JP2002173779A

JP2002173779A - 常圧プラズマガスノズル体

Info

Publication number: JP2002173779A
Application number: JP2000369533A
Authority: JP
Inventors: Sumio Nakatake; 純夫中武
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2002-06-21

Abstract

(57)【要約】【課題】大気圧条件下で安定した放電状態を実現で
き、しかも大量のプラズマガスを発生できる常圧プラズ
マガスノズル体の提供。【解決手段】大気圧近傍の圧力下、対向する電極の少
なくとも一方の対向面に固体誘電体を設置し、当該対向
する電極間に処理ガスを導入しパルス状の電界を印加す
ることにより発生するプラズマを被処理体に吹きつける
ノズル体であって、ケーシング内に複数のプレート状電
極を櫛歯状に交互に設置した複数の放電空間を有するプ
ラズマ発生部、処理ガス導入部及びプラズマガス吹き出
し部を備えてなることを特徴とする常圧プラズマガスノ
ズル体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、常圧プラズマガス
ノズル体に関し、特に放電容積の大きい常圧プラズマガ
スノズル体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、大気圧下で放電プラズマ処理
を行う方法が提案されており、主に処理槽内部におい
て、固体誘電体等で被覆した電極間に被処理体を設置
し、処理槽に処理ガスを導入し、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方法が採ら
れている。このような方法によると、被処理体の特定の
部分のみのプラズマ処理を行いにくく、しかも被処理体
を一個ずつ処理槽の中に入れるバッチ処理しかできず、
処理時間が長くなるという問題があった。

【０００３】この問題を解決するものとして、被処理体
の特定部分のみにプラズマ処理を行いやすく、しかも被
処理物を連続的に処理することができる装置として、先
端にプラズマガス吹き出し口を有するガン型プラズマ処
理装置が開発されてきている。例えば、特開平１１−２
５１３０４号公報及び特開平１１−２６０５９７号公報
には、外側電極を備えた筒状の反応管及び反応管の内部
に内側電極を具備し、両電極に冷却手段を設け、反応管
内部でグロー放電を発生させ、反応管からプラズマジェ
ットを吹き出して被処理体に吹きつけるプラズマ処理装
置が開示されている。しかしながら、上記装置において
は、交流によって発生したプラズマを利用しているた
め、高温化するものを冷却するというプロセスを含まざ
るを得ず、効率を悪くし、未だストリーマ放電が起こり
やすいという問題を有している。さらに、その反応管に
は一対の電極を有するのみであるので、プラズマジェッ
トの量に限りがあり、大量処理や膜生成の速度が遅いと
いう問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑
み、大気圧条件下で安定した放電状態を実現でき、しか
も大量のプラズマガスを発生できる常圧プラズマガスノ
ズル体を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意研究した結果、複数のプレート状電極
を用い、複数の放電空間を有するノズル体を用いること
により、大量のプラズマガスを効率よく発生させること
ができることを見出し、本発明を完成させた。

【０００６】すなわち、本発明の第１の発明は、大気圧
近傍の圧力下、対向する電極の少なくとも一方の対向面
に固体誘電体を設置し、当該対向する電極間に処理ガス
を導入し電界を印加することにより発生するプラズマを
被処理体に吹きつけるノズル体であって、ケーシング内
に複数のプレート状電極を櫛歯状に交互に設置した複数
の放電空間を有するプラズマ発生部、処理ガス導入部及
びプラズマガス吹き出し部を備えてなることを特徴とす
る常圧プラズマガスノズル体である。

【０００７】また、本発明の第２の発明は、複数のプレ
ート状電極が保持部材で分離保持されてなることを特徴
とする第１の発明に記載の常圧プラズマガスノズル体で
ある。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
本発明の常圧プラズマガスノズル体は、内部で処理ガス
のプラズマを発生させてそのプラズマを被処理体に吹き
付けるノズル体であって、絶縁材からなるケーシング内
に複数のプレート状電極を櫛歯状に交互に設置した複数
の放電空間を有するプラズマ発生部、処理ガス導入部及
びプラズマガス吹き出し部を備えてなり、具体的には次
のような図に示す形状のものを挙げることができる。

