WO2007129520A1

WO2007129520A1 - 大気圧プラズマ発生装置及び発生方法

Info

Publication number: WO2007129520A1
Application number: PCT/JP2007/057767
Authority: WO
Inventors: Masashi Matsumori; Shigeki Nakatsuka; Takanori Ichiki
Original assignee: Panasonic Corporation
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2007-11-15
Also published as: DE112007001152T5; KR20090007721A; US20090116166A1

Abstract

　基板（２，２２）と、　基板（２，２２）上に配設されたアンテナ（３，１７，２６，３８）と、アンテナ（３，１７，２６，３８）の近傍に配設された放電管（４，１８，２８，３７）と、ＶＨＦ帯の高周波電力をアンテナ（３，１７，２６，３８）に供給する高周波電源（８）と、高周波電源（８）からの高周波を入力し反射波を調整する整合回路（７）とを備えた大気圧プラズマ発生装置において、整合回路（７）とアンテナ（３，１７，２６，３８）との間に位相回路（６）を接続し、位相回路（６）の回路定数を、定在波の電流振幅の最大値の位置、若しくは定在波の電圧振幅の最小値の位置がアンテナ（３，１７，２６，３８）近傍となるように設定することで、効率良くプラズマを発生させかつ小型化できるようにした。

Description

明細書

大気圧プラズマ発生装置及び発生方法

技術分野

[0001] 本発明は、基板上に配設されたアンテナに高周波電力を供給し、アンテナの近傍に配設された放電管にガスを導入して大気圧下で誘導結合型プラズマを生成する大気圧プラズマ発生装置及び発生方法に関する。

背景技術

[0002] 従来、真空プラズマ発生装置や大気圧プラズマ発生装置は装置が大型であるため、ロボットに搭載して稼動させるような装置に適用することは不可能であつたが、近年、大気圧下で誘導結合型プラズマを生成し、プラズマジェットとして吹き出す小型の大気圧プラズマ発生装置が提案されている (例えば、特許文献 1参照。 ) o

[0003] この大気圧プラズマ発生装置は、図 20に示すように、基板 41と、基板 41上に配設された波状形態のマイクロアンテナ 42と、マイクロアンテナ 42の近傍に配設された放電管 43とを備えたプラズマチップ 40を用い、放電管 43の一端力もガス供給手段 44 にてガスを供給し、高周波電源 45 (図 21参照）カゝらマイクロアンテナ 42に対して VH F帯（30〜500MHz)の高周波電力を供給することによって、大気圧にて小電力で放電管 43内の微小空間に良好に安定したプラズマ Pを発生させ、マイクロプラズマジエツトとして吹き出させるものである。

[0004] また、図 21に示すように、マイクロアンテナ 42と高周波電源 45との間には、マイクロアンテナ 42からの反射波を調整し、反射波によってマイクロアンテナ 42への投入電力が低下するのを防止してプラズマを安定して効率的に発生するための整合回路 4 6が接続される。整合回路 46は、図 21の例では、高周波電源 45に対して並列接続される LOAD側のリアクタンス素子 47とその一端とマイクロアンテナ 42との間に接続される TUNE側のリアクタンス素子 48にて構成されている。図 21の例では、リアクタンス素子 47、 48はともに可変コンデンサにて構成されている力固定あるいは可変のコンデンサやインダクタンスを用いた構成とすることもできる。なお、図 21中、 Lはマイク口アンテナ 42のインダンタンス成分、 Rは回路の抵抗成分である。 [0005] また、真空処理室内にガスを導入し、対向配置した一対の電極間に高周波を印加してプラズマを発生し、一方の電極上に載置した被処理物をエッチング処理するブラズマ処理装置において、エッチング処理の選択性を確保するために、具体的にはィオンが主体となってエッチングが進む酸ィ匕膜からなる絶縁膜に対して、ラジカルとィオンの両方によりエッチングが進むポリシリコンのエッチング処理が選択的に行われるようにするために、絶縁膜のエッチングに大きく寄与するイオンエネルギーを小さくするように、電極上での高周波バイアスが小さくなるように高周波給電経路内で生じる定在波の最小振幅位置を電極位置に合わせる方法が知られている（例えば、特許文献 2参照。）。

[0006] なお、特許文献 2において、使用している周波数は RF周波数帯の 13. 56MHzであり、定在波の最小振幅位置を電極位置に合わせる方法としては、高周波整合器と電極間のケーブル長を調整する方法が記載されている。この場合、定在波の振幅を調整するのにケーブル長が数 mになると、う問題を有して、る。

[0007] また、上記特許文献 2には、高周波給電経路に位相調整器を挿入した構成も記載されているが、高周波電源と高周波整合器との間に介装して位相調整器の位相量を調整するとされており、調整が困難であるという問題もある。

特許文献 1：特許第 3616088号明細書

特許文献 2：特開 2002— 373883号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] ところで、上記特許文献 1においては、大気圧にて小電力で微小空間に安定したプラズマを生成するために、微小な放電管中でイオン及び電子の一部を捕捉することができる VHF帯を利用し、かつアンテナに流れる電流により生じる誘電磁界を利用する誘導結合方式で効率良く電力をプラズマに供給することによって、高密度プラズマ力成るプラズマジェットを小電力で安定して生成するという原理や実験内容について開示されているが、さらに低消費電力で効率良くプラズマを発生させかつ小型化する技術にっ、ては、なお十分ではな、と、う問題を有して、る。

[0009] 例えば、上記特許文献 1では 50W以下で実験を行った内容を開示して、るが、加ェゃ表面改質等の応用展開を行う場合には、同じ電力を使用しながら発生するマイクロプラズマジェットのプラズマ密度をより高くする必要があるという問題がある。

