CN1141009C - 等离子体处理装置及用这种装置进行等离子体处理的方法 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体处理装置，利用该装置可以对目标物进行有效地等离子体处理而不出现弧光放电。该装置包括至少一对电极，一个气体供应单元，一个供电部分；在上述电极中，至少有一个电极在其外表面具有介电层。并且至少有一个电极具有向上述放电间隙伸进的弯曲表面。最好上述电极对中至少有一个电极具有管状结构。等离子体处理装置进一步包括一个提供冷却剂的单元，利用该单元可以向电极内部提供冷却剂以降低在等离子体处理过程中的电极温度。

Description

等离子体处理装置及用这种装置进行等离子体处理的方法
本发明涉及一种等离子体处理装置，这种设备可用来从所要处理的目标物上去除异物(如有机物)、剥离保护层、增加有机膜的附着性、进行表面改性、提高形膜能力、减少金属氧化物、或者清洁用于液晶的玻璃基片，以及用这种装置进行等离子体处理的方法，使用这种方法可以清洁需要精确连接的电子部件的表面。
过去曾经使用在常压下稳定产生的等离子体(发热放电)来对基片进行表面处理。例如：日本专利No.2-15171，3-241739，或1-306569均公开了一种等离子体处理方法，其特征在于：在反应容器中的放电间隙里安置一对电极，在电极间布置一种介电物质，用一种可产生等离子体的气体(主要由惰性气体如He气或Ar气组成)充填放电间隙，在两电极间加载交流电压，以产生气体的等离子体，用这种等离子体对放入反应容器中的目标物进行处理。
然而，用这种方法在对目标物只选部分区域进行等离子体处理时，就遇到了一些难以解决的问题，并且其处理时间也太长。鉴于此，人们就提出了一种使用等离子体喷射流(特别地，主要在等离子体中)的方法来进行等离子体处理，这种等离子体是在常压下由发热放电产生的。例如，在日本专利[KOKAI] No.4-358076，3-219082，4-212253以及6-108257中就公开了不同的处理方法。
在日本专利[KOKAI]No.3-219082，4-212253以及6-108257中公开的每种方法，其等离子体喷射流是由朝向被处理目标的类似喷嘴的反应管提供的。然而，考虑到以下几点，这种方法仍有可改进之处。
(1)由于所处理范围较小，因此不适合于处理大面积的区域。
(2)当放电间隙被缩小时，热幅射性下降，反应管的内部在高温下被加热，由此所处理的目标物易于受到热损害。另一方面，当放电间隙被加大时，处理效率就会下降。
(3)反应管内部在这样的高温下被加热时，在电极间或反应管与目标物之间就易于发生弧光放电。因此，这样就不适于稳定提供一种一致的等离子体处理。
另外，日本专利[KOKAI]No.4-358076公开了一种等离子体设备，这种设备在平板电极间安装了介电屏。对于这种设备，存在一些问题如体积过大，并且由于下述原因而难于得到高的等离子体密度，从而使得处理速度较慢。其原因在于：由于平板电极具有较大的面积，等离子体的每单位体积的电能就有所下降。通过加大电能，可增加等子体的密度。然而，由于电极是在高温下加热，要处理的目标物就可能受热损害，或者电极耗损，或者出现弧光放电。而且，在那种将介电屏放在平极电极上的方法里，由于结构问题，而使得难于减小介电屏的厚度。例如，由于结构问题，当使用玻璃板作为介电屏而放在电极上时，由于玻璃板的附着力较弱，就难以将小于1mm厚度的玻璃板大面积地附着在平板电极上。另外，当使用陶瓷板作为介电屏时，就可能制造厚度小且具有较强附着力的陶瓷介电屏。然而，这样却难以制造出与平板电极具有相同的大面积、同时与电极材料具有很好的粘附性的陶瓷介电屏。从而，由于介电屏所引起的电压的下降，就难以增加等离子体的每单位体积的电能。
考虑到以上几点，本发明目的之一在于提供一种能够对置于放电间隙下流的目标物的大面积进行有效的等离子体处理同时能够阻止弧光放电的等离子体处理装置。本发明中的等离子体设备包括：至少一对电极、提供给限于两电极间的放电间隙的用于产生等离子体的气体的气体供应单元、一个用于对电极间提供交流电使在放电间隙内的气体产生等离子体的能量供给单元。电极中至少有一个在其外表面具有介电层。在本发明中，电极中至少有一个具有向放电间隙伸出的弯曲表面。
使用具有弯曲表面向放电间隙伸出的的电极，由于可防止出现弧光放电，可在使用较小电能的情况下有效地增加等离子体的密度。此即，当使用具有尖端突出边缘部分向放电间隙伸出的电极时，能够增加等离子体的密度。然而，根据电场的不均匀性，在这种边缘部分易于出现弧光放电。一旦出现弧光放电，由于等离子体(发热放电)变得不稳定，就使得等离子体处理不能继续进行。另外，当在电极和目标物之间出现弧光放电时，就会引起目标物受到严重热损害的问题。当使用具有弯曲表面向放电间隙伸出的的电极时，就有可能增加等离子体的密度并阻止弧光放电。特别地，这种弯曲面的曲率半径最好在1-25mm之间。
最好是将一个等离子体的引导部件安置在靠近至少一个电极的位置上，使得等离子体可从放电间隙朝目标物向外喷射。另外，最好是将等离子体的引导部件与电极形成一个整体。等离子体的引导部件对于向目标物有效地进行大面积的等离子体处理十分有用。
进一步地，更好至少有一个电极是一种管状电极，最好是形成一个柱状电极。在这种情形下，等离子体处理装置最好包括一个供冷单元以向管状或柱状电极的内部提供冷却剂，从而降低在等离子体处理时的电极温度。降低电极温度可有效地防止弧光放电，这将在下文详述。
本发明更进一步考虑到提供一种使用上述等离子体设备的等离子体处理方法。即，这种等离子体处理方法包括以下步骤：向位于电极之间的放电间隙提供用于产生等离子体的气体，在电极间提供交流电压，以在常压下产生位于放电间隙内的气体的等离子体，用这种等离子体对目标物进行处理。
