JP4747566B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、３次元中空容器、例えばプラスチックボトル，プラスチックカップ，プラスチックトレイ，紙容器，紙カップ，紙トレイ，その他中空のプラスチック成型品等の表面にＰＥＣＶＤ（プラズマ支援型化学気相成長）法により薄膜を形成させるプラズマ処理装置に関する。

３次元中空容器は、食品分野や医薬品分野等の様々な分野で多用され、そのため品質において種々の機能が要求されている。
この３次元中空容器のなかでも、プラスチック容器は、軽量，低コストとしての利便性から、広く用いられるようになってきている。
近年、内容物の保護の面から、３次元中空容器に対して、バリア性を持たせる要求がなされている。
このため、プラスチック容器にバリア性を持たせるため、容器に所定の物質をコーティングする技術が様々開発されている。

そして、これらのコーティング技術により、バリア性を有する薄膜が表面に形成されたプラスチック容器が広く出回るようになってきている（例えば、特許文献１参照）。
バリア性を有する薄膜の生成方法としては、一般的に、円筒構造の同軸共振器内に薄膜を生成する対象物（３次元中空容器）を配置し、同軸共振器内または３次元中空容器内に原料ガスを注入して、マイクロ波エネルギーを注入して、マイクロ波エネルギーにより上記原料ガスをプラズマ化して、対象物表面に薄膜を成膜させる（例えば、特許文献２参照）。
特表２００３−５１８５５５号公報 特表２００２−５０９８４５号公報

上述したプラズマを用いた成膜方法においては、上記同軸共振器内に如何に効率良くマイクロ波エネルギーを結合させ、かつ同軸共振器内においてマイクロ波エネルギーによる電磁界の分布を均一にし、同軸共振器内または３次元中空容器内に、一様なプラズマを効率良く発生させるかが重要である。
円筒型の同軸共振器においては、共振周波数や共振モードが円筒の内径及び高さ及び内部の誘電率等により算出されるため、内部の電磁界の分布、すなわち発生するプラズマの一様性についてのシミュレーションを行うことができる。

特許文献１及び２におけるプラズマ処理装置構成は、円筒構造の同軸共振器の天面側または下面側のいずれか一方の面から、他方の面のガス供給管にマイクロ波を結合する構成となっている。
これらのプラズマ処理装置においては、プラズマ発生部が当然に同軸共振器となっているが、アンテナが存在するマイクロ波供給部分と、プラズマが発生する同軸共振器との間が分離されており、この分離部分におけるインピーダンス変化のため、反射等によるマイクロ波エネルギーの伝送におけるエネルギーの損失が発生する。

