JPH03110798A - マイクロ波プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置に関する。さら
に詳しくはマイクロ波の照射により発生するプラズマを
定位させることのできる構造の簡単なマイクロ波プラズ
マ発生装置に関する。

［従来の技術と発明が解決しようとする問題点］マイク
ロ波発信器とこのマイクロ発信器から発信したマイクロ
波を導波するマイクロ波導波管と原料ガスを有する放電
管とを備え、前記マイクロ波導波管により導波されるマ
イクロ波を前記放電管中の原料ガスに摺射することによ
り、プラズマを発生させるマイクロ波プラズマ発生装置
においては、前記放電管中でプラズマが発生すると、こ
のプラズマによりエネルギーが吸収されて、プラズマに
おけるマイクロ波の入射側の部位でマイクロ波のパワー
が最大になる。したがって、プラズマの発生位置がマイ
クロ波のパワーが最大になっている部位に変移し始め、
その変移の結果、遂には放電管にプラズマが接触して、
放電管が破損する。あるいは、放電管の代りにプラズマ
発生室にマイクロ波を導入するための窓を有するマイク
ロ波プラズマ発生装置においては、上述と同様の理由に
より、プラズマ発生位置がマイクロ波電界強度のより強
い部位に移動し、その結果プラズマが窓に接触して、熱
によって窓が破壊されるが、あるいはＣＶＤにおいては
、導体または半導体が窓に付着する結果、マイクロ波が
窓に吸収されてプラズマ発生室への伝搬が阻止される等
により、最終的にはプラズマ生成が不可能になる。

かかる問題点を解消するための装置として、マイクロ波
発信器と、マイクロ波導波管と放電管と、マイクロ波の
進行方向に相対向して配置された、前記進行方向におけ
る前後動可能な反射板とを備えたマイクロ波プラズマ発
生装置がある。

この改良されたマイクロ波プラズマ発生装置においては
、放電管中における、入射するマイクロ波と前記反射板
により反射するマイクロ波との干渉により放電管中の所
定部位でマイクロ波の定常波を作り出し、もってプラズ
マの発生位置を定位させようとする。

しかしながら、このように前後動可能な反射板を設けて
も、電力を増加させるとプラズマはマイクロ波発振源に
むかって移動し、さらに長期間に亙るプラズマの形成に
ついては、放電管壁や、窓に物質が付着するためにマイ
クロ波の透過電力が変化し１発生するプラズマの位置が
変化することもある。

なお、反射板を使用する従来のマイクロ波プラズマ発生
装置においては、前記反射板を前後進させるための複雑
な駆動系が必要であり、装置全体が大掛かりで複雑にな
ると言う、派生的な問題点もある。

本発明は、前記事情に基ずいてなされたものである。

本発明の目的は、マイクロ波の照射により発生するプラ
ズマの発生位置をマイクロ波発振源にむかって移動しな
いように窓または放電管からプラズマを隔離し、一定に
保ち、窓や放電管の破損等を抑制することのできる、簡
単な構造のマイクロ波プラズマ発生装置に関する。

［前記課題を解決するための手段］ 前記課題を解決するための本発明は、マイクロ波を原料
ガスに照射してプラズマを発生するマイクロ波プラズマ
発生装置において、マイクロ波の進行方向に沿うととも
にマイクロ波の電界方向に直交する方向に延在する複数
のフィンを、マイクロ波の進行路途中に設けてなること
を特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置である。

次に本発明について図面を参照しながら詳細に説明する
。

なお、本発明は、説明に利用した図面に示される形状、
構造、組み合わせ等に限定されるものではない。

第１図に示すように、本発明の好適な一例であるマイク
ロ波プラズマ発生装置は、マイクロ波の進行路途中に、
マイクロ波の電界方向に直交する方向であり、かつマイ
クロ波の進行方向に沿って延在する複数のフィン１を、
マイクロ波の進行路途中に設けてなる。

