(57)【要約】基板から材料を除去するために提供される方法では、プラズマが大気圧で生成される。プラズマは、材料の１つ以上の構成要素と反応するエネルギー種を含む。プラズマは、高プラズマ密度および低プラズマ密度の周期的領域を含むプラズマプルームとして、出口から流出する。材料は、プラズマプルームに曝露される。材料の少なくとも１つの構成要素は、エネルギー種と反応し、材料の少なくとも１つの他の構成要素は、高プラズマ密度の領域のうちの１つ以上によって物理的に衝撃を加えられ、移動させられる。
2012517671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料を基板から除去する方法であって、該基板の上に該材料は配置され、該方法は、
大気圧においてプラズマを生成することであって、該プラズマは、該材料の１つ以上の構成要素と反応するエネルギー種を含む、ことと、
高プラズマ密度および低プラズマ密度の周期的領域を含むプラズマプルームとして、ノズル出口から該プラズマを流出させることと、
該材料を該プラズマプルームに曝露させることであって、該材料の少なくとも１つの構成要素は、該エネルギー種と反応し、該材料の少なくとも１つの他の構成要素は、該高プラズマ密度の領域のうちの１つ以上によって物理的に衝撃を加えられ、移動させられる、ことと
を包含する、方法。
【請求項２】
前記高プラズマ密度の領域は、それぞれの圧力波を含み、該圧力波は、前記少なくとも１つの他の構成要素に衝撃を加え、移動させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記圧力波は、衝撃波である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記プラズマを生成することは、電場をガスに印加することを包含し、該電場の駆動周波数および電力レベルを調整することによって、前記圧力波を生成することをさらに包含する、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記プラズマは、超音速で、かつ前記ノズル出口の外側の周囲圧力とは異なる圧力で、該ノズル出口から流出する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記プラズマは、収束ノズルから流出する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記プラズマを生成することは、電場を気流に印加することを含み、前記エネルギー種は、酸素包含種を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記材料は、前記エネルギー種と反応する有機構成要素と、前記高プラズマ密度の領域のうちの１つ以上によって物理的に衝撃を加えられ、移動させられる無機構成要素とを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記プラズマを生成することは、６５ｐｓｉ〜９５ｐｓｉに及ぶ空気圧で、かつ１ＣＦＭ〜４ＣＦＭの流速で空気をチャンバに供給することと、該チャンバの表面と該チャンバの中に配置される電極との間に前記電場を印加することとを含み、該プラズマは、前記ノズル出口で終端する収束ノズルまで該チャンバを通して流出する、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
圧力波を生成するように、前記プラズマと接触している圧電要素に電圧を付加することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
プラズマ生成チャンバと、
該プラズマ生成チャンバの中へ延在する電極と、
該プラズマ生成チャンバと連通するプラズマ出口と、
エネルギープラズマ種と、高プラズマ密度および低プラズマ密度の周期的領域とを含むプラズマプルームを、該プラズマ出口から流出させる手段と
を備える、大気圧プラズマ源。
【請求項１２】
前記流出させる手段は、前記プラズマプルームにおいて圧力波を生成するように構成される、請求項１１に記載の大気圧プラズマ源。
【請求項１３】
前記圧力波は、衝撃波である、請求項１２に記載の大気圧プラズマ源。
【請求項１４】
前記流出させる手段は、電源を備え、該電源は、前記電極と連通し、前記プラズマプルームで圧力波を生成するように該電極に印加される駆動周波数および電力レベルの調整を可能にするように構成される、請求項１１に記載の大気圧プラズマ源。
【請求項１５】
前記流出させる手段は、超音速で、かつ前記プラズマ出口の外側の周囲圧力とは異なる圧力で、前記プラズマプルームを流出させるように構成される、請求項１１に記載の大気圧プラズマ源。
【請求項１６】
前記流出させる手段は、収束−発散ノズルを備え、前記プラズマ出口は、該ノズルの出口である、請求項１１に記載の大気圧プラズマ源。
【請求項１７】
前記流出させる手段は、前記チャンバの中に配置され、該チャンバの中で生成されるプラズマに振動を伝達するように構成される圧電要素を備える、請求項１１に記載の大気圧プラズマ源。
【請求項１８】
前記流出させる手段は、３０ｐｓｉ〜１１０ｐｓｉの圧力で、かつ１ＣＦＭ〜７．５ＣＦＭの流速で空気を前記チャンバに供給するように構成される空気供給源と、収束ノズルとを備え、前記プラズマ出口は、該ノズルの出口である、請求項１１に記載の大気圧プラズマ源。
