JP2013097963A - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、プラズマ発生装置において小型化と温度上昇に起因するマッチングのずれの防止を図る。
【解決手段】
プラズマ発生装置１はアンテナ１０の近傍に配置された放電管１１、アンテナ１０に高周波電力を供給する高周波電源１３、整合回路部１４、位相調整部１５を備える。位相調整部１５は、中空芯管２４の外周に形成された螺旋状の溝２４ｂに導線２５を収容することで中空芯管２４に導線２５を巻き付けてなるコイル２３Ａ，２３Ｂを備える、プラズマ発生装置。
【選択図】図１

Description

本発明はプラズマ発生装置に関する。

密閉されたチャンバ内ではない開放系での運用（ロボットの搭載等の設備への組込）に適したプラズマ発生装置が種々提案されている(例えば、特許文献１〜３参照)。この種のプラズマ発生装置が備える位相調整部としては、平板状の波状導体で構成したものが知られている（特許文献１）。

特開２００９−２５９６２６号公報 特許第４６８７５４３号明細書 特開２００８−１７７０８６号公報

プラズマ自体からもノイズが発生するので、前述のように開放系で運用した場合、プラズマ発生装置が発生するノイズの完全な除去は実質的に困難である。そのため、例えば１６２．７２MHzであった周波数帯を、ノイズの最大許容値が定められていないＩＳＭ（Industry-Science-Medical）バンド帯の一つである４０．６８MHzに低下させることが考えられる。しかし、前述のように位相調整部が波状パターンの平板状の導体であると、周波数帯を例えば１６２．７２MHzから４０．６８MHzに低下させるとすると、位相調整部を構成する波状導体の線長は約２００mmから約２０００mmにまで約１０倍程度も延びる。位相調整部を構成する波状導体の線長がこのように大幅に延びると、プラズマ発生装置全体が大幅に大型化する。

フェライトコアを利用して位相調整部を構成すれば、位相調整部を小型化できることが知られている。しかし、フェライトコアを利用した場合、熱の蓄積が顕著であり、温度上昇に伴ってインダクタンス成分が変動してマッチングのずれが拡大する。

本発明は、プラズマ発生装置において小型化と温度上昇に起因するインダクタンス成分が変動によるマッチングのずれの防止を図ることを課題とする。

本発明は、アンテナと、前記アンテナの近傍に配置された放電管と、高周波電力を前記アンテナに供給する高周波電源と、前記高周波電源からの高周波を入力して反射波を調整する整合回路部と、前記整合回路部と前記アンテナとの間に介在する位相調整部とを備え、前記位相調整部は、中空芯管の外周に形成された螺旋状の溝に導線を収容することで前記中空芯管に前記導線を巻き付けてなるコイルを少なくとも１個備える、プラズマ発生装置を提供する。

位相調整部は中空芯管に導線を巻き付けてなるコイルを備えるので、高周波電源の周波数帯を比較的低い周波数帯に設定したことで導体の線長が延びた場合でも、位相調整部を小型化できる。

コイルの導体は中空芯管の溝に収容されており、導線表面と中空芯管とは十分な接触面積が確保されているので、導線の発生する抵抗熱は熱伝導により効率的に中空芯管に伝わる。また、中空芯管は外周側の熱伝達で冷却されるだけでなく内周が外気と接触していることでも冷却されるので、中空芯管自体が外気により効率的に冷却される。従って、コイルの導線を効果的に冷却でき、温度上昇に起因するインダクタンス成分の変動に起因するマッチングのずれを防止できる。

コイルの導線は中空芯管の溝に収容されているので、中空芯管に対して各ターンの導線の位置は一定に保持される。つまり、コイルの形状は一定に保持される。その結果、コイル成分が一定に保持され、導線の中空芯管に対するずれに起因するコイル成分の変動を抑制できる。

また、中空芯管の溝に収容することでコイルの各ターンの導線の位置を一定に保持するので、隣接するターンの導線間は絶縁が確保される一定距離を隔てた状態で確実に保持される。つまり、導線の位置ずれにより隣接する導線が接近し、絶縁破壊によって火花の発生がするのを確実に防止できる。

