JP5774960B2

JP5774960B2 - プラズマ発生体及びプラズマ発生装置

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Publication number: JP5774960B2
Application number: JP2011230874A
Authority: JP
Inventors: 隆茂八木; 東條　哲也; 哲也東條; 浩牧野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: JP2013089537A

Description

本発明は、プラズマ発生体及びプラズマ発生装置に関する。

プラズマ発生体は、有害ガス等のガスの改質、半導体ウェハ等の加工、光源等の種々の用途に利用されている。

特許文献１では、貫通孔が形成された誘電体と、当該誘電体に埋設され、貫通孔を挟んで対向する１対の電極とを有するプラズマ発生体が開示されている。当該プラズマ発生体では、１対の電極間に電圧が印加されることにより、貫通孔においてプラズマが発生する。

また、特許文献２では、平板状の誘電体と、当該誘電体の主面に設けられた１対の電極とを有するイオン風発生体（プラズマ発生体）が開示されている。このイオン風発生体では、１対の電極間に電圧が印加されることにより、誘電体の主面においてプラズマが発生し、ひいては当該主面に沿って流れるイオン風が発生する。

特開２００８−１１７５３２号公報特開２００８−２９０７１１号公報

特許文献１の技術では、貫通孔が狭くなると、貫通孔内の流体の圧力損失が大きくなり、流速が低下する。その結果、例えば、貫通孔内にガスを供給して当該ガスの改質を行う場合において、ガスの処理効率が低下する。

特許文献２は、翼周りの流れの制御に関する技術であり、貫通孔内にプラズマを発生させるものではない。また、仮に、特許文献２の誘電体の主面によって貫通孔の内周面を構成したとしても、特許文献２の技術では、誘電体の主面近傍においてしかプラズマを発生させることができないから、貫通孔が広くなると、貫通孔全体にプラズマが充満しない。その結果、例えば、貫通孔にガスを供給して当該ガスの改質を行う場合において、ガスの処理効率が低下する。

本発明の目的は、貫通孔内におけるプラズマの分布及び流れを好適化できるプラズマ発生体及びプラズマ発生装置を提供することにある。

本発明の一態様に係るプラズマ発生体は、放電空間と、前記放電空間とは反対側を拡径させる傾斜面を内周面の一部とする導入空間とを含む貫通孔が形成された誘電体と、前記貫通孔の径方向の前記傾斜面側から前記放電空間に面し、前記放電空間側が前記誘電体により覆われた第１対向電極と、前記第１対向電極と前記放電空間を挟んで対向し、前記第１対向電極との間に電圧が印加されることにより前記放電空間にプラズマを発生可能な第２対向電極と、前記傾斜面に位置し、前記第１対向電極との間に電圧が印加されることにより前記導入空間側から前記放電空間側へ流れるイオン風を発生可能な第１イオン風用電極と、を有する。

好適には、前記第２対向電極は前記放電空間側が前記誘電体により覆われており、前記第１イオン風用電極と前記導入空間を挟んで対向し、前記プラズマ発生体には、前記第２対向電極との間に電圧が印加されることにより前記導入空間側から前記放電空間側へ流れるイオン風を発生可能な第２イオン風用電極が設けられている。

好適には、前記第１対向電極は、前記放電空間に面する本体部と、前記本体部から前記導入空間側へ前記傾斜面に沿って延びる延在部と、を有する。

好適には、前記誘電体は、前記第１対向電極に対して前記放電空間側に位置し、前記第１対向電極の上流側、下流側若しくは外周側に位置する部分よりも誘電率が大きい高誘電率部を有する。

好適には、前記プラズマ発生体は、前記第１対向電極及び前記第２対向電極の対向領域よりも下流側に位置し、閉ループを構成しない状態で直流電圧が印加される直流電極を更に有する。

本発明の一態様に係るプラズマ発生装置は、放電空間と、前記放電空間とは反対側を拡径させる傾斜面を内周面の一部とする導入空間とを含む貫通孔が形成された誘電体と、前記貫通孔の径方向の前記傾斜面側から前記放電空間に面し、前記放電空間側が前記誘電体により覆われた第１対向電極と、前記第１対向電極と前記放電空間を挟んで対向する第２対向電極と、前記傾斜面に位置する第１イオン風用電極と、前記第１対向電極と前記第２対向電極との間に電圧を印加して前記放電空間にプラズマを発生させるとともに、前記第１対向電極と前記第１イオン風用電極との間に電圧を印加して前記導入空間側から前記放電空間側へ流れるイオン風を発生させる電源装置と、を有する。

