JP2007242596A - プロセスプラズマ発生装置及び材料プロセシング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大面積（大規模）、あるいは、３次元的に任意の形状のプラズマ発生を可能とし、任意の形状の容器・場所に簡単にプラズマ発生させる事が可能になり、その材料プロセシング応用も容易に行えるプロセスプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】厚み１０μｍから１ｍｍのフレキシブルシート基板１０は、フレキシブルなフィルム、例えばポリイミド層１１上に電極あるいはコイル用の金属薄膜、例えば銅層１２が接合されて形成される。プラズマガスとしては空気を用い、８０Ｔｏｒｒの条件下で電極ギャップ１４に２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力を供給し、非熱平衡プラズマを発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、大面積（大規模）、あるいは、３次元的に任意の形状のプラズマ発生電極又はプラズマ発生コイルを具備し、任意の形状の容器・場所に簡単にプラズマ発生させる事が出来るようにしたプロセスプラズマ発生装置、および、そのプロセスプラズマ発生装置を用いる材料プロセシング方法に関するものである。

現在、材料開発や生産技術等における多くの分野でプラズマによる材料プロセシング技術が用いられており、今後もプロセスプラズマの果たす役割は益々重要になるものと予想されている。

例えば、半導体等の電子デバイスのプロセシングを例に挙げると、この様な電子デバイスのプロセシングにおいても、プラズマによるプロセシング技術は欠かせないことは周知の事実である。この様な電子デバイスの更なる要求の一つとして、最近、大面積（大規模化）が重要な技術課題の一つとして研究が進められている。

特許文献１は、基板上に一対以上の電極を配して、対の電極間でプラズマを発生させることにより、同一基板平面上に複数の微小プラズマを任意の場所に発生させることを可能としたプラズマ発生装置を、提案している。

しかし、特許文献１記載の基板上に電極を多数個配列させたプラズマ発生装置は、プラズマを３次元的な形状にするのが困難であった。また任意の形状のプラズマチャンバーに対応するプラズマ発生電極の作製も困難である。
特開２０００−１６４３９５号公報 特開２００３−１９７６１１号公報 特開２００１−０８９１２６号公報

以上のような背景の下、本発明は、大面積（大規模）、あるいは、３次元的に任意の形状のプラズマ発生電極を具備し、任意の形状の容器・場所に簡単にプラズマ発生させる事が出来るようにしたプロセスプラズマ発生装置、および、該プラズマ発生装置を用いる材料プロセシング方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のプロセスプラズマ発生装置は、フレキシブルシート基板上にプラズマ発生電極、あるいは、プラズマ発生コイルを具備したことを特徴とする。
前記シート基板の厚さが１０μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。

前記電極構造が、金属及び少なくとも該金属を被覆する誘電体からなることが好適である。前記誘電体が、二酸化珪素被膜であり、ペルヒドロポリシラザン溶液を用いて前記二酸化珪素被膜を形成するのが好ましい。前記二酸化珪素被膜の厚さが０．１〜５μｍ、好ましくは０．１〜３μｍ、さらに好ましくは０．１〜１μｍであるの好適である。なお、本発明のプロセスプラズマ発生装置の全面、即ちフレキシブルシート基板及びプラズマ発生電極、あるいは、プラズマ発生コイルの全面を誘電体、好ましくは二酸化珪素被膜で被覆するのが好適である。

前記二酸化珪素被膜の形成処理が、ペルヒドロポリシラザン溶液を前記フレキシブルシート基板及び金属の表面に塗布し所定の膜厚の塗布膜を形成する塗布膜形成処理と、前記塗布されたペルヒドロポリシラザン塗布膜を過熱水蒸気によって所定時間加熱して二酸化珪素被膜とする被膜形成熱処理とを含むのが好ましい。前記加熱処理によって形成された二酸化珪素被膜の表面を冷水又は温水で洗浄する処理をさらに含むのが望ましい。

