JP2004235105A

JP2004235105A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

Info

Publication number: JP2004235105A
Application number: JP2003024850A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Taguchi; 典幸田口; Koji Sawada; 康志澤田; Koichi Matsunaga; 浩一松永; Kazuya Kobayashi; 和也小林; Kosaku Hiyama; 耕作檜山; Shiko Abukawa; 志向虻川
Original assignee: HAIDEN KENKYUSHO KK; Tocalo Co Ltd; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: HAIDEN KENKYUSHO KK; Tocalo Co Ltd; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】均質なグロー状の放電を安定して生成することができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】対向配置された電極１、２のうち、少なくとも一方の電極１、２の表面に誘電体３を設ける。大気圧近傍の圧力下で該電極１、２間に電圧を印加して放電を生起することによって被処理物をプラズマ処理するプラズマ処理装置に関する。電極１、２の表面に設けた上記誘電体３のうち、電極１、２の対向面４以外に設けた誘電体３ｂ（３）の単位面積当たりの静電容量を、対向面４に設けた誘電体３ａ（３）の単位面積当たりの静電容量よりも小さくする。電極１、２の対向面４の間に印加される電圧を電極１、２の対向面４以外の間に印加される電圧よりも高くすることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理物の表面に存在する有機物等の異物のクリーニング、レジストの剥離、有機フィルムの密着性の改善、金属酸化物の還元、製膜、表面改質、液晶用ガラス基板の表面クリーニング、電子部品の接合性向上などのプラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関するものであって、特に、精密な接合が要求される分野に応用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、一対の電極を対向配置し、大気圧近傍の圧力下で一対の電極間に電圧を印加することによって一対の電極の間にグロー状の放電を発生させると共に、放電が発生した電極間に被処理物を導入することによって被処理物にプラズマ処理を施すことが行われている。
【０００３】
また、このようなプラズマ処理方法において、大気圧近傍の圧力下でグロー状の放電を安定して発生させるために、一対の電極の間に誘電体を介在させた状態で電極間に電圧を印加して放電を発生させるようにした、いわゆる誘電体バリア放電が用いられている。この誘電体バリア放電を発生させる場合は、一対の電極のうちの少なくとも一方の電極の対向面（他方の電極と対向する面）に誘電体を設けて対向面を全面に亘って被覆するようにしている。
【０００４】
さらに、一対の電極間に高電圧を印加した場合などでは、誘電体を設けていない対向面以外の部分において一対の電極間にアーク放電が生じることがあり、このアーク放電により被処理物が損傷を受ける場合がある。そこで、一対の電極のうちの少なくとも一方の電極の対向面以外の表面にも誘電体を設けて電極を被覆することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このように電極の対向面と対向面以外の表面、好ましくは電極の表面全面に誘電体を設けて被覆することによって、アーク放電による被処理物の損傷を防止しながら安定したプラズマ処理を行うことができるものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−５８９９５号公報（特許請求の範囲、図１、図２等）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電極の対向面と対向面以外の表面に誘電体を設けた場合、電極の対向面のみに誘電体を設けた場合（対向面以外の表面に誘電体を設けない場合）に比べて、電極の対向面の間に印加される電圧が低くなり、従って、電極の対向面の間にストリーマが発生しやすくなって均質なグロー状の放電を安定して生成することが難しかった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、均質なグロー状の放電を安定して生成することができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るプラズマ処理装置は、対向配置された電極１、２のうち、少なくとも一方の電極１（２）の表面に誘電体３を設