JP3580211B2

JP3580211B2 - 局所処理装置

Info

Publication number: JP3580211B2
Application number: JP2000046393A
Authority: JP
Inventors: 弘夫宮島; 孝小池; 博明秋山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: JP2001237224A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理物の表面をエッチング、アッシング、改質し又は薄膜を形成する表面処理技術に関し、特に大気圧又はその近傍の圧力下でプラズマに生成される励起活性種を用いて局所的に表面処理をする局所処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、大気圧付近の圧力下でのプラズマ放電により生成される励起活性種を利用することによって、真空設備を必要とせずに低コストで被処理物の表面を様々に処理することができる表面処理技術が知られている。大気圧下でのプラズマによる表面処理には、電極と被処理物間で直接気体放電を生じさせ、これにより発生するプラズマに直接曝露させる直接放電方式と、一対の電極間での気体放電によりプラズマを発生させ、それにより生成される励起活性種に被処理物を曝露させる間接放電方式とがある。
【０００３】
間接放電方式は、直接放電方式に比して処理レートが低いので高出力を要求される場合があるが、チャージアップによる被処理物の損傷の虞がない点で有利である。このような大気圧プラズマに局所表面処理に適した表面処理装置の典型例が、特開平９−２３２２９３号公報に開示されている。この従来装置は、例えば内径１ｍｍ以下の狭小な断面を有するガラス等の誘電体材料からなる細い放電管と、当該放電管を挟むように対向配置された一対の電極とを備え、放電管先端のノズル部を被処理物の表面に向けて配置する。ガス供給源から放電管内に所定のガスを導入しつつ、両電極間で気体放電を発生させることにより生成される励起活性種を含む反応性ガスを、ノズル部から細いガス流として被処理物表面に噴射する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来においては以下のような問題があった。
【０００５】
放電管を挟むように対向配置された一対の電極が直線的に臨めるように対向配置された場合に電極間に高電圧を印加すると、放電管の表面を介して電流が流れる沿面放電が発生するおそれがある。このように放電管表面で沿面放電が発生すると、放電管内で気体放電が発生せず、また発生した気体放電が不安定となるため、励起活性種が生成されず表面処理が行えなくなるという問題があった。
【０００６】
また、上記したプラズマにより生成される励起活性種は、一般に大気圧下では不安定で寿命が短く、非常に短時間で元の安定した状態に戻る傾向がある。そのため、上述した間接放電式の表面処理では、放電領域とノズル又はガス吹出し口間の距離をできる限り短くして、常に十分な量の励起活性種が被処理物表面に到達し得るようにする必要がある。このため、上記した放電管を挟む一対の電極を被処理物表面の近傍となるようガスの吹出口側に設ける必要がある。そして、前記放電管は、電磁的なシールドを行わせるため金属材料のケーシングにて覆わせることがあるが、上記したように放電管を挟む一対の電極はガスの吹出口側に設けるため、ケーシング底部と近接して対向するように設けられることになる。このため、ケーシングと電極とが近接して直線的に臨める場合、電極とケーシングとの間に異常放電が発生するおそれがあった。このような異常放電が発生すると、放電管内で気体放電が発生しないため、励起活性種が生成せず表面処理が行えなくなるという問題があった。
【０００７】
