JPH0649243A - プラズマ表面処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来不可能であった材料の表面改質が可能で
あり、しかもランニングコスト、設備費を低減すること
が可能なプラズマ表面処理装置を提供する。 【構成】 グロープラズマを発生させて処理対象物の表
面性状を改質するためのプラズマ表面処理装置の構成
を、誘電体層４を挟んで対向し、かつその一方が多孔状
をなす一対の電極１・２と、前記一方の電極に対向配置
された第３の電極３と、前記一対の電極間にプラズマ発
生用交流電圧を印加する交流電源装置１０と、前記一方
の電極２と前記第３の電極３との間の電位差を所定値に
規定する手段１１と、前記一方の電極の周囲にプラズマ
発生可能な気体を供給するガス供給装置１２・１３とを
有するものとし、前記一方の電極と前記第３の電極との
間に配置した処理対象物１７に表面処理を施すようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高分子材料あるいは金
属材料の表面性状を改質するためのプラズマ表面処理装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高分子材料あるいは金属材料の表面性状
を改質するための表面処理装置として、大気圧下でグロ
ープラズマを発生させる装置が知られている（特開平２
−１５１７１号公報参照）。この技術に於ては、図７に
示すように、所定の距離をおいて対向配置された一対の
電極４０・４１間に誘電体４２および処理対象物１７を
配置し、上部電極４０と下部電極４１との間に交流電源
４３からの交流電圧を印加すると共に、グロープラズマ
の発生が可能な雰囲気ガスを電極周囲に導入することに
より、誘電体４２と下部電極４１とに囲まれた領域４４
にグロープラズマを発生させるようになっている。

【０００３】この時、グロープラズマ中には、処理対象
物１７に向かって進行するイオン２１と、電気的に中性
な浮遊ラジカル２２とが存在しており、これらが処理対
象物１７に衝突することにより、イオン２１の運動エネ
ルギ及び励起原子の化学的エネルギが処理対象物に与え
られ、表面処理が実行される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、このような
従来技術によると、処理対象物１７の表面が弱い結合で
できている材質である場合には、イオン２１の衝突によ
る衝突エネルギによってこの結合が絶ち切られ、処理対
象物１７の表面が損傷を受けてしまうことがある。ま
た、プラズマ中に発生するイオン２１並びにラジカル２
２の両者の影響を処理対象物１７が同時に受けるが、こ
れらの影響を選択的に処理することができないため、例
えば一方の作用は有効であるが、他方の作用は有害な影
響を及ぼすような処理対象物には適用し得ないという不
都合がある。

【０００５】また、安定したグロープラズマ放電を維持
するためには、一対の電極４０・４１間の領域４４にア
セトン等の添加ガスを加えたアルゴンガス若しくはヘリ
ウムガス等の放電開始電圧が低い雰囲気ガスを供給する
必要があるため（特開平２−２９４３６号公報参照）、
ヘリウムガスを使用するとこれが高価なためにランニン
グコストが嵩みがちとなり、アルゴンガスを使用する場
合は添加ガスを供給するためのガス供給系が複雑化する
という欠点があった。

【０００６】更に、一対の電極４０・４１間に処理対象
物１７を配置する構成なので、処理対象物１７が両電極
４０・４１に接触する虞れが生じないようにするために
両電極４０・４１の間隔を広げざるを得ない。そのため
に放電領域が広くなってしまうので、グロープラズマ発
生可能なガスの種類が制限されてしまう。しかもより広
い範囲でガス雰囲気を高精度に保ち、かつ放電領域全体
で放電状態を安定に保とうとすると、ガスチャンバ等が
必要となるため、設備コストが高額になり、処理能力の
大型化が困難であった。

【０００７】本発明は、このような従来技術の不都合を
解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、処
理対象物の表面近傍のイオン−ラジカル濃度比を制御可
能なようにして従来不可能であった材料の表面改質が可
能なように改良されたプラズマ表面処理装置を提供する
ことにある。

【０００８】更に本発明の第２の目的は、ランニングコ
スト、設備費を低減することが可能なプラズマ表面処理
装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的は、本発
明によれば、グロープラズマを発生させて処理対象物の
表面性状を改質するためのプラズマ表面処理装置の構成
を、誘電体層を挟んで対向し、かつその一方が多孔状を
なす一対の電極と、前記一方の電極に対向配置された第
３の電極と、前記一対の電極間にプラズマ発生用交流電
圧を印加する交流電源装置と、前記一方の電極と前記第
３の電極との間の電位差を所定値に規定する手段と、前
記一方の電極の周囲にプラズマ発生可能な気体を供給す
るガス供給装置とを有し、前記一方の電極と前記第３の
電極との間に配置した処理対象物に表面処理を施すよう
にしてなるものとすることによって達成される。

