JP2003311146A - High-frequency induction thermal plasma device - Google Patents
High-frequency induction thermal plasma deviceInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】本発明はプラズマ中で成膜材料を
蒸発させたり溶融し、該蒸発，溶融材料によって基板上
に成膜等を行う高周波誘導熱プラズマ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１は従来の高周波誘導熱プラズマ装置
を示している。１はプラズマ発生用のトーチであり、該
トーチ１は円筒部材２，円筒部材２の上部に取り付けら
れたガスリング３、円筒部材２の外側に配置された誘導
コイル４等から形成されている。
【０００３】前記円筒部材２は二重管構造に形成されて
おり、その内側管は、例えば、窒化珪素で形成され、そ
の外側管は石英管で形成されている。
【０００４】該円筒部材２は上部フランジ５ａと下部フ
ランジ５ｂとの間に取り付けられており、これらのフラ
ンジ５ａ，５ｂは支持棒６にネジ７により固定されてい
る。
【０００５】上部フランジ５ａと下部フランジ５ｂとの
間にはイグニションコイルの如き高電圧発生装置８が接
続されている。
【０００６】上部フランジ５ａには冷却水の出口通路９
が設けられ、下部フランジ５ｂには冷却水の入口通路１
０が設けられており、円筒部材２の二重管内部には入口
通路１０から冷却水が供給され、出口通路９から冷却水
が排出される。
【０００７】前記ガスリング３の中央部分にはプローブ
１１が設けられている。プローブ１１の中心部にはその
長手方向に開口が穿たれており、この開口を介して前記
円筒部材２内に図示していない粉末供給部から粉末材料
がキャリアガスと共に供給される。又、図示していない
プラズマガス源からプラズマガスがガスリング３の外側
から円筒部材２内部に供給される。前記プローブ１１内
には冷却水が循環出来る通路が設けられており、その冷
却水は入口１２から入り、出口１３から排出される。
又、ガスリング３の内部にも冷却水路１４が設けられ、
冷却水が供給される。
【０００８】尚、高周波コイル４には、図示していない
が高周波電源から高周波電力が供給されるように構成さ
れている。
【０００９】トーチ１の下部にはチャンバー１５が配置
されている。チャンバー１５内は図示していない真空排
気系により真空に排気されるように構成されている。こ
の様な構成の高周波誘導熱プラズマ装置の動作を次に説
明する。
【００１０】トーチ１のガスリング３を介して円筒部材
２内にプラズマガス（例えば、アルゴンガス）を供給す
ると共に、誘導コイル４に高周波電力を供給する。この
状態で、高電圧発生装置から高電圧を上部フランジ５ａ
と下部フランジ５ｂの間に印加すると、上部フランジ５
ａと下部フランジ５ｂとの間でコロナ放電が生起し、こ
の放電が引き金となってトーチ内にプラズマＰが発生す
る（着火する）。その後、２分子ガス（酸素や窒素）を
混入しながら徐々に高周波電力を上昇させてプラズマＰ
を安定化させる。そして、ガスリング３の中心に位置す
るプローブ１１を介して、溶着すべき粉末材料をキャリ
アガス（例えばアルゴンガス）と共にプラズマＰの中心
部に供給する。該粉末材料は、１万度程度の熱プラズマ
によって蒸発したり溶融され、更に、同時に供給されて
いる２分子ガスなどによって酸化或いは窒化などの化学
反応を生じたあと、プラズマフレーム下部に位置した基
板（図示せず）上に蒸着され、その結果基板上には高品
質の蒸着膜や溶融膜が生成される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】さて、前述した様に、
プラズマ着火のために上部フランジ５ａと下部フランジ
５ｂとの間に高電圧発生装置８から高電圧を印加して上
部フランジ５ａと下部フランジ５ｂの間に電位差を発生
させることから、上部フランジ５ａと下部フランジ５ｂ
を支持する支持棒６は絶縁性物質で形成する必要があ
る。又、支持棒６は上部フランジ５ａと下部フランジ５
ｂを支持しなければならないので、機械的強度が強くな
くてはならない。
【００１２】そこで、これまでにおいては、機械的強度
の強い絶縁性物質であるガラス入りエボキシ樹脂や比較
的機械的強度の強い絶縁物質であるＭＣナイロン（モノ
マーキャストナイロン）等が支持棒６の材料として選択
されていた。
