CN102172105A - 等离子体温度控制装置和等离子体温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于提供等离子体温度控制装置和等离子体温度控制方法，其中，可形成室温以下，特别是零度以下的等离子体，并且在低温至高温的较宽的温度范围内，能够更正确地控制等离子体温度。该装置包括使等离子体用气体变为等离子体的等离子体产生部(40)；等离子体用气体温度控制部(30)，其控制供给等离子体产生部(40)的等离子体用气体的温度，控制等离子体用气体的温度，控制在等离子体产生部(40)中产生的等离子体的温度。
Description
技术领域
本发明涉及用于进行等离子体的温度的控制的等离子体温度控制装置和等离子体温度控制方法。
背景技术
在过去，人们认为通过产生等离子体的气体的种类、气体的流量、所外加的能量的量、产生等离子体的方法、等离子体产生室的气氛等，大致确定等离子体的温度。
但是，从各种领域的应用的观点来说，具有将等离子体的温度控制在更宽的温度区域的要求。例如，在采用过去的等离子体装置的表面处理中，通过控制处理对象(例如，在半导体的处理中为衬底)的温度，控制反应速度或处理结果。但是，如果采用控制处理对象的温度的方法，则具有限制可处理的对象等的不利之处。
特别是，最近，具有降低等离子体的温度的要求，为此，相对供给等离子体产生室的能量，增加导入等离子体的气体的流量，由此，减少供给等离子体气体的能量，降低等离子体的温度，或减少投入给等离子体的能量的量，谋求等离子体温度的一些降低。但是，无法获得大幅度的温度的降低。
例如，在等离子体的形成中，采用脉冲电源，间歇地进行向等离子体的供电，将施加给等离子体的能量值作为总体削减(极小至0.2W～3W的范围内)，谋求等离子体的温度的降低。另外，具有将放电电极进行冷却的尝试，但是其另一目的在于抑制电极或等离子体的“温度上升”(参照非专利文献1)。
另外，为了降低等离子体的温度，将热传导率高的氦气用于等离子体气体，将由等离子体产生的热量传递给气体而排放，另外，将等离子体形成所必需的电力缩小到极限，再有，间歇地进行向等离子体的供电，将施加给等离子体的能量作为全体削减(参照非专利文献2的第235页、236页、245页)。
此外，具有通过脉冲动作、降低功率、增加气体流量来尝试“使等离子体的温度尽量不提高”，但是，这些方式全部为“通过所供给的气体的温度”而抑制温度上升的尝试。
已有技术文献
非专利文献
非专利文献1：The 35th IEEE International Conference on Plasma Science(ICOPS 2008)Oral Session 1E on Monday，June 16，09:30-12:00Conference Abstracts，2D4 TOXICITY OF NON-THERMAL PLASMA TREATMENT OF ENDOTHELIAL CELLS
非专利文献2：マイクロ·ナノプラズマ技術とその産業応用、株式会社シ一エムシ一出版、2006年12月27日发行
发明内容
如上所述，虽然尝试谋求等离子体温度的降低，但是，均无法实现大幅度的温度的降低。
另外，在过去，在等离子体的技术领域中，具有控制等离子体的温度的要求，但是，控制在形成等离子体前的等离子体用气体的温度、控制等离子体的温度的技术构思完全没有，也是无法预测的。特别是，降低“所供给的气体”的温度的构思在过去是完全没有的。另外，在采用过去的等离子体装置的气相合成中，只能通过控制施加于等离子体上的电力或气体流量的方式，控制等离子体的温度。
于是，本发明的课题在于针对这样的情况，提供等离子体温度控制装置和等离子体温度控制方法，其中，可形成室温以下，特别是零度以下的等离子体，并且在低温至高温的较宽的温度范围内，可更正确地控制等离子体温度。
为了解决上述的课题，本发明的权利要求1所述的等离子体温度控制装置包括：等离子体产生部，其使等离子体用气体变为等离子体；等离子体用气体温度控制部，其控制供向等离子体产生部的等离子体用气体的温度，该等离子体温度控制装置控制等离子体用气体的温度，控制在等离子体产生部中产生的等离子体的温度。
