JP2015162267A

JP2015162267A - 浮遊電極がシールドされた誘導結合型マイクロプラズマ源

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Publication number: JP2015162267A
Application number: JP2014034796A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　実; Minoru Sasaki; 佐々木　　実
Original assignee: Toyota Gauken
Current assignee: Toyota Gauken
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2015-09-07
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: JP6341690B2

Abstract

【課題】誘導結合型マイクロプラズマは高密度プラズマを発生できるが、プラズマ点火が難しい問題があり、プラズマ点火を促進し、より低パワーで点火を可能とする、効果的な方法が求められていた。【解決手段】本発明は、浮遊電極の一部を、電位を一定に保つシールド電極で覆うことで、浮遊電極を通して外部に電磁気的に放射していた高周波パワーの損失を減少させ、ガス流路内部に配置された浮遊電極先端に効率よく高周波パワーを伝える小型で高密度な誘導結合型マイクロプラズマ源を実現したものである。【選択図】図１

Description

本発明は、小型化・マイクロデバイス化した誘導結合型マイクロプラズマ源の低電力での点火および点灯を促進し、プラズマ源と関係装置の省電力化に関する。

プラズマ領域サイズの一部もしくは全てがｃｍを下回る、マイクロプラズマ源には、多くの種類が報告されている。大気圧をはじめとする高圧力で動作するため、小さなサイズでもプラズマ生成に有利となる。
大気圧プラズマは、真空排気系が不要になることから、省エネルギーや低コストものづくりに適する。容量結合型に比べて、誘導結合型プラズマは、プラズマ密度がより高くできるため有望である。しかし、大気圧プラズマでは、プラズマ点火や点灯が困難となり易い問題がある。

この問題を解決するために、通常はイグナイター機構を追加する対策が取られる。
容量結合型のプラズマ源においても、プラズマ点火の始動を良好にする目的で、例えば特許文献１では、ガス放電を発生させる反応容器に、交流電界を印加する一対のプラズマ生成用電極に加えて、高電圧パルス電圧を放電ガスに印加して点灯させるための電極を別途設ける構成を開示している。
誘導結合型プラズマ発生用コイル電極以外の電極と、付随する機構をプラズマ源に追加する技術は、例えば特許文献２から５、非特許文献１に開示されている。

特許文献２および３では、微小サイズ金属ドットの材料供給源のために金属ワイヤー（タングステンと鉄を例示）がキャピラリー内に導入されている。この金属ワイヤーを高周波誘導加熱した上で、接続しておいたイグナイターを一瞬作動することで、ワイヤー先端と誘導結合型プラズマ発生用コイル電極間に高電圧を印加して放電させ、誘導結合型マイクロプラズマを点灯することが開示されている。
特許文献４では、誘導結合型マイクロプラズマ点灯のために、絶縁体チューブ内外に誘電体バリア放電発生用の電極を追加して具備することを開示している。

特許文献５では、プラズマを維持する低電圧大電流を加える電極に加えて、プラズマを始動する高電圧小電流を加える電極（ワイヤー形状ではなく、円筒形状）を利用するプラズマ生成方法を開示している。
特許文献６では、放電ガスが通る反応管と、高周波が印加されるコイル電極を基本構成とする大気圧プラズマ発生装置の点火方法について開示している。反応管の一端側と他端側に一対の電極を配置し、両者の間に所定時間高電圧を印加して、プラズマ発生部を縦貫して点火放電が生じるようにする方法を開示している。

非特許文献１の著者の一人は、特許文献１および２の発明者に含まれる。本質的には同じであるが、タングステン線が通常グランド電位に接続されていること、熱電子の発生を促すこと、プラズマ点火には約１５ｋＶの直流電圧を０．５秒加えることを説明している。点火用の電極構造には結線と、点火用の高電圧電源が必要である。ここでは、放電維持電力が５Ｗであると説明している。点火電力は放電維持電力よりも高い値が必要となる。高周波パワー２５Ｗでプラズマ点灯している様子の記述がある。点火には、高電圧源のパワーも合わせると、瞬間的ではあるが大きなパワーが必要と判断される。
上記の方法ではいずれも、別途高電圧電源の用意、追加の電極製作、電極と電源間の結線を必要とすることになり、プラズマ源の小型化・マイクロデバイス化を阻害する。

