JP2019033054A - 大気圧プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水の使用に伴う感電、漏電等の種々の課題を一挙に解決することのできる新たな冷却手段を備えた大気圧プラズマ装置を提供することを主たる課題とする。【解決手段】大気圧プラズマ装置１は、ガスが供給される第一の領域Ｒ１と、第一の領域Ｒ１とは空間的に分離された第二の領域Ｒ２と、第一の領域Ｒ１に設けられ、供給されたガスをプラズマ化して、一方の電極側から装置外部にプラズマを放出する対向電極Ｅ１、Ｅ２と、第二の領域Ｒ２に形成されて装置内外を連通する開口２と、第二の領域Ｒ２内の空気を吸気する吸気部３と、を備え、電極の一部が第二の領域Ｒ２に配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、対向電極間にガスを供給して、このガスをプラズマ化した後、一方の電極側からターゲットに対してプラズマを放出する大気圧プラズマ装置に関する。

大気圧プラズマ装置として、対向電極間で生成されたプラズマをターゲットに向けて放出する装置として、特許文献１に記載の装置が知られている。

特許文献１に記載の装置は、上下に配置された平行平板電極を有している。上側に配置される電極には高電圧の高周波電圧が印加されていて、下側に配置される電極は電気的に接地されている。双方または片方の電極の対向面は、固体誘電体で覆われている。
対向電極間に供給されたガスはグロー放電によりプラズマ化されて、下側に配置された接地電極に形成されたスリットを通して、ターゲットに照射される。

特許文献１の装置には、長期間、安定してプラズマを供給するために、電極温度の上昇を抑制するための冷却手段が設けられている。冷却手段の例としては、電極の内部に冷却水の通路を形成しておき、ここに冷却水を流す構成や電極の表面に当てがわれた冷却管に冷却水を流す構成を使用することが述べられている。

しかしながら、これらの冷却手段は、高電圧が印加される場所に冷却水を使用していることから、冷却水の漏水や低温の冷却水を使用したときの結露による感電のリスクがあり、安全上、好ましくない。
また、冷却水に導電性があれば、冷却水を通して漏電による電力ロスが発生する。この電力ロスを抑制するためにイオン交換樹脂を使用して冷却水の導電性をなくすことも出来るが、冷却手段の構造が複雑になることや冷却手段の費用が高額となることが懸念される。

特開２００４−６２１１

本発明では、冷却水の使用に伴う感電、漏電等の種々の課題を一挙に解決することのできる新たな冷却手段を備えた大気圧プラズマ装置を提供することを主たる課題とする。

大気圧プラズマ装置は、
ガスが供給される第一の領域と、
前記第一の領域とは空間的に分離された第二の領域と、
前記第一の領域に設けられ、供給されたガスをプラズマ化して、一方の電極側から装置外部にプラズマを放出する対向電極と、
前記第二の領域に形成されて装置内外を連通する開口と、
前記第二の領域内の空気を吸気する吸気部と、を備え、
前記電極の一部が前記第二の領域に配置されている。

上記構成であれば、電極が発熱することで温められた電極周囲の空気が吸気部を通して装置外部に排出されるとともに、吸気部での吸気作用に伴って、開口を通じて新たな空気が装置内部に導入されるので、電極周囲を冷却することが可能となる。この冷却方式であれば、冷却水を使用せずに電極の冷却が可能となることから、冷却水の使用に伴う感電、漏電等の種々の課題を一挙に解決することができる。

電極の冷却効果を高めるには、
前記電極には、前記第二の領域に放熱フィンが設けられている。

電極の冷却効果を一層高めるには、
前記第二の領域に、前記開口から前記電極に向けて延在した中空筒状のガイド部材を備え、
前記吸気部での吸気に伴って、前記ガイド部材を介して前記開口から前記吸気部への空気の流れが形成されていることが望ましい。

給電線の引き回しについては、
前記ガイド部材が、前記電極に通電するための給電線の通路を兼ねていることが望ましい。

具体的な構成としては、
前記第一の領域と前記第二の領域は１つのチャンバ内に形成されていて、
前記チャンバ内に、両領域を分離する仕切り部材を有し、
前記仕切り部材と前記チャンバの内壁面で、前記第一の領域に供給されるガスの流路が形成される。