另外，上述的“等离子体的温度”、“等离子体温度”指非热平衡状态中的构成等离子体的原子或分子的运动温度，即，并进、旋转、振动的温度(在下面称为气体温度。相对它，在下面将电子运动温度称为电子温度)。
此外，权利要求2所述的等离子体温度控制装置涉及上述权利要求1所述的等离子体温度控制装置，其特征在于，等离子体用气体温度控制部以高于或低于室温的程度控制等离子体用气体的温度。
另外，权利要求3涉及权利要求1或2所述的等离子体温度控制装置，其特征在于，等离子体用气体温度控制部以低于室温的程度控制等离子体用气体的温度，使在等离子体产生部中产生的等离子体的温度低于室温。
此外，权利要求4涉及权利要求1～3中的任何一项所述的等离子体温度控制装置，其特征在于，等离子体用气体温度控制部包括等离子体用气体的冷却部和加热部，冷却部对等离子体用气体进行冷却，加热部对已冷却的等离子体用气体进行加热，从而控制等离子体用气体的温度。
还有，权利要求5涉及权利要求1～4中的任何一项所述的等离子体温度控制装置，其特征在于，包括测定等离子体温度的温度测定部，将通过温度测定部测定的等离子体温度反馈到等离子体用气体温度控制部，从而控制等离子体用气体的温度。
此外，权利要求6所述的控制等离子体的温度的等离子体温度控制方法的特征在于，通过以高于或低于室温的程度控制等离子体用气体的温度的方式控制等离子体的等离子体用气体的温度，将等离子体的温度控制在任意的温度。
按照本发明的等离子体温度控制装置和等离子体温度控制方法，可通过以高于或低于室温的程度控制等离子体用气体的方式，谋求等离子体温度的大幅度的降低或上升，在从低温～高温的较宽的温度范围内，可更加正确地控制等离子体温度。
另外，按照本发明的等离子体温度控制装置，在等离子体温度控制部设置等离子体用气体的冷却部和加热部，通过它们的协调，控制等离子体用气体的温度，由此，可较容易而正确地控制等离子体用气体的温度。另外，可通过等离子体温度测定部，测定等离子体温度，将其反馈给等离子体温度控制部，由此，可精准地控制等离子体温度。
按照本发明的等离子体温度控制装置和等离子体温度控制方法，可谋求等离子体的温度的大幅度的降低，可在形成室温以下，特别是零度以下产生等离子体。另外，在从低温～高温的较宽的温度范围内，可更正确地控制等离子体的温度。
附图说明
图1为表示本发明的等离子体温度控制装置的一个实施形式的方框图；
图2为图1的等离子体温度控制装置的整体外观结构图；
图3为表示图2的等离子体温度控制装置中的等离子体温度和冷却开始前后的时间的关系的曲线图；
图4为表示图2的等离子体温度控制装置中的等离子体温度和冷却开始前后的时间的关系的曲线图；
图5为表示另一实施形式的等离子体温度控制装置的方框图；
图6为通过图5的等离子体温度控制装置获得的等离子体温度的控制图。
具体实施方式
本发明的等离子体温度控制装置可通过采用等离子体温度控制部调节等离子体用气体的温度的方式，任意地控制等离子体的温度。例如，通过调节等离子体用气体的温度，可获得摄氏零度以下的等离子体温度，以及接近用作等离子体用气体的物质的沸点的温度(例如，在采用作为等离子体用气体的氦气的场合，绝对温度10K以下的温度)的等离子体的温度。等离子体温度控制装置包括使等离子体用气体变为等离子体的等离子体产生部、控制供向等离子体产生部的等离子体用气体温度的等离子体用气体温度控制部等。等离子体用气体指形成等离子体之前的气体、作为形成等离子体的气体，一般也称为等离子体气体。等离子体用温度控制部可以控制在高于室温或低于室温的程度，如果能够控制等离子体用气体的温度，则其可为任意的形式。等离子体用气体不但可采用氩、氦等的稀有气体，而且也可采用氧、氢、氮、甲烷、氟利昂、空气、水蒸气等的各种气体或它们的混合物等。等离子体既可为大部分电离的状态，也可为大部分为中性粒子而一部分为电离的状态，或者为激励状态。等离子体温度控制装置可应用于DLC薄膜形成、等离子体处理、等离子体CVD、微量元素分析、纳米粒子形成、等离子体光源、等离子体加工、气体处理、等离子体杀菌等的较宽范围的领域。
