JP6513793B2 - プラズマ照射装置及びプラズマ照射方法 - Google Patents
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Description
しかし、特許文献1に記載の方法では、反応速度が遅く、シリカ膜の形成(転化)に時間がかかる。また、空気中の水分と反応させて形成されたシリカ膜の膜質は緻密性が乏しく、傷つきやすい。
これは、入れ歯にポリシラザンを塗布した後に、過酸化水素を含有する高温蒸気を基材に曝露させることで、過酸化水素から発生したラジカルによってポリシラザンがシリカに転化する反応が促進され、短時間で均一なシリカ膜が形成される。
しかし、特許文献2に記載の技術は、高温の過酸化水素を用いるため、歯科治療等において口内の歯にシリカ膜を形成するには不適である。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、ポリシラザン等のシリカ前駆体を、被処理体に熱影響を与えず、短時間で、且つ高品質なシリカ膜に転化可能なプラズマ照射装置及びプラズマ照射方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様によると、プラズマ発生部と、プラズマ発生部により発生されたプラズマを、被処理体に照射する照射部と、を備え、照射部は、被処理体に液体を塗布可能な塗布部を有すること、を特徴とするプラズマ照射装置を提供する。
上記プラズマ照射装置において、照射部は、プラズマ発生部により発生されたプラズマが搬送される第1管状部材を備え、塗布部は、第1管状部材の先端に取り付けられたセラミック転化液保持部材であってもよい。
上記プラズマ照射装置において、キャリアガス供給するキャリアガス供給部と、プラズマ発生部において発生されたプラズマを、キャリアガス供給部より供給されるキャリアガスとともに照射部まで搬送するプラズマ搬送管と、を備え、照射部はプラズマ搬送管の先端に配置された管状部材で、照射部は、プラズマの流路を、プラズマ搬送管の長手方向軸線に対して所定の角度で傾けて被処理体に照射してもよい。
上記プラズマ照射装置において、照射部は、プラズマ搬送管に対して着脱可能であってもよい。
上記プラズマ照射装置において、プラズマ搬送管及び照射部は少なくとも2重の管状部材で、プラズマの流路を形成する第1管状部材と、第1管状部材の外周に設けられた第2管状部材と、を有し、プラズマ照射装置は、第1管状部材と第2管状部材との間に設けられた第2流路内を吸気する吸気部を備えてもよい。
上記プラズマ照射装置において、プラズマ搬送管及び照射部は少なくとも2重の管状部材で、プラズマの流路を形成する第1管状部材と、第1管状部材の外周に設けられた第3管状部材と、を有し、プラズマ照射装置は、第3管状部材と第1管状部材との間に設けられた第1流路に、遮蔽ガスを供給する遮蔽ガス供給部を備えてもよい。
上記プラズマ照射装置において、照射部は、透明部材で製造されていてもよい。
本発明の他の態様によると、ポリシラザンが塗布された被処理体にセラミック転化促進液を塗布しつつ、プラズマを照射すること、を特徴とするプラズマ照射方法を提供する。
以下、図面等を参照して、本発明の第1実施形態について説明する。図1は第1実施形態のプラズマ照射装置1の概略図である。図示するようにプラズマ照射装置1は、装置本体10と、プラズマ搬送管50とを備える。
装置本体10は、キャリアガス供給部11と、プラズマ発生部12と、遮蔽ガス供給部13と、吸気部14と、ガス処理部15と、電源部16と、制御部17と、操作部18とを備える。
キャリアガス供給部11は、プラズマ発生部12にキャリアガスを供給する。キャリアガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、クリプトン等の希ガス又は窒素のいずれかのガス、又はそれらと、酸素、窒素又は水素のいずれか1種又は2種以上との組合せが好ましい。ヘリウムはプラズマが伸びやすいので特に好ましい。
