JP7734301B1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定したプラズマの発生に必要な旋回流を形成することが可能なプラズマ処理装置を提供すること。【解決手段】プラズマ処理装置１は、内側電極１００と、電極保持体２００と、外側電極４００と、フィン部材３００と、を備える。フィン部材３００は、包囲部３１０と、複数の旋回フィン３２０と、を含む。複数の旋回フィンのうち互いに隣接する一対の旋回フィンの各基端部の間に流入口が規定されており、かつ、一対の旋回フィンの各先端部の間に流出口が規定されている。包囲部３１０の外周面の直径に対する、流入口から流出口までの旋回長さの比は、４倍以上である。【選択図】図３

Description

本開示は、プラズマ処理装置に関する。

従来、合成樹脂等のワークの表面をプラズマ処理する際に用いられるトーチにおいて、トーチ内において処理ガスの旋回流を形成することが公知である。例えば、国際公開第２０２４／００９４２２号には、内側電極と、外側電極と、外側電極の内側に配置された整流部材と、を備えるプラズマヘッドが開示されている。整流部材は、複数の整流板を含んでいる。

国際公開第２０２４／００９４２２号

国際公開第２０２４／００９４２２号に記載されるプラズマヘッドでは、旋回効果が十分に得られず、プラズマの発生が不安定になる場合がある。

本開示の目的は、安定したプラズマの発生に必要な旋回流を形成することが可能なプラズマ処理装置を提供することである。

本開示におけるプラズマ処理装置は、電圧の印加を受ける内側電極と、前記内側電極を保持する電極保持体と、前記内側電極及び前記電極保持体を包囲する外側電極と、前記電極保持体と前記外側電極との間に設けられており、前記外側電極の内側に供給された処理ガスを旋回させることによって前記内側電極まわりに旋回流を形成するフィン部材と、を備え、前記フィン部材は、前記電極保持体の先端部を包囲する包囲部と、前記包囲部の外周面に設けられた複数の旋回フィンと、を含み、前記複数の旋回フィンのうち互いに隣接する一対の旋回フィンの各基端部の間に流入口が規定されており、かつ、前記一対の旋回フィンの各先端部の間に流出口が規定されており、前記包囲部の前記外周面の直径に対する、前記流入口から前記流出口までの長さの比は、４倍以上である。

本開示におけるプラズマ処理装置は、電圧の印加を受ける内側電極と、前記内側電極を保持する電極保持体と、前記内側電極及び前記電極保持体を包囲する外側電極と、前記電極保持体と前記外側電極との間に設けられており、前記外側電極の内側に供給された処理ガスを旋回させることによって前記内側電極まわりに旋回流を形成するフィン部材と、を備え、前記フィン部材は、前記電極保持体の先端部を包囲する包囲部と、前記包囲部の外周面に設けられた複数の旋回フィンと、を含み、前記複数の旋回フィンのうち互いに隣接する一対の旋回フィンの各基端部の間に流入口が規定されており、かつ、前記一対の旋回フィンの各先端部の間に流出口が規定されており、前記包囲部のうち前記複数の旋回フィンが形成されている部位の軸方向における長さに対する、前記流入口から前記流出口までの旋回長さの比は、２倍以上である。

本開示によれば、安定したプラズマの発生に必要な旋回流を形成することが可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

本開示の一実施形態におけるプラズマ処理装置の斜視図である。 図１に示されるプラズマ処理装置の平面図である。 図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線での断面を示す斜視図である。 図２におけるＩＶ－ＩＶ線での断面を示す斜視図である。 フィン部材の斜視図である。 図５におけるＶＩ－ＶＩ線での断面を示す斜視図である。

本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理装置の斜視図である。図２は、図１に示されるプラズマ処理装置の平面図である。図３は、図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線での断面を示す斜視図である。図４は、図２におけるＩＶ－ＩＶ線での断面を示す斜視図である。このプラズマ処理装置１は、ワークの表面改質などに好適に用いられる。

図１～図４に示されるように、プラズマ処理装置１は、内側電極１００と、電極保持体２００と、フィン部材３００と、流路規定部材３５０と、ベアリング受け部３６０と、外側電極４００と、支持板５００と、収容部５５０と、駆動機構６００と、を備えている。

内側電極１００は、直線状に延びる形状を有している。内側電極１００は、例えばタングステンからなる。内側電極１００には、図示略の電源から電圧が印可される。

電極保持体２００は、内側電極１００を保持している。電極保持体２００は、導体からなる。電極保持体２００は、内側保持体２１０と、外側保持体２２０と、ブロック部２３０と、を有している。