第１図において、前記複数のフィン１は筐体２の内部に
配置され、この筐体２の一方から他方へとマイクロ波３
が導波する。そして、第１図中左側から導波してきたマ
イクロ波３が前記フィンｌを通過して、フィンｌの右側
に抜は出た場合に、フィン１の右側に原料ガスが存在す
るとき、マイクロ波３の照射により前記原料ガスが励起
してプラズマが発生する０発生したプラズマ内における
マイクロ波のパワーは、原料ガスにおけるマイクロ波３
の入射する部位において最大になるので。

発生したプラズマはマイクロ波エネルギーを吸収し、プ
ラズマ発生位置が前記フィンｌに近付く。

そして、プラズマが前記フィン１に接触しても、このフ
ィンｌの存在により、プラズマはフィンｌを通過してフ
ィンｌの反対側に通り抜けることができず、結局、この
フィン１によりプラズマの移動が阻止されて、プラズマ
の発生位置がフィン１におけるマイクロ波出口に固定さ
れる。

ここで、フィンをマイクロ波進行路途中に設けるとプラ
ズマの発生位置を固定することができるその理由を、以
下に述べる。

簡略に言うと、マイクロ波の進行途中に多数のフィンを
配置するのは、マイクロ波の進行路を複数に分割し、こ
れによりフィンの端部に接触するプラズマに損失を生ぜ
しめることによって、フィンとフィンとの間でプラズマ
を維持することができないようにすることにある。

具体的に言うと、第２図に示すように、マイクロ波の導
波する進行方向断面（進行方向断面の高さをＬとする。

）をＮ枚のフィン１で分割するとする。マイクロ波の進
行方向は、第２図におｌ、％て、フィンの左側から右側
へと向かう、そして、電離衝突周波数をνｌとし、イオ
ンの両極性拡散係数をＤａとし、特性長をΔとすると、
プラズマを維持していくのに必要な条件は、 ν１≧Ｄａ／Δ２ で与えられる。これを変形すると、圧力をＰとし、定数
をｋとすると、 （ＦＡ）２≧ｋ になる。

すなわち、Δの値が小さい程プラズマを維持することが
困難である。

マイクロ波の進行方向断面をフィンでＮ分割すると、前
記特性長は、 Δ＝Ｌ／（πＮ） になる（分割しないときにはΔ＝Ｌ／πである。）、シ
たがって、分割したフィン間でのプラズマの損失は、 Ｄａ　／　（Ｌ／πＮ）　２　＝　（Ｄａ　π２　）　
Ｎ２　／Ｌ２である（分割しなければ、Ｄａ　／　（Ｌ
／π）？＝（Ｄａπ２）／Ｌ２である。）、つまり、分
割によるプラズマ損失はＮ２倍に増える。また、分割し
たフィン間では、マイクロ波電力は、ｅ　Ｅ　Ｌ　／　
Ｎ になる（分割しなければｅＥＬである。なお、ｅは電子
の素電荷であり、Ｅは電界強度である。）。

これらの結果から理解されるように、マイクロ波の進行
途中に、その進行断面を分割する複数のフィンが挿入、
配置されていると、このフィンを通り抜けたマイクロ波
の照射により発生するプラズマは、前記フィンの内部お
よび内部の端部近傍においてＮ３倍維持されにくくなる
。したがって１発生したプラズマのマイクロ波の進行方
向に対する後退が前記フィンにより阻止され、マイクロ
波の入射、方向にプラズマが進行することがなくなるか
ら、プラズマの位置がフィンの近傍に固定されることに
なる。

このように本発明にあっては、マイクロ波の進行途中に
複数のフィンを配置し、しかもこのフィンを通過したマ
イクロ波を原料ガスに照射してプラズマを発生させる。

したがって、原料ガスに照射するマイクロ波のエネルギ
ーロスを出来るだけ小さくなるようにフィンの寸法を決
定するのが好ましい。

そうすると、フィンの厚みについてはその端部をナイフ
ェツジに形成する限り特に制限がないのであるが、実用
上は０．２〜５ｍｍが好ましい。

フィンの厚みｔが５ｍｍよりはるかに大きくなると、フ
ィンの端面部がナイフェツジに形成されないときには、
その端面でマイクロ波の反射を惹起してフィンを通過し
たマイクロ波のエネルギーが減衰してしまう傾向になる
。

