特許 7512567 プラズマ処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20240702BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 M

H05H1/46 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023550761

(86)(22)【出願日】2021-09-28

(86)【国際出願番号】 JP2021035547

(87)【国際公開番号】W WO2023053171

(87)【国際公開日】2023-04-06

【審査請求日】2023-09-19

(73)【特許権者】

【識別番号】591159619

【氏名又は名称】島津産機システムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(74)【代理人】

【識別番号】100206151

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 惇志

(74)【代理人】

【識別番号】100218187

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 治子

(74)【代理人】

【識別番号】100227673

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 光起

(74)【代理人】

【識別番号】100231038

【弁理士】

【氏名又は名称】正村 智彦

(72)【発明者】

【氏名】大岸 厚文

(72)【発明者】

【氏名】徳嵩 佑

(72)【発明者】

【氏名】尾崎 悟

【審査官】藤田 健

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第４８０１８３９（ＵＳ，Ａ）

【文献】実開平０２－０２０３２５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００８－０２８０８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０５４３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０８６４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２４８５４８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｈ １／２４

Ｈ０１Ｊ ３７／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

処理対象物を保持するホルダと、
前記ホルダに対向配置され、該ホルダを向く面であるプラズマ生成面に有底のホローが形成されたホローカソード電極と、
該ホローカソード電極のプラズマ生成面から所定距離隔離して着脱可能に取り付けられるとともに、複数の貫通孔が形成された平板状をなす電位シールド板とを備え、
プラズマ生成面が平面である平板カソード電極を、前記ホローカソード電極と交換可能に構成されているプラズマ処理装置。

【請求項2】

前記ホローカソード電極及び電位シールド板を収容するチャンバをさらに備え、前記ホローカソード電極が前記チャンバに絶縁部材を介して取り付けられているとともに、前記電位シールド板は、前記チャンバに直接的に取り付けられている請求項１記載のプラズマ処理装置。

【請求項3】

前記ホローカソード電極が取り付けられてこれを冷却する冷却体をさらに備え、
前記冷却体に対し、前記平板カソード電極が、前記ホローカソード電極と交換可能に取り付けられる請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。

【請求項4】

前記冷却体に対するホローカソード電極の取付構造が、当該冷却体に対する前記平板カソード電極の取付構造と共通である請求項３記載のプラズマ処理装置。

【請求項5】

前記冷却体が導電体で形成されており、プラズマ放電のための電源が、該冷却体を通じて前記ホローカソード電極に接続されている請求項３または４記載のプラズマ処理装置。

【請求項6】

前記平板カソード電極を、前記ホローカソード電極及び前記電位シールド板と交換可能に構成されている請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマを利用して、処理対象物に表面改質や成膜などのプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

この種のプラズマ処理装置は、真空チャンバ内に導入された原料ガスを、カソード電極からの放電によってプラズマとし、処理対象物に対して表面改質や成膜などのプラズマ処理を施すものである。

【0003】

ところで、特許文献１に示すように、前記カソード電極として、平板カソード電極を用いたタイプものとホローカソード電極を用いたタイプものとが知られており、これらは、プラズマの発生態様がやや異なるため、処理目的によって使い分けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許５６１４１８０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、従来は、ユーザにとってみれば、処理目的が異なれば、双方のプラズマ処理装置が必要になるし、メーカーにとってみれば、種々の処理目的に対応できるように、少なくとも２機種のプラズマ処理装置を製造可能にしておかなければならない。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、効率的で高品質なプラズマ処理を担保できるのはもちろんのこと、より広い用途に容易に対応できるという従来には全くみられないプラズマ処理装置を提供すべく図ったものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

すなわち、本発明に係るプラズマ処理装置は、処理対象物を保持するホルダと、前記ホルダに対向配置され、該ホルダを向く面であるプラズマ生成面に有底のホローが形成されたホローカソード電極と、複数の貫通孔が形成された平板状をなす電位シールド板とを備え、
前記電位シールド板が、前記ホローカソード電極のプラズマ生成面から所定距離隔離して着脱可能に取り付けられているとともに、プラズマ生成面が平面である平板カソード電極を、前記ホローカソード電極と交換し得るように構成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

このようなものであれば、原料ガスの流通経路を共通化することにより、ホローカソード電極と平板カソード電極とを取り換えるだけで、プラズマ処理装置のタイプを、ホローカソード電極タイプと平行平板電極タイプとのいずれにも簡単に変更することができるので、より広い用途に容易に対応できるようになる。また、電位シールド板により、プラズマ処理品質を向上させるとともに、低電力化やサイクルタイムの短縮を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態におけるプラズマ処理装置の模式的断面図である。

