JP7142481B2 - プラズマ供給装置、プラズマ生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを生成して供給するプラズマ供給装置、プラズマの生成方法に関するものである。

特許文献１には、一対の電極の間の放電空間に過熱水蒸気が供給されるとともに、酸素ガス、二酸化炭素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等が供給される。過熱水蒸気と、酸素ガス等とは、異なる経路で供給されるが、いずれも、一対の電極の間の放電空間に供給される。

特開２０１５－１２４３４３号公報

解決しようとする課題

本発明の課題は、プラズマ供給装置、プラズマ生成方法の改良であり、例えば、被処理物のプラズマ処理効果を高めることである。

課題を解決するための手段、作用および効果

本発明に係るプラズマ供給装置においては、一対の電極の間の空間を含む第１空間に第１ガスが供給され、第１空間の下流側の第２空間に第２ガスが供給される。第１空間において、第１ガスがプラズマ化されることにより、第１プラズマが生成され、第２空間に供給される。第２空間において、第２ガスが第１プラズマによりプラズマ化されることにより、第２プラズマが生成される。第２プラズマは被処理物に供給される。

第２プラズマは、第１プラズマより被処理物のプラズマ処理に効果的なものである。そのため、第２プラズマが多量に生成されることが望ましい。
しかし、第２ガスが第１空間に多量に供給された場合には、複数の電極において放電が行われ難くなったり、電極が酸化し易くなったりする。そのため、第２ガスを第１空間に多量に供給することは望ましくない。
それに対して、第２ガスが、第１空間より下流側の第２空間に供給されれば、上述の問題を回避することができる。そこで、本プラズマ供給装置においては、第２ガスが第２空間に供給されるようにしたのであり、それにより、第２空間に供給される第２ガスの量を増やし、生成される第２プラズマの量を多くすることができる。被処理物に供給される第２プラズマの量を増やすことができ、被処理物のプラズマ処理効果を高めることができる。

本プラズマ供給装置の斜視図である。 上記プラズマ装置の一部断面図である（第１ガスが、窒素ガスと酸素ガスとを含む場合）。 上記プラズマ装置の一部断面図である（第１ガスが、アルゴンガスである場合）。

実施形態

以下、図面に基づいて、本発明に係るプラズマ供給装置について説明する。本発明に係るプラズマ生成方法は、本プラズマ供給装置においては実施することができる。

プラズマ供給装置１０は、図１に示すように、大気圧で処理ガスをプラズマ化することによりプラズマを生成して、被処理物Ｗに供給するものである。プラズマ供給装置１０において、処理ガスがＰ方向に供給され、生成されたプラズマが、加熱ガス供給部１２から供給された加熱ガスと共にＰ方向に出力され、被処理物Ｗに照射される。

プラズマ供給装置１０は、図２に示すように、セラミックス等の絶縁性材料で形成された本体１８、一対の電極２２，２４等を含む。本体１８は概して長手方向に伸びた形状を成し、一対の電極２２，２４が互いに離間して保持される。電極２２，２４は概して長手方向に伸びたものであり、それぞれ、交流電源２６に接続される。また、本体１８の一対の電極２２，２４の間の空間を含む空間は第１空間としての放電空間２８とされ、処理ガスがＰ方向に供給される。以下、本プラズマ供給装置１０において、本体１８の幅方向、すなわち、一対の電極２２，２４が並ぶ方向をｘ方向、本体１８、電極２２，２４の長手方向をｚ方向とする。ｚ方向はＰ方向と同じであり、処理ガスが供給される側が上流側、プラズマが出力される側が下流側である。なお、ｘ方向、ｚ方向は互いに直交する。

本体１８は、２重構造を成すものであり、それぞれ絶縁性材料で製造された内側部材３０と外側部材３２とを含む。外側部材３２は内側部材３０の外側に位置する。内側部材３０は、放電空間２８を形成するものであり、外側部材３２に対して着脱可能とされる。
内側部材３０と外側部材３２との間には、隙間が形成され、その隙間のうち、放電空間２８より下流側に位置する部分が第２空間としての下流側空間３４とされる。内側部材３０の底部(下流側の部分)、すなわち、放電空間２８と下流側空間３４との間に位置する部分が仕切り部３６とされ、仕切り部３６には、複数の長手方向に貫通する貫通孔３８が形成される。下流側空間３４と放電空間２８とは互いにｚ方向に仕切り部３６を介して隣接して設けられ、放電空間２８において生成されたプラズマが活性状態を保ったまま下流側空間３４に供給可能とされる。また、貫通孔３８は、後述するように、放電空間２８から下流側空間３４へのプラズマの流れを許容し、下流側空間３４から放電空間２８への第２ガスの流れを抑制するように設計される。

外側部材３２の底部（下流側の部分）にも、１つ以上の貫通孔４０が長手方向に伸びて形成される。外側部材３２に図示しないノズルが着脱可能に取り付けられた場合には、下流側空間３４において生成されたプラズマが貫通孔４０、ノズルを経て、被処理物Ｗに照射される。このように、本実施例においては、外側部材３２の底部（外側部材３２の貫通孔４０が形成された部分）等によりプラズマ出力部４２が構成されるが、外側部材３２にノズルが取り付けられる場合には、ノズルもプラズマ出力部４２に含まれる。