フィンとフィンとの間隔ｄは、使用するガスの圧力とマ
イクロ波を伝送する電力とに応じて決定される。すなわ
ち、圧力をＰ、プラズマ内のマイクロ波の電界強度をＥ
とするとき、ｄ＜　（Ｃ／ＰＥ）［ただし、Ｃはガスの
種類により決定される定数である。］の関係を満たすよ
うに、間隔ｄが決定される０通常の使用状況では、間隔
ｄは２Ｃｍ以下であるのが望ましい、フィン同士の間隔
ｄが大きくなると、前述のようにマイクロ波の進行方向
断面を分割するフィンの枚数Ｎが小さくなって、フィン
間でのプラズマを維持し易くなる傾向にある。

もっとも、フィンの長さ（プラズマの進行方向に沿う長
さ）見は、フィンとフィンとの間でマイクロ波の定常波
が発生しないような長さであるならば特に制限がなく、
マイクロ波の波長に応じて、また、プラズマ損失の規模
等に応じて適宜に決定することができる。

また、フィンはその端部においてプラズマと接触する可
能性があり、またフィン間にプラズマが点灯する可能性
もあるので、フィンの材質は、高温度たとえば６００℃
以上の温度に耐える耐熱性を有しているのが好ましい、
また、マイクロ波の導波に際してフィンに電荷が発生す
ることによるマイクロ波エネルギーのロスを低減するた
めに、フィンは導電性を有する材料で形成するのが好ま
しい、このような条件を満たす材質としては、たとえば
、モリブデン、ベリリウム、銅、銀、アルミニウム等の
金属、ステンレス等の合金、酸化アルミ（Ａ交２０３）
、窒化ホウ素（ＢＮ）、ジルコニア（Ｚ　ｒｏ２）等の
セラミックスの表面に銀や銅等の良導電気メツキを施し
てなるもの等を挙げることができる。また、フィンがプ
ラズマに接触する側には、グラファイトのフィンを置く
こともできる。

フィンの配置については、進行するマイクロ波の電界方
向に直交する方向であり、かつマイクロ波の進行方向に
延在する方向に配置されるのであれば特に制限がない、
また、フィンは導波管中に配置されていてもよいし、ま
たプラズマ発生室たとえば放電管中に配置されていても
良い。

換言すると、フィンの形状およびその配置状態について
は、マイクロ波の進行断面形状、フィンの配置される部
位の形状等に応じて適宜に決定される。マイクロ波の電
界方向に直交していて、マイクロ波の進行断面を分割す
るように配置される限り如何様な形状および配置であっ
ても良いのである。

具体的には、断面方形の導波管中あるいはプラズマ発生
室中にフィンを配置するのであれば、第１図に示すよう
に、フィンｌの形状は平面板になるであろうし、第３図
に示すように断面円形のマイクロ波導波管４あるいはプ
ラズマ発生室中であれば、配置されるフィン１の形状は
、第４図に示すように、マイクロ波の電界方向５に直交
すると共に軸心を通る平面に配置されるフィンｌａは平
面形状であり、他のフィンｌｂ、ＩＱの形状は前記平面
形状のフィンｌａから離れるフィン程曲率の大きな湾曲
した曲面状になっている。いずれにおいても、各フィン
ｌａ、ｌｂ、ｌｃはマイクロ波の電界方向５に直交する
ように設計される。

なお、複数配列したフィンのプラズマ側先端部の形状は
、第１図に示すように各フィンｌの先端部が同一平面に
あるように切り揃えたような形状であっても良いし、第
５図に示すように配列した各フィンｌの先端部により形
成される形状が７字谷状、逆三角錐状等であっても良い
し、第６図に示すように、配列した各フィン１の先端部
により形成される形状が窪んだ球状であっても良いし、
Ｕ字谷状であっても良い、さらに、配列した各フィンの
先端部により形成される形状が、前記各形状の関係とは
逆になって、前方に突出する形状であっても良い。

