JP4592220B2

JP4592220B2 - プラズマｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP4592220B2
Application number: JP2001180687A
Authority: JP
Inventors: 秀喜豊; 忠雄沖本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-06-14
Filing date: 2001-06-14
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: JP2002371366A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマＣＶＤ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環状の導波管の内側に配置された反応室内に、該導波管の内周部に設けられたアンテナからマイクロ波電力を供給し、前記反応室内部にプラズマを生じせしめ、気相成長合成法で成膜するプラズマＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ−ａｃｔｉｖｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法として、次のような従来技術がある。
「従来技術１」
コア層とクラッド層とが異なる屈折率を有する光ファイバーの素材として、円筒状の石英管の内面に、プラズマＣＶＤ法により被膜を形成させるものが知られており、このような素材を成形するプラズマＣＶＤ装置として、「ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＷｉｒｅ＆ＣａｂｌｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇ１９９８」第６６〜７２頁に記載のものが公知である。
【０００３】
この従来技術によれば、円環状導波管（リゾネータ）の内側に、中空基板が配置され、該中空基板は、シリカ管からなり、該シリカ管は、真空ポンプにより所定の圧力に減圧されると共に、ガス供給システムから、所望の混合ガス、例えば、ＳｉＣｌ₄、ＧｅＣｌ₄、Ｃ₂Ｆ₅、Ｏ₂の混合ガスが特定の低圧で管内に供給される。
環状導波管の内周面には、円周方向所定間隔を有した開口が設けられ、該開口から２．４５ＧＨｚで動作するマイクロ波電力がシリカ管に供給され、このシリカ管（基板管）内で、プラズマが発生し、このプラズマにより基板管の内壁に所望のガス成分の蒸着が発生する。
【０００４】
蒸着中の基板管（石英管）の温度は装置全体を覆う炉により、約１２００℃に維持され、また、基板管自体が回動自在とされ、更に、基板管と環状導波管は軸方向に相対移動自在とされている。そして、前記環状導波管には、冷却装置が設けられている。
「従来技術２」
「表面改質技術」ドライプロセスとその応用（日刊工業新聞社昭和６３年９月３０日発行）第６０〜６３頁には、反応室内部においてプラズマを生成させる装置が開示されている。
【０００５】
即ち、マイクロ波を励起源とするプラズマＣＶＤ装置として、反応室は直径４０〜５０ｍｍの石英ガラス管より成り、中央に基板保持皿がある。マイクロ波（２，４５０ＭＨｚ）はアイソレータ、パワーモニタ、チューナーを経て導波管によって反応室に導かれる。原料ガスは、反応室上部から導入され、下部から排気される。圧力は通常数十Ｔｏｒｒであるため、ポンプは油回転ポンプのみでも良い。基板温度はガス圧、マイクロ波入力、基板ホルダー材料の選択により適正値に保つことが可能であるが、補助加熱、冷却も必要に応じて行える。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマＣＶＤ法により、光ファイバ母材となる石英管内面に、シリコン系材料などを堆積成膜する場合、当該石英管を高温に加熱する必要がある。プロセスの内容にもよるが、その温度は前記「従来技術１」によれば、１２００℃にも達することがある。
このような高温プロセスで「従来技術１」の方法を用いた場合、加熱炉は、石英管のみならず、環状導波管などのプラズマ源も同時に加熱することになる。そのため、従来技術１では、環状導波管は水冷構造とされているが、この冷却装置は、絶えず加熱され続けるため、耐熱衝撃や耐熱などの設計が必要となり、手間が掛かる上、構造も非常に複雑なものとなる。
