樹脂の残渣が確認されたが、処理後では残渣の確認ができなかった。しかし金型上に変色した状態で無機物が残っていた。而して樹脂の残渣は完全に除去されていることが確認できた。また本発明の方式では凹凸のある金型面での部分的ストリーマコロナ放電が確認されず、金型面での部分的損傷も見られなかったので、本発明であるフローティング電極の導入が極めて効果的、有効的であることが確認された。また反応したガスは金型に形成されている成形時の空気抜き穴から排出するようにした。上述の金型表面に僅かに残っている無機物はプラズマ処理後にジェット水蒸気を吹き付けることにより、容易に剥離するので、これらの併用により迅速に、コストが安く、金型の汚れを除去できた。
【００２６】
更に図の詳細なる効果と実験の成果について説明を加える。図１の場合はフローティング電極８の電位は高周波印加電極３と試料１４が接地状態にあるため、接地と高周波印加電極３の中間の電位となるが、図３の場合は高周波印加電極３、３′がプシュプル電源１′に接続されているため、プラス、マイナスと交互に電位が変わるため試料１４を挟んでプラス、マイナスの電位が印加されて、各フローティング電極８、８′の電位は高周波印加電極３、３′の電位より低いが試料１４を介してプラス、マイナスの電位に交互に変わるので、各フローティング電極８、８′の電位差に適当な大きさに設定でき、試料１４を挟んで荷電粒子を効果的に試料面に到達されていることができるため、試料１４の両面上でのプラズマ密度を大きく減衰させることなく、維持でき尚且つフローティング電極８、８′のない場合に比較して、試料面上での温度上昇を小さくすることが可能であると共に、ストリーマコロナ放電のような部分放電を防止することが可能である。
【００２７】
またＣＳＰ用として多用されている両面銅張りポリイミド樹脂系テープ１４を挟んで両側に図３に示すように２個の多数の穴を形成したフローティング電極８、８′の電極間距離を約５ｍｍとして配置し、更にこのフローティング電極８、８′の高周波印加電極側の面上に厚さ約０．８ｍｍの誘電体を配置して、この誘電体９、９′の両面から各々約１ｍｍ離して高周波印加電極３、３′を配置する。このフローティング電極８、８′の中間の位置に処理する試料１４を配置し、高周波印加電極３、３′とフローティング電極８、８′の間にプラズマ発生用の反応ガスとして、酸素２００ＳＣＣＭ、フロン１４  ５０ＳＣＣＭ、アルゴン５０ＳＣＣＭを混合させ、プラズマを発生させた。上記の条件の下でポリイミドテープ１４をフローティング電極間でのプラズマ空間中に移動させながら処理した。この時の条件は高周波印加電源の周波数は１５ＫＨｚ、電圧４ＫＶ、電流２０ｍＡ〜５０ｍＡの範囲で、試料面の温度が約６０℃になるように電流を調整し、約１分間処理を行った。
【００２８】
試料は厚さ約２００μｍのポリミイド系のテープで、レーザ加工したヴァホールの周辺や底部にスミヤ残渣が認められていたが、プラズマ処理後に約５００倍の顕微鏡で観察した結果、スミヤはきれいに除去されていることが確認された。またこの時のテープの温度上昇は５０℃以下であり、実用上問題のないレベルであった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の抵抗を介して接地したフローティング電極を高周波印加電極と接地電極間に配置することにより、減圧下ではプラズマ処理すべき試料面での温度上昇をＲＩＥ方式またはＤＰ方式より小さくできると共に、半周期で電極間をイオンが追従できる最適の周波数の電源を選定することにより、試料の両面を同時に化学反応のみではなく、物理的作用のＲＩＥ効果を出すことを可能とした。
【００３０】
また、大気圧近傍の圧力下で安定なグロー放電を発生させ、試料面でのストリーマコロナ放電の部分的放電を防止すると共に、試料面での温度上昇を小さく抑えることと同時に、均一なプラズマ処理を可能とした。特にＣＳＰ用のフレキシブル基板等のように、リールから取り出しリールに収納するリールｔｏリール型の試料を大気圧近傍の圧力下で連続的に両面を同時プラズマ処理することを可能とした。
【００３１】
更に、モールド成形機の金型は、金型を取り外すことなく設置した状態で、凹凸のある表面での部分的なストリーマコロナ放電を防止して、損傷のない表面クリーニングを可能とすると共に、ＤＦ方式より効率的に減圧下または大気圧近傍の圧力下で表面クリーニングすることを可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る片面プラズマ処理を行うためのプラズマ発生装置の概略構成図
【図２】本発明の一実施例に係るモールド金型等の両側を同時にプラズマ処理を行うためのプラズマ発生装置の概略構成図
【図３】本発明の一実施例に係る両面同時プラズマ処理を連続的に行うためのプラズマ発生装置の概略構成図
【図４】本発明を実施するための参考図で、放電電圧と圧力及び電極間距離との関係を示したパッシェン曲線の例
【符号の説明】
１        高周波電源
１′      プシュプル電源
２、２′  整合器
３、３′  高周波印加電極
４、４′  ガス導入口
５、５′  ガス排出口
６、６′  接地電極
７、７′  抵抗
８、８′  フローティング電極
９、９′  誘電体
１０、１０′  プラズマ粒子導入口
１１、１１′  冷却板
１２、１２′  冷却水インレット
１３、１３′  冷却水アウトレット
１４、１４′  試料
【図１】
2004211161.tif 000003
【図２】
2004211161.tif 000004
【図３】
2004211161.tif 000005
【図４】
2004211161.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成15年4月24日(2003.4.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2004211161.tif 000007