JP6411449B2 - 誘電体共振器を使用するプラズマ発生器、光学分光計、質量分析計、およびプラズマ発生方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2013年3月13日付けで出願され、かつ本明細書によって援用される米国仮特許出願第61/779,557号明細書の利益を主張する。
本発明は、目的が、未知の化学試料中の原子種および分子種を励起し、光を生成することである、発光分光計(OES)で使用されてもよい。プラズマが発した光の分光分析は、試料中に存在する化学物質のタイプおよび量を決定するために使用される。プラズマ特性は、プラズマを消滅させることなく水性溶媒または有機溶媒中の試料を処理する能力、安全性および経済性を改善するために様々なプラズマガスで動作する能力、様々な種類の化学物質を検出する能力、非常に広範囲の被分析物濃度を正確に測定する能力、極めて低い濃度の被分析物を検出する能力、多くの試料を短時間で処理する能力、長時間にわたって測定が繰り返される場合に、安定した結果を生む能力などの点において、OESの分析性能に大いに影響を及ぼす。
本発明は、発光分光法および質量分析(MS)の両方において同様の利点があり、質量分析用途のさらなる利点は、イオン速度の制御が改善され、イオン収集効率が高まり、サンプルコーンのスパッタリングが低減されることである。
本発明のプラズマ発生器は、数百ワットの光パワーの高品質ビームを生成する小型中電力ガス放電レーザを構成するために使用されてもよい。本設計は、対流冷却、およびマイクロ波振動数での純粋な誘導結合の気体放電に基づく。
本発明のプラズマ発生器は、数キロワットの光パワーを有する高品質光ビームを生成することができる、スケーラブル設計の大電力ガス放電レーザを構成するために使用されてもよい。光学設計では、当技術分野においてよく知られている同軸拡散冷却構成が採用される。拡散レーザは、送風機を必要とせず、最少量のガスを消費する。しかしながら、従来の同軸レーザ中のプラズマは、内側同軸電極と外側同軸電極との間の純粋な容量性RF放電によって維持され、これにより容量結合プラズマに固有の放電不安定性に起因して極限電力が設定される。一方、本発明では、より簡便で小型かつ効率的な電源として大電力マグネトロンを使用することができるマイクロ波振動数で同時に操作しながら、誘導結合プラズマを使用して、より高い電力レベルで安定した放電を得る。さらに、レーザ気体と直接接触しているセラミック電場印加装置の熱伝導率が高いために、拡散冷却の効率は保たれる。
本発明のプラズマ発生器は、数十キロワットの電力を有する高品質光ビームを生成することができる、スケーラブル設計の超大電力ガス放電レーザを構成するために使用されてもよい。本設計では、当技術分野においてよく知られている同軸対流冷却構成が採用される。しかしながら、従来の同軸レーザ中のプラズマは、内側同軸電極と外側同軸電極との間の純粋な容量性RF放電によって維持され、これにより、容量結合プラズマに固有の放電不安定性に起因して極限電力が設定される。一方、本発明では、より簡便で小型かつ効率的な電源として大電力マグネトロンを使用することができるマイクロ波振動数で同時に操作しながら、誘導結合プラズマを使用して、より高い電力レベルで安定した放電を得る。
本発明のプラズマ発生器は、電子サイクロトロン共鳴プラズマ源を構成するために使用されてもよい。この電子サイクロトロン共鳴プラズマ源は、イオン源、または宇宙推進用のイオンスラスタとして半導体ウェハのプラズマ処理に使用されてもよい。
本発明のプラズマ発生器は、半導体ウェハの処理に適した高密度、かつ均一なプラズマ源を構成するために使用されてもよい。
本発明のプラズマ発生器は、大型半導体ウェハおよび太陽電池パネルの処理に適した超大面積にわたる均一なプラズマを生成する高密度プラズマ源を構成するために使用されてもよい。
本発明のプラズマ発生器は、誘導結合マイクロ波エネルギーで駆動する、電極のない大気プラズマトーチを構成するために使用されてもよい。そのようなトーチは、高度な製造、環境、化学合成、宇宙および科学の用途で使用されてもよい。
本発明のプラズマ発生器は、宇宙推進用核融合反応炉または比推力可変型プラズマ推進機(VASIMR)などの用途のイオンサイクロトロン加熱(ICRH)アンテナを構成するために使用されてもよい。
Claims (18)
- 中心軸を有する誘電体共振器構造と、
前記中心軸の周りの前記誘電体共振器構造の固有共振周波数で交流分極電流の流れを促進し、隣接するガス中にプラズマを発生させるために、前記誘電体共振器構造に電気的に結合された無線周波数電源と
