JP2004103251A

JP2004103251A - 放電プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2004103251A
Application number: JP2002259114A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Sano; 佐野　健三
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】対向電極の下側の電極であるロール電極を搬送ローラとして兼用することにより、被処理基材の放電空間でのたわみを防止し、かつ、安定な放電の維持を可能とする。
【解決手段】下部側のロール電極３を被処理基材１０を搬送する搬送ローラとして兼用している。すなわち、対向電極２，３の上流側と下流側には、それぞれ搬送ローラ１１，１１・・・が配置されており、これら搬送ローラ１１，１１・・・は、対向電極２，３と同方向（矢印Ａ方向）に回転するようになっている。また、ロール電極３の回転と搬送ローラ１１，１１・・・の回転とは同期が取られており、かつ、周速が同じになるように回転制御される。さらに、ロール電極３の外周面の高さと搬送ローラ１１，１１・・・の外周面の高さとは、被処理基材１０の搬送ラインＬ１に一致するように配置されている。
【選択図】　図１

Description

【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係り、特に、対向電極の一方の電極であるロール電極を搬送ローラとして兼用し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また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、真空排気装置などが必要であるため、表面処理装置が高価なものとなり、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。
【０００３】
そこで、例えば特開２００２−５８９９５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プラズマ処理装置が提案されている。このプラズマ処理装置は、固体誘電体等で被覆した電極間に被処理体を搬送し、電極間に処理ガスを導入しつつ、電極間に電圧を印加し、発生したプラズマで被処理基材を処理する構成となっている。
【０００４】
このようなプラズマ処理装置では、図２に示す搬送手段が用いられている。
【０００５】
すなわち、搬送ローラ２５がチャンバー２１内に４つ設けられており、隣り合う搬送ローラ２５，２５の間に２本のロール電極２３，２３を介在させるようにして、チャンバー２１の入口２７と出口２８の対向方向に並ぶように配置されている。また、搬送ローラ２５の上部はロール電極２３の上部よりも上に位置している。すなわち、搬送ローラ２５はチャンバー２１内でかつ対向電極２２，２３の間の対向スペース（放電空間３４）以外の箇所に配置されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、処理を施す基材は大面積化と薄型化が進んでおり、例えばＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）の製造に用いられるガラスに要求される洗浄の処理レベルは、水の接触角が、素ガラスで５度、ＩＴＯで８度と言われており、処理速度は１ｍ／ｓｅｃ程度である。このような被処理基材であるガラスの厚みは、０．４〜０．７ｍｍとますます薄型になってきている。
【０００７】
そのため、上記のような搬送手段にて被処理基材であるガラスを搬送した場合、隣接する搬送ローラ２５，２５間でガラスのたわみが大きくなり、対向電極間で均一な距離を保つことが難しくなっている。
【０００８】
従って、ガラスの進行方向及びこれに直交する方向のたわみを考慮し、たわんだガラスが下部のロール電極２３に接触しないようにするためには、対向電極２２，２３の間隔を最低でも５〜６ｍｍとる必要がある。しかし、対向電極２２，２３の間隔を広くすると、その分、放電開始電圧も高くなり、安定な放電を維持することが難しくなるといった問題があった。
【０００９】
本発明は係る問題点を解決すべく創案されたもので、その目的は、対向電極の下側の電極であるロール電極を搬送ローラとして兼用することにより、被処理基材の放電空間でのたわみを防止し、かつ、安定な放電の維持を可能とした放電プラズマ処理装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の放電プラズマ処理装置は、平板電極と１または複数個のロール電極とからなる対向電極間に電界を印加することによって発生するグロー放電プラズマで基材を処理する装置であって、前記ロール電極を前記基材を搬送する搬送ローラとして兼用したことを特徴としている。
【００１１】
