JP4725093B2 - マイクロ波処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波によりチャンバ内にプラズマを発生させてプラスチック製容器の内表面に薄膜を形成するマイクロ波処理装置に関し、特に、プラスチック製容器の開口部内面において熱変形や穿孔が生じることなくこの開口部内面にも薄膜を形成するマイクロ波処理装置に関する。

化学蒸着法（ＣＶＤ）は、常温では反応の起こらない処理用ガスを用いて、高温雰囲気での気相成長により、処理対象物の表面に反応生成物を膜状に析出させる技術であり、半導体の製造、金属やセラミックの表面改質等に広く採用されている。
最近では、ＣＶＤでも低圧プラズマＣＶＤとしてプラスチック容器の表面改質、特に、ガスバリア性の向上にも応用されている。

プラズマＣＶＤは、プラズマを利用して薄膜成長を行うものであり、基本的には、減圧下において処理用ガスを含むガスを高電界の電気的エネルギーで放電させることにより、解離、結合して生成した物質を、気相中又は処理対象物上で化学反応させることによって、処理対象物上に堆積させる方法である。
プラズマ状態は、グロー放電、コロナ放電、アーク放電などによって実現されるものであり、たとえば、グロー放電の方式としては、直流グロー放電を利用する方法、高周波グロー放電を利用する方法（高周波プラズマＣＶＤ）、マイクロ波放電を利用する方法（マイクロ波プラズマＣＶＤ）などが知られている。

これらの中で、マイクロ波プラズマＣＶＤは、装置の構成を極めて簡略化でき、また、装置内での減圧の程度も、プラスチック容器の内面を処理する場合には、マイクロ波放電がプラスチック容器内のみに発生するようにすればよいので、装置内全体を高真空に維持する必要がなく、操作の簡便さ、及び生産性の点で優れている。

このようなプラスチック容器を対象としたマイクロ波プラズマＣＶＤによるガスバリア被膜の形成法については、従来から種々提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
ところが、それら従来のプラズマＣＶＤ法によりガスバリア被膜を形成した場合は、プラスチック製容器の開口部の被膜が厚膜となる傾向があった。これは、容器開口部から排気して真空度を制御し原料ガスを供給しつつプラズマを発生させる方法においては、一般に開口部近傍に反応ガスが流れやすく、その開口部近傍が厚膜になりやすいためであった。

そして、特に、炭化水素化合物を原料ガスとするＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜（カーボン被膜）の場合、厚膜部は褐色の着色が目立ち、外観が悪くなっていた。栓やフタの取り付け部となる容器開口部は、変形を防止するために肉厚に成形するが、ホットパック用のポリエチレンテレフタレート樹脂製容器の場合は、開口部を結晶化温度以上に加熱して白化結晶化させ、開口部の耐熱性を高めた所謂開口部白化ペットボトルとして使用する。かかる開口部白化した容器においては、特に、開口部が白色のため被膜が薄膜でも着色が目立ち、外観が悪くなり商品性が劣る。

しかも、プラスチック容器の開口部は細くなっているため、反応ガスの流れからプラズマが濃くなりやすく、かつ図６に示すようにボトル口部の外周を金属が覆う状態になると電界が集中するため、その開口部に熱変形が出やすく、さらに、穴があいてしまうこともあった。

そこで、これらの問題を解決するための技術が提案されている。
例えば、プラスチック製容器の開口部の内面にプラズマ状態のガスの接近を防止するマスキング手段を設け、プラズマＣＶＤにより容器の内面にガスバリア被覆処理を行う技術がある（例えば、特許文献４参照。）。
このような構成により、プラスチック製容器の開口部内表面に被膜が付着するのを防止して、褐色の着色を無くし、商品性を向上させることができる。
特開平０８−０５３１１６号公報 特表２００１−５１８６８５号公報 特表平０８−５０９１６６号公報 特開２００２−０５３１１９号公報

しかしながら、プラスチック製容器の内面におけるガスバリア被膜の形成は、その胴部内面だけでなく開口部内面においても行うことが望ましい。
しかも、近年においては、カーボン被膜に代わるものとして、酸化珪素などの珪素化合物が多く用いられており、これらは、褐色等の着色を問題としない。
ただし、マスキング手段を単に取り除いてプラスチック製容器の開口部内面に薄膜を形成させるだけでは、その開口部の熱変形や穿孔（穴あき）が起こるという問題が依然として残ってしまう。

