JP2004055301A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents
プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】均一性の高いプラズマ処理技術を提供する。
【解決手段】一対の電極１および２を被処理基材８に対して傾けて配置する。プラズマ発生部３で発生したプラズマをプラズマ供給口１４から斜めに被処理基材８の表面１７に供給し、処理部７において雰囲気ガスと反応させる。活性化された雰囲気ガスによって、被処理基材８の表面１７にプラズマ処理が施される。またこの際、移動ステージ９を矢印１９の方向に移動させる。
【選択図】 図１
【解決手段】一対の電極１および２を被処理基材８に対して傾けて配置する。プラズマ発生部３で発生したプラズマをプラズマ供給口１４から斜めに被処理基材８の表面１７に供給し、処理部７において雰囲気ガスと反応させる。活性化された雰囲気ガスによって、被処理基材８の表面１７にプラズマ処理が施される。またこの際、移動ステージ９を矢印１９の方向に移動させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面改質等のプラズマ処理技術に関し、特に被処理面へのプラズマの供給方法に特徴のある技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
減圧条件下で発生させたグロー放電プラズマを用いたプラズマ処理が知られている。このプラズマ処理として、成膜やエッチングが知られている。減圧条件下でグロー放電プラズマを生成する方法は、減圧雰囲気を作り出すために、減圧チャンバー（気密容器）や減圧状態を作り出すための真空排気系が必要となる。これらの設備は、大掛かりで高コストになる問題がある。また、被処理基材を減圧チャンバー内に出し入れする際に、その都度、減圧チャンバー内の圧力を大気圧状態から減圧状態へ、あるいはその逆と制御しなくてはならず、それにより処理速度が制限され、また処理コストが高くなる。さらに、被処理面の大面積化に対応した装置は、装置がさらに大掛かりになりコスト負担がより大きくなる問題もある。
【０００３】
上述した減圧条件下でのグロー放電プラズマを用いたプラズマ処理の欠点を解決する方法として、大気圧条件下において、グロー放電プラズマを発生させる方法がある。大気圧条件下でグロー放電プラズマを生成する技術については、例えば特開平６−１０８２５７号公報、特開平１１−３３５８６８号公報および特許第３０４０３５８号公報に記載されている。
【０００４】
図８は、大気圧で発生させたグロー放電により、プラズマ処理を行う従来技術における装置の一例である。図８に例示する装置は、アース側放電電極１、ホット側放電電極２、プラズマ発生部３、プラズマ発生用電源４、ガス供給ユニット２１、被処理基材８、移動ステージ９、容器１２およびガス排気口１３を備えている。
【０００５】
プラズマの生成は、プラズマ発生部３へ適当なガスを流し、アース側放電電極１とホット側放電電極２との間にキロヘルツ以上の交流電界を加えて行う。
【０００６】
常圧で安定したグロー放電を起こす方法として、いくつかの方法が知られている。その一つは、ガスにヘリウムを混合する方法である。ヘリウムは、常圧でも電離状態を長く維持する性質を有し、常圧下で安定したグロー放電が得られる。また、常圧で安定したグロー放電を起こす他の方法として、パルス電界を印加する方法が知られている。常圧でグロー放電が起こり難いのは、電界の印加直後にグロー放電からアーク放電へ移行してしまう点に原因がある。グロー放電からアーク放電に放電形態が移行する前に電界の印加を停止するようなパルス電界を繰り返し加えることで、常圧でも放電がアーク放電へ移行せず、安定したグロー放電状態を維持できる。
【０００７】
以下において、ヘリウムを用いて常圧グロー放電を発生させ、被処理基材８の表面に対してプラズマ処理を行う例を説明する。この場合、プラズマ発生部３へ導入するガスとして、ヘリウムと酸素の混合ガスを用いる。ヘリウムにより、常圧化でプラズマが発生し、そのエネルギーでもって酸素ガスが活性化され、酸素ラジカルやオゾンが生成される。そして、酸素ラジカルやオゾンによって、被処理基材８表面に対するプラズマ処理が行われる。また、移動ステージ９を移動させつつプラズマ処理を行うことで、被処理基材８の表面全体にプラズマ処理を施せる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示す装置は、移動ステージ９を移動させながらプラズマ処理を行うことで、被処理基材の面積全体を処理できるが、処理にムラが発生し易い問題があった。また、プラズマ発生部３へ、グロー放電の発生にあまり寄与しないガス（例えば酸素ガス等の処理用のガス）をも導入するので、放電の制御が微妙になる問題もあった。これは、工業製品の生産ラインにプラズマ処理装置を組み入れる場合の障害となる。さらに、常圧グロー放電を用いたプラズマ処理には、プラズマ処理効果をより高くできる技術が求められている。
【０００９】
本発明の目的は、常圧グロー放電を用いたプラズマ処理において、大面積に対する処理の均一性を高くできる技術の提供にある。本発明の他の目的は、常圧グロー放電を用いたプラズマ処理において、放電制御を行いやすい技術の提供になる。本発明の他の目的は、より高いプラズマ処理効果が得られる技術の提供にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の概略は以下のように説明される。つまり、本発明では、被処理面に平行な一方向にプラズマが流れるようにする。例えば、被処理面に対してプラズマ流を斜めに流し、被処理面に平行にプラズマが流れるようにする。また、プラズマ処理中において、プラズマが流れる方向に被処理面を移動させる。これにより、プラズマ処理のむらを小さくでき、またプラズマ処理の効率を高くできる。さらに、プラズマの生成部には、プラズマを生成するためのガスのみを供給し、被処理面の近くでプラズマ処理をするための反応ガスと混合する。これにより、放電制御を容易にし、また安定したプラズマ処理を実現する。
【００１１】
即ち、本発明の第１の発明は、大気圧または大気圧近傍の圧力下においてグロー放電プラズマを発生する対向電極対と、前記プラズマを前記対向電極対の間から被処理面へ供給するプラズマ供給口と、を含み、前記対向電極対は、前記被処理面に対して傾いて配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置である。
【００１２】
第１の発明によれば、対向電極対を被処理面に対して傾いて配置することで、対向電極対で生成されたプラズマの流れが被処理面に対して垂直でなく斜め方向から当たることになる。これにより、プラズマを被処理面に平行な一方向に強制的に流すことができる。
【００１３】
ここで、対向電極対というのは、対向した一対の電極対をいう。なお、本発明は、電極対が多数配置されている構成を排除するものではない。また、電極対は必ずしも対称な形状、あるいは対称な数である必要もない。対向電極対の傾きは、対向電極対を構成する電極の電極面への垂線が被処理面との間でなす角度で定義される。
【００１４】
本発明の第２の発明は、上記第１の発明において、被処理面をプラズマ供給口に対して相対的に移動させる手段をさらに含み、被処理面がプラズマ供給口に対して移動する方向と、対向電極対が傾いた方向とは、１８０°異なることを特徴とする。対向電極対からのプラズマの流れは、対抗電極対が傾いた方向とは１８０°逆の方向に生じる。よって、この第２の発明によれば、プラズマ処理時にプラズマが流れて行く方向に被処理面が移動してゆく状態が実現できる。
【００１５】
本発明の第３の発明は、第１および第２の発明において、対向電極対の傾きは、被処理面への垂線に対して０．１°〜５°であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第４の発明は、大気圧または大気圧近傍の圧力下においてグロー放電プラズマを発生する対向電極対と、被処理面に対して斜めの方向に向き、前記プラズマを被処理面へ供給するプラズマ供給口と、を含むことを特徴とするプラズマ処理装置である。ここで、被処理面に対する斜めの方向とは、プラズマ供給口が向いた方向と被処理面への垂線とが、平行あるいは垂直でない状態をいう。