け、大気圧近傍の圧力下で該電極１、２間に電圧を印加して放電を生起することによって被処理物６をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、電極１（２）の表面に設けた上記誘電体３のうち、電極１（２）の対向面４以外に設けた誘電体３ｂの単位面積当たりの静電容量を、対向面４に設けた誘電体３ａの単位面積当たりの静電容量よりも小さくすることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の請求項２に係るプラズマ処理装置は、請求項１において、電極１（２）の対向面４以外に設けた誘電体３ｂの単位面積当たりの静電容量が、対向面４に設けた誘電体３ａの単位面積当たりの静電容量の４／５以下であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の請求項３に係るプラズマ処理装置は、請求項１又は２において、電極１（２）の対向面４に設けた誘電体３ａの誘電率と対向面４以外に設けた誘電体３ｂの誘電率とを異ならせることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の請求項４に係るプラズマ処理装置は、請求項１又は２において、電極１（２）の対向面４に設けた誘電体３ａの厚みと対向面４以外に設けた誘電体３ｂの厚みとを異ならせることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の請求項５に係るプラズマ処理装置は、請求項１又は２において、電極１（２）の対向面４に設けた誘電体３ａと対向面４以外に設けた誘電体３ｂにおいて、誘電率と厚みの両方を異ならせることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の請求項６に係るプラズマ処理方法は、請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマ処理装置で発生させたプラズマ５に被処理物６を暴露することによって、被処理物６をプラズマ処理することを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
図１に本発明のプラズマ処理装置の一例を示す。このプラズマ処理装置は、上下に対向配置された一対の電極１、２とこれらに接続される電源１０とを備えて形成されている。電極１、２は銅、アルミニウム、真鍮、耐食性の高いステンレス鋼、チタン合金、１３クロム鋼などの金属材料で形成されている。また、電極の断面形状は略矩形、略台形、略三角形などをとることができる。また、電極１、２は上下に対向配置されているために、上側に配置される電極１の下面及び下側に配置される電極２の上面がそれぞれ対向面４として形成されていると共に、上側に配置される電極１の上面と側面及び下側に配置される電極２の下面と側面が対向面４以外の表面となるものである。電極１、２の対向面４間の間隔（ギャップ長）は、電極１、２間に印加する電圧や誘電体３の種類や被処理物５の厚みなどに応じて適宜設定可能であるが、例えば、１〜２０ｍｍにすることができる。
【００１７】
上記の電極１、２の表面全面には板状又は膜状の誘電体３が設けられている。誘電体３を電極１、２の表面に設けるにあたっては、ゴム、テフロン（Ｒ）、シリコーン、無機ガラス質等の誘電体３を電極１、２の表面に接着して密着させるライニング方法や、アルミナ、チタン酸バリウム、酸化チタン、ＰＺＴなどの粉末をプラズマ中で分散させ、電極１、２の表面に吹き付けるようにするセラミック溶射法や、シリカ、酸化スズ、チタニア、ジルコニア、アルミナなどの無機質粉末を溶剤などにより分散し、電極１、２の表面にスプレー掛けあるいは浸け掛けして被覆した後、４００〜１０００℃の温度で融着するいわゆる琺瑯被覆方法などを採用することができる。誘電体３の厚みは電極１、２間に印加する電圧や誘電体３の種類などに応じて適宜設定可能であるが、例えば、０．１〜２ｍｍにすることができる。尚、図１のものでは電極１、２の両方に誘電体３を設けたが、いずれか一方の電極１、２のみに誘電体３を設けるようにしても良い。
【００１８】
そして、本発明では、電極１、２の対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂの単位面積当たりの静電容量を、電極１、２の対向面４に設けた誘電体３ａの単位面積当たりの静電容量よりも小さくするものである。このように対向面４に設けた誘電体３ａの単位面積当たりの静電容量と対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂの単位面積当たりの静電容量とを異ならせるには、電極１、２の対向面４に設けた誘電体３ａの厚みと対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂの厚みとを異ならせて形成したり、電極１、２の対向面４に設けた誘電体３ａの材料の誘電率と対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂの材料の誘電率とを異ならせて形成したり、あるいは誘電体３ａ、３ｂの厚みと誘電体３ａ、３ｂの材料の誘電率の両方を異ならせて形成したりすることができる。
