JP2008095131A - 表面改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物に大きな損傷を与えることなく、対象物の表面を均一に改質できる表面改質装置の提供。
【解決手段】窒素ガスを主成分とする雰囲気ガスが導入された空間ＳＰ１に設置された電極対１１１に、アーク放電を引き起こさずにストリーマ放電を引き起こす電気パルスを前記電極対に繰り返し印加する。電極対１１１への電気パルスの印加によって発生したパルス電界ＰＥ１と、ストリーマ放電に起因して雰囲気ガス中に発生したプラズマに含まれる窒素ラジカルＮＲ１と、ストリーマ放電に起因して雰囲気ガスが発する短波長紫外線ＵＶ１とを、対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓの近傍に存在する被改質領域に複合的に作用させることにより、表面Ｗ１ｓを改質する。
【選択図】図４

Description

本発明は、対象物の表面を改質する表面改質装置に関する。

従来より、対象物を空気中でコロナ放電処理することにより、対象物の表面を改質することが行われていた。

特許文献１は、合成樹脂成形体をコロナ放電処理することにより、合成樹脂成形体の表面の接着性を向上する技術を開示している。

また、特許文献２は、窒素ガス中に発生したプラズマで対象物を処理することにより、対象物の表面を改質する技術を開示している。特許文献２は、プラズマを発生させる際に、アーク放電を引き起こさないようにすべきことについて言及している。

さらに、非特許文献１は、窒素ガス中でグロー放電を引き起こし、グロー放電に起因して窒素ガス中に発生したプラズマで対象物を処理することにより、対象物の表面を改質する技術を開示している。

特開平１０−２５９２６１号公報 特開２００５−２５１４４４号公報 常圧プラズマ表面処理装置の特徴、積水化学工業株式会社、[online]、［平成１８年９月１３日検索］、インターネット<URL:http://www.sekisui-semi.jp/surfacetreatment1.htm>

しかし、従来の技術には、放電の不均一性のため、対象物の表面を均一に改質することが困難であり、局所的な損傷を対象物に与えてしまうこともあった。

本発明は、この問題を解決するためになされたもので、対象物に大きな損傷を与えることなく、対象物の表面を均一に改質できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、対象物の表面を改質する表面改質装置であって、改質が行われる空間に窒素ガスを主成分とする雰囲気ガスを導入する雰囲気制御手段と、前記空間に設置された電極対と、アーク放電を引き起こさずにストリーマ放電を引き起こす電気パルスを前記電極対に繰り返し印加するパルス電源と、前記空間の内部から外部へ向かう短波長紫外線を前記空間の内部へ戻す反射部材とを備え、前記電極対への電気パルスの印加によって発生したパルス電界と、前記ストリーマ放電に起因して前記雰囲気ガス中に発生したプラズマに含まれる窒素ラジカルと、前記ストリーマ放電に起因して前記雰囲気ガスが発する短波長紫外線とを対象物の表面の近傍に存在する被改質領域に作用させることにより、対象物の表面を改質する。

請求項２の発明は、請求項１に記載の表面改質装置において、前記ストリーマ放電は、散点したストリーマが前記電極対の間に存在する、ストリーマの成長の初期段階で放電を停止するファインストリーマ放電である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の表面改質装置において、前記雰囲気ガスが本質的に窒素ガスのみからなり、対象物の表面を粗面化する。

請求項４の発明は、請求項１又は請求項２に記載の表面改質装置において、前記雰囲気ガスに重合性ガスが添加されており、前記重合性ガスに由来する重合膜を対象物の表面に形成する。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の表面改質装置において、前記電極対の陰極は、石英ガラス板と、前記石英ガラス板の一方の主面に成膜されたアルミニウム膜とを備え、前記石英ガラス板の他方の主面が対象物に向けられている。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の表面改質装置において、対象物の主面が平面的な広がりを有しており、前記雰囲気制御手段が、対象物の主面に向けて前記雰囲気ガスを噴射することにより、対象物の主面と垂直な雰囲気ガス流を生成する。

本発明によれば、対象物に大きな損傷を与えることなく、対象物の表面を均一に改質できる。

請求項２の発明によれば、放電を均一化できるので、対象物の表面をさらに均一に改質できる。

請求項３の発明によれば、対象物の表面の濡れ性や接着性を向上できる。

請求項４の発明によれば、重合膜に応じた特性を対象物の表面に付与できる。

請求項５の発明によれば、電気パルスの印加に応答して流れる電流を途中で反転させることができるので、対象物のチャージアップを防止し、グロー放電の不均一化を防止できる。また、請求項４の発明によれば、陰極が短波長紫外線を反射するので、陰極と反射部材とを兼ねることができる。

