JP2004253275A

JP2004253275A - プラズマ生成方法およびプラズマ生成装置

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Publication number: JP2004253275A
Application number: JP2003043074A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Matsumoto; 裕之松本; Minoru Matsumoto; 稔松本
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】大気圧近傍の圧力雰囲気において、工業的に安価な電源構成で、一対の対向電極間にグロー化した均一な放電プラズマを継続して生成する方法を提供する。また、そのようにして生成したプラズマを用いて、ガラス、有機基板などの各種基材の表面を処理するためのプラズマ生成装置を提供する。
【解決手段】一対の対向電極間に低周波と高周波が重畳された電界を印加してプラズマを生成する。また、その低周波と高周波は並列回路若しくは直列回路によって重畳して同時に印加する。プラズマ生成装置においては、一対の対向電極である金属電極の少なくとも一方は金属電極面上に固体誘電体を接触させて配置し、該対向電極間に低周波と高周波が重畳された電界を印加して、放電生成ガスを同電極間に導入する。被処理基材は、該対向電極間内か、若しくは電極間外の放電生成ガス流の下流位置で流れに直交して配置する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、大気圧近傍の圧力下においてプラズマを生成する方法、および基材表面の処理のためにプラズマを生成する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、大気圧近傍の圧力雰囲気で、放電プラズマを発生させる方法が提案されている。一般に、大気圧近傍の圧力下、特に分子状の窒素、酸素を主成分とする雰囲気では、パッシェンの法則から、気体の絶縁破壊、放電維持に高電圧を要し、電極間の負荷インピーダンスが真空状態に比して高いことが知られている。このため、通常、大気圧近傍の圧力下で放電プラズマをグロー化するためには、長寿命な準安定励起種を有するヘリウム、若しくはヘリウムを主成分とする混合ガスを用いることで放電維持を図っている。しかしながら、ヘリウムは高価なガスであるため、連続して大量に使用することは工業的に不利である。
【０００３】
そこで、大気圧近傍の圧力で、印加電圧の立ち上がり時間が速いパルス電源を用い、安定で高密度なグロー放電プラズマを生成し、基材の処理を行う手法が参考文献１に提案されている。しかしながら、この手法においては、放電プラズマ生成が工業的に高価なパルス電源の性能に依存し、また、本発明者らの調査によると、広範囲にわたってグロー放電生成するためには、高ワットのパルス電源が必要であり、実際に基材を高速で処理するためには、数段にわたる電極ユニットを用いた処理を要するため、装置コストが高価になるといった欠点があった。
【０００４】
さらに、金属網電極間に、導電体の全面を絶縁体で被覆して形成した粒状体を充填し、空気を主成分とするガスの存在下に交流電界を印加し、グロー放電プラズマを生成する方法が参考文献２において開示されているが、誘電体沿面放電を利用するため、得られるプラズマ領域は狭く、広範囲に渡る基板の処理には不向きであるといった欠点があった。
【０００５】
【参考文献１】
特許第３０４０３５８号。
【０００６】
【参考文献２】
特開平８−３２１３９７号。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を鑑みて、工業的に安価な電源構成で、グロー放電プラズマを継続して生成する方法およびそのプラズマを用いてガラス、有機基板などの各種基材を処理するためのプラズマ生成装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために次の手段を用いる。すなわち、請求項１に記載のプラズマ生成方法は、大気圧近傍の圧力雰囲気において、対向する一対の電極の間に印加される電界が低周波と高周波の重畳されたものであることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載のプラズマ生成方法は、請求項１に記載のプラズマ生成方法において、低周波における周波数が５０Ｈｚ〜１ｋＨｚ、かつ高周波における周波数が１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚであることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載のプラズマ生成方法は、請求項１または請求項２に記載のプラズマ生成方法において、低周波と高周波が並列回路若しくは直列回路によって重畳され同時に印加されることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載のプラズマ生成