JP2012079429A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理が効率よく行われるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置１０００においては、アノード１０６０及びカソード１０６２が流路１０１８の途中にある。カソード１０６２は、それぞれ、アノード１０６０より流路１０１８の上流側及び下流側にある。アノード１０６０及びカソード１０６２は、流体通過面を横切り、流体通過面の一部のみを占める。アノード１０６０とカソード１０６２とは流路の軸方向に間隔を置いて対向する。アノード１０６０はパルス電源１００４の正極に電気的に接続され、カソード１０６２はパルス電源の負極に電気的に接続される。アノード被覆は、絶縁体からなり、導電体からなるアノード本体を被覆する。凹構造がアノード被覆の表面に形成される。凹構造の群はアノードの表面に分布する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

流路の途中に複数の電極を設け、アノードとカソードとの間に電圧を印加し、アノードとカソードとの間の空間にプラズマを発生させるプラズマ処理装置が知られている。特許文献１及び２は、その例である。

特許文献１のプラズマ処理装置（排気ガス浄化装置）においては、複数の電極（第１の平板電極、第２の平板電極及び第３の平板電極）が流路の途中に設けられ、アノード（第１の平板電極及び第３の平板電極）とカソード（第２の平板電極）との間に電圧が印加される。

特許文献２のプラズマ処理装置（プラズマ生成装置）においては、複数の電極（針状電極及びリング状電極）が流路の途中に設けられ、アノード（針状電極）とカソード（リング状電極）との間に電圧が印加される。

特開平６−１０６５２号公報 特開２００６−２６９０９５号公報

従来のプラズマ処理装置は有用であるが、用途によってはプラズマ処理の効率が不十分である場合があり、さらなるプラズマ処理の効率の向上が求められている。

本発明は、この問題を解決するためになされる。本発明の目的は、プラズマ処理が効率よく行われるプラズマ処理装置を提供することである。

本発明の第１の局面によれば、プラズマ処理装置は、構造物、第１の電極、第２の電極、第３の電極、パルス電源及び配線を備える。構造物は流路を持つ。第１の電極、第２の電極及び第３の電極は、流路の途中にある。第２の電極及び第３の電極は、それぞれ、第１の電極より流路の上流側及び下流側にある。第１の電極と第２の電極とは流路の軸方向に間隔を置いて対向する。第１の電極と第３の電極とは流路の軸方向に間隔を置いて対向する。第１の電極、第２の電極及び第３の電極のうちのアノードはパルス電源の正極に電気的に接続され、第１の電極、第２の電極及び第３の電極のうちのカソードはパルス電源の負極に電気的に接続される。第１の電極及び第２の電極は、パルス電源の同一の極に接続される。第１の電極、第２の電極及び第３の電極は、流体通過面を横切り流体通過面の一部のみを占める。アノード被覆は、絶縁体からなり、導電体からなるアノード本体を被覆する。第１の凹構造がアノード被覆の表面に形成され、第１の凹構造の群がアノード被覆の表面に分布する。

本発明の第２の局面によれば、本発明の第１の局面において、第１の凹構造は、閉じた輪郭線に囲まれる平面形状を有する第１のエンボスである。

本発明の第３の局面によれば、本発明の第２の局面において、アノード被覆は、０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の層厚を有する。第１のエンボスの各々は、アノード被覆の表面において０．００７８ｍｍ²以上１０ｍｍ²以下の表面積を占め、アノード被覆の層厚の２％以上５０％以下の深さを有する。

本発明の第４の局面によれば、本発明の第１の局面において、第１の凹構造は、アノードの軸方向に延在する第１の軸方向溝である。第１の軸方向溝は、アノードの周方向に繰り返し刻まれる。

本発明の第５の局面によれば、本発明の第１の局面において、第１の凹構造は、アノードの周方向に延在する第１の周方向溝である。第１の周方向溝は、アノードの軸方向に繰り返し刻まれる。

本発明の第６の局面によれば、本発明の第１から第５までのいずれかの局面において、カソード被覆は、絶縁体からなり、導電体からなるカソード本体を被覆する。第２の凹構造がカソード被覆の表面に形成され、第２の凹構造の群がカソード被覆の表面に分布する。

本発明の第７の局面によれば、本発明の第６の局面において、第２の凹構造は、閉じた輪郭線に囲まれる平面形状を有する第２のエンボスである。

本発明の第８の局面によれば、本発明の第７の局面において、カソード被覆は、０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の層厚を有する。第２のエンボスの各々は、カソード被覆の表面において０．００７８ｍｍ²以上１０ｍｍ²以下の表面積を占め、前記層厚の２％以上５０％以下の深さを有する。

本発明の第９の局面によれば、本発明の第６の局面において、第２の凹構造は、カソードの軸方向に延在する第２の軸方向溝である。第２の軸方向溝は、カソードの周方向に繰り返し刻まれる。

本発明の第１０の局面によれば、本発明の第６の局面において、第２の凹構造は、カソードの周方向に延在する第２の周方向溝である。第２の周方向溝は、前記カソードの周方向に繰り返し刻まれる。

