JP2010135209A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理装置の電極構造をコンパクトにし、かつ電極が放電で熱変形しても電極と固体誘電体との間に異常放電が起きるのを防止する。
【解決手段】電極１１の放電面１１ａに誘電体からなる誘電部材１２を被せる。電極１１の背面１１ｂに固定部材１３を対面させる。固定部材１３を誘電部材１２に対し位置固定する。背面１１ｂと、固定部材１３の背面対向面１３ｂの一方に収容凹部１５を形成し、他方を平坦面にする。板ばね１４の基部１４ｂを収容凹部１５に収容する。板ばね１４の弾性接触部１４ａを上記平坦面に弾力的に当てる。
【選択図】図１

Description

この発明は、プラズマ処理装置に関し、特に、電極の放電面に電極とは別体の固体誘電体からなる誘電部材が分離可能に設けられたプラズマ処理装置に関する。

特許文献１のプラズマ処理装置では、電極の放電面に誘電部材が分離可能に被さっている。電極の放電面とは反対側の背面には固定部材（リテーナ）が設けられている。固定部材は誘電部材に対し位置固定されている。電極の背面と固定部材の電極背面を向く面とには、それぞれ収容凹部が形成されている。電極背面の収容凹部に圧縮コイルばねの一端部が収容されている。固定部材の収容凹部に上記圧縮コイルばねの他端部が収容されている。圧縮コイルばねによって電極が誘電部材に弾力的に押し付けられている。これにより、電極の放電面と誘電部材の間に隙間が形成されるのを防止でき、電極と誘電部材の間にアーク等の異常放電が起きるのを防止できる。
特開２００７−２２０５７８号公報

圧縮コイルばねは伸縮ストロークが比較的大きい。そのため、電極又は固定部材の収容凹部の深さが比較的大きい。ひいては、電極又は固定部材の厚さが比較的大きい。
また、電極は、放電によって発熱し変形する。この熱変形により、電極と固定部材の位置がずれる。すると、圧縮コイルばねの一端部と他端部をそれぞれ収容している収容凹部どうしの位置がずれる。そのため、圧縮コイルばねの軸線が捻じ曲げられ、ばね力の向きが斜めになったり、圧縮コイルばねの中間部が電極背面と固定部材の間に食い込んだりすることが考えられる。そうすると、電極を誘電部材に十分に押し付けることができなくなるおそれがある。

上記課題を解決するため、本発明は、処理ガスを放電によりプラズマ化（分解、励起、活性化、ラジカル化、イオン化を含む）し被処理物に当て、被処理物の表面処理を行なう装置において、
（ａ）前記放電を生成する放電面と、この放電面の反対側の背面を有する電極と、
（ｂ）前記放電面に被さる固体誘電体からなる誘電部材と、
（ｃ）前記背面に対面する背面対向面を有し、前記誘電部材に対し位置固定された固定部材と、
（ｄ）基部と、この基部に連なる弾性接触部を有する板ばねと、
を備え、前記背面と前記背面対向面とのうち一方に収容凹部が形成され、前記背面と前記背面対向面のうち他方の少なくとも前記収容凹部及び前記収容凹部の周辺と対向する部分は平坦面になり、前記板ばねの基部が前記収容凹部に収容され、前記板ばねの弾性接触部が前記平坦面に弾力的に当たっていることを特徴とする。

板ばねの弾性力によって電極が誘電部材に押し当てられる。したがって、放電面と誘電部材との間に隙間が形成されるのを防止でき、電極と誘電部材の間にアーク等の異常放電が起きるのを防止できる。
電極は、プラズマ放電によって熱を持ち、変形する。電極の熱変形に伴なって、板ばねが、電極と固定部材のうち平坦面を有する側に対し変位し平坦面に擦れる。板ばねの擦れる相手側が平坦面であるから、板ばねを滑りやすくでき、板ばねが引っ掛かったり捩れたりするのを防止できる。したがって、電極が熱変形して板ばねが変位しても、板ばねのばね力を電極に十分に付与できる。よって、電極の放電面を誘電部材に確実に押し当て、放電面と誘電部材の間に隙間が出来るのを確実に防止でき、電極と誘電部材間に異常放電が起きるのを確実に防止できる。この結果、電極及び誘電部材の損傷を確実に回避できる。
板ばねは、圧縮コイルばねに比べ延び縮みの幅が十分に小さい。したがって、ばね力の方向の収容スペースを、圧縮コイルばねを用いた場合に比べ十分に小さくできる。よって、収容凹部の深さを小さくできる。ひいては、電極の放電面から背面に至る厚さを小さくでき、電極構造をコンパクトにできる。

