(57)【要約】【課題】プラズマの状態を制御して、プラズマを化学変化や化学結合に最適な状態にすること。【解決手段】プラズマを生成するプラズマ生成室と、プラズマの温度を制御するプラズマ温度制御部と、プラズマ生成室で生成されたプラズマを利用して被処理物を処理するプラズマ処理室と、を備える、プラズマ処理装置。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを生成するプラズマ生成室と、
プラズマの温度を制御するプラズマ温度制御部と、
プラズマ生成室で生成されたプラズマを利用して被処理物を処理するプラズマ処理室と、を備える、プラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
プラズマ温度制御部は、プラズマ冷却部であり、プラズマ生成室内に配置してある、プラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
プラズマ温度制御部は、プラズマ冷却部であり、プラズマ生成室に隣接し、プラズマ生成室から流れ出るプラズマを冷却するプラズマ冷却室を備える、プラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
プラズマ生成室から流れ出るプラズマの流速を変化させる流速調整装置を備える、プラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
プラズマ生成室に配置される触媒担持体と、
プラズマ処理室に配置される吸着剤と、を備える、プラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
複数のプラズマ生成室と複数のプラズマ処理室と、を備える、プラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
プラズマ処理室に温度制御装置とプラズマ生成装置を備える、プラズマ処理装置。
【請求項８】
プラズマを生成するプラズマ生成ステップと、
プラズマの温度を制御するプラズマ温度制御ステップと、
温度制御されたプラズマを利用して被処理物を処理するプラズマ処理ステップと、を備える、プラズマ処理方法。
【請求項９】
プラズマを生成するプラズマ生成ステップと、
プラズマを冷却するプラズマ冷却ステップと、
冷却されたプラズマを利用して被処理物を処理するプラズマ処理ステップと、を備える、プラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ中に物質を導入し、分解処理や新物質の生成などの処理を行うプラズマ処理装置とその処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、プラズマ処理装置は、プラズマ生成室の通過後、プラズマの温度や密度が管理されていないため、プラズマは周囲の環境によって自然に冷却されて徐々に低温低密度となる（特許文献１参照）。その結果、プラズマ中に非処理物を導入し、分解処理や新物質の創造などの処理をする場合、所望しない分解処理が行われたり、又は、所望しない物質が生成されたりする。例えば、Ｎ２Ｏを処理してＮ２とＯ２を得ようとしても、不所望なＮＯ２やＮＯなどが発生する。ＰＣＢ（Ｃ１２ＨｎＣｌ（１０−ｎ））を処理してＣＯ２とＨＣｌを得ようとしても、不所望なＣＯなどが発生する。逆に、酸素プラズマを生成してオゾン（Ｏ３）を得ようとしても、高温だと分解速度が高いためオゾンは生成されない。
【特許文献１】特表２００２−５３０５２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
（１）本発明は、プラズマの状態を制御して、プラズマを化学変化や化学結合に最適な状態にすることにある。
（２）また、本発明は、プラズマの状態を制御して、低温で高密度なプラズマを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（１）本発明の実施の形態は、プラズマを生成するプラズマ生成室と、プラズマの温度を制御するプラズマ温度制御部と、プラズマ生成室で生成されたプラズマを利用して被処理物を処理するプラズマ処理室と、を備える、プラズマ処理装置にある。
