WO2011065171A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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WO2011065171A1
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plasma processing
processing apparatus
flow path
plasma
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PCT/JP2010/068972
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French (fr)
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亘 塩野谷
尚博 清水
雄一郎 今西
宗三郎 堀田
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日本碍子株式会社
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    • H05H2240/10—Testing at atmospheric pressure

Definitions

  • the present invention relates to a plasma processing apparatus.
  • Patent Document 1 discloses an example of a conventional plasma processing apparatus.
  • a cathode is provided in the middle of the flow path, and a rod-shaped anode extending in the axial direction of the flow path is provided in the middle of the flow path and upstream of the cathode.
  • a pulse voltage is applied between the anode and the cathode, and a discharge is generated between the tip of the anode and the cathode.
  • the plasma processing apparatus of Patent Document 1 has a problem in that the range in which plasma is generated is limited, and the efficiency of plasma processing is insufficient. Moreover, the plasma processing apparatus of Patent Document 1 has a problem that the electric field concentrates on the tip of the anode and the anode may be damaged, and the durability of the anode is insufficient.
  • the present invention has been made to solve these problems, and an object thereof is to provide a plasma processing apparatus in which the efficiency of plasma processing is improved and the durability of an electrode is improved.
  • a plasma processing apparatus has a structure having a flow path through which a fluid flows, and is in the middle of the flow path, crosses a first fluid passage surface, and passes through the first fluid passage.
  • a third electrode that occupies, a pulse power source that generates a pulse voltage between the first pole and the second pole, the first electrode electrically connected to the first pole, and the second electrode And a connection line that electrically connects the third electrode to the second electrode, and the first electrode and the second electrode There were opposite to and separated from the axial direction of the flow path, the first electrode and the third electrode are opposed at a distance in the axial direction of the channel.
  • the second electrode and the third electrode do not overlap when viewed from the axial direction of the flow path.
  • the first electrode and the second electrode when viewed from the axial direction of the flow path, the first electrode and the second electrode intersect, The first electrode and the electrode of the third electrode intersect, and the intersection position of the first electrode and the second electrode and the intersection position of the first electrode and the third electrode are Do not overlap.
  • the first electrode has a surface made of an insulator and the second electrode and the third electrode. A first discharge portion facing the electrode.
  • the second electrode has a surface made of an insulator and faces the first electrode.
  • the third electrode includes a third discharge unit having a surface made of an insulator and facing the first electrode.
  • the first electrode is a cathode, and the second electrode and the third electrode are anodes.
  • the first electrode is at an edge of the first fluid passage surface, and a first plasma grounding portion is exposed on the surface of a good conductor connected to the first pole by the connection line.
  • the first electrode is an anode
  • the second electrode and the third electrode are a cathode.
  • the second electrode is located at an edge of the second fluid passage surface, and a second plasma grounding portion is exposed on the surface of a good conductor connected to the second pole by the connection line.
  • the third electrode is located at an edge of the third fluid passage surface, and a third plasma grounding portion is exposed on the surface of a good conductor connected to the third pole by the connection line, Is provided.
  • plasma is generated on the upstream side and the downstream side of the first electrode, so that the efficiency of the processing using the plasma is improved.
  • the ends of the first electrode, the second electrode, and the third electrode do not become the start point or end point of the discharge, and the durability of the first electrode, the second electrode, and the third electrode is improved.
  • the fluid that is not sufficiently activated on the upstream side of the first electrode is sufficiently activated on the downstream side of the first electrode, so that the efficiency of the plasma treatment is improved. To do.
  • the discharge becomes a dielectric barrier discharge, arc discharge is suppressed, and streamer discharge that efficiently activates the fluid is stably generated.
  • electrons are easily supplied to the ion sheath layer, and the efficiency of treatment with plasma is improved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a plasma processing apparatus 1004 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a cross section of the reactor 1008 of the plasma processing apparatus 1004 and its accessories.
  • the plasma processing apparatus 1004 includes a reactor 1008 that generates plasma, a pulse power source 1012 that generates a pulse voltage, a connection line 1016 that electrically connects the pulse power source 1012 and the reactor 1008, and a gas And a gas supply circuit 1020 for supplying.
  • the plasma processing apparatus 1004 generates plasma inside the reactor 1008 while supplying gas into the reactor 1008, activates the gas by causing the plasma to act on the gas. “Activation” refers to improving gas reactivity such as excitation of chemical species to higher energy levels, generation of ions, generation of radicals, and the like.
  • the reactor 1008 includes a chamber 1024 having a flow path 1032 through which a gas flows, and an electrode array 1028 that applies an electric field.
  • the chamber 1024 only needs to be a structure having a flow path 1032.
  • the structure and material of the chamber 1024 are not limited as long as the chamber 1024 is not damaged by the gas flowing through the flow path 1032, the electric field applied by the electrode array 1028, the discharge generated by the application of the electric field, Etc. are not limited.
  • the gas sucked into the suction port 1036 at one end of the channel 1032 flows in the direction in which the channel 1032 extends, that is, the axial direction D3 of the channel 1032, passes through the electrode array 1028, and passes through the electrode array 1028. It is activated by the plasma generated at the position and discharged from the discharge port 1040 at the other end of the flow path 1032.
  • the electrode array 1028 is provided in the middle of the flow path 1032.
  • the electrode array 1028 is a discharge body that generates an electric discharge by applying an electric field substantially parallel to the axial direction D3 of the flow path 1032, and is an incompletely closed body that incompletely closes the flow path 1032, that is, a gas is transmitted. It is also a gas permeator. As a result, when the gas passes through the electrode array 1028, the gas is efficiently and uniformly activated by the plasma.
  • FIG. 2 is a perspective view
  • FIG. 3 is a top view
  • FIG. 4 is a front view
  • FIG. 5 is a side view.
  • the electrode array 1028 has a structure in which the second electrode 1048, the first electrode 1044, and the third electrode 1052 are arranged in the description order in the axial direction D3 of the flow path 1032.
  • the second electrode 1048 is on the upstream side of the first electrode 1044
  • the third electrode 1052 is on the downstream side of the first electrode 1044.
  • connection line 1016 makes the first electrode 1044 a negative electrode of the pulse power source 1012.
  • the second electrode 1048 and the third electrode 1052 are connected to the positive electrode of the pulse power source 1012.
  • an electric field from the second electrode 1048 toward the first electrode 1044 is applied to the first gap 1056 between the first electrode 1044 and the second electrode 1048, and the third electrode 1052 to the first electrode
  • An electric field directed to 1044 is applied to the second gap 1060 between the first electrode 1044 and the third electrode 1052.
  • the ion sheath layer IS is generated in the vicinity of the first electrode 1044 on the side facing the second electrode 1048 and the third electrode 1052, and discharge is generated in the first gap 1056 and the second gap 1060. Plasma is generated in the first gap 1056 and the second gap 1060.
  • the connection line 1016 connects the first electrode 1044 to the positive electrode of the pulse power source 1012 and the second electrode 1048 and the third electrode 1052 are connected to the negative electrode of the pulse power source 1012. Accordingly, an electric field from the first electrode 1044 toward the second electrode 1048 is applied to the first gap 1056, and an electric field from the first electrode 1044 to the third electrode 1052 is applied to the second gap 1060.
  • an ion sheath layer (not shown) is generated on the side of the second electrode 1048 and the third electrode 1052 facing the first electrode 1044, and a discharge is generated in the first gap 1056 and the second gap 1060.
  • Plasma is generated in the first gap 1056 and the second gap 1060. Since the second electrode 1048 and the third electrode 1052 are cathodes, the first electrode 1044 to which a high voltage is applied is shielded by the second electrode 1048 and the third electrode 1052, and insulation is easily ensured. Is done.
  • the first electrode 1044 is a cathode and an anode
  • plasma is generated on the upstream side and the downstream side of the first electrode 1044, and the efficiency of the treatment using the plasma is improved.
  • the first electrode 1044 has a rod shape and crosses the first fluid passage surface S1.
  • Cross means exiting from one place on the inner wall of the flow path 1032 and entering another place on the inner wall of the flow path 1032 via the inside of the flow path 1032.
  • Making the first electrode 1044 cross the first gas passage surface S1 means that the end of the first electrode 1044 that is easily damaged is opposed to the second electrode 1048 and the third electrode 1052, and the start or end point of the discharge. And the durability of the first electrode 1044 is improved.
  • the first electrode 1044 extends in a first direction D1 perpendicular to the axial direction D3 of the flow path 1032, and a second electrode perpendicular to the axial direction D3 of the flow path 1032 and perpendicular to the first direction D1.
