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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024128948
(43)【公開日】2024-09-24
(54)【発明の名称】表面処理装置および表面処理方法
(51)【国際特許分類】
H05H 1/24 20060101AFI20240913BHJP
【ＦＩ】
H05H1/24
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024026214
(22)【出願日】2024-02-26
(31)【優先権主張番号】P 2023037295
(32)【優先日】2023-03-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000003159
【氏名又は名称】東レ株式会社
(72)【発明者】
【氏名】天野 裕太
(72)【発明者】
【氏名】藤内 俊平
(72)【発明者】
【氏名】金杉 和弥
【テーマコード（参考）】
2G084
【Ｆターム（参考）】
2G084AA01
2G084AA03
2G084AA05
2G084AA07
2G084AA13
2G084BB02
2G084BB07
2G084BB11
2G084CC02
2G084CC03
2G084CC05
2G084CC06
2G084CC08
2G084CC12
2G084CC13
2G084CC19
2G084CC20
2G084CC34
2G084DD01
2G084DD15
2G084DD22
2G084FF02
2G084FF13
2G084GG02
2G084GG04
2G084GG07
2G084GG24
2G084HH02
2G084HH17
2G084HH20
2G084HH36
2G084HH42
(57)【要約】 （修正有）
【課題】基材にダメージを与えずに効率的に大気圧雰囲気下で表面処理するための表面処理装置と表面処理方法を提供する。
【解決手段】本発明の大気圧雰囲気下で基材を表面処理する表面処理装置は、ラジカル放出機構と、前記ラジカル放出機構と空間を隔てて配置された基材保持機構と、を備え、前記ラジカル放出機構はラジカル放出口とガス放出口を有し、ラジカル生成器と、ガスの流路を有し、前記ラジカル放出口から前記基材保持機構に向けてラジカル化された第１のガスを放出する第１のガス供給器と、前記ラジカル生成空間を通過せずに前記ガス放出口に連通するガスの流路を有し、前記ガス放出口からラジカル化されていない第２のガスを放出する第２のガス供給器と、を備え、前記ガス放出口は、前記ラジカル放出口を取り囲むまたは挟むように配置されており、前期第２のガスの流速を、前記第１のガスの流速よりも速くするように構成または調整されている。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の大気圧雰囲気下で基材を表面処理する表面処理装置は、ラジカル放出機構と、前記ラジカル放出機構と空間を隔てて配置された基材保持機構と、を備え、前記ラジカル放出機構はラジカル放出口とガス放出口を有し、ラジカル生成器と、ガスの流路を有し、前記ラジカル放出口から前記基材保持機構に向けてラジカル化された第１のガスを放出する第１のガス供給器と、前記ラジカル生成空間を通過せずに前記ガス放出口に連通するガスの流路を有し、前記ガス放出口からラジカル化されていない第２のガスを放出する第２のガス供給器と、を備え、前記ガス放出口は、前記ラジカル放出口を取り囲むまたは挟むように配置されており、前期第２のガスの流速を、前記第１のガスの流速よりも速くするように構成または調整されている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
大気圧雰囲気下で基材を表面処理する表面処理装置であって、
ラジカル放出機構と、前記ラジカル放出機構と空間を隔てて配置された基材を保持する ための基材保持機構と、を備え、
前記ラジカル放出機構は
前記基材保持機構に対向する部分にラジカル放出口とガス放出口を有し、
ラジカル生成空間を有するラジカル生成器と、
前記ラジカル生成空間を通過して前記ラジカル放出口に連通するガスの流路を有し、前記ラジカル放出口から前記基材保持機構に向けてラジカル化された第１のガスを放出する第１のガス放出器と、
前記ラジカル生成空間を通過せずに前記ガス放出口に連通するガスの流路を有し、前記ガス放出口から前記基材保持機構に向けてラジカル化されていない第２のガスを放出する第２のガス放出器と、を備え、
前記基材保持機構から前記ラジカル放出機構を見て、前記ガス放出口は、前記ラジカル放出口を取り囲むまたは挟むように配置されており、
前記ガス放出口から放出される前記第２のガスの流速を、前記ラジカル放出口から放出される前記第１のガスの流速よりも速くするように構成または調整された、
表面処理装置。
ラジカル放出機構と、前記ラジカル放出機構と空間を隔てて配置された基材を保持する ための基材保持機構と、を備え、
前記ラジカル放出機構は
前記基材保持機構に対向する部分にラジカル放出口とガス放出口を有し、
ラジカル生成空間を有するラジカル生成器と、
前記ラジカル生成空間を通過して前記ラジカル放出口に連通するガスの流路を有し、前記ラジカル放出口から前記基材保持機構に向けてラジカル化された第１のガスを放出する第１のガス放出器と、
前記ラジカル生成空間を通過せずに前記ガス放出口に連通するガスの流路を有し、前記ガス放出口から前記基材保持機構に向けてラジカル化されていない第２のガスを放出する第２のガス放出器と、を備え、
前記基材保持機構から前記ラジカル放出機構を見て、前記ガス放出口は、前記ラジカル放出口を取り囲むまたは挟むように配置されており、
