JPH11507990A - 大気圧でのグロー放電プラズマによる表面洗浄装置および洗浄方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ワークピース表面は、大気圧での定常かつ一様なグロー放電プラズマをワークピース表面上で生成させることによって洗浄される。この大気圧での定常かつ一様なグロー放電プラズマは、低周波ＲＦイオントラッピング機構によって生成されることが好ましい。この表面洗浄を効果的にするプラズマは、ほぼ１気圧、またはそれ以下もしくはそれ以上の気圧における、空気中または他のガス中で作り出される。

Description

【発明の詳細な説明】 大気圧でのグロー放電プラズマによる表面洗浄装置および洗浄方法 発明の分野 本発明は、金属やプラスチックを含む表面を、従来の溶剤、酸性浴、あるいは 洗浄剤よりも、より高い清潔水準において洗浄するための装置および方法に関す る。特に、本発明は、大気圧で作用することができるグロー放電プラズマからの 活性種を使用して表面を洗浄するための表面洗浄技術に関する。 発明の背景 プラズマ洗浄された表面が、より防錆的な電気メッキされた表面を有するため の基板、電気メッキされた層のより強度な接着性、塗料の表面へのより強度な接 着性、表面同士のより強度な接着結合性、そして表面殺菌を含む表面の清潔さが 一つの要素となっている他のより多くの工業的応用を提供することが可能である ことが見出されている。大気圧におけるプラズマ洗浄処理の作用によって、コス トのかかる真空システムや、現在存在している低圧グロー放電に付随するバッチ 処理や、工業的に使用されるプラズマ処理に対する必要性が失われる。 物理科学において、「プラズマ」という用語は部分的または全体的にイオン化 された気体を意味しており、これはときどき「物質の第４の状態」とも呼ばれて いる。以下に記述される工業的プラズマは部分的にイオン化されたもので、イオ ン、電子、そして中性種から成る。この物質状態は高温、または強い直流（ＤＣ ）、または無線周波（ＲＦ：radio frequency）電場によって作り出される。 高エネルギ密度の高輝度プラズマは、星、核爆発、プラズマトーチ、そして電 気アークによって代表される。中間エネルギ密度のグロー放電プラズマは印加さ れたＤＣまたはＲＦ電場によって活性化された自由電子によって作り出され、中 性分子との散乱を引き起こす。中性分子との散乱によってエネルギが分子やイオ ンに移動し、（紫外線、可視光などの）光子、励起原子および分子、不安定なも の、個別原子、フリーラジカル、分子断片、モノマ、電子およびイオンなどの、 さまざまな活性種（active species）が形成される。これらの活性種は、数また は数十電子ボルトの（運動）エネルギを有するか、または、その程度の励起エネ ルギ状態にある。（１電子ボルトは、ほぼ１１，６００°ケルビン絶対温度に相 当する。）これは、たとえば化学的洗浄処理に伴う化学的結合エネルギよりもか なり高いものである。これらの活性種はその後、よりエネルギの低い化学的洗浄 処理によって到達することができるよりもプラズマ洗浄のためのよりエネルギの 高い媒体を形成することができる（こうして、表面により強く結合した、ごみの 単分子膜や汚染物をより効果的に取り除くことができる）。暗放電やコロナなど のような低電力の低輝度プラズマは、さまざまな素材の表面処理に対して、低気 圧および大気圧での使用が可能である。しかしながら、比較的に低エネルギ密度 であることから、コロナ放電は、ただそれだけならば、素材の多くの表面特性を ただ比較的ゆるやかに変化させるだけである。 一般的に、表面洗浄におけるコロナ放電の使用は、その電力密度が低いことか ら満足できるものではない。また、適当な平均電力密度の花糸放電の使用は、そ の効果が非一様性であることから満足できるものではない。アークまたはプラズ マトーチの使用も満足いくものではない。その理由は、そのエネルギ密度が多く の処理素材を破損させるのに十分に高いからである。 多くの応用において、グロー放電プラズマは重要な効果を産み出すのに十分な 活性種を平均的に提供することができるが、処理表面を破損させるほど十分に高 い輝度を持たない。しかしながら、いままでのグロー放電プラズマは一般的に低 圧力または不完全な真空環境（たとえば１０トール以下等）において十分に生成 されることには気が付くべきであろう。このことから、処理素材のバッチ処理や 、 購入およびメンテナンスが高価な真空システムの使用が必要となる。 本発明の本質的な特徴は、大気圧において表面をプラズマ洗浄することが可能 になることである。これは、大気圧において、そして処理表面を破損させること なく活性種の十分な輝度を提供する適当なプラズマ電力密度において、作用する ことが可能な一様なグロー放電を使用して好ましく達成される。大気圧において 低い、適度な、そして高い電力密度のプラズマを生成させる技術は一般的に知ら れている。こうしたプラズマは、たとえば大気圧での一様なグロー放電プラズマ 反応器を使用して生成することが可能である。このグロー放電プラズマ反応器は 、米国特許第５，３８７，８４２号、米国特許第５，４０３，４５３号、米国特 許第５，４１４，３２４号、米国出願第０８／０６８，７３９号（１９９３年５ 月２８出願）、米国出願第０８／２５４，２６４号（１９９４年６月６出願）に 記載されている。これらの各々の内容は（その全体を）引用することにより本明 細書の一部をなすものとする。 発明の目的と概要 以上に説明したことから本発明の主な目的は、金属、プラスチック、紙、そし て他の素材などの表面を、大気圧を含むさまざまな気圧において、一様グロー放 電プラズマを使ってプラズマ洗浄するための装置および方法に提供することにあ る。 