【請求項１９】
プラズマ生成チャンバと、
該プラズマ生成チャンバの中へ延在する電極と、
該プラズマ生成チャンバと連通する収束ノズルと、
３０ｐｓｉ〜１１０ｐｓｉの圧力で、かつ１ＣＦＭ〜７．５ＣＦＭの流速で空気を該チャンバに供給するように構成される空気供給源と
を備える、大気圧プラズマ源。
【請求項２０】
電源を備え、該電源は、前記電極と連通し、前記収束ノズルから流出するプラズマプルームにおいて生成される圧力波を変調するように前記電極に印加される駆動周波数および電力レベルの調整を可能にするように構成される、請求項１９に記載の大気圧プラズマ源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、２００９年２月８日に出願された米国仮特許出願第６１／１５０，７９５号（発明の名称「ＣＯＡＴＩＮＧ  ＲＥＭＯＶＡＬ  ＤＥＶＩＣＥ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ」）の利益を主張し、この仮特許出願の内容は、その全体が本明細書において参照により援用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、概して、大気圧プラズマを利用した、基板からの材料の除去に関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景）
大気圧（ＡＰ）プラズマは、基板の表面から材料のコーティング（例えば、層、膜、塗料等）を除去するために利用されてもよい。ＡＰプラズマ源は、ノズルからＡＰプラズマプルームを放出するように構成されるデバイスであってもよい。デバイスは、ノズルとコーティングの表面との間で、いくらかの特定距離を置いて位置付けられ、コーティングに向かってＡＰプラズマプルームを方向付けるよう配向されてもよい。ＡＰプラズマプルームが動作中である間に、デバイスは、コーティングまたはその所望の一部分の除去を達成するように、適切な経路に沿ってコーティングを横断して移動させられてもよい。
【０００４】
コーティングは、構成要素の組み合わせを含んでもよく、そのうちのいくつかは、従来のＡＰプラズマ（反応性またはプラズマ応答性構成要素）によって容易に除去可能であり、そのうちのいくつかは、そうではない（非反応性または応答性構成要素）。実施例は、ＡＰプラズマの１つ以上のエネルギー種に反応する有機またはポリマー構成要素を含むが、概してＡＰプラズマに応答しない無機顔料および充填剤も含む、コーティングまたは塗料である。従来のＡＰプラズマがそのようなコーティングに印加されるにつれて、緩く結合した無機構成要素が蓄積し始め、ＡＰプラズマプルームの活性化学種への耐エッチング層または拡散障壁としての機能を果たす。その結果として、材料除去速度、したがって、従来のＡＰプラズマデバイスの有効性が、急速に低下する（例えば、数ミリ秒以内）。従来、解決法は、ＡＰプラズマプルームの印加をやめ、蓄積を払拭しようとしてブラシまたは粗い布で表面を磨き、次いで、除去を必要とする付加的なコーティングの層に到達するようにＡＰプラズマプルームの印加を再開し、しばしば、蓄積によって以前に閉塞された領域にわたって付加的な通過を行うこととなっている。下層の基板から除去されている材料の厚さおよび組成に応じて、材料が基板から完全に除去されるまで、これらの反復が数回繰り返される必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の内容を考慮して、典型的にはＡＰプラズマのエネルギー種と反応しない、種々の種類の材料のある構成要素によって損なわれることなく、基板からそのような材料を効率的に除去するためのＡＰプラズマ源および方法の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（要旨）
全体的または部分的に前述の問題、および／または当業者によって観察されている場合がある他の問題に対処するために、本開示は、以下に記載される実装で一例として説明されるような方法、過程、システム、装置、器具、および／またはデバイスを提供する。
【０００７】
一実装によれば、基板から材料を除去するための方法が提供される。プラズマが大気圧で生成される。プラズマは、材料の１つ以上の構成要素と反応するエネルギー種を含む。プラズマは、高プラズマ密度および低プラズマ密度の周期的領域を含むプラズマプルームとして、ノズル出口から、またはスロット形状のプラズマ出口から流出する。材料は、プラズマプルームに曝露される。材料の少なくとも１つの構成要素は、エネルギー種と反応し、材料の少なくとも１つの他の構成要素は、高プラズマ密度の領域のうちの１つ以上によって物理的に衝撃を加えられ、移動させられる。
【０００８】
別の実装によれば、大気圧プラズマ源が提供される。プラズマ源は、高プラズマ密度および低プラズマ密度の周期的領域を含む、プラズマプルームを生成するように構成される。
【０００９】
別の実装によれば、大気圧プラズマ源が提供される。プラズマ源は、プラズマ生成チャンバと、プラズマ生成チャンバの中へ延在する電極と、プラズマ生成チャンバと連通するプラズマ出口と、エネルギープラズマ種と、高プラズマ密度および低プラズマ密度の周期的領域とを備える、プラズマプルームを、プラズマ出口から流出させるための構成要素とを含む。