前記位相調整部は複数個の前記コイルを備えることが好ましい。

単一ではなく複数個のコイルで位相調整部を構成することにより、位相調整部の長手方向の寸法を低減できる。

前記位相調整部は、直列に接続された偶数個の前記コイルを備え、かつ偶数個の前記コイルは同方向に並んで延びる姿勢で配置されていることがさらに好ましい。

この構成により、最初のコイルにおける中空芯管に対する導線の巻き始め側の端部と、最後のコイルにおける中空芯管に対する導線の巻き終わり側の端部とが中空芯管の長手方向の同じ側に位置する。そのため、整合回路部やアンテナとの電気的接続のための導線の配索が容易になる。

特に、隣接する偶数個である少なくとも２個のコイル間で、前記中空芯管に対する巻き始めから巻き終わりに向かう導線の進行方向を互いに逆方向に設定することが好ましい。

この構成により、隣接するコイルが発生する磁界の向きが反対となって互いにキャンセルされるので、各コイルの発生する磁界に起因するインダクタンス成分の変動を抑制できる。

前記中空芯管が外周面に接し、かつ前記中空芯管の両端開口が開口状態で維持されるように、前記コイルを前記中空芯管と挟んで収容するケースをさらに備えることが好ましい。

この構成によりコイルを構成する導線が発生する抵抗熱は、ケースへの熱伝達によってても排熱されるので、より効果的にコイルの導体を冷却し、温度上昇に起因するマッチングのずれをより確実に防止できる。

送風機構をさらに備え、前記整合回路部と前記位相調整部は前記送風機構の送風方向に離れる側から順に配置されていることが好ましい。

本発明に係るプラズマ発生装置によれば、位相調整部は中空芯管の外周に形成された螺旋状の溝に導線を巻き付けてなるコイルを備えるので、高周波電源の周波数帯を比較的低い周波数帯に設定したことで導線の線長が延びた場合でも、位相調整部を小型化でき、温度上昇に起因するインダクタンス成分の変動に起因するマッチングのずれも防止できる。

本発明の実施形態係るプラズマ発生装置の正面図。 本発明の実施形態に係るプラズマ発生装置の斜視図（ケーシングカバーは取り外している。）。 本発明の実施形態に係るプラズマ発生装置を別の方向から見た斜視図（ケーシングカバーは取り外している。）。 位相調整部及び整合回路部を示す斜視図。 位相調整部及び整合回路部を示す斜視図。 本発明の実施形態係るプラズマ発生装置の簡易化した模式回路図。 図２のVII-VII線での模式断面図。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１から図３は本発明の実施形態に係るプラズマ発生装置１を示す。本実施形態におけるプラズマ発生装置１は、密閉されたチャンバ内ではない開放系で運用されるいわゆる大気圧プラズマ発生装置である。プラズマ発生装置１のケーシング２は、上壁部３ａ、下壁部３ｂ、及び側壁部３ｃ（図３に最も明瞭に示す）を備えるベース３と、ベース３を囲むケーシングカバー４（明瞭化のため、プラズマ発生装置１の内部を透過させて図示している。）を備える（図２及び図３にはケーシングカバー４を図示していない）。ベース３とケーシングカバー４で構成された空間内にプラズマ発生のための要素が収容されている。

ベース３はロボット等にプラズマ発生装置１を搭載するための取付部（図示せず）が設けられている。

ベース３の上壁部３ａにはケーシング内の熱を排出可能な図示しない排気ダクトと連結される排気口６が設けられている。排気ダクトから排気口６を介してケーシング２内から排出されるエアは、ケーシングカバー４の下側部に設けられた多数の貫通孔からなる吸気口７より吸気される。

ベース３の下側の部位には絶縁材料からなる基板９が設けられている。この基板９上には平板状の波板導体からなるアンテナ１０が形成されている。アンテナ１０の近傍には放電管１１が配置されている。放電管１１は下端がベース３の下壁部３ｂを貫通してケーシング２の外部に突出している。アンテナ１０には図６に模式的に示す高周波電源から高周波電力が形成される。放電管１１の上端側はベース３の上壁部３ａに設けられたガス供給口１２に連通している。ガス供給口１２には図示しないプロセスガス源からプロセスガスが供給される。アンテナ１０に高周波電力を供給している状態で、プロセスガスが放電管１１内を通過すると大気圧下でのプラズマが発生し、発生したプラズマは放電管１１の下端から大気中に放出される。

