JP5031634B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - 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及び方法に関する。

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（特許文献１参照）。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。

ところで、例えば酸素を処理ガスとして使用する場合、酸素ラジカルは反応性が高く、すぐに結合してオゾンに変質してしまうため、従来の間接型プラズマ処理装置におけるプラズマ到達距離は約５ｍｍ程度と短く、被処理物の表面の凹凸が大きい場合、被処理物の表面処理にムラが生じたり、あるいは表面処理されていない箇所が生じたりするという問題点を有していた。すなわち、表面処理可能な被処理物の表面の凹凸の高低差が制限されていた。

なお、例えば特許文献２に記載されているように、いわゆる間接型のプラズマ処理装置においては、プラズマを発生させやすくするために、電極間に供給される処理ガスにあらかじめ紫外線を照射することが提案されている。しかしながら、電極間で発生されたプラズマは短時間の内に消滅するため、プラズマの到達可能距離は長くはなっていない。
特開２００１−０７７０９７号公報 特開２００７−２５８０９６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、電極間で発生されたプラズマの持続時間を長くしてプラズマの到達可能距離を長くし、それによって被処理物の表面の凹凸の高低差を大きくすることが可能な間接型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、間接型プラズマ処理装置であって、
筐体と、
前記筐体の内部に設けられた一対の電極と、
前記電極間に所定の電力を供給する電源と、
前記一対の電極間に形成されたガス流路を前記電極に沿うように通過するように、処理ガスを供給する処理ガス供給装置を備えた間接型プラズマ処理装置であって、
前記筐体の前記ガス流路の下流側に、前記電極間で発生された放電によって前記処理ガスをプラズマ化したプラズマ流体を被処理物に対して噴射するための開口が形成され、
前記開口を囲むように設けられたシールド部材と、前記シールド部材の内側に設けられ、前記プラズマ流体に対して紫外線を照射する紫外線光源とをさらに備え、
前記シールド部材は、前記電極間で発生され、被処理物に対して噴射されるプラズマ流体を所定の領域内に閉じ込めると共に、前記シールド部材の内面で反射された紫外線を再びプラズマ流体に照射するように構成されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の間接型プラズマ処理装置において、前記紫外線光源は放電ランプであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の間接型プラズマ処理装置において、前記放電ランプを前記電源から供給される電力によって点灯させることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１に記載の間接型プラズマ処理装置において、前記紫外線光源は紫外線ＬＥＤであることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、電極間で発生され、被処理物に対して噴射されるプラズマ中、時間の経過により、例えば酸素ラジカル同士が結合してオゾンに変わるように、一部のラジカル同士が他の物質に変化するけれども、変化した物質に対して紫外線を照射することにより、照射された紫外線のエネルギーによって再度ラジカル同士に分離する。そのため、プラズマが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が長くなる。その結果、表面の凹凸の高低差の大きい被処理物の表面処理が可能となる。また、熱源である電極から被処理物の表面を遠く離すことができるので、被処理物が熱に弱い材質である場合でもプラズマ処理を行うことができる。また、シールド部材によりプラズマ流体が一定の領域内に閉じ込められるため、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がプラズマ処理装置の周辺に拡散されることを防止することができる。また、紫外線光源をこのシールド部材の内側に設けているので、シールド部材の内面で反射された紫外線を再びプラズマ流体に照射することができ、紫外線照射効率を高くすることができる。さらに、紫外線がシールド部材の外部に漏れることはほとんどなく、プラズマ処理装置の周辺に対する紫外線による影響、例えば紫外線による樹脂材料で形成された部材の劣化などを低減することができる。

請求項２の発明によれば、紫外線光源として、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を用いることにより、高強度の紫外線を安定して発生させることができる。

請求項３の発明によれば、プラズマを発生させるために電極間に供給される電力と、紫外線を発生させるための電力を、単一の電源から供給することができ、プラズマ処理装置の回路構成を簡単にすることができる。

請求項４の発明によれば、紫外線光源として紫外線ＬＥＤを用いることにより、紫外線を長期間にわたって安定して発生することができると共に、消費電力を低減することができる。

（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及びプラズマ処理方法について、図面を参照しつつ説明する。図１は、第１実施形態におけるプラズマ処理装置の構成及び表面処理方法の概念を示す。

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。

筐体２の開口２ａの近傍には、開口２ａから被処理部１０の表面１０ａに対して噴射されるプラズマ流体９に対して紫外線を照射するための紫外線光源７が設けられており、さらに紫外線光源７には、所定の電力を供給するための光源電源８が接続されている。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１０ａにプラズマ流体９が噴射され、表面処理されるものとする。