本発明は、上記の事情にかんがみなされたものであり、プラスチック製容器の開口部の熱変形や穿孔を防ぎつつ、開口部内面にも薄膜を形成して、プラスチック製容器全体のバリヤ性能の向上を可能とするマイクロ波処理装置の提供を目的とする。

この目的を達成するため、本発明のマイクロ波処理装置は、プラスチック製容器の内部に反応ガスを供給し、マイクロ波を与えてプラズマを発生させ、プラスチック製容器の内面に薄膜を形成するマイクロ波処理装置であって、プラスチック製容器の開口部の内面近傍に、マイクロ波を遮蔽する筒状のマイクロ波遮蔽体を備え、開口部内面と筒状のマイクロ波遮蔽体との間に反応ガスの流路を形成し、開口部内面に薄膜を形成し、筒状のマイクロ波遮蔽体に反応ガスの流路を形成した構成としてある。

マイクロ波処理装置をこのような構成とすると、プラスチック製容器の開口部の内面近傍にマイクロ波遮蔽体が設けられ、このマイクロ波遮蔽体と開口部内面との間には反応ガスの流路が形成されるため、マイクロ波を遮蔽しつつ、開口部内面に薄膜を形成することができる。
さらに、開口部付近は、反応ガスの流れからプラズマが濃くなりやすく、かつ電界が高い状態にあるが、マイクロ波遮蔽体によりマイクロ波が遮蔽されるため、それらの影響を緩和して開口部の熱変形や穿孔を防ぎつつ、その開口部内面に薄膜を形成することができる。

また、マイクロ波処理装置をこのような構成とすれば、マイクロ波遮蔽体に形成された反応ガスの流路を通して開口部内面に反応ガスを送ることができる。このため、マイクロ波遮蔽体によりマイクロ波が遮蔽されつつ、開口部内面に薄膜を形成することができる。

また、本発明のマイクロ波処理装置は、開口部内面とマイクロ波遮蔽体との間の反応ガスの流路がマイクロ波処理装置の排気口と連通している構成としてある。
マイクロ波処理装置をこのような構成とすれば、開口部内面とマイクロ波遮蔽体との間に反応ガスを十分に通すことができる。このため、開口部内面においても、そのプラスチック製容器の胴部内面と同様に、薄膜を施すことができる。

また、本発明のマイクロ波処理装置は、マイクロ波遮蔽体が導電性材料で形成された構成としてある。

マイクロ波処理装置をこのような構成とすれば、その導電性材料で形成されたマイクロ波遮蔽体によりマイクロ波を遮蔽することができる。このため、プラスチック容器の開口部おける熱変形や穿孔の発生を抑制できる。

また、マイクロ波遮蔽体が開口部内面の近傍に備えられるとともに、それらマイクロ波遮蔽体と開口部内面との間に反応ガスを通す流路が設けられるため、マイクロ波を遮蔽しつつ、開口部の熱変形や穿孔を防止して、その開口部内面に薄膜を形成することができる。

以上のように、本発明によれば、開口部内面の近傍にマイクロ波遮蔽体が備えられ、このマイクロ波遮蔽体と開口部内面との間に反応ガスの流路が形成されているため、その開口部内面に薄膜を形成し、しかも、その成膜時における開口部の熱変形や穿孔を防止できる。

以下、本発明に係るマイクロ波処理装置の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。

まず、本発明のマイクロ波処理装置の実施形態について、図１を参照して説明する。
同図は、本実施形態のマイクロ波処理装置の構造を示す縦方向断面図である。

同図に示すように、マイクロ波処理装置１０は、ほぼ円筒形状に形成されて内部にプラスチック製容器Ａが収められる中空のチャンバ１１と、これらチャンバ１１とプラスチック製容器Ａが上面１２−１に載置される基台１２と、プラスチック製容器Ａの内部に処理用ガスを送って充填させる処理用ガス供給部材１３とを備えている。
なお、プラスチック製容器Ａは、例えば、ボトルなどで構成することができる。また、プラスチック製容器（ボトル）には、例えば、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステルから形成された二軸延伸ブロー成形ボトルなどが含まれる。

