JP2014154248A - Plasma processing device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば接着の前処理や表面洗浄を目的とし、大気圧近傍放電で生じた活性粒子を処理体に照射するプラズマ処理装置に関する。 The present invention relates to a plasma processing apparatus for irradiating a processing body with active particles generated by discharge near atmospheric pressure, for example, for pretreatment of bonding and surface cleaning.
近年、アルミなどの金属ハニカムを複合材料製シートでサンドイッチ状に接着して形成される、ハニカムサンドイッチパネルの利用が拡がっている。ハニカムサンドイッチパネルは、軽量でありながら高い強度を有するため、航空宇宙分野、電鉄分野、建材分野などで用いられている。ハニカムサンドイッチパネル構造では、金属ハニカムと複合材料製シートの接着強度は主要な特性の一つであり、接着強度を向上させるプラズマ処理の適用が期待されている。
従来、プラズマ処理装置として、高周波電圧が印加される電極を、セラミック製の内側板と外側板で覆い、電極の先端にマイクロプラズマを発生させると共に、セラミック板の間のガス流路から被処理物の処理を施す線、あるいは点に向かってガスを噴出するエッチング装置が示されている。この構成によれば、例えば不活性ガスとしてヘリウムを、反応ガスとして六フッ化硫黄を用いることで、被処理物の表面の微小部分に対してエッチング加工を施したものが知られている(特許文献1参照)。
In recent years, the use of honeycomb sandwich panels formed by bonding metal honeycombs such as aluminum in a sandwich shape with a composite material sheet has been expanding. Honeycomb sandwich panels are lightweight and have high strength, and are used in the aerospace field, electric railway field, building material field, and the like. In the honeycomb sandwich panel structure, the adhesive strength between the metal honeycomb and the composite material sheet is one of the main characteristics, and application of plasma treatment for improving the adhesive strength is expected.
Conventionally, as a plasma processing apparatus, an electrode to which a high frequency voltage is applied is covered with an inner plate and an outer plate made of ceramic, and microplasma is generated at the tip of the electrode, and processing of an object to be processed from a gas flow path between the ceramic plates. An etching apparatus for ejecting gas toward a line or a point to be subjected to is shown. According to this structure, for example, helium is used as an inert gas and sulfur hexafluoride is used as a reaction gas, so that a minute portion on the surface of an object to be processed is etched (patent) Reference 1).
また、電界印加電極と板状の接地電極の間でプラズマを発生させ、接地電極に形成された吹き出し口から処理体に対して処理ガスを照射するプラズマ処理装置が知られている(特許文献2参照)。ここでは、吹き出し口は、接地電極の厚さ方向に一定方向に傾斜して貫通している。
このプラズマ処理装置によれば、処理ガスを斜めに方向性をつけて吹き出すことができ、乱流化を防止でき、排ガスを接地電極と被処理体との間からスムーズに排出することができ、滞留を防止することができる。
There is also known a plasma processing apparatus that generates plasma between an electric field application electrode and a plate-like ground electrode and irradiates a processing body with a processing gas from a blowout port formed in the ground electrode (Patent Document 2). reference). Here, the blow-out opening penetrates in a fixed direction in the thickness direction of the ground electrode.
According to this plasma processing apparatus, the processing gas can be blown obliquely and directed to prevent turbulence, and the exhaust gas can be smoothly discharged from between the ground electrode and the object to be processed. Retention can be prevented.
しかしながら、上記特許文献1に示されるプラズマ処理装置は、被処理物に対して垂直な面に高圧電極と内側板、外側板が並んでおり、かつ、高圧電極の被処理物側の先端は尖った構造をしている。このため、例えば金属ハニカムのような中空構造を持つ部材の、狭小な端面を処理しようとした場合、電極とハニカム構造体の端面間でアーク放電が発生し、ハニカム構造体を破損させる恐れがある。
また、被処理物の表面の処理を施す点、あるいは線に向かってガスを吹き出すことで、狭い領域を選択的に処理することができるが、逆に大型の被処理物を高速で処理しようとした場合、電極を複数用意するなど、装置構成部品の増加や装置自身の大型化が不可避となる。
However, in the plasma processing apparatus disclosed in
In addition, by processing gas on the surface of the workpiece or blowing gas toward the line, it is possible to selectively process a narrow area, but on the contrary, try to process a large workpiece at high speed. In this case, it is inevitable to increase the number of component parts of the apparatus and increase the size of the apparatus itself, such as preparing a plurality of electrodes.
また、上記特許文献2に示されるプラズマ処理装置は、接地電極に形成された吹き出し口が一定方向に傾斜を有することで、平板状の処理体に対しては排気がスムーズになる効果が得られるが、ハニカム構造体など、プラズマの吹き出し方向と処理面のなす角度が一定とならない面に対して処理をする場合には、プラズマ処理が方向によって不均一になる課題がある。
In addition, the plasma processing apparatus disclosed in
この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、ハニカム構造体などの中空構造を有する部材の表面を効率的に処理することができるプラズマ処理装置を得ることを目的とする。 An object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus capable of efficiently treating the surface of a member having a hollow structure such as a honeycomb structure. To do.
この発明に係るプラズマ処理装置は、接地電極と、この接地電極と空隙を介して対向して配置されているとともに、少なくとも前記空隙側の表面が誘電体で覆われた導電層を有する高圧電極と、を備え、前記空隙に放電に供されるガスを供給し、前記高圧電極に高電圧を印加することで前記空隙に大気圧近傍で放電を発生させ、前記放電で生じた活性粒子を含む放電ガスを前記接地電極に形成されたガス噴出し穴から噴出させ、前記活性粒子を前記接地電極に対向した処理体に接触させることで、前記処理体の表面を処理するプラズマ処理装置であって、
少なくとも一対の前記ガス噴出し穴は、前記放電ガスが前記接地電極と前記処理体との間で互いに交差するように指向している。
A plasma processing apparatus according to the present invention includes a ground electrode, a high-voltage electrode having a conductive layer disposed so as to face the ground electrode with a gap, and at least the surface on the gap side is covered with a dielectric. A discharge containing active particles generated in the discharge by supplying a gas to be discharged to the gap and applying a high voltage to the high-voltage electrode to generate a discharge in the vicinity of atmospheric pressure. A plasma processing apparatus for processing a surface of the processing body by ejecting gas from a gas ejection hole formed in the ground electrode and bringing the active particles into contact with the processing body facing the ground electrode,
At least a pair of the gas ejection holes are directed so that the discharge gas intersects between the ground electrode and the processing body.
