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JP4719184B2 - 大気圧プラズマ発生装置およびそれを用いるワーク処理装置 - Google Patents

大気圧プラズマ発生装置およびそれを用いるワーク処理装置 Download PDF

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Description

本発明は、基板等の被照射対象物(ワーク)に対してプラズマを照射することで、前記被照射対象物の表面の清浄化や改質などを図ることが可能な大気圧プラズマ発生装置およびそれを用いるワーク処理装置に関する。
半導体基板等の被照射対象物(ワーク)に対してプラズマを照射し、その表面の有機汚染物の除去、表面改質、エッチング、薄膜形成または薄膜除去等を行うワーク処理装置が知られている。たとえば特許文献1には、同心状の内側電極と外側電極とを有するプラズマ発生ノズルを用い、両電極間に高周波のパルス電界を印加することで、アーク放電ではなく、グロー放電を生じさせてプラズマを発生させ、ガス供給源からの処理ガスを両導電体間で旋回させながら基端側から遊端側へ向かわせることで高密度なプラズマを生成し、前記遊端に取付けられたノズルからワークに照射することで、常圧下で高密度なプラズマを得ることができるプラズマ処理装置が開示されている。
上述の従来技術のプラズマ発生ノズルは、常圧下で高密度なプラズマを発生させることができるプラズマ発生に適した形状ではあるけれども、大面積のワークや複数の被処理ワークを纏めて処理するには適していないという問題がある。すなわち、上述のような構造のプラズマ発生ノズルは円筒形状となり、吹出し口は点である。したがって、大面積のワークや複数のワークを纏めて処理するにあたっての面でのプラズマ照射を行うことはできないという問題がある。
これに対して、特許文献2には、相互に平行に配置した帯状の電極の内、一方を電界印加電極とし、他方を接地電極とし、それらの間の側部を囲んで形成したプラズマ発生空間内に処理ガスを供給することでプラズマ化した処理ガスを発生させ、前記接地電極の長手方向に形成したスリット状の吹出し口からワークに照射するようにしたプラズマ処理装置が開示されている。この従来技術によれば、プラズマがスリット状の吹出し口から放射され、線でのプラズマ照射が可能になる。
特開2003−197397号公報 特開2004−6211号公報
上述の特許文献2の従来技術では、プラズマ化した処理ガスは、比較的一様かつ線状に照射できる可能性があるものの、平行平板の電極でグロー放電させるので、高電圧が必要になり、高価であるとともに、放電が安定しないという問題がある。また、局所的なアーク放電も生じ易く、それを抑えるために少なくとも一方の電極に誘電体を被せたりする必要があり、高電圧が必要になる。したがって、プラズマの発生には、前記特許文献1の方が優れている。
本発明の目的は、点状の吹出し口を有するプラズマ発生ノズルを用いても、広い面積の被照射対象物に均等なプラズマ照射を行うことができる大気圧プラズマ発生装置およびそれを用いるワーク処理装置を提供することである。
本発明の大気圧プラズマ発生装置は、プラズマを吹出す複数のプラズマ発生ノズルと、前記複数のプラズマ発生ノズルの吹出し口に対向する位置に開口を有し、前記開口の周囲から連続面を形成し、その連続面とプラズマ照射すべきワークとの間に、プラズマが充満した空間を形成するノズルカバー部材とを含むことを特徴とする。
上記の構成によれば、基板の改質等、被照射対象物の処理などに使用することができるプラズマ発生装置において、前記プラズマ発生ノズルは、たとえば同心状に配置される内側電極と外側電極との間にグロー放電を生じさせてプラズマを発生させ、それらの間に処理ガスを供給することで、環状の吹出し口からプラズマ化したガスを放射する構造のように、プラズマ発生に適した形状に構成されるので、そのプラズマ発生ノズルの先端にノズルカバー部材を設け、そのノズルカバー部材によって、プラズマの放散を抑える。具体的には、板状体に前記プラズマ発生ノズルの吹出し口が露出する開口を形成して前記ノズルカバー部材を構成し、円筒状などに形成される前記プラズマ発生ノズルを覆うようにこのノズルカバー部材を取付けることで、該プラズマ発生ノズルの吹出し口の周囲から、該プラズマ発生ノズルの先端面より広い、平坦或いは曲面などの連続面を形成させる。
したがって、前記ノズルカバー部材と前記被照射対象物との間には狭小な空間が形成され、前記吹出し口から吹出され、前記被照射対象物に当って跳ね返されたプラズマは再び押し返されて、前記空間内に滞留(充満)させることができる。これによって、点状の吹出し口を有する低コストで制御が容易な小径のプラズマ発生ノズルを用いても、広い面積の被照射対象物に均等なプラズマ照射を行うことができるとともに、前記狭小な空間にプラズマを充満させて冷却を抑え、比較的長い時間プラズマを生存させることができ(消失する割合が小さくなり)、照射効率を高めることができる。
また、前記ノズルカバー部材は、前記プラズマ発生ノズルを覆うので、プラズマ発生ノズルの周囲に敷設される冷却水配管や電気配線、或いは電気回路などからの塵や埃の飛散を抑えることができる。
さらにまた、前記プラズマ発生ノズルは複数設けられ、前記ノズルカバー部材は前記複数のプラズマ発生ノズルの吹出し口に亘る連続面を有している
上記の構成によれば、プラズマ発生ノズルが複数設けられ、それらの間に前記ノズルカバー部材が設けられることで、或るプラズマ発生ノズルから吹出されたプラズマは、他のプラズマ発生ノズルから吹出されたプラズマによって、前記狭小な空間内で押し返されることになり、プラズマの滞留する時間をより長くして、照射効率を高めることができる。
また、本発明の大気圧プラズマ発生装置では、前記プラズマ発生ノズルの各々は、同心状に配置される内側電極と外側電極とを備えて構成されて環状の前記吹出し口を有し、前記プラズマ発生ノズルの先端には、前記環状の吹出し口に連通する長手状のプラズマチャンバーを有し、その一側面が開口されて長手状の吹出し口となり、前記環状の吹出し口を前記長手状の吹出し口に変換するアダプタが装着され、前記ノズルカバー部材は、前記アダプタに対応した開口が形成されることで、前記プラズマチャンバーが露出するように形成されることを特徴とする。