  • Sparsely arranged in the direction D2. “Sparsely” means that there is an opening through which a gas passes between the adjacent first electrodes 1044 without the adjacent first electrodes 1044 being in close contact with each other.
  • the gap between the adjacent first electrodes 1044 becomes a band-shaped opening, and the first electrode 1044 occupies only a part of the first fluid passage surface S1 and incompletely closes the first fluid passage surface S1. To do.
  • the first electrode 1044 has a structure in which a portion other than the vicinity of the end of the rod 1064 made of a good conductor is covered with a coating 1068 made of an insulator.
  • the bar 1064 is connected to the negative electrode of the pulse power source 1012 by the connection line 1016, and when the first electrode 1044 is the anode, the bar 1064 is connected to the negative line by the connection line 1016. , Connected to the positive electrode of the pulse power source 1012.
  • First discharge unit 1072 As shown in FIG. 4, among the first electrodes 1044, the first discharge portion 1072 having the covering 1068 and the surface thereof is made of an insulator is separated from the second electrode 1048 in the axial direction D3 of the flow path 1032. And the third electrode 1052.
  • the phrase “the surface is made of an insulator” is sufficient if at least the surface is an insulator. Therefore, it is not essential that a good conductor is embedded inside.
  • the fact that the surface of the first discharge portion 1072 is made of an insulator contributes to the stable generation of streamer discharge that suppresses arc discharge and efficiently activates the gas by making the discharge a dielectric barrier discharge. .
  • First plasma grounding section 1076 As shown in FIG. 4, the first plasma grounding portion 1076 of the first electrode 1044 that has no coating 1068 and has a good conductor exposed on the surface is located at the edge of the first gas passage surface S1.
  • the first electrode 1044 is a cathode
  • the first plasma grounding portion 1076 contacts the end of the ion sheath layer IS, applies a ground potential to the ion sheath layer IS, and supplies electrons to the ion sheath layer IS. Supply.
  • electrons are easily supplied to the ion sheath layer IS, and the efficiency of plasma processing is improved.
  • the “edge” means a range in contact with the ion sheath layer IS and is a range having a width in the vicinity of the outer periphery of the first gas passage surface S1.
  • the first electrode 1044 is an anode
  • the first plasma grounding portion 1076 may be omitted.
  • first discharge part 1072 and first plasma grounding part 1076 are integrated. This contributes to reducing the number of parts.
  • the first discharge unit 1072 and the first plasma grounding unit 1076 may be separate, and the entire first discharge unit 1072 may not be a good conductor.
  • the cross-sectional shape of the first electrode 1044 and the rod 1064 is circular, and the cross-sectional shape of the rod 1064 is also circular.
  • the cross-sectional shape of the first electrode 1044 and the rod 1064 may be a shape with few sharp parts other than a circle, for example, an ellipse.
  • the cross-sectional shapes of the first electrode 1044 and the rod 1064 may be other than circular.
  • the ratio of the area of the opening to the area of the first gas passage surface S1 viewed from the axial direction D3 of the flow path 1032 is desirably 30% or more.
  • the aperture ratio of the first gas passage surface S1 is less than the lower limit value, the pressure loss of the first electrode 1044 increases, and the efficiency of plasma processing tends to decrease.
  • the width of the first electrode 1044 viewed from the axial direction D3 of the channel 1032 is preferably 0.3 to 5 mm.
  • the width of the first electrode 1044 exceeds this upper limit value, the pressure loss of the first electrode 1044 increases, and the efficiency of plasma processing tends to decrease.
  • the width of the first electrode 1044 is less than the lower limit value, the strength of the first electrode 1044 is reduced, and the first electrode 1044 is easily damaged.
  • the material of the rod 1064 is not particularly limited, but is preferably a metal or alloy that is not easily damaged by discharge and plasma and has high heat resistance.
  • metals include Pt (platinum), W (tungsten), WC (tungsten carbide), Mo (molybdenum), nickel-based superalloys, and the like.
  • Such alloys include nickel-chromium (Ni-Cr) alloys and the like.
  • the material of the covering 1068 is not particularly limited, but is preferably a resin or ceramic that is not easily damaged by discharge and plasma and has high heat resistance.
  • resins include fluororesins and polyimide resins.
  • ceramics include alumina (Al 2 O 3 ) / zirconia (ZrO 2 ), silicon carbide (SiC), magnesia (MgO), and the like.
  • the material of the rod 1064 may be a semiconductor, and the covering 1068 made of an insulator may be omitted.
  • the portion of the rod 1064 crossing the first gas passage surface S1 also serves as the first discharge part 1072 and the first plasma grounding part 1076.
  • Ceramics include Si-impregnated silicon carbide (SiC).
  • the method for forming the coating 1068 is not particularly limited.
  • the coating 1068 is formed by coating the surface of the rod 1064 with a ceramic powder compact by a gel casting method and firing the compact. It is desirable. Thereby, it is suppressed that a defect is inherent in the covering 1068.
  • first electrodes 1044 (Deformation of arrangement of first electrodes 1044) 1 to 5 show the case where the first electrodes 1044 are evenly arranged, the first electrodes 1044 may be unevenly arranged.
  • the first electrodes 1044 are arranged relatively densely in the center of the flow path 1032 where the gas flow rate is relatively high, and the first electrodes 1044 are positioned around the flow path 1032 where the gas flow rate is relatively low. They may be arranged relatively sparsely.
  • the electrode rods may be arranged non-parallel.
  • the rod-shaped first electrode 1044 that is straight and has no branching (intersection) shown in FIGS. 2 to 5 has an advantage that it is easy to form a coating 1068 that does not contain defects.
  • the first electrode 1078 having a branch may be employed instead of the first electrode 1044.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a lattice-shaped first electrode 1078 having branches.
  • FIG. 6 is a top view of the first electrode 1078 viewed from the same direction as in FIG.
  • a first electrode in which a grid 1088 made of a good conductor in which a bar 1080 extending in one direction and a bar 1084 extending in the other direction intersect is covered with a coating 1092 made of an insulator. 1078 may be employed.
  • the opening has a quadrangular shape.
  • the shape of the lattice 1088 may be further deformed, and the shape of the opening may be deformed into a two-dimensional figure shape other than a square shape, for example, a polygonal shape such as a hexagonal shape, a circular shape, or the like.
  • a first electrode in which the punching metal is covered with a coating made of an insulator may be employed.
  • the second electrode 1048 and the third electrode 1052 have a plate shape and cross the second fluid passage surface S2 and the third fluid passage surface S3, respectively. Having the second electrode 1048 and the third electrode 1052 traverse the second fluid passage surface S2 and the third fluid passage surface S3, respectively, causes the end of the second electrode 1048 and the third electrode 1052 to be easily damaged. Is opposed to the first electrode 1044 to prevent the discharge from starting or ending, and the durability of the second electrode 1048 and the third electrode 1052 is improved.
  • the main surfaces of the second electrode 1048 and the third electrode 1052 are parallel to the axial direction D3 of the flow path 1032. Therefore, the projected shapes of the second electrode 1048 and the third electrode 1052 viewed from the axial direction D3 of the flow path 1032 are rod shapes (elongated shapes). Similarly to the case of the first electrode 1044, the projected shapes of the second electrode 1048 and the third electrode 1052 as viewed from the axial direction D3 of the flow path 1032 may be branched.
  • the second electrode 1048 and the third electrode 1052 extend in a second direction D2 perpendicular to the axial direction D3 of the flow path 1032 and are perpendicular to the axial direction D3 of the flow path 1032 and are in the second direction D2. Are sparsely arranged in a first direction D1 perpendicular to.
  • the gap between the adjacent second electrodes 1048 and the gap between the adjacent third electrodes 1052 is a band-shaped opening, and the second electrode 1048 and the third electrode 1052 are respectively connected to the second fluid passage surface S2 and the second fluid passage surface S2. It occupies only a part of the third fluid passage surface S3 and incompletely closes the second fluid passage surface S2 and the third fluid passage surface S3.
  • the second electrode 1048 and the third electrode 1052 are respectively covered with coverings 1104 and 1108 made of an insulator except for the vicinity of the ends of the rectangular plates 1096 and 1100 made of a good conductor.
  • the rectangular plates 1096 and 1100 are connected to the negative electrode of the pulse power source 1012 through the connection line 1016, and the second electrode 1048 and the third electrode 1052 are connected. Is the anode, the rectangular plates 1096 and 1100 are connected to the positive electrode of the pulse power source 1012 by the connection line 1016.
