JP4769014B2 - 同軸磁化プラズマ生成装置と同軸磁化プラズマ生成装置を用いた膜形成装置 - Google Patents

Description

本願発明は、外部導体と内部導体を同軸状に配置してプラズマ塊（スフェロマックプラズマ）を生成する同軸磁化プラズマ生成装置とその同軸磁化プラズマ生成装置が放出するプラズマ塊を用いて基板に膜を形成する膜形成装置に関する。

図５を用いて従来の同軸磁化プラズマ生成装置を説明する（例えば非特許文献１参照）。
図５（ａ）は、同軸磁化プラズマ生成装置の軸方向の断面図を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＸ１部分の矢印方向の断面図を示す。
外部導体２３と内部導体２４を同軸状に配置し、内部導体２４は、ガス供給管２２と一体的に形成或いはガス供給管２２に固着してある。ガス供給管２２は、絶縁部材２６によって外部導体２３内に固定されている。ガス供給管２２は、中空部２２１、ガス噴出孔２２２を介してプラズマ生成ガスＧ（例えばヘリュウムガス、アルゴンガス等）を、外部導体２３と内部導体２４の間の空間に供給する。外部導体２３と内部導体２４（ガス供給管２２）には、充電したコンデンサＣとスイッチＳを接続してある。

スイッチＳを閉じると、外部導体２３と内部導体２４（ガス供給管２２）にコンデンサＣの電圧が印加され、外部導体２３と内部導体２４の間（例えば孔２２２の付近）に放電が発生して放電電流が流れ、プラズマＰが生成する。その際プラズマＰは、放電電流とその放電電流により発生する磁界とのローレンツ力により加速されて外部導体２３の開放端へ向かって移動し、開放端からプラズマ塊ＰＭとなって放出される。
図５の場合、コンデンサＣが放電するとき負荷（外部導体２３と内部導体２４）にインダクタンスがあると、負荷を流れる電流は、減衰振動となり、所定の周期で極性が反転する。そこで極性を反転させずに非振動の単極電流を発生して放電を継続するクローバ回路が提案されている。

図６により従来のクローバ回路について説明する（例えば特許文献１参照）。
図６（ａ）は、回路構成を示し、図６（ｂ）は、負荷電流の時間的変化を示す。
コンデンサ４１の充電電圧Ｖｃを半導体スイッチ４２を介して負荷４３（インダクタンス４３１、抵抗４３２）に印加する例で、負荷４３と並列にクローバ回路４４を接続してある。クローバ回路４４は、逆流防止用ダイオード４４１、クローバスイッチ４４２、抵抗４３３からなる。
制御部４６の制御によって半導体スイッチ４２が導通すると、コンデンサ４１は放電し、負荷電流Ｉ_Lが流れる。制御部４６は、検流検出部１６の検出する負荷電流Ｉ_Lが所定値（例えば図６（ｂ）の時間ｔ₁の最大値）になると、半導体スイッチ４２を非導通にし、クローバスイッチ４４２を導通する。その結果負荷電流Ｉ_Lはクローバ回路４４を介して流れ、図６（ｂ）の時間ｔ₁以降のように減衰する。
次に図７により従来の膜形成装置の一つであるイオンプレーティング装置について説明する（例えば特許文献２参照）。

真空室５１内には、プラズマ発生部６１、対向電極６２、膜形成材料５３１を入れたルツボ５２、基板５５１を装着する基板保持部５４を配置してある。プラズマ生成部６１と対向電極６２には、直流電源Ｅを接続し、基板保持部５４には、高周波電源５６を接続してある。
プラズマ生成部６１に発生したプラズマ６３は、対向電極６２へ引き寄せられる。一方ルツボ５２の膜形成材料５３１は、電子銃５６１の放出する電子５６２により加熱されて蒸発し、蒸発した粒子（蒸気）５３２は、加速されて基板５５１に付着し堆積して膜５５２を形成する。その際蒸発した粒子５３２は、プラズマ６３によりイオン化或いは活性化されて基板５５１を照射する。

