JP3858093B2

JP3858093B2 - マイクロプラズマ生成装置、プラズマアレイ顕微鏡、及びマイクロプラズマ生成方法

Info

Publication number: JP3858093B2
Application number: JP2003007438A
Authority: JP
Inventors: 肇白井; 靖洋長谷川
Original assignee: Saitama University NUC
Current assignee: Saitama University NUC
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: JP2004220935A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロプラズマ生成装置、プラズマアレイ顕微鏡、及びマイクロプラズマ生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気中でのマイクロプラズマを利用したプラズマアレイ顕微鏡などは、種々の微細加工及び微細凹凸センサなどに用いられている。図１は、従来のマイクロプラズマ生成装置の一例を示す上平面図であり、図２及び図３は、図１に示すマイクロプラズマ生成装置の一部を拡大して示す断面図である。
【０００３】
図１に示すように、従来のマイクロプラズマ生成装置１０は、絶縁材料からなる支持板１１と、この支持板１１に対して縦方向及び横方向に配置するとともに固定されてなる複数の電極１２と、これら複数の電極１２に対して高周波電力を供給するための導電パイプ１３と、複数の電極１２に対し、導電パイプ１３を介して前記高周波電力を供給するための図示しない高周波電源とを具えている。複数の電極１２のそれぞれは管状構造を呈しており、その内部空間１２Ａにプラズマ生成ガスを導入するとともに、電極１２の先端部に設けられた開口部１２Ｂから放出させ、前記高周波電力によって前記プラズマ生成ガスをプラズマ化し、前記先端部にマイクロプラズマＰを生成させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図２に示すように、隣接する電極１２がある程度の距離を隔てて配置されている場合は、マイクロプラズマＰは各電極１２の先端部に独立的に形成されるようになる。しかしながら、高い空間分解能を実現するために、図３に示すように、隣接する電極１２同士を互いに近接させると、前記隣接した電極１２の先端部に形成されたマイクロプラズマＰ同士が結合してしまう。この結果、生成されたマイクロプラズマＰの大きさが増大し、マイクロプラズマを利用した微細な加工及び測定を実現することが不可能となり、結果的に高空間分解能を実現することができなくなる。
【０００５】
本発明は、微小なマイクロプラズマを生成し、材料の加工や測定などにおいて高い空間分解能を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
前記支持板に固定され、先端部においてマイクロプラズマを生成させるための複数の電極と、
前記複数の電極に対して前記マイクロプラズマ生成させるべく高周波電力を導入するための、高周波電力導入部と、
前記高周波電力を供給するための高周波電源とを具え、
前記複数の電極はそれぞれ管状構造を呈し、その内部空間に前記マイクロプラズマを生成させるためのプラズマガスを導入するとともに、前記電極の前記先端部に設けられた開口部から前記プラズマガスを放出し、前記先端部において前記マイクロプラズマを生成するように構成され、
前記支持板には、前記複数の電極間において、前記複数の電極それぞれの長さ方向に沿ってプラズマ再結合用ガスを導入するための複数の開口部を設け、前記プラズマ再結合用ガスにより、前記複数の電極の、隣接する電極間で生成した前記マイクロプラズマの結合を抑制するようにしたことを特徴とする、マイクロプラズマ生成装置に関する。
【０００７】
また、本発明は、
絶縁材料からなる支持板に固定された、管状構造の複数の電極それぞれの内部空間にプラズマガスを導入するとともに、前記電極の前記先端部に設けられた開口部から前記プラズマガスを放出させる工程と、
前記複数の電極に、高周波電源より高周波電力導入部を介して高周波電力を導入し、前記複数の電極それぞれの先端部においてマイクロプラズマを生成する工程と、
前記支持板において、前記複数の電極間に設けられた複数の開口部から、前記複数の電極の長さ方向に沿ってプラズマ再結合用ガスを導入する工程とを具え、
前記プラズマ再結合用ガスにより、前記複数の電極の、隣接する電極間で生成した前記マイクロプラズマの結合を抑制することを特徴とする、マイクロプラズマ生成方法に関する。
【０００８】
