JP7200337B2

JP7200337B2 - 大気圧プラズマ発生装置

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Publication number: JP7200337B2
Application number: JP2021189240A
Authority: JP
Inventors: 高広神藤
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Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2038-08-02
Also published as: JP2022016559A

Description

本発明は、大気圧プラズマガス発生装置に関するものである。

従来、プラズマ処理において、温度条件は処理品質に影響するため、温度制御が行われている。例えば、特許文献１に記載のプラズマ処理装置では、真空容器内でプラズマ処理によりエッチングされるウエハが載置される試料台の内部に温度センサおよびヒータが配置され、所定の温度となるように制御されている。

特開２０１６－２１３３５９号公報

ところで、大気圧プラズマ装置においては、酸素および窒素がある環境下で高温のプラズマガスが発生された場合に、ＮＯｘが発生することが判明した。ＮＯｘは環境等に有害であり、法規制の対象となっているため、発生を抑制することが必要である。

本明細書において参考的に開示する参考発明は、上記の課題に鑑み提案されたものであって、ＮＯｘの発生を抑制することができる大気圧プラズマガス発生装置を提供することを目的とする。

本明細書は、放電によりプラズマを発生させる１対の電極と、１対の電極を内蔵し、処理ガスが流入する流入口および１対の電極により処理ガスがプラズマ化されたプラズマガスが流出する流出口を有する反応室と、オゾンの発生量が所定の下限値より大きくなるように流出口から流出されるプラズマガスの温度を冷却ガスによって制御する制御装置と、を備える大気圧プラズマ発生装置を開示する。

本明細書において参考的に開示する参考発明によれば、ＮＯｘの発生を抑制することができる大気圧プラズマガス発生装置を提供することができる。

産業用ロボットに取り付けられた大気圧プラズマ発生装置の概略構成を示す図である。大気圧プラズマ発生装置を示す斜視図である。プラズマガス噴出装置および加熱ガス供給装置を示す断面図である。大気圧プラズマ発生装置の制御系統を示すブロック図である。発生源温度対ＮＯｘ濃度およびオゾン濃度を示すグラフである。

図１に示す様に、大気圧プラズマ発生装置１０は、プラズマヘッド１１、本体部１７、電力ケーブル４０、およびガス配管８０などを備える。本体部１７は、処理ガス供給装置７７および冷却ガス供給装置１０２を備える。大気圧プラズマ発生装置１０は、本体部１７から電力ケーブル４０を介してプラズマヘッド１１に電力を伝送し、ガス配管８０を介して処理ガスを供給し、プラズマヘッド１１からプラズマガスを照射させる。尚、処理ガスは、酸素等の活性ガスと窒素等の不活性ガスとを任意の割合で混合させたガスであり、プラズマガスは酸素プラズマガスである。プラズマヘッド１１は、産業用ロボット１４０のロボットアーム１４１の先端に取り付けられている。電力ケーブル４０およびガス配管８０はロボットアーム１４１に沿って取り付けられている。ロボットアーム１４１は、２つのアーム部１４５，１４５を１方向に連結させた多関節ロボットである。産業用ロボット１４０は、ロボットアーム１４１を駆動して、ワーク台５が支持するワークＷにプラズマガスを照射する作業を行う。

図２に示す様に、プラズマヘッド１１は、プラズマガス噴出装置１２および加熱ガス供給装置１４を有する。以下の説明において、プラズマヘッド１１の幅方向をＸ方向と、大気圧プラズマ発生装置１０の奥行方向をＹ方向と、Ｘ方向とＹ方向とに直行する方向、つまり、上下方向をＺ方向と称する。

プラズマガス噴出装置１２は、上部ハウジング１９、下部ハウジング２０、下部カバー２２、１対の電極２４，２６（図３）、１対のヒートシンク２７，２８によって構成されている。上部ハウジング１９と下部ハウジング２０とは、上部ハウジング１９を下部ハウジング２０の上に配設させた状態で、ゴム製のシール部材２９を介して連結されている。そして、連結された状態の上部ハウジング１９と下部ハウジング２０とが、Ｘ方向における両側面において、１対のヒートシンク２７，２８によって挟まれている。

