JP2003142298A

JP2003142298A - グロー放電プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2003142298A
Application number: JP2001342070A
Authority: JP
Inventors: Makoto Takatsuma; 誠高妻
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2003-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】大気圧近傍の圧力下の常圧プラズマ処理装置
において、簡便な装置で、使用ガスの周囲への拡散防止
や外部空気の混入防止が可能なグロー放電プラズマ処理
装置の提供。【解決手段】大気圧近傍の圧力下で、少なくとも一方
が固体誘電体で被覆された一対の電極間に電界を印加
し、電極間に処理ガスを導入して、発生するグロー放電
プラズマで被処理基材を処理する放電プラズマ処理装置
であって、放電プラズマ発生部と被処理基材とを収納す
るチャンバー１と、チャンバー１を収納するチャンバー
２の少なくとも２室を有し、該チャンバー２内の気圧が
チャンバー１内の気圧より低圧で、かつ外気圧より低圧
にされた結果、チャンバー１から処理ガスの流出がなさ
れ、かつ、チャンバー２内部へ外気が流入するようにな
されたことを特徴とするグロー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、常圧操作において処理部への外気の
流入及び処理ガスの装置外部への流出を制御できるグロ
ー放電プラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】常圧プラズマ処理においては、従来の低
圧プラズマ処理とは異なり、処理対象の基板等を真空チ
ャンバー内で処理する必要がなく、その装置としては、
上下の平行平板型電極間に電圧を印加してプラズマ放電
を発生させ、下部電極上に設置された基材を処理する簡
易な装置が提案されている（特開平１０−１５４５９８
号公報等）。

【０００３】上記プラズマ処理装置は、装置が簡便で、
大型基材への対応が有利である特徴を有するが、例え
ば、図２に示すような装置構成をとると、処理ガスは、
処理ガス供給口１１１から処理室１１０内に導入され、
対向する電極１０１と１０２の間の放電空間でプラズマ
化され、処理室内に搬送ベルト１５で搬送される被処理
基材１４の表面を処理し、処理済みガス等は、被処理基
材導入及び排出スリット１１２、１１３等から流出し、
作業環境上好ましくない場合が多かった。また、本来、
処理ガスは電極間の放電空間のみに供給すればよいので
あるが、この方法では、処理装置全体に処理ガスを供給
する必要があり、処理ガスの使用量が多くなり過ぎて、
コスト上好ましくなく、さらに、処理ガスの流れ方向を
制御できないため均一な処理ができないという問題を有
していた。このような問題に対して、使用処理ガスの周
囲への拡散防止や外部空気の混入防止の手段を講じるた
めに、装置全体を密閉室に収めようとすると、折角の常
圧プラズマの装置の簡便化という利点を生かせない問題
があった。他の対策手段として、処理室１００からの強
制排気機構を設けると、外部から外気（通常空気）が入
りこみ、処理ガス流に悪影響を及ぼしたり、外気に含ま
れる湿気や酸素の影響で、処理精度が悪化する問題もあ
った。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、大気圧近傍
の圧力下の常圧プラズマ処理装置において、簡便な装置
で、使用ガスの周囲への拡散防止や外部空気の影響防止
が可能なグロー放電プラズマ処理装置を提供することを
目的とする。

【０００５】

【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、放電プラズマ処理装置を
少なくとも２室からなる装置にし、処理部や外気よりも
気圧の低い室を設けることで、雰囲気ガスの制御が完全
にできることを見出し、本発明を完成させた。

【０００６】すなわち、本発明の第１の発明は、大気圧
近傍の圧力下で、少なくとも一方が固体誘電体で被覆さ
れた一対の電極間に電界を印加し、電極間に処理ガスを
導入して、発生するグロー放電プラズマで被処理基材を
処理する放電プラズマ処理装置であって、放電プラズマ
発生部と被処理基材とを収納するチャンバー１と、チャ
ンバー１を収納するチャンバー２の少なくとも２室を有
し、該チャンバー２内の気圧がチャンバー１内の気圧よ
り低圧で、かつ外気圧より低圧にされた結果、チャンバ
ー１から処理ガスの流出がなされ、かつ、チャンバー２
内部へ外気が流入するようになされたことを特徴とする
グロー放電プラズマ処理装置である。

【０００７】また、本発明の第２の発明は、チャンバー
２に、流入した外気とチャンバー１から流出した処理ガ
スとを、共に排気する排気手段が設けられていることを
特徴とする第１の発明に記載のグロー放電プラズマ処理
装置である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明のグロー放電プラズマ処理
装置の実施の形態を図で説明する。図１は、本発明のグ
ロー放電プラズマ処理装置を説明する模式図であるが、
本発明の趣旨を逸脱しない限り、本発明はこれによって
何ら限定されるものではない。

