JP4610126B2 - プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

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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−ａｃｔｉｖｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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、「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｉｒｅ ＆ Ｃａｂｌｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ １９９８」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、石英管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。
「従来技術３」
米国特許第５，５１７，０８５号明細書には、円環状導波管の内周面に、周方向一定間隔でスロットアンテナが配置されたリングリゾネータと、リングリゾネータ内部に挿入された円筒状の石英管を有するプラズマ発生装置が開示されている。そして、スロットアンテナとして、反応室側に向かってその開口面積が広くなる角錐型の電磁ホーンアンテナが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマＣＶＤ法により、光ファイバ母材の石英管内部に、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、環状導波管の石英管と対面する面を中心に、当該石英管からの輻射熱を受けて、高温となる可能性がある。
【０００７】
前記「従来技術１」では、環状導波管は水冷構造とされているが、その冷却部分は、環状導波管の側壁部分であり、高温の石英管に対面する内周面側は冷却されていないので、内面側の温度上昇は避けられない構造となっている。
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。
【０００８】
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。
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、マイクロ波伝播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。
【０００９】
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。
また、プラズマが生成していないプラズマ着火前の段階では、スロットから漏れ出るマイクロ波量が少ないため、環状導波管で構成されるマイクロ波共振回路の損失は、導波管内で発生するジュール熱によって大きく支配されることになる。このため、環状導波管内部の損失が大きい場合は、着火特性が低下するなどの性能低下をきたす。
【００１０】
従って、環状導波管は良好なマイクロ波電波特性を確保するために、導波管内の電気伝導性を良好に保つ必要があり、したがって、低温を維持しておく必要がある。
そこで、本発明は、環状導波管の温度を低温に維持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。
【００１１】
【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、環状の導波管の内側に配置された反応室内に、当該環状導波管の内周部に周方向所定間隔を有して設けられ、反応室側に向かって開口面積が広くなる複数のスロットからなる電磁ホーン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装置であって、前記環状導波管と反応室との間に、前記複数の電磁ホーンアンテナの間における当該環状導波管の内周部の周方向に沿い且つ軸方向に延びた冷却装置が配置されている点にある。
【００１２】
