JP3899597B2 - Atmospheric pressure plasma generation method and apparatus, and surface treatment method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを発生させるプラズマ生成方法に係り、特に被処理体の表面を処理するプラズマを大気圧下において発生させる大気圧プラズマ生成方法及び装置並びに表面処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、有機物の除去方法として、真空中において酸素プラズマを形成し、生成された酸素ラジカルにより半導体基板等に塗布した有機物すなわちレジストを酸化し、ガス化して除去するアッシング処理や、大気圧下においてコロナ放電などによって生成されたオゾンを用いて除去するアツシング処理、あるいはUV(紫外線)を用いて有機物を分解し、除去する処理が知られている。
【0003】
ところが、真空プラズマを用いたアツシングによる有機物除去方法は、真空容器や排気ポンプ等を要するため、装置が大型化・複雑化し、しかも高価で処理コストが上昇するとともに、生産性においても、真空排気を行う必要が有り処理可能な数量が制限されるという課題を有する。
【0004】
また、大気圧下でヘリウムを用いない放電処理として知られているコロナ放電処理や無声放電処理は、数十Hzから数十kHzの周波数で且つ十数kVまで昇圧された高電圧を印加して放電させオゾンを生成し、その酸化力により有機物を除去するものであるが、本方法では、酸素の活性種に比べオゾンの酸化力が小さいため、有機物の除去処理の高速化が困難である。
【0005】
これに対し、こうした課題を解決するために、例えば特開平07一245192号公報で公開されているように、比較的安価で生産性を向上させる手段として大気圧またはその近傍の圧力で形成されるプラズマにより処理する方法が提案されている。そして、特開平07−245192号公報では、モールド樹脂封入前に被処理体のICとモールド樹脂との密着性を向上させるために、ICに付着している有機物を除去し、濡れ性を向上させる表面処理が開示されている。上述のアッシング処理及び表面処理で、大気圧プラズマを生成する際に用いられるプラズマ生成用ガスとしては、放電し易いガス、例えば放電開始電圧の低いヘリウムガスを用いる事が知られており、さらにはアツシングを行うためにプラズマ生成ガスと共に酸素を添加することが知られている。
【0006】
大気圧プラズマによる表面処理の手法としては、被処理体を直接プラズマに晒す直接放電処理方式と、被処理体をプラズマに直接晒さず、プラズマにより生成された活性種等を被処理体に照射する間接放電処理方式がある。
【0007】
直接放電型処理方式では、処理の高速化が望めるがプラズマダメージに起因した被処理体の破壊や特性シフト等が生じやすい。特に、被処理体の被処理面が金属であると、突起部に放電が集中しやすく被処理面が均一に処理できなくなる。これに対し間接放電処理方式では、被処理体が放電に晒されないため上述したプラズマダメージは生じない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、放電中で生成された活性種には寿命が有り、この寿命が比較的短いため、間接放電処理方式の場合、被処理体をプラズマ発生部より離れた位置に設置すると、被処理体に照射できる活性種の数が減少し処理効率が大幅に低下するという問題点を有する。
【0009】
また、間接放電処理方式で、高速処理を行うためには、ヘリウムガスを大量に使用しなければならない。これは、ヘリウムガスが比較的容易に放電するガスであると共に、放電中に生成した活性種をより多く被処理体に輸送するための輸送ガスとしても働くためである。この場合には、ヘリウムガスは単位容量当たりのコストが高く、大量に使用することによりランニングコストが高くなるという問題点を有する。
【0010】
一般的に、プラズマの密度が高いほど処理速度が向上することが知られている。放電中のプラズマ密度は印加される電圧の周波数にも依存し、周波数が高いほど高密度のプラズマが得られると言われている。これは、周波数が高いほど電子の振動が活発になり、気体との衝突確率が上がり電離頻度が高まるためと考えられる。しかしながら、大気圧下、ヘリウムガスを用いず、他の反応性ガスを数MHz以上の周波数を用いて放電を開始させることは極めて困難てある。これは、例えば窒素ガス、酸素ガスなどの反応性ガスの放電開始電圧が、パッシェンの放電理論から示されるように、ヘリウムガスに比べ大気圧下における火花電圧が極めて大きいことにも起因する。窒素ガスの場合、1mm程度の電極間距離においては、放電を開始させるには数kVから十数KV程度が必要である。このように、ヘリウムを使わず周波数の高い放電の開始が困難であることから、大気圧プラズマを生成する場合、プラズマ生成ガス(放電用ガス)の組成は、全体の90%以上を放電開始電圧の小さいヘリウムガス、残りの10%以下を酸素ガスなどの反応ガスとなっており、反応ガスのみを用いたアツシングや濡れ性の改善処理の高速化が困難であるという課題がある。このため、高価なヘリウムガスを大量に使用することになり、処理コストを低減することが困難となっている。
【0011】
また、以上述べた表面処理方法における有機物除去に際しては、かならず酸素を用いている。このため、被処理体上の有機物の除去と同時に被処理体の表面が酸化されてしまうという課題がある。したがって、極度に表面酸化を問題とする被処理体においては、前述の処理方法を用いた有機物の除去は困難である。
【0012】
また、酸素を用いているため、オゾン処理以外の処理方法においてもオゾンの生成は避けられない。周知のとおり、オゾンが人体に対して有害性をもつことから、特に高濃度のオゾン発生に対しては除害等の安全対策が必要となる。
【0013】
また、大気圧プラズマ処理は、真空プラズマに比べ大気開放で使用できるため場所を選ばずに設置できるという利便性があるが、酸素を大量に使用する条件下では、処理室内に着火源となりやすいリレー等の電装系や可燃物が設置されていると酸素濃度が高くなり発火の危険性がある。したがって、オゾンと同様、安全対策が必要てあり、装置の設置場所の制約のみならず、装置コスト上昇といった課題を有する。
【0014】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ヘリウムガスなどの希ガスの使用量を大幅に減少することができ、且つ大気圧下でプラズマを容易に生成できるようにすることにある。
【0015】
また、本発明の目的は、希ガスを使用することなく大気圧下でプラズマを生成できるようにすることにある。
【0016】
さらに、本発明の目的は、プラズマ処理時の有機物除去処理速度、表面の濡れ性処理速度、エッチング速度などの表面処理速度の向上を目的としている。
【0017】
さらに、本発明は、処理に用いるガスのランニングコストの低減、さらには酸素を用いない新たな有機物除去手段を提供することで新たなプロセスを提案できる表面処理方法を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、以下の本発明により達成される。即ち、本発明に係る大気圧プラズマ生成方法は、誘電体により形成した大気圧又はその近傍の圧力下にあるプラズマ生成領域に放電用ガスを導入し、前記誘電体を挟んで設けた第1電極と第2電極とに高周波電圧を印加してプラズマを発生させる大気圧プラズマ生成方法において、希ガスと表面処理用ガスとの混合ガスを前記プラズマ生成領域に供給してプラズマを発生させ、その後、前記希ガスの供給を停止することを特徴とする。
【0019】
また、本発明に係る大気圧プラズマ生成方法は、誘電体により形成した大気圧又はその近傍の圧力下にあるプラズマ生成領域に放電用ガスを導入し、前記誘電体を挟んで設けた接地電極と第1電極と第2電極とに高周波電圧を印加してプラズマを発生させる大気圧プラズマ生成方法において、希ガスを前記プラズマ生成領域に供給してプラズマを発生させ、その後、表面処理用ガスを前記プラズマ生成領域に供給して表面処理用ガスによるプラズマを生成するとともに、前記希ガスの供給を停止することを特徴とする。
【0020】
前記表面処理用ガスは酸素ガス又は四フッ化炭素ガスのいずれかであることが好ましい。また、前記トリガガスはヘリウムガスであることが好ましい。
【0021】
また、本発明に係る大気圧プラズマ生成方法は、誘電体により形成した大気圧又はその近傍の圧力下にあるプラズマ生成領域に放電用ガスを導入し、前記誘電体を挟んで設けた接地電極と第1電極と第2電極とに高周波電圧を印加してプラズマを発生させる大気圧プラズマ生成方法において、少なくとも前記プラズマ生成領域での放電開始時に、前記プラズマ生成領域に電子又はガス状の活性種を前記放電用ガスとともに供給してプラズマを発生させることを特徴とする。電子又は活性種は、加熱したフィラメントから放出される熱電子や電子銃から放射された電子、さらにはコロナ放電を発生させて生成した電子や活性種を用いてよい。
【0022】
前記放電用ガスは、酸素ガス、四フッ化炭素ガス又はこれらの1つと希ガスとの混合ガスであることが好ましい。
【0023】
また、本発明に係る大気圧プラズマ生成方法は、前記プラズマの発生後に、前記電子又は活性種の供給を停止することを特徴とする。電子又は活性種は、プラズマの発生後も継続して供給してもよい。
【0024】
前記高周波電圧は、周波数が400kHz〜100MHzであることが好ましい。
【0025】
上記の大気圧プラズマ生成方法を実施する大気圧プラズマ生成装置は、プラズマ生成領域を形成する誘電体と、大気圧又はその近傍の圧力下にある前記プラズマ生成領域に表面処理用ガスを供給する第1ガス供給手段と、大気圧又はその近傍の圧力下にある前記プラズマ生成領域に、希ガスを供給する第2ガス供給手段と、前記誘電体を挟んで設けた接地電極と第1電極及び第2電極と、この接地電極と第1電極と第2電極との間に高周波電圧を印加する高周波電源と、前記プラズマ生成領域にプラズマが発生したことを検知するプラズマ検出手段と、このプラズマ検出手段の検出信号に基づいて前記第2ガス供給手段を制御し、前記プラズマ生成領域への前記希ガスの供給を停止する制御手段とを有することを特徴とする。
【0026】
前記制御手段は、前記希ガスによるプラズマの発生後に、前記第1ガス供給手段を制御して前記プラズマ生成領域に前記表面処理用ガスを供給しても良い。
また、本発明に係る大気圧プラズマ生成装置は、プラズマ生成領域を形成する誘電体と、大気圧又はその近傍の圧力下にある前記プラズマ生成領域に放電用ガスを供給するガス供給手段と、大気圧又はその近傍の圧力下にある前記プラズマ生成領域に電子又はガス状の活性種を供給するトリガ供給手段と、前記誘電体を挟んで設けた接地電極と第1電極及び第2電極と、この接地電極と第1電極と第2電極との間に高周波電圧を印加し、プラズマを発生させる高周波電源とを有することを特徴とする。
【0027】
また、本発明に係る大気圧プラズマ生成装置は、プラズマ生成領域を形成する誘電体と、大気圧又はその近傍の圧力下にある前記プラズマ生成領域に放電用ガスを供給するガス供給手段と、大気圧又はその近傍の圧力下にある前記プラズマ生成領域に電子又はガス状の活性種を供給するトリガ供給手段と、前記誘電体を挟んで設けた接地電極と第1電極及び第2電極と、この接地電極と第1電極と第2電極との間に高周波電圧を印加し、プラズマを発生させる高周波電源と、前記プラズマ生成領域にプラズマが発生したことを検知するプラズマ検出手段と、このプラズマ検出手段の検出信号に基づいて、前記トリガ供給手段を制御して前記電子又は活性種の供給を停止する制御手段とを有することを特徴とする。
【0028】
前記高周波電源の出力する高周波電圧は、周波数が400kHz〜100MHzであることが好ましい。
【0029】
また、前記高周波電源に接続した前記電極を取り付けた前記誘電体には、前記高周波電源に接続した電極を覆ってカバーが設けてあり、このカバー内に空気より放電しにくい流体が注入してあることが好ましい。
【0030】
前記空気より放電しにくい流体は四フッ化炭素ガスであることが好ましい。また、前記誘電体には前記カバーの内部と前記プラズマ生成領域とを連通する孔が形成され、この孔を介して前記カバー内に注入された四フッ化炭素ガスを前記プラズマ生成領域に供給することが好ましい。
【0031】
また、前記高周波電源に接続した電極と前記カバーの内面との距離は、前記プラズマ生成領域の放電ギャップより大きくしてあることが好ましい。
また、本発明に係る表面処理方法は、大気圧又はその近傍の圧力下で、一対の誘電体により形成されたセルと、前記誘電体を挟んだ接地電極と第1電極及び第2電極から構成され、前記セル内に放電用ガスを導入し、前記接地電極と前記第1電極及び第2電極間に高周波電圧を印加することでプラズマを生成し、プラズマによって生成された活性種を被処理体に照射処理して前記被処理体の表面の有機物を除去する表面処理方法において、前記放電用ガスは、窒素及び酸素を含むガスであり、窒素の酸素に対する混合率=(窒素流量/(窒素流量十酸素流量))×100が99%以上であることを特徴とする。
【0032】
また、本発明に係る表面処理方法は、大気圧又はその近傍の圧力下で、一対の誘電体により形成されたセルと、前記誘電体を挟んだ接地電極と第1電極及び第2電極から構成され、前記セル内に放電用ガスを導入し、前記接地電極と前記第1電極及び第2電極間に高周波電圧を印加することでプラズマを生成し、プラズマによって生成された活性種を被処理体に照射処理して前記被処理体の表面を親水化する表面処理方法において、前記放電用ガスは、窒素及び酸素を含むガスであり、窒素の酸素に対する混合率=(窒素流量/(窒素流量十酸素流量))×100が99%以上であることを特徴とする。
【0033】
また、本発明に係る表面処理方法は、上記において、前記プラズマを継続的に生成する放電維持手段が1MHz〜100MHzの高周波電圧を印加することであることを特徴とする。
【0034】
また、本発明に係る表面処理方法は、上記において、電極に前記放電維持手段と、50kHz以下の高電圧印加手段を併設し、前記高電圧印加手段を前記放電維持手段に重畳して印加し、放電開始後、前記放電維持手段単独または前記放電維持手段に前記高電圧印加手段を重畳して用いることを特徴とする。
また、放電開始前に予め前記誘電体の放電面を加熱することが好ましい。
【0035】
また、本発明に係る表面処理方法は、大気圧又はその近傍の圧力下で、一対の誘電体により形成されたセルと、前記誘電体を挟んだ接地電極と第1電極及び第2電極から構成され、前記セル内に放電用ガスを導入し、前記接地電極と前記第1電極及び第2電極間に電圧を印加することでプラズマを生成し、プラズマによって生成された活性種を被処理体に照射処理する表面処理方法において、少なくともプラズマ生成開始までの所定の期間、前記第1電極及び前記第2電極間に複数の異なる周波数を有する電圧を重畳して印加することを特徴とする。
【0036】
前記複数の異なる周波数を有する電圧は、少なくとも、1MHz〜100MHzの第1電圧源及び50kHz以下の第2電圧源から供給されるものであることが好ましい。
また、本発明に係る表面処理方法は、誘電体により形成したプラズマ生成領域に大気圧又はその近傍の圧力下で放電用ガスを導入し、前記誘電体を挟んで設けた接地電極と第1電極と第2電極とに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、プラズマによって生成された活性種を被処理体に照射して前記被処理体の表面の有機物を除去する表面処理方法において、前記プラズマ生成領域に希ガスと酸素ガスとの混合ガスを供給してプラズマを発生させ、その後、希ガスの供給を停止して酸素ガスによるプラズマを生成することを特徴とする。
【0037】
また、本発明に係る表面処理方法は、誘電体により形成した大気圧又はその近傍の圧力下にあるプラズマ生成領域に放電用ガスを導入し、前記誘電体を挟んで設けた接地電極と第1電極と第2電極とに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、プラズマによって生成された活性種を被処理体に照射して前記被処理体の表面の有機物を除去する表面処理方法において、前記プラズマ生成領域に希ガスを供給してプラズマを発生させたのち、前記プラズマ生成領域に酸素ガスを供給して酸素ガスによるプラズマを生成するとともに、前記希ガスの供給を停止することを特徴とする。
【0038】
また、本発明に係る表面処理方法は、誘電体により形成した大気圧又はその近傍の圧力下にあるプラズマ生成領域に放電用ガスを導入し、前記誘電体を挟んで設けた接地電極と第1電極と第2電極とに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、プラズマによって生成された活性種を被処理体に照射して前記被処理体の表面の有機物を除去する表面処理方法において、電子又はガス状の活性種を酸素ガス又は酸素ガスと希ガスとの混合ガスからなる放電用ガスとともに前記プラズマ生成領域に供給してプラズマを生成させることを特徴とする。
【0039】
また、本発明に係る表面処理方法は、誘電体により形成したプラズマ生成領域に大気圧又はその近傍の圧力下で放電用ガスを導入し、前記誘電体を挟んで設けた接地電極と第1電極と第2電極とに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、プラズマによって生成された活性種を被処理体に照射して前記被処理体の表面をエッチングする表面処理方法において、前記プラズマ生成領域に希ガスと四フッ化炭素ガスとの混合ガスを供給してプラズマを発生させ、その後、希ガスの供給を停止して四フッ化炭素ガスによるプラズマを生成することを特徴とする。
【0040】
また、本発明に係る表面処理方法は、誘電体により形成した大気圧又はその近傍の圧力下にあるプラズマ生成領域に放電用ガスを導入し、前記誘電体を挟んで設けた接地電極と第1電極と第2電極とに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、プラズマによって生成された活性種を被処理体に照射して前記被処理体の表面をエッチングする表面処理方法において、前記プラズマ生成領域に希ガスを供給してプラズマを発生させたのち、前記プラズマ生成領域に四フッ化炭素ガスを供給して四フッ化炭素ガスによるプラズマを生成するとともに、前記希ガスの供給を停止することを特徴とする。
【0041】
