JP3333110B2 - Surface treatment method using discharge plasma - Google Patents
Surface treatment method using discharge plasmaInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、大気圧近傍の圧力
下における放電プラズマ処理方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a discharge plasma processing method under a pressure near atmospheric pressure.
【0002】[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、表面改質を行う方法が実用化されて
いる。しかし、低圧条件下における処理は工業的には不
利であるため、電子部品等の高価な処理品に対してし
か、適用されていない。このため、大気圧近傍の圧力下
で放電プラズマを発生させる方法が提案されている。例
えば、ヘリウム雰囲気下で処理を行う方法が特開平2−
48626号公報に、アルゴンとアセトン及び/又はヘ
リウムからなる雰囲気下で処理を行う方法が特開平4−
74525号公報に開示されている。2. Description of the Related Art Conventionally, a method of generating a glow discharge plasma under a low pressure condition to perform surface modification has been put to practical use. However, treatment under low-pressure conditions is industrially disadvantageous, and is therefore applied only to expensive treated products such as electronic components. For this reason, a method of generating discharge plasma under a pressure near the atmospheric pressure has been proposed. For example, a method of performing treatment in a helium atmosphere is disclosed in
Japanese Patent No. 48626 discloses a method of performing a treatment in an atmosphere comprising argon, acetone and / or helium.
No. 74525.
【0003】しかし、上記方法はいずれも、ヘリウム又
はケトンを含有するガス雰囲気中でプラズマを発生させ
るものであり、ガス雰囲気が限定される。ヘリウムは高
価であるため工業的には不利であり、ケトンを含有させ
た場合には、ケトン自身が被処理体と反応する場合が多
く、所望の表面改質処理ができないことがある。However, all of the above methods generate plasma in a gas atmosphere containing helium or ketone, and the gas atmosphere is limited. Helium is expensive and is industrially disadvantageous. When ketone is contained, the ketone itself often reacts with the object to be treated, and a desired surface modification treatment may not be performed in some cases.
【0004】更に、放電空間に存在する電子、イオンを
表面処理に効果的に活用するために、通常の接地電位を
中心とした正負対称の正弦波だけでなく、正負の電位の
バランスを変えた電界を印加する方法が行われる。この
場合、低圧力下においては、放電空間を挟む両電極間に
グリッドを挿入して、これに適切な電位を与える方法が
取られる。しかし、グリッドの制御電位用に新たに電源
が必要であり、この制御が煩雑となるばかりか、大気圧
近傍の圧力下においては、グリッドの存在が均一なグロ
ー放電を阻害したり、グリッドから放出される不純物が
処理表面に影響を与えるために、上記グリッドを用いる
方法は適当ではなかった。Further, in order to effectively utilize electrons and ions existing in the discharge space for surface treatment, not only a positive / negative symmetric sine wave centered on a normal ground potential but also a balance between positive and negative potentials is changed. A method of applying an electric field is performed. In this case, under a low pressure, a method is adopted in which a grid is inserted between the two electrodes sandwiching the discharge space and an appropriate potential is applied to the grid. However, a new power source is required for the control potential of the grid, and this control is not only complicated, but also under a pressure near the atmospheric pressure, the presence of the grid prevents uniform glow discharge or discharges from the grid. The method using the grid was not suitable because the impurities to be formed affect the treated surface.
【0005】上記のように、大気圧近傍の圧力下におい
ては、正負の電位のバランスを変えた電界を印加する方
法は実現されておらず、処理を高速化するのに限界があ
った。As described above, under a pressure close to the atmospheric pressure, a method of applying an electric field in which the balance between positive and negative potentials is not realized, and there is a limit to speeding up the processing.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のよう
な問題を解決するためになされたもので、雰囲気ガスの
種類を問わず、大気圧近傍の圧力の下で、均一で、安定
した放電プラズマを発生させて、表面処理を更に高速に
する方法を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and is intended to be uniform and stable under a pressure near the atmospheric pressure regardless of the type of the atmosphere gas. An object of the present invention is to provide a method for generating a discharge plasma to further speed up the surface treatment.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明の放電プラズマを
利用した表面処理方法は、大気圧近傍の圧力下で、対向
する一対の電極の少なくとも一方の対向面に固体誘電体
を設置し、当該一対の対向電極間にパルス電界を印加し
て得られるガス放電において、前記パルス電界の正電位
の大きさを負電位の大きさの1.5倍以上にすることを
特徴とする。According to a surface treatment method using discharge plasma of the present invention, a solid dielectric is provided on at least one of the opposing surfaces of a pair of electrodes facing each other under a pressure near atmospheric pressure. In a gas discharge obtained by applying a pulsed electric field between a pair of opposed electrodes, the magnitude of the positive potential of the pulsed electric field is 1.5 times or more the magnitude of the negative potential.
【0008】上記「パルス電界の正電位の大きさを負電
位の大きさの1.5倍以上にすること」とは、正電界の
絶対値が負電界の絶対値の1.5倍以上であることを意
味し、上記の条件にすることにより、表面処理を更に高
速にすることができる。The above-mentioned "making the magnitude of the positive potential of the pulse electric field 1.5 times or more the magnitude of the negative potential" means that the absolute value of the positive electric field is 1.5 times or more the absolute value of the negative electric field. This means that the surface treatment can be performed at a higher speed under the above conditions.
【0009】大気圧近傍の圧力下では、上記ヘリウム、
ケトン等の特定のガス以外は安定してプラズマ放電状態
が保持されずに、瞬時にアーク放電状態に移行すること
が知られているが、パルス電界を印加することにより、
アーク放電に移行する前に放電を止め、再び放電を開始
するというサイクルが実現されていると考えられる。At a pressure near atmospheric pressure, the helium,
It is known that the plasma discharge state is not stably maintained except for a specific gas such as ketone, and the state is instantaneously shifted to an arc discharge state, but by applying a pulse electric field,
It is considered that a cycle in which the discharge is stopped before the transition to the arc discharge and the discharge is started again is realized.