前記ガス放出口から放出される前記第２のガスの流速を、前記ラジカル放出口から放出される前記第１のガスの流速よりも速くするように構成または調整された、
表面処理装置。
【請求項2】
前記ガス放出口から放出される前記第２のガスの流速を、前記ラジカル放出口から放出される前記第１のガスの流速よりも速くする構成が、前記ガス放出口の開口面積の合計が、前記ラジカル放出口の開口面積の合計よりも小さいことである、請求項１の表面処理装置。
【請求項3】
前記ラジカル放出口と前記ガス放出口がスリット形状である、請求項１または２の表面処理装置。
【請求項4】
前記第２のガス放出器のガスの流路が、前記ガス放出口から放出される前記第２のガスの放出方向が、前記ラジカル放出口から放出される前記第１のガスの放出方向と平行になるように、または放出される前記第１のガスに近づくように構成されている、請求項１または２の表面処理装置。
【請求項5】
前記ラジカル生成器が大気圧プラズマ処理器である、請求項１または２の表面処理装置。
【請求項6】
大気圧雰囲気下で基材を表面処理する表面処理方法であって、
ラジカル放出口と前記ラジカル放出口を取り囲むまたは挟むように配置されたガス放出口を有するラジカル放出機構を、前記基材から空間を隔てて、前記ラジカル放出口と前記ガス放出口が前記基材に対向するように配置し、
前記ラジカル放出口から前記基材に向けてラジカル化された第１のガスを放出し、
前記ガス放出口から前記基材に向けてラジカル化されていない第２のガスを、前記ラジカル放出口から放出される前記第１のガスの流速よりも速い流速で放出する、
表面処理方法。
ラジカル放出口と前記ラジカル放出口を取り囲むまたは挟むように配置されたガス放出口を有するラジカル放出機構を、前記基材から空間を隔てて、前記ラジカル放出口と前記ガス放出口が前記基材に対向するように配置し、
前記ラジカル放出口から前記基材に向けてラジカル化された第１のガスを放出し、
前記ガス放出口から前記基材に向けてラジカル化されていない第２のガスを、前記ラジカル放出口から放出される前記第１のガスの流速よりも速い流速で放出する、
表面処理方法。
【請求項7】
前記第２のガスが不活性ガスである、請求項６の表面処理方法。
【請求項8】
前記第１のガスをラジカル化する処理が大気圧プラズマ処理である、請求項６または７の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、基材にダメージを与えずに効率的に大気圧下で表面処理するための表面処理装置および表面処理方法に関する。
【背景技術】
【0002】
各種基材に対する表面改質や微細加工を目的に、光や熱、プラズマ等のエネルギー源を用いた表面処理技術が活用されている。中でも、エネルギー源と基材を分離し、エネルギー源によって分解したガス（ラジカル）を基材表面に供給して処理するリモート式の表面処理技術（以下、リモート表面処理という）は、エネルギー源が基材表面に直接暴露されないため、熱変質やチャージアップ損傷等の基材ダメージを受け難い特徴がある。そのため、低融点基材や電子デバイス等に対する表面処理技術として適用されている。しかしながら、リモート表面処理は、エネルギー源を基材に直接暴露するダイレクト式の表面処理に比べて処理速度が遅い課題があり、効率的にラジカルを基材表面に供給して高速処理するための方法や装置がこれまでに提案されている。
【0003】
例えば特許文献１には、リモート式の大気圧プラズマ処理方法において、ガスの種類を窒素ガスにすることで、寿命の長い窒素ラジカルが生成されることが開示されている。これにより、効率的にラジカルが基材表面に供給され、表面処理が促進することが開示されている。
【0004】
特許文献２には、リモート式の大気圧プラズマ電極内にガスを通過させる２つの流路を設け、それぞれの流路においてガスをプラズマ分解した後、これら分解ガスを合流させて基材に噴射供給することで表面処理効率（プラズマ活性化）が向上できることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平１０―２７５６９８号公報
【特許文献2】特開２００５―１０８４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら特許文献１、２に開示されている大気圧雰囲気下での表面処理方法では、ラジカル放出口から放出されたラジカルが基材に届くまでに拡散損失してしまい十分な処理効果が得られない場合がある。
【0007】
本発明は、上述した問題点を鑑みてなされたものであり、効率的に大気圧雰囲気下で表面処理するための表面処理装置と表面処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
［１］ 上記課題を解決する本発明は、大気圧雰囲気下で基材を表面処理する表面処理装置であって、
ラジカル放出機構と、上記ラジカル放出機構と空間を隔てて配置された基材を保持するための基材保持機構と、を備え、
上記ラジカル放出機構は
上記基材保持機構に対向する部分にラジカル放出口とガス放出口を有し、
ラジカル生成空間を有するラジカル生成器と、
上記ラジカル生成空間を通過して上記ラジカル放出口に連通するガスの流路を有し、上記ラジカル放出口から上記基材保持機構に向けてラジカル化された第１のガスを放出する第１のガス放出器と、
上記ラジカル生成空間を通過せずに上記ガス放出口に連通するガスの流路を有し、上記ガス放出口から上記基材保持機構に向けてラジカル化されていない第２のガスを放出する第２のガス放出器と、を備え、
上記基材保持機構から上記ラジカル放出機構を見て、上記ガス放出口は、上記ラジカル放出口を取り囲むまたは挟むように配置されており、
上記ガス放出口から放出される上記第２のガスの流速を、上記ラジカル放出口から放出される上記第１のガスの流速よりも速くするように構成または調整されている。
ラジカル放出機構と、上記ラジカル放出機構と空間を隔てて配置された基材を保持するための基材保持機構と、を備え、