[0010] 一方、上記特許文献 2に開示された技術は、基本的に平行平板方式のプラズマ処理装置に関するものであり、使用する周波数も RF周波数帯であり、かつ目的も処理の選択性を高めるために、電極上での高周波バイアスが小さくなるようにするもので、上記問題の解決手段を示唆するものではない。また、ケーブル長の調整によって定在波の最小振幅位置を調整する方法が記載されて、るが、その方法では VHF帯の高周波を用いる場合でもケーブル長は数 10cmにもなり、例えば一辺が 10cm程度のボックス内に装置を収容するような小型化を達成することができな、と、う問題もある。また、位相調整器を用いた構成でも高周波電源と高周波整合器との間に介装して、るため、上記のように調整が困難であると、う問題がある。

[0011] また、上記特許文献 1に開示されたプラズマチップ 40を用いてマイクロプラズマを発生させた場合、マイクロアンテナ 42の温度が上昇し、長時間のプラズマ発生においては、マイクロアンテナ 42が基板 41から浮き上がって放熱状態が悪くなり、マイク口アンテナ 42のパターン部分が焼損してしまう恐れがあり、またマイクロアンテナ 42 の温度が上昇すると抵抗が大きくなることで、整合回路のバランスが崩れてマイクロアンテナ 42からの反射波が大きく変わり、マイクロアンテナ 42に供給される電力が低下し、プラズマの強度が低下すると、う課題を有して、た。

[0012] また、整合回路 46を設けた構成において、回路を構成するインダクタンス素子ゃコンデンサ素子などのリアクタンス素子も発熱し、その発熱によって整合回路 46の回路定数が変化してしま、、プラズマ Pを安定して効率的に発生させることができな、と!/ヽう課題を有していた。

[0013] さらに、マイクロアンテナ 42と整合回路 46を接続する配線における発熱も大きいため、配線抵抗が変化して整合回路 46の回路定数が変化してしまい、プラズマ Pを安定して効率的に発生させることができないという問題がある。なお、配線での発熱の影響を防ぐには、配線で発生した熱を逃がす方法と、配線そのものを短くする方法とが考えられるが、それらを実現した構成は提案されて!、な、。

[0014] そこで本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされ、 VHF帯の高周波電力を使用した誘導結合型プラズマを生成する大気圧プラズマ発生装置において、さらに効率良くプラズマを発生させることができし力も小型化することができる大気圧プラズマ発生装置及び方法を提供することを目的とする。

[0015] また、整合回路などの回路を構成するリアクタンス素子やアンテナや配線の発熱によって回路定数が変化するのを防止してプラズマを安定して効率的に発生させることができ、かつコンパクトな構成を実現できる大気圧プラズマ発生装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0016] 上記目的を達成するための本発明の大気圧プラズマ発生装置は、基板と、基板上に配設されたアンテナと、アンテナの近傍に配設された放電管と、 VHF帯の高周波電力をアンテナに供給する高周波電源と、高周波電源力の高周波を入力し反射波を調整する整合回路と、整合回路とアンテナとの間に接続された位相回路とを備え、位相回路はその回路定数を、定在波の電流振幅の最大値の位置がマイクロアンテナ近傍となるように、または定在波の電圧振幅の最小値の位置がマイクロアンテナ近傍となるように設定したものである。

[0017] また、本発明の大気圧プラズマ発生方法は、基板上に配設されたアンテナに VHF 帯の高周波を供給し、アンテナの近傍に配設された放電管にガスを導入してプラズマを生成する工程と、整合回路にて高周波電源への反射波の入力を 0近傍に調整する工程と、整合回路とアンテナの間に介装した位相回路の回路定数を、定在波の電流振幅の最大値の位置をアンテナ近傍に位置させ、または定在波の電圧振幅の最小値の位置がアンテナ近傍に位置させるように調整する工程とを有するものである

[0018] 本発明の以上の構成によれば、プラズマの発生に大きく寄与するのはアンテナに流れる電流であることから、整合回路とアンテナとの間に位相回路を介装し、位相回路にて定在波の電流の振幅の最大値がアンテナの近傍に位置するようにしたことで、投入電力を効率良くアンテナに流れる電流として供給し、効率良くプラズマを発生させることができる。また、高周波においては電圧の定在波と電流の定在波は位相が 180度異なっているので、定在波の電圧振幅の最小値の位置がアンテナ近傍に位置させるようにしても同じ効果を奏することができる。

[0019] 前記位相回路は、整合回路の一方とアンテナの一方の端子の間に配置した第 1のリアクタンス素子とその間を接続する通電路の何れか一方又は両方と、整合回路の他方とアンテナの他方の端子の間に配置した第 2のリアクタンス素子とその間を接続する通電路の何れか一方又は両方にて構成することができる。すなわち、これらリアクタンス素子と所要長の通電路の何れか一方又は両方によって定在波の振幅位置を調整することができる。リアクタンス素子を用いれば、よりコンパクトに構成できるが、所要長の通電路を工夫してコンパクトに配置することによつても同様の効果を得ることができる。

[0020] 第 1のリアクタンス素子及び第 2のリアクタンス素子は、それぞれ固定インダクタンスと可変インダクタンスと固定コンデンサと可変コンデンサの内の少なくとも 1つにて構成することができる。

[0021] また、位相回路の第 1と第 2のリアクタンス素子と、それぞれに直列接続された整合回路の素子を結合して、それらのリアクタンス素子を 1つのリアクタンス素子で構成することがでさる。

[0022] また、整合回路及び位相回路を構成する素子を前記基板上に配設すると、大気圧プラズマ発生装置の全体の小型化を実現することができ、さらに電波法や装置の安全上の問題をクリアできれば、作業者が手に持って作業できるような装置への応用展開が可能となる。

[0023] また、前記アンテナは、基板上にパターン形成したものに限らず、前記基板上に立体的なコイルを配置した構成としても良、。

[0024] また、本発明の大気圧プラズマ発生装置は、アンテナと、アンテナの近傍に配置され、一端にガスが供給される放電管と、アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、アンテナと高周波電源の間に設けられ、アンテナからの反射波を調整する整合回路と、アンテナと整合回路との間に設けられ、アンテナ近傍の位相を調整する位相回路とを備え、アンテナを基板上に配置するとともに、前記基板上に 1又は複数の他の基板を積層して積層基板を構成し、整合回路又は位相回路を構成する平面状のリァクタンス素子を、積層基板上に配設又は、積層基板における基板の間に挟んで配置したものである。また、位相回路を備えていない構成においても、同様に構成できる。

