JP2002371365A - プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

プラズマｃｖｄ装置

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JP2002371365A JP2001180686A JP2001180686A JP2002371365A JP 2002371365 A JP2002371365 A JP 2002371365A JP 2001180686 A JP2001180686 A JP 2001180686A JP 2001180686 A JP2001180686 A JP 2001180686A JP 2002371365 A JP2002371365 A JP 2002371365A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 環状導波管の温度を低温に維持するようにし
たプラズマＣＶＤ装置を提供すること。 【解決手段】 環状の導波管５の内側に配置された反応
室２内に、該導波管５の内周部に設けられたアンテナ２
０からマイクロ波電力を供給し、前記反応室２内部にプ
ラズマを生じせしめ、気相成長合成法で成膜するプラズ
マＣＶＤ装置において、前記環状導波管５と反応室２と
の間に冷却装置２７が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマＣＶＤ装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】環状の導波管の内側に配置された反応室
内に、該導波管の内周部に設けられたアンテナからマイ
クロ波電力を供給し、前記反応室内部にプラズマを生じ
せしめ、気相成長合成法で成膜するプラズマＣＶＤ（Ｐ
ｌａｓｍａ−ａｃｔｉｖｅｄＣｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐ
ｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法として、次のような
従来技術がある。 「従来技術１」コア層とクラッド層とが異なる屈折率を
有する光ファイバーの素材として、円筒状の石英管の内
面に、プラズマＣＶＤ法により被膜を形成させるものが
知られており、このような素材を成形するプラズマＣＶ
Ｄ装置として、「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｉｒ
ｅ ＆ Ｃａｂｌｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅ
ｅｄｉｎｇ １９９８」第６６〜７２頁に記載のものが
公知である。
【０００３】この従来技術によれば、円環状導波管（リ
ゾネータ）の内側に、中空基板が配置され、該中空基板
は、シリカ管からなり、該シリカ管は、真空ポンプによ
り所定の圧力に減圧されると共に、ガス供給システムか
ら、所望の混合ガス、例えば、ＳｉＣｌ4、ＧｅＣｌ4、
Ｃ2Ｆ5、Ｏ2の混合ガスが特定の低圧で管内に供給され
る。環状導波管の内周面には、円周方向所定間隔を有し
た開口が設けられ、該開口から２．４５ＧＨｚで動作す
るマイクロ波電力がシリカ管に供給され、このシリカ管
（基板管）内で、プラズマが発生し、このプラズマによ
り基板管の内壁に所望のガス成分の蒸着が発生する。
【０００４】蒸着中の基板管（石英管）の温度は装置全
体を覆う炉により、約１２００℃に維持され、また、基
板管自体が回動自在とされ、更に、基板管と環状導波管
は軸方向に相対移動自在とされている。そして、前記環
状導波管には、冷却装置が設けられている。 「従来技術２」「表面改質技術」ドライプロセスとその
応用（日刊工業新聞社 昭和６３年９月３０日発行）第
６０〜６３頁には、石英管内部においてプラズマを生成
させる装置が開示されている。
【０００５】即ち、マイクロ波を励起源とするプラズマ
ＣＶＤ装置として、反応室は直径４０〜５０ｍｍの石英
ガラス管より成り、中央に基板保持皿がある。マイクロ
波（２，４５０ＭＨｚ）はアイソレータ、パワーモニ
タ、チューナーを経て導波管によって反応室に導かれ
る。原料ガスは、反応室上部から導入され、下部から排