通过以下对本发明和本发明中实施例的详细描述，本发明的以上这些目标和其它目标以及优势均会变得更为明显。
图1是根据本发明一个实施例中的一个等离子体处理装置的横截面示图；
图2是一个图1所示的等离子体处理装置的等离子体发生器的横截面示图；
图3是一个图1所示的等离子体处理装置的等离子体发生器的截面透视图；
图4A是在圆状形电极之间产生等离子体的示意图，图4B是在板状电极之间产生等离子体的示意图；
图5是本发明的等离子体处理装置的另一种等离子体发生器的横截面示图；
图6是本发明的等离子体处理装置的进行改进过的一对电极的横截面示图；
图7是本发明的等离子体处理装置的进行进一步改进过的一对电极的横截面示图；
图8是本发明另一实施例中的等离子体处理装置的一种等离子体发生器的横截面示图；
图9是是本发明另一实施例中的等离子体处理装置的横截面示图；
图10是图9所示的等离子体处理装置改进后的横截面示图；
本发明中的最佳实施例描述如下：
如图1所示，这种等离子体处理装置主要包括一个用于产生等离子体3的等离子体发生器10、控制器7和用于输运要处理的目标物4的输运器11。等离子体发生器10是由一对圆柱形(类似管状)电极1，2、气体供应容器12、气体供应单元5、交流电供能端13、供冷单元20、测温计24和支撑器件14。
如图2和图3所示，圆柱形电极1和2是按如下安置的：电极1大体上与电极2平行，电极间按预定的距离d互相隔开以确定电极之间的放电间隙。电极1和电极2之间的间距最好设为0.1-5mm。电极1接地，电极2与交流电源13相连。本装置中，每个电极都有个向放电间隙伸出的弯曲表面R。各电极(1，2)的弯曲表面R的曲率半径最好在1-25mm范围之内。当曲率半径小于1mm时，放电间隙22变得过小，使得不能有效地产生等离子体3。另一方面，当曲率半径大于25mm时，就可能不能产生等离子体3使之从放电间隙22朝目标物4喷射。在这种情形下，就可能难于用等离子体3对目标物4进行大面积的有效处理。为了改进电极的热幅射性以保证一致的发热放电，电极1，2的材料最好选取具有良好热导率的材料。明确地，有可能采用铜、铝、黄铜、或者具有良好的耐腐蚀性的不锈钢材料。
电极外表面的表面粗糙程度最好在10-1000μm(利用算术平均粗糙度计算的)范围之内。当表面粗糙度用公式y＝f(x)表示时，根据JIS B 0601，其算术平均粗糙度Ra(μm)由式(1)定义： Ra = 1 l ∫ 0 1 | f ( x ) | d ( x ) . . . . . . . . . . . . ( 1 ) 其中，“l”是电极的长度。当表面粗糙程度小于10μm时，等离子体(的产生发热放电)就变得较为困难。另一方面，当表面粗糙程度大于1000μm时，等离子体3会变得不稳定。上述表面粗糙程度的范围适合于保证一致的发热放电，这是因为产生了极细小的显微放电，从而防止了弧光放电。例如为了得到所需的电极1，2的表面粗糙度，就有可能使用物理处理如喷砂方法。
电极1，2的每个电极均有一层介电层6以作为外层。这层介电层6对于降低放电间隙22内的等离子体的温度十分重要。介电层6最好是用其介电常数等于2000或低于2000的绝缘材料。当介电常数大于2000时，尽管加载在电极1和电极2之间的电压值变大，却有可能会引起等离子体3的温度升高。对于介电常数的低限没有限制。例如，介电常数的低限值是2。当介电常数值小于2时，就需要增加电极1，2之间的交流电压以保持放电。在这种情形下，放电间隙内的能量耗损增加，由此出现等离子体3的温度提高。当电极1，2中的任一个电极具有介电层6时，最好将此电极连在交流电源13上。
为提高发热放电的稳定性，最好使用一种具有高的二次电子发射系数的材料或者一种混合物以作为介电层6。例如，作为具有高的二次电子发射系数的材料，可选取MgO，MgF2，CaF2，或者LiF。特别地，最好使用MgO以保持其稳定性。使用这些材料作为介电层6的情形下，当等离子体3中的离子与介电层6碰撞时，大量的二次电子从介电层的表面发射出去。这些发射出去的二次电子对于发热放电的稳定性起到了一定的作用。例如，作为含氧化镁(MgO)的介电材料，有可能使用一种烧结体，这种烧结体可以通过将比如氧化铝和少量(0.01-5vol％)的氧化镁的陶瓷粉混合并进行烧结得到，也可能使用一种通过将混合物在一种电极材料上进行火焰溅射而产生的材料。另外，含氧化镁的介电材料也可以通过这种方法制备，即利用溅射、电子束沉积、或者热喷涂法在介电衬底(如氧化铝或石英)上覆盖一层氧化镁膜。
例如，形成具有介电层6的电极1，2可包含以下步骤：先形成一层由绝缘材料制成的第一个圆柱和一个由上述电极材料制成的第二个圆柱，再将第二个圆柱粘附在第一个圆柱的内表面上。另外可选择的方法是采用陶瓷喷涂方法：先将氧化铝、氧化镁、钛酸钡、PZT或类似物质在等离子体中分散，并将等离子体喷涂到第二个圆柱的外表面。另外，还可以采取一种方法，即利用溶胶-凝胶过程形成一层玻璃膜。
特别地，最好根据一种熔焊工艺来制作具有介电层6的电极1，2。在这种方法中，将一种玻璃基材料的混合物(包括一种无机材料如二氧化硅、氧化镁、氧化锡、氧化钛、氧化锆、氧化铝为主要成份)分散在溶剂中；下一步，为了在电极材料上得到玻璃基材料的膜，可将电极材料浸入到含有玻璃质混合物的溶剂中，或者利用喷枪将玻璃质混合物喷涂到电极材料上。所形成的膜在480℃-1000℃加热3-15分钟，使得玻璃质混合物的膜被熔焊到电极材料上。为了得到所需厚度的介电层6，可重复上述过程。熔焊法具有以下优势：易于形成具有较薄厚度的介电层，且可有效防止出现针孔，而针孔是在用陶瓷喷涂方法制取介电层时所常能观察到的。由此，用熔焊法形成的介电层6适合于保证一致的发热放电。
介电层6的厚度最好在0.1-2mm范围之内。当其厚度小于0.1mm时，介电层抵抗电压的能力就会下降。另外，可能会出现裂缝或剥皮，从而难以保持发热放电的一致性。当厚度大于2mm时，其抗电压能力就会过份增加，也使其难保持发热放电的一致性。