【０００７】
ところで、環状導波管内部には、マイクロ波電力が伝播しているが、その伝播特性は、当該環状導波管内表面の電気抵抗に強く依存する。導波管の温度が高くなると表面抵抗の増加に伴い、マイクロ波の伝播特性が悪化する。更に、高熱により空気中の酸素と導波管材料が化合し、導波管表面に酸化膜が形成された場合、表面抵抗は著しく増大する。
例えば、導波管の温度が０℃から１２００℃に増加した場合、主な金属の表面抵抗は、約３．５倍となる。導波管内では、電波が導波管表面に電流を生じながら反射するので、導波管内表面の電気抵抗は大きな影響を持ち、導波管による損失は、約３．５倍となり、更に温度による表面の酸化などの影響を加えると、導波管による損失は多大となり、無視できなくなる。
【０００８】
導波管による損失が大きくなった場合、損失分だけマイクロ波の供給効率が悪化するだけではなく、マイクロ波電波に伴う導波管表面でのジュール熱で導波管自体が発熱体となり、更に導波管の伝播効率が低下し、損失が増し、ジュール熱が発生するという悪循環をたどり、導波管表面の酸化の影響も受けて、導波管に致命的な損傷を生み出す。
あるいは、導波管に機械的な損傷を与えない場合でも、導波管の電気的損失が増大することによるマイクロ波出力の低下が生じるなどの弊害も生み出す。
【０００９】
従って、環状導波管全体を覆う加熱炉を有した従来技術１では、たとえ環状導波管を冷却する構造としても、その温度上昇は避けられず、マイクロ波出力の低下などの弊害が生じる恐れがあった。
そこで、本発明は、環状導波管を直接加熱することなく、反応室を加熱するようにしたプラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、本発明の特徴とするところは、環状導波管の内側に当該環状導波管の側方から貫通するように配置され、且つ両端部において外界に対する内部の気密状態が保持された長尺の中空管から構成されている反応室に、前記環状導波管によりマイクロ波電力を供給し、前記反応室の内部にプラズマを生じせしめて中空管の内面に成膜を行うためのプラズマ処理をするプラズマＣＶＤ装置において、前記中空管の両端部がそれぞれ着脱自在に取り付けられ、且つ同期して正逆回転駆動されるように構成された一対のチャックを有する回転装置を備えており、前記環状導波管と前記中空管とは当該中空管の軸方向に相対移動自在とされ、前記環状導波管の側方に前記反応室を加熱する加熱装置が設けられ、該加熱装置と前記環状導波管とは、前記プラズマ処理された中空管を径方向から取り出し可能なように中空管軸心と平行な軸線回りに回動自在に枢支結合されて上部が上方に回動自在とされた上下２分割構成とされている点にある。
【００１１】
本発明の構成によれば、加熱装置は、環状導波管の側方に設けられているため、直接的に環状導波管を加熱することなく、反応室を加熱することになる。従って、環状導波管は、加熱装置により直接加熱されることがなくなり、温度上昇が抑えられる。加えて、加熱装置及び環状導波管を分割することで中空管を容易に取り出すことができる。
加熱装置は、中空管を覆う筒状の加温部を有し、該筒状加温部が径方向２分割構成とされているのが好ましい。
【００１２】
前記環状導波管と加熱装置とは、連動して、前記中空管を径方向から取り出し可能に開閉自在な構造とされているのが好ましい。
前記中空管が光ファイバ母材とされる中空基板であることが好ましい。
前記加熱装置は、環状導波管の両側方に設けられ、該加熱装置及び環状導波管と、中空管とは、中空管の軸方向に相対移動自在とされているのが好ましい。
好ましくは、前記加熱装置は前記環状導波管の両側に接するように左右一対で配備され、当該環状導波管の内周部に設けられたマイクロ波遮断用円筒は前記加熱装置内に入り込むように設けられているとよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１、２に示すプラズマＣＶＤ装置は、光ファイバ母材を製造するものであり、反応室１自体が中空基板とされたものであり、この反応室１は、両端開口の中空石英ガラス管から構成されている。
