JP5966212B2 - Inductively coupled microplasma source in which part of floating electrode faces inside gas flow path and apparatus using the same - Google Patents

Inductively coupled microplasma source in which part of floating electrode faces inside gas flow path and apparatus using the same Download PDF

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本発明は、誘導結合型マイクロプラズマ源の、小型化・マイクロデバイス化、点火促進、省電力化に関する。
The present invention relates to downsizing, microdeviceization, ignition promotion, and power saving of an inductively coupled microplasma source.

プラズマ領域サイズの一部もしくは全てがcmを下回る、マイクロプラズマ源には、多くの種類が報告されている。圧力が高くなるため、小さなサイズでもプラズマ生成に有利となる。中でも大気圧プラズマは、真空チャンバーが不要になることから、省エネルギーや低コストものづくりに適する。容量結合型に比べて、誘導結合型プラズマは、プラズマ密度がより高くできるため有望である。
しかし、プラズマ点火や点灯が困難である問題があった。イグナイター機構を追加することは、専用電源を新たに用意すること、電極製作、電極と電源間の結線を必要とする。プラズマ源の小型化・マイクロデバイス化をも阻害する。
誘導結合型マイクロプラズマ点火のために、誘導結合型プラズマ発生用コイル電極以外の電極と、付随する機構をプラズマ源に追加する技術は、例えば特許文献1から5、非特許文献1に開示されている。
Many types of microplasma sources have been reported where some or all of the plasma region size is below cm. Since the pressure is high, even a small size is advantageous for plasma generation. Above all, atmospheric pressure plasma is suitable for energy saving and low-cost manufacturing because a vacuum chamber is unnecessary. Compared to capacitive coupling type, inductively coupled plasma is promising because the plasma density can be higher.
However, there is a problem that plasma ignition and lighting are difficult. Adding an igniter mechanism requires a new dedicated power supply, electrode fabrication, and connection between the electrode and the power supply. It also hinders downsizing of plasma sources and micro devices.
For example, Patent Documents 1 to 5 and Non-Patent Document 1 disclose techniques for adding electrodes other than the inductively coupled plasma generating coil electrode and an accompanying mechanism to the plasma source for inductively coupled microplasma ignition. Yes.

特許文献1および2では、微小サイズ金属ドットの材料供給源のために金属ワイヤー(タングステンと鉄を例示)がキャピラリー内に導入されている。この金属ワイヤーを高周波誘導加熱した上で、接続しておいたイグナイターを一瞬作動することで、ワイヤー先端と誘導結合型プラズマ発生用コイル電極間に高電圧を印加して放電させ、誘導結合型マイクロプラズマを点灯することが開示されている。
特許文献3では、誘導結合型マイクロプラズマ点灯のために、絶縁体チューブ内外に誘電体バリア放電発生用の電極を追加して具備することを開示している。
特許文献4では、図示は無いものの、装置制御部に、ガス供給手段、高周波電源、及びプラズマ点火手段があることを、言及している。少なくとも出願人が手がけた一部の装置では、圧電素子を利用したガスコンロ点火装置と同等の機構が組み合わされている。
特許文献5では、プラズマを維持する低電圧大電流を加える電極に加えて、プラズマを始動する高電圧小電流を加える電極(ワイヤー形状ではなく、円筒形状)を利用するプラズマ生成方法を開示している。
非特許文献1の著者の一人は、特許文献1および2の発明者に含まれている。本質的には同じであるが、タングステン線が通常グランド電位に接続されていること、熱電子の発生を促すこと、プラズマ点火には約15kVの直流電圧を0.5秒加えることを説明している。以上のいずれも、追加した電極構造には結線と、点火用の高電圧電源が必要である。
In Patent Documents 1 and 2, a metal wire (tungsten and iron are exemplified) is introduced into a capillary for a material supply source of minute size metal dots. After high-frequency induction heating of this metal wire, the connected igniter is actuated for a moment to apply a high voltage between the wire tip and the coil electrode for inductive coupling type plasma generation to discharge the inductive coupling type micro It is disclosed to turn on plasma.
Patent Document 3 discloses that an electrode for generating a dielectric barrier discharge is additionally provided inside and outside the insulator tube for inductively coupled microplasma lighting.
Patent Document 4 mentions that the apparatus control unit includes a gas supply unit, a high-frequency power source, and a plasma ignition unit, although not shown. In at least some of the devices handled by the applicant, a mechanism equivalent to a gas stove ignition device using a piezoelectric element is combined.
Patent Document 5 discloses a plasma generation method that uses an electrode (not a wire shape but a cylindrical shape) that applies a high voltage and small current to start plasma in addition to an electrode that applies a low voltage and large current for maintaining plasma. Yes.
One of the authors of Non-Patent Document 1 is included in the inventors of Patent Documents 1 and 2. Exactly the same, but explained that the tungsten wire is usually connected to ground potential, promoting the generation of thermoelectrons, and applying a DC voltage of about 15 kV for 0.5 seconds for plasma ignition. Yes. In any case, the added electrode structure requires connection and a high voltage power source for ignition.

