(57)【要約】【課題】一般的にダイヤモンド等の研磨剤で洗浄していた電極等表面を、研磨剤を用いることなく表面付着物等の汚濁物をヘリウムガスを電離したプラズマガスジェットを照射することで洗浄除去する装置において、低コスト化と汎用性を持たせる為、大気圧プラズマを利用した洗浄装置を提供する。【解決手段】ガス管に高電圧電極とアースを接続し、このガス管にガスを流しながら高電圧交流を印加することによって生成するプラズマジェットを用いた表面洗浄装置。【選択図】図１
2009166017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス管に高電圧電極とアースを接続し、このガス管にガスを流しながら高電圧交流を印加することによって生成するプラズマジェットを用いた表面洗浄装置。
【請求項２】
請求項１記載のガス管として非導電性材料が用いられていることを特徴とするプラズマジェット洗浄装置。
【請求項３】
請求項１記載の高電圧として５００Ｖ以上、１００ｋＶ以下且つ、周波数が５００Ｈｚ以上１００ｋＨｚ以下の交流電源が用いられていることを特徴とするプラズマを利用した洗浄装置。
【請求項４】
請求項１記載のプラズマジェットのガスがヘリウム若しくは、ヘリウムを含む空気、窒素、酸素、アルゴン、ネオンの混合ガスであることを特徴とするプラズマを利用した洗浄装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４記載のプラズマ洗浄装置において、プラズマジェットのプラズマ炎に直接あたるように洗浄物を固定できる固定具が具備されたプラズマ洗浄装置
【請求項６】
請求項５記載の固定具にアースが接続され、且つ洗浄物が導電体である場合、この導電部もアースに接地されていることを特徴とするプラズマ洗浄装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５記載のプラズマ洗浄装置において、プラズマジェットの排気口に発生ガス等の吸着体を接続し、有害ガス等を吸着することを特徴とするプラズマ洗浄装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、プラズマジェットを応用した洗浄装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】従来から、微小部分、壊れやすい表面、さらに凹凸のある表面などの洗浄として、液体を使用するウエット型と、液体を使用しないドライ型とが知られている。前者は、洗剤などによる洗浄やさらに強固に付着した汚れに対しては研磨剤などが用いられウェット状態でこすることにより表面の付着物の除去が行われてきた。しかし、これら付着物の除去は、こすることにより新たに付着物をつけたり、また、凹凸のある部位に至っては、研磨に非常に時間がかかるなどの問題があった。一方、ドライタイプでは、例えば焼成、レーザー照射など直接付着物を分解させる方法が用いられているが、これは、洗浄物自体のダメージが大きいことやまた装置に莫大なコストがかかるなどの問題があった。一方、プラズマ洗浄においては、真空チャンバー内での逆バイアス印加による逆スパッタ法や、また、近年研究が活発に行われている大気圧プラズマなどがあるが、前者は真空チャンバーを含む大掛かりな装置となりやはりコストがかかり、また後者も１３ＭＨｚの高周波を用いることから、電源が大掛かりとなる。オゾン処理なども行われる場合があるが、強く付着した汚れに対しては効果が出にくい。【０００３】大気圧プラズマは、従来用いられてきた高周波電源に比べ非常に低い周波数でプラズマ化が可能であり、また、発生するプラズマが熱非平衡であるため周囲の温度を上げないことから、洗浄物へのダメージが非常に小さく、またプラズマ炎であることから洗浄物の形状にとらわれにくく、多くの表面洗浄を効率的に行うことが可能である。このような常圧プラズマを用いた洗浄装置は液晶ディスプレイ用ガラス基板の洗浄方法例に開示されている（特許文献１）。また、積水化学工業株式会社では同様に常圧プラズマを用いた洗浄装置を開発しており、下記非特許文献１にはガス使用流量が毎分数十リットルであることが記載されている。
【特許文献１】特開２００４−１０２２７１号公報
【非特許文献１】２００４年７月発行、積水化学工業株式会社のカタログ「常圧プラズマ表面処理装置」の３頁（裏表紙）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】上記説明したとおり、常圧プラズマによる洗浄装置は、プラズマ発生に窒素や酸素などのガスを用いることが多い。発生したプラズマ中には有機物を分解するのに適したガス電離状態を含むラジカルなどの高エネルギー活性種が存在する。このラジカルにより洗浄対象物の表面を処理することで表面に付着している有機物が分解除去されることになる。然しながら、上記装置はその洗浄のため洗浄基体に匹敵するチャンバーを必要としており、スペース効率を損なう。また、特定箇所のみの洗浄には全く不向きであった。