JP5067006B2

JP5067006B2 - 大気圧プラズマ処理方法

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Publication number: JP5067006B2
Application number: JP2007128786A
Authority: JP
Inventors: 裕之辻; 和弘井上
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-05-15
Also published as: JP2008287895A

Description

本発明は、大気圧近傍でプラズマを発生させ、そのプラズマを被処理物の表面に吹き付けて被処理物を処理する大気圧プラズマ処理方法に関するものである。

大気圧プラズマ発生装置は、所定の空間に不活性ガスやそれと反応性ガスとの混合ガスなどのガスを流しながらその空間に高周波電界を印加して放電を生じさせることで、大気圧近傍でプラズマを発生させるようにしたものであり、こうして発生させたプラズマを被処理物の表面に吹き付けて、被処理物の表面のクリーニング、レジストの除去、表面改質、金属酸化物の還元、製膜等の処理をすることは知られている。

例えば、図１１に示すように、誘電体から成る反応管４１の外周にコイル４２を巻回して配設し、コイル４２に高周波電源４３から高周波電圧を印加し、反応管４１の一端４１ａからガス４４を供給することで反応管４１内でプラズマを発生させ、反応管４１の他端４１ｂの吹き出し口からプラズマ４５を吹き出し、そのプラズマ４５を被処理物４６の表面に照射して上記のような各種処理を行うことは知られている。

また、図１２に示すように、所定の空間５１を挟んでその両側に誘電体５２を介して一対の電極５３ａ、５３ｂを配設し、電極５３ａ、５３ｂ間に高周波電源５４から高周波電圧を印加し、空間５１の一端５１ａからガス５５を供給することで空間５１の他端５１ｂの吹き出し口からプラズマ５６を吹き出し、そのプラズマ５６を被処理物５７の表面に照射して上記のような各種処理を行うことは知られている。

また、反応管にガスを導入するとともに内側電極と外側電極の間に交流電界を印加することで大気圧下で反応管内にグロー放電を発生させ、反応管からプラズマジェットを吹き出すプラズマ発生装置と、プラズマジェットの吹き出し位置に被処理物を搬送する搬送装置とを備えたブラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、この特許文献１においては、ガスの供給を停止してプラズマ処理を行っていない時に、反応管の吹き出し口を蓋体にて閉鎖する流入防止手段を設け、外部の空気が反応管内に流入するのを防止したり、他の方法として、プラズマを消灯する場合は、ガス供給を停止し、反応管に乾燥空気を供給して吹き出し口から出すようにすることが記載されている。

また、プラズマ処理方法として、ガス供給路内に放電を生じさせてプラズマを発生させ、処理容器内でそのプラズマに被処理物を暴露させて処理を行い、処理容器から処理後のガスを回収し、回収したガスから不純物を除去して再生し、再生したガスをガス供給路内に返送するようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。

なお、プラズマ発生部のその他の構成としては、断面形状が円形や細長い長方形状の誘電体から成る反応管の外周に管軸方向に間隔をあけて一対の電極を配設し、両電極間に高周波電圧を印加しつつ反応管にガスを供給することで反応管内でプラズマを発生するようにしたものや、誘電体から成る反応管の内側に内側電極を、外周に外側電極を配設し、両電極間に高周波電圧を印加しつつ反応管内にガスを供給することで反応管内でプラズマを発生するようにしたものや、所定の空間を挟んでその上下に誘電体を介して一対の電極を配設し、両電極間に高周波電圧を印加しつつ空間内にガスを供給することで空間内にプラズマを発生するようにしたものなども知られている。
特許第３１８００９２号明細書特開２００４−１７９１９１号公報

ところで、従来の大気圧プラズマ処理方法においては、ガス消費量が数ｌ／分〜数百ｌ／分程度必要であり、真空圧プラズマ処理装置の場合の数百ｍｌ／分程度のガス消費量に比して格段に大きくなっており、かつ大気圧プラズマに使用するガスは純度が低いとプラズマが不安定になるためコストの高い高純度のものが必要であるため、プラズマ処理のランニングコストが高くなるという問題があった。

