JP5447302B2

JP5447302B2 - 大気圧プラズマ発生方法及び装置

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Publication number: JP5447302B2
Application number: JP2010193428A
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: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: JP2011023357A

Description

本発明は、大気圧プラズマ発生方法及び装置に関し、特に広い範囲でプラズマ処理が可能な大気圧プラズマを小さな入力電力で発生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。

従来、大気圧近傍（圧力では、５００〜１５００ｍｍＨｇの範囲）で不活性ガスをプラズマ化し、発生した不活性ガスのラジカルによって反応性ガスをプラズマ化して、表面改質、エッチング、成膜等のプラズマ処理を行う大気圧プラズマ発生装置においては、最初から不活性ガスと反応性ガスを所定の割合で混合して筒状の反応容器の一端に供給し、その反応容器に高周波電界を印加することで混合ガスをプラズマ化し、発生したプラズマを反応容器の他端から吹き出し、被処理物に照射して処理を行うようにしたものが通例であった。

図１１を参照して、不活性ガスとしてアルゴンを、反応性ガスとして酸素を用いた場合についてその原理を説明する。高周波電界が印加され放電プラズマが発生している反応空間中のＡｒ原子（Ａｒ）は、放電プラズマ中の電子（ｅ）により励起又は電離され、アルゴンラジカル（Ａｒ^＊）やアルゴンイオン（Ａｒ^＋）や電子（ｅ）となる。アルゴンラジカル（Ａｒ^＊）はエネルギーの高い準安定状態にあり、周辺にある同種又は異種の原子と反応し、それらの原子を励起又は電離させて安定状態に戻ろうとして雪崩れ現象的に反応が発生する。その時に周辺に酸素があると、酸素原子（Ｏ）が励起又は電離され、酸素ラジカル（Ｏ^＊）や酸素イオン（Ｏ^＋）や電子（ｅ）となる。その酸素ラジカル（Ｏ^＊）が被処理物の表面の材料と反応し、表面改質を行ったり、表面にある有機物と反応して有機物を除去したりするプラズマ処理が行われる。なお、不活性ガスのラジカルは、反応性ガスのラジカルに比較して準安定状態が長く維持されるという特長があり、そのため一般にプラズマを発生させるのに不活性ガスを使用するのが一般的である。また、反応性ガスとして、成膜できるガスを使用すると成膜することができ、水素を使用すると還元作用が期待できる。

従来の大気圧プラズマ発生装置の構成例としては、図１２に示すように、反応空間を形成する反応容器４１の一端から不活性ガスと反応性ガスを所定の比率で混合した混合ガス４２を供給し、反応容器４１の外周に間隔をあけて配設した一対の電極４３ａ、４３ｂ間に高周波電源４４から交流又はパルス状の高周波電圧を印加することで、反応空間でプラズマを発生させ、発生したプラズマ４５を反応容器４１の他端から吹き出させ、被処理物４６の表面をプラズマ処理するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、図１２に示すような構成にて、不活性ガスと反応性ガスを混合した混合ガスを励起して反応性ガスをプラズマ化するには、不活性ガスのみを励起する場合に比べて入力電力が数１０倍必要となり、装置が大型化するという問題があり、このような問題を解消する構成例として、図１３に示すように、高周波電源５２にて高周波電界が印加される反応容器５１に対して不活性ガス（図ではＡｒ）５３のみを供給するように構成し、反応容器５１から吹き出したプラズマ５４に対して反応性ガス供給管５５から反応性ガス（図ではＯ_２ガス）５６を供給する構成も提案されている。具体的には、図１４に示すように、反応容器５１から吹き出したプラズマ５４を被処理物５７の一方から吹き付け、被処理物５７の他方から反応性ガス供給管５５から反応性ガス５６を吹き付けるようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、図１５に示すように、中央に反応性ガスの供給空間６１を配置し、その両側に、不活性ガスが供給されるとともに高周波電源６４から高周波電界が印加される一対の反応空間６２、６３を配設し、励起した不活性ガスの間に反応性ガスを流して不活性ガスとの混合を行い、プラズマ化した反応性ガスにて被処理物６５をプラズマ処理するようにしたものも知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００２−１２５３号公報特開平９−５９７７７号公報特開２００３−４９２７２号公報