この場合、ロール電極の表面は、より硬度の低い材質の固体誘電体で被覆されていることが好ましい。これにより、搬送される基材に傷等を付けることがない。ロール電極の表面を被覆するのに適した硬度の低い材質としては、例えば、テフロン（登録商標）などのシュリンクチューブやシリコンゴム等が挙げられる。また、対向電極間にのみ所定の流速で処理ガスを導入する処理ガス導入手段を備えてもよい。ここで、処理ガスの流速としては、１ｍ／ｓｅｃ以上であることが条件であるが、好ましくは１〜５０ｍ／ｓｅｃ程度がよく、プラズマの状態や処理条件により適宜調整すればよい。ただし、より好ましくは２〜２０ｍ／ｓｅｃである。
【００１２】
また、対向電極の材質としては、例えば、鉄、銅、アルミニウム等の金属単体、ステンレス、真鍮等の合金、金属間化合物等などが挙げられる。対向電極間距離は、その上に被覆する固体誘電体の厚さ、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が好ましく、より好ましくは０．１〜５ｍｍである。０．１ｍｍ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。
【００１３】
プラズマを発生させる対向電極の対向面は固体誘電体で被覆されている必要がある。この際、固定誘電体と電極とが密着し、かつ、接する電極の対向面を完全に覆うようにする。固定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。
【００１４】
上記個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。なお、平板電極を被覆する固体誘電体としては、このようなセラミックコーティングやホーロー処理など電極表面に直接固着（コーティング）するものの他、石英板、ガラス板、アルミナ板などのセラミック板を電極表面に密着させるものでもよい。
【００１５】
上記個体誘電体の厚みは、用いる材質によって異なるが、０．１〜２ｍｍであることが好ましい。最適な厚みは、固体誘電体の比誘電率によって異なり、アルミナの誘電率が７〜８程度、ガラスの誘電率が５３１０程度、石英の誘電率が４程度であるので、アルミナコーティングでは１．２ｍｍ程度、硬板では０．７ｍｍ程度である。
【００１６】
また、平板電極の大きさは、処理すべき基材の大きさによるが、４００ｍｍ×５０ｍｍ、７００ｍｍ×５０ｍｍ、もしくは４００ｍｍ×１００ｍｍ、７００ｍｍ×１００ｍｍ程度が好ましい。この場合、平板電極の大きさが４００ｍｍ×５０ｍｍ、７００ｍｍ×５０ｍｍの場合には、対向するロール電極を１個配置し、平板電極の大きさが４００ｍｍ×１００ｍｍ、７００ｍｍ×１００ｍｍの場合には、対向するロール電極を２個並べて配置する。
【００１７】
ロール電極の大きさは、φ４０〜７０ｍｍ、好ましくはφ６０ｍｍ程度である。また、長さは上記平板電極に合わせて、４００ｍｍまたは７００ｍｍとする。
【００１８】
対向電極の距離は、個体誘電体の厚さ、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、０．１〜５ｍｍであることが好ましい。０．１ｍｍ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、５ｍｍを超えると、均一な放電プラズマを発生させにくい。さらに好ましくは、放電が安定しやすい０．５〜３ｍｍの間隔である。
【００１９】
このような対向電極間に、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／または立ち下がり時間が、１０μｓ以下であるパルス電界が好ましい。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。
【００２０】
上記電界の電界強度は、１０〜１０００ｋＶ／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。
【００２１】
上記電界の周波数は、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１３．５６ＭＨｚ、試験的に使用されている５０ＭＨｚ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。
【００２２】
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、２００μｓｅｃ以下であることが好ましい。２００μｓｅｃ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、ＯＦＦ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時間をいう。
【００２３】
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、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、特に、大気圧近傍下の圧力下で用いるとその効果が十分に発揮される。