本発明の構成によれば、反応室などからの熱量は冷却装置により外部へ放出することが可能になり、導波管の内面を高温から保護することができ、安全且つ安定したマイクロ波供給を実現できる。また、前記冷却装置は、環状導波管の内周部で且つ前記アンテナ間に設けられているのが好ましい。このような構成により、アンテナからのマイクロ波照射を妨げない。
即ち、前記アンテナからマイクロ波を安定して放射するためには、アンテナの導波管側と反応室側で十分な特性インピーダンスの整合をとることが必要とされる。反応室側の特性インピーダンスは、アンテナ近傍の空間電磁界分布に大きく依存し、該アンテナ近傍にある特に金属体の存在によって変化を受ける。
【００１３】
特に冷却装置が金属などの導電体で不用意に作製された場合には、スロットから放射されたマイクロ波電磁場に冷却装置の導電体が影響を与えて、マイクロ波の放射効率が低下する。
そこで、本発明では、冷却装置をスロット間に設けるようにしたのである。
また、反応室と環状導波管で囲まれる空間の電磁界を安定させ均一化させる目的で、環状導波管の内周壁に冷却装置を埋め込むことが考えられるが、このような構成にすると、内周壁の厚みが厚くなる。厚くなった壁にスロットを設けた場合、スロット内のマイクロ波は、波長よりも狭い間隙を長い距離、伝播する必要が生じ、前記特性インピーダンスの整合が得難くなり、該マイクロ波は該スロットの位置で反射され、環状導波管に戻される。従って、マイクロ波は反応室側に照射されにくくなる。
【００１４】
そこで、本発明では、前記アンテナを、スロットの開口が反応室側に向かってその開口面積が広くなる電磁ホーンアンテナとして構成するのが好ましい。
このような構成により、マイクロ波照射効率の向上が図られる。
即ち、当該電磁ホーンは、スロットから開口面積を徐々に広げたものであるので、特性インピーダンスを徐々に導波管内部のインピーダンスから空間の特性インピーダンスに近付け、最終的には導波管に設けられたスロットと空間の間の特性インピーダンスを整合する働きを持つ。このような手段により、安定したマイクロ波の供給が実現できる。
【００１５】
前記電磁ホーンアンテナの形状は、角錐型とされるのが好ましい。このような形状にすることにより、その製作が容易となる。
前記角錐型電磁ホーンアンテナの錐の頂角は、３０〜９０度の範囲が好ましく、より好ましくは、５０〜６０度である。
即ち、電磁ホーンは、一般的には、頂角が小さいほどインピーダンス変化が徐々になり、マイクロ波の放出効率がよくなる。しかし、ホーンの長さ、つまり導波管内周壁の厚みが限られているので、開口面積を大きくできず、アンテナの利得が小さくなる。即ち、あまり頂角を小さくすると、マイクロ波は伝播しにくくなり、大部分のマイクロ波は環状導波管内に反射されてしまい、外部空間に放出されなくなる。
【００１６】
逆に電磁ホーンの頂角が広いと、放射されるマイクロ波の波面が歪曲し、電磁ホーンによる徐々たる特性インピーダンスの変化の効果が得られなくなり、マイクロ波の放射効率が低下する。
本発明者らは、環状導波管に設けられた４本のスリット夫々にホーン長さ３０ｍｍの角錐型電磁ホーンアンテナを設置して、環状導波管とその中心を一にする減圧したアルゴンガスを封入した石英管から成る反応室を設置してマイクロ波照射の実験をしたところ、ホーン角度２０度では有効なマイクロ放射が得られず、石英管にプラズマ発生を実現することはできなかった。頂角３０度では、有効なマイクロ波照射が得られ、プラズマを発生することができた。
【００１７】
次に同様の条件において、電磁ホーンの形状を１２０度とした場合、有効なマイクロ波照射が得られず、石英管にプラズマ発生を実現することはできなかった。しかし、９０度とすることで、放射効率は悪いもののマイクロ波の放射が行われ、プラズマを発生することができた。
従って、頂角が３０〜９０度の間であればプラズマ発生が可能であることが確認できた。
次に発明者らは電磁ホーンの頂角を５３度とし、同様の実験をしたところ、良好なマイクロ波放射が得られ、十分なプラズマを得ることができた。この条件の時、最も強いプラズマを得ることができた。
【００１８】
従って、頂角の最適条件は、５０〜６０度である。
更に、本発明においては、前記複数のアンテナの間に配置された冷却装置と反応室との間に断熱材を配置するのが好ましい。