本発明によれば、従来のような構成のマイクロプラズマ生成装置において、マイクロプラズマを発生させるための複数の電極を支持する支持板の、前記複数の電極間に開口部を設け、これらの開口部から前記複数の電極の長さ方向に沿ってプラズマ再結合用ガスを導入するようにしている。したがって、隣接する前記複数の電極を近接させた場合においても、前記プラズマ再結合用ガスによって、隣接する電極の先端部で生成されるマイクロプラズマの結合を抑制し、各電極の先端部で生成されるマイクロプラズマの再結合を促進し、マイクロプラズマの大きさを微小な状態に保持することができる。
【０００９】
したがって、上記のようにして生成されたマイクロプラズマを用いることにより、微小な材料の加工や測定を行うことができるようになる。
【００１０】
実際の材料の加工及び測定は、上述したような構成のマイクロプラズマ生成装置を組み込んだプラズマアレイ顕微鏡などを用いることによって行う。
【００１１】
本発明の好ましい態様においては、前記支持板に設けられた、前記プラズマ再結合用ガスを導入するための開口部の大きさを、前記電極の内部径よりも小さくする。これによって、前記プラズマ再結合用ガスの、前記電極の前記先端部近傍への到達量を低減することができ、前記電極の前記先端部に生成された目的とするマイクロプラズマへの影響を低減することができる。
【００１２】
また、本発明の他の好ましい態様においては、前記複数の電極の外方に磁場印加手段を設け、前記複数の電極が位置する領域に所定強度の磁場を生成する。これによって、前記マイクロプラズマのプラズマ密度を向上させることができ、高輝度化することができる。
本発明のその他の特徴及び詳細については以下に詳述する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明のマイクロプラズマ生成装置の一例を示す上平面図であり、図５は、図４に示すマイクロプラズマ生成装置の一部を拡大して示す断面図である。
【００１４】
図４に示すように、本発明のマイクロプラズマ生成装置２０は、絶縁材料からなる支持板２１と、この支持板２１に対して縦方向及び横方向に配置するとともに固定されてなる複数の電極２２と、これら複数の電極２２に対して高周波電力を供給するための高周波アンテナ２３と、複数の電極２２に対し、高周波アンテナ２３を介して前記高周波電力を供給するための図示しない高周波電源と、複数の電極２２が位置する領域に所定強度の磁場を生成させるための、磁場印加手段としての電磁コイル２７とを具えている。
【００１５】
複数の電極２２のそれぞれは管状構造を呈しており、その内部空間２２Ａにプラズマ生成ガスを導入するとともに、電極２２の先端部に設けられた開口部２２Ｂから放出させ、前記高周波電力によって前記プラズマ生成ガスをプラズマ化し、前記先端部にマイクロプラズマＰを生成させる。さらに、支持板２１の、複数の電極２２間にはそれぞれ開口部２５が設けられ、開口部２５を介して、図中矢印で示すように、電極２２の長さ方向に沿ってプラズマ再結合用ガスを流す。
【００１６】
したがって、複数の電極２２の隣接したもの同士を近接させた場合においても、前記プラズマ再結合用ガスによって、隣接する電極２２同士の先端部で生成されるマイクロプラズマの結合を抑制し、各電極の先端部で生成されるマイクロプラズマの再結合を促進し、マイクロプラズマの大きさを微小な状態に保持することができる。その結果、上記のようにして生成されたマイクロプラズマを用いることにより、微小な材料の加工や測定を行うことができるようになり、高空間分解能化を実現することができるようになる。
【００１７】
上述したように、実際の材料の加工及び測定は、図４及び図５に示すようなマイクロプラズマ生成装置を組み込んだプラズマアレイ顕微鏡などを用いて実施する。
【００１８】
前記プラズマ再結合用ガスとしては、非反応性のガスを用いることが好ましく、例えばＮｅ、Ｈｅ、Ａｒ、Ｋｒ、及びＸｅの希ガスを用いることができる。また、前記プラズマ生成ガスも一般的には、上述したような希ガスを用いるため、前記プラズマ再結合用ガスを前記プラズマ生成ガスと同じガス種から構成することができる。これによって、本発明の装置の構成を簡易化することができるとともに、本発明の方法の操作を単純化することができる。
【００１９】
また、支持板２１に設けられた、前記プラズマ再結合用ガスを導入するための開口部２５の大きさｄを、電極２２の内部径Ｄよりも小さくすることが好ましい。具体的には、ｄ／Ｄが０．１〜２となるようにする。これによって、前記プラズマ再結合用ガスの、電極２２の先端部近傍への到達量を低減することができ、電極２２の先端部に生成された目的とするマイクロプラズマへの影響を低減することができる。
【００２０】
