JP2007204065A - プラズマを使用した容器処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラスチックや紙を原料としたプラスチックボトルや紙容器等の３次元中空容器の表面にマイクロ波プラズマＣＶＤコーティングを行うプラズマを使用した容器処理装置に関する。
【解決手段】
マイクロ波を供給する導波管（１）の導体面に１つ以上のプラズマ処理を行うための金属空洞筐体（２）を有し、その側面が電気的に接合され、接合面に空けられたスリット（３）により金属空洞筐体（２）と導波管（１）の電磁界エネルギーが結合するプラズマを使用した容器処理装置であって、金属空洞筐体（２）の内部円筒空間中心軸上に導電性を有する材料からなるプロセスガス導入管（４）が電気的に接続された状態で配置され、電気接続点を基準とした場合のガス導入管（４）の長さが、λをマイクロ波の波長、ｎを１以上の整数、αが０＜α≦１５ｍｍとしたときに、１／２λ×ｎ＋ αとなる事を特徴とするプラズマを使用した容器処理装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラスチックや紙を原料としたプラスチックボトルや紙容器等の３次元中空容器の表面にマイクロ波プラズマＣＶＤコーティングを行うプラズマを使用した容器処理装置に関する。

ガラス、金属、紙、プラスチック容器に代表される３次元中空容器は食品や医薬品など様々分野で一般的に利用されている。特にプラスチック容器に関しては、軽量、低コストといったメリットを生かし広く用いられるようになってきている。

また、３次元中空容器には様々な機能が要求されているが、プラスチック容器に対しては内容物保護の面から炭酸ガスや酸素に対するバリア性を持たせる要求がなされている。

このため、プラスチック容器に所定の物質をコーティングする技術が開発されている。（例えば、特許文献１参照。）。

これらの技術は、金属中空胴体内部にプロセスガスを注入したプラスチック等の３次元容器を配置して金属中空胴体内に入力されたマイクロ波エネルギーにより発生したプラズマを利用して薄膜を成膜するものである。

以下に先行技術文献を示す。
特表２００２−５０９８４５号公報

しかしながら、上記のプラズマを利用して薄膜を成膜する場合、マイクロ波エネルギーをプラズマ容器処理装置に如何に効率よく供給してプラズマを発生させることが重要となる。さらに、プラズマを使用した容器処理装置が高額であるという問題がある。

そして、コストダウン等を計るためには、１つの電源から複数の成膜処理槽に導波管分岐によりマイクロ波エネルギーを分割してやる方法がある。

しかし、導波管分岐をする場合には、導波管分岐部材を用いなければならず、且つ、広いスペースが必要となる。そして、該装置が大型化するという問題がある。

このために、マイクロ波を供給する導波管に成膜用金属空洞筐体を接合し、接合部にスリットを穿設することによりマイクロ波の結合を行う方法がある。

しかし、この方法は、金属空洞筐体（２）内部にガス導入管（４）が配置されているために、プラズマ処理を行う対象物の大きさが変わった場合には、ガス導入管（４）の高さを変えなければならないという問題がある。

そして、プラズマ処理を行う対象物の大きさに最適な、ガス導入管（４）の寸法を決定するのが難しく、且つ、調整時間がかかるという問題がある。

さらに、ガス導入管（４）の大きさを変えた場合、金属空洞筐体（２）内部のマイクロ波の結合量が変動する。そして、プラズマの状態が変化し、成膜が不安定になるという問
題がある。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決しようとするものであり、プラズマ処理を行う対象物の大きさが変わっても、ガス導入管の最適寸法が容易にでき。そして、導波管（１）からスリットを通して金属空洞筐体（２）にマイクロ波エネルギーを安定して供給することができる。さらに、広いスペースを必要としないプラズマを使用した容器処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、本発明の請求項１に係る発明は、マイクロ波を供給する導波管（１）の導体面に１つ以上のプラズマ処理を行うための金属空洞筐体（２）を有し、その側面が電気的に接合され、接合面に空けられたスリット（３）により金属空洞筐体（２）と導波管（１）の電磁界エネルギーが結合するプラズマを使用した容器処理装置であって、金属空洞筐体（２）の内部円筒空間中心軸上に導電性を有する材料からなるプロセスガス導入管（４）が電気的に接続された状態で配置され、電気接続点を基準とした場合のガス導入管（４）の長さが、λをマイクロ波の波長、ｎを１以上の整数、αが０＜α≦１５ｍｍとしたときに、１／２λ×ｎ＋ αとなる事を特徴とするプラズマを使用した容器処理装置である。

