JP2006202662A - プラズマ発生装置及びその給電効率の最適化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大気圧プラズマの発生装置の小型化を実現すること。更には、その大気圧プラズマ発生装置に対する給電効率の最適化を容易にすること。
【解決手段】セラミックスからなる高耐熱性の絶縁体４の前方開口端４ａからプラズマが出射される。先端が窄んだ略円筒形の金属製の外導体２は、同軸空洞Ｒの外殻部を形成している。外導体２、絶縁体４、及び金属製のプラズマ材料ガス導入管１は、何れも筒状に形成されて互いに同軸となる様に配置されている。外導体２とプラズマ材料ガス導入管１とは、可変機構６付近で電気的に接続されている。プラズマ材料ガス導入管１の導入口１ａはプラズマ発生装置１０の最後部に配置されており、一方、プラズマ材料ガス導入管１のガス吹き出し口１ｂはその反対側に配置されている。このガス吹き出し口１ｂの更に前部には、金属製の突起部材５が配設されて、電界が集中し易くなっている。
【選択図】図１−Ａ

Description

本発明は、大気圧プラズマ源に関し、特にマイクロ波を用いたプラズマ発生装置、並びに、その装置に対する給電効率の最適化方法に関する。

マイクロ波を用いたプラズマ発生装置としては、例えば下記の特許文献１、特許文献２或いは特許文献３などに記載されている従来装置などがある。
これらの従来装置は、大型の磁気コイルや減圧機構などを用いて構成されている。

特許第３２２４４４３号 特許第３１７４９８１号 特表２００３−５０２８２２

しかしながら、これらの従来装置においては、次の様な欠点があった。
（１）真空若しくは低圧でプラズマを使用することを前提としているので、次の点で不利となることがある。
（ａ）磁気コイルや減圧機構が必要不可欠とされる。
（ｂ）高温が必要な場合などでは、むしろ大気圧などの高圧下でのプロセス（スパッタリングやエッチングなど）の方が有利となることが多い。
（２）装置が大型となり易いので、次の点で不利である。
（ａ）設備コストが抑制し難い。
（ｂ）運搬や取り扱いなどが必ずしも容易ではない。

即ち、大気圧プラズマ装置は、その外寸が小さいもの、軽いもの、或いは取り扱いが容易なものであることが望ましい場合が少なくないが、今のところこれらの条件を十分に満たす様な従来装置は見当たらない。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、マイクロ波を用いた大気圧プラズマの発生装置において、装置の小型化を実現することである。
また、本発明の更なる目的は、その大気圧プラズマ発生装置に対する給電効率の最適化を容易にすることである。
ただし、上記の個々の目的は、本発明の個々の手段の内の少なくとも何れか１つによって、個々に達成されれば十分であって、本願の個々の発明（下記の個々の手段）は、上記の全ての課題を同時に解決する具体的実施形態が存在することを必ずしも保証するものではない。

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、マイクロ波を導波させる筒状の空洞を有するマイクロ波を用いたプラズマ発生装置において、空洞の外殻部を形成する中空の筒状の金属製の外導体と、略全体又は少なくとも一部が上記の外導体の内部に配置された、外導体と同軸の筒状の高耐熱性の絶縁体と、一部が上記の絶縁体の内部に配置され、外導体と導通された、外導体と同軸の筒状の金属製のプラズマ材料ガス導入管と、外導体の内部でかつ上記の絶縁体の外周に配置され、空洞へマイクロ波を放射する、外導体と同軸のループを有する同軸結合アンテナと、上記の絶縁体の内部でかつプラズマ材料ガス導入管のガス吹き出し口の前方に配置された金属製の放電アンテナとを備え、これにより、上記の絶縁体の前方開口端から大気圧プラズマを放出することである。

ただし、上記の高耐熱性の絶縁体としては、例えば、石英、石英ガラス、セラミックスなどを用いることができる。
以下、本明細書においては、上記の大気圧プラズマが放出される側を本発明のプラズマ発生装置の前方とする。したがって、上記のプラズマ材料ガス導入管においてプラズマ材料ガスが導入される導入口は、本発明のプラズマ発生装置の後方に位置する。

また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、上記の絶縁体を貫通させる貫通口を軸上に有する略円錐台形の側壁部から、上記の外導体の前部を形成することである。

また、本発明の第３の手段は、上記の第１または第２の手段において、上記の空洞の軸方向の全長の３等分点上に、上記の同軸結合アンテナのループを配置することである。ただし、この３等分点は上記の全長の内分点とする。

