JP5286553B2 - 高周波プラズマ処理装置及び高周波プラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、高周波プラズマを発生させてプラスチック容器に所定の処理を行う高周波プラズマ処理装置及び高周波プラズマ処理方法に関し、特に、高周波電極とアース電極との間の放電により原料ガスをプラズマ化し、プラスチック容器の内面に蒸着膜を形成する高周波プラズマ処理装置及び高周波プラズマ処理方法に関する。

ペットボトルに代表されるプラスチック容器の内面に、酸化珪素等の無機酸化物を主体とするガスバリア性薄膜を形成する装置として、高周波プラズマ処理装置が知られている。
この高周波プラズマ処理装置は、図５に示すように、基台１１の上に載置されたほぼ円筒形状の外部電極１２と、この外部電極１２の内側中空部分に立設されたパイプ状の内部電極１３とを備えている。この内部電極１３は、原料ガス供給管を兼ねている。

外部電極１２の内側中空部分では、プラスチック容器が倒立した状態で収容されるとともに、上部開口部が蓋部材１４により閉塞される。
内部電極１３（原料ガス供給管）には、複数の原料ガス吹出口が穿設されており、原料ガスをプラスチック容器内に供給する。
外部電極１２には、整合器（図示せず）を介して高周波電源１５が接続されている。一方、内部電極１３は、アースに接地されている。

このような構成を有する高周波プラズマ処理装置は、次のような動作を行う。
外部電極１２の内側中空部分（処理空間）に、プラスチック容器を、倒立した状態で収容する。この処理空間から空気を抜いて真空状態にする。内部電極１３を通して、プラスチック容器の内部に原料ガスを供給する。高周波電源１５から高周波電力を印加することで、外部電極１２と内部電極１３との間が放電し、原料ガスがプラズマ化して、プラスチック容器の内面に薄膜が形成される。

ところで、上述した高周波プラズマ処理装置においては、外部電極１２と内部電極１３との間にプラスチック容器が介在しているため、プラズマ放電しにくいか、あるいは、プラズマ放電が遅れるという問題があった。特に、小容量容器に対しては、電極間距離が小さくなるため、さらにプラズマ放電がしにくくなっていた。
この問題を解決する手法として、例えば、収容空間と排気手段とを連通する排気経路に、スパーク発生手段を設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これにより、プラズマの不着火を防止できる。
特開２００５−３２５３９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の高周波プラズマ処理装置においては、次のような問題があった。
例えば、新たにスパーク発生手段を設けることとしたため、これを設置するスペースが必要となっていた。
また、そのスパーク発生手段を新たに接続するため、装置構成が複雑となっていた。
さらに、スパーク発生手段などを新たに設けるため、部品数が増加し、設備コストが高くなっていた。

本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、装置の外部に新設装置用のスペースを確保する必要がなく、しかも簡易な構成で、プラズマ放電を確実に行わせることが可能な高周波プラズマ処理装置及び高周波プラズマ処理方法の提供を目的とする。

この目的を達成するため、本発明の高周波プラズマ処理装置は、プラスチック容器の内部又は外部の一方に高周波電極が、他方にアース電極が備えられた高周波プラズマ処理装置であって、高周波電極とアース電極との間に、プラスチック容器が介在しない対向部分を設け、対向部分に、開口部の形成された対向部形成部材を備えた構成としてある。

また、本発明の高周波プラズマ処理方法は、高周波電極とアース電極との間でプラズマを発生させて、プラスチック容器に所定の処理を行う高周波プラズマ処理方法であって、高周波電極とアース電極の一部を、プラスチック容器を介在させないで対向して配置し、この対向した部分に、開口部の形成された対向部形成部材を配置し、対向した部分で放電を開始させ、高周波電極と前記アース電極との間でプラズマを発生させる方法としてある。

本発明の高周波プラズマ処理装置及び高周波プラズマ処理方法によれば、高周波電極とアース電極の一部を、プラスチック容器を介在させないで対向させたことにより、それら電極間で放電が起こりやすくなる。
また、対向部分を設けるための部材を備えることにより、簡易な構成で、確実にプラズマ放電を行わせることができる。
さらに、対向部形成部材をプラスチック容器の口部近傍に備えることとしたため、特許文献１に記載のスパーク発生手段のように、高周波プラズマ処理装置の外部に新設装置用のスペースを設ける必要がない。

以下、本発明に係る高周波プラズマ処理装置及び高周波プラズマ処理方法の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。

［高周波プラズマ処理装置］
まず、本発明の高周波プラズマ処理装置の実施形態について、図１を参照して説明する。
同図は、本実施形態の高周波プラズマ処理装置の構成を示す全体断面図である。

同図に示すように、本実施形態の高周波プラズマ処理装置１０ａは、基台１１と、外部電極１２と、内部電極１３（原料ガス供給管）と、対向部形成部材２０とを備えている。
ここで、基台１１は、高周波プラズマ処理装置１０ａの基礎部分であって、中央部には、縦方向に大きく貫通孔が設けてある。この貫通孔には、対向部形成部材２０が配置されるとともに、その中心に内部電極１３が立設している。

