等离子体生成装置、等离子体处理装置以及处理方法

专利名称：等离子体生成装置、等离子体处理装置以及处理方法
技术领域：
本发明涉及利用微波产生等离子体的等离子体生成装置和使用该等离子体生成装置的等离子体处理装置以及处理方法。
背景技术：
作为通过将微波导入处理容器内而产生处理气体的等离子体的微波等离子体处理装置，公知有通过对处理容器内进行减压而生成等离子体的低压等离子体方式和利用大气压生成等离子体的大气压等离子体方式。作为低压等离子体方式的现有技术，例如在专利文献1中提出有下述等离子体处理装置利用与自由空间波长λ及管内波长Xg的关系来规定在波导管的长度方向所形成的多条隙缝的配置和配设数量，并且使从微波电源侧所观察的波导管内的阻抗与在相反方向观察电源侧的波导管内的阻抗大致相等。专利文献1是在对于塑料薄膜等大面积的被处理体能够进行均勻的等离子体处理这点上表现优异的技术方案。然而，在采用低压等离子体方式的专利文献1中，为了使处理容器内保持为低压，使电介质板介于波导管与处理容器之间。该电介质板虽然从提高等离子体的均勻性的观点来看是有效的，但是存在由配设于波导管与处理容器之间的电介质板将微波吸收从而能量利用效率降低的问题。因此，从尽量减少能量损失并利用高密度等离子体处理被处理体的目的出发，还留有改善的余地。并且，在工艺气体对导入处理容器内的微波均勻地供给这方面有效。然而，一般情况下，在使电介质板介于波导管与处理容器之间的结构中，必须将工艺气体直接导入处理容器内。并且，由于因电介质板的存在使得无法在处理容器的顶部设置喷头，因此气体导入部的配置被限制于从波导管离开的位置(例如，处理容器的侧壁等)。由于像这样地气体导入部位被限制，因此还存在难以实现处理容器内等离子体的均勻性及被处理体的表面内的处理的均勻性的情况。作为低压等离子体方式的其它现有例，在专利文献2中，提出了将使微波传播的波导管插入真空容器内的等离子体处理装置。在该专利文献2中，通过将波导管设置于真空容器内，能够缩小且减薄用于保持真空的电介质部件，并且能够对大面积的被处理体进行均勻的处理。然而，专利文献2的装置形成为在要求气密性的真空管内配置有波导管的双重结构，从而装置结构复杂并在实现可能性这点上存有疑问。并且，在专利文献2中，虽然未设置电介质板，但是由于在与波导管分离的处理容器的侧壁设置有气体导入部位，因此存在难以在处理容器内获得等离子体的均勻性以及被处理体表面内的处理的均勻性这样的课题。另一方面，作为大气压等离子体方式的现有例，在专利文献3中，提出了下述等离子体处理装置在等离子体产生部的内部，具备隙缝天线、与该隙缝天线的隙缝形成面成直角地连接并使微波均勻的均勻化线路、以及设置于该均勻化线路的前端侧并放射微波的狭缝。在专利文献3的等离子体处理装置中，朝与形成于所述狭缝的外侧的被处理体之间的间隙连续地供给工艺气体而生成等离子体，由此在大气压下对被处理体进行等离子体处理。该大气压等离子体处理装置虽然具有不需要电介质板的优点，但是需要波导管的隙缝和均勻化线路的狭缝，也就是说形成为分别设置2条波导路和隙缝的结构。因此，装置结构复杂，并且微波的传送控制困难，还具有由反射波的产生使微波在中途衰减的可能性，从而从高效地生成等离子体这样的观点考虑，并不是令人满意的装置。[专利文献1]日本特开2009_2对沈9号公报[专利文献2]日本特开2004-200390号公报[专利文献3]日本特开2001-93871号公报

发明内容
本发明的目的在于提供一种既能尽量降低微波的损失又能高效地生成高密度等离子体的等离子体生成装置。为了解决上述课题进行了潜心研究，结果发现使用微波的传送效率优异的矩形波导管，通过在其壁上设置隙缝孔，并使处理气体直接在矩形波导管的内部流动，能够在该隙缝孔生成大气压高密度等离子体。并且，还发现通过从隙缝孔朝对置的被处理体喷出以该方式生成的高密度等离子体中的离子基(radical)并利用所输送的离子基来处理被处理体，能够提供一种适用于表面处理等用途的等离子体处理装置。本发明的等离子体生成装置具备微波发生装置，其产生微波；中空状的波导管， 其与所述微波发生装置连接，在微波的传送方向形成为细长状，并且与该传送方向正交的方向的截面形成为矩形；气体供给装置，其与所述波导管连接并朝其内部供给处理气体; 以及天线部，其是所述波导管的一部分，并将由微波生成的等离子体朝外部放出，其中，所述天线部在其截面上构成为短边的壁上具有1条或多条隙缝孔，由微波使供给至大气压状态的所述波导管内的处理气体在所述隙缝孔等离子体化，进而从所述隙缝孔朝外部放出。在本发明的等离子体生成装置中，也可以在所述微波发生装置与所述天线部之间的所述波导管内，具备隔断所述处理气体的通过的隔断壁。并且，在本发明的等离子体生成装置中，所述隙缝孔也可以设置成矩形形状，并且配设成其长度方向与所述天线部的长度方向一致。在该情况下，也可以将多个隙缝孔配设成一列。并且，本发明的等离子体生成装置也可以在所述天线部设置单个隙缝孔。并且，在本发明的等离子体生成装置中，所述隙缝孔的边缘面也可以倾斜设置成在所述壁的厚度方向开口宽度变化。