JP2003113475A

JP2003113475A - 放電プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2003113475A
Application number: JP2001308778A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Uehara; 剛上原
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2003-04-18

Abstract

(57)【要約】【課題】高速処理に対応可能でかつ、電極表面を容易
に、短時間でクリーニングできる放電プラズマ処理装置
の提供。【解決手段】少なくとも一方の対向面を固体誘電体で
被覆した、一対の多角形の柱状電極間に処理ガスを導入
して電界を印加することにより発生するグロー放電プラ
ズマで基材を処理する放電プラズマ処理装置であって、
前記多角形の柱状電極が、多角形の柱状の表面毎に保護
フィルムが貼り付けられ、多角形の柱状の平面同士が対
向するように回転する回転機構を有し、かつ回転後に表
面に貼り付けられた保護フィルムを貼り替える機構を設
けたことを特徴とする放電プラズマ処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放電プラズマ処理
装置に関し、特に、表面保護フィルムを設けた多角形の
柱状回転電極により電極クリーニングを容易にした放電
プラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、低圧条件下でグロー放電プラ
ズマを発生させて被処理体の表面改質、又は被処理体上
に薄膜形成を行う方法が実用化されている。しかし、こ
れらの低圧条件下における処理装置は、真空チャンバ
ー、真空排気装置等が必要であり、表面処理装置は高価
なものとなり、大面積基板等を処理する際にはほとんど
用いられていなかった。このため、特開平６−２１４９
号公報、特開平７−８５９９７号公報、特開平１０−１
５４５９８号公報等に記載されているような大気圧近傍
の圧力下で放電プラズマを発生させる常圧プラズマ処理
装置が提案されてきている。

【０００３】このような処理方法においては、固体誘電
体等で被覆した平行平板型等の電極間に被処理体を設置
し、電極間に処理ガスを導入し、電極間に電圧を印加
し、発生したプラズマで被処理体を処理する装置や平行
平板型電極の先端に長尺プラズマガス吹き出し口ノズル
を設けたリモート型装置で被処理体の特定部分にプラズ
マを吹き付けて処理を行うことのできる装置等が開発さ
れてきているが、いずれも、平行平板型電極間の放電空
間で処理ガスがプラズマ化されるため、電極表面に処理
ガスの反応生成物が付着し易く、稼働後数時間毎に装置
を休止させて電極表面をクリーニングする必要があっ
た。

【０００４】また、電極表面のクリーニングは、クリー
ニング用ガスを流し、プラズマを発生させてクリーニン
グする方法や付着物をスクレーパー等で掻き落とす方法
があるが、前者は毒性のある三フッ化窒素がよく用いら
れており、安全性およびクリーニングに時間を要すると
いう問題があり、後者はスクレーパーなどにより電極表
面を傷つけたり、完全に付着物を取り除くには相当な時
間を要するという問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題に
鑑み、高速処理に対応可能でかつ、電極表面を容易に、
短時間でクリーニングできる放電プラズマ処理装置を提
供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決すべく鋭意研究した結果、電極を回転可能な多角形
の柱状電極とし、かつ多角形の柱状の平面表面毎に、貼
り替え可能な保護フィルムを貼り付け、一定の処理終了
毎に多角形の柱状電極を回転させ保護フィルムを貼りか
えることにより、電極表面を用意に短時間でクリーニン
グできることを見出し、本発明を完成させた。

【０００７】すなわち、本発明の第１の発明は、少なく
とも一方の対向面を固体誘電体で被覆した、一対の多角
形の柱状電極間に処理ガスを導入して電界を印加するこ
とにより発生するグロー放電プラズマで基材を処理する
放電プラズマ処理装置であって、前記多角形の柱状電極
が、多角形の柱状の表面毎に保護フィルムが貼り付けら
れ、多角形の柱状の平面同士が対向するように回転する
回転機構を有し、かつ回転後に表面に貼り付けられた保
護フィルムを貼り替える機構を設けたことを特徴とする
放電プラズマ処理装置である。