また本発明の目的は、溶剤、洗浄剤、酸性浴、攪拌または削摩を含む従来の洗 浄処理でできるよりも、標準的な水滴および接触角テストで測定されたときに、 より高い清潔さを有するプラズマ洗浄された表面を提供することでもある。 また本発明の目的は、塗料、接着剤、フィルム、電気メッキ被覆などの接着性 が大きく改善されたプラズマ洗浄された表面を提供することでもある。 また本発明の目的は、殺菌目的やマイクロエレクトロニクスなどの応用のため に、プラズマ洗浄された表面を提供することでもある。 本発明によれば、定常かつ大気圧でのグロー放電プラズマは洗浄すべき表面上 に生成される。マイクロウエーブ、ＲＦ、または低周波ＲＦイオントラッピング 機構によって生成された、大気圧での一様なグロー放電プラズマを使用すること が好ましい。表面洗浄を効果的にするために使用されるプラズマは、ほぼ１気圧 （７６０mmHg）あるいはそれ以下もしくはそれ以上の気圧における大気または他 のガス内において生成することが可能である。このプラズマは、前記低周波イオ ントラッピング機構、他のＲＦまたはマイクロウエーブ生成されたグロー放電プ ラズマ、あるいはコロナ放電（しかしコロナ放電の低電力密度は比較的長い露出 時間が必要である）によって形成することが可能である。前記他のＲＦまたはマ イクロウエーブ生成されたグロー放電プラズマに関しては、たとえば、Ｒ．Ｊ． ヴィドマール（Vidmar,R.J.）氏のＳＲＩプロジェクト８６５６（カリフォルニ ア州メンロパーク（Menlo Park，C.A.）にあるＳＲＩインターナショナル（SRI International））の最終報告（１９９１年）である「プラズマクローク：空気 化学、広帯域吸収、およびプラズマ生成（Plasma Cloaking：Air Chemistry，Br oard Absorption，and Plasma Generation）」と、装置化学レヴュー（Rev.Sci. Instum.）第６０号（１９８９年）の２４９〜２５２ページに記載されたＹ．ミ ツダ（Mituda）氏らの「新しいマイクロウエーブトーチの発達とそのダイアモン ド合成への応用（Development of a New Microwave Plasma Torch and its Appl ication to Diamind Synthesis）」と、Ａ．Ｄ．マクドナルド（MacDonald，A.D .）氏によるＬＣＣＣＮ６６−２２８４１（１９６６年）の「ガス内におけるマ イクロウエーブ破壊（Microwave Breakdown in Gases）」に記載されている。 電気伝導体である表面に対して、洗浄すべきワークピース（workpiece）はプ ラズマ反応器のＲＦ電極プレートの一つ、または、プラズマ反応器の電極プレー トの間に挿入されるかのいずれかである。ワークピースは、宙づりにするか、プ ラズマ電位でバイアスするかのいずれかである。電気的絶縁体である表面に対し て は、洗浄すべきワークピースは、それを２つの平行プレートの間で生成されたプ ラズマ内に挿入することによってプラズマの活性種にさらす（露出させる）こと ができる。 ワークピースが複雑な３次元的形状（たとえば自動車バンパ）を持てば、必要 なプラズマは、（電気伝導性があるならば）一つの電極としてのワークピースと 、それに対応する（第２の）電極としてのワークピースの鋳型（モールド）状イ メージを使用して生成することができる。絶縁性のある３次元的なワークピース と電気伝導性のある３次元的なワークピースの両方に対して有用な代替的配置は 、処理表面を、（たとえば、すでに言及した低周波イオントラッピング機構を使 用して）プラズマを生成するのに使用することができるストリップ電極を備えた 表面を有する鋳型イメージと向かい合わせにすることである。この後者の実施形 態において、定常かつ一様な大気圧でのグロー放電プラズマは、（ワークピース と）同じ輪郭を持つ鋳型の表面の上およびその上方に生成され、対向するワーク ピースに対してプラズマ浸漬および活性種を提供する。この同じ輪郭を有する鋳 型は、その表面上に平行なストリップ電極を備えた絶縁体、または、鋳型イメー ジから絶縁され、互いに隔てておよそ平行に置かれたストリップ電極を支持する 電気伝導体にすることができる。 鋳型イメージとストリップ電極、または、鋳型イメージが絶縁体ならば代替と なるストリップ電極は、無線周波（ＲＦ：radio frequency）電源の反対極に接 続される。必要なプラズマを生成するため、ＲＦ電源の一つの端子に接続された 一つ以上のストリップ電極が、一つ以上の隣接するストリップ電極とは相対的に 、または、もう一方のＲＦ端子に接続された電気伝導性のある鋳型イメージとは 相対的に、加圧される。ＲＦ電源は鋳型イメージ表面上にグロー放電を引き起こ すのに十分なほど高い電圧を有する。ストリップ電極の近傍における１センチ当 たり約１０キロボルトの局所電場は大気中においてプラズマを引き起こすには適 当 である。 ＲＦ電源は、イオンをトラッピングする一様なグロー放電機構に対して、比較 的低周波にある。周波数は、電極間で生成されたプラズマ内において電気力線に 沿って生成されたイオンが、電気力線に沿って振動の半サイクルの間にいずれか の電極にインパクトを与えるだけの時間を有することがないほど十分に高いもの とする。しかしながら、その周波数は、プラズマ電子がプラズマにトラップされ ることなく、振動の半サイクルの間に電極表面または鋳型イメージにインパクト を与えるだけの時間を有するほど、十分に低いものとする。