特に、３０ＭＨｚ以上の出力周波数の高周波電力で気体放電を発生させる場合には、高周波電力が電極の表面を伝導するため、上記した異常放電や沿面放電の発生率が高くなり、高周波電力の伝導効率が低くなるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、沿面放電や異常放電を防止することにより、気体放電を安定的に効率よく発生させることで表面処理効率を向上させることのできる局所処理装置を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、高周波電力の伝導効率を高めて表面処理効率を向上させることのできる局所処理効率を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る局所処理装置においては、電磁的遮蔽をなすケーシングを有し、当該ケーシング内に処理用気体を流通させる放電管を設け、当該放電管の両側に一対の電極を対向配置して、前記放電管と前記一対の電極との間に配置した仕切り部と、前記一対の電極の下部を覆う受け部とからなる逆Ｔ字形状の誘電体である保護部材を設けた構成とした。
また、前記前記一対の電極の下部を覆う受け部の長さと幅は、前記逆Ｔ字形状の誘電体の前記仕切り部により仕切られた各々について、前記受け部に突接する前記一対の電極の中で対応する電極の底面の長さより長く、前記受け部に突接する前記一対の電極の中で対応する電極の底面の幅より長い。
また、前記逆Ｔ字形状の誘電体の、前記一対の電極との間に配置した前記仕切り部は、中心軸部に前記放電管を貫通させる穴を設け、前記仕切り部の幅は、前記一対の電極の厚みの２倍以上に形成した。
このため、電極同士とケーシングとが遮断されることにより沿面放電や異常放電が発生せず、気体放電を安定的に効率よく発生させることができる。また、保護部材は誘電体で形成されるため、一対の電極の静電容量が増加して、放電管内における気体放電の発生率を上昇させることができる。特に、出力周波数が３０ＭＨｚ以上の場合には、高周波電力が電極の表面部を伝導するが、電極同士とケーシングとが保護部材により遮断されているため、効果的に高周波電力を伝導することができ、気体放電の発生効率を上昇させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の局所処理装置の実施形態について図面に従って詳細に説明する。
【００１２】
図１は本実施形態における局所処理装置２０の断面図である。本実施形態における局所処理装置２０はケーシング部材２１を有している。前記ケーシング部材２１は、上部ケーシング部材２２、中部ケーシング部材２４、下部ケーシング部材２６、底部ケーシング部材２８にて形成される。前記上部〜底部ケーシング部材２２，２４，２６，２８は、それぞれ略角柱形状のブロック体のセンター部を略円筒形状に刳り抜いたものである。前記ケーシング部材２１は、前記上部〜底部ケーシング部材２２，２４，２６，２８の刳り抜き部が芯合わせされるように密接してなっている。このように、ケーシング部材２１は前記上部〜底部ケーシング部材２２，２４，２６，２８の一部を省略したり追加したりできるため、ケーシング部材２１のサイズを内部に入れ込む部材に合わせて調節することができる。本実施形態においては、ケーシング部材２１はアルミなどの金属材料にて形成し、電磁波の遮蔽をなしているのである。なお、ケーシング部材２１の材料としては、アルミに限らずシールド機能を有する材質のものであればよい。
【００１３】
前記ケーシング部材２１の軸心上には直管状の放電管４０が配置されている。前記放電管４０は上端部を上部ケーシング部材２２の軸心上に位置し、放電管４０下端部を底部ケーシング部材２８内壁面に臨ませている。一方、前記放電管４０下端部に対向する底部ケーシング部材２８の対向面には、ノズルチップ４４が外部に突出する形で着脱自在に設けられ、当該ノズルチップ４４に前記放電管４０の下端部がはめ込まれている。このように、放電管４０とノズルチップ４４とを分離可能に形成させたことにより、ノズルチップ４４を異なる孔径のものに交換することができる。このため、表面処理を行わせる領域や形状に応じて最適な孔径のノズルで表面処理を行うことができる。また、ノズルチップ４４の材料としては、ステンレス（ＳＵＳ）やアルミが好ましい。