  • the first electrode 1044 faces the first electrode 1044 while being separated in the axial direction D3 of the path 1032.
  • the surfaces of the second discharge portion 1112 and the third discharge portion 1116 are made of an insulator, so that the discharge is a dielectric barrier discharge, the arc discharge is suppressed, and the streamer discharge that efficiently activates the gas is stabilized. It contributes to generating.
  • the second electrode 1048 and the third electrode 1052 As shown in FIG. 5, of the second electrode 1048 and the third electrode 1052, the second plasma grounding portion 1120 and the third plasma grounding portion 1124 in which the good conductor is exposed on the surface without the coverings 1104 and 1108. Are at the edges of the second gas passage surface S2 and the third gas passage surface S3, respectively.
  • the second electrode 1048 and the third electrode 1052 are cathodes, the second plasma grounding portion 1120 and the third plasma grounding portion 1124 are in contact with the ends of the ion sheath layer, and the ion sheath layer Is applied with a ground potential to supply electrons to the ion sheath layer.
  • the “edge” means a range in contact with the ion sheath layer, and is a range having a width in the vicinity of the outer periphery of the second gas passage surface S2 and the third gas passage surface S3.
  • the second electrode 1048 and the third electrode 1052 are anodes, the second plasma grounding portion 1120 and the third plasma grounding portion 1124 may be omitted.
  • the second discharge part 1112 and the second plasma grounding part 1120 may be separate, or the third discharge part 1116 and the third plasma grounding may be separate.
  • the part 1124 may be a separate body.
  • the whole of the second discharge part 1112 and the third discharge part 1116 may be an insulator as in the case of the first electrode 1044.
  • cross-sectional shape of the end of the second electrode 1048 and the third electrode 1052 facing the first electrode 1044 may be rounded into a semicircular shape or the like, and the first shape of the rectangular plates 1096 and 1100 The cross-sectional shape of the end on the side facing the electrode 1044 may be rounded to a semicircular shape or the like.
  • the second electrode 1048 and the third electrode 1052 may be a perforated body having the same shape as the punching metal as viewed from the axial direction D3 of the flow path.
  • the ratio of the area of the opening to the area of the second gas passage surface S2 viewed from the axial direction D3 of the flow path 1032 and the product of the opening to the area of the third gas passage surface S3 viewed from the axial direction D3 of the flow path 1032 The ratio is desirably 30% or more as in the case of the opening ratio of the first gas passage surface S1. The reason is also the same as in the case of the aperture ratio of the first gas passage surface S1.
  • width of second electrode 1048 and width of third electrode 1052 The width of the second electrode 1048 viewed from the axial direction D3 of the flow path 1032 and the width of the third electrode 1052 viewed from the axial direction D3 of the flow path 1032 are the same as in the case of the width of the first electrode 1044. It is desirable that it is 0.3 to 5 mm or less. The reason is the same as that of the width of the first electrode 1044.
  • the materials of the rectangular plates 1096 and 1100 and the coverings 1104 and 1108 are selected in the same manner as the materials of the rod 1064 and the covering 1068, respectively.
  • the formation of the coatings 1104 and 1108 by the gel cast method is desirable as in the case of the first electrode 1044.
  • the second electrode 1048 and the third electrode 1052 may be arranged unevenly or non-parallelly.
  • the second electrode 1048 and the third electrode 1052 are arranged so that the second electrode 1048 and the third electrode 1052 do not overlap with each other when viewed from the axial direction D3 of the flow path 1032. Staggered arrangement. As a result, the gas that is not sufficiently activated on the upstream side of the first electrode 1044 is sufficiently activated on the downstream side of the first electrode 1044, and the efficiency of the plasma processing is improved.
  • the plasma processing apparatus 1004 functions sufficiently even when all or part of the second electrode 1048 and the third electrode 1052 overlap each other when viewed from the axial direction D3 of the flow path 1032.
  • a direction D1 in which the first electrode 1044 extends and a direction D2 in which the second electrode 1048 and the third electrode 1052 extend form 90 °. Therefore, when viewed from the axial direction D3 of the flow path 1032, the first electrode 1044 and the second electrode 1048 intersect at a right angle, and the first electrode 1044 and the third electrode 1052 intersect at a right angle.
  • the crossing angle ⁇ 1 between the first electrode 1044 and the second electrode 1048 and the crossing angle ⁇ 2 between the first electrode 1044 and the third electrode 1052 are 90 °.
  • the first plasma grounding unit 1076, the second plasma grounding unit 1120, and the third plasma grounding unit 1120 are spaced apart from the second plasma grounding unit 1120 and the third plasma grounding unit 1124.
  • the occurrence of discharge between the plasma grounding portion 1124 and the plasma grounding portion 1124 is suppressed.
  • both or one of the crossing angles ⁇ 1 and ⁇ 2 may be other than 90 °, or may be 0 °.
  • the intersection position 1112 between the first electrode 1044 and the second electrode 1048 and the intersection position between the first electrode 1044 and the third electrode 1052 are arranged so that 1116 does not overlap.
  • the intersecting positions 1112 and 1116 at which discharge is likely to occur do not overlap, so that the gas that is not sufficiently activated on the upstream side of the first electrode 1044 is sufficiently activated on the downstream side of the first electrode 1044. Processing efficiency is improved.
  • the plasma processing apparatus 1004 functions sufficiently even when all or part of the intersecting positions 1112 and 1116 overlap when viewed from the axial direction D3 of the flow path 1032.
  • FIGS. 1 to 5 show the case where the first gap 1056 and the second gap 1060 are constant, even if both or one of the first gap 1056 and the second gap 1060 are not constant, FIGS. Good.
  • both or one of the first gap 1056 and the second gap 1060 becomes narrow at the center of the flow path 1032 where the gas flow rate is relatively high, and the first gap 1032 is around the flow path 1032 where the gas flow rate is relatively low.
  • One or both of the first gap 1056 and the second gap 1060 may be widened.
  • the pulse power source 1012 is not particularly limited in form as long as it has a capability of generating a pulse voltage that generates a streamer discharge without generating an arc discharge in the first gap 1056 and the second gap 1060.
  • An inductive energy storage (IES) type power source using an SI (electrostatic induction) thyristor (hereinafter referred to as “IES power source”) is desirable. This is because although the IES power supply is small and simple, it generates a pulse voltage having a remarkably large time rise rate dV / dt of the rising voltage V and a short pulse width ⁇ t, and generating a streamer discharge. It is because it is suitable.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a circuit example of the IES power supply 1204.
  • the IES power source 1204 includes a DC power source 1208 that supplies DC, a capacitor 1212 that stabilizes the DC supply from the DC power source 1208, a transformer 1216 that accumulates inductive energy, and a primary of the transformer 1216.
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • the SI thyristor 1228 and the MOSFET 1224 are inserted in series in the supply path 1220 so as to close the supply path 1220 when turned on and open the supply path 1220 when turned off.
  • the first end 1256 of the primary winding 1248 is connected to the positive electrode of the DC power supply 1208 and one end of the capacitor 1212, and the anode of the SI thyristor 1228 is connected to the second end 1260 of the primary winding 1248, and SI
  • the cathode of thyristor 1228 is connected to the drain of MOSFET 1224, and the source of MOSFET 1224 is connected to the negative electrode of DC power supply 1208 and the other end of capacitor 1212.
  • the gate of the SI thyristor 1228 is connected to the first end 1256 of the primary winding 1248 via the diode 1236 by the bias applying path 1232.
  • the diode 1236 is inserted in the bias applying path 1232.
  • the cathode of the diode 1236 is connected to the first end 1256 of the primary winding 1248, and the anode of the diode 1236 is connected to the gate of the SI thyristor 1228.
  • the diode 1236 causes the SI thyristor 1228 to be positively biased by voltage driving and negatively biased by current driving.
  • An inductor having a single winding may be used in place of the transformer 1216, and a pulse voltage may be output directly from the inductor.
  • the gate of the SI thyristor 1228 is negatively biased by the induced electromotive force generated in the primary winding 1248, and the SI thyristor 1228 is also turned on at high speed. .
  • the supply path 1220 is opened at high speed.
  • an induced electromotive force is generated in the secondary winding 1252 by mutual induction, and the time of the voltage V at the time of rise between the positive winding 1272 and the negative polarity 1276 from the secondary winding 1252.
  • a pulse voltage having a remarkably large increase rate dV / dt is output.
  • IES power source 1204 The detailed operation principle of the IES power source 1204 is described in, for example, Katsuji Iida, Ken Sakuma: “Ultra-short pulse generation circuit (IES circuit) using SI thyristor 1228”, SI Device Symposium Proceedings (2002). ing.