[0025] この構成によれば、整合回路や位相回路を構成するリアクタンス素子を平面状にして積層基板上に配設又は、積層基板における基板の間に挟んで配置したことによつて、リアクタンス素子で発生した熱を基板を通して円滑にかつ効果的に外部に放熱することができる。これにより、リアクタンス素子の高温ィ匕によって整合回路や位相回路の回路定数が変化するのを防止でき、それによりアンテナに高周波電力を効率的にかつ安定的に入力させることができ、プラズマを効率的に安定して発生させることができ、しカゝも平面状のリアクタンス素子を積層基板の基板の間に挟んだ構成であるため、コンパクトな構成を実現することができる。

[0026] また、アンテナを配置した基板上に整合回路を構成し又は整合回路と位相回路を構成する立体形状のリアクタンス素子を配置し、この立体形状のリアクタンス素子を基板にて接触状態で覆って積層基板に内蔵させると、立体形状のリアクタンス素子の発熱もそれを配置した基板と覆う基板を通して効果的に放熱することができ、同様にプラズマを効率的に安定して発生させることができる。

[0027] また、積層基板内に、アンテナと、放電管と、整合回路と位相回路の両者又は整合回路のみと、それらを接続する配線、及び電力供給用同軸ケーブルを接続する同軸コネクタとを内蔵させると、主要部の外観がブロック状の積層基板のみ力成っているコンパクトな構成の大気圧プラズマ発生装置を提供することができ、これにガスを供給するチューブと高周波電力を供給する同軸ケーブルを接続するだけで、プラズマ処理を行うことができることになり、各種プラズマ処理を安定的にかつ効率的にしかも簡単かつ容易に行うことができる。

[0028] また、平面状のアンテナを積層基板における基板の間に挟んで配置し、アンテナを挟む基板上に平面状のリアクタンス素子を配置すると、アンテナを基板の間に挟んでいるのでアンテナで発生した熱を効果的に放熱でき、アンテナに高周波電力を効率的にかつ安定的に入力させることができ、プラズマを効率的に安定して発生させることができるとともに、その基板を共用して平面状のリアクタンス素子を配置しているので、基板の面積と数量を低減でき、一層コンパクトに構成することができる。 [0029] また、放電管とその回りに複数巻かれたアンテナとを積層基板における基板の間に挟んで配置し、放電管とアンテナを挟む基板上に平面状のリアクタンス素子を配置することで、放電管に卷回形成したアンテナを用いる場合にも同様の効果を奏することがでさる。

[0030] また、上記リアクタンス素子力基板上に導体を渦巻き状に配置したインダクタンス素子であると、インダクタンス素子は熱を発生し易いが、そのインダクタンス素子を平面状にして積層基板における基板の間に挟んで配置することで、発生した熱を基板を通して円滑にかつ効果的に外部に放熱することができ、特に大きな効果が得られる。

[0031] また、基板上に設けた配線を積層基板における基板の間に挟んで配置すると、配線で発生した熱も基板を通して効果的に放熱でき、同様に整合回路や位相回路の回路定数が変化するのを防止でき、プラズマを効率的に安定して発生させることができる。

[0032] また、積層基板における基板に形成した互いに接続すべき配線の接続部を互いに重なるように配設し、基板を相互に圧接状態で結合して接続部を接続すると、積層基板を構成する基板を圧接状態で結合するだけで回路の電気的接続ができるので、簡単な構成でかつ簡単に組み立てることができ、コンパクトで安価な構成を実現することができる。

[0033] また、基板は、アルミナ、サフアイャ、アルミナイトライド、シリコンナイトライド、窒化ホゥ素、及び炭化ケィ素からなる群から選ばれた材料から成ると、基板の熱伝導性が高ぐ高い放熱性能を得ることができる。

[0034] また、以上の大気圧プラズマ発生装置を、ロボット装置の X、 Y、 Ζ方向に移動可能な可動ヘッドに搭載すると、コンパクトで極めて汎用性の高いプラズマ処理装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0035] [図 1]図 1は、本発明の大気圧プラズマ発生装置に係る実施形態 1の要部構成を示す斜視図である。

[図 2]図 2は、実施形態 1の概略回路構成図である。 [図 3]図 3は、実施形態 1の一具体回路構成図である。

[図 4]図 4は、定在波の説明図である。

[図 5]図 5は、実施形態 1の各実験例の電圧振幅を示すグラフである。

[図 6]図 6は、実施形態 1の他の具体回路構成図である。

[図 7]図 7は、実施形態 1のさらに別の具体回路構成図である。

[図 8]図 8は、実施形態 1の変形構成例の要部構成を示す斜視図である。

[図 9]図 9は、本発明の大気圧プラズマ発生装置に係る実施形態 2の構成を示す斜視図である。

[図 10]図 10は、実施形態 2の正面図である。

[図 11]図 11は、実施形態 2の第 1の基板の上面図である。

[図 12]図 12A〜図 12Bは、実施形態 2の第 2の基板を示し、図 12Aは上面図であり、図 12Bは下面図である。

[図 13]図 13は、本発明の大気圧プラズマ発生装置に係る実施形態 3の構成を示す斜視図である。

[図 14]図 14は、実施形態 3の第 4の基板を下方力も見た斜視図である。

[図 15]図 15は、本発明の大気圧プラズマ発生装置に係る実施形態 4の構成を示す正面図である。

[図 16]図 16は、実施形態 4の第 1の基板の上面図である。

[図 17]図 17は、実施形態 4の放電管とアンテナを示す斜視図である。

[図 18]図 18は、実施形態 4の第 2の基板を下方力も見た斜視図である。

[図 19]図 19は、プラズマの発光強度の測定方法を示す斜視図である。

[図 20]図 20は、従来例の大気圧プラズマ発生装置の要部構成を示す斜視図である

[図 21]図 21は、整合回路の構成例の回路図である。

発明を実施するための最良の形態

[0036] 以下、本発明の実施の形態について説明する。

[0037] (実施形態 1)