气体供应容器12具有一个进口16和一个出口17。用于供应等离子体发生气体的气体供应单元5通过气体供应线15与气体进口16相连。在图3中，气体供应容器12的深度“L”大体上与电极1，2的深度相同。气体供应容器12的高度“H”最好等于适合于提供从出口17出来的用于等离子体发生的稳定气流的长度。气体供应容器12的宽度“W”大体等于电极1和电极2的心与心之间的距离，这样使得气体供应容器能够置于跨立于放电间隙22之间的位置上。如图3所示，气体供应容器12被固定在电极1，2上以使用于等离子体发生的气体能够从气体供应容器12的内部流向放电间隙22。如图1所示，固定在电极上的气体供应容器12由支撑件14支持。
冷却剂供应单元20包括一个冷却槽和一个用于从冷却槽中抽运冷却剂9的泵。对于冷却剂9，有可能采用纯水或离子交换水。另外，冷却剂9最好采用具有0℃抗冻性和电绝缘性的液体。至于抗绝缘性，最好选取的冷却剂9具有在0.1mm间隔下至少有10kV的抗电压性。具有这一电绝缘性范围的冷却剂9适合于在加载高电压时防止电极发生裂隙。例如，对于具有上述性能的冷却剂9，可能采用全氟碳(perfluorocarbon)，氢氟化物(hydrofluoro)，或者是一种通过在水中添加5-60wt％的乙二醇所得的混合溶液。
如图3所示，每个电极1，2的相对端均是密封的。冷却剂供应管21一端与泵相连，另一端与向电极1内部提供冷却剂9的电极1的一端相连。冷却剂输运管33一端与电极1的相对端相连，另一端与从电极1的内部提供冷却剂9给电极2的内部的电极2的一端相连。冷却剂排流管23的一端与电极2的相对端相连，另一端与冷却槽相连。为了保持电极间的绝缘性，冷却剂输运管33最好用绝缘材料制备。
作为用于测量电极表面温度的测温计24，最好使用红外幅射温度仪。在图1和图2中，40表示在气体供应容器12上形成的红外透明窗口40。所测得的电极温度由显示器27监控，并提供给位于控制器7的微机30(下文将作解释)。在红外幅射温度仪中，使用了一种温度感应器如热电偶。
例如，对于输运器11，可能使用如图1中所示的带状输运器。要被处理的目标物4可以使用带状输运器11用等离子体3成功地进行处理。带状输运器11可通过下文将要作以解释的控制器7进行控制。在工业规模上申请本发明时，特别优先使用这种输运器以进一步提高这种等离子体装置的处理效率。
控制器7主要由微机(个人计算机)30组成，可根据从热电偶24输出的信号用来监测电极的表面温度，并且可用来控制加载在电极2上的交流电压值，以及控制目标物4的输运速度。用以抽运冷却剂9的泵受控制器7控制。例如，当所测得的电极温度高于预定的临界温度，微机30即会输出一个增加冷却剂9量的控制信号给泵。另一可选择的方法是，可采用冷却设备根据控制器7输出的信号来降低冷却剂的温度。
下面描述一种利用上述装置进行等离子体处理的方法。
首先，从气体供应单元5向气体供应容器12提供用以等离子体发生的气体。在本发明中，用以等离子体发生的气体可采用一种惰性气体(稀有气体)、惰性气体混合气体或者一种惰性气体和一种活性气体的混合气体。惰性气体可选用氦气、氩气、或者氦气与氩气的混合气体。氦气与氩气的比率与电极的表面温度密切相关。例如，当电极的表面温度为250℃或低于250℃时，混合气体中的氩气含量最好不大于90wt％。当混合气体中的氩气含量大于90wt％时，弧光放电出现的机率就会增加。
可根据等离子体处理的目的选择反应气体。例如，当要清洁目标物上的有机物、去除保护层、腐蚀有机膜时，最好选取具有氧化性的气体如氧、空气、CO2、水蒸汽或N2O。另外，在腐蚀硅时，采用氟基气体如CF4作为反应气体则十分有效。在还原金属氧化物时，可采用还原性气体如氢或氨气。例如，相对于惰性气体量，反应气体的添加量在10wt％范围之内较好，在0.1-5wt％范围内则最佳。当目标物表面被反应气体氧化或氟化时，仅有惰性气体被用以等离子体处理而不使用反应气体。
通过气体出口17，用以等离子体发生的气体被供给电极1和电极2之间的放电间隙22。等离子体3是通过在电极间加以交流电压而产生的。在本发明中，交流电的供能频率选取在50Hz-200MHz范围内较好，最好是在1kHz-200MHz。当频率低于50Hz时，就有可能使得在放电间隙22之间的放电不能够稳定。当频率大于200MHz时，等离子体3可能会出现温度升高。
另外，等离子体的每单位体积的电能在10-10000W/cm3范围内较佳，等离子体3的流动速率在20-10000cm/秒范围内较好。当上述条件不能得到满足时，目标物4将得不到充分的等离子体处理，或者目标物会受到热损害。因此，最好限制交流电压值的用以等离子体发生的气体的供给量和供给速率，以满足上述范围。
在等离子体处理过程中，电极的表面温度保持在250℃以下较好，最好是在200℃以下。当电极温度高于250℃时，在放电间隙22之间会产生弧光放电。关于电极温度的低限值没有加以限制。例如，低限温度可能为0℃或低于0℃。换而言之，在此温度下，冷却剂不能冻结。另外，当电极1和电极2可以通过气冷单元而得到充分冷却时，就没有必要使用冷却剂。
顺便一提的是，产生弧光放电的原因之一一般认为是由于电极的表面温度通过等离子体被提高所致。在本发明中所述的等离了体处理，等离子体3是由用以等离子体发生的气体在大致1个大气压的条件下产生的。在等离子体3中，气体颗粒不断受到碰撞。与低压等离子体相比较，其平均自由程比在1个大气压下的要短。这就意味着，气体颗粒的碰撞频率高于在1个大气压等离子体的碰撞频率。随着碰撞频率的增加，等离子体的温度也随之提高。另外，等离子体的碰撞频率与所供给的交流能量的频率密切相关。当交流供量的频率高于等离子体的碰撞频率时，适于等离子体处理的原子团和离子随之增加。然而，等离子体温度提高，电极温度也会随之增加。特别是暴露于等离子体3中的电极1和电极2的对面表面的温度增加最为显著。这种局部的温度升高可以引起从电极表面出现大量的电子发射。一般认为弧光放电是由电子发射所诱发的。一旦出现弧光发电，由于等离子体(发热放电)变得不稳定，等离子体处理就不能继续进行下去。当在电极和目标物之间出现弧光发电时，目标物可能会受到相当程度的损害。另外存在一个问题，就是由于弧光放电而使得电极材料被蒸发，蒸发的电极材料就会沉积在目标物上。
