JP2009038025A - プラズマ形成領域の制御装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マイクロ波発振器と、マイクロ波発振器に接続されたアンテナと、マイクロ波発振器及びアンテナの位置を制御する制御手段とを備え、制御手段は、各時刻におけるプラズマの形成領域の指定に基づいてプラズマの形成領域に向けてアンテナを配置し、指定されたプラズマの温度状態に基づいてマイクロ波発振器の駆動シーケンスを設定し、この駆動シーケンスにしたがいマイクロ波発振器を駆動する。
【選択図】図1
Description
大気圧以上の圧力下でのプラズマ形成領域の制御装置であって、一、または、複数の電磁波発振器と、前記電磁波発振器に接続された一、または、複数のアンテナと、電磁波発振器及びアンテナを制御する制御手段とを備え、制御手段は、各時刻におけるプラズマ領域の指定に基づくプラズマの形成領域に対応する電場の空間分布に基づいて前記アンテナを配置し、指定されたプラズマ中のラジカル、イオン、または、ガスの状態、または、電子密度に基づいて前記電磁波発振器の駆動シーケンスを設定し、この駆動シーケンスにしたがい前記電磁波発振器を駆動することを特徴とするものである。
大気圧以上の圧力下でのプラズマ形成領域の制御装置であって、一、または、複数の電磁波発振器と、電磁波発振器に接続された一、または、複数のアンテナと、電磁波発振器及びアンテナを制御する制御手段とを備え、制御手段は、各時刻におけるプラズマ領域の指定に基づくプラズマの形成領域に対応する電場の空間分布に基づいて、アンテナを配置し、指定されたプラズマの状態量若しくはプラズマの発光強度若しくは発光のうちの所定の波長帯域成分の強度、または、電子温度若しくは電子の移動速度若しくは電子の軌跡に基づいて、電磁波発振器の駆動シーケンスを設定し、この駆動シーケンスにしたがって電磁波発振器を駆動することを特徴とするものである。
構成1、または、構成2を有するプラズマ形成領域の制御装置において、制御手段は、電磁波発振器およびアンテナによる電磁波の照射時間を、プラズマ形成領域において発生するラジカル、イオン、または、ガスと電子との熱緩和時間未満とするよう、駆動シーケンスを設定することを特徴とするものである。
構成1、または、構成2を有するプラズマ形成領域の制御装置において、制御手段は、電磁波発振器およびアンテナによる電磁波の照射時間を、プラズマ形成領域において発生するラジカル、イオン、または、ガスの温度が所定温度に達するまでの時間とするよう、駆動シーケンスを設定することを特徴とするものである。
構成1、または、構成2を有するプラズマ形成領域の制御装置において、制御手段は、プラズマの発生予定時刻から、プラズマ形成領域において発生するラジカル、イオン、または、ガスと電子との熱緩和時間未満の時間が経過した時点で、電磁波の照射を終了するよう、駆動シーケンスを設定することを特徴とするものである。
構成1乃至構成5のいずれか一を有するプラズマ形成領域の制御装置において、制御手段は、駆動シーケンスにしたがい、繰返し電磁波発振器を駆動することを特徴とするものである。
構成1乃至構成6のいずれか一を有するプラズマ形成領域の制御装置において、制御手段は、プラズマの発生が予定された領域内の一点を内包するようにプラズマの形成領域を設定し、プラズマの発生予定時刻の所定時間前から電磁波波発振器を駆動することを特徴とするものである。
構成1、または、構成2を有するプラズマ形成領域の制御装置において、制御手段は、駆動シーケンスにしたがい、電磁波波発振器を連続駆動することを特徴とするものである。
構成1乃至構成8のいずれか一を有するプラズマ形成領域の制御装置において、アンテナが放射する電磁波により形成される電場強度が所定時刻において最大値となる箇所は、該時刻におけるプラズマの存在領域の外にあり、かつ、該最大値は、該時刻におけるプラズマの形成領域内にある物質が絶縁破壊する電場強度未満となることを特徴とするものである。
構成1乃至構成9のいずれか一を有するプラズマ形成領域の制御装置において、制御手段は、アンテナを移動及び/又は回転可能に保持するための手段を有し、保持するための手段は、各時刻においてアンテナをプラズマの形成領域に向けることを特徴とするものである。
構成1乃至構成10のいずれか一を有するプラズマ形成領域の制御装置であって、制御手段はさらに、対応する電場の空間分布に基づいてアンテナの形状を設定するための手段を備えることを特徴とするものである。