本発明によれば、ガスが効率よく活性化され、プラズマ処理が効率よく行われる。

これらの及びこれら以外の本発明の目的、特徴、局面及び利点は、添付図面とともに考慮されたときに下記の本発明の詳細な説明によってより明白となる。

第１実施形態のプラズマ処理装置の模式図である。 第１実施形態のリアクタの斜視図である。 第１実施形態のリアクタの断面図である。 第１実施形態のリアクタの断面図である。 第１実施形態のリアクタの断面図である。 第１実施形態のアノードの斜視図である。 エンボスの深さと活性種の生成量との関係を示すグラフである。 第１実施形態のカソードの斜視図である。 第１実施形態のパルス発生回路の回路図である。 ダイレクト方式によるガスの処理を説明する図である。 ダイレクト方式による固体構造物の処理を説明する図である。 リモート方式による固体構造物の処理を説明する図である。 第２実施形態のアノードの斜視図である。 第２実施形態のカソードの斜視図である。 第３実施形態のアノードの斜視図である。 第３実施形態のカソードの斜視図である。

｛第１実施形態｝
（概略）
第１実施形態は、プラズマ処理装置に関する。

図１は、第１実施形態のプラズマ処理装置の模式図である。図１は、プラズマ処理装置のリアクタの断面及びリアクタの付属物を示す。図２から図５までは、リアクタの模式図である。図２は、斜視図である。図３から図５までは、それぞれ、図１のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ及びＣ−Ｃにおける断面図である。

図１に示すように、プラズマ処理装置１０００は、リアクタ１００２、パルス電源１００４、配線１００６及びガス供給系１００８を備える。また、図１から図５までに示すように、リアクタ１００２は、チャンバ１０１０、第１の電極１０１２、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６を備える。

図１に示すように、第１の電極１０１２、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６は流路１０１８の途中にある。第２の電極１０１４は、第１の電極１０１２より流路１０１８の上流側にある。第３の電極１０１６は、第１の電極１０１２より流路１０１８の下流側にある。配線１００６により、アノード１０６０になる第１の電極１０１２はパルス電源１００４の正極１０２０に電気的に接続され、カソード１０６２になる第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６は同一の極であるパルス電源１００４の負極１０２２に電気的に接続される。図１及び図３から図５までに示すように、第１の電極１０１２、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６は、それぞれ、第１のガス通過面１０２４、第２のガス通過面１０２６及び第３のガス通過面１０２８の一部のみを占める。

ガス供給系１００８から供給されるガスは、流路１０１８の入口１０３０から入り、流路１０１８を流れ、流路１０１８の出口１０３２から出る。流路１０１８を流れるガスは、第２のガス通過面１０２６、第１のガス通過面１０２４及び第３のガス通過面１０２８を順に通過する。パルス電源１００４が正極１０２０と負極１０２２との間に発生したパルス電圧は、アノード１０６０とカソード１０６２との間に印加される。

プラズマ処理装置１０００においては、ガスが流路１０１８を流れているときにアノード１０６０とカソード１０６２との間にパルス電圧が印加され、アノード１０６０とカソード１０６２との間に放電が起こされ、アノード１０６０とカソード１０６２との間の空間にプラズマが発生させられ、発生したプラズマによりガスが活性化される。これにより、ガスが効率よく活性化され、プラズマ処理が効率よく行われる。

「活性化」とは、化学種をより高いエネルギー順位へ励起すること、イオンを生成すること、ラジカルを生成すること等のガスの反応性を向上することをいう。

（絶縁体による被覆及びストリーマ放電）
図３に示すように、第１の電極１０１２においては、導電体棒１０４８が絶縁体被覆１０５０で被覆される。また、図４に示すように、第２の電極１０１４においては、細長導電体板１０５２の末端以外が絶縁体被覆１０５４で被覆される。さらに、図５に示すように、第３の電極１０１６においては、細長導電体板１０５６の末端以外が絶縁体被覆１０５８で被覆される。配線１００６により、導電体棒１０４８はパルス電源１００４の正極１０２０に電気的に接続され、細長導電体板１０５２及び１０５６はパルス電源１００４の負極１０２２に電気的に接続される。第１の電極１０１２、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６は、導電体からなる電極本体が絶縁体からなる電極被覆で被覆された構造を有すればよく、電極本体及び電極被覆の形状が変更されてもよい。電極本体が電極被覆で被覆されることは、放電を誘電体バリア放電とし、アーク放電を抑制し、ガスを効率的に活性化するストリーマ放電を安定して発生させることに寄与する。

絶縁体被覆１０５０、１０５４及び１０５８は、望ましくは、０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の層厚を有する。層厚がこの範囲より薄くなると、絶縁がやぶれやすくなるからである。層厚がこの範囲より厚くなると、アノード１０６０とカソード１０６２との間の静電容量が増加し、立ち上がりが早いパルス電圧を印加することが困難になりやすいからである。

