JP2003036996A - Microplasma generator of parallel flat plate volume coupling type - Google Patents

Microplasma generator of parallel flat plate volume coupling type

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JP2003036996A
JP2003036996A JP2001257004A JP2001257004A JP2003036996A JP 2003036996 A JP2003036996 A JP 2003036996A JP 2001257004 A JP2001257004 A JP 2001257004A JP 2001257004 A JP2001257004 A JP 2001257004A JP 2003036996 A JP2003036996 A JP 2003036996A
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Japan
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parallel plate
capacitively coupled
capillary
plasma
gas
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Japanese (ja)
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Yasuhiro Horiike
靖浩 堀池
Hiroyuki Yoshiki
宏之 吉木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized and a low-cost plasma generator having a low consuming power, a high efficiency, a high-reliability, and a long life, wherein chemical analysis in a minute region, chemical reaction and thin film formation and surface treatment on a capillary tube (capillary) inner wall are enabled. SOLUTION: This microplasma generator of a parallel flat plate volume coupling type is constituted so that a pair or plural pairs of parallel flat plate electrodes are opposingly installed so as to pinch respective capillary tubes of one or plural capillary tubes (capillary) prepared at a body composed of a non-conductive substance, so that an alternating current or a high frequency power supply is connected with one side of respective electrode pairs via a matching circuit, and so that the other side is grounded.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、微小プラズマ発生
装置に関し、特に微小領域での化学分析、化学反応およ
び毛細管(キャピラリ)内壁への薄膜形成や表面処理に
用いるに適した、小型、低消費電力、長寿命のプラズマ
発生装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microplasma generator, which is particularly suitable for use in chemical analysis, chemical reaction in a microregion, thin film formation on the inner wall of a capillary (capillary), and surface treatment. Electric power and a long-life plasma generator.

【0002】[0002]

【従来の技術】超LSIや各種電子デバイス、高機能性
材料の作製にプラズマ発生装置を用いた材料プロセッシ
ング技術が利用されている。しかしながら、従来のプラ
ズマ発生装置は概して高コスト化、大型化、大消費電力
の傾向にあり、加えてプラズマプロセスの煩雑さ、材料
加工・処理の上での非効率さ、などの問題点があった。
2. Description of the Related Art A material processing technique using a plasma generator is used in the production of ultra LSIs, various electronic devices, and highly functional materials. However, conventional plasma generators generally tend to be high in cost, large in size, and consume a large amount of power, and have problems such as complexity of plasma process and inefficiency in material processing / treatment. It was

【0003】かかる状況の下で、装置の低コスト化、小
型化、低消費電力、プラズマプロセスの簡素化、材料加
工・処理の上での高効率化を目指したプラズマ発生装置
として、特開2000−164395の基板電極プラズ
マ発生装置が提案されている。
Under such circumstances, as a plasma generator aiming at cost reduction, size reduction, low power consumption, simplification of plasma process, and high efficiency in material processing / treatment, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-2000 is known. A substrate electrode plasma generator of 164395 has been proposed.

【0004】図11は、従来の技術としての基板電極プ
ラズマ発生装置の概略構成図である。表面を酸化したシ
リコン基板25上にタングステンをスパッタ蒸着し、ド
ライエッチングにより微小ギャップ薄膜電極対(26
a、26b)〜(29a、29b)を形成し、上記電極
対に電力を供給することで微小プラズマ発生部位26c
〜29cにプラズマを生成する。
FIG. 11 is a schematic diagram of a conventional substrate electrode plasma generator. Tungsten is sputter-deposited on a silicon substrate 25 whose surface is oxidized, and a fine gap thin film electrode pair (26
a, 26b) to (29a, 29b) are formed, and electric power is supplied to the electrode pair to generate the microplasma generation portion 26c.
Generate plasma at ~ 29c.

【0005】前記基板電極プラズマ発生装置を用いるこ
とで、基板上の任意の複数微小領域での薄膜形成や、表
面処理および化学反応等の物質・材料プロセスを、低コ
スト、省スペース、低消費電力、簡便かつ高効率に実現
できる。
By using the substrate electrode plasma generator, it is possible to perform thin film formation in arbitrary plural minute regions on a substrate, material treatment such as surface treatment and chemical reaction, low cost, space saving, and low power consumption. It can be realized simply and highly efficiently.

【0006】しかし、前記基板電極プラズマ発生装置に
おいては、図11から明らかなようにプラズマ発生部位
26c〜29cと電極対(26a,26b)〜(29
a,29b)が直接接触しているので、プロセスが進行
するに従いプラズマによる電極のスパッタリング、反応
生成物のデポジション等による電極の破損、プロセス雰
囲気への異物の混入等汚損の問題が生じる。
However, in the substrate electrode plasma generator, as is apparent from FIG. 11, plasma generating portions 26c to 29c and electrode pairs (26a, 26b) to (29).
Since a and 29b) are in direct contact with each other, as the process progresses, there arise problems of sputtering of the electrode by plasma, damage of the electrode due to deposition of reaction products, and contamination such as contamination of process atmosphere with foreign matter.

【0007】また、基板上でのプラズマプロセスには有
効であったが、微小な内径を有するチューブ、パイプ等
の細長い管状物体の内壁処理、内部での化学反応への応
用は困難であった。
Further, it was effective for the plasma process on the substrate, but it was difficult to apply it to the inner wall treatment of a slender tubular object such as a tube or pipe having a minute inner diameter and the internal chemical reaction.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、毛細管(キ
ャピラリ)を有した非導電性物体の外部に毛細管を挟む
ように一対の平行平板電極を配置し、当該電極に電力を
供給し、上記毛細管の内部にプラズマを発生すること
で、電極が直接プラズマに曝されることを防止し、プラ
ズマ発生装置の長寿命化、プロセス雰囲気中への異物の
混入等の汚損を無くした高信頼性のプラズマプロセスを
提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, a pair of parallel plate electrodes is arranged outside a non-conductive object having a capillary (capillary) so as to sandwich the capillary, and power is supplied to the electrodes. By generating plasma inside the capillary tube, the electrode is prevented from being directly exposed to the plasma, the life of the plasma generator is extended, and contamination such as mixing of foreign substances into the process atmosphere is eliminated. The purpose is to provide a plasma process.