ベース３上には高周波電源１３（図６に示す）からの高周波を入射して反射波を調整するための整合回路部１４と、整合回路部１４とアンテナ１０との間に電気的に介在する位相調整部１５を備える。位相調整部１５は、プラズマ発生部であるアンテナ１０においてプラズマのエネルギーを最大化するための高周波電流の波形の位相の節と節との間の振幅が最大となる位相の腹がアンテナ１０の位置となるように調整する。

図６を併せて参照すると、整合回路部１４は一端がアンテナ１０に接続されて他端がグランドに接続された可変コンデンサであるチューン１７と、一端が位相調整部１５と高周波電源との間に接続されて他端がグランドに接続された可変コンデンサからなり、反射波を抑制する擬似負荷であるロード１８とを備える。

図４及び図５に示すように、基板９にはアンテナ１０が形成された導体１９Ａが配置され、この導体１９Ａは一端がチューン１７の一端に接続され、他端が位相調整部１５が備える後述するコイル２３Ｂにおける導線２５の巻き終わり側の端部に接続されている。チューン１７の他端はグランドに接続された導体１９Ｂに接続されている。ベース３のアンテナ１０側とは反対側に位置する側壁部３ｃ側に設けられたプラグ２０が高周波電源１３に接続され、位相調整部１５が備える後述のコイル２３Ａにおける巻き始めの端部とプラグ２０とを接続する導体１９Ｃが基板９上に設けられている。ロード１８は一端がコイル２３Ａとプラグ２０との間の導体１９Ｃに接続され、他端がアンテナ１０側の導体１９Ｂに接続されている。ベース３の側壁部３ｃにはチューン１７とロード１８の調整ねじ１７ａ，１８ａが配置されている。

基板９には絶縁材料からなるカバー２１（図示せず）が取り付けられ、アンテナ１０と整合回路部１４とは、基板９と電磁シールドや放熱用としてのカバー２１とのセラミック材等からなる部材により覆われている。

次に、位相調整部１５の構造について詳細に説明する。本実施形態の位相調整部１５は電気的に直列に接続された２個のコイル２３Ａ，２３Ｂを備える。コイル２３Ａ，２３Ｂはセラミック等の絶縁材料からなる両端開口の直管円筒状であって内部に中空部２４ａを有する中空芯管２４に導線２５（本実施形態では断面円形）を巻き付けて構成している。導線２５は一端２５ａが整合回路部１４の導体１９Ｃ（高周波電源１３側，可変コンデンサであるロード１８側）に接続され、他端２５ｂが導体１９Ａ（アンテナ１０側）に接続されている。

２個のコイル２３Ａ，２３Ｂは中空芯管２４がＺ軸方向の上下方向に延びる姿勢で整合回路部１４の上方に配置されている。また、２個のコイル２３Ａ，２３Ｂは中空芯管２４が互いに並んで（平行となるように）配置されている。

中空芯管２４の外周には一端から他端まで螺旋状の溝２４ｂを設けている。また、中空芯管２４の長手方向の両端部には中空芯管２４の溝２４ｂの凸部から成る径（中空芯管２４の最外径）より外径を小さく設定した縮径部２４ｃ，２４ｄが設けられている。導線２５は導体１９Ｃに接続される部位の一端２５ａからコイル２３Ａが巻き付けられる中空芯管２４の一端である縮径部２４ｃまで延び、さらにコイル２３Ａの中空芯管２４における縮径部２４ｃから他端の縮径部２４ｄまで溝２４ｂに収容されることで、コイル２３Ａの一端の中空芯管２４の溝２４ｂに巻き付けられコイル２４Ａを形成する。また、導線２５はコイル２３Ａの中空芯管２４の他端の縮径部２４ｄからコイル２３Ｂの中空芯管２４の一端の縮径部２４ｅへ延びる。さらに、導線２５はコイル２３Ｂにおける中空芯管２４の一端の縮径部２４ｅから他端の縮径部２４ｆまで溝２４ｂに収容されることで、コイル２３Ｂの中空芯管２４の溝２４ｂに巻き付けられコイル２３Ｂを形成する。