このプラズマＣＶＤ装置は、前記反応室１、即ち、石英管１の中空部２を減圧する減圧手段３と、前記中空部２にガスを供給するガス供給手段４と、前記石英管１の外周域からマイクロ波を照射して、前記中空部２内のガスのプラズマを生成して該中空部２の内面に被膜を形成させる環状導波管５とを備えている。
【００１４】
前記石英管１の直径は２０ｍｍ〜６０ｍｍ、長さは１〜２ｍである。
前記環状導波管５は、反射マイクロ波を吸収するためのアイソレータ６を介して、マイクロ波発振用マグネトロン７に接続されて、マイクロ波照射装置を構成している。
前記アイソレータ６は、該マグネトロン７が負荷から反射してきたマイクロ波によって損傷を受けることを防ぐために、反射マイクロ波を水負荷で吸収するようになっており、マグネトロン７と共に、水冷機構が設けられている。この冷却機構は、空冷であってもよい。
【００１５】
前記環状導波管５は、移動台８に設けられている。この移動台８は、ベッド９に左右方向移動自在に設けられている。
なお、前記環状導波管５以外のアイソレータ６、マグネトロン７、及びそれらを接続するための導波管も前記移動台８に設けられている。従って、これらの重量を極力小さいものとし、移動エネルギを小さなものとしている。
この移動台８は手動ハンドル１０により左右方向移動自在とされていると共に、モータなどの駆動装置により移動自在に構成されている。そして、この移動台８の移動速度や距離は、制御装置により制御可能とされている。この移動台８を、パソコンやシーケンサで制御し、移動速度、移動加速度、移動距離などを任意に制御するのが好ましい。これら移動台８などにより、環状導波管５の移動装置が構成されている。
【００１６】
前記ベッド９の一端部には、ヘッドストック１１が固定的に設けられ、他端部にはテールストック１２が左右方向移動固定自在に設けられている。
前記ヘッドストック１１には、チャック１３が回転自在に支持され、このチャック１３に石英管１の一端部が着脱自在に取り付けられる。前記テールストック１２にも、チャック１４が回転自在に支持され、このチャック１４に石英管１の他端部が着脱自在に取り付けられる。これら両チャック１３，１４は、同期して正逆回転駆動されるように構成されている。チャック１３，１４の回転速度は制御装置により制御される。これらチャック１３，１４などにより石英管１の回転装置が構成されている。
【００１７】
そして、前記ヘッドストック１１に前記ガス供給手段４が接続され、前記テールストック１２に前記減圧手段３が接続されている。このヘッドストック１１及びテールストック１２の両チャック１３，１４に、前記石英管１の両端部を把持した状態において、該石英管１の中空部２は、外界とは気密状体を保持して前記ガス供給手段４と減圧手段３とに連通可能とされている。
なお、前記説明においては、ヘッドストック１１にガス供給手段４を接続し、テールストック１２に減圧手段３を接続したが、これは夫々反対にもでき、ヘッドストック１１に減圧手段３を接続し、テールストック１２にガス供給手段４を接続しても同様の効果が得られる。
【００１８】
前記減圧手段３は、主として真空ポンプから成り、石英管１の中空部２の圧力を減圧保持する。塩素系ガスなど、金属を腐食するガスを使用することがあるので、これらのガスに対して腐食しないように構成されている。
前記ガス供給手段４は、石英管１の中空部２の内面に生成する被膜の種類に応じて必要な反応ガスを供給するものであり、例えば、ＳｉＣｌ₄＋Ｏ₂、ＳｉＣｌ₄＋ＧｅＣｌ₄＋Ｏ₂、ＳｉＣｌ₄＋Ｏ₂＋Ｃ₂Ｆ₆等のガスを供給する。
前記環状導波管５の側方に加熱装置１５が設けられている。
【００１９】
この加熱装置１５は、前記両チャック１３，１４に把持された石英管１を、その径外方向から覆うように設けられている。この実施の形態では、加熱装置１５は、環状導波管５に密着してその両側方に一対設けられており、環状導波管５と一緒に左右方向移動自在とされている。
この一対の加熱装置１５は、左右対称のものでも、非対称のものであっても良く、要は、石英管１に均一な熱量を与えるものであればよい。
この加熱装置１５の熱源として、電気ヒータを用いているが、火炎を利用したものであっても良く、更に、マイクロ波や高周波などの加熱手段を用いても良い。
【００２０】
前記環状導波管５の内面に周方向に等間隔を有して４個所にスロットアンテナが配置されている。このスロットアンテナは、前記導波管５の内周面に、石英管１の軸心と平行に開口されたスロットからなり、錐形電磁ホーンアンテナとされている。