【００１７】
本発明の第５の発明は、上記第４の発明において、被処理面をプラズマ供給口に対して相対的に移動させる手段をさらに含み、プラズマ供給口が向いている方向は、前記被処理面が前記プラズマ供給口に対して移動する方向に一致する成分を有することを特徴とする。第５の発明によれば、プラズマ供給口から被処理面へ供給されるプラズマの流れが被処理面に対して斜め方向からとなるので、プラズマを被処理面に平行な一方向に強制的に流すことができる。
【００１８】
本発明の題６の発明は、上記第５の発明において、プラズマ供給口が向いている方向と、被処理面への垂線とは、０．１°〜５°の角度を有することを特徴とするプラズマ処理装置である。
【００１９】
本発明の第７の発明は、大気圧または大気圧近傍の圧力下においてグロー放電プラズマを発生する対向電極対と、対向電極対の間からプラズマを被処理面へ供給するプラズマ供給口と、プラズマ供給口と被処理面との間において、グロー放電プラズマを生成するための第１ガスとは別の第２ガスを前記被処理面に対して平行に流す手段と、を含むプラズマ処理装置である。
【００２０】
第７の発明によれば、プラズマ供給口から被処理面へ供給されるプラズマが第２のガスによって、一方向へ押し流される。これにより、プラズマの流れが被処理面に沿って一方向に強制される状態が実現される。
【００２１】
本発明の第８の発明は、上記第７の発明において、被処理面をプラズマ供給口に対して相対的に移動させる手段をさらに含み、被処理面がプラズマ供給口に対して移動する方向と、第２ガスがプラズマ供給口と被処理面との間において流れる方向とは、一致することを特徴とする。
【００２２】
本発明の第９の発明は、上述した第１乃至第８の発明において、グロー放電プラズマと反応ガスとを被処理面上で反応させることを特徴とする。第９の発明によれば、グロー放電プラズマの生成時に放電制御性を行い易いガスを選択でき、安定した放電を実現できる。
【００２３】
本発明の第１０の発明は、上述した第１乃至第９の発明において、第１対向電極対の間に加えられる電界は、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。
【００２４】
本発明の第１１の発明は、大気圧または大気圧近傍の圧力下においてグロー放電プラズマを被処理面に沿った一方向へ流すと共に、前記被処理面を前記一方向へ移動させることを特徴とするプラズマ処理方法である。
【００２５】
本発明の第１２の発明は、上記第１１の発明において、プラズマを被処理面に対して斜め方向から流すことを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の第１３の発明は、上記第１１または第１２の発明において、プラズマと反応ガスとを被処理面上で反応させることを特徴とするものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本実施の形態の記載内容に限定して解釈すべきではない。なお、全体を通して同じ要素には同じ番号を付するものとする。
【００２８】
図１は、本発明のプラズマ処理装置の一例を説明するための模式的装置図である。図２は、図１のプラズマ処理装置の一部を拡大した模式図である。図３は、図１のプラズマ処理装置の電極配置状態を説明する模式図である。
【００２９】
図１〜３に例示するプラズマ処理装置は、アース側放電電極１、ホット側放電電極２、プラズマ発生部３、プラズマ発生用電源４、放電用ガス供給ユニット５、放電用ガス供給ライン６、処理部７、移動ステージ９、雰囲気ガス導入口１０、雰囲気ガス供給ユニット１１、容器１２およびガス排気口１３を備えている。また、移動ステージ９には、プラズマ処理の対象となる被処理基材８が配置されている。
【００３０】
図１〜３に例示するプラズマ処理装置は、アース側放電電極１とホット側放電電極２とで対向電極対が構成されている。アース側放電電極１は、接地電位に接続され、ホット側放電電極２は、プラズマ発生用電源４に接続されている。アース側放電電極１とホット側放電電極２とは、平板型で、互いに１〜５ｍｍの間隔をもって平行に対向して配置されている。両電極の対向面には、アーク放電の発生を防止するためのアルミナ等の誘電体がコーティングされている。電極は、適当な金属材料で構成されている。容器１２は、不要なガスの流れが系外に生じない程度の構造を有している。この構造は、基本的には大気開放系であり、減圧プラズマ処理装置のような気密構造は必要とされない。
【００３１】
プラズマ発生部３は、アース側放電電極１とホット側放電電極２との隙間に形成される。プラズマ発生部３は、上方あるいは下方から見た断面形状が細長い長方形状（帯状の形状）を有している。
【００３２】
プラズマ発生部３の下方には、プラズマ化した放電用ガスを処理部７へ供給するプラズマ供給口１４が形成されている。プラズマ供給口１４は、細長い長方形状（スリット形状）を有している。プラズマ供給口１４から、プラズマ化した放電用ガスの流れが処理部７へ供給される。プラズマ処理時に移動ステージ９をプラズマ供給口１４の細長い方向に直行する方向へ移動させることで、被処理面の全体に対してプラズマ処理を施すことができる。
【００３３】
アース側放電電極１とホット側放電電極２は、被処理基材８の表面１７への垂線に対して、角度θをなして傾いて配置されている。これにより、プラズマ化した放電用ガスの流れ出す方向は、被処理基材８の表面１７への垂線に対して、角度θをなして傾いて方向となる。つまり、プラズマ供給口１４からのプラズマ化した放電用ガスの流れは、鉛直方向から角度θ傾いた斜め上方向から被処理基材８の表面１７へ噴出される。このプラズマ化された放電用ガスの流れは、被処理面１７への垂直成分と、被処理面１７の移動方向（矢印１９の方向）へ一致する成分と、を有する。
【００３４】
プラズマ供給口１４から処理部７へ供給されたプラズマ化した放電用ガスは、反応ガスである雰囲気ガスと混合される。雰囲気ガスは放電用ガスのエネルギーにより活性化される。そして、雰囲気ガスは放電用ガスの流れに押し流されて、放電用ガスと共に主に図３の矢印２０の方向に流れる。
【００３５】
放電用ガスには、放電が制御しやすい単一のガスを選択するのが好ましい。雰囲気ガスは、プラズマ化した放電用ガスと反応して活性化され、被処理面へ何らかの処理を行う役割を有する。
【００３６】
プラズマ発生部３と処理部７とを分けることで、被処理基材８に直接電界が加わらず、被処理基材８に対する電界ダメージ（例えば高速イオンの衝撃によるダメージや絶縁破壊を生じさせるようなダメージ）がない優位性が得られる。また、プラズマ発生部３と処理部７とを分け、さらに放電用ガスと反応用のガス（この例では雰囲気ガス）とを分けることで、プラズマの発生条件を制御しやすくでき、安定してプラズマを発生できる。また、放電が生じやすく安価なガスを放電用ガスとして選択することで、長時間の安定した放電が得られ、またランニングコストを低くできる。
【００３７】
アース側放電電極１およびホット側放電電極２が角度θで傾いていることで、放電用ガスの処理部７への導出経路が同様に傾き、これによりプラズマ供給口１４からの放電用ガスは被処理基材８の表面に斜めに吹き付けられる。その結果、放電用ガスおよび放電用ガスと混合した雰囲気ガスは、他の方向に比較して矢印２０の方向に流れが強制される。
【００３８】
また、プラズマ処理時において、移動ステージ９は矢印２０の方向に一致する矢印１９の方向に移動する。これにより、以下の作用効果が得られる。まず、処理部７で放電用ガスにより活性化された雰囲気ガスは、矢印２０の方向に流れながら雰囲気ガスの種類によって決まる処理を被処理基材８の表面に対して行う。この時、同時に被処理基材８は矢印１９の方向に移動する。よって、プラズマ供給口１４に対応した被処理基材８表面の細長い帯状の領域に着目すると、雰囲気ガスがその領域への接触を保ったままの状態が維持される傾向、あるいはそれに近い状態が実現される。これにより、雰囲気ガスによる処理が被処理基材８に対してより高い効率で行われ、処理の不均一性が是正される。
【００３９】