気される。圧力は通常数十Ｔｏｒｒであるため、ポンプ
は油回転ポンプのみでも良い。基板温度はガス圧、マイ
クロ波入力、基板ホルダー材料の選択により適正値に保
つことが可能であるが、補助加熱、冷却も必要に応じて
行える。 「従来技術３」米国特許第５，５１７，０８５号明細書
には、円環状導波管の内周面に、周方向一定間隔でスロ
ットアンテナが配置されたリングリゾネータと、リング
リゾネータ内部に挿入された円筒状の石英管を有するプ
ラズマ発生装置が開示されている。そして、スロットア
ンテナとして、反応室側に向かってその開口面積が広く
なる角錐型の電磁ホーンアンテナが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】プラズマＣＶＤ法によ
り、光ファイバ母材の石英管内部に、シリコン系材料な
どを堆積成膜する場合、当該石英管を高温に加熱する必
要がある。プロセスの内容にもよるが、その温度は前記
「従来技術１」によれば、１２００℃にも達することが
ある。このような高温プロセスで「従来技術１」の方法
を用いた場合、環状導波管の石英管と対面する面を中心
に、当該石英管からの輻射熱を受けて、高温となる可能
性がある。
【０００７】前記「従来技術１」では、環状導波管は水
冷構造とされているが、その冷却部分は、環状導波管の
側壁部分であり、高温の石英管に対面する内周面側は冷
却されていないので、内面側の温度上昇は避けられない
構造となっている。ところで、環状導波管内部には、マ
イクロ波電力が伝播しているが、その伝播特性は、当該
環状導波管内表面の電気抵抗に強く依存する。導波管の
温度が高くなると表面抵抗の増加に伴い、マイクロ波の
伝播特性が悪化する。更に、高熱により空気中の酸素と
導波管材料が化合し、導波管表面に酸化膜が形成された
場合、表面抵抗は著しく増大する。
【０００８】例えば、導波管の温度が０℃から１２００
℃に増加した場合、主な金属の表面抵抗は、約３．５倍
となる。導波管内では、電波が導波管表面に電流を生じ
ながら反射するので、導波管内表面の電気抵抗は大きな
影響を持ち、導波管による損失は、約３．５倍となり、
更に温度による表面の酸化などの影響を加えると、導波
管による損失は多大となり、無視できなくなる。導波管
による損失が大きくなった場合、損失分だけマイクロ波
の供給効率が悪化するだけではなく、マイクロ波伝播に
伴う導波管表面でのジュール熱で導波管自体が発熱体と
なり、更に導波管の伝播効率が低下し、損失が増し、ジ
ュール熱が発生するという悪循環をたどり、導波管表面
の酸化の影響も受けて、導波管に致命的な損傷を生み出
す。
【０００９】あるいは、導波管に機械的な損傷を与えな
い場合でも、導波管の電気的損失が増大することによる
マイクロ波出力の低下が生じるなどの弊害も生み出す。
また、プラズマが生成していないプラズマ着火前の段階
では、スロットから漏れ出るマイクロ波量が少ないた
め、環状導波管で構成されるマイクロ波共振回路の損失
は、導波管内で発生するジュール熱によって大きく支配
されることになる。このため、環状導波管内部の損失が
大きい場合は、着火特性が低下するなどの性能低下をき
たす。
【００１０】従って、環状導波管は良好なマイクロ波電
波特性を確保するために、導波管内の電気伝導性を良好
に保つ必要があり、したがって、低温を維持しておく必
要がある。そこで、本発明は、環状導波管の温度を低温
に維持するようにしたプラズマＣＶＤ装置を提供するこ
とを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、次の手段を講じた。即ち、本発明の特徴
とするところは、環状の導波管の内側に配置された反応
室内に、該導波管の内周部に設けられたアンテナからマ
イクロ波電力を供給し、前記反応室内部にプラズマを生
じせしめ、気相成長合成法で成膜するプラズマＣＶＤ装
置において、前記環状導波管と反応室との間に冷却装置
が配置されている点にある。本発明の構成によれば、反
応室などからの熱量は冷却装置により外部へ放出するこ
とが可能になり、導波管の内面を高温から保護すること
ができ、安全且つ安定したマイクロ波供給を実現でき
る。
【００１２】本発明によれば、前記アンテナは、環状導
波管の内周部に周方向所定間隔を有して配置されたスロ
ットから構成され、前記冷却装置は、環状導波管の内周
