JP2006286551A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 処理ガスを、略常圧の放電空間に通して吹出し口から吹出し被処理物に当てるプラズマ処理装置における処理能力を高める。
【解決手段】 プラズマ処理装置１は、放電空間を形成する一対の電極１２，１２を含むプラズマ生成ユニット１０を備えている。このプラズマ生成ユニット１０が、被処理物と対向すべき被処理物対向面を有し、この被処理物対向面に吹出し口１０ｂが開口されている。被処理物対向面と被処理物との間に前記吹出し口１０ｂからの処理ガスを流す処理通路１０ｃが形成される。プラズマ生成ユニット１０の被処理物対向面を前記処理通路１０ｃの処理ガスの流れ方向に拡張させ、前記吹出し口１０ｂから前記流れ方向に沿って前記被処理物対向面の外端部までの距離Ｌを６５ｍｍより大きくする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、プラズマ処理装置に関し、特に、処理ガスを放電空間に通して吹出し、放電空間の外部に配置された被処理物に当てて洗浄等の表面処理を行なう、所謂リモート方式のプラズマ処理装置に関する。

例えば特許文献１には、リモート方式のプラズマ処理装置が記載されている。この種のプラズマ処理装置では、処理ガスを、電極間の放電空間でプラズマ化して吹出し、下方の被処理物に当てるようになっている。
特開平９−２１３４９７号公報

しかし、リモート方式は、被処理物を一対の電極間の放電空間に導入して処理を行なうダイレクト式と比べ処理能力が十分でない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、
処理ガスを、略常圧の放電空間に通して吹出し口から吹出し被処理物に当てるプラズマ処理装置であって、
前記放電空間を形成する一対の電極を含み、前記被処理物と対向すべきプラズマ生成ユニットを備え、
このプラズマ生成ユニットの被処理物対向面が、前記吹出し口を有して、前記被処理物との間に前記吹出し口からの処理ガスを流す処理通路を形成するようになっており、
このプラズマ生成ユニットの被処理物対向面を前記処理通路の処理ガスの流れ方向に拡張させ、前記処理通路を延ばすことを特徴とする。すなわち、前記吹出し口から前記流れ方向に沿って前記被処理物対向面の外端部までの距離Ｌを大きくすることを特徴とする。上記吹出し口から前記被処理物対向面の外端部までの距離Ｌは、少なくともＬ＞６５ｍｍである。装置の設置スペース等から許容されるサイズを考慮するとＬ＝３００ｍｍ程度が上限と考えられ、したがって、好ましくは６５ｍｍ＜Ｌ≦３００ｍｍである。Ｌ＝２００ｍｍ程度までは処理能力が確認されており、したがって、より好ましくは６５ｍｍ＜Ｌ≦２００ｍｍである。更に好ましくは６５ｍｍ＜Ｌ≦１５０ｍｍである。Ｌ＝１２０ｍｍ程度が好適である。距離Ｌの設定範囲の下限を６５ｍｍより大きな９０ｍｍ程度としてもよい。
これにより、放電空間から吹き出されたラジカル等の活性種を、被処理物対向面と被処理物の間の処理通路に十分長く留めさせ、効率良く十分に処理反応を起こさせて使い切ることができるとともに、外気が処理通路の奥深く侵入してくるのを抑制して活性種の失活を防止し延命を図ることができる。この結果、リモート式常圧プラズマ処理装置の処理能力を高めることができる。処理ガスの所要量を低減することもできる。

前記プラズマ生成ユニットには、前記電極を収容するユニット本体の側部から延出部が延出されており、
前記被処理物対向面が、前記ユニット本体から前記延出部に跨っており、
前記ユニット本体に前記吹出し口が設けられる一方、前記延出部の外端部が、前記被処理物対向面の外端部を構成していてもよい。

前記プラズマ生成ユニットの被処理物対向面は、平滑面になっていることが望ましい。その表面粗さＲａは好ましくはＲａ＝３．２μｍ以下であり、より好ましくはＲａ＝２．５μｍ以下である。また、前記プラズマ生成ユニットの処理物対向面を構成する部材が、活性種との反応性の小さい物質（例えば酸素ラジカル等に対してはガラス、セラミックス、金属板などの無機物）からなることが望ましい。これによって、活性種が損なわれるのをより一層抑制でき、処理能力をより一層向上させることができる。