图1为表示本发明的等离子体温度控制装置10的一个实施形式的方框图。本实施形式的等离子体温度控制装置10包括等离子体用气体供给部20、等离子体用气体温度控制部30、等离子体产生部40、电源50等。等离子体产生部40只要能使等离子体用气体变为等离子体，就可为任意的结构和原理，例如，可采用诱导耦合等离子体法、采用空腔共振器等的微波等离子体法、平行平板或同轴型等的电极法等的各种方法或机构。用于产生等离子体的电源50可在从直流到交流、高频、微波以上的范围内，利用各种形式，还可从外部导入激光等的光、冲击波等，产生等离子体。还有，等离子体产生部40也可通过可燃气体、可燃液体、可燃固体等的燃烧产生等离子体。此外，对于等离子体产生部40，也可将该多个方法和机构进行组合，产生等离子体。另外，在本实施形式以及后述的实施形式中，等离子体产生部40采用大气压用的等离子体产生装置，在大气压下产生等离子体。
图2表示图1的等离子体温度控制装置10的整体结构外观图。等离子体产生部40采用作为平行平板型/电容耦合型等离子体形成装置的大气压高频非平衡等离子产生装置等，按照通常的等离子体形成条件而运转。在供给等离子体产生部40的电源50中，为了采用高频电源52，在其与等离子体产生部40之间获取匹配，设置高频整合电路54。由此，高频电源52向等离子体产生部40进行供电。
等离子体用气体温度控制部30将等离子体用气体经由配气管12，通过采用液氮的冷却器32使其处于低温状态，导入等离子体产生部40。冷却器32将液氮放入容器中，使等离子体用气体的配气管12进出容器，从而调整温度。等离子体用气体从等离子体用气体保存部22，通过配气管12，经由压力调节器24和流量调节器26送到冷却器32。等离子用气体的温度根据需要，在等离子体产生部40这一侧的配气管12中，通过等离子体用气体温度测定部34而测定。另外，为了抑制在气体冷却后，等离子体用气体的温度再次上升等的变化，在配气管12或等离子体产生部40等的周围或内部，设置绝热材料14。该绝热材料14可采用棉、石棉、泡沫苯乙烯、海绵、聚酯、泡沫橡胶、聚氨酯泡沫、干燥空气等的气体，SF6等的绝缘气体，环氧树脂、丙烯酸酯、油、石蜡等。在绝热材料14采用液体或气体的场合，也可在平时使其循环。另外，为了将等离子体用气体的温度快速地控制在任意的温度，在本实施形式中，也可事先对等离子体管、等离子体产生部进行冷却，或对其进行温度调整。
等离子体的温度通过等离子体温度测定部60而测定。等离子体温度测定部60在等离子体产生部40的等离子体喷射出口处设置热电偶62，测定等离子体的温度(气体温度Tg)。此时，为了正确地测定等离子体的温度，通过铝带包围热电偶62，抑制来自外部的扰乱，虽然关于这一点在图中未示出。按照不测定等离子体产生部40的温度的方式，使铝条带挠曲，热电偶62的温敏部不与等离子体产生部40接触。此外，通过等离子体温度测定部60测定的等离子体的温度显示于温度显示部64中。
接着，对采用上述本实施形式的等离子体温度控制装置10，确认等离子体温度可否控制的实验进行说明。进行本实验的目的在于通过控制导入等离子体产生部40的等离子体用气体，确认是否可控制等离子体的温度。具体来说，在图2所示的等离子体温度控制装置10中，将等离子体用气体通过配气管12通过填充有液氮的冷却器32进行充分地冷却，然后，导入等离子体产生部40。接着，每次按照一定时间测定导入经冷却的等离子体用气体的前后的等离子体的温度，确认伴随时间的变化。
图3表示等离子体产生部40采用大气压高频非平衡等离子体产生装置，等离子体用气体采用氦气，其温度和流量为-163℃和15升(L)/分，而且通过电源50而进行60W的RF供电的场合的等离子体温度和冷却开始前后的时间的关系。图3中的横轴的刻度0表示将已冷却的等离子体用气体导入等离子体产生部40的时刻，即，等离子体的冷却开始时。另外，通过大气压高频非平衡等离子产生装置而产生的氦等离子体的标准的等离子体温度在80～100℃的范围内。等离子体温度在冷却开始的2分钟之后，从80℃变为40℃，在8分钟之后变为-10℃，在12分钟之后变为约-23.7℃。
