JP2012500464A - 基板の表面をパターニングするためにプラズマ放電を起こすデバイス - Google Patents

Abstract

基板の表面をパターニングするためにプラズマ放電を起こすデバイスは、第１の放電部分を含む第１の電極および第２の放電部分を含む第２の電極と、第１および第２の電極間に高電圧差を発生させる高電圧源と、第１の電極を基板に対して位置決めする位置決め手段とを含み、位置決め手段は、第１の放電部分と第２の放電部分との間の距離が高電圧差のプラズマ放電を助長するのに十分に小さい第１の位置、および第１の放電部分と第２の放電部分との間の距離が高電圧差のプラズマ放電を防止するのに十分に大きい第２の位置に、第１の電極を第２の電極に対して選択的に位置決めするように構成される。

Description

本発明は、基板の表面をパターニングするためにプラズマ放電を起こすデバイスに関し、特に、第１の放電部分を含む第１の電極および第２の放電部分を含む第２の電極と、第１および第２の電極間に高電圧差を発生させる高電圧源と、第１の電極を基板に対して位置決めする位置決め手段とを含む、そのようなデバイスに関する。

表面を処理するのにプラズマを使用することができ、プラズマの使用によって、エッチング、材料を基板上に堆積すること、ならびに／または、基板表面の特性を疎水性から親水性に変更すること、および原子の化学的付加などの基板表面の特性を変更することが可能であることは、周知である。たとえば、原子の化学的付加は、プラスチック基板を金属化するプロセスにおいて使用することができる（たとえばＭ．Ｃｈａｒｂｏｎｎｉｅｒ ｅｔ ａｌ． ｉｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ３１、５７（２００１）を参照）。このプロセスにおいて、プラズマは、その上に金属層を成長させることができる、パラジウムの付加に適したプラスチックの表面を形成する。他の多くの金属化方法と比較して、この方法は、低融点を有するプラスチックに必要な温度を低く維持することができるという利点を有する。したがって、ＲＦＩＤタグおよびＯＬＥＤのようなプラスチック電子要素の製造には、プラズマ処理が有効である可能性がある。

これらの適用例において、プラズマによって表面上に直接パターニングされた構造を形成することによって、電子要素の製造ステップ数は減少する。さらに、従来のマスキング／エッチング方法と比較して、（堆積およびそれに続く金属層のエッチングのために）金属の無駄がなく、環境負荷を低減する。ラボオンチップのような他の適用例においても、プラズマによる直接パターニングは、有効である。

プラズマによって表面を直接パターニングする既知のデバイスは、独国特許第１０３２２６９６号明細書およびＳｕｒｆａｃｅ ＆ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００、６７６（２００５）に記載されている。これらのデバイスは、パターンを形成するのにマスクを使用する。これは、大量生産には良い方法である可能性があるが、マスクを形成するのは、極めて高価であり、時間がかるので、マスクなしの方法が、より少量の生産には好ましい。

プラズマによって表面を直接パターニングする別のデバイスは、米国特許第４，９１１，０７５号明細書によって既知である。このデバイスは、基板表面上に、高熱スパーク区域、およびスパーク区域を取り囲む円形領域内のコロナ区域を形成するために、正確に位置決めされる高電圧スパーク放電電極を利用する。放電電極は、表面全域を走査されるが、高電圧パルスは、デジタル画像と一致して正確に位置決めされ、かつ画定されるスパーク／コロナ放電を起こすのに、正確に制御される電圧および電流プロファイルを有する。このデバイスは、物理的なマスクを使用しないが、複雑な高電圧パルスの正確な制御が必要であるという欠点を有する。さらに、このデバイスは、基板の裏側に対向電極を使用するので、薄い基板しか使用することができない。さらに、スパーク放電は、堆積、エッチング、および親水化（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌａｔｉｏｎ）のいくつかのプロセスには望ましくない可能性がある。

独国特許第１０３２２６９６号明細書 米国特許第４，９１１，０７５号明細書 国際公開第２００８／００４８５８号

Ｍ．Ｃｈａｒｂｏｎｎｉｅｒ ｅｔ ａｌ． ｉｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ３１、５７（２００１） Ｓｕｒｆａｃｅ ＆ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００、６７６（２００５）

本発明の目的は、基板のマスクなし直接パターニングに適した、プラズマ放電を起こすデバイスを提供することである。好ましくは、このデバイスは、基板を迅速にパターニングすることができ、ならびに／または、厚い基板および薄い基板などの広い範囲の基板に適した、簡単な制御、長い電極寿命を有するべきである。

さらに、概略的には、本発明の目的は、第１の放電部分を含む第１の電極および第２の放電部分を含む第２の電極と、第１および第２の電極間に高電圧差を発生させる高電圧源と、好ましくは第１の電極を基板に対して位置決めする位置決め手段とを含む、基板の表面をパターニングするためにプラズマ放電を起こす改良型デバイスを提供することである。

本発明の第１の態様によると、位置決め手段は、第１の放電部分と第２の放電部分との間の距離が高電圧差のプラズマ放電を助長するのに十分に小さい第１の位置、および第１の放電部分と第２の放電部分との間の距離が高電圧差のプラズマ放電を防止するのに十分に大きい第２の位置に、第１の電極を第２の電極に対して選択的に位置決めするように構成される。位置決め手段は、第１の電極を第２の電極に向かう方向およびそれから遠ざかる方向に運動させるように構成されることが好ましい。

これは、位置決め手段を使用して、第１の電極を第１または第２の位置にそれぞれ配置することによって、プラズマをオンまたはオフに切り替えることができるという利点を提供する。ゆえに、電極に対する高電圧供給の制御は、必要ではない。

