JP2003166065A

JP2003166065A - 放電プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2003166065A
Application number: JP2001366607A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Ono; 毅之大野; Hironari Kitahata; 裕也北畠
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-06-13

Abstract

(57)【要約】【課題】被処理基材が大型化しても装置の大型化を最
小限に抑えることができ、プラズマ処理中に反応物粒子
による汚染を防止できる放電プラズマ処理装置の提供。【解決手段】少なくとも一方の電極対向面が固体誘電
体で被覆された一対の対向電極間に電界を印加し、前記
対向電極間に処理ガスを導入してグロー放電プラズマを
発生させる電極構造から、プラズマ発生空間外に配置さ
れた被処理基材にプラズマを吹き付けて処理を行う処理
装置であって、被処理基材を電極構造の上側に設置する
ことを特徴とする放電プラズマ処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放電プラズマ処理
装置に関し、特に、被処理基材を電極構造の上側に設置
して装置全体の大型化を抑えた放電プラズマ処理装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、低圧条件下でグロー放電プラ
ズマを発生させて被処理体の表面改質、又は被処理体上
に薄膜形成を行う方法が実用化されている。しかし、こ
れらの低圧条件下における処理装置は、真空チャンバ
ー、真空排気装置等が必要であり、表面処理装置は高価
なものとなり、大面積基板等を処理する際にはほとんど
用いられていなかった。このため、特開平６−２１４９
号公報、特開平７−８５９９７号公報等に記載されてい
るような大気圧近傍の圧力下で放電プラズマを発生させ
る常圧プラズマ処理装置が提案されてきている。

【０００３】しかしながら、常圧プラズマ処理方法にお
いても、固体誘電体等で被覆した平行平板型等の電極間
に被処理体を設置し、電極間に電圧を印加し、発生した
プラズマで被処理体を処理する装置では、被処理体全体
を放電空間に置くこととなり、被処理体にダメージを与
えることになりやすいという問題があった。

【０００４】このような問題を解決するものとして、被
処理体を放電空間中に配置するのではなく、その近傍に
配置し、放電空間から被処理体にプラズマを吹き付ける
リモート型の装置が提案されている。これらの装置にお
いては、例えば、図６に示すように対向する平行平板型
電極からなるリモート型の装置を用い、電極の下側に被
処理基材を設置し、被処理基材を搬送して処理する方法
が採られている。

【０００５】図６の方法においては、高圧電源１から電
極２、３に電界が印加され、ガス供給装置５から処理ガ
スを電極間に導入してプラズマ化し、ローラーコンベヤ
１１で搬送される電極の下側に位置する被処理基材１０
に吹き付けて処理し、処理後のガスはガス排気装置７で
回収される。このような装置を用いるリモート型の電極
装置は、電極部分が複雑な構造を有し、かなりの重量に
なるため、電極部分を上部につりあげるための支持体１
５及び架台１６からなる構造物が必要であり、被処理基
材が大型化すると、さらに該構造物の大型化が必要とな
るという問題があった。さらに、電極表面においては、
処理ガスのプラズマ化に伴い反応物粒子が電極表面に付
着し、処理中に基材の処理面に落下してその表面を汚染
することがあるという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題に
鑑み、被処理基材が大型化しても装置の大型化を最小限
に抑えることができ、プラズマ処理中に反応物粒子によ
る汚染を防止できる放電プラズマ処理装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決すべく鋭意研究した結果、グロー放電プラズマを発
生させる電極構造を下側に設置し、被処理基材を上側に
設置することにより、被処理基材が大型化しても装置の
大型化を最小限に抑えることができ、プラズマ処理中に
反応物粒子による汚染を防止できることを見出し、本発
明を完成させた。

【０００８】すなわち、本発明の第１の発明は、少なく
とも一方の電極対向面が固体誘電体で被覆された一対の
対向電極間に電界を印加し、前記対向電極間に処理ガス
を導入してグロー放電プラズマを発生させる電極構造か
ら、プラズマ発生空間外に配置された被処理基材にプラ
ズマを吹き付けて処理を行う処理装置であって、被処理
基材を電極構造の上側に設置することを特徴とする放電
プラズマ処理装置である。

