JPH03219082A - 吹出型表面処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、大気圧下で有機及び無機化合物気体のプラ
ズマ化により薄膜を形成できる表面処理装置に係り、誘
電体を被覆した高圧電極と接地電極とを対向させ放電空
間を形成した放電部に反応ガスが圧送され、プラズマ励
起して放電部外に噴射して反応ガス種に応じた薄膜を形
成あるいは表面改質できる、インラインプロセス、フィ
ールド用表面処理を可能にした吹出型表面処理装置に関
する。

従来の技術 今日、ドライブレーティングとして、真空蒸着、イオン
ブレーティング、スパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成
長）等の手段があり、種々材料表面に用途や目的に応じ
た組成の薄膜が形成あるいは表面処理されている。

また、気体プラズマを利用して薄膜成長を行う技術とし
て、プラズマＣＶＤがあり、印加電界の周波数帯域によ
って反応が、容量結合型、誘導結合型、ＥＣＲ型などの
各放電プラズマによる成膜方法が多用されている。

これは有機及び無機化合物気体のプラズマ化による薄膜
形成方法である。例えば、真空容器内で炭化水素ガスを
プラズマ励起して、シリコン基板あるいはガラス基板表
面にアモルファス炭素膜を析出形成する方法や、エチレ
ンなどの不飽和炭化水素のプラズマ重合膜を形成する方
法である。

発明が解決しようとする課題 上述の各種薄膜形成方法及び放電プラズマによる成膜方
法や表面処理は、いずれも所要真空雰囲気下での反応で
あり、各方法に応じた真空装置や反応室設備が不可欠で
ある。

大型装置部品は所要の真空反応室に入れることができず
、あるいは複雑な形状をした装置部品などは成膜が困難
であるなどの問題があった。

また、真空雰囲気下での低圧放電プラズマにて、シート
材の如き面積の広い素材に所要の成膜を行うのは一般に
困難であり、さらに連続してシート材に成膜することが
できなかった。

従って、大気圧下で、例えば、鋼板、ベーパ、ガラス、
プラスチックス等シート材の表面処理、成膜を行うため
の所謂インラインプロセス用、フィールド用表面処理装
置が要望されていた。

この発明は、かかる現状に鑑み、気体プラズマを利用し
て大気圧下でシート材等の広範囲の平面に薄膜形成、表
面改質などの表面処理、複雑形状の表面処理が容易に実
施でき、また、小型で構成の簡単なインラインプロセス
用表面処理装置の提供を目的としている。

課題を解決するための手段 この発明は、上記の目的を実現するために、気体プラズ
マを利用して大気圧下で薄膜形成、表面改質できる方法
について種々検討した結果、誘電体を被覆した高圧電極
と接地電極とを対向させ放電空間を形成した放電部に反
応ガスを圧送し、プラズマ励起して放電部外に噴射して
反応ガス種に応じた薄膜を形成、あるいは基板の表面改
質ができることを知見し、この発明を完成したものであ
る。

すなわち、この発明は、 電極表面に誘電体を被着あるいは対向させた高圧電極と
接地電極間に形成される放電空間を単数または複数配置
された放電部を有し、 成膜種に応じたモノマー気体あるいは処理に応じたプラ
ズマ用気体と不活性ガスからなる反応ガスが、放電部上
流側のガス導入部から流入し、前記放電空間を通過して
放電部の下流側に設けた吹出口より、対向する被処理材
表面に噴出する構成からなり、 反応ガスが前記電極間に高電圧を印加して大気圧近傍で
グロー放電する放電空間を通過しプラズマ励起して、被
処理材表面に成膜あるいは表面改質することを特徴とす
る吹出型表面処理装置である。

作　　用 この発明による表面処理装置は、第３図に示す如く、 例えば、１０００晴上の商用周波数がらＲ，Ｆ、さらに
ＧＨｚレベルのマイクロ波までの高電圧電源、所要ガス
源から必要に応じて流量制御して混合し、あるいは個別
に搬送供給できる反応ガス供給装置、 反応ガスの導入部と被成膜材に対向させた気体プラズマ
ガス噴出部を有し、必要に応じて設ける排ガス回収部を
付設した放電部、 必要に応じて設ける排ガスの回収再生装置から構成され
る。

この発明において、放電部は、電極表面に誘電体を被着
あるいは対向させた高圧電極と接地電極間に形成される
放電空間を単数または複数配置された構成であれば、公
知のいずれの構成からなる放電装置にも適用できる。

