JP3793451B2

JP3793451B2 - 放電プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3793451B2
Application number: JP2001371714A
Authority: JP
Inventors: 毅之大野; 弘二下西
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2021-12-05
Also published as: JP2003173899A

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関し、特に、プラズマ処理部から外部への処理ガスの流出及び外部雰囲気の混入を防止し、均一な薄膜の形成ができる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、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が提案されている。すなわち、高圧電源１から平行平板型電極２及び３に電界が印加され、ガス供給ライン５から処理ガスを電極間に導入してプラズマ化し、長尺ノズル６からプラズマガス７を、搬送用ステージ１２上に設置され、長尺ノズルの幅方向に搬送される被処理体１１に吹き付けて処理し、処理後のガスは排ガス吸収口８から吸引されライン９から回収される装置である。この装置においては、被処理体１１上のプラズマガス流は排ガス吸収口８に向かう流れとサイド方向に向かう流れが生じる。すなわち、図６のリモート型の装置の長尺ノズル６側からみた底面図である図７に示すように、プラズマガス流７が排ガス吸収口８に向かう一様な流れ以外に被処理体の両側のサイド方向に向かう流れが生じる。この場合、処理ガス供給量と処理済みガス排気量を同じにしても、被処理体の両側からのガス流出、又はガス流入が生じ、被処理体上に形成される膜厚が中央部と両端で異なってしまうという問題が生じる原因となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑み、長尺ノズルを有するリモート型装置を用いた際に、プラズマの流れを一様にし、かつ外部への処理ガスの流出及び外部からの雰囲気ガスの流入を抑え、被処理体表面の処理を均一に行える放電プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【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吹き出す長尺ノズルの幅方向に排ガス吸収口を設け、長尺ノズルの長さ方向の両端にサイドシール機構を設けることによりプラズマの流れを一様にして、被処理体表面の処理を均一に行えることを見出し、本発明を完成させた。
【０００７】
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て電極に対応する長尺ノズルから、長尺ノズルの幅方向に搬送される被処理体にプラズマを接触させて処理を行い、長尺ノズルの幅方向のプラズマ接触部両近傍から処理済みガスを吸引回収する装置において、長尺ノズルの長手方向の両端部側にサイドシール機構を設けたことを特徴とする放電プラズマ処理装置である。
【０００８】
また、本発明に第２の発明は、サイドシール機構がラビリンスシール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処理装置である。
【０００９】
また、本発明に第３の発明は、サイドシール機構が狭い間隔で対向した平面構造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処理装置である。
【００１０】
また、本発明に第４の発明は、電極に印加する電界が、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１〜３の発明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。
【００１１】
【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発生したグロー放電プラズマを長尺ノズルを有する電極構造（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体に吹き付けて処理する放電プラズマ処理装置において、長尺ノズルの幅方向に排ガス吸収口を設け、長尺ノズルの長さ方向の両端にサイドシール機構を設けることにより、処理部分におけるプラズマガスの流れを一様にすると同時に外部へのガスの流出及び外部からの雰囲気ガスの流入を抑えた放電プラズマ処理装置である。
【００１２】
本発明の装置の一例を図１及び２で説明する。図１は、リモートソースのサイド方向にサイドシール機構を設けた本発明の装置を説明する模式的斜視図である。図１において、高圧電源１から平行平板電極２及び３に電界が印加され、ガス供給ライン５から処理ガスを電極間に導入してプラズマ化し、長尺ノズルからプラズマガスを、搬送用ステージ１２上に設置され、長尺ノズルの幅方向に搬送される被処理体に吹き付けて処理し、処理後のガスは排ガス吸収口８から吸引されライン９から回収される。リモートソースの両サイド側には、プラズマ流のサイド側への流れを防止し、外部からの雰囲気ガスの流入を防止するサイドシール機構１０及び１３が設けられている。
【００１３】
図２は、図１のリモートソースのプラズマガス吹き出し口側からみた底面図である。放電空間でプラズマ化され、長尺ノズルのガス吹き出し口６から吹き出されたガス流７は、被処理体を処理した後、サイドシール１０があるため、サイド方向へ漏れる方向のガス流は生じることなく、排ガス吸収口８方向への一様の流れを形成し、被処理体表面上に均一な薄膜等を形成するようになる。
【００１４】
サイドシール機構は、被処理体の搬送に支障がなく、被処理体の搬送ステージと固定リモートソースのサイド方向へのガス流を発生させない機構であれば、どのような機構であっても良いが、ラビリンスシール機構又は狭い間隔で対向した平面構造機構であるのが好ましい。
【００１５】
本発明で用いるラビリンスシール機構としては、図３及び図４にその具体例を示す機構を挙げることができる。ラビリンスシールとは、移動体と静止部との隙間通路に絞り片を取り付けるなどの工夫をほどこし、流体の漏れを防止しようとするシール機構である。すなわち、本発明の装置においては、被処理体を搬送する搬送ステージが移動し、リモートソースが静止している隙間において、プラズマガスの漏れをシールするために用いる。図３は、ラビリンスシール機構を設置した部分の拡大断面図であり、図４（ａ）は固定リモートソース側の底面図であり、図４（ｂ）は、搬送ステージ側のリモートソースに対応する上面図である。図３〜４において、長尺ノズルのプラズマ吹き出し口６から出たプラズマは、被処理体１１の表面を処理した後、電極２及び３に隣接した排ガス吸収口８から回収される。サイド方向には、固定リモートソース側に設けられたサイドシール１０と搬送ステージ側に設けられたサイドシール１３からなるラビリンスシール機構が構成されている。ラビリンスシール機構はサイド方向に向かって、複数の絞り片１０１及び１３１と膨張室１０２を交互に食い違うように設けることにより、搬送ステージを摩擦なしに移動させながら、電極、プラズマ吹き出し口、搬送ステージから構成される処理部からのプラズマガスのサイド方向への流出を抑えることができる。
なお、このラビリンスを構成する絞り片、膨張室の大きさ、数等の形状は、プラズマガス流量、リモートソースの大きさ、形状により適宜決定できる。
【００１６】
本発明で用いる狭い間隔で対向した平面構造のよるサイドシール機構としては、被処理体を搬送する搬送ステージが移動し、リモートソースが静止している隙間を非常に狭くすることにより、プラズマガスの漏れをシールする機構である。図５にその具体例を示す。図５は、平面構造からなるシール機構を設置した部分の拡大断面図である。プラズマ吹き出し口６から出たプラズマは、被処理体１１の表面を処理した後、サイド方向には、固定リモートソース側に設けられたサイドシール１０と搬送ステージ側に設けられたサイドシール１３からなり、１２の移動が妨げられない最低の幅空間１０２を設けることにより、ラビリンスシール機構ほど完全ではないがプラズマガスの流出、雰囲気ガスの流入を抑えることができる。なお、この形状は、プラズマガス流量、リモートソースの大きさ形状により適宜決定できる。
【００１７】
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、より好ましくは電極対向面が平行平坦部分を有する形状であるのが好ましい。
【００１８】
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。０．１ｍｍ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。
【００１９】
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。
【００２０】
上記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。
【００２１】
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。
【００２２】
特に、２５℃環境下における比誘電率が１０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。
【００２３】
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。
【００２４】
上記パルス電界の電界強度は、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。
【００２５】
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１３．５６ＭＨｚ、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。
【００２６】
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、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時間を言う。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
本発明で処理できる被処理体としては、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。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。本発明の表面処理方法によれば、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、ＳｎＯ₂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。
【００３４】
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、親水生重合膜、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。
【００３５】
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、気体の自由な流失を防ぐ程度の低気密系での処理が可能となる。
【００３６】
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。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の放電プラズマ処理装置は、被処理体上への薄膜の形成に用いるとサイドシール機構を設けることにより電極全長に渡りガス流が均一となる結果、均一な膜を形成できる。また、プラズマ処理部からのガス流出を抑えることができるので、不要な箇所への成膜を抑えることができ、これに起因する装置内の清掃も省くことができ、さらに、外部雰囲気ガスの流入を抑えることができ、被処理体の汚染等を抑えることができる装置である。したがって、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。
【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斜視図である。
【図２】図１の底面図である。
【図３】本発明のサイドシール部分の一例の拡大断面図である。
【図４】本発明のサイドシール部分の底面図及び上面図である。
【図５】本発明のサイドシール部分の他の例の拡大断面図である。
【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斜視図である。
【図７】図６の底面図である。
【符号の説明】
１電源
２、３電極
４放電空間
５処理ガス供給ライン
６プラズマガス吹き出し口
７プラズマ流
８排ガス吸収口
９排ガス回収ライン
１０サイドシール（リモートソース側）
１１被処理体
１２搬送ステージ
１３サイドシール（搬送ステージ側）
１０１、１３１絞り片
１０２空間（膨張室）