【0010】大気圧近傍の圧力下においては、本発明の
パルス電界を印加する方法によって、初めて、ヘリウ
ム、ケトン等のプラズマ放電状態からアーク放電状態に
至る時間が長い成分を含有しない雰囲気において、安定
して放電プラズマを発生させることが可能となる。Under a pressure near the atmospheric pressure, the method of applying a pulsed electric field according to the present invention can be used for the first time in an atmosphere that does not contain a component that takes a long time to change from a plasma discharge state such as helium or ketone to an arc discharge state. As a result, discharge plasma can be generated.
【0011】尚、本発明の方法によれば、空気中で放電
プラズマを発生させることも可能である。公知の低圧条
件下におけるプラズマ処理は勿論、特定のガスを含有さ
せる大気圧条件下における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、本発明の表面処理方法によれば、開放系での
処理が可能となる。更に、パルス電界を印加する方法に
よれば、通常の正弦波を印加する方法と比較して、高密
度のプラズマ状態を実現できるため、連続処理等の工業
プロセスを行う上で大きな意義を有する。According to the method of the present invention, it is also possible to generate discharge plasma in air. In the plasma treatment under the atmospheric pressure condition containing a specific gas as well as the plasma treatment under the known low pressure condition, it is essential to perform the treatment in a closed container shielded from the outside air. According to the surface treatment method, treatment in an open system becomes possible. Furthermore, according to the method of applying a pulsed electric field, a high-density plasma state can be realized as compared with the method of applying a normal sine wave, which is of great significance in performing an industrial process such as continuous processing.
【0012】上記大気圧近傍の圧力下とは、100〜8
00Torrの圧力下を指す。圧力調整が容易で、装置
が簡便になる700〜780Torrの範囲が好まし
い。The above-mentioned pressure near the atmospheric pressure is defined as 100 to 8
Refers to a pressure of 00 Torr. The pressure is preferably in the range of 700 to 780 Torr, which facilitates pressure adjustment and makes the apparatus simple.
【0013】本発明の方法におけるプラズマ発生方法
は、一対の対向電極を有し、当該電極の対向面の少なく
とも一方に固体誘電体が設置されている装置において行
われる。プラズマが発生する部位は、上記電極の一方に
固体誘電体を設置した場合は、固体誘電体と電極の間、
上記電極の双方に固体誘電体を設置した場合は、固体誘
電体同士の間の空間である。[0013] The plasma generation method in the method of the present invention is performed in an apparatus having a pair of opposing electrodes, and a solid dielectric placed on at least one of opposing surfaces of the electrodes. When a solid dielectric is installed on one of the electrodes, the portion where the plasma is generated, between the solid dielectric and the electrode,
When a solid dielectric is provided on both of the electrodes, it is a space between the solid dielectrics.
【0014】上記電極としては、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。上記対向電極は、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
距離が略一定となる構造であることが好ましい。この条
件を満たす電極構造としては、平行平板型、円筒対向平
板型、球対向平板型、双曲面対向平板型、同軸円筒型構
造等が挙げられる。Examples of the electrode include those made of a simple metal such as copper and aluminum, alloys such as stainless steel and brass, and intermetallic compounds. It is preferable that the counter electrode has a structure in which the distance between the counter electrodes is substantially constant in order to avoid occurrence of arc discharge due to electric field concentration. Examples of an electrode structure that satisfies this condition include a parallel plate type, a cylindrical opposed plate type, a spherical opposed plate type, a hyperboloid opposed plate type, and a coaxial cylindrical structure.
【0015】上記固体誘電体は、上記電極の対向面の一
方又は双方に設置する。この際、固体誘電体と設置され
る側の電極が密着し、且つ、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
が生じるためである。The solid dielectric is provided on one or both of the opposing surfaces of the electrode. At this time, the electrode on the side on which the solid dielectric is placed is in close contact with the electrode, and the opposing surface of the contacting electrode is completely covered. This is because if there is a portion where the electrodes directly face each other without being covered by the solid dielectric, an arc discharge occurs therefrom.
【0016】上記固体誘電体としては、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。Examples of the solid dielectric include plastics such as polytetrafluoroethylene and polyethylene terephthalate, glass, metal oxides such as silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium dioxide and titanium dioxide, and double oxides such as barium titanate. No.
【0017】上記固体誘電体の形状は、シート状でもフ
ィルム状でもよいが、厚みが0.05〜4mm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
高電圧を要し、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ためである。The shape of the solid dielectric may be a sheet or a film, but preferably has a thickness of 0.05 to 4 mm. If the thickness is too large, a high voltage is required to generate discharge plasma. If the thickness is too small, dielectric breakdown occurs when a voltage is applied, and arc discharge occurs.
【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
て決定されるが、1〜50mmであることが好ましい。
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。50mmを超えると、均一な放電プラズマを
発生させることが困難である。The distance between the electrodes is determined by the thickness of the solid dielectric,
It is determined in consideration of the magnitude of the applied voltage, the purpose of utilizing the plasma, and the like, and is preferably 1 to 50 mm.
If it is less than 1 mm, it is not enough to place the electrodes at intervals. If it exceeds 50 mm, it is difficult to generate uniform discharge plasma.
【0019】図1にパルス電圧波形の例を示す。波形
(A)、(B)はインパルス型、波形(C)は方形波
形、波形(D)は変調型の波形である。本発明における
パルス電圧波形は、図1に挙げた波形に限定されない
が、パルスの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。FIG. 1 shows an example of a pulse voltage waveform. Waveforms (A) and (B) are impulse waveforms, waveform (C) is a square waveform, and waveform (D) is a modulation waveform. Although the pulse voltage waveform in the present invention is not limited to the waveforms shown in FIG. 1, the shorter the rise time and the fall time of the pulse, the more efficiently the ionization of the gas during the plasma generation.