プラズマ発生部12は、キャリアガス注入口20とキャリアガス送出口21が設けられた放電管22と、放電管22の内壁を取り囲む誘電体23と、誘電体23を覆うように配置された2枚の電極24と、を備える。
プラズマ発生部12は、キャリアガスが流入された状態で、この2枚の電極24間に電源部16より電圧を印加することにより放電管22の内部に大気圧プラズマを発生させる。
プラズマ搬送管50は、三重構造の管部材であり、内管(第1管状部材)51と、中管(第2管状部材)52と、外管(第3管状部材)53とが、同軸に配置されている。接続管25は、プラズマ搬送管50の内管51に連結し、プラズマが発生されたキャリアガスは、内管51内のプラズマ流路60を運ばれる。
吸気部14は、プラズマ搬送管50の内管51と中管52との間の吸気路61を吸引する。後述するが、吸気部14は、吸気路61を通じてプラズマ搬送管50の先端から、キャリアガス、遮断ガス、及び空気を含む雰囲気ガスを吸引する。この吸引された雰囲気ガスは、プラズマと後述のポリシラザンとの反応により生じたオゾンも含む。
ガス処理部15は、吸気部14により吸気されたオゾンを含む雰囲気ガス中のオゾンを分解する。
遮蔽ガス供給部13は、プラズマ搬送管50の外管53と中管52との間の遮蔽ガス流路(第1流路)62に、例えば不活性ガスである遮蔽ガスを供給する。
遮蔽ガスとしては、窒素、アルゴン等の不活性ガスが好ましい。遮蔽ガスにより、内管51を通ってキャリアガスによって運ばれたプラズマと後述のポリシラザンとの反応により生じたオゾンの拡散が防止される。
プラズマ搬送管50は、上述したように三重構造の管部材であり、内管51と中管52と外管53とが同軸に配置されている。そして、プラズマ搬送管50は、搬送部70と、搬送部70に対して着脱可能な照射部80とを備える。
内管51の内部はプラズマ流路60を形成し、内管51の外面と中管52の内面とは、間隔が一定となるように保たれて吸気路61を形成し、中管52の外面と外管53の内面との間隔も一定となるように保たれて遮蔽ガス流路62を形成している。
図2はプラズマ搬送管50における、搬送部70の先端及び照射部80の断面図である。
照射部80は、搬送部70に挿入されると装着部80Aと、装着部80Aの中心軸線C1に対して中心軸線C2がθの角度で傾いた先端部80Bとを有する。
照射部80の内管51bの内径は搬送部70の内管51aの外径と略同一で、照射部80の中管52bの内径は搬送部70の中管52aの外側と略同一で、照射部80の外管53bの内径は搬送部70の外管53aの外側と略同一である。
また、その逆に装着部80Aを搬送部70から引っ張ることによって装着部80Aを搬送部70から取り外すことができる。
照射部80の先端部80Bの径は、1〜30mmであり、好ましくは3〜15mmである。
照射部80は、紫外線がカットできる透明部材(ガラスや樹脂等)が好ましい。
なお、本実施形態では、内管51bの端部に刷毛85が取り付けられている形態について説明するが、これに限定されない。例えば、後述する過酸化水素水、水、アルコール等を吸収可能で、且つこれらの液体を塗布可能であれば、刷毛以外の不織布、織布、綿、多孔質体(スポンジなど)で製造されたその他のセラミック転化促進液保持部材であってもよい。塗布部の材質は、プラスチック、毛、天然繊維、紙、海綿等が好ましい。さらに、塗布部としては、インクジェット、スプレー、ローラーであってもよい。
図3(a)に示すように、まず、ポリシラザン(PolySilazane)と溶媒を含有するコーティング液を歯100の歯面100aに塗布し、溶媒を乾燥させて、歯面100aにポリシラザン膜101を形成する。
鎖状ポリシラザンとしては、ペルヒドロポリシラザン、ポリメチルヒドロシラザン、ポリN―メチルシラザン、ポリN―(トリエチルシリル)アリルシラザン、ポリN―(ジメチルアミノ)シクロヘキシルシラザン、フェニルポリシラザン等を挙げることができる。