本発明におけるフィンは、マイクロ波導波管中あるいは
プラズマ発生室中に配置されるに限らず、一端開口部が
マイクロ波導波管の先端部に接続されると共に他端開口
部がプラズマ発生室に接続されたアンテナホーン中に配
置されても良い。

アンテナホーンを使用すると、プラズマ発生室に円筒状
あるいは矩形状の導波管を単に接続しただけのマイクロ
波プラズマ発生装置に比べて、放射電磁波強度の空間分
布を調節することができるとともにインピーダンスのマ
ツチングを良好にすることができるという利点がある。

第７図に示すアンテナホーン６は、矩形導波管７の一端
開口部に石英製のマイクロ波入射窓部材８を介して結合
された一端開口部を有し、その−端開口部から台形状に
広がり、その途中からは矩形状に形成された筐体９と、
矩形状部分の内部に、マイクロ波の電界方向に直交する
方向に延在する複数のフィンｌとで構成される。なお、
第７図に示すアンテナホーンにおいては、マイクロ波入
射窓部材８とフィン１の後端部とには一定の間隔、たと
えば０．５〜４０ｍｍ程度の間隔が設けられていること
が望ましい。

また、本発明におけるアンテナホーンは、円筒状導波管
の一端開口部に石英製のマイクロ波入射窓部材を介して
結合された一端開口部を有し、その一端開口部から円錐
台形状に広がり、その途中からは大径の円筒状に形成さ
れた筐体と、大径の円筒状部分の内部に、マイクロ波の
電界方向に直交する方向に延在する複数の、第３図に示
すような形状を有するフィン１とで構成することもでき
る。

第８図に示すアンテナホーンｌＯは、矩形導波管１１の
一端開口部に石英製のマイクロ波入射窓部材８を介して
結合された一端開口部を有し、その−端開口部から台形
状に広がり、その先端部において開口部を形成する筐体
１２と、前記一端開口部から他端開口部に渡って前記筐
体体１２内に配置される長尺のフィン１ｄと前記台形状
の筐体１２内の途中から他端開口部に渡って配置される
短尺のフィン１ｅとを備え、前記長尺のフィンｌｄと短
尺のフィン１ｅとはいずれもマイクロ波の電界方向に直
交する方向に延在し、しかも長尺のフィンｌｄと短尺の
フィン１ｅとが交互に配列されてなる構造を有する。な
お、第８図に示すアンテナホーンにおいても、第７図に
示すアンテナホーンにおけるのと同様に、マイクロ波入
射窓部材８とフィン１ｄの後端部とには一定の間隔、た
とえば０．５〜４０ｍｍ程度の間隔が設けられているこ
とが望ましい。

また、本発明におけるアンテナホーンは、筒状導波管の
一端開口部に石英製のマイクロ波入射窓部材を介して結
合された一端開口部を有し、その一端開口部から円錐台
形状に広がり、その先端部において開口部を形成する筐
体と、前記一端開口部から他端開口部に渡って前記筐体
体内に配置される長尺のフィンと前記円錐台形状の筐体
内の途中から他端開口部に渡って配置される短尺のフィ
ンとを備え、前記長尺のフィンと短尺のフィンとはいず
れもマイクロ波の電界方向に直交する方向に延在し、し
かも長尺のフィンと短尺のフィンとが交互に配列されて
なる構造にしても良い、この構造におけるフィンは第３
図に示す形状を有する。

以上に詳述したフィンを有するマイクロ波プラズマ発生
装置において使用されるプラズマ発生用の原料ガスとし
ては、空気、窒素、酸素、アルゴン、水素、メタン、−
酸化炭素、二酸化炭素、アルコール類、シラン、ジシラ
ン、ジボラン、ゲルマン、その他のフッ素、塩素、リン
等の炭素化合物または硫黄化合物や水素化物および有機
金属化合物等の、従来のマイクロ波プラズマ発生装置に
使用されているプラズマ発生用の原料ガス、またはそれ
らの混合原料ガスを使用することができる。