このように断熱材を配置することにより、より環状導波管の冷却性を高めることができる。この断熱材は、マイクロ波を吸収しにくい材料に選定すれば、電磁ホーンと電磁ホーンの間だけでなく、ホーンの前面にも配置できる。
前記反応室自体を中空基板とすれば、該中空基板の内面に膜を形成させることができるので、該中空基板を光ファイバの母材とすることができる。
【００１９】
この場合、前記中空基板と環状導波管は、軸方向に相対移動可能に設けられるのが好ましい。
このように構成することにより中空基板を長尺物とすることができる。
【００２０】
【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、石英管１の内面にシリコン系材料などを堆積成膜するものである。
このプラズマＣＶＤ装置は、前記石英管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。
【００２１】
この実施の形態では、前記石英管１の中空部２が反応室とされ、石英管１自体が中空基板とされ、該中空基板の内面に被膜が形成される。そして、石英管１の直径は２０ｍｍ〜３０ｃｍ、長さは１〜２ｍとされている。
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が負荷により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。
【００２２】
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。
【００２３】
前記ベッド９の一端部には、ヘッドストック１１が移動可能に設けられ、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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
前記ベッド９上には、前記両チャック１３，１４に把持された石英管１及び環状導波管５を覆うように、炉装置１５が設けられている。この炉装置１５は、開閉自在な蓋体１６を有し、該蓋体１６を開くことにより、前記石英管１の取り外しを可能としている。
【００２６】
図３、４に示す様に、前記環状導波管５は、同心円上に配置された環状の内周壁１７と外周壁１８と、これら両壁１７，１８の端部をつなぐ左右側壁１９，１９とを有し、内周壁１７と外周壁１８の間に、マイクロ波電力が伝播する環状空間が形成されている。
前記環状導波管５の内周部に、内側にマイクロ波電力を供給するためのアンテナ２０が設けられている。
このアンテナ２０は、内周壁１７の周方向に等間隔を有して４個所に設けられたスロット２１から構成されている。このスロット２１は、石英管１の軸心と平行に開口された矩形状の孔からなる。
【００２７】
なお、前記環状導波管５とアイソレータ６とは、角パイプ状の導波管２２を介して結合されいる。即ち、環状導波管５の外周壁１８と導波管２２の一側壁とが連通部２３を介して接続され、その連通部２３にカップリングアンテナ２４が設けられている。
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２２を通じてカップリングアンテナ２４まで伝播する。マイクロ波電力は、１〜１０ｋＷとされている。カップリングアンテナ２４は、導波管２２と環状導波管５を電磁気的に結合する目的で設置されており、電気伝導性のよい材料でできた金属棒が導波管２２と環状導波管５の間を貫く形態で設置されている。このカップリングアンテナ２４の差し込み深さは、手動又は自動で変更できるようになっており、当該カップリングアンテナでマイクロ波の反射を変化させ、マイクロ波の整合状態を調整したり、導波管２２内のマイクロ波と環状導波管５内のマイクロ波の結合状態を任意に変更できたりするようになっている。
【００２８】
なお、本実施の形態では、マイクロ波の整合をとるために、カップリングアンテナ２４の他に、導波管２２の終端部に導電性の金属で形成された可動プランジャチューナ２５を設けている。可動プランジャ２５は、手動或いは自動で位置を変更できるようになっている。
尚、可動プランジャ２５の可変位置変更範囲は、マイクロ波の管内波長の半分以上であればよいが、調整の利便性から半波長〜１波長とすることが尚好ましい。
【００２９】
