特開 2023-175672 表面処理装置及び表面処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023175672

(43)【公開日】2023-12-12

(54)【発明の名称】表面処理装置及び表面処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20231205BHJP

   H05H 1/30 20060101ALI20231205BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 101E

H05H1/30

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023088562

(22)【出願日】2023-05-30

(31)【優先権主張番号】P 2022087495

(32)【優先日】2022-05-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(71)【出願人】

【識別番号】000146009

【氏名又は名称】株式会社昭和真空

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100132883

【弁理士】

【氏名又は名称】森川 泰司

(74)【代理人】

【識別番号】100100860

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 陽子

(74)【代理人】

【識別番号】100148149

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 幸男

(72)【発明者】

【氏名】山村 和也

(72)【発明者】

【氏名】豊田 椋一

(72)【発明者】

【氏名】長田 佑介

(72)【発明者】

【氏名】清水 由佳

【テーマコード（参考）】

2G084

5F004

【Ｆターム（参考）】

2G084AA02

2G084AA03

2G084AA07

2G084BB07

2G084BB23

2G084CC19

2G084CC21

2G084CC33

2G084DD01

2G084DD17

2G084DD22

2G084FF02

2G084FF16

2G084GG03

2G084GG07

2G084GG18

2G084GG21

2G084HH09

2G084HH19

2G084HH31

2G084HH42

2G084HH52

5F004AA13

5F004BA03

5F004BA06

5F004BB13

5F004BB24

5F004BD01

5F004CA02

5F004CA08

5F004CB02

5F004CB20

5F004DA00

5F004DA01

5F004DA02

5F004DA03

5F004DA16

5F004DA17

5F004DA18

5F004DA22

5F004DA23

5F004DA25

(57)【要約】

【課題】アルゴンガスを主体として使用して均質で安定した局所プラズマを生成し、表面処理をする表面処理装置及び表面処理方法を提供する。
【解決手段】表面処理装置１は、表面処理本体１００と、表面処理本体１００が配置された空間を減圧する減圧手段２０と、を備える。表面処理本体１００は、高周波電極１１０に高周波電圧を印加して、アルゴンガスの一次プラズマを発生させる反応部と、反応部の下流に配置され、一次プラズマと反応性ガスを混合させて二次プラズマを発生させる混合部と、混合部を密封する密封手段と、を備える。表面処理装置１は、減圧手段２０により低真空に維持された空間で、二次プラズマを吐出させて、被処理体の表面処理を行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面処理本体と、
前記表面処理本体が配置された空間を減圧する減圧手段と、を備え、
前記表面処理本体は、
高周波電極に高周波電圧を印加して、アルゴンガスの一次プラズマを発生させる反応部と、
前記反応部の下流に配置され、前記一次プラズマと反応性ガスを混合させて二次プラズマを発生させる混合部と、
前記混合部を密封する密封手段と、を備え、
前記減圧手段により低真空に維持された前記空間で、前記二次プラズマを吐出させて、被処理体の表面処理を行う、
表面処理装置。

【請求項2】

前記高周波電極は誘電体で被覆され、誘電体バリア放電により前記一次プラズマを発生させる、
請求項１に記載の表面処理装置。

【請求項3】

前記高周波電極は、第１電極と第２電極とを備え、
前記第１電極の先端と前記第２電極の先端は、鋭角に形成され、
前記第１電極と前記第２電極は、鋭角に形成された双方の前記先端を近づけて配置された、
請求項１に記載の表面処理装置。

【請求項4】

前記表面処理本体は、吐出される前記二次プラズマの周囲にシールドガスを吐出するシールドガス吐出部を、更に備える、
請求項１に記載の表面処理装置。

【請求項5】

前記表面処理本体が配置された空間の圧力を測定する圧力測定部と、
前記圧力測定部により測定された圧力値に応じて、前記空間を前記低真空となるように圧力を調整する圧力調整手段と、を更に備える、
請求項１に記載の表面処理装置。

【請求項6】

前記第１電極と前記第２電極は、円筒形状に形成され、前記第１電極の外周に前記第２電極が配置され、
前記反応部は、誘電体材料で形成された反応容器を含み、前記反応容器は、前記第１電極の内部に挿入された内筒と、前記第１電極と前記第２電極の間に配置された外筒と、を備える、
請求項３に記載の表面処理装置。

【請求項7】

前記外筒の底部は前記内筒の外周に連結され、前記外筒の上部は、前記第１電極の鋭角に形成された先端部より高く形成された、
請求項６に記載の表面処理装置。

【請求項8】

前記アルゴンガスは、前記反応部の内部を、第１の方向に移動するように供給され、前記反応性ガスは、前記第１の方向と垂直方向から供給されて、前記混合部で前記一次プラズマと衝突する、
請求項１から７の何れか１項に記載の表面処理装置。

【請求項9】

前記アルゴンガスは、前記反応部の内部を、第１の方向に移動するように供給され、前記反応性ガスは、前記第１の方向と平行方向から供給されて、前記混合部で前記一次プラズマと混合される、
請求項１から７の何れか１項に記載の表面処理装置。

【請求項10】

処理空間を低真空まで減圧する減圧ステップと、
高周波電極に高周波電圧を印加して、アルゴンガスの一次プラズマを発生させる一次プラズマ生成ステップと、
密閉空間において前記一次プラズマに反応性ガスを混合させて二次プラズマを発生させる二次プラズマ生成ステップと、
前記二次プラズマを吐出させて、被処理体の表面処理を行う処理ステップと、を備える、
表面処理方法。