また、ポリシラザンに限定されず、他のセラミック前駆体であってもよく、例えばアルミナ前駆体、ポリシロキサン等であってもよい。
例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素;ペンタン、ヘキサン、イソヘキサン、メチルペンタン、ヘプタン、イソヘプタン、オクタン、イソオクタン等の脂肪族炭化水素;シクロペンタン、メチルシクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の脂環式炭化水素;塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、ブロモホルム、塩化エチレン、塩化エチリデン、トリクロロエタン等のハロゲン化炭化水素;エチルエーテル、イソプロピルエーテル、エチルブチルエーテル、ブチルエーテル、1,2−ジオキシエタン、ジオキサン、ジメチルジオキサン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル類等を挙げることができる。これらの溶媒も一種類であってもよく、二種類以上であってもよい。
また、コーティング液には触媒を加えてもよい。触媒としては、トリエチルアミン、ジエチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、n−ブチルアミン、ジ−n−ブチルアミン、トリ−n−ブチルアミン等のアミン類、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の金属水酸化物、アンモニア水、ピリジン等の塩基、酢酸、無水酢酸、蓚酸、フマル酸、マレイン酸、無水マレイン酸、コハク酸のようなカルボン酸やその酸無水物、トリクロル酢酸等の有機酸、塩酸、硝酸、硫酸等の無機酸、三塩化鉄、三塩化アルミニウム等のルイス酸、銀、パラジウム、白金、ニッケル、チタン、ロジウム、コバルト、鉄、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、アルミニウム等の金属またはそのカルボン酸塩等を挙げることができる。
具体的には、生体活性膜にはカルシウム化合物、抗菌作用には酸化亜鉛や銀、紫外線遮断に二酸化チタンや酸化亜鉛、摺動性付与には二硫化モリブデン、二硫化タングステン、フッ素樹脂粒子、膜厚にするにはポリメチルメタアクリレート、ポリスチレン等溶媒に溶ける樹脂からなるフィラー等である。特にポリメチルメタアクリレートからなるフィラー混合物が好ましい。フィラーは固形物であっても、完全に溶媒に溶解した状態でも構わないが、完全に溶解したものがより好ましい。
次に、図3(b)に示すように、照射部80の刷毛85にセラミック転化促進液として過酸化水素水102を含浸させる。
過酸化水素水102は、過酸化水素(H2O2)を含有させた水(H2O)である。また、過酸化水素水102に界面活性剤を含有させると、膜質が良好なセラミック膜を形成する上で好ましい。
過酸化水素水102の濃度は、0.1〜30質量%が好ましく、1〜5質量%がより好ましい。この濃度範囲にすることにより、シリカ膜転化工程の反応をより速やかに行うことができる。ただし、セラミック転化促進液としては、過酸化水素水102が好ましいが、これに限らず、アルコール、アンモニアであってもよい。
そして、図3(c)に示すように、過酸化水素水102が含浸された刷毛85を、ポリシラザン膜101が形成された歯面100aに塗布しつつ、プラズマ流路60を通過してきたプラズマを含むキャリアガスを照射する。
(−SiH2−NH−)+2H2O→(−SiO2−)+NH3+2H2…(1)
この転化反応は、過酸化水素水の雰囲気下において行わると、反応速度が促進されるとともに、高品質なシリカ膜103が形成される。なお、図中、ポリシラザン膜101中のシリカ膜103に転化した部分を黒く示す。