この発明に係るプラズマ処理装置によれば、少なくとも一対のガス噴出し穴は、放電ガスが接地電極と処理体との間で互いに交差するように指向しているので、前記接地電極と前記処理体との間で放電ガスのガス流が交差して乱流が発生して、処理体の表面近傍に活性粒子が滞留し、表面は効率良く処理される。 According to the plasma processing apparatus of the present invention, since at least the pair of gas ejection holes are directed so that the discharge gas intersects between the ground electrode and the processing body, the ground electrode and the processing body The gas flows of the discharge gas intersect with each other to generate a turbulent flow, the active particles stay in the vicinity of the surface of the processing body, and the surface is efficiently processed.
以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or equivalent members and parts will be described with the same reference numerals.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。
このプラズマ処理装置は、大気圧プラズマユニット1と、この大気圧プラズマユニット1に接続され、大気圧プラズマユニット1を水平方向に往復動させる駆動機構12と、を備えている。
大気圧プラズマユニット1は、接地電極2と、この接地電極2と空隙7を介して対向した高圧電極3と、高圧電極3を覆った筐体4と、この筐体4のガス供給口10に先端部が接続された配管23と、この配管23の第1の配管部23aに取り付けられた第1の流量調節器9aと、配管23の第2の配管部23bに取り付けられた第2の流量調節器9bと、高圧電極3に電気的に接続された高圧電源8と、を備えている。
高圧電極3は、誘電体5と、その内部に埋設された導電層6とから構成されている。導電層6は、高圧電源8と接続されており、接地電極2は、電気的に接地されている。
接地電極2の空隙7の反対側には処理体であるハニカム構造体13が置かれている。
このハニカム構造体13は、例えばアルミニウム等で構成され、このハニカム構造体13を複合材料製シートでサンドイッチ状に接着することでハニカムサンドイッチパネルとして製造される。
1 is a sectional view showing a plasma processing apparatus according to
The plasma processing apparatus includes an atmospheric
The atmospheric
The
On the opposite side of the
The
不活性ガスである窒素ガスは、第1の配管部23aを通過し、また乾燥空気は、第2の配管部23bを通過して、窒素ガス及び乾燥空気が合流して混合ガスとし、筐体4に形成されたガス供給口10から筐体4の内部に供給される。
接地電極2には、ガス噴出し穴である対のスリット11a、11bが接地電極2を厚さ方向に貫通して形成されている。スリット11a、11bは、その一部が、ガス流の下流に向かうにつれて、互いの距離が近接するような下側に突出した湾曲面90a、90bを有しており、スリット11a、11bを通過した放電ガス(空隙7で放電により生じた原子状酸素を含むガス)のガス流は、接地電極2とハニカム構造体13との間において交差する。
Nitrogen gas, which is an inert gas, passes through the
The
次に、上記実施の形態1のプラズマ処理装置の動作について説明する。
先ず、窒素ガスが第1の配管部23aを通じて、乾燥空気が第2の配管部23bを通じてそれぞれ筐体4の内部に供給される。
このとき、第1の流量調節器9a及び第2の流量調節器9bにより、放電に供されるガスである混合ガス中の酸素濃度が100ppm程度となるように、窒素ガス及び乾燥空気のガス流量を調節する。
筐体4の内部に供給された混合ガスは、高圧電極3の外周から中心に向けて空隙7を通り、スリット11a、11bを通って筐体4の外部に噴出される。
ここで、接地電極2とハニカム構造体13の表面であるハニカム端面28の間の距離D(m)を、噴出したガス31の速度v(m/s)で除して得られる輸送時間t(s)が1ミリ秒以下となるように、混合ガスの供給量と、スリット11a、11bの開口面積が決められている。
そして、高圧電源8を動作させ、導電層6に交流の高電圧を印加することにより空隙7において大気圧近傍でプラズマ25が形成される。
プラズマ場では様々な反応が生じるが、特に(1)式の反応が起こり、活性粒子である原子状酸素を含む放電ガスが生成される。
Next, the operation of the plasma processing apparatus of the first embodiment will be described.
First, nitrogen gas is supplied to the inside of the
At this time, the gas flow rates of the nitrogen gas and the dry air are set so that the oxygen concentration in the mixed gas, which is the gas supplied to the discharge, becomes about 100 ppm by the first
The mixed gas supplied to the inside of the
Here, the transport time t () obtained by dividing the distance D (m) between the
Then, by operating the high voltage power supply 8 and applying an alternating high voltage to the conductive layer 6, a
Various reactions occur in the plasma field. In particular, the reaction of the formula (1) occurs, and a discharge gas containing atomic oxygen as active particles is generated.
