JP5961899B2 - 大気圧プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気圧プラズマ発生装置に関する。さらに詳細には、電極の劣化の抑制および処理対象物への金属微粒子の飛散の防止を図った大気圧プラズマ発生装置に関するものである。なお、この金属微粒子は、放電により電極から発生するスパッタリング粒子等の粒子である。

プラズマ雰囲気中では、原料ガスの一部はラジカル化する。このラジカルは、原料ガスの薄膜を成膜処理したり、被処理体をエッチング処理する場合に用いられる。また、その他に、ガラス基板や半導体基板の表面を清浄化する場合にも用いられる。

プラズマを発生させる方式として、対向する一対の電極の間に電圧を印加して放電させるものがよく用いられる（特許文献１）。また、大気圧下で幅広の大気圧プラズマを発生させるプラズマ発生装置が、特許文献２に開示されている。大気圧プラズマを用いることにより、減圧装置無しでも、インラインで処理を行うことができる。そのため、低コストでプラズマ処理を行うことができる。

特開２００８−０１０３７３号公報 特開２０１０−２１８８０１号公報

ところで、電極では、放電時にスパッタリング粒子（金属微粒子）が発生する。この金属微粒子が電極周辺に再度付着すると、電極の変形の原因となる。すなわち、電極は劣化する。また、この金属微粒子が電極周辺に配置されている絶縁部材に付着すると、電極間での放電が不安定となるおそれがある。これらの原因により、耐久寿命は短くなる。つまり、電極の交換が必要となる。

また、金属微粒子は、プラズマ発生部のほうに飛散することがある。そして、プラズマ処理を行う処理対象物の表面に付着するおそれがある。処理対象物の表面に金属微粒子が付着すると、不良品となる可能性が高い。したがって、処理対象物への飛散を防止する必要がある。

本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、電極の劣化の抑制および処理対象物表面の汚染の抑制を図ったプラズマ発生装置を提供することである。

第１の態様における大気圧プラズマ発生装置は、第１の電極を有する第１の電極部と、第２の電極を有する第２の電極部と、を有する。そして、第１の電極部と第２の電極部との少なくとも一方は、第１の電極もしくは第２の電極を囲う予備室と、予備室にガスを供給するガス供給路と、予備室からガスを排出するガス排出路と、第１の電極もしくは第２の電極および予備室を備える絶縁部材と、を有する。絶縁部材は、ガス供給路とガス排出路とを連通する連通部を有する。第１の電極および第２の電極は、先端部分に凹部の形成されたマイクロホロー電極である。

この大気圧プラズマ発生装置では、供給されるガスが、ガス供給路から連通部を通って予備室に入り、ガス排出路に流れている。そのため、電極周辺の空間である予備室では、ガスはガス排出部に向う向きに流れている。ゆえに、第１の電極や第２の電極から金属微粒子が飛散しても、これらの金属微粒子は、ガス排出路に運ばれる。そして、金属微粒子は、ガス排出部からガスとともに排出される。したがって、第１の電極や第２の電極の周囲の絶縁部材に付着するおそれもほとんどなく、第１の電極や第２の電極に再度付着するおそれもほとんどない。また、処理対象物に向けて飛散するおそれもほとんどない。マイクロホロー電極から電子が高密度に放出される。そのため、発生するプラズマの密度を高いものとすることができる。また、ラジカルの密度も高いものとすることができる。

第２の態様における大気圧プラズマ発生装置は、第１の電極を有する第１の電極部と、第２の電極を有する第２の電極部と、を有する。第１の電極部と第２の電極部との少なくとも一方は、第１の電極もしくは第２の電極を囲う予備室と、予備室にガスを供給するガス供給路と、予備室からガスを排出するガス排出路と、ガス供給路とガス排出路とを連通する連通部と、第１の電極もしくは第２の電極を先端部分を除いて被覆する被覆絶縁部材と、被覆絶縁部材の外側に、連通部を備える絶縁部材と、を有する。絶縁部材は、予備室を備えている。そして、連通部を備える絶縁部材と被覆絶縁部材との間に、ガス排出路が形成されている。電極周辺の金属微粒子を、被覆絶縁部材と絶縁部材との間に設けられたガス排出路に、排出しやすいからである。

