JP2003297598A - プラズマを発生させる方法およびプラズマ発生装置 - Google Patents

プラズマを発生させる方法およびプラズマ発生装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、液体中において高エネルギー
のプラズマを発生する方法および装置を提供することで
ある。 【解決手段】ドデカン等の液体3の中に超音波発生装置
4により超音波を照射して気泡を発生させるとともに、
電磁波発生装置5により当該液体中で気泡が発生してい
る位置に電磁波を照射して気泡中に高エネルギーのプラ
ズマを発生させることにより、熱に弱い材料の表面にも
蒸着加工のできるようなプラズマ発生方法を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、液体中においてプ
ラズマを発生させるための方法および装置に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】従来より、プラズマを用いた蒸着技術と
して気相プラズマによる蒸着技術が幅広く利用されてい
る。たとえば特開平10−81589号公開特許公報に
はプラズマCVD法によってシリコンまたは立方晶シリ
コンカーバイトの表面にダイヤモンド膜を形成すること
が記載されている。
【0003】しかし、これらの方法では蒸着物質を大量
に合成することは困難である。また、気相で高エネルギ
ーのプラズマを発生させると高温になり、熱に弱い基板
材料へ蒸着することはできない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、液体
中において高エネルギーのプラズマを発生する方法およ
び装置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、本発明におけるプラズマを発生させる方法は、液体
中に超音波を照射して気泡を発生させるとともに、当該
液体中に電磁波を照射して気泡中にプラズマを発生させ
るものである。使用する液体は、炭化水素を含むもので
あってもよく、さらにはドデカンを含むものであっても
よい。液体が入った容器を真空容器に設置して減圧する
ものであってもよい。そして、蒸着を行うべき基材を前
記炭化水素液体中でプラズマが発生する位置にいれ、基
材表面にダイヤモンドを蒸着させるようにしてもよい。
また、本発明におけるプラズマ発生装置は、液体を入れ
る容器と、前記液体中に気泡を発生させる超音波発生装
置と、前記液体に電磁波を照射する電磁波発生装置を備
えたものである。また、液体を減圧するための真空装置
を備えてもよい。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明に係るプラズマ発生方法お
よび発生装置の実施の形態について図1に示す例を用い
て説明する。プラズマ発生装置1の容器2には液体3が
入れられる。液体は発生するプラズマの用途に応じて様
々なものが選択できる。表面蒸着を行う場合には、蒸着
物質の原料となる液体や蒸着物質の原料を含む溶液等を
使用する。また、ダイヤモンド膜を蒸着するために、ダ
イヤモンドの原料となる炭素を含む液体が使用でき、特
に水素を含む炭化水素を使用すると蒸着時にダイヤモン
ド層中に発生するグラファイトを還元して排除するため
純粋なダイヤモンド膜の蒸着に有利である。特にドデカ
ン(C1226)は室温でも液体でありかつ粘性が小
さく超音波や電磁波が減衰しにくいので有効である。液
体3の中にはホーン型振動子を用いた超音波発生装置4
の先端が入れられ、液体中に超音波が照射される。この
超音波によって液体中に多数の気泡が雲状に発生する。
気泡の中にはドデカン等液体3の物質が気相で入ってい
るが、気泡内部の気体は超音波によって急速に拡大収縮
を繰り返す。収縮時にはほぼ断熱圧縮となり、気泡内で
は超高圧高温となりプラズマが発生しやすい状態とな
る。本発明に係るプラズマ発生装置には電磁波発生装置
5が設けられており、液体3の中の気泡が発生する位置
に電磁波を照射するようになっている。電磁波として
は、発生させようとするプラズマの種類や強度等によっ
て周波数や出力を選択すればよいが、主に2GHz程度
かそれ以上のマイクロ波が用いられる。超音波により高
温高圧になっているところに電磁波を重畳することによ
り気泡中に高エネルギーのプラズマが発生する。なお、
本実施形態において容器2は真空容器6内に収められて
おり、真空ポンプ7により減圧できるようになってい
る。減圧することは必ずしも必要ではないが、減圧する
ことによりプラズマの発生の開始を容易にすることがで
きる。いったんプラズマが発生して安定したら、多くの
場合は真空ポンプを停止して大気圧に戻してもプラズマ
は継続する。
【0007】以上のようにして、液体中で高密度の高エ
ネルギープラズマを発生させることができる。プラズマ
は既に気泡中に封じ込まれており、プラズマ技術におけ
る大きな課題である発生したプラズマの封じ込めは本発
明においては問題にならない。局所的には高温高圧のプ
ラズマが発生しているが、熱容量の大きな液体中に閉じ
込められており巨視的にみれば低温である。したがって
外部やプラズマに接触するものを加熱することがない。
このようにして発生したプラズマは高温高圧であってエ
ネルギー密度が高く、しかも取り扱いが容易であるの
で、蒸着や物質の化学合成、あるいは核融合等に利用可
能である。さらに、高エネルギー状態での電気分解にも
応用ができ、ダイオキシン等有害物質の分解に利用する
こともできる。音響キャビテーションによる気泡として
単気泡(シングルバブル)と多気泡(マルチバブル)が
あり、本発明は両者に適用できる。単気泡では全体のエ
ネルギーは小さくなるが、気泡内において超音波照射だ
けでも10000K〜100000Kという高エネルギ
ー状態が得られ、核融合等の反応炉として有効である。
一方、多気泡ではやや低温になり超音波照射のみで50
00K程度であるが、全体のエネルギー量は大きく、蒸
着加工等の工業的利用に有利である。なお、超音波を照
射せずに電磁波のみを照射してもプラズマは発生する
