(57)【要約】　　　（修正有）【課題】有機物、無機物のクリーニングや表面改質等において、放電開始電圧を低くさせる高価なＨｅガスや電力が大きいパルス電圧を用いず、シンプル且つ経済的で高効率な大気圧プラズマ発生方法を提供する。【解決の手段】高周波印加電極面に針状形状と凸部形状８を等価的に組合わせ、且つ表面を誘電体で覆うことにより、低い電力でコロナ放電しやすく、電界を集中させてアーク放電の防止と共にストリーマコロナ放電から安定なグロー放電を得ることにより、簡単な仕組みで安定な高密度のプラズマが供給でき自動化も容易できる大気圧プラズマ発生装置。【選択図】図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波印加電極面上に針状の先端部の断面積の小さい凸部と、この周辺より大きい断面積を有する凸部を多数形式し、各凸部の先端部面上に０．５〜１ｍｍ厚の誘電体で被覆するようにして、その他の高周波印加用電極面上は、より厚い３ｍｍ以上の誘電体で覆うように構成する。　この誘電体面から対向する接地電極面又は接地電極面上に誘電体を設置する場合は、　この誘電体面との距離を１〜５ｍｍの間で可変できるようにして、　プラズマ発生空間を形成することを特徴とするプラズマクリーニング装置。
【請求項２】
上記のプラズマ発生用空間に、目的に応じたプラズマ発生用のガスを電極間に導入する場合は、　小さい径の穴を多数形成したシャワ板を通じて、　ガスを均一に流通させるように構成することを特徴とする請求項１のプラズマ発生装置。
【請求項３】
上記の電極間に周波数１０ＫＨＺ〜１３．５６ＭＨＺの範囲内で且つ電極間の電界強度は１ＫＶ〜５０ＫＶ／ｃｍの範囲内で選定して印加する。発熱の大きい時は、印加電圧を間欠通電にして発熱を抑制する。印加後先ず電界の強い断面積の小さい凸部で、コロナ放電を発生させ、これをトリガーとしてより断面積の大きい凸部でグロー放電に発展させる。　又その他の電極面では放電を発生させないようにして発熱を抑制して、　アーク放電を防止することを特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は大気圧中に於て、コロナ放電からグロー放電に発展させ、アーク放電の発生を抑制するようにさせたプラズマ発生方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマ発生装置は、減圧方式が主流であり、大気圧方式が余り普及されていなかったのは幾つかの理由があった。その理由とは、大気圧中での安定なグロー放電の発生、維持が極めて難しく、ストリーマ放電又はアーク放電が発生しやすかったためである。
【０００３】
特にダメージの起きない試料面へのクリーニングには、グロー放電が最適方法であり、如何に大気圧中でグロー放電を安定に発生させ、維持させるかが大きな課題であった。
【０００４】
又、Ｈｅガスを使用して、放電開始電圧を低くして大気圧中でのＨｅラジカル粒子の寿命が長いことから、より安定なグロー放電が可能であるために実用化されているが、Ｈｅガスは高価であることからランニングコストが高くなることが問題となっていた。
【０００５】
近年、印加する電圧を交流波形ではなく、パルス化して電圧の立上がり時間を１００μＳＥＣ以下の早いパルスを利用して、プラズマを発生しやすくすると共に、アーク放電防止のためにアーク放電直前に印加パルス電圧を間欠的に遮断して、アーク放電化を防止し安定なグロー放電を持続する方法が発表されている。然しこの方法は非常に有効的ではあるが、立ち上りの早い電圧の印加と遮断は、電力が大きくなると使用するデバイスの特性から限界があり、又コスト的にも高くなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような諸欠点を改善して、大気圧中でより経済的で安定なグロー放電プラズマを発生させ、各種の表面処理及び表面改質等を効率良く行うプラズマ発生方式を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