上記の構成によれば、前記吹出し口が、プラズマ発生ノズル単体では点であるのを、前記アダプタによって線に変換した後、さらにそれを前記ノズルカバー部材によって面に拡げるので、円筒状のプラズマ発生ノズルから、直接カバー部材を用いて吹出し口を面に拡げる場合に比べて、前記アダプタを装着することでプラズマが冷却されにくくなり、プラズマの滞留する時間をより長くして、照射効率をより高めることができる。
上記の構成において、前記連続面の端縁部がプラズマ吹出し方向へ隆起していることが望ましい。
上記の構成によれば、前記連続面の端縁部がプラズマ吹出し方向へ隆起していることで、プラズマの放散を一層抑えることができる。
また、本発明のワーク処理装置は、前記の大気圧プラズマ発生装置に、所定の搬送方向にワークを搬送する搬送手段を備えて成ることを特徴とする。
上記の構成によれば、点状の吹出し口を有する低コストで制御が容易な小径のプラズマ発生ノズルを用いても、広い面積のワークに均等なプラズマ照射を行うことができるワーク処理装置を実現することができる。
さらにまた、本発明のワーク処理装置は、前記連続面が、前記ワークの表面に略平行であることを特徴とする。
上記の構成によれば、前記ノズルカバー部材は、平板や凹凸の曲面形状等、ワークの表面形状に沿って形成され、前記狭小な空間において、ノズルカバー部材とワークの表面との間隔を均一にすることができ、均一な照射を行うことができる。
本発明の大気圧プラズマ発生装置は、以上のように、基板の改質等、被照射対象物の処理などに使用することができる大気圧プラズマ発生装置において、複数のプラズマ発生ノズルの先端にノズルカバー部材を設け、そのノズルカバー部材と被照射対象物との間に狭小な空間を形成し、吹出し口から吹出され、前記被照射対象物に当って跳ね返されたプラズマを再び押し返して、前記空間内に滞留(充満)させるようにする。
それゆえ、点状の吹出し口を有する低コストで制御が容易な小径のプラズマ発生ノズルを用いても、広い面積の被照射対象物に均等なプラズマ照射を行うことができるとともに、前記狭小な空間にプラズマを充満させて冷却を抑え、比較的長い時間プラズマを生存させることができ(消失する割合が小さくなり)、照射効率を高めることができる。
また、本発明のワーク処理装置は、以上のように、前記の大気圧プラズマ発生装置に、所定の搬送方向にワークを搬送する搬送手段を備えて成る。
それゆえ、点状の吹出し口を有する低コストで制御が容易な小径のプラズマ発生ノズルを用いても、広い面積のワークに均等なプラズマ照射を行うことができるワーク処理装置を実現することができる。
図1は、本発明の実施の一形態に係るワーク処理装置Sの全体構成を示す斜視図である。このワーク処理装置Sは、プラズマを発生し、被照射対象物であるワークWに前記プラズマを照射するプラズマ発生ユニットPU(プラズマ発生装置)と、ワークWを前記プラズマの照射領域を経由する所定のルートで搬送する搬送手段Cとを備えて構成されている。図2は、図1とは視線方向を異ならせたプラズマ発生ユニットPUの分解斜視図、図3は一部透視側面図である。なお、図1〜図3において、X−X方向を前後方向、Y−Y方向を左右方向、Z−Z方向を上下方向というものとし、−X方向を前方向、+X方向を後方向、−Y方向を左方向、+Y方向を右方向、−Z方向を下方向、+Z方向を上方向として説明する。
プラズマ発生ユニットPUは、マイクロ波を利用し、常温常圧でのプラズマ発生が可能なユニットであって、大略的に、マイクロ波を伝搬させる導波管10、この導波管10の一端側(左側)に配置されて所定波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置20、導波管10に設けられたプラズマ発生部30、導波管10の他端側(右側)に配置されてマイクロ波を反射させるスライディングショート40、導波管10に放出されたマイクロ波のうち反射マイクロ波がマイクロ波発生装置20に戻らないよう分離するサーキュレータ50、サーキュレータ50で分離された反射マイクロ波を吸収するダミーロード60および導波管10とプラズマ発生ノズル31とのインピーダンス整合を図るスタブチューナ70を備えて構成されている。また搬送手段Cは、図略の駆動手段により回転駆動される搬送ローラ80を含んで構成されている。本実施形態では、平板状のワークWが搬送手段Cにより搬送される例を示している。
導波管10は、アルミニウム等の非磁性金属から成り、断面矩形の長尺管状を呈し、マイクロ波発生装置20により発生されたマイクロ波をプラズマ発生部30へ向けて、その長手方向に伝搬させるものである。導波管10は、分割された複数の導波管ピースが互いのフランジ部同士で連結された連結体で構成されており、一端側から順に、マイクロ波発生装置20が搭載される第1導波管ピース11、スタブチューナ70が組付けられる第2導波管ピース12およびプラズマ発生部30が設けられている第3導波管ピース13が連結されて成る。なお、第1導波管ピース11と第2導波管ピース12との間にはサーキュレータ50が介在され、第3導波管ピース13の他端側にはスライディングショート40が連結されている。
また、第1導波管ピース11、第2導波管ピース12および第3導波管ピース13は、それぞれ金属平板から成る上面板、下面板および2枚の側面板を用いて、角筒状に組立てられ、その両端にフランジ板が取付けられて構成されている。なお、このような平板の組み立てによらず、押出し成形や板状部材の折り曲げ加工等により形成された矩形導波管ピースもしくは非分割型の導波管を用いるようにしてもよい。また、非磁性金属に限らず、導波作用を有する各種の部材で導波管を構成することができる。
マイクロ波発生装置20は、たとえば2.45GHzのマイクロ波を発生するマグネトロン等のマイクロ波発生源を具備する装置本体部21と、装置本体部21で発生されたマイクロ波を導波管10の内部へ放出するマイクロ波送信アンテナ22とを備えて構成されている。本実施形態に係るプラズマ発生ユニットPUでは、たとえば1W〜3kWのマイクロ波エネルギーを出力できる連続可変型のマイクロ波発生装置20が好適に用いられる。
