JP2005332783A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チューブ状の被処理物であっても均一にプラズマ処理を施すことができ、しかも、発生させたプラズマガスを高効率で利用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。
【解決手段】少なくとも、筐体１１、対向する２面がそれぞれ電極１３であるガス通路１２、ガス供給口１４、プラズマガス排出口１５からなるプラズマガス発生部、及び、筐体、プラズマガス通路、プラズマガス供給口、プラズマガス排出口、必要に応じてプラズマガス通路内に被処理物を保持する手段からなる処理部、及び、前記プラズマガス発生部にガスを供給するガス供給手段を有するプラズマ処理装置であって、前記ガス供給手段と前記プラズマガス発生部のガス供給口１４とが直結されており、前記プラズマガス発生部のプラズマガス排出口１５と前記処理部のプラズマガス供給口とが直結されているプラズマ処理装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、チューブ状等の特殊な形状の被処理物であっても均一にプラズマ処理を施すこ
とができ、しかも、処理ガスを高効率で利用することができるプラズマ処理装置及びプラ
ズマ処理方法に関する。

金属やプラスチック等の表面を効果的に改質したり、基板等の上に付着した有機物等を洗
浄除去したりする方法としてプラズマ処理が知られている。プラズマ処理は電極間に導い
た気体に電圧を印加することにより励起させてプラズマガスとし、この極めて活性の高い
プラズマガスにより被処理物を処理するものである。従来のプラズマ処理装置では、プラ
ズマガスを発生させるために減圧を行う必要があったが、近年では常圧下でもプラズマガ
スを発生させる方法が考案され、実用範囲が飛躍的に拡大しつつある（例えば、特許文献
１、特許文献２等）。

プラズマ処理の具体的な方法としては、例えば、被処理物を電極間に設置して、そのまま
気体とともに電圧を印加する直接法が挙げられる。直接法は処理条件等の制御が極めて容
易であり、均一な処理が可能となる。しかし、充分な電圧をかけるためには電極間の距離
を短くする必要があることから、処理が可能な被処理物の大きさや形状にも限界があった
。また、チューブ状の被処理物の内面等、特殊な形状の被処理物に処理を施すことは困難
であった。
特許文献３には、多孔チューブ状被処理基材を大気圧近傍の圧力下において、グロー放電
を安定に発生させるガス若しくは処理ガス若しくはグロー放電を安定に発生させるガスと
処理ガスとの混合ガスの雰囲気中、または混合ガスを連続的に導入しながら、交流電圧を
印加し、大気圧グロープラズマ処理を行うことにより、多孔チューブ状被処理基材の内面
を表面改質する多孔チューブ状被処理基材の処理方法が開示されている。しかしながら、
この方法では、チューブの内径に合わせた特殊な形状の電極が必要であり、また、連続的
な処理も不可能であるという問題があった。

一方、プラズマ処理の具体的な方法としては、電極間で発生したプラズマガスを電極間の
外部に設置した被処理物に吹き付けるリモート法も知られている。リモート法は、電極間
に納めることができない大きさや形状の被処理物の表面にプラズマ処理を施すことができ
ることから、直接法に比べて被処理物の形状の自由度が高い。しかしながら、リモート法
により被処理物にプラズマ処理を施す場合、例えば、比較的長さの長いチューブ状の被処
理物の内面にプラズマ処理を施す場合、チューブの入口付近では充分な処理を施すことが
できるものの、チューブの中程ではほとんど処理が施されないことがあった。

また、プラズマ処理の問題点として、発生させたプラズマガスのほとんどが実際には処理
には供されずに大気中に放出されてしまい、極めて効率が悪いということがあった。特に
、高価な混合ガス等を用いる場合には、コスト面の問題が普及の足枷ともなっていた。

特開２０００−２８５１７１号公報 特開２００１−２００８３５号公報 特開平８−１８３１０７号公報

本発明は、上記現状に鑑み、チューブ状等の特殊な形状の被処理物であっても均一にプラ
ズマ処理を施すことができ、しかも、処理ガスを高効率で利用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。