（２）また、本発明の実施の形態は、プラズマを生成するプラズマ生成ステップと、プラズマの温度を制御するプラズマ温度制御ステップと、冷却されたプラズマを利用して被処理物を処理するプラズマ処理ステップと、を備える、プラズマ処理方法にある。
（３）また、本発明の実施の形態は、冷却されたプラズマを生成するプラズマ生成ステップと、冷却されたプラズマを利用して被処理物を処理する、プラズマ処理ステップと、を備える、プラズマ処理方法にある。
【発明の効果】
【０００５】
（１）本発明は、プラズマの状態を制御して、プラズマを化学変化や化学結合に最適な状態にすることができる。
（２）また、本発明は、プラズマの状態を制御して、低温で高密度なプラズマを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
（プラズマ処理装置）
プラズマ処理装置は、プラズマ中に被処理物を導入し、分解処理や新物質創造処理などの処理を行うものである。図１は、プラズマ処理装置１０のブロック図の例を示している。プラズマ処理装置１０は、プラズマを生成するプラズマ生成室２０と、プラズマを冷却又は加熱するプラズマ温度制御部３０と、プラズマを利用して被処理物を処理するプラズマ処理室４０などを備えている。図１では、プラズマ温度制御部３０は、プラズマ生成室２０に隣接し、プラズマ生成室２０から流れ出るプラズマの温度を制御するプラズマ温度制御室からなっているが、プラズマ処理装置１０は、プラズマ温度制御部３０をプラズマ生成室２０に配置してもよい。また、図１では、プラズマ処理室４０は、プラズマ温度制御部３０に隣接し、プラズマ温度制御部３０から流れ出るプラズマを導入している。
【０００７】
図２は、図１のプラズマ温度制御部３０がプラズマを冷却するプラズマ冷却部３２であるプラズマ冷却室の場合において、プラズマ生成室２０から排出されたプラズマの冷却曲線の一例を示している。横軸は、図１のプラズマ冷却室を備えるプラズマ処理装置１０の横方向の位置（距離）を示しており、縦軸は、プラズマ温度を示している。実線の冷却曲線は、プラズマ冷却室で冷却する場合の強制冷却の変化を示しており、破線の冷却曲線は、プラズマ冷却室で冷却しない場合の従来の自然冷却の変化を示している。
【０００８】
プラズマ冷却室でプラズマを冷却することにより、短距離つまり短時間で所望の温度にすることができる。プラズマ処理室４０で更に温度制御をすることで、プラズマ処理室４０で一定のプラズマ温度を保持することができるほか、所望の空間的もしくは時間的なプラズマ温度変化を得る事ができる。それに対して、自然冷却の場合、プラズマは装置壁面や周囲のガスと接触によっての徐々に冷却され、プラズマ生成室２０から相当離れた距離で装置温度もしくは室温まで冷却される。
【０００９】
プラズマ処理装置１０は、例えば、プラズマ生成室２０から排出されたプラズマを積極的に冷却、加熱もしくは保温し、プラズマの温度、気圧、流速等を制御することができる。プラズマ中に物質を導入し、分解処理や新物質創造などを行う場合、分解処理や新物質創造などで生成された生成物の種類は、プラズマ生成室２０から排出されたプラズマの温度、密度で大きく変化する。本実施の形態のプラズマ処理装置１０では、プラズマ生成室２０から排出されたプラズマの温度や密度を適切にコントロールすることで、生成物の種類などを制御・管理することができる。また、プラズマ処理の効果や速度はプラズマ中の物質構成（イオン、励起種、原子、分子、など）によって大きく異なる。プラズマ処理装置１０の構成の自由度を上げることで、所望の効果（物質創造、表面処理、二次生成物の制御など）を実現し、かつ処理効率を向上することができる。
【００１０】
（プラズマ生成室）
