(57)【要約】 【課題】  試料の表面に損傷を与えることなく、高い処理速度を発揮することができるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】  プラズマ処理装置１では、第１電源２から第１印加電極４に対して位相θ１の交番電圧が印加され、第２電源３から第２印加電極５に対して位相θ２の交番電圧が印加され、位相遅延手段８は、位相θ１と位相θ２とを測定し、該測定結果に基づいて位相θ１と位相θ２との位相差Δθがπ（２ｋ＋１）［ただし、ｋは整数］となるように第１および第２電源２，３の動作を制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、電源から出力される交番電圧が印加される印加電極と、印加電極に対して絶縁体を挟んで対向しかつ接地するように設けられる接地電極とを備え、印加電極と絶縁体と接地電極とで構成される電極ユニットを試料に対向するように配置し、電極ユニットと試料とで形成される空間に局所的に反応ガスを供給し、印加電極に交番電圧を印加することによって電極ユニットの試料に対向する面にプラズマを発生させ、該プラズマによって試料の加工、成膜、表面処理を行うプラズマ処理装置であって、
印加電極は、２つの第１印加電極と第２印加電極とを含み、
第１印加電極に印加される交番電圧の位相と、第２印加電極に印加される交番電圧の位相との位相差が、π（２ｋ＋１）［ただし、ｋは整数］となるように電源から印加電極に交番電圧が印加されることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
電源から出力される交番電圧を、第１印加電極に接続される第１伝達回路と第２印加電極に接続される第２伝達回路とに分岐する電圧分岐部と、
第２伝達回路に設けられ、第２印加電極に印加される交番電圧の位相を、第１印加電極に印加される交番電圧の位相に対して、π（２ｋ＋１）［ただし、ｋは整数］だけ遅延させる位相遅延手段とを含むことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
電源から出力される交番電圧を、第１印加電極に接続される第１伝達回路と第２印加電極に接続される第２伝達回路とに分岐する電圧分岐部と、
第１伝達回路に設けられるｍ個［ただし、ｍは正の整数］の第１誘電体群と、
第２伝達回路に設けられるｎ個［ただし、ｎは正の整数］の第２誘電体群とを含み、
第１誘電体群に含まれるｉ番目［ただし、ｉは正の整数かつｉ≦ｍ］の誘電体の誘電率をε１ｉ、透磁率をμ１ｉ、第１伝達回路が延びる方向の長さをＬ１ｉとし、
第１伝達回路の第１誘電体群が設けられていない部分の誘電率をε１０、透磁率をμ１０、第１伝達回路が延びる方向の長さをＬ１０とし、
第２誘電体群に含まれるｊ番目［ただし、ｊは正の整数かつｊ≦ｎ］の誘電体の誘電率をε２ｊ、透磁率をμ２ｊ、第２伝達回路が延びる方向の長さをＬ２ｊとし、
第２伝達回路の第２誘電体群が設けられていない部分の誘電率をε２０、透磁率をμ２０、第２伝達回路が延びる方向の長さをＬ２０とし、
交番電圧の周波数をｆとし、
第１印加電極に印加される交番電圧の位相をθ１、第２印加電極に印加される交番電圧の位相をθ２とするとき、
以下の式が満足されるように、第１および第２印加電極に交番電圧が印加されることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
【数１】
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【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体または液晶表示装置などの各種デバイスの多層構造作製におけるエッチング、成膜、アッシング、表面親水化などの表面処理を行う装置としてはプラズマを用いた処理装置が広く使用されている。近年、プラズマを用いた処理装置の中でも処理の高速化、装置の低価格化、装置占有面積の低減などを目的として大気圧近傍の圧力でプラズマを発生させ、試料の処理を行なう大気圧プラズマ処理装置が開発されている。
【０００３】
大気圧プラズマ処理装置の１つとして、電源と、該電源から出力される電圧が印加される印加電極と、印加電極に対して絶縁体を挟んで対向しかつ接地するように設けられる接地電極とを備え、印加電極と絶縁体と接地電極とをまとめて電極ユニットとし、電極ユニットを試料に対向させ、電極ユニットと試料との間に大気圧を含む高圧力の反応ガス領域を形成し、印加電極と接地電極間とのうち試料に近接した領域のみで反応ガスに基づく高圧プラズマを発生させ、高圧プラズマ中で生じた活性種により試料の処理を行なう装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
図８は、従来の高圧プラズマ処理装置１００の構成を示す概略図である。以下図８を参照し、従来の高圧プラズマ装置１００について説明する。高圧プラズマ装置１００は、印加電極である内側電極１０１と、接地電極である外側電極１０２と、内側電極１０１と外側電極１０２とを絶縁する絶縁体１０３と、内側電極１０１に電圧を印加する不図示の電源と、反応ガスを供給するガス供給手段と、被処理物である試料１０４が載置される試料台１０５とを含んで構成される。
【０００５】
