特許 7461961 プラズマ発生装置、およびプラズマ処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-27

(45)【発行日】2024-04-04

(54)【発明の名称】プラズマ発生装置、およびプラズマ処理方法

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/26 20060101AFI20240328BHJP

【ＦＩ】

H05H1/26

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021548108

(86)(22)【出願日】2019-09-27

(86)【国際出願番号】 JP2019038099

(87)【国際公開番号】W WO2021059469

(87)【国際公開日】2021-04-01

【審査請求日】2021-10-15

【審判番号】

【審判請求日】2023-03-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000237271

【氏名又は名称】株式会社ＦＵＪＩ

(74)【代理人】

【識別番号】110000992

【氏名又は名称】弁理士法人ネクスト

(72)【発明者】

【氏名】池戸 俊之

(72)【発明者】

【氏名】岩田 卓也

(72)【発明者】

【氏名】白木 聡一

【合議体】

【審判長】山村 浩

【審判官】秋田 将行

【審判官】安藤 達哉

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－１７４９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１８０８３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】実開昭５６－１２６９８１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭５７－１６５３７０（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

H05H 1/26

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

処理ガスをプラズマ化させるための反応室が形成された装置本体と、
前記反応室内にその先端部を突出させた状態で固定される一対の電極と、
前記一対の電極間で放電を生じさせることによってプラズマ化されたプラズマガスを噴出するための第１噴出口が形成され、前記装置本体の下面に設けられたノズルと、
前記ノズルを覆うように前記装置本体に設けられ、前記第１噴出口から噴出されたプラズマガスを外部に噴出するための第２噴出口が形成されたノズルカバーと
を備え、
前記ノズルカバーが、
前記装置本体の下面に設けられるセラミック製のカバー本体と、
前記第２噴出口が形成され、前記カバー本体に設けられる金属製のカバー部と
により構成され、
前記ノズルと前記カバー本体とはボルトで前記装置本体の下面に固定されるプラズマ発生装置。

【請求項2】

前記カバー部が、
前記カバー本体から離れる方向に延び出す形状とされた請求項１に記載のプラズマ発生装置。

【請求項3】

前記ノズルが、
前記装置本体に固定されるノズル本体と、
前記第１噴出口が形成され、前記ノズル本体に固定されるノズル先端と
により構成されており、
前記ノズル先端が、
前記ノズル本体から離れる方向に延び出す形状とされており、前記カバー部の内部に挿入された請求項１または請求項２に記載のプラズマ発生装置。

【請求項4】

前記ノズルのノズル先端の下端と、前記ノズルカバーのカバー先端の下端とは、同じ高さに位置する請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。

【請求項5】

装置本体の内部に形成された反応室内にその先端部を突出させた状態で固定される一対の電極間で放電を生じさせることによって、前記装置本体の下面に設けられたノズルの第１噴出口からプラズマガスを被処理体に向って噴出するプラズマガス噴出工程と、
前記装置本体の下面に設けられるセラミック製のカバー本体と、前記第２噴出口が形成されて前記カバー本体に設けられる金属製のカバー部とにより構成されるノズルカバーの前記第２噴出口からシールドガスを、前記第１噴出口から噴出されたプラズマガスに向って噴出することで、プラズマガスをシールドするシールドガス噴出工程と
を含むプラズマ処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、プラズマガスを噴出するプラズマ発生装置等に関するものである。

【背景技術】

【0002】

プラズマ発生装置には、反応室において処理ガスをプラズマ化させ、プラズマ化されたプラズマガスを、ノズルなどに形成された噴出口から噴出する構造のものがある。下記特許文献には、そのようなプラズマ発生装置の一例が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１５／１４１７６８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本明細書は、プラズマガスを噴出口から噴出する構造のプラズマ発生装置の実用性を向上させることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