并且，本发明的等离子体生成装置也可以是进一步具备脉冲发生器并脉冲状地产生微波而生成等离子体的。并且，本发明的等离子体生成装置也可以并列地配置有多个所述天线部。在该情况下，也可以在并列地配置的多个所述天线部中，针对每个所述天线部以沿长度方向错位的方式来配设所述隙缝孔，使得在所述壁的宽度方向上，在遍及多个所述天线部的范围内， 至少存在一个所述隙缝孔。本发明的等离子体处理装置具备上述的任何一种等离子体生成装置，并且能够利用所产生的等离子体对被处理体进行规定的处理。本发明的等离子体处理装置也可以是将所述天线部配置成所述隙缝孔与被处理体对置。在该情况下，也可以在被处理体的表里两面分别配置天线部。并且，本发明的等离子体处理装置也可以设置成被处理体形成为薄膜状，能够以卷对卷的方式输送被处理体。本发明的等离子体处理方法是使用上述任何一种等离子体处理装置处理被处理体的方法。由于本发明的等离子体生成装置及等离子体处理装置是不需要真空容器的大气压等离子体装置，因此无需在波导管与被处理体之间设置电介质板，能够防止由电介质板吸收微波所造成的损失。并且，由于本发明的等离子体生成装置及等离子体处理装置由微波将供给至波导管内的处理气体等离子体化，并从隙缝孔朝外部放出，因此能够有效地生成高密度的等离子体。并且，无需专用的气体导入器具，也能够缩小装置的尺寸。因此，通过使用本发明的等离子体生成装置及等离子体处理装置来对被处理体进行等离子体处理， 能够尽量抑制能量损失，并且能够进行基于高密度的等离子体的处理。


图1是本发明的第1实施方式的等离子体处理装置的概要结构图。图2是示出微波发生装置的结构例的图。图3是示出控制部的结构例的图。图4A是供说明波导管的天线部的隙缝孔用的立体图。图4B是图4A中的隙缝孔的形成面的俯视图。图5A是供说明波导管的天线部的隙缝孔的其它配置例用的立体图。图5B是图5A中的隙缝孔的形成面的俯视图。图6A是对隙缝孔的截面形状的一个例子进行说明的图。图6B是对隙缝孔的截面形状的其它例子进行说明的图。图7是示出隙缝孔的配设例的图。图8是示出隙缝孔的第1个其它配设例的图。图9是示出隙缝孔的第2个其它配设例的图。图10是示出隙缝孔的第3个其它配设例的图。图11是示出隙缝孔的第4个其它配设例的图。图12是示出隙缝孔的第5个其它配设例的图。图13是示出并列地配置有多个波导管的天线部的等离子体处理装置的结构例的说明图。图14是示出以卷对卷方式输送被处理体的等离子体处理装置的结构例的说明图。图15是示出以卷对卷方式输送被处理体的等离子体处理装置的其它结构例的说明图。
具体实施例方式接下来，参照适当的附图对本发明的实施方式进行说明。[第1实施方式]
图1是示出本发明的一实施方式所涉及的等离子体处理装置100的概要结构的剖视图。图1的等离子体处理装置100具备处理容器10、产生等离子体并朝处理容器10内的被处理体S放出等离子体的等离子体生成装置20、支承被处理体S的载台50以及控制等离子体处理装置100的控制部60，并构成为在常压下对被处理体S进行处理的大气压等离子体处理装置。<处理容器>处理容器10是用于划分出等离子体处理空间的容器，例如能够由铝、不锈钢等金属形成。优选对处理容器10的内部预先实施例如氧化铝膜处理那样的能够提高耐等离子体熔断性的表面处理。在处理容器10设置有用于进行被处理体S的输入输出的开口(未图示)。另外，在作为大气压等离子体处理装置的本实施方式的等离子体处理装置100中， 处理容器10不是必需的，可以是任意的结构。<等离子体生成装置>等离子体生成装置20具备产生微波的微波发生装置21、与微波发生装置21连接的矩形波导管22、与矩形波导管22连接并向其内部供给处理气体的气体供给装置23、以及用于排出天线部40内的气体及根据需要对处理容器10内进行排气的排气装置25。并且， 在矩形波导管22的内部，为了隔断处理气体的通过而配备有由石英等电介体构成的隔断壁M。进一步地，在矩形波导管22的一个壁面设置有隙缝孔41，并具有将在隙缝孔41生成的等离子体朝外部的被处理体S放出的天线部40。(微波发生装置)微波发生装置21产生例如2. 45GHz IOOGHz频率的微波，优选产生2. 45GHz IOGHz频率的微波。本实施方式的微波发生装置21具备脉冲起振功能，能够产生脉冲状的微波。图2示出了微波发生装置21的结构例。在微波发生装置21中，将从电源部31连结到起振部32的磁控管(或速控管)33的高压电线34上设置有电容器35和脉冲开关部36。 并且，在脉冲开关部36连接有脉冲控制部37，进行对频率及占空比等进行控制的控制信号的输入。该脉冲控制部37接受来自控制部60的控制器61 (后述)的指示并将控制信号朝向脉冲开关部36输出。进而，通过一边从电源部31供给高压电一边朝脉冲开关部36输入控制信号，来对起振部32的磁控管(或速控管)33供给规定电压的矩形波并输出脉冲状的微波。该微波的脉冲例如能够将脉冲接通时间控制为10μ s 50 μ S、脉冲切断时间控制为200μ s 500μ S、占空比控制为5% 70%，优选将占空比控制为10% 50%。另夕卜， 在本实施方式中，设置脉冲起振功能的目的在于，在连续地放电的情况下，易于在天线部40 蓄积热量，防止从低温非平衡放电向电弧放电转换。若通过其他途径来配置天线部40的冷却机构，则脉冲起振功能不是必需的，可以是任意结构。对于在微波发生装置21产生的微波，是经由对微波的行进方向进行控制的单向波导管及进行波导管的阻抗匹配的匹配器等朝矩形波导管22的天线部40传送的，对此省略图示。(波导管)矩形波导管22在微波的传送方向延长，并且形成为与微波的传送方向正交的方向的截面呈矩形的中空状。矩形波导管22例如由铜、铝、铁、不锈钢等金属或这些金属的合金形成。
