JP4833272B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、被処理物の表面にプラズマ流体を噴射して表面処理を行うプラズマ処理装置に関する。

被処理物の表面に付着したレジストを除去したり、樹脂材料の表面を改質したりする目的のために、被処理物の表面にプラズマ流体を噴射して表面処理を行うプラズマ処理装置が実用化されている。そのようなプラズマ処理装置は、電極間に被処理物を搬送すると共に、一方の電極と被処理物の間に処理ガスを供給し、電極間に所定の電力を供給して、被処理物の表面近傍で直接プラズマを発生させて表面処理を行う、いわゆる直接型プラズマ処理装置と、被処理物の表面から離れた位置に設けられた電極間に処理ガスを供給し、電極間で発生されたプラズマ流体を被処理物の表面に噴射する、いわゆる間接型プラズマ処理装置に分類される。直接型プラズマ処理装置では、その構成上、被処理物はシート状物などの表面の凹凸が小さいものに限定される。一方、間接型プラズマ処理装置では、プラズマの到達可能距離以下であれば、被処理物の形状や表面の凹凸は特に限定されない。

ところで、プラズマ処理装置では、処理ガスは被処理物の表面に吹き付けられ、周囲に拡散されてしまうため、被処理領域における処理ガスの濃度低下を防止するために、被処理領域を囲むように不活性ガスによるエアカーテンを設けることが提案されている。また、被処理領域での化学反応（酸化、還元など）を促進するために、エアカーテンを構成する不活性ガスを加熱して被処理物の表面を加熱することが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載のプラズマ処理装置は、一対の電極の間にシート状の被処理物が搬送され、各電極に設けられた排出管から処理ガスが供給され、被処理物の両面が同時に処理されるように構成されている。また、エアカーテンは、一対の電極の被処理物の移動方向の上流側及び上流側に合計４箇所設けられている。特許文献１に記載のプラズマ処理装置によれば、被処理物の両面を同時に処理できるため処理効率はよいが、プラズマの到達可能距離を考慮すると、一対の電極間の距離及び被処理物の厚みなどの制約を受け、汎用性が低いと考えられる。また、処理ガス及び不活性ガスが被処理物の両面から吹き付けられるため、被処理物の剛性（強度又は硬度）が低いと、これらのガスの圧力によって被処理物が変形してしまい、均一な処理ができない可能性がある。換言すれば、処理可能な被処理物の材質に制約を受ける。なお、電極間で発生する放電により電極自体が高温になるため、電極を冷却するための冷却装置がさらに必要であるが、引用文献１では、電極の冷却装置に関する言及はない。また、エアカーテンの不活性ガスを加熱するために個別の熱源を設けている。電極の冷却装置を設けると仮定すると、電極が被処理物の両側に設けられているため、冷却装置を設けるとプラズマ処理装置の構造がさらに複雑化し、且つ処理可能な被処理物の大きさに対して相対的に大型化するという問題を有している。
特開２００６−５３１５号公報

本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、被処理物の１つの被処理面しか処理できないけれども、構造が簡単であり、処理可能な被処理物の大きさに対して相対的に小型であり、かつ被処理物の厚みや材質などの制約を受けにくいプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、一対の電極と、前記電極間に所定の電力を供給する電源と、前記電極間に処理ガスを供給する処理ガス供給装置とを備え、前記電極間で発生されたプラズマ化された処理ガスを所定方向に移動される被処理物の一つの被処理面に反応させて、前記被処理面を処理するプラズマ処理装置であって、前記一対の電極のうち、前記被処理物の被処理面に対向する側に設けられた少なくとも１つの電極を覆うように設けられたダクトと、前記ダクト内に冷却ガスを供給する冷却ガス供給装置をさらに備え、放電による熱で加熱された前記少なくとも１つの電極を前記冷却ガスで冷却すると共に、冷却の際に暖められた冷却ガスを、前記被処理物の被処理面のうち、少なくともプラズマ化された処理ガスにより処理される被処理領域よりも移動方向の上流側に噴射して、前記被処理物を加熱することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のプラズマ処理装置において、前記一対の電極のいずれも前記被処理物とは非接触であり、かつ前記被処理物の被処理面に対して同じ側に設けられ、プラズマ化された処理ガスが前記被処理物の表面に対してほぼ垂直に噴射される間接型プラズマ処理装置であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載のプラズマ処理装置において、前記一対の電極のうち、一方の第１電極は前記被処理物の被処理面の裏面に接触するローラであり、前記第１電極の回転によって前記被処理物が他方の第２電極に対して相対的に移動され、前記処理ガスが前記第２電極と前記被処理物の被処理面の間に供給され、前記処理ガスが前記被処理物の被処理面上で直接プラズマ化される直接型プラズマ処理装置であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載のプラズマ処理装置において、前記第１電極の内部に加熱用のヒータをさらに設け、前記被処理物の被処理面の裏面からも前記被処理物を加熱することを特徴とする。

