JP4930983B2 - 大気圧プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に大気圧環境下における導電体の加工に好適な、減圧チャンバや高周波電源などを必ずしも必要としない小形の大気圧プラズマ発生装置に関する。

近年、表面改質、表面クリーニング（プラズマ洗浄）、エッチング、アッシング、スパッタリング、滅菌などの各種の場面でプラズマが使用される様になるとともに、これらのプラズマ処理を大気圧下で簡単に実施したいと言うニーズも拡大しつつある。

例えば樹脂シート材などの絶縁体の表面改質処理を行うための大気圧プラズマ発生装置としては、下記の特許文献１に記載されているものが公知である。この大気圧プラズマ発生装置は、高圧電極と接地電極との間の放電ギャップを微小な隙間から形成し、その高圧電極に高周波電圧（１０ｋＨｚ〜５００ＭＨｚ）を印加して大気圧下でグロー放電プラズマを発生させ、これによって、絶縁体の表面改質処理を大気圧下近傍で行うものであり、この従来技術の最も大きな特徴は、樹脂シート材が配置されるプラズマ噴射ノズルの開口部と補助電極との間に、高周波のバイアス電圧を印加する点にある。

また、移行型と非移行型の２種類のプラズマガス流を重畳させて、導電体を処理する方法としては、例えば下記の特許文献２に記載されているものなどがある。
特開２００２−１８２７６ 特開平１０−１３９４１４

しかしながら、上記の特許文献１に記載されている従来装置は、樹脂シート材などの特に薄板状または膜状の絶縁体を処理するために考案されたものであり、当該従来装置のその他の用途や適用の可能性等については何ら言及されていない。即ち、特許文献１に開示されているこの従来装置は、所定幅の板状または薄膜の樹脂シート材等の量産ラインにおける表面改質処理などにはおいては一定の効果を示すものの、その適用範囲は極めて限定的なものだと考えられる。

また、この従来装置では、高圧電極の水平方向（ｙ軸方向）の長さかまたは処理対象物となる所望の樹脂シート材の水平方向（ｙ軸方向）の長さに合わせて、同方向の寸法が略同じ補助電極を用意する必要があり、装置構成が必ずしも簡単とは言えない。更に、この従来装置では、冷却水循環用通路、反応ガス供給通路、及び混合反応ガス吹出孔等を備えた大きな接地電極を２つ用意しなくてはならないため、プラズマ処理装置が大掛りにならざるを得ない。
以上のことから、特許文献２に開示されている当該装置は、製造コスト、小形化、及び適用範囲などの面で、未だ多くの課題を残している。

また、上記の特許文献２に記載されている従来装置では、トーチの内部中央に電極棒（陰極）が設けられているが、例えばこの様にプラズマ噴射機構の中心部分に柱形状の電極棒を配置する形態の複数電極の入れ子構造は、必ずしも装置の小形化に適しているとは言えない。また、特に、放電ギャップを微小隙間から形成することが望ましいとされる大気圧プラズマ発生装置においては、この様な電極の入れ子構造は、簡単に高密度な大気圧プラズマを発生させる上でも必ずしも有利な構造であるとは言えない。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、大気圧環境下において簡単に高密度な大気圧プラズマを発生させることができ特に導電体の加工に好適な小形の大気圧プラズマ発生装置を実現することである。

