JPH05242995A - 誘導プラズマ発生装置におけるプラズマ着火方法 - Google Patents

誘導プラズマ発生装置におけるプラズマ着火方法

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JPH05242995A
JPH05242995A JP3220173A JP22017391A JPH05242995A JP H05242995 A JPH05242995 A JP H05242995A JP 3220173 A JP3220173 A JP 3220173A JP 22017391 A JP22017391 A JP 22017391A JP H05242995 A JPH05242995 A JP H05242995A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 水冷構造であっても上下フランジの間に高電
圧を印加し、着実にプラズマの着火を行うことができる
誘導プラズマ装置を実現する。 【構成】 内管5内部にアルゴンガスを供給した上、制
御装置21からの制御信号によってバルブ16を閉じ、
バルブ18を開く。この時、バルブ20は開けられてい
る。この結果、内管5と外管6との間の冷却水は、圧縮
ガスによって短時間に冷却水排出孔9,排出管19を通
って排出され、内管5と外管6との間の空間には、冷却
水がなくなる。この状態で高圧発生装置11から上下フ
ランジ1,2の間に高電圧を印加し、更に、高周波電源
からRFコイル10に高周波を印加し、内管5内部にプ
ラズマを発生させる。この時、フランジ1と2との間に
は、冷却水が存在していないので、上下フランジ間の絶
縁性は極めて優れた状態となっており、トーチ内部のア
ルゴンガスの励起を行い、プラズマの着火を行うことが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、誘導プラズマ成膜装置
などに使用して好適な、誘導プラズマ装置におけるプラ
ズマ着火方法に関する。
【0002】
【従来の技術】物体の表面の耐熱性を向上させる目的
で、耐熱性に優れた粉末などの物質を1万度以上の高温
プラズマ中に通して溶かし、この溶融した物質を基板に
導き、溶融物質を材料に溶射したり、材料上に粉末物質
の膜あるいは粉末物質とプラズマガス(反応ガス)と化
学反応させた物質の膜を形成することが行われている
が、このプラズマを発生させるために誘導プラズマ発生
装置が用いられている。
【0003】この装置では、絶縁性物質で形成された円
筒状の管の周囲に高周波電源により駆動される加熱用の
RFコイルを配置するようにしている。この構成で、R
Fコイルに励磁電流を流すと、管の内部に誘導プラズマ
が発生するが、このプラズマの温度は、1万度から1万
5千度程度とかなりの高温になり、このプラズマ内に成
膜用の物質を流すことにより、この物質を溶解あるいは
蒸発することができる。溶解または蒸発された物質は、
管に連通したチャンバー内に配置された基板上に照射さ
れ、例えば、基板上に所望物質の膜が形成される。通
常、この管は、プラズマの輻射光により高温に加熱され
るため、二重構造とし、その内部に冷却水を流すように
している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この高周波
誘導プラズマを発生させるためには、必ず、着火という
作業が必要となる。従来、この着火の方法としては、次
の方法が一般的である。なお、これらの方法は、いずれ
も管の内部にアルゴンガスを流し、RFコイルに所定の
高周波電流を流した上で行われる。 着火棒と称する金属棒を管内に挿入し、これを誘導加
熱して金属棒から熱電子を発生させ、この熱電子の発生
を引き金にしてプラズマを発生させる。 管内を排気し、例えば、10−2Torr程度に減圧
した状態とすることにより、プラズマを着火する。 誘導結合プラズマ(ICP)などで使用されている手
法で、プラズマトーチへのガス供給系の、トーチに近い
ガス供給管の内部に電極を設け、これにインダクション
コイルを接続して高電圧放電を起こし、これを引き金と
してプラズマ着火を行う。
【0005】しかしながら、の方法は、誘導加熱によ
り、金属棒から火花が散り、また、金属棒を管内に挿入
しているので、管内が汚染され、結果的に純粋な成膜や
微粉末の生成が行えない。の方法は、減圧装置が付属
しているプラズマ発生装置にしか適用することができ
ず、大気圧で使用するプラズマの発生装置では実現が不
可能である。また、減圧装置が付属していても、プラズ
マが着火できるまでに排気することには時間が掛り、作
業性が悪いことや、減圧下、プラズマを発生させると、
管の内壁にプラズマが触れ易くなり、管が破損する恐れ
がある。の方法では、トーチやガス供給管をはじめ全
ての部材を石英などの絶縁物で作る必要があり、製作が
面倒であると共に、水冷構造にするには大変複雑な構造
とせざるを得ない。
【0006】上記した点に注目し、図4に示したような
プラズマ発生装置が提案されている。図中、1は誘導プ
ラズマ発生装置(プラズマトーチ)の上部フランジ、2
は下部フランジであり、上部フランジ1、下部フランジ
2共に、中心に開口を有している。上部フランジ1の開
口には、ガス供給ノズル3が配置されている。ガス供給