が、このためには大きな出力の電磁波を必要とし、また
得られるプラズマはエネルギーの低い実用性に乏しいも
のである。本発明に係るプラズマ発生装置は簡易である
とともに小型であり、机上に置けるほどの大きさに作る
ことができる一方、超音波発生装置や電磁波発生装置に
高出力のものを用いて大規模なものとすることもでき
る。
【0008】
【実施例】図2に本発明に係るプラズマ発生方法および
発生装置の第1の実施例を示す。本実施例は本発明をダ
イヤモンド等の蒸着に適用した例である。容器2の中に
は純度の高いドデカン3が入れられており、ドデカン中
にはホーン型振動子を用いた超音波発生装置4と電磁波
発生装置5の先端が近接して設けられており、それぞれ
超音波とマイクロ波をドデカン中に照射する。また、容
器の底部には基板取付け部8が設けられており基板9を
取り付けるようになっている。超音波およびマイクロ波
は基板9の表面付近に集中して照射され、基板9の付近
で気泡雲およびプラズマが発生するようになっている。
マイクロ波は2.5GHzを120Wの出力で照射し
た。超音波発生装置4は19.5kHz、出力が0〜6
00Wのものを用いた。真空ポンプを作動させて、圧力
を10〜1000hPaで変化させた。超音波のマイク
ロ波を照射すると目視で確認できるほど強いプラズマの
発光が得られた。圧力を10〜100hPaにしている
ときは白色発光プラズマが、圧力を100〜1000h
Paにしているときは橙色発光プラズマが確認された。
プラズマの発生を開始させるときには減圧するほうがプ
ラズマの発生が容易になるが、発生したプラズマが安定
したら減圧を止めて大気圧に戻してもプラズマは継続す
る。このようにして発生したプラズマは超音波とマイク
ロ波の照射を続ける限り長時間に渡って継続することが
できる。
【0009】超音波とマイクロ波の照射後、ドデカンか
ら生成された褐色の溶解物および黒色の難溶性物質が存
在していた。液相では気相に比べて分子密度が非常に高
いので、気体での蒸着法よりはるかに速い合成速度が得
られる。また、液中で蒸着させることにより液体による
冷却効果があり、熱に弱い物質を基板として用いること
ができ、プラスチックや紙、木材等従来では考えられな
かったような材料の表面への蒸着加工も可能となる。ド
デカン等の炭化水素中で高エネルギープラズマを発生さ
せてダイヤモンドの合成および蒸着を行うことができ、
フラーレンやカーボンナノチューブの合成を行うことも
できる。さらに、ドデカン以外にも各種の液体を使っ
て、TiC、SiN、TiNなどのコーティングもでき
る。なお、プラズマは継続できるので、基板取り付け部
を可動にして、基板の表面の広い範囲に蒸着を行うこと
もできる。
【0010】次に、本発明のプラズマ発生方法の第2の
実施例について説明する。本例においても図2に記載し
たプラズマ発生装置を使用したが、液体としてドデカン
の代わりに灯油を用いた。プラズマを発生させるのはド
デカンよりやや困難であったが、プラズマが発生した後
は安定して継続した。本実施例においても白色に発光す
る高エネルギープラズマが確認された。灯油は主成分が
ドデカンであるが、その他ドデカンよりも分子量の小さ
い炭化水素や分子量の大きい炭化水素が混在しており、
灯油において高エネルギーのプラズマを得られたこと
は、本発明が多成分混合液体においても有効であること
を示すものである。
【0011】
【発明の効果】本発明のプラズマ発生方法およびプラズ
マ発生装置は、液中でプラズマを発生させることによ
り、巨視的には低温で取り扱いやすいプラズマ技術を提
供するという効果がある。低温条件下でプラズマを発生
させるので安全であり、本発明を蒸着加工に適用した場
合には、熱に弱い材料の表面にも蒸着加工ができるとい
う効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプラズマ発生装置の例を示す断面図で
ある。
【図2】本発明のプラズマ発生装置の別の例を示す断面
図である。
【符号の説明】
1.プラズマ発生装置 2.容器 3.液体(ドデカン) 4.超音波発生装置 5.電磁波発生装置 6.真空容器 7.真空ポンプ 8.基板取付け部 9.基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C23C 16/27 C23C 16/27 16/511 16/511 H05H 1/46 H05H 1/46 B Fターム(参考) 4G075 AA24 AA42 BC01 BD14 CA23 CA26 CA47 CA65 DA02 EB01 EB41 ED15 4K029 AA01 AA11 BA62 DA04 4K030 AA09 BA28 CA01 CA07 CA12 EA01 FA01

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】液体中に超音波を照射して気泡を発生させ
    るとともに、当該液体中に電磁波を照射して気泡中にプ
    ラズマを発生させる方法。
  2. 【請求項2】前記液体が炭化水素を含むものである記載
    のプラズマを発生させる方法。
  3. 【請求項3】前記液体がドデカンを含むものである請求
    項2に記載のプラズマを発生させる方法。
  4. 【請求項4】前記液体が入った容器を真空容器に設置し
    て減圧するものである請求項1ないし請求項3のいずれ
    かに記載のプラズマを発生させる方法。
  5. 【請求項5】蒸着を行うべき基材を前記炭化水素液体中
    でプラズマが発生する位置にいれ、基材表面にダイヤモ
    ンドを蒸着させる請求項2ないし請求項4のいずれかに
    記載のプラズマを発生させる方法。
  6. 【請求項6】液体を入れる容器と、前記液体中に気泡を
    発生させる超音波発生装置と、前記液体に電磁波を照射
    する電磁波発生装置を備えたプラズマ発生装置。
  7. 【請求項7】液体を減圧するための真空装置を有する請
    求項6に記載のプラズマ発生装置。
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