なお、内側電極１０１と外側電極１０２と絶縁体１０３とで、電極浮上型高圧浮上電極１０６を構成し、この電極浮上型高圧浮上電極１０６と、試料台１０５に載置される試料１０４とが、所定の気体雰囲気内で対向するように配置される。内側電極１０１と外側電極１０２と絶縁体１０３とは、図８の紙面に垂直な方向、すなわち紙面の手前から奥に向ってそれぞれ細長く延びる形状を有し、一体化して電極浮上型高圧浮上電極１０６を構成する。
【０００６】
電極浮上型高圧浮上電極１０６には、反応ガス供給手段から供給される高圧反応ガスを、試料１０４の被処理面に向って供給する高圧反応ガス供給口１０７と、反応ガスを試料１０４の被処理面から排気する反応ガス排気口１０８とが形成される。
【０００７】
高圧プラズマ処理装置１００において、反応ガス供給手段から高圧反応ガス供給口１０７へ高圧反応ガスを供給すると、高圧反応ガス供給口１０７から反応ガス排気口１０８または周囲の気体雰囲気に向う反応ガス流１０９が形成され、供給された高圧反応ガスの圧力と周囲の気体雰囲気の圧力との差圧によって電極浮上型高圧浮上電極１０６が間隔Ｄだけ浮上する。この間隔Ｄが狭いので、電極浮上型高圧浮上電極１０６と試料１０４とで挟まれる部分に形成される反応ガス流１０９の流れる反応ガス流路が、低コンダクタンスな気体流路となり、電極浮上型高圧浮上電極１０６と試料１０４とで挟まれる部分に高圧反応ガス領域が形成される。この高圧反応ガス領域の圧力は大気圧であってもよい。
【０００８】
なお、電極浮上型高圧浮上電極１０６を試料１０４に対して浮上させることなく、すなわち前記間隔Ｄが極めて小さな隙間になるように両者を近接して配置するようにしても、反応ガス流１０９の形成される反応ガス流路が低コンダクタンスな気体流路となり、電極浮上型高圧浮上電極１０６と試料１０４とに挟まれる部分に高圧反応ガス領域を形成することができる。
【０００９】
また内側電極１０１に電源から電圧を印加すると、絶縁体１０３が試料１０４に臨む側の端面部において、絶縁体１０３を跨いで内側電極１０１から外側電極１０２へと電力が供給される回路が形成される。この絶縁体１０３を跨いで電力が供給される回路部分は、導電体のない反応ガス流路中に形成されるので、便宜上電力伝達回路開放端１１０と呼ぶことにする。
【００１０】
電極浮上型高圧浮上電極１０６と試料１０４との間で形成される高圧反応ガス領域のうち、電源から内側電極１０１に電圧が印加されることによって絶縁体１０３を跨いで内側電極１０１と外側電極１０２との間で形成される電力伝達回路開放端１１０においては、局所的な高圧プラズマ１１１が発生し、この高圧プラズマ１１１で発生した活性種によって試料１０４の被処理面に成膜、加工、表面処理などのプラズマ処理を行なう。また試料１０４と電極浮上型高圧浮上電極１０６とを矢符１１２にて示す略水平方向に相対移動させることによって、試料１０４の被処理面全体の処理を行なう。
【００１１】
高圧プラズマ装置１００では、内側電極１０１と試料１０４との間に高圧プラズマを発生させるのではなく、内側電極１０１と外側電極１０２との間に高圧プラズマ１１１を発生させ、高圧プラズマ１１１中で発生する活性種を試料１０４の表面に拡散させて成膜、加工、表面処理などを行なうので、試料１０４にプラズマが直接接触することがなく試料１０４を損傷しないとされる。
【００１２】
しかしながら、特許文献１に開示される高圧プラズマ処理装置１００には、次のような問題がある。たとえば、高圧プラズマ処理装置１００の内側電極１０１に、電圧：１．０ｋＶを印加した場合の電界強度について例示する。図９は電界強度の算出位置を示す図であり、図１０は電界強度分布計算結果を示す図である。
【００１３】
電界強度分布を求めるに際し、水平方向をＸ軸とし、試料１０４の被処理面１０４ａに対して垂直な方向をＹ軸とし、被処理面１０４ａをＹ軸の原点（零）とし、Ｘ−Ｙ軸に垂直な図９の紙面に対して垂直な方向をＺ軸方向とした。なお、このＸ−Ｙ−Ｚ軸方向は、本明細書中において共通に用いられる。
【００１４】
試料１０４の被処理面１０４ａと、電極浮上型高圧浮上電極１０６の前記被処理面１０４ａを臨む面とで成す間隔Ｄが４．０ｍｍ、絶縁体１０３の厚み、すなわち内側電極１０１と外側電極１０２との離隔距離が３．０ｍｍとなる配置とした。また、絶縁体１０３はアルミナ（比誘電率εｒ＝９．４）からなるものとし、内側電極１０１と外側電極１０２とを隔てる絶縁体１０３の部分に、高さ３．５ｍｍ、底辺７．０ｍｍの断面が三角形状の窪みを有するものとして電界強度を求めた。
【００１５】
電界強度を次の３つの領域について求めた。内側電極１０１と試料１０４とに挟まれる領域Ｕ、絶縁体１０３と試料１０４とで挟まれる領域であって上記三角形状の窪みが形成される領域Ｖ、外側電極１０２と試料１０４とで挟まれる領域Ｗである。図１０中、ライン１１５ａ，１１５ｂが領域Ｕの電界強度を示し、ライン１１６が領域Ｖの電界強度を示し、ライン１１７が領域Ｗの電界強度を示す。領域Ｕの電界強度を示すライン１１５が、Ｙ軸方向の距離が４．０ｍｍにおいて断続部を有し２つに分かれているのは、反応ガス流路内の空間における電界強度と、内側電極１０１内における電界強度とが不連続的に変化することによる。
【００１６】
