(57)【要約】      （修正有）【課題】温度変化に対して破損や劣化がなく長期間にわたり安定したプラズマ生成を行うことができる大気圧プラズマ生成用電極を提供する。【解決手段】ガス供給管２５と高周波電源７によりそれぞれガスと電力とを供給して互いに対向する電極１４，１５間に電界を形成し大気圧下でプラズマを発生させるプラズマ生成装置に用いる一対の電極１４，１５であって、電極１４，１５は導体であり、その導体表面には誘電体層１１，１２が形成され、電極１４，１５の対向面には固体誘電体１６，１７が誘電体層１１，１２を覆うように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス供給源と電力供給源によりそれぞれガスと電力とを供給して互いに対向する電極間に電界を形成し大気圧下でプラズマを発生させるプラズマ生成装置に用いる一対の電極において、各電極は導体であり、その導体表面には誘電体層が形成され、各電極の対向面には固体誘電体が誘電体層を覆うように誘電体層に接触していることを特徴とする大気圧プラズマ生成用電極。
【請求項２】
前記固体誘電体は、固体誘電体からなる複数の部材と、複数の部材を締結する締結部品を備えることを特徴とする請求項1記載の大気圧プラズマ生成用電極。
【請求項３】
固体誘電体は、表面に誘電体層を有する電極を収容する容器と、容器の蓋とを形成し、容器と蓋の一方が凹部を備え、他方がその凹部に係止可能な突出部を備える請求項1記載の大気圧プラズマ生成用電極。
【請求項４】
突出部が爪状である請求項3記載の大気圧プラズマ生成用電極。
【請求項５】
突出部が逆テーパ状である請求項3記載の大気圧プラズマ生成用電極。
【請求項６】
電極に与えられる電力が30〜100W/cm2の範囲にあることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の大気圧プラズマ生成用電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気圧プラズマ生成用電極に関し、例えば半導体、液晶表示素子やELやPDPをはじめとするフラットパネルディスプレイ、太陽電池等を製造するために表面改質、洗浄、加工、成膜等を行う大気圧プラズマ生成装置に用いる電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体、フラットパネルディスプレイ、太陽電池等の製造工程では減圧下で発生させたプラズマを利用し、ガラス基板や半導体ウエハ等に対し改質、洗浄、加工、成膜等行ってきた。近年は低コスト競争の激化に伴って真空チャンバーや排気装置など大掛かりな設備を必要としない大気圧プラズマ技術に注目が集まっており、表面改質や洗浄、ドライエッチングといった一部のプロセスにおいて実用化に向けた開発が進んでいる。
【０００３】
このようなプラズマ発生装置の代表的な従来例としては、図16に示すようなものが知られている（例えば、特許文献1参照）。
図16において、101は収納凹部、102はカバー材、103は電極、104は樹脂封止材、105は封入突条、106は電源、107は放電空間、AAは放電用電極、GGはガス、PPはプラズマである。
そして、収納凹部101を有するカバー材102をセラミック焼結体で形成し、収納凹部101に電極103を設けると共に収納凹部101内の面に電極の表面を密着させ、収納凹部101内の面と電極103の表面とをロウ付けし、収納凹部101の開口を樹脂封止材で封止している。
【０００４】
また、カバー材102のセラミック焼結体は、セラミックの粉体材料を焼結することにより形成されるものであり、このセラミックの粉体材料としては、例えば、アルミナ、酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、チタン酸バリウムなどの公知のものを単独で用いたりあるいは複数種類を併用したりする。
また、電極103は銅、アルミニウム、真鍮、耐食性の高いステンレス鋼（SUS304など）、チタン、金、銀、銀パラジウム、タングステン、モリブデン、クロム、コバール、42アロイなどの導電性の金属材料を用いて形成される。
【０００５】
また、樹脂封止材104の取り付けは接着剤等で接着して行う。
また、硬化前の樹脂を電極103及びカバー材102の背面側に充填し、この後、樹脂を硬化させて樹脂封止材104を形成してもよく、ロウ材の例としてはAg-Cu-Ti系や、Ni-Ti系材料を例示できるが、ガラス材を配合した低温ロウ材を使用することもできる。