上記の構成によれば、貫通孔内におけるプラズマの分布及び流れを好適化できる。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るプラズマ発生装置の外観を示す斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図。本発明の第２の実施形態に係るプラズマ発生装置を示す断面図。本発明の第３の実施形態に係るプラズマ発生装置を示す断面図。図４（ａ）及び図４（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係るプラズマ発生装置を示す断面図及び斜視図。本発明の第５の実施形態に係るプラズマ発生装置を示す断面図。

以下、本発明の複数の実施形態に係るプラズマ発生体及びプラズマ発生装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。

各実施形態の説明において、既に説明された実施形態と共通又は類似する構成について、既に説明された実施形態と共通の符号を用い、また、図示や説明を省略することがある。

＜第１の実施形態＞
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るプラズマ発生体１及びプラズマ発生装置５１の外観を示す斜視概略図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面概略図である。

なお、プラズマ発生体１は、いずれの方向が上方、下方とされてもよいものである。以下では、直交座標系ｘｙｚを定義して、ｘｙｚを参照して方向を特定することがある。

同一若しくは同様の構成については、「第１対向電極５Ａ」、「第２対向電極５Ｂ」のように、同一名称及び同一符号に対して互いに異なる番号及び大文字のアルファベットを付して区別することがあり、また、単に「対向電極５」というなど、区別しないことがあるものとする。

プラズマ発生装置５１は、プラズマ発生体１と、プラズマ発生体１に電圧を印加してプラズマ発生体１にプラズマを発生させる電源装置５３と、電源装置５３を制御する制御装置５５（図１（ａ））とを有している。

プラズマ発生体１は、誘電体３と、誘電体３に設けられた第１対向電極５Ａ、第２対向電極５Ｂ、第１イオン風用電極７Ａ及び第２イオン風用電極７Ｂとを有している。なお、プラズマ発生体１は、この他、各電極と電源装置５３とを接続するための配線等を有していてもよい。

誘電体３には、ｘ方向に貫通する貫通孔９が形成されている。貫通孔９内は、放電によってプラズマを発生させるための空間として利用される。また、貫通孔９は、その貫通方向の一方側（ｘ方向の正側）へ流れるイオン風の発生にも利用される。

貫通孔９は、例えば、主としてプラズマの発生に利用される放電空間９ａと、その上流側にて、主として放電空間９ａにおける流れの好適化に利用される導入空間９ｂとを有している。

放電空間９ａは、例えば、概ね直方体状に形成されている。従って、誘電体３の、放電空間９ａを挟んでｚ方向において対向する対向面３ａは、流れ方向（ｘ方向）に見て互いに平行であり、また、流れの幅方向（ｙ方向）に見て互いに平行である。また、放電空間９ａの貫通方向に直交する断面積は流れ方向において一定である。

導入空間９ｂは、例えば、流れの幅方向（ｙ方向）に直交する断面形状（図１（ｂ）に示す断面形状）が台形状に形成されている。従って、誘電体３の、導入空間９ｂを挟んでｚ方向において対向する面（３ｅ）は、貫通孔９の一方側（ｘ方向の負側）を拡径させる傾斜面３ｅとなっている。なお、傾斜面３ｅは、例えば、平面状に形成されており、導入空間９ｂを挟んで対向する傾斜面３ｅ同士の距離は、流れの幅方向において一定である。傾斜面３ｅの貫通孔９の貫通方向（ｘ方向）に対する傾斜角は適宜に設定されてよいが、例えば、３０°〜６０°である。

誘電体３の外形は、適宜に設定されてよいが、例えば、直方体状とされている。誘電体３は、無機絶縁物により形成されてもよいし、有機絶縁物により形成されてもよい。無機絶縁物としては、例えば、セラミック、ガラスが挙げられる。セラミックとしては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）、ガラスセラミック焼結体（ガラスセラミックス）、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、コーディライト焼結体、炭化珪素質焼結体が挙げられる。有機絶縁物としては、例えば、ポリイミド、エポキシ、ゴムが挙げられる。誘電体３は、その全体が同一材料により一体的に形成されていてもよいし、異なる材料により形成された部材が互いに固定されて形成されていてもよい。

対向電極５及びイオン風用電極７それぞれは、例えば、厚さが一定の平板状（層状）に形成されている。その平面形状は、例えば、矩形とされている。これらの電極のｙ方向における長さは、例えば、互いに同一とされている。

２つの対向電極５は、放電空間９ａを挟んで対向するように配置されている。具体的には、例えば、２つの対向電極５は、互いに平行になるように、また、対向面３ａに平行になるように、誘電体３に埋設されている。２つの対向電極５は、例えば、互いに同一の形状及び大きさであり、また、放電空間９ａに対して対称の位置に配置されている。

イオン風用電極７は、傾斜面３ｅ上に設けられており、導入空間９ｂに露出している。２つのイオン風用電極７は、例えば、互いに同一の形状及び大きさであり、また、導入空間９ｂに対して対称の位置に配置されている（導入空間９ｂを挟んで斜めに対向している。）。