本発明の請求項２に係る発明は、前記金属空洞筐体（２）の内部円筒空間の高さが、λをマイクロ波の波長、ｎを１以上の整数としたときに、 １／２λ×ｎ＋１／４λ±５ｍｍとなる事を特徴とする請求項１記載のプラズマを使用した容器処理装置である。

本発明の請求項３に係る発明は、前記ガス導入管（４）の先端と金属空洞筐体（２）の間隙が１／４λ以下となる事を特徴とする請求項１又は２記載のプラズマを使用した容器処理装置である。

金属空洞筐体及びガス導入管（４）の最適寸法設定が容易にできる。また、プラズマ処理を施す容器等が変わっても、速やかに該容器処理装置の調整等ができる。そして、安定した薄膜の成膜を形成することができる。

本発明のプラズマを使用した容器処理装置を実施の形態に沿って以下に図面を参照にしながら詳細に説明する。

図１は本発明のプラズマを使用した容器処理装置の一実施例の正面の概略を示す部分断面概略図である。また、図２は図１の平面の概略を示す平面概略図である。

さらに、図３は本発明のプラズマを使用した容器処理装置の他の一実施例の平面の概略を示す概略図である。そして、図４は図２のＡ―Ａ′線の断面図である。さらに、図５は図１のＢ−Ｂ′線の断面図である。

本発明のプラズマを使用した容器処理装置は図１〜５に示すように金属空洞筐体（２）と導波管（１）とマイクロ波電源（１１）等から構成されている。また、金属空洞筐体（２）と導波管（１）の接合面にスリット（３）が穿設されている。

そして、金属空洞筐体（２）と導波管（１）の接合面に穿設されたスリット（３）によりマイクロ波エネルギーを結合させている。

また、導波管（１）に細長いスリット（３）を穿設した場合、スリット（３）の長さによってマイクロ波の最も良く漏れ出す周波数が異なる。

一般的に共振させたい周波数の１／２λの長さのスリット（３）を穿設した場合にスリット（３）からのマイクロ波の漏れが最も大きくなる。そして、１／２λ前後のスリット（３）幅を利用する。

また、図３に示すように、導波管（１）に複数の金属空洞筐体（２）を接合した場合、電源の給電点（５）からの距離に応じてスリット（３）の大きさを変える事により金属空洞筐体（２）のマイクロ波の結合バランスを調整する事も可能である。

この時の金属空洞筐体（２）は導波管（１）軸方向に対称又は１／２λ×ｎ±１０ｍｍの間隔に配置される。（ｎは１以上の整数）。

また、金属空洞筐体（２）内部はプラズマを発生させるために、低圧状態にする必要がある。さらに、金属空洞筐体（２）内部にマイクロ波透過材料を使用した円筒形の処理チャンバー（６）を配置してチャンバー内部を真空にする方法も利用出来る。

そして、気密性を高める目的で導波管（１）と金属空洞筐体（２）の接合部に空間（７）を設けて内部にマイクロ波を透過する誘電体（８）を配置する事も可能である。この時の誘電体材は発熱を抑える為に誘電損失の小さな石英ガラスやフッ素樹脂といった材質の物が望ましい。

また、本発明のプラズマを使用した容器処理装置でプラズマ処理を行う容器はプラスチック等の３次元中空容器を対象としている。そして、ここではポリエチレンテレフタレート等のポリエステル材料を原料とした容量が５００ｍｌ、平均肉厚０．５ｍｍのＰＥＴボトル容器（５）を対象にプラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ法）により容器内面に薄膜を成膜した一実施例を以下に説明するが本発明はこれらに限定される訳ではない。

