JP4946456B2 - 大気圧プラズマ発生方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気圧プラズマ発生方法及び装置に関し、特に複数の反応管内でプラズマを発生させて吹き出すことで広範囲にプラズマを照射することができる大気圧プラズマ発生方法及び装置に関するものである。

大気圧プラズマ発生装置として、ガスを反応管の一端から導入し、反応管の周囲又は近傍に配設したアンテナや電極に高周波電圧を印加することで、反応管内でプラズマを発生させ、反応管の他端からプラズマを吹き出すように構成されたものが知られている。

この種の大気圧プラズマ発生装置において、高周波電源にてアンテナに対して５００ＫＨｚ以上の周波数、たとえば１３．５６ＭＨｚに代表されるＲＦ周波数帯や１００ＭＨｚに代表されるＶＨＦ周波数帯の高周波電圧を印加するように構成した場合、アンテナで反射波が発生し、その反射波が高周波電源に入力すると電力の著しい効率低下を来たすために、反射波の入力を抑制するための整合回路が高周波電圧とアンテナとの間に配置されている。

さらに、本出願人は先に、この種の大気圧プラズマ発生装置においては、整合回路とアンテナの間で定在波が大きく発生するため、アンテナと整合回路の間に定在波の位相を調整設定する位相回路を配設し、定在波の電流振幅がアンテナ近傍で最大になるようにすることで、プラズマの高い発生効率を達成するようにしたものを提案している（特願２００６−４２９５号参照）。

ところで、上記のような大気圧プラズマ発生装置を用い、その反応管から吹き出したプラズマを対象物に照射してプラズマ処理を行う場合、反応管は通常直径が１ｍｍ〜数ｍｍ程度であるため、処理できる領域が小さく、広範囲のプラズマ処理を行う場合には、長時間の作業が必要になり、作業効率が悪いという問題がある。

そこで、図５に示すように、複数の反応管２２ａ、２２ｂ、２２ｃを並列配置するとともに、各反応管２２ａ、２２ｂ、２２ｃの外周に配設したアンテナ２３ａ、２３ｂ、２３ｃを並列接続した状態で共通の高周波電源２４に接続し、単一の高周波電源２４にて各アンテナ２３ａ、２３ｂ、２３ｃに対して略同一の高周波電圧を印加するように構成することで、広範囲のプラズマ処理を短時間に効率的に行うようにした大気圧プラズマ発生装置２１が考えられる。高周波電源２４と各アンテナ２３ａ、２３ｂ、２３ｃとの間には、反射波が高周波電源２４に入力するのを防止する整合回路２５が配設され、かつ整合回路２５と各アンテナ２３ａ、２３ｂ、２３ｃとの間に定在波の位相を調整設定する位相回路２６が配設されている。

なお、平行平板型のプラズマ発生装置において、間隔をあけて並列配置した３枚以上の平板電極の間に固体誘電体を介して両端開放の反応空間を形成し、反応空間の一端からガスを供給しつつ中央の電極をグランドにし、左右の電極に高周波電圧を印加し、反応空間の他端からプラズマを吹き出すようにしたものは知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、高周波電圧の周波数は０．５ＫＨｚ以上、５００ＭＨｚでも構わないが、負荷との整合のとり易さ等から５００ＫＨｚ以下が好ましいとされている。
実開２００２−１５８２１９号公報

しかしながら、図５に示した構成の大気圧プラズマ発生装置２１では、複数の反応管２２ａ、２２ｂ、２２ｃ内で発生するプラズマ３０の強度に差異を生じてしまい、図示の如くプラズマ３０の吹き出し長さにばらつきが発生し、これらの反応管２２ａ、２２ｂ、２２ｃから吹き出したプラズマ３０を対象物に照射してプラズマ処理した場合に均一に処理することができないという問題がある。

なお、特許文献１に記載された構成では、高周波電圧を印加する平板電極毎に高価な高周波電源を設けているため、装置構成がコスト高になるとともに、各反応空間から吹き出すプラズマの強度が均一になるように各高周波電源を調整する必要があり、調整作業に手間がかかるという問題がある。

本発明は、上記従来の問題に鑑み、並列配置した複数の反応管から均等にプラズマを吹き出し、広範囲のプラズマ処理を均一にかつ効率的に行うことができる大気圧プラズマ発生方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の大気圧プラズマ発生方法は、一端が吹き出し口として開放され、外周に沿ってアンテナ又は電極が配置された複数の反応管を並列配置し、各反応管の外周のアンテナ又は電極に対して共通の高周波電源から共通の整合回路若しくは整合回路と位相回路を介して高周波電圧を印加するとともに、各反応管の他端側からガスを供給し、各反応管内で発生したプラズマをそれぞれの吹き出し口から吹き出す大気圧プラズマ発生方法において、各反応管で発生するプラズマの強度が略同一になるように、複数の反応管の整合回路又は位相回路に対する配置位置に基づいてその外周のアンテナ又は電極の巻き数や線径や線間隔によってインダクタンスを変化させるものである。

