JPWO2016042595A1 - プラズマガス照射装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献2に記載のプラズマガス照射装置においては、プラズマガス用の噴出口の外側に不活性ガス用の噴出口が設けられるが、プラズマガス用の噴出口と不活性ガス用の噴出口との間に排気ガス回収通路が設けられる。プラズマ処理において生じる排気ガス等が排気ガス回収通路を経て回収されるが、排気ガス回収通路の外側において不活性ガスが噴出させられるため、排気ガスの大気中への放出が良好に抑制される。
特許文献3には、複数のプラズマ処理装置が連結部によって連結されたプラズマ処理システムが記載されている。本プラズマ処理システムにおいて、連結部の各々に不活性ガスが供給されることによりエアカーテンが形成され、複数のプラズマ処理装置の各々のプラズマ処理空間が仕切られる。
また、プラズマ処理能力の低下を抑制することができるため、プラズマガス照射装置を被処理物に接近させる必要性が低くなる。換言すれば、プラズマガス照射装置を被処理物から離しても良好にプラズマ処理を行うことが可能となり、表面に凸部がある被処理物に対して有効である。
(1)内側ハウジングに設けられた内側ガス噴出口から、放電空間において活性化されて得られたプラズマガスを噴出させるプラズマガス噴出部と、
前記内側ハウジングとその内側ハウジングの少なくとも一部を覆う状態で設けられた外側ハウジングとの間の保護ガス室に保護ガスを供給する保護ガス供給部と
を含み、前記外側ハウジングに設けられた外側ガス噴出口から、前記プラズマガスと前記保護ガスとを噴出させて被処理物に照射することを特徴とするプラズマガス照射装置。
外側ハウジングは、少なくとも、内側ハウジングの内側ガス噴出口が設けられた部分の近傍を隙間を隔てて覆うものであればよく、内側ハウジングの全体を覆うものとする必要は必ずしもない。
(2)前記外側ガス噴出口の開口面積Soが前記内側ガス噴出口の開口面積Siより大きくされた(1)項に記載のプラズマガス照射装置。
外側ガス噴出口の開口面積Soの前記内側ガス噴出口の開口面積Siに対する比率γs(So/Si)は1より大きい(γs>1)。
(3)前記外側ガス噴出口の開口面積Soの前記内側ガス噴出口の開口面積Siに対する比率γs(So/Si)が2より大きく13より小さくされた(1)項または(2)項に記載のプラズマガス照射装置。
比率γs(So/Si)は、4より大きく9より小さい値とすることが望ましい。「開口面積」は、外側ガス噴出口の個数と内側ガス噴出口の個数とが同じ場合には、個々の開口面積としたり、1つ以上の噴出口の開口面積の和としたりすることができる。外側ガス噴出口の個数と内側ガス噴出口の個数とが異なる場合には、外側ガス噴出口、内側ガス噴出口の各々の開口面積の和とすることができる。
なお、例えば、外側ガス噴出口、内側ガス噴出口が概して円形であり、個数が同じである場合には、外側ガス噴出口と内側ガス噴出口との関係を、個々の噴出口の直径の比率γd(do/di)で表すこともできる。
γs=γd2
直径の比率γdは、例えば、1.5より大きく3.5より小さい値とすることができ、2.0より大きく3.0より小さい値とすることが望ましい。
(4)前記外側ガス噴出口と前記内側ガス噴出口とが、互いに上下方向に隔たって、これらを規定する規定点の各々が同一直線上に位置する状態で設けられた(1)項ないし(3)項のいずれか1つに記載のプラズマガス照射装置。
外側ガス噴出口、内側ガス噴出口を規定する規定点は、これらガス噴出口を表す代表的な点をいう。例えば、ガス噴出口が概して円形を成したものである場合には円の中心点とすることができる。また、円形でない場合には長手方向の中点としたり、開口のほぼ中央にある点としたりすること等ができる。
(5)前記外側ガス噴出口が、前記内側ガス噴出口から噴出させられる前記プラズマガスの噴出方向の下流側に設けられた(1)項ないし(4)項のいずれか1つに記載のプラズマガス照射装置。
内側ガス噴出口から噴出させられるプラズマガスは外側ガス噴出口を経て被処理物に照射される。換言すれば、放電空間において活性化されたプラズマガスは内側ガス噴出口と外側ガス噴出口とを経て被処理物に照射される。
(6)前記内側ハウジングが、(i)前記放電空間と、(ii)一端部が前記放電空間に開口する放電側開口とされ、他端部が前記保護ガス室に開口する前記内側ガス噴出口とされたプラズマガス通路とを含む(1)項ないし(5)項のいずれか1つに記載のプラズマガス照射装置。