通常、約１００Ｈｚ から３０ｋＨｚの周波数が適当であるが、電場や配置構成、他の要因に依存する 。この機構によって、電子が電極に流れ込み、あるいは鋳型イメージ表面に蓄積 して、プラズマの正イオンが形成される。こうして、イオンと電子の両方のトラ ップに通常付随する花糸放電ではなく、定常かつ一様なグロー放電プラズマの形 成が可能となる。 こうした説明に捕らわれることは本意ではないが、以下の記述は、大気におい て一様なグロー放電を生成してプラズマ洗浄を効果的にするための、プラズマ生 成された活性種を取得するための上記技術が適用された際に、活性種が、実際上 露出される表面を浄化する最も適当な物理的処理である。 大気圧において、素材表面は吸着された汚染物の数百にのぼる単分子膜によっ て覆われる。これらの単分子膜は、特に外側層において、ワークピースがさらさ れる環境からの大気または他のガスを含み、そして（または）特にワークピース に隣接する最下層において、炭化水素の機械潤滑油もしくは可塑剤を含む。最外 部の単分子膜はワークピースに非常に緩く束縛されており、近似的に０．０２５ 電子ボルトの通常の熱エネルギ（室温相当）は一般的にそれらを剥がすには十分 である。しかしながら、ワークピース表面に接近するにしたがって、吸着された 単分子膜の束縛エネルギが増大し、ワークピースの仕事関数エネルギに近い値 （たとえば多くの物質では４．５電子ボルト）に到達する。 吸着された単分子膜の束縛エネルギがこのように漸次的変化するおかげで、最 も外側の単分子膜を、洗浄剤、溶剤、酸性浴、あるいは他の化学的手段によって 取り除くことが容易になる。しかしながら、このような化学的手段は最後のいく つかの膜、特に最も強く束縛された単分子膜を取り除くには十分とはいえない。 このような残りの単分子膜は、金属の場合には機械潤滑油、ポリマやプラスチッ クの場合には可塑剤であることが多い。こうした単分子膜のみが、表面自由エネ ルギ、水滴接触角、そして表面湿潤性に対して有害な影響を与える。通常、こう した単分子膜が存在した場合は、湿潤性や他の素材のワークピース表面への接着 性が減少する結果となる。これにより、電気メッキされた表面層が剥離したり、 塗料が剥離またははげたり、そして（または）表面への接着結合が失敗に終わる ことがありえる。 一般的に非常に困難ではあるが、通常の化学的手段によってこれら最後の数層 が取り除かれることが実際に不可能ならば、その除去は、大気圧での一様なグロ ー放電から得られる、よりエネルギのある活性種を使用することによって可能と なる。プラズマ内の電子の運動学的温度および（または）エネルギと、そしてた とえば可視光および紫外線を生成するような励起状態のエネルギとは数電子ボル トのオーダにある。これは最下部単分子膜の束縛エネルギに匹敵し、化学種およ び化学的洗浄方法に付随するエネルギをおおきく凌ぐ。こうして、プラズマから の活性種を使用すれば、原理的には純粋に化学的処理よりも、表面上で吸着され たより多くの、かつより深い単分子膜を取り除くことが可能となり、前例のない ほどの高い洗浄性が実現される。これは、塗料、電気メッキ層、そして接着剤な どの接着性を大きく改善するともに、殺菌目的およびマイクロエレクトロニクス への応用にとって有用である。 図面の簡単な説明 図１は、平坦なワークピースを一つの電極として使用してそれを洗浄するため の、平行な電極板の配置を示した略図である。 図１ａは、本発明の他の実施形態における、ワークピースを洗浄するための平 行な電極板の配置を示した略図である。 図２は、平坦かつ平行な電極板の間に宙づりに挿入された電気伝導性のあるワ ークピースを洗浄するための平行な電極板の配置を示した略図である。 図３ａは、２つの平坦かつ平行な電極板の間に生成されたプラズマの中で、電 気的絶縁体ワークピースを洗浄するための平行プレート反応器を示した略図であ る。 図３ｂは、２つの平坦かつ平行な電極板の間に生成されたプラズマの中で、電 気的絶縁体ワークピースを洗浄するための、代替的な実施形態における平行プレ ート反応器を示した略図である。 図４は、第２の電極として鋳型イメージを使用して、３次元的な（湾曲した） 電気伝導性のあるワークピースの表面近くでプラズマを生成するための反応器を 示した略図である。 図５ａおよび図５ｂは、プラズマを生成するための平行なストリップ電極を備 えた、３次元的な（湾曲した）電気伝導性のあるワークピースと同じ輪郭を持つ 鋳型イメージを使用して、そのワークピースの表面近くでプラズマを生成するた めの反応器を示した略図である。 図５ｃは、平行なストリップ電極を使用してプラズマを生成するための平行プ レート反応器を示した略図である。 図５ｄは、プラズマ生成の際に平行なストリップ電極によって作り出された電 気力線を表した略図である。 図６ａおよび図６ｂは、従来的に洗浄された金属表面とプラズマ洗浄された軟 鋼表面とで、その接触角と湿潤性を比較するための立面図である。 図７は囲い込まれたプラズマ洗浄システムの略図である。 発明の詳細な説明 本発明は、金属やプラスチックを含む表面を、従来の溶剤、酸性浴、あるいは 洗浄剤でできるよりも、より高い清潔水準において洗浄するための装置および方 法に関する。特に、本発明は、大気圧で作用することができるグロー放電プラズ マを使用する表面洗浄技術に関する。 プラズマは、ほぼ１気圧における空気中または他のガス中において生成される 。プラズマは必要に応じて大気圧よりも高い圧力、または低い圧力でも生成が可 能である。空気以外のガスも、その中でグロー放電させる際に使用が可能である 。