を備えるプラズマ発生器。 - 前記誘電体共振器構造が、100より大きい品質係数を有する、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体共振器構造が、1×1010Ω・cmより大きい電気抵抗率を有する、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体共振器構造が、銅の融点より高い融点を有する、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 誘電体共振器構造が、損失正接が0.01未満の誘電率を有する、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体共振器構造が、5より大きい比誘電率を有する、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体共振器構造が、アルミナ(Al2O3)およびチタン酸カルシウム(CaTiO3)からなる群から選択される、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記誘電体共振器構造が、前記中心軸に沿った中央開口部を有するリングである、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記リングが、直径が少なくとも1ミリメートル、または少なくとも12.7ミリメートルの中央開口部を有する、請求項8に記載のプラズマ発生器。
- 前記リングの軸に沿って前記リング内にガスを導入するガスポートさらに含む、請求項8に記載のプラズマ発生器。
- 前記無線周波数電源が、前記誘電体共振器構造の前記固有共振周波数で無線周波数電力を出力するために、前記誘電体共振器構造の前記固有共振周波数を自動的に求める、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記無線周波数電源が、マグネトロンである、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記無線周波数電源は、20メガヘルツ〜1000メガヘルツの範囲にある電力を出力する、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 前記無線周波数電源は、13.56MHz、27MHz、40MHz、60MHz、430MHz、915MHz、2450MHzからなる群から選択される少なくとも1つの周波数を含む範囲にある電力を出力する、請求項1に記載のプラズマ発生器。
- 光学レーザ、プラズマトーチ、ロケットエンジン、電子サイクロトロンプラズマまたはイオン源、半導体処理用誘導結合プラズマ源、およびイオンサイクロトロンプラズマヒータの構造のうちのいずれかに組み込まれた、請求項1〜14のいずれか一項に記載のプラズマ発生器。
- 誘電体共振器構造と、前記誘電体共振器構造の中心軸の周りの前記誘電体共振器構造の固有共振周波数で交流分極電流の流れを促進し、隣接するガス中にプラズマを発生させるために、前記誘電体共振器構造に電気的に結合された無線周波数電源とを含むプラズマ発生器と、
前記プラズマ発生器によって発生したプラズマ中に、ガス、および調べるべき材料を導入するための導入器ノズルと、
前記プラズマによって加熱された時に、前記材料が発した光の周波数を測定するための光センサと
を備える光学分光計。 - 誘電体共振器構造と、前記誘電体共振器構造の中心軸の周りの前記誘電体共振器構造の固有共振周波数で交流分極電流の流れを促進し、隣接するガス中にプラズマを発生させるために、前記誘電体共振器構造に電気的に結合された無線周波数電源とを含むプラズマ発生器と、
前記プラズマ発生器によって発生したプラズマ中に、ガス、および調べるべき材料を導入するための導入器ノズルと、
前記プラズマによって加熱された時に、前記材料の生成されたイオンの質量電荷比を測定するためのイオンセンサと
を備える質量分析計。 - 誘電体共振器構造と、前記誘電体共振器構造の中心軸の周りの前記誘電体共振器構造の固有共振周波数で交流分極電流の流れを促進し、隣接するガス中にプラズマを発生させるために、前記誘電体共振器構造に電気的に結合された無線周波数電源とを含むプラズマ発生器を使用してプラズマを発生させる方法であって、
(a)前記誘電体共振器構造に隣接する領域内にガスを導入するステップと、
(b)導入した前記ガス中にプラズマを発生させるために、固有共振周波数で前記誘電体共振器構造を励振するステップと、
を含む方法。
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