第３の態様における大気圧プラズマ発生装置では、連通部は、第１の電極部の予備室と第２の電極部の予備室とを連通するものである。これにより、予備室の内部で発生した予備プラズマを元にして、筐体部の内部で好適にプラズマを発生させることができる。

第４の態様における大気圧プラズマ発生装置では、連通部は、絶縁部材に形成された複数の貫通孔である。複数の貫通孔からガスが流入するからである。

第５の態様における大気圧プラズマ発生装置では、連通部を備える絶縁部材は、円筒形状をしており、貫通孔は、円筒形状の円筒面にわたって形成されている。ガスが電極周辺に流れ込みやすいからである。

第６の態様における大気圧プラズマ発生装置は、第１の電極を有する第１の電極部と、第２の電極を有する第２の電極部と、を有する。第１の電極部と第２の電極部との少なくとも一方は、第１の電極もしくは第２の電極を囲う予備室と、予備室にガスを供給するガス供給路と、予備室からガスを排出するガス排出路と、ガス供給路とガス排出路とを連通する連通部と、を有する。連通部は、絶縁部材に形成された複数の貫通孔である。連通部を備える絶縁部材は、予備室を備えるとともに円筒形状をしている。貫通孔は、円筒形状の円筒面にわたって形成されている。

本発明によれば、電極の劣化の抑制および処理対象物表面の汚染の抑制を図ったプラズマ発生装置が提供されている。

実施形態に係るプラズマ発生装置の構成を示す概略構成図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置における電極部の周辺の概略構成を示す断面図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置の使用時における電極部の周辺を示す図（その１）である。 実施形態に係るプラズマ発生装置の使用時における電極部の周辺を示す図（その２）である。

以下、具体的な実施形態について、大気圧下でプラズマを発生させるプラズマ発生装置を例に挙げて図を参照しつつ説明する。

１．プラズマ発生装置の構成
本実施形態のプラズマ発生装置について説明する。本実施形態のプラズマ発生装置１００は、大気圧下でプラズマを発生させる大気圧プラズマ発生装置である。図１に示すように、プラズマ発生装置１００は、第１の電極部Ｅ１０と、第２の電極部Ｅ２０と、第１の電極部ガス供給部１１０と、第２の電極部ガス供給部１２０と、第１の電極部ガス排出部１３０と、第２の電極部ガス排出部１４０と、主ガス供給部１５０、１６０と、筐体部１７０と、を有している。

第１の電極部Ｅ１０と、第２の電極部Ｅ２０とは、これらの間に放電させるためのものである。第１の電極部Ｅ１０と、第２の電極部Ｅ２０とは、それぞれ、電極を有している。詳しくは、後述する。

第１の電極部ガス供給部１１０は、第１の電極部Ｅ１０にガスを供給するためのガス供給部である。第１の電極部ガス排出部１３０は、第１の電極部Ｅ１０からガスを排出するためのガス排出部である。第２の電極部ガス供給部１２０は、第２の電極部Ｅ２０にガスを供給するためのガス供給部である。第２の電極部ガス排出部１４０は、第２の電極部Ｅ２０からガスを排出するためのガス排出部である。

第１の電極部ガス供給部１１０と、第２の電極部ガス供給部１２０と、第１の電極部ガス排出部１３０と、第２の電極部ガス排出部１４０とは、具体的には、弁である。そして、弁の開放時には、それぞれ、ガスの供給もしくは排出を行うことができるようになっている。

筐体部１７０の内部には、プラズマを発生させるための空間部１８０がある。主ガス供給部１５０、１６０は、筐体部１７０の空間部１８０にプラズマを発生させるための原料ガスを供給するためのものである。例えば、酸素や、水素、フッ素、窒素が挙げられる。もちろん、これ以外のガスであってもよい。また、Ａｒ等の希ガスを所定量混合した混合ガスであってもよい。この原料ガスにより、発生するラジカルが決まる。そのため、空間部１８０の一部は、プラズマを発生させるプラズマ発生部である。