【0020】特に、パルスの立ち上がり時間及び/又は
立ち下がり時間が40ns〜100μsであることが好
ましい。40ns未満では現実的でなく、100μsを
超えると放電状態がアークに移行し易く不安定なものと
なる。より好ましくは50ns〜5μsである。尚、こ
こでいう立ち上がり時間とは、電圧変化が連続して正で
ある時間、立ち下がり時間とは、電圧変化が連続して負
である時間を指すものとする。In particular, it is preferable that the rise time and / or the fall time of the pulse is 40 ns to 100 μs. If it is less than 40 ns, it is not realistic, and if it exceeds 100 μs, the discharge state easily shifts to an arc and becomes unstable. More preferably, it is 50 ns to 5 μs. Here, the rise time refers to the time during which the voltage change is continuously positive, and the fall time refers to the time during which the voltage change is continuously negative.
【0021】更に、パルス波形、立ち上がり時間、周波
数の異なるパルスを用いて変調を行ってもよい。このよ
うな変調は高速連続表面処理を行うのに適している。Further, modulation may be performed using pulses having different pulse waveforms, rise times, and frequencies. Such modulation is suitable for performing high-speed continuous surface treatment.
【0022】本発明において、電極にパルス電界を印加
する場合、正電位による電界の強度は、0.5〜50k
V/cmであって、且つ、正電位の最大値から負電位の
最大値までの値(ピーク−ピーク値)が0.6kV以上
であることが好ましい。正電位によるパルス電界の強度
が0.5kV/cm未満であると、基材の表面処理に時
間がかかりすぎ、50kV/cmを超えると、アーク放
電が発生し易くなる。又、正電位の最大値から負電位の
最大値までの値(ピーク−ピーク値)が0.6kV未満
の場合は、表面処理速度が不充分となる。又、上記パル
ス電圧の印加において、直流を重畳してもよい。In the present invention, when a pulsed electric field is applied to the electrode, the intensity of the electric field due to the positive potential is 0.5 to 50 k.
V / cm, and a value (peak-peak value) from the maximum value of the positive potential to the maximum value of the negative potential is preferably 0.6 kV or more. If the intensity of the pulse electric field due to the positive potential is less than 0.5 kV / cm, it takes too much time for the surface treatment of the substrate, and if it exceeds 50 kV / cm, arc discharge is likely to occur. If the value (peak-peak value) from the maximum value of the positive potential to the maximum value of the negative potential is less than 0.6 kV, the surface treatment speed becomes insufficient. In applying the pulse voltage, a direct current may be superimposed.
【0023】パルス電界の周波数は、1kHz〜100
kHzであることが好ましい。1kHz未満であると処
理に時間がかかりすぎ、100kHzを超えるとアーク
放電が発生しやすくなる。The frequency of the pulse electric field is 1 kHz to 100
Preferably, it is kHz. If it is less than 1 kHz, it takes too much time for the treatment, and if it exceeds 100 kHz, arc discharge is likely to occur.
【0024】又、一つのパルス電界の形成時間は、1μ
s〜1000μsであることが好ましく、より好ましく
は、3μs〜200μsである。1μs未満であると放
電が不安定なものとなり、1000μsを超えると、ア
ーク放電に移行し易くなる。ここで、一つのパルス電界
の形成時間とは、図2に例示するように、ON、OFF
が繰り返されるパルス電界における一つのパルス波形の
連続持続時間、換言すれば、パルスヂューティ時間をい
う。The formation time of one pulse electric field is 1 μm.
It is preferably from s to 1000 μs, and more preferably from 3 to 200 μs. If it is less than 1 μs, the discharge becomes unstable, and if it exceeds 1000 μs, it is easy to shift to arc discharge. Here, the formation time of one pulse electric field means ON, OFF, as illustrated in FIG.
Is repeated duration of one pulse waveform in a pulse electric field, in other words, a pulse duty time.
【0025】更に、本発明において、パルス電界の強さ
は、放電プラズマの利用目的等によって適宜に選択され
るが、1〜100kV/cmとすることが好ましい。1
kV/cm未満であると、表面処理速度が遅くなり、1
00kV/cmを超えるとアーク放電が発生するため好
ましくない。Further, in the present invention, the intensity of the pulse electric field is appropriately selected depending on the purpose of use of the discharge plasma and the like, but is preferably 1 to 100 kV / cm. 1
If it is less than kV / cm, the surface treatment speed becomes low,
If it exceeds 00 kV / cm, an arc discharge occurs, which is not preferable.
【0026】以上のような各条件を満足するパルス電界
を形成するための電源回路の構成例を、図3にブロック
図で示し、又、図4にはその動作の原理を等価的な回路
図によって示す。図4においてSW1〜4は、図3にお
けるスイッチングインバータ回路内でスイッチとして機
能する半導体素子であり、これらの各素子として、50
0ns以下のターンオン時間及びターンオフ時間を有す
る半導体素子を用いることにより、電界強度1〜100
kV/cm、且つ、パルスの立ち上がり及び/又は立ち
下がり時間がともに40ns〜100μsの高電圧、且
つ、高速のパルス電界の形成を実現することができる。FIG. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of a power supply circuit for forming a pulse electric field satisfying the above conditions, and FIG. 4 is an equivalent circuit diagram showing the principle of the operation. Indicated by In FIG. 4, SW1 to SW4 are semiconductor elements that function as switches in the switching inverter circuit in FIG.
By using a semiconductor device having a turn-on time and a turn-off time of 0 ns or less, the electric field strength is 1 to 100.
It is possible to realize the formation of a high-voltage and high-speed pulse electric field at kV / cm and a pulse rising and / or falling time of both 40 ns to 100 μs.
【0027】次に、図4を参照しつつその動作原理を簡
単に説明する。+Eは正極性の直流電圧供給部、−Eは
負極性の直流電圧供給部である。SW1〜4は、上記し
た高速半導体素子からなるスイッチング素子である。D
1〜4はダイオードであり、I1 〜I4 は電荷の移動方
向を示している。Next, the principle of operation will be briefly described with reference to FIG. + E is a positive DC voltage supply unit, and -E is a negative DC voltage supply unit. SW1 to SW4 are switching elements made of the high-speed semiconductor elements described above. D
Numerals 1 to 4 denote diodes, and I1 to I4 indicate the directions in which electric charges move.