上記ラジカル放出機構は
上記基材保持機構に対向する部分にラジカル放出口とガス放出口を有し、
ラジカル生成空間を有するラジカル生成器と、
上記ラジカル生成空間を通過して上記ラジカル放出口に連通するガスの流路を有し、上記ラジカル放出口から上記基材保持機構に向けてラジカル化された第１のガスを放出する第１のガス放出器と、
上記ラジカル生成空間を通過せずに上記ガス放出口に連通するガスの流路を有し、上記ガス放出口から上記基材保持機構に向けてラジカル化されていない第２のガスを放出する第２のガス放出器と、を備え、
上記基材保持機構から上記ラジカル放出機構を見て、上記ガス放出口は、上記ラジカル放出口を取り囲むまたは挟むように配置されており、
上記ガス放出口から放出される上記第２のガスの流速を、上記ラジカル放出口から放出される上記第１のガスの流速よりも速くするように構成または調整されている。
【0009】
本発明の表面処理装置は以下の［２］～［５］のいずれかの態様であることが好ましい。
［２］ 上記ガス放出口から放出される上記第２のガスの流速を、上記ラジカル放出口から放出される上記第１のガスの流速よりも速くする構成が、上記ガス放出口の開口面積の合計が、上記ラジカル放出口の開口面積の合計よりも小さいことである、上記［１］の表面処理装置。
［３］ 上記ラジカル放出口と上記ガス放出口がスリット形状である、上記［１］または［２］の表面処理装置。
［４］ 上記第２のガス放出器のガスの流路が、上記ガス放出口から放出される上記第２のガスの放出方向が、上記ラジカル放出口から放出される上記第１のガスの放出方向と平行になるように、または放出される上記第１のガスに近づくように構成されている、上記［１］～［３］のいずれかの表面処理装置。
［５］ 上記ラジカル生成器が大気圧プラズマ処理器である、上記［１］～［４］のいずれかの表面処理装置。
［２］ 上記ガス放出口から放出される上記第２のガスの流速を、上記ラジカル放出口から放出される上記第１のガスの流速よりも速くする構成が、上記ガス放出口の開口面積の合計が、上記ラジカル放出口の開口面積の合計よりも小さいことである、上記［１］の表面処理装置。
［３］ 上記ラジカル放出口と上記ガス放出口がスリット形状である、上記［１］または［２］の表面処理装置。
［４］ 上記第２のガス放出器のガスの流路が、上記ガス放出口から放出される上記第２のガスの放出方向が、上記ラジカル放出口から放出される上記第１のガスの放出方向と平行になるように、または放出される上記第１のガスに近づくように構成されている、上記［１］～［３］のいずれかの表面処理装置。
［５］ 上記ラジカル生成器が大気圧プラズマ処理器である、上記［１］～［４］のいずれかの表面処理装置。
【0010】
［６］ 上記課題を解決する本発明は、大気圧雰囲気下で基材を表面処理する表面処理方法であって、
ラジカル放出口と前記ラジカル放出口を取り囲むまたは挟むように配置されたガス放出口を有するラジカル放出機構を、上記基材から空間を隔てて、上記ラジカル放出口と上記ガス放出口が上記基材に対向するように配置し、
上記ラジカル放出口から上記基材に向けてラジカル化された第１のガスを放出し、上記ガス放出口から上記基材に向けてラジカル化されていない第２のガスを、上記ラジカル放出口から放出される上記第１のガスの流速よりも速い流速で放出する。
ラジカル放出口と前記ラジカル放出口を取り囲むまたは挟むように配置されたガス放出口を有するラジカル放出機構を、上記基材から空間を隔てて、上記ラジカル放出口と上記ガス放出口が上記基材に対向するように配置し、
上記ラジカル放出口から上記基材に向けてラジカル化された第１のガスを放出し、上記ガス放出口から上記基材に向けてラジカル化されていない第２のガスを、上記ラジカル放出口から放出される上記第１のガスの流速よりも速い流速で放出する。
【0011】
本発明の表面処理方法は以下の［７］または［８］の態様であることが好ましい。
［７］ 上記第２のガスが不活性ガスである、上記［６］の表面処理方法。
［８］ 上記第１のガスをラジカル化する処理が大気圧プラズマ処理である、上記［６］または［７］の表面処理方法。
［７］ 上記第２のガスが不活性ガスである、上記［６］の表面処理方法。
［８］ 上記第１のガスをラジカル化する処理が大気圧プラズマ処理である、上記［６］または［７］の表面処理方法。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、基材にダメージを与えずに効率的に大気圧雰囲気下で表面処理するための表面処理装置および表面処理方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
［表面処理装置の第一実施形態］
以下、本発明の実施形態の例を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の大気圧雰囲気下で基材５を表面処理する表面処理装置１の第一実施形態を示す概略図である。図１に示すように、本実施形態の表面処理装置１はラジカル放出機構２と、ラジカル放出機構２と空間を隔てて配置された基材５を保持するための基材保持機構４を備えている。以下に、ラジカル放出機構２と基材保持機構４についてそれぞれ説明する。
以下、本発明の実施形態の例を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の大気圧雰囲気下で基材５を表面処理する表面処理装置１の第一実施形態を示す概略図である。図１に示すように、本実施形態の表面処理装置１はラジカル放出機構２と、ラジカル放出機構２と空間を隔てて配置された基材５を保持するための基材保持機構４を備えている。以下に、ラジカル放出機構２と基材保持機構４についてそれぞれ説明する。
【0015】
［ラジカル放出機構］