（電極の表面の凹構造）
誘電体バリア放電においては、直径が約１００μｍの放電柱がアノードの表面に間隔を置いて形成され、１本の放電柱の形成に寄与するアノードの表面積は約１０ｍｍ²であると言われている。放電柱の直径及び１本の放電柱の形成に寄与するアノードの表面積がこの程度になるのは、アノードとカソードとがストリーマ放電により短絡されると、アノードの表面の放電の始点を中心とした約１０ｍｍ²の表面積を有する範囲に放電又は電界により電離した電子が帯電しアノードの表面の近傍の電界を弱め、次の放電が発生しにくくなるためであると考えられる。したがって、帯電する範囲を狭くすれば放電柱が増加し、ガスが効率よく活性化され、プラズマ処理の効率が向上すると考えられる。そこで、帯電する範囲を狭める凹構造がアノードの表面に形成される。

図６は、アノードの模式図である。図６は、斜視図である。

図６に示すように、アノード１０６０の表面１０６６には多数のエンボス１０６４が形成される。エンボス１０６４は、アノード１０６０の表面１０６６の全体又は一部に分布する。アノード本体１２００（導電体棒１０４８）がアノード被覆１２０２（絶縁体被覆１０５０）で被覆される場合は、アノード１０６０の表面１０６６に露出するアノード被覆１２０２の表面にエンボス１０６４が形成される。

エンボス１０６４は、周辺よりもアノード１０６０の内部に向かって後退しており、軸方向及び周方向の両方について帯電する範囲を狭める凹構造となる。これにより、アノード１０６０の表面１０６６に形成される放電柱が増加し、ガスが効率よく活性化され、プラズマ処理が効率よく行われる。電極の「軸方向」とは、電極が延在する方向を意味し、電極の「周方向」とは、電極の軸方向の位置を維持したまま電極の延在軸の周りを周回する方向を意味する。

エンボス１０６４は、円形の平面形状を有する。エンボス１０６４が円形以外、例えば、多角形、楕円形等の平面形状を有してもよい。より一般的には、エンボス１０６４は、閉じた輪郭線に囲まれる平面形状を有し、アノード１０６０の表面１０６６において閉じた輪郭線に囲まれる閉領域を占める。

エンボス１０６４は、望ましくは、１００μｍ以上３．６ｍｍ以下の直径を有する円形の平面形状を有し、アノード１０６０の表面において０．００７８ｍｍ²以上１０ｍｍ²以下の表面積を占める。直径がこの範囲より小さくなると、放電柱の直径よりエンボス１０６４の直径が小さくなり、放電柱の数が増加しにくくなり、プラズマ処理の効率が向上しにくくなるからである。直径がこの範囲より大きくなると、１本の放電柱の形成に寄与する表面積よりエンボス１０６４の面積が大きくなり、帯電する範囲が狭められにくくなり、プラズマ処理の効率が向上しにくくなるからである。

エンボス１０６４が円形以外の平面形状を有する場合は、エンボス１０６４は、望ましくは、アノード１０６０の表面１０６６において０．００７８ｍｍ²以上１０ｍｍ²以下の表面積を占める。この表面積の望ましい範囲は、１００μｍ以上３．６ｍｍ以下の直径を有する円の面積の範囲に相当する。

また、エンボス１０６４が円形以外の平面形状を有する場合は、エンボス１０６４の平面形状のアスペクト比は、望ましくは、１．５以下である。アスペクト比がこの範囲より大きくなると、１本の放電柱の形成に寄与する領域の平面形状とエンボス１０６４の平面形状との違いが大きくなり、プラズマ処理の効率が向上しにくくなるからである。

エンボス１０６４は、望ましくは、絶縁体被覆１０５０の層厚の２％以上５０％以下の深さを有する。深さがこの範囲より浅くなると、プラズマ処理の効率が向上しにくくなるからである。深さがこの範囲より深くなると、エンボス１０６４の位置において絶縁体被覆が薄くなり、絶縁がやぶれやすくなるからである。

図７は、エンボスの深さと活性種の生成量との関係を示すグラフである。図７には、層厚が１ｍｍの電極被覆で平板形状を有する電極本体を被覆した２枚の電極を２ｍｍの間隔をおいて平行に対向させ２枚の電極の間にピーク電圧が２０ｋＶのパルス電圧を印加した場合の関係が示されている。エンボスの平面形状は直径が１ｍｍの円形とした。絶縁体被覆の材質は比誘電率が１０であって体積抵抗率が１×１０¹⁵Ωｃｍのアルミナとした。ガスは空気とした。

図７に示すように、エンボスの深さが絶縁体被覆の層厚の２％に相当する０．０２ｍｍ以上となると、活性種の生成量が急激に増加した。一方、エンボスの深さが絶縁体被覆の層厚の５０％に相当する０．５ｍｍを超えると、絶縁が破れた。

図８は、カソード１０６２の模式図である。図８は、斜視図である。

アノード１０６０からのストリーマはカソード１０６２からのストリーマより進展しやすいため、帯電する範囲を狭めるエンボスは少なくともアノード１０６０の表面１０６６には形成されるべきである。しかし、望ましくは、図８に示すように、カソード１０６２の表面１０６８にも多数のエンボス１０７０が形成される。エンボス１０７０は、周辺よりもカソード１０６２の内部に向かって後退しており、帯電する範囲を狭める凹構造となる。エンボス１０７０は、カソード１０６２の表面１０６８の全体又は一部に分布する。エンボス１０７０の平面形状、大きさ及び深さについては、エンボス１０６４と同じことが言える。カソード本体１２０４（細長導電体板１０５２及び１０５６）がカソード被覆１２０６（絶縁体被覆１０５４及び１０５８）で被覆される場合は、カソード被覆１２０６の表面にエンボス１０７０が形成される。