開口部２５の大きさｄは例えば１０μｍ〜５０μｍに設定する。また、電極２２の内部径Ｄは例えば２５μｍ〜１００μｍに設定する。
【００２１】
上述したような構成を採ることにより、各電極２２の太さを削減し、支持板２１内における電極２２の配置密度が１個／ｃｍ^２〜１００００個／ｃｍ^２となるように電極２２を配置することができるようになる。すなわち、電極２２をこのように高密度に配置した場合においても、本発明においては、電極２２間にプラズマ再結合用ガスを流すようにしているので、各電極２２の先端部に生成されたマイクロプラズマの再結合を促進し、隣接した電極２２の先端部で生成されたマイクロプラズマ同士の再結合を抑制することができる。
【００２２】
このように本発明においては、電極２２の太さを削減して高密度に配置することができるので、電極２２の先端部への電力集中を簡易に実現することができる。したがって、図１〜図３に示す従来のマイクロプラズマ生成装置と異なり、複数の電極のそれぞれに導電パイプを接続して高周波電力を導入しなくても、図４及び図５に示すように、複数の電極２２の外方を囲むようにして単一の高周波アンテナ２３を設けるのみで、複数の電極２２のそれぞれに高周波電力を導入することができる。この結果、マイクロプラズマ生成装置２０全体の構成を簡易化することができる。
【００２３】
電極２２は導電性の材料から構成することができるが、好ましくはカーボン／シリコンナノチューブから構成することが好ましい。このようなナノチューブはｎｍオーダの開口部を有しているので、前記開口部を通じて微小なマイクロプラズマを簡易に生成することができる。したがって、材料の加工及び測定などにおける空間分解能を向上させることができる。
【００２４】
また、図５に示すように、複数の電極２２の外方を囲むようにして電磁コイル２７を設け、電極２２が位置する領域に所定強度の磁場を生成するようにしているので、生成したマイクロプラズマの高輝度化を実現することができる。なお、前記磁場の強度は０．０１Ｔ〜０．５Ｔであることが好ましい。
【００２５】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。例えば、上記具体例においては、高周波アンテナ２３を介して電極２２に高周波電力を導入するようにしているが、従来のマイクロプラズマ生成装置と同様に、導電パイプを電極２２のそれぞれに接続して、高周波電力を導入するようにすることもできる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、微小なマイクロプラズマを生成し、材料の加工や測定などにおいて高い空間分解能を実現することが可能な、マイクロプラズマ生成装置及び生成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマイクロプラズマ生成装置の一例を示す上平面図である。
【図２】図１に示すマイクロプラズマ生成装置の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】同じく、図１に示すマイクロプラズマ生成装置の一部を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明のマイクロプラズマ生成装置の一例を示す上平面図である。
【図５】図４に示すマイクロプラズマ生成装置の一部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１０、２０マイクロプラズマ生成装置
１１、２１支持板
１２、２２電極
１３導電パイプ
２３高周波アンテナ
２５（プラズマ結合用ガス導入用の）開口部
２７電磁コイル

Claims

絶縁材料からなる支持板と、
前記支持板に固定され、先端部においてマイクロプラズマを生成させるための複数の電極と、
前記複数の電極に対して前記マイクロプラズマ生成させるべく高周波電力を導入するための、高周波電力導入部と、
前記高周波電力を供給するための高周波電源とを具え、
前記複数の電極はそれぞれ管状構造を呈し、その内部空間に前記マイクロプラズマを生成させるためのプラズマガスを導入するとともに、前記電極の前記先端部に設けられた開口部から前記プラズマガスを放出し、前記先端部において前記マイクロプラズマを生成するように構成され、
前記支持板には、前記複数の電極間において、前記複数の電極それぞれの長さ方向に沿ってプラズマ再結合用ガスを導入するための複数の開口部を設け、前記プラズマ再結合用ガスにより、前記複数の電極の、隣接する電極間で生成した前記マイクロプラズマの結合を抑制するようにしたことを特徴とする、マイクロプラズマ生成装置。
前記支持板における前記プラズマ再結合用ガスを導入するための前記開口部の大きさを、前記電極の内部径よりも小さくしたことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロプラズマ生成装置。
