JP2011060688A

JP2011060688A - プラズマ表面処理装置

Info

Publication number: JP2011060688A
Application number: JP2009211468A
Authority: JP
Inventors: Kiyokazu Miyahara; 清和宮原
Original assignee: Kasuga Denki Inc
Current assignee: Kasuga Denki Inc
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】狭い箇所にある被処理物や、小さな被処理面に対しても効率的な表面処理が可能なプラズマ表面処理装置を提供する。
【解決手段】内側電極２と外側電極１との間の放電空間８に圧力気体を供給し、放電空間内で発生したアーク放電によって生成したプラズマを噴出口７ａから噴出させるプラズマ表面処理装置において、上記圧力気体の流れ方向を基準にして、内側電極２の下流側端部２ａより噴出口７ａ側に放電空間８を形成するとともに、この放電空間８には上記外側電極１と電気的に接続された導電性ノズル７を接続し、この導電性ノズル７の先端を上記噴出口７ａとする一方、上記内側電極２の先端から導電性ノズル７の基端までの長さを、内側電極と導電性ノズル内との間でアーク放電可能な距離にし、かつ上記導電性ノズル７の基端から噴出口７ａまでの長さを、上記アーク放電が噴出口７ａから出ない距離にした。
【選択図】図１

Description

この発明は、プラズマによって被処理物の濡れ性など、表面特性を改質するためのプラズマ表面処理装置に関する。

従来から、プラズマを照射して被処理物の表面を改質するプラズマ表面処理が行なわれている。このような表面処理を行なうためのプラズマ表面処理装置は、例えば、筒状の外側電極と、その中心付近に設けた内側電極との間でアーク放電を起こし、このアーク放電によってプラズマを生成するものである。そして、上記外側電極内に気体を通過させ、この気流によってプラズマを被処理物に照射させるようにしている。
このようなプラズマ表面処理を必要とする被処理物の被処理面が小さかったり、狭い箇所にあったりした場合に、広範囲にプラズマを照射する表面処理装置を用いたのでは、不必要な箇所にプラズマを照射することになって、無駄なエネルギーを消費するだけでなく、被処理物に対しても悪影響を与えることがある。

そこで、プラズマ表面処理装置からプラズマが噴出する噴出口を絞ることが考えられる。例えば、特許文献１の図１には、筒状電極の先端にテーパー状にしたセラミックなど絶縁性材料の筒状の口部を設けたものが記載されている。

特表２００３−５１４１１４号公報

上記のように、プラズマの噴出口を小さく絞ることによって、小さな被処理面に対してプラズマを照射できるようになる。
しかし、筒状電極内で発生したプラズマのイオンは、発生してから放置すれば中和してしまう。上記のように放電によって発生したプラズマを噴射口へ導く過程に絶縁性材料で形成した筒状の口部を設けると、プラズマ流がこの口部を通過する過程でイオンが中和してしまい、プラズマ状態を十分に維持できないことになる。その結果、噴出口から噴射されるプラズマ流のイオン量が少なくなって、被処理物のプラズマ表面処理の効率が悪いという問題があった。

一方、噴出されるプラズマ流のイオン量を高く保ちたいからといって、上記特許文献１の図５のように、外側電極の先端をそのままプラズマ流の噴出口とし、内側電極の先端を噴出口から僅かに突出させたり、内側電極の先端を外側電極の先端と同レベルにしたりすれば、放電が噴出口の近傍でも起こり、この放電によって生成されたプラズマは高イオン濃度を維持したまま被処理物に照射されるが、噴出口の近傍でアーク放電が起これば、噴出口の外側も高温になる。そのため、被処理物に噴出口を近づけると、被処理物が熱で変形したり、変質してしまったりすることがある。

この発明は、狭い箇所にある被処理物や、小さな被処理面に対しても効率的な表面処理が可能なプラズマ表面処理装置を提供することである。

第１の発明は、内側電極と外側電極との間の放電空間に圧力気体を供給し、放電空間内で発生したアーク放電によって生成したプラズマを噴出口から噴出させるプラズマ表面処理装置において、上記圧力気体の流れ方向を基準にして、内側電極の下流側端部より噴出口側に放電空間を形成するとともに、この放電空間には上記外側電極と電気的に接続された導電性ノズルを接続し、この導電性ノズルの先端を上記噴出口とする一方、上記内側電極の先端から導電性ノズルの基端までの長さを、内側電極と導電性ノズル内との間でアーク放電可能な距離にし、かつ上記導電性ノズルの基端から噴出口までの長さを、上記アーク放電が噴出口から出ない距離にした点を特徴とする。

