JPH10162993A - 誘導結合プラズマ装置 - Google Patents

誘導結合プラズマ装置

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JPH10162993A
JPH10162993A JP8322496A JP32249696A JPH10162993A JP H10162993 A JPH10162993 A JP H10162993A JP 8322496 A JP8322496 A JP 8322496A JP 32249696 A JP32249696 A JP 32249696A JP H10162993 A JPH10162993 A JP H10162993A
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JP
Japan
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plasma
gas
high frequency
detecting
inductively coupled
Prior art date
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Pending
Application number
JP8322496A
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English (en)
Inventor
Yasushi Sakakibara
康史 榊原
Genichi Katagiri
源一 片桐
Akio Shimizu
明夫 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】容易にプラズマが点火され、再現性よく安定し
て運転できる装置を得る。 【解決手段】電気絶縁管1の内部にガスを導入し、外側
に巻装した高周波誘導コイル2に高周波電流を通電して
プラズマ炎5を形成して用いる装置において、レンズ
6、集光部7、分光器9、検出器10よりなる検出手段
を備えてプラズマ炎5の状態を検出し、この検出信号を
制御装置11にフィードバックして、シーケンスプログ
ラムに従って、マスフローコントローラ12A,12
B,12Xと高周波電源3を制御し、導入するガスの供
給流量と高周波電流を調整して、プラズマを点火し、保
持する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波誘導結合を
用いてアークプラズマを発生させる誘導結合プラズマ装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】誘導結合プラズマ(Inductively Coupl
ed Plasma、以下ICPと略記する)装置は、電気絶縁
管に同軸に高周波誘導コイルを巻装し、高周波誘導コイ
ルに高周波電流を通電して、電気絶縁管内部に導入した
ガスをプラズマ化して用いる装置である。
【0003】図2は、従来より用いられているICP装
置の基本構成図である。1は、円筒状の電気絶縁管で、
いずれも石英材料よりなる内筒1aと外筒1bとの二重
構造として構成されており、間隙に冷却水を流して冷却
して用いられる。2は、電気絶縁管1の外側に同軸状に
負かれた高周波誘導コイルで、通常3〜4ターン巻装し
て構成されている。また3は、高周波誘導コイル2に電
流を供給する高周波電源である。
【0004】本構成において、電気絶縁管1の上部に設
けられたガス導入部4よりプラズマガスを導入し、高周
波電源3の出力電流を高周波誘導コイル2に通電して高
周波磁界を発生させると、発生した高周波磁界の電磁誘
導により生じた電界によってガスはプラズマ化される。
得られるプラズマ出力はガスの導入量および電界の強さ
と形状に依存する。
【0005】また、窒素、空気、酸素等の放電開始電圧
の高いガスのプラズマを得る際には、以下のごとく、ま
ず放電開始電圧の低いヘリウムガスを導入してそのプラ
ズマを点火した後、導入ガスを順次切り替えて所望のガ
スのプラズマを得る方法が採られている。すなわち、 1)電気絶縁管1の内部に、ヘリウムガスを導入して大
気圧に近い圧力条件に保持し、高周波誘導コイル2に高
周波電流を通電してヘリウムガスのグロー放電を立て
る。
【0006】2)次いで、ヘリウムガスとともにアルゴ
ンガスを導入して、これらの混合ガスの放電を立てる。 3)続いて、ヘリウムガスの導入を停止して、アルゴン