この問題に対して、プラズマを発生する反応空間へのガス供給量を、反応空間でプラズマを発生させるのに必要なガス供給量の下限を極限としてその近傍まで低減することが考えられるが、その場合には反応空間から吹き出したプラズマを被処理物表面に照射しても殆どプラズマ処理することができない。これは、大気中では大気圧プラズマの寿命が短く、プラズマが被処理物表面に到達するまでに消滅してしまうためである。従来は、ガス供給量を多量に設定することで、プラズマガスの吹き出し流速を高め、大部分のプラズマが大気と接触しない内に被処理物表面に到達するとともに被処理物表面に到達するまでの時間がプラズマの寿命範囲に収まるようにしていたのであり、その結果上記のような問題を生じていたのである。

また、従来はガス供給量を多くしているので、プラズマガスの吹き出し流速が高くなり、被処理物表面に微小な部品が配置されている場合に、吹き飛ばしたり、移動させてしまう恐れがあるという問題もあった。

また、特許文献１には、このような問題及び解決手段について記載も示唆もなされていず、特許文献２でも、ガス消費量を低減するという課題はあるが、解決手段の構成が大掛かりで極めてコスト高なるとともに、処理工程も複雑になって処理効率が悪く、大気圧プズマによる処理の利点を十分に生かせないという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、大気圧プラズマにて被処理物を処理するに際してガス供給量の低減を図りつつ、大きな面積のプラズマ処理を確実にかつ安定して行うことができる大気圧プラズマ処理方法を提供することを目的とする。

本発明の大気圧プラズマ処理方法は、大気圧近傍で発生させたプラズマを吹き出し口から被処理物表面に向けて吹き出し、前記被処理物表面を処理する大気圧プラズマ処理方法において、前記吹き出し口の開口周長と、前記吹き出し口と前記被処理物表面の間の隙間の積で与えられる前記吹き出し口と被処理物との間の開口面積Ｂが、前記吹き出し口の開口断面積Ａに対して、Ｂ≦Ａとなるように、前記吹き出し口と前記被処理物の間の隙間を設定して処理を行うものであり、反応容器の内部に形成される反応空間に第１の不活性ガスを供給しつつ前記反応空間に高周波電界を印加して一次プラズマを発生させ、発生した一次プラズマを、前記反応容器の下端出口の周囲に配設された混合ガス容器の内部に形成され、第２の不活性ガスを主とし適量の反応性ガスを含む混合ガスが前記混合ガス容器の上部外周に配設されたガス供給口より供給される混合ガス領域に吹き出させてプラズマ化した混合ガスからなる二次プラズマを発生させ、発生した二次プラズマを前記混合ガス容器の下端開口にて構成される前記吹き出し口から吹き出し、一端が前記下端出口として開口した前記反応容器の他端の上端開口から第１の不活性ガスを供給しつつ前記反応空間に高周波電界を印加し、前記反応空間内で一次プラズマを発生させて前記下端出口から吹き出すものである。

この構成によると、吹き出し口と被処理物の間の隙間を、上記のように吹き出し口と被処理物との間の開口面積Ｂが吹き出し口の開口断面積Ａより小さくなるように調整設定することで、吹き出し口から吹き出したプラズマは、吹き出し口の口縁と被処理物との間の隙間の内側に完全に満たされ、その外側で大気に接触することになり、吹き出したプラズマが被処理物表面に到達するまでに消滅する要因を殆ど無くすことができるので、プラズマを発生して吹き出し口から吹き出すことができる最小限近傍のガス供給量でプラズマを発生させても、少なくとも被処理物における吹き出し口の開口断面積に対応する領域を確実にプラズマ処理することができ、ガス供給量の低減を図りつつ、大きな面積のプラズマ処理を確実にかつ安定して行うことができる。プラズマを発生して吹き出させることができるガス供給量は、ガスの種類や混合ガスの場合はその組成比、印加する高周波電圧の周波数帯や電圧値などによって規定されるものである。
また、反応容器の内部に形成される反応空間に第１の不活性ガスを供給しつつ反応空間に高周波電界を印加して一次プラズマを発生させ、発生した一次プラズマを、反応容器の下端出口の周囲に配設された混合ガス容器の内部に形成され、第２の不活性ガスを主とし適量の反応性ガスを含む混合ガスが混合ガス容器の上部外周に配設されたガス供給口より供給される混合ガス領域に吹き出させてプラズマ化した混合ガスからなる二次プラズマを発生させ、発生した二次プラズマを混合ガス容器の下端開口にて構成される吹き出し口から吹き出すようにすると、第１の不活性ガスとして高純度の不活性ガスを用いて小さい一次プラズマを発生させ、混合ガス領域に吹き出すことで、混合ガス領域で雪崩現象的にプラズマが展開して多量の二次プラズマを発生させることができ、高価な高純度の第１の不活性ガスのガス供給量をさらに低減できるとともに、安価なガスを用いることができる混合ガスのガス供給量に応じてプラズマの吹き出し口を大きくすることができ、処理領域を大きくしながらランニングコストの一層の低廉化を図ることができる。