マグネトロン７、アイソレータ６を通じて送られてきた２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、導波管を通じて環状導波管５に供給され、スロットアンテナから石英管１に照射される。
【００２１】
石英管１の内部２でプラズマが発生し、石英管１の内面にプラズマＣＶＤによる成膜が行われる。
環状導波管５と加熱装置１５は、同じ移動台８に設けられているため、図１の左右に繰り返し往復しながら石英管１の内面に被膜を形成する。
このようにして、環状導波管５の内部の石英管１の内面にプラズマＣＶＤによる成膜が行われるが、該石英管１に必要な熱量は、環状導波管５を挟む両側の加熱装置１５によって供給される。
【００２２】
その結果、環状導波管５には、加熱された石英管１からの輻射熱は受けるものの、外部からの熱の進入はなく、従来の方法に比べ、環状導波管５の冷却が容易になる。
しかし、図１，２に示すものでは、加熱装置１５が開閉しない構造とされているので、石英管１を交換する際に、ヘッドストック１１又はテールストック１２から石英管１の長手方向に、石英管１を挿入する必要があり、装置の両端に少なくとも石英管１の長さ分のスペースが必要となる。
【００２３】
そこで、図３，４に示すものでは、加熱装置１５は、石英管１をその径方向から取り出し可能なように分割構造とされている。
即ち、加熱装置１５は、石英管１の軸心を介して上下に２分割構造とされ、その側方で、石英管１の軸心と平行な軸心回りに回動自在に枢支されて、その上部１６が上方に回動自在とされている。
加熱装置１５の上部１６を上方に回動して開くことにより、石英管１を径方向から取り出すことができる。
【００２４】
加熱装置１５の分割構造は、２分割に限定されるものではなく、また、下部と上部１６を枢支結合するものに限定されるものではなく、結合することなく独立に分離するようにしても良い。
また、左右一対の加熱装置１５の上部１６同士をリンク機構などで連結して、左右同時に開閉できるようにしても良い。さらに、上部１６を開いたとき、環状導波管５に供給されるマイクロ波を停止するように、インターロック機構を設けるのが好ましい。
【００２５】
なお、環状導波管５や加熱装置１５を含む移動台８をヘッドストック１１側又はテールストック１２側に寄せておき、反対側のストック１２または１１を、石英管１の軸心に直交する水平方向に移動させるように構成すれば、石英管１の交換がより容易になる。
前記加熱装置１５は、具体的には、内周面が円形の筒状の加温部１７を有し、この加温部１７をカバー体で覆っている構造とされている。この加温部１７に熱源が設けられている。この筒状の加温部１７により、石英管１を覆って加熱する構造とすれば、石英管１の周方向に対して均一な熱を与えることが可能である。なお、この筒状加温部１７は、その直径上において分割構造とされている。この筒状加温部１７の内周面形状は、円形に限らず、直方体状、多角状の筒構造であってもよい。
【００２６】
尚、２分割する面は、石英管１の通る面であれば何でも良く、平面である必要はない。図では石英管１を通る平面を有する半円形としているが、扇形や弧形であっても良い。要は、加温部１７の分割面開口から石英管１が径方向に取り出せればよい。また、上部１６の開閉を楽にするためには、上部１６の体積をできるだけ小さなものとする構造が好ましい。
図５，６に示すものは、環状導波管５も、石英管１を径方向から取り出し可能に分割構造とされている。即ち、前記加熱装置１５と同じように上下２分割構造とされおり、上部が上方に開閉自在となるよう、下部に枢支されている。
【００２７】
この場合、環状導波管５と加熱装置１５は、別個に開閉自在とされている。環状導波管５の上部と加熱装置１５の上部をリンク機構で連結して、両者の開閉を連動するようにするのが好ましい。
環状導波管５の分割する面は、石英管１の通る面であれば何でも良く、平面である必要はない。図では石英管１を通る平面を有する半円形としているが、扇形や弧形であっても良い。上部の開閉を楽にするためには、上部の体積をできるだけ小さなものとする構造が好ましい。
【００２８】
尚、環状導波管５の内周部の左右側部には、上下２分割とされたマイクロ波遮断用円筒１８が設けられている。
