JP2003249399A

JP2003249399A - 放電プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2003249399A
Application number: JP2002046635A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Mizuochi; 洋行水落
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-09-05

Abstract

(57)【要約】【課題】被処理体を電極間に固定し、被処理体を均一
に処理することができ、かつアーク放電の発生を抑える
ことのできる板状電極を用いた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、一対の対向する板
状電極間に電界を印加して、グロー放電プラズマを発生
させ、電極間に設置した被処理体を処理する放電プラズ
マ処理装置において、少なくとも一方の板状電極が固体
誘電体製パイプを挿入した複数の孔を有し、かつ放電面
側が固体誘電体でコーティングされていることを特徴と
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、少なくとも一方の板状電極が複数の
孔を有する対向電極を用い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】これらの常圧プラズマ処理方法において
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では、被処理体の全面に
渡って均一に処理ガスを供給することは難しく、かつ放
電空間内に被処理体を固定しておくことが難しいという
問題があった。

【０００４】このような問題を解決するために、特開平
２−１５１７１号公報では、上部電極に複数の開孔部ま
たは複数の溝部を設けたりして、被処理体表面全体を均
一にする方法が開示されている。また、被処理体を設置
する側の電極に複数の孔をあけ、電極下部側から吸引し
て被処理体を下部電極に固定する方法や、上部電極に複
数の孔をあけて、処理ガスをシャワー状に被処理体表面
に吹きつける方法が検討されてきたが、電極内部に開け
る孔内及び孔エッジ部分を固体誘電体等で完全に被覆す
ることができず、その部分からのアーク放電を完全に防
ぐことができないという問題を有していた。

【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、被処理体を電極間に固定し、被処理体を均一に処
理することができ、かつアーク放電の発生を抑えること
のできる板状電極を用いた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、板状電極に複数の孔を開
けた後、その孔に固体誘電体製のパイプを挿入し、更に
電極放電面側を固体誘電体でコーティングすることによ
り、複数の孔を有する板状電極においてもアーク放電を
抑制することが出来ることを見出し、本発明を完成させ
た。

【０００７】すなわち、本発明の第１の発明は、大気圧
近傍の圧力下、一対の対向する板状電極間に電界を印加
して、グロー放電プラズマを発生させ、電極間に設置し
た被処理体を処理する放電プラズマ処理装置において、
少なくとも一方の板状電極が固体誘電体製パイプを挿入
した複数の孔を有し、かつ放電面側が固体誘電体でコー
ティングされている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、前記複数の
孔を有する板状電極がアース側電極であって、複数の孔
を通して吸引して電極間に設置した被処理体を固定する
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、前記複数の
孔を有する板状電極が印加側電極であって、前記複数の
孔を通して処理ガスを供給す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。

【００１０】また、本発明の第４の発明は、前記複数の
孔に挿入される固体誘電体製パイプが０．２〜３ｍｍの
内径、８ｍｍ以上の長さを有するパイプであることを特
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】本発明の放電プラズマ処理装置
は、大気圧近傍の圧力下、少なくとも一方の板状電極が
固体誘電体製パイプを挿入した複数の孔を有した一対の
対向する板状電極間に電界を印加して、グロー放電プラ
ズマを発生させ、電極間に設置した被処理体を処理する
放電プラズマ処理装置であって、該複数の孔を有した板
状電極が下部電極であれば、被処理体の固定に有効に機
能し、該複数の孔を有した板状電極が上部電極であれ
ば、処理ガスの均一分散に有効に機能し、かつアーク放
電を生じさせないようにした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】図で本発明の装置の例を説明する。図１
は、対向する板状平行平板電極の下部電極に複数の孔を
設けた放電プラズマ処理装置の例を説明する模式的断面
図である。図１において、平行平板型対向電極の上部電
極２を印加側電極として用い、下部電極３をアース側電
極として用い、両電極間の放電空間５に被処理体８を設
置する。放電空間５には、電極サイドに設けられた処理
ガス導入口６から処理ガスが供給され、電源１からの電
界の印加により放電空間５内でプラズマ化され、被処理
体８の表面を処理する。処理済み排ガスは、電極サイド
に設けられた排ガス吸収口７から回収される。上部電極
２及び下部電極３の放電面側は、固体誘電体４で被覆さ
れ、下部電極３には多数の孔１０が設けられている。被
処理体８は、吸引管３２から下部電極３の下部に設けら
れた吸引室３１を経て吸引することにより、下部電極３
に固定される。また、下部電極３の下部からの吸引によ
り、放電空間５内のプラズマ流を被処理体８側に向けさ
せることができ、プラズマ処理を円滑に行うことができ
る。