まず、本発明の大気圧プラズマ発生装置の実施形態 1について、図 1〜図 8を参照して説明する。

[0038] 本実施形態の大気圧プラズマ発生装置 1においては、図 1に示すように、アルミナ製の基板 2上に複数巻きの波状形態のアンテナ 3を形成し、このアンテナ 3の近傍に放電管 4を配設している。基板 2は、図示例では、上面にアンテナ 3を配設し、下面に放電管 4を形成する溝を形成した上部基板 2uと上部基板 2uの下面に貼り合わせた下部基板 2dにて構成されている。なお、本発明における放電管 4とは、このように筒状の放電空間を形成する構成要素を意味しており、必ずしも内周面と外周面を有するパイプやチューブに限定されるものではない。また、アンテナ 3は、プラズマが噴出する放電管 4の一端開口が臨む基板 2の一側辺 2aに近接して配設されている。

[0039] アンテナ 3に高周波電力を入力するため、その一対の端子 5a、 5bには、図 2に示すように、位相回路 6と整合回路 7を介して高周波電源 8が接続されている。高周波電源 8は、例えば 30〜500MHz程度の周波数の VHF帯の高周波を出力するものであり、出力は 20〜： LOOW©度である。また、アンテナ 3のリアクタンス成分 Lは、本具体例では 30nHであり、回路の内部抵抗 R力 ΟΟπιΩである。

[0040] 整合回路 7は、高周波電力をアンテナ 3に入力した時に発生する反射波の高周波電源 8への入力を 0近傍に調整するものであり、具体的には、図 3に示すように、高周波電源 8に並列接続される LOAD素子としての可変コンデンサ 9と、高周波電源 8とマイクロアンテナ 3間に直列接続される TUNE素子としての可変コンデンサ 10にて調整可能に構成されている。勿論、整合回路 7をコンデンサとインダクタンスの組み合わせで構成してもよい。

[0041] 位相回路 6は、図 4に示すように、高周波電源 8からアンテナ 3に向けて入力される進行波と、アンテナ 3からの反射波とが複合して高周波供給経路に形成される定在波の振幅の腹 (振幅が最大値の部分)と節 (振幅が最小値の部分)の位置を調整するものである。本実施形態の具体例では、図 3に示すように、整合回路 7の LOAD側端子とマイクロアンテナ 3の一端の間に接続される第 1のリアクタンス素子 (A素子)を固定コンデンサ 11にて、整合回路 7の TUNE側端子とマイクロアンテナ 3の他端の間に接続される第 2のリアクタンス素子 (B素子）を固定インダクタンス 12にてそれぞれ構成して、る。これら第 1のリアクタンス素子 (A素子）と第 2のリアクタンス素子 (B素子）は、それぞれ固定インダクタンスと可変インダクタンスと固定コンデンサと可変コンデンサの内の少なくとも 1つで任意に構成することができる。

[0042] また、実際の回路構成に際しては、整合回路 7の LOAD素子 9と TUNE素子 10を可変素子にて構成し、位相回路 6の第 1のリアクタンス素子 (A素子）と第 2のリアクタンス素子 (B素子）を固定リアクタンス素子で構成し、整合回路 7の LOAD素子 9と TU NE素子 10を適当な調整値に仮設定した状態で、定在波の電流振幅の腹がマイクロアンテナ 3の近傍に位置するように、位相回路 6の第 1のリアクタンス素子 (A素子）と第 2のリアクタンス素子 (B素子）を選択し、その後整合回路 7の LOAD素子 9と TUN E素子 10を可変して微調整するようにすると、調整が容易で好適である。

[0043] 本実施形態では、図 1に示すように、基板 2上に、整合回路 7の LOAD素子 9と TU NE素子 10、及び位相回路 6の第 1のリアクタンス素子 (A素子）と第 2のリアクタンス素子 (B素子)を搭載し、基板 2上に形成した回路パターン 13a、 13b、 13cにて回路接続されている。

[0044] 以上の構成において、放電管 4内に基板 2の一側辺 2aとは反対側の他端開口からガスを導入し、高周波電源 8から基板 2上の回路パターン 13a、 13b間に VHF帯の高周波電力を供給すると、位相回路 6にて定在波の電流の振幅の最大値がアンテナ 3の近傍に位置するように調整されていることで、高周波電源 8からの投入電力がァンテナ 3に流れる電流として効率良く供給され、その結果効率良くプラズマを発生させることができる。しカゝも、基板 2上にアンテナ 3、位相回路 6及び整合回路 7が配設されているので、装置をコンパクトに構成することができ、例えば一辺が 10cm程度のボックス内に装置を収容するような小型化を達成することも可能となる。

[0045] ここで、位相回路 6の実験例について、図 5と表 1を参照して説明する。

[0046] [表 1]

A素子のコンデンサと B素子のインダクタンスの組合せとして、表 1に示すように、 10 pFと ΙΟΟηΗ (実験例 E)、 22pFと 54nH (実験例 F)、 120pFと 9. 9nH (実験例 G)に設定し、それぞれについて、図 1及び図 3における a点（基準点）から種々の距離の位置での電圧振幅を測定した。図 5のグラフ E、 F、 Gがそれぞれ実験例 E、 F、 Gの各位置での電圧振幅を示している。また、 a点、 b点、 c点、 d点は図 1及び図 3に表示した位置であり、 c点がマイクロアンテナ 3の近傍位置である。表 1に示したように、 c点での電圧振幅は、実験例 Eが 100V、実験例 Gが 110Vであるのに対して、実験例 F は 380Vと高かった。