  • the pulse width of the pulse voltage is preferably about 10 to 1000 ns in terms of full width at half maximum (FWHM), and the time change rate dV / dt of the voltage V at the time of rising is preferably about 30 to 3000 kV / ⁇ s.
  • the number of repetitions per unit time is preferably about 100 pps to several tens of kpps, and the peak voltage is preferably about 10 to 30 kV.
  • the reason why the desired range is described as “generally” is that the desired range may be wider than the above range depending on the structure, material, gas pressure, and gas flow rate of the reactor 1008.
  • the pressure inside the flow path 1032 varies depending on the usage example of the plasma processing apparatus 1004, and can be maintained at atmospheric pressure, reduced pressure, or pressurized.
  • FIG. 1 (Usage example of plasma processing apparatus 1004) 8 to 10 are schematic diagrams for explaining an example of use of the plasma processing apparatus 1004. FIG.
  • a plasma processing apparatus 1004 when the plasma processing apparatus 1004 is used to activate the gas, plasma is generated inside the reactor 1008 while supplying the gas into the reactor 1008.
  • the gas activated in the reactor 1008 is sent from the reactor 1008 to the supply destination.
  • Supply destinations include incinerators and firing furnaces.
  • the activated gas When the activated gas is supplied to the incinerator, the activated gas contributes to improving the combustion efficiency and the like, and when the activated gas is supplied to the firing furnace, the activated gas is This contributes to the promotion of heat treatment.
  • a plasma processing apparatus 1004 may be used to activate a fluid.
  • a liquid supply circuit for supplying the liquid is provided instead of the gas supply circuit 1020.
  • the gas to be activated is not particularly limited.
  • nitrogen (N 2 ) water
  • H 2 O hydrogen peroxide
  • H 2 O 2 tetrafluoromethane
  • CF 4 tetrafluoromethane
  • CHF 3 trifluoromethane
  • the liquid to be activated is not particularly limited, and examples thereof include water (H 2 O), alcohol, acidic aqueous solution, alkaline aqueous solution, and the like.
  • the plasma processing apparatus 1004 when the plasma processing apparatus 1004 is used to treat the surface of an object W made of solid, the object W is accommodated in the reactor 1008, and gas is supplied into the reactor 1008. Plasma is generated inside the reactor 1008 while being supplied. Thereby, plasma acts on the surface of the object W, and the surface of the object W is processed.
  • the surface treatment includes a treatment for improving wettability of the surface (modification), a treatment for killing microorganisms attached to the surface (sterilization or sterilization), and the like.
  • the activated gas may be blown to the object W outside the reactor 1008.

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Abstract

　プラズマによる処理の効率が向上するとともに電極の耐久性が向上するプラズマ処理装置を提供する。第１の電極、第２の電極及び第３の電極は、流路の途中にある。第２の電極は、第１の電極より上流側にあり、第３の電極は、第１の電極より下流側にある。接続線路は、第１の電極をパルス電源の第１の極に接続し、第２の電極及び第３の電極をパルス電源の第２の極に接続する。第１の電極は、第１のガス通過面を横切り、第１のガス通過面の一部を占める。第２の電極及び第３の電極は、それぞれ、第２のガス通過面及び第３のガス通過面を横切り、第２のガス通過面及び第３のガス通過面の一部を占める。

Description

プラズマ処理装置
　本発明は、プラズマ処理装置に関する。
　特許文献１は、従来のプラズマ処理装置の一例を開示する。特許文献１のプラズマ処理装置においては、流路の途中に陰極が設けられ、流路の途中であって陰極より上流側に流路の軸方向に延在する棒形状の陽極が設けられる。特許文献１のプラズマ処理装置においては、陽極と陰極との間にパルス電圧が印加され、陽極の先端と陰極との間に放電が発生する。
特開２００６－２６９０９５号公報
　特許文献１のプラズマ処理装置には、プラズマが発生する範囲が限られ、プラズマによる処理の効率が不十分であるという問題がある。また、特許文献１のプラズマ処理装置には、陽極の先端に電界が集中して陽極が損傷する場合があり、陽極の耐久性が不十分であるという問題がある。
　本発明は、これらの問題を解決するためになされ、プラズマによる処理の効率が向上し電極の耐久性が向上するプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
　これらの課題を解決するための手段を以下に示す。
　本発明の第１の局面によれば、プラズマ処理装置は、流体が流れる流路を持つ構造体と、前記流路の途中にあり、第１の流体通過面を横切り、前記第１の流体通過面の一部のみを占める第１の電極と、前記流路の途中であって前記第１の電極より上流側にあり、第２の流体通過面を横切り、前記第２の流体通過面の一部のみを占める第２の電極と、前記流路の途中であって前記第１の電極より下流側にあり、第３の流体通過面を横切り、前記第３の流体通過面の一部のみを占める第３の電極と、第１の極と第２の極との間にパルス電圧を発生するパルス電源と、前記第１の電極を前記第１の極に電気的に接続し、前記第２の電極及び前記第３の電極を前記第２の極に電気的に接続する接続線路と、を備え、前記第１の電極と前記第２の電極とが前記流路の軸方向に離隔して対向し、前記第１の電極と前記第３の電極とが前記流路の軸方向に離隔して対向する。
　本発明の第２の局面によれば、本発明の第１の局面において、前記流路の軸方向から見て前記第２の電極と前記第３の電極とが重ならない。
　本発明の第３の局面によれば、本発明の第１又は第２の局面において、前記流路の軸方向から見て、前記第１の電極と前記第２の電極とが交差し、前記第１の電極と前記第３の電極の電極とが交差し、前記第１の電極と前記第２の電極との交差位置と前記第１の電極と前記第３の電極との交差位置とが重ならない。