前記板ばねが基部を一対有し、前記弾性接触部が、前記一対の基部を橋絡し、前記平坦面に向けて凸になるよう湾曲していることが好ましい。
これによって、電極又は固定部材を一対の基部で二点支持できる。また、板ばねと平坦面との滑りを良好にすることができる。
前記電極が、厚さ方向（放電面から背面に至る方向）と直交する長手方向と短手方向を有する場合、前記一対の基部の対峙方向が、電極の短手方向を向いていてもよい。或いは、前記一対の基部の対峙方向が、電極の長手方向を向いていてもよい。
前記板ばねの長さ（前記一対の基部どうしの対峙距離）が幅（前記対峙距離と直交する方向の寸法）より大きくてもよい。板ばねの幅が長さより大きくてもよい。

前記収容凹部が、前記電極に設けられ、前記平坦面が、前記固定部材に設けられていることが好ましい。
これにより、固定部材に凹部を形成する必要がなく、固定部材の強度を確保できる。収容凹部が電極すなわち金属に形成されているから、板ばねの基部が収容凹部の角に突き当たっても、収容凹部の角が傷むのを防止できる。

本発明は、大気圧近傍下でプラズマを生成して表面処理する大気圧プラズマ処理に適している。ここで、大気圧近傍とは、１．０１３×１０^４〜５０．６６３×１０^４Ｐａ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、１．３３３×１０^４〜１０．６６４×１０^４Ｐａが好ましく、９．３３１×１０^４〜１０．３９７×１０^４Ｐａがより好ましい。

本発明によれば、電極の厚さを小さくでき、電極構造をコンパクトにできる。更に、電極が放電で熱変形しても電極と誘電部材との間に異常放電が起きるのを防止できる。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置１は、被処理物支持部２と、処理ヘッド３を備えている。

支持部２は、ステンレスやアルミニウム等の金属で構成され、平面視で四角形の平板状になっている。支持部２の上面（支持面２ａ）に被処理物９が配置される。被処理物９は、例えばフラットパネルディスプレイ用のガラス基板である。被処理物９は、ガラス基板に限られず、例えば連続シート状の樹脂フィルムでもよく、半導体基板でもよい。

金属製の支持部２は、接地線２ｅを介して電気的に接地されている。これにより、支持部２が接地電極（第２電極）を兼ねている。支持部２すなわち接地電極の上面２ａ（第２放電面）には、固体誘電体層（図示省略）が形成されている。

処理ヘッド３は、支持部２の上方ひいては被処理物９の上方に離れて配置されている。図示は省略するが、支持部２と処理ヘッド３の何れか一方に移動機構が接続されている。移動機構によって支持部２ひいては被処理物９と処理ヘッド３が図１の左右方向に相対移動される。

処理ヘッド３は、第１電極ユニット１０を含んでいる。電極ユニット１０は、電極１１と、誘電部材１２と、固定部材１３を備えている。電極１１は、アルミニウムやステンレス等の金属で構成されている。図１及び図２に示すように、電極１１は、長手方向を図１の紙面と直交する方向に向け、短手方向を図１の左右方向に向けた厚い平板状になっている。図示は省略するが、電極１１に電源が接続されている。これにより、電極１１は、電界印加電極になっている。電極１１の下面は、後記プラズマ放電を生成するための第１放電面１１ａになっている。電極１１の上面は、放電面１１ａの反対側の背面１１ｂになっている。電極１１の内部には、冷却水を通す冷却路１１ｃが形成されている。

図１に示すように、放電面１１ａに誘電部材１２が被せられている。誘電部材１２は、アルミナ等のセラミック（固体誘電体）で構成され、長手方向を図１の紙面と直交する方向に向け、短手方向を図１の左右方向に向けた板状になっている。電極１１の短手方向の両端部は、誘電部材１２より左右の外側に延び出し、かつ上に突出している。誘電部材１２の材質は、セラミックに代えて石英でもよい。誘電部材１２は、電極１１に対し分離可能になっている。したがって、誘電部材１２のメンテナンスを容易に行なうことができる。

電源からの電圧供給によって、電界印加電極１１と、接地電極としての支持部２との間に電界が印加され、大気圧近傍のプラズマ放電が生成される。これにより、誘電部材１２と支持部２との間の空間が放電空間３ａとなる。被処理物９は、放電空間３ａ内に配置される。