部で且つ前記アンテナ間に設けられているのが好まし
い。このような構成により、アンテナからのマイクロ波
照射を妨げない。即ち、前記アンテナからマイクロ波を
安定して放射するためには、アンテナの導波管側と反応
室側で十分な特性インピーダンスの整合をとることが必
要とされる。反応室側の特性インピーダンスは、アンテ
ナ近傍の空間電磁界分布に大きく依存し、該アンテナ近
傍にある特に金属体の存在によって変化を受ける。
【００１３】特に冷却装置が金属などの導電体で不用意
に作製された場合には、スロットから放射されたマイク
ロ波電磁場に冷却装置の導電体が影響を与えて、マイク
ロ波の放射効率が低下する。そこで、本発明では、冷却
装置をスロット間に設けるようにしたのである。また、
反応室と環状導波管で囲まれる空間の電磁界を安定させ
均一化させる目的で、環状導波管の内周壁に冷却装置を
埋め込むことが考えられるが、このような構成にする
と、内周壁の厚みが厚くなる。厚くなった壁にスロット
を設けた場合、スロット内のマイクロ波は、波長よりも
狭い間隙を長い距離、伝播する必要が生じ、前記特性イ
ンピーダンスの整合が得難くなり、該マイクロ波は該ス
ロットの位置で反射され、環状導波管に戻される。従っ
て、マイクロ波は反応室側に照射されにくくなる。
【００１４】そこで、本発明では、前記アンテナを、ス
ロットの開口が反応室側に向かってその開口面積が広く
なる電磁ホーンアンテナとして構成するのが好ましい。
このような構成により、マイクロ波照射効率の向上が図
られる。即ち、当該電磁ホーンは、スロットから開口面
積を徐々に広げたものであるので、特性インピーダンス
を徐々に導波管内部のインピーダンスから空間の特性イ
ンピーダンスに近付け、最終的には導波管に設けられた
スロットと空間の間の特性インピーダンスを整合する働
きを持つ。このような手段により、安定したマイクロ波
の供給が実現できる。
【００１５】前記電磁ホーンアンテナの形状は、角錐型
とされるのが好ましい。このような形状にすることによ
り、その製作が容易となる。前記角錐型電磁ホーンアン
テナの錐の頂角は、３０〜９０度の範囲が好ましく、よ
り好ましくは、５０〜６０度である。即ち、電磁ホーン
は、一般的には、頂角が小さいほどインピーダンス変化
が徐々になり、マイクロ波の放出効率がよくなる。しか
し、ホーンの長さ、つまり導波管内周壁の厚みが限られ
ているので、開口面積を大きくできず、アンテナの利得
が小さくなる。即ち、あまり頂角を小さくすると、マイ
クロ波は伝播しにくくなり、大部分のマイクロ波は環状
導波管内に反射されてしまい、外部空間に放出されなく
なる。
【００１６】逆に電磁ホーンの頂角が広いと、放射され
るマイクロ波の波面が歪曲し、電磁ホーンによる徐々た
る特性インピーダンスの変化の効果が得られなくなり、
マイクロ波の放射効率が低下する。本発明者らは、環状
導波管に設けられた４本のスリット夫々にホーン長さ３
０ｍｍの角錐型電磁ホーンアンテナを設置して、環状導
波管とその中心を一にする減圧したアルゴンガスを封入
した石英管から成る反応室を設置してマイクロ波照射の
実験をしたところ、ホーン角度２０度では有効なマイク
ロ放射が得られず、石英管にプラズマ発生を実現するこ
とはできなかった。頂角３０度では、有効なマイクロ波
照射が得られ、プラズマを発生することができた。
【００１７】次に同様の条件において、電磁ホーンの形
状を１２０度とした場合、有効なマイクロ波照射が得ら
れず、石英管にプラズマ発生を実現することはできなか
った。しかし、９０度とすることで、放射効率は悪いも
ののマイクロ波の放射が行われ、プラズマを発生するこ
とができた。従って、頂角が３０〜９０度の間であれば
プラズマ発生が可能であることが確認できた。次に発明
者らは電磁ホーンの頂角を５３度とし、同様の実験をし
たところ、良好なマイクロ波放射が得られ、十分なプラ
ズマを得ることができた。この条件の時、最も強いプラ
ズマを得ることができた。
【００１８】従って、頂角の最適条件は、５０〜６０度
である。更に、本発明においては、前記冷却装置と反応
室との間に断熱材を配置するのが好ましい。このように
断熱材を配置することにより、より環状導波管の冷却性
を高めることができる。この断熱材は、マイクロ波を吸
収しにくい材料に選定すれば、電磁ホーンと電磁ホーン