請求項６の発明によれば、窒素ラジカルの反応によって生じた化学種が、対象物に向かう雰囲気ガス流の吹き返しの雰囲気ガス流によって対象物の近傍から除去されるので、改質を高効率で安定して行うことができる。

＜１ 改質の原理＞
本発明の表面改質装置では、パルス電界と、窒素ラジカルと、波長が１００ｎｍ以上２８０ｎｍ以下の短波長紫外線（「遠赤外線」又は「ＵＶ−Ｃ」とも呼ばれる）とを、対象物の表面の近傍に存在する、表面からの深さが０．０１μｍ以内の被改質領域に複合的に作用させることにより、対象物の表面を改質している。そこで、以下では、パルス電界、窒素ラジカル及び短波長紫外線が被改質領域に与える作用について順次説明する。

＜１．１ パルス電界が被改質領域に与える作用＞
図１は、電界Ｅに曝された対象物Ｗ７を模式的に示すとともに、陽極７１２から陰極７１３へ向かう電界Ｅの方向における電位Φの分布を示している。

図１に示すように、対象物Ｗ７が電界Ｅに曝されると、対象物Ｗ７の表面Ｗ７ｓの近傍に存在する被改質領域Ｗ７１の陽極側及び陰極側に分極電荷が誘起され、外部電界Ｅ_exよりも強い内部電界Ｅ_inが被改質領域Ｗ７１の内部に生じる。この電界増大効果により、対象物Ｗ７が電界Ｅに曝されると、被改質領域Ｗ７１の陽極側及び陰極側との間には、大きな電位差ΔΦが生じる。

したがって、対象物Ｗ７を立ち上がりの早いパルス電界に曝し、被改質領域Ｗ７１の陽極側と陰極側と間の電位差ΔΦを急激に上昇させれば、被改質領域Ｗ７１に電気的な衝撃を与えることができ、表面Ｗ７ｓを粗面化することができる。また、電位差ΔΦを急激に上昇させれば、電気的な衝撃は対象物Ｗ７の奥深くまで及ばず、被改質領域Ｗ７１のみに電気的な衝撃を与えることができる。

＜１．２ 窒素ラジカルが被改質領域に与える作用＞
本発明の表面改質装置では、活性が極めて高い窒素ラジカルを対象物Ｗ７の表面Ｗ７ｓに作用させることにより、被改質領域Ｗ７１に化学的な作用を与え、表面Ｗ７ｓを粗面化する。

より具体的には、本発明の表面改質装置では、窒素ガスを主成分とする雰囲気ガス中に発生したプラズマに含まれる窒素ラジカルを被改質領域Ｗ７１に作用させている。当該プラズマは、雰囲気ガス中に設置された電極対７１１に立ち上がりの早い電気パルスを印加して、ストリーマ放電を引き起こすことにより発生させることができる。すなわち、当該プラズマは、雰囲気ガス中に設置された電極対７１１に印加する電圧を急激に上昇させて、陰極７１３から陽極７１２へ向かう電子なだれを成長させることにより発生させることができる。

改質に利用する化学種として窒素ラジカルを選択した理由、すなわち、窒素雰囲気中でプラズマを発生させた理由は、窒素ラジカルの活性が他の活性種、例えば、酸素ラジカルよりも著しく高いことによる。この点は、窒素分子の解離エネルギーが９．７６ｅＶであるのに対して、オゾン分子の解離エネルギーが１．０５ｅＶであることからも明らかである。加えて、窒素ラジカルの寿命が長いこと、例えば、３重項窒素（³Σ_u）のビラジカルの寿命が１０ミリ秒に達することも、滅菌に利用する活性種として窒素ラジカルを選択した理由のひとつとなっている。

加えて、窒素ガスは、低価格で容易に入手でき取り扱いも容易であることも、滅菌に利用する活性種として窒素ラジカルを選択した理由のひとつとなっている。

＜１．３ 短波長紫外線が被改質領域に与える作用＞
本発明の表面改質装置では、先述のストリーマ放電に起因して雰囲気ガスが発する短波長紫外線を対象物Ｗ７に照射することにより、対象物Ｗ７の被改質領域Ｗ７１に光化学的な作用を与え、対象物Ｗ７の表面Ｗ７ｓを粗面化する。

ここで、短波長紫外線を利用するのは、短波長紫外線は、対象物Ｗ７の奥深くまで浸透しないので、被改質領域Ｗ７１のみに集中して光化学的な作用を与えることができるからである。