後述するように、下部ハウジング２０内部に形成された反応室３８によりプラズマガスが生成され、生成されたプラズマガスは下部カバー２２の下面から下方に噴射される。ヒートシンク２７，２８は、上部ハウジング１９および下部ハウジング２０などを冷却する機能を有する。ヒートシンク２７，２８の内部には、供給口９６から排気口９８へ至る流路が形成されている。供給口９６には、供給パイプ１００を介して、冷却ガス供給装置１０２（図７参照）から、室温程度の空気である冷却ガスが供給される。冷却ガスは、熱交換により暖められ、排気口９８から排気される。

加熱ガス供給装置１４は、ガス管１１０と、ヒータ１１２と、連結ブロック１１４とを有している。ガス管１１０は、ヒートシンク２７，２８の内部に形成された冷却ガスが流れる流路と連結されている。詳しくは、ガス管１１０は、上端部において、排出パイプ１１６を介して、１対のヒートシンク２７，２８の排気口９８に接続されている。排出パイプ１１６は、一端部において二股に分岐しており、それら二股に分岐した端部が１対のヒートシンク２７，２８の排気口９８に連結されている。一方、排出パイプ１１６の他端部は分岐しておらず、ガス管１１０の上端に接続されている。これにより、１対のヒートシンク２７，２８から排出されたガスが、ガス管１１０に供給される。なお、ガス管１１０の外周面には、概して円筒状のヒータ１１２が配設されており、ガス管１１０がヒータ１１２によって加熱される。これにより、ヒートシンク２７，２８からガス管１１０に供給されたガスが加熱される。

次に、図３を用いて、プラズマガス噴出装置１２の内部構造について説明する。下部ハウジング２０は、メインハウジング３０、放熱板３１、アース板３２、連結ブロック３４、ノズルブロック３６を含む。メインハウジング３０は、概してブロック状をなし、メインハウジング３０の内部には、反応室３８が形成されている。反応室３８は、処理ガスが流入する流入口（不図示）およびプラズマガスが流出する流出口３９を有する。

アース板３２は、避雷針として機能するものであり、メインハウジング３０の下面に固定されている。アース板３２の下面に連結ブロック３４が固定されており、連結ブロック３４の下面にノズルブロック３６が固定されている。放熱板３１は、メインハウジング３０の側面に配設されている。放熱板３１は、複数のフィン（不図示）を有しており、メインハウジング３０の熱を放熱する。
メインハウジング３０、アース板３２、連結ブロック３４、およびノズルブロック３６において、ガス流路５０が形成されている。ガス流路５０は、一端は反応室３８の流出口３９と連通しており、他端はノズルブロック３６の下面に開口している。ガス流路５０のノズルブロック３６における開口が流出口５１である。

連結ブロック１１４は、ガス管１１０の下端に連結されるとともに、下部カバー２２のＹ方向での加熱ガス供給装置１４側の側面に固定されている。連結ブロック１１４には、連通路１２０が形成されており、連通路１２０の一端部は、連結ブロック１１４の上面に開口するとともに、連通路１２０の他端部は、Ｙ方向でのプラズマガス噴出装置１２側の側面に開口している。そして、連通路１２０の一端部がガス管１１０の下端に連通し、連通路１２０の他端部が、下部カバー２２の貫通穴７２に連通している。これにより、ガス管１１０において加熱されたガスが、下部カバー２２に供給される。

大気圧プラズマ発生装置１０の制御系統は、図４に示すように、制御装置１６と、処理ガス供給装置７７、および冷却ガス供給装置１０２が通信可能に接続されており、制御装置１６により、各部が制御されている。制御装置１６は、コンピュータを主体とするコントローラ１３０、駆動回路１３２～１３４を有する。尚、駆動回路１３２は、電極２４，２６へ供給する電力を制御する回路である。駆動回路１３３は、処理ガス供給装置７７および冷却ガス供給装置１０２が供給する各ガスの流量を制御する回路である。駆動回路１３４は、ヒータ１１２へ供給する電力を制御する回路である。また、ＮＯｘセンサ１５１および温度センサ１５２が流出口５１付近に配設されている。ＮＯｘセンサ１５１により検出されるＮＯｘ濃度を示す信号がコントローラ１３０へ出力される。温度センサ１５２により検出される温度を示す信号がコントローラ１３０へ出力される。