プラズマガス通路は、連続した1本の通路とは限らず、複数の通路を含む場合、複数の通路の合流部、分岐部等を含む場合もある。いずれの場合も全体としてプラズマ通路と称する。
(7)前記保護ガス供給部が、少なくとも、前記外側ハウジングの両側面の各々の、前記内側ハウジングに対向する部分に設けられた一対の保護ガス供給口を含む(1)項ないし(6)項のいずれか1つに記載のプラズマガス照射装置。
内側ガス噴出口、外側ガス噴出口が、例えば、プラズマガス照射装置の幅方向に複数個並んで設けられた場合、または、幅方向に長いスリット状を成したものである場合には、保護ガス供給口は外側ハウジングの幅方向の両側にある両側面にそれぞれ設けられる。換言すれば、保護ガス供給口は、保護ガス室の内側ガス噴出口と外側ガス噴出口との間の部分に均等に保護ガスを供給可能な位置に設けることが望ましい。
(8)放電空間において活性化されて得られたプラズマガスを噴出させるプラズマガス噴出部と、
前記プラズマガスの噴出により生じる減圧領域に、保護ガスを供給可能な保護ガス供給部と
を含み、前記プラズマガスの噴出に伴って前記保護ガスを巻き込んで、前記プラズマガスを前記保護ガスとともにガス噴出口から噴出させて被処理物に照射することを特徴とするプラズマガス照射装置。
本項に記載のプラズマガス照射装置には(1)項ないし(7)項のいずれかに記載の技術的特徴を採用することができる。また、本項に記載のガス噴出口は、(1)項に記載の外側ガス噴出口に対応するものであると考えることができる。
プラズマガス照射装置2は、図2に示すプラズマガス生成・噴出部16、加熱部18等を含む。プラズマガス生成・噴出部16は、図3に示すように、(a)内側ハウジングとしてのハウジング20、(b)一対の電極22,23、(c)これら一対の電極22,23の間に形成された空間(一対の電極22,23が印加されることにより放電空間となる)24、(d)プラズマガス通路26、(e)外側ハウジングとしてのカバー部28等を含む。カバー部28は、ハウジング20に隙間を隔てて設けられる。
上流側ハウジング20aの上面には図1に示すように処理ガス供給口40が設けられ、処理ガス源42が流量調整装置44を介して接続される。処理ガスとは、反応ガス、キャリアガス等を含むものである。反応ガスは放電空間24において活性化(例えば、ラジカル、正イオン、負イオン等の反応種とすることをいう。プラズマ化と称することもできる)され易いガスであり、例えば、酸素ガス、水素ガス等が該当する。キャリアガスは、反応種を運搬するためのガスであり、活性化され難いガスが用いられるのが普通である。例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス、窒素ガス等が該当する。
上流側ハウジング20aには、図3に示すように空間24が形成されるとともに、空間24に対向して一対の電極22,23が保持される。
上流側通路50は、x方向に伸びた複数(本実施例においては4本)のx通路50xとz方向に伸びた複数(本実施例においては4本)のz通路50zとを含む。4本のx通路50xの各々と4本のz通路50zの各々とは、互いにy方向に隔たって形成される。また、4本のx通路50xの各々において、一端部が放電空間24に開口する放電空間開口50aとされ、他端部が上流側ハウジング20aの前面(yz面)に達して開口50bとされる。4本のz通路50zは、それぞれ、4本のx通路50xの各々に互いに連通させられ、下流側端部は上流側ハウジング20aの下面(xy面)に達して開口50cとされる。
下流側通路52は、図3,4(a),(b),6等に示すように、下流側ハウジング20bの上面(上流側ハウジング20aへの当接面)に開口して設けられた接続凹部53と、z方向に伸び、y方向に互いに隔てて設けられた複数(本実施例においては6本)の噴出通路54zとを含む。接続凹部53はy方向に長い長穴形状を成したものであり、その接続凹部53の上部開口に上述の4本のz通路50zの各々の下端部の開口50cが対向し、接続凹部53の底面に6本の噴出通路54zの各々の上端部が開口する。したがって、接続凹部53を介して、z通路50zと噴出通路54zとが連通させられる。また、噴出通路54zの下端部は下流側ハウジング20bの下面(xy面)に達して開口する内側ガス噴出口56とされる。内側ガス噴出口56は概して円形を成したものであり、カバー部28に向かって開口する。