また、本発明に係る表面処理方法は、誘電体により形成した大気圧又はその近傍の圧力下にあるプラズマ生成領域に放電用ガスを導入し、前記誘電体を挟んで設けた接地電極と第1電極と第2電極とに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、プラズマによって生成された活性種を被処理体に照射して前記被処理体の表面をエッチングする表面処理方法において、電子又はガス状の活性種を四フッ化炭素ガス又は四フッ化炭素ガスと希ガスとの混合ガスからなる放電用ガスとともに前記プラズマ生成領域に供給してプラズマを発生することを特徴とする。
【0042】
また、本発明に係る表面処理方法は、上記において、前記プラズマの発生後に、前記電子又は活性種の前記プラズマ生成領域への供給を停止することを特徴とする。
【0043】
また、本発明に係る表面処理方法は、上記において、前記高周波電圧は、周波数が400kHz〜100MHzであることを特徴とする。
【0044】
【作用】
上記のごとく構成した本発明においては、プラズマを立上げるときにだけ高価な希ガスを使用し、プラズマが立上がったのちは希ガスの供給を停止するようにしているため、希ガスの使用量を大幅に削減することができ、大気圧プラズマを安価に得ることができ、安価な大気圧プラズマを用いた表面処理を行うことができる。表面処理用ガスとしては、レジストなどの有機物を酸化除去する場合には酸素ガス、半導体基板のエッチングなどの場合には四フッ化炭素ガスを用いることができる。
【0045】
また、プラズマ生成領域に電子又は活性種を供給してグロー放電を生じやすくしているため、希ガスに対する酸素ガスや四フッ化炭素ガスなどの混入量を多くしたり、希ガスを用いずに酸素ガスや四フッ化炭素ガスのみによりグロー放電を発生させてプラズマを生成することができ、希ガスの使用量を削減できて大気圧プラズマの生成コストを削減することができる。放電用ガスとしては、酸素ガス、四フッ化炭素ガス又はこれらの1つと希ガスとの混合ガスを用いることができる。また、プラズマが発生したのちは、適正な処理条件が得られるように、電子又は活性種の供給を停止してよし、継続して供給してもよい。
【0046】
上記の大気圧プラズマ生成方法において、高周波電圧の周波数は、カットオフ周波数以上、400kHz〜100MHz、望ましくは400kHz〜40MHz程度以下にすると、プラズマ生成領域の電子が電極に衝突することによるコロナ放電(ストリーマ放電)への移行を防止することができる。周波数が400kHzより低くなると、電極に衝突する電子の数が多くなり、コロナ放電を生じやすい。
また、周波数が100MHzを超えるような高周波になると、電子の移動距離が短くなって電界による充分なエネルギーが得られず、プラズマの発生、維持が困難になる。
【0047】
そして、本発明における大気圧プラズマ生成装置によれば、プラズマの立上げるときだけ希ガスを使用し、その後は希ガスを用いずに大気圧プラズマを容易に生成することができる。
【0048】
また、プラズマ生成領域に電子又は活性種を供給するため、希ガスに比較的多量の酸素ガスや四フッ化炭素ガスを混入して、もしくは希ガスを用いずに大気圧プラズマを生成することができる。
【0049】
また、高周波電源に接続した電極をカバーで覆って空気より放電しにくい流体を注入すると、希ガスを用いないためにより高い電圧する場合であっても、沿面放電を確実に防止することができる。そして、空気より放電しにくい流体を四フッ化炭素ガスとし、カバー内に注入した四フッ化炭素ガスを誘電体に設けた孔を介してプラズマ生成領域に供給してプラズマを発生させるようにすると、沿面放電を避けつつカバーを放電用ガスの供給路として利用することができ、装置の小型化、簡素化を図ることができる。さらに、カバーの内面と電極との間隔を放電ギャップより大きくすると、カバーと電極との放電を確実に防止することができる。
【0050】
そして、本発明における表面処理方法によれば、以下のような効果が得られる。
窒素ガスを用いて有機物の除去高速化や表面の濡れ性改善処理の高速化が可能になるので、表面酸化が問題となる被処理体への処理や、酸素雰囲気中では発火等危険性の高い雰囲気での被処理体の有機物が除去可能となる。
【0051】
また、数MHz以上の放電を用いるため、高密度の窒素プラズマが形成でき、さらに有機物の除去あるいは濡れ性処理の高速化が可能となる。また、数MHz以上の高周波電圧にて、ヘリウムガスを用いずとも大気圧下で、窒素ガス等の反応性ガス単体での放電が可能になる。これにより高密度の窒素プラズマが生成でき処理の高速化が図れるとともに、安価な窒素ガスを用いることができるので、ランニングコストが低減できる。
【0052】
また、放電開始と放電維持の機能が別れており、それぞれ独立して制御出来る。放電開始時の電圧は、放電維持時の電圧にくらべ高いことが知られており、放電開始時と放電維持時の機能が別れることで適正且つ効率のよい電圧をそれぞれ選択できる。ヘリウムガスを用いずに単体のガスのみでは、大気圧下において数十Hzから数十kHzの範囲で高電圧のみしか放電が開始でなかった窒素ガスでも、放電開始時のみ高電圧を用い、放電維持時には高周波電圧に切り替えることで、容易に、数MHz以上の高周波放電が開始でき、処理速度を高めることができる。
【0053】
また、放電面を予め暖めておくことで、電極表面から二次電子の放出性を高めることができ、従来、大気圧下において数十Hzから数十kHzの範囲で高電圧のみしか放電が開始できなかった窒素ガスでも、放電のトリガー時の二次電子または熱電子により放電が容易に得られるようになる。
【0054】
また、印加する電圧を放電開始機能及び放電維持機能との2つの役割に分割し、適切な電圧を選択でき、処理方法の最適化等を図ることが可能となる。
【0055】
また、放電開始電圧の高いガスに関しても、放電開始時に高電圧を印加し、放電維持時に高周波に切り替えることがことが可能となる。
【0056】
さらに、プラズマの立上げ時にのみ希ガスを使用し、その後、酸素ガスのみによるプラズマを生成できるため、希ガスの使用量を大幅に削減することができ、酸素ガスを用いたアッシング処理のコストの低減と、処理速度の向上とを図ることができる。
【0057】
そして、電子又はガス状の活性種を利用してプラズマを生成するようにしているため、希ガスをまったく用いることなく酸素ガスによるプラズマを生成でき、さらにコストの低減を図ることができる。また、希ガスを用いた場合でも、酸素ガスの混入量を大幅に増加させることができ、従来より大幅なコストの低減と処理速度の向上が図れる。
【0058】
また、希ガスを用いずに四フッ化炭素ガス単独でのプラズマを生成でき、四フッ化炭素ガスによるエッチング処理コストの低減と、処理速度の向上とを図ることができる。
【0059】
そして、プラズマの立上げ後にプラズマ生成領域への電子又は活性種の供給を停止して適正な処理条件を設定することができる。さらに、プラズマの生成を容易に行うことができ、しかも密度の高いプラズマが得られる。
【0060】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る大気圧プラズマ生成方法及び装置並びに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。
【0061】
図1は、本発明の第1の実施例に係る大気圧プラズマ生成装置の概略的な構成図である。
【0062】
図1において、プラズマ生成装置は、下部が開口しているチャンバー21の内部にプラズマ発生部が設けてある。プラズマ発生部は、供給された放電用ガスの流路23を形成するため1mmから3mm程度のギャツプを形成した一対の板状の誘電体1と、一対の誘電体1を挟んで設けた第1電極、第2電極である一対の電極2a、2bから構成される。電極2a、2bは、ガス流路23内でグロー放電を発生させてプラズマを生成するためのもので、両電極間がプラズマ生成領域22となっている。そして、誘電体1は、実施例の場合、放電による温度上昇に起因する割れを防ぐため、石英ガラスを用いているが、セラミックなどを用いてもよい。
【0063】
チャンバー21の下部が被処理体8の表面処理を行う処理部となっていて、処理部に被処理体8を設置するステージ7が設けてある。このステージ7は、図1の矢印24のように水平方向に移動可能であり、ステージ7を移動させることで被処理体8の上面全体を処理できるようにしてある。そして、誘電体1は、被処理体8に近い端面から被処理体8までの距離が1〜2mm程度に保たれている。また、ガス流路23は下端が開口し、下方を移動する被処理体8の表面にプラズマによって生成された活性種を照射できるようにしてある。
【0064】
一方の電極2bは接地してあって、他方の電極2aにはインピーダンス整合器6を介して高周波電源25が接続してあり、両電極2a、2b間に所定周波数((400kHz〜100MHz)の高周波電圧を印加できるようにしてある。また、チャンバー21内の適宜の個所には、プラズマ検出手段である光センサ26が配設してあって、プラズマ発生時のグロー放電による光を検出して検出信号を制御手段であるコントローラ28に入力するようになっている。
【0065】
チャンバー21の上部には、中間チャンバー12が設けてある。この中間チャンバー12には、管路30、32を介して放電用ガスである酸素ガスを充填してある酸素ガスボンベ34と、希ガスであるヘリウムガスを充填したヘリウムガスボンベ36とが接続してある。そして、中間チャンバー12とガス流路23とは、チャンバー21に形成したガス供給口13によって連通していて、中間チャンバー12に流入したヘリウムガスと酸素ガスとをガス流路23に供給できるようにしてある。また、管路30には、酸素ガスボンベ34とともに第1ガス供給手段を構成している流量制御弁38が設けてある。さらに、管路32には、ヘリウムガスボンベ36とともに第2ガス供給手段を構成している流量制御弁40が設けてある。これらの流量制御弁38、40は、コントローラ28によって開度が制御されるようにしてある。
【0066】
このように構成したプラズマ生成装置による大気圧プラズマの生成は、次のごとくして行う。
【0067】
ガス流路23は、減圧せずに大気圧に保持してある。そして、コントローラ28によって流量制御弁38、40を制御し、中間チャンバー12の所定量の酸素ガスとヘリウムガスとを流入させ、その混合ガスをガス流路23を介してプラズマ生成領域22に供給する。プラズマ生成領域22へのガスの供給量は、流量比で酸素ガスが20%以下、ヘリウムガスが80%以上であることが望ましい。具体的には、例えばガス流路23の幅(誘電体1、1間の間隙)が2.2mm、奥行き(図1の紙面に直交した方向)が38mmである場合、酸素ガスを100cc/min流したとすると、ヘリウムガスを400cc/min以上流す。その後、ガスを流した状態で電極2a、2b間に高周波電圧を印加する。
【0068】
本実施例の場合、印加した電圧の周波数は、40.68MHzであり、印加電圧がピークピーク(peak−to−peak)値で約2.3kVにおいてグロー放電が開始し、プラズマを発生することができた。
【0069】
グロー放電が開始されると、放電に伴う光が光センサ26によって検出され、検出信号がコントローラ28に入力される。コントローラ28は、光センサ26の出力信号に基づいてグロー放電が開始され、プラズマが発生したことを検知すると、酸素ガスの流量を被処理体8の表面処理、例えば被処理体8の表面に存在しているレジストなど有機物の除去に必要な量に制御するとともに、ヘリウムガスの供給を停止する。これにより、酸素ガスのみでは生成しにくい酸素ガスのみによるプラズマを容易に生成することができる。これは、一度プラズマが発生すると、多量の電子がプラズマによって生成され、これらの電子が酸素ガスに衝突して酸素ガスの電離が容易に行われるようになるためと考えられる。
【0070】
酸素ガスプラズマによる被処理体8の表面処理、例えば被処理体8の表面に存在する有機物を酸化して除去するアッシングの場合、上記のようにして発生させた酸素ガスプラズマにより生じる活性種を被処理体8の表面に照射する。
【0071】
このように、本実施例においては、プラズマの発生時にのみヘリウムガスをトリガとして使用し、被処理体8の表面処理時には酸素ガスのみを使用したプラズマを生成できるため、高価なヘリウムガスの使用量を大幅に削減でき、アッシング処理のランニングコストの大幅な低減を図ることができる。しかも、酸素ガスのみによるプラズマであるため、活性種が大幅に増大してアッシング処理速度を大幅に向上することができる。例えば、従来、ヘリウムガスに流量比2%の酸素ガスを混入してプラズマを発生させてアッシングした場合、アッシング速度が数μm/minであったものが、酸素ガス100%のプラズマによるアッシング速度を約100μm/minにすることができる。
【0072】
なお、上記の実施例においては、酸素ガスとヘリウムガスとを同時に流してプラズマを発生させる場合について説明したが、プラズマを立上げるときにヘリウムガスのみをプラズマ生成領域22に供給し、ヘリウムガスによるプラズマが発生したのちに酸素ガスの供給を開始するとともに、ヘリウムガスの供給を停止するようにしてもよい。
【0073】
前記実施例においては、光センサ26をチャンバー21の内部に配置した場合について説明したが、チャンバー21にプラズマ生成領域22を観察可能な透光部を形成し、その透光部に対面させて光センサ26をチャンバー21の外部に配置してもよい。このように光センサ26をチャンバー21の外部に設けると、光センサ26が活性種に晒されることがなく、光センサ26が損傷することがない。そして、前記実施の形態においては、プラズマ検出手段が光センサ26である場合について説明したが、高周波電源25に接続した回路の電流を検出したり、整合器6のインピーダンスの整合状態を検出してプラズマの発生を検知するようにしてもよい。そして、前記実施例においては、ヘリウムガスを用いた場合について説明したが、ネオンガスやアルゴンガスなどを用いてもよい。
【0074】
また、四フッ化炭素ガスのプラズマによる被処理体8のエッチング処理や、エアプラズマによる被処理体8の表面に存在する汚染物質(例えば、有機物)の除去によるハンダや樹脂等の濡れ性の改善を図る場合、上記の酸素ガスによるプラズマの生成と同様にして四フッ化炭素ガスプラズマ、エアプラズマを得ることができる。
【0075】
図2は、大気圧プラズマ生成装置の第2実施例のを示したもので、(1)が斜視図、(2)が平面図、(3)が(2)のA−A線に沿った断面図である。
【0076】
図2において、プラズマ生成装置42は、セル44が石英ガラスなどの誘電体から形成してあって、中心部に矩形状のガス流路46が設けてある。ガス流路46は、実施例の場合、放電ギャップ(高さ)dが2.2mm、幅Bが38mmに形成してある。そして、セル44の一端側上部には、第1ガス供給ヘッド48が固定してある。
【0077】
第1ガス供給ヘッド48の内部とガス流路46とは、セル44に設けたガス流入口50を介して連通していて、管路52を介して第1ガス供給ヘッド48に導かれたトリガガスをガス流路46の一端側に供給できるようにしてある。そして、ガス流路46に供給されたトリガガスは、同図(3)の矢印54に示したように、反対側の吹出し口56に向けて流れるようになっている。
【0078】
セル44の上面中央部には、トリガ供給手段を構成している低周波用電極58がガス流路46と直交させて設けてある。そして、低周波電極58には、ローパスフィルタを介して低周波電源が接続してある(いずれも図示せず)。さらに、セル44の上面には、第1電極である高周波電極60が配設してある。この高周波電極60は、プラズマを発生させるためのもので、低周波電極58よりガス流の下流側に低周波電極58と平行に配置してあって、インピーダンス整合器6を介して高周波電源25に接続してある。また、高周波電極60は、端部がセル44の縁よりD(実施例の場合、約10mm)だけ内側となるように配してあり、セル44の側面をつたわった放電が生じないようにしてある。
【0079】
高周波電極60と低周波電極58との間には、第2ガス供給ヘッド62が設けてある。この第2ガス供給ヘッド62は、管路63を介して流入するヘリウムガスと酸素ガス又はヘリウムガスと四フッ化炭素ガスとの混合ガスからなる放電用ガスをガス流路46に供給するためのもので、ガス流入口64を介してガス流路46と連通している。また、セル44の下面には、少なくとも高周波電極60から低周波電極58にわたるように第2電極となる接地電極66が設けてある。そして、ガス流路46の高周波電極60と対応した部分がプラズマ生成領域22となっている。
【0080】
このプラズマ生成装置によるプラズマの生成は、次のごとくして行う。
【0081】
管路63、第2ガス供給ヘッド62を介して、ヘリウムガスと酸素ガス又はヘリウムガスと四フッ化炭素ガスとの混合ガスからなる放電用ガスをガス流路46に供給するとともに、管路52、第1ガス供給ヘッド48を介して、放電用ガスと同じ組成のトリガガスをガス流路46に供給する。そして、低周波電極58と接地電極66との間に低周波電圧(実施例の場合、9.76kHz、10kV((ピークピーク値))を印加するとともに、高周波電極60と接地電極66との間に高周波電圧(実施例の場合、周波数40.68MHz)を印加する。
【0082】
これにより、低周波電極58に対応した部分のガス流路46内にコロナ放電が発生し、トリガガスの一部が電離して電子が生成されるとともに、トリガガスが活性化される。これらの電子と活性種は、トリガガスと放電用ガスとの流れに乗って、プラズマを立上げるトリガとしてプラズマ生成領域22に供給される。そして、電子は、プラズマ生成領域22において高周波電界によりエネルギーを受けて活性種又は放電用ガス分子に衝突し、これら電離して電子を増大させてグロー放電が発生し、プラズマを生成する。高周波電極60に印加する高周波電圧を下げることが可能であって、プラズマを容易に生成することができる。プラズマの発生によって生成された活性種は、吹出し口56から本図に図示しない被処理体に照射し、アッシングやエッチングなどの表面処理に供することができる。
【0083】
なお、上記実施例においては、酸素ガスとヘリウムガスとの混合ガス、又は四フッ化炭素ガスとヘリウムガスとの混合ガスを放電用ガス及びトリガがすとして使用した場合について説明したが、酸素ガス又は四フッ化炭素ガスのみを放電用ガス、トリガガスとして使用してもよい。さらに、エア単独又はヘリウムガスにエアを混入したものを放電用ガス、トリガガスとして使用してもよい。また、放電用ガスとして酸素ガス、四フッ化炭素ガス、エア又はこれらの1つとヘリウムガスとの混合ガスを用い、トリガ用ガスとしてヘリウムガスを用いてもよい。そして、上記のいずれの場合においても、適正な処理条件を得るために、グロー放電が発生してプラズマが立上がったならば、トリガガスの供給を停止するとともに、低周波電圧の印加を停止してもよい。また、四フッ化炭素ガスを使用する場合、四フッ化炭素ガスをバブリング装置において水中を通し、水分(H2 O)を含ませて使用してもよい。
【0084】