【0009】また、本発明による微小プラズマ発生装置
は、チップや基板に応用できるのみならず、チューブや
パイプ等の細長い管状物体の内部でのプラズマ生成にも
適用できることを目的とする。
It is another object of the present invention to apply the microplasma generator not only to chips and substrates but also to plasma generation inside elongated tubular objects such as tubes and pipes.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の平行平板
容量結合型微小プラズマ発生装置は、一つあるいは複数
の毛細管(キャピラリ)を有する非導電性物質から成る
物体において、上記一つあるいは任意の複数個の毛細管
を挟んで、上記物体の外部に一対あるいは複数対の平行
平板電極を配置し、上記対電極の一方に交流電力あるい
は高周波電力を印加し、他方は接地された状態で、上記
毛細管に所定のガスを導入し、任意の雰囲気下でプラズ
マを発生することを特徴とする。
The parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to claim 1 is an object made of a non-conductive material having one or a plurality of capillaries (capillaries). A pair or a plurality of pairs of parallel plate electrodes are placed outside the object with a plurality of capillaries sandwiched therebetween, and one of the counter electrodes is applied with AC power or high-frequency power, and the other is grounded. It is characterized in that a predetermined gas is introduced into the capillary tube to generate plasma under an arbitrary atmosphere.

【0011】請求項2記載の平行平板容量結合型微小プ
ラズマ発生装置は、前記非導電性物質が石英、パイレッ
クスガラス、アルミナ、サファイア、ナイロン、塩化ビ
ニル、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレ
ート(PET)、ポリカーボネート、ゴム、樹脂等の誘
電体で構成されていることを特徴とする。
In the parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to claim 2, the non-conductive substance is quartz, Pyrex glass, alumina, sapphire, nylon, vinyl chloride, polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), It is characterized in that it is made of a dielectric material such as polycarbonate, rubber or resin.

【0012】請求項3記載の平行平板容量結合型微小プ
ラズマ発生装置は、前記電極対がCu、Al、Au、P
t等の金属薄板、スパッタ薄膜、電気メッキ金属からな
る電極対であることを特徴とする。
In a parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to a third aspect of the present invention, the electrode pair is made of Cu, Al, Au, P.
It is characterized by an electrode pair made of a thin metal plate such as t, a sputtered thin film, and an electroplated metal.

【0013】請求項4記載の平行平板容量結合型微小プ
ラズマ発生装置は、前記非導電性物質から成る物体がチ
ューブ、パイプ等の管状物体であるか、チップあるいは
基板であることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the parallel plate capacitively coupled microplasma generator, the object made of the non-conductive substance is a tubular object such as a tube or a pipe, or a chip or a substrate.

【0014】請求項5記載の平行平板容量結合型微小プ
ラズマ発生装置は、前記交流電力又は高周波電力を連続
的にあるいはパルス状に印加することを特徴とする。
A parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to a fifth aspect is characterized in that the AC power or the high frequency power is applied continuously or in a pulsed manner.

【0015】請求項6記載の平行平板容量結合型微小プ
ラズマ発生装置は、前記毛細管(キャピラリ)がフォト
リソグラフィック微細加工でパターンニングし、ウエッ
トあるいはドライエッチング加工技術により作製された
ことを特徴とする。
A parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to a sixth aspect is characterized in that the capillaries are patterned by photolithographic microfabrication and are manufactured by a wet or dry etching technique.

【0016】請求項7記載の平行平板容量結合型微小プ
ラズマ発生装置は、前記非導電性物質から成る同一物体
上に複数の平行平板電極対を配置した場合、上記各電極
対をおのおの独立して制御しプラズマ発生することを特
徴とする。
According to a seventh aspect of the present invention, in the parallel plate capacitively coupled microplasma generator, when a plurality of parallel plate electrode pairs are arranged on the same object made of the non-conductive material, each of the electrode pairs is independently provided. It is characterized by controlling and generating plasma.

【0017】請求項8記載のマイクロ化学分析方法は、
請求項1ないし7に記載された平行平板容量結合型微小
プラズマ発生装置を用い、微量の未知のガスをキャリア
ガスと共に毛細管に導入し、上記ガス成分を定量分析す
ることを特徴とする。
The microchemical analysis method according to claim 8 comprises:
A parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to any one of claims 1 to 7 is used to introduce a small amount of an unknown gas into a capillary tube together with a carrier gas to quantitatively analyze the gas component.

【0018】請求項9記載のマイクロ化学分析方法は、
請求項1ないし7に記載された平行平板容量結合型微小
プラズマ発生装置を用い、微量の未知の液体を気化しキ
ャリアガスと共に毛細管に導入し、上記液体成分を定量
分析することを特徴とする。
The microchemical analysis method according to claim 9 is:
A parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to any one of claims 1 to 7 is used to vaporize a small amount of an unknown liquid and introduce it into a capillary together with a carrier gas to quantitatively analyze the liquid component.

