JP5188815B2

JP5188815B2 - マイクロ・プラズマ・アレー

Info

Publication number: JP5188815B2
Application number: JP2007549911A
Authority: JP
Inventors: ローランドゲッシェ
Original assignee: フォーチュンベラブンドベルリンイーブイ
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2026-01-11
Also published as: DE502006001494D1; DE102005002142A1; WO2006075008A1; US8545764B2; ATE407447T1; EP1836718B1; JP2008527643A; EP1836718A1; US20090214402A1

Description

本発明は大気圧または大気圧付近の圧力雰囲気で低温プラズマを発生させるためのマイクロ・プラズマ・アレーに関するものである。

プラズマは沈降プロセス、エッチング・プロセス、ラミネーション・プロセスなど多く使用されている。

低温プラズマを発生させるためのプラズマ発生炉は、真空中で10〜30MHzの高周波電圧を2枚の平行な板状電極に印加したり、あるいは真空チャンバーにギガヘルツ帯域のマイクロウェーブを導入したりするが、いずれの場合も500ワット以上の出力を必要とする。

最近の研究では、低真空条件であっても適切な低温プラズマが得られたと報告されている。
そのような発生炉ではコロナ放電またはグロー放電が使われている。そのようなプラズマ発生器の概観は、
Laroussi著 Nonthermal
Decontamination of Biological Media by Atmospheric-Pressure Plasmas: Review,
Analysis, and Prospects、およびIEEE Transactions an Plasma Science2002年第30巻第4号ページ1409-1415 またはSchutze et al著 The Atmospheric--Pressure
Plasma Jet: A Review and Comparison to Other Plasma Sources, a.a.O.1998年第26巻第4号などに見られる。ここで述べられたプラズマ発生器は、特に生物学的使用および医学的使用を目的とするものであった。

真空で働くプラズマ発生器で生ずるコストを別として、この分野における低圧の利用は不可能なので、ここでは大気圧中でプラズマを使用することが前提条件となる。
また、真空に対して敏感な材料、例えば特定のポリマーや機微な食品の取り扱いは大気圧中または大気圧に近い圧力の下で低温プラズマを使用することで可能となる。

特に、プラズマ外科治療またはプラズマ歯科治療に適合するものとして、いわゆるプラズマ針というものが紹介されており、それによればプロセスガスを流したシリンダーの中において、高周波電極でプラズマが発生させられるものである（参照：Stoffels et al.著 Plasma needle: a non-destructive atmospheric Plasma source for fine
surface treatment of (bio) materials, Plasma Sources Sci. Technol. 11 (2002年、ページ383-388)）。

生物学および医学的使用目的に限らず、その他の使用目的でプラズマ発生器の寸法を減少するための努力が、いわゆるマイクロ構造電極アレー（MSE）によってはかられた。これはくし形電極を使用し、10MHz帯域で400Vの電圧をかけられて働くものである（参照：Baars-Hibbe et al.著
Micro-structured electrode arrays: Atmospheric pressure plasma processes -
characterization and new applications, www.icpig.uni
greifswald.de/proceedings/data/Baars-hibbe 1.）。特に、照明工学的利用（エキシマ・レーザー、蛍光灯）ではこのようなアレーは、いわゆるMHCD装置（microhollow cathode discharge）として知られるようになった。
ここでは導電性のカソード材料に微細孔が設けられている。

微細孔と微細孔の間の開いている領域は誘電体材料で覆われる。
全てのカソードはアノードに対置して設置される。特定の用途として、微細孔は吸引孔として用いられたり（US 5 686 789）、カソードおよびその下にある基板材料の貫通用に用いられたりすることがある（DE 198 21 244）。ただし後者の場合は、コーティングの用途としては十分なプラズマ厚みを供するものではない。

本発明は、冒頭に述べた種類のマイクロ・プラズマ・アレー、すなわち、ガス流を高効率で活性化し、ガス流が通過してプラズマを高密度で発生させることに適するものを提案をすることを使命とするものである。

