JP2006190493A - Plasma treatment device and plasma treatment method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放電を安定化させることにより、安定性の高いプラズマジェットを生成することのできるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。 The present invention relates to a plasma processing apparatus and a plasma processing method capable of generating a highly stable plasma jet by stabilizing discharge.
従来、安定性の高いプラズマジェット、つまりは、プラズマジェット中の所定領域において、所定温度以上の高温プラズマが時系列的に安定して生成し、その所定領域（高温プラズマ領域）内において、高温プラズマの発生にムラ等を生じることのないプラズマジェットを得るための方法としては、（１）作動ガスを放電ノズル内で旋回させる方法、（２）外部磁場を放電ノズル部に印加する方法、（３）陰極を３電極にする方法等が存在する。（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, a highly stable plasma jet, that is, a high-temperature plasma of a predetermined temperature or higher is stably generated in a time series in a predetermined region in the plasma jet, and the high-temperature plasma is generated in the predetermined region (high-temperature plasma region). As a method for obtaining a plasma jet that does not cause unevenness in the generation of (1), (1) a method of rotating a working gas in the discharge nozzle, (2) a method of applying an external magnetic field to the discharge nozzle, (3 ) There are methods such as three cathodes. (For example, refer to Patent Document 1).
これらの方法はいずれも、ある程度において、生成されるプラズマジェットを安定化させることが可能であるが、大流量のプラズマを生成させようとすると、作動ガスの流速を高めた場合等においては、安定性が損なわれてしまう場合があるとともに、これら安定化を行うために大型の装置が必要となってしまうという問題があり、これら大流量のプラズマを、簡便な機構にて安定化することのできる装置や方法が切望されていた。 Any of these methods can stabilize the generated plasma jet to some extent. However, if a large flow rate of plasma is generated, it is stable when the working gas flow rate is increased. May be impaired, and there is a problem that a large apparatus is required to perform the stabilization, and it is possible to stabilize these large flow rates of plasma with a simple mechanism. Devices and methods were anxious.
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、大流量のプラズマを、簡便な機構にて安定化することのできるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such problems, and an object thereof is to provide a plasma processing apparatus and a plasma processing method capable of stabilizing a large flow rate of plasma with a simple mechanism. .
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のプラズマ処理装置は、
放電を発生させるための対を成す電極が配置された放電空間と、前記電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記放電空間に不活性ガス或いは不活性ガスと反応ガスの混合気体から成る作動ガスを供給する作動ガス供給手段とを有し、前記電圧印加手段にて電圧を印加することにより、前記電極間に発生する放電にて前記放電空間に供給した前記作動ガスを励起して放電プラズマを発生させ、該発生した放電プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理装置において、
前記ガス供給手段により前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させる周期変動付与手段を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることで、放電における放電スポットの位置が定常的に移動するようになるので電極間の放電を、例えば作動ガスの流速が大きな場合でも安定化でき、よって、大流量プラズマにおいても安定性の高いプラズマジェットを生成でき、例えばプラズマ溶射であれば、注入微粒子を均一に加熱、加速できるとともに、前記周期的な変動による電極の放電スポットの位置の変動により、電極の長寿命化により、運転コストも低減できる。
In order to solve the above problems, a plasma processing apparatus according to claim 1 of the present invention provides:
A discharge space in which a pair of electrodes for generating discharge is disposed, a voltage applying means for applying a voltage between the electrodes, and an inert gas or a mixed gas of an inert gas and a reactive gas in the discharge space A working gas supply means for supplying a working gas, and applying a voltage by the voltage applying means excites the discharge of the working gas supplied to the discharge space by a discharge generated between the electrodes. In a plasma processing apparatus for generating plasma and processing an object to be processed using the generated discharge plasma,
The apparatus is characterized by comprising periodic fluctuation applying means for periodically changing at least one of a flow rate or a flow velocity or a pressure of the working gas supplied to the discharge space by the gas supply means.
According to this feature, the position of the discharge spot in the discharge moves steadily by periodically changing at least one of the flow rate or flow velocity of the working gas, or the pressure. Can be stabilized even when the flow rate of the working gas is large, and therefore, a highly stable plasma jet can be generated even in a large flow rate plasma.For example, in the case of plasma spraying, the injected fine particles can be heated and accelerated uniformly, By changing the position of the discharge spot of the electrode due to the periodic fluctuation, the operating cost can be reduced by extending the life of the electrode.
