JP2011524607A - 微細構造プラズマ処理を行うデバイスおよび方法 - Google Patents

Abstract

プラスチック薄板を含む薄板基板の微細構造プラズマ処理を行うデバイスであって、回転可能に搭載されたシリンダ状の電極であって、シリンダ状の電極の表面はクロムを含む金属から形成され、微細構造を有する窪みを有する、シリンダ状の電極と、平面状の高電圧電極であって、高電圧電極の表面はシリンダ状の電極の表面の形状を補完する形状を有し、シリンダ状の電極の表面の一部の上に略フォームフィットする形で広範囲に設けることが可能である、平面状の高電圧電極と、処理対象の薄片基板を、シリンダ状の電極の表面と高電圧電極との間に搬送するデバイスと、シリンダ状の電極の表面と、シリンダ状の電極および高電圧電極の間の間隙内とに、処理ガスを供給するデバイスとを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄片基板の微細構造プラズマ処理を行うデバイスおよび方法に係り、さらにはこれらデバイスおよび方法の利用法に係る。これらは特に、プラスチック薄片のコーティングまたはプラスチック薄片の少なくとも１つの表面の活性化または機能化を含む、プラスチック薄片の処理に利用される。

従来、薄片基板の表面の微細構造機能化またはコーティングにおいては、基板を２つの平面電極間に配置し、ストロークメカニズムにより、薄片上の金型などでシステムが閉じられる。電極の一方は、このようにして高電圧印加時にプラズマが選択的に形成されるような微細構造を有する。処理後、システムを再度開けて、薄片を少し奥に入れ、薄片の新しい部分を同様に処理する。この方法はバッチプロセス（バッチ処理）で実装される。

薄片の表面の連続処理に関しては、粗い構造を有するローラを利用し、ローラの反対側に電極を配置する方法がある。この方法では、奥行きが異なる複数の構造を有するローラが用いられる。これらの構造は誘電体で満たされる。ローラとは反対側には、選択的にプラズマを起こしてよい。こうすることでローラとは反対側の薄片の面も選択的に処理することができるようになる。しかしながら、ローラの構造には数ミリメートルともなる高いアスペクト比が必要である。これは、特に窒素および貴ガス等の処理ガスの場合、構造の厳密な区画（sharp delimitation）を維持不可能となるからである。これは主に、貴ガス中に空間的なグロー放電（spatial glow discharge：大気プラズマグロー放電としても知られている）が生じることに起因して起こる。処理ガスが窒素である場合には、プラズマに直接触れない表面のこれら領域を機能化または処理する虞のある非常に寿命の長い反応種が生成される。薄片の裏側に不用な処理を行ってしまうこともこれら方法の欠点である。

従って、本発明は、連続処理可能であり、超微細構造を製造および／または処理することのできる薄片構造の微細構造プラズマ処理を行うデバイスおよび方法の提供を目的とする。さらに、本発明は、これらデバイスおよび方法の利用法の提供も目的とする。

この目的は請求項１のデバイス、請求項５の方法、および請求項１０の利用法により達成される。本発明における方法、本発明におけるデバイス、および本発明における利用法のさらなる利点は、それぞれの従属項に示されている。

本発明においては、処理対象の薄片は、処理される面が電極であるローラまたはシリンダの上にあるよう導かれる。従って、特にクロムを含む金属化面を含むと好適である。このローラまたはこのシリンダは、ディープエングレービング、レーザ露光、またはレーザアブレーションといったリソグラフィーあるいは彫刻法により微細構造とされる。これらの構造は、１μｍから数１０ミリメートルの範囲（好適には２０μｍから５ｍｍ）の構造幅を有することが好ましい。構造の奥行きも、数マイクロメートルから数ミリメートルまであってよく、好適には１μｍから１ｍｍ、または２０μｍから２００μｍといったように、幅広く可変とすることができる。ローラの幅は、０．１から５ｍの範囲が好適であり、直径が１０から６０ｃｍであると好適であり、方法を拡張することも可能であることを示唆している。

既に触れたように、処理対象の薄片は、処理する面をこのシリンダの一部の領域の上のシリンダの表面に押し付けるように延伸される。薄片をシリンダの表面に載せる直前に、処理ガス（特に好適には窒素、ヘリウム、フォーミングガス等）をガス間隙から流入させて、微細構造の窪みに薄片を載せることで封止する。