Claims

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て電極に対応する長尺ノズルから被処理体にプラズマを接触させて処理を行う装置において、
前記被処理体が設置されるとともに前記長尺ノズルに対し該長尺ノズルの幅方向に相対移動されるステージと、
前記長尺ノズルの長手方向の端部に設けられたサイドシールと、前記ステージの前記長尺ノズルの長手方向端部に対応する部位に設けられたサイドシールとを含むラビリンスシール機構と、を備え、
前記長尺ノズルのサイドシールと前記ステージのサイドシールの一方が、前記幅方向に延びる凸状の絞り片を有し、他方が、前記幅方向に延びる膨張室用の凹部を有し、前記一方のサイドシールの絞り片が、前記他方のサイドシールの膨張室用の凹部に前記幅方向へ相対移動可能に受け容れられていることを特徴とする放電プラズマ処理装置。
前記長尺ノズルのサイドシールの絞り片又は膨張室用の凹部の延び方向の両端が、長尺ノズルの幅方向の両側の面に達し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。
前記長尺ノズルのサイドシールと前記ステージのサイドシールの各々が、長尺ノズルの長手方向に交互に並べられた前記絞り片と前記膨張室用の凹部を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の放電プラズマ処理装置。
前記ラビリンスシール機構が、前記長尺ノズルの長手方向の一端部と前記ステージの前記一端部と対応する部位、及び前記長尺ノズルの長手方向の他端部と前記ステージの前記他端部と対応する部位にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の放電プラズマ処理装置。