大気圧プラズマ発生装置１０において、プラズマガス噴出装置１２では、上述した構成により、反応室３８の内部で処理ガスがプラズマ化され、ノズルブロック３６の下端からプラズマガスが噴出される。詳しくは、反応室３８の内部に、処理ガス供給装置７７によって処理ガスが供給される。この際、反応室３８では、反応室３８に内蔵される１対の電極２４，２６に電圧が印加されており、１対の電極２４，２６間に電流が流れる。これにより、１対の電極２４，２６間に放電が生じ、その放電により、処理ガスがプラズマ化され、プラズマガスが噴出される。以下の説明において、プラズマガスが噴出されることを、プラズマ照射と記載する場合がある。ヒートシンク２７，２８を備えない場合には、プラズマ化の際、電極２４，２６への電圧の印加により反応室３８の温度は上昇する。しかし、大気圧プラズマ発生装置１０においては、冷却ガス供給装置１０２により冷却ガスがヒートシンク２７，２８の流路に供給され、熱交換により反応室３８が冷却される。尚、ヒートシンク２７，２８の流路を流れ、熱交換により暖められた冷却ガスは、ガス管１１０に供給され、ヒータ１１２により加熱される。加熱された冷却ガスは、下部カバー２２の内部に供給され、下部カバー２２の貫通穴７０から、プラズマガスに対して噴出される。また、貫通穴７０はノズルブロック３６の近傍にあり、ノズルブロック３６の下端から噴出されるプラズマガスの流路に配設されている。そして、下部カバー２２の貫通穴７０から、プラズマガスが、加熱された冷却ガスとともに噴出される。プラズマガスは、噴射される加熱された冷却ガスにより加熱される。ヒータ１１２は制御装置１６により制御されているため、プラズマガスの温度も制御されている。

さて、本実施形態では、大気圧プラズマ発生装置１０にて酸素プラズマが発生される。酸素プラズマは、酸素と結合しオゾンを発生させることが知られている。今回、発明者らは、大気圧プラズマ発生装置１０において、ＮＯｘの発生濃度について測定した。図５は、発生源温度に対するオゾン（実線）およびＮＯｘ（破線）の濃度を示すグラフである。ここで、発生源温度とは、例えば流出口５１付近の温度である。尚、ＮＯｘの発生機構は、例えば酸素ラジカルと窒素との反応、あるいは、高温の状況下における酸素と窒素との反応などが考えられる。図５に示されるように、温度１００～７００℃において、オゾンの発生量は低温であるほど多くなり、温度１００～１３００℃において、ＮＯｘの発生量は高温であるほど多くなることがわかった。尚、７００℃以上において、オゾン濃度が一点鎖線に示される濃度、つまりほぼゼロとはならず、実線に示される濃度となるのは、ＮＯｘが酸素と反応してオゾンが生成されるためだと考えられる。そのため、ＮＯｘ濃度の増加に伴って、オゾン濃度も増加していると考えられる。オゾンは自然に酸素に戻るものの、ＮＯｘは自然分解されないため、ＮＯｘが発生する場合には、除去装置を取り付けるなどする必要がある。今回、発明者らは、ＮＯｘ濃度の温度依存性に注目し、大気圧プラズマ発生装置１０における制御に次の工夫を行った。

