JP3742866B2

JP3742866B2 - 多電極型放電装置の多極磁場形成装置

Info

Publication number: JP3742866B2
Application number: JP30239796A
Authority: JP
Inventors: 和憲松本
Original assignee: 株式会社ムサシノキカイ
Priority date: 1996-10-29
Filing date: 1996-10-29
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2016-10-29
Also published as: JPH10134994A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度で大容量の弱電離低温プラズマを効率的に安定して発生する新しい多電極型放電装置に関し、特にその多極磁場形成装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
低ガス圧力下の弱電離低温プラズマにおいて、中性ガス温度が室温程度であることが、種々の材料に熱的な変形、変質を伴わせずにプラズマによる処理を可能ならしめている。この特徴は、繊維やプラスチックなどの特に熱に弱い材料の処理や表面への被膜形成において、大変有用である。
【０００３】
低温プラズマを利用するこれら被膜形成技術において、低温プラズマの高密度化は重要な位置を占める。高密度プラズマが得られれば、より低い圧力下での放電維持が可能となり、各種被膜の膜質改善や堆積速度の向上などを図ることができるからである。
【０００４】
そこで従来では、マグネトロン放電装置に見られるように、低温プラズマを高密度化するため、別途に磁界を加えることが行われていた。
マグネトロン放電装置は、電界と直交する磁界を加えることで電子にドリフト運動を起こさせ、ガス原子との衝突確率を上げてイオン化効率の向上を意図するものであり、これによって低圧力下でも安定して放電を維持することが可能となり、被膜形成の高速化と低温化を実現する。
【０００５】
このマグネトロン放電装置を含め、従来の放電装置における低温プラズマを発生させるための電極の形状や配置は、応用対象の要求によって異なるが、形状が平板あるいは円柱状の電極対を円周あるいは直線状に配置するのが一般的であった。
【０００６】
これらの電極は、その形状や配置のために冷却効率が低く、あまり冷却されないので大きなパワーを投入することができず、放電面積も小さいので電極間に高密度なプラズマを広範囲にわたって均一に発生させることが困難であった。
【０００７】
マグネトロン放電装置の場合は、電極に装着した磁石が放電によって電極が加熱されても、磁石の温度をキュリー温度以下に保つように冷却する必要がある。また、磁石を移動させて円周状に配置した電極の外周を回転させたり、直線状に配置した電極の背後を摺動させるとプラズマを均一化する効果があるが、従来の電極に磁石を装着する方法では磁石を移動させることが困難であった。
【０００８】
そこで、本出願人は放電電極を複数の電極片に分割し、放電室内壁に薄膜状の絶縁シートを介して密着して固定することにより、電極の冷却効率を高め、放電面積を大きくして、磁石の利用を容易にする特徴を持つ壁密着型電極を先に出願した。
【０００９】
図１と図２に、この壁密着型電極を使用した円筒形放電装置の部分横断面図（図２のＡ−Ａ´面）と部分縦断面図（図１のＢ−Ｂ´面）を示す。
放電装置１は、６片の断面円弧形分割電極２を僅かな間隙２ａを設けて同心円上に配列し、絶縁シート３を介して円筒状の真空容器４の内壁に密着して固定する。
【００１０】
真空容器４は水冷式二重管を形成し、冷却水５を流して真空容器４の内壁に密着する６片の分割電極２を冷却する。
真空容器４の外壁には、隣り合う極性を逆にして配列した６本の棒状磁石６を間隙２ａの後方の外壁に沿って密着して固定し、磁力線を真空容器４外部に発散させずに内部に集中させるために、さらにその外周を円筒状の磁気シールド管７で覆う。
【００１１】
６片の分割電極２には、位相が１／６周期ずつずれていて振幅が同じ大きさの６個の位相制御交流電源（図示しない）を給電線（図示しない）を介して接続する。
【００１２】
放電装置は以上のような構成で、真空容器４内を排気装置（図示しない）によって真空排気し、６片の分割電極２に位相制御交流を給電して放電電気エネルギーを供給する。
これにより、真空容器４の内壁に沿って安定な交流グロー放電が生じる。
【００１３】