特開２００３−１５３５５５号公報 特開平７−２６８６１４号公報 ２００２年３月２０日産業図書株式会社発行の「プラズマ工学の基礎（改訂版）」、赤崎正則、村岡克紀、渡辺征夫、蛯原健治著、第２０８〜２０９頁

図５の同軸磁化プラズマ生成装置の負荷電流は、短時間で所定値に立ち上げなければならないが、図５の同軸磁化プラズマ生成装置に図６のクローバ回路を用いた場合、負荷電流Ｉ_Lは、図６（ｂ）のように変化する。負荷電流Ｉ_Lを短時間で所定値に立ち上げるには、負荷電流Ｉ_Lの立ち上り特性（ｔ₀〜ｔ₁の負荷電流Ｉ_Lの変化）を急峻にしなければならない。負荷電流Ｉ_Lの立ち上りを急峻にするためには、図６（ａ）のコンデンサ４１の容量を小さくしなければならないが、コンデンサ４１の容量が小さいと、負荷電流Ｉ_Lは、短時間で減衰してしまう。一方負荷電流Ｉ_Lの減衰を緩やかにするためコンデンサ４１の容量を大きくすると、負荷電流Ｉ_Lの立ち上りが緩やかになってしまう。そのため図５の同軸磁化プラズマ生成装置に図６（ａ）のクローバ回路を用いた場合、コンデンサ４１の容量を大きくすることができないから、同軸磁化プラズマ生成装置の放電は、単発放電になり、一回のコンデンサの充電で１個のプラズマ塊しか発生できない。即ち一回のコンデンサの充電によりプラズマ塊を連続的に生成することは困難である。

また図５の同軸磁化プラズマ生成装置は、外部導体２３と内部導体２４に発生する放電の位置（場所）が定まらないため、プラズマ塊を連続的に生成する場合、各プラズマ塊毎に放電の位置が変わってしまい、所定の間隔で連続的に安定してプラズマ塊を生成することが困難である。
従来のイオンプレーティング装置は、プラズマ生成手段に加えて膜形成材料の加熱手段や蒸発した粒子の加速手段が必要になる。そのため、従来のイオンプレーティング装置は、装置が複雑になり、操作も複雑になる。また従来のイオンプレーティング装置は、生成するプラズマの電離度が低いため、膜形成材料の蒸発粒子のイオン化率が低く、膜形成能率も低い。

本願発明は、前記の従来の同軸磁化プラズマ生成装置、クローバ回路及びイオンプレーティング装置等の膜形成装置の問題点に鑑み、プラズマ塊を連続的に安定して生成できる同軸磁化プラズマ生成装置を提供すること、及びその同軸磁化プラズマ生成装置の放出するプラズマ塊を用いて膜形成装置を簡単に構成することを目的とする。

本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載の同軸磁化プラズマ生成装置は、同軸状に配置した外部導体と内部導体、外部導体と内部導体の間の空間にプラズマ生成ガスを供給するプラズマ生成ガス供給部を備え、外部導体と内部導体のいずれか一方の対向面、又は双方の対向面にリング状凸部を形成してあり、外部導体と内部導体の間にパワークローバ回路を接続してあることを特徴とする。
請求項２に記載の同軸磁化プラズマ生成装置は、請求項１に記載の同軸磁化プラズマ生成装置において、前記外部導体の外周に前記リング状凸部を囲むようにバイアス磁界を発生する電磁コイルを配置してあることを特徴とする。
請求項３に記載の同軸磁化プラズマ生成装置は、請求項１又は請求項２に記載の同軸磁化プラズマ生成装置において、前記パワークローバ回路は、充電用の容量の小さいコンデンサと充電用の容量の大きいコンデンサを備え、放電の開始時は容量の小さいコンデンサが放電し、容量の小さいコンデンサの電圧が所定値よりも低くなると容量の大きいコンデンサが放電を開始するように構成してあることを特徴とする。
請求項４に記載の同軸磁化プラズマ生成装置は、請求項３に記載の同軸磁化プラズマ生成装置において、前記容量の大きいコンデンサにクローバスイッチ用のダイオードを直列に接続してあることを特徴とする。
請求項５に記載の同軸磁化プラズマ生成装置は、請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載の同軸磁化プラズマ生成装置の放出するプラズマ塊を膜形成材料を塗布した基板に照射することを特徴とする。