領域Ｖすなわち窪みの深奥部Ｙ＝７．５ｍｍにおいて最も大きな６．４Ｅ５［Ｖ／ｍ］の電界強度が発生する。領域Ｕにおける被処理面１０４ａ近傍には、２．２Ｅ５［Ｖ／ｍ］の電界強度が発生し、領域Ｗにおける被処理面１０４ａ近傍には０．０６［Ｖ／ｍ］の電界強度が発生する。
【００１７】
内側電極１０１に対する印加電圧を大きくすることによって、最も大きな電界強度が発生している領域Ｖ、すなわち絶縁体１０３の窪み部分に反応ガスに応じた大気圧プラズマが発生し、大気圧プラズマ中で発生した活性種によって、被処理面１０４ａに対して、成膜、加工、表面処理などを行なう。プラズマ処理速度を増加させるために内側電極１０１に対する投入電力、すなわち印加電圧を増加させると、内側電極１０１と外側電極１０２との間に発生した大気圧プラズマの分解が促進されると同時に、領域Ｕにおける被処理面１０４ａ近傍の電界強度も増加し、最終的には試料１０４の被処理面１０４ａにも大気圧プラズマが発生し、被処理面１０４ａに直接大気圧プラズマが接触することによって、試料１０４の表面である被処理面１０４ａに損傷を与えるという問題がある。
【００１８】
逆に、内側電極１０１に印加し得る電圧の限界が、試料１０４の表面に大気圧プラズマが発生しない程度に規制されることになるので、投入電力の上限が規定され、高い処理速度を達成することができないという問題を有する。
【００１９】
上記電界強度を求めた結果から、内側電極１０１の近傍で最も高い電界強度をＥｐとし、試料１０４の表面である被処理面１０４ａ上で最も高い電界強度をＥｓとすると、両者の比：Ｅｐ／Ｅｓは、６．４Ｅ５／２．２Ｅ５＝２．９倍となる。したがって、内側電極１０１に印加する電圧を増大させ、領域Ｕ〜Ｗの間で最も高い電界強度Ｅｐの部分で大気圧プラズマが発生した時に印加した電圧に対して２．９倍となる電圧を内側電極１０１に印加すると、被処理面１０４ａ上で最も高い電界強度Ｅｓを示す部分も２．９倍の電界強度に増加するので、被処理面１０４ａ上においてもプラズマ発生電界強度に達し、試料１０４の表面上に大気圧プラズマが発生して試料１０４の表面を損傷することを示している。
【００２０】
【特許文献１】特開２０００−３０６８４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、試料の表面に損傷を与えることなく、高い処理速度を発揮することができるプラズマ処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、電源と、電源から出力される交番電圧が印加される印加電極と、印加電極に対して絶縁体を挟んで対向しかつ接地するように設けられる接地電極とを備え、印加電極と絶縁体と接地電極とで構成される電極ユニットを試料に対向するように配置し、電極ユニットと試料とで形成される空間に局所的に反応ガスを供給し、印加電極に交番電圧を印加することによって電極ユニットの試料に対向する面にプラズマを発生させ、該プラズマによって試料の加工、成膜、表面処理を行うプラズマ処理装置であって、
印加電極は、２つの第１印加電極と第２印加電極とを含み、
第１印加電極に印加される交番電圧の位相と、第２印加電極に印加される交番電圧の位相との位相差が、π（２ｋ＋１）［ただし、ｋは整数］となるように電源から印加電極に交番電圧が印加されることを特徴とするプラズマ処理装置である。
【００２３】
また本発明は、電源から出力される交番電圧を、第１印加電極に接続される第１伝達回路と第２印加電極に接続される第２伝達回路とに分岐する電圧分岐部と、
第２伝達回路に設けられ、第２印加電極に印加される交番電圧の位相を、第１印加電極に印加される交番電圧の位相に対して、π（２ｋ＋１）［ただし、ｋは整数］だけ遅延させる位相遅延手段とを含むことを特徴とする。
【００２４】
また本発明は、電源から出力される交番電圧を、第１印加電極に接続される第１伝達回路と第２印加電極に接続される第２伝達回路とに分岐する電圧分岐部と、
第１伝達回路に設けられるｍ個［ただし、ｍは正の整数］の第１誘電体群と、
第２伝達回路に設けられるｎ個［ただし、ｎは正の整数］の第２誘電体群とを含み、
第１誘電体群に含まれるｉ番目［ただし、ｉは正の整数かつｉ≦ｍ］の誘電体の誘電率をε１ｉ、透磁率をμ１ｉ、第１伝達回路が延びる方向の長さをＬ１ｉとし、
第１伝達回路の第１誘電体群が設けられていない部分の誘電率をε１０、透磁率をμ１０、第１伝達回路が延びる方向の長さをＬ１０とし、
第２誘電体群に含まれるｊ番目［ただし、ｊは正の整数かつｊ≦ｎ］の誘電体の誘電率をε２ｊ、透磁率をμ２ｊ、第２伝達回路が延びる方向の長さをＬ２ｊとし、
第２伝達回路の第２誘電体群が設けられていない部分の誘電率をε２０、透磁率をμ２０、第２伝達回路が延びる方向の長さをＬ２０とし、
交番電圧の周波数をｆとし、
第１印加電極に印加される交番電圧の位相をθ１、第２印加電極に印加される交番電圧の位相をθ２とするとき、
以下の式が満足されるように、第１および第２印加電極に交番電圧が印加されることを特徴とする。
【００２５】
【数２】
2007026781.tif 000003
