JP2011222222A - ハイブリッドプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 直流プラズマ発生体の陽極筒の底部内壁に粉末等の処理物質の蒸発物が付着することが防止する。
【解決手段】絶縁フランジ２の中央部に設けられた陰極棒３と、陰極棒３を囲う様に絶縁フランジ２に取り付けられた陽極筒５を有し、陰極棒３と陽極筒５との間のプラズマ発生空間４に直流プラズマが発生される様に成した直流プラズマ発生体１、及び、陽極筒５の後部に連接され、誘導コイル１３が巻かれた円筒部材１２内のプラズマ発生空間１７に高周波誘導プラズマが発生される様に成した高周波誘導プラズマ体１１を備え、陽極筒５と絶縁フランジ２との間に、直流プラズマ発生空間４に繋がり、直流プラズマ発生空間４の中心軸Ｏに向かう方向のプラズマガスと直流プラズマ発生空間４の周方向に向かうプラズマガスがミックスされ、直流プラズマ発生空間４には一定方向のプラズマガスが流れる様に成した隙間２１を設けた。
【選択図】 図２

Description

本発明は直流プラズ発生体と誘導プラズマ発生体を備えたハイブリッドプラズマ発生装置に関する。

最近、ハイブリッドプラズマを使用して、ナノオーダーの超微粒子の成膜合成、フロンやハロン等の環境破壊物質の無公害化処理等を行うことが注目されている。

図１は、直流プラズマを種火として高周波誘導プラズマを発生させる様に成したハイブリッドプラズマ発生装置の一概略例を示したものである。

図中１は直流プラズマ発生体で、絶縁性材料から成り、中央部がくり貫かれた縦断面（光軸Ｏを含む方向の断面）がコの字状のフランジ２の中心に設けられた陰極棒３、該陰極棒との間にプラズマ発生空間４が出来る様に前記フランジ２の下面に取り付けられた中空状の陽極筒５、及び、前記フランジ２及び陽極筒５を取り囲む筒体６を備えている。

前記フランジ２には、プラズマガス供給用の孔７及び処理物質供給用の孔８ａ，８ｂが開けられており、前者のプラズマガス供給用の孔７は、前記プラズマ形成空間４中で前記陰極棒３を巻く様に設けられたパイプ９に繋がり、後者の処理物質供給用の孔８ａ，８ｂは前記陽極筒５の中空部５ａ，５ｂに繋がっている。

前記陽極筒５の外壁部には冷却水路１０が設けられ、更に、該陽極筒と陰極棒３の間には直流電源（図示せず）から直流電力が供給される様に成っている。

図中１１は前記直流プラズマ発生体１の下部に設けられた高周波誘導プラズマ発生体で、二重管構造の円筒部材１２、該円筒部材の外側に巻かれた誘導コイル１３を備えている。

前記円筒部材１２は、互いに支持棒１４に固定された上部フランジ１５Ａと下部フランジ１５Ｂとの間に取り付けられており、前者の上部フランジには冷却水の入り口通路１６Ａが、後者の下部フランジには冷却水の出口通路１６Ｂがそれぞれ設けられており、前記円筒部材１２の二重管内部に冷却水が循環される様に成っている。

前記円筒部材１２の内側管と前記筒体６の間には、該内側管の内部の空間（プラズマ発生空間）１７にプラズマガスを供給するための隙間１８が設けられ、更に、前記誘導コイル１３には高周波電源（図示せず）から高周波電力が供給される様に成っている。

尚、前記高周波誘導プラズマ発生体１１下部にはチャンバー１８が配置されており、該チャンバー内は真空排気装置（図示せず）により真空に排気される様に成っている。

この様な構成のハイブリッドプラズマ発生装置において、例えば、粉末をハイブリッドプラズマにより加熱蒸発させ、前記チャンバー１８内の下方に配置された基板（図示せず）上に蒸着させる場合、キャリアガスと共に粉末を、前記直流プラズマ発生体１の処理物質供給用の孔８ａ，８ｂを通じてプラズマ発生空間４に送る。

