JPH03241739A - 大気圧プラズマ反応方法 - 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】 （技術分野） この発明は、大気圧プラズマ反応方法に関するものであ
る。さらに詳しくは、この発明は、大気圧下の高安定性
グロー放電プラズマによる高効率の薄膜形成および／ま
たは表面改質のための改良された処理方法に関するもの
である。

（背景技術） 従来より、低圧グロー放電プラズマによる製膜法や表面
改質法が広く知られており、産業的にも様々な分野に応
用されてもいる。この低圧グロー放電プラズマによる表
面処理法としては、有機化合物気体のプラズマ化によっ
て薄膜形成および／または表面改質する、いわゆる有機
プラズマ方法があることも知られている。

たとえば、真空容器内において炭化水素ガスをプラズマ
励起して、シリコン基板、またはガラス基板上にアモル
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などがあ
る。

しかしながら、これらの従来より知られている低圧グロ
ー放電プラズマによる表面処理法は、いずれもｌＸｌ０
’〜Ｉ　Ｘ　１０−３Ｔｏｒｒ程度の真空下での反応と
なるため、この低圧条件形成の装置および設備が必要で
あり、また大面積基板の処理は難しく、しかも製造コス
トが高価なものとならざるを得ないという欠点があった
。

この発明の発明者らは、このような欠点を克服するため
に、希ガスと混合して導入したモノマー気体を大気圧下
にプラズマ励起させて基体表面を処理するプラズマ反応
法をすでに提案しており、その実施においては、優れた
特性と機能を有する表面を実現してもいる。しかしなが
ら、この方法によっても基体表面の処理には限界があり
、特に基体が金属または合金の場合においては、大気圧
下において、アーク放電が発生して処理が困難であると
いう問題があった。

そこで、この発明の発明者らは、すでに提案した反応方
法をさらに発展させて、基体が金属または合金の場合に
おいても、大気圧下において、反応活性が大きく、しか
も高安定性の反応ガスのプラズマを得ることのできる改
良された大気圧下のグロー放電プラズマによる反応方法
をここに完成した。

（発明の目的） この発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたもので
あり、上記した通りのこれまでの方法の問題点を解決し
、基体が金属または合金の場合においてもアーク放電を
生じず、大気圧下に高活性で高安定性のグロー放電プラ
ズマによる改良された処理方法を提供することを目的と
している。

（発明の開示） この発明は、上記の目的を実現するために、上部電極の
表面に固体誘電体を配設してなる誘電体被覆電極を有す
る反応容器内において、モノマー気体を導入し、大気圧
下にプラズマ励起させて基体表面を処理することを特徴
とする大気圧プラズマ反応方法を提供するものである。

この発明におけるプラズマ反応装置の一例を示したもの
が第１図である。

たとえばパイレックス製のペルジャー（１）からなる反
応容器内に高電圧を印加する上部電極（２）と下部電極
（３）とを有している。

この上部型＠（２）の表面には、ガラス、セラミックス
、プラスチック等の耐熱性の固体誘電体（４）を設けて
いる。下部電極（３）の上面には板状体等の形状の基体
（５）を設置する。

Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ等の希ガスもしくは他の不活性ガスと
モノマー気体とを混合した反応ガスは、反応ガス導入口
（６）より複数の開孔（７）を有する多孔管（８）に導
入し、開孔（７）より基体（５）に対して均一に反応ガ
スが拡散するようにしである。未反応気体、希ガス等は
、反応容器の排出口（９）より排出する。

下部電極（３）には、温度センサ（１０）および加熱し
−タ（１１）を配置し、かつアースしてもいる。また、
冷却装置を備えることもできる。

この例においては、ペルジャー（１）内の反応域は大気
圧に保たれている。

一般的には、大気圧下のグロー放電は容易に生じず、ま
た基体（５）が金属または合金の場合には、高電圧を印
加することによりアーク放電が発生して基体（５）の表
面処理は困難となる。しかしながら、この発明において
は、第１図に示したように上部電極（２）の表面に固体
誘電体（４）を配設することにより、基体（５）が金属
または合金であっても、大気圧下での安定なグロー放電
が可能となる。もちろん、基体（５）がセラミックス、
ガラス、プラスチック等においても、高安定性のグロー
放電を得ることができる。

反応ガスのプラズマ励起については、このグロー放電に
より反応ガスを励起し、高エネルギーのプラズマを形成
する。このプラズマの形成は、高電圧の印加により行う
が、この際に印加する電圧は、被処理表面の性状や表面
処理の時間に応じて決めることができる。安定したグロ
ー放電を得るためには放電電流を徐々に上昇させること
や、金属基体の場合には下部電極（３）とアースとの間
にコンデンサーを介在させること、パルス電源の一使用
などの適宜な手段を採用することができる。

反応ガスについては、特に制限はないが、使用する希ガ
スあるいは不活性ガスとしては、Ｈｅ。

Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２等の単体または混合物を適宜用いるこ
とができる。形成した薄膜に対するスパッタリングを最
小とするためには、質量の軽いＨｅを用いるのが好まし
い。また、混合して導入するモノマー気体は、エチレン
、プロピレン等の不飽和炭化水素、または、ＣＦ４，０
２Ｆ６゜ＣＨＦ　　またはＳＦ６等のハロゲン化炭化水
素や他の官能基を有するあるいは有しない炭化水素類等
の任意のものを用いることができる。希ガスもしくは不
活性ガスとモノマー気体との混合比は、これも特には限
定はないが、希ガスもしくは不活性ガス濃度を約６５％
以上、特に約９０％以上とするとこが好ましい。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。