（放電）
図１に示すように、第１の電極１０１２と第２の電極１０１４とは流路１０１８の軸方向Ａ１に間隔を置いて対向し、第１の電極１０１２と第３の電極１０１６とは流路１０１８の軸方向Ａ１に間隔を置いて対向する。これにより、第１の電極１０１２と第２の電極１０１４との間には第１の電極１０１２から第２の電極１０１４へ向かい流路１０１８の軸方向Ａ１に平行な電界が印加され、第１の電極１０１２と第３の電極１０１６との間には第１の電極１０１２から第３の電極１０１６へ向かい流路１０１８の軸方向Ａ１に平行な電界が印加される。また、第２の電極１０１４の下流側及び第３の電極１０１６の上流側にイオンシース層が発生し、第１の電極１０１２と第２の電極１０１４との間及び第１の電極１０１２と第３の電極１０１６との間に放電が起こり、第１の電極１０１２と第２の電極１０１４との間の空間及び第１の電極１０１２と第３の電極１０１６との間の空間にプラズマが発生する。

上記の説明とは逆に、第１の電極１０１２がパルス電源１００４の負極１０２２に接続され、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６が同一の極であるパルス電源１００４の正極１０２０に接続されてもよい。この場合は、第１の電極１０１２がカソードとなり、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６がアノードとなる。これにより、第１の電極１０１２と第２の電極１０１４との間には第２の電極１０１４から第１の電極１０１２へ向かい流路１０１８の軸方向Ａ１に平行な電界が印加され、第１の電極１０１２と第３の電極１０１６との間には第３の電極１０１６から第１の電極１０１２へ向かい流路１０１８の軸方向Ａ１に平行な電界が印加される。また、第１の電極１０１２の上流側及び下流側にイオンシース層が発生し、第１の電極１０１２と第２の電極１０１４との間及び第１の電極１０１２と第３の電極１０１６との間に放電が起こり、第１の電極１０１２と第２の電極１０１４との間の空間及び第１の電極１０１２と第３の電極１０１６との間の空間にプラズマが発生する。

（電極によるガス通過面の横断）
図１及び図３に示すように、第１の電極１０１２は、棒形状を有し、第１のガス通過面１０２４を横切る。これにより、損傷しやすい第１の電極１０１２の末端が第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６と対向して放電の始点又は終点となることが抑制され、第１の電極１０１２の耐久性が向上する。

図１、図４及び図５に示すように、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６は、平板形状を有し、それぞれ、第２のガス通過面１０２６及び第３のガス通過面１０２８を横切る。これにより、損傷しやすい第２の電極１０１４の末端及び第３の電極１０１６の末端が第１の電極１０１２と対向して放電の始点又は終点となることが抑制され、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６の耐久性が向上する。

「横切る」とは、内壁１０３４の一の場所から出て、流路１０１８を経由して、内壁１０３４の他の場所に入ることをいう。

第１の電極１０１２、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６の耐久性が向上することは、リアクタ１００２に大きなエネルギーを投入することを可能にし、プラズマ処理を効率よく行うことを可能にする。

（ガスの透過）
図３に示すように、第１の電極１０１２は、流路１０１８の軸方向Ａ１に垂直な第１の方向Ｄ１に延在し、流路１０１８の軸方向Ａ１に垂直であって第１の方向Ｄ１に垂直な第２の方向Ｄ２に疎らに配列される。第１の電極１０１２の配列間隔は一定であってもよいし一定でなくてもよい。第１の電極１０１２の全部又は一部が非平行に配列されてもよい。一の第１の電極１０１２と他の第２の電極１０１２とが交差してもよい。第１の電極１０１２が枝分かれを有してもよい。

図４及び図５に示すように、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６は、第２の方向Ｄ２に延在し、第１の方向Ｄ１に疎らに配列される。第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６の配列間隔は一定であってもよいし一定でなくてもよい。第２の電極１０１４の全部又は一部が非平行に配列されてもよく、第３の電極１０１６の全部又は一部が非平行に配列されてもよい。一の第２の電極１０１４と他の第２の電極１０１４とが交差してもよく、一の第３の電極１０１６と他の第３の電極１０１６とが交差してもよい。第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６が枝分かれを有してもよい。第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６が流路１０１８の軸方向Ａ１に延長又は短縮されてもよい。

「疎らに」とは、隣接する第１の電極１０１２、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６が密着することなく、隣接する第１の電極１０１２、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６の間にガスが通過する開口があることをいう。

配列された第１の電極１０１２、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６は、それぞれ、第１のガス通過面１０２４、第２のガス通過面１０２６及び第３のガス通過面１０２８を不完全に閉塞する不完全閉塞体である。これにより、配列された第１の電極１０１２、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６をガスが透過するときに第１の電極１０１２、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６の近傍に発生したプラズマによりガスが効率よく活性化され、プラズマ処理が効率よく行われる。

