JP4831591B2 - 処理チャンバ中にマイクロ波エネルギーを結合させる装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、空洞共振器内に配置された処理チャンバ中にマイクロ波エネルギーを結合させる装置に関し、さらに詳細にはマイクロ波供給路とマイクロ波導波管を備えるプラズマＣＶＤコーティングチャンバに関するものである。
【０００２】
例えば、コーティング処理、洗浄、表面改質、基板エッチングあるいは医療用移植材料の処理に用いるプラズマを発生させる装置が知られている。様々な形状の工作物にコーティング処理が行なわれている。既知のプラズマ発生装置は、導波管と同軸ケーブルによりマイクロ波が供給される環状共振器を有する。
【０００３】
結合されたマイクロ波エネルギーによりタンク内に予め導入されたガスを活性化させプラズマ状態にするため、４つあるいはそれ以上のマイクロ波発生源がマグネトロンの形をとって空洞共振器の外壁に配置される自動車のタンクのコーティングが知られている。1つのタンクをコーティング処理するために少なくとも４つのマグネトロンが必要であり、複数の容器の内部コーティング処理を同時に行う場合、マグネトロンとその電力供給装置の数は、経済的に実行不可能な数にまで増加してしまう。さらに、コーティング処理する容器のそれぞれの寸法と形状に依存して、結合したマイクロ波エネルギーの損失と反射がある程度異なるので、与えられた容器の形状に対して修正操作を行うことが必要であるが、その修正操作は別の異なる形状の容器には満足な結果が得られないということがわかっている。異なる負荷、損失および反射現象が起きるので、それぞれの種類の容器に対して多少面倒な調節や同調操作を行わなければならない。与えられた周波数に対して最適な同調を達成するため、マイクロ波の反応チャンバへの供給路の長さに依存するマイクロ波電力の反射項についても、種々の研究が行われている。マイクロ波導波管中に別の吸収体を設けることにより、供給路の長さに依存する反射効果のパターンを変化させることできるが、この場合幾何学的な変化の結果としての不整合が常に観察される。
【０００４】
本発明の目的は、寸法や形状がある程度異なるプラスチック容器の内側を有効にコーティング処理することができるような本明細書の冒頭部分に記載される種類のマイクロ波エネルギーを結合させる装置を設計することである。言い換えると容器の寸法のわずかな違いや形状の違いにより別のマイクロ波エネルギー結合装置を用意する必要がない、あるいは少なくとも変更作業が必要な調節や整合操作が必要ない。
【０００５】
ある固定周波数でマイクロ波エネルギーを発生するマグネトロンに関しては、電力曲線の挙動は均一な効果を示すが、最小値のそばで再び同等に急激に立ち上がるため、容器形状寸法の関数である導波管の有効長に依存する電力の反射項はあまり急激に降下させるべきではない。
【０００６】
驚くべきことに、本発明による前述の目的は、第1の同軸導波管はアンテナ形状の内部導体を有し、ほぼ円筒形の導波管が装置の中央に続き、先端には第２の同軸導波管が内部導体を有するような実質的に円筒構造の装置において達成される。ここで、結合したマイクロ波エネルギーによりプラズマ状態に活性化されるガスは、ガス供給チューブを通って第２の同軸導波管中に導入され、プラズマ領域ではアンテナによりＴＭモードが発生する。それらの手段は、容器の形状寸法に依存して電力の反射項がやや低下するが、十分なマイクロ波電力はプラズマを点火しそれを維持することが可能である、すなわち反射電力は小さいため、不均一な容積や形状の異なる容器についても常に効果的にコーティング処理することができる。全く新規な変更は、コーティング処理する容器の容積が２つあるいはそれ以上の容器の要因により変化する場合と１つの容器の形状が他の容器の形状と非常に異なる場合にのみ必要である。本発明による手段は、類似の形状および寸法の容器を変換作業なしで効率的にコーティング処理できることを提供する。
【０００７】