装置は、対向する一対の電極間に生成させたプラズマにより基材表面を処理するプラズマ生成装置において、該電極間に低周波と高周波の重畳された電界が印加され、前記一対の対向電極は、裸の金属電極と金属表面上に接触させて配置した固体誘電体電極との組み合わせ、または両方とも金属表面上に接触させて配置した固体誘電体電極であり、かつ被処理基材は、前記一対の対向電極の間に配置するか、若しくは前記一対の対向電極の間の空間に導入した放電生成ガスの流れの下流の位置で該ガスの流れに対して被処理面を垂直に向けて配置されることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載のプラズマ生成装置は、請求項４に記載のプラズマ生成装置において、低周波における周波数が５０Ｈｚ〜１ｋＨｚ、かつ高周波における周波数が１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚであることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載のプラズマ生成装置は、請求項４または請求項５に記載のプラズマ生成装置において、低周波と高周波が並列回路若しくは直列回路によって重畳され同時に印加されることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明におけるプラズマ生成方法の具体的な実施の形態を以下に説明する。まず、低周波の高電圧により気体を絶縁破壊により放電プラズマを生成し、電極間の負荷インピーダンスを減少させ、次に、該低周波電界とともに重畳して同時に高周波電界を印加することによって、負荷へ効率良くエネルギーを投入することが可能となる。このため、前述のように放電維持に効果のあるヘリウムを含まない大気圧近傍の圧力のガス雰囲気であってもグロー放電プラズマの生成・維持が可能になると考える。
【００１５】
また、低周波電界のみを連続して印加すると放電がアークに移行することが知られているが、本発明では、対向する電極の前面に誘電体を設置し、強制的に放電電流の増大を抑制することで、アークへの移行を防ぐことができる。
【００１６】
さらに、本発明では、気体が絶縁破壊して、放電プラズマが発生した段階で、低周波電界をアークに移行しない程度の電界強度に抑えて、高周波電界と同時に印加することにより、ストリーマ放電を全く含まない、均一なグロー放電が継続して生成できる。
【００１７】
本発明における大気圧近傍の圧力とは、１．３３×１０^４〜１０．７×１０^４Ｐａの圧力雰囲気を指すが、装置コストの低減の点で、簡易的な局所排気程度で実現できる９．６×１０^４〜１０．４×１０^４Ｐａの範囲がより好ましい。
【００１８】
本発明のプラズマ生成に使用される電極は、一対の金属製対向電極の少なくとも一方の面に固体誘電体を配置した場合には、該固体誘電体が電極として機能する。従って、グロー放電プラズマは、該固体誘電体と金属電極間、または対向する一対の固体誘電体の間にて行われる。
【００１９】
生成される放電プラズマ空間は、基本的には当該対向電極間に存在するが、雰囲気ガスを電極間に流すことにより、放電プラズマ中で生成した活性粒子のみを電極間の空間領域の外部に取り出し、該活性粒子により基材表面の処理を行うことも可能である。
【００２０】
本発明のプラズマ生成装置は、工業的に安価な空気、窒素、酸素、アルゴンガスにより生成したグロー放電によって、ガラス、シリコン、有機基板などの被処理基材の表面の洗浄、改質を行なうのに用いることができる他、フッ素を主成分としたガスにより生成した放電プラズマによって撥水化処理などを行うのに用いることができる。
【００２１】
上記金属製電極の材質としては、工業的に安価なアルミニウム、銅、ステンレス、真鍮およびこれらの合金などが挙げられるがこれに限ったものではない。上記対向電極の構造としては、平行平板型、同軸円筒型などが挙げられるがこの限りではなく、目的に応じて任意の形状、サイズとすることができる。電極の形状は、電荷集中によるアーク放電への移行を抑制するため、極力エッジとなる部分を作らず、角を丸くした構造が好ましい。
【００２２】
上記固体誘電体の材質としては、プラスチック、ガラス、セラミックス、複合酸化物などの薄膜、フィルム、板材が挙げられるが、放電プラズマによる損傷、熱による変形を考慮すると、無機系材料の酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム、炭化シリコンなどの単体、もしくはその複合体が好ましい。より好ましくは、電荷を効率良く蓄積し、放電を容易に持続させる効果が期待できるチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムなどの強誘電体、および上記無機系材料とこれら強誘電体材料の複合材料が挙げられる。
【００２３】
電極面に配置する上記固体誘電体は、必ずしも１種類の単体材料、もしくは複合材料で構成されている必要はなく、例えば、２種類以上の固体誘電体材料をストライプ状に交互配置した構成、２種類以上の固体誘電体材料を格子状に配置した構成であってもよい。
【００２４】