第１の電極１０１２の延在方向と第２の電極１０１４の延在方向とが垂直でなくてもよい。また、第１の電極１０１２の延在方向と第３の電極１０１６の延在方向とが垂直でなくてもよい。さらに、第２の電極１０１４の延在方向と第３の電極１０１６の延在方向とが異なってもよい。

（ガス通過面の開口率）
流路１０１８の軸方向Ａ１から見た第１のガス通過面１０２４、第２のガス通過面１０２６及び第３のガス通過面１０２８の面積に対する開口の面積の比率は、望ましくは、３０％以上である。比率がこの範囲より小さくなると、圧力損失が増加し、プラズマ処理が効率よく行われにくいからである。

（チャンバの材質及び構造）
チャンバ１０１０は、望ましくは、絶縁体、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）又はアルミナからなる。これにより、第１の電極１０１２、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６とチャンバ１０１０との絶縁が不要になり、リアクタ１００２の構造が簡略化される。しかし、第１の電極１０１２、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６がチャンバ１０１０から絶縁されれば、チャンバ１０１０が導電体からなることも許される。

チャンバ１０１０は流路１０１８となる円筒孔が形成された構造物である。チャンバ１０１０は、流路１０１８を持つ構造物であればよく、円筒孔が形成された構造物以外であってもよい。流路１０１８の断面形状も円形でなくてもよい。

（第２の電極及び第３の電極の接地）
第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６は、望ましくは、接地される。これにより、接地された第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６で高電圧の第１の電極１０１２が挟まれ、第２の電極１０１４よりも流路１０１８の上流側に放電が進展することが抑制され、第３の電極１０１６よりも流路１０１８の下流側に放電が進展することが抑制される。しかし、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６に代えて第１の電極１０１２が接地されてもよい。

（プラズマグランディング）
図４及び図５に示すように、細長導電体板１０５２及び１０５６の末端は、それぞれ、絶縁体被覆１０５４及び１０５８で被覆されずに、第２のガス通過面１０２６及び第３のガス通過面１０２８の縁部において流路１０１８に露出する。細長導電体板１０５２及び１０５６の末端は、イオンシース層の端部に接触し、イオンシース層に接地電位を付与し、イオンシース層に電子を供給する。これにより、イオンシース層に電子が供給されやすくなり、プラズマ処理が効率よく行われる。細長導電体板１０５２及び１０５６とは別にプラズマグランディング用の導電体が設けられてもよく、その場合は、細長導電体板１０５２及び１０５６の全体が絶縁体被覆で被覆されてもよい。

第１の電極１０１２がアノードとなり、第２の電極１０１４及び第３の電極１０１６がカソードとなる場合は、細長導電体板１０５２及び１０５６に代えて導電体棒１０４８の末端が、第１のガス通過面１０２４の端部において流路１０１８に露出する。導電体棒１０４８とは別にプラズマグランディング用の導電体が設けられてもよく、その場合は、導電体棒１０４８の全体が絶縁体被覆で被覆されてもよい。

「縁部」とは、イオンシース層に接触する範囲を意味し、第１のガス通過面１０２４、第２のガス通過面１０２６及び第３のガス通過面１０２８の外周の近傍にある幅を有する範囲である。

（電極の材質）
導電体棒１０４８並びに細長導電体板１０５２及び１０５６の材質は、望ましくは、耐久性及び耐熱性が高い金属又は合金から選択される。耐久性及び耐熱性が高い金属の例はＰｔ（白金）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）等であり、耐久性及び耐熱性が高い合金の例はニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金等のニッケル基合金、ＷＣ（タングステンカーバイド）等のタングステン基合金等である。

絶縁体被覆１０５０、１０５４及び１０５８の材質は、望ましくは、耐久性及び耐熱性が高い樹脂又はセラミックスから選択される。耐久性及び耐熱性が高い樹脂の例はフッ素樹脂、ポリイミド系樹脂等であり、耐久性及び耐熱性が高いセラミックスの例はアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、炭化珪素（ＳｉＣ）、マグネシア（ＭｇＯ）等である。

導電体棒１０４８に代えて半導体棒が使用され、絶縁体被覆１０５０が省略されてもよい。また、細長導電体板１０５２及び１０５６に代えて細長半導体板が使用され、絶縁体被覆１０５４及び１０５８が省略されてもよい。

半導体棒及び半導体板の材質は、望ましくは、耐久性及び耐熱性が高いセラミックスから選択される。耐久性及び耐熱性が高いセラミックスの例は、Ｓｉ含浸炭化ケイ素等である。

（パルス電圧の波形とイオン及びラジカルの密度との関係）
パルス電圧のパルス幅Δｔが短く立ち上がり時の電圧Ｖの時間変化率ｄＶ／ｄｔが大きい場合は、イオンシース層が薄くなり、イオン及びラジカルの密度も高くなる。一方、パルス電圧のパルス幅Δｔが長く立ち上がり時の電圧Ｖの時間変化率ｄＶ／ｄｔが小さい場合は、イオンシース層が厚くなり、イオン及びラジカルの密度も低くなる。このため、アノードとカソードとの間には、望ましくは、パルス幅Δｔが短く立ち上がり時の電圧Ｖの時間変化率ｄＶ／ｄｔが高いパルス電圧が印加される。