[0048] また、上記各実験例 E、 F、 Gについて、 100MHz、 50Wの高周波電力を供給し、放電管にアルゴンガスを 0. 7slm導入した状態でのプラズマの発光強度を測定した。その結果、実験例 E、 Gについてはそれぞれ 55000、 60000arb. unitと高い発光強度が測定された力実験例 Fについては着火しな力つた。力べして、アンテナ 3の近傍位置での定在波の電圧振幅を最小値に調整することによって、小電力でも高ヽプラズマ密度のプラズマジェットが発生させることができることが分かる。

[0049] なお、大気圧プラズマの発光強度の測定は、図 19に示すように、発生したプラズマ Pの発光強度を光ファイバ一 14を介して分光器（図示せず）にて測定した。

[0050] 図 1〜図 5に示した例では、第 1のリアクタンス素子 (A素子）として固定コンデンサ 1 1を、第 2のリアクタンス素子 (B素子）として固定インダクタンス 12を使用した例を示した力図 6に示すように、第 1のリアクタンス素子 (A素子）として固定インダクタンス 15 を、第 2のリアクタンス素子 (B素子）として固定コンデンサ 16を使用しても良い。さらに、整合回路 7の TUNE素子が可変コンデンサ 10から成り、第 2のリアクタンス素子（ B素子)もコンデンサで、同種の素子である場合には、図 7に示すように、整合回路 7 の TUNE素子 10に第 2のリアクタンス素子 (B素子）の機能を持たせた構成とすることもできる。さら〖こ、第 2のリアクタンス素子 (B素子）がインダクタンスの場合でも、整合回路 7の TUNE素子 10 (可変コンデンサ）の可変範囲が大きい場合にはその機能を TUNE素子 10にて代替することもできる。さらに、図示は省略するが、第 1のリアクタンス素子 (A素子)及び第 2のリアクタンス素子 (B素子）を、コンパクトな構成となるように工夫した所要長の通電路に代えて同様の機能を奏するようにすることもでき、またこの通電路とリアクタンス素子を併用することもできる。 [0051] また、図 1の構成例では、基板 2上に配設するアンテナ 3として、基板 2上面にパターン成形したものを示した力図 8に示すように、基板 2上に立体的なコイル力なるアンテナ 17を配設し、ガラス管など力成る放電管 18をそのコイル 17に挿通した構成とすることちでさる。

[0052] 以上の実施形態 1の大気圧プラズマ発生装置 1によれば、基板 2上にアンテナ 3を配設しているのでコンパクトに構成することができ、また整合回路 7とアンテナ 3の間に位相回路 6を介装し、アンテナ 3近傍で発生する定在波の電流の振幅の最大値又は電圧の振幅が最小値になるように調整することで、ケーブル長を調整する場合に比して格段にコンパクトな構成にてアンテナ 3にて発生するプラズマを略最大限にすることができる。カゝくして、同じ投入電力を使用してプラズマを発生させた場合でも、発生するプラズマの密度や発光強度を最大限近くまで強くすることができ、加工や表面改質等の応用展開を行うことができる。さらに、整合回路 7や位相回路 6も基板 2上に配設したことにより、大気圧プラズマ発生装置 1の小型化を実現することができ、口ボットに搭載して稼動させる事も可能になるとともに、電波法や装置の安全上の問題をクリアできれば、作業者が手に持って作業できるような装置への応用展開が可能となる。

[0053] また、この大気圧プラズマ発生装置 1は、化学 '生化学の分野における各種分析装置に適用できるとともに、特にガスクロマトグラフィーやマイクロキヤビラリ電気泳動による極微量物質の高速分離と、レーザー誘起蛍光検出や微小電極を用いた電気化学計測や誘導結合プラズマ発光分光分析 (ICP— OES : Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy)や ICP質量分析を結合させたマイクロ化学分析システム（/z TAS : Micro Total Analysis System )などに好適に適用できる。また、マイク口デバイスに用いられるマイクロチップ等の被カ卩ェ物の局所部位の溶断、エッチング、薄膜堆積、洗浄、親水化処理や撥水化処理などの加工'表面処理や、有害物質の高温処理などの様々な分野で利用することができる。

[0054] (実施形態 2)

次に、本発明の大気圧プラズマ発生装置の実施形態 2について、図 9〜図 12Bを参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、主として相違点について説明する。

[0055] 本実施形態の大気圧プラズマ発生装置 21は、図 9〜図 11に示すように、アルミナ製の第 1の基板 22と、第 1の基板 22上に配設された複数巻きの波状形態のアンテナ 26と、第 1の基板 22のアンテナ 26を配設した一端側半部の領域上に配置された第 2 の基板 23と、第 2の基板 23上に配置された第 3の基板 24とを備えている。第 1の基板 22と第 2基板 23と第 3の基板 24は、相互に圧接状態でねじなどの各種締結具や接着剤にて一体的に結合されて積層基板 25が構成されている。これにより、アンテナ 26は第 1と第 2の基板 22、 23の間に挟まれた状態で、積層基板 25に内蔵されている。積層基板 25を構成する各基板の材質としては、熱伝導性の高いアルミナ、サフアイャ、アルミナイトライド、シリコンナイトライド、窒化ホウ素、及び炭化ケィ素などが好適である。

[0056] 第 2の基板 23の下面、すなわち第 1の基板 22に接する面のアンテナ 26の中心軸線に対向する位置には、図 12A、図 12Bに示すように、収容溝 27が形成されている。収容溝 27には誘電体から成る放電管 28が収容配置され、かつ好適には収容溝 2 7と放電管 28の間の隙間に熱伝導性の高い接着剤や充填剤が充填される。そして、図 9に示すように、この放電管 28の一端力もガス Gを供給し、アンテナ 26に高周波電源（図示せず）から、例えば 100MHzの VHF帯の周波数の高周波電力を 20〜： LOO W程度供給することで、放電管 28の他端力もプラズマ Pが出力される。