図５においてコイルの巻き方向の矢印Ｐ１，Ｐ２で示すように同方向に並ぶ２個のコイル２３Ａ，２３Ｂ間でそれぞれの中空芯管２４に対する巻き始めから巻き終わりに向かうコイルの巻き方向である導線２５の進行方向を互いに逆方向に設定している。具体的には、一方のコイル２３Ａでは巻き始め（中空芯管２４の縮径部２４ｃ側）から巻き終わり（中空芯管２４の縮径部２４ｄ側）に向けて矢印Ｐ１で示すように図５において時計回りに導線２５が進行する。これに対し、他方のコイル２３Ｂでは巻き始め（中空芯管２４の縮径部２４ｅ側）から巻き終わり（中空芯管２４の縮径部２４ｆ側）に向けて矢印Ｐ２で示すように図５においに反時計回りに導線２５が進行する。

図７に模式的に示すように、同方向に並ぶ２個のコイル２３Ａ，２３Ｂはセラミック等の耐熱性の絶縁材料からなるコイルケース２７内に収容されている。コイルケース２７はたとえばＸ軸方向の上下に分割されたいわゆる半割構造であり、ベース３に固定された下側部材２８と、この下側部材２８に対向して取り付けられる上側部材２９とを備える。下側及び上側部材２８，２９には断面半円形の一対の凹部２８ａ，２９ａが上端面から下端面まで貫通するように設けられている。中空芯管２４に巻き付けられたそれぞれのコイル２３Ａ，２３Ｂはコイルケース２７の凹部２８ａ，２９ａに配置された状態で下側及び上側部材２８，２９に挟み込まれることでコイルケース２７内に収容されている。なお、コイルケースは絶縁材料からなる一体構造の部材に貫通孔を設け、この貫通孔内にコイルを収容するものでもよい。

本実施形態における位相調整部１５は特に以下の点に特徴がある。

まず、少なくとも２つの同方向に並ぶ中空芯管２４に導線２５を巻き付けてなるコイル２３Ａ，２３Ｂを備えるので、高周波電源の周波数帯を比較的低い周波数帯に設定したことで導体の線長が延びた場合でも、位相調整部１５を小型化できる。

次に、コイル２３Ａ，２３Ｂの導線２５は中空芯管２４の溝２４ｂにそれぞれ収容されており、導線２５の表面と中空芯管２４とは十分な接触面積が確保されているので、導線２５の発生する抵抗熱は熱伝導により効率的に中空芯管２４に伝わる。また、更に、コイル２３Ａ，２３Ｂはコイルケース２７に収容されているので、中空芯管２４とコイルケース２７に挟まれる様に配置されるそれぞれのコイル２３Ａ，２３Ｂは、中空芯管２４の外周とコイルケース２７へ熱伝導により冷却され、中空芯管２４は内周側である中空芯側の外気により冷却され、また、コイルケース２７は外気やベース３との熱交換により冷却される。このように中空芯管２４に巻き付けられて構成されるそれぞれのコイル２３Ａ，２３Ｂはコイルの外周と内周の両方から冷却されることで、効率的に冷却される。従って、コイル２３Ａ，２３Ｂの導線２５を効果的に冷却でき、温度上昇に起因するインダクタンス成分の変動に起因するマッチングのずれを防止できる。

以上のように本実施形態では、中空芯管２４の溝２４ｂに巻き付けられ径方向に分割されたコイルケース２７に収納されて、コイルの内周側と外周側を挟まれるように配置され同方向に並んだ少なくとも２つのコイルからなる、コイル２３Ａ，２３Ｂで位相調整部１５を構成することで、高周波電源の周波数帯を比較的低い周波数帯に設定したことで導線２５の線長が延びた場合でも、位相調整部１５を小型化でき、かつ温度上昇に起因するインダクタンス成分の変動に起因するマッチングのずれも防止できる。