本発明の請求項２に記載のプラズマ処理装置は、請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記周期変動付与手段は、前記変動の周期を連続的に変更するための周期変更手段を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、使用する作用ガスの種類や電極に印加される高周波電圧の周波数や電圧等の条件に応じて、放電が安定する最適な周期に変動の周期を変更することができる。
A plasma processing apparatus according to claim 2 of the present invention is the plasma processing apparatus according to claim 1,
The period variation applying means includes a period changing means for continuously changing the period of the variation.
According to this feature, the period of variation can be changed to an optimum period in which the discharge is stabilized in accordance with conditions such as the type of working gas used and the frequency and voltage of the high-frequency voltage applied to the electrode.
本発明の請求項３に記載のプラズマ処理装置は、請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記周期変動付与手段が、前記作動ガスを通過可能な通過路と作動ガスが通過不能な遮断部とが形成された回転体と、前記作動ガスを供給する供給経路上に前記回転体を回転可能に配置するための配置部と、前記回転体を回転駆動する駆動部とから構成され、前記回転体が回転されることで該回転体を作動ガスが通過または非通過となることで供給経路から供給される作動ガスに周期変動を与えることを特徴としている。
この特徴によれば、比較的簡素な構成により、前記変動の周期を連続的に変更することのできる周期変動付与手段を形成することができる。
A plasma processing apparatus according to claim 3 of the present invention is the plasma processing apparatus according to claim 1 or 2,
The period variation imparting means can rotate the rotating body on a rotating body formed with a passage that can pass the working gas and a blocking portion that cannot pass the working gas, and a supply path that supplies the working gas. And a drive unit that rotationally drives the rotating body. When the rotating body rotates, the working gas passes through or does not pass through the rotating body. It is characterized in that a periodic fluctuation is given to the supplied working gas.
According to this feature, it is possible to form a period variation imparting means capable of continuously changing the variation period with a relatively simple configuration.
本発明の請求項４に記載のプラズマ処理方法は、
放電を発生させるための対を成す電極が配置された放電空間に不活性ガス或いは不活性ガスと反応ガスの混合気体から成る作動ガスを供給し、前記電極間に電圧を印加することにより、該電極間に発生する放電にて前記放電空間に供給した前記作動ガスを励起して放電プラズマを発生させ、該発生した放電プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理方法において、
前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることを特徴としている。
この特徴によれば、作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることで、放電における放電スポットの位置が定常的に移動するようになるので電極間の放電を、例えば作動ガスの流速が大きな場合でも安定化でき、よって、大流量プラズマにおいても安定性の高いプラズマジェットを生成でき、例えばプラズマ溶射であれば、注入微粒子を均一に加熱、加速できるとともに、前記周期的な変動による電極の放電スポットの位置の変動により、電極の長寿命化により、運転コストも低減できる。
The plasma processing method according to claim 4 of the present invention includes:
Supplying a working gas composed of an inert gas or a mixed gas of an inert gas and a reactive gas to a discharge space in which a pair of electrodes for generating a discharge is disposed, and applying a voltage between the electrodes; In a plasma processing method of generating a discharge plasma by exciting the working gas supplied to the discharge space by a discharge generated between electrodes, and processing an object to be processed using the generated discharge plasma,
It is characterized in that at least one of a flow rate or a flow rate or a pressure of the working gas supplied to the discharge space is periodically changed.
According to this feature, the position of the discharge spot in the discharge moves steadily by periodically changing at least one of the flow rate or flow velocity of the working gas, or the pressure. Can be stabilized even when the flow rate of the working gas is large, for example, so that a highly stable plasma jet can be generated even in a large flow rate plasma. By changing the position of the discharge spot of the electrode due to the periodic fluctuation, the operating cost can be reduced by extending the life of the electrode.
本発明の実施例を以下に説明する。尚、以下の説明においては、プラズマ処理の一例をして、生成したプラズマジェットを溶射に用いた例を示すが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら生成したプラズマジェットを溶射以外の表面処理、例えばエッチング等によるパターンニング等にも使用可能なことは言うまでもない。 Examples of the present invention will be described below. In the following description, an example of plasma processing is shown as an example in which the generated plasma jet is used for spraying. However, the present invention is not limited to this, and the generated plasma jet is not sprayed. Needless to say, it can also be used for surface treatments such as patterning by etching or the like.