　本発明の第４の局面によれば、本発明の第１から第３までのいずれかの局面において、前記第１の電極は、表面が絶縁体からなり前記第２の電極及び前記第３の電極と対向する第１の放電部、を備える。
　本発明の第５の局面によれば、本発明の第１から第４までのいずれかの局面において、前記第２の電極は、表面が絶縁体からなり前記第１の電極と対向する第２の放電部、を備え、前記第３の電極は、表面が絶縁体からなり前記第１の電極と対向する第３の放電部、を備える。
　本発明の第６の局面によれば、本発明の第１から第５までのいずれかの局面において、前記第１の電極が陰極、前記第２の電極及び前記第３の電極が陽極であり、前記第１の電極は、前記第１の流体通過面の縁部にあって、前記接続線路により前記第１の極に接続される良導体が表面に露出する第１のプラズマグランディング部、を備える。
　本発明の第７の局面によれば、本発明の第１から第５までのいずれかの局面において、前記第１の電極が陽極、前記第２の電極及び前記第３の電極が陰極であり、前記第２の電極は、前記第２の流体通過面の縁部にあって、前記接続線路により前記第２の極に接続される良導体が表面に露出する第２のプラズマグランディング部、を備え、前記第３の電極は、前記第３の流体通過面の縁部にあって、前記接続線路により前記第３の極に接続される良導体が表面に露出する第３のプラズマグランディング部、を備える。
　本発明の第１から第７までの局面によれば、第１の電極より上流側及び下流側にプラズマが発生し、プラズマによる処理の効率が向上する。また、第１の電極、第２の電極及び第３の電極の末端が放電の始点又は終点とならず、第１の電極、第２の電極及び第３の電極の耐久性が向上する。
　本発明の第２及び第３の局面によれば、第１の電極より上流側において十分に活性化されない流体が第１の電極より下流側において十分に活性化され、プラズマによる処理の効率が向上する。
　本発明の第４及び第５の局面によれば、放電が誘電体バリア放電となり、アーク放電が抑制され、流体を効率的に活性化するストリーマ放電が安定して発生する。
　本発明の第６及び第７の局面によれば、イオンシース層に電子が供給されやすくなり、プラズマによる処理の効率が向上する。
　これらの及びこれら以外の本発明の目的、特徴、局面及び利点は、添付図面とともに考慮されたときに下記の本発明の詳細な説明によってより明白となる。
本発明の望ましい実施形態のプラズマ処理装置の模式図である。 電極配列体の斜視図である。 電極配列体の上面図である。 電極配列体の正面図である。 電極配列体の側面図である。 格子形状を有する第１の電極の平面図である。 ＩＥＳ電源の回路図である。 プラズマ処理装置の使用例を説明する模式図である。 プラズマ処理装置の使用例を説明する模式図である。 プラズマ処理装置の使用例を説明する模式図である。
　（プラズマ処理装置１００４の概略）
　図１は、本発明の望ましい実施形態のプラズマ処理装置１００４の模式図である。図１は、プラズマ処理装置１００４のリアクタ１００８の断面及びその付属物を示す。
　図１に示すように、プラズマ処理装置１００４は、プラズマを発生するリアクタ１００８と、パルス電圧を発生するパルス電源１０１２と、パルス電源１０１２とリアクタ１００８とを電気的に接続する接続線路１０１６と、ガスを供給するガス供給回路１０２０と、を備える。プラズマ処理装置１００４は、リアクタ１００８の内部へガスを供給しながらリアクタ１００８の内部にプラズマを発生させ、プラズマをガスに作用させ、ガスを活性化する。「活性化」とは、化学種をより高いエネルギー準位へ励起すること、イオンを生成すること、ラジカルを生成すること等のガスの反応性を向上することをいう。
　（リアクタ１００８の概略）
　図１に示すように、リアクタ１００８は、ガスが流れる流路１０３２を持つチャンバ１０２４と、電界を印加する電極配列体１０２８と、を備える。
　チャンバ１０２４は、流路１０３２を持つ構造体であればよく、流路１０３２を流れるガス、電極配列体１０２８が印加する電界、電界の印加により発生する放電及びプラズマ等により損傷しないかぎり、構造、材質等は制限されない。
　流路１０３２の一端の吸入口１０３６へ吸入されたガスは、流路１０３２が延在する方向、すなわち、流路１０３２の軸方向Ｄ３へ流れ、電極配列体１０２８を透過し、電極配列体１０２８の位置に発生したプラズマにより活性化され、流路１０３２の他端の排出口１０４０から排出される。
　電極配列体１０２８は、流路１０３２の途中に設けられる。電極配列体１０２８は、流路１０３２の軸方向Ｄ３に略平行な電界を印加し放電を発生する放電体であり、流路１０３２を不完全に閉塞する不完全閉塞体、すなわち、ガスを透過するガス透過体でもある。これにより、ガスが電極配列体１０２８を透過するときにプラズマによりガスが効率よく均一に活性化される。
　（電極配列体１０２８の構造）
　図２～図５は、電極配列体１０２８の模式図である。図２は、斜視図、図３は、上面図、図４は、正面図、図５は、側面図である。
　図１～図５に示すように、電極配列体１０２８は、流路１０３２の軸方向Ｄ３に第２の電極１０４８、第１の電極１０４４及び第３の電極１０５２をこの記載順序で配列した構造を有する。第２の電極１０４８は、第１の電極１０４４より上流側にあり、第３の電極１０５２は、第１の電極１０４４より下流側にある。
　（陽極及び陰極の選択）
　図１に示すように、第１の電極１０４４が陰極、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２が陽極となる場合は、接続線路１０１６は、第１の電極１０４４をパルス電源１０１２の負極に接続し、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２をパルス電源１０１２の正極に接続する。これにより、第２の電極１０４８から第１の電極１０４４へ向かう電界が第１の電極１０４４と第２の電極１０４８との第１の間隙１０５６に印加され、第３の電極１０５２から第１の電極１０４４へ向かう電界が第１の電極１０４４と第３の電極１０５２との第２の間隙１０６０に印加される。また、第１の電極１０４４の第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２に対向する側の近傍にイオンシース層ＩＳが発生し、第１の間隙１０５６及び第２の間隙１０６０に放電が発生し、第１の間隙１０５６及び第２の間隙１０６０にプラズマが発生する。
　第１の電極１０４４が陽極、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２が陰極となる場合は、接続線路１０１６は、第１の電極１０４４をパルス電源１０１２の正極に接続し、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２をパルス電源１０１２の負極に接続する。これにより、第１の電極１０４４から第２の電極１０４８へ向かう電界が第１の間隙１０５６に印加され、第１の電極１０４４から第３の電極１０５２へ向かう電界が第２の間隙１０６０に印加される。また、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の第１の電極１０４４に対向する側に図示しないイオンシース層が発生し、第１の間隙１０５６及び第２の間隙１０６０に放電が発生し、第１の間隙１０５６及び第２の間隙１０６０にプラズマが発生する。第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２が陰極であることにより、高電圧が印加される第１の電極１０４４が第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２によって遮蔽され、絶縁が容易に確保される。
　第１の電極１０４４が陰極である場合及び陽極である場合のいずれであっても、第１の電極１０４４より上流側及び下流側にプラズマが発生し、プラズマによる処理の効率が向上する。
　（第１の電極１０４４の形状及び配置）
　図１～図５に示すように、第１の電極１０４４は、棒形状を有し、第１の流体通過面Ｓ１を横切る。「横切る」とは、流路１０３２の内壁の一の場所から出て、流路１０３２の内部を経由して、流路１０３２の内壁の他の場所に入ることをいう。第１の電極１０４４に第１のガス通過面Ｓ１を横切らせることは、損傷しやすい第１の電極１０４４の末端が第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２と対向して放電の始点又は終点となることを防止し、第１の電極１０４４の耐久性を向上する。
　第１の電極１０４４は、流路１０３２の軸方向Ｄ３に垂直な第１の方向Ｄ１に延在し、流路１０３２の軸方向Ｄ３に垂直であって第１の方向Ｄ１に垂直な第２の方向Ｄ２に疎らに配列される。「疎らに」とは、隣接する第１の電極１０４４が密着することなく、隣接する第１の電極１０４４の間にガスが通過する開口があることをいう。隣接する第１の電極１０４４の間隙は、帯形状の開口となり、第１の電極１０４４は、第１の流体通過面Ｓ１の一部のみを占め、第１の流体通過面Ｓ１を不完全に閉塞する。
　（第１の電極１０４４の構造）
　図２～図５に示すように、第１の電極１０４４は、良導体からなる棒１０６４の末端の近傍以外が絶縁体からなる被覆１０６８で覆われた構造を有する。第１の電極１０４４が陰極となる場合は、棒１０６４は、接続線路１０１６により、パルス電源１０１２の負極に接続され、第１の電極１０４４が陽極となる場合は、棒１０６４は、接続線路１０１６により、パルス電源１０１２の正極に接続される。
　（第１の放電部１０７２）
　図４に示すように、第１の電極１０４４のうち、被覆１０６８があって表面が絶縁体からなる第１の放電部１０７２は、流路１０３２の軸方向Ｄ３に離隔して第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２と対向する。「表面が絶縁体からなる」とは、少なくとも表面が絶縁体であれば足りる。したがって、内部に良導体が埋設されていることは必須ではない。
