JP2013211187A - プラズマ生成手段を備えた導波管およびそれを用いたプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ生成手段を備えた導波管およびかかる導波管を用いたプラズマ発生装置について、比較的容易かつ確実にプラズマ生成箇所を増やすことができるようにする。
【解決手段】マイクロ波によりプラズマを生成するためのプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６を備えた導波管２０であって、長手方向における一端側が、管内にマイクロ波を供給するマイクロ波源に結合され、長手方向において前記一端側に対向する他端側に、前記マイクロ波源から供給されるマイクロ波を反射可能な導波管終端部２２が設けられており、前記導波管終端部が長手方向へ移動可能に構成され、前記プラズマ生成手段が、前記マイクロ波源からのマイクロ波の定在波の導波管管内波長の１／２以下の間隔で、長手方向において管内に複数配置されている、ことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波によりプラズマを生成するためのプラズマ生成手段を備えた導波管、及びかかる導波管を用いたプラズマ発生装置に関するものである。

周知のように、半導体や原材料などの表面処理や医療機器分野での滅菌もしくは殺菌に使用されるプラズマは、原料ガスに外部からエネルギーを与えることによって生成される。この外部エネルギーとしてプラズマの生成に好適な数ｋＨｚ〜数ＧＨｚの周波数をもつ電磁波が利用されており、この電磁波の周波数が高いほど、生成されるプラズマは高密度であり高エネルギーであることが知られている。

エネルギー密度が高い数ＧＨｚの電磁波周波数としては、産業・科学・医療の分野で使用できる２．４５ＧＨｚのマイクロ波が知られている。例えばマグネトロンなどのマイクロ波源で生成されるマイクロ波は、一般に、導波管を通して反応容器に供給する過程でマイクロ波エネルギーをプラズマに変換するようになっている。

導波管の長さは有限であり、マイクロ波源に結合された端部と反対側の端部は導波管終端と呼ばれ、マイクロ波源からのマイクロ波の入射波は、この導波管終端で反射し反射波としてマイクロ波源の方向に返って行く。そして、導波管内では、入射波と反射波とが合成されて定在波が生じる。定在波は、導波管内の長手方向における位置によってマイクロ波の振幅が異なり、振幅が最小の部位を「節」と呼び、振幅が最大の部位を「腹」と呼んでいる。節と節の間の長さ若しくは腹と腹の間の長さは、定在波の導波管管内波長λｇの１／２となるものである。

導波管と反応容器のマイクロ波結合は、導波管管内波長λｇの１／２の部分でマイクロ波の振幅が最も大きくなる部位（つまり「腹」の部分）で行われるのが一般的であり、反応容器が大きいものでは複数の「腹」の部分でマイクロ波の結合が行なわれている。
反応容器内でプラズマによる処理を確実および／または均一に行うためには、反応容器単位体積当たりのプラズマの生成箇所が多いことが望ましく、かかる観点から、従来、種々の工夫がなされている（例えば、特許文献１，２及び３参照）。

特開２０００−１２２９２号公報 特許第４５２５９２９号公報 特表２０１０−５００７０２号公報

例えば、特許文献１に記載された発明では、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いたプラズマ処理装置において、定在波のピークとなる間隔（つまり、導波管管内波長λｇの１／２）である略７９ｍｍでスリットが設定され、そのスリットからマイクロ波が反応容器内に供給され、プラズマを発生させるようにしている。しかしながら、プラズマの生成箇所としてのスリットの間隔は、定在波の導波管管内波長λｇの１／２である略７９ｍｍと、かなり大きいものであり、導波管の過大な長大化を招くことなく、プラズマ生成箇所を増やすことは困難であった。

また、特許文献２には、プラズマ発生ノズルによるプラズマ発生箇所を増やすために、マイクロ波導波管を分岐して構成することが開示され、また、プラズマ照射を均一に行えるようにするために、ワークを移動可能とすることが開示されている。しかしながら、導波管の分岐およびワークの移動可能化は何れも、かなりの構成の複雑化を招くという難点があった。

更に、特許文献３に記載された発明では、マイクロ波によるプラズマ生成は、複数のプラズマ発生ノズルに個々に対応したスタブを設けることが必要で、しかも個々にスタブの調整をするようになっている。しかしながら、導波管の中の１つのスタブの変化は、対応するプラズマ発生ノズルのみならず、他のプラズマ発生ノズルにも影響を及ぼすので、全てのプラズマ発生ノズルについて安定した動作を得ることは難しいという難点があった。

本発明は、以上の諸問題に鑑みてなされたもので、プラズマ生成手段を備えた導波管おびよかかる導波管を用いたプラズマ発生装置について、比較的容易かつ確実にプラズマ生成箇所を増やすことができるようにすることを、基本的な目的とする。

本願発明者は、かかる目的達成のために種々研究開発を進める中で、未だプラズマを生成していないプラズマ生成手段に最初にプラズマを発生させるのに要するマイクロ波電圧と、既に発生しているプラズマ生成手段のプラズマ状態を維持するのに要するマイクロ波電圧とを比較した場合、必要なマイクロ波電圧は後者の方が大幅に低く、前者の場合に比べて概ね１／３程度以下で済むことを見出した。