非特許文献2では、2つのタングステン針を、ギャップ2.5mmを介して向かい合わせ、片方を浮遊電極とするマイクロプラズマ用の電極構造を示している。48kHzで4kV程度の電圧を加えている。
非特許文献3では、サイズ数100μm程度のシリコンデバイスによるマイクロプラズマを示している。基板平面には、7.5kHzで260V程度のプラス・マイナス両極性のパルス電圧が印加される、ロの字形ニッケル電極の中心部に、100μm角または50μm角の浮遊電極を用意することで、ネオンガスの放電が促進されることを言及している。以上2つのいずれも、誘導結合型マイクロプラズマ源ではない。
特許文献6は、発明者が申請したものである。ガス流路内部に、浮遊電極を置くことを前提とする。このため、浮遊電極のデザインが、ガス流路のデザインに依存する。非特許文献4は、発明者らの学術論文であり、浮遊電極をガス流路内に配置したU字形の平板型コイルによって励起する誘導結合型マイクロプラズマ源である。幅2mm、長さ40mm、深さ1.2mmの溝に、アルミやタングステンなどの金属線を配置している。ガス流路である溝内に配置するために、形状、長さ、向きに制約がある。
Non-Patent Document 2 shows an electrode structure for microplasma in which two tungsten needles face each other with a gap of 2.5 mm and one side is a floating electrode. A voltage of about 4 kV is applied at 48 kHz.
Non-Patent Document 3 shows microplasma using a silicon device having a size of about several hundreds of micrometers. Neon gas is prepared by preparing a floating electrode of 100 μm square or 50 μm square at the center of a square-shaped nickel electrode to which a positive / negative bipolar pulse voltage of about 260 V is applied at 7.5 kHz on the substrate plane. It is mentioned that the discharge is promoted. Neither of the above two is an inductively coupled microplasma source.
Patent Document 6 is filed by the inventor. It is assumed that a floating electrode is placed inside the gas flow path. For this reason, the design of the floating electrode depends on the design of the gas flow path. Non-Patent Document 4 is an academic paper by the inventors and is an inductively coupled microplasma source that is excited by a U-shaped flat coil in which a floating electrode is disposed in a gas flow path. A metal wire such as aluminum or tungsten is disposed in a groove having a width of 2 mm, a length of 40 mm, and a depth of 1.2 mm. In order to arrange in the groove which is a gas flow path, there are restrictions on the shape, length and direction.

「微小なドット又はラインを備えた低融点基板、マイクロプラズマによる堆積方法及び同装置」公表番号 : 特許公開2005−262111公開日:2005年9月29日出願人 : 独立行政法人 産業技術総合研究所"Low melting point substrate with minute dots or lines, deposition method and apparatus using microplasma" Publication number: Patent publication 2005-262111 Publication date: September 29, 2005 Applicant: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 「微小なラインを備えた基板」公表番号 : 特許公開2008−306209公開日: 2008年12月18日出願人 : 独立行政法人 産業技術総合研究所Publication number: Patent Publication 2008-306209 Publication date: December 18, 2008 Applicant: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 「プラズマ発生装置」公表番号 : 特許公開2008−198583公開日: 2008年8月28日出願人 : 寺嶋和夫"Plasma Generator" Publication Number: Patent Publication 2008-198583 Publication Date: August 28, 2008 Applicant: Terashima Kazuo 「マイクロプラズマジェット制御方法及び装置」公表番号 : 特許公開2007−213821公開日: 2007年8月23日出願人 : 松下電器産業株式会社"Microplasma Jet Control Method and Apparatus" Publication Number: Patent Publication 2007-213821 Publication Date: August 23, 2007 Applicant: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 「プラズマ発生装置及びプラズマ生成方法」公表番号 : 特許公開2009−289432、公開日: 2009年12月10日出願人 : 国立大学法人 東京工業大学"Plasma Generator and Plasma Generation Method" Publication Number: Patent Publication 2009-289432, Publication Date: December 10, 2009 Applicant: Tokyo Institute of Technology 「浮遊電極を持つ誘導結合型マイクロプラズマ源」公表番号:特開2011−249289公開日:平成23年12月8日出願人:学校法人 トヨタ学園豊田工業大学"Inductively coupled microplasma source with floating electrode" Publication number: JP 2011-249289 Publication date: December 8, 2011 Applicant: Toyota Gakuen Toyota Technological Institute "Thermoelectron-enhancedmicrometer-scale plasma generation", T. Ito, K. Terashima, Applied Physics Letters,Vol. 80, No. 15 (2002) 2648-2650."Thermoelectron-enhancedmicrometer-scale plasma generation", T. Ito, K. Terashima, Applied Physics Letters, Vol. 80, No. 15 (2002) 2648-2650. “A simple cold Ar plasma jetgenerated with a floating electrode at atmospheric pressure", Q.-Y. Nie,C.-S. Ren, D.-Z. Wang, J.-L. Zhang, Applied Physics Letters, Vol. 93 (2008)011503.“A simple cold Ar plasma jetgenerated with a floating electrode at atmospheric pressure”, Q.-Y.Nie, C.-S.Ren, D.-Z.Wang, J.-L.Zhang, Applied Physics Letters, Vol. 93 (2008) 011503. "Mode Change Observed onSpatial Distribution of Microplasma Emission in a Microdischarge Cell with aFloating Electrode", D.-S. Lee, O. Sakai, K. Tachibana, Japanese Journalof Applied Physics, Vol. 48 (2009) 106002."Mode Change Observed on Spatial Distribution of Microplasma Emission in a Microdischarge Cell with aFloating Electrode", D.-S. Lee, O. Sakai, K. Tachibana, Japanese Journalof Applied Physics, Vol. 48 (2009) 106002. "Novel Atmospheric PressureInductively Coupled Micro Plasma Source Using Floating Wire Electrode", S.Kumagai, H. Matsuyama, Y. Yokoyama, M. Hori, M. Sasaki, Japanese Journal ofApplied Physics, Vol. 50 (2011) 08JA02."Novel Atmospheric Pressure Inductively Coupled Micro Plasma Source Using Floating Wire Electrode", S. Kumagai, H. Matsuyama, Y. Yokoyama, M. Hori, M. Sasaki, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 50 (2011) 08JA02.

誘導結合型マイクロプラズマは、高密度プラズマを発生できる。しかし、プラズマ点火が難しい問題があった。イグナイター機構を追加する方法が知られているが、専用電源を新たに用意すること、追加の電極製作、電極と電源間の結線を必要とする。これらは、プラズマ源の小型化・マイクロデバイス化を阻害する。
この問題を解決するために、発明者は浮遊電極をガス流路内部に配置することで、点火用の電源を追加することなく、点火を容易にする方法を、先に特許申請した。
しかしながら、ガス流路内部に電極を配置することは、浮遊電極のデザインが、ガス流路のデザインに依存することを意味する。プラズマ源に適切な流路と電極デザインは異なるため、必ずしも互いに最適なものとならない課題があった。
Inductively coupled microplasma can generate high density plasma. However, there was a problem that plasma ignition was difficult. Although a method of adding an igniter mechanism is known, it requires preparation of a dedicated power supply, production of an additional electrode, and connection between the electrode and the power supply. These hinder the miniaturization and microdevices of the plasma source.
In order to solve this problem, the inventor previously applied for a patent for a method of facilitating ignition without adding a power source for ignition by disposing a floating electrode inside the gas flow path.
However, disposing the electrode inside the gas flow path means that the design of the floating electrode depends on the design of the gas flow path. Since the flow path and electrode design appropriate for the plasma source are different, there is a problem that they are not necessarily optimal for each other.