【0006】

上記課題を解決するために、本明細書は、処理ガスをプラズマ化させるための反応室が形成された装置本体と、前記反応室内にその先端部を突出させた状態で固定される一対の電極と、前記一対の電極間で放電を生じさせることによってプラズマ化されたプラズマガスを噴出するための第１噴出口が形成され、前記装置本体の下面に設けられたノズルと、前記ノズルを覆うように前記装置本体に設けられ、前記第１噴出口から噴出されたプラズマガスを外部に噴出するための第２噴出口が形成されたノズルカバーとを備え、前記ノズルカバーが、前記装置本体の下面に設けられるセラミック製のカバー本体と、前記第２噴出口が形成され、前記カバー本体に設けられる金属製のカバー部とにより構成され、前記ノズルと前記カバー本体とはボルトで前記装置本体の下面に固定されるプラズマ発生装置を開示する。

【0007】

また、本明細書は、装置本体の内部に形成された反応室内にその先端部を突出させた状態で固定される一対の電極間で放電を生じさせることによって、前記装置本体の下面に設けられたノズルの第１噴出口からプラズマガスを被処理体に向って噴出するプラズマガス噴出工程と、前記装置本体の下面に設けられるセラミック製のカバー本体と、前記第２噴出口が形成されて前記カバー本体に設けられる金属製のカバー部とにより構成されるノズルカバーの前記第２噴出口からシールドガスを、前記第１噴出口から噴出されたプラズマガスに向って噴出することで、プラズマガスをシールドするシールドガス噴出工程とを含むプラズマ処理方法を開示する。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、プラズマガスを噴出口から噴出する構造のプラズマ発生装置の実用性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】プラズマ装置を示す図である。

【図2】プラズマヘッドを示す斜視図である。

【図3】電極及び本体側プラズマ通路の位置においてＸ方向及びＺ方向にプラズマヘッドを切断した断面図である。

【図4】図３のＡＡ線における断面図である。

【図5】ノズルカバーの斜視図である。

【図6】ノズルカバーの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例を、図を参照しつつ詳しく説明する。

【0011】

図１に示すように、プラズマ装置１０は、プラズマヘッド１１、ロボット１３、制御ボックス１５を備えている。プラズマヘッド１１は、ロボット１３に取り付けられている。ロボット１３は、例えば、シリアルリンク型ロボット（多関節型ロボットと呼ぶこともできる）である。プラズマヘッド１１は、ロボット１３の先端に保持された状態でプラズマガスを照射可能となっている。プラズマヘッド１１は、ロボット１３の駆動に応じて３次元的に移動可能となっている。

【0012】

制御ボックス１５は、コンピュータを主体として構成され、プラズマ装置１０を統括的に制御する。制御ボックス１５は、プラズマヘッド１１に電力を供給する電源部１５Ａ及びプラズマヘッド１１へガスを供給するガス供給部１５Ｂを有している。電源部１５Ａは、電源ケーブル（図示略）を介してプラズマヘッド１１と接続されている。電源部１５Ａは、制御ボックス１５の制御に基づいて、プラズマヘッド１１の電極３３（図３及び図４参照）に印加する電圧を変更する。

【0013】

また、ガス供給部１５Ｂは、複数（本実施形態では４本）のガスチューブ１９を介してプラズマヘッド１１と接続されている。ガス供給部１５Ｂは、制御ボックス１５の制御に基づいて、後述する反応ガス、キャリアガス、ヒートガスをプラズマヘッド１１へ供給する。制御ボックス１５は、ガス供給部１５Ｂを制御し、ガス供給部１５Ｂからプラズマヘッド１１へ供給するガスの量などを制御する。これにより、ロボット１３は、制御ボックス１５の制御に基づいて動作し、テーブル１７の上に載置された被処理物Ｗに対してプラズマヘッド１１からプラズマガスを照射する。