基台上面１２−１の中央には、処理用ガス供給部材１３が上方に向かって突設されており、この処理用ガス供給部材１３にかぶせるようにしてプラスチック製容器Ａが開口部を下にして倒立して基台上面１２−１に定置される。
また、基台上面１２−１において、処理用ガス供給部材１３の付設部周囲には凹部１２−２が形成されている。この凹部１２−２には、開口部を下にして倒立されたプラスチック製容器Ａのその開口部のほぼ全体又は一部が収まるようになっている。

さらに、凹部１２−２の側面と処理用ガス供給部材１３との間には、凹部１２−２の底面（あるいはチャック部の下にあるメッシュの上面）から上方へ向かって突設する筒状のマイクロ波遮蔽体１４が設けられている。
マイクロ波遮蔽体１４は、図２、図３に示すように筒状に形成されており、長さは異なるが同じく筒状の処理用ガス供給部材１３とほぼ同心円上に設けられる。ただし、マイクロ波遮蔽体１４の内径は、処理用ガス供給部材１３の外径よりも長く、マイクロ波遮蔽体１４の内面と処理用ガス供給部材１３の外周面とは接することはない。

プラスチック製容器Ａが基台１２の上面１２−１に定置され、その開口部が凹部１２−２に嵌合すると、マイクロ波遮蔽体１４は、その開口部の内面近傍に位置することとなる。
マイクロ波遮蔽体１４の高さ（筒状の中心軸方向の長さ）には特に制限はないが、プラスチック製容器Ａの開口部付近に高い電界が生じ強いプラズマが発生してもこれらからの影響を緩和して開口部の熱変形や穿孔を抑制できる程度の高さとすることが望ましい。

さらに、このマイクロ波遮蔽体１４は、導電性材料で形成されている。このため、マイクロ波ＭＷの遮蔽を可能とし、成膜時にプラスチック製容器Ａの開口部が熱変形又は穿孔するのを防止できる。
また、マイクロ波遮蔽体１４と開口部内面との間には、反応ガスを通すための流路として空間が設けられている。この空間の幅（マイクロ波遮蔽体１４と開口部内面との距離）は、例えば、１ｍｍ以上とすることができる。これにより、その空間に反応ガスが流れて開口部内面に薄膜を形成することができる。また、その空間の幅を、例えば、１ｍｍ〜１．５ｍｍの間とすれば、開口部の熱変形や穿孔を防止しつつ、開口部内面への成膜が可能となる。

さらに、マイクロ波遮蔽体１４には反応ガスが通る流路として、図２に示すように、反応ガスを通すための貫通孔１４−１を形成することができる。貫通孔１４−１は、マイクロ波遮蔽体１４に一又は二以上設けることができる。
また、マイクロ波遮蔽体１４の全体又は一部には、図３に示すように、網目部１４−２（網目状（メッシュ）の部分）を形成することもできる。
なお、本実施形態においては、２０メッシュ〜５０メッシュの網目を用いるのが好ましい。
これら貫通孔１４−１あるいは網目部１４−２を有することにより、反応ガスが開口部内面にも行き渡るようになり、その開口部内面に薄膜を形成することができる。

また、マイクロ波処理装置はボトルの口部から排気を行ってボトル内部を真空状態にしたり、成膜後に処理ガスを排気することを行っており、マイクロ波遮蔽体の下部に連通孔等を設けることにより、開口部内面とマイクロ波遮蔽体との間の反応ガスの流路をその排気口と連通させることで、反応ガスが開口部内面にもより効率よく行き渡るようになり、その開口部内面に薄膜を形成することができる。

［マイクロ波処理方法］
次に、本実施形態のマイクロ波処理装置を用いた成膜方法（マイクロ波処理方法）について、図４を参照して説明する。
基台上面１２−１における凹部１２−２の底面（あるいはチャック部の下にあるメッシュの上面）には、上方にむかって突設するようにマイクロ波遮蔽体１４が備えられる（マイクロ波遮蔽体の設置、ステップ１０）。このマイクロ波遮蔽体１４は、プラスチック製容器Ａの開口部の内面近傍に反応ガスの流路が確保されるような位置に備えられる。
そして、プラスチック製容器Ａが、その基台上面１２−１に開口部を下にして倒立して載置され、その開口部が凹部１２−２に嵌合されると、その開口部の内面近傍にマイクロ波遮蔽体１４が位置するようになる（プラスチック製容器の定置、ステップ１１）。