【0028】まず、SW1をONにすると、電荷がI1
で示す方向に移動して、放電空間の両端に置かれた一対
の電極の一方側(正極性の負荷)を充電する。次に、S
W1をOFFにしてから、SW2を瞬時にONにするこ
とにより、正極性の負荷に充電された電荷がSW2とD
4を通ってI3 の方向に移動する。First, when SW1 is turned on, the electric charge becomes I1
Then, one side (positive load) of a pair of electrodes placed at both ends of the discharge space is charged. Next, S
By turning off W1 and then turning on SW2 instantaneously, the charge charged to the positive load becomes SW2 and D
4 and move in the direction of I3.
【0029】次いで、SW2をOFFにした後、SW3
を瞬時にONにすると、電荷がI2の方向に移動して他
方側の電極(負極性の負荷)を充電する。更に、SW3
をOFFにしてから、SW4を瞬時にONにすることに
より、負極性の負荷に充電された電荷がSW4とD2を
通ってI4 の方向に移動する。Next, after SW2 is turned off, SW3
Is turned on instantaneously, the charge moves in the direction of I2 and charges the other electrode (negative load). Furthermore, SW3
Is turned off and then the switch SW4 is turned on instantaneously, so that the electric charge charged to the negative load moves in the direction of I4 through the switches SW4 and D2.
【0030】以上の動作を繰り返すことにより、図5に
示した波形の出力パルスを得ることができる。〔表1〕
にこの動作表を示す。この〔表1〕に示した数値は、図
5の波形に付した数値と対応させてある。By repeating the above operation, an output pulse having the waveform shown in FIG. 5 can be obtained. [Table 1]
The operation table is shown in FIG. The numerical values shown in Table 1 correspond to the numerical values given to the waveforms in FIG.
【0031】[0031]
【表1】 [Table 1]
【0032】以上の回路の利点は、負荷のインピーダン
スが高い場合であっても、充電されている電荷を、SW
2とD4、又は、SW4とD2の動作により確実に放電
することができる点、及び、高速ターンオンのスイッチ
ング素子であるSW1,SW3を使って高速に充電を行
うことができる点にあり、これにより、図2に示したよ
うな立ち上がり時間及び立ち下がり時間の極めて短いパ
ルス化された電界を、負荷に対して、つまり一対の電極
間に印加することが可能となる。尚、本発明の表面処理
方法において用いられるパルス電界は、直流電界を重畳
することを妨げない。The advantage of the circuit described above is that even if the load impedance is high, the charged electric charge is transferred to SW
2 and D4 or SW4 and D2 to discharge reliably, and high-speed turn-on switching elements SW1 and SW3 to perform high-speed charging. A pulsed electric field having an extremely short rise time and fall time as shown in FIG. 2 can be applied to a load, that is, between a pair of electrodes. The pulse electric field used in the surface treatment method of the present invention does not prevent superposition of a DC electric field.
【0033】上述の電源は、正極性の直流電圧供給部か
ら供給される電圧と負極性の直流電圧供給部から供給さ
れる電圧の大きさを任意に変えることができるので、印
加するパルス電界の正負の比率を容易に制御することが
できる。The above-described power supply can arbitrarily change the magnitude of the voltage supplied from the positive DC voltage supply section and the magnitude of the voltage supplied from the negative DC voltage supply section. The positive / negative ratio can be easily controlled.
【0034】本発明に使用される放電プラズマ装置は、
図6に示され、基材7は下部電極5に接した誘電体の上
に設置され、下部電極5は通常接地されるが、任意の電
位が与えられていても良い。この場合には、便宜上、下
部電極5の電位が基準電位に設定される。The discharge plasma device used in the present invention is:
As shown in FIG. 6, the base material 7 is placed on a dielectric in contact with the lower electrode 5, and the lower electrode 5 is usually grounded. However, an arbitrary potential may be applied. In this case, the potential of the lower electrode 5 is set to the reference potential for convenience.
【0035】基準電位に対し、正電界の絶対値が負電界
の絶対値よりも大きい形状のパルス電界が上下両電極の
間に加えられると、時間平均的に上部電極4の電位が正
に偏った状態になり、ガスの電離により生じた正イオン
が下部電極5の上の基材側に長く存在していると考えら
れ、この状態では、表面処理に必要な励起種がより多く
基材に到達するため、表面処理速度が更に向上すると推
定される。When a pulse electric field having a shape in which the absolute value of the positive electric field is larger than the absolute value of the negative electric field is applied between the upper and lower electrodes with respect to the reference electric potential, the electric potential of the upper electrode 4 is biased positively on a time average basis. It is considered that the positive ions generated by the ionization of the gas exist longer on the substrate side above the lower electrode 5, and in this state, more excited species necessary for the surface treatment are present on the substrate. Therefore, it is estimated that the surface treatment speed is further improved.
【0036】処理速度が明確に高速化するのは、正電位
の大きさが負電位の大きさの1.5倍以上になることが
必要である。又、負電位/正電位の比が20を超える
と、放電が不安定となり、アーク放電に移行し易くな
る。従って、負電位/正電位の比は20以下が好まし
い。To clearly increase the processing speed, the magnitude of the positive potential needs to be 1.5 times or more the magnitude of the negative potential. If the ratio of the negative potential / positive potential exceeds 20, the discharge becomes unstable and the transition to arc discharge becomes easy. Therefore, the ratio of negative potential / positive potential is preferably 20 or less.