この内分点は２点存在するが、何れか一方に上記の同軸結合アンテナのループを配置しても良いし、両方の３等分点上に上記の同軸結合アンテナを配置しても良い。ただし、両方の３等分点上に上記の同軸結合アンテナを配置する場合、双方のマイクロ波の位相をπ／２ずらさなくてはならないので、遅延回路が必要となる。したがって、構造の簡易化や小型化や軽量化などの点では、上記の同軸結合アンテナは１カ所に設けることが望ましい。

また、本発明の第４の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段において、大気圧プラズマを放出する向きに突き出した突起を上記の放電アンテナに設け、かつ、この突起を上記の絶縁体の軸上に配置することである。

また、本発明の第５の手段は、上記の第１乃至第４の何れか１つの手段において、放電アンテナは、螺旋状のフィラメントであることを特徴とするプラズマ発生装置である。
また、本発明の第６の手段は、上記の第１乃至第５の何れか１つの手段において、放電アンテナは、トリウムが混合されたタングステンから成ることを特徴とする。

また、本発明の第７の手段は、上記の第１乃至第６の何れか１つの手段において、同軸ケーブルによって上記の同軸結合アンテナに給電するようにしたことである。

また、本発明の第８の手段は、上記の第１乃至第７の何れか１つの手段において、上記のプラズマ材料ガス導入管に、その軸方向の位置が調節可能な可変機構を設けることである。

また、本発明の第９の手段は、請求項８に記載のプラズマ発生装置に対する給電効率を最適化する工程において、上記の可変機構により、上記の同軸結合アンテナにおけるマイクロ波の反射率を最小に設定することである。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。

以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第１の手段によれば、マイクロ波により上記の空洞内に高電界が発生し、上記の放電アンテナに電界が集中するので、プラズマ材料ガス導入管から導入されたプラズマ材料ガスは、効率よくプラズマ状態となる。この時、プラズマ材料ガス導入管や上記の絶縁体の管内は何れも略大気圧であるので、プラズマ材料ガスの注入流量を最適化することにより、本装置の前方に純度の良好なプラズマガスを放出することができる。同軸結合アンテナを用いたので、導波管を用いることなく、同軸ケーブルを用いて同軸結合アンテナに、マイクロ波を供給することができるので、装置を小型に構成することができる。

また、本発明の第２の手段によれば、上記の貫通口付近に電界が良好に集中するので、上記の放電アンテナに、より効率良く電界が集中する。このため、プラズマ発生のために消費される電力を抑制することができる。

また、本発明の第３の手段によれば、軸方向の装置の全長を短く確保しつつ、効率良くマイクロ波を放電アンテナへ供給することができる。したがって、本発明の第３の手段によれば、装置の小型化と省電力化の双方を合理的に両立させることができる。

また、本発明の第４の手段によれば、プラズマが発生する向きとプラズマを放出させるべき向きとが一致するので、生成されたプラズマの消滅、減衰などの無駄を極力排除しつつ即座に放出することができる。また、第５の手段によれば、放電アンテナを螺旋状のフィラメントとしたことから、この部分にマイクロ波を集中させて、プラズマを容易に発生させることができる。また、第６の手段によれば、放電アンテナを、トリウムが混合されたタングステンにより構成したので、マイクロ波による加熱により電子が放出され易くなるので、この部分に容易にプラズマを発生させることができる。

同軸ケーブルは、柔軟性があり小型にまとめることもでき、取り扱いが便利である。したがって、本発明の第７の手段によれば、装置に対して同軸ケーブルでマイクロ波を入力することが可能となり、取り扱いが容易でかつ、導波管などでマイクロ波を導入する場合よりも遥かにコンパクトな装置を構成することができる。同軸結合アンテナにより容易にマイクロ波を空洞に供給することができる。
また、Ｎ型同軸コネクタなどを利用すれば、着脱操作も容易となり、更に、これらの部品は規格化されたり市販されたりしているので、装置の設計や製造も簡単になる。

また、本発明の第８の手段によれば、上記のプラズマ材料ガス導入管の軸方向の位置を調整することによって、上記の同軸結合アンテナの空洞に対するマイクロ波の反射率を最小化することができる（本発明の第９の手段）。
通常、プラズマが発生している場合とそうでない場合とでは、空洞と同軸結合アンテナとの間のインピーダンスマッチングの最適条件は異なる。しかしながら、上記の可変機構を随時利用すれば、容易にインピーダンス整合の最適化を図ることができるため、常時、電力の使用効率の高いプラズマ発生装置を実現することも可能となる。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。