本発明によれば、冷却ガスによって電極が効率良く冷却されると共に、冷却の際に暖められた冷却ガスが被処理物の被処理面に噴射されることにより被処理物を加熱することができるので、新たな熱源を用いることなく、被処理面での被処理物の被処理面の物質とプラズマ化された処理ガスとの化学反応（酸化、還元など）を促進することができる。また、冷却用のダクトは、前記被処理物の被処理面に対向する側に設けられた少なくとも１つの電極（のみ）を覆うように設けられているので、すなわち、電極が被処理物の被処理面の裏面側にも設けられている場合であっても、その裏面側の電極（第１電極）には冷却用のダクトは設けられていないので、その結果、プラズマ処理装置の構成を簡単にすることができ、かつ被処理物の大きさに対して相対的に小型化することができる。なお、被処理物の被処理面の裏面側の第１電極の熱は、被処理物に伝導され、被処理物の加熱に利用されるため、冷却する必要はなく、熱エネルギーを有効に利用することができる。さらに、被処理物は１つの被処理面、すなわち片面しか処理されないので、被処理物の厚みが薄い場合や剛性が低い場合であっても、被処理物の裏面をガイドすることにより、処理ガスや冷却ガスを噴射しても被処理物の被処理面の変形を防止することができる。その結果、被処理物の厚みや材質の制約を受けることなく、様々なものを処理することができる。さらに、ダクト内に供給され被処理物の被処理面に噴射される冷却ガスがエアカーテンとして利用することも可能であり、被処理領域における処理ガスの濃度低下を防止することができ、効率良くプラズマ流体による表面処理を行うことができる。これらの効果により、被処理物の移動速度を速くすることも可能であり、プラズマ処理装置の処理能力を向上させることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は、第１実施形態における間接型プラズマ処理装置１の構成を示す。

間接型プラズマ処理装置１は、筐体２の内部に設けられた一対の電極体３１及び３２を備えており、電極体３１及び３２は、それぞれ平板状電極３１ａ、３２ａと誘電体（絶縁材）３１ｂ、３２ｂで形成されている。一対の電極体３１及び３２の間にはガス流路４１が形成されており、対向する電極３１ａと３２ａの間に位置するガス流路４１の一部分がプラズマ生成部として機能する。電極３１ａ及び３２ａの材料としては、例えば銅、タングステン、アルミニウム、黄銅、ステンレス鋼などの導電性の金属材料を用いることができるが、特に、銅やタングステンなどが好ましい。誘電体３１ｂ及び３２ｂの材料としては、高融点の誘電体材料（絶縁体材料）が好ましく、例えば石英ガラス、アルミナ、イットリア、ジルコニウムなどのガラス質材料やセラミック材料などを用いることができる。但し、これらの材料は特に限定されるものではない。

一対の電極体３１と３２の間に形成されたガス流路４１には、例えば酸素などの処理ガス４を供給するための処理ガス供給装置５が接続されている。また、電極３１ａと電極３２ａには電圧を発生する電源６が接続されており、電極３１ａと電極３２ａとの間に高周波電力を供給する。電極３１ａと電極３２ａの一方は高圧電極として構成され、他方は低圧電極として構成されている。なお、低圧電極を接地して、接地電極として構成してもよい。