使用するモノマー気体の種類と反応条件によってプラズ
マ重合膜、プラズマ改質膜、プラズマエツチング表面等
を得ることができる。

また、大気圧下において、より安定なプラズマを得るた
めに、第２図に示したように、上部電極（２）の下面に
複数の溝部（１２）を形成することが有効でもある。

溝部（１２）は、上部電極（２）の端部付近に集中しや
すいグロー放電を上部電極（２）の表面全体に均一に拡
散させるためのものであり、この溝部（１２）によって
、グロー放電の局在化を抑止し、均一に拡散した安定な
グロー放電が生じ、基体（５）に均一な膜厚の薄膜形成
、あるいは、均一な表面処理を行うことができる。この
溝部（１２）の形状は複数の穴溝でもよいし、同心円形
の円形溝でもよい。その他の適宜な形とすることができ
きる。また、その深さは限定的ではないが、１〜ｂ また、上部電極（２）は、第１図に示したような平板型
に限定されることはなく、基体（５）の性状、形状等に
応じて、均一な表面処理を行えるように、曲面型にする
こともできる。

反応ガスをプラズマ域に拡散供給する手段についても多
孔管（８）に限定せず、その他の適当な手段を選択する
ことも可能である。

なお、使用するモノマー気体によっては、反応促進用の
ハロゲン、酸素、水素などをさらに混入してもよい。

次に実施例を示し、さらに詳しくこの発明について説明
する。

実施例１ 電極直径３０１ｎＩｎ巾、電極間距離１０ｎ＋ｍの耐熱
性カプトン被覆電極用いた第１図の装置において、次の
条件によりエチレンモノマーからポリエチレン膜を形成
した。

（ａ）反応ガス流量 ＣＨ：　　３．６８ＣＣＨ ４ Ｈｅ　　　：　　４５００ＳＣＣＨ （ｂ）放電 大気圧、常温 ３０００Ｈｚ、　１．ＯＫＶ　。

１〜５ＩＩＩＡ（徐々に上昇させる） （Ｃ）基体 シリコン基板 シリコン基板に膜生成速度１００００〜２００００Ａ　
／ｈ「のポリエチレン膜を得た。透明で、付着強度も良
好であり、膜厚も均一であった。

また、この例においては、アーク放電を生ずることなく
、均一に拡散した高安定なグロー放電が発生し、高活性
、高安定性のプラズマを得ることができた。

実施例２ 実施例１と同様にして、次の条件でポリエチレンテレフ
タレート膜を処理し、その表面を疎水化しな。

（ａ）反応ガス流量 ＣＦ　　：　　２５ＳＣＣＨ Ｈｅ　　：　２１０ＳＣＣＨ （ｂ）放電 大気圧 ３０００Ｈｚ、　　３．５ＫＶ。

２〜８ｍＡ（徐々に上昇させる） 処理開始から５分後の接触角を測定した。接触角は、９
８．０°であった。未処理の場合の接触角は６４°であ
った。表面の疎水化が確認された。また、処理状態は均
一であった。

実施例３ 電導体グラファイト（ラッピング済み）を基体として、
実施例２と同様にして処理した。

（ａ）反応ガス流量 ＣＦ　　：　　９６８ＣＣＨ Ｈｅ　　：２２Ｏ３ＣＣＨ （ｂ）放電 大気圧 ３０００Ｈｚ、　　２．８ＫＶ。

３〜５ｍＡ（徐々に上昇させる） 処理開始から１５分後の接触角を測定した。接触角は、
１３１°であった。未処理の場合の接触角は６８°であ
った。表面の疎水化が確認された。

また、処理状態は均一であった。この例においても、実
施例１と同様にアーク放電を生ずることなく、均一に拡
散した高安定なグロー放電が発生し、高活性、高安定性
のプラズマを得ることができた。

もちろん、以上の例により、この発明は限定されるもの
ではない。反応容器の大きさおよび形状、電極の構造、
構成および形状、上部電極下面の溝部の形状およびその
数、反応ガス供給部の構造および構成等の細部について
は、様々な態様が可能であることはいうまでもない。

（発明の効果） 以上詳しく説明した通り、この発明によって、従来から
の低圧グロー放電プラズマ反応に比べて、真空系の形成
のための装置および設備が必要でなく、コスト低減を可
能とし、しかも大気圧下での１ 薄膜形成および／または表面処理を行うことができる。

また、装置の構造および構成が簡単であり、基体を下部
電極上面に直接設置することができるため、大面積基板
の処理も容易である。

さらに、基体の材質、形状、性状等を限定することなく
、薄膜形成および／または表面処理を行うことができ、
得られた薄膜の膜厚、表面状態も均一なものとすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明における反応装置の一例を示した断
面図である。 第２図は、この発明における反応装置の別の例を示した
断面図である。 １・・・ペルジャー ２・・・上部電極 ３・・・下部電極 ４・・・固体誘電体 ５・・・基　　　体 ６・・・反応ガス導入口 ア・・・開　　　孔 ２ ８・・・多孔管 ９・・・排　出　口 １０・・・温度センサ １１・・・加熱ヒータ １２・・・溝　　　部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）上部電極の表面に固体誘電体を配設してなる誘電
   体被覆電極を有する反応容器内において、モノマー気体
   を導入して大気圧下にプラズマ励起させて基体表面を処
   理することを特徴とする大気圧プラズマ反応方法。