プラズマ発生装置及びそれを用いたプラズマ生成方法

• 特願2006-061673 (2006.3.7) JP

• 米須 章

• 国立大学法人　琉球大学

従来、大気圧中で発生させたプラズマを、高融点材料の溶接、半導体製造プロセスにおける表面洗浄、金属材料等の表面の改質、微粒子の生成など、各種の工業分野で利用することが行われている。また最近では、医療用器具の滅菌処理にもプラズマが利用されるなど、大気圧プラズマの用途が急速に拡大している。

大気圧中でのプラズマの生成方法としては、アーク放電によるプラズマの生成やマイクロ波によるガスの加熱方法などがある。
特許文献１では、電極間に高周波電圧を印加し、アーク放電によりプラズマを発生させることが開示されており、特に、該プラズマにより、注射針先端を加熱成形すると共に殺菌処理を行うことが開示されている。
【特許文献１】
特開平６－１９７９３０号公報

アーク放電による問題は、電極間に発生した電子やイオンが電極に衝突し、電極自体が高温となり、電極が損耗することであり、また、電極を構成する金属材料の一部がプラズマ中に放出され、プラズマに不純物が混入する可能性があることが挙げられる。
これに対し、特許文献２に示すように、石英パイプなどの非金属パイプにプラズマ用のガスを供給し、該金属パイプの周囲に配置した導体により、パイプ中のガスをマイクロ波加熱する方法では、導体に印加されたマイクロ波がパイプ中に侵入する励起電界を形成し、該励起電界によりガスが加熱され電離状態となる、所謂、無電極放電が可能であり、電極の損耗が無く不純物の混入も生じない。
【特許文献２】
特開２００４－１７２０４４号公報

図１に特許文献２のプラズマ発生装置１００の概略を示す。石英パイプ１０１を包囲する同軸形キャビティ１０２には、キャビティ励振用アンテナ１０５と内部電磁界検出用ループアンテナ１０６が接続されている。同軸形キャビティ１０２内において、石英パイプ１０１の上部側には石英パイプ１０１を取り囲む上部中心導体１０３と、下部側には同様に石英パイプ１０１を取り囲む下部中心導体１０４が配置されている。

図１（ｂ）及び（ｃ）は、図１（ａ）の同軸形キャビティ１０２内の断面図を示すものであり、上部中心導体１０３は、上端において同軸形キャビティ１０２の内面と導通している。また、下部中心導体１０４は、図１（ｂ）に示すように、内側導体１２１と外側導体１２２とが空隙を設けて嵌合されるため、下部中心導体１０４の内部にチョーク構造が形成され、外部にマイクロ波が放出されるのを抑制している。さらに、下部中心導体１０４の下端は同軸形キャビティ１０２の内面と導通している。

次に、プラズマ発生装置１００の動作について説明する。同軸形キャビティ１０２内は、高さがマイクロ波の半波長の整数倍に設定されているため、キャビティ励振用アンテナ１０５から入射力されたマイクロ波は、同軸形キャビティ１０２内で共振し、上部中心導体１０３と下部中心導体１０４との間に、図１（ｂ）に示すような励起電界１１２を形成する。この励起電界１１２の影響により、石英パイプ１０１内を通過するガス１１０はプラズマ化されることとなる。この電界分布はＴＭモードの振動となっている。

石英パイプ１０１内のガスがプラズマ化されると、プラズマは導体と同様な働きを持つため、励起電界の分布は図１（ｃ）の１１３に示すように、同軸形キャビティ１０２の内壁から石英パイプ１０１内のプラズマ方向に変化し、同軸モード（ＴＥＭモード）の電界となり、引き続き励起電界１１３により、石英パイプ１０１内のガスはプラズマ化されることとなる。

このプラズマ点火の前後における励起電界の分布変化は、同軸キャビティ１０２内のインピーダンス変化をもたらし、共振周波数を変化させることとなる。この周波数変化に対応するため、特許文献２では、内部電磁界検出用ループアンテナ１０６からの検出信号に基づきマイクロ波周波数の可変調整を行っている。また、インピーダンス変化が最小となるようキャビティの形状を選定することが示唆されている。

しかしながら、特許文献２のように、石英パイプの周囲に離間した２つの導体を配置し、
導体間にギャップＧを形成する方法では、プラズマ点火前後でインピーダンスの変化が必然的に生じ、上述したような印加するマイクロ波周波数の調整が不可欠となる。このため、周波数調整のための機構が必要となり、装置全体が複雑化し、高コストなものとなる。また、キャビティ１０２の形状でインピーダンスの変化を最小とする方法を採用する場合には（なお、特許文献２には具体的な構成は開示されていない。）、キャビティ１０２の形状が限定される上、例えば、石英パイプを複数本配置するなど多様な変化に柔軟に対応することが困難なものとなる。

この発明は、プラズマ発生装置及びそれを用いたプラズマ生成方法に関し、特に、大気中においてマイクロ波によるプラズマを生成することを可能とするプラズマ発生装置及びそれを用いたプラズマ生成方法に関する。

• H05H   1/24      プラズマの発生
• H05H   1/30      電磁界を用いるもの，例．高周波またはマイクロ波エネルギー
• H05H   1/46      電磁界を用いるもの，例．高周波またはマイクロ波エネルギー

• 2G084BB06
• 2G084BB21
• 2G084BB35
• 2G084BB37
• 2G084CC08
• 2G084CC14
• 2G084CC25
• 2G084CC34
• 2G084DD04
• 2G084DD19
• 2G084DD32
• 2G084DD34
• 2G084DD45
• 2G084DD48
• 2G084DD51
• 2G084DD56
• 2G084DD67
• 2G084FF02
• 2G084FF21
• 2G084GG02
• 2G084GG08
• 2G084GG30
• 2G084HH02
• 2G084HH05
• 2G084HH09
• 2G084HH26
• 2G084HH32
• 2G084HH35
• 2G084HH36