JP4772215B2

JP4772215B2 - 常圧プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4772215B2
Application number: JP2001177247A
Authority: JP
Inventors: 純夫中武
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2021-06-12
Also published as: JP2002363758A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、常圧プラズマ処理装置に関し、特に、簡便な装置で排気の制御が容易にできる常圧プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
常圧プラズマ処理においては、従来の低圧プラズマ処理とは異なり、処理対象の基板等を真空チャンバー内で処理する必要がなく、その装置としては、上下の平行平板型電極間に電圧を印加してプラズマ放電を発生させ、下部電極上に設置された基材を処理する簡易な装置が提案されている（特開平１０−１５４５９８号公報等）。
【０００３】
上記プラズマ処理装置は、装置が簡便で、大型基材への対応が有利である特徴を有するが、使用処理ガスの周囲への拡散防止や外部空気の混入防止の手段を講じる必要があり、このために装置全体を密閉室に収めようとすると、折角の常圧プラズマの利点を生かせないという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、常圧プラズマ処理装置において、簡便な装置で、使用ガスの周囲への拡散防止や外部空気の混入防止が可能な常圧プラズマ装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、常圧プラズマ処理装置をプラズマ処理部、プラズマ処理室、筐体の３室からなる装置にし、各室に独立した圧力制御装置を設け、各室間の圧力の差圧を制御することにより、排気ガスの制御が完全にできることを見出し、本発明を完成させた。
【０００６】
すなわち、本発明の第１の発明は、大気圧の近傍下で、少なくとも一方が固体誘電体で被覆された一対の電極間に電界を印加して発生する処理ガスのプラズマで被処理基材を処理するプラズマ処理部と、該プラズマ処理部を設置したプラズマ処理室と、該処理室を収納する筐体とからなる常圧プラズマ処理装置であって、プラズマ処理部、プラズマ処理室及び筐体は、それぞれ独立に圧力制御装置を備え、各室の圧力及び各室間の圧力差を制御するように該圧力制御装置が運転されてなることを特徴とする常圧プラズマ処理装置である。
【０００７】
また、本発明の第２の発明は、プラズマ処理部内の圧力と、プラズマ処理室内の圧力と、筐体内の圧力とが、プラズマ処理部内圧力＜プラズマ処理室内圧力＜筐体内圧力であるようになされていることを特徴とする第１の発明に記載の常圧プラズマ処理装置である。
【０００８】
また、本発明の第３の発明は、プラズマ処理部内とプラズマ処理室内の差圧、プラズマ処理室内と筐体内の差圧及び筐体内と大気の差圧が、それぞれ２０Ｐａ以上であることを特徴とする第１又は２の発明に記載の常圧プラズマ処理装置である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の常圧プラズマ処理装置の構成を図で説明する。図１は、本発明の常圧プラズマ処理方法を説明する装置機構の図であるが、本発明の趣旨を逸脱しない限り、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
【００１０】
本発明の常圧プラズマ処理装置は、一対の電極間に電界を印加して発生するプラズマで基材等を処理するプラズマ処理部１０、該プラズマ処理部を収容したプラズマ処理室２０及び該プラズマ処理室２０を収容した筐体３０からなる装置である。各処理室には、独立に圧力制御のために排気装置Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃が設置され、各室の圧力及び各室間の差圧をコントロールすることにより、使用する処理ガスの周囲への拡散を防止し、外部空気の混入防止のできる装置である。したがって、プラズマ処理部１０、プラズマ処理室２０、筐体３０の各室は、特に真空容器のような厳密な密閉性を有する容器である必要はなく、例えば、樹脂のような材料で簡便に製造した容器であってもよい。また、排気装置としては、特に限定がなく、例えば、プロペラファン、シロッコファン、スクロールファン、ブロアー等を用いることができる。
【００１１】