また、大気圧近傍でプラズマを発生させて吹き出し口から吹き出すのに、一端が吹き出し口として開口した反応空間の他端からガスを供給しつつ反応空間に高周波電界を印加し、反応空間内でプラズマを発生させて吹き出し口から吹き出すようにすると、簡単な構成にて安定してプラズマを吹き出すことができる。

本発明の大気圧プラズマ処理方法によれば、吹き出し口と被処理物の間の隙間を、吹き出し口と被処理物との間の開口面積Ｂが吹き出し口の開口断面積Ａより小さくなるように調整設定することで、吹き出し口からプラズマを吹き出すことができる最小限近傍のガス供給量でプラズマを発生させても、プラズマが吹き出し口の口縁と被処理物との間の隙間の内側に完全に満たされた状態とすることができ、被処理物における吹き出し口の開口断面積に対応する領域を確実にプラズマ処理することができ、したがってガス供給量の低減を図りつつ大きな面積のプラズマ処理ができ、効率的にかつ安定してプラズマ処理を行うことができる。

以下、本発明の大気圧プラズマ処理装置の各実施形態について、図１〜図１０を参照して説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の大気圧プラズマ処理装置の第１の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。

図１において、１は大気圧プラズマ処理装置であり、大気圧近傍でプラズマＰを発生して吹き出し口３から吹き出すプラズマ発生部２と、被処理物４をプラズマ発生部２に対して相対移動させて被処理物４の表面にプラズマＰを照射させる移動手段５とを備えている。移動手段５は、図示例のように被処理物４を移動させても、プラズマ発生部２を移動させても良い。また、詳細機構は図示していないが、移動手段５は、プラズマ発生部２の吹き出し口３と被処理物４の間の隙間Ｇも調整設定できるように構成されている。

プラズマ発生部２は、一端に吹き出し口３を有し、内部に反応空間６ａを形成する誘電体からなる筒状の反応容器６と、反応容器６の外周に巻回して配設されたコイル状のアンテナ７とを備えている。アンテナ７には高周波発生手段としての高周波電源８が接続され、アンテナ７に１３．５６ＭＨｚに代表されるＲＦ周波数帯、又は１００ＭＨｚに代表されるＶＨＦ周波数帯の電圧を印加するように構成されている。

反応容器６の他端開口６ｂには、ガス供給部９からマスフローコントローラなど、流量を直接高精度に制御できる流量制御手段１０を介して所要の一定流量のガス１１を供給するように構成されている。ガス供給部９から供給するガスは、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からなる不活性ガスを主とするもので、それによってプラズマを容易かつ安定して発生させることができ、かつプラズマ処理の種類に応じて、各種の反応性ガスを混合したガスを供給する。