こうしたガスは、一酸化二窒素、二酸化炭素、窒素、およびそれらの混合気体 またはそれらと空気との混合気体とともに、ヘリウム、ネオンおよびアルゴンな どの希ガスを含むことができるが、これらには限定されない。必要に応じて、酸 素を２０％まで上記ガスと混合することができる。 本発明によれば、３次元的ワークピースにおける広範囲におよぶ表面がプラズ マ洗浄可能である。このワークピースは金属、ポリマ、プラスチック、紙、また は他の素材であってよく、そして１気圧またはその周りの圧力において作用する ことができるので、低気圧（真空内）プラズマ洗浄法などで必要とされるバッチ 処理または高価な真空システムの使用が不要となる。 プラズマが大気中で生成されるときには、電極およびプラズマを露出させるこ とができる。生成ガスにさらされること、またはそれ以外による、潜在的な環境 的または職業的リスクを伴った適用においては、本発明によって取り扱われる装 置およびワークピースを防御壁で囲い込むことが可能である。たとえば、以下に おいてさらに十分に議論されるように、プレキシグラス（商標名）シートのよう な素材から作られた覆いを予め容易しておき、そこに装置およびワークピースを 格納し、紫外線による危険を最小化するとともに、上記ワークピース上の露出領 域から有害な副産物的ガスまたは活性種が漏れることを最小限に抑えることが可 能となる。囲いには、もし使用されるならば、取り扱われるワークピースのため の適当な入り口および出口を設けることができる。プラズマガスが周囲の大気以 外である場合、この囲いは処理ガスを保持するとともに、取り巻きの媒質が処理 領域から逃げ出すことを防ぐための付加的な機能の役割を果たす。 図１はワークピースをプラズマ洗浄するための、本発明によるプラズマ洗浄装 置を示した図である。右端において、定常かつ一様な大気圧でのプラズマ２が一 組の電極３、４との間で生成される。洗浄すべき電気伝導性のある表面（つまり ワークピース）は一つの電極３の役割を果たし、（さまざまな適当な金属や電気 伝導体のいずれから形成された）平行な表面４はその片割れとしての役割を果た す。以下においてより十分に議論されるように、表面４は平坦なワークピースの 場合には平坦に、あるいは、湾曲的もしくは３次元的なワークピースの場合には 同じ輪郭を有する鋳型イメージ、のいずれかであることができる。 必要に応じて、ワークピースは、外側表面上、あるいは内側表面（たとえば空 洞管の内側）上のいずれかで生成されたプラズマであることできる。たとえば、 図１ａは、その一つがワークピース（電極３）となった、一組の電極３、４を有 する装置１′を示した図である。この場合、ワークピースの内側表面が洗浄され る。この最後に、絶縁体の支持台が片割れの電極とワークピースとの間隔をあけ るのに使用される。 一組の電極３、４の少なくとも一つが絶縁され（たとえば、酸化物、またはガ ラス、火炎が吹き付けられた酸化物、シリコンベースの塗料などの誘電体で被覆 され）、アークするのを妨げることが好ましい。たとえば、図１ａの片割れの電 極４は絶縁のためのガラスプレートを有する。 電気伝導性のある表面３とそれと同じ輪郭を有する平行電極４は、各々、無線 周波（ＲＦ）電源５の出力の正反対のフェーズに接続される。適当な整合回路網 ６は、当業者にはよく知られた技術を用いて、電極とそれに付随する電源とのイ ンピーダンス負荷の整合を（効率的な電力転送を最大化するために）図るもので ある。 本発明の好ましい実施形態によれば、低周波数イオントラッピング機構を使用 してプラズマを生成するには、ＲＦ電圧は、電極間に１センチ当たり約１０キロ ボルトもの破壊電場、または大気に対してはそれ以上の破壊電場を生成すること ができるだけ高いものでなければならない。ＲＦ電圧は、電子ではなく、プラズ マイオンが電極間に捕捉されるだけの周波数も持たなくてはならない。これを実 現するための一般的な周波数は約１００Ｈｚから約３０ｋＨｚの間の領域にある 。こうした方法によって、プラズマの正イオンが蓄積して、自由にプラズマ体積 を離れることができ、電極表面の上で集積または再結合することができる電子と で、二極性の準中性が作り出される。電子が半サイクルの間に電極間に捕捉され る場合にも、望ましくない花糸放電が結果として発生する。イオンのみが捕捉さ れる場合は、これによって定常かつ準中性的、一様なグロー放電プラズマがワー クピース上のＲＦ電極間に形成される。 図２は、ワークピースを洗浄するプラズマのための、本発明による装置１０に ついての他の実施形態を示した図である。装置１０は実質的には図１の装置１に 対応している。しかしながら、この場合、組になった平行な（または同じ輪郭を 持った）金属電極１１、１２が使用され、すでに言及されたようにプラズマが生 成される。ワークピース１３は２つの電極１１、１２の間に発達したプラズマ体 積１４内に位置する。こうした場合、ある所定の応用にとって適当になるように 、ワークピース１３は、（１５において）電気的にアースされるか、または（１ ６において）バイアスが印加されるかのいずれかである。ワークピース１３はも は や動作電極の一つとしての役割を果たさないので、図３ａに適当に図示されてい るように、装置１０は、正反対の電極１１、１２の間に適当に配置された電気的 絶縁体ワークピースをプラズマ洗浄するのにも使用することが可能である。図３ ｂに示されているように、電極１１、１２との間にアースされた中間スクリーン を配置し、プラズマを含むための２つの分離した領域（これは必要に応じて、２ つの分離したワークピース、または同一のワークピースの両面を洗浄するの使用 することができる）を作り出すことも可能である。どちらの場合においても、洗 浄の際に電極間のワークピースを支持するための適当な手段が提供される。