JP2010212226A - Plasma electrode, plasma generation nozzle using the same, plasma generator, and work treatment device - Google Patents

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Hidetaka Matsuuchi
秀高 松内
Ryuichi Iwasaki
龍一 岩崎
Hiroshi Hayashi
博史 林
Shigeru Masuda
滋 増田
Yoshikazu Fujisaka
義和 藤坂
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To attain a long life of a plasma electrode which is made of a metal rod, and generates plasma by receiving microwave propagated through a waveguide from a microwave generator on one side of the rod, and by making discharge between an electrode formed concentrically on the ground side on the other end side. <P>SOLUTION: The plasma generating nozzle 30 has an antenna 41 portion on the upper side of a plasma electrode 40 of rod shape which is arranged in a waveguide space H of a waveguide 20 and receives microwave, and the lower side of the plasma electrode 40 working as an inner electrode 42 with an outer electrode 31 arranged concentrically to it, and the treating gas supplied from a gas supply hole 35 into the internal space 32 between these is turned into plasma by the microwave. A ceramic flame spray layer 49 is formed at the lower end 421 of the inner electrode 42. Thereby, the ceramic flame spray layer 49 is adhered to the lower end 421 and covers stably the lower end 421, and can suppress evaporation and oxidation of the metal substrate against discharge. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、プラズマ発生装置のプラズマ発生ノズルに用いられるプラズマ電極ならびにそのプラズマ電極を用いる前記のプラズマ発生ノズル、プラズマ発生装置およびワーク処理装置に関する。   The present invention relates to a plasma electrode used for a plasma generation nozzle of a plasma generation apparatus, and the plasma generation nozzle, plasma generation apparatus, and work processing apparatus using the plasma electrode.

マグネトロンなどのマイクロ波発生手段で発生されたマイクロ波を導波管を介して受信し、外部から供給される処理ガスを前記のマイクロ波のエネルギーによってプラズマ化して被処理物へ照射するようにしたプラズマ発生ノズルは、たとえば本件出願人による特許文献1などで提案されている。図8は、その従来技術のプラズマ発生ノズルを簡略化して示す断面図である。それによると、導波管101の底板101aには、ノズルとなる筒状の外側電極102が取付けられ、前記導波管101の天板101bに形成された点検孔101cから、ロッド状の内側電極103が嵌め込まれる。プラズマ電極である前記内側電極103は、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)などからなる筒状の保持部材104によって、外側電極102との間を絶縁して支持されており、前記点検孔101cのキャップ105を外すことで、保持部材104と一体で内側電極103の交換が可能となっている。前記外側電極102に形成された開口102aからは、外部から前記処理ガスが供給される。   A microwave generated by a microwave generating means such as a magnetron is received via a waveguide, and a processing gas supplied from the outside is turned into a plasma by the energy of the microwave and irradiated to the object to be processed. A plasma generating nozzle has been proposed in, for example, Patent Document 1 by the present applicant. FIG. 8 is a simplified cross-sectional view of the prior art plasma generating nozzle. According to this, a cylindrical outer electrode 102 serving as a nozzle is attached to the bottom plate 101 a of the waveguide 101, and the rod-shaped inner electrode is inserted from the inspection hole 101 c formed in the top plate 101 b of the waveguide 101. 103 is fitted. The inner electrode 103, which is a plasma electrode, is supported by being insulated from the outer electrode 102 by a cylindrical holding member 104 made of PTFE (polytetrafluoroethylene) or the like, and the cap 105 of the inspection hole 101c. By removing the, the inner electrode 103 can be replaced integrally with the holding member 104. The processing gas is supplied from the outside through the opening 102a formed in the outer electrode 102.

特開2008−300283号公報JP 2008-300283 A

上述の従来技術は、簡単に内側電極103の交換を行えるようにしたものであるが、内側電極103自体の寿命が短いという問題がある。詳しくは、先ず上記のような電極材料としては、加工が容易で導電性を有する真鍮、アルミ、銀、銅などを選ぶことができる。これらの材料からなるロッド電極によって、プラズマ点火は問題なく行うことができる。しかしながら、放電によって高温となる電極先端部103aが蒸発し、パーティクルが被処理物を汚染してしまうという問題がある。   Although the above-described conventional technique allows the inner electrode 103 to be easily replaced, there is a problem that the inner electrode 103 itself has a short life. Specifically, first, as the electrode material as described above, it is possible to select brass, aluminum, silver, copper or the like that is easily processed and has conductivity. Plasma ignition can be performed without any problem by the rod electrodes made of these materials. However, there is a problem in that the electrode tip 103a that becomes high temperature due to discharge evaporates, and the particles contaminate the workpiece.

そこで、前記電極材料として、加工は難しくなるけれども、融点や沸点が高いタングステンを使用することで、プラズマの点火性を維持しつつ、金属の蒸発を抑えることができる。しかしながら、今度はタングステンの酸化粉が発生し、依然としてパーティクル量が多く、短時間しかクリーンルームなどでは使用できないレベルにある。   Therefore, although the processing becomes difficult as the electrode material, by using tungsten having a high melting point and boiling point, it is possible to suppress metal evaporation while maintaining plasma ignitability. However, this time, tungsten oxide powder is generated, the amount of particles is still large, and it is at a level that can be used only in a clean room for a short time.

本発明の目的は、長寿命化することができるプラズマ電極ならびにそれを用いるプラズマ発生ノズル、プラズマ発生装置およびワーク処理装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a plasma electrode capable of extending the life, a plasma generating nozzle, a plasma generating apparatus, and a workpiece processing apparatus using the plasma electrode.

本発明のプラズマ電極は、接地側の電極との間で放電を行うことでプラズマを発生させるプラズマ電極において、ロッド状に形成され、そのロッドの一方側でマイクロ波を受信し、他方端側で前記放電を行う導電性の基材部と、少なくとも前記他方端側の表層に設けられるセラミック溶射層とを有することを特徴とする。   The plasma electrode of the present invention is a plasma electrode that generates plasma by performing discharge with an electrode on the ground side. The plasma electrode is formed in a rod shape, receives microwaves on one side of the rod, and receives the microwave on the other end side. It has the electroconductive base material part which performs the said discharge, and the ceramic sprayed layer provided in the surface layer of the said other end side at least.

上記の構成によれば、セラミック溶射層がロッド状の基材部の他方端側に密着して該他方端側を安定して覆い、前記放電に対して、該基材の蒸発や酸化を抑えることができる。これによって、プラズマ電極を長寿命化することができる。   According to said structure, a ceramic sprayed layer closely_contact | adheres to the other end side of a rod-shaped base material part, covers this other end side stably, and suppresses evaporation and oxidation of this base material with respect to the said discharge. be able to. Thereby, the life of the plasma electrode can be extended.

また、本発明のプラズマ電極は、前記基材部がチタンから成り、前記セラミック溶射層がアルミナからなることを特徴とする。   Moreover, the plasma electrode of the present invention is characterized in that the base portion is made of titanium and the ceramic sprayed layer is made of alumina.

上記の構成によれば、放電に対して前記基材部の他方端側に密着して該他方端側を安定して覆うことができるセラミック溶射層に対応して、基材部として熱膨張係数の近いチタンを用いる。したがって、高温になるプラズマ電極において、セラミック溶射層の温度ストレスによる損傷を抑え、より長寿命化を図ることができる。   According to said structure, a thermal expansion coefficient is used as a base material part corresponding to the ceramic sprayed layer which adhere | attaches the other end side of the said base material part with respect to discharge, and can cover this other end side stably. Titanium close to is used. Therefore, in the plasma electrode which becomes high temperature, damage due to temperature stress of the ceramic sprayed layer can be suppressed, and a longer life can be achieved.

さらにまた、本発明のプラズマ電極は、前記基材部の表面にコーティングされ、該基材部よりも高い導電性を有するコート層をさらに備え、前記コート層の上に、前記セラミック溶射層が積層されていることを特徴とする。   Furthermore, the plasma electrode of the present invention further includes a coating layer coated on the surface of the base material portion and having higher conductivity than the base material portion, and the ceramic sprayed layer is laminated on the coating layer. It is characterized by being.