＜１．４ ストリーマ放電＞
図２は、電極対７１１に印加する電気パルスの概略波形と当該電気パルスによって引き起こされる放電とを模式的に示す図である。図２において、電気パルスの概略波形は、電圧Ｖ（縦軸）の時間ｔ（横軸）に対する変化を示すグラフによってあらわされている。

図２に示すように、電気パルスのパルス幅Δｔが概ね１００ｎｓに達すると、正イオンが陰極７１３に衝突する際に放出された２次電子が気体分子を電離させて新たな正イオンを発生させるグロー放電が引き起こされる。

一方、電気パルスの立ち上がり時の電圧Ｖの時間上昇率ｄＶ／ｄｔが概ね３０〜５０ｋＶ／μｓである場合、パルス幅Δｔが概ね１００ｎｓに達すると、陽極７１２から陰極７１３へ向かうストリーマＳ７の成長が始まる。そして、パルス幅Δｔが概ね１００〜４００ｎｓである場合、ストリーマＳ７の成長は、電極対７１１の間に短いストリーマＳ７が散点する初期段階で終了する。一方、パルス幅Δｔが概ね５００〜１０００ｎｓである場合、ストリーマＳ７が本格的に成長し、電極対７１１の間に枝分かれした長いストリーマＳ７が存在する状態となる。本発明の表面改質装置では、ストリーマ放電の中でも、ストリーマＳ７の成長の初期段階で放電を停止するファインストリーマ放電を用いることが望ましい。放電の均一性に優れるファインストリーマ放電を用いれば、パルス電界、窒素ラジカル及び短波長紫外線を被改質領域Ｗ７１に均一に作用させることができ、対象物Ｗ７の表面Ｗ７ｓを均一に改質することができるからである。また、ファインストリーマ放電を用いれば、不均一な放電による局所的な損傷を対象物Ｗ７に与えることも回避できるからである。

さらに、パルス幅Δｔが１０００ｎｓに達すると、最終的にアーク放電が引き起こされる。

なお、上述の説明で、パルス幅Δｔや立ち上がり時の電圧Ｖの時間上昇率ｄＶ／ｄｔの範囲について「概ね」としているのは、これらは、電極対７１１の間隔、陽極７１２及び陰極７１３の構造並びに雰囲気ガスの圧力等の表面改質装置の具体的構成に依存して変化するためである。したがって、ファインストリーマ放電となっているか否かは、パルス幅Δｔや立ち上がり時の電圧Ｖの時間上昇率ｄＶ／ｄｔだけでなく、実際の放電を観察して判断すべきである。

＜２ 望ましい実施の形態＞
本発明の望ましい実施形態に係る表面改質装置は、リアクタの内部に対象物を収容した状態でリアクタの内部にプラズマを発生させる「ダイレクト式」を採用している。当該表面改質装置において表面の改質の対象となる対象物は、主に、半導体基板・ガラス基板等の板状物やポリエチレンシート・ポリプロピレンシート等のシート状物であるが、以下では、対象物が板状物であるとして説明を進める。

＜２．１ 表面改質装置の全体構成＞
図３は、本発明の望ましい実施の形態に係る表面改質装置１の全体構成を模式的に示す斜視図である。

図３に示すように、表面改質装置１は、内部で対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓの改質が行われるリアクタ１１と、リアクタ１１に電気パルスを供給するパルス電源１５とを備える。表面改質装置１では、対象物Ｗ１は、リアクタ１１の左側面に設けられた搬入口１１ｉを通ってリアクタ１１の内部に搬入され、リアクタ１１の内部で表面Ｗ１ｓの改質が行われた後に、リアクタ１１の右側面に設けられた搬出口１１ｅを通ってリアクタ１１の外部に搬出される。

＜２．２ リアクタの構成＞
図４は、リアクタ１１の構成を模式的に示す断面図である。図４は、図３のIV-IVの切断線におけるリアクタ１１の断面を示す図となっている。

○電極対；
図４に示すように、リアクタ１１の内部の空間ＳＰ１には、パルス電源１５に接続された電極対１１１が設置されている。対象物Ｗ１は、陰極１１３の上に載置され、電極対１１１の間のプラズマが発生する領域に存在している。

陽極１１２は、前後方向に延びる直径が０．５ｍｍの電極棒１１２１を左右方向に１５ｍｍ間隔で配列することにより構成されている。なお、図４には、電極棒１１２１の数が５本である場合を示しているが、電極棒１１２１の数は、対象物Ｗ１の大きさ等に応じて増減すべきであるので、必ずしも５本である必要はない。また、電極棒１１２１の直径を０．５ｍｍｍとすることも必須ではないし、電極棒１１２１の配列の間隔を１５ｍｍとすることも必須ではない。