【０００９】また、本発明の第２の発明は、電極構造を
固定し、被処理基材を搬送することを特徴とする第１の
発明に記載の放電プラズマ処理装置である。

【００１０】また、本発明の第３の発明は、被処理基材
を無接触搬送装置で搬送することを特徴とする第２の発
明に記載の放電プラズマ処理装置である。

【００１１】また、本発明の第４の発明は、被処理基材
を固定し、電極構造を搬送することを特徴とする第１の
発明に記載の放電プラズマ処理装置である。

【００１２】また、本発明の第５の発明は、被処理基材
を無接触搬送装置で固定することを特徴とする第４の発
明に記載の放電プラズマ処理装置である。

【００１３】また、本発明の第６の発明は、電極構造に
印加する電界が、パルス立ち上がり及び／又は立ち下が
り時間が１０μｓ以下、電界強度が１０〜１０００ｋＶ
／ｃｍのパルス電界であることを特徴とする第１〜５の
いずれかの発明に記載の放電プラズマ処理装置である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、対向する電極の少なく
とも一方の対向面を固体誘電体で被覆した一対の対向電
極間に電界を印加し、当該電極間に処理ガスを導入して
グロー放電プラズマを発生させる電極構造（以下、リモ
ートソースということがある。）から、放電空間外に配
置された被処理基材にプラズマを吹き付けて処理する放
電プラズマ処理装置において、被処理基材を上側に設置
し、リモートソースを下側に設置した放電プラズマ処理
装置である。以下に詳細に本発明を説明する。

【００１５】本発明の装置の一例を図で説明する。図１
は、リモートソースを架台１６に固定し、基材１０を搬
送架台１２上のローラーコンベア１１で搬送する装置の
例の模式的断面図である。図１の方法において、高圧電
源１から電極２、３に電界が印加され、ガス供給装置５
から処理ガスを電極間に導入してプラズマ化し、リモー
トソースの上側をローラーコンベヤ１１で搬送されるに
被処理基材１０に吹き付けて処理し、処理後のガスはガ
ス排気装置７で回収される。このような装置は、被処理
基材が大型化しても装置全体を特に大きくする必要はな
く、プラズマ処理中に反応物粒子の落下再付着を防止で
きる。

【００１６】図２は、リモートソースを架台１６に固定
し、被処理基材１０を搬送板２０に吸着部材２１で固定
し、搬送板２０を移動させる装置の例の模式的断面図で
ある。図２の方法において、高圧電源１から電極２、３
に電界が印加され、ガス供給装置５から処理ガスを電極
間に導入してプラズマ化し、リモートソースの上側を搬
送板２０で搬送される被処理基材１０に吹き付けて処理
し、処理後のガスはガス排気装置７で回収される。この
ような装置は、被処理基材が大型化しても装置全体を特
に大きくする必要はなく、被処理基材の固定、取り外し
が容易であり、プラズマ処理中に反応物粒子の落下再付
着を防止できる。

【００１７】図３は、リモートソースを架台１６に固定
し、被処理基材１０を無接触搬送装置２２に無接触で吸
引懸垂して保持させ、無接触搬送装置２２を移動させる
装置の例の模式的断面図である。図３の方法において、
高圧電源１から電極２、３に電界が印加され、ガス供給
装置５から処理ガスを電極間に導入してプラズマ化し、
リモートソースの上側を無接触搬送装置２２で搬送され
る被処理基材１０に吹き付けて処理し、処理後のガスは
ガス排気装置７で回収される。このような装置は、被処
理基材が大型化しても装置全体を特に大きくする必要は
なく、被処理基材の固定、取り外しが容易であり、プラ
ズマ処理中に反応物粒子の落下再付着を防止できる。な
お、無接触搬送装置は、エゼクタ機構とベルヌーイ機構
のもつ静圧の変化による吸引力と圧力室型エアクッショ
ン機構による反発力を利用して、空気を噴出することで
製品を無接触で吸引懸垂し、製品を傷つけたり、汚した
りすることなく搬送する装置で、ソーラーリサーチ研究
所より、フロートチャック（商標名）として市販されて
いる。

【００１８】図４は、被処理基材１０を固定し、リモー
トソースを走査する装置の例の模式的断面図である。図
４の方法において、高圧電源１から電極２、３に電界が
印加され、ガス供給装置５から処理ガスを電極間に導入
してプラズマ化し、プラズマガスを基材に吹き付けるリ
モートソースは、支柱１７間に設けられた駆動軸１８に
支持体１５を介して左右に自由稼働できるように設けら
れ、リモートソースの上側に吸着部材２１で固定台３０
に固定された被処理基材１０に、走査しながら吹き付け
て処理し、処理後のガスはガス排気装置７で回収され
る。このような装置は、被処理基材が大型化しても装置
全体を特に大きくする必要はなく、被処理基材の固定、
取り外しが容易であり、プラズマ処理中に反応物粒子の
落下再付着を防止できる。なお、固定台３０への固定
は、基材の固定、取り外しが容易にできる手段であれ
ば、特に限定されない。