【０００８】また、本発明の第２の発明は、多角形の柱
状電極が、正多角形の柱状電極であることを特徴とする
第１の発明に記載の放電プラズマ処理装置である。

【０００９】また、本発明の第３の発明は、保護フィル
ムが、ポリテトラフルオロエチレンフィルムであること
を特徴とする第１又は２の発明に記載の放電プラズマ処
理装置である。

【００１０】また、本発明の第４の発明は、電界が、パ
ルス立ち上がり及び／又は立ち下がり時間が１０μｓ以
下、電界強度が１０〜１０００ｋＶ／ｃｍのパルス電界
であることを特徴とする第１〜３のいずれかの発明に記
載の放電プラズマ処理装置である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明は、少なくとも一方の対向
面を固体誘電体で被覆した、それぞれが回転可能にされ
た多角形の柱状電極がその平面同士が対向するように設
置された電極間に、処理ガスを導入して、電界を印加す
ることにより発生するグロー放電プラズマで基材を処理
する放電プラズマ処理装置であって、電極を構成する多
角形の柱状電極の表面毎に、保護フィルムが貼り付けら
れ、電極表面が反応物の付着により汚染された時点で、
電極を回転させ、新たな放電対向面で処理を行うと同時
に、放電済み表面の保護フィルムを貼り換えて、放電面
をクリーニングすることのできる放電プラズマ処理装置
である。以下に詳細に本発明を説明する。

【００１２】本発明の装置の一例を図で説明する。図１
は、本発明のプラズマ放電装置の例を説明するための模
式的装置図である。図１において、それぞれ回転可能な
六角柱の電圧印加電極２と接地電極３は、その平面部分
同士が対向して設置され、その間に放電空間４を形成し
ている。電極の表面は、各面毎に保護フィルム５が貼り
付けられている。処理ガスは、矢印方向に電圧印加電極
２と接地電極３で形成される放電空間４に導入され、プ
ラズマ化され、プラズマ吹き出し口から基材１０に向か
って吹き出される。６角形の電極のｓ−１面同士でプラ
ズマを発生させた後、電極を回転させ、次にｓ−２面同
士を対向させてプラズマ発生処理を行う。電極の回転時
には、一方又は両方の電極が図の水平方向に移動し、回
転した後に、再度水平方向に移動することによって、電
極間距離を保つようになされている。これを繰り返し、
ｓ−１面が放電面の反対側にきた時点で、保護フィルム
を貼り替え、新たな放電面にする。このようにすること
により、放電操作を長時間に渡って停止することなく、
かつ簡単に、放電面のクリーニングを行うことができ
る。

【００１３】本発明の電極は、常にその表面がクリーニ
ングされた状態を保ち安定した放電状態を確保できる。
したがって、本発明の装置による放電プラズマ処理を行
うと、被処理基材上に形成される薄膜等にも品質上問題
なく、電極表面のクリーニングのために装置の稼動を休
止する時間を大幅に少なくすることができ、生産性向上
を果たすことができる。

【００１４】本発明において、多角形の柱状電極として
は、３角柱以上であれば、特に制限がないが、放電平行
面の長さ、保護フィルムの貼り換え準備等の点から、４
〜６角柱が好ましい。電極を回転させる際に、どの面が
放電面となっても対向する面同士が同じ面積になるよう
にするため、正多角形の柱状とすることが好ましい。ま
た、保護フィルムは、プラズマ放電の発生に安定で、か
つ影響を及ぼさない材質のフィルムであれば、特に制限
はないが、ポリエステルフィルム、ポリテトラフルオロ
エチレンフィルムなどを用いることができる。フィルム
の裏面は、粘着剤が付与されているものが取り外し、貼
り付けが容易で好ましい。保護フィルムの厚さは、０．
０３〜２ｍｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜
０．５ｍｍである。なお、フィルムの貼り換えの間隔、
時期等は、特に制限されるものでなく、汚れが目立って
きた時点で貼り換えればよい。