２．電極部の構成
図２に、第１の電極部Ｅ１０および第２の電極部Ｅ２０の概略構成を示す。第１の電極部Ｅ１０および第２の電極部Ｅ２０の構成は、ほぼ同様である。そのため、主に第１の電極部Ｅ１０について説明する。なお、図２では、第２の電極部Ｅ２０の構成を示す符合を括弧内に示す。

第１の電極部Ｅ１０は、第１の電極Ｅ１１を有している。第２の電極部Ｅ２０は、第２の電極Ｅ２１を有している。プラズマ発生装置１００は、図示しない高電圧電源を有している。この高電圧電源は、第１の電極Ｅ１１と第２の電極Ｅ２１との間に電圧を印加する電圧印加部である。高電圧電源として、例えば、６０Ｈｚ交流または５０Ｈｚ交流を昇圧した高電圧電源や高周波高電圧電源を用いることができる。

図２に示すように、第１の電極部Ｅ１０は、第１の電極Ｅ１１の他に、被覆絶縁部材２０と、内側絶縁部材３０と、外側絶縁部材４０と、ガス供給路６０と、ガス排出路７０と、第１の予備室Ｐ１１と、を有している。第１の電極Ｅ１１の先端部分には、ホローＨ１１が形成されている。ホローＨ１１は、微細な凹部を繰り返し形成されたマイクロホローである。

また、第２の電極部Ｅ２０は、第１の電極Ｅ１１の他に、被覆絶縁部材２０と、内側絶縁部材３０と、外側絶縁部材４０と、ガス供給路６０と、ガス排出路７０と、第２の予備室Ｐ２１と、を有している。第２の電極Ｅ２１の先端部分には、ホローＨ２１が形成されている。ホローＨ２１は、ホローＨ１１と同様である。

第１の電極Ｅ１１の形状は、ホローＨ１１の箇所を除いて円柱形状である。もちろん、これ以外の形状であってもよい。第１の電極Ｅ１１の材質は、放電により、変形等（変形・溶解・蒸発を含む）を起こさない金属であればよい。例えば、モリブデンやタングステン、チタン、ステンレス鋼が挙げられる。これらのうち、銅であると好ましい。より好ましくは、無酸素銅である。第２の電極Ｅ２１についても同様である。

被覆絶縁部材２０は、第１の電極Ｅ１１または第２の電極Ｅ２１を被覆するための絶縁部材である。ただし、被覆絶縁部材２０は、第１の電極Ｅ１１または第２の電極Ｅ２１の先端部分を覆っていない。したがって、ホローＨ１１もしくはホローＨ２１は、被覆絶縁部材２０から露出している。被覆絶縁部材２０の形状は、円筒形状である。その円筒内面に、第１の電極Ｅ１１が収容されている。被覆絶縁部材２０の材質は、例えば、セラミックである。もちろん、他のものであってもよい。

内側絶縁部材３０は、円筒形状の絶縁部材である。内側絶縁部材３０は、その円筒内部に、第１の電極Ｅ１１および被覆絶縁部材２０を収容している。内側絶縁部材３０には、複数の貫通孔３１が形成されている。貫通孔３１は、内側絶縁部材３０の円筒面にわたって形成されている。つまり、貫通孔３１は、ガス供給路６０とガス排出路７０とを連通する連通部である。そして、貫通孔３１があることにより、第１の電極部Ｅ１０の予備室Ｐ１１と第２の電極部Ｅ２０の予備室Ｐ２１とは、連通している。このように、内側絶縁部材３０は、連通部を備える絶縁部材である。図２では、これらの貫通孔３１は、２列形成されている。また、これらの貫通孔３１は、１列であってもよいし、３列以上であってもよい。貫通孔３１の径は、φ１ｍｍ程度である。もちろん、これは例示であり、これ以外の値であってもよい。

外側絶縁部材４０は、円筒形状の絶縁部材である。外側絶縁部材４０は、その円筒内部に、内側絶縁部材３０を収容している。つまり、外側絶縁部材４０は、内側絶縁部材３０の外側に位置している。

