JP2014183049A - マイクロ波源及びプラズマトーチ並びに関連する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な用途のマイクロ波誘導プラズマ（ＭＩＰ）を生成する改良されたシステム、装置、及び方法の提供。
【解決手段】マイクロ波誘導プラズマを生成するプラズマ源１００は、マイクロ波エネルギー源１０４に統合されるプラズマトーチ１０８を含む。トーチ１０８は、プラズマ源１００の片側から逆側にガス流路を確立する。トーチ１０８は、トーチ１０８を通って流れるプラズマ形成ガスがマイクロ波放射を受けるように、マイクロ波エネルギー源１０４に統合することができ、マイクロ波放射は、トーチ１０８でのプラズマを開始及び／又は維持するように機能する。プラズマはトーチ１０８から放出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、包括的にはマイクロ波誘導プラズマに関し、特に、プラズマトーチでのマイクロ波誘導プラズマの生成及びその使用方法に関する。

［関連出願］
本願は、２０１３年３月１５日付けで出願された米国仮特許出願第６１／７９３３２０号「INTEGRATED MICROWAVE SOURCE AND PLASMA TORCH, AND RELATED METHODS」の利益を主張するものであり、その開示は引用することによりその全体が本明細書の一部をなすものとする。

多くのプラズマに基づく化学分析機器が、電波（ＲＦ、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ）誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：inductively coupled plasma）を利用するとともに、プロセスガスとしてアルゴンを利用する。アルゴンＩＣＰは比較的成熟した効率的な技術であるが、これらの機器へのアルゴンの供給は、所有コストを大幅に増大するとともに、精製アルゴンガスの可用性に依存する。新興市場（地方、ポータブル、途上国等）のニーズに対処するために、最近の関心は、窒素（Ｎ_２）等のより安価でより利用性が高いガスを用いて動作することができる同様の機能の機器の製造に向けられている。

アルゴン及び窒素のプラズマの特性の違いに起因して、数ＧＨｚの範囲のマイクロ波放射（ＲＦ放射とは対照的に）が、窒素プラズマへのエネルギー付与によりよく適することが多い。そのようなプラズマを生成するように構成される機器は電力サブシステムを含むことができ、このサブシステムは、マイクロ波電力を、管（又は入れ子になった管セット）を通って流れているプロセスガスに届ける。マイクロ波放射はガスを電離化してプラズマにする。その結果生成されるマイクロ波誘導プラズマ（ＭＩＰ：microwave-induced plasma）を利用して、検体材料の加熱、気化／乾燥／溶解、原子化、電子的励起、及び電離化を行うことができ、それにより、発せられた光又は電離の続く検出及び分析が可能になる。

マイクロ波電力サブシステムは、マイクロ波電力源と、フリースペース導波管又は同軸ケーブル等の電力伝達要素により結合される電磁共振構造とを含むことができる。このシステムは、手動及び／又はサーボロックスタブ同調器及び可動式短絡壁を含め、様々な構成要素のインピーダンス整合用の追加の要素も必要とする場合がある。また、マイクロ波アイソレータ及びサーキュレータが含まれることも多く、それにより、インピーダンス不整合状況の場合に反射電力から電源が保護される。

既知のマイクロ波電力サブシステムには欠点が付随している。マルチコンポーネント構成に起因して、このサブシステムは比較的嵩張り、高コストである。また、受け入れられる性能を達成して維持するためには、自動同調アルゴリズムが必要な場合があり、そして、同調プロセスは可動部品を含む。これらの要因は、求められている「現場」用途市場での適合性を損なう。さらに、マルチコンポーネント設計の体積及び／又は面積が大きいことに起因して、殆どはガイド構造の壁による大きなワット損（電力損失）がある。さらに、一般に使用される共振構造（例えば、矩形導波管又は同軸ケーブル）の電磁（ＥＭ：electromagnetic）場パターンと、分光法／分光分析用途に好ましい円筒形又はトロイダルプラズマ対称性を生み出す傾向を有する場のパターンとの不一致がある。これらの不一致は、現行設計での性能及び安定性の低下の一因となり、進行中の研究の話題であり続けている。

したがって、様々な用途のＭＩＰを生成する改良されたシステム、装置、及び方法が引き続き必要とされている。

上述した問題に全体として若しくは部分的に、及び／又は当業者が確認した可能性のある他の問題に対処するために、本開示は、後述する実施態様において例として説明する方法、プロセス、システム、装置、機器及び／又はデバイスを提供する。

１つの実施態様によれば、マイクロ波誘導プラズマを生成するプラズマ源が、
陰極軸上の陰極と、相互作用空間により前記陰極から離間される陽極とを備えるマイクロ波エネルギー源であって、第１の側と、第２の側と、前記第１の側から前記第２の側への前記陰極軸に沿った厚さとを備える、マイクロ波エネルギー源と、
前記マイクロ波エネルギー源に位置決めされるプラズマトーチであって、前記第２の側にトーチ出口を備え、前記第１の側から前記第２の側にガス流路を確立する、プラズマトーチと、
を備える。

別の実施態様によれば、プラズマ処理システムが、
プラズマトーチが第１の側にトーチ入口を備えるプラズマ源と、
前記トーチ入口と連通するプラズマ形成ガス源と、
トーチ出口と連通するチャンバと、
を備える。

別の実施態様によれば、プラズマを供給する方法が、
第１の側及び第２の側を備えるマイクロ波エネルギー源を動作させることにより、マイクロ波エネルギーを生成するステップと、
前記第１の側からプラズマトーチにプラズマ形成ガスを流すことにより、プラズマを生成するステップであって、前記プラズマ形成ガスは前記マイクロ波エネルギーにより照射される、ステップと、
前記第２の側にある前記プラズマトーチの出口から前記プラズマを流すステップと、
を含む。

別の実施形態によれば、プラズマ源又はプラズマ処理システムは、本明細書に開示される任意の方法を実行するように構成される。

本発明の他のデバイス、装置、システム、方法、特徴及び利点は、以下の図及び詳細な説明を検討することにより当業者には明らかとなろう。こうしたすべての追加のシステム、方法、特徴及び利点は、本説明に含まれ、本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されるように意図されている。