本発明は、略常圧（大気圧近傍の圧力）の環境下でのプラズマ処理に適している。本発明における略常圧とは、１．０１３×１０⁴〜５０．６６３×１０⁴Ｐａの範囲を言い、圧力調整の容易化や装置構成の簡易化を考慮すると、１．３３３×１０⁴〜１０．６６４×１０⁴Ｐａが好ましく、９．３３１×１０⁴〜１０．３９７×１０⁴Ｐａがより好ましい。

本発明によれば、放電空間から吹き出された活性種を、被処理物対向面と被処理物の間の処理通路に十分長く留めさせ、効率良く十分に処理反応を起こさせて使い切ることができるとともに、外気が処理通路の奥深く侵入してくるのを抑制して活性種の失活を防止し延命を図ることができる。この結果、リモート式常圧プラズマ処理装置の処理能力を高めることができる。処理ガスの所要量を低減することもできる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、基材９０（被処理物）の洗浄等の表面処理を行なうためのリモート式常圧プラズマ処理装置１を示したものである。リモート式常圧プラズマ処理装置１は、基材セット手段２０と、その上方に配置されたプラズマ生成ユニット１０と、これに被さる排気カバー３０を備えている。

セット手段２０上に処理すべき基材９０がセットされるようになっている。図２に示すように、基材９０は、例えば１０００ｍｍ（左右）×８００ｍｍ（前後）程度の四角形の板状をなしている。
図１の白抜き矢印に示すように、セット手段２０ひいては基材９０は、プラズマ生成ユニット１０に対し例えば左右に相対移動されるようになっている。この移動速度は、例えば１〜３ｍ／ｍｉｎ程度が好ましく、２ｍ／ｍｉｎ程度がより好ましい。なお、基材セット手段２０ひいては基材９０をプラズマ生成ユニット１０に対し静止した状態で表面処理するようになっていてもよい。

排気カバー３０は、底部が開口された容器状をなし、プラズマ生成ユニット１０の上側及び前後左右の側部を覆っている。排気カバー３０とプラズマ生成ユニット１０の間に排気路３１が形成されている。排気路３１は、下方に開放されるとともに、排気管３２を経て吸引ポンプ等の吸引排気手段３３に接続されている。これにより、処理済みのガスを吸引排気できるようになっている。

プラズマ生成ユニット１０は、左右一対の電極１２，１２と、これら電極１２，１２を収容するユニット本体１１とを有している。
各電極１２は、断面四角形状をなして前後（図１の紙面直交方向）に延びている。電極１２の長さは、少なくとも基材９０の前後寸法と同等であり、好ましくは基材９０の前後寸法より大きい。少なくとも一方の電極１２の対向面には固体誘電体層（図示省略）が設けられている。

一対の電極１２，１２の間にスリット状の空間１０ａが形成されている。処理ガス源４０からガス供給ライン４１が延び、電極間空間１０ａの上端部に連なっている。洗浄用の処理ガスとしては例えば窒素に微量の酸素を混入した混合ガスが用いられている。窒素の流量は、例えば４５０〜６００Ｌ／ｍｉｎ程度が好ましく、節約の観点からは４５０Ｌ／ｍｉｎ程度がより好ましい。酸素の流量は、例えば１００〜２００ｍＬ／ｍｉｎ程度が好ましく、節約の観点からは１００ｍＬ／ｍｉｎ程度がより好ましい。

一対の電極１２，１２のうちの一方は、高周波電源５０に接続されてホット電極となり、他方は電気的に接地されてアース電極となっている。高周波電源５０からホット電極１２への電圧印加によって電極間空間１０ａにプラズマ放電が形成される。これによって、電極間空間１０ａがプラズマ空間となり、このプラズマ空間１０ａに導入された処理ガスがプラズマ化されるようになっている。

高周波電源５０の投入パワーは、例えば１．６〜２．０ｋＷ程度が好ましく、周波数は、例えば３０〜３５ｋＨｚ程度が好ましい。なお、電源としてパルス電源を用いてもよい。

プラズマ生成ユニット１０の底部には、一対の底板１３，１３が設けられている。これら底板１３，１３によって電極１２の下面（被処理物と対向する側の面）が覆われている。一対の底板１３，１３の対向端面どうし間に吹出し口１０ｂが形成されている。この吹出し口１０ｂに電極間空間１０ａの下端部がストレートに連なっている。

底板１３は、ユニット本体１１から外側へ延出され、延出部１３ｅを構成している。底板１３の外端部と排気カバー３０の下端縁との間に上記排気路３１の開口が形成されている。この開口の巾寸法（底板１３の外端部と排気カバー３０の間の距離）は、例えば１０ｍｍ程度である。