【請求項11】

前記処理ステップは、
前記処理空間の圧力を変更し、前記被処理体の処理量又は処理領域を変更する処理変更ステップ、を備える、
請求項１０に記載の表面処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被処理体の表面を処理する表面処理装置及び表面処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

表面処理を行う装置として、大気圧下でプラズマ処理をする大気圧プラズマ装置が知られている。大気圧プラズマ装置は、不活性ガスをプラズマ化して反応性ガスを励起させ、生成された反応性ガスの活性種を処理対象の表面の材料と反応させて、表面処理を行う。そして、大気圧プラズマ装置は、プラズマをノズルから噴射することにより、局所的な表面処理ができることを特徴とする。

【0003】

特許文献１は、大気圧プラズマ装置の一例を示し、不活性ガスとしてアルゴンガスとヘリウムガスを使用し、反応性ガスとして酸素を使用している。大気圧プラズマ装置は、ヘリウムガスを主体として使用することが一般的である。アルゴンガスは、分子量が大きく拡散しにくいため放電が安定しないので、放電しやすく安定するヘリウムガスを使用する必要があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５４４７３０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ヘリウムガスは高価であり、安価なアルゴンガスを主体として使用することが好ましい。アルゴンガスを用いた大気圧プラズマは、高電圧を印加することで比較的容易に生成可能であるが、ストリーマを伴う不均一なプラズマとなり安定した表面処理を実施することが困難であった。アルゴンガスを主体として使用し安定したグロー放電プラズマを発生させるためには、十分に減圧する必要がある。しかし、減圧するための排気時間が長くなり作業時間が延長するとともに、減圧下では発生したプラズマが拡散するので、局所プラズマジェットを発生させて表面処理を実施する装置には不向きであった。

【0006】

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、アルゴンガスを主体として使用して均質で安定した局所プラズマを生成し、表面処理をする表面処理装置及び表面処理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】

【0007】

本発明の第１の観点に係る表面処理装置は、
表面処理本体と、
前記表面処理本体が配置された空間を減圧する減圧手段と、を備え、
前記表面処理本体は、
高周波電極に高周波電圧を印加して、アルゴンガスの一次プラズマを発生させる反応部と、
前記反応部の下流に配置され、前記一次プラズマと反応性ガスを混合させて二次プラズマを発生させる混合部と、
前記混合部を密封する密封手段と、を備え、
前記減圧手段により低真空に維持された前記空間で、前記二次プラズマを吐出させて、被処理体の表面処理を行う。

【0008】

前記高周波電極は誘電体で被覆され、誘電体バリア放電により前記一次プラズマを発生させる、
こととしてもよい。

【0009】

前記高周波電極は、第１電極と第２電極とを備え、
前記第１電極の先端と前記第２電極の先端は、鋭角に形成され、
前記第１電極と前記第２電極は、鋭角に形成された双方の前記先端を近づけて配置された、
こととしてもよい。

【0010】

前記表面処理本体は、吐出される前記二次プラズマの周囲にシールドガスを吐出するシールドガス吐出部を、更に備える、
こととしてもよい。

【0011】

前記表面処理本体が配置された空間の圧力を測定する圧力測定部と、
前記圧力測定部により測定された圧力値に応じて、前記空間を前記低真空となるように圧力を調整する圧力調整手段と、を更に備える、
こととしてもよい。

【0012】

前記第１電極と前記第２電極は、円筒形状に形成され、前記第１電極の外周に前記第２電極が配置され、
前記反応部は、誘電体材料で形成された反応容器を含み、前記反応容器は、前記第１電極の内部に挿入された内筒と、前記第１電極と前記第２電極の間に配置された外筒と、を備える、
こととしてもよい。

【0013】

前記外筒の底部は前記内筒の外周に連結され、前記外筒の上部は、前記第１電極の鋭角に形成された先端部より高く形成された、
こととしてもよい。

【0014】

前記アルゴンガスは、前記反応部の内部を、第１の方向に移動するように供給され、前記反応性ガスは、前記第１の方向と垂直方向から供給されて、前記混合部で前記一次プラズマと衝突する、
こととしてもよい。

【0015】

前記アルゴンガスは、前記反応部の内部を、第１の方向に移動するように供給され、前記反応性ガスは、前記第１の方向と平行方向から供給されて、前記混合部で前記一次プラズマと混合される、
こととしてもよい。

【0016】

本発明の第２の観点に係る表面処理方法は、
処理空間を低真空まで減圧する減圧ステップと、
高周波電極に高周波電圧を印加して、アルゴンガスの一次プラズマを発生させる一次プラズマ生成ステップと、
密閉空間において前記一次プラズマに反応性ガスを混合させて二次プラズマを発生させる二次プラズマ生成ステップと、
前記二次プラズマを吐出させて、被処理体の表面処理を行う処理ステップと、を備える。

【0017】

前記処理ステップは、
前記処理空間の圧力を変更し、前記被処理体の処理量又は処理領域を変更す圧力変更ステップ、を備える、
こととしてもよい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、アルゴンガスを主体として使用して均質で安定した局所プラズマを生成し、表面処理をする表面処理装置及び表面処理方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施の形態に係る表面処理装置の概念図である。

【図2】本実施の形態の表面処理装置の分解斜視図である。

【図3】表面処理装置の要部を示す断面図である。

【図4】ガスの流れを示す概念図である。

【図5】圧力の変化による加工レートの変化を示すグラフであり、（ａ）は、圧力の変化による単位時間あたりの被処理体の処理される体積の変化を示すグラフ、（ｂ）は、圧力の変化による半値幅の変化を示すグラフである。