本実施形態では、移動手段５にてプラズマ発生部２と被処理物４を相対移動させてその表面をプラズマ処理する際に、プラズマ発生部２の吹き出し口３と被処理物４の表面との間の隙間Ｇを規制することで、被処理物４の表面における吹き出し口３に対向する範囲の領域を確実に安定してプラズマ処理するようにしている。すなわち、本発明者がプラズマ処理におけるガス１１の供給量の低減を図りつつ確実にプラズマ処理するプラズマ処理条件を鋭意研究する中で、吹き出し口３からプラズマＰを吹き出すのに必要な所要流量のガス１１を供給してプラズマＰを吹き出した状態で、吹き出し口３と被処理物４の間の隙間Ｇを、プラズマ処理を行う通常の範囲に設定した場合には、図２（ａ）に示すように、吹き出したプラズマＰが被処理物４の表面に十分に到達せずに消滅し、プラズマ処理を確実に行うことができなかった。一方、吹き出し口３と被処理物４の間の隙間Ｇを小さくして行くと、プラズマガスの吹き出し抵抗が大きくなってガス流量が低下し、プラズマＰが消灯してしまうことが判明した。そのため、従来は隙間Ｇを保ったままガス１１の供給量を増加して所要の領域のプラズマ処理を行うようにしていたのである。これに対して、本発明者は流量制御手段１０にて隙間Ｇが小さくなってもガスの供給量が維持されるようにしつつ、吹き出し口３と被処理物４の間の隙間Ｇを小さくして行くと、隙間Ｇが反応容器６の内径Ｄに対してある規定値以下になった時点で突如として一気に、図２（ｂ）に示すように、吹き出し口３と被処理物４との間の隙間の全面にプラズマＰが満たされた状態となり、少なくとも吹き出し口３に対向する範囲の領域の全面のプラズマ処理を確実に行えることを見出し、本発明を発明するに至ったのである。

具体例を図３を参照して説明する。内径Ｄが１０ｍｍの反応容器６に、不活性ガスとしてのアルゴンガスが９９％、反応性ガスとしての酸素ガスが１％の組成の混合ガスから成るガス１１を、ガス流量Ｖが５ｌ／分、１０ｌ／分、２０ｌ／分の一定流量に設定してそれぞれ供給し、各流量毎に隙間Ｇを、１ｍｍ〜６ｍｍの範囲で１ｍｍ間隔で変化させて被処理物の表面改質処理を行い、表面改質処理が適切に行われたか否かの評価を行った。その結果を、図３に示している。図３において、○は表面改質が適切に行われた例、×は適切に行われなかった例を表示している。なお、表面改質処理が適切に行なわれたか否かの評価は、処理後の被処理物上に水等の液体を滴下し、その液体が形成する角度（一般に接触角と呼ぶ。）を測定し、行なった。接触角が所定値以上であれば、表面改質が行なわれておらず、所定値以下になっていれば、表面改質が行なわれたと判定している。また、この例では５ｌ／分が反応容器６からプラズマＰを吹き出させることができる最小限近傍のガス１１の供給量であり、これ以下の流量では吹き出し口３から安定してプラズマＰを吹き出すことはできなかった。

図３によれば、ガス流量Ｖが５ｌ／分の時には、隙間Ｇが２ｍｍでは処理が適切に行われ、３ｍｍでは処理が適切に行われないので、その境界は２．５ｍｍとなり、１０ｌ／分の時には、隙間Ｇが３ｍｍでは処理が適切に行われ、４ｍｍでは処理が適切に行われないので、その境界は３．５ｍｍとなり、２０ｌ／分の時には、隙間Ｇが５ｍｍでは処理が適切に行われ、６ｍｍでは処理が適切に行われないので、その境界は５．５ｍｍとなる。このことから、隙間Ｇを２．５ｍｍ以下とすることで、プラズマＰを吹き出させることができる最少限近傍のガス供給量でも吹き出し口３に対向する範囲の領域で確実に適切にプラズマ処理できることが判明した。また、図３から、供給するガス流量Ｖを増加することにより、その増加倍数に所定の係数Ｋを掛けた割合で隙間Ｇを大きく設定しても、確実に適切にプラズマ処理できることが判明する。

他の具体例についても同様に検討して分析した結果、最小限近傍のガス供給量でも反応容器６の内径Ｄに対して隙間Ｇを次のように設定することによって、少なくとも吹き出し口３に対向する範囲の領域で確実に適切にプラズマ処理できることが判明した。すなわち、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、吹き出し口３の開口断面積をＡ、吹き出し口３の開口周長と隙間Ｇの積で与えられる吹き出し口３と被処理物４との間の開口面積をＢとして、Ａ≧Ｂとなるように隙間Ｇを設定することで、吹き出したプラズマＰで隙間Ｇの全体が満たされた状態となるため、確実に適切なプラズマ処理できるものと考えられる。吹き出し口３が円孔である場合には、Ａ＝πＤ²／４、Ｂ＝πＤＧであるので、Ｇ≦Ｄ／４、すなわち吹き出し口３の半径の半分以下に設定することで適切なプラズマ処理を確保することができるのである。