【0037】本発明の方法において発生させた放電プラ
ズマは、様々な分野に応用することができる。例を挙げ
ると、放電プラズマに励起された化学種と基材表面の反
応を利用した表面改質処理、窒素酸化物の存在下で放電
プラズマを発生させることによる窒素酸化物の分解除去
処理、光源としての利用等が可能である。The discharge plasma generated in the method of the present invention can be applied to various fields. Examples include surface modification using the reaction between the species excited by the discharge plasma and the substrate surface, decomposition and removal of nitrogen oxides by generating discharge plasma in the presence of nitrogen oxides, and light sources. Can be used.
【0038】以下、基材の表面処理方法について詳述す
る。本発明の表面処理方法は、一対の対向電極を有し、
当該電極の対向面の少なくとも一方に固体誘電体が設置
されている装置において、上記電極の一方に固体誘電体
を設置した場合は固体誘電体と電極の間の空間、上記電
極の双方に固体誘電体を設置した場合は固体誘電体同士
の空間に基材を設置し、当該空間中に発生する放電プラ
ズマにより基材表面を処理するものである。Hereinafter, the method for treating the surface of the substrate will be described in detail. The surface treatment method of the present invention has a pair of counter electrodes,
In a device in which a solid dielectric is provided on at least one of the opposing surfaces of the electrodes, when a solid dielectric is provided on one of the electrodes, a space between the solid dielectric and the electrode, and a solid dielectric is provided on both of the electrodes. When a body is provided, a base material is provided in a space between the solid dielectrics, and the surface of the base material is treated by discharge plasma generated in the space.
【0039】本発明の表面処理を施される基材として
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、アクリル樹脂等のプラスチッ
ク、ガラス、セラミック、金属等が挙げられる。基材の
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基材の処理に容易に対応
することができる。Examples of the substrate to be subjected to the surface treatment of the present invention include plastics such as polyethylene, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polytetrafluoroethylene, and acrylic resin, glass, ceramic, and metal. Examples of the shape of the substrate include a plate shape and a film shape, but are not particularly limited thereto. According to the surface treatment method of the present invention, it is possible to easily cope with the treatment of substrates having various shapes.
【0040】上記表面処理においては、上記放電プラズ
マ発生空間に存在する気体(以下、処理用ガスとい
う。)の選択により任意の処理が可能である。上記処理
用ガスとしてフッ素含有化合物ガスを用いることによっ
て、基材表面にフッ素含有基を形成させて表面エネルギ
ーを低くし、撥水性表面を得ることができる。In the surface treatment, any treatment can be performed by selecting a gas (hereinafter referred to as a processing gas) existing in the discharge plasma generation space. By using a fluorine-containing compound gas as the processing gas, a fluorine-containing group can be formed on the surface of the base material to lower the surface energy and obtain a water-repellent surface.
【0041】上記フッ素元素含有化合物としては、4フ
ッ化炭素(CF4 )、6フッ化炭素(C2 F6 )、6フ
ッ化プロピレン(CF3 CFCF2 )、8フッ化シクロ
ブタン(C4 F8 )等のフッ素−炭素化合物、1塩化3
フッ化炭素(CClF3 )等のハロゲン−炭素化合物、
6フッ化硫黄(SF6 )等のフッ素−硫黄化合物等が挙
げられる。安全上の観点から、有害ガスであるフッ化水
素を生成しない4フッ化炭素、6フッ化炭素、6フッ化
プロピレン、8フッ化シクロブタンを用いることが好ま
しい。Examples of the fluorine element-containing compounds include carbon tetrafluoride (CF 4 ), carbon hexafluoride (C 2 F 6 ), propylene hexafluoride (CF 3 CFCF 2 ), and cyclobutane octafluoride (C 4 F 8 ) Fluorine-carbon compounds such as monochloride
Halogen, such as fluorocarbon (CClF 3) - carbon compound,
6 fluoride such as sulfur hexafluoride (SF 6) - sulfur compounds and the like. From the viewpoint of safety, it is preferable to use carbon tetrafluoride, carbon hexafluoride, propylene hexafluoride, and cyclobutane 8-fluoride which do not generate hydrogen fluoride which is a harmful gas.
【0042】又、処理用ガスとして以下のような酸素元
素含有化合物、窒素元素含有化合物、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
基等の親水性の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。Further, by using an oxygen element-containing compound, a nitrogen element-containing compound, or a sulfur element-containing compound as a treatment gas as described below, a hydrophilic functional group such as a carbonyl group, a hydroxyl group or an amino group is formed on the substrate surface. It can be formed to increase the surface energy and obtain a hydrophilic surface.
【0043】上記酸素元素含有化合物としては、酸素、
オゾン、水、一酸化炭素、二酸化炭素、一酸化窒素、二
酸化窒素の他、メタノール、エタノール等のアルコール
類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、メタ
ナール、エタナール等のアルデヒド類等の酸素元素を含
有する有機化合物等が挙げられる。これらは単独でも2
種以上を混合して用いてもよい。更に、上記酸素元素含
有化合物とメタン、エタン等の炭化水素化合物のガスを
混合して用いてもよい。又、上記酸素元素含有化合物に
50体積%以下でフッ素元素含有化合物を添加すること
により親水化が促進される。フッ素元素含有化合物とし
ては上記の例示と同様のものを用いればよい。Examples of the oxygen element-containing compound include oxygen,
Contains oxygen elements such as ozone, water, carbon monoxide, carbon dioxide, nitric oxide, nitrogen dioxide, alcohols such as methanol and ethanol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, and aldehydes such as methanal and ethanal. Organic compounds and the like can be mentioned. These alone are 2
Mixtures of more than one species may be used. Further, the oxygen element-containing compound and a gas of a hydrocarbon compound such as methane and ethane may be mixed and used. Addition of the fluorine element-containing compound at 50% by volume or less to the oxygen element-containing compound promotes hydrophilicity. As the fluorine-containing compound, the same compounds as those described above may be used.
【0044】上記窒素元素含有化合物としては、窒素、
アンモニア等が挙げられる。上記窒素元素含有化合物と
水素を混合して用いてもよい。Examples of the nitrogen element-containing compound include nitrogen,
Ammonia and the like. The nitrogen element-containing compound and hydrogen may be used as a mixture.