【図2】同実施形態におけるプラズマ処理装置にホローカソード電極を装着したときの部分縦断面図（ａ）及びホローカソード電極を下方から視た部分平面図（ｂ）である。

【図3】同実施形態におけるプラズマ処理装置に平板カソード電極を装着したときの部分縦断面図（ａ）及びホローカソード電極を下方から視た部分平面図（ｂ）である。

【図4】従来におけるプラズマ処理装置の模式的断面図である。

【符号の説明】

【0009】

Ｗ・・・処理対象物
１００・・・プラズマ処理装置
１・・・チャンバ
２・・・ホローカソード電極
２ａ・・・プラズマ生成面
２ｂ・・・うら面（反プラズマ生成面）
３・・・ホルダ
４１・・・冷却体
８・・・取付構造
９・・・電位シールド板
９１・・・貫通孔
１０・・・平板カソード電極

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

【0011】

本実施形態にかかるプラズマ処理装置１００は、図１に模式的に示すように、真空チャンバ１（以下、単にチャンバ１ともいう。）と、該チャンバ１内に互いに対向するように配置されたホローカソード電極２及びホルダ３と、前記ホローカソード電極２を冷却する冷却機構４と、前記ホローカソード電極２に高周波電圧を印加する電源５とを備えており、チャンバ１内に導入された原料ガス（例えば、Ｏ_２／Ａｒ）をホローカソード電極２からの放電によりプラズマとし、これによって、前記ホルダ３に保持させた処理対象物Ｗを表面改質処理するものである。

【0012】

次に、各部を詳述する。
前記チャンバ１は、一対の対向壁１１、１２とその間の側周壁１３とから形成される密閉可能な金属製のものであり、その内部空間を減圧する図示しない排気系に接続されている。そして、一方の対向壁１１にホローカソード電極２が取り付けられ、他方の対向壁１２に前記ホルダ３が取り付けられている。また、前記側周壁１３には、原料ガスが導入される図示しない原料ガス導入口が形成してある。なお、この真空チャンバ１は、電位でいえば、接地されている。

【0013】

前記ホローカソード電極２は、例えば、矩形等厚平板をなすものである。そして、そのホルダ３側を向く一方の面であるプラズマ生成面２ａには、有底円孔状のホロー７がマトリクス状に規則正しく設けられており、他方の面２ｂ（以下、うら面２ｂともいう。）は平面となっている。
前記ホルダ３は、台状をなすもので、ホローカソード電極２を向く面には、前記処理対象物Ｗを保持する保持領域が設けられている。

【0014】

前記冷却機構４は、導電体である金属製の冷却体４１と、この冷却体４１の内部に形成された流路４１ａに冷媒（ここでは液体である水）を循環流通させるポンプ等からなる循環機構４２とを備えたものである。

【0015】

前記冷却体４１は、図２に示すように、例えば、鍔部４１１を有した矩形平板状をなすものであり、その一方の面４１ｂがホローカソード電極２と輪郭形状が同じ矩形となっている。そして、この冷却体４１の鍔部４１１が、前記真空チャンバ１の一方の対向壁１１に設けられた開口１１ａを塞ぐようにして当該対向壁１１に取り付けられているとともに、該冷却体４１の一方の面４１ｂが、真空チャンバ１内に突出するように、該開口１１ａに嵌り込んでいる。なお、図２中符号６は、冷却体４１と真空チャンバ１とを電気的に絶縁するために、該冷却体４１と対向壁１１との間に介在させた矩形環状をなす絶縁体である。

【0016】

そして、上述したように、真空チャンバ１内に突出する冷却体４１の一方の面４１ｂに、前記ホローカソード電極２のうら面２ｂが、所定の取付構造８により密着させて取り付けられている。

【0017】

この取付構造８とは、例えば、前記冷却体４１の一方の面の複数個所に設けられたネジ穴（図示しない）に対し、前記ホローカソード電極２の対応箇所に貫通させた複数のネジ挿通孔（図示しない）を介してネジ（図示しない）をそれぞれ締結することにより、ホローカソード電極２を前記冷却体４１に着脱可能に取り付けるものである。もっとも、取付構造８はこれに限られるものではなく、例えば、クリップなどを利用して着脱可能としたものでも構わない。

【0018】

さらに、この実施形態では、図１、図２に示すように、電位シールド板９がホローカソード電極２とホルダ３との間に配設してある。この電位シールド板９は、例えば前記ホローカソード電極２よりも大きい、矩形等厚平板状をなすものであり、ホローカソード電極２と近接対向するように配置されている。

