JP5317162B2 - プラズマ装置、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を利用してプラズマを発生させるプラズマ装置、プラズマ装置によって対象物に表面処理を施すプラズマ処理装置及びその方法に関する。

プラスチックフィルムの表面に無機薄膜を形成することによって、種々の機能を付与した機能性プラスチックフィルムがいろいろな分野で利用されている。機能性プラスチックフィルムの具体例としては、ディスプレイ、太陽電池などに利用される透明導電フィルム、家電製品、電気機器などに利用されるフレキシブル基板がある。また、機能性プラスチックフィルムは、薬品、ガスなどの配管にも利用される。

機能性プラスチックフィルムは、その特長を生かして、曲げた状態で製品に取り付けられたり、曲げ伸ばしする箇所に利用されることが多い。機能性プラスチックフィルムが曲げられると、表面に形成された無機薄膜が剥がれることがある。特に、曲げ伸ばしを繰り返したり、温度変化が大きい使用条件では、無機薄膜が剥がれ易く、製品の耐用年数に大きく影響する。そのため、無機薄膜とプラスチックフィルムとの密着力を向上させて、無機薄膜を剥がれ難くすることが、実用上、重要な課題である。

そこで、密着力を向上させるために、無機薄膜を形成するプラスチックフィルムの表面を処理する技術が提案されている。表面処理技術の１つに、プラスチックフィルムの表面にプラズマを照射する技術がある（例えば、特許文献１〜３参照）。

また、機能性プラスチックフィルムの利用範囲が広がるとともに、大面積の機能性プラスチックフィルムの需要が増している。そこで、大面積のプラスチックフィルムに表面処理を施すために、広範囲に渡って、均一で高密度のプラズマを発生させる技術が提案されている（例えば、特許文献４及び５）。

特許文献４に記載のプラズマ処理装置は、矩形導波管と、矩形導波管に設けられ、導波管アンテナを構成する複数のスロットと、容器とを備え、スロットから容器内に放射された電磁波によってプラズマ生成し、プラズマ処理を行う。また、矩形導波管は、複数備えられ、矩形導波管どうしが接して配置されている。また、スロットは、プラズマ処理する全面積に渡り均一に分布する。これにより、大面積の基板（プラスチックフィルム）を均一なプラズマ密度で処理する。特許文献５にも、概ね同様の構成のプラズマ処理装置が記載されている。
特開昭６３−１２０１６３号公報 特開平１１−３５４２９２ 特開２００２−２８０１９６号公報 特開２００４−２００３９０号公報 特開２００５−２６８６５２号公報

しかし、従来の技術には、導波管を伝搬するマイクロ波の伝搬ロスを低減させる余地がある。また、従来の技術では、スロットから発生するプラズマは必ずしも均一ではなく、プラスチックフィルムに照射されるプラズマも、不均一になるという問題もある。本発明は、処理対象物をプラズマ電極の材料で汚染することなく、広範囲に渡って、均一で高密度のプラズマを効率よく発生させることができる装置を提供することを目的とする。

本発明に係るプラズマ装置は、この目的を達成するために、
容器内にマイクロ波プラズマを発生させるプラズマ装置であって、
矩形の断面形状を形成する壁部を有し、前記容器に装着され、自由空間波長λのマイクロ波を伝送する導波管部と、
上記壁部に、管内波長λｇの１／２の間隔で上記導波管部の長手方向に形成された矩形状の複数のスロットから成るスロットアンテナと、
上記スロットアンテナを有する上記壁部の外表面に接して設けられ、上記スロットアンテナを覆う誘電体板とを備え、
上記スロットアンテナを形成する上記複数のスロットは、
ａ）上記スロットアンテナを有する壁部の長手方向の中心軸を挟んで交互に配置されること、
ｂ）上記中心軸からの距離が一定であること、
ｃ）上記複数のスロットの数をｎ、ｎ×λｇ／２をλ／２で除して得られる数をｍとした場合、ｍ−１＜ｎ＜ｍを満たすこと、
ｄ）マイクロ波電源側から見た上記導波管部のインピーダンスが、逆向きの電源側を見た導波管部の特性インピーダンスとほぼ等しいこと、というａ）〜ｄ）の条件を満たす。
また、本発明は、このようなプラズマ装置に限らず、プラズマ装置と同様の構成を含んで対象物に表面処理を施すプラズマ処理装置、及び、プラズマ装置を利用して対象物を処理するプラズマ処理方法も含む。

本発明によると、電極板を利用せずにプラズマを発生させるため、電極板の物質によって処理対象物を汚染することがない。また、電源側から負荷であるスロットアンテナを有する導波管部を見たインピーダンスが、電源側を見た導波管の特性インピーダンスと整合しているため、マイクロ波パワーが複数のスロットから均一に効率よく放射され、高濃度のプラズマを一様に発生させることができる。その結果、処理対象物に実質的に均一にプラズマを照射することが可能になる。

（実施の形態１）
プラズマ装置は、導波管で接続された機器群が協働することにより効率的にプラズマを発生させる装置であり、例えば、図１に示すように、プラスチックフィルムの表面を処理するプラズマ処理装置１に備えられる。プラズマ処理装置１は、マイクロ波プラズマを発生させるプラズマ装置２と、容器３と、台７とを備える。

容器３は、所定のガスが内部に充填され、内部の圧力を一定の範囲で維持できる容器である。容器３は、排気用のポンプ及びガスを供給するボンベが接続される（図示せず）。容器３の内部の圧力は、大気圧でも構わないが、好ましくは、５Ｐａ〜５０Ｐａに減圧される。ガスは、例えば、アルゴンガスである。なお、ガスは、表面処理の効果を高めるために、酸素ガス等が混入される等、プラスチックフィルムの種類に応じて適宜選択されてよい。容器３の内部には、プラズマ発生部１３と、プラスチックフィルム９と、台７とが設けられる。