例えば、非導電性パイプをスリット付きの導電性パイプで同軸に覆って構成した二重管構造のプラズマ生成手段を用いた場合を例にとって説明すれば、非導電性パイプ内の原料ガスを最初にプラズマ化する場合、スリット付き導電性パイプのインピーダンスが大きいため、比較的大きなマイクロ波電圧が必要である。これに対して、既にプラズマが発生している場合には、非導電性パイプ内のプラズマが導電性を有しているので、スリット付き導電性パイプのインピーダンスが小さく、プラズマ状態を維持するのに要するマイクロ波電圧は小さくて済むものと考えられる。

図１３は、上述のプラズマ生成手段のプラズマ発生特性を示すグラフである。このグラフにおいて、左側の縦軸はマグネトロンの入力電力（つまり、所要マイクロ波電圧）を示し、横軸は反応容器内の圧力（つまり、プラズマ生成手段の非導電性パイプ内の圧力）を示している。また、右側の縦軸は、最初にプラズマを発生させるのに要する電力（これを「プラズマ発生電力」と称する）と、既に発生しているプラズマ生成手段のプラズマ状態を維持するのに要する電力（これを「プラズマ維持電力」と称する）との比率を示している。

図１３から良く分かるように、プラズマ発生電力に対するプラズマ維持電力の比率は（図１３：破線表示の折れ線参照）、反応容器内の圧力に依存し、圧力が高くなるに連れて前記比率も高くなるが、計測した範囲内では、最も圧力が高い１０００Ｐａでも約３５％程度である。従って、実用的な圧力を勘案すれば、プラズマ発生電力に対するプラズマ維持電力の比率は概ね１／３程度以下である。すなわち、一旦発生したプラズマ生成手段のプラズマ状態を維持するのに要する電力（プラズマ維持電力）は、最初にプラズマを発生させるのに要する電力（プラズマ発生電力）の概ね１／３程度以下で済むことになる。

そこで、本願の第１の発明は、マイクロ波によりプラズマを生成するためのプラズマ生成手段を備えた導波管であって、ａ）長手方向における一端側が、管内にマイクロ波を供給するマイクロ波源に結合され、ｂ）長手方向において前記一端側に対向する他端側に、前記マイクロ波源から供給されるマイクロ波を反射可能な導波管終端部が設けられており、ｃ）前記導波管終端部が長手方向へ移動可能に構成され、ｄ）前記プラズマ生成手段が、前記マイクロ波源からのマイクロ波の定在波の導波管管内波長の１／２以下の間隔で、長手方向において管内に複数配置されている、ことを特徴としたものである。

この場合において、前記導波管は、所定の基本モードを有するマイクロ波導波管であることが好ましい。

以上の場合において、前記プラズマ生成手段でのプラズマ発生の有無が検知手段によって検知される、ことがより好ましい。

この場合において、前記検知手段からの検知情報に基づいて、プラズマ未発生の任意のプラズマ生成手段でプラズマが発生するように前記導波管終端部が移動させられ、その後、残余のプラズマ生成手段でもプラズマが発生するように前記導波管終端部が更に移動させられる、ことができる。

以上の場合において、全てのプラズマ生成手段でプラズマが発生している状態では、各プラズマ生成手段は、前記定在波の節と節の間に相当する箇所に位置し、全てのプラズマ生成手段について、前記定在波の腹に相当する箇所からの距離が等しくなるように、前記導波管終端部の位置が設定される、ことが好ましい。

また、以上の場合において、前記プラズマ生成手段は、非導電性パイプと、該非導電性パイプの外側を覆う導電性パイプとで二重管構造を備えていてもよく、外側の導電性パイプには、円周上で１８０度の対向位置に位置決めされた一対のスリット部が設けられており、プラズマ生成手段は、これらスリット部が導波管の長手方向中心線に沿って並ぶように配置されてもよい。

また、本願の第２の発明に係るプラズマ発生装置は、ａ）上述の導波管の何れかと、ｂ）前記導波管の長手方向における一端側に結合され、管内にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、ｃ）前記導波管終端部を長手方向へ移動させる移動手段と、ｄ）前記移動手段を制御する制御手段と、を備えていることを特徴としたものである。

この場合において、前記プラズマ生成手段でのプラズマ発生の有無を検知する検知手段が付設され、該検知手段の検知信号は前記制御手段に送信される、ように構成されていることが好ましい。

本願の第１の発明によれば、マイクロ波によりプラズマを生成するためのプラズマ生成手段を備えた導波管において、長手方向における一端側のマイクロ波源から供給されるマイクロ波を反射可能な導波管終端部が長手方向へ移動可能に構成されているので、導波管内の定在波の振幅が最大となる「腹」の位置を導波管の長手方向について変化させることができる。従って、プラズマ生成手段が導波管の長手方向において管内に複数配置されている場合でも、導波管終端部を長手方向へ移動させて、定在波の振幅が最大となる「腹」の位置を長手方向について変化させることで、各々のプラズマ生成手段について、順次、定在波の「腹」の部分に相当する部位に位置するように、定在波との相対位置関係を設定することがきる。この相対位置関係を前記のように設定することにより、全てのプラズマ生成手段について、順次、定在波の振幅が最大となる「腹」の部分に相当する最大のマイクロ波電圧を印加してプラズマを生成させることができる。この結果、１つの導波管について、比較的容易かつ確実にプラズマ生成箇所を増やすことができる。この場合において、長手方向に複数設けられているプラズマ生成手段は、マイクロ波源からのマイクロ波の管内波長の１／２以下の間隔で配置されているので、導波管終端部は、この間隔で移動させれば良い。