【００１０】
本発明の他のデバイス、装置、システム、方法、特徴、および利点が、以下の図および詳細な説明を検討すると当業者に明白となるであろう。全てのそのような付加的なシステム、方法、特徴、および利点は、本説明内に含まれ、本発明の範囲内であり、添付図面によって保護されることが意図される。
【００１１】
本発明は、以下の図を参照することによってより良く理解することができる。図中の構成要素は、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに、本発明の原則を図示することに重点が置かれている。図中、類似参照数字は、異なる図の全体を通して対応する部品を指定する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、従来のＡＰプラズマ源を利用する実施例を図示する。
【図２】図２は、ＡＰプラズマが印加されてもよい、典型的なコーティング構造の一部分の横断立面図である。
【図３】図３は、従来のプラズマを最初に受けている間の図２に図示されたコーティング構造の横断立面図である。
【図４】図４は、非常に短い期間後に従来のプラズマ処理を受けている間の図２に図示されたコーティング構造の横断立面図である。
【図５】図５は、本明細書で開示される実装による、ＡＰプラズマ印加システムの実施例の略図である。
【図６】図６は、図５に図示されたＡＰプラズマ源を利用する実施例を図示する。
【図７】図７は、所与の時間の場合における衝撃波または圧力波支援プラズマプルームを受けている間のコーティング構造の横断立面図である。
【図８】図８は、以降の時間の場合における図７に図示されたコーティング構造の横断立面図である。
【図９】図９は、プラズマプルームで衝撃波または圧力波を生成するように構成されてもよい、ＡＰプラズマ源の実施例の縦断面図である。
【図１０】図１０は、ガス入口を通過する横断面でのＡＰプラズマ源の別の実施例の断面図である。
【図１１】図１１は、プラズマプルームで衝撃波または圧力波を生成するように構成されてもよい、ノズルの実施例の断面図である。
【図１２】図１２は、種々の空気圧および流速でのＡＰプラズマ源からの出力流動の一式の陰影像である。
【図１３】図１３は、別の実装によるＡＰプラズマ源の別の実施例の側面図である。
【図１４】図１４は、図１３に図示されたＡＰプラズマ源の前方部分の正面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書で使用される場合、「プラズマ」という用語は、概して、イオン、電子、および中性種の混合物を含む、（部分的）イオン化ガス状塊を指す。「大気圧プラズマ」との関連での「大気圧」という用語は、海面条件に正確に対応する圧力の正確な値に限定されない。例えば、「大気圧」の値は正確には１ａｔｍに限定されない。その代わり、「大気圧」は、概して、任意の地理的な場所での周囲圧力を包含し、したがって、海面で測定されるような１ａｔｍよりも小さい、および／または大きい値の範囲を包含してもよい。概して、「大気圧プラズマ」は、開放または周囲環境内で、すなわち、圧力制御されたチャンバまたは真空チャンバの中に存在する必要なく、生成されてもよいものである。
【００１４】
本明細書で使用される場合、「非熱的プラズマ」は、概して、（「熱」プラズマに対して）低温イオン、および周辺ガスの温度に対して高い電子温度を呈する、プラズマを指す。非熱的プラズマは、熱プラズマが、より高い全体的エネルギー密度と、高い電子温度ならびに高いイオンおよび中性温度の両方とを呈するという点で、熱プラズマと区別される。
【００１５】
本明細書で使用される場合、「コーティング」という用語は、概して、下層の基板から除去されることが所望される任意の材料を指す。「コーティング」という用語は、層、膜、塗料等の類似用語と交換可能に使用される。
【００１６】
本明細書で使用される場合、「基板」という用語は、概して、その上にコーティングが塗布されている表面を含む、任意の構造を指す。基板は、単純な平面または曲面幾何学形状を有する表面を提示してもよく、または複雑あるいは多重特徴地形を有してもよい。典型的には、基板は、本開示で検討されるコーティング除去動作によって悪影響を及ぼされないことが所望される種類である。
【００１７】
本開示の目的で、層（またはコーティング、膜、領域、基板、構成要素、デバイス、または同等物）が別の層の「上にある」または別の層を「覆っている」ものとして見なされるときに、その層は、直接または実際に他方の層の上にあって（または他方の層を覆っていて）もよく、あるいは代替として、介在層（例えば、緩衝層、遷移層、中間層、犠牲層、エッチング停止層、マスク、電極、相互接続部、接点、または同等物）も存在してもよいことが理解されるであろう。別の層の「直接上にある」層とは、他に指示がない限り、いずれの介在層も存在しないことを意味する。また、層が別の層の「上にある」（または別の層を「覆っている」）ものとして見なされるときに、その層は、他方の層の表面全体または他方の層の一部分のみを覆ってもよいことも理解されるであろう。さらに、「〜の上に形成される」または「〜の上に配置される」等の用語は、材料輸送、堆積、製造、表面処理、または物理的、化学的、あるいはイオン結合もしくは相互作用の特定の方法に関する制限を導入することを目的としないことが理解されるであろう。「間置される」という用語は、同様に解釈される。