【００１４】
前記ノズルチップ４４は底部ケーシング部材２８内に上端部を突出させている。前記ノズルチップ４４の上端部は略円筒形状に形成したノズルホルダ４２に螺着され、これによりノズルチップ４４が固定保持される。ノズルホルダ４２の材質としては、ステンレス（ＳＵＳ）やアルミが好ましい。
【００１５】
前記放電管４０は、下部ケーシング部材２６に対向する面の周囲を保護部材３６にて覆わせている。前記保護部材３６は、受け部３７の中央部に仕切り部３９を一体的に垂設した逆Ｔ字形状をなしている。前記保護部材３６は仕切り部３９の中心軸部に放電管４０を貫通させ、放電管４０の保護をなしている。そして、保護部材３６は、受け部３７下面を前記ノズルホルダ４２の上面に当接され、ノズルホルダ４２にて支持される。
【００１６】
前記保護部材３６は、図２（ａ）に示したように仕切り部３９両面３９ａ，３９ｂの図２（ａ）の上下方向中央にそれぞれ一対の棒状電極４６，４８を当接させている。前記一対の棒状電極４６，４８はそれぞれ略直方形状をなしている。そして、前記一対の棒状電極４６，４８は、前記保護部材３６の仕切り部３９を挟み込むように対向配置している。すなわち、図２（ａ）に示すように前記棒状電極４６と保護部材３６と棒状電極４８とが上面視一直線状となるように配置している。前記仕切り部３９軸心部に放電管４０を上下方向に貫通させて、当該放電管４０の貫通部分内で気体放電を発生させるのである。このように、前記一対の棒状電極４６，４８はノズルチップ４４近傍に配置しているため、気体放電により発生した励起活性種が直ちにノズルチップ４４から外部へ放出することができる。このため、ノズルチップ４４近くに配置する被処理物表面に十分な量の励起活性種を到達させることができる。
【００１７】
また、受け部３７の長手方向の長さは棒状電極４６，４８の長手方向の長さより長く形成している。これにより、両電極４６，４８の設置面積を確保させている。特に、高周波電圧を印加される棒状電極４６は、底部ケーシング部材２８を直線的に臨めないため、棒状電極４６が底部ケーシング部材２８と短絡することを防止できる。前記保護部材３６はアルミナや石英にて形成しており、両電極４６，４８の絶縁を保持させている。なお、保護部材３６の材料としては、絶縁体材料であればこれに限られない。
【００１８】
そして、前記保護部材３６の仕切り部３９の高さは、図２（ｂ）に示すように、前記棒状電極４６，４８よりも高く形成してある。また、前記保護部材３６の仕切り部３９ａ，３９ｂは前記棒状電極４６，４８の厚み方向に対して２倍以上に十分長く形成している。これにより、棒状電極４６，４８同士が直線的に臨めないようにしている。棒状電極４６，４８同士が直線的に臨めると、棒状電極４６，４８に印加させる際に、保護部材３６の表面（沿面）を伝って導通してしまう沿面放電が発生するおそれがある。沿面放電が発生すると、放電管４０内での気体放電が発生せずまたは発生した気体放電を停止させてしまう。上記したように、前記保護部材３６の仕切り部３９は、前記棒状電極４６、４８の厚み方向に対して十分長く形成しているため、沿面放電を防止することができる。このため、放電管４０内を介した気体放電を確実に発生させることができ、また発生した気体放電を安定して持続させることができる。
【００１９】
前記棒状電極４６，４８はアルミにて形成しており、それぞれ表面に金めっきを施している。これにより、棒状電極４６，４８の酸化による腐食を防止させることができる。また、金は高い導電性を有しているため、棒状電極４６，４８の伝導効率を向上させることができる。また、棒状電極４６，４８の性能の劣化を防止することができる。
【００２０】
前記棒状電極４６背面と、ケーシング部材２１内壁面との間には、ホルダ部材５０が介在している。前記ホルダ部材５０は基端部を下部ケーシング部材２６内壁面に当接し、ホルダ部材５０の先端部を前記棒状電極４６の背面部に当接させている。これにより、棒状電極４６が保護部材３６側に位置決め保持されている。前記ホルダ部材５０の材質としては、アルミナや石英を好ましく用いることができるが、絶縁体材料であればこれに限られない。