プラズマ生成ユニット１０の底板１３が、セット手段上の基材９０（被処理物）と対向するようになっている。すなわち、底板１３の下面は、プラズマ生成ユニット１０の被処理物対向面を構成している。被処理物対向面は、ユニット本体１１から延出部１３ｅに跨っている。被処理物対向面の全域が平面になっている。被処理物対向面の外端部に底板１３の外端面が直交（交差）している。

各底板１３の左右巾寸法すなわち吹出し口１０ｂから被処理物対向面の外端部までの距離Ｌは、少なくとも６５ｍｍを越えており、好ましくは６５ｍｍ＜Ｌ≦３００ｍｍであり、より好ましくは６５ｍｍ＜Ｌ≦２００ｍｍであり、更に好ましくは６５ｍｍ＜Ｌ≦１５０ｍｍである。この実施形態ではＬ＝１２０ｍｍとしている。

なお、底板１３の前後長さ（図１の紙面直交方向の寸法）は、電極１２の全長を覆う大きさになっている。

底板１３とその下方の基材９０の間に処理通路１０ｃが形成されるようになっている。底板１３と基材９０の間の距離（ワーキングディスタンス）は、例えば２〜３ｍｍが好ましく、３ｍｍ程度がより好ましい。

底板１３の下面すなわち被処理物対向面は、平滑化処理が施され、平滑面になっている。その表面粗さＲａは、好ましくはＲａ＝３．２μｍ以下であり、より好ましくはＲａ＝２．５μｍ以下である。

底板１３すなわち被処理物対向面構成部材は、ガラス、セラミックス、金属等の無機材料にて構成するのが好ましく、ガラスやセラミックスにて構成するのがより好ましい。
底板１３は、単一の部材で構成するのに限られず複数の部材を積層して構成してもよい。例えば上から絶縁層、金属層、上記ガラス又はセラミックス層の順に積層することにしてもよい。金属層をアースすることにより電極１２と基材９０の間の電界遮蔽を行なうことができる。

上記構成の装置１を用いて基材９０の洗浄等の表面処理を行なう方法を説明する。
処理すべき基材９０をセット手段上にセットするとともに、プラズマ生成ユニット１０の下方を左右に横切るように移動させる。
併せて、処理ガス源４０の処理ガスを、ガス供給ライン４１を経て電極間空間１０ａへ導入するとともに、高周波電源５０から電極１２Ｈへの電圧供給によってプラズマ化し、吹出し口１０ｂから吹出す。吹出されたプラズマガスは、底板１３と基材９０の間の処理通路１０ｃ内を左右外側へ向けて流れながら、基材９０の表面と接触して反応を起こす。これによって、基材９０の洗浄等の表面処理を行なうことができる。例えば、洗浄用の処理ガス（酸素を微量添加した窒素ガス）の場合、電極間空間１０ａにおいて窒素プラズマが生成されることにより微量の添加酸素が活性化（ラジカル化、オゾン化）される。この酸素系の活性種が基材９０表面の有機物等の汚れ成分と反応して、この汚れ成分をＣＯ_２やＣＯ等の形態で脱離させ、基材９０表面を洗浄する。
しかし、大気圧下における酸素ラジカル等の活性種の寿命は極めて短い。

一方、吹出し口１０ｂから底板１３の外端部までの距離が十分に大きく設定され、底板１３と基板の間の処理通路１０ｃが十分に長く設定されているので、外気が、底板１３の外端部と基材９０の間から処理通路１０ｃに入り込んだとしても、処理通路１０ｃの奥深くまで進入することは出来ない。これによって、処理通路１０ｃ内の活性種の失活を抑制することができ、活性度を保つことができる。また、処理通路１０ｃが十分に長いため、半ば活性種の閉じ込め空間となり、活性種を処理通路１０ｃ内ひいては基材９０の表面上に十分に長い時間留めさせることができる。これによって、基材９０の表面処理を十分に行なうことができる。この結果、リモート式常圧プラズマ処理装置１の処理効率を十分に高めることができる。また、所要処理ガス量を節約することができる。さらに、ワーキングディスタンスにも余裕を持たせることができる。
更に、被処理物対向面構成部材としてガラスやセラミックス等の無機材料を用いることにより、処理通路１０ｃ内のラジカルの活性度を一層確実に維持することができる。さらには、被処理物対向面を平滑面にすることにより、処理通路１０ｃ内のラジカルの活性度をより一層確実に維持することができる。これによって、リモート式常圧プラズマ処理装置１の処理効率をより一層高めることができる。
また、電源５０からの投入パワー及び処理ガス源４０からの処理ガス供給流量を適宜選択することにより、処理効率を所望にすることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をなすことができる。
底板１３の巾寸法Ｌは、少なくとも６５ｍｍを越えていれば適宜設定変更でき、Ｌ＝９０ｍｍ程度にしてもよく、Ｌ＝１５０ｍｍ程度にしてもよく、Ｌ＝２００ｍｍ程度にしてもよく、Ｌ＝３００ｍｍ程度にしてもよい。
底板１３における電極１２及びユニット本体１１の底部を覆う部分と、延出部１３ｅを構成する部分とが、別体になっていてもよい。