上記の構成によれば、マイクロ波を受信してから実際にプラズマ点火するまでに該プラズマ電極内を行き来するマイクロ波電流が、表皮効果によって該プラズマ電極の表層を流れることを考慮して、前記チタンなどの基材部に、該基材部よりも導電性の高い金などの材料からなる層をコーティングした上に、前記セラミック溶射層を積層(被膜形成)している。したがって、プラズマ点火までの該プラズマ電極の損失によるジュール熱の発生を抑えることができる。   According to the above configuration, in consideration of the fact that the microwave current flowing back and forth in the plasma electrode from the reception of the microwave to the actual plasma ignition flows through the surface layer of the plasma electrode due to the skin effect, The ceramic sprayed layer is laminated (film formation) on a base material portion such as titanium coated with a layer made of a material such as gold having higher conductivity than the base material portion. Therefore, generation of Joule heat due to the loss of the plasma electrode until plasma ignition can be suppressed.

また、本発明のプラズマ電極では、前記基材部の他方端側の端面中央に、凹所を有することを特徴とする。   Moreover, in the plasma electrode of this invention, it has a recessed part in the end surface center of the other end side of the said base material part, It is characterized by the above-mentioned.

上記の構成によれば、ロッド状の基材部の端面を旋盤などで平面に切削加工すると、その中央に突起が残されてしまうのに対して、前記中央を平面とせずに、凹所となるように彫り込む。   According to the above configuration, when the end surface of the rod-shaped base portion is cut into a flat surface with a lathe or the like, a protrusion is left in the center, whereas the center is not a flat surface, Engrave to be.

したがって、前記突起が残されてしまうと、その部分に電界が集中し、前記セラミック溶射層を損傷する可能性があるのに対して、そのような不具合を無くし、該プラズマ電極のより長寿命化を図ることができる。   Therefore, if the protrusion is left, an electric field concentrates on the portion, and the ceramic sprayed layer may be damaged. However, such a problem is eliminated and the life of the plasma electrode is extended. Can be achieved.

さらにまた、本発明のプラズマ発生ノズルは、前記のプラズマ電極からなる内側電極と、筒状に形成され、前記内側電極と同心状に配置されるとともに、接地される外側電極と、前記内側電極と外側電極とによって形成される環状のプラズマ吹出し口とを有することを特徴とする。   Furthermore, a plasma generating nozzle according to the present invention includes an inner electrode composed of the plasma electrode, a cylindrical shape, a concentric arrangement with the inner electrode, an outer electrode that is grounded, and the inner electrode. And an annular plasma outlet formed by the outer electrode.

上記の構成によれば、同心状の内側電極と外側電極とを用い、両電極間にマイクロ波による電界を印加することで、アーク放電ではなく、グロー放電を生じさせることができる。したがって、それらの同心状の電極間に外部の供給管から処理ガスを供給することで、その処理ガスをプラズマ化して前記環状のプラズマ吹出し口から被処理物となるワークに照射することができる。   According to the above configuration, by using a concentric inner electrode and outer electrode and applying an electric field by a microwave between both electrodes, it is possible to generate glow discharge instead of arc discharge. Therefore, by supplying the processing gas from the external supply pipe between the concentric electrodes, the processing gas can be turned into plasma and irradiated to the workpiece as the object to be processed from the annular plasma outlet.

また、本発明のプラズマ発生装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波を伝搬する導波管と、所定の処理ガスに前記マイクロ波のエネルギーを与え、前記処理ガスをプラズマ化して放出する前記のプラズマ発生ノズルとを具備し、前記プラズマ発生ノズルにおいて、前記プラズマ電極の一方端は接地されることを特徴とする。   Further, the plasma generator of the present invention provides microwave generation means for generating a microwave, a waveguide for propagating the microwave, and energy of the microwave to a predetermined processing gas, and the processing gas is converted into plasma. The plasma generating nozzle is configured to discharge the plasma, and one end of the plasma electrode is grounded in the plasma generating nozzle.

上記の構成によれば、導波管内においてアンテナに電界集中部が形成されることはなく、導波管内でのグロー放電を防止することができる。   According to said structure, an electric field concentration part is not formed in an antenna in a waveguide, and the glow discharge in a waveguide can be prevented.

さらにまた、本発明のプラズマ発生装置は、前記アンテナを伝搬するマイクロ波の波長をλとするとき、前記アンテナの接地点から前記他方端までの長さが、(2n−1)λ/4(但し、nは整数)、若しくはその近傍の長さとされていることを特徴とする。   Furthermore, in the plasma generator of the present invention, when the wavelength of the microwave propagating through the antenna is λ, the length from the ground point of the antenna to the other end is (2n−1) λ / 4 ( However, n is an integer) or a length in the vicinity thereof.

上記の構成によれば、一方端が接地されたアンテナは、受信するマイクロ波の1/4波長の奇数倍となる長さで電気的に共振する。したがって、前記のようにアンテナの接地点からの長さを、(2n−1)λ/4の長さ若しくはその近傍の長さとすることで、前記他方端における電界強度を高強度とすることができ、プラズマを効率的に発生させることができる。   According to the above configuration, the antenna having one end grounded electrically resonates with a length that is an odd multiple of a quarter wavelength of the received microwave. Therefore, as described above, the length of the antenna from the ground point is set to (2n-1) λ / 4 or a length in the vicinity thereof, so that the electric field strength at the other end can be increased. And plasma can be generated efficiently.

また、本発明のプラズマ発生装置では、絶縁性を有する材料で円筒状に形成され、前記内側電極を前記外側電極内に保持する保持部材と、前記導波管において外側電極が取付けられる壁面とは反対側の壁面に形成され、前記保持部材に保持された内側電極が遊挿可能な点検口と、前記点検口を覆う固定具とをさらに備え、前記保持部材の導波管内における少なくとも一部分は、把持部として、前記導波管の前記反対側の壁面に延びて形成され、前記固定具に前記プラズマ電極の一方端が吊止めされることで、該一方端が前記固定具を介して接地されることを特徴とする。   In the plasma generator of the present invention, a holding member that is formed in a cylindrical shape with an insulating material and holds the inner electrode in the outer electrode, and a wall surface on which the outer electrode is attached in the waveguide An inspection port formed on the opposite wall surface, into which the inner electrode held by the holding member can be loosely inserted, and a fixture that covers the inspection port, and at least a portion of the holding member in the waveguide is As a grip portion, it is formed to extend on the opposite wall surface of the waveguide, and one end of the plasma electrode is suspended from the fixture so that the one end is grounded via the fixture. It is characterized by that.

上記の構成によれば、固定具を導波管から取外すことで、保持部材に内側電極を取外すことができ、被照射対象物(ワーク)側から交換を行う場合に比べて、プラズマ発生ノズルが取付けられた導波管を取外したりするような必要はなく、極めて容易に交換を行うことができる。また、作業者は、前記保持部材の延長された把持部を把持して、内側電極に手や工具で触れることなく、該内側電極を交換することができ、該内側電極への傷付きを防止することができるとともに、専用工具を用いることなく交換を行うことができる。そして、内側電極を吊止めしている固定具から、該内側電極を接地することもできる。   According to the above configuration, by removing the fixture from the waveguide, the inner electrode can be removed from the holding member, and the plasma generating nozzle can be compared with the case where the replacement is performed from the irradiated object (workpiece) side. There is no need to remove the attached waveguide, and the replacement can be performed very easily. In addition, the operator can replace the inner electrode without gripping the inner electrode by gripping the extended grip portion of the holding member and touching the inner electrode with a hand or a tool. And can be replaced without using a dedicated tool. The inner electrode can also be grounded from a fixture that suspends the inner electrode.

さらにまた、本発明のワーク処理装置は、前記のプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生ノズルで発生したプラズマ化された処理ガスでワークを処理するワーク処理部とを備えることを特徴とする。   Furthermore, a workpiece processing apparatus according to the present invention includes the plasma generation device and a workpiece processing unit that processes the workpiece with a plasma process gas generated by the plasma generation nozzle.

したがって、長寿命なワーク処理装置を実現することができる。   Therefore, it is possible to realize a long-life work processing apparatus.

本発明のプラズマ電極によれば、セラミック溶射層がロッド状の基材部の他方端側に密着して該他方端側を安定して覆い、放電に対して、基材部の蒸発や酸化を抑えることができる。これによって、プラズマ電極を長寿命化することができる。   According to the plasma electrode of the present invention, the ceramic sprayed layer adheres closely to the other end side of the rod-shaped base material portion and stably covers the other end side, and the base material portion is evaporated or oxidized against discharge. Can be suppressed. Thereby, the life of the plasma electrode can be extended.