しかし、本実施形態によると、過酸化水素水102の歯面100aへの塗布と同時にプラズマが照射されるので、過酸化水素水102が歯面100aから流れ落ちる前に、ポリシラザン膜101をシリカ膜103へ転化させることができる。
吸引されたオゾンは、さらにガス処理部15により分解される。
したがって、口内のような狭い空間に照射部80を入れても、プラズマが照射される方向を、歯100に向けることができ、口内の歯100に対するシリカ膜103の形成が容易となる。
図4は第2実施形態のプラズマ照射装置200の概略図である。
以下、第1実施形態と共通する部分は同一の符号を付し、その説明を省略する。
第2実施形態が第1実施形態と異なる点は、装置本体10が、遮蔽ガス供給部13、吸気部14、ガス処理部15を備えない簡易な構成である点である。さらに、プラズマ搬送管50も簡易な構成で三重構造ではなく、一重構造であって内管51のみ備える。プラズマ搬送管50も、搬送管と照射部とに分かれておらず、一体となっている。プラズマ搬送管50の先端部は、第1実施形態のようにL字型に曲がっていない。
また、プラズマ搬送管50も一重構造であるので細くすることができ、より細かい部分の作業がし易い。
過酸化水素H2O2の濃度が3%の過酸化水素水を使用した。過酸化水素水を刷毛85に含浸させ、ポリシラザン塗布面に、刷毛85で過酸化水素水を繰り返し塗布しながら、30秒、60秒、120秒と大気圧プラズマを照射した。
透過型FTIRスペクトルは、フーリエ変換赤外分光光度計(島津社製、製品名:SHIMADZU IR Prestige−21)を用い、ATR法にて約4500〜650cm−1の波数範囲、分解能4cm−1、積算回数50で測定した。
図5(a)は比較例で、ポリシラザン含有コーティング液をシリコンウエハに塗布、乾燥後、シリコンウエハを垂直に置いて、刷毛85に過酸化水素水を含浸させ、その刷毛85で塗布面に過酸化水素水を塗り、実施例と異なり同時ではなく、過酸化水素水の塗布後に、120秒大気圧プラズマを照射したものである。
図5(b)は実施例1で、ポリシラザン含有コーティング液を、垂直に置かれたシリコンウエハ上に塗布し、刷毛85に過酸化水素水を含浸させ、その刷毛85で塗布面に過酸化水素水を塗りながら大気圧プラズマを30秒間照射した。
図5(c)は実施例2であり、実施例1と同様であるが塗布及び照射時間が60秒、図5(d)は実施例3で実施例1と同様であるが塗布及び照射時間が120秒である。
また、未反応のポリシラザンの残存を示すSiNの吸収ピークは840cm−1付近に、SiHの吸収ピークは2160cm−1付近に存在する。
比較例においては、図5(a)に示すように1060cm−1付近のSiOピークはほとんど見られず、840cm−1付近の未反応のSiNピーク及び2160cm−1付近の未反応SiHピークが大きく見られた。
実施例1は、図5(b)に示すように1060cm−1付近のSiOピークが大きく現れている。
ただし、840cm−1の未反応のSiNピーク及び2160cm−1の未反応のSiHピークも多少観測されるため、まだ一部は未反応が残っている。
実施例2は、図5(c)に示すように、1060cm−1付近のSiOピークが図4(b)より大きく現れている。
840cm−1付近の未反応のSiNピーク及び2160cm−1付近の未反応SiHピークは図5(b)より小さくなった。実施例2は、塗布及び照射時間が実施例1の30秒より長い60秒であるので、実施例1よりもポリシラザン膜がシリカ膜への転化が多く行われたと考えられる。
実施例3は、図5(d)に示すように、1060cm−1のSiOピークが図5(c)と同様に図5(b)より大きく現れている。
840cm−1の未反応のSiNピーク及び2160cm−1付近の未反応SiHピークは図5(c)よりさらに小さく、ほとんどなくなった。