プラズマ照射の際、制御装置１６は、ＮＯｘの発生量が閾値以下となるようにプラズマガスの温度を制御する。詳しくは、制御装置１６は、ＮＯｘセンサ１５１により出力される信号に基づいて、ＮＯｘ濃度が閾値以下となるように、ヒータ１１２を制御する。尚、閾値は、例えば法による規制値などに基づく値とすると良い。
ところで、本実施形態では、冷却ガス供給装置１０２により反応室３８は冷却され、反応室３８の温度は３００～４００℃程度となる。プラズマガスは、温度が高い程、例えばプラズマ照射される対象物に親水性を付与するなどのプラズマ照射の効果は向上する。そのため、本実施形態では、ヒータ１１２により加熱された冷却ガスによってプラズマガスを加熱する構成となっている。図５に示されるように、温度が約６００℃以上となると、ＮＯｘ濃度がゼロよりも大きくなる。そこで、閾値を例えば０［ｐｐｍ］より僅かに超える値に設定し、ＮＯｘセンサ１５１の出力信号に基づき、ＮＯｘ濃度が閾値よりも大きくならないように、ヒータ１１２を制御する構成とする。

より具体的には、コントローラ１３０に、予め閾値を記憶させておく。そして、プラズマ照射の際には、制御装置１６は、ＮＯｘセンサ１５１の出力信号が示すＮＯｘ濃度が閾値以上となると、ヒータ１１２による加熱を停止させる制御を行う。さらに、制御装置１６は、温度センサ１５２により出力される信号に基づいて、温度が目標温度となるように、ヒータ１１２を制御する。例えば、プラズマ照射される対象物が樹脂の場合、樹脂の融点温度よりも高温のプラズマガスが照射されると、対象物を損傷させてしまう。そこで、コントローラ１３０に予め記憶された目標温度なるように、制御装置１６にヒータ１１２による加熱のＯＮ・ＯＦＦを制御させる。これにより、ＮＯｘの生成量を閾値以下としつつ、プラズマガスの温度を目標温度とすることができる。

上記実施形態にて、電極２４，２６は１対の電極の一例である。ヒータ１１２は加熱器の一例であり、ヒートシンク２７，２８は、冷却器の一例である。流出口５１付近は、プラズマガスの流路の一例である。冷却ガスは冷却加熱ガスの一例であり、連結ブロック１１４および下部カバー２２は連結部の一例であり、貫通穴７０は噴出口の一例である。加熱ガス供給装置１４および下部カバー２２は、加熱装置の一例である。

以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
制御装置１６は、ＮＯｘセンサ１５１により出力される信号に基づいて、ＮＯｘ濃度が閾値以下となるように、ヒータ１１２を制御する。これにより、ＮＯｘの生成量を閾値以下に制限することができる。また、制御装置１６は、温度センサ１５２により出力される信号に基づいて、温度が目標温度となるように制御する。これにより、プラズマガスの温度をプラズマ照射する対象物に応じた温度をすることができる。また、加熱ガス供給装置１４は、ガス管１１０を流れる冷却ガスをヒータ１１２により加熱する。加熱された冷却ガスが噴出されることでプラズマガスが加熱される。これにより、ヒータ１１２を制御することにより、プラズマガスの温度を制御することができる。

（別例１）
次に、大気圧プラズマ発生装置１０が温度センサ１５２を備えず、ＮＯｘセンサ１５１を備える別例１について説明する。
この構成の場合には、制御装置１６は、ＮＯｘセンサ１５１により出力される信号に基づいて、ＮＯｘ濃度が閾値以下となるように、ヒータ１１２を制御する。これにより、ＮＯｘの生成量を閾値以下に制限することができる。

（別例２）
次に、大気圧プラズマ発生装置１０がＮＯｘセンサ１５１を備えず、温度センサ１５２およびオゾンセンサ（不図示）を備える別例２について説明する。
この構成の場合には、制御装置１６は、オゾンセンサにより出力される信号に基づいて、オゾン濃度が所定値以上となるように、ヒータ１１２を制御する。図５に示されるように、オゾンの濃度は～８００℃程度の温度範囲では、温度が上昇するほどオゾンの発生量が減少する。一方、ＮＯｘの濃度は温度が高いほど高くなり、約６００℃を超えると、ゼロよりも大きくなる。従って、オゾンの濃度およびＮＯｘの濃度は何れも温度に依存することから、オゾンの濃度に基づき、ＮＯｘの濃度を推定することが可能である。
具体的には、オゾン濃度とＮＯｘ濃度との相関データを測定し、ＮＯｘ濃度が閾値値以下となるオゾン濃度の下限値を決定する。そして、コントローラ１３０に決定されたオゾン濃度の下限値を記憶させる。そして、プラズマ照射の際には、制御装置１６は、オゾンセンサの出力信号が示すオゾン濃度が下限値より小さくとなると、ヒータ１１２による加熱を停止させる制御を行う。さらに、制御装置１６は、温度センサ１５２により出力される信号に基づいて、温度が目標温度となるように、ヒータ１１２を制御する。これにより、ＮＯｘの濃度を閾値以下としつつ、プラズマガスの温度をプラズマ照射する対象物に応じた温度とすることができる。