図3に示すように、マイクロ波発生装置20は、装置本体部21からマイクロ波送信アンテナ22が突設された形態のものであり、第1導波管ピース11に載置される態様で固定されている。詳しくは、装置本体部21が第1導波管ピース11の上面板11Uに載置され、マイクロ波送信アンテナ22が上面板11Uに穿設された貫通孔111を通して第1導波管ピース11内部の導波空間110に突出する態様で固定されている。このように構成されることで、マイクロ波送信アンテナ22から放出された、たとえば2.45GHzのマイクロ波は、導波管10により、その一端側(左側)から他端側(右側)に向けて伝搬される。
プラズマ発生部30は、第3導波管ピース13の下面板13B(ワークWとの対向面)に、マイクロ波の伝搬方向(左右方向)に相互に間隔を開けて配列された複数のプラズマ発生ノズル31を具備して構成されている。このプラズマ発生部30の幅員、つまり6個のプラズマ発生ノズル31の左右方向の配列幅は、平板状ワークWの搬送方向と直交する幅方向のサイズtと略合致する幅員とされている。これにより、ワークWを搬送ローラ80で搬送しながら、ワークWの全表面(下面板13Bと対向する面)に対してプラズマ処理が行えるようになっている。なお、プラズマ発生ノズル31の配列間隔は、導波管10内を伝搬させるマイクロ波の波長λGに応じて定めることが望ましい。たとえば、波長λGの1/2ピッチ、1/4ピッチでプラズマ発生ノズル31を配列することが望ましく、2.45GHzのマイクロ波を用いる場合は、λG=230mmであるので、115mm(λG/2)ピッチ、或いは57.5mm(λG/4)ピッチでプラズマ発生ノズル31を配列すればよい。
スライディングショート40は、各々のプラズマ発生ノズル31に備えられている中心導電体32と、導波管10の内部を伝搬されるマイクロ波との結合状態を最適化するために備えられているもので、マイクロ波の反射位置を変化させて定在波パターンを調整可能とするべく第3導波管ピース13の右側端部に連結されている。したがって、定在波を利用しない場合は、当該スライディングショート40に代えて、電波吸収作用を有するダミーロードが取付けられる。このスライディングショート40は、たとえば内部に円柱状の反射ブロック42を備えて成り、その反射ブロック42を左右方向に摺動させることで、導波管10内での定在波パターンを最適化することができる。
サーキュレータ50は、たとえばフェライト柱を内蔵する導波管型の3ポートサーキュレータからなり、一旦はプラズマ発生部30へ向けて伝搬されたマイクロ波のうち、プラズマ発生部30で電力消費されずに戻って来た反射マイクロ波を、マイクロ波発生装置20に戻さずダミーロード60へ向かわせるものである。このようなサーキュレータ50を配置することで、マイクロ波発生装置20が反射マイクロ波によって過熱状態となることが防止される。
ダミーロード60は、上述の反射マイクロ波を吸収して熱に変換する水冷型(空冷型でも良い)の電波吸収体である。このダミーロード60には、冷却水を内部に流通させるための冷却水流通口61が設けられており、反射マイクロ波を熱変換することにより発生した熱が前記冷却水に熱交換されるようになっている。
スタブチューナ70は、導波管10とプラズマ発生ノズル31とのインピーダンス整合を図るためのもので、第2導波管ピース12の上面板12Uに所定間隔を置いて直列配置された3つのスタブチューナユニット70A〜70Cを備えている。3つのスタブチューナユニット70A〜70Cは同一構造を備えており、図3で示すように第2導波管ピース12の導波空間120に突出するスタブ71を、上下方向に出没動作させることで中心導電体32による消費電力が最大、すなわち反射マイクロ波を最小として、プラズマ点火を生じ易くするものである。
搬送手段Cは、所定の搬送路に沿って配置された複数の搬送ローラ80を備え、図略の駆動手段により搬送ローラ80が駆動されることで、ワークWを前記プラズマ発生部30を経由して搬送させるものである。ここで、前記ワークWとしては、プラズマディスプレイパネルや半導体基板のような平型基板、電子部品が実装された回路基板等を例示することができる。また、平型形状でないパーツや組部品等も処理対象とすることができ、この場合は搬送ローラに代えてベルトコンベア等を採用すればよい。
そして、前記各プラズマ発生ノズル31の先端には、アダプタ38が装着されている。図4は、プラズマ発生ノズル31回りを拡大して示す導波管10の軸線とは直交方向の断面図であり、図5はアダプタ38の分解斜視図である。プラズマ発生ノズル31は、中心導電体32(内側電極)、ノズル本体33(外側電極)、保持部材35および光センサ36を含んで構成されている。
中心導電体32は、銅、アルミ、真鍮などの良導電性の金属から構成され、φ1〜5mm程度の棒状部材から成り、その上端部321の側が第3導波管ピース13の下面板13Bを貫通して導波空間130に所定長さだけ突出(この突出部分を受信アンテナ部320という)する一方で、下端部322がノズル本体33の先端面331と略面一になるように、上下方向に配置されている。この中心導電体32には、受信アンテナ部320が導波管10内を伝搬するマイクロ波を受信することで、マイクロ波エネルギー(マイクロ波電力)が与えられるようになっている。当該中心導電体32は、テフロン(登録商標)やポリプロピレン等の耐熱性樹脂材料、或いはセラミック等の、絶縁性を有し、低誘電率の材料から成る保持部材35によって、ノズル本体33の中心に保持されている。
ノズル本体33は、第3導波管ピース13(導波管10)に電気的に接続される良導電性の金属から構成され、中心導電体32の周囲に配置された外部導電体として機能するもので、中心導電体32を収納する筒状空間332を有する筒状体である。前記筒状空間332に連なる大径の収納空間333に、前記中心導電体32を保持する円筒状の前記保持部材34が嵌り込むことで、前記中心導電体32は所定の環状空間H(絶縁間隔)が周囲に確保された状態で筒状空間332の中心軸上に配置されることになる。前記環状空間Hは、該ノズル本体33に穿設された図示しない連通孔を介して管継手334に連通しており、図示しない処理ガス供給源からの処理ガスが供給されると、その処理ガスは前記環状空間H内(中心導電体32の回り)を旋回して、吹出し口335から吹出される。
プラズマ発生ノズル31は上記のように構成されている結果、ノズル本体33および第3導波管ピース13(導波管10)は導通状態(同電位)とされている一方で、中心導電体32は絶縁性の保持部材35で支持されていることから、これらの部材とは電気的に絶縁されている。したがって、導波管10がアース電位とされた状態で、中心導電体32の受信アンテナ部320でマイクロ波が受信され中心導電体32にマイクロ波電力が給電されると、その下端部322およびノズル本体33の先端面331の近傍に電界集中部が形成されるようになる。