したがって、実施例3は、塗布及び照射時間が、実施例1の30秒や実施例2の60秒よりさらに長い120秒であるので、実施例1及び実施例2よりも、さらにポリシラザン膜のシリカ膜への転化が行われたと考えられる。
(1)以上、上述の実施形態によると、プラズマ照射装置1は、プラズマ発生部12と、プラズマ発生部12により発生されたプラズマを、被処理体100に照射する照射部80と、を備え、照射部80は、被処理体100に液体を塗布可能な刷毛85を有する。
すなわち、プラズマを照射する照射部80が、被処理体100に液体を塗布することが可能な刷毛85を有しているので、本実施形態のプラズマ照射装置1を用いると、ポリシラザン膜が形成された被処理体100に対して過酸化水素水を塗布しながらプラズマを照射することができる。
したがってポリシラザンの12シリカ膜103への転化速度を速めるとともに、高品質のシリカ膜103を形成することができる。
したがって、プラズマが照射される個所Pに過酸化水素水を塗布することができるので、ポリシラザンのシリカ膜103への転化速度を速めるとともに、高品質のシリカ膜103を形成することができる。
したがって、口内等に照射部80を入れた場合、プラズマが照射される方向を、歯100に向けることができる。したがって歯100に対するシリカ膜103の形成が容易となる。
遮蔽ガス流路62より遮蔽ガスが噴出可能であるので、オゾンガスが遮蔽ガスよりも外側に流出することがさらに防止される。
例えば、転化反応によりオゾンが発生する場合があるが、本実施形態では、プラズマが照射されるオゾン発生領域の周囲が、吸気部14により吸気路61を通して吸気されている。したがって、このオゾンはキャリアガスとともに吸引される。
Claims (6)
- プラズマ発生部と、
前記プラズマ発生部により発生されたプラズマを、被処理体に照射する照射部と、を備え、
前記照射部は、前記被処理体に液体を塗布可能な塗布部を有し、
前記照射部は、前記プラズマ発生部により発生されたプラズマが搬送される第1管状部材を備え、
前記塗布部は、前記第1管状部材の先端に取り付けられたセラミック転化促進液保持部材であること、
を特徴とするプラズマ照射装置。 - 請求項1に記載のプラズマ照射装置であって、
キャリアガス供給するキャリアガス供給部と、
前記プラズマ発生部において発生されたプラズマを、前記キャリアガス供給部より供給されるキャリアガスとともに前記照射部まで搬送するプラズマ搬送管と、を備え、
前記照射部は前記プラズマ搬送管の先端に配置された管状部材で、
前記照射部は、プラズマの流路を、前記プラズマ搬送管の長手方向軸線に対して所定の角度で傾けて被処理体に照射すること、
を特徴とするプラズマ照射装置。 - 請求項2に記載のプラズマ照射装置であって、
前記照射部は、前記プラズマ搬送管に対して着脱可能であること、
を特徴とするプラズマ照射装置。 - 請求項2又は3に記載のプラズマ照射装置であって、
前記プラズマ搬送管及び照射部は少なくとも2重の管状部材で、
プラズマの流路を形成する第1管状部材と、
前記第1管状部材の外周に設けられた第2管状部材と、を有し、
前記プラズマ照射装置は、
前記第1管状部材と前記第2管状部材との間に設けられた第2流路内を吸気する吸気部を備えること、
を特徴とするプラズマ照射装置。 - 請求項2から4のいずれか1項に記載のプラズマ照射装置であって、
前記プラズマ搬送管及び前記照射部は少なくとも2重の管状部材で、
プラズマの流路を形成する第1管状部材と、
前記第1管状部材の外周に設けられた第3管状部材と、を有し、
前記プラズマ照射装置は、
前記第3管状部材と前記第1管状部材との間に設けられた第1流路に、遮蔽ガスを供給する遮蔽ガス供給部を備えること、
を特徴とするプラズマ照射装置。 - 請求項2から5のいずれか1項に記載のプラズマ照射装置であって、
前記照射部は、透明部材で製造されていること、
を特徴とするプラズマ照射装置。
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