一実施形態において、第２の電極は、ドラムとして設計され、ドラムと第１の電極との間に平板状の基板をドラムの外部表面上に配置することができ、位置決め手段は、第１の電極を外部表面に垂直な方向に運動させるように構成される。ゆえに、プラスチック箔などの平板状の電気絶縁基板をパターニングすることができる。

別の実施形態において、位置決め手段は、第２の電極を第１の電極と同期して位置決めするようにさらに構成される。これは、たとえば書込ヘッドとしての第１および第２の電極を共に基板の表面に沿って走査し、ゆえに表面に沿ってプラズマを走査することができるという利点を提供する。さらに、第１および第２の電極を同期させて、たとえば並列で走査することによって、基板の裏側に電極は必要がなく、したがって、厚い基板、不規則形状の基板、および／または３次元基板などの非平板状の基板も走査することができるという利点を提供する。

位置決め手段は、第１の電極を基板の表面に沿って位置決めするようにさらに構成されるのが好ましい。したがって、位置決め手段は、プラズマをオンまたはオフに切り替えるのに加え、基板の表面に沿って、第１の電極、ゆえにプラズマを走査するのに使用することもできる。位置決め手段は、第１の電極を第２の電極に向かう方向およびそれから遠ざかる方向に運動させる第１のアクチュエータ、第１の電極を基板の表面に沿って第１の方向に運動させる第２のアクチュエータ、ならびに第１の電極を基板の表面に沿って第２の方向に運動させる第３のアクチュエータなどの個別のアクチュエータを含むことができることが理解されよう。

デバイスは、ハウジングをさらに含むのが好ましく、第１の電極は、ハウジングによって少なくとも部分的に取り囲まれ、第１の電極は、ハウジングに対して運動することができる。ハウジングは、電気絶縁することができる。したがって、第１の電極は、ハウジングによって保護することができる。たとえば、第１の電極は、第２の位置にあるとき、ハウジング内にほぼ十分に後退し、第１の位置にあるとき、ハウジングから部分的に突き出ることが可能である。したがって、第１の電極を、埃、破片、またはプラズマの反応生成物から保護することができる。

高電圧源は、第１および第２の電極間の高電圧差を調整するように構成されるのが好ましい。ゆえに、たとえば点火されるとき、プラズマの空間的広がりを調整することが可能である。したがって、オンのときにプラズマによって影響を受ける基板の領域の「ドットサイズ」を調整することができる。したがって、プラズマを使用して基板上にパターンを「印刷する」ドットサイズを決定することができる。

一実施形態において、デバイスは、複数の第１の電極を含む。これらの第１の電極は、基板の表面に沿って同時に位置決めされるように、たとえば印刷ヘッド内に並列に配置することができる。

位置決め手段は、それぞれの第１の電極を第２の電極に対して個別に位置決めするように構成されるのが好ましい。したがって、複数の第１の電極のそれぞれの第１の電極は、個別に位置決めされ、プラズマを点火または消去することができる。

デバイスは、複数の第２の電極を含むことも可能である。位置決め手段は、それぞれの第１の電極を１つまたは複数の第２の電極に対して個別に位置決めするように構成されるのが好ましい。

特定の実施形態では、第１の電極は、高電圧源に導電接続する、ドットプリンタの印刷ヘッドの運動可能なペンによって形成される。

本発明の第２の態様によると、位置決め手段は、第２の電極を第１の電極と同期して位置決めするようにさらに構成され、位置決め手段は、第１の電極を第２の電極に対して位置決めするように構成される必要はない。これは、たとえば書込ヘッドとしての第１および第２の電極を共に基板の表面に沿って走査し、ゆえに表面に沿ってプラズマを走査することができるという利点も提供する。さらに、第１および第２の電極を同期させて、たとえば並列で走査することによって、基板の裏側に電極は必要がなく、したがって、厚い基板、不規則形状の基板、および／または３次元基板も走査することができるという利点を提供する。

本発明の第３の態様によると、基板の表面をパターニングするためにプラズマ放電を起こすデバイスは、複数の第１の電極および複数の第２の電極と、複数の第１の電極の選択された第１の電極と複数の第２の電極の選択された第２の電極との間に高電圧差を発生させるように構成される高電圧源とを含む。ここで、デバイスは、第１および／または第２の電極を位置決めする位置決め手段を含む必要はない。したがって、複数の第１の電極および複数の第２の電極は、関連する第１および第２の電極間に高電圧差をもたらすことによって、基板の表面の選択された部分を処理することができる。デバイスは、高電圧差を選択された第１および第２の電極に継続的に印加することによって、選択された全ての部分を一挙に処理することができる。第１および第２の電極は、並列に配置されるのが好ましい。第１および第２の電極は、点在するのが好ましい。任意選択で、第１および第２の電極は、少なくとも基板の近傍にあり、電気絶縁するセラミックなどのハウジング内に完全に含まれる。

本発明は、さらに、第１の放電部分を含む第１の電極および第２の放電部分を含む第２の電極を提供するステップと、第１および第２の電極間に高電圧差を発生させるステップと、第１の放電部分と第２の放電部分との間の距離が高電圧差のプラズマ放電を助長するのに十分に小さい第１の位置に、第１の電極を第２の電極に対して位置決めすることによってプラズマ放電を選択的に起こすステップと、第１の放電部分と第２の放電部分との間の距離が高電圧差のプラズマ放電を防止するのに十分に大きい第２の位置に、第１の電極を第２の電極に対して位置決めすることによってプラズマ放電を選択的に消去するステップとを含む、プラズマ放電を使用して基板の表面をパターニングする方法に関する。

