JP2011034767A - 低温プラズマ照射装置及び低温プラズマ照射方法 - Google Patents

低温プラズマ照射装置及び低温プラズマ照射方法 Download PDF

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Abstract

【課題】種々の材料・形状を持つ被処理体の表面改質、特に親水性を高めるための表面処理などに好適な低温プラズマ照射装置及び低温プラズマ照射方法を提供する。
【解決手段】低温プラズマ照射装置１０は、筐体２０の内部に一対の電極４０が先端部が離間するように対向して設けられている。この電極４０の他端に電源５０を接続するための端子４２を有すると共に、筐体２０の内部にガスを導入するためのガス流入口２１及び筐体２０に導入されたガスを排出するためのガス流出口２３からなる流通通路とが設けられ、前記電極の離間部Ａに高速のガスを流しながら離間部Ａに電圧を印加する。そして、ガス流出口２３から低温プラズマを照射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂やガラス或いは金属など種々の材料・形状を持つ被処理体の表面改質、特に親水性を高めるための表面処理などに好適な低温プラズマ照射装置等に関する。
携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ、パソコン、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイなどの電子機器類には、多くのプリント配線基板やガラス基板が使用され、これらの基板表面には、接着や塗装やワイヤーボンディングなどを目的として、種々の材料が塗布乃至形成される。
ところが、被処理面が有機物で汚染されていたり、その表面の濡れ性が悪い場合には、接着やコーティング等の品質を維持することができない。そこで、大気圧下又は大気圧近傍下で、プラズマ生成用ガスをプラズマ励起し、生成した活性種により被処理体の表面処理を行って表面を改質する方法が試みられている。被処理体の表面を改質することで、同種材料同士の貼り合わせ、或いは異種材料の接合に必要とされる物理的或いは化学的なエネルギーを小さくし、均質な処理を行うことができる。
例えば、大気圧下で、対向配置した誘電体被覆電極間に高電圧を印加し、放電によりプラズマ生成用ガスをプラズマ励起し、生成した活性種を基板表面に移送して表面処理を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、被処理体の表面が金属又は合金の場合でもアーク放電が発生することがなく、大面積基板の表面処理が可能であるという利点がある。
特開平２−４００９１９号公報
しかしながら、従来の方法は、対向配置された誘電体被覆電極間に被処理体を設置する必要があるため、処理時間がかかり、また高価な希ガス等の添加も必要になるという点で生産効率が悪かった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、誘電体被覆電極を必要としない、樹脂やガラス或いは金属など種々の材料・形状を持つ被処理体の表面改質、特に親水性を高めるための表面処理などに好適な新規な低温プラズマ照射装置を提供することを目的とする。
本発明に係る低温プラズマ照射装置は、筐体の内部に一対の電極が先端部が離間するように対向して設けられ、前記電極の他端に電源を接続するための端子を有する。また、前記筐体の内部にガスを導入するためのガス流入口及び筐体に導入されたガスを排出するためのガス流出口からなる流通通路が設けられ、前記電極の離間部に高速のガスを流しながら前記離間部に電圧を印加することにより、前記ガス流出口から低温プラズマを照射する。
上記低温プラズマ照射装置によれば、被処理体の必要な領域にのみ局所的に低温プラズマを照射することができるので、短時間に効率よく有機汚染物質の除去、官能基の付与及び濡れ性（親水性）の向上等の表面改質が可能となる。
本発明に係る低温プラズマ照射装置は、被処理体の所定の表面処理面のみを、窒素プラズマで表面処理することができるので、表面処理面に付着した有機汚染物質の除去、官能基の付与及び濡れ性の向上等が短時間で可能となり、表面処理面への材料の接着、インクや薄膜によるコーティング等の品質を向上することができる、という効果を奏する。
第１の実施形態の低温プラズマ照射装置の一例を正面からみた内部構造図 （ａ）図１の左側面図 （ｂ）上面図 （ｃ）底面図 （ｄ）図１のＸ−Ｘ線矢視図 図１の低温プラズマ照射装置の使用状態を示す概略図 第２の実施形態の低温プラズマ照射装置の一例を正面からみた内部構造図