一方向に長い対向電極間に放電確認用の窓を設ける場合、
前記対向電極間で生成されるプラズマを装置外部から視認するために設けられた複数の窓を有し、
前記対向電極は一方向に長く、電極の長さ方向で電極中央位置を挟んで前記窓が配置されていることが望ましい。

電極が発熱することで温められた電極周囲の空気が、吸気部を通して装置外部に排出されるとともに、吸気部での吸気作用に伴って、開口を通じて新たな空気が装置内部に導入されるので、電極周囲を冷却することが可能となる。
この冷却方式では冷却水を使用せずに電極の冷却が可能となることから、冷却水の使用に伴う感電、漏電等の種々の課題を一挙に解決することができる。

大気圧プラズマ装置の全体を示す斜視図 図１に記載の大気圧プラズマ装置をＸ方向中央位置で切断した時のＹＺ平面の断面図 図１に記載の大気圧プラズマ装置を上方から視たときの平面図 図１に記載の大気圧プラズマ装置を下方から視たときの平面図 図２に記載のA-A線から視たときの平面図 図１に記載の大気圧プラズマ装置をＺ方向中央位置で切断した時のＸＹ平面の断面図 大気圧プラズマ装置の別の構成例を示す斜視図 図７に記載の大気圧プラズマ装置をＸ方向中央位置で切断した時のＸＹ平面の断面図 大気圧プラズマ装置の他の構成例を示す断面図

図１は、本発明に係る大気圧プラズマ装置の斜視図である。図示されるＸ、Ｙ、Ｚ軸は互いに直交しており、これらの軸の関係については、後述する他の図面でも共通している。

大気圧プラズマ装置１の外観は、概略直方体形状をしており、上下面が開放された側壁１２と、側壁１２の上側に取り付けられた蓋１１と、側壁１２の下側に取り付けられた下側電極Ｅ２で構成されている。また、蓋１１の内側には、蓋１１の内壁に沿って中空筒状のガイド部材５が配置されている。

図１の構成例では、概略直方体形状の大気圧プラズマ装置１の各面には、装置内外を連通する孔が形成されている。各面に形成された孔について、簡単に述べる。

上面に形成された孔は、外気を取り込むための開口２である。前述したガイド部材５は、この開口２から後述する上側電極Ｅ１に向けて延在されている。
Ｚ方向の側面に形成された孔は、装置内部の空気を吸引する為の吸気部３（例えば、サーキュレーター） が接続される接続口２１である。下面に形成された孔は、下側電極Ｅ２からターゲットに向けてプラズマを放出するための図示されないスリットや丸孔等のプラズマ放出口である。Ｘ方向の側面に形成された孔は、ガスを供給するための供給口１３であり、供給口１３が形成されている側面とは逆側の図示されていない面にも別の供給口が形成されている。

以下、図２乃至図６にもとづいて、図１に記載の大気圧プラズマ装置１の内部構造について説明する。

図２は、図１に記載の大気圧プラズマ装置をＸ方向中央位置で切断したＹＺ平面の断面図である。破線で描かれる吸気部３とガス供給部１３、ガス供給部１３から導入されたガスを対向電極間に拡散するための一点鎖線で描かれる溝Ｇは図２に示す切断面には含まれていないが、各部の位置関係を示すために、便宜上記載している。

大気圧プラズマ装置１の内部は、大きくは２つの空間に分かれている。１つはプラズマが生成される第一の領域Ｒ１であり、もう一つは第一の領域Ｒ１とは空間的に分離された第二の領域Ｒ２である。

第一の領域Ｒ１は、側壁１２、仕切り部材７、固体誘電体１５および下側電極Ｅ２で形成されている。各部材間にはシール手段が設けられていて、部材間での気密性が保たれている。具体的には、パッキン１４が側壁１２と下側電極Ｅ２との間と仕切り部材７と固定誘電体１５との間での気密性を保ち、Ｏリング１６が仕切り部材７と側壁１２との間での気密性を保っている。なお、Ｏリング１６は、上方から端部がテーパー形状を成す抑えリング１７で、側壁１２と仕切り部材７の両側に押し付けられている。