在本发明的图1所示的等离子体装置中，为防止出现弧光放电，使用了圆柱状电极1和2，每个电极的弯曲表面均向放电间隙22伸出，并且使用了冷却剂供应单元20以提供冷却剂9给电极1和电极2的内部以降低电极的表面温度并防止电极表面的电子发射。因此，就有可能在等离子体处理过程中稳定地保持一致的发热放电。
另外，由于在图1所示的等离子体处理装置中使用了圆柱状电极1和电极2，就有可能通过缩短电极间距而增加发热放电的每单位体积的等离子体密度，并产生等离子体喷射(等离子体流)3，等离子体流是沿着电极的外缘表面从放电间隙22向下扩散的(如图4A的箭头所示)。通过使用提高密度的等离子流3处理目标物4，就有可能提高处理效率。相反，如图4B所示，当使用一对平板电极1S和2S时，仅从电极间的放电间隙22S提供具有较窄宽度的等离子体流3S。另外，如前所述，难以相对增加等离子体的每单位体积的电能。因此，要进行等离子体处理的目标物4S的面积将是有限的。在图4B中，6S表示介电屏。
如图5所示，对于电极结构的第一步改进，可以使用一对管状电极1A和2A，其中每个电极具有大体为三角形的横截面。可按如下方式安置电极：将电极1A的下端与电极2A的下端对齐，同时使两个电极平行。放电间隙22是由两个电极的相对顶点部分的间距来定义的。在电极1A和2A的每个顶点部分形成向放电间隙22伸出的弯曲表面R。弯曲表面R的曲率半径最好在1-25mm范围之内。电极1A和2A的内部空间被用来流动冷却剂9。每个电极具有氧化铝的介电层6作为外层。另外，具有三角形横截面的一对等离子体导引杆50被置于与电极1A和电极2A相连的位置来限定等离子体的扩散区35。等离子体扩散区35允许等离子体3向置于放电间隙22下游的目标物4扩散出去。在图1中的使用了圆柱状电极1，2的等离子体处理装置中，等离子体3通过圆柱状电极本身被导引从放电间隙22向目标物4散布出去。换而言之，每个圆柱状电极均具有一个用作等离子体导引器件的等离子体导引部分。在放电间隙22中产生的等离子体3沿着等离子体导引部分(即沿着每个圆柱状电极的外缘表面)向外扩散出去，然后到达目标物4。在图2中，35表示在电极1和电极2之下得到的等离子体扩散区。
图6是对于电极结构所做的第二个改进方案。在此，使用了具有大体为三角形截面的电极1A和1B。当电极1A和1B按图6所示进行安装时，可在没有分别使用等离子体导引器件的情况下，在电极之下得到等离子体扩散区35。
图7是对于电极结构所做的第三个改进方案。在此，使用了具有长方形截面的第一电极1 C和具有椭圆截面的第二电极2C。在这种情形下，放电间隙22可定义为第一电极1C的平面和第二电极2C的弯曲表面R之间的距离。另外，较佳的情形是，至少有一个电极是按如下方式形成的：该电极具有一个在平板表面上突出的大体成半球形的面，其半球形表面伸进电极间的放电间隙中。
另外，最好使用图8中的等离子体产生器10，等离子体产生器10包括一对电极1，2，每个电极具有一个圆柱状结构和一个带有气体进口16的气体供应容器12。每个电极1与相邻的电极2相平行。每个电极1被相邻的电极2隔开一段距离d。放电间隙22是由相邻的电极1和电极2之间来定义的。所有的电极2与交流电源相连，而所有的电极1则接地。每个电极1和电极2在其外层均具有介电层6。各电极的外缘弯曲表面伸进放电间隙22。用于等离子体发生的气体通过气体进口16供给气体供应容器12。在电极1和电极2之间加一交流电压以产生等离子体3。
图9是能够用等离子体3对目标物4进行处理的等离子体装置的横截面示图。在具有内联型门63的处理室60中，圆柱状电极1和电极2是根据与图8所示等离子体发生器的相同方式进行安置的。对于内联型门，可以采用百页式门。所有的电极2与交流电源部分13相连，所有的电极1均接地。在图9中，61是指用以向处理室60供应气体的气体进口。62是指气体出口。11指用以传送欲处理的目标物4的带轮的传送器。冷却剂9是供给电极1和电极2的内部以降低在等离子体处理过程中的电极温度。用以产生等离子体的气体通过气体进口被供入处理室60里。65是一个隔板。隔板65对于选择性提供能产生等离子体的气体进入放电间隙22中十分有用。在电极1和电极2之间加以交流电压以在介电间隙22内产生等离子体3。利用这种装置，由于目标物4用等离子体3进行处理，因此对于一次处理较大面积(较大范围)的目标物就更为有效。其它的部件与图1中的等离子体处理装置中的部件大体上相同。
图10是图9所示的等离子体处理装置的改进装置图。在这个装置中，具有内联型门63的处理室60位于相对一侧。内联型门63具有一个狭缝67，通过这个门，要处理的目标物4可被输送到处理室60中，或者从处理室中移去。图9中，64指缓冲室，这对于减少气体从处理室60向外部的泄露、使流进处理室的外部空气的体积减至最小十分有用。其它的组件与图9中所示的等离子体处理装置的大体相同。
实施例1
使用图1中的等离子体处理装置进行等离子体处理操作。使用不锈钢管被用来作为电极1和电极2，每个钢管都有一层厚度为200μm的作为介电层6的氧化铝层。各电极的外缘表面的平均表面粗糙程度是10μm。介电层6是通过陶瓷喷涂法形成的。电极1和电极2之间的距离为1mm。每个电极的弯曲表面的曲率半径R为5mm。要处理的目标物4是通过在一个硅晶片上形成一层厚度为1μm的负型阻体的膜(通过Tokyo OhkaKogyo股份有限公司“OMR-83”制备的)来制备的。用来产生等离子体的气体，采用的是氦气、氩气、氧气的混合气体。氦气的流量是2升/分钟。氩气的流量是7升/分钟。氧气的流量是50毫升/分钟。