さらに、該固体誘電体電極は、誘電率や組成の異なる２種類以上の材料を順次積層した構成、又は誘電率や組成に傾斜機能のある材料であってもよい。
【００２５】
当該固体誘電体の厚みは、０．１μｍ〜１０ｍｍの範囲であることが好ましい。０．１μｍ未満の厚みでは、誘電体の絶縁破壊によって放電がアークに移行する可能性があり、１０ｍｍよりも厚いと放電を発生させること自体が困難になるためである。
【００２６】
上記電極を配置する間隔、すなわち電極間の距離は、０．５ｍｍ〜２５ｃｍの範囲であることが好ましい。０．５ｍｍ未満では、電極配置自体が困難となり、２５ｃｍより離れていると放電生成するために高電圧を要し、放電自体が不均一になるためである。また、該誘電体は、金属電極よりも大きな面積であり、金属電極を被覆するように配置されることが好ましい。金属電極同士が直接対向した電極構成では電荷が集中するため、放電がアークに移行しやすく、また、金属電極間同士の距離が近いと、沿面状に放電してしまうためである。
【００２７】
本発明において、上記電極間に印加される低周波および高周波の電界強度は１〜２５０ｋＶ／ｃｍであることが好ましい。１ｋＶ／ｃｍ未満の電界では、放電生成が困難で、２５０ｋＶ／ｃｍをこえると、放電がアークに移行しやすくなるためである。
【００２８】
本発明で用いる低周波電源の出力周波数は、５０Ｈｚ〜１ｋＨｚ範囲であることが好ましい。より好ましくは、工業的に入手しやすく、装置コストを低減することできる５０Ｈｚ／６０Ｈｚの商用周波数の電源である。
【００２９】
本発明の高周波電源の出力周波数は、１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの範囲であることが好ましい。５００ｋＨｚ〜１．６ＭＨｚがＡＭラジオの周波数帯であり、緊急時の放送用無線で使用される周波数帯であることを考慮に入れると、より好ましくは１．７ＭＨｚ〜３０ＭＨｚである。３０ＭＨｚより高い周波数帯は、ＶＨＦ帯の超短波に分類され、低周波との重畳が困難である。
【００３０】
本発明で用いられる気体の種類としては、前述の通り、工業的に安価な空気、酸素、窒素、アルゴン、又はこれらの混合ガス、または、フッ素含有ガスなどが挙げられるが、目的とする処理に応じて、任意に選択することができ、この限りではない。
【００３１】
図１は、本発明におけるグロー放電プラズマ生成装置の構成の一例を等価回路で示したものである。このプラズマ生成装置においては、一対の金属電極１，２の双方に、平行平板型の対向固体誘電体電極３，４を接触して配置し、低周波電源５と高周波電源６を並列回路により接続した。ここで、コイル８，９は、電源５で発生する低周波成分は導通して、誘電体電極３，４間に印加することができ、高周波電源６から電源５への高周波成分の侵入を阻止するブロッキングコイルの役割を果している。ここで完全に阻止されなかった高周波成分は、コンデンサ７でバイパスされるため、電源５の破損が防止できる。また、コンデンサ１０，１１は、高周波電源６から発生する高周波を導通し、誘電体電極３，４間に印加することができ、電源５からの低周波成分を阻止するブロッキングコンデンサの役割を果たし、低周波高電圧による高周波電源６の破損が防止できる。被処理基材２０は、固体誘電体電極３，４間に配置する。放電生成ガス２１は、固体誘電体電極３，４の電極面の間に導入する。
【００３２】
以上のような等価回路を構成することによって、負荷である平行平板型電極間へ低周波電圧と高周波電圧を重畳した電圧を同時に印加することができる。また、これによって、この平行平板電極間に空間的に均一で一様なグロー放電プラズマを発生させることができ、グロー放電プラズマに晒された基材表面を処理することができる。
【００３３】
図２は、本発明におけるグロー放電プラズマ生成装置の構成の他の一例を等価回路で示したものである。低周波電源５と高周波電源６を平行平板型の対向固体誘電体電極３，４に対して直列回路により接続し、低周波電源５で発生した高電圧と高周波電源６で発生した電圧をマッチングトランス１２で昇圧して、電極間に印加し、放電を生成する。マッチングトランス１２の２次側は、インピーダンスが低く、電源５から発生する低周波を導通できるが、１次側と２次側は絶縁されているため、高周波電源６への低周波成分の侵入を阻止し、高周波電源６の破損を防止できる。また、低周波電源５と並列に接続したバイパスコンデンサ７、直列に接続したコイル８，９により低周波電源５への高周波成分の侵入を阻止し、低周波電源５の破損が防止でき、低周波と高周波を負荷である電極間へ同時に印加することが可能である。これによって、前述の図１の例と同様に、平行平板電極間に空間的に均一で一様なグロー放電プラズマを発生させることができ、グロー放電プラズマに晒された基材表面を処理することができる。
【００３４】
図３は、本発明におけるグロー放電プラズマ生成装置の基材処理の一例を示したものであり、被処理基材と電極の近傍以外の装置構成は省略して示してある。被処理基材２０は固体誘電体電極３，４間に導入したガスの流れの下流の位置で流れに対して垂直に設置され、該電極間のグロー放電プラズマで生成された活性粒子によって被処理基材２０の処理が行われる。活性粒子が被処理基材に到達するまでに、他の気体原子、気体分子との衝突によって失われることを考慮に入れると、固体誘電体電極３，４の端（グロー放電プラズマの端）と被処理基材２０との距離は５ｃｍ以内が好ましい。