ガスのアークプラズマへと移行させる。 4)次に、アルゴンガスとともに窒素、空気、酸素等の
所望の作動ガスを導入し、作動ガスの濃度を増加させつ
つ高周波電源出力を増加してアークプラズマを維持す
る。
【0007】5)最終的に、アルゴンガスの導入を停止
して所望の作動ガスのアークプラズマへと移行させる。
このようなプロセス操作を行えば、放電開始電圧の高い
作動ガスについても、特別な点火装置を用いることなく
所望のアークプラズマが得られる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来のICP装置にお
いては、上記のようなプラズマ点火方法を用いることに
より所望の作動ガスのアークプラズマを得ている。この
プラズマ点火方法においては、プラズマの状態を目視に
より判断してガス流量や放電電力を調整する方法が採ら
れており、通常、熟練したオペレータにより操作されて
いる。しかしながら本方法においては、特にアルゴンガ
スと作動ガスの置換速度の調整、ならびにこの置換の際
の放電電力の調整が困難で熟練した技術を必要とし、調
整を誤るとプラズマの消滅、あるいはプラズマ炎による
電気絶縁管の破損を引き起こしてしまうという難点があ
る。
【0009】本発明は、このような従来技術の難点を解
決するためになされたものであり、容易にプラズマが点
火され、再現性よく安定して運転できるICP装置を提
供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、高周波誘導コイルを巻装した
電気絶縁管の内部にプラズマガスを導入し、高周波誘導
コイルに高周波電流を流して前記ガスをプラズマ化して
用いるICP装置において、 1)シーケンスプログラムに従ってプラズマガスの供給
流量と高周波電流を制御する制御装置を備えることとす
る。
【0011】2)さらに上記1)のICP装置に、電気
絶縁管の内部に形成されたプラズマの状態を検出する検
出手段、例えば、プラズマの光を集光する集光部と集光
した光の波長を選別する分光器と選別された波長の強度
を検出する検出部とを備えた検出手段を備えることと
し、かつ上記の制御装置を、検出手段の検出値を入力し
て基準値と比較し、その偏差に対応して、シーケンスプ
ログラムに従って、プラズマガスの供給流量と高周波電
流を制御するように構成することとする。
【0012】ICP装置を上記の1)ごとくに構成する
こととすれば、従来のようにオペレータが目視によりプ
ラズマの状態を監視し、判断してガス流量や放電電力を
調整しなくとも、自動的にプラズマの点火操作が行われ
ることとなる。また、上記の2)のごとくに構成するこ
ととすれば、プラズマの発光がモニターされ、発生した
プラズマ状態が制御系にフィードバックされるので、熟
練したオペレータによる操作を行わずとも、自動的に安
定したプラズマ点火動作ができることとなり、装置を破
損する危険性も大幅に低下する。
【0013】
【発明の実施の形態】図1は、本発明によるICP装置
の実施例の基本構成図である。従来例と同様に、石英の
二重管構造よりなる電気絶縁管1の外側に、水冷式銅管
よりなる高周波誘導コイル2が同軸状に配されており、
電気絶縁管1の上部に位置するガス導入部4よりプラズ
マガスを導入し、高周波誘導コイル2に高周波電流を通
電することにより、プラズマ炎5が得られる。
【0014】本実施例の特徴は、導入する各種のガス、
例えばヘリウムガスやアルゴンガス,あるいは窒素、空
気等の作動ガスの供給流量を調整するマスフローコント
ローラ12A,12B,・・,12Xと、高周波誘導コ
イル2に高周波電流を供給する高周波電源3が、いずれ
も制御装置11によって制御されていること、さらに、
電気絶縁管1の内部に形成されたプラズマの発光状態を
検出して、その値を制御装置11へとフィードバックす
るプラズマ状態の検出手段が設けられていることにあ
る。プラズマ状態の検出手段は、図に見られるように、
プラズマの発光を集めるレンズ6を備えた集光部7、集
光された光を伝送する光ファイバー8、伝送された光の
波長を選別する分光器9、選別された波長の強度を測定
する検出器10より構成されている。
【0015】本構成のICP装置においては、シーケン
スプログラムに従って、以下のごとき手順によりプラズ
マの点火操作が行われる。 1)プロセス開始指令とともに、制御装置11からの制
御信号によりマスフローコントローラ12Aが所定値に