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、対向面にて相対峙する２つの放電電極の間に形成された放電ギャップにプラズマ原料ガスを注入することにより、大気圧下に置かれた導電体からなる被処理物に対してプラズマジェットを噴射する大気圧プラズマ発生装置であって、対向する２つの放電電極は、対向面の対向により形成され、プラズマジェットを噴射する放電ギャップの開口部であって、プラズマ原料ガスのガス流方向に垂直な方向に長辺方向を有するストライプ状の開口部を有し、放電ギャップに、開口部の開口面に垂直な方向にプラズマ原料ガスを供給するガス管と、対向面は、ガス流方向に厚さと、開口部の長辺方向に長さを有し、２つの対向面のうち少なくとも一方の面に、ガス流方向の複数の箇所に、長辺方向に沿って連続し、ガス流方向の幅が１ｍｍ以下の、ホローカソード放電を発生させる溝を有し、プラズマ原料ガスのガス流方向に垂直な方向であって、対向面に垂直な方向に、プラズマ原料ガスのプラズマを生成するための電界を印加する電源回路と、放電電極と被処理物との間であって、ガス流方向にバイアス電圧を印加して、対向面間に発生したプラズマを開口部から被処理物の表面に導くバイアス電圧印加回路とを有することを特徴とする大気圧プラズマ発生装置である。
ただし、上記のバイアス電圧は、直流電圧であっても交流電圧であっても良い。また、放電電極の間に印加する電圧は、交流電圧であることが望ましいが、必ずしもその限りではない。

また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、ガス管は、放電ギャップにプラズマ原料ガスをガス流方向に流し、先端部においては、長辺方向に沿った矩形形状をし、プラズマ原料ガスを導入する部分では円筒状をし、ガス流方向に沿ってテーパ状に拡大したガス流路を形成していることを特徴とする。

また、本発明において、上記の開口部の正面形状を、目的の被加工物の処理表面上の所望のプラズマ照射領域の形状と合同または相似にしても良い。

以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。

本発明の第１の手段によれば、プラズマジェットを噴射する噴射ノズルの開口部が、上記の２つの放電電極の各対向面を用いて形成される。
したがって、この構成によれば、幅狭の微小隙間から構成すべき放電ギャップを極めて簡潔に形成することができ、よって、従来、複数電極の入れ子構造の中心に配置されていた電極棒等が不要となる。このため、本発明の第１の手段によれば、プラズマ発生機構の構造を極めて簡潔かつ小形に形成することができる。また、上記の構成に従えば、導電体からなる被処理物は直接上記のバイアス電圧印加回路に接続されるので、バイアス電圧を印加するための補助電極を製造する必要がなく、また、被加工物は導電体に制限されるが、噴射ノズルの開口部と補助電極との間の距離に被加工物の大きさが制限される恐れも払拭される。

また、以上の構成に従えば、上記のバイアス電圧によってグロー放電プラズマを被処理物の表面まで十分に引き出すことができ、これにより、プラズマ原料ガスから生成されるイオンや中性ラジカル等をも多量に処理面に衝突させることが可能となるため、バイアス電圧が印加されていない場合に比べて表面処理能力が格段に向上する。
したがって、本発明によれば、大気圧環境下において十分高密度な大気圧プラズマが発生可能で、かつ、特に導電体の加工に好適な大気圧プラズマ発生装置を従来よりも格段に小形に簡単に構成することができる。

また、２つの放電電極のうちの負電位側の凹部又は溝部にホローカソード放電が生じ、当該凹部又は溝部に高密度のプラズマが発生する。このため、本発明によれば、プラズマの発生効率を効果的に高めることができる。またこの際、直流電源を用いる場合には陰極側に、交流電源を用いる場合には少なくとも一方に、望ましくは両方に、上記の凹部又は溝部を形成すると良い。

また、上記のプラズマジェットが噴射ノズルの開口部の形状で被加工物の処理表面上に照射されるため、上記の放電ギャップの開口部の形状を所望の形状に形成することにより、微小または特殊な形状の所望の領域にプラズマジェットを特に効率良く照射することもできる。

また、放電ギャップに交流放電プラズマを発生させることができ、高周波プラズマを発生させることも可能となる。

図１は、本発明の一般的な１実施形態を例示する概念図である。電源１は２つの放電電極の間に交流電圧を印加するためのものであり、各放電電極の対向面ａ，ｂの間には、放電ギャップＧが形成されている。ただし、本発明の大気圧プラズマ発生装置は、必ずしも高周波によりプラズマを発生させるものではなく、よって、放電電極に接続する電源１は、直流電源でも、交流電源でも、矩形波電源でもよく、またパルス波を印加しても良い。更に、それらの周波数にも特に制限はない。電源に係わるこれらの実施形態は、用途即ち所望のプラズマ処理や被加工物等に応じて適当に選択することができる。