（パルス発生回路）
パルス電源１００４には、望ましくは、パルス幅Δｔが短く立ち上がり時の電圧Ｖの時間変化率ｄＶ／ｄｔが大きいパルス電圧を容易に発生する誘導エネルギー蓄積型のパルス発生回路（ＩＥＳ回路）が内蔵される。誘導エネルギー蓄積型のパルス発生回路においては、望ましくは、スイッチング素子としてＳＩ（静電誘導）サイリスタが選択される。しかし、誘導エネルギー蓄積型以外のパルス発生回路がパルス電源１００４に内蔵されてもよく、ＳＩサイリスタ以外がスイッチング素子として選択されてもよい。

図９は、誘導エネルギー蓄積型のパルス発生回路の回路図である。

図９に示すように、パルス発生回路１１００は、直流電源１１０２と、トランス１１０４と、ＳＩサイリスタ１１０５と、ＭＯＳＦＥＴ（酸化金属半導体電界効果トランジスタ）１１０６と、ダイオード１１０８と、駆動回路１１１０と、キャパシタ１１１２と、を備える。直流電源１１０２は、内蔵されてもよいし、外付けされてもよい。

直流電源１１０２の正極から負極へ至る直流供給経路１１１４には、トランス１１０４の１次側巻線１１１６と、ＳＩサイリスタ１１０５のアノード・カソード間と、ＭＯＳＦＥＴ１１０６のドレイン・ソース間と、が挿入される。トランス１１０４の１次側巻線１１１６の一端は直流電源１１０２の正極に接続され、トランス１１０４の１次側巻線１１１６の他端はＳＩサイリスタ１１０５のアノードに接続され、ＳＩサイリスタ１１０５のカソードはＭＯＳＦＥＴ１１０６のドレインに接続され、ＭＯＳＦＥＴ１１０６のソースは直流電源１１０２の負極に接続される。ＭＯＳＦＥＴ１１０６のゲートには駆動回路１１１０から駆動信号が与えられる。直流供給経路１１１４は、ＳＩサイリスタ１１０５、ＭＯＳＦＥＴ１１０６及びゲート駆動回路１１１０からなるスイッチにより開閉される。

ＳＩサイリスタ１１０５のゲートは、ダイオード１１０８を経由してトランス１１０４の１次側巻線１１１６の一端に接続される。ダイオード１１０８のアノードはＳＩサイリスタ１１０５のゲートに接続され、ダイオード１１０８のカソードはトランス１１０４の１次側巻線１１１６の一端に接続される。

トランス１１０４の２次側巻線１１１８の一端はパルス電源１００４の正極１０２０に接続され、トランス１１０４の２次側巻線１１１８の他端はパルス電源１００４の負極１０２２に接続される。トランス１１０４がインダクタに置き換えられ、インダクタの両端からパルス電圧が直接的に取り出されてもよい。

キャパシタ１１１２は、直流電源１１０２に並列接続される。

（パルス発生回路の動作）
駆動回路１１１０からＭＯＳＦＥＴ１１０６のゲートへのオン信号の入力が始まりＭＯＳＦＥＴ１１０６がターンオンすると、ＳＩサイリスタ１１０５のゲートが正バイアスされ、ＳＩサイリスタ１１０５もターンオンする。これにより、直流供給経路１１１４が閉じられる。直流供給経路１１１４が閉じられると、トランス１１０４の１次側巻線１１１６への直流の供給が始まり、トランス１１０４への誘導エネルギーの蓄積が始まる。

駆動回路１１１０からＭＯＳＦＥＴ１１０６へのオン信号の入力が終わり、ＭＯＳＦＥＴ１１０６がターンオフすると、トランス１１０４の１次側巻線１１１６に流れていた電流がＳＩサイリスタ１１０５に転流してＳＩサイリスタ１１０５のゲートが負バイアスされ、ＳＩサイリスタ１１０５が高速にターンオフする。これにより、直流供給経路１１１４が高速に開かれる。直流供給経路１１１４が高速に開かれると、相互誘導により２次側巻線１１１８に誘導起電力が発生し、パルス電源１００４の正極１０２０と負極１０２２２との間に立ち上がり時の電圧Ｖの時間上昇率ｄＶ／ｄｔが大きいパルス電圧が出力される。

（パルス電圧の波形の概略）
望ましくは、パルス電圧のパルス幅は半値全幅（ＦＷＨＭ）で概ね１０〜１０００ｎｓであり、立ち上がり時の電圧Ｖの時間変化率ｄＶ／ｄｔは概ね３０〜３０００ｋＶ／μｓであり、単位時間あたりの繰り返し数は概ね１００ｐｐｓ〜数十ｋｐｐｓであり、ピーク電圧は概ね１０〜３０ｋＶである。望ましい範囲について「概ね」と述べているのは、リアクタ１００２の構造、リアクタ１００２の材質、ガスの圧力、ガスの流量等によっては、望ましい範囲が上述の範囲よりも広くなる場合もありうるからである。