つまり、従来のプラズマ発生装置においては、電極103が導電性の金属材料であり、カバー材102が絶縁性のセラミック焼結体であり、電極103とカバー材102はロウ材によって固着されている。
【特許文献１】特開２００６−４０７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来のプラズマ発生装置では次のような課題がある。
プラズマを生成すると電極やセラミック焼結体の温度が上昇する。通常、電極とセラミック焼結体とはそれぞれ異なる温度になり、また異なる線膨張特性をもつ。これに対し、電極とセラミック焼結体とは、ロウ材によって固着されているため、この温度上昇による膨張や各部材の剛性に応じて変形し、場合によってはセラミック焼結体の破損や割れを招く。またロウ付けを行っていない場合には電極とセラミック焼結体の間に隙間が生じる。一旦このような隙間が生じるとこの部分には強い電界が形成され、ガスの絶縁破壊（異常放電とする）が起こる。従来のプラズマ発生装置ではこの異常放電が電極表面の一点に集中し易く、多くの場合電極やセラミック焼結体に損傷を与える。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ガス供給源と電力供給源によりそれぞれガスと電力とを供給して互いに対向する電極間に電界を形成し大気圧下でプラズマを発生させるプラズマ生成装置に用いる一対の電極において、各電極は導体であり、その導体表面には誘電体層が形成され、各電極の対向面には固体誘電体が誘電体層を覆うように誘電体層に接触していることを特徴とする大気圧プラズマ生成用電極を提供するものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、電極表面に誘導体層が形成され、電極の対抗面の誘電体層を覆うように固体誘電体が誘電体層に接触しているので、温度変化に対して破損や劣化がなく長期間にわたり安定したプラズマ生成を行うことができる大気圧プラズマ生成用電極を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
この発明の大気圧プラズマ生成用電極は、ガス供給源と、電力供給源によりそれぞれガスと電力とを供給して互いに対向する電極間に電界を形成し大気圧下でプラズマを発生させるプラズマ生成装置に用いる一対の電極において、各電極は導体であり、その導体表面には誘電体層が形成され、各電極の対向面には固体誘電体が誘電体層を覆うように誘電体層に接触していることを特徴とする。
【００１０】
前記固体誘電体は、固体誘電体からなる複数の部材と、複数の部材を締結する締結部品を備えてもよい。
固体誘電体は、表面に誘電体層を有する電極を収容可能な容器と、容器の蓋とを構成し、容器と蓋の一方が凹部を備え、他方がその凹部に係止可能な突出部を備えてもよい。
突出部は、爪状又は逆テーパ状であることができる。
この発明の大気圧プラズマ生成用電極において、誘電体層はその比誘電率が3以上であることが好ましい。
さらに、誘電体層の厚みは0.01mm以上、5mm以下であることが好ましい。
誘電体層は溶射、ライニング、陽極酸化の何れかの方法により形成することができる。
また、固体誘電体はその比誘電率が3以上であることが好ましい。
電極に与えられる電力が30〜100W/cm2の範囲にあることが好ましい。
【００１１】
電極の材料としては、アルミニウム（合金）、ステンレス、銅、真鍮、チタン、金、銀、銀パラジウム、タングステン、モリブデン、クロム、コバール、42アロイなどの金属材料や炭素化合物（例えばSiC）などが挙げられる。
誘電体層は、
電極にアルミナを容射する、
ホーローを焼付ける、
陽極酸化によりアルマイトを形成する、
フッ素樹脂を塗布する、又は
粉末状絶縁物（シリカ等）を含有するシリコーン樹脂を塗布する
などの方法により形成することができる。
固体誘電体は、アルミナ、酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、チタン酸バリウムなどを、ブロック状、又は板状に焼成し、機械加工により切削・研磨して形成することができる。
以下、図面に示す実施例を用いて、この発明の実施形態を説明する。
【実施例１】
【００１２】