本発明のプラズマ処理方法が適用された本実施例のプラズマ処理装置は、図１に示すような装置構成とされており、その構成自体は、通常のプラズマ処理装置と同様に、プラズマジェットを生成するプラズマトーチ１と、これらプラズマトーチ１内の両電極間に印加される直流電力を供給する本発明における電圧印加手段となる直流電源装置２と、前記プラズマトーチ１に接続されて、プラズマジェットによるプラズマ溶射を行う溶射材料の粒子をプラズマトーチ１内に供給する粒子供給装置３と、前記直流電源装置２や粒子供給装置３や前記プラズマトーチ１内に供給する供給ガス（本実施例では一次ガスであるアルゴン、二次ガスであるアルゴン・窒素・水素、三次ガスであるアルゴンの３種）とが接続され、これらプラズマトーチ１内に供給されるガスの流量や組成比率、供給電力、供給溶射粒子の量（速度）等の溶射条件を制御するための本発明における作動ガス供給手段となる制御装置４とから成るプラズマ処理装置（プラズマ溶射装置）とされている。尚、図１中においては供給ガスとしてアルゴン、窒素、水素の３種の気体が制御装置４に接続されているが、制御装置４では、これら各気体を分配供給可能とされており、通常は一次ガス〜三次ガスの全てにアルゴンガスを使用し、２次ガスとして適宜、窒素ガスや水素ガスを使用することが可能である。 The plasma processing apparatus of the present embodiment to which the plasma processing method of the present invention is applied has an apparatus configuration as shown in FIG. 1, and the configuration itself generates a plasma jet in the same manner as a normal plasma processing apparatus. A plasma torch 1, a DC power supply device 2 serving as a voltage applying means in the present invention for supplying DC power applied between both electrodes in the plasma torch 1, and a plasma jet connected to the plasma torch 1 A particle supply device 3 for supplying particles of a thermal spray material for performing plasma spraying into the plasma torch 1, and a supply gas (primary gas in this embodiment) supplied to the DC power supply device 2, the particle supply device 3, and the plasma torch 1. In the plasma torch 1 are connected to each other. Argon, which is the secondary gas, argon / nitrogen / hydrogen which is the secondary gas, and argon which is the tertiary gas) A plasma processing apparatus (plasma) comprising a control device 4 serving as a working gas supply means in the present invention for controlling spraying conditions such as the flow rate and composition ratio of supplied gas, supply power, and the amount (velocity) of supplied spray particles. Thermal spraying device). In FIG. 1, three types of gases, argon, nitrogen, and hydrogen, are connected to the control device 4 as supply gases. In the control device 4, these gases can be distributed and supplied. Argon gas is used for all of the primary gas to the tertiary gas, and nitrogen gas or hydrogen gas can be appropriately used as the secondary gas.
また、プラズマトーチ１へ各種の供給ガスを供給するガス供給路５上には、供給される各種ガスの流量を検出するための流量検出部６が設けられているとともに、該流量検出部６のプラズマトーチ１側である下流部位置には、供給される供給ガスの主体ガスとなる一次ガスであるアルゴンガスの流量を周期的に変動させるための流量変動弁装置７が設けられているとともに、これら流量検出部６と流量変動弁装置７には、該流量変動弁装置７によるアルゴンガスの周期的な流量変動を制御するための制御コンピュータからなる流量変動弁制御装置８が接続されており、これら流量変動弁制御装置８において、流量変動弁の動作、具体的には後述するように流量変動弁となるバルブスピンドル７３の回転数を制御することで、流量検出部６におけるプラズマトーチ１に供給されるアルゴンガスの周期的な流量変動を制御できるようになっている。尚、この流量変動弁制御装置８は前述の制御装置４に接続されていて、該制御装置４と連動した動作が可能とされている。 A flow rate detection unit 6 for detecting the flow rate of various gases to be supplied is provided on the gas supply path 5 for supplying various supply gases to the plasma torch 1. At the downstream position on the plasma torch 1 side, a flow rate variation valve device 7 for periodically varying the flow rate of argon gas, which is the primary gas that is the main gas of the supplied supply gas, is provided. The flow rate detecting unit 6 and the flow rate variation valve device 7 are connected to a flow rate variation valve control device 8 comprising a control computer for controlling the periodic flow rate variation of the argon gas by the flow rate variation valve device 7. In these flow rate fluctuation valve control devices 8, the flow rate detection unit 6 is controlled by controlling the operation of the flow rate fluctuation valve, specifically, the rotational speed of the valve spindle 73 serving as the flow rate fluctuation valve as will be described later. It has thus can control the periodic flow variations in the argon gas supplied to the plasma torch 1 that. The flow rate fluctuation valve control device 8 is connected to the control device 4 described above and can operate in conjunction with the control device 4.
