(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理ガスをプラズマ化空間においてプラズマ化し、被処理物に吹き付け、被処理物の表面を処理するプラズマ表面処理装置において
ノズルヘッドを備え、上記ノズルヘッドが、
軸状に延びる内側電極と、
上記内側電極の軸方向の基端部を収容して支持する孔部を有する絶縁体からなる絶縁ホルダと、
上記内側電極の軸方向の先端部をそれと同軸をなして囲み、上記内側電極との間に上記プラズマ化空間が形成される筒状の外側電極と、
上記絶縁ホルダの先端側に設けられ、上記外側電極を収容して支持する先端ボディと、
上記プラズマ化空間に連なるとともに上記プラズマ化後の処理ガスを被処理物へ向けて吹出すノズル孔を有して上記先端ボディの先端側に設けられたノズル部と、を有し、
上記内側電極の内部には、基端側から先端側へ向かい、その後基端側へ戻る内側電極冷却路が形成され、
上記内側電極冷却路の一端が、上記内側電極の基端部の外面に形成された開口に連なっており、
上記外側電極の外周面と上記先端ボディとの間には、環状の外側電極冷却路が形成され、
上記外側電極冷却路の周方向の一箇所が、上記先端ボディの内部に形成された先端ボディ側内部連通路に連なり、
上記内側電極冷却路の他端と、上記外側電極冷却路の周方向の他の箇所とのうち一方には、外部連通路を介して電極冷却用の冷媒供給源が接続され、他方には、他の外部連通路を介して冷媒排出路又は冷媒供給源への戻し路が接続されており、
上記絶縁ホルダの内部には、内周面の全周が前記絶縁体にて画成された絶縁ホルダ側内部連通路が形成され、この絶縁ホルダ側内部連通路が、上記軸方向に延びるとともに、その基端部が、上記内側電極の基端部の上記開口に連なり、先端部が、上記先端ボディ側内部連通路に連なっていることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項２】
上記ノズルヘッドの上記プラズマ化空間の基端側には、上記処理ガスを上記プラズマ化空間の周方向に旋回させながら上記ノズル部へ向かわせる旋回流形成機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項３】
上記絶縁ホルダには、処理ガス源に連なるガス供給路が形成されるとともに、上記絶縁ホルダの上記孔部の内周面には、上記ガス供給路に連なる環状の凹部が形成され、さらに、上記孔部の内部には、短パイプが上記内側電極を囲むように嵌め込まれ、上記短パイプの外周面にて上記環状凹部の内周側開口が塞がれ、上記短パイプの内周面と上記内側電極の外周面との間に、上記プラズマ化空間の基端部に連なる円筒空間が形成されており、
上記短パイプには、外周面から内周面に貫通して上記環状凹部と上記円筒空間とを連通する旋回導孔が、周方向に間隔を置いて複数形成され、各旋回導孔が、プラズマ化空間のほぼ接線に沿うとともにプラズマ化空間に向かうにしたがって先端側へ傾き、且つ上記ガス供給路より細いことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項４】
上記先端ボディが、導電体からなり、上記外側電極と導通するとともに接地されており、上記内側電極の基端部が、上記電極間に電界を印加する電界印加手段に接続されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項５】
上記ノズル部には、上記ノズル孔を囲むようにして吸込み孔が形成され、上記絶縁ホルダ及び先端ボディには、上記吸込み孔における周方向に互いに離れた位置から基端側へ延びる複数の第１吸込み路と、これら第１吸込み路を互いに連ねて均圧化する連絡路と、この連絡路における上記複数の第１吸込み路を均等吸引可能な位置から延びる単一の第２吸込み路とが形成されており、この第２吸込み路が、ノズルヘッドから出て吸込み手段に接続されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項６】
上記ノズルヘッドの基端部に、処理ガス源との接続部、上記冷媒供給源との接続部と、上記冷媒排出路又は戻し路との接続部と、上記電極間に電界を印加する電界印加手段との接続部と、上記吸込み手段との接続部が配されていることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマ処理装置に関するものであり、特に常圧下においてグロー放電によりプラズマを生成して被処理物に吹き付け、薄膜形成、エッチング、表面改質、有機汚染物除去、撥水化又は親水化等の表面処理を行なうのに適した装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