第二の領域Ｒ２は、側壁１２、仕切り部材７、固体誘電体１５、上側電極Ｅ１およびガイド部材５で形成されている。
図２では、下側電極Ｅ２にスペーサーＩを介して支持されている固体誘電体１５は、第二の領域Ｒ２に露出していないようにみえるがそうではない。後述する図４乃至図６を参酌すれば、固体誘電体１５が、第二の領域Ｒ２に部分的に露出していることが理解できる。

図２では、第二の領域Ｒ２が、３つに分割された領域のようにみえるが、図示されている第二の領域Ｒ２は空間的に連続した１つの領域である。この点については、別の切断面を示す図４、図６を参酌すれば、ガイド部材５と仕切り部材７との間には、隙間があり、この隙間を通じて図２に図示される第二の領域Ｒ２が空間的に連続した領域であることが理解できる。

上側電極Ｅ１の端子固定部６には、図示されない給電線が接続されている。給電線は、装置外部から開口２を通してガイド部材５に導入されて、端子固定部６に端部が固定される。この給電線を通じて、高周波電圧が上側電極Ｅ１に印加される。
このように、ガイド部材５が給電線の通路を兼ねているので、側壁１２の一部を加工して給電線の通路を特別に設ける必要がない。

図３は、図１に記載の大気圧プラズマ装置１を上方から視たときの平面図である。この図に描かれているように、上側電極Ｅ１の端子固定部６が装置外側から視認できる位置に形成されていれば、給電線の抜けがあるかどうかを目視にて確認することが可能となる。

図４は、図１に記載の大気圧プラズマ装置を下方から視たときの平面図である。図示される下側電極Ｅ２は、電気的に接地されている。下側電極Ｅ２には、プラズマ放出口２２として単一のスリットが形成されているが、プラズマ放出口２２の構成はこれに限られるものではない。
例えば、複数のスリットや複数の丸孔、単一の丸孔といった、下側電極Ｅ２からターゲットに向けてプラズマが放出できる形状であればどのような形状であってもよい。

図５は、図２に記載のＡ-Ａ線から視たときの平面図である。仕切り部材７の中央には、上側電極Ｅ１を嵌め込む為の開口が形成されている。上側電極Ｅ１は、開口に嵌め込まれることで、ＺＸ平面での位置が固定される。

上側電極Ｅ１を仕切り部材７に嵌め込んだとき、両部材間には隙間Ｈが形成されるが、この隙間Ｈの下方は破線で描かれる固体誘電体１５で覆われているために、第一の領域Ｒ１と第二の領域Ｒ２とは連通していない。

図６は、図１に記載の大気圧プラズマ装置をＺ方向中央位置で切断した時の、ＸＹ平面の断面図である。ガスを供給するための供給口１３、吸気部３が接続される接続口２１は、位置関係を表す為に、便宜上記載している。

第一の領域Ｒ１へのガスの供給は、仕切り部材７に形成された溝Ｇを通じて行われる。溝Ｇは、Ｘ方向で仕切り部材７の両側に形成されていて、図２に一点鎖線で描かれているように、ガス供給口１３から下方に向けて広がりを有する溝である。
このような溝Ｇを用いることで、対向電極間の全域に効率的にガスを拡散させることが可能となる。
一方、ガスの効率的な拡散を考慮しないのであれば、溝Ｇの形状としては、ガス供給口１３から下方に向けて真っ直ぐに延びた形状であってもよい。

上述した大気圧プラズマ装置であれば、冷却水を使わずに高周波電圧が印加される上側電極Ｅ１を冷却することができるので、冷却水の漏水や低温の冷却水を使用したときの結露による感電リスクがなく、安全性が高い。
また、冷却水に導電性があれば、冷却水を通して漏電による電力ロスが発生するが、冷却水を使用していないのでこのような電力ロスもない。

上述した大気圧プラズマ装置であれば、次に挙げる点で更なる効果が期待できる。
第一の領域Ｒ１にのみ、ガスを供給する構成であるため、特許文献１のように装置全体にガスが供給される構成に比べて、ガスの使用量を低減できる。
また、吸気によって電極を冷却する方式であることから、電極周りの高温化された熱が吸引されて、装置周囲の温度上昇が抑制できる。そのうえ、装置内部の埃を吸引することができるので、クリーンルーム環境下でも支障なく使用することができる。
また、第一の領域Ｒ１と第二の領域Ｒ２が空間的に分離されていることから、ターゲットに照射されるプラズマの流れが、電極を冷却するための気流で阻害されることがない。

