JP2007080688A - プラズマ処理装置の電極構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 大気圧プラズマ処理装置における長尺電極を、撓み剛性の高い断面形状にする。
【解決手段】 大気圧プラズマ処理装置には電極３０が備えられている。電極３０は、放電空間４１から基材Ｗへの方向と直交する第１方向に延びている。電極３０は、放電空間４１を形成するための放電面と、この放電面とは逆側の背面を有している。電極３０の背面には、第１方向に延びる溝３４が形成されている。これにより、電極３０が、撓み剛性の高い断面形状になっている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、大気圧プラズマ放電によりガラス洗浄やフィルム表面改質（濡れ性向上）等の表面処理を行なう装置に関し、特にその電極構造に関する。

この種のプラズマ処理装置には一対の電極が設けられている。一対の電極間で大気圧プラズマ放電を生成し、このプラズマ放電空間にプロセスガスを導入してプラズマ化する。このプラズマ化されたプロセスガスをガラス、フィルムなどの被処理基材に吹き付ける。これによって、洗浄、濡れ性向上等の表面処理を行なうことができる。
特開平９−０９２４９３号公報

近年、ガラス、フィルムなどの被処理物の大型化傾向に伴い、電極の長尺化が求められている。一方、電極を長尺化すると、自重で中央部が下に向けて撓みやくなる。また、放電時には内部温度勾配で中央部が外側に向けて撓みやすくなる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、
放電空間に処理ガスを通して基材に接触させ、基材のプラズマ表面処理を行なう装置の電極構造であって、
前記放電空間から基材への方向と直交する第１方向に延びる電極を備え、この電極が、前記放電空間を向く放電面と、この放電面とは逆側の背面を有し、これら放電面と背面が前記第１方向に延びるとともに、前記背面に前記第１方向に延びる溝が形成されていることを特徴とする。
これによって、長尺電極の撓み剛性を向上でき、電極の中央部が自重や放電処理時の熱による温度勾配で撓むのを抑制することができる。
前記電極の前記第１方向と直交する断面が、大略コ字状をなしていることが好ましい。これによって、撓み剛性の高い断面形状を得ることができる。

前記電極の放電面には、固体誘電体からなる誘電部材が配置されているのが好ましい。この誘電部材と電極が、ユニレート（登録商標）等の樹脂製の連結部材にて連結されていることが好ましい。
これにより、放電処理時に電極と誘電部材の間に熱膨張差が生じても、前記連結部材が弾性変形して前記熱膨張差を吸収することができ、熱応力を抑制することができる。
前記連結部材は、ネジであることが好ましい。

前記電極が、前記放電面及び前記背面と交差する面を有し、前記誘電部材が、前記交差面に被さる被さり部を有し、この被さり部に前記連結部材が設けられていることが好ましい。
前記第１方向が水平に向けられ、前記放電空間形成面と前記背面が、幅方向を略垂直に向け、前記交差面が、前記電極の上面であり、前記誘電部材の上側の縁部が、前記電極の上面に被さり、前記被さり部として提供されているのが好ましい。これによって、前記電極が前記連結部材によって前記被さり部に吊り下げられた状態となる。

前記誘電部材を含む電極収容部材を備え、この電極収容部材の内部に前記電極を収容する電極収容空間が設けられ、前記電極の放電面以外の面の大部分と前記電極収容空間の内面との間に隙間が形成されていることが好ましい。
これによって、電極の熱膨張を多少許容でき、熱応力の発生を抑制することができる。

本発明は、略常圧（大気圧近傍）の圧力環境での常圧プラズマ処理に特に効果的である。ここで、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便化を考慮すると、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、長尺電極の撓み剛性を向上でき、電極の中央部が自重や放電処理時の熱による温度勾配で撓むのを抑制することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、大気圧プラズマ処理装置の処理ヘッド１を示したものである。処理ヘッド１は、図示しない架台によって支持されている。処理ヘッド１の下方の処理位置Ｐに、処理すべき基材Ｗが配置されるようになっている。基材Ｗは、例えば一辺の長さが１〜２ｍ程度の大面積の液晶用ガラスである。基材Ｗは、搬送機構によって左右（図１の矢印方向）にスキャンされるようになっている。基材Ｗが静止する一方、処理ヘッド１が左右に移動されるようになっていてもよい。

処理ヘッド１は、上側の整流部２と、下側のプラズマ生成部３を有している。整流部２とプラズマ生成部３は、図１と直交する前後方向（図２及び図３において左右）に長く延びている。