第１対向電極５Ａ及び第１イオン風用電極７Ａの位置関係及び大小関係と、第２対向電極５Ｂ及び第２イオン風用電極７Ｂの位置関係及び大小関係とは、例えば、互いに同一である。これらの位置関係及び大小関係は、第１対向電極５Ａ及び第１イオン風用電極７Ａの位置関係及び大小関係を例にとると、以下のとおりである。

第１イオン風用電極７Ａが設けられた傾斜面３ｅの平面視において、第１対向電極５Ａは、第１イオン風用電極７Ａよりも下流側（矢印ｙ１で示す方向）に位置する部分（本実施形態では第１対向電極５Ａの全体）を有している。

なお、第１対向電極５Ａは、第１イオン風用電極７Ａが設けられた傾斜面３ｅの平面視において、第１イオン風用電極７Ａよりも下流側に位置し、且つ、傾斜面３ｅと重なる部分を有していることが好ましい。

また、第１イオン風用電極７Ａが設けられた傾斜面３ｅの平面視において、第１対向電極５Ａの上流側部分は、第１イオン風用電極７Ａの下流側部分に対して、重なっていてもよいし、隣接していてもよいし、離間していてもよい（本実施形態ではこの場合を例示）。

第１イオン風用電極７Ａは、傾斜面３ｅに設けられていることから、対向面３ａよりも貫通孔９の径方向外側に位置している。さらには、第１イオン風用電極７Ａは、第１対向電極５Ａの対向面３ａに平行な部分（本実施形態では第１対向電極５Ａの全体）よりも径方向外側に位置している。

別の観点では、２つのイオン風用電極７間の距離は、２つの対向電極５間の距離よりも長く、さらには、２つのイオン風用電極７間の放電開始電界強度は、２つの対向電極５間の放電開始電界強度及び対向電極５とイオン風用電極７との間の放電開始電界強度よりも大きい。

第１対向電極５Ａの長さ（ｘ方向）及び第１イオン風用電極７Ａの長さ（矢印ｙ１で示す方向）は、適宜に設定されてよい。ただし、プラズマ発生体１を小型化しつつ効果的にプラズマ（若しくはイオン風）を発生させる観点からは、第１対向電極５Ａの長さは、第１イオン風用電極７Ａの長さよりも長いことが好ましい。

対向電極５及びイオン風用電極７は、金属等の導電性材料により形成されている。金属としては、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、金、パラジウム、白金、ニッケル、コバルトまたはこれらを主成分とする合金が挙げられる。

電源装置５３は、第１対向電極５Ａと第２対向電極５Ｂとの間、第１対向電極５Ａと第１イオン風用電極７Ａとの間、及び、第２対向電極５Ｂと第２イオン風用電極７Ｂとの間に交流電圧を印加する。好適には、第１対向電極５Ａと第２イオン風用電極７Ｂとは同電位とされ、第２対向電極５Ｂと第１イオン風用電極７Ａとは同電位とされる。

電源装置５３により印加される交流電圧は、正弦波等により表わされる、電位が連続的に変化するものであってもよいし、パルス状の、電位の変化が不連続なものであってもよい。また、交流電圧は、１対の電極の双方において基準電位に対して電位が変動するものであってもよいし、１対の電極の一方が基準電位に接続され、他方においてのみ電位が基準電位に対して変動するものであってもよい。電位の変動は、基準電位に対して正及び負の双方に変動するものであってもよいし、基準電位に対して正及び負の一方のみに変動するものであってもよい。

なお、誘電体３、対向電極５及びイオン風用電極７の各部寸法、各種電極の埋設深さ等の位置、並びに、交流電圧の大きさ及び周波数は、プラズマ発生装置５１（プラズマ発生体１）が適用される技術分野、要求されるプラズマ量等の種々の事情に応じて適宜に設定されてよい。

プラズマ発生体１の製造方法は、例えば、概略、多層基板の製造方法と同様の製造方法とされてよい。誘電体３が複数のセラミックグリーンシートを積層して焼成したセラミック焼結体により構成される場合を例にとると、以下のとおりである。

まず、複数のセラミックグリーンシートを用意する。セラミックグリーンシートは、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向のいずれの方向に積層されて誘電体３を構成するものであってもよい。セラミックグリーンシートは、例えば、スラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形することによって形成される。スラリーは、原料粉末に適当な有機溶剤及び溶媒を添加混合して作製される。原料粉末は、アルミナセラミックを例にとると、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）及びマグネシア（ＭｇＯ）等である。