支持部としての台７は、プラスチックフィルム９（処理対象物）を支持する。プラスチックフィルム９は、所定の大きさに切断されたプラスチックフィルム片である。プラスチックフィルム９の厚さは、柔軟性を備えかつ皺になり難い厚さが好ましい。具体的なプラスチックフィルム９の厚さは、例えば好ましくは５〜５００μｍの範囲であり、さらに好ましくは８〜３００μｍの範囲であるが、これらの厚さに限定されるものではない。

プラスチックフィルム９は、例えば、有機高分子を溶融して押出した後に、必要に応じて、長手方向、及び／又は、幅方向に延伸、冷却、熱固定等を施したフィルムであり、また例えば、有機高分子を溶媒に溶解してドープを作り、移動する支持体上にドープを流延して流延膜を形成し、この流延膜に乾燥風を送って乾燥させた後に、支持体から流延膜を剥ぎ取って乾燥などすることによって得られるフィルムが挙げられる。原料になる有機高分子としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン−２，６−ナフタレート、ナイロン６、ナイロン４、ナイロン６６、ナイロン１２、ポリ塩化ビニール、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニールアルコール、全芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキサイド、トリアセチルセルロース、ポリカーボネイト、フッ素樹脂などがあげられるがこれらに限定されない。また、これらの有機高分子は他の有機重合体を共重合したり、ブレンドしたりしてもよい。さらにこの有機高分子には、例えば、紫外線吸収剤、帯電防止剤、可塑剤、滑剤、着色剤などの機能が知られた添加剤が添加されていてもよい。好ましい具体的例としては、例えば、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム（ＰＥＴフィルム）、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルム（ＰＥＮフィルム）、二軸延伸ポリフェニレンサルファイドフィルム（ＰＰＳフィルム）、二軸延伸ナイロン６フィルム（ＮＹ６フィルム）、二軸延伸ナイロンＭＸＤ６フィルム（ＭＸＤ６フィルム）、二軸延伸ポリプロピレンフィルム（ＰＰフィルム）、二軸延伸全芳香族ポリアミドフィルム（アラミドフィルム）、ポリイミドフィルム（ＰＩフィルム）などが挙げられる。このようなプラスチックフィルムは、有機高分子単層により形成されたものでもよいし、多層に形成されていたものでも構わない。例えば、中の層に可塑剤を入れた有機高分子を使い表層には可塑剤を抜いたものにより形成したプラスチックフィルム、また異なる有機高分子を積層したプラスチックフィルムでも構わない。プラスチックフィルムの表面は、コート処理されていてもよい。なお、処理対象物は、プラスチックフィルム以外であってもよく、例えば、ガラス、セラミック、紙、繊維、布、不織布、金属などであってもよい。

プラズマ装置２は、マイクロ波電源１５と、アイソレータ１７と、パワーメータ１９と、整合器２１と、プラズマを発生するプラズマ発生部１３と、これらを接続する第１導波管４Ａ、テーパ状接続管４Ｂ及び接合部４Ｃとを備える。

マイクロ波電源１５は、自由空間波長λのマイクロ波を出力する。マイクロ波電源１５が出力するマイクロ波は、通常、３００ＭＨｚから１００ＧＨｚの周波数帯のいずれかであり、工業用としては例えば、９１５ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚが良く利用される。

アイソレータ１７は、マイクロ波電源１５からプラズマ発生部１３に向かう方向（入射方向であり、図１及び２の第２導波管５に平行な矢印が示す方向）にのみマイクロ波を通し、プラズマ発生部１３からマイクロ波電源１５に向かう方向（反射方向）にマイクロ波を通さない。これによって、プラズマ発生部１３から反射されたマイクロ波がマイクロ波電源１５にもどることを防止し、マイクロ波電源１５を保護する。

パワーメータ１９は、入射方向と反射方向とのそれぞれに伝搬するマイクロ波の電力を測定する。

整合器２１は、自身に接続される電源側及び負荷側の導波管のインピーダンス整合をする。すなわち、整合器２１は、自身からマイクロ波電源１５に向って接続される導波管のインピーダンスと、自身からプラズマ発生部３に向って接続される導波管のインピーダンスとを一致させる。これにより、マイクロ波の反射が無くなり又は低減し、反射方向に戻るマイクロ波の反射電力を無くす又は低減させることができる。従って、マイクロ波の伝搬効率を向上させることができる。

第１導波管４Ａは、マイクロ波電源１５から供給されるマイクロ波を伝送する矩形導波管であって、マイクロ波電源１５と、アイソレータ１７と、パワーメータ１９と、整合器２１とを順に接続する。また、テーパ状接続管４Ｂは、整合器２１に接続されるプラズマ発生部１３側の第１導波管４Ａと、プラズマ発生部１３とを接続する矩形の断面形状がマイクロ波の伝送方向に緩やかに変化する導波管である。第１導波管４Ａとテーパ状接続管４Ｂは、フランジ継手で接続される（図示せず）。接合部４Ｃは、テーパ状接続管４Ｂとプラズマ発生部１３とを接続する部分であり、例えば、フランジ継手で接続されている部分である。

プラズマ発生部１３は、図２の平面図及び図３の側方断面図に示すように、容器３に装着され、容器３の中にプラズマを発生させる部位であって、第２導波管（導波管部）５と、スロットアンテナ１０と、誘電体板１１とを備える。なお、実施の形態では、容器３の上部に装着される例を説明するが、プラズマ発生部１３は、容器３の内部に装着されてもよい。