次に、本実施例に用いた流量変動弁装置７について説明すると、該流量変動弁装置７は、図２に示すように、略円筒状の筐体７０の内部を、その一方の側部から他方の側部に貫通するアルゴンガスが流通可能な流路７１’、７２’が設けられており、その一方端をガスインレット７１とし、他方端をガスアウトレット７２とする。この筐体７０内の流路７１’、７２’の略中央位置には図２に示すように、該流路７１’、７２’に直交するように、断面視円形とされた円筒状の本発明における回転体となるバルブスピンドル７３を装着可能なバルブスピンドル装着部７４が形成されているとともに、該バルブスピンドル装着部７４の前記流路７１’、７２’に直交する延長線上には、該バルブスピンドル装着部７４に装着される円筒状のバルブスピンドル７３を回転可能に軸支する軸受け部７５が設けられており、該バルブスピンドル７３の一方端が本発明における駆動部となる駆動モータ（サーボモータ）７６の駆動軸７７に接続（ジョイント）されることで、該駆動モータ７６により回転駆動される。尚、本実施例では、前記した軸受け部７５としてアンギュラ軸受けを用いており、温度変化によりバルブスピンドル７３が膨張した場合に回転精度を高く保つことができるようになっている。 Next, the flow rate variation valve device 7 used in the present embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the flow rate variation valve device 7 is configured so that the inside of a substantially cylindrical casing 70 is disposed from one side portion thereof. Flow paths 71 ′ and 72 ′ through which the argon gas penetrating the other side can be provided, and one end thereof is a gas inlet 71 and the other end is a gas outlet 72. As shown in FIG. 2, a cylindrical book having a circular shape in cross section so as to be orthogonal to the flow paths 71 ′ and 72 ′ is provided at a substantially central position of the flow paths 71 ′ and 72 ′ in the housing 70. A valve spindle mounting portion 74 to which a valve spindle 73 serving as a rotating body in the present invention can be mounted is formed, and the valve spindle mounting portion 74 has an extension line perpendicular to the flow paths 71 ′ and 72 ′. A bearing portion 75 is provided for rotatably supporting a cylindrical valve spindle 73 mounted on the spindle mounting portion 74, and one end of the valve spindle 73 serves as a drive portion in the present invention (servo motor). ) Is driven (rotated) by the drive motor 76 by being connected (joint) to the drive shaft 77 of 76. In this embodiment, an angular bearing is used as the above-described bearing portion 75, so that the rotation accuracy can be kept high when the valve spindle 73 expands due to a temperature change.
このように駆動モータ７６にて回転駆動されるバルブスピンドル７３には、図３に示すように、該バルブスピンドル７３が装着された際に、所定の回転位置において前記ガスインレット側の流路７１’と、ガスアウトレット側の流路７２’とを連通させるように、該円筒体の回転中心を通過して他方の対向する外周面に貫通するように、各流路７１’、７２’の径内に臨むように設けられた通過路７８ａ〜７８ｃを、回転角度に対して１２０度毎に３つ有しており、該バルブスピンドル７３が回転することで、ガスインレット側の流路７１’とガスアウトレット側の流路７２’との連通・非連通の状態が連続的に出現する回転弁が形成されており、これら駆動モータ７６にて通過路７８ａ〜７８ｃが形成されたバルブスピンドル７３を回転させた回転弁とし、これら駆動モータ７６の回転を前記流量変動弁制御装置８にて制御（変更）することで、ガス流量の変動の周期を連続的に変更することができ、よって該流量変動弁制御装置８にて本発明における周期変更手段が形成されている。 As shown in FIG. 3, when the valve spindle 73 is mounted on the valve spindle 73 rotated by the drive motor 76 in this way, the flow path 71 ′ on the gas inlet side at a predetermined rotational position. And the flow path 72 'on the gas outlet side so as to communicate with each other and pass through the center of rotation of the cylindrical body and penetrate the other opposed outer peripheral surface. There are three passages 78a to 78c provided so as to face each other at every 120 degrees with respect to the rotation angle. By rotating the valve spindle 73, the gas inlet-side flow path 71 ′ and the gas are provided. A rotary valve is formed in which a state of communication / non-communication with the outlet-side flow path 72 ′ continuously appears. These drive motors 76 rotate the valve spindle 73 in which the passages 78 a to 78 c are formed. By controlling (changing) the rotation of the drive motor 76 by the flow rate fluctuation valve control device 8, the cycle of fluctuation of the gas flow rate can be continuously changed. The control device 8 forms the period changing means in the present invention.