構成1を有するプラズマ形成領域の制御装置において、プラズマの形成領域は、時間方向、または、空間方向に複数存在し、複数のプラズマの形成領域同士の間の領域に電場の分布が形成されるようにアンテナを配置し、駆動シーケンスを定めることを特徴とするものである。
構成1を有するプラズマ形成領域の制御装置において、所定時刻において、プラズマの形成領域に対し、電場強度が極大となる箇所が複数形成されるようにアンテナを配置し、駆動シーケンスを定めることを特徴とするものである。
構成13を有するプラズマ形成領域の制御装置において、所定時刻以降、電場強度が極大となる箇所同士の距離が離れるようにアンテナを配置することを特徴とするものである。
プラズマ処理装置であって、構成1乃至構成10のいずれか一に記載のプラズマ形成領域の制御装置により制御されたプラズマを用いて、プラズマ形成領域に存在する物質の処理を行うことを特徴とするものである。
構成15を有するプラズマ処理装置において、プラズマ形成領域からの光を取り出すための手段を備えたことを特徴とするものである。
構成15を有するプラズマ処理装置において、プラズマの形成領域に形成されるプラズマの計測手段を備え、物質の供給を計測手段による計測結果に応じて調整することを特徴とするものである。
構成15を有するプラズマ処理装置において、プラズマの形成領域に形成されるプラズマの計測手段を備え、制御手段は、アンテナの配置及び駆動シーケンスの設定のうち少なくとも一を計測手段による計測結果に応じて行うことを特徴とするものである。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
スパーク制御装置108は、スパークプラグによる放電のタイミングを表す制御信号を発信する。第1のパルス電源106は、スパーク制御装置108の発生する制御信号に応答して、直流パルス電圧を発生する。昇圧コイル104は、一次側に印加されたパルス電圧を昇圧し、その結果得られる高電圧のパルス信号を二次側に印加する。スパークプラグ102は、高電圧のパルス信号の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で放電により、小規模のプラズマを発生させる。制御部112は、スパーク制御装置108からの制御信号に基づいてマイクロ波パルスの発生タイミングを決定し、それを表す制御信号を発生する。第2のパルス電源114は、制御部112制御信号に応答して、マグネトロン116に短時間の電力供給を行う。マグネトロン116は、電力供給を受けている期間中2.45GHzで発振し、マイクロ波パルスを発生する。アンテナ118は、マイクロ波パルスの給電を受けて、スパークプラグ102側の放射端よりマイクロ波パルスを放射する。
図2に、システム100の各部の動作を時系列にしたがい示す。
時刻t3以降、放電ギャップの部分に形成されたプラズマは、マイクロ波パルスからエネルギの供給を受ける。これにより、放電ギャップの部分の電子が加速され、プラズマの領域外へ飛び出す。飛び出した電子が、プラズマ近傍の周辺領域のガスに衝突する。この衝突により周辺領域のガスが電離し、図2(C)の破線で示されるように、プラズマになる。新たにプラズマになった領域内にも電子が存在する。この電子もまた、マイクロ波パルスにより加速され、周辺のガスと衝突する。このようなプラズマ内の電子の加速、電子とガスとの衝突の連鎖により、周辺領域では雪崩式にガスが電離し、浮遊電子が生じる。この現象が放電プラズマの周辺領域に順次波及し、周辺領域がプラズマ化される。以上の動作により、プラズマの体積が増大する。
この装置において、所望の大きさのプラズマを得るのに必要なエネルギは、拡大前の小さな領域にプラズマを形成するのに必要なエネルギと、電離の連鎖が所望の大きさの領域にまで波及する程度にまで電子を加速するのに必要なエネルギとの和でよい。このエネルギの和は、マイクロ波によって原料ガス全体を直接に絶縁破壊させたり、原料ガス全体の温度を上げてプラズマを形成したりするのに必要なエネルギより低い。よって、プラズマ形成に高エネルギを要する高圧力下において、低いエネルギで大規模なプラズマを得ることが可能となる。具体的には、スパークプラグ102の放電により発生するプラズマの体積の百万倍程度にまでプラズマを拡大することも可能である。
図4に第2の実施形態に係るシステム200の構成を示す。
図1、または、図5に示す第2のパルス電源に代えて、インバータ方式の電源を用いてもよい。インバータ方式の電源を用いることにより、マイクロ波パルスを繰返し発振し放射することができる。