本発明を、以下の図を参照することによってより理解することができる。図の構成要素は、必ずしも一定比例尺にはなっておらず、本発明の原理を例証することに重きがおかれている。図では、各図を通して同様の参照数字は対応する部分を示す。

図１Ａは、幾つかの実施形態によるプラズマ源の一例の平面図である。図１Ｂは、図１Ａに示されるプラズマ源の斜視図である。 図２Ａは、サイクルの交互になったフェーズでの振動を示すマイクロ波エネルギー源の一部の平面図である。図２Ｂは、サイクルの交互になったフェーズでの振動を示すマイクロ波エネルギー源の一部の平面図である。 図３Ａは、ストラップ付きセグメントを有する陽極の一部の平面図である。図３Ｂは、図３Ａの線Ａ−Ａに沿った断面図である。 幾つかの実施形態によるプラズマ処理システムの一例の概略図である。 幾つかの実施形態によるプラズマトーチの一例の断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂはそれぞれ、幾つかの実施形態による一例としてのマイクロ波誘導プラズマ（ＭＩＰ）源１００の平面図及び斜視図である。プラズマ源１００は一般に、マイクロ波エネルギー源（又はマイクロ波エネルギー生成器）１０４と、マイクロ波エネルギー源１０４に統合されたプラズマトーチ１０８とを含むことができる。

一般に、マイクロ波エネルギー源１０４は、プラズマトーチ１０８を流れるプラズマ形成ガスからプラズマの形成を誘導する周波数及び電力においてマイクロ波エネルギーを生成するのに適する任意の構成を有することができる。幾つかの実施形態では、図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、マイクロ波エネルギー源１０４は、マグネトロン又はマグネトロン様構造を有することができる。一般に、プラズマトーチ１０８は、画定された経路に沿ってガス流を伝導し、プラズマプルーム（又はプラズマ放電）の形成を可能にするのに適する任意の構成を有することができる。プラズマトーチ１０８は、流れているガスが、生成されたままの状態のマイクロ波エネルギーで照射されることを保証する任意の様式で、マイクロ波エネルギー源１０４に統合することができる。プラズマトーチ１０８は、生成されたままの状態のプラズマと、トーチ内部の任意のガス及び／又は他の流動性成分とを、マイクロ波エネルギー源１０４外部の所望の宛先に伝導するように構成することができる。

マイクロ波エネルギー源１０４は一般に、陰極１１２及び陽極１１４を含む。示される実施形態では、陰極１１２は陰極軸（又はソース軸）１１８に沿って位置決めされる。陰極１１２は、例えば、円柱形とすることができ、中実又は中空であることができる。陰極１１２は、任意の適する導電性材料で構成することができる。幾つかの実施形態では、陰極１１２又はその被膜若しくは層は、熱電子放出材料で構成して、電子源を提供することができる。付加的に又は代替的に、フィラメント（例えば、タングステンフィラメント、図示せず）を提供することができる。付加的に又は代替的に、別の種類の電子源（例えば、電界放出源）を提供することができる。示される実施形態では、陽極１１４は、導電性材料（例えば、銅）の管状ブロックであり、陰極軸１１８を中心として陰極１１２を同軸状に囲む。それゆえ、本実施形態では、マイクロ波エネルギー源１０４の主要構造（陰極１１２及び陽極１１４）は、陰極軸１１８を中心として回転対称であり、この場合、陰極軸１１８は中心軸である。陰極軸１１８に相対して、陽極１１４は、相互作用空間１２２により陰極１１２から離間され、その空間では、磁場及び電場が相互作用して、力を電子に与える。マイクロ波エネルギー源１０４は、第１の側１２６及び第２の側１２８を含むものとして考えることができ、これらの側は、プラズマトーチ１０８を通って流れるガスの観点から、入力側及び出力側と呼ぶこともできる。第１の側１２６及び第２の側１２８は、陰極軸１１８に直交する平面にあることができる。それゆえ、マイクロ波エネルギー源１０４の主要構造は、概ね平らであることができ、陰極軸１１８に沿って第１の側１２６から第２の側１２８に厚みを有する。

陽極１１４は、その厚さを通して形成される１つ又は複数の共振空洞又はサイドローブ１３２を含むことができ、共振空洞又はサイドローブは同調回路として機能する。示される実施形態では、陽極１１４は複数の共振空洞１３２を含み、共振空洞は、陰極軸１１８から１つ又は複数の半径方向距離に位置決めされ、陰極軸１１８を中心として互いから円周方向において離間される。共振空洞１３２は、開口部１３４により共通相互作用空間１２２と開放連通し、開口部は陽極１１４を複数の陽極セグメントに分け、陽極セグメントは陰極軸１１８を中心として円周方向に配置される。図１Ａ及び図１Ｂに示される共振空洞１３２の数は単なる例である。共振空洞１３２の数及びサイズは、様々な実施形態において可変である。幾つかの実施形態では、陽極１１４の外径は、約数ｃｍであることができるが、より一般には、陽極１１４のサイズに特定の制限は課されない。

示される実施形態では、共振空洞１３２は円形断面の円柱体として形成され、開口部１３４は半径方向スロットとして形成される。この幾何学的形状は、ホールアンドスロット（hole-and-slot）マグネトロンの一例である。他の実施形態では、マイクロ波エネルギー源１０４は、ベインマグネトロン、スロットマグネトロン、又はライジングサンマグネトロンとして構成することができ、その幾何学的形状及び特性は当業者に既知である。より一般的には、幾何学的形状は、陰極軸１１８を中心として対称、実質的に対称、又は非対称であることができる。