【００１８】
本明細書で開示されるいくつかの実装によれば、ＡＰプラズマ源は、例えば、任意の種類の基板または構造からのポリマーコーティング、塗料、または同等物の除去を含む、材料除去動作のために構成される。ＡＰプラズマ源は、最小限の熱伝達とともに例外的に高いエッチング速度を呈して、下層の基板を加熱するように構成される。ＡＰプラズマ源は、関心のコーティング組成物を除去するために効果的な種類の１つ以上のエネルギー的化学反応種を含む、１つ以上のプラズマプルームまたはジェットを生成する。従来のＡＰプラズマと違って、本開示で教示されるプラズマプルームは、付加的に、周期的に増加（高い）および減少（低い）するプラズマ密度の領域を呈する。いずれか１つの特定の理論に束縛されることを希望することなく、この周期的プラズマ密度が観察される強化除去速度に寄与し、いくつかの実装では、プラズマプルームが、超音速衝撃波ダイヤモンド形またはマッハ円盤として観察されてもよい、衝撃波または衝撃波前面としてさらに特徴付けられてもよいことが仮定される。プラズマプルームを除去される材料に印加するようにＡＰプラズマ源が操作されると、プラズマプルームで生成される衝撃波（または他の種類の圧力波）が、材料上の緩く付着した蓄積を物理的に崩壊させる。プラズマプルームが材料の表面にわたってラスタされるにつれて（または同等に、材料がプラズマプルームに対して移動させられると）、生成された通りの衝撃波または圧力波が緩く付着した残留物と相互作用し、その結果として、残留物が表面から排出または噴出される。したがって、ＡＰプラズマ源は、一方がコーティングとのプラズマプルームの活性化プラズマ種の化学的（例えば、酸化）相互作用であり、他方がコーティングとのプラズマプルームの衝撃波または圧力波構造の物理的相互作用である、二重モダリティを介して、材料除去を達成する。ＡＰプラズマ源および関連方法は、無機構成要素または他の典型的には不応性の構成要素が、急速に粉砕または剥離されることを可能にし、それにより、プラズマの活性化種による処理のためにコーティングの新たな表面を連続的に曝露することによって、従来の技法の制限を克服する。
【００１９】
図１は、従来のＡＰプラズマ源を利用する実施例を図示する。具体的には、図１は、従来のプラズマプルーム１１４を典型的なコーティング構造１１８にコーティングする、従来のＡＰプラズマ源（図示せず）のノズル１１０を図示する。コーティング構造１１８は、概して、基板１２２と、基板１２２を損傷することなく基板１２２からきれいに除去されることが所望される材料のコーティングまたは層１２４とを含む。従来のプラズマプルーム１１４は、コーティング１２４の頂面１２６と相互作用して示されているが、コーティング１２４の全ての構成要素を除去するためには効果的ではない。従来のプラズマプルーム１１４は、いずれの衝撃波（または他の種類の有用な圧力波）も生成せず、したがって、従来のプラズマ処理に応答しない結合無機粒子または他の構成要素を崩壊させるのに効果的である、かなりの力を表面１２６に印加しない。
【００２０】
従来の技法は、図２、３、および４でさらに図示されている。図２は、ＡＰプラズマが印加されてもよい、コーティング構造１１８の一部分の横断立面図である。この実施例では、コーティング１２４は、基板１２２に接着される有機結合剤材料２３２ならびに無機顔料および／または充填剤粒子２３４のマトリクスを含む。図３は、従来のＡＰプラズマ１１４を最初に受けている間の図２に図示されたコーティング構造１１８の横断立面図である。従来のプラズマ１１４は、何らかの有機材料２３２、おそらくは、無機粒子２３４を包囲するが、プラズマ源に最も近いコーティング１２４の最上領域の中だけで、何らかの材料を効果的に除去することが可能である。図４は、非常に短い期間後に従来のプラズマ処理を受けている間の図２に図示されたコーティング構造１１８の横断立面図である。典型的には１秒未満（しばしば数ミリ秒のみ）の期間で、従来のプラズマ１１４は、無機粒子２３４の遮断効果により、有機結合剤２３２を除去しなくなる。プラズマ１１４およびプラズマ１１４に供給する低速気流は、緩く結合した無機粒子２３４を崩壊させるのに十分な物理的力を提供しない。矢印４３８によって描写されるように、プラズマ１１４および関連イオン化種は、最上表面から反射され、さらなる動作を行うことができない。
【００２１】
図５は、本明細書で開示される実装による、ＡＰプラズマ印加システム５００の実施例の略図である。システム５００は、概して、ＡＰプラズマ源５０４（またはデバイス、アプリケータ、装置、器具、ペン、ガン等）と、プラズマ生成ガス供給源５０８と、電源５１２とを含む。ＡＰプラズマ源５０４は、概して、手動使用（すなわち、手持ち式）または自動使用（例えば、示されていない多軸ロボットシステムに取り付けられる）のために構成されてもよい、本体５１８（または支持構造、筐体等）を含む。手動操作のために、本体５１８の一部分がハンドルとして利用されてもよい。ＡＰプラズマ源５０４はさらに、本明細書で開示される種々の実装によれば、そこからＡＰプラズマのプルームまたはジェット５１４が生成される、プラズマ出口をその遠位端に含む。図５に図示された実装では、プラズマ出口は、ノズル５１０の出口である。