図1は大気圧プラズマ生成装置の一例を示し、処理室1の全体を川幅方向に垂直な面で切った時の側面断面図である。処理室1内に電極ユニット6がもうけられ、電極ユニット6は第1ユニット6aと第2ユニット6bから構成される。高周波電源7から出力された高周波電力は電力伝送路（電圧印加側）23を経由し、電極（電圧印加側）14に印加され、電極（グランド側）15との間にある強電界発生空間13に電界を形成する。電極15は電力伝送路24を介してグランドに接続されている。
【００１３】
一方、図示しないガスボンベ、或いはガスタンク等のガス貯蔵手段から供給された各種ガスは、図示しないマスフローおよびミキサーで混合されて処理ガスとなり、ガス供給管25を介してガス供給ノズル4に与えられる。ガス供給ノズル4には小さな断面積を持つスリット状、或いはシャワー状のガス噴出口4aが設けてあり、ここから強電界発生空間13に向かって処理ガスを噴き出す。
【００１４】
この時の処理ガスとしては例えば、表面改質を行う場合にはヘリウム、アルゴン、窒素の単体、或いは混合したものに酸素などを加え、またシリコンエッチングの場合にはヘリウム、アルゴン、窒素の単体、或いは混合したものにフッ素含有化合物ガスや酸素などを加えることとなる。
【００１５】
ガス噴出口4aから噴出された処理ガスは当初、ガスの流れ（供給側）G1方向に進み強電界発生空間13に達し、形成されている電界によって大気圧下でプラズマ化される。プラズマ化された処理ガスは被処理物18の表面に作用し、表面改質、洗浄、加工、成膜等のプラズマ処理を行う。ここで大気圧とは圧力範囲が0.9気圧以上、1.1気圧以下を指すものとする。その後、処理ガスは処理室1の内部空間内を移動し、最終的にはガス排気口21に回収され、排気管22の中をガスの流れ（排気側）G2方向に進み、図示しない排気ポンプ、或いはブロア、場合によっては除害装置で無害化された後、系外へと排出される。
【００１６】
電極ユニット6は、第1，第2のユニット6a，6bからなり、第1ユニット6aと第2ユニット6bとがそれぞれ上下に配置され、電極（電圧印加側）14と電極（グランド側）15の材質を導体（導電体）とし、その表面にそれぞれ誘電体層11、12が形成されている。その上で両電極14，15の対向面側にそれぞれ固体誘電体16、17を配置する。このとき図１のように誘電体層（電圧印加側）11と固体誘電体16、および誘電体層（グランド側）12と固体誘電体17は、それぞれ互いに隙間なく接触するように配置される。このように構成されることにより電極14，15と固体誘電体16，17間での異常放電を抑制でき、電力ロスや電極14，15や固体誘電体16，17の破損を防ぐことができる。なお、電極14，15をそれぞれ貫通する貫通孔14a，15aは、後述する冷媒流路である。
【００１７】
この装置により長時間プラズマを生成していると、固体誘電体16，17のプラズマと接している面が加熱され、これが電極14，15側に伝わり電極14，15や固体誘電体16，17が熱膨張する。こういった現象は異なる材質を用いて電極ユニット6を構成する以上、避けて通ることのできない重要な課題である。電極14，15や固体誘電体16，17は通常異なる温度分布となり、また、異なる線膨張係数をもつ。従来技術によれば、電極と固体誘電体とはロウ材によって接合されており、この膨張や電極および固体誘電体の剛性に応じ変形し、場合によっては固体誘電体の破損や割れを招く。一方、この発明では電極14，15と固体誘電体16，17とをロウ材によって接合していないので、各々が温度変化に応じ膨張した場合でもお互いを拘束し合うことがない。このため固体誘電体16，17や電極−固体誘電体との界面に発生する応力を排除することができ、電極ユニット6としての耐久性、信頼性を向上させることができる。また、この膨張によって電極14，15や固体誘電体16，17が反り、電極14，15と固体誘電体16，17の間に隙間が生じ隙間に侵入してきた処理ガスの絶縁破壊（異常放電）が起こっても、電極14，15の表面には二次電子放出係数の小さい誘電体層11，12が形成されているため、放電が一点に集中することはない。このため電極14，15や固体誘電体16，17に損傷を与えることがない。
【００１８】
