JP6146807B2

JP6146807B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

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Inventors: 敏之川崎
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Description

本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

従来より、大気圧下で発生させたプラズマジェットを被処理物に照射するプラズマ処理方法が実施されている。また、被処理物にプラズマジェットを照射したくない領域が存在する場合には、予め被処理物表面にレジストを塗布して、エッチング等で処理対象部分のみを露出させた後に、被処理物表面に対してプラズマジェットを照射することが行われている。この場合には、最終的にレジストを剥離する必要があるため作業が非常に煩雑であり、コスト面でも不利であった。

このような問題を改善する方法として、被処理物の大きさや、被処理物中の処理対象部分に応じた領域にプラズマジェットを照射することができる装置および方法が、例えば、特許文献１に開示されている。

特許文献１においては、放電管として誘電体材料の細長い円管を用いてプラズマジェットを被処理物にスポット的に照射する技術や、同様の複数の放電管を長手方向の外周壁が個々に隣接するように夫々を当接して直線的に束ねて１つの放電管とし、被処理物に直線的に吹き付ける技術や、誘電体材料の二枚の矩形状の薄板を隙間をもって対向させ、両側部を接着テープ等で固定して放電管とし、薄板の略幅に相当する長さ分だけ直線的に照射する技術等が開示されている。

以上のように、放電管の配置方法や形状の工夫によって、被処理物の大きさや、被処理物中の処理目標に応じた領域にプラズマジェットを照射することが可能となった。

特開平９−２３２２９３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、被処理物の大きさ等に対応した放電管を使用する必要があるため、大きさ等が異なる複数の被処理物を処理するためには、夫々に対応する放電管を準備しなければならないという問題を有している。

また、同一の被処理物中に領域の異なる複数の処理対象部分を有するものであれば、夫々の処理対象部分に対応した放電管を用いる必要がある。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、一個の放電管でプラズマジェットの照射領域（照射幅員）を可変制御可能な大気圧プラズマ処理装置を提供することを目的とする。

以上のような課題を解決するための手段として、本発明は以下のようなものを提供する。

請求項１に係る発明では、誘電体材料で構成した放電管と前記放電管に対峙した複数の電極とを有し、大気圧下で使用されるプラズマ処理装置において、ヘリウムガスと窒素ガスを含む混合ガスを放電管に導入して内部でプラズマ化して生成したプラズマジェットを排出照射する構成とし、混合ガスのヘリウムガスと窒素ガスの混合比を調整することにより、前記複数の電極間に電圧を印加することで前記放電管から照射されるプラズマジェットの照射幅員を調整してプラズマ照射範囲を特定可能とし、不要な範囲へのプラズマ照射機能を減殺することを特徴とするプラズマ処理装置。

請求項２に係る発明では、前記放電管は上下開口の略角パイプ状とし、前記電極を二個で構成すると共に、一方の電極は放電管の下部側壁に配設し、他方の電極は前記放電管の略直下に配設したことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。

請求項３に係る発明では、前記放電管の略直下に配設した前記電極は、前記電極の表面を絶縁材料で被覆していないことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。

請求項４に係る発明では、前記電極への印加電圧を４．０ｋＶ以上で８．０ｋＶ以下の範囲で可変自在とし、前記ヘリウムガスに添加する前記窒素ガスの量が０．５ｖｏｌ％以上で２０．０ｖｏｌ％以下の範囲で可変自在としたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のプラズマ処理装置。

請求項５に係る発明では、前記電極への印加電圧を４．０ｋＶ以上で６．０ｋＶ以下の範囲で可変自在とし、前記ヘリウムガスに添加する前記窒素ガスの量が０．５ｖｏｌ％以上で１１．０ｖｏｌ％以下の範囲で可変自在としたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のプラズマ処理装置。

請求項６に係る発明では、誘電体材料で構成した放電管と前記放電管に対峙した複数の電極とを有し、大気圧下で使用されるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、ヘリウムガスと窒素ガスを含む混合ガスを放電管に導入して内部でプラズマ化して生成したプラズマジェットを排出照射する構成とし、混合ガスのヘリウムガスと窒素ガスの混合比を調整することにより、前記複数の電極間に電圧を印加することで前記放電管から照射されるプラズマジェットの照射幅員を調整してプラズマ照射範囲を特定可能とし、不要な範囲へのプラズマ照射機能を減殺することを特徴とするプラズマ処理方法。

請求項７に係る発明では、前記放電管は上下開口の略角パイプ状とし、前記電極を二個で構成すると共に、一方の電極は放電管の下部側壁に配設し、他方の電極は前記放電管の略直下に配設したプラズマ処理装置を用いたことを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理方法。

請求項８に係る発明では、前記電極への印加電圧を４．０ｋＶ以上で８．０ｋＶ以下とし、前記ヘリウムガスに添加する前記窒素ガスの量を０．５ｖｏｌ％以上で２０．０ｖｏｌ％以下の範囲で調整することによりプラズマジェットの照射幅員を調整自在としたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のプラズマ処理方法。