放電空間３ａに、処理ガス供給路４ａが連なっている。供給路４ａは、図示しない処理ガス供給源に連なっている。処理ガス供給源は、処理内容に応じた処理ガスを蓄えている。例えば、処理内容が被処理物９の表面の親水化であれば、酸素（Ｏ_２）等を主成分とする酸化性ガスを処理ガスとして用いるとよい。処理内容が被処理物９の表面の撥水化であれば、ＣＦ_４等のフッ素系化合物を主成分として含むガスを処理ガスとして用いるとよい。

図１に示すように、電極１１の上側には固定部材１３が設けられている。図２の二点鎖線に示すように、固定部材１３は、電極１１の長手方向に間隔を置いて複数配置されている。固定部材１３は、樹脂などの絶縁体で構成されている。図１及び図２に示すように、各固定部材１３は、左右に延び、電極１１を左右に跨ぐ門型（Ｃ字形状）になっている。図１に示すように、固定部材１３の中間部の下面が、電極１１の背面１１ｂと対面し、背面対向面１３ｂになっている。固定部材１３の両端部は、電極１１より左右の外側に延出し、かつ、下方へ突出している。固定部材１３の両端部が、誘電部材１２の両端部にボルト（図示せず）等の連結手段にて連結されている。これにより、固定部材１３が誘電部材１２に対し位置固定されている。

電極１１と各固定部材１３との間に板ばね１４が介在されている。図３に示すように、板ばね１４は、一対の基部１４ｂ，１４ｂと、これら基部１４ｂを橋絡する弾性接触部１４ａを有している。弾性接触部１４ａは、上方の背面対向面１３ｂに向けて凸になるよう湾曲している。この弾性接触部１４ａの両端部に基部１４ｂがそれぞれ連なっている。

図１に示すように、背面１１ｂの各固定部材１３に対応する箇所には、収容凹部１５が形成されている。収容凹部１５に板ばね１４が収容されている。板ばね１４の基部１４ｂが収容凹部１５の内底面に接している。一対の基部１４ｂ，１４ｂは、電極１１の短手方向に対峙している。基部１４ｂ，１４ｂどうしの対峙距離（板ばね１４の長さ）は、板ばね１４の幅（基部１４ｂ，１４ｂどうしの対峙方向と直交する方向の寸法）より大きい。板ばね１４の中央部の弾性接触部１４ａが、収容凹部１５ひいては電極１１の背面１１ｂより上に突出している。弾性接触部１４ａは、固定部材１３の中間部の平坦な背面対向面１３ｂに弾力的に当たっている。

上記構成のプラズマ処理装置１にて表面処理を行なう際は、被処理物９を配置部２の上にセットし、電極１１に電圧を供給し、電極１１，２間に大気圧グロー放電を生成する。また、処理ガス供給源の処理ガスを、供給路４ａを経て放電空間３ａに供給する。これにより、処理ガスが放電空間３ａ内でプラズマ化される。このプラズマ化された処理ガスが、被処理物９に接触する。これにより、被処理物９の表面上で反応が起き、所望の表面処理が行なわれる。

電極ユニット１０においては、板ばね１４のばね力によって電極１１が下方へ押され、放電面１１ａが誘電部材１２に押し当てられる。したがって、放電面１１ａと誘電部材１２の間に隙間が形成されるのを防止することができる。これによって、電極１１と誘電部材１２の間にアーク等の異常放電が起きるのを防止でき、電極１１及び誘電部材１２の損傷を回避することができる。

電極１１は、プラズマ放電によって熱を持ち、主に長手方向に伸びるように変形する。電極１１の熱変形と共に、板ばね１４が固定部材１３に対し変位し、背面対向面１３ｂに擦れる。背面対向面１３ｂは平坦になっているから、板ばね１４が滑りやすい。したがって、板ばね１４が固定部材１３に引っ掛かったり捩れたりするのを防止できる。更に、弾性接触部１４ａが背面対向面１３ｂに向けて凸になるよう湾曲しているから、板ばね１４を一層滑りやすくでき、板ばね１４の引っ掛かりや捩れをより確実に防止できる。したがって、電極１１が熱変形を来たしても、板ばね１４のばね力を電極１１に十分に付与し続けることができ、放電面１１ａの誘電部材１２への押し当て状態を維持できる。よって、電極１１の熱変形に拘らず、電極１１と誘電部材１２の間に隙間が出来るのを確実に防止でき、異常放電が起きるのを確実に防止できる。この結果、電極１１及び誘電部材１２の損傷を確実に回避できる。
また、固定部材１３への板ばね１４の引っ掛かりを防止できるため、固定部材１３に過度の応力が加えられるのを回避でき、固定部材１３の破損を防止できる。