【００１０】

【作用】この装置によれば、誘電体層を挟んだ一対の電
極間の特に多孔状電極周辺でグロープラズマが発生す
る。ここでグロープラズマ中に存在するイオンは多孔状
電極に吸収されるが、処理対象物を挟んで対向する多孔
状電極と第３の電極との間に電位差があると、多孔状電
極に吸収されなかったイオンが電位差の大きさに応じた
数および運動エネルギをもって処理対象物に衝突する。

【００１１】一方、プラズマ中に含まれる励起されたラ
ジカル原子は、電気的に中性なために多孔状電極周辺部
に広く存在し、多孔状電極と第３の電極との間の電位差
に無関係に処理対象物に到達する。従って、多孔状電極
と第３の電極との間の電位差を制御することにより、処
理対象物に到達するイオンの数および運動エネルギを制
御することができる。従って、イオンが有害な影響を及
ぼす処理対象物や、ある特定のイオン量あるいは衝突エ
ネルギでのみ処理が可能なような処理対象物に対して
も、プラズマによる表面改質処理が可能となる。

【００１２】更に、本装置によれば、グロープラズマ放
電は誘電体層を挟んだ一対の電極間で行われ、この間に
処理対象物が存在しないため、両電極と誘電体とを互い
に密着させることも可能である。従って、必要な放電領
域が非常に小さくなるため、放電可能なガスの種類が拡
大し、より安価なガスの使用が可能になる。これに加え
て、グロープラズマ放電は多孔状電極近傍のみに発生す
るため、雰囲気ガスの制御はこの近傍のみで行えば十分
であり、広い範囲での雰囲気ガス制御が不要となる。従
って、放電維持のためのガスチャンバ設備が不要とな
る。

【００１３】

【実施例】以下に添付の図面に示された具体的な実施例
に基づいて本発明の構成を詳細に説明する。

【００１４】図１は、本発明に基づくプラズマ表面処理
装置の基本構成を模式的に示している。第１の電極１と
第２の電極２は、誘電体４を挟んで対向し、第３の電極
３は、第２の電極２と所定の距離をおいて対向してい
る。これら各電極１・２・３は、金属などの良導体で形
成されている。なお、第１の電極１の放電面５は、平面
でも、溝加工あるいは微細な凹凸状の加工を施しても良
い。また第３の電極３は、第２の電極２との対向面を平
面とするのが一般的である。

【００１５】第２の電極２は、図２に示すように網目状
をなしているが、これも網目状に限らず、平行線状、あ
るいは多孔状など、ガスが透過し得る構造を有する電極
であれば良い。

【００１６】誘電体４は、絶縁性が高い素材であれば特
に限定する必要はないが、ガラス若しくはマイカ等が適
している。また、第１・第２両電極１・２間でのアーク
放電を防止する目的から、両電極１・２の外形寸法より
も大きなサイズとするのが好ましい。なお、第１の電極
１、第２の電極２、及び誘電体４は、図１に於ては密着
しているが、必ずしも密着している必要はない。

【００１７】第１の電極１並びに第２の電極２には、交
流電源１０が接続されており、両電極１・２間に交流電
圧が印加されるようになっている。また第２の電極２並
びに第３の電極３には、直流定電圧電源１１が接続され
ている。なお、この定電圧電源電源は、交流電源とする
こともできる。そして第２の電極２は接地されている。

【００１８】第２の電極２と第３の電極３間には、直流
定電圧電源１１の電圧に応じて一定の電位差が与えられ
る。この電圧値を制御することにより、第２の電極２の
周囲から第３の電極３へ到達するイオンの量並びに衝突
エネルギを制御することができる。

【００１９】第２の電極２の周囲には、大気圧下でのグ
ロープラズマ発生に不可欠なヘリウム、アルゴン、或い
は窒素などの雰囲気ガス１２と、添加ガス１３とが、表
面処理の目的に応じて適宜に選択されて供給される。こ
れらのガス１２・１３は、混合流量制御器１４にて流量
比を制御され、かつガス導入部１５を通じて第２の電極
２の近傍に導入される。

【００２０】処理内容が空気中との隔離を特に厳しく要
求される処理対象物に対しては、電極の周囲にチャンバ
１６を設置すると良い。チャンバを設けない場合であっ
ても、第２の電極２の近傍に供給するガス１２・１３の
量によってはグロー放電が可能である。