【0019】

具体的には、図２に示すように、前記対向壁１１に設けられた開口１１ａの周縁部から内側に向かって一体に突出する保持体１４が設けてあり、この保持体１４の先端部に前記電位シールド板９の周縁部がネジ等により着脱可能に取り付けてある。このことにより、電位シールド板９の電位は、真空チャンバ１と同じ接地電位に維持される。また、この電位シールド板９には、図２等に示すように、前記ホローカソード電極２の各ホロー７と同軸となる位置に、該ホロー７よりも大径の貫通孔９１がそれぞれ設けてある。

【0020】

電源５は、冷却体４１を介して前記ホローカソード電極２に高周波電力を供給するものである。

【0021】

しかして、この実施形態におけるプラズマ処理装置１００は、図３に示すように、前記ホローカソード電極２と交換可能な平板カソード電極１０を備えている。
この平板カソード電極１０は、前記ホローカソード電極２と平面視略同一形状をなす矩形等厚平板状のものであり、ホルダ３側を向くプラズマ生成面１０ａは平面である。
そして、この平板カソード電極１０を、ホローカソード電極２と共通する取付構造８によって前記冷却体４１に着脱可能に密着させることができるようにしてある。

【0022】

具体的には、該平板カソード電極１０には、前記ホローカソード電極２のネジ挿通孔と同じ位置にネジ挿通孔が設けてあり、ホローカソード電極２同様、冷却体４１のネジ穴に、前記ネジ挿通孔を通過させたネジを締結することにより、平板カソード電極１０のうら面１０ｂを前記冷却体４１の端面４１ｂに着脱可能に取り付けることができるようにしてある。なお、平板カソード電極１０を取り付けた場合は、電位シールド板９は取り外される。

【0023】

次に、上述したプラズマ処理装置１００を用いたプラズマ処理（表面改質）方法について簡単に説明する。

【0024】

まず、ホローカソード電極２及び電位シールド板９が取り付けられている場合（図１）について述べる。
ホルダ３上に処理対象物Ｗを配置した状態で、図示しない原料ガス導入口から真空チャンバ１内に原料ガスを導入するとともに、電源５を駆動し、ホローカソード電極２に高周波電力を供給する。

【0025】

このことにより、ホローカソード電極２と電位シールド板９との間、特にホローカソード電極２のホロー７内またはその近傍で放電が生じて原料ガスがプラズマ化し、そのプラズマが、電位シールド板９の貫通孔９１を通って処理対象物Ｗに至り、該処理対象物Ｗの表面を改質する。

【0026】

平板カソード電極１０を用いる場合は、前記ホローカソード電極２及び電位シールド板９を取り外し、図３に示すように、冷却体４１の一面に平板カソード電極１０を取り付ける。

【0027】

そして、ホローカソード電極２の場合と同様、ホルダ３上に処理対象物Ｗを配置した後、原料ガス導入口から真空チャンバ１内に原料ガスを導入するとともに、電源５を駆動し、平板カソード電極１０に高周波電力を供給する。

【0028】

このことにより、平板カソード電極１０とホルダ３との間でグロー放電が生じ、原料ガスがプラズマ化して処理対象物Ｗの表面を改質する。もちろん、処理対象物Ｗを原料ガス分子で成膜することも可能である。

【0029】

以上に述べた構成によれば、冷却体４１に対し、ホローカソード電極２または平板カソード電極１０のいずれかを取り付けるだけで、真空チャンバ１、ホルダ３、原料ガスの供給経路などの他の構成をほとんど変えることなく、プラズマ処理装置１００のタイプを、ホローカソード電極タイプと平行平板電極タイプとのいずれにも容易に変更することができる。

【0030】

したがって、ユーザにとってみれば、処理目的に応じたタイプにプラズマ処理装置１００を変更することができるので、その用途が大幅に広がる。
また、メーカーにとってみれば、電極を取り換えるだけで２つのタイプのプラズマ処理装置１００を製造できるので、ユーザからの発注に柔軟かつ迅速に応じることができるし、部材の共通化によるコスト削減も図れる。

【0031】

さらに本実施形態では、ホローカソード電極２と電位シールド板９とがセットになっているため、電極の交換時には、電位シールド板９の着脱が必要となるところ、チャンバ１が接地してあるので、電位シールド板９を該チャンバ１（から一体に突出する前記保持体１４）にネジなどで直接取り付けるだけでよく、その着脱に大きな手間がかかることもないし、該電位シールド板９を接地電位に維持するための特段の配線等も不要となる。