該プラズマ発生空間には、前記プラズマガス供給用の孔７及びパイプ９を通じてプラズマガスが供給されており、前記陽極筒５と陰極棒３との間に直流電源（図示せず）から直流電力が供給されることにより直流プラズマが発生している。

従って、該プラズマ発生空間に送られて来た粉末は該直流プラズマ中で予備的な加熱を受けて溶融し、前記高周波プラズマ発生体１１のプラズマ発生空間１７に落下して行く。

該プラズマ発生空間１７には前記隙間１８を通じてプラズマガスが供給されており、高周波電源（図示せず）から前記誘導コイル１３に高周波電力が供給されてるので、前記直流プラズマが種火となって高周波誘導プラズマが発生している。

従って、前記高周波プラズマ発生体１１のプラズマ発生空間１７に落下して来た溶融粉末は該高周波誘導プラズマに入り、更に加熱されて蒸発し、前記チャンバー１８内に配置された基板（図示せず）上に膜状に付着する。

特公平０７−０１９６７３号公報 特開２００７−１４６２２５号公報

ところで、前記直流プラズマ発生体１においては、プラズマガスが前記プラズマガス供給用の孔７及びパイプ９を通じて前記陰極棒３の周りを回転する様に前記直流プラズマ発生空間４に供給されおり、この様なプラズマガス供給の下で該直流プラズマ発生空間に直流プラズマが発生している。そして、前記陽極筒５の中空部５ａ，５ｂを通じて前記直流プラズマ発生空間４の底部辺りに粉末が供給されている。従って、回転流状態の直流プラズマの先端に近いテール部に粉末が供給されている状態になっており、該直流プラズマのテール部に近い前記陽極筒５の底部内壁に粉末の蒸発物が付着してしまう事態が発生する。尚、この様な事態は、比較的融点の低い粉末（例えば、銅粉末やアルミ粉末）の場合には顕著である。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、新規なハイブリッドプラズマ発生装置を提供することを目的とする。

本発明のハイブリッドプラズマ発生装置は、絶縁フランジに設けられた陰極と、該陰極を囲う様に該フランジに取り付けられた筒状陽極を有し、該筒状陽極と前記陰極との間の空間部に直流プラズマが発生される様に成した直流プラズマ発生体、及び、前記筒状陽極の後部に連接され、誘導コイルが巻かれた絶縁筒体内に高周波誘導プラズマが発生される様に成した高周波誘導プラズマ体を備えたハイブリッドプラズマ発生装置において、前記筒状陽極と前記絶縁フランジとの間に、前記直流プラズマ発生空間に繋がり、該直流プラズマ発生空間の中心軸に向かう方向のプラズマガスと該直流プラズマ発生空間の周方向に向かうプラズマガスがミックスされ、該直流プラズマ発生空間には一定方向のプラズマガスが流れる様に成した隙間を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、直流プラズマ発生体の陽極筒の底部内壁に粉末等の処理物質の蒸発物が付着することが防止される。

直流プラズマを種火として高周波誘導プラズマを発生させる様に成した従来のハイブリッドプラズマ発生装置の一概略例を示したものである。 本発明のハイブリッド発生装置の一概略例を示したものである。 図２に示すハイブリッド発生装置の一部詳細を示す。

以下、図面を使用して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

先ず、本発明の原理について説明する。

前記陰極棒３の周りを回転する様に前記プラズマ発生空間４に供給されているプラズマガスに基づいて前記プラズマ発生空間４に直流プラズマを発生させ、該プラズマ発生空間の陽極筒５底部辺りに粉末を供給した場合、何故、該陽極筒の底部内壁に粉末の蒸発物が付着してしまう事態が発生するのかを考察した。

前記プラズマ発生空間４に陰極棒３の周りを回転するプラズマガス、即ち、光軸Ｏの周りを回転するプラズマガス（以後、回転方向プラズマガスと称す）を供給し、該プラズマガスに基づく直流プラズマを形成した場合、該直流プラズマの光軸方向の長さは、通常の使用状態においては、前記プラズマ発生空間１７に発生する高周波誘導プラズマの頂部に届かない程度のものである。

