JP2006313669A - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 品質が安定したプラズマ処理を行うことができる、プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】 ａ）電極対間１４に処理ガス８を供給する、第１のステップと、ｂ）電極１２，１３に電圧を印加して放電を発生させ、電極対間１４を通過する処理ガス８をプラズマ化させる、第２のステップと、ｃ）電極対間１４を通過してプラズマ化された処理ガス８のうち、電極対間１４に残留している気体６を置換した後の処理ガス８のみを被処理物２に接触させる、第３のステップとを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関し、特に略常圧でプラズマ処理を行う場合に好適なプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。

従来、大気圧近傍の圧力下で発生させたプラズマを被処理物に吹き付け、被処理物の表面を処理する常圧プラズマ処理方法が種々提案されている。

このような方法を特定のガス雰囲気下で行うには、外気が遮断された密閉容器内で処理を行う必要がある。これに対し、例えばグロー放電を利用することにより、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提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１５５３７０号公報

しかし、開放系、あるいは低気密系の常圧プロセスでは、周囲に酸素や窒素を含む空気があるため、プラズマ処理開始前には、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、電極対８０，９０の空間８４，９４には、周囲の空気を含む気体８７，９７が存在する。この状態からプラズマ処理を開始し、電極対８０，９０に電圧を印加して放電を発生させるとともに、図１（ｂ）及び図２（ｂ）において矢印８６，９６で示すように処理ガス８８，９８を電極対８０，９０の空間８４，９４に供給すると、しばらくの間、電極対８０，９０の開口８５，９５からは、処理ガス８８，９８により空間８４，９４から押し出された気体８７，９７や、この気体８７，９７を含む処理ガスが流れ出し、図１（ｂ）において矢印８３で示すように搬送装置８１により搬送された被処理部材８２や、図２（ｂ）に示すように電極対９０の開口９５に隣接して配置された被処理部材９１の穴内面９２に接触する。空気８７，９７は被処理部材８２，９１に対しては所望のプラズマ処理を行うことができないため、被処理部材８２、９１には、プラズマ処理されていない部分や、プラズマ処理が不十分な部分など、処理ムラが生じ、処理不良の発生の原因となる。

本発明は、かかる実情に鑑み、品質が安定したプラズマ処理を行うことができる、プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成したプラズマ処理方法を提供する。

プラズマ処理方法は、対向する電極に電圧を印加し、該電極の間の空間（以下、「電極対間」という。）で放電を発生させ、該電極対間を通過させてプラズマ化させた処理ガスを被処理物に接触させて該被処理物を処理するタイプの方法である。プラズマ処理方法は、第１ないし第３のステップを備える。前記第１のステップにおいて、前記電極対間に前記処理ガスを供給する。前記第２のステップにおいて、前記電極に電圧を印加して放電を発生させ、前記電極対間を通過する前記処理ガスをプラズマ化させる。前記第３のステップにおいて、前記電極対間を通過してプラズマ化された前記処理ガスのうち、前記電極対間に残留している気体を置換した後の前記処理ガスのみを前記被処理物に接触させる。

上記第１のステップにおいて、処理ガスは、プラズマ処理の目的に応じて選択すればよい。例えば、酸化処理には、窒素と酸素の混合ガスを用いる。還元処理には、窒素と水素を用いる。撥水化やエッチングには、フルオロカーボンを用いる。希釈ガスとして、窒素、アルゴン等の不活性ガスを用いてもよい。

上記第２のステップにおいて、電極に例えば交流電圧やパルス電圧を印加することにより放電を発生させる。放電の形態は、グロー放電が均一処理のために好ましいが、コロナ放電や誘電体バリア放電や沿面放電であってもよい。

上記第３のステップにおいて、放電を発生させた電極対間を通過する際にプラズマ化された処理ガス（現にプラズマ化している処理ガスであっても、プラズマを経て活性化した処理ガスであってもよい。）を被処理物に接触させることにより、放電よるプラズマ（活性種、イオンなど）を用いて被処理物の表面改質、アッシング、洗浄などのプラズマ処理を行う。

上記方法によれば、電極対間を処理ガスで置換した後にプラズマ化された処理ガスのみを被処理物に接触させ、電極対間に残留していた気体を含みプラズマ化が不十分な処理ガスが被処理物に接触することを防ぐことができる。したがって、十分にプラズマ化された処理ガスのみを被処理物に接触させることにより、プラズマ処理の品質の安定化を図ることができる。

