JP2006277953A - プラズマ生成装置、プラズマ処理装置、プラズマ生成方法及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大気圧下において被処理物表面又は被処理薄膜のプラズマ処理を高効率に行い、プラズマによる導電性・半導体性被処理物表面又は導電性・半導体性被処理薄膜の損傷を防止するプラズマ処理装置および方法を提供する。
【解決手段】電極間の距離が作動ガスの進行方向に沿って増大するグライディングアーク用電極対１８がプラズマ発生部４に配設され、プラズマ発生部４にプラズマを放射する射出口２０が設けられ、電極対１８の先端が射出口２０より内側に位置し、作動ガス供給手段により電極間に大気圧以上又は大気圧近傍の作動ガス１４が供給され、電圧印加時に電極間に生じるアーク４ａが電極間の開方向に移動するグライディングアークを発生させてプラズマを生成し、このプラズマを射出口２０から放射するプラズマ生成装置２を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被処理物の表面処理等に用いられるプラズマ生成装置及びプラズマ生成方法に関し、更に詳細には、大気圧以上又は大気圧近傍の作動ガスを用いて、グライディングアーク法により被処理物の表面処理等に好適なプラズマを生成するプラズマ生成装置及びプラズマ生成方法並びに前記プラズマを利用して被処理物に所望の表面処理を施すプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。更に詳細には、主に金属、半導体、導電性膜など，導電性固体物質の表面及び膜を被処理物とし、被処理物の表面又は膜に所望の処理を施すプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

近年、プラズマを用いた表面処理方法が注目されており、被処理物表面の濡れ性改善、接着性改善、洗浄、殺菌、消毒、生体融和性改善、エッチング、デスミア処理、凸凹化、バリ取り、及び表面改質などを行うことにより、前記工業製品の特性を改善することができる。また、表面処理に用いられるプラズマの生成技術としては、コロナ放電、グロー放電、誘電体バリア放電（ＤＢＤ：Dielectric Barrier Discharge）、ＲＦ放電、マイクロ波放電、アーク放電などがあり、従来のプラズマ生成技術では、ヘリウム、アルゴン、室内空気、乾燥空気などが作動ガスとして用いられていた。大気圧以上又は大気圧近傍の作動ガスからプラズマを生成可能な装置を開発し、前記作動ガスとして空気などを用いることにより、プラズマ生成装置のランニングコストを低減しようとする試みがなされている。特開平９−２２３５９５（特許文献１）には、大気圧下における高周波誘導コイルを用いたアークプラズマの生成方法が記載されている。

更に、アークプラズマの生成方法としては、グライディングアークに着目したプラズマの生成方法がCzernichowski等により提案され、A．Czemichowski：Gliding Arc．Applications to engineering and environment control， Pure and Applied Chemical， Vol．６６６（１９９４）ｐｐ．１３０１−１３１０（非特許文献１）などに記載されている。グライディングアークとは、電極間の距離がプラズマの進行方向に沿って増大する２つの電極に高電圧を印加してアークを発生させたとき、アークが電極間の開方向に移動する現象を起源としている。

図１４は、グライディングアークを用いた従来のプラズマ処理装置の構成概略図である。プラズマ生成装置１０２から照射されたプラズマ１０４により被処理物表面１０６ａを処理する。前記プラズマ生成装置１０２は、プラズマ発生部１０８、作動ガス供給路１１０、作動ガス供給手段（図示せず）及び電圧印加手段１１２から構成される。前記作動ガス供給手段により作動ガス１１４が供給管１１６を通して前記作動ガス供給路１１０に導入され、前記作動ガス１１４は前記作動ガス供給路１１０を流通して電極１１８、１１８が配設されたプラズマ発生部１０８に供給される。

前記電極１１８、１１８は、作動ガスの進行方法に沿って電極間の距離が増大するように配設されている。前記電極間に供給された作動ガスは、前記電圧印加手段１１２による印加電圧が電極間最短ギャップ１１８ａにおける絶縁破壊電圧に達すると、最短ギャップ位置１１８ｂにおいてスパークを生じ、アークが発生する。このアークは、供給される作動ガスのガス流で押し出されて電極に沿って下流へと移動する。前記アークが所定長さまで伸長すると、放電維持電圧が印加電圧を超え、アークが自己消弧し、続いて高電圧が印加されると最短ギャップ位置１１８ｂで再びアークが発生する。上述のような発生から消滅までのプロセスを繰り返すものがグライディングアーク法であり、前記プラズマ１０４が電極間に生成される。このプラズマ１０４は、電流路部分のプラズマであるアークコラム１０４ａと弱電離プラズマ状態のプルーム１０４ｂから構成される。
特開平９−２２３５９５号公報 A．Czemichowski：Gliding Arc．Applications to engineering and environment control， Pure and Applied Chemical， Vol．６６６（１９９４）ｐｐ．１３０１−１３１０

図１４に示すグライディングアークを用いた被処理物１０６の表面処理では、非導電体の被処理物１０６を表面処理する場合、界面の影響によりプラズマ１０４が被処理物表面１０６ａに到達しない場合があった。更に、導電体の被処理物１０６を表面処理する場合、電流路であるアークコラム１０４ａの通過により被処理物表面１０６ａにアークスポット１０１、１０１が形成され、このアークスポット１０１により前記被処理物１０６に損傷を与えることがあった。