电极1接地，电极2与具有13.56MHz频率的交流电13相连。在电极间加以交流电压(使用功率为1000W)以在常压下产生等离子体3。在进行等离子体侵蚀处理时的电极表面温度是通过红外幅射测温计24(由Chino公司制造)进行测量的。所测得的电极表面温度为250℃。等离子体的每单位体积的电能为400W/cm3。对利用等离子体侵蚀处理方法将目标物4上的保护层层完全剥离所需的时间进行了测量。从测量结果来看，对保护层的侵蚀速度为1.5μm/分钟。处理之后，在目标物4上没有观察到受到热损害或者受到弧光放电的损害。表1中显示了上述实验条件及其评估结果。
实施例2
根据与实施例1大致相同的方式使用图1中的等离子体处理装置进行等离子体处理操作，不同之处在于所采用的实验条件有所差别(见表1)。在本实施例中，在进行等离子体处理过程中，离子交换水作为冷却剂9在电极1和电极2内进行循环。进行处理之后，在目标物4上未观察到受到热损害或受到弧光放电的损害。结果显示在表1中。
实施例3
根据与实施例1大致相同的方式使用图1中的等离子体处理装置进行等离子体处理操作，不同之处在于所采用的实验条件有所差别(见表1)。在本实施例中，使用氧化铝和氧化镁(氧化镁的含量为5vol％)的混合物作为介电层6。介电层6具有700μm的厚度，是用陶瓷喷涂法形成的。另外，在进行等离子体处理过程中，HFE-7100(由Sumitomo股份有限公司制备)被用作冷却剂9在电极1和电极2内进行循环。进行处理之后，在目标物4上未观察到受到热损害或受到弧光放电的损害。结果显示在表1中。
实施例4
根据与实施例1大致相同的方式使用图1中的等离子体处理装置进行等离子体处理操作，不同之处在于所采用的实验条件有所差别(见表1)。在本实施例中，使用包含氧化硅、氧化镁、氧化锆、氧化铝这些成份的釉作为介电层6。介电层6具有1000μm的厚度，是用熔焊形成的。另外，在进行等离子体处理过程中，HFE-7100(由Sumitomo股份有限公司制备)被用作冷却剂9在电极1和电极2内进行循环。进行处理之后，在目标物4上未观察到受到热损害或受到弧光放电的损害。结果显示在表1中。
实施例5
使用图1中的等离子体处理装置进行等离子体处理操作。使用不锈钢管被用来作为电极1和电极2，每个钢管都有一层厚度为200μm的作为介电层6的氧化钛层。各电极的外缘表面的平均表面粗糙程度是20μm。介电层6是通过陶瓷喷涂法形成的。电极1和电极2之间的距离为1mm。每个电极的弯曲表面的曲率半径R为10mm。在进行等离子体处理过程中，FTM FC-77(由Sumitomo股份有限公司制备)被用作冷却剂9在电极1和电极2内进行循环。用来产生等离子体的气体，采用的是氦气、氩气、氧气的混合气体。氦气的流量是3升/分钟。氩气的流量是9升/分钟。氧气的流量是100毫升/分钟。在本实施例中，塑性BGA(球形格子阵列)基片(50×200mm)被用作目标物4。该基片是通过在一个0.5mm厚的BT(Bismaleimide trazine)树脂片上形成一层厚度为40μm的保护墨(由Taiyo Ink MFG股份有限公司“PSR-4000AUS5”制备)的膜来制备的。这种BGA基片一些部分被镀金并带有IC芯片。目标物4通过传送器11以2cm/秒的速度被传送。
电极1接地，电极2与具有13.56MHz频率的交流电供能端(火线)13相连。在电极间加以交流电压(使用功率为1000W)以在常压下产生等离子体3。在进行等离子体侵蚀处理时的电极表面温度是通过红外幅射测温计24进行测量的。所测得的电极表面温度为200℃。等离子体3的每单位体积的电能为200W/cm3。
在本实施例中进行了如下评估。即，在等离子体处理之前，先测量在保护层上水的接触角。这一接触角为80度。等离子体处理之后，重新测量接触角，此时的接触变为8度。下一步，在具有80度接触角的未处理的BGA基片上的镀金部分与IC芯片之间进行导线连接，并测量其间的结合强度。接合强度为5g。类似地，在具有8度接触角的用等离子体处理过的BGA基片上的镀金部分与IC芯片之间进行导线连接，并测量其间的接合强度。此时的结合强度为8g。因此，经过等离子体处理之后，结合强度得到提高。其结果显示在表2中。
实施例6
根据与实施例5大致相同的方式使用图1中的等离子体处理装置进行等离子体处理操作，不同之处在于所采用的实验条件有所差别(见表2)。在本实施例中，均带有镀金部分和携有IC芯片的铜基铅框基片(50×200mm)被用作目标物4。结果显示在表2中。这些评估测试的结果表明，通过等离子体处理，其结合强度和剥离强度均得到提高。
实施例7
使用图1中的等离子体处理装置进行等离子体处理操作。使用不锈钢管被用来作为电极1和电极2，每个钢管都有一层厚度为500μm的作为介电层6的氧化钛层。各电极的外缘表面的平均表面粗糙程度是50μm。介电层6是通过陶瓷喷涂法形成的。电极1和电极2之间的距离为0.5mm。每个电极的弯曲表面的曲率半径R为10mm。在进行等离子体处理过程中，FTM FC-77(由Sumitomo股份有限公司制备)被用作冷却剂9在电极1和电极2内进行循环。用来产生等离子体的气体，采用的是氦气、氩气、氧气和CF4的混合气体。氦气的流量是1升/分钟。氩气的流量是3升/分钟。氧气的流量是100毫升/分钟。CF4的流量是50毫升/分钟。
电极1接地，电极2与具有13.56MHz频率的交流电供能端(火线)13相连。在电极间加以交流电压(使用功率为1000W)以在常压下产生等离子体3。在进行等离子体侵蚀处理时的电极表面温度是通过红外幅射测温计24进行测量的。所测得的电极表面温度为200℃。等离子体3的每单位体积的电能为100W/cm3。