リアクタ１１では、電極棒１１２１の材質として、耐久性に優れるＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）を用いている。ただし、このことは、電極棒１１２１の材質として、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）以外のもの、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、チタン、クロム、ジルコニウム、ニッケル、銀、鉄、銅、白金及びパラジウム等の金属を主成分とするものを用いることを妨げない。ここで、「金属」とは、ニッケル合金やステンレス鋼に代表される鉄合金のような、２種類以上の金属を含む合金をも包含する意味で用いている。また、電極棒１１２１を、シリコンゴム又はダイヤモンドライクカーボンで被覆することも望ましい。パルス電界ＰＥ１を均一化することができ、対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓを均一に改質できるようになるからである。

なお、陽極１１２を電極板で構成することも妨げられないが、この場合、陽極１１２が短波長紫外線ＵＶ１を遮蔽して対象物Ｗ１への短波長紫外線ＵＶ１の照射を妨げてしまうことを防止するため、反対側が透けて見えるような櫛歯状又は網目状の電極板を採用することが望ましい。

陰極１１３は、厚さが０．５〜５．０ｍｍの石英ガラス板１１３１の下面に、厚さが０．５〜１０．０μｍのアルミニウム膜１１３２を蒸着で成膜して構成されている。陰極１１３においては、石英ガラス板１１３１の、アルミニウム膜１１３２が成膜されていない上面が対象物Ｗ１に向けられている。

陰極１１３においては、アルミニウム膜１１３２は、電気的な導通を確実にするため、パルス電源１５に接続された金属板１１３３に密着させられている。

水平に設置された陰極１１３は、短波長紫外線ＵＶ１を反射するミラーともなっており、空間ＳＰ１の内部から外部（下方）へ向かう短波長紫外線ＵＶ１を反射して空間ＳＰ１の内部へ戻す役割も兼ねている。リアクタ１１では、このような陰極１１３を設けることにより、雰囲気ガスが発する短波長紫外線ＵＶ１の利用効率を向上し、表面Ｗ１ｓの近傍に存在する被改質領域に作用する短波長紫外線ＵＶ１を増加させることにより、改質の効率の向上を図っている。ここで、アルミニウム膜１１３２により鏡面を形成したのは、図５に示すように、アルミニウム膜の短波長紫外線ＵＶ１の反射率が極めて高い（約９０％）ことによる。なお、図５は、各種金属膜の反射率の波長依存性を示すグラフである。

このように、誘電体バリアとして機能する石英ガラス板１１３１でアルミニウム膜１１３２を被覆すると、電極対１１１に電気パルスを印加した際に電流Ｉが途切れてしまうまでの時間が、石英ガラス板１１３１に被覆されていない金属板１１３３を用いた場合よりも長くなる。したがって、石英ガラス板１１３１でアルミニウム膜１１３２を被覆すると、電極対１１１に電気パルスを印加した際の投入電力Ｉ×Ｖが、石英ガラス板１１３１に被覆されていない金属板１１３３を陰極１１３に用いた場合よりも大きくなり、電極対１１１への電気パルスの印加によって雰囲気ガスの温度を上昇させることもできるようになる。そして、電流Ｉが途切れてしまうまでの時間は、石英ガラス板１１３１が厚くなるほど長くなるので、雰囲気ガスの温度が改質に適した温度となるように、石英ガラス板１１３１の厚さを決定することが望ましい。ただし、このことは、雰囲気ガスの温度を調整するヒータをリアクタ１１に設置することを妨げるものではない。

○孔加工ミラー；
図４に示すように、リアクタ１１の内部の空間ＳＰ１には、空間ＳＰ１の内部から外部（下方）へ向かう短波長紫外線ＵＶ１を反射して空間ＳＰ１の内部へ戻す孔加工ミラー１１４が水平に設置されている。孔加工ミラー１１４は、石英ガラス板１１４２の上面にアルミニウム膜１１４３を蒸着で成膜することにより構成されている。孔加工ミラー１１４においては、石英ガラス板１１４２の、アルミニウム膜１１４３が成膜されていない下面が対象物Ｗ１に向けられている。リアクタ１１では、孔加工ミラー１１４を設けることにより、雰囲気ガスが発する短波長紫外線ＵＶ１の利用効率を向上し、被改質領域へ作用する短波長紫外線ＵＶ１を増加させることにより、改質の効率の向上を図っている。ここで、アルミニウム膜１１４３により鏡面を形成したのは、陰極１１３の場合と同様に、アルミニウム膜の短波長紫外線ＵＶ１の反射率が極めて高い（約９０％）ことによる。