【００１３】ところで、絶縁性物質、即ち誘電体を高周
波電界中に置くと、誘電体を構成する正負の電荷を持つ
分子（誘電体分子）が２つの分極状態を交互に繰り返
し、その為に、誘電体分子が互いに衝突及び摩擦しあっ
て熱を発生する。この熱に変わる電力損失Ｐは、次の式
で表すことが出来る。
【００１４】Ｐ＝０．５５６εｒ・ｔａｎδｆＥ２１０
−１０（Ｗ／ｍ３）
この式において、εｒは物質の比誘電率、ｔａｎδは物
質の誘電損角、ｆは高周波電界の周波数〔Ｈｚ〕、Ｅは
高周波電界の強度〔Ｖ／ｍ〕である。
【００１５】この式において、周波数ｆと電界強度Ｅを
一定とすると、電力損失Ｐはεｒ・ｔａｎδ（損失係数
と称す）に依ることになる。
【００１６】この損失係数εｒ・ｔａｎδは物質固有の
値で、周波数や温度により変化する。尚、比誘電率εｒ
については、大凡の誘電物質は一の位の値を取り、誘電
物質間での差は少ないので、電力損失Ｐは主に誘電損角
ｔａｎδに依存すると考えて良い。
【００１７】今、温度を一定とした場合、高周波誘導加
熱が行われる周波数域（３０ｋＨｚ〜３ＭＨｚ）におい
て、前記支持棒６の材料として使用されるガラス入りエ
ボキシ樹脂とＭＣナイロンのｔａｎδは、それぞれ、大
凡０．０１程度、０．０２程度の数値である。
【００１８】この様に誘電損角ｔａｎδが小数第二位に
で表される数値以上の数値を有する誘電物質から形成さ
れる支持棒６が、誘導コイル４の高周波電界域に入る
と、支持棒６が加熱され焼損してしまう。
【００１９】従って、この様な支持棒６が誘導コイル４
の高周波電界域に入らないように、支持棒６を誘導コイ
ル４から可成り離したところに配置しなければならな
い。
【００２０】その為に、上下のフランジ５ａ，５ｂの横
方向の長さもある程度長くせざるを得ず、トーチ部の横
方向がかさばってしまう。その結果、高周波誘導熱プラ
ズマ装置全体がかさばってしまう。
【００２１】本発明は、この様な問題を解決する新規な
高周波誘導熱プラズマ装置を提供することを目的とした
ものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】本発明に基づく高周波誘
導加熱プラズマ装置は、絶縁性物質で形成された管、管
の一端に設けられ、プラズマガスを管内に供給するため
のガスリング、及び管に巻かれた誘導コイルを有し、管
は上下の部分でそれぞれ上フランジと下フランジにより
支持されており、上フランジと下フランジが絶縁性物質
で形成された支持体に固定されており、管内に高周波誘
導熱プラズマを発生させるように成した高周波誘導熱プ
ラズマ装置において、前記支持体を窒化珪素で成したこ
とを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。
【００２４】図２は本発明の一例を示した高周波誘導熱
プラズマ装置の概略図である。
【００２５】図中、前記図１にて使用した番号（記号）
と同一番号（記号）の付されたものは同一構成要素を示
す。
【００２６】図２に示す高周波誘導熱プラズマ装置が図
１に示す高周波誘導熱プラズマ装置と異なる構成点は、
上，下フランジ５ａ′，５ｂ′を支持している支持棒
６′を窒化珪素で形成したこと、支持棒６′が誘導コイ
ル４に近づけて配置されていること、及び、上，下５
ａ′，５ｂ′の横方向の長さが短くなっている点であ
る。
【００２７】誘電物質としては、サフィアの如き単結晶
類、ＢａＴｉＯ３の如きセラミックス類、パイレックス
（耐熱性硬質ガラスの商標名）の如きガラス類、シリコ
ンゴムの如きゴム類、こはくの如き天然樹脂類、フェノ
ール系樹脂の如きプラスチックス類があるが、高周波誘
導加熱が行われる周波数域（３０ｋＨｚ〜３ＭＨｚ）に
おいて誘電損角ｔａｎδが小数第三位で表される数値以
下の数値を有し、ある程度加工し易く、且つ、ある程度
の機械的強度を有する誘電物質として考えられるものと
しては、テフロン（弗素樹脂の１つのポリテトラフルオ
ロエチレンの商標名であり、誘電損角は０．０００
２）、ポリエチレン（誘電損角は０．０００２）、及び
ポリプロピレン（誘電損角は０．０００３）の如きプラ
スチックス類と、窒化珪素（誘電損角は０．０００９５
〜０．００１２）の如きセラミックス類がある。
【００２８】これらの誘電物質間の相対的な機械的強度
及び加工仕上がり精度については、窒化珪素がテフロン
の如き他のプラスチックス類に比べ極めて優れている。
【００２９】従って、図２の高周波誘導熱プラズマ装置
においては、上，下フランジ５ａ′，５ｂ′を支持する
支持棒６′を窒化珪素で形成している。尚、上，下フラ