本発明に係る低温プラズマ照射装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定的に解釈されるものではない。また、同一又は同等の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の低温プラズマ照射装置の一例を正面からみた内部構造を表す図である。図２（ａ）は、図１の装置を左側からみた側面図であり、（ｂ）は上側からみた上面図、（ｃ）は下からみた底面図、（ｄ）は図１の筐体を中心線で切断したＸ−Ｘ線矢視図である。これらに図示されるように、低温プラズマ照射装置１０は、略直方体の筐体２０の内部に一対の電極４０が先端部が離間するように対向して設けられ、電極４０の他端の端子４２には、電源５０が接続される。電極４０は例えば０．７５ｍｍφのタングステンワイヤーなどの高融点金属或いは遷移金属で構成される。これは、電極材が溶射材とならないようにするためである。筐体２０には、電源を接続するための貫通孔２１と、筐体２０の内部にガスを導入するためのガス流入口２２と、筐体２０に導入されたガスを排出するためのガス流出口２３が設けられる。
電極４０は、筐体２０内で一対のガラス板４１ａ，４１ｂに挟持され、ガス流入口２２から導入されたガスが、ガラス板の隙間に導かれるように構成されている。これらのガラス板の厚さは、例えば０．７ｍｍ程度の極薄の板で構成される。これは筐体２０内でガスの流通する領域を空間的に制限することによって、より高速のガス流を得るためである。その結果、ガスは電極４０の離間部Ａを極めて高速で通過することができる。
ガス流入口２２から例えば窒素ガスを流通させている状態で、一対の電極４０に高電圧を印加することにより、離間部Ａに大気圧下で窒素プラズマＰを生成する。印加する電圧は離間部Ａの電極間隔などに依存し、厳密な計算式もあるが、概ね１［ｋＶ／ｍｍ］以上として計算すればよい。例えば１００Ｖ〜３０ｋＶ程度の電源を用意できる場合、離間部Ａの電極間隔は０．１ｍｍ〜３０ｍｍとすればよい。なお、上述の通り電極の離間部Ａが一対のガラス板で挟持されているため、本実施形態の低温プラズマ照射装置では、アーク放電がガラス板間の狭小空間内で生成される。このため、筐体２０は高耐熱性の部材を用いる必要がなく、絶縁製の樹脂材料で構成することができる。
ガスはアーク放電によるプラズマが生成されるものであれば特に限定されないが、コストの点から、安価な窒素ガス又は窒素を含むガスを用いることが好ましい。
離間部Ａには絶縁破壊によるアーク放電が生じているため、主に気体分子温度の高い状態で平衡状態となっている。しかし、この状態で離間部Ａに高速の窒素ガスを照射すると、アーク放電の周囲に気体分子温度の低い領域が形成され、グロー放電が生じる。グロー放電により電離した気体分子温度の低い「低温プラズマ」は、高速のガス流によって下流側に流され、ガス流出口２３から勢いよく照射される。すなわち、ガス流出口２３は、異常放電（高温プラズマ）の発生が抑制された低温プラズマ照射部となる。
なお、本明細書における気体分子温度の「高温」及び「低温」という概念は、気体分子温度の相対的な関係を表すものに過ぎず、アーク放電により電離した気体分子よりも低いという意味で用いられているに過ぎない。
図３は、図１の低温プラズマ照射装置の使用状態を示す概略図である。この図に示すように、ガス流出口２３の近傍に、被処理体１を設けると、被処理体１の表面に低温プラズマが照射される。目的や用途或いは被処理体１の材質によってプラズマの照射時間は異なるが、表面改質の場合、例えば０．１〜６００秒間照射すれば十分である。
第１の実施形態のプラズマ処理装置によると、プラズマ照射部を含め、装置全体が極めてコンパクトであるため、被処理体１の必要な箇所にだけ効率よくプラズマを照射することができる。そのため、この装置で処理可能な被処理体１は、図１のような平坦なものに限られず、曲面状のものや複雑な形状のものなど、形状を問わない。また、被処理体１の被処理面が高温のプラズマにさらされないため、例えば熱に弱いシート状の樹脂フィルムのようなものにも対しても表面改質等を行うことができる。また、筐体２０もそれほど高温にならないため、セラミックなどの耐熱性の材質を用いる必要もない。
窒素ガスの流速は、可能な限り高速であることが好ましい。これは、グロー放電による低温プラズマの照射距離を広げられるからである。また、流速が小さくアーク放電とグロー放電の分離が不十分であると、被処理面にアーク放電による気体分子温度の高い「高温プラズマ」が照射され、いわゆる「プラズマ痕」と呼ばれるダメージを被処理体に与えるおそれがある。従って、アーク放電が生じている部分は筐体２０の内部にとどめるようにして、ガス流出口２３よりも外に出ないようにすることが望ましい。