これまでに説明した実施形態に加えて、図７、図８に記載の窓Ｗを装置の側壁１２に取り付けておいてもよい。このような窓Ｗがあれば、装置外側から電極対間で生成されるプラズマの様子を視認することが可能となる。
窓Ｗの数については、図示されるように複数でもいいし、特定箇所に１つ設けるようにしてもよい。

Ｚ方向に電極が長い場合には、同方向の電極中央Ｃを挟んで左右に窓Ｗを配置しておくことが望ましい。このような配置にしておければ、左右の窓Ｗを通して電極対の平行度を確認することができる。
窓Ｗの取付け位置については、同じ側面１２に取り付ける必要はなく、対向する側面１２の一方に図示される左側の窓Ｗを取付け、他方の側面１２に図示される右側の窓Ｗを取り付けるようにしてもよい。

例えば、上側電極Ｅ１の取付けが悪く、図８で右側が通常位置よりも下側に下がっていれば、右側部分での電極対間での距離が左側と比べて狭くなるために、この部分に電界が集中して、上側電極Ｅ１の下方を支持する固体誘電体１５が破損することが懸念される。
しかしながら、上述したように対向電極の長さ方向で中央Ｃを挟んで左右に窓Ｗが設けられていれば、電極対の平行度を確認した上で、必要であれば電極を改めて取り付けることが可能となるので、固体誘電体１５の破損を未然に防ぐことが出来る。

上側電極Ｅ１の放熱効果を高めるには、図９に描かれているように、上側電極Ｅ１に放熱フィン４を取り付けておいてもよい。放熱フィン４を設けることで、上側電極Ｅ１の冷却効果が向上する。

ターゲットに対して垂直以外の角度でプラズマを照射する場合、大気圧プラズマ装置１を、図９のＸ軸あるいはＺ軸周りに所定角度回転させた状態で、ターゲットに対してプラズマを照射することになる。
この場合、大気圧プラズマ装置１を回転させることで、上側電極Ｅ１と仕切り板７が位置ズレすることが懸念される。この対策として、図９に示すように、ガイド部材５の端部を上側電極Ｅ１に当接させて上側電極Ｅ１のＹ方向での位置を固定する。
また、仕切り板７のＹ方向での位置固定については、固定ピン１８で抑えリング１７を上から押さえるようにしてもいいし、固定ピン１８で仕切り板７を直接押さえるようにしてもよい。
固定ピン１８は、ピンの一部に螺子が形成された部材で、蓋１１に形成された挿通孔に螺合されている。

図９では、大気圧プラズマ装置１を回転させたときの電極等の位置ズレについて説明したが、ガイド部材５や固定ピン１８は各部の位置調整に使用してもよい。
固体誘電体１５とこれに支持される上側電極E１とが、ぴったりと面接触するように、固定ピン１８で固定誘電体１５の姿勢を水平な状態にしておいてから、ガイド部材５で上側電極E１を固定誘電体１５に押し付けることで、両部材をぴったりと面接触させる。

固定ピン１８については、図示される複数の固定ピン１８の上下位置が個別に調整可能となるように、各ピンの位置調整が独立して行えるようにしておく。また、細かく水平調整を行いたい場合には、ピンの本数を増やすなどして対応してもよい。
例えば、概略長方形状の固体誘電体であれば、長辺と短辺の中央位置に対応するように４つの固定ピンを設けておいて、長辺、短辺方向における固定誘電体の傾きを調整して所望の姿勢となるように調整することが考えられる。
一方、固体誘電体１５を支持する下側電極Ｅ２の取付け姿勢を調整可能にしておき、固定誘電体１５の姿勢を調整するようにしてもよい。

ガイド部材５については、蓋１１側のガイド部材５の取付け位置を複数設けておくか、ガイド部材５を上下動させる方向に蓋１１の側面に長穴を形成しておき、上下位置が調整されたガイド部材５の位置固定が任意の位置で行えるように構成しておくことが考えられる。
また、上側電極Ｅ１の位置決めについては、図５で説明した仕切り部材７に上側電極Ｅ１を嵌め込む方式が便利である。上側電極Ｅ１を仕切り部材７に嵌め込んだ際、仕切り部材７の電極嵌め込み穴内周が、上側電極Ｅ１の外周の対向する２辺、望ましくは全辺と、ごくわずかな隙間を空けた状態になるよう形成されていれば、電極嵌め込み穴に上側電極Ｅ１を嵌め込んで大まかな電極位置を決めた上で、電極位置の微調整を行うことが可能となる。