ンジ５ａ′，５ｂ′を支持棒６′に取り付けるネジ７′
は非磁性の金属（例えば、真鍮，銅，アルミニウム等）
で作られたものである。
【００３０】この様な構成の高周波誘導熱プラズマ装置
においてトーチ１のガスリング３を介して円筒部材２内
にプラズマガス（例えば、アルゴンガス）を供給すると
共に、誘導コイル４に高周波電力を供給する。この状態
で、高電圧発生装置から高電圧を上部フランジ５ａ′と
下部フランジ５ｂ′の間に印加すると、上部フランジ５
ａ′と下部フランジ５ｂ′との間でコロナ放電が生起
し、この放電が引き金となってトーチ内にプラズマＰが
発生する（着火する）。その後、２分子ガス（酸素や窒
素）を混入しながら徐々に高周波電力を上昇させてプラ
ズマＰを安定化させる。そして、ガスリング３の中心に
位置するプローブ１１を介して、溶着すべき粉末材料を
キャリアガス（例えばアルゴンガス）と共にプラズマＰ
の中心部に供給する。該粉末材料は、１万度程度の熱プ
ラズマによって蒸発したり溶融され、更に、同時に供給
されている２分子ガスなどによって酸化或いは窒化など
の化学反応を生じたあと、プラズマフレーム下部に位置
した基板（図示せず）上に蒸着され、その結果基板上に
は高品質の蒸着膜や溶融膜が生成される。
【００３１】さて、支持棒６′は誘電損角の極めて小さ
い材料で形成されているので、この様な成膜過程におい
て、誘導コイル４の高周波電界域に支持棒６′が入って
いても、支持棒６′は殆ど高周波誘電加熱せず、支持棒
６′が焼損することがない。
【００３２】従って、上，下フランジの横方向のサイズ
を小さくし、これらのフランジを支持している支持棒を
誘導コイル側に近づけて配設することが可能となる。こ
の結果、高周波誘導熱プラズマ装置全体をコンパクト化
出来る。
【００３３】尚、前記例では円筒部材２は二重管構造
で、外管を透明な石英ガラスで形成し、内管を窒化珪素
セラミックスで形成している場合もあるが、外管も内管
も透明な石英ガラスで形成しても良い。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-frequency induction thermal plasma for evaporating or melting a film-forming material in plasma and forming a film on a substrate by the evaporation and the molten material. Related to the device. FIG. 1 shows a conventional high-frequency induction thermal plasma apparatus. Reference numeral 1 denotes a torch for generating plasma. The torch 1 includes a cylindrical member 2, a gas ring 3 attached to an upper portion of the cylindrical member 2, an induction coil 4 disposed outside the cylindrical member 2, and the like. [0003] The cylindrical member 2 is formed in a double tube structure, the inner tube of which is formed of, for example, silicon nitride, and the outer tube of which is formed of a quartz tube. The cylindrical member 2 is mounted between an upper flange 5a and a lower flange 5b, and these flanges 5a and 5b are fixed to a support rod 6 by screws 7. [0005] A high voltage generator 8 such as an ignition coil is connected between the upper flange 5a and the lower flange 5b. An outlet passage 9 for cooling water is provided in the upper flange 5a.
