JP5683262B2 - プラズマ発生器用の電極 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波による励起によって大気圧またはほぼ大気圧でプラズマを発生させるためのプラズマ発生器用の電極に関する。

プラズマは、多くの堆積、エッチング、および層形成プロセスで用いられている。

近年、非真空状態の下でも適切な低温度プラズマを発生させるための試みが行われてきた。この種の反応室はコロナ放電またはグロー放電で機能する。この型のプラズマ発生器に関する概要は非特許文献１または非特許文献２に見出すことができる。本願明細書に記載のプラズマ反応室はとりわけ生物学的および医学的な目的に使用するように意図されている。真空下で動作するプラズマ反応室と関連する高コストに加えて、減圧動作はしばしば実行可能ではなく、そのためプラズマは大気圧で適用しなければならない。さらに、真空にさらされることに敏感な材料、例えばいくつかのポリマーまたは敏感な食品は、大気圧またはほぼ大気圧で低温プラズマによって処理することができる。

ラローシ（Ｌａｒｏｕｓｓｉ）著、「大気圧プラズマによる生体媒質の非熱汚染除去（Ｎｏｎｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｅｄｉａ ｂｙ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｌａｓｍａｓ）」、Ｒｅｖｉｅｗ，Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉｅｎｃｅ、３０巻、４号、２００２年８月、ｐ．１４０９−１４１５ シュッツ（Ｓｃｈｕｔｚｅ）ら著、「大気圧プラズマジェット（Ｔｈｅ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｌａｓｍａｓ Ｊｅｔ）」、Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｔｏ Ｏｔｈｅｒ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅｓ，ｉｂｉｄ．、２６巻、６号、１９９８年１２月

高出力がイグニションだけでしか必要ないけれども、プラズマ発生器は高出力電源を必要とする。

電極間隔はイグニション特性と安定なプラズマ動作の妥協をいつも必要とする。イグニションに最適である小さい電極間隔は、非常に小さいプラズマ量および電極に加わる非常に局部的な応力を生じる。

より大きい電極間隔は極めて高いイグニション電圧および不安定なプラズマ動作をもたらす。

本発明の目的は、特に大気圧に近い圧力範囲で、小さいパワーレベルで確実にイグナイトし、そして連続ガス流を高性能で活性化するために十分に高い密度のプラズマを発生させることができるプラズマ発生器用の電極を提供することである。

この目的は請求項１に記載の形状構成を有する電極を用いる本発明によって達成される。優れた実施形態が従属クレームに述べられている。

従って、少なくとも２つの部分電極が形成されるように、電極はマイクロ波の開路電圧の４分の１波長の１倍または複数倍である長さで長手方向に延びる少なくとも１つの切込み溝（ｓｌｏｔ）を有する板金片から作られ、そこでは電圧は閉じた切込み溝の端の部位の部分電極に供給される。

本発明は、特に大気圧に近い圧力範囲で、小さいパワーレベルで確実にイグナイトし、そして連続ガス流を高性能で活性化するために十分に高い密度のプラズマを発生させることができるプラズマ発生器用の電極を提供することができる。

本発明による共鳴器の電極の例 共鳴器の電極の閉じた構造の例 ハウジングに差し込まれた図２の共鳴器

本発明の電極は、開路状態下の励起周波数を考慮に入れて、プラズマがイグナイトされる幾何学的位置を生成する。プラズマがイグナイトされた後に、電極構造の電界分布はプラズマ・インピーダンスに因って変化して、プラズマは異なる位置へ移動し、そして／または電極切込み溝内に広がって、より大きい容積に拡大する。

電極の構造は構造の周波数に依存する共鳴特性を利用し、そして高電界強度を所定位置で発生させて、プラズマのイグニションを可能にする。強電界は通常少なくとも２つの対向して接近した電極に生成される。電力がマイクロ波の形で適切な位置で構造に導入されるとき、高い交互の電位差が切込み溝の端部で生成される。結果として生じる電界強度は対向する電極間の小さい分離に因って非常に高い。供給電力が十分に高いとき、プラズマは電界強度が最強である位置で大気圧またはほぼ大気圧でイグナイトされ得る。イグニション後、所要イグニション・パワーの何分の１かだけが動作を続けるために必要である。供給電力の周波数は電極の物理的寸法に依存する。特に、切込み溝の長さは周波数に著しい影響を及ぼし、そして４分の１波長の倍数に大体等しい。

電力は片側が開いている切込み溝に、例えば同軸ケーブルによって供給され、そこでは同軸ケーブルの内部導体は、おおよその整合が開路動作において生じる切込み溝の片側の位置に通される。

両側とも閉じている切込み溝付きの形状も実現可能である。そのとき最高電界、従ってプラズマも切込み溝の中央で発生する。ここで電極はＵ字形または円形に曲げられることが有利である。