プラズマトーチ１０８は一般に、トーチ入口１３８及びトーチ出口１４０を含む。上述したように、プラズマトーチ１０８は、流れているガスが、生成されたままの状態のマイクロ波エネルギーで照射されることを保証する任意の適する様式でマイクロ波エネルギー源１０４に統合又は位置決めすることができる。プラズマトーチ１０８は、トーチ入口１３８が第１の側１２６にあり、トーチ出口１４０が第２の側１２８にあるように、マイクロ波エネルギー源１０４に位置決め又は搭載することができる。プラズマトーチ１０８は、マイクロ波エネルギー源１０４の円周内に位置決めすることができ、それゆえ、例えば、マイクロ波エネルギー源１０４の穴、溝、空洞等を通って延在することができる。示される実施形態では、プラズマトーチ１０８は、共振空洞１３２のうちの少なくとも１つを通り、トーチ軸１４２に沿ってトーチ入口１３８からトーチ出口１４０に延在する。トーチ軸１４２は、陰極軸１１８に平行又は略平行することができる。それゆえ、プラズマトーチ１０８は、内部（及び対応する共振空洞１３２）を通り、第１の側１２６にあるトーチ入口１３８から第２の側１２８にあるトーチ出口１４０に延びる少なくとも１つのガス流路を画定又は確立するように構成される。示される実施形態では、プラズマトーチ１０８は、ガスが流れることができる、内部を囲む管を含むか、又はトーチ軸１４２と同軸の２つ以上の同心管を含む。幾つかの実施形態では、管（又は最も外側の管）の外径は約数ｃｍであることができるが、より一般には、管のサイズに特定の制限は課されない。プラズマトーチ１０８は、溶融石英、又はマイクロ波透過性、高い溶融点、及び低い熱膨張係数を有する他の適する材料で構成することができる。他の実施形態では、プラズマトーチ１０８は、各共振空洞１３２を通って延在する複数の管（又は複数の同心管のセット）を含むことができ、それにより、複数のトーチ軸に沿ってプラズマ源１００を通る複数のガス流路を確立する。

実際には、陰極１１２及び相互作用空間１２２は、真空空間（すなわち、真空チャンバ）内に封入されるべきである。したがって、幾つかの実施形態では、マイクロ波エネルギー源１０４全体を真空空間内に封入することが実用的である場合がある。プラズマトーチ１０８は、トーチの内部を真空環境から流体的に分離するように、共振空洞１３２内に取り付けられる。

本開示の広義の態様が、マイクロ波エネルギー源１０４をマグネトロン又はマグネトロン様構造を有するものに限定しないことが理解されよう。より一般には、マイクロ波エネルギー源１０４は、プラズマトーチ１０８を共振空間に通し、プラズマを、生成されたままの状態のマイクロ波エネルギーに直接結合することを可能にする任意の構成を有することができる。例えば、幾つかの実施形態では、マイクロ波エネルギー源１０４は同軸対称構造を有さない場合がある。

幾つかの実施形態では、陽極１１４の対称軸は陰極軸１１８からずらすことができる。幾つかの実施形態では、そのような構成は、プラズマトーチ１０８により提示される非対称性を補償することができる。他の実施形態では、そのような補償は必要ない。

マイクロ波エネルギー源１０４は、磁石を更に含み、この磁石は永久磁石とすることができる。磁石は１つ又は複数の磁石構成要素４０６及び４１０（図４）を含むことができ、磁石構成要素は、プラズマ源１００の残りの部分に相対して所望の向きの静磁場を提供するように配置することができる。幾つかの実施形態では、磁石構成要素４０６及び４１０は、最も強い静磁力線が陰極軸１１８と平行し、ひいては、共振空洞１３２の軸とも平行するように位置決めされる。この場合、静磁場は、マイクロ波エネルギー源１０４により生成される磁場に直交する。さらに、プラズマトーチ１０８が、上述され、図１Ａ及び図１Ｂに示されるように向けられる場合、動作中に生成される振動磁場もトーチ軸１４２に位置合わせすることができる。この構成は、円柱形（又は実質的に円柱形）であり、トーチ軸１４２を中心として対称（又は略対称）であるプラズマプルームを生成するのに有用である。さらに、磁場及び電場のパラメータは、プラズマプルームの断面が、円形又は所望の偏心を有する楕円形等の所望の形状を有するように設定することができる。さらに、プラズマプルームの断面は、トーチ軸１４２に沿って「中空」であることができる。中空領域又はコアは、低密度のプラズマ種及び低温（すなわち、「冷」領域）を有するものとして特徴付けることができる。中空領域は、一例として、試料検体又はプロセス反応物をプラズマに導入するのに有用である。一般に、試料検体又はプロセス反応物を、プラズマのより高密度でより高温の領域に直接導入することは実施がより難しい場合があり、及び／又はプラズマと検体又は反応物との所望の相互作用の効率が低下する場合がある。中空プラズマプルームは、米国特許第７，０３０，９７９号に記載され図示されており、この特許の内容を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

動作に当たり、マイクロ波エネルギー源１０４は、磁石構成要素４０６及び４１０により提供される磁場内に配置される。連続又はパルス直流（ＤＣ）電圧が、陰極１１２と陽極１１４との間に印加されて、電場を生成し、この電場は陰極軸１１８に相対して半径方向に向けられる。幾つかの実施形態では、別のＤＣ電圧又は交流電流（ＡＣ）電圧を陰極１１２（又はフィラメント）に印加して、陰極１１２又はフィラメントを加熱することができる。この熱は、陰極１１２から電子を熱電子放出させるのに十分である。代替的に、当業者に理解されるように、間接的な加熱を利用することができる。代替的に、例えば電界エミッター等の別個の電子源を利用することができる。その結果放出される電子の経路は、磁場の力で曲げられ、電子を外側に向けて渦巻き状にし、相互作用空間１２２内に回転する空間−電荷「車輪」を生成する。陰極１１２に戻り、衝突する電子から生じる二次放出により、更なる電子を解放することができる。空間−電荷「車輪」の「スポーク」は、開口部１３４を通り抜けて共振空洞１３２に至り、内部に振動マイクロ波−周波数場を誘導する。図２Ａ及び図２Ｂは、マイクロ波エネルギー源１０４の一部の平面図であり、結果として生成される、サイクルの交互になったフェーズでの振動を示す。生成される交流電流（ＡＣ電流、これは本例ではマイクロ波範囲電流である）は曲がった矢印で示され、交流／振動磁場の方向はＸ（図面書面に入るように向けられる）及びドット（図面書面から出るように向けられる）で示される。電子とＲＦ場との相互作用は、マイクロ波放出を生み出す。共振空洞１３２のサイズは、共振周波数を決め、ひいては、放出されるマイクロ波の周波数も決める。幾つかの実施形態では、マイクロ波電力出力は約数ワット〜数キロワットであることができる。