矩形波导管22包含作为其一部分的天线部40。天线部40在其截面上形成为短边的壁上具有1个或多个隙缝孔41。也就是说，作为矩形波导管22的一部分、且形成有隙缝孔41的位置便是天线部40。在图1中，以用点划线包围的方式来示出天线部40。天线部 40的长度虽然可以由被处理体S的大小来决定，但是优选例如将其设为0. 3m 1. 5m。隙缝孔41为贯通在天线部40的截面上构成短边的壁的开口。隙缝孔41由于朝被处理体S 放射等离子体，因此被设置成与被处理体S对置。另外，对于隙缝孔41的配置及形状在后面进行叙述。在本实施方式中，等离子体生成装置20在微波发生装置21与天线部40之间的矩形波导管22内，具备阻断处理气体的通过的隔断壁M。隔断壁例如由石英、特氟隆(注册商标)等的聚四氟乙烯等电介体形成，容许微波的通过，并且防止矩形波导管22内的处理气体流向微波发生装置21。(气体供给装置)气体供给装置(GAQ 23与气体导入部22b连接，气体导入部22b被设置在从矩形波导管22分叉的分支管22a。气体供给装置23具备未图示的气体供给源、阀以及流量控制装置等。气体供给源根据处理气体的种类而配备。作为处理气体，例如能够举出氢气、氮气、氧气、水蒸气、氟利昂(CF4)气体等。在氟利昂(CF4)气体的情况下，还需要同时使用排气装置25。并且，还能够设置例如氩气、氦气、氮气体等惰性气体的供给源。从气体供给装置23供给至矩形波导管22的处理气体通过微波在隙缝孔41发生放电、等离子体化。(排气装置)排气装置25具备未图示的阀、涡轮分子泵以及干式真空泵等。排气装置25为了对矩形波导管22内及处理容器10进行排气，而与矩形波导管22的分支管2 及处理容器 10的排气口 IOa连接。例如通过使排气装置25工作，能够迅速地去除工艺停止时残留于矩形波导管22内的处理气体。并且，在放电开始时，为了将存在于矩形波导管22内及处理容器10内的大气中的气体高效地置换成处理气体而使用排气装置25。另外，在作为大气压等离子体处理装置的本实施方式的等离子体处理装置100中，排气装置25并不是必需的，可以是任意的结构。然而，处理气体特别是像CF4气体那样的气体虽然在常温下稳定，但是通过进行等离子体化存在生成反应性高的氟离子(F)以及碳氟化合物离子(CxFy)等的可能性，在上述情况下，优选设置排气装置25。(载台)载台50在处理容器10内将被处理体S支承为水平。载台50被设置成由在处理容器10的底部所设置的支承部51来支承的状态。作为构成载台50及支承部51的材料， 例如能够举出石英或氮化铝(AlN)、A1203、BN等陶瓷材料或Al、不锈钢等金属材料。并且， 还可以根据需要埋入加热器以便能够将被处理体S加热到250°C左右。另外，在本实施方式的等离子体处理装置100中，载台50可以根据被处理体S的种类来设置，可以是任意的结构。<被处理体>作为被处理体S，等离子体处理装置100例如能够将以IXD(液晶显示器)用玻璃基板为代表的FPD (平板显示器)基板或与该FPD基板粘结的多晶硅薄膜、聚酰亚胺薄膜等薄膜部件作为对象。并且，以形成有机半导体等有源元件及无源元件为目的，例如还能够进行聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)薄膜及聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜等薄膜部件的表面清洁化、表面处理等。等离子体处理装置100例如能够用于以设置于FPD基板上的薄膜的改良处理或改善相对于该FPD基板的贴紧性为目的所进行的对上述薄膜部件的表面处理、 清洁化处理以及改良处理等用途。在等离子体处理装置100中，能够高效地进行对于此类较大面积的被处理体S的处理。<控制部>构成等离子体处理装置100的各结构部形成为与控制部60连接并被控制的结构。 如图3举例所示，具有电脑功能的控制部60具备配备有CPU的控制器61、与该控制器连接的用户界面62以及存储部63。在存储部63保存有用于在控制器61的控制下实现由等离子体处理装置100执行的各种处理的控制程序(软件)及记录有处理条件数据等的配方 (recipe)。进而，按照需要，根据来自用户界面62的指示等从存储部63调出并使控制器61 执行任意的控制程序及配方，以此在控制部60的控制下在等离子体处理装置100进行期望的处理。另外，还可以通过将处于存储于计算机可读取的存储媒介64的状态下的所述控制程序及处理条件数据等的配方安装于存储部63的方式来进行利用。