JP4871343B2

JP4871343B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4871343B2
Application number: JP2008299517A
Authority: JP
Inventors: 佳幸中園
Original assignee: Panasonic Electric Works SUNX Co Ltd
Current assignee: Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2028-11-25
Also published as: JP2010129198A

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、大気圧下で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（特許文献１など参照）。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。

プラズマ処理装置の処理ガスとしては、反応性が高い酸素のほか、被処理物の表面の酸化物を還元するために水素なども使用される。例えば、ＬＳＩなどを実装するために用いられるはんだバンプはその内部に気泡を含んでいるため、その気泡の存在によってはんだ付け性が悪くなると言う問題を有している。そこで、はんだバンプのはんだ付け性を改善するために、水素プラズマ処理を行い、はんだバンプを一旦溶融させて気泡を除去することが行われている。あるいは、銀製品の表面に付着した硫化銀を除去するために、水素プラズマ処理により硫化銀を還元させることも行われている。

ところが、プラズマ処理された被処理物の被処理面はひじょうに高温になっているため、プラズマ処理装置から取り出された後、空気中に存在する酸素と反応してすぐに再酸化され、あるいは一度遊離した硫黄などと再反応してしまうという新たな問題を生じる。

また、上記のような大気圧下で処理を行うプラズマ装置では、被処理物の被処理面に噴射される処理ガスの拡散を防止して、被処理領域における処理ガスの濃度を保つために、例えば窒素などの不活性ガスを被処理領域の周囲に噴射して、いわゆるエアカーテンを形成することが行われている。ところが、不活性ガスを被処理物の被処理面に噴射することにより、処理ガス及び被処理物の被処理面の温度が低下し、被処理物の被処理面の物質と処理ガスの化学反応が抑制され、装置の構造が複雑になり、且つ大型化するわりには、プラズマ処理装置の処理能力がさほど向上されないという問題を抱えている。
特開２００２−１５１４９４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、還元性処理ガスにより表面処理された後、被処理物の被処理面が再反応されにくく、且つ処理能力を向上させた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被処理面にのみ反応させて、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つの電極又は前記電極間で発生されたプラズマ化された処理ガスの噴射口及びその周囲の所定の範囲を囲むように設けられ、被処理物の被処理面に対向する側に開口が形成され、その反対側が封止された第１シールド部材と、前記第１シールド部材をさらにその外側から囲むように設けられ、被処理物の被処理面に対向する側に開口が形成され、その反対側が封止された第２シールド部材と、前記第１シールド部材と前記第２シールド部材の間の空間に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置をさらに備え、前記第１シールド部材の中心を基準にして、前記被処理物の移動方向における下流側における前記第１シールド部材の端壁と前記第２シールド部材の端壁の間の距離が、上流側における前記第１シールド部材の端壁と前記第２シールド部材の端壁の間の距離よりも長いことを特徴とする。

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、前記不活性ガス供給装置は、前記第１シールド部材の中心を基準にして、前記被処理物の移動方向における上流側及び下流側にそれぞれ設けられた少なくとも２つの不活性ガス供給口を有し、上流側に設けられた不活性ガス供給口から加熱された不活性ガスを供給し、下流側に設けられた不活性ガス供給口から加熱されていない不活性ガスを供給することを特徴とする。

請求項３発明は、請求項１又は請求項２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４の発明は、請求項１又は請求項２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。

本発明によれば、少なくとも１つの電極又は電極間で発生されたプラズマ化された処理ガスの噴射口及びその周囲の所定の範囲、すなわち被処理物の被処理面の被処理領域及びその周辺を囲むように第１シールド部材が設けられ、さらに第１シールド部材をその外側から囲むように第２シールド部材が設けられており、第１シールド部材と第２シールド部材との間の空間に不活性ガスが供給されるので、電極間でプラズマ化される処理ガスは、第１シールド部材と第２シールド部材の隙間から吹き出される不活性ガスから、第１シールド部材によって隔離され、処理ガスが不活性ガスによって冷却されることはない。また、被処理物の被処理面には、電極又は処理ガスの噴射口に対向する位置、すなわち被処理領域に達する以前から不活性ガスが吹き付けられ、空気（又は酸素）から遮断されているので、還元性の処理ガスによる還元作用がスムーズに行われる。さらに、被処理領域を通過した後も、一定の距離を通過する間、被処理物の被処理面に不活性ガスが吹き付けられるので、不活性ガスにより冷却されると共に、冷却期間中空気から遮断される。そのため、空気中の酸素による再酸化や還元作用によって遊離された物質との再反応が阻止され、被処理物の被処理面が良好に処理される。その結果、プラズマ処理装置の処理能力が向上する。