図3と図4には、第2実施例のプラズマ生成装置42を用いた大気圧プラズマの生成実験の結果が示してある。図3は、酸素ガス(O2 )の流量を100cc/minに固定し、ヘリウムガス(He)の流量を変えたときのグロー放電開始時とグロー放電OFF(消滅)時との高周波入力電力を示したものである。また、図4は、四フッ化炭素ガスの流量を50cc/minに固定し、ヘリウムガスの流量を変えたときのグロー放電開始時とグロー放電OFF時の高周波入力電力が示してある。
【0085】
いずれの場合においても、ガス流路46の放電ギャップd=2.2mm、幅B=38mmである。また、低周波電極58に印加した低周波電圧は周波数が9.76kHz、電圧がピークピーク値で10kV、高周波電極60に印加した高周波電圧は周波数が40.68MHzであって、出力1kWの高周波電源を使用している。
【0086】
そして、図3においては、○が高周波(RF)電圧のみを印加した場合の放電開始時の入力電力値であり、●が高周波電圧のみを印加した場合の放電がOFFしたときの入力電力値である。また、図中の×はグロー放電が発生しなかったこと示している。また、△は低周波電極58に低周波(LF)電圧を印加し、高周波電極60に高周波(RF)電圧を印加したときの、グロー放電開始時の高周波電極60に供給した電力であり、▲は同じくグロー放電がOFFするときの高周波電極60に供給された電力である。
【0087】
図3に示されているように、酸素ガスを100cc/min流し、高周波電圧のみを印加した場合、流量比で酸素ガスが25%、ヘリウムガスが75%(300cc/min)ではグロー放電が発生せず、プラズマの生成が行われなかった。しかし、酸素ガス100cc/minに対してヘリウムガスを400cc/minを流した場合、印加電圧が約2.3kVでグロー放電が開始した。そして、酸素ガスに対するヘリウムガスの流量が多くなるのにしたがって、グロー放電の発生する電圧が低下するとともに、入力電力が低下する。また、グロー放電がOFFする電力もヘリウムガスの流量が増加するのにともなって低下する。
【0088】
一方、低周波電圧と高周波電圧とを併用した場合、図3に示されているように、ヘリウムガスの流量が300cc/min、すなわち流量比で酸素ガスが25%、ヘリウムガスが75%であってもグロー放電が発生し、プラズマを生成することができる。したがって、ヘリウムガスの使用量を削減できてアッシングの処理コストを低減できる。しかも、酸素ガスの混入量を増大することができるため、アッシング処理の速度を高めることができる。さらに、プラズマの発生後も低周波電極58に低周波電圧を印加した状態で表面処理を行えば、グロー放電の維持電圧を下げることができるとともに、低周波電圧によって生成された活性種がプラズマによる活性種と重畳されるため、処理速度をさらに向上することができる。
【0089】
図4においては、○が高周波(RF)電圧のみを印加したときのグロー放電開始時の入力電力値、●が高周波電圧のみを印加したときのグロー放電OFF時の入力電力値である。そして、×は放電しなかったことを示す。また、△は低周波電極58に低周波(LF)電圧を印加し、高周波電極60に高周波(RF)電圧を印加したときの、グロー放電開始時の高周波電極60に供給した電力であり、▲は同じくグロー放電がOFFするときの高周波電極60に供給された電力である。
【0090】
図4に示されているように、四フッ化炭素ガスを50cc/min流した場合、ヘリウムガスの流量を400cc/minにすると放電しない。そして、ヘリウムガスの流量が500cc/minでは、高周波電圧の印加のみでもグロー放電を発生させることができ、ヘリウムガスの流量の増加に伴って入力電力が低下する。そして、低周波電圧と高周波電圧とを併用した場合、ヘリウムガスの流量が500cc/minであっても、高周波電圧単独の時よりもより低い入力電力でもグロー放電をさせることができる。なお、処理用のガス(反応ガス)として四フッ化炭素ガスを使用する場合、フッ素による腐食を避けるため、誘電体はセラミックを用いることが望ましい。
【0091】
なお、前記実施例においては、トリガとして低周波電圧を印加して生成した電子又は活性種を用いた場合について説明したが、加熱したフィラメンとから放射された熱電子、電子銃などから出射された電子やそれにより生じた活性種などをトリガとして使用してもよい。
【0092】
図5は、第3実施例に係る大気圧プラズマ生成装置の断面図であって、図2に示したプラズマ生成装置42の変形例を示したものである。すなわち、このプラズマ生成装置70は、図2に示した第2ガス供給ヘッド62を省略したもので、他の構成は図2に示したものと同様となっている。
【0093】
この実施例に係るプラズマ生成装置70は、ガス供給ヘッド48を介してヘリウムガスと酸素ガス、又はヘリウムガスと四フッ化炭素ガスとの混合ガスからなる放電用ガスをガス流路46に導入する。そして、放電用ガスを低周波電極58に印加した低周波電圧によって電離又は活性化して電子や活性種を生成し、これらを高周波電極60に対応したプラズマ生成領域22にトリガとして供給し、プラズマを発生させるものである。このように構成することにより、プラズマ生成装置の簡素化を図ることができる。ヘリウムガスにエアを混入したガスを用いた場合も、同様にプラズマを発生させることができる。
【0094】
なお、ガス供給ヘッド48から酸素ガス、四フッ化炭素ガス又はエアを供給し、低周波電極58に低周波電圧を印加するとともに、高周波電極に高周波電圧を印加して酸素ガス、四フッ化炭素ガス又はエア単独によるプラズマを発生させてもよい。
【0095】
図6は、第4実施例に係る大気圧プラズマ生成装置の断面図である。この実施例のプラズマ生成装置72は、セル44がT字状に形成してあって、セル44の水平部74に第1ガス供給ヘッド48と連通しているガス流路46が設けてある。そして、セル44の鉛直部76には、ガス流路46に接続させた第2流路78が形成してある。また、鉛直部76の上端部には、第2ガス供給ヘッド62が取り付けてあって、第2ガス供給ヘッド62に流入したトリガガスをガス流路46に導けるようにしてある。さらに、鉛直部76には、第2ガス供給ヘッド62の下方の一側に低周波電極58が配設してあるとともに、反対側の低周波電極58と対応した位置に接地電極80が取り付けてある。
【0096】
このように構成したプラズマ生成装置72によるプラズマの生成方法は、前記した第2実施例に係るプラズマ生成装置42とほぼ同様である。すなわち、第2ガス供給ヘッド62からトリガガスを導入するとともに、低周波電極58に低周波電圧を印加して電子と活性種とを生成してプラズマ生成領域22に供給する。また、放電用ガスは、第1ガス供給ヘッド48を介して第1ガス流路46に供給する。そして、高周波電極60に高周波電圧を印加してグロー放電を発生させてプラズマを生成する。なお、破線に示したように、低周波電極58とともに、水平部74にも低周波電極82を設けて第1ガス供給ヘッド48から供給された放電用ガスを電離または活性化させてもよい。
【0097】
図7は、第5実施例であって、表面処理である有機物除去方法を実施する装置の概略構成図である。この装置は、プラズマ生成用ガスを供給するガス供給部と、プラズマを生成し活性なガスを形成するプラズマ発生部、及び活性化されたガスを吹き付け被処理体を処理する処理部から構成される。
【0098】
ガス供給部は、極めて安価である圧縮空気より窒素を生成できる窒素生成器11を備えている。窒素生成器11のかわりに、市販の窒素ガスボンベ等から供給してもよい。窒素生成器11からは、純度99%以上の濃度の窒素ガスを数十l/min供給することが出来る。
【0099】
プラズマ発生部は、供給されたガスの流路を形成するため1mmから3mm程度のギャツプを形成した一対の誘電体1と、一対の誘電体1で形成されたガスの流路内で放電を発生させるために設けられた、ガス流路を挟んだ一対の電極2a、2bから構成される。誘電体1は、放電による昇温に起因する割れを防ぐため、石英ガラスを用いている。
【0100】
処理部は、被処理体8を設置するステージ7から構成され、ステージ7は水平方向に移動可能であり、ステージ7を移動させることで被処理体全体を処理することが可能である。誘電体1の被処理体に近い端面から被処理体8までの距離は、1〜2mm程度に保たれている。
【0101】
ガス供給部から導入された窒素ガスは、プラズマ発生部上部に設置される中間チャンバー12に供給される。中間チャンバー12を設けることで、スリット状に開口されたガス供給口13から、一対の誘電体1で形成されたガス流路23を経由してガスが被処理体8にライン状に一様なガス流速分布をもって供給されるようになる。
【0102】
電極2aには、2種類の周波数の電圧を同時に印加できるように2つの電源が接続されている。一つは、20kHz電源9であって、十数kVに昇圧するための昇圧トランス4と、更には13.56MHz高周波電源出力による20kHz電源9の過負荷防止のために設けられたフィルター回路3とを介して電極2aに接続されている。もう一つは、13.56MHz高周波電源10であって、インピーダンス整合器6と、20kHz電源9の出力による13.56MHz高周波電源10の過負荷を防止するため設けられたフイルター回路5とを介して電極2aに接続されている。これら2つの電源9、10は、それぞれ独立して制御されており、単独または重畳して電圧を印加することが可能である。対向する電極2bは、接地電極となっている。
【0103】
次に、放電発生方法について説明する。13.56MHzの高周波電源10においては、周波数が高いために2〜3kV程度しか電圧を印加できないため、窒素ガス単体の雰囲気中では放電が開始されない。そこで、まず十数kVに昇圧された20kHzの高電圧を電源9により電極2aに印加してコロナ放電を開始させる。電源出力は、放電が開始させることが出来れば、大出力を必要としない。また、この時放電していなくても、電極間に十数kV以上の電圧が印加されていればよい。
【0104】
コロナ放電が開始された後、電源10により13.56MHzの高周波電圧を20kHzの電圧が印加されている電極2aに重畳して印加する。
【0105】
図8は、20kHzの出力を50Wと一定にし、重畳した13.56MHzの高周波出力を徐々に増加していったときの放電の発光強度の変化を示したものである。横軸が13.56MHz電源10の出力であり、縦軸が放電の発光強度である。放電の発光強度は、放電部を誘電体1のセルのガス吹き出し口から光ファイバーにより採光し、分光器によりスペクトル分解したものを光電子増倍管で検出したものてある。発光強度は、任意の強度であり、分光した波長は、336.9nmの窒素分子スペクトルである。
【0106】
図中の領域aにおいては、13.56MHzの高周波出力を徐々に増加させていっても殆ど発光強度が変わらない。この条件下では、20kHzの高電圧を切ると放電は停止してしまい、13.56MHzの高周波電圧単体では放電を維持することはできない。領域bになると、局部的に発光強度が強くなる部分が現れる。この放電状態では、20kHzの高電圧を切っても、13.56MHzの高周波電圧のみで放電を持続できるようになる。これは、一旦、放電によって発生した電子が、20kHzの高電圧を利用しなくとも高周波電圧から得られるエネルギーにより電子が気体の電離持続を行えるようになったためと考えられる。
【0107】
領域cは、電極全面に高周波放電が形成された状態であり、領域b同様、20kHzの高電圧を切っても、高周波電圧単独で放電を維持できる。発光強度の強い放電が、ほぼ電極全面に形成されているため、被処理体8の処理を均一に行うのに最も適した条件である。このようにして得られた放電中を通過させ、活性化した窒素ガスを、被処理体に吹きつけることて、被処理体をプラズマに晒す事なく被処理体8の表面処理が可能となる。
【0108】
次に、図7のプラズマ生成装置による表面処理における有機物除去に関する実験結果について説明する。
【0109】
【表1】
【0110】
表1は、シリコン基板上に塗布したレジストを除去した時の除去速度である。処理条件は、13.56MHz出力400W、窒素ガス流量10l/min、ワークと放電部の距離は、約6mmに設定した。誘電体1端面からワークまでの距離は約1mm程度である。この時のレジスト除去速度は、レジスト深さ方向でガスの吹き出し直下において、150nm/minが得られた。
【0111】
比較のため、同一装置を用いて酸素ガスによりレジストをアッシングした結果を表1に示した。処理条件は、ガス種が異なる以外、窒素ガス処理と同一条件としている。酸素ガスによる除去速度は、180nm/min程度であり、窒素ガスによるレジストン除去は、酸素のアッシング処理速度とほとんど差異が無いことがわかる。また、酸素ガスによるアッシングは放電部と被処理体の距離が離れるにつれて、アッシング速度が減少する割合がおおきく、窒素ガスを用いた場合には、比較的距離が離れても有機物の除去処理がされた。これは、放電中で生成される窒素の活性種の寿命が酸素の活性種より長いため、より拡散して処理反応が起きるためと推定される。
【0112】
また、周波数条件が異なる処理についての比較も行った。一般的に、図7のような間接放電方式の場合、有機物除去速度を向上させるには、放電部を被処理体に接近させるか印加出力を増加させるとよい。放電部を被処理体に接近させるのは、放電部で生成された活性種が被処理体に輸送される過程で、輸送距離が短いほど活性種の減衰が小さいため被処理体に多くの活性種が到達できるからであり、印加出力を増加させることにより、放電中に生成する活性種の絶対数が増加するからである。しかしながら、20kHzの高電圧を用いた場合、印加される電圧が高いため、ある出力以上になると一対の電極間で放電が維持されるだけでなく、被処理体との間で放電が発生し、場合によっては被処理体が損傷してしまう。本実施例での20kHzの低周波高圧電源を用いた比較実験では、被処理体と電極の距離は、印加出力が200Wの時、約25mm以上離さなければならない。これを処理条件とした時の20kHzの低周波電源によるプラズマ処理では、窒素ガスのみならず酸素ガスを用いた場合においてもレジスト除去速度は極めて遅く、5nm/min以下であった。
【0113】
以上の結果から、周波数の高い13.56MHz高周波放電では、被処理基板を放電に晒すことなく、プラズマをより被処理体に接近させる事ができ、且つ印加可能な出力を増加させる事ができるため高密度のプラズマが形成できる。その結果、生成された高密度の活性種が被処理体に到達する事ができ、処理の高速化が図れた。
【0114】
ところで、本実施例において、空気を用いて同一条件にてレジストの除去を試みてみたが、レジストは全く除去されなかった。そこで窒素の酸素に対する混合率を
(窒素流量/(窒素流量十酸素流量))×100%
と定義し、いくつかの混合率にて確認してみた結果、図9に示す様に、混合率99%以上及び20%以下においてレジスト除去効果を有し、その間の混合率のガス条件では、全くレジストが除去されない事がわかった。
【0115】
この理由については、以下の様に考えられる。まず、混合率20%以下での反応は、従来の酸素アッシングと同様、酸化による有機物除去現象と推定される。これに対し、混合率99%以上における反応は、プラズマ中で形成された窒素の活性種とレジストの反応で、レジストの酸化反応ではなく、窒化反応またはエネルギーの比較的高い粒子により有機物が分解されると考えられる。
【0116】
しかしながら、放電中、酸素がある一定以上混入すると、窒素の活性種と酸素の活性種が反応し、比較的安定な窒素酸化物が形成される。この安定な窒素酸化物は、有機物と反応することなく排気され、有機物反応は起きない。空気の窒素の酸素に対する混合率は約80%程度であるため、窒素酸化物の影響により有機物の除去ができなかったと推定される。
【0117】
図10は、本発明に関する第6の実施例であり、有機物除去方法を実施する装置の概略的な構成図てある。第5の実施例と共通部分については同一符号て示し、詳細な説明は省略する。
【0118】
すなわち本実施例においては、誘電体1を挟んで、接地された電極2bと電極2aが設置されている。電極2aには13.56MHzの電源10がインピーダンス整合器6を介して接続されている。電極2a及び電極2bには、内部にヒータが設置されており、所定の温度まて電極を加熟し一定に保つことが出来る。
【0119】
次に、放電手順を説明する。まず、電極2a及び電極2bをヒーターにより加熱し、間接的に誘電体1の放電面を暖める。誘電体1の放電面を暖めるのは、表面からの二次電子又は熱電子の放出性を高めるためのものであり、この二次電子又は熱電子の放出が多いほど放電開始がし易くなる。したがって、誘電体1の放電面の表面温度が高いほど放電がし易い。誘電体1表面が暖まった後、誘電体1のセル内(ガス流路23)に窒素ガスを導入し、13.56MHzの電圧を電極2aに印加する。本実施例では、電極2a、2bの加熱温度を200℃に設定したところ、13.56MHzの高周波電圧で窒素ガス単体で放電が開始することが出来た。すなわち、第5の実施例同様、窒素ガスを用いて高速のレジスト除去ができた。
【0120】
電極を加熱する手段は、電極2a又は電極2bの内部に設置したヒーターでなくとも、誘電体1の放電面を外部から赤外線等を用いて加熱する手段であってもかまわない。さらには、放電面の材料が二次電子放出の高いもの、もしくは熱電子放出の高いものであることが望ましい。例えば、SrO、CaO、BaO等は仕事関数が小さく、比較的表面の温度が高くなくても熱電子が放出しやすいので電極表面材料に適している。これら材料は、誘電体表面に薄膜として構成されていても構わない。
【0121】
次に、本発明による窒素ガスを用いた被処理体の表面処理による濡れ性改善の実施例について説明する。
【0122】
本実施例に用いた表面処理装置は、第5及び第6の実施例と同一処理装置であり、詳細な説明は省略する。
【0123】
すなわち被処理体8としてガラス基板を用いて、本発明による表面処理方法によりガラス基板に活性な窒素ガス吹き付け処理を行い、純水の接触角により基板表面の濡れ性について評価を行った。評価用に用いたガラスは、OA−2。処理前のガラス表面の純水の接触角は、平均70度であった。
【0124】
図11は、ガラス基板の処理時間による接触角の変化を示す。比較のため、周波数の異なる条件について評価した結果についても示した。20kHzの周波数を用いた処理の場合、第1の実施例において既に説明したとおり、高電圧を用いるため、条件に制約があり、表1に示した有機物除去条件と同一条件にて比較評価している。図11からも解るように、本発明による13.56MHzを用いた窒素ガス放電処理は、20kHzの放電処理に比ベ、濡れ性が明らかに短時間で飽和する。
【0125】
ところで、本実施例において、空気を用いた濡れ性の改善に処理について試みてみたが、ガラス基板表面の濡れ性の改善は極めて遅く、接触角が飽和するまでに5分以上かかった。そこで窒素の酸素に対する混合率を
(窒素流量/(窒素流量十酸素流量))×100%