本発明は、少なくとも、筐体、対向する２面がそれぞれ電極であるガス通路、ガス供給口
及びプラズマガス排出口からなるプラズマガス発生部、筐体、プラズマガス通路、プラズ
マガス供給口、プラズマガス排出口、及び、必要に応じてプラズマガス通路内に被処理物
を保持する手段からなる処理部、及び、前記プラズマガス発生部にガスを供給するガス供
給手段を有するプラズマ処理装置であって、前記ガス供給手段と前記プラズマガス発生部
のガス供給口とが直結されており、前記プラズマガス発生部のプラズマガス排出口と前記
処理部のプラズマガス供給口とが直結されているプラズマ処理装置である。
以下に本発明を詳述する。

本発明者らは、リモート法によるプラズマ処理装置において均一な処理ができない原因に
ついて検討した結果、大気によりプラズマガスが希釈され、その構成成分等が変動するた
めであることに到達した。そして、鋭意検討の結果、系全体をクローズにし、大気中の気
体が混入しないようにガスを電極間に供給して電圧を印加し、発生したプラズマガスを大
気中に開放することなく被処理物に導くことにより、極めて高い効率で均一にプラズマ処
理を施すことができることを見出した。更に鋭意検討の結果、プラズマ処理に供したプラ
ズマガスを大気中に開放することなく循環して用いれば、処理効率を大幅に向上できるこ
とを見出し、本発明を完成するに至った。

図１に本発明のプラズマ処理装置の好ましい１実施態様の模式図を示した。以下、この図
１を参照しながら、本発明のプラズマ処理装置について詳述する。
図１に示したプラズマ処理装置は、プラズマガス発生部１、処理部２及びガス供給手段３
とを有する。

上記プラズマガス発生部は、筐体、対向する２面がそれぞれ電極であるガス通路、ガス供
給口及びプラズマガス排出口からなる。
上記筐体は、上記ガス通路を確保し、プラズマガス発生部に大気中の気体が混入するのを
防ぐ役割を有する。
上記筐体としては絶縁体であれば特に限定されず、例えば、フッ素系、オレフィン系、ポ
リアミド系、ポリエステル系、エポキシ系等の樹脂からなるものが好適である。

上記プラズマガス発生部では、上記ガス通路をガスが通過する際に電圧を印加することに
よりプラズマガスを発生させる。
上記ガス通路の形状としては特に限定されないが、ガス通路の断面形状が長方形であるも
のが好適である。
上記ガス通路の対向する２面はそれぞれ電極である。ここで対向する２面とはガス通路の
断面形状が長方形である場合には、その対向する２面を意味する。

上記電極としては特に限定されず、例えば、鉄、銅、アルミニウム等の金属単体；ステン
レス、真鍮等の合金；金属間化合物からなるもの等が挙げられる。
また、上記電極の対向面は固体誘電体で被覆されていることが好ましい。この場合、固定
誘電体と電極とが密着し、かつ、接する電極の対向面を完全に覆うようにすることが好ま
しい。固定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、そこから異
常放電が生じて高密度プラズマ状態を保持しにくくなることがある。

上記固体誘電体としては特に限定されず、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からな
るもの等が挙げられる。なお、平板電極を被覆する固体誘電体としては、このようなセラ
ミックコーティングやホーロー処理等、電極表面に直接固着（コーティング）するものの
他、石英板、ガラス板、アルミナ板などのセラミック板を電極表面に密着させるものでも
よい。
上記固体誘電体の厚さの好ましい下限は０．１ｍｍ、好ましい上限は２ｍｍである。

上記対向する電極間の距離としては、その上に被覆する固体誘電体の厚さ、印加電圧の大
きさ等を考慮して適宜決定されるが、好ましい下限は０．１ｍｍ、好ましい上限は５０ｍ
ｍである。０．１ｍｍ未満であると、電極間の間隔をおいて設置するのが困難であること
があり、５０ｍｍを超えると、均一なグロー放電プラズマを発生させることができないこ
とがある。より好ましい上限は５ｍｍである。

図２に上記プラズマガス発生部の好ましい１態様を示す模式図を示した。図２の示したプ
ラズマガス発生部１は、筐体１１のほぼ中心を断面形状が長方形であるガス通路１２が貫
き、その両端でガス供給口１４とプラズマガス排出口１５に接続している。ガス通路１２
の対向する２面は電極１３となっており、プラズマガス発生部１に供給されたガスは必ず
この電極１３間を通過することになる。