【0019】請求項10記載の材料プロセッシング方法
は、請求項1ないし7に記載された平行平板容量結合型
微小プラズマ発生装置を用い、毛細管内の任意の位置に
任意の材料からなる薄膜を形成することを特徴とする。
A material processing method according to a tenth aspect uses the parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to any one of the first to seventh aspects to form a thin film made of an arbitrary material at an arbitrary position in a capillary tube. It is characterized by

【0020】請求項11記載の材料プロセッシング方法
は、請求項1ないし7に記載された平行平板容量結合型
微小プラズマ発生装置を用い、毛細管内の任意の位置に
アッシング、エッチング、洗浄、改質等の表面処理を行
うことを特徴とする。
The material processing method according to claim 11 uses the parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to any one of claims 1 to 7 to ash, etch, clean, modify, etc. at an arbitrary position in a capillary tube. The surface treatment is performed.

【0021】請求項12記載のマイクロ化学合成方法
は、請求項1ないし7に記載された平行平板容量結合型
微小プラズマ発生装置を用い、単一または複数種の物質
を混合し毛細管に導入し、プラズマ化して化学反応をお
こさせることを特徴とする。
According to a twelfth aspect of the microchemical synthesis method of the present invention, the parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to any one of the first to seventh aspects is used, and a single or plural kinds of substances are mixed and introduced into a capillary tube. It is characterized in that it is made into plasma to cause a chemical reaction.

【0022】請求項13記載のマイクロ化学合成方法
は、請求項1ないし7に記載された平行平板容量結合型
微小プラズマ発生装置を用い、複数種の物質を個別に毛
細管に導入しプラズマ化し、上記個別にプラズマ化した
各物質を毛細管内又は毛細管外で混合することで化学反
応をおこさせることを特徴とする。
The microchemical synthesis method according to claim 13 uses the parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to any one of claims 1 to 7, wherein a plurality of kinds of substances are individually introduced into a capillary tube to generate plasma, It is characterized in that a chemical reaction is caused by mixing each substance individually turned into plasma inside the capillary or outside the capillary.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0024】(実施例1)図1は、平行平板容量結合型
微小プラズマ発生装置の全体を示す図である。石英等の
非導電性物質から成る基板1上に形成された毛細管(キ
ャピラリ)2a〜2cを挟む様に基板1の外部から平行
平板電極対(3a、3ga)〜(3c、3gc)を配置
する。上記平行平板電極対としてCu、Al、Pt等の
金属薄板を化学接着剤または粘着テープで基板1上に強
固に固定しても良いし、またはAu、Pt、タングステ
ン等の金属薄膜をスパッタ蒸着するか、電気メッキで作
製しても良い。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a diagram showing an entire parallel plate capacitively coupled microplasma generator. Parallel plate electrode pairs (3a, 3ga) to (3c, 3gc) are arranged from the outside of the substrate 1 so as to sandwich the capillaries (capillaries) 2a to 2c formed on the substrate 1 made of a non-conductive material such as quartz. . A thin metal plate of Cu, Al, Pt or the like as the parallel plate electrode pair may be firmly fixed on the substrate 1 with a chemical adhesive or an adhesive tape, or a metal thin film of Au, Pt, tungsten or the like may be deposited by sputtering. Alternatively, it may be produced by electroplating.

【0025】図2に、図1のX−X′線断面図を示す。
平行平板電極対(3a、3ga)〜(3c、3gc)
は、毛細管2a〜2cを上下から挟む様に、前記基板1
の外部に密着させ配置されている。
FIG. 2 shows a sectional view taken along the line XX 'of FIG.
Parallel plate electrode pairs (3a, 3ga) to (3c, 3gc)
The substrate 1 so that the capillaries 2a to 2c are sandwiched from above and below.
It is placed in close contact with the outside.

【0026】前記電極対の一方3a〜3cは、スイッチ
4a〜4c、整合回路5を介して、交流または高周波電
源6に接続されている。また、電極対の他方3ga〜3
gcは接地されている。ここで、電極3ga〜3gcが
接地状態にないと高周波電流が流れる経路が無く、プラ
ズマは点灯しない。毛細管2a〜2cに所望のガスをガ
ス配管7により導入し、ガスの排気管8を真空ポンプに
接続し毛細管内を低ガス圧力にしても良い。また、排気
管8を大気開放にし毛細管内を大気圧にしても良い。す
なわち、任意のガス雰囲気下でプラズマを発生させるこ
とができる。
One of the electrode pairs 3a to 3c is connected to an AC or high frequency power source 6 via switches 4a to 4c and a matching circuit 5. In addition, the other electrode pair 3 ga to 3
gc is grounded. Here, if the electrodes 3ga to 3gc are not grounded, there is no path for the high-frequency current to flow, and the plasma is not lit. A desired gas may be introduced into the capillaries 2a to 2c through the gas pipe 7, and a gas exhaust pipe 8 may be connected to a vacuum pump to make the inside of the capillaries a low gas pressure. Further, the exhaust pipe 8 may be opened to the atmosphere and the inside of the capillary tube may be set to the atmospheric pressure. That is, plasma can be generated in an arbitrary gas atmosphere.

【0027】図1には3対の平行平板電極を有する基板
上微小プラズマ発生装置を示したが、所望のプラズマ処
理に応じて、任意の毛細管に対して1対あるいは複数対
の電極を配置したものでも良い。また、スイッチ4a〜
4cを用いることで、複数の電極対のうちの任意の電極
対のみに電力を供給してプラズマを発生させても良い。
FIG. 1 shows a microplasma generator on a substrate having three pairs of parallel plate electrodes, but one or a plurality of pairs of electrodes are arranged for an arbitrary capillary tube according to a desired plasma treatment. Anything is fine. Also, the switches 4a to
By using 4c, power may be supplied only to an arbitrary electrode pair of the plurality of electrode pairs to generate plasma.

【0028】さらに、前記交流または高周波電力を連続
的にあるいはパルス状に印加しても良い。
Further, the AC or high frequency power may be applied continuously or in a pulse form.