（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実施形態に係る間接型プラズマ処理装置１で用いられるプラズマ発生装置２の構成を示す。また、図２（ａ）は、上記プラズマ処理装置１の構成を示す側部断面図であり、図２（ｂ）は、それを被処理物側から見た正面図である。

プラズマ処理装置１におけるプラズマ発生装置２は、処理ガス供給装置３に接続され、処理ガス供給装置３から水素ガスなどの還元性の処理ガス８及びアルゴンガスなどの放電維持ガスの混合ガスが供給されるガラス製の円筒状の反応容器４と、反応容器４の円筒状の外周面に嵌装された一対の環状の電極５及び６と、電極５及び６の間に所定の高周波電圧を印加するための電源７などで構成されている。反応容器４は、その中心軸が被処理物１０の被処理面１０ａに対してほぼ垂直になるように設けられている。図２（ａ）において、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、反応容器４の直下を通過する際に、その被処理面１０ａにプラズマ化された処理ガス８’が噴射され、表面処理されるものとする。

処理ガス８は、処理ガス供給装置３から単位時間当たり一定の流量で反応容器４に供給され、反応容器４の内部で電極５と６の間の放電領域４１を通過する。その際、電極５と６の間に所定の高周波電力を供給すると、電極５と６の間で発生する放電により処理ガス８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８’は、反応容器４の下端の噴射口４２から噴射される。

プラズマ発生装置２の下端（被処理物１０に対向する側）には、反応容器４の下端部近傍、すなわち電極５と６の間で発生されたプラズマ化された処理ガス８’の噴射口４２及びその周囲の所定の範囲を囲むように第１シールド部材２１が設けられ、さらに第１シールド部材２１をその外側から囲むように第２シールド部材２２が設けられている。第１シールド部材２１及び第２シールド部材２２は、共に、被処理物１０の被処理面１０ａに対向する側に開口が形成され、その反対側が封止されている。また、図２（ａ）に示すように、第１シールド部材２１及び第２シールド部材２２の下端（被処理物１０に対向する側の端部）は、それぞれ反応容器４の下端とほぼ同じかそれよりも少し被処理物１０に突出するように設定されている。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２シールド部材２２の側壁には、複数の不活性ガス供給口２３ａ〜２３ｄが形成されており、それぞれ不活性ガス供給装置９に接続されている。不活性ガス供給装置９から、第１シールド部材２１と第２シールド部材２２の間の空間２４に不活性ガス１１が供給され、第１シールド部材２１と第２シールド部材２２の間の開口２５から被処理物１０の被処理面１０ａ側に噴射される。不活性ガス１１は、酸化の要因である酸素ガスを含まないものであればよく、特に限定されないが、窒素ガスやアルゴンガスなどの安価なガスを用いることが好ましい。

不活性ガス１１を噴射する範囲は、被処理物１０の移動方向（長手方向）及びそれに直交する方向（幅方向）について、プラズマ化された処理ガス８’が噴射される範囲、すなわち被処理領域（例えば、第１シールド部材２１の断面積に相当）に対してそれぞれ２倍以上であることが好ましい。また、不活性ガス１１の供給量は、表面処理が行われる被処理領域の面積に応じて異なるが、例えば被処理領域のサイズが１０ｍｍ×１５ｍｍの矩形である場合、おおむね１０〜４０（ｌ／ｍｉｎ）程度が好ましい。仮に、不活性ガス１１の供給量が１０（ｌ／ｍｉｎ）以下であるとすると、不活性ガスによる空気遮断効果が十分ではなく、還元処理後の再酸化などを十分に阻止することができない。一方、不活性ガス１１の供給量が４０（ｌ／ｍｉｎ）以上であるとすると、不活性ガスによって処理ガスの噴出が妨げられ、かえって還元処理効果が低下する。また、反応容器４と第１シールド部材２１との距離は、２〜１０ｍｍ程度が好ましい。この距離が２ｍｍよりも短い場合、反応容器４の熱で第１シールド部材２１が変形し、あるいは第１シールド部材２１の材質が劣化する可能性がある。また、この距離が１０ｍｍよりも長い場合、プラズマ化された処理ガス８’と不活性ガス１１との間に空気（酸素）が存在する可能性があり、それによって還元処理された被処理物１０の被処理面１０ａが再酸化される可能性がある。

このように、第１実施形態によれば、反応容器４の噴射口４２及びその周辺を囲むように第１シールド部材２１を設けられ、さらに第１シールド部材２１をその外側から囲むように第２シールド部材２２を設け、第１シールド部材２１と第２シールド部材２２の間の空間２４に不活性ガス１１を供給しているので、電極５と６の間でプラズマ化された処理ガス８’は、第１シールド部材２１と第２シールド部材２２の開口２５から噴射される不活性ガス１１から一定の距離だけ隔離され、処理ガス８’が不活性ガス１１によって冷却されることはない。