【０００９】図１は、本発明のノズル体の斜視模式図で
ある。ただし、内部を分かりやすくするため処理ガス導
入部を除き、プラズマ発生部とプラズマガス吹き出し部
のみを記載した図である。図２は、図１のノズル体のＡ
−Ａ’方向の断面平面図である。ただし、処理ガス導入
部を付加した全体の断面図として表してある。図３は、
図１のノズル体のＢ−Ｂ’方向の断面平面図である。図
１〜３において、１は電源、２及び３はプレート状電
極、４は固体誘電体、５はプラズマガス吹き出し口、６
は冷媒・熱媒経路、７は処理ガス導入口、８は保持部
材、１０はケーシング、１１はボルト、１２は処理ガス
導入部、１３はプラズマ発生部、１４はプラズマガス吹
き出し部をそれぞれ表す。

【００１０】プラズマ発生部１３は、絶縁材からなるケ
ーシング１０内にプレート状電極２及びプレート状電極
３が交互に櫛歯状にボルト１１により固定されて複数の
放電空間を形成するように設置され、誘電体（絶縁体）
からなる保持部材８により分離保持され局所異常放電を
防止するようにされている。プレート状電極群２とプレ
ート状電極群３は、それぞれ固体誘電体４で被覆され、
電源１により電界が印加できるように配線がされてい
る。また、電極プレート内には、電極自身の温度をコン
トロールするための冷媒・熱媒経路６を有している。処
理ガスは、矢印方向に処理ガス導入口７から電極２及び
電極３の間の複数の放電空間に導入され、プラズマを発
生し、ガス吹き出し部１４を経てガス吹き出し口５より
吹き出され、その先に設置されている被処理体に吹きつ
けられる。

【００１１】本発明のプラズマガスノズル体は、上記の
ような構造を採っているので、大量の処理ガスからのプ
ラズマを被処理体の任意の箇所に吹きつけることができ
る。なお、上記の構造のプレート状電極の大きさ及び数
は、処理ガス、被処理体の種類等により任意に決めるこ
とができる。

【００１２】上記プレート状電極としては、例えば、
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
の厚さとしては、０．５〜２００ｍｍであることが好ま
しい。電極の内部に冷却媒体・加熱媒体経路を設けるこ
ともできる。また、電極面積は、プラズマを発生させる
容量により任意に決めることができる。

【００１３】プラズマを発生させる電極は、短絡に至ら
ない適切な距離をあけた状態で対向させて設置されてい
る。隣り合う電極のうち少なくとも一方に固体誘電体が
配置されていれば良く、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。

【００１４】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。こ
れらの２種以上を積層して用いてもよい。

【００１５】上記固体誘電体の形状は、シート状でもフ
ィルム状でもよく、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。

【００１６】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、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
に充分でないことがあり、５０ｍｍを超えると、均一な
放電プラズマを発生させにくい。

【００１７】上記保持部材及びケーシング材としては、
絶縁性の高いゴム、プラスチック、碍子、熱硬化性樹脂
等が挙げられる。

【００１８】本発明のガスノズル体を使ってプラズマ放
電を行うには、電極２及び電極３間に電界を印加するの
であるが、用いる電界は、交流電界やパルス電界、その
他プラズマ放電に用いられる電界を自由に用いることが
できる。これらの内でも放電の安定性が良好であること
から、パルス電界を用いることが好ましい。

【００１９】本発明に用いることのできるパルス電界の
電圧波形の例を、図４に示す。図４中の波形（ａ）、
（ｂ）はインパルス型、波形（ｃ）はパルス型、波形
（ｄ）は変調型の波形である。図４には電圧印加が正負
の繰り返しであるものを挙げたが、正又は負のいずれか
の極性側に電圧を印加するタイプのパルスを用いてもよ
い。また、直流が重畳されたパルス電界を印加してもよ
い。本発明におけるパルス電界の波形は、ここで挙げた
波形に限定されず、さらに、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。上記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。

【００２０】上記パルス電界の立ち上がり及び／又は立
ち下がり時間は、１００μｓ以下が好ましい。１００μ
ｓ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。

【００２１】また、パルス電界の立ち下がり時間も急峻
であることが好ましく、立ち上がり時間と同様の１００
μｓ以下のタイムスケールであることが好ましい。パル
ス電界発生技術によっても異なるが、立ち上がり時間と
立ち下がり時間とが同じ時間に設定できるものが好まし
い。

【００２２】上記パルス電界の電界強度は、０．５〜２
５０ｋＶ／ｃｍとなるようにするのが好ましい。電界強
度が０．５ｋＶ／ｃｍ未満であると処理に時間がかかり
すぎ、２５０ｋＶ／ｃｍを超えるとアーク放電が発生し
やすくなる。