　第１の放電部１０７２の表面が絶縁体からなることは、放電を誘電体バリア放電とし、アーク放電を抑制し、ガスを効率的に活性化するストリーマ放電を安定して発生させることに寄与する。
　（第１のプラズマグランディング部１０７６）
　図４に示すように、第１の電極１０４４のうち、被覆１０６８がなく良導体が表面に露出する第１のプラズマグランディング部１０７６は、第１のガス通過面Ｓ１の縁部にある。第１の電極１０４４が陰極である場合は、第１のプラズマグランディング部１０７６は、イオンシース層ＩＳの端部に接触し、イオンシース層ＩＳに接地電位を付与し、イオンシース層ＩＳに電子を供給する。これにより、イオンシース層ＩＳに電子が供給されやすくなり、プラズマによる処理の効率が向上する。「縁部」とは、イオンシース層ＩＳに接触する範囲を意味し、第１のガス通過面Ｓ１の外周の近傍にある幅を有する範囲である。第１の電極１０４４が陽極である場合は、第１のプラズマグランディング部１０７６はなくてもよい。
　（第１の放電部１０７２と第１のプラズマグランディング部１０７６との別体化）
　図１～図５に示す第１の電極１０４４が採用された場合、第１の放電部１０７２と第１のプラズマグランディング部１０７６とは一体になっている。このことは、部品の数を減らすことに寄与する。ただし、第１の放電部１０７２と第１のプラズマグランディング部１０７６とが別体であってもよく、第１の放電部１０７２の全体が良導体でなくとも良い。
　（第１の電極１０４４及び棒１０６４の断面形状）
　図２～図５に示すように、第１の電極１０４４の断面形状は円形であり、棒１０６４の断面形状も円形である。これにより、第１の放電部１０７２に鋭利な部分が少なくなり、鋭利な部分への電界の集中による第１の放電部１０７２の損傷が抑制される。また、鋭利な部分が少なくなると、損傷の原因となりやすい欠陥が被覆１０６８に内在することが抑制される。第１の電極１０４４及び棒１０６４の断面形状が円形以外の鋭利な部分が少ない形状、例えば、楕円形であってもよい。被覆１０６８の形成が若干難しくなることが許容される場合は、第１の電極１０４４及び棒１０６４の断面形状が円形以外であってもよい。
　（第１のガス通過面Ｓ１の開口率）
　流路１０３２の軸方向Ｄ３から見た第１のガス通過面Ｓ１の面積に対する開口の面積の比率は、３０％以上であることが望ましい。第１のガス通過面Ｓ１の開口率がこの下限値を下回ると、第１の電極１０４４の圧力損失が増加し、プラズマによる処理の効率が低下しやすくなる。
　（第１の電極１０４４の幅）
　流路１０３２の軸方向Ｄ３から見た第１の電極１０４４の幅は、０．３～５ｍｍであることが望ましい。第１の電極１０４４の幅がこの上限値を上回ると、第１の電極１０４４の圧力損失が増加し、プラズマによる処理の効率が低下しやすくなる。第１の電極１０４４の幅がこの下限値を下回ると、第１の電極１０４４の強度が低下し、第１の電極１０４４が損傷しやすくなる。
　（第１の電極１０４４の材質）
　棒１０６４の材質は、特に制限されないが、放電及びプラズマにより損傷しにくく耐熱性が高い金属又は合金であることが望ましい。そのような金属には、Ｐｔ（白金）、Ｗ（タングステン）、ＷＣ（タングステンカーバイド）、Ｍｏ（モリブデン）、ニッケル系超合金等がある。そのような合金には、ニッケル－クロム（Ｎｉ－Ｃｒ）合金等がある。
　被覆１０６８の材質は、特に制限されないが、放電及びプラズマにより損傷しにくく耐熱性が高い樹脂又はセラミックスであることが望ましい。そのような樹脂には、フッ素樹脂、ポリイミド系樹脂等がある。そのようなセラミックスには、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）・ジルコニア（ＺｒＯ2）、炭化珪素（ＳｉＣ）、マグネシア（ＭｇＯ）等がある。
　棒１０６４の材質を半導体とし、絶縁体からなる被覆１０６８を省略してもよい。この場合、棒１０６４の第１のガス通過面Ｓ１を横切る部分が第１の放電部１０７２及び第１のプラズマグランディング部１０７６の役割を兼ねる。半導体の種類は、特に制限されないが、放電及びプラズマにより損傷しにくく耐熱性が高いセラミックスであることが望ましい。そのようなセラミックスには、Ｓｉ含浸炭化ケイ素（ＳｉＣ）等がある。
　（ゲルキャスト法による被覆１０６８の形成）
　被覆１０６８の形成方法は、特に制限されないが、被覆１０６８の材質がセラミックスである場合は、ゲルキャスト法により棒１０６４の表面をセラミックス粉末の成形体で被覆し当該成形体を焼成することにより形成することが望ましい。これにより、被覆１０６８に欠陥が内在することが抑制される。
　（第１の電極１０４４の配列の変形）
　図１～図５は、第１の電極１０４４が均等に配列される場合を示すが、第１の電極１０４４が不均等に配列されてもよい。例えば、ガスの流量が相対的に多い流路１０３２の中心において第１の電極１０４４が相対的に密に配列され、ガスの流量が相対的に少ない流路１０３２の周辺において第１の電極１０４４が相対的に疎に配列されてもよい。
　また、図１～図５は、第１の電極１０４４が平行に配列される場合を示すが、電極棒が非平行に配列されてもよい。
　（枝分かれがある第１の電極１０７８）
　図２～図５に示す真っ直ぐで枝分かれ（交差）がない棒形状の第１の電極１０４４には、欠陥を内在しない被覆１０６８を形成しやすいという利点がある。しかし、第１の電極１０４４に代えて、枝分かれがある第１の電極１０７８が採用されてもよい。
　図６は、枝分かれがある格子形状の第１の電極１０７８の模式図である。図６は、図３と同様の方向から第１の電極１０７８を見た上面図である。
　図６に示すように、一の方向に延在する棒１０８０と他の方向に延在する棒１０８４とが交差する良導体からなる格子１０８８が絶縁体からなる被覆１０９２で覆われた第１の電極１０７８が採用されてもよい。第１の電極１０７８が採用される場合、開口は四角形状となる。格子１０８８の形状がさらに変形され、開口の形状が四角形状以外の二次元図形状、例えば、六角形状等の多角形状・円形状等に変形されてもよい。パンチングメタルを絶縁体からなる被覆で覆った第１の電極が採用されてもよい。
　（第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の形状及び配置）
　図１～図５に示すように、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２は、板形状を有し、それぞれ、第２の流体通過面Ｓ２及び第３の流体通過面Ｓ３を横切る。第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２にそれぞれ第２の流体通過面Ｓ２及び第３の流体通過面Ｓ３を横切らせることは、損傷しやすい第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の末端が第１の電極１０４４と対向して放電の始点又は終点となることを防止し、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の耐久性を向上する。
　第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の主面は、流路１０３２の軸方向Ｄ３と平行をなす。したがって、流路１０３２の軸方向Ｄ３から見た第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の投影形状は棒形状（細長形状）となる。第１の電極１０４４の場合と同様に、流路１０３２の軸方向Ｄ３から見た第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の投影形状に枝分かれがあってもよい。
　第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２は、流路１０３２の軸方向Ｄ３に垂直な第２の方向Ｄ２に延在し、流路１０３２の軸方向Ｄ３に垂直であって第２の方向Ｄ２に垂直な第１の方向Ｄ１に疎らに配列される。隣接する第２の電極１０４８の間隙及び隣接する第３の電極１０５２の間隙は、帯形状の開口となり、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２は、それぞれ、第２の流体通過面Ｓ２及び第３の流体通過面Ｓ３の一部のみを占め、第２の流体通過面Ｓ２及び第３の流体通過面Ｓ３を不完全に閉塞する。
　（第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の構造）
　図２～図５に示すように、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２は、それぞれ、良導体からなる矩形板１０９６，１１００の末端の近傍以外が絶縁体からなる被覆１１０４，１１０８で覆われた構造を有する。第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２が陰極となる場合は、矩形板１０９６，１１００は、接続線路１０１６により、パルス電源１０１２の負極に接続され、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２が陽極となる場合は、矩形板１０９６，１１００は、接続線路１０１６により、パルス電源１０１２の正極に接続される。
　（第２の放電部１１１２及び第３の放電部１１１６）
　図５に示すように、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２のうち、被覆１１０４，１１０８があって表面が絶縁体からなる第２の放電部１１１２及び第３の放電部１１１６は、流路１０３２の軸方向Ｄ３に離隔して第１の電極１０４４と対向する。
