JP4817407B2

JP4817407B2 - プラズマ発生装置及びプラズマ発生方法

Info

Publication number: JP4817407B2
Application number: JP2005061779A
Authority: JP
Inventors: 龍一郎大山; 篤志永井
Original assignee: Tokai University Educational Systems
Current assignee: Tokai University Educational Systems
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2025-03-07
Also published as: JP2006244938A

Description

本発明は、プラズマ発生装置及びプラズマ発生方法に係り、特に、低温プラズマを発生するプラズマ発生装置及びプラズマ発生方法に関するものである。

上述した低温プラズマは、ガス温度と電子温度が大きく異なる高い非熱平衡性を有し、プラズマ中のイオンや不安定分子といった活性化学種の生成・励起・化学反応を、低温でかつ高効率で行うことが可能であり、化学、バイオ、電子分野に渡って広く用いられている。従来、上述したプラズマ発生装置の多くは、低圧の希ガス中で放電を行って、プラズマを発生している。これは、大気圧付近では放電がアーク放電に移行しやすく、均一な低温プラズマの発生が難しいからである。

従って、このようなプラズマ発生装置では、低圧を作り出すための真空排気システムを必要とし、これによって装置が大がかり、かつ、複雑なものとなり、コストが高くなる。また、使用できる条件も大きく制約されてしまうという欠点がある。

また、電子デバイスの生産技術等における多くの分野で、上述した低温プラズマによる材料プロセシング技術が用いられており、今後も益々その重要性は高まると予想されている。このような電子デバイスは、近年、益々複雑化が進んでおり、トーチ状（ジェット状）のプラズマの発生が要求されている。

そこで、従来では、特許文献１に記載されたような大気圧吹き出し型プラズマ反応装置が提案されている。この大気圧吹き出し型プラズマ反応装置は、金属筒電極内に大希釈した希ガスを導入し、吹出口により吹き出すと同時に、上記金属筒電極−この金属筒電極の吹出口直下に配置された平板電極間に高圧を印加して金属筒電極の吹出口−平板電極間に放電を発生させて、金属筒電極の吹出口からジェット状の大気圧グロープラズマを発生させる大気圧吹き出し型プラズマ反応装置が記載されている。

しかしながら、上述したプラズマ反応装置は、金属筒電極の吹出口−平板電極管に放電を発生させているため、金属筒電極の中心軸に近いほど放電が弱く、局所放電が起こりやすい電極配置である。従って、均一なプラズマを制御して安定に発生するには、高価な特殊電源を用いて、金属筒電極の吹出口で均一な放電を発生させる必要があった。

この他に、高周波（ＭＨｚ以上）を発生できる電源を使って大気圧雰囲気で空間に均一なプラズマを発生させる方法も知られているが、大電力が必要であることからエネルギー効率が低く、プラズマの温度も高いという問題がある。
特開平６−１０８２５７号公報

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、安価に、均一な低温プラズマを発生することができるプラズマ発生装置及びプラズマ発生方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、軸方向の両側に開口が設けられた管状に構成され、前記軸方向の一方側の開口から気体が内部に導入され、当該導入された気体が軸方向の他方側に向かって吹き流され当該軸方向他方側の開口である吹出口からプラズマが噴出される誘電体管と、第１金属管電極であって、前記誘電体管の内側面に当該第１金属管電極の外側面が接するように設けられ、当該第１金属管電極の内部に前記気体が流れる管状の第１金属管電極と、第２金属管電極であって、前記誘電体管の外側面に当該第２金属管電極の内側面全体が接するように設けられ、かつ、前記第１金属管電極に対して軸方向に離間して配置された管状の第２金属管電極と、前記第１金属管電極−前記第２金属管電極間に電圧を印加するための電圧源とを備えたことを特徴とするプラズマ発生装置に存する。

請求項２記載の発明は、軸方向の両側に開口が設けられた管状に構成された誘電体管の内側面に管状に構成された第１金属管電極の外側面が接するように設けられ、当該第１金属管電極の内部に前記気体が流れ、前記誘電体管の外側面に管状に構成された第２金属管電極の内側面全体が接するように設けられ、当該第２金属管電極は前記第１金属管電極に対して軸方向に離間して配置され、前記第１金属管電極と前記第２金属管電極間に電圧を印加し、前記誘電体管の軸方向の一方側の開口から気体を導入して、当該導入した気体を軸方向の他方側に向かって吹き流し前記軸方向他方側の開口である吹出口からプラズマを噴出させることを特徴とするプラズマ発生方法に存する。

請求項１及び２記載の発明によれば、第１金属管電極−第２金属管電極間に電圧を印加すると、誘電体管の内側面に誘電体バリア放電が発生する。同時に誘電体管内に気体を導入して、放電部分に気体を流すと、気体は誘電体バリア放電により発生した高エネルギー粒子を吹き流す。その後、気体中の原子や分子と高エネルギー粒子と衝突が起こり、気体が空間に均一な低温プラズマとなった状態で誘電体管の吹出口からトーチ状に放出される。従って、プラズマの吹出口で放電を発生させず、誘電体管の内側面で放電を発生させて、この放電により生成された高エネルギー粒子を気体で吹き流して、吹出口から放出しているため、放電自体が均一である必要はなく、高価な特殊電源を用いなくても均一な低温プラズマを吹出口から放出することができる。

