JP2007299720A - 吹き出し形マイクロ波励起プラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 マイクロ波をマイクロ波入力部31から誘電体基板3に導入させ、誘電体基板3の一方の面に設けあられたマイクロストリップ線路1及びテーパー形状の導体11と他方の面に設けられたアース導体2との間を伝播させ、テーパー形状の導体11とアース導体2となる誘電体基板3の端部の断面であるマイクロ波出力部55から補助電極20が設けられた誘電体ガス管25に放射させ、誘電体ガス管25の内部にマイクロ波の電界を集中させ、誘電体ガス管25の一方の端部に設けられたノズルから吹き出すプラズマを発生させる吹き出し形マイクロ波励起プラズマ処理装置。
【選択図】図6
Description
ところが、低圧力の条件下ではさまざまな処理ガスを用いた非熱平衡プラズマにより各種表面処理が行われているが、高価な真空装置が必要でかつすぐに試料を真空容器から取り出すことができず、装置にコストがかかるだけでなく、処理に時間がかかり、結果として製品のコストが高くなるなど、工業的には不利であった。そのため、大気圧下で又は大気圧付近の圧力で非熱平衡プラズマを発生させる方法が要求されている。
また、従来より、プラズマをノズルから吹き出す吹き出し形プラズマは、被加工物にプラズマを使用したCVD(化学蒸着)、エッチング、アッシング、被加工物に溶断又は溶接、表面改質等を行うのに有用とされており、様々な分野で利用されている。
また、近年では、プロセスの微細化が進んでおり、空間的に局所プラズマプロセシング技術が必要になっており、そのため、断面サイズが数ミリメートルオーダー又はその以下の微小プラズマジョット発生装置および処理方法が要求されている。
大気圧下で又は大気圧付近の圧力における吹き出し形プラズマに関し、現在、直径数ミリメートルオーター又はその以下の吹き出し形プラズマを発生させるには、直流アーク放電を用いる方法がよく知られている。しかしながら、直流アーク放電を用いる方法は、電極が劣化しやすいこと、反応性ガスの使用ができないこと、基板が導体に限定されることなどの様々な問題を有している。
また、無電極方式の吹き出し形プラズマ発生装置も知られている、例えば、VHF帯(30−300MHz)の高周波を用いた誘導結合式熱プラズマ発生装置が提案されている(特願2001−297850参照)。
しかし、提案されているプラズマ発生装置は、大気圧下で安定なプラズマを維持するために特殊ガス(例えば、ヘリウム又はアルゴンガス)を供給する必要があるし、インピーダンスマッチングが複雑な回路になっている等装置の製作上及び運転上における様々な限界と問題点を有している。また、アレイ化による大規模化が困難である。
(1) マイクロ波電源が安い。
(2) 無電極運転が可能であり、放電維持寿命が長い。
(3) インピーダンスマッチングが簡単な素子で可能。
(4) マイクロ波とプラズマのカップリング効率がよい。
(5) 大気圧を含め広い圧力範囲において安定な高密度のプラズマが発生する。
それは、マイクロ波が伝搬する方向に対して誘電体板の垂直断面に、マイクロストリップ線路とアース導体を延長させ、それを二つの電極とし、その間にプラズマ発生部の隙間を形成することにより電界を集中させ、そこにプラズマを発生させる装置である。
Jaeho Kim and Kazuo Terashima,"2.45 GHz microwave−excited atmospheric pressure air microplasmas based on microstrip technology",Applied Physics Letters.Vol.86,pp.191504−1−191504−3(2005). Jaeho Kim and Kazuo Terashima,"Microwave excited nonequilibrium atmospheric pressure microplasmas for polymer surface modification",Proceedings of the 4■ Asia−Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Science and Thchnology,Yunlin,Taiwan,pp.322−325(December 2005).