【００１３】図２は、対向する板状平行平板電極の上部
電極に複数の孔を開けた放電プラズマ処理装置の例を説
明する模式的断面図である。図２において、平行平板型
対向電極の上部電極２を印加側電極として用い、下部電
極３をアース側電極として用い、両電極間の放電空間５
に被処理体８を設置する。上部電極２には多数の孔１０
が設けられ、処理ガスを処理ガス導入口５から、処理ガ
ス導入室２１を経て多数の孔１０から放電空間５に供給
されるようにしてある。処理ガスは、電源１からの印加
により放電空間５内でプラズマ化され、被処理体８の表
面を処理する。処理済み排ガスは、下部電極両側に設け
られた排ガス吸収口７から回収される。この装置におい
ては、処理ガスが被処理体８の表面全体にわたってシャ
ワー状に降り注ぐようになるので、被処理体８のプラズ
マ処理を円滑に行うことができる。

【００１４】複数の孔を有した板状電極は、上部電極及
び下部電極の両方に同時に用いても良く、また、処理ガ
ス導入口、排ガス吸収口は、電極または被処理体近傍で
あれば、どのような位置に設けられてもよい。

【００１５】図１及び図２の上部電極又は下部電極にお
ける多数の孔１０は、固体誘電体製パイプを挿入した孔
であり、図３で詳細を説明する。図３は、電極３又は２
に設けられた孔１０部分の拡大断面図である。図３にお
いて、電極２または３に設けられた孔１０は、内面に放
電面側から深さｈまで固体誘電体製パイプ１１が挿入さ
れている。孔に固体誘電体製パイプ１１を挿入すること
により、従来法で不可能であった小さな孔の内部表面の
固体誘電体での被覆状態の実現を可能にし、小さな孔内
からのアーク放電を防止できる。

【００１６】パイプ１１の孔への挿入深さｈは、８ｍｍ
以上が好ましい。挿入深さを８ｍｍ以上にすることによ
り、孔１０内の電極材部分からのアーク放電の発生を抑
えることができる。パイプ１１の内径ｄは、０．２〜３
ｍｍが好ましい。径が小さ過ぎると、この孔を利用して
吸引またはガス供給する際に詰まりやすくなり、大き過
ぎると、吸引時に被処理体が引き込まれたり、ガス供給
が不均一になる恐れがある。パイプの厚みは、０．５〜
２ｍｍであることが好ましい。０．５ｍｍ未満であると
アーク放電の発生を完全に抑えることができない。厚す
ぎると電極部分の割合が減少するので好ましくない。な
お、電極内部に挿入したパイプ１１を固定するために
は、セラミックセメント等の接着剤を用いるのが好まし
い。

【００１７】電極に設けられる孔は、１０〜３０ｍｍの
間隔で設けられるのが好ましい。孔の間隔が３０ｍｍを
超えると、この孔を用いて吸着固定を行う場合は、被処
理体を均一に固定できない。また、この孔を用いてガス
供給を行う場合は、処理ガスを均一に供給することがで
きない。

【００１８】上記孔を設けられた上部電極または下部電
極の放電面側は、図３に示されるように固体誘電体４で
被覆される必要があり、パイプ１１と電極２または３の
接続部分も完全に被覆するようにすることが好ましい。
また、その対向側電極の放電面側も固体誘電体で被覆さ
れているのが好ましい。固体誘電体で被覆されてない部
分があると電極材部分が露出してアーク放電を生じやす
く好ましくない。

【００１９】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、及びこれらを複層
化したも等が挙げられ、誘電率が１以上のものが好まし
い。