本発明の材料プロセシング方法は、本発明のプロセスプラズマ発生装置により、材料合成、堆積、エッチング又は表面処理を行うことを特徴とする。

本発明により、大面積（大規模）、あるいは、３次元的に任意の形状のプラズマ発生電極を具備し、任意の形状の容器・場所に簡単にプラズマ発生させる事が可能になり、その材料プロセシング応用も容易に行える。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明のプロセスプラズマ発生装置の電極構造図の一例を示す上面概略説明図である。図２は、図１の電極ギャップ近傍部分Ｘの拡大図である。図３は、図２の部分拡大図である。図４は、図１の電極ギャップ部分の断面概略説明図である。図５は、本発明のプロセスプラズマ発生装置の電極構造図の他の例を示す図４と同様の図面である。

図１〜４において、符号１０はフレキシブルシート基板であり、フレキシブルなフィルム、例えばポリイミド層１１上に電極あるいはコイル用の金属薄膜、例えば銅層１２が接合されて形成される。
本発明において、フレキシブルシート基板１０としては、公知のフレキシブルな薄膜が使用可能である。フレキシブルシート基板１０の材質は特に限定されず、有機物質あるいは無機物質のいずれも使用可能であるが、具体的には、図１〜４に示した如く、ポリイミド層１１及び銅層１２の二層構造を有するポリイミド−銅（ＰＩ−Ｃｕ）のフレキシブルシート基板を用いることが好適である。
フレキシブルシート基板１０の厚さは特に制限はないが、１０μｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。

本発明において、プラズマ発生電極は特に限定されないが、図１〜４に示した如く、電極ギャップ１４を設けた銅電極対２０，２２を用いることが好ましい。なお、図１〜４において、符号１６は銅線であり、符号Ａ及びＢは曲げ線である。

本発明において、プラズマ発生電極の電極構造は銅層１２等の金属層のみでもよいが、図５に示したように、金属層（銅層等）１２及び少なくとも該金属層１２を被覆する誘電体層２４からなることが好ましい。金属層１２からなる電極表面を誘電体層２４で被覆（コーティング）することにより、電極のプラズマによる損傷を低減することができる。誘電体としては、公知の誘電体を使用できるが、ペルヒドロポリシラザン溶液を用いて形成される二酸化珪素被膜を用いるのが好適である。前記二酸化珪素被膜の厚さが０．１〜５μｍ、好ましくは０．１〜３μｍ、さらに好ましくは０．１〜１μｍであるの好適である。
なお、図１〜５ではプラズマ発生電極を示したが、本発明において、プラズマ発生電極の代わりにプラズマ発生コイルを用いてもよい。

前述した如く、プラズマ発生電極あるいはプラズマ発生コイルが形成されたフレキシブルシート（フィルム）基板１０を３次元的な構造物に貼り付けることにより、任意な電極構造のプロセスプラズマ発生装置が可能になる。例えば、図１のフレキシブルシート基板１０を曲げ線Ａ及び曲げ線Ｂに沿って各々折曲げ、Ｙ面を所定の部材に貼り付けることにより、任意の形状のプロセスプラズマ発生装置を作製することができ、金属電極部分と各種の電源をケーブルでつなぎプラズマを発生させることにより、任意の形状の容器・場所に簡単にプラズマを発生させる事ができる。

前記二酸化珪素被膜の形成処理が、ペルヒドロポリシラザン溶液を前記フレキシブルシート基板及び金属の表面に塗布し所定の膜厚の塗布膜を形成する塗布膜形成処理と、前記塗布されたペルヒドロポリシラザン塗布膜を過熱水蒸気によって所定時間加熱して二酸化珪素被膜とする被膜形成熱処理とを含むのが好ましい。前記加熱処理によって形成された二酸化珪素被膜の表面を冷水又は温水で洗浄する処理をさらに含むのが望ましい。

上記ペルヒドロポリシラザンを溶解する溶剤としては公知のものを用いればよいが、例えばベンゼン、トルエン、キシレン、エーテル、ＴＨＦ、塩化メチレン、四塩化炭素のほか特許文献２に記載されたようなアニソール、デカリン、シクロヘキセン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、リモネン、ヘキサン、オクタン、ノナン、デカン、Ｃ８−Ｃ１１アルカン混合物、Ｃ１８−Ｃ１１芳香族炭化水素混合物、Ｃ８以上の芳香族炭化水素を５重量％以上２５重量％以下含有する脂肪族／脂環式炭化水素混合物、ソルベッソ、ジイソプロピルエーテル、メチルターシャリーブチルエーテル、デカヒドロナフタリン及びジブチルエーテルなどを用いることができる。

