JP2006097105A - 大気圧プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電空間内にガスの対流を作ることにより、均一かつ高安定な処理が行え、さらに多層の処理が行える簡素でかつ安価な大気圧プラズマ処理装置の提供にある。
【解決手段】大気圧近傍の圧力下で、処理基材４を挟んで一対の電極１、２を備え、該電極間に処理ガスを導入する処理ガス供給口８と、ガスを排気するための処理ガス排気口７とを備えてなり、電圧を印加することにより、前記処理基材４にプラズマ処理を施す大気圧プラズマ処理装置であって、少なくとも一方の電極１に処理ガス供給口８を２つ以上、及び処理ガス排気口７を２つ以上設けてなり、かつ該処理ガス供給口８及び処理ガス排気口７が交互に配設されている大気圧プラズマ処理装置とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気圧近傍の圧力下におけるプラズマ処理装置に関するものであり、さらに詳しくは、１００〜１０００Ｔｏｒｒの大気圧近傍の圧力下でのグロー放電プラズマにより高安定性かつ均一性を有したプラズマ反応処理、表面洗浄処理や金属酸化物薄膜の形成を同一電極面上で多層の処理を効率良く行うための大気圧プラズマ処理装置に関するものである。

グロープラズマを利用した技術は、低温かつ高エネルギーである特徴から、表面改質や反応性、現在多岐に渡る分野で利用されている。従来、高分子フィルム、シリコンウエハ等の基材表面に、機能性の薄膜を積層する方法として、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、減圧プラズマＣＶＤ等の方法が用いられてきた。しかしながら、これらの方法はいずれも真空中でのプロセスである。そのため、真空度に見合った減圧のための設備が必要であり、それにともない排気に要する時間もかかるため、設備コストやランニングコストが嵩むものであった。

そこで電極間に固体誘電体を被覆することにより大気圧近傍の圧力下でも均一なグロー放電プラズマが発生することが発見され、従来、上記のような真空中のプロセスであった薄膜形成、表面処理の分野で盛んに研究が進められている。このような真空中のプロセスに比べて、大気圧プラズマＣＶＤは真空中でのプロセスを必要としないため、設備コストやランニングコストが極めて安価なものとなる。この大気圧中のプラズマとしては、コロナ放電処理装置のような、表面処理装置が古くから利用されていが、このコロナ放電処理装置においては、放電がまばらであり、均一な処理は困難であるという問題があり、処理均一性の高い表面処理をもたらすためには、より均一なグロー放電が必要であった。

一方、大気圧グロープラズマは、大気中で処理が行えるものの、大気からの放電空間内へのガスの混入による均一なプラズマの維持の困難で、逆に大気へ処理ガスが流出すると、大気汚染や人体への害等が考えられ、その処理ガスと外気は、なるべく隔離する必要がある。

以上のように、大気圧プラズマは、真空中のプロセスに比べ設備コスト等から大きな利点を有しているものである。

しかしながら、大気圧の近傍の圧力下においては、ガスの対流がないため、減圧時に比べ、ガスが拡散しにくく、ガスの流れが滞る部分が存在しやすい。すなわち、放電空間内に反応に必要なガスを導入する場合、ガスは均一に拡散せず、ガスの偏りが生じるため、処理が不均一になりやすいという問題があった。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するものであり、その課題とするところは、放電空間内にガスの対流を作ることにより、均一かつ高安定な処理が行え、さらに、多層の処理が行える簡素でかつ安価な大気圧プラズマ処理装置を提供することにある。

本発明に於いて上記課題を達成するために、まず請求項１の発明では、大気圧近傍の圧力下で、処理基材を挟んで一対の電極を備え、該電極間に処理ガスを導入する処理ガス供
給手段と、ガスを排気するための処理ガス排気手段とを備えてなり、電圧を印加することにより、前記処理基材にプラズマ処理を施す大気圧プラズマ処理装置であって、少なくとも一方の電極に処理ガス供給口を２つ以上、及び処理ガス排気口を２つ以上設けてなり、かつ該処理ガス供給口及び処理ガス排気口が交互に配設されていることを特徴とする大気圧プラズマ処理装置としたものである。