The lower flange 5b is provided with an inlet passage 1 for cooling water.
The cooling water is supplied from the inlet passage 10 to the inside of the double pipe of the cylindrical member 2, and the cooling water is discharged from the outlet passage 9. [0007] A probe 11 is provided at the center of the gas ring 3. An opening is formed in the center of the probe 11 in the longitudinal direction thereof, and a powder material is supplied together with a carrier gas from a powder supply unit (not shown) into the cylindrical member 2 through the opening. A plasma gas is supplied from the outside of the gas ring 3 into the cylindrical member 2 from a plasma gas source (not shown). A passage through which cooling water can circulate is provided in the probe 11, and the cooling water enters through an inlet 12 and is discharged through an outlet 13.
Also, a cooling water passage 14 is provided inside the gas ring 3,
Cooling water is supplied. The high-frequency coil 4 is configured to receive high-frequency power from a high-frequency power source (not shown). A chamber 15 is arranged below the torch 1. The inside of the chamber 15 is configured to be evacuated by a vacuum exhaust system (not shown). The operation of the high-frequency induction thermal plasma device having such a configuration will be described below. A plasma gas (for example, argon gas) is supplied into the cylindrical member 2 through the gas ring 3 of the torch 1 and a high-frequency power is supplied to the induction coil 4. In this state, high voltage is supplied from the high voltage generator to the upper flange 5a.
Is applied between the upper flange 5b and the lower flange 5b.
Corona discharge occurs between a and the lower flange 5b, and the discharge triggers the generation of plasma P in the torch (ignition). Thereafter, the high frequency power is gradually increased while mixing the two molecular gases (oxygen and nitrogen), and the plasma P
Stabilize. Then, a powder material to be welded is supplied to the center of the plasma P together with a carrier gas (for example, argon gas) via a probe 11 located at the center of the gas ring 3. The powder material is evaporated or melted by a thermal plasma of about 10,000 degrees, and further undergoes a chemical reaction such as oxidation or nitridation by a simultaneously supplied two-molecule gas or the like, and then a substrate positioned under the plasma frame (Not shown), resulting in a high quality deposited or molten film on the substrate. [0011] As described above,
Since a high voltage is applied from the high voltage generator 8 between the upper flange 5a and the lower flange 5b to generate a potential difference between the upper flange 5a and the lower flange 5b for plasma ignition, the upper flange 5a and the lower Flange 5b
Must be formed of an insulating material. The support rod 6 is composed of an upper flange 5a and a lower flange 5a.