　第２の放電部１１１２及び第３の放電部１１１６の表面が絶縁体からなることは、放電を誘電体バリア放電とし、アーク放電を抑制し、ガスを効率的に活性化するストリーマ放電を安定して発生させることに寄与する。
　（第２のプラズマグランディング部１１２０及び第３のプラズマグランディング部１１２４）
　図５に示すように、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２のうち、被覆１１０４，１１０８がなく良導体が表面に露出する第２のプラズマグランディング部１１２０及び第３のプラズマグランディング部１１２４は、それぞれ、第２のガス通過面Ｓ２及び第３のガス通過面Ｓ３の縁部にある。第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２が陰極である場合は、第２のプラズマグランディング部１１２０及び第３のプラズマグランディング部１１２４は、イオンシース層の端部に接触し、イオンシース層に接地電位を付与し、イオンシース層に電子を供給する。これにより、イオンシース層に電子が供給されやすくなり、プラズマによる処理の効率が向上する。「縁部」とは、イオンシース層に接触する範囲を意味し、第２のガス通過面Ｓ２及び第３のガス通過面Ｓ３の外周の近傍にある幅を有する範囲である。第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２が陽極である場合は、第２のプラズマグランディング部１１２０及び第３のプラズマグランディング部１１２４はなくてもよい。
　第１の電極１０４４の場合と同様に、第２の放電部１１１２と第２のプラズマグランディング部１１２０とが別体であってもよいし、第３の放電部１１１６と第３のプラズマグランディング部１１２４とが別体であってもよい。第２の放電部１１１２及び第３の放電部１１１６の全体が絶縁体であってもよいことも、第１の電極１０４４の場合と同様である。
　（第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の変形）
　第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２が流路１０３２の軸方向Ｄ３に延長又は短縮されても、流路１０３２の軸方向Ｄ３から見た第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の投影形状が棒形状であることは変化せず、放電に主に寄与する第１の電極１０４４に対向する側の形状も変化しない。したがって、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２が流路１０３２の軸方向Ｄ３に延長又は短縮されてもよい。
　また、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の第１の電極１０４４に対向する側の端部の断面形状が半円形状等に丸められてもよく、矩形板１０９６，１１００の第１の電極１０４４に対向する側の端部の断面形状が半円形状等に丸められてもよい。
　また、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２が流路の軸方向Ｄ３から見てパンチングメタルと同様の形状を有する穿孔体であってもよい。
　（第２のガス通過面Ｓ２及び第３のガス通過面Ｓ３の開口率）
　流路１０３２の軸方向Ｄ３から見た第２のガス通過面Ｓ２の面積に対する開口の面積の比率及び流路１０３２の軸方向Ｄ３から見た第３のガス通過面Ｓ３の面積に対する開口の積の比率は、第１のガス通過面Ｓ１の開口率の場合と同様に、３０％以上であることが望ましい。その理由も、第１のガス通過面Ｓ１の開口率の場合と同様である。
　（第２の電極１０４８の幅及び第３の電極１０５２の幅）
　流路１０３２の軸方向Ｄ３から見た第２の電極１０４８の幅及び流路１０３２の軸方向Ｄ３から見た第３の電極１０５２の幅は、第１の電極１０４４の幅の場合と同様に、０．３～５ｍｍ以下であることが望ましい。その理由も、第１の電極１０４４の幅の場合と同様である。
　（第１の電極１０４４との共通点）
　矩形板１０９６，１１００及び被覆１１０４，１１０８の材質は、それぞれ、棒１０６４及び被覆１０６８の材質と同様に選択される。ゲルキャスト法による被覆１１０４，１１０８の形成が望ましいことも第１の電極１０４４の場合と同様である。第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２が不均等又は非平行に配列されてもよいことも第１の電極１０４４の場合と同様である。
　（流路１０３２の軸方向Ｄ３から見た第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の千鳥配置）
　図３及び図４に示すように、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２は、流路１０３２の軸方向Ｄ３から見て第２の電極１０４８と第３の電極１０５２とが重ならないように千鳥配置される。これにより、第１の電極１０４４より上流側において十分に活性化されないガスが第１の電極１０４４より下流側において十分に活性化され、プラズマによる処理の効率が向上する。
　ただし、流路１０３２の軸方向Ｄ３から見て第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２の全部又は一部が重なってもプラズマ処理装置１００４は十分に機能する。
　図１～図５は、流路１０３２の軸方向Ｄ３から見て第２の電極１０４８と第３の電極１０５２とが平行である場合を示すが、第２の電極１０４８と第３の電極１０５２とが非平行であってもよい。
　（流路１０３２の軸方向Ｄ３から見た交差位置の配置）
　第１の電極１０４４が延在する方向Ｄ１と、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２が延在する方向Ｄ２とは、９０°をなす。したがって、流路１０３２の軸方向Ｄ３から見て、第１の電極１０４４と第２の電極１０４８とは直角に交差し、第１の電極１０４４と第３の電極１０５２とは直角に交差する。
　図３に示すように、第１の電極１０４４と第２の電極１０４８との交差角θ１及び第１の電極１０４４と第３の電極１０５２との交差角θ２が９０°であることは、第１のプラズマグランディング部１０７６と第２のプラズマグランディング部１１２０及び第３のプラズマグランディング部１１２４との距離を離し、第１のプラズマグランディング部１０７６と第２のプラズマグランディング部１１２０及び第３のプラズマグランディング部１１２４との間に放電が発生することを抑制する。ただし、他の放電抑制策が採用された場合等には、交差角θ１，θ２の両方又は片方が９０°以外になってもよく、０°になってもよい。
　図３に示すように、流路１０３２の軸方向Ｄ３から見て、第１の電極１０４４と第２の電極１０４８との交差位置１１１２と第１の電極１０４４と第３の電極１０５２との交差位置１１１６とが重ならないように、第１の電極１０４４、第２の電極１０４８及び第３の電極１０５２は配置される。これにより、放電が起こりやすい交差位置１１１２，１１１６が重ならないので、第１の電極１０４４より上流側において十分に活性化されないガスが第１の電極１０４４より下流側において十分に活性化され、プラズマによる処理の効率が向上する。
　ただし、流路１０３２の軸方向Ｄ３から見て交差位置１１１２，１１１６の全部又は一部が重なってもプラズマ処理装置１００４は十分に機能する。
　（第１の間隙１０５６及び第２の間隙１０６０）
　図１～図５は、第１の間隙１０５６及び第２の間隙１０６０が一定である場合を示しているが、第１の間隙１０５６及び第２の間隙１０６０の両方又は片方が一定でなくてもよい。例えば、ガスの流量が相対的に多い流路１０３２の中心において第１の間隙１０５６及び第２の間隙１０６０の両方又は片方が狭くなり、ガスの流量が相対的に少ない流路１０３２の周辺において第１の間隙１０５６及び第２の間隙１０６０の両方又は片方が広くなるようにしてもよい。
　（被覆１０６８，１１０４，１１０８の省略）
　放電を誘電体バリア放電とするためには、被覆１０６８，１１０４，１１０８の全部が設けられることが望ましいが、対向する放電部のいずれかの表面が絶縁体からなるのであれば、被覆１０６８，１１０４，１１０８の一部が省略されてもよい。例えば、被覆１０６８が省略されてもよいし、被覆１１０４，１１０８が省略されてもよい。
　（パルス電源１０１２）
　パルス電源１０１２は、第１の間隙１０５６及び第２の間隙１０６０にアーク放電を発生させずにストリーマ放電を発生するパルス電圧を発生する能力を有すれば、特に形式は制限されないが、スイッチング素子にＳＩ（静電誘導）サイリスタを使用した誘導エネルギー蓄積（ＩＥＳ）型の電源（以下では、「ＩＥＳ電源」という。）であることが望ましい。これは、ＩＥＳ電源は、小型で単純であるにもかかわらず、立ち上がり時の電圧Ｖの時間上昇率ｄＶ／ｄｔが著しく大きくパルス幅Δｔが短いパルス電圧を発生し、ストリーマ放電を発生させるのに好適であるからである。
　図７は、ＩＥＳ電源１２０４の回路例を示す回路図である。図７に示すように、ＩＥＳ電源１２０４は、直流を供給する直流電源１２０８と、直流電源１２０８からの直流の供給を安定させるキャパシタ１２１２と、誘導エネルギーを蓄積するトランス１２１６と、トランス１２１６の１次側巻線１２４８への直流の供給経路１２２０と、供給経路１２２０を開閉するＭＯＳＦＥＴ（酸化金属半導体電界効果トランジスタ）１２２４及びＳＩサイリスタ１２２８と、ＳＩサイリスタ１２２８のゲートへのバイアス付与経路１２３２と、ＳＩサイリスタ１２２８のゲートへ電流が流入することを抑制しＳＩサイリスタ１２２８のゲートから電流が流出することを許容するダイオード１２３６と、ＭＯＳＦＥＴ１２２４を駆動する駆動回路１２４０と、トランス１２１６の２次側巻線１２５２からのパルス電圧の出力経路１２４４と、を備える。
