(57)【要約】【課題】自律型のプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】物体の表面にプラズマを照射するプラズマ照射装置と、プラズマ照射装置のプラズマ照射姿勢を制御する姿勢制御装置３０と、物体表面上のプラズマの照射位置を制御する位置制御装置１０、１１、５１と、プラズマ照射装置により照射されるラジカル密度を測定するラジカル測定装置４１と、ラジカル測定装置により測定されたラジカル密度に応じて、プラズマ照射装置によるプラズマ発生量を制御する第１制御装置５２とを有するプラズマ処理装置である。【選択図】図１
2006302652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマにより物体を処理するプラズマ処理装置において、
前記物体の表面にプラズマを照射するプラズマ照射装置と、
前記プラズマ照射装置のプラズマ照射姿勢を制御する姿勢制御装置と、
物体表面上のプラズマの照射位置を制御する位置制御装置と、
前記プラズマ照射装置により照射されるラジカル密度を測定するラジカル測定装置と、
前記ラジカル測定装置により測定された前記ラジカル密度に応じて、前記プラズマ照射装置によるプラズマ発生量を制御する第１制御装置と、
を有するプラズマ処理装置。
【請求項２】
プラズマにより物体を処理するプラズマ処理装置において、
前記物体の表面にプラズマを照射するプラズマ照射装置と、
前記プラズマ照射装置のプラズマ照射姿勢を制御する姿勢制御装置と、
物体表面上のプラズマの照射位置を制御する位置制御装置と、
前記物体の表面状態又は反応生成物の濃度から成る環境状態を測定する環境状態測定装置と、
前記環境状態測定装置による測定値に応じて、前記プラズマ照射装置による照射時間を制御する第２制御装置と
を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記物体の表面状態又は反応生成物の濃度から成る環境状態を測定する環境状態測定装置と、
前記環境状態測定装置による測定値に応じて、前記プラズマ照射装置による照射時間を制御する第２制御装置と
を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記物体を撮像する撮像装置を有し、前記撮像装置による撮像画像からプラズマを照射する領域を決定して、前記姿勢制御装置と位置姿勢装置とを制御して、その領域にプラズマを照射する第３制御装置を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気圧プラズマ源から発生されるイオンやラジカルを用いて、物質の表面を加工、クリーニング、成膜又は改質などのプラズマ処理をする装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プラズマを用いて、物質の表面を加工、クリーニング、成膜又は改質などのプラズマ処理を行うことが知られている。物体の表面を改質する装置として、下記特許文献１、２が知られている。この装置は、電極間でプラズマを発生させて、プラズマをガス流に乗せて外部に出力して、物体の表面に照射する装置である。また、眼用レンズの表面改質方法として、下記特許文献３に記載の方法が知られている。この装置では、電極間にガスを導入すると共に、この電極間に１０ｋＶ〜２０ｋＶで、２０〜３０ｋＨｚの電圧を印加して、プラズマを発生させるものである。
【０００３】
【特許文献１】特公平１−４２７４３号公報
【特許文献２】特開平５−２３５７８号公報
【特許文献３】特許第３４９４９７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これらの装置においては、単に、発生させたプラズマを物体に照射するに過ぎず、最適なプラズマ状態を得るフィードバック制御をしたり、プラズマ処理状態を検出して、プラズマの照射時間を制御するようなことは行われていない。このため、物体に対するプラズマ処理の精度が向上しないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、物体のプラズマ処理の精度を向上させた、自律型のプラズマ処理装置を構成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、プラズマにより物体を処理するプラズマ処理装置において、物体の表面にプラズマを照射するプラズマ照射装置と、プラズマ照射装置のプラズマ照射姿勢を制御する姿勢制御装置と、物体表面上のプラズマの照射位置を制御する位置制御装置と、プラズマ照射装置により照射されるラジカル密度を測定するラジカル測定装置と、ラジカル測定装置により測定されたラジカル密度に応じて、プラズマ照射装置によるプラズマ発生量を制御する第１制御装置とを有するプラズマ処理装置である。
すなわち、ラジカル密度を測定してその密度に応じて、プラズマ発生量を制御しながら、物体に対するプラズマの照射方向と位置とを制御するようにしたことが特徴である。
【０００７】
また、本発明の第２の手段は、プラズマにより物体を処理するプラズマ処理装置において、物体の表面にプラズマを照射するプラズマ照射装置と、プラズマ照射装置のプラズマ照射姿勢を制御する姿勢制御装置と、物体表面上のプラズマの照射位置を制御する位置制御装置と、物体の表面状態又は反応生成物の濃度から成る環境状態を測定する環境状態測定装置と、環境状態測定装置による測定値に応じて、プラズマ照射装置による照射時間を制御する第２制御装置とを有することを特徴とするプラズマ処理装置である。
物体の表面状態又は反応生成物の濃度を測定して、これらの値からプラズマの照射時間を制御しながら、プラズマの照射位置や照射方向を順次制御するようにしたことが特徴である。
【０００８】
また、本発明の第３の手段は、物体の表面状態又は反応生成物の濃度から成る環境状態を測定する環境状態測定装置と、環境状態測定装置による測定値に応じて、プラズマ照射装置による照射時間を制御する第２制御装置とを有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置である。