この方法は、プラズマ放電によって表面を選択的にエッチングするステップ、プラズマ放電によって材料を表面上に選択的に堆積するステップ、および／または、プラズマ放電によって表面の特性を疎水性から親水性に変更するなど、表面の特性を選択的に変更するステップをさらに含むことが好ましい。

本発明によるデバイスは、プラスチック物体、たとえばプラスチックシートなどの電気絶縁基板の表面を処理するために使用することができる。本発明によるデバイスは、半導体基板または導体基板の表面を処理するために使用することもできる。（半）導体基板を使用するとき、第１および／または第２の電極は、上述の電気絶縁材料でコーティングするなど、保護されるのが好ましい。導電基板を、第２の電極として使用することもできることが理解されよう。

本発明によるデバイスは、様々な基板の表面を処理するときの使用に適していることがわかった。さらに、本発明は、（（Ｏ）ＬＥＤデバイス、ＲＦＩＤタグ、もしくは太陽電池デバイスなどの）メソスケール電子デバイス、（ＭＥＭＳデバイス、マイクロレンズ、もしくは多焦点レンズなどの）メソスケール３次元構造体、ラボオンチップ、バイオチップ、印刷可能プラスチック物体、または基板由来のオフセット印刷プレートを製造する方法に関し、この方法は、本発明によるプラズマ放電を起こすデバイスによって基板を処理するステップを含む。

さらに、本発明は、本発明によるプラズマ放電を起こすデバイスを製造する方法に関し、この方法は、従来のドットプリンタを提供するステップと、高電圧差を発生させるために高電圧源を提供するステップと、ドットプリンタの印刷ヘッドの少なくとも１つの印刷ペンを高電圧源に導電接続するステップと、任意選択でドットプリンタの印刷ドラムの表面を高電圧源に導電接続するステップとを含む。ゆえに、少なくとも１つの印刷ペンは、プラズマを生成する電極を形成する。

本発明は、添付の図面を参照して限定されない例により説明される。

本発明によるデバイスの第１の実施形態の概略図である。 本発明によるデバイスの第２の実施形態の概略図である。 本発明によるデバイスの第３の実施形態の概略図である。 本発明によるデバイスの第４の実施形態の概略図である。 本発明によるデバイスの第４の実施形態の概略図である。 本発明によるデバイスの第５の実施形態の概略図である。 本発明によるデバイスの第６の実施形態の概略図である。

図１は、本発明による、基板の表面をパターニングするためにプラズマ放電を起こすデバイス１の第１の実施形態の概略図を示す。

この例において、デバイス１は、複数の第１の電極２．ｉ（ｉ＝１、２、３、…）を含む。この例において、第１の電極２．ｉは、長尺のペンとして設計される。デバイス１は、第２の電極４をさらに含む。この例において、第２の電極は、板状である。第１および第２の電極２．ｉ、４は、それぞれ、高電圧源１０の端子６、８に電気的に導通接続している。高電圧源１０は、第１の電極２．ｉと第２の電極４との間に高電圧差を発生させるように構成される。この例において、第１の電極２．ｉは、さらに、１２において接地される。第１の電極は、たとえばイオンまたは電子のいずれが基板上に衝突するのかを所望するかによって、第２の電極に対して負またはその逆に帯電することができることが理解されよう。この例において、高電圧差は、ＤＣ電圧差を含む。その代わりに、またはそれに加えて、高電圧差は、ＡＣ電圧差（たとえば無線周波数（ＲＦ））、パルス電圧差などを含むことができる。

この例において、処理される基板１４は、第１の電極２．ｉと第２の電極４との間の、この例では第２の電極４の上部上に配置される。この例の第２の電極４は、対向電極とも呼ばれる。

図１において、デバイス１は、ハウジング１６をさらに含む。ハウジング１６は、それぞれの中に１つの第１の電極２．ｉが収容される、複数の孔１８．ｉを含む。それぞれの第１の電極２．ｉは、その対応する孔１８．ｉ内に摺動可能に収容される。この例において、デバイス１は、第１の電極２．ｉのそれぞれを、その対応する孔１８．ｉ内で個別に運動させるように構成される位置決め手段を含む。位置決め手段は、リニアモータ、ラックアンドピニオン、圧電アクチュエータ、電磁ソレノイド、または同様のものなどの電気モータを含むことができる。

これまで説明したデバイス１は、以下の方法で作動することができる。

第１に、基板１４が、第２の電極４と第１の電極２．ｉとの間に配置される。第１および第２の電極間に、高電圧差が設定され、維持される。

基板１４の表面２０をプラズマによって選択的に処理しようとするとき、表面２０を処理しようとする位置が、決定される。表面上の決定位置に最も近接する第１の電極２．ｉが、選択される。この例では、第１の電極２．３が、選択される。

最初に、全ての第１の電極２．ｉは、図１の第１の電極２．１、２．２、２．４、２．５、および２．６において示すように、後退位置にあることができる。この後退位置において、第１の電極２．ｉの先端（放電部分）と第２の電極４との間の距離は、高電圧差のプラズマ放電を防止するのに十分なほど大きい。つまり、後退位置にある第１の電極２．ｉと第２の電極４との間の電界強度は、電気絶縁破壊を防止するのに十分なほど低い。