另外，图4表示等离子体产生部40采用电介质屏蔽放电型的大气压等离子体喷射器(jet)，等离子体用气体采用氦气，其温度和流量为-170℃和10升(L)/分，而且通过电源50而供给90kV、73W的交流电的场合，等离子体温度和冷却开始后的时间的关系。如图4所示的那样，在冷却开始时约为44℃的等离子体温度在从冷却开始到约8分钟之后，降低到约-90℃。
由此，根据图3和图4而知道，可通过改变等离子体用气体的温度控制等离子体的温度。即使在改变等离子体用气体的温度的情况下，至少在目视的范围内，没有等离子体不稳定的情况，观察不到消失的现象。
在图3所示的实验中，在通过等离子体产生部40形成的氦等离子体的场合，使供向等离子体产生部40的等离子体用气体的温度降低到-163℃，由此，形成-23.7℃的低温等离子体。另外，在图4所示的实验中，通过将等离子体用气体的温度降低到约-170℃，可产生约-90℃的低温等离子体。在等离子体温度降低之前，要求花费数分钟程度的时间的原因在于主要是对配气管12进行冷却的时间充分。本方法表明通过控制等离子体用气体的温度，可控制等离子体的温度。
在本发明的实施形式中，由于可控制等离子体用气体的温度，故也可在存在电极的等离子产生部40的场合，通过进行电极的温度控制，控制等离子体用气体的温度。
图5为表示等离子体温度控制装置10的另一实施形式的方框图。本实施形式的等离子体温度控制部30包括对等离子体用气体进行冷却的等离子体用气体冷却部36与对已冷却的等离子体用气体进行加热的等离子体用气体加热部38。对于等离子体用气体的温度，首先，通过等离子体用气体冷却部36而冷却，通过等离子体用气体加热部38而加热，控制在规定的温度。由此，可较容易地正确地控制等离子体用气体的温度。
对于等离子体用气体的温度，可通过等离子体温度测定部60测定等离子体温度，将其反馈给等离子体温度控制部30，精准地控制等离子体温度。在等离子体用气体温度控制部30中具有等离子体用气体加热部38的场合，可将反馈送给等离子体用气体加热部38，控制等离子体用气体加热部38。通过减小将等离子体用气体供给等离子体产生部40的部分的热容量，可更加正确地控制等离子体温度。此外，在本实施形式中，由于可通过等离子体温度测定部60测定特定的温度，将其反馈，故通过等离子体测定部60所测定的位置等没有限制。
图6表示图5的等离子体温度控制装置10的等离子体温度的控制的曲线图。根据图6可确认，按照本实施形式的等离子体温度控制装置10，可任意地控制等离子体的温度。
在这里，通过普通的电晕放电或屏蔽放电的等离子体装置产生的等离子体的温度在约25℃～约100℃的范围内。相对该情况，按照本实施形式的等离子体温度控制装置10，在约-90～200℃以上(通过构成高温部的材料的熔点等规定的温度)的较宽的温度范围内，可更加正确地控制等离子体温度。
由此，通过将等离子体温度控制在任意的温度，在等离子体温度控制装置10中具有可用于多种用途的可能性。例如，采用本实施形式的等离子体温度控制装置和等离子体温度控制方法，通过使等离子体的温度为与36.5℃的人体相同的温度，可降低对人体照射时的损伤和负担，这样，可对人体直接照射等离子体，可期待医疗领域和牙科领域的应用。
另外，按照本实施形式，在气相合成或表面处理中，由于可将等离子体温度控制在最适合于所希望的化学反应或催化剂反应的温度，故可进行各种气相合成或表面处理。另外，按照本实施形式，在表面处理中，可通过控制所照射的等离子体的温度控制处理对象的温度，控制反应速度、处理结果。此外，在已有的气相合成中，无法控制等离子体的气体温度，但是，采用本实施形式的等离子体温度控制装置和等离子体温度控制方法控制气体温度，由此，有利于纳米粒子制造等的气相合成。
此外，按照本实施形式，与过去的等离子体装置相比较，可形成气体温度低、电子温度高的所谓的非平衡性高的等离子体。另外，采用本实施形式的等离子体温度控制装置和等离子体温度控制方法，可通过控制等离子体的气体温度控制等离子体的非平衡性。