第２導波管５は、できるだけ少ない伝搬ロスでマイクロ波を伝搬できるように、テーパ状接続管４Ｂにより第１導波管４Ａに接続されている。なお、第２導波管５と第１導波管４Ａとは、後述するように接合部４Ｃでの反射をできる限り低減して、少ない伝搬ロスでマイクロ波を伝搬できるような接続であれば、テーパ状接続管４Ｂとは異なるもの又は異なる方法を用いて接続されてもよい。第２導波管５は、容器３の上部に装着される。第２導波管５は、矩形導波管であって、矩形の断面形状を形成する壁部を有する。管内波長λｇは、しゃ断波長をλｃとすると、１／λｇ^２＝１／λ^２−１／λｃ^２となることが知られている。ここに、矩形導波管である第２導波管５の高さをａ、幅をｂとすると、ＴＥｍｎモードでのしゃ断波長λｃは、式１で表される。したがって、管内波長λｇは、マイクロ波電源１５が供給するマイクロ波の周波数と第２導波管５の断面形状によって決まる。

スロットアンテナ１０は、第２導波管５の壁部のうち、台７と対向する壁部に設けられ、管内波長λｇの１／２の間隔で第２導波管５の長手方向に形成された矩形状の複数のスロット１２から成る。スロットの配置の詳細は、図４を参照して後述する。

誘電体板１１は、スロットアンテナ１０を有する壁部の外表面に接して設けられ、スロットアンテナ１０を覆う。誘電体板１１は、スロットアンテナ１０を有する壁部の外表面に接して、スロットアンテナ１０を覆う取付面と、その取付面に対向するプラズマ発生面とを有する。誘電体板１１の厚さは、マイクロ波の波長λの４分の１以下であることが好ましい。また、誘電体板１１の材料は、石英（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のように、マイクロ波の誘電体損が低く耐熱性のあるものが好ましい。

図４は、図２及び図３に示すスロットアンテナ１０における複数のスロット１２の配置を説明するための図であり、スロットアンテナを有する導波管部５の上下を逆にした状態を示す。図４の矢印は、マイクロ波の伝送方向、すなわち上記の入射方向を示す。また、第２導波管５は、幅ａ、高さｂの長方形断面の中空を有し、壁の厚みはｔである。

図４の複数のスロット１２は、ＴＥ１０モードの場合の複数のスロット１２の例であり、スロットアンテナ１０を有する壁部の長軸２３を挟んで交互の２列に形成され、第２導波管５の端部に最も近い第１スロット１２から順に、長軸２３に沿って第６スロット１２まで６つ形成されている例を示す。各スロット１２は、長辺方向の長さがｌ、短辺方向の長さがｗの細長い長方形の形状を有する。スロット１２の長辺方向は、長軸２３と平行に設けられ、スロット１２の長辺方向の中心軸２５は、長軸２３からの距離が一定Ｘｌである。

第１スロット１２の長辺方向の中心は、第２導波管５の端部から管内波長３λｇ／４となる位置に設けられる。長軸２３と平行な方向に第２導波管５を見た場合に、各スロット１２同士の間隔は、管内波長λｇの半分（λｇ／２）である。また、長軸２３と垂直な方向に第２導波管５を見た場合に、スロット１２が形成されない部分の長さをｄとしている。なお、第１スロット１２の長辺方向の中心は、第２導波管５の端部から管内波長３λｇ／４＋ｎ・λｇ／２（ｎ：自然数）となる位置に設けられてもよい。

スロット幅が狭く（２ｌｏｇ_１０（ｌ／ｗ）＞＞１）、スロット周が第一共鳴近傍であり（ｌ＋ｗ≒λ／２）、導波管が完全導体でかつ無限に薄い（ｔ≒０）という理想化された条件の下で、第２導波管５の特性インピーダンスで規格化された１個のスロットの等価コンダクタンスｇは、（式２）で表されることが知られている（”Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ” ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｓａｍｕｅｌ Ｓｉｌｖｅｒ，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ Ｂｏｓｔｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｅｒｓ，Ｉｎｃ．１９６３年参照）。

スロットの数をｎとした場合に、ｎ・ｇ＝１（式３）を満たすようにスロットを形成することによって、マイクロ波電源側から第２導波管５を見たインピーダンスは、第２導波管５にスロットアンテナ１０がない場合の第２導波管５の特性インピーダンスと整合する。すなわち、第２導波管５と同じ形状でスロットアンテナを有さない導波管をプラズマ発生部１３に接合した場合、接合部分で、マイクロ波電源側を見たインピーダンスと、プラズマ発生部１３を含む負荷側を見たインピーダンスとがほぼ等しい。そのため、上記（式３）を満たすようにスロットを形成することで、プラズマ発生部１３の入力端における反射が除去され、又は低減し、効率よくマイクロ波を供給できる。また、インピーダンスが整合している場合、各スロットから放出されるマイクロ波の出力がほぼ等しくなり、均一なプラズマを発生することが可能になる。なお、接合部４Ｃからマイクロ波電源側に接続される導波管が第２導波管５とは異なる断面形状の第１導波管４Ａである場合、両者の特性インピーダンスが違うために、その接合部分でマイクロ波の反射が起こる。この反射を減らす方法の一つとして、第１導波管部４Ａと第２導波管５とを滑らかに接続する矩形断面をもつテーパ状接続管４Ｂを設ける方法が有効である。このテーパ状接続管４Ｂの長さを自由空間波長に比べて数倍程度に長くすると、テーパ状接続部４Ｂのインピーダンスが第１導波管４Ａの特性インピーダンスから第２導波管５の特性インピーダンスまでにゆるやかに変化するので、上記接合部４Ｃでの反射を実用上、無視できるレベルまで減らすことが可能である。