前記支持板における前記プラズマ再結合用ガスを導入するための前記開口部の大きさをｄ、前記電極の内部径をＤとした場合において、ｄ／Ｄを０．１〜２の範囲に設定したことを特徴とする、請求項２に記載のマイクロプラズマ生成装置。
前記複数の電極は、前記支持板において１個／ｃｍ^２〜１００００個／ｃｍ^２の割合で配置されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のマイクロプラズマ生成装置。
前記プラズマ再結合用ガスは、前記プラズマガスと同じガス種から構成したことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のマイクロプラズマ生成装置。
前記プラズマ再結合用ガスは、希ガスから構成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のマイクロプラズマ生成装置。
前記高周波電力導入部は、前記複数の電極を囲むようにして設けられた高周波アンテナから構成したことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のマイクロプラズマ生成装置。
前記複数の電極の外方において、磁場印加手段を具えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載のマイクロプラズマ生成装置。
前記磁場印加手段は、前記複数の電極が位置する領域において０．０１Ｔ〜０．５Ｔの大きさの磁場を生成することを特徴とする、請求項８に記載のマイクロプラズマ生成装置。
前記複数の電極は、カーボン／シリコンナノチューブから構成されたことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載のマイクロプラズマ生成装置。
請求項１〜１０のいずれか一に記載されたマイクロプラズマ生成装置を具えることを特徴とする、プラズマアレイ顕微鏡。
絶縁材料からなる支持板に固定された、管状構造の複数の電極それぞれの内部空間にプラズマガスを導入するとともに、前記電極の前記先端部に設けられた開口部から前記プラズマガスを放出させる工程と、
前記複数の電極に、高周波電源より高周波電力導入部を介して高周波電力を導入し、前記複数の電極それぞれの先端部においてマイクロプラズマを生成する工程と、
前記支持板において、前記複数の電極間に設けられた複数の開口部から、前記複数の電極の長さ方向に沿ってプラズマ再結合用ガスを導入する工程とを具え、
前記プラズマ再結合用ガスにより、前記複数の電極の、隣接する電極間で生成した前記マイクロプラズマの結合を抑制することを特徴とする、マイクロプラズマ生成方法。
前記支持板における前記プラズマ再結合用ガスを導入するための前記開口部の大きさを、前記電極の内部径よりも小さくしたことを特徴とする、請求項１２に記載のマイクロプラズマ生成方法。
前記支持板における前記プラズマ再結合用ガスを導入するための前記開口部の大きさをｄ、前記電極の内部径をＤとした場合において、ｄ／Ｄを０．１〜２の範囲に設定したことを特徴とする、請求項１３に記載のマイクロプラズマ生成方法。
前記プラズマ再結合用ガスは、前記プラズマガスと同じガス種から構成したことを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一に記載のマイクロプラズマ生成方法。
前記プラズマ再結合用ガスは、希ガスから構成することを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか一に記載のマイクロプラズマ生成方法。
前記高周波電力導入部は、前記複数の電極を囲むようにして設けられた高周波アンテナから構成することを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか一に記載のマイクロプラズマ生成方法。
前記複数の電極の外方に設けられた磁場印加手段から、前記複数の電極が位置する領域において、所定強度の磁場を印加する工程を具えることを特徴とする、請求項１２〜１７のいずれか一に記載のマイクロプラズマ生成方法。
前記磁場印加手段によって、前記複数の電極が位置する領域において０．０１Ｔ〜０．５Ｔの大きさの磁場を生成することを特徴とする、請求項１８に記載のマイクロプラズマ生成方法。
前記複数の電極は、カーボン／シリコンナノチューブから構成することを特徴とする、請求項１２〜１９のいずれか一に記載のマイクロプラズマ生成方法。
前記複数の電極は、前記支持板において１個／ｃｍ^２〜１００００個／ｃｍ^２の割合で配置することを特徴とする、請求項１２〜２０のいずれか一に記載のマイクロプラズマ生成方法。