JP4660452B2 - 拡径管型プラズマ生成装置 - Google Patents
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Description
また、磁場を増大させることにより、微小なドロップレットを除去することができ、大きな質量を有する帯電ドロップレットも、前記遠心力により高効率に除去することができる。従って、本発明に係るドロップレット除去装置は、被処理物表面に高純度の薄膜を形成することができ、前記被処理物表面に均一な表面改質を施すことができる。また、前記ドロップレット混合プラズマが進行する経路は、磁場強度を調整することにより所望の大きさに設定することができるから、ドロップレット除去装置を小型化することができる。
更に、拡径管外周の直進磁場発生器による直進磁場との電磁相互作用により、プラズマ流が直進磁場の方向に沿って螺旋軌道を描きながら進行するから場合、前記プラズマの旋回方向に回転する回転磁場を前記ドロップレット混合プラズマに印加することにより、前記ドロップレットに作用する遠心力を増大させることができる。従って、前記ドロップレット混合プラズマから前記ドロップレットを高効率に分離して除去することができる。
前記回転磁場印加手段が2つの振動磁場発生器から構成される場合、これらの振動磁場が直交又は略直交するように前記振動磁場発生器が配設できるから、2つの振動磁場を、夫々、X軸成分及びY軸成分とすれば、種々の回転磁場を合成することができる。
前記直交又は略直交する2つの振動磁場の位相差が90°又は略90°に設定される場合、前記2つの振動磁場により回転磁場を容易に制御することができ、安定した回転磁場を発生させることができる。前記2つの振動磁場の振幅を同一に設定すれば、回転磁場の強度を一定に維持することができ、前記ドロップレット混合プラズマを円形に回転させながら筒状進行路内を進行させることができる。前記ドロップレット混合プラズマの進行方向に沿って複数の回転磁場印加手段が前記筒状進行路に配設される場合、複数段に亘ってドロップレットを除去することができ、高純度のプラズマ流を供給することができる。
前記複数の回転磁場印加手段により印加される各回転磁場の位相が同位相に設定されると、簡易に複数の回転磁場印加手段を制御することができる。即ち、前記複数の回転磁場印加手段に接続される制御装置を全て同条件に設定することができ、複数の回転磁場を簡易に調整することができる。
前記複数の回転磁場印加手段により印加される各回転磁場の位相が前記ドロップレット混合プラズマの進行方向に沿って交互に180°又は略180°異なるように設定されると、前記ドロップレット混合プラズマが屈曲する方向が交互に逆方向となるから、遠心力により分離されるドロップレットの放出方向を交互に反転させることができ、分離されたドロップレットが前記ドロップレット混合プラズマに再混入することを防止することができる。
前記振動磁場発生器がコイルを巻回した馬蹄形磁性体から形成される場合、コイルの両端から発生する磁場を拡径管内に印加することができ、前記磁性体に巻回されることにより磁場が増強されるから、高効率に振動磁場を発生させることができる。従って、コイルの自己インダクタンスを小さく設定することができ、振動磁場の最大振動数を増大させることができる。更に、コイルから発生する熱量を前記馬蹄形磁性体を介して放出することができる。
また、拡径管内にアパーチャーを配設するだけであるから、ドロップレットが付着したアパーチャーの壁面や筒状進行路の壁面を容易にオーバーホールでき、付着したドロップレットを取り除く作業を簡単に行うことができる。このように、ドロップレット除去装置全体の構造を簡単化することができ、安価で容易に装置を製作することができる。
前記斜行磁場発生器が筒状進行路の外周面に斜行配置された電磁石又は永久磁石で形成される場合、磁力線が偏心通過孔を湾曲状に通過する斜行磁場が形成される。電磁石で斜行磁場を形成する場合には、コイルの巻数を多くすることによって、強力な斜行磁場を形成することができる。コイルの巻数を変えることによってコイル電流を可変するだけで、磁場の強さを簡単に大小制御することができる。電磁石の傾きを変化させることにより、斜行磁場の角度を簡易に変更・調整することができる。前記電磁石として超伝導磁石(超伝導線をコイルにした電磁石)を用いることにより、エネルギーの損失がほとんど無く、強磁場を発生することができる。また、永久磁石で斜行磁場を形成する場合には、永久磁石の向きを調整することによって、アパーチャーの偏心通過孔に合致した位置の斜行磁場を形成することができる。更に、拡径管の外周に配置する永久磁石のN極とS極の位置を自在に選択することができ、この永久磁石のN極とS極を簡単に取り付けることができる。