【００２０】固体誘電体を電極にコーティングする方法
としては、蒸着法、スパッテリング法、ＣＶＤ法、溶射
法等の物理的または化学的コーティング法を用いること
ができる。また、コーティングされる固体誘電体層の厚
みとしては、０．５〜２ｍｍが好ましい。厚みが０．５
ｍｍ未満では、アーク放電が発生しやすく安定した処理
ができない。また、２ｍｍを超えると誘電損失が大きく
なりプラズマが発生しにくく、最終的には処理能力が低
下する。なお、コーティング層の厚みは、必ずしも均一
である必要はないが、均一である方が好ましい。

【００２１】電極として用いる材質としては、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。

【００２２】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が好ましく、よ
り好ましくは５ｍｍ以下である。範囲外では、均一な放
電プラズマを発生させにくい。

【００２３】本発明の装置においては、上記電極間に、
高周波、パルス波、マイクロ波等による電界が印加さ
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くい。
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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】本発明の放電プラズマ処理装置は、大気圧
近傍下の圧力下で用いる。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。

【００２８】本発明で処理できる被処理体としては、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、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被処理体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。

【００３４】本発明のパルス電界を用いた大気圧プラズ
マ放電処理では、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。

【００３５】

【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。

【００３６】実施例１図１の装置を用いて放電プラズマ処理を行った。上部電
極として長さ５００×幅８０×厚さ４０ｍｍのＳＵＳ製
電極を用い、下部電極として長さ６３０×幅５５０×厚
さ４０ｍｍのＳＵＳ製電極を用いた。下部電極には、内
径１ｍｍφ、外径３ｍｍφ、長さ８ｍｍのアルミナ（９
９％以上）製パイプを長さ方向に３０ｍｍの間隔をあ
け、幅方向に１５ｍｍの間隔をあけて３２３個を挿入し
た孔を設けた。また、上部電極と下部電極の放電面側
は、アルミナとチタン酸バリウムの２層構造の固体誘電
体を１．２ｍｍの厚さにコーティングした。電極間距離
２ｍｍにし下部電極上に被処理体としてポリイミドフィ
ルムを設置し、下部電極の下側から吸引して固定するよ
うにした。処理ガスとして、空気を２０Ｌ／ｍｉｎで流
し、パルス立ち上がり速度５μｓ、電圧２０ｋＶ_PP、周
波数１０ｋＨｚのパルス電界を印加してポリイミドの接
着性改良処理を行った。処理後のポリイミドフィルムと
シリコンウェハ（２×２ｃｍ）の接着強度を測定したと
ころ、未処理のものと比較して接着強度が３．５倍に向
上した。

【００３７】

【発明の効果】本発明のプラズマ処理装置は、被処理体
を電極間に電極との距離を一定に保ち、かつ固定可能と
なり、被処理体表面の処理を均一に行える。また、処理
ガスの供給を均一にすることができ、被処理体表面の処
理を均一に行える。したがって、この処理装置を用いた
プラズマ処理方法においては、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】本発明の処理装置の一例を説明する模式図であ
る。

【図２】本発明の処理装置の一例を説明する模式図であ
る。

【図３】本発明の電極の孔の構造を説明する拡大図であ
る。

【符号の説明】

１電源２上部電極３下部電極４固体誘電体５放電空間６処理ガス導入口７排ガス吸収口８被処理体１０孔１１固体誘電体製パイプ２１処理ガス導入室３１吸引室３２吸引管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】大気圧近傍の圧力下、一対の対向する板
状電極間に電界を印加して、グロー放電プラズマを発生
させ、電極間に設置した被処理体を処理する放電プラズ
マ処理装置において、少なくとも一方の板状電極が固体
誘電体製パイプを挿入した複数の孔を有し、かつ放電面
側が固体誘電体でコーティングされていることを特徴と
する放電プラズマ処理装置。
【請求項２】前記複数の孔を有する板状電極がアース
側電極であって、複数の孔を通して吸引して電極間に設
置した被処理体を固定す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】前記複数の孔を有する板状電極が印加側
電極であって、前記複数の孔を通して処理ガスを供給す
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４】前記複数の孔に挿入される固体誘電体製
パイプが０．２〜３ｍｍの内径、８ｍｍ以上の長さを有
するパイプ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。