本装置は、第１の手段と、第２の手段とを組み合わせたものであり、物体の表面状態又は反応生成物の濃度を測定して、これらの値からプラズマの照射時間を制御し、ラジカル密度を測定してその値が所定値となるようにプラズマ発生量を制御しながら、プラズマの照射位置や照射方向を順次制御するよにしたことが特徴である。
【０００９】
また、本発明の第４の手段は、物体を撮像する撮像装置を有し、撮像装置による撮像画像からプラズマを照射する領域を決定して、姿勢制御装置と位置姿勢装置とを制御して、その領域にプラズマを照射する第３制御装置を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のプラズマ処理装置である。  撮像装置によりプラズマを照射する領域を決定して、その領域にプラズマを順次照射するようにしたことが特徴である。たとえば、汚れている箇所を撮像装置で測定して、プラズマを照射する領域を決定したり、物体を形状を特定してプラズマを照射する領域を決定したりすることが特徴である。
【発明の効果】
【００１０】
第１の手段によると、ラジカル密度を測定してその密度に応じて、プラズマ発生量を制御しながら、物体に対するプラズマの照射方向と位置とを制御するようにしている。したがって、物体上のプラズマ照射点におけるラジカル密度を所望の値に安定して制御することができるので、プラズマによる処理精度が向上する。また、物体に対するプラズマの照射位置や照射方向を順次制御しながら、物体上のプラズマの照射位置におけるラジカル密度を所望の値に制御できるので、処理箇所に応じたラジカル密度を制御することができる。
【００１１】
第２の手段によると、物体の表面状態又は反応生成物の濃度を測定して、これらの値からプラズマの照射時間を制御しながら、プラズマの照射位置や照射方向を順次制御するようにしている。このため、物体に対するプラズマ処理の時間を目的に応じて制御することが可能となる。たとえば、物体の表面の荒さが所定値以下となれば、プラズマの照射を停止したり、物体の表面の汚れ物質がラジカルと反応して揮発したガスの濃度を測定することで、そのガス濃度が所定値以下となった時に、プラズマの照射を停止することにより、物体の表面のクリーニングを完了することができる。これにより、物体全体に対するプラズマの処理時間を短縮することができ、処理精度も向上させることができる。
【００１２】
第３の手段によると、物体の表面状態又は反応生成物の濃度を測定して、これらの値からプラズマの照射時間を制御し、ラジカル密度を測定してその値が所定値となるようにプラズマ発生量を制御している。したがって、目的に合ったラジカル密度で安定して、プラズマを物体に照射することができると共に、処理終了時が適正となり、必要以上に処理時間が長くなることがない。よって、短時間で精度の高いプラズマ処理が可能となる。
【００１３】
第４の手段によると、撮像装置により物体の画像を撮像して、プラズマを照射する領域を決定して、その領域にプラズマを順次照射するようにしている。したがって、汚れの除去やその他のプラズマ処理を物体の全体に渡り自動的に行うことができ、作業性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
【００１５】
まず、プラズマ照射装置の構成について説明する。
第１のタイプのプラズマ照射装置の構成は、以下の通りである。
プラズマ照射装置は、空洞の外殻部を形成する中空の筒状の金属製の外導体と、少なくとも一部が上記の外導体の内部に配置された、外導体と同軸の筒状の絶縁体と、一部が上記の絶縁体の内部に配置され、外導体と導通された、外導体と同軸の筒状の金属製のプラズマ材料ガス導入管と、外導体の内部でかつ上記の絶縁体の外周に配置され、空洞へマイクロ波を放射する、外導体と同軸のループを有する同軸結合アンテナと、上記の絶縁体の内部でかつプラズマ材料ガス導入管のガス吹き出し口の前方に配置された金属製の放電アンテナとを備え、これにより、上記の絶縁体の前方開口端から大気圧プラズマを物体に対して放出するようにしたことを特徴とする装置である。
【００１６】
この装置によると、マイクロ波により上記の空洞内に高電界が発生し、上記の放電アンテナに電界が集中するので、プラズマ材料ガス導入管から導入されたプラズマ材料ガスは、効率よくプラズマ状態となる。この時、プラズマ材料ガス導入管や上記の絶縁体の管内は何れも略大気圧であるので、プラズマ材料ガスの注入流量を最適化することにより、本装置の前方に純度の良好なプラズマガスを放出することができる。同軸結合アンテナを用いたので、導波管を用いることなく、同軸ケーブルを用いて同軸結合アンテナに、マイクロ波を供給することができるので、装置を小型に構成することができる。この構成により、物体に対して、プラズマ、イオン、ラジカルを、効率良く照射することができ、物体の表面をプラズマ処理することができる。
ただし、上記の絶縁体としては、例えば、石英、石英ガラス、セラミックスなどを用いることができる。
以下、本明細書においては、上記の大気圧プラズマが放出される側をプラズマ照射装置の前方とする。したがって、上記のプラズマ材料ガス導入管においてプラズマ材料ガスが導入される導入口は、プラズマ照射装置の後方に位置する。
【００１７】
また、上記の絶縁体を貫通させる貫通口を軸上に有する略円錐台形の側壁部から、上記の外導体の前部を形成することが望ましい。この構成により、上記の貫通口付近に電界が良好に集中するので、上記の放電アンテナに、より効率良く電界が集中する。このため、プラズマ発生のために消費される電力を抑制することができる。