また、上述のようにマイクロ波供給部分と、プラズマが発生する同軸共振器とが分離され、ある程度の距離を有しているため、この分離部分により伝送モードが変換され、マイクロ波による電磁界の分布が影響を受け、本来の同軸共振器における一様なプラズマの発生を実現することができない。
これにより、上記プラズマ処理装置においては、一様な強度のプラズマが発生されないため、３次元中空容器の表面に対する成膜が、不均一なものとなってしまう。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、マイクロ波エネルギーの同軸共振器への結合時におけるマイクロ波エネルギーの損失を減少させ、かつ同軸共振器内の電界分布を一様とし、すなわち同軸共振器内（または３次元中空容器内）に一様な強度のプラズマを発生させ、３次元中空容器の表面に均一な膜を成膜するプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明のプラズマ処理装置は、マイクロ波エネルギーにより原料ガスをプラズマ化し、中空容器の表面に薄膜を成膜するプラズマ処理装置であり、天面及び下面が封止された円筒型容器と、前記天面から円筒軸に平行に設けられ、マイクロ波エネルギーを注入するアンテナと、前記下面から円筒軸に平行に設けられ、原料ガスを供給し、かつ前記アンテナとともに同軸導体を形成するガス供給管とを有し、前記円筒型容器全体が一体の同軸共振器として構成されていることを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置は、前記定在波の波長をλとすると、前記円筒型容器がλ／２の整数倍にλ／４を加えた長さを有することを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置は、前記アンテナとガス供給管との間隙の間隔ｄが前記同軸共振器における定在波の波長をλとした場合、λ／２以下であることを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置は、前記同軸共振器における定在波の波長をλとした場合、前記アンテナがλ／４と、さらにλ／２の整数倍に、長さλ／２未満、さらに好ましくはλ／４以下の所定の補正長α1を加算した長さであることを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置は、前記同軸共振器における定在波の波長をλとした場合、前記ガス供給管が、λ／２の整数倍に、長さλ／２未満、さらに好ましくはλ／４以下の所定の補正長α2を加算した長さであることを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置は、前記同軸共振器における定在波の波長をλとした場合、前記アンテナの補正長α1と補正長α2と、前記アンテナとガス供給管との間隙の間隔ｄを加算した長さがλ／２であること（α1＋α2＋ｄ＝λ／２）を特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置は、前記下面に設けられた、前記中空容器及びガス供給管を収容する大きさの真空容器を有することを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置は、前記真空容器内のみ所定の真空度であり、それ以外の前記円筒容器内は大気圧とされていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、請求項に記載されているように、円筒軸方向全てが同一径である円筒型金属製容器内において、天面及び下面各々に、円筒軸に平行にアンテナ，ガス供給管それぞれを設け、このアンテナ及びガス供給管を同軸導体とし、上記金属製容器全体を一体の同軸共振器とすることにより、同軸共振器へのマイクロ波エネルギーの結合の損失を低下させ、かつマイクロ波エネルギーによる金属製容器内における電磁界の分布を常に安定した状態にて均一とすることができ、金属製容器内における原料ガスのプラズマ強度を均一とすることにより、中空容器の表面への薄膜を均一な状態で成膜することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態によるプラズマ処理装置を図面を参照して説明する。図１は同実施形態によるプラズマ処理装置の構成例を示すブロック図である。
この図において、同軸共振器１は、金属製（導体）の円筒容器２において、アンテナ４及びガス供給管５が所定の距離（後に詳述）で、この円筒容器２の導体による同軸構造体（以降、同軸導体）として配設されることで形成されている。
図示しないマイクロ波発生器から、インピーダンスマッチングを行うインピーダンス整合器を介して、方形導波管７においてマイクロ波が伝送され、導波管同軸変換部１０において方形導波管７から棒状の導体９に対して、伝送モードの変換（導波管同軸変換）を行い、伝送モードの変換されたマイクロ波がアンテナ４に結合される。

ここで、マイクロ波発振器は、例えば発振周波数２．４５GHｚのマグネトロンが用いられているが、他の周波数のマグネトロンでも良い。
上記インピーダンス整合器は、方形導波管７での整合器配置位置から、導波管同軸変換部１０側をみたインピーダンスと、マイクロ波発信器側をみたインピーダンスをマッチングさせ、マイクロ波発信器側への反射波が発生しないように、これらのインピーダンスの整合を取るようにインピーダンス調整を行う。
インピーダンス整合器は、スリースタブチューナーや、Ｅ−Ｈチューナー（方形導波管の一点においてＥ面Ｔ型分岐及びＨ面Ｔ型分岐を設けて、各々の分岐に稼動短絡器を組み込み、その短絡面を移動させて整合の調整を行う）が用いられている。

アンテナ４は、円筒容器２の上部蓋となる天面板３の面中心部から、面に垂直な方向、すなわち、円筒容器２の円筒軸に平行方向に配設されており、伝送されるマイクロ波を上記ガス供給管５へ結合させることにより、同軸共振器１内にマイクロ波エネルギーを注入する。
ガス供給管５は、円筒容器２の下部蓋となる下面板１１の面中心部から、面に垂直な方向、すなわち、円筒容器２の円筒軸に平行方向に、アンテナ４に対向して配設されており、アンテナ４からマイクロ波を結合する。
また、ガス供給管５は、中空容器８の表面、例えば内面にコーティングする薄膜を成膜するために用いる原料ガスを、中空容器８内に注入する。
上述したアンテナ４及びガス供給管５において、後に詳述する理由により、アンテナ４またはガス供給管５のいずれかに、また、アンテナ４及びガス供給管５の双方に各々の長さを調整する長さ調整機構が設けられている。