また、処理として薄膜の形成を行う場合は、上記作用効果に加えてさらに以下の作用効果も得られる。一般に反応あるいは活性化した雰囲気ガスは、いずれ反応状態あるいは活性化状態のエネルギーを失う。薄膜形成の場合、成膜に寄与するプラズマガスのエネルギーが失われかけた状態（ラジカルやイオンがエネルギーを失いかけた状態）では、低級生成物が得られる傾向がある。この低級生成物は、一般に膜質が緻密でなく、例えば絶縁膜であれば低い絶縁性、導電膜であれば低い導電性、保護膜であれば脆い膜質、といった好ましくない性質を示す。この低級生成物が形成された膜中に取り込まれることは膜質の低下につながるので好ましくない。
【００４０】
例えば、図１〜３の装置でθ＝０°である場合、活性化された雰囲気ガスは、プラズマ供給口１４から、被処理基材８の移動方向（矢印１９の方向）、およびその反対の方向へほぼ均等に供給される。この状態では、移動ステージ９が移動して行き、これから成膜が行われる領域において、多量の低級生成物が生成される。これから成膜が行われる領域で低級生成物が生成されると、その後にその領域に成膜が行われることで、膜中に低級生成物が取り込まれてしまう。これに対して、θをある角度に設定すると、図３に示すように矢印２０の方向にガスが流れ易くなり、矢印２０と逆方向へのガスの流れが抑制される。これにより、これから成膜が行われる領域での低級生成物の成膜が抑制され、その結果、形成される膜中に低級生成物が取り込まれる事態を抑制できる。なお、矢印２０の方向に流れたガスにおいても低級生成物は生成されるが、それは既に薄膜の形成が行われた領域で発生するので、低級生成物が膜中に取り込まれる頻度は小さくなり、その悪影響は小さくなる。
【００４１】
角度θは、０．１〜５°の範囲から選択されるのが好ましい。θが０．１°を下回ると、上述した作用効果が実用上有意なレベルで得られず好ましくない。また、θが５°を超えると、同じ処理効果を得るのに多量の放電用ガスを流さなくてはならず、経済性の点で不利となる。
【００４２】
電極の材質は、金属材料であればよく、例えばステンレス、アルミニウム、銅、真鍮、その他合金を利用できる。電極の表面は、固体誘電体で被覆されていることが好ましい。被覆した固体誘電体により、電界の集中によるアーク放電の発生を抑制でき、常圧であっても安定したグロー放電の発生が促される。固体誘電体としては、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が挙げられる。また、例えばガラス、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が挙げられる。また、例えばチタン酸バリウム等の複酸化物が挙げられる。また、固体誘電体の厚さは、０．０１〜４ｍｍが好ましい。
【００４３】
電極の形状は平行平板型に限定されず、例えば同軸型のものが採用できる。また、電極の数も２つに限定されない。例えば、一つのホット側放電電極を所定の間隔をおいて、２つのアース側放電電極で挟んだ構造、あるいはホット側放電電極とアース側放電電極を複数に分割した構造等を採用できる。なお、放電を起こすために、ホット側放電電極とアース側放電電極とが対向している構造が必要である。
【００４４】
アース側放電電極１とホット側放電電極２との間には、パルスの立ち上がり及び／又は立ち下がり時間が１０μｓ以下、電界強度が１０〜１０００ｋＶ／ｃｍ、周波数０．５〜５００ｋＨｚ、パルス幅１０〜２００μｓｅｃであるパルス電界が加えられるのが好ましい。このようなパルス電界を用いると、常圧雰囲気においてグロー放電からアーク放電への移行を抑制でき、気体の種類を問わずに常圧でのグロー放電を安定して行える。
【００４５】
プラズマ発生部３は、アース側放電電極１とホット側放電電極２との間の空間である。プラズマ発生部３においてプラズマが発生する。プラズマ発生部へは、放電用ガス供給ユニット５から放電用ガスが供給される。
【００４６】
放電が行われる圧力は、特に限定されるものではないが、特に大気圧または大気圧近傍の圧力において、本発明の利用価値が大きい。大気圧または大気圧近傍の圧力とは、１．３３３×１０４〜１０．６６４×１０４Ｐａの常圧近傍の圧力下を指す。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。
【００４７】
放電用ガスは、電界を加えることでプラズマを発生するガスであれば、利用可能である。より好ましい放電用ガスとしては、放電を制御しやすいヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の希ガス、あるいは窒素ガスが挙げられる。放電用ガスは、単独あるいは複数を組み合わせて利用できる。
【００４８】
雰囲気ガスは、被処理基材８に対して何らかの処理を行うための反応ガスである。例えば、基材表面の撥水性を高める表面処理を行う場合は、雰囲気ガスとして、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、ＣＣｌＦ３、ＳＦ６等のフッ素含有化合物ガスを利用できる。また、基材表面の親水性を高める表面処理を行う場合には、雰囲気ガスとして、酸素ガス、オゾンガス、水蒸気、霧状の水を含む空気、空気等の酸素元素含有化合物ガスを利用できる。この場合、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が形成されて表面エネルギーが高くなり、親水性表面を得ることができる。親水性を高める表面処理を行うためのガスとしては、酸素元素含有化合物ガス以外に、窒素ガス、アンモニアガス等の窒素元素含有化合物ガス、あるいはＳＯ２、ＳＯ３等の硫黄元素含有化合物ガスが利用できる。また、酸素元素含有化合物ガスを用いると、有機物の除去を行うプラズマ処理も行える。
【００４９】
雰囲気ガスとして、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ガスを利用することもできる。この場合、例えばＳｉＯ２膜、ＴｉＯ２膜、ＳｎＯ２膜等の金属酸化物薄膜を基材の表面に成膜できる。なお、雰囲気ガスが適当な希釈ガスで希釈して使用してもよい。
【００５０】
プラズマ処理は上記のものに限定されず、プラズマの持つ性質を利用したあらゆる処理が含まれる。一例として、成膜、エッチング、親水性または疎水性を付与する処理、有機物の除去、洗浄、塗料の付着性の改善処理、接着剤による接着性の改善処理、レジストのアッシング、接触抵抗低減のための処理、といった処理が挙げられる。
【００５１】
被処理基材の種類は、特に限定されない。例えば、被処理基材として、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、アクリル等の樹脂材料が挙げられる。また、被処理基材として、ガラス、セラミックス、半導体、金属等の無機材料が挙げられる。被処理基材の形状としては、板状、フィルム状のものが挙げられるが、特に限定されない。
【００５２】
図１〜３の例では、プラズマ供給口１４を固定し、移動ステージ９を移動させることで、プラズマ供給口１４と被処理基材８との相対移動を行っている。しかし、逆に基材側を固定し、プラズマ供給口側を移動させる構成としてもよい。また両者を移動させ、相対移動を実現してもよい。また、プラズマ処理に加えて、前処理あるいは後処理を連続的に行える構成としてもよい。また、基材を加熱する手段（ヒータやランプ）をさらに配置してもよい。
【００５３】
また、プラズマ供給口からのプラズマの流れを一方向に強制的に流す手段として、雰囲気ガスに流れを作り、その雰囲気ガスの流れによって、図１に例示する装置構造の場合と同様な作用効果を得ても良い。この場合、必ずしもプラズマ供給口からの流れが基材に対して斜めでなくてもよい。また、プラズマ供給口の構造を工夫し、プラズマ流が被処理面に平行な一方向に流れやすい状態を作り出しても良い。例えば、プラズマの流れが被処理面に対して斜め方向からのものとなるようなノズル構造をプラズマ供給口として採用し、図１〜３で例示したプラズマ処理装置と同様な効果を得てもよい。
【００５４】
