JP4109213B2 - 同軸形マイクロ波プラズマトーチ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波プラズマトーチ、とりわけ、同軸形マイクロ波プラズマトーチに関するものである。

大気圧中においてプラズマを発生し得るマイクロ波プラズマトーチとしては、従来より、導波管形マイクロ波プラズマトーチが知られている（例えば特許文献１参照）。この従来の導波管形マイクロ波プラズマトーチは、スタブチューナ、導波管および反射板と大きく分けて３つの構成部分から構成され、さらには、大気圧中でプラズマを生成するために点火装置を必要とし、多数の構成部分を有している。そのため、装置の設計の自由度があまりなく、装置の小型化を図るには限界があるという問題を有していた。

この従来の導波管形プラズマトーチの欠点を解消するものとして、ヘリカル共振器の構造を引き継いだ構造を有する、同軸形マイクロ波プラズマトーチが提案されている（例えば特許文献２参照）。このマイクロ波プラズマトーチは、上端開口を蓋体によって閉じられた円筒状の外管からなる同軸形共振器と、この共振器の外管の上端寄りに外管に直角に連結された同軸線路とを備えている。そして、同軸線路の内部中央を通る導体が、外管内で上向きに蓋体方向に屈曲して蓋体の内端面に固定され、蓋体は、外管を通じ同軸線路の外部導体に接続され、さらに、蓋体の中央には、内部導体が固着され、内部導体は、棒状部と棒状部の先端に固着された電気伝導性をもつ電極からなり、外管の下方には、電極の周囲面に石英管が取付けられ、外管の周壁には、外側から電極に向けてガスを導入するガス導入口が設けられている。

このマイクロ波プラズマトーチにおいては、同軸線路に接続されたマイクロ波発振器によってマイクロ波が出力されると、マイクロ波は、同軸線路を通ることによって同軸モード（ＴＥＭモード）に変換されて伝送される。その後、マイクロ波は、同軸線路の内部中央を通る導体が共振器の外管内で蓋体方向に屈曲する部分で、一旦モード変換され、さらに、共振器内部で再び同軸モードに変換されて、内部導体によって電極に導かれ、電極の先端にはマイクロ波の電界が集中し、電界強度が最大となり、電極の先端からプラズマが発生するようになっている。

しかしながら、この構成によれば、共振器を使用するので、プラズマトーチをある程度の大きさに維持する必要があり、プラズマトーチを小型化することが困難であった。また、この構成によれば、マイクロ波は、同軸線路から共振器内に伝送される間に、同軸モードから一旦別のモードに変換された後、再び同軸モードに変換されるが、このようなモードの変換がなされると、それに対応してエネルギーの損失が生じ、エネルギー効率が低下するという問題があった。加えて、この構成では、大気圧中においてプラズマを点火させることは困難であった。
特開平９−２９５９００号公報 特開平６−１８８０９４号公報

したがって、本発明の課題は、従来のものより小型でかつ高いエネルギー効率を有し、しかも、大気圧中で容易にプラズマを発生させることができる同軸形マイクロ波プラズマトーチを提供することにある。

上記課題を解決するため、第1発明は、円柱形状を有する外側導体と、前記外側導体の一端面側に形成された軸方向の孔に挿入され、固定された円筒状の放電管と、一端が、外側から前記外側導体の他端面に取り付けられた、マイクロ波伝送用の同軸ケーブルと、を備え、前記同軸ケーブルの一端には、その内部導体に電気的に接続されたアンテナが備えられ、前記外側導体には、その他端面側から前記軸方向の孔に向かって軸方向にのびる貫通孔が形成され、前記アンテナは、前記外側導体から電気的に絶縁された状態で前記貫通孔を通って前記放電管内にのび、前記同軸ケーブルの外部導体は前記外側導体に電気的に接続され、前記外側導体には、前記放電管内にガスを供給するガス導入管路が設けられていることを特徴とする同軸形マイクロ波プラズマトーチを構成したものである。