本発明は、浮遊電極の一部がガス流路内部に面している誘導結合型マイクロプラズマ源を実現することにより課題を解決したものである。
本発明によれば、浮遊電極を利用するが、その一部のみをガス流路内部に面することで、誘導結合型マイクロプラズマ源が得られる。
マイクロプラズマの励起に誘導結合を利用しているため、特別の結線を施すことなく、浮遊電極にエネルギーを供給し、点火を促進できる。浮遊電極の一部のみが電離し易いガスに面しているため、点火する点は限られるが、電極配置によって点火する位置は決まってくるため、プラズマ源のデザインに組み込むことができる。
これにより、ガス流路と浮遊電極を、各々最適にデザインできる。例えば、ガス流路とは独立に、浮遊電極の長さや向きをデザインできる。電極が長いほど点火電力を下げることができ、向きは光源応用の場合には出射光取り出しの設計に関係する。プラズマ発光であるため、自己吸収を避けるための適切な方向がある。
The present invention solves the problem by realizing an inductively coupled microplasma source in which a part of the floating electrode faces the inside of the gas flow path.
According to the present invention, although the floating electrode is used, an inductively coupled microplasma source can be obtained by facing only part of the floating electrode inside the gas flow path.
Since inductive coupling is used for microplasma excitation, energy can be supplied to the floating electrode and ignition can be promoted without special connection. Since only a part of the floating electrode faces a gas that is easily ionized, the ignition point is limited, but the ignition position is determined depending on the electrode arrangement, so that it can be incorporated into the design of the plasma source.
Thereby, each of the gas flow path and the floating electrode can be optimally designed. For example, the length and direction of the floating electrode can be designed independently of the gas flow path. The longer the electrode, the lower the ignition power, and the orientation is related to the design of outgoing light extraction in the case of light source applications. Since it is plasma emission, there is an appropriate direction to avoid self-absorption.

また本発明によれば、浮遊電極の一部がガス流路内部に面しており、他の部分はガス流路外部において誘電率の高い材料に近接していることを特徴とする、誘導結合型マイクロプラズマ源が得られる。
マイクロプラズマ用途には100MHz程度の高周波電源が利用されるため、波長は3m程度である。マイクロプラズマの構造は通常cmを下回るため、波長よりも十分小さい。浮遊電極が大きくなる程、アンテナと同様、電磁界を受ける効果が得られるため、プラズマ点火に有利となる。浮遊電極が、ガス流路外部において誘電率の高い材料に近接することは、電磁界に対して、実際の寸法よりも長くなる効果を持つ。すなわち、プラズマ源のサイズを小さく維持しつつ点火し易くする効果を得ることができる。
According to the present invention, an inductive coupling is characterized in that a part of the floating electrode faces the inside of the gas channel and the other part is close to the material having a high dielectric constant outside the gas channel. Type microplasma source is obtained.
Since a high-frequency power source of about 100 MHz is used for microplasma applications, the wavelength is about 3 m. Since the structure of microplasma is usually less than cm, it is sufficiently smaller than the wavelength. As the floating electrode becomes larger, the effect of receiving an electromagnetic field is obtained as in the case of the antenna, which is advantageous for plasma ignition. The proximity of the floating electrode to the material having a high dielectric constant outside the gas channel has an effect of making the electromagnetic field longer than the actual size. That is, the effect of facilitating ignition while maintaining the size of the plasma source small can be obtained.

また本発明によれば、浮遊電極の一部がガス流路内部に面しており、さらに別の1つ以上の浮遊電極があることを特徴とする、誘導結合型マイクロプラズマ源が得られる。浮遊電極が1つの場合は、電極端とその周囲の電位の間で高電界が得られることにより、プラズマ点火を促していた。2つ以上の浮遊電極を用意すると、サイズやレイアウトにより、互いの電極端においてプラスとマイナスの異符号の電位を形成できる。電極間距離を短くデザインすることが可能であるため、高電界を形成する効果を高めることができる。
また本発明によれば、浮遊電極の一部がガス流路内部に面していることを特徴とする、誘導結合型マイクロプラズマ源を利用した、光源、分光システム、表面処理、ドーピング、膜堆積、エッチングなどの装置が実現できる。
In addition, according to the present invention, an inductively coupled microplasma source is obtained in which a part of the floating electrode faces the inside of the gas flow path and there is one or more other floating electrodes. In the case of one floating electrode, plasma ignition is promoted by obtaining a high electric field between the electrode end and the surrounding potential. When two or more floating electrodes are prepared, positive and negative potentials with different signs can be formed at the ends of the electrodes depending on the size and layout. Since the distance between the electrodes can be designed to be short, the effect of forming a high electric field can be enhanced.
Further, according to the present invention, a light source, a spectroscopic system, surface treatment, doping, film deposition using an inductively coupled microplasma source, wherein a part of the floating electrode faces the inside of the gas flow path An apparatus such as etching can be realized.

