JP2009032651A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ生成用ガスを有効利用する。
【解決手段】電極基板４に形成された複数の貫通孔６を介して被処理物２の表面にプラズマ生成用ガスを直接供給する。これにより、被処理物２の表面処理に必要な量だけのプラズマ生成用ガスを供給することにより、プラズマ生成用ガスを有効利用し、プラズマ生成用ガスの消費量を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被処理物の表面を処理するためのプラズマを発生させるプラズマ処理装置に関する。

従来より、第１の電極と、被処理物を挟んで対向配置された第２の電極と、第１の電極の一方の端部に形成されたプラズマ生成用ガス導入路と、第１の電極の他方の端部に形成されたプラズマ生成用ガス排出路とを備えるプラズマ処理装置が知られている。このプラズマ処理装置は、プラズマ生成用ガス導入路からプラズマ生成用ガス排出路に向けてプラズマ生成用ガスを流通させ、第１の電極と第２の電極間に電圧を印加することにより、プラズマ生成用ガスを活性化させ、活性化されたプラズマ生成用ガスにより被処理物の表面を処理する。
特開２００４−１３４６７１号公報 特開２０００−３５３６９８号公報

従来のプラズマ処理装置によれば、プラズマ生成用ガス導入路から導入したプラズマ生成用ガスの全てが被処理物に供給される構成ではないために、被処理物の表面処理に必要な量以上のプラズマ生成用ガスをプラズマ生成用ガス導入路から導入しなければならず、プラズマ生成用ガスを有効利用することができない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、プラズマ生成用ガスを有効利用し、プラズマ生成用ガスの消費量を低減可能なプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明に係るプラズマ処理装置は、電極基板と、被処理物を挟んで電極基板に対向配置された対向電極とを備え、電極基板は、被処理物にプラズマ生成用ガスを供給するための複数の貫通孔を有すると共に内部に平板電極が埋設された絶縁体基板により形成され、平板電極と対向電極間に電圧を印加することにより発生する放電現象によってプラズマ生成用ガスを活性化させ、活性化されたプラズマ生成用ガスにより被処理物の表面を処理する。

本発明に係るプラズマ処理装置によれば、電極基板に形成された複数の貫通孔を介して被処理物の表面にプラズマ生成用ガスを直接供給できるので、被処理物の表面処理に必要な量だけのプラズマ生成用ガスを供給することにより、プラズマ生成用ガスを有効利用し、プラズマ生成用ガスの消費量を低減することができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態となるプラズマ処理装置の構成について説明する。

［第１の実施形態］
〔プラズマ処理装置の構成〕
本発明の第１の実施形態となるプラズマ処理装置１は、図１に示すように、回転することによって被処理物２を巻き付けて搬送する円柱形状の電極３と、被処理物２を挟んで電極３の軸方向に対向配置された複数の電極基板４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ：図３参照）と、電極基板４を冷却するための放熱器５とを主な構成要素として備える。電極３は、金属又は金属に絶縁体を被覆したものにより形成され、接地されている。電極基板４は、セラミックス等の絶縁体基板により形成され、図２に示すように、ガスボンベから供給されたプラズマ生成用ガスを被処理物２に向けて供給するための複数の貫通孔６と、絶縁体基板内部に埋設された平板電極７とを備える。平板電極７は、貫通孔６に対応する位置に、貫通孔６の直径以上の大きさの直径を有し、且つ、同心円状の複数の貫通孔８を備える。平板電極７には、貫通孔６の側壁部に放電現象を発生させるための電源９が接続されている。

本実施形態では、複数の貫通孔６は図２に示すように行列状に配列されているが、図４に示すように複数の貫通孔６を隣接する貫通孔６との距離が等間隔になるように交互にずらして配置するようにしてもよい。このような構成によれば、図２に示す構造と比較して隣り合う貫通孔６間の距離を短くすることができるので、電極基板４の面内方向に均一に放電現象を発生させることができる。貫通孔６の直径は０．０１〜１５［ｍｍ］の範囲内にすることが望ましい。これは、貫通孔６の直径が０．０１［ｍｍ］以下である場合、貫通孔６の形成が困難になり、逆に直径が１５［ｍｍ］以上である場合には、プラズマ生成用ガスの供給路が広がることによって発生するプラズマが不均一になるためである。