特許文献７は、発明者が申請した浮遊電極を利用するものである。平面基板に形成した溝やガラス毛細管からなるガス流路内部に、浮遊電極を配置する方法を開示している。浮遊電極をガス流路内部に配置することで、点火用の電源を追加することなく、点火を容易にする。電位を一定に保つ電極で覆う、シールド電極に関する内容は示していない。
非特許文献２は、発明者らの学術論文であり、浮遊電極をガス流路内に配置したＵ字形の平板型コイルによって励起する誘導結合型マイクロプラズマ源である。
通常の機械加工で製作した幅２ｍｍ、長さ４０ｍｍ、深さ１．２ｍｍの溝に、アルミやタングステンなどの金属線を配置している。シールド電極に関する内容は示していない。
非特許文献３は、発明者らの学術論文であり、微細加工によって製作したマイクロデバイス内部の構造について述べている。シールド電極に関する内容は示していない。シールド電極は、微細加工によって製作する必要が必ずしも無い。微細加工によって製作したマイクロデバイスと組み合わせることは容易である。

「プラズマ処理装置及びプラズマ点灯方法」公表番号 : 特許公開２００１−１２６８９８公開日：２００１年５月１１日出願人 : 松下電工株式会社「微小なドット又はラインを備えた低融点基板、マイクロプラズマによる堆積方法及び同装置」公表番号 : 特許公開２００５−２６２１１１公開日：２００５年９月２９日出願人 : 独立行政法人産業技術総合研究所「微小なラインを備えた基板」公表番号 : 特許公開２００８−３０６２０９公開日: ２００８年１２月１８日出願人 : 独立行政法人産業技術総合研究所「プラズマ発生装置」公表番号 : 特許公開２００８−１９８５８３公開日: ２００８年８月２８日出願人 : 寺嶋和夫「プラズマ発生装置及びプラズマ生成方法」公表番号 : 特許公開２００９−２８９４３２、公開日: ２００９年１２月１０日出願人 : 国立大学法人東京工業大学「大気圧プラズマ発生装置及び点火方法」公表番号 : 特許公開２００８−２０４８７０公開日：２００８年９月４日出願人 : 松下電器産業株式会社「浮遊電極を持つ誘導結合型マイクロプラズマ源」公表番号 : 特許公開２０１１−２４９２８９公開日：２０１１年１２月８日出願人：学校法人トヨタ学園 "Thermoelectron-enhancedmicrometer-scale plasma generation", T. Ito, K. Terashima,Applied Physics Letters, Vol. 80, No. 15 (2002) 2648-2650. "Novel Atmospheric PressureInductively Coupled Micro Plasma Source Using Floating WireElectrode", S. Kumagai, H. Matsuyama, Y. Yokoyama, M. Hori, M.Sasaki, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 50 (2011) 08JA02. "A MICROPLAMA CHIP FOR VUVLIGHT SOURCE", R. Sato, D. Yasumatsu, S. Kumagai, M. Hori,M. Sasaki, The 26th International Conference on MicroElectro Mechanical Systems (2013.1.20-24, Taipei, Taiwan), Poster113-Mo, pp.705-708.

誘導結合型マイクロプラズマは、大気圧をはじめとする高圧力で動作し、高密度プラズマを発生できる。しかし、プラズマ点火が難しい問題があった。イグナイター機構を追加する方法が知られているが、専用電源を新たに用意すること、追加の電極製作、電極と電源間の結線を必要とする。これらは、プラズマ源の小型化・マイクロデバイス化を阻害する。この問題を解決するために、発明者は浮遊電極をガス流路内部に配置することで、点火用の電源を追加することなく、点火を容易にする方法（特許文献７）を先に特許申請した。しかし、プラズマ源の小型化・マイクロデバイス化を進めると、浮遊電極を配置しても点火パワーが大きくなる傾向を示すため、更にプラズマ点火を促進し、より低パワーで点火を可能とする、効果的な方法が求められていた。

本発明によれば、浮遊電極の一部を、電位を一定に保つ電極で覆うことで、誘導結合型マイクロプラズマをより低電力にて得ることができる。プラズマ点火および点灯する領域は、電極配置および放電ガスの流路によってデザインできる。
プラズマの励起に誘導結合を利用しているため、浮遊電極は外部との特別の結線が必要無い。シールド電極によって、浮遊電極を介して外部に電磁気的に放射していた高周波パワーの損失を減少させ、プラズマ点灯の条件が揃う、ガス流路内部に配置された浮遊電極先端に効率よく高周波パワーを伝える。シールド電極は一定の電位に接続する必要が生じるが、この結線は、デバイス中の浮遊電極とは異なり、覆うように形成したシールド電極のいずれかの領域と外部電位とを結べば良いため、結線は容易である。以上により、小型で高密度な誘導結合型プラズマ源の省電力化を実現する。