【図6】変形例１の要部断面図である。

【図7】変形例２の要部断面図である。

【図8】変形例３の要部断面図である。

【図9】変形例３のガスの流れを示す概念図である。

【図10】変形例４の要部断面図である。

【図11】変形例５の要部断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明に係る表面処理装置及び表面処理方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下に説明する実施の形態は説明のためのものであり、本願発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施の形態を採用することが可能であるが、これらの実施の形態も本発明の範囲に含まれる。

【0021】

（実施の形態）
本発明の一実施の形態である表面処理装置の構造について、図１－５を参照して説明する。図中、プラズマを噴射するノズルの向かう方向を下として上下方向を規定し、上下方向に直交する方向を左右方向及び前後方向として定める。これらの用語は、本実施の形態を説明するために使用するものであり、本発明の実施の形態が実際に使用されるときの方向を限定するものではない。また、これらの用語によって特許請求の範囲に記載された技術的範囲を限定的に解釈させるべきでない。

【0022】

本実施の形態において説明する表面処理装置及び表面処理方法は、低真空下において、基板等の被処理体の被処理面を、エッチング処理、アッシング処理、表面改質、クリーニングなどのプラズマ処理を局所的に行う装置または方法である。本願の発明者は、局所プラズマを生成する際に、低真空下に装置を載置し、電極配列とガスの流路を特定することにより、大気圧プラズマ装置では使用が困難であったアルゴンガスが使用できることを見いだした。

【0023】

（表面処理装置の全体構成）
図１は、本実施の形態に係る表面処理装置の全体構成を示す概念図である。表面処理装置１は、チャンバ１０と、チャンバ１０の内部に配置される表面処理本体１００と、チャンバ１０内を減圧する減圧手段２０と、表面処理本体１００にアルゴンガスを供給する第１ガス供給部３０と、表面処理本体１００に反応性ガスを供給する第２ガス供給部４０と、シールドガスを供給するシールドガス供給部５０と、プラズマモニタ７０と、を備える。

【0024】

減圧手段２０は、チャンバ１０内を低真空に保持する排気装置であり、例えば、真空ポンプが用いられる。本実施の形態において、低真空とは、ＪＩＳ（日本工業規格）で規定された範囲である１０^５Ｐａ－１０^２Ｐａ（１００ｋＰａ－１００Ｐａ）をいい、６７ｋＰａ以下であることが好ましい。所望のプラズマ形状およびレートを得るために、最適な圧力値と最適なプラズマ容器形状を選択すればよいが、本実施の形態では圧力値を１ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下とすることがより好ましい。

【0025】

減圧手段２０である真空ポンプは、配管によりチャンバ１０に接続され、配管には、チャンバ１０内の圧力を調整する圧力調整手段である開閉バルブ２１が取り付けられている。また、チャンバ１０には、チャンバ１０の圧力を測定する圧力測定手段が取り付けられている。本実施の形態では、チャンバ１０内の真空度を測定する真空計２２がチャンバ１０に取り付けられている。真空計２２として、隔膜真空計、ピラニ真空計、ブルドン管真空計、Ｕ字管真空計等を使用することにより、低真空の圧力領域の真空度の変動を正確に測定することができる。チャンバ１０内の圧力は、真空計２２により測定された真空度に応じて、開閉バルブ２１の開閉度により調整される。

【0026】

第１ガス供給部３０は、不活性ガスであるアルゴンガスを表面処理本体１００に供給する装置である。なお、アルゴンガスのみを供給するのではなく、アルゴンガスに少量の不活性ガスを混入することも可能である。第１ガス供給部３０にアルゴンガスまたはアルゴンガスを主体とする不活性ガスを供給することで、第１ガス供給路の腐食を防止することができる。第１ガス供給路を耐腐食性材料で構成することにより、第１ガス供給部３０にアルゴンガスを主体として少量の反応性ガスを混入することも可能である。混入させる反応性ガスは、第２ガス供給部４０に供給する反応性ガスと同種でもよいし、別種の反応性ガスとすることも可能である。

【0027】

第２ガス供給部４０は、反応性ガスを表面処理本体１００に供給する装置である。反応性ガスは、被処理対象に応じて種々のガスを使用することができる。例えば、フッ化物（ＳＦ_６、ＣＦ_４、ＮＦ_３、ＣＨＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_６）を含むガスや、水素系ガス、塩素系ガスなどを使用することができる。

【0028】

シールドガス供給部５０は、後述する表面処理本体１００のノズル１３１の外周に配置されるシールドガス吐出部１５２にシールドガスを供給する。シールドガスは、例えば、不活性ガスであるヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の希ガスや窒素ガス等を用いるが、安価な窒素ガスを使用することが好ましい。

【0029】

プラズマモニタ７０は、後述する表面処理本体１００のノズル１３１から吐出されるプラズマの発光スペクトルをモニタして、プラズマに含まれる元素を分析する。プラズマモニタ７０として、例えば、発光分光分析装置を使用する。発光分光分析装置は、プラズマの発光スペクトルを回析格子により分光して、元素の強度比をモニタすることにより、特定の元素の量の変移を確認し、その元素により処理される被処理体の加工レートを監視することができる。尚、本実施の形態で使用する「加工レート」は、被処理体の単位時間当たりの加工量をいう。

【0030】

表面処理本体１００は、図１、３に示すように、一対の高周波電極１１０と、電極ベース１２０と、ノズル本体部１３０と、第１カバー部１４０と、第２カバー部１５０と、を備える。