この装置は、誘電体の基板3と、その基板3の厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部7と、マイクロストリップ線路1と、アース導体2と、基板のテーパー部7に設置される幅が徐々に広がるテーパー形状のマイクロストリップ線路11と、マイクロストリップ線路1とアース導体2との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部31と、図4に示したガスを流すために基板内部に設けられているチャンネル5、そのチャンネル5にガスを入力するためのガス入力部50と、チャンネル5からガスが出るノズル部51を備える。
誘電体の基板3は、マイクロ波の誘電損失が少なく、耐熱性が大きい材料が良い。例えば、アルミナ、石英、サファイア等の適宜の材料、あるいは、その複合構造が用いられる。
マイクロ波導入部31は、商用の高周波コネクトで、例えば、SMAコネクト、N型コネクト、BNCコネクト、M型コネクト等を適宜用いることができる。
マイクロ波導入部31は、図1に示すように誘電体基板の一方の端部に設けても良いし、図5に示すように誘電体基板3のアース導体2が設けられているの面に備えても良い。
誘電体内部のチャンネル5と、ガス入力部50と、ノズル部51の形状は、望む吹き出し形プラズマの大きさや形状を考えて適宜の形にすることができる。その一つの例を図3に示す。
誘電体基板3のテーパー部7の傾きと長さ、又、テーパー形状のマイクロストリップ線路11の幅の広がる角度と長さを適宜にすることで、プラズマの発生部で発生するマイクロ波の反射波を大きく抑えることができる。
その第2の例として、図20に示すようにその第1の斜面と第2の斜面を対称的し、誘電体基板3の厚みを徐々に小さくした後、その両方の斜面の傾きを平行にして少し伸ばした形状でも良いし、
その第3の例として、図21に示すようにその一方の面だけに斜面を設け、その他方の面は平行にそのまま伸ばした形状でも良いし、
その第4の例として、図22に示すように図21に示す構造においてその両面の端部を平行にて少し伸ばして形状でも良いし、
又は、その両面の斜面の傾きを二段階、あるいは複数の段階にした形状等で、一方の面あるいは両方の面に斜面を設けることにより誘電体基板3の厚みが徐々に小さくなる形状であれば良い。
テーパー形状のマイクロストリップ線路11は他の形状、例えば、図3に示すようにマイクロストリップ線路1と同じ形状等の他の形状でもできることは言うこともない。
テーパー形状のマイクロストリンプ線路11とアース導体2は、誘電体基板1の端で、又はその端の内側で終るようにしても良い。
マイクロ波入力部31から誘電体基板2に導入されたマイクロ波は、マイクロストリップ線路1およびテーパー形状のマイクロストリップ線路11とアース導体2との間を伝搬する。
そのマイクロ波の電界は、テーパー部7のところで、マイクロストリップ線路11とアース導体2との距離が狭くなっているので徐々に強くなり、チャンネル5にプラズマを発生させる。そのプラズマはガスの流れと共にノズル部51から吹き出る。
さらに、このような構造の装置では、マイクロ波の電界がノズル部51から空間に放射するように形成されるので、その放射電界によりプラズマがより吹き出ることになる。
この装置は、誘電体の基板3と、その基板3の厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部7と、マイクロストリップ線路1と、アース導体2と、基板のテーパー部7に設置される幅が徐々に広がるテーパー形状のマイクロストリップ線路11と、マイクロストリップ線路1とアース導体2との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部31と、誘電体基板3のテーパー部7が設けられた端部の断面でおいてテーパー形状のマイクロストリップ線路11とアース導体2の間でマイクロ波が空間に放射されるマイクロ波出力部55を備える図8に示している誘電体基板部と、両端の断面にガス入力部50と、ガスの出口でプラズマが吹き出されるノズル部51を設けた誘電体ガス管25を備える。
補助電極20は、導電性を有する導体であれば良い。補助電極20の形状は、図6に示す細長い形状に限らず、網、フラット等の形状でも良い。
誘電体基板3のテーパー部7は、実施例1で記述した形状が可能であり、一方の面あるいは両方の面に斜面を設けることにより誘電体基板3の厚みが徐々に小さくなる形状であれば良い。
誘電体基板3において、マイクロストリップ線路1とアース導体2を備える位置は相互的であり、それらを設置する誘電体基板3の面が変わっても良い。