内側保持体２１０は、内側電極１００の外周面に接しながら内側電極１００を保持している。内側保持体２１０は、内側電極１００の中心軸ＡＸ（図３及び図４を参照）と平行な方向に沿って延びる形状を有している。内側保持体２１０は、内側電極１００の後部を保持している。内側保持体２１０は、例えば銅からなる。内側保持体２１０の先端部には、内側保持体２１０の軸方向と平行な方向に延びるスリットが形成されている。

外側保持体２２０は、内側保持体２１０を包囲している。外側保持体２２０は、内側保持体２１０の基端部を露出させるように内側保持体２１０を包囲している。外側保持体２２０の先端部には、縮径部２２２が形成されている。縮径部２２２は、先端側に向かうにしたがって次第に縮径する内周面を有している。このため、内側保持体２１０が外側保持体２２０内に挿入されることにより、内側保持体２１０の先端部は、外側保持体２２０の縮径部２２２に押されることによって内側電極１００に圧接する。

ブロック部２３０は、外側保持体２２０の基端部に接続されている。ブロック部２３０は、外側保持体２２０を包囲する円環状に形成されている。ブロック部２３０に電圧が印加される。

フィン部材３００は、外側保持体２２０の周囲に設けられている。フィン部材３００は、処理ガス（アルゴンや空気等）を旋回させることによって内側電極１００まわりに旋回流ＳＷ（図３を参照）を形成する。フィン部材３００は、セラミックス等の絶縁材料からなる。

図５は、フィン部材の斜視図である。図６は、図５におけるＶＩ－ＶＩ線での断面を示す斜視図である。図５及び図６に示されるように、フィン部材３００は、包囲部３１０と、複数の旋回フィン３２０と、を有している。

包囲部３１０は、電極保持体２００の少なくとも先端部を包囲している。包囲部３１０は、内側保持体２１０の先端部及び外側保持体２２０の先端部を包囲している。包囲部３１０は、円筒状の外周面を有している。

複数の旋回フィン３２０は、包囲部３１０の外周面に設けられている。複数の旋回フィン３２０は、包囲部３１０の軸方向に沿って供給された処理ガスを包囲部３１０の周方向に旋回させる形状を有している。

複数の旋回フィン３２０の基端部には、複数の流入口３０１～３０４が設けられている。複数の旋回フィン３２０の先端部には、複数の流出口３０５～３０８が設けられている。本実施形態では、複数の流入口３０１～３０４は、４つの流入口を含んでおり、複数の流出口３０５～３０８は、４つの流出口を含んでいる。すなわち、本実施形態では、複数の旋回フィン３２０は、４つの旋回フィン３２０を含んでいる。ただし、旋回フィン３２０の数は、４に限られない。なお、流入口３０１から流入した処理ガスは、流出口３０５から流出し、流入口３０２から流入した処理ガスは、流出口３０６から流出し、流入口３０３から流入した処理ガスは、流出口３０７から流出し、流入口３０４から流入した処理ガスは、流出口３０８から流出する。

各旋回フィン３２０は、処理ガスが流入口から流出口に至るまでの間に当該処理ガスを包囲部３１０まわりに１．５周以上旋回させる形状に設定されていてもよい。

包囲部３１０のうち複数の旋回フィン３２０が形成されている部位の軸方向における長さＬ（図５を参照）に対する、各流入口から各流出口までの旋回長さＳＬ（図５を参照）の比は、２倍以上３０倍以下であることが好ましく、５倍以上１５倍以下であることがより好ましい。

包囲部３１０の外周面の直径Ｒ（図６を参照）に対する、各流入口から各流出口までの旋回長さＳＬの比は、４倍以上４０倍以下であることが好ましく、１０倍以上３０倍以下であることがより好ましく、１３倍以上２０倍以下であることがさらに好ましい。

「各流入口から各流出口までの旋回長さＳＬ」は、図５に示されるように、包囲部３１０の外周面のうち互いに隣接する一対の旋回フィン３２０の各基端部間に位置する部位から、当該一対の旋回フィン３２０の各先端部間に位置する部位まで、包囲部３１０の周囲を旋回しながら一対の旋回フィン３２０間を進行する長さを意味する。なお、図５には、流入口３０１から流出口３０５までの旋回長さＳＬが例示されている。

図３及び図４に示されるように、流路規定部材３５０は、フィン部材３００の周囲に設けられている。流路規定部材３５０は、各旋回フィン３２０の外端面と対向する内周面３５０ｓを有している。この内周面３５０ｓと各旋回フィン３２０の外周面との隙間は、処理ガスが実質的に通過しない程度に設定されている。内周面３５０ｓは、各旋回フィン３２０の外周面に接触していてもよい。