【0031】

高周波電極１１０は、アルミニウムや銅等の金属で形成された第１電極１１０ａと第２電極１１０ｂの一対の電極から構成される。第１電極１１０ａは、表面処理本体１００の内部を下方向に伸びて形成された円筒状の電極である。第１電極１１０ａの内部には、アルミナ等の誘電体材料で形成された円筒状の反応容器１１１が挿入されている。第１電極１１０ａの下端の先端部１１０ａａは鋭角に形成されている。第２電極１１０ｂは、第１電極１１０ａの円筒より大きい直径の円筒で形成され、内部に第１電極１１０ａが挿入される。第２電極１１０ｂの底部の内側に延在する先端部１１０ｂｂは、鋭角に形成されている。第１電極１１０ａの先端部１１０ａａと第２電極１１０ｂの先端部１１０ｂｂとの間に、電圧を印加することで電界が発生し、アルゴンガスからアルゴンプラズマ（以下、「一次プラズマ」という。）を生成する。第１電極１１０ａの先端部１１０ａａと第２電極１１０ｂの先端部１１０ｂｂが鋭角に形成されることにより、電界を集中させることができる。先端部１１０ａａと先端部１１０ｂｂとは、なるべく近づけて配置して、プラズマを生成するための電界強度を大きくすることが好ましい。

【0032】

第１電極１１０ａと第２電極１１０ｂの間には、誘電体である第１誘電体１１０ｃが挿入され、第２電極１１０ｂの外側は、第２誘電体１１０ｄで被覆されている。誘電体として、アルミナ、フッ素樹脂等が用いられる。誘電体により電極を覆うことにより、誘電体バリア放電を行い過度なアーク放電を抑制し、電極が損傷、腐食することを防止する。

【0033】

電極ベース１２０は、図２、３に示すように、開口部１２０ａを備え、開口部１２０ａに第２電極１１０ｂが挿入される。電極ベース１２０は、導電性を備える銅等の金属で形成され、高周波電源１１４からの電圧は、第１電極１１０ａと電極ベース１２０を介して第２電極１１０ｂに印加される。実施例では、電極ベース１２０及び第２電極１１０ｂをアース電位とするが、第１電極１１０ａを接地してもよい。電極ベース１２０の上面は、第１カバー部１４０により覆われ、開口部１２０ａが閉塞される。なお、図２の展開図には、電極１１０、第１カバー部１４０は省略されている。

【0034】

なお、第１電極１１０ａ、第２電極１１０ｂ、第１誘電体１１０ｃ、第２誘電体１１０ｄ、反応容器１１１により、反応部が構成される。

【0035】

ノズル本体部１３０は、図１－３に示すように、下方に突出する高周波電極１１０を収容し、断面形状が凹状に形成された容器である。ノズル本体部１３０は、アルミナ等の誘電体材料で形成され、円筒部１３０ａと、底部１３０ｂと、円筒部１３０ａと底部１３０ｂとを繋ぐ傾斜部１３０ｃとから構成される。底部１３０ｂは平坦形状に形成される。第２誘電体１１０ｄとノズル本体部１３０との間に形成される空間が、第２ガス供給部４０から供給される反応性ガスの流路となる。

【0036】

なお、ノズル本体部１３０と第２誘電体１１０ｄにより混合部が構成される。図３に示す混合部の衝突領域Ｘにおいて、一次プラズマと反応性ガスが衝突して、反応性ガスプラズマ（以下、「二次プラズマ」という。）が発生する。また、ノズル本体部１３０の底部１３０ｂには、被処理基板６０に二次プラズマを吐出するための円筒状のノズル１３１が形成されている。

【0037】

第２カバー部１５０は、上下方向の断面形状が凹状に形成され、凹部にノズル本体部１３０を収容する。また、第２カバー部１５０の底部には、ノズル１３１を通過させるための開口部１５１が形成されている。開口部１５１と円筒状のノズル１３１の外周との間には、一定の幅の間隙が形成され、この間隙が、シールドガス吐出部１５２となる。

【0038】

図３に示すように、シールドガスは、シールドガス供給部５０から第２カバー部１５０とノズル本体部１３０との間に供給され、シールドガス吐出部１５２から吐出される。シールドガスは、ノズル１３１から吐出されるプラズマガスの外周を囲み、プラズマガスの拡散を抑制する。

【0039】

本実施の形態における表面処理装置１は、更に表面処理本体１００からガスが漏れないように密閉手段を備える。本実施の形態において、表面処理は低真空下において実行されるため、アルゴンガス、反応性ガス、プラズマガスがリークする、又は外部の気体が流入する恐れがある。したがって、密封手段を設けることが効果的である。また、密封手段は、少なくとも混合部で発生する反応性の高い二次プラズマのリークを抑えることが有効である。

【0040】

密閉手段は、表面処理本体１００を構成する部材と部材が接触する接合部分に設ける。図３に示すように、第１カバー部１４０と第１電極１１０ａの接合部分に第１シール部材１６１、第１電極１１０ａと反応容器１１１の接合部分に第２シール部材１６２、第１カバー部１４０と電極ベース１２０の接合部分に第３シール部材１６３、電極ベース１２０とノズル本体部１３０の接合部分に第４シール部材１６４を取り付ける。これらの密閉手段を備えることにより、表面処置本体１００の内部には、密閉空間が形成される。本実施の形態では、シール部材として、Ｏリングを用いる。密閉手段は、部材間の間をシールできるシール部材であれば、他のシール部材を使用することができ、例えば、メタルガスケットやグリスなどを使用してもよい。

【0041】

（ガスの流れ）
このような構成を備える表面処理装置１において、第１ガス供給部３０から供給されるアルゴンガス、第２ガス供給部４０から供給される反応性ガス、及びシールドガス供給部５０から供給されるシールドガスの流れについて、図３、図４を参照して説明する。図４において、アルゴンガス（第１ガス）の流れをＡで示すハッチングにより示し、反応性ガス（第２ガス）の流れをＢで示すハッチングにより示し、シールドガスの流れをＣで示すハッチングにより示し、アルゴンガスと反応性ガスが混合する混合領域Ｘをハッチングにより示す。図中、白抜きで示した箇所は、高周波電極１１０である。