本発明によれば、小型で点火が容易な、誘導結合型マイクロプラズマ源が実現できる。
より低パワーでプラズマ点火すると、更にパワーを上げた際にも、プラズマが成長してより低パワーで明るいプラズマが形成される。高密度化の促進や、エネルギー効率向上が期待される。浮遊電極のデザインと、ガス流路のデザインが互いに依存する程度を減らし、互いにプラズマ点火や点灯に適切なものにできる。安定したプラズマ源となる。より大きな装置内の部品としてプラズマ源を応用する際には、重要な性能である。誘導結合型マイクロプラズマ源を利用した装置の、小型化・マイクロデバイス化、高機能化、信頼性向上、省エネルギー化の効果が得られる。
According to the present invention, an inductively coupled microplasma source that is small and easy to ignite can be realized.
When the plasma is ignited at a lower power, even when the power is further increased, the plasma grows to form a brighter plasma at a lower power. Promotion of higher density and improved energy efficiency are expected. The degree to which the design of the floating electrode and the design of the gas flow path depend on each other can be reduced, making them suitable for plasma ignition and lighting. It becomes a stable plasma source. This is an important performance when applying a plasma source as a component in a larger device. The effects of downsizing, microdevices, high functionality, improved reliability, and energy saving of an apparatus using an inductively coupled microplasma source can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図は例示であり、プラズマ源を構成する、電極やガス流路の材料、形状、配置などは限定されるものではない。
図1は本発明の実施の形態による、浮遊電極の一部がガス流路内部に面していることを特徴とする、誘導結合型マイクロプラズマ源の一実施例の概略図である。
図1において、1はプラズマ領域である。2は浮遊電極である。浮遊電極2は基本的に三角形状をしており、尖った角から僅かに線が伸びて、ガス流路内に面している。点火はこの電極のガス流路に面した端部の周辺で発生する。3は別の浮遊電極(サブ電極)である。4は浮遊電極に近接した誘電率の高い材料である。この誘電率が大きくなるほど、浮遊電極2の電磁気的作用は、実寸よりも長くなる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawing is merely an example, and the material, shape, arrangement, and the like of the electrodes and gas flow paths that constitute the plasma source are not limited.
FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of an inductively coupled microplasma source characterized in that a part of a floating electrode faces the inside of a gas flow path according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, 1 is a plasma region. 2 is a floating electrode. The floating electrode 2 basically has a triangular shape, and a line slightly extends from a sharp corner and faces the gas flow path. Ignition occurs around the end of the electrode facing the gas flow path. 3 is another floating electrode (sub-electrode). 4 is a material having a high dielectric constant close to the floating electrode. As the dielectric constant increases, the electromagnetic action of the floating electrode 2 becomes longer than the actual size.

5は螺旋状のパイプからなる誘導結合型プラズマ発生用コイル電極である。
図1の例では、3の別の浮遊電極はガス流路内に配置し、2の浮遊電極よりも小さく、向きも直交している。
プラズマ点火の際には、電磁誘導を介して、浮遊電極2や別の浮遊電極3にエネルギーを供給する。
6はガス流路であり、ガスの流れ7を形成する。この例では、円筒ガラス細管を利用している。
8は高周波電源である。大気圧プラズマでは、流路壁へのガス衝突によるエネルギーのロスが少なくなるよう、100MHzを代表とするVHF帯の周波数が利用されることが多い。
Reference numeral 5 denotes an inductively coupled plasma generating coil electrode made of a spiral pipe.
In the example of FIG. 1, three other floating electrodes are arranged in the gas flow path, and are smaller than the two floating electrodes and are orthogonal to each other.
At the time of plasma ignition, energy is supplied to the floating electrode 2 or another floating electrode 3 through electromagnetic induction.
A gas flow path 6 forms a gas flow 7. In this example, a cylindrical glass capillary is used.
Reference numeral 8 denotes a high frequency power source. In atmospheric pressure plasma, a frequency in the VHF band typified by 100 MHz is often used so that energy loss due to gas collision with the flow path wall is reduced.

図1の実施例では、誘導結合型プラズマ発生用スパイラルコイル5は螺旋状のパイプにより形成し、ガス流路6は円筒のガラス細管により形成してある。
浮遊電極2は、ガス流路6の円筒のガラス細管をつなぎ合わせている隙間に、浮遊電極2を挟み込み、一部がガス流路内部に面している構成としている。
スパイラルコイル5で発生した磁場が、浮遊電極2と電磁気的に作用する。浮遊電極2の形状は、鋭角三角形の先に、僅かに線が伸びたものである。この浮遊電極は、ガス流路外部において誘電率の高い材料(例えば、ポリイミド)でカバーされている。このため、実際の寸法よりも、誘電率分だけ大きな電極サイズと同じ、電磁場を受ける働きを持つ。
また、別のサイズがより小さな浮遊電極(サブ電極)3が流路内6に配置されている。
In the embodiment of FIG. 1, the inductively coupled plasma generating spiral coil 5 is formed by a spiral pipe, and the gas flow path 6 is formed by a cylindrical glass thin tube.
The floating electrode 2 is configured such that the floating electrode 2 is sandwiched in a gap connecting cylindrical glass capillaries of the gas flow path 6 and a part thereof faces the inside of the gas flow path.
A magnetic field generated by the spiral coil 5 electromagnetically acts on the floating electrode 2. The shape of the floating electrode 2 is such that a line slightly extends beyond the tip of an acute triangle. The floating electrode is covered with a material having a high dielectric constant (for example, polyimide) outside the gas flow path. For this reason, it has the function of receiving an electromagnetic field that is the same as the electrode size larger by the dielectric constant than the actual dimension.
In addition, a floating electrode (sub-electrode) 3 having a smaller size is disposed in the flow path 6.