（別例３）
次に、大気圧プラズマ発生装置１０がＮＯｘセンサ１５１および温度センサ１５２を備えず、オゾンセンサ（不図示）を備える別例３について説明する。
この構成の場合には、（別例２）と同様に、オゾン濃度とＮＯｘ濃度との相関データを測定し、ＮＯｘ濃度が規制値以下となるオゾン濃度の下限値を決定する。そして、コントローラ１３０に決定されたオゾン濃度の下限値を記憶させる。そして、プラズマ照射の際には、制御装置１６は、オゾンセンサの出力信号が示すオゾン濃度が下限値より小さくとなると、ヒータ１１２による加熱を停止させる制御を行う。これにより、ＮＯｘの濃度を閾値以下とすることができる。

（別例４）
次に、大気圧プラズマ発生装置１０が温度センサ１５２を備えず、ＮＯｘセンサ１５１およびオゾンセンサ（不図示）を備える別例４について説明する。
この構成の場合には、（別例２）と同様に、オゾン濃度とＮＯｘ濃度との相関データを測定し、ＮＯｘ濃度が閾値以下となるオゾン濃度の下限値を決定する。そして、コントローラ１３０に決定されたオゾン濃度の下限値を記憶させる。プラズマ照射の際には、制御装置１６は、ＮＯｘセンサ１５１の出力信号が示すＮＯｘ濃度が閾値以上となると、ヒータ１１２による加熱を停止させ、かつオゾンセンサの出力信号が示すオゾン濃度が下限値より小さくとなると、ヒータ１１２による加熱を停止させる制御を行う。これにより、ＮＯｘの発生量を確実に閾値以下とすることができる。

（別例５）
次に、大気圧プラズマ発生装置１０がＮＯｘセンサ１５１、温度センサ１５２、およびオゾンセンサ（不図示）を備える別例５について説明する。
この構成の場合には、（別例４）と同様に、プラズマ照射の際には、制御装置１６は、ＮＯｘセンサ１５１の出力信号が示すＮＯｘ濃度が閾値以上となると、ヒータ１１２による加熱を停止させ、かつオゾンセンサの出力信号が示すオゾン濃度が下限値より小さくとなると、ヒータ１１２による加熱を停止させる制御を行う。また、コントローラ１３０に予め記憶された目標温度なるように、制御装置１６にヒータ１１２による加熱のＯＮ・ＯＦＦを制御させる。これにより、ＮＯｘの発生量を確実に閾値以下としつつ、プラズマガスの温度を目標温度とすることができる。

（別例６）
次に、大気圧プラズマ発生装置１０がＮＯｘセンサ１５１を備えず、温度センサ１５２を備える別例６について説明する。
この構成の場合には、ＮＯｘ濃度と温度との相関データを測定し、ＮＯｘ濃度が閾値以下となる温度の上限値を決定する。そして、コントローラ１３０に決定された温度の上限値を記憶させる。プラズマ照射においては、制御装置１６は、温度センサ１５２の出力信号が示す温度が上限値より大きくなると、ヒータ１１２による加熱を停止させる。これにより、ＮＯｘの発生量を閾値以下とすることができる。