【0042】

アルゴンガス（Ａ）は、第１電極１１０ａの内部を下方（第１の方向）に向けて供給される。アルゴンガス（Ａ）は、第１電極１１０ａ内部の反応容器１１１内を通過しながら、高周波電極１１０により電圧が印加され、一次プラズマが生成される。反応性ガス（Ｂ）は、ノズル本体部１３０の上部側方から、ノズル本体部１３０と第２誘電体１１０ｄとの間に供給される。ノズル本体部１３０の上部から供給された反応性ガス（Ｂ）は、ノズル本体部１３０の円筒部１３０ａの内周を周回しながら、底部１３０ｂまで到達する。この間、反応性ガスＢは、円筒部１３０ａの内周を周回することで、環状の気流となり、表面処理装置１の内部が低真空に維持されていることから、速度を増しながら底部１３０ｂまで到達する。ノズル本体部１３０の内周面にらせん溝を形成して、環状気流を増幅させてもよい。

【0043】

ノズル本体部１３０の底部１３０ｂは、平坦状に形成されており、反応性ガスは、第２誘電体１１０ｄと底部１３０ｂとの間で、一次プラズマの流れる第１の方向に対して、垂直方向に流れる。一次プラズマと反応性ガスが垂直に衝突することにより、一次プラズマと反応性ガスは、衝突領域Ｘにおいて衝突し、十分に混合（ＡＢ混合部）され、二次プラズマを発生させる。また、二次プラズマは、ノズル１３１から被処理基板６０の方向に吐出される。

【0044】

一方、シールドガス供給部５０から供給されたシールドガスは、ノズル本体部１３０と第２カバー部１５０との間の空間を通り、シールドガス吐出部１５２から吐出される。シールドガス吐出部１５２は、ノズル１３１の外周を囲んで配置され、シールドガス吐出部１５２から吐出されるシールドガスは、ノズル１３１から吐出される二次プラズマの外周を囲むように吐出される。吐出された二次プラズマは、局所プラズマとしてシールドガスにより吐出領域を規定されて被処理基板６０に噴射される。

【0045】

（表面処理方法）
上記構成の表面処理装置を使用した表面処理方法について、図１、３－５を参照して説明する。まず、減圧手段２０により処理空間であるチャンバ１０内を低真空になるまで減圧する（減圧ステップ）。

【0046】

次に、第１ガス供給部３０からアルゴンガスを、表面処理本体１００の上部から下方に向けて（第１の方向）、第１電極１１０ａの内部に供給する。第１電極１１０ａと第２電極１１０ｂとに、高周波電源１１４から電圧を印加させて、アルゴンガスのプラズマ（一次プラズマ）を生成させる（一次プラズマ生成ステップ）。

【0047】

生成された一次プラズマは、ノズル本体部１３０の底部１３０ｂに達する。また、第２ガス供給部４０からノズル本体部１３０の上部に供給された反応性ガスは、ノズル本体部１３０の円筒部１３０ａの内周を周回しながら底部１３０ｂまで到達する。反応性ガスは、加速しながら、ノズル本体部１３０の底部１３０ｂにおいて、垂直方向から一次プラズマと衝突して、二次プラズマを発生させる（二次プラズマ生成ステップ）。本実施の形態で生成される一次プラズマ及び二次プラズマは、均質で安定したグロー放電プラズマであり、被処理基板６０の表面に照射することで、被処理基板６０の表面を所望の形状にエッチング処理することができる（処理ステップ）。反応性ガスの種類や印加する高周波電圧を変更することで、被処理基板６０の表面をアッシングすることや表面改質することもできる。

【0048】

また、ノズル１３１から吐出された二次プラズマは、シールドガス供給部５０から供給されたシールドガスにより外周部を囲まれ、吐出面積を規制されながら、被処理基板６０の表面に吹き付けられる。二次プラズマは、被処理基板６０の表面に吹き付けられエッチング等の処理を行う。表面処理本体１００は、図１に示すように、ノズル１３１から二次プラズマを噴射させながら、被処理基板６０上で前後左右に移動し、被処理基板６０の表面の局所処理を行う。表面処理本体１００と被処理基板６０は相対移動すればよく、被処理基板６０を基板駆動ステージに搭載して被処理基板６０を移動させてもよい。

【0049】

また、表面処理の間、チャンバ１０内の真空度は真空計２２で測定され、所定の低真空を維持できるように、開閉バルブ２１の開閉度が調整される。チャンバ１０内の圧力変動と加工レートの変動とは、相関関係があることがわかっている。加工レートを±７％の変動量に抑えるためには、チャンバ１０内の圧力を１０±５ｋＰａ以内に維持することが必要であり、この範囲の圧力を維持できるように、開閉バルブ２１の開閉度を調整する。開閉バルブ２１の開閉度の調整は、真空計２２により測定された測定値をコンピュータに送信し、コンピュータにより自動的に制御してもよいし、手動で開閉度を調整してもよい。