下側電極Ｅ２は装置外側に配置されているため、上側電極Ｅ１に比べて放熱効果が高く、特別に冷却手段を設ける必要はない。ただし、下側電極Ｅ２の熱対策をするならば、下側電極Ｅ２を熱変形しにくい高融点材料で構成するようにしてもよい。

上記実施形態では、ガイド部材５が設けられていたが、この部材は開口２を通して外気を上側電極Ｅ１に効率的に引き込むための部材であって、必ずしもこれを設ける必要はない。

上記実施形態で述べた開口２と吸気部３が接続される接続口２１の位置関係を逆転させてもよい。つまり、各図に示される接続口２１を外気を取り入れるための開口２とし、開口２を接続口２１にして、もともと開口２であったところに吸気部３を接続するようにしてもよい。このような構成であっても、本発明の効果を奏することができる。

本発明では冷却水を使用せずに電極を空冷する方式が使用されているが、電極冷却用に使用されていた冷却水の通路に空気を流すことで電極の冷却を行うようにしてもよい。この場合、通路の一端を開口とし、他端に吸気部を接続する。

吸気部３での吸気速度については、上側電極Ｅ１の温度をリアルタイムで計測しておき、この計測結果に応じて吸気速度を調整してもよい。
また、上側電極Ｅ１の温度と相関が取れ得るパラメーター（例えば、プラズマ温度）があれば、事前に実験する等して相関性をもとめておき、吸気部３での吸気速度の調整により、上側電極Ｅ１の温度制御を行うことで上側電極Ｅ１と相関関係にあるパラメーターの調整を行うようにしてもよい。
さらには、プラズマが正常に点灯しているときの装置パラメーター（吸気部で吸気された空気の温度や上側電極温度等）の値を予め計測しておいて、装置を稼働させている間に計測された装置パラメーターと比較することで、プラズマの正常点灯を判別するようにしてもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１ 大気圧プラズマ装置
２ 開口
３ 吸気部
４ 放熱フィン
５ ガイド部材
６ 端子固定部
７ 仕切り部材
Ｒ１ 第一の領域
Ｒ２ 第二の領域
Ｅ１ 上側電極
Ｅ２ 下側電極
Ｇ 溝
Ｗ 窓

Claims (6)

1. ガスが供給される第一の領域と、
   前記第一の領域とは空間的に分離された第二の領域と、
   前記第一の領域に設けられ、供給されたガスをプラズマ化して、一方の電極側から装置外部にプラズマを放出する対向電極と、
   前記第二の領域に形成されて装置内外を連通する開口と、
   前記第二の領域内の空気を吸気する吸気部と、を備え、
   前記電極の一部が前記第二の領域に配置されている大気圧プラズマ装置。
2. 前記電極には、前記第二の領域に放熱フィンが設けられている請求項１記載の大気圧プラズマ装置。
3. 前記第二の領域に、前記開口から前記電極に向けて延在した中空筒状のガイド部材を備え、
   前記吸気部での吸気に伴って、前記ガイド部材を介して前記開口から前記吸気部への空気の流れが形成される請求項１または２記載の大気圧プラズマ装置。
4. 前記ガイド部材が、前記電極に通電するための給電線の通路を兼ねる請求項３記載の大気圧プラズマ装置。
5. 前記第一の領域と前記第二の領域は１つのチャンバ内に形成されていて、
   前記チャンバ内に、両領域を分離する仕切り部材を有し、
   前記仕切り部材と前記チャンバの内壁面で、前記第一の領域に供給されるガスの流路が形成される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の大気圧プラズマ装置
6. 前記対向電極間で生成されるプラズマを装置外部から視認するために設けられた複数の窓を有し、
   前記対向電極は一方向に長く、電極の長さ方向で電極中央位置を挟んで前記窓が配置されている請求項１乃至５のいずれか一項に記載の大気圧プラズマ装置。