直進磁場発生器で発生される直進磁場と径方向磁場発生器で発生される径方向磁場の合成により斜行磁場を形成すると、この斜行磁場は、磁力線が偏心通過孔を湾曲状に通過する位置に形成される。径方向磁場を大きくすることによって、大きく湾曲したプラズマ流を形成でき、偏心通過孔を通過する際にドロップレットを確実に遮蔽除去できる。前記径方向磁場発生器が、筒状進行路の外周にX−X軸方向とY−Y軸方向に直角又は略直角に2組配されると、X−X軸方向とY−Y軸方向の磁場を所定の強度に設定することにより、所望の向きと強度を有する合成磁場を形成することができる。従って、プラズマをアパーチャーの偏心通過孔に誘導する合成磁場を形成することができる。また、2組の径方向磁場発生器が電磁石で形成される場合、電磁コイルの巻数を増加させるか又はコイル電流を調整することにより、合成磁場の向き及び強度を自在に制御することができる。従って、アパーチャーの偏心通過孔の位置を適宜に設定し、この偏心通過孔の位置に適する合成磁場を容易に形成することができる。
また、外周管35にはプローブ電源49が接続され、外周管35と導通している前述したダクト部の電位が調節される。プラズマ自体はプラズマ電位を有しているため、ダクト部の電位は前記プローブ電位とプラズマ電位が重畳された合成電位になる。ダクト部とGNDの間にオッシロスコープを接続すると、前記合成電位の波形が測定され、この波高値や周期などからプラズマパラメータが測定できる。プローブ電源を接続しない場合には、ダクト部の電位は前記プラズマ電位になり、ダクト部とGNDの間にオッシロスコープを接続することによりプラズマ電位を計測することが可能である。プラズマ自体が導通性を有するから、ダクト部の電位がプラズマ電位を反映することから、上記内容が理解できる。
図5の(5B)は縦軸のN/N0に対するプラズマ発生部2におけるアーク電流値との関係を示す。即ち、プラズマ発生部2におけるアーク電流値が140〜30Aの範囲で調整されることにより、上記有効要素の形態因子と同様に、上記ドロップレット低減条件を満足させることができ、本実施形態に係るドロップレット除去部との併用により、ドロップレット除去効率を一層向上させることができる。
図6は、複数の拡径管配置の一例であり、直線状に2個の拡径管200、201を中継縮径管202を介して連接したプラズマ進行路を示す。導入側縮径管203は拡径管201に対して傾斜配置され、拡径管201は中継縮径管202を介して拡径管200に連接され、更に拡径管200には排出側縮径管204が連接されている。これらの連接された拡径管200、201により、複数段階に亘ってドロップレットを除去することができ、高純度のプラズマ流を生成することができる。しかも、図示するように、連接される管路の管軸が合致しないように偏心させて、拡径管200、201に形成される段差部におけるドロップレットの除去効果を高めている。なお、中継縮径管202を湾曲形成して、外部にプラズマ誘導磁場発生部を設け、プラズマ進行路をより屈曲度合いを高めながら複数の拡径管を連接してもよい。
拡径部3には、X軸方向の振動磁場BXを発生させる振動磁場発生器22a、22a及びY軸方向の振動磁場BYを発生させる振動磁場発生器22、22(図9参照)が、振動磁場BXと振動磁場BYが直交するように配設されている。Z軸方向の直進磁場BZは直進磁場発生器24により形成される。回転磁場は振動磁場BXと振動磁場BYの合成磁場からなり、本発明の回転磁場発生手段の具体例として、振動磁場発生器22a、22a及び振動磁場発生器22、22の組合せが挙げられる。前記回転磁場と前記直進磁場の合成により螺旋磁場が形成される。直進磁場発生器24は前記拡径部3の外周に巻回された電磁コイルから構成される。従って、前記ドロップレット混合プラズマは、前記回転磁場と直進磁場により前記筒状進行路を螺旋回転しながら進行する。この回転に基づく遠心力によりドロップレット18はプラズマ流9bから強力に分離され、ドロップレット捕集板38及び段差部40に効率的に捕獲される。傾斜角θ2、θ3によるドロップレット分離に加えて、この実施例では遠心力分離が加算され、ドロップレットの分離効率が一層に増強される。