孔加工ミラー１１４には、上面と下面とを貫通する貫通孔１１４ｈが縦横両方向に規則的に形成されている。リアクタ１１では、配管１１６及び網１１５を経由して供給された雰囲気ガスを、網１１５の開口部及び貫通孔１１４ｈを通して対象物Ｗ１に向けて噴射することより、改質が行われる空間ＳＰ１に雰囲気ガスを導入している。このように、平面的な広がりを有する対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓに向けて雰囲気ガスを噴射し、表面Ｗ１ｓと垂直な雰囲気ガス流ＦＬ１１を生成すると、雰囲気ガスの滞留により改質の効率や安定性が低下することを防ぐことができるとともに、窒素ラジカル（Ｎ^*）ＮＲ１の反応によって生じた一酸化窒素ＮＯやシアン化水素ＨＣＮ等の化学種（以下、反応済化学種）が、対象物Ｗ１へ向かう雰囲気ガス流ＦＬ１１の吹き返しの雰囲気ガス流ＦＬ１２、すなわち、対象物Ｗ１から離れる雰囲気ガス流ＦＬ１２によって、対象物Ｗ１の近傍から除去されるので、改質を高効率で安定して行うことができる。

図６の斜視図に示すように、孔加工ミラー１１４の上面には、左右方向に伸びる複数の溝１１４ｘが１５ｍｍ間隔で掘削されており、孔加工ミラー１１４の下面には、前後方向に伸びる複数の溝が１５ｍｍ間隔で掘削されている。そして、孔加工ミラー１１４では、直交する溝１１４ｘと溝１１４ｙとの交点が貫通孔１１４ｈとなっている。この孔加工ミラー１１４は、貫通孔１１４ｈを個別に削孔加工するよりも、短時間で安価に製造することができる。

○網；
網１１５は、メッシュ間隔が０．１ｍｍ程度の積層網となっており、多数の貫通孔１１４ｈからの雰囲気ガスの噴射を圧損により均一化させるバッファとして機能している。孔加工ミラー１１４の上にこのようなバッファを設けることにより、雰囲気ガスの噴射が、配管１１６の上流側の貫通孔１１４ｈに集中して改質の均一性を妨げてしまうことを防止することができる。

なお、窒素ガスの１ｃｍ²あたりの噴射量は、０．００１リットル／分以上０．０３リットル／分以下であることが望ましい。なぜならば、１ｃｍ²あたりの噴射量が０．００１リットル／分を下回ると反応済化学種の除去が不十分となり改質の安定性や効率が低下するからであり、１ｃｍ²あたりの噴射量が０．０３リットル／分を上回ると生成したプラズマが空間ＳＰ１から流出して、短波長紫外線ＵＶ１の発光量が減少し、改質の効率が低下するからである。

○雰囲気ガスの供給について；
配管１１６には、窒素ガスを供給する窒素ガス供給源１９１及び重合性ガスを供給する重合性ガス供給源１９２が接続されている。

表面改質装置１では、対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓを粗面化する場合には、本質的に窒素ガスのみからなる雰囲気ガスが、窒素ガス供給源１９１から、配管１１６、網１１５及び貫通孔１１４ｈを経由して空間ＳＰ１へ導入される。ここで、「本質的に窒素ガスのみからなる」とは、不可避的な不純物が窒素ガスに混入することも許容されるという趣旨である。すなわち、窒素ガス供給源１９１が供給する窒素ガスに若干の不純物が混入する場合もあるが、窒素ラジカルＮＲ１の被改質領域への作用を顕著に妨げたり、短波長紫外線ＵＶ１を顕著に減衰させるようなものでない限り、問題とはならないという趣旨である。

一方、表面改質装置１では、表面Ｗ１ｓを疎水化する場合、窒素ガスに重合性ガスを添加した雰囲気ガスが、窒素ガス供給源１９１及び重合性ガス供給源１９２から、配管１１６、網１１５及び貫通孔１１４ｈを経由して空間ＳＰ１へ導入される。

＜２．３ パルス電源の構成＞
パルス電源１５が電極対１１１に繰り返し印加する電気パルスの波形は、パルス電界ＰＥ１によって被改質領域のみに電気的な衝撃を与えることができるとともに、アーク放電を引き起こすことなくストリーマ放電（望ましくは、ファインストリーマ放電）を引き起こし、空間ＳＰ１にプラズマを安定して発生させることができるように決定される。なお、電気パルスの具体的な波形は、後述の「３ 表面改質装置の動作」において説明する。