（第２の実施形態）
次に、本発明の大気圧プラズマ処理装置の第２の実施形態について、図４〜図８を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態と同一の構成要素については同一の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説明する。

本実施形態の大気圧プラズマ処理装置１のプラズマ発生部１２は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、長辺がＬ１、短辺がＬ２の長方形の横断面形状の反応空間１３ａの少なくとも一方の対向面が、図示例では四周面が、誘電体から成る反応容器１３を備え、その対向壁面の背面に一対の電極１４ａ、１４ｂとその外側の絶縁被覆板１５ａ、１５ｂとを配置した構成としている。そして、一対の電極１４ａ、１４ｂに対して高周波電源８から高周波電圧を印加し、反応空間１３ａの上方からガス１１を供給することで、下端の吹き出し口３からプラズマＰを吹き出すように構成されている。印加する高周波電圧としては、数ＫＨｚ〜数１００ＫＨｚ、又は１３．５６ＭＨｚに代表されるＲＦ周波数帯、又は１００ＭＨｚに代表されるＶＨＦ周波数帯、さらに電子レンジに使用される２．４５ＧＨｚに代表されるマイクロ波周波数帯などを適用できる。他の実施形態についても同じであるが、高周波電源と電極又はアンテナとの間に反射波を抑制するために整合回路（図示せず）を入れることが、一般的である。

本実施形態のプラズマ発生部１２は、図５に示すように、被処理物４を一定搬送経路上を移動させる移動手段５としての搬送コンベア５ａ上にその搬送経路上を横断するように配置されている。また、図示を省略しているが、移動手段５はプラズマ発生部１２を搬送コンベア５ａに対して昇降動作させてその高さ位置を調整設定できるように構成されている。また、搬送コンベア５ａの搬送方向におけるプラズマ発生部１２の上手側と下手側にそれぞれ処理開始認識手段１６と処理終了認識手段１７が配置されている。処理開始認識手段１６と処理終了認識手段１７は、搬送コンベア５ａで搬送されてくる被処理物４を検出するセンサからなり、その検出信号の立ち上がりと立ち下がりにより被処理物４の始端と終端をそれぞれ認識するように構成されている。

また、本実施形態の大気圧プラズマ処理装置１においては、図６に示すように、制御部１８にて移動手段５と高周波電源８と流量制御手段１０が動作制御されている。制御部１８は、処理開始認識手段１６と処理終了認識手段１７から入力された信号に基づいて、被処理物４に対する処理開始と終了の決定を行い、被処理物４に対する処理時には、移動手段５を制御してプラズマ発生部１２の高さ位置を調整設定するとともに、流量制御手段１０を制御してプラズマ発生部１２からプラズマＰが吹き出すのに必要な最小限近傍のガス流量を供給し、被処理物４に対する処理を行わない間は、プラズマ発生部１２を待機位置まで退避させるとともに、反応空間１３ａ内でのプラズマの点灯状態を維持できる最少限程度にガス流量を減少させるように構成されている。

次に、図７を参照して被処理物４の処理過程を説明する。まず、被処理物４がプラズマ発生部１２から離れて位置している状態では、図７（ａ）に示すように、処理開始認識手段１６により被処理物２が検出されていない状態であるので、ガス流量が反応空間１３ａ内でプラズマＰが点灯しているだけの点灯状態を維持できる程度に絞られるとともに、プラズマ発生部１２が待機位置に退避されている。次に、図７（ｂ）に示すように、被処理物４の始端が処理開始認識手段１６にて検出されると、制御部１８にて流量制御手段１０が制御され、ガス流量が吹き出し口３からプラズマＰが吹き出すのに必要な最小限近傍の流量に制御されて吹き出し口３からプラズマＰが吹き出し、プラズマ発生部１２の高さ位置が所定高さ位置に設定される。その直後から、図７（ｃ）に示すように、被処理物４に対するプラズマＰによる処理が行われる。次に、図７（ｄ）に示すように、被処理物４の終端が処理終了認識手段１７にて検出されると、直後に、図７（ｅ）に示すように、制御部１８にて流量制御手段１０が制御されてガス流量が上記のように点灯状態を維持できる程度に絞られるとともに、移動手段５が制御されてプラズマ発生部１２が待機位置に退避される。以降、上記動作が繰り返される。