十分に高出力であれば、通信用等に広く用いられている半導体発振器を図1、または、図5に示すマグネトロンに代えて用いてもよい。半導体発振器は一般にマグネトロンより高応答であるため、図2、図3及び図5を用いて説明した方法におけるマイクロ波パルスの発振をより正確なタイミングで行うことが可能になる。また、半導体発振器は一般にマグネトロンより小型化が容易である。これは本発明のシステムの小型化に資する。
マグネトロン116とスパークプラグ102とは、必ずしも直接に接続される必要はない。同軸ケーブル、導波管など一般的な伝送路を用いてマイクロ波を伝送してもよい。また、マイクロ波パルスの反射波がアンテナから逆流することを防止するためにアイソレータを伝送路の途中に設けてもよい。また、インピーダンス調整のためにスタブチューナ等を伝送路の途中に設けてもよい。
アンテナ118は、拡大の素となるプラズマの形成される位置及びその周辺において電場強度が強くなるようにマイクロ波を放射できるものであれば、その配置、形状を問わない。
システム100、または、200は、スパークプラグ102の放電ギャップの部分と、アンテナ118の放射端との両方を覆う導電性の容器を備えてもよい。この容器により、マイクロ波の漏洩を防止できる。
上記各実施形態では、プラズマ拡大装置110、または、210は、スパークプラグ102を用いて発生させた放電プラズマを拡大するものであったが、本発明はこのようなものには限定されない。スパークプラグ以外の電極対を用いて発生させたプラズマであってもよい。その電極は誘電体で被覆されたものであってもよい。
(プラズマの移動)
上記第1の実施形態では、アンテナを用いたマイクロ波パルスの放射により、プラズマの規模を拡大した。しかしながら、アンテナを用いたマイクロ波パルスの放射を用いれば、プラズマの規模の拡大にとどまらず、プラズマの位置の制御を行うことも可能になる。
上述の各実施形態では、プラズマ中のラジカル若しくはイオン若しくはガスの状態、または、電子密度に応じて、アンテナの配置、または、駆動シーケンスの設定を行うものを例示したが、その他指定されたプラズマの状態量、プラズマからの発光強度若しくは発光のうちの所定の波長帯域成分の強度、または、電子温度若しくは電子の移動速度若しくは電子の軌跡等に基づきアンテナの配置、または、駆動シーケンスを設定するようにしてもよい。
プラズマの形成領域が時間方向または空間方向に複数存在しえる場合、プラズマ形成領域の制御手段がそれら複数のプラズマ形成領域の間に強電場領域が形成されるようアンテナを配置し駆動シーケンスを定めるようにすれば、強電場領域を挟むプラズマ形成領域を接近させることができる。さらにこの制御を繰り返すことにより、複数のプラズマ形成領域を結合することも可能である。
104 昇圧コイル
106 第1のパルス電源
108 スパーク制御装置
110 プラズマ拡大装置
112 制御部
114 第2のパルス電源
116 マグネトロン
118 アンテナ
120 支持部材
Claims (18)
- 大気圧以上の圧力下でのプラズマ形成領域の制御装置であって、
一、または、複数の電磁波発振器と、
前記電磁波発振器に接続された一、または、複数のアンテナと、
前記電磁波発振器及び前記アンテナを制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、各時刻におけるプラズマ領域の指定に基づく前記プラズマの形成領域に対応する電場の空間分布に基づいて前記アンテナを配置し、指定されたプラズマ中のラジカル若しくはイオン若しくはガスの状態、または、電子密度に基づいて前記電磁波発振器の駆動シーケンスを設定し、前記駆動シーケンスにしたがい前記電磁波発振器を駆動する
ことを特徴とするプラズマ形成領域の制御装置。 - 大気圧以上の圧力下でのプラズマ形成領域の制御装置であって、
一、または、複数の電磁波発振器と、
前記電磁波発振器に接続された一、または、複数のアンテナと、
前記電磁波発振器及び前記アンテナを制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、各時刻におけるプラズマ領域の指定に基づく前記プラズマの形成領域に対応する電場の空間分布に基づいて前記アンテナを配置し、指定されたプラズマの状態量若しくはプラズマの発光強度若しくは発光のうちの所定の波長帯域成分の強度、または、電子温度若しくは電子の移動速度若しくは電子の軌跡に基づいて、前記電磁波発振器の駆動シーケンスを設定し、前記駆動シーケンスにしたがって前記電磁波発振器を駆動する