従って、本発明の目的は、被処理物表面にプラズマを高効率に照射して、プラズマ処理を施すことができ、プラズマを構成するアークコラムによる被処理物表面のダメージを防止して、被処理物の好適な表面処理を行うことができるプラズマ生成装置及びプラズマ処理装置を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであって、本発明の第１の形態は、電極間にプラズマを発生させるプラズマ発生部と、このプラズマ発生部に作動ガスを供給する作動ガス供給手段と、前記電極間に電圧を印加する電圧印加手段とから構成されるプラズマ生成装置において、前記電極間の距離が作動ガスの進行方向に沿って増大する電極対が前記プラズマ発生部に配設され、前記プラズマ発生部に前記プラズマを放射する射出口が設けられ、この電極対の先端が前記射出口より内側に位置し、前記作動ガス供給手段により前記電極間に大気圧以上又は大気圧近傍の作動ガスが供給され、電圧印加時に前記電極間に生じるアークが電極間の開方向に移動するグライディングアークを発生させてプラズマを生成し、このプラズマを前記射出口から放射するプラズマ生成装置である。

本発明の第２の形態は、前記プラズマ発生部の前段に作動ガスを流通する作動ガス供給路が設けられ、前記作動ガス供給路断面及び／又は前記プラズマ発生部の断面が前記作動ガスの進行方向に沿って電極対が結ぶ面の略垂直方向に縮小するノズル部が形成されるプラズマ生成装置である。

本発明の第３の形態は、前記ノズル部が前記作動ガスの進行方向に沿って電極対が結ぶ面の略面方向に拡大されるノズルであるプラズマ生成装置である。

本発明の第４の形態は、前記ノズル部内に１つ又は複数の整流壁を設けて前記作動ガスが流通する複数の整流路が形成されるプラズマ生成装置である。

本発明の第５の形態は、前記射出口又は射出口近傍にスリットが設けられるプラズマ生成装置である。

本発明の第６の形態は、前記スリットのスリット幅を調整する開閉手段を具備するプラズマ生成装置である。

本発明の第７の形態は、前記プラズマ発生部又は前記射出口から射出されるプラズマの電流路と接触する位置に一つ又は複数のブロック部材が配設されるプラズマ生成装置である。

本発明の第８の形態は、前記第１〜７の形態のいずれかのプラズマ生成装置を具備し、このプラズマ生成装置から放射されるプラズマにより被処理物の表面処理を行うプラズマ処理装置である。

本発明の第９の形態は、大気圧以上又は大気圧近傍の作動ガスをプラズマ発生部に供給し、電極間の距離が作動ガスの進行方向に沿って増大する電極対に電圧を印加して、前記電極間に生じるアークが電極間の開方向に移動するグライディングアークを発生させ、このグライディングアークにより生成されたプラズマを射出口から射出し、この射出口の内側に前記電極対が位置するプラズマ生成方法である。

本発明の第１０の形態は、前記作動ガスが流通する作動ガス供給路及び／又はプラズマ発生部に形成されたノズル部により前記作動ガスの流速を制御して前記プラズマ発生部に供給するプラズマ生成方法である。

本発明の第１１の形態は、前記作動ガスの進行方向に沿って前記ノズル部の断面が電極対が結ぶ面の略面方向に拡大されたノズルにより前記作動ガスの略平面流を形成し、この略平面流を前記プラズマ発生部に供給するプラズマ生成方法である。

本発明の第１２の形態は、複数の整流路が設けられたノズル部により前記作動ガスを整流して前記プラズマ発生部に供給するプラズマ生成方法である。

本発明の第１３の形態は、前記射出口又は射出口近傍に設けられたスリットの開口幅によりプラズマの流速調整及び／又は整流を行うプラズマ生成方法である。

本発明の第１４の形態は、前記プラズマ発生部又は前記プラズマの電流路と接触する位置に設けられた一つ又は複数のブロック部材により前記電流路を遮断するプラズマ生成方法である。

本発明の第１５の形態は、前記第９〜１４の形態のいずれかのプラズマ生成方法により被処理物の表面処理を行うプラズマ処理方法である。

本発明の第１の形態によれば、前記電極間の距離が作動ガスの進行方向に沿って増大するグライディングアーク用電極対の先端が前記射出口より内側に位置することにより、射出口における高速のガス流速によってアークコラムが冷却されるため、射出口より外にアークコラムが出にくくなり、前記アークコラムの到達範囲が縮小される。従って、導電性被処理物表面での前記アークスポットの発生を防止することができる。更に、プラズマの原料ガスとして、大気圧以上又は大気圧近傍の作動ガスを用い、大気圧前後の圧力においてプラズマを生成するから、前記プラズマにより被処理物の処理などを行う場合に、真空又は高圧状態を維持する必要が無く、簡易に低コストでプラズマを生成することができる。更に、前記プラズマをグラインディングアークにより生成するから、大気圧下で高電圧が必要となるアーク放電を高効率に発生させることができる。