整流部２は、図示しないプロセスガス源（図示せず）に接続されている。プロセスガス源には、処理目的に応じたプロセスガスが蓄えられている。整流部２は、プロセスガス源から供給されたプロセスガスを長手方向に均一化するようになっている。

図１に示すように、処理ヘッド１のプラズマ生成部３は、金属からなる外筐１０と、この外筐１０の内部に設けられた左右一対のホルダ２０（絶縁部材）と、これらホルダ２０の各々に保持された一対の電極３０と、これら電極３０の各々の対向面に被せられた誘電部材４０とを有し、左右が略対称になっている。

図１〜図３に示すように、一対のホルダ２０は、それぞれ高強度のエンジニアリングプラスチック等の絶縁体にて構成され、前後方向に延びている。各ホルダ２０の対向面には、段差状の凹部２１が形成されている。段差状凹部２１は、ホルダ２０の長手方向に延び、下端部が、ホルダ２０の下面に達している。段差状凹部２１の中央部には、電極収容凹部２２が形成されている。電極収容凹部２２は、ホルダ２０の長手方向に延びている。電極収容凹部２２の奥側の内面には、凸条２３が設けられている。凸条２３は、ホルダ２０の長手方向に延びている。

一対の誘電部材４０は、それぞれアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）をはじめとするセラミック等の固体誘電体の一体物で構成されている。図１〜図３に示すように、各誘電部材４０は、幅方向を垂直に向け、長手方向を前後に向けた板状をなしている。図１に示すように、一対の誘電部材４０，４０どうしは、左右に対向して配置されている。各誘電部材４０の対向面とは反対側の背面には、電極収容凹部４５が形成されている。誘電部材４０の厚さ及び電極収容凹部４５の深さ（左右方向の寸法）は、電極３０の厚さより十分に小さい。図２及び図３に示すように、電極収容凹部４５は、誘電部材４０の長手方向に延びている。

誘電部材４０に電極収容凹部４５を形成することによって、誘電部材４０の上下方向の中間部４２は薄板状になっている。この薄板部４２の左右方向の厚さは、１〜２ｍｍ程度である。後述するように、薄板部４２が、電極３０の放電面に被さり、安定放電を得るための固体誘電体層としての「放電側誘電部」を構成している。誘電部材４０の薄板部４２より上側の縁部４３と下側の縁部４４は、薄板部４２より背部方向に突出されている。誘電部材４０の上縁部４３は、電極３０の上面の放電面寄りの部分に被さり、「ガス導入側誘電部」を構成している。誘電部材４０の下縁部４４は、電極３０の下面の放電面寄りの部分に被さり、「基材側誘電部」を構成している。

図１及び図３に示すように、各誘電部材４０は、ホルダ２０の段差状凹部２１に嵌め込まれている。ホルダ２０と誘電部材４０の間には、両者の電極収容凹部２２，４５が合わさって電極収容空間が形成されている。ホルダ２０と誘電部材４０によって「電極収容部材」が構成されている。

図３に示すように、一対の誘電部材４０，４０のうち、片側の誘電部材４０の対向面には、浅い凹部４０ａが形成されている。凹部４０ａは、誘電部材４０の長手方向に延びている。図５に示すように、凹部４０ａの上端部は、誘電部材４０の上端面に達し、下端部は、誘電部材４０の下端面に達している。

他方の誘電部材４０の対向面は全面平らになっている。
図３に示すように、両方の誘電部材４０の長手方向の両端の対向面どうしが突き合わされている。片側の誘電部材４０の凹部４０ａと他方の誘電部材４０の対向面とによってスリット状のガス通路４１が形成されている。図１に示すように、ガス通路４１の上端部は、整流部２に連なっている。ガス通路４１の下端は、処理ヘッド１の下端において開口され、吹出し口４１ａとなっている。

処理ヘッド１の底面には、薄い金属板８０が設けられている。金属板８０は、ホルダ２０の底面と誘電部材４０の底面に跨るように被さっている。金属板８０は、図示しないアース線を介して電気的に接地されている。金属板８０によって、後記電源電極３０から基材Ｗへのアーク等の異常放電が防止されている。

処理ヘッド１の一対の電極３０は、それぞれ金属で構成されている。電極３０を構成する金属としては、熱伝導が良好で比較的軽量なアルミニウムが好ましい。電極３０の材料は、アルミニウムに限定されずステンレスにて構成してもよい。