第２の発明は、上記外側電極が筒状であり、上記導電性ノズルの基端には、上記外側電極の下流側先端と着脱可能な接続部を設け、この接続部を介して外側電極と導電性ノズルとが電気的に接続される構成にした点に特徴を有する。

第１、第２の発明によれば、導電性ノズルの基端側が外側電極として機能し、プラズマを生成するためのアーク放電を、ノズル内部でも発生させることができる。そのため、導電性ノズルの先端側である噴出口により近いところでもプラズマを生成でき、生成したプラズマを無駄なく噴射することができる。
しかも、導電性ノズルの先端からは、アーク放電が出ないので、アーク放電の熱によって被処理物を変形・変質させる心配もなく、ノズル先端を被処理物に近づけることができる。

従って、高イオン濃度のプラズマ流を導電性ノズルによって細く絞って噴射し、小さい面積の被処理物を効率よく表面処理することができる。
上記のように、プラズマ流を細く絞ることによって、凹凸に沿ってプラズマを照射することができ、平坦面だけでなく、凹凸表面を有する被処理物に対しても効率的、かつ質の高い表面処理が可能である。
また、導電性ノズルの先端からアーク放電が出ないようにしたため、金属製の被処理物との間で放電が起こることがなく、金属製の被処理物に対しても、樹脂製の被処理物と同様の表面処理を施すことができる。
第２の発明によれば、外側電極に対し、様々な形状や大きさの導電性ノズルを付け替えることができ、目的に応じた表面処理の切り替えが容易にできるようになる。

この発明の実施形態におけるプラズマ処理装置の部分断面図である。

図１に示すこの実施形態のプラズマ処理装置は、外側電極である電極筒１内に、内側電極である電極棒２を設け、これら電極筒１と電極棒２との間には交流電源Ａを接続している。なお、この交流電源Ａの交流周波数は１０（ｋＨｚ）〜５０（ｋＨｚ）の高周波である。
上記電極筒１は、大径部１ａと小径部１ｂとを一体的に形成した電極であって、上記交流電源Ａを接続するとともに、その外周にアース線を取り付けて接地している。

また、電極筒１の大径部１ａ内には樹脂などの絶縁性材料からなるパイプホルダー３を設け、このパイプホルダー３には、セラミック製などの絶縁パイプ４を取り付けている。この絶縁パイプ４は、上記電極筒１の小径部１ｂの内周に一致する外径を備え、その先端が上記電極棒２の先端と一致あるいはほぼ一致する長さを備えている。
さらに、上記パイプホルダー３の内側には導電性の電極棒チャック５を設け、上記電極棒２を取り付けている。この電極棒チャック５は図示しない絶縁性部材を介してパイプホルダー３に固定され、上記電極筒１とは被接触状態を保っている。
なお、図１では、交流電源Ａの接続を模式図で示しているが、実際には、上記電極棒チャック５の基端側に電源端子を取り付けて、この電源端子を高圧ケーブルによって上記交流電源Ａに接続している。

一方、電極筒１の小径部１ｂの先端には、この発明の接続部となる接続部材６を介して導電性ノズル７を取り付けている。上記接続部材６は導電性材料で形成された部材であって、導電性ノズル７に一体的に固定され、電極筒１の小径部１ｂの先端側内周にねじ結合するものである。すなわち、接続部材６の外周に雄ねじを形成するとともに、小径部１ｂの先端側内周には雌ねじを形成している。
このように、接続部材６を介して導電性ノズル７を取り付けることによって、導電性ノズル７と電極筒１とは電気的に接続される。

さらに、電極筒１の後端側には、上記パイプホルダー３内に気体を供給するための、図示しない基体供給機構を接続し、図に実線の矢印で示すように、パイプホルダー３、絶縁性パイプ４を介してノズル７の噴出口７ａから外部へ向かう気流を形成する。

このようなプラズマ表面処理装置の作用を、以下に説明する。
上記交流電源Ａによって電極筒１と電極棒２との間に高周波電圧を印加して、両電極間にアーク放電を発生させる。ただし、上記電極筒１の内側にはパイプホルダー３と絶縁パイプ４が設けられて、これら絶縁性部材によって電極棒２の外周が囲まれている。従って、電極筒１のうち、電極棒２に対して放電電極として機能する部分は、上記絶縁パイプ４の先端より導電性ノズル７側である。