の間だけでなく、ホーンの前面にも配置できる。前記反
応室自体を中空基板とすれば、該中空基板の内面に膜を
形成させることができるので、該中空基板を光ファイバ
の母材とすることができる。
【００１９】この場合、前記中空基板と環状導波管は、
軸方向に相対移動可能に設けられるのが好ましい。この
ように構成することにより中空基板を長尺物とすること
ができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき説明する。図１、２に示すプラズマＣＶＤ装置
は、光ファイバ母材を製造するものであり、石英管１の
内面にシリコン系材料などを堆積成膜するものである。
このプラズマＣＶＤ装置は、前記石英管１の中空部２を
減圧する減圧手段３と、前記中空部２にガスを供給する
ガス供給手段４と、前記石英管１の外周域からマイクロ
波を照射して、前記中空部２内のガスのプラズマを生成
して該中空部２の内面に被膜を形成させる環状導波管５
とを備えている。
【００２１】この実施の形態では、前記石英管１の中空
部２が反応室とされ、石英管１自体が中空基板とされ、
該中空基板の内面に被膜が形成される。そして、石英管
１の直径は２０ｍｍ〜３０ｃｍ、長さは１〜２ｍとされ
ている。前記環状導波管５は、反射マイクロ波を吸収す
るためのアイソレータ６を介して、マイクロ波発振用マ
グネトロン７に接続されて、マイクロ波照射装置を構成
している。前記アイソレータ６は、該マグネトロン７が
負荷により反射してきたマイクロ波によって損傷を受け
ることを防ぐために、反射マイクロ波を水負荷で吸収す
るようになっており、マグネトロン７と共に、水冷機構
が設けられている。この冷却機構は、空冷であってもよ
い。
【００２２】前記環状導波管５は、移動台８に設けられ
ている。この移動台８は、ベッド９に左右方向移動自在
に設けられている。なお、前記環状導波管５以外のアイ
ソレータ６、マグネトロン７、及びそれらを接続するた
めの導波管も前記移動台８に設けられている。従って、
これらの重量を極力小さいものとし、移動エネルギを小
さなものとしている。この移動台８は手動ハンドル１０
により左右方向移動自在とされていると共に、モータな
どの駆動装置により移動自在に構成されている。そし
て、この移動台８の移動速度や距離は、制御装置により
制御可能とされている。この移動台８を、パソコンやシ
ーケンサで制御し、移動速度、移動加速度、移動距離な
どを任意に制御するのが好ましい。これら移動台８など
により、環状導波管５の移動装置が構成されている。
【００２３】前記ベッド９の一端部には、ヘッドストッ
ク１１が移動可能に設けられ、他端部にはテールストッ
ク１２が左右方向移動固定自在に設けられている。前記
ヘッドストック１１には、チャック１３が回転自在に支
持され、このチャック１３に石英管１の一端部が着脱自
在に取り付けられる。前記テールストック１２にも、チ
ャック１４が回転自在に支持され、このチャック１４に
石英管１の他端部が着脱自在に取り付けられる。これら
両チャック１３，１４は、同期して正逆回転駆動される
ように構成されている。チャック１３，１４の回転速度
は制御装置により制御される。これらチャック１３，１
４などにより石英管１の回転装置が構成されている。
【００２４】そして、前記ヘッドストック１１に前記ガ
ス供給手段４が接続され、前記テールストック１２に前
記減圧手段３が接続されている。このヘッドストック１
１及びテールストック１２の両チャック１３，１４に、
前記石英管１の両端部を把持した状態において、該石英
管１の中空部２は、外界とは気密状体を保持して前記ガ
ス供給手段４と減圧手段３とに連通可能とされている。
なお、前記説明においては、ヘッドストック１１にガス
供給手段４を接続し、テールストック１２に減圧手段３
を接続したが、これは夫々反対にもでき、ヘッドストッ
ク１１に減圧手段３を接続し、テールストック１２にガ
ス供給手段４を接続しても同様の効果が得られる。
【００２５】前記減圧手段３は、主として真空ポンプか
ら成り、石英管１の中空部２の圧力を減圧保持する。塩
素系ガスなど、金属を腐食するガスを使用することがあ
るので、これらのガスに対して腐食しないように構成さ
れている。前記ガス供給手段４は、石英管１の中空部２
の内面に生成する被膜の種類に応じて必要な反応ガスを