また、本発明の大気圧プラズマ発生装置は、並列配置されるとともに一端が吹き出し口として開放された複数の反応管と、各反応管の外周に沿って配置されたアンテナ又は電極と、各アンテナ又は電極に対して共通の整合回路若しくは整合回路と位相回路を介して高周波電圧を印加する共通の高周波電源と、各反応管の他端側からガスを供給するガス供給手段とを備えた大気圧プラズマ発生装置において、各反応管で発生するプラズマの強度が略同一になるように、複数の反応管の整合回路又は位相回路に対する配置位置に基づいてその外周のアンテナ又は電極の巻き数や線径や線間隔によってインダクタンスを変化させるものである。

この構成によれば、複数の反応管の外周のアンテナ又は電極に対して単一の共通の高周波電源から高周波電圧を印加するようにしたコンパクトで安価な構成でありながら、整合回路又は位相回路に対する各反応管の配置位置に基づいてアンテナ又は電極のインダクタンスを変えていることによって各反応管で発生するプラズマの強度を略同一にすることができ、広範囲のプラズマ処理を均一にかつ効率的に行うことができる。なお、インダクタンスは、アンテナ又は電極の巻き数や線径や線間隔によって変化させることができるが、巻き数を変えるのが最も効果的である。

また、本発明の別の大気圧プラズマ発生方法は、一端が吹き出し口として開放され、外周に沿ってアンテナ又は電極が配置された複数の反応管を並列配置し、各反応管の外周のアンテナ又は電極に対して共通の高周波電源から共通の整合回路若しくは整合回路と位相回路を介して高周波電圧を印加するとともに、各反応管の他端側からガスを供給し、各反応管内で発生したプラズマをそれぞれの吹き出し口から吹き出す大気圧プラズマ発生方法において、各反応管で発生するプラズマの強度が略同一になるように、複数の反応管の整合回路又は位相回路に対する配置位置に基づいて反応管へのガス供給量を変えるものである。

また、本発明の別の大気圧プラズマ発生装置は、並列配置されるとともに一端が吹き出し口として開放された複数の反応管と、各反応管の外周に沿って配置されたアンテナ又は電極と、各アンテナ又は電極に対して共通の整合回路若しくは整合回路と位相回路を介して高周波電圧を印加する共通の高周波電源と、各反応管の他端側からガスを供給するガス供給手段とを備えた大気圧プラズマ発生装置において、ガス供給手段は、各反応管で発生するプラズマの強度が略同一になるように、複数の反応管の整合回路又は位相回路に対する配置位置に基づいて反応管へのガス供給量を変える流量調整手段を有するものである。

この構成によれば、複数の反応管の外周のアンテナ又は電極に対して単一の共通の高周波電源から高周波電圧を印加するようにしたコンパクトで安価な構成でありながら、整合回路又は位相回路に対する各反応管の配置位置に基づいて各反応管へのガス供給量を変えていることによって各反応管で発生するプラズマの強度を略同一にすることができ、広範囲のプラズマ処理を均一にかつ効率的に行うことができる。

本発明の大気圧プラズマ発生方法及び装置によれば、複数の反応管の外周のアンテナ又は電極に対して単一の共通の高周波電源から高周波電圧を印加するようにしたコンパクトで安価な構成でありながら、整合回路又は位相回路に対する各反応管の配置位置に基づいて、アンテナ又は電極のインダクタンスを変え、若しくは各反応管へのガス供給量を変えることによって、各反応管で発生するプラズマの強度を略同一にすることができ、広範囲のプラズマ処理を均一にかつ効率的に行うことができる。

以下、本発明の大気圧プラズマ発生装置の各実施形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の大気圧プラズマ発生装置の第１の実施形態について、図１、図２を参照して説明する。

図１において、大気圧プラズマ発生装置１は、複数（図示例では３つ）の誘電体から成る反応管２ａ、２ｂ、２ｃが一列に並列して配置され、それらの外周にコイル状のアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃが巻回されて配置されている。これらアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃは相互に並列接続され、その両端が整合回路５を介して高周波電源４に接続されている。さらに、本実施形態では相互に並列接続されたアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃの両端と整合回路５との間に位相回路６が介装されている。