O2+e → O+O+e‥‥‥‥‥‥(1) O 2 + e → O + O + e (1)
図2は、接地電極2及びその近傍を示す模式図である。
図2に示す様に、(1)の反応で生じた原子状酸素を含む放電ガスは、スリット11a、11bを通過した後、接地電極2とハニカム構造体13の表面であるハニカム端面28との間のガス交差点26において交差する。
これにより、ガス交差点26の近傍で乱流が発生し、原子状酸素を含む放電ガスは、ハニカム構造体13の深さ方向に流れるのではなく、ハニカム構造体13のハニカム端面28に沿ったラジカル滞留場27に滞留する。
そして、駆動機構12により大気圧プラズマユニット1を、水平な方向に移動させることで、ハニカム端面28の全域が効率的に処理される。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the
As shown in FIG. 2, the discharge gas containing atomic oxygen generated in the reaction (1) passes through the
As a result, turbulent flow is generated in the vicinity of the
Then, by moving the atmospheric
次に、この実施の形態のプラズマ処理装置を用いた場合に、ハニカム構造体13のハニカム端面28が効率的に処理される理由について説明する。
プラズマ25中で生成された原子状酸素は、プラズマ場を出てからハニカム構造体13に到達するまでの輸送場において、通常雰囲気中の酸素との(2)式の反応により高速度で消滅する。
Next, the reason why the
Atomic oxygen generated in the
O+O2+M → O3+M‥‥‥‥‥‥(2)
ここでO3はオゾンであり、Mは雰囲気に存在するあらゆる原子、分子を示す。
(2)式の反応で原子状酸素が消滅しオゾンが生成されるが、オゾンは原子状酸素と比べて活性が低く、表面処理効果が著しく小さい。また(2)式の反応頻度は、輸送場の酸素濃度に比例する。平面状処理体の大気圧プラズマ処理を行う場合には、輸送場から外気が迅速に排除され低酸素濃度雰囲気となる。
このため、(2)式の反応が抑制され、原子状酸素が処理体に届きやすく、従来装置でも効果的な処理が達成できた。
一方、処理体がハニカム構造体や箱型部材など、中空構造を持つ部材の場合、輸送場に低酸素濃度雰囲気が形成され難いため、(2)の反応が顕著に発生し、原子状酸素の多くが処理体に届く前に消滅する。このため、従来装置では、十分な処理効果が得られなかった。
O + O 2 + M → O 3 + M (2)
Here, O 3 is ozone, and M is any atom or molecule present in the atmosphere.
In the reaction of formula (2), atomic oxygen disappears and ozone is generated. However, ozone is less active than atomic oxygen, and the surface treatment effect is remarkably small. Further, the reaction frequency of the equation (2) is proportional to the oxygen concentration in the transport field. When the atmospheric pressure plasma treatment is performed on the planar processed body, the outside air is quickly removed from the transport field, resulting in a low oxygen concentration atmosphere.
For this reason, the reaction of the formula (2) is suppressed, atomic oxygen can easily reach the treatment body, and an effective treatment can be achieved even with the conventional apparatus.
On the other hand, when the treatment body is a member having a hollow structure such as a honeycomb structure or a box-shaped member, since the low oxygen concentration atmosphere is difficult to be formed in the transport field, the reaction (2) occurs remarkably, and the atomic oxygen Many disappear before reaching the treatment object. For this reason, the conventional apparatus cannot obtain a sufficient processing effect.
ここで、輸送場の酸素濃度をパラメータとして、原子状酸素数密度の消滅速度を計算した結果を図3に示す。
なお、(2)式の反応速度係数は、非特許文献(I A Kossyi, A Yu Kostinsky, A A Maveyev and V P Silakov, “Kinetic scheme of the non-equilibrium discharge in nitrogen oxygen mixtures”, Plasma Sources Sci. Technol, 1 (1992) 207-220)から6.7×10-34 (cm6/s)を用い、時間ゼロにおける原子状酸素数密度を1×1015(cm-3)とした。
Here, the result of calculating the disappearance rate of the atomic oxygen number density using the oxygen concentration of the transport field as a parameter is shown in FIG.
It should be noted that the reaction rate coefficient of the formula (2) is calculated according to non-patent literature (IA Kossyi, A Yu Kostinsky, AA Maveyev and VP Silakov, “Kinetic scheme of the non-equilibrium discharrge in nitrogen oxygen mixture”, Plasma Sources Sci. Technol. , 1 (1992) 207-220) to 6.7 × 10 −34 (cm 6 / s), and the atomic oxygen number density at time zero was set to 1 × 10 15 (cm −3 ).
図3より、輸送場の酸素濃度の増加に伴い、原子状酸素の消滅速度が著しく増加することが分かる。
本願の発明者は、大気圧プラズマユニット1に0.01〜0.1%の酸素濃度のガスを供給し、処理対象に金属のハニカム構造体13を用いた際の、輸送場の酸素濃度を酸素濃度計により測定した。
その結果、放電ガスの流量や金属ハニカム構造体13の形状などによって多少異なるものの、おおよそ0.1〜1%との結果を得た。
従って、図3より、プラズマ場を通過した原子状酸素を、1ミリ秒以内にハニカム構造体13にまで到達させれば、その数密度低下は1桁程度以内に収まり、高い効率で処理がなされると予想された。
一方、接地電極2とハニカム構造体13との接触を避けるために、一般に、両者の間には数ミリメートル程度のクリアランスが必要となる。
従って、接地電極2とハニカム端面28の間の距離D(m)を、噴出したガス31の速度v(m/s)で除して得られる輸送時間t(s)が1ミリ秒以下となるように設定する必要がある。
From FIG. 3, it can be seen that the rate of disappearance of atomic oxygen increases remarkably as the oxygen concentration in the transport field increases.
The inventor of the present application supplies an oxygen concentration of 0.01 to 0.1% to the atmospheric
As a result, a result of approximately 0.1 to 1% was obtained, although it varied somewhat depending on the flow rate of the discharge gas and the shape of the
Therefore, as shown in FIG. 3, if the atomic oxygen that has passed through the plasma field reaches the
On the other hand, in order to avoid contact between the
Therefore, the transport time t (s) obtained by dividing the distance D (m) between the
一方、図3より分かるように、輸送時間が短いほど、即ち放電ガス噴出し速度が高いほど、原子状酸素が高い数密度のまま処理対象に供給することができる。
噴出し速度を高くするには、放電に供される混合ガスの供給量を増やす方法と、スリット11a、11bの開口面積を狭くする方法がある。
前者は、混合ガス使用量の増加に伴うランニングコストの増大や、大流量ガスをプラズマ化するための電力の増加、装置の大型化を引き起こすことから、好ましくない。
一方、後者でも、以下の理由により効率的にハニカム構造体13の処理を行うことはできない。
On the other hand, as can be seen from FIG. 3, the shorter the transport time, that is, the higher the discharge gas ejection speed, the higher the atomic oxygen can be supplied to the object to be processed.