図７は、他の実施の形態を例示する模式図である。図７に例示されるプラズマ処理装置では、反応ガスは、反応ガス供給手段５から反応ガス供給ライン２１を介して供給ノズル２２から被処理面１７に対して略平行な方向に（あるいは斜め上方の方向から）供給される。供給ノズル２２は、細長い長方形状を有している。図７に例示するプラズマ処理装置では、プラズマ処理時に反応ガスが被処理面１７に平行な方向に流され、またその方向に移動ステージ９が移動する。プラズマ発生部３で生成されたプラズマは、被処理面１７上においてノズル２２から供給される反応ガスの流れに押し流され、反応ガスと共に移動ステージ９が移動する方向に流される。また、これにより、図１に例示するプラズマ処理装置と同様の作用効果が得られる。なお、反応ガスとは別に適当なキャリアガスを用いて、被処理面１７に平行なガスの流れを生じさせても良い。
【００５５】
以上、本発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更することが可能である。
【００５６】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明する。なお、以下に説明するのは、本発明の例示であり、本発明はこれら実施例の記載内容に限定されるものではない。
【００５７】
（実施例１）
以下、図１〜３に例示するプラズマ処理装置を用いてガラス板に親水性を付与するプラズマ処理を行った例を説明する。ここでは、被処理基材８としてガラス板を用い、ガラス表面をプラズマ処理することで親水性（濡れ性）を改善する実験結果を紹介する。
【００５８】
この例では、アース側放電電極１およびホット側放電電極２として、水平方向の長さ６００ｍｍ×高さ１００ｍｍ×厚さ１０ｍｍのステンレス材を用いた。このステンレス材は、対向する電極側の面に固体誘電体としてチタン酸バリウムの被覆を０．６ｍｍ、さらに積層してアルミナの被覆を０．６ｍｍの厚さに溶射により形成している。また、両電極の間隔２ｍｍとし、θ＝３°に設定した。また、ガラス板は、移動ステージ９の移動方向における長さが９００ｍｍ、幅が６００ｍｍ（プラズマ供給口の長手方向に一致する寸法）、厚さが２０ｍｍのものを用いた。
【００５９】
放電用ガスは窒素ガスを用い、雰囲気ガス（反応ガス）は大気を用いた。電源４から、印加電圧１５ｋＶ、周波数２０ｋＨｚ、パルス立ち上がり速度５μｓ、パルス立下り速度５μｓ、パルス継続時間（パルス幅）２００μｓのパルス波を電極に加えた。放電用ガスは、２リットル／分の速度で放電用ガス供給ユニット５から供給し、雰囲気ガスは、１５リットル／分の速度で雰囲気ガス供給ユニット１１から供給した。特別な排気ポンプは使用せず、ガス排気口１３から内部のガスが外部に自然排出される状態で実験を行った。また、プラズマ処理中は、移動ステージ９を２００ｍｍ／分の速度で矢印１９の方向に移動させた。
【００６０】
図４は、プラズマ処理の結果を示すデータである。測定点は、プラズマ供給口１４の中央部（長手方向の中央部）で、被処理基材８の移動方向において１０ｃｍ間隔に選択した３点である。データＡは、プラズマ処理を行う前の測定データである。データＢは、θ＝０°でプラズマ処理を行った場合の比較のための測定データである。データＣは、θ＝３°の条件でプラズマ処理を行った場合の測定データである。なお、データＢとデータＣを得たプラズマ処理条件は、θの値以外は、上述した同じ条件である。
【００６１】
データＡと他のデータを比較すれば明らかなように、プラズマ処理を行うことで、ガラス板上におけるイオン交換水の接触角は小さくなる。これは、プラズマ処理により、ガラス板表面の有機物が分解除去され、親水性が増加したことを意味している。図４の接触角低減効果の大きいプラズマ処理程、プラズマ処理の効果が大きいことを示している。
【００６２】
図４のデータＢとデータＣとを比較すると、θ＝０°よりθ＝３°の場合の方が、ガラス板に対するイオン交換水の接触角が小さいことが分かる。これより、θ＝０°に比較して、θ＝３°の方がより高いプラズマ処理効果を得られることが結論される。
【００６３】
図５は、ガラス板表面に対するプラズマ処理の効果の均一性を調べたデータである。図６は、図５のデータを得た部位を説明する図である。図６には、プラズマ処理を施したガラス板８が示されている。図５のデータは、図６の５２で示される線上におけるプラズマ処理の効果を示すデータである。図５の横軸は、ガラス板８の幅方向の寸法である。この幅方向は、プラズマ供給口１４の長手方向（細長く伸びた方向）に対応している。図５では、プラズマ供給口中央からの距離が横軸に示されている。図５縦軸の処理度は、プラズマ処理を５分間行った場合における接触角の最小値（チャンピョンデータ）をαとし、上述の処理条件の結果得られた接触角をβとした場合に、（α／β）×１００で定義される規格されたパラメータである。図５縦軸の処理度は、プラズマ処理の効果を示す指標であり、より１００％に近くまた、場所によって違いやばらつきなない値であるのが好ましい。
【００６４】
図５縦軸の処理度によって、プラズマ処理の効果を評価できる。図５において、データ（１）は、θ＝３°の場合のデータである。データ（２）は、θ＝０°の場合のデータである。なお、プラズマ処理条件は、前述したものと同じである。
【００６５】
図５から明らかように、図１に示すプラズマ処理装置において、θ＝０°では、中央付近の処理度が低下する傾向が見られる。これに対して、対向電極対を３°傾け、プラズマ供給口１４からのプラズマの流れをガラス板の垂線方向からθ＝３°傾けることで、プラズマ供給口の長手方向におけるプラズマ処理の均一性を高められることが確認できる。
【００６６】
【発明の効果】
本願で開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果は、以下の通りである。すなわち、特別な気密構造が必要とされない開放系、あるいは気体の自由な流出を防ぐ程度の低気密構造での、グロー放電を用いたプラズマ処理において、大面積に対する処理の均一性を高くできる技術が提供される。また、放電制御を行いやすい技術が提供される。また、より高いプラズマ処理効果が得られる技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の一例を説明するための模式的装置図である。
【図２】図１のプラズマ処理装置の一部を拡大した模式図である。
【図３】図１のプラズマ処理装置の電極配置状態を説明する模式図である。
【図４】プラズマ処理の結果を示すデータである。
【図５】ガラス板表面に対するプラズマ処理の効果の均一性を調べたデータである。
【図６】図５のデータを得た部位を説明する図である。
【図７】本発明のプラズマ処理装置のその他の一例を説明するための模式的装置図である。
【図８】大気圧で発生させたグロー放電により、表面処理を行う従来技術の装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…アース側放電電極、２…ホット側放電電極、３…プラズマ発生部、４…プラズマ発生用電源、５…放電用ガス供給ユニット、６…放電用ガス供給ライン、７…処理部、８…被処理基材、９…移動ステージ、１０…雰囲気ガス導入口、１１…雰囲気ガス供給ユニット、１２…容器、１３…ガス排気口、１４…プラズマ供給口、１７…基材の表面。
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面改質等のプラズマ処理技術に関し、特に被処理面へのプラズマの供給方法に特徴のある技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
減圧条件下で発生させたグロー放電プラズマを用いたプラズマ処理が知られている。このプラズマ処理として、成膜やエッチングが知られている。減圧条件下でグロー放電プラズマを生成する方法は、減圧雰囲気を作り出すために、減圧チャンバー（気密容器）や減圧状態を作り出すための真空排気系が必要となる。これらの設備は、大掛かりで高コストになる問題がある。また、被処理基材を減圧チャンバー内に出し入れする際に、その都度、減圧チャンバー内の圧力を大気圧状態から減圧状態へ、あるいはその逆と制御しなくてはならず、それにより処理速度が制限され、また処理コストが高くなる。さらに、被処理面の大面積化に対応した装置は、装置がさらに大掛かりになりコスト負担がより大きくなる問題もある。
【０００３】