【0029】また、毛細管2a〜2cをフォトリソグラ
フィック微細加工でパターンニングし、ウエットあるい
はドライエッチング加工技術により作製しても良い。
Alternatively, the capillaries 2a to 2c may be patterned by photolithographic microfabrication, and may be manufactured by a wet or dry etching processing technique.

【0030】図3は、20×20mmの石英チップ1
上に断面寸法150×500μm、長さ18mmの毛
細管2を設け、長さ5mmの銅製平行平板電極対(3,
3g)に13.56MHzの高周波電力を印加し、大気
圧ヘリウムプラズマ10を生成した時の様子を示した図
である。ガス流量150sccm、投入電力1〜5W程
度である。その他、断面寸法が数mmから数十μmの毛
細管内部でグロー放電を確認した。
FIG. 3 shows a 20 × 20 mm 2 quartz chip 1
A capillary tube 2 having a cross-sectional dimension of 150 × 500 μm 2 and a length of 18 mm is provided on the upper side, and a parallel plate electrode pair (3
3g) is a diagram showing a state when 13.56 MHz high frequency power is applied to generate atmospheric pressure helium plasma 10. FIG. The gas flow rate is 150 sccm, and the input power is about 1 to 5 W. In addition, glow discharge was confirmed inside a capillary having a cross-sectional dimension of several mm to several tens of μm.

【0031】図4は、毛細管内のアルゴンプラズマ生成
における、ガス圧力と放電開始電力の関係を示した図で
ある。毛細管の断面寸法は、図中にd(放電ギャップ)
×W(幅)で示す。寸法の異なる種々の毛細管におい
て、最小放電開始電力(2〜3W)を与えるガス圧力が
存在する。また、放電ギャップ(図2中の間隔d)を短
くすると、最小放電開始電力を与えるガス圧力が高圧力
側に移行し、大気圧放電が容易に実現することがわか
る。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the gas pressure and the discharge start power in the generation of argon plasma in the capillary tube. The cross-sectional dimension of the capillary tube is d (discharge gap) in the figure.
It is shown by × W (width). In various capillaries of different sizes, there is a gas pressure that gives a minimum firing power (2-3 W). It is also understood that when the discharge gap (distance d in FIG. 2) is shortened, the gas pressure that gives the minimum discharge start power shifts to the high pressure side, and atmospheric pressure discharge is easily realized.

【0032】(実施例2)図5は平行平板容量結合型微
小プラズマ発生装置を用いて非導電性物質から成るチュ
ーブ、パイプ等の管状物体内部の任意の位置にプラズマ
を生成する手段を示す図である。平行平板電極対(3、
3g)を細長いチューブ11の外部に密着し固定する。
上記電極対は実施例1と同様にして作製して良い。電極
対の一方3は整合回路5を介して交流または高周波電源
6に接続し、他方3’は接地する。毛細管2に所定のガ
スをガス配管7にて導入し、排気管8を真空ポンプに接
続するか、大気開放するかにより、毛細管内を任意のガ
ス雰囲気に設定し、微小プラズマ12を生成することが
できる。
(Embodiment 2) FIG. 5 is a diagram showing a means for generating plasma at an arbitrary position inside a tubular object such as a tube or a pipe made of a non-conductive material by using a parallel plate capacitively coupled microplasma generator. Is. Parallel plate electrode pair (3,
3 g) is closely attached and fixed to the outside of the elongated tube 11.
The electrode pair may be manufactured in the same manner as in the first embodiment. One of the electrode pairs 3 is connected to an AC or high frequency power source 6 via a matching circuit 5, and the other 3'is grounded. A predetermined gas is introduced into the capillary tube 2 through the gas pipe 7, and the inside of the capillary tube is set to an arbitrary gas atmosphere depending on whether the exhaust tube 8 is connected to a vacuum pump or is open to the atmosphere, and the minute plasma 12 is generated. You can

【0033】また、平行平板電極対(3,3g)をチュ
ーブ11に密着させた状態で、チューブを管軸方向に移
動することで、チューブ内壁全体を連続的にプラズマ照
射することができる。
Further, by moving the tube in the tube axis direction with the parallel plate electrode pair (3, 3 g) closely attached to the tube 11, the entire inner wall of the tube can be continuously irradiated with plasma.

【0034】さらに、前記交流または高周波電力を連続
的にあるいはパルス状に印加しても良いのは、実施例1
と同様である。
Further, the AC or high frequency power may be applied continuously or in a pulse form in the first embodiment.
Is the same as.

【0035】(実施例3)図6は、平行平板容量結合型
微小プラズマ発生装置を用いて、微量の未知ガスを定量
分析するマイクロガスクロマトグラフ方法を示す図であ
る。石英チップ1上に作製した毛細管2に、未知ガス1
7をキャリアガス16と共に導入し、平行平板電極対
(3、3g)間でプラズマ化し、光取り出し窓13から
取り出した光を光ファイバー14を介して分光分析装置
15でスペクトル分布と強度を調べることで、未知ガス
の定量分析をおこなう。
(Embodiment 3) FIG. 6 is a diagram showing a micro gas chromatographic method for quantitatively analyzing a small amount of unknown gas using a parallel plate capacitively coupled micro plasma generator. The unknown gas 1 is added to the capillary 2 made on the quartz chip 1.
7 was introduced together with the carrier gas 16, plasma was generated between the pair of parallel plate electrodes (3, 3 g), and the light extracted from the light extraction window 13 was examined by the spectroscopic analyzer 15 for the spectrum distribution and intensity via the optical fiber 14. , Quantitative analysis of unknown gas.