In order to increase the ejection speed, there are a method of increasing the supply amount of the mixed gas supplied to the discharge and a method of narrowing the opening areas of the
The former is not preferable because it causes an increase in running cost associated with an increase in the amount of mixed gas used, an increase in power for converting a large flow rate gas into plasma, and an increase in the size of the apparatus.
On the other hand, even in the latter case, the
図4(a)は、幅広鉛直スリット30を有する場合を示す模式図、図4(b)は、幅狭鉛直スリット32を有する場合の模式的に示す。
図4(a)の場合、ガス噴出し部の開口面積が大きいため、プラズマ25からの噴出したガス31の速度が遅い。このため、輸送時間が長く、原子状酸素の多くはハニカム構造体13に到達する前に消滅し、効果的な表面処理がなされない。
一方、図4(b)の場合、ガス噴出し部の開口面積が小さいため、プラズマ25からの噴出したガス33の速度が速い。このため、輸送時間が短く、原子状酸素の多くがハニカム構造体13に到達する。
しかしながら、プラズマ処理装置をハニカム構造体13と水平な方向に駆動させて処理する際、噴出したガス33の幅が狭いため、極めて短時間でハニカム構造体13の隔壁を通過する一方、ハニカム構造体13の深さ方向にまで原子状酸素が到達することになる。
一般に、ハニカムサンドイッチパネルの製造において、ハニカム構造体13の接着部は端面のごく近傍であり、この部分のみをプラズマ処理できればよい。接着されない部分にまで原子状酸素が到達すると、プラズマ処理の効率が低下することから、ハニカム構造体13の端面近傍に集中して供給することが望ましい。
4A is a schematic diagram illustrating a case where the wide
In the case of FIG. 4A, since the opening area of the gas ejection portion is large, the velocity of the
On the other hand, in the case of FIG. 4B, since the opening area of the gas ejection portion is small, the velocity of the
However, when the plasma processing apparatus is driven in the horizontal direction with respect to the
In general, in the manufacture of a honeycomb sandwich panel, the bonded portion of the
以上のことから、ハニカム構造体13のような中空構造を持つハニカム端面28の効率的な処理を実現するには、放電ガスのスリット11a、11bからの噴出し速度を極力高くし、原子状酸素の輸送時間を短くすると共に、表面改質が必要なハニカム端面28近傍に原子状酸素の分布を集中させる必要がある。
従来のプラズマ処理装置では、スリット開口面積を狭くして原子状酸素を短時間で輸送しようとすると、ハニカム構造体13の処理効率が非常に悪くなり、逆にスリット開口面積を広くしてガスの噴出し幅を広げると、原子状酸素がハニカム構造体13のハニカム端面28に到達する前に消滅してしまうというジレンマがあった。
From the above, in order to realize an efficient treatment of the honeycomb end face 28 having a hollow structure such as the
In a conventional plasma processing apparatus, if the slit opening area is narrowed and atomic oxygen is transported in a short time, the processing efficiency of the
この実施の形態のプラズマ処理装置によれば、接地電極2とハニカム端面28の間の距離D(m)を、スリット11a、11bからの放電ガスの噴出し速度v(m/s)で除して得られる放電ガス輸送時間t(s)が1ミリ秒以下となるように設定することで、原子状酸素数密度の低下が1桁程度以内に収まり、高い効率で表面処理がなされる。
さらに、図1のスリット11a、11bに湾曲面を形成し、接地電極2とハニカム構造体13との間でガス流を交差させることで乱流が発生し、ハニカム構造体13のハニカム端面28近傍に原子状酸素の分布を集中させることができる。
これにより、従来装置では叶わなかったハニカム構造体13のハニカム端面28の効率的な処理が実現される。
According to the plasma processing apparatus of this embodiment, the distance D (m) between the
Furthermore, curved surfaces are formed in the
Thereby, the efficient process of the
なお、この発明において、大気圧近傍とは絶対圧が1/10気圧から5気圧の間を意味する。圧力が1/10気圧以下の場合、(2)式の反応レートは低くなり、原子状酸素の輸送は容易となる。このためこの発明に示される方法及び装置を適用するメリットはない。
また、圧力が5気圧を超えると、プラズマの形成に非常に高い電圧が必要となり、電源の大型化や絶縁設計の困難化に伴いコストが著しく増加し、実用に適さなくなる。
In the present invention, the vicinity of atmospheric pressure means that the absolute pressure is between 1/10 atm and 5 atm. When the pressure is 1/10 atm or less, the reaction rate of the formula (2) becomes low and the transport of atomic oxygen becomes easy. For this reason, there is no merit of applying the method and apparatus shown in the present invention.
On the other hand, if the pressure exceeds 5 atm, a very high voltage is required for plasma formation, and the cost increases remarkably as the power source becomes larger and the insulation design becomes difficult, making it unsuitable for practical use.
この実施の形態のスリット11a、11bの長さと幅は、放電ガス流量、接地電極2と処理体の距離、処理体の形状などを考慮し、放電ガス輸送時間tが1ミリ秒以下の範囲において適宜設定することができる。一般にスリット11a、11bの幅を0.05mm〜10mmとすることが望ましい。
スリット11a、11bの幅を0.05mm以下にしようとすると、加工が極めて困難となり製造コストが著しく増加するだけでなく、スリット幅が長さ方向に僅かにばらつくだけで、噴出したガスが不均一化し、均一なプラズマ処理ができなくなる。
また、スリット11a、11bの幅を10mm以上にすると、接地電極2の開口面積が大きくなり、放電ガス輸送時間tを1ミリ秒以下にするためには非常に多くの放電ガスが必要となりランニングコストが著しく増加する。
The lengths and widths of the
If the width of the
Further, if the width of the
実施の形態2.