上記図７（ｃ）に示したプラズマ処理に際して、図８（ａ）に示すように、吹き出し口３と被処理物４の間の隙間Ｇが、吹き出し口３の開口断面積Ａ（＝Ｌ１・Ｌ２）より、吹き出し口３の開口周縁と被処理物４との間の隙間Ｇの開口面積Ｂ（＝Ｇ・（Ｌ１＋Ｌ２）・２）の方が大きい場合、すなわちＧ＞（Ｌ１・Ｌ２）／｛（（Ｌ１＋Ｌ２）・２｝の場合には、吹き出したプラズマＰが被処理物４の表面に十分に到達せずに消滅し、プラズマ処理が確実に行われないが、図８（ｂ）に示すように、開口断面積Ａより隙間Ｇの開口面積Ｂの方が小さくなるように隙間Ｇを設定すること、すなわちＧ≦（Ｌ１・Ｌ２）／｛（（Ｌ１＋Ｌ２）・２｝に設定することで、吹き出し口３と被処理物４との間の隙間の全面にプラズマＰが満たされた状態となって、少なくとも吹き出し口３に対向する範囲の領域の全面のプラズマ処理を確実に行うことができる。

本実施形態でも上記実施形態と同様の作用効果を奏することができるとともに、被処理物４に対する処理の開始と終了を決定し、開始から終了の間のみガス流量をプラズマＰが吹き出し口３から吹き出す流量に制御し、それ以外の間はプラズマＰの点灯状態が維持される程度に低減することにより、被処理物４に対するプラズマ処理を安定して処理を行いながらガスの使用量をさらに低減することができ、ランニングコストの低下を図りながら効率的にかつ安定してプラズマ処理を行うことができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の大気圧プラズマ処理装置の第３の実施形態について、図９を参照して説明する。

上記第１、第２の実施形態では、プラズマ発生部２、１２の構成として、一端が吹き出し口３として開口した反応空間６ａ、１３ａの他端からガス１１を供給しつつ、アンテナ７又は電極１４ａ、１４ｂから反応空間６ａ、１３ａ内に高周波電圧を印加し、反応空間６ａ、１３ａ内で発生させたプラズマＰを吹き出し口３から吹き出すようにした例を示したが、本実施形態のプラズマ発生部２０では、プラズマＰの発生効率を向上するため、第１の不活性ガスを用いて上記のようにして発生させた一次プラズマを、第２の不活性ガスを主とし適量の反応性ガスを含む混合ガスが供給される混合ガス領域に吹き出させることで、混合ガスを雪崩現象的にプラズマ化して二次プラズマを発生させ、その二次プラズマをプラズマＰとして吹き出し口から吹き出すようにしている。

このプラズマ発生部２０の具体的な構成を図９を参照して説明する。断面円形の反応空間２１ａを形成する誘電体からなる円筒状の反応容器２１の周囲にコイル状のアンテナ２２を配設し、アンテナ２２に高周波電源８から高周波電圧を印加して反応空間２１ａに高周波電界を印加し、反応容器２１の上端開口２１ｂから第１の不活性ガス２４を供給することで、反応容器２１の下端出口２３から一次プラズマ２５を吹き出すように構成されている。反応容器２１の下端出口２３近傍の周囲には下端開放の混合ガス容器２６が配設されている。混合ガス容器２６の上部外周には複数のガス供給口２８が配設され、内部に第２の不活性ガスを主とし適量の反応性ガスを含む混合ガス２７を供給するように構成されている。また、混合ガス容器２６は、反応容器２１の下端より下方に延出され、反応容器２１の下端より下方に、供給された混合ガス２７で満たされた下端開放の混合ガス領域２９を形成するように構成されている。この下端開放の混合ガス領域２９に一次プラズマ２５が衝突することで二次プラズマ３０が発生し、発生した二次プラズマ３０が、混合ガス容器２６の下端開口にて構成される吹き出し口３１からプラズマＰとして吹き出すように構成されている。