また、本発明のプラズマ発生ノズルによれば、同心状の電極間に外部の供給管から処理ガスを供給することで、その処理ガスをプラズマ化して環状のプラズマ吹出し口から被処理物となるワークに照射することができる。   Further, according to the plasma generating nozzle of the present invention, by supplying a processing gas from an external supply pipe between concentric electrodes, the processing gas is turned into plasma, and a workpiece that becomes an object to be processed from an annular plasma outlet. Can be irradiated.

さらにまた、本発明のプラズマ発生装置によれば、導波管内においてアンテナに電界集中部が形成されることはなく、導波管内でのグロー放電を防止することができる。   Furthermore, according to the plasma generation apparatus of the present invention, no electric field concentration portion is formed in the antenna in the waveguide, and glow discharge in the waveguide can be prevented.

また、本発明のワーク処理装置は、以上のように、前記のプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生ノズルで発生したプラズマ化された処理ガスでワークを処理するワーク処理部とを備える。   Moreover, the workpiece | work processing apparatus of this invention is provided with the said plasma generator and the workpiece | work process part which processes a workpiece | work with the plasma-ized process gas generated with the said plasma generation nozzle as mentioned above.

それゆえ、長寿命なワーク処理装置を実現することができる。   Therefore, a long-life work processing apparatus can be realized.

本発明の実施の一形態に係るワーク処理装置を示す概略構成図である。It is a schematic structure figure showing the work processing device concerning one embodiment of the present invention. 本発明の実施の一形態に係るプラズマ発生ノズルの断面図である。It is sectional drawing of the plasma generation nozzle which concerns on one Embodiment of this invention. 前記のプラズマ発生ノズルの構成要素の分解図である。It is an exploded view of the component of the said plasma generation nozzle. アンテナとマイクロ波との結合関係を示す模式的な図である。It is a schematic diagram which shows the coupling relationship of an antenna and a microwave. 本発明の実施の他の形態に係るプラズマ発生ノズルの断面図である。It is sectional drawing of the plasma generation nozzle which concerns on the other embodiment of this invention. 本発明の実施のさらに他の形態に係るプラズマ発生ノズルの断面図である。It is sectional drawing of the plasma generation nozzle which concerns on other form of implementation of this invention. 図1のプラズマ発生ノズルと図6のプラズマ発生ノズルとのプラズマ電極端面の違いを拡大して示す斜視図である。It is a perspective view which expands and shows the difference of the plasma electrode end surface of the plasma generation nozzle of FIG. 1 and the plasma generation nozzle of FIG. 典型的な従来技術のプラズマ発生ノズルの断面図である。1 is a cross-sectional view of a typical prior art plasma generating nozzle.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の一形態に係るワーク処理装置Sを示す概略構成図である。このワーク処理装置Sは、プラズマ化されたガスを発生するプラズマ発生ユニットPU(プラズマ発生装置)と、前記プラズマ化されたガスが導入されるチャンバーT(ワーク処理部)とから構成されている。前記チャンバーTでは、前記プラズマ化されたガスによって、例えば医療用器具類の滅菌、或いは半導体基板等の有機汚染物の除去や表面改質などを行う。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a work processing apparatus S according to an embodiment of the present invention. The work processing apparatus S includes a plasma generation unit PU (plasma generation apparatus) that generates plasma gas and a chamber T (work processing unit) into which the plasma gas is introduced. In the chamber T, for example, sterilization of medical instruments, removal of organic contaminants such as a semiconductor substrate, surface modification, and the like are performed with the plasmaized gas.

プラズマ発生ユニットPUは、マイクロ波を利用し、常温常圧でのプラズマ発生が可能なユニットであって、大略的に、所定波長のマイクロ波μを発生するマイクロ波発生装置10(マイクロ波発生手段)と、このマイクロ波発生装置10に接続され、前記マイクロ波μを伝搬させる導波管20と、該導波管20に設けられたプラズマ発生ノズル30とを備えて構成されている。   The plasma generation unit PU is a unit capable of generating plasma at normal temperature and pressure using microwaves, and is generally a microwave generation device 10 (microwave generation means) that generates a microwave μ having a predetermined wavelength. ), A waveguide 20 connected to the microwave generator 10 and propagating the microwave μ, and a plasma generation nozzle 30 provided in the waveguide 20.

マイクロ波発生装置10は、例えば2.45GHzのマイクロ波μを発生し、該マイクロ波μを導波管20の内部へ伝搬させる。このためマイクロ波発生装置10は、マイクロ波を発生するマグネトロン等のマイクロ波発生源と、このマイクロ波発生源にて発生されたマイクロ波の強度を所定の出力強度に調整するアンプと、マイクロ波を導波管20の内部へ放出するマイクロ波送信アンテナとを備える。本実施形態に係るプラズマ発生ユニットPUでは、例えば1W〜3kWのマイクロ波エネルギーを出力できる連続可変型のマイクロ波発生装置10が好適に用いられる。   The microwave generator 10 generates a microwave μ of 2.45 GHz, for example, and propagates the microwave μ to the inside of the waveguide 20. For this reason, the microwave generator 10 includes a microwave generation source such as a magnetron that generates a microwave, an amplifier that adjusts the intensity of the microwave generated by the microwave generation source to a predetermined output intensity, and a microwave. And a microwave transmission antenna that emits the light into the inside of the waveguide 20. In the plasma generation unit PU according to the present embodiment, for example, a continuously variable microwave generator 10 that can output microwave energy of 1 W to 3 kW is preferably used.

導波管20は、例えば非磁性金属(アルミニウム等)からなり、断面矩形の管状を呈し、マイクロ波発生装置10により発生されたマイクロ波μをプラズマ発生部30へ向けて伝搬させる。導波管20は、例えば金属平板からなる上面板、下面板及び2枚の側面板を用いた角筒状の組み立て体にて構成することができる。このような平板の組み立てによらず、押し出し成形や板状部材の折り曲げ加工等により形成しても良い。また、断面矩形の導波管に限らず、例えば断面楕円の導波管を用いることも可能である。さらに、非磁性金属に限らず、導波作用を有する各種の部材で導波管を構成することができる。   The waveguide 20 is made of, for example, a nonmagnetic metal (aluminum or the like), has a rectangular cross section, and propagates the microwave μ generated by the microwave generator 10 toward the plasma generator 30. The waveguide 20 can be constituted by a rectangular tube-like assembly using an upper plate, a lower plate, and two side plates made of, for example, a metal flat plate. You may form by extrusion molding, the bending process of a plate-shaped member, etc. irrespective of the assembly of such a flat plate. In addition, the waveguide is not limited to a rectangular cross section, and for example, a waveguide having an elliptical cross section can be used. Furthermore, not only a nonmagnetic metal but a waveguide can be comprised with the various members which have a waveguide effect | action.

プラズマ発生ノズル30は、適宜な処理ガスにマイクロ波μのエネルギーを与え、前記処理ガスをプラズマ化して放出する。プラズマ発生ノズル30は、マイクロ波μを受信するロッド状のプラズマ電極40を備える。プラズマ電極40は、上方側が導波管20の内部に導入されてアンテナ41となり、下方側が導波管20の外部へ突出されて内側電極42となる。このプラズマ発生ノズル30については、図2および図3に基づき、後に詳述する。   The plasma generating nozzle 30 applies microwave μ energy to an appropriate processing gas, and converts the processing gas into plasma and emits it. The plasma generating nozzle 30 includes a rod-shaped plasma electrode 40 that receives the microwave μ. The upper side of the plasma electrode 40 is introduced into the inside of the waveguide 20 to become the antenna 41, and the lower side is projected to the outside of the waveguide 20 to become the inner electrode 42. The plasma generating nozzle 30 will be described in detail later with reference to FIGS.

このようなプラズマ発生ユニットPUには、上記の構成要素の他、マイクロ波μを導波管20の遠端側において反射するスライディングショート、導波管20に放出されたマイクロ波μのうち反射マイクロ波がマイクロ波発生装置10に戻らないよう分離するサーキュレータ、このサーキュレータで分離された反射マイクロ波を吸収するダミーロード、およびインピーダンス整合を行うスタブチューナ等を具備させるようにしても良い。   In such a plasma generation unit PU, in addition to the above-described components, a sliding short that reflects the microwave μ on the far end side of the waveguide 20, and a reflection micro of the microwave μ that is emitted to the waveguide 20. A circulator that separates the wave so as not to return to the microwave generator 10, a dummy load that absorbs the reflected microwave separated by the circulator, and a stub tuner that performs impedance matching may be provided.