本体１８には、第１ガス通路４４と、第２ガス通路４６，４８とが形成される。第１ガス通路４４は、図示しない第１ガス源と放電空間２８とを接続するものである。第２ガス通路４６，４８は、第１ガス通路４４の両側に設けられ、図示しない第２ガス源と下流側空間３４とを接続するものである。第２ガス通路４６，４８は、放電空間２８をバイパスして、換言すれば、放電空間２８に開口部を有することなく、下流側空間３４に連通させられる。第１ガス通路４４には、処理ガスとしての第１ガスが供給され、第２ガス通路４６，４８には、処理ガスとしての第２ガスが供給される。第２ガスは直接放電空間２８に供給されることはない。

本実施例において、第１ガスは、第２ガスより電極２２，２４の間の放電によりプラズマ化され易く、電極２２，２４の酸化を抑制し得るガスとすることができる。例えば、第１ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等のうちの１つ以上を含むガスとすることができる。このように、放電空間２８に第１ガスが供給されるため、第２ガスが供給される場合に比較して、電極２２，２４の間の放電が起き易く、電極２２，２４の酸化が起き難くすることができる。
なお、第１ガスは、酸素ガス、エア、水蒸気を含むガスとすることもできるが、第１ガスは、電極２２，２４に直接接触するものであるため、第１ガスに含まれる酸素ガス、エア、水蒸気等の量は少なくすることが望ましい。

第２ガスは、第１ガスより被処理物Ｗの処理に効果的なプラズマが生成される成分を多く含むガスとすることができる。例えば、被処理物Ｗに親水化処理が行われる場合には、第２ガスは、酸素原子、酸素イオン、酸素ラジカル等のプラズマが生成され得る成分を多く含むガス、例えば、酸素原子を含むガス（具体的には、酸素ガス、水蒸気、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス等のうちの１つ以上を含むガス）等とすることができる。

仮に、第２ガスが放電空間２８に供給された場合には、電極２２，２４の間の放電がし難くなったり、電極２２，２４が酸化等し易くなったりする。そのため、放電空間２８に第２ガスが多量に供給されるようにすることは望ましくない。それに対して、本実施例において、第２ガスは、放電空間２８より下流側の、放電空間２８から仕切り部３６によって仕切られた下流側空間３４に供給される。そのため、第２ガスの量を増やし、酸素原子を含むガスの量を増やすことができる。

以上のように構成されたプラズマ供給装置において、放電空間２８に第１ガスが供給され、下流側空間３６に第２ガスが供給される。
放電空間２８において、一対の電極２２，２４の間に交流電圧が印加されることにより、放電が起き、第１ガスがプラズマ化されて第１プラズマが生成される。第１ガスとして、窒素ガスと酸素ガスとを含むガスが供給された場合には、放電空間２８において、第１プラズマとして酸素イオン、酸素ラジカル、電子等が生成される。そして、第１プラズマは、仕切り部３６を経て（複数の貫通孔３８を経て）下流側空間３４に供給される。

下流側空間３４に、第２ガスとして酸素ガスおよび水蒸気を含むガスが供給された場合には、第１プラズマにより、第２ガスが活性化されて、第２プラズマとしての酸素イオン、酸素ラジカル、水酸化イオン、水酸化ラジカル等が生成される。そして、第２プラズマがプラズマ出力部４２を経て大気に放出されて、被処理物Ｗに供給される。第２プラズマはプラズマ出力部４２を経て被処理物Ｗに大きな流速で照射されるため、被処理物Ｗのプラズマ処理効果をより一層高めることができる。また、第２ガスに含まれる水蒸気は、圧電素子等を用いて、下流側空間３４に向かって噴出させて、供給することができる。

被処理物Ｗに供給された第２プラズマは被処理物Ｗの表面において、被処理物Ｗと反応して、水酸基(ＯＨ)、カルボニル基(ＣＯ)、カルボキシル基(ＣＯＯＨ)、アミノ基(ＮＨ_３)等の親水性の官能基が生成される。それにより、被処理物Ｗの表面の濡れ性を向上させて、親水性を向上させることができる。
第２プラズマの照射により被処理物Ｗの表面に生成される親水性の官能基の種類は、被処理物Ｗを構成する材料等で決まるが、被処理物Ｗが有機材料(プラスチックス材料)である場合には、炭素、窒素を含む官能基が生成されることが多い。