また、上記の空洞の軸方向の全長の３等分点上に、上記の同軸結合アンテナのループを配置することが望ましい。ただし、この３等分点は上記の全長の内分点とする。この内分点は２点存在するが、何れか一方に上記の同軸結合アンテナのループを配置しても良いし、両方の３等分点上に上記の同軸結合アンテナを配置しても良い。ただし、両方の３等分点上に上記の同軸結合アンテナを配置する場合、双方のマイクロ波の位相をπ／２ずらさなくてはならないので、遅延回路が必要となる。したがって、構造の簡易化や小型化や軽量化などの点では、上記の同軸結合アンテナは１カ所に設けることが望ましい。この構成により、軸方向の装置の全長を短く確保しつつ、効率良くマイクロ波を放電アンテナへ供給することができる。したがって、装置の小型化と省電力化の双方を合理的に両立させることができる。
【００１８】
また、大気圧プラズマを放出する向きに突き出した突起を上記の放電アンテナに設け、かつ、この突起を上記の絶縁体の軸上に配置することが望ましい。この構成により、プラズマが発生する向きとプラズマを放出させるべき向きとが一致するので、生成されたプラズマの消滅、減衰などの無駄を極力排除しつつ即座に放出することができる。
また、放電アンテナは、螺旋状のフィラメントであることが望ましい。この構成により、放電アンテナを螺旋状のフィラメントとしたことから、この部分にマイクロ波を集中させて、プラズマを容易に発生させることができる。
【００１９】
また、放電アンテナは、トリウムが混合されたタングステンから成ることが望ましい。放電アンテナを、トリウムが混合されたタングステンにより構成したので、マイクロ波による加熱により電子が放出され易くなるので、この部分に容易にプラズマを発生させることができる。
【００２０】
また、同軸ケーブルによって上記の同軸結合アンテナに給電することが望ましい。同軸ケーブルは、柔軟性があり小型にまとめることもでき、取り扱いが便利である。したがって、この構成によれば、装置に対して同軸ケーブルでマイクロ波を入力することが可能となり、取り扱いが容易でかつ、導波管などでマイクロ波を導入する場合よりも遥かにコンパクトな装置を構成することができる。同軸結合アンテナにより容易にマイクロ波を空洞に供給することができる。また、Ｎ型同軸コネクタなどを利用すれば、着脱操作も容易となり、更に、これらの部品は規格化されたり市販されたりしているので、装置の設計や製造も簡単になる。
【００２１】
さらに、上記のプラズマ材料ガス導入管に、その軸方向の位置が調節可能な可変機構を設けることが望ましい。上記のプラズマ材料ガス導入管の軸方向の位置を調整することによって、上記の同軸結合アンテナの空洞に対するマイクロ波の反射率を最小化することができる。通常、プラズマが発生している場合とそうでない場合とでは、空洞と同軸結合アンテナとの間のインピーダンスマッチングの最適条件は異なる。しかしながら、上記の可変機構を随時利用すれば、容易にインピーダンス整合の最適化を図ることができるため、常時、電力の使用効率の高いプラズマ照射装置を実現することも可能となる。
【００２２】
第２のタイプのプラズマ照射装置の構成は、以下の通りである。
本プラズマ照射装置は、所望の形状の開口部を形成するように、間隙を挟んで用いられる２つの電極を有し、少なくとも片方の電極の間隙に面する部分に、少なくとも１箇所の凹部が形成されており、開口部とは逆側から間隙にプラズマを発生させるガスを注入することで、凹部においてホローカソード放電によるプラズマを発生可能とし、開口部からプラズマを物体に対して放出可能としたことを特徴とする装置である。
【００２３】
また、第３のタイプのプラズマ照射装置の構成は、以下の通りである。
本プラズマ処理装置は、所望の形状の開口部を形成するように、間隙を挟んで用いられる２つの電極を有し、少なくとも片方の電極の間隙に面する部分に、開口部の形状に対応した一連の溝部が形成されており、開口部とは逆側から間隙にプラズマを発生させるガスを注入することで、溝部においてホローカソード放電によるプラズマを発生可能とし、開口部の形状の範囲にプラズマを物体に対して放出可能としたことを特徴とする装置である。
【００２４】
上記の第２、第３のプラズマ照射装置の構成により、２つの電極の間隙を所望の形状とすることで、微小な又は特殊な形状の領域に、プラズマを特に効率良く照射することが容易に達成できる。この際、直流電源を用いる場合は陰極側に、交流電源を用いる場合は少なくとも一方に、望ましくは両方に、凹部又は一連の溝部を形成すると良い。この構成により、物体に対して、プラズマ、イオン、ラジカルを、効率良く照射することができ、物体の表面をプラズマ処理することが可能となる。
【００２５】
物体に親水性処理をするには、プラズマを発生させるガスは、窒素、酸素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、大気の少なくとも１種から成ることが望ましい。また、加工処理をするには、フッ素や塩素を含むガスのプラズマを用いることが望ましい。たとえば、フッ化炭素系（Ｃx Ｆy ）、フッ化水素化炭素系（Ｃx Ｈy Ｆz ）のガスを用いるのが望ましい。
【００２６】
物体に対するプラズマ処理は任意である。たとえば、物体に親水性処理をすること、撥水性処理をすること、表面を滑らかに加工すること、表面に窒化膜やシリコン膜など被膜処理をすること、表面をクリーニングすることなどが挙げられる。親水性処理をする物体としては、例えば、眼用レンズ、コンタクトレンズ、眼鏡レンズ、光学レンズなどである。眼用レンズ、コンタクトレンズには、シリコン含有含水性ソフトコンタクトレンズ、シリコン含有非含水性ソフトコンタクトレンズ、シリコン含有ガス透過性ハードコンタクトレンズ、エチルメタクリレートを主成分としたポリマーから成る眼内レンズ等を挙げることができる。
【００２７】
物体の表面の加工や洗浄には、フッ素ラジカルを用いたプラズマＣＶＭ（Chemical Vaporization Machining)法により表面を物体の表面原子と化学反応させて揮発性のフッ化物に変えて蒸発させることで、表面を加工することや、洗浄処理する方法がある。
【００２８】