以上のように、プラズマガス通路26において、x通路50x、z通路50z、接続凹部53、噴出通路54zは互いに連通させられ、一端部が放電空間24に開口する放電空間側開口50aとされ、他端部が内側噴出口56とされるのであり、放電空間24において活性化されたプラズマガスは、プラズマガス通路26を経て内側ガス噴出口56から噴出させられる。
カバー部28の底面(xy面)には、z方向に貫通した外側ガス噴出口62がy方向に等間隔に6つ形成される。図4(a),(b),5等に示すように、外側ガス噴出口62も廃して円形を成したものであり、内側ガス噴出口56と同心に、すなわち、内側ガス噴出口56の中心と外側ガス噴出口62の中心とがz方向に伸びた同一の線zi上に位置する状態で形成される。このように、内側ガス噴出口56と外側ガス噴出口62とは、互いにプラズマガスの噴出方向(噴出通路54zが伸びるz方向)に隔たって、外側ガス噴出口62が内側ガス噴出口56の下流側に設けられるのであり、内側ガス噴出口56から噴出させられたプラズマガスは外側ガス噴出口62からプラズマガス照射装置2の外部に噴出させられる。また、外側ガス噴出口62の直径doは内側ガス噴出口56の直径diより大きい。換言すれば、外側ガス噴出口62の開口面積Soは内側ガス噴出口56の開口面積Siより大きいのである。
また、保護ガス供給口66は、カバー部28の側面64の下流側ハウジング20bに対向する部分(側面64の部分h)、すなわち、z方向において、内側ガス噴出口56より上方に形成される。保護ガス供給口66は、保護ガス室60に供給される保護ガスが内側ガス噴出口56から噴出されるプラズマガスの流れの妨げにならず、かつ、保護ガス室60の下部、すなわち、下流側ハウジング20bの下方において均一に供給され得る位置に設けることが望ましい。
また、図6に示すように、加熱部80は、水平線に対してθの角度で加熱ガスを照射可能な状態で取り付けられる。
なお、図1において、処理ガス源42、保護ガス源70、加熱用ガス源98をそれぞれ別個に記載したが、これらの少なくとも一部(例えば、窒素ガス源、不活性ガス源等)は共通のものとすることができる。
また、保護ガス室60には保護ガス(本実施例においては、窒素ガスが用いられる)が保護ガス供給口66から供給される。保護ガスは、主として、下流側ハウジング20bに当たり、下流側ハウジング20bに沿って移動させられ、保護ガス供給口66の内側ガス噴出口56と外側ガス噴出口62との間の部分に均等に供給される。
そして、プラズマガスの内側ガス噴出口56からの噴出に伴って保護ガス室60に存在する保護ガスが巻き込まれ、これらプラズマガスと保護ガスとが外側ガス噴出口62から噴出させられ、被処理物Wに照射される。プラズマガスの内側ガス噴出口56からの噴出により、内側ガス噴出口56の周辺が減圧されるのであり、減圧領域、すなわち、保護ガス室60にある保護ガスが巻き込まれる。いわゆるアスピレータの原理(ベンチュリー効果)が利用されるのであり、図4(c)に示すように、プラズマガスGpの周りを保護ガスGcが囲む状態で噴出させられる。この場合において、プラズマガスGpの周り全体が保護ガスGcの層によって覆われない場合もあるが、プラズマガスGpは保護ガスGcによって大気中の酸素に接触され難くされる。
一方、プラズマガス照射装置から噴出させられたプラズマガスGpが大気に接触すると、プラズマガス中のラジカル等の反応種が大気中の酸素等と反応し、被処理物Wに照射される前に、プラズマ処理能力が低下するという問題があった。それに対して本実施例に係るプラズマガス照射装置2においては、噴出させられたプラズマガスGpが大気に接触し難くされる。その結果、高い処理能力が維持された状態でプラズマガスを被処理物に照射することができるのであり、良好にプラズマ処理が行われるようにすることができる。
以上のことから、下流側ハウジング20bに設けられた内側ガス噴出口56、カバー部28に設けられた外側ガス噴出口62等により複合ガス(プラズマガスと、その周りの保護ガスとを含むガスをいう)を噴出させる複合ガス噴出部110が構成されると考えることができる。本実施例において、複合ガス噴出部110は、上流側ハウジング20a(本体と称することができる)に対して着脱可能とされる。