実質的に円筒形状の空洞共振器および不整合を避けることが、良好なコーティング処理結果に寄与する。また、３つの電気的に異なる導波管部分を連続させる装置により良好な効率を持つプラズマ電力の結合も得られる。ここで第１の導波管は同軸の導体であり、第２の導波管は円筒形の導波管（中心で）あり、先端の導体は再び第２の同軸導波管である。これら３部分からなる装置の大きな優位性は、一つの部分を他の部分から分離したり封止を解除したりできることである。さらに、機能の異なるこれらの部分を分離できることは、マイクロ波の電力を結合させる場合に特に有効である。
【０００８】
第１の同軸導波管のアンテナが棒状で、棒アンテナの長さが４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることも、本発明に関する特別な利点である。この棒アンテナ（後で述べるアンテナの他の実施例と同様）により、ＴＭモード、すなわち装置の３つの部分において横方向の磁力線が得られ、ＴＭモードの発生は特にプラズマ領域中で可能である。本発明による装置は、棒アンテナが５０ｍｍ以上６０ｍｍ以下の長さを持つときに良好に作用する。棒アンテナは銅製であり、外径が約８ｍｍである。また、棒アンテナの外径は、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲にあるとき良好に機能する。
【０００９】
本発明による他の実施例において、第１の同軸導波管のアンテナは円錐らせん形状であり、らせんアンテナの長さは５０ｍｍ以上７０ｍｍ以下であることがさらに好適である。いわゆるアルキメデスのらせんが知られている。極座標において、式γ＝α×φで表される。円錐らせんは空間的にアルキメデスのらせんに該当する。それは、円錐の軸線に対して一定の角速度で回転する表面線上を一定速度で移動する点の軌跡である。らせんアンテナも、その直径が特に好適には約３．５ｍｍの銅製であることが好適である。６巻きのらせんアンテナが非常に好適であることが明らかとなっている。それらは長さが約６０ｍｍである。しかし試験結果からは、長さ５０ｍｍ以上７０ｍｍ以下、巻き数５以上７以下の範囲についてのらせんアンテナは、充分に作動することがわかっている。直径の範囲としては、２ｍｍ以上５ｍｍ以下が明示できる。らせんアンテナが円錐台形状の場合、小さい方の直径を持つ端はガス供給チューブの端に近づくのに対して、いわゆる後端または下流端の直径が大きくなる、すなわちガス供給チューブから遠くなる。大きい方の後端の直径は、３５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲で好適には４２ｍｍである。らせんの先端の小さい方の直径は、１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲で好適な実施例においては約２２ｍｍである。
【００１０】
中空の円錐台の形状のらせんアンテナの替わりに、後部の３巻きに関して直径が３５ｍｍ〜５０ｍｍで好適には４２ｍｍである外観が段付きの形状とすることも可能である。先端の３巻きの直径は１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲が望ましく、好適には２２ｍｍである。
【００１１】
円錐らせんに替えて、例えばアンテナの６巻きすべてが直径約３５ｍｍから５０ｍｍで好適には４２ｍｍである円周上にわたる円筒形のらせん形状を採用することも可能である。段付き形状も円筒形状も、本来の幾何学的意味では明白に円錐らせんではないが、正確な幾何学的定義の形状を持つ場合を除いて、らせんアンテナは機能する。
【００１２】