また、導電体からなる被加工物と放電電極の片方は、電源２を介して接続される。この電源２は、上記のバイアス電圧を印加するためのものである。即ち、この電極２は、本発明のバイアス電圧印加回路を構成するもので、この電源２にも、直流、交流、矩形波、パルス波など任意の形態の電源を用いることができる。
また、電源１と電源２との間で、電源の形態（直流、交流、矩形波、パルス波など）や周波数や位相などは必ずしも揃える必要はなく、これらの条件についても所望のプラズマ処理や被加工物等に応じて適当に設定することができる。

また、被加工物とプラズマ噴射ノズルの開口部との距離も、用途即ち所望のプラズマ処理や被加工物に応じて任意に調整することができる。
また、噴射ノズルの開口部１０１から噴射させるプラズマジェットの噴出方向は、特に鉛直方向に限定されることなく任意に設定することができ、上記のプラズマ発生部分と被加工物との配置関係にも特段の制限はない。

また、本発明の大気圧プラズマ発生装置では、プラズマジェットを噴射する噴射ノズルの開口部付近においてプラズマを発生させ、その開口部の下方に配置された被加工物に当該プラズマを照射させるので、他のプラズマ発生領域は必要ない。この開口部を形成するためには、２つの電極とそれらを固定するための絶縁体（ガス管）を用いると良い。当該絶縁体にガス流路を設け、当該ガス流路の終端に２つの電極を配設することが最も簡単な構成となる。例えば矩形形状（ストライプ状）の開口部を形成するためには、２つの電極の互いに対峙する面と、絶縁体（ガス管）により４辺（面）を形成すると良い。これらの絶縁体は、複数個の部品を組み合わせて構成しても良い。

放電電極の材料としては、ステンレス、モリブデン、タンタル、ニッケル、銅、タングステン、又は、これらの合金などを使用することができる。
また、特にホローカソード放電に寄与する凹部または溝部を形成する場合には、放電ギャップＧを構成する放電電極の対向面ａ，ｂのガス流方向の長さ（図１のｚ軸方向の長さ）を１〜１０ｍｍ程度設けると良い。また、その対向面ａ，ｂに形成する凹部または溝部は、例えば幅及び深さを１ｍｍ以下、０．５ｍｍ程度とすると良い。また、凹部はドット状に形成しても良い。凹部または溝部の形状は、円柱面状、半球面状、角柱面状、角錐状、その他任意に形成することができる。

プラズマを発生させるためのプラズマ原料ガスは、用途や被加工物に応じて、周知のガスを選択することができ、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒその他の希ガス、窒素（Ｎ₂ ）、空気などを用いることができる。勿論、これらは任意の混合比で混合して使用することもできる。
また、これらのプラズマ原料ガスには、例えば、アンモニア、６フッ化イオウ、３フッ化窒素、フルオロカーボン類、特にＣ₂Ｆ₄等のフッ素化合物などの所望の反応性ガスを任意に混合しても良い。
更に、これらの反応性ガスなどの反応材は、上記のプラズマ原料ガスとは独立した供給系統によって、直接加工対象に対して吹き付けるなどしてもよい。即ち、反応性ガスなどの反応材は、プラズマ生成前にプラズマ原料ガスに混合しても、プラズマ生成後にプラズマに混合してもよく、また、プラズマやプラズマ原料ガスとは独立かつ並列的に直接被加工面に供給してもよい。