第１発明の構成において、好ましくは、前記外側導体の軸方向の孔の周面および前記放電管の外周面の間には、円筒状のスペースが形成され、前記円筒状のスペースは、前記外側導体の内部において、半径方向に予め決定された長さだけのび、前記軸方向の孔の底面から軸方向に任意の長さだけのびている。

また、上記課題を解決するため、第２発明は、円筒状の外側導体およびその内側に半径方向に間隔をあけて配置された円筒状の放電管からなる二重管構造を有するトーチ本体を備え、前記トーチ本体の前記外側導体は、その一端開口を蓋によって閉じられ、前記放電管は、一端が前記蓋に固定され、他端が前記外側導体の他端開口から突出してのび、前記トーチ本体の前記外側導体の蓋には、外側から、マイクロ波伝送用の同軸ケーブルの一端が取り付けられ、前記同軸ケーブルの一端には、その内部導体に電気的に接続されたアンテナが備えられ、前記アンテナは、前記蓋から電気的に絶縁された状態で、前記蓋に形成された貫通孔を通って前記トーチ本体の前記放電管内に軸方向にのび、前記同軸ケーブルの外部導体は前記トーチ本体の前記外側導体に電気的に接続され、前記トーチ本体には、前記トーチ本体の前記放電管内にガスを供給するガス導入管路が設けられていることを特徴とする同軸形マイクロ波プラズマトーチを構成したものである。

第２発明の構成において、好ましくは、前記トーチ本体における前記外側導体および前記放電管の間に形成された円筒状スペース内には、円筒状の補助導体が前記外側導体の他端開口側から嵌め込まれ、前記補助導体は、前記外側導体の内周面との間および前記放電管の外周面との間にマイクロ波の漏れを生じさせることなく、かつ前記トーチ本体の前記外側導体と電気的に接触しつつ前記放電管の軸方向に沿ってスライド運動することによって、マイクロ波の位相を適当に変化させ得るようになっている。
また好ましくは、前記ガス導入管路は、前記トーチ本体の外側から、前記外側導体および前記蓋の両方またはいずれか一方を貫通して前記外側導体および前記放電管の間の円筒状スペース内にのびた後、前記放電管に接続され、前記放電管における前記アンテナの先端近傍領域に開口している。あるいは、前記トーチ本体の前記蓋は、円柱状の誘電体からなる、前記外側導体内に挿入される差込部を少なくとも有し、前記放電管の一端は前記差込部に固定され、前記ガス導入管路は、前記トーチ本体の外側から、前記トーチ本体の前記外側導体を貫通する電気絶縁性をもつ管部分と、前記管部分に接続され、前記蓋の差込部を貫通する第１管路部分と、前記第１管路部分に接続され、前記アンテナ内部を内側にのびた後、そこから前記アンテナ内部をその先端に向かって軸方向にのび、前記先端に開口する第２管路部分とからなっている。

第１および第２発明の構成において、好ましくは、前記アンテナは、前記同軸ケーブルの内部導体からなっている。

本発明によれば、プラズマトーチの全体が同軸構造を保持し、よって、従来のマイクロ波プラズマトーチとは異なり、共振器を備えていないので、同軸ケーブル中を伝送されるマイクロ波は、同軸モードのままでアンテナに供給され、アンテナの先端でプラズマが発生する。したがって、プラズマトーチのエネルギー効率が従来より格段に高くなり、また、大気圧中でも容易にプラズマを生成することができる。また、本発明によれば、従来の導波管形のプラズマトーチとは異なり、整合器や反射板を用いる必要がないので、より大きな設計の自由度が得られ、プラズマトーチを小型化することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。図１は、本発明の１実施例による同軸形マイクロ波プラズマトーチを示したもので、（Ａ）は側断面図でり、（Ｂ）は（Ａ）の矢印Ａ方向から見た平面図である。図１を参照して、本発明の同軸形マイクロ波プラズマトーチは、円柱形状を有する外側導体１と、外側導体１の一端面４側に形成された軸方向の孔２に挿入され、固定された円筒状の放電管３と、一端が、外側から外側導体１の他端面５に取り付けられた、マイクロ波伝送用の同軸ケーブル６を備えている。
この実施例では、外側導体１は、一端面４側の円柱状の第１部分１ａと、他端面５側の円柱状の第２部分１ｂの２つの部分を接合したものからなっている。また、軸方向の孔２は、外側導体１の中心軸に沿ってのび、放電管３は外側導体１と同軸に配置されている。また、放電管３は、石英管およびアルミナ管等の誘電体から形成されている。