本発明の第２の形態によれば、前記作動ガス供給路及び／又は前記プラズマ発生部に前記ノズル部が形成されるから、前記電極間に好適な圧力を有する作動ガスを供給することができ、被処理物表面に弱電離プラズマ状態のプルームを圧送することができる。前記プラズマの電流路であるアークコラムは、所定の長さ以上に伸長され、更に対流による冷却作用によって放電抵抗が増加すると、放電維持電圧が印加電圧を超えて自己消弧する。前記射出口と被処理物の距離を所定間隔以上に設定し、前記ノズル部によって加速されたガス流を電極間に供給することにより前記プルームのみを被処理物表面に照射することができ、前記アークスポットによる被処理物のダメージを防止することができる。前記プラズマ発生部断面の高さ（電極対が結ぶ面に対して略垂直方向の距離）は、１ｍｍ〜１５ｍｍの範囲にあることが好ましく、２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にあることがより好ましく、前記プラズマが好適な流速を有し、プラズマ流の乱れを抑制することができる。

本発明の第３の形態によれば、前記ノズル部が前記作動ガスの進行方向に沿って電極対が結ぶ面の略面方向に拡大されるノズルであるから、前記作動ガスが略平面流を形成し、この略平面流が電極間に供給されることにより、前記作動ガスを高効率にプラズマ化することができる。また、前記略平面流を形成可能な市販のノズルを前記プラズマ発生部の前段に配設し、前記ノズルとして用いることができる。

本発明の第４の形態によれば、前記ノズル部内に１つ又は複数の整流壁を設けて前記作動ガスが流通する複数の整流路が形成されるから、前記作動ガスが好適な略平面流を形成し、この略平面流を前記電極間に供給することにより高効率に前記作動ガスをプラズマ化することができる。更に、前記作動ガスを略平面流化することにより、前記作動ガス及びその作動ガスから生成される略平面プラズマの流速が増大し、前記プルームを略平面にして高効率に前記射出口から放射することができる。

本発明の第５の形態によれば、前記射出口又は射出口近傍にスリットが設けられるから、前記スリット先端に形成された傾斜面がノズルとして作用し、前記プラズマ発生部において生成されたプラズマの流速を制御することができ、上述のように、前記プルームを略平面にして被処理物表面に高効率に照射することができる。

本発明の第６の形態によれば、前記スリットのスリット幅を調整する開閉手段を具備するから、前記スリット幅を自在に調整して前記プラズマの流速や前記被処理物又はその表面における略平面のプルームプラズマの照射範囲を制御することができる。前記スリット幅は、好ましくは０．１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で調整され、より好ましくは、１ｍｍ〜４ｍｍの範囲で調整される。

本発明の第７の形態によれば、前記プラズマ発生部又は前記射出口から射出されるプラズマの電流路と接触する位置に１つ又は複数のブロック部材が配設されるから、電流路を遮断して、アークコラムの到達範囲を縮小し、弱電離プラズマであるプルームのみを被処理物表面に照射できる。前記ブロック部材としては、絶縁材料を用いることが好ましく、セラミック材料などを用いることができる。１つ又は複数の孔部が設けられたブロック部材を前記射出口近傍に取り付けても良く、更にはメッシュ状のブロック部材を前記射出口近傍に取り付けることができる。

本発明の第８の形態によれば、前記第１〜７の形態のいずれかのプラズマ生成装置を具備するから、前記弱電離プラズマ状態であるプルームを高効率に射出して、被処理物表面にダメージを与えること無く、被処理物の表面処理を行うことができるプラズマ処理装置を提供することができる。このプラズマ処理装置は、被処理物表面の濡れ性、接着性又撥水性の改善、被処理物の洗浄、静電気防止処理、デスミア処理、エッチング、アッシング、消毒・殺菌・滅菌、固体表面の酸化、薄膜加工（例えば、ダイヤモンド薄膜の微細加工・除去、ダイヤモンドライクカーボン膜の微細加工・除去、各種膜の焼結、各種膜の酸化、各種膜の合成）などに用いることができる。更に、大気圧下で種々の被処理物を処理することができるから、気体や液体の処理も可能であり、例えば、大気浄化、排ガス処理、排煙処理、液体のｐＨ制御などの環境浄化処理に用いることができる。

本発明の第９の形態によれば、大気圧以上又は大気圧近傍の作動ガスから大気圧前後の圧力においてプラズマを生成するから、前記プラズマにより被処理物の表面処理などを行う場合に、真空又は高圧状態を維持する必要が無く、簡易に低コストでプラズマを生成することができる。電極間の距離が作動ガスの進行方向に沿って増大する電極対に電圧を印加して、前記電極間に生じるアークが電極間の開方向に移動するグラインディングアークを発生させるから、大気圧下で放電プラズマを高効率に発生させることができる。更に、前記電極間の距離が作動ガスの進行方向に沿って増大するグライディングアーク用電極対の先端が前記射出口より内側に位置することにより、射出口における高速のガス流速によってアークコラムが冷却されるため、射出口より外にアークコラムが出にくくなり、前記アークコラムの到達範囲が縮小される。従って、導電性被処理物表面での前記アークスポットの発生を防止することができる。また、前記作動ガスとして、安価な空気や窒素、酸素、ヘリウム及びアルゴンなどから選択された少なくとも１つ以上のガスを用いることができるから、プラズマによる表面処理のコストを低減することができる。

本発明の第１０の形態によれば、前記作動ガスが流通する作動ガス供給路に形成されたノズル部により前記作動ガスの流速を制御するから、被処理物表面に弱電離プラズマ状態のプルームを高効率に照射することができる。前記アークコラムは、所定の長さ以上に伸長され、更に対流による冷却作用によって放電抵抗が増加すると、放電維持電圧が印加電圧を超えて自己消弧する。前記射出口と被処理物の距離を所定間隔以上に設定し、前記ノズル部によって加速されたガス流を電極間に供給することにより冷却効率が増加してアークコラムを効率的に消滅できるため、前記プルームのみを被処理物表面に照射することができ、前記アークスポットによる導電性被処理物のダメージを防止することができる。