位置決め手段は、選択された第１の電極２．３を第２の電極４に向かって延伸位置まで運動させる（図１を参照）。この延伸位置において、選択された第１の電極２．３の先端（放電部分）と第２の電極４との間の距離は、高電圧差のプラズマ放電を助長するのに十分なほど小さい。つまり、延伸位置にある第１の電極と第２の電極４との間の電界強度は、プラズマ放電の開始を助長するのに十分なほど低い。図１では、プラズマは、２２で示される。

第１および第２の電極間の電界が基板を貫通するので、図１によるデバイスは、プラスチック箔などの平板状の基板に適している。

第１の電極を後退させることができるという事実は、プラズマを生成する第１の電極に近接する第１の電極の侵食をより低減することができるという利点をもたらし、それは、プラズマが後退した第１の電極に到達しないからである。この効果は、特にハウジング１６がプラズマの近傍に電気絶縁底部を備えるとき、（図１に示すように）第１の電極をハウジング内に完全に後退させることによって改善される。これは、図２および３に示すデバイスの第１および第２の電極にも当てはまる。しかし、電極をハウジング１６によって取り囲むことは、厳密には必要でないことが理解されよう。ハウジングは、電極を案内する、ほぼ開放型の構造を含むこともできる。

第１の電極と第２の電極との間の距離を操作することによって、プラズマの強度を操作することができる。

第１の電極と基板の表面との間の距離を制御することができるので、曲面および／または３次元の物体の処理を（場合により、平坦ではないが基板の形状に従う第２の電極と組み合わせて）実施可能にすることができる。

図２は、本発明によるデバイス１の第２の実施形態の概略図を示す。この例において、複数の第１の電極２．ｉおよび複数の第２の電極４．ｊ（ｊ＝１、２、３、…）は、並列に配置される。この例において、第１および第２の電極の両方は、それらのそれぞれの孔１８．ｋ（ｋ＝１、２、３、…）内に摺動可能に収容される。

図２に示すデバイス１は、以下の方法で作動することができる。

基板１４は、第１および第２の電極、２．ｉ、４．ｊの近傍に配置される。第１および第２の電極間に、高電圧差が設定され、維持される。

基板１４の表面２０をプラズマによって選択的に処理しようとするとき、表面２０を処理しようとする位置が、決定される。表面上の決定位置に最も近接する第１の電極２．ｉおよび第２の電極４．ｊが、選択される。この例では、第１の電極２．２および第２の電極４．２が、選択される。

最初に、全ての第１の電極２．ｉおよび全ての第２の電極４．ｊは、図２の電極２．１、２．３、４．１、および４．３について示すように、後退位置にあることができる。この後退位置において、第１の電極２．ｉの先端（放電部分）と第２の電極４．ｊの先端（放電部分）との間の距離は、高電圧差のプラズマ放電を防止するのに十分なほど大きい。つまり、後退位置にある第１の電極２．ｉと後退位置にある第２の電極４．ｊとの間の電界強度は、電気絶縁破壊を防止するのに十分なほど低い。

位置決め手段は、選択された第１の電極２．２および選択された第２の電極４．２を延伸位置に向かって運動させる（図２を参照）。この延伸位置において、選択された第１の電極２．２の先端と選択された第２の電極４．２の先端との間の距離は、高電圧差のプラズマ放電を助長するのに十分なほど小さい。つまり、延伸位置にある第１の電極と延伸位置にある第２の電極との間の電界強度は、プラズマ放電の開始を助長するのに十分なほど低い。

図２の例において、第１および第２の電極の両方は、基板１４の同じ側に配置されるので、厚い基板、不規則形状の基板、および／または３次元基板などの非平板状の基板もプラズマ２２によって処理することができる。

以下により詳細に示すように、位置決め手段は、第１の電極２．ｉを基板の表面に沿って位置決めするようにさらに構成することができる。したがって、図１および図２に示す電極を含むハウジング１６を、基板１４の表面２０に沿って走査することができる。ゆえに、表面２０の領域をプラズマ２２に選択的に当てることが可能である。本明細書では、電極を含むハウジング１６が、インク付着の代わりに、プラズマ処理用の「印刷ヘッド」として機能することを理解することができる。

図３は、本発明の第２の態様による、デバイス１の実施形態の概略図を示す。図３に示すデバイスは、図２に示すデバイスに極めて類似している。１つの相違点は、図３に示すデバイス１では、電極２．ｉおよび４．ｊが、それぞれのスイッチ２４．ｋ（ｋ＝１、２、３、…）を介して高電圧源１０に接続されることである。

図３に示すデバイス１は、以下の方法で作動することができる。

基板１４は、第１および第２の電極、２．ｉ、４．ｊの近傍に配置される。高電圧差が設定される。

基板１４の表面２０をプラズマによって選択的に処理しようとするとき、表面２０を処理しようとする位置が、決定される。表面上の決定位置に最も近接する第１の電極２．ｉおよび第２の電極４．ｊが、選択される。この例では、第１の電極２．２および第２の電極４．２が、選択される。

最初に、全ての第１の電極２．ｉおよび全ての第２の電極４．ｊは、高電圧源１０との接続を切ることができ、したがって、プラズマ放電は起こらない。選択された第１の電極２．２および選択された第２の電極４．２は、それぞれ、スイッチ２４．３および２４．４を介して高電圧源１０に接続される。選択された第１の電極２．２の先端と選択された第２の電極４．２の先端との間の距離は、高電圧差のプラズマ放電を助長するのに十分なほど小さくなるように選択される。つまり、第１の電極と第２の電極との間の電界強度は、プラズマ放電の開始を助長するのに十分なほど低い。