図1の実施例では、浮遊電極(サブ電極)3をガスが流れる上流側に配置した例である。浮遊電極2と浮遊電極(サブ電極)3の浮遊電極間のギャップが小さいため、高電界を形成することができる。これにより、プラズマ点火の効果をより高めることができる。ガス流路7を形成するガラス管6は、スパイラルコイル5に対して直交した配置になっているが通常の直線状の管で構成するための便宜であり、プラズマが形成される領域以外は任意の管形状でもプラズマ点火の効果は同じである。
マイクロプラズマの励起に誘導結合を利用しているため、特別の結線を施すことなく、浮遊電極にエネルギーを供給し、点火を促進できる。
浮遊電極の一部のみが電離し易いガスに面しているため、点火する点は限られるが、電極配置によって点火する位置は決まってくるため、プラズマ源のデザインに組み込むことができる。これにより、ガス流路と浮遊電極を、各々最適にデザインできる。プラズマ源の小型化・マイクロデバイス化、点火を容易にすると同時に、より省電力でプラズマを発生させる効果の更なる促進を実現する。
In the embodiment of FIG. 1, the floating electrode (sub-electrode) 3 is arranged on the upstream side where the gas flows. Since the gap between the floating electrode 2 and the floating electrode (sub-electrode) 3 is small, a high electric field can be formed. Thereby, the effect of plasma ignition can be improved more. The glass tube 6 forming the gas flow path 7 is arranged perpendicular to the spiral coil 5, but is convenient for the configuration of a normal straight tube, and is optional except in the region where plasma is formed. The effect of plasma ignition is the same even with this tube shape.
Since inductive coupling is used for microplasma excitation, energy can be supplied to the floating electrode and ignition can be promoted without special connection.
Since only a part of the floating electrode faces a gas that is easily ionized, the ignition point is limited, but the ignition position is determined depending on the electrode arrangement, so that it can be incorporated into the design of the plasma source. Thereby, each of the gas flow path and the floating electrode can be optimally designed. The plasma source can be reduced in size, made into a microdevice, and easily ignited, while at the same time, further promoting the effect of generating plasma with lower power consumption.

図2は本発明の実施の形態による、浮遊電極の一部がガス流路内部に面していることを特徴とする、誘導結合型マイクロプラズマ源の他の実施例の概略図である。
図2において、1はプラズマ領域である。2は浮遊電極である。3は別の浮遊電極(サブ電極)である。この電極を加えるかは、目的による。この例では、3の浮遊電極は2の浮遊電極よりも小さく、向きも直交している。
2と3が互いに向かい合う先端は、電界強度を得るために、尖った形状にしている。点火は電極2、3のガス流路に面した部分の周辺で発生する。4は浮遊電極に近接した誘電率の高い材料である。例えば、マイクロデバイスを形成する基板材料である、シリコンでも良い。5は螺旋状のパイプからなる誘導結合型プラズマ発生用コイル電極である。プラズマ点火の際には、電磁誘導を介して、2や3の浮遊電極にエネルギーを供給する。6は流路であり、ガスの流れ7を形成する。この例では、微細加工によって製作したトレンチ構造を利用している。実際にはトレンチにカバーを付けて流路とするが、分かり易さのために図示していない。8は高周波電源である。
FIG. 2 is a schematic view of another embodiment of an inductively coupled microplasma source characterized in that a part of the floating electrode faces the inside of the gas flow path according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 2, 1 is a plasma region. 2 is a floating electrode. 3 is another floating electrode (sub-electrode). Whether to add this electrode depends on the purpose. In this example, the floating electrode 3 is smaller than the floating electrode 2 and the directions are orthogonal.
The tips where 2 and 3 face each other are pointed to obtain electric field strength. Ignition occurs around the part of the electrodes 2, 3 facing the gas flow path. 4 is a material having a high dielectric constant close to the floating electrode. For example, silicon, which is a substrate material for forming a micro device, may be used. Reference numeral 5 denotes an inductively coupled plasma generating coil electrode made of a spiral pipe. During plasma ignition, energy is supplied to the 2 and 3 floating electrodes via electromagnetic induction. Reference numeral 6 denotes a flow path, which forms a gas flow 7. In this example, a trench structure manufactured by microfabrication is used. Actually, the trench is covered with a flow path, which is not shown for the sake of simplicity. Reference numeral 8 denotes a high frequency power source.

誘導結合型プラズマ発生用スパイラルコイルは螺旋状のパイプ、ガス流路はマイクロ溝加工により製作した流路により形成
した例である。例えば、シリコン微細加工により蛇行した流路の形成が可能である。浮遊電極の形状は、鋭角三角形である。この浮遊電極は、ガス流路外部において誘電率の高い材料(例えば、シリコン)上にあるため、実際の寸法よりも、誘電率分だけ大きな電極サイズと同じ、電磁場を受ける働きを持つ。また、別の浮遊電極(サイズがより小さなサブ電極)が流路内に配置されている。この図では、ガスが流れる上流側に配置した例である。上記2つの浮遊電極間のギャップが小さいため、高電界を形成することができる。これにより、プラズマ点火の効果をより高めることができる。
The inductively coupled plasma generating spiral coil is an example in which a spiral pipe is formed, and the gas channel is formed by a channel manufactured by microgrooving. For example, a meandering flow path can be formed by fine silicon processing. The shape of the floating electrode is an acute triangle. Since this floating electrode is on a material having a high dielectric constant (for example, silicon) outside the gas flow path, it has the function of receiving an electromagnetic field that is the same as the electrode size larger by the dielectric constant than the actual dimension. Further, another floating electrode (sub-electrode having a smaller size) is disposed in the flow path. In this figure, it is the example arrange | positioned in the upstream from which gas flows. Since the gap between the two floating electrodes is small, a high electric field can be formed. Thereby, the effect of plasma ignition can be improved more.

図3は図1の実施例の浮遊電極の働きを等価回路モデルによって表したものである。誘導結合型プラズマ発生用スパイラルコイル5から発生する高周波の磁場を受け、浮遊電極2中に起電力が発生する。この作用は、コイル5と浮遊電極2との間に存在する相互インダクタンスMによって表すことができる。浮遊電極には様々な導電性材料が利用できる。直線状の浮遊電極の両端aおよびbにおいて周囲のグランド電位とそれぞれ結合していると考えることができる。これはキャパシタンスCaおよびCbで表すことができる。従って、浮遊電極2は、グランド電位−キャパシタンスCa−浮遊電極自体のインダクタンスL2−浮遊電極自体の内部抵抗R2−キャパシタンスCb−グランド電位、からなる直列回路を形成する。これに起電力が働き、回路中に電流が流れる。電流が、上記直列回路を通りながら、各素子のインピーダンスに応じた電圧を発生する。 FIG. 3 shows the function of the floating electrode of the embodiment of FIG. 1 by an equivalent circuit model. An electromotive force is generated in the floating electrode 2 by receiving a high-frequency magnetic field generated from the inductively coupled plasma generating spiral coil 5. This action can be expressed by a mutual inductance M existing between the coil 5 and the floating electrode 2. Various conductive materials can be used for the floating electrode. It can be considered that both ends a and b of the linear floating electrode are respectively coupled to the surrounding ground potential. This can be represented by capacitances Ca and Cb. Accordingly, the floating electrode 2 forms a series circuit composed of the ground potential-capacitance Ca-inductance L2 of the floating electrode itself-internal resistance R2-capacitance Cb-ground potential of the floating electrode itself. An electromotive force acts on this, and a current flows in the circuit. A current generates a voltage corresponding to the impedance of each element while passing through the series circuit.