好ましくは、前記電極対間に残留している気体等の気体が前記処理ガスで置換されたことを検出する、検出ステップを備える。前記３のステップにおいて、前記検出ステップにより、前記電極対間に残留している気体が前記処理ガスで置換されたことを検出した後に、前記電極対間を通過してプラズマ化された前記処理ガスを前記被処理物に接触させる。

上記方法によれば、電極対間の空間に残留していた空気が処理ガスで置換される時間を予測して予め定めた時間の経過にしたがって制御する場合などよりも、精度よく、かつ効率よく制御することができる。

好ましくは、前記検出ステップは、前記電極に電圧を印加したときに流れる電流の電流値を検出することにより、前記電極対間に残留している気体が前記処理ガスで置換されたことを検出する。

上記方法によれば、電極に電圧を印加しながら、電極対間における処理ガスの置換を検出することができる。電極対間から流出する気体のガス濃度を検出する場合や、電極対間の放電のスペクトルを分析したりする場合などよりも、簡単かつ容易に、電極対間における処理ガスの置換を検出することができる。

また、本発明は上記課題を解決するために、以下のように構成したプラズマ処理装置を提供する。

プラズマ処理装置は、ａ）対向する電極と、ｂ）前記電極に電圧を印加して、前記電極の間の空間（以下、「電極対間」という。）に放電を発生させる電源と、ｃ）前記電極対間に処理ガスを供給するガス供給部と、ｄ）前記電極対間を通過してプラズマ化された前記処理ガスのうち、前記電極対間に残留している気体を置換した後の前記処理ガスのみを前記被処理物に接触させるように、前記電源及び前記ガス供給部を制御する制御部とを備える。

上記構成において、電極に例えば交流電圧やパルス電圧を印加することにより放電を発生させる。放電の形態は、グロー放電が均一処理のために好ましいが、コロナ放電や誘電体バリア放電や沿面放電であってもよい。放電を発生させた電極対間を通過する際にプラズマ化された処理ガス（現にプラズマ化している処理ガスであっても、プラズマを経て活性化した処理ガスであってもよい。）を被処理物に接触させることにより、放電よるプラズマ（活性種、イオンなど）を用いて被処理物の表面改質、アッシング、洗浄などのプラズマ処理を行う。処理ガスは、プラズマ処理の目的に応じて選択すればよい。例えば、酸化処理には、窒素と酸素の混合ガスを用いる。還元処理には、窒素と水素を用いる。撥水化やエッチングには、フルオロカーボンを用いる。希釈ガスとして、窒素、アルゴン等の不活性ガスを用いてもよい。

上記構成によれば、電極対間を処理ガスで置換した後にプラズマ化された処理ガスのみを被処理物に接触させ、電極対間に残留していた気体を含みプラズマ化が不十分な処理ガスが被処理物に接触することを防ぐことができる。したがって、十分にプラズマ化された処理ガスのみを被処理物に接触させることにより、プラズマ処理の品質の安定化を図ることができる。

好ましくは、前記電極対間に残留している前記気体が前記処理ガスで置換されたことを検出するための検出部をさらに備える。前記制御部は、前記電極対間に残留している前記気体が前記処理ガスで置換されたことを前記検出部により検出した後に、前記電極対間を通過してプラズマ化された前記処理ガスを前記被処理物に接触させるように、前記電源及び前記ガス供給部を制御する。

上記構成によれば、電極対間の空間に残留していた空気等の気体が処理ガスで置換される時間を予測して予め定めた時間の経過にしたがって制御する場合などよりも、精度よく、かつ効率よく制御することができる。

好ましくは、前記検出部は、前記電源が前記電極に電圧を印加したときに流れる電流の電流値を検出する。前記制御部は、前記電源が前記電極に電圧を印加するときに前記電流検出部が検出する前記電流値の変化に基づいて、前記電極対間に残留している前記気体が前記処理ガスで置換されたか否かを判断する。

上記構成によれば、電極に電圧を印加しながら、電極対間における処理ガスの置換を検出することができる。電極対間から流出する気体のガス濃度を検出する場合や、電極対間の放電のスペクトルを分析したりする場合などよりも、簡単かつ容易に、電極対間における処理ガスの置換を検出することができる。