（ダイレクト方式によるガスの処理）
図１０は、ダイレクト方式によるガスの処理を説明する図である。

図１０に示すように、プラズマ処理装置１０００がダイレクト方式でガスを処理する場合は、ガス供給系１００８から流路１０１８の入口１０３０に処理されるガスが供給され、処理されるガスが流路１０１８に流される。また、アノード１０６０とカソード１０６２との間にパルス電圧が印加される。これにより、ガスが活性化される。

活性化されたガスは、燃焼炉、焼成炉等の供給先へ供給される。活性化されたガスが燃焼炉へ供給される場合は、活性化されたガスは燃焼効率の向上等に寄与する。活性化されたガスが焼成炉へ供給される場合は、活性化されたガスは熱処理の促進に寄与する。

（ダイレクト方式による固体構造物の処理）
図１１は、ダイレクト方式による固体構造物の処理を説明する図である。

図１１に示すように、プラズマ処理装置１０００がダイレクト方式で固体構造物Ｗを処理する場合は、プラズマが発生する空間に処理される固体構造物Ｗが配置される。また、ガス供給系１００８から流路１０１８の入口１０３０にガスが供給され、ガスが流路１０１８に流される。さらに、アノード１０６０とカソード１０６２との間にパルス電圧が印加される。これにより、ガスが活性化され、活性化されたガスが固体構造物Ｗに作用し、固体構造物Ｗが処理される。固体構造物Ｗの処理には、表面のぬれ性を向上する処理（改質）、表面に付着した微生物を死滅させる処理（滅菌又は殺菌）等がある。

（リモート方式による固体構造物Ｗの処理）
図１２は、リモート方式による固体構造物の処理を説明する図である。

図１２に示すように、プラズマ処理装置１０００がリモート方式で固体構造物Ｗを処理する場合は、流路１０１８の出口１０３２の外側に固体構造物Ｗが配置される。また、ガス供給系１００８から流路１０１８の入口１０３０にガスが供給され、ガスが流路１０１８に流される。さらに、アノード１０６０とカソード１０６２との間にパルス電圧が印加される。これにより、ガスが活性化され、活性化されたガスが固体構造物Ｗに作用し、固体構造物Ｗが処理される。

（ガスの種類及び液体の使用）
ガスとしては、例えば、空気、窒素（Ｎ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）、過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）、テトラフルオロメタン（ＣＦ₄）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ₃）等が選択される。ガス供給系１００８に代えて液体供給系が設けられ、ガスに代えて液体が使用されてもよい。液体としては、例えば、水、アルコール、酸性水溶液、アルカリ性水溶液等が選択される。より一般的には、ガス、液体等の流体が流路１０１８に流される。

｛第２実施形態｝
第２実施形態は、第１実施形態のアノード及びカソードに代えて使用されるアノード及びカソードに関する。第１実施形態のアノード及びカソードと第２実施形態のアノード及びカソードとの違いは、電極（電極被覆）の表面に形成される凹構造にある。

図１３及び図１４は、それぞれ、第２実施形態のアノード及びカソードの模式図である。図１３及び図１４は、斜視図である。

図１３に示すように、第２実施形態のアノード２０００の表面２００２には多数の軸方向溝２００４が形成される。溝方向溝２００４は、アノード２０００の表面２００２の全体又は一部に分布する。軸方向溝２００４は、周辺よりもアノード２０００の内部に向かって後退しており、周方向について帯電する範囲を狭める凹構造となる。軸方向溝２００４は、アノード２０００の軸方向に延在し、アノード２０００の周方向に繰り返し刻まれる。これにより、アノード２０００の表面２００２に形成される放電柱が増加し、ガスが効率よく活性化され、プラズマ処理が効率よく行われる。

望ましくは、図１４に示すように、第２実施形態のカソード２００６の表面２００８にも多数の軸方向溝２０１０が形成される。軸方向溝２０１０は、カソード２００６の表面２００８の全体又は一部に分布する。軸方向溝２０１０は、周辺よりもカソード２００６の内部に向かって後退しており、周方向について帯電する範囲を狭める凹構造となる。軸方向溝２０１０は、カソード２００６の軸方向に延在し、カソード２００６の周方向に繰り返し刻まれる。

｛第３実施形態｝
第３実施形態は、第１実施形態のアノード及びカソードに代えて使用されるアノード及びカソードに関する。第１実施形態のアノード及びカソードと第３実施形態のアノード及びカソードとの違いは、電極（電極被覆）の表面に形成される凹構造にある。

図１５及び図１６は、それぞれ、第３実施形態のアノード及びカソードの模式図である。図１５及び図１６は、斜視図である。

図１５に示すように、第３実施形態のアノード３０００の表面３００２には多数の周方向溝３００４が形成される。周方向溝３００４は、アノード３０００の表面３００２の全体又は一部に分布する。周方向溝３００４は、周辺よりもアノード３０００の内部に向かって後退しており、軸方向について帯電する範囲を狭める凹構造となる。周方向溝３００４は、アノード３０００の周方向に延在し、アノード３０００の軸方向に繰り返し刻まれる。これにより、アノード３０００の表面３００２に形成される放電柱が増加し、ガスが効率よく活性化され、プラズマ処理が効率よく行われる。