ところで、図１２に示した構成では、上記のようにプラズマを発生するのに大きな入力電力が必要で、装置が大型化するという問題だけでなく、プラズマ化した反応性ガスの寿命が短いため、反応容器４１の他端から吹き出すと速やかにプラズマ４５が消失するため、反応容器４１の他端と被処理物４６の間の距離Ｌを短くしないと、プラズマ化した反応性ガスが有効に働かず、プラズマ処理できる距離範囲が小さく限定されてしまうという問題があった。

また、図１４に示した構成では、励起した不活性ガスの寿命は短く、反応容器５１から出ると直ぐに消えてしまうため、反応容器５１の出口付近でしか反応性ガス５６をプラズマ化することができず、そのため反応性ガス５６のプラズマ化が十分に行われないという問題があった。

また、図１５に示した構成では、励起した不活性ガスの間に反応性ガスを流して不活性ガスとの混合を行うことで、図１４の構成に比べると混合されやすく、反応性ガスがプラズマ化される範囲が均一になる利点があるが、不活性ガスの寿命が短いことに変わりはなく、プラズマ処理できる距離範囲が小さく限定されてしまうという問題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、プラズマを発生する反応空間に対して遠近方向に、また平面的にも広い範囲でプラズマ処理が可能な大気圧プラズマを小さな入力電力で発生する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、反応空間を形成する反応容器に、第１の不活性ガスを供給するとともに前記反応容器に配設されたアンテナにより高周波電界を印加し、プラズマ化した前記第１の不活性ガスから成る一次プラズマを前記反応容器の前記反応空間から吹き出させるプラズマ発生工程と、第２の不活性ガスと反応ガスからなる混合ガスを前記反応容器の外側に配設された混合ガス容器の内部の混合ガス領域に、前記混合ガス容器の壁上部に配設されたガス供給口より供給された前記混合ガスに対して前記一次プラズマを前記反応容器の下端より下方の部分での前記混合ガス容器の内部の前記混合ガス領域で衝突させることによりプラズマ化した混合ガスから成る二次プラズマを発生させるプラズマ展開工程とを有する。

本発明は、本発明者が大気圧プラズマ発生方法について営為研究する中で、反応空間から吹き出したプラズマに向けて不活性ガスを供給してその不活性ガスにプラズマを衝突させると、供給した不活性ガスが雪崩れ現象的にプラズマ化してプラズマが大きく展開することを見いだしたことに基づいたものであり、上記構成によれば、反応空間で第１の不活性ガスに高周波電界を印加してプラズマ化させ、一次プラズマとして吹き出し、その一次プラズマを第２の不活性ガスと反応性ガスの混合ガス領域に衝突させることで、一次プラズマが衝突した第２の不活性ガスが雪崩れ現象的にプラズマ化して混合ガス領域全体に展開し、このプラズマ化した第２の不活性ガスのラジカルにて反応性ガスがプラズマ化するので、反応空間に対して遠近方向及び平面的に広い範囲でプラズマが展開してプラズマ処理を行うことができ、かつ高周波電界は一次プラズマを発生する反応空間に印加するだけであるので小電力で済み、また入力電力が小さいので発生した二次プラズマのプラズマ温度も低く、耐熱性の低い部品が搭載された基板など、耐熱性の低い基板等のプラズマ処理も簡便に行うことが可能となるなどの効果が発揮される。また、第２の不活性ガスと反応性ガスを、反応性ガスの混合体比率が２０％以下になるように混合することで、高いプラズマ処理効果を得ることができる。

また、混合ガス領域は、予め混合した第２の不活性ガスと反応性ガスの混合ガスを当該領域に供給して形成すると、両ガスを別々に供給する場合に比してガス供給手段が簡単になるとともに、第２の不活性ガスと反応性ガスが均等に混合されているので、全体に均一なプラズマ処理を実現することができる。

また、混合ガス領域は、第２の不活性ガスと反応性ガスを別々に当該領域に供給して形成することもでき、その場合反応性ガスを任意の濃度に調整して混合することができ、所望のプラズマ処理を行うことができる。

また、第１の不活性ガスと第２の不活性ガスは、異種のものを使用することもできるが、同種の不活性ガスであると、二次プラズマの展開が安定するとともに、ガス供給手段が簡単になるため好適である。