以下の表１に示すように、例えば高周波電源の周波数帯をＩＳＭバンド帯の一つである４０．６８MHzに設定した場合において、位相調整部を平板状の波状導体で構成した場合には、線長が２３００mmであるのに対し、本実施形態のようにコイル２３Ａ，２３Ｂで位相調整部１５を構成することより線長を約半分の線長である１１００mmまで短縮できる。

高周波電源の出力が３０Ｗの場合のプラズマ発生後の反射波の出力（Ｗ）を、本実施形態のようにコイル２３Ａ，２３Ｂで位相調整部１５を構成した場合、位相調整部を平板状の波状導体とした場合、及び位相調整部をフェライトコアとした場合の比較を下記の表２に示す。プラズマ発生後の６０秒後の反射波は、フェライトコアの場合には３．３Ｗ，平板状の波状導体の場合には０．５Ｗであるのに対し、本実施形態のようにコイル２３Ａ，２３Ｂで位相調整部１５を構成した場合には最も小さい０，２Ｗである。また、前掲の表１に示すように、位相調整部をフェライトコアで構成した場合、同条件での線長は８００mmである。しかし、この場合、位相調整部の熱の蓄積が顕著であり、温度上昇に伴ってインダクタンス成分が変動してマッチングのずれが拡大する。これに対して、コイル２３Ａ，２３Ｂで位相調整部１５を構成した本実施形態では導線２５を効果的に冷却でき、温度上昇に起因するインダクタンス成分の変動に起因するマッチングのずれを防止できる。

コイル２３Ａ，２３Ｂの導線２５はそれぞれの中空芯管２４の溝２４ｂに収容されているので、中空芯管２４に対して各ターンの導線２５の位置は一定に保持される。つまり、コイル２３Ａ，２３Ｂの巻き線（コイル）の形状は一定に保持される。その結果、インダクタンス成分は一定に保持され、導線２５の中空芯管２４に対するずれ（巻き線の径や巻き線間ピッチ等）に起因するインダクタンス成分の変動を抑制できる。

また、中空芯管２４の溝２４ｂにそれぞれ収容することでコイル２３Ａ，２３Ｂの各ターンの導線２５の位置を一定に保持するので、隣接する巻き線のターンの導線２５間は絶縁が確保される一定距離を隔てた状態で確実に保持される。つまり、コイル２３Ａ，２３Ｂの導線２５の位置ずれにより隣接する導線２５が接近し、絶縁破壊によって火花の発生がするのを確実に防止できる。

並設する２個のコイル２３Ａ，Ｂで位相調整部１５を構成しているので、２個のコイル２３Ａ，Ｂを直列に配置して構成あるいは、単一のコイルで構成する場合と比較してる位相調整部１５の長手方向の寸法を低減できる。

また、直列に接続された２個のコイル２３Ａ，２３Ｂを並設されて同方向に延びる姿勢で配置しているので、一方のコイル２３Ａにおける中空芯管２４に対する導線２５の巻き始め側の端部（縮径部２４ｃ側）と、他方のコイル２３Ｂにおける中空芯管２４に対する導線２５の巻き終わり側の端部（縮径部２４ｆ側）とが中空芯管２４の長手方向の同じ側に位置する。そのため、整合回路部１４やアンテナ１０との電気的接続のための導線２５の配索が容易である。つまり、コイル２３Ａにおける中空芯管２４に対する導線２５の巻き始めの端部を導体１９Ｃ（高周波電源１３側のロード側１８側）に簡単に接続でき、コイル２３Ｂにおける中空芯管２４に対する導線２５の巻き終わりの端部を導体１９Ａ（アンテナ側）に簡単に接続できる。

長手方向に互いに隣接する２個のコイル２３Ａ，２３Ｂ間で、中空芯管２４に対する巻き始めから巻き終わりに向かう導線２５の進行方向（図５の矢印Ｐ１，Ｐ２）を互いに逆方向に設定しているので、これらのコイル２３Ａ，２３Ｂが発生する磁界の向きが反対となって互いにキャンセルされる。そのため、各コイル２３Ａ，２３Ｂの発生する磁界に起因するインダクタンス成分の変動を抑制できる。