図１〜２に示すように金属空洞筐体（１）の内部円筒空間中心軸上に導電性を有する材料で構成されたガス導入管（３）が金属メッシュ（９）を通して設けられている。そして、電気的に接続されている。

また、金属空洞筐体（１）内部の円筒空間の内径は同軸高次モードを発生しない１２０ｍｍ以下でありコーティング対象容器であるＰＥＴボトル等（５）を容易に出し入することが可能な９０〜１１０ｍｍの範囲が好ましい。

そして、同様に円筒空間の高さについては、容器の大きさに合わせて１／２λ×ｎ＋１／４λ±５ｍｍ範囲の値となるようにする。（λはマイクロ波の波長、ｎは１以上の整数）。

また、ガス導入管（４）についても同様に、１／２λ×ｎ＋α範囲の値となるようにする。（λはマイクロ波の波長、ｎは１以上の整数 ０≦α≦１５ｍｍ）。

そして、ガス導入管（４）の先端と金属空洞筐体（２）の間隙は、１／４λ以下となるようにする。（λはマイクロ波の波長）。

また、ガス導入管（４）は金属メッシュ（１０）により金属空洞筐体（２）に固定されている。そして、プラズマ処理を行う際に、金属メッシュ（１０）の穴から気体が排出される事により金属空洞筐体（２）内部はプラズマ発生に最適な減圧環境に保たれる。

また、薄膜形成を行うための原料ガスは、主ガスとしてヘキサ・メチル・ジ・シロキサン（以下ＨＭＤＳＯと記載）またはテトラ・メチル・ジ・シロキサンなどを用いることが可能である。そして、サブガスとして酸素、窒素といったものが用いられる。

これらの原料ガスはガス導入管（４）側面及び天面に空けられた穴からコーティング対象容器であるＰＥＴボトル（９）内部に供給される。そして、上記のガスを使用して形成される薄膜は、いわゆるセラミック層ＳｉＯｘＣｙ（ｘ＝１〜２．２／ｙ＝０．３〜３）を主成分とするものである。

次に、本発明のプラズマを使用した容器処理装置の成膜プロセスについて以下に説明する。まず、本発明のプラズマを使用した容器処理装置の金属空洞筐体（２）内の処理チャンバー（６）内部にＰＥＴボトル（９）等をセットする。

そして、処理チャンバー（６）内部を１．３３３Ｐａ（パスカル）まで、図には示していないが真空装置等で吸引して減圧環境を保つ。

次にＰＥＴボトル（９）容器内面にバリア性の薄膜コーティングを行うための原料ガスＨＭＤＳＯを流量１０ｍｌ／分、酸素の流量を５０ｍｌ／分にて注入する。そして、ＰＥＴボトル容器（９）内の真空度を１３．３３Ｐａの真空圧力に調整する。

さらに、この状態で、マイクロ波電源（１１）によりマイクロ波エネルギーを約５秒間に渡り供給する。このとき電源から供給されるマイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚ、電力２００〜４００Ｗの値に設定される。

そして、導波管（１）に入力されたマイクロ波エネルギーはススリット（３）を通して金属空洞筐体（２）内部に供給された原料ガスにプラズマを発生させ、薄膜を形成する。

以下に、本発明の一実施例を具体的に挙げて説明するが本発明はこれらに限定されるものではない。

図１〜２に示すような金属空洞筐体（２）が１台のみ接続されている本発明のプラズマを使用した容器処理装置を用いた。そして、スリット幅が６１ｍｍ、マイクロ波電源の周波数が２．４５ＧＨｚに設定した。

さらに、ガス導入管（４）の高さと金属空洞筐体（２）の高さを各々下記のように設定した。また、対象容器として、５００ｍｌのＰＥＴボトルと３５０ｍｌのＰＥＴボトルを用いた。

<実施例１>
実施例１において、ガス導入管（４）の高さを１９０ｍｍ、金属空洞筐体（２）の高さを２１５ｍｍと設定した。そして、対象容器として５００ｍｌのＰＥＴボトルの内面に薄膜を形成した。