アルミ等の金属で作成された高周波印加電極上に、針状の凸部を多数等間隔で形成し、電気力線を集中させて電界を強くすることにより、コロナ放電を発生しやすくする。この凸部面上は誘電体で覆い、ストリーマ状のコロナ放電を発生させるようにして、この電極をトリガー電極とする。更にこの針状の電極の周辺に等間隔で上面が平坦で、上記の針状電極の断面積より大きい断面積を有する凸部を多数形成する。この凸部は薄く、又凸部以外の電極面上は、より厚い誘電体で覆うように設置する。この誘電体面と設置電極面の距離を数ｍｍ程度に設定して、プラズマを凸部面上のみで発生させ、その他の電極面上では発生させないようにして発熱を抑制して、アーク放電を防止する。このことは大気圧中でより安定なグロー放電を発生させることを可能としたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる実施例を説明する。まず構成について説明する。
図１に示すように、高周波印加電極面１上に針状電極部７の径を１ｍｍφ長さ６ｍｍとして５ｍｍ間隔で形成する。更にその周辺に先端が平坦で針状電極の断面積より大きい２ｍｍの径の断面積を有する凸部電極８を針状電極７から約３．５ｍｍの等間隔で多数成形する。凸部の長さは約３ｍｍとする。尚、これらの針状電極７及び凸部極電８の先端部を各々約１ｍｍ厚の誘電体で覆い、その他の電極面では、より厚さ７ｍｍの誘電体２で覆うようにする。この場合、おのおの凸部電極面の誘電体の厚さを１ｍｍにするために各電極凸部を誘電体にはめ込むように穴を形成して、凸部電極を嵌合する。又凸部面の誘電体２は１ｍｍ厚にするために、針状電極部７に対して６ｍｍの深さの穴、又２ｍｍ径の凸部に対しては３ｍｍの深さの穴を形成すると共に、同位置に反対側から３ｍｍの穴を形成することにより凸部面上の誘電体は１ｍｍとする。
上記のように高周波印加電極面上に設置構成された誘電体面と相対するように、接地電極との距離を１ｍｍから５ｍｍの範囲で可変できるように、空間を形成して接地電極３を設置する。この場合、接地電極上に誘電体を設置してもよい。
【０００９】
上記のように構成することにより、低い印加電圧で針状電極面上に強い電界を発生させ誘電体を介してコロナ放電をさせる。これをトリガーとして周辺の凸部電極面上の誘電体を介して、グロー放電に発展させることにより、放電開始電圧を低くすることが可能となった。
又、電極全面で放電するのではなく、凸部のみで放電するために発熱を小さく抑制できアーク放電を防止することが可能となった。
【００１０】
プラズマ発生用のガスは、両電極間の側面より目的に応じたガス例えば、Ａｒ、Ｎ２、Ｏ２又はＨ２等のガスを導入して、両電極間に高周波電力を印加してプラズマを発生させ、両電極間の他の側面より試料面にプラズマ粒子を吹きつけるようにして、表面処理をすることが可能である。しかし、大気圧中ではガス分子の密度が高いため、発生した電子の衝突周波数が大きく、電子の平均自由行程が小さいため他の分子を電離するために必要なエネルギーを得ることが難しいので、印加する電力を大きくする必要があった。しかしこの方法は発熱が大きくなりアーク放電になりやすい。従ってより低い電力で放電を発生させるようにすることが望ましい。この解決策としては、電極面上に針状電極また凸部電極を形成して、電気力線が集中して電界が強くなるようにして、より低い電力でストリーマコロナ放電を発生させ、発生した光、電子やプラズマ粒子により電極の凸部でガス分子を励起し、解離又は電離してグロー放電に発展させることが可能で、より低い放電開始電圧で安定なグロー放電を得ることができる。従って、高価なＨｅガスを使用することなく安定なプラズマを発生させることができるので極めて経済的である。
又、目的に応じてガスの選定と最適のガス流量を選ぶと共に試料の大きさに準じて、最適の電極間距離を選んで、電極間距離と目的に適応した高周波印加電力の周波数１０ＫＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲で選定して、プラズマ密度とイオンエネルギーを適性に選定することにより、最も効率良く目的に応じた表面処理又は表面改質等をすることを可能とするものである。