在本实施例中，一个形成于半导体芯片之上的Sn-Ag接合物的表面和一个Ni/Au金属化基片的金属化部分被用作目标物4。当在空气中将半导体芯片和Ni/Au金属化基片对齐之后，再在氮气氛下(氧浓度为80ppm)在带形炉中230℃温度下进行回流。对半导体芯片和Ni/Au金属化基片不进行等离子体处理时，那么在回流步骤中半导体芯片就无法与Ni/Au金属化基片连接。但在进行等离子体处理之后，则在回流步骤中半导体芯片与Ni/Au金属化基片就可形成较佳连接。实验条件和评估结果显示在表3中。
实施例8
使用与大致与图1中的等离子体处理装置相同的装置进行等离子体处理操作。不同之处在于在本实施例中使用了图5中所示的等离子体发生器。使用不锈钢管被用来作为电极1和电极2，每个钢管都有一层厚度为200μm的作为介电层6的氧化铝层。不锈钢管壁厚1mm。三角形截面的每个边的长度均为10mm。每个电极1A和2A的顶点部分都具有弯曲表面R。弯曲表面的曲率半径R为3mm。放电间隙是由电极1A和2A的顶点部分之间的距离决定的。其间距为1mm。介电层6是通过陶瓷喷涂法形成的。各电极的外缘表面的平均表面粗糙程度是50μm。靠近电极处安置了一对用Teflon制作的等离子体导引部件50。导引部件50的斜边长度为15mm。在进行等离子体处理过程中，离子交换水作为冷却剂9在电极1和电极2内进行循环。要处理的目标物4是通过在一个硅晶片上形成一层厚度为1μm的负型保护膜(通过Tokyo Ohka Kogyo股份有限公司“OMR-83”制备的)来制备的。用来产生等离子体的气体，采用的是氦气、氧气的混合气体。氦气的流量是10升/分钟。氧气的流量是100毫升/分钟。
电极1接地，电极2与具有100kHz频率的交流电源13相连。在电极间加以交流电压(使用功率为1500W)以在常压下产生等离子体3。利用等离子体3对目标物4进行侵蚀处理。侵蚀处理之后，在目标物4上没有观察到受到热损害或者受到弧光放电的损害。表3中显示了上述实验条件及其评估结果。
实施例9
使用图9中的等离子体处理装置进行等离子体处理操作。每个电极1和2均是圆柱状不锈钢管(JIS：SUS316)，每个钢管的外径为6.35mm，且其外表面均有一层介电层6。介电层6是通过熔焊法形成的。即，将含有氧化硅、氧化镁和氧化铝的混合玻璃加入溶液中，再利用喷枪将150g的反应剂混合物喷射在不锈钢管上以得到一层膜。将该膜在850℃下加热10分钟，使之与不锈钢管焊接在一起。所得到的介电层6的厚度为500μm。相邻电极1和电极2之间的距离为1mm。处理室60(520mm(L)×352mm(W)×200mm(H))是用丙烯酸树脂制成的。电极1和电极2是由形成于处理室的侧壁上的托架(图中未显示)支撑的。传送器11置于处理室60内的侧壁之下。传送器包括一对用Teflon制成的圆棒、置于处理室外的电动机、滑轮、以及一个橡胶带。对于处理室60的门结构，可采用具有气-压开/关功能的内联式门。处理室的内部用O形圈进行密封。
对于要处理的目标4，使用用于液晶的玻璃板(0.7mm×200mm×300mm)。所有电极1均接地，所有电极2均与具有100kHz频率的交流电供能端(火线)13相连。在电极间加以交流电压(使用功率为1000W)以在常压下产生等离子体3。在进行等离子体处理过程中，纯水被用作冷却剂9在电极1和电极2内进行循环。用来产生等离子体的气体，采用的是氦气和氧气的混合气体。氦气的流量是10升/分钟，氧气的流量是100毫升/分钟。目标物4与电极1和电极2间的垂直距离是5mm。目标物4通过传送器11以15mm/秒的速度被传送。利用等离子体3，对目标物4进行等离子体处理(表面改进或清洁)。
在本实施例中进行了如下评估。即，在等离子体处理之前，先测量在保护层上水的接触角。这一接触角为45度。用等离子体处理之后，重新测量接触角，此时的接触变为6度。即是说，在本发明中，用等离子体处理后，使得在玻璃板上的水的接触角变小。水的接触角变小将会提供一个最好的导线结合强度。实验条件及评估结果列于表3中。
前述所公开的特征分别(或结合)地，都在权利要求项和/或附图中成为以各种方式来理解本发明的材料。
                                            表1
                         实施例
    1     2   3     4
电极 电极材料     不锈钢管     铜管   不锈钢管     氧化铝管
介电材料     Al2O3     Al2O3   Al2O3和Mg2O3的混合物     釉
平均表面粗糙度Ra(μm)     10     20   100     100
介电层厚度(μm)     200     500   700     1000
电极间距(mm)     1     1   0.5     1
弯曲表面R的曲率半径(mm)     5     10   20     10
冷却剂     未用     离子交换水   HFE7100     未用
用以产生等离子体的气体 氦气流量(升/分钟)     2     5   1     0.5
氩气流量(升/分钟)     7     13   1     3
氧气流量(毫升/分钟)     50     100   50     10
等离子体的产生条件 交流电频率(MHz)     13.56     60   60     60
供电功率(W)     1000     500   400     400
电极温度(℃)     250     150   20     100
等离子体的每单位体积的电能(W/cm3)     400     50   15     40
评估结果 保护层侵蚀速率(μm/s)     1.5     2.5   3.5     3.0