紫外線光源７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。放電ランプの場合、消費電力はＬＥＤに比べて大きいものの、高強度の紫外線を安定して発生させることができる。一方、ＬＥＤの場合、耐久性に優れ、かつ消費電力が小さいという特徴を有しており、紫外線を長期間にわたって安定して発生することができると共に、消費電力を低減することができる。

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、すなわちプラズマ流体９は、筐体２の開口２ａから噴射される。紫外線光源７は、筐体２の開口２ａから噴射されるプラズマ流体９に対して紫外線１６を照射するように、その光の出射方向や反射板の角度などが設定されている。図１に示す構成例では、筐体２の開口２ａから被処理物１０の表面１０ａに至るまでの間、プラズマ流体９に対して紫外線１６が照射されるように、紫外線光源７の大きさ及び照射角度が設定されている。

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、プラズマ流体９に対して紫外線１６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が長くなる。上記従来例と同じ条件であれば、プラズマ到達距離を約３０ｍｍ程度まで伸ばすことができる。その結果、従来のプラズマ処理装置では処理できなかった表面の凹凸１０ｂの高低差の大きい被処理物でも表面処理が可能となる。また、熱源である電極３ａ及び３ｂから被処理物１０の表面１０ａを遠く離すことができるので、被処理物１０が熱に弱い材質である場合でもプラズマ処理を行うことができる。

図２は、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。この変形例では、紫外線光源７として放電ランプを用い、プラズマを発生させるために電極３１ａと３２ａの間に供給される電力と、紫外線１６を発生させるために紫外線光源７に供給される電力を、単一の電源６から供給している。そのため、独立した光源電源８を省略することができ、プラズマ処理装置１の回路構成を簡単にすることができる。

（第２実施形態）
図３は、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。第２実施形態では、筐体２の開口２ａを囲むようにシールド部材（隔壁）１１が設けられており、紫外線光源７は、このシールド部材１１の内側に設けられている。その他の構成は、上記第１実施形態の場合と同様であるため省略する。

第２実施形態の構成によれば、シールド部材１１によりプラズマ流体９が一定の領域内に閉じ込められるため、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がプラズマ処理装置の周辺に拡散されることを防止することができる。また、紫外線光源７をこのシールド部材１１の内側に設けているので、シールド部材１１の内面で反射された紫外線を再びプラズマ流体９に照射することができ、紫外線照射効率を高くすることができる。さらに、紫外線がシールド部材１１の外部に漏れることはほとんどなく、プラズマ処理装置１の周辺に対する紫外線１６による影響、例えば紫外線による樹脂材料で形成された部材の劣化などを低減することができる。

（参考例）
図４は、本発明の参考例に係るプラズマ処理装置の構成を示す。この参考例では、エアカーテン１４によりシールドを構成している。その他の構成は、上記第２実施形態の場合と同様であるため省略する。

図４に示すように、筐体２の開口２ａを囲むように、筐体２の外周部沿って、エアカーテン用のシールドガス噴出口１２が設けられている。このシールドガス噴出口１２には、例えば処理ガス４と同じ成分のシールドガス１５が処理ガス供給装置５から供給されている。シールドガス噴出口１２は、筐体２の外周部沿って、一定間隔で複数箇所に設けられており、シールドガス噴出口１２から拡散するように噴出されるシールドガス１５が重なり合うことによってエアカーテン１４を構成する。

このように、エアカーテン１４によりシールドを構成することにより、凹凸の高低差の大きい被処理物１０の表面処理を行う場合であっても、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がプラズマ処理装置の周辺に拡散されることを防止することができる。また、処理ガス供給装置５から供給される処理ガスを利用してエアカーテンを発生させているので、プラズマ処理装置１の構成を簡単にすることができる。

図５は、第３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４に示す構成によれば、プラズマ処理装置１の構成が簡単になるものの、処理ガスと同じ成分のガスをシールドガスとして使用しているため、コストが高くなってしまう可能性がある。それに対して、図５に示す変形例では、例えばコンプレッサ１３などにより圧縮した空気をシールドガスとして使用することにより、プラズマ処理装置１の構成がやや複雑になるもののコストを低減することができる。

（参考例）
図６は、本発明の他の参考例に係るプラズマ処理装置の構成を示す。上記ガス流路４１として機能する反応容器４２は、円筒状に形成されており、被処理物１０の表面１０ａに対してほぼ垂直になるように設けられている。反応容器４２の円筒状の外周面には、環状の電極３１ａ及び３２ａがそれぞれ全周にわたって密着するように、垂直方向に所定の間隔を隔てて設けられている。さらに、反応容器４２の下端の開口部４２ａの近傍には、環状に形成された紫外線光源７が設けられている。このような構成によれば、垂直に設けられた反応容器４２の内、電極３１ａと３２ａの間に挟まれた部分４２ｂがプラズマ生成部として機能する。そして、プラズマ生成部４２ｂで生成され、反応容器４２の下端の開口部４２ａから被処理物１０の表面１０ａに向けて噴射されるプラズマ流体に対して紫外線が照射される。