上記の第１のタイプのプラズマ照射装置は、絶縁体の前方開口端付近においてプラズマを発生させ、開口端の開口部付近に配置された非処理物体に当該プラズマを照射させるので、他の大きなプラズマ発生領域は必要ではない。開口部の形状は、非処理物体に合わせて形成すれば良い。開口部は物体の表面形状に合せて、線状や、曲線状のスリットに形成するのが良い。勿論、円形であってもかまわない。放電アンテナやプラズマガス導入管は、ステンレス、モリブデン、タンタル、ニッケル、銅、タングステン、又は、これらの合金などを使用することができる。絶縁体の前方開口端の長さは、ガスの流路方向に２０〜５０ｍｍ程度の長さとするのが望ましい。開口部を線状とする場合に、円形から線状への形状変化を滑らかに行うことができる。プラズマを発生させるためのガスは、大気圧で、空気、酸素、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒその他の希ガス、窒素、水素などを用いることができる。ガスの流速、供給量、或いは真空度は任意に設定できる。
【００２９】
また、絶縁体の前方開口端と物体との距離は、ガスの流速とも関係するが、２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲が望ましい。さらに望ましくは、３ｍｍ〜１２ｍｍであり、最も望ましくは、４ｍｍ〜８ｍｍである。要するに、物体の表面において、親水性処理をするのであれば、親水性ラジカルの密度が最も高く、電子密度が最も低くなるような距離に、表面をＣＶＭ加工するのであればフッ素ラジカルの密度が最も高く、電子密度が最も低くなるような距離に、設定するのが良い。これにより、基板に対するチャージアップ損傷を防止でき、最も、効率の良い親水性処理や、研削加工が可能となる。
【００３０】
また、電極の酸化防止には、窒素やＡｒ、又は、還元作用のある水素を含むガスを用いると良い。また、複数種類のプラズマを発生させることで、物体表面の構成原子だけに反応し、他の原子には反応しないようにすることが可能である。物体へのプラズマの照射部分から反応後のガスを吸引しておくのが望ましい。これにより物体と反応した分子が他の領域に付着することが防止される。さらに、プラズマの温度と密度をレーザ光の吸収分光分析などを用いて測定し、所定の温度と密度になるように、印加電圧の大きさ、パルス印加であれば、デューティ比、照射時間、ガス流速などをフィードバック制御することが望ましい。これにより、品質の高い親水性処理や研削加工の短縮を実現することができる。
【００３１】
また、絶縁体の前方開口端の開放部の形状を直線状に形成したとして、開口部の幅と長さを適正に設定することにより、物体の全体や所望の領域にのみプラズマを照射することが可能となる。さらに、ガスを冷却しておいて、本装置に供給してプラズマ化するのが望ましい。これにより、プラズマの温度が上昇することが防止され、被処理物体に対する影響、たとえば、ソフトコンタクトレンズへの損傷を防止することが可能となる。このプラズマ照射装置は、ガスを通過させる筒状の胴体部分とその先端に設けられた開口端とから成るので、非常に小型にすることができると共に、ガスの供給方向とプラズマの吹き出し方向や、吹き出しプラズマの形状などを任意に自由に設計することができる。よって、これらのプラズマを吹き出す開口部を複数設け、それぞれに、任意の方向からガスを供給させることも可能となる。したがって、物体における所望部分にのみプラズマを高密度で照射することが可能となると共に、狭い空間であっても、本改質装置を有効に取り付けることが可能となる。圧力は大気圧が望ましく、大気圧プラズマを形成するのが望ましい。
【００３２】
また、他のタイプのプラズマ照射装置としては、上記のことの他に、以下のことがいえる。開口部を形成するためには、２つの電極と、それを固定するための絶縁体から成る治具が必要である。当該絶縁体にガス流路を設け、当該ガス流路の終端に２つの電極を配設することが最も簡単な構成となる。例えば矩形形状（ストライプ状）の開口部を形成するためには、２つの電極の互いに対峙する面と、絶縁体から成る治具により４辺（面）を形成すると良い。ガス流路を有する絶縁体から成る治具は、１個で構成しても、複数個の部品を組み合わせて構成しても良い。
【００３３】
電極の材料としては、ステンレス、モリブデン、タンタル、ニッケル、銅、タングステン、又は、これらの合金などを使用することができる。ホローカソード放電を生じせしめる凹部を形成する面は、ガスの流路方向に１〜３０ｍｍ程度の厚さとするのが望ましい。厚くすることで、凹部を多段に形成することができ、ガスの流速を向上させてプラズマの生成密度を向上させることができる。ホローカソード放電を生じせしめる凹部は、例えば幅及び深さを１ｍｍ以下、０．５ｍｍ程度とすると良い。凹部はドット状に不連続に形成されても、溝状に連続して形成されても良いが、連続していた方が望ましい。凹部の形状は、円柱面状、半球面状、角柱面状、角錐状、その他任意に形成できる。
【００３４】
ガスの種類は上述した通りである。ガスの流速、供給量、或いは真空度は任意に設定できる。また、本発明は高周波によりプラズマを発生させるものではなく、電極に接続する電源は、直流、交流、その他任意であって、周波数に制限はない。
【００３５】
また、開口部と被処理物体との距離は、ガスの流速とも関係するが、２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲が望ましい。さらに望ましくは、３ｍｍ〜１２ｍｍであり、最も望ましくは、４ｍｍ〜８ｍｍである。要するに、物体の表面において酸素ラジカルの密度が最も高く、電子密度が最も低くなるような距離に設定するのが良い。これにより、物体の対するチャージアップ損傷を防止でき、最も、効率の良い洗浄が可能となる。
【００３６】
このプラズマ照射装置は、ガスを通過させる筒状の胴体部分とその先端に設けられた対向電極を形成する開口部とから成るので、非常に小型にすることができると共に、ガスの供給方向とプラズマの吹き出し方向や、吹き出しプラズマの形状などを任意に自由に設計することができる。よって、これらのプラズマを吹き出す開口部を複数設け、それぞに、任意の方向からガスを供給させることも可能となる。したがって、物体の所望領域にのみプラズマを高密度で照射することが可能となると共に、狭い空間であっても、有効に本改質装置を有効に取り付けることが可能となる。