さらに、従来から、プラズマガス照射装置のガス噴出口の周辺に樹脂製の円筒状のカバー部材を取り付けて、使用されることがあった。しかし、円筒状のカバーを取り付けるのが面倒である等の問題があった。それに対して本実施例に係るプラズマガス照射装置2においては、円筒状のカバー部材を取り付けなくても、プラズマガスの処理能力の低下が抑制されるため、円筒状のカバーを取り付ける必要がない等の利点がある。
さらに、加熱部18によってもプラズマ処理が良好に行われるようにすることができる。例えば、被処理物Wが図6の矢印A方向に搬送される場合には、加熱部18により被処理物Wが加熱された後にプラズマガスが照射されることになり、より一層、高い能力でプラズマ処理が行われるようにすることができる。被処理物Wの搬送方向が矢印B方向である場合には、プラズマ処理が行われた後に加熱ガスが照射されることになるが、この場合であっても、プラズマ処理効果が良好に得られるようにすることができる。
例えば、傾斜角度θが小さい場合は、加熱ガス噴出部94から照射される加熱ガスが外側ガス噴出口62から噴出させられるプラズマガスGp,保護ガスGcに影響を与える可能性があり、望ましくない。また、間隔xが長い場合には加熱の効果が充分に得られ難くなり、間隔xが短い場合には加熱ガスがプラズマガスや保護ガスに影響を及ぼす可能性が高くなる。距離Hは、被処理物Wの表面WSの凹凸が大きい場合は大きくすることが望ましい。
以上の事情等を考慮して、距離H,角度θ、間隔xが決定される。加熱部18において、距離Hと角度θとから間隔xが一義的に決まる構造としたり、距離H,角度θ、間隔xが別箇独立に調節可能な構造としたりすること等ができる。
比率γdが小さい場合には、プラズマガスGpが外側ガス噴出口62を通過する際の抵抗となり、保護ガスの層が良好に形成され難く望ましくない。比率γdが大きい場合には、必要な保護ガス量が多くなり望ましくない。また、プラズマガス照射装置2の構造上、外側ガス噴出口62の直径doが、互いに隣接する開口同士が重ならないようにするという制約がある。
以上の事情等を考慮して比率γdが設計されるのであり、プラズマガスGpの噴出に伴って保護ガスが良好に巻き込まれ、プラズマガスGpの回りに図4(c)に示すように良好に保護ガスの層が形成され得る範囲とされる。
なお、外側ガス噴出口62と内側ガス噴出口56との関係は、外側ガス噴出口56の各々の開口面積Soの内側ガス噴出口52の各々の開口面積Siに対する比率γs(=So/Si)で表すこともできる。
比率γsは2より大きく13より小さい値とすることができ、4より大きく9より小さい値とすることが望ましい。
図7には、プラズマガスの流量が、30L/min、保護ガスの供給流量が、20L/minであり、比率γd(=do/di)が3.5/1.2である場合の保護ガスGcの流れをシミュレートした結果を示す。図7に示すように、この条件において、プラズマガスGpの周りに保護ガスGcの層が良好に形成され、プラズマガスGpが良好に大気から遮断されることが明らかである。また、保護ガスGcの流速が、保護ガス室60の内部より外部(外側ガス噴出口62の下流側)における方が早くなることが認められた。プラズマガスGpの噴出に伴う巻き込みに起因すると推測される。
また、保護ガスとしては、窒素ガスの他にヘリウム等の不活性ガスを用いることもできる。さらに、保護ガス供給口66を、カバー部28のy方向に対向する両側面64と、x方向に対向する一対のyz面(前面および後面)との両方に設けたり、前面および後面の各々に2つずつ設けたりする等もできる。
また、カバー部28は、下流側ハウジング20bに着脱可能としても、上述側ハウジング20aに着脱可能としてもよい。さらに、カバー部28は、下流側ハウジング20bと一体的に設けてもよい。また、下流側ハウジング20bを上流側ハウジング20aに着脱可能とすることは不可欠ではなく、下流側ハウジングと上流側ハウジング20aとは一体的に設けてもよい。
さらに、プラズマガス通路26の構造は問わない。また、内側ガス噴出口56、外側ガス噴出口62の形状、個数等も問わない。
さらに、加熱部18を設けることは不可欠ではない。加熱部18がなくてもプラズマ処理能力の低下を良好に抑制し得る。
複合ガス噴出部130は、(a)下流側ハウジング140に形成され、y方向に長い形状を成した1つの内側ガス噴出口142と、(b)カバー部144に形成され、y方向に長い長穴形状を成した1つの外側ガス噴出口146とを含む。また、プラズマガス通路148は、実施例1における場合と同様に上流側通路50と、下流側通路150とを含み、下流側通路150は、y方向に長いスリット状を成した噴出通路152と、接続凹部154とを含む。噴出通路152の下端側の開口が内側ガス噴出口142とされ、上端部が接続凹部154の底面に開口する。接続凹部154を介して上流側通路50と噴出通路152とが連通させられる。