請求項９に係る発明では、前記電極への印加電圧を４．０ｋＶ以上で６．０ｋＶ以下とし、前記ヘリウムガスに添加する前記窒素ガスの量を０．５ｖｏｌ％以上で１１．０ｖｏｌ％以下の範囲で調整することによりプラズマジェットの照射幅員を調整自在としたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のプラズマ処理方法。

本発明によるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法によれば、ヘリウムガスに窒素ガスを所定量添加することでプラズマジェットの照射幅員を可変させることが可能となり、被処理物の照射対象領域に応じた適正なプラズマ照射を行うことができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す模式図である。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置によるプラズマジェットの照射幅員の変化を表した模式図である。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の放電管等を示したものであり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は正面図である。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す模式図である。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法の作業の流れの一例を示した図である。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法の作業の流れの一例を示した図である。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置における処理の状況を示す模式図である。実験例の実験条件を示す表である。実験例の実験条件を示す表である。実験例で得られた各印加電圧値における窒素ガス濃度と照射幅員の関係を示すグラフである。実験例の印加電圧４ｋＶ時のプラズマジェットの状態を示す写真である。実験例の印加電圧４ｋＶ時の酵母菌の死滅状態を示す写真である。実験例の印加電圧５ｋＶ時のプラズマジェットの状態を示す写真である。実験例の印加電圧５ｋＶ時の酵母菌の死滅状態を示す写真である。実験例の印加電圧６ｋＶ時のプラズマジェットの状態を示す写真である。実験例の印加電圧６ｋＶ時の酵母菌の死滅状態を示す写真である。実験例の印加電圧７ｋＶ時のプラズマジェットの状態を示す写真である。実験例の印加電圧７ｋＶ時の酵母菌の死滅状態を示す写真である。実験例の印加電圧８ｋＶ時のプラズマジェットの状態を示す写真である。実験例の印加電圧８ｋＶ時の酵母菌の死滅状態を示す写真である。

本発明の要旨は、誘電体材料で構成した放電管と前記放電管に対峙した複数の電極とを有し、大気圧下で使用されるプラズマ処理装置において、ヘリウムガス（以下、Ｈｅガスとする）に添加する窒素ガス（以下、Ｎ_２ガスとする）の量を調整することにより、前記複数の電極間に電圧を印加することで前記放電管から照射されるプラズマジェットの照射幅員を調整してプラズマ照射範囲を特定可能とし、不要な範囲へのプラズマ照射機能を減殺することを特徴とするプラズマ処理装置である。すなわち、被処理物の照射対象領域に応じた適正なプラズマ照射を図ろうとするものである。

以下、本発明に係るプラズマ処理装置１及びプラズマ処理方法の一実施形態、及び実験例について図面を参照しながら説明する。なお、本説明中における印加電圧値とは、波高値を示すものである。

[プラズマ処理装置]
図１に示すように、本実施形態に係るプラズマ処理装置１は、放電管２と電極部３と配管部４とで構成している。プラズマ処理装置１が処理対象とする被処理物１０１は、放電管２と電極部３の第二電極１２との間に設置される。プラズマ処理装置１は、被処理物１０１の表面に対してプラズマジェット５を供給可能とするものである。

配管部４においては、主ガスとしてのＨｅガス６Ｈと、添加ガスとしてのＮ_２ガス７Ｎとが所定の混合比で混合され、混合ガス８Ｇを放電管２へと送出する。放電管２は、誘電体材料で形成され、内部に空間を有する両端開口の角パイプ状としている。放電管２は、両端の開口側が上下を向くように配置される。放電管２の上開口部９から入った混合ガス８Ｇは下開口部１０へと送出するように構成している。また、電極部３は、第一電極１１と第二電極１２とを有する。第一電極１１は、放電管２の下部において、一側の外壁面に貼設され、高周波電源１３と接続されている。第二電極１２は、被処理物１０１の下側に配設されて接地されている。

従って、第一・第二電極１１，１２間に交流の高電圧を印加することで、混合ガス８Ｇがプラズマ化すると共に、混合ガス８Ｇの流量に応じたプラズマジェット５が、放電管２の下開口部１０から所定の距離を隔てて設置された被処理物１０１の表面へと供給される。

以上のように、本実施形態に係るプラズマ処理装置１は、誘電体バリア放電（ＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢａｒｒｉｅｒＤｉｓｃｈａｒｇｅ）によって大気圧下でプラズマを生成可能とするものである。また、生成されたプラズマをジェット状として被処理物１０１の表面に供給して殺菌、洗浄等の処理がなされるものである。