供給するものであり、例えば、ＳｉＣｌ4＋Ｏ2、ＳｉＣ
ｌ 4＋ＧｅＣｌ4＋Ｏ2、ＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋Ｃ2Ｆ6等のガ
スを供給する。前記ベッド９上には、前記両チャック１
３，１４に把持された石英管１及び環状導波管５を覆う
ように、炉装置１５が設けられている。この炉装置１５
は、開閉自在な蓋体１６を有し、該蓋体１６を開くこと
により、前記石英管１の取り外しを可能としている。
【００２６】図３、４に示す様に、前記環状導波管５
は、同心円上に配置された環状の内周壁１７と外周壁１
８と、これら両壁１７，１８の端部をつなぐ左右側壁１
９，１９とを有し、内周壁１７と外周壁１８の間に、マ
イクロ波電力が伝播する環状空間が形成されている。前
記環状導波管５の内周部に、内側にマイクロ波電力を供
給するためのアンテナ２０が設けられている。このアン
テナ２０は、内周壁１７の周方向に等間隔を有して４個
所に設けられたスロット２１から構成されている。この
スロット２１は、石英管１の軸心と平行に開口された矩
形状の孔からなる。
【００２７】なお、前記環状導波管５とアイソレータ６
とは、角パイプ状の導波管２２を介して結合されいる。
即ち、環状導波管５の外周壁１８と導波管２２の一側壁
とが連通部２３を介して接続され、その連通部２３にカ
ップリングアンテナ２４が設けられている。マグネトロ
ン７，アイソレータ６を通じて送られてきた２．４５Ｇ
Ｈｚのマイクロ波は、導波管２２を通じてカップリング
アンテナ２４まで伝播する。マイクロ波電力は、１〜１
０ｋＷとされている。カップリングアンテナ２４は、導
波管２２と環状導波管５を電磁気的に結合する目的で設
置されており、電気伝導性のよい材料でできた金属棒が
導波管２２と環状導波管５の間を貫く形態で設置されて
いる。このカップリングアンテナ２４の差し込み深さ
は、手動又は自動で変更できるようになっており、当該
カップリングアンテナでマイクロ波の反射を変化させ、
マイクロ波の整合状態を調整したり、導波管２２内のマ
イクロ波と環状導波管５内のマイクロ波の結合状態を任
意に変更できたりするようになっている。
【００２８】なお、本実施の形態では、マイクロ波の整
合をとるために、カップリングアンテナ２４の他に、導
波管２２の終端部に導電性の金属で形成された可動プラ
ンジャチューナ２５を設けている。可動プランジャ２５
は、手動或いは自動で位置を変更できるようになってい
る。尚、可動プランジャ２５の可変位置変更範囲は、マ
イクロ波の管内波長の半分以上であればよいが、調整の
利便性から半波長〜１波長とすることが尚好ましい。
【００２９】この可動プランジャ２５とカップリングア
ンテナ２４によって、マイクロ波の整合をとる。マイク
ロ波の整合状態は、マグネトロン５から出力されるマイ
クロ波電力と、アイソレータ６に戻るマイクロ波の電力
で確認できる。マイクロ波の出力電力に比べ、反射電力
が小さいほど、整合がよくとれていることを示す。マイ
クロ波の進行波及び反射波の電力は、クリスタル検波器
などで測定するのが好ましいが、進行波電力において
は、マグネトロン７に供給されている電力から類推する
こともできるし、反射波電力においては、アイソレータ
６に供給される電力を測定しても略同じ結果を得ること
ができる。
【００３０】整合が得られ、十分なマイクロ波電力が出
力されていれば、アンテナ２０から石英管１内のガスに
マイクロ波が供給され、圧力、ガス種などの諸条件が整
えば、プラズマ２６が発生し、所望の化学変化が進行
し、石英管１の内面に膜堆積が実施できる。この場合、
炉装置１５によって加熱された石英管１は、最高１２０
０℃程度になるが、この輻射熱によって環状導波管５が
加熱され、温度が上昇する。そこで、本発明では、上記
過熱の問題を克服するために、環状導波管５を冷却する
ための冷却装置２７を設け、環状導波管５を熱から守
り、安全且つ安定したマイクロ波供給を実現しようとし
たものである。
【００３１】前記冷却装置２７は、環状導波管５と反応
室である石英管１との間に設けられている。より具体的
には、内部に水または油或いは気体等の冷媒を通す冷却
パイプ２８を環状導波管５の内周壁１７の内面に取り付
けて冷却装置２７を構成している。この冷却パイプ２８
は、スロット２１の開口を塞がないように、スロット２