上述した減圧条件下でのグロー放電プラズマを用いたプラズマ処理の欠点を解決する方法として、大気圧条件下において、グロー放電プラズマを発生させる方法がある。大気圧条件下でグロー放電プラズマを生成する技術については、例えば特開平６−１０８２５７号公報、特開平１１−３３５８６８号公報および特許第３０４０３５８号公報に記載されている。
【０００４】
図８は、大気圧で発生させたグロー放電により、プラズマ処理を行う従来技術における装置の一例である。図８に例示する装置は、アース側放電電極１、ホット側放電電極２、プラズマ発生部３、プラズマ発生用電源４、ガス供給ユニット２１、被処理基材８、移動ステージ９、容器１２およびガス排気口１３を備えている。
【０００５】
プラズマの生成は、プラズマ発生部３へ適当なガスを流し、アース側放電電極１とホット側放電電極２との間にキロヘルツ以上の交流電界を加えて行う。
【０００６】
常圧で安定したグロー放電を起こす方法として、いくつかの方法が知られている。その一つは、ガスにヘリウムを混合する方法である。ヘリウムは、常圧でも電離状態を長く維持する性質を有し、常圧下で安定したグロー放電が得られる。また、常圧で安定したグロー放電を起こす他の方法として、パルス電界を印加する方法が知られている。常圧でグロー放電が起こり難いのは、電界の印加直後にグロー放電からアーク放電へ移行してしまう点に原因がある。グロー放電からアーク放電に放電形態が移行する前に電界の印加を停止するようなパルス電界を繰り返し加えることで、常圧でも放電がアーク放電へ移行せず、安定したグロー放電状態を維持できる。
【０００７】
以下において、ヘリウムを用いて常圧グロー放電を発生させ、被処理基材８の表面に対してプラズマ処理を行う例を説明する。この場合、プラズマ発生部３へ導入するガスとして、ヘリウムと酸素の混合ガスを用いる。ヘリウムにより、常圧化でプラズマが発生し、そのエネルギーでもって酸素ガスが活性化され、酸素ラジカルやオゾンが生成される。そして、酸素ラジカルやオゾンによって、被処理基材８表面に対するプラズマ処理が行われる。また、移動ステージ９を移動させつつプラズマ処理を行うことで、被処理基材８の表面全体にプラズマ処理を施せる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示す装置は、移動ステージ９を移動させながらプラズマ処理を行うことで、被処理基材の面積全体を処理できるが、処理にムラが発生し易い問題があった。また、プラズマ発生部３へ、グロー放電の発生にあまり寄与しないガス（例えば酸素ガス等の処理用のガス）をも導入するので、放電の制御が微妙になる問題もあった。これは、工業製品の生産ラインにプラズマ処理装置を組み入れる場合の障害となる。さらに、常圧グロー放電を用いたプラズマ処理には、プラズマ処理効果をより高くできる技術が求められている。
【０００９】
本発明の目的は、常圧グロー放電を用いたプラズマ処理において、大面積に対する処理の均一性を高くできる技術の提供にある。本発明の他の目的は、常圧グロー放電を用いたプラズマ処理において、放電制御を行いやすい技術の提供になる。本発明の他の目的は、より高いプラズマ処理効果が得られる技術の提供にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の概略は以下のように説明される。つまり、本発明では、被処理面に平行な一方向にプラズマが流れるようにする。例えば、被処理面に対してプラズマ流を斜めに流し、被処理面に平行にプラズマが流れるようにする。また、プラズマ処理中において、プラズマが流れる方向に被処理面を移動させる。これにより、プラズマ処理のむらを小さくでき、またプラズマ処理の効率を高くできる。さらに、プラズマの生成部には、プラズマを生成するためのガスのみを供給し、被処理面の近くでプラズマ処理をするための反応ガスと混合する。これにより、放電制御を容易にし、また安定したプラズマ処理を実現する。
【００１１】
即ち、本発明の第１の発明は、大気圧または大気圧近傍の圧力下においてグロー放電プラズマを発生する対向電極対と、前記プラズマを前記対向電極対の間から被処理面へ供給するプラズマ供給口と、を含み、前記対向電極対は、前記被処理面に対して傾いて配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置である。
【００１２】
第１の発明によれば、対向電極対を被処理面に対して傾いて配置することで、対向電極対で生成されたプラズマの流れが被処理面に対して垂直でなく斜め方向から当たることになる。これにより、プラズマを被処理面に平行な一方向に強制的に流すことができる。
【００１３】
ここで、対向電極対というのは、対向した一対の電極対をいう。なお、本発明は、電極対が多数配置されている構成を排除するものではない。また、電極対は必ずしも対称な形状、あるいは対称な数である必要もない。対向電極対の傾きは、対向電極対を構成する電極の電極面への垂線が被処理面との間でなす角度で定義される。
【００１４】
本発明の第２の発明は、上記第１の発明において、被処理面をプラズマ供給口に対して相対的に移動させる手段をさらに含み、被処理面がプラズマ供給口に対して移動する方向と、対向電極対が傾いた方向とは、１８０°異なることを特徴とする。対向電極対からのプラズマの流れは、対抗電極対が傾いた方向とは１８０°逆の方向に生じる。よって、この第２の発明によれば、プラズマ処理時にプラズマが流れて行く方向に被処理面が移動してゆく状態が実現できる。
【００１５】
本発明の第３の発明は、第１および第２の発明において、対向電極対の傾きは、被処理面への垂線に対して０．１°〜５°であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第４の発明は、大気圧または大気圧近傍の圧力下においてグロー放電プラズマを発生する対向電極対と、被処理面に対して斜めの方向に向き、前記プラズマを被処理面へ供給するプラズマ供給口と、を含むことを特徴とするプラズマ処理装置である。ここで、被処理面に対する斜めの方向とは、プラズマ供給口が向いた方向と被処理面への垂線とが、平行あるいは垂直でない状態をいう。
【００１７】
本発明の第５の発明は、上記第４の発明において、被処理面をプラズマ供給口に対して相対的に移動させる手段をさらに含み、プラズマ供給口が向いている方向は、前記被処理面が前記プラズマ供給口に対して移動する方向に一致する成分を有することを特徴とする。第５の発明によれば、プラズマ供給口から被処理面へ供給されるプラズマの流れが被処理面に対して斜め方向からとなるので、プラズマを被処理面に平行な一方向に強制的に流すことができる。
【００１８】
本発明の題６の発明は、上記第５の発明において、プラズマ供給口が向いている方向と、被処理面への垂線とは、０．１°〜５°の角度を有することを特徴とするプラズマ処理装置である。
【００１９】
本発明の第７の発明は、大気圧または大気圧近傍の圧力下においてグロー放電プラズマを発生する対向電極対と、対向電極対の間からプラズマを被処理面へ供給するプラズマ供給口と、プラズマ供給口と被処理面との間において、グロー放電プラズマを生成するための第１ガスとは別の第２ガスを前記被処理面に対して平行に流す手段と、を含むプラズマ処理装置である。
【００２０】
第７の発明によれば、プラズマ供給口から被処理面へ供給されるプラズマが第２のガスによって、一方向へ押し流される。これにより、プラズマの流れが被処理面に沿って一方向に強制される状態が実現される。
【００２１】
本発明の第８の発明は、上記第７の発明において、被処理面をプラズマ供給口に対して相対的に移動させる手段をさらに含み、被処理面がプラズマ供給口に対して移動する方向と、第２ガスがプラズマ供給口と被処理面との間において流れる方向とは、一致することを特徴とする。
【００２２】
本発明の第９の発明は、上述した第１乃至第８の発明において、グロー放電プラズマと反応ガスとを被処理面上で反応させることを特徴とする。第９の発明によれば、グロー放電プラズマの生成時に放電制御性を行い易いガスを選択でき、安定した放電を実現できる。
【００２３】
本発明の第１０の発明は、上述した第１乃至第９の発明において、第１対向電極対の間に加えられる電界は、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。