【0045】上記硫黄元素含有化合物としては、二酸化
硫黄、三酸化硫黄等が挙げられる。又、硫酸を気化させ
て用いることもできる。これらは単独でも2種以上を混
合して用いてもよい。Examples of the sulfur-containing compound include sulfur dioxide and sulfur trioxide. Further, sulfuric acid can be used after being vaporized. These may be used alone or in combination of two or more.
【0046】又、分子内に親水性基と重合性不飽和結合
を有するモノマーの雰囲気下で処理を行うことにより、
親水性の重合膜を積層させることもできる。上記親水性
基としては、水酸基、スルホン酸基、スルホン酸塩基、
1級若しくは2級又は3級アミノ基、アミド基、4級ア
ンモニウム塩基、カルボン酸基、カルボン酸塩基等の親
水性基等が挙げられる。又、ポリエチレングリコール鎖
を有するモノマーを用いても同様に親水性重合膜を積層
させることができる。By performing the treatment in an atmosphere of a monomer having a hydrophilic group and a polymerizable unsaturated bond in the molecule,
A hydrophilic polymer film can be laminated. As the hydrophilic group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group, a sulfonate group,
Examples include a hydrophilic group such as a primary, secondary, or tertiary amino group, an amide group, a quaternary ammonium base, a carboxylic acid group, and a carboxylic acid group. Also, a hydrophilic polymer film can be similarly laminated by using a monomer having a polyethylene glycol chain.
【0047】上記モノマーとしては、アクリル酸、メタ
クリル酸、アクリルアミド、メタクリルアミド、N,N
−ジメチルアクリルアミド、アクリル酸ナトリウム、メ
タクリル酸ナトリウム、アクリル酸カリウム、メタクリ
ル酸カリウム、スチレンスルホン酸ナトリウム、アリル
アルコール、アリルアミン、ポリエチレングリコールジ
メタクリル酸エステル、ポリエチレングリコールジアク
リル酸エステル等が挙げられる。これらのモノマーは、
単独または混合して用いられる。The monomers include acrylic acid, methacrylic acid, acrylamide, methacrylamide, N, N
-Dimethylacrylamide, sodium acrylate, sodium methacrylate, potassium acrylate, potassium methacrylate, sodium styrenesulfonate, allyl alcohol, allylamine, polyethylene glycol dimethacrylate, polyethylene glycol diacrylate, and the like. These monomers are
Used alone or as a mixture.
【0048】上記親水性モノマーは一般に固体であるの
で、溶媒に溶解させたものを加熱、減圧等の手段により
気化させて用いる。上記溶媒としては、メタノール、エ
タノール、アセトン等の有機溶媒、水、及び、これらの
混合物等が挙げられる。Since the above-mentioned hydrophilic monomer is generally a solid, it is used by dissolving it in a solvent and vaporizing it by heating, decompression, or the like. Examples of the solvent include organic solvents such as methanol, ethanol, and acetone, water, and mixtures thereof.
【0049】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 、Sn
O2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る。Further, using a processing gas such as a metal-hydrogen compound, a metal-halogen compound, or a metal alcoholate of a metal such as Si, Ti, or Sn, SiO 2 , TiO 2 , Sn
By forming a metal oxide thin film such as O 2 , electrical and optical functions can be given to the substrate surface.
【0050】経済性及び安全性の観点から、上記処理用
ガスが不活性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。不活性ガスとしては、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。従来、大気圧近傍の圧力下においては、ヘリ
ウムの存在下の処理が行われてきたが、本発明の方法に
よれば、ヘリウムに比較して安価なアルゴン、窒素気体
中における安定した処理が可能であり、工業上大きな優
位性を有する。From the viewpoint of economy and safety, it is preferable to carry out the treatment in an atmosphere in which the above-mentioned treatment gas is diluted with an inert gas. Helium, as an inert gas,
Rare gases such as neon, argon, and xenon, and nitrogen gas are exemplified. These may be used alone or in combination of two or more. Conventionally, processing was performed in the presence of helium under a pressure near the atmospheric pressure. However, according to the method of the present invention, stable processing in argon and nitrogen gas, which is cheaper than helium, can be performed. And has great industrial advantages.
【0051】図6に、本発明の表面処理方法を行う装置
の一例を示す。この装置においては下部電極5上に固体
誘電体6が設置されており、固体誘電体6と上部電極4
の間の空間3に放電プラズマが発生する。容器2は、ガ
ス導入管8、ガス排出口10及びガス排気口11を備え
ており、上記処理用ガスはガス導入管8から放電プラズ
マ発生空間3に供給される。本発明においては、発生し
た放電プラズマに接触した部位が処理されるので、図6
の例では基材7の上面が処理される。基材の両面に処理
を施したい場合は、放電プラズマ発生空間3に基材を浮
かせて設置すればよい。FIG. 6 shows an example of an apparatus for performing the surface treatment method of the present invention. In this device, a solid dielectric 6 is provided on a lower electrode 5, and a solid dielectric 6 and an upper electrode 4 are provided.
A discharge plasma is generated in the space 3 between the two. The container 2 includes a gas introduction pipe 8, a gas exhaust port 10, and a gas exhaust port 11, and the processing gas is supplied from the gas introduction pipe 8 to the discharge plasma generation space 3. In the present invention, since the part in contact with the generated discharge plasma is processed, FIG.
In the example, the upper surface of the substrate 7 is processed. If it is desired to treat both surfaces of the base material, the base material may be set up in the discharge plasma generation space 3.