また、Ｈｅガス６ＨとＮ_２ガス７Ｎの混合比を可変させることで、図２に模式的に示すように、プラズマジェット５の照射幅員１５を自在に調整できるものである。

次に、本実施形態に係るプラズマ処理装置１の各部について詳述する。

配管部４は、流量計（図示せず）を備えたＨｅガスボンベ１６と、流量計（図示せず）を備えたＮ_２ガスボンベ１７と、Ｈｅガスボンベ１６及びＮ_２ガスボンベ１７のそれぞれからの配管が接続されるガス混合器１８とを有する。ガス混合器１８は、Ｈｅガスボンベ１６からのＨｅガス６Ｈと、Ｎ_２ガスボンベ１７からのＮ_２ガス７Ｎとの混合比を可変自在とする。ガス混合器１８からは、放電管２の上開口部９へと配管が延設されており、ガス混合器１８により所定の混合比に調節されたＨｅガス６ＨとＮ_２ガス７Ｎの混合ガス８Ｇが放電管２の上開口部９へと供給される。なお、ガス混合器１８による混合方法は、例えば、圧力比混合法、重量法、流量比混合法、半重量法等の種々の方法が使用できる。

放電管２は、誘電体材料としてガラスを用いて構成されており、互いに同形状の二枚の矩形状のガラス板を隙間をもって対向配置させると共に幅方向の両側を繋げたような形状を有する。つまり、放電管２は、長手方向の両側に開口する空間を内部に有する角パイプ状に構成され、両側の開口が上下を向くように設けられている。また、放電管２の内部の空間は、後述する電極部３によって高電圧が印加される際に、混合ガス８Ｇがプラズマ化する反応空間１９としている。

具体的には、図３（ａ）に示すように、放電管２において、第一電極１１の上端部と略同高さの位置から下開口部１０の間に相当する内部空間を反応空間１９としている。すなわち、反応空間１９は、放電管２の内部空間の一部、具体的には下側の部分であって、上開口部９及び下開口部１０と連通している。なお、誘電体材料としてはガラス以外に、例えば、セラミックス等の絶縁材料を用いることができる。

以上のように放電管２を構成することで、配管部４から送出された混合ガス８Ｇは、放電管２の上開口部９から放電管２の内部へと導入され、反応空間１９を通って下開口部１０から排出（被処理物１０１の表面へ供給）されることになる。

電極部３は、第一電極１１と第二電極１２と高周波電源１３とを配線によって接続している。具体的には、第一電極１１は、略四角形状の導電性材料であるアルミニウム板で形成され、放電管２の下部の一側の外壁面の左右方向（放電管２の幅方向）の略中央部に、放電管２の下端部から所定の間隔をおいて導電性接着剤によって貼設されている。また、第一電極１１は高周波電源１３と接続している。

第二電極１２は、四角形状の導電性材料である鉄板で形成され、アース線によって接地されている。また、第二電極１２の表面は、誘電体材料等の絶縁材で被覆していない。これは、第一電極１１を貼設した放電管２（ガラス部分）が、第一電極１１と第二電極１２との間で誘電体材料として兼用されることによるものである。なお、第一・第二電極１１，１２は、導電性材料であればよいが、特に導電率の高い金属材料の使用が望ましい。

以上のように電極部３を構成することで、高周波電源１３によって第一・第二電極１１，１２間に所定の電圧を印加すると、放電管２の反応空間１９を通り被処理物１０１の表面に到達する混合ガス８Ｇが、反応空間１９から第二電極１２（第二電極１２上の被処理物１０１表面）にかけてプラズマ化する。すなわち、放電管２の下開口部１０から送出される混合ガス８Ｇのガス流量に応じたプラズマジェット５を被処理物１０１の表面に供給することができる。

また、第二電極１２を放電管２に配設する必要がなく、第二電極１２の表面を絶縁材料で被覆することも必要ないので、放電管２の構造を単純化できると共に、プラズマ処理装置１全体の構造をシンプルなものとすることができる。

以上説明したように構成された本実施形態に係るプラズマ処理装置１は、放電管２を、下開口部１０側を下側にして略垂直として、第二電極１２の略中央部において第二電極１２上の被処理物１０１に対して所定の間隔を隔てて配設することで、第二電極１２上に載置した被処理物１０１の表面に対して上方からプラズマジェット５を供給することができる。

なお、本実施形態に係るプラズマ処理装置１は、上述のように垂直下方へのプラズマジェット５の供給としているが、放電管２と第二電極１２との位置関係は、本実施形態に限定されるものではなく、例えば、図４に示すようにプラズマ処理装置１を水平方向に配設し、被処理物１０１を第二電極１２に形成された位置決め固定部材２０によって固定して処理を行ってもよく、放電管２と第二電極１２との位置関係、つまりプラズマジェット５の照射方向は如何なる方向としても本発明の要旨の範囲内において適用可能である。

[プラズマ処理方法]
次に、上述したプラズマ処理装置１を用いてプラズマジェット５の照射幅員を可変させるプラズマ処理方法について図５、図６を参照しながら説明する。

図５は、プラズマ処理装置１の照射幅員１５の可変条件（Ｈｅガス６ＨとＮ_２ガス７Ｎの混合比と、印加電圧）が不明な場合における照射幅員１５の調整方法を含めた作業の流れを示したものである。