尚、ガスインレット側の流路７１’並びにガスアウトレット側の流路７２’を形成する流路ユニット７１Ｕ、７２Ｕは、筐体に対してボルト７９にて着脱可能とされており、これら流路ユニット７１Ｕ、７２Ｕを異なる径の流路ユニットに変更することで、バルブスピンドル７３に形成された３つの通過路７８ａ〜７８ｃの使用状態を変更することにより、変動波形を変更できるようになっているとともに、バルブスピンドル７３に設けられた通過路７８ａ〜７８ｃの形状、本数、本体との隙間を変えることも簡便に実施でき、これらによっても変動波形を変更できるようになっている。 The flow path units 71U and 72U forming the gas inlet-side flow path 71 ′ and the gas outlet-side flow path 72 ′ are detachable from the casing by bolts 79. By changing the use state of the three passages 78a to 78c formed in the valve spindle 73 by changing the flow path units of 71U and 72U to different diameters, the fluctuation waveform can be changed. The shape, number of passages 78a to 78c provided in the valve spindle 73, and the gap with the main body can be easily changed, and the fluctuation waveform can be changed also by these.
次に、本実施例に用いたプラズマトーチ１について、図９に基づいて簡潔に説明すると、図９中の１１は一段目陽極ノズル、１２は２段目陽極ノズルであり、図中の１３の陰極との間でアーク放電させる。 Next, the plasma torch 1 used in the present embodiment will be briefly described with reference to FIG. 9. In FIG. 9, 11 is a first-stage anode nozzle, 12 is a second-stage anode nozzle, and 13 in the figure. Arc discharge is performed with the cathode.
この本実施例に用いたプラズマトーチ１における動作を説明すると、１次ガス（アルゴンガス）を１次ガス流路１４に流すと、該１次ガスが絶縁体の旋回部１５を通り、軸方向旋回流として陰極１３と一段目陽極ノズル１１間の放電空間２０でプラズマジェットを発生させるとともに、２次ガス（アルゴン・窒素もしくは水素ガス）を２次ガス流路１６に流すと、該２次ガスが絶縁体の強旋回流部１７を通り、強旋回流として、陰極１３と２段目陽極ノズル１２の間の２次放電により、主プラズマ流を発生させる。また、放電ノズル出口部１８において、粒径１０〜２０μｍの溶射材料の粉体をキャリアガス（アルゴンガス）を通して３次ガス流路１９から供給することが可能である。 The operation of the plasma torch 1 used in this embodiment will be described. When a primary gas (argon gas) is caused to flow through the primary gas flow path 14, the primary gas passes through the turning section 15 of the insulator and is axially moved. When a plasma jet is generated in the discharge space 20 between the cathode 13 and the first-stage anode nozzle 11 as a swirling flow, and a secondary gas (argon / nitrogen or hydrogen gas) is caused to flow through the secondary gas flow path 16, the secondary gas is generated. Passes through the strong swirl flow portion 17 of the insulator and generates a main plasma flow as a strong swirl flow by secondary discharge between the cathode 13 and the second stage anode nozzle 12. In addition, at the discharge nozzle outlet portion 18, it is possible to supply a sprayed material powder having a particle diameter of 10 to 20 μm from the tertiary gas flow path 19 through a carrier gas (argon gas).
以下、本実施例のプラズマ処理装置における測定結果を図４から図８に示す。図４は、本実施例の前記流量変動弁装置７のガスアウトレット側に内径４ｍｍの管を継ぎ、管の解放端から熱線流速計を挿入した時のガス速度と、該流量変動弁装置７のガスアウトレット側の出口直後に設けられた圧力センサにより計測した圧力を示す。図５は、２次ガス（アルゴンガス）流量に流量変動を与えた時の、本実施例のプラズマ処理装置により生成したプラズマジェットの電子温度、電子密度、ガス温度、放射強度の時間変化を示す。この図において、放電電流は１００Ａであり、ガス流量は３０ＳＬ／ｍｉｎである。また、放射強度は先端に細管を取り付けたフォトダイオードを用いて測定した。 Hereinafter, the measurement results in the plasma processing apparatus of this example are shown in FIGS. FIG. 4 shows the gas velocity when a pipe having an inner diameter of 4 mm is connected to the gas outlet side of the flow rate fluctuation valve device 7 of the present embodiment, and a hot-wire anemometer is inserted from the open end of the tube, The pressure measured by the pressure sensor provided immediately after the outlet on the gas outlet side is shown. FIG. 5 shows temporal changes in the electron temperature, electron density, gas temperature, and radiation intensity of the plasma jet generated by the plasma processing apparatus of this example when the flow rate is varied in the secondary gas (argon gas) flow rate. . In this figure, the discharge current is 100 A, and the gas flow rate is 30 SL / min. The radiation intensity was measured using a photodiode with a thin tube attached to the tip.
図６は、ＣＣＤカメラから得られた画像とその放射強度分布を示した図であり、放射強度が最大を示す位置を中心軸位置とし、本実施例ではプラズマジェットの半径方向の半値幅を解析し、プラズマジェット幅とした。 FIG. 6 is a diagram showing an image obtained from a CCD camera and its radiation intensity distribution. In this embodiment, the half-value width in the radial direction of the plasma jet is analyzed with the position where the radiation intensity is maximum as the central axis position. And the width of the plasma jet.