【0052】処理用ガスはプラズマ発生空間に均一に供
給されることが好ましい。処理用ガスと不活性ガスの混
合気体中で処理を行う場合、不活性ガスは処理用ガスに
比較して軽いので、供給時に不均一になることを避ける
ような装置の工夫がされていることが好ましく、特に面
積の大きな基材を処理する場合は、不均一になり易いの
で注意を要する。図6の装置に示した例では、ガス導入
管8が多孔構造をもつ電極4に連結されてなり、処理用
ガスは電極4の孔を通して基材上方からプラズマ発生空
間3に供給される。不活性ガスは、これと別に不活性ガ
ス導入管9を通って供給される。気体を均一に供給可能
であれば、このような構造に限定されず、気体を攪拌又
は高速で吹き付ける等の手段を用いてもよい。It is preferable that the processing gas is uniformly supplied to the plasma generation space. When processing in a mixed gas of a processing gas and an inert gas, since the inert gas is lighter than the processing gas, a device must be devised to avoid non-uniformity during supply. In particular, when treating a substrate having a large area, care must be taken since the substrate tends to be uneven. In the example shown in the apparatus of FIG. 6, a gas introduction tube 8 is connected to the electrode 4 having a porous structure, and a processing gas is supplied to the plasma generation space 3 from above the substrate through the hole of the electrode 4. The inert gas is separately supplied through an inert gas introduction pipe 9. The structure is not limited to such a structure as long as the gas can be supplied uniformly, and a means such as stirring or blowing the gas at a high speed may be used.
【0053】上記容器2の材質は、樹脂、ガラス等が挙
げられるが、特に限定されない。電極と絶縁のとれた構
造になっていれば、ステンレス、アルミニウム等の金属
を用いることもできる。The material of the container 2 includes, for example, resin and glass, but is not particularly limited. Metals such as stainless steel and aluminum can also be used as long as they have a structure insulated from the electrodes.
【0054】本発明の放電プラズマ処理は、基材を加熱
または冷却して行ってもよいが、室温下で充分可能であ
る。上記放電プラズマ処理に要する時間は、印加電圧、
処理用ガスの種類および混合気体中の割合等を考慮して
適宜決定される。The discharge plasma treatment of the present invention may be carried out by heating or cooling the substrate, but is sufficiently possible at room temperature. The time required for the discharge plasma treatment is the applied voltage,
It is appropriately determined in consideration of the type of the processing gas, the ratio in the mixed gas, and the like.
【0055】[0055]
【発明の実施の形態】本発明の放電プラズマを利用した
表面処理方法を更に明確にするため、表面処理の一例と
して、光学表面処理の実施例を以下に説明する。尚、以
下の実施例では、図4の等価回路図による電源(ハイデ
ン社製、半導体素子:IXYS社製、型番TO−247
ADを使用)を用いて実施した。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to further clarify the surface treatment method using discharge plasma of the present invention, an embodiment of an optical surface treatment will be described below as an example of the surface treatment. In the following embodiment, a power supply (manufactured by Heiden, semiconductor element: IXYS, model number TO-247) according to the equivalent circuit diagram of FIG.
AD).
【0056】実施例1 図6の放電プラズマ処理装置(チャンバー:パイレック
スガラス製容器2、容量:8リッター)において、接地
した下部電極5(直径140mm、表面を比誘電率16
の二酸化ジルコニウム誘電体で被覆したもの)上にソー
ダガラス基材7を配置し、基材表面から2mm上方に上
部電極4(直径80mm、直径1mmの穴が5mm間隔
で配設されており、表面は比誘電率16の二酸化ジルコ
ニウム誘電体で被覆したもの)を配置して、以下の条件
で重合膜を成膜した。Example 1 In a discharge plasma processing apparatus (chamber: Pyrex glass container 2, capacity: 8 liter) shown in FIG. 6, a grounded lower electrode 5 (diameter: 140 mm, surface: relative dielectric constant: 16)
A soda glass substrate 7 is disposed on the zirconium dioxide dielectric of the above, and the upper electrode 4 (holes of 80 mm in diameter and 1 mm in diameter are disposed at 5 mm intervals at 2 mm above the substrate surface. Was coated with a zirconium dioxide dielectric having a relative dielectric constant of 16), and a polymer film was formed under the following conditions.
【0057】油回転ポンプで装置内が、0.1Torr
になるまで排気を行った。次に、窒素ガスを不活性ガス
導入管9から、装置内が760Torrになるまで導入
した。その後、上部電極4に接続した(反応)ガス導入
ガス管8から、流量20sccmの6フッ化プロピレン
と流量980sccmのアルゴンガスとの混合ガスを導
入した。混合ガスを1分間導入した後、上部電極4と下
部電極5との間に、周波数8kHzで、正電位12.5
kV、負電位1.5kVのパルス電界を印加し、30秒
間放電して、ガラス基板表面に炭化フッ素の重合膜を成
膜した。放電電流密度は、40mA/cm2 であった。The inside of the apparatus is set to 0.1 Torr by an oil rotary pump.
Evacuation was performed until. Next, nitrogen gas was introduced from the inert gas introduction pipe 9 until the inside of the apparatus reached 760 Torr. Thereafter, a mixed gas of propylene hexafluoride at a flow rate of 20 sccm and argon gas at a flow rate of 980 sccm was introduced from a (reaction) gas introduction gas pipe 8 connected to the upper electrode 4. After introducing the mixed gas for one minute, a positive potential of 12.5 was applied between the upper electrode 4 and the lower electrode 5 at a frequency of 8 kHz.
A pulse electric field of kV and a negative potential of 1.5 kV was applied, and discharge was performed for 30 seconds to form a fluorocarbon polymer film on the surface of the glass substrate. The discharge current density was 40 mA / cm 2 .
【0058】実施例2 印加電界を正電位8.4kV、負電位5.6kVとした
以外は、実施例1と同様にして、ガラス基材表面にフッ
化炭素の重合膜を成膜した。放電電流密度は、40mA
/cm2 であった。Example 2 A fluorocarbon polymer film was formed on the surface of a glass substrate in the same manner as in Example 1 except that the applied electric field was 8.4 kV for the positive potential and 5.6 kV for the negative potential. The discharge current density is 40 mA
/ Cm 2 .