図１を参照する。まずラジカル放出機構２について説明する。ラジカル放出機構２は、大気圧雰囲気下で第１のガスにエネルギーを与えて分解した後、その分解生成物であるラジカルをラジカル放出機構２の外部となるラジカル輸送空間１７に放出するための機構である。
図１を参照する。まずラジカル放出機構２について説明する。ラジカル放出機構２は、大気圧雰囲気下で第１のガスにエネルギーを与えて分解した後、その分解生成物であるラジカルをラジカル放出機構２の外部となるラジカル輸送空間１７に放出するための機構である。
【0016】
ラジカル放出機構２は、基材保持機構４に対向する部分にラジカル放出口６とガス放出口７を有し、ラジカル生成空間１０を有するラジカル生成器３、第１のガス放出器８および第２のガス放出器９を備えている。また、ラジカル生成器３は電源１８に接続されている。
【0017】
第１のガス放出器８は、ラジカル生成空間１０を通過してラジカル放出口６に連通する第１のガスの流路を有しており、ラジカル放出口６から基材保持機構４に向けてラジカル化された第１のガスを放出する。本実施形態では、ラジカル放出機構２に形成された第１のガスの流路自体が第１のガス放出器８を構成しているが、第１のガスの流路を有する別部材の第１のガス放出器８がラジカル放出機構２に取り付けられていてもよい。第１のガスの流路には、第１のガス流量調整機構１５を介して第１のガスの供給源１１から第１のガスが供給される。
【0018】
第２のガス放出器９は、ラジカル生成空間１０を通過せずにガス放出口７に連通する第２のガスの流路を有しており、ガス放出口７から基材保持機構４に向けてラジカル化されていない第２のガスを放出する。本実施形態では、ラジカル生成器３に形成された第２のガスの流路自体が第２のガス放出器９を構成しているが、第２のガスの流路を有する別部材の第２のガス放出器９がラジカル放出機構２に取り付けられていてもよい。第２のガスの流路には、第２のガスの流量調整機構１６を介して第２のガスの供給源１２から第２のガスが供給される。
【0019】
本発明において「大気圧」とは、真空ポンプなどで意図的にガス圧力を制御していない、大気の質量によって生じるガス圧力のことを指す。例えば、標準大気圧は１０１３．２５ｈＰａと定義されているが標高や気候などによって変化するものも大気圧に含まれる。
また「ラジカル」とは、活性種のことであり、反応性の高い不対電子を持った原子・分子または励起状態にある原子・分子を指す。
また「ラジカル」とは、活性種のことであり、反応性の高い不対電子を持った原子・分子または励起状態にある原子・分子を指す。
【0020】
ラジカル生成器３は、第１のガス流路８内のラジカル生成空間１０にエネルギーを与えて第１のガスを分解できるものであればよく、大気圧プラズマ生成器や紫外線照射器、火炎照射器などを少なくとも１つ以上用いることができる。特に、大気圧プラズマ生成器は、プラズマ中に存在する荷電粒子が高いエネルギーを持っており、効率良くラジカルを生成できる点で好ましい。大気圧プラズマ生成器のプラズマ発生方式としては、容量結合方式、誘導結合方式、誘電体バリア方式等が挙げられるが、中でも誘電体バリア方式が好ましい。誘電体バリア方式を用いることで、大気圧プラズマ生成器への過度な電流流入を抑制することができ、ラジカル生成空間１０全体に安定かつ広範囲にプラズマを発生することができる。これにより、多量のラジカルを生成することができ、表面処理を促進することができる。
【0021】
電源１８は上記に示すエネルギー発生手段に応じて適宜選択できる。例えば、直流電源や交流電源を選択することができる。本発明において「交流」とは、時間により電圧値および電流値の大きさが常に変化するものをいう。時間とともに正弦波状にその値が変化するものが一般的であるが、この他にも矩形波状やパルス波状に値が変化するものも例示される。交流電源における電源周波数は、特に規定されるものでは無いが、数ｋＨｚオーダーの低周波から数十ＭＨｚオーダーの高周波、数ＧＨｚオーダーのマイクロ波などが例示される。
【0022】
ラジカル生成空間１０は第１のガス流路８全長に渡って形成してもよいが、第１のガス流路８の局所部分に形成してもよい。また、第１のガス流路８の長手方向に分割して複数のラジカル生成空間１０を設けてもよく、第１のガス流路８内に分割した複数のガス流路およびラジカル生成空間１０を設けてもよい。
【0023】
第１のガス流路８の断面積は、ラジカル放出口６の開口面積と等しくても異なっていてもよい。例えば、ラジカル生成効率が高くなるよう、使用するエネルギー源に応じて、そのラジカル生成空間１０の断面積を変更してもよい。
【0024】
ラジカル生成器３には、ラジカル生成空間１０内のエネルギー状態やラジカル生成状態を監視するための計測器を備えることが好ましい。計測器を備えることで、表面処理時の異常を早期に発見することができる。例えば、ラジカル生成器３に大気圧プラズマ処理器を用いた場合にはプラズマの発光状態が計測できる発光分光計測器を備えることで、その発光ピークや発光波長からプラズマのエネルギーや励起種の量が把握できる。また、ラジカルモニターを配置することで、ラジカル量が測定できる。これらの計測器は、上記以外のものでも、監視したい対象に応じて適宜変更できる。
【0025】
図２を参照する。図２は、本実施形態でのラジカル放出機構２を基材保持機構４側からの視点１３から見た概略図である。ガス放出口７は、ラジカル放出口６を取り囲むように配置されている。これにより、ラジカル放出口６から放出される第１のガスを取り囲むように、ガス放出口７から放出される第２のガスが流れる。この随伴流の効果により、ラジカル放出口６から放出されるラジカル化された第１のガスの直進性が向上し、ラジカルの拡散損失が抑制される。
【0026】
また、ガス放出口７から放出される第２のガスの流速が、ラジカル放出口６から放出される第１のガスの流速よりも速くするように構成または調整されている。それらガス流速はガス流量を開口面積の合計で除することで求めることができ、下記式を満たすようにガス流量Ｑ１、Ｑ２と開口面積の合計Ｓ１、Ｓ２が調整または構成されている。