また、請求項２の発明では、前記処理ガス供給口及び／又は処理ガス排気口はスリット状であることを特徴とする請求項１記載の大気圧プラズマ処理装置としたものである。

また、請求項３の発明では、前記処理ガス供給口及び／又は処理ガス排気口は複数の口を有する群からなり、該処理ガス供給口及び／又は処理ガス排気口の群が平行に配列してなり、該処理ガス供給口からなる列と処理ガス排気口からなる列とが交互に配設されていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項記載の大気圧プラズマ処理装置としたものである。

また、請求項４の発明では、前記一対の電極のうち、少なくとも一方の電極が誘電体で覆われていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の大気圧プラズマ処理装置としたものである。

また、請求項５の発明では、前記処理基材を搬送させるための基材搬送手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の大気圧プラズマ処理装置としたものである。

また、請求項６の発明では、前記電極に設けられている処理ガス供給口及び処理ガス排気口が、処理基材搬送方向に対し交互に配設されており、かつ配設の両端が処理ガス排気口からなることを特徴とする請求項５記載の大気圧プラズマ処理装置としたものである。
また、請求項７の発明では、前記電極の両端に、処理基材と該電極間に存在する処理ガスの流出を防ぐためのガス遮断手段が接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の大気圧プラズマ処理装置としたものである。

また、請求項８の発明では、前記ガス遮断手段が誘電体材料からなることを特徴とする請求項７記載の大気圧プラズマ処理装置としたものである。

本発明は以上の構成であるから、下記に示す如き効果がある。

即ち、上記請求項に係る発明によれば、電極内に処理ガス排気口と処理ガス供給口を交互に設けることによって、大気圧下においても、比較的容易にガスの対流を作ることができ、さらにこのガスが均等に拡散されるため、ガスの滞る部分ができ難くなり、均一な膜厚分布で高安定な大気圧ＣＶＤ成膜が行える大気圧プラズマ処理装置とすることができる。

さらにまた、隣接したガス排気口間でガスの流れは完結されるので、一つの電極内で多層の処理を行うことができ、電極を並列に何個も並べる必要がなく、低コスト化でより安定なグロープラズマ処理が行える大気圧プラズマ処理装置とすることができる。

以下本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて詳細に説明する。

本発明の大気圧プラズマ処理装置は、図１に示すように、大気圧近傍の圧力下で、上下
部電極１、２間を送行する基材４上にプラズマ処理を行う装置であって、同一上部電極１内に処理ガス排気口７と処理ガス供給口８を２つ以上交互に設け、処理ガス排気口７間に、均一なガスの流れを作り、処理ガス供給口８の数だけ多層な処理を行える電極１、２である。

大気圧下の圧力においては、ガスが非常に拡散しにくく、ガスの流れが滞ったり、反応領域内でガスが偏りやすくなるため、処理が不均一になりやすいが、このように反応領域内にガスの流れを作るために、処理ガス供給口８とともに、処理ガス排気口７を設けることにより、上部電極１内で均一なガスの流れを作ることができる。

また、処理ガス供給口８から電極１内に導入したガスは、隣接した処理ガス排気口７から回収されるため、処理ガス供給口８に挟まれた処理ガス排気口７間でガスの流れは完結する。本発明においては処理ガス排気口７と処理ガス供給口８を交互に設けるため、処理ガス供給口８の数だけ、それぞれ独立した処理ステージを設けることができ、一つの電極対１、２内で多層の処理が行える。例えば、アンカー処理、本処理、オーバー処理の３層の処理を一つの電極間内にて行うことができる。

上記処理ガス供給口８と処理ガス排気口７は、例えば図２に示すように、処理ガス供給口８及び処理ガス排気口７ともにスリット状で交互に配設されているようにすることができる。

また、例えば図３に示すように、処理ガス供給口８及び処理ガス排気口７ともに複数の口を有する群でかつ平行に配列しているものとし、両者が交互に配設されているようにすることもできる。