【００１９】図５は、被処理基材１０を固定し、リモー
トソースを走査する装置の例の模式的断面図である。図
５の方法において、高圧電源１から電極２、３に電界が
印加され、ガス供給装置５から処理ガスを電極間に導入
してプラズマ化し、プラズマガスを基材に吹き付けるリ
モートソースは、支柱１７間に設けられた駆動軸１８に
支持体１５を介して左右に自由稼働できるように設けら
れ、リモートソースの上側に無接触搬送装置２２で固定
された被処理基材１０に、走査しながら吹き付けて処理
し、処理後のガスはガス排気装置７で回収される。この
ような装置は、被処理基材が大型化しても装置全体を特
に大きくする必要はなく、被処理基材の固定、取り外し
が容易であり、プラズマ処理中に反応物粒子の落下再付
着を防止できる。

【００２０】上記電極の材質としては、銅、アルミニウ
ム等の金属単体、ステンレス、真鍮等の合金、金属間化
合物等からなるものが挙げられる。電極の形状として
は、プラズマ放電が安定にできれば、特に限定されない
が、電界集中によるアーク放電の発生を避けるために、
対向電極間の距離が一定となる構造であることが好まし
く、より好ましくは電圧印加電極と接地電極間の間が平
行平坦部分を有する形状であり、特に好ましくは、両電
極が略平面形状であるのが好ましい。

【００２１】上記固体誘電体は、電極の対向面の一方又
は双方を被覆する。この際、固体誘電体と被覆される電
極は密着し、かつ、接する電極の対向面を完全に覆うよ
うにする。固体誘電体によって覆われずに電極同士が直
接対向する部位があると、そこからアーク放電が生じや
すい。

【００２２】上記固体誘電体の厚みは、０．０１〜４ｍ
ｍであることが好ましい。厚すぎると放電プラズマを発
生するのに高電圧を要することがあり、薄すぎると電圧
印加時に絶縁破壊が起こり、アーク放電が発生すること
がある。

【００２３】固体誘電体の材質としては、例えば、ポリ
テトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート
等のプラスチック、ガラス、二酸化珪素、酸化アルミニ
ウム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化
物、チタン酸バリウム等の複酸化物等が挙げられる。

【００２４】特に、２５℃環境下における比誘電率が１
０以上のものである固体誘電体を用いれば、低電圧で高
密度の放電プラズマを発生させることができ、処理効率
が向上する。比誘電率の上限は特に限定されるものでは
ないが、現実の材料では１８，５００程度のものが入手
可能であり、本発明に使用出来る。特に好ましくは比誘
電率が１０〜１００の固体誘電体である。上記比誘電率
が１０以上である固体誘電体の具体例としては、二酸化
ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化物、チタン酸
バリウム等の複酸化物を挙げることが出来る。

【００２５】上記電極間の距離は、固体誘電体の厚さ、
印加電圧の大きさ、プラズマを利用する目的等を考慮し
て適宜決定されるが、０．１〜５０ｍｍであることが好
ましく、より好ましくは０．１〜５ｍｍである。０．１
ｍｍ未満では、電極間の間隔を置いて設置するのに充分
でないことがあり、一方、５０ｍｍを超えると、均一な
放電プラズマを発生させにくい。

【００２６】本発明では、上記電極間に、高周波、パル
ス波、マイクロ波等による電界が印加され、プラズマを
発生させるが、パルス電界を印加することが好ましく、
特に、電界の立ち上がり及び／又は立ち下がり時間が、
１０μｓ以下である電界が好ましい。１０μｓを超える
と放電状態がアークに移行しやすく不安定なものとな
り、パルス電界による高密度プラズマ状態を保持しにく
くなる。また、立ち上がり時間及び立ち下がり時間が短
いほどプラズマ発生の際のガスの電離が効率よく行われ
るが、４０ｎｓ未満の立ち上がり時間のパルス電界を実
現することは、実際には困難である。より好ましくは５
０ｎｓ〜５μｓである。なお、ここでいう立ち上がり時
間とは、電圧（絶対値）が連続して増加する時間、立ち
下がり時間とは、電圧（絶対値）が連続して減少する時
間を指すものとする。

【００２７】上記パルス電界の電界強度は、１０〜１０
００ｋＶ／ｃｍとなるようにするのが好ましい。電界強
度が１０ｋＶ／ｃｍ未満であると処理に時間がかかりす
ぎ、１０００ｋＶ／ｃｍを超えるとアーク放電が発生し
やすくなる。