以上説明したように請求項１及び２記載の発明によれば、プラズマの吹出口で放電を発生させず、誘電体管の内側面で放電を発生させて、この放電により生成された高エネルギー粒子を気体で吹き流して、吹出口から放出しているため、放電自体が均一である必要はなく、高価な特殊電源を用いなくても均一な低温プラズマを吹出口から放出することができるので、安価に、均一な低温プラズマを発生することができる。

本発明のプラズマ発生装置及びプラズマ発生方法について、図面を参照して以下説明する。図１（ａ）は本発明のプラズマ発生方法を実施したプラズマ発生装置の一実施の形態を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１に示すプラズマ発生装置のＡ−Ａ線断面図である。同図に示すように、プラズマ発生装置は、内部に希ガス（＝気体）が流される誘電体管１１と、この誘電体管１１の内側面に接するように設けられた金属管電極１２（＝第１金属管電極）と、この誘電体管１１の外側面に接するように設けられた金属管電極１３（＝第２金属管電極）とを備えている。同図（ａ）に示すように、上述した金属管電極１２、１３は誘電体管１１の軸方向に互いに離間するように各々配置されている。この配置により、金属管電極１２全体と金属管電極１３全体とが重ならないように設けられる。

また、金属管電極１２は高電圧発生電源１４（＝電圧源）が接続されており、金属管電極１３は接地されている。これにより、高電圧発生電源１４が電圧を印加すると、金属管電極１２−金属管電極１３間に電圧が印加される。誘電体管１１は、金属管電極１２を介して導入された希ガス１５を内部に流して、吹出口１１ａから吹き出すようになっている。さらに、図２に示すように、金属管電極１２には、ガスボンベ１６からの希ガス１５が流量調整器１７を介して導入されるようになっている。この流量調整器１７により誘電体管１１内に流れる希ガス１５の流量を調整することができる。なお、図２中、引用符号１８は、金属管電極１２−金属管電極１３間に対する印加電圧、放電電流を測定するための測定装置であり、詳しくは後述する。

上述した構成のプラズマ発生装置の動作について以下説明する。まず初めに、高電圧発生電源１４を動作させて、金属管電極１２−金属管電極１３間に電圧を印加すると、誘電体管１１の内側面で誘電体バリア放電Ｄが発生する。誘電体バリア放電Ｄは、放電空間を誘電体で囲み、放電空間に電極をさらさない構成で放電空間に発生した放電であり、このため、大気中であってもアーク放電への移行が遮断でき、大気中でプラズマを発生させるのに適した放電である。

次に、誘電体バリア放電Ｄが発生している状態で、希ガス１５を誘電体管１１内部に希ガス１５を流す。これにより、誘電体バリア放電Ｄが発生している放電部分にも希ガス１５が流れ、希ガス１５は放電部分で発生した高エネルギー粒子を吹出口１１ａに向かって吹き流す。高エネルギー粒子は、希ガス１５によって吹き流されている間に、希ガス１５中に含まれる分子や原子と衝突して、希ガス１５中に含まれる分子や原子を電離させる。これにより、希ガス１５は空間に均一な低温プラズマＰとなった状態で誘電体管１１の吹出口１１ａから放出される。

従来のようにプラズマの吹出口１１ａで放電を発生させず、誘電体管１１の内側面で放電を発生させて、この放電により生成された高エネルギー粒子を希ガス１５で吹き流して、吹出口１１ａから放出しているため、空間に均一な誘電体バリア放電Ｄを誘電体管１１の内側面で発生させる必要がなく、高価な特殊電源を用いなくても均一な低温プラズマＰを吹出口１１ａから放出することができる。

次に、上述したプラズマ発生装置から発生されるプラズマの発光及び印加電圧波形、放電電流波形を観測し評価を行った。まず、高電圧発生電源１４として、定格周波数９ｋＨｚ、出力最大電圧１０ｋＶ、出力最大電流３０ｍＡの交流電源を使用し、金属管電極１２−金属管電極１３間には、一定の電圧６ｋＶを印加した。また、希ガス１５としてはヘリウムを使用した。その結果として、気体の流量は発光状態から１分間に２リットル〜４リットル程度が最適であった。その時の最大放電電流は１５ｍＡ程度であった。誘電体バリア放電Ｄは、電極に印加した電圧により誘電体内側面に誘起する放電である。ここで発生するプラズマ発光は局所的に高い輝度が認識され、均一でないことが認められた。

