JP2008098128A - 大気圧プラズマ発生照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大面積に亘って高い密度の低温プラズマを短時間に作業性よく照射し、且つ反応ガスを有効に導入する大気圧プラズマ発生照射装置の提供。
【解決手段】複数本の放電管２−２を担持するように加工された２個のバルク状金属を高電圧印加電極１−２および接地電極１−１とし、各放電管２−２で形成されたプラズマ流６を照射対象物８の形状に対応して集積する。また高電圧印加電極１−２の一部をプラズマ射出ノズルとすると供に、原始プラズマと混合すべき反応ガスなどの第２流体を導入口７から導入し、高電圧印加電極１−２内部で混合させる。
【選択図】図２

Description

本発明は常温常圧においてプラズマを形成して対象とする物に照射するための大気圧プラズマ発生照射装置に関するものである。プラズマのエネルギー、プラズマによる化学反応、プラズマによる物理作用を必要とするあらゆる技術分野に利用される。例えば半導体、ガラス、プラスチック、セラミクス、高分子材料、金属、紙などの表面処理、環境汚染防止のための汚染物分解や殺菌、および薄膜の形成や薄膜のエッチングなどである。

低ガス温度の非平衡プラズマの生成は従来減圧下で行われており、ＣＶＤによる薄膜の形成や薄膜のエッチングなどに重用され、半導体や液晶用の装置産業における中核技術の一つとなってきた。またプラズマは上記ＣＶＤやエッチングのみならず表面改質や環境改善に対処し得る技術としても利用されてきた。
しかしながら減圧を必要とすることは作業上多大の不便と費出があり、特に表面改質や環境改善処理に対しては大きな障害となってきた。大気圧下で安定にプラズマを形成する方法はそのような背景から研究開発がなされてきた。大気圧非平衡プラズマ発生方法として誘電体バリア放電、高周波誘導放電、およびマイクロ波放電などが挙げられるが、プラズマの作用が必要とされる対象物にプラズマもしくは活性種を作業性良く、且つ有効に到達させること及びそれに基づく物理化学反応を得ることにおいて十分に有用な方法方式はまだ出現していない。
近年、高密度な非平衡プラズマを細いノズルからジェット状に噴出させる方法が開発され上記課題が解決されつつある。特許文献１によれば細い石英管の外周に高周波誘導電極を設置し、石英管内にガスを流してこれを放電させプラズマを得る方法である。特許文献１によればＶＨＦ２００Ｗの電力を用い、１．５ｍｍ径のプラズマジェットを最大１．５ｃｍ長さまで得られるとしている。この方式ではジェット長はガス流速、投入電力に強く依存する。一方非特許文献１によれば上記例と同様な石英管を用い、誘電体バリア放電により１０ＫＨｚ、数ＫＶの電力供給で数ｃｍのプラズマジェットを得ている。しかしながらこれらにおいてもプラズマ照射領域の大面積化や、反応ガスを導入した成膜などが未解決である。
特開２００３−１０９７９５号公報 Ｊａｃｅｋ Ｋｅｄｚｉｅｒｓｋｉ，Ｊｕｒｇｅｎ Ｅｎｇｅｍａｎｎ，Ｍａｒｋｕｓ Ｔｅｓｃｈｋｅ，Ｄａｒｉｕｓｚ Ｋｏｒｚｅｃ：Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｌａｓｍａ Ｊｅｔｓ ｆｏｒ ２Ｄ ａｎｄ ３Ｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ Ｖｏｌ．１０７（２００５）ｐｐ．１１９−１２４

プラズマを大気圧中で照射して物質の表面を改質したり、殺菌などの処理を行おうとする場合や、大面積のガラス基板を使用する液晶表示装置の作製工程などに用いようとした場合、短時間に大面積に亘ってプラズマを照射することが可能でなければならない。本発明が解決しようとする課題は大気圧下で、大面積に亘って高い密度の低温プラズマを短時間に作業性よく照射する方法を提供し、且つ反応ガスを有効に導入することにより成膜を可能にすることである。