【００２４】
本発明の第１１の発明は、大気圧または大気圧近傍の圧力下においてグロー放電プラズマを被処理面に沿った一方向へ流すと共に、前記被処理面を前記一方向へ移動させることを特徴とするプラズマ処理方法である。
【００２５】
本発明の第１２の発明は、上記第１１の発明において、プラズマを被処理面に対して斜め方向から流すことを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の第１３の発明は、上記第１１または第１２の発明において、プラズマと反応ガスとを被処理面上で反応させることを特徴とするものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本実施の形態の記載内容に限定して解釈すべきではない。なお、全体を通して同じ要素には同じ番号を付するものとする。
【００２８】
図１は、本発明のプラズマ処理装置の一例を説明するための模式的装置図である。図２は、図１のプラズマ処理装置の一部を拡大した模式図である。図３は、図１のプラズマ処理装置の電極配置状態を説明する模式図である。
【００２９】
図１〜３に例示するプラズマ処理装置は、アース側放電電極１、ホット側放電電極２、プラズマ発生部３、プラズマ発生用電源４、放電用ガス供給ユニット５、放電用ガス供給ライン６、処理部７、移動ステージ９、雰囲気ガス導入口１０、雰囲気ガス供給ユニット１１、容器１２およびガス排気口１３を備えている。また、移動ステージ９には、プラズマ処理の対象となる被処理基材８が配置されている。
【００３０】
図１〜３に例示するプラズマ処理装置は、アース側放電電極１とホット側放電電極２とで対向電極対が構成されている。アース側放電電極１は、接地電位に接続され、ホット側放電電極２は、プラズマ発生用電源４に接続されている。アース側放電電極１とホット側放電電極２とは、平板型で、互いに１〜５ｍｍの間隔をもって平行に対向して配置されている。両電極の対向面には、アーク放電の発生を防止するためのアルミナ等の誘電体がコーティングされている。電極は、適当な金属材料で構成されている。容器１２は、不要なガスの流れが系外に生じない程度の構造を有している。この構造は、基本的には大気開放系であり、減圧プラズマ処理装置のような気密構造は必要とされない。
【００３１】
プラズマ発生部３は、アース側放電電極１とホット側放電電極２との隙間に形成される。プラズマ発生部３は、上方あるいは下方から見た断面形状が細長い長方形状（帯状の形状）を有している。
【００３２】
プラズマ発生部３の下方には、プラズマ化した放電用ガスを処理部７へ供給するプラズマ供給口１４が形成されている。プラズマ供給口１４は、細長い長方形状（スリット形状）を有している。プラズマ供給口１４から、プラズマ化した放電用ガスの流れが処理部７へ供給される。プラズマ処理時に移動ステージ９をプラズマ供給口１４の細長い方向に直行する方向へ移動させることで、被処理面の全体に対してプラズマ処理を施すことができる。
【００３３】
アース側放電電極１とホット側放電電極２は、被処理基材８の表面１７への垂線に対して、角度θをなして傾いて配置されている。これにより、プラズマ化した放電用ガスの流れ出す方向は、被処理基材８の表面１７への垂線に対して、角度θをなして傾いて方向となる。つまり、プラズマ供給口１４からのプラズマ化した放電用ガスの流れは、鉛直方向から角度θ傾いた斜め上方向から被処理基材８の表面１７へ噴出される。このプラズマ化された放電用ガスの流れは、被処理面１７への垂直成分と、被処理面１７の移動方向（矢印１９の方向）へ一致する成分と、を有する。
【００３４】
プラズマ供給口１４から処理部７へ供給されたプラズマ化した放電用ガスは、反応ガスである雰囲気ガスと混合される。雰囲気ガスは放電用ガスのエネルギーにより活性化される。そして、雰囲気ガスは放電用ガスの流れに押し流されて、放電用ガスと共に主に図３の矢印２０の方向に流れる。
【００３５】
放電用ガスには、放電が制御しやすい単一のガスを選択するのが好ましい。雰囲気ガスは、プラズマ化した放電用ガスと反応して活性化され、被処理面へ何らかの処理を行う役割を有する。
【００３６】
プラズマ発生部３と処理部７とを分けることで、被処理基材８に直接電界が加わらず、被処理基材８に対する電界ダメージ（例えば高速イオンの衝撃によるダメージや絶縁破壊を生じさせるようなダメージ）がない優位性が得られる。また、プラズマ発生部３と処理部７とを分け、さらに放電用ガスと反応用のガス（この例では雰囲気ガス）とを分けることで、プラズマの発生条件を制御しやすくでき、安定してプラズマを発生できる。また、放電が生じやすく安価なガスを放電用ガスとして選択することで、長時間の安定した放電が得られ、またランニングコストを低くできる。
【００３７】
アース側放電電極１およびホット側放電電極２が角度θで傾いていることで、放電用ガスの処理部７への導出経路が同様に傾き、これによりプラズマ供給口１４からの放電用ガスは被処理基材８の表面に斜めに吹き付けられる。その結果、放電用ガスおよび放電用ガスと混合した雰囲気ガスは、他の方向に比較して矢印２０の方向に流れが強制される。
【００３８】
また、プラズマ処理時において、移動ステージ９は矢印２０の方向に一致する矢印１９の方向に移動する。これにより、以下の作用効果が得られる。まず、処理部７で放電用ガスにより活性化された雰囲気ガスは、矢印２０の方向に流れながら雰囲気ガスの種類によって決まる処理を被処理基材８の表面に対して行う。この時、同時に被処理基材８は矢印１９の方向に移動する。よって、プラズマ供給口１４に対応した被処理基材８表面の細長い帯状の領域に着目すると、雰囲気ガスがその領域への接触を保ったままの状態が維持される傾向、あるいはそれに近い状態が実現される。これにより、雰囲気ガスによる処理が被処理基材８に対してより高い効率で行われ、処理の不均一性が是正される。
【００３９】
また、処理として薄膜の形成を行う場合は、上記作用効果に加えてさらに以下の作用効果も得られる。一般に反応あるいは活性化した雰囲気ガスは、いずれ反応状態あるいは活性化状態のエネルギーを失う。薄膜形成の場合、成膜に寄与するプラズマガスのエネルギーが失われかけた状態（ラジカルやイオンがエネルギーを失いかけた状態）では、低級生成物が得られる傾向がある。この低級生成物は、一般に膜質が緻密でなく、例えば絶縁膜であれば低い絶縁性、導電膜であれば低い導電性、保護膜であれば脆い膜質、といった好ましくない性質を示す。この低級生成物が形成された膜中に取り込まれることは膜質の低下につながるので好ましくない。
【００４０】
例えば、図１〜３の装置でθ＝０°である場合、活性化された雰囲気ガスは、プラズマ供給口１４から、被処理基材８の移動方向（矢印１９の方向）、およびその反対の方向へほぼ均等に供給される。この状態では、移動ステージ９が移動して行き、これから成膜が行われる領域において、多量の低級生成物が生成される。これから成膜が行われる領域で低級生成物が生成されると、その後にその領域に成膜が行われることで、膜中に低級生成物が取り込まれてしまう。これに対して、θをある角度に設定すると、図３に示すように矢印２０の方向にガスが流れ易くなり、矢印２０と逆方向へのガスの流れが抑制される。これにより、これから成膜が行われる領域での低級生成物の成膜が抑制され、その結果、形成される膜中に低級生成物が取り込まれる事態を抑制できる。なお、矢印２０の方向に流れたガスにおいても低級生成物は生成されるが、それは既に薄膜の形成が行われた領域で発生するので、低級生成物が膜中に取り込まれる頻度は小さくなり、その悪影響は小さくなる。
【００４１】
角度θは、０．１〜５°の範囲から選択されるのが好ましい。θが０．１°を下回ると、上述した作用効果が実用上有意なレベルで得られず好ましくない。また、θが５°を超えると、同じ処理効果を得るのに多量の放電用ガスを流さなくてはならず、経済性の点で不利となる。
【００４２】