かかる状態で、管継手334から、たとえば酸素ガスや空気のような酸素系の処理ガスが環状空間Hへ供給されると、前記マイクロ波電力により処理ガスが励起されて中心導電体32の下端部322付近においてプラズマ(電離気体)が発生する。このプラズマは、電子温度が数万度であるものの、ガス温度は外界温度に近い反応性プラズマ(中性分子が示すガス温度に比較して、電子が示す電子温度が極めて高い状態のプラズマ)であって、常圧下で発生するプラズマである。
このようにしてプラズマ化された処理ガスは、管継手334から与えられるガス流によりプルームとしてノズル本体33の先端面331から放射される。このプルームにはラジカルが含まれ、たとえば処理ガスとして酸素系ガスを使用すると酸素ラジカルが生成されることとなり、有機物の分解・除去作用、レジスト除去作用等を有するプルームとすることができる。本実施形態に係るプラズマ発生ユニットPUでは、プラズマ発生ノズル31が複数個配列されていることから、左右方向に延びるライン状のプルームを発生させることが可能となる。
因みに、処理ガスとしてアルゴンガスのような不活性ガスや窒素ガスを用いれば、各種基板の表面クリーニングや表面改質を行うことができる。また、フッ素を含有する化合物ガスを用いれば基板表面を撥水性表面に改質することができ、親水基を含む化合物ガスを用いることで基板表面を親水性表面に改質することができる。さらに、金属元素を含む化合物ガスを用いれば、基板上に金属薄膜層を形成することができる。
前記吹出し口335には、発生したプラズマによる該ノズル本体33の先端面331の腐食を防止するために、ガラスなどから成る保護管336が嵌め込まれている。また、前記環状空間Hへ向けて、該ノズル本体33の外部から取付け孔337が穿設されており、その取付け孔337内には、プラズマが点灯しているか否かを検知するための光センサ36が嵌め込まれている。
前記アダプタ38は、大略的に、前記ノズル本体33の先端面331に形成された案内突条338が嵌まり込む取付け部381と、前記取付け部381の先端から水平方向に延びるプラズマチャンバー382と、前記プラズマチャンバー382に被せられる一対のスリット板383,384とを備えて構成される。前記取付け部381からプラズマチャンバー382は、削り出しまたは鋳造によって成り、一体で形成されている。スリット板383,384は、削り出しや打抜きによって形成されている。
前記取付け部381は、角筒状に形成され、上端側の凹所388に前記案内突条338が嵌まり込み、該取付け部381側から、前記ノズル本体33の先端面331に形成されたねじ孔339に向けて取付けビス385が螺着されることで、ノズル本体33に取付けられる。また、スリット板383,384は、複数の皿ビス386によってプラズマチャンバー382の底面に取付けられる。
前記プラズマチャンバー382は前記取付け部381の下端から相互に離反方向に延びる一対のチャンバー部3821,3822から成り、そのチャンバー部3821,3822に亘って、上方に凹となる長手状の凹溝3823が連通して形成されており、その凹溝3823の略中央部が前記取付け部381の内周部に連通した大径の開口部3824となっている。
このように形成される凹溝3823上に前記スリット板383,384が嵌め込まれることで、該スリット板383,384およびチャンバー部3821,3822で囲まれた空間がチャンバーとなり、前記ノズル本体33の筒状空間332から放射されたプラズマ処理されたガスは、取付け部381から開口部3824を経て凹溝3823内を伝播し、前記スリット板383,384間の吹出し口387から帯状に放射される。前記吹出し口387の幅W0は、前記ノズル本体33の筒状空間332の径φより充分大きく、たとえばφ=5mmに対して、W0=70mmである。
したがって、前記の同心状に配置される内側電極である中心導電体32と外側電極であるノズル本体33との間にグロー放電を生じさせてプラズマを発生させ、それらの間に処理ガスを供給することで、環状の吹出し口335から常圧下でプラズマ化したガスを放射するプラズマ発生ノズル31では、図6で示すように、幅広のワークWの所望の照射位置Pにプラズマ照射する場合、参照符号L1で示すように吹出し口335から直接到達する場合は、その行路L1の殆どでプラズマが冷却されて消滅する割合が高くなる。これに対して、前記環状の吹出し口335を長手状の吹出し口387に変換するこのアダプタ38を装着することで、前記照射位置Pまで同じ行路長であっても、高温になる該アダプタ38内を通過する行路L21ではプラズマが冷却されにくく、照射位置P直近の開口部分から出て、実際に照射位置に到達するまでの僅かな行路L22でだけ冷却されることになり、照射位置Pがノズル本体33から離れていても、プラズマが消失する割合が小さくなる。これによって、むやみに大きなプラズマ発生ノズルを用いることなく、低コストで制御が容易な小径のプラズマ発生ノズル31を用いても、幅広のワークWに対して均等なプラズマ照射を行うことができる。
また、前記アダプタ38は、前記図4や図5などでも示されるように、長手状の吹出し口387は、外方へ向うにつれて、開口面積が段階的に拡大形成されている(図4および図5の例では、前記筒状空間332からのプラズマ流を直接受ける開口部3824の直下の部分3871では狭幅W1、たとえば0.3mmに形成され、それ以外の部分3872では広幅W2、たとえば0.5mmに形成される。)。
この吹出し口387の形状は、外方へ向うにつれて、長手状の吹出し口の開口幅が連続的に拡大形成されてもよく、長手方向に配置されたスポット開口の径が順次拡大形成されてもよく、長手方向に配置されたスポット開口の数が順次増加するように形成されてもよく、開口面積が連続的または段階的に拡大形成されていればよい。
このように構成することで、前記の長手状の吹出し口387において、外方へ向うにつれて前記プラズマの勢い(吹出しの圧力、すなわち流速(単位時間当りの流量))が衰え、また温度も低下するので、該長手状の吹出し口387が、単に一定の幅に形成されているのではなく、上述のように開口面積が段階的または連続的に拡大形成されることで、前記長手状の吹出し口387の外方側程、吹出されるプラズマの量が多くなり、前記幅広のワークWに対して、より一層均等なプラズマ照射を行うことができる。なお、スリット板383,384は相互に一体で形成されてもよく、また一方の側面に幅の異なる前記部分3871,3872を形成するための段差を設け、他方の側面は平面とされてもよい。
