JP3616088B1 - マイクロプラズマジェット発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 VHF帯の高周波電源により駆動されるマイクロ誘導結合プラズマジェットを生成するマイクロプラズマジェット発生装置において、基板1と、基板上に配設されたマイクロアンテナ2a,2b,2cと、マイクロアンテナの近傍に設置された放電管3とを備え、マイクロアンテナが平板状に複数巻の波状形態を有する。
【選択図】図1
Description
図1(a)〜(c)に示す各マイクロプラズマジェット発生装置(以下、「プラズマチップ」と略記する)10、20および30は、基板1と、基板1上に配設されたマイクロアンテナ2a、2bおよび2c(図1の(a)では2巻、(b)では3巻、(c)では4巻)と、基板1に貫設された放電管3とを夫々備えている。本発明においては、かかるマイクロアンテナ2a、2bおよび2cが、平板状に複数巻、好ましくは2〜4巻、より好ましくは4巻の波状形態を有することが重要である。かかる波状形態のマイクロアンテナとすることにより、特許文献1記載の1巻の波状形態を有するプラズマチップに比し、格段にその効果が向上し、大気圧下、微小空間で安定したマイクロプラズマジェットを極めて良好に生成させることが可能となる。
δ=(2/(ωμσ))1/2
(式中、σは金属の導電率、μは透磁率、ωは高周波の角周波数である)で表される、高周波電流が流れる導体表面からの深さ(δ)の2倍以上とすることが好ましく、例えば、銅メッキでは100MHzで100μm程度の厚さが実際の臨界厚となる。
製造例1
図2に示す製造工程に従いプラズマチップを製造した。先ず、図2(a)に示す工程にてアルミナ基板(縦15mm×横30mm)1上に、マイクロアンテナの巻数が2往復のマイクロアンテナ形状の開口4を有するレジストマスク5を形成した。この際、マイクロアンテナ形状の開口4をプラズマチップのマイクロジェット生成側縁部に近接させて形成した。これにより、プラズマアンテナ近傍の高密度プラズマをマイクロチップからジェット状に生成させた状態で利用することができる。尚、基板1の裏面には放電管用の凹部(縦1mm×横1mm×長さ30mm)を予め形成しておいた。
製造例1において、アルミナ基板を石英基板に代えた以外は製造例1と同様にしてプラズマチップを製造した。
図1の(b)および(c)に示すようにマイクロアンテナの巻数を(b)3往復および(c)4往復とした以外は製造例1と同様にして2種のプラズマチップを製造した。
製造例1および製造例2のプラズマチップを夫々用い、電力5W、10W、20Wおよび50Wにてプラズマを発生させたときの放射性の違いをサーモグラフィ(FLIR社製CPA−7000)により可視化した。その結果、基板が石英のときとアルミナのときのいずれの場合も、電力増加に伴うアンテナ部のジュール加熱による温度上昇が確認された。チップ面内の温度分布を比較すると石英基板ではアンテナ近傍で集中的に電力増加に伴う急激な温度上昇が確認されたが、アルミナ基板ではチップ全体でほぼ均一に温度が上昇することが確認された。このことにより石英基板よりアルミナ基板の方が放熱性が良好であることが分かった。
Pplasma=(Rplasma/(Rplasma+Rsystem))(Pf−Pr)
(式中、Pplasma:プラズマ投入電力、Rplasma:プラズマ抵抗、Rsystem:システム抵抗、Pf:入射電力、Pr:反射電力)で与えられる。従って、石英の約15倍の放熱性を有するアルミナを基板としたプラズマチップの方がアンテナにかかる温度上昇による銅製アンテナの温度上昇による抵抗増大が緩和されるため、アルミナ基板のプラズマチップの方が冷却機構を伴わないマイクロプラズマジェット発生装置に適していることが分かる。
図4は、アルゴン発光強度の測定装置の模式図である。基板1に設置されている放電管3に管8よりアルゴンを導入した。高周波電源および整合回路を用い、マイクロアンテナに電力を変動させて周波数144MHzの高周波を印加することによりプラズマPが発生した。発生したプラズマPを光ファイバー9を介してアルゴン発光強度を分光器にて測定した。測定条件として、アルゴン流量を0.7slmとし、マイクロアンテナ端から2mmの位置にて、763nmのArIスペクトルの発光強度を測定した。図5は、製造例1および製造例2のプラズマチップの基板材料の違いによる電力とアルゴン発光強度の関係を示す。