真空チャンバ６は、マイクロ波エネルギーを損失なく通過させるため、石英ガラスや樹脂などの誘電体により形成されており、同軸共振器１内において、下面板１１の内面上部に設けられ、内部が所定の真空度に排気され、注入されるマイクロ波エネルギーにより、原料ガスがプラズマ化する程度の真空度になるように制御されている。
一方、同軸共振器１内における真空チャンバ６内部以外の空間、すなわち真空チャンバ６外面と同軸共振器１内面とで囲まれる、真空チャンバ６の外部空間は、大気圧となっておりプラズマの発生が抑止されている。

上述した構成により、真空チャンバ６内のみにてプラズマを発生させるため、余分な領域におけるプラズマ発生によるマイクロ波エネルギーの損失が起きないため、注入したマイクロ波エネルギーを中空容器８の内面のコーティングに有効に使用することができ、注入するマイクロ波エネルギーを従来に比較して削減することが可能となる。
また、アンテナ４を大気圧の雰囲気に配置することで、ガス供給管５に対してマイクロ波エネルギーを結合させるときに流れる電流により、アンテナ４に発生した発熱を、空気を媒体として放熱することができるので、アンテナ４が熱を蓄積することがなく、図示しないアンテナ４を保持する樹脂が溶解することを防止することができる。

ここで、アンテナ４とガス供給管５との間隙の間隔（対向距離）ｄは、同軸共振器１内に立つ定在波の波長λの１／２、すなわちλ／２以下とする。
この間隔ｄは、後に述べるシミュレーションによる高周波の電磁界分布を解析した結果から推定される値である。
このシミュレーション結果により、上記間隔ｄをλ／２以下とすることにより、アンテナ４及びガス供給管５が半同軸導体としての機能を有することとなり、所定の周波数λの定在波が立ち、円筒容器２内において、電磁界分布が均一に得られ、一様な強度のプラズマを得ることが推定できる。

また、上記シミュレーション結果を裏付けるため、本発明のプラズマ処理装置において、実際に中空容器８に薄膜を製膜して、その酸素透過量から製膜される薄膜の質、すなわち発生するプラズマの均一性を確認した。
ここで、プラズマが均一に生成されていることは、同軸共振器１内において、均一で、かつ製膜に必要なプラズマを生成させるだけのマイクロ波エネルギーがアンテナ４からガス供給管５に結合されていることを証明している。
以下、上述した本発明の同軸共振器１内における電磁界分布のシミュレーションについて説明する。

本発明のプラズマ処理装置において、高周波３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳ（High-Frequency Structure Simulator、ＡＮＳＯＦＴ社製）により、同軸共振器１の長さＬ，アンテナ４の長さＬａ，ガス供給管５の長さＬｇをパラメータとして、同軸共振器１内に生成される電磁界のシミュレーションを以下に示す。
この以下に示すシミュレーションにおいて、マイクロ波は、波長λ（同軸共振器１における定在波のλに等しい）を１２２ｍｍにて設定した。
図２〜５は、図６のテーブルに示すように、同軸共振器１の長さＬ（「（５λ／２）＋λ／４」）を固定し、アンテナ４の長さＬａ，ガス供給管５の長さＬgを変化、すなわちα１，α２を変化させ、電界分布を確認したシミュレーションの結果における＃１，＃３，＃４，＃５の電磁界分布それぞれを示している。

このとき、アンテナ４の長さＬａは、＃１において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝０）」，＃２において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝５ｍｍ）」，＃３において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝１０ｍｍ）」，＃４において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝１９．５ｍｍ）」，＃５において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝１５ｍｍ）」，＃６において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝２０ｍｍ）」，＃７において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝２５ｍｍ）」としている。

また、ガス供給管５の長さＬgは、＃１において「３λ／２＋α２（＝０）」，＃２において「３λ／２＋α２（＝５ｍｍ）」，＃３において「３λ／２＋α２（＝９ｍｍ）」，＃４において「３λ／２＋α２（＝９ｍｍ）」，＃５において「３λ／２＋α２（＝１４ｍｍ）」，＃６において「３λ／２＋α２（＝１９ｍｍ）」，＃７において「３λ／２＋α２（＝２４ｍｍ）」としている。
この＃１の条件は図２のシミュレーション結果から十分な電磁界分布（均一、かつ必要な強度の電磁界分布）が得られないことが判り、判定として「不可」の評価結果となる。