【0036】この場合、ごく微量の試料を短時間でしか
も簡便に分析することが可能であり、従来のガスクロマ
トグラフィシステムに比較して、省資源、省エネルギ
ー、ランニングコストの低減等で勝っている。さらに、
分光分析装置を微小化して同一チップ上に集積すること
も可能で、次世代のポータブル化学分析装置として有力
である。
In this case, a very small amount of sample can be analyzed in a short time and easily, and it is superior to the conventional gas chromatography system in resource saving, energy saving, running cost reduction and the like. further,
The spectroscopic analyzer can be miniaturized and integrated on the same chip, which is an effective next-generation portable chemical analyzer.

【0037】また、未知ガス以外に微量の未知の液体1
8を気化し、キャリアガス16と共に毛細管に導入し、
プラズマ化して未知の液体成分を定量分析することもで
きる。
In addition to the unknown gas, a small amount of unknown liquid 1
8 is vaporized and introduced into the capillary together with the carrier gas 16,
It is also possible to quantitatively analyze unknown liquid components by converting them into plasma.

【0038】(実施例4)図7は、平行平板容量結合型
微小プラズマ発生装置を用いて、毛細管内壁の任意の位
置に任意の材料からなる薄膜を形成する工程を示す図で
ある。例えば、アモルファスカーボン薄膜を成膜したい
場合、成膜したい位置に平行平板電極対(3、3g)を
配置し、毛細管2内にアルゴンガスとCHガスの混合
ガス19を導入し、プラズマ化することで電極対の位置
にアモルファスカーボン薄膜20を形成することができ
る。
(Embodiment 4) FIG. 7 is a diagram showing a process of forming a thin film made of an arbitrary material at an arbitrary position on an inner wall of a capillary by using a parallel plate capacitively coupled microplasma generator. For example, when an amorphous carbon thin film is to be formed, a pair of parallel plate electrodes (3, 3 g) is arranged at the position where the film is to be formed, and a mixed gas 19 of argon gas and CH 4 gas is introduced into the capillary tube 2 to generate plasma. As a result, the amorphous carbon thin film 20 can be formed at the position of the electrode pair.

【0039】成膜したい物質によって任意のガスを導入
すれば良く、例えばフッ素系ポリマー薄膜の形成には、
CFガスまたはCガスとHガスの混合ガスを
導入すれば良い。また、上記混合ガスのキャリアガスと
してArガス、Heガス等を添加しても良い。
Any gas may be introduced depending on the substance to be formed. For example, in order to form a fluoropolymer thin film,
CF 4 gas or a mixed gas of C 4 F 8 gas and H 2 gas may be introduced. Further, Ar gas, He gas or the like may be added as a carrier gas of the mixed gas.

【0040】さらに、平行平板電極対をチップ1または
チューブ11に密着させた状態で、上記チップまたはチ
ューブを移動させることにより毛細管内壁全体に、連続
的に薄膜20を任意の膜厚にて成膜することができる。
Further, by moving the tip or tube in a state where the parallel plate electrode pair is in close contact with the tip 1 or the tube 11, a thin film 20 is continuously formed on the entire inner wall of the capillary with an arbitrary thickness. can do.

【0041】また、毛細管2にOガス、Arガス単体
を導入しプラズマ生成することで、任意の材質からなる
毛細管内壁のアッシング、エッチング、洗浄をおこなう
ことができる。また、高分子材料から成る毛細管に対し
て、ArガスまたはHeガスをキャリアガスとし適量の
ガス、Nガス等を導入してプラズマ化することで
毛細管内壁の任意の位置の表面改質をおこなうことがで
きる。
Further, by introducing O 2 gas and Ar gas alone into the capillary tube 2 to generate plasma, the inner wall of the capillary tube made of any material can be ashed, etched and cleaned. In addition, surface modification at any position of the inner wall of the capillary is performed by introducing an appropriate amount of O 2 gas, N 2 gas or the like into a plasma by using Ar gas or He gas as a carrier gas to the capillary made of a polymer material. Can be done.

【0042】例えば、PE、PET等の高分子で形成さ
れた毛細管内に酸素ガスを導入しプラズマ処理すること
で、毛細管内壁の任意の場所を親水性にすることができ
る。他方、毛細管内にCFガスを導入しプラズマ処理
することで、毛細管内壁の任意の場所を疎水性にするこ
とができる。反応ガスはC、C、SiF
などのその他のフッ素系ガスであっても良い。
For example, by introducing oxygen gas into a capillary formed of a polymer such as PE or PET and performing plasma treatment, it is possible to make an arbitrary portion of the inner wall of the capillary hydrophilic. On the other hand, by introducing CF 4 gas into the capillary tube and performing plasma treatment, it is possible to make any place on the inner wall of the capillary tube hydrophobic. The reaction gas is C 3 F 8 , C 4 F 8 , SiF 4
Other fluorine-based gas such as

【0043】(実施例5)図8は、平行平板容量結合型
微小プラズマ発生装置を用いて、毛細管内壁の任意の位
置に、しかも平行平板電極対の下流側に、任意の材料か
らなる薄膜を形成する工程を示す図である。例えば、非
導電性物質から成る基板1上に作製した毛細管2a〜2
cにおいて、毛細管2aに平行平板電極対(3、3g)
を配置し、酸素ガス21を導入してプラズマを生成し、
その下流側(ダウンストリーム)に毛細管2bからテト
ラエトキシシラン(TEOS)ガス22を導入すること
で、毛細管2cの位置にSiO薄膜23を形成するこ
とができる。
(Embodiment 5) FIG. 8 shows a thin plate made of an arbitrary material at an arbitrary position on the inner wall of a capillary tube and on the downstream side of a parallel plate electrode pair using a parallel plate capacitively coupled microplasma generator. It is a figure which shows the process of forming. For example, capillaries 2a to 2 formed on a substrate 1 made of a non-conductive material.
In c, a pair of parallel plate electrodes (3, 3g) is attached to the capillary tube 2a.
Is disposed, and oxygen gas 21 is introduced to generate plasma,
By introducing the tetraethoxysilane (TEOS) gas 22 from the capillary tube 2b to the downstream side (downstream) thereof, the SiO 2 thin film 23 can be formed at the position of the capillary tube 2c.