グロー放電プラズマによる表面処理は低圧下で行なうのが一般的であった。しかし、真空チャンバーやその内部を真空引きする大容量の排気装置を要し、高価であった。そこで、常圧下で行なうことのできる装置が種々開発されている（特開平６−２１４９号公報、特開平７−８５９９７号公報、特開平１１−２５１３０４号公報、特開平１１−２６０５９７号公報等参照）。例えば、特開平１１−２５１３０４号公報に記載の装置によれば、電極構造を筒状の外側電極とその軸心に沿って配された内側電極との同心円筒型に構成し、これら電極間に処理ガスを導入してプラズマ化させ、これを被処理物に吹き付け、局所的な表面処理を行なうようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上掲公報等の常圧プラズマ処理装置では、処理ガスが電極間を流れる短い時間内でしかプラズマ化できないため、高密度のプラズマを得るのが難しく、処理強度と処理速度の面で改善の余地があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明に係るプラズマ処理装置は、軸状に延びる内側電極と、この内側電極をそれと同軸をなして囲む筒状の外側電極と、これら電極の間に形成された筒状のプラズマ化空間（活性化空間）に上記軸方向の基端側から処理ガスを供給するガス供給手段と、上記電極間に電界を印加して例えばグロー放電等を起させることにより上記ガス供給手段からの処理ガスを上記筒状空間においてプラズマ化（イオン状態だけでなくラジカル状態も含む）させる電界印加手段と、上記プラズマ化空間の先端側に配され、上記プラズマ化後の処理ガスを被処理物へ向けて吹出すノズル部とを備え、上記ガス供給手段が、処理ガス源に接続されたガス供給路と、上記プラズマ化空間の基端側に配され、上記ガス供給路からの処理ガスを上記プラズマ化空間の周方向に旋回させながら上記ノズル部へ向かわせる旋回流形成機構（旋回流形成手段）とを有していることを特徴とする。これによって、処理ガスを高密度にプラズマ化することができ、十分に大きな処理強度と処理速度を得ることができる。
【０００５】
上記旋回流形成機構が、上記ガス供給路に連なるとともに上記プラズマ化空間と同軸でそれより大径の環状空間と、この環状空間から上記プラズマ化空間へ向けて延びるとともに環状空間の周方向に互いに離れて配された複数の旋回導孔とを有する旋回流形成路からなり、各旋回導孔が、プラズマ化空間のほぼ接線に沿うとともにプラズマ化空間に向かうにしたがって先端側へ傾き、且つ上記ガス供給路より細いことが望ましい。これによって、螺旋状の、しかも高速の旋回流を確実に形成できる。旋回流形成路として、上記プラズマ化空間と同軸をなす螺旋状の導孔を設けてもよい。上記旋回流形成機構は、上記のような旋回流形成路の他、回転羽根とこれを回転させる駆動手段等で構成してもよい。
【０００６】
本発明のプラズマ処理装置は、ノズルヘッドを備えているのが望ましい。このノズルヘッドの筐体を構成するヘッド本体には、絶縁ホルダが装填されるとともにそれより先端側に上記外側電極が収容、支持され、更にそれより先端側に上記ノズル部が設けられており、上記内側電極の基端部が、上記絶縁ホルダに支持され、先端部が、絶縁ホルダから突出して上記外側電極内に挿入されており、上記絶縁ホルダに、上記ガス供給路の一部又は全部と環状空間と旋回導孔とが形成されている。これによって、内外の電極を確実に絶縁しながら安定して保持することができる。
【０００７】
上記ヘッド本体が、導電体からなり、上記外側電極と導通するとともに接地されており、上記内側電極の基端部が、上記電圧印加手段に接続されていることが望ましい。これによって、電極の電気的接続や接地を容易に行なうことができる。
【０００８】
上記内側電極の内部には、基端側から先端側へ向かい、その後基端側へ戻る内側電極冷却路が形成され、上記外側電極の外周面と上記ヘッド本体との間には、環状の外側電極冷却路が形成され、これら内外の電極冷却路の一端どうしが、上記絶縁ホルダ及びヘッド本体内に形成された内部連通路を介して連通するとともに、他端が、それぞれ絶縁ホルダ又はヘッド本体に形成された外部連通路を介してノズルヘッドの外部へ出され、これら外部連通路のうち一方の外出端に電極冷却用の冷媒供給源が接続され、他方の外出端に冷媒排出路又は冷媒供給源への戻し路が接続されていることが望ましい。これによって、冷媒を１つの経路に沿って流しながら内外の電極を順次冷却することができる。また、ノズルヘッドには、冷媒のインとアウトのポートをそれぞれ１つ設けるだけでよく、これらポートに接続される配管構成の簡略化を図ることができる。
【０００９】
上記ノズル部には、上記処理ガスを吹出すノズル孔を囲むようにして吸込み孔が形成され、上記絶縁ホルダ又はヘッド本体には、上記吸込み孔における周方向に互いに離れた位置から基端側へ延びる複数の第１吸込み路と、これら第１吸込み路を互いに連ねて均圧化する連絡路と、この連絡路における上記複数の第１吸込み路を均等吸引可能な位置から延びる単一の第２吸込み路とが形成されており、この第２吸込み路が、ノズルヘッドから出て吸込み手段に接続されていることが望ましい。これによって、ノズルヘッド内の限られたスペースに吸込み路を有効配置して、ノズル孔の周りを周方向に均等に吸込むことができ、処理済みの被処理物が排ガスで悪影響を受けるのを確実に防止できる。
【００１０】
上記ノズルヘッドの基端部に、上記の各接続部（すなわちガス供給路と処理ガス源との接続部、内側電極と電圧印加手段との接続部、外部連通路のうち一方の外出端と冷媒供給源との接続部、他方の外部連通路の外出端と冷媒排出路又は冷媒供給源への戻し路との接続部、第２吸込み路と吸込み手段との接続部）が、それぞれ配されていることが望ましい。これによって、接続作業や接続状態の確認を容易に行なうことができる。また、外観をすっきりさせることができる。