・Ｑ１／Ｓ１＜Ｑ２／Ｓ２ ・・・（１）
第１のガス流量：Ｑ１
ラジカル放出口６の開口面積の合計：Ｓ１
第２のガス流量：Ｑ２
ガス放出口７の開口面積の合計：Ｓ２。
・Ｑ１／Ｓ１＜Ｑ２／Ｓ２ ・・・（１）
第１のガス流量：Ｑ１
ラジカル放出口６の開口面積の合計：Ｓ１
第２のガス流量：Ｑ２
ガス放出口７の開口面積の合計：Ｓ２。
【0027】
ラジカル放出口６から放出される第１のガス流速よりもラジカル放出口６を囲うように配置されたガス放出口７から放出される第２のガス流速を早くすると、ガス分子の持つ運動エネルギーが大きくなり、その第２のガスと第１のガスが強く弾性衝突することで第１のガスの直進性が向上する。その結果、ラジカルの拡散損失が抑制される。これにより、効率よく基材５までラジカルを輸送することができ、表面処理を促進することができる。
【0028】
第１のガス流量および第２のガス流量はガス流量制御機構１５、１６によって調整することができる。このガス流量制御機構１５、１６には、マスフローコントローラーやガス流量制御バルブなどを用いることができる。
【0029】
また、ガス放出口７の開口面積の合計が、ラジカル放出口６の開口面積の合計よりも小さいことが好ましい。これにより、ラジカル放出口６から放出される第１のガス流速よりもガス放出口７から放出される第２のガス流速を効率よく早くすることができる。
【0030】
第１のガスおよび第２のガスのガス流速は、ラジカル放出口６とガス放出口７の開口部の直下において、風速計などを用いて測定できる。風速計の一例としては、熱式風速計やベーン式風速計、ピトー管式風速計、レーザードップラー流速計などが挙げられる。特に、レーザードップラー流速計は、非接触でガス流速が測定できるため、それらガス流れを乱すことなく、連続的にモニタリングできる点で好ましい。
【0031】
ガス放出口７から放出される第２のガスの放出方向がラジカル放出口６から放出される第１のガスの放出方向に平行になるように、または近づくように、第２のガス供給器の第２のガス流路９が構成されていること好ましい。これにより、ラジカルを含む第１のガスを囲むように第２のガスが効果的に随伴し、ラジカル放出口６から放出される第１のガスの拡散損失が抑制される。これにより、効率よく基材５にラジカルを供給することができる。
【0032】
ガス放出口７とラジカル放出口６は、同一平面上もしくはガス放出口７がラジカル放出口６よりも基材５から離れていることが好ましい。これは、ガス放出口７がラジカル放出口６よりも基材５側にあると、第２のガスが第１のガスを随伴しない領域で、第１のガスが拡散損失するためである。
【0033】
ラジカル放出口６とガス放出口７の形状は、孔形状でも構わないが、スリット形状にすることが好ましい。スリット形状にすることでガス流速ムラが小さくなり、基材５に対するラジカル供給量および処理効果を均一にすることができる。
【0034】
ラジカル化される第１のガスは、表面改質や薄膜形成などの表面処理の目的に応じて適宜変更することができ、例えばアルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガスや、酸素、水蒸気などの非重合性の反応性ガス、メタンやヘキサメチルジシロキサンなどの重合性の反応性ガスなどが例示される。また、異なるガス種を２つ以上混合しても構わない。
【0035】
ラジカル化されない第２のガスは、上記の不活性ガスや反応性ガスを選択することが出来るが、第１のガスに含まれるラジカルと第２のガスが反応し、ラジカルが失活しないように不活性ガスを用いることが好ましい。特に、コスト面から窒素ガスを用いることが好ましい。また、異なる不活性ガス種を２つ以上混合しても構わない。
【0036】
［基材保持機構］
再び図１を参照する。基材保持機構４は、ラジカル放出機構２と空間を隔てて配置された基材５を保持するためのものであればよく、具体的な機構は特に制限されない。例えば、処理対象となる基材５がフィルムの場合には、フィルムを搬送するためのロール搬送機構を基材保持機構４としても構わない。ラジカル放出機構２のラジカル生成空間１０と基材５を分離することで、プラズマ等の高いエネルギーを有するエネルギー源が直接基材５に曝されないため、基材ダメージを与えずに表面処理することが出来る。
再び図１を参照する。基材保持機構４は、ラジカル放出機構２と空間を隔てて配置された基材５を保持するためのものであればよく、具体的な機構は特に制限されない。例えば、処理対象となる基材５がフィルムの場合には、フィルムを搬送するためのロール搬送機構を基材保持機構４としても構わない。ラジカル放出機構２のラジカル生成空間１０と基材５を分離することで、プラズマ等の高いエネルギーを有するエネルギー源が直接基材５に曝されないため、基材ダメージを与えずに表面処理することが出来る。
【0037】
基材保持機構４に荷電粒子が電界誘引されないよう、基材保持機構４はラジカル放出機構２と電気的に絶縁されていることが好ましい。本発明において「絶縁」とは、対象とする２点間の電気抵抗値が０．４ＭΩ以上であって、電圧をかけても電流が流れない状態のことを指す。
【0038】
基材保持機構４は、基材５を加熱するヒータなどの加熱手段を備えてもよい。
【0039】
ラジカル放出口と基材の距離１４は任意に調整することができ、特に制限されない。また、平面基板でも立体構造物でも目的に応じて適宜選択できる。
【0040】
基材５の材質は金属材料、セラミック、樹脂材料などから用途に応じて適宜選択することができる。また、平面基板でも立体構造物でも目的に応じて適宜選択できる。
【0041】
［表面処理装置の第二実施形態］
図３を参照する。図３は本発明の表面処理装置の第二実施形態におけるラジカル放出機構２を基材保持機構側から見た概略図である。この第二実施形態は、ラジカル放出口６とガス放出口７の形状が異なっている以外は第一実施形態と同じである。