このプラズマ処理装置１は、電極３と平板電極７間に電圧を印加し、電圧印加によって発生する放電現象により貫通孔６から供給したプラズマ生成用ガスを活性化させることにより、活性化されたプラズマ生成用ガスにより被処理物２の表面を処理する。なお、プラズマ生成用ガスとしては、希ガス、窒素、酸素、及び空気のうちの少なくとも一つを含有するガス、又はこれら二種以上の混合ガスを用いることが望ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となるプラズマ処理装置によれば、電極基板４に形成された複数の貫通孔６を介して被処理物２の表面にプラズマ生成用ガスを直接供給するので、被処理物２の表面処理に必要な量だけのプラズマ生成用ガスを供給することにより、図５に示すような従来までのプラズマ処理装置と比較して、プラズマ生成用ガスを有効利用し、プラズマ生成用ガスの消費量を低減することができる。

また本発明の第１の実施形態となるプラズマ処理装置によれば、電極３は円柱形状を有し、電極基板４は図３に示すように電極３の軸方向に複数配置されている。このような構成によれば、表面処理を行う被処理物２の面積が大きい場合であっても、均一なプラズマを発生させ、表面処理を均一に行うことができる。また電極３と電極基板４との間のギャップ精度を容易に高めることができる。

また本発明の第１の実施形態となるプラズマ処理装置によれば、平板電極７は、貫通孔６に対応する位置に、貫通孔６の直径以上の大きさの直径を有し、且つ、同心円状の複数の貫通孔８を備える。このような構成によれば、貫通孔６の側壁部と平板電極７間の距離を均等にすることができるので、均一な放電現象を発生させることができる。

また本発明の第１の実施形態となるプラズマ処理装置は、電極基板４を冷却するための放熱器５を備えるので、電圧印加に伴い発生した電極基板４の熱を効果的に除去することができる。

以下、本実施形態を実施例に基づきさらに詳しく説明する。

〔実施例１〕
実施例１では、始めにアルミナ粉末を含む混合材料をシート状に成形することにより第１のシート材（厚み１．０ｍｍ）と第２のシート材（厚み１．４ｍｍ）を形成し、第１及び第２のシート材それぞれについて、隣り合う貫通孔同士の間隔が４．５ｍｍとなるように平面視４５×２２ｍｍの領域内に直径１ｍｍの５５個の貫通孔を形成した。次に、シート材に形成した貫通孔よりも大きい直径３ｍｍの貫通孔がシート材の貫通孔を囲むパターン形状となるように、厚み３０μｍのタングステン層を第１のシート材の一面に印刷成形した。これにより、タングステン層の貫通孔側面と第１のシート材の貫通孔側面には均一な厚さ１ｍｍの絶縁被膜が形成された。

次に、タングステン層の上面に第２のシート材を積層し、積層体を加熱焼成することにより電極基板を形成した。次に、タングステン層に電源を接続し、電極基板と対向する位置に接地した直径３００ｍｍの円筒電極を配置した。この時、円筒電極と電極基板の最短部の距離を１ｍｍとした。そして電極基板の貫通孔からプラズマ生成用ガスを噴出することにより、円筒電極とタングステン層間に形成される放電空間にプラズマ生成用ガスを導入した。

〔比較例〕
比較例では、図５に示すように、接地した直径３００ｍｍの円筒電極３と対向する位置に、厚み１ｍｍの絶縁材料（誘電材料）により被覆された電極７を配置し、電極７に電源９を接続した。この時、円筒電極３と電極７の最短部の距離は１ｍｍとした。そして電極７の一端に設置されたノズルからプラズマ生成用ガスを噴出し、電極７の他端に設置された吸引ノズルによりプラズマ生成用ガスを吸引することにより、円筒電極３と電極７間に形成される放電空間にプラズマ生成用ガスを導入した。