この処理対象の薄片上には、該薄片を載せるシリンダの領域の形状に対応する形状を有する高電圧電極が配置される。この結果、高電圧電極はシリンダとフォームフィットする形で薄片の裏側に広範囲に密に押圧される。こうして、処理ガスを含むキャビティには、シリンダ状の電極の微細構造のみが残る。このような状態で、高電圧電極に対して高電圧を印加すると、シリンダ上の微細構造を有する窪み内で選択的にプラズマが生じる。薄片はこのようにして、シリンダが微細構造または窪みを有する領域で選択的に処理（structured：構造を形成）される。

このようにして、高電圧の印加により構造を形成して薄片を処理することができる。薄片はローラ上を誘導されるので、ローラ側の薄片の表面の連続処理が可能となる。従って薄片を、ローラを変えて連続処理することもできる。このようにして、薄片の表面の処理が可能となり、個々の領域において選択的に薄片の湿潤特性ひいては金属化特性を向上させることができる。例えばこの薄片に対して、可撓性を有するストリップ導体、ＲＦＩＤスイッチ回路、バイオセンサ、および／または、スマートタグを設ける際に、資源を節約し、コストを大きく削減することができる。

高電圧電極と薄片基板との間の薄片に対して平行に、別の薄片を挿入して、薄片基板の、高電圧電極側の裏面を損傷から守ると好適である。この別の薄片は、回転させて挿入されてよい。

本発明におけるデバイスおよび方法を以下に例示する。

薄片基板の連続微細構造処理デバイスの構造を示す。 ディープエングレービングで構造が形成されるローラを示す。 水蒸気で湿潤処理を行い構造が形成された処理済みのＰＥＴ薄片を示す。 湿式化学処理により構造を形成された後の、湿式化学法により金属化されたポリイミド薄片を示し、この構造幅は２００μｍの範囲である。

図１は、薄片の連続微細構造処理デバイスを示す。このデバイスは、接地に電気的に接続されるシリンダ状の電極１を有し、これはクロムから形成される表面を含む。シリンダ１の表面は、微細構造を有する窪み７を有する（図１では、非常に大きく示されており、概略のみが示される）。薄片４は、処理対象であるシリンダ１側の表面がシリンダ１に接する状態で誘導される。この薄片は、例えばローラ（不図示）によりシリンダ１へと誘導され、シリンダとは反対側へと再度誘導される。薄片の表面の連続処理はこのようにして行われる。薄片４をシリンダ１の表面に載せる直前に、処理ガス８を供給して、次いでこれをシリンダの表面と薄片４との間の、微細構造を有する窪み７に封止する。

シリンダ１の上に高電圧電極２を配置し、デバイス６を利用してシリンダ１の表面に安全に押圧する。シリンダ１の表面に対向する電極２の表面は、シリンダ１の表面を補完する形状を有するので、シリンダ１の表面または薄片４に対してフォームフィットする形で広範囲に押圧することができる。

加えて、別の薄片５を、薄片４と高電圧電極２との間に、ローラ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄにより回転させて挿入させるが、この薄片４は主に、ローラ１と高電圧電極２との間の間隙を通過する際に、高電圧電極２を損傷から守る役割を持つ。薄片５が薄片４と同じ速度で間隙に誘導されると、薄片５は、高電圧電極２側の薄片４の裏面を、位置ズレあるいは損傷から保護することができる。

図２は、以下の例に利用された、ディープエングレービングで構造が形成されたローラを示す。

本例では、薄片は前処理されることでより良好な湿潤特性を得ている。

本例では、湿潤特性を良好とするための構造形成前処理を、ＰＥＴ薄片上に行った。Ｎ_２の全ガス流量が７０ｓｌｍ、電力１４０Ｗ、および周波数２０ｋＨｚで試験を行った。薄片のベルト速度は０．６ｍ／ｍｉｎであった。後続する、温水水蒸気を用いて行われる湿潤試験では、未処理（疎水性）および処理済（親水性）領域がそれぞれ明らかに現れていることが図３からも分かる。

別の例では、本発明における前処理を湿式化学金属化（wet-chemical metallization）とした。

構造を形成する前処理では、一例として、Ｈｅを８５％、Ｎ_２を１３．５％、およびＨ_２を１．５％含む混合ガスでポリイミド薄片をプラズマ内で機能化させた。全ガス流量は、５０および７０ｓｌｍの間であり、２２ｋＨｚの周波数において電力が８４Ｗであった。薄片のベルト速度は０．６ｍ／ｍｉｎであった。しかし、７０ｓｌｍの全ガス流量において同様の点火パラメータを利用して９７．９％のＮ_２および２．１％のＨ_２（４９Ｎ_２および２１Ｎ_２／Ｈ_２）を含む混合ガスを用いて処理した場合も、良好な構造を持つ機能化が行われた。この際のベルト速度も０．６ｍ／ｍｉｎであった。薄片はその後、例えばＣｈａｒｂｏｎｎｉｅｒに記載されているような以下の手順で湿式化学金属化が行われた。
１）ＰｄＣｌ２による核生成
２）ナトリウムハイドロホスファイト（sodium hydrophosphite）による還元
３）化学的な銅メッキ