【0014】

また、制御ボックス１５は、タッチパネルや各種スイッチを有する操作部１５Ｃを備えている。制御ボックス１５は、各種の設定画面や動作状態（例えば、ガス供給状態など）等を操作部１５Ｃのタッチパネルに表示する。また、制御ボックス１５は、操作部１５Ｃに対する操作入力により各種の情報を受け付ける。

【0015】

図２に示すように、プラズマヘッド１１は、プラズマ生成部２１、ヒートガス供給部２３等を備えている。プラズマ生成部２１は、制御ボックス１５のガス供給部１５Ｂ（図１参照）から供給された処理ガスをプラズマ化して、プラズマガスを生成する。ヒートガス供給部２３は、ガス供給部１５Ｂから供給されたガスを加熱してヒートガスを生成する。本実施形態のプラズマヘッド１１は、プラズマ生成部２１において生成したプラズマガスを、ヒートガス供給部２３によって生成したヒートガスとともに、図１に示す被処理物Ｗへ噴出する。プラズマヘッド１１には、図２に示す矢印の方向に上流側から下流側へと処理ガスが供給される。なお、プラズマヘッド１１は、ヒートガス供給部２３を備えない構成でも良い。即ち、本開示のプラズマ装置は、ヒートガスを用いない構成でも良い。

【0016】

図３及び図４に示すように、プラズマ生成部２１は、ヘッド本体部３１、一対の電極３３、プラズマ照射部３５等を含む。なお、図３は、一対の電極３３及び後述する複数の本体側プラズマ通路７１の位置に合わせて切断した断面図であり、図４は、図３のＡＡ線における断面図である。ヘッド本体部３１は、耐熱性の高いセラミックにより成形されており、そのヘッド本体部３１の内部には、プラズマガスを発生させる反応室３７が形成されている。一対の電極３３の各々は、例えば、円柱形状をなしており、その先端部を反応室３７に突出させた状態で固定されている。以下の説明では、一対の電極３３を、単に電極３３と称する場合がある。また、一対の電極３３が並ぶ方向をＸ方向、プラズマ生成部２１とヒートガス供給部２３とが並ぶ方向をＹ方向、円柱形状の電極３３の軸方向をＺ方向と称して説明する。また、本実施形態では、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は互いに直交する方向である。

【0017】

ヒートガス供給部２３は、ガス管４１、ヒータ４３、連結部４５等を備えている。ガス管４１及びヒータ４３は、ヘッド本体部３１の外周面に取り付けられ、図４に示すカバー４７によって覆われている。ガス管４１は、ガスチューブ１９（図１参照）を介して、制御ボックス１５のガス供給部１５Ｂに接続されている。ガス管４１には、ガス供給部１５Ｂからガス（例えば、空気）が供給される。ヒータ４３は、ガス管４１の途中に取り付けられている。ヒータ４３は、ガス管４１を流れるガスを温めてヒートガスを生成する。

【0018】

図４に示すように、連結部４５は、ガス管４１をプラズマ照射部３５に連結するものである。プラズマ照射部３５がヘッド本体部３１に取り付けられた状態では、連結部４５は、一端部をガス管４１に接続され、他端部をプラズマ照射部３５に形成されたヒートガス通路５１に接続される。ヒートガス通路５１には、ガス管４１を介してヒートガスが供給される。

【0019】

図４に示すように電極３３の一部の外周部は、セラミックス等の絶縁体で製造された電極カバー５３によって覆われている。電極カバー５３は、略中空筒状をなし、長手方向の両端部に開口が形成されている。電極カバー５３の内周面と電極３３の外周面との間の隙間は、ガス通路５５として機能する。電極カバー５３の下流側の開口は、反応室３７に接続されている。電極３３の下端は、電極カバー５３の下流側の開口から突出している。