内径が５ｍｍ、管壁の厚みが１．５ｍｍ以下のガラス、もしくは石英、もしくはセラミクス細管を用途に応じて複数本束ねたものを放電管として用いる。放電管の形状は円形の他に矩形、扁平形でもよい。放電管を集積して配置するために２個のバルク状金属電極に担持冶具としての機能を付与する。２個のバルク状金属電極には細管が貫通するように穴が空けられておりその配置は所望のプラズマ照射形状に対応する。長尺状のプラズマ照射が必要な場合は長尺の立方体電極を用いる。大面積の照射が必要な場合は電極を大面積化しても良いし、長尺電極を用いてプラズマ源もしくは被照射体を走査しても良い。

反応ガスを有効に導入するために電極部と一体化したガス導入ノズルを用いる。バルク電極の一部をプラズマガス噴出用ノズルとするとともに、電極内部あるいは出口部で放電管を終端させ、且つ反応ガスもしくはプラズマと混合すべき第２流体を導入することにより有効にプラズマ反応を誘引する。

この発明を実施するための最良の形態について図面に基づいて説明する。図１は多数の細管を用いて広い面積にプラズマを照射するための、誘電体バリア放電用電極である（１）。該電極はジュラルミンなどのバルク金属に、石英などの細管が貫通する穴が多数あけられた放電管支持孔（２−１）である。放電はこの電極対を用いてなされる。

図２は上記電極を用いた大気圧プラズマ照射反応装置（３）を示す。放電管（２−２）は接地電極（１−１）を貫通して高電圧印加電圧（１−２）内で終端し、両電極で担持されている。高電圧印加電極は本体部（１−２−▲１▼）およびノズル部（１−２−▲２▼）で構成されているが詳細は後述する。放電ガスは口（４）より導入され、室（５）を経て各放電管（２−２）に分配される。放電管内へは電源（９）から交番電界が印加されてプラズマが形成されノズル（１−２−▲２▼）から対象物（８）に照射される（６）。

図３は単一放電管の場合の電極構造を示しており、本体部（１−２−▲１▼）とノズル部（１−２−▲２▼）から構成される。本体部はジュラルミンで構成されており、ノズル部は絶縁体（テフロン）で加工されている。プラズマと第２流体との化学反応に対して電極金属に耐性があれば同金属をノズル部に使用しても良い。反応ガスなどの第２流体は口（７）より導入されプラズマ射出口（１−２−▲３▼）よりプラズマと同軸状に放出される。複数の放電管の場合にも同様の原理の構造を用いる。該装置を用いた実施例を示す。

放電管は外形３ｍｍ内径２ｍｍの石英管（２−２）を用いた。電極（１）はジュラルミンを用い、ノズル部（１−２−▲２▼）もジュラルミンを使用した。電極間距離は５０ｍｍとした。放電ガスはＨｅを用い、１〜５ｓｌｍの流量で導入口（４）、分配器（５）を経て放電管（２）に導かれた。電極（１−１）を接地し、電極（１−２）に１〜１０ｋＨｚ、５〜１０ｋＶの交番電圧を電源（９）より印加した。第２流体の例として視認性のよいＮｅガスを導入口（７）より電極（１−２）のノズル部（１−２−▲２▼）に導入した。流量は０．１〜１ｓｌｍであった。この結果基板（８）に向かってプラズマ流（６）が放出され、その長さは１〜３ｃｍに達した。プラズマの発光色は放電管内部では桃白色でＨｅの励起に起因するものが主であったが、放出部では橙色となり、Ｎｅの励起が確認された。Ｎｅガスに代えて水蒸気Ｈ_２Ｏを含んだＮ_２ガスを反応性ガスの例として用いると、ＯＨラジカルの生成が発光スペクトルから観測された。

図４は大面積の基板を基板走査方式で処理する装置である。放電管は２列で基板（８）の一辺に亘る様に長尺方向に整列あるいは互い違いに並べられており、これと直角方向に基板が機構（１０）を用いて走査される。この方法により液晶表示装置のマザーガラスのような大面積基板への成膜や、エッチング、表面処理が可能となる。生産工程におけるタクトタイムを節約するためには列数を増やせば良い。また基板サイズの拡大に対しては長尺を伸張すれば良い。

図５は表面形状に起伏のある物体にプラズマを照射し表面処理をする方法を示している。この場合放電管を電極（１−２）貫通して設置し、放電管端部をプラズマ射出口とした。この射出口の端部を物体表面形状に沿って設定することにより表面に均一にプラズマを照射をすることができる。