板ばね１４は、圧縮コイルばねに比べ延び縮みの幅が十分に小さい。したがって、電極１１の厚さ方向の収容スペースを、圧縮コイルばねを用いた場合に比べ十分に小さくできる。よって、収容凹部１５の深さを小さくできる。ひいては、電極１１の厚さを小さくでき、電極構造１０をコンパクトにすることができる。
板ばね１４の一対の基部１４ｂ，１４ｂによって、電極１１を二点支持できる。
板ばね収容凹部１５が電極１１すなわち金属で形成されているから、板ばね１４の基部１４ｂが収容凹部１５の角に突き当たっても、収容凹部１５の角が傷むのを防止できる。固定部材１３に板ばね収容凹部を形成する必要がなく、固定部材１３の強度を確保できる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において既述の形態と重複する構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を省略する。
図４は、本発明の第２実施形態を示したものである。この実施形態では、板ばね１４の上下（垂直方向）の向きが第１実施形態とは逆になっている。板ばね１４を収容する収容凹部１５は、電極１１にではなく、固定部材１３の下面（背面対向面１３ｂ）に形成されている。電極１１の背面１１ｂが平坦面になっている。板ばね１４の弾性接触部１４ａが、収容凹部１５ひいては固定部材１３の背面対向面１３ｂから下に突出し、電極１１の平坦面１１ｂに弾力的に当たっている。

図５は、本発明の第３実施形態を示したものである、この実施形態では、板ばね１４の水平方向の向きが第１実施形態（図１、図２）とは９０度異なっている。板ばね１４の長さ方向（基部１４ｂ，１４ｂの対峙方向）が、電極１１の長手方向（図５において上下）に向けられている。弾性接触部１４ａが、湾曲しつつ電極１１の長手方向に沿って延びている。これにより、板ばね１４の電極長手方向への滑りをより良好にすることができる。

図６は、本発明の第４実施形態を示したものである。この実施形態では、板ばね１４の幅が、板ばね１４の長さ（基部１４ｂ，１４ｂどうしの対峙距離）より大きい。これにより、電極１１を誘電部材１２に確実にしっかりと押し当てることができる。板ばね１４の幅方向は、電極１１の長手方向に向いていてもよく、電極１１の短手方向に向いていてもよい。

第１実施形態（図１）のプラズマ処理装置１は、被処理物９を放電空間３ａの内部に配置してプラズマを被処理物９に直接的に当てる所謂ダイレクト式であったが、本発明は、ダイレクト式のプラズマ処理に限られず、被処理物９を放電空間３ａの外部に配置して処理する所謂リモート式のプラズマ処理にも適用できる。

図７は、リモート式プラズマ処理に係る第５実施形態を示したものである。リモート式プラズマ処理装置１Ｘの被処理物支持部２は、接地電極としての機能を有していない。接地電極２１は、処理ヘッド３に設けられている。

詳述すると、リモート式プラズマ処理装置１Ｘの処理ヘッド３は、電界印加側（図７において右）の第１電極ユニット１０と、接地側（図７において左）の第２電極ユニット２０を備えている。２つの電極ユニット１０，２０は、ほぼ対称になり、かつ左右に対向している。第１電極ユニット１０は、第１実施形態（図１）の第１電極ユニット１０を９０度回転させた姿勢になっている。放電面１１ａ及び背面１１ａは、垂直になっている。板ばね１４の長さ方向（基部１４ｂ，１４ｂどうしの対峙方向）は、垂直（上下）に向けられている。

第２電極ユニット２０は、接地電極２１（第２電極）と、誘電部材２２と、固定部材２３とを有している。接地電極２１は、図示しない接地線を介して電気的に接地されている。接地電極２１の垂直な放電面２１ａに誘電部材２２が設けられている。誘電部材１２，２２どうし間の隙間の上下方向の中間部分が放電空間３ａになる。処理ガス供給路４ａが、誘電部材１２，２２どうし間の隙間の上側部分を介して放電空間３ａに連なっている。誘電部材１２，２２どうし間の隙間の放電空間３ａより下側部分が、吹き出し口３ｂになる。放電空間３ａでプラズマ化された処理ガスが、吹き出し口３ｂから下方へ吹き出され、被処理物９に接触する。これにより、被処理物９の表面処理がなされる。