【００１１】
本発明では、上記電極間に、高周波電界、パルス電界等の電界が印加され、プラズマを発生させるが、中でもパルス電界を印加することが好ましく、特に、パルスの立上がり及び／又は立下がり時間が、１０μｓ以下のものが好ましい。１０μｓを越えると放電状態がアークに移行しやすく不安定なものとなり、高密度プラズマ状態を保持しにくくなる。また、立上がり時間及び立下がり時間が短いほどプラズマ発生の際のガスの電離が効率よく行なわれるが、４０ｎｓ未満の立上がり時間のパルス電界を実現することは、実際には困難である。より好ましくは５０ｎｓ〜５μｓである。なお、ここでいう立上がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して増加する時間、立下り時間とは、電圧（絶対値）が連続して減少する時間を指すものとする。
【００１２】
上記パルス電界の電界強度は、１０〜１０００ｋＶ／ｃｍとなるようにするのが好ましく、１５〜１０００ｋＶ／ｃｍがより好ましい。電界強度が１０ｋＶ／ｃｍ未満であると処理に時間がかかりすぎ、１０００ｋＶ／ｃｍを越えるとアーク放電が発生しやすくなる。
上記パルス電界の周波数は、０．５ｋＨｚ以上であることが好ましい。０．５ｋＨｚ未満であると、プラズマ密度が低く、処理に時間がかかりすぎる。上限は特に限定されないが、常用されている１３．５６ＭＨｚ、試験的に使用されている５００ＭＨｚといった高周波帯でも構わない。負荷との整合のとり易さや取り扱い性を考慮すると、５００ｋＨｚ以下が好ましい。このようなパルス電界を印加することにより、処理速度を大きく向上させることができる。
上記パルス電界における１つのパルスの継続時間は、２００μｓ以下であることが好ましい。２００μｓを越えるとアーク放電に移行しやすくなる。ここで、１つのパルス継続時間とは、ＯＮ、ＯＦＦの繰り返しからなるパルス電界における、１つのパルスの連続するＯＮ時間を言う。
【００１３】
本発明のプラズマ処理装置は、どのような圧力下でも用いることができるが、特に大気圧近傍の圧力下（常圧下）で用いるとその効果を十分に発揮できる。大気圧近傍の圧力とは、１．３３３×１０4〜１０．６６４×１０4Ｐａの範囲を指す。中でも、９．３３１×１０4〜１０．３９７×１０4Ｐａの範囲は、圧力調整が容易で装置が簡便になり、好ましい。大気圧近傍の圧力下では、ヘリウム、ケトン等の特定のガス以外は、プラズマ状態が安定して保持されずにアーク放電に移行しやすいことが知られているが、印加電界をパルス状にすることによって、アーク放電に移行する前に放電を止めることができる。
上記パルス電界を用いた大気圧放電プラズマ処理装置によると、ガス種にまったく依存せず、電極間において大気圧下で放電を起こすことが可能であり、電極構造や放電手順を単純化でき、高速処理を実現できる。
【００１４】
本発明で処理できる被処理基材（被処理物）は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等のプラスチック、ガラス、セラミック、金属等が挙げられる。基材の形状としては、板状、フィルム状等のものが挙げられるが、これらに限定されない。特に、エッチング処理を行なう場合は、シリコンウェーハ、ＧａＡｓウェーハ、ＩｎＰウェーハ等の半導体ウェーハ、各種絶縁膜や金属薄膜やＳＡＷフィルタなども処理の対象となる。
【００１５】
本発明で用いる処理ガスとしては、電界を印加することによってプラズマを発生するガスであれば、特に限定されず、処理目的により種々のガスを使用できる。本発明の装置によれば、プラズマ発生空間中に存在する気体の種類を問わずグロー放電プラズマを発生させることが可能であり、開放系あるいは気体の自由な流失を防ぐ程度の低気密系での処理が可能となる。
処理ガスとして、ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、ＣＣｌＦ3、ＳＦ6等のフッ素含有化合物ガスを用いることによって、撥水性表面を得ることができる。
処理ガスとして、Ｏ2、Ｏ3、水、空気等の酸素元素含有化合物、Ｎ2、ＮＨ3等の窒素元素含有化合物、ＳＯ2、ＳＯ3等の硫黄元素含有化合物を用いることによって、基材表面にカルボニル基、水酸基、アミノ基等の親水性官能基を形成させて表面エネルギーを高くし、親水性表面を得ることができる。また、アクリル酸、メタクリル酸等の親水基を有する重合性モノマーを用いて親水性重合膜を被膜することもできる。
Ｓｉ、Ｔｉ、Ｓｎ等の金属の金属−水素化合物、金属−ハロゲン化合物、金属アルコラート等の処理ガスを用いることによって、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＳｎＯ2等の金属酸化物薄膜を形成でき、基材表面に電気的、光学的機能を与えることができる。
さらに、ハロゲン系ガスを用いてエッチング処理やダイシング処理を行なったり、酸素系ガスを用いてレジスト処理や有機物汚染の除去を行なったり、アルゴン、窒素等の不活性ガスを用いて表面クリーニングや表面改質を行なうこともできる。
【００１６】