【0032】

また、冷却体４１がホローカソード電極２のうら面２ｂおよび平板カソード電極１０のうら面１０ｂの全てに面密着しているので、これら電極２、１０を均一に冷却することができ、その熱変形を抑制するなどして効率的で高品質なプラズマ処理が可能になる。

【0033】

さらにこの実施形態では、ホローカソード電極２とホルダ３との間に電位シールド板９を介在させているので、平行平板型放電（ＣＣＰ）の発生を抑制するとともに、そのことによる処理対象物Ｗの温度上昇を抑制でき、例えば処理対象物Ｗがプラスチック材料などであっても、その変形や溶融の問題を回避できる。

【0034】

なお、下記表に、前記ホローカソード電極２を用いて処理対象物ＷであるＡＢＳ基板の表面改質を行い、さらにその上にスパッタリングによりＣｕを成膜した場合のピール強度評価結果を示す。比較対象は、図４に示す従来型のホローカソード電極を有するプラズマ処理装置である。

【0035】

【表1】

【0036】

この結果から明らかにように、従来型と比べて、本実施形態のプラズマ処理装置１００によれば、半分以下の電力でほぼ同等の密着強度を得ることができるし、放電時間を短くしてサイクルタイムを短くすることも可能になる。

【0037】

以上に述べた本実施形態の特徴は次のようにまとめることができる。
（１）本実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、処理対象物Ｗを保持するホルダ３と、前記ホルダ３に対向配置され、該ホルダ３を向く面であるプラズマ生成面２ａに有底のホロー７が形成されたホローカソード電極２と、前記プラズマ生成面２ａから所定距離隔離して着脱可能に取り付けられているとともに、複数の貫通孔９１が形成された平板状をなす電位シールド板９とを備え、
プラズマ生成面２ａが平面である平板カソード電極１０が、前記ホローカソード電極２と交換可能に構成されていることを特徴とする。

【0038】

（２）電位シールド板９の着脱構造の簡単化を図るには、前記ホローカソード電極２及び電位シールド板９を収容する、接地電位等の基準電位に設定されたチャンバ１をさらに備え、前記ホローカソード電極２が前記チャンバ１に絶縁部材を介して取り付けられているとともに、前記電位シールド板９は、前記チャンバ１に直接的に取り付けられているものが好ましい。

【0039】

（３）交換を容易化するための具体的な実施態様としては、前記ホローカソード電極２が取り付けられてこれを冷却する冷却体４１をさらに備え、前記冷却体４１に対し、前記平板カソード電極１０が、前記ホローカソード電極２と交換可能に取り付けられているものを挙げることができる。

【0040】

（４）ホローカソード電極２と平板カソード電極１０の取り換えをさらに容易化するとともに部品点数等の削減を図るには、前記冷却体４１に対するホローカソード電極２の取付構造８を、当該冷却機構４に対する前記平板カソード電極１０の取付構造８と共通化しておくことが望ましい。

【0041】

（５）前記冷却体４１にカソード電極２、１０を直接的に接続できるようにして、前記取付構造８の簡単化を図るには、前記冷却体４１が導電体で形成されており、プラズマ放電のための高周波電源が、該冷却体４１を通じて前記カソード電極２、１０に接続されているものが好適である。

【0042】

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、各カソード電極の形状は円形状に限られず、矩形状や多角形状などでもよい。冷却体の形状も種々変更可能であるし、冷却機構も液冷式に限られず、空冷式や冷凍サイクルを利用したものなどでも構わない。また、温水を用いて７０度程度に温調を行うようにしてもよい。
ホローの形状は、有底凹部であればよく、例えば矩形状の穴や溝でも構わない。

【0043】

各カソード電極の冷却体に対する取付構造や電位シールド板の取付構造も前記実施形態に限られない。
ホルダや電位シールド板は、接地電位のみならず、他の電位に設定してもよいし、高周波電源に限られず、直流電源でも可能である。
プラズマ処理は、表面改質処理に限られず、成膜やエッチングでも構わない。例えば、原料ガスとしてＣＨ_４ガスを導入してＤＬＣ成膜したり、Ａｒガスを導入してエッチングしたりすることも可能である。
その他、本発明は、以上に述べた図示例や説明に限られることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0044】

ホローカソード電極と平板カソード電極とを取り換えるだけで、プラズマ処理装置のタイプを、ホローカソード電極タイプと平行平板電極タイプとのいずれにも簡単に変更することができるので、より広い用途に容易に対応できるようになる。また、電位シールド板により、プラズマ処理品質を向上させるとともに、低電力化やサイクルタイムの短縮を図ることができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】