以上のように、本実施例によれば、真円回転や楕円回転による遠心力で、ドロップレットを効率的に除去できることが実証された。
図10に示すように、拡径管3内に、偏心した位置に通過孔25aを有するアパーチャー25を前後2つ配設している。大枠で説明すると、プラズマ流9bが拡径管3を蛇行しながら偏心通過孔25aを通過する際に、プラズマ流9b(Pとも書かれる)からドロップレット18(Dとも書かれる)が分離除去される。即ち、プラズマPに随伴する小さなドロップレットDは、プラズマPがアパーチャー25の偏心通過孔25aを湾曲して通過するときに、外側に飛び出してアパーチャー25の壁面に衝突して除去される。
前記傾斜角θ2、θ3によるドロップレット分離に加えて、この実施例では蛇行分離が加算され、ドロップレットの分離効率が一層に増強され、ドロップレットを効率的に除去できることが実証された。
2 プラズマ発生部
3 拡径管
3a 壁面
4 陰極
5 プラズマ進行路
6 トリガ電極
7 連結進行路
7a 主折曲部
7b 導入折曲部
7c 排出折曲部
8 陽極
9 ドロップレット混合プラズマ
9a プラズマ流
9b プラズマ流
10 アーク電源
12 プラズマ加工部
14 被処理物
16 プラズマ安定化磁界発生器
18 ドロップレット
20 ドロップレット捕集部
22 振動磁場発生器
22a 振動磁場発生器
23 径方向磁場発生器
23a 径方向磁場発生器
24 直進磁場発生器
25 アパーチャー
25a 偏心通過孔
26 第1磁場発生器
27 陰極プロテクタ
28 屈曲磁場発生器
30 第2磁場発生器
31 第3磁場発生器
32 ドロップレット進行路
33 ドロップレット捕集板
34 導入側縮径管
35 外周管
36 内周管
37 縮径管用ドロップレット捕集板
38 ドロップレット捕集板
38a 粗面
39 排出側縮径管
40 段差部
41 直進管
42 プラズマ発生部側絶縁プレート
44 加工部側絶縁プレート
46 絶縁材
48 バイアス電源
49 プローブ電源
50 アパーチャー
51 アパーチャー
102 プラズマ発生部
104 陰極
106 トリガ電極
108 陽極
109 プラズマ
110 電源
112 プラズマ加工部
114 被処理物
116a プラズマ安定化磁場発生器
116b プラズマ安定化磁場発生器
118 陰極材料微粒子(ドロップレット)
120 ドロップレット捕集部
200 拡径管
201 拡径管
202 中継縮径管
203 導入側縮径管
204 排出側縮径管
Claims (24)
- 真空雰囲気下で真空アーク放電を行ってプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部により発生されたプラズマが被プラズマ処理部側に進行するプラズマ進行路とを備えたプラズマ生成装置において、前記プラズマ進行路に、プラズマの発生時に陰極から副生する陰極材料粒子(以下「ドロップレット」という)を除去するドロップレット除去部を配置し、このドロップレット除去部は、拡径管と、前記拡径管のプラズマ導入側始端に連接された導入側縮径管と、前記拡径管のプラズマ排出側終端に連接された排出側縮径管と、前記拡径管の前記始端及び前記終端に形成された段差部とから構成され、前記拡径管は、内周管と外周管からなり、前記内周管を前記外周管に対して挿脱自在にしたことを特徴とするプラズマ生成装置。
- 前記導入側縮径管及び/又は前記排出側縮径管の管軸を前記拡径管の管軸に対して所定屈曲角で傾斜配置させ、前記導入側縮径管及び/又は前記排出側縮径管を前記拡径管に連接した請求項1に記載のプラズマ生成装置。
- 前記導入側縮径管及び前記排出側縮径管の管軸が前記拡径管に対して互いに交差するように配置した請求項1又は2に記載のプラズマ生成装置。
- 前記プラズマ進行路は、前記プラズマ発生部に連接された直進管を有し、前記導入側縮径管を前記直進管に対して垂直又はほぼ垂直に連接し、前記直進管の終端にドロップレット捕集部を配設した請求項1、2又は3に記載のプラズマ生成装置。
- 前記内周管の内壁に複数のドロップレット捕集板が植設された請求項1〜4のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
- 前記ドロップレット捕集板の表面が粗面加工を施されている請求項5に記載のプラズマ生成装置。