まず、プラズマ処理装置１の第二電極１２上であって、放電管２の直下に被処理物１０１として空のシャーレを載置する（ステップＳ１）。

次に、放電管２の下端面から第二電極１２の面上までの距離（厳密には被処理物１０１の表面までの距離）を所定の間隔に調整して固定する（ステップＳ２）。第一電極１１と第二電極１２との間で発生するプラズマジェット５の状態を適正化するためである。

次に、混合ガス８Ｇに印加する印加電圧値を決め、高周波電源１３を、決定した印加電圧値に設定する（ステップＳ３）。高周波電源１３に印加電圧値を設定するのみであり、出力前の状態である。

次に、高周波電源１３を操作して第一・第二電極１１，１２間に設定した印加電圧を出力する（ステップＳ４）。この段階では放電管２には混合ガス８Ｇが供給されていないため、プラズマジェット５は発生していない。

次に、Ｈｅガスボンベ１６とＮ_２ガスボンベ１７のバルブを開ける（ステップＳ５）。Ｈｅガス６ＨとＮ_２ガス７Ｎは、ガス混合器１８を操作するまでガス混合器１８よりも先には送出されることはない。

次に、Ｈｅガス６ＨとＮ_２ガス７Ｎの混合比を決め、ガス混合器１８を、決定した混合比に設定する（ステップＳ６）。ガス混合器１８に混合比を設定するのみであり、混合ガス８Ｇの送出前の状態である。

次に、ガス混合器１８を操作して放電管２に設定した混合比の混合ガス８Ｇを送出する（ステップＳ７）。放電管２に混合ガス８Ｇが供給され、反応空間１９から第二電極１２にかけて混合ガス８Ｇがプラズマ化すると共にプラズマジェット５として空シャーレに向けて照射される（ステップＳ８）。

次に、プラズマジェット５の照射幅員１５を目視で確認し、被処理物１０１への適正な幅員であるか否かを判断する（ステップＳ９）。この場合、プラズマジェット５の照射幅員１５が不適当であると判断したときは、ガス混合器１８によって混合ガス８Ｇの混合比を変更し（ステップＳ１０，Ｓ１１）、上述した処理（ステップＳ７〜Ｓ９）を繰り返す。なお、ガス混合器１８の混合比調整方法がダイヤル方式（ダイレクトバルブ）等の手動可変方法である場合には、プラズマジェット５の照射幅員１５を視認しながら行うことで容易に調整が可能である。

具体的には、図２（ａ）に示すように照射幅員１５が広い場合には、Ｎ_２ガス７Ｎの濃度を順次高くすることで図２（ｂ）、（ｃ）のように照射幅員１５を狭くすることが可能となる。また、図２（ｃ）に示すように照射幅員１５が狭い場合には、Ｎ_２ガス７Ｎの濃度を順次低くすることで図２（ｂ）、（ａ）のように照射幅員１５を広くすることが可能となる。これらについては、後述する実験例にて詳述する。

なお、プラズマジェット５の照射幅員１５を目視によって正確に確認することは非常に困難であることから、後述する実験例では、シャーレ１０４内の寒天培地１０３に成長させた酵母菌１０２の死滅した領域（長さ）を疑似的に照射幅員１５として算出している。

また、プラズマジェット５の照射幅員１５の調整が、混合比の調整のみでは不充分であると判断された場合（ステップＳ１０）には、高周波電源１３による印加電圧値を変更し（ステップＳ１２）、上述した処理（ステップＳ４〜Ｓ９）を繰り返す。なお、高周波電源１３の印加電圧値調整方法がダイヤル方式等の手動可変方法である場合には、プラズマジェット５の照射幅員１５を視認しながら行うことで容易に調整が可能である。

本実施形態に係るプラズマ処理装置１及びプラズマ処理方法においては、Ｈｅガス６ＨとＮ_２ガス７Ｎの混合比を可変させることでプラズマジェット５の照射幅員１５を所望の幅員とすることができるが、印加電圧値を可変させることによっても幅員を調整することができる。但し、後述するように、同じ照射幅員１５を得るためには、Ｎ_２ガス７Ｎの濃度を上げると共に、印加電圧値を高く設定する必要があることから、使用電力量の増加となりコストの面では望ましくない。

以上のように、プラズマジェット５の照射幅員１５の条件が決まったら、高周波電源１３、又はガス混合器１８の出力等を停止させ、プラズマジェット５の照射を中断する（ステップＳ１３）。

次に、空シャーレを除去して、実際にプラズマジェット５を供給すべき被処理物１０１を空シャーレと同様の位置に載置する（ステップＳ１４）。また、停止させていた高周波電源１３、又はガス混合器１８を出力等させ（ステップＳ１５）、プラズマジェット５を照射させて被処理物に対するプラズマジェット５の供給を開始する（ステップＳ１６）。