マイクロ波入力部31から誘電体基板3に導入されたマイクロ波は、マイクロストリップ線路1およびテーパー形状のマイクロストリップ線路11とアース導体2との間を伝搬する。
そのマイクロ波の電界は、テーパー部7のところで、マイクロストリップ線路11とアース導体2との距離が狭くなっているので徐々に強くなり、マイクロ波出力部55から放射され、マイクロ波出力部55と補助電極20の間にある誘電体ガス管25の内部に集中され、プラズマを発生させる。そのプラズマは、ガスの流れと共にノズル部51から吹き出る。
この装置は、誘電体の基板3と、その基板3の厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部7と、マイクロストリップ線路1と、アース導体2と、基板のテーパー部7に設置される幅が徐々に広がるテーパー形状のマイクロストリップ線路11と、マイクロストリップ線路1とアース導体2との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部31と、プラズマ発生部9と、誘電体基板3と接しているアース導体2の面の反対の面に、溝が設けられた導体板又は誘電体板8により成っているガスを流すチャンネル5と、ガスの出口でプラズマが吹き出されるノズル部51を備える。
テーパー形状のマイクロストリップ線路11の端は、テーパー部7の前記第1の斜面の端の内側に置き、マイクロストリップ線路11がプラズマにより損傷することを避けることができる。又は、マイクロストリップ線路11の端のところに誘電体壁を設けることで、プラズマと接することを避けることもできる。
マイクロ波入力部31から誘電体基板3に導入されたマイクロ波は、マイクロストリップ線路1およびテーパー形状のマイクロストリップ線路11とアース導体2との間を伝搬する。
そのマイクロ波の電界は、テーパー部7のところで、マイクロストリップ線路11とアース導体2との距離が狭くなっているので徐々に強くなり、テーパー部7の前記第2の斜面に設けられているアース導体2の端のところで一番強くなり、そのアース導体2の端とテーパー部7の前記第1の斜面に設けられているマイクロストリップ線路11との間で、容量結合プラズマを発生させる。そのプラズマは、ガスの流れと共にノズル部51から吹き出る。
この装置は、誘電体の基板3と、その基板3の厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部7と、誘電体基板3の内部に埋まれている(サンドイッチ構造)ストリップ線路4と、誘電体基板3の両面に設けられてアース導体2と、ストリップ線路4とアース導体2との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部31と、テーパー形状のストリップ線路12と、テーパー形状のストリップ線路12と両アース導体2の間でマイクロ波が空間に放射されるマイクロ波出力部55を備える図12に示している誘電体基板部と、両端の断面にガス入力部50と、ガスの出口でプラズマが吹き出されるノズル部51を設けた誘電体ガス管25を備える。又、その誘電体ガス管25の一方の面は前記の誘電体基板部のマイクロ波出力部55に接するし、他方の内部の面又は外部の面に補助電極20を備える。図13は誘電体ガス管25と誘電体基板部が結合している様子を示す断面図である。
この装置は、誘電体の基板3と、マイクロストリップ線路1とアース導体2とマイクロストリップ線路1とアース導体2との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部31と、誘電体基板3の内部に備えるチャンネル5と、ガス入力部50と、誘電体基板3の一方に面に備える1個又は複数のスロット35と、マイクロストリップ線路1の一方の面に備える1個又は複数の突起状の導体33と、ガスの出口でプラズマが吹き出されるノズル部51を備える。
数個の突起状の導体33の形状は、フラットに限らず、他の形状でもできることは言うこともない。例えば、断面形状又は平面(正面)形状が、凸、凹、V字、楔、テーパー、三角等の適宜の形状とすることができる。
ノズル部51の形状は、望む吹き出し形ブラズマの大きさや形状を考えて適宜の形にすることができる。例えば、図16に示すようにノズル部51の断面をチャンネル5の断面より小さくすると、より細長い吹き出し形プラズマが得られる。
突起状の導体33を備える位置は、まず、マイクロストリップ線路1の端に第1の突起状導体を備える。次の突起状の導体は、任意の位置でも良いが、マイクロ波電界の定在波の波長を考慮してその位置を適宜に決めることにより、マイクロ波電力のプラズマへの吸収効率が向上される。