実施例を説明する。本発明が、以下の実施形態に限定されるものでないことは当然である。
図１に示す装置１と同様の装置を用い、図２に示す１０００ｍｍ×８００ｍｍのガラスを被処理基材９０として洗浄処理を行なった。処理条件は以下の通りである。
投入パワー： ２．０ｋＷ
周波数： ３５ｋＨｚ
処理ガス： Ｎ_２ ４５０Ｌ／ｍｉｎ、Ｏ_２ １００ｍＬ／ｍｉｎ
基材移動速度： ２．２ｍ／ｍｉｎ
ワーキングディスタンス： ３．０ｍｍ
底板の巾（Ｌ）： Ｌ＝１２０ｍｍ
処理前接触角： ４１〜４２°
洗浄処理後、図２に示すように基材９０表面の１３個の地点において接触角を測定した。その結果、同図に示すように、１３の全ての地点において５°以下を達成でき、平均３．７°となった。

[比較例１]
比較例１として、図１の装置１の底板１３の延出部１３ｅを取り除くことにより実施例１の処理条件のうち下記の項目だけを変え、他は実施例１と同じにして処理を行なった。
底板の巾（Ｌ）： Ｌ＝６５ｍｍ
ワーキングディスタンス： ２．５ｍｍ
洗浄処理後の接触角は７．７°となった。これにより、底板の巾Ｌを拡張すると顕著な処理能力アップを図れることが確認された。

[比較例２]
比較例２として、上記の比較例１に対しワーキングディスタンスのみを下記のように変え、他は比較例１と同じにして処理を行なった。
ワーキングディスタンス： ２ｍｍ
洗浄処理後の接触角は４°となった。これにより、底板の巾Ｌを拡張するとワーキングディスタンスをシビアに設定するのと同等の処理能力を得られることが確認された。

[比較例３]
比較例３として、上記の比較例１に対し処理ガス流量のみを下記のように変え、他は比較例１と同じにして処理を行なった。
処理ガス： Ｎ_２ ６００Ｌ／ｍｉｎ、Ｏ_２ １００ｍＬ／ｍｉｎ
洗浄処理後の接触角は３°となった。これにより、底板の巾Ｌを拡張するとプラズマ生成用のガス流量を増やさなくてもそれに近い処理能力を得ることができ、所要ガス量を節約できることが確認された。

底板の巾Ｌだけを実施例１のＬ＝１２０ｍｍに対し下記のように短くし、他は実施例１と同一条件にして処理を行なった。
底板の巾（Ｌ）： Ｌ＝９０ｍｍ
洗浄処理後の接触角を実施例１と同様に１３地点で測定し平均を取ったところ、６°となった。
図３は、実施例１及び２並びに比較例１の結果をグラフにしたものである。底板の巾Ｌが大きいほど、接触角を小さくでき、処理能力を向上できることが判明した。したがって、底板の巾ＬをＬ＝１２０ｍｍより更に大きくすれば（例えばＬ＝１５０ｍｍ程度）にすれば処理能力をより向上できると推察される。

基材移動速度だけを実施例１の２．２ｍ／ｍｉｎに対し下記のように遅くし、他は実施例１と同一条件にして処理を行なった。
基材移動速度： １ｍ／ｍｉｎ
洗浄処理後の接触角を実施例１と同様に１３地点で測定し平均を取ったところ、３．５°となった。

基材移動速度だけを実施例１の２．２ｍ／ｍｉｎに対し下記のように速くし、他は実施例１と同一条件にして処理を行なった。
基材移動速度： ３ｍ／ｍｉｎ
洗浄処理後の接触角を実施例１と同様に１３地点で測定し平均を取ったところ、４．１°となった。
図４は、実施例１、３、４の結果をグラフにしたものである。また、比較例として、上記比較例１及び同比較例１において基材移動速度を変更したときの結果を併記した。本発明の底板拡張構造によれば接触角を小さくでき処理能力を向上できることが確認された。