図３は、この円筒形放電装置の部分横断面（図２のＡ−Ａ´面）における磁力線と放電（プラズマ）の閉じ込めの様子を示す。
図中の矢印付き直線および上下方向を示す記号は、分割電極２中央部の近傍における円周方向の磁場と径方向の電場の向きを表し、ａは放電（プラズマ）領域を表す。
隣り合う棒状磁石６の極性が反対なので、磁力線が分割電極２を覆うようにできる。
従って、放電は各々の分割電極２表面近傍の中央部に閉じ込められる。
分割電極２近傍における交流電界の向きは、対辺の位置にある分割電極２との電位差が最も大きいので、分割電極２表面に略垂直な正あるいは負の方向（径方向）になる。
【００１４】
一般に、磁場Ｂおよび電場Ｅが同時に存在する場合、放電領域におけるプラズマ（荷電粒子）は、ＥとＢのベクトル積、すなわち、数式１で決まる方向と大きさで、Ｅ×Ｂと呼ばれる巨視的なドリフト運動をする。
【数１】

ここで、微視的には、電子およびイオンは、重さと磁場の強さで決まる旋回運動（ラーマ回転）をそれぞれしながらＥ×Ｂドリフトをする。
従って、電子およびイオンは異なるピッチの旋回運動をし、同じ方向へ同じ速さでドリフトする。
図３の電磁場分布の場合、プラズマは装置の上あるいは下に向かってドリフト（移動）しようとする。
従って、プラズマは真空容器４の上下端から流出し、放電（プラズマ）の閉じ込めが効果的に行われなくなる。
【００１５】
図４に、真空容器４を円周方向に展開した場合の、磁石全体の配置と放電の閉じ込めの様子を示す。
真空容器４側面に取り付けられた棒状磁石６の両側でプラズマが上あるいは下にドリフト運動するだけなので、プラズマは真空容器４の上下から流出する。
従って、放電（プラズマ）の閉じ込めが効果的に行われなくなる。
また、磁場により壁近傍に閉じ込められた高密度のプラズマが、真空容器４上下端に局所的に集中するので、この場所に熱が過度に集中し、熱による装置破損の原因となる。
【００１６】
図５と図６に、壁密着型電極を使用した角筒形放電装置の部分横断面図（図６のＡ−Ａ´面）と部分縦断面図（図５のＢ−Ｂ´面）を示す。
放電装置１は、角筒状の真空容器４の内壁の対向する二面（電極面）に、それぞれ４片の平板状分割電極２を僅かな間隙２ａを空けて、縦方向に直線状に配列し、絶縁シート（層）３を介して真空容器４の内壁に密着して固定する。
【００１７】
真空容器４の電極面は水冷式二重壁を形成し、冷却水５を流して真空容器４の内壁に密着するそれぞれ４片の分割電極２を冷却する。
真空容器４の電極面外壁には、隣り合う極性を逆にして配列したそれぞれ５本の棒状磁石６を、電極面両端と間隙２ａの後方の外壁に沿って密着して固定し、さらにその外側を磁気シールド板７で覆う。
【００１８】
８片の分割電極２には、位相が１／８周期ずつずれていて振幅が同じ大きさの８個の位相制御交流電源（図示しない）を給電線（図示しない）を介して接続する。
【００１９】
放電装置は以上のような構成で、真空容器４内を排気装置（図示しない）によって真空排気し、８片の分割電極２に位相制御交流を給電して放電電気エネルギーを供給する。
これにより、真空容器４の内壁に沿って安定な交流グロー放電が生じる。
【００２０】
図７に、角筒状放電装置の部分横断面（図６のＡ−Ａ´面）における磁力線と放電（プラズマ）の閉じ込めの様子を示す。
図中の矢印付き直線および上下方向を示す記号は、分割電極２中央部の近傍における磁場と電場の向きを表す。
また、ａは放電（プラズマ）領域を表す。
隣り合う棒状磁石６の極性が反対なので、磁力線が分割電極２を覆うようにできる。従って、放電は各々の分割電極２表面近傍の中央部に閉じ込められる。
分割電極２近傍における交流電場の向きは、対辺の位置にある分割電極２間との電位差が最も大きいので、分割電極２表面に略垂直な正あるいは負の方向（Ｘ方向）になる。
【００２１】
このとき、この電場と磁場によって、プラズマは上あるいは下方向へＥ×Ｂドリフト運動する。従って、真空容器４上下端からのプラズマの流出を防ぐための磁場の工夫が必要となる。
【００２２】
図８に、単純な多極磁場の場合の、真空容器４片面における磁石配置と放電閉じ込めの様子を示す。
図４の円筒形放電装置を円周方向に展開した場合と同様に、真空容器４側面に取り付けた棒状磁石６の両側でプラズマが上あるいは下にドリフト運動するだけなので、プラズマは真空容器４の上下から流出する。従って、放電（プラズマ）の閉じ込めが効果的に行われなくなる。
【００２３】
そこで本発明は、装置外壁（冷却溝の外側）に取り付ける永久磁石や電流コイルの配置を工夫することにより、装置内におけるプラズマの流出を抑止すると共に、電極近傍の領域に適正な多極磁場を作用して放電（プラズマ）を効果的に閉じ込めることを目的になされたものである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は以下のように構成した。