この可動プランジャ２５とカップリングアンテナ２４によって、マイクロ波の整合をとる。マイクロ波の整合状態は、マグネトロン５から出力されるマイクロ波電力と、アイソレータ６に戻るマイクロ波の電力で確認できる。マイクロ波の出力電力に比べ、反射電力が小さいほど、整合がよくとれていることを示す。マイクロ波の進行波及び反射波の電力は、クリスタル検波器などで測定するのが好ましいが、進行波電力においては、マグネトロン７に供給されている電力から類推することもできるし、反射波電力においては、アイソレータ６に供給される電力を測定しても略同じ結果を得ることができる。
【００３０】
整合が得られ、十分なマイクロ波電力が出力されていれば、アンテナ２０から石英管１内のガスにマイクロ波が供給され、圧力、ガス種などの諸条件が整えば、プラズマ２６が発生し、所望の化学変化が進行し、石英管１の内面に膜堆積が実施できる。
この場合、炉装置１５によって加熱された石英管１は、最高１２００℃程度になるが、この輻射熱によって環状導波管５が加熱され、温度が上昇する。
そこで、本発明では、上記過熱の問題を克服するために、環状導波管５を冷却するための冷却装置２７を設け、環状導波管５を熱から守り、安全且つ安定したマイクロ波供給を実現しようとしたものである。
【００３１】
前記冷却装置２７は、環状導波管５と反応室である石英管１との間に設けられている。より具体的には、内部に水または油或いは気体等の冷媒を通す冷却パイプ２８を環状導波管５の内周壁１７の内面に取り付けて冷却装置２７を構成している。
この冷却パイプ２８は、スロット２１の開口を塞がないように、スロット２１間に設けられている。
冷却装置２７を作る材質は、１２００℃以上の融点を持つ材料が好ましい。最高１２００℃の温度に達する光ファイバ製作プロセスにおいて、何らかの原因で、環状導波管５が１２００℃以上になった場合、冷却装置２７が溶融し、破損するのを未然に防ぐためである。
【００３２】
前記冷却装置２の冷却能力は、石英管１からの輻射熱、環状導波管５が直接炉装置１５から受ける熱量、環状導波管５の内部で生じるマイクロ波損失により吸収した熱量などを外部に放出できるものである。
ところで、前記アンテナ２０からマイクロ波を安定して放射するためには、アンテナ２０から見て環状導波管５側と石英管１側とで、十分な特性インピーダンスの整合をとることが必要である。前記石英管１側のインピーダンスは、石英管１や環状導波管５の外形、或いは、環状導波管５に設置されている構造物の影響を大きく受ける。
【００３３】
環状導波管５のアンテナ２０が、スロットアンテナであった場合、スロット２１の間に冷却装置２７を設けると、特に冷却装置２７が金属などの導電体で作製された場合には、冷却装置２７の導電体が影響を与えて放射空間の特性インピーダンスに影響を与え、マイクロ波の放射効率が低下することが懸念される。
即ち、一般に環状導波管５内部の特性インピーダンスは、環状導波管５外の空間特性インピーダンスと異なっており、スロット形状のように導波管５の壁から直ぐに外部空間にマイクロ波を放射するような構造の場合、特性インピーダンスの整合がとりにくく、導波管５を伝播してきたマイクロ波はスロットの位置で反射され、効率よく空間に放射しづらくなる。
【００３４】
特に、アンテナ２０近傍に冷却装置２７に代表される放射空間の特性インピーダンスを乱すものが配置されている場合は、上記傾向は強く、また、マイクロ波を安定して放射するための整合条件などを、事前に予測することも極めて難しくなる。
そこで、図５，６に示すように、環状導波管５の内側に設置される冷却装置２７が、環状導波管５と石英管１で囲まれる空間の特性インピーダンスに影響を与え難いようにするために、冷却パイプ２８を環状導波管５の内周壁１７に埋める形態とした。
【００３５】
この場合、冷却パイプ２８を環状導波管５の内周壁１７に収納する必要がでてくるので、必然的に環状導波管５の内周壁１７の肉厚が厚くなる。
内周壁１７の肉厚が厚くなると、アンテナ２０のスロット２１において、マイクロ波は、狭い隙間を長い距離伝播する必要があり、薄い内周壁のときと同様の放射特性を得ることは極めて難しくなる。このように厚い内周壁１７にスロットアンテナを設置した場合は、マイクロ波は、該スロット２１の位置で反射され、環状導波管５内に戻される。従って、石英管１に有効なマイクロ波照射が行われにくくなる。
【００３６】