【０００９】図１において、チャンバー１は、プラズマ
で基材等を処理するプラズマ処理部であり、チャンバー
２はチャンバー１を収納する容器であって、チャンバー
には、独立に圧力制御のために圧力計４及び５が設置さ
れ、各チャンバーの圧力をコントロールすることによ
り、処理ガスの周囲への拡散を防止し、外部空気の混入
を防止することのできる装置である。したがって、チャ
ンバー１、チャンバー２の各室は、真空容器のような厳
密な密閉性を有する必要はなく、また、被処理基材を連
続的に導入し処理済みの被処理基材を回収する開口部を
有する容器であるので、例えば、合成樹脂のような材料
で簡便に製造した容器であってもよい。なお、本実施形
態では、チャンバー１は電極等とは別体としてあるが、
必要に応じ一体的な構造としてもよい。

【００１０】具体的なプラズマ処理、処理ガス等の流れ
を以下に説明する。チャンバー１内において、処理ガス
は、処理ガス導入ライン１２を経て、チャンバー１内の
電極１０１と電極１０２の間の放電空間に導入され、電
極間に電源１００から印加された電界でプラズマ化さ
れ、搬送ベルト１５上に設置されて搬送されてくる被処
理基材１４を処理する。プラズマ処理後のガスの大半
は、排ガス回収ライン１３により回収される。チャンバ
ー１は、プラズマ処理部を処理ガスに影響のないガス、
例えば、クリーンドライエアー、不活性ガス等の雰囲気
に保ち、かつチャンバー２内の気圧よりも高圧を維持す
るためのチャンバーであり、雰囲気ガスは、雰囲気ガス
導入ライン１１から、チャンバー１の上部から導入さ
れ、チャンバー１内部を流れ、処理排ガスの一部と共に
チャンバー２内に流出する。チャンバー２は、チャンバ
ー１からのガスの装置外部への流出を防ぐため、所定圧
だけ外気圧より低いので、整流板７及び両側開口６（被
処理基材の搬入出口）より、一定量の外気が流入する。
流入した外気は、チャンバー１からの流出ガス等と共
に、気圧調整バルブ１０でそのチャンバー２内の気圧を
コントロールされつつ、全体の排気ライン１６を経て回
収される。なお、チャンバー２もかかる作用を達成でき
るものであれば良く、例えば、整流板７も用途に応じ省
略可能である。

【００１１】ここで、チャンバー１、２の各チャンバー
間の圧力及び外気圧との関係は、チャンバー１＞チャン
バー２であることが必要であり、さらに、チャンバー２
＜外気であることが必要である。チャンバー１、２及び
外気圧の差圧値は、特に限定されるものでないが、調整
が難しくない数ｍｍＨ₂Ｏ程度の弱い差圧で十分であ
る。なお、外気としては、処理精度の点からはクリーン
エアであることが好ましい。また、外気の影響を厳密に
排除したい処理、例えば、プラズマＣＶＤ等の処理で
は、チャンバー１とチャンバー２のみでなく、さらに中
間にチャンバー３を加えた構成であってもよい。

【００１２】各チャンバーの圧力もしくは各チャンバー
間及び外気圧との差圧調整手段は、雰囲気ガスの供給に
限らず、処理ガス供給量、処理ガス排気量をコントロー
ルすることにより行うこともできる。このようにチャン
バー内の圧力をコントロールすることにより、処理ガス
の装置外部への拡散が完全に防止されると共に、外部空
気のプラズマ処理部への混入を防止できる。なお、例え
ば、処理装置が設置されている製造室全体の気圧を大気
圧以上とし、チャンバー２内の気圧を大気圧とすれば、
処理装置から製造室外へ直接排気ルートを設けること
で、チャンバー２からの排気ポンプ等は省略できる。但
し、排気手段を有する方が所定圧のコントロールが容易
となる。

【００１３】ここで、チャンバー１内におけるプラズマ
を被処理基材に接触させる手段としては、例えば、
（１）対向する電極間で発生するプラズマの放電空間内
に被処理基材を配置して、被処理基材にプラズマを接触
させる方法、及び（２）対向する電極間で発生させたプ
ラズマを放電空間の外に配置された被処理基材に向かっ
て導くようにして接触させる方法（リモート型）があ
る。

【００１４】上記（１）の具体的方法としては、固体誘
電体で被覆した平行平板型電極間に被処理基材を配置
し、プラズマと接触させる方法であって、多数の穴を有
する上部電極を用い、シャワー状プラズマで処理する方
法、一方の電極に吹き出し口ノズルを有する容器状固体
誘電体を設け、該ノズルからプラズマを他の電極上に配
置した被処理基材に吹き付ける方法等が挙げられる。