電極の材質は、金属材料であればよく、例えばステンレス、アルミニウム、銅、真鍮、その他合金を利用できる。電極の表面は、固体誘電体で被覆されていることが好ましい。被覆した固体誘電体により、電界の集中によるアーク放電の発生を抑制でき、常圧であっても安定したグロー放電の発生が促される。固体誘電体としては、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が挙げられる。また、例えばガラス、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が挙げられる。また、例えばチタン酸バリウム等の複酸化物が挙げられる。また、固体誘電体の厚さは、０．０１〜４ｍｍが好ましい。
【００４３】
電極の形状は平行平板型に限定されず、例えば同軸型のものが採用できる。また、電極の数も２つに限定されない。例えば、一つのホット側放電電極を所定の間隔をおいて、２つのアース側放電電極で挟んだ構造、あるいはホット側放電電極とアース側放電電極を複数に分割した構造等を採用できる。なお、放電を起こすために、ホット側放電電極とアース側放電電極とが対向している構造が必要である。
【００４４】
アース側放電電極１とホット側放電電極２との間には、パルスの立ち上がり及び／又は立ち下がり時間が１０μｓ以下、電界強度が１０〜１０００ｋＶ／ｃｍ、周波数０．５〜５００ｋＨｚ、パルス幅１０〜２００μｓｅｃであるパルス電界が加えられるのが好ましい。このようなパルス電界を用いると、常圧雰囲気においてグロー放電からアーク放電への移行を抑制でき、気体の種類を問わずに常圧でのグロー放電を安定して行える。
【００４５】
プラズマ発生部３は、アース側放電電極１とホット側放電電極２との間の空間である。プラズマ発生部３においてプラズマが発生する。プラズマ発生部へは、放電用ガス供給ユニット５から放電用ガスが供給される。
【００４６】
放電が行われる圧力は、特に限定されるものではないが、特に大気圧または大気圧近傍の圧力において、本発明の利用価値が大きい。大気圧または大気圧近傍の圧力とは、１．３３３×１０４〜１０．６６４×１０４Ｐａの常圧近傍の圧力下を指す。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。
【００４７】
放電用ガスは、電界を加えることでプラズマを発生するガスであれば、利用可能である。より好ましい放電用ガスとしては、放電を制御しやすいヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の希ガス、あるいは窒素ガスが挙げられる。放電用ガスは、単独あるいは複数を組み合わせて利用できる。
【００４８】
雰囲気ガスは、被処理基材８に対して何らかの処理を行うための反応ガスである。例えば、基材表面の撥水性を高める表面処理を行う場合は、雰囲気ガスとして、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、ＣＣｌＦ３、ＳＦ６等のフッ素含有化合物ガスを利用できる。また、基材表面の親水性を高める表面処理を行う場合には、雰囲気ガスとして、酸素ガス、オゾンガス、水蒸気、霧状の水を含む空気、空気等の酸素元素含有化合物ガスを利用できる。この場合、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が形成されて表面エネルギーが高くなり、親水性表面を得ることができる。親水性を高める表面処理を行うためのガスとしては、酸素元素含有化合物ガス以外に、窒素ガス、アンモニアガス等の窒素元素含有化合物ガス、あるいはＳＯ２、ＳＯ３等の硫黄元素含有化合物ガスが利用できる。また、酸素元素含有化合物ガスを用いると、有機物の除去を行うプラズマ処理も行える。
【００４９】
雰囲気ガスとして、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ガスを利用することもできる。この場合、例えばＳｉＯ２膜、ＴｉＯ２膜、ＳｎＯ２膜等の金属酸化物薄膜を基材の表面に成膜できる。なお、雰囲気ガスが適当な希釈ガスで希釈して使用してもよい。
【００５０】
プラズマ処理は上記のものに限定されず、プラズマの持つ性質を利用したあらゆる処理が含まれる。一例として、成膜、エッチング、親水性または疎水性を付与する処理、有機物の除去、洗浄、塗料の付着性の改善処理、接着剤による接着性の改善処理、レジストのアッシング、接触抵抗低減のための処理、といった処理が挙げられる。
【００５１】
被処理基材の種類は、特に限定されない。例えば、被処理基材として、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、アクリル等の樹脂材料が挙げられる。また、被処理基材として、ガラス、セラミックス、半導体、金属等の無機材料が挙げられる。被処理基材の形状としては、板状、フィルム状のものが挙げられるが、特に限定されない。
【００５２】
図１〜３の例では、プラズマ供給口１４を固定し、移動ステージ９を移動させることで、プラズマ供給口１４と被処理基材８との相対移動を行っている。しかし、逆に基材側を固定し、プラズマ供給口側を移動させる構成としてもよい。また両者を移動させ、相対移動を実現してもよい。また、プラズマ処理に加えて、前処理あるいは後処理を連続的に行える構成としてもよい。また、基材を加熱する手段（ヒータやランプ）をさらに配置してもよい。
【００５３】
また、プラズマ供給口からのプラズマの流れを一方向に強制的に流す手段として、雰囲気ガスに流れを作り、その雰囲気ガスの流れによって、図１に例示する装置構造の場合と同様な作用効果を得ても良い。この場合、必ずしもプラズマ供給口からの流れが基材に対して斜めでなくてもよい。また、プラズマ供給口の構造を工夫し、プラズマ流が被処理面に平行な一方向に流れやすい状態を作り出しても良い。例えば、プラズマの流れが被処理面に対して斜め方向からのものとなるようなノズル構造をプラズマ供給口として採用し、図１〜３で例示したプラズマ処理装置と同様な効果を得てもよい。
【００５４】
図７は、他の実施の形態を例示する模式図である。図７に例示されるプラズマ処理装置では、反応ガスは、反応ガス供給手段５から反応ガス供給ライン２１を介して供給ノズル２２から被処理面１７に対して略平行な方向に（あるいは斜め上方の方向から）供給される。供給ノズル２２は、細長い長方形状を有している。図７に例示するプラズマ処理装置では、プラズマ処理時に反応ガスが被処理面１７に平行な方向に流され、またその方向に移動ステージ９が移動する。プラズマ発生部３で生成されたプラズマは、被処理面１７上においてノズル２２から供給される反応ガスの流れに押し流され、反応ガスと共に移動ステージ９が移動する方向に流される。また、これにより、図１に例示するプラズマ処理装置と同様の作用効果が得られる。なお、反応ガスとは別に適当なキャリアガスを用いて、被処理面１７に平行なガスの流れを生じさせても良い。
【００５５】
以上、本発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更することが可能である。
【００５６】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明する。なお、以下に説明するのは、本発明の例示であり、本発明はこれら実施例の記載内容に限定されるものではない。
【００５７】
（実施例１）
以下、図１〜３に例示するプラズマ処理装置を用いてガラス板に親水性を付与するプラズマ処理を行った例を説明する。ここでは、被処理基材８としてガラス板を用い、ガラス表面をプラズマ処理することで親水性（濡れ性）を改善する実験結果を紹介する。
【００５８】
この例では、アース側放電電極１およびホット側放電電極２として、水平方向の長さ６００ｍｍ×高さ１００ｍｍ×厚さ１０ｍｍのステンレス材を用いた。このステンレス材は、対向する電極側の面に固体誘電体としてチタン酸バリウムの被覆を０．６ｍｍ、さらに積層してアルミナの被覆を０．６ｍｍの厚さに溶射により形成している。また、両電極の間隔２ｍｍとし、θ＝３°に設定した。また、ガラス板は、移動ステージ９の移動方向における長さが９００ｍｍ、幅が６００ｍｍ（プラズマ供給口の長手方向に一致する寸法）、厚さが２０ｍｍのものを用いた。
【００５９】