また、被処理物１０の被処理面１０ａには、反応容器４の噴射口４２に対向する位置、すなわち被処理量域に達する以前から不活性ガス１１が吹き付けられているので、被処理物１０の被処理面１０ａが空気（又は酸素）から遮断され、還元性の処理ガス８’による還元作用がスムーズに行われる。さらに、被処理領域を通過した後も、一定の距離を通過する間、被処理物１０の被処理面１０ａに不活性ガス１１が吹き付けられるので、不活性ガス１１により冷却されると共に、冷却期間中空気から遮断される。そのため、空気中の酸素による再酸化や還元作用によって遊離された物質との再反応が阻止され、被処理物１０の被処理面１０ａが良好に処理される。その結果、プラズマ処理装置１の処理能力が向上する。

図３は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１の変形例の構成を示す。図３に示す変形例では、第１シールド部材２１の４辺の下端をそれぞれ第２シールド部材２２側に傾斜させると共に、第２シールド部材２２の４辺の下端の内周側エッジを第１シールド部材２１の下端とほぼ平行となるように傾斜させている。このような構成によれば、第１シールド部材２１と第２シールド部材２２の開口２５から、角度を付けて不活性ガス１１を斜めに噴射させることができる。その結果、第２シールド部材２２の大きさに対して、より広い範囲に不活性ガスを噴射させることができる。なお、不活性ガス１１を噴射させる角度は、０〜４５度程度が好ましい。

図４は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１の変形例の構成を示す。図４に示す変形例では、反応容器４の噴射口４２の中心又は第１シールド部材２１の中心を基準にして、被処理物１０の移動方向における下流側における第１シールド部材２１の端壁２１ｂと第２シールド部材２２の端壁２２ｂの間の距離Ｄ２が、上流側における第１シールド部材２１の端壁２１ａと第２シールド部材２２の端壁２２ａの間の距離Ｄ１よりも長くなるように設定されている。また、必要に応じて、第２シールド部材２２の側壁に不活性ガス供給口２３ｅ及び２３ｆをさらに設けている。このような構成によれば、被処理物１０の被処理面１０ａが被処理領域を通過し、還元処理が行われた後も、上記距離Ｄ２を通過する間、被処理物１０の被処理面１０ａに不活性ガス１１が吹き付けられるので、不活性ガス１１による冷却が促進されると共に、空気から遮断される時間も長くなる。そのため、空気中の酸素による再酸化や還元作用によって遊離された物質との再反応がさらに起こりにくくなり、被処理物の被処理面が良好に処理される。

なお、図示していないが、図３に示す変形例と図４に示す変形例を組み合わせてもよい。さらに、被処理物１０の移動方向における上流側に設けられた不活性ガス供給口２３ａ（さらに、図４の２３ｃ及び２３ｄ）から加熱された不活性ガスを供給し、下流側に設けられた不活性ガス供給口２３ｂ（さらに、図４の２３ｅ及び２３ｆ）から加熱されていない不活性ガスを供給するように構成してもよい。それによって、反応容器４の噴射口４２から噴射されるプラズマ化された処理ガス８’が不活性ガス１１によって冷却されるのを防止しすることができると共に、被処理物１０の被処理面１０ａが加熱され、プラズマ化された処理ガス８’による還元反応を促進させることができる。

また、第１実施形態では、第１シールド部材２１は、プラズマ発生装置２の下端に取り付けられた例を示したが、第１シールド部材２１をプラズマ発生装置２の筐体と一体的に形成し、第１シールド部材２１一対の電極５及び６を囲むように構成してもよい。その場合、図示していないが、第１シールド部材２１と第２シールド部材２２の上端側の隙間から不活性ガス１１を供給し、不活性ガス１１を電極５及び６を冷却するための冷却ガスとしても用いることができる。不活性ガス１１が暖められることによって、被処理物１０の被処理面１０ａを加熱することができると共に、不活性ガス１１によって処理ガス８’が冷却されるのを防止することができる。

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５は、第２実施形態における直接型プラズマ処理装置３０の構成を示す。直接型プラズマ装置３０は、一対の電極のうち、一方の第１電極３１は被処理物１０の被処理領域において、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３２は被処理物１０の被処理面１０ａに対向する平板状の電極である。被処理物１０は、ローラ状の第１電極３１の回転によって第２電極３２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８は、第２電極３２に設けられた開口などから第２電極３２と被処理物１０の被処理面１０ａの間に供給される。第１電極３１と第２電極３２の間に所定の高周波電力を供給すると、第１電極３１と第２電極３２の間又は被処理物１０の被処理面１０ａと第２電極３２の間で放電が発生し、処理ガス８が放電による高エネルギーを受けて、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８’が還元作用を起こし、被処理物１０の被処理面１０ａが表面処理される。