また、本願の第２の発明によれば、プラズマ発生装置は、ａ）第１の発明に係る導波管の何れかと、ｂ）前記導波管の長手方向における一端側に結合され、管内にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、ｃ）前記導波管終端部を長手方向へ移動させる移動手段と、ｄ）前記移動手段を制御する制御手段と、を備えていることにより、第１の発明と同様の作用効果を奏することができ、比較的容易かつ確実にプラズマ生成箇所を増やして、プラズマの高密度化を達成することができる。

本発明の実施形態に係るプラズマ処理システムの全体構成を概略的に示すブロック構成図である。 前記プラズマ処理システムの主要部を構成するプラズマ発生装置の分配部および導波管、並びに反応容器の縦断面を斜め上方から見て示した断面斜視図である。 図２の要部を拡大して示す部分拡大断面図である。 前記導波管内の一部のプラズマ生成手段の上部を破砕して示す拡大斜視図である。 前記プラズマ発生装置の分配部および導波管、並びに反応容器の縦断面図である。 図５のＹ６−Ｙ６線に沿った縦断面図である。 前記プラズマ生成手段と検知センサとの位置関係を示す導波管の横断面図である。 図７の要部を拡大して示す部分拡大断面図である。 導波管内の定在波と導波管終端部およびプラズマ生成手段の位置関係の一例を示す導波管の横断面図である。 導波管内の定在波と導波管終端部およびプラズマ生成手段の位置関係の他の一例を示す導波管の横断面図である。 導波管内の定在波と導波管終端部およびプラズマ生成手段の位置関係の更に他の一例を示す導波管の横断面図である。 前記プラズマ処理システムの作動を概略的に説明するためのフローチャートである。 プラズマ生成手段のプラズマ発生特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
尚、以下の説明では、特定の方向を意味する用語（例えば、「上」，「下」，「左」，「右」，「前」，「後」、及びそれらを含む他の用語、並びに「時計回り方向」，「反時計回り方向」など）を使用する場合があるが、それらの使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためである。従って、本発明は、それらの用語の語義によって限定的に解釈されるべきものではない。

図１は、本実施形態に係るプラズマ処理システム１の全体構成を概略的に示すブロック構成図である。また、図２は、前記プラズマ処理システム１の主要部を構成するプラズマ発生装置１０の分配部１１及び導波管２０、並びに反応容器５の縦断面を斜め上方から見て示した断面斜視図であり、図３は、図２の要部である分配部１１及び導波管２０を拡大して示す部分拡大断面図である。更に、図４は、前記導波管２０内の一部のプラズマ生成手段Ｐ３，Ｐ４の上部を破砕して示す拡大斜視図である。また更に、図５は、前記分配部１１及び導波管２０並びに反応容器５の縦断面図であり、図６は、図５のＹ６−Ｙ６線に沿った縦断面図である。また更に、図７は、６本のプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６と検知センサＳ１〜Ｓ６との位置関係を示す導波管２０の横断面図であり、図８は、図７の要部を拡大して示す部分拡大断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るプラズマ処理システム１は、プラズマ発生装置１０にプラズマ用の原料ガスを供給するための原料ガス供給源２と、この原料ガス供給源２からの原料ガスの供給量（つまり流量）を制御する制御手段としての流量制御弁３とを備えている。この流量制御弁３を通って供給された原料ガスは、プラズマ発生装置１０に付設されたガス分配部１１を介してプラズマ発生装置１０内に供給される。
原料ガスとしては、例えば、酸素もしくは空気などを用いることができる。また、流量制御弁３としては、ガス流量を好適に制御し得る種々の公知の流量制御弁を用いることができる。

前記プラズマ発生装置１０は、マイクロ波を伝送可能な所定長さの本体部２１を有するマイクロ波導波管２０（以下、適宜、単に「導波管」と言う）と、この導波管２０の長手方向における一端側（図１における左端側）に結合されて導波管２０内にマイクロ波を供給するマイクロ波源１３とを備えている。このマイクロ波源１３としては、好ましくは、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生することができるもので、例えば、所謂マグネトロンなど、従来公知のマイクロ波発生装置を用いることができる。また、導波管２０の本体部２１は、図６から良く分かるように、縦断面の周縁形状が例えば長方形状に形成された中空体として構成され、所定方向（本実施形態では略水平方向）に真直して延設されている。

前述のガス分配部１１は、図２，３，５及び６から良く分かるように、導波管２０の上側に付設されており、縦断面の周縁形状が全体として略長方形状のボックス体として構成され、その上部中央には、流量制御弁３から送給されて来た原料ガスが流入するガス流入部１１ｓが設けられている。
また、導波管２０の下側には、プラズマを用いて所要の処理（例えば滅菌もしくは消毒処理）を行うための反応容器５が配置されている。この反応容器５の下部中央には、真空ポンプ６（図１参照）に接続される排気部５ｄが設けられている。この反応容器５の底面上には、滅菌もしくは消毒処理を施す処理対象物Ｋ１，Ｋ２を載置するために、好ましくは多孔状の載置台５ｋが配設されている。