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、試料の表面に損傷を与えることなく、電極近傍に大きな電界強度を発生させて高い分解率と活性種密度とを有する大気圧プラズマを発生させることによって、高い処理速度を有するプラズマ処理装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、本発明の実施の第１形態であるプラズマ処理装置１の構成を簡略化して示す図である。プラズマ処理装置１は、大略、２つの第１および第２電源２，３と、第１および第２電源２，３から出力される交番電圧がそれぞれ印加される２つの第１および第２印加電極４，５と、第１印加電極４と第２印加電極５とに対して絶縁体６を挟んで対向しかつ接地するように設けられる接地電極７と、第１電源２から第１印加電極４に印加される交番電圧の位相と、第２電源３から第２印加電極５に印加される交番電圧の位相との位相差が、π（２ｋ＋１）［ただし、ｋは整数］となるように、一方の交番電圧の位相に対して他方の交番電圧の位相を遅延させる位相遅延手段８とを含む。なお、第１および第２印加電極４，５と、絶縁体６と、接地電極７とで電極ユニット９を構成する。
【００２８】
プラズマ処理装置１は、電極ユニット９を試料１０に対向するように配置し、電極ユニット９と試料１０とで形成される空間１１（以後、処理空間１１と呼ぶ）に局所的に反応ガスを供給し、第１印加電極４と第２印加電極５とに交番電圧を印加することによって電極ユニット９の試料１０に対向する面にプラズマを発生させ、該プラズマによって試料１０の加工、成膜、表面処理などを行うことに用いられる。
【００２９】
第１電源２および第２電源３は、たとえば低周波電力、高周波電力、ＶＨＦ電力、マイクロ波電力などを発振することのできる電源であり、共に周波数ｆ［Ｈｚ］の交番電圧を発生する。この第１電源２および第２電源３から発生される周波数ｆの交番電圧の波形は、略正弦波形である。なお、第１電源２および第２電源３が、高周波電力、ＶＨＦ電力、またはマイクロ波電力を発振するものである場合、インピーダンスマッチングを行なうインピーダンス整合器をも電源に含める。第１電源２により発生される交番電圧は、第１伝達回路１２を通じて第１印加電極４に印加され、第２電源３により発生される交番電圧は、第２伝達回路１３を通じて第２印加電極５に印加される。
【００３０】
第１伝達回路１２を通して第１電源２から第１印加電極４に対して印加される交番電圧の位相θ１と、第２伝達回路１３を通して第２電源３から第２印加電極５に対して印加される交番電圧の位相θ２とは、第１および第２伝達回路１２，１３に電気的に接続される位相測定器１４によって測定される。また位相測定器１４による位相測定結果は位相調整器１５へ入力され、位相調整器１５は第１および第２電源２，３に接続される。位相調整器１５は、前記位相θ１と前記位相θ２との間に、予め定める位相遅延が生じるように位相調整する。この位相調整については、後で詳述する。したがって、位相測定器１４と位相調整器１５とが、位相遅延手段８を構成する。
【００３１】
第１および第２印加電極４，５は、図１の紙面に対して垂直な方向に細長く延びる長尺状の板形状を有する電極であり、たとえば銅合金などによって形成される。第１印加電極４と第２印加電極５とは、長尺状の長手方向に対して直交する方向に、絶縁体６ａを介して交互に対向して配置（本実施形態では、第１印加電極４が３個、第２印加電極５が４個配置）される。第１および第２印加電極４，５が、交互に配置される配列方向の両外方側に、前記絶縁体６を介して接地電極７が配置される。
【００３２】
接地電極７は、第１および第２印加電極４，５の配列方向において、第１および第２印加電極４，５を介して対向するように設けられる。接地電極７のうち一方の接地電極７ａには、電極ユニット９に対向する面であって試料１０のプラズマ処理される面である被処理面１０ａに対して垂直な方向に貫通して反応ガス供給孔１６が形成され、反応ガス供給孔１６の被処理面１０ａを臨む処理空間１１への開口部が反応ガス供給口１６ａを構成する。一方の接地電極７ａと対向する他方の接地電極７ｂには、被処理面１０ａに対して垂直な方向に貫通して反応ガス排気孔１７が形成され、反応ガス排気孔１７の被処理面１０ａを臨む処理空間１１への開口部が反応ガス排気口１７ａを構成する。
【００３３】
第１および第２印加電極４，５と絶縁体６，６ａと接地電極７とで構成される電極ユニット９と、試料１０とは、たとえばチャンバ内に収容され、所定の気体雰囲気内に配置される。
【００３４】
電極ユニット９と試料１０とは、間隔：Ｇとなるように、また互いに相対移動が可能なように配置される。一方の接地電極７ａの反応ガス供給孔１６に不図示の反応ガス供給源を接続し、反応ガス供給源から反応ガス供給孔１６を通して反応ガス供給口１６ａから処理空間１１へ反応ガスを供給し、他方の接地電極７ｂの反応ガス排気口１７ａおよび反応ガス排気孔１７から反応ガスの排気を行なうことによって、試料１０の被処理面１０ａと電極ユニット９との間に形成される処理空間１１が反応ガス流路となり、処理空間１１に反応ガス供給口１６ａから反応ガス排気口１７ａに向う反応ガス流１８が形成される。
【００３５】
以下位相遅延手段８による位相調整について説明する。前述のように第１電源２によって第１印加電極４に対して印加される交番電圧の位相をθ１、第２電源３によって第３印加電極５に対して印加される交番電圧の位相をθ２とすると、位相θ１，θ２は、位相測定器１４によって常時測定される。
【００３６】