本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、はとんどすべ
てのガスをプラズマ化するのに有効であって、しかもプ
ラズマの定位を図ることができる。

［実施例］ （実施例１） 第９図に示すマイクロ波プラズマ発生装置を構成した。

すなわち１箱型の真空チャンバー１７がプラズマ発生室
とされ、この真空チャンバー１７の側面に。

厚さ１５ｍｍのアクリル製の観察窓１８が設けられ。

この観察窓１Ｂの内側にはマイクロ波のリーク防止用の
銅製金網１９が張り付けられている。この真空チャンバ
ー１７の一端面には、矩形のアンテナホーン２０が接続
され、このアンテナホーン２０内には４枚のフィン２１
が並列されている。また、このアンテナホーン２０には
小穴が開設されていて、フィン２１間でプラズマが発生
しているかどうかを確認することができるようになって
いる。このアンテナホーン２０の端部は石英ガラス２２
を介してマイクロ波導波管２３が接続されている。前記
真空チャンバー１７には、排気装置に連なる排気管２４
が接続され、また、プラズマ発生用の原料ガスを供給す
るための原料ガス供給管２５が接続されている。

マイクロ波パワーを１ｋＷにし、真空チャンバー１７内
の圧力を１０　、４０　、１５０　ｔｏｒｒにそれぞれ
変え、プラズマ発生用の原料ガスとしてアルゴンおよび
空気を各別に使用した。

また、アンテナホーン２０内のフィン２１の寸法は、厚
み０．５ｍｍ、長さ１５ｍ　ｍである。

このような条件下にマイクロ波導波管２３から２゜４５
Ｇ　Ｈｚのマイクロ波を真空チャンバー１７内の原料ガ
スに照射して、プラズマを発生させた。そして、プラズ
マの発生位置を観察した。観察の結果、プラグ・マの発
生位置は、アンテナホーン２０の開口部の前方にあり、
フィン２１とフィン２１との間でプラズマが点灯するこ
とがなかった。

（比較例１） フィン２１を配列していないアンテナホーン２０を使用
した外は前記実施例１と同様に実施した。

プラズマの発生状態の観察の結果、圧力が１５０ｔｏｒ
ｒのときには、アンテナホーン２０内でプラズマが発生
しており、圧力が４０ｔｏｒｒのときには、アンテナホ
ーン２０内で発生するプラズマの位置は、１５０ｔｏｒ
ｒのときよりもさらに石英ガラスに接近し、圧力が１０
ｔｏｒｒのときには発生するプラズマの発生位置が石英
ガラスの極近傍であった。つまり、プラズマの発生位置
が圧力の変化と共に移動したことが観察された。

［発明の効果］ 本発明によると、マイクロ波の照射により発生するプラ
ズマの発生位置を固定することができて、放電管や窓を
破壊したり、マイクロ波を遮断することのない、簡単な
構成のマイクロ波プラズマ発生装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一例を示す斜視図、第２図は本発
明装置の原理を説明するための説明図２ｆｊＳ３図は本
発明装置の他の例を示す説明図、第４図は第３図に示す
本発明装置の他の例の断面説明図、第５図および第６図
は本発明装置におけるフィンの配列状態を説明する説明
図、第７図は本発明装置の一例におけるアンテナホーン
を示す一部切欠断面図、第８図は本発明装置の一例にお
けるアンテナホーンの他の例を示す一部切欠断面図、第
９図は本発明の実施例に使用したマイクロ波プラズマ発
生装置を示す説明図である。 １・争・フィン、３・・・マイクロ波、４・・・筒型導
波管、５・・・マイクロ波の電界方向、７・ψ・導波管
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波を原料ガスに照射してプラズマを発生
   するプラズマ発生装置において、マイクロ波の進行方向
   に沿うとともにマイクロ波の電界方向に直交する方向に
   延在する複数のフィンを、マイクロ波の進行路途中に設
   けてなることを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置
   。
2. （２）前記フィンが導波管中に配置されてなる前記請求
   項１に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。