このようなパルス電源１５には、静電誘導型サイリスタ（以下、「ＳＩＴｈｙ」）を用いた誘導エネルギー蓄積型電源回路（以下、「ＩＥＳ回路」)１５０を採用することが望ましい。このＩＥＳ回路１５０は、ＳＩＴｈｙのクロージングスイッチ機能の他、オープニングスイッチング機能を用いてターンオフを行い、当該ターンオフによりＳＩＴｈｙのゲート・アノード間に高圧を発生させている。なお、ＩＥＳ回路１５０の詳細は、飯田克二，佐久間健：「誘導エネルギー蓄積型パルス電源」，第１５回ＳＩデバイスシンポジウム（２００２）に記載されている。

図７の回路図を参照して、ＩＥＳ回路１５０について説明すると、ＩＥＳ回路１５０は、電流供給源となる低電圧直流電源１５１を備える。低電圧直流電源１５１の電圧Ｖ₀は、ＩＥＳ回路１５０が発生させる電気パルスのピーク電圧より著しく低い電圧であることが許容される。例えば、後述する昇圧トランス１５３１の１次側Ｔ１に発生させる１次側電圧Ｖ₁のピーク電圧が４ｋＶに達しても、電圧Ｖ₀は数１０〜数１００Ｖ、典型的には４０Ｖ〜１５０Ｖであることが許容される。この電圧値の下限は後述するＳＩＴｈｙ１５３２のラッチング電圧以上で決定される。ＩＥＳ回路１５０は、このような低電圧の直流電源を電気エネルギー源として利用可能であるので、小型・低コストに構築可能である。

低電圧直流電源１５１には、充電用コンデンサ１５２と昇圧パルス発生部１５３とが並列接続される。充電用コンデンサ１５２は、低電圧直流電源１５１のインピーダンスを見かけ上低下させることにより低電圧直流電源１５１の放電能力を強化する。低電圧直流電源１５１の電圧Ｖ₀は、昇圧パルス発生部１５３で昇圧されるが、この昇圧パルス発生部１５３は、昇圧トランス１５３１、ＳＩＴｈｙ１５３２、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)（以下、「ＦＥＴ」）１５３３、ゲート駆動回路１５３４及びダイオード１５３５を備えている。

ＩＥＳ回路１５０では、昇圧トランス１５３１の１次側Ｔ１と、ＳＩＴｈｙ１５３２のアノードＡ・カソードＫ間と、ＦＥＴのドレインＤ・ソースＳ間とが直列接続される。すなわち、昇圧トランス１５３１の１次側Ｔ１の一端Ｐ１が低電圧直流電源１５１の正極に、昇圧トランス１５３１の１次側Ｔ１の他端Ｐ２がＳＩＴｈｙ１５３２のアノードＡに、ＳＩＴｈｙ１５３２のカソードＫがＦＥＴのドレインＤに、ＦＥＴのソースＳが低電圧直流電源１５１の負極に接続される。これにより、低電圧直流電源１５１からこれらの回路素子に電流を供給可能になる。また、ＩＥＳ回路１５０では、ＳＩＴｈｙ１５３２のアノードＡ・ゲートＧ間がダイオード１５３５を介して昇圧トランス１５３１の１次側Ｔ１と並列接続される。すなわち、ＳＩＴｈｙ１５３２のゲートＧがダイオード１５３５のアノードＡに、ダイオード１５３５のカソードＫが一端（低電圧直流電源１５１の正極）Ｐ１に接続される。ＦＥＴのゲートＧ・ソースＳ間には、ゲート駆動回路１５３４が接続される。

昇圧トランス１５３１は、１次側Ｔ１に与えられた電気パルスをさらに昇圧して２次側Ｔ２に出力する場合に付加される。昇圧トランス１５３１の２次側Ｔ２には負荷ＬＤ（ここでは、電極対１１１）が接続される。昇圧トランス１５３１の１次側Ｔ１は自己インダクタンスを有する誘導性素子になっている。

ＳＩＴｈｙ１５３２は、ゲートＧに与えられる信号に応答してターンオン及びターンオフが可能である。

ＦＥＴは、ゲート駆動回路１５３４から与えられる信号に応答してドレインＤ・ソースＳ間の導通状態が変化するスイッチング素子である。ＦＥＴ１５３３のオン電圧ないしはオン抵抗は低いことが望ましい。また、ＦＥＴ１５３３の耐圧は電圧Ｖ₀より高いことを要する。

ダイオード１５３５は、ＳＩＴｈｙ１５３２のゲートＧに正バイアスを与えた場合に流れる電流を阻止するため、すなわち、ＳＩＴｈｙ１５３２のゲートＧに正バイアスを与えた場合にＳＩＴｈｙ１５３２が電流駆動とならないようにするために設けられる。