位相測定器１４は第１および第２電源２，３と位相調整器１５で接続されており、位相調整器１５は、位相θ１と位相θ２との位相差Δθ（＝θ１−θ２）が、π（２ｋ＋１）［ただし、ｋは整数］となるように第１および第２電源２，３の交番電圧発生動作を制御する。なお、本実施の形態では、位相調整器１５は、位相差Δθが、π（１８０度；ｋ＝０）となり、かつ波形振幅が等しい交番電圧が、第１印加電極４と第２印加電極５とに印加されるよう調整する。
【００３７】
このように構成されるプラズマ処理装置１では、第１印加電極４に電圧＋Ｖ１が印加されるとき、第２印加電極５には位相がπだけ遅延している電圧−Ｖ１が印加されることになり、第１印加電極４と第２印加電極５との間には合計２Ｖ１の電位差が発生する。このことによって、第１印加電極４と第２印加電極５との間に局所的に高い電界強度が発生し、第１印加電極４と第２印加電極５との間で、処理空間１１に供給される反応ガスに基づく大気圧プラズマ１９が発生し、大気圧プラズマ１９中で発生する活性種により試料１０の被処理面１０ａをプラズマ処理する。
【００３８】
以下、プラズマ処理装置１における電界強度を求めた具体的な１事例について説明する。図２は電界強度を求める設定条件を示す図であり、図３は電界強度を求めた結果を示す図である。
【００３９】
第１および第２印加電極４，５を共に完全導体とし、第１印加電極４と第２印加電極５との距離、すなわち絶縁体６ａの厚みを３．０ｍｍとし、電極ユニット９の試料１０を臨む側の面と試料１０の被処理面１０ａとの距離Ｇを４．０ｍｍとする。第１および第２印加電極４，５と接地電極７との間に介在し、第１印加電極４と第２印加電極５とを覆う絶縁体６は、比誘電率εｒ＝９．６のアルミナとする。
【００４０】
第１印加電極４に周波数ｆ＝１３．５６ＭＨｚの交番電圧を＋０．５ｋＶ印加し、同時に、第１印加電極４に印加される交番電圧に対して位相がπ（１８０度）だけずれ、かつ大きさの等しい交番電圧、すなわち周波数ｆ＝１３．５６ＭＨｚで−０．５ｋＶ印加することとする。すなわち、第１印加電極４と第２印加電極５との間に１．０ｋＶの電位差を与えた場合について、試料１０近傍の電界強度分布を計算した。
【００４１】
なお、電界強度を求めるにあたって、３軸は、前述の図９におけるものと同一に設定した。３次元の座標については、３個設けられる第１印加電極４の中央に配置される第１印加電極４の被処理面１０ａに臨む側の面の中央を（Ｘ＝０）とし、被処理面１０ａに投影して得られる位置を（Ｘ，Ｙ＝０，０）とし、被処理面１０ａから電極ユニット９へ向う方向をＹ軸の正方向とした。なお、Ｚ軸については、任意の断面位置を（Ｚ＝０）にとった。電界強度の算出は、第１印加電極４の直下にあたる領域Ａ１と、第１印加電極４と第２印加電極５との間におけるその中央部分の直下にあたる領域Ｂ１と、第２印加電極５の直下にあたる領域Ｃ１とについて行った。
【００４２】
図３中、領域Ａ１の電界強度分布をライン２１ａ，２１ｂで示し、領域Ｂ１の電界強度分布をライン２２で示し、領域Ｃ１の電界強度分布をライン２３ａ，２３ｂで示す。第１印加電極４と第２印加電極５との間の領域Ｂ１における絶縁体６ａの窪み部分において、最も大きな６．５Ｅ５［Ｖ／ｍ］の電界強度が発生し、同じ領域Ｂ１の被処理面１０ａの近傍では、０．０２Ｅ５［Ｖ／ｍ］の電界強度が発生する。このとき、第１印加電極４直下の領域Ａ１および第２印加電極５直下の領域Ｃ１における被処理面１０ａ近傍には、共に１．０Ｅ５［Ｖ／ｍ］の電界強度が発生する。
【００４３】
なお、参考事例として、幾何学的設定を図２に示すのと同様にし、第２印加電極には電圧を印加せず接地し、第１印加電極にのみ電圧を＋１．０ｋＶ印加し、第１印加電極と第２印加電極との間に１．０ｋＶの電位差を与えた場合の電界強度分布を求めた。図４は参考事例の電界強度を求めた結果を示す図である。電界強度算出位置は、図２に示す場合と同様にし、第１印加電極の直下にあたる領域Ａ２と、第１印加電極と第２印加電極との間におけるその中央部分の直下にあたる領域Ｂ２と、第２印加電極の直下にあたる領域Ｃ２とについて行った。
【００４４】
図４中、領域Ａ２の電界強度分布をライン２４ａ，２４ｂで示し、領域Ｂ２の電界強度分布をライン２５で示し、領域Ｃ２の電界強度分布をライン２６で示す。参考事例の場合、第１印加電極と第２印加電極との間の領域Ｂ２における絶縁体の窪み部分において、最も大きな６．５Ｅ５［Ｖ／ｍ］の電界強度が発生することは、前述の図２の場合と同様である。しかしながら、このとき、第２印加電極直下の領域Ｃ２における被処理面近傍には０．１［Ｖ／ｍ］の電界強度しか発生しないが、第１印加電極の直下の領域Ａ２における被処理面近傍には２．１Ｅ５［Ｖ／ｍ］の電界強度が発生する。
【００４５】
図１〜図３に示す本発明のプラズマ処理装置１において、第１印加電極４と第２印加電極５とに印加する交番電圧の位相をπ（１８０度）だけずれた状態を維持したまま、交番電圧の振幅を大きくすると、最も大きな電界強度が発生している領域Ｂ１の絶縁体６ａの窪み部分に、反応ガスに応じた大気圧プラズマが発生し、大気圧プラズマ中で発生する活性種によって、被処理面１０ａに対してプラズマ処理が行われる。プラズマ処理装置１においては、領域Ｂ１の絶縁体６ａの窪み部分における最も高い電界強度をＥｐ１、領域Ａ１または領域Ｃ１の被処理面１０ａ上で得られる最も高い電界強度をＥｓ１とすると、両者の比はＥｐ１／Ｅｓ１＝６．５Ｅ５／１．０Ｅ５＝６．５倍になる。
【００４６】