また、例えば図４に示すように、処理ガス排気口７を複数の口を有する群で、かつ平行に配列しているものとし、処理ガス供給口８をスリット状のものとし、両者が交互に配設されているようにすることもできる。

さらにまた、例えば図５に示すように、処理ガス排気口７をスリット状のものとし、処理ガス供給口８を複数の口を有する群でかつ平行に配列しているものとし、両者が交互に配設されているようにすることもできる。

上記処理ガス供給口８から導入する雰囲気ガスとしては、不活性なガスが望ましく、ヘリウム、アルゴン、窒素を単体、またはこれら２種類以上の混合物を用いることが望ましい。また、反応性ガスとしては、たとえば、酸素、水素、炭化水素、アンモニア、二酸化炭素等が挙げられる。これらは所定の薄膜組成やその物性に応じて選択される。また混合ガス成分に関しては、希ガス濃度が混合ガス成分の９０％以上であることが望ましい。

上記処理ガス排気口７は、ガスの流量に合わせた排気量のコンプレッサーやロータリーポンプ等の減圧式のポンプに接続すれば良い。前記ガス排気量はガス吹き出し量と同量であることが望ましい。

また、放電空間は外気と隔離することが望ましく、電極１、２間側面にカバーを設けることが好ましい。このカバーとしては、テフロン（登録商標）、アクリル、ガラス等の誘電体であれば構わない。これにより、大気中のガスの放電空間への流入および処理ガスの大気放出を防ぎ、放電空間内にきれいなガスの流れを作ることができる。

また、基材４の送行方向に対して一番外側となるガスの流路は、処理ガス排気口７とすることが望ましく、これにより、基材４の送行方向よりの放電空間へのガスの流入を防ぐ
ことができる。また、この一番外側に配置された処理ガス排気口の外側に、基材の搬送を妨げない程度に、外気の進入を少なくするためのシール材１３を配置しても良い。

本発明の成膜方法における雰囲気圧力は、１００〜１０００Ｔｏｒｒの大気圧近傍の圧力であり、圧力調整が容易な７６０±１００Ｔｏｒｒの範囲の圧力が特に好ましい。

本発明の大気圧プラズマ処理装置に使用する原料ガスの材料は、常温常圧において液体である有機金属化合物が望ましい。有機珪素化合物では、具体的な例としては、テトラエトキシシラン、ヘキサメチルジシロキサン、メチルトリエトキシシラン、１，１，３，３，テトラメチルジシロキサン、テトラメトキシシラン、メトキシトリメチルシラン、テトラメチルシラン、ヘキサメチルトリシロキサン、テトラクロロシラン、トリクロロメチルシラン、トリメチルクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、ジメチルクロロシランなどを挙げることができるが、特に、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ：Ｃ２ Ｈ２０Ｏ４ Ｓｉ：沸点１６９℃）、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ：Ｃ６ Ｈ１８ＯＳｉ２
：沸点１００℃）が好ましい化合物である。

また、本発明の大気圧プラズマ処理装置に使用する基材４としては、特に制限はないが、高分子フィルム、シリコン基板等の金属基板、ガラス基板、セラミック等が挙げられる。高分子フィルムの具体的な例としてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ナイロン−６、ナイロン−６６、ポリビニルアルコール等が挙げられる。これらの高分子フィルムには添加剤、例えば可塑剤、帯電防止剤、滑剤、紫外線吸収剤等が含まれていてもよい。

上記基材４の搬送は、電極１、２間内を均一な速度で搬送できれば良く、その搬送方式は特に問わないが、例えば、フィルム基材であれば、電極外に基材４の幅方向への均一なテンションをかけたローラーを設ければ良い。

また、本発明の大気圧プラズマ処理装置で使用する電源としては、交流パルス電源やＭＦ電源、ＲＦ電源等があげられるが、数ｋＨｚ以上の周波数の交流電源であれば良い。

次に、本発明の大気圧プラズマ処理装置を使用した処理方法を具体例を挙げて説明すると、例えば図１に示すように、厚さ３０μｍの二軸延伸ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムを基材４として使用し、電極１、２の空間内を送行させた。