次に、セラミックグリーンシートに対向電極５となる導電ペーストを設ける。例えば、セラミックグリーンシートがｚ方向に積層されるものであれば、セラミックグリーンシートの主面（重ね合わされる面）に導電ペーストを層状に設ける。また、例えば、セラミックグリーンシートがｘ方向若しくはｙ方向に積層されるものであれば、セラミックグリーンシートに、その積層方向に貫通するビアを設け、当該ビアに導電ペーストを充填する。

導電ペーストは、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀等の金属粉末に有機溶剤及び有機バインダを添加し混合することによって作製される。導電ペーストは、必要に応じて分散剤や可塑剤などが添加されていてもよい。混合は、例えば、ボールミル、三本ロールミル、またはプラネタリーミキサー等の混練手段により行われる。また、導電ペーストは、例えば、スクリーン印刷法等の印刷手段を用いてセラミックグリーンシートに印刷塗布される。

次に、複数のセラミックグリーンシートを積層する。次に、パンチングにより貫通孔９を形成する。このとき、パンチの一部の形状を根元側ほど径が大きくなる形状（台形）としたり、メス型の径をパンチの径よりも大きくしたりすることにより、傾斜面３ｅが形成される。その後、傾斜面３ｅにイオン風用電極７となる導電ペーストを塗布する。

その後、積層されたセラミックグリーンシート及び導電ペーストを同時焼成する。これにより、各種電極が埋設若しくは表面に形成されるとともに貫通孔９が形成された誘電体３、すなわち、プラズマ発生体１が形成される。

なお、傾斜面３ｅは、貫通孔９を形成するためのパンチとは別に、貫通孔９の一部を押し広げるプレス加工を行って形成されてもよい。傾斜面３ｅが形成される前若しくは後の貫通孔９は、積層前のセミラックグリーンシートに貫通孔９となる孔をパンチ若しくはレーザにより形成することによって構成されてもよい。

以下では、プラズマ発生体１の作用を説明する。

プラズマ発生体１は、空気、処理対象のガス若しくはその他の適宜なガスが貫通孔９内に充満している状態で使用される。なお、処理対象のガスは、例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）、フロン、ＣＯ_２、揮発性有機溶剤（ＶＯＣ）、又は、これらを含む空気である。自動車の排ガスは、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含むガスとしてよく知られている。

２つの対向電極５に電圧が印加されると、放電空間９ａには電界が形成される。そして、その電界の強度が所定の放電開始電界強度を超えると誘電体バリア放電が開始され、プラズマが発生する。２つの対向電極５は、放電空間９ａを挟んで対向していることから、プラズマは、放電空間９ａにおけるｚｙ平面の全体に亘って発生、充満する。

また、第１対向電極５Ａ及び第１イオン風用電極７Ａに電圧が印加されると、貫通孔９の内周面のうち第１対向電極５Ａ及び第１イオン風用電極７Ａの近傍（特に傾斜面３ｅの下流側部分や対向面３ａの上流側部分）にも電界が形成される。そして、その電界の強度が所定の放電開始電界強度を超えると誘電体バリア放電が開始され、プラズマが発生する。

このプラズマ中の電子又はイオンは、第１対向電極５Ａ及び第１イオン風用電極７Ａにより形成された電界により移動する。また、中性分子も電子又はイオンに随伴して移動する。これにより、貫通孔９をその貫通方向に流れるイオン風が誘起される。より具体的には、第１イオン風用電極７Ａが露出し、第１対向電極５Ａが誘電体３内に埋設されていることから、第１イオン風用電極７Ａから第１対向電極５Ａ側に誘電体バリア放電が生じ、矢印ｙ１で示すように、第１イオン風用電極７Ａ側から第１対向電極５Ａ側へ流れるイオン風が生じる。

また、第２対向電極５Ｂ及び第２イオン風用電極７Ｂに電圧が印加されると、第１対向電極５Ａ及び第１イオン風用電極７Ａに電圧が印加されたときと同様に、第２イオン風用電極７Ｂ側から第２対向電極５Ｂ側へ流れるイオン風が生じる。

以上のとおり、本実施形態では、プラズマ発生体１は、誘電体３、第１対向電極５Ａ、第２対向電極５Ｂ及び第１イオン風用電極７Ａを有する。誘電体３には、貫通孔９が形成され、当該貫通孔９は、放電空間９ａと、放電空間９ａとは反対側を拡径させる傾斜面３ｅを内周面の一部とする導入空間９ｂとを含む。第１対向電極５Ａは、貫通孔９の径方向の傾斜面３ｅ側（ｚ方向の正側）から放電空間９ａに面し、放電空間９ａ側が誘電体３により覆われている。第２対向電極５Ｂは、第１対向電極５Ａと放電空間９ａを挟んで対向している。第１イオン風用電極７Ａは、第１対向電極５Ａ側の傾斜面３ｅに位置している。プラズマ発生体１は、第１対向電極５Ａ及び第２対向電極５Ｂの間に電圧が印加されることにより放電空間９ａにプラズマを発生可能であり、第１対向電極５Ａ及び第１イオン風用電極７Ａの間に電圧が印加されることにより導入空間９ｂから放電空間９ａへ流れるイオン風を発生可能である。