チャンバーTは、ワークWに対する滅菌処理を行うためのチャンバーである。このチャンバーTは、チャンバー本体50と、チャンバー本体50の内部に収納され、ワークWを載置するためのワークトレイ51とを備えている。   The chamber T is a chamber for performing a sterilization process on the workpiece W. The chamber T includes a chamber body 50 and a work tray 51 that is housed in the chamber body 50 and on which the workpiece W is placed.

チャンバー本体50には、プラズマ化されたガスGの導入孔52と、処理後のガスを換気するインレット54およびアウトレット55とが備えられている。ガス導入孔52には、プラズマ発生部30で発生された前記ガスGをチャンバー本体50の内部へ導くためのステンレスチューブ53が接続されている。ワークトレイ51は、例えばメッシュ状の金属トレイからなる。   The chamber main body 50 is provided with an introduction hole 52 for the gas G that has been converted to plasma, and an inlet 54 and an outlet 55 for ventilating the processed gas. Connected to the gas introduction hole 52 is a stainless tube 53 for guiding the gas G generated by the plasma generation unit 30 to the inside of the chamber body 50. The work tray 51 is made of, for example, a mesh metal tray.

このように構成されたワーク処理装置Sの使用態様の一例は次の通りである。例えば医療用器具などのワークWを、ワークトレイ51に載置してチャンバー本体50内に収納する。その後、マイクロ波発生装置10を起動してマイクロ波μを発生させると共に、プラズマ発生ノズル30へ処理ガスを供給する。ここでの処理ガスとしては、酸素、水素、窒素、アルゴン、フロンなどの励起ガスに、過酸化水素水、アンモニア水、水などの水素成分を有するミストを混合させたものを用いることができる。   An example of a usage mode of the workpiece processing apparatus S configured as described above is as follows. For example, a work W such as a medical instrument is placed on the work tray 51 and stored in the chamber body 50. Thereafter, the microwave generator 10 is activated to generate the microwave μ, and the processing gas is supplied to the plasma generation nozzle 30. As the processing gas here, a gas obtained by mixing an excitation gas such as oxygen, hydrogen, nitrogen, argon, or flon with a mist having a hydrogen component such as aqueous hydrogen peroxide, aqueous ammonia, or water can be used.

前記マイクロ波μは、導波管20の内部でプラズマ電極40により受信される。受信されたマイクロ波μのエネルギーは、前記処理ガスのプラズマ化のために消費され、これによりプラズマ発生ノズル30でプラズマ化されたガスGが生成される。このガスGは、ステンレスチューブ53を介してチャンバー本体50内に導入される。プラズマ化によりガスGは高い反応性をもつ水酸基ラジカルや酸素ラジカル等を含み、ワークWに付着している微生物に作用してこれを死滅させる。   The microwave μ is received by the plasma electrode 40 inside the waveguide 20. The received energy of the microwave μ is consumed for converting the processing gas into plasma, and thereby the plasma G is generated by the plasma generation nozzle 30. The gas G is introduced into the chamber body 50 through the stainless tube 53. The gas G contains a highly reactive hydroxyl radical, oxygen radical, and the like due to the plasma, and acts on the microorganisms adhering to the workpiece W to kill them.

続いて、プラズマ発生ノズル30の詳細構造について、図2および図3に基づいて説明する。図2は本発明の実施の一形態のプラズマ発生ノズル30の断面図であり、図3はプラズマ発生ノズル30の構成要素の分解図である。プラズマ発生ノズル30は、プラズマ電極40と、外側電極31と、口金25および固定具44とを備えて構成されている。   Next, the detailed structure of the plasma generating nozzle 30 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a cross-sectional view of the plasma generating nozzle 30 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an exploded view of the components of the plasma generating nozzle 30. The plasma generating nozzle 30 includes a plasma electrode 40, an outer electrode 31, a base 25, and a fixture 44.

前記プラズマ電極40は、前述のように、そのアンテナ41の側が導波管20の内部空間(導波空間)Hを貫通し、内側電極42の側が導波管20の外部へ突出する態様で配置されている。導波管20は、上下方向で対向する上面板21および下面板22、ならびに左右方向で対向する一対の側面板23,24で構成された、前述のような断面矩形の導波管である。詳細には、プラズマ電極40は、このような導波管20に対し、アンテナ41の側が、導波管20の内部空間Hを貫通すると共に上面板21を貫通して先端が外部へ突出するように、また、内側電極42の側が、下面板22を貫通して外部へ所定長だけ突出し、筒状の外側電極31で外囲されるように各々配置されている。   As described above, the plasma electrode 40 is arranged in such a manner that the antenna 41 side penetrates the internal space (waveguide space) H of the waveguide 20 and the inner electrode 42 side protrudes outside the waveguide 20. Has been. The waveguide 20 is a waveguide having a rectangular cross section as described above, which includes an upper surface plate 21 and a lower surface plate 22 that face each other in the vertical direction, and a pair of side surface plates 23 and 24 that face each other in the left-right direction. In detail, the plasma electrode 40 is such that the antenna 41 side penetrates the internal space H of the waveguide 20 and penetrates the top plate 21 with respect to such a waveguide 20, and the tip protrudes to the outside. In addition, the inner electrode 42 side is disposed so as to penetrate the lower surface plate 22 and protrude to the outside by a predetermined length and be surrounded by the cylindrical outer electrode 31.

プラズマ電極40は、筒状の保持部材43によって保持されている。この保持部材43は、プラズマ電極40の位置決めの役目、および該プラズマ電極40が後述する接地点P以外の部位で導波管20や外側電極31と接触することを防止する役目を果たす。保持部材43は、マイクロ波透過性の部材であって、絶縁性の材料で形成される。好ましくは、ポリプロピレン樹脂やフッ素樹脂等の耐熱性樹脂、例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)やセラミック等の低誘電率の絶縁材料を用いることができる。   The plasma electrode 40 is held by a cylindrical holding member 43. The holding member 43 serves to position the plasma electrode 40 and to prevent the plasma electrode 40 from coming into contact with the waveguide 20 and the outer electrode 31 at portions other than the ground point P described later. The holding member 43 is a microwave permeable member, and is formed of an insulating material. Preferably, a heat-resistant resin such as polypropylene resin or fluorine resin, for example, a low dielectric constant insulating material such as PTFE (polytetrafluoroethylene) or ceramic can be used.

保持部材43は、プラズマ電極40の長手方向の中央付近外周と密着接合している充実部431と、プラズマ電極40のアンテナ41部分の外周に空間433を置いて配置されている中空部432とを備える。充実部431はプラズマ電極40を保持すると共に導波管20の下面板22と接触することを抑止し、中空部432はプラズマ電極40が上面板21および口金25と接触することを抑止している。保持部材43は、導波管20を上下方向に貫通する態様で組み付けられ、その上端434が上面板21から上方へ突出し、下端435が下面板22から下方へ突出している。   The holding member 43 includes a solid portion 431 that is in close contact with the outer periphery near the center in the longitudinal direction of the plasma electrode 40, and a hollow portion 432 that is disposed with a space 433 disposed on the outer periphery of the antenna 41 portion of the plasma electrode 40. Prepare. The solid portion 431 holds the plasma electrode 40 and prevents contact with the lower surface plate 22 of the waveguide 20, and the hollow portion 432 prevents the plasma electrode 40 from contacting the upper surface plate 21 and the base 25. . The holding member 43 is assembled so as to penetrate the waveguide 20 in the vertical direction, and an upper end 434 protrudes upward from the upper surface plate 21 and a lower end 435 protrudes downward from the lower surface plate 22.

外側電極31は、金属ブロックからなり、その内部空間32に前記プラズマ電極40の内側電極42が同心状に配置されて前記内側電極42との間に筒状空間を形成し、該筒状空間を通るガス流を形成可能とするものである。導波管20に対して外側電極31は、その上端面33が導波管20の下面板22の外表面と接するように取付けられ、保持部材43の下端435の側が内部空間32の上部に入り込む。   The outer electrode 31 is made of a metal block, and the inner electrode 42 of the plasma electrode 40 is concentrically disposed in the inner space 32 to form a cylindrical space between the inner electrode 42 and the outer space. It is possible to form a gas flow therethrough. The outer electrode 31 is attached to the waveguide 20 so that its upper end surface 33 is in contact with the outer surface of the lower surface plate 22 of the waveguide 20, and the lower end 435 side of the holding member 43 enters the upper part of the internal space 32. .