例えば、実施例に示す如く、電極形状は平行対向、円周
対向等、等間隔対向であればよく、誘電体材料にはセラ
ミックス、ホーロー、ガラス、雲母等が利用でき、放電
空間ギャップは ０．５ｍｍ〜１５ｍｍが望ましく、ガス量増大には、対
向電極の積層により対処してもよい。

電極に誘電体を被着するには、個別組立、容易、同時焼
成などの手段が採用できる。また、放電による誘電体及
び電極の磨耗、イオン、分子の流出を防止するための耐
摩耗性膜も、成膜種に応じて選定したモノマー気体と不
活性ガスからなる反応ガスを導入し、例えば、１５００
Ｖ〜１０ｋＶの交流電圧を印加し、放電させることによ
り、大気圧近傍で容易に誘電体及び電極に成膜できる。

また、この発明において、大気圧近傍とは、大気圧下、
弱減圧下、あるいは加圧下の雰囲気であり、グロー放電
可能な雰囲気をいい、例えば、４００Ｔｏｒｒ前後の弱
減圧下でも成膜でき、また散気圧下でも成膜できる。

この発明において、不活性ガスには、Ｈｅ、Ｎｅ、　Ａ
ｒ等の単体または混合物を適宜用いることができるが、
大気圧近傍で安定したグロー放電を維持するためには、
Ｈｅを主とした希ガスを希釈気体として用いるのが好ま
しい。

また、不活性ガスに混合して導入するモノマー気体は、
被成膜素材の要求される成膜種に応じて選定されるが、
例えば、５ｉ０２を成膜する場合　モノシランＳｉＨ４
、ジシランＳｉ２Ｈ６、四塩化珪素５ｉＣ１４、酸素０
２など、ＳｉＮｘの場合、モノシランＳｉＨ４、ジシラ
ンＳｉ２Ｈ６、四塩化珪素５ｉＣ１４、窒素Ｎ２、水素
Ｈ２、アンモニアＮＨ３などを用いることができる。

他に、有機化合物の成膜として、ポリエチレン成膜の場
合は、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ６等のエチレン系炭化水素、Ｐ
ＴＦＥ成膜の場合は、０２Ｆ４．０３Ｆ６等のフッソ化
エチレン系化合物あるいはＣＦ３　＋　Ｈ２、Ｃ３Ｆ３
　＋　Ｈ２などのメタン系と水素との混合物などを用い
ることができる。なかでもＣ２Ｆ４を使用した成膜は低
圧法に比べて極めて高速の成膜が可能となった。

さらに、不活性ガスにプラズマ用気体を混合して導入す
ることにより、基板の表面改質を行うことができる。例
えば、グラファイト、ポリイミドからなる基板に、フロ
リンを含むガス（例えばＣＦ４　＋Ｈｅ）を用いてプラ
ズマ処理を行うと、ＰＴＦＥと同様に撥水性を有する表
面に表面改質を行うことができる。他に、ポリエチレン
スルフォンのプラスチック表面に酸素のプラズマ処理を
行うと表面に濡れ性を付与できる。

モノマー気体あるいはプラズマ用気体と不活性ガスとの
混合比は、大気圧近傍で安定したグロー放電を維持でき
る範囲で任意であるが、不活性ガス濃度を約６５％以上
、特に約９０％以上とすることが好ましい。また、導入
する反応ガスは、複数種の気体を用いることもできる。

さらに、ガス種に応じて搬送ラインを混合用単管、ある
いはガス同志が常温で反応する場合には個別用の複数管
とする必要がある。

−船釣には、大気圧下のグロー放電は容易に生じないが
、この発明では、放電部において、例えば高圧電極を被
包する如くガラス誘電体を被着してあり、かつ前記不活
性ガスを導入しているため、大気圧下及びその近傍雰囲
気での安定なグロー放電が可能となる。

反応ガスのプラズマ励起については、このグロー放電に
より、希釈ガスとしての不活性ガスを励起し、高エネル
ギー励起状態のプラズマを形成する。さらに、反応ガス
がプラズマ中で解離イオン化されて化学反応を起こし、
固体表面で生成物を析出する。