受到弧光放电的损害     无     无   无     无
                                                表2
                   实施例
    5     6
电极     电极材料     不锈钢管     铜管
    介电材料     TiO2     TiO2
    平均表面粗糙度Ra(μm)     20     50
    介电层厚度(μm)     200     500
    电极间距(mm)     1     1
    弯曲表面R的曲率半径(mm)     10     10
                冷却剂 FluorinertTM FC-77  FluorinertTM FC-77
用以产生等离子体的气体 氦气流量(升/分钟)     3     1
氩气流量(升/分钟)     9     3
氧气流量(毫升/分钟)     100     50
等离子体的产生条件 交流电频率(MHz)     13.56     13.56
供电功率(W)     1000     300
电极温度(℃)     200     200
等离子体的每单位体积的电能(W/cm3)     200     100
评估结果 等离子体处理
水的接触角(°) 否     80                 70
是     8                 8
导线熔焊的结合强度 否     5                 4
是     8                 8
密封树脂的剥离强度(MPa) 否     11                 11
是     20                 20
                                               表3
                  实施例
    5     6     7
电极 电极材料     不锈钢管     不锈钢管     不锈钢管
介电材料     TiO2     Al2O3     釉
平均表面粗糙度Ra(μm)     50     50     50
介电层厚度(μm)     500     500     500
电极间距(mm)     0.5     1     1
弯曲表面R的曲率半径(mm)     10     3     3.175
            冷却剂     未用     离子交换水     纯水
用以产生等离子体的气体   氦气流量(升/分钟)     1     10     10
  氩气流量(升/分钟)     3     未用     未用
  氧气流量(毫升/分钟)     100     100     100
  CF4流量(毫升/分钟)     50     未用     未用
等离子体的产生条件   交流电频率(MHz)     13.56MHz     100kHz     100kHz
  供电功率(W)     1000     1500     1000
  电极温度(℃)     200     200     80
  等离子体的每单位体积的电能(W/cm3)     100     1100     115
评估结果 等离子体处理
半导体芯片与Ni/Au金属化基片之间的结合状态 否     坏     -     -
是     好     -     -
在用于液晶的玻璃板之上的水的接触角(°) 否     -     -     45
是     -     -     6
被弧光放电损害的程度     无     无     无
              插图序号说明1  圆柱状电极                        2   圆柱状电极3  等离子体                          4   目标物5  供气单元                          6   介电层7  控制器                            9   冷却剂10 等离体产生器                      11  传送器12 气体供应容器                      13  交流电源14 支撑器件                          15  气体供应线16 气体进口                          17  气体出口20 冷却剂供应单元                    21  冷却剂供应管22 放电电隙                          23  冷却剂排放管24 热电偶                            27  显示器30 微型计算机                        33  冷却剂传输管35 等离子体扩散区                    40  红外透明窗口50 等离子体导引器件                  60  处理室61 气体进口                          62  气体出口63 内联型门                          64  缓冲间65 分割板                            67  狭缝1A 管状电极                          2A  管状电极1B 电极                              2B  电极1C 第一电极                          2C  第二电极1S 平板电极                          2S  平板电极3S 等离子体                          4S  目标物6S 介电层                            22S 放电间隙