外側電極31には、処理ガスを供給するためのガス供給孔35(ガス供給部)が設けられている。ガス供給孔35は、内部空間32と連通しており、図略のガス供給管が接続される。また、外側電極31の側周壁には、図略の冷却管を取り付けるための凹部36が設けられている。前記冷却管は、プラズマの発生により高温となる外側電極31を冷却するためのものである。   The outer electrode 31 is provided with a gas supply hole 35 (gas supply unit) for supplying a processing gas. The gas supply hole 35 communicates with the internal space 32 and is connected to a gas supply pipe (not shown). A recess 36 for attaching a cooling pipe (not shown) is provided on the side peripheral wall of the outer electrode 31. The cooling pipe is for cooling the outer electrode 31 that becomes high temperature due to generation of plasma.

このように前記のプラズマ電極40を内側電極42とし、同心状に接地された外側電極31を備え、環状のプラズマ吹出し口を有することで、両電極31,42間にマイクロ波μによる電界を印加すると、アーク放電ではなく、グロー放電を生じさせることができる。したがって、それらの同心状の電極31,42間に外部の供給管から処理ガスを供給することで、その処理ガスをプラズマ化して前記環状のプラズマ吹出し口から被処理物となるワークWに照射することができる。   As described above, the plasma electrode 40 is used as the inner electrode 42, the outer electrode 31 is concentrically grounded, and has an annular plasma outlet, so that an electric field by microwave μ is applied between the electrodes 31 and 42. Then, not arc discharge but glow discharge can be generated. Therefore, by supplying a processing gas from an external supply pipe between the concentric electrodes 31 and 42, the processing gas is turned into plasma and irradiated to the workpiece W as a workpiece from the annular plasma outlet. be able to.

口金25は、固定具44を装着させるために設けられ、導波管20の上面板21の外表面に取り付けられている。口金25は、貫通孔251を有する円筒状の部材であり、該貫通孔251には、保持部材43の上端434の側が収納されている。   The base 25 is provided for mounting the fixture 44, and is attached to the outer surface of the upper surface plate 21 of the waveguide 20. The base 25 is a cylindrical member having a through hole 251, and the upper end 434 side of the holding member 43 is accommodated in the through hole 251.

固定具44は、金属材料で形成され、プラズマ電極40の上面板21からの突出部を保持してプラズマ電極40を吊止するための部材である。固定具44は、ビス等で口金25の上面と密着固定される円形のフランジ部441と、前記フランジ部441の中心に突設される支持部442と、前記支持部442を上下方向に貫通する保持孔443と、支持部442の周面に設けられ、保持孔443と連通する止め孔444を備えている。   The fixture 44 is a member that is formed of a metal material and holds the projecting portion of the plasma electrode 40 from the upper surface plate 21 to suspend the plasma electrode 40. The fixing tool 44 penetrates the support portion 442 in the up-down direction, a circular flange portion 441 that is closely fixed to the upper surface of the base 25 with a screw or the like, a support portion 442 that projects from the center of the flange portion 441. A holding hole 443 and a stop hole 444 provided on the peripheral surface of the support portion 442 and communicating with the holding hole 443 are provided.

保持孔443には、プラズマ電極40のアンテナ41が摺接状態で挿通されている。止め孔444には図略の止めネジが螺合され、これによりプラズマ電極40のアンテナ41の側が固定具44に対して固定(吊止)される。プラズマ発生ノズル30の組立てに際しては、保持部材43が被着されたプラズマ電極40を予め固定具44に固定しておき、これを導波管20の口金25が装着された部位へ嵌め込み、口金25に固定具44を固着する方法を取ることができる。そして、プラズマ電極40を交換する場合は、口金25から固定具44を取り外し、プラズマ電極40と共に固定具44を抜き出すようにすれば良い。   The antenna 41 of the plasma electrode 40 is inserted into the holding hole 443 in a sliding contact state. An unillustrated set screw is screwed into the set hole 444 so that the antenna 41 side of the plasma electrode 40 is fixed (suspended) to the fixture 44. When the plasma generating nozzle 30 is assembled, the plasma electrode 40 to which the holding member 43 is attached is fixed to the fixture 44 in advance, and this is fitted into the portion of the waveguide 20 where the base 25 is mounted. It is possible to take a method of fixing the fixing tool 44 to. When replacing the plasma electrode 40, the fixture 44 may be removed from the base 25 and the fixture 44 may be extracted together with the plasma electrode 40.

このように構成されたプラズマ発生ノズル30において、本実施形態では、プラズマ電極40のアンテナ41が接地されている。具体的には、図2に模式的に示しているように、プラズマ電極40のアンテナ41の側を吊止固定する固定具44が接地されている。プラズマ電極40は、固定具44による固定部以外の部位において他の導電性部材と接触していない。このためプラズマ電極40は、固定具44による固定部を接地点Pとする、片端接地のアンテナとして機能することとなる。なお、このアンテナ41における接地点は適宜設定しても良く、例えば固定具44による固定部よりも下側の位置において、アンテナ41を導波管20へ導通させることで、接地点を形成しても良い。   In the plasma generating nozzle 30 configured as described above, in this embodiment, the antenna 41 of the plasma electrode 40 is grounded. Specifically, as schematically shown in FIG. 2, a fixture 44 that suspends and fixes the antenna 41 side of the plasma electrode 40 is grounded. The plasma electrode 40 is not in contact with another conductive member at a portion other than the fixing portion by the fixing tool 44. For this reason, the plasma electrode 40 functions as a one-end grounded antenna having a grounding point P as a fixing portion by the fixture 44. The ground point in the antenna 41 may be set as appropriate. For example, the ground point is formed by conducting the antenna 41 to the waveguide 20 at a position below the fixing portion by the fixture 44. Also good.

ここで、プラズマ電極40の接地点Pから内側電極42方向の長さLは、導波管20内の波長λ0のマイクロ波μを受信したプラズマ電極40を伝搬するマイクロ波の波長をλとするとき、3λ/4の長さに選ばれている。   Here, the length L of the plasma electrode 40 in the direction from the ground point P to the inner electrode 42 is defined as the wavelength of the microwave propagating through the plasma electrode 40 that has received the microwave μ having the wavelength λ 0 in the waveguide 20. Sometimes it is chosen to have a length of 3λ / 4.

図4は、上述のようなプラズマ電極40と、そのプラズマ電極40を伝搬するマイクロ波μとの結合関係を示す模式的な図である。片端が接地されたプラズマ電極40は、受信するマイクロ波の1/4波長の奇数倍となる長さで電気的に共振することになる。このため、プラズマ電極40の長さ方向、つまり接地点Pからの突出方向の電圧分布は、図4に示すように、該接地点Pとλ/2の位置とがゼロとなり、λ/4及び3λ/4の位置で最大となるカーブとなる。このため、前述のようにプラズマ電極40の接地点Pからの長さLを3λ/4の長さとすることで、内側電極42における電界強度を高強度とすることができる。これにより、内側電極42付近を通過する処理ガスに高いエネルギーを与えることができ、プラズマを効率的に発生させることができる。   FIG. 4 is a schematic diagram showing the coupling relationship between the plasma electrode 40 as described above and the microwave μ propagating through the plasma electrode 40. The plasma electrode 40 having one end grounded is electrically resonated with a length that is an odd multiple of a quarter wavelength of the received microwave. Therefore, the voltage distribution in the length direction of the plasma electrode 40, that is, in the protruding direction from the ground point P, is zero at the ground point P and the position of λ / 2, as shown in FIG. The curve becomes the maximum at the position of 3λ / 4. For this reason, the electric field intensity in the inner electrode 42 can be increased by setting the length L of the plasma electrode 40 from the ground point P to 3λ / 4 as described above. Thereby, high energy can be given to the processing gas passing near the inner electrode 42, and plasma can be generated efficiently.

ここで、共振は1/4波長の奇数倍となる長さで表れるので、プラズマ電極40の長さLは、次の一般式により設定することができる。   Here, since the resonance appears with a length that is an odd multiple of the quarter wavelength, the length L of the plasma electrode 40 can be set by the following general formula.