作为计算机可读取的存储媒介64，并无特殊限制，例如能够使用⑶-ROM、硬盘、软盘、闪存(flash memory)以及 DVD等。并且，也可以从其它装置例如经由专用回线随时传送所述配方而进行在线利用。<隙缝孔的结构>接下来，参照图4A 图12，举出具体例子对处于天线部40的隙缝孔41的配置和形状进行说明。优选将隙缝孔41的配置和形状设计成在隙缝孔41的开口的大部分(优选为整个开口)生成等离子体。为了实现在隙缝孔41的开口的大部分生成等离子体，隙缝孔 41的配置和形状的组合尤为重要。基于这样的观点，以下对隙缝孔41的配置和形状的优选方式进行说明。图4A、4B及图5A、5B示出在构成天线部40的一个壁40a或40b上设置有6个矩形的隙缝孔41的例子。图4A是示出矩形波导管22的天线部40的隙缝孔41的形成面(壁 40a)朝上的图。图4B是图4A中的壁40a的俯视图。并且，图5A是示出矩形波导管22的天线部40的隙缝孔41的形成面(壁40b)朝上的图。图5B是图5A中的壁40b的俯视图。 在等离子体处理装置100中，配设有隙缝孔41的壁40a或40b与被处理体S对置配置。如图4A、4B及图5A、5B所示，虽然隙缝孔41可以设置于在天线部40的截面上构成短边的壁40a与构成长边的壁40b中的任何一个，但是优选设置于构成短边的壁40a。即，在将天线部40的截面的短边的长度设为Li、长边的长度设为L2的情况(也就是说，Ll < L2) 下，如图4A、4B所示，优选在构成长度为Ll的短边的壁40a配设隙缝孔41。微波的电波在矩形波导管22的构成短边的一对璧40a之间反射并到达矩形波导管22的端面，在该波导管22的端面反射并在矩形波导管22内沿与行进方向相反的方向行进，从而形成驻波。与电波正交的磁波一边在矩形波导管22的构成长边的一对璧40b之间反射一边行进，进而在矩形波导管22的端面反射，并沿与行进方向相反的方向行进，从而形成磁场的驻波。像这样地，微波进入作为矩形波导管22的一部分的天线部40内，形成驻波。当在该驻波的电波的波腹的部分形成有隙缝孔41时，能够形成强等离子体。在构成短边的壁40a形成有隙缝孔41的情况下，在壁40a流动的表面电流沿与构成长边的壁40b正交的方向流动。因此， 若隙缝孔41与天线部40的长度方向平行，则无论在壁40a内的何处设置隙缝孔41，表面电流均与隙缝孔41正交地流动，并能够得到强等离子体。然而，从设计上的简便性来看，优选将隙缝孔41设置于构成短边的壁40a的中央附近(在波导管长度方向将壁40a的宽度方向的中心连结的线(中心线)C的附近)。另一方面，如图5A、5B所示，还可以在构成长边的壁40b设置隙缝孔41。在该情况下，在形成强等离子体这方面，在磁波的波腹的部分设置隙缝孔41也是有效的。根据矩形波导管22的电磁场计算，由于电场在构成一对短边的壁40a的附近变强，因此通过不在壁 40b的中央而是在与两侧的壁40a接近的位置设置隙缝孔41更能够获得强等离子体。因此，在图5A、5B中，将隙缝孔41设置于从在波导管长度方向将构成长边的壁40b的宽度方向的中心连结的线(中心线)C偏离的位置。在图4B及图5B中，用标号41、 41A6来示出在天线部40的壁40a所形成的6 个矩形的隙缝孔41。在图4B及图5B中，位于最外侧的2个隙缝孔的端部与41A6的端部之间形成为天线部40。优选根据管内波长来决定排列成一列的隙缝孔 41A6的排列间隔。为了实现放射高密度的等离子体，优选邻接的隙缝孔41彼此接近、两者的间隔小的结构。并且，虽然各隙缝孔41~ 41怂的长度及宽度是任意的，但是优选为宽度窄、细长的形状。在将矩形的隙缝孔41的短边的长度设为L3、长边的长度设为L4的情况下，从能够降低能量损失并放射高密度的等离子体的观点考虑，优选将隙缝孔41的长边的长度L4 设定为矩形波导管22内的驻波的半波长以下的长度。并且，根据本发明人所做的实验，若尽量减小隙缝孔41的宽度L3则能够获得强的电场强度，其结果，能够获得高密度的等离子体。具体地，优选L3为0. 3mm以下。优选将各隙缝孔41配设成其长度方向与天线部40的长度方向(也就是说，矩形波导管22的长度方向)一致并相互平行。当隙缝孔41的长度方向不与天线部40的长度方向平行而是形成具有角度时，隙缝孔41将倾斜地横穿电波的波腹的部分，因此无法有效地利用强电波的波腹的部分，难以在隙缝孔41的开口的整体生成等离子体。并且，如图5A及图5B所示，在将隙缝孔41设置于构成长边的壁40b的情况下，由于表面电流从磁场的腹部的部分放射状地流动，因此为了使恒定的表面电流横穿隙缝孔41 的整个开口部分，将隙缝孔41设置成圆弧状，以使放射状地流动的表面电流相对于隙缝孔 41成直角地入射，如此也很有效果(参照图11及图12)。在该情况下，以相对于壁40b的中心线C呈凸形(图11)或凹形(图12)的方式配置圆弧状的隙缝孔41是有效的。然而， 在将隙缝孔41设置于构成长边的壁40b的情况下，与将隙缝孔41设置于构成短边的壁40a 的情况相比，难以使等离子体广布于隙缝孔41整体，并且难以形成均勻的等离子体。