本発明の望ましい別の装置は、第２の同軸導波管の内部導体はガス供給チューブの形状を取りコーティング処理されるプラスチック容器に囲まれた金属製であり、また処理チャンバを形成する容器担持板中に保持される容器を提供する。プラズマエネルギーを結合させる装置の本実施例は、プラズマによりプラスチック容器の内面コーティングを行う工程において特に有用である。プラズマは、前述の供給チューブを急速かつ効果的に通過し容器内部に導入されるガスにより（特に）形成される。金属製のガス供給チューブは、本装置の先端において第２の同軸導波管の内部導体を意味する。ガス供給チューブは、例えばＰＥＴ製のプラスチックのようなコーティング処理される容器内に突出し、その容器に囲まれている。このように容器は実際の処理チャンバを形成する。適切な導管により処理チャンバすなわちコーティング処理する容器内を所望の減圧に設定することができる。空洞共振器内の処理チャンバの外側は、異なる圧力になる。
【００１３】
それらの異なる圧力が順に大気圧より低い圧力、すなわち減圧またはある程度の真空状態である場合、本発明による装置の中央の円筒形の導波管中に配置されるさらなる形状は、装置の縦軸を横切る方向に広がる石英窓であることが望ましい。その縦軸は、ガス供給チューブからアンテナあるいはその逆方向にほぼ一直線に伸びており、石英窓はマイクロ波が窓と同じように通過できる板である。石英板により１つの導波管と他方の導波管との間をガス漏れのないように分離し、導波管部分を２つの異なる領域に分けることができる。このように１つの領域、例えば第２の同軸導波管の領域を排気し、アンテナのある領域を大気圧に保つことが可能である。
【００１４】
らせんアンテナはスリーブ形状の受信手段または取付け中に摩擦接合により釈放自在に固定される場合が望ましいこともわかっている。試験結果から、通常好適と考えられるハンダ接合は最適なマイクロ波エネルギーの結合に不適切であることがわかっている。それどころか装置の縦軸方向に伸びるらせんアンテナの後端は、わずかに彎曲した形状で装置の縦軸方向に伸びるスリーブ形状の受信手段中に嵌合され、その中にしっかりと締め付けられていることが適切である。
【００１５】
本発明のさらなる優位性、用途と特徴は、添付図面に関してこれから説明する次の実施例より明らかになる。
【００１６】
図１および同様な図３において、プラスチック瓶の形の容器２が空洞共振器１中に配置されている。容器２は、容器２の内側に処理チャンバ３を形成するように配置されている。容器２は、瓶の首４を通して下方前端のみが開放されている。頂上である後端および側面は密閉されている。容器２は、瓶の首４を介して容器担持板５により支持されている。図１および図３中の線図に示されるような装置が、例えば図２に示す構造のように複数個関係する場合には、対応する穴６の数は瓶の首４を受ける容器担持板５中に互いに並置される。
【００１７】
分割壁７は、実質的に水平な姿勢で容器瓶からある程度間隔を置いて、空洞共振器１の上方に後向きに取り付けられている。図には示されず識別されないが容器担持板５中の穴６の中心から垂直に上方に向かって伸びかつ容器担持板５の表面に垂直な本装置の縦軸方向において、各容器２の上の分割壁７中に、ハウジング端部１０により後部上方が密封されている円筒形ハウジング９を受ける穴８が配置されている。
【００１８】
ハウジング９の後部上方の外側に突出するマイクロ波供給路１１は、ハウジング端部１０のほぼ中心に固定されている。マイクロ波供給路１１は、典型的には同軸ケーブルあるいは同軸導波管であり、符号１２で表され、図１および図２中の実施例において棒の形状であるため棒アンテナと呼ばれるアンテナにマイクロ波を供給する。図３および図４の実施例において、アンテナ１２は円錐らせん形状であるが、これも符号１２で表される。このアンテナは結合したマイクロ波エネルギーをハウジング９、空洞共振器１およびこれらの実施例においてはコーティングチャンバ３の形状である処理チャンバ３に供給する。導波管全体の空間は、図の下方先端である容器担持板５の内側表面から上方にハウジング端部１０の内側表面に及ぶ。マイクロ波が作用する空間は全長Ｌの部分である。この実質的に円筒構造の構成は、電気的にみると、後端すなわち図１〜図３の上端において、領域ａにはアンテナ１２の形状である内部導体を有する第１の同軸導波管があるということである。それは領域ａの先端で終わっている。中央部分において領域ｂには、内部導体を持たないほぼ円筒形の導波管がつながっており、図中下方の前端すなわち領域ｃにおいて第２の同軸導波管を形成している。後者はガス供給チューブ１３の形状で内部導体を有する。