<実施例２>
実施例２において、ガス導入管（４）の高さを２００ｍｍ、金属空洞筐体（２）の高さを２１５ｍｍと設定した。そして、対象容器として５００ｍｌのＰＥＴボトルの内面に薄膜を形成した。

<実施例３>
実施例３において、ガス導入管（４）の高さを１８０ｍｍ、金属空洞筐体（２）の高さを２１５ｍｍと設定した。そして、対象容器として５００ｍｌのＰＥＴボトルの内面に薄膜を形成した。

<実施例４>
実施例４において、ガス導入管（４）の高さを１９０ｍｍ、金属空洞筐体（２）の高さを２２０ｍｍと設定した。そして、対象容器として５００ｍｌのＰＥＴボトルの内面に薄膜を形成した。

<実施例５>
実施例５において、ガス導入管（４）の高さを１９０ｍｍ、金属空洞筐体（２）の高さを２３０ｍｍと設定した。そして、対象容器として５００ｍｌのＰＥＴボトルの内面に薄膜を形成した。

<実施例６>
実施例６において、ガス導入管（４）の高さを１３５ｍｍ、金属空洞筐体（２）の高さを１５５ｍｍと設定した。そして、対象容器として３５０ｍｌのＰＥＴボトルの内面に薄膜を形成した。

<評価>
実施例1〜６で得たＰＥＴボトルの酸素バリア値の測定、評価（○：合格、×：不合格）を行った。その結果を表１に示す。

表１はＰＥＴボトルの酸素バリア値、評価の結果を記す。

<評価結果>
実施例１と実施例６は酸素バリア値が０．９６（ｆｍｏｌ／ｍ²／ｓ／ｐａ）と０．８９（ｆｍｏｌ／ｍ²／ｓ／ｐａ）を示し、評価は合格であった。

本発明のプラズマを使用した容器処理装置はプラスチックボトルや紙容器等の３次元中空容器にマイクロ波プラズマＣＶＤコーティングできる容器処理装置として優れていることはもとより、酸素バリア性が要求される精密分野の精密部材、あるいは医療分野での医療部材など広い分野にも使用できる素晴らしい発明である。

本発明のプラズマを使用した容器処理装置の一実施例の正面の概略を示す部分断面概略図である。 図１の平面の概略を示す平面概略図である。 本発明のプラズマを使用した容器処理装置の他の一実施例の平面の概略を示す概略図である。 図２のＡ―Ａ線の断面図である。 図１のＢ−Ｂ線の断面図である。

符号の説明

（１）・・・・導波管
（２）・・・・金属空洞筐体
（３）・・・・スリット
（４）・・・・ガス導入管
（５）・・・・給電点
（６）・・・・処理チャンバー
（７）・・・・空間
（８）・・・・誘電体
（９）・・・・ＰＥＴボトル（他、プラスチック中空容器）
（１０）・・・金属メッシュ
（１１）・・・マイクロ波電源

Claims (3)

1. マイクロ波を供給する導波管（１）の導体面に１つ以上のプラズマ処理を行うための金属空洞筐体（２）を有し、その側面が電気的に接合され、接合面に空けられたスリット（３）により金属空洞筐体（２）と導波管（１）の電磁界エネルギーが結合するプラズマを使用した容器処理装置であって、金属空洞筐体（２）の内部円筒空間中心軸上に導電性を有する材料からなるガス導入管（４）が電気的に接続された状態で配置され、電気接続点を基準とした場合のガス導入管（４）の長さが、λをマイクロ波の波長、ｎを１以上の整数、αが０＜α≦１５ｍｍとしたときに、１／２λ×ｎ＋ αとなる事を特徴とするプラズマを使用した容器処理装置。
2. 前記金属空洞筐体（２）の内部円筒空間の高さが、λをマイクロ波の波長、ｎを１以上の整数としたときに、 １／２λ×ｎ＋１／４λ±５ｍｍとなる事を特徴とする請求項１記載のプラズマを使用した容器処理装置。
3. 前記ガス導入管（４）の先端と金属空洞筐体（２）の間隙が１／４λ以下となる事を特徴とする請求項１又は２記載のプラズマを使用した容器処理装置。

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