【００２１】処理対象物１７は、高分子材料、金属材料
等が供され、第２の電極２と第３の電極３との間に配置
される。なお、処理対象物１７が良導電性の金属材料ま
たは金属上に塗布または接着された高分子材料などの場
合には、この処理対象物１７を第３の電極３と代替して
使用することも可能であるが、原理的にはここで示す方
法と全く同様である。

【００２２】本発明装置に於ける第２の電極２と第３の
電極３とが同電位の場合の表面処理の様子を図３に示
す。なお、第２の電極２と第３の電極３とを同電位にす
る場合には、両電極を共に接地しても良い。第１の電極
１と第２の電極２との間に交流電源１０から印加される
交流電圧により、第２の電極２の周囲にグロープラズマ
２０が発生し、イオン２１とラジカル２２とが混在した
雰囲気となる。このうちイオン２１は、第２の電極２と
第３の電極３との間が同電位の場合には、殆どが第２の
電極２に吸収されるため、概ねラジカル２２のみが存在
する領域２３が第２の電極２の下面に生成される。従っ
て、この領域２３に接している処理対象物１７の表面で
はラジカル２２の持つ励起エネルギを吸収する一方であ
り、イオン２１の衝突によるエッチングは発生せず、イ
オンエッチング性の高い物質でも、エッチングされるこ
となく表面改質反応を起こさせることが可能である。

【００２３】直流定電圧電源１１の電圧を変化させた場
合の第２の電極２と第３の電極３との間の実効電流を計
測した結果を図４に示す。第２の電極２と第３の電極３
との間の電流は、この間を移動するイオン量に対応して
いるので、第２の電極２の周囲から第３の電極３へ到達
するイオン量が電圧の変化によって制御されていること
が分かる。

【００２４】尚、上記実験のための装置は、第１の電極
１および第３の電極３に放電面側が平面とされた直径５
０mm、厚さ１０mmのステンレス製の円板を、第２の電極
２に３mm格子のステンレス金網を切り出した直径５０mm
の円板を、誘電体４に厚さ２mmのガラス板をそれぞれ使
用し、第２の電極２と第３の電極３との間隔は３mmとし
た。そして交流電源１０として、１３．５６ＭＨｚ、５
００Ｗの出力を発生する装置を用い、直流定電圧電源１
１の出力を±１０Ｖの範囲で変化させた。また雰囲気ガ
ス１２としてヘリウムガスを１０ＳＣＭの割合で電極部
へ導入し、添加ガス１３は使用しないものとした。

【００２５】次にポリエステル塗料の表面性状の改質を
行った結果を図５に示す。本例に於ては、厚さ０．５mm
の鉄板のベースに塗布した塗料の表面耐汚染性の向上を
目的として実施した。ここで塗料の表面汚染性の評価
は、油性赤色マジックにて汚染を行い、２４時間後にエ
タノールで汚染を拭き取った後の残汚染の程度を４段階
評価する方法を採った。◎は残痕が全くない場合、×は
拭き取り前と同程度の残痕がある場合を表し、その間を
更に○及び△の２段階に分けて評価を行った。

【００２６】図１に示した本発明の装置構成の条件を以
下のように設定して処理を行った結果を曲線３０に示
す。

【００２７】第１の電極１に直径４０mm、厚さ８mmのス
テンレス製円板を、第３の電極３に４０mm×６０mm、厚
さ８mmのステンレス製平板を、第２の電極２に４０mm×
４０mm、２．５mm格子のステンレス製金網を、誘電体４
に５０mm×５０mm、厚さ２mmのガラス板をそれぞれ使用
し、第２の電極２と第３の電極３との間隔は３mmとし
た。そして交流電源１０として、４００ＫＨｚ、３００
Ｗの出力を発生する装置を用い、直流定電圧電源１１は
０Ｖに固定した。

【００２８】曲線３１は、図７に示した従来の装置構成
の条件を以下のように設定して処理を行った結果を示
す。

【００２９】上部電極４０に直径４０mm、厚さ８mmのス
テンレス製円板を、下部電極４１に４０mm×６０mm、厚
さ８mmのステンレス製平板を、誘電体４２に５０mm×５
０mm、厚さ２mmのガラス板をそれぞれ使用し、下部電極
４１と誘電体４２との間隔は３mmとした。交流電源４３
は、４００ＫＨｚ、３００Ｗの出力の装置を用いた。