同じく基台上面１２−１に載置されたチャンバ１１の内部そしてプラスチック製容器Ａの内部が真空状態にされ（真空処理、ステップ１２）、続いて、プラスチック製容器Ａの内部に反応ガスが導入される（反応ガス導入処理、ステップ１３）。さらに、チャンバ１１内にマイクロ波ＭＷが導入され（マイクロ波導入処理、ステップ１４）、反応ガスがプラズマ化される。これにより、プラスチック製容器Ａの内表面が成膜されるとともに、プラスチック製容器Ａの開口部内面にも成膜される（プラスチック製容器の内面及び開口部内面の成膜、ステップ１５）。

このような手順により、プラスチック製容器Ａの内面に成膜したときのチャンバ１１内の電界強度分布は、図５に示すようになる。
ここで、図５（マイクロ波遮蔽体１４を設けた場合の電界強度分布）と図６（マイクロ波遮蔽体１４を設けない場合の電界強度分布）とを比較すると、電界強度分布自体に大きな違いは見受けられないが、マイクロ波遮蔽体１４の有無により、プラスチック製容器Ａの開口部内面において、電界強度の強い部分（電界が集中しているところ）から受ける影響に違いが見られる。

すなわち、図６においては、開口部内面付近に電界強度の強い部分あるため、その影響が大きく受けてしまい、熱変形や穿孔が起こりやすい。これに対し、図５においては、マイクロ波遮蔽体１４がちょうど開口部内面と電界強度の強い部分との間に位置することから、開口部内面が電界強度の強い部分から受ける影響が小さくなり、これにより熱変形や穿孔を防止できる。
しかも、マイクロ波遮蔽体１４と開口部内面との間には反応ガスを通す流路である空間が形成されるため、その開口部内面にも成膜できる。

以上、本発明のマイクロ波処理装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明に係るマイクロ波処理装置は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態では、プラスチック製容器の例としてボトルを挙げたが、プラスチック製容器はボトルに限るものではなく、例えば、カップ、パウチ、包袋シートなどであってもよい。

本発明は、プラスチック製容器の開口部内面への成膜に関する発明であるため、所定の対象物に薄膜を形成する装置や機器等に利用可能である。

本発明のマイクロ波処理装置の構成を示す縦方向断面図である。 貫通孔を有したマイクロ波遮蔽体の構造を示す外観斜視図である。 網目部を有したマイクロ波遮蔽体の構造を示す外観斜視図である。 本発明のマイクロ波処理方法の動作手順を示すフローチャートである。 マイクロ波遮蔽体を設けた場合におけるチャンバ内の電界強度分布を示す分布図である。 マイクロ波遮蔽体を設けない場合におけるチャンバ内の電界強度分布を示す分布図である。

符号の説明

１０ マイクロ波処理装置
１１ チャンバ
１２ 基台
１２−１ 基台上面
１２−２ 凹部
１３ 処理用ガス供給部材
１４ マイクロ波遮蔽体
Ａ プラスチック製容器

Claims (3)

1. プラスチック製容器の内部に反応ガスを供給し、マイクロ波を与えてプラズマを発生させ、前記プラスチック製容器の内面に薄膜を形成するマイクロ波処理装置であって、
   前記プラスチック製容器の開口部の内面近傍に、マイクロ波を遮蔽する筒状のマイクロ波遮蔽体を備え、
   前記開口部内面と前記筒状のマイクロ波遮蔽体との間に前記反応ガスの流路を形成し、前記開口部内面に前記薄膜を形成し、
   前記筒状のマイクロ波遮蔽体に前記反応ガスの流路を形成した
   ことを特徴とするマイクロ波処理装置。
2. 前記開口部内面と前記マイクロ波遮蔽体との間の前記反応ガスの流路がマイクロ波処理装置の排気口と連通している
   ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波処理装置。
3. 前記マイクロ波遮蔽体が導電性材料で形成された
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ波処理装置。

Images