特に、エッチングの処理ガスとしては、例えば、塩素ガス、臭素ガス、フッ素ガス等のハロゲンガス、ハロゲンと炭素、あるいはハロゲンと水素を含有するハロゲン化合物ガスが挙げられる。ハロゲン化合物ガスとしては、例えばＣＦ4、ＣＣｌ3Ｆ3、ＳＦ6、ＨＣｌ等が挙げられる。酸素等の反応性ガスは、ハロゲン系ガスによるエッチングに対して直接的あるいは触媒的に働いて効果を高める場合があるので、酸素や空気等の汎用的なガスでハロゲン化合物ガスを希釈してもよい。
本発明の装置は、処理ガスの高密度プラズマを被処理基材へ局所的に吹き付けることができるので、ハロゲン系ガスを用いたエッチング処理に特に有効である。ドライエッチング処理を行なう場合は、被処理基材を加熱または冷却して行なってもよい。温度は８０〜４００℃にするのが好ましい。
【００１７】
経済性及び安全性の観点から、処理ガス単独雰囲気よりも、以下に挙げる希釈ガスによって希釈された雰囲気中で処理を行なうことが望ましい。希釈ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の希ガス、窒素ガス等が挙げられる。これらは単独でも２種以上を混合して用いてもよい。希釈ガスを用いる場合、処理ガスの割合は０．０１〜１０体積％であることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１１は、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置Ｓ１を示したものである。プラズマ処理装置Ｓ１は、架台ＳＴと、この架台ＳＴ上に設置されたハウジングＨＳと、このハウジングＨＳ内に設けられた移動機構ＴＲと、ハウジングＨＳ上に取り付けられたノズルヘッド１とを備えている。移動機構ＴＲ上のテーブルＴＢに、図１に示す基板Ｗ（被処理物）がセットされた後、テーブルＴＢがノズルヘッド１の直下へ移動されることにより、基板Ｗにエッチング等の表面処理が施されるようになっている。架台ＳＴの傍のボックスＢＸには、後記パルス電源装置ＰＳや処理ガスに定量の水蒸気を添加する気化器（図示せず）等が収容されている。
なお、移動機構ＴＲは、テーブルＴＢひいては基板ＷをＸＹＺの３方向へ位置調節できるようになっているが、ＸＹの２方向だけに位置調節できるものを用いてもよい。被処理物がフィルム状である場合には、上記移動機構ＴＲに代えて、繰り出しロールと巻き取りロールからなる搬送系を用いるとよく、枚葉状のものである場合には、搬送コンベアや搬送ロボット等の搬送系を用いるとよい。
【００１９】
ノズルヘッド１について詳述する。
図１及び図２に示すように、ノズルヘッド１は、筐体を構成するヘッド本体１０と、このヘッド本体１０に装填された絶縁ホルダ２０とを備えている。ヘッド本体１０及び絶縁ホルダ２０の内部に同軸円筒型の一対の電極３０，４０が収容、支持されている。
【００２０】
詳述すると、ヘッド本体１０は、軸線Ｌを鉛直に向けた筒状のセンターボディ１１と、このセンターボディ１１の上端部（基端部）のフランジ１１ａに重ねられた中空円盤状のキャップ１２と、センターボディ１１の下端部（先端部）に連ねられたやや小径筒状のロアボディ１３とを有し、下段ほど小径の三段筒形状をなしている。各ボディ１１〜１３は、導電性材料（例えばステンレス）で構成されている。
【００２１】
センターボディ１１が、上記ハウジングＨＳの上板部に形成された収容穴ＨＳａに嵌め込まれている。センターボディ１１の上端フランジ１１ａとキャップ１２とが、ハウジングＨＳにボルト６０にて固定されている。
ロアボディ１３の下端部には、ノズル部５０が取り付けられている。ノズル部５０の詳細構造については、後記の処理ガス供給機構で述べることとする。
【００２２】
絶縁ホルダ２０は、中空円形ブロック状のメインホルダ２１と、このメインホルダ２１の上に載せられた下部大径短筒状、上部小径長筒状のインターナルホルダ２２と、このインターナルホルダ２２の上部長筒に挿入された細長筒状のトップホルダ２３とを有している。これらホルダ２１〜２３は、絶縁性材料（例えばポリテトラフルオロエチレン）で構成されている。メインホルダ２１は、センターボディ１１の下側部に収容されるとともに、ロアボディ１３上に載せられ、ボルト６１（図３及び図８）によってロアボディ１３と連結されている。インターナルホルダ２２の下部大径短筒部が、センターボディ１１の上側部に収容されている。メイン及びインターナルホルダ２１，２２の外周とセンターボディ１１の内周との間には、ホルダ２１〜２３と同様の絶縁性材料からなる円筒形状のライナーリング２４が挟まれている。
【００２３】
ノズルヘッド１の電極構造について説明する。
ヘッド本体１０のロアボディ１３内に、上記アース電極４０（外側電極）が装着されている。アース電極４０は、ノズルヘッド１の軸線Ｌと同軸の円筒形状をなし、その内周面に固体誘電体層４１が被膜されている。アース電極４０の材質としては、銅やアルミニウム等の金属単体、ステンレスや真鍮等の合金、金属間化合物等を用いることができる。
【００２４】
固体誘電体層４１の厚さは、０．０１〜４ｍｍであることが好ましい。厚すぎると放電プラズマを発生するのに高電圧を要することがあり、薄すぎると電圧印加時に絶縁破壊が起こり、アーク放電が発生することがある。