一方、該高周波誘導プラズマの上部（該高周波誘導プラズマの前記直流プラズマの尾部（先端）に近い部分）には渦流が出来ており、該渦流は逆流成分（上方に向かう渦状の流れ）を有している。

これらの状況下で、粉末が前記プラズマ発生空間４の陽極筒５底部辺りに供給された場合、前記直流プラズマの先端に近いテール部で加熱溶融されて前記プラズマ発生空間１７に発生している高周波誘導プラズマ頂部に落下することになり、該高周波誘導プラズマの上部の渦流の逆流成分により上方に跳ね飛ばされ、前記陽極筒５の底部内壁に付着してしまう。

そこで、光軸方向に長い、軸対称の直流プラズマを作り、該直流プラズマにより粉末を加熱溶融して、高周波誘導プラズマ中に供給される様にすれば、該溶融粉末が該高周波誘導プラズマの上部の渦流の逆流成分により上方に跳ね飛ばされる事はなくなる筈である。

さて、直流プラズマの光軸方向の長さは光軸にクロスする方向のプラズマガス（以後、半径方向のプラズマガスと称す）により調整出来、太く、軸対称の直流プラズマは回転方向のプラズマガスに基づいて形成されるので、前記両方向のプラズマガスを重畳したものにより光軸方向に長く、しかも、太く、軸対称の直流プラズマが出来る筈である。

尚、半径方向のプラズマガスと回転方向のプラズマガスを前記直流プラズマ発生空間４に直接流した場合には、該直流プラズマ発生空間において、プラズマガスの流れが一定に定まらずに乱流が発生してしまい、該直流プラズマ発生空間において形成された直流プラズマは甚だ不安定なものとなってしまい、プラズマが失火したり、結果的に、均一な膜を得られない等、所望の処理が出来なくなる。

図２はこの様な原理を考慮した本発明のハイブリッドプラズマ発生装置の一概略例を示したものである。図中、図１で使用した記号と同一記号を付したものは同一の構成要素を示す。

図２で示すハイブリッドプラズマ発生装置の構成が、図１で示すハイブリッドプラズマ発生装置の構成と異なる構成を以下に説明する。

フランジ２のくり貫かれた中央部の内面に沿って凹部を穿ち、該凹部に陽極筒５の一部を入り込ませて取り付ける。この時、該入り込ませた部分の内側面と前記フランジ２の凹部外側面との間に、隙間２１が出来る様にする。

そして、前記入り込ませた陽極筒の部分の上部，下部それぞれに、円環状の空間部２２ａ，２２ｂを形成する。そして、前記フランジ２に、該空間部２２ａ，２２ｂ各々に通じるプラズマガス供給用の孔７０ａ，７０ｂを形成すると同時に、前記上空間部２２ａを形成している内側壁に複数の孔２３（２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，………），下空間部２２ａ，２２ｂを形成している内側壁に複数の孔２４（２４ａ，４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，………）を穿つ。図３の（ａ）は前記上空間部２２ａを形成している内側壁の横断面（光軸Ｏに垂直な方向の断面）を示し、孔２３（２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，………）は中心軸Ｏに交わる方向に開けられており、図３の（ｂ）は前記下空間２２ｂを形成している内側壁の横断面を示し、孔２４（２４ａ，４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，………）は周方向に開けられている。

この様な構成のハイブリッドプラズマ発生装置において、粉末をハイブリッドプラズマにより加熱蒸発させ、前記チャンバー１８内の基板（図示せず）上に蒸着させる場合、キャリアガスと共に粉末を、前記直流プラズマ発生体１の処理物質供給用の孔８ａ，８ｂを通じてプラズマ発生空間４の陽極筒５の底部辺りに送る。

この時、前記プラズマガス供給用の孔７０ａ，上空間部２２ａ，孔２３を通じて光軸Ｏにクロスする方向（半径方向）にプラズマガスが前記隙間２１に流れ、前記プラズマガス供給用の孔７０ｂ，下空間部２２ｂ，孔２４を通じて光軸Ｏを回転中心とする回転方向にプラズマガスが該隙間に流れ、該隙間において、これら二つの方向のプラズマガスがミキシングされ、該二つの方向の速度比で決まる或る一定の方向の（即ち、安定した）プラズマガスがプラズマ発生空間４に流れて行く。