本発明の第１１の形態によれば、前記作動ガスの進行方向に沿って前記作動ガス供給路の断面が電極対が結ぶ面の略面方向に拡大されたノズルにより前記作動ガスの略平面流を形成するから、この略平面流を前記電極間に供給することにより高効率に前記作動ガスをプラズマ化することができる。更に、前記作動ガスを略平面流化することにより前記作動ガス及びその作動ガスから生成されるプラズマの流速が増大し、前記プルームを高効率に前記射出口から放射することができる。

本発明の第１２の形態によれば、１つ又は複数の整流路が設けられたノズル部により前記作動ガスを整流するから、前記作動ガスがより好適な略平面流を形成し、この略平面流を前記電極間に供給することにより高効率に前記作動ガスをプラズマ化することができる。更に、この略平面流化された作動ガスからプラズマを生成することにより、このプラズマは好適な流速を有し、前記プルームを高効率に被処理物表面に照射することができる。

本発明の第１３の形態によれば、前記射出口又は射出口近傍に設けられたスリットの開口幅によりプラズマ作動ガスの流速調整を行うから、作動ガス流を加速させた場合、前記アークコラムがエネルギー損失により自己消孤し易くなり、前記アークコラムの到達範囲が縮小する。従って、前記被処理物に前記プルームを高効率に照射することができるため、アークスポットの発生に起因する被処理物表面のダメージを防止することができる。

本発明の第１４の形態によれば、前記プラズマ発生部又は前記プラズマの電流路と接触する位置に設けられた一つ又は複数のブロック部材により前記電流路を遮断するから、アークコラムの到達範囲を縮小し、弱電離プラズマであるプルームのみを被処理物表面に照射できる。前記ブロック部材により、前記プラズマの電流路であるアークコラムの長さが伸長し、前記アークコラムが維持される放電維持電圧が増大する。従って、前記放電維持電圧が電極間に加えられる印加電圧を超えると、前記アークコラムが自己消孤するから、アークコラムが被処理物まで到達しなくなり、従って、被処理物表面での前記アークスポットの形成を防止することができる。

本発明の第１５の形態によれば、前記第９〜１４の形態のいずれかのプラズマ生成方法により被処理物の表面処理を行うから、前記弱電離プラズマ状態であるプルームを高効率に射出して、被処理物表面にダメージを与えること無く、被処理物の表面処理を行うプラズマ処理方法を提供することができる。このプラズマ処理方法により、被処理物表面の濡れ性、接着性又は撥水性の改善、被処理物の洗浄、静電気防止処理、デスミア処理、エッチング、アッシング、消毒・殺菌・滅菌、固体表面の酸化、薄膜加工（例えば、ダイヤモンド薄膜の微細加工・除去、ダイヤモンドライクカーボン膜の微細加工・除去、各種膜の焼結、各種膜の酸化、各種膜の合成）などを行うことができる。更に、大気圧下で種々の被処理物を処理することができるから、気体や液体の処理も可能であり、例えば、大気浄化、排ガス処理、排煙処理、液体のｐＨ制御などの環境浄化処理を行うことができる。

以下に、本発明の実施形態を添付する図面に従って詳細に説明する。

図１は、本発明に係るグライディングアーク法を用いたプラズマ処理装置の構成概略図である。プラズマ生成装置２から照射されたプラズマ４により被処理物表面６ａを処理する。前記プラズマ生成装置２は、プラズマ発生部８、作動ガス供給路１０、作動ガス供給手段（図示せず）及び電圧印加手段１２から構成される。この実施例では、前記作動ガス供給路がノズル部材１３に形成され、前記プラズマ発生部８が前記ノズル部材１３内に形成されている。前記作動ガス供給手段により大気圧以上又は大気圧近傍の作動ガス１４が供給管１６を通して前記作動ガス供給路１０に導入され、前記作動ガス１４は前記作動ガス供給路１０を流通して電極１８、１８が配設されたプラズマ発生部８に供給される。前記作動ガス供給手段としては、市販のガスボンベ、コンプレッサ、ブロア、窒素ガス供給装置などを利用できる。

前記電極１８、１８は、作動ガスの進行方法に沿って電極間の距離が増大するように前記プラズマ発生部８に配設される。更に、電極先端１８ｃ、１８ｃが射出口２０より内側に位置するように前記電極１８、１８が設置される。前記電極間に供給された作動ガスは、前記電圧印加手段１２による印加電圧が電極間最短ギャップ１８ａにおける絶縁破壊電圧に達すると、最短ギャップ位置１８ｂにスパークを生じてプラズマ４が発生する。このプラズマ４は、電流路部分のプラズマであるアークコラム４ａと弱電離プラズマ状態のプルーム４ｂから構成される。前記電圧印加手段１２は，市販の高電圧直流電源，高電圧交流電源，高電圧パルス電源などを使用できる。