同軸ケーブル６の一端には、その内部導体８に電気的に接続されたアンテナ９が備えられている。この実施例では、同軸ケーブル６の一端に同軸コネクタ１０が取り付けられ、この同軸コネクタ１０を介して同軸ケーブル６の内部導体８とアンテナ９が電気的に接続される。また、外側導体１には、その他端面５側から軸方向の孔２に向かって軸方向にのびる貫通孔１１が形成され、アンテナ９が、外側導体１から電気的に絶縁された状態で貫通孔１１を通って放電管３内に突出するようにして、同軸コネクタ１０がボルト１２によって外側導体１の他端面５に取り付けられる。この場合、ボルト１２は、同軸コネクタ１０を外側導体１に取付けるだけでなく、外側導体１の第１部分１ａおよび第２部分１ｂを互いに接合するためにも使用される。同時に、同軸ケーブル６の外部導体７は同軸コネクタ１０を介して外側導体１に電気的に接続される。
アンテナ９は、高い電気伝導性を有する材料から形成されている。そして、アンテナ９と外側導体１の貫通孔１１とは半径方向に間隔をあけて配置され、それによって、アンテナ９および外側導体１は互いに電気的に絶縁されている。アンテナ９には、プラズマ発生時に、プラズマへの不純物の混入を防止すべく、適当な表面コーティングが施されていることが好ましい。アンテナ９は、この実施例では、同軸ケーブル６の内部導体８とは別個のものとして形成されているが、アンテナ９を内部導体８から形成してもよい。

外側導体１の軸方向の孔２は、当該孔２の底面から軸方向に任意の長さだけ（しかし、外側導体１の一端面４に達することはない）のび、その径が放電管３の外径より予め決定された長さだけ大きくなっており、この領域（外側導体１の内部）において、孔２の内周面および放電管３の外周面の間に、半径方向に予め決定された厚さを有し、任意の長さを有する円筒状のスペース１４が形成される。
円筒状のスペース１４は、伝送インピーダンスの整合をとるために使用される。伝送インピーダンスの整合は、同軸ケーブル６の内部導体８と外部導体７の径の比率と、アンテナ９の外径と外側導体１の内径の比率を一致させることによってなされる。この場合、外側導体１内部における円筒状のスペース１４の半径方向の長さによって、外側導体１の内径が決定される。なお、外側導体１および放電管３の間に円筒状のスペース１４を設ける必要がない場合もある。

外側導体１には、放電管３内にガスを供給するガス導入管路１３が設けられている。ガス導入管路１３は、石英管等の誘電体からなる管からなり、外側導体１の外側から、外側導体１に形成された半径方向の貫通孔を通って円筒状のスペース１４内にのび、その一端が放電管３に接続され、放電管３内に開口している。

こうして、大気圧中において、同軸ケーブル６の他端に、（図示されない）マイクロ波発振器が接続され、マイクロ波発振器から所定の波長のマイクロ波が出力される。また、ガス導入管路１３には、（図示されない）ガス供給源が接続される。そして、ガス供給源からガス導入管路１３を通じて放電管９内にガスが導入されるとともに、マイクロ波発振器から出力されたマイクロ波が、同軸ケーブル６中を伝送され、同軸コネクタ１０を介してアンテナ９に同軸モードで伝送される。そして、マイクロ波は、アンテナ９表面を伝わり、アンテナ９の先端で最も高い電界が生じ、プラズマが、アンテナ９の先端と放電管３の内壁との間において生成され、放電管３の先端開口から照射される。