【００３７】
この他の特徴は、上記のプラズマ照射装置における説明と同様である。
【００３８】
姿勢制御装置は、上記のプラズマ照射装置を搭載して、そのプラズマの物体に対する照射方向を制御する装置である。ロボットのリスト部分と同様な機構を用いることで、姿勢を制御することができる。照射点の位置を決定する位置制御装置は、照射点のｘｙｚ座標を制御する装置である。物体を載せたテーブルをｘｙｚ方向に制御するもの、物体を載せたテーブルを水平面上のｘｙ方向に制御し、プラズマ照射装置をｚ方向に移動させるもの、物体は固定して、６軸ロボットによりプラズマ照射装置を把持させて、照射位置を制御するもの、など、公知の各種の方法を採用することができる。
【００３９】
ラジカル測定装置には、ラジカルにレーザ光を照射してその吸収率によりラジカル密度や種類を測定する装置が知られている。また、分光分析によりラジカルの種類や密度を測定するようにしても良い。ラジカル密度に応じてプラズマの発生量を制御するには、ガスの流量、プラズマを発生するために印加する電力、ガスの種類などを制御することができる。
【００４０】
物体の表面状態を検出する環境状態測定装置には、物体に光を照射して反射率を測定したり、乱反射の割合を測定したりして、表面の粗さを測定する装置を用いることができる。また、物体とラジカルとの反応の結果生じた反応生成物の濃度を、レーザを反応生成物に照射してその吸収率から求める装置や、反応生成物の発光の波長分析により反応生成物の種類と密度とを測定できる装置を環境状態測定装置とすることができる。
【００４１】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４２】
本実施例は、金型の表面の面精度（粗さ）を補正して、フッ素を含むガスのプラズマを用いて、表面を平坦化するプラズマ処理装置の例である。
図１において、ｘ軸とｙ軸方向に移動可能なｘｙテーブル駆動機構１０の上に、被処理物体である金型２０が配設されている。ｚ軸方向は、ｚ軸方向に移動可能なｚ軸駆動機構１１が設けられている。ｘｙテーブル駆動機構１０とｚ軸駆動機構１１とで、位置制御装置が構成されている。そのｚ軸駆動機構１１には、３つの回転軸が互いに直交する回転機構から成るリスト機構１２が設けられており、そのリスト機構１２の有するフランジ１３にプラズマ照射装置３０が取り付けられている。リスト機構１２とフランジ１３は、姿勢制御装置を構成している。
【００４３】
フランジ１３には、プラズマ照射装置３０から照射されるラジカルの密度を測定するラジカルセンサ４１が設けられている。このラジカルセンサ４１には、レーザをラジカルに照射してレーザの吸収率からラジル密度を測定する装置である（たとえば、特開２０００−１２３９９６）。さらに、フランジ１３には、金型２０のプラズマ照射点における表面粗さを測定する表面センサ４２が設けられている。この表面センサ４２は、金型にレーザを照射して散乱光を計測することで表面の粗さを測定する装置である。この他、レーザの干渉パターンから表面の粗さを測定するようにしても良い。
【００４４】
ｘｙテーブル駆動機構１０とｚ軸駆動機構１１とリスト機構１２は、ステージコントローラ５１により制御される。ステージコントローラ５１はプラズマの照射点のｘｙｚ座標を制御し、プラズマ照射装置３０の姿勢角θ１、θ２、θ３を制御する。ラジカルセンサ４１と表面センサ４２の出力は、制御装置５０に入力している。制御装置５０は、ラジカルセンサ４１の出力信号を入力して、その測定値が所定値となるようにプラズマ制御装置５２を制御する。プラズマ制御装置５２はプラズマ照射装置３０に対する供給電力、パルス電力であればディーティ比、複数のガスであれば、それらのガスの供給比率、ガスの流量を制御して、生成されるプラズマの密度や粒子の種類などのプラズマ状態を制御する装置である。
【００４５】
制御装置５０は、本プラズマ処理装置全体を制御する装置であり、予め教示された金型３０の加工経路上の教示点における位置と姿勢を記憶して、その教示点間の位置を補間演算により演算して、プラズマの照射点（ｘｙｚ座標）と照射方向（θ１、θ２、θ３の姿勢）とを制御する装置である。この演算は通常のロボットや３次元工作機械で行われている処理である。第１制御装置は制御装置５０とプラズマ制御装置５２とで構成されており、第２制御装置、第３制御装置は制御装置５０で構成されている。また、位置制御装置、姿勢制御装置の一部は、ステージコントローラ５１、制御装置５０で構成されている。
【００４６】
次に、装置全体の作用について説明する。制御装置５０からステージコントローラ５１に指令信号が出力されることにより、順次、プラズマの照射点（ｘｙｚ座標）と照射方向（θ１、θ２、θ３の姿勢）とが制御される。また、制御装置５０からプラズマ制御装置５２に制御信号が出力されて、ラジカルセンサ４１の出力信号が入力されて、常時、プラズマ照射点におけるラジカル密度が所定値となるようにフィードバック制御される。また、加工が進行すると表面センサ４２からの出力信号が制御装置５０に入力されて、プラズマ照射点の表面粗さが測定される。その表面粗さが、金型２０の位置により予め決定されている値よりも小さくなるように、プラズマ照射点の移動速度が決定される。この移動速度に基づいて、ステージコントローラ５１は制御され、金型２０の表面精度が所定の要求を満たすような速度でＣＶＭによる加工が連続的に実行される。
【００４７】
このようにして、金型２０上におけるプラズマの照射点を走査しながら、ラジカルの照射密度を一定、一様にして、又は、金型２０の領域により変化させて、ラジカル密度を所望の値に安定させて、金型２０の表面の荒さが一定値以下となるように鏡面加工を施すことが可能となる。本装置は、金型２０上の単位面積当たりのラジカルの照射密度や照射時間を適正に制御しながら、３次元加工を自律的に行うことができる装置である。