本発明によれば、浮遊電極の一部を、接地された電極で覆うことで、誘導結合型マイクロプラズマをより低電力にて得ることができる。プラズマ点火および点灯する領域は、電極配置および放電ガスの流路によってデザインできる。プラズマの励起に誘導結合を利用しているため、浮遊電極は外部との特別の結線が必要無い。シールド電極によって、浮遊電極を介して外部に電磁気的に放射していた高周波パワーの損失を減少させ、プラズマ点灯の条件が揃う、ガス流路内部に配置された浮遊電極先端に効率よく高周波パワーを伝える。シールド電極は接地する必要が生じるが、この結線は、デバイス中の浮遊電極とは異なり、覆うように形成したシールド電極のいずれかの領域と外部電位とを結べば良いため、結線は容易である。以上により、小型で高密度な誘導結合型プラズマ源の省電力化を実現する。

また本発明によれば、浮遊電極全長の半分以上が、電位を一定に保つ電極で覆うことで、誘導結合型マイクロプラズマをより低電力にて得ることができる。プラズマ点火および点灯する領域は、電極配置および放電ガスの流路によってデザインできる。プラズマの励起に誘導結合を利用しているため、浮遊電極は外部との特別の結線が必要無い。シールド電極によって、浮遊電極を介して外部に電磁気的に放射していた高周波パワーの損失を減少させ、プラズマ点灯の条件が揃う、ガス流路内部に配置された浮遊電極先端に効率よく高周波パワーを伝える。シールド電極は一定の電位に接続する必要が生じるが、この結線は、デバイス中の浮遊電極とは異なり、覆うように形成したシールド電極のいずれかの領域と外部電位とを結べば良いため、結線は容易である。以上により、小型で高密度な誘導結
合型プラズマ源の省電力化を実現する。
また本発明によれば、浮遊電極の一部を、電位を一定に保つ電極で覆われたことを特徴とする、誘導結合型マイクロプラズマ源を利用した、光源、又は分光システム、又は表面処理装置、又はドーピング装置、又は膜堆積装置、又はエッチング装置が実現できる。

本発明によれば、小型で点火が容易な、誘導結合型マイクロプラズマ源が実現できる。より低パワーでプラズマ点火できるほど、更にパワーを上げた際にも、より低パワーで明るいプラズマが形成される。エネルギー効率向上や、プラズマの高密度化促進につながる。プラズマ点火や点灯が低電力で可能になるほど、プラズマ源の冷却が不要になるといった装置の簡素化、使用している部材が耐えるべき条件が過酷でなくなることによる信頼性向上、放熱が容易になることからプラズマ源をアレイ化しても問題が少なくなることによる高機能化、につながる。
誘導結合型マイクロプラズマ源を利用した装置においても、小型化、省エネルギー化、信頼性向上、高機能化の効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図は例示であり、プラズマ源を構成する、電極やガス流路の材料、形状、配置などは限定されるものではない。高周波電源の周波数については１００ＭＨｚを代表とするＶＨＦ帯が利用されることが多いが、周波数の値は限定されるものではない。
図１は本発明の実施の形態による、浮遊電極の一部が、接地された電極で覆われていることを特徴とする、ガス吹き流し型での誘導結合型マイクロプラズマ源の概略図である。１はプラズマ領域である。２は浮遊電極（主電極）である。鋭角を持つ三角形状をしている。点火はこの電極のガス流路６に面した端部の周辺で発生する。この主電極２と組み合わせる形で、サイズの小さな浮遊電極（補助電極）３を配置している。これは点火電力を下げる効果があるデザインの一つである。この電極を加えるかは、目的により、必須ではない。
４はプラズマ源の基板であり、浮遊電極を微細加工で形成する際の基板であるか、マイクロ流路を形成する際の基板である。５はパイプから製作したプラズマ発生用スパイラルコイル電極である。プラズマ点火の際には、電磁誘導を介して、２や３の浮遊電極にエネルギーを供給する。６はマイクロ流路であり、ガス供給する配管７によって、ガス流れ８を形成する。９は高周波電源（明示していないが、マッチング回路を含む）である。１０はシールド電極であり、浮遊電極２の一部を覆うように配置され、電気的に接地される。