１間に設けられている。冷却装置２７を作る材質は、１
２００℃以上の融点を持つ材料が好ましい。最高１２０
０℃の温度に達する光ファイバ製作プロセスにおいて、
何らかの原因で、環状導波管５が１２００℃以上になっ
た場合、冷却装置２７が溶融し、破損するのを未然に防
ぐためである。
【００３２】前記冷却装置２の冷却能力は、石英管１か
らの輻射熱、環状導波管５が直接炉装置１５から受ける
熱量、環状導波管５の内部で生じるマイクロ波損失によ
り吸収した熱量などを外部に放出できるものである。と
ころで、前記アンテナ２０からマイクロ波を安定して放
射するためには、アンテナ２０から見て環状導波管５側
と石英管１側とで、十分な特性インピーダンスの整合を
とることが必要である。前記石英管１側のインピーダン
スは、石英管１や環状導波管５の外形、或いは、環状導
波管５に設置されている構造物の影響を大きく受ける。
【００３３】環状導波管５のアンテナ２０が、スロット
アンテナであった場合、スロット２１の間に冷却装置２
７を設けると、特に冷却装置２７が金属などの導電体で
作製された場合には、冷却装置２７の導電体が影響を与
えて放射空間の特性インピーダンスに影響を与え、マイ
クロ波の放射効率が低下することが懸念される。即ち、
一般に環状導波管５内部の特性インピーダンスは、環状
導波管５外の空間特性インピーダンスと異なっており、
スロット形状のように導波管５の壁から直ぐに外部空間
にマイクロ波を放射するような構造の場合、特性インピ
ーダンスの整合がとりにくく、導波管５を伝播してきた
マイクロ波はスロットの位置で反射され、効率よく空間
に放射しづらくなる。
【００３４】特に、アンテナ２０近傍に冷却装置２７に
代表される放射空間の特性インピーダンスを乱すものが
配置されている場合は、上記傾向は強く、また、マイク
ロ波を安定して放射するための整合条件などを、事前に
予測することも極めて難しくなる。そこで、図５，６に
示すように、環状導波管５の内側に設置される冷却装置
２７が、環状導波管５と石英管１で囲まれる空間の特性
インピーダンスに影響を与え難いようにするために、冷
却パイプ２８を環状導波管５の内周壁１７に埋める形態
とした。
【００３５】この場合、冷却パイプ２８を環状導波管５
の内周壁１７に収納する必要がでてくるので、必然的に
環状導波管５の内周壁１７の肉厚が厚くなる。内周壁１
７の肉厚が厚くなると、アンテナ２０のスロット２１に
おいて、マイクロ波は、狭い隙間を長い距離伝播する必
要があり、薄い内周壁のときと同様の放射特性を得るこ
とは極めて難しくなる。このように厚い内周壁１７にス
ロットアンテナを設置した場合は、マイクロ波は、該ス
ロット２１の位置で反射され、環状導波管５内に戻され
る。従って、石英管１に有効なマイクロ波照射が行われ
にくくなる。
【００３６】そこで、図７，８に示すように、アンテナ
２０を、スロット２１の開口面積を徐々に広げた形状と
した電磁ホーンアンテナ２９とした。このような形状と
することにより、特性インピーダンスを徐々に空間の特
性インピーダンスに近付け、最終的には環状導波管５の
内周壁１７に設けたスロット２１と空間の間の特性イン
ピーダンスを整合する働きを持つ。電磁ホーンアンテナ
２９は、電気伝導性のよい材質が好ましいが、表面を電
気伝導性のよい銀や金などをメッキするのもよい。２．
４５ＧＨｚの高周波では、表皮効果が表れるため、メッ
キ厚さは数ミクロンでよい。
【００３７】図９に示すものは、前記電磁ホーンアンテ
ナ２９の形状の一例であり、角錐型に形成されている。
このような角錐型にすることにより、その製作が容易と
なる。また、角錐型とすることにより、大容量の冷却装
置２７を設置することができる。図１０に示すように、
前記電磁ホーンアンテナ２９の形状を楕円形にすること
もできる。このように楕円形にすれば、マイクロ波照射
領域を楕円形にして、マイクロ波照射領域の強度分布を
丸く一様にすることができる。
【００３８】図１１に示す如く、前記電磁ホーンアンテ
ナ２９は、ホーン長さＬが長く、頂角α（開き角）が狭
いほど、特性インピーダンスの変化が小さくなり、放出
効率がよくなる。しかし、内径が１００ｍｍ程度の環状
導波管５のスロット２１の代わりに取り付けた電磁ホー
ンアンテナ２９の場合、あまり頂角αを小さくすると、