本願発明の同軸磁化プラズマ生成装置は、同軸状の導体にリング状凸部を形成してあるから、プラズマは、常にそのリング状凸部に生成し、そのリング状凸部の位置を変えることにより、所望の位置にプラズマを生成することができる。したがってプラズマ塊は、所定の間隔で安定して生成する。またリング状凸部を囲むようにバイアス磁界を発生する電磁コイルを配置してあるから、生成したプラズマは磁界に閉じ込められた状態でプラズマ塊となって放出される。したがってプラズマ塊は、放出後も高電離度、高密度を保った状態で高速で放出される。

本願発明の同軸磁化プラズマ生成装置に用いるパワークローバ回路は、容量の小さいコンデンサと容量の大きいパワークローバ用コンデンサを用い、放電の立ち上り時は容量の小さいコンデンサの放電が寄与し、その後は容量の大きいコンデンサの放電が主として寄与するように構成してあるから、立ち上りが急峻で、長時間所定の電圧を維持した状態で放電を持続できる。したがって本願発明の同軸磁化プラズマ生成装置は、一回の充電で連続的にプラズマ塊を生成することができる。またパワークローバ回路は、容量の大きいコンデンサと直列にクローバスイッチ用ダイオードを接続するのみで、放電開始後、容量の小さいコンデンサの電圧が容量の大きいコンデンサの電圧よりも低くなると自動的に容量の大きいコンデンサが放電を開始するから、特別の制御回路やクローバスイッチが必要でない。したがってパワークローバ回路は、回路構成が簡単になる。
本願発明の同軸磁化プラズマ生成装置は、高電離度、高密度のプラズマ塊を連続的に安定して生成でき、高速で放出できるから、膜形成材料を塗布した基板にプラズマ塊を照射することにより、基板に強力な膜を簡単に形成することができる。

図１〜図４により本願発明の実施例を説明する。なお各図に共通の部分は、同じ符号を使用している。

図１は、実施例１の同軸磁化プラズマ生成装置を示す。
図１（ａ）は、同軸磁化プラズマ生成装置の軸方向の断面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＸ１部分の矢印方向の断面図を示し、図１（ｃ）は、図１（ａ）の同軸磁化プラズマ生成装置のプラズマの発生を説明する図である。
図１において、２１は同軸磁化プラズマ生成装置、２２はプラズマ生成ガスの供給管（供給部）、２２１は中空部、２２２はガス噴出孔、２３は外部導体、２３１はリング状凸部、２４は内部導体、２５はパワークローバ回路、２６は絶縁部材、２７はバイアス磁界を発生する円筒状の電磁コイル、Ｐはプラズマ、ＰＭはプラズマ塊である。

外部導体２３と内部導体２４は、同軸状に配置し、外部導体２３は、内部導体２４との対向面にリング状凸部２３１を形成してあり、内部導体２４は、ガス供給管２２と一体的に形成或いはガス供給管２２に固着してある。ガス供給管２２は、絶縁部材２６によって外部導体２３内に固定されている。プラズマ生成ガスＧ（例えばヘリュウムガス、アルゴンガス等）は、ガス供給管２２の中空部２２１、ガス噴出孔２２２を介して外部導体２３と内部導体２４の間の空間に供給する。外部導体２３と内部導体２４（ガス供給管２２）には、パワークローバ回路２５（詳細は後述する）を接続してある。電磁コイル２７は、外部導体２３の外周に、外部導体２３のリング状凸部２３１を囲むように配置してある。