従って、貫通孔９（放電空間９ａ）が大きくても貫通孔９にプラズマを充満させることができ、その一方で、貫通孔９が小さくてもその内周面（傾斜面３ｅ等）近傍においてイオン風を発生させ、圧力損失による流速低下を補償することができる。すなわち、種々の大きさの貫通孔において好適にプラズマを充満させつつ流れさせることができる。その結果、例えば、ガスを貫通孔９にてプラズマ処理する場合において、効率的に処理を行うことができるとともにプラズマ発生体１の設計の自由度が向上する。別の観点では、プラズマ発生体１の使用範囲（ガス密度若しくは流速等の範囲）を広げることができる。

さらに、貫通孔９は、導入空間９ｂにおいて上流側ほど拡径していることから、放電空間９ａへガス等を取り込みやすくなる。また、傾斜面３ｅに沿って流れるイオン風が放電空間９ａに斜めに導入されることによって、放電空間９ａ内におけるプラズマの拡散が促進され、例えば、ガスの処理効率向上が図られることが期待される。

第２対向電極５Ｂは放電空間９ａ側が誘電体３により覆われている。また、プラズマ発生体１には、第１イオン風用電極７Ａと導入空間９ｂを挟んで対向し、第２対向電極５Ｂとの間に電圧が印加されることにより導入空間９ｂ側から放電空間９ａ側へ流れるイオン風を発生可能な第２イオン風用電極７Ｂが設けられている。換言すれば、プラズマ発生体１は、第１対向電極５Ａ側と第２対向電極５Ｂ側とで同様の構成とされている。

従って、第１対向電極５Ａ側と第２対向電極５Ｂ側との双方においてイオン風を発生させることができ、上述した効果が向上する。また、２つのイオン風用電極７は、互いに露出して対向していることから、誘電体バリア放電に比較して制御が難しいアーク放電を生じてしまうおそれがある。しかし、放電空間９ａよりも拡径していく導入空間９ｂを挟んで２つのイオン風用電極７が対向することにより、放電空間９ａと同一の径の空間を挟んで２つのイオン風用電極７が対向する場合に比較して、アーク放電の発生が抑制される。

＜第２の実施形態＞
図２は、第２の実施形態に係るプラズマ発生装置２５１の構成を示す、図１（ｂ）に対応する断面図である。

プラズマ発生装置２５１は、対向電極の形状のみ（厳密には誘電体３も）が第１の実施形態と相違する。具体的には、以下のとおりである。

対向電極２０５は、第１の実施形態の対向電極５と同様の形状及び大きさの本体部２０５ａと、本体部２０５ａから導入空間９ｂ側へ延びる延在部２０５ｂとを有している。延在部２０５ｂは、傾斜面３ｅに沿って（例えば平行に）延びている。

このような対向電極２０５は、例えば、本体部２０５ａ及び延在部２０５ｂとなる導電ペーストが一の平板状に配置された積層セラミックグリーンシートにおいて、貫通孔９を押し広げて傾斜面３ｅを形成するときに、導電ペーストの傾斜面３ｅに重なる部分（延在部２０５ｂ）を傾斜面３ｅと共に傾斜させることにより形成される。

イオン風は、傾斜面３ｅの平面視において、上流側の電極（イオン風用電極７）と下流側の電極（対向電極５）との距離が短いほど、また、下流側の電極の流れ方向における長さが大きいほど、風量（風速）が大きくなる。従って、延在部２０５ｂが設けられることにより、イオン風の風量が大きくなる。その結果、導入空間９ｂから放電空間９ａへのイオン風の流れもスムーズになる。

なお、延在部２０５ｂは、下流側ほど傾斜面３ｅに対して浅い位置に位置するように設けられてもよい。この場合、延在部２０５ｂが局部的にイオン風用電極７に近づくことを抑制しつつ、延在部２０５ｂ全体をイオン風用電極７に近づけて、延在部２０５ｂの全体に亘って大きな風速を得ることができる。

＜第３の実施形態＞
図３は、第３の実施形態に係るプラズマ発生装置３５１の構成を示す、図１（ｂ）に対応する断面図である。

プラズマ発生装置３５１は、誘電体の材料のみが第１の実施形態と相違する。具体的には、以下のとおりである。

プラズマ発生装置３５１のプラズマ発生体３０１においては、誘電体３０３は、対向電極５と放電空間９ａとの間に、誘電率が他の部分よりも高い高誘電率部３０３ｈを有している。