そこで、図７，８に示すように、アンテナ２０を、スロット２１の開口面積を徐々に広げた形状とした電磁ホーンアンテナ２９とした。このような形状とすることにより、特性インピーダンスを徐々に空間の特性インピーダンスに近付け、最終的には環状導波管５の内周壁１７に設けたスロット２１と空間の間の特性インピーダンスを整合する働きを持つ。
電磁ホーンアンテナ２９は、電気伝導性のよい材質が好ましいが、表面を電気伝導性のよい銀や金などをメッキするのもよい。２．４５ＧＨｚの高周波では、表皮効果が表れるため、メッキ厚さは数ミクロンでよい。
【００３７】
図９に示すものは、前記電磁ホーンアンテナ２９の形状の一例であり、角錐型に形成されている。このような角錐型にすることにより、その製作が容易となる。また、角錐型とすることにより、大容量の冷却装置２７を設置することができる。
図１０に示すように、前記電磁ホーンアンテナ２９の形状を楕円形にすることもできる。このように楕円形にすれば、マイクロ波照射領域を楕円形にして、マイクロ波照射領域の強度分布を丸く一様にすることができる。
【００３８】
図１１に示す如く、前記電磁ホーンアンテナ２９は、ホーン長さＬが長く、頂角α（開き角）が狭いほど、特性インピーダンスの変化が小さくなり、放出効率がよくなる。
しかし、内径が１００ｍｍ程度の環状導波管５のスロット２１の代わりに取り付けた電磁ホーンアンテナ２９の場合、あまり頂角αを小さくすると、開口面積が小さくなり、伝播しにくくなり、大部分のマイクロ波は環状導波管５内に反射されてしまい。外部空間に放出されなくなる。
【００３９】
逆に電磁ホーンアンテナ２９の頂角αが広いと、電磁ホーンアンテナ２９による特性インピーダンスの空間的変化の効果が得られなくなり、また、アンテナから放射されるマイクロ波の波面が歪曲するため、マイクロ波の放射効率が低下する。
実験によれば、環状導波管５の内周面１７に設けられた４本のスロット２１の夫々にホーン長さＬ＝３０ｍｍの角錐型電磁ホーンアンテナ２９を設置して、環状導波管５の内側に、減圧したアルゴンガスを封入した石英管１から成る反応室２を設置して、マイクロ波照射をしたところ、ホーン角度α＝２０度では有効なマイクロ放射が得られず、石英管１にプラズマ発生を実現することはできなかった。頂角α＝３０度では、有効なマイクロ波照射が得られ、石英管１内部に有効なプラズマを発生することができた。
【００４０】
次に同様の条件において、電磁ホーンアンテナ２９の頂角α＝１２０度とした場合、インピーダンス整合が得られにくく、十分なプラズマを発生させることが出来なかった。頂角α＝９０度とすることで、十分なマイクロ波の放射が行われ、石英管１に有用なプラズマの発生を確認した。
次に、電磁ホーンアンテナの頂角αを５３度とし、同様の実験をしたところ、最も反射電力が小さい状態でマイクロ波放射が実現でき、十分なプラズマを得ることができた。
【００４１】
この結果は、次のとおり解釈できる。
電磁ホーンアンテナ２９は、パラボラアンテナに代表される開口アンテナの一種であり、開口部の面積が大きいほど、指向性が鋭くなり、高い利得が得られることが知られている。従って、頂角αが小さい場合には、開口面積が小さくなるので、利得が減少し、マイクロ波の放射効率も低下する。勿論、電磁ホーンアンテナ２９の長さＬを長くすれば、小さい角度αでも開口面積を大きくすることは可能であるが、環状導波管５の内径や石英管１の外径で、該電磁ホーンアンテナ２９の長さＬは必然的な制限を受ける。一方、頂角αを大きくすると、指向性が向上し、利得も増す傾向にあるが、該頂角αを大きくしすぎると、アンテナ２９から放出されるマイクロ波の波面が歪曲し、電磁ホーンアンテナ２９の放射効率が低下する。
【００４２】
従って、電磁ホーンアンテナ２９の長さＬが装置構成によって必然的に決定され、この長さＬにおいて、元もアンテナ放射効率の高い頂角αが決定される。
実験によると、長さＬは、３０ｍｍにおいて、頂角αは５３度が最適であるが、３０〜９０度の範囲で有効なマイクロ波放射を確認した。
なお、必要となる冷却装置２７に要求される冷却能力、即ち、冷却装置２７の体積と電磁ホーン２９のマイクロ波放出効率を鑑みて、電磁ホーンアンテナ２９の頂角αを定めるとよい。
【００４３】
図１２，１３に示すものは、環状導波管５の内周壁１７に取り付けた冷却パイプ２８を、熱伝導性がよく、かつ電気伝導性のよい材料２８、例えばステンレスなどの金属で埋めたものである。そして、石英管１に対する面を平滑化し、マイクロ波の反射特性がよいように鏡面研磨などの処理を施した。このように構成することにより、一層マイクロ波の放出特性の改善が期待できる。