また、第１の不活性ガス及び第２の不活性ガスは、アルゴン、ヘリウム、キセノン、ネオン、窒素、クリプトン又はこれらの１種又は複数種の混合ガスから選ばれたものであるのが好適である。

また、本発明の大気圧プラズマ発生装置は、反応空間と、前記反応空間に第１の不活性ガスを供給する第１の不活性ガス供給手段と、前記反応空間にて高周波電界が印加されてプラズマ化した前記第１の不活性ガスから成る一次プラズマを吹き出させる前記反応空間を形成する反応容器と、前記反応容器に配設されたアンテナに高周波電圧を印加して前記反応空間に高周波電界を印加する高周波電源と、前記反応容器の外側に配設され、その内部に壁上部に配設されたガス供給口より供給される第２の不活性ガスと反応性ガスの混合ガスの混合ガス領域を有し、前記壁上部に配設された前記ガス供給口より供給された前記混合ガスに対して前記反応容器から吹き出された前記一次プラズマを前記反応容器の下端より下方の部分の下端開放の前記混合ガス領域で衝突させることによりプラズマ化した混合ガスから成る二次プラズマを発生する混合ガス容器とを備えた。

この構成によると、プラズマ発生部で一次プラズマを発生し、プラズマ展開部で一次プラズマを混合ガス領域に衝突させて混合ガスの二次プラズマを展開させるので、上記プラズマ発生方法を実施してその効果を発揮することができる。また、第２の不活性ガスと反応性ガスを、反応性ガスの混合体比率が２０％以下になるように混合することで、高いプラズマ処理効果を得ることができる。

また、第２の不活性ガスと反応性ガスを予め混合した混合ガスを混合ガス領域に供給する混合ガス供給手段を設けると、混合ガス領域を簡単な構成で形成できるとともに第２の不活性ガスと反応性ガスが均等に混合しているので、広い範囲の二次プラズマで均一なプラズマ処理を安定して実現することができる。

また、第２の不活性ガスを混合ガス領域に供給する第２の不活性ガス供給手段と、反応性ガスを混合ガス領域に供給する反応性ガス供給手段とを設けると、反応性ガスを任意の濃度に調整して混合することができ、所望のプラズマ処理を行うことができる。

また、以上の大気圧プラズマ発生装置を、ロボット装置のＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能な可動ヘッドに搭載すると、コンパクトで極めて汎用性の高いプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の大気圧プラズマ発生方法及び装置によれば、反応空間で第１の不活性ガスがプラズマ化して一次プラズマとして吹き出し、その一次プラズマを第２の不活性ガスと反応性ガスの混合ガス領域に衝突させることで雪崩れ現象的にプラズマ化させ、二次プラズマとして混合ガス領域全体に大きく展開させることができるので、反応空間に対して遠近方向及び平面的に広い範囲でプラズマ処理を行うことができ、したがって広い範囲でプラズマ処理が可能な大気圧プラズマを小さな入力電力で発生することができる。また、第２の不活性ガスと反応性ガスを、反応性ガスの混合体比率が２０％以下になるように混合することで、高いプラズマ処理効果を得ることができる。

本発明の大気圧プラズマ発生装置におけるプラズマ発生原理の説明図。本発明の大気圧プラズマ発生装置の第１の実施形態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は斜視図。プラズマ親水化処理した後の水滴の接触角の説明図。同実施形態の変形例を示し、（ａ）は第１の変形例の縦断面図、（ｂ）は第２の変形例の斜視図。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）は縦断面図、（ｂ）は斜視図。同実施形態の変形例を示し、（ａ）は第１の変形例の縦断面図、（ｂ）は第２の変形例の縦断面図。本発明の大気圧プラズマ発生装置の第３の実施形態の縦断面図。本発明の大気圧プラズマ発生装置の第４の実施形態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は斜視図。本発明の大気圧プラズマ発生装置の第５の実施形態を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図。本発明の大気圧プラズマ発生装置の第６の実施形態の縦断面図。プラズマ発生原理の説明図。第１の従来例の大気圧プラズマ発生装置の正面図。他のプラズマ発生原理の説明図。第２の従来例の大気圧プラズマ発生装置の正面図。第３の従来例の大気圧プラズマ発生装置の斜視図。