接地電極２１の垂直な背面２１ｂに収容凹部２５が形成されている。収容凹部２５に板ばね２４が収容されている。板ばね２４の長さ方向（基部２４ｂ，２４ｂどうしの対峙方向）は、垂直（上下）に向けられている。接地電極２１の背部に固定部材２３が設けられている。板ばね２４の弾性接触部２４ａが、凹部２５から突出し、固定部材２３の平坦な背面対向面２３ｂに男性的に当たっている。板ばね２４が接地電極２１を誘電部材２２に弾力的に押し当てている。これにより、放電面２１ａと誘電部材２２との間に隙間が形成されるのが防止され、異常放電が起きるのが防止されている。

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、板ばね１４は片持ち状でもよい。板ばね１４は、皿ばねでもよい。
電極１１，２１の背面と固定部材１３，２３の背面対向面とのうち収容凹部１５，２５が設けられていない側の面は、少なくとも収容凹部１５，２５及び収容凹部１５，２５の周辺と対向する部分が平坦面になっていればよく、面の必ずしも全体が平坦である必要はない。誘電部材１２と固定部材１３とは一体であってもよい。

複数の実施形態を互いに組み合わせてもよい。例えば、第５実施形態（図７）でも、第２実施形態（図４）と同様に板ばね１４，２４の向きを裏表逆にし、収容凹部１５，２５を固定部材１３，２３に形成し、電極１１，２１の背面１１ｂ，２１ｂを平坦面にしてもよい。第５実施形態（図７）でも、第３実施形態（図５）と同様に板ばね１４，２４の長さ方向（基部の対峙方向）を電極１１，２１の長手方向に向けてもよい。

本発明は、表面改質（親水化、撥水化等）、アッシング、洗浄、エッチング、成膜などの種々の表面処理に適用可能である。大気圧近傍下でのプラズマ処理に限られず、真空下でのプラズマ処理にも適用可能である。

本発明の第１実施形態に係るダイレクト式プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。 上記プラズマ処理装置の電極構造の平面図である。 上記プラズマ処理装置の板ばねの斜視図である。 本発明の第２実施形態を示し、処理ヘッドの断面図である。 本発明の第３実施形態を示し、電極構造の平面図である。 本発明の第４実施形態を示し、板ばねの斜視図である。 本発明の第５実施形態を示し、リモート式プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１ ダイレクト式大気圧プラズマ処理装置
１Ｘ リモート式大気圧プラズマ処理装置
２ 被処理物支持部
３ 処理ヘッド
３ａ 放電空間
９ 被処理物
１０ 第１電極ユニット
１１ 第１電極
１１ａ 第１放電面
１１ｂ 背面
１２ 誘電部材
１３ 固定部材
１３ｂ 背面対向面
１４ 板ばね
１４ａ 弾性接触部
１４ｂ 基部
１５ 収容凹部
２０ 第２電極ユニット
２１ 第２電極
２１ａ 放電面
２１ｂ 背面
２２ 誘電部材
２３ 固定部材
２３ｂ 背面対向面
２４ 板ばね
２４ａ 弾性接触部
２４ｂ 基部
２５ 収容凹部

Claims (3)

1. 処理ガスを放電によりプラズマ化し被処理物に当て、被処理物の表面処理を行なう装置において、
   （ａ）前記放電を生成する放電面と、この放電面の反対側の背面を有する電極と、
   （ｂ）前記放電面に被さる固体誘電体からなる誘電部材と、
   （ｃ）前記背面に対面する背面対向面を有し、前記誘電部材に対し位置固定された固定部材と、
   （ｄ）基部と、この基部に連なる弾性接触部を有する板ばねと、
   を備え、前記背面と前記背面対向面とのうち一方に収容凹部が形成され、前記背面と前記背面対向面のうち他方の少なくとも前記収容凹部及び前記収容凹部の周辺と対向する部分は平坦面になり、前記板ばねの基部が前記収容凹部に収容され、前記板ばねの弾性接触部が前記平坦面に弾力的に当たっていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記板ばねが基部を一対有し、前記弾性接触部が、前記一対の基部を橋絡し、かつ前記平坦面に向けて凸になるよう湾曲していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記収容凹部が、前記電極に設けられ、前記平坦面が、前記固定部材に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。

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