図３を参照する。図３は本発明の表面処理装置の第二実施形態におけるラジカル放出機構２を基材保持機構側から見た概略図である。この第二実施形態は、ラジカル放出口６とガス放出口７の形状が異なっている以外は第一実施形態と同じである。
【0042】
本実施形態では、ラジカル放出機構２の中央部にラジカル放出口６とそれを挟むようにガス放出口７が配置されている。ラジカル放出口６から放出される第１のガスを挟むようにガス放出口７から放出される第２のガスが流れる。この随伴流の効果により、ラジカル放出口６から放出されるラジカル化された第１のガスの直進性が向上し、図２の第一の実施形態と同様にラジカルの拡散損失が抑制される。
【0043】
［表面処理装置の第三実施形態］
図４を参照する。図４は本発明の表面処理装置の第三実施形態におけるラジカル放出機構２を基材保持機構側から見た概略図である。この第三実施形態は、ラジカル放出口６とガス放出口７の形状が異なっている以外は第一実施形態と同じである。本実施形態では、ラジカル放出口６とガス放出口７がそれぞれ複数設けられている。
図４を参照する。図４は本発明の表面処理装置の第三実施形態におけるラジカル放出機構２を基材保持機構側から見た概略図である。この第三実施形態は、ラジカル放出口６とガス放出口７の形状が異なっている以外は第一実施形態と同じである。本実施形態では、ラジカル放出口６とガス放出口７がそれぞれ複数設けられている。
【0044】
［表面処理装置の第四実施形態］
図５を参照する。図５は本発明の表面処理装置の第四実施形態におけるラジカル放出機構２を基材保持機構側から見た概略図である。この第四実施形態は、ラジカル放出口６とガス放出口７の形状が異なっている以外は第一実施形態と同じである。本実施形態では、ラジカル放出口６が孔であり、その孔を囲むように円環状のガス放出口７が設けられている。
図５を参照する。図５は本発明の表面処理装置の第四実施形態におけるラジカル放出機構２を基材保持機構側から見た概略図である。この第四実施形態は、ラジカル放出口６とガス放出口７の形状が異なっている以外は第一実施形態と同じである。本実施形態では、ラジカル放出口６が孔であり、その孔を囲むように円環状のガス放出口７が設けられている。
【0045】
［第一、第二、第三、第四の実施形態の比較］
第四の実施形態に比べて第二の実施形態は、広幅基材に対してラジカル放出口６とガス放出口７をスリット形状にすることで、ガス流速ムラが小さくなり、基材５に対するラジカル供給量および処理効果を均一にすることができるため、より好ましい。
第四の実施形態に比べて第二の実施形態は、広幅基材に対してラジカル放出口６とガス放出口７をスリット形状にすることで、ガス流速ムラが小さくなり、基材５に対するラジカル供給量および処理効果を均一にすることができるため、より好ましい。
【0046】
さらに第二の実施形態に比べて第一の実施形態は、第１のガスを取り囲むように第２のガスを供給することで、全周にわたってガスの拡散防止効果が得られるため、より好ましい。
【0047】
またさらに第一の実施形態に比べて第三の実施形態は、ラジカル放出口６とガス放出口７をそれぞれ複数個設けることで、ガス流量を個別で制御でき、効率よくガスを供給することができるため、より好ましい。
【0048】
第一、第二、第三、第四の実施形態を比較して、ラジカル放出口６とガス放出口７の形状の違いによる効果を説明する。 図３の第二の実施形態と図５の第四の実施形態を比較する。第二の実施形態はラジカル放出口６とガス放出口７がスリット形状になっているので、スリット形状の長手方向でのガス流速ムラが小さくなり、基材５に対するラジカル供給量と処理効果を均一にすることができる。そのため、広幅基材を処理する場合には、第二の実施形態は第四の実施形態に比べて有効である。
【0049】
図２の第一の実施形態と図３の第二の実施形態を比較する。第一の実施形態では、ガス放出口７から放出される第２のガスがラジカル放出口６から放出される第１のガスを取り囲むようになるので、全周にわたって第１のガスの拡散を防止できる。そのため、第一の実施形態は第二の実施形態に比べて、ガスの拡散防止効果の点では有効である。
【0050】
図２の第一の実施形態と図４の第三の実施形態を比較する。第三の実施形態はラジカル放出口６とガス放出口７をそれぞれ複数個設けられているので、ガス流量を個別に制御できる。そのため、第三の実施形態は第一の実施形態に比べて、効率よくガスを供給することができる点で有効である。
【0051】
［表面処理装置の第五実施形態］
図６を参照する。図６は本発明の表面処理装置の第五実施形態を示す概略図である。本実施形態の表面処理装置１’は、第一実施形態の表面処理装置１の構成に加えて、ラジカル化されていない第３のガスをラジカル放出機構２へ向けて放出する第３のガス放出器１９が基材保持機構４に取り付けられている。第３のガス放出器１９は、ラジカル放出機構２に対向する面に第３のガス放出口２１と、内部に第３のガスの流路２０を有している。第３のガスの流路２０には第３のガス供給源２２から第３のガスが供給される。ラジカル放出口６とガス放出口７から放出されるガスは空間１７に放出されてから基材５に至るまで徐々に流速が低下し、随伴流による第１のガスの拡散防止効果が小さくなる。しかし、基材保持機構４側からラジカル放出機構２側に第３のガス放出口２１から第３のガスを放出することで、第２のガスの拡散防止効果が低下している基材５近傍においても、第３のガスにより第２のガスの拡散が防止され、結果として第１のガスの拡散防止効果の低下を抑制することができる。