本発明による同軸形マイクロ波プラズマトーチは、全体が同軸構造を保持していて、従来の同軸形共振器を使用したマイクロ波プラズマトーチのように共振器を備えていないので、同軸ケーブル中を伝送されるマイクロ波は、同軸モードのままでアンテナに供給され、プラズマが発生する。したがって、プラズマトーチのエネルギー効率が従来より格段に高くなり、また大気圧中でも容易に点火させてプラズマを維持することができる。また、本発明によれば、従来の導波管形のプラズマトーチのように整合器や反射板を用いる必要がなく、プラズマトーチの構成部品点数が少なくて済むので、より大きな設計の自由度が得られ、プラズマトーチを小型化することができる。

図２は、本発明の別の実施例による同軸形マイクロ波プラズマトーチを示したものであり、（Ａ）は側断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図２に示されるように、本発明の同軸形マイクロ波プラズマトーチは、円筒状の外側導体２１と、その内側に半径方向に間隔をあけて配置された放電管２２とからなる二重管構造を有するトーチ本体２０を備えている。

トーチ本体２０の外側導体２１は、その一端開口を蓋２３によって閉じられている。この実施例では、蓋２３は導電性を有する材料から形成されている。放電管２２は、一端２２ａが蓋２３に固定され、他端２２ｂが外側導体２１の他端開口２１ａから突出してのびている。放電管２２は、石英管およびアルミナ管等の誘電体から形成されており、蓋２３から電気的に絶縁されている。また、トーチ本体２０の外側導体２１の蓋２３には、外側から、マイクロ波伝送用の同軸ケーブル２４の一端が取り付けられ、同軸ケーブル２４の一端にはその内部導体２５に電気的に接続されたアンテナ２８が備えられている。

この実施例では、同軸ケーブル２４の一端に同軸コネクタ２７が取り付けられ、この同軸コネクタ２７を介して同軸ケーブル２４の内部導体２５とアンテナ２８が電気的に接続される。そして、アンテナ２８が、蓋２３から電気的に絶縁された状態で、蓋２３に形成された貫通孔２９を通ってトーチ本体２１の放電管２２内に放電管２２の軸方向に突出するようにして、同軸コネクタ２７がボルト３０によって蓋２３に取り付けられる。この場合、ボルト３０は、同軸コネクタ２７を蓋２３に取付けるだけでなく、蓋２３を外側導体２１に電気的に結合するためにも使用される。同時に、同軸ケーブル２４の外部導体２６は、同軸コネクタ２７を介してトーチ本体２０の外側導体２１に電気的に接続される。
アンテナ２８は、高い電気伝導性を有する材料から形成されている。そして、アンテナ２８と蓋２３の貫通孔２９とは半径方向に間隔をあけて配置され、それによって、アンテナ２８および蓋２３は互いに電気的に絶縁されている。アンテナ２８には、プラズマ発生時にプラズマへの不純物の混入を防止すべく、適当な表面コーティングが施されていることが好ましい。この実施例では、アンテナ２８は同軸ケーブル２４の内部導体２５とは別個のものとして形成されているが、アンテナ２８を内部導体２５から形成してもよい。

また、アンテナ２８の外径と外側導体１の内径の比率を、同軸ケーブル２４の内部導体２５と外部導体２６の径の比率と一致させることにより、伝送インピーダンスの整合が行われる。

トーチ本体２０には、トーチ本体２０の放電管２２内にガスを供給するガス導入管路３２が設けられている。ガス導入管路３２は、石英管等の誘電体からなる管からなり、外側導体２１の外側から、外側導体２１に形成された半径方向の貫通孔を通って、外側導体２１および放電管２２の間のスペース３３内にのび、その一端が放電管２２に接続され、放電管２２におけるアンテナ２８の先端近傍領域に開口している。

トーチ本体２０における外側導体２１および放電管２２の間に形成された円筒状スペース３３内には、円筒状の補助導体３４が外側導体２１の他端開口２１ａ側から嵌め込まれる。さらに、補助導体３４の外周面にはネジ山３５が備えられ、一方、外側導体２１の内周面には、補助導体３４のネジ山３５に係合するネジ溝３６が備えられる。そして、補助導体３４が放電管２２のまわりに回転せしめられることによって、補助導体３５は、外側導体２１の内周面との間および放電管２２の外周面との間にマイクロ波の漏れを生じさせることなく、かつトーチ本体２０の外側導体２１と電気的に接触しつつ、放電管２２の軸方向に沿ってスライド運動しうるようになっている。なお、３７は、補助導体３５に結合された、補助導体３５の回転操作を容易にするための操作つまみである。