なお、図２Ａ及び図２Ｂは振動のパイモード（すなわちπモード）を示し、各共振空洞１３２は、隣接する各共振空洞１３２と１８０度（π）位相ずれして振動する。本実施形態では、パイモードは、ストラップ付き構造（図示せず）を追加することにより実施することができる。ストラップ付き構造は、交互になった陽極セグメント（すなわち、陰極軸１１８の回りを移動するときに１つ置きの陽極セグメント）を電気的に相互接続する。図３Ａ及び図３Ｂは、ストラップ付き構造の非限定的な例を示す。特に、図３Ａは陽極１１４の一部の平面図であり、図３Ｂは、図３Ａの線Ａ−Ａに沿った断面図である。この例では、ストラップ付き構造は二重リングストラップであり、この二重リングストラップは、一対のリング（ストラップ）３４６及び３４８を第１の側に含み、別の対のリング３５０及び３５２を第２の側に含む。各対で、リングのうちの一方は他方のリングよりも大きな直径を有し、全てのリング３４６〜３５２は陰極軸１１８と同軸である。リング径は、リング３４６〜３５２が相互作用空間１２２と共振空洞１３２との間の開口部１３４と交わるようなサイズであることができる。リング３４６〜３５２は、連続した陽極セグメントを１つ置きに迂回するか、又はそれらに１つ置きに接続されるように陽極１１４に相対して位置決めすることができ、これは、陽極セグメント内に溝３５４を形成することにより容易にすることができる。多くのマグネトロン型構造では、パイモードは、エネルギーが振動場に最高の効率で伝達し、それゆえ、生成されるマイクロ波電力を最大化することの保証に最適であると見なされる。しかし、他の実施形態では、マイクロ波エネルギー源１０４は、当業者に理解されるように異なるモードで動作することができる。共振モード及びストラップ戦略については、G. Hok, "The Microwave Magnetron", Advances in Electronics, Vol. II, edited by L. Marton, New York, Academic Press, 1950, p. 219-249に更に考察されており、この内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

マイクロ波エネルギー源の従来の使用では、マイクロ波電力は、図２Ａ及び図２Ｂに示されるＡＣ電流を取り出すことにより抽出される。従来の取り出しは、直接導電性結合によるか、又は誘導性ピックアップループを使用することにより達成することができる。誘導性ピックアップループの場合、ピックアップループは共振空洞のうちの１つに挿入される。共振空洞１３２のボリューム内の振動磁場（共振空洞１３２の内壁周囲の振動電流に関連する）は、ピックアップループにＡＣ電流を誘導し、それにより、エネルギーをマグネトロンＥＭ場モードから、ピックアップループに電気的に接続された負荷に移す。比較により、本明細書に開示される実施形態では、マイクロ波電力は、プラズマトーチ１０８において生成されるプラズマ（導電特性及び誘導特性を有する）によりマグネトロンＥＭ場モードから直接取り出される。このようにして、エネルギーは、中間伝達要素を経由して間接的にではなく、プラズマに直接結合される。すなわち、プラズマ自体が、ワイヤループ又は他のタイプの伝達要素若しくは導波管の代わりに電力結合手段として利用される。幾つかの実施形態では、プラズマにより抽出可能なマイクロ波エネルギーの量は、７０％よりも大きく、８０％よりも大きく、又は９０％よりも大きくすることができる。

図１Ａ及び図１Ｂを再び参照すると、プラズマトーチ１０８を流れる任意の媒質が、マイクロ波エネルギー源１０４により発せられるマイクロ波エネルギーにより照射されることが明らかである。本実施形態では、適するプラズマ形成ガスがプラズマトーチ１０８に伝導される。マイクロ波エネルギーによるプラズマ形成ガスの照射は、安定したプラズマプルームを生成し、維持する。幾つかの実施形態では、アーク／スパーク、炎、別のプラズマ放電、又は光線若しくはレーザービーム等の追加のエネルギー入力を利用して、プラズマを点火又はプラズマに衝突することができる。利用することができるプラズマ形成ガスの例としては、窒素、他の非希ガス、アルゴン、及び他の希ガスが挙げられるが、これらに限定されない。プラズマトーチ１０８を通してのマイクロ波の生成及びガスの流れは、任意の所望の時間にわたって続けて、プラズマを連続生成することができる。生成されたままの状態のプラズマプルームが、ガス流によりトーチ出口１４０から放出される。

幾つかの実施形態では、マイクロ波エネルギー源１０４により生成されるマイクロ波の１つ又は複数の特性（振幅、周波数、及び／又は位相）は、プラズマが生成されている間に測定することができる。そのようなマイクロ波特性は、プラズマのインピーダンスについての相補的（「直交」）情報を含むものと考えることができる。したがって、マイクロ波特性の測定は、電子密度等のプラズマ特性の測定に有用であることができる。マイクロ波特性の測定は、プラズマトーチ１０８への試料物質の到着時間、検体の電離化程度等のプラズマを通る材料の流れについての情報の推論にも有用であることができる。プラズマがない場合であっても、マイクロ波エネルギー源１０４が盛んにマイクロ波を生成している間にも、同様の測定により、プラズマトーチ１０８の内容物（特に、プラズマトーチ１０８が占める共振チャンバの内容物のインピーダンス）についての情報を提供することができる。そのような測定は、プラズマトーチ１０８を通る流体の流れ又は組成を監視する非破壊的な手段として有用であることができる。一般に、マイクロ波エネルギー源１０４により生成されるマイクロ波は、任意の既知の装置又はマイクロ波エネルギー源１０４との併用に適する手段によりサンプリングし測定することができる。非限定的な一例として、ピックアップループは、共振空洞１３２のうちの１つ、又はマイクロ波のサンプリングに利用される他のエネルギー結合装置に挿入することができ、抽出された信号は波形解析器に送信することができる。

