JP2007317501A - 大気圧プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極端部への処理残渣の堆積を防止する大気圧プラズマ処理装置の提供。
【解決手段】搬送される被処理物１を挟むように所定間隔を有して被処理物１の搬送方向に直交方向に延びる細長い一対の電極１０−１，１０−２と一対の電極１０−１，１０−２を覆う誘電体部１２−１，１２−２を有するプラズマ生成部を備え、一対の電極１０−１，１０−２は、端部に近づくほど被処理物１に対する距離が広がるようなテーパー部を両端に備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、大気圧プラズマ処理装置および大気圧プラズマ処理方法に関し、さらに詳しくは、大気圧またはその近傍の圧力下において、プラズマを発生させ、このプラズマにおいて生成した活性種による化学反応を用いて各種被処理物、例えば、液晶ディスプレイ用のパネル基板での薄膜形成、加工、表面処理等の処理を行う大気圧プラズマ処理装置に関する。

対向配置される電極間に放電空間を形成し、少なくとも一方の電極の放電空間側に誘電体を設け、プラズマ生成用ガスの存在下で交番電圧を印加することによって放電空間に大気圧近傍の圧力下で放電を生じさせ、この放電により生成されるプラズマに被処理物を暴露させるようにしたプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１０３４２３

しかしながら、対向配置される電極間に被処理物の搬送を行い、処理を行う場合、被処理物の搬送方向に直交する両端に電界が集中することで、プラズマ密度の濃い領域が生まれ、結果的に所望の処理よりも過大な処理が行われて、誘電体の両端近傍に被処理物の残渣の堆積が生じるという問題がある。
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、残渣の堆積を防止することが可能なプラズマ処理装置を提供するものである。

この発明は、板状の被処理物を所定方向に搬送する搬送部材と、搬送される被処理物を挟むように所定間隔を有して被処理物の搬送方向に直交方向に延びる細長い一対の電極を有するプラズマ生成部を備え、一対の電極は、端部に近づくほど被処理物に対する距離が広がるようなテーパー部を両端に備える大気圧プラズマ処理装置を提供するものである。
一対の主電極は、対向する間隔が全長に渡って等しくなるような厚さの誘電体層であってもよい。

テーパー部は、電界強度が電極の中央部の７５％以下であってもよい。
テーパー部は、端部に近づくほど被処理物に対する距離が直線状に広がってもよいし、所定の曲線に沿って広がってもよい。
所定の曲線が円弧又は楕円弧であってもよい。
また、一対の電極は、厚さが均一な誘電体層を対向面にそれぞれ備えてもよい。

電極端部付近での電極間の距離を広げることにより、被処理物の端部への電界集中を防止することができ、それによって過大な処理がなくなり、電極への処理残渣の堆積を無くすことができる。

以下、図面に示す実施例を用いてこの発明の実施形態を説明する。

図１に、この発明の大気圧プラズマ処理装置の実施例１を示す。図１は、この大気圧プラズマ処理装置を、板状の被処理物１に垂直で、かつ、被処理物１を搬送する方向に伸びる線分を含む面で切断した断面を示す断面図である。被処理物１としては、一例として液晶ディスプレイ用のガラス基板がある。

この大気圧プラズマ処理装置は、図１に示すように、チャンバー上部２と、チャンバー下部３を備え、図３に示すように上部電極ユニット４と、下部電極ユニット５を備える。チャンバー上部２とチャンバー下部３が、チャンバーを構成している。このチャンバーは、被処理物搬送方向の両端で、チャンバー上部２とチャンバー下部３との間に被処理物１の出入り口１８−１，１８−２を有している。
上部電極ユニット４（図３）は、チャンバー上部２の略中央に設置されている。チャンバー上部２には上部電極ユニット４に続くガス供給口６−１を有する。

また、下部電極ユニット５（図３）はチャンバー下部３の略中央に配置され、上部電極ユニット４に対して所定の間隔を隔てて対向している。この下部電極ユニット５の両側には、ローラー軸で支持された搬送用ローラー７が配置されている。また、チャンバー下部３の側壁の外側にも、搬送用ローラー７が配置されている。この搬送用ローラー７で被処理物１を所定の平面上で搬送可能になっている。このチャンバー下部３は、下部電極ユニット５に続くガス供給口６−２を有する。また、チャンバー下部３は、下部電極ユニット５の両側に貫通している排気口８−１、８−２を有する。