スイッチ２４．ｋは、高電圧源１０の一部分を形成することができる。ゆえに、高電圧源１０は、第１のモードでプラズマ放電を助長するために高電圧差を電極２．ｉおよび４．ｊで選択的に発生させ、第２のモードでプラズマ放電を防止するために低電圧差またはゼロ電圧差を電極２．ｉ、４．ｊで発生させるように構成される。

図３の例において、第１および第２の電極の両方は、基板１４の同じ側に配置されるので、厚い基板、不規則形状の基板、および／または３次元基板などの非平板状の基板もプラズマ２２によって処理することができる。

図３の例において、第１および第２の電極の両方は、高電圧源に選択的に接続される。全ての第１の電極２．ｉまたは全ての第２の電極４．ｊなどの電極のいくつかは、高電圧源に常時接続することもできることが理解されよう。

図３に示すデバイス１の電極を含むハウジング１６を、図１および２において説明したように、基板１４の表面２０に沿って走査することができることが理解されよう。

図３の例において、ハウジング１６には、電極２．ｉ、４．ｊと放電空間３４との間に障壁を形成する電気絶縁部１７．ｋが設けられる。電気絶縁部１７．ｋは、電極２．ｉ、４．ｊがプラズマ２２に直接接触することを防止する。ゆえに、電極は、侵食から効率的に保護される。電気絶縁部１７．ｋは、電極間の高電圧差がプラズマ放電を可能にするのに十分となるように設計される。電気絶縁部１７．ｋは、図１、２、４ａ、４ｂ、または５において説明するデバイス１にも適用することができることが理解されよう。電気絶縁部は、ハウジングの一部分、またはコーティングなどの、電極の個別の被覆とすることができる。

図１〜３に示すデバイスの全てにおいて、電極を含むハウジングは、印刷ヘッドのように、基板１４に沿って運動することができる。

図４ａの例において、第２の電極４は、ドラム２６と第１の電極２．ｉとの間に平板状の基板１４をその外部表面２０上に配置することができるドラム２６として設計される。この例において、電極を含むハウジング１６は、図１において説明したように設計される。基板１４は、ドラム形状の第２の電極４によって搬送されるが、運動可能な第１の電極２．ｉを含むハウジング１６は、図４ａに示す断面に垂直な方向に運動することができる。図４ｂは、図４ａによるデバイス１の正面図を示す。図４ｂにおいて、ハウジング１６は、第１の電極２．ｉの２次元アレイを含むものとして示されることに留意されたい。ハウジング１６は、第１の電極２．ｉの１次元アレイまたは単一の第１の電極２さえ含むこともできることが理解できよう。

図５は、本発明による、基板１４のマスクなし直接パターニングに適した、プラズマ放電を起こすデバイス１の別の実施形態を示す。この例において、デバイス１は、特に、３次元基板１４の表面２０をパターニングするように構成される。

この例において、電極２．ｉ、４．ｊは、図１および２で説明したように、基板１４に向かう方向およびそれから遠ざかる方向に個別に運動することができる。この例において、それぞれの電極２．ｉ、４．ｊには、その電極に対して装着固定される電気絶縁部２８．ｋが設けられる。ゆえに、電極２．ｉ、４．ｊは、侵食から十分に保護される。

図５に示すデバイス１は、以下の方法で作動することができる。

基板１４は、第１および第２の電極、２．ｉ、４．ｊの近傍に配置される。全ての電極２．ｉ、４．ｊは、それぞれの電極が基板１４の表面２０に接触するまで、基板１４に向かって位置決めされる。次に、全ての電極２．ｉ、４．ｊは、表面２０を処理するためにプラズマ２２を生成するのに適した所定の距離だけ表面２０から遠ざかる。ここで、電極は、表面２０の輪郭に「従う」。図５は、電極の１次元アレイを示すが、３次元基板の表面２０の表面領域の処理を可能にするのには、電極２．ｉ、４．ｊの２次元アレイが好ましい。

高電圧差が設定される。基板１４の表面２０をプラズマによって選択的に処理しようとするとき、表面２０を処理しようとする位置が、決定される。表面上の決定位置に最も近接する第１の電極２．ｉおよび第２の電極４．ｊが、選択される。この例では、第１の電極２．２および第２の電極４．２が、選択される。

最初に、全ての第１の電極２．ｉおよび全ての第２の電極４．ｊは、高電圧源１０との接続を切ることができ、したがって、プラズマ放電は起こらない。選択された第１の電極２．２および選択された第２の電極４．２は、それぞれ、スイッチ２４．３および２４．４を介して高電圧源１０に接続される。

図５の例では、遮蔽体３０．ｍ（ｍ＝１、２、３、…）が、電極２．ｉ、４．ｊ間に装着される。この例において、遮蔽体は、（電気絶縁する）箔によって形成される。遮蔽体３０．ｍは、電極２．ｉ、４．ｊ間の開放空間３２内にプラズマ２２が入るのを防止する。さらに、遮蔽体３０．ｍは、キャリアガスが放電空間３４内に入るのを可能にするが、ガスが電極間の開放空間３２に入るのを防止する。プラズマ放電を促進するように、放電空間３４内のキャリアガスを選択することができることが理解されよう。キャリアガスは、アルゴンまたはヘリウムなどを含むことができる。キャリアガスが開放空間３２内に存在しないことによって、高電圧差が開放空間３２内でプラズマ放電を起こすことができなくなる可能性がある。これらの遮蔽体３０．ｍは、任意選択であり、必要な場合に、図１、２、３、４ａ、および４ｂによるデバイスにも適用することができることが理解されよう。