【実施例２】
【００４８】
次に、本プラズマ処理装置を成型時に残る金型の汚れを除去する装置とした例を示す。
実施例１の装置と異なる点は、金型２０の全体の像を撮像するＣＣＤカメラ４３と、フランジ１３に取り付けられ、金型２０の加工領域を撮像するＣＣＤカメラ４４を有し、表面センサ４２に代えて、反応生成物のガスを検出するガスセンサ４５を設けたことである。ガスセンサ４５は、レーザを照射してその吸収率から発生したガスの量を測定する装置である。又は、そのガスの発光分光によりガス量を測定するセンサを用いることができる。
【００４９】
プラズマの照射点におけるラジカル密度の制御は実施例１と同一である。ＣＣＤカメラ４３により金型２０の全体の画像が撮像されて、この画像の画像解析により汚れている領域が特定される。そして、その特定された汚れている領域にプラズマ照射装置３０の位置と姿勢が順次、制御される。汚れている領域内において、ＣＣＤカメラ４４により領域の詳細な画像を撮像して、その領域において、プラズマ照射装置３０の位置を走査、姿勢を変化させる。この動作により、その領域の汚れが、フッ素を含むガスプラズマから得られるフッ素ラジカルにより除去される。この時、汚れの原子とフッ素との化合物から成るガス分子がガスセンサ４５により検出される。そして、ガスセンサ４５による測定結果が、所定の濃度値よりも低くなった場合に、その領域のクリーニングを終了する。そして、制御装置５０により次の汚れた領域にプラズマ照射装置３０が移動されて、同様なクリーニング処理が実行される。なお、汚れを外形上、判断できる場合には、ガスセンサ４５に代えて、ＣＣＤカメラ４４を用いて、これにより撮像された画像から汚れが除去されたか否かを判定するようにしても良い。
さらに、実施例１で用いた表面センサ４２を用いて、汚れの除去された表面状態を検出して、この検出結果に応じて、表面のクリーニングを終了するようにしても良い。
【００５０】
被処理物体が、金型に代えて樹脂製型である場合には、樹脂製型の温度を検出する温度センサをさらに設けて、この温度によりプラズマの照射時間を制御して、温度が樹脂の軟化温度より上昇しないようにしながら、ラジカルを照射することができる。このような構成を採用することも可能である。
【００５１】
上記実施例では、被処理物体として金型を例示したが、被処理物体としては、特に、限定するものではない。眼用レンズ、コンタクトレンズ、光学レンズなどの任意の物体に対する研磨や親水性処理、撥水性処理、被膜処理などに用いることができる。
【実施例３】
【００５２】
次に、プラズマ照射装置の実施例を示す。
図３−Ａは、プラズマ照射装置３１０の構成を示軸上の断面図である。このプラズマ照射装置３１０は、セラミックスからなる高耐熱性の絶縁体４の前方開口端４ａからプラズマを出射するものである。先端が窄んだ略円筒形の金属製の外導体２は、同軸空洞Ｒの外殻部を形成している。外導体２、絶縁体４、及び金属製のプラズマ材料ガス導入管１は、何れも筒状に形成されて互いに同軸となる様に配置されており、この軸周辺に絶縁体４とプラズマ材料ガス導入管１が位置している。外導体２とプラズマ材料ガス導入管１とは、可変機構６付近で電気的に接続（導通）されている。
【００５３】
プラズマ材料ガス導入管１の導入口１ａは、プラズマ照射装置３１０の最後部に配置されており、一方、プラズマ材料ガス導入管１のガス吹き出し口１ｂはその反対側に配置されている。そして、このガス吹き出し口１ｂの更に前部には、金属製の放電アンテナ５が配設されている。即ち、この放電アンテナ５は、絶縁体４の内壁に固定されており、絶縁体４内の軸と同軸上に配置されている。放電アンテナ５は周辺部が絶縁体４の内壁に接合するリング形状に構成されており、中心軸がプラズマを放出する側に突出した突起３５１を有している。この放電アンテナ５付近においては、軸に対する外側方向には、プラズマ材料ガス導入管１が無く、かつ下記の略円錐台形の側壁部２ａがある。この様な配置により、この放電アンテナ５には、電界が集中し易くなっている。図３−Ｂに、この放電アンテナ５の正面図を示す。
【００５４】
外導体２の前部は、絶縁体４を貫通させる貫通口を軸上に有する略円錐台形の側壁部２ａから形成されている。側壁部２ａの貫通口付近が前方に向って窄んでいる構造もまた、生成される電界を放電アンテナ５に集中させるのに寄与している。
同軸結合アンテナ３は、その正面図を図３−Ｃに示す様に、先端がループ状になっている。このループの中を絶縁体４が貫通し、同時にプラズマ材料ガス導入管１もこのループの中を貫通している。
【００５５】
プラズマ材料ガス導入管１の位置を調整する可変機構６は、固定金具などを用いて形成されており、この可変機構６により、プラズマ材料ガス導入管１は、上記の絶縁体４の内壁面に案内されて、軸方向に（即ち、前後方向に）位置を変えることができる。Ｎ型同軸コネクタ７は、図略の同軸ケーブルを接続するための電気的な接続インターフェイスを提供している。この同軸ケーブルは、マイクロ波を給電するために用いられ、これによってＮ型同軸コネクタ７から入力された高周波電力は、同軸結合アンテナ３まで伝送される。同軸結合アンテナ３はこの給電に基づいて、同軸空洞Ｒに対して所定の周波数のマイクロ波を放射する。この時、このマイクロ波は、同軸空洞Ｒ内にて高電界を生成する。
【００５６】
プラズマ材料ガス導入管１の導入口１ａから流入されたプラズマ材料ガスは、上記の放電アンテナ５の隙間ｓを通って、この放電アンテナ５の突起先端ｔ付近にまで到達する。この突起先端ｔ付近には電界が集中するので、これによって上記のプラズマ材料ガスを電離することができる。この電離後の状態のものがプラズマであり、プラズマ材料ガスの流入速度に応じて前方開口端４ａから出射される。
【００５７】
上記の同軸結合アンテナ３は、同軸空洞Ｒの全長（軸方向の長さ）の３等分点上に配置されている。また、同軸空洞Ｒの全長は、上記のマイクロ波の管内波長λの３／４に設定されている。
外導体２の外径Ｄやプラズマ材料ガス導入管１の外径ｄは、例えばそれぞれ、Ｄ＝３０ｍｍ，ｄ＝３．２ｍｍ程度で良い。