なお、本発明のプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置は、１Ｐａ以上、特に略常圧（大気圧近傍）の開放系、あるいは低気密系の場合に特に好適であるが、これに限るものではない。本発明において、略常圧とは、１．０１３×１０^４〜５０．６６３×１０^４Ｐａの範囲を言い、圧力調整の容易化や装置構成の簡略化を考慮すると、１．３３３×１０^４〜１０．６６４×１０^４Ｐａが好ましく、９．３３１×１０^４〜１０．３９７×１０^４Ｐａがより好ましい。

本発明のプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置は、品質が安定したプラズマ処理を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態として実施例について図３〜図７を参照しながら説明する。

（実施例１） 実施例１のプラズマ処理装置１０について、図３〜図６を参照しながら説明する。

図３の構成図に模式的に示すように、プラズマ処理装置１０は、間隔を設けて配置された一対の電極１２，１３と、電極１２，１３間に電圧を印加する電源１８と、電流値を検出する電流センサ１９と、搬送装置２０とを備える。

プラズマ処理装置１０は、１Ｐａ以上、特に略常圧（大気圧近傍）の開放系、あるいは低気密系に配置され、プラズマ処理を開始する前には、周囲の空気が装置内部に侵入し、電極１２，１３の間の空間１４（以下、「電極対間１４」という。）には、図３（ａ）に示したように、空気６が存在する。

電源１８は、電極１２，１３間に、例えば交流電圧やパルス電圧を印加することにより、放電を発生させる。放電の形態は、グロー放電が均一処理のために好ましいが、コロナ放電や誘電体バリア放電や沿面放電であってもよい。電極対間１４の一端１５からは、図３（ｂ）において矢印３８で示すように、後述するガス供給装置３２（図５参照）により処理ガス８が供給され、電極対間１４の他端の開口１６から、放電を発生させた電極対間１４を通過する際にプラズマ化された処理ガス８（プラズマ空間を通ることにより活性化された処理ガス８）が流れ出る。被処理部材２は、搬送装置２０によって矢印２２で示すように搬送され、処理ガス８が流れ出る開口１６に対向する領域を横断する。

プラズマ化された処理ガス８（現にプラズマ化している処理ガス８であっても、プラズマを経て活性化した処理ガス８であってもよい。）を、被処理部材２に接触させることにより、放電よるプラズマ（活性種、イオンなど）を用いて、被処理部材２の表面改質、アッシング、洗浄などのプラズマ処理を行う。処理ガス８は、プラズマ処理の目的に応じて選択すればよい。例えば、酸化処理には、窒素と酸素の混合ガスを用いる。還元処理には、窒素と水素を用いる。撥水化やエッチングには、フルオロカーボンを用いる。希釈ガスとして、窒素、アルゴン等の不活性ガスを用いてもよい。

図４のブロック図に示すように、プラズマ装置１０は、プラズマ装置１０全体の制御を統括する制御部３０に、電源１８と、電流センサ１９と、搬送装置２０と、処理ガス８を供給するガス供給装置３２とが接続されている。

電流センサ１９は、電源１８が電極１２，１３間に電圧を印加したときに流れる電流の電流値（放電電流値）を検出する。電流センサ１９により、電極対間１４に残留している空気６が処理ガス８で置換された程度を検出することができる。

例えば図５に示すように、電極対間１４に窒素ガスのみが存在する場合と、電極対間１４に空気６のみが存在する場合とでは、放電電流値の大きさが異なる。処理ガス８として窒素ガスを供給し、電極対間１４に残留している空気６を処理ガス８（窒素ガス）で置換していくと、例えば図６に示すように、放電電流値は時間の経過とともに変化し、やがて一定となる。したがって、放電電流値の大きさから、電極対間１４の空気６が処理ガス８で置換された程度を検出することができる。

なお、放電電流値以外の方法によっても、電極対間１４に残留している空気６が処理ガス８で置換された程度を検出することができる。例えば、開口１６付近に酸素濃度センサを配置すれば、酸素を含む空気６が処理ガス８で置換された程度を検出することができる。あるいは、電極対間１４での放電光を検出し、そのスペクトル解析から、ガス成分を分析してもよい。