【００１５】上記多角形の柱状電極の材質としては、
銅、アルミニウム等の金属単体、ステンレス、真鍮等の
合金、金属間化合物等からなるものが挙げられる。

【００１６】本発明の装置においては、多角形の柱状電
極は、対向面の一方又は双方が固体誘電体で被覆されて
おり、固体誘電体と電極が密着し、かつ、接する電極の
対向面を完全に覆うようにする。固体誘電体によって覆
われずに電極同士が直接対向する部位があると、そこか
らアーク放電が生じやすい。

【００１７】上記固体誘電体の形状は、シート状でもフ
ィルム状でもよく、厚みが０．０１〜４ｍｍであること
が好ましい。厚すぎると放電プラズマを発生するのに高
電圧を要することがあり、薄すぎると電圧印加時に絶縁
破壊が起こり、アーク放電が発生することがある。

【００１８】固体誘電体の材質としては、例えば、ポリ
テトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート
等のプラスチック、ガラス、二酸化珪素、酸化アルミニ
ウム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化
物、チタン酸バリウム等の複酸化物等が挙げられる。

【００１９】特に、２５℃環境下における比誘電率が１
０以上のものである固体誘電体を用いれば、低電圧で高
密度の放電プラズマを発生させることができ、処理効率
が向上する。比誘電率の上限は特に限定されるものでは
ないが、現実の材料では１８，５００程度のものが入手
可能であり、本発明に使用出来る。特に好ましくは比誘
電率が１０〜１００の固体誘電体である。上記比誘電率
が１０以上である固体誘電体の具体例としては、二酸化
ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化物、チタン酸
バリウム等の複酸化物を挙げることが出来る。

【００２０】上記電極間の距離は、固体誘電体の厚さ、
印加電圧の大きさ、プラズマを利用する目的等を考慮し
て適宜決定されるが、０．１〜５０ｍｍであることが好
ましく、より好ましくは０．１〜５ｍｍである。０．１
ｍｍ未満では、電極間の間隔を置いて設置するのに充分
でないことがあり、一方、５０ｍｍを超えると、均一な
放電プラズマを発生させにくい。

【００２１】本発明では、上記電極間に、高周波、パル
ス波、マイクロ波等の電界が印加され、プラズマを発生
させるが、パルス電界を印加することが好ましく、特
に、電界の立ち上がり及び／又は立ち下がり時間が、１
０μｓ以下である電界が好ましい。１０μｓを超えると
放電状態がアークに移行しやすく不安定なものとなり、
パルス電界による高密度プラズマ状態を保持しにくくな
る。また、立ち上がり時間及び立ち下がり時間が短いほ
どプラズマ発生の際のガスの電離が効率よく行われる
が、４０ｎｓ未満の立ち上がり時間のパルス電界を実現
することは、実際には困難である。より好ましくは５０
ｎｓ〜５μｓである。なお、ここでいう立ち上がり時間
とは、電圧（絶対値）が連続して増加する時間、立ち下
がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して減少する時間
を指すものとする。

【００２２】上記パルス電界の電界強度は、１０〜１０
００ｋＶ／ｃｍとなるようにするのが好ましく、より好
ましくは２０〜１０００ｋＶ／ｃｍである。電界強度が
１０ｋＶ／ｃｍ未満であると処理に時間がかかりすぎ、
１０００ｋＶ／ｃｍを超えるとアーク放電が発生しやす
くなる。

【００２３】上記パルス電界の周波数は、０．５ｋＨｚ
以上であることが好ましい。０．５ｋＨｚ未満であると
プラズマ密度が低いため処理に時間がかかりすぎる。上
限は特に限定されないが、常用されている１３．５６Ｍ
Ｈｚ、試験的に使用されている５００ＭＨｚといった高
周波帯でも構わない。負荷との整合のとり易さや取り扱
い性を考慮すると、５００ｋＨｚ以下が好ましい。この
ようなパルス電界を印加することにより、処理速度を大
きく向上させることができる。

【００２４】また、上記パルス電界におけるひとつのパ
ルス継続時間は、２００μｓ以下であることが好まし
い。２００μｓを超えるとアーク放電に移行しやすくな
る。ここで、ひとつのパルス継続時間とは、ＯＮ、ＯＦ
Ｆの繰り返しからなるパルス電界における、ひとつのパ
ルスの連続するＯＮ時間を言う。