発明の使命は特許請求の範囲１の特徴により解決される。目的とする構成は、下位請求項の対象とする。

それによればこのアレーは、互いに規則的な間隔で並べられた孔が設けられた基板により構成される。
基板に設けられた孔の壁面は、中空電極を構成するために、金属メッキが施される。このようにしてつくられた中空電極は単独またはグループで基板の側からギガヘルツ帯で電気的に励起される。

高周波を使用することは、高いプラズマ密度を得ることができ、プラズマの点火作用を改善できる長所がある。

中空電極が円筒形の断面を持つことは有効ではあるが、場合によっては他の断面形状を有することも差し支えない。
中空電極の直径部分は、好ましくは1μm〜1mmとし、中空電極の長さは100μm〜10mmの範囲とするのがよい。

特殊な用途では、特に電極材料がプロセス中に化学的な妨害となる場合は、中空電極の金属の壁面には絶縁コートをしてもよい。また、電極にフラッシュオーバーが現れることもある。コーティングはこのようなことを防止し、解決し、したがって電極の摩耗を減少することに役立つ。

プラズマ・アレーの点火作用を改善するために、電気的励起に相対する基板の側に、もう一つ別の、孔を設けた電極が設けられて、しかもその孔が、事実上、中空電極の位置と直径に対応する方法が利用されることがある。中空電極と、もう一つのこの電極との間隔はできるだけ小さいものとし、500μｍを超えないようにする。この間隔は、例えば、この間に挿入される絶縁シートで行うこともできる。

基板材料としては、セラミックまたはセラミック複合材料（例、デュロイド、スタンダード・マイクロウェーブ用打ち抜き材料など）を利用することができる。
将来的には半導体材料と統合することも考えられる。

孔はレーザー加工で加工することもでき、（フォト・コーティング）マスクを使用し（プラズマにより）ケミカル・エッチング加工してもよい。その後、中空電極自体は電気メッキまたは真空メッキ（PDV法、CVD法など）で仕上げる。

その都度励起を与えるための発振器は基板上に、好ましくは電気的励起を加える側において一体化される方がよく、このようにして中空電極は発信回路の一部を形成することになる。

マイクロ・プラズマ・アレーのプラズマセルは単独或いはグループで制御される方法で、表面の構造的処理が可能となる。
プラズマも処理対象の表面に対して相対的に移動させられることができる。同様に、自己の側で移動した処理対象が、移動した対象とともに一緒に移動したプラズマによって処理が可能となるので、プラズマは対象の移動にかかわらず、特定の領域においてのみ作用する。

本発明により製造されたプラズマ・アレーが使用される例は次の通りである。

梱包処理（食品など）、医学用機器および医療用繊維類のインサイチュー滅菌用のプラズマ発生源。

バイオ・メディカルな施術および診断、例えば、ヒト組織工学、医薬を投入するインプラント治療などの分野における機能化およびコーティング。

健康促進照明、発芽用紫外線源などのプラズマ放射光源。

家庭用およびレジャー用品において、例えば、家庭用繊維製品のオリジナル汚れの除去、家屋および自動車の消臭などの移動体用途。

梱包、プラスチック、ガラスおよび繊維組織の機能的表面処理加工。

診断用あるいは複合材料の製造を目的とするナノ粉末の製造と精製。

例えば、特定の形状にしたものや丸くまるめることができるソーラーセルや薄膜センサーなどの薄膜製造。

以下、実施例に基づいてさらに詳しく本発明を説明する。
添付図は以下のものを示す。第1図、本発明によるプラズマ・アレーの正面図。第2図、そのようなプラズマ・アレーの単一セルの断面。第1図は、基板1に設けられた中空電極として特徴付けられる、本発明による、４ｘ９個の単一プラズマ・セルを有するプラズマ・アレーの全体図を示す。

第2図は、断面図において単一のプラズマ・セルを示す。中空電極2は基板1に設けられた微細孔を金属コートすることによって形成される。孔加工およびそのコーティングは、半導体製造技術により既知の方法で行われる。
基板1の表側においては中空電極2が、例えば励起するために5.8 GHzの周波数で設定されている（ISM周波数の）、基板1と一体化した、自由に発振する発振器3が結合される。発振器3が直接基板1に配置されることによって、アレーは、電源供給のみが必要な、完全に独立した一個の構成部品となる。
単一プラズマ・セルの出力を10ワット以下に制限することによって、極めてわずかなエネルギー消費によりプラズマ発生が可能となり、特にプラズマ・セルをグループで制御することも、また特に個別に制御することができるようになり、良好なスケーリングを保障することができるようになった。