具体的なプラズマ処理、処理ガス等の流れを以下に説明する。処理ガスは、流量計１を経て、ガス供給ノズル２からプラズマ処理部１０に供給される。プラズマ処理部１０内では、上部電極３と下部電極４に電源５から電界が印加され処理ガスのプラズマ７を発生し、両電極間に設置された基材８を処理する。プラズマ処理後の排ガスは、ガス排出口１１からパイプＬ₁を経て、ガス検知器４１によりガス濃度をチェックしながら、排気装置Ｐ₁により排出される。プラズマ処理部１０を収納したプラズマ処理室２０は、プラズマ処理部１０における処理ガス及び排ガスの拡散防止及び外部空気の混入防止のための容器であり、プラズマ処理室２０内のガスは、ガス排出口２１からパイプＬ₂を経て、ガス検知器４２によりガス濃度をチェックしながら、排気装置Ｐ₂により排出される。プラズマ処理室２０を収納した筐体３０は、プラズマ処理室２０における処理ガス及び排ガスの拡散防止及び外部空気の混入防止のための容器であり、筐体３０のガスは、ガス排出口３１からパイプＬ₃を経て、ガス検知器４３によりガス濃度をチェックしながら、排気装置Ｐ₃により排出される。
【００１２】
ここで、プラズマ処理部１０、プラズマ処理室２０、筐体３０内の圧力は、
プラズマ処理部＜プラズマ処理室＜筐体であることが好ましく、このように室内の圧力に差を付けるように圧力制御装置の排気装置を稼働させることにより、処理ガス及び排ガスの周辺外部への拡散が完全に防止されると共に、外部空気の混入を防止できる。
【００１３】
さらに、排気装置Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃を各室間の差圧、すなわち、プラズマ処理部１０とプラズマ処理室２０との差圧である△Ｐ₁、プラズマ処理室２０と筐体３０との差圧である△Ｐ₂、筐体３０と装置外部との差圧である△Ｐ₃が、△Ｐ₁＞△Ｐ₂＞△Ｐ₃となるように稼働させるのが好ましい。各室の差圧△Ｐ₁、△Ｐ₂、△Ｐ₃は、それぞれ、各室間に設けられた差圧計により測定され、その差圧値は、それぞれの排気装置に信号として送られ、排気装置の稼働を制御するようにしてある。
【００１４】
上記のそれぞれの差圧において、△Ｐ₁は、５Ｐａ以上が好ましく、特に５０〜３００Ｐａであることが好ましく、△Ｐ₂は、５Ｐａ以上が好ましく、特に２０〜５００Ｐａであることが好ましく、△Ｐ₃は、５Ｐａ以上が好ましく、特に２０〜２００Ｐａであることが好ましい。このような差圧を設けることにより、処理ガス及び排ガスの周辺外部への拡散が完全に防止されると共に、外部空気の混入を防止でき、処理部、処理室、筐体の大きさを容易に変更できることから大型基材の処理を容易に行える装置とすることができる。なお、プラズマ処理部１とプラズマ処理室２との差圧設定については、プラズマ処理部へのガス供給量を設定し、プラズマ処理室からの排気量がこれを上回る設定として運転することもできる。
【００１５】
本発明の装置においては、さらに、△Ｐ₁、△Ｐ₂、△Ｐ₃のいずれかの△Ｐに異常があれば、アラームが作動し、自動的に運転が停止され、各ラインＬ₁〜Ｌ₃のガス検知器４１〜４３で異常があればアラームが作動し、処理ガスの供給停止と排気装置の制御を行える機構を備えるようにしてある。
【００１６】
また、本発明の装置の運転方法としては、上記プラズマ処理部、プラズマ処理室、筐体ともに大気圧より低く設定するのが一般的であるが、処理ガスの種類によっては、筐体を大気圧よりわずかに正圧にすることもできる。処理ガスとして、毒性のあるものを用いる場合等は周囲への拡散を防止することが優先されるため、上記のように運転されることが好ましい。
さらに、処理の目的においては、プラズマ処理室からプラズマ処理部への雰囲気の流入を防止するため、各室の圧力をプラズマ処理部＞プラズマ処理室＜筐体とすることもできる。この方法は、プラズマ処理部の雰囲気に厳密な制御が要求されるＣＶＤ処理等に適している。
本発明の装置は、プラズマ処理部、プラズマ処理室、筐体にそれぞれ独立した圧力制御装置を備え、各室の圧力及び圧力差を制御できるので、上記のような多様な設定に容易に対応できる。
【００１７】
本発明の常圧プラズマ処理装置におけるプラズマ処理部においては、常圧プラズマ処理が行われる。すなわち、大気圧近傍の圧力下で、少なくとも一方が固体誘電体で被覆された一つの電極間にパルス状の電界を印加し、電極間に発生するプラズマで処理ガスを励起し、電極間に設置された基材を処理する方法である。
【００１８】
ここで、大気圧近傍の圧力下とは、１．３３３×１０⁴〜１０．６６４×１０⁴Ｐａの圧力下を指す。中でも、圧力調整が容易で、装置が簡便になる９．３３１×１０⁴〜１０．３９７×１０⁴Ｐａの範囲が好ましい。
【００１９】
上記電極としては、銅、アルミニウム等の金属単体、ステンレス、真鍮等の合金、金属間化合物等からなるものが挙げられる。電極の形状としては、特に限定されないが、電界集中によるアーク放電の発生を避けるために、対向電極間の距離が一定となる構造であることが好ましく、例えば、平行平板型、円筒対向平板型、球対向平板型、双曲対向平板型、同軸円筒型構造等が挙げられる。電極間の距離は、固体誘電体の厚さ、印加電圧の大きさ、プラズマを利用する目的等を考慮して適宜決定されるが、１〜５０ｍｍであることが好ましい。１ｍｍ未満では、電極間の間隔を置いて設置するのに充分でないことがある。５０ｍｍを超えると、均一な放電プラズマを発生させにくい。