依って本発明は、装置の低コスト化と汎用性を持たせることを前提とし、局所な洗浄に好適でありかつプラズマ発生用ガスの消費量を少なくできると共に、洗浄効果を大きくできる大気圧プラズマを利用した洗浄装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】係る課題を解決する手段として検討を重ねた結果、ガス管に高電圧電極とアースを接続し、このガス管にガスを流しながら高電圧交流電場を印加することによって生成するプラズマジェットを用いた表面洗浄装置の開発に至った。即ち本発明は、ガス管に高電圧電極とアースを接続し、このガス管にガスを流しながら高電圧交流を印加することによって生成するプラズマジェットを用いた表面洗浄装置であり、また、前記のガス管として非導電性材料が用いられているプラズマジェット洗浄装置である。また本発明は、前記の高電圧として５００Ｖ以上、１００ｋＶ以下且つ、周波数が５００Ｈｚ以上１００ｋＨｚ以下の交流電源が用いられているプラズマを利用した洗浄装置であり、前記のプラズマジェットのガスがヘリウム若しくは、ヘリウムを含む空気、窒素、酸素、アルゴン、ネオンの混合ガスであるプラズマを利用した洗浄装置である。更に本発明は、前記のプラズマ洗浄装置において、プラズマジェットのプラズマ炎に直接あたるように洗浄物を固定できる固定具が具備されたプラズマ洗浄装置であり、また、前記の固定具にアースが接続され、且つ洗浄物が導電体である場合、この導電部もアースに接地されているプラズマ洗浄装置であり、前記のプラズマ洗浄装置において、プラズマジェットの排気口に発生ガス等の吸着体を接続し、有害ガス等を吸着するプラズマ洗浄装置である。【０００６】本発明に用いられるガス管は特に特定するものではないが、ガラス、プラスチック、テフロンなど非導電性を示す材質を用いることができる。形状は特に限定するものではないが、円筒形はもとより二枚のプレートをスペーサーを介して貼り合せたタイプの間隙などを用いることもできる。この場合プラズマジェットはプレート状に放射することが可能である。円筒形については特に限定するもではないがその半径が１０ｃｍまで用いることができるが、最小半径に関してはガスが流れる限り小さくすることが可能である。【０００７】印加電圧に関しては、通常は１０ｋＶ程度の交流が用いられる。その周波数も通常は１０ｋＨｚ程度のものが持ちられる。使用可能な電圧範囲は通常、５００Ｖから１００ｋＶ、好ましくは１ｋＶから５０ｋＶ、さらに好ましくは１ｋＶから１０ｋＶである。使用可能な周波数範囲は、１００Ｈｚ以上１００ｋＨｚ以下で使用可能であるが、好ましくは、５００Ｈｚ以上５０ｋＨｚ以下、さらに好ましくは１ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下である。【０００８】プラズマガスは通常ヘリウムガスが用いられるが、これはヘリウムガスをプラズマ化した場合に生成する電離気体由来のヘリウムメタステーブルの寿命が非常に長いことに由来する。このため、ヘリウムは一度プラズマ化すると非常に安定に大気圧でプラズマ状態を維持することが可能である。よって、プラズマガスには少なくともヘリウムガスを用いることが必要であるが、これに不純物ガスとして、窒素、酸素、水素、アルゴン、ネオンなど不活性ガスを混入することが可能である。混合比は特に限定するものではないが、ヘリウムガスをベースにプラズマ生成できればどのような混合比でもかまわないが、通常ヘリウムが８０％以上含まれることが望ましい。これは、プラズマが単にガス混合比のみで生成が限定されるものではなく、ガス流量などのパラメータにも依存するためである。よってヘリウムガス混合比は特に限定するものではないがガス全体に対してヘリウム８０％以上でプラズマ化が可能である。プラズマ点火には電圧印加以外に特に技術は必要ないが、プラズマ化しにくい場合は、先ずヘリウムのみでプラズマ化しておき、その後混合ガスを添加していくことも可能である。【０００９】プラズマジェットは大気中に放出されるとガス濃度が急速に希薄になるため、プラズマフレームはプラズマ放出管の先端から遠くへは達しない。そのフレーム長はそのガス流量、ガス管形状によって決まるもので、特に規定できないが、少なくとも被洗浄体はこのプラズマフレームに照射されることが必要であり、このプラズマジェットの近傍に配置できるようにすることが必須である。このため、被洗浄体はそのプラズマフレームにあたるように可動型とし、ガス圧、印加電圧の変動に対して対処できるような構造としてある。また、高電圧を用いるためアースの接続は特に慎重を期する。即ち、本装置においてはガス管に対して高電圧電極とアースが接続されているが、さらに感電等の事故を防ぐ目的でプラズマ照射される被洗浄体に対してもアースを接続することが望ましい。さらに、大気中でプラズマ生成する場合オゾン等の有害ガスが発生するため排気設備がない場合は、排気管に対しては活性炭等の吸着体を具備するなどの処置がひつようである。
【発明の効果】