【0059】比較例1 印加するパルス電界を正電位、負電位とも7kVとした
以外は、実施例1と同様にして、ガラス基材表面にフッ
化炭素の重合膜を成膜した。放電電流密度は、40mA
/cm2 であった。Comparative Example 1 A fluorocarbon polymer film was formed on the surface of a glass substrate in the same manner as in Example 1 except that the applied pulse electric field was set to 7 kV for both the positive potential and the negative potential. The discharge current density is 40 mA
/ Cm 2 .
【0060】以上、実施例1、2、及び、比較例1で得
られたガラス基材上の透明な重合膜について、屈折率、
膜厚をエリプソメーター(溝尻光学工業所製、DVA−
36VW)で、5点測定し、平均値を得た。As described above, the transparent polymer films on the glass substrates obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1
Ellipsometer (DVA-, manufactured by Mizojiri Optical Industrial Co., Ltd.)
36 VW), and measured at five points to obtain an average value.
【0061】[0061]
【表2】 [Table 2]
【0062】以上の実施例、比較例から、正電位を負電
位の1.5倍以上にすると、高速処理効果が現れ、この
比率が大きくなる程、高速化されることが確認できる。From the above Examples and Comparative Examples, it can be confirmed that when the positive potential is set to 1.5 times or more of the negative potential, a high-speed processing effect is exhibited, and the higher the ratio, the higher the speed.
【0063】[0063]
【発明の効果】本発明の放電プラズマを利用した表面処
理方法は、上述のように構成されているので、本発明に
よる放電電極の出力を制御するだけで、その他の放電条
件を変えずに、表面処理能力を更に高速にできる。又、
本発明は、大気圧近傍で行うことができるので、連続処
理をしている時でも、放電条件を変化できるので、極め
て工業的に利点が大きい。更に、プラズマ発生空間に、
従来のグロー放電のように、制御グリッド電極を挿入す
る必要がないので、表面処理膜に不純物が混入すること
がない。The surface treatment method using discharge plasma according to the present invention is configured as described above, so that only the output of the discharge electrode according to the present invention is controlled without changing other discharge conditions. The surface treatment capacity can be further increased. or,
Since the present invention can be carried out in the vicinity of the atmospheric pressure, the discharge conditions can be changed even during the continuous processing, so that the present invention has a great industrial advantage. Furthermore, in the plasma generation space,
Unlike the conventional glow discharge, there is no need to insert a control grid electrode, so that no impurities are mixed into the surface treatment film.
【0064】[0064]
【図1】 パルス電界の例を示す電圧波形図である。FIG. 1 is a voltage waveform diagram showing an example of a pulse electric field.
【図2】 一つのパルス電界の形成時間の説明図であ
る。FIG. 2 is an explanatory diagram of a formation time of one pulse electric field.
【図3】 パルス電界を発生させる電源のブロック図で
ある。FIG. 3 is a block diagram of a power supply that generates a pulse electric field.
【図4】 パルス電界を発生させる電源の等価回路図で
ある。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a power supply that generates a pulse electric field.
【図5】 パルス電界の動作表に対応する出力パルス信
号の図である。FIG. 5 is a diagram of an output pulse signal corresponding to an operation table of a pulse electric field.
【図6】 本発明の放電プラズマ処理装置の一例を示す
模式図である。FIG. 6 is a schematic view showing one example of a discharge plasma processing apparatus of the present invention.
1−1 交流電源(高電圧パルス電源) 1−2 直流電源 2 パイレックスガラス製容器 3 放電プラズマ発生空間 4 上部電極 5 下部電極 6 固体誘電体 7 基材 8 (反応)ガス導入管 9 不活性ガス導入管 10 ガス排出口 11 排気口 1-1 AC power supply (high voltage pulse power supply) 1-2 DC power supply 2 Pyrex glass container 3 Discharge plasma generation space 4 Upper electrode 5 Lower electrode 6 Solid dielectric 7 Base material 8 (Reaction) gas introduction pipe 9 Inert gas Inlet pipe 10 Gas outlet 11 Exhaust port
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−287757(JP,A) 特開 平9−302118(JP,A) 特開 平3−236475(JP,A) 特開 平6−336529(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C08J 7/00 - 7/18 H05H 1/46 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (56) References JP-A-10-287757 (JP, A) JP-A-9-302118 (JP, A) JP-A-3-236475 (JP, A) JP-A-6-302 336529 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C08J 7 /00-7/18 H05H 1/46
Claims (3)
電極の少なくとも一方の対向面に固体誘電体を設置し、
当該一対の対向電極間にパルス電界を印加して得られる
ガス放電において、前記パルス電界の正電位の大きさを
負電位の大きさの1.5倍以上にすることを特徴とする
放電プラズマを利用した表面処理方法。At least one opposing surface of a pair of opposing electrodes is provided with a solid dielectric under a pressure near the atmospheric pressure,
In a gas discharge obtained by applying a pulsed electric field between the pair of opposed electrodes, a discharge plasma characterized in that the magnitude of the positive potential of the pulsed electric field is 1.5 times or more the magnitude of the negative potential. Surface treatment method used.
間が40ns〜100μs、負電位による電界強度が
0.5〜50kV/cmであって、且つ、正電位の最大
値から負電位の最大値までの値(ピーク−ピーク値)が
0.6kV以上であるパルス電界を印加することを特徴
とする請求項1記載の放電プラズマを利用した表面処理
方法。2. The method according to claim 1, wherein the rise time and / or the fall time is 40 ns to 100 μs, the electric field strength due to the negative potential is 0.5 to 50 kV / cm, and the maximum potential of the positive potential is from the maximum value of the negative potential. The surface treatment method using discharge plasma according to claim 1, wherein a pulse electric field having a value (peak-peak value) of 0.6 kV or more is applied.
の形成時間が1μs〜1000μs、周波数が1kHz
〜100kHzとなされている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を利用した表面処理方
法。3. A pulse electric field has a pulse electric field formation time of 1 μs to 1000 μs and a frequency of 1 kHz.
The surface treatment method using discharge plasma according to claim 1 or 2, wherein the frequency is set to 100 kHz.
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