また、チャンバー上部２とチャンバー下部３は、上部電極ユニット４と下部電極ユニット５を支持している。加えて、チャンバー上部２とチャンバー下部３は、排気口８−１、８−２から使用後の処理ガスを排出するまでの間、処理ガスを溜めておき、外部に漏れないようにする役割を果たす。
つまり、チャンバーは、被処理物１が出入口１８−１、１８−２と排気口８−１、８−２以外では、ガスが漏れない気密な構造になっている。さらに、処理プロセスや使用する処理ガスの種類によっては、被処理物１の出入口１８−１、１８−２にカーテン機構やシャッター機構を有していてもよい。

図３に電極ユニットの詳細図を示す。上部電極ユニット４は、中心部に配置された第一の電極としての主電極１０−１と、主電極１０−１の側面に対向する側面を有する第３の電極としての側電極１１−１Ａ、１１−１Ｂを有する。主電極１０−１と側電極１１−１Ａ、１１−１Ｂは金属材料から適宜選ばれる。
主電極１０−１は、固体誘電体からなる第１の誘電体部１２−１で覆われている。また、側電極１１−１Ａ、１１−１Ｂは、固体誘電体からなる第２の誘電体部１３−１Ａ、１３−１Ｂで覆われており、第２の誘電体部１３−１Ａ、１３−１Ｂは、所定の間隙を隔てて第１の誘電体部１２−１と対向しており、この間隙が予備放電領域１４−１Ａ、１４−１Ｂとなっている。

また、第１の誘電体部１２−１と、第２の誘電体部１３−１Ａ、１３−１Ｂとの間隙は、上部チャンバー２から供給された処理ガスのガス流路１９−１Ａ、１９−１Ｂとしての役割も果たす。また、第２の誘電体部１３−１Ａ、１３−１Ｂは、凹部からなるガス溜り１５−１Ａ、１５−１Ｂを有し、このガス溜り１５−１Ａ、１５−１Ｂはガス流路１９−１Ａ、１９−１Ｂおよびガス供給口６−１に連通している。ガス溜り１５−１Ａ、１５−１Ｂ、ガス流路１９−１Ａ、１９−１Ｂおよびガス供給口６−１がガス供給部を構成している。また、ガス流路１９−１Ａ、１９−１Ｂは、予備放電領域１４−１Ａ、１４−１Ｂに処理ガスを供給する。

また、主電極１０−１には、貫通孔２０−１が形成されていて、この貫通孔２０−１に冷媒を流通させることで、主電極１０−１を冷却するようになっている。
第１の電極である主電極１０−１（図３）は電力伝達路を通じて図１に示すように第１の電力供給部である高周波電源１６−１に接続される。高周波電源１６−１は接地されている。また、側電極１１−１Ａ、１１−１Ｂ（図１，図３）も接地されている。
一方、下部電極ユニット５は、図３に示すように、上部電極ユニット４と略同じ構造であり、中心部に配置された第２の電極としての主電極１０−２と、この主電極１０−２の側面に対向する側面を有する第３の電極としての側電極１１−２Ａ、１１−２Ｂを有する。この主電極１０−２と側電極１１−２Ａ、１１−２Ｂは金属で作製されている。

ただし、被処理物の上面のみを処理する場合は、下部電極ユニットにおいて、側電極１１−２Ａ、１１−２Ｂは必ずしも設ける必要はない。
この主電極１０−２は、固体誘電体からなる第１の誘電体部１２−２で覆われている。
側電極１１−２Ａ、１１−２Ｂは、固体誘電体からなる第２の誘電体部１３−２Ａ、１３−２Ｂで覆われている。第１の誘電体部１２−２と第２の誘電体部１１−２Ａ、１１−２Ｂとは所定の間隔を隔てて対向しており、この間隙が予備放電領域１４−２Ａ、１４−２Ｂとなっている。