【００１０】本発明は、大気圧環境においてヘリウムガスを電離しプラズマ化した高エネルギー荷電粒子を表面汚染された表面に照射することで、汚染物質の分解洗浄を行うものである。特に本発明では、プラズマガスを洗浄源に用いるため表面に凹凸等がある複雑な構造体や、チューブなどの表面の洗浄に好適である。また、プラズマガスを噴出させるガス管が誘電体であることから、そのプラズマ密度が低く、その結果周辺温度はほとんど上がらず、常温付近で洗浄を行える。このため、耐熱性の低い表面も洗浄が可能であることが本発明の大きな効果といえる。洗浄効率はガス流量や印加電圧で制御可能である。また、プラズマはジェット状態で被洗浄体に当たるため、プラズマ照射後簡単なウェット洗浄を行うだけで正常な表面が再生できるなどの利点もある。また、本装置の大きな特徴として、特に大きな洗浄チャンバーを用いる必要がないことである。特に排気設備が整った場所での操作であれば、ジェットノズルを移動させることで大面積の洗浄も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。図に示す装置は特に限定するものではない。【００１２】本装置は大きく分けて電極部とガス供給部からなる。電極は特に限定するものではないが、通常使用されるメガヘルツオーダーの高周波電源である必要は無く、プラズマ点火時に数ＫＨｚの周波数で電圧１０ｋＶが出力できれば十分である。プラズマ点火後は周波数は数百ヘルツでも安定にプラズマを放出できる。本電源の高電圧電極及びアース電極は誘電体管の先端につながれるが（それぞれ図１中の２および３）、その位置関係は逆でも問題はない。プラズマジェット管は特に限定するものではないがガラス、プラスチックなど非導電性材料が用いられる。この理由の１つは、導電性材料、例えば銅管、鉄管などを用いた場合、アース電極が接続できないなどの問題を生じる。このように接続された電極管に図１に示されるガスボンベよりプラズマガスを供給することで、電極管先端からプラズマ炎を噴出できる。洗浄はこの噴出したプラズマ炎に被洗浄体をかざすだけで表面に付着した有機物質などを分解除去できる。【００１３】次に、本装置を用いて洗浄したサイクリックボルタンメトリー用電極の洗浄効果を実験例に示し紹介する。本実験例に示される題材は特に本特許に限定をかけるものではない。
【実施例１】
【００１４】サイクリックボルタンメトリ用グラッシーカーボン電極の洗浄を一般のダイヤモンド研磨と本発明のプラズマ研磨で比較検討を行った。電極洗浄状態は、通常使用されているＫ３Ｆｅ（ＣＮ）２（フェロシアンカリウム）の酸化還元電位を測定することにより確認した。先ず、電極表面を汚すため、テトラエチレンペンタミンの酸化還元電位を２０サイクルで測定した。測定結果を図２に示す。支持塩としてテトラブチルアンモニウムパークロレートを用い、アセトニトリルに溶解し１Ｍとした。これにテトラエチレンペンタミン１ｍＭ濃度で溶解し、測定を行った。２０サイクルでほぼ測定電流がゼロとなりグラッシカーボン電極表面がアミン化合物で汚染されたことが確認できる。この電極を用いてフェロシアン化カリウム溶液の酸化還元電位を測定した結果を図３に示す。この図からわかるように、サイクリックボルタンメトリーによる酸化ピークと還元ピークが１電子反応にもかかわらず１６０ｍＶとなり、表面が有機物で汚染されていることが確認できた。次に、この汚染されたグラッシカーボン電極をプラズマ洗浄した。プラズマ条件は、ガス流量１０Ｌ／ｍｉｎ、印加電圧１２ＫＶ、１０ｋＨｚでヘリウムガスをプラズマ化し、このプラズマガスを直接汚染されたグラッシカーボン電極表面に吹きつけ、２０秒間維持した。その後、電極表面をぬれたキムワイプでふき取り、フェロシアン化カリウム溶液の酸化還元電位を測定し、表面の洗浄効果を確認した結果を図４に示す。１電子反応由来の酸化還元電位差６０ｍＶが達成され、表面が正常な状態になったことが確認された。
【実施例２】
【００１５】比較例として、実施例１に示した電極汚染作業を行い、ついで通常行われているダイヤモンド研磨剤による研磨洗浄を行った。洗浄は手作業で５分、１０分および２０分の研磨をＢＡＳ社製研磨キットを使用して行った。結果を図５に示す。２０分洗浄研磨した結果正常な表面が達成されたことがわかる。このように研磨洗浄では電極汚染の状態にもよるが、その洗浄に多大な時間がかかってしまう。
【産業上の利用可能性】
【００１６】本発明は、大きなチャンバーを用いない大気圧で発生可能なプラズマジェットによる表面洗浄装置であり、使用用途としては電子部品等の半導体関連洗浄や、液晶方式、プラズマ方式、有機ＥＬ方式等のフラットパネルディスプレイの基板洗浄装置、金属、プラスチック、繊維、木材、紙、皮革の洗浄、更に、表面コートが非常に困難であるチューブ内などの洗浄および表面改質等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る装置概略図
【図２】本発明に係る実施例１のペンタエチレンヘキサミンの酸化還元電位を示す図
【図３】本発明に係る実施例１のペンタエチレンヘキサミンの酸化還元電位を測定した後の電極を用いたフェロシアン化カリウムのサイクリックボルタンメトリーを示す図
【図４】本末名に係る実施例１の表面汚染電極をプラズマ洗浄した後のフェロシアン化カリウムのサイクリックボルタンメトリーを示す図
【図５】通常使用されるダイヤモンド研磨による洗浄結果を示す図
【符号の説明】
【００１８】１  高電圧、高周波電源
２  高電圧電極
３  アース電極
４  プラズマジェット管
５  ヘリウムガスボンベ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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