各素子のインピーダンス絶対値を図2の実施例の針金の場合を想定して見積もる。
周波数100MHz、全長22mmの条件で見積もると、内部抵抗R2が0.04Ω、インダクタンスL2によるインピーダンスが6Ω、キャパシタンスCaおよびCbによるインピーダンスが各々300kΩとなる。インダクタンスは相互作用する外部電極が中心から真空相当の距離で0.5mm離れた位置にあり、キャパシタンスは無限遠にあると近似した。グランド電位領域とのギャップ長があるため、キャパシタンスは小さくなる。従って、周波数が100MHzであってもインピーダンス絶対値は大きい。直列回路を形成しているため、各素子に流れる電流は同じであり、上記インピーダンスの大きな値を持つ素子の間で、電位差および電界が大きくなる。上記インピーダンス値の精度は、オーダの見積もり程度であるが、インダクタンスとキャパシタンスによるインピーダンスで大きさが5桁異なる。キャパシタンスによるインピーダンスが支配的となる条件は広く成立する。これはaまたはb点の電位が周辺電位と比べて大きく異なることを意味し、これによる電界によって浮遊電極の端から点火することと符合する。キャパシタンスCaおよびCbの値は、形状やレイアウトによって、その値を調節でき、線状の浮遊電極端の片方に、より電界を集中させることも可能であり、デザインできる。
以上の結果として、浮遊電極によって、ガス流路内に効率的に電界を集中させることができる。この電界がプラズマ点火を促進する。なお、浮遊電極1とキャパシタンスを介して結合しえるのは、グランド電位のみではなく、別の電位を持つコイル電極3も考えられる。この場合には、電圧は結合部分との中間の値を取るため、その領域の電圧勾配である電界が抑えられる形となり、必ずしも点火に有利とはならない。
The absolute impedance value of each element is estimated assuming the case of the wire in the embodiment of FIG.
When estimated under the conditions of a frequency of 100 MHz and a total length of 22 mm, the internal resistance R2 is 0.04Ω, the impedance due to the inductance L2 is 6Ω, and the impedance due to the capacitances Ca and Cb is 300 kΩ. The inductance approximated that the interacting external electrode was at a position 0.5 mm away from the center at a distance equivalent to a vacuum, and the capacitance was at infinity. Since there is a gap length with the ground potential region, the capacitance becomes small. Therefore, even if the frequency is 100 MHz, the impedance absolute value is large. Since a series circuit is formed, the current flowing through each element is the same, and a potential difference and an electric field are increased between elements having a large impedance value. The accuracy of the impedance value is about the estimated value of the order, but the magnitude differs by five orders of magnitude depending on the impedance due to inductance and capacitance. The conditions under which the impedance due to capacitance becomes dominant are widely established. This means that the potential at point a or b is significantly different from the surrounding potential, which is consistent with ignition from the end of the floating electrode by the electric field. The values of the capacitances Ca and Cb can be adjusted depending on the shape and layout, and the electric field can be more concentrated on one of the ends of the linear floating electrode, which can be designed.
As a result, the electric field can be efficiently concentrated in the gas flow path by the floating electrode. This electric field promotes plasma ignition. Note that not only the ground potential but also the coil electrode 3 having another potential can be coupled to the floating electrode 1 via the capacitance. In this case, since the voltage takes an intermediate value with respect to the coupling portion, the electric field that is the voltage gradient in that region is suppressed, and this is not necessarily advantageous for ignition.

図4は、図1で示した本発明の実施の形態による、誘導結合型マイクロプラズマ源を利用して、いくつかの浮遊電極を利用した際の点火電力を示すグラフである。
ヘリウムガス流量は0.5L/分、ガラス細管の内径は1mm、外径は1.5mm、スパイラルコイルとガラス細管中心間距離は2mm以下に近づけた。スパイラルコイルは100MHz電源と、インピーダンスマッチングボックスを介して接続されている。図の横軸には浮遊電極の長さLを、縦軸には点火電力をとった。浮遊電極の形状は、挿入図にあるように鋭角三角形とし、その頂角θと、長さLの取り方を示す。浮遊電極は銅箔(厚さ0.1mm)を手作業で切り、先端の銅線はハンダ付けして製作しているので、構造にはある程度のばらつきがある。まず全体的な傾向として、電極長さLが短くなる(すなわち小型化を進める)と、点火電力が上がる。×印で示すθ=3.9°の電極は、図の範囲において、幅が3mm以下になるが、全体的に点火電力が高い。製作時の反りも含めてパワー損失の大きな構造になったと考えられる。
FIG. 4 is a graph showing ignition power when several floating electrodes are used using the inductively coupled microplasma source according to the embodiment of the present invention shown in FIG.
The helium gas flow rate was 0.5 L / min, the inner diameter of the glass capillary was 1 mm, the outer diameter was 1.5 mm, and the distance between the spiral coil and the center of the glass capillary was close to 2 mm or less. The spiral coil is connected to a 100 MHz power source via an impedance matching box. The horizontal axis of the figure is the floating electrode length L, and the vertical axis is the ignition power. The shape of the floating electrode is an acute triangle as shown in the inset, and the apex angle θ and how to take the length L are shown. The floating electrode is manufactured by manually cutting a copper foil (thickness 0.1 mm) and soldering the copper wire at the tip, so there is some variation in the structure. First, as an overall trend, when the electrode length L is shortened (that is, downsizing is advanced), the ignition power increases. The electrode of θ = 3.9 ° indicated by the x mark has a width of 3 mm or less within the range shown in the figure, but the ignition power is generally high. It is thought that the structure has a large power loss, including warpage during production.