一方参考事例のように、第２印加電極には電圧を印加せずに接地し、第１印加電極にのみ＋１．０ｋＶの電圧を印加し、第１印加電極と第２印加電極との間に１．０ｋＶの電位差を与えた場合、領域Ｂ２の絶縁体６ａの窪み部分における最も高い電界強度Ｅｐ２と、領域Ｃ２の被処理面上で得られる最も高い電界強度をＥｓ２との比はＥｐ２／Ｅｓ２＝６．５Ｅ５／２．１Ｅ５＝３．１倍になる。
【００４７】
参考事例の場合、第１印加電極に対する印加電圧を増大させ、第１印加電極と第２印加電極との間に大気圧プラズマが発生したときに印加する電圧に比べて、３．１倍の電圧を第１印加電極と第２印加電極との間に印加すると、試料の被処理面にも大気圧プラズマが発生し、試料の被処理面を損傷することを意味する。
【００４８】
しかしながら、本発明のプラズマ処理装置１では、第１印加電極４と第２印加電極５とに対する印加電圧を増大させ、第１印加電極４と第２印加電極５との間に大気圧プラズマが発生したときに印加する電圧に比べて、６．５倍の電圧を第１印加電極４と第２印加電極５とに印加するまで、試料１０の被処理面１０ａには大気圧プラズマが発生しないことを意味する。したがって、プラズマ処理装置１では、被処理面１０ａ上で大気圧プラズマを発生させることなく、より大きな電圧を第１および第２印加電極４，５に印加することができる。このことによって、より大きな電界強度によって高い分解率および活性種密度を有する大気圧プラズマを発生させることができるので、被処理面１０ａを損傷することなく、高い処理速度でプラズマ処理することが可能になる。
【００４９】
図５は、本発明の実施の第２形態であるプラズマ処理装置３１の構成を簡略化して示す図である。本実施の形態のプラズマ処理装置３１は、実施の第１形態のプラズマ処理装置１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００５０】
プラズマ処理装置３１は、１つの電源３２と、電源３２から出力される交番電圧を、第１印加電極４に接続される第１伝達回路１２と第２印加電極５に接続される第２伝達回路１３とに分岐する電圧分岐部３３と、第１伝達回路１２に設けられる１個の第１誘電体３４と、第２伝達回路１３に設けられる１個の第２誘電体３５とを含むことを特徴とする。
【００５１】
電圧分岐部３３は、たとえば分岐端子であり、電源３２から電源出力回路３６を通して出力される交番電圧を、第１伝達回路１２と第２伝達回路１３とに分岐させる。第１伝達回路１２には、第１伝達回路１２の交番電圧伝播方向に長さ：Ｌ１１を有する第１誘電体３４が挿入される。第２伝達回路１３には、第３伝達回路１３の交番電圧伝播方向に長さ：Ｌ２１を有する第２誘電体３５が挿入される。
【００５２】
また、回路分岐後交番電圧伝播方向に延びる部分であって、電極ユニット９に導入される手前部分の第１誘電体３４が挿入されていない部分の第１伝達回路１２の長さをＬ１０とし、同様に電極ユニット９に導入される手前部分の第２誘電体３５が挿入されていない部分の第２伝達回路１３の長さをＬ２０とする。
【００５３】
電源３２から発振される周波数ｆの交番電圧は、電圧分岐部３３によって第１および第２伝達回路１２，１３に分岐されて伝播し、電極ユニット９の第１および第２印加電極４，５にそれぞれ印加される。このとき、電圧分岐部３３によって分岐された直後の第１および第２伝達回路１２，１３に伝播する交番電圧の位相は互いに等しく、この位相をθとする。
【００５４】
第１伝達回路１２によって第１印加電極４に印加される交番電圧の位相をθ１とすると、位相θ１は位相θに比べて、第１誘電体３４の長さＬ１１と、第１誘電体３４が挿入されていない部分の長さＬ１０との分だけ位相が遅れる。したがって、第１伝達回路１２の第１誘電体３４が挿入されていない部分の誘電率をε１０、透磁率をμ１０とし、第１誘電体３４の誘電率をε１１、透磁率をμ１１とすると、位相θと位相θ１との関係は、式（１）のように表される。
θ−θ１＝２πｆ{Ｌ１０×√(ε１０・μ１０)＋Ｌ１１×√(ε１１・μ１１)}
…（１）
【００５５】
第２伝達回路１３によって第２印加電極５に印加される交番電圧の位相をθ２とすると、位相θ２は位相θに比べて、第２誘電体３５の長さＬ２１と、第２誘電体３５が挿入されていない部分の長さＬ２０との分だけ位相が遅れる。したがって、第２伝達回路１３の第２誘電体３５が挿入されていない部分の誘電率をε２０、透磁率をμ２０とし、第２誘電体３５の誘電率をε２１、透磁率をμ２１とすると、位相θと位相θ１との関係は、式（２）のように表される。
θ−θ２＝２πｆ{Ｌ２０×√(ε２０・μ２０)＋Ｌ２１×√(ε２１・μ２１)}
…（２）
【００５６】
したがって、第１印加電極４に印加される交番電圧の位相θ１と、第２印加電極５に印加される交番電圧の位相θ２との位相差Δθ（＝θ１−θ２）は、式（１）と式（２）とから、以下の式（３）のように表される。
Δθ＝２πｆ{Ｌ２０×√(ε２０・μ２０)＋Ｌ２１×√(ε２１・μ２１)
−Ｌ１０×√(ε１０・μ１０)−Ｌ１１×√(ε１１・μ１１)}   …（３）
【００５７】
プラズマ処理装置３１においては、式（３）で与えられるΔθが、式（４）の関係を満足するように、第１および第２伝達回路１２，１３の前記長さＬ１０，Ｌ２０、誘電率ε１０，ε２０、透磁率μ１０，μ２０がそれぞれ選択設定され、第１および第２誘電体３４，３５の前記長さＬ１１，Ｌ２１、誘電率ε１１，ε２１、透磁率μ１１，μ２１がそれぞれ選択設定される。