【００２４】
上記大気圧近傍の圧力下とは、１．３３３×１０^４〜１０．６６４×１０^４Ｐａの圧力下を指す。中でも、圧力調整が容易で、装置構成が簡便になる９．３３１×１０^４〜１０．３９７×１０^４Ｐａの範囲が好ましい。ただし、チャンバーで囲い真空にした場合にも、異常放電が起こらない範囲で電極の近傍から処理ガスを導入してもよい。
【００２５】
本発明において処理できる被処理体としては、例えばポリエチレン、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、ポリイミド、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、アクリル樹脂等のプラスチック、ガラス、セラミック、金属、シリコンウェハ等が挙げられる。被処理体の形状としては、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。本発明によれば、様々な形状を有する被処理体の処理に容易に対応することができる。また、被処理体の表面処理としては、ポリマーフィルムや繊維、紙等の表面改質や接着性の向上を目的としたものや、有機物除去を目的としたガラス系基板やプリント配線基板の洗浄、表面粗化、デスミア、デスカム、滅菌などが挙げられる。
【００２６】
本発明に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、処理目的に応じて種々のガスを使用できる。
【００２７】
上記処理ガスとして、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＣｌＦ_３、ＳＦ_６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、Ｏ_２、Ｏ_３、水、空気等の酸素元素含有化合物、Ｎ_２ＮＨ_３等の窒素元素含有化合物、ＳＯ_２、ＳＯ_３等の硫黄元素含有化合物を用いて、被処理体の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、金属アルコール等の処理ガスを用いて、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｎＯ_２等の金属酸化物薄膜を形成させることができる。
【００３０】
さらに、被処理体の表面に電気的・光学的機能を与えたり、被処理体の表面から有機物除去、レジスト除去、高分子フィルムの接着性向上、ガラス系基板・プリント配線基板（ＦＰＣ）の洗浄、成膜、金属除去、デスミア、アッシング、エッチング、デスカム、滅菌洗浄などに利用できる。
【００３１】
経済性及び安全性の観点から、上記処理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種類以上を混合して用いてもよい。
【００３２】
なお、このような放電プラズマ処理によれば、プラズマ生成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、本発明に係わるプラズマ処理においては、開放系、あるいは、気体の自由な流失を防ぐ程度の低気密系での処理が可能となる。
【００３３】
本発明によると、対向電極間において直接大気圧下で放電を発生させ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、印加電界の周波数、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。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３５】
図１は、本発明の一対の対向電極を有する放電プラズマ処理装置を説明する模式的説明図であり、本実施の形態ではロール電極を例示している。
【００３６】
図１において、上下に配置されている対向電極２，３は、上部側の電極２が平板電極となっており、下部側の電極がロール電極となっている。そして、これら対向電極２，３の表面が固定誘電体７，８で被覆され、その間に放電空間４が形成されている。また、ロール電極３は図１中矢印Ａ方向に回転するようになっている。ここで、本実施の形態では、ロール電極３を並べて２個配置した構成としているが、平板電極２の大きさによっては１個や３個でもよい。
【００３７】
また、対向電極２，３の上流側（図１中右側）と下流側（図１中左側）には、それぞれ搬送ローラ１１，１１・・・が配置されており、これら搬送ローラ１１，１１・・・は、対向電極２，３と同方向（図１中矢印Ａ方向）に回転するようになっている。本発明では、ロール電極３が搬送ローラを兼ねることから、ロール電極３の回転と搬送ローラ１１，１１・・・の回転とは同期が取られており、かつ、周速が同じになるように回転制御されている。さらに、ロール電極３の外周面の高さと搬送ローラ１１，１１・・・の外周面の高さとは、被処理基材１０の搬送ラインＬ１に一致するように配置されている。
【００３８】
平板電極２の上流側（図１中右側）にはガス供給ノズル５が設けられ、下流側（図１中左側）にはガス排気ノズル６が設けられている。