【００２５】本発明の放電プラズマ処理装置は、どのよ
うな圧力下でも用いることができるが、常圧放電プラズ
マ処理に用いるとその効果を十分に発揮でき、特に、大
気圧近傍下の圧力下で用いるとその効果が十分に発揮さ
れる。

【００２６】上記大気圧近傍の圧力下とは、１．３３３
×１０⁴〜１０．６６４×１０⁴Ｐａの圧力下を指す。中
でも、圧力調整が容易で、装置が簡便になる９．３３１
×１０⁴〜１０．３９７×１０⁴Ｐａの範囲が好ましい。

【００２７】大気圧近傍の圧力下では、ヘリウム、ケト
ン等の特定のガス以外は安定してプラズマ放電状態が保
持されずに瞬時にアーク放電状態に移行することが知ら
れているが、パルス状の電界を印加することにより、ア
ーク放電に移行する前に放電を止め、再び放電を開始す
るというサイクルが実現されると考えられる。

【００２８】本発明で処理できる被処理基材としては、
ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカ
ーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラ
フルオロエチレン、ポリイミド、液晶ポリマー、エポキ
シ樹脂、アクリル樹脂等のプラスチック、ガラス、セラ
ミック、金属等が挙げられる。基材の形状としては、板
状、フィルム状等のものが挙げられるが、特にこれらに
限定されない。本発明の表面処理方法によれば、様々な
形状を有する基材の処理に容易に対応することができ
る。

【００２９】本発明で用いる処理ガスとしては、電界、
好ましくはパルス電界を印加することによってプラズマ
を発生するガスであれば、特に限定されず、処理目的に
より種々のガスを使用できる。

【００３０】上記処理用ガスとして、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、
ＣＣｌＦ₃、ＳＦ₆等のフッ素含有化合物ガスを用いるこ
とによって、撥水性表面を得ることができる。

【００３１】また、処理用ガスとして、Ｏ₂、Ｏ₃、水、
空気等の酸素元素含有化合物、Ｎ₂、ＮＨ₃等の窒素元素
含有化合物、ＳＯ₂、ＳＯ₃等の硫黄元素含有化合物を用
いて、基材表面にカルボニル基、水酸基、アミノ基等の
親水性官能基を形成させて表面エネルギーを高くし、親
水性表面を得ることができる。また、アクリル酸、メタ
クリル酸等の親水基を有する重合性モノマーを用いて親
水性重合膜を堆積することもできる。

【００３２】さらに、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｓｎ等の金属の金属
−水素化合物、金属−ハロゲン化合物、金属アルコラー
ト等の処理用ガスを用いて、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ
₂等の金属酸化物薄膜を形成させ、基材表面に電気的、
光学的機能を与えることができ、ハロゲン系ガスを用い
てエッチング処理、ダイシング処理を行ったり、酸素系
ガスを用いてレジスト処理や有機物汚染の除去を行った
り、アルゴン、窒素等の不活性ガスによるプラズマで表
面クリーニングや表面改質を行うこともできる。

【００３３】経済性及び安全性の観点から、上記処理ガ
スを以下に挙げるような希釈ガスによって希釈された雰
囲気中で処理を行うこともできる。希釈ガスとしては、
ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の希ガス、窒
素気体等が挙げられる。これらは単独でも２種以上を混
合して用いてもよい。希釈ガスの混合割合は、用途によ
って異なるが、例えば、親水生重合膜、金属酸化物薄膜
を形成する場合は、処理用ガスの割合が０．０１〜１０
体積％であることが好ましい。

【００３４】なお、本発明の装置によれば、プラズマ発
生空間中に存在する気体の種類を問わずグロー放電プラ
ズマを発生させることが可能である。公知の低圧条件下
におけるプラズマ処理はもちろん、特定のガス雰囲気下
の大気圧プラズマ処理においても、外気から遮断された
密閉容器内で処理を行うことが必須であったが、本発明
のグロー放電プラズマ処理装置を用いた方法によれば、
開放系、あるいは、気体の自由な流失を防ぐ程度の低気
密系での処理が可能となる。