酸素添加量だけを実施例１の１００ｍＬ／ｍｉｎに対し下記のように増やし、他は実施例１と同一条件にして処理を行なった。
処理ガス： Ｎ_２ ４５０Ｌ／ｍｉｎ、Ｏ_２ １５０ｍＬ／ｍｉｎ
洗浄処理後の接触角を実施例１と同様に１３地点で測定し平均を取ったところ、４．１°となった。

酸素添加量を下記のように更に増やし、他は実施例１と同一条件にして処理を行なった。
処理ガス： Ｎ_２ ４５０Ｌ／ｍｉｎ、Ｏ_２ ２００ｍＬ／ｍｉｎ
洗浄処理後の接触角を実施例１と同様に１３地点で測定し平均を取ったところ、４．２°となった。
実施例１、５、６から酸素添加量はなるべく小さいほうが洗浄能力を高くできることが判明した。

投入パワーだけを実施例１の２ｋＷに対し下記のように小さくし、他は実施例１と同一条件にして処理を行なった。
投入パワー： １．６ｋＷ
洗浄処理後の接触角を実施例１と同様に１３地点で測定し平均を取ったところ、４．３°となった。

投入パワーとワーキングディスタンスを実施例１に対し下記のように変更し、他は実施例１と同一条件にして処理を行なった。
投入パワー： １．６ｋＷ
ワーキングディスタンス： ３．５ｍｍ
洗浄処理後の接触角を実施例１と同様に１３地点で測定し平均を取ったところ、５．８°となった。

ワーキングディスタンスだけを実施例１に対し下記のように大きくし、他は実施例１と同一条件にして処理を行なった。
ワーキングディスタンス： ３．５ｍｍ
洗浄処理後の接触角を実施例１と同様に１３地点で測定し平均を取ったところ、５．２°となった。

実施例１〜９及び比較例１の処理条件及び測定結果を表１にまとめて示す。ここで、Ｐｗは投入パワーであり、ｆは周波数であり、ＷＤはワーキングディスタンスである。

本発明は、例えばＩＴＯガラスの濡れ性向上のためのプラズマ洗浄に適用可能である。

本発明の第１実施形態に係るリモート式常圧プラズマ処理装置の断面図である。 本発明の第１実施形態及び実施例１に適用した被処理基材を、接触角の測定地点及び測定値を書き加えて示す平面図である。 実施例１及び実施例２並びに比較例１の結果に基づく底板の左右巾と接触角（処理能力）の関係を示すグラフである。 実施例１、３、４及び比較例の結果に基づく移動速度と接触角の関係を示すグラフである。

符号の説明

Ｌ 底板の巾（吹出し口から被処理物対向面の外端部までの距離）
１ リモート式常圧プラズマ処理装置
１０ プラズマ生成ユニット
１０ａ プラズマ空間
１０ｂ 吹出し口
１０ｃ 処理通路
１１ ユニット本体
１２ 電極
１３ 底板（被処理物対向面構成部材）
１３ｅ 延出部
９０ 基材（被処理物）

Claims (6)

1. 処理ガスを、略常圧の放電空間に通して吹出し口から吹出し被処理物に当てるプラズマ処理装置であって、
   前記放電空間を形成する一対の電極を含み、前記被処理物と対向すべきプラズマ生成ユニットを備え、
   このプラズマ生成ユニットの被処理物対向面が、前記吹出し口を有して、前記被処理物との間に前記吹出し口からの処理ガスを流す処理通路を形成するようになっており、
   前記吹出し口から前記処理通路のガス流れ方向に沿って前記被処理物対向面の外端部までの距離Ｌを６５ｍｍより大きくすることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記吹出し口から前記被処理物対向面の外端部までの距離Ｌを、Ｌ＝３００ｍｍ以下とす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。
3. 前記吹出し口から前記被処理物対向面の外端部までの距離Ｌを、Ｌ＝２００ｍｍ以下とす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。
4. 前記吹出し口から前記被処理物対向面の外端部までの距離Ｌを、Ｌ＝１２０ｍｍ程度とす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。
5. 前記プラズマ生成ユニットには、前記電極を収容するユニット本体の側部から延出部が延出されており、
   前記被処理物対向面が、前記ユニット本体から前記延出部に跨っており、
   前記ユニット本体に前記吹出し口が設けられる一方、前記延出部の外端部が、前記被処理物対向面の外端部を構成していることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のプラズマ処理装置。
6. 前記プラズマ生成ユニットの被処理物対向面が、表面粗さＲａ＝３．２μｍ以下の平滑面になっていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のプラズマ処理装置。

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