【0044】また、毛細管2aにアルゴンガスを導入し
プラズマ化すると共に、毛細管2bからモノマー等の液
体を導入し、毛細管2c内でプラズマ重合反応により高
分子薄膜を形成することも可能である。プラズマ化する
ガス種や、導入する反応材料を適時設定することで、毛
細管2cの内壁に任意の薄膜を形成できる。
It is also possible to introduce argon gas into the capillary tube 2a to turn it into plasma and introduce a liquid such as a monomer from the capillary tube 2b to form a polymer thin film in the capillary tube 2c by a plasma polymerization reaction. An arbitrary thin film can be formed on the inner wall of the capillary 2c by appropriately setting the gas species to be turned into plasma and the reactive material to be introduced.

【0045】(実施例6)図9は、平行平板容量結合型
微小プラズマ発生装置を用いて、単一または複数種の物
質を混合し、プラズマ化して化学反応を進行させる工程
を示す図である。非導電性物質から成る基板1上に複数
の毛細管2a〜2dからなるチャンネルを設け、任意の
チャンネルに所望のガスまたは液体を導入し毛細管2e
内で混合する。上記被反応物質を毛細管2eに配置した
平行平板電極対(3、3g)間でプラズマ化し化学反応
を進行させ、反応生成物24を排気管8より回収する。
この場合、ごく微量の反応生成物質を短時間にしかも有
効に得ることができ、原材料の節約やランニングコスト
の低減が図れる。
(Embodiment 6) FIG. 9 is a diagram showing a process of mixing a single or plural kinds of substances and making them plasma by using a parallel plate capacitively coupled microplasma generator to proceed a chemical reaction. . A channel composed of a plurality of capillaries 2a to 2d is provided on a substrate 1 made of a non-conductive material, and a desired gas or liquid is introduced into any channel to allow the capillaries 2e.
Mix in. The substance to be reacted is plasma-converted between the parallel plate electrode pairs (3, 3 g) arranged in the capillary tube 2 e to proceed the chemical reaction, and the reaction product 24 is collected from the exhaust pipe 8.
In this case, a very small amount of reaction product can be effectively obtained in a short time, and raw materials can be saved and running costs can be reduced.

【0046】(実施例7)図10は、平行平板容量結合
型微小プラズマ発生装置を用いて、複数種の物質を個別
にプラズマ化した後、混合して化学反応を進行させる工
程を示す図である。非導電性物質から成る基板1上に複
数の毛細管2a〜2dからなるチャンネルを設け、任意
のチャンネルに所望のガスまたは気化した液体を導入す
る。上記各毛細管に配置した平行平板電極対(3a、3
ga)〜(3d、3gd)間で上記ガスまたは気化した
液体をプラズマ化し、プラズマ状態の各物質を毛細管2
eに導入し化学反応を進行させ、反応生成物24を排気
管8より回収する。この場合、ごく微量の反応生成物質
を短時間にしかも有効に得ることができ、原材料の節約
やランニングコストの低減が図れる。
(Embodiment 7) FIG. 10 is a diagram showing a process in which a plurality of kinds of substances are individually made into plasma by using a parallel plate capacitively coupled microplasma generator and then mixed to allow a chemical reaction to proceed. is there. A channel composed of a plurality of capillaries 2a to 2d is provided on a substrate 1 made of a non-conductive material, and a desired gas or vaporized liquid is introduced into any channel. A pair of parallel plate electrodes (3a, 3
Ga) to (3d, 3gd), the gas or vaporized liquid is turned into plasma, and each substance in the plasma state is transferred to the capillary tube 2.
It is introduced into e and a chemical reaction is allowed to proceed, and the reaction product 24 is recovered from the exhaust pipe 8. In this case, a very small amount of reaction product can be effectively obtained in a short time, and raw materials can be saved and running costs can be reduced.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上述べたように、本発明の平行平板容
量結合型微小プラズマ発生装置により、微小領域での化
学分析、化学反応および毛細管(キャピラリ)内壁への
薄膜形成や表面処理等のプラズマプロセッシングを、小
型、低価格、低消費電力、簡便かつ高効率なものとし
た。しかも、当該微小プラズマ発生装置は、毛細管を有
した非導電性物体の外部に上記毛細管を挟むように一対
の平行平板電極を配置し、上記電極に電力を供給し上記
毛細管の内部にプラズマを発生することで、電極が直接
プラズマに曝されることを防止し、プラズマ発生装置の
長寿命化、汚損無しで高信頼性のプラズマプロセスを提
供することを可能にした。
As described above, according to the parallel plate capacitively coupled microplasma generator of the present invention, plasma for chemical analysis, chemical reaction in a microregion, thin film formation on the inner wall of a capillary (capillary), surface treatment, etc. The processing is small, low cost, low power consumption, simple and highly efficient. Moreover, the microplasma generator has a pair of parallel plate electrodes arranged outside the non-conductive object having a capillary tube so as to sandwich the capillary tube, and supplies power to the electrodes to generate plasma inside the capillary tube. By doing so, it is possible to prevent the electrodes from being directly exposed to plasma, to prolong the life of the plasma generator and to provide a highly reliable plasma process without contamination.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】平行平板容量結合型微小プラズマ発生装置の全
体を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing an entire parallel plate capacitively coupled microplasma generator.