在本实施形式中，由于形成在配气管12或等离子体产生部40的周围或内部，填充上述那些绝热材料14的物质的结构，故可提高隔热的效果，并且可防止结露或结霜造成的电绝缘性能降低而造成的异常放电、电力损失、高频等的阻抗的变化等。另外，不但提高高电压部的绝缘性，或难以产生异常放电，而且对于装置的整体尺寸的减小来说也是有效的。
本发明并不照原样限于上述实施形式，在实施阶段中可在不脱离其主旨的范围内改变组成部件，更具体地实现。另外，可通过在上述实施形式中公开的多个组成部件的适合组合，形成各种的发明。例如，也可从实施形式的全部组成部件中，删除几个组成部件。另外，还可适当组合不同的实施形式中的组成部件。此外，可在不脱离本发明主旨的范围内进行各种变形而实施。
此外，在上述实施形式中，采用大气压用的等离子体产生装置在大气压下进行等离子体生成，由此，可更有效地控制等离子体温度，但是，也可根据用途，采用真空用或减压用、低气压用的等离子体产生装置，在从真空到大气压以上的条件下，控制等离子体温度。
另外，在上述实施形式中，将等离子体用气体借助配气管，从填充有液氮的冷却机中通过，由此，降低等离子体用气体的温度，但是，也可采用其它的方法。也可例如通过作为其它的制冷剂的干冰或冰水等，对等离子体用气体进行冷却，或采用冷冻机、佩尔蒂(Peltier)元件、热泵热交换器等对其进行冷却。此外，还可采用膨胀或焦耳-汤姆逊阀等，使等离子体用气体隔热膨胀。此外，也可代替对等离子体用气体进行冷却的方式，使液体状态的等离子体用气体蒸发，然后，供给等离子体气体供给通路或等离子体产生部，或者将液体状态或固体状态的等离子体用气体直接供给等离子体气体供给通路或等离子体产生部。
标号说明
标号10表示等离子体温度控制装置；
标号12表示配气管；
标号14表示绝热材料；
标号20表示等离子体用气体供给部；
标号22表示等离子体用气体保存部；
标号24表示压力调节器；
标号26表示流量调节器；
标号30表示等离子体用气体温度控制部；
标号32表示冷却器；
标号34表示等离子体用气体温度测定部；
标号36表示等离子体用气体冷却部；
标号38表示等离子体用气体加热部；
标号40表示等离子体产生部；
标号50表示电源；
标号60表示等离子体温度控制部；
标号62表示热电偶；
标号64表示温度显示部。
Claims (6)
1.一种等离子体温度控制装置，其特征在于，该装置包括：
等离子体产生部，其使等离子体用气体变为等离子体；
等离子体用气体温度控制部，其控制供给等离子体产生部的等离子体用气体的温度，
该等离子体温度控制装置控制等离子体用气体的温度，控制在等离子体产生部中产生的等离子体的温度。
2.根据权利要求1所述的等离子体温度控制装置，其特征在于，等离子体用气体温度控制部以高于或低于室温的程度控制等离子体用气体的温度。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体温度控制装置，其特征在于，等离子体用气体温度控制部以低于室温的程度控制等离子体用气体的温度，使在等离子体产生部中产生的等离子体的温度低于室温。
4.根据权利要求1～3中的任何一项所述的等离子体温度控制装置，其特征在于，等离子体用气体温度控制部包括等离子体用气体的冷却部和加热部；
冷却部对等离子体用气体进行冷却，加热部对已冷却的等离子体用气体进行加热，从而控制等离子体用气体的温度。
5.根据权利要求1～4中的任何一项所述的等离子体温度控制装置，其特征在于，包括测定等离子体温度的温度测定部，
将通过温度测定部测定的等离子体温度反馈给等离子体用气体温度控制部，从而控制等离子体用气体的温度。
6.一种控制等离子体的温度的等离子体温度控制方法，其特征在于，在该方法中：
通过以高于或低于室温的程度控制等离子体用气体的温度的方式控制等离子体的等离子体用气体的温度，将等离子体的温度控制在任意的温度。
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