図３に示されるように、流路規定部材３５０は、フィン部材３００の先端部を支持する支持部３５２を含んでいる。支持部３５２は、流路規定部材３５０の先端に形成されている。支持部３５２は、内周面３５０ｓから内側電極１００に向かって張り出す形状を有している。支持部３５２は、各旋回フィン３２０によって形成された旋回流を通過させるガス挿通孔３５２ｈを有している。

ベアリング受け部３６０は、ベアリングＢｅを受ける。ベアリングＢｅは、フィン部材３００の周囲に配置されており、フィン部材３００を包囲している。ベアリング受け部３６０は、流路規定部材３５０の基端部に接続されている。ベアリング受け部３６０は、各旋回フィン３２０の外周面と対向する内周面３６０ｓを有している。この内周面３６０ｓと各旋回フィン３２０の外周面との隙間は、処理ガスが実質的に通過しない程度に設定されている。内周面３６０ｓは、各旋回フィン３２０の外周面に接触していてもよい。ベアリング受け部３６０の基端部に中間部材２５０が接続されている。

外側電極４００は、内側電極１００及び電極保持体２００の一部を包囲している。外側電極４００は、内側電極１００、電極保持体２００及びフィン部材３００に対して内側電極１００の中心軸ＡＸまわりに相対回転可能である。外側電極４００は、回転ノズル４１０と、給電チップ４２０と、を有している。

回転ノズル４１０は、グランドに接続されている。回転ノズル４１０は、駆動機構６００によって回転駆動される。回転ノズル４１０は、流路規定部材３５０を包囲している。換言すれば、フィン部材３００及び流路規定部材３５０は、電極保持体２００と外側電極４００との間に設けられている。

給電チップ４２０は、回転ノズル４１０の先端部に対して着脱可能となるように当該先端部に固定されている。給電チップ４２０には、吹出孔４２０ｈが設けられている。吹出孔４２０ｈの基端部（内側電極１００に近い側の端部）における中心は、概ね中心軸ＡＸの延長線上に位置している。吹出孔４２０ｈの先端部（プラズマが吹き出される側の端部）における中心は、中心軸ＡＸの延長線から中心軸ＡＸと直交する方向に離れている。ただし、吹出孔４２０ｈの先端部における中心も、概ね中心軸ＡＸの延長線上に位置していてもよい。

支持板５００は、内側電極１００、電極保持体２００及びフィン部材３００を支持している。本実施形態では、支持板５００は、中間部材２５０を介して内側電極１００、電極保持体２００及びフィン部材３００を支持している。図３及び図４に示されるように、中間部材２５０は、包囲部３１０の基端部３１２を支持している。

図４に示されるように、中間部材２５０には、フィン部材３００の周囲に処理ガスを供給するための供給流路ＦＬが形成されている。供給流路ＦＬの上流側の端部には、供給管１０が接続されている。供給流路ＦＬの下流側の端部は、包囲部３１０の外周面のうち基端部３１２と各旋回フィン３２０との間の部位と対向している。

供給管１０を通じて供給流路ＦＬに供給された処理ガスは、包囲部３１０の外周面に接しながら下流側へ向かい、フィン部材３００とベアリング受け部３６０との間、及び、フィン部材３００と流路規定部材３５０との間を通過する。このとき、各旋回フィン３２０の作用によって旋回流ＳＷが形成される。この旋回流ＳＷの向きは、回転ノズル４１０の回転方向と同じである。

駆動機構６００は、外側電極４００を回転させる。駆動機構６００は、モータＭと、第１ギア６１０と、第２ギア６２０と、ベアリング保持体６３０と、を有している。

モータＭは、支持板５００に固定されている。モータＭの出力軸は、支持板５００を貫通している。

第１ギア６１０は、モータＭの出力軸に接続されている。

第２ギア６２０は、第１ギア６１０に噛み合うように配置されている。第２ギア６２０は、フィン部材３００を包囲している。第２ギア６２０の回転中心は、中心軸ＡＸ上に位置している。

ベアリング保持体６３０は、第２ギア５２０に固定されている。具体的に、ベアリング保持体６３０は、第２ギア６２０と一体的に回転するように第２ギア６２０に締結部材によって固定されている。ベアリング保持体６３０の内側には、ベアリングＢｅが配置されている。つまり、ベアリングＢｅは、ベアリング保持体６３０とベアリング受け部３６０との間に配置されている。

ただし、第１ギア６１０、第２ギア６２０及びベアリング保持体６３０の代わりに、例えば、ベルト、プーリーやローラチェーン、スプロケットなどが用いられてもよい。また、モータＭに変えて、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、回転シリンダなど回転力を生じさせる動力源が用いられてもよい。