固体誘電体層４１の材質としては、酸化アルミニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化物、チタン酸バリウム等の複酸化物、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチックの他、ガラスや二酸化珪素等を用いることができる。特に、２５℃環境下における比誘電率が７、好ましくは１０以上のものを用いると、低電圧で高密度の放電プラズマを発生させることができ、処理効率が向上する。比誘電率の上限は特に限定されるものではないが、現実の材料では１８,５００程度のものが入手可能であり、本発明に使用できる。特に好ましくは比誘電率が１０〜１００の固体誘電体である。比誘電率が１０以上である固体誘電体の具体例としては、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化物、チタン酸バリウム等の複酸化物を挙げることができる。
【００２５】
アース電極４０は、ロアボディ１３と接して導通し、ひいてはセンターボディ１１と導通し、更にはハウジングＨＳと導通している。このハウジングＨＳが接地されることにより、ボディ１１，１３を介してアース電極４０が接地されている。
【００２６】
絶縁ホルダ２０によって上記ホット電極３０（内側電極）がアース電極４０及びヘッド本体１０から絶縁された状態で支持されている。ホット電極３０の材質については上記アース電極４０と同様である。ホット電極３０は、大径環状の頭部３０ｂと、それから下方へ延びる有底筒状の電極本体３０ａとを一体に有し、軸線Ｌに沿って配されている。頭部３０ｂが、メインホルダ２１の上側部の大径中心孔部２１ａに嵌め込まれるとともに、インターナルホルダ２２とメインホルダ２１とによって上下から挟まれている。
【００２７】
電極本体３０ａの外面（周面及び底面）には、上記層４１と同様の固体誘電体層３１が被膜されている。
電極本体３０ａは、メインホルダ２１の小径中心孔部２１ｂを貫通するとともに、メインホルダ２１より下方へ延びてアース電極４０内に差し入れられている。ホット電極本体３０ａの下端部は、後述するノズルピース５２の円錐状凹部５２ａに若干量入り込み、この入り込み量の分だけアース電極４０より下方に突出されている。ホット電極本体３０ａとアース電極４０との間には、円筒状のプラズマ化空間１ａが形成されている。
なお、メインホルダ２１の下側部の大径中心孔部２１ｃの内周には、ポリテトラフルオロエチレン等の絶縁性材料からなる断面円形状の短パイプ２５が嵌め込まれている。この短パイプ２５の内周とホット電極本体３０ａとの間に、円筒空間１ｂが形成され、この円筒空間１ｂの下方に上記プラズマ化空間１ａがストレートに連なっている。
【００２８】
絶縁ホルダ２０のトップホルダ２３の縦孔２３ａには、ノズルヘッド１の軸線に沿うようにして導電性金属からなるパイプ３２が挿入されている。パイプ３２のトップホルダ２３より上への延出部分に、給電線ＰＬを介してパルス電源装置ＰＳ（電界印加手段）が接続されている。パイプ３２の下端は、ホット電極３０の電極本体３０ａ内に差し入れられ、電極本体３０ａの内底面近くに達している。パイプ３２の中間部には、ハステロイ（三菱マテリアルの商標）等の導電性金属からなる導電リング３３が装着されている。導電リング３３は、ホット電極３０の頭部３０ｂに嵌め込まれている。この導電リング３３を介してホット電極３０がパイプ３２と導通し、ひいてはパルス電源装置ＰＳと導通している。
【００２９】
ノズルヘッド１には、プラズマを形成するための処理ガス供給機構が設けられている。すなわち、図１及び図２に示すように、ヘッド本体１０のキャップ１２の上面には、ガス入口ポート１２ａが形成され、このインレットポート１２ａにガス供給管ＧＰを介してＣＦ4等の処理ガスの供給源ＧＳが接続されている。キャップ１２内には、インレットポート１２ａから延びるガス供給路１２ｂが形成されている。絶縁ホルダ２０のホルダ２２，２１には、上記路１２ｂに連なるガス供給路２２ｂ，２１ｄが縦に延びるようにして形成されている。図１及び図３に示すように、メインホルダ２１のガス供給路２１ｄは、下端部において径方向内側へ向けて延びている。一方、ホルダ２１の下側孔部２１ｃの内周面には、浅い環状凹部２１ｅ（環状空間）が形成されている。この環状凹部２１ｅの周方向の一箇所に、上記ガス供給路２１ｃが連なっている。環状凹部２１ｄの内周側開口は、上記短パイプ２５によって塞がれている。環状凹部２１ｅは、上記円筒空間１ｂ及びプラズマ空間１ａと同軸Ｌをなすとともにこれら空間１ａ，１ｂより大径をなしている。
【００３０】
短パイプ２５には、周方向に等間隔ごとに離れて４つ（複数）の旋回導孔２５ａが穿設され、これら旋回導孔２５ａを介して環状凹部２１ｄとパイプ２５内の円筒空間１ｂひいてはプラズマ化空間１ａとが連通されている。各旋回導孔２５ａは、上記ガス供給路２１ｄ，２２ｂ，１２ｂより十分に細くなっている。旋回導孔２５ａは、環状凹部２１ｄから円筒空間１ｂへ向けて、空間１ｂ，１ａのほぼ接線に沿うようにして径方向に対して斜めに延び、しかも、空間１ｂに向かうにしたがって下側へ傾いている。
環状凹部２１ｄと旋回導孔２５ａとによって特許請求の範囲の「旋回流形成機構」が構成されている。
【００３１】