プラズマ材料ガスとしては、例えば、空気、アルゴン（Ａｒ），酸素（Ｏ2 ）、水素（Ｈ2 ）、窒素などの一般に用いられている周知のガスを用いることができる。ガス流量は、本プラズマ照射装置３１０の場合、０．１〜１０リットル／分程度が適当である。
また、同軸結合アンテナ３に対する給電電力は、概ね１００Ｗ程度で良い。
【００５８】
以上の様な構成に従えば、全長約１００ｍｍ程度の非常にコンパクトなプラズマ照射装置３１０を構成することができる。この様な改質装置は、従来よりも遥かに小型で、かつ非常に軽量であるので、その取り扱いは従来よりも格段に容易である。
【００５９】
また、上記のプラズマ材料ガス導入管１の位置を調整する可変機構６によって、上記の同軸結合アンテナ３の同軸空洞Ｒに対するマイクロ波の反射率を最小化することができる。通常、プラズマが発生している場合とそうでない場合とでは、空洞と同軸結合アンテナとの間のインピーダンスマッチングの最適条件は異なるが、上記の可変機構６を利用すれば、容易にインピーダンス整合の最適化を図ることができる。
【００６０】
上記の放電アンテナ５は、電子を放出し易い金属材料であれば良いが、特に、トリウムが混合されたタングステンで構成するのが望ましい。また、図３−Ａに示す放電アンテナの配設する位置（導入管１の先端部で絶縁体４の内部）に、図４−Ｂに示すように、コイル状のフィラメント３５２から成る放電アンテナ５を設けても良い。このフィラメント３５２は、トリウムが混合されたタングステンである。この構成により、このフィラメント３５２がマイクロ波で加熱されて、電子を効果的に放出することができ、この部分でプラズマを容易に発生させることが可能となる。
【実施例４】
【００６１】
次に、他のプラズマ照射装置を用いた実施例について説明する。
図５は本発明の具体的な一実施例に係るプラズマ照射装置の特徴ある要部の構成を示す図であり、図５．Ａは開口部１０１付近を示す外観図、図５．Ｂはガス流路２０１に沿った断面図、図５．Ｃは電極１１０Ａ及び１１０Ｂの溝部１１の詳細を示す断面図である。
【００６２】
図５．Ｂのように、ガス流路２０１を中心に有する筒状の絶縁体から成る治具１２０と、２つの屈曲した板状の電極１１０Ａ及び１１０Ｂを組み合わせる。この際、図５．Ａのように、２つの電極１１０Ａ及び１１０Ｂと治具１２０と囲まれた、４辺（面）を有する開口部１０１が形成される。電極１１０Ａ及び１１０Ｂには、図５．Ｃのように互いに対峙する面において、幅及び深さが共に0.5mmの凹部１１１が２箇所形成されており、当該凹部１１１は開口部１０１の長辺の長さを有する溝部となっている。凹部１１１の断面は１辺が除かれた矩形状である。尚、ガス流路２０１の形状は、ガスを導入する接続部２０３付近においては円筒状でありテーパ部２０１ｔを経由して先端部２０２においては断面が矩形状である。また、電極１１０Ａ及び１１０Ｂはボルト１３０Ａ及び１３０Ｂで各々治具２０に固定されている。
【００６３】
電極１１０Ａ及び１１０Ｂを交流電源に接続して電圧を印加し、治具１２０のガス流路２０１を通して開口部１０１へプラズマを発生させるためのガスを流すと、電極１１０Ａ及び１１０Ｂのうち負電位が印加された側の凹部１１１において、ホローカソード放電により放出された電子がガスに衝突してプラズマが高密度に発生する。このホローカソード放電によって発生したプラズマはガス流に乗って開口部１０１から照射される。これにより、被加工物の開口部１０１に面した狭い領域に効率良くプラズマが照射される。
【００６４】
図６は、電極１１０Ａ及び１１０Ｂ及び治具１２０の形状を説明するための斜視図であり、図６．Ａは組み立て前の斜視図、図６．Ｂは組み立て後の斜視図である。図６．Ａのように、電極１１０Ｂの溝部１１は、開口部１０１の長手方向に対応して一連の溝となっている。電極１１０Ａの溝部１１１も同様に形成される。治具１２０のガス流路２０１の先端部２０２は図６．Ａに示す通り矩形状である。治具１２０はガス流路２０１の先端部２０２よりも上部に、突出部２１１を有し、また、電極１１０Ａを組み付けるための凹部２１０Ａを有している。また、電極１１０Ｂを組み付けるための凹部２１０Ｂも同様に有している。図６．Ｂの如く、治具１２０の突出部２１１の内面と、電極１１０Ａ及び１１０Ｂとで矩形状の開口部１０１が形成される。
【００６５】
図７は治具２０の形状を詳細に説明するための図であり、図７．Ａはガス流路２０１の先端部２０２側から見た平面図、図７．Ｂは正面図、図７．Ｃは図７．ＡのＣ矢視方向の断面図、図７．Ｄ及び図７．Ｅは各々図７．ＢでＤ、Ｅ矢視方向の断面図である。図６でも示した通り、ガス流路２０１を有する直方体に、治具１２０はガス流路２０１の矩形状の先端部２０２よりも先に突出部２１１を設け、電極１１０Ａ及び１１０Ｂを組み付けるための凹部２１０Ａ及び２１０Ｂを設け、ガスを導入する接続部２０３を設けた形状である。図７．Ｃ、７．Ｄ及び７．Ｅに示す通り、ガス流路２０１の形状は、ガスを導入する接続部２０３付近においては円筒状でありテーパ部２０１ｔを経由して矩形状の先端部２０２になっている。
【００６６】
尚、図７の各図においては、ボルト１３０Ａ及び１３０Ｂを組み付けるための穴や、ガスを導入する接続部２０３のネジ山は省略した。また、電極１１０Ａ及び１１０Ｂの組み付けは、各々１個のボルト１３０Ａ及び１３０Ｂによるものに限定されない。例えばガス流路２０１の矩形状の先端部２０２付近に更に開口部１０１の空隙幅調整用のワッシャ及びボルトを設ける等の任意の公知の技術を追加又は置換することができる。また、図５乃至図７はプラズマ照射装置の要部である「プラズマ発生部分」を示したものであるが、これをプラズマ照射装置に組み込むことで、様々な加工処理を可能とするプラズマ照射装置を構成できる。この際、図５乃至７に示した、電極１１０Ａ及び１１０Ｂを固定した治具１２０を、任意の手段で固定し、電源を接続し、接続部２０３にガス供給系を接続することは、全て本願発明の実施に当たる。尚、説明の都合上「開口部が上向き」の図を掲載しているが、プラズマを下向きに放出するダウンフロープラズマを発生させる構成が本願発明に包含されることは当然である。