【００１９】
ハウジング９内のガス圧が空洞共振器１内のガス圧と異なるように、空洞共振器１の空間とハウジング９の空間とをガス漏れのないように分離する石英窓１４が、分割壁７中に配置された円筒形ハウジング９の前部下端に取り付けられている。
【００２０】
混合ガスは、図２の下端に曲線の矢印で示されるように、前部下方からガス供給チューブ１３を介して空洞共振器１中に導入される。
【００２１】
容器２がない場合、プラズマは混合ガス中においてマイクロ波エネルギーの作用により空洞共振器１中で発生して活性化し、他の空間やチャンバにも作用することがある。
【００２２】
しかしここに示される本実施例においては、図２に示すように容器２は、プラズマ発生用のガスが穴１５から流出した後容器２の体積中に完全に留まるよう容器担持板中に容器２の口である首が密封して嵌合されている。このときいわゆるプラズマ領域は、実質的に空洞共振器１の前部の下方領域ｃ内にある。
【００２３】
前方下方方向に空洞共振器１へ続く円筒形ハウジング９の物理的構成に関わりなく、後端（領域ａ）に配置された第１の同軸導波管の長さはアンテナ１２の長さにより規定される。円筒形の導波管が内部導体を持たない領域ｂにおいて、実質的な円筒空間は、たとえ異なる直径をもつ別のハウジング部分により形成されていても、一方はアンテナ１２からの間隔により決まり、他方はガス供給チューブ１３の内部自由端により決まる。最後に、先端部分である領域ｃでは、第２の同軸導波管は内部導体の長さすなわちガス供給チューブ１３の長さにより決まる。その長さは容器担持板５の内側表面からガス供給チューブ１３の上部後端までの長さである。
【００２４】
図１および図２に示される棒アンテナは、長さが５５ｍｍで外径が８ｍｍの銅線から成る。
【００２５】
図２の実施例は、複数のプラスチック瓶を処理する連結型の装置を示す。右手の装置は外観のみを示すが、左手の装置は断面を示している。各ユニットにおいて、マイクロ波はハウジング９を通ってアンテナ１２により空洞共振器１中に結合される。アンテナ１２は、前部後方からすなわち図２の上方から装置全体を貫く中心軸線に沿って伸びている。アンテナ１２は、空洞共振器１の円筒周りに想像的に配置されると見なされる真空チャンバの外側のハウジング９中に配置される。石英窓１４は上方で空洞共振器１を閉じており、容器担持板５は前部下方に閉鎖手段を形成する。
【００２６】
コーティング処理するプラスチック瓶に処理用のガスを供給しその内部を排気するため、図２に二つが例示されているような瓶の配列や並びの全範囲に及び、互いに重ね合せて配置される二つのチャンバまたは空間がある。ガス供給チューブ１３を位置決めし、瓶形状の容器２を処理用ガスと排気系とに接続し、さらに空洞共振器１を密閉するために、共通の容器担持板５上に位置する容器は、二重のチャンバまたは空間１６／１７に対して相対的に動く。各ユニットのガス供給チューブ１３は、ガスの充満する空間である下方のプレナムまたは空間１６に接続されている。処理用ガスは、少なくとも1つのガス供給路１８を通って供給される。各ガス供給チューブ１３は、取り入れ口側に制御フラップまたは開口の形をもち、容器２内に流れ込む処理用ガスの流れを調節するスロットル１９を有する。
【００２７】
コーティング処理される各瓶２（容器２）の首は、真空に排気される空間である上部プレナム１７に接続される。上部プレナム１７は、各容器２内を減圧させ、かつそれを維持するために真空排気路２０を経由して排気される。
【００２８】
プラズマ処理後、容器２の付いた容器担持板５と二重の空間１６／１７（下部プレナム１６と上部プレナム１７）は分離され、瓶形状の容器２は取り外し可能となる。
【００２９】