この実施例では、補助導体３４は、外側導体２１とネジ係合されることによって、放電管２２の軸方向に沿ってスライド運動可能となっているが、例えば、図３に示されるように、補助導体３４の外周面が、外側導体２１の内周面に接触し、内周面が放電管２２の外周面に接触するように構成することによって、補助導体３４を、ネジ係合によらずにスライド運動可能とすることもできる。

こうして、大気圧中において、同軸ケーブル２４の他端に、（図示されない）マイクロ波発振器が接続され、マイクロ波発振器から所定の波長のマイクロ波が出力される。また、ガス導入管路３２には、（図示されない）ガス供給源が接続される。そして、ガス供給源からガス導入管路３２を通じて放電管２２内にガスが導入されるとともに、マイクロ波発振器から出力されたマイクロ波が、同軸ケーブル２４中を伝送され、同軸コネクタ２７を介してアンテナ２８に同軸モードで伝送される。そして、マイクロ波は、アンテナ２８表面を伝わり、アンテナ２８の先端で最も高い電界が生じ、プラズマがアンテナ２８の先端と放電管２２内壁との間において生成され、放電管２２の先端開口から照射される。

この実施例においても図１の実施例と同様の効果が得られ、特にこの実施例では、放電管２２内にプラズマを維持することによって、長いプラズマを生成することができる。

図４は、本発明のさらに別の好ましい実施例による同軸形マイクロ波プラズマトーチの側断面図である。図４に示した実施例は、図２の実施例と、基本的に、蓋の構成およびガス導入管路の構成が相違しているだけである。したがって、図４中、図２の構成要素と同一の構成要素には同一番号を付し、説明を省略する。
図３を参照して、トーチ本体２０の４０蓋は、円柱状の誘電体からなる、外側導体２１内に挿入される差込部４２と、差込部４２の一端に設けられた導体からなるフランジ部４１とから形成されている。そして、放電管２２の一端は差込部４２に固定されている。

この実施例では、ガス導入管路は、トーチ本体２０の外側から、トーチ本体２０の外側導体２１を半径方向に貫通する電気絶縁性をもつ管部分４３と、管部分４３に接続され、蓋４０の差込部４２を半径方向に貫通する第１管路部分４４と、第１管路部分４４に接続され、アンテナ４５内部を半径方向内側にのびた後、そこからアンテナ４５内部をその先端に向かって軸方向にのび、当該先端に開口する第２管路部分４５とからなっている。

こうして、この実施例では、アンテナ４５の先端から放電管２２内にガスが導入される。この実施例の場合にも、図２の実施例と同様の効果が得られる。

本発明によれば、大気圧中において、容易にプラズマを発生させることができる、非常に小型でエネルギー効率の高い同軸形マイクロ波プラズマトーチを提供することができる。そして、本発明によるマイクロ波プラズマトーチは、エッチング装置、ＣＶＤ装置、表面処理装置、表面改質装置および材料改質装置等において、従来の導波管形マイクロ波プラズマトーチの代わりに使用することができる。

本発明の１実施例による同軸形マイクロ波プラズマトーチを示したもので、（Ａ）は側断面図でり、（Ｂ）は（Ａ）の矢印Ａ方向から見た平面図である。 本発明の別の実施例による同軸形マイクロ波プラズマトーチを示したものであり、（Ａ）は側断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 図２の実施例の変形例を示した側断面図である。 本発明のさらに別の実施例による同軸形マイクロ波プラズマトーチの側断面図である。

符号の説明

１ 外側導体
２ 軸方向の孔
３ 放電管
４ 一端面
５ 他端面
６ 同軸ケーブル
７ 外部導体
８ 内部導体
９ アンテナ
１０ 同軸コネクタ
１１ 貫通孔
１２ ボルト
１３ ガス導入管路
１４ 円筒状のスペース