L=(2n−1)λ/4 (但し、nは整数)
なお、上記の一般式で導出される長さLから多少ズレた長さL′であっても、比較的強い電界強度が得られる場合は、プラズマ電極40をその長さL′に設定しても良い。
L = (2n−1) λ / 4 (where n is an integer)
If a relatively strong electric field strength can be obtained even if the length L ′ is slightly deviated from the length L derived from the above general formula, the plasma electrode 40 is set to the length L ′. Also good.

上述の通り構成されたプラズマ発生ノズル30によれば、導波管20内にマイクロ波μが伝搬されると、このマイクロ波μはプラズマ電極40で受信される。その結果、プラズマ電極40の内側電極42の近傍に電界集中部が形成されるようになる。かかる状態で、外側電極31のガス供給孔35から処理ガスが供給されると、内側電極42の近傍で処理ガスが励起されてプラズマ(電離気体)が発生する。このようにしてプラズマ化された処理ガスGは、ガス供給孔35から与えられるガス流によりプルームとして外側電極31の筒状空間32の下端から放射される。   According to the plasma generation nozzle 30 configured as described above, when the microwave μ is propagated into the waveguide 20, the microwave μ is received by the plasma electrode 40. As a result, an electric field concentration portion is formed in the vicinity of the inner electrode 42 of the plasma electrode 40. In this state, when processing gas is supplied from the gas supply hole 35 of the outer electrode 31, the processing gas is excited in the vicinity of the inner electrode 42 to generate plasma (ionized gas). The processing gas G thus converted into plasma is emitted from the lower end of the cylindrical space 32 of the outer electrode 31 as a plume by the gas flow provided from the gas supply hole 35.

以上説明した本実施形態に係るプラズマ発生ノズル30によれば、プラズマ電極40のアンテナ41の側は、導波管20内を伝搬するマイクロ波μを受信するべく導波管20の内部に導入されているが、アンテナ41が接地されることから、導波管20内においてプラズマ電極40に電界集中部が形成されることはない。したがって、導波管20内でグロー放電が生じることは無い。一方、内側電極42は、接地点Pからは突出端となり、該接地点Pからの長さLが3λ/4に選ばれているので、電界集中部となる。このため、処理ガスをプラズマ化するためのエネルギーを、内側電極42において確実に与えることができる。したがって、本来プラズマを発生させるべき内側電極42の側で、確実にプラズマを発生させることができる。また、プラズマ電極40の導波管20への取り付けに際し、導波管内放電を回避するためのシビアな調整管理等を不要とすることができる。   According to the plasma generation nozzle 30 according to the present embodiment described above, the antenna 41 side of the plasma electrode 40 is introduced into the waveguide 20 to receive the microwave μ propagating in the waveguide 20. However, since the antenna 41 is grounded, an electric field concentration portion is not formed in the plasma electrode 40 in the waveguide 20. Therefore, no glow discharge occurs in the waveguide 20. On the other hand, the inner electrode 42 is a protruding end from the ground point P, and the length L from the ground point P is selected to be 3λ / 4, so that it becomes an electric field concentration portion. For this reason, the energy for turning the processing gas into plasma can be reliably applied to the inner electrode 42. Therefore, it is possible to reliably generate plasma on the side of the inner electrode 42 that should originally generate plasma. Further, when the plasma electrode 40 is attached to the waveguide 20, it is possible to eliminate the need for severe adjustment management for avoiding the discharge in the waveguide.

また、プラズマ電極40が、絶縁性を有し、円筒状に形成される保持部材43を介して前記外側電極31内に保持され、前記保持部材43の導波管20内における中空部432が把持部となる一方、口金25には点検口となる貫通孔251を形成しておき、その貫通孔251を覆う固定具44にアンテナ41の先端を吊止めすることで、固定具44を導波管20から取外すことで、保持部材43にプラズマ電極40を取外すことができ、被照射対象物(ワークW)側から交換を行う場合に比べて、該プラズマ発生ノズル30が取付けられた導波管20を取外したりするような必要はなく、極めて容易に交換を行うことができる。また、作業者は、前記保持部材43を把持して、プラズマ電極40に手や工具で触れることなく、該プラズマ電極40を交換することができ、該プラズマ電極40への傷付きを防止することができるとともに、専用工具を用いることなく交換を行うことができる。そして、プラズマ電極40を吊止めしている固定具44から、該プラズマ電極40を接地することもできる。   In addition, the plasma electrode 40 is held in the outer electrode 31 via a holding member 43 that is insulative and formed in a cylindrical shape, and the hollow portion 432 in the waveguide 20 of the holding member 43 is gripped. On the other hand, a through-hole 251 serving as an inspection port is formed in the base 25, and the tip of the antenna 41 is suspended from a fixture 44 covering the through-hole 251 so that the fixture 44 is guided through the waveguide. The plasma electrode 40 can be detached from the holding member 43 by removing from the waveguide 20, and the waveguide 20 to which the plasma generating nozzle 30 is attached is compared to the case where the plasma electrode 40 is exchanged from the irradiated object (work W) side. There is no need to remove the battery, and the replacement can be performed very easily. Further, the operator can replace the plasma electrode 40 without gripping the holding member 43 and touching the plasma electrode 40 with a hand or a tool, thereby preventing the plasma electrode 40 from being damaged. Can be exchanged without using a dedicated tool. The plasma electrode 40 can also be grounded from a fixture 44 that suspends the plasma electrode 40.

上記のように構成されるプラズマ発生ノズル30において、注目すべきは、プラズマ電極40は、ロッド状で導電性を有する基材部401に対して、少なくとも外側電極31との間で放電を行う下方端421の表層に、セラミック溶射層49が形成されてなることである。   In the plasma generating nozzle 30 configured as described above, it should be noted that the plasma electrode 40 is a rod-shaped base member 401 that is electrically conductive with respect to the lower electrode 31. That is, a ceramic sprayed layer 49 is formed on the surface layer of the end 421.

前記溶射とは、材料を加熱・溶解し、被施工物(基材)に吹き付け、皮膜を形成することで、その表面を処理する方法の一種である。加熱の熱源としては、高温の燃焼炎やプラズマなどを用いることができる。この熱源によって材料(溶射材料)は液滴化され、基材や皮膜上に吹付けられる。なお、基材と溶射粒子との密着強度は、溶接などに比べて小さいので、施工前にブラスト処理によって基材部401の表面を荒し、機械的な噛み合わせによる密着強度の向上を図る必要がある。また、塗装などと同様に、マスキングによって、図2や図3で示すように、対象物の特定の部分のみに施工可能である。   The thermal spraying is a kind of method for treating the surface of a material by heating and melting the material, spraying the material onto a work piece (base material), and forming a film. As a heat source for heating, a high-temperature combustion flame, plasma, or the like can be used. The material (spraying material) is formed into droplets by this heat source and sprayed onto the substrate or coating. In addition, since the adhesion strength between the base material and the thermal spray particles is smaller than that of welding or the like, it is necessary to roughen the surface of the base material portion 401 by blasting before construction and to improve the adhesion strength by mechanical meshing. is there. Further, as in the case of painting or the like, masking can be applied only to a specific part of the object as shown in FIGS.

このように構成することで、前記セラミック溶射層49が内側電極42の下方端421に密着して該下方端421を安定して覆い、前記放電に対して、基材部401(内側電極42)の蒸発や酸化を抑えることができる。これによって、プラズマ電極40を長寿命化することができる。また、このようなプラズマ発生ノズル30を用いることで、ワーク処理装置Sも長寿命化することができる。   With this configuration, the ceramic sprayed layer 49 is in close contact with the lower end 421 of the inner electrode 42 and stably covers the lower end 421, and against the discharge, the base material portion 401 (inner electrode 42). Evaporation and oxidation can be suppressed. Thereby, the life of the plasma electrode 40 can be extended. Further, by using such a plasma generating nozzle 30, the work processing apparatus S can also have a long life.