プラズマトーチ１０８の内部は、大気圧、大気圧未満、又は超大気圧であることができる。プラズマは、プラズマトーチ１０８から、開かれた周囲環境、又はチャンバ内に放出することができる。チャンバに放出される場合、チャンバは大気圧、大気圧未満、又は超大気圧であることができる。チャンバ圧は、プラズマトーチ１０８内の圧力と同じ又は異なる場合があり、マイクロ波エネルギー源１０４を囲む筐体内の極低圧又は真空と同じ又は異なる場合がある。チャンバは、流密壁等の適する境界でマイクロ波エネルギー源１０４の真空空間から分離することができる。プラズマトーチ１０８は、フィードスルー構造等の適する流体封止界面を使用してそのような境界を通過することができる。

プラズマは、試料解析技法を含め、広く様々なプラズマに基づくプロセスに利用することができる。潜在的な応用用途は一般に、利用されるプラズマ形成ガスのタイプ、ひいては生成される活性プラズマ種に依存する。例として、プラズマ源１００は発光分析（ＯＥＳ：optical emission spectrometry）（若しくは原子発光分析（ＡＥＳ：atomic emission spectrometry））又は質量分析（ＭＳ：mass spectrometry）の原子化及び／又は電離化源として利用することができる。検体を含む流体の流れは、プラズマ形成ガス流内に導入することができる。ガスと検体との混合物がプラズマトーチ１０８を通って流れる間、プラズマが生成され、検体が原子化及び／又は電離化される。更なる処理のために、トーチ出口１４０は、プラズマ、ガス、及び検体材料を分光計の内部に放出することができる。行われている分析のタイプに応じて、分光計は、原子化若しくは電離化された検体の光学放射を測定する光検出器、又は電離化された検体の質量電荷比（mass-to-charge ratio）を測定するイオン検出器を含むことができる。

プラズマ処理の更なる例として、プラズマを利用して、被膜若しくは層を下の基板から除去するか、又は層若しくは基板の表面を機能化させる（例えば、疎水性若しくは親水性を促進させ）か、又は（バイオ）ポリマーを変性させることができる。微小電子機械システム（ＭＥＭＳ：micro-electro-mechanical systems）デバイス又は半導体デバイスの微細加工に関連する用途では、プラズマを乾式エッチャントとして利用して、層の除去、電気相互接続用のバイアの形成等を行うことができる。材料除去処理に加えて、プラズマは、プラズマ助長（ＰＥ：plasma enhanced）気相成長法（例えば、ＰＥ物理気相成長法、磁気スパッタリング、及びＰＥ化学気相成長法）等の微細加工用途でのアディティブプロセスに利用することができる。そのようなプロセスでは、プラズマは、エネルギー媒質としてのみ機能するか、又は反応媒質としても機能することができる。そのようなプロセスでは、窒化物、酸化物、炭化物、硫化物、又は他の化合物の合成等のために、プラズマの生成前に、前駆体材料のストリームをプラズマ形成ガスストリームに融合させることにより、試薬をプラズマに追加することができる。また、微細加工用途では、プラズマを利用して、イオン注入又はドーピングプロセスを促進することができる。別の例では、粒子／粉末又は溶解した前駆体材料を、量子ドット等のナノ粒子を製造するプロセスの過程でプラズマ形成ガスストリームと融合するキャリアガスに同伴させることができる。プラズマは、例えば廃棄物の処理、取り扱い、廃棄、又は石油化学産業で行われるように、固体／液体炭化水素のガス化に利用されるプラズマガス化プロセスの一環として生成することもできる。プラズマは、微生物、菌類、及び／又はウィルスの破壊又は無毒化等の滅菌プロセスにも利用法を見出すこともできる。

図４は、幾つかの実施形態によるプラズマ処理システム４００の一例の概略図である。プラズマ処理システム４００は一般に、プラズマ源４０２と、プラズマ形成ガス源４５８とを含む。プラズマ源４０２は、マイクロ波エネルギー源４０４と、プラズマトーチ４０８と、磁石構成要素４０６及び４１０とを含む。プラズマ形成ガス源４５８は、プラズマトーチ４０８の入口４３８と連通する。プラズマ処理システム４００は、プラズマトーチ４０８の出口４４０と連通するチャンバ４６２を含むこともでき、チャンバ４６２はマイクロ波エネルギー源４０４の外部にある。チャンバ４６２は、プラズマ源４０２により供給されるプラズマ４６６を利用するように構成される任意の装置を表すか、又はその一部であることができる。チャンバ４６２は、例えば、分光計（例えば、ＯＥＳ、ＭＳ等）等の分析機器を表すことができる。分析機器は、例として上述したような適切な検出器４７０を含むことができる。チャンバ４６２は、上述したような目的で、反応チャンバ又はプラズマ処理チャンバを表すこともできる。代替的に、チャンバ４６２は、プラズマ源外部の周囲環境を表すことができる。

マイクロ波エネルギー源４０４は、上述したように、陰極４１２と、共振空洞４３２を有する陽極４１４と、陰極４１２と陽極４１４との間の相互作用空間４２２とを含むことができる。マイクロ波エネルギー源４０４（又は少なくともその陰極４１２及び相互作用空間４２２）は、真空筐体４７４に囲まれる。真空筐体４７４は、適する境界４７６によりチャンバ４６２から分離することができ、プラズマトーチは、封止された状態で境界を通過する。電圧源４８０及び４８２も概略的に示されており、それぞれ、陰極４１２を加熱し、ＤＣ電位を陰極４１２と陽極４１４との間に印加する。

プラズマ処理システム４００は、トーチ入口４３８と連通する１つ又は複数の追加の流体源４８６を更に含むことができる。流体源（複数の場合もある）４８６は、１つ又は複数のガス又は蒸気化若しくは噴霧化される液体を供給することができる。供給される流体のタイプは、プラズマ処理システム４００がどのように実施されているかに依存する。流体は、例えば、場合によっては溶媒等の他の成分と共に、キャリアガスに同伴された検体化合物又は検体のマトリクスとすることができる。流体は、液滴が内部に同伴された状態のキャリアガス又はエアロゾルとすることができる。流体は、プラズマ形成ガスへの添加物とするか、又はその添加物を含むことができ、鉄又は電子励起分子等の続けて形成されるプラズマ４６６の活性種としての役割を果たす。流体は、チャンバ４６２で利用される試薬とするか、若しくはその試薬を含むことができ、又はチャンバ４６２内の合成プロセス若しくは膜成長の準備として、プラズマ４６６により解離される化学前駆体化合物とするか、若しくはその化学前駆体化合物を含むことができる。