このプラズマの形成は、高電圧の印加により行うが、印
加する交流電圧は、誘電体上に交番電圧を誘起させるた
めであり、数十ＨｚからＧＨｚレベルの高周波電圧を用
いることができ、セラミックス保護膜種類、被処理表面
の性状や表面処理の時間に応じて適宜選定でき、また、
放電空間、モノマー気体あるいはプラズマ用気体と不活
性ガスによって、適宜選定されるが、１〜１０ｋＶ、商
用周波数〜３０ＧＨｚ、１０Ｗ〜数ｋＷの範囲が好まし
い。

また、この発明による表面処理において、反応ガスを替
えて複数回成膜を行うことにより、多層膜を形成するこ
とができる。さらに、成膜の密着度を高めるため、被成
膜表面を加熱することもでき、加熱温度は２００〜８０
０℃が好ましい。

図面に基づ〈発明の開示 第１図ａ、ｂはこの発明による表面処理装置の一実施例
を示す斜視説明図、第２図ａ、ｂは他の実施例を示す縦
断説明面図、第４図は他の実施例を示す斜視説明図であ
り、ここでは第１図ａ、ｂ及び第４図はトーチ型成膜装
置、第２図ａ、ｂは直線吹き出し型成膜装置にそれぞれ
構成した例を説明する。

傳屋Ｊ トーチ型成膜装置（１）は、円筒状の放電部（２）にガ
ス導入管（７）を同軸配置してあり、放電部（２）は、
高圧電極（３）を中心に接地電極（４）を円筒状に対向
配置して電極間に放電空間（６）を設け、各電極には誘
電体（５）を被覆しである。

ガス導入管（７）は、常温で相互に反応するＡガスとＢ
ガスを個別に供給できるよう二重管構造の一端を放電部
（２）に接続し、他端にガス供給管（８Ｘ９）を接続し
てあり、放電空間（６）で混合され所要の反応ガスとな
る。

この大気圧に保たれている放電空間（６）内に、不活性
ガスとモノマー気体類を圧送し混合して反応ガスとなし
たのち、高圧電極（３）と接地電極（４）間に所要の電
圧を印加することにより、グロー放電し反応ガスのプラ
ズマ励起が発生して、気体プラズマとなって放電部（２
）先端より噴出する。

この放電部（２）の噴出先端に被成膜材を対向させるこ
とにより、該表面に反応ガス種類に応じた薄膜を成膜す
ることができる。

構成２ 直線吹き出し型成膜装置（１０）は、箱状の放電部（１
１）の閉塞上部一端に二重管構造のガス供給管（１５）
を、上部他端に排気管（１８）を接続し、開放下端側に
、細板状の電極平面にガラス等の誘電体を積層した一対
の高圧電極（１２）及び接地電極（１３）を、図示しな
い絶縁材セパレータを介して複数対向配置して放電空間
（１４）を形成している。

放電部（１１）内は、ガス供給管（１５）からのＡガス
とＢガスを個別に供給できるようＡガス用ダクト（１６
）及びＢガス用ダクト（１７）の二重ダクト構成となり
、放電空間（１４）で混合され所要の反応ガスとなる。

この大気圧に保たれている放電空間（１４）内に反応ガ
スが導入され、高圧電極（１２）と接地電極（１３）間
に所要の電圧を印加することにより、グロー放電し反応
ガスのプラズマ励起が発生して、高圧電極（１２）と接
地電極（１３）に対向させて配置したシート材（２０）
表面に反応ガス種類に応じた薄膜を成膜することができ
る。

また、放電空間（１４）より噴出した反応後の排ガスは
、放電部（１１）開放下端に設けたスカー）　（１９）
で反転し放電部（１１）内壁とＢガス用ダクト（１７）
間を上昇し、放電部（１１）上部端の排気管（１８）よ
り導出されて、回収、不活性ガスが再生される。

摂屋Ｊ 第４図に示す吹き出し型成膜装置（３０）は、第１図ａ
、ｂの例と同様構成のトーチ型成膜装置（３１）をシー
ト材（２０）の幅に応じて所要数を直線的に配列して、
ＡガスとＢガスを個別に供給できる二重管構成のガス供
給管（３２）に接続してあり、さらにこれら複数のトー
チ型成膜装置（３１）とガス供給管（３２）を覆いシー
ト材（２０）表面にスカート（３３）が接触するように
配置した箱型の排ガスダクト（３４）が付設され、各ト
ーチ型成膜装置（３１）からシート材（２０）表面に噴
射されて反応した後の排ガスが回収される構成からなる
。

この吹き出し型成膜装置（３０）のシート材（２０）に
対する成膜あるいは表面改質作用は上述のトーチ型成膜
装置（１）及び直線吹き出し型成膜装置（１０）と同様
である。