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１０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４を参照して説明する。

まず、本発明の大気圧プラズマ発生方法の原理を図１を参照して説明する。図１は、第１の不活性ガスとしてアルゴンを、第２の不活性ガスとしてヘリウムを、反応性ガスとして酸素を用い、第２の不活性ガスと酸素の混合ガスを供給する例を示している。反応空間１にアルゴンが供給されるとともに高周波電界が印加されることで、反応空間１中のアルゴン原子（Ａｒ）が放電プラズマ中の電子（ｅ）により励起又は電離され、アルゴンラジカル（Ａｒ^＊）やアルゴンイオン（Ａｒ^＋）や電子（ｅ）となる。アルゴンラジカル（Ａｒ^＊）はエネルギーの高い準安定状態にあり、周辺にある同種又は異種の原子と反応し、それらの原子を励起又は電離させて安定状態に戻ろうとして雪崩れ現象的に反応が発生し、こうして発生した一次プラズマが反応空間１から吹き出される。反応空間１から吹き出した一次プラズマに向けてヘリウムと酸素の混合ガスが供給されることで、一次プラズマのアルゴンラジカル（Ａｒ^＊）によってヘリウム原子（Ｈｅ）が励起又は電離されてヘリウムラジカル（Ｈｅ^＊）やヘリウムイオン（Ｈｅ^＋）や電子（ｅ）となり、発生したヘリウムラジカル（Ｈｅ^＊）にて上記反応が雪崩れ現象的に展開してヘリウムラジカル（Ｈｅ^＊）が発生するとともに、ヘリウムラジカル（Ｈｅ^＊）にて周辺にある酸素原子（Ｏ）が励起又は電離され、酸素ラジカル（Ｏ^＊）や酸素イオン（Ｏ^＋）や電子（ｅ）となる。その酸素ラジカル（Ｏ^＊）が被処理物Ｓの表面の材料と反応し、表面改質を行ったり、表面にある有機物と反応して有機物を除去したりするプラズマ処理が行われる。これにより、反応空間と被処理物の間の間隔Ｌが大きくても、また平面的にも大きな範囲に対して、酸素ラジカル（Ｏ^＊）でのプラズマ処理を行うことができる。

次に、本実施形態の具体的な構成例について図２を参照して説明する。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、断面円形の反応空間１を形成する誘電体からなる円筒状の反応容器２の周囲にコイル状のアンテナ３を配設し、アンテナ３に高周波電源４から高周波電圧を印加して反応空間１に高周波電界を印加し、反応容器２の上端２ａから第１の不活性ガス５を供給することで、反応容器２の下端２ｂから一次プラズマ６を吹き出すように構成されている。反応容器２の下端２ｂ近傍の周囲に混合ガス容器７が配設され、その周囲に混合ガス８を内部に供給する複数のガス供給口９が配設されている。混合ガス容器７は、反応容器２の下端２ｂより下方に延出され、反応容器２の下端２ｂより下方の部分に、一次プラズマ６が衝突して二次プラズマ１１を発生する下端開放の混合ガス領域１０が形成されている。

以上の構成において、反応容器２の下端２ｂから一次プラズマ６を吹き出している状態で、混合ガス容器７内に混合ガス８を供給することで、混合ガス領域１０内で混合ガス８に一次プラズマ６が衝突して二次プラズマ１１が発生し、その二次プラズマ１１が混合ガス領域１０の全領域に展開するとともにさらにこの混合ガス領域１０から下方に吹き出す。この二次プラズマ１１を被処理物Ｓに照射することで、所望のプラズマ処理が行われる。このように二次プラズマ１１が大きく展開するので、反応容器２の下端２ｂと被処理物Ｓの間の間隔が大きくても、また平面方向にも反応容器２の断面積に比して大きな領域のプラズマ処理を行うことができる。