Δθ＝π（２ｋ＋１）［ただし、ｋは整数］                        …（４）
【００５８】
このことによって、位相θ１と、位相θ２との位相差Δθが、±π、±３π、…だけ異なることになり、たとえば第１印加電極４に電圧Ｖ１が印加されるとき、第２印加電極５には電圧−Ｖ１が印加される。したがって、実施の第１形態のプラズマ処理装置１と同様に、第１印加電極４と第２印加電極５との間の絶縁体６ａの窪み部分において高い電界強度が発生し、該電界強度によって分解度の高い大気圧プラズマを発生すると同時に、第１および第２印加電極４，５直下の試料１０の被処理面１０ａ近傍には低い電界強度しか発生しない状態を現出させることができる。すなわち、高速度でプラズマ処理が可能であるにも関らず、試料１０の被処理面１０ａを損傷することのないプラズマ処理装置３１が実現される。
【００５９】
また、１つの電源３２から発振した交番電圧を電圧分岐部３３によって分岐し、第１および第２印加電極４，５に印加するので、第１および第２印加電極４，５のそれぞれに交番電圧を印加するための２つの電源を動作させる必要がなく、印加電極および伝達回路を通じた電源同士の干渉を防止することができる。
【００６０】
また第１および第２誘電体３４，３５は、特にその素材が限定されるものではなく、固体、液体、気体または真空であってよい。さらに第１伝達回路１２の第１誘電体３４が挿入されていない部分の誘電率ε１０および透磁率μ１０と、第１誘電体３４の誘電率ε１１および透磁率μ１１とが、同じであってもよい。同様に、第２伝達回路１３の第２誘電体３５が挿入されていない部分の誘電率ε２０および透磁率μ２０と、第２誘電体３５の誘電率ε２１および透磁率μ２１とが、同じであってもよい。
【００６１】
図６は、本発明の実施の第３形態であるプラズマ処理装置４１の構成を簡略化して示す図である。本実施の形態のプラズマ処理装置４１は、実施の第２形態のプラズマ処理装置３１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００６２】
プラズマ処理装置４１において注目すべきは、第１伝達回路１２に２個の誘電体からなる第１誘電体群４２が挿入され、第２伝達回路１３に２個の誘電体からなる第２誘電体群４３が挿入されることである。第１誘電体群４２には、第１１誘電体４４と第１２誘電体４５とが含まれる。また第２誘電体群４３には、第２１誘電体４６と第２２誘電体４７とが含まれる。
【００６３】
第１伝達回路１２において、電圧分岐後の交番電圧伝播方向の長さであって、第１誘電体群４２が挿入されていない部分の第１伝達回路１２の長さをＬ１０とし、第１誘電体群４２の第１１誘電体４４の長さをＬ１１および第１２誘電体４５の長さをＬ１２とする。またこれら第１誘電体群４２が挿入されていない部分の第１伝達回路１２と、第１１誘電体４４と、第１２誘電体４５との（誘電率，透磁率）を、それぞれ（ε１０，μ１０）、（ε１１，μ１１）、（ε１２，μ１２）とする。
【００６４】
同様に、第２伝達回路１３において、電圧分岐後の交番電圧伝播方向の長さであって、第２誘電体群４３が挿入されていない部分の第２伝達回路１３の長さをＬ２０とし、第２誘電体群４３の第２１誘電体４６の長さをＬ２１および第２２誘電体４７の長さをＬ２２とする。またこれら第２誘電体群４３が挿入されていない部分の第２伝達回路１３と、第２１誘電体４６と、第２２誘電体４７との（誘電率，透磁率）を、それぞれ（ε２０，μ２０）、（ε２１，μ２１）、（ε２２，μ２２）とする。
【００６５】
このとき、第１印加電極４に印加される交番電圧の位相θ１と、第２印加電極５に印加される交番電圧の位相θ２との位相差Δθ（＝θ１−θ２）は、式（５）で与えられる。
Δθ＝２πｆ{Ｌ２０×√(ε２０・μ２０)＋Ｌ２１×√(ε２１・μ２１)
＋Ｌ２２×√(ε２２・μ２２)−Ｌ１０×√(ε１０・μ１０)
−Ｌ１１×√(ε１１・μ１１)−Ｌ１２×√(ε１２・μ１２)}   …（５）
【００６６】
プラズマ処理装置４１においては、式（５）で与えられるΔθが、π（２ｋ＋１）［ただし、ｋは整数］となるように、第１および第２伝達回路１２，１３の前記長さＬ１０，Ｌ２０と、誘電率ε１０，ε２０と、透磁率μ１０，μ２０とがそれぞれ選択設定され、第１誘電体群４２を構成する第１１および第１２誘電体４４，４５の前記長さＬ１１，Ｌ１２と、誘電率ε１１，ε１２と、透磁率μ１１，μ１２とがそれぞれ選択設定され、また第２誘電体群４３を構成する第２１および第２２誘電体４６，４７の前記長さＬ２１，Ｌ２２と、誘電率ε２１，ε２２と、透磁率μ２１，μ２２とが、それぞれ選択設定される。このことによって、プラズマ処理装置４１は、前述のプラズマ処理装置３１と同じ効果を奏することができる。
【００６７】
第１伝達回路１２および第２伝達回路１３にそれぞれ挿入される誘電体は、１個ないし２個に限定されるものではなく、第１伝達回路１２にｍ個の誘電体からなる第１誘電体群を挿入することができ、第２伝達回路１３にｎ個の誘電体からなる第２誘電体群を挿入することができる。
【００６８】
第１伝達回路に設けられるｍ個［ただし、ｍは正の整数］の第１誘電体群に含まれるｉ番目［ただし、ｉは正の整数かつｉ≦ｍ］の誘電体の誘電率をε１ｉ、透磁率をμ１ｉ、交番電圧伝播方向の長さをＬ１ｉとし、第１伝達回路の第１誘電体群が設けられていない部分の誘電率をε１０、透磁率をμ１０、交番電圧伝播方向の長さをＬ１０とする。