【００３５】本発明のパルス電界を用いた大気圧放電処
理装置によると、全くガス種に依存せず、電極間におい
て直接大気圧下で放電を生じせしめることが可能であ
り、より単純化された電極構造、放電手順による大気圧
プラズマ装置、及び処理手法でかつ高速処理を実現する
ことができる。また、パルス周波数、電圧、電極間隔等
のパラメータにより処理に関するパラメータも調整でき
る。

【００３６】

【実施例】本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明
するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもので
はない。

【００３７】実施例１正方形の電極を用いた装置により放電プラズマ処理を行
った。正方形の柱状回転電極として、１辺５０ｍｍ×長
さ１００ｍｍのＳＵＳ製角柱電極に、それぞれ固体誘電
体としてアルミナを１ｍｍの厚さに溶射したものを用い
た。各電極の１辺には、それぞれ、ニトフロン粘着テー
プＮｏ．９０３（日東電工社製）１３０μｍを保護フィ
ルムとして貼り付けた。正方形の柱状電極の対向平面の
間隔が２ｍｍになるように設置した。基材として、ガラ
ス基材を用い、処理ガスとして、テトラエトキシシラン
０．１６体積％、酸素１６体積％をアルゴンガスにより
希釈した混合ガスを放電空間４に導入し、パルス立ち上
がり速度５μｓ、電極間に電圧２０ｋＶ_PP、周波数１０
ｋＨｚのパルス電界を印加し、１０分間処理を行い、基
材上にＳｉＯ₂膜の生成を確認した。その後電極を回転
させて、保護フィルムを貼り換えた。プラズマ停止から
電極の回転、保護フィルムの貼り換えまでに要した時間
は、約１分であった。

【００３８】比較例１保護フィルムを貼り付けなかった以外は、実施例１と同
様にして基材を処理した。基材表面にＳｉＯ₂膜が形成
されたが、プラズマ停止から電極の回転、スクレーパー
による電極表面の付着物除去に要した時間は約１５分で
あった。

【００３９】

【発明の効果】本発明の放電プラズマ処理装置は、電極
への反応性生物の付着物を短時間にクリーニングできる
装置であるので、高速処理及び大面積処理に対応可能で
かつ半導体製造工程で用いられる種々の方法を始めとし
て、あらゆるプラズマ処理方法において、インライン化
及び高速化を実現するのに有効に用いることができる。
これにより、処理時間の短縮化、コスト低下が可能にな
り、従来では不可能あるいは困難であった様々な用途へ
の展開が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の放電プラズマ処理装置の例を説明する
模式的図である。

【符号の説明】

１電源（高電圧パルス電源）２、３多角形の柱状電極４放電空間５保護フィルム１０基材ｓ−１、ｓ−２プラズマ放電表面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方の対向面を固体誘電体で
被覆した、一対の多角形の柱状電極間に処理ガスを導入
して電界を印加することにより発生するグロー放電プラ
ズマで基材を処理する放電プラズマ処理装置であって、
前記多角形の柱状電極が、多角形の柱状表面毎に保護フ
ィルムが貼り付けられ、多角形の柱状の平面同士が対向
するように回転する回転機構を有し、かつ回転後に表面
に貼り付けられた保護フィルムを貼り替える機構を設け
たことを特徴とする放電プラズマ処理装置。
【請求項２】多角形の柱状電極が、正多角形の柱状電
極であることを特徴とする請求項１に記載の放電プラズ
マ処理装置。
【請求項３】保護フィルムが、ポリテトラフルオロエ
チレンフィルムであることを特徴とする請求項１又は２
に記載の放電プラズマ処理装置。
【請求項４】電界が、パルス立ち上がり及び／又は立
ち下がり時間が１０μｓ以下、電界強度が１０〜１００
０ｋＶ／ｃｍのパルス電界であることを特徴とする請求
項１〜３のいずれか１項に記載の放電プラズマ処理装
置。