例えば、誘電体３０３の材料としては、シリカ（ＳｉＯ_２、比誘電率：３〜４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３、比誘電率：８〜１１）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２、比誘電率：８３〜１８３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３、比誘電率：１２００〜３０００）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３、比誘電率：３００）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３、比誘電率：２００）、チタン酸バリウムストロンチウム（Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘＴｉＯ_３、比誘電率：８００〜１５００）、チタン酸バリウムカルシウム（Ｂａ_１−ｘＣａ_ｘＴｉＯ_３、比誘電率：６００〜１２００）を挙げることができ、これらのうち一つは、高誘電率部３０３ｈ以外の部分の材料とされ、当該材料よりも誘電率が高い他の一つは高誘電率部３０３ｈの材料とされてよい。

なお、高誘電率部３０３ｈは、対向電極５と放電空間９ａとの間の部分の、ｚ方向若しくはｘ方向の一部のみを占めるように形成されてもよい。また、高誘電率部３０３ｈと同様に誘電率が高い部分（高誘電率部３０３ｈの一部と捉えられてもよい）は、対向電極５よりも内周側において、対向電極５の上流側及び下流側に広がっていてもよいし（高誘電率部３０３ｈは、対向電極５よりも外周側の部分に比較して誘電率が高いのみでもよいし）、対向電極５から誘電体３の外面に亘って広がっていてもよい（高誘電率部３０３ｈは、対向電極５よりも上流側及び下流側の部分に比較して誘電率が高いのみでもよい）。

また、高誘電率部３０３ｈは、傾斜面３０３ｅまで広がっていることが好ましく、さらに、傾斜面３０３ｅまで広がった高誘電率部３０３ｈは、イオン風用電極７の下流側縁部まで広がっていることが好ましい。

誘電体３０３は、例えば、ｚ方向に積層されるセラミックグリーンシートのうち対向電極５と放電空間９ａとの間に位置するセラミックグリーンシートを他のセラミックグリーンシートよりも誘電率が高いものとしたり（この場合、誘電体３０３は、対向電極５よりも放電空間９ａ側の全体において誘電率が相対的に高くなる）、ｘ方向に積層されるセラミックグリーンシートのうち対向電極５が設けられるセラミックグリーンシートを他のセラミックグリーンシートよりも誘電率が高いものとしたり（この場合、誘電体３０３は、対向電極５のｘ方向の範囲に亘る全体において誘電率が相対的に高くなる）することにより形成される。また、積層されたセラミックグリーンシートに貫通孔９よりも径が大きい貫通孔を形成したあと、その内面に相対的に誘電率が高い絶縁材料を塗布して高誘電率部３０３ｈ及び貫通孔９を形成してもよい。

本実施形態によれば、対向電極５間の誘電率が高くなるので、プラズマの発生量を多くすることができる。その一方で、高誘電率部３０３ｈ以外の部分においては、材料のコスト若しくは材料の強度等の観点において有利な材料を選択することができる。また、イオン風用電極７と対向電極５間におけるプラズマの発生量増加及びイオン風の増加も期待される。

＜第４の実施形態＞
図４（ａ）は、第４の実施形態に係るプラズマ発生装置４５１の構成を示す、図１（ｂ）に対応する断面図であり、図４（ｂ）は、プラズマ発生装置４５１のプラズマ発生体４０１を下流側から見た斜視図である。

プラズマ発生装置４５１は、第１直流電極４１１Ａ〜第３直流電極４１１Ｃ及びこれら直流電極４１１に直流電圧を印加する直流電源装置４５７を有している点のみが第１の実施形態と相違する。具体的には、以下のとおりである。

３つの直流電極４１１は、いずれも、２つの対向電極５の対向領域よりも下流側（ｘ方向の正側）に位置している。より具体的には、第１直流電極４１１Ａ及び第２直流電極４１１Ｂは、例えば、平板状に形成され、対向面３ａにおいて対向電極５よりも下流側に設けられている。第１直流電極４１１Ａ及び第２直流電極４１１Ｂは、例えば、互いに同一の形状及び大きさに形成され、互いに対向している。また、第３直流電極４１１Ｃは、網状に形成され、貫通孔９の下流側を塞ぐように、直接又は間接に誘電体３に固定されている。

直流電源装置４５７は、閉ループを構成しない状態で直流電圧を直流電極４１１に印加する。すなわち、直流電極４１１には、直流電源装置４５７の正の端子若しくは負の端子のみが接続されており、直流電源装置４５７からの電流が流れる閉ループは構成されていない。

なお、図４（ａ）では、第１直流電極４１１Ａ〜第３直流電極４１１Ｃに互いに同一の電位が付与される場合を例示しているが、これらに付与される電位は、正負が互いに異なるものであってもよいし、及び／又は、電位の絶対値が互いに異なるものであってもよい。ただし、直流電極４１１間において電位が互いに異なる場合においては、直流電極間において放電が生じないように電圧を抑えることが好ましい。