外部電極１２は、ほぼ円筒形状に形成されており、内側面は、プラスチック容器の本体主要部よりやや大きめの相似形に形成されている。
この外部電極１２は、円筒形状の軸方向が垂直方向となるように基台１１の上に設置されている。この外部電極１２の内側中空部分は、処理空間を構成しており、プラスチック容器が倒立して収容される。また、上方開口部には、円盤状の蓋部材１４が載置される。
この外部電極１２には、整合器（図示せず）を介して高周波電源１５が接続されている。このため、外部電極１２は、高周波電極としての機能を有している。
なお、処理空間には、排気管を介して真空ポンプ等（いずれも図示せず）が接続されている。

内部電極１３は、外部電極１２の内側中空部分（プラスチック容器が収容されているときは、このプラスチック容器の内側）に立設したパイプ状部材である。この内部電極１３は、原料ガス供給管を兼ねており、内部電極（原料ガス供給管）の側面には、複数の原料ガス吹出口が穿設されており、ここから原料ガスがプラスチック容器の内部へ供給される。
なお、内部電極１３は、アースに接地されている。このため、内部電極１３は、アース電極としての機能を有している。

対向部形成部材２０は、図１〜図３に示すように、縦方向断面がほぼ凸字状に形成された部材であって、円筒部２１と、基部２２とを有している。
円筒部２１は、肉薄の筒状に形成されており、軸方向が垂直方向になるように立設している。この円筒部２１の内側中空部分には、この円筒部２１の軸方向に沿って内部電極１３が立設している。
円筒部２１の上方には、装着部２３が形成されている。装着部２３は、図１、図３に示すように、倒立したプラスチック容器の口部が装着（嵌合）される部分である。つまり、装着部２３は、プラスチック容器を支持する機能を有している。

また、装着部２３は、対向部形成部材２０の底部２４から所定の高さに位置している。つまり、装着された口部の端部と対向部形成部材２０の底部２４との間は、所定高さの空間が確保されている。
さらに、円筒部２１の側面には、一又は二以上の開口部２５が穿設されている。しかも、開口部２５は、装着部２３に隣接又は離間した位置（図１等においては、装着部２３の下方）に形成されている。
このように、対向部形成部材２０は、プラスチック容器の支持位置を高くして空間を確保するとともに、この空間に開口部２５を形成することで、外部電極１２と内部電極１３の一部にプラスチック容器や対向部形成部材２０の介在しない対向部分（図１の「Ｈ」で示した範囲）を設けている。

なお、本実施形態においては、開口部２５が四つ穿設されているが、四つに限るものではなく、任意の数だけ穿設させることができる。
また、開口部２５の形状は、図２、図３においては、円形としてあるが、円形に限るものではなく、例えば、方形、多角形、楕円形など、任意の形状とすることができる。
さらに、開口部２５の大きさ（径）は、本実施形態においては、直径５ｍｍ以上とするが、５ｍｍ以上に限るものではなく、任意の大きさとすることができる。

基部２２は、立設した円筒部２１の外周下方に沿って肉厚形成された部分である。
この基部２２の直径は、基台１１の内径（貫通孔の径）とほぼ同じになっている。このため、対向部形成部材２０は、基台１１の貫通孔に嵌合可能になっている。
また、基部２２の外周には、Ｏリング２７が環設されている。対向部形成部材２０を基台１１の貫通孔に配置したとき、Ｏリング２７の露出面は、基台１１の内側面（貫通孔の側面）に接触する。これにより、処理空間の気密性を保持できる。
なお、基台１１の貫通孔の径が小さい場合には、基部２２の肉厚を薄くするか、基部２２自体を省略することもできる。

［高周波プラズマ処理方法］
次に、本実施形態の高周波プラズマ処理装置の動作（高周波プラズマ処理方法）について、図１及び図２を参照して説明する。
外部電極１２の内側中空部分（処理空間）に、プラスチック容器が倒立して収容される。このプラスチック容器の口部が、対向部形成部材２０の装着部２３に装着される。そして、外部電極１２の上方開口に蓋部材１４が載置される。

ここで、プラスチック容器は、対向部形成部材２０の装着部２３よりも下方に進入できない。一方、装着部２３の下方には開口部２５が形成されている。このため、外部電極１２と内部電極１３とは、開口部２５が形成された空間において、プラスチック容器や対向部形成部材２０の介在なく対向する。

次いで、真空ポンプが起動して、処理空間から空気が抜かれる。これにより、処理空間内が真空状態になる。
続いて、原料ガスが、内部電極１３を介して、プラスチック容器の内部に供給される。
さらに、高周波電源１５から外部電極１２に高周波電力が印加される。これにより、外部電極１２と内部電極１３との間であって対向部形成部材２０の開口部２５が形成された空間において最初の放電が起こり、その後、外部電極１２と内部電極１３との間で放電する。そして、処理空間内でプラズマが発生して、プラスチック容器の内面に蒸着膜が形成される。