プラズマ生成室２０は、アルゴン、ヘリウムなどのガスをプラズマにするものである。プラズマ生成室２０は、プラズマガスを導入し、プラズマを発生し、プラズマを流出するものであればどのような構造でも良い。プラズマ生成室２０は、プラズマ源であるプラズマ生成装置２２を備えている。プラズマ生成装置２２は、誘導結合プラズマ法、空胴共振器などを用いたマイクロ波プラズマ法、平行平板や同軸型などの電極法など種々の方法や手段を利用することができる。プラズマを発生するための電力は、直流から交流、高周波、マイクロ波以上まで、様々な形態を利用できる。また、プラズマ生成装置２２は、プラズマ生成室２０の外部からレーザー等の光、衝撃波などを導入してプラズマを発生してもよい。また、プラズマ生成装置２２は、プラズマを可燃ガス、可燃液体、可燃固体等の燃焼によって発生させてもよい。また、プラズマ生成装置２２は、これら複数の方法や手段を組み合わせて、プラズマを発生させてもよい。プラズマ生成室２０は、用途に応じて、真空から大気圧以上の高気圧のプラズマを生成する。なお、本実施の形態のプラズマ処理装置１０では、プラズマとは、大部分が電離している状態でも、或いは、大部分が中性粒子で、一部が電離している状態をも含む。プラズマガスやキャリアガスは、アルゴン、ヘリウムなどの希ガスのほかに、酸素、水素、窒素、メタン、フロン、空気、水蒸気など各種の気体若しくはこれらの混合物を用いることができる。プラズマ生成室２０は、プラズマガスなどの物体の注入口２４を設け、プラズマガス以外で、プラズマ処理装置１０で処理される被処理物やキャリアガスなど他の物体を導入してもよい。
【００１１】
（プラズマ温度制御部）
プラズマ温度制御部３０は、所定の温度のプラズマを得るものである。プラズマ温度制御部３０は、図１のようにプラズマ生成室２０に隣接したプラズマ温度制御室でも、又は、プラズマ生成室２０内に配置されていても、プラズマ生成室２０を兼ねていてもよい。図１のようなプラズマ温度制御部３０は、プラズマ生成室２０から流れ出るプラズマの温度を制御するプラズマ温度制御室になっている。プラズマ温度制御部３０は、例えばプラズマの温度、密度、気圧、又は、流速などの状態を特定の状態に制御して、プラズマ処理室４０に移送する。プラズマ温度制御装置３０は、例えば、プラズマを所定の温度に急激に冷却したり、加熱したりすることができる。これにより、所望の化学変化を生じさせる事ができる。プラズマ温度制御部３０がプラズマ冷却部３２の場合、固体により冷やす、液体により冷やす、気体により冷やす方式のほか、細孔などを介して急速に減圧し、又は、断熱膨張の効果により急冷するなど種々の方法を使用できる。
【００１２】
図３（Ａ）は、ハニカム構造のようなガス通路を有し、表面積が大きく、かつ温度管理された金属、ガラス、セラミックスなどの固体で形成されているプラズマ冷却部３０を示している。プラズマ生成部２０から排出されたプラズマは、プラズマ温度制御部３０の通路を有する個体中を通過し、所望の温度に制御される。図３（Ｂ）は、多孔構造のプラズマ温度制御部３０を示しており、小面積の穴やスリットを配置することで、プラズマ温度制御部３０の入口と出口でプラズマの気圧を変化させ、プラズマ温度や密度を制御する。図３（Ｃ）は、コーン構造のプラズマ温度制御部３０を示しており、プラズマ温度制御部３０の入口と出口でガス流路の断面積を変えることでガスの流速を制御する。コーン構造は、多数のコーン形状からなっていても、又は１つのコーン形状からなっていてもよい。プラズマ温度制御部３０は、図３（Ａ）〜（Ｃ）の構成要素を組み合わせるなど、種々の構成を取ることができる。
【００１３】
（プラズマ処理室）
プラズマ処理室４０は、プラズマ中に移送した被処理物を分析したり、半導体ウエハなどの被処理物の表面を処理したり、又は、ＰＣＢ、フロンなどの被処理物の分解処理をしたり、又は、新物質を創造する処理などに使用される。プラズマ処理室４０は、被処理物である、液体やミスト（霧）や気体状の物質をプラズマ中に移送することもできる。又は、別のプラズマを混合することもできる。液体状の物質の場合は、霧吹き等によってエアロゾル状にして移送しても、あらかじめ気化して移送しても、液体のまま移送しても構わない。
【００１４】