マイクロ波入力部31から誘電体基板3に導入されたマイクロ波は、マイクロストリップ線路1とアース導体2との間を伝搬する。
そのマイクロ波の電界は、マイクロストリップ線路1の端のところで最大値を持つ、マイクロストリップ線路1とアース導体2の間に定在波を生成し、マイクロストリップ線路1の端からマイクロ波の1/2波長を離れるごとに最大値を持つ。
電界は、電界が最大値になる位置に合わせて数個の突起状の導体33を設置しているので、それらの突起状の導体33の端のところでに電界が強く集中し、プラズマを発生させる。そのプラズマは、ガスの流れと共にノズル部51から吹き出る。
その例として、図17と図18に、本発明における第1と第2の実施の形態を示す吹き出し形マイクロ波励起ブラズマ発生装置を改良し、吹き出し形プラズマをアレイ化することにより開発した長軸の吹き出し形プラズ発生装置をそれぞれ示す。
その吹き出し形ブラズマは、マイクロ波電力とガスの流量と被加工物との距離等の制御することにより、数十℃から数千℃までガス温度の制御が可能となる。
また、本発明によると、その吹き出し形プラズマをアレイ化することにより、大気圧下で又は大気圧付近の圧力で、大面積の吹き出し形マイクロ波励起非熱平衡プラズマの発生と維持が可能となる。
本発明によると、以上の結果、大気圧下で又は大気圧付近の圧力で、微小の吹き出し形マイクロ波励起非熱平衡プラズマ、又は大面積の吹き出し形マイクロ波励起非熱平衡プラズマを用いて被加工物にプラズマを使用したCVD(化学蒸着)、エッチング、アッシング、被加工物に溶断又は溶接、表面改質等の材料プロセシングが可能となる。
2 アース導体
3 誘電体基板
4 ストリップ線路
5 チャンネル
7 テーパー部
8 溝が設けられた導体板又は誘電体板
9 プラズマ発生部
10 プラズマ
11 テーパー形状のマイクロストリップ線路
12 テーパー形状のストリップ線路
20 補助電極
21 整合用スタブ
25 誘電体チューブ
30 同軸ケーブル
31 マイクロ波導入部
33 突起状導体
35 スロット
50 ノズル部
51 ガス入力部
55 マイクロ波出力部
Claims (7)
- 誘電体の基板と、前記基板の一方の端部に設けられた基板の厚みが徐々に小さくなる形状のテーパー部と、前記基板の第1の面の一方の端部からテーパー部が設けられた端部に渡って設けられたマイクロストリップ線路と、前記基板の第1の面の反対の第2の面の一方の端部からテーパー部が設けられた端部に渡って設けられたアース導体と、前記基板の一方の端部において、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、前記基板のテーパー部の端部の断面において、テーパー形状の導体板とアース導体の間でマイクロ波が空間に放射されるマイクロ波出力部と、前記基板の内部に一方の端部からテーパー部が設けられた端部に渡って設けられたガスを流すためのチャンネルと、前記基板の一方の端部において、前記のチャンネルにガスを入力するためのガス入力部と、前記基板のテーパー部が設けられた端部の断面に設けられた、前記ガス入力部から入力されて前記チャンネルを沿って流れたガスが出るガス出口で、前記マイクロ波出力部でマイクロ波により発生したプラズマが吹き出るノズル部とを備えた吹き出し形マイクロ波励起ブラズマ処理装置。
- 誘電体の基板と、前記基板の一方の端部に設けられたテーパー部と、前記基板の第1の面の一方の端部からテーパー部が設けられた端部に渡って設けられたマイクロストリップ線路と、前記基板の第1の面の反対の第2の面の一方の端部からテーパー部が設けられた端部に渡って設けられたアース導体と、前記基板の一方の端部において、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、前記基板のテーパー部が設けられた端部の断面において、マイクロストリップ線路とアース導体の間でマイクロ波が空間に放射されるマイクロ波出力部と、前記基板のテーパー部が設けられた端部の断面の前記マイクロ波出力部に一方の面が接して設けられた誘電体ガス管と、前記誘電体ガス管の前記マイクロ波出力部と接している面と反対側の内部の面又は外部の面に設けられた補助電極と、前記誘電体ガス管の一方の端部において、ガスを入力するためのガス入力部と、前記誘電体ガス管の他方の端部において、ガス入力部から入力されたガスが出るガス出口で、前記マイクロ波出力部でから放射されるマイクロ波により発生したプラズマが吹き出るノズル部とを備えた吹き出し形マイクロ波励起ブラズマ処理装置。