さま ざまな、薄い金属板、織物、そしてフィルムが（サポートとして）こうした目的 の為に使用され、（ワークピースを支持するために）選択されたサポートは、（ ワークピースを処理するための）生成されたプラズマを害することを回避するこ とができるように、隣接する電極の表面に十分に密接した状態に維持される。 図４は、本発明による、湾曲した、または３次元的なワークピースをプラズマ 洗浄するための装置２０についての他の実施形態を示した図である。装置全体は 、ワークピースの輪郭に沿った形状になっている電極を除いては、実質的にすで に記述された装置に対応している。この最後に、ワークピース２１は電極の一つ として有利に作用する。図示されているように、片割れの電極２２には、ワーク ピースの輪郭に沿った輪郭が与えられている。この形態において、すでに言及し たように、電極２１、２２はそれぞれの無線周波（ＲＦ）電源の出力の正反対の フェーズに接続される。 図５ａと図５ｂにおいてさらに示されているように、プラズマ洗浄装置２０′ （これは他の点では図４の装置２０に類似している）の片割れの電極２２′は、 ワークピースの鋳型イメージとして都合よく与えられ、洗浄されるワークピース の輪郭に沿う。この配置において、ワークピース２１（たとえば、湾曲した、ま たは３次元的なワークピース）は再び電極の一つとして作用し、対応した形状に ある片割れの電極２２′とかみ合わされる。片割れの電極２２′は絶縁された表 面２３として与えられ、その上には、互いに離れ、かつ平行となった複数のスト リップ電極が配列する。この物理的配置には２つの異ったバージョンが可能であ り、その各々は電気接続の方式に特色がある。図５ａに示されているような一つ の方式において、絶縁された金属表面２３はＲＦ電源の一つのフェーズに接続さ れ、ストリップ電極２４のすべてはＲＦ電源の他方のフェーズに並列に接続され る。この配置によって、電気力線がストリップ電極２４と（それらの間にある絶 縁層の下の）金属表面２３との間でアーチを描く、準静電的な双極的形状が形成 される。一方、図５ｂに示されたような第２の方式において、（電気伝導性のま たは電気絶縁性の）絶縁された表面２３′は宙吊りになっている（開放されてい る）か、またはアースされているかのいずれかである。また平行なストリップ電 極２４は互い違いにＲＦ電源の正反対のフェーズに接続されている。この配置に より、電気力線が隣り合った平行なストリップ電極２４の間でアーチを描く、電 気的に安定した双極的な静電的形状が形成される。図５ｃはストリップ電極２４ の、平坦プレートとして形成された基板への類似適用を示した図である。ストリ ップ電極２４は、平坦な電極板上にプラズマを生成するために、異った配置で電 源５に接続される。 図５ａおよび図５ｂの実施形態において、ＲＦ電圧は、鋳型イメージの表面上 に、プラズマを生成するのに十分な電場を生成することができるほどに十分に高 く設定される。これは図５ｃの平坦プレートの実施形態に同様に適用される。大 気中においては、１センチ当たり約１０キロボルトの電場レベルは、このことに 対して十分である。低周波イオントラッピング機構に対して、ＲＦ周波数は比較 的低く、約１００Ｈｚから約３０ｋＨｚの間である。図５ｄを参照すると、その 周波数は、ＲＦ振動の半サイクルの間に、イオンが電極間の電気力線上に捕捉さ れるほど低いものであるべきである。しかし、同様に電子を捕捉するほど高いも のであるべきではない（このとき、同型のプラズマの代りに花糸放電が形成され 得る）。 本発明による鋳型イメージを使用することは、より単純な平坦なワークピース のみならず、２、３次元的な湾曲を有する複雑なワークピースを洗浄するには有 益である。プラズマ洗浄用の鋳型イメージは、絶縁体または電気伝導体のいずれ にしても、複雑な３次元的ワークピースを洗浄する際に使用することができる。 本発明によるプラズマ洗浄処理は、ほぼ１気圧（たとえば１０トール（torr） から１５，０００トール（２０バール（barr））までの範囲）の大気または他の ガスの中で、定常かつ一様なグロー放電プラズマを、以上に記述した手段または それと均等な手段で生成するステップと、ワークピース表面を適当な時間の間、 プラズマの活性種に露出させる（直接的に当たるようにする）ステップとを含む 。こうして、炭化水素、油、酸化物、病原性微生物、強く結合した単分子膜、ま た酸素と反応するなにかの物質（あるいは他の活性種）などの汚染物質を、金属 、プラスチック、ポリマ、薄い金属板や薄いフィルム、紙などを含む多数の素材 から、洗浄、殺菌、そして接合の目的において、取り除くことができる。 ２、３分程度の露出時間であれば一般的に十分である。こうした露出の結果、 金属の、特性的な（定着水滴試験（Sessile Water Drop Test）により測定され た）成長性の蒸留水接触角が（図６ｂに示されたように）約９０°から１０°未 満まで改善されることが見出された。水滴の接触直径は同様に約３ｍｍから約１ ０ｍｍにまで、あるいはそれ以上にまで改善される。こうして接触が低下するこ とによって、金属表面からそれに結合した単分子膜を取り除くことが期待どうり の結果となり、表面を前例のないほど清潔にすることができる。また、すぐれた 殺菌性や、塗料、電気メッキ層、接着剤、そして他の被覆形態のすぐれた結合性 が実現される。 ワークピースの露出時間はプラズマ密度（電力密度）の変動に関係しており、 それを変化させることによって調整される。