【0050】

図５は、チャンバ１０内の圧力と加工レートとの関係を示すグラフである。図５（ａ）は、チャンバ１０内の圧力と体積レートとの関係を示すグラフである。ここで「体積レート」とは、単位時間当たりに被処理体から削り取られる材料の体積をいう。グラフで示すように、チャンバ１０内の圧力を変更すると、被処理体の体積レートが変化する。図５（ｂ）は、チャンバ１０内の圧力と半値幅との関係を示すグラフである。ここで「半値幅」とは、体積レートの分布を示す値であり、半値幅が小さくなるとプラズマジェットの吐出方向と垂直な断面形状が細くなり、大きくなると太くなる。チャンバ１０内の圧力を変更すると、半値幅は変化する。半値幅が変化することにより、プラズマジェットによる加工領域を変更することができる。このように、圧力を変更することにより、体積レートと半値幅が変化するので、圧力を調整することにより、処理に応じた所望の体積レートと半値幅を実現することができる。すなわち、処理空間の圧力を変更することにより、被処理体の処理量又は処理領域を変更することができる（処理変更ステップ）。

【0051】

また、処理変更ステップの他の一例として、圧力をパラメータとした加工レートのコントロールを積極的に行うこともできる。例えば、被処理体の加工量が多い場合に２段階で加工を行ってもよい。第１段階では圧力の低い状態でコントロールし、高い加工レートの状態を保ち粗い加工処理を行い、第２段階では圧力の高い状態でコントロールし、低い加工レートの状態を保って細かい加工処理を行うことで、生産性と加工精度の両立を行うことが出来る。上記加工処理は、被処理体に応じて３段階以上に設定してもよく、各処理の間に被処理体の加工量の計測を行ってもよい。

【0052】

また、プラズマモニタ７０により、表面処理をコントロールすることができる。表面処理の間、プラズマモニタ７０により、表面処理本体１００のノズル１３１から吐出されるプラズマの発光スペクトルをモニタして、プラズマに含まれる元素を分析する。プラズマをモニタすることにより、表面処理に使用される元素を常時監視し、元素の強度比が小さくなった場合には、加工時間を長く設定する等の調整をする。

【0053】

プラズマモニタ７０により、表面処理の加工レートを監視することができるので、加工レートが一定となるように表面処理本体１００をフィードバック制御することができる。加工時間の経過にともない、加工レートが変化する場合も、加工レートを常時監視できるので、加工レートの再現性を維持することができ、高精度に平坦加工を実行することができる。また、加工レートの変化を予測することもできるため、不要な暖機運転時間を省略し、必要な加工レートに到達した時点で即加工を開始することができる。

【0054】

被処理基板６０上のプラズマ処理領域の大きさは、シールドガスに関連する様々なパラメータを制御して変更することができる。例えば、シールドガス吐出部１５２の形状の変更、シールドガスの種類の変更、シールドガスの流量の変更、シールドガスの温度の変更など、種々のパラメータを変更することにより制御できる。

【0055】

シールドガスの種類を変更する具体例として、例えば、シールドガスに水素または水蒸気を添加することによりクエンチング反応を生じさせ、プラズマ処理領域を狭めることができる。また、シールドガスに反応を促進させるガスを添加することにより、プラズマ処理領域を広げることができる。シールドガスの流量を大きくすれば、プラズマ処理領域を狭めることができ、小さくすれば広げることができる。また、シールドガスの温度を高くすれば反応が促進され、プラズマ処理領域が広げられ、低くすれば反応が抑制され、プラズマ処理領域が狭められる。また、シールドガスの温度を低くすれば、被処理基板６０を冷却することも可能となる。シールドガス吐出部１５２の形状を変更する具体例については、変形例１で後述する。

【0056】

更に、プラズマ処理領域の大きさを、シールドガスに関連するパラメータ以外のパラメータで制御する方法として、ノズル１３１の開口部の大きさの変更、反応性ガスの種類の変更、被処理基板６０とノズル１３１の先端との距離の変更等がある。

【0057】

このように、プラズマ処理領域の大きさを制御するパラメータは、複数存在するが、被処理基板６０の加工量をモニタリングして、その結果をフィードバックすることにより、さらにプラズマ処理領域の微調整が可能となる。その結果、加工精度が向上し、加工時間の短縮を図ることもできる。被処理基板６０の加工量をモニタリングする方法として、膜厚測定装置を使用する方法、Ｑ－ｍａｓｓ等の質量分析器の使用、もしくは量子カスケードレーザを使用した吸収分光測定等により反応生成物の濃度をモニタする方法、プラズマ発光強度を測定する方法などがある。

【0058】

（変形例１）
実施の形態では、ノズル１３１の形状は円筒状であり、その外周に所定の間隔を隔てて、第２カバー部１５０の開口部１５１の開口が配置される構造であると説明した。すなわち、シールドガス吐出部１５２の吐出方向は、ノズル１３１から吐出される二次プラズマと平行であったが、この構造に限定されない。

【0059】

図６に示すように、ノズル１３１は、外径が同一の円筒ではなく、先端に行くほど外径が小さくなる形状としてもよい。このようなノズル形状とすることにより、ノズル１３１の断面形状は、テーパ形状となる。第２カバー部１５０の開口部１５１を、このノズル形状に合わせた断面形状とすることにより、ノズル１３１と開口部１５１との間に形成されるシールドガスが流れるシールドガス吐出部１５２の吐出方向は内側に向く。なお、本変形では、ノズル１３１と開口部１５１の形状以外は、実施の形態と同一の構造を備える。

【0060】

本変形例によれば、シールドガス吐出部１５２から吐出されるシールドガスの方向が、内側を向くことにより、ノズル１３１から噴出する二次プラズマの局所プラズマのジェットの吐出領域を、シールドガスにより絞ることができる。

【0061】

（変形例２）
実施の形態では、シールドガスを使用したが、シールドガスは使用しなくてもよい。図７に示すように、本変形例では、第２カバー部１５０を外した構造となっている。したがって、シールドガスを供給する構造を備えず、ノズル１３１から噴射された二次プラズマは、そのまま、被処理基板６０の表面に達する。なお、本変形例では、第２カバー部１５０を除いた以外は、実施の形態と同一の構造を備える。