Claims (20)

1.一种等离子体处理装置，该装置使用等离子体对处于放电间隙下方的目标物进行处理，该装置包括：
至少一对电极，这些电极中至少有一个电极在其外表面具有一个介电层；
一个气体供应单元，以此将用以等离子体发生的气体供至定义在所述电极之间的放电间隙中；以及
一个供电部分，以此给电极间施加交流电压，从而在上述放电间隙中产生上述气体的等离子体；
其中，在上述一对电极中，至少有一个电极具有向上述放电间隙伸进的弯曲表面。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于进一步包括一个等离子体导引器件，该器件与上述电极对中的至少一对电极相邻，利用该器件可以引导等离子体从上述放电间隙向目标物散布出去。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
其所述的等离子体导引器件与所述电极整体形成。
4.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
其中所述一对电极中至少有一个电极是管状电极。
5.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
其中所述一对电极中至少有一个电极是圆柱状电极。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
其中所述一对电极是一对圆柱形电极，这对电极中的一个电极大体与另一电极平行延伸。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
其中伸进上述放电间隙的弯曲表面的曲率半径在1-25mm范围。
8.根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的等离子体处理装置，其特征在于，进一步包括一种供冷单元，以这种单元在进行等离子体处理时提供冷却剂给上述电极的内部以降低电极温度。
9.根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的等离子体处理装置，其特征在于，进一步包括一种控制单元，通过这种单元在进行等离子体处理时来保持电极的温度不高于预定温度。
10.根据权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于：
其中所述的预定温度为250℃。
11.根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的等离子体处理装置，其特征在于：
其中所述电极的外表面的表面粗糙度在10-1000μm(算术平均粗糙度)范围内。
12.根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的等离子体处理装置，其特征在于：
其中具有介电层的所述电极是通过将玻璃基材料熔焊到电极材料上而得到的。
13.根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的等离子体处理装置，其特征在于：
其中具有所述介电层的所述电极是通过在电极材料上喷涂陶瓷材料而得到的。
14.根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的等离子体处理装置，其特征在于：
其中所述介电层是由氧化镁或一种含氧化镁的绝缘材料制成的。
15.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
用于产生等离子体的气体是从惰性气体、惰性气体的混合气体、和惰性气体和反应气体的混合气体中选择出的。
16.根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的等离子体处理装置，其特征在于，进一步包括一个传送器以将目标物传送至所述电极下的位置。
17.一种等离子体处理装置，该装置使用等离子体对处于放电间隙下方的目标物进行处理，该装置包括：
至少一对第一和第二电极，上述第一和第二电极中至少有一个电极在其外表面具有介电层；一个气体供应单元，以此将用以等离子体发生的气体供至定义在所述电极之间的放电间隙中；以及
一个供电部分，以此给第一和第二电极间施加交流电压，从而在上述放电间隙中产生上述气体的等离子体；
其中，在上述第一和第二电极中，每个第一电极与相邻的第二电极相平行延伸；
上述第一和第二电极中每个电极均具有管状结构；以及相邻的第一和第二电极中至少有一个电极具有向上述放电间隙伸进的弯曲表面。
18.根据权利要求17所述的等离子体处理装置，其特征在于：
该装置进一步包括一种提供冷却剂的单元，利用该单元可以向上述的第一和第二电极内部提供冷却剂以降低在等离子体处理过程中的电极温度。
19.利用权利要求1到7中任一项所述的等离子体处理装置进行等离子体处理的方法，包括以下步骤：
向上述位于电极间的放电间隙提供用于产生等离子体的气体；
向相述电极间加入交流电压以在常压下产生在放电间隙中的气体的等离子体；以及
用等离子体处理上述目标物。
20.利用权利要求17或18所述的等离子体处理装置进行等离子体处理的方法，该方法包括以下步骤：
向上述位于所述第一和第二电极间的放电间隙提供用于产生等离子体的气体；向所述第一和第二电极间加入交流电压以在常压下产生在放电间隙中的气体的等离子体；以及
用等离子体处理所述目标物。
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