外部導体２３と内部導体２４にパワークローバ回路２５のコンデンサの充電電圧を印加すると、外部導体２３のリング状凸部２３１と内部導体２４の間に放電が発生して放電電流が流れ、プラズマＰが生成する。生成したプラズマＰは、放電電流とその放電電流により発生する磁界とのローレンツ力により加速されて外部導体２３の開放端へ向かって移動し、その開放端からプラズマ塊ＰＭとなって放出される。その際パワークローバ回路２５は、長時間放電を維持することができるから、プラズマ塊ＰＭは連続して放出される。またプラズマＰには、電磁コイル２７のバイアス磁界が作用して、内部導体２４の周方向（トロイダル方向）の電流が誘導される。したがってプラズマＰは、外部導体２３と内部導体２４の間の放電電流によって発生する磁界とトロイダル方向の電流によって発生する磁界に閉じ込められた状態になるため、プラズマ塊ＰＭは、開放端から放出された後も直ぐには拡散することがなく塊の状態を維持している。即ちプラズマ塊ＰＭは、高電離度、高密度の状態を保ったまま高速で放出される。

外部導体２３には、リング状凸部２３１を形成してあるから、プラズマＰは、常にリング状凸部２３１の位置に安定して生成し、プラズマ塊ＰＭは、連続的に安定して生成する。その際リング状凸部２３１と外部導体２３の開放端までの距離は一定であるから、プラズマ塊ＰＭは、所定の間隔で連続的に生成する。
プラズマＰは、外部導体２３のリング状凸部２３１の位置に生成するから、プラズマＰの生成位置は、リング状凸部２３１の位置によって決まる。したがってリング状凸部２３１の位置を変えることにより、プラズマＰを所望の位置に生成することができる。図１の場合、電磁コイル２７のバイアス磁界をプラズマＰに適切に作用させるためには、プラズマＰと電磁コイル２７の位置の調整が必要になるが、プラズマＰは、リング状凸部２３１の位置に生成するから、その調整を容易に行うことができる。
図1の同軸磁化プラズマ生成装置２１は、リング状凸部２３１を外部導体２３に形成する例について説明したが、リング状凸部２３１は、内部導体２４に形成してもよいし、或いは外部導体２３及び内部導体２４の双方に形成してもよい。

図２は、図１のパワークローバ回路２５の実施例を示す。
図２（ａ）は、パワークローバ回路２５の構成を示し、図２（ｂ）は、負荷電流の時間的変化を示す。
コンデンサＣ１、インダクタンスＬ１、抵抗Ｒ１の回路と、バイパス用ダイオードＤ２を並列に接続したコンデンサＣ２、インダクタンスＬ２、抵抗Ｒ２、ダイオードＤ１の回路とを並列に接続し、それらの回路は、イグナイトロンＩＴ（スイッチ素子）を介して負荷Ｆに接続してある。前記ダイオードＤ１、コンデンサＣ２等の回路は、パワークローバ回路であり、ダイオードＤ１は、クローバスイッチ、コンデンサＣ２は、パワークローバ用コンデンサである。コンデンサＣ１，Ｃ２は、充電用コンデンサである。

コンデンサＣ１，Ｃ２は、それらの容量がＣ１＜Ｃ２となるように、即ちコンデンサＣ２は、コンデンサＣ１よりも容量の大きいものを用い、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２は、同じ極性で、Ｖｃ１＞Ｖｃ２となるように、即ちコンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１がコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２よりも高くなるように充電する。
この状態で制御部（図示せず）の制御によりイグナイトロンＩＴを導通すると、コンデンサＣ１は、放電を開始して放電電流Ｉｃ１が流れ、負荷Ｆに負荷電流Ｉ_L（＝Ｉｃ１）が流れる。この際ダイオードＤ１は、コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１に対して非道通になるから、コンデンサＣ２は放電しない。コンデンサＣ１の放電が進み、コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１がコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２よりも低くなると、ダイオードＤ１が導通してコンデンサＣ２が放電を開始し、コンデンサＣ２の放電電流Ｉｃ２が負荷Ｆに流れる。以後負荷Ｆには、放電電流Ｉｃ１，Ｉｃ２（Ｉ_L＝Ｉｃ１＋Ｉｃ２）が流れる。負荷電流Ｉ_Lは、ダイオードＤ２を流れて還流する。したがって負荷電流Ｉ_Lは、非振動の単極減衰電流となる。