【0062】

本変形例によれば、シールドガスを使用せずに、ノズル１３１から二次プラズマを噴射するので、シールドガスを生成するための部品が不要となり、装置構成がコンパクトになる。また、組立工程の減少、部品点数の減少により、コストを削減できる。さらに、一次プラズマと反応性ガスとは、衝突領域Ｘにおいて、垂直に衝突するので、十分に混合させることができる。一次プラズマと反応性ガスが十分に混合されることにより、活性種が効率よく生成され、反応を促進して処理速度を向上させることができる。

【0063】

（変形例３）
実施の形態では、反応性ガスは、一次プラズマが供給される方向と垂直方向に供給されていたが、平行方向に供給してもよい。

【0064】

図８に示すように、実施の形態、変形例１、２のノズル本体部１３０と相違して、本変形例のノズル本体部１３５は、第１電極１１０ａと第２電極１１０ｂを収容する凹部は有さない。ノズル本体部１３５は、第１本体部１３６と第２本体部１３７とを組み合わせて形成される。

【0065】

第１本体部１３６は、第２誘電体１１０ｄの下方に配置される円板形状の部材であり、第２本体部１３７は、第１本体部１３６の下方に配置される。また、第１本体部１３６と第２本体部１３７との間に、反応性ガスが供給される流路が形成される。第２本体部１３７は、凹部を備え、二次プラズマを吐出するノズル部１３７ａと、ノズル部１３７ａの上方で次第に拡径する円筒部１３７ｂと、を備える。表面処理本体１００の上部から供給されるアルゴンガスが、反応容器１１１の内部を通過して電圧を印加されることで、一次プラズマとなり、衝突領域Ｘに供給され、反応性ガスと混合されることで、二次プラズマが生成される。

【0066】

また、アルゴンガスを供給する反応容器１１１の下端部は、実施の形態、変形例１、２と相違して、第１電極１１０ａ、第２電極１１０ｂの近傍に配置されるのではなく、第２本体部１３７の円筒部１３７ｂの内部まで伸びている。したがって、二次プラズマが生成される位置は高周波電極１１０から離間され、二次プラズマが高周波電極１１０と他の部材との接合部から漏れ出ることを低減させることができる。このような構成を備えるので、シール部材は、第１本体部１３６と反応容器１１１の間の第５シール部材１７１と、第１本体部１３６と第２本体部１３７との間の第６シール部材１７２を取り付ければよい。

【0067】

図９に、本変形例におけるガスの流れを示す。上部から供給されるアルゴンガス（第１ガス）（Ａ）は、反応容器１１１内を下方に移動し、第１電極１１０ａと第２電極１１０ｂにより電圧が印加されて一次プラズマが生成される。生成された一次プラズマは、反応性ガス（第２ガス）（Ｂ）と混合領域Ｘ内で衝突して混合されて、二次プラズマを生成する。このとき、混合領域Ｘ内で、反応性ガス（Ｂ）は、一次プラズマの周りに、一次プラズマの流れと平行に供給されながら合流する。

【0068】

したがって、本変形例によれば、一次プラズマと反応性ガスは平行に流れながら合流するので、プラズマジェットを細く絞ることができ、微細な加工ができる局所プラズマのジェットを生成することができる。

【0069】

本変形例では、シールドガスを供給するための構造である第２カバー部１５０を有しないが、第２カバー部１５０を取り付けて、シールドガスを供給してもよい。なお、本変形例は、実施の形態、変形例１、２とは、ノズル本体部１３５の形状が相違すること、第２カバー部１５０がないことで相違する。しかし、他の構成は、実施の形態、変形例１、２と同一構造である。

【0070】

（変形例４）
実施の形態、変形例１、２では、シール部材として、第１シール部材１６１、第２シール部材１６２、第３シール部材１６３、及び第４シール部材１６４を、所定の位置に取り付けていた。本発明におけるシール部材の位置は、当該所定の位置に限定されない。

【0071】

図１０に示すように、本変形例では、衝突領域Ｘの近傍に第７シール部材１８１を取り付けた。衝突領域Ｘの近傍に第７シール部材１８１を取り付けたので、衝突領域Ｘで生成される二次プラズマの漏れを抑制することができる。したがって、他のシール箇所として、第１カバー部１４０と第２誘電体１１０ｄとの間の第８シール部材１８２、ノズル本体部１３０と第１カバー部１４０との間の第９シール部材１８３を使用すれば、十分にシールすることができる。

【0072】

（変形例５）
実施の形態では、反応容器１１１の形状として円筒形状を使用することを説明した。しかしながら、本発明の反応容器１１１は、円筒形状に限定されない。図１１に示すように、本変形例の反応容器１１１は、第１電極１１０ａの内部を通る内筒１１１ａと、第１電極１１０ａの外周と第２電極１１０ｂと内周との間に配置された外筒１１１ｂと、を備える。内筒１１１ａと外筒１１１ｂとは、下部において連結されている。具体的には、外筒１１１ｂの底部は、内筒１１１ａの下部の外周に連結されている。反応容器１１１の上下方向の断面形状は、ギリシャ文字のプサイの形状に類似する。外筒１１１ｂの上部は、少なくとも第１電極１１１ａの先端の鋭角に形成された部分よりも高くすることが好ましい。

【0073】

外筒１１１ｂの上端部は、第１電極１１１ａの外周をカバーする第１誘電体１１０ｃの底部に接触し、外筒１１１ｂの上端部と第１誘電体１１０ｃの底部の間は、Ｏリングにより封止されている。