以上の構成において、反応容器２１の下端開口２３から一次プラズマ２５を吹き出している状態で、混合ガス容器２６内に混合ガス２７を供給することで、混合ガス領域２９内で混合ガス２９に一次プラズマ２５が衝突して二次プラズマ３０が発生し、その二次プラズマ３０が混合ガス領域２９の全領域に展開してさらに吹き出し口３１からプラズマＰとして下方に吹き出す。このプラズマＰを被処理物４に照射することで、所望のプラズマ処理が行われる。

このプラズマ発生部２０によれば、反応容器２１の内径ｄを小さくして第１の不活性ガス２４のガス供給量を少なくしても発生させた一次プラズマ２５によって二次プラズマ３０を大きく展開させることができるので、第１や第２の実施形態の場合に比して、混合ガス容器２６の下端の吹き出し口３１の開口面積を大きく設定することができ、かつ混合ガス領域２９に供給する混合ガス２７のガス供給量も吹き出し口３１から二次プラズマ３０が確実に吹き出す程度まで絞っても、上記実施形態と同様に吹き出し口３１と被処理物４との間の隙間Ｇを、吹き出し口３１の開口断面積をＡとし、吹き出し口３１と被処理物４との間の開口面積をＢとして、Ｂ≦Ａとなるように、吹き出し口３１と被処理物４との間の隙間Ｇを調整設定してプラズマ処理を行うことにより、第１の不活性ガス２４及び混合ガス２７の供給量の低減を図りながら吹き出し口３１の開口面積に対応する大きな領域のプラズマ処理を安定して確実に行うことができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の大気圧プラズマ処理装置の第４の実施形態について、図１０を参照して説明する。

本実施形態のプラズマ発生部２では、図１０に示すように、反応容器６の吹き出し口３の周縁から被処理物４の表面に平行に対向するように所要幅の対向壁面３２を設けている。そして、制御部（図示せず）が、吹き出し口３及び対向壁面３２と被処理物４の表面との間に設けるべき隙間Ｇに設定されるように移動手段５を制御するとともに、その隙間Ｇに応じて流量制御手段１０を制御して吹き出し口３から吹き出すプラズマＰのガス流量を調整するように構成されている。

次に、上記カズ流量の調整方法について説明する。反応容器６の内径、すなわち反応空間６ａの径をＤ１、対向壁面３２の外周径をＤ２とすると、吹き出し口３の開口断面積Ａは、πＤ１ ²／４で与えられ、対向壁面３２と被処理物４との間の隙間Ｇの開口面積Ｂは、πＤ２Ｇで与えられるため、Ａ≧Ｂとするには、Ｇ≦Ｄ１ ²／４Ｄ２となり、Ｄ１＜＜Ｄ２であるため、Ｇは小さな値にならざるを得ない。ここで、吹き出し口３からプラズマＰを吹き出すのに必要な最少限近傍のガス流量をＶ１とし、供給するガス流量をＶ２（Ｖ１＜Ｖ２）に増加すると、設定できる隙間Ｇは、Ｇ≦（Ｄ１ ²／４Ｄ２）・（Ｖ２／Ｖ１）・Ｋで与えられる。ここで、Ｋは、図３の勾配Ｋに対応する所定の係数であり、反応容器６の仕様、ガスの種類や組成、高周波電圧の周波数帯等の条件によって定まるもので、実験的に求められるものである。

このように、吹き出し口３の周縁から被処理物４表面に平行に対向するように所要幅の対向壁面３２を形成すると、対向壁面３２の周縁と被処理物４表面との間の開口面積Ｂが大きくなり、それに対応して設定すべき隙間Ｇが小さくなるが、ガス供給量を、吹き出し口３からプラズマＰを吹き出すのに必要な最少限近傍の流量Ｖ１から流量Ｖ２に増大させることで、Ｖ２／Ｖ１の比に係数Ｋを乗じた割合で隙間Ｇを大きく設定することができ、処理に必要な隙間Ｇを確保することができるのである。

本実施形態によれば、吹き出し口３及び対向壁面３２と被処理物４の表面との間の隙間Ｇを確保しつつ、対向壁面３２の大きさの面積のプラズマ処理を一度にかつ確実に安定して行うことができ、プラズマ処理の品質と効率の向上を図ることができる。