放電用ガスは窒素ガスを用い、雰囲気ガス（反応ガス）は大気を用いた。電源４から、印加電圧１５ｋＶ、周波数２０ｋＨｚ、パルス立ち上がり速度５μｓ、パルス立下り速度５μｓ、パルス継続時間（パルス幅）２００μｓのパルス波を電極に加えた。放電用ガスは、２リットル／分の速度で放電用ガス供給ユニット５から供給し、雰囲気ガスは、１５リットル／分の速度で雰囲気ガス供給ユニット１１から供給した。特別な排気ポンプは使用せず、ガス排気口１３から内部のガスが外部に自然排出される状態で実験を行った。また、プラズマ処理中は、移動ステージ９を２００ｍｍ／分の速度で矢印１９の方向に移動させた。
【００６０】
図４は、プラズマ処理の結果を示すデータである。測定点は、プラズマ供給口１４の中央部（長手方向の中央部）で、被処理基材８の移動方向において１０ｃｍ間隔に選択した３点である。データＡは、プラズマ処理を行う前の測定データである。データＢは、θ＝０°でプラズマ処理を行った場合の比較のための測定データである。データＣは、θ＝３°の条件でプラズマ処理を行った場合の測定データである。なお、データＢとデータＣを得たプラズマ処理条件は、θの値以外は、上述した同じ条件である。
【００６１】
データＡと他のデータを比較すれば明らかなように、プラズマ処理を行うことで、ガラス板上におけるイオン交換水の接触角は小さくなる。これは、プラズマ処理により、ガラス板表面の有機物が分解除去され、親水性が増加したことを意味している。図４の接触角低減効果の大きいプラズマ処理程、プラズマ処理の効果が大きいことを示している。
【００６２】
図４のデータＢとデータＣとを比較すると、θ＝０°よりθ＝３°の場合の方が、ガラス板に対するイオン交換水の接触角が小さいことが分かる。これより、θ＝０°に比較して、θ＝３°の方がより高いプラズマ処理効果を得られることが結論される。
【００６３】
図５は、ガラス板表面に対するプラズマ処理の効果の均一性を調べたデータである。図６は、図５のデータを得た部位を説明する図である。図６には、プラズマ処理を施したガラス板８が示されている。図５のデータは、図６の５２で示される線上におけるプラズマ処理の効果を示すデータである。図５の横軸は、ガラス板８の幅方向の寸法である。この幅方向は、プラズマ供給口１４の長手方向（細長く伸びた方向）に対応している。図５では、プラズマ供給口中央からの距離が横軸に示されている。図５縦軸の処理度は、プラズマ処理を５分間行った場合における接触角の最小値（チャンピョンデータ）をαとし、上述の処理条件の結果得られた接触角をβとした場合に、（α／β）×１００で定義される規格されたパラメータである。図５縦軸の処理度は、プラズマ処理の効果を示す指標であり、より１００％に近くまた、場所によって違いやばらつきなない値であるのが好ましい。
【００６４】
図５縦軸の処理度によって、プラズマ処理の効果を評価できる。図５において、データ（１）は、θ＝３°の場合のデータである。データ（２）は、θ＝０°の場合のデータである。なお、プラズマ処理条件は、前述したものと同じである。
【００６５】
図５から明らかように、図１に示すプラズマ処理装置において、θ＝０°では、中央付近の処理度が低下する傾向が見られる。これに対して、対向電極対を３°傾け、プラズマ供給口１４からのプラズマの流れをガラス板の垂線方向からθ＝３°傾けることで、プラズマ供給口の長手方向におけるプラズマ処理の均一性を高められることが確認できる。
【００６６】
【発明の効果】
本願で開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果は、以下の通りである。すなわち、特別な気密構造が必要とされない開放系、あるいは気体の自由な流出を防ぐ程度の低気密構造での、グロー放電を用いたプラズマ処理において、大面積に対する処理の均一性を高くできる技術が提供される。また、放電制御を行いやすい技術が提供される。また、より高いプラズマ処理効果が得られる技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の一例を説明するための模式的装置図である。
【図２】図１のプラズマ処理装置の一部を拡大した模式図である。
【図３】図１のプラズマ処理装置の電極配置状態を説明する模式図である。
【図４】プラズマ処理の結果を示すデータである。
【図５】ガラス板表面に対するプラズマ処理の効果の均一性を調べたデータである。
【図６】図５のデータを得た部位を説明する図である。
【図７】本発明のプラズマ処理装置のその他の一例を説明するための模式的装置図である。
【図８】大気圧で発生させたグロー放電により、表面処理を行う従来技術の装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…アース側放電電極、２…ホット側放電電極、３…プラズマ発生部、４…プラズマ発生用電源、５…放電用ガス供給ユニット、６…放電用ガス供給ライン、７…処理部、８…被処理基材、９…移動ステージ、１０…雰囲気ガス導入口、１１…雰囲気ガス供給ユニット、１２…容器、１３…ガス排気口、１４…プラズマ供給口、１７…基材の表面。
Claims (13)
- 大気圧または大気圧近傍の圧力下においてグロー放電プラズマを発生する対向電極対と、
前記プラズマを前記対向電極対の間から被処理面へ供給するプラズマ供給口と、
を含み、
前記対向電極対は、前記被処理面に対して傾いて配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記被処理面を前記プラズマ供給口に対して相対的に移動させる手段をさらに含み、
前記被処理面が前記プラズマ供給口に対して移動する方向と、前記傾いた方向とは、１８０°異なることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。 - 前記傾きは、前記被処理面への垂線に対して０．１°〜５°であることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
- 大気圧または大気圧近傍の圧力下においてグロー放電プラズマを発生する対向電極対と、
被処理面に対して斜めの方向に向き、前記プラズマを被処理面へ供給するプラズマ供給口と、
を含むことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記被処理面を前記プラズマ供給口に対して相対的に移動させる手段をさらに含み、
前記プラズマ供給口が向いている方向は、前記被処理面が前記プラズマ供給口に対して移動する方向に一致する成分を有することを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。 - 前記プラズマ供給口が向いている方向と、前記被処理面への垂線とは、０．１°〜５°の角度を有することを特徴とする請求項５記載のプラズマ処理装置。
- 大気圧または大気圧近傍の圧力下においてグロー放電プラズマを発生する対向電極対と、
前記対向電極対の間から前記プラズマを被処理面へ供給するプラズマ供給口と、
前記プラズマ供給口と前記被処理面との間において、前記グロー放電プラズマを生成するための第１ガスとは別の第２ガスを前記被処理面に対して平行に流す手段と、
を含むプラズマ処理装置。 - 前記被処理面を前記プラズマ供給口に対して相対的に移動させる手段をさらに含み、
前記被処理面が前記プラズマ供給口に対して移動する方向と、前記第２ガスが前記プラズマ供給口と前記被処理面との間において流れる方向とは、一致することを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理装置。 - 前記グロー放電プラズマと反応ガスとを前記被処理面上で反応させることを特徴とする請求項１乃至８記載のプラズマ処理装置。
- 前記対向電極対の間に加えられる電界は、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請求項１乃至９記載のプラズマ処理装置。
- 大気圧または大気圧近傍の圧力下においてグロー放電プラズマを被処理面に沿った一方向へ流すと共に、前記被処理面を前記一方向へ移動させることを特徴とするプラズマ処理方法。
- 前記プラズマを前記被処理面に対して斜め方向から流すことを特徴とする請求項１１記載のプラズマ処理方法。
- 前記プラズマと反応ガスとを前記被処理面上で反応させることを特徴とする請求項１０乃至１２記載のプラズマ処理方法。
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