図６を参照する。図６は本発明の表面処理装置の第五実施形態を示す概略図である。本実施形態の表面処理装置１’は、第一実施形態の表面処理装置１の構成に加えて、ラジカル化されていない第３のガスをラジカル放出機構２へ向けて放出する第３のガス放出器１９が基材保持機構４に取り付けられている。第３のガス放出器１９は、ラジカル放出機構２に対向する面に第３のガス放出口２１と、内部に第３のガスの流路２０を有している。第３のガスの流路２０には第３のガス供給源２２から第３のガスが供給される。ラジカル放出口６とガス放出口７から放出されるガスは空間１７に放出されてから基材５に至るまで徐々に流速が低下し、随伴流による第１のガスの拡散防止効果が小さくなる。しかし、基材保持機構４側からラジカル放出機構２側に第３のガス放出口２１から第３のガスを放出することで、第２のガスの拡散防止効果が低下している基材５近傍においても、第３のガスにより第２のガスの拡散が防止され、結果として第１のガスの拡散防止効果の低下を抑制することができる。
【0052】
［表面処理装置の第六実施形態］
図７を参照する。図７は本発明の表面処理装置の第六実施形態を示す概略図である。本実施形態の表面処理装置２６は、第一実施形態の表面処理装置１のラジカル生成器３を平行平板型誘電体バリア方式の大気圧プラズマ処理器にした構成となっている。
図７を参照する。図７は本発明の表面処理装置の第六実施形態を示す概略図である。本実施形態の表面処理装置２６は、第一実施形態の表面処理装置１のラジカル生成器３を平行平板型誘電体バリア方式の大気圧プラズマ処理器にした構成となっている。
【0053】
本発明において平行平板型誘電体バリア方式とは、空間を隔てて対向に配置された２枚の金属板（カソード２３およびアノード２４）の少なくとも一方の表面に接触するように誘電体２５が備えられた構成を指す。また、本発明におけるカソード２３とは電源１８から印可される駆動電位、アノード２４は接地電位のことを指す。誘電体２５の材質や厚みは、カソード２３およびアノード２４間に印可する電圧よりも高い耐電圧を有していればよく、特に制限されない。
【0054】
［表面処理装置の第七実施形態］
図８を参照する。図８は本発明の表面処理装置の第七実施形態を示す概略図である。本実施形態の表面処理装置２７は、第一実施形態の表面処理装置１のラジカル生成器３を沿面放電型誘電体バリア方式の大気圧プラズマ処理器にした構成となっている。
図８を参照する。図８は本発明の表面処理装置の第七実施形態を示す概略図である。本実施形態の表面処理装置２７は、第一実施形態の表面処理装置１のラジカル生成器３を沿面放電型誘電体バリア方式の大気圧プラズマ処理器にした構成となっている。
【0055】
本発明において沿面放電型誘電体バリア方式とは、誘電体２５を隙間なく挟むようにカソード２３とアノード２４が配置されており、ラジカル生成空間１０側の誘電体２５が一部露出した構成となっている。この方式では、平行平板型誘電体バリア方式よりも、カソード２３とアノード２４間の距離を近づけることができため、それらカソード２３とアノード２４間の電界強度を大きくすることができ、ラジカル生成空間１０に高密度なプラズマが生成される。これにより、より多くのラジカルを生成することができ、表面処理を促進することができる。また、平行平板型誘電体バリア方式に比べて低い電圧でプラズマが生成できるため、異常放電のリスクが小さく、安定にラジカルを生成することができる。
【0056】
また、沿面放電型誘電体バリア方式では、ラジカル生成空間１０を囲むまたは挟むようにカソード２３とアノード２４を設けることが好ましい。これにより、高密度なプラズマを広範囲に生成することができる。
【0057】
また、ラジカル生成空間１０側のカソード２３もしくはアノード２４の形状および周長さは任意に調整することができるが、ラジカル生成空間１０側のカソード２３もしくはアノード２４の周長さを増やすことでプラズマ生成領域を拡大することができる。これにより、ラジカル生成空間１０に多量のラジカルを生成することができ、表面処理を更に促進することができる。
【0058】
また、ラジカル放出口６に向かって電界が形成されるように、カソード２３とアノード２４、誘電体２５を配置することが好ましい。これは、電界方向に沿ってプラズマ流が生じ、第１のガスの流動性および直進性を高めることができるためである。これにより、ガスの拡散損失を抑制することができ、表面処理効果を更に高めることができる。
【実施例0059】
以下実施例で、本発明の表面処理装置および表面処理方法を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。また、以下実施例および比較例の結果を表１に示す。
【0060】
［実施例１］
図７に示す表面処理装置を用いた。この装置では、ラジカル生成器３に平行平板型誘電体バリア方式の大気圧プラズマ処理器３を使用しており、搬送機構の無い昇降台４の上に基材５となるプラズマインジケータ（株式会社サクラクレパス製“プラズマーク”（登録商標）：大気圧プラズマ用Ｎｏ．４１）を配置した。
図７に示す表面処理装置を用いた。この装置では、ラジカル生成器３に平行平板型誘電体バリア方式の大気圧プラズマ処理器３を使用しており、搬送機構の無い昇降台４の上に基材５となるプラズマインジケータ（株式会社サクラクレパス製“プラズマーク”（登録商標）：大気圧プラズマ用Ｎｏ．４１）を配置した。
【0061】
大気圧プラズマ処理器３のラジカル放出口６と基材５との距離１４は１００ｍｍに調整し、ラジカル放出口６とガス放出口７が基材５に対して正対するように配置した。
【0062】
ラジカル放出口６とガス放出口７の形状は、図３に示すスリット形状となっており、ラジカル放出口６の開口面積は１００ｍｍ２（開口幅Ｘ１：１ｍｍ、開口長Ｙ１：１００ｍｍ）、ガス放出口７の開口面積はそれぞれ１０ｍｍ２（開口幅Ｘ２：０．１ｍｍ、開口長Ｙ２：１００ｍｍ）の合計２０ｍｍ２とした。また、ラジカル放出口６とガス放出口７の距離Ｚは１ｍｍである。また、ラジカル放出口６とガス放出口７のガス流速を１ｍｍ離れた位置において、ピトー管式風速計（ｔｅｓｔｏ社製“ｔｅｓｔｏ４３５－１”）を用いて測定した。