望ましくは、図１６に示すように、第３実施形態のカソード３００６の表面３００８にも周方向溝３０１０が形成される。周方向溝３０１０は、カソード３００６の表面３００８の全体又は一部に分布する。周方向溝３００８は、周辺よりもカソード３００６の内部に向かって後退しており、軸方向について帯電する範囲を狭める凹構造となる。周方向溝３０１０は、カソード３００６の周方向に延在し、カソード３００６の軸方向に繰り返し刻まれる。

｛その他｝
本発明は詳細に示され記述されたが、上記の記述は全ての局面において例示であって限定的ではない。しがって、本発明の範囲からはずれることなく無数の修正及び変形が案出されうると解される。特に、一の実施形態の技術的事項と他の実施形態の技術的事項とを組み合わせることは当然に予定されている。

１０００ プラズマ処理装置
１００２ リアクタ
１００４ パルス電源
１００６ 配線
１０１０ チャンバ
１０１２ 第１の電極
１０１４ 第２の電極
１０１６ 第３の電極
１０１８ 流路
１０６０，２０００，３０００ アノード
１０６２，２００６，３００６ カソード
１０６４，１０７０ エンボス
２００４，２０１０ 軸方向溝
３００４，３０１０ 周方向溝

Claims (10)

1. プラズマ処理装置であって、
   流路を持つ構造物と、
   前記流路の途中にあり、第１の流体通過面を横切り、前記第１の流体通過面の一部を占める第１の電極と、
   前記流路の途中にあり、前記第１の電極より前記流路の上流側にあり、第２の流体通過面を横切り、前記第２の流体通過面の一部を占め、前記流路の軸方向に間隔を置いて前記第１の電極と対向する第２の電極と、
   前記流路の途中にあり、前記第１の電極より前記流路の下流側にあり、第３の流体通過面を横切り、前記第３の流体通過面の一部を占め、前記流路の軸方向に間隔を置いて前記第１の電極と対向する第３の電極と、
   正極と負極との間にパルス電圧を出力するパルス電源と、
   前記第１の電極、前記第２の電極及び前記第３の電極のうちのアノードを前記正極に接続し、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記第３の電極のうちのカソードを前記負極に接続し、前記第２の電極及び前記第３の電極を前記パルス電源の同一の極に接続する配線と、
   を備え、
   前記アノードは、
   導電体からなるアノード本体と、
   絶縁体からなり、前記アノード本体を被覆するアノード被覆と、
   を備え、
   第１の凹構造が前記アノード被覆の表面に形成され、前記第１の凹構造の群が前記アノード被覆の表面に分布する
   プラズマ処理装置。
2. 請求項１のプラズマ処理装置において、
   前記第１の凹構造は、閉じた輪郭線に囲まれる平面形状を有する第１のエンボスである
   プラズマ処理装置。
3. 請求項２のプラズマ処理装置において、
   前記アノード被覆は、０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の層厚を有し、
   前記第１のエンボスの各々は、前記アノード被覆の表面において０．００７８ｍｍ²以上１０ｍｍ²以下の表面積を占め、前記アノード被覆の層厚の２％以上５０％以下の深さを有する
   プラズマ処理装置。
4. 請求項１のプラズマ処理装置において、
   前記第１の凹構造は、前記アノードの軸方向に延在する第１の軸方向溝であり、前記第１の軸方向溝が前記アノードの周方向に繰り返し刻まれる
   プラズマ処理装置。
5. 請求項１のプラズマ処理装置において、
   前記第１の凹構造は、前記アノードの周方向に延在する第１の周方向溝であり、前記第１の周方向溝が前記アノードの軸方向に繰り返し刻まれる
   プラズマ処理装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれかのプラズマ処理装置において、
   前記カソードは、
   導電体からなるカソード本体と、
   絶縁体からなり、前記カソード本体を被覆するカソード被覆と、
   を備え、
   第２の凹構造が前記カソード被覆の表面に形成され、前記第２の凹構造の群が前記カソード被覆の表面に分布する
   プラズマ処理装置。
7. 請求項６のプラズマ処理装置において、
   前記第２の凹構造は、閉じた輪郭線に囲まれる平面形状を有する第２のエンボスである
   プラズマ処理装置。
8. 請求項７のプラズマ処理装置において、
   前記カソード被覆は、０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の層厚を有し、
   前記第２のエンボスの各々は、前記カソード被覆の表面において０．００７８ｍｍ²以上１０ｍｍ²以下の表面積を占め、前記カソード被覆の層厚の２％以上５０％以下の深さを有する
   プラズマ処理装置。
9. 請求項６のプラズマ処理装置において、
   前記第２の凹構造は、前記カソードの軸方向に延在する第２の軸方向溝であり、前記第２の軸方向溝が前記カソードの周方向に繰り返し刻まれる
   プラズマ処理装置。
10. 請求項６のプラズマ処理装置において、
    前記第２の凹構造は、前記カソードの周方向に延在する第２の周方向溝であり、前記第２の周方向溝が前記カソードの軸方向に繰り返し刻まれる
    プラズマ処理装置。

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