また、ｄは、式４で表される。

ｄは、スロットが存在しない間隔であるため、できるだけ小さい方が好ましい。ｄを小さくすることによって、第２導波管５の壁部の全体にマイクロ波を出力できるため、プラズマ発生部１３は均一なプラズマを発生することが可能になる。インピーダンスを整合しながら、できるだけｄを小さくするには、プラズマを発生させる領域長Ｌ（＝ｎ・λｇ／２）をλ／２で除した数ｎ´を越えないもっとも近い整数ｎでＬを除した長さの２倍をλｇに設定するとよい。すなわち、スロットの数をｎ、ｎ×λｇ／２をλ／２で除して得られる数をｍとした場合、ｍ−１＜ｎ＜ｍを満たす場合に、インピーダンスを整合しながら、ｄを小さくすることができる。

導波管のスロットを有する壁部の中心軸方向に、スロットが存在しない間隔ｄを小さくし、かつ、インピーダンスを整合させるという、上記の条件を満たす具体例を図５に示す。図５に示す例は、２．４５ＧＨｚ、ＴＥ１０モードの場合の一例で、ａ＝１５０ｍｍ、Ｘｌ＝４８ｍｍ（２・Ｘｌ＝９６ｍｍ）、ｗ＝１ｍｍ、ｌ＝６０ｍｍ、ｄ＝７ｍｍである。これは、具体例の１つにすぎず、本発明がこれに限定されるものではないことはもちろんである。

このような構成により、マイクロ波電源１５からマイクロ波が供給される。マイクロ波は、第１導波管４Ａ及びテーパ状接続管４Ｂを伝搬し、接続部４Ｃを介して、容器３に装着されたプラズマ発生部１３にまで伝搬する。マイクロ波は、スロット１２及び誘電体板１１を介して、容器３の中を伝搬して、ガスを電離させてプラズマを生成する。マイクロ波のパワーが低い場合は薄いプラズマとなり、真空容器内を体積波としてマイクロ波が伝搬する。パワーが高くなり、プラズマの密度がカットオフ密度を超えるとマイクロ波はプラズマ表面で反射され、誘電体板の表面に沿って伝わる表面波となり、この波の強い電場で電子が加速されて放電が起こりプラズマが維持される。発生した高密度プラズマが、プラスチックフィルム９の表面に照射する。このようにして、プラスチックフィルム９は、表面処理される。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係るプラズマ発生部１３のスロットアンテナ１０近傍を示す図である。本図のプラズマ発生部１３は、実施の形態２に係るプラズマ装置の容器３を切り欠いて示す下方からの斜視図である。実施の形態２のプラズマ発生部１３は、第２導波管５と、スロットアンテナ１０と、誘電体板１１とを実施の形態１と同様に備え、更に、図６に示すように、誘電体板１１のプラズマ発生面近傍に複数の永久磁石５３を備える。

なお、図６には、永久磁石５３が、プラズマ発生面のスロット１２の近傍に対向する位置の近傍に設けられる例を示すが、永久磁石の配置は、これに限られない。永久磁石５３は、例えば、誘電体板１１の取付面、すなわち、スロット１２を有する第２導波管５の壁部と誘電体板１１との間に挟むように設けられてもよく、誘電体板１１の取付面とプラズマ発生面の両方に設けられてもよい。また、永久磁石５３の形状、間隔、配置等は、適宜最適なものが選択されてよい。また、設置時の永久磁石５３の磁極の向きは、どのようなものであってもよく、適宜最適なものが選択されてよい。さらに、永久磁石５３の代わりに例えば電磁石のような磁極の向きを変更できる磁石が配置されてもよく、その場合、磁極の向きが適宜制御されてもよい。

このように、磁石を誘電体板に設けることによって、低圧下でプラズマを生成しても、プラズマの拡散が磁石の磁場によって抑制され、容器の内壁に衝突して消滅することが減少する。そのため、磁場がない場合よりも１桁程度低い低圧下であっても、比較的高濃度でプラズマを維持することが可能になる。また、これにより、プラズマでの表面処理をするための容器内の環境の構築が容易になる。さらに、後述するように表面処理の後に、例えば無機薄膜の生成処理などが施されるが、プラズマ装置から後続する処理装置にプラスチックフィルムを自動的に移動させる場合の差動排気が僅かですむため、実用性が向上する。なお、電子サイクロトロン共鳴が起きるような環境の場合も、低圧で高密度のプラズマを維持でき、上述の効果を奏することが可能になる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態１で説明したプラズマ装置を薄膜形成プロセスでのプラズマ源として利用する薄膜形成装置について説明する。図７は、本発明の一実施の形態に係る薄膜形成装置を示す。薄膜形成装置は、プラズマによる表面処理を利用して長尺のプラスチックフィルムに連続的に無機薄膜を形成する装置である。

薄膜形成装置は、巻出ロール４１から長尺のプラスチックフィルム３９を、ガイドロール４３を通って、プラズマ処理ユニット３３ａに連続的に巻き出す巻出ユニット３１と、プラスチックフィルム３９にプラズマを照射して表面処理をするプラズマ処理ユニット（プラズマ処理装置）３３ａと、ガイドロール４３に案内されてメインロール４５によって移動するプラスチックフィルム３９にスパッタターゲット４７を使用したスパッタリングにより無機薄膜を形成する製膜ユニット３５と、無機薄膜が形成されたプラスチックフィルム３９をガイドロール４３の案内で巻取ロール４９に巻き取る巻取ユニット３７とを備える。