【図2】図1に於けるX−X′線断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along line XX ′ in FIG.

【図3】20×20mm石英チップ上の毛細管内で
の、大気圧微小ヘリウムプラズマ発生の様子を示した
図。
FIG. 3 is a diagram showing how atmospheric pressure microhelium plasma is generated in a capillary on a 20 × 20 mm 2 quartz chip.

【図4】微小アルゴンプラズマに於ける、放電開始電力
のガス圧力依存性を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing the gas pressure dependence of the discharge start power in a micro argon plasma.

【図5】平行平板容量結合型微小プラズマ発生装置を用
いて、チューブ内にプラズマを生成する手段を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a means for generating plasma in a tube using a parallel plate capacitively coupled microplasma generator.

【図6】平行平板容量結合型微小プラズマ発生装置を用
いたマイクロガスクロマトグラフ方法を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing a micro gas chromatograph method using a parallel plate capacitively coupled microplasma generator.

【図7】平行平板容量結合型微小プラズマ発生装置を用
いて、毛細管内の任意の位置に薄膜を作製する工程を示
す図。
FIG. 7 is a diagram showing a process of forming a thin film at an arbitrary position in a capillary using a parallel plate capacitively coupled microplasma generator.

【図8】平行平板容量結合型微小プラズマ発生装置を用
いて、毛細管内のプラズマ源の下流位置に薄膜を形成す
る工程を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing a process of forming a thin film at a position downstream of a plasma source in a capillary by using a parallel plate capacitively coupled microplasma generator.

【図9】平行平板容量結合型微小プラズマ発生装置を用
いて、チップ内で化学合成をおこなう工程を示す図。
FIG. 9 is a diagram showing a step of chemically synthesizing in a chip using a parallel plate capacitively coupled microplasma generator.

【図10】平行平板容量結合型微小プラズマ発生装置を
用いて、チップ内で化学合成をおこなう他の工程を示す
図。
FIG. 10 is a view showing another process of chemically synthesizing in a chip by using a parallel plate capacitively coupled microplasma generator.

【図11】従来の技術による、基板電極プラズマ発生装
置の全体を示す図。
FIG. 11 is a diagram showing an entire substrate electrode plasma generator according to a conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1.非導電性基板 2.毛細管(キャピラリ) 2a〜2e.毛細管(キャピラリ) 3.平行平板電極(電力印加側) 3a〜3d.平行平板電極(電力印加側) 3g.平行平板電極(接地側) 3a’〜3gd.平行平板電極(接地側) 4a〜4c.切り替えスイッチ 5.整合回路 6.交流または高周波電源 7.ガス導入管 8.ガス排気管 9.プロセスガス 10.大気圧ヘリウムプラズマ 11.チューブまたはパイプ 12.微小プラズマ 13.光取り出し窓 14.光ファイバー 15.分光分析装置 16.キャリアガス 17.未知ガス 18.未知の液体 19.アルゴンとCHの混合ガス 20.アモルファスカーボン薄膜 21.酸素ガス 22.テトラエトキシシラン(TEOS)ガス 23.SiO薄膜 24.反応生成物 25.シリコン基板 26a.基板電極1 26b.基板電極2 26c.プラズマ発生部位 27a.基板電極1 27b.基板電極2 27c.プラズマ発生部位 28a.基板電極1 28b.基板電極2 28c.プラズマ発生部位 29a.基板電極1 29b.基板電極2 29c.プラズマ発生部位1. Non-conductive substrate 2. Capillaries 2a-2e. Capillary 3. Parallel plate electrodes (power application side) 3a to 3d. Parallel plate electrode (power application side) 3 g. Parallel plate electrode (ground side) 3a 'to 3gd. Parallel plate electrodes (ground side) 4a to 4c. Changeover switch 5. Matching circuit 6. AC or high frequency power supply 7. Gas introduction pipe 8. Gas exhaust pipe 9. Process gas 10. Atmospheric pressure helium plasma 11. Tube or pipe 12. Microplasma 13. Light extraction window 14. Optical fiber 15. Spectroscopic analyzer 16. Carrier gas 17. Unknown gas 18. Unknown liquid 19. Mixed gas of argon and CH 4 . Amorphous carbon thin film 21. Oxygen gas 22. Tetraethoxysilane (TEOS) gas 23. SiO 2 thin film 24. Reaction product 25. Silicon substrate 26a. Substrate electrode 1 26b. Substrate electrode 2 26c. Plasma generation site 27a. Substrate electrode 127b. Substrate electrode 2 27c. Plasma generation site 28a. Substrate electrode 1 28b. Substrate electrode 2 28c. Plasma generation site 29a. Substrate electrode 1 29b. Substrate electrode 2 29c. Plasma generation site

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉木 宏之 山形県鶴岡市稲生2丁目36番地3の4号 Fターム(参考) 2G058 AA01 BA08 DA00 DA07 GA06 4K030 AA09 BA27 CA15 FA01 KA30   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Hiroyuki Yoshiki             Yamagata Prefecture Tsuruoka City Inou 2-36 No. 3 No. 4 F-term (reference) 2G058 AA01 BA08 DA00 DA07 GA06                 4K030 AA09 BA27 CA15 FA01 KA30