好ましくは、基材部401がチタンからなり、前記セラミック溶射層49がアルミナからなる。これは、放電に対して前記内側電極42の下方端421に密着して該下方端421を安定して覆うことができるセラミック溶射層49に対応して、基材部401として、熱膨張係数の近いチタンを用いるためである。このように構成することで、高温になるプラズマ電極40において、セラミック溶射層49の温度ストレスによる損傷を抑え、より長寿命化を図ることができる。   Preferably, the base material portion 401 is made of titanium, and the ceramic sprayed layer 49 is made of alumina. This corresponds to the ceramic sprayed layer 49 that can tightly adhere to the lower end 421 of the inner electrode 42 and stably cover the lower end 421 with respect to the discharge. This is because close titanium is used. With this configuration, damage to the ceramic sprayed layer 49 due to temperature stress can be suppressed in the plasma electrode 40 that is at a high temperature, and a longer life can be achieved.

具体的には、基材部401として、前述のように真鍮、アルミ、銀、銅などの良導電性の金属を用いた場合に比べて、融点や沸点が高いタングステンを使用することで、電極金属の蒸発が抑えられ、長寿命化を図ることができる。しかしながら、前述のようにタングステンの酸化粉が発生する。そこで、酸化防止の一般的な手法として、タングステン表面に数μm程度炭素を含侵させることで、暫くの間、例えばアンテナ40で受信するマイクロ波のエネルギーが100Wとして、300時間程度は、クラス10以下にパーティクルの発生を抑えることができる。しかしながら、その時間が過ぎると、炭化層が徐々に剥がれ、前記の酸化粉が発生する。   Specifically, by using tungsten having a high melting point and boiling point as compared with the case where a highly conductive metal such as brass, aluminum, silver, copper or the like is used as the base part 401 as described above, the electrode The evaporation of the metal can be suppressed and the life can be extended. However, as described above, tungsten oxide powder is generated. Therefore, as a general method for preventing oxidation, by impregnating the tungsten surface with carbon of about several μm, the energy of the microwave received by the antenna 40 is set to 100 W for a while, for about 300 hours. The generation of particles can be suppressed as follows. However, when that time passes, the carbonized layer is gradually peeled off, and the oxidized powder is generated.

これに対して、本実施の形態のように、チタンの基材部401に、アルミナのセラミック溶射層49を形成した場合、2000時間を超える寿命を確保することができた。表1に、本願発明者の実験結果を示す。マイクロ波エネルギーは前述のように100W、使用した処理ガスはクリーンなドライエアで、流量は15LPMであった。評価は、電極先端への付着物の付着の有無である(その付着物がノズルから飛び出し、ワークに付着することになる)。   On the other hand, when the alumina ceramic sprayed layer 49 was formed on the titanium base material 401 as in the present embodiment, a lifetime exceeding 2000 hours could be secured. Table 1 shows the experimental results of the present inventors. As described above, the microwave energy was 100 W, the processing gas used was clean dry air, and the flow rate was 15 LPM. Evaluation is the presence or absence of adhesion of the deposit on the electrode tip (the deposit jumps out of the nozzle and adheres to the workpiece).

Figure 2010212226
Figure 2010212226

(実施の形態2)
図5は本発明の実施の他の形態に係るプラズマ発生ノズル30aの断面図である。このプラズマ発生ノズル30aは、前述のプラズマ発生ノズル30に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、このプラズマ発生ノズル30aでは、プラズマ電極40aが、前記基材部401に、該基材部401よりも導電性の高いコート層402がコーティングされ、さらに前記セラミック溶射層49が積層(被膜形成)されて構成されていることである。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a cross-sectional view of a plasma generating nozzle 30a according to another embodiment of the present invention. The plasma generation nozzle 30a is similar to the plasma generation nozzle 30 described above, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. It should be noted that in this plasma generating nozzle 30a, the plasma electrode 40a is formed by coating the base material portion 401 with a coat layer 402 having higher conductivity than the base material portion 401, and further laminating the ceramic sprayed layer 49. (Film formation).

これは、前述のようにセラミック溶射層49を形成してパーティクルを抑えることで、2000時間を超えるプラズマ電極40の長寿命化を実現できるものの、プラズマを消灯状態から点火させる際に、マイクロ波μの受信から実際にプラズマ点火するまでに該プラズマ電極40内を行き来するマイクロ波電流が、該プラズマ電極40a内の抵抗成分によってジュール熱となり、保持部材43の劣化(溶融や焦げ付き)を招くためである。   This is because, as described above, the ceramic sprayed layer 49 is formed to suppress the particles, so that the life of the plasma electrode 40 exceeding 2000 hours can be realized. However, when the plasma is ignited from the extinguished state, the microwave μ This is because the microwave current that travels within the plasma electrode 40 from the reception of the plasma to the actual plasma ignition becomes Joule heat due to the resistance component in the plasma electrode 40a, leading to deterioration (melting and scorching) of the holding member 43. is there.

前記基材部401は、前述のように溶射層49のアルミナに熱膨張係数の近いチタンであり、前記コート層402は、例えば金層で、1μm以上の厚さにコーティングされる。前記点火までのマイクロ波電流は、表皮効果によって、該プラズマ電極40aの表層、2〜3μmを流れる。このように構成することで、プラズマ点火の繰返しによる保持部材43の劣化を抑え、該プラズマ電極40aの一層の長寿命化を実現することができる。   As described above, the base material portion 401 is titanium having a thermal expansion coefficient close to that of alumina of the thermal spray layer 49, and the coating layer 402 is, for example, a gold layer and is coated to a thickness of 1 μm or more. The microwave current until ignition flows through the surface layer of the plasma electrode 40a, 2 to 3 μm, due to the skin effect. With this configuration, it is possible to suppress the deterioration of the holding member 43 due to repeated plasma ignition, and to realize a longer life of the plasma electrode 40a.

表2に、本願発明者の実験結果を示す。実験条件は前述の表1の場合と同様で、30秒点火すると30秒消灯する動作を加えた。なお、保持部材43の材料には、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を用いている。この実験結果から理解されるように、コーティング無しでは、数十回から焦げ付きが発生し、長く使えたとしても1000回が限界であるのに対して、前記コーティングを施すことで、4000回を超えても変化はなく、著しく耐久性を向上することができる。   Table 2 shows the experimental results of the inventors. The experimental conditions were the same as in Table 1 above, and an operation of turning off for 30 seconds after adding 30 seconds was added. The holding member 43 is made of PTFE (polytetrafluoroethylene). As can be understood from this experimental result, without coating, scorching occurs from several tens of times, and even if it can be used for a long time, 1000 times is the limit, but by applying the coating, it exceeds 4000 times. However, there is no change and the durability can be remarkably improved.

Figure 2010212226
Figure 2010212226

(実施の形態3)
図6は本発明の実施のさらに他の形態に係るプラズマ発生ノズル30bの断面図である。このプラズマ発生ノズル30bは、前述のプラズマ発生ノズル30に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、このプラズマ発生ノズル30bでは、プラズマ電極40bの内側電極42の下方端421の端面中央に、凹所422が形成されていることである。
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a cross-sectional view of a plasma generating nozzle 30b according to still another embodiment of the present invention. The plasma generation nozzle 30b is similar to the plasma generation nozzle 30 described above, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. It should be noted that in this plasma generating nozzle 30b, a recess 422 is formed in the center of the end surface of the lower end 421 of the inner electrode 42 of the plasma electrode 40b.

これは、前述のように該プラズマ電極40bの基材部401がチタンからなり、前記内側電極42の下方端421の端面を旋盤などで平面に切削加工すると、図7(a)で拡大して示すように、その中央に突起423が残されてしまうためである。この突起423が残されてしまうと、この部分に電界が集中し、前記アルミナからなるセラミック溶射層49が溶解し、或いは割れを生じる。そこで、図7(b)で拡大して示すように、突起423部分を取り除くために、前記下方端421の端面中央を彫り込み、前記凹所422を形成している。   As described above, when the base portion 401 of the plasma electrode 40b is made of titanium and the end surface of the lower end 421 of the inner electrode 42 is machined into a flat surface with a lathe or the like, it is enlarged in FIG. This is because the protrusion 423 is left in the center as shown. If the protrusion 423 is left, the electric field concentrates on this portion, and the ceramic sprayed layer 49 made of alumina is melted or cracked. Therefore, as shown in an enlarged view in FIG. 7B, in order to remove the protrusion 423, the center of the end surface of the lower end 421 is carved to form the recess 422.