図１〜図４に示すように、電極３０は、図１と直交する前後方向（第１方向）に長く延びている。電極３０の長さは、処理すべき基材Ｗの前後方向の寸法より大きいことが望ましく、例えば１ｍ〜２ｍである。

一対の電極３０，３０は左右に並んで配置されている。左右一対の電極３０のうち何れか一方が、電源（図示せず）に接続されて電源電極となり、他方の電極３０が、接地されて接地電極となっている。電源電極３０への電圧供給により、一対の電極３０間に電界が印加され大気圧プラズマ放電が生成されるようになっている。

図５に示すように、各電極３０は、主部３１と、放電延長凸部３３とを有している。各電極３０の主部３１は、他方の電極と対向する対向面３０ａと、背面３０ｂと、上面３０ｃと、底面３０ｄを有し、断面が大略四角形になっている。対向面３０ａは、放電空間を向く放電面となる。背面３０ｂは、放電面３０ａと直交する厚さ方向（左右方向）に沿って放電面３０ａとは反対側に配置されている。上面３０ｃ及び底面３０ｄは、放電面３０ａと交差している。上面３０ｃは、プロセスガスの導入される整流部２を向くガス導入側面となっている。底面３０ｄは、処理位置Ｐを向くべき基材側面となる。
放電延長凸部３３を除いた電極３０の主部３１の高さ（上下寸法）は例えば３０ｍｍであり、電極３０の主部３１の厚さ（左右方向の寸法）は、例えば２５ｍｍである。

各電極３０の主部３１の内部には、冷却通路６０が形成されている。図３に示すように、冷却通路６０は、電極３０の長手方向に延びるとともに、その両端部が、冷却媒体給排路６１に連なっている。冷却媒体給排路６１を介して冷却通路６０に水等の冷却媒体が通されるようになっている。これによって、電極３０を冷却でき、放電処理時における電極温度を一定に保つことができる。

図４及び図５に示すように、電極３０の主部３１の背面３０ｂには、溝３４が形成されている。溝３４は、電極３０の主部３１の高さ方向のほぼ中間部に配置され、電極３０の長手方向に延びている。溝３４の高さ（上下方向の寸法）は、例えば主部３１の高さ寸法の３分の１程度であり、溝３４の深さ（左右方向の寸法）は、例えば主部３１の厚さ（左右寸法）の３分の１程度である。
溝３４の形成によって、電極３０の主部３１の断面形状が、コ字状になっている。

図４及び図５に示すように、電極３０の底部（基材側部）には、放電延長凸部３３が下方に突出するように形成されている。図４に示すように、放電延長凸部３３は、電極３０の全長にわたって延びている。図５に示すように、放電延長凸部３３は、電極３０の底部の放電面寄りの部分に配置され、主部３１の放電面３０ａと面一に連続する放電延長面３３ａを有している。
放電延長凸部３３の突出量（上下方向の寸法）は、例えば７〜８ｍｍ程度である。放電延長凸部３３の厚さ（左右方向の寸法）は、例えば５ｍｍ程度であり、誘電部材４０の電極収容凹部４５の深さより十分に小さい。

放電延長凸部３３より背部側の電極３０の底部には、逃げ凹部３２が形成されている。電極３０の主部３１の底面３０ｄが、逃げ凹部３２の上底面を構成している。放電延長凸部３３の背部側の面（放電延長面３３ａとは逆側の面）が、逃げ凹部３２の放電面側の内端面３２ａを構成している。逃げ凹部３２の背部側の端部は、電極３０の背面に達している。図４に示すように、逃げ凹部３２は、電極３０の全長にわたって延び、長手方向の両端部が電極３０の長手方向の両端面に達している。

図５に示すように、各電極３０は、ホルダ２０と誘電部材４０の間の電極収容空間２２，４５に収容されている。電極３０の放電面側の部分は、誘電部材４０の電極収容凹部４５に収容され、背部側の部分は、ホルダ２０の電極収容凹部２２に収容されている。また、ホルダ２０の凸条２３が、電極３０の溝３４に嵌まり込んでいる。

電極３０の放電延長凸部３３の全体は、電極収容凹部４５内に収まり、放電延長凸部３３の背部側の面３２ａが、誘電部材４０の底部４４の背部側の端面４４ｂより電極収容凹部３４の内部に引っ込んでいる。（逃げ凹部３２の放電面側の内端面３２ａが、左右方向に沿って電極３０の放電面３０ａと誘電部材４４の背部側の端部４４ｂとの間に配置されている。）逃げ凹部３２は、誘電部材４４の背部側の端部４４ｂとホルダ２０の底部２４との継目を挟んで誘電部材４４とホルダ２０の間に跨っている。