【００１１】
本方式においては、アーク放電は発生しにくいが万一発熱が問題になるときは、アーク放電を防止するために、印加電力を制御するか、又は外部から導入するガスの流量を適度に制御することにより、ガス中のプラズマ粒子の密度の制御と導入するガスの冷却効果により発熱を抑制することにより可能である。
【００１２】
又、大気圧中では電離、解離後の各プラズマ粒子の再結合までの寿命が短く、グロー放電の空間領域が電極間に狭まれた空間に限定されるため、外部から導入するガスによってプラズマ粒子を散乱させ、試料面に均一にプラズマ粒子を接触させるようにすることが重要である。
【００１３】
更に、誘電体に覆われた高周波印加電極と接地電極間のプラズマ発生空間の距離により発生する温度が左右される。パッシェンの法則のＰｄ積（Ｐ：圧力、ｄ：電極間距離）が大きくなると、プラズマ開始電圧又放電維持電圧が大きくなり、印加電力を大きくする必要があるため、発熱も大きくなる。又狭すぎるとストリーマコロナ放電になりやすく、安定なグロー放電が得にくくなる。従って一般的に大気圧の場合は上記の距離は１ｍｍ〜５ｍｍ程度が良い。
【００１４】
印加する高周波電圧の周波数は１０ＫＨｚから１３．５６ＭＨｚが好ましい。電極間の電界強度は１ＫＶ〜５０ＫＶ／ｃｍ範囲で選定するのが良い。又、より安定なグロー放電を得るには、周波数度が高い方が良いが、大気圧の場合は、分子密度が大きいために減圧方式に比べて、発生するプラズマ密度が高く、発熱がしやすく、アーク放電になりやすい。このように発熱が必要以上に大きいときは、印加電圧を適当な時間間隔で印加を停止する間欠通電にすることも有効的な一つの方法である。又、周波数が数十ＫＨｚと低い場合でも、イオンが電極に強いエネルギーで衝突するために温度上昇は大きくなるが、プラズマ密度が小さいために電極間隔を小さくして、印加電力を最適値に選定すれば問題は発生しない。又、印加電力が数百ＫＨｚ以下の低い周波数では整合器を必要としないが、数百ＫＨｚ以上で反射波をなくするために負荷インピーダンスを一定にするための整合器を付加することが必要である。
【００１５】
使用する反応ガスは、被処理物の材質と目的によって色々と使い分ける必要があるが、一般的に有機物の表面への汚れをとる場合、又は有機物の表面改質にはＡｒ又は、Ｎ２ガスにＯ２ガス等を混入して行うのが一般的であるが、より処理時間を早くするためにＣＦ４等の弗素系ガスを混合することも有効的である。
【００１６】
しかるに、無機物の除去は、一般的に大気圧プラズマに於ては、ＲＩＥ効果（リアクテブイオンエッチング）による物理的にイオンによる逆スッパタリングで除去することが難しかった。しかし、金属酸化物等については、酸素との結合力が弱い場合に、Ｈ２ガスによりプラズマで選択的に還元、又は分解させることが容易である。しかし乍ら、酸素との結合力が大きいもの例えば、Ａｌ２Ｏ３は１８９Ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上の解離エネルギーを持つために、低温プラズマでは還元、分解は極めて難しかった。
【００１７】
処理すべき試料面をより均一にクリーニング又は表面改質するためには、処理用ガスの電極間への均一な導入が重要である。そのために小さな多数の穴を形成したシャワー板を用いて、ガスの注入を均一化することがよい方法である。又前記したように電極面上に誘電体を設置構成し、電力を印加することにより、誘電体バリア放電にすることにより誘電体面での電荷粒子のチャージング効果により、誘電体上に蓄積された電荷が、印加電圧と反対方向の電界を形成して、電極間の電位が放電維持電圧以下になり、放電は一旦停止することによって、放電が間欠的となると共に均一化され、発熱も抑制されるようになる。従って電極とその面に設置された誘電に、ガス流通用の穴を多数形成したシャワー電極とすることが非常に有効的である。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の具体的なプラズマ処理の実施例を説明する。