上記した各種溶剤に溶解されて作製されるペルヒドロポリシラザン溶液は、そのままでも過熱水蒸気による加熱処理によって二酸化珪素へ転化するが、反応速度の増加、反応時間の短縮、反応温度の低下、形成される二酸化珪素被膜の密着性の向上等を図る目的で触媒を用いるのが好ましい。これらの触媒も公知であり、例えばアミンやパラジウムが用いられるが、具体的には、特許文献３に記載されるように、有機アミン、例えばＣ１−５のアルキル基が１−３個配置された第１−第３級の直鎖状脂肪族アミン、フェニル基が１−３個配置された第１−第３級の芳香族アミン、ピリジン又はこれにメチル、エチル基等のアルキル基が核置換された環状脂肪族アミン等が挙げられ、さらに好ましいものとして、ジエチルアミン、トリエチルアミン、モノブチルアミン、モノプロピルアミン、ジプロピルアミン等を挙げることができる。これらの触媒はペルヒドロポリシラザン溶液に予め添加しておいてもよく、また過熱水蒸気による加熱処理の際の処理雰囲気中に気化状態で含有させることもできる。

ペルヒドロポリシラザン溶液の塗布膜の厚さはペルヒドロポリシラザン溶液の濃度に依存して変動するが、被膜形成熱処理後の二酸化珪素被膜の厚さが０．１〜５μｍ、好ましくは０．１〜３μｍ、さらに好ましくは０．１〜１μｍになるように塗布すればよい。例えば、ペルヒドロポリシラザン溶液の濃度が２０％の場合には目標とする二酸化珪素被膜の厚さの５倍程度の塗布厚さとすればよい。加熱時間は過熱水蒸気の温度によって変動するが、５分〜１時間程度で十分である。

前記加熱処理によって形成された二酸化珪素被膜の表面を冷水又は温水で洗浄する工程をさらに含むのが好ましい。形成された二酸化珪素被膜の表面を冷水又は温水で洗浄することによって、二酸化珪素被膜の品質を向上させることができる。冷水は常温水を用いればよく、温水は４０℃〜１００℃程度の加熱水を用いればよい。洗浄時間は３０秒〜１０分程度で十分である。

上記ペルヒドロポリシラザンの塗布方式としては、スプレーコート、インクジェット塗布、メニスカスコート、ファウンテインコート、ディップコート、回転塗布、ロール塗布、ワイヤーバー塗布、エアーナイフ塗布、ブレード塗布、カーテン塗布等を用いることができる。前記過熱水蒸気の温度は１００℃を超えるもの、好ましくは３００℃以下のものが用いられる。

本発明のプロセスプラズマ発生装置を用いて、材料合成、堆積、エッチング、表面処理プロセスなどのプラズマ材料プロセシングを行うことができる。

以下に実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。

（実施例１）
膜厚２０μｍのポリイミド層１１及び膜厚３５μｍの銅層１２の二層構造を有するフレキシブルシート基板１０を用い、図１に示した電極構造を有するプラズマプラズマ発生装置を作製した。実施例１において、フレキシブルシート１０は、幅５０ｍｍ、上端から曲げ線Ａまでの長さ５０ｍｍ、曲げ線Ａ−Ｂ間の距離２．５ｍｍ、曲げ線Ｂから下端までの長さ５０ｍｍとした。リソグラフィー技術により、図１の曲げ線Ａ−Ｂ間に、１００μｍの等間隔の電極ギャップ１４を作製した。銅電極対２０，２２の幅は各１．２ｍｍ、銅線１６は厚さ３５μｍ、幅２．０ｍｍに設定した。作製した電極ギャップ１４近傍の写真を図６に示した。
電極を形成したフレキシブルシート１０を図１に示した曲げ線Ａ及びＢに沿って折曲げ、図１のＹ面をアルミナ基板に貼り付け、プロセスプラズマ発生装置を作製した。

前記作製したプラズマプラズマ発生装置の電極間に２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源から電力を供給し、プラズマを発生させた。プラズマガスとしては、空気を用い、５Ｗ、８０Ｔｏｒｒの条件下で行った。プラズマプラズマ発生装置により発生した非平衡プラズマの発生の写真を図７に示した。電力の供給量の増大と共に、プラズマは大きく、そして発光は明るく変化した。