プラズマ生成ガス供給５０８は、好適なプラズマ生成ガスをＡＰプラズマ源５０４に供給するための任意の好適な導管および付属品によって、ＡＰプラズマ源５０４のガス入口５２２と流体連通している。一実施例では、プラズマ生成ガスは空気であり、その場合、プラズマ生成ガス供給源５０８は、低圧圧縮空気源であってもよい。電源５１２は、本明細書で説明される種類のＡＰプラズマを生成し、維持するために好適な動作パラメータに従って、電力を供給するための任意の好適な配線およびコネクタによって、ＡＰプラズマ源５０４と電気連通している。図５では、電源５１２は、この目的のために必要とされる電子機器およびユーザ制御機器を表す。当業者によって理解されるように、ユーザ制御機器は、例えば、電力レベル、駆動電圧振幅、駆動周波数、波形の形状等の、ＡＰプラズマ源に供給される電圧または電流信号の種々の動作パラメータの設定および調整を可能にするように、必要に応じて構成されてもよい。印加されたＤＣオフセットを伴う、または伴わない、ＡＣ（例えば、ＲＦ）、ＤＣ、パルスＤＣ、または任意の周期波形の電気信号が、特定の用途に対して適宜にＡＰプラズマを駆動するために利用されてもよい。簡単にするために、電気およびガス入力を受容し、そこからＡＰプラズマを生成するために利用される、ＡＰプラズマ源５０４の本体５１８の内部構成要素（例えば、電極、ガス導管等）は、図５で省略されているが、当業者によって容易に理解される。空気プラズマの場合、プラズマ生成ガス供給源５０８はまた、ＡＰプラズマの活性種源（例えば、酸素および窒素ベースの種）としての機能を果たしてもよい。代替として、１つ以上の反応ガス供給源５２６も、Ｏ２またはＮ２の供給を強化する等の目的で、あるいは、所与のコーティング種類に化学種を特異的に合わせるように他の種類の反応種（例えば、Ｈｅ、Ａｒ、他の希ガス、ハロゲン、ＮＨ３、ＣＯ２、種々の炭化水素等）を供給するために、ＡＰプラズマ源５０４と連通して配置されてもよい。代替として、ペニングイオン化等の過程によって、２次、３次、または４次種あるいは反応のイオン化を強化するために、希ガスまたは非希ガスのいずれか一方の特定の混合物が、組み合わせられてもよい。
【００２２】
ＡＰプラズマ源５０４によって生成されるプラズマは、コーティングをその下層の基板から除去させるために十分な方式でコーティングと化学的に相互作用するために好適である、１つ以上の反応種を含有する、低温または非熱的プラズマであってもよい。概して、反応種は、光子、準安定種、原子種、遊離基、分子断片、単量体、電子、およびイオンを含んでもよい。生成されることが所望される反応種は、概して、除去されるコーティングの種類に依存する。種々のポリマーコーティングおよび塗料の場合、極めて酸化性のプラズマが効果的であることが分かっており、その場合、主要な反応種は、Ｏ、Ｏ２＊（アスタリスクは二原子酸素の準安定形態を指定する）、および／またはＯ３を含んでもよい。種々の実装では、プラズマ生成ガス供給源５０８によって供給される空気は、種々の種類のポリマーコーティングまたは塗料を除去するための有効量の酸素ベースのエネルギー種を生成するために十分であってもよい。プラズマで形成され、材料除去に利用されてもよい、活性種の付加的な非限定的実施例は、フッ素、塩素、臭素、要素、窒素、または硫黄を含む。これらの種のうちの１つ以上は、例えば、特殊化学的性質またはプライマ処方がコーティング構造で採用されている場合に、プライマ層または接着層を選択的にエッチングする（またはそのエッチング選択性を強化する）ために利用されてもよい。例えば、酸素による優先的エッチングを呈するプライマの場合、プライマ層が最上コーティング層に対して優先的にエッチングされるように、酸素種を使用することができる。酸化剤も、窒素または天然空気混合物等の不活性ガスまたは比較的不活性のガスと混合されてもよい。また、水素またはアンモニア等の還元プラズマ種を使用することも可能である。また、界面層をエネルギー的に攻撃し、結合線における分離を推進するために、中性または不活性ガスを使用することも可能である。プラズマプルームの中の酸化種の種類は、コーティングのエッチング速度を最大限化するように、特定のコーティング化学的性質のために調整されてもよい。例えば、あるコーティング化学的性質は、酸素含有酸化剤に極めて耐性があってもよいが、フッ素化酸化剤によって容易にエッチングすることができる。
【００２３】
図５でさらに図示されるように、ＡＰプラズマ源５０４によって生成されるプラズマプルーム５１４は、一連の周期的または交互高プラズマ密度領域５３０および低プラズマ密度領域５３４として構成されてもよい。高プラズマ密度領域５３０は、プラズマプルーム５１４の一般的方向に、すなわち、除去される標的コーティングに向かって伝播する、衝撃波前面（または他の種類の圧力波）を含むものとして見なされてもよい。適切な動作条件下で、衝撃波前面は、衝撃波ダイヤモンド形またはマッハ円盤を視覚的に示してもよい。
【００２４】