図１のように高周波印加電極面上に５ｍｍ間隔で、径１ｍｍφで長さ６ｍｍの針状の電極を一列に１０個形成する。その周辺に４個の径２ｍｍφで長さ３ｍｍの円筒凸部の中心が針状電極の中心との距離を７ｍｍの間隔をおいて配列して２２個を形成する。これらの針状電極及び凸部電極、更にその他の平面電極部を７ｍｍ厚さの誘電体で覆う場合に、針状電極の先端部及び凸部先端部は誘電体部の厚さが約１ｍｍとなるように誘電体板中に各針状電極及び凸部電極部が誘電体中に嵌合できるように最適の穴径と長さを各々形成する。このように形成した誘電体を高周波印加電極面上に針状電極及び凸部電極部を誘電体中に形成した穴部にはめ込み、針状電極及び凸部電極部以外の平板電極部面の誘電体の厚さを７ｍｍと厚くすることにより、この面上でのプラズマの発生を防止して、針状電極部分でより低い放電開始電圧で、先ずコロナ放電をし、更に周辺の凸部でグロー放電に進展させるようにする。
又これらの高周波電極上の誘電体面と対向する接地電極面との距離を１〜５ｍｍの間で調整可能のように構成する。本実験では２ｍｍに設定した。又誘電体としてセラミックを使用したが、之等と同等の材質であれば問題がない。
【００１９】
このように構成された電極間の片側より、プラズマ発生用のガスとしてＡｒガス１０ＳＣＣＭとＯ２ガス５ＳＣＣＭをシャワ板を通過させて電極間に導入し、プラズマ発生後に電極間の他方よりこれらのプラズマ粒子を試料面上に吹きつけるようにして、表面処理をおこなった。この場合、プラズマ処理すべきか試料を誘電体で覆った高周波電極と接地電極間に設置して、プラズマ処理してもよい。
【００２０】
上記のように構成された電極間に周波数６０ＫＨｚで、高周波電力５０Ｗを印加させ、プラズマを発生させる。試料としてＦＲ５の材料のＢＧＡ基板を用いて、プラズマ吹き出し口から２ｃｍ離して３０秒間プラズマを吹きつけして表面処理をおこなった。表面のクリーニング度は、表１に示すように、水滴接触角で判定した。結果は処理前の接触角が平均値で約８９°のものが、プラズマ処理後は、平均値で２７°であり、良好な表面処理効果があることが判った。基板面上の観察は、熱による変色及び変形等が一切なかったことを確認した。又、ＢＧＡ基板のモールド後にプラズマ処理して、マーキング印刷したものは、極めて鮮明度が高く、剥離現象もなかった。以上の通り、大気圧中で簡単に表面処理ができるので、大型のＰＣＢ基板やストリップ基板、ＰＩフレキシブルテープ等のデスミア処理やマーキング前の処理等にも非常に有効的である。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
【発明の効果】
本発明は以上に述べたように多くの特徴を有しているので従来の減圧方法に比較して、真空装置を必要としないためイニシアルコストの削減や高価なＨｅガス等を必要としないのでランニングコストが安く、容易に連続的処理ができることから処理効果も大きく、確実に表面処理が可能であることから、生産性向上の寄与と共に経済的にコストダウンが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１（ａ）】本発明のグロー放電プラズマ処理装置の電極構造図の上面図
【図１（ｂ）】本発明のグロー放電プラズマ処理装置の電極構造のガス吹き出し側の断面図
【図１（Ｃ）】本発明のグロー放電プラズマ処理装置の電極構造のガス導入側の断面図
【符号の説明】
１　高周波印加電極面
２　上部電極絶縁版
３　接地電極
４　絶縁ワッシヤ
５　絶縁カラー
６　クランプボルト
７　針状の電極部
８　凸部電極
９　ガス導入パイプ
１０　シャワ状ガス導通路
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
2004014494.tif 000005
【図１（Ｃ）】
2004014494.tif 000006