上述のように構成されるプラズマ発生ユニットPUにおいて、先ず注目すべきは、複数のプラズマ発生ノズル31間に、冷却水流路となる冷却配管91が引回されていることである。図2の例では、6つのプラズマ発生ノズル31を2つのグループに分けて、前記冷却配管91が引回されている。また、図1および図2の例では、前記冷却配管91を流れる冷却水は、ダミーロード60の冷却水流通口61から流れ出たものであり、図示しないポンプなどの冷却水供給源から前記ダミーロード60およびこのプラズマ発生ノズル31を経て、図示しない放熱器を介して前記ポンプに循環するようになっている。前記冷却配管91は、全体を一括して引回されてもよく、複数のプラズマ発生ノズル31間に共通に引回されていればよい。また、図1および図2の例では、前記冷却配管91は、ノズル本体33の前後両側に引回されているけれども、プラズマ発生ノズル31で受信されるマイクロ波電力の大きさ、或いは処理ガスの管路や電気配線等の引回しの都合などによっては、片側のみに引回されてもよい。
このように構成することで、プラズマ発生ノズル31が複数並設される場合に、プラズマの発生によって高温になる該プラズマ発生ノズル31を、ポンプなどからの冷却水流路の引回しが煩雑になることなく冷却を行うことができ、前記プラズマ発生ノズル31近傍に設けられる前記光センサ36等のセンサ、およびそれに関連する電子回路基板361などを保護することができ、センサ故障などを抑えることができる。前記センサ等に関する電気配線や前記電子回路基板361などは、プラズマ発生ノズル31に取付けられるブラケット362に支持されている。
また、本実施の形態のプラズマ発生ユニットPUでは、前記プラズマ発生ノズル31が、内側電極となる中心導電体32と、外側電極となるノズル本体33とが同心状に配置されて構成されるにあたって、そのままでは同心状の該プラズマ発生ノズル31に対して、前記冷却配管91は、点(前記冷却配管91が円筒である場合)または線(前記冷却配管91が角筒である場合)でしか接触しないのに対して、図7および図8で示すように、ノズル本体33の外周面を削り落として、前記冷却配管91に対応した凹所340が形成さ
れている。図7はプラズマ発生ノズル31の分解斜視図であり、図8はその一部分を拡大して別角度から見た分解斜視図である。ここで、前述の図2では、分り易くするために、プラズマ発生ノズル31を簡略化して示している。したがって、前記凹所340に前記冷却配管91を嵌め込むことで、前記冷却配管91とプラズマ発生ノズル31との接触面積を増やすことができ、冷却効率を一層高めることができる。
さらにまた、本実施の形態のプラズマ発生ユニットPUでは、前記凹所340と冷却配管91との間に、熱伝導性の良好な弾性体92が介在されている。したがって、前記プラズマ発生ノズル31と冷却配管91との間の熱伝導性を一層高めることができ、冷却効率を一層高めることができる。特に、水平に引回されている前記冷却配管91において、以下に詳述するように各プラズマ発生ノズル31の部分で保持固定すると、該冷却配管91は、固定されている箇所の両側で自重によって撓み、プラズマ発生ノズルとの間で隙間が生じ易くなるのに対して、前記弾性体92を介在することで、そのような隙間を無くすことができる。
また、本実施の形態のプラズマ発生ユニットPUでは、前記冷却配管91は、保持部材341によって前記凹所340に密着される。図7の例では、保持部材341には、ノズル本体33と同様に、前記凹所340と同一の円弧状断面を有する凹所342が形成されており、該保持部材341がビス343によってノズル本体33に螺着されることで、前記凹所340,342間に、前記弾性体92が巻装された冷却配管91を密着して保持することができる。保持部材341は、冷却配管91をノズル本体33側に押え付けられれば、たとえば板などのどのような構造が用いられてもよいが、冷却配管91の外周面に密着する前記凹所342を有することで、ノズル本体33の熱が、一旦この保持部材341に伝搬した後、冷却配管91に伝搬することで、ノズル本体33の冷却配管91に対する接触面積を実質的に増加させて、熱伝導性(冷却効率)を一層高めることができる。これによって、フォトダイオードなどから成る熱に弱い前記光センサ36を始め、電子回路基板361などの温度保護を、より確実に行うことができる。
さらにまた、本実施の形態のプラズマ発生ユニットPUでは、前記保持部材341を用いて冷却配管91をノズル本体33に密着させるにあたって、前記保持部材341を第3導波管ピース13にねじ止めすると、マイクロ波の伝搬による導波管10の熱膨張などによって、冷却配管91と凹所340,342との間にガタつきが生じたりして、熱伝導性が低下する可能性があるのに対して、前記保持部材341をノズル本体33にねじ止めすることで、そのような不具合を無くし、前記熱伝導性を高め、冷却効率を高めることができる。また、ノズル本体33と第3導波管ピース13との接合に影響を与えることもない。
また、注目すべきは、上述のように構成されるプラズマ発生ユニットPUにおいて、前記図7および図8で示すように、ノズル本体33と第3導波管ピース13との接合部分に、導電性を有する弾性部材37が介在されることである。図4も併せて参照して、具体的には、外側電極であるノズル本体33の基端部には、第3導波管ピース13への取付けのために平板のブラケット344が取付けられており、その中央部には前記保持部材35に保持された中心導電体32が遊挿し、前記収納空間333に連なる開口345が形成されている。また前記ブラケット344の中央部は、マイクロ波の漏洩防止のために、さらに該ノズル本体33の位置決めのために、一段隆起した隆起部346が形成されており、その隆起部346において、前記開口345の回りには、環状の凹溝347が形成されている。
これに対応して、前記第3導波管ピース13の前記下面板13Bには、前記開口345に連通して前記保持部材35に保持された中心導電体32が遊挿する開口131が形成さ