进一步地，如图6A所示，优选将隙缝孔41的开口的边缘面40c倾斜地设置成在壁 40a的厚度方向从内侧朝外侧开口变宽。通过将隙缝孔41的边缘面40c设置为倾斜面，能够缩短矩形波导管22的内壁面侧的隙缝孔41的开口部的宽度L3，由此，能够降低放电开始电力，抑制并减低能量损失，并能够生成高密度等离子体。另外，在图6A中，标号P示意性地示出从隙缝孔41放出的等离子体。另一方面，如图6B所示，虽然在使矩形波导管22 外侧的开口宽度比内侧的开口宽度还窄的情况下(也就是说，在与图6A反向倾斜的情况) 下，也具有拓宽放电区域的效果，但是无法获得图6A那种程度的高密度等离子体。对于隙缝孔41的具体的形状和排列例，虽然例如在专利文献1也进行了详细的叙述，但并不是局限于此的。在使用波导管天线部的情况下，由于利用将微波导入矩形波导管 22内时在矩形波导管22内所形成的微波的驻波，因此将隙缝孔41设置于驻波的波腹的部分在产生强等离子体方面是适宜的。并且，将隙缝孔41的长度设定为驻波的半波长以下在使强等离子体形成于隙缝孔41方面是有效的。即使在驻波的波节的部分设置隙缝孔41，电磁场也弱，并且在隙缝孔41无法形成等离子体。如上所述，在使用波导管天线的情况下，由于在矩形波导管22内所形成的驻波的波节的部分不产生等离子体或产生弱等离子体，因此优选形成如下结构在1根矩形波导管22内设置多列隙缝列的结构；或并列地配置多根设置有1列隙缝列的矩形波导管22，对于在其中的1根矩形波导管22内所产生的微波的波节的部分由其它矩形波导管22的隙缝列来相互补偿的结构。可以将多个隙缝孔41配设成一列，也可以配设成多列。在将隙缝孔41形成于矩形波导管22的构成短边的壁40a的情况下，由于在壁40a的表面流动的表面电流在构成短边的壁40a沿始终与波导管长度方向的中心轴正交的方向流动，因此最好将隙缝孔41设置成与构成短边的壁40a的波导管长度方向的中心轴平行。并且，虽然隙缝孔41的配设位置在波导管长度方向上优选设置在驻波的波腹的位置，但是原则上只要是与波导管长度方向正交的短边方向的位置，无论何处均可。但是，若考虑加工便利性、使用便利性，则优选将隙缝孔41设置于构成短边的壁40a的中心线C的附近。另一方面，在将隙缝孔41形成于矩形波导管22的构成长边的壁40b的面的情况下，为了获得强等离子体，将隙缝孔41设置于在矩形波导管22内所产生的驻波的波腹的部分是适当的。在该情况下，电磁场在驻波的波腹的部分最大，在构成长边的壁40b所流动的表面电流从波腹的部分朝构成短边的壁40a的方向流动，并且越靠近矩形波导管22的壁 40a，表面电流越大。因此，将矩形的隙缝孔41设置于构成长边的壁40b的壁面、且靠近矩形波导管22的构成短边的壁40a的部分，更能够在矩形的隙缝孔41形成强等离子体。在图7中示出了配设2列矩形的隙缝孔41的例子。在图7中，在天线部40的壁 40b直线状地配设6个矩形的隙缝孔41，以此为列配设为共计两列。即，在图7中，隙缝孔 HA1 41A6构成为一组形成为一列并排列成直线状，隙缝孔MB1 41 成为一组形成为一列并排列成直线状。在图7中，位于最外侧的2个隙缝孔41~、41怂的端部之间形成为天线部40。另外，隙缝孔41并不限于2列，也可以配设3列以上。如图7所示，在并列配设2列以上的隙缝孔41的情况下，从能够降低能量损失并放射高密度的等离子体的观点考虑，优选在天线部40上，以在构成长边的壁40b的宽度方向上至少存在一个隙缝孔41的方式对每一列进行长度方向的错位配设。例如，在图7中，在属于相同列的隙缝孔41~与41^之间，在天线部40的宽度方向存在相邻列的隙缝孔41Blt) 并且，在属于相同列的隙缝孔4让1与41 之间，在天线部40的宽度方向存在相邻列的隙缝孔41A2。像这样地，优选配置成在宽度方向横穿天线部40的构成长边的壁40b的内侧的表面电流必定与1个隙缝孔41交叉。图8示出了并列排列2根矩形波导管22A、22B的天线部40A、40B的方式。在各天线部40A.40B,多个隙缝孔41分别排列成1列。在天线部40A,隙缝孔MA1 41A6构成为一组形成为一列并排列成直线状，在天线部40B，隙缝孔MB1 41 构成为一组形成为一列并排列成直线状。在图8中，在各天线部40A、40B以彼此补偿的方式沿长度方向错位配设隙缝孔41Ai MA6JlB1 41B6，使得在构成短边的壁40a或构成长边的壁40b的宽度方向(在图中用箭头示出)，在2个天线部40A、40B的范围内至少存在一个隙缝孔41。并且，在图7及图8的例子中，优选将隙缝孔41配设于从壁40a或40b的宽度方向的中心偏离的位置。例如，在图7中，将隙缝孔41设置于从构成长边的壁40b的宽度方向的中心线C偏离的位置。通过以该方式将隙缝孔41的列设置成偏心，在构成长边的壁40b 的壁面上流动的表面电流达到最大，从而能够降低能量损失并放射高密度的等离子体。并且，在图8中，也将隙缝孔41设置于从构成短边的壁40a或构成长边的壁40b的宽度方向的中心线C偏离的位置。通过以该方式将隙缝孔41的列设置成偏心，在壁40a(或40b)的壁面上流动的表面电流达到最大，从而能够降低能量损失并放射高密度的等离子体。