コンデンサＣ１のみの場合には、負荷電流は、図２（ｂ）の破線の放電電流Ｉｃ１のように短時間で減衰してしまうが、容量の大きいコンデンサＣ２の放電が加わることにより負荷電流Ｉ_Lは、図２（ｂ）の実線のように緩やかに減衰する。そして負荷電流Ｉ_Lの立ち上がりは、コンデンサＣ１によって決まるから、図２（ｂ）の実線のように急峻になる。即ち図２（ａ）のパワークローバ回路は、立ち上りが急峻で減衰の緩やかな負荷電流を供給することができる。したがって図２（ａ）のパワークローバ回路を図１の同軸磁化プラズマ生成装置に用いると、１回の充電で連続的にプラズマ塊を生成することができる。

以上のように図２のパワークローバ回路は、容量が小さいコンデンサＣ１と容量が大きいパワークローバ用のコンデンサＣ２を用い、コンデンサＣ１の充電電圧をコンデンサＣ２の充電電圧よりも高くすることにより、負荷電流の立ち上り時は、コンデンサＣ１の放電電流が寄与し、その後は主としてコンデンサＣ２の放電電流が寄与するから、負荷電流は、立ち上りが急峻になり、減衰は緩やかになる。またクローバスイッチには、ダイオードＤ１を用い、コンデンサＣ１の放電電圧がコンデンサＣ２の充電電圧よりも低くなると、ダイオードＤ１が自動的に導通してコンデンサＣ２の放電を開始するから、従来のクローバスイッチに比べて構成や制御が簡単になる。

なお図２において、イグナイトロンＩＴは、イグナイトロンに代えて制御部の制御により導通、非導通の切換えが可能な他の半導体スイッチを用いることもできる。またイグナイトロンＩＴは、抵抗Ｒ１と直列に、ダイオードＤ１の接続点よりも抵抗Ｒ１側に接続してもよい。また抵抗Ｒ１，Ｒ２は、小さいほどロスが小さくなり、インダクタンスＬ１，Ｌ２は、小さいほど負荷電流Ｉ_Lの脈動が小さくなる。そしてインダクタンスＬ１をインダクタンスＬ２よりも大きくすると、負荷電流Ｉ_LのコンデンサＣ１への戻りが小さくなり、負荷電流Ｉ_Lの大部分は、前記パワークローバ回路を経由して流れる。

図３は、図２のパワークローバ回路の負荷電流Ｉ_Lのシミュレーションの結果を示す。
シミュレーションは、Ｒ１＝１１×１０^-3（Ω）、Ｒ２＝１×１０^-3（Ω）、Ｒ３＝１０×１０^-3（Ω）、Ｌ１＝５×１０^-9（Ｈ）、Ｌ２＝５×１０^-9（Ｈ）、Ｌ３＝２００×１０^-9（Ｈ）、Ｃ１＝９０×１０^-6（Ｆ）、Ｃ２＝３６７×１０^-3（Ｆ）、に設定して行った。
図３から、図２のパワークローバ回路の負荷電流Ｉ_Lは、立ち上りが急峻で、長時間略一定値を保持していることが分かる。

図４は、図１の同軸磁化プラズマ生成装置が放出するプラズマ塊を用いて基板上に膜を形成する膜形成装置を示す。
図４において、３１は真空室、３２は基板支持部、３３は基板、３４は塗布膜、２１は同軸磁化プラズマ生成装置、２２はガス供給管、ＰＭはプラズマ塊である。基板３３には、膜形成材料の粉末を分散させた溶媒を塗布し、乾燥して塗布膜３４を形成する。膜形成材料は、アルミニウム、チタン等の金属、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、シリコン等を用い、基板３３は、金属、セラミックス、プラスチック等からなるものを用いる。
膜の形成には、まず塗布膜３４を形成した基板３３を基板支持部３２に装着する。その状態でプラズマ生成用のガス、例えばアルゴンガス、へリュームガス等の不活性ガスを、ガス供給管２２から同軸磁化プラズマ生成装置２１内へ供給し、プラズマ塊ＰＭを生成して真空室３１内へ放出する。放出されたプラズマ塊ＰＭは、基板３３の塗布膜３４を照射して塗布膜３４の膜形成材料をイオン化或いは活性化し、膜形成材料を基板３３に密着させて強固な膜を形成する。
ここで基板とは、フィルムを含めて膜を形成する対象部材（被膜形成部材）をいう。