【0063】
第１のガスおよび第２のガスの種類は空気とし、第１のガス流速を１．４ｍ／ｓｅｃ、第２のガス流速を４．７ｍ／ｓｅｃとなるように、第１および第２のガス流速制御機構１５、１６において流量を調整した。
【0064】
大気圧プラズマ処理器３に１６ＫＶｐｐの投入電圧（正弦波、５ＫＨｚ）を印加し、ラジカル生成空間１０にラジカルを生成した後、基材５を１０秒間処理した。その結果、プラズマインジケータの色差△Ｅ＊が１５．７になることを確認した。このプラズマインジケータの色差△Ｅ＊は、表面処理前後のＬ＊ａ＊ｂ＊の色度を基に下記式で算出され、その数値が大きくなるほど表面処理が進行していることを意味する。
・色差△Ｅ＊＝（（Ｌ＊１―Ｌ＊２）２＋（ａ＊１―ａ＊２）２＋（ｂ＊１－ｂ＊２）２
）１／２
表面処理前のプラズマインジケータの明度：Ｌ＊１
表面処理後のプラズマインジケータの明度：Ｌ＊２
表面処理前のプラズマインジケータの緑赤座標：ａ＊１
表面処理後のプラズマインジケータの緑赤座標：ａ＊２
表面処理前のプラズマインジケータの青黄座標：ｂ＊１
表面処理後のプラズマインジケータの青黄座標：ｂ＊２。
・色差△Ｅ＊＝（（Ｌ＊１―Ｌ＊２）２＋（ａ＊１―ａ＊２）２＋（ｂ＊１－ｂ＊２）２
）１／２
表面処理前のプラズマインジケータの明度：Ｌ＊１
表面処理後のプラズマインジケータの明度：Ｌ＊２
表面処理前のプラズマインジケータの緑赤座標：ａ＊１
表面処理後のプラズマインジケータの緑赤座標：ａ＊２
表面処理前のプラズマインジケータの青黄座標：ｂ＊１
表面処理後のプラズマインジケータの青黄座標：ｂ＊２。
【0065】
［比較例１］
第２のガスを供給しないこと以外は実施例１と同条件にして処理基材５に対して１０秒間処理を行った。その結果、色差△Ｅ＊は１４．６であった。
第２のガスを供給しないこと以外は実施例１と同条件にして処理基材５に対して１０秒間処理を行った。その結果、色差△Ｅ＊は１４．６であった。
【0066】
［比較例２］
第２のガスのガス流速を１．２ｍ／ｓｅｃで供給したこと以外は実施例１と同条件として処理基材５に対して１０秒間処理を行った。その結果、色差△Ｅ＊は１５．１であった。
第２のガスのガス流速を１．２ｍ／ｓｅｃで供給したこと以外は実施例１と同条件として処理基材５に対して１０秒間処理を行った。その結果、色差△Ｅ＊は１５．１であった。
【0067】
［実施例２］
図８に示す表面処理装置を用いた。ラジカル生成器３に沿面放電型誘電体バリア方式の大気圧プラズマ処理器を用い、ラジカル放出口６に向かって電界が形成されるように、カソード２３とアノード２４、誘電体２５を配置した。そして、その大気圧プラズマ処理器に１６ＫＶｐｐの投入電圧（正弦波、５ＫＨｚ）を印加し、第１のガス流速を１．４ｍ／ｓｅｃ、第２のガス流速を４．７ｍ／ｓｅｃで供給したこと以外の条件は実施例１と同条件として処理基材５に対して１０秒間処理を行った。その結果、色差△Ｅ＊は１７．４であった。これは、沿面放電型誘電体バリア方式の方が平行平板型誘電体バリア方式に比べてプラズマ密度が高く、ラジカル生成空間１０に多量のラジカルが生成されることと、プラズマ流によって第１のガスの直進性が向上したことが影響しているものと考えられる。
図８に示す表面処理装置を用いた。ラジカル生成器３に沿面放電型誘電体バリア方式の大気圧プラズマ処理器を用い、ラジカル放出口６に向かって電界が形成されるように、カソード２３とアノード２４、誘電体２５を配置した。そして、その大気圧プラズマ処理器に１６ＫＶｐｐの投入電圧（正弦波、５ＫＨｚ）を印加し、第１のガス流速を１．４ｍ／ｓｅｃ、第２のガス流速を４．７ｍ／ｓｅｃで供給したこと以外の条件は実施例１と同条件として処理基材５に対して１０秒間処理を行った。その結果、色差△Ｅ＊は１７．４であった。これは、沿面放電型誘電体バリア方式の方が平行平板型誘電体バリア方式に比べてプラズマ密度が高く、ラジカル生成空間１０に多量のラジカルが生成されることと、プラズマ流によって第１のガスの直進性が向上したことが影響しているものと考えられる。
【0068】
【表1】
【産業上の利用可能性】
【0069】
本発明の表面処理装置、方法を用いることで、基材にダメージを与えずに効率的に大気圧雰囲気下で表面処理することができる。この処理装置、方法は、例えば、基材の洗浄や表面改質、成膜などに用いることができるが、その応用範囲がこれらに限られるものではない。
【符号の説明】
【0070】
１、１’、２６、２７ 表面処理装置
２ ラジカル放出機構
３ ラジカル生成器
４ 基材保持機構
５ 基材
６ ラジカル放出口
７ ガス放出口
８ 第１のガス放出器（第１のガス流路）
９ 第２のガス放出器（第２のガス流路）
１０ ラジカル生成空間
１１ 第１のガス供給源
１２ 第２のガス供給源
１３ 視点方向
１４ ラジカル放出口と基材間距離
１５ 第１のガス流量制御機構
１６ 第２のガス流量制御機構
１７ ラジカル輸送空間
１８ 電源
１９ 第３のガス放出器
２０ 第３のガスの流路
２１ 第３のガス放出口
２２ 第３のガス供給源
２３ カソード
２４ アノード
２５ 誘電体
２ ラジカル放出機構
３ ラジカル生成器
４ 基材保持機構
５ 基材
６ ラジカル放出口
７ ガス放出口
８ 第１のガス放出器（第１のガス流路）
９ 第２のガス放出器（第２のガス流路）
１０ ラジカル生成空間
１１ 第１のガス供給源
１２ 第２のガス供給源
１３ 視点方向
１４ ラジカル放出口と基材間距離
１５ 第１のガス流量制御機構
１６ 第２のガス流量制御機構
１７ ラジカル輸送空間
１８ 電源
１９ 第３のガス放出器
２０ 第３のガスの流路
２１ 第３のガス放出口
２２ 第３のガス供給源
２３ カソード
２４ アノード
２５ 誘電体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