一方、＃４及び＃５の条件は図４，５各々のシミュレーション結果から、アンテナ４からガス供給管５に対して、マイクロ波エネルギーが効率よく結合し、均一性があり、必要な強度を有する電磁界分布が得られることが判り、判定として「良」の評価結果となる。
また、＃３の条件は図３のシミュレーション結果から、有る程度のマイクロ波エネルギーがアンテナ４からガス供給管５に対して結合され、不十分であるが一定の電磁界分布が得られることが判り、判定として「可」の評価結果となる。

図６（以降の、図１０，図１３も同様）のテーブルにおける電磁界分布の評価は、シミュレーション結果の各図において、上述した代表図（図２〜５）の評価と同様に、電磁界分布の均一性及び強度を、「良（良好な電磁界分布）」，「可（ある程度の電磁界分布）」，「不可（実用上問題のある電磁界分布）」として分類した結果である。
上述したシミュレーション結果から、α1＋α2＋ｄ＝λ／２の場合において、間隙の間隔ｄが「λ／２」である＃１の条件の場合、不十分な電磁界分布しか得られず、一方、間隙の間隔ｄがλ／２未満である＃２の場合、ある程度の電磁界分布が得られていることから、間隙の間隔ｄがλ／２以下の範囲で、成膜に必要なプラズマを得る電磁界が得られることが推定できる。

また、＃２，３の条件の場合が電磁界分布の評価が「可」であり、＃４，５の場合が電磁界分布の評価が「良」であり、＃６，７の条件の場合、再び電磁界分布の評価が「可」となることから、λ／２〜０の間に、間隙の間隔ｄの長さの変化に対する電磁界分布の良好なピークがあることも推定できる。
さらに、α1＋α2＋ｄ＝λ／２の際、補正長α１及びα２が０であるシミュレーション結果の電磁界分布が不均一であり、評価が「不可」であることから、補正長α１及びα２は「０」ではなく、ある数値を有する必要性があることも推定される。

また、図６のテーブルに示す各間隔ｄのシミュレーション結果から、電磁界の同軸共振器１内における分布が均一（すなわちプラズマが同軸共振器１内において一様に発生することが予想される）である間隙の間隔ｄとして、上述したように、λ／２以下で良好な電磁界分布が得られた。
したがって、間隙の間隔ｄは
ｐ≦ｄ＜λ／２
上式におけるｐは、物理的に「０」より大きい範囲ではあるが、アンテナ４及びガス供給管５間に配置される真空チャンバ６の厚さと、中空容器８の底の形状による幅と、アンテナ４及び真空チャンバ６を接触させない空間距離と、真空チャンバ６及び中空容器８を接触させない空間距離と、中空容器８及びガス供給管５を接触させない空間距離との積算から得られる数値である。

次に、アンテナ４の長さＬaは、シミュレーション結果から、基本長λ／４にλ／２の整数倍を加えたものが良いと考えられるが、すでに述べたように、本発明において、さらに補正長α１を加えた値として、
Ｌａ＝λ／４＋ｍ×λ／２＋α１
としている。上記式において、ｍは０≦ｍの整数である。
同様に、ガス供給管５の長さＬgはアンテナ４と同様に基本的にλ／２の整数倍に補正長α２を加えた値として、
Ｌｇ＝ｎ×λ／２＋α２
としている。上記式において、ｎは１≦ｎの整数である。

これは図２〜６のシミュレーション結果より推定するものであり、アンテナ４をλ／４とλ／２の整数倍とを加えた長さに対し、またガス供給管５をλ／２の整数倍の長さに対し、さらに補正分の長さ（補正長α１，α２）を加えた方が同軸共振器１の電磁界分布が均一となるように、マイクロ波エネルギーが強く結合することが推定される。
同様に、ガス供給管５をλ／２の整数倍の長さに対して、さらに補正分の長さ（補正長α２）を加えた方が同軸共振器１の電磁界分布が均一となるように、マイクロ波エネルギーが強く結合することが推定される。

本発明における同軸共振器１は、長さＬが上述したように、アンテナの長さＬaと、ガス供給管Ｌgと、間隙の間隔ｄとの加算値により決定されており、α1＋α2＋ｄ＝λ／２である。
このため、本発明の同軸共振器１は、
（λ／４＋ｍ×λ／２＋α１）＋（ｎ×λ／２＋α２）＋ｄ
＝λ／４＋（ｍ＋ｎ＋）λ／２＋（α１＋α２＋ｄ）
＝λ／４＋（ｍ＋ｎ＋１）λ／２
となり、λ／４と、λ／２の整数倍とを加算した長さＬを有している。
アンテナ４とガス供給管５とが直接的に接続された形状の同軸共振モードにおいては、一般的にはその合計長（すなわち共振器の長さ）がλ／２の整数倍の時に共振する。