また、この第１の誘電体部１２−２と、第２の誘電体部１１−２Ａ、１１−２Ｂとの間隙は、下部チャンバー３から供給された処理ガスのガス流路１９−２Ａ、１９−２Ｂとしての役割も果たす。また、第２の誘電体部１３−２Ａ、１３−２Ｂは、凹部からなるガス溜り１５−２Ａ、１５−２Ｂを有し、このガス溜り１５−２Ａ、１５−２Ｂはガス流路１９−２Ａ、１９−２Ｂおよびガス供給口６−２に連通している。ガス溜り１５−２Ａ、１５−２Ｂ、ガス流路１９−２Ａ、１９−２Ｂおよびガス供給口６−２がガス供給部を構成している。また、ガス流路１９−２Ａ、１９−２Ｂは、予備放電領域１４−２Ａ、１４−２Ｂに処理ガスを供給する。

また、主電極１０−２にも、貫通孔２０−２が形成されていて、この貫通孔２０−２に冷媒を流通させることで、主電極１０−２を冷却するようになっている。
第２の電極である主電極１０−２（図３）は電力伝達路を通じて図１に示すように第２の電力供給部である高周波電源１６−２に接続される。高周波電源１６−２は接地されている。また、側電極１１−２Ａ、１１−２Ｂも接地されている。
主電極１０−１と主電極１０−２との間の距離は、高周波電源１６−１、１６−２から与えられる電力の大きさや周波数、処理ガスの種類や流量、上記第１の誘電体部１２−１、１２−２をなす固体誘電体の電気的特性や二次電子放出係数や厚み、各部の温度等に基づいて設定される。

上記構成のプラズマ処理装置では、第１の電極である主電極１０−１には、第１の電力供給部である高周波電源１６−１から出力された第１の電力として高周波電力が電力伝送路を経由して供給される。また、第２の電極である主電極１０−２には、第２の電力供給部である高周波電源１６−２から第２の電力として高周波電力が電力伝送路を経由して供給される。これにより、主電極１０−１と主電極１０−２との間に電界を形成することで、プラズマ処理空間１７に電界を形成する。なお、この実施形態では、高周波電源１６−１が出力する高周波電力と高周波電源１６−２が出力する高周波電力とは周波数が同じで位相が異なる。

一方、図１のチャンバー上部２のガス供給口６−１には、図示しないガス供給ボンベまたはガス供給タンクから、図示しないマスフローおよびミキサーにより複数のガス種を混合した処理ガスが供給される。図２に示すように、この処理ガスは、ガス供給口６−１からガス溜り１５−１Ａ、１５−１Ｂに供給され、このガス溜まり１５−１Ａ、１５−１Ｂで紙面奥行き方向に広がり、ガス溜まり１５−１Ａ、１５−１Ｂよりも十分に狭い断面積を持つスリット状（もしくはシャワー穴状）のガス流路１９−１Ａ、１９−１Ｂに達する。
処理ガスはガス流路１９−１Ａ、１９−１Ｂを通過する際に流速を上げ、予備放電領域１４−１Ａ、１４−１Ｂを経由して、被処理物１に向けて噴出されるとともにプラズマ処理空間１７に供給される。同様に、下部電極ユニット５のガス供給口６−２から処理ガスが供給され、この処理ガスはガス溜り１５−２Ａ、１５−２Ｂ、ガス流路１９−２Ａ、１９−２Ｂ、予備放電領域１４−２Ａ、１４−２Ｂを経由して、プラズマ処理空間１７に供給される。

このようにして、上部電極ユニット４および下部電極ユニット５からプラズマ処理空間１７に導入された処理ガスは、プラズマ処理空間１７に形成された電界によって、大気圧下で、プラズマ化される。このプラズマ化された処理ガスによって、プラズマ処理空間１７に、搬送され配置された被処理物１がプラズマ処理される。ここでは、大気圧とは、一例として、圧力範囲が０．１気圧以上、２気圧以下をいう。この実施形態で採用される処理ガスとしては、例えば、被処理物１の表面改質を行う場合には、ヘリウム、アルゴン、酸素、空気などが採用されるが、この処理ガスの組成はプロセスごとに異なり、適宜最適な組み合わせと混合比を選ぶ必要がある。

そして、プラズマ処理空間１７を通過した処理ガスは、図１に示す排気側ガス溜２１−１、２１−２に一旦溜まり、排気口８−１、８−２を通って図示しない排気ポンプまたはブロア、場合によっては除害装置で無害化された後、系外へと排出される。