被処理物１０は、例えば図中左から右へ（又は右から左へ）一定速度で搬送されるものとし、筐体２の開口２ａの直下を通過する際に、その表面、すなわち被処理面１０ａにプラズマ化された処理ガス（プラズマ流体）４’が噴射され、表面処理される。処理ガス４は、処理ガス供給装置５から単位時間当たり一定の流量で筐体２に供給され、筐体２の内部で電極体３１と３２の間のガス流路４１を通過する。その際、電極３１ａと３２ａの間に所定の高周波電力を供給すると、電極３１ａと３２ａの間で発生する放電により処理ガス４が放電による高エネルギーを受けてプラズマ化される。そして、プラズマ化された処理ガス４’は、筐体２の開口２ａから噴射される。

筐体２の外側には、筐体２を介して電極３１ａ及び３２ａを覆うようにダクト７が設けられており、ダクト７には、ダクト７の内部７１に冷却ガス８を供給するための冷却ガス供給装置９が接続されている。冷却ガス供給装置９から供給された冷却ガス８は、ダクト７と筐体２の間の隙間を流れ、筐体２の表面から輻射される熱を吸収し、それによって電極３１ａ及び３２ａを冷却する。電極３１ａ及び３２ａを冷却する際に暖められた冷却ガス（温風）８’は、ダクト７の下端部における筐体２との隙間から排出され、被処理物１０の被処理面１０ａに噴射される。

ここで、ダクト７と筐体２の隙間７２を筐体２の全周にわたって形成することにより、隙間７２から噴射される冷却ガス８’をエアカーテンとして利用することができる。すなわち、冷却ガス８’は、被処理物１０の被処理面１０ａのうち、プラズマ化された処理ガス４’により表面処理される被処理領域１０ｂを取り囲むように噴射されるので、被処理領域１０ｂにおけるプラズマ化された処理ガス４’の拡散が妨げられ、プラズマ化された処理ガス４’の濃度低下を防止することができる。また、例えばオゾンなど処理ガスのラジカルから変質した有害物質を被処理領域１０ｂ付近に滞留させ、プラズマ処理装置１の周辺に拡散されることを防止することができる。

さらに、冷却ガス８’が噴射されることによって被処理物１０の被処理面１０ａが加熱され、その表面の温度が上昇するので、被処理物１０の被処理面１０ａの物質とプラズマ化された処理ガス４’との化学反応が促進され、表面処理効率が向上する。特に、被処理物１０の移動方向における被処理領域１０ｂよりも上流側に、より多量の冷却ガス８’を噴射させるように、ダクト７と筐体２の隙間７２の大きさや形状を設定すれば、被処理物１０の被処理面１０ａを被処理領域１０ｂに到達する前に効率良く加熱することができる。

冷却ガス８の種類は特に限定されず、例えば、窒素などの不活性ガスであってもよいし、コンプレッサなどにより圧縮した空気を使用してもよい。あるいは、処理ガス４と同じ成分のガスであってもよい。

また、暖められた冷却ガス８’は、必ずしも被処理領域１０ｂを取り囲むように噴射される必要はなく、すなわち、エアカーテンは必ずしも必要ではなく、少なくとも被処理物１０の被処理面１０ａのうち、プラズマ化された処理ガス４’により処理される被処理領域１０ｂよりも移動方向の上流側に噴射されていればよい。

図２は、第１実施形態における間接型プラズマ処理装置の変形例を示す。この変形例では、筐体２の開口２ａの近傍に、開口２ａから被処理部１０の被処理面１０ａに対して噴射されるプラズマ化された処理ガス４’９に対して紫外線１２を照射するための紫外線光源１１が設けられている。紫外線光源１１としては、紫外線を出力できる光源であればよく、特に限定されるものではない。具体的には、例えば低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、エキシマランプなどの放電ランプや、紫外線ＬＥＤ（発光ダイオード）などを用いることができる。