しかしながら、本プラズマ処理装置の場合、アンテナ４が直接に円筒容器２に接続されていないため、上記同軸共振としての共振モードは成り立たたず、上述したように、本発明における同軸共振器１の長さＬは、λ／２の整数倍にλ／４を加算した値で共振動作が起こっていると推定される（シミュレーションにおいても、実際に作成した装置においても同様に起こっている）。
アンテナ４の長さＬaがλ／２の整数倍にλ／４を加算した長さである理由としては、以下に示すことが考えられる。

ここで、アンテナ４が円筒容器２の天面板３を横切る部分において、同軸管の断面積が急激に変化しているため、アンテナ４のインピーダンスが高くなる。
このため、天面板３の位置において、入力されるマイクロ波により同軸共振器１に生成される電界定在波が極大（電界の腹）をとることとなり、一方、ガス供給管５が直接に下面板１１に接続されているため、ガス供給管５の下面板１１におけるインピーダンスが０であり、電界定在波が０のレベル（電界の節）となる。
すなわち、本発明の同軸共振器１における電界定在波が天面板３の位置にて電界の腹となり、下面板１１の位置にて電界の節となるため、電界定在波の周期からこの同軸共振器１の長さＬはλ／２の整数倍にλ／４を加算した値となる。

したがって、アンテナ４の長さは、天面板３の位置において電界定在波が腹となり、ガス供給管５と対向する部分で、ガス供給管５とインピーダンス整合する必要があるため、電界の節からα１を加えたλ／４＋ｍ×λ／２＋α１となる。
同様に、ガス供給管５の長さＬgは、下面板１１の位置において電界定在波が節となり、アンテナ４と対向する部分で、アンテナ４とインピーダンス整合する必要があるため、電界の節からα２を加えたｎ×λ／２＋α２となる。

次に、図７，図８，図９は、図１０のテーブルに示すように、同軸共振器１の長さＬ（「（５λ／２）＋λ／４」）及びガス供給管５の長さＬg（「３λ／２＋α２（＝９ｍｍ）」）を固定し、アンテナ４の長さＬａを変化、すなわちα１を変化させ、電界分布を確認したシミュレーションの結果における＃８，＃１１，＃１３の電磁界分布それぞれを示している。
このとき、アンテナ４の長さＬａは、＃９において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝０）」，＃１０において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝５ｍｍ）」，＃１１において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝１０ｍｍ）」，＃１２において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝１５ｍｍ）」，＃１３において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝１９．５ｍｍ）」，＃１４において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝２９．５ｍｍ）」，＃１５において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝３９．５ｍｍ）」，＃１６において「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（＝４４．５ｍｍ）」としている。

この＃８，＃１５及び＃１６の条件は図２の＃１と同様に、図７に示すように、シミュレーション結果から十分な電磁界分布（均一、かつ必要な強度の電磁界分布）が得られないため、アンテナ４からガス供給管５にマイクロ波エネルギーの結合が十分行われないことが推定され、判定として「不可」の評価結果となる。
特に、＃８は図６における＃１と同様であり、補正長α１及びα２を「０」としている場合であり、図７に示すように、アンテナ４からガス供給管５にマイクロ波エネルギーの結合が十分行われず、均一な電磁界が生成されないことが推定できる。
一方、＃１３の条件は図９のシミュレーション結果から、アンテナ４からガス供給管５に対して、マイクロ波エネルギーが効率よく結合し、均一性があり、必要な強度を有する電磁界分布が得られることが判り、判定として「良」の評価結果となる。