第１シールド部材２１は、第２電極３２のみを囲むように設けられている。また、第２シールド部材２２は、第１シールド部材２１をさらにその外側から囲むように設けられている。不活性ガス供給口２３は第２シールド部材２２の天井部分に設けられており、第１シールド部材２１と第２シールド部材２２の間の空間２４に供給された不活性ガス１１は、第２電極３２を冷却しながら空間２４内に拡散される。不活性ガス１１が暖められることによって、被処理物１０の被処理面１０ａを加熱することができると共に、不活性ガス１１によって処理ガス８’が冷却されるのを防止することができる。なお、第１電極３１は直接的には冷却されないが、第１電極３１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。

以上説明したように、本発明によれば、直接型プラズマ処理装置の場合、被処理物の被処理面に対向するように設けられた第１電極及びその周囲の所定の範囲を囲むように第１シールド部材が設けられ、一方、間接型プラズマ処理装置の場合、一対の電極又は電極間で発生されたプラズマ化された処理ガスの噴射口及びその周囲の所定の範囲を囲むように第１シールド部材が設けられ、さらに第１シールド部材をその外側から囲むように第２シールド部材が設けられ、第１シールド部材と第２シールド部材の間の空間に不活性ガスが供給されるので、電極間でプラズマ化される処理ガスは、第１シールド部材と第２シールド部材の隙間から吹き出される不活性ガスから、第１シールド部材によって隔離され、処理ガスが不活性ガスによって冷却されることはない。

また、被処理物の被処理面には、処理ガスが噴射される以前から不活性ガスが吹き付けられ、空気（又は酸素）から遮断されているので、還元性の処理ガスによる還元作用がスムーズに行われる。さらに、還元処理された後も、一定の距離を通過する間、被処理物の被処理面に不活性ガスが吹き付けられるので、不活性ガスにより冷却されると共に、冷却期間中空気などから遮断される。そのため、空気中の酸素による再酸化や還元作用によって遊離された物質との再反応が阻止され、被処理物の被処理面が良好に処理される。その結果、プラズマ処理装置の処理能力が向上する。

本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置で用いられるプラズマ発生装置の構成を示す図。（ａ）は第１実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す側部断面図、（ｂ）はそれを被処理物側から見た正面図。第１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側部断面図。第１実施形態に係るプラズマ処理装置の他の変形例の構成を示す正面図。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側部断面図。

符号の説明

１間接型プラズマ処理装置
２プラズマ発生装置
３処理ガス供給装置
４反応容器
４１放電領域
４２噴射口
５、６電極
７電源
８処理ガス
８’ プラズマ化された処理ガス
９不活性ガス供給装置
１０被処理物
１０ａ被処理物の表面
１１不活性ガス
２１第１シールド部材
２１ａ移動方向の上流側の端壁
２１ｂ移動方向の下流側の端壁
２２第２シールド部材
２２ａ移動方向の上流側の端壁
２２ｂ移動方向の下流側の端壁
２３、２３ａ〜２３ｆ不活性ガス供給口
２４第１シールド部材と第２シールド部材の間の空間
２５第１シールド部材と第２シールド部材の間の開口
３０直接型プラズマ処理装置
３１第１電極
３２第２電極

Claims

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被処理面にのみ反応させて、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つの電極又は前記電極間で発生されたプラズマ化された処理ガスの噴射口及びその周囲の所定の範囲を囲むように設けられ、被処理物の被処理面に対向する側に開口が形成され、その反対側が封止された第１シールド部材と、
前記第１シールド部材をさらにその外側から囲むように設けられ、被処理物の被処理面に対向する側に開口が形成され、その反対側が封止された第２シールド部材と、
前記第１シールド部材と前記第２シールド部材の間の空間に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置をさらに備え、
前記第１シールド部材の中心を基準にして、前記被処理物の移動方向における下流側における前記第１シールド部材の端壁と前記第２シールド部材の端壁の間の距離が、上流側における前記第１シールド部材の端壁と前記第２シールド部材の端壁の間の距離よりも長いことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記不活性ガス供給装置は、前記第１シールド部材の中心を基準にして、前記被処理物の移動方向における上流側及び下流側にそれぞれ設けられた少なくとも２つの不活性ガス供給口を有し、上流側に設けられた不活性ガス供給口から加熱された不活性ガスを供給し、下流側に設けられた不活性ガス供給口から加熱されていない不活性ガスを供給す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。
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又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
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又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。