たとえば、ある与えられた洗浄効果 （水滴接触角）は、（１ミリワット／立方センチ程度の）低電力密度プラズマを より長い時間（７分から１０分）適用することによって、あるいは、（１００ミ リワット／立方センチ程度の）より高い電力密度プラズマをより短い時間（数秒 間）適用することによって実現することができる。こうしたことは表面の初期に おける清潔さにも依存する。つまり、より汚い表面を洗浄するには、それほど汚 くないもと比較して、いくぶん長い時間が必要である。実際、印加電圧はプラズ マ電力密度よりもそれほど決定的ではない。通常の電場は一般的に１から１２キ ロボルト／センチ（kV/cm）（たとえば、ヘリウムのようなガスに対しては２． ５キロボルト／センチ、空気のような気体に対しては８．５キロボルト／センチ ）の範囲にある。 好ましい処理ガスは空気（大気）である。その理由はコストがかからず、炭化 水素の機械油から成る吸着された単分子膜（多くの種類の表面被覆、接着、そし て結合を阻害する、金属に共通する汚染物質）を取り除くための酸化活性種を提 供することができるからである。必要に応じて、なにか気化するものも同様に使 用することができる。酸素、酸素の混合気体、または酸素分子などを含んだ気体 は多くの場合、最も効果的である。しかしながら、吸着された単分子膜が他の種 類の活性種を必要とする物質を含むとき、他の処理ガスが適当である。たとえば 、存在する単分子膜を取り除くのに還元空気が必要ならば、水素または他の還元 ガスを使用することができる。一方、化学的な活性が無いほうが利益的ならば、 ヘリウムまたは他の希ガスが使用される。 図７は、大気中の空気以外の気体から得られた活性種を使用して、ワークピー ス２６を洗浄するための本発明によるプラズマ洗浄装置２５の実施の形態を示し た図である。装置２５は実質的には図２の装置１０に相当する。しかしながら、 この場合、電極１１、１２を含む領域は、作業空気（つまり、特定の応用のため に選択されたガス）を閉じ込めるための適当な囲い２７で囲まれている。囲い２ ７はプレキシシート（商標名）またはガラスなどの他の均等素材によって有効に 形成される。これらはどちらも、覗くことができるという透明性とともに、空気 を閉じ込め、（プラズマの）紫外線放射を吸収できる能力については満足できる 。必要に応じて、金属製の囲いも使用することができる。入り口２８が作業ガス を受け入れるために提供され、対応する出口２９は処理ガスを（その他、既知の 方法で）放出するために提供される。作業ガスが、減少圧力または増大圧力のい ずれかにおける空気であるときにも、囲い２７は使用可能である。 （実施例） 以下の記述は、大気圧での一様なグロー放電プラズマ洗浄の一例を説明するも のである。また、これは本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を なんら限定するために与えられるものではない。 本発明によるプラズマ洗浄処理が大気圧の空気中において実行された。平坦な 金属サンプルが（平坦かつ平行な形態において）ＲＦ電極（つまり図１の装置） の一つとして使用された。サンプルは６×８センチ四方、厚さ１５ミリ、工業界 で広く使用されている鉄を含む軟鋼であった。これらのサンプルは２つの状態に あった。「受け取ったままの」状態において、サンプルは洗浄されておらず、ま たは、製作工場で最終研摩の処理が施されていた。「洗浄された」状態において 、サンプルは最初に適当な洗浄剤で洗浄され、その後、酸性浴の中で洗浄されて いた。サンプル集合は両方とも、水滴試験において接触角が７０°から９０°で あった。 サンプル集合は両方とも、その後、熱水、従来からのキッチン洗剤、そしてき め細かなスチールウールによるこすり取りなどを含んだ、標準的な皿洗い処理が 施された。こうした処理の後、サンプルの接触角および湿潤性は実質的には変化 しなかった。水滴接触角は７０°から９０°の間のままであり、ぬれたときの水 滴の接触直径は約３ミリであった。水滴がこれらのサンプル表面から蒸発したと きは、表面は非酸化状態にあり、滑かで光沢もあり、そしていかにも磨かれたス チールのようであった。 サンプル集合は両方とも、その後、大気中において、３から６分間もの間、大 気圧での一様なグロー放電プラズマにさらされた。こうした露出によって、水滴 接触角は未処理の７０°から９０°の間から１０°未満にまで低下した。露出時 間とともにこれは変動するが、空気プラズマへの露出の３分間は接触角を大きく 減少させるには十分であり、それゆえ、（サンプルへの結合を弱めることのある ）吸着された単分子膜（おそらく炭化水素）を大きく除去することができた。 同様な条件の下での試験が、アルミニウム、ステンレススチール、プラスチッ ク、そしてプラスチックフィルムなどを含んださまざまな素材により試され、そ して３０から６０秒ほどの露出時間で同様な結果が得られた。こうした試験サン プルにおいて、小さな水滴接触角と湿潤性が、３カ月以上の間、何の質低下の兆 候も見られないまま維持された。 本発明の特徴を説明するためにここに記述および説明された部品の、詳細、素 材および構成に関するさまざまな改変は、当業者にとって、以下の請求の範囲に 記述される本発明の原理および範囲内において可能である。たとえば、本発明を 改良して、新聞用紙を素早く乾燥させ（かつ固定し）、その後の使用における汚 れを回避することも可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ワークピースの表面から汚染物質を取り除いて清潔な基板とする方法で あって、 １気圧（７６０mmHg）またはその周りの気圧において、定常かつ一様なグロー 放電プラズマを生成するステップと、 前記汚染物質を有する前記ワークピース表面を所定の時間、前記生成されたプ ラズマに露出させて該汚染物質を取り除き、前記清潔な基板を与えるステップと を含むこと特徴とするプラズマ洗浄方法。 ２． 前記プラズマは、１気圧において生成されたことを特徴とする請求項１ 記載のプラズマ洗浄方法。 ３． 前記プラズマは、１０mmHg（１０torr）〜１５，０００mmHg（２０bar ）の範囲の気圧において生成されたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ洗 浄方法。 ４． 前記方法は、さらに、前記プラズマを無線周波電源を使用して生成する ステップを含むことを特徴とする請求項１記載のプラズマ洗浄方法。 ５． 前記方法は、さらに、前記無線周波電源を１００Ｈｚ〜３０ｋＨｚの周 波数で動作させるステップを含むことを特徴とする請求項４記載のプラズマ洗浄 方法。 ６． 前記方法は、さらに、前記無線周波電源を動作させて、１〜１２キロボ ルト／センチ（ｋＶ／ｃｍ）の電場を有するプラズマを生成するステップを含む ことを特徴とする請求項５記載のプラズマ洗浄方法。 ７． 前記方法は、さらに、前記無線周波電源を動作させて、その中に電子を 捕捉すること無しにイオンを捕捉するための電場を生成するステップを含むこと を特徴とする請求項５記載のプラズマ洗浄方法。 ８． 前記方法は、さらに、前記プラズマをマイクロ波電源を使用して生成す るステップを含むことを特徴とする請求項１記載のプラズマ洗浄方法。 ９． 前記プラズマは、空気中で生成されたことを特徴とする請求項１記載の プラズマ洗浄方法。 １０． 前記プラズマは、ヘリウム、ネオンおよびアルゴン、一酸化二窒素、 二酸化炭素、窒素、およびそれらの混合気体や酸素との混合気体の希ガスからな る群より選択された気体の中で生成されたことを特徴とする請求項１記載のプラ ズマ洗浄方法。 １１． 前記汚染物質は、炭化水素、油、酸化物、病原性微生物、結合単分子 膜、酸素との反応物などからなる群より選択されたことを特徴とする請求項１記 載のプラズマ洗浄方法。 １２． 前記ワークピースは、金属、プラスチック、ポリマ、紙、薄い金属板 、および薄いフィルムからなる群より選択されたことを特徴とする請求項１記載 のプラズマ洗浄方法。 １３． 前記方法は、さらに、前記ワークピースをその表面から前記汚染物質 を取り除いて殺菌して、殺菌された基板を与えるステップをさらに含むことを特 徴とする請求項１記載のプラズマ洗浄方法。 １４． 前記方法は、さらに、前記洗浄された基板に被覆を施し、改善された 付着力で該被覆を該洗浄された基板に結合させるステップを含むことを特徴とす る請求項１記載のプラズマ洗浄方法。 １５． 前記被覆は、塗料、接着剤、そして電気メッキされた層からなる群よ り選択されたことを特徴とする請求項１４記載のプラズマ洗浄方法。 １６． 前記洗浄された基板は、定着水滴試験により測定された、特性的な成 長性の蒸留水接触角が１０°未満を示すことを特徴とする請求項１記載のプラズ マ洗浄方法。 １７． 前記ワークピースは平坦なワークピースであって、 前記方法は、さらに、前記プラズマを一組の平行な電極板の間に生成するステ ップを含むことを特徴とする請求項１記載のプラズマ洗浄方法。 １８． 前記一組の電極板の１つが前記ワークピースであることを特徴とする 請求項１７記載のプラズマ洗浄方法。 １９． 前記方法は、さらに、前記ワークピースを前記平行な電極板の間に支 持するステップを含むことを特徴とする請求項１７記載のプラズマ洗浄方法。 ２０． 前記ワークピースは電気伝導体であって、 前記方法は、さらに、前記電極とは相対的に該ワークピースにバイアスを印加 するステップを含むことを特徴とする請求項１９記載のプラズマ洗浄方法。 ２１． 前記ワークピースは電気伝導体であって、 前記方法は、さらに、前記電極とは相対的に該ワークピースをアースするステ ップを含むことを特徴とする請求項１９記載のプラズマ洗浄方法。 ２２． 前記ワークピースは電気的絶縁体であることを特徴とする請求項１９ 記載のプラズマ洗浄方法。 ２３． 前記ワークピースは３次元的形状を有する電気伝導体であって、 前記方法は、さらに、前記プラズマを第１の電極の役割を果たす前記ワークピ ースと、該ワークピースの形状に対応する鋳型（モールド）イメージとして形成 された第２の電極との間に生成させるステップを含むことを特徴とする請求項１ 記載のプラズマ洗浄方法。 ２４． 前記ワークピースは３次元的形状であって、 前記方法は、さらに、該ワークピースの形状に対応する形状を有するとともに 、プラズマ生成電源に接続するための複数のストリップ電極を備えた一つの絶縁 された表面を有する鋳型イメージを使って、プラズマを生成するステップと、 前記ワークピースを、前記鋳型イメージによって生成された前記プラズマに向 けて露出させるステップとを含むことを特徴とする請求項１記載のプラズマ洗浄 方法。 ２５． 前記方法は、さらに、所定の気圧においてプラズマ生成ガスを受け入 れるための保護壁の中に、前記プラズマと前記ワークピースとを封入するステッ プを含むことを特徴とする請求項１記載のプラズマ洗浄方法。 ２６． 請求項１記載のプラズマ洗浄方法に従って洗浄されたことを特徴とす る洗浄された基板。 ２７． その表面が殺菌されたことを特徴とする請求項２６記載の洗浄された 基板。 ２８． その表面がマイクロエレクトロニクス成分であることを特徴とする請 求項２６記載の洗浄された基板。 ２９． その表面に、塗料、接着剤、および電気メッキされた層からなる群よ り選択されたボンド被覆が施されたことを特徴とする請求項２６記載の洗浄され た基板。 ３０． ワークピース表面から汚染物質を取り除いて、洗浄された基板を提供 するための装置であって、 組になった電極に付随するとともに、該電極の間に位置するガスの中で、１気 圧（７６０mmHg）またはその周りの気圧において作用することができる、定常か つ一様なグロー放電プラズマを生成するための、および前記電極の間に位置する 前記基板表面から前記汚染物質を取り除くための電源を備えたことを特徴とする プラズマ洗浄装置。 ３１． 前記装置は、さらに、前記電源と前記電極を接続して、該電源のイン ピーダンスと該電極のインピーダンスとの整合を図るための整合回路網を備えた ことを特徴とする請求項３０記載のプラズマ洗浄装置。 ３２． 前記電源は無線周波電源であることを特徴とする請求項３０記載のプ ラズマ洗浄装置。 ３３． 前記無線周波電源は１００Ｈｚから３０ｋＨｚの範囲の周波数で振動 することを特徴とする請求項３２記載のプラズマ洗浄装置。 ３４． 前記無線周波電源と前記電極とが連合し、１〜１２キロボルト／セン チ（kV/cm）の強度範囲の電場を有するプラズマを生成することを特徴とする請 求項３３記載のプラズマ洗浄装置。 ３５． 前記無線周波電源と前記電極とが連合し、その中に電子を捕捉するこ となく、イオンを捕捉するための電場を生成することを特徴とする請求項３３記 載のプラズマ洗浄装置。 ３６． 前記電源はマイクロ波電源であることを特徴とする請求項３０記載の プラズマ洗浄装置。 ３７． 前記ワークピースは平坦なワークピースであって、 前記電極は平行な電極板であることを特徴とする請求項３０記載のプラズマ洗 浄装置。 ３８． 前記電極の一つは前記ワークピースであることを特徴とする請求項３ ７記載のプラズマ洗浄装置。 ３９． 前記装置は、さらに、前記平行な電極板の間に前記ワークビースを支 持する手段を備えたことを特徴とする請求項３７記載のプラズマ洗浄装置。 ４０． 前記ワークピースは電気伝導体であって、 さらに、前記電極とは相対的に、前記ワークピースにバイアスを印可する手段 を備えたことを特徴とする請求項３９記載のプラズマ洗浄装置。 ４１． 前記ワークピースは電気伝導体であって、 前記装置は、さらに、前記電極とは相対的に、前記ワークピースをアースする 手段を備えたことを特徴とする請求項３９記載のプラズマ洗浄装置。 ４２． 前記ワークピースは電気的絶縁体であることを特徴とする請求項３９ 記載のプラズマ洗浄装置。 ４３． 前記ワークピースは３次元的形状を有する電気伝導体であって、 第１の電極が前記ワークピース、そして第２の電極が前記ワークピースの形状 に対応する形状を有する鋳型イメージであることを特徴とする請求項３０記載の プラズマ洗浄装置。 ４４． 前記ワークピースは３次元的形状を有しており、 前記ワークピースの形状に対応する形状を有するとともに、前記プラズマ生成 電源に接続するための複数のストリップ電極を備えた絶縁された表面を有する鋳 型イメージに、前記電極が付随していることを特徴とする請求項３０記載のプラ ズマ洗浄装置。 ４５． 前記絶縁された表面は絶縁素材で被覆された電気伝導性のある素材で あって、 前記電気伝導性のある素材は前記組になった電極の第１の電極に対応し、前記 複数のストリップが並列に接続されたものは前記組になった電極の第２の電極に 対応することを特徴とする請求項４４記載のプラズマ洗浄装置。 ４６． 前記絶縁された表面は電気的絶縁素材であり、 前記複数のストリップ電極は、それに属するストリップ電極を並列に接続した ものが前記組になった電極の第１の電極に対応する第１のグループと、それに属 するストリップ電極を並列に接続したものが前記組になった電極の第２の電極に 対応する第２のグループとにグループ分けされ、この際、前記ストリップ電極の 第１のグループと第２のグループは１つおきのストリップ電極からなることを特 徴とする請求項４４記載のプラズマ洗浄装置。 ４７． 前記ガスは１気圧にあることを特徴とする請求項３０記載のプラズマ 洗浄装置。 ４８． 前記ガスは空気であることを特徴とする請求項３０記載のプラズマ洗 浄装置。 ４９． 前記装置は、さらに、前記ワークピースと前記電極とを取り囲んで、 前記ガスを封入するための保護壁を備えたこと特徴とする請求項３０記載のプラ ズマ洗浄装置。 ５０． 前記ガスを１０mmHg（１０torr）から１５，０００mmHg（２０bar） までの気圧範囲に維持するための手段を備えたことを特徴とする請求項４９記載 のプラズマ洗浄装置。 ５１． 前記ガスは、ヘリウム、ネオンおよびアルゴン、一酸化二窒素、二酸 化炭素、窒素、およびそれらの混合気体や酸素との混合気体の希ガスからなる群 より選択されたことを特徴とする請求項４９記載のプラズマ洗浄装置。 ５２． 前記汚染物質は、炭化水素、油、酸化物、病原性微生物、結合単分子 膜、酸素との反応物からなる群より選択されたことを特徴とする請求項３０記載 のプラズマ洗浄装置。 ５３． 前記ワークピースは、金属、プラスチック、ポリマ、紙、薄い金属板 、および薄いフィルムからなる群より選択されたことを特徴とする請求項３０記 載のプラズマ洗浄装置。 ５４． 請求項３０記載のプラズマ洗浄装置を使用して、前記表面から前記汚 染物質を取り除くことによって前記ワークピース表面を殺菌することを特徴とす るプラズマ洗浄装置の使用方法。 ５５． 請求項３０記載のプラズマ洗浄装置を使用して、マイクロエレクトロ ニクス成分の表面を準備することを特徴とするプラズマ洗浄装置の使用方法。 ５６． 請求項３０記載のプラズマ洗浄装置を使用して、塗料、接着剤、そし て電気メッキされた層からなる群より選択されたボンド被覆を施すために前記ワ ークピース表面を準備することを特徴とするプラズマ洗浄装置の使用方法。