れており、その開口131の回りには前記隆起部346に対応して、凹所132が形成されており、その凹所132において、前記開口131の回りには、前記凹溝347に対応して、その深さより低い環状の突条133が形成されている。
したがって、前記凹溝347内に前記弾性部材37を嵌め込んだ後、隆起部346が凹所132に嵌り込むように位置合せを行うと、突条133も凹溝347に嵌り込む。そして、前記ブラケット344の周縁部に形成されたねじ孔348を挿通したビス349を前記下面板13Bに形成したねじ孔134に螺着することで、前記弾性部材37は、前記突条133の天面と凹溝347の底面との間に挟み込まれる。
一方、図7および図8の例では、前記弾性部材37は、コイルばねが環状に連結されたOリングによって形成されている。このような構造の弾性部材37の場合、前記ビス349をねじ孔134に螺着してゆくと、たとえば図9(a)で示すように、半径方向に弾性変形(潰れ)し、または図9(b)で示すように、前記コイルばねの巻上げ角θが大きくなり(コイルばねが倒れ)、或いはそれらの組合わせのような変形を生じる。なお、図9(a)および図9(b)の断面を、図7において、切断面線a−aおよびb−bでそれぞれ示している。
このように構成することで、長期間の運転によって、運転による熱膨張によって、或いは導波管10やプラズマ発生ノズル31の公差などに対しても、それらの間に介在された弾性部材37によって、電気的な接触(接合)を安定させることができる。これによって、前記プラズマ発生ノズル31の電極である中心導電体32で拾い上げたマイクロ波電力が確実にノズル本体33へ流れるようになり、プラズマを安定させることができるとともに、接合部での反射が抑えられ、導波管10内でのプラズマ点灯や前記接合部の溶解を抑えることができる。また、プラズマ発生ノズル31間での特性(プラズマの点火し易さ等)のばらつきを抑えることもできる。
また、前記のようなコイルばねが環状に連結され、伸縮によって位置決めの難しいOリングを前記弾性部材37として用いるにあたって、前記凹溝347およびそれに嵌り込む突条133を形成しておくことで、前記導波管10にプラズマ発生ノズル31を取付けるにあたって、前記凹溝347内にOリングを嵌め込むだけで容易に位置決めを行うことができる。なお、前記凹溝347を下面板13Bに、突条133をノズル本体33に形成してもよいが、図1〜3で示すように、導波管10の下方にプラズマ発生ノズル31が取付けられる構造では、図7や図8で示すように、ノズル本体33側に凹溝347を、下面板13B側に突条133を形成する方が、Oリングが外れ難い。また、突条133は、必ずしも必要はなく、凹溝347がOリングの変形に対して脱落を防止することができる程度の深さを有していれば、平坦面とこの凹溝347とによって、Oリングを変形させるようにしてもよい。
さらにまた、注目すべきは、上述のように構成されるプラズマ発生ユニットPUにおいて、図10および前記図4で示すように、内側電極である前記中心導電体32を保持する保持部材35の導波管10内における少なくとも一部分は、把持部351として、第3導波管ピース13において、外側電極である前記ノズル本体33が取付けられる下面板13Bとは反対側の上面板13Uに延びて形成され、前記上面板13Uには、前記保持部材35に保持された中心導電体32が遊挿可能な点検口135が形成されていることである。図10は、前記保持部材35から点検口135回りを拡大して示す分解斜視図である。
図4および図10の例では、前記把持部351は、保持部材35と同じ絶縁性を有し、低誘電率の材料で一体成型されており、内部に前記中心導電体32を収容する筒形状に形成され、その筒形状の端部352が前記点検口135を閉塞するキャップ部材136によって押圧されている。このため、前記点検口135部分には、前記キャップ部材136に対応した口金137がビス138によって前記上面板13Uにねじ止め固定されており、環状のその口金137の内周面に形成されたねじ部分1371に前記キャップ部材136の中央に形成された筒部1361が嵌り込み、外周面に形成されたねじ部分1362が螺合する。
そして、作業者が前記把持部351を把持し、保持部材35および中心導電体32を前記点検口135および口金137を遊挿させ、前記保持部材35を収納空間333に嵌め込んだ後、前記筒部1361内に前記把持部351の端部352を嵌め込み、前記キャップ部材136を口金137に螺着することで、前記保持部材35が収納空間333に押え込まれてゆく。こうして、内側電極である中心導電体32は常に所定の位置にセットされることになり、放電を安定させることができる。
このように構成することで、前記点検口135を開けると前記保持部材35に保持された中心導電体32が交換可能になり、ワークW側から交換を行う場合に比べて、プラズマ発生ノズル31が取付けられた第3導波管ピース13を取外したりするような必要はなく、極めて容易に交換を行うことができる。また、作業者は、前記保持部材35の延長された把持部351を把持して、中心導電体32に手や工具で触れることなく、該中心導電体32を交換することができ、該中心導電体32への傷付きを防止することができるとともに、専用工具を用いることなく交換を行うことができる。
また、前記把持部351を少し長め目に形成しておくことで、余剰分は前記筒形状の該把持部351の撓みによって吸収され、前記保持部材35から中心導電体32を均一に押圧することができ、該把持部351の長さを厳密に管理することなく、前記のように常に中心導電体32を所定の位置にセットすることができる。なお、上面板13Uの板厚が充分厚く、またキャップ部材136の脱着に伴うねじ部分1371の摩耗が少なければ、口金137は必ずしも設けられなくてもよい。
また、前記中心導電体32における受信アンテナ部320が把持部351内に完全に埋込まれていると、アクシデントによって導波管10内でプラズマ点灯が生じると、その点灯が生じる先端部(前記上端部321)付近の把持部351の材料が溶解してしまうのに対して、前記先端部(前記上端部321)の少なくとも一部分が、前記把持部351外に露出している(図4および図10の例では、上端部321が前記筒形状の把持部351内で露出している(剥き出しとなっている))ことで、点灯はその部分で生じ、前記把持部351の溶解を未然に防止することができる。