ノズル3には、複数の孔4が穿たれており、孔4は、図
示していないが、ガス供給源や成膜物質供給源に接続さ
れている。上部フランジ1と下部フランジ2との間に
は、円筒状の内管5と同じく円筒状の外管6とより成る
に二重管が配置されている。内管5と各フランジとの
間、および、外管6と下部フランジとの間には、Oリン
グシール7が設けられ、内管5内部、内管5と外管6と
の間の空間の気密を保持するようにしている。内,外管
5,6の材質は、石英管などの耐熱絶縁性材料を用いて
いる。
【0007】下部フランジ2には、内管5と外管6との
間の空間に連通している冷却水導入孔8が穿たれてお
り、上部フランジ1には、内管5と外管6との間の空間
に連通している冷却水排出孔9が穿たれている。冷却水
導入孔8から冷却水を導入し、内管5と外管6との間の
空間を通って、冷却水を排出孔9から排出することによ
り、特に、内管5を冷却することができる。二重管の周
囲には、図示していない高周波電源に接続されているR
Fコイル10が巻回されている。下部フランジ2の下側
には、図示していないが、成膜される基板が配置される
チャンバーが配置される。上部フランジ1と下部フラン
ジ2との間には、イグニションコイルの如き高圧発生装
置11が接続されている。このように構成された装置の
動作を説明すれば次の通りである。
【0008】装置の初期状態においては、ガスノズル3
に穿たれた孔4から、例えば、アルゴンガスを供給する
と共に、RFコイル10に高周波を供給する。この状態
で、高圧発生装置11から高電圧を上部フランジ1と下
部フランジ2との間に印加すると、二重管内部に供給し
たアルゴンガスが励起され、アーク放電が発生し、この
放電が引き金となって内管5内部にプラズマが発生す
る。その後、アルゴンガスに代えて酸素ガスや窒素ガス
を供給し、更に、キャリアーガスと共に、成膜用物質を
内管5内部に供給する。この結果、成膜用物質は、1万
度〜1万5千度に加熱されたプラズマによって溶融し、
下部フランジ2の下側に配置されたチャンバー内の材料
上に投射される。このように、この提案装置は、上記し
た,,の方法における欠点を改善することができ
るが、冷却水として使用される工業用水や水道水は、比
抵抗が3〜5KΩ・cm程度しかないため、上部フランジ
1と下部フランジ2との間は導通状態となり、高電圧を
印加してもトーチ内部のアルゴンガスは励起しずらいこ
とが判明した。
【0009】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、水冷構造であっても上下フランジ
の間に高電圧を印加し、着実にプラズマの着火を行うこ
とができる誘導プラズマ装置におけるプラズマ着火方法
を実現することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明に基づく誘導プラ
ズマ装置におけるプラズマ着火方法は、絶縁性物質で形
成された二重管の周囲に巻回されたRFコイルに励磁電
流を流して該管内部に誘導プラズマを発生させると共
に、二重管の間に冷却水を流すようにした誘導プラズマ
発生装置において、前記二重管の両端部に配置されたフ
ランジ間に高電圧を印加する高圧発生装置を設け、前記
二重管の冷却水を排出した状態で前記高圧発生装置から
の高電圧を両フランジ間に印加し、プラズマの着火を行
うようにしたことを特徴としている。
【0011】
【作用】本発明に基づく誘導プラズマ装置におけるプラ
ズマ着火方法は、二重管の冷却水を排出した状態で高圧
発生装置から、二重管の両端部に配置されたフランジ間
に、高電圧を印加し、プラズマの着火を行う。
【0012】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図1は、本発明に基づく誘導プラズマ装置
におけるプラズマ着火方法を実施するための誘導プラズ
マ装置の一例を示しており、図4の提案装置と同一部分
は同一番号を付してその詳細な説明を省略する。この実
施例において、冷却水の導入口8には、冷却水源(図示
せず)に接続された冷却水導入管15が接続されてお
り、この導入管15には、バルブ16が設けられてい
る。また、導入管15には、枝管17が接続され、この
枝管17はバルブ18を介して圧縮ガス源(図示せず)
に接続されている。また導入管15のバルブ16の手前
にはバルブ24を有した排出管25が接続されている。
冷却水排出孔9には、冷却水排出管19が接続されてお
り、この排出管19には、バルブ20が設けられてい
る。各バルブ16,18,20,24の開閉は、制御回
路21からの制御信号によって制御される。RFコイル
10は直流部22と発振部23から成る高周波電源に接
続されている。このような構成の動作を図2のフローチ
ャートを参考にして説明する。
【0013】プラズマの着火を行うため、内管5内部に
アルゴンガスを供給した上、制御装置21からの制御信
号によってバルブ16を閉じると同時にバルブ24を開
ける。バルブ24を開け、冷却水を排出側へバイパスす
る理由は、バルブ16を閉じることで冷却水入口の圧力
を必要以上に加圧させないためである。数秒後にバルブ
18を開く。この時、バルブ20は開けられている。こ
の結果、内管5と外管6との間の冷却水は、圧縮ガスに
よって短時間に冷却水排出孔9,排出管19を通って排