【００２１】
これに対して、他方の棒状電極４８は、下部ケーシング部材２１の外表面まで露出した延長電極４９に一体的に連結されている。前記延長電極４９は、図示しないアース経路に接続されている。これにより、棒状電極４８の接地が確保され、ケーシング部材２１内において短絡を防止させることができる。
【００２２】
前記保護部材３６の上には、略円柱形状の中間部材３４が配置されている。前記中間部材３４は側面部を中部ケーシング部材２４の内壁面に対向するよう配置している。そして、前記中間部材３４は下面を前記保護部材３６の仕切り部３９の上面に当接して、前記保護部材３６の位置決めをなしているのである。また、前記中間部材３４の中心軸部には貫通孔が設けられ、当該貫通孔内に放電管４０を挿入させて当該放電管４０を保護しているのである。前記中間部材３４は、テフロンやマイカ系セラミックスにて形成され、これにより放電管４０外部への絶縁を保持させている。なお、前記中間部材３４としては、テフロンやマイカ系セラミックスが好ましいが、絶縁体材料であればこれに限られない。
【００２３】
前記中間部材３４の上側には、絶縁部材３２が配置されている。前記絶縁部材３２は前記上部ケーシング部材２２の刳り抜き部に対応する略円柱形状をなしている。前記絶縁部材３２は前記上部ケーシング部材３２の刳り抜き部にはめ込まれている。これにより、ケーシング部材２１の上面方向における密閉がなされ、ケーシング部材２１内部に密閉空間を形成させることができる。絶縁部材３２の上面は断面凹部形状に形成してあり、当該凹部底面は前記中間部材３４上面に対応させて形成している。そして、絶縁部材３２の下面は下方に張り出した断面逆凸部形状に形成してあり、当該逆凸部下面にて中間部材３４上面と当接させている。前記絶縁部材３２は周面部に開口したガス流入孔３３を有している。上部ケーシング部材２２の一側面部にも、図示しないガス供給源に接続したガス流入パイプ６２が設けてあり、当該ガス流入パイプ６２の先端部を前記ガス流入孔３３の上開口部に対応させている。前記ガス流入孔３３は前記上開口部から絶縁部材３２の軸中心方向に向って伸び、当該軸中心部にて軸心に沿って下方へ屈曲する。そして、前記ガス流入孔３３は前記絶縁部材３２の下面まで達し、当該下面部にて下開口部を有している。前記絶縁部材３２下面部のガス流入孔３３の下開口部には、放電管４０の上端部が挿入される。このため、ガス流入パイプ６２から流入された処理気体がガス流入孔３３を介して放電管４０上部に送り出されるのである。また、前記ガス流入孔３３下開口部の内壁面は、円筒形状の押え部材３５が形成されている。前記押え部材３５には内側フランジが形成してあり、当該内側フランジが前記放電管４０上部に当接して下方向に付勢する。このため、前記放電管４０の位置決めをなすことができるのである。前記絶縁部材３２はテフロンにて形成され、絶縁保持を行わせている。なお、前記絶縁部材３２は、絶縁体材料であればこれに限られない。
【００２４】
また、前記上部ケーシング部材２２上面の軸中心方向からリード３０が挿入配置されている。前記リード３０は、前記絶縁部材３２上面付近にて直径方向に屈曲する。そして、絶縁部材３２の上面凹部内壁面に沿って下降し、絶縁部材３２を貫通する。上記したように絶縁部材３２の上面凹部底面は中間部材３４上面に対応して形成しているため、前記絶縁部材３２を貫通するリード３０は、中間部材３４の側面に当接するように下降する。これにより中間部材３４にてリード３０の保護を行わせることができる。前記リード３０は、さらに下方に伸びて棒状電極４６に接続する。これにより、リード３０は棒状電極４６との電気的導通が確保される。そして、前記リード３０は下端部を保護部材３６の受け部３７ａに当接し、伝導効率を向上させるのである。
【００２５】