- 誘電体基板と、前記基板の一方の端部に設けられたテーパー部と、前記テーパー部において、第1の斜面の傾きが第2の斜面の傾きより小さくなっており、第2斜面の端が第1の斜面の対向側の面で終わり、第1の斜面の端部と第2の斜面の端部の間に設けられたプラズマ発生部と、前記基板の第1の面の一方の端部から前記テーパー部の第1の斜面の端部に渡って設けられたマイクロストリップ線路と、前記基板の第1の面の反対の第2の面の一方の端部から前記テーパー部の第2の斜面の端部に渡って設けられたアース導体と、前記基板の一方の端部において、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、前記アース導体の前記基板と接している面の反対の面において、前記アース導体の一方の端部から前記テーパー部の第1の斜面の端部に渡って設けられた、前記アース導体と接する面に空隙が備えられた導体板又は誘電体板と、前記空隙が備えられた導体板又は誘電体板と前記アース導体間に設けられた、前記アース導体の一方の端部から前記テーパー部の第1の斜面の端部に渡って設けられたガスを流すためのチャンネルと、前記アース導体の前記基板と接している反対の面の一方の端部において、ガスを入力するためのガス入力部と、前記ガス入力部から入力されて前記チャンネルを通って流れたガスが出るガス出口で、前記テーパー部の第1の斜面の端部と前記の溝が設けられた導体板又は誘電体板との間で、前記マイクロ波入力部から伝播したマイクロ波により発生したプラズマが吹き出るノズル部とを備えた吹き出し形マイクロ波励起ブラズマ処理装置。
- 誘電体の基板と、前記基板の第1の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたマイクロストリップ線路と、前記基板の第1の面の反対の第2の面の一方の端部から他方の端部に渡って設けられたアース導体と、前記基板の一方の端部において、前記マイクロストリップ線路と前記アース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、前記基板の内部に一方の端部から他方の端部に渡って設けられたガスを流すためのチャンネルと、前記基板の一方の端部において、前記のチャンネルにガスを入力するためのガス入力部と、前記基板の第1の面に設けれた、前記チャンネルまで貫通している数個のスロットと、前記マイクロストリップ線路の一方の面に設けられた、前記数個のスロットを通って前記チャンネルまで貫通している1個又は複数の突起状の導体と、前記基板の一方の端部の断面に設けられた、前記ガス入力部から入力されて前記チャンネルを沿って流れたガスが出るガス出口で、前記マイクロ波入力部から入力されて伝播したマイクロ波により発生したプラズマが吹き出るノズル部とを備えた吹き出し形マイクロ波励起ブラズマ処理装置。
- 前記マイクロストリップ線路は、反射波を抑えるために前記テーパー部のところで断面が徐々に広がるテーパー形状となっている請求項1と請求項2と請求項3と請求項4に記載の吹き出し形マイクロ波励起ブラズマ処理装置。
- 誘電体基板と、前記基板の一方の端部に設けられたテーパー部と、前記基板の他方の端部からテーパー部が設けられた端部に渡って内部に設けられたストリップ線路と、前記基板の第1の面の他方の端部からテーパー部が設けられた端部に渡って設けられた第1のアース導体と、前記基板の第1の面の反対の第2の面の他方の端部からテーパー部が設けられた端部に渡って設けられた第2のアース導体と、前記基板の他方の端部において、前記ストリップ線路と前記第1のアース導体との間及び前記ストリップ線路と前記第2のアース導体との間にマイクロ波を入力するためのマイクロ波入力部と、前記基板のテーパー部が設けられた端部の断面において、前記ストリップ線路と前記第1のアース導体との間及び前記ストリップ線路と前記第2のアース導体との間でマイクロ波が空間に放射されるマイクロ波出力部と、前記基板のテーパー部が設けられた端部の断面の前記マイクロ波出力部に一方の面が接して設けられた誘電体ガス管と、前記誘電体ガス管の他方の内部の面又は外部の面に設けられた補助電極と、前記誘電体ガス管の一方の端部において、ガスを入力するためのガス入力部と、前記誘電体ガス管の他方の端部において、ガス入力部から入力されたガスが出るガス出口で、前記マイクロ波出力部から放射したマイクロ波により発生するプラズマが吹き出るノズル部と、を備えた吹き出し形マイクロ波励起ブラズマ処理装置。
- 前記ストリップ線路は、反射波を抑えるために前記テーパー部のところで断面が徐々に広がるテーパー形状となっている請求項6に記載の吹き出し形マイクロ波励起ブラズマ処理装置。
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