【００６７】
図５の構成は、ガス流路を有する絶縁物から成る治具１２０に２つの電極を組み合わせて開口部を形成するものであったが、例えば図８のように、２つの電極１１０Ｃ及び１１０Ｄのみで開口部１０１を形成する構成としても良い。図８の構成においては、開口部１０１を形成する電極１１０Ｃ及び１１０Ｄの互いに対峙する面に、凹部を形成する。凹部を連続した溝とする場合は、開口部１０１の星型形状に対応するように、当該溝部（凹部）が星型様に形成される。尚、ガス流路を有する治具の形状及び治具と電極との固定方法、並びに電極と電源との接続方法については任意である。
【００６８】
その他、開口部の形状は、図９．Ａのように鉤型でも、また図９．Ｂのように幅広の部分を有するストライプ状でも良い。図９．Ｂのように開口部の幅が場所によって異なる場合は、必要に応じ、幅広部分において電極の対峙する面に形成する凹部を多くする。
【００６９】
図５では、下方からプラズマ発生ガスを導入し、被加工物を開口部１０１の上方向に配設することを想定して記載したが、開口部の向き、即ちプラズマの放出方向は上方向に限られない。図５は本発明の要部を説明するための一実施例であり、開口部を横方向、下方向としてプラズマ照射装置を構成しても良い。
【００７０】
以上述べた実施例の他に、以下の変形例を採用することができる。上記実施例では、プラズマ照射装置の中を流すガスはアルゴンなど希ガス、窒素ガス、水素ガスと反応性ガスとを流して、これらの混合ガスのグロー放電によりプラズマを生成している。これを、プラズマ照射装置の中を流すガスはアルゴンなど希ガス、窒素ガス、水素ガスと反応性ガスとして、これらのガスのプラズマを安定させて発生させて、プラズマ照射装置の出口のところに反応性ガスを流して、反応性ガスのラジカルを生成するようにしても良い。このようにすると、プラズマが反応性ガスにより影響を受けずに安定して発生する。また、反応性ガスの解離が抑制されるので、反応性ガスの分子状ラジカルを効率良く生成することができ、生成ラジカルが反応性ガスの流量や種類に影響されることが抑制される。
【００７１】
プラズマ照射装置の照射口と被処理物体とを近づけて、グロー領域を用いると、電子やイオンの濃度が高く、窒化などの材料最表面の表面改質、指向性の高いエッチング等のイオンのアシストを必要とするプロセスに有効である。逆に、プラズマ照射装置の照射口と被処理物体とを遠ざけて、ダウンフロー領域を用いると、ラジカルのみを被処理物体の表面に到達させることができるので、イオンによる損傷を受けることなく、表面クリーニングや膜堆積処理には有効である。
【００７２】
また、プラズマ照射装置に与える電力をパルスとした場合には、電力が印加されていない期間では、電子やイオンの存在は少なく、ラジカルが多く存在する。したがって、プラズマ照射装置の照射口と被処理物体との距離が近くとも、印加パルスのデューティ比の制御により、イオンや電子に対するラジカルの割合を制御することができ、ラジカル密度を高い状態で、物体に対する処理を実行することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の装置は、物体の表面の研磨処理、クリーニング、親水性処理、撥水性処理、被膜処理などに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施例１に係るプラズマ処理装置の構成図。
【図２】本発明の実施例２に係るプラズマ処理装置の構成図。
【図３−Ａ】実施例３のプラズマ照射装置の軸上の断面図
【図３−Ｂ】プラズマ照射装置が備える放電アンテナの正面図
【図３−Ｃ】プラズマ照射装置が備える同軸結合アンテナの正面図
【図４−Ａ】他の実施例に係るプラズマ照射装置の軸上の断面図
【図４−Ｂ】他の例を示す放電アンテナの構成図
【図５】本発明の実施例３に係るプラズマ照射装置の要部の構成図。
【図６】電極１１０Ａ及び１１０Ｂ及び治具１２０の形状を説明するための、組み立て前の斜視図（２．Ａ）、組み立て後の斜視図（２．Ｂ）。
【図７】治具１２０の、ガス流路２０１の先端部２０２側から見た平面図（３．Ａ）、正面図（３．Ｂ）、３．ＡのＣ矢視方向の断面図（３．Ｃ）、３．ＢでＤ、Ｅ矢視方向の断面図（３．Ｄ及び３．Ｅ）。
【図８】他の電極形状（開口部形状）を示す図。
【図９】他の電極形状（開口部形状）を示す図。
【符号の説明】
【００７５】
１  ：  プラズマ材料ガス導入管
１ａ：  導入口
１ｂ：  ガス吹き出し口
２  ：  外導体
２ａ：  略円錐台形の側壁部（外導体２の前部）
３  ：  同軸結合アンテナ
４  ：  絶縁体
４ａ：  前方開口端
５  ：  放電アンテナ
６  ：  可変機構
７  ：  Ｎ型同軸コネクタ
Ｒ  ：  同軸空洞
４０：  ガラス基板
３１０：  プラズマ照射装置
３５１：  突起
３５２：  放電アンテナ
１０１：  開口部
１１０Ａ、１１０Ｂ：電極
１１：凹部または溝部
１０１：開口部
１２０：絶縁体から成る治具
１３０Ａ、１３０Ｂ：ボルト
２０１：ガス流路
２０１ｔ：ガス流路のテーパ部
２０２：ガス流路の先端部
２０３：接続部
２１０Ａ、２１０Ｂ：電極１１０Ａ、１１０Ｂを組付けるための凹部
２１１：突出部
【図１】
2006302652.tif 000003
【図２】
2006302652.tif 000004
【図３−Ａ】
2006302652.tif 000005
【図３−Ｂ】
2006302652.tif 000006
【図３−Ｃ】
2006302652.tif 000007
【図４−Ａ】
2006302652.tif 000008
【図４−Ｂ】
2006302652.tif 000009
【図５】
2006302652.tif 000010
【図６】
2006302652.tif 000011
【図７】
2006302652.tif 000012
【図８】
2006302652.tif 000013
【図９】
2006302652.tif 000014