このように、ガスが流通する通路の容積を制限することで音速或いは音速付近にまで高めると、大気中の酸素などによる減衰を考慮しても、離間部Ａから約数センチメートル下流側に設置した被処理体に安定して低温プラズマを照射することができる。
被処理体１の一例としては、フレキシブルプリント配線基板、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）接着面などが挙げられる。本発明の低温プラズマ照射装置は、プリント配線基板のように、被処理体に金属箔膜が塗布されているような被処理体に適用しても、アーク放電部は筐体内部に留まるため、異常放電の発生が抑制され、異常放電による表面処理面へのダメージを抑制することができる。
また、本発明の低温プラズマ照射装置は、ワイヤーボンディング面の表面処理（前処理工程）に利用することもできる。例えば、本発明の効果を確認するために以下の試験を行った。
［試験名］ワイヤプルテスト（フックプル方式による引っ張り強度試験）
条 件：金パッドに金ワイヤーをボンディングして破断時の重りのグラム数を測定した。条件（ａ）は前処理なしでボンディングしたもの、条件（ｂ）はボンディング前に真空プラズマを照射したもの、条件（ｃ）は、第１の実施形態の装置による低温プラズマを照射したもの。
結 果：
（ａ）初期条件（前処理なし）：４ｇ
（ｂ）真空プラズマ処理：１０ｇ
（ｃ）本実施形態の装置による低温プラズマ処理：１１ｇ
条件（ｃ）は、最も引っ張り強度が大きく、かつ使用したガスも窒素ガスのみであり高価な希ガス等を必要とせず、実施が容易でコスト的にも有利である。このように、本発明は、ワイヤーボンディングの前処理としても有効に機能することが明らかとなった。
或いは、近年、異方性導電フィルムの接着面積が小さくなっているが、本実施形態の低温プラズマ照射装置１０を用いれば、所定の領域のみを短時間で表面処理することができ、実装の信頼性が高い。
以上説明した低温プラズマ照射装置１０によれば、被処理体１の必要な領域にのみ局所的に低温プラズマを照射することができるので、短時間に効率よく有機汚染物質の除去、官能基の付与及び濡れ性（親水性）の向上等の表面改質が可能となる。従って、表面処理面への材料の接着に必要な物理的或いは化学的なエネルギーを抑え、インクや薄膜などの品質を向上することができる。また、上記低温プラズマ照射装置１０は、被処理体１の全面を処理する場合と比べ、消費電力を大幅に低減することができる利点もある。
また、被処理体１の表面処理面とプラズマ照射部とは非接触であるため、表面処理面に傷をつけず、汚染物質を付着させることもない。このように、電極を狭い空間に設置することによって窒素分子の流速を速くし、アーク放電のない安定したプラズマだけを被処理体１に照射することが可能である。また、窒素の流量は、標準状態（０℃１気圧）で少なくとも１リットル／分以上必要である。上限は特に制限がないが、３００リットル／分以下とればよい。この範囲に限定することによってプラズマ照射による処理対象物の温度を７５℃以下に抑制することができる。
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態の低温プラズマ照射装置の一例を正面からみた内部構造を表す図である。基本的な構造や動作原理は第１の実施形態と同様であるが、プラズマの生成量及び照射範囲を増大させるため、独立した複数の電源５０ａ〜５０ｃと電極４０ａ〜４０ｃが設けられている。このように、第１の実施形態の低温プラズマ照射装置１０を複数並べるため、並べた分だけ、それぞれの電極の離間部Ａで窒素プラズマＰが生成され、被処理体２の処理領域を増加することができる。図４に示す低温プラズマ照射装置には、プラズマ生成部となる電極の離間部Ａが３つ存在するため、図１の装置と比べて３倍の量の低温プラズマを生成することができる。
従って、本実施形態の低温プラズマ照射装置によると、より短時間に広範囲に低温プラズマを照射することができるため、生産性が向上する。
なお、本発明の各実施形態に係る低温プラズマ照射装置は、電源を除く装置１０が、図示しないロボットアームなどに取付けられるか、若しくは被処理体が所定の搬送装置に取付けられることで、装置被処理体との相対位置を変更できるように構成することが生産性を高める上で好ましい。
（その他の実施形態）