【００２８】上記パルス電界の周波数は、０．５ｋＨｚ
以上であることが好ましい。０．５ｋＨｚ未満であると
プラズマ密度が低いため処理に時間がかかりすぎる。上
限は特に限定されないが、常用されている１３．５６Ｍ
Ｈｚ、試験的に使用されている５００ＭＨｚといった高
周波帯でも構わない。負荷との整合のとり易さや取り扱
い性を考慮すると、５００ｋＨｚ以下が好ましい。この
ようなパルス電界を印加することにより、処理速度を大
きく向上させることができる。

【００２９】また、上記パルス電界におけるひとつのパ
ルス継続時間は、２００μｓ以下であることが好まし
い。２００μｓを超えるとアーク放電に移行しやすくな
る。ここで、ひとつのパルス継続時間とは、ＯＮ、ＯＦ
Ｆの繰り返しからなるパルス電界における、ひとつのパ
ルスの連続するＯＮ時間を言う。

【００３０】本発明の放電プラズマ処理装置は、どのよ
うな圧力下でも用いることができるが、大気圧近傍の圧
力下でグロー放電プラズマを発生させる常圧放電プラズ
マ処理に用いるとその効果を十分に発揮できる。常圧放
電プラズマ処理においては、低圧下の処理よりも高い電
圧を必要とするため、本発明の装置が特に有利である。

【００３１】上記大気圧近傍の圧力下とは、１．３３３
×１０⁴〜１０．６６４×１０⁴Ｐａの圧力下を指す。中
でも、圧力調整が容易で、装置が簡便になる９．３３１
×１０⁴〜１０．３９７×１０⁴Ｐａの範囲が好ましい。

【００３２】本発明で処理できる被処理基材としては、
ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカ
ーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラ
フルオロエチレン、ポリイミド、液晶ポリマー、エポキ
シ樹脂、アクリル樹脂等のプラスチック、ガラス、セラ
ミック、金属液晶ディスプレイ用ガラス等が挙げられ
る。基材の形状としては、板状、フィルム状等のものが
挙げられるが、特にこれらに限定されない。本発明の表
面処理方法によれば、様々な形状を有する基材の処理に
容易に対応することができる。

【００３３】本発明で用いる処理ガスとしては、電界を
印加することによってプラズマを発生するガスであれ
ば、特に限定されず、処理目的により種々のガスを使用
できる。

【００３４】上記処理用ガスとして、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、
ＣＣｌＦ₃、ＳＦ₆等のフッ素含有化合物ガスを用いるこ
とによって、撥水性表面を得ることができる。

【００３５】また、処理用ガスとして、Ｏ₂、Ｏ₃、水、
空気等の酸素元素含有化合物、Ｎ₂、ＮＨ₃等の窒素元素
含有化合物、ＳＯ₂、ＳＯ₃等の硫黄元素含有化合物を用
いて、基材表面にカルボニル基、水酸基、アミノ基等の
親水性官能基を形成させて表面エネルギーを高くし、親
水性表面を得ることができる。また、アクリル酸、メタ
クリル酸等の親水基を有する重合性モノマーを用いて親
水性重合膜を堆積することもできる。

【００３６】さらに、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｓｎ等の金属の金属
−水素化合物、金属−ハロゲン化合物、金属アルコラー
ト等の処理用ガスを用いて、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ
₂等の金属酸化物薄膜を形成させ、基材表面に電気的、
光学的機能を与えることができ、ハロゲン系ガスを用い
てエッチング処理、ダイシング処理を行ったり、酸素系
ガスを用いてレジスト処理や有機物汚染の除去を行った
り、アルゴン、窒素等の不活性ガスによるプラズマで表
面クリーニングや表面改質を行うこともできる。

【００３７】経済性及び安全性の観点から、上記処理ガ
スを以下に挙げるような希釈ガスによって希釈された雰
囲気中で処理を行うこともできる。希釈ガスとしては、
ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の希ガス、窒
素気体等が挙げられる。これらは単独でも２種以上を混
合して用いてもよい。希釈ガスの混合割合は、用途によ
って異なるが、例えば、親水性重合膜、金属酸化物薄膜
を形成する場合は、処理用ガスの割合が０．０１〜１０
体積％であることが好ましい。