プラズマ処理ユニット３３ａは、プラズマ処理ユニット３３ａの筐体である容器を備え、また、実施の形態１と同様に、容器内のガスの圧力及び構成を制御するために、容器からガスを排気する真空ポンプ及びガスを供給するボンベが接続される（図示せず）。プラズマ処理ユニット３３ａは、所定の圧力でガスが充填された容器内に配置されたプラズマ発生部１３を有する。プラズマ発生部１３は、プラスチックフィルム３９の幅と同程度又はそれよりも広い幅を有し、実施の形態１と同様に、第２導波管５と、図示しないスロットアンテナ（１０）及び誘電体板（１１）とを有する。誘電体板のプラズマ発生面は、順次移動するプラスチックフィルム３９に対向して配置される。巻き出し装置３１及び製膜ユニット３５のガイドロール４３が、支持部として、順次移動するプラスチックフィルム３９を支持する。なお、薄膜形成装置を構成する各ユニットは、別体になっており、各ユニット内の圧力やガスの構成は、ユニット毎に制御されることが好ましいが、複数のユニットが一体の構成であってもよい。

このような構成の薄膜形成装置によって、巻出ユニット３１の巻出ロール４１から長尺のプラスチックフィルム３９を送り出し、プラズマ処理ユニット３３ａでの表面処理と製膜ユニット３５での薄膜形成処理とをプラスチックフィルム３９に順次実行した後に、巻取ユニット３７の巻取ロール４９に薄膜が形成されたプラスチックフィルム３９を巻き取る。これにより、無機薄膜が形成された長尺のプラスチックフィルムを製造することができる。また、プラズマ処理ユニット３３ａで高密度のプラズマでの表面処理がなされた後に、処理された表面に無機薄膜が形成されるため、密着力が高い無機薄膜が形成されたプラスチックフィルムの製造が可能になる。

なお、製膜ユニット３５は、スパッタリングによって薄膜を形成することとしたが、薄膜形成の方法はこれに限られない。製膜ユニット３５での薄膜は、例えば、他のＰＶＤ（物理的気相成長）技術、ＣＶＤ（化学的気相成長）技術等を利用した方法で形成されてもよい。これらの方法によっても、本発明に係るプラズマ処理ユニットで処理を施した表面に薄膜を形成することで、薄膜とプラスチックフィルムとの密着力を高めることが可能になる。

（実施の形態４）
本実施の形態の薄膜形成装置は、図８に示すように、プラズマ処理ユニット３３ｂを除いて、実施の形態３の薄膜形成装置と同様の構成である。プラズマ処理ユニット３３ｂは、プラスチックフィルムを送り出す処理ロール（支持部）５１と、処理ロール５１の面に対向して配置される複数のプラズマ発生部１３と、巻出ユニット３１から巻き出されたプラスチックフィルム３９を処理ロール５１に案内するガイドロール４３と、処理ロール５１から送り出されたプラスチックフィルム３９を製膜ユニット３５に案内するガイドロール４３とを備える。複数のプラズマ発生部１３は、第２導波管５と、上記第２導波管５に設けた図示しないスロットアンテナ（１０）及び誘電体板（１１）とを有する。複数のプラズマ発生部１３は、処理ロール５１の回転方向に並べて配置され、各プラズマ発生部１３は、処理ロール５１の幅と同程度又はそれより広い幅を有する。プラズマ発生部１３の誘電体板のプラズマ発生面は、プラスチックフィルム３９を支持する処理ロール５１の周表面に対向する。

プラズマ発生面と処理ロール５１の周表面との距離は、処理ロール５１及び／又はプラズマ発生部１３の位置を制御する距離調整機構部（図示せず）により、一定の範囲で任意の距離に調整できる。これにより、プラスチックフィルムに照射するプラズマの密度を調整することができ、プラスチックフィルムに施す表面処理の程度を調整することが可能になる。また、処理ロール５１に対向するプラズマ発生部１３のプラズマ発生面は、好ましくは、プラスチックフィルム３９を支持する処理ロール５１の周表面の形状に応じて湾曲している。これにより、処理ロール５１の周表面を移動するプラスチックフィルム３９と、プラズマ発生面との距離を常に一定にすることができる。そのため、処理ロール５１の移動中にプラスチックフィルム３９に照射されるプラズマは、均一になる。そのため、プラズマの照射量の調整が容易になる。

処理ロール５１は、周表面の温度を制御し、これにより周表面に支持するプラスチックフィルム３９の温度を調整する温度調整手段を備える（図示せず）。温度調整手段は、例えば、処理ロール５１内に配置され、冷媒が循環する管と、管を循環させる冷媒の量及び／又は温度を制御する冷媒制御部を備える。プラスチックフィルムの温度は、好ましくは、−（マイナス）２０度から４０度程度に調整される。一般にプラスチックフィルムは、熱によって変形し、変性する等、損傷し易いが、温度調整手段を備えることによって、プラズマ照射の熱によるプラスチックフィルムの損傷を防ぐことが可能になる。

なお、プラズマ発生部１３が２個である例を図８に示すが、プラズマ発生部１３の数は、これに限られず、３個以上であっても良い。これにより、プラズマを広範囲に発生させることができるため、各プラズマ発生部１３で生成するプラズマが少なくても十分な表面処理を行うことができる。そのため、高密度のプラズマによる急激な加熱を防止でき、プラスチックフィルムを熱によって損傷する危険を減らすことが可能になる。

以下、実施例を示して本発明に関連するマイクロ波プラズマの効果を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。実施例に用いたプラズマ装置の条件について説明する。容器は、直径３０ｃｍ、高さ４０ｃｍの金属製で円筒状の容器である。容器の中に設けた矩形導波管の長さは、５０ｃｍである。プラズマ発生部に設けた誘電体板は、直径３０ｃｍの円板状である。