プラズマ化空間１ａの下端部は、ノズル部５０のノズル孔５２ｂに連なっている。詳述すると、ノズル部５０は、導電性金属（例えばステンレス）からなる円盤形状のアウターノズルピース５１と、このアウターノズルピース５１の上面凹部５１ａにセットされた絶縁性材料（例えばポリテトラフルオロエチレン）からなる小円盤形状のインナーノズルピース５２とを有している。アウターノズルピース５１が、ヘッド本体１０のロアボディ１３の下面にボルト６２（図６及び図８）によって固定されている。このピース５１とロアボディ１３との間に、インナーノズルピース５２が正姿勢を保つようにして挟まれている。アウターノズルピース５１の下面は、上記テーブルＴＢにセットされた基板Ｗから微小距離だけ上に離間して配されている。
【００３２】
インナーノズルピース５２の上面には、下方へ向かうにしたがって縮径する円錐形状の凹部５２ａが形成されている。この凹部５２ａ内とホット電極３０の下端部との空間に、上記プラズマ化空間１ａが連なっている。インナーノズルピース５２の下面中央部は、下方へ向けて錐状に突出している。この突出部分５２ｃに円錐状凹部５２ａの下端が臨むとともに、この凹部５２ａの下端からノズル孔５２ｂが延び、ノズルピース５２の下面へ貫通している。図５に示すように、ノズル孔５２ｂは、長円形状をなしている。ノズル孔５２ｂの下端開口周縁は、上記錐状突出部分５２ｃの周面と交差することにより、エッジを構成している。アウターノズルピース５１の中央部には、錐状突出部分５２ｃが挿入される錐状孔部５１ｂが形成されている。
【００３３】
ノズルヘッド１には、更に、排気機構が形成されている。詳述すると、図４及び図５に示すように、上記アウターノズルピース５１の錐状孔部５１ｂの内周面とインナーノズルピース５２の錐状突出部分５２ｃの外周面とよって、ノズル孔５２ｂを囲む吸込み孔５０ａが形成されている。図４及び図６に示すように、吸込み孔５０ａは、ノズルピース５１，５２どうしの間の平面視円形状の隙間５０ｂを介し、ロアボディ１３の下面に形成された円形ピット１３ａに連なっている。ロアボディ１３とメインホルダ２１とインターナルホルダ２２には、円形ピット１３ａから上へ延びる２本（複数）の第１吸込み路１３ｂ，２１ｆ，２２ｃが周方向に１８０度離れて形成されている。
【００３４】
図７に示すように、インターナルホルダ２２の外周面には、ほぼ半周にわたる凹部２２ｄ（連絡路）が形成されている。半円状凹部２２ｄは、内部のガス圧を均一化可能な程度に十分な容積を有している。この半円状凹部２２ｄの周方向の両端部に、上記２本の第１吸込み路２２ｃがそれぞれ連なっている。図７及び図８に示すように、インターナルホルダ２２とキャップ１２には、半円状凹部２２ｄの周方向の中間部から延びる１本（単一）の第２吸込み路２２ｅ，１２ｃが形成されている。第２吸込み路１２ｃは、キャップ１２の上面に開口して、吸込みポート１２ｄを形成している。吸込みポート１２ｄには、排気管ＥＰを介して排気ポンプＶＰ（吸込み手段）が接続されている。
【００３５】
ノズルヘッド１には、電極３０，４０のための冷却機構が設けられている。詳述すると、図９に示すように、軸線Ｌに沿うパイプ３２の上端部（外出端）には、水等の冷媒の供給源ＣＳから延びる冷媒供給管ＣＰが接続されている。これによって、筒状ホット電極３０の内周とパイプ３２との間の筒状空間３０ｃが、パイプ３２の内部通路及び管ＣＰを介して冷媒供給源ＣＳに連なっている。
パイプ３２におけるホット電極３０への挿入部分の内部通路と、筒状空間３０ｃとによってホット電極冷却路１ｃ（内部電極冷却路）が構成されている。
パイプ３２におけるホット電極３０より上側の内部通路は、特許請求の範囲の「内部電極冷却路の他端を外部に連ねる外部連通路」を構成している。
【００３６】
一方、図９及び図１０に示すように、ロアボディ１３の内周面とアース電極４０の外周面との間には、環状のアース電極冷却路１ｄが形成されている。上記筒状空間３０ｃの上端部とアース電極冷却路１ｄの周方向の一箇所とが（内外の電極冷却路１ｃ，１ｄの一端どうしが）、ホット電極頭部３０ｂとメインホルダ２１とロアボディ１３とに連続形成された内部連通路３０ｄ，２１ｇ，１３ｃを介して連なっている。
【００３７】
ロアボディ１３とホルダ２１，２２とキャップ１２には、環状アース電極冷却路１ｄにおける内部連通路１３ｃとは１８０度逆側の位置（他端）から延びる外部連通路１３ｄ，２１ｈ，２２ｆ，１２ｅが連続形成されている。外部連通路１２ｅは、キャップ１２の上面に開口して冷媒排出ポート１２ｆ（外出端）を構成している。このポート１２ｆから冷媒排出管ＤＰ（冷媒排出路）が延びている。なお、ポート１２ｆに冷媒供給管ＣＰを介して冷媒供給源ＣＳを接続し、パイプ３２の上端を冷媒排出管ＤＰに接続することにしてもよい。排出管ＤＰからの冷媒を除熱手段を経由させる等して冷媒供給源ＣＳへ戻すようにしてもよい。
【００３８】
上記のように構成されたプラズマ処理装置Ｓ１の動作について説明する。
処理ガス源ＧＳからの処理ガスは、ガス供給管ＧＰを経てノズルヘッド１のガス入口ポート１２ａへ導入される。その後、ノズルヘッド１内部のガス供給路１２ｂ，２２ｂ，２１ｄを経て、環状凹部２１ｅの全周に行き渡る。そして、４つの旋回導孔２５ａから円筒空間１ｂへ導出される。これによって、円筒空間１ｂひいてはプラズマ化空間１ａの周方向に周りながら下降する螺旋状の旋回流を形成することができる。旋回導孔２５ａが細くなっているため、旋回流の勢いを十分に大きくすることができる。