これによって、前記電界集中部は、前記下方端421の外周端縁424に、前記凹所422の端縁425に分散され、該下方端421の温度上昇を抑えて、前記セラミック溶射層49の損傷を防止し、より長寿命化を図ることができる。前記外周端縁424および端縁425は、面取りが施されていてもよい。   As a result, the electric field concentrating portion is distributed to the outer peripheral edge 424 of the lower end 421 and the edge 425 of the recess 422, and the temperature rise of the lower end 421 is suppressed to damage the ceramic sprayed layer 49. Can be prevented and a longer life can be achieved. The outer peripheral edge 424 and the end edge 425 may be chamfered.

以上、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生ノズル30,30a,30b、プラズマ発生ユニットPU及びワーク処理装置Sについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば下記の実施形態を取ることができる。
(1)上記実施形態では、導波管20に1本のプラズマ発生ノズル30を取り付ける例を示したが、複数本設けるようにしても良い。その場合、直線状の導波管20に複数のプラズマ発生ノズル30も一直線上に配置するのではなく、千鳥状や、並列に2列設けるようにしても良い。このようなノズル配置は、導波管20の幅やプラズマ発生ノズル30の配置ピッチ、マイクロ波の波長等を適正化することで実現可能である。
(2)上記実施形態では、プラズマ発生ユニットPUが適用されるワーク処理装置Sの例として滅菌装置を例示した。この他、プラズマ発生ユニットPUは、他のワーク処理装置、例えば半導体ウェハ等の半導体基板に対するエッチング処理装置や成膜装置、プラズマディスプレイパネル等のガラス基板やプリント基板の清浄化処理装置、タンパク質の分解装置等にも好適に適用することができる。
The plasma generation nozzles 30, 30a, 30b, the plasma generation unit PU, and the work processing apparatus S according to one embodiment of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to this, and for example, the following embodiment Can take.
(1) In the above embodiment, an example in which one plasma generating nozzle 30 is attached to the waveguide 20 has been shown, but a plurality of nozzles may be provided. In that case, the plurality of plasma generating nozzles 30 may not be arranged in a straight line in the straight waveguide 20 but may be provided in two rows in a staggered manner or in parallel. Such nozzle arrangement can be realized by optimizing the width of the waveguide 20, the arrangement pitch of the plasma generating nozzles 30, the wavelength of the microwave, and the like.
(2) In the said embodiment, the sterilizer was illustrated as an example of the workpiece | work processing apparatus S to which plasma generation unit PU is applied. In addition, the plasma generation unit PU can be used for other work processing apparatuses, for example, etching processing apparatuses and film forming apparatuses for semiconductor substrates such as semiconductor wafers, glass substrate and printed substrate cleaning processing apparatuses such as plasma display panels, and protein decomposition. The present invention can also be suitably applied to devices and the like.

10 マイクロ波発生装置
20 導波管
25 口金
30,30a,30b プラズマ発生ノズル
31 外側電極
32 内部空間
35 ガス供給孔
40,40a,40b プラズマ電極
401 基材部
402 コート層
41 アンテナ
42 内側電極
421 下方端
423 凹所
424 外周端縁
425 端縁
43 保持部材
44 固定具
49 セラミック溶射層
S ワーク処理装置
PU プラズマ発生ユニット(プラズマ発生装置)
T 滅菌チャンバー
W ワーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Microwave generator 20 Waveguide 25 Base 30,30a, 30b Plasma generating nozzle 31 Outer electrode 32 Internal space 35 Gas supply hole 40, 40a, 40b Plasma electrode 401 Base material part 402 Coat layer 41 Antenna 42 Inner electrode 421 Below End 423 Recess 424 Outer peripheral edge 425 End edge 43 Holding member 44 Fixing tool 49 Ceramic sprayed layer S Work processing device PU Plasma generating unit (plasma generating device)
T Sterilization chamber W Workpiece

Claims (9)

接地側の電極との間で放電を行うことでプラズマを発生させるプラズマ電極において、
ロッド状に形成され、そのロッドの一方側でマイクロ波を受信し、他方端側で前記放電を行う導電性の基材部と、
少なくとも前記他方端側の表層に設けられるセラミック溶射層とを有することを特徴とするプラズマ電極。
In the plasma electrode that generates plasma by performing discharge with the electrode on the ground side,
A conductive base material formed in a rod shape, receiving microwaves on one side of the rod and performing the discharge on the other end side;
It has a ceramic sprayed layer provided in the surface layer of the said other end side at least, The plasma electrode characterized by the above-mentioned.
前記基材部がチタンから成り、前記セラミック溶射層がアルミナからなることを特徴とする請求項1記載のプラズマ電極。   The plasma electrode according to claim 1, wherein the base material portion is made of titanium, and the ceramic sprayed layer is made of alumina. 前記基材部の表面にコーティングされ、該基材部よりも高い導電性を有するコート層をさらに備え、
前記コート層の上に、前記セラミック溶射層が積層されていることを特徴とする請求項1または2記載のプラズマ電極。
A coating layer coated on the surface of the base material portion and having higher conductivity than the base material portion;
The plasma electrode according to claim 1 or 2, wherein the ceramic sprayed layer is laminated on the coat layer.
前記基材部の他方端側の端面中央に、凹所を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のプラズマ電極。   The plasma electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the plasma electrode has a recess in the center of the end surface on the other end side of the base portion. 前記請求項1〜4のいずれか1項に記載のプラズマ電極からなる内側電極と、
筒状に形成され、前記内側電極と同心状に配置されるとともに、接地される外側電極と、
前記内側電極と外側電極とによって形成される環状のプラズマ吹出し口とを有することを特徴とするプラズマ発生ノズル。
An inner electrode comprising the plasma electrode according to any one of claims 1 to 4,
An outer electrode which is formed in a cylindrical shape and is concentrically arranged with the inner electrode and is grounded;
A plasma generating nozzle having an annular plasma outlet formed by the inner electrode and the outer electrode.
マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、
前記マイクロ波を伝搬する導波管と、
所定の処理ガスに前記マイクロ波のエネルギーを与え、前記処理ガスをプラズマ化して放出する前記請求項5記載のプラズマ発生ノズルとを具備し、
前記プラズマ発生ノズルにおいて、前記プラズマ電極の一方端は接地されることを特徴とするプラズマ発生装置。
Microwave generation means for generating microwaves;
A waveguide propagating the microwave;
The plasma generating nozzle according to claim 5, wherein the microwave energy is given to a predetermined processing gas, and the processing gas is turned into plasma and released.
In the plasma generation nozzle, one end of the plasma electrode is grounded.
前記アンテナを伝搬するマイクロ波の波長をλとするとき、
前記アンテナの接地点から前記他方端までの長さが、(2n−1)λ/4(但し、nは整数)、若しくはその近傍の長さとされていることを特徴とする請求項6記載のプラズマ発生装置。
When the wavelength of the microwave propagating through the antenna is λ,
The length from the grounding point of the antenna to the other end is (2n-1) λ / 4 (where n is an integer) or a length in the vicinity thereof. Plasma generator.
絶縁性を有する材料で円筒状に形成され、前記内側電極を前記外側電極内に保持する保持部材と、
前記導波管において外側電極が取付けられる壁面とは反対側の壁面に形成され、前記保持部材に保持された内側電極が遊挿可能な点検口と、
前記点検口を覆う固定具とをさらに備え、
前記保持部材の導波管内における少なくとも一部分は、把持部として、前記導波管の前記反対側の壁面に延びて形成され、
前記固定具に前記プラズマ電極の一方端が吊止めされることで、該一方端が前記固定具を介して接地されることを特徴とする請求項6または7記載のプラズマ発生装置。
A holding member that is formed in a cylindrical shape with an insulating material and holds the inner electrode in the outer electrode;
An inspection port that is formed on the wall surface opposite to the wall surface to which the outer electrode is attached in the waveguide, and in which the inner electrode held by the holding member can be loosely inserted,
A fixing tool that covers the inspection port;
At least a part of the holding member in the waveguide is formed as a grip portion so as to extend to the opposite wall surface of the waveguide.
The plasma generator according to claim 6 or 7, wherein one end of the plasma electrode is suspended from the fixture, and the one end is grounded via the fixture.
請求項6〜8のいずれかに記載のプラズマ発生装置と、
前記プラズマ発生ノズルで発生したプラズマ化された処理ガスでワークを処理するワーク処理部と、を備えることを特徴とするワーク処理装置。
A plasma generator according to any one of claims 6 to 8,
A work processing apparatus, comprising: a work processing unit configured to process a work with a plasma processing gas generated by the plasma generating nozzle.
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