【００２５】
すなわち、複数の電極片を薄膜状の絶縁シートを介して放電室の内壁に密着して固定し、前記電極片間の間隙に沿って前記放電室外壁に隣り合う極性が反対の電極間磁石を配列し、この電極間磁石のうち極性が同じものどうしの端部を、それらと極性が同じで放電室両端に配列した一対の電極端磁石によりそれぞれ連結し、これにより電極間磁石と電極端磁石が囲む無端の蛇行したドリフト経路を形成し、このドリフト経路に沿って放電による荷電粒子が連続的にドリフト運動を行うことを特徴とする多電極型放電装置の多極磁場形成装置である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
本発明の円筒形放電装置の多極磁場形成装置は、真空容器４の上下端における放電（プラズマ）の閉じ込めを改善するため、図９のＣ1 −Ｃ1 ´とＣ2 −Ｃ2 ´断面に、磁化の方向が径方向と逆および同方向のドーナツ（リング）状磁石をそれぞれ取り付ける。
【００２８】
図１０と図１１に、図９のＣ1 −Ｃ1 ´およびＣ2 −Ｃ2 ´断面におけるドーナツ状磁石８ａ、８ｂの横断面図をそれぞれ示す。
このドーナツ状磁石８ａ、８ｂは、真空容器４外壁への取り付けが容易なように、円周方向に４分割する。
真空容器４上端に取り付けるドーナツ状磁石８ａの磁化の向きは径方向と逆であり、下端のドーナツ状磁石８ｂの磁化の向きは径方向と同じである。
【００２９】
図１２に、真空容器４を円周（方位角）方向に展開した場合の、真空容器４上下端のドーナツ状磁石８ａ、８ｂも含めた棒状磁石６の配置とプラズマの閉じ込めの様子を示す。
図中の矢印付き直線および上下方向を示す記号は、各場所における磁場、電場およびＥ×Ｂドリフトの方向を表す。
また、点線で囲まれた部分は放電（プラズマ）領域を表す。
【００３０】
６本の棒状磁石６は、１、３、５番目を真空容器４上端のドーナツ状磁石８ａに、２、４、６番目を真空容器４下端のドーナツ状磁石８ｂに、それぞれ一端を連結して２組の櫛の歯を噛合せたような形に構成する。
上下のドーナツ状磁石８ａ、８ｂと、櫛形に取り付けられた側面の棒状磁石６により、真空容器４中央で上あるいは下にドリフトするプラズマの運動が、真空容器４上下端で方位角方向のドリフト運動へ変えられる。
その結果、荷電粒子は真空容器４内壁に沿って、上下に蛇行しながら方位角方向にドリフトし続ける。
【００３１】
真空容器４上下端からのプラズマの流出（損失）がないので、図９に示す装置において、放電（プラズマ）の効果的な閉じ込めが行われることが分かる。
【００３２】
図１３に、真空容器４上下端のドーナツ状磁石８ａ、８ｂと側面に設置した棒状磁石６とで３個の従来のレース・トラック状の磁場を円周方向に作った場合の、磁石全体の配置と放電（プラズマ）の閉じ込めの様子を示す。
図より、それぞれのレース・トラック状磁場におけるプラズマのドリフト運動は閉じているので、それらの中で放電（プラズマ）が効果的に閉じ込められることが分かる。
【００３３】
しかし、円筒形放電装置の壁密着型電極は位相制御（配列）多出力交流電源を接続し、放電が位相の遅れる向きに円周方向へ電極から電極へと移動し、１秒間に交流電源の周波数回だけ回転するので、全ての放電領域が連続する、図１２に示す磁場配置が適当である。
何故ならば、同じ電源を図１３の磁場で使用した場合、放電が生じている位相のレース・トラック磁場にのみプラズマが閉じ込められており、円周方向のプラズマの一様性が、図１２の場合より悪いからである。
【００３４】
角筒形放電装置の多極磁場形成装置は、放電（プラズマ）を多極磁場により各分割電極２の中央部に閉じ込めるため、片面当たりの分割電極２の数より１つ多い数の棒状磁石６を間隙２ａの後方の外壁に沿って配置する。
さらに、真空容器４の上下端における放電（プラズマ）の閉じ込めを改善するため、図６の上部、中央部および下部に棒状磁石６を横方向に取り付ける。
【００３５】
図１４に、真空容器４片面（図７のＢ側）における磁石全体の配置とプラズマの閉じ込めの様子を示す。ここで、図中の矢印付き直線および上下方向を示す記号は、各場所における磁場、電場およびＥ×Ｂドリフトの方向を表す。
また、点線で囲まれた部分は放電（プラズマ）領域を表す。
【００３６】
磁石配置の工夫は少し複雑ではあるが、Ｈ文字型に取り付けた棒状磁石６により、Ｅ×Ｂドリフトによるプラズマの運動を、真空容器４片面内で閉じさせることができる。このことは、もう一方の真空容器４片面についても同様である（図１５参照）。但し、棒状磁石６の極性は図１３と反対であり、Ｅ×Ｂドリフトによるプラズマ全体の流れ（運動）の向きは、図１４の場合と反対になる。