続いて図１に示したように、４個の処理ガス供給口８と、３個の処理ガス排気口７を交互に設けた場合には、一度に３層の処理が行える。例えば、１層目では、ヘリウムやアルゴン等の雰囲気ガスに酸素を混合したガスを導入して、基材４表面に付着した汚れ、主に表面有機物の除去、および表面活性化のための前処理を行い、基材４の密着性を上げることができる。

次に、２層目で、雰囲気ガスと酸素とＴＥＯＳを混合したガスを導入して、１層目で易接着処理を行ったＰＥＴ基材に、ＳｉＯｘからなる薄膜を形成する。最後に３層目で、雰囲気ガスと酸素を導入して、２層目で形成したＳｉＯｘ薄膜の膜面安定化後処理を行う。３層目の後処理を行うことによって、形成した薄膜は、水滴接触角が数度の超親水性の薄膜を形成することができる。

以上のように、本発明の大気圧プラズマ処理装置によって、従来のプラズマＣＶＤ等のように真空系を必要とすることがなく、一つの電極内で、多層の処理を行うため高効率での薄膜製造が可能である。また、電極を並列に並べることなく一つの電極内で処理を完結できるため、装置が大掛かりにならず、これらの過程をインラインで行うことを容易とす
る。

本発明の大気圧プラズマ処理装置の一実施の形態を側断面で表した説明図である。 本発明の大気圧プラズマ処理装置の一事例を構成する処理ガス排気口と処理ガス供給口の一形状を下面から見た模式図である。 本発明の大気圧プラズマ処理装置の一事例を構成する処理ガス排気口と処理ガス供給口の他の一形状を下面から見た模式図である。 本発明の大気圧プラズマ処理装置の一事例を構成する処理ガス排気口と処理ガス供給口の他の一形状を下面から見た模式図である。 本発明の大気圧プラズマ処理装置の一事例を構成する処理ガス排気口と処理ガス供給口の他の一形状を下面から見た模式図である。

符号の説明

１‥‥上部電極
２‥‥下部電極
３‥‥誘電体層
４‥‥基材
５‥‥交流電源
６‥‥基材搬送ローラ
７‥‥処理ガス排気口
８‥‥処理ガス供給口
９‥‥ガス導入ライン
１０‥‥ガス排気ライン
１３‥‥シール材

Claims (8)

1. 大気圧近傍の圧力下で、処理基材を挟んで一対の電極を備え、該電極間に処理ガスを導入する処理ガス供給手段と、ガスを排気するための処理ガス排気手段とを備えてなり、電圧を印加することにより、前記処理基材にプラズマ処理を施す大気圧プラズマ処理装置であって、少なくとも一方の電極に処理ガス供給口を２つ以上、及び処理ガス排気口を２つ以上設けてなり、かつ該処理ガス供給口及び処理ガス排気口が交互に配設されていることを特徴とする大気圧プラズマ処理装置。
2. 前記処理ガス供給口及び／又は処理ガス排気口はスリット状であることを特徴とする請求項１記載の大気圧プラズマ処理装置。
3. 前記処理ガス供給口及び／又は処理ガス排気口は複数の口を有する群からなり、該処理ガス供給口及び／又は処理ガス排気口の群が平行に配列してなり、該処理ガス供給口からなる列と処理ガス排気口からなる列とが交互に配設されていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項記載の大気圧プラズマ処理装置。
4. 前記一対の電極のうち、少なくとも一方の電極が誘電体で覆われていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の大気圧プラズマ処理装置。
5. 前記処理基材を搬送させるための基材搬送手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の大気圧プラズマ処理装置。
6. 前記電極に設けられている処理ガス供給口及び処理ガス排気口が、処理基材搬送方向に対し交互に配設されており、かつ配設の両端が処理ガス排気口からなることを特徴とする請求項５記載の大気圧プラズマ処理装置。
7. 前記電極の両端に、処理基材と該電極間に存在する処理ガスの流出を防ぐためのガス遮断手段が接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の大気圧プラズマ処理装置。
8. 前記ガス遮断手段が誘電体材料からなることを特徴とする請求項７記載の大気圧プラズマ処理装置。