また図７は、２次ガス（アルゴンガス）流量の流量変動の周波数が０（無変動），０．５Ｈｚ，１Ｈｚ，２Ｈｚ，５Ｈｚ，１０Ｈｚと変化させ、１０００回分の半値幅ｗの標準偏差ｗ’を示す。ここで標準偏差ｗ’は変動強度を表す。 FIG. 7 shows the standard deviation w of the half-value width w for 1000 times by changing the frequency of the flow fluctuation of the secondary gas (argon gas) flow to 0 (no fluctuation), 0.5 Hz, 1 Hz, 2 Hz, 5 Hz, and 10 Hz. 'Indicates. Here, the standard deviation w 'represents the fluctuation intensity.
また図８は、２次ガス（アルゴンガス）の流量変動の周波数が３００Ｈｚにおける圧力分布を示す。 FIG. 8 shows the pressure distribution when the frequency of the flow rate fluctuation of the secondary gas (argon gas) is 300 Hz.
まず、前記した図４からわかるように、本実施例の流量変動弁装置７を用いた場合には、ガス流速の波形と圧力変化の波形はほぼ一致し、これらガス流速と圧力変化とには相関関係があることが判り、その結果、圧力変動の波形から流量変動の特性を予測することが可能であることが判るので、圧力変動を測定することで流量変動を特定することができることが判る。 First, as can be seen from FIG. 4 described above, when the flow rate variation valve device 7 of the present embodiment is used, the waveform of the gas flow rate and the waveform of the pressure change are almost the same. It turns out that there is a correlation, and as a result, it turns out that it is possible to predict the characteristics of the flow rate fluctuation from the waveform of the pressure fluctuation, so that it is possible to identify the flow rate fluctuation by measuring the pressure fluctuation. .
そして図５に示す、ガス流量を周期的に変化させた場合のプラズマ温度と放射強度が相関関係の結果から、ガス圧力があがるとプラズマ温度と放射強度も増加することが判る。 From the result of the correlation between the plasma temperature and the radiation intensity when the gas flow rate is periodically changed as shown in FIG. 5, it can be seen that the plasma temperature and the radiation intensity increase as the gas pressure increases.
そして図７に示す結果から、流量変動の周波数を大きくしていくと、流量変動を与えない無変動時よりも半値幅の変動強度が小さくなる。これらガス流量を周期的に変化させると、陰極１３と一段目陽極ノズル１１間のアーク放電における両電極の放電スポットの位置が定常的に移動する。つまり、これらの測定結果から、これら流量変動を与えることで、より安定した半値幅のプラズマジェットを得ることができることが判るとともに、これら流量変動を作動ガスに付与することで、放電スポットの定常的な移動が得られるようになるので電極の局部的な損耗が低減でき、よって電極の長寿命化により、運転コストも低減できる。 From the results shown in FIG. 7, when the frequency of the flow rate fluctuation is increased, the fluctuation intensity of the full width at half maximum becomes smaller than when there is no fluctuation when no flow rate fluctuation is given. When these gas flow rates are periodically changed, the positions of the discharge spots of both electrodes in the arc discharge between the cathode 13 and the first-stage anode nozzle 11 move constantly. In other words, from these measurement results, it can be seen that a plasma jet having a more stable half-value width can be obtained by applying these flow rate fluctuations, and by applying these flow rate fluctuations to the working gas, the discharge spot can be constantly observed. Therefore, the local wear of the electrode can be reduced, and the operating cost can be reduced by extending the life of the electrode.
更に、図８から、本実施例の流量変動弁装置７は流量変動の周波数を５００Ｈｚまで、変動可能である。変動周波数を３００Ｈｚにした場合の圧力分布は変動周波数に追従していることがわかる。尚、位相が異なる理由は、速度の計測位置が圧力計測位置に比べて下流側にあることに基づくものである。 Furthermore, from FIG. 8, the flow rate variation valve device 7 of this embodiment can vary the flow rate variation frequency up to 500 Hz. It can be seen that the pressure distribution when the fluctuation frequency is 300 Hz follows the fluctuation frequency. The reason why the phases are different is based on the fact that the speed measurement position is on the downstream side of the pressure measurement position.