本発明は、以上の実施形態に限らず、請求項の記載に基づいて各実施形態に示した種々の構成要素を組み合わせた構成で実施することができる。

本発明の大気圧プラズマ処理方法によれば、吹き出し口と被処理物の間の隙間を、吹き出し口と被処理物との間の開口面積Ｂが吹き出し口の開口断面積Ａより小さくなるように調整設定することで、吹き出し口からプラズマを吹き出すことができる最小限近傍のガス供給量でプラズマを発生させても、被処理物における吹き出し口の開口断面積に対応する領域を確実にプラズマ処理することができ、ガス供給量の低減を図りつつ大きな面積のプラズマ処理を行うことができるので大気圧プラズマ処理に有効に利用できる。

本発明の大気圧プラズマ処理装置の第１の実施形態を示し、（ａ）は要部構成を示す部分断面正面図、（ｂ）は吹き出し口の開口断面積と吹き出し口と被処理物との間の隙間の開口面積を説明する斜視図。同実施形態における作用を説明する図で、（ａ）は従来の処理状態を示す断面図、（ｂ）は本実施形態の処理状態を示す断面図。同実施形態の具体例における隙間とガス流量をパラメータとして処理の適否を表したグラフ。本発明の大気圧プラズマ処理装置の第２の実施形態を示し、（ａ）は要部構成を示す斜視図、（ｂ）はプラズマ発生部の横断平面図。同実施形態の全体概略構成を示す斜視図同実施形態の制御構成を示すブロック図。同実施形態の処理工程における動作状態の説明図。同実施形態おける作用を説明する図で、（ａ）は従来の処理状態を示す断面図、（ｂ）は本実施形態の処理状態を示す断面図。本発明の大気圧プラズマ処理装置の第３の実施形態の要部構成を示す縦断面図。本発明の大気圧プラズマ処理装置の第４の実施形態の要部構成を示す縦断面図。従来例の大気圧プラズマ発生装置の要部構成を示す斜視図。他の従来例の大気圧プラズマ発生装置の要部構成を示す斜視図。

符号の説明

１大気圧プラズマ処理装置
２、１２、２０プラズマ発生部
３、３１吹き出し口
４被処理物
５移動手段
６、１３、２１反応容器
６ａ、１３ａ、２１ａ反応空間
７、２２アンテナ
８高周波電源（高周波発生手段）
９ガス供給部
１０流量制御手段
１１ガス
１４ａ、１４ｂ電極
１８制御部
２３下端出口
２４第１の不活性ガス
２５一次プラズマ
２７混合ガス
２８ガス供給口
２９混合ガス領域
３０二次プラズマ（プラズマＰ）
３２対向壁面
Ｐプラズマ
Ｇ隙間

Claims

大気圧近傍で発生させたプラズマを吹き出し口から被処理物表面に向けて吹き出し、前記被処理物表面を処理する大気圧プラズマ処理方法において、
前記吹き出し口の開口周長と、前記吹き出し口と前記被処理物表面の間の隙間の積で与えられる前記吹き出し口と被処理物との間の開口面積Ｂが、前記吹き出し口の開口断面積Ａに対して、Ｂ≦Ａとなるように、前記吹き出し口と前記被処理物の間の隙間を設定して処理を行うものであり、
反応容器の内部に形成される反応空間に第１の不活性ガスを供給しつつ前記反応空間に高周波電界を印加して一次プラズマを発生させ、発生した一次プラズマを、前記反応容器の下端出口の周囲に配設された混合ガス容器の内部に形成され、第２の不活性ガスを主とし適量の反応性ガスを含む混合ガスが前記混合ガス容器の上部外周に配設されたガス供給口より供給される混合ガス領域に吹き出させてプラズマ化した混合ガスからなる二次プラズマを発生させ、発生した二次プラズマを前記混合ガス容器の下端開口にて構成される前記吹き出し口から吹き出し、一端が前記下端出口として開口した前記反応容器の他端の上端開口から第１の不活性ガスを供給しつつ前記反応空間に高周波電界を印加し、前記反応空間内で一次プラズマを発生させて前記下端出口から吹き出すことを特徴とする大気圧プラズマ処理方法。