【００１５】また、上記（２）の具体的方法としては、
固体誘電体が延長されてプラズマ誘導ノズルを形成して
おり、放電空間の外に配置された被処理基材に向けて吹
き付ける方法等が挙げられ、平行平板型電極と長尺型ノ
ズル、同軸円筒型電極と円筒型ノズルの組み合わせを用
いることができる。なお、ノズル先端の材質は、必ずし
も上記の固体誘電体である必要がなく、上記電極と絶縁
がとれていれば金属等でもかまわない。

【００１６】また、本発明の装置における被処理基材
は、フィルム状、シート状、枚葉状のいずれであっても
よく、基材を搬送する手段としては、基材がフィルム状
のものであれば、繰り出しロールと巻き取りロールから
なる搬送系を用い、枚葉状であれば、搬送コンベア、搬
送ロボット等の搬送系を用いることができる。

【００１７】本発明の放電プラズマ処理装置における大
気圧近傍の圧力下とは、１．３３３×１０⁴〜１０．６
６４×１０⁴Ｐａ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。

【００１８】上記電極としては、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。電極の形状としては、特に
限定されないが、電界集中によるアーク放電の発生を避
けるために、対向電極間の距離が一定となる構造である
ことが好ましく、例えば、平行平板型、円筒対向平板
型、球対向平板型、双曲対向平板型、同軸円筒型構造等
が挙げられる。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
しい。０．１ｍｍ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る。５０ｍｍを超えると、
均一な放電プラズマを発生させにくい。

【００１９】上記固体誘電体は、電極の対向面の一方又
は双方に設置される。この際、固体誘電体電極が密着
し、かつ電極の対向面を完全に覆うようにすることが好
ましい。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。固体誘電体の厚みは、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。

【００２０】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、及びこれらの複層
化したもの等が挙げられる。

【００２１】上記電極間には、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、１０μｓ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５０ｎｓ〜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い。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、シリコンウェーハ等が挙げられる。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。

【００２６】上記処理においては、放電プラズマ発生空
間に存在する処理ガスの選択により任意の処理が可能で
ある。

【００２７】上記処理ガスとして、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ
ＣｌＦ₃、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。

【００２８】また、処理ガスとして、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。

【００２９】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。特に、
本発明の装置においては、チャンバー２をプラズマ処理
に影響のない雰囲気に保つことができるので、例えば、
水分を好まないフッ素ガス処理においては、容易に水分
制御を行うことができる等に利点を有する。

【００３０】経済性及び安全性の観点から、上記処理用
ガス単独雰囲気よりも、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が好まし
い。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。また、希
釈ガスを用いる場合、処理用ガスの割合は０．０１〜１
０体積％であることが好ましい。この場合には希釈ガス
を圧力調整用の雰囲気ガスとしても利用できる。

【００３１】

【発明の効果】本発明のグロー放電プラズマ処理装置
は、少なくとも２室からなる装置にし、各室間及び外気
との圧力の関係を所定の状態にするよう制御しているの
で、使用処理ガスの周囲への拡散防止や外部空気の混入
防止を容易にできる。また、本発明の装置は、大気圧下
での実施が可能であるので、容易にインライン化でき、
本発明の装置を用いる方法により処理工程全体の速度向
上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のグロー放電プラズマ処理装置の構成を
説明する図である。

【図２】従来の常圧プラズマ処理装置の構成を説明する
図である。

【符号の説明】

１チャンバー１２チャンバー２４、５圧力計６開口（被処理基材搬入出口）７整流板１０圧力調整バルブ１１雰囲気ガス導入ライン１２処理ガス導入ライン１３排ガス回収ライン１４被処理基材１５搬送ベルト１６排気ポンプライン１００電源１０１、１０２電極１１０処理室１１１処理ガス供給口１１２、１１３スリット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】大気圧近傍の圧力下で、少なくとも一方
が固体誘電体で被覆された一対の電極間に電界を印加
し、電極間に処理ガスを導入して、発生するグロー放電
プラズマで被処理基材を処理する放電プラズマ処理装置
であって、放電プラズマ発生部と被処理基材とを収納す
るチャンバー１と、チャンバー１を収納するチャンバー
２の少なくとも２室を有し、該チャンバー２内の気圧が
チャンバー１内の気圧より低圧で、かつ外気圧より低圧
にされた結果、チャンバー１から処理ガスの流出がなさ
れ、かつ、チャンバー２内部へ外気が流入するようにな
されたことを特徴とするグロー放電プラズマ処理装置。
【請求項２】チャンバー２に、流入した外気とチャン
バー１から流出した処理ガスとを、共に排気する排気手
段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の
グロー放電プラズマ処理装置。