図７は、さらに他の参考例に係るプラズマ処理装置の変形例の構成を示す。反応容器４２は、断面が長方形である角筒状に形成されており、ガス流路４１は、水平面における一方向（Ｘ方向：例えば、被処理物１０の長手方向又は搬送方向）の寸法が、それに直交する方向（Ｙ方向：例えば、被処理物１０の幅方向）の寸法に比べて非常に小さくなるように設定されている。それに伴って、電極３１ａ、３２ａ及び紫外線光源７もそれぞれ矩形に形成されている。このような構成によれば、例えば帯状などの細長い、あるいは幅広い被処理物１０の表面１０ａに対して、効率良くプラズマ処理を行うことができる。

（参考例）
図８（ａ）及び（ｂ）は、本発明のさらに他の参考例に係るプラズマ処理装置の構成を示す。この参考例では、プラズマ生成部として機能するガス流路４１を２次元的に多数配列し、被処理物１０の表面１０ａを、広い面積にわたって同時にプラズマ処理することを可能にしている。図８（ａ）に示すように、平板状の電極３１ａと３２ａ及び誘電体（絶縁体）３３が垂直方向に積層されて反応容器４２を形成している。図８（ｂ）に示すように、この反応容器４２には、水平方向に２次元的に多数配列された貫通穴（ガス流路４１）が形成されている。反応容器４２の上部には、放熱器を兼ねたガス貯蔵部４３が設けられており、処理ガス供給装置（図示せず）から供給された処理ガスが、各ガス流路４１に均一に供給される。また、反応容器４２の下端部近傍の長手方向の両側には、直管状の紫外線光源７が設けられており、ガス流路４１の下端の開口部から被処理物１０の表面１０ａに向けて噴射されるプラズマ流体に対して均一に紫外線が照射される。

なお、図６〜８において、紫外線光源７の形状は、これら例示したものに限定されず、その他の形状であってもよい。

本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置の構成及び表面処理方法の概念を示す図。 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。 本発明の参考例に係るプラズマ処理装置の構成を示す図。 他の参考例に係るプラズマ処理装置の変形例の構成を示す図。 さらに他の参考例に係るプラズマ処理装置の構成を示す斜視図。 さらに他の参考例に係るプラズマ処理装置の変形例の構成を示す斜視図。 （ａ）及び（ｂ）は、さらに他の参考例に係るプラズマ処理装置の構成を示す断面図及び底面図。

符号の説明

１ プラズマ処理装置
２ 筐体
２ａ 開口
３１、２１ 電極体
３１ａ、３２ａ 電極
３１ｂ、３２ｂ、３３ 誘電体（絶縁体）
４ 処理ガス
４１ ガス流路
４２ 反応容器
４２ａ プラズマ生成部
４３ ガス貯蔵部
５ 処理ガス供給装置
６ 電源
７ 紫外線光源
８ 光源電源
９ プラズマ流体
１０ 被処理物
１０ａ 被処理物の表面
１０ｂ 被処理物の表面の凹凸
１１ シールド部材（隔壁）
１２ シールドガス噴出口
１３ コンプレッサ
１４ エアカーテン
１５ シールドガス
１６ 紫外線

Claims (4)

1. 筐体と、
   前記筐体の内部に設けられた一対の電極と、
   前記電極間に所定の電力を供給する電源と、
   前記一対の電極間に形成されたガス流路を前記電極に沿うように通過するように、処理ガスを供給する処理ガス供給装置を備えた間接型プラズマ処理装置であって、
   前記筐体の前記ガス流路の下流側に、前記電極間で発生された放電によって前記処理ガスをプラズマ化したプラズマ流体を被処理物に対して噴射するための開口が形成され、
   前記開口を囲むように設けられたシールド部材と、前記シールド部材の内側に設けられ、前記プラズマ流体に対して紫外線を照射する紫外線光源とをさらに備え、
   前記シールド部材は、前記電極間で発生され、被処理物に対して噴射されるプラズマ流体を所定の領域内に閉じ込めると共に、前記シールド部材の内面で反射された紫外線を再びプラズマ流体に照射するように構成されていることを特徴とする間接型プラズマ処理装置。
2. 前記紫外線光源は放電ランプであることを特徴とする請求項１に記載の間接型プラズマ処理装置。
3. 前記放電ランプを前記電源から供給される電力によって点灯させることを特徴とする請求項２に記載の間接型プラズマ処理装置。
4. 前記紫外線光源は紫外線ＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載の間接型プラズマ処理装置。

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