導波管２０の長手方向において前記一端側に対向する他端側（図１における右端側）には、導波管終端部２２が設けられている。本実施形態では、この導波管終端部２２は、導波管本体部２１の縦断面における内周形状に対応して、縦断面形状が全体として長方形状に形成され、導波管２０の本体部２１の内面に沿って長手方向へスムースに摺動できるように寸法設定されている。

また、導波管終端部２２の管内に臨む内面２２ｆは、図２，図５及び図７〜９から良く分かるように、マイクロ波源１３から供給されて導波管２０内に入射されたマイクロ波を反射する導波管終端面２２ｆ（以下、適宜、単に「終端面」という）を構成している。この終端面２２ｆに対向する終端部外面２２ｇには、外方（各図における右方）へ突出する所定長さのアーム（突出アーム）２２ｐが一体的に設けられている。この突出アーム２２ｐは、導波管本体部２１の端末壁部２１ｗに設けられた開口を貫通して外方へ伸長しており、その先端側には、後述する終端移動装置１５が接続される。導波管終端部２２は導電性材料（例えば金属）で製作されており、導波管２０内を伝播するマイクロ波を終端面２２ｆで反射するものである。

また、導波管終端部２２の外周部には、自由空間でのマイクロ波波長をλ_０で表せば、その１／４の長さ（１／４λ_０）のマイクロ波チョーク２２ｃが設けられている。このマイクロ波チョーク２２ｃは、導波管終端部２２の外周部と導波管本体部２１の内面との隙間をマイクロ波が通過することを防止するとともに、該隙間におけるマイクロ波の放電を防止して導波管終端部２２の摺動動作の安全性をより高めるものである。

本実施形態に係るプラズマ発生装置１０では、導波管終端部２２を導波管２０の長手方向に移動（摺動）させて、終端面２２ｆの長手方向における位置を変更することができるようにするために、導波管終端部２２を移動させる終端移動装置１５が設けられている。この終端移動装置１５は、図２及び図５から良く分かるように、ベース１５ｂに固定されたモータＭと、該モータＭの出力軸Ｍｓに一端側が固定された回動アーム１５ｋと、この回動アーム１５ｋと導波管終端部２２の突出アーム２２ｐとを接続するアーム部材１５ｃ（リンクアーム）とを備えている。このリンクアーム１５ｃは、一端側が前記回動アーム１５ｋの先端側に回動自在に結合され、他端側は前記突出アーム２２ｐの先端側に回動自在に結合されている。

前記終端移動装置１５のモータＭには、好ましくは、出力軸Ｍｓの回転量を任意に調節できる所謂ステッピングモータが用いられており、このモータＭが駆動されることにより、その出力軸Ｍｓが所定量だけ回転し、その回転運動が、回動アーム１５ｋ及びリンクアーム１５ｃを介して、前記突出アーム２２ｐの（つまり導波管終端部２２の）導波管２０の内面に沿った直線運動に変換される。これにより、導波管終端部２２をモータＭの回転量に応じた任意の位置に移動させ、終端面２２ｆの長手方向における位置を任意に変化させることができる。

図１に示されるように、終端移動装置１５は、プラズマ発生装置１０の制御手段としてのコントローラ１７に信号授受可能に接続されており、このコントローラ１７からの命令信号に応じて、モータＭが駆動されるように構成されている。コントローラ１７は、例えば、マイクロコンピュータを主要部として構成することができ、後述する検知センサＳ１〜Ｓ６に信号授受可能に接続されており、これら検知センサＳ１〜Ｓ６からの検知信号が入力されるようになっている。また、このコントローラ１７には、前述のマイクロ波源１３並びに流量制御弁３及び真空ポンプ６も信号授受可能に接続されており、その作動がコントローラ１７によって制御されるように構成されている。

導波管２０の内部には、複数本数（本実施形態では、例えば６本）のプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６が、導波管２０の長手方向中心線Ｌｃ（図７〜図１１参照）に沿って配列されている。これらプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６は、マイクロ波によりプラズマを生成するためのプラズマ生成手段の役割を果たすもので、導波管２０の長手方向に対して交差する方向（好ましくは直交する方向）に伸長しており、その上端部は、導波管２０の上側に付設された前述のガス分配部１１内に挿入されて開口している。また、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６の下端部は、導波管２０の下側に配置された前述の反応容器５内に挿入されて開口している。

導波管２０の上面とガス分配部１１の下面との間には、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６の外周を覆う環状のシール部材（環状シール）２６がそれぞれ装着されており、ガス分配部１１内へのプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６の上端部の挿入部分から原料ガスが漏れ出ることを防止している。また、導波管２０の下面と反応容器５の上面との間にも、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６の外周を覆う環状のシール部材（環状シール）２７がそれぞれ装着されており、反応容器５内へのプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６の下端部の挿入部分から外部エアが進入して、反応容器５内の真空度が（従って、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６内の真空度が）低下することを防止している。前記環状シール２６，２７としては、例えばゴム製シール等の気密なシール性を有するシール部材が用いられている。

プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６は、全て同一構造のもので、図３及び図４から良く分かるように、原料ガスを内部に流通させる非導電性パイプ２４と、その外側を覆うようにして同軸状に配置された導電性パイプ２５とで、二重管状に形成されている。前記非導電性パイプ２４は、石英や耐熱ガラス等の非導電性材料を用いて管状に形成したものであり、前記導電性パイプ２５は、ステンレス鋼や真鍮などの導電性材料を用いて管状に形成したものである。