直流電源装置４５７により直流電極４１１に直流電圧が印加されると、直流電極４１１の周囲には電界が形成される。換言すれば、イオン風の下流域若しくは対向電極５の対向領域の下流側には電界が形成される。

従って、プラズマ（イオン風）に含まれる電子又はイオンを直流電極４１１側に引き寄せることにより、イオン風を加速することができる。例えば、直流電極４１１に正の電位が付与されれば、負の電荷が直流電極４１１に引き寄せられることになり、イオン風を加速することができ、直流電極４１１に負の電位が付与されれば、正の電荷が直流電極４１１に引き寄せられることになり、イオン風を加速することができる。しかも、直流電極４１１は、閉ループを構成していないことから、消費電力は極めて低い。

なお、３つの直流電極４１１のうち、いずれか１つのみ、若しくは、いずれか２つのみが設けられてもよい。また、これらの直流電極４１１に加えて若しくは代えて、貫通孔９のｙ方向に直交する側面に位置する直流電極など、別の直流電極が設けられてもよい。

＜第５の実施形態＞
図５は、第５の実施形態に係るプラズマ発生装置５５１の構成を示す、図１（ｂ）に対応する断面図である。

プラズマ発生装置５５１のプラズマ発生体５０１において例示するように、イオン風用電極７は、２つの対向電極５に対応して２つ設けられる必要はなく、一方の対向電極５（第１対向電極５Ａ）にのみ対応して１つのみ設けられてもよい。

また、この場合において、２つの対向電極５は、その双方が放電空間５０９ａから誘電体５０３によって隔てられている必要はなく、第２対向電極５Ｂは、放電空間５０９ａに露出していてもよい。

また、放電空間５０９ａ側が誘電体５０３によって覆われる対向電極５（本実施形態では第１対向電極５Ａのみ）は、誘電体５０３に埋設されている必要はなく、誘電体５０３の外側面に設けられていてもよい。

傾斜面５０３ｅは、第１対向電極５Ａ側及び第２対向電極５Ｂ側の双方に設けられる必要はなく、一方（第１対向電極５Ａ側）のみに設けられてもよい。なお、図５では、第２イオン風用電極７Ｂを設けていないが、第２対向電極５Ｂの放電空間５０９ａ側が誘電体５０３に覆われている場合には、傾斜面５０３ｅに対向する、傾斜していない内周面に第２イオン風用電極７Ｂが設けられてもよい。

導入空間５０９ｂは、貫通孔５０９の入口である必要はなく、図５に例示するように、断面積が一定の入口５０９ｃよりも下流側の空間であってもよい。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。

第１〜第５の実施形態は適宜に組み合わされてよい。例えば、対向電極に延在部を設ける特徴（第２の実施形態）、誘電体に高誘電率部を設ける特徴（第３の実施形態）、及び、直流電極を設ける特徴（第４の実施形態）は、これらから２つ以上が選択されて組み合わされてもよい。

各種の電極は、矩形の平板状等の実施形態において例示した形状に限定されないし、また、その配置位置も適宜に設定されてよい。

例えば、イオン風を発生させる下流側の電極（第１対向電極等）は、側方（ｙ方向の正側若しくは負側）ほど、イオン風の流れ方向（ｘ方向）において長くなるように形成されてもよい。この場合、上述のように、下流側の電極が流れ方向において長くなるほどイオン風は強くなるから、ｙ方向に直交する側面における圧力損失を補償できる。

また、例えば、直流電極は、ｙ方向の位置に応じて流れ方向の位置が変化するものであってもよい。この場合、流れに直交する方向の位置に応じて加速効果を変化させることができ、例えば、貫通孔のｙ方向に直交する側面における圧力損失を補償できる。また、例えば、直流電極は、流れに直交する方向に延びる軸状であってもよい。この場合、流れ方向における小型化を図ることができる。

第１イオン風用電極は、第２対向電極と同電位とされる必要は無い。第２イオン風用電極についても同様に、第１対向電極と同電位とされる必要は無い。例えば、第１イオン風用電極及び第２イオン風用電極に同一の（若しくは電位差が相対的に小さい）所定電位を付与し、当該所定電位に対して高い電位と低い電位との間で変動する交流電圧を第１対向電極及び第２対向電極に印加してもよい。なお、この場合、２つのイオン風用電極間の放電開始電界強度は、２つの対向電極間の放電開始電界強度等よりも大きくなくてもよい。また、例えば、上記のような電圧付与の場合、若しくは、第２イオン風用電極が設けられない場合等において、第１イオン風用電極と、誘電体に覆われた第２対向電極との間においても、誘電体バリア放電が生じるように、電圧が付与されてもよい。なお、この場合、第１イオン風用電極の下流端は、第１対向電極よりも径方向の外側に位置していなくてもよい。また、例えば、第１対向電極、第２対向電極及び第１イオン風用電極には、３相交流電圧が印加されてもよい。ただし、第１イオン風用電極と第２対向電極とを同電位とするなどしたほうが、電源装置の構成は簡素化される。