他のθの値を持つ電極は、単独の銅線も含めて類似している。ただし、長さL=5mmのデータは有意な差を示しており、○印で示すθ=11.7°の三角形状が点火に有利と判断される。・印で示すwireは直径0.1mmの銅線を、三角形の浮遊電極と同様に、一部のみガス流路内部に面して配置したときの値である。なお、長さL=22mmでの1点のみであるが、ガラス細管をスパイラルコイルに通した上で、直径0.1mmの銅線からなる浮遊電極をガス流路内に配置した際の点火電力を+印で示す(特許文献6で示した構成に該当)。僅かではあるが、点火の低電力化が得られた。ガス流路と浮遊電極を、各々最適にデザインできることは、プラズマ源を小型化・マイクロデバイス化する際には重要であることが分かる。 Other electrodes having a value of θ are similar, including a single copper wire. However, the data of length L = 5 mm shows a significant difference, and a triangular shape of θ = 11.7 ° indicated by a circle is judged to be advantageous for ignition. -The wire indicated by a mark is a value when a copper wire having a diameter of 0.1 mm is arranged so that only a part thereof faces the inside of the gas flow path, like a triangular floating electrode. In addition, although it is only one point in length L = 22mm, after passing a glass thin tube through a spiral coil, the ignition power at the time of arrange | positioning the floating electrode which consists of a 0.1 mm diameter copper wire in a gas flow path Is indicated by + (corresponding to the configuration shown in Patent Document 6). Although it was slight, low power of ignition was obtained. It can be seen that the ability to optimally design the gas flow path and the floating electrode is important when the plasma source is downsized and made into a microdevice.

図5は、 図1で示した本発明の実施の形態による、誘導結合型マイクロプラズマ源を利用して、いくつかの浮遊電極、および別の浮遊電極(サブ電極)を組み合わせた際の点火電力を示すグラフである。
ヘリウムガス流量は0.5L/分である。ガラス細管の外に出ている浮遊電極部分は、ポリイミドテープでカバーした。実験のばらつき幅を確認するために、3回同じ実験を行った。(a)は模式図に示すように、長さL=22mm、幅w=9mm(θ=23.1°)の三角形状をもつ浮遊電極における例である。グラフの横軸は、別の浮遊電極(サブ電極)の違いを表す。「なし」はサブ電極が無い場合、「上流」は流路の上流側に直径0.1mm、長さ5mmの銅線をガラス細管内に置いた場合、「下流」は流路の下流側に直径0.1mm、長さ5mmの銅線をガラス細管内に置いた場合、「上下流は」流路の上下流に直径0.1mm、長さ5mmの銅線2本をガラス細管に置いた場合を表す。
浮遊電極間どうしは、接触しない程度にできるだけ近づけた。
FIG. 5 shows ignition power when several floating electrodes and another floating electrode (sub-electrode) are combined using the inductively coupled microplasma source according to the embodiment of the present invention shown in FIG. It is a graph which shows.
The flow rate of helium gas is 0.5 L / min. The floating electrode portion outside the glass thin tube was covered with polyimide tape. In order to confirm the variation width of the experiment, the same experiment was performed three times. (A) is an example of a floating electrode having a triangular shape with a length L = 22 mm and a width w = 9 mm (θ = 23.1 °) as shown in the schematic diagram. The horizontal axis of the graph represents the difference between different floating electrodes (sub-electrodes). “None” indicates that there is no sub-electrode, “Upstream” indicates that a copper wire having a diameter of 0.1 mm and a length of 5 mm is placed in the glass capillary on the upstream side of the flow path, and “Downstream” indicates that the downstream side of the flow path When a copper wire having a diameter of 0.1 mm and a length of 5 mm was placed in a glass capillary, “upstream and downstream” were two copper wires having a diameter of 0.1 mm and a length of 5 mm placed on the glass capillary at the upstream and downstream of the flow path. Represents the case.
The floating electrodes were brought as close as possible to the extent that they did not contact each other.

(b)は模式図に示すように、全長L=44mmであるが、半分は角度θ=23.1°で広がり、もう半分は幅w=9mmで一定の五角形状をもつ浮遊電極における例である。(c)は模式図に示すように、長さL=44mm、幅w=9mm(θ=11.7°)の三角形状をもつ浮遊電極における例である。
いずれの浮遊電極形状のデータにも、ばらつきはあるが、別の浮遊電極(サブ電極)を組み合わせることで、点火電力が低下する傾向が見られる。点火電力が小さいと、その後入力パワーを高くした際にも、目視でより明るくなることが観察される。(b)の場合で、ガラス管を接続しているポリイミドテープが焼けて煙が出始めるパワーが、「なし」の場合で90W、「上流」の場合で50Wであった。入力パワーが効率良くプラズマに伝わっていることを示唆する。
As shown in the schematic diagram, (b) is an example of a floating electrode having an overall length L = 44 mm, half spread at an angle θ = 23.1 °, and the other half at a width w = 9 mm and a constant pentagonal shape. is there. (C) is an example of a floating electrode having a triangular shape with a length L = 44 mm and a width w = 9 mm (θ = 11.7 °), as shown in the schematic diagram.
There is variation in the data of any floating electrode shape, but there is a tendency that the ignition power decreases by combining another floating electrode (sub-electrode). When the ignition power is small, it is observed that the input power is increased and then brighter visually. In the case of (b), the power at which the polyimide tape connected to the glass tube burns and smoke starts to be emitted is 90 W in the case of “None” and 50 W in the case of “Upstream”. This suggests that the input power is efficiently transmitted to the plasma.