反応管２ａ、２ｂ、２ｃの一端開口は、プラズマの吹き出し口７ａ、７ｂ、７ｃであり、他端開口８ａ、８ｂ、８ｃには、ガス供給手段（図示せず）にてそれぞれにガス９を供給するように構成されている。各反応管２ａ、２ｂ、２ｃに供給するガス９は、不活性ガス又は不活性ガスと反応性ガスの混合ガスであり、ガス供給手段（図示せず）は組成及び流量が精度良く同一になるように構成されている。不活性ガスは、アルゴン、ネオン、キセノン、ヘリウム、窒素から選択された単独ガス又は複数の混合ガスが適用される。また、反応性ガスは、プラズマ処理の種類に応じて、酸素、空気、ＣＯ２ 、Ｎ２ Ｏなどの酸化性ガス、水素、アンモニアなどの還元性ガス、ＣＦ４ などのフロン系ガスなどが適用される。

高周波電源４としては、周波数帯が１３．５６ＭＨｚに代表されるＲＦ周波数帯や、１００ＭＨｚに代表されるＶＨＦ周波数帯のものが用いられている。また、このような周波数帯の高周波電圧をアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃに印加することでアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃで反射波が発生し、その反射波が高周波電源４に入力すると電力効率が低下するので、これを防止するために整合回路５が配設されている。また、整合回路５を配設すると、整合回路５とアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃの間で定在波が大きく発生するため、本実施形態ではその定在波の電流振幅を何れかのアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃの近傍、本例では整合回路５に最も近いアンテナ３ａの近傍で最大になるように定在波の位相を調整設定する位相回路６を配設してプラズマ発生効率を高めるようにしている。

アンテナ３ａ、３ｂ、３ｃは、反応管２ａ、２ｂ、２ｃの吹き出し口７ａ、７ｂ、７ｃから吹き出すプラズマ１０の強度が均一になるように、位相回路６からの距離Ｌに基づいてそのインダクタンス、具体的には巻き数Ｎを変えている。すなわち、位相回路６からの距離ＬがＬ１のアンテナ３ａの巻き数ＮをＮ１、距離Ｌ２のアンテナ３ｂは巻き数Ｎ２、距離Ｌ３のアンテナ３ｃは巻き数Ｎ３とすることで、プラズマ１０の強度が均一になるようにしている。

次に、図２を参照して、位相回路６とアンテナ３との間の距離Ｌによりアンテナ３の巻き数Ｎを決定する方法について説明する。図２（ａ）に示した構成において、巻き数Ｎが例えば、Ｎ＝３、Ｎ＝４、Ｎ＝５の複数のアンテナ３を準備して反応管２の外周に配置し、それぞれの反応管２について、位相回路６とアンテナ３との間の距離Ｌを、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を含む範囲の複数の測定位置に順次変化させ、それぞれの測定位置で反応管２の吹き出し口７から吹き出したプラズマ１０の発光強度を測定器１１で測定する。測定条件の具体例を示すと、高周波電源４の周波数を１００ＭＨｚ、ガス９をアルゴン、流量を３００ｓｃｃｍ、反応管２の内径を１ｍｍとする。こうして測定した結果を、図２（ｂ）に示すように、巻き数Ｎをパラメータとして各巻き数Ｎごとに距離Ｌと発光強度の関係を求める。そして、図２（ｂ）に示す関係に基づいて、図２（ｃ）に示すように、距離Ｌをパラメータとして各距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ごとに巻き数Ｎと発光強度の関係を求める。この図２（ｃ）に示した関係から、距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で所定の発光強度を得るための巻き数Ｎを決定することができる。

以上の構成によれば、反応管２ａ、２ｂ、２ｃ内にその他端開口８ａ、８ｂ、８ｃからガス９を供給しつつ、高周波電源４から整合回路５と位相回路６を介して各アンテナ３ａ、３ｂ、３ｃにそれぞれ高周波電圧を印加することで、反応管２ａ、２ｂ、２ｃ内でプラズマ１０が発生して吹き出し口７ａ、７ｂ、７ｃから吹き出す。それらのプラズマ１０は、位相回路６に対する各反応管２ａ、２ｂ、２ｃの配置位置に基づいてアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃの巻き数を変えていることで、上記のようにプラズマ強度が略同一になるため、これら複数のプラズマ１０を対象物に照射することで、広範囲のプラズマ処理を均一にかつ効率的に行うことができる。また、複数のアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃに対してそれぞれ高周波電源を設けるのではなく、単一の共通の高周波電源４から高周波電圧を印加するようにしているので、コンパクトで安価な構成とすることができるとともに、煩雑な調整作業が不要で、作業性が向上する。