また、本実施例において、Ｐ方向（ｚ方向）に第１ガスが供給されるとともに、放電空間２８と下流側空間３４とが仕切り部３６を介してＰ方向に隣接して設けられる。
例えば、仕切り部３６に形成された貫通孔３８の開口面積（断面積）が大きく(流路抵抗が小さく)、かつ、プラズマ出力部４２に形成された貫通孔４０等の開口面積が小さい(流路抵抗が大きい)場合には、第１ガスが放電空間２８に供給されることにより、放電空間２８と下流側空間３４とを含む空間において対流が生じ易くなる。そのため、下流側空間３４に供給された第２ガスが下流側空間３４から放電空間２８に流入する可能性が高く、望ましくない。
一方、貫通孔３８の開口面積が小さい（流路抵抗が大きい）場合には、第１ガスの対流は下流側空間３４に及び難いため、第２ガスが下流側空間３４から放電空間２８に流入する可能性は低くなる。しかし、第１プラズマが放電空間２８から下流側空間３４に供給され難くなる。
これら、放電空間２８および下流側空間３４を含む空間における対流の生じ易さ、第１プラズマの下流側空間３４への流入し易さ、第２ガスの放電空間２８への流入し易さ等は、第１ガスの放電空間２８への流量、貫通孔３８，４０の形状等の影響を受ける。
以上のことを考慮して、本実施例においては、貫通孔３８、４０の形状（開口面積、長さ）等は、第１プラズマの放電空間２８から下流側空間３４への流れを許容し、かつ、第２ガスが下流側空間３４から放電空間２８に流れ難くなるように設計されるのである。

以上のように、本実施例においては、放電空間２８において第１プラズマが生成される工程が第１プラズマ生成工程に対応し、下流側空間３４において第２プラズマが生成される工程が第２プラズマ生成工程に対応する。

なお、上述のように、プラズマ出力部４２に形成された貫通孔４０等の開口面積が大きい(流路抵抗が非常に小さい)場合には、第２ガスが下流側空間３４から放電空間２８に供給され難い。そのため、仕切り部３６は不可欠ではない。

また、放電空間２８には、第１ガスとして、アルゴンガスやヘリウムガス等が供給されるようにすることもできる。この場合には、図３に示すように、第１プラズマとして活性化されたアルゴン原子等が生成されて、下流側空間３４に供給される。下流側空間３４に、第２ガスとして酸素ガスおよび水蒸気を含むガスが供給された場合には、第２ガスが活性化されたアルゴン原子等によりプラズマ化されて、第２プラズマとして酸素原子、酸素ラジカル、酸素イオン等が生成されて、被処理物Ｗに供給される。それにより、被処理物Ｗの表面に親水性を有する官能基が形成され、被処理物Ｗの親水性を向上させることができる。

さらに、例えば、被処理物Ｗに酸化物除去処理が行われる場合には、第２ガスは水素ガスを含むガスとすることができ、クリーニングが行われる場合には、第２ガスはフッ素ガスを含むガスとすること等ができる。
また、外側部材３２は、絶縁性材料で製造されたものとすることに限らず、金属材料で製造されたものとすることができる等、本発明は、前記実施形態に記載の態様の他、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。

１２：プラズマ生成部 １８：本体 ２２，２４：電極 ２８：放電空間 ３０:内側部材 ３２：外側部材 ３４:下流側空間 ４４，４６，４８：ガス通路

Claims (7)

1. 本体と、
   複数の電極と、
   前記本体の内部に設けられ、前記複数の電極の間の空間を含み、第１ガスが供給される第１空間と、
   前記本体の内部の前記第１空間より下流側に設けられ、前記第１ガスとは異なる第２ガスが供給される第２空間と、
   前記第２空間において生成されたプラズマを出力して被処理物に供給するプラズマ出力部と
   を含むプラズマ供給装置であって、
   前記本体が、前記第１空間と前記第２空間との間に設けられ、前記第１空間から前記第２空間へのプラズマの流れを許容するが、前記第２空間から前記第１空間へのプラズマの流れを抑制する仕切り部を含み、
   前記仕切り部は前記複数の電極とは別に設けられるプラズマ供給装置。
2. 前記第１ガスが、前記第２ガスより前記複数の電極における放電によりプラズマ化され易いものであり、
   前記第２ガスが、前記第１ガスより前記被処理物のプラズマ処理効果の高いプラズマが生成される成分を多く含むものである請求項１に記載のプラズマ供給装置。
3. 前記第１ガスが、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、エアのうちの１つ以上を含み、
   前記第２ガスが、酸素ガス、水蒸気、二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガス、水素ガス、フッ素ガスのうちの１つ以上を含む請求項１または２に記載のプラズマ供給装置。
4. 前記本体が、概して２重構造とされ、前記第１空間を形成する内側部材と、前記内側部材の外側に位置し、かつ、前記内側部材とは別部材である外側部材とを含む請求項１ないし３のいずれか１つに記載のプラズマ供給装置。
5. 前記仕切り部が、前記内側部材に設けられた請求項４に記載のプラズマ供給装置。
6. 前記複数の電極が、前記第１空間と前記第２空間とが並んだ方向に対して直交する方向に、互いに隔たって設けられた請求項１ないし５のいずれか１つに記載のプラズマ供給装置。
7. 複数の電極の間の空間を含む第１空間に第１ガスを供給することにより第１プラズマを生成する第１プラズマ生成工程と、
   前記第１空間より下流側に、前記複数の電極とは別に設けられた仕切り部を介して設けられ、前記第１プラズマが供給される第２空間に第２ガスを供給することにより第２プラズマを生成する第２プラズマ生成工程と
   を含むプラズマ生成方法。

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