つまり、この発明の、圧力気体の流れ方向を基準にして、内側電極２の下流側端部である上記電極棒２の先端２ａより噴出口７ａ側に、アーク放電が発生する放電空間８が形成される。
この放電空間８は、上記電極筒１の小径部１ｂの先端側一部と、接続部材６及びノズル７の基端で囲まれ、これら接続部材６及び導電性ノズル７は電極筒１と電気的に接続している。そして、上記電極棒２の先端２ａから上記接続部材６及び導電性ノズル７の基端までの長さを、内側電極と導電性ノズル内との間でアーク放電可能な距離にしている。
すなわち、上記接続部材６及び導電性ノズル７の基端は、上記電極棒２の先端と対向して放電電極として機能することになる。
そこで、上記放電空間８内に発生するアーク放電は、破線矢印で図示したように、導電性ノズル７の基端側内部でも発生する。

このように、導電性ノズル７内でもアーク放電が発生すれば、この放電によって生成されるプラズマは、より噴出口７ａに近いところで生成されることになる。そのため、上記気流に乗って噴出するプラズマは高イオン濃度を保持している。
また、上記導電性ノズル７は、アーク放電が噴出口７ａから外部に出ない程度の長さにしている。そのため、ノズル先端７ａを被処理物に近づけても、アーク放電の熱によって被処理物が変形したり、変質したりすることがない。
このように、アーク放電が導電性ノズル７の噴出口７ａから出ないので、熱の影響を気にしないで上記噴出口７ａを被処理物に近づけることができる。そのため、導電性ノズル７で、処理の目的にあわせて絞ったプラズマ流を効率よく被処理物に照射でき、効率のよい表面処理が実現できる。

さらに、アーク放電が導電性ノズル７の噴出口７ａから出ないので、金属製の被処理物に対して放電が発生して電流を流すこともない。もしも、導電性ノズルの先端からアーク放電が出る構造の装置で、金属製の被処理物を処理すると、被処理物との間で放電が起こり、放電集中によって被処理物を破損してしまうこともあるが、この実施形態のプラズマ表面処理装置ではそのようなことが無く、金属製の被処理物に対しても、樹脂製の被処理物と同様の表面処理を施すことができる。
なお、上記導電性ノズル７の、アーク放電が出ない長さは、交流電源Ａによる印加電圧や、供給する圧力基体の流量などに応じて設定するものである。

また、上記導電性ノズル７は、上記接続部材６とともにねじ結合によって電極筒１の先端に結合され、着脱可能にしている。このように、導電性ノズル７を着脱可能にすれば、長さや、噴出口の内径が異なる様々な導電性ノズルに交換することができる。
例えば、微小電流によっても破壊されてしまうような電子部品の近傍の被処理物を処理するときには、プラズマ流を絞るための極小径の導電性ノズルに取り替えることができるし、他の部品の奥に有る被処理物をプラズマ表面処理する場合には、長い導電性ノズルに交換すればよい。あるいは、噴出口を被処理物に近づけるために、湾曲した導電性ノズルを用いることもできる。
このように、導電性ノズル７を容易に交換可能にすれば、被処理物の位置や、被処理面の大きさに応じた導電性ノズルを選択し、より効率的な表面処理ができることになる。

１（外側電極である）電極筒
２（内側電極である）電極棒
２ａ先端
４絶縁パイプ
６接続部材
７導電性ノズル
７ａ噴出口
８放電空間
Ａ交流電源

Claims

内側電極と外側電極との間の放電空間に圧力気体を供給し、放電空間内で発生したアーク放電によって生成したプラズマを噴出口から噴出させるプラズマ表面処理装置において、上記圧力気体の流れ方向を基準にして、内側電極の下流側端部より噴出口側に放電空間を形成するとともに、この放電空間には上記外側電極と電気的に接続された導電性ノズルを接続し、この導電性ノズルの先端を上記噴出口とする一方、上記内側電極の先端から導電性ノズルの基端までの長さを、内側電極と導電性ノズル内との間でアーク放電可能な距離にし、かつ上記導電性ノズルの基端から噴出口までの長さを、上記アーク放電が噴出口から出ない距離にしたことを特徴とするプラズマ表面処理装置。
上記外側電極は筒状であり、上記導電性ノズルの基端には、上記外側電極の下流側先端と着脱可能な接続部を設け、この接続部を介して外側電極と導電性ノズルとが電気的に接続される構成にした請求項１に記載のプラズマ表面処理装置。