（第２の実施形態）
次に、本発明の大気圧プラズマ発生装置の第２の実施形態について、図３、図４を参照して説明する。なお、本実施形態の説明では、上記第１の実施形態と同一の構成要素については、同じ参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。

上記第１の実施形態では、反応管２ａ、２ｂ、２ｃの配置位置に基づいてアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃの巻き数を決定することで、各反応管２ａ、２ｂ、２ｃから吹き出すプラズマ１０の強度の均等化を図った例を示したが、本実施形態ではアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃの巻き数はすべてほぼ同一にし、各反応管２ａ、２ｂ、２ｃに供給するガス９の流量を反応管２ａ、２ｂ、２ｃの配置位置に基づいて決定することで、各反応管２ａ、２ｂ、２ｃから吹き出すプラズマ１０の強度の均等化を図っている。

図３を参照して説明すると、図３（ａ）に示すように、反応管２ａ、２ｂ、２ｃの他端開口８ａ、８ｂ、８ｃに対してガス供給部１２からガス９を供給するようにするとともに、反応管２ａ、２ｂ、２ｃに対してそれぞれ供給するガス９の流量を制御する流量制御手段１３ａ、１３ｂ、１３ｃがその供給路に配設されるとともに、それらを制御部１４にて制御するように構成されている。流量制御手段１３ａ、１３ｂ、１３ｃとしては、マスフローコントローラが好適に適用され、場合によっては流量制御弁を適用してもよい。

ここで、流量制御手段１３ａ、１３ｂ、１３ｃにて制御したガスの流量Ｍを、反応管２ａ、２ｂ、２ｃの配置位置に関係なく、同じ流量Ｍ１にすると、図３（ｃ）に示すように、各反応管２ａ、２ｂ、２ｃから吹き出すプラズマ１０の強度（発光強度で測定）が大きく異なってしまう。そのため、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、各反応管２ａ、２ｂ、２ｃに供給するガス９の流量Ｍを、反応管２ａに対してＭ１、反応管２ｂに対してＭ２、反応管２ｃに対してＭ３（ここで、Ｍ１＜Ｍ２＜Ｍ３）に決定することで、各反応管２ａ、２ｂ、２ｃから吹き出すプラズマ１０の強度の均等化を図っている。

次に、図４を参照して、位相回路６と反応管２との間の距離Ｌにより供給するガス９の流量Ｍを決定する方法について説明する。図４（ａ）に示した構成において、位相回路６と反応管２の間の距離Ｌを、各反応管２ａ、２ｂ、２ｃを並列配置するときのＬ１、Ｌ２、Ｌ３に順次配置設定し、それぞれの配置状態でガス供給部１２から反応管２に供給するガス９の流量Ｍ（ｓｃｃｍ）を流量制御手段１３にて適当間隔で設定した測定点に変化させ、各測定点で反応管２の吹き出し口７から吹き出したプラズマ１０の発光強度を測定器１１で測定する。測定条件の具体例を示すと、高周波電源４の周波数を１００ＭＨｚ、ガス９をアルゴン、アンテナ３の巻き数を３、反応管２の内径を１ｍｍとする。こうして測定した結果を、図４（ｂ）に示すように、距離Ｌをパラメータとし、各距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ごとに、流量Ｍと発光強度の関係を求める。この図４（ｂ）に示す関係に基づいて、図３（ｂ）に示すように、各反応管２ａ、２ｂ、２ｃから吹き出すプラズマ１０の発光強度が所望の強度となる流量Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を決定することができる。

以上の実施形態の説明では、複数の反応管２の外周にコイル状のアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃを配置した構成を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば平面波形状のアンテナ又は電極を配置した構成にも適用することができる。また、上記実施形態では、複数の反応管２に対してそれらのアンテナ又は電極３を並列に接続した例を示したが、アンテナ又は電極３を直列に接続しても同様の効果が得られる。

また、上記実施形態では、整合回路５と位相回路６を備えた例について説明したが、必ずしも位相回路６を設けている必要はなく、整合回路５のみが設けられている場合にも、その整合回路５と各反応管２ａ、２ｂ、２ｃとの間の距離に基づいてアンテナ３ａ、３ｂ、３ｃの巻き数や供給するガスの流量を決定するようにしても、同様の作用効果を奏することができる。