出され、内管5と外管6との間の空間には、冷却水がな
くなる。冷却水の排出を完全に行った後、バルブ18を
閉じて圧縮ガスの供給を停止し、また、バルブ20も併
せて閉じる。この状態で高圧発生装置11から上下フラ
ンジ1,2の間に高電圧を印加し、更に、高周波電源か
らRFコイル10に高周波を印加し、内管5内部にプラ
ズマを発生させる。この時、フランジ1と2との間に
は、冷却水が存在していないので、上下フランジ間の絶
縁性は極めて優れた状態となっており、効率良くトーチ
内部のアルゴンガスの励起を行い、プラズマの着火を行
うことができる。この時、注意すべき点は、プラズマが
着火した場合、プラズマは電磁流体であるがために通常
アースに対して数KVの電位を持っている。このため上
部フランジ1は、このプラズマの電位に近い高周波電圧
がアースに対して存在しており、インダクションコイル
などの高圧発生装置11の高圧電極を直接上部フランジ
1に接続すると、高圧発生装置11の電源(通常AC1
00V)のラインに高周波電流が流れてしまい、高圧発
生装置11を破損する原因となる。そこで通常図5のよ
うに、上部フランジ1と高圧発生電極11の端子との間
にガイシなどの絶縁物質でなる部材30を置き、上記問
題の発生を防いでいる。ただし、上部フランジ1と高圧
発生電極11の端子との間隔Dは、インダクションコイ
ルなどで決められている放電距離以下にする必要があ
る。また、下部フランジ2との接続は図5のようにアー
スであるチャンバー31(トーチの電位をアースに落と
さないように通常テフロンなどの部材32を介して下部
フランジ2に結合されている)にしてもよい。ここで、
高周波電源の直流部22の直流電圧Epと直流電流Ip
は、プラズマの負荷において、図3に示すような特性を
有している。すなわち、プラズマが消火した状態ΔP1
と着火した状態ΔP2 とでは、Ep −Ip 特性の傾きが
相違している。この結果、直流電源部22からの直流電
圧と直流電流の比に対応した信号を制御回路21に供給
すれば、ΔP1 からΔP2の傾きの変化によってプラズ
マが着火したことを判断することができる。例えば、直
流電圧がEn の状態で直流電圧値がI1 からI2 に変化
した場合、傾きの値が異なるためプラズマが着火したと
判断される。この傾きを使用することで発振器の制御を
Ep 一定制御とプラズマ負荷に適したIp 一定制御の両
方に対応できる。このプラズマの着火の確認後、制御装
置21からの制御により、高電圧発生装置11からの高
電圧の印加は停止され、更に、バルブ16と20が開け
られ、冷却水が内管5と外管6との間に流される。
【0014】以上本発明の一実施例を詳述したが、本発
明はこの実施例に限定されない。例えば、プラズマが着
火したことを確認するために、高周波電源の直流部22
からの直流電圧と直流電流とを監視するようにしたが、
トーチ内のプラズマ着火による光を検出し、この光信号
に基づいて冷却水の導入などを行うようにしても良い。
また、二重管内の冷却水を圧縮エアーによって排出する
ようにしたが、二重管の冷却水通路の底部に水抜き用の
バルブを設け、このバルブをプラズマ着火時のみ開ける
ように構成しても良い。
【0015】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に基づく誘
導プラズマ装置におけるプラズマ着火方法は、二重管の
両端部に配置されたフランジ間に、二重管の冷却水を排
出した状態で高圧発生装置から、高電圧を印加し、プラ
ズマの着火を行うようにしたので、水冷構造であっても
上下フランジの間に高電圧を印加し、トーチ内圧力に関
係無く着実にプラズマの着火を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基づく方法を実施するための誘導プラ
ズマ装置の一例を示す図である。
【図2】本発明の一実施例を示すフローチャートであ
る。
【図3】Ep −Ip 特性を示す図である。
【図4】上下フランジ間の高電圧印加によりプラズマの
着火を行うようにした提案装置を示す図である。
【図5】高圧発生装置と上部フランジなどとの電気的接
続を示す図である。
【符号の説明】
1,2…フランジ 3…ガス供給ノズル 5…内管 6…外管 8…冷却水導入孔 9…冷却水排出孔 10…RFコイル 11…高圧発生装置 13…ステージ測長系 15…冷却水導入管 16,18,20…バルブ 17…枝管 19…冷却水排出管 21…制御回路 22…直流部 23…発振部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁性物質で形成された二重管の周囲に
    巻回されたRFコイルに励磁電流を流して該管内部に誘
    導プラズマを発生させると共に、二重管の間に冷却水を
    流すようにした誘導プラズマ発生装置において、前記二
    重管の両端部に配置されたフランジ間に高電圧を印加す
    る高圧発生装置を設け、前記二重管の冷却水を排出した
    状態で前記高圧発生装置からの高電圧を両フランジ間に
    印加し、プラズマの着火を行うようにしたことを特徴と
    する誘導プラズマ発生装置におけるプラズマ着火方法。
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