（実施例１）
実施例１において、ガスは、アルゴンであり、圧力は１３Ｐａとした。供給するマイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚ、電力は１ｋＷである。プラスチックフィルムは、プラズマ発生面から５０ｍｍの位置に配置し、厚さ１００μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム（東洋紡績株式会社製、Ａ４１００）である。プラズマ照射時間は、５秒間とした。このような条件で表面処理をした後に、表面処理をしたプラスチックフィルムの表面の各種元素の量をＥＳＣＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｆｏｒ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）で測定した。実施例１での測定結果が図９及び図１０に示される。図９及び図１０は、それぞれ、珪素（Ｓｉ）、フッ素（Ｆ）の測定結果を示す。図９において、位置６１はＳｉＯ_２のスペクトル、位置６３は金属Ｓｉのスペクトル、点線の楕円領域６５はシリコンのスペクトルを示す。又、図１０において、点線の楕円領域６７はフッ素のスペクトルを示す。未処理のＰＥＴフィルムと比較すると、表面汚染であるフッ素が除去されている。

（比較例１）
比較例１では、装置内に設置した磁場をかけたボロンドープシリコンの平板電極に直流電圧をかけプラズマを発生させた。ガスは、アルゴンであり、圧力は０．６Ｐａとした。直流電力は４．６ｗ／ｃｍ^２で供給した。プラスチックフィルムは、電極から９５ｍｍの位置に配置し、厚さ１００μｍのＰＥＴフィルム（東洋紡績株式会社製、Ａ４１００）である。プラズマ照射は、２．５秒間とした。未処理のフィルム表面と比較してフッ素元素は検出されないが、電極材料であるシリコン元素が不純物としてフィルム表面に存在しているのがわかる。

（実施例２）
実施例２において、ガスは、アルゴン１００％と混合ガス（アルゴン９０％，酸素１０％）であり、全圧力は１３Ｐａとした。供給するマイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚ、電力は０．５ｋＷである。プラスチックフィルムは、プラズマ発生面から１００ｍｍの位置に配置し、厚さ１００μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム（東洋紡績株式会社製、Ａ４１００）である。プラズマ照射時間は、０、２、５、１０、３０秒間の５水準実施した。このような条件で、各ガスについてプラズマ照射時間を変えて表面処理をした後に、水との接触角を測定した。図１１は、測定結果を示し、実施例２Ａは、アルゴン１００％での測定結果を、実施例２Ｂは、混合ガスでの測定結果を示す。プラズマに数秒間さらすだけで接触角が低下し、表面処理の効果が現れた。微量の酸素を添加すると劇的に処理効果が向上する。

（実施例３）
実施例３では、実施例２と比較して、プラスチックフィルムの材料を、ＰＥＴフィルムからポリイミドフィルムに変えた。ポリイミドフィルムは、ＰＥＴフィルムより耐熱性に優れるので、マイクロ波の出力も上げている。具体的には、実施例３において、ガスは、アルゴン１００％と混合ガス（アルゴン９０％，酸素１０％）であり、全圧力は１３Ｐａとした。供給するマイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚ、電力は１ｋＷである。プラスチックフィルムは、プラズマ発生面から５０ｍｍの位置に配置し、厚さ５０μｍのポリイミドフィルム（東レデュポン株式会社製、カプトン（登録商標））である。プラズマ照射時間は、０、２、５、１０、３０秒間の５水準実施した。このような条件で、各ガスについてプラズマ照射時間を変えて表面処理をした後に、水の接触角を測定した。図１２は、測定結果を示し、実施例３Ａは、アルゴン１００％での測定結果を、実施例３Ｂは、混合ガスでの測定結果を示す。ＰＥＴフィルムのプラズマ処理と同様に、短時間で処理効果が現れ、酸素添加により効果も確認された。

（実施例４）
実施例４において、ガスは、アルゴン１００％と混合ガス（アルゴン９０％，酸素１０％）であり、全圧力は６５Ｐａとした。供給するマイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚ、電力は１ｋＷである。プラスチックフィルムは、プラズマ発生面から５０ｍｍの位置に配置し、厚さ５０μｍのポリイミドフィルム（東レデュポン株式会社製、カプトン（登録商標））である。プラズマ照射時間は、５秒間である。

このような条件で、表面処理をした後に、表面処理をしたプラスチックフィルムの表面の炭素（Ｃ）及び酸素（０）をＥＳＣＡで測定した。図１３及び１４は、それぞれ、炭素（Ｃ）及び酸素（Ｏ）の測定結果を示す。図１３において、位置６９はＣ＝Ｏ、位置７１はＣ−ＯＨ、位置７３はＣ−Ｏ−Ｃ又はＣ−Ｎ、位置７５はＣ−Ｃの結合を示す。図１４において、位置７９はＣ−Ｏ−Ｃ又はＣ−ＯＨ、位置８１はＣ＝Ｏを示す。実施例４Ａは、アルゴン１００％での測定結果を、実施例４Ｂは、混合ガスでの測定結果を、比較例２は、未処理のポリイミドフィルムでの測定結果を示す。これらのデータからプラズマ処理によってＣ−ＯＨ結合が表面に形成され、化学的な表面処理が進行することが分かった。

また、上記条件で、表面処理をした後に、表面処理をしたプラスチックフィルムの表面粗さを測定した。図１５は、ポリイミドフィルムの処理面の表面粗さを測定した結果を示す。表面粗さは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて表面の凹凸の高さを計測し、そのＲＭＳ（二乗平均平方根）を指標とする。実施例４Ａは、アルゴン１００％での測定結果を、実施例４Ｂは、混合ガスでの測定結果を、比較例２は、未処理のポリイミドフィルムでの測定結果を示す。このデータから、プラズマ処理によって表面粗さが増加し、物理的処理も進行することがわかる。また、酸素を添加した方が化学的にも物理的にも処理効果が大きいことが判明した。