開口面積が小さくなり、伝播しにくくなり、大部分のマ
イクロ波は環状導波管５内に反射されてしまい。外部空
間に放出されなくなる。
【００３９】逆に電磁ホーンアンテナ２９の頂角αが広
いと、電磁ホーンアンテナ２９による特性インピーダン
スの空間的変化の効果が得られなくなり、また、アンテ
ナから放射されるマイクロ波の波面が歪曲するため、マ
イクロ波の放射効率が低下する。実験によれば、環状導
波管５の内周面１７に設けられた４本のスロット２１の
夫々にホーン長さＬ＝３０ｍｍの角錐型電磁ホーンアン
テナ２９を設置して、環状導波管５の内側に、減圧した
アルゴンガスを封入した石英管１から成る反応室２を設
置して、マイクロ波照射をしたところ、ホーン角度α＝
２０度では有効なマイクロ放射が得られず、石英管１に
プラズマ発生を実現することはできなかった。頂角α＝
３０度では、有効なマイクロ波照射が得られ、石英管１
内部に有効なプラズマを発生することができた。
【００４０】次に同様の条件において、電磁ホーンアン
テナ２９の頂角α＝１２０度とした場合、インピーダン
ス整合が得られにくく、十分なプラズマを発生させるこ
とが出来なかった。頂角α＝９０度とすることで、十分
なマイクロ波の放射が行われ、石英管１に有用なプラズ
マの発生を確認した。次に、電磁ホーンアンテナの頂角
αを５３度とし、同様の実験をしたところ、最も反射電
力が小さい状態でマイクロ波放射が実現でき、十分なプ
ラズマを得ることができた。
【００４１】この結果は、次のとおり解釈できる。電磁
ホーンアンテナ２９は、パラボラアンテナに代表される
開口アンテナの一種であり、開口部の面積が大きいほ
ど、指向性が鋭くなり、高い利得が得られることが知ら
れている。従って、頂角αが小さい場合には、開口面積
が小さくなるので、利得が減少し、マイクロ波の放射効
率も低下する。勿論、電磁ホーンアンテナ２９の長さＬ
を長くすれば、小さい角度αでも開口面積を大きくする
ことは可能であるが、環状導波管５の内径や石英管１の
外径で、該電磁ホーンアンテナ２９の長さＬは必然的な
制限を受ける。一方、頂角αを大きくすると、指向性が
向上し、利得も増す傾向にあるが、該頂角αを大きくし
すぎると、アンテナ２９から放出されるマイクロ波の波
面が歪曲し、電磁ホーンアンテナ２９の放射効率が低下
する。
【００４２】従って、電磁ホーンアンテナ２９の長さＬ
が装置構成によって必然的に決定され、この長さＬにお
いて、元もアンテナ放射効率の高い頂角αが決定され
る。実験によると、長さＬは、３０ｍｍにおいて、頂角
αは５３度が最適であるが、３０〜９０度の範囲で有効
なマイクロ波放射を確認した。なお、必要となる冷却装
置２７に要求される冷却能力、即ち、冷却装置２７の体
積と電磁ホーン２９のマイクロ波放出効率を鑑みて、電
磁ホーンアンテナ２９の頂角αを定めるとよい。
【００４３】図１２，１３に示すものは、環状導波管５
の内周壁１７に取り付けた冷却パイプ２８を、熱伝導性
がよく、かつ電気伝導性のよい材料２８、例えばステン
レスなどの金属で埋めたものである。そして、石英管１
に対する面を平滑化し、マイクロ波の反射特性がよいよ
うに鏡面研磨などの処理を施した。このように構成する
ことにより、一層マイクロ波の放出特性の改善が期待で
きる。図１４，１５に示すものは、石英管１と環状導波
管５の間に、断熱材３０を設置したものである。
【００４４】冷却装置２７を設けた場合でも、石英管１
からの輻射が大きく、環状導波管５並びに電磁ホーンア
ンテナ２９や冷却装置２７の温度が高くなる場合には、
石英管１と環状導波管５の間に、断熱材３０を設置する
ことで、より環状導波管５の冷却性を高めることができ
る。前記断熱材３０は、マイクロ波を吸収しにくい材料
に選定すれば、電磁ホーンアンテナ２９同士の間だけで
はなく、電磁ホーンアンテナ２９の前面にも設置でき
る。
【００４５】尚、本発明は、前記実施の形態に示したも
のに限定されるものではなく、「従来技術２」に示す装
置にも適用できる。
【００４６】
【発明の効果】本発明によれば、環状導波管と反応室と
の間に冷却装置を配置したので、環状導波管の過熱を防
止できる。また、アンテナを、スロットの開口が反応室
側に向かって開口面積が広くなる電磁ホーンアンテナと
しているので、マイクロ波の放射効率の低下が防止され