市販のドットプリンタを、図１、２、３、または５によるデバイスを含むプラズマプリンタに容易に転換することができることを発明者らは見出した。図４ａおよび４ｂに示したデバイスは、実際に、そのような転換ドットプリンタの一部分とすることができる。

従来のドットプリンタの転換は、以下のように行うことができる。

第１に、従来のドットプリンタが提供され、高電圧差を発生させる高電圧源が提供される。ドットプリンタの印刷ヘッドの少なくとも１つの印刷ペンが、高電圧源に導電接続する。

図１によるデバイスが所望されると、従来のドットプリンタの印刷ドラムの外部表面が、高電圧源に導電接続する。必要な場合、印刷ドラムの表面には、導電コーティングを施すことができる。

図２、３、または５によるデバイスが所望されると、印刷ヘッドの少なくとも１つの印刷ペンが、高電圧源の正端子に接続され、印刷ヘッドの少なくとも１つの他の印刷ペンが、高電圧源の負端子に接続される。

３つ以上の第１の電極２．ｉおよび／または第２の電極４．ｊが使用されるとき、それらは、１次元または２次元アレイ状に配置することができる。そのようなアレイ状の電極を互いに分離する要領の良い方法は、参照により本明細書に組み込まれている、国際公開第２００８／００４８５８号に記載されている膜を用いることである。このようにして、電極２．ｉ、４．ｊは、たとえば六方充填で共に近接させて配置することができ、膜は、個々の電極を分離させる。膜が電気絶縁するとき、電極も、互いに電気絶縁される。国際公開第２００８／００４８５８号に記載されている構成およびピン運動の方法の別の利点は、電極が互いに影響を及ぼさずに個別に運動することができることである。

図６は、本発明によるデバイス１の６番目の実施形態を示す。この実施形態では、従来のインクジェット印刷ヘッド３５が、プラズマ放電を起こすために転換される。この例において、インクジェット印刷ヘッドは、複数のノズル３７．ｎ（ｎ＝１、２、３、…）を含む。１ノズルにつき、２つの圧電素子３６、３８が、内部インク室４０に隣接して配置される。この変更形態によると、圧電素子３６、３８は、それぞれ、高電圧源１０の端子６、８に導電接続する。高電圧差が圧電素子３６、３８間で維持されるとき、これらの素子は、第１および第２の電極２．ｉ、４．ｊとして機能する。

図６のデバイスは、以下のように作動することができる。インクの代わりに、ガス流が、矢印Ｇで示されるように、印刷ヘッド３５内に供給される。基板１４の表面２０をプラズマによって選択的に処理しようとするとき、表面２０を処理しようとする位置が、決定される。表面上の決定位置に最も近接するノズル３７．ｎならびに関連の第１の電極２．ｉおよび第２の電極４．ｊが、選択される。この例では、第１の電極２．３および第２の電極４．３が、選択される。

最初に、全ての第１の電極２．ｉおよび全ての第２の電極４．ｊは、高電圧源１０との接続を切ることができ、したがって、プラズマ放電は起こらない。選択された第１の電極２．３および選択された第２の電極４．３は、それぞれ、スイッチ２４．５および２４．６を介して高電圧源１０に接続される。次に、電極間の領域内に、プラズマ２２が生成される。ガス流の速度のために、プラズマ２２は、ノズル３７．３から基板の表面２０に向かって放出される。変更されたインクジェットヘッド３５を、表面２０に沿って走査することができることが理解されよう。

本発明によるデバイス１を形成するのに、他の従来のインクジェットヘッドを転換することもできることが理解されよう。たとえば、第１の電極は、印刷ヘッドの圧電素子によって形成されるが、第２の電極を、ノズルを取り囲む導電ノズルプレートによって形成することが可能である。電気加熱抵抗体などの、従来のインクジェット印刷ヘッド内の別の導電構造体が、プラズマを生成する電極を形成することも可能である。

上述した基板のマスクなし直接パターニングに適した、プラズマ放電を起こすデバイスは、表面のエッチング、物質の表面上への堆積、または湿潤性などの表面の特性の変更を行うなど、プラズマを使用して基板の表面を処理するのに使用することができることが理解されよう。たとえば、湿潤性などの表面の特性の変更は、印刷目的で、印刷媒体（インクまたは半田など）に対して表面の湿潤性を局所的に変更することによって使用することができる。

以上の図１〜６において説明した、基板のマスクなし直接パターニングに適した、プラズマ放電を起こすデバイスは、（Ｏ）ＬＥＤデバイス、ＲＦＩＤタグ、もしくは太陽電池デバイスなどのメソスケール電子デバイス、ＭＥＭＳデバイス、マイクロレンズ、もしくは多焦点レンズなどのメソスケール３次元構造体、ラボオンチップ、バイオチップ、印刷可能プラスチック物体、または基板由来のオフセット印刷プレートを製造するのに使用することができることが理解されよう。

大気条件のもとで、プラズマ２２を生成することができることが理解されよう。あるいは、低圧または高圧で、プラズマを生成することができる。たとえば、プラズマを空気中で生成することができる。プラズマは、アルゴン、酸素、アンモニア、窒素、ヘリウム、またはそれらの混合物を含むガス内で形成することもできる。たとえば気化した前駆体を、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）もしくは（３−アミノプロピル）トリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）などの有機珪素化合物、ヘプチルアミン、水（Ｈ_２Ｏ）、またはメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）などのガス（混合物）に加えることもできる。

以上の記述において、本発明は、その実施形態の特定の例を参照して説明されてきた。しかし、添付の特許請求の範囲に記載される本発明のより広い技術思想および範囲から逸脱することなく、その中で、様々な変更および修正を行うことができることは明らかになろう。