この導電性パイプ２５には、所定の幅および長さに寸法設定された一対のスリット部２５ｓが設けられている。この一対のスリット部２５ｓは、導電性パイプ２５の円周上で１８０度の対向位置に位置決めされており、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６を導波管２０に取り付けた際には、これらスリット部２５ｓが導波管２０の長手方向中心線Ｌｃ（図７〜図１１参照）に沿って並ぶように、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６の配列状態が定められている。このような一対のスリット部２５ｓを有する導電性パイプ２５が、導波管２０内を伝送されるマイクロ波を受信し、そのマイクロ波を内側の非導電性パイプ２４内に放射することができる、いわば「アンテナ」の役割を果たすことになる。

流量制御弁３を通ったプラズマ用原料ガスは、ガス分配部１１内に入り、そこから複数のプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６の各非導電性パイプ２４を通り反応容器５内に流入する。このとき、導波管２０内には、当該導波管２０の一端側に配置されたマイクロ波源１３から、所要特性のマイクロ波が供給されている。

図６から良く分かるように、導電性パイプ２５のスリット２５ｓの幅方向（図６における左右方向）は導波管２０の短辺方向（図６における左右方向）に一致するように設定されている。基本モードの矩形導波管２０では短辺方向（つまり幅方向）にマイクロ波電界が生じるので、導電性パイプ２５のスリット２５ｓには幅方向にマイクロ波電界が存在することになる。本実施形態では、好ましくは、「ＴＥ１０」の基本モードを有する矩形導波管２０が用いられており、導波管２０の幅方向についてのみ１つのマイクロ波電界が生じることになる。

このように基本モード（ＴＥ１０）の矩形導波管２０を用いることにより、導波管２０の幅方向にマイクロ波電界を存在せしめることができる。そして、各プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６は、非導電性パイプ２４と、該非導電性パイプ２４の外側を覆う導電性パイプ２５とで二重管構造を備え、外側の導電性パイプ２５には、円周上で１８０度の対向位置に位置決めされた一対のスリット部２５ｓが設けられており、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６は、これらスリット部２５ｓが導波管の長手方向中心線Ｌｃに沿って並ぶように配置されている。このように構成することにより、導電性パイプ２５のスリット２５ｓには幅方向にマイクロ波電界が存在することとなり、その内側の非導電性パイプ２４内にマイクロ波を放射することができる。

反応容器５内の圧力は、真空ポンプ６の排気能力と流量制御弁３で定まる原料ガス流量とで、所定の真空圧力に制御されている。非導電性パイプ２４内の原料ガスの圧力は、真空ポンプ６で減圧されている反応容器５内の圧力と概ね同圧であり、大気中にごく僅かに存在する自由電子がマイクロ波の電界で加速され原子に衝突することにより、原子中の電子のエネルギー準位が高くなり、原子が励起状態もしくは電離状態になる。このように電子が励起状態や電離状態になった原料ガスは、プラズマとなり反応容器５に流入することになる。

本実施形態では、図７及び図８に示されるように、二重管構造のプラズマ生成管としての各プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６について、当該プラズマ生成手段でプラズマが生成されているか否かを検知するために、各プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６に対応して、６個の検知センサＳ１〜Ｓ６が設けられている。導波管本体部２１の側壁の適所に開口２１ｈが形成されており、検知センサＳ１〜Ｓ６それぞれの受光部Ｓｊが対応する開口２１ｈ内に位置するように、各検知センサＳ１〜Ｓ６が導波管本体部２１の側壁に取り付けられている。

これら検知センサＳ１〜Ｓ６は、全て同一構造のもので、プラズマ光を感知する受光素子を有する受光部Ｓｊを主要部として備えている。任意のプラズマ生成手段でプラズマが生成されると、非導電性パイプ２４内でプラズマが発光し、このプラズマの発光が（つまり、プラズマの発生が）、スリット部２５ｓを通って、対応する検知センサの受光部Ｓｊで感知される。このようにして、任意のプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６でのプラズマの生成を検知することができる。そして、その検知信号が前述のコントローラ１７に送信されるようになっている。

このように、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６でのプラズマ発生の有無を検知する検知手段として検知センサＳ１〜Ｓ６を付設したことにより、各プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６でのプラズマ発生の有無を確実に検知することができる。また、これら検知センサＳ１〜Ｓ６の検知信号をコントローラ１７に送信することにより、各プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６でのプラズマ発生の有無に応じた好適な制御を実現することが可能になる。
尚、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６でのプラズマ発生の有無を検知する検知手段としては、上述のように受光素子を利用した検知センサＳ１〜Ｓ６に限定されることなく、他の種々の公知の手法を用いた検知手段も有効に適用することができる。

上述のように反応容器５内に流入したプラズマは、その流入スピードと拡散により反応容器５内に拡がり、載置台５ｋ上に置かれた口腔鏡Ｋ１やピンセットＫ２等の処理対象物の表面に付着する細菌細胞にも達することになる。例えば酸素を原料としたプラズマでは、酸素活性ラジカルの非常に強い酸化作用で細菌細胞の有機物の水素と結合して、細胞の組成変化により細胞を死滅させる殺菌作用がある。この殺菌作用は、プラズマ密度が高いほどその効果は大であることが知られている。本実施形態では、このプラズマ密度を高めるために、導波管２０の限られた寸法の下で、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６について設置密度を高くするようにしている。