プラズマ処理室４０では、制御されたプラズマに、他のガス、他のプラズマガス、液体、固体など被処理物を混合（照射）し、処理する。プラズマ処理室４０では、例えば、プラズマを急冷することで反応を停止させ、不要な副生成物の発生を抑制する。又は、プラズマ内で分解された原子を、適切な温度に保つことで所望の分子に結合させる。又は、プラズマの気圧変化を利用して、膨張による急冷効果などを利用できる。又は、プラズマを利用する際の流速を変えることで処理速度や処理面積を変えることができる。
【００１５】
プラズマ処理室４０は、図１のようにプラズマ温度制御部３０に隣接し、又は、プラズマ生成室２０に隣接して、プラズマを導入する開口部、プラズマを排出する排出口４４、処理に必要なガスの注入や不要なガスの排出に使用する注入口４２を備えている。更に、プラズマ処理室４０は、必要に応じて、室内の温度を制御する温度制御装置４６、プラズマを生成するプラズマ生成装置などを備える。これにより、プラズマ処理室４０は、より精密な複雑なプラズマ処理が可能になる。
【００１６】
（他のプラズマ処理装置）
図４は、プラズマ処理装置１０の他の例を示している。このプラズマ処理装置１０のプラズマ生成室２０は、内部にプラズマ温度制御部３０を備えている。プラズマ温度制御部３０は、プラズマ生成室２０の後部（図４（Ｂ））、中間部（図４（Ａ））、又は前部（図４（Ｃ））に配置できる。プラズマ温度制御部３０がプラズマ冷却部３２である場合において、プラズマ冷却部３２が、プラズマ生成室２０の後部に配置される場合、プラズマ源であるプラズマ生成装置２２で生成された高温のプラズマを冷却し、プラズマ生成室２０の中間部に配置される場合、プラズマ生成装置２２で生成しているプラズマを冷却し、プラズマ生成室２０の前部に配置される場合、プラズマ生成装置の上流でガスを冷やしておく。これにより、プラズマ生成室２０はそのガスを使用すれば最初から冷却されたプラズマを生成できる。
【００１７】
プラズマ温度制御部３０は、温度制御されたハニカムなどの温度制御装置を使用できる。例えば、プラズマ温度制御部３０は、プラズマ生成室２０の後部に配置される場合、プラズマ源の下流に配置され、プラズマ生成室２０の中間に配置される場合、プラズマ源の付近に、例えばプラズマ生成電極の間に配置され、プラズマ生成室２０の前部に配置される場合、プラズマ源の上流に配置される。プラズマ温度制御部３０は、図３の各種の構造、又はこれらの組み合わせを取ることもできる。
【００１８】
プラズマ生成室２０には、触媒を担持する触媒担持体１２を配置する。触媒担持体１２は、触媒を固体に付けるものであり、プラズマ生成部の近傍に配置され、プラズマの高エネルギー状態で触媒活性を高めるものである。触媒担持体１２は、触媒を担持体を通じて適切に冷却、加熱或いは保温を行うことができ、プラズマ処理室４０の機構により処理できる。触媒をプラズマ生成部の近傍に配置した場合、触媒が被毒し失活した場合などに、プラズマガスに、あるいは霧状、粒子状にした触媒物質を混合させることで、触媒担持体上に新たに触媒層を再生できる。
【００１９】
プラズマ中に気体、粒子状の固体、あるいは液体状の触媒を混入させることで、触媒反応を用いた物質生成あるいは物質分解を行うことができる。また、気相−液相間の相間移動触媒の使用が可能となる。プラズマ処理装置１０でプラズマを適切に冷却、加熱或いは保温するなどの操作を行うことで、プラズマ中に投入した触媒物質を回収し、再び使用に供することができる。例えば、プラズマ処理室４０の後段における選択的吸着の併用プラズマを用いて分解処理を行った後の物質を吸着剤１４で処理することにより、所望の物質と不所望の物質とを分離する。例えば、ＮＯ２を分解した後、最終段で残留しているＮＯｘを活性炭で吸着すれば、毒性のないＮ２及びＯ２のみのクリーンなガスが排出できる。
【００２０】
図５は、複数のプラズマ生成室２０、２０、複数のプラズマ温度制御部３０、３０、プラズマ処理室４０を備えているプラズマ処理装置１０を示している。図５（Ａ）は、プラズマ処理室４０にプラズマ温度制御部３０を介して２つのプラズマ生成室２０を配置したプラズマ処理装置１０を示している。このプラズマ処理装置１０は、複数種類のプラズマを同時に又は別々にプラズマ処理室４０に導入して、複雑なプラズマ処理を行うことができる。