図７、８に示すものは、環状導波管５と加熱装置１５が、一体構造とされているものである。このような構造にすることにより、環状導波管５と加熱装置１５の隙間をなくすることができ、マイクロ波の漏洩対策が容易になる。この例においても、分割形状は、石英管１を通る面であれば何でも良い。
尚、本発明は、前記実施の形態に示すものに限定されるものではない。例えば、環状導波管５は、その側面や内面等を冷却する構造であっても良く、また、環状導波管５の内面を、石英管１からの輻射熱を反射するように鏡面に研磨して、断熱する方法も有効である。また、石英管と環状導波管の内面との間に断熱機構を設けるのもよい。
【００２９】
なお、移動装置は、環状導波管５を移動させる移動台８などにより構成したが、環状導波管５を固定して、石英管１を移動させるものであっても良い。
反応室１として石英管を例示したが、従来例２に示すような反応室にも本発明は、適用でき、また、光ファイバ母材を製造する装置に限定されるものではない。
また、加熱装置１５や環状導波管５の分割構造は、２分割に限らず、その他の分割構造であってもよく、要は、反応室１をその径方向から取り出すことができればよい。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、反応室の加熱が均一に行われ、かつ、環状導波管に影響を与えないので、環状導波管の冷却が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係わるプラズマＣＶＤ装置の側面図である。
【図２】図２は、図１の正面図である。
【図３】図３は、加熱装置を分割構造とした実施の態様を示す側面図である。
【図４】図４は、図３の正面図である。
【図５】図５は、加熱装置と環状導波管を分割構造とした側面図である。
【図６】図６の左側の図は、図５の要部を示し、同右側の図は、その正面図である。
【図７】図７は、環状導波管と加熱装置とが一体構造で開閉自在とされたものであり、同図左側の図は要部側面図、同右側の図はその正面図である。
【図８】図８は、図７の左側の図におけるＡ−Ａ線断面図である。
【符号の説明】
１反応室（石英管）
５環状導波管
１５加熱装置
１７加温部

Claims

環状導波管の内側に当該環状導波管の側方から貫通するように配置され、且つ両端部において外界に対する内部の気密状態が保持された長尺の中空管から構成されている反応室に、前記環状導波管によりマイクロ波電力を供給し、前記反応室の内部にプラズマを生じせしめて中空管の内面に成膜を行うためのプラズマ処理をするプラズマＣＶＤ装置において、
前記中空管の両端部がそれぞれ着脱自在に取り付けられ、且つ同期して正逆回転駆動されるように構成された一対のチャックを有する回転装置を備えており、
前記環状導波管と前記中空管とは当該中空管の軸方向に相対移動自在とされ、
前記環状導波管の側方に前記反応室を加熱する加熱装置が設けられ、該加熱装置と前記環状導波管とは、前記プラズマ処理された中空管を径方向から取り出し可能なように中空管軸心と平行な軸線回りに回動自在に枢支結合されて上部が上方に回動自在とされた上下２分割構成とされていることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
前記加熱装置は、中空管を覆う筒状の加温部を有し、該筒状加温部が径方向２分割構成とされていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記環状導波管と加熱装置とは、連動して、前記中空管を径方向から取り出し可能に開閉自在な構造とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記中空管が光ファイバ母材とされる中空基板であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記加熱装置は、環状導波管の両側方に設けられ、該加熱装置及び環状導波管と、中空管とは、中空管の軸方向に相対移動自在とされていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記加熱装置は前記環状導波管の両側に接するように左右一対で配備され、当該環状導波管の内周部に設けられたマイクロ波遮断用円筒は前記加熱装置内に入り込むように設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ装置。