アルゴン流量を0.7slm、放電時間10分間、周波数144MHz、供給電力50Wとし、アンテナ端から2mmの位置にて、696nm,706nm,738nm,750nm,763nm,772nmのArIスペクトルの発光強度を測定した。図6は、各波長のArIスペクトルにおけるアルゴン発光強度とアンテナの銅膜厚の関係を示す。
アルゴン流量を0.7slm、供給電力50Wとし、アンテナ端から2mmの位置にて、整合回路内を常温の状態から放電を開始させてから696nm,706nm,738nm,750nm,763nm,772nmのArIスペクトルの発光強度の測定を行った。図7は、各波長のArIスペクトルにおけるアルゴン発光強度と放電時間の関係を示す。
供給電力50Wとし、アンテナ端から2mmの位置で波長763nmのArIスペクトルの発光強度の測定を行った。図8は、アルゴン発光強度とアルゴンガス流量の関係を示す。その結果、Arガス流量0.7slm付近にて最大の発光強度が得られた。この程度のガス流量であれば小型のガスボンベでも供給ができるため、マイクロプラズマジェット発生装置を可搬することが可能であると考えられる。
アルゴン流量を0.7slmとし、アンテナ端から2mmの位置で波長763nmのArIスペクトルの発光強度の測定を、図1に示したようにアンテナ形状の巻数を2、3、4と変化させて行った。図9は、アンテナ形状を変えた時のAr発光強度の電力依存性を示す。
2a、2b、2c マイクロアンテナ
3、103 放電管
4 開口
5 レジストマスク
6 金属層(金属材料)
7 板
8 管
9 光ファイバー
10、20、30 プラズマチップ
102 一巻き平板型アンテナ
104 プラズマガス
105 マイクロプラズマジェット
110 マイクロプラズマチップ
Claims (14)
- VHF帯の高周波電源により駆動されるマイクロ誘導結合プラズマジェットを生成するマイクロプラズマジェット発生装置において、基板と、該基板上に配設されたマイクロアンテナと、該マイクロアンテナの近傍に設置された放電管とを備え、前記マイクロアンテナが平板状に複数巻の波状形態を有することを特徴とするマイクロプラズマジェット発生装置。
- 前記マイクロアンテナが、基板のマイクロプラズマジェット生成側縁部に近接して配設されている請求項1記載のマイクロプラズマジェット発生装置。
- 前記マイクロアンテナに銅、金、白金またはこれらの積層膜のメッキが施されている請求項1または2記載のマイクロプラズマジェット発生装置。
- 前記メッキ厚が、次式、
δ=(2/(ωμσ))1/2
(式中、σは金属の導電率、μは透磁率、ωは高周波の角周波数である)で表される、高周波電流が流れる導体表面からの深さ(δ)の2倍以上である請求項3記載のマイクロプラズマジェット発生装置。 - 前記基板材料がアルミナ、サファイヤ、アルミナイトライド、シリコンナイトライド、窒化ホウ素、および炭化ケイ素からなる群から選ばれる請求項1〜4のうちいずれか一項記載のマイクロプラズマジェット発生装置。
- 前記基板材料がアルミナである請求項5記載のマイクロプラズマジェット発生装置。
- 高電圧発生装置を備えた請求項1〜6のうちいずれか一項記載のマイクロプラズマジェット発生装置。
- 請求項1〜7のうちいずれか一項記載のマイクロプラズマジェット発生装置に、プラズマガスを流量0.05〜5slmで導入し、かつVHF帯の高周波をマイクロアンテナに印加することを特徴とするマイクロプラズマジェットの生成方法。
- 請求項1〜7のうちいずれか一項記載のマイクロプラズマジェット発生装置を使用することを特徴とするマイクロ化学分析方法。
- マイクロキャピラリ電気泳動を用いる請求項9記載のマイクロ化学分析方法。
- 請求項1〜7のうちいずれか一項記載のマイクロプラズマジェット発生装置を使用することを特徴とする加工・表面処理方法。
- 前記加工・表面処理が被加工物の局所部位の溶断、エッチング、薄膜堆積、洗浄または親水化処理である請求項11記載の加工・表面処理方法。
- 前記マイクロプラズマジェット発生装置のマイクロプラズマジェット源に近接して反応性ガスの導入機構を備えた請求項11または12記載の加工・表面処理方法。
- 前記反応性ガスが酸素、窒素、空気、フッ化炭素、および六フッ化硫黄からなる群から選ばれる請求項13記載の加工・表面処理方法。
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