所定時間の経過後に、再び、高周波電源１３、又はガス混合器１８の出力等を停止させ、プラズマジェット５の照射を中断する（ステップＳ１７）。これにより被処理物１０１へのプラズマジェット５の供給は終了することとなる。

次に、処理すべき同様の被処理物１０１がある場合（ステップＳ１８）には、処理済みの被処理物１０１を除去して新しい被処理物１０１を第二電極１２上の所定位置に載置し、上述した同様の処理を繰り返す（ステップＳ１４〜Ｓ１８）。

全ての被処理物１０１の処理が終了した場合（ステップＳ１８）は、高周波電源１３とガス混合器１８の出力と送出をＯＦＦにすると共に、Ｈｅガスボンベ１６とＮ_２ガスボンベ１７のバルブを閉じて（ステップＳ１９）、作業を終了する。

次に、図６は、プラズマ処理装置１の照射幅員１５の可変条件（Ｈｅガス６ＨとＮ_２ガス７Ｎの混合比と、印加電圧値）が明確な場合において、同一被処理物１０１内に照射対象面積が異なる複数の照射対象領域を有する被処理物１０１へのプラズマ処理方法の作業の流れを示したものである。

また、図７は、プラズマ処理装置１の第二電極１２上に、照射対象面積が異なる複数の照射対象領域２１，２２，２３を有する被処理物１０１を載置して、各照射対象領域２１，２２，２３に対してプラズマジェット５を供給している状態を模式的に示す図である。

まず、プラズマ処理装置１の第二電極１２上に、放電管２の直下に位置するように被処理物１０１を載置する（ステップＳ３０）。

次に、放電管２の下端面から第二電極１２の面上までの距離を所定の間隔に調整して固定する（ステップＳ３１）。第一電極１１と第二電極１２との間で発生するプラズマジェット５の状態を適正化するためである。

次に、高周波電源１３とガス混合器１８に対して、印加電圧値と混合比の設定を行うと共に、Ｈｅガスボンベ１６とＮ_２ガスボンベ１７のバルブを開状態とする（ステップＳ３２）。なお、高周波電源１３とガス混合器１８には、被処理物１０１内において最初に照射を行う箇所の面積（略幅員）に相当する条件を設定するが、その他箇所についても事前に面積を把握しているものとする。

次に、高周波電源１３を操作して第一・第二電極１１，１２間に設定した印加電圧を出力すると共に、ガス混合器１８を操作して、放電管２に設定した混合比の混合ガス８Ｇを送出する（ステップＳ３３）。放電管２に混合ガス８Ｇが供給され、反応空間１９から第二電極１２にかけて混合ガス８Ｇがプラズマ化すると共にプラズマジェット５として被処理物１０１の処理対象箇所に向けて照射される（ステップＳ３４）。

所定時間の経過後に、再び、高周波電源１３、又はガス混合器１８の出力等を停止させ、プラズマジェット５の照射を中断する（ステップＳ３５）。これにより処理対象箇所へのプラズマジェット５の供給は終了することとなる。

次に、同一の被処理物１０１内に処理すべき残りの処理対象箇所があれば（ステップＳ３６）、被処理物１０１を所定の箇所に移動させる（ステップＳ３７）。また、次に処理を行う箇所の対象箇所の面積が、処理を行った直前の箇所の面積と同じであれば（ステップＳ３８）、プラズマ処理装置１の照射幅員１５の可変条件を変更せずに、再び、プラズマジェット５を処理対象箇所へ供給する（ステップＳ３３〜Ｓ３６）。

また、処理を行う箇所の対象箇所の面積が、処理を行った直前の箇所の面積と異なる場合には（ステップＳ３８）、プラズマ処理装置１の照射幅員１５の可変条件を変更して（ステップＳ３９）、再びプラズマジェット５を対象箇所へ供給する（ステップＳ３３〜Ｓ３６）。

以上のような処理を繰り返すことで、同一被処理物１０１内の複数の処理対象箇所についてプラズマジェット５の供給を行うことができ、プラズマジェット５の供給は終了することとなる。

次に、処理すべき他の被処理物１０１がある場合（ステップＳＳ４０）には、処理済みの被処理物１０１を除去して新しい被処理物１０１を第二電極１２上の所定位置に載置し（ステップＳ３０）、上述した同様の処理を最初から繰り返す（ステップＳ３１〜Ｓ４０）。

全ての被処理物１０１の処理が終了した場合（ステップＳ４０）は、高周波電源１３とガス混合器１８の出力と送出をＯＦＦにすると共に、Ｈｅガスボンベ１６とＮ_２ガスボンベ１７のバルブを閉じて（ステップＳ４１）、作業を終了する。

なお、上述したプラズマ処理方法は、放電管２の移動や被処理物１０１の移動等の方法については本実施形態に限定されるものではなく、例えば、ロボットの先端に放電管２を取り付けて自動制御したり、第二電極１２を移動自在としたり、ガス混合器１８における混合比の可変制御についても自動制御とする等、本発明の要旨の範囲内において如何なる追加、変更も可能である。