絶縁部材５０は、外側絶縁部材４０の一部を覆う筐体１７０の一部である。絶縁部材５０には、貫通孔５１が設けられている。貫通孔５１は、プラズマ発生部Ｐ１と連通している。なお、内側絶縁部材３０および外側絶縁部材４０および絶縁部材５０の材質は、例えば、セラミックである。もちろん、他のものであってもよい。

第１の予備室Ｐ１１および第２の予備室Ｐ２１は、それぞれ、第１の電極Ｅ１１および第２の電極Ｅ２１を囲う空間である。第１の予備室Ｐ１１および第２の予備室Ｐ２１は、予備プラズマを発生させるためのものである。

２−２．ガス供給路およびガス排出路
ガス供給路６０は、内側絶縁部材３０と、外側絶縁部材４０との間に形成されている。ガス供給路６０は、第１の電極Ｅ１１の予備室Ｐ１１の中に向けてガスを供給するためのものである。そのため、ガス供給路６０は、第１の予備室Ｐ１１もしくは第２の予備室Ｐ２１と貫通孔３１を介して連通している。

ガス排出路７０は、内側絶縁部材３０と、被覆絶縁部材２０との間に形成されている。ガス排出路７０は、第１の電極Ｅ１１の予備室Ｐ１１からガスを排出するためのものである。そのため、ガス排出路７０は、第１の予備室Ｐ１１もしくは第２の予備室Ｐ２１と連通している。

内側絶縁部材３０の貫通孔３１は、ガス供給路６０と、ガス排出路７０とを連通するものである。したがって、ガス供給路６０から送り出されてきたガスは、貫通孔３１を通って、ガス排出路７０に向うようになっている。また、第２の電極部Ｅ２０の側についても同様である。

貫通孔５１は、プラズマ発生部Ｐ１およびガス供給路６０と連通している。また、ガス供給路６０は、貫通孔３１を介して予備室Ｐ１１およびガス排出路７０と連通している。また、貫通孔３１は、プラズマ発生部Ｐ１と連通している。したがって、プラズマ発生部Ｐ１は、第１の電極部Ｅ１０の予備室Ｐ１１および第２の電極部Ｅ２０の予備室Ｐ２１と連通している。

３．使用時におけるプラズマ発生装置
３−１．放電開始前
図３に示すように、プラズマ発生装置１００の使用時には、主ガス供給部１５０、１６０から原料ガスが供給される。この原料ガスは、ラジカル源となるガスである。原料ガスとして例えば、酸素、水素、フッ素、窒素が挙げられる。もちろん、これ以外のガスを用いもよい。また、これらのガスにＡｒガス等の希ガスを混合した混合気体を供給してもよい。

そして、第１の電極部ガス供給部１１０および第２の電極部ガス供給部１２０から、Ａｒガスを第１の電極Ｅ１１および第２の電極Ｅ２１のそれぞれの箇所に供給する。つまり、Ａｒガスは、ガス供給路６０を矢印Ｄ１の向きに流れる。そのため、ガス供給路６０を流れるＡｒガスの一部は、貫通孔３１を通って、予備室Ｐ１１もしくは予備室Ｐ２１に入る。そして、Ａｒガスは、図３の矢印Ｄ２の向きに進む。

一方、ガス供給路６０を流れるＡｒガスの残部は、貫通孔５１を通って、矢印Ｄ３の向きに流れる。つまり、プラズマ発生部Ｐ１に向って流れる。ただし、その流量は少ない。プラズマ発生部Ｐ１では、主ガス供給部１５０、１６０から原料ガスが流入するとともに、貫通孔５１からＡｒガスが流入する。なお、プラズマ発生部Ｐ１における気圧Ｘは、大気圧程度（０．８気圧≦Ｘ≦１．２気圧）である。

このように、ガス供給路６０を流れるＡｒガスは、予備室Ｐ１１、Ｐ２１またはプラズマ発生部Ｐ１に流れる。そして、予備室Ｐ１１、Ｐ２１では、Ａｒガスはガス排出路７０に流れる。