前記アークコラム４ａは、供給される作動ガス１４のガス流により押し出されて前記電極１８、１８に沿って下流へと移動する。前記アークコラム４ａが所定長さまで伸長すると、アークコラムの放電維持電圧が印加電圧を超え、アークコラム４ａが自己消弧する。このとき、前記プルーム４ｂも前記ガス流により押し出され、前記射出口２０の方向へ進行する。前記電極先端１８ｃ、１８ｃが前記射出口２０より内側に位置することにより、射出口における高速のガス流速によってアークコラムが冷却されるため、射出口より外にアークコラムが出にくくなり、前記アークコラム４ａの到達範囲が縮小される。従って、前記アークスポットの発生を防止して、前記被処理物表面に弱電離プラズマ状態であるプルームを高効率に照射することができる。

図２は、本発明に係るノズル部材１３の概略図である。前記ノズル部材１３には、射出口２０が形成され、この射出口２０からプラズマが射出される。（２Ａ）は、スリット及び／又は作動ガス供給路が一体形成されたノズル部材１３を示しており、射出口２０にはスリットを形成することができる。（２Ｂ）は、スリット２２の開閉手段（図示せず）を有するノズル部材１３を示しており、射出口２０がスリット部材２２ａ、２２ａから構成されている。前記スリット部材にはスリット面２２ｂ、２２ｂが形成されている。前記スリット部材２２ａの少なくとも一方は、前記開閉手段により自在に移動することができ、スリット幅を制御することができる。スリット部は高温になることから，スリット部材には耐熱樹脂やセラミックスを用いることが望ましい。（２Ｃ）は、曲線状のスリット面２２ｂ、２２ｂを有するスリット部材２２ａ、２２ａが設置されたノズル部材１３を示している。前記スリット面２２ｂ、２２ｂが曲線状に形成されて射出口２０を構成する場合においても、前記射出口２０から弱電離プラズマ状態であるプルームが射出される。従って、前記スリット部材２２ａ、２２ａから構成される射出口の形状は、被処理物が設置される環境、被処理物の状態・形状に応じて、適宜に選択することができる。

図３は、本発明に係るノズル部材１３の断面概略図である。（３Ａ）に示したノズル部材１３内部の上面及び下面には、ノズル部１３ａが形成されている。このノズル部１３ａにより前記作動ガス及びプラズマが整流される。更に、（３Ｂ）に示したノズル部材１３には、第１ノズル部１３ｂと第２ノズル部１３ｃが形成されている。このように前記ノズル部１３ａの形状は、前記プラズマの射出形態に応じて設計される。（３Ｃ）は、前記射出口２０にスリット２２が形成されたノズル部材１３の断面概略図である。（３Ｄ）は、スリット２２とノズル部１３ａが形成されたノズル部材の断面概略図である。（３Ａ）〜（３Ｄ）に示すように、スリット２２及び／又はノズル１３の形状を組み合わせて、所望の流体特性を有するプラズマを射出することができる。

図４は、本発明に係るノズル部材１３の断面概略図である。図４は、図２（２Ｂ）に示した開閉手段を有するスリット２２が付設されたノズル部材１３の断面概略図を示している。（４Ａ）に示したノズル部材１３は、略平行の作動ガス供給路１０が形成されており、前記射出口２０にはスリット２２が付設されている。（４Ｂ）に示したノズル部材１３には、ノズル部１３ａとスリット２２が設けられている。（４Ａ）及び（４Ｂ）のスリット２２は、前記開閉手段（図示せず）が具備され、好適なスリット幅に調整することができる。

図５は、本発明に係るグライディングアーク用電極１８、１８の概略構成図である。図１には、金属電極を折曲し、対向する電極面の距離が前記作動ガス１４の進行方向に沿って増大するグライディングアーク用電極１８、１８が示されている。このグライディングアーク用電極１８、１８は、上述のように、電極対が末広がり状に配設されていれば良く、以下に示すような種々の形状の電極を用いることができる。（５Ａ）は三角形状の電極１８、１８が配設されたプラズマ発生部８である。更に、（５Ｂ）には、湾曲面を有する電極１８、１８が示され、（５Ｃ）には、くの字型の電極１８、１８が示されている。（５Ａ）〜（５Ｃ）に示される電極対は、作動ガスの進行方向に沿った少なくとも一部の電極間距離が増大しており、これらの電極を用いてグライディングアークを発生させることができる。

図６は、ブロック部材２４が付設されたプラズマ射出口２０の正面概略図である。図中のＷはプラズマが射出されるスリットの幅である。図に示すように、前記スリット部材２２ａ、２２ａに複数のブロック部材２４が取り付けられ、プラズマはスリット２２とブロック部材２４とが形成する隙間から射出される。
前記ブロック部材２４としては、耐熱絶縁材料が用いられ、例えば、耐熱樹脂、高抵抗カーボン、セラミック材料などからブロック部材が形成される。（６Ａ）は、取付けられるブロック部材２４の太さＳが全て等しく、各ブロック部材２４の間隙ｄが等間隔に設定されたスリット２２を示している。前記ブロック部材２４が付設される位置は、前記スリット２２に限定されるものではなく、前記ノズル部材の射出口２０又はその近傍に配設されて前記アークコラムを遮断し、前記プルームを被処理物に照射することが可能であれば、前記ブロック部材２４を所望の位置に配設することができる。（６Ｂ）は、ブロック部材２４の取付け位置がスリット２２の端部側から中心位置に近づくにつれて、前記ブロック部材２４の間隙ｄを狭め、ブロック部材２４の太さＳが徐々に大きくなるように設定されている。ブロック部材２４の大きさは、同一である必要は無く、ブロック部材同士の間隙ｄを等しく配設する必要も無い。従って、電極間の中心位置では、アークコラムが最も伸張するため、電極間の中心において、間隙ｄが小さく，電極間近傍では間隙ｄが大きくなるように配置することができる。このようにプラズマの射出形状に適応させて、好適な形状および配置間隔を選択できる。