また、ガスの流速、供給量等は任意に設定すればよい。例えば、アルゴンガスを用いて被処理物の表面のクリーニング処理を実施する場合には、５ｍ／ｓｅｃ〜５０ｍ／ｓｅｃのガス流速とすることが望ましい。また、上記の放電ギャップＧと被加工面との距離は、５ｍｍ〜４０ｍｍ程度でよく、より望ましくは１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度がよく、更に望ましくは１５ｍｍ〜２５ｍｍ程度がよい。これらの条件についても所望のプラズマ処理や被加工物等に応じて適当に設定することができる。
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。

図２−Ａ〜Ｃは、本発明の具体的な一実施例に係るプラズマ発生装置の特徴的な要部（プラズマ発生部分）の構成を示す図であり、図２−Ａは開口部１０１を有する噴射ノズルＮの正面図、図２−Ｂはガス流路２０１に沿った断面図、図２−Ｃは放電電極１０Ａ及び１０Ｂの溝部１１の詳細を示す断面図である。

図２−Ｂのように、ガス流路２０１を中心に有する筒状の絶縁体から成るガス管２０と、２つの屈曲した板状の放電電極１０Ａと電極１０Ｂを組み合わせる。この際、図２−Ａのように、２つの放電電極１０Ａ及び１０Ｂとガス管２０と囲まれた、４辺（面）を有する開口部１０１が形成される。放電電極１０Ａ及び１０Ｂには、図２−Ｃのように互いに対峙する面において、幅及び深さが共に０．５ｍｍの凹部１１が２箇所形成されており、当該凹部１１は開口部１０１の長辺の長さを有する溝部となっている。凹部１１の断面は１辺が除かれた矩形状である。尚、ガス流路２０１の形状は、ガスを導入する接続部２０３付近においては円筒状でありテーパ部２０１ｔを経由して先端口部２０２においては断面が矩形状である。また、放電電極１０Ａ及び１０Ｂはボルト３０Ａ及び３０Ｂで各々ガス管２０に固定されている。

放電電極１０Ａ及び１０Ｂを交流電源に接続して電圧を印加し、ガス管２０のガス流路２０１を通して開口部１０１へプラズマを発生させるためのガスを流すと、放電電極１０Ａ及び１０Ｂのうち負電位が印加された側の凹部１１において、ホローカソード放電により放出された電子がガスに衝突してプラズマが高密度に発生する。このホローカソード放電によって発生したプラズマは、図１の電源２（バイアス電圧印加回路）によるバイアス電圧によって効果的に引き出されて開口部１０１からプラズマジェット状に噴射される。これにより、被加工物の開口部１０１に面した領域に効率良くプラズマを照射することができる。

図３−Ａ，−Ｂは、放電電極１０Ａ、１０Ｂ及びガス管２０の噴射ノズルＮ付近の形状を詳しく説明するための斜視図であり、図３−Ａは組み立て前の、図３−Ｂは組み立て後の斜視図である。図３−Ａのように、電極１０Ｂの溝部１１は、開口部１０１の長手方向に対応して一連の溝となっている。放電電極１０Ａの溝部１１も同様に形成される。ガス管２０のガス流路２０１の先端口部２０２は、図３−Ａに示す通り矩形状である。ガス管２０はガス流路２０１の先端口部２０２よりも更に先端側に突出部２１１を有し、また、放電電極１０Ａを組み付けるための凹部２１０Ａを有している。また、電極１０Ｂを組み付けるための凹部２１０Ｂも備えている。噴射ノズルＮを構成する矩形状の開口部１０１は、図３−Ｂに示す様に、ガス管２０の突出部２１１の内面と、放電電極１０Ａ及び１０Ｂとで形成される。