以上、本実施例によれば、作動ガス（アルゴンガス）の流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることで、アーク放電における放電スポットの位置が定常的に移動するようになるので電極間のアーク放電を、例えば作動ガスの流速が大きな場合でも安定化でき、よって、大流量プラズマにおいても安定性の高いプラズマジェットを生成でき、例えばプラズマ溶射であれば、注入微粒子を均一に加熱、加速できるとともに、前記周期的な変動による電極の放電スポットの位置の変動により、電極の長寿命化により、運転コストも低減できる。 As described above, according to the present embodiment, the position of the discharge spot in the arc discharge is steadily moved by periodically changing at least one of the flow rate or flow rate of the working gas (argon gas) or the pressure. Therefore, the arc discharge between the electrodes can be stabilized, for example, even when the flow rate of the working gas is high, and thus a highly stable plasma jet can be generated even in a large flow rate plasma. Can be heated and accelerated uniformly, and the operating cost can be reduced by extending the life of the electrode by changing the position of the discharge spot of the electrode due to the periodic change.
また、本実施例によれば、駆動モータ７６の回転を連続的に変化させることで、供給ガス（作動ガス）であるアルゴンガスの流量（圧力）の周期的な変動を、連続的に変化させることができので、使用する作用ガスの種類や電極に印加される電圧等の条件に応じて、アーク放電が安定する最適な周期に変動の周期を変更することができる。 Further, according to the present embodiment, the periodic fluctuation of the flow rate (pressure) of the argon gas that is the supply gas (working gas) is continuously changed by continuously changing the rotation of the drive motor 76. Therefore, according to conditions such as the type of working gas used and the voltage applied to the electrode, the fluctuation cycle can be changed to an optimum cycle in which arc discharge is stabilized.
また、本実施例によれば、流量変動弁装置７を用いることで、比較的簡素な構成により、作業ガスであるアルゴンガスの変動の周期を連続的に変更することのできる周期変動付与手段を形成することができる。 In addition, according to the present embodiment, by using the flow rate variation valve device 7, the cycle variation applying means capable of continuously changing the cycle of the variation of the argon gas as the working gas with a relatively simple configuration. Can be formed.
以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。 Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to these embodiments, and modifications and additions within the scope of the present invention are included in the present invention. It is.
例えば、前記実施例では、供給ガスに周期的な流量変動を付与する周期変動付与手段として、回転するバルブスピンドル７３を用いた回転弁機構によりガスの通過・非通過を行う流量変動弁装置７を用いており、このようにすることは、例えばこれら周期変動付与手段として、自動車等に用いられているバルブ機構等を用いた場合に比較して、その構成を非常に簡素なものとすることができ、且つ、これら流量変動弁装置７を従来のプラズマ処理装置にも容易に取付けることで本発明のプラズマ処理装置とすることができることから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら周期変動付与手段としては、供給ガスに周期的な流量変動を付与できる弁機能を備えるものであれば好適に使用することができる。 For example, in the above-described embodiment, the flow rate fluctuation valve device 7 that passes and does not pass the gas by the rotary valve mechanism using the rotating valve spindle 73 is provided as the periodic fluctuation imparting unit that imparts a periodic flow fluctuation to the supply gas. In this case, for example, as a means for imparting periodic fluctuations, the configuration may be very simple compared to the case where a valve mechanism or the like used in an automobile or the like is used. The flow rate variation valve device 7 can be easily attached to a conventional plasma processing apparatus, so that the plasma processing apparatus of the present invention can be obtained. However, the present invention is not limited to this, As these period fluctuation | variation provision means, if it has a valve function which can provide a periodic flow volume fluctuation | variation to supply gas, it can be used conveniently.
また、前記実施例では、作動ガス（供給ガス）であるアルゴンガスの流量と圧力とを周期的に変動するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば圧力は一定で流速と流量を変動させても良いし、流量は一定で、圧力と流速とを変動させても良く、つまりは、作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させれば良い。 Moreover, in the said Example, although the flow volume and pressure of argon gas which are working gas (supply gas) are periodically fluctuated, this invention is not limited to this, For example, pressure is constant. The flow rate and flow rate may be varied with the above, or the flow rate may be constant and the pressure and flow rate may be varied. That is, at least one of the flow rate or flow rate of the working gas or the pressure is periodically changed. It can be changed.
また、前記実施例では、作動ガス（供給ガス）のうち、アルゴンガスの流量（圧力）を周期的に変動するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらアルゴンガス以外のその他の作動ガス（供給ガス）の流量（圧力）も周期的に変動するようにしても良い。 Moreover, in the said Example, although the flow volume (pressure) of argon gas is periodically fluctuated among working gas (supply gas), this invention is not limited to this, These argon gas The flow rate (pressure) of other working gas (supply gas) other than the above may be periodically changed.
また、前記実施例では、電極間に印加する電力として直流電力を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら電力として高周波の交流電力を印加するようにしても良い。 Moreover, in the said Example, although direct-current power is used as the electric power applied between electrodes, this invention is not limited to this, You may make it apply high frequency alternating current power as these electric power.