と定義し、処理時間30秒における接触角について混合率を変化させ確認してみた結果、図12に示す様に、混合率99%以上及び20%以下においては濡れ性の改善処理の速い条件があることが判明した。
【0126】
濡れ性の場合、幾つかの要因が考えられるが、現在のところ、濡れ性の処理速度改善効果の高い条件が、窒素ガスプラズマでも述べた有機物除去条件とほぼ一致していることから、基板表面に付着している有機物の汚れが除去された事による基板表面のクリーニング効果が大きいと推定される。但し、窒素ガスを用いた場合には、基板表面にNH基等の親水基が生成してることが推定される。したがって、需れ性の改善のために用いるガスとしては、窒素ガスが望ましい。
【0127】
図13は、第7実施例の斜視図と断面図である。この実施例は、局部的な表面処理を容易に行えるようにしたもので、例えば石英などの誘電体から形成したパイプ82によってガス流路23が形成してある。また、パイプ82の直径方向両側には、第1電極2aと第2電極2bとが配設してあり、これらの電極間でプラズマを生成するようになっている。そして、パイプ82には、ガス導入管84が接続してあって、同図(2)の矢印に示したように、ガス導入管84を介して放電用ガス86をガス流路23に供給できるようにしてある。この第7実施例によるプラズマの生成は、第1実施例と同様に行うことができる。
【0128】
図14は、第8実施例を示したものであって、被処理体のバッチ処理用のプラズマ生成装置である。本実施例においては、チャンバー90内にガス流路23を形成しているパイプ状の誘電体92が配設してある。そして、誘電体92の一端には、ガス導入管94が接続してあって、ガス流路23に放電用ガス86を導入できるようにしてある。また、誘電体92の他端には、フレキシブルパイプなどからなるプラズマ供給管96が接続してある。このプラズマ供給管96は、先端が処理ボックス98に接続してある。処理ボックス98の内部には、多数の被処理体8がラック100などに配置した状態で収納してある。
【0129】
このように構成した第8実施例においては、誘電体92の上下に配置した電極2a、2b間に高周波電圧を印加し、第1実施例と同様にしてプラズマを発生させる。そして、プラズマの発生に伴い生成された活性種をプラズマ供給管96を介して処理ボックス98に導入して被処理体8に照射し、一度に多数の被処理体8のアッシングやエッチングなどを行う。
【0130】
図15は、第9実施例の断面図と斜視図であって、エッチングなどに適した直接放電処理用のものである。このプラズマ生成装置102は、一方の誘電体104がコ字状に形成してあって、接地電極106の凸部を跨いで配置させるようになっている。そして、誘電体104と接地電極106とは、長手方向に相対移動できるようにしてある。
【0131】
誘電体104の上部には、高周波電極108が設けてあるとともに、ガス供給ヘッド110が取り付けてある。また、接地電極106の凸部上面には、被処理体8が配置される板状の誘電体112が設けてあり、この誘電体112と誘電体104とでガス流路23が形成される。このように構成した第9実施例においては、被処理体8を直接放電に晒すことができるため、迅速なエッチングなどの表面処理を行うことができる。
【0132】
図16は、さらに他の実施例を示したものである。図16において、プラズマ生成装置114は、ガス流路23が上下の誘電体116、118によって形成してある。また、プラズマ生成装置114は、高周波電極120と接地電極122とが誘電体116、118を挟んで対向するように設けてある。そして、誘電体116の上部には、高周波電極120を覆ってカバー124が取り付けてある。このカバー124の内面と高周波電極120との距離Lは、誘電体120、122間の距離(放電ギャップ)dより大きくしてある。また、このカバー124の内部には、空気より放電しにくい流体、例えば四フッ化炭素ガスが封入してある。
【0133】
このように構成したことにより、高周波電極120に高周波電圧を印加することによる沿面放電を防止することができる。すなわち、ヘリウムガスなどの希ガスを混入せずにプラズマを発生させる場合、希ガスを混入した場合よりも高電圧を必要とする。特に、四フッ化炭素ガスなどの空気より放電しずらいガスを使用する場合は、沿面放電が発生するおそれがあり、沿面放電が発生すると電圧が低下して放電の維持が困難となってプラズマを生成することができない。そこで、カバー124内に空気より放電しにく四フッ化炭素ガスなどを封入して沿面放電を防止する。
【0134】
なお、四フッ化炭素ガスに代えて絶縁油などを封入してもよい。また、図16の破線に示したように、誘電体116にカバー124内とガス流路23とを連通する連通孔126を形成し、カバー124内に流入させた四フッ化炭素ガスを連通孔126を介してガス流路23に供給するようにしてもよい。このように、カバー124を介して四フッ化炭素ガスをガス流路23に供給するようにすると、沿面放電の防止が図れるとともに、装置を小型化することができる。
【0135】
なお、沿面放電の防止を図るために、電極の近傍には何も配置せず、電極のみにすることが望ましい。そして、電極の近くに何かを配置する場合には、望ましくは2mm/v以上の距離をおくとよい。また、誘電体は、ガス流路を形成する面ができるだけ凹凸の少ない平なものを使用することが望ましく、平均粗さが0.02μm以下にすることが望ましい。これは、凹部が存在すると、その部分に電界が集中し、部分放電が生じて望ましくないことによる。
【0136】
さらに、図2に示したような場合、高周波電極60は、セル(誘電体)44からはみださないようにすることが望ましく、セル44の端部より1cm以上内側に配置することが望ましい。これは、電極がセルの端からはみだすと、セル44の側面をつたわった沿面放電を生じやすいことによる。
【0137】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、希ガスを使用せずに、又は希ガスに対する酸素ガスや四フッ化炭素ガスなどの割合を多くしたガスを用いて容易に大気圧プラズマを生成することができ、高価な希ガスの使用量の大幅な削減を図れて、表面処理に利用した場合に、表面処理のコスト低減と処理速度の向上を図ることができる。
【0138】
また、本発明によれば、大気圧下、ヘリウムを用いず安価な窒素ガスを使用して放電できるのでランニングコストが低減できる。さらには、ヘリウムを用いなくとも、窒素ガスや酸素ガスのような反応性ガスにより数MHz以上の高周波電圧を用いて大気圧下放電が容易にでき、処理の高速化が可能である。また、大気圧下、窒素ガスを用いた高周波放電の実現により、酸素ガスを用いる事なく、酸素処理同様、有機物を除去や基板表面の濡れ性の改善ができるので、酸化を問題とする被処理体又は発火等の危険性がある雰囲気においてる被処理体の処理に適用でき、新たなプロセスが提言できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例に係る大気圧プラズマ生成装置の概略構成図である。
【図2】本発明の第2実施例の説明図であって、(1)は斜視図であり、(2)は平面図であり、(3)は(2)のA−A線の沿った断面図である。
【図3】第2実施の形態に係るプラズマ生成装置による一定の酸素ガス流量に対するヘリウムガス流量と、グロー放電を開始時およびグロー放電OFF時における高周波入力電力との関係を示し図である。
【図4】第2実施の形態に係るプラズマ生成装置による一定の四フッ化炭素ガス流量に対するヘリウムガス流量と、グロー放電を開始時およびグロー放電OFF時における高周波入力電力との関係を示し図である。
【図5】第3実施例に係る大気圧プラズマ生成装置の断面図である。
【図6】第4実施例に係る大気圧プラズマ生成装置の断面図である。
【図7】第5実施例の概略構成図である。
【図8】低周波放電に高周波出力を重畳することによって得られる放電の発光強度を示す特性図である。
【図9】窒素ガスの酸素ガスに対する混合率による有機物除去速度を示す特性図である。
【図10】第6実施例の概略的な装置構成図である。
【図11】窒素ガスの周波数によるガラス基板表面の処理時間による接触角を示す特性図である。
【図12】窒素ガスの酸素がすに対する混合率によるガラス基板表面の処理時間による接触角を示す特性図である。
【図13】第7実施例の斜視図と断面図である。
【図14】第8実施例の断面図である。
【図15】第9実施例の断面図と斜視図である。
【図16】さらに他の実施例の説明図である。
【符号の説明】
1 誘電体
2a、2b 電極
3、5 フィルター回路
4 昇圧トランス
6 インピーダンス整合器
7 ステージ
8 被処理体
9 低周波電源(20kHz電源)
10 高周波電源(13.56MHz電源)
11 窒素生成器
12 中間チャンバー
13 ガス供給スリット
20 ヒーター
21 チャンバー
22 プラズマ生成領域
23、46 ガス流路
25 高周波電源
26 プラズマ検出手段(光センサ)
28 制御手段(コントローラ)
34、38 第1ガス供給手段(酸素ガスボンベ、流量制御弁)
36、40 第2ガス供給手段(ヘリウムガスボンベ、流量制御弁)
42 プラズマ生成装置
44 セル(誘電体)
58 低周波電極
60 高周波電極
66 接地電極
70、72 プラズマ生成装置
82 パイプ
86 放電用ガス
98 処理ボックス
108、120 高周波電極
106、122 接地電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma generation method for generating plasma, and more particularly to an atmospheric pressure plasma generation method and apparatus for generating plasma for processing the surface of an object to be processed under atmospheric pressure, and a surface treatment method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, organic substances are removed by ashing in which oxygen plasma is formed in a vacuum and the organic substance applied to the semiconductor substrate or the like by the generated oxygen radicals, that is, a resist is oxidized and gasified to be removed, and corona is removed under atmospheric pressure. An ashing process for removing ozone generated by discharge or the like, or a process for decomposing and removing organic substances using UV (ultraviolet rays) is known.
[0003]
However, the organic substance removal method by ashing using vacuum plasma requires a vacuum vessel, an exhaust pump, etc., which increases the size and complexity of the apparatus and increases the processing cost. There is a problem that the quantity that can be processed is limited because it needs to be performed.
[0004]
Corona discharge treatment and silent discharge treatment, which are known as discharge treatment that does not use helium under atmospheric pressure, apply a high voltage boosted to a frequency of several tens of Hz to several tens of kHz and up to several tens of kV. Although ozone is generated by discharge and organic matter is removed by its oxidizing power, in this method, since the oxidizing power of ozone is smaller than that of the active species of oxygen, it is difficult to speed up the organic matter removing process.
[0005]
On the other hand, in order to solve such problems, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-1245192, it is formed at atmospheric pressure or a pressure in the vicinity thereof as a relatively inexpensive means for improving productivity. A method of processing with plasma has been proposed. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-245192, in order to improve the adhesion between the IC of the object to be processed and the mold resin before encapsulating the mold resin, the organic matter adhering to the IC is removed to improve the wettability. A surface treatment is disclosed. As a plasma generating gas used when generating atmospheric pressure plasma in the above ashing treatment and surface treatment, it is known to use a gas that is easily discharged, for example, a helium gas having a low discharge starting voltage, In order to perform ashing, it is known to add oxygen together with a plasma generating gas.
[0006]
As a surface treatment method using atmospheric pressure plasma, a direct discharge treatment method in which an object to be treated is directly exposed to plasma, and an object to be treated is irradiated with active species generated by the plasma without directly exposing the object to be treated with plasma. There is an indirect discharge treatment method.
[0007]
In the direct discharge processing method, it is possible to increase the processing speed, but the target object is likely to be destroyed or the characteristic is shifted due to plasma damage. In particular, if the surface to be processed of the object to be processed is a metal, discharge tends to concentrate on the protrusions, and the surface to be processed cannot be uniformly processed. On the other hand, in the indirect discharge processing method, the above-described plasma damage does not occur because the object to be processed is not exposed to the discharge.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, since the active species generated in the discharge have a lifetime, and this lifetime is relatively short, in the case of the indirect discharge treatment method, if the workpiece is placed at a position away from the plasma generating portion, There is a problem that the number of active species that can be irradiated is reduced and the processing efficiency is greatly reduced.
[0009]