【００３９】
処理ガスは、図１中矢印Ａ方向にガス供給ノズル５の吹き出し口から放電空間４に吹き出される。対向電極２，３の間に電源１から電界がかけられると、処理ガスは放電空間４内でプラズマ化し、対向電極２，３間を矢印Ａ方向に搬送されてくる被処理基材１０の表面を処理する。処理後のガスは、ガス排気ノズル６に吸い込まれて回収される。
【００４０】
本実施形態の放電プラズマ処理において、処理ガスの流速は、１ｍ／ｓｅｃ以上であるが、好ましくは１〜５０ｍ／ｓｅｃ程度がよく、プラズマの状態や処理条件により適宜調整すればよい。ただし、より好ましくは２〜２０ｍ／ｓｅｃである。処理ガスの流速が１ｍ／ｓｅｃ未満であると電流パスができやすく、放電が不安定になり好ましくない。
【００４１】
ここで、平板電極２は、鉄、銅、アルミニウム等の金属単体、ステンレス、真鍮等の合金、金属間化合物等などを基材とし、セラミックコーティング、ホーロー処理など直接誘電体７を固着したもの、もしくは石英板、ガラス板、アルミナ板などのセラミック板を電極表面に密着させるものでも良い。個体誘電体７の厚みは、用いる材質によって異なるが、０．１〜２ｍｍであることが好ましい。最適な厚みは、固体誘電体の比誘電率によって異なり、アルミナの誘電率が７〜８程度、ガラスの誘電率が５３１０程度、石英の誘電率が４程度であるので、アルミナコーティングでは１．２ｍｍ程度、硬板では０．７ｍｍ程度である。
【００４２】
また、平板電極の大きさは、処理すべき被処理基材１０の大きさによるが、４００ｍｍ×５０ｍｍ、７００ｍｍ×５０ｍｍ、もしくは４００ｍｍ×１００ｍｍ、７００ｍｍ×１００ｍｍ程度が好ましい。この場合、平板電極の大きさが４００ｍｍ×５０ｍｍ、７００ｍｍ×５０ｍｍの場合には、対向するロール電極３を１個配置し、平板電極の大きさが４００ｍｍ×１００ｍｍ、７００ｍｍ×１００ｍｍの場合には、対向するロール電極３を２個並べて配置（図１に示す状態）する。
【００４３】
一方、ロール電極３の大きさは、φ４０〜７０ｍｍ、好ましくはφ６０ｍｍ程度である。また、長さは上記平板電極２に合わせて、４００ｍｍまたは７００ｍｍとする。また、ロール電極３の表面は、被処理基材１０に傷を付けにくい材質、例えば、テフロン（登録商標）などのシュリンクチューブやシリコンゴム等の固体誘電体８で被覆されていることが好ましい。これにより、搬送される被処理基材１０に傷等を付けることがない。
【００４４】
本実施形態の装置においては、被処理基材１０は、ロール電極３により、対向電極２，３間のプラズマ生成空間を通過するように搬送される。このようにロール電極３が搬送ローラを兼ねているため、対向電極２，３間の距離を最も近づけることになり、有効な活性種を効率よく被処理基材１０の表面に当てることができる。この場合、被処理基材１０の処理は片面（上面）処理である。
【００４５】
また、図示はしていないが、搬送ローラ１１を含む被処理基材１０の搬送手段は、被処理基材１０が枚葉のものであれば、搬送コンベア、搬送ロボット等の搬送系を用いることができる。この他にも、バッチ対応の搬送系、マガジン−マガジン対応の搬送系を用いることが可能であり、またこれらを組み合わせて用いてもよい。また、プラズマ処理部の前後にガイドローラを設けたり、放電部におけるしわ対策のために、テンションコントロール機構やクラウンロールを備えていてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の放電プラズマ処理装置によれば、対向電極の下側の電極であるロール電極を搬送ローラとして兼用することにより、被処理基材の放電空間でのたわみを防止することができる。また、放電空間内で被処理基材がロール電極に接触した状態で安定的に支持されるため、対向電極の間隔を狭くすることができる結果、安定な放電を維持することができ、処理効率も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電プラズマ処理装置の一例を示す模式的説明図である。
【図２】従来のプラズマ処理装置の搬送手段の一例を示す模式的説明図である。
【符号の説明】
１　電源（高電圧パルス電源）
２　平板電極
３　ロール電極
４　放電空間
５　ガス供給ノズル
６　ガス排出ノズル
７，８　固体誘電体
１０　被処理基材
１１　搬送ローラ

Claims

平板電極と１または複数個のロール電極とからなる対向電極間に電界を印加することによって発生するグロー放電プラズマで基材を処理する装置であって、前記ロール電極を前記基材を搬送する搬送ローラとして兼用したことを特徴とする放電プラズマ処理装置。
前記ロール電極の表面が、基材よりも硬度の低い材質の固体誘電体で被覆されてい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。
前記対向電極間にのみ所定の流速で処理ガスを導入する処理ガス導入手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放電プラズマ処理装置。