【００１９】
上記のように形成されるプラズマ処理装置で被処理物６をプラズマ処理するにあたっては次のようにして行う。まず、大気圧近傍の圧力下（９３．３〜１０６．７ｋＰａ（７００〜８００Ｔｏｒｒ））で電極１、２間に電圧を電源１０により印加して電極１、２の対向面４の間の空間に誘電体バリア放電よりグロー状の放電を発生させる。ここで、電極１、２間に印加する電圧は電極１、２の間隔や対向面４に設けた誘電体３ａの種類や厚みなどに応じて適宜設定可能であるが、例えば、０．５〜２０ｋＶにすることができる。また、電極１、２間に印加する電圧は交番波形を有する電圧あるいはパルス状波形を有する電圧とすることができる。さらに、電極１、２間に印加する電圧は繰り返し周波数を０．５〜２００ｋＨｚに設定することができるが、これに限定されるものではない。
【００２０】
そして、このようにして電極１、２の対向面４の間の空間にグロー状の放電を発生（生起）させることによって、この空間にプラズマ５が生成されるものであり、プラズマ５が生成された空間内に被処理物６を通過させてプラズマ５に暴露させることによって、プラズマ５に含まれているイオンやラジカル等の活性種を被処理物６の表面に供給してプラズマ処理を施すことができるものである。尚、被処理物６としては、回路用基板や液晶用ガラス基板等の板状のものや、フィルムなどを例示することができる。
【００２１】
本発明において、上記のプラズマ処理は空気中で行うことができるが、窒素、酸素、二酸化炭素、アルゴン、ヘリウムなどの単独ガスあるいはこれらの混合ガスの雰囲気中で上記のプラズマ処理を行っても良い。また、上記のガスにさらにＨ_２やＣＦ_４やＮ_２Ｏなどの反応性ガスを少量添加しても良い。
【００２２】
そして、本発明のプラズマ処理装置では、電極１、２の対向面４以外の表面を覆う誘電体３ｂの単位面積当たりの静電容量を、電極１、２の対向面４を覆う誘電体３ａの単位面積当たりの静電容量よりも小さくするので、電極１、２の対向面４の間に印加される電圧を電極１、２の対向面４以外の間に印加される電圧よりも高くすることができ、電極１、２の対向面４の間の空間にストリーマが発生しにくくなって均質なグロー状の放電を安定して生成することができるものであり、従って、均質で安定したプラズマ処理を被処理物６に施すことができるものである。
【００２３】
ここで、図３（ａ）に示すプラズマ処理装置のモデルで本発明の作用を説明する。このプラズマ処理装置は、上下に対向する一対の板状の電極１、２を備えると共に電極１、２間に電圧を印加するための電源１０が電極１、２に接続されている。また、電極１、２の対向面４、すなわち、上側の電極１の下面と下側の電極２の上面のそれぞれには板状の誘電体３が配置されている。これら誘電体３は電極１、２の対向面４の全面を覆うようにして設けられている。図３（ｂ）に図３（ａ）の等価回路を示す。図３（ｂ）に示す符号Ｃは誘電体３の合成静電容量成分であり、符号Ｃｇは電極１、２のギャップ間（電極１、２の対向面４間の空間）の静電容量成分を示す。
【００２４】
図３（ａ）に示すプラズマ処理装置において、電極１、２のギャップ間に印加される電圧Ｖｇは、以下の数式で示される。
【００２５】
【数１】

【００２６】
尚、上記のＶｓは電源１０の出力電圧を示す。
【００２７】
この式より、電極１、２の表面に配置した誘電体３の静電容量が大きい程、ギャップ間に印加される電圧は大きくなり、また逆に小さい程、ギャップ間に印加される電圧は小さくなる。従って、電極１、２の表面に配置した誘電体３の静電容量を場所によって変化させれば、静電容量の大きな部分ではギャップ間に印加される電圧が高くなるため、放電が生じやすく、また、静電容量の小さな部分では放電が生じにくくなる。
【００２８】
本発明ではこのことを応用したものであり、電極１、２の対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂの静電容量を、電極１、２の対向面４の表面に設けた誘電体３ａの静電容量よりも小さくすれば、放電は対向面４間の空間のみ、あるいは少なくとも対向面４間の空間で効率よく生じさせることができ、電極１、２の間の空間で均一な放電を得ることが可能となるものである。
【００２９】