また、この実施形態では、上部電極ユニット４において、主電極１０−１の側面と側電極１１−１Ａ、１１−１Ｂの側面との間にも電界が形成される。この電界によって、主電極１０−１の側面を覆う第１の誘電体部１２−１と側電極１１−１Ａ、１１−１Ｂを覆う第２の誘電体部１３−１Ａ、１３−１Ｂとの間（つまり予備放電領域１４−１Ａ、１４−１Ｂ）に存する処理ガスがプラズマ化される。同様に、下部電極ユニット５において、主電極１０−２の側面と側電極１１−２Ａ、１１−２Ｂの側面との間にも電界が形成される。
この電界によって、主電極１０−２の側面を覆う第１の誘電体部１２−２と側電極１１−２Ａ、１１−２Ｂを覆う第２の誘電体部１３−２Ａ、１３−２Ｂとの間（つまり予備放電領域１４−２Ａ、１４−２Ｂ）に存する処理ガスがプラズマ化される。

ここで、この予備放電領域１４−１Ａ、１４−１Ｂ、１４−２Ａ、１４−２Ｂにおけるプラズマ化は、第１の誘電体部１２−１，１２−２と第２の誘電体部１３−１Ａ、１３−１Ｂ、１３−２Ａ、１３−２Ｂとの間の距離を適切に選ぶことで実現される。この距離は、高周波電源１６−１、１６−２が主電極１０−１、１０−２に与える電力や周波数、処理ガスの種類や流量、第１，第２の誘電体部１２−１，１２−２、１３−１Ａ、１３−１Ｂ、１３−２Ａ、１３−２Ｂの電気的特性や二次電子放出係数や厚さや温度などで決まる。この実施形態では、予備放電領域１４−１Ａ、１４−１Ｂ、１４−２Ａ、１４−２Ｂで形成される電界強度がプラズマ処理空間１７で形成される電界よりも強くなるように設定した。
このように、上記予備放電領域１４−１Ａ、１４−１Ｂ、１４−２Ａ、１４−２Ｂにおいてプラズマを発生させることで、プラズマ処理空間１７に直接に電子や励起種を供給することが可能となる。

これにより、プラズマ処理空間１７においてプラズマが未発生である場合には、プラズマ処理空間１７における放電開始をアシストでき、プラズマ処理空間１７において放電中である場合には、放電を安定化できる。この効果は、第１，第２の誘電体部１２−１，１２−２、１３−１Ａ、１３−１Ｂ、１３−２Ａ、１３−２Ｂのエッジを無くして滑らかにすることで、より一層高めることができる。一例として、第１，第２の誘電体部１２−１，１２−２、１３−１Ａ、１３−１Ｂ、１３−２Ａ、１３−２Ｂのコーナー部を湾曲形状とする場合には、曲率半径を０．５ｍｍ以上とすることが望ましい。

このように、この実施形態において、プラズマ処理空間１７と予備放電領域１４−１Ａ、１４−１Ｂ、１４−２Ａ、１４−２Ｂの両方でプラズマが生成されているときに、図１のように搬送用ローラー７を回転させて被処理物１を搬送し、被処理物１の表面にプラズマを接触させる。このことで、活性種による反応促進効果や、イオンによる物理的なエッチング効果により、表面改質、洗浄、加工、成膜等のプラズマ処理が進行し被処理物１に対する所望の処理を行うことができる。

図４に本実施例で示す装置の図３におけるＡ−Ａ’断面の被処理物１の端部付近の断面図を示す。図４に示すように、処理空間１７の高さが４ｍｍ、処理空間１７における誘電体部１２−１，１２−２の厚みが４ｍｍである場合、誘電体の厚みを３倍（１２ｍｍ）程度にすることで端部での電界強度を中央部の約７５％にすることができる。このように、誘電体部１２−１、１２−２の厚みを増すことで、処理空間１７での電界強度を弱調することができる。つまり、主電極の端部領域での誘電体部１２−１，１２−２の厚みを増すことで、被処理物１の端部での電界のみを弱調し、結果、従来技術での課題であった、被処理物１の端部での電界集中による過大な処理を防ぐことができる。

今回は図４に示すように被処理物１の端より内側に８ｍｍの位置を起点とし、電極の端に向かって１０ｍｍの範囲で、主電極１０−１、１０−２間の距離を１２ｍｍから２８ｍｍへと直線的に変化させ、これに伴い、誘電体部１２−１，１２−２の厚みを４ｍｍから１２ｍｍへと直線的に変化させている。これにより、被処理物１の端部への電界の集中を防ぎ、過大な処理を無くすことで、誘電体部１２−１，１２−２の表面への残渣の堆積を防ぐことができる。
この電極端部における主電極間の距離と、誘電体部の厚みの変化量や範囲は、誘電体部の厚みや、処理空間の高さ、被処理物の厚み、被処理物や処理内容などを考慮に入れ、不所望な処理が行われないような電界強度が得られるような量に適宜調整すればよい。