【００２０】
上記固体誘電体は、電極の対向面の一方又は双方に設置される。この際、固体誘電体と設置される側の電極が密着し、かつ、接する電極の対向面を完全に覆うようにすることが好ましい。固体誘電体によって覆われずに電極同士が直接対向する部位があると、そこからアーク放電が生じやすい。固体誘電体の形状は、シート状でもフィルム状でもよく、厚みが０．０１〜４ｍｍであることが好ましい。厚すぎると放電プラズマを発生するのに高電圧を要することがあり、薄すぎると電圧印加時に絶縁破壊が起こり、アーク放電が発生することがある。また、固体誘電体の形状として、容器型のものも用いることができる。
【００２１】
固体誘電体の材質としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチック、ガラス、二酸化珪素、酸化アルミニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化物、チタン酸バリウム等の複酸化物、及びこれらの複層化したもの等が挙げられる。
【００２２】
上記電極間には、電界が印加され、プラズマを発生させるが、パルス電界を印加することが好ましく、特に、電界の立ち上がり及び／又は立ち下がり時間が、１０μｓ以下である電界が好ましい。１０μｓを超えると放電状態がアークに移行しやすく不安定なものとなり、パルス電界による高密度プラズマ状態を保持しにくくなる。また、立ち上がり時間及び立ち下がり時間が短いほどプラズマ発生の際のガスの電離が効率よく行われるが、４０ｎｓ未満の立ち上がり時間のパルス電界を実現することは、実際には困難である。より好ましくは５０ｎｓ〜５μｓである。なお、ここでいう立ち上がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して増加する時間、立ち下がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して減少する時間を指すものとする。
【００２３】
上記パルス電界の電界強度は、１０〜１０００ｋＶ／ｃｍとなるようにするのが好ましい。電界強度が１０ｋＶ／ｃｍ未満であると処理に時間がかかりすぎ、１０００ｋＶ／ｃｍを超えるとアーク放電が発生しやすくなる。
【００２４】
上記パルス電界の周波数は、０．５〜１００ｋＨｚであることが好ましい。０．５ｋＨｚ未満であるとプラズマ密度が低いため処理に時間がかかりすぎ、１００ｋＨｚを超えるとアーク放電が発生しやすくなる。より好ましくは、１〜１００ｋＨｚであり、このような高周波数のパルス電界を印加することにより、処理速度を大きく向上させることができる。
【００２５】
また、上記パルス電界におけるひとつのパルス継続時間は、１〜１０００μｓであることが好ましい。１μｓ未満であると放電が不安定なものとなり、１０００μｓを超えるとアーク放電に移行しやすくなる。より好ましくは、３〜２００μｓである。ここで、ひとつのパルス継続時間とは、ＯＮ、ＯＦＦの繰り返しからなるパルス電界における、ひとつのパルスの連続するＯＮ時間を言う。
【００２６】
本発明で処理できる基材としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、アクリル樹脂等のプラスチック、ガラス、セラミック、金属等が挙げられる。基材の形状としては、板状、フィルム状等のものが挙げられるが、特にこれらに限定されない。本発明の表面処理方法によれば、様々な形状を有する基材の処理に容易に対応することができる。
【００２７】
上記処理においては、放電プラズマ発生空間に存在する気体（以下、処理用ガスという。）の選択により任意の処理が可能である。
【００２８】
上記処理用ガスとして、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、ＣＣｌＦ₃、ＳＦ₆等のフッ素含有化合物ガスを用いることによって、撥水性表面を得ることができる。
【００２９】
また、処理用ガスとして、Ｏ₂、Ｏ₃、水、空気等の酸素元素含有化合物、Ｎ₂、ＮＨ₃等の窒素元素含有化合物、ＳＯ₂、ＳＯ₃等の硫黄元素含有化合物を用いて、基材表面にカルボニル基、水酸基、アミノ基等の親水性官能基を形成させて表面エネルギーを高くし、親水性表面を得ることができる。また、アクリル酸、メタクリル酸等の親水基を有する重合性モノマーを用いて親水性重合膜を堆積することもできる。
【００３０】