Also, in order to perform high-speed processing by the indirect discharge processing method, a large amount of helium gas must be used. This is because the helium gas is a gas that is relatively easily discharged and also serves as a transport gas for transporting more active species generated during the discharge to the workpiece. In this case, helium gas has a high cost per unit capacity, and there is a problem that a running cost becomes high when used in a large amount.
[0010]
Generally, it is known that the processing speed improves as the plasma density increases. The plasma density during discharge also depends on the frequency of the applied voltage, and it is said that the higher the frequency, the higher the plasma density. This is presumably because the higher the frequency, the more vibrant the electrons vibrate, increasing the probability of collision with the gas and increasing the ionization frequency. However, it is extremely difficult to start discharging other reactive gases using a frequency of several MHz or more without using helium gas at atmospheric pressure. This is because, for example, the discharge start voltage of a reactive gas such as nitrogen gas or oxygen gas has an extremely high spark voltage under atmospheric pressure as compared with helium gas, as shown by Paschen's discharge theory. In the case of nitrogen gas, when the distance between the electrodes is about 1 mm, about several kV to about several tens of KV is required to start discharge. Thus, since it is difficult to start high-frequency discharge without using helium, the composition of the plasma generation gas (discharge gas) is 90% or more of the discharge start voltage when generating atmospheric pressure plasma. The remaining 10% or less of the remaining helium gas is a reactive gas such as oxygen gas, and there is a problem that it is difficult to speed up the ashing or wettability improvement process using only the reactive gas. For this reason, expensive helium gas is used in large quantities, and it is difficult to reduce processing costs.
[0011]
Further, oxygen is always used for removing organic substances in the surface treatment method described above. For this reason, there exists a subject that the surface of a to-be-processed object will be oxidized simultaneously with the removal of the organic substance on a to-be-processed object. Therefore, it is difficult to remove organic substances using the above-described processing method in an object to be processed which is extremely problematic for surface oxidation.
[0012]
Moreover, since oxygen is used, generation of ozone is unavoidable even in treatment methods other than ozone treatment. As is well known, since ozone is harmful to the human body, safety measures such as detoxification are required especially for the generation of high-concentration ozone.
[0013]
In addition, atmospheric pressure plasma treatment is more convenient than vacuum plasma because it can be used open to the atmosphere, so it can be installed anywhere, but under conditions where a large amount of oxygen is used, it tends to be an ignition source in the treatment chamber. If an electrical system such as a relay or flammable material is installed, the oxygen concentration increases and there is a risk of ignition. Therefore, as with ozone, safety measures are required, and there are problems such as not only restrictions on the installation location of the apparatus but also an increase in apparatus cost.
[0014]
The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to greatly reduce the amount of rare gas used such as helium gas and to easily generate plasma at atmospheric pressure. It is to be able to generate.
[0015]
Another object of the present invention is to be able to generate plasma under atmospheric pressure without using a rare gas.
[0016]
Furthermore, an object of the present invention is to improve the surface treatment speed such as the organic substance removal processing speed, the surface wettability processing speed, and the etching speed during the plasma processing.
[0017]
It is another object of the present invention to provide a surface treatment method capable of proposing a new process by reducing the running cost of a gas used for the treatment and further providing a new organic matter removing means that does not use oxygen.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The above object is achieved by the present invention described below. That is, in the atmospheric pressure plasma generation method according to the present invention, a discharge gas is introduced into a plasma generation region under an atmospheric pressure formed by a dielectric material or a pressure in the vicinity thereof, and the first electrode provided with the dielectric material interposed therebetween. In the atmospheric pressure plasma generation method of generating a plasma by applying a high frequency voltage to the second electrode and generating a plasma by supplying a mixed gas of a rare gas and a surface treatment gas to the plasma generation region, The supply of the rare gas is stopped.
[0019]
Further, an atmospheric pressure plasma generation method according to the present invention includes a grounding electrode provided with a discharge gas introduced into a plasma generation region under an atmospheric pressure formed by a dielectric or a pressure near the atmospheric pressure, and sandwiched with the dielectric. In an atmospheric pressure plasma generation method for generating plasma by applying a high frequency voltage to a first electrode and a second electrode, a rare gas is supplied to the plasma generation region to generate plasma, and then a surface treatment gas is The plasma generation region is supplied to generate plasma by the surface treatment gas, and the supply of the rare gas is stopped.
[0020]
The surface treatment gas is preferably either oxygen gas or carbon tetrafluoride gas. The trigger gas is preferably helium gas.
[0021]
Further, an atmospheric pressure plasma generation method according to the present invention includes a grounding electrode provided with a discharge gas introduced into a plasma generation region under an atmospheric pressure formed by a dielectric or a pressure near the atmospheric pressure, and sandwiched with the dielectric. In an atmospheric pressure plasma generation method for generating a plasma by applying a high frequency voltage to a first electrode and a second electrode, at least at the start of discharge in the plasma generation region, an electron or gaseous active species is added to the plasma generation region The plasma is generated by supplying together with the discharge gas. The electrons or active species may be thermoelectrons emitted from a heated filament, electrons emitted from an electron gun, or electrons or active species generated by generating a corona discharge.
[0022]
The discharge gas is preferably oxygen gas, carbon tetrafluoride gas, or a mixed gas of one of these and a rare gas.
[0023]
The atmospheric pressure plasma generation method according to the present invention is characterized in that the supply of the electrons or active species is stopped after the generation of the plasma. The electrons or active species may be continuously supplied even after the plasma is generated.
[0024]
The high-frequency voltage preferably has a frequency of 400 kHz to 100 MHz.
[0025]
An atmospheric pressure plasma generation apparatus that implements the above atmospheric pressure plasma generation method includes a dielectric that forms a plasma generation region and a surface treatment gas that is supplied to the plasma generation region at or near atmospheric pressure. A first gas supply means; a second gas supply means for supplying a rare gas to the plasma generation region at or near atmospheric pressure; a ground electrode, a first electrode, Two electrodes, a high-frequency power source for applying a high-frequency voltage between the ground electrode, the first electrode, and the second electrode, plasma detection means for detecting that plasma has been generated in the plasma generation region, and the plasma detection means And control means for controlling the second gas supply means based on the detection signal and stopping the supply of the rare gas to the plasma generation region.