いくつかの例において、ハウジング１６内の電極は、針状である。しかし、他の形状も可能である。

図１の例において、第２の電極４は、板状である。他の設計形状も可能であることが理解されよう。たとえば、第２の電極は、それぞれを針状の第１の電極に対向して配置することができる複数の針状の電極を含み、基板は、第１および第２の針状の電極間に含むことが可能である。

この例において、針状の電極を、簡単な金属ロッドまたは針とすることができる。ナノ構造またはミクロ構造の電極を使用することができることが理解されよう。ナノ／ミクロ構造電極は、電界放出を増大させることができ、プラズマを小領域内に閉じ込め、これによってデバイスの分解能を向上させるように使用することができ、プラズマの特性および開始電圧に影響を及ぼす。これらのナノ／ミクロ構造電極は、たとえば、針先端のレーザ蒸着もしくは除去、針先端における専用の結晶成長によって、または針先端にカーボンナノチューブを使用することによって製造することができる。

図１、２、３、５、および６は、電極の１次元アレイを示すが、電極の２次元アレイを使用することができる。

図５に示した電気絶縁部２８．ｋを含む電極は、他の実施形態でも使用することができることが理解されよう。

図１〜５の例において、ハウジング内の電極は、平行な電極として示され、平行に運動する。しかし、電極は、平行である必要はない。たとえば、電極は、互いにある角度でハウジング１６内に取り付けることができる。第１および第２の電極が、後退位置から延伸位置まで運動したときに集光するようにハウジング内に取り付けられるとき、前記電極の放電部分間の距離を、極めて効率的に低減することができることが理解されよう。同様な結果は、電極がハウジング内の曲線状または角度付きの経路に沿って運動するときに得ることができる。

これらの例において、放電部分は、電極の先端近傍に配置される。電極の放電部分を、他の方法で、たとえば曲線状電極の曲線の近傍に配置することも可能である。

図３および５の例において、電極は、それぞれのスイッチを通して高電圧源に選択的に接続される。電子スイッチング手段、選択的増幅その他などの別のスイッチング手段も可能であることが理解されよう。スイッチは、プラズマ放電を助長することができる高電圧差と、プラズマ放電を消去することができる低電圧差との間で切り替えることも可能である。高電圧源は、たとえば、一定の電極間の電圧差を選択的に増加または減少させることによって、第１のモードでプラズマ放電を助長するために高電圧差を選択的に発生させ、第２のモードでプラズマ放電を防止するために低電圧差またはゼロ電圧差を発生させるように構成されることも可能であることが理解されよう。

しかし、他の変更形態、変形形態、および選択肢も可能である。したがって、説明、図面、および例は、限定的な意味ではなく、例示用とみなされるべきである。

特許請求の範囲において、括弧内に置かれるあらゆる参照符号は、特許請求の範囲を限定するものとみなすべきでない。用語「含む」は、特許請求の範囲に記載された特徴またはステップ以外の特徴またはステップの存在を排除しない。さらに、用語「１つ」は、「１つだけ」に限定するものとみなすべきではないが、代わりに、「少なくとも１つ」を意味するものとして使用され、複数性を排除しない。いくつかの手段が様々な請求項内に交互に記載されるという単なる事実は、利益を得るのに、これらの手段の組合せを使用することができないことを示すものではない。

１ デバイス
２．ｉ（ｉ＝１、２、３、…） 第１の電極
４ 第２の電極
４．ｊ（ｊ＝１、２、３、…） 第２の電極
６ 端子
８ 端子
１０ 高電圧源
１２ グランド
１４ 基板
１６ ハウジング
１７．ｋ（ｋ＝１、２、３、…） 電気絶縁部
１８．ｉ（ｉ＝１、２、３、…） 孔
２０ 表面
２２ プラズマ
２４．ｋ（ｋ＝１、２、３、…） スイッチ
２６ ドラム
２８．ｋ（ｋ＝１、２、３、…） 電気絶縁部
３０．ｍ（ｍ＝１、２、３、…） 遮蔽体
３２ 開放空間
３４ 放電空間
３５ インクジェット印刷ヘッド
３６ 圧電素子
３７．ｎ（ｎ＝１、２、３、…） ノズル
３８ 圧電素子
４０ インク室

Claims (24)