一般に、追加の流体は、プラズマトーチ４０８の上流、プラズマトーチ４０８内部、又はプラズマトーチ４０８下流のポイントでプラズマ処理システム４００に導入することができる。追加の流体は、プラズマトーチ４０８の上流又はプラズマトーチ４０８内部でプラズマ形成ガスと混合することができる。図４は、トーチ入口４３８に並列して供給されている追加の流体及びプラズマ形成ガスを概略的に示す。例えば、追加の流体は、プラズマトーチ４０８の中央管に入ることができ、一方、プラズマ形成ガスは、中央管と、中央管を同軸に囲む外管との間の管状空間に入る。この場合、中央管の出口は、プラズマ形成ガスにエネルギーが付与されてプラズマになる前のポイントで終わることができる。しかし、単一の混合流がトーチ入口４３８に供給されるように、追加の流体をプラズマ形成ガスと上流で混合又は融合可能なことが理解されよう。代替的に、追加の流体はプラズマと混合することができ、混合は、プラズマトーチ４０８の内部又はプラズマトーチ４０８の下流で行うことができる。例えば、今記載したように、プラズマトーチ４０８は同軸管を含むことができ、中央管の出口は、安定したプラズマプルームが形成し終わるポイントで終わることができる。別の例として、プラズマ処理システム４００は、チャンバ４６２に通じる導管４８８を含むことができ、導管４８８は、検体又は他の流動性材料の流れ４９０を、トーチ出口４４０から放出されているプラズマ４６６に向けるように位置決めされる。

図５は、幾つかの実施形態によるプラズマトーチ５０８の一例の断面図である。プラズマトーチ５０８は、トーチ軸に沿って複数の流路を画定する複数の同軸管を含む。示される実施形態では、第１の管５１０がトーチ軸上に位置決めされ、第２の管５１２が第１の管５１０を囲み、第３の管５１４が第２の管５１２を囲む。管５１０、５１２、及び５１４の各出口５１６、５１８、及び５２０の軸方向位置は、同じであってもよく、又は異なってもよい。プラズマプルーム５３２が、プラズマトーチ５０８から放電されて示されている。示される実施形態では、第２の管出口５１８は第３の管５１４内部にある。すなわち、第２の管出口５１８は第３の管出口５２０の軸方向上流にある。第１の管出口５１６は、高温のプラズマとの接触を回避する等のために、第２の管５１２内部に配置することができる。一般に、プラズマ形成ガス、プラズマ形成ガス又はプラズマトーチ５０８内で生成されるプラズマと混合又は相互作用する流体（例えば、試料含有キャリアガス等）、及び任意選択的に追加の流体を任意の管５１０、５１２、及び５１４に供給することができる。幾つかの実施形態では、プラズマプルーム５３２と混合されるか、又は相互作用する流体は、その流体が、上述したように冷たいか、又は中空の領域であることができるプラズマプルーム５３２の中央領域５３４内に放電されるように、第１の管５１０に供給される。幾つかの実施形態では、トーチ出口からの所望の流量の維持、プラズマプルーム５３２の半径方向の閉じ込め若しくはその形状の制御、及び／又は高温プラズマをプラズマトーチ５０８の表面から離す等の目的で、任意選択的な追加の流体をプラズマトーチ５０８に供給することができる。

他の実施形態では、プラズマガス（複数の場合もある）は、プラズマトーチ５０８にゼロ流量を有することにより、又は共振空洞内に位置決めされた、閉じられるか若しくは閉じることが可能なチャンバ内に閉じ込めることにより、共振空洞のうちの１つ又は複数内に静止して保持することができる。したがって、プラズマプロセスは、ゼロ流量プラズマトーチ５０８又は他のタイプのチャンバで実行することができる。

上記の説明から明らかなように、本明細書に開示される或る特定の実施形態では、マグネトロン生成されたマイクロ波放射の等のマイクロ波放射の直接結合によりガスを処理して、プラズマ放電を生成するか、保持するか、又はそうでなければ励起することが可能である。これは、小さなフットプリント内で、可動部が少数であるか、又はない状態で、マグネトロン若しくは他のマイクロ波エネルギー源外部のマイクロ波ハードウェアの必要性を最小にするか、若しくはなくすように達成することができる。一般に、共振マイクロ波構成要素のサイズスケールはマイクロ波放射の波長により設定され、この波長はプラズマ要件により設定される。これにより、共振構造及び結合要素のサイズに対する根本的な最小制限が生じる。そのような構成要素の必要性をなくすことにより、本明細書に開示される実施形態は、そのような制約を大方なくすことができる。サイズがより小さく、部品表がより短いことは、コスト及び複雑性の低減をもたらすこともでき、例えば、経済的で可搬性を有する分光分析機器／分光機器の開発を促進することができる。

さらに、本明細書に開示された或る特定の実施形態は、マグネトロンＥＭ場パターンに存在する固有の回転対称性を利用する。これにより、マイクロ波生成器とプラズマとの間の中間構成要素（例えば、共振アイリス、高誘導界面）の必要性をなくすことができ、それゆえ、ＥＭ場の分布とプラズマとの対称性の不一致という従来の問題に対処することができる。さらに、本明細書に開示される或る特定の実施形態は、分析及びプラズマ処理用途と、コンパクトで頑丈かつ安定したプラズマ源からの恩恵を受けることができる他の用途とによく適する。プラズマ源は、プラズマトーチに導入される検体の組成又は数量が変わる間に生じる場合があるように、プラズマトーチ内の変化するプラズマ条件の存在に関連する摂動を部分的又は完全に補償することができる程度までの自動安定化及び自動インピーダンス整合を示すことができる。

ここで開示されている主題により提供される例示的な実施形態は、以下を含むが、これらに限定されない。

１．陰極軸上の陰極と、陰極を同軸で囲み、相互作用空間により陰極から離間される陽極とを備えるマイクロ波エネルギー源であって、陽極は、陰極軸から１つ又は複数の半径距離に位置決めされる複数の共振空洞を備え、マイクロ波エネルギー源は第１の側と、第２の側と、第１の側から第２の側への陰極軸に沿った厚さとを備える、マイクロ波エネルギー源と、共振空洞のうちの少なくとも１つを通って延在するプラズマトーチとを備え、プラズマトーチは、第２の側にトーチ出口を備え、第１の側から第２の側へのガス流路を確立する、マイクロ波誘導プラズマを生成するプラズマ源。