以下、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６の設置密度を高める手法について説明する。図９，図１０及び図１１は、導波管２０内の定在波と導波管終端部２２及びプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６の位置関係の種々の例を示す導波管２０の横断面図である。
周知のように、導波管２０内には、マイクロ波源１３からのマイクロ波の入射波電界と導波管終端面２２ｆで反射した反射波電界とが合成されて、進行成分が打ち消し合って同じ場所で振動する定在波電界が形成される。定在波電界は電界が最小である「節」と電界が最大となる「腹」とが交互に現れて、「節と節」の距離又は「腹と腹」の距離は導波管管内波長λｇの１／２を呈する。

プラズマ生成手段は、通常、定在波電界が最大となる「腹」に設置し、両者の相対的な位置関係は固定されるので、プラズマ生成手段は、定在波の「節と節」の間に、つまり導波管管内波長λｇの１／２の長さＬｇ（＝（１／２）λｇ）に対して、１本の割合で設置されることになる。これに対して、本実施形態では、前記長さＬｇに対して、プラズマ生成手段が２本ずつ（Ｐ１とＰ２，Ｐ３とＰ４，Ｐ５とＰ６）存在している。

本実施形態では、例えば、プラズマ生成手段Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５が一つのグループを形成し、相互の中心間の間隔が導波管管内波長λｇの１／２の長さＬｇに設定され、残りのプラズマ生成手段Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６が別の一つのグループを形成し、相互の中心間の間隔がやはり導波管管内波長λｇの１／２の長さＬｇに設定されている。このように導波管管内波長λｇの１／２の長さＬｇに対して２つのグループのプラズマ生成手段を設けたことにより、プラズマ生成手段の設置密度を高めてより高密度のプラズマを生成することができる。尚、プラズマ生成手段のグループ数を更に増やすことにより、プラズマ密度を更に高めることができる。

そして、図９の状態では、プラズマ生成手段Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６は、定在波電界が最大となる「腹」に位置しているが、プラズマ生成手段Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５は、この「腹」と定在波電界が最小となる前記「節」との間で、比較的「節」に近い側に、位置している。
このため、図９の状態では、プラズマ生成手段Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６については、定在波電界が最大となる「腹」に位置しているので、マイクロ波源１３の入力電力をプラズマ発生電力（図１３参照）以上に設定することにより、非導電性パイプ２４内の原料ガスをプラズマ化することができる。しかし、残りのプラズマ生成手段Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５については、定在波電界が最小となる「節」の比較的近くに位置しているので、定在波電界が小さくて非導電性パイプ２４内の原料ガスをプラズマ化することはできない。

そこで、本実施形態では、マイクロ波源１３からのマイクロ波を反射する導波管終端面２２ｆの長手方向における位置を変化させることにより、定在波の「節」及び「腹」の位置を好適に変化させるようにしている。
図１０は、図９の状態から導波管終端部２２を移動させることで、プラズマ生成手段Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５について、定在波電界が最大となる「腹」に位置するように、導波管終端面２２ｆの位置を変化させた例を示している。

この図１０の状態では、プラズマ生成手段Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５のグループについては、定在波電界が最大となる「腹」に位置することとなったので、非導電性パイプ２４内の原料ガスをプラズマ化することができる。一方、プラズマ生成手段Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６のグループについては、定在波電界が最小となる「節」の比較的近くに位置することとなったので、定在波電界が小さくなる。

しかし、一旦、非導電性パイプ２４内で原料ガスがプラズマ化すると、この発生したプラズマが消失する定在波電界は、前述したように（図１３参照）、最大定在波電界の概ね１／３未満の大きさである。つまり、一旦発生したプラズマを継続的に維持するのに要するマイクロ波電界は、プラズマを最初に発生させるのに要するマイクロ波電界の概ね１／３未満の大きさで済むことになる。従って、例えば図１０を用いて説明すれば、プラズマ生成手段Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５のグループでプラズマを発生させるために定在波電界が最大となる「腹」に位置するように位置調節したときに、既に発生済みのプラズマ生成手段Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６のグループは、定在波電界Ｅｃが最大定在波電界Ｅｍの１／３よりも大きくなる（Ｅｃ＞１／３（Ｅｍ））位置に存在するように設定すれば良い。

定在波電界の強度は、導波管２０のマイクロ波伝播方向（つまり長手方向）について、正弦波状であり、プラズマ生成手段Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５のグループとプラズマ生成手段Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６のグループの隣り合う一組のプラズマ生成手段（プラズマ生成手段Ｐ１とＰ２，プラズマ生成手段Ｐ３とＰ４，プラズマ生成手段Ｐ５とＰ６）について、前述の条件を満足するプラズマ生成手段どうしの（例えば、プラズマ生成手段Ｐ１とプラズマ生成手段Ｐ２との間の）中心間距離Ｄｐは、次式（１）で表すことができる。
・Ｄｐ＝（１−２×ＳＩＮ^−１（１／３）/π）λｇ／４ …（１）