図２は本発明の実施の形態による、浮遊電極の一部が、接地された電極で覆われていることを特徴とする、ガス封じ切り型での誘導結合型マイクロプラズマ源の概略図である。１はプラズマ領域である。２は浮遊電極（主電極）である。金属線が利用できる。先端に近い領域が放電ガスに接するように、放電ガスを封じた容器１２の内部に配置されている。プラズマ発生用スパイラルコイル電極５と浮遊電極２が接触しないように絶縁管１１が配置されている。プラズマ領域１はコイル電極５および絶縁管１１の内部又は周辺となる。９は高周波電源（明示していないが、マッチング回路を含む）である。１０はシールド電極であり、浮遊電極２の一部を覆っており、電気的に接地される。

図２は、本発明の実施の形態による、浮遊電極の一部が、接地された電極で覆われていることを特徴とする、ガス封じ切り型での誘導結合型マイクロプラズマ源の概略図である。
プラズマ源は市販品などのバルク材料を加工して製作できる。ランプを製作するガラス加工技術と組み合わせることもできる。１はプラズマ領域である。２は浮遊電極（主電極）である。
金属線（例えば、銅、タングステン）が利用でき、先端に近い領域が放電ガスに接するように、放電ガス（例えばヘリウム）を封じた容器１２の内部に配置されている。スパイラルコイル電極５と浮遊電極２が接触して短絡しないように絶縁管１１（例えば石英管）が配置されている。
５はプラズマ発生用スパイラルコイル電極である。放電ガスを封じた容器１２の中にコイル電極５が入った構成を例示しているが、容器１２が小さくできる場合は、コイル電極５の中に容器１２が入った構成でも良い。プラズマ点火の際には、電磁誘導を介して、２の浮遊電極にエネルギーを供給する。プラズマ領域はコイル電極５の内部から周囲となる。９は高周波電源である。１０はシールド電極である。２の浮遊電極と芯線をつなげた同軸ケーブルが利用でき、周囲導電体を接地させることで効果が得られる。

図3は、図１で示した本発明の実施の形態による、ガス吹き流し型誘導結合型マイクロプラズマ源での浮遊電極をシールドする効果を検証した比較結果である。
放電ガスであるヘリウム流量は０．５Ｌ／分、ガス流路および鋭角三角形（先端角度１０°、長さ１６ｍｍ）の浮遊電極（主電極）とガス流路上流側に配置した補助電極を内部構造に持つマイクロプラズマ源は同一である。ガス流路用の溝を形成したＳｉ基板は表面を酸化してある。スパイラルコイルは１００ＭＨｚ電源と、インピーダンスマッチングボックスを介して接続した。自動的にマッチングを得ながら、徐々に入力パワーを増加させた。浮遊電極のみの条件では、２４Ｗで点火した。浮遊したカバー電極を配置した条件では、２９Ｗで点火し、むしろ点火に必要な電力が増加した。

カバー電極は電位の変動が許されるために、高周波電源に追従して変動し、浮遊電極とカバー電極を通して外部に電磁気的に放射するパワーの損失が増加したと考えられる。接地したカバー電極の条件では、５Ｗで点火した。反射波０Ｗであり、マッチングも得られた。カバー電極の電位が一定となるため、浮遊電極を通して外部に電磁気的に放射していた高周波パワーの損失が減少し、プラズマ点灯の条件が揃う、ガス流路内部に配置された浮遊電極先端に効率よく高周波パワーが集中して伝わったと判断できる。放電維持電力は４．５Ｗであった。カバー電極には厚さ５０μｍの銅箔を使用した。カバー電極の内側には、マイクロプラズマ源デバイスとの短絡を防ぐためにポリイミドテープを用いた。接地のための配線には、はんだ付けと導線を利用した。微細加工によって小型化されていると同時に、得られた点火電力５Ｗは、非特許文献１をはじめとする文献値と比べて小さい。