また、＃１１（及び＃９，１０，１２，１４）の条件は図８のシミュレーション結果から、有る程度のマイクロ波エネルギーがアンテナ４からガス供給管５に対して結合され、不十分であるが一定の電磁界分布が得られることが判り、判定として「可」の評価結果となる。
上述した各結果から、図１０に示す各条件の電磁界分布を求めるシミュレーションから、ガス供給管５の長さを一定値に固定し、アンテナ４の長さＬａを変化させ、すなわち、アンテナ４の長さＬａを変化させることにより、間隙の間隔ｄを、λ／２から徐々に短くしていくと、λ／４超〜λ／２未満の範囲に比較して、λ／２未満におけるλ／４以下の範囲において、＃１３の条件で電磁界分布の特性が良好のピークを有し、より均一な電磁界強度を得られることが推定できる。

また、＃１３の条件における間隙の間隔ｄは、＃５の条件とほぼ同様であり、補正長α１及びα２の長さの配分には関係なく、シミュレーションにおいて電磁界の効率のピークを有することが判り、先の図６の条件におけるシミュレーション結果との総合的な結果から、間隙の間隔ｄはλ／２以下から０に至るまでの範囲において、アンテナ４からガス供給管５に対してマイクロ波エネルギーの結合効率の最適化する値が存在することが推定される。

次に、図１１及び図１２は、図１３のテーブルに示すように、同軸共振器１の長さＬ（「（５λ／２）＋λ／４」）及びアンテナ４の長さＬａ（「（λ／２）＋（λ／４）＋α１（１９．５ｍｍ）」）を固定し、ガス供給管５の長さＬgを変化、すなわちα２を変化させ、電界分布を確認したシミュレーションの結果における＃１７，＃１９の電磁界分布それぞれを示している。
このとき、ガス供給管５の長さＬgは、＃１７において「３λ／２＋α２（＝０）」，＃１８において「３λ／２＋α２（＝５ｍｍ）」，＃１９において「３λ／２＋α２（＝９ｍｍ）」，＃２０において「３λ／２＋α２（＝１４ｍｍ）」，＃２１において「３λ／２＋α２（＝１９ｍｍ）」，＃２２において「３λ／２＋α２（＝２９ｍｍ）」，＃２３において「３λ／２＋α２（＝３４ｍｍ）」としている。

ここで、＃１９，２０の条件は図１２のシミュレーション結果から、アンテナ４からガス供給管５に対して、マイクロ波エネルギーが効率よく結合し、均一性があり、必要な強度を有する電磁界分布が得られることが判り、判定として「良」の評価結果となる。
一方、＃１７，１８，２１の条件は図１１のシミュレーション結果から、有る程度のマイクロ波エネルギーがアンテナ４からガス供給管５に対して結合され、不十分であるが一定の電磁界分布が得られることが判り、判定として「可」の評価結果となる。
また、＃２２，２３の条件は図２の＃１と同様に、シミュレーション結果から十分な電磁界分布（均一、かつ必要な強度の電磁界分布）が得られないことが判り、アンテナ４からガス供給管５にマイクロ波エネルギーの結合が十分行われず、判定として「不可」の評価結果となる。

上述した各結果から、図１３に示す各条件の電磁界分布を求めるシミュレーションから、アンテナ４の長さＬａを一定値に固定し、ガス供給管５の長さＬgを変化させ、すなわち、ガス供給管５の長さＬｇの長さを変化させることにより、間隙の間隔ｄを、λ／２から徐々に短くしていくと、λ／２未満において、また上述した条件の場合、特に、λ／４以下の範囲において、＃１９，２０の条件で電磁界分布の特性が良好のピークを有し、より均一な電磁界強度を得られることが推定できる。

また、＃１９の条件における間隙の間隔ｄは、＃５の条件とほぼ同様であり、補正長α１及びα２の長さの配分には関係なく、シミュレーションにおいて電磁界の効率のピークを有することが判り、先の図６及び図１０の各条件におけるシミュレーション結果の総合的な結果から、間隙の間隔ｄはλ／２以下から０に至るまでの範囲において、アンテナ４からガス供給管５に対してマイクロ波エネルギーの結合効率の最適化する値が存在することが推定される。

したがって、真空チャンバ６や中空容器８に接触しないように、間隙の間隔ｄを適正値に調整した場合、この間隙の間隔ｄがすでに述べたように、アンテナ４とガス供給管５とのマイクロ波エネルギーの結合の効率の最適値が得られるため、補正長α1または補正長α2のいずれか、あるいは補正長α1及び補正長α2の両方を調整できるようにすれば、アンテナ４からガス供給管５へのマイクロ波エネルギーの伝搬特性を、適時、調整することが可能となる。