【0020】

また、ヘッド本体部３１の内部には、反応ガス流路６１と、一対のキャリアガス流路６３とが形成されている。反応ガス流路６１は、ヘッド本体部３１の略中央部に設けられ、ガスチューブ１９（図１参照）を介してガス供給部１５Ｂと接続され、ガス供給部１５Ｂから供給される反応ガスを反応室３７へ流入させる。また、一対のキャリアガス流路６３は、Ｘ方向において反応ガス流路６１を間に挟んだ位置に配置されている。一対のキャリアガス流路６３の各々は、ガスチューブ１９（図１参照）を介してガス供給部１５Ｂと接続され、ガス供給部１５Ｂからキャリアガスが供給される。キャリアガス流路６３は、ガス通路５５を介してキャリアガスを反応室３７へ流入させる。

【0021】

反応ガス（種ガス）としては、酸素（Ｏ２）を採用できる。ガス供給部１５Ｂは、例えば、反応ガス流路６１を介して、酸素と窒素（Ｎ２）との混合気体（例えば、乾燥空気（Ａｉｒ））を、反応室３７の電極３３の間に流入させる。以下、この混合気体を、便宜的に反応ガスと呼び、酸素を種ガスと呼ぶ場合がある。キャリアガスとしては、窒素を採用できる。ガス供給部１５Ｂは、ガス通路５５の各々から、一対の電極３３の各々を取り巻くようにキャリアガスを流入させる。

【0022】

一対の電極３３には、制御ボックス１５の電源部１５Ａから交流の電圧が印加される。電圧を印加することによって、例えば、図４に示すように、反応室３７内において、一対の電極３３の下端の間に、擬似アークＡが発生する。この擬似アークＡを反応ガスが通過する際に、反応ガスは、プラズマ化される。従って、一対の電極３３は、擬似アークＡの放電を発生させ、反応ガスをプラズマ化し、プラズマガスを発生させる。

【0023】

また、ヘッド本体部３１における反応室３７の下流側の部分には、Ｘ方向に間隔を隔てて並び、Ｚ方向に伸びて形成された複数（本実施例においては、６本）の本体側プラズマ通路７１が形成されている。複数の本体側プラズマ通路７１の上流側の端部は、反応室３７に接続されている。

【0024】

プラズマ照射部３５は、ノズル７３、ノズルカバー７５等を備えている。ノズル７３は、Ｘ方向からの側面視において概してＴ字形をなし、ノズル本体７７とノズル先端７９とにより構成されている。なお、ノズル７３は、ノズル本体７７とノズル先端７９とによる一体物であり、耐熱性の高いセラミックにより成形されている。ノズル本体７７は、概してフランジ形状をなし、ボルト８０により、ヘッド本体部３１の下面に固定されている。また、ノズル先端７９は、ノズル本体７７の下面から下方に向って延び出す形状とされている。そして、ノズル７３には、ノズル本体７７とノズル先端７９とを上下方向、つまり、Ｚ方向に貫通する複数（本実施例においては、６本）のノズル側プラズマ通路８１が形成されており、それら複数のノズル側プラズマ通路８１は、Ｘ方向に間隔を隔てて並んでいる。なお、複数のノズル側プラズマ通路８１は、Ｚ方向において複数の本体側プラズマ通路７１と同じ位置に形成されている。このため、本体側プラズマ通路７１とノズル側プラズマ通路８１とは連通している。

【0025】

ノズルカバー７５は、図４～図６に示すように、Ｘ方向からの側面視において概してＴ字形をなし、カバー本体８５、カバー先端８７を備えている。カバー本体８５とカバー先端８７とは別部材であり、カバー本体８５はセラミックにより成形されており、カバー先端８７は金属、具体的には、ステンレスにより成形されている。