（別例７）
次に、大気圧プラズマ発生装置１０がヒータ１１２を備えず、冷却装置（不図示）を備える別例７について説明する。
上記実施形態では、冷却ガス供給装置１０２により反応室３８は冷却され、ヒータ１１２により加熱された冷却ガスによってプラズマガスを加熱する構成となっていた。電極２４，２６への電圧の印加により反応室３８の温度は上昇するため、反応室３８が冷却されない場合には、プラズマガスの温度は、例えば１０００℃程度になる。（別例７）では、ヒータ１１２を備えずに、冷却装置によって、反応室３８における温度上昇分を加味して、プラズマガスの温度が設定温度となるように、反応室３８を冷却する構成とする。
冷却装置としては、例えば、駆動回路１３３に、温度センサ１５２の出力信号に基づいて、冷却ガス供給装置１０２が供給する冷却ガスの流量を調整するフィードバック制御回路を追加した構成が考えられる。つまり、温度センサ１５２が示す温度が設定温度よりも高ければ、冷却ガスの流量を増やし、設定温度よりも低ければ、冷却ガスの流量を減らすことで、設定温度となるように制御する構成である。

この構成の場合には、制御装置１６は、ＮＯｘセンサ１５１により出力される信号に基づいて、ＮＯｘ濃度が閾値以下となるように、冷却装置を制御する。これにより、ＮＯｘの生成量を閾値以下に制限することができる。また、制御装置１６は、温度センサ１５２により出力される信号に基づいて、温度が目標温度となるように冷却装置を制御する。これにより、プラズマガスの温度をプラズマ照射する対象物に応じた温度をすることができる。
尚、（別例１）～（別例６）の構成と（別例７）の構成とを任意に組み合わせる構成としても良い。つまり、（別例１）～（別例６）の構成において、各センサの出力信号に基づき、冷却装置を制御する構成としても良い。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記では、冷却器として内部に冷却ガスの流路が形成されたヒートシンク２７，２８を示したが、これに限定されない。例えば、内部に冷却ガスの流路を有さない複数のフィンを有するヒートシンクとしても良い。また、上記では、反応室３８を冷却するヒートシンク２７，２８を説明したが、例えばボルテックスチューブなどにより、処理ガスを冷却する構成、あるいは、処理ガスおよび反応室３８の両者を冷却する構成としても良い。また、（別例７）についても同様に、冷却装置が反応室３８を冷却する構成の他に、処理ガスを冷却する構成、処理ガスと反応室３８の両者を冷却する構成としても良い。

また、上記では、ＮＯｘセンサ１５１および温度センサ１５２は、流出口５１付近に配設されていると説明したが、これに限定されない。例えば、反応室３８、ガス流路５０に配設される構成としても良い。

また、（別例７）では、ヒータ１１２を備えない構成を説明したが、ヒータ１１２および冷却装置の両者を備え、ヒータ１１２および冷却装置を設定温度となるように制御装置１６が制御する構成としても良い。

また、上記では、大気圧プラズマ発生装置１０が、ＮＯｘセンサ１５１および温度センサ１５２を備えると説明したが、これらセンサを備えず、オープンループ制御する構成としても良い。具体的には、予め、ＮＯｘの生成量が閾値以下となるヒータ１１２の制御条件を実験などにより求める。そして、プラズマ照射においては、この制御条件に従って、制御を行う。

また、上記では、加熱装置の一例として、ヒータ１１２により加熱された冷却ガスをプラズマガスに対して噴出することで、プラズマガスを加熱する構成と示したが、これに限定されない。例えば、プラズマガスをヒータなどで直接加熱する構成としても良い。

また、上記では、下部ハウジング２０は、アース板３２を有すると説明したが、これに限定されず、アース板３２を有しない構成としても良い。

１０大気圧プラズマ発生装置
１４加熱ガス供給装置
１６制御装置
２２下部カバー
２４，２６電極
２７，２８ヒートシンク
３８反応室
１１０ガス管
１１２ヒータ
１１４連結ブロック

Claims

放電によりプラズマを発生させる１対の電極と、
前記１対の電極を内蔵し、処理ガスが流入する流入口および前記１対の電極により前記処理ガスがプラズマ化されたプラズマガスが流出する流出口を有する反応室と、
オゾンの発生量が所定の下限値より大きくなるように前記流出口から流出される前記プラズマガスの温度を冷却ガスによって制御する制御装置と、を備える大気圧プラズマ発生装置。