さらにまた、ねじ込み式の前記キャップ部材136には、図4で示すように、前記把持部351の前記筒形状によって形成される内部空間353を外部へ開放する通気孔1363が形成されている。これによって、マイクロ波の受信およびそれによるプラズマの点灯によって中心導電体32が高温になっても、前記通気孔1363が高温で膨張した空気の排出孔となり、前記筒形状の把持部351内の圧力が異常に上昇することを防止することができ、該把持部351の変形を防止することができるとともに、前記中心導電体32がワークW側に抜け落ちてしまうことも防止できる。
また、注目すべきは、上述のように構成されるプラズマ発生ユニットPUにおいて、図11で示すように、マイクロ波発生装置20が、フック211およびばね式キャッチクリップ212によって、第1導波管ピース11の上面板11Uに脱着自在に取付けられることである。図11は、マイクロ波発生装置20の前記第1導波管ピース11の上面板11Uへの取付け状態を説明するための分解斜視図である。
具体的には、前記第1導波管ピース11の一方の側面には前記フック211が係合する係合片112が取付けられており、前記第1導波管ピース11の他方の側面には前記ばね式キャッチクリップ212が係合するフック113が取付けられている。前記係合片112はU字状の金具から成り、前記マイクロ波発生装置20を傾けた状態で、その装置本体部21の底板213から延設された前記フック211が、このU字状の底部分と前記上面板11Uとの隙間に差込まれ、前記マイクロ波送信アンテナ22が前記貫通孔111に嵌り込むように前記傾きが解除されると、マイクロ波発生装置20の一方の側面側の抜け止めが行われる。
一方、前記ばね式キャッチクリップ212は、装置本体部21の側板214に取付けられる支持部材2121と、その支持部材2121によって左右方向に延びて支持されるピン2122と、前記ピン2122回りに揺動自在に支持されるクリップ本体2123と、一端が前記クリップ本体2123の遊端部側で、左右両側部に揺動自在に取付けられる一対のばね片2124,2125と、前記ばね片2124,2125の他端間に懸架される係止ピン2126とを備えて構成される。
したがって、前記フック211を係合片112に引掛け、マイクロ波発生装置20を上面板11Uに搭載してマイクロ波送信アンテナ22を貫通孔111から導波空間110へ突出させた状態で、係止ピン2126をフック113に引掛け、クリップ本体2123を矢符2127方向へ揺動させると、マイクロ波発生装置20の他方の側面側が固定される。
このように構成することで、ばね式キャッチクリップ212の解放から締結によって、工具を使わないで容易にマイクロ波発生装置20の交換(脱着)を行うことができ、メンテナンス期間を短縮し、安定した運転を行うことができる。また、温度によるストレスなどに対しても、前記ばね式キャッチクリップ212のばね片2124,2125が発生した弾発力によって、マイクロ波発生装置20は上面板11Uに押圧して取付けられることになるので、それらの接合部分にガタを生じることはなく、マイクロ波発生装置20の第1導波管ピース11への取付けの信頼性を向上することができる。
また、前記上面板11Uの貫通孔111の回りには環状の突条114が形成され、前記マイクロ波発生装置20側の対応する部分には環状の凹溝2128が形成され、さらにその凹溝2128内には、スチールウールなどの導電性の弾性材2129が敷設されている。したがって、振動や温度によるストレスなどによって、マイクロ波発生装置20の横滑り(上面板11U上での面方向へのずれ)や浮き上がりが生じても、前記突条114が凹溝2128に嵌り込んでいることで、また前記突条114が前記弾性材2129に密着していることで、マイクロ波の漏洩を確実に阻止することができる。
さらにまた、注目すべきは、上述のように構成されるプラズマ発生ユニットPUにおいて、図1〜4で示すように、前記プラズマ発生ノズル31の吹出し口335の周囲に、該プラズマ発生ノズル31の先端面331より広い連続面を形成するノズルカバー部材(以降、単にカバー部材と言う)93が設けられることである。前記カバー部材93は、図2で示すように、その底面931には前記アダプタ38に対応した開口94が形成され、側面932には前記冷却配管91や図示しないガス配管或いは電気配線に対応した切込み95が形成されている。前記カバー部材93の底面形状は、図2で示すような平坦に限らず、ワークWに対応して曲面形状に形成されてもよく、前記プラズマ発生ノズル31の先端面331側に連続面を形成すればよい。また、図12で示すカバー部材93’のように、底面931の端縁部がプラズマ吹出し方向へ隆起して、堤933が形成されていてもよい。
これらのカバー部材93,93’に対応して、前記図5で示すように、アダプタ38のプラズマチャンバー382の底面は、周縁部に段差3827が形成されており、その段差3827による隆起部分3828が前記開口94内に嵌り込み、フランジ部分3829と前記スリット板383,384とで、前記開口94の周縁部を挟圧保持する。
このようなカバー部材93,93’を設けることで、図4で示すように、該カバー部材93,93’と前記ワークWとの間には狭小な空間96が形成され、前記吹出し口335から吹出され、前記ワークWに当って跳ね返されたプラズマは再び押し返されて、前記空間96内に滞留(充満)させることができる。これによって、点状の吹出し口335を有する低コストで制御が容易な小径のプラズマ発生ノズル31を用いても、広い面積のワークWに均等なプラズマ照射を行うことができるとともに、前記狭小な空間96にプラズマを充満させて冷却を抑え、比較的長い時間プラズマを生存させることができ(消失する割合が小さくなり)、照射効率を高めることができる。特に前記カバー部材93’のように、底面931の端縁部に堤933を形成することで、プラズマの放散を一層抑えることができる。また、プラズマ発生ノズル31が複数設けられ、前記カバー部材93,93’がそれらの先端面に亘る連続面を形成することで、或るプラズマ発生ノズルから吹出されたプラズマは、他のプラズマ発生ノズルから吹出されたプラズマによって、前記狭小な空間96内で押し返されることになり、より効果的である。
また、前記カバー部材93,93’が図1や図4で示すようにプラズマ発生ノズル31を覆う(包み込む)ように形成されることで、プラズマ発生ノズル31の周囲に敷設される前記冷却配管91や図示しないガス配管或いは電気配線や電子回路基板361などへの塵や埃の付着を防止するとともに、清掃が容易になり、前記塵や埃がワークW上に落下することを抑えることもできる。