後者の場合は、電力は、例えば同軸ケーブルによって供給され、そこでは内部導体はТ字形に分岐して、２つの切込み溝の端の部位において両側で電極に通される。

例えば、プロセス・ガスの処理に関して、電極は遮蔽ハウジングによって囲まれることが有利であり、この遮蔽ハウジングは、プロセス・ガスを供給するための開口部と、プラズマによる活性化に続いてプロセス・ガスを放出するための付加開口部とを有する。開口部はマイクロ波エネルギーの放出を許容基準で保つような大きさでなければならない。

好ましい実施形態では、電極は自励発振回路によって給電され、電極自体は周波数決定要素を形成する。発振回路および電極は単一ユニットに統合される。

好ましくは、電極は医療分野、特に人間の皮膚の治療、また加工中の製品の表面エネルギーの変更または層のプラズマ化学析出に使用することができる。

本発明はこれから２つの例示的な実施形態を参照してさらに詳細に説明される。

図１はプラズマ発生器の共鳴器の例示的な実施形態を示す。切込み溝２は電極として作用する板金片１に配置されている。切込み溝２は板金片１を２つの部分電極３に分割し、この部分電極は、同軸ケーブル５の内部導体４を経由して板金片１に供給される高周波電圧で動作するとき、高い電界強度を発生する。切込み溝２は通常λ／４の長さを有する。２ＧＨｚの周波数の供給電圧で実際に動作する装置では、切込み溝は３７．５ｍｍの長さを有し、切込み溝の幅は０．１ｍｍである。切込み溝の端の部位において、同軸ケーブル５の内部導体４は板金片１の外縁の位置まで延び、そこでは共鳴が発振器で発生する。同軸ケーブル５の外部導体６は板金片１の反対側に位置する板金片１の外縁に通される。

印加された供給電圧は、プラズマを大気圧でイグナイトするのに十分である高い電界強度を切込み溝に生じる。イグニション後に、プラズマは切込み溝２中へ移動して、安定な特性を呈しながら容積が増大する。

図２は、Ｕ字形に曲げられて切込み溝２を有する、板金片１から作られる電極を示す。この例では、切込み溝２はλ／２の長さを有する。同軸ケーブル５の内部導体４はТ字形に分岐して、切込み溝の端の部位で板金片１の２つの対向する側まで延びる。外部導体６は板金片１の両側に接続している。この実施形態では、最高電界強度は切込み溝２の中央に、すなわち板金片１の前縁に生じる。プラズマがこの位置でイグナイトされた後に、プラズマは少なくとも板金片１の前縁の全部位にわたって拡大する。

図３はハウジング７で完成した共鳴器の構成を図式的に示す。ハウジング７（ここでは実質的に開かれた構成で示す）は反射性であり、従って電磁放射線の外側への放出を防止する。プロセス・ガスは、ガス供給ライン８を後部ハウジング壁に、そして穴のあるガス放出ライン９を前壁に設けることによって、このプラズマ発生器で処理される。

１ 板金片
２ 切込み溝
３ 部分電極
４ 内部導体
５ 同軸ケーブル
６ 外部導体
７ ハウジング
８ ガス供給ライン
９ ガス放出ライン

Claims (3)

1. マイクロ波による励起によって大気圧またはほぼ大気圧でプラズマを発生させるためのプラズマ発生器用の電極であって、
   長手方向に延びて、前記マイクロ波の開路電圧の２分の１波長の長さを有する１つの切込み溝（２）を有するＵ字型に曲がった板金片（１）から成り、
   前記切込み溝（２）は、閉じた切込み溝の両端を、前記板金片（１）内の対向する部位において有し、前記切込み溝（２）により分離された２つの部分電極（３）が形成され、該部分電極（３）の外縁は、前記長手方向に延びており、
   そこでは電圧は同軸ケーブル（５）を通して、前記切込み溝（２）の両端近傍の前記部分電極（３）に供給され、
   前記同軸ケーブル（５）の内部導体（４）は、Ｔ字に分岐して、前記板金片（１）の前記切込み溝（２）の両端近傍の一方の前記部分電極（３）の対向する外縁まで延び、
   前記同軸ケーブル（５）の外部導体（６）は、前記板金片（１）の前記切込み溝（２）の両端近傍の他方の前記部分電極（３）の対向する外縁にそれぞれ接続されていることを特徴とする電極。
2. 遮蔽ハウジング（７）によって囲まれていることを特徴とする請求項１記載の電極。
3. 前記遮蔽ハウジング（７）が、プロセス・ガスを供給するための開口部と、前記プラズマによって活性化される前記プロセス・ガスを放出するための付加開口部とを備えていることを特徴とする請求項２記載の電極。

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