＜３ 表面改質装置の動作＞
＜３．１ 粗面化＞
以下では、対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓを粗面化する際の表面改質装置１の動作について、図８〜図１２を参照しながら説明する。ここで、図８は、電極対１１１へ繰り返し印加される電気パルスの概略波形を示す図であり、電極対１１１の間の電圧Ｖ及び陽極１１２へ流れ込む電流Ｉの時間ｔによる変化を示している。また、図９〜図１２は、電極対１１１に電気パルスを印加した際の空間ＳＰ１の状態を模式的に示す図であり、図９、図１０、図１１及び図１２は、それぞれ、電圧上昇過程（ｔ=０〜ｔ₁）、放電過程（ｔ＝ｔ₁〜ｔ₂）、放電終息過程（ｔ＝ｔ₂〜ｔ₃）及び放電反転過程（ｔ＝ｔ₃〜ｔ₄）における空間ＳＰ１の状態を示す図となっている。なお、図９〜図１２においては、図示の便宜上、対象物Ｗ１と石英ガラス板１１３１との間をあけている。

○電圧上昇過程（ｔ=０〜ｔ₁）
図８に示すように、電圧上昇過程においては、電圧Ｖは、５０〜１００ｎｓの短時間で急激に上昇してピーク電圧Ｖ_pに達するが、空間ＳＰ１にストリーマ放電は発生せず（図９）、電流Ｉは、電極対１１１の間の静電容量への充電が行われるのに起因して緩やかに増加するのみである。

なお、立ち上がり時の電圧Ｖの時間上昇率ｄＶ／ｄｔは、１００〜５００ｋＶ／μｓとすることが望ましい。

また、ピーク電圧Ｖ_pは、電極対１１１の間隔によっても異なるが、典型的には１０〜３０ｋＶであり、電極対１１１の間隔が４．５ｍｍである場合には、約１５ｋＶである。

このような立ち上がりの早い電気パルスを電極対１１１に印加することにより、表面改質装置１では、被改質領域に電気的な衝撃を与えることができ、対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓを粗面化することができる。

○放電過程（ｔ＝ｔ₁〜ｔ₂）；
図８に示すように、電圧上昇過程に続く放電過程では、空間ＳＰ１にストリーマ放電ＳＤ１が発生するのに起因して（図１０）、電圧Ｖは若干低下し、電流Ｉは急激に増加してピーク電流Ｉ_p（１０〜５０Ａ）に達する。

放電過程では、ストリーマ放電ＳＤ１に起因して、陰極１１３から陽極１１２へ向かう電子なだれが拡大し、窒素雰囲気中に陽極１１２の近傍を中心としてプラズマが発生する。放電過程では、このようにして発生したプラズマに含まれる窒素ラジカルＮＲ１に対象物Ｗ１を曝し、被改質領域に窒素ラジカルＮＲ１を作用させ、対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓを粗面化している。

さらに、放電過程では、ストリーマ放電ＳＤ１に起因して雰囲気ガスが発する、短波長紫外線ＵＶ１を含む紫外線（波長が２５０〜４００ｎｍにわたって分布した紫外線）を対象物Ｗ１に照射し、被改質領域に短波長紫外線ＵＶ１を作用させ、表面Ｗ１ｓを粗面化している。

○放電終息過程（ｔ＝ｔ₂〜ｔ₃）；
図１１に示すように、放電過程に続く放電終息過程では、ストリーマ放電ＳＤ１が時間とともに終息する。このため、放電終息過程では、電圧Ｖは若干上昇し、電流Ｉは緩やかに減少する（図８）。

○逆放電過程（ｔ＝ｔ₂〜ｔ₃）；
図１２に示すように、放電終息過程に続く逆放電過程では、空間ＳＰ１に、放電過程とは逆方向のストリーマ放電ＳＤ１が発生する。これに起因して、電圧Ｖは低下し、放電過程とは逆方向の電流Ｉが流れる（図８）。換言すれば、逆放電過程では、陽極１１２と陰極１１３との役割が、放電過程とは実質的に逆転した状態となっている。

このように、電極対１１１への電気パルスの印加に応答して流れる電流の反転を起こすことにより、リアクタ１１では、対象物Ｗ１の帯電を中和して対象物Ｗ１のチャージアップを防止している。これにより、対象物Ｗ１のチャージアップに起因するストリーマ放電ＳＤ１の不均一化を防止することができるようになり、対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓを均一に改質することができるようになっている。

○粗面化；
表面改質装置１では、窒素ガスを雰囲気ガスとして用いて、電圧上昇過程、放電過程、放電終息過程及び放電反転過程を繰り返すことにより、対象物Ｗ１に大きな損傷を与えることなく、対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓを均一に洗浄するとともに、表面Ｗ１ｓを均一に粗面化することができ、表面Ｗ１ｓの濡れ性や接着性を向上することができる。