図７は、本発明に係るブロック部材２４が配設されたプラズマ発生部８の構成概略図である。（７Ａ）及び（７Ｂ）には、複数の円柱状あるいは円筒状ブロック部材２４が等間隔に電極間距離が広がる方向に対し、垂直に配設されている。前記ブロック部材２４によりプラズマ４の電流路であるアークコラム４ａを遮断して弱電離プラズマであるプルーム４ｂのみを被処理物表面に照射するから、アークスポットの発生が防止され被処理物の好適な表面処理を行うことができる。

（７Ｂ）は、ブロック部材２４の太さ及び間隔を変化させた比較例におけるプラズマ発生部８の構成概略図である。（７Ａ）のブロック部材２４に比べ、径の細いブロック部材２４を使用した場合、前記印加電圧を増大させていくと、（７Ｂ）に示すようにアークコラム４ａがブロック部材の外側を迂回してしまう。更に、前記ブロック部材２４の間隔を広くした場合、アークコラム４ａが動作ガスによって押し出され易くなるから、アークコラムが被処理物表面に到達し、導電性被処理物表面にアークスポットが発生しやすくなる。以上のことから，アークスポットの発生を抑えるためには、径の大きなブロック部材２４を使用し、狭い棒間隔で配置することが好ましい。ブロック部材２４の径若しくは幅は０．１〜１０ｍｍ、好ましくは２〜４ｍｍがよい。ブロック部材２４同士が成す間隙は０．１〜５ｍｍ、好ましくは０．２〜２ｍｍがよい。なお、それぞれのブロック材の形状が同一である必要は無い。例えば、細いブロック材と太いブロック部材２４とを交互に配設することもできる。

図８は、本発明に係る種々の形状のブロック部材２４が配設されたプラズマ発生部８の構成概略図である。（８Ａ）には、四角形の断面形状を有するブロック部材２４が配設されたプラズマ発生部８を示している。前記ブロック部材２４の断面形状が円形でない場合においても、前記ブロック部材２４によりプラズマの電流路であるアークコラムを遮断して弱電離プラズマであるプルームのみを被処理物表面に照射することができる。前記ブロック部材の断面形状は、上述の形状に限定されず、楕円形、三角形、四角形、五角形、六角形、星径、その他さまざまな断面形状を呈してよい。ブロック材は中空でも中実でもかまわない。また、ブロック部材２４は、軸方向に断面積や断面形状が変化していても構わない。湾曲したブロック部材２４を用いてもよい。更に、ブロック部材２４は電極間距離が広がる方向に対して必ずしも垂直に配置する必要は無く、それぞれのブロック部材２４の配置角度が変化していても良く、プラズマ射出口に対して斜向配置される場合においても前記ブロック部材２４により前記アークコラムを遮断することができる。

（８Ｂ）は、前記ブロック部材２４の配列が２重配列されたプラズマ発生部８を示している。前記ブロック部材２４を２重に配列することにより、前記電極１８、１８間に発生するアークプラズマがより確実に遮断され、前記プルームのみを生成することができる。また、前記ブロック部材２４の配設位置は、プラズマ射出口２０から等距離に設定される必要はなく、被処理物の形状や配置、表面処理の種類に応じて、前記ブロック部材２４を自在に配列することができる。プラズマ射出口２０に被処理物を近接させる場合などでは、（８Ｃ）に示すように、前記ブロック部材２４をプラズマ射出口２０の内側に配設することができる。

図９は、メッシュ状ブロック部材２４ａ又は孔部２４ｃが形成された多孔型ブロック部材２４ｂが取り付けられたプラズマ生成装置２の正面概略図である。前記ブロック部材は、前述したような棒状のブロック部材２４に限定されるものではなく、（９Ａ）に示すメッシュ状ブロック部材２４ａや（９Ｂ）及び（９Ｃ）に示す多孔型ブロック部材２４ｂなどを用いることができる。即ち、ブロック部材２４により前記アークコラムを複数箇所で遮断して、前記プルームのみを被処理物表面に照射し、前記アークスポットの発生を防止しできれば、前記メッシュ状ブロック部材２４ａや多孔型ブロック部材２４ｂなどの種々の形状を有するブロック部材を用いることができる。

なお、（９Ｂ）及び（９Ｃ）に示す多孔型ブロックの孔２４ｃは、円形である必要は無く、三角形、四角形、五角形、六角形など、様々な形状が利用できる。望ましくは、正方形あるいは長方形の孔である。例えば、正方形または長方形の孔の場合、孔幅は０．１〜１０ｍｍ、好ましくは２〜４ｍｍがよい。前記孔２４ｃ同士が成す間隙は０．１〜５ｍｍ、好ましくは０．２〜２ｍｍがよい。また、孔２４ｃはブロックに対し垂直に開いている必要は無く、また、テーパー状の孔でもよい。更に、前記孔２４ｃは，プラズマ射出口に対し一列状に空いている必要はなく、（９Ｃ）に示すように、前記孔２４ｃを多段に形成してもよい。また、メッシュ状ブロック部材２４ａの場合、メッシュ形状が四角形，円径などさまざまな形状のものを利用できる。更に、市販のセラミックメッシュを利用することもできる。