また、前記実施例では、直流電力の印加により電極間にアーク放電を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら放電の形態としては、グロー放電でもコロナ放電でも、沿面放電であっても良い。 Further, in the above embodiment, arc discharge is formed between the electrodes by application of DC power, but the present invention is not limited to this, and the form of these discharges is either glow discharge or corona discharge, Creeping discharge may be used.
また、本発明における電圧印加手段となる前記実施例の直流電源装置２は、電極間に直流電圧を印加することで、当然のことながら放電により電極間に直流電流（高周波電圧を印加する場合には、交流電流）を供給することになるので、これら電圧印加手段は同様に電流印加手段でもある。 In addition, the DC power supply device 2 according to the embodiment, which is a voltage applying unit in the present invention, applies a DC voltage between the electrodes, and naturally, when a DC current (a high-frequency voltage is applied between the electrodes by discharge). Are supplied with alternating current), so that these voltage application means are also current application means.
本発明の活用例として、前述のプラズマ溶射以外に、被処理物の表面に存在する有機物等の異物のクリーニング、レジストの剥離、有機フィルムの密着性の改善、金属酸化物の還元、成膜、表面改質などのプラズマ処理に利用することができる。 As an application example of the present invention, in addition to the above-described plasma spraying, cleaning of foreign substances such as organic substances existing on the surface of the object to be processed, peeling of the resist, improvement of the adhesion of the organic film, reduction of the metal oxide, film formation, It can be used for plasma treatment such as surface modification.
１ プラズマトーチ
２ 直流電源装置
３ 粒子供給装置
４ 制御装置
５ ガス供給路
６ 流量検出部
７ 流量変動弁装置
８ 流量変動弁制御装置
１１ １段目陽極ノズル
１２ ２段目陽極ノズル
１３ 陰極
１４ １次ガス流路
１５ 旋回部
１６ ２次ガス流路
１７ 強旋回流部
１８ 放電ノズル出口部
１９ ３次ガス流路
７０ 筐体
７１ ガスインレット
７１’ 流路
７１Ｕ 流路ユニット
７２ ガスアウトレット
７２’ 流路
７２Ｕ 流路ユニット
７３ バルブスピンドル
７４ バルブスピンドル装着部
７５ 軸受け部
７６ 駆動モータ
７７ 駆動軸
７８ａ 通過路
７９ ボルト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma torch 2 DC power supply device 3 Particle supply device 4 Control device 5 Gas supply path 6 Flow rate detection part 7 Flow rate fluctuation valve device 8 Flow rate fluctuation valve control device 11 First stage anode nozzle 12 Second stage anode nozzle 13 Cathode 14 Primary Gas flow path 15 Swivel part 16 Secondary gas flow path 17 Strong swirl flow part 18 Discharge nozzle outlet part 19 Tertiary gas flow path 70 Case 71 Gas inlet 71 'Flow path 71U Flow path unit 72 Gas outlet 72' Flow path 72U Flow path unit 73 Valve spindle 74 Valve spindle mounting portion 75 Bearing portion 76 Drive motor 77 Drive shaft 78a Passage path 79 Bolt
Claims (4)
前記ガス供給手段により前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させる周期変動付与手段を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。 A discharge space in which a pair of electrodes for generating discharge is disposed, a voltage applying means for applying a voltage between the electrodes, and an inert gas or a mixed gas of an inert gas and a reactive gas in the discharge space A working gas supply means for supplying a working gas, and applying a voltage by the voltage applying means excites the discharge of the working gas supplied to the discharge space by a discharge generated between the electrodes. In a plasma processing apparatus for generating plasma and processing an object to be processed using the generated discharge plasma,
A plasma processing apparatus, comprising: periodic fluctuation imparting means for periodically varying at least one of a flow rate, a flow velocity, or a pressure of the working gas supplied to the discharge space by the gas supply means.
前記放電空間に供給される前記作動ガスの流量もしくは流速、あるいは圧力の少なくともいずれか１つを周期的に変動させることを特徴とするプラズマ処理方法。 Supplying a working gas composed of an inert gas or a mixed gas of an inert gas and a reactive gas to a discharge space in which a pair of electrodes for generating a discharge is disposed, and applying a voltage between the electrodes; In a plasma processing method of generating a discharge plasma by exciting the working gas supplied to the discharge space by a discharge generated between electrodes, and processing an object to be processed using the generated discharge plasma,
A plasma processing method characterized by periodically changing at least one of a flow rate, a flow rate, and a pressure of the working gas supplied to the discharge space.
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