次に、プラズマ処理装置１０の動作について説明する。

まず、ガス供給装置３２が作動して処理ガス８を電極対間１４に供給する。電極対間１４に処理ガス８がある程度供給されたタイミングで、電源１８は電極１２，１３間に電圧を印加することを開始し、このときに流れる電流の電流値（放電電流値）を電流センサ１９で検出する。制御部３０は、電流センサ１９で検出した放電電流値を監視する。

制御部３０は、電流センサ１９で検出した放電電流値により、電極対間１４に残留している空気６を処理ガス８で所定レベルまで置換したと判断したら、搬送装置２０による被処理部材２の搬送を開始させる。例えば、処理ガス８に窒素を用いる場合、図６に示したように放電電流値が時間とともに変化するので、放電電流値が所定のしきい値より小さくなったとき、あるいは、放電電流値の変化率が所定のしきい値より小さくなったとき、電極対間１４に残留している空気６を処理ガス８で所定レベルまで置換したと判断する。

制御部３０は、搬送装置２０で搬送された被処理部材２が、適切なタイミングで開口１６に対向する位置に到達するようにする。すなわち、図３（ｂ）に示すように、電極対間１４に残留している気体６を置換した処理ガス８が、電極対間１４の放電によってプラズマ化され、開口１６に対向する位置に到達した被処理部材２に接触するようにする。換言すれば、電極対間１４に残留していた気体６や、この気体６を含む処理ガス８が被処理部材２に接触しないように、処理ガス８の供給開始後しばらく時間が経過してから、被処理部材２が開口１６に対向する位置に到達するようにする。

このとき、電極対間１４に残留している気体６を所定レベルまで置換した処理ガス８がプラズマ化され、その処理ガス８の先頭が、丁度、開口１６に対向する位置に到達した被処理部材２に接触するように制御することによって、時間的な無駄をなくし、効率よくプラズマ処理を行うようにすることができる。

品質の安定化を考慮すれば、電極対間１４の空気６を処理ガス８で必要十分に置換するまで、処理ガス８が被処理部材２に接触しないようにする。被処理部材２に接触する処理ガス８は、電極対間１４の空気６を必要十分に置換した処理ガス８が、電極対間１４に発生させた放電によりプラズマ化されたもののみにする。

この場合、電極対間１４に残留している空気６が処理ガス８に置換したことを検知して制御する代わりに、電極対間１４の空気６が処理ガス８で必要十分に置換される時間を、供給する処理ガス８の量、電極間１３などの処理ガス８が流れる流路の容量、被処理部材２の搬送速度などから計算しておき、あるいは実験的に求めておき、プラズマ装置１０の各部が動作する経過時間を予め設定しておくことができる。これにより、処理ガス８の置換を検出するための電流センサ１９などが不要となり、装置構成を簡単にすることができる。

（実施例２） 実施例２のプラズマ処理装置１０ａについて、図７を参照しながら説明する。プラズマ処理装置１０ａは、実施例１と略同様に構成される。図７において、実施例１と同様の構成部分には同じ符号を用いている。

図７の構成図に模式的に示すように、プラズマ処理装置１０ａは、実施例１と略同様に、間隔を設けて配置された一対の電極１２，１３と、電極１２，１３間に電圧を印加する電源１８とを備える。プラズマ処理装置１０ａは、実施例１と同様に、１Ｐａ以上、特に略常圧（大気圧近傍）の開放系、あるいは低気密系に配置され、プラズマ処理を開始する前には、周囲の空気が装置内部に侵入し、電極対間１４に空気が存在する。

実施例１と異なり、被処理部材４は、電極対間１４の開口１６に被処理部材４の穴内面５が連通するように、電極１２，１３に隣接して配置される。

次に、実施例２のプラズマ処理装置１０ａの動作について説明する。プラズマ処理装置１０ａは、予め設定された経過時間に基づいて、動作する。

まず、プラズマ処理装置１０ａは、矢印３８で示すように、電極対間１４の一端１５から処理ガス８を供給し、電極対間１４に残留している空気を系から完全に除去し、空間１４から被処理部材４の電極１２、１３とは反対側の端部４ａまで、処理ガス８で置き換える。このとき、被処理部材４の穴内面５は、プラズマ化されていない処理ガス５に接している。