【００３８】なお、本発明の装置によれば、プラズマ発
生空間中に存在する気体の種類を問わずグロー放電プラ
ズマを発生させることが可能である。公知の低圧条件下
におけるプラズマ処理はもちろん、特定のガス雰囲気下
の大気圧プラズマ処理においても、外気から遮断された
密閉容器内で処理を行うことが必須であったが、本発明
のグロー放電プラズマ処理装置を用いた方法によれば、
開放系、あるいは、気体の自由な流出を防ぐ程度の低気
密系での処理が可能となる。

【００３９】本発明のパルス電界を用いた大気圧放電処
理装置によると、全くガス種に依存せず、電極間におい
て直接大気圧下で放電を生じせしめることが可能であ
り、より単純化された電極構造、放電手順による大気圧
プラズマ装置、及び処理手法でかつ高速処理を実現する
ことができる。また、パルス周波数、電圧、電極間隔等
のパラメータにより処理に関するパラメータも調整でき
る。

【００４０】

【実施例】本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明
するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもので
はない。

【００４１】実施例１図４に示す装置を用い、放電プラズマ処理を行った。電
極２及び電極３として、長さ２５０ｍｍ×高さ５０ｍｍ
×厚み２０ｍｍのＳＵＳ製平行平板電極を用い、各電極
には固体誘電体としてアルミナを１ｍｍの厚さに溶射
し、２ｍｍの間隔をおいて設置したリモートソースを５
０ｍｍ／ｍｉｎで搬送するようにした。基材として、６
８０ｍｍ×８８０ｍｍ×０．７ｍｍ（厚さ）の液晶ディ
スプレイ用ガラスを吸着孔を有するプレートに固定し、
リモートソースの吹き出し口と基材の間隔を５ｍｍとし
た。処理ガスとして、テトラエトキシシラン０．１６体
積％、酸素１６体積％をアルゴンガスにより希釈した混
合ガスを用い、電極間にパルス立ち上がり速度５μｓ、
電圧２０ｋＶ_PP、周波数１０ｋＨｚのパルス電界を印加
した。基材上にＳｉＯ₂薄膜が反応物粒子の落下がなく
均一に形成された。

【００４２】

【発明の効果】本発明の放電プラズマ処理装置は、大面
積基板を用いても、装置的に大きくする必要がなく、被
処理基材表面に反応物粒子の再付着がなく、基材上に均
一な厚さの薄膜を形成することができる簡便な処理装置
であるので、高速処理及び大面積処理に対応可能でかつ
半導体製造工程で用いられる種々の方法を始めとして、
あらゆるプラズマ処理方法において、インライン化及び
高速化を実現するのに有効に用いることができる。これ
により、処理時間の短縮化、コスト低下が可能になり、
従来では不可能あるいは困難であった様々な用途への展
開が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の放電プラズマ処理装置の例を説明する
模式的装置図である。

【図２】本発明の放電プラズマ処理装置の例を説明する
模式的装置図である。

【図３】本発明の放電プラズマ処理装置の例を説明する
模式的装置図である。

【図４】本発明の放電プラズマ処理装置の例を説明する
模式的装置図である。

【図５】本発明の放電プラズマ処理装置の例を説明する
模式的装置図である。

【図６】従来の放電プラズマ処理装置の例を説明する模
式的装置図である。

【符号の説明】

１電源２、３電極４放電空間５処理ガス供給装置７ガス排気装置１０被処理基材１１ローラーコンベア１２搬送架台１５支持体１６架台１７支柱１８駆動軸２０搬送板２１吸着部材２２無接触搬送装置３０固定台

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方の電極対向面が固体誘電
体で被覆された一対の対向電極間に電界を印加し、前記
対向電極間に処理ガスを導入してグロー放電プラズマを
発生させる電極構造から、プラズマ発生空間外に配置さ
れた被処理基材にプラズマを吹き付けて処理を行う処理
装置であって、被処理基材を電極構造の上側に設置する
ことを特徴とする放電プラズマ処理装置。
【請求項２】電極構造を固定し、被処理基材を搬送す
ることを特徴とする請求項１に記載の放電プラズマ処理
装置。
【請求項３】被処理基材を無接触搬送装置で搬送する
ことを特徴とする請求項２に記載の放電プラズマ処理装
置。
【請求項４】被処理基材を固定し、電極構造を搬送す
ることを特徴とする請求項１に記載の放電プラズマ処理
装置。
【請求項５】被処理基材を無接触搬送装置で固定する
ことを特徴とする請求項４に記載の放電プラズマ処理装
置。
【請求項６】電極構造に印加する電界が、パルス立ち
上がり及び／又は立ち下がり時間が１０μｓ以下、電界
強度が１０〜１０００ｋＶ／ｃｍのパルス電界であるこ
とを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の放
電プラズマ処理装置。