　ＳＩサイリスタ１２２８及びＭＯＳＦＥＴ１２２４は、ターンオンしたときに供給経路１２２０を閉じターンオフしたときに供給経路１２２０を開くように供給経路１２２０に直列に挿入される。１次側巻線１２４８の第１端１２５６は、直流電源１２０８の正極及びキャパシタ１２１２の一端に接続され、ＳＩサイリスタ１２２８のアノードは、１次側巻線１２４８の第２端１２６０に接続され、ＳＩサイリスタ１２２８のカソードは、ＭＯＳＦＥＴ１２２４のドレインに接続され、ＭＯＳＦＥＴ１２２４のソースは、直流電源１２０８の負極及びキャパシタ１２１２の他端に接続される。ＳＩサイリスタ１２２８のゲートは、バイアス付与経路１２３２によりダイオード１２３６を経由して１次側巻線１２４８の第１端１２５６に接続される。ダイオード１２３６は、バイアス付与経路１２３２に挿入される。ダイオード１２３６のカソードは、１次側巻線１２４８の第１端１２５６に接続され、ダイオード１２３６のアノードは、ＳＩサイリスタ１２２８のゲートに接続される。ダイオード１２３６により、ＳＩサイリスタ１２２８が電圧駆動により正バイアスされ電流駆動により負バイアスされる。トランス１２１６に代えて単一の巻線を備えるインダクタを使用し、インダクタから直接的にパルス電圧を出力してもよい。
　（ＩＥＳ電源１２０４の動作の概略）
　駆動回路１２４０からＭＯＳＦＥＴ１２２４へのオン信号の入力が始まり、ＭＯＳＦＥＴ１２２４がターンオンすると、ＳＩサイリスタ１２２８のゲートが正バイアスされ、ＳＩサイリスタ１２２８もターンオンする。これにより、供給経路１２２０が閉じられる。供給経路１２２０が閉じられると、１次側巻線１２４８への直流の供給が始まり、トランス１２１６への誘導エネルギーの蓄積が始まる。
　駆動回路１２４０からＭＯＳＦＥＴ１２２４へのオン信号の入力が終わり、ＭＯＳＦＥＴ１２２４がターンオフすると、１次側巻線１２４８に発生した誘導起電力によりＳＩサイリスタ１２２８のゲートが負バイアスされ、ＳＩサイリスタ１２２８も高速にターンオンする。これにより、供給経路１２２０が高速に開かれる。供給経路１２２０が高速に開かれると、相互誘導により２次側巻線１２５２に誘導起電力が発生し、２次側巻線１２５２から正極１２７２と負極１２７６との間に立ち上がり時の電圧Ｖの時間上昇率ｄＶ／ｄｔが著しく大きいパルス電圧が出力される。
　なお、ＩＥＳ電源１２０４のより詳細な動作原理は、例えば、飯田克二、佐久間健：「ＳＩサイリスタ１２２８による極短パルス発生回路（ＩＥＳ回路）」，ＳＩデバイスシンポジウム講演論文集（２００２）に記載されている。
　（パルス電圧の波形の概略）
　パルス電圧のパルス幅は、概ね、半値全幅（ＦＷＨＭ）で１０～１０００ｎｓであることが望ましく、立ち上がり時の電圧Ｖの時間変化率ｄＶ／ｄｔは、概ね、３０～３０００ｋＶ／μｓであることが望ましく、単位時間あたりの繰り返し数は、概ね、１００ｐｐｓ～数十ｋｐｐｓであることが望ましく、ピーク電圧は、概ね、１０～３０ｋＶであることが望ましい。望ましい範囲について「概ね」と述べているのは、リアクタ１００８の構造、材質、ガスの圧力、ガスの流量によっては、望ましい範囲が上述の範囲よりも広くなる場合もありうるからである。
　（イオンシース層）
　このようにパルス幅Δｔが短く立ち上がり時の電圧Ｖの時間変化率ｄＶ／ｄｔが高いパルス電圧が陽極と陰極との間に印加された場合、陰極の表面にあるガス通過面に沿って薄いイオンシース層が生成し、高密度のイオン及びラジカルが発生する。これに対して、パルス幅が長くなったり立ち上がり時の電圧Ｖの時間変化率ｄＶ／ｄｔが低くなったりすると、陰極の表面に生成するイオンシース層ＩＳが厚くなり、イオン及びラジカルの密度が低くなる。
　（流路１０３２の内部の圧力）
　流路１０３２の内部の圧力は、プラズマ処理装置１００４の使用例によって異なり、大気圧に維持される場合、減圧される場合及び加圧される場合のいずれもありうる。
　（プラズマ処理装置１００４の使用例）
　図８～図１０は、プラズマ処理装置１００４の使用例を説明する模式図である。
　図８に示すように、プラズマ処理装置１００４がガスを活性化するために使用される場合は、リアクタ１００８の内部へガスを供給しながらリアクタ１００８の内部にプラズマを発生させる。リアクタ１００８の内部で活性化されたガスは、リアクタ１００８から供給先へ送られる。供給先には、焼却炉・焼成炉等がある。活性化されたガスが焼却炉へ供給される場合、活性化されたガスは燃焼効率の向上等に寄与し、活性化されたガスが焼成炉へ供給される場合、活性化されたガスは、熱処理の促進等に寄与する。ガスに代えて液体を活性化するために、より一般的には、流体を活性化するためにプラズマ処理装置１００４が使用されてもよい。もちろん、ガス（気体）に代えて液体を活性化する場合は、ガス供給回路１０２０に代えて液体を供給する液体供給回路が設けられる。活性化の対象となるガスは、特に制限されないが、例えば、窒素（Ｎ2）・水（Ｈ2Ｏ）・過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）・テトラフルオロメタン（ＣＦ4）・トリフルオロメタン（ＣＨＦ3）等である。活性化の対象となる液体は、特に制限されないが、例えば、水（Ｈ2Ｏ）・アルコール・酸性水溶液・アルカリ性水溶液等である。
　図９に示すように、プラズマ処理装置１００４が固体からなる対象物Ｗの表面を処理するために使用される場合は、リアクタ１００８の内部に対象物Ｗを収容し、リアクタ１００８の内部へガスを供給しながらリアクタ１００８の内部においてプラズマを発生させる。これにより、対象物Ｗの表面にプラズマが作用し、対象物Ｗの表面が処理される。表面の処理には、表面のぬれ性を向上する処理（改質）、表面に付着した微生物を死滅させる処理（滅菌又は殺菌）等がある。
　プラズマ処理装置１００４が固体からなる対象物Ｗの表面を処理するために使用される場合であっても、リアクタ１００８の内部に対象物Ｗを収容することは必須ではない。したがって、図１０に示すように、リアクタ１００８の外部にある対象物Ｗに活性化されたガスを吹きつけるようにしてもよい。
　（その他）
　この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において例示であり、この発明は上記の説明に限定されない。例示されない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定されうる。

Claims (7)

  1. 　プラズマ処理装置であって、
    　流体が流れる流路を持つ構造体と、
    　前記流路の途中にあり、第１の流体通過面を横切り、前記第１の流体通過面の一部のみを占める第１の電極と、
    　前記流路の途中であって前記第１の電極より上流側にあり、第２の流体通過面を横切り、前記第２の流体通過面の一部のみを占める第２の電極と、
    　前記流路の途中であって前記第１の電極より下流側にあり、第３の流体通過面を横切り、前記第３の流体通過面の一部のみを占める第３の電極と、
    　第１の極と第２の極との間にパルス電圧を発生するパルス電源と、
    　前記第１の電極を前記第１の極に電気的に接続し、前記第２の電極及び前記第３の電極を前記第２の極に電気的に接続する接続線路と、
    を備え、
    　前記第１の電極と前記第２の電極とが前記流路の軸方向に離隔して対向し、前記第１の電極と前記第３の電極とが前記流路の軸方向に離隔して対向するプラズマ処理装置。
  2. 　請求項１のプラズマ処理装置において、
    　前記流路の軸方向から見て前記第２の電極と前記第３の電極とが重ならないプラズマ処理装置。
  3. 　請求項１のプラズマ処理装置において、
    　前記流路の軸方向から見て、前記第１の電極と前記第２の電極とが交差し、前記第１の電極と前記第３の電極の電極とが交差し、前記第１の電極と前記第２の電極との交差位置と前記第１の電極と前記第３の電極との交差位置とが重ならないプラズマ処理装置。
  4. 　請求項１のプラズマ処理装置において、
    　前記第１の電極は、
    　表面が絶縁体からなり前記第２の電極及び前記第３の電極と対向する第１の放電部、
    を備えるプラズマ処理装置。
  5. 　請求項１のプラズマ処理装置において、
    　前記第２の電極は、
    　表面が絶縁体からなり前記第１の電極と対向する第２の放電部、
    を備え、
    　前記第３の電極は、
    　表面が絶縁体からなり前記第１の電極と対向する第３の放電部、
    を備えるプラズマ処理装置。
  6. 　請求項１ないし請求項５のいずれかのプラズマ処理装置において、
    　前記第１の電極が陰極、前記第２の電極及び前記第３の電極が陽極であり、
    　前記第１の電極は、
    　前記第１の流体通過面の縁部にあって、前記接続線路により前記第１の極に接続される良導体が表面に露出する第１のプラズマグランディング部、
    を備えるプラズマ処理装置。
  7. 　請求項１ないし請求項５のいずれかのプラズマ処理装置において、
    　前記第１の電極が陽極、前記第２の電極及び前記第３の電極が陰極であり、
    　前記第２の電極は、
    　前記第２の流体通過面の縁部にあって、前記接続線路により前記第２の極に接続される良導体が表面に露出する第２のプラズマグランディング部、
    を備え、
    　前記第３の電極は、
    　前記第３の流体通過面の縁部にあって、前記接続線路により前記第２の極に接続される良導体が表面に露出する第３のプラズマグランディング部、
    を備えるプラズマ処理装置。
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