この際、前記陽極筒５と陰極棒３との間に直流電源（図示せず）から直流電力が供給されることにより、前記二つの方向の速度比に応じた或る一定の方向の（即ち、安定した）プラズマガスに基づく直流プラズマが発生する。即ち、従来の回転方向のプラズマガスだけに基づく直流プラズマに対して、該回転方向にプラスして半径方向のプラズマガスによる影響を受けることにより、該影響分だけ光軸方向、即ち、前記陽極筒５の底部方向に伸びた形状（高周波誘導プラズマの頂部に届く、或いは、頂部に入り込む形状の直流プラズマ）で、しかも、回転方向プラズマガスの影響で太く、軸対称に成っている一定方向の（安定した）直流プラズマが形成される。

従って、前記プラズマ発生空間４の陽極筒５の底部辺りに供給された粉末は、この様な直流プラズマにより加熱溶融され、該溶融粉末が、前記高周波誘導プラズマ発生体１１のプラズマ発生空間１７に形成される高周波誘導プラズマ中（該高周波誘導プラズマの頂部或いは上部中）に供給される。

従って、前記溶融粉末は該高周波誘導プラズマ上部の渦流の逆流成分により上方に跳ね飛ばされることはなく、該高周波誘導プラズマにより加熱されて蒸発し、前記チャンバー１８内に配置された基板（図示せず）上に膜状に付着する。

１：直流プラズマ発生体
２：フランジ
３：陰極棒
４：プラズマ発生空間
５：陽極筒
５ａ，５ｂ：中空部
６：筒体
７：プラズマガス供給用の孔
８ａ，８ｂ：処理用物質供給用の孔
９：パイプ
１０：冷却通路
１１：高周波誘導プラズマ発生体
１２：円筒部材
１３：誘導コイル
１４：支持棒
１５Ａ：上部フランジ
１５Ｂ：下部フランジ
１６Ａ：入口通路
１６Ｂ：出口通路
１７：プラズマ発生空間
１８：チャンバー
２１：隙間
２２ａ：上空間部
２２ｂ：下空間部
２３，２４：孔

Claims (3)

1. 絶縁フランジに設けられた陰極と、該陰極を囲う様に該フランジに取り付けられた筒状陽極を有し、該筒状陽極と前記陰極との間の空間部に直流プラズマが発生される様に成した直流プラズマ発生体、及び、前記筒状陽極の後部に連接され、誘導コイルが巻かれた絶縁筒体内に高周波誘導プラズマが発生される様に成した高周波誘導プラズマ体を備えたハイブリッドプラズマ発生装置において、前記筒状陽極と前記絶縁フランジとの間に、前記直流プラズマ発生空間に繋がり、該直流プラズマ発生空間の中心軸に向かう方向のプラズマガスと該直流プラズマ発生空間の周方向に向かうプラズマガスがミックスされ、該直流プラズマ発生空間には一定方向のプラズマガスが流れる様に成した隙間を設けたハイブリッドプラズマ発生装置。
2. 前記直流プラズマ発生空間における前記高周波誘導プラズマ体に近い部分に、前記各プラズマにより加熱される被加熱物が供給される様に成した請求項１に記載のハイブリッドプラズマ発生装置。
3. 前記絶縁フランジの中央部はくり貫かれており、該くり貫かれた部分の内面に沿って凹部が穿たれており、該凹部に、前記絶縁フランジとの間に隙間が出来る様に前記筒状陽極の一部が取り付けられ、該取り付けられた部分に二つの環状の空間部を設けられ、該二つの空間部の内、一方の空間部を通じて前記隙間に前記直流プラズマ発生空間の中心軸に向かう方向のプラズマガスが、他方の空間部を通じて前記隙間に前記直流プラズマ発生空間の周方向に向かう方向のプラズマガスがそれぞれ供給されて、該隙間にて前記二つの方向のプラズマガスがミックスされる様に成した請求項１に記載のハイブリッドプラズマ発生装置。

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