以上説明したように、本実施形態に係るプラズマ処理方法は行われる。従って、照射幅員１５の変更を、プラズマ処理装置１の構成を変更することなく、Ｈｅガス６ＨとＮ_２ガス７Ｎの混合比を可変させるだけで可能とするため、従来のように、放電管の種類を変更したり、他の装置と併用する等の煩わしさがない。

[実験例]
次に、上述した本実施形態に係るプラズマ処理装置１を用いた一実験例について説明する。

本実験例では、Ｈｅガス６Ｈを主ガスとし、Ｎ_２ガス７Ｎを添加ガスとした所定の混合比の混合ガス８Ｇをプラズマ化してジェット状として被処理物１０１に供給するものである。プラズマの供給対象物は、シャーレ１０４内の寒天培地１０３に成長させた酵母菌１０２とし、プラズマの供給による酵母菌１０２の死滅状態を外観にて確認すると共に、酵母菌１０２の死滅した領域の長さを測定することで、該長さをプラズマジェット５の照射幅員１５として疑似的に測定するものである。

従って、本実験により、所定の印加電圧を付加したときのＮ_２ガス７Ｎの濃度に応じたプラズマジェット５の照射幅員１５の変化を確認することができる。

なお、本実験例においては、寒天培地１０３に成長させた酵母菌１０２を被処理物１０１としているが、被処理物１０１の種類は本実験例に限定されず、例えば、金属類、樹脂類、紙類、液体、セラミックス等、本発明の要旨の範囲内において如何なる種類のものを対象としてもよい。

図３（ａ）は、被処理物１０１をセットした状態のプラズマ処理装置１の放電管２（第一電極１１含む）と第二電極１２の断面図を示しており、図３（ｂ）は、図３（ａ）の正面図を示したものである。また、図８の表１には、図３（ａ）、（ｂ）で示した各部の数値条件を示している。

放電管２の具体的な寸法は、放電管２のガラス厚ａを１．２ｍｍ、ガラス幅ｂ（略内部空間の幅）を１２ｍｍ、ガラス長さｃを７６ｍｍ、放電管内部のガラス間隔ｄを１．４ｍｍとして形成している。

第一電極１１の具体的な寸法は、板厚ｅが０．１ｍｍのアルミ板を使用し、横幅ｆを５ｍｍ、縦幅ｇを１３ｍｍとして放電管２の下端部から上側ｈに２ｍｍの位置に配設している。また、第二電極１２は、板厚ｉが２ｍｍで、縦ｊ１、横ｊ２共に１２０ｍｍの正方形状の鉄板を用いており、第二電極１２の略中央に所定の間隔を隔てて垂直に放電管２を配設している。

また、対象物である寒天培地１０３表面に成長した酵母菌１０２は、直径９０ｍｍのシャーレ１０４内に収容され、第二電極１２の略中央、すなわち放電管２の直下に配置しており、寒天培地１０３の上面と放電管２の下端部との距離Ａを５ｍｍとしている。

以上のように、本実験で使用されるプラズマ処理装置１と被処理物１０１は構成している。

本プラズマ処理装置１を用いた実験条件は、図９の表２に示すように、混合ガス８Ｇの流量を２Ｌ／ｍｉｎとして固定し、Ｈｅガス６Ｈに対するＮ_２ガス７Ｎの濃度を０．５〜２０ｖｏｌ％の範囲で可変させている。また、高周波電源１３の周波数を１ｋＨｚとして固定し、印加電圧を４〜８ｋＶと可変させている。寒天培地１０３へのプラズマジェット５の供給時間は、酵母菌１０２の死滅を外観上から確実に判断できる時間として３０ｓｅｃとしている。

なお、Ｎ_２ガス７Ｎ濃度の最小値を０．５ｖｏｌ％としているが、これは装置構成上の理由によるものである。また、各電圧印加時おいては、Ｎ_２ガス７Ｎ濃度を上昇させることで最終的にプラズマ化しないＮ_２ガス７Ｎ濃度が存在するため、本実験例においてはプラズマ化する上限のＮ_２ガス７Ｎ濃度までを実験の上限範囲とした。

以上、説明したような実験装置と実験条件の下で行った実験結果を、図１０に示すグラフを参照しながら説明する。

まず、印加電圧を４．０ｋＶとした場合、Ｎ_２ガス７Ｎ濃度を０．５〜３．５ｖｏｌ％へと増加させるに従い、照射幅員１５を略９．１ｍｍ〜略２．９ｍｍへと略反比例に可変させることができた。なお、プラズマジェット５の状態及び酵母菌１０２の殺菌の状態は、図１１（ａ）、図１２（ａ）に示すように濃度０．５ｖｏｌ％時において照射幅員１５が９．０７ｍｍであり、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）に示すように濃度１．５ｖｏｌ％時において照射幅員１５が７．４２ｍｍであり、図１１（ｃ）、図１２（ｃ）に示すように濃度３．５ｖｏｌ％時において照射幅員１５が２．８９ｍｍである。