[0057] 第 1の基板 22のアンテナ 26を配設していない他端側半部の領域の他端中央には、高周波電源（図示せず）に接続され、高周波電力を供給する同軸ケーブル 29の先端のケーブル側のコネクタ 30を接続する基板側のコネクタ 31が配設されている。このコネクタ 31とアンテナ 26が第 1の基板 22上に形成された配線 32を介して接続されている。配線 32の途中には、図 6に示した整合回路 7と位相回路 6を構成するリアクタンス素子が配設されている。アンテナ 26と配線 32は、比抵抗値の低い金属、例えば銅（比抵抗： 17. 2ηΩ πι (20° 、温度係数: 0. 004Z°C)、銀 (比抵抗： 16. 2nQ m (20°C)、温度係数: 0. 004Z°C)、金 (比抵抗： 24. 0ηΩ πι (20° 、温度係数: 0. 0034Z°C)、アルミニウム（比抵抗： 28. 2η Ω πι(20° 、温度係数： 0. 004Z°C)等の金属薄板ないし金属箔を打ち抜き加工したり、切断加工したりして構成したものが好適である力銅が最も好適であり、その厚さは、高周波電流が流れる表面からの深さの 2倍以上、 3倍以下のもの、例えば高周波電流の周波数が 100MHzの場合で、 100 m程度の厚さのものが好適である。

[0058] 本実施形態では、第 2の基板 23に収容溝 27を設けたが、第 1の基板 22に収容溝 2 7を設けて、放電管 28を収容配置してもよい。

[0059] 本実施形態では、整合回路 7は、 LOAD側の可変コンデンサ 9と、 TUNE側の可変コンデンサ 10にて構成され、何れも立体形状のリアクタンス素子である。また、位相回路 6は、 LOAD側の可変コンデンサ 9とアンテナ 26との間に配設されたインダクタンス素子 15と、 TUNE側の可変コンデンサ 10とアンテナ 26との間に配設された固定コンデンサ 16にて構成されて、る。固定コンデンサ 16は立体形状のリアクタンス素子である力インダクタンス素子 15は、図 12Aに示すように、アンテナ 26を挟んでいる第 2の基板 23の上面に渦巻き状の導体を配置して平面状に構成され、第 3の基板 24との間で挟まれた状態で積層基板 25に内蔵されている。

[0060] 渦巻き状のインダクタンス素子 15の両端は、図 12Bに示すように、第 2の基板 23を貫通して形成された配線穴 33a、 33bを通して下面側に延出され、下面に設けられた接続部 34a、 34bに連続している。一方、第 1の基板 22上に配設された可変コンデンサ 9に接続された配線 32の先端の接続部 35aと、アンテナ 26の一端に設けられた接続部 35bが、第 1の基板 22上に第 2の基板 23を積層して配置したときに接続部 34 a、 34bに重なるように対応させ、第 1の基板 22と第 2の基板 23を圧接状態で積層したとき、接続部 34aと 35a、 34bと 35bが互いに電気的に接続されるように構成されている。

[0061] なお、図 9に破線で示すように、大気圧プラズマ発生装置 21は、ガス Gを供給する放電管 28の一端と、プラズマ Pを吹き出す放電管 28の他端と、コネクタ 31の端部のみを外面に臨ませた状態で積層基板 25をケース 21a内に収容配置して構成されている。

[0062] 以上の構成の大気圧プラズマ発生装置 21によれば、平面状のアンテナ 26を積層基板 25における第 1と第 2の基板 22、 23の間に挟んで配置しているので、アンテナ 2 6で発生した熱を効果的に放熱でき、アンテナ 26に高周波電力を効率的にかつ安定的に入力させることができ、プラズマ Pを効率的に安定して発生させることができる

[0063] さらに、アンテナ 26を挟む第 2の基板 23上に、導体を渦巻き状に配置して構成した平面状のインダクタンス素子 15を配設し、第 3の基板 24との間に挟んで配置しているので、他のリアクタンス素子に比べてインダクタンス素子は熱を発生し易いが、インダクタンス素子 15で発生した熱を、第 2と第 3の基板 23、 24を通して円滑にかつ効果的に外部に放熱することができる。したがって、インダクタンス素子 15の高温化によって整合回路 7や位相回路 6の回路定数が変化するのを防止でき、それにより一層効率的にかつ安定的にアンテナ 26に高周波電力を入力させることができ、プラズマを効率的に安定して発生させることができる。し力も、平面状のインダクタンス素子 15 を、アンテナ 26を挟んでいる第 2の基板 23を共用してその上に配置しているので、積層基板 25を構成する基板 22〜24の面積と数量を低減でき、コンパクトな構成を実現することができる。

[0064] また、第 1の基板 22と第 2の基板 23に、互いに接続すべき接続部 34a、 34bと、 35 a、 35bを互いに重なるように配設し、第 1と第 2の基板 22、 23を相互に圧接状態で結合することで、これら接続部 34a、 34bと、 35a、 35bが接続されるようにしているので、積層基板 25を構成する基板 22〜24を圧接状態で結合するだけで回路の電気的接続ができ、簡単な構成でかつ簡単に組み立てることができ、コンパクトで安価な構成を実現することができる。

[0065] なお、本実施形態では、第 3の基板 24により、インダクタンス素子 15を圧接したが、第 3の基板 24を使用せずに、インダクタンス素子 15を第 2の基板 23上に配設することで、放熱してもよい。

[0066] (実施形態 3)

次に、本発明の大気圧プラズマ発生装置に係る実施形態 3について、図 13、図 14 を参照して説明する。

[0067] 本実施形態においては、図 13に示すように、第 1の基板 22における第 2、第 3の基板 23、 24が積層されていない領域、すなわち第 1の基板 22上の立体形状のリアクタンス素子などの部品が配置された領域、具体的には整合回路 7の LOAD側と TUN E側の可変コンデンサ 9、 10と、位相回路 6の固定コンデンサ 16、及び同軸ケーブル 29のコネクタ 31が配置された領域に第 4の基板 36を積層している。この第 4の基板 3 6は、図 14に示すように、コネクタ 31、可変コンデンサ 9、 10、及び固定コンデンサ 1 6をそれぞれ収容する凹部 36a〜36dを有し、これらの素子に接触した状態で覆うように構成されている。また、第 1の基板 22上に配設された配線 32も、第 1の基板 22と、第 2と第 4の基板 23、 36の間で挟まれている。