図１０は、本発明に係る略平面流を発生するノズル（フラットノズルという）２６が設置されたプラズマ生成装置２の構成概略図である。（１０Ａ）に示すプラズマ生成装置は、前述のプラズマ生成装置２の作動ガス供給路１０を前記フラットノズル２６に置換したものである。前記フラットノズル２６は、その断面が前記作動ガスの進行方向に沿って電極対が結ぶ面の略面方向に拡大され、前記フラットノズル２６を流通する前記作動ガスは略平面流を形成する。このフラットノズル２６は、前記略平面流を形成可能な市販のノズルを用いることができる。（１０Ｂ）には、管状フラットノズル２７が設置されたプラズマ生成装置２が示されている。前記管状フラットノズル２７の先端から射出された作動ガス１４は、前記作動ガス供給路１０内の前記略面方向に広がって略平面流を形成する。従って、前記フラットノズル２６又は管状フラットノズル２７をプラズマ生成装置２に配設することにより、前記作動ガス１４の略平面流が電極間に供給されるから、作動ガス１４を高効率にプラズマ化することができる。

図１１は、フラットノズル２６の幅方向の断面概略図である。前記フラットノズルには、複数の整流壁２６ａが設けられ、前記作動ガスが流通する複数の整流路２８が形成される。従って、前記作動ガスが好適な略平面流を形成し、この略平面流を前記電極間に供給することにより高効率に前記作動ガスをプラズマ化することができる。前記作動ガスを略平面流化することにより、前記作動ガス及びその作動ガスから生成されるプラズマの流速が増大し、前記プルーム４ｂを高効率に前記射出口２０から被処理物表面６ａに照射することができる。

図１２は、フラットノズル２６の高さ方向の断面概略図である。前記フラットノズル２６は、好ましくは高さ方向に縮小されることにより、好適な略平面流を形成することができる。（１２Ａ）に示すフラットノズル２６は、上壁２６ｂと下壁２６ｃが湾曲して、前記フラットノズル２６の高さが作動ガス１４の進行方向に沿って縮小されていく。（１２Ｂ）に示すフラットノズル２６は、上壁２６ｂのみが湾曲し、前記フラットノズル２６の高さが作動ガス１４の進行方向に沿って縮小している。

図１３は、本発明に係るフラットノズル２６に電極１８、１８が配設されたプラズマ生成装置２の構成概略図である。前記フラットノズルに前記グライディングアーク用の電極１８、１８を配設することにより、プラズマ生成装置２が完成される。前記フラットノズル２６を構成する整流壁２６ａが前記ブロック部材として機能し、アークコラムを遮断して前記被処理物表面におけるアークスポットの発生を防止することができる。従って、市販のフラットノズルを用いて、本発明に係るプラズマ生成装置を簡易に製造することができる。更に、ノズル部材がフラットノズル２６から構成されるから、プラズマの好適な略平面流が形成され、被処理物表面の処理が高効率に行なわれる。

本発明は、上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。

本発明に係るプラズマ生成装置及びプラズマ処理装置は、大気圧以上又は大気圧近傍の作動ガスからプラズマを生成し、このプラズマによる表面処理において、被処理物表面にダメージを与えるアークスポットの発生を防止することができる。従って、本発明に係るプラズマ生成装置及びプラズマ処理装置により、濡れ性改善、接着性改善、印刷（インクジェット印刷、シルク印刷、グラビア印刷、ロール印刷など）、塗装（バンパー塗装、車体塗装など）、接着（ガラス、樹脂、ゴム、金属など）、絶縁線と電線の密着工程、シール部材の取付けなどの封止工程及び注射針などの接合における前処理などの表面処理を好適に行うことができる。更に、種々の被処理物表面の静電気防止処理、デスミア処理、エッチング、アッシング、固体表面の酸化、表面加工（例えば、ダイヤモンドおよびダイヤモンドライクカーボン膜の微細加工・除去，各種膜の焼結、各種膜の酸化、各種膜の合成）などを被処理物表面にダメージを与えること無く、高効率に行うことができる。また、メス、カテーテル、眼鏡レンズ、コンタクトレンズ、入れ歯、複合チップ及び注射針などの消毒・殺菌・滅菌処理などの表面処理を好適に行うことができ、気体や液体の処理も可能であり、例えば、大気浄化、排ガス処理、排煙処理及び気体のｐＨ制御などの環境浄化処理に用いることができる。

本発明に係るグライディングアーク法を用いたプラズマ処理装置の構成概略図である。 本発明に係るノズル部材の概略図である。 本発明に係るノズル部材の断面概略図である。 本発明に係るノズル部材の断面概略図である。 本発明に係るグライディングアーク用電極の概略構成図である。 ブロック部材２４が付設されたプラズマ生成装置の正面概略図である。 本発明に係るブロック部材が配設されたプラズマ発生部の構成概略図である。 ブロック部材の太さ及び間隔を変化させた比較例におけるプラズマ発生部８の構成概略図である。 メッシュ状ブロック部材又は孔部が形成された多孔型ブロック部材２４ｂが取り付けられたプラズマ生成装置の正面概略図である。 本発明に係るフラットノズルが設置されたプラズマ生成装置の構成概略図である。 フラットノズルの幅方向の断面概略図である。 フラットノズルの高さ方向の断面概略図である。 本発明に係るフラットノズルに電極が配設されたプラズマ生成装置２の構成概略図である。 グライディングアークを用いた従来のプラズマ処理装置の構成概略図である。