図5(a)は、この発明の実施の形態2に係るプラズマ処理装置の接地電極22の分解斜視図、図5(b)は、接地電極22の平面図、図5(c)は、接地電極22の正断面図である。
接地電極22は、第1の接地電極部である上部接地電極部14と第2の接地電極部である下部接地電極部15から構成されている。下部接地電極部15は直方体であり、中心付近に貫通穴18が形成されている。貫通穴18の長手側の側面は、厚さ方向に対して下流側の一部が下側に突出した湾曲面19を有している。
上部接地電極部14は、直方体型であり、その外周に複数の突起16が形成されており、長手側の側面は、厚さ方向に対して下流側の一部が下側に突出した湾曲面17を有している。下部接地電極部15の貫通穴18の形状と、上部接地電極部14の突起16を含めた外寸は略同一となっており、両者を嵌め合わせることにより、接地電極22が形成される。
嵌め合わせ時に、上部接地電極部14及び下部接地電極部15の少なくとも上の面は略同一面となり、また上部接地電極部14の突起16及び側面、貫通穴18の壁面により画成されたスリット開口部20a、20bを有するスリット11a、11bが形成される。
5A is an exploded perspective view of the
The
The upper
At the time of fitting, at least the upper surfaces of the upper
図6は、この発明の実施の形態2に係るプラズマ処理装置の接地電極22に形成されたスリット11aと放電ガスのガス流の模式図である。
図6(a)及び図6(b)は、下部接地電極部15は同一形状であるが、上部接地電極部14の上湾曲面40の形状が異なる。
図6(a)の上湾曲面40は、曲率半径が図6(b)のものと比較して大きくなっており、スリット11aを通過したガス流は、上部接地電極部14の比較的上流側に剥離点42が形成され、放電ガスのガス流は、比較的下方向に向かう。
一方、図6(b)の上部接地電極部14では、剥離点42が図6(a)のものと比較して下流側に移動するため、ガス流はより横方向に向かう。結果的には図6(a)では接地電極22から垂直方向に離れた位置でガス流が交差し、(b)では接地電極22の近くで放電ガスのガス流が交差する。
FIG. 6 is a schematic diagram of the
6 (a) and 6 (b), the lower
6 (a) has a larger radius of curvature than that of FIG. 6 (b), and the gas flow that has passed through the
On the other hand, in the upper
このように、この実施の形態のプラズマ処理装置によれば、上部接地電極部14の上湾曲面40の形状を変えることにより、放電ガスのガス流の交差位置を変えることができる。
これにより、プラズマ処理装置と処理対象の距離や、要求される改質深さが変わった場合でも、容易に最適な条件でのプラズマ処理が可能となる。
また、スリット形状を図6(b)のようにすることで、対のスリット11a、11bから噴出される放電ガスが正面衝突に近い流路を辿るため、原子状酸素を処理体の表層付近により集中させることができる。
Thus, according to the plasma processing apparatus of this embodiment, the crossing position of the gas flow of the discharge gas can be changed by changing the shape of the upper
Thereby, even when the distance between the plasma processing apparatus and the object to be processed and the required modification depth are changed, it is possible to easily perform plasma processing under optimum conditions.
In addition, by making the slit shape as shown in FIG. 6B, the discharge gas ejected from the pair of
なお、この実施の形態では、上部接地電極部14のみを変えたが、下部接地電極部15のみを変える、あるいは双方を変えることでも同様の効果が得られる。
また、剥離点42は、接地電極22の曲面形状のみでなく、レイノルズ数やスリット11a、11bの表面粗さなどにも影響される。実際の装置では、これらの影響を踏まえ湾曲面形状を決定する必要がある。
また、この実施の形態では、上部接地電極部14、下部接地電極部15とも、厚さ方向の下流側の一部に上湾曲面40、下湾曲面41を形成しているが、湾曲面は厚さ方向全体にわたっていても構わない。また、湾曲面40,41を形成させる替わりに、直線状の傾斜面を形成しても構わない。
また、本実施の形態では上部接地電極部14に突起16が形成されているが、突起は下部接地電極部15に形成しても構わない。また、突起16を形成せずに、上部接地電極部14と下部接地電極15をロウ付けなどの方法により接合し、スリット11a、11bを形成することもできる。
In this embodiment, only the upper
Further, the
In this embodiment, the upper
Further, in the present embodiment, the
実施の形態3.
図7はこの発明の実施の形態3に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。
この実施の形態では、導電層は、面方向離間した第1の導電層部50a及び第2の導電層部50bで構成されている。離間した第1の導電層部50a及び第2の導電層部50bは、共通の高圧電源8に接続されており、またスリット11a、11bの入り口部であるスリット開口部20a、20bと対向している。
筐体4内に供給された混合ガスは、高圧電極3の外周側から空隙7を通るが、このとき、高圧電極3に交流高電圧を印加することで、導電層部50a、50bと接地電極2との間の領域においてプラズマ51a、51bが形成され、その後原子状酸素を含む放電ガスがスリット11a、11bを通じて外部に噴出される。
他の構成は、実施の形態1のプラズマ処理装置と同じである。
FIG. 7 is a sectional view showing a plasma processing apparatus according to
In this embodiment, the conductive layer includes a first
The mixed gas supplied into the
Other configurations are the same as those of the plasma processing apparatus of the first embodiment.