【0074】

図３に示す表面処理本体１００において、第１電極１１０ａ先端と第２電極１１０ｂの先端が配置された部分に絶縁性を備える第１誘電体１１０ｃの端面があると、高電圧が発生したとき、第１誘電体１１０ｃの側部または底部Ａに沿面放電が発生しやすい。意図しない沿面放電が発生すると、局所放電が維持できず、ノズル１３１からプラズマが噴射されずに加工が停止する場合や、放電が不安定となる場合があり、精度良く加工することが難しい。また、沿面放電により第１誘電体１１０ｃが破損するおそれもある。

【0075】

本変形例によれば、内筒１１１ａと外筒１１１ｂにより反応容器１１１を形成した。したがって、第１電極１１０ａの先端と第２電極１１０ｂの先端とを隔離することができ、沿面放電を抑制することができる。また、図１１に示すように、第１誘電体１１０ｃの底部Ａを、第１電極１１０ａの先端と第２電極１１０ｂの先端とが配置された空間から遠ざけて配置した。したがって、第１誘電体１１０ｃの底部Ａで発生する沿面放電を抑制することができる。沿面放電を抑制することにより、部品の耐久性を向上させることができる。

【0076】

また、内筒１１１ａの下部と外筒１１１ｂの底部は連結され、一体形状となった反応容器１１１が形成されているので、反応容器１１１は、一つの部品として容易に表面処理本体１００に組み込むことができる。

【0077】

更に、Ｏリングを取り付けることにより、ガスリークを防止することができ、放電の安定性が向上する。

【0078】

本実施の形態によれば、低真空下において、アルゴンガスを主体とした局所プラズマ処理を行うことができるので、低価格のガスを使用したプラズマ処理が可能となった。

【0079】

本実施の形態によれば、平均自由工程が大きくなり過ぎない低真空下において、シール部材を使用することにより、アルゴンガスを使用して安定した局所プラズマ処理を行うことができる。

【0080】

本実施の形態によれば、高周波電極１１０が配置された反応部の下流に一次プラズマと反応性ガスが混合する混合部を設けたので、高周波電極１１０や反応容器１１１が反応性ガスや二次プラズマにより損傷、腐食されることを低減することができる。

【0081】

本実施の形態によれば、真空計２２によりチャンバ１０内の真空度を測定し、真空度に応じて開閉バルブ２１を開閉するので、常に所定の低真空を維持することができる。したがって、加工レートの変動が少なく、平坦加工を高精度に実現することができる。チャンバ１０内の真空度によりノズル１３１から噴射されるプラズマの形状が変化するため、所望のプラズマ形状または所望の加工レートとなるようにチャンバ１０内の真空度を決定し、決定した真空度を維持するように開閉バルブ２１を制御すればよい。

【0082】

本実施の形態では、第１電極１１０ａと第２電極１１０ｂの先端部１１０ａａ、先端部１１０ｂｂは、近づけて配置されることを、図３を用いて説明した。先端部１１０ａａと先端部１１０ｂｂを近づけるための電極形状は、図３に示した形状に限定されず、様々な形状を採用することができる。

【0083】

本実施の形態では、ノズル本体部１３０と第２誘電体１１０ｄの間の空間に、上部から反応性ガスが供給され、低真空下に置かれることで環流が生じると説明した。環流を形成するためには、ノズル１３１の内周にらせん溝を掘って、ノズル１３１の内部にも環流を発生させることとしてもよい。または、反応容器１１１の内周面にらせん溝を形成してアルゴンガスの還流を形成し、環状気流のアルゴンガスに高周波電圧を印加してアルゴンプラズマを生成してもよい。環状気流のアルゴンプラズマに環状気流の反応性ガスを衝突領域で合流させてもよい。このような構成を採用することで、一次プラズマと反応性ガスの反応性が向上する。

【0084】

本実施の形態では、圧力調整手段として、開閉バルブ２１と真空計２２を使用すると説明したが、これに限定されない。真空計２２により測定された圧力値に応じて、不活性ガスをチャンバ１０に注入してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0085】

本発明は、被処理体の表面を処理する表面処理装置又は表面処理方法に利用することができる。

【符号の説明】

【0086】

１ 表面処理装置
１０ チャンバ
２０ 減圧手段
２１ 開閉バルブ
２２ 真空計
３０ 第１ガス供給部
４０ 第２ガス供給部
５０ シールドガス供給部
６０ 被処理基板
７０ プラズマモニタ
１００ 表面処理本体
１１０ 高周波電極
１１０ａ 第１電極
１１０ａａ 先端部
１１０ｂ 第２電極
１１０ｂｂ 先端部
１１０ｃ 第１誘電体
１１０ｄ 第２誘電体
１１１ 反応容器
１１１ａ 内筒
１１１ｂ 外筒
１１４ 高周波電源
１２０ 電極ベース
１２０ａ 開口部
１３０ ノズル本体部
１３０ａ 円筒部
１３０ｂ 底部
１３０ｃ 傾斜部
１３１ ノズル
１３５ ノズル本体部
１３６ 第１本体部
１３７ 第２本体部
１３７ａ ノズル部
１３７ｂ 円筒部
１４０ 第１カバー部
１５０ 第２カバー部
１５１ 開口部
１５２ シールドガス吐出部
１６１ 第１シール部材
１６２ 第２シール部材
１６３ 第３シール部材
１６４ 第４シール部材
１７１ 第５シール部材
１７２ 第６シール部材
１８１ 第７シール部材
１８２ 第８シール部材
１８３ 第９シール部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】