式（１）において、λｇは導波管２０内に存在するマイクロ波の管内波長であり、基本モード（ＴＥ１０）の矩形導波管２０の縦断面の長辺の寸法をＡとし（図５，６参照）、マイクロ波の自由空間波長をλ_０とすると、マイクロ波の導波管管内波長λｇは次式（２）で表すことができる。
・λｇ＝λ_０／（１−（λ_０／２Ａ）^２）^１／２ …（２）
本実施形態では、前述のプラズマ生成手段どうしの中心間距離Ｄｐは、マイクロ波の導波管管内波長λｇの１／４未満となるように設定されている。

例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波ではその自由空間波長λ_０は１２２ｍｍであり、基本モード（ＴＥ１０）の矩形導波管２０の縦断面の長辺の寸法Ａを例えば１０９ｍｍとすると、導波管管内波長λｇは１４８ｍｍである。従って、この場合、前記式（１）及び式（２）を用いて算出すれば、プラズマ生成手段Ｐ１とプラズマ生成手段Ｐ２との間の中心間距離Ｄｐは、２９．１ｍｍとなる。この中心間距離Ｄｐ（＝２９．１ｍｍ）は、マイクロ波の導波管管内波長λｇ（＝１４８ｍｍ）の１／４未満となっている。

図１１は、先にプラズマを発生したプラズマ生成手段Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６がプラズマ状態を維持し、且つ、プラズマ生成手段Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５にてプラズマが発生した後に、つまり、全てのプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６でプラズマが発生した状態で、各プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６が、定在波電界が最大となる「腹」と定在波電界が最小となる「節」との中間に位置するように、導波管終端面２２ｆの位置を変化させた例を示している。この状態では、発生した全てのプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６は、各々の定在波電界Ｅｄの大きさが最大定在波電界Ｅｍと前述の定在波電界Ｅｃとの間になる位置に存在し（Ｅｍ＞Ｅｄ＞Ｅｃ）、それぞれプラズマ状態を維持することになる。

すなわち、全てのプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６でプラズマが発生している状態では、各プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６は、マイクロ波の定在波の「節」と「節」の間に相当する箇所に位置しており、しかも、全てのプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６について、前記定在波の「腹」に相当する箇所からの距離が等しくなるように、前記導波管終端部２２の位置が設定されるようになっている。
このように設定することにより、全てのプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６について、各々の定在波電界Ｅｄの大きさを等しくすることができ、全てのプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６でのプラズマ状態を効率良く維持することができる。

以上のように構成されたプラズマ処理システム１の作動の概略を、図１２のフローチャートを参照しながら説明する。
システムがスタート（始動）すると、まず、ステップ＃１で、流量制御弁３の開度を調整して真空ポンプ６で排気を行い、反応容器５内を（従って、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６の非導電性パイプ２４内を）減圧し、所定の減圧状態に調節する。次いで、ステップ＃２で、マイクロ波源１３を駆動調整し、導波管２０内に所定の導波管内波長λｇとなるマイクロ波を供給する。

その後、ステップ＃３で、前述のように、例えば、先ずプラズマ生成手段Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６にてプラズマを発生させ、そのプラズマ状態を維持しつつ、残りのプラズマ生成手段Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５でプラズマを発生させるべく、終端移送装置２２を駆動して導波管終端面２２ｆの位置を、上述のように変化させる。そして、ステップ＃４で、全てのプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６でプラズマが発生しているか否かが継続的に判定される。

このステップ＃４での判定結果がＹＥＳ（全てでプラズマ発生）の場合には、ステップ＃５で、全てのプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６でのプラズマ状態が維持されるようにすべく、各プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６が前述の中間位置（定在波の「腹」と「節」の中間の位置：図１１参照）に位置するように、導波管終端面２２ｆの位置を調節する。そして、プラズマ発生装置１０が安定した通常動作に移行し、この動作が継続される。これにより、反応容器５内に置かれた口腔鏡Ｋ１やピンセットＫ２等の処理対象物に対する滅菌処理が行われる（ステップ＃６）。

その後、ステップ＃７で、プラズマ処理システム１による滅菌処理が終了したか否かが継続的に判定される。この判定は、例えば、プラズマ発生装置１０の通常作動に移行してからの経過時間もしくはガス流量の累積値に基づいて、所定の閾値を越えたか否かで判定される。そして、このステップ＃７での判定結果がＹＥＳ（滅菌処理：終了）になると、システム１の作動が終了する。

一方、ステップ＃４での判定結果がＮＯ（プラズマを発生しないプラズマ生成手段が少なくとも１つは在る）の場合には、ステップ＃８で、このＮＯ判定の繰り返し回数（ｎ）がカウントされ、このカウント値ｎが予め定められた規定回数Ｎｓに達したか否かが判定される。そして、このＮＯ判定回数ｎが予め定めた規定回数Ｎｓに達するまでは（ステップ＃８：ＮＯ）、ステップ＃１からステップ＃４までの各ステップが繰り返して実行される。一方、ＮＯ判定の回数ｎが規定回数Ｎｓに達した場合には（ステップ＃８：ＹＥＳ）、装置・システムに何らかの不具合が発生していることが考えられるので、プラズマ発生装置１０のコントローラ１７にエラー表示が行われ（ステップ＃９）、システムの点検等を行うために、システムの作動が停止されるようになっている。