したがって、各プラズマ処理装置においては、アンテナ４の補正長，間隙，ガス供給管５の補正長、これら全体の関係がα１＋α２＋ｄ＝λ／２となることにより、同軸共振器１の長さＬ，アンテナ４の長さＬａ及びガス供給管５の長さＬｇが、各々「λ／２の整数倍にλ／４を加算した値」，「λ／２の整数倍にλ／４及び補正長α１を加算した値」「λ／２の整数倍に補正長α２を加算した値」であれば、同軸共振器１内において、アンテナ４とガス供給管５との間におけるマイクロ波エネルギーの結合を大きくすることができ、非常に良好な均一の電磁界分布が形成されることが判る。

実質的に、間隙の間隔ｄと補正長α1及びα2とを加算した値が、λ／２になれば、同軸共振器１の長さＬがλ／２の整数倍にλ／４を加算させた長さとなり、円筒容器２と同軸導体（アンテナ４，ガス供給管５）と間隙の間隔ｄとにより理想的な同軸共振器１が構成され、結合されたマイクロ波エネルギーにより、同軸共振器１内に均一な電界が生成される。

次に、このプラズマ処理装置による中空容器８の内面への成膜処理について説明する。
先ず図１における成膜装置形態を用いて、実際に、中空容器８の内面に対して薄膜を成膜した結果について説明する。
例えば、中空容器８として、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で延伸成形した容器５００ｍｌ、内表面積約０．０５ｍ２、口内径２５ｍｍ、平均肉厚０．５ｍｍのＰＥＴボトルをＰＥＣＶＤ法によって、プロセスガスの化学反応により容器内面の表面に薄膜を形成させた。

このとき、薄膜形成の原料ガスは、ガス供給管５の側壁の複数の孔から中空容器８内に注入され、形成に用いる主ガスとして、ヘキサメチルジシロキサン（以下ＨＭＤＳＯと称する）の他に、トリメチルシロキサンなどを用いることが可能であり、また、サブガスとしては、酸素の他、窒素、などを用いることが可能である。
上述した主ガス及びサブガスにより成膜された薄膜の層は、いわゆるセラミック層ＳｉＯxＣy（ｘ＝１〜２．２／ｙ＝０．３〜３）を主成分とするものである。
ここで用いられる中空容器８の基材としては、ＰＥＴ以外に、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）などを選ぶことも可能であり、ブロー成形・射出成形・押出成形等により容器の形状に成形される。また、これらの材料の複数層からなる積層体を用いた容器もありうる。

本発明のプラズマ処理装置の装置構成としては、同軸共振器１の天面板３に設けられたアンテナ４から、同軸共振器１に対してマイクロ波エネルギーを加える方式である。
そして、図示しないマイクロ波発振器によって得られるマイクロ波エネルギーが方形導波管７を伝搬し、導波管同軸変換部１０によって、導体９の伝送モードに変換され、アンテナ４を介して天面から導入される。
上記中空容器８は、真空チャンバ６内に設けられ、この真空チャンバ６外部と真空チャンバ６内部との領域に、円筒容器２内を区分し、真空チャンバ６内、すなわち、中空容器８収納部分は真空状態が保たれる構造となっている。

さらに、同軸共振器１と同軸構造体をなす金属製のガス供給管５により、中空容器８内部へと原料ガスが注入される。
また、真空チャンバ６内を１．３３Ｐa（パスカル)まで、真空装置により真空吸引して一定減圧状態を保つ。
さらに、中空容器８内面にバリア性の薄膜のコーティングを行うため、ガス供給管５から原料ガスＨＭＤＳＯを気体の標準状態換算で流量１０ｍｌ／分にて、かつ酸素の流量を５０ｍｌ／分にて注入し、中空容器８内の真空度を１３．３３Ｐaの真空圧力に調整した状態において、アンテナ４からマイクロ波エネルギーを同軸共振器１に結合させてプラズマを発生させる。