ある圧力体制、幾何学的構成、および他の動作パラメータが、好適なプラズマおよび衝撃波生成および制御を生じる。一実装では、ノズル５１０は、そこから放散するガスの急速拡張を引き起こすように構成される。実施例として、ノズル５１０は、適切な寸法の収束または収束−発散構成を有してもよい。この場合、ＡＰプラズマ源５０４内で生成されるＡＰプラズマは、超音速で、かつノズル出口の外側の周囲圧力とは異なる（周囲圧力よりも小さい、または大きい）圧力で、ノズル出口から流出する。好適であってもよいノズルの別の実施例は、エアロスパイクノズル等の非軸対称ノズルである。別の実装では、プラズマを生成する電場に電源５１２によって印加される駆動周波数および／または電力レベルは、ＡＰプラズマ源５０４で生成される圧力波（例えば、圧縮波）を変調するよう制御される。そのような方式で生成される圧力波は、音響衝撃波または圧力波であるか、またはそれと同様であってもよい。同様に、これは、プラズマを変調するように時間変動磁場を生成することによって誘導的に達成されてもよい。別の実装では、ＡＰプラズマ源５０４の幾何学形状（例えば、ノズル５１０および／または上流プラズマ生成チャンバの体積および長さ対幅の比）は、プラズマの圧力波において、ある周波数モードを選択的にフィルタにかけるか、または強化するよう、選択または調整されてもよい。これは、衝撃波の干渉性をさらに強化するように、音響利得または共鳴を発生させることと類似してもよい。別の実装では、例えば、生成された通りのプラズマプルームに伝達される振動または発振を生じるように、種々の既知のセラミックまたはポリマー（例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸亜鉛、ポリフッ化ビニリデン等）の圧電材料が、電源５１２によって駆動されてもよい。別の実装では、高速ガス弁を急速に作動させることによって、必要な圧力波または衝撃波を作成するために、プラズマプルームへの供給ガス圧力が変調されてもよい。例えば、ＡＰプラズマデバイスの中へ供給されている圧力を変調するために、空気圧作動弁、電気作動弁、または圧電弁アクチュエータが使用されてもよい。
【００２５】
概して、ＡＰプラズマ源５０４と関連する動作パラメータは、所望に応じた圧力／衝撃波を伴って、安定したプラズマ放出を生じるよう選択される。動作パラメータは、例えば、微細加工構造またはデバイス（例えば、ＭＥＭＳデバイス）のナノスケールエッチングから、空母から塗料の広い面積を除去することに及んでもよい、特定の用途に依存する。動作パラメータの実施例には、本明細書の広範な教示が、そのような実施例によって限定されないという理解が提供される。空気プラズマを生成する場合、空気がＡＰプラズマ源５０４に供給される速度は、１×１０−６ＳＣＣＭから１×１０６ＳＣＣＭに及んでもよい。ＡＰプラズマ源５０４の中への供給圧力は、１Ｐａから１×１０７Ｐａに及んでもよい。プラズマを駆動する電場の電力レベルは、１×１０−６Ｗから１×１０６Ｗに及んでもよい。電場の駆動周波数は、ＤＣ（０ＧＨｚ）から１００ＧＨｚに及んでもよい。分離距離、すなわちノズル出口から除去される材料の露出表面までの距離は、１×１０−６ｍから１ｍに及んでもよい。走査速度、すなわち、ＡＰプラズマ源５０４が材料の表面を横断して（表面にわたって）ラスタされる速度は、１×１０−４ｍ／ｓから１０ｍ／ｓに及んでもよい。走査速度および電力には、時間平均電力密度が関係付けられる。また、走査速度には、滞留時間、すなわち、１×１０−９ｓから４３×１０３ｓ（１か月）に及んでもよい、材料の特定の領域がプラズマプルームに曝露されている間の期間も関係付けられる。走査速度（または滞留時間）は、第１の技法が材料に対してＡＰプラズマ源５０４を移動させること（すなわち、材料が固定位置にとどまる）であり、第２の技法がＡＰプラズマ源５０４に対してコーティング構造を移動させている間にＡＰプラズマ源５０４を静止して保つことである、プラズマプルーム５１４に材料を曝露するための２つの異なる技法を効果的に特徴付けることが留意されるであろう。前述のパラメータは、除去される材料の組成および厚さに依存してもよい。
【００２６】
図６は、図５に図示されたＡＰプラズマ源５０４を利用する実施例を図示する。具体的には、図６は、図１−４と合わせて上記で説明される、同じまたは同様のコーティング構造１１８に衝撃波包含プラズマプルーム５１４を印加する、ノズル５１０を示す。コーティング材料１２４の反応性構成要素は、ＡＰプラズマの活性種によって除去される。例えば、有機化合物が、ＣＯ２および／または水蒸気に変換されてもよい。加えて、ＡＰプラズマで生成される衝撃波５３０（または圧力波）は、コーティング構造１１８に向かって伝播し、コーティング１２４の最上面１２６に衝撃を与える。衝撃波５３０は、活性プラズマ種または入射ガス流圧力のみに依存することにより、衝撃波によって支援されていないプラズマが除去できない、無機粒子または任意の他の粒子を崩壊させる。次いで、緩い粒子が（プルーム５１４の一部として）ＡＰプラズマ源５０４から放散するガス（例えば、空気）流の中で払拭されてもよく、任意の好適な手段（例えば、真空デバイス）によって処分されてもよい。衝撃波支援プラズマプルーム５１４のバイモーダル活性、すなわち、プラズマの中の反応種および衝撃波５３０の組み合わせにより、ＡＰプラズマ源５０４は、基板１２２まで任意の厚さのコーティング構造１１８に急速に浸透するように、連続的に操作されてもよい。従来のプラズマと違って、本明細書で開示されるプラズマプルーム５１４は、コーティング１２４の非反応性または不応性構成要素の任意の蓄積によって損なわれず、したがって、その最適化された材料除去速度は、除去動作の全体を通して保たれてもよい。
【００２７】