図1に示した実施の形態1のプラズマ処理装置では、スリット11aとスリット11bとの間の領域でもプラズマが形成されるが、供給ガスは空隙7の外周側からスリット11a、11bに向けて流れることから、スリット11aとスリット11bの間の領域はガスが澱むことになる。たとえこの領域でプラズマを発生させ原子状酸素が発生したとしても、接地電極2からはほとんど引き出されず、実質的に電力の無効消費となる。
また、ガスが澱む領域でプラズマを発生させると、その部分の温度が局所的に上昇し高圧電極3、接地電極2の破損に繋がることがある。
In the plasma processing apparatus of the first embodiment shown in FIG. 1, plasma is also formed in the region between the
In addition, if plasma is generated in a region where gas is stagnant, the temperature of that portion may locally rise, leading to damage to the high-
これに対して、この実施の形態によれば、導電層部50aと導電層部50bとの間でのプラズマ発生をなくし、無駄な電力消費を抑制するとともに高圧電極3、接地電極2の破損を低減させることができる。
On the other hand, according to this embodiment, generation of plasma between the
なお、この実施の形態ではスリット対は1つであるが、これを複数対としても構わない。その場合、各スリット対の中間に対向する部分で導電層部を形成しなければよい。
また、この実施の形態では、放電ガスのガス流は空隙7の外周からスリット11a、11aが形成された中心側に向かっているが、逆に中心から外周方向に流すこともできる。この場合も、スリット11a、11aに対して法線ガスのガス流の上流に位置する部分でプラズマを発生させるようにすればよい。
また、導電層50a、50bは、必ずしも誘電体5の内部に埋設する必要はなく、例えば誘電体板の空隙7と反対側面に蒸着等により導電層である導電膜を形成しても構わない。
In this embodiment, there is one slit pair, but a plurality of pairs may be used. In that case, the conductive layer portion may not be formed at a portion facing the middle of each slit pair.
In this embodiment, the gas flow of the discharge gas is directed from the outer periphery of the
In addition, the
実施の形態4.
図8は、この発明の実施の形態4に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。
この実施の形態では、大気圧プラズマユニット1は、固定されたハニカム構造体13に対して水平に左方向に移動し、かつ接地電極65には二対のスリット60a、60b及びスリット61a、61bが形成されている。
高圧電極3は、誘電体5の内部に離間した導電層部63a、63bを有し、一方の導電層部63aはスリット61bの対向面から右方向に、他方の導電層部63bはスリット60bの対向面から左方向に延設されている。
他の構成は、実施の形態1のプラズマ処理装置と同じである。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a plasma processing apparatus according to
In this embodiment, the atmospheric
The high-
Other configurations are the same as those of the plasma processing apparatus of the first embodiment.
この実施の形態では、高圧電源8から導電層部63a、63bに交流の高電圧を印加することでプラズマ62a、62bが形成される。放電ガスは、空隙7では高圧電極3の外周から中心方向に流れ、スリット60b、61bを通って外部に噴出される。
このとき、スリット60aからは原子状酸素をあまり含まないガスが噴出され、スリット60bからは原子状酸素を含むガスが噴出される。
同様に、スリット61bからは原子状酸素を含む放電ガスが噴出され、スリット61aからは原子状酸素をあまり含まないガスが噴出される。
大気圧プラズマユニット1がハニカム構造体13に対して左向きに駆動しているため、ハニカム構造体13では、スリット60a、61aから低酸素濃度ガスが供給された後に、スリット60b、61bを通じて活性粒子である原子状酸素を含む放電ガスが供給されることになる。
これにより原子状酸素噴出し時には、外気が排除され、低酸素雰囲気が形成されており、上記(2)式の反応が抑制される。
In this embodiment,
At this time, a gas not containing much atomic oxygen is ejected from the
Similarly, a discharge gas containing atomic oxygen is ejected from the
Since the atmospheric
As a result, when the atomic oxygen is ejected, outside air is excluded, a low oxygen atmosphere is formed, and the reaction of the above formula (2) is suppressed.
この実施の形態によれば、輸送場を低酸素雰囲気にすることができ、これにより、原子状酸素を効率的にハニカム構造体13にまで輸送することができ、処理効率が向上する。 また、プラズマ25形成領域が限定されているため、空隙7全体にプラズマ25を形成させる場合と比べて、電力の消費量を削減できる。
According to this embodiment, the transport field can be in a low oxygen atmosphere, whereby atomic oxygen can be efficiently transported to the
実施の形態5.
図9はこの発明の実施の形態5に係るプラズマ処理装置の放電ガス噴出し部を示す模式図である。
この実施の形態では、図2に示した実施の形態1のプラズマ処理装置にガス供給源70が付設されている。
対のスリット11a、11bを通って噴出される原子状酸素を含む放電ガスのガス流はガス交差点71において交差する。
この実施の形態では、ハニカム構造体13の下方にガス供給源70を備え、ガス交差点71に向けて拡散用ガスを供給する。このとき、大気圧プラズマユニット1とガス供給源70の位置関係は固定されており、ハニカム構造体13がその間を水平方向に移動する。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a discharge gas ejection portion of a plasma processing apparatus according to
In this embodiment, a
The gas flow of the discharge gas containing atomic oxygen ejected through the pair of
In this embodiment, a
この実施の形態によれば、ガス供給源70がない場合と比較して、ラジカル滞在場72はさらに横方向に広がり、結果的にハニカム構造体13のハニカム端面28近傍により多くの原子状酸素を集中分布させることができる。これにより、ハニカム構造体13の表面処理速度が向上する。
According to this embodiment, compared to the case where there is no
なお、この実施の形態において、ガス供給源70から供給される拡散用ガスとして、例えば窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスを使用してもよい。この場合には輸送場を低酸素雰囲気にする効果がある。また空気を供給した場合、ハニカム構造体13の深さ方向への原子状酸素の拡散が抑制され、材料の劣化を抑制できる。また、これ以外のガスを用いてもよいし、混合ガスを用いてもよい。
また、この実施の形態では、大気圧プラズマユニット1とガス供給源70との位置関係を固定してハニカム構造体13を水平方向に移動させているが、ハニカム構造体13を固定し、大気圧プラズマユニット1とガス供給源70を同一の速度で水平方向に駆動させてもよい。
In this embodiment, an inert gas such as nitrogen, argon or helium may be used as the diffusion gas supplied from the
In this embodiment, the positional relationship between the atmospheric
実施の形態6.
図10は、この発明の実施の形態6に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。
この実施の形態では、筐体4に接地電極2とハニカム構造体13との間の距離を検出する位置センサー80が設けられている。また、駆動機構12は、大気圧プラズマユニット1を垂直方向に移動させる調整機構であるアクチュエータ81を有している。
他の構成は、実施の形態1のプラズマ処理装置と同じである。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 10 is a sectional view showing a plasma processing apparatus in accordance with Embodiment 6 of the present invention.