[0068] 力べして、第 1〜第 4の基板 22、 23、 24、 36から成る積層基板 25内に、アンテナ 2 6と、放電管 28と、整合回路 7及び位相回路 6と、それらを接続する配線 32、及びコネクタ 31が内蔵され、外部に素子や配線が露出しない単一のブロック状の積層基板 25にて大気圧プラズマ発生装置 21が構成されている。

[0069] この構成によれば、アンテナ 26を配置した第 1の基板 22上に整合回路 7や位相回路 6を構成する立体形状のリアクタンス素子 9、 10、 16を配置し、これらのリアクタンス素子を第 4の基板 36にて接触状態で覆って積層基板 25に内蔵させているので、これらのリアクタンス素子の発熱も第 1の基板 22と第 4の基板 36を通して効果的に放熱することができ、同様にプラズマを効率的に安定して発生させることができる。

[0070] さらに、アンテナ 26、放電管 28、整合回路 7及び位相回路 6、配線 32、及びコネクタ 31からの発熱が積層基板 25を構成する第 1〜第 4の基板 22、 23、 24、 36を通して円滑に積層基板 25の外面力も外部に放散されるので、整合回路 7や位相回路 6を構成するリアクタンス素子やアンテナ 26だけでなぐコネクタ 31や配線 32の高温ィ匕によって回路定数が変化するのも確実に防止でき、プラズマを安定して効率的に発生させることができる。

[0071] また、積層基板 25内に、アンテナ 26と、放電管 28と、整合回路 7および位相回路 6 と、それらを接続する配線 32、及びコネクタ 31が内蔵されているので、主要部の外観がブロック状の積層基板 25のみ力も成っているコンパクトな構成の大気圧プラズマ発生装置 21を提供することができ、これにガスを供給するチューブ (図示せず)と高周波電力を供給する同軸ケーブル 29を接続するだけで、プラズマ処理を行うことができることになり、各種プラズマ処理を安定的にかつ効率的にしかも簡単かつ容易に行うことができる。 [0072] (実施形態 4)

次に、本発明の大気圧プラズマ発生装置に係る実施形態 4について、図 15〜図 1 8を参照して説明する。

[0073] 上記実施形態 2では、第 1の基板 22に波状形態の平板状のアンテナ 26を配置し、第 2の基板 23との間でこのアンテナ 26を挟んだ例を示したが、本実施形態 4では、図 15〜図 18に示すように、断面形状が略方形の放電管 37の回りに銅箔などの導体から成る薄帯板を複数回螺旋状に卷、てアンテナ 38が構成され、この放電管 37とァンテナ 38を第 1の基板 22上に配置するとともに、第 2の基板 23との間に挟んでいる。この第 2の基板 23の第 1の基板 22との対向面とは反対側の面に平面状のインダクタンス素子 15が配置され、そのインダクタンス素子 15が第 3の基板 24との間に挟まれていることは、上記第 1の実施形態と同様である。

[0074] アンテナ 38の両端部は、第 1の基板 22に設けられた配線 32の接続部 32aとインダクタンス素子 15に対する接続部 35bに重ねるように配置され、第 2の基板 23で圧接状態で挟むことで配線 32とインダクタンス素子 15に電気的に接続される。第 2の基板 23には、図 18に示すように、アンテナ 38を巻いた放電管 37を密接状態で収容する断面形状方形の収容溝 39が形成されて、る。収容溝 39とアンテナ 38を卷、た放電管 37との間には必要に応じて、熱伝導性の高い充填材ゃ接着材が充填される。このように熱伝導性の高!ヽ充填材ゃ接着材を充填する場合には、放電管 37及び収容溝 39は断面形状方形である必要はなぐ断面形状円形であっても良い。放電管 37及び収容溝 39は、本実施形態では、第 2の基板 23に設けたが、第 1の基板 22に収容溝 39を設けて、放電管 37を収容配置してもよい。放電管 37が円形で、第 1と第 2の基板 22、 23にそれぞれ半円形の収容溝を設けた構成とすることもできる。

[0075] 本実施形態によれば、放電管 37とその回りに複数巻かれたアンテナ 38とを積層基板 25における第 1と第 2の基板 22、 23の間に挟んで配置し、放電管 37とアンテナ 3 8を挟む第 2の基板 23上に平面状のインダクタンス素子 15を配置しているので、放電管 37に卷回形成したアンテナ 38を用いながら、上記第 1の実施形態と同様の効果を奏することができる。

[0076] なお、上記実施形態では、第 1〜第 3の 3枚の基板 22〜24を積層して積層基板 25 を構成し、またさらに第 1の基板 22上に第 4の基板 36を積層して積層基板 25を構成した例を示したが、積層基板 25を構成する基板の枚数は、アンテナ 26、 37、放電管 28、 37、整合回路 7や位相回路 6を構成する各リアクタンス素子の配置設計に応じて任意に設計することができる。

[0077] 以上の各実施形態の説明では、整合回路 7と位相回路 6を有する例について説明したが、位相回路 6が設けられず、整合回路 7のみが設けられている場合でも、その整合回路 7に平板状のリアクタンス素子を有する場合に本発明を適用することで同様の効果を奏することができる。また、上記実施形態では、整合回路 7を構成するリアクタンス素子として可変コンデンサ 9、 10のみを用いた例を示したが、当然のことながら固定コンデンサやインダクタンス素子を用いた構成とすることもでき、その場合、特にインダクタンス素子は発熱し易、ので、平板状のインダクタンス素子として基板の間に挟むことで積層基板に内蔵させるのが好適である。

