JP2003168596A

JP2003168596A - 放電プラズマ電極及びそれを用いた放電プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2003168596A
Application number: JP2001364590A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Iwane; 和良岩根
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2003-06-13

Abstract

(57)【要約】【課題】電極内部に冷媒のための管路を設けず、効率
よく電極を外部から冷却できる機構を付与した放電プラ
ズマ電極及びそれを用いた放電プラズマ処理装置の提
供。【解決手段】電極放電面の裏面に金属製突起からなる
放冷フィンを備える、電極放電面の裏面に霧状冷媒を吹
き付ける等の冷却機構を有することを特徴とし、電極を
非常に薄くでき、軽量化した放電プラズマ電極及び該プ
ラズマ電極を一対の少なくと一方に用いた放電プラズマ
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、放電プラズマ電極
に関し、特に、放電面の裏面に冷却機構を有する放電プ
ラズマ電極及びそれを用いた放電プラズマ処理装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】通常、プラズマＣＶＤ法等においては、
電極間に電界を印加し発生する放電プラズマを用いて被
処理体の処理を行う場合、プラズマ処理と同時に、放電
中に発生する熱電子、熱プラズマ、抵抗加熱等により電
極の温度が急激に上昇し、アーク放電や不均一で不安定
な放電が発生し、プラズマ処理が均質に行われなくなる
危険性がある。そこで、従来から、電極内に管路を形成
し、冷媒を循環させ電極を冷却するようにして処理が行
われている。電極の内部に冷媒を通す管路を設けるため
には、その管路以上の厚みが電極自体に必要であり、そ
の結果、電極自体の重量が重くなり、取り扱い上、及び
製作上の作業工程が複雑になるという問題があった。更
に、設備費や材料的にコストが高くなるという問題も併
せもっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑み、電極内部に冷媒のための管路を設けず、効率よ
く電極を外部から冷却できる機構を付与した放電プラズ
マ電極及びそれを用いた放電プラズマ処理装置を提供す
ることを目的とする。

【０００４】

【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、電極裏面に冷却機構を設
けることにより、放電中に発生する熱電子、熱プラズ
マ、抵抗加熱などによって生じる電極の熱を効率よく冷
却でき、電極を非常に薄くできることを見出し、本発明
を完成させた。

【０００５】すなわち、本発明の第１の発明は、放電面
の裏面に冷却機構を有することを特徴とする放電プラズ
マ電極である。

【０００６】また、本発明の第２の発明は、冷却機構
が、冷却機構が、放電面の裏面に金属製の突起からなる
放冷フィンを設けて放熱面積を増やした機構であること
を特徴とする第１の発明に記載の放電プラズマ電極であ
る。

【０００７】また、本発明の第３の発明は、冷却機構
が、放電面の裏面に霧状冷媒を吹きかけて放熱する機構
であることを特徴とする第１の発明に記載の放電プラズ
マ電極である。

【０００８】また、本発明の第４の発明は、少なくとも
一方が固体誘電体で被覆された一対の電極間に電界を印
加し、電極間に処理ガスを導入して、発生するグロー放
電プラズマで被処理基材を処理する放電プラズマ処理装
置において、少なくとも電極の一方が第１〜３のいずれ
かの発明に記載の放電プラズマ電極であることを特徴と
する放電プラズマ処理装置である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の放電面の裏面に冷却機構
を有する放電プラズマ電極の構成を図で説明する。図１
は、本発明の放電プラズマ電極の冷却機構の一例を説明
する模式図である。図１においては、一対の電極２と電
極３の電極間に電源１より電界を印加し、電極２及び３
の間の放電空間４でプラズマを発生させる装置であっ
て、電極２及び電極３の裏面に複数枚の金属板状の突起
物からなる放冷フィン５を設置した冷却機構の構成から
なっている。上記一対の電極２及び３のうち、少なくと
も一方が裏面に放冷フィン５による冷却構造を有する電
極であればよいが、両電極とも裏面に放冷フィ５ンによ
る冷却構造を有する電極であるのが好ましい。放冷フィ
ン５の材質は、金属であれば特に限定されないが、好ま
しくはステンレス系、アルミニウム系、銅系の金属が好
ましく、電極と同じ材質であるのが特に好ましい。ま
た、設置する放冷フィン５の総表面積は、電極放電裏面
の総表面積の２〜１００倍が好ましく、より好ましくは
１０〜５０倍である。放冷フィン５の構成としては、電
極裏面に垂直に取り付けられるのが好ましいが、より放
熱効率を上げるために、取り付けに角度を設けても構わ
ない。更に、送風機と組み合わせると冷却効率が上が
り、より好ましい。