図１−Ａは、本実施例１のプラズマ発生装置１０の軸上の断面図である。このプラズマ発生装置１０は、セラミックスからなる高耐熱性の絶縁体４の前方開口端４ａからプラズマを出射するものである。先端が窄んだ略円筒形の金属製の外導体２は、同軸空洞Ｒの外殻部を形成している。外導体２、絶縁体４、及び金属製のプラズマ材料ガス導入管１は、何れも筒状に形成されて互いに同軸となる様に配置されており、この軸周辺に絶縁体４とプラズマ材料ガス導入管１が位置している。外導体２とプラズマ材料ガス導入管１とは、可変機構６付近で電気的に接続（導通）されている。

プラズマ材料ガス導入管１の導入口１ａは、プラズマ発生装置１０の最後部に配置されており、一方、プラズマ材料ガス導入管１のガス吹き出し口１ｂはその反対側に配置されている。そして、このガス吹き出し口１ｂの更に前部には、金属製の放電アンテナ５が配設されている。即ち、この放電アンテナ５は、絶縁体４の内壁に固定されており、絶縁体４内の軸と同軸上に配置されている。放電アンテナ５は周辺部が絶縁体４の内壁に接合するリング形状に構成されており、中心軸がプラズマを放出する側に突出した突起５１を有している。この放電アンテナ５付近においては、軸に対する外側方向には、プラズマ材料ガス導入管１が無く、かつ下記の略円錐台形の側壁部２ａがある。この様な配置により、この放電アンテナ５には、電界が集中し易くなっている。図１−Ｂに、この放電アンテナ５の正面図を示す。

外導体２の前部は、絶縁体４を貫通させる貫通口を軸上に有する略円錐台形の側壁部２ａから形成されている。側壁部２ａの貫通口付近が前方に向って窄んでいる構造もまた、生成される電界を放電アンテナ５に集中させるのに寄与している。
同軸結合アンテナ３は、その正面図を図１−Ｃに示す様に、先端がループ状になっている。このループの中を絶縁体４が貫通し、同時にプラズマ材料ガス導入管１もこのループの中を貫通している。

プラズマ材料ガス導入管１の位置を調整する可変機構６は、固定金具などを用いて形成されており、この可変機構６により、プラズマ材料ガス導入管１は、上記の絶縁体４の内壁面に案内されて、軸方向に（即ち、前後方向に）位置を変えることができる。Ｎ型同軸コネクタ７は、図略の同軸ケーブルを接続するための電気的な接続インターフェイスを提供している。この同軸ケーブルは、マイクロ波を給電するために用いられ、これによってＮ型同軸コネクタ７から入力された高周波電力は、同軸結合アンテナ３まで伝送される。同軸結合アンテナ３はこの給電に基づいて、同軸空洞Ｒに対して所定の周波数のマイクロ波を放射する。この時、このマイクロ波は、同軸空洞Ｒ内にて高電界を生成する。

プラズマ材料ガス導入管１の導入口１ａから流入されたプラズマ材料ガスは、上記の放電アンテナ５の隙間ｓを通って、この放電アンテナ５の突起先端ｔ付近にまで到達する。この突起先端ｔ付近には電界が集中するので、これによって上記のプラズマ材料ガスを電離することができる。この電離後の状態のものが大気圧プラズマであり、プラズマ材料ガスの流入速度に応じて前方開口端４ａから出射される。

上記の同軸結合アンテナ３は、同軸空洞Ｒの全長（軸方向の長さ）の３等分点上に配置されている。また、同軸空洞Ｒの全長は、上記のマイクロ波の管内波長λの３／４に設定されている。
外導体２の外径Ｄやプラズマ材料ガス導入管１の外径ｄは、例えばそれぞれ、Ｄ＝３０ｍｍ，ｄ＝３．２ｍｍ程度で良い。
プラズマ材料ガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ），酸素（Ｏ₂ ）、水素（Ｈ₂ ）などの一般に用いられている周知のガスを用いることができる。ガス流量は、本プラズマ発生装置１０の場合、０．１〜１０リットル／分程度が適当である。
また、同軸結合アンテナ３に対する給電電力は、概ね１００Ｗ程度で良い。