- 前記ドロップレット捕集板を前記導入側縮径管に向けて斜行配置した請求項5又は6に記載のプラズマ生成装置。
- 前記導入側縮径管及び前記排出側縮径管にドロップレット捕集用アパーチャーを配設した請求項1〜7のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
- 複数の前記拡径管を、縮径管を介して連接した請求項1〜8のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
- 前記拡径管の断面周方向に回転磁場を発生させる回転磁場印加手段が少なくとも1つ以上設けられ、この回転磁場印加手段により前記プラズマに回転磁場を印加し、前記プラズマを回転させながら前記拡径管を進行させて前記ドロップレットを遠心力により除去する請求項1〜9のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
- 前記回転磁場印加手段が振動磁場を発生させる複数の振動磁場発生器から構成され、これらの振動磁場発生器により位相及び振動方向が異なる複数の振動磁場を発生させ、これらの振動磁場から前記回転磁場が合成される請求項10に記載のプラズマ生成装置。
- 偏心位置に通過孔を有するアパーチャーが前記拡径管内に1つ以上設けられ、前記拡径管の外周に前記プラズマを前記アパーチャーの偏心通過孔に通過させるための磁場発生手段が配設されており、この磁場発生手段に基づく磁場により、前記プラズマは前記拡径管内で湾曲して前記アパーチャーの偏心通過孔を通過し、前記湾曲時に前記ドロップレットを前記プラズマから分離させ、前記ドロップレットを前記アパーチャーの壁面に衝突させて除去するように構成された請求項1〜9のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
- 前記アパーチャーは、前記拡径管内に複数設けられ、隣り合う前記偏心通過孔は、その位置を互いにずらせて配置されており、始端側のアパーチャーの偏心通過孔を前記プラズマに随伴して通過した前記ドロップレットは次のアパーチャーの壁面に衝突して除去され、前記プラズマは前記次のアパーチャーの偏心通過孔を通過するように構成された請求項12に記載のプラズマ生成装置。
- 前記磁場発生手段は、斜行磁場発生器で構成され、この斜行磁場発生器は前記拡径管の軸方向から斜行した方向に斜行磁場を形成し、この斜行磁場により、前記プラズマを前記アパーチャーの偏心通過孔に通過させるようにした請求項12又13に記載のプラズマ生成装置。
- 前記内周管が絶縁材を介して前記外周管内に取着され、前記内周管と前記外周管とが電気的に絶縁され、前記内周管にバイアス電圧を印加する請求項1〜14のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
- 前記導入側縮径管と前記拡径管と前記排出側縮径管を少なくとも含むプラズマ搬送用のダクト部は、前記プラズマ発生部及び前記被プラズマ処理部と電気的に絶縁される請求項1〜14のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
- 前記ダクト部にバイアス電圧を印加する請求項16に記載のプラズマ生成装置。
- 前記ダクト部内にプローブを挿入するか、又は前記ダクト部をプローブとして利用してプラズマの物性量を測定する請求項16に記載のプラズマ生成装置。
- 前記プラズマ進行路の有効全長、直径、屈曲数及び屈曲角の総和のいずれかひとつ又はその組み合わせがドロップレット低減条件を満足するように設定された請求項1〜18のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
- 前記有効全長が1600〜900mmで設定された請求項19に記載のプラズマ生成装置。
- 前記直径が200〜90mmで設定された請求項19に記載のプラズマ生成装置。
- 前記屈曲数が3〜1で設定された請求項19に記載のプラズマ生成装置。
- 前記屈曲角の総和が150〜90°で設定された請求項19に記載のプラズマ生成装置。
- 前記プラズマ発生部におけるアーク電流値が140〜30Aの範囲で調整された請求項1〜23のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
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