プラズマガスとして、空気の他、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、およびその混合ガスによるプラズマの発生にも成功しており、任意のガスによるプラズマの生成が可能であることが判明した。
窒素ガスを用いたプラズマの場合、発光分光測定よりガス温度がおよそ４００Ｋであり、低温プラズマであることも確かめられた。

（実施例２）
ペルヒドロポリシラザンの２０％ジブチルエーテル溶液（製品名：アクアミカＮＬ１２０Ａ−２０、「アクアミカ」はＡＺエレクトリックマテリアルズ株式会社の登録商標）をプラズマプラズマ発生装置の全面、即ちフレキシブルシート基板１０面及び銅層１２面に対してＨＶＬＰスプレー塗布を行った。当該プロセスプラズマ発生装置に均一に塗布された塗布膜厚は０．８μｍであった。このペルヒドロポリシラザンが塗布されたプロセスプラズマ発生装置を過熱水蒸気（２００℃／１００％ＲＨ）で３０分間処理した。このプロセスプラズマ発生装置の表面には膜厚０．２μｍの二酸化珪素被膜が形成された。このようにプロセスプラズマ発生装置をコーティングした以外は実施例１と同様にプロセスプラズマ発生装置を作製した。実施例１と同様にプラズマを発生させた結果、実施例１に比べて、電極のプラズマによる損傷が低減され、安定的なプラズマの発生が達成された。

（実施例３）
実施例１記載のプロセスプラズマ発生装置を用いて、ポリスチレン基板の表面処理を行った。
プラズマガスとしては空気を用い、５Ｗ、８０Ｔｏｒｒの条件下で行った。前記処理前及び処理後のポリスチレン基板の水滴の接触角を測定した。未処理のポリスチレン基板の表面は疎水性であり、水滴の接触角は８２°であったが、処理後の表面の水滴の接触角は２３°であり、親水性の表面になっており、親水化処理されたことが確認された。

本発明のプロセスプラズマ発生装置の電極構造図の一例を示す上面概略説明図である。 図１の電極ギャップ近傍部分Ｘの拡大図である。 図２の部分拡大図である。 図１の電極ギャップ部分の断面概略説明図である。 本発明のプロセスプラズマ発生装置の電極構造図の他の例を示す図４と同様の図面である。 実施例１のプロセスプラズマ発生装置の電極ギャップ近傍の写真である。 実施例１のプロセスプラズマ発生装置により発生した非平衡プラズマの発生の写真である。

符号の説明

１０：フレキシブルシート基板、１１：ポリイミド層、１２：銅層、１４：電極ギャップ、１６：銅線、２０，２２：銅電極対、２４：誘電体層。

Claims (8)

1. フレキシブルシート基板上にプラズマ発生電極、あるいは、プラズマ発生コイルを具備することを特徴とするプロセスプラズマ発生装置。
2. 前記シート基板の厚さが１０μｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のプロセスプラズマ発生装置。
3. 前記電極構造が、金属及び少なくとも該金属を被覆する誘電体からなることを特徴とする請求項１又は２記載のプロセスプラズマ発生装置。
4. 前記誘電体が、二酸化珪素被膜であり、ペルヒドロポリシラザン溶液を用いて前記二酸化珪素被膜を形成することを特徴とする請求項３記載のプロセスプラズマ発生装置。
5. 前記二酸化珪素被膜の厚さが０．１〜５μｍであることを特徴とする請求項４記載のプロセスプラズマ発生装置。
6. 前記二酸化珪素被膜の形成処理が、ペルヒドロポリシラザン溶液を前記フレキシブルシート基板及び金属の表面に塗布し所定の膜厚の塗布膜を形成する塗布膜形成処理と、前記塗布されたペルヒドロポリシラザン塗布膜を過熱水蒸気によって所定時間加熱して二酸化珪素被膜とする被膜形成熱処理とを含むことを特徴とする請求項４又は５記載のプロセスプラズマ発生装置。
7. 前記加熱処理によって形成された二酸化珪素被膜の表面を冷水又は温水で洗浄する処理をさらに含むことを特徴とする請求項６記載のプロセスプラズマ発生装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載のプロセスプラズマ発生装置により、材料合成、堆積、エッチング又は表面処理を行うことを特徴とする材料プロセシング方法。