符号の説明

２ プラズマ生成装置
４ プラズマ
４ａ アークコラム
４ｂ プルーム
６ 被処理物
６ａ 被処理物表面
８ プラズマ発生部
１０ 作動ガス供給路
１２ 電圧印加手段
１３ ノズル部材
１３ａ ノズル部
１３ｂ 第１ノズル部
１３ｃ 第２ノズル部
１４ 作動ガス
１６ 供給管
１８ 電極
１８ａ 最短ギャップ
１８ｂ 最短ギャップ位置
１８ｃ 電極先端
２０ 射出口
２２ スリット
２２ａ スリット部材
２２ｂ スリット面
２４ ブロック部材
２４ａ メッシュ状ブロック部材
２４ｂ 多孔型ブロック部材
２４ｃ 孔
２６ フラットノズル
２６ａ 整流壁
２６ｂ 上壁
２６ｃ 下壁
２７ 管状フラットノズル
２８ 整流路
１０１ アークスポット
１０２ プラズマ生成装置
１０４ プラズマ
１０４ａ アークコラム
１０４ｂ プルーム
１０６ 被処理物
１０６ａ 被処理物表面
１０８ プラズマ発生部
１１０ 作動ガス供給路
１１２ 電圧印加手段
１１３ ノズル部材
１１４ 作動ガス
１１６ 供給管
１１８ 電極
１１８ａ 最短ギャップ
１１８ｂ 最短ギャップ位置
１２０ 射出口

Claims (15)

1. 電極間にプラズマを発生させるプラズマ発生部と、このプラズマ発生部に作動ガスを供給する作動ガス供給手段と、前記電極間に電圧を印加する電圧印加手段とから構成されるプラズマ生成装置において、前記電極間の距離が作動ガスの進行方向に沿って増大する電極対が前記プラズマ発生部に配設され、前記プラズマ発生部に前記プラズマを放射する射出口が設けられ、この電極対の先端が前記射出口より内側に位置し、前記作動ガス供給手段により前記電極間に大気圧以上又は大気圧近傍の作動ガスが供給され、電圧印加時に前記電極間に生じるアークが電極間の開方向に移動するグライディングアークを発生させてプラズマを生成し、このプラズマを前記射出口から放射することを特徴とするプラズマ生成装置。
2. 前記プラズマ発生部の前段に作動ガスを流通する作動ガス供給路が設けられ、前記作動ガス供給路断面及び／又は前記プラズマ発生部の断面が前記作動ガスの進行方向に沿って電極対が結ぶ面の略垂直方向に縮小するノズル部が形成される請求項１に記載のプラズマ生成装置。
3. 前記ノズル部が前記作動ガスの進行方向に沿って電極対が結ぶ面の略面方向に拡大されるノズルである請求項２に記載のプラズマ生成装置。
4. 前記ノズル部内又はノズル出口近傍に１つ又は複数の整流壁を設けて前記作動ガスが流通する複数の整流路が形成される請求項２又は３に記載のプラズマ生成装置。
5. 前記射出口又は射出口近傍にスリットが設けられる請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
6. 前記スリットのスリット幅を調整する開閉手段を具備する請求項５に記載のプラズマ生成装置。
7. 前記プラズマ発生部又は前記射出口から射出されるプラズマの電流路と接触する位置に１つ又は複数のブロック部材が配設される請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ生成装置を具備し、このプラズマ生成装置から放射されるプラズマにより被処理物の表面処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 大気圧以上又は大気圧近傍の作動ガスをプラズマ発生部に供給し、電極間の距離が作動ガスの進行方向に沿って増大する電極対に電圧を印加して、前記電極間に生じるアークが電極間の開方向に移動するグライディングアークを発生させ、このグライディングアークにより生成されたプラズマを射出口から射出し、この射出口の内側に前記電極対が位置することを特徴とするプラズマ生成方法。
10. 前記作動ガスが流通する作動ガス供給路及び／又はプラズマ発生部に形成されたノズル部により前記作動ガスの流速を制御して前記プラズマ発生部に供給する請求項９に記載のプラズマ生成方法。
11. 前記作動ガスの進行方向に沿って前記ノズル部の断面が電極対が結ぶ面の略面方向に拡大されたノズルにより前記作動ガスの略平面流を形成し、この略平面流を前記プラズマ発生部に供給する請求項１０に記載のプラズマ生成方法。
12. 一つ又は複数の整流路が設けられたノズル部により前記作動ガスを整流して前記プラズマ発生部に供給する請求項１０又は１１に記載のプラズマ生成方法。
13. 前記射出口又は射出口近傍に設けられたスリットの開口幅によりプラズマの流速調整及び／又は整流を行う請求項９〜１２のいずれかに記載のプラズマ生成方法。
14. 前記プラズマ発生部又は前記プラズマの電流路と接触する位置に設けられた一つ又は複数のブロック部材により前記電流路を遮断する請求項９〜１３に記載のプラズマ生成方法。
15. 請求項９〜１４のいずれかに記載のプラズマ生成方法により被処理物の表面処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。

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