1. 基板の表面をパターニングするためにプラズマ放電を起こすデバイスであって、
   第１の放電部分を含む第１の電極および第２の放電部分を含む第２の電極と、
   前記第１および前記第２の電極間に高電圧差を発生させる高電圧源と、
   前記第１の電極を前記基板に対して位置決めする位置決め手段とを含み、
   前記位置決め手段は、前記第１の放電部分と前記第２の放電部分との間の距離が前記高電圧差の前記プラズマ放電を助長するのに十分に小さい第１の位置、および前記第１の放電部分と前記第２の放電部分との間の前記距離が前記高電圧差のプラズマ放電を防止するのに十分に大きい第２の位置に、前記第１の電極を前記第２の電極に対して選択的に位置決めするように構成される、デバイス。
2. 前記位置決め手段は、前記第１の電極を前記第２の電極に向かう方向およびそれから遠ざかる方向に運動させるように構成される、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第２の電極は、ドラムとして設計され、前記ドラムと前記第１の電極との間に平板状の基板を前記ドラムの外部表面上に配置することができ、前記位置決め手段は、前記第１の電極を前記外部表面に垂直な方向に運動させるように構成される、請求項１または２に記載のデバイス。
4. 前記位置決め手段は、前記第１の電極を前記基板の前記表面に沿って位置決めするようにさらに構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. ハウジングをさらに含み、前記第１の電極は、前記ハウジングによって少なくとも部分的に取り囲まれ、前記第１の電極は、前記ハウジングに対して運動することができる、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記高電圧源は、前記第１および前記第２の電極間の前記高電圧差を調整するように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 複数の第１の電極および／または複数の第２の電極を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
8. 前記位置決め手段は、それぞれの第１の電極を前記１つまたは複数の第２の電極に対して個別に位置決めするように構成される、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記位置決め手段は、それぞれの第１の電極を残りの第１の電極に対して個別に位置決めするように構成される、請求項７または８に記載のデバイス。
10. 前記第１の電極は、前記高電圧源に導電接続する、ドットプリンタの印刷ヘッドの運動可能なペンによって形成される、請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス。
11. 前記第１の電極および／または前記第２の電極は、たとえば、前記放電部分におけるレーザ蒸着もしくは除去、前記放電部分における専用の結晶成長によって、または前記放電部分にカーボンナノチューブを提供することによって、ナノ構造化またはミクロ構造化される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のデバイス。
12. 基板の表面をパターニングするためにプラズマ放電を起こすデバイスであって、
    第１の放電部分を含む第１の電極および第２の放電部分を含む第２の電極と、
    前記第１および前記第２の電極間に高電圧差を発生させる高電圧源と、
    前記第１の電極を前記基板に対して位置決めする位置決め手段とを含み、
    前記位置決め手段は、前記第２の電極を前記第１の電極と同期して位置決めするようにさらに構成される、デバイス。
13. 前記第１および第２の電極は、機械的に結合する、請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記高電圧源は、第１のモードで前記プラズマ放電を助長するために前記高電圧差を選択的に発生させ、第２のモードでプラズマ放電を防止するために低電圧差またはゼロ電圧差を発生させるように構成される、請求項１２または１３に記載のデバイス。
15. 複数の第１の電極および複数の第２の電極を含み、前記高電圧源は、少なくとも１つの第１の電極と少なくとも１つの第２の電極との間に高電圧を選択的に印加するように構成される、請求項１２から１４のいずれか一項に記載のデバイス。
16. プラズマ放電を使用して基板の表面をパターニングする方法であって、
    第１の放電部分を含む第１の電極および第２の放電部分を含む第２の電極を提供するステップと、
    前記第１および前記第２の電極間に高電圧差を発生させるステップと、
    前記第１の放電部分と前記第２の放電部分との間の距離が前記高電圧差の前記プラズマ放電を助長するのに十分に小さい第１の位置に、前記第１の電極を前記第２の電極に対して位置決めすることによって前記プラズマ放電を選択的に起こすステップと、
    前記第１の放電部分と前記第２の放電部分との間の前記距離が前記高電圧差のプラズマ放電を防止するのに十分に大きい第２の位置に、前記第１の電極を前記第２の電極に対して位置決めすることによって前記プラズマ放電を選択的に消去するステップとを含む、方法。
17. 前記第１の電極を前記第１の位置に運動させるとき、前記第１の電極を前記第２の電極に向かう方向に運動させるステップと、前記第１の電極を前記第２の位置に運動させるとき、前記第１の電極を前記第２の電極から遠ざかる方向に運動させるステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１の電極を前記基板の前記表面に沿って走査するステップをさらに含む、請求項１６または１７に記載の方法。
19. 複数の第１の電極を前記基板に対して同時に位置決めするステップと、それぞれの第１の電極を前記第２の電極に対して個別に位置決めするステップとを含む、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記プラズマ放電によって前記表面を選択的にエッチングするステップ、前記プラズマ放電によって材料を前記表面上に選択的に堆積するステップ、および／または、前記プラズマ放電によって前記表面の特性を疎水性から親水性に変更するなど、前記表面の特性を選択的に変更するステップをさらに含む、請求項１６から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. プラズマ放電を使用して基板の表面をパターニングする方法であって、
    第１の放電部分を含む第１の電極および第２の放電部分を含む第２の電極を提供するステップと、
    前記第１の放電部分と前記第２の放電部分との間に高電圧差を発生させることによって前記プラズマ放電を起こすステップと、
    前記第１の電極および第２の電極を同期させて、前記基板の前記表面に沿って運動させるステップとを含む、方法。
22. （Ｏ）ＬＥＤデバイス、ＲＦＩＤタグ、もしくは太陽電池デバイスなどのメソスケール電子デバイス、ＭＥＭＳデバイス、マイクロレンズ、もしくは多焦点レンズなどのメソスケール３次元構造体、ラボオンチップ、バイオチップ、印刷可能プラスチック物体、または基板由来のオフセット印刷プレートを製造する方法であって、請求項１から１５のいずれか一項に記載の、プラズマ放電を起こすデバイスによって前記基板を処理するステップを含む、製造方法。
23. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の、プラズマ放電を起こすデバイスを製造する方法であって、
    − 従来のドットプリンタを提供するステップと、
    − 高電圧差を発生させるために高電圧源を提供するステップと、
    − 前記ドットプリンタの印刷ヘッドの少なくとも１つの印刷ペンを前記高電圧源に導電接続するステップとを含む、製造方法。
24. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の、プラズマ放電を起こすデバイスを製造する方法であって、
    − 従来のインクジェットプリンタを提供するステップと、
    − 高電圧差を発生させるために高電圧源を提供するステップと、
    − 前記インクジェットプリンタの印刷ヘッドの少なくとも１つの導電構造体を前記高電圧源に導電接続するステップとを含む、製造方法。

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