[0026]
The control means may supply the surface treatment gas to the plasma generation region by controlling the first gas supply means after the generation of plasma by the rare gas.
The atmospheric pressure plasma generation apparatus according to the present invention includes a dielectric that forms a plasma generation region, a gas supply unit that supplies a discharge gas to the plasma generation region under atmospheric pressure or a pressure near the atmospheric pressure, A trigger supply means for supplying active species in the form of electrons or gases to the plasma generation region under atmospheric pressure or a pressure close thereto, a ground electrode, a first electrode and a second electrode provided with the dielectric interposed therebetween, A high-frequency power source that generates a plasma by applying a high-frequency voltage between the ground electrode, the first electrode, and the second electrode is provided.
[0027]
The atmospheric pressure plasma generation apparatus according to the present invention includes a dielectric that forms a plasma generation region, a gas supply unit that supplies a discharge gas to the plasma generation region under atmospheric pressure or a pressure near the atmospheric pressure, A trigger supply means for supplying active species in the form of electrons or gases to the plasma generation region under atmospheric pressure or a pressure close thereto, a ground electrode, a first electrode and a second electrode provided with the dielectric interposed therebetween, A high-frequency power source that generates a plasma by applying a high-frequency voltage between the ground electrode, the first electrode, and the second electrode; a plasma detection unit that detects that plasma is generated in the plasma generation region; and the plasma detection unit Control means for controlling the trigger supply means based on the detection signal to stop the supply of the electrons or active species.
[0028]
The high-frequency voltage output from the high-frequency power source preferably has a frequency of 400 kHz to 100 MHz.
[0029]
Further, the dielectric having the electrode connected to the high frequency power source is provided with a cover covering the electrode connected to the high frequency power source, and a fluid that is less likely to discharge than air is injected into the cover. It is preferable.
[0030]
The fluid that is more difficult to discharge than air is preferably carbon tetrafluoride gas. The dielectric is formed with a hole communicating the inside of the cover and the plasma generation region, and carbon tetrafluoride gas injected into the cover is supplied to the plasma generation region through the hole. It is preferable.
[0031]
The distance between the electrode connected to the high-frequency power source and the inner surface of the cover is preferably larger than the discharge gap of the plasma generation region.
The surface treatment method according to the present invention includes a cell formed of a pair of dielectrics under atmospheric pressure or a pressure near the atmospheric pressure, a ground electrode sandwiching the dielectrics, a first electrode, and a second electrode. A discharge gas is introduced into the cell, a high frequency voltage is applied between the ground electrode, the first electrode, and the second electrode to generate plasma, and the active species generated by the plasma are treated. In the surface treatment method for removing organic substances on the surface of the object to be treated by irradiation, the discharge gas is a gas containing nitrogen and oxygen, and the mixing ratio of nitrogen to oxygen = (nitrogen flow rate / (nitrogen flow rate). 10 oxygen flow rate)) × 100 is 99% or more.
[0032]
The surface treatment method according to the present invention includes a cell formed of a pair of dielectrics under atmospheric pressure or a pressure near the atmospheric pressure, a ground electrode sandwiching the dielectrics, a first electrode, and a second electrode. A discharge gas is introduced into the cell, a high frequency voltage is applied between the ground electrode, the first electrode, and the second electrode to generate plasma, and the active species generated by the plasma are treated. In the surface treatment method for hydrophilizing the surface of the object to be treated, the discharge gas is a gas containing nitrogen and oxygen, and the mixing ratio of nitrogen to oxygen = (nitrogen flow rate / (nitrogen flow rate +10 Oxygen flow rate)) × 100 is 99% or more.
[0033]
The surface treatment method according to the present invention is characterized in that, in the above, the discharge maintaining means for continuously generating the plasma applies a high frequency voltage of 1 MHz to 100 MHz.
[0034]
Further, in the surface treatment method according to the present invention, in the above, the discharge maintaining unit and the high voltage applying unit of 50 kHz or less are provided side by side on the electrode, and the high voltage applying unit is superimposed on the discharge maintaining unit and applied. After the discharge is started, the high voltage applying unit is used by superimposing the high voltage applying unit on the discharge maintaining unit alone or on the discharge maintaining unit.
Moreover, it is preferable to heat the discharge surface of the dielectric in advance before the start of discharge.
[0035]
The surface treatment method according to the present invention includes a cell formed of a pair of dielectrics under atmospheric pressure or a pressure near the atmospheric pressure, a ground electrode sandwiching the dielectrics, a first electrode, and a second electrode. A plasma is generated by introducing a discharge gas into the cell and applying a voltage between the ground electrode, the first electrode, and the second electrode, and the active species generated by the plasma is used as an object to be processed. In the surface treatment method for performing irradiation treatment, a voltage having a plurality of different frequencies is superimposed and applied between the first electrode and the second electrode at least for a predetermined period until plasma generation is started.
[0036]
The voltages having a plurality of different frequencies are preferably supplied from at least a first voltage source of 1 MHz to 100 MHz and a second voltage source of 50 kHz or less.
In the surface treatment method according to the present invention, a discharge gas is introduced into a plasma generation region formed of a dielectric under an atmospheric pressure or a pressure close thereto, and a ground electrode and a first electrode provided with the dielectric interposed therebetween. In the surface treatment method of generating a plasma by applying a high frequency voltage to the first electrode and the second electrode, and irradiating the object to be processed with active species generated by the plasma, the organic substance on the surface of the object to be processed is removed. A plasma is generated by supplying a mixed gas of a rare gas and an oxygen gas to the generation region, and thereafter, the supply of the rare gas is stopped to generate plasma by the oxygen gas.
[0037]
Further, the surface treatment method according to the present invention introduces a discharge gas into a plasma generation region under an atmospheric pressure formed by a dielectric material or a pressure near the atmospheric pressure, and a ground electrode provided between the first dielectric electrode and the ground electrode. In the surface treatment method of generating plasma by applying a high-frequency voltage to the electrode and the second electrode, and irradiating the object to be processed with active species generated by the plasma to remove organic substances on the surface of the object to be processed, A plasma is generated by supplying a rare gas to the plasma generation region, and then oxygen gas is supplied to the plasma generation region to generate plasma by oxygen gas, and the supply of the rare gas is stopped. .
[0038]
Further, the surface treatment method according to the present invention introduces a discharge gas into a plasma generation region under an atmospheric pressure formed by a dielectric material or a pressure near the atmospheric pressure, and a ground electrode provided between the first dielectric electrode and the ground electrode. In a surface treatment method in which a high frequency voltage is applied to an electrode and a second electrode to generate plasma, and an active species generated by the plasma is irradiated to the object to be processed to remove organic substances on the surface of the object to be processed. Alternatively, it is characterized in that plasma is generated by supplying gaseous active species to the plasma generation region together with a discharge gas composed of oxygen gas or a mixed gas of oxygen gas and rare gas.
[0039]
In the surface treatment method according to the present invention, a discharge gas is introduced into a plasma generation region formed of a dielectric under an atmospheric pressure or a pressure close thereto, and a ground electrode and a first electrode provided with the dielectric interposed therebetween. In the surface treatment method of generating a plasma by applying a high frequency voltage to the first electrode and the second electrode, irradiating the object to be processed with active species generated by the plasma and etching the surface of the object to be processed, the plasma generating region In addition, a mixed gas of rare gas and carbon tetrafluoride gas is supplied to generate plasma, and then supply of the rare gas is stopped to generate plasma by carbon tetrafluoride gas.
[0040]
Further, the surface treatment method according to the present invention introduces a discharge gas into a plasma generation region under an atmospheric pressure formed by a dielectric material or a pressure near the atmospheric pressure, and a ground electrode provided between the first dielectric electrode and the ground electrode. In the surface treatment method for generating plasma by applying a high frequency voltage to the electrode and the second electrode, and irradiating the object to be processed with active species generated by the plasma, the surface of the object to be processed is etched. After generating a plasma by supplying a rare gas to the region, supplying a carbon tetrafluoride gas to the plasma generation region to generate a plasma by the carbon tetrafluoride gas and stopping the supply of the rare gas It is characterized by.
[0041]
Further, the surface treatment method according to the present invention introduces a discharge gas into a plasma generation region under an atmospheric pressure formed by a dielectric material or a pressure near the atmospheric pressure, and a ground electrode provided between the first dielectric electrode and the ground electrode. In a surface treatment method in which a high frequency voltage is applied to an electrode and a second electrode to generate plasma, and the surface of the object to be processed is etched by irradiating the object to be processed with active species generated by the plasma. The active species in the form of carbon tetrafluoride gas or a discharge gas composed of a mixed gas of carbon tetrafluoride gas and a rare gas is supplied to the plasma generation region to generate plasma.
[0042]
The surface treatment method according to the present invention is characterized in that, in the above, supply of the electrons or active species to the plasma generation region is stopped after the plasma is generated.
[0043]
The surface treatment method according to the present invention is characterized in that, in the above, the high-frequency voltage has a frequency of 400 kHz to 100 MHz.
[0044]
[Action]
In the present invention configured as described above, an expensive rare gas is used only when starting up the plasma, and the supply of the rare gas is stopped after the plasma is started up. Can be significantly reduced, atmospheric pressure plasma can be obtained at low cost, and surface treatment using inexpensive atmospheric pressure plasma can be performed. As the surface treatment gas, oxygen gas can be used in the case of oxidizing and removing organic substances such as resist, and carbon tetrafluoride gas can be used in the case of etching a semiconductor substrate.
[0045]
In addition, since electrons or active species are supplied to the plasma generation region to make it easy to generate glow discharge, the amount of oxygen gas or carbon tetrafluoride gas mixed in the rare gas can be increased, or a rare gas can be used. Plasma can be generated by generating glow discharge using only oxygen gas or carbon tetrafluoride gas, the amount of rare gas used can be reduced, and the generation cost of atmospheric pressure plasma can be reduced. As the discharge gas, oxygen gas, carbon tetrafluoride gas, or a mixed gas of one of these and a rare gas can be used. In addition, after the plasma is generated, the supply of electrons or active species may be stopped or may be continuously supplied so that appropriate processing conditions can be obtained.
[0046]
In the above atmospheric pressure plasma generation method, when the frequency of the high-frequency voltage is not less than the cutoff frequency and not less than 400 kHz to 100 MHz, and preferably not more than about 400 kHz to 40 MHz, corona discharge (streamer due to electrons in the plasma generation region colliding with the electrode is caused. The transition to (discharge) can be prevented. When the frequency is lower than 400 kHz, the number of electrons colliding with the electrode increases, and corona discharge is likely to occur.
Further, when the frequency is higher than 100 MHz, the moving distance of electrons is shortened and sufficient energy due to the electric field cannot be obtained, and it becomes difficult to generate and maintain plasma.
[0047]
According to the atmospheric pressure plasma generation apparatus of the present invention, it is possible to easily generate atmospheric pressure plasma using a rare gas only when starting up the plasma and thereafter using no rare gas.
[0048]
In addition, in order to supply electrons or active species to the plasma generation region, it is possible to generate atmospheric pressure plasma by mixing a relatively large amount of oxygen gas or carbon tetrafluoride gas in the rare gas or without using the rare gas. it can.
[0049]
Moreover, when a fluid that is harder to discharge than air is injected by covering the electrode connected to the high frequency power source with a cover, creeping discharge can be reliably prevented even when a higher voltage is applied because no rare gas is used. Then, when carbon tetrafluoride gas is used as a fluid that is harder to discharge than air, the plasma is generated by supplying the carbon tetrafluoride gas injected into the cover to the plasma generation region through the holes provided in the dielectric. The cover can be used as a discharge gas supply path while avoiding creeping discharge, and the apparatus can be miniaturized and simplified. Furthermore, if the gap between the inner surface of the cover and the electrode is made larger than the discharge gap, the discharge between the cover and the electrode can be reliably prevented.
[0050]
And according to the surface treatment method in this invention, the following effects are acquired.
Nitrogen gas can be used to speed up the removal of organic substances and the surface wettability improvement process, so there is a high risk of treatment such as treatment of objects subject to surface oxidation or ignition in an oxygen atmosphere. It becomes possible to remove the organic matter of the object to be processed in the atmosphere.
[0051]
In addition, since a discharge of several MHz or more is used, high-density nitrogen plasma can be formed, and organic substances can be removed or wettability treatment can be accelerated. Further, it becomes possible to discharge with a reactive gas such as nitrogen gas alone at a high frequency voltage of several MHz or more and without using helium gas under atmospheric pressure. As a result, high-density nitrogen plasma can be generated, the processing speed can be increased, and an inexpensive nitrogen gas can be used, so that the running cost can be reduced.
[0052]
In addition, the functions of starting discharge and maintaining discharge are separated and can be controlled independently. It is known that the voltage at the start of discharge is higher than the voltage at the time of maintaining the discharge, and an appropriate and efficient voltage can be selected by separating the functions at the time of starting the discharge and maintaining the discharge. With only a single gas without using helium gas, even when nitrogen gas was discharged only at a high voltage in the range of several tens of Hz to several tens of kHz under atmospheric pressure, a high voltage was used only at the start of discharge. By switching to a high-frequency voltage during maintenance, high-frequency discharge of several MHz or more can be easily started, and the processing speed can be increased.
[0053]
In addition, by preheating the discharge surface, secondary electron emission from the electrode surface can be enhanced, and conventionally, only discharge of a high voltage in the range of several tens Hz to several tens kHz under atmospheric pressure starts. Even with the nitrogen gas that could not be generated, the discharge can be easily obtained by secondary electrons or thermal electrons at the time of triggering the discharge.
[0054]
Further, the voltage to be applied is divided into two roles of a discharge start function and a discharge maintenance function, and an appropriate voltage can be selected, so that the processing method can be optimized.
[0055]
In addition, for a gas having a high discharge start voltage, it is possible to apply a high voltage at the start of discharge and switch to a high frequency when maintaining the discharge.
[0056]
Furthermore, since a rare gas can be used only at the start-up of the plasma, and then a plasma can be generated using only oxygen gas, the amount of rare gas used can be greatly reduced, and the cost of ashing treatment using oxygen gas can be reduced. Reduction and improvement in processing speed can be achieved.
[0057]
Since the plasma is generated using the active species in the form of electrons or gas, plasma using oxygen gas can be generated without using any rare gas, and the cost can be further reduced. In addition, even when a rare gas is used, the amount of oxygen gas mixed in can be greatly increased, and the cost can be greatly reduced and the processing speed can be improved as compared with the prior art.