【００１０】図２は、本発明の放電プラズマ電極の冷却
機構の他の例を説明する模式図である。図２において
は、一対の電極２と電極３の電極間に電源１より電界を
印加し、電極２及び３の間の放電空間４にでプラズマを
発生させる装置であって、電極２及び電極３の裏面に霧
状冷媒８をノズル７から吹きかけ、放熱させる冷却機構
の構成からなっている。霧状冷媒８は、ノズル７により
発生させるのが好ましく、ノズルは、一般的な形状のも
のでよく、可動式であってもよく、その数や取り付け位
置などは、放電条件等により適宜選択できる。また、霧
状冷媒は、電極裏面から洩れない構造にする必要があ
り、図２に示すような容器６を設け、その中で循環機能
もしくは排出機能をもたせるようにしたものが好まし
い。更に循環機能をもたせる場合は、チラーなどを併せ
持たせるとより好ましい。冷媒の種類としては、水が好
ましく、絶縁油等の非導電性冷媒や不燃・難燃性冷媒で
あってもよい。

【００１１】なお、本発明のプラズマ電極の放電面の裏
面に設ける冷却機構としては、上記放冷フィン構造と霧
状冷媒吹きかけ構造とを組み合わせた冷却機構を用いる
こともできる。

【００１２】上記電極の材質としては、金属であれば特
に限定されないが、好ましくは、ステンレス鋼等の鉄系
材料、銅、アルミニウム等が挙げられる。電極の形状と
しては、特に限定されないが、冷却の容易さや電界集中
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平行平板型であることが好
ましい。

【００１３】本発明の放電プラズマ処理装置は、上記電
極裏面を外部から効率良く冷却する機構を有する電極か
らなる装置であり、少なくとも一方が固体誘電体で被覆
された一対の電極間に電界を印加し、電極間に処理ガス
を導入して、発生するグロー放電プラズマで被処理基材
を処理する放電プラズマ処理装置である。

【００１４】本発明の放電プラズマ処理装置における電
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い。０．１ｍ
ｍ未満では、電極間の間隔を置いて設置するのに充分で
ないことがある。５０ｍｍを超えると、均一な放電プラ
ズマを発生させにくい。

【００１５】電極の対向面の一方又は双方は、固体誘電
体で被覆されている必要がある。固体誘電体が電極に密
着し、かつ電極の対向面を完全に覆うようにすることが
好ましい。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。固体誘電体の厚みは、０．０１〜４ｍｍ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。

【００１６】固体誘電体の材質としては、例えば、シリ
コーンゴム、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、
及びこれらの複層化したもの等が挙げられる。また、安
定なプラズマ放電を得るためには、電極に被覆した固体
誘電体の表面が平滑であることが好ましく、算術平均粗
さＲａが１０μｍ以下とすることが好ましい。

【００１７】本発明の装置においては、上記電極間に
は、高周波、パルス波、マイクロ波等の電界が印加さ
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。１
０μｓ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５０ｎｓ〜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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】ここで、プラズマを被処理基材に接触させ
る手段としては、例えば、（１）対向する電極間で発生
するプラズマの放電空間内に被処理基材を配置して、被
処理基材にプラズマを接触させる方法、及び（２）対向
する電極間で発生させたプラズマを放電空間の外に配置
された被処理基材に向かって導くようにして接触させる
方法（リモート型）がある。

【００２２】上記（１）の具体的方法としては、固体誘
電体で被覆した平行平板型電極間に被処理基材を配置
し、プラズマと接触させる方法であって、多数の穴を有
する上部電極を用い、シャワー状プラズマで処理する方
法、一方の電極に吹き出し口ノズルを有する容器状固体
誘電体を設け、該ノズルからプラズマを他の電極上に配
置した被処理基材に吹き付ける方法等が挙げられる。

【００２３】また、上記（２）の具体的方法としては、
固体誘電体が延長されてプラズマ誘導ノズルを形成して
おり、放電空間の外に配置された被処理基材に向けて吹
き付ける方法等が挙げられ、平行平板型電極と長尺型ノ
ズル、同軸円筒型電極と円筒型ノズルの組み合わせを用
いることができる。なお、ノズル先端の材質は、必ずし
も上記の固体誘電体である必要がなく、上記電極と絶縁
がとれていれば金属等でもかまわない。

【００２４】本発明の装置で用いる被処理基材は、フィ
ルム状、シート状、枚葉状のいずれであってもよい。具
体的には、半導体用基材、例えば、銅張積層体、プリン
ト回路基材、ＴＡＢテープ、プリプレグ等が挙げられ
る。また、材質としては、ポリイミド、エポキシ樹脂、
ＢＴ樹脂、ＰＰＥ樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリオレ
フィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、液晶ポリマー系樹脂
等を挙げることができる。

【００２５】本発明の放電プラズマ処理装置における処
理圧力は、特に限定されないが、大気圧近傍の圧力下で
行うことができ、１．３３３×１０⁴〜１０．６６４×
１０⁴Ｐａの圧力下で行うのが好ましく、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の範囲で行うのが好ましい。