基板1は厚さ500μmのセラミック材料、例えばデュロイドを用いて構成される。中空電極2は直径100μmとする。両者はさらに、上述のごとく、絶縁コーティングによって不活性としてもよい。

励起したときに瞬時に中空電極2の中のプラズマの点火ができるように、基板1の下側にさらにもう一つの電極4（アノード）を設け、かつそれが中空電極2と対応する位置に存在する孔となって、それぞれが点火間隙5を形成する。電極4はアースに接続される。アースと基板表面との接続は、アース接続を経由して都合よく基板1の他の孔に通じることができる。

アース接続6のこしらえは中空電極2の作成と同様の方法で行われる。アース接続6は中空のままとしてもよいし、電気メッキで充填してもよい。また後加工をしてスズろう材を充填してもよい。

点火間隙5は、電極4と基板１の間に追加して挿入される絶縁シート6で確保される。絶縁シートの厚みは約20μmで、同様にセラミック材料で構成される。

点火が行われる場合は、狭い厚みのところに常に存在する自由電子が、気体分子と衝突するときにその気体分子からさらに多くの電子を叩き出すために必要なエネルギーレベルとなるまで加速される。
このときに、さらに多くの自由電子（なだれ効果）とイオンが発生する。適度なパラメータ（気体状態、圧力、場の強さ）の場合、イオン化は、衝突による新しいイオン化が電子の損失と同等となる平衡値まで上昇する。電子の損失は組み替え（光、紫外線、赤外線放射などの）により、また壁面損失（電子がプラズマ領域から退出する）により発生する。
点火には高い場の力が必要であるが、これは小さな隙間によって限定された電圧で発生されるので、ここでは小さな点火間隙5によって達成される。点火後は、プラズマは極めて複雑な関係を持つ導電性媒体を創造する。
点火した後のプラズマは、点火間隙にじっとしていない。なぜなら、そのときにはすでに小さな体積において高温となり、電極の負荷は非常に大きなものとなっているはずなので、全ての「両極の」配置に発生する問題が巨大化しているからである。

そしてプラズマは中空電極2の中へ拡散し、さらにこの中を充填し、このとき同軸電導構造を形成する（電極が外側導体、プラズマが内側導体）。

第１図、本発明によるプラズマ・アレーの正面図。第２図、そのようなプラズマ・アレーの単一セルの断面。

符号の説明

１基板
２中空電極
３発振器
４電極
５点火間隙
６絶縁シート
７アース接続

Claims

規則的な間隔で基板（1）に設けられた複数の孔を有し、該複数の孔の壁面が金属メッキされて中空電極（2）を形成し、そしてこの中空電極（2）は単独またはグループで、前記基板（1）の一方の側と、前記中空電極と所定距離だけ離れた、前記一方の側とは相対する側に設けられた電極（４）の間に、周波数がギガヘルツ帯域の電圧を引加することにより電気的に励起され、前記単独またはグループの中空電極のそれぞれに励起を与える発振器は、基板上の前記電気的な励起を行う前記一方の側に、該基板と一体的に設けられている、
ことを特徴とする、大気圧または大気圧に近い圧力においてプラズマを発生するマイクロ・プラズマ・アレー。
前記中空電極（2）が円筒形の断面を有することを特徴とする、請求項1のマイクロ・プラズマ・アレー。
中空電極の直径が1mmよりも小さいことを特徴とする、請求項1または2のマイクロ・プラズマ・アレー。
中空電極（2）の金属の壁面が絶縁材でコートされることを特徴とする、請求項1〜3の内、いずれか１項記載のマイクロ・プラズマ・アレー。
前記電極（４）は孔を有しており、その孔が、前記中空電極（2）の位置と直径に対応することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項記載のマイクロ・プラズマ・アレー。
中空電極（2）ともう一方の電極（4）の間の間隔が500μmよりも小さいことを特徴とする、請求項5のマイクロ・プラズマ・アレー。