図４は、構造幅が２００μｍの範囲である本発明において処理された金属化ポリイミド薄片を示す。

Claims (11)

1. プラスチック薄片を含む薄片基板の微細構造プラズマ処理を行うデバイスであって、
   表面がクロムを含む金属から形成され、微細構造を有する窪みを有し、回転可能に搭載されたシリンダ状の電極と、
   表面が前記シリンダ状の電極の表面の形状を補完する形状を有し、前記シリンダ状の電極の表面の一部の上にフォームフィットする形で広範囲に設けることが可能である平面状の高電圧電極と、
   処理対象の前記薄片基板を、前記シリンダ状の電極の前記表面と前記高電圧電極との間に搬送する搬送デバイスと、
   前記シリンダ状の電極の前記表面と、前記シリンダ状の電極および前記高電圧電極の間の間隙内とに、処理ガスを供給するデバイスと
   を備えることを特徴とするデバイス。
2. プラスチック薄片を含む別の薄片を、処理対象の前記薄片基板の表面、ならびに前記シリンダ状の電極および前記高電圧電極の間の少なくとも一方に搬送する回転デバイスを含むデバイスを備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記薄片基板を搬送する前記搬送デバイスおよび前記別の薄片を搬送する前記デバイスは処理対象の前記薄片基板および前記別の薄片が、前記シリンダ状の電極の前記表面上を同じ速度で移動するよう構成されることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
4. 前記シリンダ状の電極は、１０ｃｍおよび５ｍの間の幅、１０ｃｍおよび６０ｃｍの間の直径、１μｍおよび１ｍｍの間の奥行きを有する微細構造を有する複数の窪み、１つの窪みの構造幅が１μｍおよび１０ｍｍの間である微細構造を有する複数の窪みという特性のうち、少なくとも１以上を有する請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. プラスチック薄片を含む薄片基板の微細構造プラズマ処理を行う方法であって、
   前記薄片基板を、表面がクロムを含む金属から形成され、微細構造を有する窪みを有し、回転可能に搭載されたシリンダ状の電極の表面と、前記シリンダ状の電極の表面の一部の上にフォームフィットする形で広範囲に設けることが可能である平面状の高電圧電極の表面との間に誘導する段階と、
   前記シリンダ状の電極の前記表面と、前記薄片基板の表面との間に、前記薄片基板を前記シリンダ状の電極の前記表面に搭載する直前に処理ガスを供給して、前記薄片基板により前記微細構造を有する前記窪みに封止する段階と、
   前記シリンダ状の電極と前記高電圧電極との間に高電圧を印加して、封止された前記処理ガス内に一時的コールドプラズマガス放電を起こさせる段階と
   を備えることを特徴とする方法。
6. プラスチック薄片を含む別の薄片を、前記薄片基板と前記高電圧電極との間に、好適には回転により挿入する段階を備える請求項５に記載の方法。
7. 処理対象の前記薄片基板および前記別の薄片を、前記シリンダ状の電極の前記表面および前記高電圧電極の前記表面の間を同じ速度で移動するよう誘導する段階を備える請求項６に記載の方法。
8. 前記シリンダ状の電極は、１０ｃｍおよび５ｍの間の幅、１０ｃｍおよび６０ｃｍの間の直径、１μｍおよび１ｍｍの間の奥行きを有する微細構造を有する複数の窪み、１つの窪みの構造幅が１μｍおよび１０ｍｍの間であり、好適には２０μｍおよび５ｍｍの間である微細構造を有する複数の窪みという特性のうち、少なくとも１以上を有する請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記微細構造を有する複数の窪み内の前記処理ガスは、０．１バールおよび１０バールの間の圧力を有し、好適には０．５バールおよび１．５バールの間の圧力を有する請求項５から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス、または請求項５から９のいずれか一項に記載の方法を、表面の微細構造機能化に対して利用する利用法であって、水を利用して前記表面の湿潤特性を変化させること、表面を活性化すること、および処理対象基板の表面に対して金属化を含むコーティングを行うことの少なくとも１つに利用すること含む利用法。
11. 可撓性を有するストリップ導体を製造すること、ＲＦＩＤスイッチ回路（radio frequency identification switching circuits）を製造すること、バイオセンサを製造すること、およびスマートタグ（ラベルと組み合わせられる）を設けることの少なくとも１つにおいて利用することを含む請求項１０に記載の利用法。

Images