＜３．２ 疎水化＞
表面改質装置１では、重合性ガスを添加した窒素ガスを雰囲気ガスとして用いて、対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓを粗面化する場合と同様に、電圧上昇過程、放電過程、放電終息過程及び放電過程を繰り返すことにより、パルス電界ＰＥ１、窒素ラジカルＮＲ１及び短波長紫外線ＵＶ１を被改質領域に作用させるのに加えて、重合性ガスに由来する重合膜を対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓに形成することができるので、重合膜に応じた特性（疎水性等）を対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓに付与することができる。

＜４ その他＞
表面改質装置１において、雰囲気ガスを減圧すると、陽極１１２と陰極１１３との距離を離すことできるようになり、立体的な形状を有する対象物Ｗ１の表面Ｗ１ｓの改質も行うことができるようになる。

電界Ｅに曝された対象物Ｗ７を模式的に示すとともに、電界Ｅの方向における電位Φの分布を示している図である。 電極対７１に印加する電気パルスの概略波形と当該電気パルスによって引き起こされる放電とを模式的に示す図である。 本発明の望ましい実施の形態に係る表面改質装置１の全体構成を模式的に示す斜視図である。 リアクタ１１の構成を模式的に示す断面図である。 各種金属膜の反射率の波長依存性を示す図である。 孔加工ミラー１１４の構成を示す斜視図である。 ＩＥＳ回路１５０の回路図である。 電極対１１１へ印加される電気パルスの概略波形を示す図である。 電極対１１１へ電気パルスを印加した際の空間ＳＰ１の状態を示す図である。 電極対１１１へ電気パルスを印加した際の空間ＳＰ１の状態を示す図である。 電極対１１１へ電気パルスを印加した際の空間ＳＰ１の状態を示す図である。 電極対１１１へ電気パルスを印加した際の空間ＳＰ１の状態を示す図である。

符号の説明

１ 表面改質装置
１１ リアクタ
１５ パルス電源
１１１ 電極対
１１２ 陽極
１１３ 陰極
１１４ 孔加工ミラー
１１５ 網
１１６ 配管
１１３１，１１４１ 石英ガラス板
１１３２，１１４２ アルミニウム膜
ＮＲ１ 窒素ラジカル
ＰＥ１ パルス電界
ＳＰ１ 空間
ＵＶ１ 短波長紫外線
Ｗ１ 対象物

Claims (6)

1. 対象物の表面を改質する表面改質装置であって、
   改質が行われる空間に窒素ガスを主成分とする雰囲気ガスを導入する雰囲気制御手段と、
   前記空間に設置された電極対と、
   アーク放電を引き起こさずにストリーマ放電を引き起こす電気パルスを前記電極対に繰り返し印加するパルス電源と、
   前記空間の内部から外部へ向かう短波長紫外線を前記空間の内部へ戻す反射部材と、
   を備え、
   前記電極対への電気パルスの印加によって発生したパルス電界と、
   前記ストリーマ放電に起因して前記雰囲気ガス中に発生したプラズマに含まれる窒素ラジカルと、
   前記ストリーマ放電に起因して前記雰囲気ガスが発する短波長紫外線と、
   を対象物の表面の近傍に存在する被改質領域に作用させることにより、対象物の表面を改質することを特徴とする表面改質装置。
2. 請求項１に記載の表面改質装置において、
   前記ストリーマ放電は、散点したストリーマが前記電極対の間に存在する、ストリーマの成長の初期段階で放電を停止するファインストリーマ放電である、
   ことを特徴とする表面改質装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の表面改質装置において、
   前記雰囲気ガスが本質的に窒素ガスのみからなり、
   対象物の表面を粗面化することを特徴とする表面改質装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の表面改質装置において、
   前記雰囲気ガスに重合性ガスが添加されており、
   前記重合性ガスに由来する重合膜を対象物の表面に形成することを特徴とする表面改質装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の表面改質装置において、
   前記電極対の陰極は、
   石英ガラス板と、
   前記石英ガラス板の一方の主面に成膜されたアルミニウム膜と、
   を備え、
   前記石英ガラス板の他方の主面が対象物に向けられていることを特徴とする表面改質装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の表面改質装置において、
   対象物の主面が平面的な広がりを有しており、
   前記雰囲気制御手段が、
   対象物の主面に向けて前記雰囲気ガスを噴射することにより、対象物の主面と垂直な雰囲気ガス流を生成することを特徴とする表面改質装置。

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