２．プラズマトーチは陰極軸と平行するトーチ軸に沿って延在する、実施形態１のプラズマ源。

３．陰極及び相互作用空間は真空チャンバに配置され、プラズマトーチは真空チャンバから流体的に分離される、実施形態１又は２のプラズマ源。

４.複数の共振空洞は、陽極を複数の陽極セグメントに分け、１つ置きの陽極セグメントを電気的に相互接続するストラップ構造を更に備える、実施形態１〜３のいずれか一つのプラズマ源。

５.マイクロ波エネルギー源はマグネトロン幾何学的形状を有する、実施形態１〜４のいずれか一つのプラズマ源。

６.マイクロ波エネルギー源は、ホールアンドスロットマグネトロン、ベインマグネトロン、スロットマグネトロン、及びライジングサンマグネトロンからなる群から選択される幾何学的形状を有する、実施形態１〜５のいずれか一つのプラズマ源。

７.プラズマトーチは、複数の各共振空洞を通って延在する複数の管を備え、各管は、第１の側から第２の側にガス流路を確立する、実施形態１〜６のいずれか一つのプラズマ源。

８.第１の側においてプラズマトーチと連通するプラズマ形成ガス源を備える、実施形態１〜７のいずれか一つのプラズマ源。

９.第１の側においてプラズマトーチと連通する追加のガス源を備える、実施形態８のプラズマ源。

１０.プラズマトーチは、第１の側にトーチ入口と、トーチ入口と連通する上流ミキサとを備えるとともに、ミキサとそれぞれ連通する第１のガス導管及び第２のガス導管を更に備える、実施形態１〜９のいずれか一つのプラズマ源。

１１．プラズマトーチは、第１の管と、トーチ軸を中心として第１の管を同軸に囲む第２の管とを備える、実施形態１〜１０のいずれか一つのプラズマ源。

１２．実施形態１１のプラズマ源であって、プラズマトーチが第１の側にトーチ入口を備える、プラズマ源と、トーチ入口と連通するプラズマ形成ガスと、トーチ出口と連通するチャンバを備える装置とを備える、プラズマ処理システム。

１３.追加のガスをプラズマトーチ又はチャンバに伝導させるように構成される導管を備える、実施形態１２のプラズマ処理システム。

１４．チャンバは、分光分析計のチャンバ、質量分析計のチャンバ、物理又は化学蒸着用に構成されるチャンバ、化合物合成用に構成されるチャンバ、及び乾式エッチング用に構成されるチャンバからなる群から選択される、実施形態１２又は１３のプラズマ処理システム。

１５．プラズマを供給する方法であって、マイクロ波エネルギー源を動作させることによりマイクロ波エネルギーを生成するステップであって、マイクロ波エネルギー源は共振空洞を備え、共振空洞を通して、プラズマトーチが延在するステップと、プラズマトーチを通ってプラズマ形成ガスを流すことによりプラズマを生成するステップであって、プラズマ形成ガスはマイクロ波エネルギーにより照射される、ステップと、プラズマをプラズマトーチの出口から流すステップとを含む、方法。

１６．マイクロ波エネルギー源をパイ振動モードで動作させるステップを含む、実施形態１５の方法。

１７.マイクロ波エネルギー源は、磁場内に配置される陰極及び陽極を備え、陽極は陰極を同軸で囲み、相互作用空間により陰極から離間され、共振空洞が陽極を通して形成され、マイクロ波エネルギーを生成するステップは、ＤＣ電圧を陰極と陽極との間に印加するステップと、陰極から電子を熱電子放出させるステップとを含む、実施形態１５又は１６の方法。

１８．プラズマを生成するステップは、プラズマトーチが、軸と位置合わせされた磁場内に配置される間、プラズマトーチの軸を中心として概ね対称な円柱形プラズマプルームを生成するステップを含む、実施形態１５〜１７のいずれか一つの方法。

１９．プラズマプルームは、プラズマトーチの軸に沿って中空であり、円形又は楕円形の断面を有する、実施形態１８の方法。

２０．プラズマ形成ガスは、窒素、他の非希ガス、アルゴン、他の希ガス、及び上記の２つ又は３つ以上の組み合わせからなる群から選択される、実態形態１５〜１９のいずれか一つの方法。

２１．プラズマトーチの上流、プラズマトーチ内、又は出口の下流のポイントで、プラズマ形成ガスを流体と混合するステップを含む、実施形態１５〜２０のいずれか一つの方法。

２２．プラズマトーチの中央管を通して流体を流すステップと、プラズマトーチの中央管と外管との間の管状空間を通ってプラズマ形成ガスを流すステップとを含む、実施形態２１の方法。

２３．流体は、キャリアガス、プラズマによりエネルギー付与可能な検体の蒸気又はガス、検体が内部に同伴されるキャリアガス、粒子が内部に同伴されるキャリアガス、及び化学合成又は成膜の前駆体である気相化合物からなる群から選択される、実施形態２１又は２２の方法。

２４．混合するステップにより、検体が同伴される、プラズマ形成ガスとキャリアガスとの混合物が形成され、プラズマを流すステップは、プラズマが検体と相互作用するように、混合物と共にプラズマを流すステップを含む、実施形態２１〜２３のいずれか一つの方法。

２５．プラズマ及び混合物がプラズマトーチを通って流れる間、プラズマは検体を原子化又は電離化し、方法は、原子化若しくは電離化された検体の光学放射を測定するか、又は電離化された検体の質量電荷比を測定するステップを更に含む、実施形態２４の方法。

概して、「連通する（通信する）（communicate）」及び「連通している（in...communication with）」（例えば、第１の構成要素が第２の構成要素と「連通する」又は「連通している）等の用語を、本明細書では、２つ以上の構成要素又は要素間の構造的、機能的、機械的、電気的、信号、光、磁気、電磁気、イオン又は流体関係を示すように用いている。したがって、１つの構成要素が第２の構成要素と連通すると言われることは、第１の構成要素と第２の構成要素との間に追加の構成要素が存在し、かつ／又はそれらに動作的に関連するか若しくは関与する可能性を排除するようには意図されていない。