図４の膜形成装置は、同軸磁化プラズマ生成装置２１の生成するプラズ塊ＰＭを用いるが、同軸磁化プラズマ生成装置２１は、高電離度、高密度のプラズマ塊ＰＭを連続的に安定して生成し、高速で基板３３の塗布膜３４を照射するから、強固な膜を能率よく形成できる。また前述のように同軸磁化プラズマ生成装置２１は、高電離度、高密度のプラズマを磁界に閉じ込めた状態でプラズマ塊ＰＭを放出するから、プラズマ塊ＰＭは、放出後もほとんど拡散することなく大きなエネルギーを保った状態で基板３３の塗布膜３４を照射する。したがって塗布膜３４の膜形成材料は、高電離度、高密度の高エネルギーのプラズマによりイオン化或いは活性化されるため、基板３３に密着し強固な膜を形成する。
また図４の膜形成装置は、予め基板３３に膜材料を塗布したものを用いるから、膜材料を蒸発させたり、その蒸発した粒子を加速させたりする手段を設ける必要がない。したがって膜形成装置は、構成や操作が簡単になり、かつ膜の形成時間が短くなる。

本発明の同軸磁化プラズマ生成装置は、膜形成、不純物のドープ等のプラズマプロセス用装置、核融合炉の燃料補給装置、人工衛星の姿勢制御用駆動源等に利用することができる。また本願発明のパワークローバ回路は、前記の同軸磁化プラズマ生成装置に限らず、他のプラズマ生成用装置等にも利用することができる。

本願発明の実施例に係る同軸磁化プラズマ生成装置を示す。 図１の同軸磁化プラズマ生成装置に用いるパワークローバ回路を示す。 図２のパワークローバ回路の負荷電流のシミュレーションの結果を示す。 図１の同軸磁化プラズマ生成装置を用いた膜形成装置を示す。 従来の同軸磁化プラズマ生成装置を示す。 従来のクローバ回路を示す。 従来のイオンプレーティング装置を示す。

符号の説明

２１ 同軸磁化プラズマ生成装置
２２ ガス供給管
２２１ 中空部
２２２ ガス噴出孔
２３ 外部導体
２３１ リング状凸部
２４ 内部導体
２５ パワークローバ回路
２６ 絶縁部材
２７ バイアス磁界発生用の電磁コイル
３１ 真空室
３２ 基板支持部
３３ 基板
３４ 塗布膜
Ｆ 負荷
ＩＴ イグナイトロン
Ｐ プラズマ
ＰＭ プラズマ塊

Claims (5)

1. 同軸状に配置した外部導体と内部導体、外部導体と内部導体の間の空間にプラズマ生成ガスを供給するプラズマ生成ガス供給部を備え、外部導体と内部導体のいずれか一方の対向面、又は双方の対向面にリング状凸部を形成してあり、外部導体と内部導体の間にパワークローバ回路を接続してあることを特徴とする同軸磁化プラズマ生成装置。
2. 請求項１に記載の同軸磁化プラズマ生成装置において、前記外部導体の外周に前記リング状凸部を囲むようにバイアス磁界を発生する電磁コイルを配置してあることを特徴とする同軸磁化プラズマ生成装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の同軸磁化プラズマ生成装置において、前記パワークローバ回路は、充電用の容量の小さいコンデンサと充電用の容量の大きいコンデンサを備え、放電の開始時は容量の小さいコンデンサが放電し、容量の小さいコンデンサの電圧が所定値よりも低くなると容量の大きいコンデンサが放電を開始するように構成してあることを特徴とする同軸磁化プラズマ生成装置。
4. 請求項３に記載の同軸磁化プラズマ生成装置において、前記容量の大きいコンデンサにクローバスイッチ用のダイオードを直列に接続してあることを特徴とする同軸磁化プラズマ生成装置。
5. 請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載の同軸磁化プラズマ生成装置の放出するプラズマ塊を膜形成材料を塗布した基板に照射することを特徴とする膜形成装置。

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