回転ノズル４１０の基端部は、ベアリング保持体６３０に締結部材によって接続されている。これにより、回転ノズル４１０は、ベアリング保持体６３０及び第２ギア６２０とともに回転する。回転ノズル４１０の回転方向ＡＲ（図３を参照）は、フィン部材３００の通過後に形成される旋回流ＳＷの向きと同じである。

収容部５５０は、第１ギア６１０、第２ギア６２０及びベアリング保持体６３０を収容している。収容部５５０は、支持板５００に接続されている。収容部５５０は、収容壁５５２と、蓋５５４と、を有している。

収容壁５５２は、支持板５００につながっている。収容壁５５２は、第１ギア６１０、第２ギア６２０及びベアリング保持体６３０を包囲している。

蓋５５４は、収容壁５５２の開口部を閉塞するように収容壁５５２に固定されている。蓋５５４には、回転ノズル４１０の基端部を挿通させる挿通孔５５４ｈが形成されている。

以上に説明したプラズマ処理装置１において、供給管１０を通じて供給流路ＦＬに処理ガスが供給されると、その処理ガスは、包囲部３１０の外周面に接しながら下流側へ向かい、フィン部材３００とベアリング受け部３６０との間、及び、フィン部材３００と流路規定部材３５０との間を通過する。このとき、処理ガスは、各旋回フィン３２０の間を旋回しながら進行し、支持部３５２のガス挿通孔３５２ｈを通じて流出する。これにより、フィン部材３００の下流側において旋回流ＳＷが形成され、この旋回流ＳＷは、内側電極１００と回転ノズル４１０との間においてプラズマ化する。

一方、駆動機構６００のモータＭが駆動されると、第１ギア６１０、第２ギア６２０及びベアリング保持体６３０を介して回転ノズル４１０が中心軸ＡＸまわりに回転する。この回転ノズル４１０の回転方向ＡＲは、旋回流ＳＷの向きと同じである。これにより、旋回流ＳＷの旋回が促進されるため、プラズマの発生がより安定する。

上述した複数の例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

［態様１］
電圧の印加を受ける内側電極と、
前記内側電極を保持する電極保持体と、
前記内側電極及び前記電極保持体を包囲する外側電極と、
前記電極保持体と前記外側電極との間に設けられており、前記外側電極の内側に供給された処理ガスを旋回させることによって前記内側電極まわりに旋回流を形成するフィン部材と、を備え、
前記フィン部材は、
前記電極保持体の先端部を包囲する包囲部と、
前記包囲部の外周面に設けられた複数の旋回フィンと、を含み、
前記複数の旋回フィンのうち互いに隣接する一対の旋回フィンの各基端部の間に流入口が規定されており、かつ、前記一対の旋回フィンの各先端部の間に流出口が規定されており、
前記包囲部の前記外周面の直径に対する、前記流入口から前記流出口までの旋回長さの比は、４倍以上である、プラズマ処理装置。

このプラズマ処理装置では、包囲部の外周面の直径に対する、流入口から流出口までの旋回長さの比が４倍以上であるため、安定したプラズマの発生に必要な旋回流が形成される。

［態様２］
前記包囲部のうち前記複数の旋回フィンが形成されている部位の軸方向における長さに対する、前記流入口から前記流出口までの前記旋回長さの比は、２倍以上である、態様１に記載のプラズマ処理装置。

［態様３］
前記フィン部材と前記外側電極との間に配置された流路規定部材をさらに備え、
前記流路規定部材は、各前記旋回フィンの外端面と対向する内周面を有する、態様１又は２に記載のプラズマ処理装置。

この態様では、流路規定部材と各旋回フィンとの間に処理ガスの流路が規定されるため、効果的に旋回流が形成される。

［態様４］
前記流路規定部材は、前記内周面から前記内側電極に向かって張り出す形状を有しており前記フィン部材の先端部を支持する支持部を含む、態様３に記載のプラズマ処理装置。

この態様では、フィン部材及び内側電極の中心軸と外側電極の中心軸とのズレが抑制される。

［態様５］
前記支持部は、前記複数の旋回フィンによって形成された前記旋回流を通過させるガス挿通孔を有する、態様４に記載のプラズマ処理装置。

［態様６］
前記外側電極は、前記内側電極、前記電極保持体及び前記フィン部材に対して前記内側電極の中心軸まわりに相対回転可能であり、
前記外側電極の回転方向は、前記旋回流の回転方向と同じである、態様１から５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