ことを特徴とするプラズマ形成領域の制御装置。 - 前記制御手段は、前記電磁波発振器および前記アンテナによる電磁波の照射時間を、前記プラズマ形成領域において発生するラジカル、イオン、または、ガスと電子との熱緩和時間未満とするよう、前記駆動シーケンスを設定する
ことを特徴とする請求項1、または、請求項2記載のプラズマ形成領域の制御装置。 - 前記制御手段は、前記電磁波発振器および前記アンテナによる電磁波の照射時間を、前記プラズマ形成領域において発生するラジカル、イオン、または、ガスの温度が所定温度に達するまでの時間とするよう、前記駆動シーケンスを設定する
ことを特徴とする請求項1、または、請求項2記載のプラズマ形成領域の制御装置。 - 前記制御手段は、前記プラズマの発生予定時刻から、前記プラズマ形成領域において発生するラジカル、イオン、または、ガスと電子との熱緩和時間未満の時間が経過した時点で、前記電磁波の照射を終了するよう、前記駆動シーケンスを設定する
ことを特徴とする請求項1、または、請求項2記載のプラズマ形成領域の制御装置。 - 前記制御手段は、前記駆動シーケンスにしたがい、繰返し電磁波発振器を駆動する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一に記載のプラズマ形成領域の制御装置。 - 前記制御手段は、プラズマの発生が予定された領域内の一点を内包するように前記プラズマの形成領域を設定し、
前記プラズマの発生予定時刻の所定時間前から前記電磁波発振器を駆動する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一に記載のプラズマ形成領域の制御装置。 - 前記制御手段は、前記駆動シーケンスにしたがい、前記電磁波発振器を連続駆動する
ことを特徴とする請求項1、または、請求項2記載のプラズマ形成領域の制御装置。 - 前記アンテナが放射する電磁波により形成される電場強度が所定時刻において最大値となる箇所は、該時刻におけるプラズマの存在領域の外にあり、かつ、該最大値は、該時刻におけるプラズマの形成領域内にある物質が絶縁破壊する電場強度未満となる
ことを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一に記載のプラズマ形成領域の制御装置。 - 前記制御手段は、前記アンテナを移動及び/又は回転可能に保持するための手段を有し、
前記保持するための手段は、各時刻において前記アンテナを前記プラズマの形成領域に向ける
ことを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか一に記載のプラズマ形成領域の制御装置。 - 前記制御手段はさらに、対応する電場の空間分布に基づいて前記アンテナの形状を設定するための手段を備える
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項10のいずれか一に記載のプラズマ形成領域の制御装置。 - 前記プラズマの形成領域は、時間方向、または、空間方向に複数存在し、
前記複数のプラズマの形成領域同士の間の領域に前記電場の分布が形成されるように前記アンテナを配置し、駆動シーケンスを定める
ことを特徴とする請求項1記載のプラズマ形成領域の制御装置。 - 所定時刻において、前記プラズマの形成領域に対し、電場強度が極大となる箇所が複数形成されるように前記アンテナを配置し、駆動シーケンスを定める
ことを特徴とする請求項1記載のプラズマ形成領域の制御装置。 - 前記所定時刻以降、前記電場強度が極大となる箇所同士の距離が離れるように前記アンテナを配置する
ことを特徴とする請求項13記載のプラズマ形成領域の制御装置。 - 請求項1乃至請求項14のいずれか一に記載のプラズマ形成領域の制御装置により制御されたプラズマを用いて、プラズマ形成領域に存在する物質の処理を行う
ことを特徴とするプラズマ処理装置。 - プラズマ形成領域からの光を取り出すための手段を備える
ことを特徴とする請求項15記載のプラズマ処理装置。 - プラズマの形成領域に形成されるプラズマの計測手段を備え、
前記物質の供給を前記計測手段による計測結果に応じて調整することを特徴とする請求項15記載のプラズマ処理装置。 - プラズマの形成領域に形成されるプラズマの計測手段を備え、
前記制御手段は、前記アンテナの配置及び前記駆動シーケンスの設定のうち少なくとも一を前記計測手段による計測結果に応じて行うことを特徴とする請求項15記載のプラズマ処理装置。
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