また、印加電圧を５．０ｋＶとした場合、Ｎ_２ガス７Ｎ濃度を０．５〜４．０ｖｏｌ％へと増加させるに従い、照射幅員１５を略１１．２ｍｍ〜略３．２ｍｍへと略反比例に可変させることができた。なお、プラズマジェット５の状態及び酵母菌１０２の殺菌の状態は、図１３（ａ）、図１４（ａ）に示すように濃度０．５ｖｏｌ％時において照射幅員１５が１１．２０ｍｍであり、図１３（ｂ）、図１４（ｂ）に示すように濃度１．５ｖｏｌ％時において照射幅員１５が８．３６ｍｍであり、図１３（ｃ）、図１４（ｃ）に示すように濃度２．０ｖｏｌ％時において照射幅員１５が７．４２ｍｍであり、図１３（ｄ）、図１２（ｄ）に示すように濃度４．０ｖｏｌ％時において照射幅員１５が３．２０ｍｍである。

また、印加電圧を６．０ｋＶとした場合、Ｎ_２ガス７Ｎ濃度を０．５〜１０．０ｖｏｌ％へと増加させるに従い、照射幅員１５を略１１．５ｍｍ〜略２．９ｍｍへと略反比例に可変させることができた。なお、プラズマジェット５の状態及び酵母菌１０２の殺菌の状態は、図１５（ａ）、図１６（ａ）に示すように濃度０．５ｖｏｌ％時において照射幅員１５が１１．４７ｍｍであり、図１５（ｂ）、図１６（ｂ）に示すように濃度６．０ｖｏｌ％時において照射幅員１５が３．６９ｍｍであり、図１５（ｃ）、図１６（ｃ）に示すように濃度１０．０ｖｏｌ％時において照射幅員１５が２．９３ｍｍである。

また、印加電圧を７．０ｋＶとした場合、Ｎ_２ガス７Ｎ濃度を０．５〜１３．０ｖｏｌ％へと増加させるに従い、照射幅員１５を略１１．９ｍｍ〜略２．８ｍｍへと略反比例に可変させることができた。なお、プラズマジェット５の状態及び酵母菌１０２の殺菌の状態は、図１７（ａ）、図１８（ａ）に示すように濃度０．５ｖｏｌ％時において照射幅員１５が１１．９１ｍｍであり、図１７（ｂ）、図１８（ｂ）に示すように濃度６．０ｖｏｌ％時において照射幅員１５が８．５３ｍｍであり、図１７（ｃ）、図１８（ｃ）に示すように濃度１３．０ｖｏｌ％時において照射幅員１５が２．８４ｍｍである。

また、印加電圧を８．０ｋＶとした場合、Ｎ_２ガス７Ｎ濃度を０．５〜２０．０ｖｏｌ％へと増加させるに従い、照射幅員１５を略１１．６ｍｍ〜略２．４ｍｍへと略反比例に可変させることができた。なお、プラズマジェット５の状態及び酵母菌１０２の殺菌の状態は、図１９（ａ）、図２０（ａ）に示すように濃度０．５ｖｏｌ％時において照射幅員１５が１１．５９ｍｍであり、図１９（ｂ）、図２０（ｂ）に示すように濃度８．０ｖｏｌ％時において照射幅員１５が８．４６ｍｍであり、図１９（ｃ）、図２０（ｃ）に示すように濃度１２．０ｖｏｌ％時において照射幅員１５が５．５５ｍｍであり、図１９（ｄ）、図２０（ｄ）に示すように濃度２０．０ｖｏｌ％時において照射幅員１５が２．３８ｍｍである。

なお、本実験例における各種条件の下では、印加電圧が略３．０ｋＶ以下、及び略９．０ｋＶ以上の領域においてはプラズマジェット５を発生させることができない。また、印加電圧を高く設定するに従い、第一電極１１の表面と第二電極１２の表面との間でリークが起こり、異常放電が発生しやすいことを確認している。従って、誘電体バリア放電を達成できずアーク放電となり、プラズマジェット５を生成することができず、第二電極１２を損傷してしまう。

また、本実験例においては、放電管２のガラス幅ｂが１２ｍｍであることから、８．０ｋＶ以上の印加電圧では、Ｎ_２ガス７Ｎの濃度が０．５ｖｏｌ％時における照射幅員１５に装置構造上の限界が生じている。すなわち、照射幅員１５が放電管２のガラス幅ｂを越えられないことを示している。この場合、放電管２のガラス幅ｂを広げることで照射幅員１５を増加させることが可能であることを確認しているが、照射幅員１５が非常に不安定な挙動を示すことも同時に確認している。