電極３０の主部３１の放電面３０ａと放電延長凸部３３の放電延長面３３ａは、誘電部材４０の薄板部４２の裏面にぴったり接している。

電極３０の上面３０ｃの放電面寄りの部分には、誘電部材４０の上縁部４３が被さっている。この被さり部４３にネジ７０（連結部材）が設けられている。ネジ７０の先端部が、電極３０に螺合されている。これにより、電極３０が誘電部材４０の上縁部４３に吊り下げられるようにして固定されている。ネジ７０は、ユニレート（登録商標）等の樹脂で構成されている。ネジ７０の締め付けによって、電極３０の上面３０ｃの放電面寄りの部分が、誘電部材４０の上縁部４３の下面にぴったり接している。

一方、誘電部材４０より背部側の電極３０の上面３０ｃと背面３０ｂは、ホルダ２０の電極収容凹部２２の内面と接しておらず、ホルダ２０と電極３０の間に微小な隙間５０が形成されている。微小隙間５０の厚さは、例えば０．５ｍｍ程度である。
図示は省略するが、電極３０の長手方向の両端面とホルダ２０の電極収容凹部２２の長手方向両側の内端面との間にも、例えば厚さ０．５ｍｍ程度の微小隙間が形成されている。
また、電極背面３０ｂの溝３４の内面とホルダ２０の凸条２３の間にも微小な隙間５１が形成されている。微小隙間５１の厚さは例えば０．５ｍｍ程度である。
放電延長凸部３３の下端面と誘電部材４０の底部４４の上面の間にも微小隙間５２が形成されている。微小隙間５２の厚さは、例えば０．５ｍｍ程度である。

上記構成のプラズマ処理装置によって基材Ｗをプラズマ処理する際は、プロセスガス源からプロセスガスを、処理ヘッド１の整流部２に導入する。プロセスガスは、整流部２を経て、プラズマ生成部３のガス通路４１に均一に導入される。併行して、電源電極３０に電圧を供給する。これによって、一対の電極３０間に電界が印加されて略大気圧下でプラズマ放電が生成される。これによって、ガス通路４１が略大気圧のプラズマ放電空間となり、このガス通路４１内に導入されたプロセスガスがプラズマ励起される。このプラズマガスが、吹出し口４１ａから吹き出され、基材Ｗの表面と接触する。これによって、洗浄や表面改質（例えば濡れ性向上）などの所望の表面処理を施すことができる。

プラズマ放電によって誘電部材４０や電極３０が熱を持ち、膨張しようとする。電極３０の場合、放電面が最も高温になり、背部に向って厚さ方向に温度勾配が生じる。このため、電極３０の長手方向の中央部が背部方向へ反るように熱変形しようとする。一方、電極３０は、背面に溝３４が形成され、断面が大略コ字状になっているので、熱変形量を小さくすることができる。

電極３０とホルダ２０の間には隙間５０，５１が形成されているので、電極３０の変形を許容でき、熱応力の発生を抑制することができる。

誘電部材４０を構成するセラミックと電極３０を構成する金属の膨張率は互いに異なる。一方、電極３０と誘電部材４０は、ネジ７０だけで接合されているので、互いに独立して伸長することができ、膨張率の違いによる応力が生じるのを防止することができる。ネジ７０は、樹脂で出来ているため、弾性変形によって電極３０と誘電部材４０の膨張差を吸収することができる。

電極３０の溝３４は、プラズマ放電時の熱変形の抑制だけでなく、電極自体の剛性向上にも寄与している。すなわち、電極３０に溝３４を形成して撓み剛性の高い断面形状にすることにより、電極３０の中央部が自重によって下方へ反るように変形するのを防止することができる。

電極３０の底部には逃げ凹部３２が形成され、この凹部３２の上底面３０ｄと、誘電部材４０とホルダ２０の底部４４，２４どうしの継目との間に十分な距離が確保されているので、電極３０からの沿面放電やアーク放電等の異常放電が、上記の継目を通って基材Ｗに落ちるのを防止することができる。

一方、電極３０には放電延長凸部３３が設けられ、放電面が下方に延長されているので、放電空間の下端部を処理位置Ｐに近づけることができる。これによって、活性度の高いプラズマガスを基材Ｗに確実に到達させることができ、処理効率を十分に確保することができる。