【００６９】
また、第２伝達回路に設けられるｎ個［ただし、ｎは正の整数］の第２誘電体群に含まれるｊ番目［ただし、ｊは正の整数かつｊ≦ｎ］の誘電体の誘電率をε２ｊ、透磁率をμ２ｊ、交番電圧伝播方向の長さをＬ２ｊとし、第２伝達回路の第２誘電体群が設けられていない部分の誘電率をε２０、透磁率をμ２０、交番電圧伝播方向の長さをＬ２０とする。
【００７０】
このとき、第１および第２伝達回路１２，１３、第１および第２誘電体群の長さ、誘電率、透磁率が、以下の式（６）を満足するように選択設定されることによって、プラズマ処理装置は、前述の第２および第３実施形態のプラズマ処理装置３１，４１と同一の効果を奏することができる。
【００７１】
【数３】
2007026781.tif 000004
【００７２】
なお、第１および第２伝達回路１２，１３にそれぞれ複数の誘電体を含む誘電体群が挿入されるとき、各誘電体の素材は、固体、液体、気体または真空のいずれであってもよく、また各誘電体の誘電率、透磁率と、第１および第２伝達回路１２，１３の誘電率、透磁率とは互いに等しくてもよい。
【００７３】
図７は、本発明の実施の第４形態であるプラズマ処理装置５１の構成を簡略化して示す図である。本実施の形態のプラズマ処理装置５１は、実施の第３形態のプラズマ処理装置４１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００７４】
プラズマ処理装置５１において注目すべきは、第２伝達回路１３に設けられ、第２印加電極５に印加される交番電圧の位相θ２を、第１印加電極４に印加される交番電圧の位相θ１に対して、π（２ｋ＋１）［ただし、ｋは整数］だけ遅延させる位相遅延手段５２を含むことである。
【００７５】
位相遅延手段５２は、第１および第２伝達回路１２，１３に接続されて前記位相θ１および位相θ２を測定する位相測定器５３と、第２伝達回路１３に設けられ、位相測定器５３の測定結果に応じて誘電率を調整する誘電体調整器５４とを含んで構成される。
【００７６】
本実施形態では、第２誘電体群４３の第２１誘電体４６は液体を素材として容器内に収容するように構成される。誘電体調整器５４は、第２１誘電体４６の容器に接続されて、第２１誘電体４６の素材である液体を容器から出し入れ可能に構成され、液体を出し入れすることによって、第２１誘電体４６の長さＬ２１と、第２誘電体群４３が挿入されていない部分の第２伝達回路１３の長さＬ２０とを調整し、第２誘電体群４３および第２誘電体群４３が挿入されない部分の第２伝達回路１３の誘電率の調整を可能にしている。
【００７７】
プラズマ処理装置５１では、位相遅延手段５２の位相測定器５３が位相θ１と位相θ２とを常時測定し、誘電体調整器５４が、位相θ１および位相θ２の測定結果に基づいて、前述のように第２１誘電体４６の長さＬ２１、および第２伝達回路１３の前記長さＬ２０を調整することによって、位相θ１と位相θ２との位相差Δθ（＝θ１−θ２）が、π（２ｋ＋１）［ただし、ｋは整数］を満足するように制御する。
【００７８】
このようにして、プラズマ処理装置５１は、前述の本発明の各プラズマ処理装置１，３１，４１と同じ効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の第１形態であるプラズマ処理装置１の構成を簡略化して示す図である。
【図２】電界強度を求める設定条件を示す図である。
【図３】電界強度を求めた結果を示す図である。
【図４】参考事例の電界強度を求めた結果を示す図である。
【図５】本発明の実施の第２形態であるプラズマ処理装置３１の構成を簡略化して示す図である。
【図６】本発明の実施の第３形態であるプラズマ処理装置４１の構成を簡略化して示す図である。
【図７】本発明の実施の第４形態であるプラズマ処理装置５１の構成を簡略化して示す図である。
【図８】従来の高圧プラズマ処理装置１００の構成を示す概略図である。
【図９】電界強度の算出位置を示す図である。
【図１０】電界強度分布計算結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１，３１，４１，５１  プラズマ処理装置
２，３，３２  電源
４  第１印加電極
５  第２印加電極
６  絶縁体
７  接地電極
８，５２  位相遅延手段
９  電極ユニット
１０  試料
１２  第１伝達回路
１３  第２伝達回路
１４，５３  位相測定器
１５  位相調整器
３３  電圧分岐部
３４，３５，４４，４５，４６，４７  誘電体
４２，４３  誘電体群
５４  誘電体調整器
【図１】
2007026781.tif 000006
【図２】
2007026781.tif 000007
【図３】
2007026781.tif 000008
【図４】
2007026781.tif 000009
【図５】
2007026781.tif 000010
【図６】
2007026781.tif 000011
【図７】
2007026781.tif 000012
【図８】
2007026781.tif 000013
【図９】
2007026781.tif 000014
【図１０】
2007026781.tif 000015