〔評価〕
実施例１及び比較例のプラズマ処理装置を用いて、大気圧下で窒素１０［ｌ／ｍｉｎ］，酸素０．０１［ｌ／ｍｉｎ］分のプラズマ生成用ガスを導入し、電源から電極間に正弦波状波形の３０［ｋＨｚ］，１２［ｋＶ］の電圧を印加し、電極間で放電を発生させ、円筒電極にポリイミドフィルムを巻き付け回転させることによりポリイミドフィルムを２０［ｍ／ｍｉｎ］の速度で電極間を通過させ、ポリイミドフィルム表面を処理した。そして表面処理後のポリイミドフィルム表面の水接触角を測定した。測定の結果、表面処理前の水接触角は７２°であったのに対し、実施例１のプラズマ処理装置を用いて表面処理した後の水接触角は１０°，比較例のプラズマ処理装置を用いて表面処理した後の水接触角は３４°であった。このことから、実施例１のプラズマ処理装置によれば、比較例のプラズマ処理装置と比較して、ポリイミドフィルム表面の水接触角が大きく低下することがわかる。

［第２の実施形態］
〔プラズマ処理装置の構成〕
本発明の第２の実施形態となるプラズマ処理装置１０は、図６に示すように、上記第１の実施形態となるプラズマ処理装置１の構成に加えて、貫通孔６に薄膜形成用ガスを供給する高圧ガスボンベ等の薄膜形成用ガス供給部１１を備える。このプラズマ処理装置１０では、電極３を回転させることによって被処理物２を搬送しながら、薄膜形成用ガス供給部１１が貫通孔６に薄膜形成用ガスを供給する。これにより、薄膜形成用ガスは、電極基板７と対向電極３間に電圧を印加することにより発生する放電現象によって活性化されて化学反応を起こし、被処理物２の表面全域に薄膜を形成する。なお、薄膜形成用ガスの温度を調整した後に薄膜形成用ガスを貫通孔６に供給するようにしてもよい。

薄膜形成用ガスとしては、ＳｉＨ_４、ＳｉＨ_６、ＳｉＦ_４、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＡｓＨ_３、Ｐｈ_３、Ｂ_２Ｈ_６、ＢＦ_３、ＢＣｌ_３、ＢＢｒ_３、ＧｅＨ_４、Ｈ_２Ｓｅ、Ｆ_２、Ｃｌ_２、ＮＦ_３、ＳＦ_６、ＷＦ_６、ＨＣＬ、ＨＦ、ＨＢｒ、ＨＩ、ＣｌＦ_３、ＣＨＦ_３、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、ＣＨＣｌ_３、Ｎ_２Ｏ、ＮＨ_３、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｓ、Ｈ_２、Ｎ_２、Ｏ_２、Ｈｅ、Ａｒ、ＴｉＣｌ_４、ＺｒＣｌ_４、ＨｆＣｌ_４、ＡｌＣｌ_３、ＴａＣｌ_５のうちの少なくとも１つのガスを含有するガスを例示できる。また被処理物としては、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルムやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム等の各種フィルム材やアルミニウムフープ材やＳＵＳ４２０Ｊ２フープ材等の各種フープ材を例示できる。

図６に示す例は電極基板７を１つだけ配置したものであるが、例えば図７に示すように被処理物２の搬送方向に電極基板７を複数配置してもよい。またこの場合、複数の電極基板７の各々に薄膜形成用ガスを独立して供給、又は複数の電極基板の各々に異なる薄膜形成用ガスを独立して供給するようにしてもよい。このような処理によれば、例えば被処理物２の表面に多層薄膜１２を連続的に製造したり，被処理物２の表面に前処理，薄膜形成，後処理を連続して行ったりすることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となるプラズマ処理装置によれば、電極基板４に形成された複数の貫通孔６を介して被処理物２の表面に薄膜形成用ガスを直接供給するので、貫通孔６が一つである場合と比較して、薄膜堆積速度を速くすることができると共に被処理物２の表面全域に渡って均一な特性の薄膜を製造することができる。また貫通孔６と電極基板７が一体成形されているので、電極基板７に金属製部材を挿入することにより貫通孔６を形成した場合のように貫通孔６と電極基板７の接合点を起点とした異常放電が発生することを抑制できる。