【００２３】上記パルス電界の周波数は、０．５〜１０
０ｋＨｚ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、
１００ｋＨｚを超えるとアーク放電が発生しやすくな
る。より好ましくは、１〜１００ｋＨｚであり、このよ
うな高周波数の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。

【００２４】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、１〜１０００μｓであることが好まし
い。１μｓ未満であると放電が不安定なものとなり、１
０００μｓを超えるとアーク放電に移行しやすくなる。
より好ましくは、３〜２００μｓである。ここで、ひと
つのパルス継続時間とは、図４中に例を示してあるが、
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。

【００２５】本発明のプラズマガスノズル体で用いる処
理ガスとしては、電界、好ましくはパルス電界を印加す
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。

【００２６】薄膜の原料としての原料ガスとして、例え
ば、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ
_２、Ｓｉ（ＣＨ_３）_４等のシラン含有ガスからアモルフ
ァスシリコン膜、ポリシリコン膜、また上記シラン含有
ガスと無水アンモニア、窒素ガス等の窒素含有ガスから
ＳｉＮ膜、上記シラン含有ガスと上記窒素含有ガスとＯ
_２、Ｏ_３等の酸素含有ガスからＳｉＯＮ膜がそれぞれ形
成される。

【００２７】また、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、テトラエト
キシシラン等のシラン含有ガスと酸素ガスからＳｉＯ_２
等の酸化膜が得られる。

【００２８】また、Ａｌ（ＣＨ_３）_３、Ｉｎ（Ｃ
_２Ｈ_５）_３、ＭｏＣｌ_６、ＷＦ_６、Ｃｕ（ＨＦＡｃＡ
ｃ）_２、ＴｉＣｌ_６等又はＳｉＨ_４等のシランガスの混
合ガスから、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ等の金属薄
膜、ＴｉＳｉ_２、ＷＳｉ_２等の金属シリサイド薄膜を形
成することができる。

【００２９】また、Ｉｎ（Ｏｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_３、Ｚｎ
（ＯＣ_２Ｈ_５）_２、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３、Ｚｎ（Ｃ
_２Ｈ_５）_２等よりＩｎ_２Ｏ_３＋Ｓｎ、ＳｎＯ_２＋Ｓｂ、
ＺｎＯ＋Ａｌ等の透明導電膜が形成される。

【００３０】また、Ｂ_２Ｈ_６、ＢＣｌ_３とＮＨ_３ガス等
からＢＮ膜、ＳｉＦ_４ガスと酸素ガス等からＳｉＯＦ
膜、ＨＳｉ（ＯＲ）_３、ＣＨ_３Ｓｉ（ＯＲ）_３、（ＣＨ
_３）_２Ｓｉ（ＯＲ）_２等からポリマー膜等が形成され
る。

【００３１】また、Ｔａ（ＯＣ_２Ｈ_５）_５、Ｙ（ＯｉＣ
_３Ｈ_７）_３、Ｙ（Ｃ_２Ｈ_５）_３、Ｈｆ（ＯｉＣ_３Ｈ_７）
_４、Ｚｎ（Ｃ_２Ｈ_５）_２等からＴａ_２Ｏ_５、Ｙ_２Ｏ_３、
ＨｆＯ_２、ＺｎＯ_２等の酸化膜等が形成される。

【００３２】また、ＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ等の
炭素含有ガスからＤＬＣ膜を形成することができる。

【００３３】さらに、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＦ_３ＣＦＣ
Ｆ_２、Ｃ_４Ｆ_８等のフッ素含有化合物ガス、Ｏ_２、
Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ、ＣＨ_３ＯＨ、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ等の酸素含有
化合物ガス、Ｎ_２、ＮＨ_３等の窒素含有化合物ガス、Ｓ
Ｏ_２、ＳＯ_３等のイオウ含有化合物ガス、アクリル酸、
メタクリルアミド、ポリエチレングリコールジメタクリ
ル酸エステル等の重合性親水モノマーガス等をそれぞれ
の目的に応じて用いることができる。

【００３４】また、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
アッシング処理、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。

【００３５】本発明では、上記原料ガスをそのまま処理
ガスとして用いてもよいが、経済性及び安全性等の観点
から、原料ガスを希釈ガスによって希釈し、これを処理
ガスとして用いることもできる。希釈ガスとしては、ネ
オン、アルゴン、キセノン等の希ガス、窒素ガス等が挙
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、本発明の電界、好
ましくはパルス状の電界を印加する方法によれば、上述
のように、ヘリウムに比較して安価なアルゴン、窒素ガ
ス中において安定した処理が可能である。