Claims (7)

1. 円柱形状を有する外側導体と、
   前記外側導体の一端面側に形成された軸方向の孔に挿入され、固定された円筒状の放電管と、
   一端が、外側から前記外側導体の他端面に取り付けられた、マイクロ波伝送用の同軸ケーブルと、を備え、
   前記同軸ケーブルの一端には、その内部導体に電気的に接続されたアンテナが備えられ、前記外側導体には、その他端面側から前記軸方向の孔に向かって軸方向にのびる貫通孔が形成され、前記アンテナは、前記外側導体から電気的に絶縁された状態で前記貫通孔を通って前記放電管内にのび、前記同軸ケーブルの外部導体は前記外側導体に電気的に接続され、前記外側導体には、前記放電管内にガスを供給するガス導入管路が設けられていることを特徴とする同軸形マイクロ波プラズマトーチ。
2. 前記外側導体の軸方向の孔の周面および前記放電管の外周面の間には、円筒状のスペースが形成され、前記円筒状のスペースは、前記外側導体の内部において、半径方向に予め決定された長さだけのび、前記軸方向の孔の底面から軸方向に任意の長さだけのびていることを特徴とする請求項１に記載の同軸形マイクロ波プラズマトーチ。
3. 円筒状の外側導体およびその内側に半径方向に間隔をあけて配置された円筒状の放電管からなる二重管構造を有するトーチ本体を備え、
   前記トーチ本体の前記外側導体は、その一端開口を蓋によって閉じられ、前記放電管は、一端が前記蓋に固定され、他端が前記外側導体の他端開口から突出してのび、前記トーチ本体の前記外側導体の蓋には、外側から、マイクロ波伝送用の同軸ケーブルの一端が取り付けられ、前記同軸ケーブルの一端には、その内部導体に電気的に接続されたアンテナが備えられ、前記アンテナは、前記蓋から電気的に絶縁された状態で、前記蓋に形成された貫通孔を通って前記トーチ本体の前記放電管内に軸方向にのび、前記同軸ケーブルの外部導体は前記トーチ本体の前記外側導体に電気的に接続され、前記トーチ本体には、前記トーチ本体の前記放電管内にガスを供給するガス導入管路が設けられていることを特徴とする同軸形マイクロ波プラズマトーチ。
4. 前記トーチ本体における前記外側導体および前記放電管の間に形成された円筒状スペース内には、円筒状の補助導体が前記外側導体の他端開口側から嵌め込まれ、前記補助導体は、前記外側導体の内周面との間および前記放電管の外周面との間にマイクロ波の漏れを生じさせることなく、かつ前記トーチ本体の前記外側導体と電気的に接触しつつ前記放電管の軸方向に沿ってスライド運動することによって、マイクロ波の位相を適当に変化させ得るようになっていることを特徴とする請求項３に記載の同軸形マイクロ波プラズマトーチ。
5. 前記ガス導入管路は、前記トーチ本体の外側から、前記外側導体および前記蓋の両方またはいずれか一方を貫通して前記外側導体および前記放電管の間の円筒状スペース内にのびた後、前記放電管に接続され、前記放電管における前記アンテナの先端近傍領域に開口していることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の同軸形マイクロ波プラズマトーチ。
6. 前記トーチ本体の前記蓋は、円柱状の誘電体からなる、前記外側導体内に挿入される差込部を少なくとも有し、前記放電管の一端は前記差込部に固定され、前記ガス導入管路は、前記トーチ本体の外側から、前記トーチ本体の前記外側導体を貫通する電気絶縁性をもつ管部分と、前記管部分に接続され、前記蓋の差込部を貫通する第１管路部分と、前記第１管路部分に接続され、前記アンテナ内部を内側にのびた後、そこから前記アンテナ内部をその先端に向かって軸方向にのび、前記先端に開口する第２管路部分とからなっていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の同軸形マイクロ波プラズマトーチ。
7. 前記アンテナは、前記同軸ケーブルの内部導体からなっていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の同軸形マイクロ波プラズマトーチ。

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