［放電試験］
次に、図１に示す高周波プラズマ処理装置（１０ａ）と、図５に示す高周波プラズマ処理装置（１００）とを用いて行った放電試験について、説明する。
装置１０ａは、対向部形成部材２０が備えられている（開口部２５は、円形で、直径は、５ｍｍ）。一方、装置１００は、対向部形成部材２０が備えられていない。
それら装置１０ａ、装置１００において、それぞれプラスチック容器を収容し、蓋部材を載置し、処理空間を真空状態にし、原料ガスを供給して、外部電極１２に高周波電力を印加した。

その結果、放電について、次のデータが得られた。
装置１０ａ ・・・ 放電回数９回／試技１０回
装置１００ ・・・ 放電回数０回／試技１０回

このように、装置１００では、回数を重ねてもまったく放電しなかったものの、装置１０ａでは、ほとんどの試技で放電がなされた。
このことから、対向部形成部材２０を備えて、外部電極１２と内部電極１３との対向部分を設けたことにより、放電しやすくなることが確認された。
また、装置１０ａを用いて形成された蒸着膜のバリア性能については、問題がないことが確認された。

以上説明したように、本実施形態の高周波プラズマ処理装置及び高周波プラズマ処理方法によれば、高周波電極とアース電極との一部にプラスチック容器の介在しない対向部分を設けたことで、それら電極間で放電しやすくなる。
また、対向部形成部材を備えることとしたため、簡易な構成で、プラズマ放電を確実に行わせることができる。これにより、酸素ガス、水蒸気、炭酸ガス等の透過を阻止するガスバリア性に優れたプラスチック容器を提供できる。

以上、本発明の高周波プラズマ処理装置及び高周波プラズマ処理方法の好ましい実施形態について説明したが、本発明に係る高周波プラズマ処理装置及び高周波プラズマ処理方法は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態では、対向部形成部材の形状を凸形状としたが、この形状に限るものではなく、例えば、円柱形、円錐形、截頭円錐形、その他任意の形状とすることができる。

また、上述した実施形態では、プラスチック容器の内面に薄膜を形成する内側蒸着用の高周波プラズマ処理装置について説明したが、内側蒸着用に限るものではなく、図４に示すように、外側蒸着用の高周波プラズマ処理装置１０ｂにも適用できる。
この外側蒸着用の高周波プラズマ処理装置１０ｂは、外部電極１２が接地され、内部電極１３が高周波電源１５に接続されている。この高周波プラズマ処理装置１０ｂを用いると、プラスチック容器の外側面に蒸着膜が形成される。

本発明は、高周波電極とアース電極との間の放電に関する発明であるため、それら各電極を用いた高周波プラズマ処理装置に利用可能である。

本発明の実施形態における高周波プラズマ処理装置の構成を示す正面断面図である。 対向部形成部材の構造を示す正面断面図である。 対向部形成部材の構造を示す上方斜視図である。 外側蒸着用の高周波プラズマ処理装置の構成を示す正面断面図である。 従前の高周波プラズマ処理装置の構成を示す正面断面図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ 高周波プラズマ処理装置
１１ 基台
１２ 外部電極
１３ 内部電極（原料ガス供給管）
１５ 高周波電源
２０ 対向部形成部材
２１ 円筒部
２３ 装着部
２５ 開口部
２６ 開口形成部

Claims (4)

1. プラスチック容器の内部又は外部の一方に高周波電極が、他方にアース電極が備えられた高周波プラズマ処理装置であって、
   前記高周波電極と前記アース電極との間に、前記プラスチック容器が介在しない対向部分を設け、
   前記対向部分に、開口部の形成された対向部形成部材を備えた
   ことを特徴とする高周波プラズマ処理装置。
2. 前記対向部形成部材が、前記プラスチック容器の口部が装着される装着部を有し、
   前記開口部が、前記装着部に隣接又は離間した位置に形成された
   ことを特徴とする請求項１記載の高周波プラズマ処理装置。
3. 前記装着部が、前記開口部よりも上方に位置し、
   倒立した状態のプラスチック容器の口部が、前記装着部に装着された
   ことを特徴とする請求項２記載の高周波プラズマ処理装置。
4. 高周波電極とアース電極との間でプラズマを発生させて、プラスチック容器に所定の処理を行う高周波プラズマ処理方法であって、
   前記高周波電極と前記アース電極の一部を、前記プラスチック容器を介在させないで対向して配置し、この対向した部分に、開口部の形成された対向部形成部材を配置し、前記対向した部分で放電を開始させ、前記高周波電極と前記アース電極との間でプラズマを発生させる
   ことを特徴とする高周波プラズマ処理方法。

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