３−２．放電開始後
そして、第１の電極Ｅ１１と第２の電極Ｅ２１との間に電圧を印加する。これにより、図４に示すように、第１の電極Ｅ１１のホローＨ１１の周辺と、第２の電極Ｅ２１のホローＨ２１の周辺とに、予備プラズマＰＰが発生する。そして、予備プラズマＰＰは、
第１の電極Ｅ１１と第２の電極Ｅ２１との間の空間部１８０側に拡大する。そして、貫通孔５１を通ってさらに広がる。

やがて、予備プラズマＰＰは、空間部１８０にまで達する。これにより、第１の予備室Ｐ１１から第２の予備室Ｐ２１までの間にかけてプラズマが発生する。そして、プラズマ化した原料ガスの一部は、筐体１７０の内壁に衝突して中性化してラジカルとなる。そのラジカルの一部は、筐体部１７０に設けられた多数の貫通孔Ｒ１から排出される。このラジカルを、基板の清浄化等に利用する。

３−３．金属微粒子の排出効果
第１の予備室Ｐ１１では、放電により第１の電極Ｅ１１から生じる金属微粒子が飛散している。ここで、貫通孔３１から入ってきたガスは、前述したように、ガス排出路７０に向けて流れている。つまり、第１の予備室Ｐ１１では、ガス排出路７０に向けて流れるＡｒガスの流れが既にできている状態にある。そのため、金属微粒子は、ガス排出路７０を通って第１の電極部ガス排出部１３０から排出される。つまり、第１の電極Ｅ１１の周囲の絶縁部材に付着するおそれもほとんどなく、第１の電極Ｅ１１に再度付着するおそれもほとんどない。また、プラズマ発生部Ｐ１に飛散するおそれもほとんどない。

また、第１の予備室Ｐ１１の内部には、Ａｒガスが流れている。そのため、第１の電極Ｅ１１に酸化被膜が形成されるおそれもない。もちろん、Ａｒガスの代わりに、その他の希ガスを用いてもよい。これらのことは、第２の電極部Ｅ２０においても同様である。

３−４．従来との比較
従来のプラズマ発生装置には、本実施形態のようなガス供給路６０およびガス排出路７０が設けられていない。したがって、電極周辺にスパッタリング粒子等の微粒子が飛散している状態にある。このような微粒子は、電極周辺の絶縁部材等に付着することがある。これにより、放電が不安定となるおそれがある。放電が不安定となれば、発生させるプラズマを制御することは困難となる。

また、微粒子は、プラズマ発生部Ｐ１のほうに飛散するおそれもある。その場合には、微粒子が処理対象物に向けて飛散し、処理対象物表面の表面に付着するおそれがある。これは、製品となる処理対象物の品質を損なう原因となる。

４．変形例
４−１．貫通孔の大きさ
本実施形態では、複数の貫通孔３１を、内側絶縁部材３０の周囲で同じ形状および同じ大きさとした。しかし、貫通孔３１を放電側（プラズマ領域Ｐ１側）に、径の大きい貫通孔３１を配置することとしてもよい。

４−２．貫通孔の形状
また、貫通孔３１の形状を円形ではなく、スリット形状としてもよい。また、その他の多角形としてもよい。このように、貫通孔３１の形状は問わない。貫通孔３１の形状によらず、同様の効果を奏するからである。

４−３．Ａｒガスの流れる方向
本実施形態では、ガス供給路６０を外側に設けるとともに、ガス排出路７０をガス供給路６０の内側に設けた。しかし、これらの位置関係を逆にしてもよい。つまり、Ａｒガスを内側の通路から流すとともに、外側の通路から排出するのである。

５．まとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態に係るプラズマ発生装置１００では、第１の電極Ｅ１１および第２の電極Ｅ２１の箇所周辺にガスを供給するガス供給路６０と、ガスを排出するガス排出路７０とが設けられている。そのため、プラズマ発生装置１００の使用時には、第１の電極Ｅ１１および第２の電極Ｅ２１から発生する微粒子が、排出ガスとともに排出される。したがって、第１の電極Ｅ１１および第２の電極Ｅ２１の劣化を防止するプラズマ発生装置１００が実現されている。