本発明の低温プラズマ照射方法を適用した各種の応用分野としては、以下のようなものが考えられる。
（１）材料の貼り合わせ
マイクロ流路を製造する際、Polydimethylsiloxane(PDMS)に流路となる溝を形成したのちガラスと貼り合わせる。しかし、PDMSとガラスとは、互いに表面が活性でなければ接合が難しい。本発明に係る低温プラズマ照射方法を用いてPDMSとガラスの表面を活性化すれば両者の接合が可能となる。その他、シリコンとシリコン、若しくは、シリコンとガラスなどの接合前に本発明に係る低温プラズマ照射方法によって表面改質を行うことで、接合に必要な物理的又は化学的なエネルギーの低減をも実現する。
（２）接着性の向上
ポリプロピレンなど、接着剤やテープの接着性が悪い有機樹脂材料等が種々存在するが、本発明に係る低温プラズマ照射方法によって材料の表面を活性化することによって、接着性を一層向上させることができる。例えば、一般的には接着が難しいとされるポリプロピレンにシリコン系の接着剤を塗布できるようになる。
（３）水溶性インクの塗装
従来の有機系インクに変えて、近年、環境問題を配慮して、水溶性インクが注目されているが、撥水性の表面を持つ各種材料に水溶性インクを塗装することはできない。しかし、本発明に係る低温プラズマ照射方法によって、塗装表面を親水性に改質することによって、水溶性インクを塗装できるようになる。
（４）細胞培養前のシャーレの処理
細胞培養を行うシャーレは、親水性や均一性という意味において、必ずしも表面状態が最適化されたものではない。しかし、本発明の低温プラズマ照射装置によって、シャーレ内をの表面状態を改質することによって、表面が活性化され、細胞培養の効率を飛躍的に向上させることができる。
本発明の低温プラズマ照射装置又は低温プラズマ照射方法によると、各種親和性の低かった材料を馴染みやすくすることによって、液体によるプライマリー処理を省き、特性の向上や製造コストの低下を実現することができる。さらに、プリント配線基板やガラス基板の表面処理をはじめ、様々な分野に適用されうる。
しかも、本発明の低温プラズマ照射方法は、大気圧下で実施でき、かつ高価な希ガス等を用いる必要がないため、設備面及びコスト面で実施が容易である。このため、本発明を実施することによる各種産業への波及効果、産業上の利用可能性は極めて大きい。
１ 被処理体
１０ 低温プラズマ照射装置
２０ 筐体
２１ 貫通孔
２２ ガス流入口
２３ ガス流出口
４０（４０ａ〜４０ｃ） 電極
５０（５０ａ〜５０ｃ） 電源
Ａ 離間部
Ｐ プラズマ

Claims (6)

  1. 筐体の内部に一対の電極が先端部が離間するように対向して設けられ、前記電極の他端に電源を接続するための端子を有すると共に、前記筐体の内部にガスを導入するためのガス流入口及び筐体に導入されたガスを排出するためのガス流出口からなる流通通路とが設けられ、前記電極の離間部に高速のガスを流しながら前記離間部に電圧を印加することにより、前記ガス流出口から低温プラズマを照射することを特徴とする低温プラズマ照射装置。
  2. 前記電極の離間部に印加する電圧は、電極間隔あたり、１［ｋＶ／ｍｍ］以上であることを特徴とする請求項１記載の低温プラズマ照射装置。
  3. 前記ガスは窒素を含むガスであり、その流量は、標準状態において１リットル／分以上３００リットル／分以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の低温プラズマ照射装置。
  4. 前記ガス流入口とガス流出口を通じる流通通路は、前記筐体の容積に対して極めて狭い狭小空間であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の低温プラズマ照射装置。
  5. 前記電極は、いずれも遷移金属元素で構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の低温プラズマ照射装置。
  6. 筐体の内部に一対の電極が先端部が離間するように対向して設けられ、前記電極の他端に電源を接続するための端子を有すると共に、前記筐体の内部にガスを導入するためのガス流入口及び筐体に導入されたガスを排出するためのガス流出口からなる流通通路とが設けられた低温プラズマ照射装置において、
    前記電極の離間部に高速のガスを流しながら前記離間部に電圧を印加することにより、前記ガス流出口から低温プラズマを照射することを特徴とする低温プラズマ照射方法。
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