以下、本実施形態を実施例に基づきさらに詳しく説明する。

〔実施例２〕
実施例２では、始めにアルミナ粉末を含む混合材料をシート状に成形することにより第１のシート材（厚み１．０ｍｍ）と第２のシート材（厚み１．４ｍｍ）を形成し、第１及び第２のシート材それぞれについて、隣り合う貫通孔同士の間隔が４．５ｍｍとなるように平面視４５×２２ｍｍの領域内に直径１ｍｍの５５個の貫通孔を形成した。次に、シート材に形成した貫通孔よりも大きい直径３ｍｍの貫通孔がシート材の貫通孔を囲むパターン形状となるように、厚み３０μｍのタングステン層を第１のシート材の一面に印刷成形した。これにより、タングステン層の貫通孔側面と第１のシート材の貫通孔側面には均一な厚さ１ｍｍの絶縁被膜が形成された。

次に、タングステン層の上面に第２のシート材を積層し、積層体を加熱焼成することにより電極基板を形成した。このようにして電極基板を３つ用意し、各電極基板のタングステン層に電源を接続し、図８に示すように３つの電極基板４ａ，４ｂ，４ｃと対向する位置に接地した直径３００ｍｍのＳＵＳ３０４製の円筒電極を配置した。この時、円筒電極と電極基板４ａ，４ｂ，４ｃの最短部の距離を５ｍｍとした。そして電極基板４ａの貫通孔からＮ_２ガス１０［ｌ／ｍｉｎ］及びＯ_２ガス０．２［ｌ／ｍｉｎ］、電極基板４ｂの貫通孔からＴｉＣｌ_４ガス０．５５［ｌ／ｍｉｎ］及びＯ_２ガス０．２［ｌ／ｍｉｎ］、電極基板４ｃの貫通孔からＳｉＨ_４ガス０．３５［ｌ／ｍｉｎ］及びＯ_２ガス０．２［ｌ／ｍｉｎ］をそれぞれ薄膜形成用ガスとして噴出することにより、円筒電極とタングステン層間に形成される放電空間に薄膜形成用ガスを導入し、幅２００ｍｍのＴＡＣフィルムを被処理物として１［ｍ／ｍｉｎ］の速度で電極間を搬送させた。この結果、電極基板４ａを通過した段階でＴＡＣフィルム表面は親水化され、電極基板４ｂを通過した段階でＴＡＣ表面にＴｉＯ_２薄膜が形成され、電極基板４ｃを通過した段階でＴｉＯ_２薄膜表面にＳｉＯ_２薄膜が形成された。この処理によれば、通常薄膜形成が困難であるＴＡＣフィルムと多層薄膜界面での密着強度は１Ｎ／ｍｍ以上であった。また波長５５０ｎｍでの反射率は、ＴＡＣフィルム自体では６％，薄膜形成後では２．５％であった。

〔実施例３〕
実施例３では、実施例２と同様の電極基板を１つ用意し、電極基板のタングステン層に電源を接続し、電極基板と対向する位置に接地した直径３００ｍｍの酸化アルミニウム（純度９９．９％）製の円筒電極を配置した。この時、円筒電極と電極基板の最短部の距離を５ｍｍとした。そして電極基板の貫通孔からＴｉＣｌ_４ガス０．５５［ｌ／ｍｉｎ］及びＮ_２ガス０．３８［ｌ／ｍｉｎ］を薄膜形成用ガスとして噴出することにより、円筒電極とタングステン層間に形成される放電空間に薄膜形成用ガスを導入し、ＳＵＳ４２０Ｊ２フープ材を被処理物として３［ｍ／ｍｉｎ］の速度で電極間を搬送させた。この結果、電極基板を通過した段階でＳＵＳ４２０Ｊ２フープ材表面にＴｉＮ薄膜が形成され、ＳＵＳ４２０Ｊ２フープ材表面全域が均一な黄金色になった。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論である。