（実施例５）
実施例５において、ガスは、アルゴンであり、圧力は６５Ｐａとした。供給するマイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚ、電力は１ｋＷである。プラスチックフィルムは、プラズマ発生面から１００ｍｍの位置に配置し、ポリイミドフィルム（ＰＭＤＡ−ＯＤＡ）である。プラズマ照射時間は、５秒間である。次に、表面処理したポリイミドフィルムに、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によって、銅の薄膜を形成した。薄膜形成処理では、０．６５Ｐａのアルゴン雰囲気で、ターゲットは無酸素銅、ターゲットとポリイミドフィルムとの距離は１００ｍｍ、供給電力は５０Ｗとした。形成した薄膜の厚さは、１００ｎｍである。続けて、薄膜が形成されたポリイミドフィルムを装置から取り出し、電気めっき法によりさらに銅層を２０μｍ積層した。電気めっきは一般的な方法でめっき液として硫酸銅、陽極に銅板を使用したものである。ＪＩＳ Ｃ６４７１に基づきスパッタリング法と電気めっきにより積層した銅層をポリイミドフィルムとスパッタリングによる銅層との界面よりはがし、９０°の剥離角により密着力を測定した。結果を図１６に示す。

（実施例６）
実施例６では、ガスが混合ガス（アルゴン９０％，酸素１０％）である以外は、実施例５と同じである。
（比較例３）
比較例３では、プラズマ表面処理のプラズマ発生源として、マイクロ波プラズマの代わりに、平板電極プラズマを用いた。電極には銅を用い、供給したマイクロ波の周波数は１３．５６ＭＨｚ、電力は２００Ｗとし、アルゴンプラズマ中で５秒間、フィルムの処理を行い実施例５と同様に銅の薄膜を形成し、密着力を測定した。結果を図１６に示す。
（比較例４）
表面処理を行わず、実施例５と同様の方法で銅の薄膜を形成し、密着力を測定した。結果を図１６に示す。比較例３及び４のそれぞれに比べて、マイクロ波プラズマを利用して表面処理を施した実施例５及び６の方が密着力が増加している。

本発明は、プラズマ発生装置に利用でき、具体的には、プラスチックフィルム等を基板とするＦＰＣ、ＩＴＯ等の無機薄膜を形成する前処理として、基板の表面処理をするためにプラズマを発生させる装置等に利用できる。

本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成の概要を示す図。 本発明の実施の形態１に係るスロットアンテナを有する第２導波管の平面図。 本発明の実施の形態１に係るスロットアンテナを有する第２導波管の側方断面図。 本発明の実施の形態１に係るスロットアンテナを有する第２導波管の配置を示す図。 スロットアンテナを有する導波管部の配置の具体例を示す図。 本発明の実施の形態２に係るスロットアンテナを有する第２導波管の構成を示す切り欠き図。 本発明の実施の形態３に係るプラズマ処理ユニットを備える薄膜形成装置の構成の概要を示す図。 本発明の実施の形態４に係るプラズマ処理ユニットを備える薄膜形成装置の構成の概要を示す図。 プラスチックフィルムの処理面をＥＳＣＡで測定した珪素（Ｓｉ）スペクトルを示す図。 プラスチックフィルムの処理面をＥＳＣＡで測定したフッ素（Ｆ）スペクトルを示す図。 ＰＥＴフィルムを表面処理する時間と処理面での水の接触角との関係を示す図。 ポリイミドフィルムを表面処理する時間と処理面での水の接触角との関係を示す図。 ポリイミドフィルムの処理面をＥＳＣＡで測定した炭素（Ｃ）スペクトルを示す図。 ポリイミドフィルムの処理面をＥＳＣＡで測定した酸素（Ｏ）スペクトルを示す図。 ポリイミドフィルムの処理面の表面粗さを測定した結果を示す図。 ポリイミドフィルムの処理面に形成した銅層の剥離強度を示す図。

符号の説明

１ プラズマ処理装置，２ プラズマ装置，３ 容器，４Ａ 第１導波管，４Ｂ テーパ状接続管，４Ｃ 接続部，５ 第２導波管，７ 台，９ プラスチックフィルム，１０ スロットアンテナ，１１ 誘電体板，１２ スロット，１３ プラズマ発生部，３１ 巻出ユニット，３３ａ・３３ｂ プラズマ処理ユニット，３５ 製膜ユニット，３７ 巻取ユニット，３９ プラスチックフィルム，４１ 巻出ロール，４３ ガイドロール，４５ メインロール，４７ スパッタターゲット，４９ 巻取ロール，５１ 処理ロール，５３ 永久磁石

Claims (13)

1. 容器内にマイクロ波プラズマを発生させるプラズマ装置であって、
   矩形の断面形状を形成する壁部を有し、前記容器に装着され、自由空間波長λのマイクロ波を伝送する導波管部と、
   上記壁部に、管内波長λｇの１／２の間隔で上記導波管部の長手方向に形成された矩形状の複数のスロットから成るスロットアンテナと、
   上記スロットアンテナを有する上記壁部の外表面に接して設けられ、上記スロットアンテナを覆う誘電体板とを備え、
   上記スロットアンテナを形成する上記複数のスロットは、
   ａ）上記スロットアンテナを有する壁部の長手方向の中心軸を挟んで交互に配置されること、
   ｂ）上記中心軸からの距離が一定であること、
   ｃ）上記複数のスロットの数をｎ（ｎ＝１を除く）、ｎ×λｇ／２をλ／２で除して得られる数をｍとした場合、ｍ−１＜ｎ＜ｍを満たすこと、
   ｄ）式１及び式２の関係を満たし、マイクロ波電源側から見た上記導波管部のインピーダンスが、逆向きの電源側を見た導波管部の特性インピーダンスとほぼ等しいこと、
   というａ）〜ｄ）の条件を満たすことを特徴とするプラズマ装置。
   