并且，在将隙缝孔41设置于构成短边的壁40a或构成长边的壁40b的情况下，还可以遍及天线部40的整个区域地配设长的单个的隙缝孔41。例如，图9示出了在构成短边的壁40a的中心轴附近、在天线部40设置有一个长的直线状的隙缝孔41C的例子。在图9 中，由于隙缝孔41C的形成范围的长度与天线部40的长度相同，因此形成为在天线部40的整个区域中、在构成短边的壁40a的宽度方向存在隙缝孔41C。图10 图12示出了隙缝孔41的其他的例子。图10是直线状地排列H形的隙缝孔41E的结构例。像这样地，由于H形的隙缝孔41E在矩形的长开口的两端分别具有交叉成直角的矩形的短开口，因此，在天线部40的壁40a的内侧(矩形波导管22内)所产生的表面电流能够有效地横穿隙缝孔41E。例如，假定在矩形波导管22的构成短边的壁40a的壁面设置矩形的隙缝孔41的情况，如前所述，优选将矩形的隙缝孔41设置于构成短边的壁 40a的壁面的中心线C附近。表面电流沿与该矩形的隙缝孔41成直角的方向侵入，在矩形的隙缝孔41内形成强电场并生成等离子体。此时，在矩形的隙缝孔41的长边端部，与表面电流相对矩形的隙缝孔41成直角地侵入相比，表面电流更容易绕到阻抗较低的周边部分。 因此，存在如下情况在矩形的隙缝孔41的长边的端部，等离子体密度下降；或在极端的情况下，在矩形的隙缝孔41的长边端部未形成等离子体。本发明人发现为了回避这样的现象，图10的H形的隙缝孔41E是有效的。由于在H形的隙缝孔41E的两端形成了矩形的短的开口，因此对呈直角地侵入H形的隙缝孔41E的长边端部的表面电流流向周边的低阻抗区域的情况形成了妨碍。其结果，表面电流与隙缝孔41E成直角地侵入。由此，不会产生在矩形的隙缝孔41的长边端部所观察到的等离子体密度降低或等离子体的消光现象。由此， 在H形的隙缝孔41E中，利用其H形的形状能够抑制在隙缝孔41E的周围表面电流绕开、躲避开口的现象，由此，即使在隙缝孔41E的长边端部的周边区域也易于形成电场，与简单的矩形(方形)的隙缝孔41相比，能够增大放电区域并有效地生成高密度等离子体。图11及图12是在矩形波导管22的构成长边的壁40b的壁面使隙缝孔41形成为圆弧状的结构例。图11是朝向天线部40的壁40b的中心线C呈凸形地形成圆弧状的隙缝孔41F的例子。另一方面，图12是朝向天线部40的壁40b的外侧呈凸形地形成圆弧状的隙缝孔41G的例子。在像这样地形成圆弧状的隙缝孔41F、41G的情况下，由于在天线部40 的壁40b的内侧(矩形波导管22内)所产生的放射状的表面电流能够以恒定的密度横穿隙缝孔41F、41G的开口，因此也易于在隙缝孔41F、41G的周围形成电场，并能够增大放电区域且有效地生成高密度等离子体。另外，在图11及图12所示出的圆弧状的隙缝孔41F、41G 的情况下，若将连结圆弧的两个端部的方向考虑成长度方向，则与天线部40的长度方向一致。
另外，在图9 图12的结构例中，在将隙缝孔41设置于矩形波导管22的构成短边的壁面40a的情况下，也希望将隙缝孔41配设于构成短边的壁40a的中心线C的附近。 在将隙缝孔41设置于矩形波导管22的构成长边的壁40b的情况下，优选将其配设于构成短边的壁40a的附近(也就是说，在从构成长边的壁40b的宽度方向的中心线C偏离的位置)。并且，在图9 图12的结构例中，还可以配设多列隙缝孔41。进一步地，虽然在图 10 图12的结构例中，示出了将6个隙缝孔41设置成一列的例子，但是对隙缝孔41的数量并没有特殊限制。接下来，对等离子体处理装置100的动作进行说明。首先，将被处理体S送入处理容器10内，并载置于载台50上。进而，从气体供给装置23以规定的流量经由气体导入部 22b、分支管2 将处理气体导入矩形波导管22内。通过将处理气体导入矩形波导管22内， 矩形波导管22内的压力变得比外部的大气压还相对地高。接下来，将微波发生装置21的电源置于接通(ON)，从而产生微波。此时，也可以脉冲状地产生微波。微波经由未图示的匹配电路导入矩形波导管22。由以该方式被导入的微波在矩形波导管22内形成电磁场，进而使被供给至矩形波导管22的内部的处理气体在天线部40的隙缝孔41等离子体化。该等离子体从压力相对高的矩形波导管22的天线部 40内部经由隙缝孔41朝外部的被处理体S放射。在本实施方式的等离子体处理装置100 中，例如在将氩(Ar)稀释的0. 40Z0 1. 0%氢气作为处理气体、以50L/min的流量流动、微波输出功率为1. 5kW的条件下，在隙缝孔41的位置进行测定，能够生成电子密度为IX IO14/ cm3 IXlOlfVcm3的高密度的等离子体，在隙缝孔41的正下方7mm的位置进行测定，能够生成氢离子密度为IX IO1Vcm3 IX 1015/cm3的高密度的等离子体。因此，通过将该高密度的等离子体作用于被处理体S，实现有效的等离子体处理。并且，当在使氩稀释的氢气以10L/min(Slm)的流量流动、微波输出功率为 1. 