電極３ａと３ｂの間で発生されたプラズマ、すなわち処理ガス４’のラジカルは、非常に不安定であって、すぐに他のラジカルなどと反応しようとする。例えば処理ガスとして酸素を用いた場合を例にすると、酸素分子や酸素原子などの酸素ラジカル同士が結合してオゾンに変わる。一方、オゾンは、紫外線を吸収することによって、再び酸素分子と酸素原子に分離する。従って、プラズマ化された処理ガス４’に対して紫外線１２を照射し続ければ、一旦酸素ラジカル同士が結合してオゾンに変わったとしても、少なくとも一部のオゾンは紫外線によって再び酸素分子と酸素原子に分離される。従って、プラズマが完全に消滅するまでの時間（持続時間）が長くなり、プラズマの到達距離を長くすることができる。その結果、表面の凹凸の高低差の大きい被処理物１０でも表面処理が可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置について、図面を参照しつつ説明する。図３は、第２実施形態における直接型プラズマ処理装置の構成を示す。直接型プラズマ装置２０は、一対の電極のうち、一方の第１電極２１は被処理物１０の被処理領域１０ｂにおいて、被処理面１０ａの裏面に接触するローラであり、他方の第２電極２２は被処理物１０の被処理面１０ａに対向する板状の電極である。被処理物１０は、ローラ状の第１電極２１の回転によって第２電極２２に対して相対的に移動される。被処理物１０は、例えばシート状など、比較的厚みの薄いものであり、表面の凹凸も比較的小さいものに限定されるが、連続的に表面処理を行うことができる。

処理ガス４は、第２電極２２に設けられた開口などから第２電極２２と被処理物１０の被処理面１０ａの間に供給される。第１電極２１と第２電極２２の間に所定の高周波電力を供給すると、第１電極２１と第２電極２２の間又は被処理物１０の被処理面１０ａと第２電極２２の間で放電が発生し、処理ガス４が放電による高エネルギーを受けて、処理ガス４が被処理物１０の被処理面１０ａ上で直接プラズマ化される。その結果、被処理物１０の被処理面１０ａの物質とプラズマ化された処理ガス４’が化学反応（酸化、還元など）を起こし、被処理物１０の被処理面１０ａが表面処理される。

図３に示すように、第２電極２２を覆うようにダクト２７が設けられており、ダクト２７には、ダクト２７の第２電極２２の隙間２８に冷却ガス８を供給するための冷却ガス供給装置９が接続されている。冷却ガス供給装置９から供給された冷却ガス８は、ダクト２７と第２電極２２の間の隙間を流れ、第２電極２２から輻射される熱を吸収し、それによって第２電極２２を冷却する。第２電極２２を冷却する際に暖められた冷却ガス（温風）８’は、ダクト２７の下端部における第２電極２２との隙間から排出され、被処理物１０の被処理面１０ａに噴射される。なお、被処理物１０の被処理面１０ａの裏面側の第１電極２１の熱は、被処理物１０に伝導され、被処理物１０の加熱に利用されるため、冷却する必要はない。

なお、第１実施形態の場合と同様に、ダクト２７と第２電極２２の隙間２８を第２電極２２の全周にわたって形成することにより、隙間２８から噴射される冷却ガス８’をエアカーテンとして利用することができる。また、図４に示すように、ダクト２７の内側に紫外線光源２４などを設けてもよい。さらに、ローラ状の第１電極２１の内部に加熱用のヒータ２３をさらに設け、被処理物１０の被処理面１０ａの裏面からも被処理物１０を加熱するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、プラズマ処理装置の一対の電極のうち、被処理物の被処理面に対向する側に設けられた少なくとも１つの電極を覆うようにダクトを設け、ダクト内に冷却ガスを供給することにより、冷却ガスによって電極が効率良く冷却されると共に、冷却の際に暖められた冷却ガスを被処理物の被処理面の被処理領域よりも移動方向の上流側に噴射することにより、被処理物の被処理面を加熱することができる。その結果、新たな熱源を用いることなく、被処理面での被処理物の被処理面の物質とプラズマ化された処理ガスとの化学反応（酸化、還元など）を促進することができ、被処理物の移動速度を速くすることも可能であり、プラズマ処理装置の処理能力を向上させることができる。

また、被処理物は１つの被処理面、すなわち片面しか処理されないので、被処理物の厚みが薄い場合や剛性が低い場合であっても、被処理物の裏面をガイドすることにより、処理ガスや冷却ガスを噴射しても被処理物の被処理面の変形を防止することができる。その結果、被処理物の厚みや材質の制約を受けることなく、様々なものを処理することができる。さらに、ダクト内に供給され被処理物の被処理面に噴射される冷却ガスがエアカーテンとして利用することも可能であり、被処理領域における処理ガスの濃度低下を防止することができ、効率良くプラズマ流体による表面処理を行うことができる。