誘電部材４０は、厚さを大きくする必要が無く、製造コストを抑えることができる。

この発明は、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。
例えば、電極３０の背面の溝３４は、電極３０の長手方向に連続に延びていなくてもよく、断続的に設けられていてもよい。溝３４の断面形状及び断面寸法は、電極３０の撓み剛性等を考慮して適宜設定可能である。
電極３０とホルダ２０及び誘電部材４０の内面との間の微小隙間５０〜５１の厚さは、電極３０の熱膨張量等を考慮して適宜な大きさに設定可能である。
電極３０の放電延長凸部３３の厚さ、形状等は、放電面を確保でき、かつ先端部に電界集中が起きない範囲で適宜設定可能である。電界集中が起きない限り、放電延長凸部３３を先細に形成してもよい。
放電延長凸部３３の放電延長面３３ａが電極３０の主部３１の放電面３０ａより若干背部側にずれ、放電延長面３３ａと放電面３０ａの間に段差が形成されていてもよい。
逃げ凹部３２は、誘電部材４０の背部側端部４４ｂを挟んでその左右両側に跨っていればよい。逃げ凹部３２の背部側の端部は、誘電部材４０の背部側端部４４ｂより背部側に位置していればよく電極３０の背面に達している必要はない。逃げ凹部３２は、溝状になっていてもよい。
逃げ凹部３２及び放電延長凸部３３は、少なくとも電源電極に設ければよく、接地電極には設けなくてもよい。
誘電部材４０の放電側誘電部４２と基材側誘電部４４が別体になっていてもよく、この場合、放電側誘電部４２は溶射膜であってもよい。

本発明は、例えば半導体製造における基材のプラズマ表面処理に利用可能である。

本発明の一実施形態に係る大気圧プラズマ処理装置の処理ヘッドの正面断面図である。 図１のII−II線に沿う上記処理ヘッドの側面断面図である。 図２のIII−III線に沿う上記処理ヘッドの平面断面図である。 上記装置の電極を放電面の反対側の背部から見た側面図である。 上記処理ヘッドの電極部分を拡大して示す正面断面図である。

符号の説明

Ｐ 処理位置
Ｗ 基材
１ 処理ヘッド
２ 整流部
３ プラズマ生成部
１０ 外筐
２０ ホルダ（電極収容部材の要素）
２１ 段差状凹部
２２ 電極収容凹部（電極収容空間）
２３ 凸条
２４ ホルダの底部（絶縁部材）
３０ 電極
３０ａ 放電面
３０ｂ 背面
３０ｃ 上面
３０ｄ 底面
３１ 電極の主部
３２ 逃げ凹部
３２ａ 逃げ凹部の放電面側の内端面
３３ 放電延長凸部
３３ａ 放電延長面
３４ 溝
４０ 誘電部材（電極収容部材の要素）
４０ａ 凹部
４１ 放電空間となるガス通路
４１ａ 吹出し口
４２ 薄板部（放電側誘電部）
４３ 誘電部材の上縁部（被さり部）
４４ 誘電部材の下縁部（基材側誘電部）
４４ｂ 誘電部材の基材側誘電部の背部側端面
４５ 電極収容凹部（電極収容空間）
５０，５１，５２ 電極と電極収容部材の内面との間の隙間
６０ 冷却通路
６１ 冷却媒体給排路
７０ ネジ（連結部材）
８０ 金属板

Claims (5)

1. 略大気圧の放電空間に処理ガスを通して基材に接触させ、基材のプラズマ表面処理を行なう装置であって、
   前記放電空間から基材への方向と直交する第１方向に延びる電極を備え、この電極が、前記放電空間を向く放電面と、この放電面とは逆側の背面を有し、これら放電面と背面が前記第１方向に延びるとともに、前記背面に前記第１方向に延びる溝が形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置の電極構造。
2. 前記電極の放電面には、固体誘電体からなる誘電部材が配置され、この誘電部材と電極が、樹脂製の連結部材にて連結されている請求項１に記載のプラズマ処理装置の電極構造。
3. 前記連結部材が、ネジであることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置の電極構造。
4. 前記誘電部材が、前記電極の放電面と交差する面に被さる被さり部を有し、この被さり部に前記連結部材が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置の電極構造。
5. 前記誘電部材を含む電極収容部材を備え、この電極収容部材の内部に前記電極を収容する電極収容空間が設けられ、前記電極の放電面以外の面の大部分と前記電極収容空間の内面との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載のプラズマ処理装置の電極構造。

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