また、外側ガス噴出口146の開口面積Sosは内側ガス噴出口142の開口面積Sisより大きい。
このように、プラズマガスの噴出口をy方向に長い長穴形状を成したものとすることにより、プラズマガスを被処理物Wの幅方向に均等に照射することができる。また、プラズマガスの噴出口がy方向に長い長穴形状を成したものであっても、同様に、プラズマガスの周辺に窒素ガスの層が形成され、プラズマガスが大気に接触し難くすることができる。
複合ガス噴出部180は、実施例1に係るプラズマ処理装置の構成要素である下流側ハウジング20bに、実施例2に係るプラズマ処理装置の構成要素であるカバー部144が取り付けられたものであり、下流側ハウジング20bに形成された6つの内側ガス噴出口56と、カバー部144に形成された長穴形状を成した1つの外側ガス噴出口146とを含む。
なお、下流側ハウジング20bに形成する噴出通路54zの数を増やし(7本以上とし)、図11に示すように、内側ガス噴出口56の数を7以上とすることもできる。このように、内側ガス噴出口56の個数を増やし、間隔を狭くすることにより、保護ガスの層をより一層形成され易くすることができる。
複合ガス噴出部200においては、実施例2に記載の複合ガス噴出部130と比較すると、噴出通路の形状が異なる。下流側ハウジング210に形成されたスリット状の噴出通路212は、上流側から下流側に向かって断面積が小さくなる形状とされる。すなわち、接続凹部154に開口する上流側開口214の開口面積Saより下流側の開口である内側ガス噴出口216の開口面積Sbの方が小さくされる(Sb<Sa)。その結果、内側ガス噴出口216の近傍において、プラズマガスの流速を大きくすることができ、窒素ガスを良好に巻き込むことができる。本実施例において、接続凹部154、噴出通路212等により下流側通路214が構成され、下流側通路214、上流側通路50等によりプラズマガス通路216が構成される。
なお、実施例4に記載の技術を実施例1,3の複合ガス噴出部110,180に適用することもできる。すなわち、下流側ハウジング20bに形成された噴出通路54zの各々を、上流側から下流側に向かって断面積が小さくなる形状とすることができる。
以上、複数の実施例について説明したが、その他、本発明は、当業者の知識に基づいて種々の変更を施した態様で実施することができる。
Claims (5)
- 放電空間を備えたハウジングである内側ハウジングに設けられた内側ガス噴出口から、前記放電空間において活性化されて得られたプラズマガスを噴出させるプラズマガス噴出部と、
前記内側ハウジングとその内側ハウジングの少なくとも一部を覆う状態で設けられた外側ハウジングとの間の保護ガス室に保護ガスを供給する保護ガス供給部と
を含み、前記外側ハウジングに設けられた外側ガス噴出口から、前記プラズマガスと前記保護ガスとを噴出させて被処理物に照射することを特徴とするプラズマガス照射装置。 - 前記外側ガス噴出口の開口面積が前記内側ガス噴出口の開口面積より大きくされた請求項1に記載のプラズマガス照射装置。
- 前記内側ハウジングに、一端部が前記放電空間に開口する放電空間側開口とされ、他端部が前記保護ガス室に開口する前記内側ガス噴出口とされたプラズマガス通路が形成され、
前記外側ガス噴出口が、前記内側ガス噴出口の下流側に設けられた請求項1または2に記載のプラズマガス照射装置。 - 前記保護ガス供給部が、少なくとも、前記外側ハウジングの両側面の各々の、前記内側ハウジングに対向する部分に設けられた一対の保護ガス供給口を含む請求項1ないし3のいずれか1つに記載のプラズマガス照射装置。
- 放電空間において活性化されて得られたプラズマガスを噴出させるプラズマガス噴出部と、
前記プラズマガスの噴出により生じる減圧領域に、保護ガスを供給可能な保護ガス供給部と
を含み、前記プラズマガスの噴出に伴って前記保護ガスを巻き込んで、前記プラズマガスを前記保護ガスとともにガス噴出口から噴出させて被処理物に照射することを特徴とするプラズマガス照射装置。
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