本明細書で教示される技法は、図７および８でさらに図示されている。図７は、所与の時間の場合における衝撃波支援プラズマプルーム５１４を受けている間のコーティング構造１１８の横断立面図であり、図８は、以降の時間の場合におけるコーティング構造１１８の同様の図である。この実施例のコーティング構造１１８は、図２−４に図示されたものと同じまたは同様である。図８は、コーティング１２４の表面１２６上の衝撃波５３０の強い物理的衝突の結果としての粒子２３４の物理的崩壊を図示する。したがって、これらの衝撃波５３０と関連する圧力勾配は、極めて有意であってもよい。物理的崩壊は、ＡＰプラズマのエネルギー種によって後に自由に除去できる、コーティング１２４の新しい有機層を曝露するのに役立つ。図８に示されるように、最終的に結合剤２３２（図７）の全てが取り除かれ、逐次衝撃波５３０が基板１２２の表面まで全ての無機粒子２３４を解放する。
【００２８】
除去される材料１２４の下にある基板１２２は、任意の組成、例えば、金属、ポリマー、セラミック、複合組成等を有してもよい。また、概して、除去される材料１２４の種類または組成には制限が課されない。上述のように、材料１２４は、概して、構成要素のうちの少なくともいくつかがＡＰプラズマの活性種に応答する一方で、他の構成要素が応答しなくてもよく、したがって、本明細書で教示されるＡＰプラズマで生成される圧力波５３０によって、主に、または独占的に除去される、材料となる。そのような材料１２４は、例えば、種々の種類のポリマーコーティングおよび塗料を含む。概して、基板１２２または基板１２２から除去される材料１２４のいずれか一方の厚さには制限が課されない。また、基板１２２および除去される関連材料１２４は、単純な平面または曲線幾何学形状を有するように要求されない。代わりに、ＡＰプラズマ源５０４は、３次元地形、不規則な外形、および複雑な幾何学形状を処理するために効果的である。ＡＰプラズマ源５０４は、例えば、リベット等の構造的特徴の周囲で、または狭いチャネルの内側で、または隅あるいは亀裂の中等で、プラズマプルーム５１４を印加するために利用されてもよい。
【００２９】
また、本明細書で使用されるような「材料」、「コーティング」、「層」、「膜」、または同等物は、多層、単層、または複合材料を包含することも理解されるであろう。例えば、所与のポリマー材料は、保護上塗り、接着推進層、または同等物を含んでもよい。塗料は、プライマ層、トップコート等を含んでもよい。ＡＰプラズマ源５０４は、下層の基板までの多層材料の全てのそのような層または階層に効果的である。ＡＰプラズマ源５０４はまた、下位層を基板上での無傷のまま残して、多層材料の１つ以上の選択された層を正確に除去するために利用されてもよい。
【００３０】
図９は、プラズマプルームで衝撃波を生成するように構成されてもよい、ＡＰプラズマ源９０４の実施例の縦断面図である。ＡＰプラズマ源９０４は、プラズマを生成するための接地電極として、かつガスおよびプラズマを流出させるための導管としての機能を果たす、軸方向に細長いプラズマ生成チャンバ９４２または他の構造を含む。プラズマ生成チャンバ９４２は、電気的または熱的絶縁筐体（図示せず）に封入されてもよい。「高温」または電動電極９４６が、プラズマ生成チャンバ９４２の中に位置する。高温電極９４６への電気接続が、プラズマ生成チャンバ９４２の近位端に、またはプラズマ生成チャンバ９４２の中に位置する、誘電構造９５０を通して行われてもよい。１つ以上のガス入口９５８が、プラズマ生成チャンバ９４２と流体連通している誘電構造９５０を通して形成されてもよい。ガス入口９５８は、ガス供給源５０８（図５）と流体連通して配置されてもよい。したがって、ガス入口９５８は、高温電極９４６に近接するプラズマ生成チャンバ９４２内の領域９６２に供給されるプラズマ生成ガス用の流路を提供する。動作中、プラズマは、この領域９６２の中で生成され、後に、プラズマ生成チャンバ９４２の遠位端に位置付けられるノズル９１０に向かったガス流とともに流出する。
【００３１】
別の実装によれば、電力供給からの電気出力を可能にして圧電効果を誘発するよう、好適なセラミックまたはポリマー等の圧電材料が、ＡＰプラズマ源の中に位置付けられる。例えば、図９に示された構造９５０は、圧電要素としての機能を果たしてもよい。この場合、高温電極９４６とプラズマ生成チャンバ９４２との間にとどめられる電場は、振動するように構造を駆動する。振動は、上記で説明されるようなコーティング構造に衝撃を与えるために利用される、プラズマプルームの中のプラズマおよび降伏圧力波に伝達される。圧電材料は、圧電効果を最適化するために可能な限り密接に駆動周波数と調和するよう選択されてもよい。理想的には、利用される駆動周波数は、構造９５０において共鳴条件（または圧電効果を推進する他の条件）を作成するが、種々の共鳴外周波数が、本明細書で検討されるコーティング除去用途に効果的な圧力波を生成するために十分であってもよいことが理解されるであろう。
【００３２】
図１０は、軸方向に細長いプラズマ生成チャンバ１０４２を通るガス流と垂直な横断面でのＡＰプラズマ源１００４の別の実施例の断面図である。この実施例では、ガス入口１０５８は、プラズマ生成チャンバ１０４２の中心縦軸に対して鋭角（例えば、４５度）で配向される。この構成によって、ガスは、有意な接線ベクトルでＡＰプラズマ源１００４に導入され、その結果として、渦流パターンまたは経路で軸方向に流出する。接線ガス入口１０５８は、本明細書で開示される実装のうちのいずれかで利用されてもよい。