以上の様な構成に従えば、全長約１００ｍｍ程度の非常にコンパクトなプラズマ発生装置（本プラズマ発生装置１０）を構成することができる。この様なプラズマ発生装置は、従来よりも遥かに小型で、かつ非常に軽量であるので、その取り扱いは従来よりも格段に容易である。

また、上記のプラズマ材料ガス導入管１の位置を調整する可変機構６によって、上記の同軸結合アンテナ３の同軸空洞Ｒに対するマイクロ波の反射率を最小化することができる（本発明の第９の手段）。
通常、プラズマが発生している場合とそうでない場合とでは、空洞と同軸結合アンテナとの間のインピーダンスマッチングの最適条件は異なるが、上記の可変機構６を利用すれば、容易にインピーダンス整合の最適化を図ることができる。

上記の放電アンテナ５は、電子を放出し易い金属材料であれば良いが、特に、トリウムが混合されたタングステンで構成するのが望ましい。また、図１−Ａに示す放電アンテナの配設する位置（導入管１の先端部で絶縁体４の内部）に、図２−Ｂに示すように、コイル状のフィラメント５２から成る放電アンテナ５を設けても良い。このフィラメント５２は、トリウムが混合されたタングステンである。この構成により、このフィラメント５２がマイクロ波で加熱されて、電子を効果的に放出することができ、この部分でプラズマを容易に発生させることが可能となる。

本発明のプラズマ発生装置は、例えば表面クリーニング、ＣＶＤ、表面改質、エッチングなどの周知の用途に用いることができる。

実施例１のプラズマ発生装置１０の軸上の断面図 プラズマ発生装置１０が備える放電アンテナ５の正面図 プラズマ発生装置１０が備える同軸結合アンテナ３の正面図 他の実施例に係るプラズマ発生装置１０の軸上の断面図 他の例を示す放電アンテナの構成図

符号の説明

１０ ： プラズマ発生装置
１ ： プラズマ材料ガス導入管
１ａ： 導入口
１ｂ： ガス吹き出し口
２ ： 外導体
２ａ： 略円錐台形の側壁部（外導体２の前部）
３ ： 同軸結合アンテナ
４ ： 高耐熱性の絶縁体
４ａ： 絶縁体４の前方開口端
５ ： 放電アンテナ
６ ： プラズマ材料ガス導入管１の位置を調整する可変機構
７ ： Ｎ型同軸コネクタ
Ｒ ： 同軸空洞
５１： 突起
５２： 放電アンテナ

Claims (9)

1. マイクロ波を導波させる筒状の空洞を有するマイクロ波を用いたプラズマ発生装置において、
   前記空洞の外殻部を形成する中空の筒状の金属製の外導体と、
   略全体又は少なくとも一部が前記外導体の内部に配置された、前記外導体と同軸の筒状の高耐熱性の絶縁体と、
   一部が前記絶縁体の内部に配置され、前記外導体と導通された、前記外導体と同軸の筒状の金属製のプラズマ材料ガス導入管と、
   前記外導体の内部でかつ前記絶縁体の外周に配置され、前記空洞へ前記マイクロ波を放射する、前記外導体と同軸のループを有する同軸結合アンテナと、
   前記絶縁体の内部でかつ前記プラズマ材料ガス導入管のガス吹き出し口の前方に配置された金属製の放電アンテナと
   を有し、
   前記絶縁体の前方開口端から大気圧プラズマを放出する
   ことを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記外導体の前部は、
   前記絶縁体を貫通させる貫通口を軸上に有する略円錐台形の側壁部から形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記同軸結合アンテナの前記ループは、
   前記空洞の軸方向の全長の３等分点上に配置されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記放電アンテナは、
   前記大気圧プラズマを放出する向きに突き出した突起を有し、
   前記突起は、
   前記絶縁体の軸上に配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のプラズマ発生装置。
5. 前記放電アンテナは、螺旋状のフィラメントであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のプラズマ発生装置。
6. 前記放電アンテナは、トリウムが混合されたタングステンから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のプラズマ発生装置。
7. 前記同軸結合アンテナは、
   同軸ケーブルによって給電されている
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のプラズマ発生装置。
8. 前記プラズマ材料ガス導入管は、
   軸方向の位置が調節可能な可変機構を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のプラズマ発生装置。
9. 請求項８に記載のプラズマ発生装置に対する給電効率を最適化する方法であって、
   前記可変機構により、前記同軸結合アンテナにおける前記マイクロ波の反射率を最小に設定する
   ことを特徴とする給電効率の最適化方法。