本発明のさまざまな態様又は詳細を、本発明の範囲から逸脱することなく変更することができることが理解されよう。さらに、上記説明は、単に例示の目的のものであって限定の目的のものではなく、本発明は特許請求の範囲によって規定される。

１００，４０２ プラズマ源
１０４，４０４ マイクロ波エネルギー源
１０８，４０８，５０８ プラズマトーチ
１１２，４１２ 陰極
１１４，４１４ 陽極
１１８ 陰極軸
１２６ 第１の側
１２８ 第２の側
１４０，４４０ トーチ出口
４００ プラズマ処理システム

Claims (10)

1. マイクロ波誘導プラズマを生成するプラズマ源であって、
   陰極軸上の陰極と、相互作用空間により前記陰極から離間される陽極とを備えるマイクロ波エネルギー源であって、第１の側と、第２の側と、前記第１の側から前記第２の側への前記陰極軸に沿った厚さとを備える、マイクロ波エネルギー源と、
   前記マイクロ波エネルギー源に位置決めされるプラズマトーチであって、前記第２の側にトーチ出口を備え、前記第１の側から前記第２の側にガス流路を確立する、プラズマトーチと、
   を備える、マイクロ波誘導プラズマを生成するプラズマ源。
2. 前記陽極が、前記陰極軸から１つ又は複数の距離に位置決めされる複数の共振空洞を備え、前記プラズマトーチが、前記共振空洞のうちの少なくとも１つを通って延在すること、
   前記陽極が、前記陰極軸から１つ又は複数の距離に位置決めされる複数の共振空洞を備え、前記陽極が前記陰極を同軸に囲み、前記共振空洞が、前記陰極軸から１つ又は複数の半径方向距離で位置決めされること、及び
   前記陰極及び前記相互作用空間が、真空チャンバ内に配置され、前記プラズマトーチが前記真空チャンバから流体的に分離されること、
   のうちの少なくとも１つを含む構成を有する、請求項１に記載のプラズマ源。
3. 前記プラズマトーチは、
   前記第１の側のトーチ入口及び該トーチ入口と連通する上流ミキサさらに、該ミキサとそれぞれ連通する第１の導管及び第２の導管と、
   第１の管及び該第１の管を同軸で囲む第２の管と、
   のうちの少なくとも一方を備える、請求項１又は２に記載のプラズマ源。
4. プラズマ処理システムであって、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ源であって、前記プラズマトーチが前記第１の側にトーチ入口を備える、プラズマ源と、
   前記トーチ入口と連通するプラズマ形成ガス源と、
   前記トーチ出口と連通するチャンバと、
   を備える、プラズマ処理システム。
5. 請求項４に記載のプラズマ処理システムであって、
   該プラズマ処理システムが、追加の流体を前記プラズマトーチ又は前記チャンバに伝導させるように構成される導管を備えること、及び
   前記チャンバが、分光分析計又は質量分析計の一部であること、
   のうちの少なくとも一方を含む構成を有する、請求項４に記載のプラズマ処理システム。
6. プラズマを供給する方法であって、
   第１の側及び第２の側を備えるマイクロ波エネルギー源を動作させることにより、マイクロ波エネルギーを生成するステップと、
   前記第１の側からプラズマトーチにプラズマ形成ガスを流すことにより、プラズマを生成するステップであって、前記プラズマ形成ガスは前記マイクロ波エネルギーにより照射される、ステップと、
   前記第２の側にある前記プラズマトーチの出口から前記プラズマを流すステップと、
   を含む、プラズマを供給する方法。
7. 前記マイクロ波エネルギー源は、磁場内に配置される陰極及び陽極を備え、前記陽極は陰極を同軸に囲み、相互作用空間により前記陰極から離間され、共振空洞が前記陽極を通して形成され、前記マイクロ波エネルギーを生成するステップは、ＤＣ電圧を前記陰極と前記陽極との間に印加するステップと、電子を前記相互作用空間に提供するステップと、を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記プラズマを生成するステップは、
   前記プラズマトーチの軸を中心として概ね対称な円柱形プラズマプルームを生成するステップであって、その間、前記プラズマトーチは、前記軸に位置合わせされた磁場内に配置される、ステップと、
   前記プラズマトーチの前記軸に沿って低密度領域又は低温領域を備え、円形又は楕円形の断面を有するプラズマプルームを生成するステップと、
   のうちの少なくとも一方を含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記プラズマトーチの上流、前記プラズマトーチ内、又は前記出口の下流のポイントで前記プラズマ形成ガスを流体と混合するステップを含む、請求項６に記載の方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、
    前記流体を前記プラズマトーチの中央管に流すステップと、前記プラズマトーチの前記中央管と外管との間の管状空間に前記プラズマ形成ガスを流すステップと、のうちの少なくとも一方を含み、
    前記流体は、キャリアガス、前記プラズマによりエネルギー付与可能な検体の蒸気又はガス、検体が内部に同伴されるキャリアガス、粒子が内部に同伴されるキャリアガス、液滴が内部に同伴されるキャリアガス、エアロゾル、及び化学合成又は成膜の前駆体である気相化合物からなる群から選択され、
    前記混合するステップにより、検体が同伴される、前記プラズマ形成ガスとキャリアガスとの混合物が形成され、前記プラズマを流すステップは、前記プラズマが前記検体と相互作用するように、前記混合物と共に前記プラズマを流すステップを含み、
    前記混合するステップにより、検体が同伴される、前記プラズマ形成ガスとキャリアガスとの混合物が形成され、前記プラズマを流すステップは、前記プラズマが前記検体と相互作用するように、前記混合物と共に前記プラズマを流すステップを含み、前記プラズマ及び前記混合物が前記プラズマトーチを通って流れる間、前記プラズマは前記検体を原子化又は電離化し、該方法は、前記原子化若しくは電離化された検体の光学放射を測定するか、又は前記電離化された検体の質量電荷比を測定するステップを更に含む、請求項９に記載の方法。

Images