具体例について説明すると、反応容器２の内径Ｒ１＝０．８ｍｍ、混合ガス容器７の内径Ｒ２＝５ｍｍ、混合ガス容器７の下端と被処理物Ｓの間の間隔Ｌ１＝１ｍｍ、反応容器２の下端と混合ガス容器７の下端の間の間隔Ｌ２＝４ｍｍの装置構成とし、第１の不活性ガス５はアルゴンガスを用いて流量を５０ｓｃｃｍとし、混合ガス容器７内に供給するガスとして、
実施例１：第２の不活性ガスとしてのアルゴンガス（流量５００ｓｃｃｍ）と
反応性ガスとしての酸素ガス（流量５０ｓｃｃｍ）の混合ガス
実施例２：第２の不活性ガスとしてのヘリウムガス（流量５００ｓｃｃｍ）と
反応性ガスとしての酸素ガス（流量５０ｓｃｃｍ）の混合ガス
比較例１：反応性ガスとしての酸素ガス（流量５００ｓｃｃｍ）のみの単独ガス
比較例２：反応性ガスとしての酸素ガス（流量５０ｓｃｃｍ）のみの単独ガス
をそれぞれ用いて、被処理物Ｓの表面のプラズマによる親水化処理を行った。その被処理物Ｓの表面に水を垂らし、図３に示すように、水滴の接触角Θを測定し、親水性の良否の判定を行った。

表１にその結果を示した。表１から、第２の不活性ガスに反応性ガスを混合した実施例１、２では効果的にプラズマ処理ができて親水性が得られているのに対して、反応性ガス単体の比較例１、２ではプラズマ処理の効果が殆ど得られないことが分かる。

なお、図２の構成例では、混合ガス容器７が円筒形状のものを例示したが、図４（ａ）に示すように、下方に向けて径が小さくなる倒立接頭円錐形状に形成し、ガス供給口９から供給された混合ガス８が反応容器２の下端２ｂから吹き出した一次プラズマ６により効果的に衝突するようにして、さらに効率的に二次プラズマ１１が発生するようにしても良い。また、図２の構成例では、複数の全てのガス供給口９から混合ガス容器７内に混合ガス８を供給するようにしたが、図４（ｂ）に示すように、各ガス供給口９から別々に混合ガス容器７内に第２の不活性ガス１２と反応性ガス１３を供給して、混合ガス容器７内でこれらのガスが混合して混合ガス領域１０を形成するようにしても良い。

（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５、図６を参照して説明する。尚、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のみ説明する。

上記第１の実施形態では円筒状の反応容器２を用い、その周囲に配設したアンテナ３から反応空間１内に高周波電界を印加するようにし、反応容器２の下端２ｂの周囲に混合ガス容器７を配設した例を示したが、本実施形態では、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、断面形状が細長い長方形の角筒状の反応容器１４の互いに対向する長壁に一対の電極１５ａ、１５ｂを配置するとともに、反応容器１４を誘電体で構成し又は電極１５ａ、１５ｂの対向面の少なくとも一方に誘電体を配置し、かつ電極１５ａ、１５ｂ間に高周波電源４から高周波電圧を印加して反応容器１４内の反応空間１内に高周波電界を印加するように構成されている。かくして、反応容器１４の上端から第１の不活性ガス５を供給するとともに、反応空間１内に高周波電界を印加することで反応容器１４の下端から一次プラズマ６を吹き出す。また、反応容器１４の下端部一側に隣接して混合ガス容器１６が配設され、かつこの混合ガス容器１６の上部に設けられたガス供給口１７から第２の不活性ガスと反応性ガスの混合ガス８を供給するように構成されている。さらに、反応容器１４及び混合ガス容器１６の外側壁及び両端壁が下方に長く延出されて下端開放の混合ガス領域１０が形成され、混合ガス容器１６から混合ガス領域１０に流出した混合ガスに一次プラズマ６が衝突するように構成されている。

本実施形態においても、混合ガス領域１０で混合ガス８に一次プラズマ６が衝突することで二次プラズマ１１が発生して全領域に展開し、この混合ガス領域１０の下端開口から下方に二次プラズマ１１が吹き出すので、この二次プラズマ１１を被処理物Ｓに照射することで、所望のプラズマ処理が行われる。