次いで、処理ガス８を供給しながら電極１２，１３間に電圧を印加する。これによって、プラズマ化された処理ガス８（現にプラズマ化している処理ガス８であっても、プラズマを経て活性化した処理ガス８であってもよい。）が被処理部材４の穴内面５に沿って流れ、被処理部材４の穴内面５に接触し、被処理部材４の穴内面５をプラズマ処理する。

被処理部材４の穴内面５は、処理ガス８で置換された後にプラズマ化された処理ガス８が流れるので、電極対間１４に残留していた空気を含みプラズマ化が不十分な処理ガスに接触することはない。したがって、被処理部材４の穴内面５に処理ムラが発生せず、プラズマ処理の品質が安定する。

（まとめ） 以上のように、プラズマ処理装置１０，１０ａは、電極対間１４などの処理ガス８が流れる系を処理ガス８で必要十分に置換することにより、これまで常圧プロセスでは防ぐことができなかった空気の混入による処理ムラを、解消することができる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。例えば、電極の形状は任意であり、電極の互いに対向する面が曲面であってもよい。電極の互いに対向する面を被覆する誘電体を備えてもよい。

プラズマ処理装置の構成図である。 プラズマ処理装置の構成図である。 プラズマ処理装置の構成図である。（実施例１） プラズマ処理装置のブロック図である。（実施例１） 放電電流値のグラフである。 放電電流値の変化を示すグラフである。 プラズマ処理装置の構成図である。（実施例２）

符号の説明

２，４ 被処理部材（被処理物）
６ 空気（気体）
８ 処理ガス
１０，１０ａ プラズマ処理装置
１２，１３ 電極
１４ 空間（電極対間）
１８ 電源
１９ 電流センサ（検出部）
２０ 搬送装置
３０ 制御部
３２ ガス供給装置（ガス供給部）

Claims (6)

1. 対向する電極に電圧を印加し、該電極の間の空間（以下、「電極対間」という。）で放電を発生させ、該電極対間を通過させてプラズマ化させた処理ガスを被処理物に接触させて該被処理物を処理する、プラズマ処理方法であって、
   前記電極対間に前記処理ガスを供給する、第１のステップと、
   前記電極に電圧を印加して放電を発生させ、前記電極対間を通過する前記処理ガスをプラズマ化させる、第２のステップと、
   前記電極対間を通過してプラズマ化された前記処理ガスのうち、前記電極対間に残留している気体を置換した後の前記処理ガスのみを前記被処理物に接触させる、第３のステップとを備えたことを特徴とする、プラズマ表面処理方法。
2. 前記電極対間に残留している気体が前記処理ガスで置換されたことを検出する、検出ステップを備え、
   前記３のステップにおいて、前記検出ステップにより、前記電極対間に残留している気体が前記処理ガスで置換されたことを検出した後に、前記電極対間を通過してプラズマ化された前記処理ガスを前記被処理物に接触させることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ処理方法。
3. 前記検出ステップは、前記電極に電圧を印加したときに流れる電流の電流値を検出することにより、前記電極対間に残留している気体が前記処理ガスで置換されたことを検出することを特徴とする、請求項２に記載のプラズマ表面処理方法。
4. 対向する電極と、
   前記電極に電圧を印加して、前記電極の間の空間（以下、「電極対間」という。）に放電を発生させる電源と、
   前記電極対間に処理ガスを供給するガス供給部と、
   前記電極対間を通過してプラズマ化された前記処理ガスのうち、前記電極対間に残留している気体を置換した後の前記処理ガスのみを前記被処理物に接触させるように、前記電源及び前記ガス供給部を制御する制御部とを備えたことを特徴とする、プラズマ表面処理装置。
5. 前記電極対間に残留している前記気体が前記処理ガスで置換されたことを検出するための検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記電極対間に残留している前記気体が前記処理ガスで置換されたことを前記検出部により検出した後に、前記電極対間を通過してプラズマ化された前記処理ガスを前記被処理物に接触させるように、前記電源及び前記ガス供給部を制御することを特徴とする、請求項４に記載のプラズマ表面処理装置。
6. 前記検出部は、前記電源が前記電極に電圧を印加したときに流れる電流の電流値を検出し、
   前記制御部は、
   前記電源が前記電極に電圧を印加するときに前記電流検出部が検出する前記電流値の変化に基づいて、前記電極対間に残留している前記気体が前記処理ガスで置換されたか否かを判断することを特徴とする、請求項５に記載のプラズマ表面処理装置。

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