前記リード３０は、複数の板状部材にて形成し、当該複数の板状部材を積層配置させてなっている。本実施形態においては、前記リード３０は、前記板状部材を３枚積層配置させたものとしている。そして、本実施形態においては、リード３０の上端部が、図示しない高周波電源に接続している。本実施形態においては、高周波電源の出力周波数が４０．６８ＭＨｚのものを用いている。図示しない高周波電源から出力される高周波電力は、前記リード３０の上端部から棒状電極４６に伝導されるが、このような高周波電力はリード３０の内部ではなくリード３０の表面部を伝導する。上記したように、リード３０は複数の板状部材を積層配置している。このため、高周波電力は積層させた板状部材の間隙を介してそれぞれの板状部材の表面部を伝導する。本実施形態においては、３枚の板状部材を積層配置させているため、高周波電力の伝導効率を３倍化させることができる。これにより、気体放電を発生させるのに十分な高周波電圧を棒状電極４６に印加させることができ、高周波電圧にて気体放電を行わせることができるのである。
【００２６】
また、前記リード３０は銅にて形成され、表面に金めっきを施している。これにより、前記リード３０の酸化を防止して安定的に高周波電力を伝導させることができる。
【００２７】
また、前記ケーシング部材２１と、リード３０及び棒状電極４６そして前記保護部材３６及び中間部材３４との間は、中空領域６０が設けられている。前記伝導経路の周囲をマイカ系セラミックスなどの誘電体で囲って絶縁する形態も考えられる。しかし、図３（ｂ）に示したように、大気雰囲気中よりも誘電体（絶縁体）であるマイカ系セラミックスの方が、比誘電率は５倍以上大きい。このように、ケーシング部材２１内を誘電体で充填する構成とするよりも、中空領域６０を設けて絶縁空間を形成させる方が、高周波電力を伝導する際の絶縁保持を効果的に行えることに本願発明者は着目した。このように中空領域６０を形成させたため、高周波電力伝導時における絶縁保持が効果的になされ、もれ電流を最小化することができる。
【００２８】
また、下部ケーシング部材２６の一側面部には空気供給管５２を突設するとともに、下部ケーシング部材２６の他側面部には空気放出管５４を突設している。空気供給管５２より冷却空気をケーシング部材２１内に案内する。そして、ケーシング部材２１内の中空領域６０を通ってケーシング部材２１内部の熱交換を行い、空気放出管５４よりケーシング部材２１外部に放出される。これにより、電極のプラズマ生成過程における過熱状態を防止することができ、ケーシング部材２１内部の温度を一定に保持することができ、放電を安定させることができる。電極部の熱膨張等による破損を防止することができる。なお、ケーシング部材２１内の電極部を空冷できるような構造であれば特に上記構造に限られない。
【００２９】
以上のように構成した局所処理装置２０の作用は以下のようになる。被処理物の表面処理を行う場合には、局所処理装置２０はノズルチップ４４の先端を図示しない被処理物の上方に臨ませている。
【００３０】
表面処理を行うための処理用気体は上部ケーシング部材２２側壁に設けたガス流入パイプ６２よりケーシング部材２１内に流入する。この処理用気体は絶縁部材３２のガス流入孔３３を介して放電管４０上部に流入し、放電管４０内を下方に進行する。一方、前記放電管４０に対向配置した棒状電極４６には上記したように高周波電圧が印加される。このような高周波電圧を棒状電極４６に印加すると、棒状電極４６，４８に挟まれた真空管４０内で電子が高周波振動する。上気したように、前記真空管４０内には処理用気体が流入しているため、前記高周波振動する電子が処理用気体に衝突してプラズマ化され、励起活性種のプラズマが発生する。従って、高密度のプラズマを発生させることができるとともに、プラズマの生成率を高くすることができ、異常放電を起こりにくくすることができる。前記励起活性種はノズルチップ４４の先端より、直ちに被処理物の表面上に送りだすことができる。このため、十分な励起活性種を被処理物上に送り出し、被処理物の表面処理を行わせることができる。被処理物としては半導体チップ、ウエハ等がある。処理工程としては、エッチング、アッシング、被処理物表面の改質や薄膜形成等があるが、特に用途はこれに限られない。