以上、本発明の一実施形態に係るワーク処理装置Sについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば下記の実施形態を取ることができる。
(1)上記実施形態では、ワーク処理装置Sにプラズマ発生ユニットPUは1つだけ設けられたけれども、複数設けられてもよい。
(2)移動手段としてワークWを搬送する搬送手段Cが用いられ、その搬送手段Cとしては搬送ローラ80の上面にワークWを載置して搬送する形態を例示したが、この他に、たとえば上下の搬送ローラ間にワークWをニップさせて搬送させる形態、搬送ローラを用いず所定のバスケット等にワークWを収納し前記バスケット等をラインコンベア等で搬送させる形態、或いはロボットハンド等でワークWを把持してプラズマ発生部30へ搬送させる形態であってもよい。或いは、移動手段としてはプラズマ発生ノズル31側を移動させる構成であってもよい。すなわち、ワークWとプラズマ発生ノズル31とは、プラズマ照射方向(Z方向)およびプラズマ発生ノズル31の配列方向(Y方向)とは交差する方向(X方向)上で相対的に移動すればよい。
(3)前記カバー部材93,93’としては、上述のようにプラズマ発生ノズル31を覆う(包み込む)ように箱形に形成されているけれども、前記プラズマの滞留する空間96を形成するだけであれば、プラズマ発生ノズル31の先端に平板が取付けられているだけでもよい。
(4)前記弾性部材37として、コイルばねの環状体を例示したが、Oリングに限らず、断面形状がD型、X型、C型等の金属製の所謂Dリング、Xリング、Cリング等が用いられてもよい。
(5)マイクロ波発生装置20の第1導波管ピース11の上面板11Uへの取付けに、ばね式キャッチクリップ212を用いたが、ばね機能の無いクリップが用いられ、マイクロ波発生装置20の上面板11Uへの押圧力を別の部材で発生させるようにしてもよい。
(6)保持部材35の把持部351は円筒形状に形成されているけれども、実質的に中実体として、その中に中心導電体32を埋込んだ場合には、前記中心導電体32の上端部3
21に対して、前記円筒形状の把持部351の外周面から孔を穿設し、前記把持部351の溶解を防止するようにすればよい。
本発明に係るワーク処理装置およびプラズマ発生装置は、半導体ウェハ等の半導体基板に対するエッチング処理装置や成膜装置、プラズマディスプレイパネル等のガラス基板やプリント基板の清浄化処理装置、医療機器等に対する滅菌処理装置、タンパク質の分解装置等に好適に適用することができる。
本発明の実施の一形態に係るワーク処理装置の全体構成を示す斜視図である。 図1とは視線方向を異ならせたプラズマ発生ユニットの斜視図である。 ワーク処理装置の一部透視側面図である。 プラズマ発生ノズル回りを拡大して示す導波管の軸線とは直交方向の断面図である。 前記プラズマ発生ノズルの先端に取付けられるアダプタの分解斜視図である。 アダプタの機能を模式的に示す断面図である。 プラズマ発生ノズルの分解斜視図である。 前記プラズマ発生ノズルの一部分を拡大して別角度から見た分解斜視図である。 図7および図8で示す弾性部材の機能を説明するための断面図である。 内側電極にそれを保持する保持部材ならびに導波管においてそれらを挿入する点検口回りを拡大して示す分解斜視図である。 マイクロ波発生装置の導波管への取付け状態を説明するための分解斜視図である。 プラズマ発生ノズルを覆う他のカバー部材の例を示す斜視図である。
10 導波管
11〜13 導波管ピース
112 係合片
113 フック
114 突条
131,345 開口
135 点検口
136 キャップ部材
1363 通気孔
137 口金
133 突条
20 マイクロ波発生装置
21 装置本体部
211 フック
212 ばね式キャッチクリップ
2128 凹溝
2129 クッション材
22 マイクロ波送信アンテナ
30 プラズマ発生部
31 プラズマ発生ノズル
32 中心導電体
320 受信アンテナ部
33 ノズル本体
332 筒状空間
333 収納空間
334 管継手
335,387 吹出し口
340,342 凹所
341 保持部材
344 ブラケット
347 凹溝
35 保持部材
351 把持部
36 光センサ
361 電子回路基板
37 弾性部材
38 アダプタ
381 取付け部
382 プラズマチャンバー
383,384 スリット板
40 スライディングショート
50 サーキュレータ
60 ダミーロード
70 スタブチューナ
80 搬送ローラ
91 冷却配管
92 弾性体
93,93’ カバー部材
933 堤
94 開口
96 狭小な空間
S ワーク処理装置
PU プラズマ発生ユニット
C 搬送手段
W ワーク

Claims (5)

  1. プラズマを吹出す複数のプラズマ発生ノズルと、
    前記複数のプラズマ発生ノズルの吹出し口に対向する位置に開口を有し、前記開口の周囲から連続面を形成し、その連続面とプラズマ照射すべきワークとの間に、プラズマが充満した空間を形成するノズルカバー部材とを含むことを特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
  2. 前記プラズマ発生ノズルの各々は、同心状に配置される内側電極と外側電極とを備えて構成されて環状の前記吹出し口を有し、
    前記プラズマ発生ノズルの先端には、前記環状の吹出し口に連通する長手状のプラズマチャンバーを有し、その一側面が開口されて長手状の吹出し口となり、前記環状の吹出し口を前記長手状の吹出し口に変換するアダプタが装着され、
    前記ノズルカバー部材は、前記アダプタに対応した開口が形成されることで、前記プラズマチャンバーが露出するように形成されることを特徴とする請求項記載の大気圧プラズマ発生装置。
  3. 記連続面の端縁部がプラズマ吹出し方向へ隆起していることを特徴とする請求項1に記載の大気圧プラズマ発生装置。
  4. 前記請求項1〜のいずれか1項に記載の大気圧プラズマ発生装置に、所定の搬送方向にワークを搬送する搬送手段を備えて成ることを特徴とするワーク処理装置。
  5. 前記連続面が、前記ワークの表面に略平行であることを特徴とする請求項記載のワーク処理装置。
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