【００３５】
以下に本発明の実施例を示す。
【００３６】
【実施例１】
図２に等価回路で示す本発明のグロー放電プラズマ生成装置において、金属電極１，２には、厚さ１ｍｍの無酸素銅を用い、該金属電極の各々の面上に厚さ１ｍｍの酸化アルミニウム、酸化チタニウム、酸化マグネシウムの複合セラミックス材料からなる固体誘電体電極３，４を接触させて配置した。固体誘電体電極３，４が対向するように、電極間の距離５ｍｍで平行に配置することで、一対の平行平板型電極を構成する。低周波電源５として周波数５０Ｈｚのネオントランスを用いて実効値２５ｋＶの電圧を出力させ、低周波電源５と直列にコイル８，９を、低周波電源５と並列に容量１００ｐＦ、耐電圧５０ｋＶ以上のバイパスコンデンサ７を接続した。さらに、１次側と２次側の間の絶縁電圧５０ｋＶ以上で、１：５のマッチングトランス１２を介して、１次側に２ＭＨｚの高周波電源６を接続し、２次側の実効値３ｋＶの電圧を出力させた。各電源から出力された電圧は、負荷である平行平板電極に対して直列に接続し、高圧プローブとオシロスコープを用い電圧波形を測定した。図４には、低周波のみの電圧波形、図５には高周波のみの電圧波形、図６には低周波と高周波が重畳された電圧波形を示す。尚、このとき、電極間は大気圧下の空気で満たされており、得られた放電は、低周波印加のみの場合はランダムでフィラメント状のストリーマ放電であり、高周波印加のみの場合は放電自体発生しなかった。低周波と高周波を重畳させて直列回路で同時に印加した場合、従来の放電形態とは明らかに異なり、電極間空間全体において均一なグロー放電が生成しているのを確認した。
【００３７】
また、図２に示すグロー放電プラズマ装置において、固体誘電体電極３，４間に被処理基材２０として厚さ１ｍｍのポリプロピレン板を配置し、同電極間に放電生成ガス２１として乾燥空気を導入してグロー放電プラズマを生成させたところ、放電に晒された被処理基材の全面に良好な親水性が付与されており、基材表面の改質が行われていることが確認できた。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、大気圧近傍の圧力雰囲気下において、工業的に安価な電源で均一なグロー放電プラズマを安定して生成することができるため、装置コストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のグロー放電プラズマ生成装置の等価回路の一例を示す図。
【図２】本発明の他のグロー放電プラズマ生成装置の等価回路の一例を示す図。
【図３】本発明のグロー放電プラズマ生成装置の基材処理の一例を示す図
【図４】低周波電圧波形の一例を示す図。
【図５】高周波電圧波形の一例を示す図。
【図６】低周波と高周波が重畳された電圧波形の一例を示す図。
【符号の説明】
１，２…… 金属電極
３，４…… 固体誘電体電極
５…… 低周波電源
６…… 高周波電源
７…… バイパスコンデンサ
８，９…… ブロッキングコイル
１０，１１…… ブロッキングコンデンサ
１２…… 高周波マッチングトランス
２０…… 被処理基材
２１…… 放電生成ガス

Claims

大気圧近傍の圧力雰囲気において、対向する一対の電極の間に印加される電界が低周波と高周波の重畳されたものであることを特徴とするプラズマ生成方法。
低周波における周波数が５０Ｈｚ〜１ｋＨｚ、かつ高周波における周波数が１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ生成方法。
低周波と高周波が並列回路若しくは直列回路によって重畳され同時に印加されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ生成方法。
一対の対向電極間に生成させたプラズマにより基材表面を処理するプラズマ生成装置において、該電極間には低周波と高周波の重畳された電界が印加され、前記一対の対向電極は、裸の金属電極と金属表面上に接触させて配置した固体誘電体電極との組み合わせ、または両方とも金属表面上に接触させて配置した固体誘電体電極であり、かつ被処理基材は、前記一対の対向電極の間に配置するか、若しくは前記一対の対向電極の間の空間に導入した放電生成ガスの流れの下流の位置で該ガスの流れに対して被処理面を垂直に向けて配置されることを特徴とするプラズマ生成装置。
低周波における周波数が５０Ｈｚ〜１ｋＨｚ、かつ高周波における周波数が１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚであることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ生成装置。
低周波と高周波が並列回路若しくは直列回路によって重畳され同時に印加されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のプラズマ生成装置。