実施例 実瀕連Ｕ 高圧電極、設置電極に石英誘電体を被着した第２図ａ、
ｂの成膜装置において、次の条件により、シリコンウェ
ーハ表面にＳｉＮｘ膜を形成した。

■反応ガス 成分　Ｈｅ　　５ｉＣ１４Ｎ２　　Ｈ２流量　Ｈｅ　　
　　５０００ｃｍ　／ｍｉｎ■放電 大気圧、常温 １３．７５ＭＨｚ（ＲＦ） ２００Ｗ。

■誘電体 石英板 この発明による成膜装置により、成膜速度５四辺「のＳ
ｉＮｘ膜を得た。被着強度も良好であり、膜厚も均一で
あった。

実扇！徨 高圧電極、設置電極にホーロー誘電体を被着した第４図
の成膜装置において、次の条件により、合成樹脂表面に
ＰＴＦＥ膜を形成した。

■反応ガス 成分Ｈｅ−ＴＦＥ（テトラフルオロエチレン）流量　Ｈ
ｅ　　　　４５００ｃｍ　／ｒｍｎＴＦＥ　　４ｃｍ３
／ｍｉｎ ■放電 大気圧、常温 ２００ｋＨｚ　　１００Ｗ。

■誘電体 カプトン（ポリイミドフィルム） この発明による成膜装置により、成膜速度１０いｍｌ計
のＰＴＦＥ膜を得た。被着強度も良好であり、膜厚も均
一であった。

去瀕饋坦 高圧電極、設置電極にホーロー誘電体を被着して作成し
た外径７ｍｍからなる第１図ａ、ｂと同様構成からなる
トーチ型成膜装置を用い、第５図に示す如く、トーチ型
成膜装置（４０）外周部に摺動スペーサー（４１）を介
して、原子力用熱交換器または半導体製造装置用ガスキ
ャリアに用いる内径９ｍｍの細管（４２）内を移動可能
にし、実施例１と同様の反応ガス、放電条件により、細
管（４２）を移動させながら細管内表面にＳｉＮｘ膜を
形成した。

この発明による成膜装置により、成膜速度５ｐｍ／ｈｒ
（７）ＳｉＮ工膜を得た。被着強度も良好であり、膜厚
も均一であった。

発明の効果 この発明による表面処理装置は、被処理材が電極上に設
置される必要がないため、構成が簡単で鋼板、ベーパ、
ガラス、プラスチックス等のシート表面に、あるいは複
雑形状への薄膜形成および表面改質等の表面処理が可能
で、大気圧下で薄膜形成できるため、生産プロセスのイ
ンラインへ組み込むことができ、また、実施場所を選ば
ない利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、ｂはこの発明による表面処理装置の一実施例
を示す斜視説明図、第２図ａ、ｂは他の実施例を示す縦
断説明面図、第４図は他の実施例を示す斜視説明図であ
る。 第３図はこの発明による表面処理装置の付帯設備を示す
ブロック図である。 第５図はこの発明による表面処理装置の適用例を示す縦
断説明面図である。 １．３１・・・トーチ型成膜装置、２，１１・・・放電
部、３．１２・・・高圧電極、４，１３・・・接地電極
、５・・・誘電体、６．１４・・・放電空間、７・・・
ガス導入管、８．９，１５，３２・・・ガス供給管、１
０・・・直線吹き出し型成膜装置、 １６・・・Ａガス用ダクト、１７・・・Ｂガス用ダクト
、１９．３３・・・スカート、２０・・・シート材、３
０・・・成膜装置、３４・・・排ガスダクト、４１・・
・摺動スペーサー、４２・・・細管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電極表面に誘電体を被着あるいは対向させた高圧電極と
   接地電極間に形成される筒状放電空間を単数または複数
   配置された筒状放電部を有し、成膜種に応じたモノマー
   気体あるいは処理に応じたプラズマ用気体と不活性ガス
   からなる反応ガスが、筒状放電部上流側のガス導入部か
   ら流入し、前記筒状放電空間を通過して放電部の下流側
   に設けた吹出口より、対向する被処理材表面に噴出する
   構成からなり、 反応ガスが前記電極間に高電圧を印加して大気圧近傍で
   グロー放電あるいは無声放電する筒状放電空間を通過し
   プラズマ励起して、被処理材表面に成膜あるいは表面改
   質することを特徴とする吹出型表面処理装置。