なお、本実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、電極対の形状は、実施形態で説明したものに限らない。つまり、ホローが形成されているものに限らない。また、電極および絶縁体の材質については、記載したものに限らない。電極間距離が比較的長い（５ｃｍ程度）大気圧プラズマ発生装置について説明した。しかし、電極間距離によらず、本発明を適用できる。また、ガス供給路６０およびガス排出路７０の配置は、少なくとも一方の電極部であっても効果を奏する。

１００…プラズマ発生装置
１１０…第１の電極部ガス供給部
１２０…第２の電極部ガス供給部
１３０…第１の電極部ガス排出部
１４０…第２の電極部ガス排出部
１５０、１６０…主ガス供給部
１７０…筐体
１８０…空間部
２０…被覆絶縁部材
３０…内側絶縁部材
３１…貫通孔
４０…外側絶縁部材
５０…絶縁部材
５１…貫通孔
６０…ガス供給路
７０…ガス排出路
Ｅ１０…第１の電極部
Ｅ１１…第１の電極
Ｅ２０…第２の電極部
Ｅ２１…第２の電極
Ｈ１１、Ｈ２１…ホロー
Ｐ１１…第１の予備室
Ｐ２１…第２の予備室
Ｐ１…プラズマ発生部
Ｒ１…貫通孔

Claims (6)

1. 第１の電極を有する第１の電極部と、
   第２の電極を有する第２の電極部と、
   を有する大気圧プラズマ発生装置において、
   前記第１の電極部と前記第２の電極部との少なくとも一方は、
   前記第１の電極もしくは前記第２の電極を囲う予備室と、
   前記予備室にガスを供給するガス供給路と、
   前記予備室からガスを排出するガス排出路と、
   前記第１の電極もしくは前記第２の電極および前記予備室を備える絶縁部材と、
   を有し、
   前記絶縁部材は、
   前記ガス供給路と前記ガス排出路とを連通する連通部を有し、
   前記第１の電極および前記第２の電極は、
   先端部分に凹部の形成されたマイクロホロー電極であること
   を特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
2. 第１の電極を有する第１の電極部と、
   第２の電極を有する第２の電極部と、
   を有する大気圧プラズマ発生装置において、
   前記第１の電極部と前記第２の電極部との少なくとも一方は、
   前記第１の電極もしくは前記第２の電極を囲う予備室と、
   前記予備室にガスを供給するガス供給路と、
   前記予備室からガスを排出するガス排出路と、
   前記ガス供給路と前記ガス排出路とを連通する連通部と、
   前記第１の電極もしくは前記第２の電極を先端部分を除いて被覆する被覆絶縁部材と、
   前記被覆絶縁部材の外側に、前記連通部を備える絶縁部材と、
   を有し、
   前記絶縁部材は、前記予備室を備えており、
   前記連通部を備える絶縁部材と前記被覆絶縁部材との間に、前記ガス排出路が形成されていること
   を特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の大気圧プラズマ発生装置において、
   前記連通部は、
   前記第１の電極部の予備室と前記第２の電極部の予備室とを連通するものであること
   を特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の大気圧プラズマ発生装置において、
   前記連通部は、
   前記絶縁部材に形成された複数の貫通孔であること
   を特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
5. 請求項４に記載の大気圧プラズマ発生装置において、
   前記連通部を備える前記絶縁部材は、
   円筒形状をしており、
   前記貫通孔は、
   前記円筒形状の円筒面にわたって形成されていること
   を特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
6. 第１の電極を有する第１の電極部と、
   第２の電極を有する第２の電極部と、
   を有する大気圧プラズマ発生装置において、
   前記第１の電極部と前記第２の電極部との少なくとも一方は、
   前記第１の電極もしくは前記第２の電極を囲う予備室と、
   前記予備室にガスを供給するガス供給路と、
   前記予備室からガスを排出するガス排出路と、
   前記ガス供給路と前記ガス排出路とを連通する連通部と、
   を有し、
   前記連通部は、
   絶縁部材に形成された複数の貫通孔であり、
   前記連通部を備える絶縁部材は、
   前記予備室を備えるとともに円筒形状をしており、
   前記貫通孔は、
   前記円筒形状の円筒面にわたって形成されていること
   を特徴とする大気圧プラズマ発生装置。

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