図６は一点に集中してプラズマを高密度に照射する装置である。照射点が２つの電極（１−１，１−２）で構成された同心円の中心となるよう配置し、その同心円の直径方向に複数個の放電管を配置してある。この構成は円弧に限らず、球であってもよいし、焦点を形成する曲線あるいは曲面であっても良い。

発明の効果

本発明は、大気圧下において大面積および複雑な形状の対象物に対してプラズマ照射の効用を付与することを可能にするものである。プラズマ照射の効用としては、成膜、エッチング、表面改質などが挙げられる。応用例としてはＴＦＴ液晶表示装置製造プロセスにおける成膜やレジスト除去、エッチング、静電気除去などの工程を大気圧下でおこなうことを可能にする。またシート状の材料表面をインラインで大気中プラズマ処理することを可能にすることから紙やプラスチックなどの表面処理加工への応用が考えられる。また複雑な形状を有した物の表面を大気圧下でプラズマ照射することを可能にすることから３次元物体の表面洗浄や除菌などへも応用することができる。これらの応用においては、プラズマ生成用ガスとしてＨｅ以外にＡｒやＮ_２などの不活性なガスを用い、プロセス用ガスとしては水蒸気、炭化水素系、シランガス系あるいはその他の有機系原料ガス等の反応性ガスを用いることができる。

本発明による平面照射用誘電体バリア放電用電極である。 本発明による平面プラズマ照射装置である。 本発明による第２流体導入装置である。 本発明による基板走査型大面積プラズマ処理装置である。 本発明による曲面表面プラズマ処理装置である。 本発明によるプラズマ集中照射装置である。

符号の説明

１…電極
１−１…接地電極
１−２…電圧印加電極
１−２−▲１▼…電圧印加電極本体部
１−２−▲２▼…電圧印加電極第２流体導入ノズル部
１−２−▲３▼…プラズマ射出口
１−２−▲４▼…放電管
２−１…放電管支持孔
２−２…放電管
３…大気圧プラズマ発生照射装置
４…放電ガス導入口
５…放電ガス分配器
６…プラズマ
７…反応ガス導入口
８…プラズマ照射対象物
９…電源
１０…プラズマ照射対象物搬送機構

Claims (9)

1. プラズマ発生空間が石英、ガラス、セラミクス等の絶縁材料で分離独立して、放電管として確保されており、その管の外側からプラズマ発生および維持のためのエネルギーを供給すべきプラズマ形成用電極が一対、大気を誘電体バリアとして設置されてなる誘電体バリア放電装置であって該電極がバルク状の金属で形成されており、そのバルク金属に空けられた空隙を該放電管が複数本貫通して担持されてなる大気圧プラズマ発生照射装置。
2. 一対の電極の片方の電極に１ｋＶから５０ｋＶで１ｋＨｚから１００ｋＨｚの交番電圧を印加し、他方の電極を接地し、接地した電極側からプラズマ形成ガスを導入し、放電管の他端から形成されたプラズマを大気中に放出することを特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ発生照射装置。
3. 高電圧交番印加電極が放電電極部及びプラズマと反応性ガスを混合して射出するノズル部で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の大気圧プラズマ発生照射装置。
4. 高電圧交番印加電極のプラズマ射出用ノズル部が絶縁体（セラミックあるいは樹脂等）で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の大気圧プラズマ発生照射装置。
5. 複数個のプラズマ発生用細管からなる請求項１に記載のプラズマ発生装置であって、プラズマ射出端面の配置が平面形状をなすことを特徴とするプラズマ発生装置。
6. 複数個のプラズマ発生用細管からなる請求項１に記載のプラズマ発生装置であって、プラズマ射出端面の配置が３次元形状をなすことを特徴とするプラズマ発生装置。
7. 複数個の放電管からなる請求項１に記載のプラズマ発生装置であって、プラズマ射出端面の配置が線状をなすことを特徴とするプラズマ発生装置。
8. 複数個の放電管からなる請求項１に記載のプラズマ発生装置であって、プラズマ射出端面の配置をもって焦点が形成されること特徴とするプラズマ発生装置。
9. 複数個の放電管からなる請求項１に記載のプラズマ発生装置であって、プラズマ射出端面の配置が線状をなすことを特徴とするプラズマ発生装置にあって、被プラズマ照射基板がプラズマ配置方向と直角に搬送されることを特徴とするプラズマ処理装置。

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