この態様では、外側電極によって旋回流の回転が促進されるため、プラズマの発生がより安定する。

［態様７］
電圧の印加を受ける内側電極と、
前記内側電極を保持する電極保持体と、
前記内側電極及び前記電極保持体を包囲する外側電極と、
前記電極保持体と前記外側電極との間に設けられており、前記外側電極の内側に供給された処理ガスを旋回させることによって前記内側電極まわりに旋回流を形成するフィン部材と、を備え、
前記フィン部材は、
前記電極保持体の先端部を包囲する包囲部と、
前記包囲部の外周面に設けられた複数の旋回フィンと、を含み、
前記複数の旋回フィンのうち互いに隣接する一対の旋回フィンの各基端部の間に流入口が規定されており、かつ、前記一対の旋回フィンの各先端部の間に流出口が規定されており、
前記包囲部のうち前記複数の旋回フィンが形成されている部位の軸方向における長さに対する、前記流入口から前記流出口までの旋回長さの比は、２倍以上である、プラズマ処理装置。

このプラズマ処理装置においても、態様１と同様の効果が得られる。

なお、今回開示された実施形態は全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

１ プラズマ処理装置、１００ 内側電極、２００ 電極保持体、２１０ 内側保持体、２２０ 外側保持体、２３０ ブロック部、３００ フィン部材、３１０ 包囲部、３２０ 旋回フィン、３５０ 流路規定部材、３５０ｓ 内周面、３５２ 支持部、３５２ｈ ガス挿通孔、３６０ ベアリング受け部、３６０ｓ 内周面、４００ 外側電極、４１０ 回転ノズル、４２０ 給電チップ、５００ 支持板、５５０ 収容部、５５２ 収容壁、５５４ 蓋、５５４ｈ 挿通孔、６００ 駆動機構、６１０ 第１ギア、６２０ 第２ギア、６３０ ベアリング保持体、Ｂｅ ベアリング、ＦＬ 供給流路、Ｍ モータ、ＳＬ 旋回長さ、ＳＷ 旋回流。

Claims (7)

1. 電圧の印加を受ける内側電極と、
   前記内側電極を保持する電極保持体と、
   前記内側電極及び前記電極保持体を包囲する外側電極と、
   前記電極保持体と前記外側電極との間に設けられており、前記外側電極の内側に供給された処理ガスを旋回させることによって前記内側電極まわりに旋回流を形成するフィン部材と、を備え、
   前記フィン部材は、
   前記電極保持体の先端部を包囲する包囲部と、
   前記包囲部の外周面に設けられた複数の旋回フィンと、を含み、
   前記複数の旋回フィンのうち互いに隣接する一対の旋回フィンの各基端部の間に流入口が規定されており、かつ、前記一対の旋回フィンの各先端部の間に流出口が規定されており、
   前記包囲部の前記外周面の直径に対する、前記流入口から前記流出口までの旋回長さの比は、４倍以上である、プラズマ処理装置。
2. 前記包囲部のうち前記複数の旋回フィンが形成されている部位の軸方向における長さに対する、前記流入口から前記流出口までの前記旋回長さの比は、２倍以上である、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記フィン部材と前記外側電極との間に配置された流路規定部材をさらに備え、
   前記流路規定部材は、各前記旋回フィンの外端面と対向する内周面を有する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記流路規定部材は、前記内周面から前記内側電極に向かって張り出す形状を有しており前記フィン部材の先端部を支持する支持部を含む、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記支持部は、前記複数の旋回フィンによって形成された前記旋回流を通過させるガス挿通孔を有する、請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記外側電極は、前記内側電極、前記電極保持体及び前記フィン部材に対して前記内側電極の中心軸まわりに相対回転可能であり、
   前記外側電極の回転方向は、前記旋回流の回転方向と同じである、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
7. 電圧の印加を受ける内側電極と、
   前記内側電極を保持する電極保持体と、
   前記内側電極及び前記電極保持体を包囲する外側電極と、
   前記電極保持体と前記外側電極との間に設けられており、前記外側電極の内側に供給された処理ガスを旋回させることによって前記内側電極まわりに旋回流を形成するフィン部材と、を備え、
   前記フィン部材は、
   前記電極保持体の先端部を包囲する包囲部と、
   前記包囲部の外周面に設けられた複数の旋回フィンと、を含み、
   前記複数の旋回フィンのうち互いに隣接する一対の旋回フィンの各基端部の間に流入口が規定されており、かつ、前記一対の旋回フィンの各先端部の間に流出口が規定されており、
   前記包囲部のうち前記複数の旋回フィンが形成されている部位の軸方向における長さに対する、前記流入口から前記流出口までの旋回長さの比は、２倍以上である、プラズマ処理装置。