さらに、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｓｎ等の金属の金属−水素化合物、金属−ハロゲン化合物、金属アルコラート等の処理用ガスを用いて、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂等の金属酸化物薄膜を形成させ、基材表面に電気的、光学的機能を与えることができ、ハロゲン系ガスを用いてエッチング処理、ダイシング処理を行ったり、酸素系ガスを用いてレジスト処理や有機物汚染の除去を行ったり、アルゴン、窒素等の不活性ガスによるプラズマで表面クリーニングや表面改質を行うこともできる。
【００３１】
経済性及び安全性の観点から、上記処理用ガス単独雰囲気よりも、以下に挙げるような希釈ガスによって希釈された雰囲気中で処理を行うことが好ましい。希釈ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の希ガス、窒素気体等が挙げられる。これらは単独でも２種以上を混合して用いてもよい。また、希釈ガスを用いる場合、処理用ガスの割合は１〜１０体積％であることが好ましい。
【００３２】
なお、上述したように、雰囲気ガスとしては電子を多く有する化合物の方がプラズマ密度を高め高速処理を行う上で有利である。よって入手の容易さと経済性、処理速度を考慮した上で最も望ましい選択は、アルゴン及び／又は窒素を希釈ガスとして含有する雰囲気である。
【００３３】
プラズマを被処理基材に接触させる手段としては、例えば、（１）対向する電極間で発生するプラズマの放電空間内に被処理基材を配置して、被処理基材にプラズマを接触させる方法、及び（２）対向する電極間で発生させたプラズマを放電空間の外に配置された被処理基材に向かって導くようにして接触させる方法（リモート型）がある。
【００３４】
上記（１）の具体的方法としては、固体誘電体で被覆した平行平板型電極間に被処理基材を配置し、プラズマと接触させる方法であって、多数の穴を有する上部電極を用い、シャワー状プラズマで処理する方法、被処理基材を走行させる方法、一方の電極に吹き出し口ノズルを有する容器状固体誘電体を設け、該ノズルからプラズマを他の電極上に配置した被処理基材に吹き付ける方法等が挙げられる。
【００３５】
また、上記（２）の具体的方法としては、固体誘電体が延長されてプラズマ誘導ノズルを形成しており、放電空間の外に配置された被処理基材に向けて吹き付ける方法等が挙げられ、平行平板型電極と長尺型ノズル、同軸円筒型電極と円筒型ノズルの組み合わせを用いることができる。なお、ノズル先端の材質は、必ずしも上記の固体誘電体である必要がなく、上記電極と絶縁がとれていれば金属等でもかまわない。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の常圧プラズマ処理装置は、常圧プラズマ処理装置をプラズマ処理部、プラズマ処理室、筐体の３室からなる装置にし、各室に独立した排気装置を設け、各室間の圧力の差圧を特定にするように排気装置を制御しているので、排気ガスの制御が完全にでき、使用処理ガスの周囲への拡散防止や外部空気の混入防止を容易にできる。また、本発明の装置は、低温下の大気圧下での実施が可能であるので、容易にインライン化でき、本発明の装置を用いる方法により処理工程全体の速度低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の常圧プラズマ処理装置の構成を説明する図である。
【符号の説明】
１流量計
２ガス供給ノズル
３上部電極
４下部電極
５電源
７プラズマ
８被処理基材
１０プラズマ処理部
１１、２１、３１ガス排出口
２０プラズマ処理室
３０筺体
４１、４２、４３ガス濃度検知器
Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃ パイプ
Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃ 排気装置

Claims

大気圧の近傍下で、少なくとも一方が固体誘電体で被覆された一対の電極間に電界を印加して発生する処理ガスのプラズマで被処理基材を処理するプラズマ処理部と、該プラズマ処理部を設置したプラズマ処理室と、該処理室を収納する筐体とからなる常圧プラズマ処理装置であって、プラズマ処理部、プラズマ処理室及び筐体は、それぞれ独立に圧力制御装置を備え、各室の圧力及び各室間の圧力差を制御するように該圧力制御装置が運転されてなることを特徴とする常圧プラズマ処理装置。
プラズマ処理部内の圧力と、プラズマ処理室内の圧力と、筐体内の圧力とが、プラズマ処理部内圧力＜プラズマ処理室内圧力＜筐体内圧力であることを特徴とする請求項１に記載の常圧プラズマ処理装置。
プラズマ処理部内とプラズマ処理室内の差圧、プラズマ処理室内と筐体内の差圧及び筐体内と大気の差圧が、それぞれ５Ｐａ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の常圧プラズマ処理装置。