図３に示される第２の実施例は、図１の実施例と一つを除いてすべての部品と構造が同じである。その違いはアンテナ１２の形状である。図３および図４に示すように、アンテナ１２の形状は円錐らせん形状である。ハウジング９内の空間に突出し、らせんアンテナ１２の後部上端２２は摩擦接合により内部に固定されたスリーブ形状の受信手段または取付け２１が、容器端部１０に取り付けられている。図４は、受信手段２１中のめくら孔の内径より小さいらせんアンテナ１２の上端２２の外径が、受信手段２１中に摩擦接合するように彎曲している様子を示す。
【００３０】
らせんアンテナ１２の本発明の特に好適な実施例において、ハウジング端部１０の下端表面とらせんアンテナ１２の最上部の最初の１巻きとの間隔は５０ｍｍである。最上部の後端の１巻きの直径も５０ｍｍであり、らせんアンテナ１２の縦軸方向の長さは６０ｍｍである。らせんアンテナ１２の最先端における最小の巻きの直径は２２ｍｍである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例によるマイクロ波結合装置を切断した部分破断線図である。
【図２】 棒アンテナを有し内部をコーティング処理する複数の容器が、互いに並置された実際の構造の部分破断線図である。
【図３】 図１と同様であるが、棒アンテナに替えてらせんアンテナを用いた場合の図である。
【図４】 スリーブ形状の受信手段を有するらせんアンテナの拡大図である。
【符号の説明】
１ 空洞共振器
２ 容器
３ 処理チャンバ
４ 容器の首
５ 容器担持板
６ 容器担持板中の穴
７ 分割壁
８ 分割壁中の穴
９ 円筒形ハウジング
１０ ハウジング端部
１１ マイクロ波供給路
１２ アンテナ
１３ ガス供給チューブ
１４ 石英窓
１５ ガス供給チューブ中の穴
１６／１７ 二重の空間
１６ 下部プレナム
１７ 上部プレナム
１８ ガス供給路
１９ スロットル
２０ 真空排気路
２１ 受信手段
２２ らせんアンテナの上端

Claims (6)

1. マイクロ波供給路（１１）とマイクロ波導波管を備え、空洞共振器内に配置されたプラズマＣＶＤコーティングチャンバとしての処理チャンバ（３）中に、マイクロ波エネルギーを結合させる装置であって、
   装置の後端が所定形状のアンテナ（１２）としての内部導体が配置される前記マイクロ波導波管の領域（ａ）であり、それに続く装置の中央がほぼ円筒形の前記マイクロ波導波管の領域（ｂ）であり、装置の先端が内部導体が配置される前記マイクロ波導波管の領域（ｃ）である、実質的に円筒構造の装置であり、
   前記領域（ｃ）の内部導体は、コーティング処理されるプラスチック容器（２）により囲まれるようになっている金属でできたガス供給チューブ（１３）で形成されており、
   ガスは前記ガス供給チューブ（１３）を通って前記領域（ｃ）中に導入され、結合したマイクロ波エネルギーによりプラズマ状態に活性化され、該領域（ｃ）中でアンテナ（１２）によりＴＭモードが発生することを特徴とする装置。
2. 前記領域（ａ）のアンテナ（１２）は棒状であり、該棒状のアンテナの長さは４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記領域（ａ）のアンテナ（１２）は円錐らせん形状であり、該円錐らせん形状のアンテナの長さは５０ｍｍ以上７０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記プラスチック容器（２）は容器担持板（５）に支持されて前記処理チャンバ（３）を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
5. 装置の中央にある前記領域（ｂ）に、装置の縦軸を横切る方向に広がる石英窓（１４）が配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
6. アンテナ（１２）は、スリーブ形状の受信手段（２１）中に摩擦接合により取り外し自在に固定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。

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