また、上記プラズマガス発生部のプラズマガス排出口は、１対の電極に対してただ１つの
みであってもよいし、複数であってもよい。図３にプラズマガス排出口１５が複数ある場
合のプラズマガス発生部の１態様を示した。ここでは、ガス通路１２の電極１３間で電圧
を印加されてプラズマ化したガスが、その後ガス通路１２が分岐して、２つのプラズマガ
ス排出口１５から排出されるようになっている。このように複数のプラズマガス排出口を
備えることにより同時に複数の処理部を接続することが可能となり、処理効率を更に向上
させることができる。

上記処理部は、筐体、プラズマガス通路、プラズマガス通路内に被処理物を保持する手段
、プラズマガス供給口及びプラズマガス排出口からなる。
上記筐体は、上記プラズマガス通路を確保し、処理部内に大気中の気体が混入するのを防
ぐ役割を有する。
上記筐体としては絶縁体であれば特に限定されず、例えば、フッ素系、オレフィン系、ポ
リアミド系、ポリエステル系、エポキシ系等の樹脂、又は、セラミック、ガラス等からな
るものが好適である。
なお、後述するように被処理物がチューブ形状であり、その内部にプラズマ処理を施す場
合には、被処理物自体を筐体としてもよい。

上記処理部のプラズマガス通路に被処理物を置けば、通過するプラズマガスにより被処理
物にプラズマ処理が施される。このときプラズマガスは、大気中の空気が混入して希釈さ
れることがなく、また、被処理物を処理することにより消費されるプラズマガスの量もご
くわずかである。従って、定常状態では、プラズマガス通路内のプラズマガスはほぼ均一
な濃度、組成となり、プラズマガス通路内に設置された被処理物には均一なプラズマ処理
が施される。

上記処理部の具体的な１例を図４に示した。
図４ａに示した例では、被処理物がチューブ状体である。このようなチューブ状の被処理
物の内面をプラズマ処理することが目的である場合には、被処理物自体を処理部としても
よい。即ち、チューブそのものが筐体２１、チューブの内側がプラズマガス通路２３、チ
ューブの一端がプラズマガス供給口２４、他端がプラズマガス排出口２５となる。そして
チューブの内面が被処理物２２であるので、被処理物を保持する手段は特に必要ない。

図４ｂに示した例では、筐体２１は箱型であり、この筐体２１の両端にプラズマガス供給
口２４とプラズマガス排出口２５とが設けられている。筐体２１の内側がプラズマガス通
路２３となっており、このプラズマガス通路２３内に被処理物２２が設置される。この例
では、被処理物２３は、被処理物保持手段２６により宙に保持されているので、被処理物
２３の全面にプラズマ処理が施される。

また、大気中の空気が混入しない態様であるならば、上記処理部の外部から処理部中に被
処理物を連続的に供給してもよい。
例えば図４ｃに示した例では、筐体２１の一面に２つのローラー２７が設けられており、
シート状の被処理物２２が処理部の外部から供給される。ローラー２７として、例えば、
ゴム等の弾性率の高い素材からなるものを用い、更に、被処理物２２の供給口にゴムパッ
キン等を備えることにより、実質的にほとんど大気中の空気が処理部内に侵入することが
ない。ローラー２７は被処理物保持手段としても働き、被処理物２２は宙に保持されてい
るので、シート状の被処理物２２の両面にプラズマ処理が施される。

上記プラズマガス発生部のプラズマガス排出口と上記処理部のプラズマガス供給口とは直
結される。ここで直結とは、大気中の空気が混入しない態様で接続することを意味する。
上記プラズマガス発生部のプラズマガス排出口と上記処理部のプラズマガス供給口との連
結部としては特に限定されないが、着脱可能なカプラータイプのものにすれば、自由に処
理部を付け替えることができることから、更に実用性が向上する。また、連結部としては
、上記プラズマガス発生部のプラズマガス排出口と上記処理部のプラズマガス供給口の孔
径によらずに接続できるタイブのものも好適である。

上記プラズマガス発生部にガスを供給するガス供給手段としては特に限定されず、例えば
、コンプレッサポンプ等が挙げられる。
図１に示したプラズマ処理装置では、ガス供給手段として、ガスボンベが接続されたコン
プレッサポンプ２が設けられている。また、上記ガス供給手段では、コンプレッサポンプ
により送り出したガスな流れを整えるための整流部が設けられていてもよい。
上記ガス供給手段は、上記プラズマガス発生部のガス供給口に直結される。