【００３９】
一方、パルス電源装置ＰＳからパルス電圧を出力する。パルスの立上がり時間及び／又は立下り時間は、１０μｓ以下、電界強度は１０〜１０００ｋＶ／ｃｍであることが望ましい。このパルス電圧が、給電線ＰＬ、パイプ３２、リング３３を順次介してホット電極３０に印加され、電極３０，４０間、すなわちプラズマ化空間１ａにパルス電界が形成される。これによって、空間１ａ内でグロー放電が起き、上記処理ガスがプラズマ化される。この処理ガスは空間１ａの周方向に旋回しているため、電界中での通過距離を長くすることができ、高密度にプラズマ化することができる。この高密度プラズマガスが、ノズル部５０の円錐状凹部５２ａで収斂された後、ノズル孔５２ｂから噴射される。そして、基板Ｗに吹き付けられることにより、エッチング等の所望の表面処理を行なうことができる。吹き付けられるプラズマが高密度になっているので、十分な処理強度と処理速度を得ることができる。
また、ホット電極３０の下端部がアース電極４０より突出してテーブルＴＢに近接しているので、ホット電極３０とテーブルＴＢとの間に垂直電界を形成して、そこでもプラズマを発生させることができ、基板Ｗの表面処理を一層効率化することができる。
【００４０】
上記の表面処理と併行して、排気ポンプＶＰを駆動する。これによって、吹付け後の処理ガスや反応生成ガス等からなる排ガスが、ノズル孔５２ｂの周囲の吸込み孔５０ａからノズルヘッド１内に吸い込まれる。これによって、処理済みの基板Ｗが排ガスで悪影響を受けるのを防止することができる。吸込み孔５０ａから吸い込まれた排ガスは、隙間５０ｂ及び円形ピット１３ａを経て、２本の第１吸込み路１３ｂ，２１ｆに沿って上昇し、半円状凹部２２ｄの両端部に至る。この半円状凹部２２ｄ内でガス圧を均一化できる。その後、排ガスは、半円状凹部２２ｄの中間から延びる１本の第２吸込み路２２ｅ，１２ｃに吸い込まれる。これによって半円状凹部２２ｄの両側部ひいては２本の第１吸込み路１３ｂ，２１ｆ内を均等に吸い込むことができ、ひいては、ノズル孔５２ｂの周りを周方向に均等に吸い込むことができ、排ガスによる悪影響を一層確実に防止することができる。第２吸込み路２２ｅ，１２ｃ内に吸い込また排ガスは、その後吸込みポート１２ｄから出され、排気管ＥＰを介して排気ポンプＶＰから排気される。
【００４１】
更に、冷媒供給源ＣＳから管ＣＰを介して冷媒をパイプ３２内に送る。この冷媒は、パイプ３２に沿って下降し、パイプ３２の下端からホット電極３０の内低部へ導出される。その後、ホット電極本体３０ａの内周とパイプ３２との間の筒状空間３０ｃを上昇する。この時、ホット電極本体３０ａを冷却することができる。上記筒状空間３０ｃの上端部に達した冷媒は、内部連通路３０ｄ，２１ｇ，１３ｃに導かれて、ロアボディ１３とアース電極４０との間の環状冷却路１ｄにおける周方向の一端部へ至る。ここで冷媒は、環状冷却路１ｄの時計回りと反時計回りとの２手に分岐してそれぞれ環状冷却路１ｄを半周する。この時、アース電極４０を冷却することができる。その後、冷媒は、環状冷却路１ｄにおける周方向の他端部で合流し、外部連通路１３ｄ，２１ｈ，２２ｆ，１２ｅを経て、冷媒排出ポート１２ｆから出され、更に、冷媒排出管ＤＰを通って排出される。この電極冷却機構によれば、冷媒を１つの経路に沿って流しながら電極３０，４０を順次冷却することができ、冷媒供給管ＣＰ及び冷媒排出管ＤＰがそれぞれ１本で済み、配管構成を簡略化できる。
更に、ノズルヘッド１においては、各種の管ＧＰ，ＣＰ，ＤＰや配線ＰＬが、キャップ１２の上側にまとめられているので、接続作業や接続状態の確認を容易に行なうことができる。また、外観をすっきりさせることができる。
【００４２】
次に、本発明の第２実施形態を図１２にしたがって説明する。
この実施形態では、ノズル部５０における吸込み口５０ａより径方向外側に、カーテンガス導入口５０ｘが形成されている。この導入口５０ｘに、カーテンガス供給源が連ねられている。この供給源から不活性ガス等のカーテンガスを導入口５０ｘへ導入して下方へ吹き出すことにより、吸込み口５０ａひいてはノズル孔５２ｂの周囲を囲むガスカーテンを形成することができる。これによって、基板Ｗの処理部分を局所的に周りの環境から遮断することができる。カーテンガスは処理後の排ガスと一緒に吸込み口５０ａから吸込まれて排出される。
【００４３】
【実施例】
本発明の実施例を説明する。なお、本発明が該実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。
【００４４】
図１２に示す装置を用い、水晶ウェーハ上に櫛型アルミニウム電極をプリントしたＳＡＷフィルタをエッチングした。１チップの大きさは、１ｍｍ×１０ｍｍとし、隣接するチップとのクリアランスは０．５ｍｍとした。