【0026】

カバー本体８５は、板厚の概して板形状とされており、カバー本体８５には、上面に開口するとともに、Ｚ方向に凹んだ形状の凹部８９が形成されている。そして、その凹部８９にノズル７３のノズル本体７７が収納されるように、カバー本体８５が、ボルト９０によりヘッド本体部３１の下面に固定されている。さらに、カバー本体８５には、Ｙ方向に延びるように、ヒートガス通路５１が形成されており、そのヒートガス通路５１の一端部が、凹部８９に開口し、ヒートガス通路５１の他端部が、カバー本体８５の側面に開口している。そして、カバー本体８５の側面に開口するヒートガス通路５１の端部が、上記したヒートガス供給部２３の連結部４５に連結されている。

【0027】

カバー先端８７は、カバー本体８５の厚さ寸法と同程度の板形状とされており、カバー本体８５の下面から下方に向って延び出すように、そのカバー本体８５の下面にボルト９１により固定されている。カバー先端８７には、Ｚ方向に貫通する１つの貫通孔９３が形成されており、その貫通孔９３の上端部は、カバー本体８５の凹部８９に連通している。そして、その貫通孔９３に、ノズル７３のノズル先端７９が挿入されている。これにより、ノズル７３は、ノズルカバー７５により全体的に覆われている。なお、ノズル７３のノズル先端７９の下端と、ノズルカバー７５のカバー先端８７の下端とは、同じ高さに位置している。

【0028】

また、ノズル７３がノズルカバー７５により覆われた状態において、ノズルカバー７５の凹部８９の内部にノズル７３のノズル本体７７が位置し、ノズルカバー７５の貫通孔９３の内部にノズル７３のノズル先端７９が位置する。このような状態において、凹部８９とノズル本体７７との間及び、貫通孔９３とノズル先端７９との間に隙間が存在し、その隙間がヒートガス出力通路９５として機能する。ヒートガス出力通路９５には、ヒートガス通路５１を経てヒートガスが供給される。

【0029】

このような構造により、反応室３７で発生したプラズマガスは、キャリアガスとともに、本体側プラズマ通路７１及びノズル側プラズマ通路８１を流れ、ノズル側プラズマ通路８１の下端の開口８１Ａから噴出される。また、ガス管４１からヒートガス通路５１へ供給されたヒートガスは、ヒートガス出力通路９５を流れる。このヒートガスは、プラズマガスを保護するシールドガスとして機能するものである。ヒートガスは、ヒートガス出力通路９５を流れ、ヒートガス出力通路９５の下端の開口９５Ａからプラズマガスの噴出方向に沿って噴出される。この際、ヒートガスは、ノズル側プラズマ通路８１の開口８１Ａから噴出されるプラズマガスの周囲を取り巻くように噴出される。このように、加熱したヒートガスをプラズマガスの周囲に噴出することで、プラズマガスの効能（濡れ性など）を高めることができる。

【0030】

因みに、プラズマ装置１０は、プラズマ発生装置の一例である。ヒートガス供給部２３は、噴出装置の一例である。ヘッド本体部３１は、装置本体の一例である。反応室３７は、反応室の一例である。ノズル７３は、ノズルの一例である。ノズルカバー７５は、ノズルカバーの一例である。ノズル本体７７は、ノズル本体の一例である。ノズル先端７９は、ノズル先端の一例である。ノズル側プラズマ通路８１の開口８１Ａは、第１噴出口の一例である。カバー本体８５は、カバー本体の一例である。カバー先端８７は、カバー部の一例である。ヒートガス出力通路９５の開口９５Ａは、第２噴出口の一例である。ヒートガスは、シールガスの一例である。

【0031】

以上、上記した本実施形態では、以下の効果を奏する。

【0032】

プラズマヘッド１１では、セラミック製のノズル７３が、金属製のカバー先端８７を有するノズルカバー７５により覆われている。これにより、ノズル７３の破損を防止することができる。つまり、ノズル７３は、セラミックにより成形されているため、脆く破損しやすい。一方、ノズルカバー７５の先端部であるカバー先端８７は、金属により成形されており、破損し難い。このため、プラズマヘッド１１によるプラズマ照射時などにおいて、プラズマヘッド１１の先端が被処理物Ｗなどに接触しても、ノズル７３は、金属製のノズルカバー７５により保護されることで、ノズル７３の破損が防止される。また、セラミックは比較的高価であるが、金属は安価である。このため、カバー先端８７が破損，変形等しても、コストを抑えてカバー先端８７を交換することができる。