Since b must be supported, the mechanical strength must be strong. Therefore, up to now, the material of the support rod 6 has been made of an epoxy resin containing glass, which is an insulating material having high mechanical strength, or MC nylon (monomer cast nylon), which is an insulating material having relatively high mechanical strength. Was selected as. By the way, when an insulating substance, that is, a dielectric is placed in a high-frequency electric field, molecules having positive and negative charges (dielectric molecules) constituting the dielectric alternately repeat two polarization states. The dielectric molecules collide and rub against each other to generate heat. The power loss P changing into heat can be expressed by the following equation. P = 0.556ε r · tan δfE 2 10
-10 (W / m 3 ) In this equation, ε r is the relative dielectric constant of the substance, tan δ is the dielectric loss angle of the substance, f is the frequency [Hz] of the high-frequency electric field, and E is the intensity [V / m] of the high-frequency electric field. It is. In this equation, when the frequency f and the electric field strength E are fixed, the power loss P depends on ε r · tan δ (referred to as a loss coefficient). The loss coefficient ε r · tan δ is a value inherent to the substance, and varies with frequency and temperature. Note that the relative permittivity ε r
Regarding the above, since most dielectric materials take a value of one place and the difference between the dielectric materials is small, it can be considered that the power loss P mainly depends on the dielectric loss angle tan δ. When the temperature is kept constant, in the frequency range (30 kHz to 3 MHz) in which high-frequency induction heating is performed, the tan δ of the glass-containing epoxy resin and MC nylon used as the material of the support rod 6 are as follows: The numerical values are approximately 0.01 and 0.02. As described above, when the support rod 6 made of a dielectric material having a dielectric loss angle tan δ having a numerical value greater than or equal to the second decimal place enters the high-frequency electric field region of the induction coil 4, the support rod 6 is heated and burned. Therefore, such a support rod 6 is used for the induction coil 4.
The supporting rod 6 must be disposed at a considerable distance from the induction coil 4 so as not to enter the high-frequency electric field region. For this reason, the horizontal length of the upper and lower flanges 5a and 5b must be increased to some extent, and the horizontal direction of the torch portion becomes bulky. As a result, the entire high-frequency induction thermal plasma device becomes bulky. An object of the present invention is to provide a novel high-frequency induction thermal plasma apparatus which solves such a problem. A high-frequency induction heating plasma apparatus according to the present invention is provided with a tube formed of an insulating material, a gas ring provided at one end of the tube, and for supplying a plasma gas into the tube. And an induction coil wound on the tube, the tube being supported by upper and lower flanges at upper and lower portions, respectively, and the upper and lower flanges being fixed to a support formed of an insulating material. In a high frequency induction thermal plasma apparatus configured to generate high frequency induction thermal plasma in a tube, the support is made of silicon nitride. Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 2 is a schematic diagram of a high-frequency induction thermal plasma apparatus showing an example of the present invention. In the figure, the numbers (symbols) used in FIG.
Those given the same numbers (symbols) indicate the same components. The high frequency induction thermal plasma apparatus shown in FIG. 2 is different from the high frequency induction thermal plasma apparatus shown in FIG.
That the support rod 6 'supporting the upper and lower flanges 5a' and 5b 'is made of silicon nitride; that the support rod 6' is arranged close to the induction coil 4;
The point is that the horizontal lengths of a 'and 5b' are reduced. Examples of the dielectric material include single crystals such as sapphire, ceramics such as BaTiO 3 , glasses such as Pyrex (trade name of heat-resistant hard glass), rubbers such as silicon rubber, and natural resins such as amber. And plastics such as phenolic resin, but in a frequency range (30 kHz to 3 MHz) where high-frequency induction heating is performed, the dielectric loss angle tan δ has a numerical value less than the numerical value represented by the third decimal place, and is processed to some extent. Teflon (a trade name of polytetrafluoroethylene, one of fluororesins, which has a dielectric loss angle of 0.000) is considered as a dielectric material which is easy to perform and has a certain level of mechanical strength.
2) plastics such as polyethylene (dielectric loss angle is 0.0002) and polypropylene (dielectric loss angle is 0.0003); and silicon nitride (dielectric loss angle is 0.00095).
To 0.0012). Silicon nitride is extremely superior to other plastics such as Teflon with respect to the relative mechanical strength between these dielectric materials and the precision of processing. Therefore, in the high-frequency induction thermal plasma apparatus of FIG. 2, the support rod 6 'for supporting the upper and lower flanges 5a' and 5b 'is formed of silicon nitride. A screw 7 'for attaching the upper and lower flanges 5a' and 5b 'to the support rod 6'.