内側のホット電極３０は、外径８ｍｍφ×２４ｍｍＬの銅製円筒電極を用い、内部に６．５ｍｍφの銅製のパイプ３２を挿入、配置した。外側のアース電極４０は、内径１２ｍｍφ×２４ｍｍＬの銅製円筒電極を用いた。したがって、電極３０，４０間の距離は２ｍｍとなった。これら電極３０，４０の互いの対向面には、０．５ｍｍｔのチタン酸バリウム及び０．５ｍｍｔのアルミナを順次溶射してなる固体誘電体層３１，４１をそれぞれ被膜した。装置全体において、電極間の絶縁材、処理ガス導入部材、締結ボルト等として、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を用い、冷媒及び処理ガスのシールは耐熱性・耐食性に優れたフッ素系ゴムのＯリングを用いた。ノズル部５０は、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）固体誘電体製を用い、２．５×５．５ｍｍのノズル孔を形成し、ホット電極３０との間隔を１ｍｍに設定した。
局所排気機構として上記電極ひいてはノズル孔の外側に１ｍｍスリット状の吸込み孔５０ａを形成し、基材近傍の圧力が一定になるように吸込み排気量をコントロールバルブで制御した。さらにその外側にガスカーテン機構の不活性ガス導入口５０ｘを設け、これに１００ｓｓｃｍｎｏ窒素ガスを導入した。
処理ガスは、ＣＦ4が１００ｓｃｃｍ、Ｏ2ガスが２０ｓｃｃｍ、アルゴンガスが２００ｓｃｃｍの混合ガスを用いた。電極の冷却水（冷媒）は、３０℃に温調設定し、循環量は８Ｌ／ｍｉｎとした。
【００４５】
電極間にパルス立上がり時間５μｓ、電圧１４ｋＶpp、周波数９．８ｋＨｚのパルス電界を印加し、プラズマを生成して基材上に吹き付け、エッチングした。そして、ＳＡＷ周波数が小さくなっていくのを見ながら目標値になった時点で処理を終了した。ウェーハ上のすべてのチップを同一条件で処理した後、プローバとネットワークアナライザによって周波数を測定し、ＰＣ等の処理装置に記憶させ、変換ソフトにより処理条件データ（時間、周波数、電圧）に変換した後のデータを装置に送信し、ウェーハの処理前条件との差によりその効果を確認した。その結果、エッチングレートは、９０Å／ｍｉｎであった。また、周波数初期値８６．５ＭＨｚの全チップのうちいくつかのチップだけを８５．２ＭＨｚに処理調節して、そのチップに隣接する８個のチップの周波数を測定したところ、初期値が変化していないことが確認できた。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、処理ガスをプラズマ化空間で旋回させることによって高密度プラズマを得ることができ、処理強度及び処理速度を大きく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置におけるノズルヘッドの縦断面図である。
【図２】上記ノズルヘッドの平面図である。
【図３】図１のIII−III線に沿う上記ノズルヘッドの平面断面図である。
【図４】図２のIV−IV線に沿う上記ノズルヘッドの縦断面図である。
【図５】図４のV−V線に沿う上記ノズルヘッドの底面拡大図である。
【図６】図４のVI−VI線に沿う上記ノズルヘッドの底面断面図である。
【図７】図４のVII−VII線に沿う上記ノズルヘッドの平面断面図である。
【図８】図２のVIII−VIII線に沿う上記ノズルヘッドの縦断面図である。
【図９】図２のIX−IX線に沿う上記ノズルヘッドの縦断面図である。
【図１０】図９のX−X線に沿う上記ノズルヘッドの底面断面図である。
【図１１】（ａ）本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置の平面図である。
（ｂ）上記プラズマ処理装置の正面図である。
（ｃ）上記プラズマ処理装置の側面図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置のノズルヘッドの概略構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
Ｓ１ プラズマ処理装置
ＰＳ パルス電源装置（電界印加手段）
ＧＳ 処理ガス源
ＣＳ 冷媒供給源
ＤＰ 冷媒排出管（冷媒排出路）
ＶＰ 排気ポンプ（吸込み手段）
１ ノズルヘッド
１ａ プラズマ化空間
１ｃ ホット電極冷却路（内側電極冷却路）
１ｄ アース電極冷却路（外側電極冷却路）
１０ ヘッド本体
１２ｂ，２２ｂ，２１ｄ ガス供給路
１２ｆ 冷媒排出ポート（他方の外部連通路の外出端）
１３    ロアボディ（先端ボディ）
１３ｃ  先端ボディ側内部通路
１３ｂ，２１ｆ，２２ｃ 第１吸込み路
１３ｃ，２１ｇ，３０ｄ 内外の電極冷却路の内部連通路
１３ｄ，２１ｈ，２２ｆ，１２ｅ 外部連通路
２０ 絶縁ホルダ
２１ｅ 環状凹部（環状空間、旋回流形成機構）
２１ｇ  絶縁ホルダ側内部連通路
２２ｄ 半円状凹部（複数の第１吸込み路の連絡路）
２２ｅ，１２ｃ 第２吸込み路
２５ａ 旋回導孔（旋回流形成機構）
３０ ホット電極（内側電極）
３０ｄ  内側電極の基端部の開口
３２ パイプ（内側電極冷却路の一部及び外部連通路）
４０ アース電極（外側電極）
５０ ノズル部
５０ａ 吸込み孔
５２ｂ ノズル孔
【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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【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】
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