図１４，１５に示すものは、石英管１と環状導波管５の間に、断熱材３０を設置したものである。
【００４４】
冷却装置２７を設けた場合でも、石英管１からの輻射が大きく、環状導波管５並びに電磁ホーンアンテナ２９や冷却装置２７の温度が高くなる場合には、石英管１と環状導波管５の間に、断熱材３０を設置することで、より環状導波管５の冷却性を高めることができる。
前記断熱材３０は、マイクロ波を吸収しにくい材料に選定すれば、電磁ホーンアンテナ２９同士の間だけではなく、電磁ホーンアンテナ２９の前面にも設置できる。
【００４５】
尚、本発明は、前記実施の形態に示したものに限定されるものではなく、「従来技術２」に示す装置にも適用できる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、環状導波管と反応室との間に冷却装置を配置したので、環状導波管の過熱を防止できる。また、アンテナを、スロットの開口が反応室側に向かって開口面積が広くなる電磁ホーンアンテナとしているので、マイクロ波の放射効率の低下が防止される。
【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、環状導波管の断面図である。
【図４】 図４は、図３の断面図である。
【図５】 図５は、環状導波管の他の実施の形態を示す断面図である。
【図６】 図６は、図５の断面図である。
【図７】 図７は、環状導波管の他の実施の形態を示す断面図である。
【図８】 図８は、図７の断面図である。
【図９】 図９は、電磁ホーンアンテナの分解斜視図である。
【図１０】 図１０は、他の実施の形態を示す電磁ホーンアンテナの分解斜視図である。
【図１１】 図１１は、電磁ホーンアンテナの形状の説明図である。
【図１２】 図１２は、環状導波管の他の実施の形態を示す断面図である。
【図１３】 図１３は、図１２の断面図である。
【図１４】 図１４は、環状導波管の他の実施の形態を示す断面図である。
【図１５】 図１５は、図１４の断面図である。
【符号の説明】
１ 石英管（中空基板）
２ 中空部（反応室）
５ 環状導波管
２０ アンテナ
２１ スロット
２７ 冷却装置
２９ 電磁ホーンアンテナ

Claims (8)

  1. 環状の導波管の内側に配置された反応室内に、当該環状導波管の内周部に周方向所定間隔を有して設けられ、反応室側に向かって開口面積が広くなる複数のスロットからなる電磁ホーン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装置であって、
    前記環状導波管と反応室との間に、前記複数の電磁ホーンアンテナの間における当該環状導波管の内周部の周方向に沿い且つ軸方向に延びた冷却装置が配置されていることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
  2. 前記電磁ホーンアンテナの形状を、角錐型としたことを特徴とする請求項１記載のプラズマＣＶＤ装置。
  3. 前記角錐型電磁ホーンアンテナの錐の頂角を、３０〜９０度としたことを特徴とする請求項２記載のプラズマＣＶＤ装置。
  4. 前記角錐型電磁ホーンアンテナの錐の頂角を、５０〜６０度としたことを特徴とする請求項２記載のプラズマＣＶＤ装置。
  5. 前記複数のアンテナの間に配置された冷却装置と反応室との間に断熱材を配置したことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のプラズマＣＶＤ装置。
  6. 前記反応室自体が中空基板であり、該中空基板の内面に成膜されることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のプラズマＣＶＤ装置。
  7. 前記中空基板と環状導波管は、軸方向に相対移動可能に設けられていることを特徴とする請求項６記載のプラズマＣＶＤ装置。
  8. 前記中空基板は、光ファイバ母材とされていることを特徴とする請求項７記載のプラズマＣＶＤ装置。
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