プラズマ領域の一部もしくは全てがcmを下回る、マイクロプラズマ源には、多くの種類が報告されている。圧力が高くなると、小さなサイズでもプラズマ生成に有利となる。圧力に応じた、高密度なプラズマを形成できる。中でも大気圧プラズマは、低圧プラズマで必須であった真空チャンバーが不要になることから装置が簡単で安価になり、真空引きが要らないことからプロセス時間が短くできる。光源応用は点状のプラズマで良いことが多く、分光システムに利用できる。プラズマ源をアレイ化すれば、線状や面状に形成できる。プラズマ源の走査機構と組み合わせることでも、表面処理、ドーピング、膜堆積、エッチングなどに応用できる。
活性種は多くあるが、ガス温度が高くなっていない非平衡プラズマが得られるため、プラスチックやフィルム材など様々な材料に、高密度プラズマ処理ができる。様々なプラズマ発生方式の中でも、誘導結合型プラズマは、高密度化に有利である。実験結果から、プラズマ点火が、低電力において開始できると、プラズマ領域がある範囲に広がったり、ある明るさに到達したりするまでの電力も小さくできる。低コスト、省エネルギーものづくりに適する性質を持つ。良質なプラズマ源は、応用可能性を高めることになる。
Many types of microplasma sources have been reported where some or all of the plasma region is below cm. When the pressure is increased, it is advantageous for plasma generation even in a small size. A high-density plasma can be formed according to the pressure. In particular, atmospheric pressure plasma eliminates the need for a vacuum chamber, which is essential for low-pressure plasma, so that the apparatus is simple and inexpensive, and the process time can be shortened because evacuation is not required. The light source application is often a point plasma, and can be used for a spectroscopic system. If the plasma source is arrayed, it can be formed in a linear or planar shape. Combination with a scanning mechanism of a plasma source can also be applied to surface treatment, doping, film deposition, etching, and the like.
Although there are many active species, a non-equilibrium plasma in which the gas temperature is not high can be obtained. Therefore, high-density plasma treatment can be performed on various materials such as plastic and film materials. Among various plasma generation methods, inductively coupled plasma is advantageous for high density. From the experimental results, if plasma ignition can be started at low power, the power until the plasma region spreads over a certain range or reaches a certain brightness can be reduced. Low cost, suitable for energy-saving manufacturing. A good plasma source will increase applicability.

本発明の実施の形態による、浮遊電極の一部がガス流路内部に面していることを特徴とする、誘導結合型マイクロプラズマ源の一実施例の概略図である。1 is a schematic view of an example of an inductively coupled microplasma source characterized in that a part of a floating electrode faces the inside of a gas flow path according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態による、浮遊電極の一部がガス流路内部に面していることを特徴とする、誘導結合型マイクロプラズマ源の他の実施例の概略図である。FIG. 6 is a schematic view of another example of an inductively coupled microplasma source characterized in that a part of the floating electrode faces the inside of the gas flow path according to the embodiment of the present invention. 浮遊電極の働きを等価回路モデルによって表したものである。The function of the floating electrode is represented by an equivalent circuit model. 図1で示した本発明の実施の形態による、誘導結合型マイクロプラズマ源を利用して、いくつかの浮遊電極を利用した際の点火電力を示すグラフである。2 is a graph showing ignition power when several floating electrodes are used using the inductively coupled microplasma source according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1. 図1で示した本発明の実施の形態による、誘導結合型マイクロプラズマ源を利用して、いくつかの浮遊電極、および別の浮遊電極(サブ電極)を組み合わせた際の点火電力を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing ignition power when combining several floating electrodes and another floating electrode (sub-electrode) using the inductively coupled microplasma source according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1. is there.

1・・・プラズマ領域
2・・・浮遊電極
3・・・別の浮遊電極(サブ電極)
4・・・浮遊電極に近接した誘電率の高い材料
5・・・誘導結合型プラズマ発生用スパイラルコイル
6・・・流路(ガラス管、微細加工によって製作したトレンチ構造などにより形成)
7・・・ガスの流れ
8・・・高周波電源

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Plasma region 2 ... Floating electrode 3 ... Another floating electrode (sub electrode)
4 ... Material with high dielectric constant close to floating electrode 5 ... Spiral coil 6 for inductively coupled plasma generation ... Flow path (formed by glass tube, trench structure manufactured by microfabrication)
7 ... Gas flow 8 ... High frequency power supply

Claims (4)

コイルに高周波電流が流れることにより点灯するマイクロプラズマ源において、
浮遊電極をその一部がガス流路内部に面しているように配置することによりガス流路内部にプラズマが発生することを特徴とする誘導結合型マイクロプラズマ源。
In the microplasma source that is turned on when a high-frequency current flows through the coil,
An inductively coupled microplasma source characterized in that plasma is generated inside a gas channel by disposing a floating electrode so that a part thereof faces the inside of the gas channel.
請求項1に記載の誘導結合型マイクロプラズマ源において、
浮遊電極の一部がガス流路内部に面しており、他の部分はガス流路外部において、誘電率が放電ガスより高い材料に近接していることを特徴とする、誘導結合型マイクロプラズマ源。
The inductively coupled microplasma source according to claim 1,
An inductively coupled microplasma characterized in that a part of the floating electrode faces the inside of the gas channel and the other part is close to a material having a dielectric constant higher than that of the discharge gas outside the gas channel. source.
請求項1に記載の誘導結合型マイクロプラズマ源において、
浮遊電極の一部がガス流路内部に面しており、当該浮遊電極のガスと面する箇所からガス流路中にギャップをおいてさらに別の1つ以上の浮遊電極がガスに面していることを特徴とする、誘導結合型マイクロプラズマ源。
The inductively coupled microplasma source according to claim 1,
A part of the floating electrode faces the inside of the gas flow path, and another one or more floating electrodes face the gas with a gap in the gas flow path from a position facing the gas of the floating electrode. An inductively coupled microplasma source characterized by comprising:
請求項1から3のいずれか1項に記載されたマイクロプラズマ源を利用した、光源、表面処理、ドーピング、膜堆積、又はエッチングのいずれかに用いる装置。 An apparatus for use in any one of a light source, surface treatment, doping, film deposition, or etching using the microplasma source according to any one of claims 1 to 3.
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