[0058]
Further, it is possible to generate plasma using only carbon tetrafluoride gas without using a rare gas, and it is possible to reduce the cost of etching treatment with carbon tetrafluoride gas and improve the processing speed.
[0059]
Then, after the plasma is started up, supply of electrons or active species to the plasma generation region can be stopped to set appropriate processing conditions. Furthermore, plasma can be easily generated, and high-density plasma can be obtained.
[0060]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of an atmospheric pressure plasma generation method and apparatus and a surface treatment method according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0061]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an atmospheric pressure plasma generation apparatus according to a first embodiment of the present invention.
[0062]
In FIG. 1, the plasma generator has a plasma generator inside a chamber 21 that is open at the bottom. The plasma generation unit includes a pair of plate-
[0063]
A lower portion of the chamber 21 is a processing unit that performs a surface treatment of the
[0064]
One electrode 2b is grounded, and the other electrode 2a is connected to a high-frequency power source 25 via an
[0065]
An
[0066]
Generation of atmospheric pressure plasma by the plasma generating apparatus configured as described above is performed as follows.
[0067]
The
[0068]
In the case of the present embodiment, the frequency of the applied voltage is 40.68 MHz, and glow discharge starts when the applied voltage has a peak-to-peak value of about 2.3 kV and plasma is generated. did it.
[0069]
When the glow discharge is started, the light accompanying the discharge is detected by the optical sensor 26, and a detection signal is input to the controller 28. When the controller 28 detects that glow discharge is started based on the output signal of the optical sensor 26 and plasma is generated, the flow rate of oxygen gas is present on the surface treatment of the
[0070]
In the case of surface treatment of the
[0071]
As described above, in this embodiment, helium gas is used as a trigger only when plasma is generated, and plasma using only oxygen gas can be generated during surface treatment of the
[0072]
In the above embodiment, the case where oxygen gas and helium gas are simultaneously flown to generate plasma has been described. However, only helium gas is supplied to the plasma generation region 22 when the plasma is started up, and helium gas is used. The supply of oxygen gas may be started after the plasma is generated, and the supply of helium gas may be stopped.
[0073]
In the above-described embodiment, the case where the optical sensor 26 is arranged inside the chamber 21 has been described. The sensor 26 may be disposed outside the chamber 21. When the optical sensor 26 is provided outside the chamber 21 as described above, the optical sensor 26 is not exposed to active species, and the optical sensor 26 is not damaged. In the embodiment described above, the case where the plasma detecting means is the optical sensor 26 has been described. However, the current of the circuit connected to the high frequency power supply 25 is detected, or the impedance matching state of the
[0074]
Further, the wettability of solder, resin, etc. is improved by etching the
[0075]
FIG. 2 shows a second embodiment of the atmospheric pressure plasma generation apparatus, where (1) is a perspective view, (2) is a plan view, and (3) is along the line AA in (2). It is sectional drawing.
[0076]
In FIG. 2, the plasma generation apparatus 42 has a cell 44 formed of a dielectric such as quartz glass, and a rectangular
[0077]
The inside of the first gas supply head 48 and the
[0078]
In the center of the upper surface of the cell 44, a low frequency electrode 58 constituting a trigger supply means is provided orthogonal to the
[0079]
A second gas supply head 62 is provided between the high-
[0080]
Plasma generation by this plasma generation apparatus is performed as follows.
[0081]
A discharge gas composed of a mixed gas of helium gas and oxygen gas or helium gas and carbon tetrafluoride gas is supplied to the
[0082]
As a result, corona discharge occurs in the
[0083]
In the above embodiment, the case where a mixed gas of oxygen gas and helium gas or a mixed gas of carbon tetrafluoride gas and helium gas is used as a discharge gas and trigger is described. Alternatively, only carbon tetrafluoride gas may be used as the discharge gas or trigger gas. Further, air alone or helium gas mixed with air may be used as the discharge gas or trigger gas. Further, oxygen gas, carbon tetrafluoride gas, air, or a mixed gas of one of these and helium gas may be used as the discharge gas, and helium gas may be used as the trigger gas. In any of the above cases, in order to obtain appropriate processing conditions, when glow discharge occurs and the plasma rises, the supply of the trigger gas is stopped and the application of the low frequency voltage is stopped. Also good. In addition, when carbon tetrafluoride gas is used, the carbon tetrafluoride gas is passed through water in a bubbling device, and moisture (H 2 O) may be used.
[0084]
3 and 4 show the results of an atmospheric pressure plasma generation experiment using the plasma generation apparatus 42 of the second embodiment. FIG. 3 shows oxygen gas (O 2 ) Is fixed at 100 cc / min, and the high frequency input power at the start of glow discharge and at the time of glow discharge OFF (extinction) when the flow rate of helium gas (He) is changed is shown. FIG. 4 shows high-frequency input power at the start of glow discharge and when glow discharge is OFF when the flow rate of carbon tetrafluoride gas is fixed at 50 cc / min and the flow rate of helium gas is changed.
[0085]
In any case, the discharge gap d of the
[0086]
In FIG. 3, ○ is the input power value at the start of discharge when only the high frequency (RF) voltage is applied, and ● is the input power value when the discharge is turned off when only the high frequency voltage is applied. is there. Further, x in the figure indicates that no glow discharge occurred. Further, Δ is the power supplied to the
[0087]
As shown in FIG. 3, when oxygen gas is supplied at 100 cc / min and only a high-frequency voltage is applied, glow discharge occurs when oxygen gas is 25% and helium gas is 75% (300 cc / min) at a flow rate ratio. No plasma was generated. However, when 400 cc / min of helium gas was flowed with respect to 100 cc / min of oxygen gas, glow discharge started at an applied voltage of about 2.3 kV. As the flow rate of helium gas relative to oxygen gas increases, the voltage at which glow discharge occurs decreases and the input power decreases. Further, the power for turning off the glow discharge also decreases as the flow rate of helium gas increases.
[0088]
On the other hand, when the low frequency voltage and the high frequency voltage are used together, as shown in FIG. 3, the flow rate of helium gas is 300 cc / min, that is, the oxygen gas is 25% and the helium gas is 75% in the flow rate ratio. However, glow discharge is generated and plasma can be generated. Therefore, the amount of helium gas used can be reduced, and the ashing processing cost can be reduced. In addition, since the amount of oxygen gas mixed in can be increased, the speed of the ashing process can be increased. Further, if the surface treatment is performed with the low frequency voltage applied to the low frequency electrode 58 even after the plasma is generated, the sustain voltage of the glow discharge can be lowered, and the active species generated by the low frequency voltage is caused by the plasma. Since it is superimposed on the active species, the processing speed can be further improved.
[0089]
In FIG. 4, ◯ is an input power value at the start of glow discharge when only a high frequency (RF) voltage is applied, and ● is an input power value when glow discharge is OFF when only a high frequency voltage is applied. And x shows that it did not discharge. Further, Δ is the power supplied to the
[0090]
As shown in FIG. 4, when carbon tetrafluoride gas is flowed at 50 cc / min, discharge does not occur when the flow rate of helium gas is 400 cc / min. When the flow rate of helium gas is 500 cc / min, glow discharge can be generated only by applying a high frequency voltage, and the input power decreases as the flow rate of helium gas increases. When the low-frequency voltage and the high-frequency voltage are used in combination, even if the flow rate of helium gas is 500 cc / min, glow discharge can be performed with lower input power than when the high-frequency voltage alone is used. When carbon tetrafluoride gas is used as a processing gas (reaction gas), it is desirable to use ceramic as the dielectric material in order to avoid corrosion due to fluorine.
[0091]
In addition, in the said Example, although the case where the electron or active species produced | generated by applying a low frequency voltage as a trigger was used was demonstrated, it emitted | emitted from the thermoelectron radiated from the heated filament, an electron gun, etc. Electrons or active species generated thereby may be used as a trigger.
[0092]
FIG. 5 is a cross-sectional view of the atmospheric pressure plasma generation apparatus according to the third embodiment, showing a modification of the plasma generation apparatus 42 shown in FIG. That is, the
[0093]
The
[0094]
In addition, oxygen gas, carbon tetrafluoride gas or air is supplied from the gas supply head 48, and a low frequency voltage is applied to the low frequency electrode 58, and a high frequency voltage is applied to the high frequency electrode to generate oxygen gas and carbon tetrafluoride. Plasma by gas or air alone may be generated.
[0095]
FIG. 6 is a cross-sectional view of the atmospheric pressure plasma generation apparatus according to the fourth embodiment. In the plasma generator 72 of this embodiment, the cell 44 is formed in a T shape, and the
[0096]
The plasma generating method by the plasma generating apparatus 72 configured as described above is almost the same as the plasma generating apparatus 42 according to the second embodiment. That is, a trigger gas is introduced from the second gas supply head 62 and a low frequency voltage is applied to the low frequency electrode 58 to generate electrons and active species and supply them to the plasma generation region 22. The discharge gas is supplied to the first
[0097]
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an apparatus that is a fifth embodiment and that performs an organic substance removal method that is a surface treatment. The apparatus includes a gas supply unit that supplies a gas for generating plasma, a plasma generation unit that generates plasma and forms an active gas, and a processing unit that sprays the activated gas and processes an object to be processed. .
[0098]
The gas supply unit includes a nitrogen generator 11 that can generate nitrogen from compressed air that is extremely inexpensive. Instead of the nitrogen generator 11, it may be supplied from a commercially available nitrogen gas cylinder or the like. The nitrogen generator 11 can supply several tens of l / min of nitrogen gas having a purity of 99% or more.
[0099]
The plasma generator generates a discharge in a pair of
[0100]
The processing unit includes a
[0101]
Nitrogen gas introduced from the gas supply unit is supplied to the
[0102]
Two power supplies are connected to the electrode 2a so that voltages of two types of frequencies can be applied simultaneously. One is a 20
[0103]
Next, a discharge generation method will be described. In the high
[0104]
After the corona discharge is started, the
[0105]
FIG. 8 shows the change in the emission intensity of the discharge when the 20 kHz output is kept constant at 50 W and the superimposed 13.56 MHz high frequency output is gradually increased. The horizontal axis is the output of the 13.56
[0106]
In the region a in the figure, the light emission intensity hardly changes even when the high frequency output of 13.56 MHz is gradually increased. Under this condition, the discharge stops when the high voltage of 20 kHz is cut off, and the discharge cannot be maintained with the high frequency voltage of 13.56 MHz alone. In the region b, a portion where the emission intensity is locally increased appears. In this discharge state, even if the high voltage of 20 kHz is cut off, the discharge can be sustained only with the high frequency voltage of 13.56 MHz. This is presumably because the electrons generated by the discharge can continue the ionization of the gas by the energy obtained from the high frequency voltage without using the high voltage of 20 kHz.
[0107]
The region c is a state in which high frequency discharge is formed on the entire surface of the electrode, and the discharge can be maintained with the high frequency voltage alone even when the high voltage of 20 kHz is cut off, similarly to the region b. Since the discharge having a strong emission intensity is formed almost on the entire surface of the electrode, this is the most suitable condition for uniformly processing the
[0108]
Next, experimental results regarding organic substance removal in the surface treatment by the plasma generation apparatus of FIG. 7 will be described.
[0109]
[Table 1]
[0110]
Table 1 shows the removal speed when the resist applied on the silicon substrate is removed. The processing conditions were 13.56 MHz output 400 W, nitrogen gas flow rate 10 l / min, and the distance between the workpiece and the discharge part was set to about 6 mm. The distance from the end face of the dielectric 1 to the workpiece is about 1 mm. The resist removal speed at this time was 150 nm / min immediately under the blowing of gas in the resist depth direction.
[0111]
For comparison, the results of ashing the resist with oxygen gas using the same apparatus are shown in Table 1. The processing conditions are the same as the nitrogen gas processing except that the gas species are different. The removal rate by oxygen gas is about 180 nm / min, and it can be seen that the removal of resist by nitrogen gas is almost the same as the ashing rate of oxygen. In addition, ashing with oxygen gas increases the rate at which the ashing speed decreases as the distance between the discharge part and the object to be processed increases. When nitrogen gas is used, organic substances are removed even when the distance is relatively long. It was. This is presumed to be because the active species of nitrogen generated in the discharge has a longer lifetime than the active species of oxygen, so that the treatment reaction occurs more diffusely.
[0112]
In addition, comparisons were also made for processes with different frequency conditions. In general, in the case of the indirect discharge method as shown in FIG. 7, in order to improve the organic substance removal rate, it is preferable to bring the discharge part closer to the object to be processed or increase the applied output. The discharge part is brought close to the object to be processed in the process in which the active species generated in the discharge part are transported to the object to be processed. The shorter the transport distance, the smaller the attenuation of the active species. This is because the seeds can reach, and by increasing the applied output, the absolute number of active species generated during discharge increases. However, when a high voltage of 20 kHz is used, since the applied voltage is high, not only the discharge is maintained between the pair of electrodes when the output exceeds a certain output, but also a discharge occurs between the object to be processed, In some cases, the workpiece is damaged. In a comparative experiment using a 20 kHz low-frequency high-voltage power supply in this example, the distance between the object to be processed and the electrode must be about 25 mm or more when the applied output is 200 W. In the plasma treatment using a low frequency power source of 20 kHz when this is used as a treatment condition, the resist removal rate is extremely slow and 5 nm / min or less when not only nitrogen gas but also oxygen gas is used.
[0113]
From the above results, in the high frequency 13.56 MHz high frequency discharge, the plasma can be brought closer to the object to be processed without exposing the substrate to be processed, and the applicable output can be increased. High density plasma can be formed. As a result, the generated high-density active species can reach the object to be processed, and the processing speed can be increased.
[0114]
By the way, in this example, an attempt was made to remove the resist under the same conditions using air, but the resist was not removed at all. So the mixing ratio of nitrogen to oxygen
(Nitrogen flow rate / (nitrogen flow rate + oxygen flow rate)) × 100%
As a result of confirming at several mixing ratios, as shown in FIG. 9, it has a resist removal effect at a mixing ratio of 99% or more and 20% or less. It was found that the resist was not removed at all.
[0115]
The reason is considered as follows. First, the reaction at a mixing rate of 20% or less is presumed to be an organic matter removal phenomenon due to oxidation, as in conventional oxygen ashing. On the other hand, the reaction at a mixing ratio of 99% or more is a reaction between the active species of nitrogen formed in the plasma and the resist, not the oxidation reaction of the resist, but the nitriding reaction or organic matter is decomposed by particles having relatively high energy. It is thought.