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】一つあるいは複数の毛細管(キャピラリ)
を有する非導電性物質から成る物体において、上記一つ
あるいは任意の複数個の毛細管を挟んで、上記物体の外
部に一対あるいは複数対の平行平板電極を配置し、上記
対電極の一方に交流電力あるいは高周波電力を印加し、
他方は接地された状態で、上記毛細管に所定のガスを導
入し、任意の雰囲気下でプラズマを発生することを特徴
とする平行平板容量結合型微小プラズマ発生装置。
1. One or more capillaries
In a body made of a non-conductive substance having one or more capillaries, one or more pairs of parallel plate electrodes are arranged outside the body, and AC power is applied to one of the counter electrodes. Or apply high frequency power,
A parallel plate capacitively coupled microplasma generator characterized in that the other is grounded and a predetermined gas is introduced into the capillary to generate plasma under an arbitrary atmosphere.
【請求項2】前記非導電性物質が石英、パイレックス
(登録商標)ガラス、アルミナ、サファイア、ナイロ
ン、塩化ビニル、ポリエチレン(PE)、ポリエチレン
テレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ゴム、
樹脂等の誘電体で構成されていることを特徴とする請求
項1記載の平行平板容量結合型微小プラズマ発生装置。
2. The non-conductive material is quartz, Pyrex (registered trademark) glass, alumina, sapphire, nylon, vinyl chloride, polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, rubber,
The parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to claim 1, which is made of a dielectric material such as resin.
【請求項3】前記電極対がCu、Al、Au、Pt等の
金属薄板、スパッタ薄膜、電気メッキ金属からなる電極
対であることを特徴とする請求項1記載の平行平板容量
結合型微小プラズマ発生装置。
3. The parallel plate capacitively coupled microplasma according to claim 1, wherein the electrode pair is an electrode pair made of a thin metal plate of Cu, Al, Au, Pt or the like, a sputtered thin film, or an electroplated metal. Generator.
【請求項4】前記非導電性物質から成る物体がチュー
ブ、パイプ等の管状物体であるか、チップあるいは基板
であることを特徴とする請求項1記載の平行平板容量結
合型微小プラズマ発生装置。
4. The parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to claim 1, wherein the object made of the non-conductive material is a tubular object such as a tube or a pipe, or a chip or a substrate.
【請求項5】前記交流電力又は高周波電力を連続的にあ
るいはパルス状に印加することを特徴とする請求項1記
載の平行平板容量結合型微小プラズマ発生装置。
5. The parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to claim 1, wherein the AC power or the high frequency power is applied continuously or in a pulse form.
【請求項6】前記毛細管(キャピラリ)がフォトリソグ
ラフィック微細加工でパターンニングし、ウエットある
いはドライエッチング加工技術により作製されたことを
特徴とする請求項1記載の平行平板容量結合型微小プラ
ズマ発生装置。
6. The parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to claim 1, wherein the capillaries are patterned by photolithographic microfabrication and manufactured by a wet or dry etching technique.
【請求項7】同一物体上に複数の平行平板電極対を配置
した場合、上記各電極対をおのおの独立して制御しプラ
ズマ発生することを特徴とする請求項1記載の平行平板
容量結合型微小プラズマ発生装置。
7. A parallel-plate capacitively coupled micro-array according to claim 1, wherein when a plurality of parallel-plate electrode pairs are arranged on the same object, the respective electrode pairs are independently controlled to generate plasma. Plasma generator.
【請求項8】請求項1ないし7に記載された平行平板容
量結合型微小プラズマ発生装置を用い、微量の未知のガ
スをキャリアガスと共に毛細管に導入し、上記ガス成分
を定量分析するマイクロ化学分析方法。
8. A microchemical analysis using the parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to claim 1 to introduce a small amount of an unknown gas into a capillary tube together with a carrier gas to quantitatively analyze the gas component. Method.
【請求項9】請求項1ないし7に記載された平行平板容
量結合型微小プラズマ発生装置を用い、微量の未知の液
体を気化しキャリアガスと共に毛細管に導入し、上記液
体成分を定量分析するマイクロ化学分析方法。
9. A microplate for quantitatively analyzing the above liquid component by using the parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to claim 1 to vaporize a small amount of unknown liquid and introduce it into a capillary together with a carrier gas. Chemical analysis method.
【請求項10】請求項1ないし7に記載された平行平板
容量結合型微小プラズマ発生装置を用い、毛細管内の任
意の位置に任意の材料からなる薄膜を形成することを特
徴とする材料プロセッシング方法。
10. A material processing method characterized by using the parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to claim 1 to form a thin film of an arbitrary material at an arbitrary position in a capillary tube. .
【請求項11】請求項1ないし7に記載された平行平板
容量結合型微小プラズマ発生装置を用い、毛細管内の任
意の位置にアッシング、エッチング、洗浄、改質等の表
面処理を行うことを特徴とする材料プロセッシング方
法。
11. A parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to any one of claims 1 to 7, wherein surface treatment such as ashing, etching, cleaning and modification is performed at an arbitrary position in a capillary tube. And material processing method.
【請求項12】請求項1ないし7に記載された平行平板
容量結合型微小プラズマ発生装置を用い、単一物質また
は複数種の物質を混合し毛細管に導入し、プラズマ化し
て化学反応をおこさせることを特徴とするマイクロ化学
合成方法。
12. A parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to any one of claims 1 to 7, wherein a single substance or a plurality of types of substances are mixed and introduced into a capillary tube to generate a plasma to cause a chemical reaction. A microchemical synthesis method characterized by the above.
【請求項13】請求項1ないし7に記載された平行平板
容量結合型微小プラズマ発生装置を用い、複数種の物質
を個別に毛細管に導入しプラズマ化し、上記個別にプラ
ズマ化した各物質を毛細管内又は毛細管外で混合するこ
とで化学反応をおこさせることを特徴とするマイクロ化
学合成方法。
13. A parallel plate capacitively coupled microplasma generator according to any one of claims 1 to 7, wherein a plurality of types of substances are individually introduced into capillaries to generate plasma, and each of the substances plasmatized individually is converted into capillaries. A microchemical synthesis method characterized by causing a chemical reaction by mixing inside or outside a capillary tube.
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