本発明のプラズマ処理装置は、更に、処理部を通過したプラズマガスを、プラズマガス発
生部に循環させる手段を有することが好ましい。
上記処理部においてプラズマ処理に供せられたプラズマガスには大気中の空気は混入して
おらず、その成分構成はほとんど変化していない。従って、これを循環して用いても電圧
等の条件を変更する必要がなく、連続的に処理を行うことができる。また、ガスとして高
価な混合ガスを用いる場合でも、ガスの消費量を飛躍的に低減させることができる。
具体的には、上記処理部のプラズマガス排出口にガス管等を直結して、これを上記ガス供
給手段に循環することが考えられる。
図１に示した態様では、処理部２にガス輸送管５を直結してプラズマガスを回収し、いっ
たんバッファタンク６に戻してからガス供給手段３に送っている。

本発明のプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法もまた、本発明の１つである。
次に、本発明のプラズマ処理方法について説明する。
本発明のプラズマ処理方法において用いるガスとしては、後述するパルス放電プラズマで
は希ガスがなくてもグロー放電プラズマを発生することができることから特に限定されな
いが、窒素ガス、窒素と酸素との混合ガス等が好適である。なかでも、酸素との混合ガス
は、有機物の分解効果が高い。

このようなガスを本発明のプラズマ処理装置のプラズマガス発生部に、ガス供給手段によ
り供給しながら、高周波、パルス波、マイクロ波等の電界を印加してグロー放電プラズマ
を発生させることによりプラズマガスを生成させる。
この場合の電界としては、パルス電界が好ましく、特に、電界の立ち上がり及び／又は立
ち下がり時間が１０μｓ以下であるパルス電界が好適である。パルス電界の立ち上がり及
び／又は立ち下がり時間が１０μｓを超えると、放電状態がアーク放電に移行しやすく不
安定なものとなり、高密度プラズマ状態を保持しにくくなることがある。より好ましくは
５μｓ以下である。電界の立ち上がり及び／又は立ち下がり時間は、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、効率よくプラズマ化したガスを得ることができる
が、現時点では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困難である
。
なお、本明細書において電解の立ち上がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して増加する
時間を意味し、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意味する
。

上記電界の電界強度の好ましい下限は１０ｋＶ／ｃｍ、好ましい上限は１０００ｋＶ／ｃ
ｍである。１０ｋＶ／ｃｍ未満であると、プラズマ化したガスの生成に時間がかかりすぎ
ることがあり、１０００ｋＶ／ｃｍを超えると、アーク放電が発生しやすくなり、高密度
プラズマ状態を保持しにくくなることがある。

上記電界の周波数の好ましい下限は０．５ｋＨｚである。０．５ｋＨｚ未満であるとプラ
ズマ密度が低いためプラズマ化したガスの生成に時間がかかりすぎることがある。上限は
特に限定されず、常用されている１３．５６ＭＨｚ、試験的に使用されている５０ＭＨｚ
といった高周波帯であってもよいが、負荷との整合のとり易さや取り扱い性を考慮すると
５００ｋＨｚ以下であることが好ましい。

また、上記パルス電界におけるひとつのパルス継続時間の好ましい下限は０．５μｓ、好
ましい上限は２００μｓである。２００μｓを超えると、アーク放電に移行しやすくなる
。
なお、本明細書においてひとつのパルス継続時間とは、ＯＮとＯＦＦとの繰り返しからな
るパルス電界における、ひとつのパルスの連続するＯＮ時間を意味する。
また、このときのＯＦＦ時間の好ましい下限は０．５μｓ、好ましい上限は１０００μｓ
であり、より好ましい上限は５００μｓである。

また、上記ガスを対向する電極間に供給する速度としては特に限定されず、プラズマの状
態や処理条件等により適宜調整すればよいが、好ましい下限は１ｍ／ｓ、好ましい上限は
５０ｍ／ｓである。１ｍ／ｓ未満であると、電流パスができやすく、放電が不安定になる
ことがある。より好ましい下限は２ｍ／ｓ、より好ましい上限は２０ｍ／ｓｅｃである。

プラズマガスは、どのような圧力下でも生成させ用いることができるが、なかでも大気圧
近傍下の圧力下で用いると、その効果が特に高い。
なお、本明細書において大気圧近傍の圧力下とは、１．３３３×１０⁴ 〜１０．６６４×
１０⁴ Ｐａの圧力下を意味する。なかでも、圧力調整が容易で、装置の構成を簡便にする
ことができる９．３３１×１０⁴ 〜１０．３９７×１０⁴ Ｐａの範囲が好ましい。