設定され、電気絶縁管1の内部にヘリウムガスのみ導入
される。また、制御装置11からの制御信号によって、
高周波電源3より高周波誘導コイル2に高周波電流が供
給される。ヘリウムのグロー放電が点火し、所定時間持
続すると、プラズマの発光が集光部7で集光され、分光
器9、検出器10で検出された検出信号が制御装置11
へと送られ、次のステップへと移行する。
【0016】2)制御装置11からの制御信号によりマ
スフローコントローラ12Bが所定値に設定され、ヘリ
ウムガスとともにアルゴンガスが導入される。これらの
混合ガスの放電が維持され、所定時間持続すると、1)
と同様に、検出器10で検出された検出信号が制御装置
11へと送られ、次のステップへと移行する。 3)制御装置11からの制御信号によりマスフローコン
トローラ12Aの流量設定値が変更され、ヘリウムガス
の導入が停止される。グロー放電からアルゴンガスのア
ーク放電に移行し、所定時間持続すると、1)と同様
に、検出器10で検出された検出信号が制御装置11に
送られ、次のステップへと移行する。
【0017】4)制御装置11からの制御信号によりマ
スフローコントローラ12Xの設定値が制御され、作動
ガス、例えば窒素ガスの導入が開始され、導入流量が所
定の速度で増加される。同時にマスフローコントローラ
12Bの設定値が制御され、アルゴンガスの導入流量が
所定の速度で減少される。また、これに伴い高周波電源
3の出力も所定の速度で増大される。この過程におい
て、プラズマの状態が不安定になると、検出器10で検
知されて制御装置11に送られた信号により、上記のシ
ーケンス動作が停止し、窒素ガスとアルゴンガスの導入
流量を一定値に保持し、検出器10の検知信号が一定と
なるよう高周波電源3の出力を調整する操作が行われ
る。検出器10により、プラズマの状態が所定時間安定
に維持されたことが検出されると、再び、上記のシーケ
ンス動作が開始される。最終的に、アルゴンガスの導入
が停止され、作動ガスの導入流量が所定値に設定され
て、所望の作動ガスのアークプラズマが得られる。
【0018】なお、これらの一連のシーケンス動作にお
いては、プラズマガスの各流量条件に対応して高周波電
源3の出力のしきい値を設定し、電気絶縁管1の破壊が
起こらないよう配慮されている。また、本シーケンス動
作において、何らかの要因によりプラズマが消滅する事
態となった場合には、動作を停止して、最初のステップ
より再スタートするよう設定されている。
【0019】本ICP装置を再現性良く運転制御するた
めには、各プラズマの特定の波長を選別してその発光強
度を検出し、発光強度が常に一定となるように制御すれ
ばよい。しかしながら、本構成においては、プラズマの
発光を石英よりなる電気絶縁管1を介して集光している
ので、長時間運転を持続させると電気絶縁管1が汚損
し、透過性能が劣化して検出感度が低下するという問題
点があり、また、プラズマの発光強度は位置により異な
るので、レンズ6および集光部7の設定位置のズレによ
り検出強度が変化するという問題点がある。この難点を
解決して再現性良く運転制御するためには、各プラズマ
について少なくとも2以上の特定の波長の発光強度を検
出して制御する方法を用いればよい。すなわち、励起状
態nにある励起原子による波長λのスペクトル線の強度
n は、次式で表わされる。
【0020】
【数1】 In = N0 (gn /U(T))Anmhν exp(-En /kT) (1) N0 ; 全原子数 gn ; 励起状態nの統計的重価.この状態の内部量子
数をJとすると gn =2J+1 U(T) ; 温度Tにおけるその原子の状態和 U(T) =Σ(gn exp(−En /kT) ) En ; 励起状態nの励起エネルギー k ; ボルツマン常数 Anm; 励起状態nよりmへの遷移確率 h ; プランク常数 ν ; 周波数 (ν=c/λ, c;光速 ) 同一元素のスペクトル線においては、N0 とU(T) は同
一であるので、二つの波長λ1 ,λ2 のスペクトル線の
強度I1 とI2 との比は、次式(2)のごとくとなり、
二つのスペクトル線の強度比によって、プラズマの温度
が定まることとなる。
【0021】
【数2】 I1/I2 = (A1/A2)( g1/g2)( ν12)exp(-(E1-E2)/ kT) (2) すなわち、本ICP装置において、各プラズマについて
二つの特定の波長の発光強度を検出し、その強度比が一
定となるように制御を行えば、プラズマの温度、したが
ってプラズマの状態が一定に保持されることとなる。