以上説明したように、本実施形態に係るプラズマ処理装置１、及び本プラズマ処理方法によれば、印加電圧４．０ｋＶ〜８．０ｋＶの範囲においては、Ｈｅガス６Ｈに対してＮ_２ガス７Ｎの濃度を０．５ｖｏｌ％〜２０．０ｖｏｌ％へと可変させることでプラズマジェット５の照射幅員１５を調整することができる。

また、上述した不安定要素等や、実際に使用する際に検討すべき消費電力やガスの使用量（特にＨｅガス６Ｈ）等、コスト面での効果も考慮すると、印加電圧４．０ｋＶ〜６．０ｋＶの範囲において、Ｎ_２ガス７Ｎの濃度を０．５ｖｏｌ％〜１１．０ｖｏｌ％の範囲で可変させれば、異常放電の発生等もなく安定した状態でプラズマジェット５の照射幅員１５を可変自在とできる。

また、被処理物１０１にプラズマジェットを照射したくない領域が存在する場合であっても、従来のように、照射前に被処理物１０１の表面にレジストを塗布したり、放電管の種類を変更したり、他の装置と併用する等の煩わしさがない。

また、Ｈｅガス６Ｈ単体でプラズマジェット５を照射する場合に比して、Ｎ_２ガス７Ｎを添加していることで、抽出量が極めて少なく高価な希ガスであるＨｅガスの使用量を削減することができる。

更に、Ｈｅガス６ＨとＮ_２ガス７Ｎの混合比の変更と共に、印加電圧を可変させることによってもプラズマジェット５の照射幅員１５を可変することができることより、最適な印加電圧によって最適な照射幅員１５とすることができ、消費電力を最小限に抑えることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態等を説明したが、本発明は係る特定の実施形態や使用例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１プラズマ処理装置
２放電管
３電極部
５プラズマジェット
６Ｈヘリウムガス
７Ｎ窒素ガス
１１第一電極
１２第二電極
１５照射幅員

Claims

誘電体材料で構成した放電管と前記放電管に対峙した複数の電極とを有し、大気圧下で使用されるプラズマ処理装置において、
ヘリウムガスと窒素ガスを含む混合ガスを放電管に導入して内部でプラズマ化して生成したプラズマジェットを排出照射する構成とし、混合ガスのヘリウムガスと窒素ガスの混合比を調整することにより、前記複数の電極間に電圧を印加することで前記放電管から照射されるプラズマジェットの照射幅員を調整してプラズマ照射範囲を特定可能とし、不要な範囲へのプラズマ照射機能を減殺することを特徴とするプラズマ処理装置。
前記放電管は上下開口の略角パイプ状とし、
前記電極を二個で構成すると共に、
一方の電極は放電管の下部側壁に配設し、
他方の電極は前記放電管の略直下に配設したことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記放電管の略直下に配設した前記電極は、前記電極の表面を絶縁材料で被覆していないことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記電極への印加電圧を４．０ｋＶ以上で８．０ｋＶ以下の範囲で可変自在とし、前記ヘリウムガスに添加する前記窒素ガスの量が０．５ｖｏｌ％以上で２０．０ｖｏｌ％以下の範囲で可変自在としたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記電極への印加電圧を４．０ｋＶ以上で６．０ｋＶ以下の範囲で可変自在とし、前記ヘリウムガスに添加する前記窒素ガスの量が０．５ｖｏｌ％以上で１１．０ｖｏｌ％以下の範囲で可変自在としたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のプラズマ処理装置。
誘電体材料で構成した放電管と前記放電管に対峙した複数の電極とを有し、大気圧下で使用されるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、
ヘリウムガスと窒素ガスを含む混合ガスを放電管に導入して内部でプラズマ化して生成したプラズマジェットを排出照射する構成とし、混合ガスのヘリウムガスと窒素ガスの混合比を調整することにより、前記複数の電極間に電圧を印加することで前記放電管から照射されるプラズマジェットの照射幅員を調整してプラズマ照射範囲を特定可能とし、不要な範囲へのプラズマ照射機能を減殺することを特徴とするプラズマ処理方法。
前記放電管は上下開口の略角パイプ状とし、
前記電極を二個で構成すると共に、
一方の電極は放電管の下部側壁に配設し、
他方の電極は前記放電管の略直下に配設したプラズマ処理装置を用いたことを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理方法。
前記電極への印加電圧を４．０ｋＶ以上で８．０ｋＶ以下とし、前記ヘリウムガスに添加する前記窒素ガスの量を０．５ｖｏｌ％以上で２０．０ｖｏｌ％以下の範囲で調整することによりプラズマジェットの照射幅員を調整自在としたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のプラズマ処理方法。
前記電極への印加電圧を４．０ｋＶ以上で６．０ｋＶ以下とし、前記ヘリウムガスに添加する前記窒素ガスの量を０．５ｖｏｌ％以上で１１．０ｖｏｌ％以下の範囲で調整することによりプラズマジェットの照射幅員を調整自在としたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のプラズマ処理方法。