しかしながら、吹出口１１ａから吹き出されたプラズマ発光は、トーチ形状の空間的に均一性の高いものであった。同時に、吹出口１１ａより吹き出されたプラズマＰの温度の測定を行った。温度の測定は、吹出口１１ａの開口部よりわずか下流の中心軸上に温度計の先端を置くことにより行った。その結果、プラズマの温度は３４°Ｃであった。また、同一位置に温度計の先端を置き、金属管電極１２−金属管電極１３間に電圧を印加しない状態で、希ガス１５を流した場合の温度は２５°Ｃであった。従って、吹出口１１ａから吹き出されたプラズマＰは、希ガス１５の元の温度より９°Ｃ上昇したのみであり、低温プラズマであると判定された。

観測された印加電圧・放電電流波形を図３に示す。この波形は測定装置１８を用いて測定した。測定装置１８は、金属管電極１２−金属管電極１３間の電圧を分圧する分圧器１８ａと、金属管電圧１２、金属管電極１３と直列に接続された電流波形計測用抵抗１８ｂと、分圧器１８ａからの分圧及び電流波形計測用抵抗１８ｂの両端電圧が供給されるオシロスコープ１８ｃとから構成されている。

この波形の特徴と考えられる電圧立ち上がりに掛けて出力される単一の電流パルスは、無気流Ｈｅ（ヘリウム）ガス雰囲気で起こした大気圧グロー放電において広く知られている電圧・電流波形と特徴とが良く一致している。この点からも、本発明により吹出口１１ａからでたプラズマＰは空間に均一な低温プラズマであると判定された。

なお、上述した実施形態では、高電圧発生電源１４として交流電源を使用していた。しかしながら、高電圧発生電源１４として直流電源を使用しても良い。直流電源を使用した場合に、上述したプラズマ発生装置から発生されるプラズマの発光及び印加電圧波形、放電電流波形を観測し評価を行った。高電圧発生電源１４として、最大出力電圧３０ｋＶ、最大出力電流１０ｍＡである直流電源を使用した。上述した交流電源との違いは電圧脈動成分の有無である。また、希ガスとしてヘリウムを使用し、気体の流量は１分間に２リットル〜４リットルとした。そして、電極間に１５ｋＶ以上の電圧を加えた場合も、同様に吹き出し口１１ａから空間に均一な低温プラズマが確認できた。

なお、上述した誘電体管１１内部に流す気体としては、例えば、ペニング効果を期待できる２種類の気体を混合したものであってもよい。例えばＨｅとＨｅの励起エネルギーより低い電離エネルギーのガスＸとの混合ガスを流した場合、Ｈｅが高エネルギー粒子と衝突して励起され準安定励起状態Ｈｅ^*になると、次にガスＸと衝突してガスＸ分子を電離する（ペニング効果）。このため、ガスＸ分子の電離を促進することができる。

（ａ）は本発明のプラズマ発生方法を実施したプラズマ発生装置の一実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は図１に示すプラズマ発生装置のＡ−Ａ線断面図である。図１に示すプラズマ発生装置内の誘電体管１１内に希ガス１５を供給する装置と、金属管電極１２、１３間に対する印加電圧、放電電流波形を観測するための測定装置１８とを示す図である。図２に示す測定装置で測定した金属管電極１２、１３間に対する印加電圧、放電電流波形を示すタイムチャートである。

符号の説明

１１誘電体管
１２金属管電極（第１金属管電極）
１３金属管電極（第２金属管電極）
１４高電圧発生電源（電圧源）

Claims

軸方向の両側に開口が設けられた管状に構成され、前記軸方向の一方側の開口から気体が内部に導入され、当該導入された気体が軸方向の他方側に向かって吹き流され当該軸方向他方側の開口である吹出口からプラズマが噴出される誘電体管と、
第１金属管電極であって、前記誘電体管の内側面に当該第１金属管電極の外側面が接するように設けられ、当該第１金属管電極の内部に前記気体が流れる管状の第１金属管電極と、
第２金属管電極であって、前記誘電体管の外側面に当該第２金属管電極の内側面全体が接するように設けられ、かつ、前記第１金属管電極に対して軸方向に離間して配置された管状の第２金属管電極と、
前記第１金属管電極−前記第２金属管電極間に電圧を印加するための電圧源とを備えたことを特徴とするプラズマ発生装置。
軸方向の両側に開口が設けられた管状に構成された誘電体管の内側面に管状に構成された第１金属管電極の外側面が接するように設けられ、当該第１金属管電極の内部に前記気体が流れ、前記誘電体管の外側面に管状に構成された第２金属管電極の内側面全体が接するように設けられ、当該第２金属管電極は前記第１金属管電極に対して軸方向に離間して配置され、前記第１金属管電極と前記第２金属管電極間に電圧を印加し、
前記誘電体管の軸方向の一方側の開口から気体を導入して、当該導入した気体を軸方向の他方側に向かって吹き流し前記軸方向他方側の開口である吹出口からプラズマを噴出させることを特徴とするプラズマ発生方法。