[0078] また、以上の大気圧プラズマ発生装置 21を、ロボット装置の X、 Y、 Ζ方向に移動可能な可動ヘッドに搭載すると、コンパクトで極めて汎用性の高いプラズマ処理装置を提供することができる。

[0079] また、上記各実施形態では、 VHF帯（30〜500ΜΗΖ)の高周波電力を供給する例についてのみ述べたが、これに限定されるものではなぐマイクロ波帯（500ΜΗΖ 以上）においても適用でき、さらに実施形態 2〜実施形態 4に関しては RF帯（13〜3 ΟΜΗΖ)においても適用できるものである。

産業上の利用可能性

[0080] 以上説明したとおり本発明によれば、整合回路とマイクロアンテナの間に位相回路を介装し、マイクロアンテナの近傍位置で、定在波の電流の振幅が最大値若しくは定在波の電圧の振幅が最小値となるように位相回路を調整することで、小電力にて効率良くマイクロプラズマジェットを発生することができ、同じ投入電力で発生するブラズマ密度や発光強度を最大限近くまで強くすることができるので、マイクロキヤビラリ一電気泳動を用、たマイクロ化学分析方法などに好適に適用できるばかりでなく、各種加工'表面処理などに応用展開した場合にも高い処理能力を発揮することができる。また、整合回路や位相回路のリアクタンス素子を平面状にして積層基板における基板の間に挟んで配置することで、リアクタンス素子の熱を効果的に外部に放熱でき、リアクタンス素子の高温ィ匕による回路定数の変化を防止して高周波電力を効率的にかつ安定的にアンテナに入力させ、プラズマを効率的に安定して発生させることができ、し力もコンパクトな構成を実現することができるので、各種大気圧プラズマ発生装置、特に各種装置に搭載する小型の大気圧プラズマ発生装置に好適に利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 1.基板 (2, 22)と、

基板上に配設されたアンテナ（3, 17, 26, 38)と、

アンテナの近傍に配設された放電管 (4, 18, 28, 37)と、

VHF帯の高周波電力をアンテナに供給する高周波電源 (8)と、

高周波電源からの高周波を入力し反射波を調整する整合回路 (7)と、

整合回路とアンテナとの間に接続された位相回路 (6)とを備え、

位相回路は、定在波の電流振幅の最大値の位置、若しくは定在波の電圧振幅の最小値の位置がアンテナ近傍となるようにその回路定数を設定した大気圧プラズマ発生装置。

[2] 2.位相回路 (6)を、

整合回路（7)の一方とアンテナ（3, 17, 26, 38)の一方の端子の間に配置した第

1のリアクタンス素子（11, 15)と、その間を接続する通電路との、何れか一方又は両方と、

整合回路の他方とアンテナの他方の端子の間に配置した第 2のリアクタンス素子（1 2, 16)と、その間を接続する通電路との、何れか一方又は両方とで構成した請求項 1記載の大気圧プラズマ発生装置。

[3] 3.アンテナ（3, 17, 26, 38)と、

アンテナの近傍に配置され、一端にガスが供給される放電管 (4, 18, 28, 37)と、アンテナに高周波電力を供給する高周波電源 (8)と、

アンテナと高周波電源の間に設けられ、アンテナからの反射波を調整する整合回路 (7)と、

アンテナと整合回路との間に設けられ、アンテナ近傍の位相を調整する位相回路（ 6)とを備え、

アンテナを基板 (2, 22)上に配置するとともに、前記基板上に 1又は複数の他の基板（23, 24, 36)を積層して積層基板（25)を構成し、

整合回路又は位相回路を構成する平面状のリアクタンス素子（15)を、積層基板上に配設又は、積層基板における基板の間に挟んで配置した大気圧プラズマ発生装置。

[4] 4.アンテナ（3, 17, 26, 38)と、

アンテナと高周波電源の間に設けられ、アンテナからの反射波を調整する整合回路 (7)とを備え、

整合回路を構成する平面状のリアクタンス素子を、積層基板上に配設又は、積層基板における基板の間に挟んで配置した大気圧プラズマ発生装置。

[5] 5.アンテナ（3, 17, 26, 38)を配置した基板 (2, 22)上に整合回路（7)を構成し又は整合回路と位相回路 (6)を構成する立体形状のリアクタンス素子（9, 10, 11, 1 2, 16)を配置し、

この立体形状のリアクタンス素子を基板 (36)にて接触状態で覆って積層基板 (25) に内蔵させた請求項 3又は 4記載の大気圧プラズマ発生装置。

[6] 6.積層基板（25)内に、アンテナ（3, 17, 26, 38)と、放電管 (4, 18, 28, 37)と、整合回路（7)と位相回路 (6)の両者又は整合回路のみと、それらを接続する配線 (3

2)、及び電力供給用同軸ケーブル (29)を接続する同軸コネクタ（31)とを内蔵させた請求項 3又は 4記載の大気圧プラズマ発生装置。

[7] 7.基板（2, 22)上に配設されたアンテナ（3, 17, 26, 38)に VHF帯の高周波を供給し、アンテナの近傍に配設された放電管 (4, 18, 28, 37)にガスを導入してブラズマを生成する工程と、

整合回路 (7)にて高周波電源 (8)への反射波の入力を 0近傍に調整する工程と、整合回路とアンテナの間に介装した位相回路 (6)の回路定数を、定在波の電流振幅の最大値の位置をアンテナ近傍に位置させるように調整する工程とを有する大気圧プラズマ発生方法。

[8] 8.基板（2, 22)上に配設されたアンテナ（3, 17, 26, 38)に VHF帯の高周波を供給し、アンテナの近傍に配設された放電管 (4, 18, 28, 37)にガスを導入してブラズマを生成する工程と、

整合回路 (7)にて高周波電源 (8)への反射波の入力を 0近傍に調整する工程と、整合回路とアンテナの間に介装した位相回路 (6)の回路定数を、定在波の電圧振幅の最小値の位置をアンテナ近傍に位置させるように調整する工程とを有する大気圧プラズマ発生方法。