イオン風用電極は、放電空間に露出していなくてもよい。例えば、イオン風用電極は、誘電体の薄膜によってコーティングされていてもよい。また、放電空間に露出し若しくはコーティングされる電極（イオン風用電極若しくは第５の実施形態の第２対向電極５Ｂ）は、誘電体の表面に重ねられるものに限定されず、誘電体に形成された凹部に嵌合されて、誘電体の表面と面一の表面を有するものであってもよい。

貫通孔の形状は実施形態に例示されたものに限定されない。例えば、側面（ｙ方向に直交する面）が凹状に形成されたものであってもよい。また、例えば、傾斜面は、側面視において（ｙ方向に見て）、膨らむように若しくは凹むように湾曲していてもよい。ただし、貫通孔の対向面（３ａ）及び傾斜面（３ｅ）は、その幅方向（ｙ方向）における電界及び絶縁破壊強度が均一になるように、流れ方向（ｘ方向）に見て互いに平行であることが好ましい。また、対向面は、互いに平行な平面であることが好ましい。

誘電体は、セラミック多層基板からなるものに限定されない。例えば、誘電体は、金型内に絶縁材料が充填されて形成されるものであってもよい。

本発明のプラズマ発生体及びプラズマ発生装置の用途は、ガスの改質に限定されるものではない。例えば、本発明のプラズマ発生体は、半導体ウェハの加工等において、小型且つ効率的にプラズマを供給可能なプラズマ供給装置を構成し得る。

１…プラズマ発生体、３…誘電体、５Ａ…第１対向電極、５Ｂ…第２対向電極、７Ａ…第１イオン風用電極、９…貫通孔、９ａ…放電空間、９ｂ…導入空間。

Claims

放電空間と、前記放電空間とは反対側を拡径させる傾斜面を内周面の一部とする導入空間とを含む貫通孔が形成された誘電体と、
前記貫通孔の径方向の前記傾斜面側から前記放電空間に面し、前記放電空間側が前記誘電体により覆われた第１対向電極と、
前記第１対向電極と前記放電空間を挟んで対向し、前記第１対向電極との間に電圧が印加されることにより前記放電空間にプラズマを発生可能な第２対向電極と、
前記傾斜面に位置し、前記第１対向電極との間に電圧が印加されることにより前記導入空間側から前記放電空間側へ流れるイオン風を発生可能な第１イオン風用電極と、
を有し、
前記第１対向電極がプラズマの発生とイオン風の発生とに兼用されている
プラズマ発生体。
前記第２対向電極は前記放電空間側が前記誘電体により覆われており、
前記第１イオン風用電極と前記導入空間を挟んで対向し、前記第２対向電極との間に電圧が印加されることにより前記導入空間側から前記放電空間側へ流れるイオン風を発生可能な第２イオン風用電極が設けられている
請求項１に記載のプラズマ発生体。
前記第１対向電極は、
前記放電空間に面する本体部と、
前記本体部から前記導入空間側へ前記傾斜面に沿って延びる延在部と、を有する
請求項１又は２に記載のプラズマ発生体。
前記誘電体は、前記第１対向電極に対して前記放電空間側に位置し、前記第１対向電極の上流側、下流側若しくは外周側に位置する部分よりも誘電率が大きい高誘電率部を有する
請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ発生体。
前記第１対向電極及び前記第２対向電極の対向領域よりも下流側に位置し、閉ループを構成しない状態で直流電圧が印加される直流電極を更に有する
請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ発生体。
放電空間と、前記放電空間とは反対側を拡径させる傾斜面を内周面の一部とする導入空間とを含む貫通孔が形成された誘電体と、
前記貫通孔の径方向の前記傾斜面側から前記放電空間に面し、前記放電空間側が前記誘電体により覆われた第１対向電極と、
前記第１対向電極と前記放電空間を挟んで対向する第２対向電極と、
前記傾斜面に位置する第１イオン風用電極と、
前記第１対向電極と前記第２対向電極との間に電圧を印加して前記放電空間にプラズマを発生させるとともに、前記第１対向電極と前記第１イオン風用電極との間に電圧を印加して前記導入空間側から前記放電空間側へ流れるイオン風を発生させる電源装置と、
を有し、
前記第１対向電極がプラズマの発生とイオン風の発生とに兼用されている
プラズマ発生装置。