なお、図５に示した構成例では、反応容器１４の一側に混合ガス容器１６を配設した例を示したが、図６（ａ）に示すように、反応容器１４の両側に混合ガス容器１６を配設し、両側から供給された混合ガス８に対して一次プラズマ６が効果的に衝突する構成としても良く、さらに図６（ｂ）に示すように、両側の混合ガス容器１６の外側壁を内傾させることで、一次プラズマ６が混合ガス８にさらに効果的に衝突するようにして、さらに効率的に二次プラズマ１１が発生するようにしても良い。

（第３の実施形態）
次に、本発明の大気圧プラズマ発生装置の第３の実施形態について、図７を参照して説明する。

上記第１及び第２の実施形態では反応容器２、１４の下端の周囲に、混合ガス８を供給する混合ガス容器７、１６を配設した例を示したが、本実施形態では、図７に示すように、反応容器２、１４の周囲又は両側に、第２の不活性ガス１２が供給される不活性ガス容器１８を配設し、この不活性ガス容器１８の周囲又は両側に、反応性ガス１３が供給される反応性ガス容器１９を配設し、反応性ガス容器１９の外側壁を下方に延出してその内部に混合ガス領域１０を形成するようにしている。

この構成によれば、反応容器２、１４から吹き出した一次プラズマ６が、不活性ガス容器１８から供給された第２の不活性ガス１２のみの雰囲気にまず衝突することで効率的にプラズマ化し、プラズマ化した第２の不活性ガス１２が混合ガス領域１０の全体に展開し、このプラズマ化した第２の不活性ガス１２に対して反応性ガス１３が混合されることで効率的にプラズマ化されて二次プラズマ１１として展開することで、より広い範囲でプラズマ処理が可能となる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の大気圧プラズマ発生装置の第４の実施形態について、図８を参照して説明する。

上記第１の実施形態では反応容器２を全長にわたって円筒状に形成した例を示したが、本実施形態では、図８に示すように、反応容器２の下端２ｂの近傍部分を下方に向かって径が大きく拡がるラッパ形状部２０に形成している。

この構成によれば、反応容器２から一次プラズマ６が混合ガス領域１０内に向かって拡散するように吹き出すので、一次プラズマ６中のラジカルが混合ガス領域１０内に供給されている混合ガス８に対して効率的に混合され、混合ガス８中の第２の不活性ガス１２及び反応性ガス１３が効率的にプラズマ化されて二次プラズマ１１として展開し、より効率的にかつ広い範囲でプラズマ処理が可能となる。なお、本実施形態の構成は、上記第２の実施形態においても同様に適用することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の大気圧プラズマ発生装置の第５の実施形態について、図９を参照して説明する。

上記第２の実施形態では断面形状が細長い長方形状の反応容器１４を用い、その一側又は両側に混合ガス容器１６を配設した例を示したが、本実施形態では、図９に示すように、断面形状が長方形で、内部に混合ガス領域１０を形成するプラズマ筒体２１が設けられ、その上端２１ａから第２の不活性ガス１２と反応性ガス１３の混合ガス８を供給するように構成されている。また、このプラズマ筒体２１の周壁に、混合ガス領域１０内に一次プラズマ６を吹き出すように複数の反応容器２が適当間隔置きに配設されている。各反応容器２には、第１の不活性ガス５を供給するように構成されるとともに、外周に配設されたコイル３にそれぞれ高周波電源４から高周波電圧を印加するように構成されている。プラズマ筒体２１内の混合ガス領域１０は、一次プラズマ６が吹き出される反応容器２の配置位置より下部がプラズマ展開空間２２となり、プラズマ筒体２１の下端から二次プラズマ１１を吹き出す。

本実施形態によれば、プラズマ筒体２１の断面の形状・大きさに対応した領域から二次プラズマ１１を吹き出すことができるので、より大きな範囲のプラズマ処理を一度に行うことができる。例えば、図９のように、細長い断面形状のプラズマ筒体２１を用いると、プラズマ筒体２１の長手方向と直交する方向に被処理物Ｓを相対移動させることで、大面積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。