【0033】

また、ノズルカバー７５は、上述したように、カバー本体８５とカバー先端８７とにより構成されており、カバー本体８５はセラミックにより成形され、カバー先端８７はステンレスにより成形されている。これにより、適切なプラズマ化を担保するとともに、コストダウンを図ることができる。つまり、ノズルカバー全体を金属により成形すれば、コストダウンを図ることができるが、ヘッド本体部３１の反応室３７に近いノズルカバーの上端部、つまり、カバー本体８５が金属製であると、反応室３７での電極３３への印加により、カバー本体８５の周辺において放電が生じる場合がある。このような場合には、反応室３７以外での放電により、適切なプラズマ化を担保することができない。そこで、反応室３７に近いカバー本体８５がセラミックにより成形され、反応室３７から離れているカバー先端８７は金属により成形されている。これにより、適切なプラズマ化を担保するとともに、コストダウンを図ることができる。

【0034】

さらに言えば、金属製のカバー先端８７は、カバー本体８５から離れる方向に延び出す形状とされている。つまり、金属製のカバー先端８７は、反応室３７から離れる方向に延び出す形状とされている。これにより、反応室３７以外での放電を更に好適に防止することが可能となり、適切なプラズマ化を更に担保することができる。

【0035】

また、ノズル７３のノズル先端７９も、ノズルカバー７５のカバー先端８７と同様に、ノズル本体７７から離れる方向、つまり、下方に延び出す形状とされている。そして、下方に延び出すノズル先端７９は、下方に延び出すカバー先端８７の内部に挿入されている。これにより、ノズル先端７９の開口８１Ａから噴出されるプラズマガスを適切にノズルカバー７５の外部に噴出することができる。

【0036】

また、プラズマヘッド１１では、ノズル７３とノズルカバー７５との間に加熱したヒートガスが流されており、その加熱したヒートガスがプラズマガスの周囲に噴出される。これにより、上述したように、プラズマガスの効能（濡れ性など）を高めることができる。

【0037】

尚、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することが可能である。具体的には、例えば、プラズマヘッド１１では、ノズル７３とノズルカバー７５との間にヒートガスが流されているが、ヒートガスを流さなくてもよい。つまり、ノズルカバー７５を、ノズル７３を保護するためのカバーとしてのみ配設してもよい。

【0038】

また、上記実施形態では、１台のプラズマヘッド１１からプラズマガスとヒートガスとが噴出されているが、２台のヘッドからプラズマガスとヒートガスとが噴出されてもよい。つまり、１台のヘッドからプラズマガスを噴出し、そのヘッドと異なるヘッドからヒートガスを噴出してもよい。また、１台のヘッドに、ノズル側プラズマ通路８１とヒートガス出力通路９５とを異なる位置に形成し、それぞれの通路から、プラズマガスとヒートガスとを噴出してもよい。

【0039】

また、上記実施形態では、ノズル７３及び、ノズルカバー７５がヘッド本体部３１に固定されているが、単に設けられていてもよい。つまり、ノズル本体７７が、ヘッド本体部３１に設けられていればよい。また、ノズル先端７９もノズル本体７７に設けられていればよい。

【符号の説明】

【0040】

１０：プラズマ装置（プラズマ発生装置）、２３：ヒートガス供給部（噴出装置）、３１：ヘッド本体部（装置本体）、３７：反応室、７３：ノズル、７５：ノズルカバー、７７：ノズル本体、７９：ノズル先端、８１Ａ：開口（第１噴出口）、８５：カバー本体、８７：カバー先端（カバー部）、９５Ａ：開口（第２噴出口）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】