【００３０】本発明装置にて処理を行った結果（曲線３
０）を見ると、処理時間と共に架橋重合反応が進行し、
耐汚染性が向上していることが明瞭に分かる。一方、従
来装置による処理結果（曲線３１）を見ると、エッチン
グ効果の影響によって表面汚損が起こり、架橋重合反応
などによって生ずるはずの改善効果は打ち消されてしま
い、処理時間の延長に伴って耐汚染性が低下することが
分かる。従って、本発明装置を用いれば、従来装置では
処理できなかったポリエステル塗料の耐汚染性向上処理
をもイオン量の制御によって行い得ることが分かる。

【００３１】図６の曲線３２は、本発明装置に於て、直
流定電圧電源１１の電圧を変化させた場合に上記した評
価方法による耐汚染性評価が×の状態になるまでに要し
た処理時間を示すものである。即ち、イオン２１の影響
によって表面がエッチングされる度合いを示している。
このことから、第２の電極２と第３の電極３との間の電
位差によってイオン２１の影響を制御することができ、
表面の損傷を抑制し得ることが分かる。従って、本発明
装置を用いれば、特に点線３３から左側の領域で処理を
行えば、表面の損傷を生ずることなく所望の処理効果が
発現するまでの任意の処理時間でプラズマ表面処理の実
行が可能となる。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１は、本発明装置並びに従来装置にて放
電可能なガスの一覧表である。放電可能であったものを
○、放電不可能であったものを×で示す。従来装置で
は、ヘリウム単体の雰囲気下では放電可能であるが、ア
ルゴン単体並びに窒素単体の雰囲気下での放電は不可能
であり、アルゴンについては、メタン並びにアセトンの
添加物を加えた場合にのみ放電が可能であった。

【００３４】これに対し、本発明装置では、アルゴン単
体並びに窒素単体の雰囲気下での放電も可能である。従
って、表面処理を行う際に従来装置ではメタン或いはア
セトンが悪影響を及ぼすような表面処理に対しては高価
なヘリウムガスを用いざるを得なかったが、本発明装置
によれば、安価なアルゴンガスや窒素ガスに、フッ素ガ
ス、アンモニア、酸素、および二酸化炭素などを添加し
て所望の表面処理を実施することが可能となるため、表
面処理実施時のランニングコストを大きく低減すること
ができる。

【００３５】

【発明の効果】このように本発明によれば、イオンの効
果を制御して励起原子の持つ化学的エネルギを選択的に
利用したプラズマ表面処理が可能なため、表面分子の結
合状態が弱く、エッチングされ易い材料の表面性状の改
質が可能となる。従って、プラズマ表面処理の適用範囲
が大幅に拡大する。また、ガスチャンバの簡素化、プラ
ズマ発生のためのガス費用の削減が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の全体構成を示す模式図。

【図２】第２の電極の平面図。

【図３】本発明装置による表面処理の様子を示す模式
図。

【図４】直流定電圧電源の電圧変化と第２・第３の電極
間の実行電流との関係線図。

【図５】処理時間と耐汚染性の評価との関係線図。

【図６】直流定電圧電源の電圧変化と耐汚染性評価が×
の状態になるまでに要した処理時間との関係線図。

【図７】従来装置の全体構成を示す模式図。

【符号の説明】

１ 第１の電極 ２ 第２の電極 ３ 第３の電極 ４ 誘電体 ５ 放電面 １０ 交流電源 １１ 直流定電圧電源 １２ 雰囲気ガス １３ 添加ガス １４ 混合流量制御器 １５ ガス導入部 １６ チャンバ １７ 処理対象物 ２０ グロープラズマ ２１ イオン ２２ ラジカル ２３ 領域 ３０・３１・３２ 曲線 ３３ 点線 ４０ 上部電極 ４１ 下部電極 ４２ 誘電体 ４３ 交流電源 ４４ 領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡崎 幸子 東京都杉並区高井戸東２−20−11 (72)発明者 小駒 益弘 埼玉県和光市下新倉843−15

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 グロープラズマを発生させて処理対象物
   の表面性状を改質するためのプラズマ表面処理装置であ
   って、 誘電体層を挟んで対向し、かつその一方が多孔状をなす
   一対の電極と、 前記一方の電極に対向配置された第３の電極と、 前記一対の電極間にプラズマ発生用交流電圧を印加する
   交流電源装置と、 前記一方の電極と前記第３の電極との間の電位差を所定
   値に規定する手段と、 前記一方の電極の周囲にプラズマ発生可能な気体を供給
   するガス供給装置とを有し、 前記一方の電極と前記第３の電極との間に配置した処理
   対象物に表面処理を施すようにしてなることを特徴とす
   るプラズマ表面処理装置。