電極ユニット6の具体的な構造として図２の形態を例示することができる。第1ユニット6aにおいて、固体誘電体（電圧印加側）16は、固体誘電体16に設けられた固体誘電体穴部16aと固体誘電体蓋（電圧印加側）34に設けられた固体誘電体蓋穴部34aにボルト或いはピン36を通すことによって固体誘電体蓋（電圧印加側）34と結合される。このとき、ボルト或いはピン36は誘電体であることが好ましいが、金属を用いることも可能であり、この場合には表面に誘電体層を形成しておくことが好ましい。これは、電極（電圧印加側）14との間で形成される電界によって異常放電が発生した場合でも放電の集中を防ぐためである。電極（電圧印加側）14は、固体誘電体（電圧印加側）16と固体誘電体蓋（電圧印加側）34の内側にできる空間に配置されるだけで、固体誘電体との間で接着や接合など一切行わない。これは第2ユニット6bにおける電極（グランド）15についても同じである。以上のような形態とすることよって電極14，15と、固体誘電体16，17が互いに拘束し合うことなく熱的、機械的な耐久性と信頼性を向上させることが可能となる。
【００１９】
図３は電極ユニット6の別の形態であり、図２との違いは固体誘電体（電圧印加側）16と固体誘電体蓋（電圧印加側）34の結合にボルト或いはピンではなくL字形の固体誘電体爪部16bを用いている点である。ボルト或いはピンが抜け落ちたり破損したりして固体誘電体脱落の危険性が低くなることと、取り付け自体が簡単になることとがメリットである。図10は図3の電極ユニット6の第1ユニット6aの分解斜視図であり、蓋34の溝に爪部16aが差し込まれ、側板16d，16eが両側から装着される構成を示す。第2ユニット6bも同等の構成を有する。
【００２０】
図４は電極ユニット6のさらに別の形態であり、図２との違いは固体誘電体（電圧印加側）16と固体誘電体蓋（電圧印加側）34との結合にボルト或いはピンではなく固体誘電体逆テーパ部16cを用いている点である。図３と同様、ボルト或いはピンが抜け落ちたり破損したりして固体誘電体脱落の危険性が低くなることと、取り付け自体が簡単になることとがメリットである。図11は図4の電極ユニット6の第1ユニット6aの分解斜視図であり、蓋34の溝に逆テーパ部16cが差し込まれ、側板16d，16eが両側から装着される構成を示す。第2ユニット6bも同等の構成を有する。
【００２１】
図12は、図2〜図4に示す電極ユニット6の第1ユニット6aの要部断面図であり、側板16dは蓋34にボルト38で固定され、貫通孔（冷媒通路）14aの端部には、側板16dの貫通孔を介して冷媒供給用継手16fが接続される。第2ユニット6bも同様の構造を有する。
【００２２】
実施例1における誘電体層11，12は比誘電率εが3以上であることが好ましく、更に好ましくは9以上である。比誘電率εがこれより小さいと、強電界発生空間13中に形成される電界Eが弱くなる。図13に誘電体層の比誘電率εに対する電界強度Eの関係を示す。
【００２３】
また、誘電体層11，12の厚みtは0.01mm以上、5mm以下であることが好ましく、更に好ましくは0.05mm以上、2mm以下である。厚みtがこれより薄いと誘電体層11，12の耐圧および機械的強度が低下し、逆にこれより厚いと強電界発生空間13中に形成される電界Eが弱くなる。図14に誘電体層の厚みtに対する電界強度Eの関係を示す。
【００２４】
更に、誘電体層11，12は、溶射、ライニング、陽極酸化の何れかの方法により形成することが好ましい。このような方法を用いて形成することにより、誘電体層と電極との密着性が上がり、誘電体層自体も空乏の少ない緻密な層とすることができる。
【００２５】
他方、固体誘電体16，17に関しても比誘電率εが3以上であることが好ましく、更に好ましくは9以上である。比誘電率εがこれより小さいと、強電界発生空間13中に形成される電界Eが弱くなる。図15に固体誘電体の比誘電率εに対する電界強度Eの関係を示す。
なお、実施例1では被処理物18を電極（電圧印加側）14と電極（グランド側）15の間に設置して処理するようにしているが、これは処理形態を限定するものではない。
【００２６】
各電極14,15には前述のように冷媒流路（電圧印加側）14aや冷媒流路（グランド側）15aが設けてあり、図示しない冷媒供給装置或いは冷媒供給施設から冷媒が供給され排出される。冷媒は電極を冷やす目的だけではなく電極14,15の温度を一定に保つことで安定したプラズマ処理を行いたい場合にも利用できる。
処理室1（図1）は金属や樹脂材で構成することが望ましく、また金属についてはその表面には溶射や陽極酸化などにより、誘電体層を形成しておくことが好ましい。
【００２７】