本発明において、電極１、２の対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂの単位面積当たりの静電容量は、電極１、２の対向面４に設けた誘電体３ａの静電容量の４／５以下であることが好ましい。対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂの静電容量が、電極１、２の対向面４に設けた誘電体３ａの静電容量の４／５よりも大きいと、両者の静電容量の差が小さすぎて、対向面４以外の部分においても放電が生じる可能性があり、電極１、２の対向面４間での放電が安定して発生しにくくなる恐れがある。また、静電容量の比率の下限については特に制限はなく、電極１、２の表面に設けた誘電体３ａ、３ｂの材質及び厚みを調整することにより任意に設定することが可能であるが、現実的な下限としては１／３０程度である。対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂの静電容量を、電極１、２の対向面４に設けた誘電体３ａの静電容量の１／３０よりも小さくするためには、電極１、２の対向面４に設けた誘電体３ａの静電容量を大きくするか、対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂを厚くする必要があるが、電極１、２の対向面４に設けた誘電体３ａの静電容量を大きくするためには、高比誘電率の材料を用いる必要があり、一般的に高価になると共に、誘電体３ａの形成も困難になる。また、対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂを厚くすると、使用する誘電体３ｂの材料が多くなり、結果として高価なものになると共に、重量も増加することになり、いずれの場合も好ましくない。
【００３０】
図２には本発明の他の実施の形態を示す。このプラズマ処理装置は平板状の電極１、２を水平方向に対向させて配置したものであり、その他の構成は図１のものと同様である。従って、これらの電極１、２では互いに向き合う正面が対向面４となり、上面、下面、側面、背面が対向面４以外の表面となるものである。
【００３１】
また、このプラズマ処理装置では図１のものと同様にして誘電体バリア放電によりプラズマ５を生成するものであるが、この時、電極１、２の間の空間の上面開口から空気や上記のガスを導入するものである。そして、電極１、２の間の空間で生成されたプラズマ５を、電極１、２の間の空間の下面開口からジェット状に吹き出して、電極１、２の下側（下流側）を通過する被処理物６に吹き付けることによって、被処理物６にプラズマ処理を施すことができるものである。
【００３２】
【実施例】
以下本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００３３】
（実施例１）
図１に示すプラズマ処理装置を形成した。電極１、２は、対向面４が１５ｃｍ×３０ｃｍの大きさを有しており、電極１、２の対向面４に設けた誘電体３ａは、比誘電率が２０程度となるようにアルミナとチタニアを混合したものを１ｍｍの厚みで溶射することにより形成した。また、対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂは、比誘電率が１０程度のアルミナを１ｍｍの厚みで溶射することにより形成した。
【００３４】
このように電極１、２の表面全面に誘電体３を形成した後、電極１、２間の距離が４ｍｍになるように上下に対向させ、プラズマ生成用ガスとして窒素を大気圧状態で導入し、周波数２０ｋＨｚ、印加電圧１０ｋＶの正弦波電圧を電極１、２間に印加することによって、プラズマ５を生成した。
【００３５】
このような条件で発生させたプラズマ５は、電極１、２の対向面４の間の空間内のみに発生し、電極１、２の間の空間で均一な放電を得ることができた。
【００３６】
（実施例２）
図２に示すプラズマ処理装置を形成した。電極１、２は対向面４が３ｃｍ×５０ｃｍの大きさを有しており、電極１、２の対向面４に設けた誘電体３ａは、比誘電率が１０程度のアルミナを１ｍｍの厚みで溶射することより形成した。また、対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂは、誘電体３ａと同様のアルミナを２ｍｍの厚みで溶射することにより形成した。
【００３７】
このように電極１、２の表面全面に誘電体３を形成した後、電極１、２間の距離が１ｍｍになるように水平方向で対向させ、プラズマ生成用ガスとして窒素を大気圧状態で上流側から導入し、周波数８０ｋＨｚ、印加電圧１０ｋＶの正弦波電圧を印加することによって、プラズマを生成した。
【００３８】
このような条件で発生させたプラズマは、電極１、２の対向面４の間の空間内のみに発生し、電極１、２の間の空間で均一な放電を得ることができた。
【００３９】
尚、このプラズマ処理装置は５０ｃｍの幅にわたってプラズマジェットを吹出すことが可能であり、このジェットの下流に被処理物を配置することによりプラズマ処理が可能である。
【００４０】
（実施例３）
対向面４以外の表面に設けた誘電体３ｂの厚みを２ｍｍに形成した以外は、実施例１と同様にした。この実施例３においてもプラズマ５は、電極１、２の対向面４の間の空間内のみに発生し、電極１、２の間の空間で均一な放電を得ることができた。