【００３６】従来、大気圧近傍の圧力下においては、ヘ
リウムが大過剰に存在する雰囲気下で処理が行われてき
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、窒素等の気体中における安定した処理が可
能であり、さらに、これらの分子量の大きい、電子をよ
り多く有するガスの存在下で処理を行うことにより、高
密度プラズマ状態を実現し、処理速度を上げることが出
来るため、工業上大きな優位性を有する。

【００３７】

【実施例】本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明
するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもので
はない。

【００３８】実施例１図１〜３に示すプラズマガスノズル体を用いてプラズマ
ガスを発生させた。プラズマ発生部として、アルミナ固
体誘電体を０．５ｍｍの厚さに被覆した、５０ｍｍ×１
００ｍｍのステンレス製プレート状電極を６枚用い、電
極間間隔を２ｍｍにして設置し、５放電空間による２５
０００ｍｍ^２の放電面積を設けた。乾燥空気を導入し、
下記の条件で印加し、プラズマを発生させ、ノズルから
吹き出すことができた。なお、ノズル体の総体積は、８
６ｍｍ×５６ｍｍ×１５５ｍｍ＝７５０ｃｍ^３であっ
た。

【００３９】放電処理条件流通ガス：乾燥空気放電条件：波形（ａ）、立ち上がり／立ち下がり時間５
μｓ、出力５００Ｗ、周波数１０ＫＨｚ、Ｖ_ＰＰ６ｋ
Ｖ、処理時間５ｓｅｃ；発生したプラズマは、アーク柱
のみられない均一な放電であった。

【００４０】比較例１一対の平行平板型電極を用いた一つの放電空間からなる
ノズル体を用い、実施例と同様の放電面積になるように
する以外は、実施例１と同様にしてプラズマを発生させ
た。約２５０００ｍｍ^２の放電面積を得るには１５６ｍ
ｍ×１６０＝２４９６ｍｍ^２電極が必要であり、ノズル
体の総体積は、１９２ｍｍ×２４ｍｍ×２６５ｍｍ＝１
２２１ｃｍ^３となり、実施例１の約１．６倍の大きさに
なった。

【００４１】比較例２内部に５ｍｍφの棒状電極を有する円筒型電極を用いた
一つの放電空間からなるノズル体を用い、実施例と同様
の放電面積になるようにする以外は、実施例１と同様に
してプラズマを発生させた。約２５０００ｍｍ^２の放電
面積を得るには１対では、１５９２ｍｍの長さが必要で
あり、現実的でなく、長さを１００ｍｍとすれば、１６
対の円筒型電極が必要であり、配線が煩雑なものとなっ
た。

【００４２】

【発明の効果】以上の特徴から、本発明の常圧プラズマ
ガスノズルは、高容量のプラズマガスを発生させて、被
処理体に吹き付けることができ、プラズマ処理すべきあ
らゆる分野にいることができる。特に、容易にインライ
ン化でき、各分野のプラズマ処理プロセスに組み込むこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の常圧プラズマガスノズル体の模式斜視
図である。

【図２】図１のＡ−Ａ’方向の断面平面図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ’方向の断面平面図である。

【図４】パルス化された電界の例を示す電圧波形の図で
ある。

【符号の説明】

１電源２、３電極４固体誘電体５プラズマガス吹き出し口７処理ガス導入口８保持部材１０ケーシング１１ボルト１２処理ガス導入部１３プラズマ発生部１４プラズマガス吹き出し部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4G075 AA24 BC04 BD03 CA47 DA01 EB43 EC01 EC21 FC15 4K030 AA06 AA09 AA11 AA13 AA14 AA18 BA28 BA29 BA30 BA39 BA40 BA42 BA45 BA47 BA48 BB03 EA05 EA11 JA09 KA30 KA46

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】大気圧近傍の圧力下、対向する電極の少
なくとも一方の対向面に固体誘電体を設置し、当該対向
する電極間に処理ガスを導入し電界を印加することによ
り発生するプラズマを被処理体に吹きつけるノズル体で
あって、ケーシング内に複数のプレート状電極を櫛歯状
に交互に設置した複数の放電空間を有するプラズマ発生
部、処理ガス導入部及びプラズマガス吹き出し部を備え
てなることを特徴とする常圧プラズマガスノズル体。
【請求項２】複数のプレート状電極が保持部材で分離
保持されてなることを特徴とする請求項１に記載の常圧
プラズマガスノズル体。