プラズマ処理装置が間接型プラズマ処理装置である場合、一対の電極のいずれも被処理物とは非接触であり、かつ被処理物の被処理面に対して同じ側に設けられているので、１組のダクト及び冷却ガス供給装置で２つの電極を同時に冷却することができ、プラズマ処理装置の構成を簡単にすることができ、かつ被処理物の大きさに対して相対的に小型化することができる。

一方、プラズマ処理装置が直接型プラズマ処理装置である場合、一対の電極のうち、一方の第１電極は被処理物の被処理面の裏面に接触するローラであり、被処理物の被処理面に対して同じ側には第２電極のみが設けられているので、冷却用のダクトは、第２電極のみを覆うように設ければよく、被処理物の被処理面の裏面側に接触する第１電極の熱は、被処理物に伝導され、被処理物の加熱に利用されるため、冷却する必要はない。その結果、プラズマ処理装置の構成を簡単にすることができ、かつ被処理物の大きさに対して相対的に小型化することができると共に、熱エネルギーを有効に利用することができる。さらに、第１電極の内部に加熱用のヒータを設けることにより、被処理物の被処理面の裏面からも被処理物を加熱することができる。

本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す図。 第１実施形態におけるプラズマ処理装置の変形例の構成を示す図。 本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す図。 第２実施形態に係るプラズマ処理装置の変形例の構成を示す図。

符号の説明

１ 間接型プラズマ処理装置
２ 筐体
２ａ 開口
４ 処理ガス
４’ プラズマ化された処理ガス
４１ ガス流路
５ 処理ガス供給装置
６ 電源
７ ダクト
７１ ダクトの内部
７２ ダクトと筐体の隙間
１１ 紫外線光源
８ 冷却ガス
８’ 暖められた冷却ガス
９ 冷却ガス供給装置
１０ 被処理物
１０ａ 被処理面
１０ｂ 被処理領域
２０ 直接型プラズマ処理装置
２１ （ローラ状の）第１電極
２２ （板状の）第２電極
２３ ヒータ
２４ 紫外線光源
２７ ダクト
２８ ダクトと第２電極の隙間
３１、３２ 電極体
３１ａ、３２ａ 電極
３１ｂ、３２ｂ 誘電体（絶縁体）

Claims (4)

1. 一対の電極と、前記電極間に所定の電力を供給する電源と、前記電極間に処理ガスを供給する処理ガス供給装置とを備え、前記電極間でプラズマ化された処理ガスを所定方向に移動される被処理物の一つの被処理面に反応させて、前記被処理面を処理するプラズマ処理装置であって、
   前記一対の電極のうち、前記被処理物の被処理面に対向する側に設けられた少なくとも１つの電極を覆うように設けられたダクトと、前記ダクト内に冷却ガスを供給する冷却ガス供給装置をさらに備え、
   放電による熱で加熱された前記少なくとも１つの電極を前記冷却ガスで冷却すると共に、冷却の際に暖められた冷却ガスを、前記被処理物の被処理面のうち、少なくともプラズマ化された処理ガスにより処理される被処理領域よりも移動方向の上流側に噴射して、前記被処理物を加熱することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記一対の電極のいずれも前記被処理物とは非接触であり、かつ前記被処理物の被処理面に対して同じ側に設けられ、プラズマ化された処理ガスが前記被処理物の表面に対してほぼ垂直に噴射される間接型プラズマ処理装置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. 前記一対の電極のうち、一方の第１電極は前記被処理物の被処理面の裏面に接触するローラであり、前記第１電極の回転によって前記被処理物が他方の第２電極に対して相対的に移動され、前記処理ガスが前記第２電極と前記被処理物の被処理面の間に供給され、前記処理ガスが前記被処理物の被処理面上で直接プラズマ化される直接型プラズマ処理装置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。
4. 前記第１電極の内部に加熱用のヒータをさらに設け、前記被処理物の被処理面の裏面からも前記被処理物を加熱することを特徴とする請求項３に記載の直接型プラズマ処理装置。

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