発生したプラズマガスを本発明のプラズマ処理装置の処理部に送り、処理部中に設置した
被処理物にプラズマ処理を施す。更に、処理後のプラズマガスは、循環し再利用すること
が好ましい。
なお、本発明のプラズマ処理方法では、処理の立ち上がりにおいては、装置内に空気が残
留している可能性がある。そこで、ガスの供給を開始してから、一定時間供給を続けた後
に全ての部材を接続して系全体をクローズにし、その上で電圧の印加を開始することが好
ましい。

本発明によれば、チューブ状の被処理物であっても均一にプラズマ処理を施すことができ
、しかも、発生させたプラズマガスを高効率で利用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ができる。

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定
されるものではない。

（実施例１）
図１に示した構成のプラズマ処理装置を作製した。ここでプラズマガス発生部１としては
図２に示した構造のものを用い、被処理物を軟質ＰＶＣからなる内径６ｍｍ、長さ５００
ｍｍのチューブ状体として、これを処理部２とした。
ガスとして窒素を用い、立ち上がり／立ち下がり時間５μｓ、Ｖ_Ｐ−Ｐ１２ｋＶ、周波数
１０ｋＨｚの電圧を印加してプラズマガスを発生させ、５ｍ／ｓの速度でプラズマガス発
生部に送り込みながら、チューブ状体の内面を３０秒間プラズマ処理した。

（比較例２）
チューブ状体をプラズマガス発生部１のプラズマガス供給口に直結せずに、離した状態で
、プラズマガス供給口から吹き出すガスを内面に送り込んで処理を行った以外は実施例１
と同様の条件にてプラズマ処理を行った。

（実施例２）
実施例１と同様の構成で、処理に供したプラズマガスを循環して再利用しながら、５０本
のチューブ状体の内面にプラズマ処理を施した。

実施例１、２及び比較例１で得られたプラズマ処理済のチューブ状被処理物を縦に割り、
その内面に濡れ張力測定液（和光純薬社製）を均一に塗布した。プラズマガス発生部に近
い側の端部付近、長さ方向の中央付近、及び、プラズマガス発生部に遠い側の端部付近で
任意に選択したそれぞれ３点をおいて濡れ張力を測定し、その平均値を求めた。
なお、実施例３の評価としては５０本目に処理したチューブ状被処理物について評価を行
った。
結果を表１に示した。

本発明によれば、チューブ状の被処理物であっても均一にプラズマ処理を施すことができ
、しかも、発生させたプラズマガスを高効率で利用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ができる。

本発明のプラズマ処理装置の好ましい１実施態様を示す模式図である。 プラズマガス発生部の好ましい１態様を示す模式図である（ａは上面図、ｂは側面図、ｃは正面図である）。 プラズマガス排出口を複数有するプラズマガス発生部の好ましい１態様を示す模式図である（ａは上面図、ｂは正面図である）。 処理部の好ましい１態様を示す模式図である。

符号の説明

１ プラズマガス発生部
２ 処理部
３ ガス供給手段
４ ガスボンベ
５ ガス輸送管
６ バッファタンク
１１ 筐体
１２ ガス通路
１３ 電極
１４ ガス供給口
１５ プラズマガス排出口
２１ 筐体
２２ 被処理物
２３ プラズマガス通路
２４ プラズマガス供給口
２５ プラズマガス排出口
２６ 被処理物保持手段
２７ ローラー

Claims (3)

1. 少なくとも、
   筐体、対向する２面がそれぞれ電極であるガス通路、ガス供給口及びプラズマガス排出口
   からなるプラズマガス発生部、
   筐体、プラズマガス通路、プラズマガス供給口、プラズマガス排出口、及び、必要に応じ
   てプラズマガス通路内に被処理物を保持する手段からなる処理部、及び、
   前記プラズマガス発生部にガスを供給するガス供給手段を有するプラズマ処理装置であっ
   て、
   前記ガス供給手段と前記プラズマガス発生部のガス供給口とが直結されており、前記プラ
   ズマガス発生部のプラズマガス排出口と前記処理部のプラズマガス供給口とが直結されて
   いる
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 処理部を通過したプラズマガスを、プラズマガス発生部に循環させる手段を有することを
   特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 請求項１又は２記載のプラズマ処理装置を用いることを特徴とするプラズマ処理方法。

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