【００４１】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１の発明は、対向配置された電極のうち、少なくとも一方の電極の表面に誘電体を設け、大気圧近傍の圧力下で該電極間に電圧を印加して放電を生起することによって被処理物をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、電極の表面に設けた上記誘電体のうち、電極の対向面以外に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量を、対向面に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量よりも小さくするので、電極の対向面の間に印加される電圧を電極の対向面以外の間に印加される電圧よりも高くすることができ、電極の対向面の間の空間にストリーマが発生しにくくなって均質なグロー状の放電を安定して生成することができるものである。
【００４２】
また、本発明の請求項２の発明は、電極の対向面以外に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量が、対向面に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量の４／５以下であるので、電極の対向面間での放電がより安定して発生しやすくなり、且つ価格や重量を低く抑えることができるものである。
【００４３】
また、本発明の請求項３の発明は、電極の対向面に設けた誘電体の誘電率と対向面以外に設けた誘電体の誘電率とを異ならせるので、簡単な作業で電極の対向面以外に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量を、対向面に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量よりも小さくすることができるものである。
【００４４】
また、本発明の請求項４の発明は、電極の対向面に設けた誘電体の厚みと対向面以外に設けた誘電体の厚みとを異ならせるので、簡単な作業で電極の対向面以外に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量を、対向面に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量よりも小さくすることができるものである。
【００４５】
また、本発明の請求項５の発明は、電極の対向面に設けた誘電体と対向面以外に設けた誘電体において、誘電率と厚みの両方を異ならせるので、簡単な作業で電極の対向面以外に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量を、対向面に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量よりも小さくすることができるものである。
【００４６】
また、本発明の請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマ処理装置で発生させたプラズマに被処理物を暴露することによって、被処理物をプラズマ処理するので、均質で安定したプラズマ処理を被処理物に施すことができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】同上の他の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の作用を説明する説明図、（ｂ）は（ａ）の等価回路図である。
【符号の説明】
１電極
２電極
３誘電体
３ａ誘電体
３ｂ誘電体
４対向面
５プラズマ
６被処理物

Claims

対向配置された電極のうち、少なくとも一方の電極の表面に誘電体を設け、大気圧近傍の圧力下で該電極間に電圧を印加して放電を生起することによって被処理物をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、電極の表面に設けた上記誘電体のうち、電極の対向面以外に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量を、対向面に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量よりも小さくすることを特徴とするプラズマ処理装置。
電極の対向面以外に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量が、対向面に設けた誘電体の単位面積当たりの静電容量の４／５以下であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
電極の対向面に設けた誘電体の誘電率と対向面以外に設けた誘電体の誘電率とを異ならせることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
電極の対向面に設けた誘電体の厚みと対向面以外に設けた誘電体の厚みとを異ならせることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
電極の対向面に設けた誘電体と対向面以外に設けた誘電体において、誘電率と厚みの両方を異ならせることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマ処理装置で発生させたプラズマに被処理物を暴露することによって、被処理物をプラズマ処理することを特徴とするプラズマ処理方法。