【００３１】
図３（ａ）に実施例である局所処理装置２０と比較例の局所処理装置におけるアッシングレイトの比較図を示す。実施例は保護部材３６にて一対の４６，４８とケーシング部材２１とを遮断した電極局所処理装置２０であり、比較例は前記保護部材３６を有さない局所処理装置である。処理条件としては、Ｈｅ流量は２ｌ／ｍｉｎであり、Ｏ_２流量は３０ｍｌ／ｍｉｎである。ノズルチップ先端から被処理物までの距離は、０．５ｍｍ程度である。ノズルチップの外径は３．０ｍｍであり、内径は１．５ｍｍである。上記処理条件において実施例と比較例のアッシングレイトを比較すると、図３（ａ）に示すように同じ出力でも処理効率を３倍以上に上昇させることができるという結果を得た。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る局所処理装置においては、電磁的遮蔽をなすケーシングを有し、当該ケーシング内に処理用気体を流通させる放電管を設け、当該放電管の両側に一対の電極を対向配置して、前記放電管と前記一対の電極との間に配置した仕切り部と、前記一対の電極の下部を覆う受け部とからなる逆Ｔ字形状の誘電体である保護部材を設けたため、電極同士とケーシングとが遮断されることにより沿面放電や異常放電が発生せず、気体放電を安定的に効率よく発生させることができる。また、保護部材は誘電体で形成されるため、一対の電極の静電容量が増加して、放電管内における気体放電の発生率を上昇させることができる。特に、出力周波数が３０ＭＨｚ以上の場合には、高周波電力が電極の表面部を伝導するが、電極同士とケーシングとが保護部材により遮断されているため、効果的に高周波電力を伝導することができ、気体放電の発生効率を上昇させることができる。
【００３３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における局所処理装置を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態における局所処理装置の要部上面図及び斜視図である。
【図３】本発明における局所処理装置の処理効率と材質の比誘電率を示す説明図である。
【符号の説明】
２０………局所表面処理装置
２１………ケーシング部材
２２………上部ケーシング部材
２４………中部ケーシング部材
２６………下部ケーシング部材
２８………底部ケーシング部材
３０………リード
３２………絶縁部材
３３………ガス流入孔
３４………中間部材
３５………押え部材
３６………保護部材
３７………受け部
３９………仕切り部
４０………放電管
４２………ノズルホルダ
４４………ノズルチップ
４６………棒状電極
４８………棒状電極
４９………延長電極
５０………ホルダ部材
５２………空気供給管
５４………空気放出管
６０………中空領域
６２………ガス流入パイプ

Claims

電磁的遮蔽をなすケーシングを有し、
当該ケーシング内に処理用気体を流通させる放電管を設け、当該放電管を誘電体製保護部材で覆い、その両側に一対の電極を対向配置した局所処理装置であって、
前記誘電体製保護部材は、前記放電管と前記一対の電極との間に配置した仕切り部と、前記一対の電極の下部を覆う電極の受け部とからなる、一体の逆Ｔ字形状をなし、
前記電極の受け部は、前記一対の電極の下部と、該下部に対応する側の前記ケーシングとの間に設けたことを特徴とする局所処理装置。
前記電極の受け部の長さと幅は、
前記逆Ｔ字形状の誘電体の前記仕切り部により仕切られた各々について、
前記受け部に突接する前記一対の電極の中で対応する電極の底面の長さより長く、
前記受け部に突接する前記一対の電極の中で対応する電極の底面の幅より長いことを特徴とする請求項１記載の局所処理装置。
請求項１記載の、前記逆Ｔ字形状の誘電体の、前記一対の電極との間に配置した前記仕切り部は、中心軸部に前記放電管を貫通させる穴を設け、
前記仕切り部の幅は、前記一対の電極の厚みの２倍以上に形成したことを特徴とする局所処理装置。