5kff的条件下生成等离子体，并利用真空紫外吸收分光法来测量氢离子浓度时，在天线部的正下方7mm处，氢离子浓度为2X1014/cm3。可知当通过氢离子浓度的对与天线部之间的距离的依赖性来估计隙缝孔41处的氢浓度时，能够形成IXlOlfVcm3的高密度等离子体。另一方面，使氩14slm(标准状态为litter/min)，氢流量IOOsccm(标准状态为 cc/min)、氮流量lOOsccm(标准状态为cc/min)的混合气体流动，在微波频率为10GHz、微波的脉冲ON时间=10 50 μ s,OFF时间=200 500 μ s、实质的微波输入功率为1. 2kff 1.6kW的条件下，生成等离子体。进而，可知在距离隙缝正下方22mm的位置放置石英板， 利用光纤来采光，当通过氢原子的发光的Ηβ斯塔克扩散来估计隙缝部的电子密度时，能够形成1. 5 1. 7 X IO1Vcm3的高密度的等离子体。如上所述，由于本实施方式的等离子体生成装置20及具备该等离子体生成装置 20的等离子体处理装置100为不需要真空容器的大气压等离子体装置，因此无需在矩形波导管22与被处理体S之间设置电介质板，能够防止由电介质板吸收微波而产生的损失。并且，由于是大气压等离子体装置，因此也不需要耐压的真空容器及密封机构等，简易的装置结构即可。另外，以提高处理气体的置换效率等为目的，也可以具备能够减压的排气设备和将大气压等离子体朝密闭空间内放出的机构。并且，对于本实施方式的等离子体生成装置20及具备该等离子体生成装置20的等离子体处理装置100，由于利用微波使供给至矩形波导管22内的处理气体在隙缝孔41等离子体化，并从隙缝孔41朝外部放出，因此无需专用的气体导入器具，也能够减小装置的尺寸。也就是说，由于矩形波导管22发挥喷头的作用，因此无需另外设置喷头或像淋浴器这样的气体导入器具，能够简化装置结构。并且，由于在矩形波导管22内将微波作用于处理气体，因此能够朝被处理体S放射均勻的等离子体。接下来，对使用具有与图1所示出的装置相同的结构的等离子体处理装置进行的实施例进行说明。[实施例1]聚酰亚胺薄膜的表面处理天线部采用在微波频率为IOGHz的情况下将41个/列的矩形的隙缝孔沿矩形波导管的构成短边的壁的中心线排列成直线状的结构。使用频率为10GHz、输出功率为1.6kW 的微波发生装置，将脉冲调制器的接通时间、切断时间分别设置成30μ s、220y s，使氩气以 14L/min(slm)的流量流动，进行微波放电从而生成等离子体。此时，对作为处理实验材料的聚酰亚胺薄膜在天线部的正下方4mm的位置处理0秒 60秒。处理中的天线实质的输出功率为1. 56kW。当调查未处理的聚酰亚胺薄膜(处理时间为0秒)和处理4秒后的聚酰亚胺薄膜的水的接触角度时，得知其从70度变化到18度。处理前的聚酰亚胺薄膜为疏水性的，与此相对，等离子体化处理之后，水的接触角度大幅减少到18度，其表面改良成亲水性。并且，当超过聚酰亚胺薄膜与天线部的隙缝形成面之间的距离时，处理效果减弱，特别是距离200mm以上时，处理效果急剧减弱。[实施例2]氧化铜的还原使氩为Hslm(标准状态为litter/min)、氢流量为IOOsccm(标准状态为cc/ min)、氮流量为HOsccm(标准状态为cc/min)的混合气体流动，在微波频率为10GHz、微波的脉冲ON时间=10 50 μ s,OFF时间=200 500 μ s、实质的微波输入功率为1. 2kff 1. 6kff的条件下生成等离子体，利用该等离子体按照以下方法进行试验。在矩形隙缝正下方 4mm的位置放置通过热氧化使由溅射法所形成的铜(Cu)膜形成薄膜厚度约为20nm的CuOx 膜，花费30秒 15分的时间进行等离子体处理。其结果，通过从CuOx的暗紫色到Cu的原始颜色的颜色变化，能够确认CuOx从隙缝正下方的位置开始逐渐还原的情况。可以推定由于利用等离子体所生成的氢原子将CuOx中的0原子吸取出去，因此金属的铜的表面露出。[第2实施方式]接下来，参照图13 图15对本发明的第2实施方式所涉及的等离子体处理装置进行说明。图13示出并列地配置有多个(在图13中为3个)矩形波导管22的天线部40 的等离子体处理装置101的结构例。在等离子体处理装置101中，设置成由未图示的驱动机构使被处理体S能够相对于天线部40在图13中的箭头所示的方向上进行相对移动。配置成天线部40 (矩形波导管22)的长度方向与被处理体S的移动方向相互正交。以被处理体S的宽度以上的长度来配设天线部40的隙缝孔41。如图13所示，通过并列地配置多个天线部40且使被处理体S进行相对移动，对于被处理体S能够连续地进行无处理斑点的、 均勻的等离子体处理。另外，由于包含天线部40的等离子体生成装置20的结构与第1实施方式相同，因此将对细节的图示及说明省略。另外，并列地配置的天线部40的数量并不限于3个，可以是2个，也可以是4个以上。