図4は、図２で示した本発明の実施の形態による、ガス封じ切り型誘導結合型マイクロプラズマ源での浮遊電極をシールドする効果を検証した比較結果である。
放電ガスはヘリウム、浮遊電極は直径０．１ｍｍ、全長５００ｍｍの銅線である。スパイラルコイルへの電力供給には車載無線用の１４４ＭＨｚ電源を利用した。この電源の出力値は５０Ｗ、１５Ｗ、５Ｗを選択できるが、連続的には変化できない。
この出力を、試作したインピーダンスマッチングボックスを介してプラズマ源に接続した。反射パワーが生じたので、その値も合わせて示す。浮遊電極のみの条件では、正味３１Ｗ（入力５０Ｗ、反射１９Ｗ）で点灯した。入力パワー１５Ｗ、５Ｗではプラズマ点灯しなかった。同軸ケーブル（浮遊電極周囲電極を接地した）の条件では、正味４０Ｗ（入力５０Ｗ、反射１０Ｗ）で点灯した。全体として５００ｍｍである点は両者で同じとし、中心の銅線のみの長さは１５０ｍｍとした。
プラズマ点灯の写真から分かるように、明るさが増した。プラズマ領域は半径方向において、スパイラルコイル電極に近い領域まで膨らんでいる。浮遊電極の導線は、数分間のプラズマ点灯で焼き切れた。これは浮遊電極のみの条件では見られなかった現象である。直径０．３ｍｍ、長さ１５０ｍｍのタングステン線に交換すれば、焼き切れることは無くなった。また、直径０．３ｍｍの銅線に交換すると、正味１５Ｗ（入力１５Ｗ、反射０Ｗ）、正味３Ｗ（入力５Ｗ、反射２Ｗ）で
も安定にプラズマ点灯した。

プラズマ領域の一部もしくは全てがｃｍを下回る、マイクロプラズマ源には、多くの種類が報告されている。圧力が高くなると、小さなサイズでもプラズマ生成に有利となる。圧力に応じた、高密度なプラズマを形成できる。中でも大気圧プラズマは、低圧プラズマで必須であった真空排気系が不要になることから装置が簡単で安価になり、真空引きが要らないことからプロセス時間が短くできる。
光源応用は点状のプラズマ形成で良いことが多く、光源、又は分光システムに利用できる。プラズマ源をアレイ化すれば、線状や面状にプラズマ形成できる。プラズマ源の走査機構と組み合わせることでも、表面処理、ドーピング、膜堆積、エッチングなどに応用できる。活性種は多くあるが、ガス温度が高くなっていない非平衡プラズマが得られるため、プラスチックやフィルム材など様々な材料に、高密度プラズマ処理ができる。様々なプラズマ発生方式の中でも、誘導結合型プラズマは、高密度化に有利である。実験結果から、プラズマ点火が、低電力において開始できると、追加電力によってより明るいプラズマ領域が低電力で得られる。低コスト、省エネルギーものづくりに適する性質を持つこととなり、応用可能性を高めることになる。

本発明の実施の形態による、浮遊電極の一部が、接地された電極で覆われていることを特徴とする、ガス吹き流し型での誘導結合型マイクロプラズマ源の概略図である。本発明の実施の形態による、浮遊電極の一部が、接地された電極で覆われていることを特徴とする、ガス封じ切り型での誘導結合型マイクロプラズマ源の概略図である。図１で示した本発明の実施の形態による、ガス吹き流し型誘導結合型マイクロプラズマ源での浮遊電極をシールドする効果を検証した比較結果である。図２で示した本発明の実施の形態による、ガス封じ切り型誘導結合型マイクロプラズマ源での浮遊電極をシールドする効果を検証した比較結果である。

１・・・プラズマ領域（例示）
２・・・浮遊電極（主電極）
３・・・別の浮遊電極（補助電極）
４・・・プラズマ源の基板
５・・・プラズマ発生用スパイラルコイル電極
６・・・プラズマ源に形成したガス流路（微細加工によって製作した溝構造）
７・・・プラズマ源にガスを供給する配管
８・・・放電ガスの流れ（例示）
９・・・高周波電源（明示していなが、マッチング回路を含む）
１０・・・シールド電極
１１・・・スパイラルコイル電極５と浮遊電極２の接触を避ける絶縁管
１２・・・放電ガスを封じた容器

Claims

浮遊電極の一部が、電位を一定に保つ電極で覆われていることを特
徴とする、誘導結合型マイクロプラズマ源。
浮遊電極の一部が、接地された電極で覆われていることを特徴とす
る、誘導結合型マイクロプラズマ源。
浮遊電極全長の半分以上が、電位を一定に保つ電極で覆われている
ことを特徴とする、誘導結合型マイクロプラズマ源。
請求項１から３に記載されたマイクロプラズマ源を利用した、光源、
又は分光システム、又は表面処理装置、又はドーピング装置、又は膜堆積装置、又はエッチング装置。