本実施形態において、第２の不活性ガス１２と反応性ガス１３の混合比率を変えた場合の作用効果について実験を行った結果を説明する。高周波電源４の周波数は、１００ＭＨｚで、出力は４０Ｗであった。反応容器２に供給する第１の不活性ガス５としてはアルゴンを用い、流量は５０ｓｃｃｍとした。また、プラズマ筒体２１に供給する混合ガス８としては、表２、表３に示すように、第２の不活性ガス１２としてはヘリウム又はアルゴンを用い、流量は５００ｓｃｃｍ又は１０００ｓｃｃｍとし、反応性ガス１３としては酸素ガスを用い、流量は５０ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍの間で変化させ、被処理物Ｓの表面のプラズマ親水化処理を行った。そして、被処理物Ｓの表面の水滴の接触角を測定し、親水性の良否の判定を行った。

表２、表３にその結果を示した。表２、表３から、第２の不活性ガス１２がヘリウムでもアルゴンでも同様の結果が得られるとともに、反応性ガス１３の混合体積比率が２０％以下にすると、高いプラズマ処理効果が得られることが分かる。

（第６の実施形態）
次に、本発明の大気圧プラズマ発生装置の第６の実施形態について、図１０を参照して説明する。

本実施形態では、図１０に示すように、扁平な反応空間２４を挟んで一対の電極２５ａ、２５ｂが上下に対向して配設され、上方の電極２５ａに設けられたガス供給管２６から第１の不活性ガス５を反応空間２４内に供給するとともに、電極２５ａ、２５ｂ間に高周波電源４から高周波電圧を印加することで、下方の電極２５ｂが配設されている下面に設けられた複数の開口２７から一次プラズマ６を吹き出すように構成された中空平板状のプラズマ発生部２３が設けられ、このプラズマ発生部２３の下部に隣接して、内部の混合ガス領域２９内に一次プラズマ６が吹き出すようにプラズマ展開部２８が配設されている。混合ガス領域２９には、その周囲に設けられたガス供給ヘッダ３０から第２の不活性ガス１２と反応性ガス１３の混合ガス８が供給され、この混合ガス８に開口２７から吹き出した一次プラズマ６が衝突することで二次プラズマ１１が発生し、この二次プラズマ１１がプラズマ発生部２３とは反対側の対向側面に設けられた複数の開口３１から吹き出すように構成されている。

プラズマ発生部２３の下方の電極２５ｂは、開口２７に対応する開口を有する多孔金属板にて構成されるとともに、少なくともその上面、好適にはプラズマに晒される両面にセラミックスなどの誘電体３６が一体的に設けられ、開口２７はこれらを貫通して形成されている。また、以上の構成の大気圧プラズマ発生装置が処理室３２の上部に配設され、処理室３２の下部には、プラズマ展開部２８の下部に対向する位置に被処理物Ｓを搬入して位置決めし、プラズマ処理後搬出する移動手段３３が配設されている。なお、ガス供給管２６は絶縁部材３４を介して処理室３２の天井壁を貫通して外部に延出され、ガス供給ヘッダ３０はその外周壁が処理室３２の周壁にて構成され、かつガス供給ヘッダ３０内に混合ガス８を供給するガス供給口３５が処理室３２の周壁に設けられている。

以上の本実施形態の構成によれば、プラズマ発生部２３の下面の複数の開口２７からプラズマ展開部２８内の混合ガス領域２９に一次プラズマ６が吹き出し、混合ガス８がプラズマ化されて二次プラズマ１１を発生し、プラズマ展開部２８の下面の複数の開口３１からほぼ全面にわたって均一に二次プラズマ１１が吹き出すので、移動手段３３にて搬入されて位置決めされた被処理物Ｓの全面が一括して均一にプラズマ処理される。かくして、大気圧プラズマにて大面積の平面を一括して均一にプラズマ処理することができる。

以上の第１〜第５の実施形態の大気圧プラズマ発生装置は、コンパクトな構成であるので、ロボット装置のＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能な可動ヘッドに容易に搭載することができ、そうすることで各種被処理物の任意の部位や領域、特に微細な領域のプラズマ処理を精度良くかつ効率的に行うことができるので、コンパクトで極めて汎用性の高いプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の大気圧プラズマ発生方法及び装置によれば、反応空間で第１の不活性ガスがプラズマ化して一次プラズマとして吹き出し、その一次プラズマを第２の不活性ガスと反応性ガスの混合ガス領域に衝突させることで雪崩れ現象的にプラズマ化させ、二次プラズマとして混合ガス領域全体に大きく展開させることができるので、反応空間に対して遠近方向及び平面的に広い範囲でプラズマ処理を行うことができ、したがって広い範囲でプラズマ処理が可能な大気圧プラズマを小さな入力電力で発生することができるので、大気圧プラズマ発生装置に好適に利用でき、特に三次元ロボット装置に搭載する小型の大気圧プラズマ発生装置に好適に利用することができる。また、第２の不活性ガスと反応性ガスを、反応性ガスの混合体比率が２０％以下になるように混合することで、高いプラズマ処理効果を得ることができる。