In this embodiment, a position sensor 80 that detects the distance between the
Other configurations are the same as those of the plasma processing apparatus of the first embodiment.
この実施の形態では、大気圧プラズマユニット1を水平方向に駆動させてハニカム構造体13のハニカム端面28を処理する際、位置センサー80により、ハニカム構造体13のハニカム端面28と大気圧プラズマユニット1との距離を監視し、そのデータをもとに接地電極2とハニカム構造体13のハニカム端面28との距離が略一定となるように、アクチュエータ81を駆動させる。
In this embodiment, when the atmospheric
この発明に係るプラズマ処理装置では、対のスリット11a、11bから噴出される原子状酸素を含む放電ガスを、接地電極2とハニカム構造体13との間で交差させるため、大気圧プラズマユニット1とハニカム構造体13のハニカム端面28との距離を所定値に保つ必要がある。
一方、大型のハニカム構造体13を処理する際、ハニカム構造体13によってはハニカム端面28にうねりや微小な段差が存在することがある。この場合、均一なプラズマ処理を達成するには、大気圧プラズマユニット1の高さを随時調節する必要がある。
この実施の形態によれば、位置センサー80及びアクチュエータ81を備えることによって、うねりや段差がある処理対象であるハニカム構造体13においても、大気圧プラズマユニット1とハニカム構造体13との距離を一定に保持でき、ハニカム端面28の均一な処理が実現できる。
In the plasma processing apparatus according to the present invention, since the discharge gas containing atomic oxygen ejected from the pair of
On the other hand, when the
According to this embodiment, by providing the position sensor 80 and the
なお、上記各実施の形態のプラズマ処理装置では、処理体として中空構造を持つハニカム構造体について説明したが、勿論処理体としてハニカム構造体に限定されるものではなく、例えば箱型ケーシングの外周壁表面、筒状構造体の端面等の表面処理に適用することができる。
また、供給ガスに不活性ガスである窒素と乾燥空気の混合ガスを用いたが、ガス種はこれに限定されるものではない。
例えば、不活性ガスとして、アルゴンやヘリウムなどの希ガスを用いることができる。また、空気の代わりに酸素を用いても同様に原子状酸素を発生できる。
また、混合ガス中の酸素濃度は100ppm程度に限定されものではない。酸素濃度が高まれば、プラズマ中で生成される原子状酸素の数密度が向上するが輸送場での消滅速度が増加する。
従って、混合ガス中の酸素濃度は、放電ガスの流量、輸送時間、処理体の構造、放電電力などを考慮し、適宜設定する必要がある。
また、放電ガス種は必ずしも不活性ガスと酸素との混合ガスである必要はない。
例えば、放電ガスに水蒸気を用いれば、活性粒子であるOHラジカルが、水素を用いれば活性粒子である原子状水素が生成される。これらのラジカル種の減衰速度も、おおむね原子状酸素と同様であるため、この発明を適用することができる。
In the plasma processing apparatus of each of the embodiments described above, the honeycomb structure having a hollow structure has been described as the processing body. However, the processing body is not limited to the honeycomb structure, and, for example, the outer peripheral wall of the box-type casing It can be applied to the surface treatment of the surface, the end face of the cylindrical structure and the like.
Moreover, although the mixed gas of nitrogen which is inert gas and dry air was used for supply gas, gas types are not limited to this.
For example, a rare gas such as argon or helium can be used as the inert gas. Similarly, atomic oxygen can be generated by using oxygen instead of air.
Further, the oxygen concentration in the mixed gas is not limited to about 100 ppm. If the oxygen concentration is increased, the number density of atomic oxygen generated in the plasma is improved, but the annihilation rate in the transport field is increased.
Therefore, the oxygen concentration in the mixed gas needs to be appropriately set in consideration of the flow rate of the discharge gas, the transport time, the structure of the treatment body, the discharge power, and the like.
Further, the discharge gas species is not necessarily a mixed gas of an inert gas and oxygen.
For example, if water vapor is used as the discharge gas, OH radicals that are active particles are generated, and if hydrogen is used, atomic hydrogen that is active particles is generated. Since the decay rate of these radical species is almost the same as that of atomic oxygen, the present invention can be applied.
また、上記各実施の形態では、高圧電極3は、導電層6を埋設した誘電体5を用いているが、少なくとも空隙7側の表面が誘電体5で覆われた導体であればよい。誘電体材料は、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックや、ガラス、樹脂材料を用いることができる。
また、接地電極2にはステンレス、アルミ、チタンなどの金属材料を用いることができる。
また、接地電極2の空隙7側表面をセラミックなどの誘電体で覆っても構わない。こうすることで、プラズマ発生に伴う金属材料の腐食を抑制する効果や、スパッタリングによる金属コンタミネーションの発生を抑制する効果が得られる。
また、印加電圧は、交流の高電圧に限らず、時間的に極性が変化する波形であればよい。例えば両極性のパルス電圧や、鋸波電圧などを用いることができる。
In each of the above embodiments, the high-
The
Further, the surface of the
The applied voltage is not limited to an alternating high voltage, but may be any waveform whose polarity changes with time. For example, a bipolar pulse voltage or a sawtooth voltage can be used.
また、上記各実施の形態では、接地電極2に一対のスリット11a、11bが形成されているが、スリット対は複数あっても構わない。特に大型の処理対象を処理する際には、高圧電極3と接地電極2を共に大きくし、複数の対のスリット11a、11bを形成することにより高速で処理がなされる。
また、対のスリット11a、11bの形状は、必ずしも同一である必要はない。例えば一方の開口面積を他方より大きくすることができるし、また例えば湾曲面の形状を互いに異ならせることができる。
また、ガス噴出し穴は必ずしもスリットである必要はなく、放電ガスのガス流が互いに交差するように形成された複数の細孔であってもよい。
また、接地電極2の厚さ方向の一部が直線的であり、他の部分が湾曲したスリット形状は必須ではなく、厚さ方向にわたって全体が湾曲していても構わない。また、厚さ方向の少なくとも一部が傾斜した直線状のスリットを形成しても構わない。
要は、少なくとも一対のガス噴出し穴は、ガス噴出し穴から噴出する放電ガスが接地電極2と処理体であるハニカム構造体13との間で互いに交差するように先端部が指向していればよい。
In each of the above embodiments, the
Further, the shapes of the pair of
Further, the gas ejection holes are not necessarily slits, and may be a plurality of pores formed so that the gas flow of the discharge gas intersects each other.