真空容器４両面における上下端からの荷電粒子の流出（損失）がないので、図６に示す装置において、放電（プラズマ）の効果的な閉じ込めが行われる。
【００３７】
図１６に、真空容器４片面に２個の従来のレース・トラック状の磁場を作った場合の、磁石配置と放電（プラズマ）閉じ込めの様子を示す。
図１３の円筒形放電装置を円周方向に展開した場合と同様に、それぞれのレース・トラック状磁場におけるプラズマのドリフト運動は閉じているので、それらの中で放電（プラズマ）が効果的に閉じ込められることが分かる。
【００３８】
しかし、円筒形放電装置の場合と同様に、壁密着型電極には位相制御多出力交流電源を接続し、片面における放電が位相の遅れる向きにｙ方向へ電極から電極へと移動するので、片面における全ての放電領域が連続する、図１４に示す磁場配置が適当である。
何故ならば、同じ電源を図１６の磁場で使用した場合、放電が強く生じている位相のレース・トラック磁場に濃いプラズマが閉じ込められており、ｙ方向のプラズマの一様性が、図１４の場合より悪いからである。これは、電極の分割数が大きくなり、片面当たりのレース・トラック状磁場の数が大きくなる程、顕著になる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の多極磁場形成装置は、電極片間の間隙に沿って放電室外壁に隣り合う極性が反対の電極間磁石を配列し、この電極間磁石のうち極性が同じものどうしの端部を、それらと極性が同じで放電室外壁に配列した一対の電極端磁石によりそれぞれ連結し、これにより電極間磁石と電極端磁石が囲む無端のドリフト経路を形成する。
従って、本発明によれば、隣り合う電極間磁石の極性が反対なので、磁力線が電極片を覆うようにでき、放電は各々の電極片表面近傍の中央部に閉じ込められる。また、電極端磁石の働きで、電極端部から流出しようとするプラズマが電極端部で方向変換し、電極間磁石と電極端磁石が囲む無端のドリフト経路に沿って蛇行しながらドリフトし続ける。
このため、プラズマ流出（損失）のない、効果的な放電（プラズマ）の閉じ込めが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】壁密着型電極を使用した円筒形放電装置の部分横断面図である。
【図２】壁密着型電極を使用した円筒形放電装置の部分縦断面図である。
【図３】円筒形放電装置における磁力線と放電の閉じ込めを示す図である。
【図４】円筒形放電装置を円周方向に展開した磁石全体の配置と放電の閉じ込めを示す図である。
【図５】壁密着型電極を使用した角筒形放電装置の部分横断面図である。
【図６】壁密着型電極を使用した角筒形放電装置の部分縦断面図である。
【図７】角筒形放電装置における磁力線と放電の閉じ込めを示す図である。
【図８】角筒形放電装置片面における磁石配置と放電閉じ込めを示す図である。
【図９】本発明の円筒形放電装置の多極磁場形成装置の部分縦断面図である。
【図１０】本発明の円筒形放電装置の上端部ドーナツ状磁石の横断面図である。
【図１１】本発明の円筒形放電装置の下端部ドーナツ状磁石の横断面図である。
【図１２】円筒形放電装置を円周方向に展開した本発明の多極磁場形成装置の磁石配置と放電の閉じ込めを示す図である。
【図１３】円筒形放電装置を円周方向に展開したレース・トラック状の磁場を作る磁石全体の配置と放電の閉じ込めを示す図である。
【図１４】角筒形放電装置片面における本発明の多極磁場形成装置の磁石配置と放電閉じ込めを示す図である。
【図１５】角筒形放電装置もう一方の片面における本発明の多極磁場形成装置の磁石配置と放電閉じ込めを示す図である。
【図１６】角筒形放電装置片面におけるレース・トラック状の磁場を作る磁石全体の配置と放電閉じ込めを示す図である。
【符号の説明】
１放電装置
２分割電極
３絶縁シート
４真空容器
５冷却水
６磁石
７磁気シールド
８ドーナツ状磁石

Claims

複数の電極片を薄膜状の絶縁シートを介して放電室の内壁に密着して固定し、前記電極片間の間隙に沿って前記放電室外壁に隣り合う極性が反対の電極間磁石を配列し、この電極間磁石のうち極性が同じものどうしの端部を、それらと極性が同じで放電室両端に配列した一対の電極端磁石によりそれぞれ連結し、これにより電極間磁石と電極端磁石が囲む無端の蛇行したドリフト経路を形成し、このドリフト経路に沿って放電による荷電粒子が連続的にドリフト運動を行うことを特徴とする多電極型放電装置の多極磁場形成装置。