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係わるプラズマ
ＣＶＤ装置の側面図である。
【図２】図２は、図１の正面図である。
【図３】図３は、環状導波管の断面図である。
【図４】図４は、図３の断面図である。
【図５】図５は、環状導波管の他の実施の形態を示す断
面図である。
【図６】図６は、図５の断面図である。
【図７】図７は、環状導波管の他の実施の形態を示す断
面図である。
【図８】図８は、図７の断面図である。
【図９】図９は、電磁ホーンアンテナの分解斜視図であ
る。
【図１０】図１０は、他の実施の形態を示す電磁ホーン
アンテナの分解斜視図である。
【図１１】図１１は、電磁ホーンアンテナの形状の説明
図である。
【図１２】図１２は、環状導波管の他の実施の形態を示
す断面図である。
【図１３】図１３は、図１２の断面図である。
【図１４】図１４は、環状導波管の他の実施の形態を示
す断面図である。
【図１５】図１５は、図１４の断面図である。
【符号の説明】
１ 石英管（中空基板） ２ 中空部（反応室） ５ 環状導波管 ２０ アンテナ ２１ スロット ２７ 冷却装置 ２９ 電磁ホーンアンテナ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊 秀喜 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 Ｆターム(参考） 4G075 AA24 AA30 AA61 BC04 CA03 CA26 CA47 DA01 EB27 FA01 FB06 FC06 4K030 AA03 AA04 AA14 BA45 CA06 CA15 FA01 JA04 KA30 LA11

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 環状の導波管の内側に配置された反応室
    内に、該導波管の内周部に設けられたアンテナからマイ
    クロ波電力を供給し、前記反応室内部にプラズマを生じ
    せしめ、気相成長合成法で成膜するプラズマＣＶＤ装置
    において、 前記環状導波管と反応室との間に冷却装置が配置されて
    いることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
  2. 【請求項２】 前記アンテナは、環状導波管の内周部に
    周方向所定間隔を有して配置されたスロットから構成さ
    れ、 前記冷却装置は、環状導波管の内周部で且つ前記アンテ
    ナ間に設けられていることを特徴とする請求項１記載の
    プラズマＣＶＤ装置。
  3. 【請求項３】 前記アンテナは、スロットの開口が反応
    室側に向かって開口面積が広くなる電磁ホーンアンテナ
    とされていることを特徴とする請求項２記載のプラズマ
    ＣＶＤ装置。
  4. 【請求項４】 前記電磁ホーンアンテナの形状を、角錐
    型としたことを特徴とする請求項３記載のプラズマＣＶ
    Ｄ装置。
  5. 【請求項５】 前記角錐型電磁ホーンアンテナの錐の頂
    角を、３０〜９０度としたことを特徴とする請求項４記
    載のプラズマＣＶＤ装置。
  6. 【請求項６】 前記角錐型電磁ホーンアンテナの錐の頂
    角を、５０〜６０度としたことを特徴とする請求項４記
    載のプラズマＣＶＤ装置。
  7. 【請求項７】 前記冷却装置と反応室との間に断熱材を
    配置したことを特徴とする請求項１〜６の何れか一つに
    記載のプラズマＣＶＤ装置。
  8. 【請求項８】 前記反応室自体が中空基板であり、該中
    空基板の内面に成膜されることを特徴とする請求項１〜
    ７の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ装置。
  9. 【請求項９】 前記中空基板と環状導波管は、軸方向に
    相対移動可能に設けられていることを特徴とする請求項
    ８記載のプラズマＣＶＤ装置。
  10. 【請求項１０】 前記中空基板は、光ファイバ母材とさ
    れていることを特徴とする請求項９記載のプラズマＣＶ
    Ｄ装置。
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