【００２１】
図５（Ｂ）は、プラズマ生成室２０、２０、２０とプラズマ処理室４０、４０、４０を複数組、連結したプラズマ処理装置１０を示している。プラズマ温度制御部３０は、プラズマ生成室２０内に配置されている。プラズマ処理装置１０は、プラズマ生成室２０、プラズマ処理室４０、或いは、その両方を一段ではなく数段に接続し、それぞれの段で化学反応に適した温度、密度、気圧、湿度などを供することで、効率の良い処理を行うことができる。また、プラズマ生成室２０とプラズマ処理室４０を複数段設けることにより、一段では除去しきれない物質、或いは発生する好ましくない物質を、二段目以降で除去又は分解することが可能となる。この際、プラズマ生成室２０は、各段とも同じプラズマ生成方式にしても、又は、一段目がＩＣＰで、二段目がバリア放電で、三段目が直流アークのように各段で異なったプラズマ生成方式にしてもよい。
【００２２】
（プラズマ処理方法）
プラズマ処理方法は、冷却、加熱、保温など温度制御されたプラズマを生成するプラズマ生成ステップ、温度制御されたプラズマを利用して被処理物を処理するプラズマ処理ステップなどを備えている。例えば、冷却されたプラズマの生成では、図４（Ｃ）のプラズマ生成室２０で生成するように、プラズマ源の上流でガスを冷やしておき，そのガスを使用すれば、最初から低温のプラズマを生成できる。又は、プラズマ処理方法は、プラズマを生成するプラズマ生成ステップと、プラズマの温度を制御するプラズマ温度制御ステップ、温度制御されたプラズマを利用して被処理物を処理するプラズマ処理ステップなどを備えている。温度制御されたプラズマの生成では、図１のプラズマ温度制御部３０、図４（Ａ）又は（Ｂ）のプラズマ生成室２０で生成するように、プラズマ源の中、又は下流でプラズマの温度を制御することで、最適な温度のプラズマを生成できる。例えば、プラズマを冷却する場合、プラズマ処理方法は、プラズマを生成するプラズマ生成ステップと、プラズマを冷却するプラズマ冷却ステップ、冷却されたプラズマを利用して被処理物を処理するプラズマ処理ステップなどを備えている。
【００２３】
以下に、プラズマ処理装置の適用例を説明する。
【００２４】
（分解処理）
Ｎ２Ｏの分解処理について本発明の適用例を示す。プラズマ中で原子に分解されたＮ２ＯはＮとＯ原子になっている。これを徐々に冷却すると無害なＮ２とＯ２のほか，熱的に安定ではないはずのＮＯ２やＮＯも生成される。急冷を行う事で理想的な化学反応を実現し，ＮＯ２やＮＯの生成を低減させる事ができる。
【００２５】
（オゾンの生成）
オゾン（Ｏ３）の生成について本発明の適用例を示す。酸素（Ｏ２）をプラズマ化すると酸素原子（Ｏ）の他，オゾンが生成される。しかし，オゾンは高温中では不安定なため，結果的に酸素原子が多く生成される。このプラズマを急冷したのち，酸素（酸素分子）を混合するとプラズマ中で生成された酸素原子と酸素分子が結合し，大量のオゾンを生成する事ができる。
【００２６】
本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】プラズマ処理装置の説明図
【図２】プラズマの冷却曲線の説明図
【図３】プラズマ温度制御部の説明図
【図４】プラズマ温度制御部をプラズマ発生室に配置したプラズマ処理装置の説明図
【図５】複数のプラズマ発生室やプラズマ処理室を連結したプラズマ処理装置の説明図
【符号の説明】
【００２８】
１０  プラズマ処理室
１２  触媒担持体
１４  吸着剤
２０  プラズマ生成室
２２  プラズマ生成装置
２４  注入口
３０  プラズマ温度制御部（プラズマ温度制御室）
３２  プラズマ冷却部（プラズマ冷却室）
４０  プラズマ処理室
４２  出入口
４４  排出口
４６  温度制御装置
【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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