[0116]
However, when oxygen exceeds a certain level during discharge, the active species of nitrogen and the active species of oxygen react to form a relatively stable nitrogen oxide. This stable nitrogen oxide is exhausted without reacting with organic matter, and no organic matter reaction occurs. Since the mixing ratio of nitrogen to oxygen in air is about 80%, it is estimated that organic substances could not be removed due to the influence of nitrogen oxides.
[0117]
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of an apparatus for carrying out the organic substance removing method according to the sixth embodiment of the present invention. Portions common to the fifth embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0118]
That is, in the present embodiment, the grounded electrode 2b and the electrode 2a are provided with the dielectric 1 interposed therebetween. A
[0119]
Next, the discharge procedure will be described. First, the electrodes 2a and 2b are heated by a heater to indirectly warm the discharge surface of the
[0120]
The means for heating the electrode may be a means for heating the discharge surface of the dielectric 1 from the outside using infrared rays or the like, instead of the heater installed inside the electrode 2a or 2b. Furthermore, it is desirable that the material of the discharge surface is a material having a high secondary electron emission or a material having a high thermal electron emission. For example, SrO, CaO, BaO, and the like are suitable for electrode surface materials because they have a small work function and easily emit thermoelectrons even when the surface temperature is not relatively high. These materials may be configured as a thin film on the dielectric surface.
[0121]
Next, examples of wettability improvement by surface treatment of an object to be treated using nitrogen gas according to the present invention will be described.
[0122]
The surface treatment apparatus used in the present embodiment is the same treatment apparatus as in the fifth and sixth embodiments, and detailed description thereof is omitted.
[0123]
That is, using a glass substrate as the
[0124]
FIG. 11 shows the change of the contact angle with the processing time of the glass substrate. For comparison, the results of evaluation under different frequency conditions are also shown. In the case of processing using a frequency of 20 kHz, as already described in the first embodiment, since a high voltage is used, there are restrictions on the conditions, and comparative evaluation is performed under the same conditions as the organic matter removal conditions shown in Table 1. Yes. As can be seen from FIG. 11, in the nitrogen gas discharge treatment using 13.56 MHz according to the present invention, the wettability is clearly saturated in a short time as compared with the discharge treatment of 20 kHz.
[0125]
By the way, in this example, an attempt was made to improve the wettability using air. However, the improvement of the wettability of the glass substrate surface was extremely slow, and it took more than 5 minutes to saturate the contact angle. So the mixing ratio of nitrogen to oxygen
(Nitrogen flow rate / (nitrogen flow rate + oxygen flow rate)) × 100%
As a result of changing and confirming the mixing rate with respect to the contact angle at a processing time of 30 seconds, as shown in FIG. It turned out to be.
[0126]
In the case of wettability, several factors can be considered, but at present, the conditions for improving the wettability treatment speed are almost the same as the organic substance removal conditions described in the nitrogen gas plasma. It is presumed that the cleaning effect on the substrate surface due to the removal of organic contaminants attached to the substrate is great. However, when nitrogen gas is used, it is estimated that hydrophilic groups such as NH groups are generated on the substrate surface. Therefore, nitrogen gas is desirable as a gas used for improving demandability.
[0127]
FIG. 13 is a perspective view and a sectional view of the seventh embodiment. In this embodiment, local surface treatment can be easily performed, and the
[0128]
FIG. 14 shows an eighth embodiment, which is a plasma generation apparatus for batch processing of objects to be processed. In this embodiment, a pipe-
[0129]
In the eighth embodiment configured as described above, a high frequency voltage is applied between the electrodes 2a and 2b arranged above and below the dielectric 92, and plasma is generated in the same manner as in the first embodiment. Then, active species generated with the generation of plasma are introduced into the processing box 98 through the plasma supply pipe 96 and irradiated to the
[0130]
FIG. 15 is a sectional view and a perspective view of the ninth embodiment for direct discharge treatment suitable for etching and the like. In this plasma generating apparatus 102, one dielectric 104 is formed in a U-shape and is disposed across the convex portion of the ground electrode 106. The dielectric 104 and the ground electrode 106 can be moved relative to each other in the longitudinal direction.
[0131]
A high-
[0132]
FIG. 16 shows still another embodiment. In FIG. 16, in the plasma generation apparatus 114, the
[0133]
With this configuration, creeping discharge caused by applying a high frequency voltage to the
[0134]
Insulating oil or the like may be enclosed instead of carbon tetrafluoride gas. Further, as shown by a broken line in FIG. 16, a
[0135]
In order to prevent creeping discharge, it is desirable not to place anything in the vicinity of the electrode, but only the electrode. And when something is arranged near the electrode, it is desirable to set a distance of 2 mm / v or more. Moreover, it is desirable to use a dielectric having a flat surface with as few irregularities as possible, and an average roughness of 0.02 μm or less. This is because the presence of the concave portion is undesirable because the electric field concentrates on the portion and partial discharge occurs.
[0136]
Further, in the case shown in FIG. 2, it is desirable that the high-
[0137]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, atmospheric pressure plasma can be easily generated without using a rare gas or using a gas in which the ratio of oxygen gas or carbon tetrafluoride gas to the rare gas is increased. The amount of expensive rare gas used can be greatly reduced, and when used for surface treatment, the cost of surface treatment can be reduced and the treatment speed can be improved.
[0138]
Further, according to the present invention, the running cost can be reduced because the discharge can be performed using an inexpensive nitrogen gas without using helium at atmospheric pressure. Furthermore, even if helium is not used, discharge under atmospheric pressure can be facilitated using a high frequency voltage of several MHz or more with a reactive gas such as nitrogen gas or oxygen gas, and the processing speed can be increased. In addition, by realizing high-frequency discharge using nitrogen gas under atmospheric pressure, it is possible to remove organic substances and improve the wettability of the substrate surface as well as oxygen treatment without using oxygen gas. It can be applied to the treatment of an object to be treated in an atmosphere with a risk of body or ignition, and a new process can be proposed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an atmospheric pressure plasma generation apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view of a second embodiment of the present invention, wherein (1) is a perspective view, (2) is a plan view, and (3) is along the line AA in (2). FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a helium gas flow rate with respect to a constant oxygen gas flow rate by the plasma generation apparatus according to the second embodiment and high-frequency input power when glow discharge is started and when glow discharge is OFF.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a helium gas flow rate with respect to a constant carbon tetrafluoride gas flow rate and a high-frequency input power when glow discharge is started and when glow discharge is OFF by the plasma generation apparatus according to the second embodiment. is there.
FIG. 5 is a cross-sectional view of an atmospheric pressure plasma generation apparatus according to a third embodiment.
FIG. 6 is a sectional view of an atmospheric pressure plasma generation apparatus according to a fourth embodiment.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a fifth embodiment.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing light emission intensity of a discharge obtained by superimposing a high frequency output on a low frequency discharge.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the organic substance removal rate depending on the mixing ratio of nitrogen gas to oxygen gas.
FIG. 10 is a schematic device configuration diagram of a sixth embodiment.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the contact angle depending on the processing time of the glass substrate surface according to the frequency of nitrogen gas.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing a contact angle depending on a processing time of a glass substrate surface according to a mixing ratio of nitrogen gas to oxygen soot.
FIG. 13 is a perspective view and a sectional view of a seventh embodiment.
FIG. 14 is a sectional view of an eighth embodiment.
FIG. 15 is a cross-sectional view and a perspective view of a ninth embodiment.
FIG. 16 is an explanatory diagram of still another embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Dielectric
2a, 2b electrode
3, 5 Filter circuit
4 Step-up transformer
6 Impedance matching device
7 stage
8 Object
9 Low frequency power supply (20 kHz power supply)
10 High frequency power supply (13.56 MHz power supply)
11 Nitrogen generator
12 Intermediate chamber
13 Gas supply slit
20 Heater
21 Chamber
22 Plasma generation region
23, 46 Gas flow path
25 High frequency power supply
26 Plasma detection means (light sensor)
28 Control means (controller)
34, 38 First gas supply means (oxygen gas cylinder, flow control valve)
36, 40 Second gas supply means (helium gas cylinder, flow control valve)
42 Plasma generator
44 cells (dielectric)
58 Low frequency electrode
60 high frequency electrode
66 Ground electrode
70, 72 Plasma generator
82 pipe
86 Discharge gas
98 processing box
108, 120 High frequency electrode
106, 122 Ground electrode
Claims (8)
前記電極は、低周波用の第1電極と高周波用の第2電極とからなり、
前記放電ガスを導入するための希ガス供給ヘッドと表面処理用ガス供給ヘッドを用意し、
前記放電ガスの流路最上流に、前記希ガス供給ヘッドを設け、該希ガス供給ヘッドの下流に前記低周波用の第1電極を設け、前記低周波用の第1電極の下流に前記表面処理用ガス供給ヘッドを設け、該表面処理用ガス供給ヘッドの下流に前記高周波用の第2電極を設け、
前記希ガス供給ヘッドから希ガスを供給し、前記低周波電極と前記接地電極間に通電してプラズマを立ち上げるトリガガスを得るとともに、
前記トリガガスの流れに、前記表面処理用ガス供給ヘッドから表面処理用ガスを供給して、前記高周波電極と前記接地電極との間に通電してプラズマを発生させ、
その後、前記希ガスの供給を停止することを特徴とする大気圧プラズマ生成方法。A discharge gas is introduced into a plasma generation region formed at or near atmospheric pressure formed by a dielectric, and a voltage is applied between a ground electrode and an electrode provided with the dielectric interposed therebetween to generate plasma. In the atmospheric pressure plasma generation method to be generated,
The electrode includes a first electrode for low frequency and a second electrode for high frequency,
Preparing a rare gas supply head and a surface treatment gas supply head for introducing the discharge gas;
The rare gas supply head is provided at the uppermost stream of the discharge gas flow path, the first electrode for low frequency is provided downstream of the rare gas supply head, and the surface is provided downstream of the first electrode for low frequency. A gas supply head for processing is provided, and the second electrode for high frequency is provided downstream of the gas supply head for surface treatment,
While supplying a rare gas from the rare gas supply head, obtaining a trigger gas for starting up plasma by energizing between the low frequency electrode and the ground electrode,
Supplying the surface treatment gas from the surface treatment gas supply head to the flow of the trigger gas, energizing between the high frequency electrode and the ground electrode to generate plasma,
Thereafter, the supply of the rare gas is stopped, and the atmospheric pressure plasma generation method is characterized.
前記表面処理用ガス流路の上流から、前記第2ガス供給手段、前記第2電極、前記第1ガス供給手段、前記第1電極の順にガス供給手段と電極を設けたことを特徴とする大気圧プラズマ生成装置。A dielectric that forms a plasma generation region; a first gas supply means that supplies a gas for surface treatment to the plasma generation region under a pressure at or near atmospheric pressure; and the pressure under a pressure at or near atmospheric pressure. Second gas supply means for supplying a rare gas to the plasma generation region, a ground electrode provided with the dielectric in between, a first electrode for high frequency, a ground electrode, a second electrode for low frequency, and the ground electrode A power source that applies a high-frequency voltage between the first electrode, the ground electrode, and the second electrode, a plasma detection unit that detects that plasma is generated in the plasma generation region, and a Control means for controlling the second gas supply means based on a detection signal and stopping the supply of the rare gas to the plasma generation region,
A gas supply means and an electrode are provided in the order of the second gas supply means, the second electrode, the first gas supply means, and the first electrode from the upstream of the surface treatment gas flow path. Atmospheric plasma generator.
前記制御手段は、前記希ガスによるプラズマの発生後に、前記第1ガス供給手段を制御して前記プラズマ生成領域に前記表面処理用ガスを供給することを特徴とする大気圧プラズマ生成装置。In claim 2,
The control means controls the first gas supply means to supply the surface treatment gas to the plasma generation region after the generation of the plasma by the rare gas.
前記表面処理用ガス流路の上流から、前記第2ガス供給手段、前記第2電極、前記第1ガス供給手段、前記第1電極の順にガス供給手段と電極を設け、
さらに、大気圧又はその近傍の圧力下にある前記プラズマ生成領域に電子又はガス状の活性種を供給するトリガ供給手段を有することを特徴とする大気圧プラズマ発生装置。A dielectric that forms a plasma generation region; a first gas supply unit that supplies a surface treatment gas to the plasma generation region that is at or near atmospheric pressure; and a second gas supply unit that supplies a rare gas. A ground electrode, a first electrode for high frequency, a ground electrode, a second electrode for low frequency, the ground electrode, the first electrode, the ground electrode, and the second electrode, sandwiched between the dielectrics, And a power source for generating a plasma by applying a voltage between
From the upstream of the surface treatment gas flow path, the second gas supply means, the second electrode, the first gas supply means, and the first electrode are provided in the order of gas supply means and electrode,
Furthermore, the atmospheric pressure plasma generation apparatus further comprises trigger supply means for supplying electron or gaseous active species to the plasma generation region under atmospheric pressure or a pressure in the vicinity thereof.
前記電源に接続した前記電極を取り付けた前記誘電体には、前記電源に接続した電極を覆ってカバーが設けてあり、このカバー内に空気より放電しにくい流体が注入してあることを特徴とする大気圧プラズマ生成装置。In any of claims 2 to 4,
The dielectric having the electrode connected to the power source is provided with a cover covering the electrode connected to the power source, and a fluid that is less likely to discharge than air is injected into the cover. An atmospheric pressure plasma generator.
前記電源に接続した電極と前記カバーの内面との距離は、前記プラズマ生成領域の放電ギャップより大きくしてあることを特徴とする大気圧プラズマ生成装置。In claim 5,
An atmospheric pressure plasma generation apparatus, wherein a distance between an electrode connected to the power source and an inner surface of the cover is larger than a discharge gap of the plasma generation region.
前記表面処理用ガス又は放電用ガスが酸素ガスであることを特徴とする表面処理方法。In the surface treatment method of generating plasma by the atmospheric pressure plasma generation method according to claim 1 and irradiating the object to be processed with active species generated by the plasma to remove organic substances on the surface of the object to be processed,
The surface treatment method, wherein the surface treatment gas or the discharge gas is oxygen gas.
前記表面処理用ガス又は放電用ガスが四フッ化炭素ガスであることを特徴とする表面処理方法。In the surface treatment method of generating plasma by the atmospheric pressure plasma generation method according to claim 1, irradiating the object to be processed with active species generated by the plasma and etching the surface of the object to be processed,
The surface treatment method, wherein the surface treatment gas or the discharge gas is a carbon tetrafluoride gas.
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