本発明の大気圧プラズマ発生方法及び装置によれば、複数の反応管の外周のアンテナ又は電極に対して単一の共通の高周波電源から高周波電圧を印加するようにしたコンパクトで安価な構成でありながら、整合回路又は位相回路に対する各反応管の配置位置に基づいて、アンテナ又は電極のインダクタンスを変え、若しくは各反応管へのガス供給量を変えることによって、各反応管で発生するプラズマの強度を略同一にすることができ、広範囲のプラズマ処理を均一にかつ効率的に行うことができるので、大気圧プラズマ発生装置にて広範囲の領域をプラズマ処理する場合に好適に利用することができる。

本発明の大気圧プラズマ発生装置の第１の実施形態の構成図。 同実施形態におけるアンテナの巻き数決定方法の説明図で、（ａ）は装置構成図、（ｂ）は各巻き数をパラメータとした距離と発光強度の関係を示す図、（ｃ）は距離をパラメータとした巻き数と発光強度の関係を示す図。 本発明の大気圧プラズマ発生装置の第２の実施形態を示し、（ａ）は構成図、（ｂ）は各反応管から吹き出すプラズマの発光強度を一定にする流量を示す図、（ｃ）は流量を一定にした場合の発光強度を示す図。 同実施形態における供給ガスの流量決定方法の説明図で、（ａ）は装置構成図、（ｂ）は各距離をパラメータとした流量と発光強度の関係を示す図。 従来例の大気圧プラズマ発生装置の構成図。

符号の説明

１ 大気圧プラズマ発生装置
２ａ、２ｂ、２ｃ 反応管
３ａ、３ｂ、３ｃ アンテナ
４ 高周波電源
５ 整合回路
６ 位相回路
７ａ、７ｂ、７ｃ 吹き出し口
８ａ、８ｂ、８ｃ 他端開口
９ ガス
１０ プラズマ
１２ ガス供給部
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 流量制御手段

Claims (4)

1. 一端が吹き出し口として開放され、外周に沿ってアンテナ又は電極が配置された複数の反応管を並列配置し、各反応管の外周のアンテナ又は電極に対して共通の高周波電源から共通の整合回路若しくは整合回路と位相回路を介して高周波電圧を印加するとともに、各反応管の他端側からガスを供給し、各反応管内で発生したプラズマをそれぞれの吹き出し口から吹き出す大気圧プラズマ発生方法において、各反応管で発生するプラズマの強度が略同一になるように、複数の反応管の整合回路又は位相回路に対する配置位置に基づいてその外周のアンテナ又は電極の巻き数や線径や線間隔によってインダクタンスを変化させることを特徴とする大気圧プラズマ発生方法。
2. 一端が吹き出し口として開放され、外周に沿ってアンテナ又は電極が配置された複数の反応管を並列配置し、各反応管の外周のアンテナ又は電極に対して共通の高周波電源から共通の整合回路若しくは整合回路と位相回路を介して高周波電圧を印加するとともに、各反応管の他端側からガスを供給し、各反応管内で発生したプラズマをそれぞれの吹き出し口から吹き出す大気圧プラズマ発生方法において、各反応管で発生するプラズマの強度が略同一になるように、複数の反応管の整合回路又は位相回路に対する配置位置に基づいて反応管へのガス供給量を変えることを特徴とする大気圧プラズマ発生方法。
3. 並列配置されるとともに一端が吹き出し口として開放された複数の反応管と、各反応管の外周に沿って配置されたアンテナ又は電極と、各アンテナ又は電極に対して共通の整合回路若しくは整合回路と位相回路を介して高周波電圧を印加する共通の高周波電源と、各反応管の他端側からガスを供給するガス供給手段とを備えた大気圧プラズマ発生装置において、各反応管で発生するプラズマの強度が略同一になるように、複数の反応管の整合回路又は位相回路に対する配置位置に基づいてその外周のアンテナ又は電極の巻き数や線径や線間隔によってインダクタンスを変化させることを特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
4. 並列配置されるとともに一端が吹き出し口として開放された複数の反応管と、各反応管の外周に沿って配置されたアンテナ又は電極と、各アンテナ又は電極に対して共通の整合回路若しくは整合回路と位相回路を介して高周波電圧を印加する共通の高周波電源と、各反応管の他端側からガスを供給するガス供給手段とを備えた大気圧プラズマ発生装置において、ガス供給手段は、各反応管で発生するプラズマの強度が略同一になるように、複数の反応管の整合回路又は位相回路に対する配置位置に基づいて反応管へのガス供給量を変える流量調整手段を有することを特徴とする大気圧プラズマ発生装置。

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