Is a non-magnetic metal (for example, brass, copper, aluminum, etc.)
It was made in. In the high-frequency induction thermal plasma apparatus having such a configuration, plasma gas (for example, argon gas) is supplied into the cylindrical member 2 via the gas ring 3 of the torch 1 and high-frequency power is supplied to the induction coil 4. . In this state, when a high voltage is applied between the upper flange 5a 'and the lower flange 5b' from the high voltage generator, the upper flange 5a '
Corona discharge occurs between a 'and the lower flange 5b', and the discharge triggers the generation of plasma P in the torch (ignition). Thereafter, the plasma P is stabilized by gradually increasing the high-frequency power while mixing the two-molecule gas (oxygen or nitrogen). Then, through a probe 11 located at the center of the gas ring 3, the powder material to be welded is mixed with a carrier gas (for example, argon gas) into a plasma P.
To the center of the The powder material is evaporated or melted by a thermal plasma of about 10,000 degrees, and further undergoes a chemical reaction such as oxidation or nitridation by a simultaneously supplied two-molecule gas and the like, and then a substrate positioned below the plasma frame is formed. (Not shown), resulting in a high quality deposited or molten film on the substrate. Since the support rod 6 'is formed of a material having a very small dielectric loss angle, even if the support rod 6' is in the high-frequency electric field region of the induction coil 4 in such a film forming process, The support rod 6 'hardly undergoes high-frequency dielectric heating, and the support rod 6' does not burn out. Therefore, it is possible to reduce the size of the upper and lower flanges in the lateral direction, and arrange the support rods supporting these flanges closer to the induction coil side. As a result, the entire high-frequency induction thermal plasma device can be made compact. In the above example, the cylindrical member 2 has a double tube structure, the outer tube is formed of transparent quartz glass, and the inner tube is formed of silicon nitride ceramics. May also be formed of transparent quartz glass.
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の高周波誘導熱プラズマ装置の概略を示
している。
【図２】 本発明の高周波誘導熱プラズマ装置の一例を
示している。
【符号の説明】
１…トーチ
２…円筒部材
３…ガスリング
４…誘導コイル
５ａ，５ａ′…上部フランジ
５ｂ，５ｂ′…下部フランジ
６，６′…支持棒
７，７′…ネジ
８…高電圧発生装置
９…出口通路
１０…入口通路
１１…プローブ
１２…入口
１３…出口
１４…冷却水路
１５…チャンバーBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 schematically shows a conventional high-frequency induction thermal plasma device. FIG. 2 shows an example of the high-frequency induction thermal plasma device of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Torch 2 ... Cylindrical member 3 ... Gas ring 4 ... Induction coil 5a, 5a '... Upper flange 5b, 5b' ... Lower flange 6, 6 '... Support rod 7, 7' ... Screw 8 ... Height Voltage generator 9 ... Outlet passage 10 ... Inlet passage 11 ... Probe 12 ... Inlet 13 ... Outlet 14 ... Cooling water passage 15 ... Chamber
Claims (1)
設けられ、プラズマガスを管内に供給するためのガスリ
ング、及び管に巻かれた誘導コイルを有し、管は上下の
部分でそれぞれ上フランジと下フランジにより支持され
ており、上フランジと下フランジが絶縁性物質で形成さ
れた支持体に固定されており、管内に高周波誘導熱プラ
ズマを発生させるように成した高周波誘導熱プラズマ装
置において、前記支持体を窒化珪素で成した高周波誘導
熱プラズマ装置。Claims 1. A tube formed of an insulating material, a gas ring provided at one end of the tube for supplying a plasma gas into the tube, and an induction coil wound around the tube. The tube is supported by upper and lower flanges at the upper and lower portions, respectively, and the upper and lower flanges are fixed to a support formed of an insulating material so that high-frequency induction thermal plasma is generated in the tube. 2. The high-frequency induction thermal plasma apparatus according to claim 1, wherein said support is made of silicon nitride.
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| JP (1) | JP2003311146A (en) |
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