【００３３】
図１１は、本明細書で開示される実装のうちのいずれかで利用されてもよい、ノズル１１１０の実施例の断面図である。この実施例では、ノズル１１１０は、収束−発散設計を有する。具体的には、ノズル１１１０は、第２の縮小直径セクションまたは喉状部１１７０まで先細になる内径を有する、第１の収束セクション１１６６を含む。喉状部１１７０は、より大きい直径のノズル出口１１７８まで増大する内径を有する、第３の発散セクション１１７４へ移行する。ノズル１１１０は、上記で説明されるような圧力波または衝撃波を生成するための手段として適切に寸法決定されてもよい。代替として、ノズル１１１０は、収束設計のみを有し、すなわち、発散セクション１１７４が欠けている。収束ノズルならびに収束−発散ノズルは、適切な動作条件下で圧力波を生成するために効果的であることが本発明者らによって見出されている。
【００３４】
別の実装では、収束ノズル（すなわち、発散セクションが後に続くことがない、真っ直ぐな円錐断面の流動域）とともに、図５および９に示されたものと同様の構成を有するＡＰプラズマ源が、製造され、評価されている。ＡＰプラズマ源は、プラズマプルームにおける衝撃波ダイヤモンド形の明確に可視的なパターンによって明示されるように、衝撃波によって特徴付けられるプラズマプルームを、反復可能かつ確実に生成し、衝撃波によって支援されていない従来のＡＰプラズマ源と比較して、コーティングされたサンプル上で優れたエッチング速度を達成した。ＡＰプラズマ源は、供給ガスとしてほぼ室温の空気を使用して、空気プラズマを生成した。空気は、３０〜１１０ｐｓｉに及ぶ圧力で、かつ１〜７．５ＣＦＭに及ぶ流速で、この種類のＡＰプラズマ源に供給されてもよい。別の実施例では、圧力範囲は６５〜９５ｐｓｉである。別の実施例では、流速範囲は１〜４ＣＦＭである。衝撃波を生成するように、１１０ｐｓｉよりも高い圧力も実装されてもよい。より一般的な実施例では、圧力は３０ｐｓｉ以上であってもよく、流速は１ＣＦＭ以上であってもよい。
【００３５】
図１２は、種々の空気圧および流速でのＡＰプラズマ源からの出力流動の一式の陰影像（シュリーレン像）である。左上の画像から始まって右下の画像で終わる順番で、条件は、９８ｐｓｉおよび７．５ＣＦＭ、９０ｐｓｉおよび７．４ＣＦＭ、８０ｐｓｉおよび６．５ＣＦＭ、７０ｐｓｉおよび５．７ＣＦＭ、６０ｐｓｉおよび５．０ＣＦＭ、５０ｐｓｉおよび４．３ＣＦＭ、４０ｐｓｉおよび３．５ＣＦＭ、３０ｐｓｉおよび２．８ＣＦＭ、２０ｐｓｉおよび２．２ＣＦＭ、ならびに０ｐｓｉおよび０ＣＦＭであった。これらの実施形態では、衝撃波は、より低い圧力および流速と比較して、より高い圧力および流速で、より可視的または顕著であることが分かる。
【００３６】
図１３は、別の実装によるＡＰプラズマ源１３０４の別の実施例の側面図である。図１４は、図１３に図示されたＡＰプラズマ源１３０４の前方部分の正面斜視図である。ＡＰプラズマ源１３０４は、１つ以上のノズル（またはマニホールド）１３１０と連通する１つ以上のプラズマ生成ユニット１３４６を本体１３１８に含む。ノズルまたはマニホールド１３１０は、本体１３１８の中に後退させられ、本体１３１８の遠位端１３２６で開くスロット形状のプラズマ出口１３２２と連通する。この構成によって、ＡＰプラズマ源１３０４は、広い主に線形または水平配向の衝撃波または圧力波１３３０を伴って、広い主に線形または水平配向のプラズマプルームまたは「プラズマ線」１３１４を生成する。
【００３７】
ＡＰプラズマ源の実装の前述の説明は、主に材料除去技法に焦点を当てているが、ＡＰプラズマ源の種々の実装が、例えば、表面処理または機能化に利用されてもよいことが理解されるであろう。
【００３８】
ＡＰプラズマ源の別の潜在的な用途は、歯科にある。プラズマプルームの正しいエッチング化学性質を用いて、歯の空洞または表面内でハイドロキシアパタイトのマイクロエッチングを行うために、衝撃波が利用されてもよい。２次効果は、空洞または穴の滅菌となる。これはおそらく、硬いドリルを採用することに取って代わることができる。
【００３９】
一般に、「連通する」および「〜と・・・連通している」（例えば、第１の構成要素が第２の構成要素と「連通する」または「連通している」）等の用語は、２つ以上の構成要素または要素の間の構造、機能、機械、電気、信号、光学、磁気、電磁気、イオン、または流体関係を示すために本明細書で使用される。そのようなものとして、１つの構成要素が第２の構成要素と連通するといわれている事実は、付加的な構成要素が、第１および第２の構成要素の間に存在してもよい、および／または第１および第２の構成要素と動作可能に関連付けられ、あるいは係合されてもよいという可能性を排除することを目的としない。
【００４０】
本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の種々の側面および詳細が変更されてもよいことが理解されるであろう。さらに、前述の説明は、制限の目的ではなく例証の目的のためにすぎず、本発明は請求項によって定義されている。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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