本発明の第１の実施形態となるプラズマ処理装置の構成を示す模式図である。 図１に示す電極基板の構成を示す上面図及び断面図である。 図１に示す電極と電極基板の位置関係を示す模式図である。 図１に示す電極基板の応用例の構成を示す上面図及び断面図である。 従来のプラズマ処理装置の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態となるプラズマ処理装置の構成を示す模式図である。 図６に示すプラズマ処理装置の変形例の構成を示す模式図である。 実施例２の処理において用いたプラズマ処理装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１，１０：プラズマ処理装置
２：被処理物
３：電極
４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ：電極基板
５：放熱器
６，８：貫通孔
７：平板電極
９：電源
１１：薄膜形成用ガス供給部
１２：多層薄膜

Claims (11)

1. 電極基板と、
   被処理物を挟んで前記電極基板に対向配置された対向電極とを備え、
   前記電極基板は、前記被処理物にプラズマ生成用ガスを供給するための複数の貫通孔を有すると共に内部に平板電極が埋設された絶縁体基板により形成され、
   前記平板電極と前記対向電極間に電圧を印加することにより発生する放電現象によって前記プラズマ生成用ガスを活性化させ、活性化されたプラズマ生成用ガスにより被処理物の表面を処理する
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、前記対向電極は円柱形状を有し、前記電極基板は前記対向電極の軸方向に複数配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置において、前記平板電極は、前記複数の貫通孔に対応する位置に、当該貫通孔の直径以上の大きさの直径を有し、且つ、同心円状の複数の貫通孔を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記プラズマ生成用ガスは、希ガス、窒素、酸素、及び空気のうちの少なくとも一つを含有するガス、又はこれら二種以上の混合ガスであることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記絶縁体基板はセラミックスにより形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項１乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記電極基板を冷却するための放熱器を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項１乃至請求項６のうち、いずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記プラズマ生成用ガスに薄膜形成用ガスを用いることにより、前記被処理物の表面に薄膜を形成することを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 請求項７に記載のプラズマ処理装置において、前記電極基板が前記被処理物の搬送方向に複数配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 請求項８に記載のプラズマ処理装置において、前記複数の電極基板の各々に薄膜形成用ガスを独立して供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
10. 請求項９に記載のプラズマ処理装置において、前記複数の電極基板の各々に異なる種類の薄膜形成用ガスを供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
11. 請求項７乃至請求項１０のうち、いずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記薄膜形成用ガスは、ＳｉＨ_４、ＳｉＨ_６、ＳｉＦ_４、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＡｓＨ_３、Ｐｈ_３、Ｂ_２Ｈ_６、ＢＦ_３、ＢＣｌ_３、ＢＢｒ_３、ＧｅＨ_４、Ｈ_２Ｓｅ、Ｆ_２、Ｃｌ_２、ＮＦ_３、ＳＦ_６、ＷＦ_６、ＨＣＬ、ＨＦ、ＨＢｒ、ＨＩ、ＣｌＦ_３、ＣＨＦ_３、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、ＣＨＣｌ_３、Ｎ_２Ｏ、ＮＨ_３、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｓ、Ｈ_２、Ｎ_２、Ｏ_２、Ｈｅ、Ａｒ、ＴｉＣｌ_４、ＺｒＣｌ_４、ＨｆＣｌ_４、ＡｌＣｌ_３、ＴａＣｌ_５のうちの少なくとも１つのガスを含有することを特徴とするプラズマ処理装置。

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