【００２６】上記処理においては、放電プラズマ発生空
間に存在する処理ガスの選択により任意の処理が可能で
ある。

【００２７】上記処理ガスとして、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ
ＣｌＦ₃、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。

【００２８】また、処理ガスとして、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。

【００２９】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。

【００３０】経済性及び安全性の観点から、上記処理用
ガス単独雰囲気よりも、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が好まし
い。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。

【００３１】

【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。

【００３２】実施例１図１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３として、幅５００ｍｍ×長さ５００ｍｍ×厚
み３ｍｍのアルミニウム金属製平行平板電極を用い、両
電極の裏面にアルミニウム製の放冷フィン（高さ５０×
幅５００ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を５０ｍｍの間隔で１０個
設けた。さらに、空冷ファンを用いて放熱を促進できる
ようにした。電極２及び３の電極対向面は、固体誘電体
としてアルミナを１．０ｍｍ厚に被覆した。被処理基材
として、厚み０．２μｍのポリイミドフィルムを電極間
に設置した。処理ガスとして乾燥空気を用い、電極間に
パルス立ち上がり速度５μｓ、電圧１５ｋＶ_P-P、周波
数１０ｋＨｚのパルス電界を印加し、基材フィルム表面
をグロー放電プラズマ処理を行った。その結果、放電状
態は、良好で、基材フィルム表面の均一な処理を連続２
時間行うことができた。また、電極温度は安定してお
り、１１０℃に保たれていた。従来の電極内部に冷媒管
路を設けた同じ大きさの電極は、厚みを２０ｍｍとする
必要があり、本発明の電極は、従来品と比較して重さを
１／５とすることができた。

【００３３】実施例２図２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３として、幅１０００ｍｍ×長さ１０００ｍｍ
×厚み５ｍｍのＳＵＳ４２０ＪＳ製平行平板電極を用
い、両電極の裏面にそれぞれ２基のノズルから霧水を吹
き付けた。なお、霧水が外部にもれないように、厚さ５
ｍｍのポリ塩化ビニル樹脂製の１２００ｍｍ×１２００
ｍｍ×５００ｍｍの容器を用い、その容器に電極部分を
くり抜き、接合部をシーラントで漏れ防止した囲い６を
設けた。電極２及び３の電極対向面は、固体誘電体とし
てアルミナを１．０ｍｍ厚に被覆した。被処理体とし
て、厚み０．１μｍのポリオレフィンフィルムを電極間
に設置した。処理ガスとしてアルゴンを用い、電極間に
パルス立ち上がり速度５μｓ、電圧５ｋＶ_P-P、周波数
５ｋＨｚのパルス電界を印加し、基材フィルム表面をグ
ロー放電プラズマ処理を行った。その結果、放電状態は
良好で、基材フィルム表面の均一な処理を連続１時間行
うことができた。また、電極温度は安定しており、７０
℃に保たれていた。なお、霧水を吹き付けない場合は、
電極の温度は１０分で１５０℃となった。

【００３４】

【発明の効果】本発明の放電プラズマ電極は、電極内に
冷媒管路を有さず、電極裏面を外部から冷却する機構を
備えているので、電極を非常に薄くでき、かつ電極自体
の重さを軽くできるので、取り扱い上作業を容易に行う
ことができる。さらに、本発明の電極を用いた放電プラ
ズマ処理装置は、被処理体を安定して、均一に処理でき
る装置である。また、本発明の装置は、大気圧下での実
施が可能であるので、容易にインライン化でき、本発明
の装置を用いる方法により処理工程全体の速度向上を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の放電プラズマ電極の冷却機構の一例を
説明する図である。

【図２】本発明の放電プラズマ電極の冷却機構の他の例
を説明する図である。

【符号の説明】

１電源２、３平行平板電極４放電空間５放熱フィン６囲い７ノズル８霧状冷媒

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電面の裏面に冷却機構を有することを
特徴とする放電プラズマ電極。
【請求項２】冷却機構が、放電面の裏面に金属製の突
起からなる放冷フィンを設けて放熱面積を増やした機構
であることを特徴とする請求項１に記載の放電プラズマ
電極。
【請求項３】冷却機構が、放電面の裏面に霧状冷媒を
吹きかけて放熱する機構であることを特徴とする請求項
１に記載の放電プラズマ電極。
【請求項４】少なくとも一方が固体誘電体で被覆され
た一対の電極間に電界を印加し、電極間に処理ガスを導
入して、発生するグロー放電プラズマで被処理基材を処
理する放電プラズマ処理装置において、少なくとも電極
の一方が請求項１〜３のいずれか１項に記載の放電プラ
ズマ電極であることを特徴とする放電プラズマ処理装
置。