【0022】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、高周波
誘導コイルを巻装した電気絶縁管の内部にプラズマガス
を導入し、高周波誘導コイルに高周波電流を流して前記
ガスをプラズマ化して用いるICP装置において、 1)シーケンスプログラムに従ってプラズマガスの供給
流量と高周波電流を制御する制御装置を備えることとし
たので、自動的にプラズマの点火操作が行われるICP
装置が得られることとなった。
【0023】2)また、上記1)のICP装置におい
て、電気絶縁管の内部に形成されたプラズマの状態を検
出する検出手段、例えば、プラズマの光を集光する集光
部と、集光した光の波長を選別する分光器と、選別され
た波長の強度を検出する検出部とを備えた検出手段を備
えることとし、かつ、上記の制御装置を、検出手段の検
出値を入力して基準値と比較し、その偏差に対応して、
シーケンスプログラムに従って、プラズマガスの供給流
量と高周波電流を制御するように構成することとすれ
ば、発生したプラズマ状態が検出され、検出結果が制御
系にフィードバックされるので、自動的に安定したプラ
ズマ点火動作ができ、また装置を破損する危険性も大幅
に低下するので、再現性よく安定して運転できるICP
装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるICP装置の実施例の基本構成図
【図2】従来より用いられているICP装置の基本構成
【符号の説明】
1 電気絶縁管 2 高周波誘導コイル 3 高周波電源 4 ガス導入部 5 プラズマ炎 6 レンズ 7 集光部 8 光ファイバー 9 分光器 10 検出器 11 制御装置 12A,12B,12X マスフローコントローラ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高周波誘導コイルを巻装した電気絶縁管の
    内部にプラズマガスを導入し、高周波誘導コイルに高周
    波電流を流して前記ガスをプラズマ化して用いる誘導結
    合プラズマ装置において、シーケンスプログラムに従っ
    てプラズマガスの供給流量と高周波電流を制御する制御
    装置を備えたことを特徴とする誘導結合プラズマ装置。
  2. 【請求項2】電気絶縁管の内部に形成されたプラズマの
    状態を検出する検出手段を備え、かつ、前記の制御装置
    が、検出手段の検出値を入力して基準値と比較し、その
    偏差に対応して、シーケンスプログラムに従って、プラ
    ズマガスの供給流量と高周波電流を制御するよう構成さ
    れていることを特徴とする請求項1に記載の誘導結合プ
    ラズマ装置。
  3. 【請求項3】前記のプラズマの状態を検出する検出手段
    が、プラズマの光を集光する集光部と、集光した光の波
    長を選別する分光器と、選別された波長の強度を検出す
    る検出部とを備えてなることを特徴とする請求項2に記
    載の誘導結合プラズマ装置。
JP8322496A 1996-12-03 1996-12-03 誘導結合プラズマ装置 Pending JPH10162993A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120100300A1 (en) * 2009-02-05 2012-04-26 Malko Gindrat Plasma coating system and method for coating or treating the surface of a substrate
WO2019012906A1 (ja) * 2017-07-13 2019-01-17 株式会社島津製作所 プラズマ発生装置、これを備えた発光分析装置及び質量分析装置、並びに、装置状態判定方法

Cited By (3)

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JPWO2019012906A1 (ja) * 2017-07-13 2020-04-16 株式会社島津製作所 プラズマ発生装置、これを備えた発光分析装置及び質量分析装置、並びに、装置状態判定方法

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Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20041012