Further, the slit shape in which a part of the
In short, at least the pair of gas ejection holes have their tip portions oriented so that the discharge gas ejected from the gas ejection holes intersects between the
また、上記各実施の形態では、処理対象であるハニカム構造体13を固定配置し、大気圧プラズマユニット1を水平方向に駆動させているが、表面処理は両者が相対動作することで実現されることは言うまでもない。
従って、大気圧プラズマユニット1を固定し、ハニカム構造体13を駆動させてもよい。
Further, in each of the above embodiments, the
Accordingly, the atmospheric
1 大気圧プラズマユニット、2,22,65 接地電極、3 高圧電極、4 筐体、5 誘電体、6 導電層、7 空隙、8 高圧電源、9a 第1の流量調節器、9b 第2の流量調節器、10 ガス供給口、11a,60a,61a,11b,60b,61b スリット(ガス噴出し穴)、12 駆動機構、13 ハニカム構造体(処理体)、14 上部接地電極部(第1の接地電極部)、15 下部接地電極部(第2の接地電極部)、16 突起、17 湾曲面、18 貫通穴、19 湾曲面、20a,20b スリット開口部(入口部)、23 配管、23a 第1の配管部、23b 第2の配管部、40 上湾曲面、41 下湾曲面、42 剥離点、25 プラズマ、26 ガス交差点、27,72 ラジカル滞留場、28 ハニカム端面、30 幅広鉛直スリット、31 ガス、32 幅狭鉛直スリット、33 ガス、50a,63a 第1の導電層部、50b,63b 第2の導電層部、51a,51b,62a,62b プラズマ、70 ガス供給源、71 ガス交差点、80 位置センサー、81アクチュエータ(調整機構)、90a 湾曲面、90b 湾曲面。 1 atmospheric pressure plasma unit, 2, 22, 65 ground electrode, 3 high voltage electrode, 4 housing, 5 dielectric, 6 conductive layer, 7 gap, 8 high voltage power supply, 9a first flow regulator, 9b second flow rate Adjuster, 10 Gas supply port, 11a, 60a, 61a, 11b, 60b, 61b Slit (gas injection hole), 12 Drive mechanism, 13 Honeycomb structure (processing body), 14 Upper ground electrode part (first ground) Electrode portion), 15 lower ground electrode portion (second ground electrode portion), 16 protrusion, 17 curved surface, 18 through hole, 19 curved surface, 20a, 20b slit opening (inlet portion), 23 piping, 23a first Piping section, 23b second piping section, 40 upper curved surface, 41 lower curved surface, 42 peeling point, 25 plasma, 26 gas intersection, 27,72 radical residence field, 28 honeycomb end surface, 30 wide Vertical slit, 31 gas, 32 narrow vertical slit, 33 gas, 50a, 63a first conductive layer portion, 50b, 63b second conductive layer portion, 51a, 51b, 62a, 62b plasma, 70 gas supply source, 71 Gas intersection, 80 position sensor, 81 actuator (adjustment mechanism), 90a curved surface, 90b curved surface.
Claims (9)
少なくとも一対の前記ガス噴出し穴は、前記放電ガスが前記接地電極と前記処理体との間で互いに交差するように指向しているプラズマ処理装置。 A ground electrode and a high-voltage electrode disposed opposite to the ground electrode via a gap, and having a conductive layer having at least a gap-side surface covered with a dielectric, and the gap is subjected to discharge. A gas to be supplied is supplied, and a high voltage is applied to the high-voltage electrode to generate a discharge in the gap near atmospheric pressure, and a discharge gas containing active particles generated by the discharge is formed on the ground electrode. A plasma processing apparatus for treating the surface of the treatment body by ejecting from a gas ejection hole and bringing the active particles into contact with the treatment body facing the ground electrode,
At least one pair of the gas ejection holes is a plasma processing apparatus in which the discharge gas is directed so as to intersect each other between the ground electrode and the processing body.
前記大気圧プラズマユニットに設けられ、この大気圧プラズマユニットを移動させる駆動機構と、を備え、
この駆動機構は、前記大気圧プラズマユニットを前記処理体に沿って移動させるようになっているとともに、前記大気圧プラズマユニットを前記処理体に対向する方向に移動させる調節機構を有している請求項1〜4の何れか1項に記載のプラズマ処理装置。 A position sensor for measuring a distance between the ground electrode and the processing body, provided in an atmospheric pressure plasma unit including the ground electrode, the high-voltage electrode, and a casing housing the high-voltage electrode in cooperation with the ground electrode; ,
A drive mechanism provided in the atmospheric pressure plasma unit and moving the atmospheric pressure plasma unit;
The drive mechanism is configured to move the atmospheric pressure plasma unit along the processing body, and has an adjustment mechanism for moving the atmospheric pressure plasma unit in a direction facing the processing body. Item 5. The plasma processing apparatus according to any one of Items 1 to 4.
前記スリットは、前記第1の接地電極部の前記貫通穴に前記第2の接地電極部が嵌着されて、前記貫通穴の壁面及び前記第2の接地電極の側面により画成されている請求項6に記載のプラズマ処理装置。 The ground electrode is composed of a first ground electrode portion having a through hole through which an intermediate portion passes, and a second ground electrode portion,
The slit is defined by a wall surface of the through hole and a side surface of the second ground electrode, with the second ground electrode portion being fitted into the through hole of the first ground electrode portion. Item 7. The plasma processing apparatus according to Item 6.
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