   

   

   ｇ：理想化された条件の下で、導波管部の特性インピーダンスで規格化された１個のスロットの等価コンダクタンス
   ａ：上記導波管部の高さ
   ｂ：上記導波管部の幅
   ｘ１：上記壁部の長手方向の中心軸から上記スロットの長辺方向の中心軸までの距離
2. 上記マイクロ波電源から上記導波管部へマイクロ波を伝送する導波管と、
   上記導波管と上記導波管部とを滑らかに接続するテーパ状接続管と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１記載のプラズマ装置。
3. 容器内で処理対象物にプラズマを照射することによって、上記対象物の表面を処理するプラズマ処理装置であって、
   上記容器内にマイクロ波プラズマを発生させるプラズマ発生部と、
   上記プラズマ発生部に対向した状態で上記対象物を支持する支持部とを備え、
   矩形の断面形状を形成する壁部を有し、上記容器に装着され、自由空間波長λのマイクロ波を伝送する導波管部と、
   上記壁部に、管内波長λｇの１／２の間隔で上記導波管部の長手方向に形成された矩形状の複数のスロットから成るスロットアンテナと、
   上記スロットアンテナを有する上記壁部の外表面に接して設けられ、上記スロットアンテナを覆う誘電体板とを備え、
   上記スロットアンテナを形成する上記複数のスロットは、
   ａ）上記スロットアンテナを有する壁部の長手方向の中心軸を挟んで交互に配置されること、
   ｂ）上記中心軸からの距離が一定であること、
   ｃ）上記複数のスロットの数をｎ（ｎ＝１を除く）、ｎ×λｇ／２をλ／２で除して得られる数をｍとした場合、ｍ−１＜ｎ＜ｍを満たすこと、
   ｄ）式１及び式２の関係を満たし、マイクロ波電源側から見た上記導波管部のインピーダンスが、逆向きの電源側を見た導波管部の特性インピーダンスとほぼ等しいこと、
   というａ）〜ｄ）の条件を満たすことを特徴とするプラズマ処理装置。
   
   

   

   ｇ：理想化された条件の下で、導波管部の特性インピーダンスで規格化された１個のスロットの等価コンダクタンス
   ａ：上記導波管部の高さ
   ｂ：上記導波管部の幅
   ｘ１：上記壁部の長手方向の中心軸から上記スロットの長辺方向の中心軸までの距離
4. 上記誘電体板またはその近傍に、上記対象物と対向する側に複数の永久磁石を更に備えることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
5. 上記対象物は、長尺のプラスチックフィルムであり、
   上記支持部は、上記プラスチックフィルムを連続的に移動させることを特徴とする請求項３または４に記載のプラズマ処理装置。
6. 上記支持部は、自身が支持している上記プラスチックフィルムの温度を調節するための温度調整手段を有することを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
7. 上記プラズマ発生部と上記対象物との距離を調整する距離調整機構部を更に備えることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
8. 上記プラズマ発生部は、上記プラスチックフィルムとの距離が一定となるように、上記支持部の上記プラスチックフィルムを支持する面の形状に応じて湾曲することを特徴とする請求項３から７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
9. 上記プラズマ発生部は、プラスチックフィルムの移動方向に沿って複数設けられることを特徴とする請求項３から８のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
10. 上記支持部は、回転可能であり、回転することによって、上記プラスチックフィルムを順次移動させるロールであることを特徴とする請求項３から９のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
11. 上記マイクロ波電源から上記導波管部へマイクロ波を伝送する導波管と、
    上記導波管と上記導波管部とを滑らかに接続するテーパ状接続管と、
    を更に備えることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
12. 矩形の断面形状を形成する壁部を有し、中空容器に装着され、自由空間波長λのマイクロ波を伝送する導波管部と、
    上記壁部に、管内波長λｇの１／２の間隔で上記導波管部の長手方向に形成された矩形状の複数のスロットから成るスロットアンテナと、
    上記スロットアンテナを有する上記壁部の外表面に接して設けられ、上記スロットアンテナを覆う誘電体板とを備え、
    上記スロットアンテナを形成する上記複数のスロットは、
    ａ）上記スロットアンテナを有する壁部の長手方向の中心軸を挟んで交互に配置されること、
    ｂ）上記中心軸からの距離が一定であること、
    ｃ）上記複数のスロットの数をｎ（ｎ＝１を除く）、ｎ×λｇ／２をλ／２で除して得られる数をｍとした場合、ｍ−１＜ｎ＜ｍを満たすこと、
    ｄ）式１及び式２の関係を満たし、マイクロ波電源側から見た上記導波管部のインピーダンスが、逆向きの電源側を見た導波管部の特性インピーダンスとほぼ等しいこと、
    というａ）〜ｄ）の条件を満たすプラズマ発生部を利用して対象物の表面処理を行う表面処理方法であって、
    上記導波管部の壁に形成されたスロットアンテナからマイクロ波を放射するステップと、
    上記マイクロ波によって、上記プラズマ発生部が備える上記誘電体板の表面にプラズマを発生させるステップと、
    発生した上記プラズマを上記対象物に照射するステップとを含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
    

    

    ｇ：理想化された条件の下で、導波管部の特性インピーダンスで規格化された１個のスロットの等価コンダクタンス
    ａ：上記導波管部の高さ
    ｂ：上記導波管部の幅
    ｘ１：上記壁部の長手方向の中心軸から上記スロットの長辺方向の中心軸までの距離
13. 上記マイクロ波電源から上記導波管部へマイクロ波を伝送する導波管と、
    上記導波管と上記導波管部とを滑らかに接続するテーパ状接続管と、
    を更に備えることを特徴とする請求項１２記載のプラズマ処理方法。

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