図４−Ａ〜Ｅは、ガス管２０の形状を詳細に説明するものであり、図４−Ａはガス流路２０１の先端口部２０２側から見た平面図、図４−Ｂは正面図であり、図４−Ｃは図４−Ａの断面ｃの断面図、図４−Ｄ及び図４−Ｅは各々図４−Ｂにおける断面ｄ及び断面ｅの断面図である。
ガス管２０の立体形状は、これらの図４−Ａ〜Ｅに示す様に、ガス流路２０１を有する直方体の絶縁体をベースとして、その絶縁体に、ガス流路２０１の矩形の先端口部２０２よりも更に先端に位置する突出部２１１を設け、放電電極１０Ａと放電電極１０Ｂを組み付けるための凹部２１０Ａ及び凹部２１０Ｂを設け、更に、ガスを導入する接続部２０３を設けた形状になっている。また、図４−Ｃ〜Ｅに示す通り、ガス流路２０１の形状は、ガスを導入する接続部２０３付近においては円筒状であるが、テーパ部２０１ｔを経由して先端に進むにつれて次第に先端口部２０２の様な矩形になっている。

尚、以上は、プラズマ発生装置の要部であるプラズマ発生部分について説明したものであり、このプラズマ発生部分は、そのガス管２０を任意の手段で固定し、例えば、図１や図２−Ｂに示す様に放電電極１０Ａ、１０Ｂに電源１に接続し、図１に示す様に放電電極１０Ａと被加工物を電源２に接続し、更に接続部２０３にガス供給系を接続して使用する。即ち、このプラズマ発生部分を任意の適当なプラズマ発生装置に組み込むことで、所望の加工処理を可能とするプラズマ発生装置を構成することができる。

そして、この様な大気圧プラズマ発生装置を用いて、例えば上記の電源１と電源２をそれぞれ２．５ｋＶ，６０Ｈｚの交流電源とし、アルゴンガス（Ａｒ）をプラズマ原料ガスとして、上記の噴射ノズルＮから噴射されるプラズマジェットを目的の金属基材（被処理物）の表面に照射したところ、当該プラズマのエッチング作用（クリーニング作用）により、その金属基材の表面上に付着していたセラミックスを効果的に除去することができた。
一方、電源２によるバイアス電圧を印加しなかった場合には、同一のセラミックスを同一の金属基材の表面から除去することはできなかった。即ち、これらの実験結果より、本発明の有効性を確認することができた。

図５は、本実施例２の大気圧プラズマ発生装置の側面図である。この大気圧プラズマ発生装置の主要部分は、絶縁パイプ３０と平面状の電極３１ａ、３１ｂからなる。絶縁パイプ３０の図中左側の端部は、プラズマ原料ガスを供給する給気系に接続する。絶縁パイプ３０の図中右側の端部には、該絶縁パイプ３０を上下から挟む様に、電極３１ａ、３１ｂの一部が固定されている。

図６−Ａ，−Ｂに、この大気圧プラズマ発生装置の放電ギャップ３３の正面図と絶縁パイプ３０の正面図をそれぞれ示す。電極３１ａ、３１ｂの絶縁パイプ３０と接していない部分には、２つの突起３２ａ、３２ｂが、それらの各軸が平行になる様に接続されている。そして、この突起３２ａ、３２ｂの端部間に放電ギャップが形成されている。電極３１ａと３１ｂの間隔Ｌ１は１０ｍｍ、２つの突起３２ａと３２ｂの間隔Ｌ２は１．０ｍｍ、突起３２ａと３２ｂの幅Ｌ３は３ｍｍである。この突起の先端部分には、ネジ溝状の凹凸部が形成されている。この凹凸部は、放電領域を微小領域（図中の放電ギャップ３３）に制限するために設けたものである。
なお、絶縁パイプの材料としてセラミックスを用い、電極の材料としてステンレスを用いた。また、図６−Ｂに示す絶縁パイプ３０の内径は０．５ｍｍ〜１ｍｍである。

この様な大気圧プラズマ発生装置を用いて、前述の実施例１（図１）と同様にして、交流電源１，２を有する給電回路を構成した。また、この時、図１の電源１と電源２は、それぞれ２．５ｋＶ，６０Ｈｚの交流電源とし、アルゴンガス（Ａｒ）をプラズマ原料ガスとして、プラズマジェットを目的の金属基材（被処理物）の表面に照射した。その結果、本実施例２の大気圧プラズマ発生装置においても、先の実施例１と略同様のクリーニング作用を得ることができた。

〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
（変形例１）
例えば、上記の各実施例では、アルゴンガスをプラズマ原料ガスとして用いたが、その他にもプラズマ原料ガスとしては、窒素ガス、任意の希ガス、空気、または任意の混合比によるこれらの混合ガスなどを用いてもよい。
また、所望のプラズマ処理に必要とされる反応性ガスなどは、例えば図７に図示する様に、生成されるプラズマとは独立に、直接被加工面に供給する様にしてもよい。反応性ガスの代表的な例としては、例えば、ＳＦ₆ ，ＮＦ₃ ，ＨＮ₃ などや、フルオロカーボン系の反応性ガスなどを挙げることができる。

本発明は、大気圧環境下に置かれた導電体の表面に係わる表面改質、表面クリーニング（プラズマ洗浄）、エッチング、スパッタリング（膜形成）、滅菌などに利用することができる。

本発明の一般的な実施形態を例示する概念図 実施例１の大気圧プラズマ発生装置のプラズマ噴射ノズルの正面図 実施例１の大気圧プラズマ発生装置のプラズマ発生部分の断面図 図２−Ｂの部分的な拡大図 実施例１の大気圧プラズマ発生装置のプラズマ噴射ノズルの組立図 実施例１の大気圧プラズマ発生装置のプラズマ噴射ノズルの斜視図 ガス管２０の正面図 ガス管２０の側面図 ガス管２０の断面Ｃにおける断面図 ガス管２０の断面Ｄにおける断面図 ガス管２０の断面Ｅにおける断面図 実施例２の大気圧プラズマ発生装置の側面図 実施例２の大気圧プラズマ発生装置の放電ギャップ３３の正面図 実施例２の大気圧プラズマ発生装置の絶縁パイプ３０の正面図 本発明のその他の実施形態（変形例１）を例示する概念図

１０Ａ，１０Ｂ ： 放電電極
１０１ ： 開口部
１１ ： 溝部
２０ ： ガス管
３０Ａ，３０Ｂ ： ボルト

Claims (2)

1. 対向面にて相対峙する２つの放電電極の間に形成された放電ギャップにプラズマ原料ガスを注入することにより、大気圧下に置かれた導電体からなる被処理物に対してプラズマジェットを噴射する大気圧プラズマ発生装置であって、
   対向する２つの前記放電電極は、前記対向面の対向により形成され、前記プラズマジェットを噴射する前記放電ギャップの開口部であって、前記プラズマ原料ガスのガス流方向に垂直な方向に長辺方向を有するストライプ状の開口部を有し、
   前記放電ギャップに、前記開口部の開口面に垂直な方向に前記プラズマ原料ガスを供給するガス管と、
   前記対向面は、前記ガス流方向に厚さと、前記開口部の前記長辺方向に長さを有し、２つの前記対向面のうち少なくとも一方の面に、前記ガス流方向の複数の箇所に、前記長辺方向に沿って連続し、前記ガス流方向の幅が１ｍｍ以下の、ホローカソード放電を発生させる溝を有し、
   前記プラズマ原料ガスの前記ガス流方向に垂直な方向であって、前記対向面に垂直な方向に、前記プラズマ原料ガスのプラズマを生成するための電界を印加する電源回路と、
   前記放電電極と前記被処理物との間であって、前記ガス流方向にバイアス電圧を印加して、前記対向面間に発生した前記プラズマを前記開口部から前記被処理物の表面に導くバイアス電圧印加回路と
   を有することを特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
2. 前記ガス管は、前記放電ギャップに前記プラズマ原料ガスを前記ガス流方向に流し、先端部においては、前記長辺方向に沿った矩形形状をし、前記プラズマ原料ガスを導入する部分では円筒状をし、前記ガス流方向に沿ってテーパ状に拡大したガス流路を形成している
   ことを特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ発生装置。

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