排気ダクトから排気口６を介してケーシング２よりエアが吸い出されて吸気口７から吸気されるエアの吸い出し流れ方向の上流側から下流側に向けて位相調整部１５と整合回路部１４を順に配置している。また、位相調整部１５のコイル２３Ａ，２３Ｂがそれぞれ巻かれた中空芯管２４はその内側の中空部２４ａがエアの吸い出し流れ方向の延びる向きに配置されている。従って、排気口６を介してケーシング２内より吸い出されるエアによりケーシング２の外のエアが吸気口７より流れ込み、位相調整部１５と整合回路部１４の両方を効率的に冷却できる。

本実施形態では、位相調整部１５は２個のコイル２３Ａ，２３Ｂで構成しているが、１個のコイルで位相調整部１５を構成することも可能であり、３個以上のコイルで位相調整部１５を構成してもよい。複数個のコイルで位相調整部１５を構成する場合には、偶数個のコイルを設け、かつこれらのコイルが並んで同方向に延びる姿勢で配置する構成が好ましい。かかる構成により、本実施形態の場合と同様に、電気的に直列に接続され、コイル同士が互いに並んで配置されたコイルのうちの最初のコイルにおけるコイルが巻かれる中空芯管２４に対する導線２５の巻き始め側の端部と、最後のコイルにおけるコイルが巻かれる中空芯管２４に対する導線の巻き終わり側の端部とが中空芯管２４の長手方向の同じ側に位置し、整合回路部１４やアンテナ１０との電気的接続のための導線２５の配索が容易になる。また、たとえば、４個以上の偶数個のコイルのうち隣接する２個のコイル間で、コイルがそれぞれに巻き付けられる中空芯管２４に対する巻き始めから巻き終わりに向かう導線の進行方向を互いに逆方向に設定することが好ましい。この構成により、本実施形態と同様に、長手方向に互いに隣接して配置されるコイルが発生する磁界の向きが反対となって互いにキャンセルされるので、各コイルの発生する磁界に起因するインダクタンス成分の変動を抑制できる。

１ プラズマ発生装置
２ ケーシング
３ ベース
３ａ 上壁部
３ｂ 下壁部
３ｃ 側壁部
３ｄ 側壁部
４ ケーシングカバー
５ ブラケット
６ 排気口
７ 吸気口
９ 基板
１０ アンテナ
１１ 放電管
１２ ガス供給口
１３ 高周波電源
１４ 整合回路部
１５ 位相調整部
１７ チューン
１８ ロード
１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ 導体
２０ プラグ
２１ カバー
２３Ａ，２３Ｂ コイル
２４ 中空芯管
２４ａ 中空部
２４ｂ 溝
２４ｃ，２４ｄ 縮径部
２５ 導線
２５ａ 一端
２５ｂ 他端
２７ コイルケース
２８ 下側部材
２８ａ 凹部
２９ 上側部材
２９ａ 凹部

Claims (6)

1. アンテナと、
   前記アンテナの近傍に配置された放電管と、
   高周波電力を前記アンテナに供給する高周波電源と、
   前記高周波電源からの高周波を入力して反射波を調整する整合回路部と、
   前記整合回路部と前記アンテナとの間に介在する位相調整部とを備え、
   前記位相調整部は、中空芯管の外周に形成された螺旋状の溝に導線を収容することで前記中空芯管に前記導線を巻き付けてなるコイルを少なくとも１個備える、プラズマ発生装置。
2. 前記位相調整部は複数個の前記コイルを備える、請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記位相調整部は、直列に接続された偶数個の前記コイルを備え、かつ偶数個の前記コイルは同方向に並んで延びる姿勢で配置されている、請求項２に記載のプラズマ発生装置。
4. 隣接する２個のコイル間で、前記中空芯管に対する巻き始めから巻き終わりに向かう導線の進行方向を互いに逆方向に設定している、請求項３に記載のプラズマ発生装置。
5. 前記中空芯管が外周面に接し、かつ前記中空芯管の両端開口が開口状態で維持されるように、前記コイルを前記中空芯管と挟んで収容するケースをさらに備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
6. 送風機構をさらに備え、
   前記整合回路部と前記位相調整部は前記送風機構の送風方向に離れる側から順に配置されてる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。

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