以上のようなプラズマ処理システム１の作動は、例えば、前記コントローラ１７に付設された（若しくは内蔵された）メモリに読み出し可能に格納されたソフトウェア・プログラムによって、制御実行することができる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、マイクロ波によりプラズマを生成するためのプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６を備えた導波管２０において、長手方向における一端側のマイクロ波源１３から供給されるマイクロ波を反射可能な導波管終端部２２が（つまり、反射面を構成する終端面２２ｆが）、終端移動装置１５によって長手方向へ移動可能に構成されているので、導波管２０内の定在波の振幅が最大となる「腹」の位置を長手方向について変化させることができる。
従って、プラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６が長手方向において管内に複数配置されている場合でも、導波管終端部２２を長手方向へ移動させて、定在波の振幅が最大となる「腹」の位置を長手方向について変化させることで、各々のプラズマ生成手段Ｐ１〜Ｐ６について、順次、定在波の「腹」の部分に相当する部位に位置するように、定在波との相対位置関係を設定することがきる。
この相対位置関係を前記のように設定することにより、全てのプラズマ生成手段について、順次、定在波の振幅が最大となる「腹」の部分に相当する最大のマイクロ波電圧を印加してプラズマを生成させることができる。この結果、１つの導波管について、比較的容易かつ確実にプラズマ生成箇所を増やすことができる。この場合において、長手方向に複数設けられているプラズマ生成手段は、マイクロ波源からのマイクロ波の管内波長の１／２以下の間隔で配置されているので、導波管終端部は、この間隔で移動させれば良い。

また、本実施形態に係るプラズマ発生装置は、上述の導波管２０と、該導波管２０の長手方向における一端側に結合され、管内にマイクロ波を供給するマイクロ波源１３と、導波管終端部２２を長手方向へ移動させる終端移動装置１５と、この終端移動装置１５を制御するコントローラ１７と、を備えていることにより、上述の作用効果を奏することができ、比較的容易かつ確実にプラズマ生成箇所を増やして、反応容器５内のプラズマの高密度化を達成することができる。

尚、以上の説明は、反応容器５内に置かれた処理対象物Ｋ１，Ｋ２に対する滅菌処理を行うプラズマ処理システム１に適用した場合についてのものであったが、本発明は、かかる場合に限定されるものではなく、他の用途においても、有効に適用できるものである。

このように、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更や設計上の改良等を行い得るものであることは、言うまでもない。

本発明は、マイクロ波によりプラズマを生成するためのプラズマ生成手段を備えた導波管、及びかかる導波管を用いたプラズマ発生装置に関するもので、例えば、プラズマによって処理対象物の滅菌などを行うプラズマ処理システムに用いられる導波管およびプラズマ発生装置として、有効に利用することができる。

１ プラズマ処理システム
１０ プラズマ発生装置
１３ マイクロ波源
１５ 終端移動装置
１７ コントローラ
２０ 導波管
２２ 導波管終端部
２４ 非導電性パイプ
２５ 導電性パイプ
２５ｓ スリット部
Ｐ１〜Ｐ６ プラズマ生成手段
Ｓ１〜Ｓ６ 検知センサ

Claims (8)

1. マイクロ波によりプラズマを生成するためのプラズマ生成手段を備えた導波管であって、
   長手方向における一端側が、管内にマイクロ波を供給するマイクロ波源に結合され、
   長手方向において前記一端側に対向する他端側に、前記マイクロ波源から供給されるマイクロ波を反射可能な導波管終端部が設けられており、
   前記導波管終端部が長手方向へ移動可能に構成され、
   前記プラズマ生成手段が、前記マイクロ波源からのマイクロ波の定在波の導波管管内波長の１／２以下の間隔で、長手方向において管内に複数配置されている、
   ことを特徴とする導波管。
2. 前記導波管は、所定の基本モードを有するマイクロ波導波管である、ことを特徴とする請求項１に記載の導波管。
3. 前記プラズマ生成手段でのプラズマ発生の有無が検知手段によって検知される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の導波管。
4. 前記検知手段からの検知情報に基づいて、プラズマ未発生の任意のプラズマ生成手段でプラズマが発生するように前記導波管終端部が移動させられ、その後、残余のプラズマ生成手段でもプラズマが発生するように前記導波管終端部が更に移動させられる、ことを特徴とする請求項３に記載の導波管。
5. 全てのプラズマ生成手段でプラズマが発生している状態では、各プラズマ生成手段は、前記定在波の節と節の間に相当する箇所に位置し、全てのプラズマ生成手段について、前記定在波の腹に相当する箇所からの距離が等しくなるように、前記導波管終端部の位置が設定される、ことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の導波管。
6. 前記プラズマ生成手段は、非導電性パイプと、該非導電性パイプの外側を覆う導電性パイプとで二重管構造を備え、外側の導電性パイプには、円周上で１８０度の対向位置に位置決めされた一対のスリット部が設けられており、プラズマ生成手段は、これらスリット部が導波管の長手方向中心線に沿って並ぶように配置される、ことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の導波管。
7. 請求項１から６の何れかに記載された導波管と、
   前記導波管の長手方向における一端側に結合され、管内にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、
   前記導波管終端部を長手方向へ移動させる移動手段と、
   前記移動手段を制御する制御手段と、
   を備えていることを特徴とするプラズマ発生装置。
8. 前記プラズマ生成手段でのプラズマ発生の有無を検知する検知手段が付設され、該検知手段の検知信号は前記制御手段に送信される、ことを特徴とする請求項７に記載のプラズマ発生装置。

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