この実施例では、図５に示すように実施例１の主電極１０−１、１０−２の角部にＲ（丸味）を設けている。これによって、加工が容易となり、また、主電極の内部、誘電体部の内部での電界集中を防止でき、不要な放電を予防できる。

この実施例では、さらに、図６に示すように、主電極１０−１、１０−２厚みを円弧状又は楕円弧状に変化させている。これによって、より加工が容易となり、不要な放電を阻止することができるようになる。

また、この実施例では、図７に示すように、主電極１０−１、１０−２に追随して、誘電体部１２−１、１２−２の形状の変化させている。実施例１では、主電極間隔を中央部では12mmから、テーパー部で28mmへと変化させている。この実施例における形状は実施例１に比べ、処理空間の高さを制御することが困難になるものの、より小さな主電極間隔距離の変化で同等の効果が得られることがわかっている。例えば、本実施例では向かい合う主電極間の距離が、中央部では１２ｍｍから、テーパー部で１６．８ｍｍ程度になるだけで、実施例１と同等の７５％程度の電界強度を得ることができる。これにより、主電極の加工や設置を容易にすることができるという利点を持つ。

この発明の実施例１の大気圧プラズマ処理装置を示す断面図である。 処理ガス流れを示す図１の要部拡大図である。 電極ユニットの詳細を示す図１の要部拡大図である。 実施例１における電極終端構造を示す説明図である。 実施例２における電極終端構造を示す説明図である。 実施例３における電極終端構造を示す説明図である。 実施例４における電極終端構造を示す説明図である。

符号の説明

１ 被処理物
２ チャンバー上部
３ チャンバー下部
４ 上部電極ユニット
５ 下部電極ユニット
６−１，６−２ ガス供給口
７ 搬送用ローラー
８−１，８−２ 排気口
１０−１，１０−２ 主電極
１１−１Ａ，１１−１Ｂ，１１−２Ａ，１１−２Ｂ 側電極
１２−１，１２−２ 誘電体部
１３−１Ａ，１３−１Ｂ，１３−２Ａ，１３−２Ｂ 誘電体部
１４−１Ａ，１４−１Ｂ，１４−２Ａ，１４−２Ｂ 予備放電部
１５−１Ａ，１５−１Ｂ，１５−２Ａ，１５−２Ｂ ガス溜め
１６−１，１６−２ 電源部
１７ プラズマ処理空間
１８−１，１８−２ 出入口
１９−１Ａ，１９−１Ｂ，１９−２Ａ，１９−２Ｂ ガス流路
２０−１，２０−２ 貫通穴
２１−１，２１−２ 排気ガス溜め

Claims (8)

1. 板状の被処理物を所定方向に搬送する搬送部材と、搬送される被処理物を挟むように所定間隔を有して被処理物の搬送方向に直交方向に延びる細長い一対の電極を有するプラズマ生成部を備え、一対の電極は、端部に近づくほど被処理物に対する距離が広がるようなテーパー部を両端に備える大気圧プラズマ処理装置。
2. 一対の主電極は、対向する間隔が全長に渡って等しくなるような厚さの誘電体層を対向面にそれぞれ備える請求項１記載の大気圧プラズマ処理装置。
3. テーパー部は、電界強度が電極の中央部の７５％以下である請求項２記載の大気圧プラズマ処理装置。
4. テーパー部は、電極の端部に近づくほど被処理物に対する距離が直線状に広がる請求項１記載の大気圧プラズマ処理装置。
5. テーパー部は、電極の端部に近づくほど被処理物に対する距離が所定の曲線に沿って広がる請求項１記載の大気圧プラズマ処理装置。
6. 所定の曲線が円弧である請求項５記載の大気圧プラズマ処理装置。
7. 所定の曲線が楕円弧である請求項５記載の大気圧プラズマ処理装置。
8. 一対の電極は、厚さが均一な誘電体層を対向面にそれぞれ備える請求項１記載の大気圧プラズマ処理装置。

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