そしてこのマイクロ波エネルギーによって、中空容器８の内側において原料ガスのプラズマを発生させる。
このマイクロ波は周波数２．４５ＧＨｚ、電力が２００Ｗ〜４００Ｗであり、５秒間に渡って供給され、この間にプラズマが発生して、所定の薄膜の成膜を行う。
次に、上記プラズマ処理装置により、中空容器８の内面に成膜されたバリア性の薄膜（すなわち、セラミック薄膜コートＰＥＴボトル）の評価を行う。
この評価方法としては、アクリル板とエポキシ系接着剤とを、成膜された中空容器８の簡易蓋材として使用し、密封された中空容器８の酸素に対するバリア性をＭＯＣＯＮ社のＯＸ−ＴＲＡＮ（登録商標）で容器（ｐｋｇ）１個当たりの酸素透過量（ｍｌ／ｐｋｇ／ｄａｙ）として測定し、成膜効果の評価方法（酸素バリア性）とした。

本発明の一実施形態によるプラズマ処理層装置の構成例の断面構造を示す概念図である。 同軸共振器１におけるアンテナ４の長さＬa，間隙の間隔ｄ及びガス供給管５の長さＬgの各長さによる電界の分布状態のシミュレーション結果を示す図である。 同軸共振器１におけるアンテナ４の長さＬa，間隙の間隔ｄ及びガス供給管５の長さＬgの各長さによる電界の分布状態のシミュレーション結果を示す図である。 同軸共振器１におけるアンテナ４の長さＬa，間隙の間隔ｄ及びガス供給管５の長さＬgの各長さによる電界の分布状態のシミュレーション結果を示す図である。 同軸共振器１におけるアンテナ４の長さＬa，間隙の間隔ｄ及びガス供給管５の長さＬgの各長さによる電界の分布状態のシミュレーション結果を示す図である。 図２〜図５のシミュレーションの条件及びシミュレーション結果を示すテーブルである。 同軸共振器１におけるアンテナ４の長さＬa，間隙の間隔ｄ及びガス供給管５の長さＬgの各長さによる電界の分布状態のシミュレーション結果を示す図である。 同軸共振器１におけるアンテナ４の長さＬa，間隙の間隔ｄ及びガス供給管５の長さＬgの各長さによる電界の分布状態のシミュレーション結果を示す図である。 同軸共振器１におけるアンテナ４の長さＬa，間隙の間隔ｄ及びガス供給管５の長さＬgの各長さによる電界の分布状態のシミュレーション結果を示す図である。 図７〜図８のシミュレーションの条件及びシミュレーション結果を示すテーブルである。 同軸共振器１におけるアンテナ４の長さＬa，間隙の間隔ｄ及びガス供給管５の長さＬgの各長さによる電界の分布状態のシミュレーション結果を示す図である。 同軸共振器１におけるアンテナ４の長さＬa，間隙の間隔ｄ及びガス供給管５の長さＬgの各長さによる電界の分布状態のシミュレーション結果を示す図である。 図１１，図１２のシミュレーションの条件及びシミュレーション結果を示すテーブルである。

符号の説明

１…同軸共振器
２…円筒容器
３…天面板
４…アンテナ
５…ガス供給管
６…真空チャンバ
７…方形導波管
８…中空容器
９…導体
１０…導波管同軸変換部
１１…下面板

Claims (5)

1. マイクロ波エネルギーにより原料ガスをプラズマ化し、中空容器の表面に薄膜を成膜するプラズマ処理装置であり、天面及び下面が封止された円筒型容器と、前記天面から円筒軸に平行に設けられ、マイクロ波エネルギーを注入するアンテナと、前記下面から円筒軸に平行に設けられ、原料ガスを供給し、かつ前記アンテナとともに同軸導体を形成するガス供給管とを有し、前記円筒型容器全体が一体の同軸共振器として構成され、
   前記アンテナと前記ガス供給管との間隙の間隔ｄが前記同軸共振器における定在波の波長をλとした場合、λ／２以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記同軸共振器における定在波の波長をλとした場合、前記アンテナがλ／４と、さらにλ／２の整数倍に、長さλ／２未満、さらに好ましくはλ／４以下の所定の補正長α1を加算した長さであ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. 前記同軸共振器における定在波の波長をλとした場合、前記ガス供給管が、λ／２の整数倍に、長さλ／２未満、さらに好ましくはλ／４以下の所定の補正長α2を加算した長さであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記下面に設けられた、前記中空容器及びガス供給管を収容する大きさの真空容器を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
5. 前記真空容器内のみ所定の真空度であり、それ以外の前記円筒容器内は大気圧とされていることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。

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