電力供給については高周波電源7の他にパルス電源、或いは両者のスイッチング、或いは両者を重畳する方法が考えられ、周波数や、繰り返し周波数の他にプロセスに要求される諸条件、使用ガスの制限、要求される処理能力、ダメージの発生有無の観点から決定する必要がある。ここでいう高周波電源とは周波数が1kHz以上500MHz以下のものを指し、パルス電源とは繰り返し周波数が1MHz以下、波形の立ち上がり時間が100μsec以下、パルス印加時間が1msec以下であるものを指す。電極に与える電力は30〜100W/cm2の範囲であることが好ましく、これより小さいと処理能力が低く、逆に大きいとプラズマが集中して処理が不均一になったり被処理物にダメージが発生したり電極が破損したりする。
【００２８】
図７は電極14，15間に与える高周波電力の電圧波形31の一例を示している。
図８は電力が正弦波パルスの場合の電圧波形32を示している。図9は電力が矩形波パルスの場合の電圧波形33を示している。上記では電圧波形が単一形態の場合を示しているがこれは一例であって、高周波とパルスのスイッチング或いは重畳であってもよい。
上記で示した電圧波形、印加形態は本発明の適用範囲を限定するものではない。
【実施例２】
【００２９】
図5はこの発明の実施例2の電極ユニット6を示す断面図である。ガスや電力の供給形態は図1と同じである。図１との違いは電極ユニット6と被処理物18との位置関係である。つまり、第1および第2ユニット6a，6bが強電界発生空間13を挟んで左右に配置され、その空間13に上方から処理ガスG1を供給してプラズマを下方の被処理物18の方へ発生させるようになっている。
【実施例３】
【００３０】
図6はこの発明の実施例3の電極ユニット6を示す断面図である。電極ユニット6、被処理物18の配置場所は図５と同じである。図５との違いはガスの流れ（供給側）G1と強電界発生空間13の位置である。つまり、第1と第2ユニット6a，6bが左右から一体化され、ユニット6a，6bとそれらの下方にもうけられた被処理物18との間に処理ガスG1を供給してプラズマを被処理物18の表面に発生させるようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施例１の大気圧プラズマ生成装置の構成を説明する断面図である。
【図２】実施例１の電極ユニットの構造を説明する断面図である。
【図３】実施例１の電極ユニットの他の例の構造を説明する断面図である。
【図４】実施例１の電極ユニットのさらに他の例の構造を説明する断面図である。
【図５】実施例２の電極ユニットの構成を説明する断面図である。
【図６】実施例３の電極ユニットの構成を説明する断面図である。
【図７】実施例１の大気圧プラズマ生成用電極に印加する電圧波形の一例である。
【図８】実施例１の大気圧プラズマ生成用電極に印加する電圧波形の他の例である。
【図９】実施例１の大気圧プラズマ生成用電極に印加する電圧波形のさらに他の例である。
【図１０】図３に示す電極ユニットの要部分解斜視図である。
【図１１】図４に示す電極ユニットの要部分解斜視図である。
【図１２】実施例１の電極ユニットの要部断面図である。
【図１３】実施例１の誘電体層の比誘電率に対する電界強度を示すグラフである。
【図１４】実施例１の誘電体層の厚みに対する電界強度を示すグラフである。
【図１５】実施例１の固体誘電体の比誘電率に対する電界強度を示すグラフである。
【図１６】従来技術を示す図１対応図である。
【符号の説明】
【００３２】
１      処理室
４      ガス供給ノズル
４ａ    ガス噴出口
６      電極ユニット
６ａ    第1ユニット
６ｂ    第2ユニット
７      高周波電源
８      パルス電源
１１    誘電体層
１２    誘電体層
１３    強電界発生空間
１４    電極
１４ａ  冷媒流路
１５    電極
１５ａ  冷媒流路
１６    固体誘電体
１６ｂ  固体誘電体爪部
１６ｃ  固体誘電体テーパ部
１７    固体誘電体
１８    被処理物
１９    処理室の内部空間
２１    ガス排気口
２２    排気管
２３    電力伝送路
２４    電力伝送路
２５    ガス供給管
【図１】
2007294229.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2007294229.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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