图14示出了在等离子体处理装置101中，一边以卷对卷的方式输送细长的片状 (薄膜状)的被处理体S—边处理的方式。被处理体S被从第一辊70A送出，并被卷绕于第二辊70B。通过以该方式使用本实施方式的等离子体处理装置101，在被处理体S为能够卷绕的片状(薄膜状)的情况下，能够易于进行连续的处理。图15示出了相对于图14的变形例。在该等离子体处理装置IOlA中，以隔着被处理体S的方式在上下方分别配置有3个并列地配置的天线部40。对于在被处理体S的上方所配置的天线部40A、40A、40A，在其下表面(与被处理体S的对置面)设置有隙缝孔41。 对于在被处理体S的下方所配置的天线部40B、40B、40B，在其上表面(与被处理体S的对置面)设置有隙缝孔41。通过以该方式在被处理体S的上下两方配置天线部40，能够一边以卷对卷方式输送被处理体S，一边对其两表面同时进行等离子体处理。以上，虽然以举例表示的目的对本发明的实施方式进行了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。本领域技术人员可以在不脱离本发明的思想及范围的基础上进行多种改变，那些改变后的方式也包含在本发明的范围内。例如，在上述实施方式中，虽然作为被处理体S举出了 FPD基板及粘贴于该基板的薄膜等，但是对处理对象并未作特殊限定， 例如也能够适用于半导体晶片等的基板。[标号说明]10…处理容器；20…等离子体生成装置；21…微波发生装置；22…矩形波导管； 23…气体供给装置；24···隔断壁；25…排气装置；40…天线部；41…隙缝孔；50…载台； 60…控制部；100…等离子体处理装置；S…被处理体。
权利要求
1.一种等离子体生成装置，其特征在于， 具备微波发生装置，其产生微波；中空状的波导管，其与所述微波发生装置连接，在微波的传送方向上形成为细长状，并且与该传送方向正交的方向的截面形成为矩形；气体供给装置，其与所述波导管连接并朝其内部供给处理气体；以及天线部，其是所述波导管的一部分，并将由微波生成的等离子体朝外部放出， 所述天线部在其截面中成为短边的壁上具有1条或多条隙缝孔，利用微波使供给至大气压状态的所述波导管内的处理气体在所述隙缝孔进行等离子体化，进而从所述隙缝孔朝外部放出。
2.根据权利要求1所述的等离子体生成装置，其特征在于，在所述微波发生装置与所述天线部之间的所述波导管内，具备隔断所述处理气体的通过的隔断壁。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述隙缝孔设置成矩形形状，并且配设成其长度方向与所述天线部的长度方向一致。
4.根据权利要求3所述的等离子体生成装置，其特征在于， 多个隙缝孔被配设成一列。
5.根据权利要求3所述的等离子体生成装置，其特征在于， 在所述天线部，设置单个隙缝孔。
6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的等离子体生成装置，其特征在于， 所述隙缝孔的边缘面呈倾斜地设置成在所述壁的厚度方向上开口宽度发生变化。
7.根据权利要求1至6中的任何一项所述的等离子体生成装置，其特征在于， 进一步具备脉冲发生器，并脉冲状地产生微波而生成等离子体。
8.根据权利要求1至7中的任何一项所述的等离子体生成装置，其特征在于， 所述天线部并列地配置有多个。
9.根据权利要求8所述的等离子体生成装置，其特征在于，在并列地配置的多个所述天线部中，针对每个所述天线部以沿长度方向错位的方式来配设所述隙缝孔，使得在所述壁的宽度方向上，且在遍及多个所述天线部的范围内，至少存在一个所述隙缝孔。
10.一种等离子体处理装置，其特征在于，具备权利要求1至9中的任何一项所述的等离子体生成装置，并利用所产生的等离子体对被处理体进行规定的处理。
11.根据权利要求10所述的等离子体处理装置，其特征在于， 所述天线部被配置成所述隙缝孔与被处理体对置。
12.根据权利要求11所述的等离子体处理装置，其特征在于， 在被处理体的表里两面分别配置天线部。
13.根据权利要求11或12所述的等离子体处理装置，其特征在于， 被处理体形成为薄膜状，且能够以卷对卷的方式输送。
14.一种等离子体处理方法，其特征在于，使用权利要求10至13中的任何一项所述的等离子体处理装置处理被处理体。
全文摘要
一种既能尽量降低微波的损失又能高效地生成高密度等离子体的等离子体生成装置(100)。具备微波发生装置(21)，产生微波；中空状的矩形波导管(22)，与所述微波发生装置(21)连接，在微波的传送方向形成为细长状，与该传送方向正交的方向的截面形成矩形；气体供给装置(23)，与矩形波导管(22)连接并朝其内部供给处理气体；天线部(40)，是所述矩形波导管(22)的一部分，将在内部生成的等离子体朝外部放出。天线部(40)在其截面构成为短边的壁(40a)上具有1或多条隙缝孔(41)，由微波使供给至大气压状态的矩形波导管(22)内的处理气体等离子体化，进而从隙缝孔(41)朝外部的被处理体放出。
文档编号H01J37/32GK102421237SQ201110221979
公开日2012年4月18日 申请日期2011年7月29日 优先权日2010年9月16日
发明者三好秀典, 丰田浩孝, 伊藤仁, 关根诚, 堀胜 申请人:东京毅力科创株式会社, 国立大学法人名古屋大学