１反応空間
２反応容器
４高周波電源
５第１の不活性ガス
６一次プラズマ
７混合ガス容器
８混合ガス
１０混合ガス領域
１１二次プラズマ
１２第２の不活性ガス
１３反応性ガス
１４反応容器
１６混合ガス容器
１８不活性ガス容器
１９反応性ガス容器
２１プラズマ筒体
２２プラズマ展開空間
２３プラズマ発生部
２４反応空間
２５ａ、２５ｂ電極
２７開口
２８プラズマ展開部
２９混合ガス領域
３１開口

Claims

反応空間を形成する反応容器に、第１の不活性ガスを供給するとともに前記反応容器に配設されたアンテナにより高周波電界を印加し、プラズマ化した前記第１の不活性ガスから成る一次プラズマを前記反応容器の前記反応空間から吹き出させるプラズマ発生工程と、
第２の不活性ガスと反応ガスからなる混合ガスを前記反応容器の外側に配設された混合ガス容器の内部の混合ガス領域に、前記混合ガス容器の壁上部に配設されたガス供給口より供給された前記混合ガスに対して前記一次プラズマを前記反応容器の下端より下方の部分での前記混合ガス容器の内部の前記混合ガス領域で衝突させることによりプラズマ化した混合ガスから成る二次プラズマを発生させるプラズマ展開工程とを有することを特徴とする大気圧プラズマ発生方法。
前記混合ガス領域は、予め混合した前記第２の不活性ガスと前記反応性ガスの混合ガスを当該領域に供給して形成することを特徴とする請求項１記載の大気圧プラズマ発生方法。
前記混合ガス領域は、前記第２の不活性ガスと前記反応性ガスを別々に当該領域に供給して形成することを特徴とする請求項１記載の大気圧プラズマ発生方法。
前記第１の不活性ガスと前記第２の不活性ガスが同種の不活性ガスであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の大気圧プラズマ発生方法。
前記第１の不活性ガス及び第２の不活性ガスは、アルゴン、ヘリウム、キセノン、ネオン、窒素、クリプトン又はこれらの１種又は複数種の混合ガスから選ばれたものであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の大気圧プラズマ発生方法。
反応空間と、前記反応空間に第１の不活性ガスを供給する第１の不活性ガス供給手段と、前記反応空間にて高周波電界が印加されてプラズマ化した前記第１の不活性ガスから成る一次プラズマを吹き出させる前記反応空間を形成する反応容器と、前記反応容器に配設されたアンテナに高周波電圧を印加して前記反応空間に高周波電界を印加する高周波電源と、前記反応容器の外側に配設され、その内部に壁上部に配設されたガス供給口より供給される第２の不活性ガスと反応性ガスの混合ガスの混合ガス領域を有し、前記壁上部に配設された前記ガス供給口より供給された前記混合ガスに対して前記反応容器から吹き出された前記一次プラズマを前記反応容器の下端より下方の部分の下端開放の前記混合ガス領域で衝突させることによりプラズマ化した混合ガスから成る二次プラズマを発生する混合ガス容器とを備えたことを特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
前記第２の不活性ガスと前記反応性ガスを予め混合した混合ガスを混合ガス領域に供給する混合ガス供給手段を設けたことを特徴とする請求項６記載の大気圧プラズマ発生装置。
前記第２の不活性ガスを混合ガス領域に供給する第２の不活性ガス供給手段と、前記反応性ガスを混合ガス領域に供給する反応性ガス供給手段とを設けたことを特徴とする請求項６記載の大気圧プラズマ発生装置。
請求項６〜８の何れかに記載の大気圧プラズマ発生装置を、ロボット装置のＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能な可動ヘッドに搭載したことを特徴とする大気圧プラズマ処理装置。