JPH089726B2

JPH089726B2 - プラズマ気相反応装置

Info

Publication number: JPH089726B2
Application number: JP63319429A
Authority: JP
Inventors: 功中谷; 孝夫古林
Original assignee: 科学技術庁金属材料技術研究所長
Priority date: 1988-12-20
Filing date: 1988-12-20
Publication date: 1996-01-31
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: JPH02164443A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、プラズマ気相反応装置に関するものであ
る。さらに詳しくは、この発明は、金属または合金、金
属酸化物、金属窒化物等の微粒子や、これら微粒子の磁
性流体もしくはコロイドの製造に有用な、プラズマ放電
の安定性に優れ、かつ放電を長時間持続させることので
きる新しい低温プラズマ気相反応装置に関するものであ
る。

（従来の技術）従来より様々な方式の低温プラズマ気相反応装置が知
られており、機能性薄膜の製造等に広く用いられてい
る。

これらの真空反応装置は、いずれも反応容器を固定し
た形式のものであり、外部より反応性ガスを導入し、ま
たは蒸着物質を蒸発させて基板に薄膜を形成することを
特徴としている。

しかしながら、このような従来の反応装置の場合に
は、プラズマ反応によって微粒子を製造するには適して
いないという欠点があった。すなわち、微粒子を製造す
る場合には、微粒子が真空反応容器内のいたる所に付着
し、その捕集が困難で回収率も悪く、また反応温度も真
空内で不均一であるため、堆積する場所によって生成物
質の組成が均一でないという欠点があった。

また、さらに、従来の反応装置においては、生成した
微粒子を磁性流体やコロイドとして液体中に捕集しよう
とすることも極めて困難であった。

このような欠点を解消するために、この発明の発明者
らは、すでに新しい形式の低温プラズマ気相反応装置を
開発し、その実用化の利点を確認してもいる（特開昭63
−31536号公報）。この装置を例示したものが第２図で
ある。

このプラズマ気相反応装置は、上記した微粒子を製造
する場合には、生成物質の組成が均一で粒径のそろった
微粒子を高い回収率で製造でき、またそれらの微粒子等
の磁性流体やコロイドを製造するについては、液状媒質
を使用するための特別の装置を必要とせず簡便に製造で
きるという利便性にも優れたものである。

第２図に例示したように、このプラズマ気相反応装置
は、内壁が曲面形状の真空容器（ア）を有しており、こ
の真空容器（ア）に開口部（イ）を設け、バルブ（ウ）
を介して真空ポンプ（エ）を接続している。この開口部
（イ）には、ガス導入管としての機能を備えた高周波電
極（オ）を挿入しており、この高周波電極（オ）の先端
を真空容器（ア）内に配置してもいる。また、高周波電
極（オ）と対向するように、真空容器（ア）内には、接
地電極（カ）を配備してもいる。

このプラズマ気相反応装置を用いて、プラズマ気相反
応を行うには、まず、真空容器（ア）内部を真空ポンプ
（エ）により排気し、真空容器（ア）をたとえば図中の
矢印の方向に回転させる。次いで、水素、アルゴン等雰
囲気ガス（キ）および原料ガス（ク）を真空容器（ア）
内の高周波電極（オ）の先端部のガス吹出口（ケ）より
噴出させる。高周波電源（コ）により高周波電圧を印加
し、高周波電極（オ）および接地電極（カ）の両電極間
にプラズマ（サ）を発生させ、所望の金属、合金または
セラミック等の微粒子を生成させる。

これらの微粒子を含む磁性流体もしくはオロイドなど
を製造する場合には、真空容器（ア）内に液状媒質
（シ）を装入し、真空容器（ア）を回転させながら、プ
ラズマ気相反応させて、生成する微粒子を、液状媒質
（シ）の媒体中に捕集する。こうすることにより、微粒
子の生成と同時に磁性流体またはコロイドなどを製造す
ることができる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、このような優れた操作機能性を有する
プラズマ気相反応装置ではあるものの、依然として解決
しなければならない課題が残されてもいた。

すなわち、たとえば第２図に例示したような横回転型
のプラズマ気相反応装置においては、開口部（イ）を真
空ポンプ（エ）等の排気系とともにガス導入管兼用の高
周波電極（オ）の挿入部ともしているため、高周波電極
（オ）の周辺に減圧した空間が広く依存し、これによっ
て微粒子の生成反応に関与しない減圧空間においても放
電が発生するのが避けられない。

このため、微粒子の生成反応に関与しない空間での放
電に電力が消費され、これにともない微粒子の生成反応
域のプラズマ放電の状態が不安定となり、反応原料ガス
の流れも複雑で、反応生成物の粒径や性状が不均一にな
るという欠点があった。

また、この現象によって長時間のプラズマ気相反応の
持続も不可能となり、装置の運転操作が面倒でもあっ
た。また、さらには、微粒子の生成反応域以外で放電が
発生することにより、電極部材などの消耗が著しいとい
う問題もあった。

この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもの
であり、良好な操作機能性を有する横回転型のプラズマ
気相反応装置の特徴を生かし、しかも放電状態の不安定
性を解消し、プラズマ放電を長時間安定して持続でき、
金属または合金の微粒子、金属酸化物または金属窒化物
等の微粒子やこれらの微粒子からなる磁性流体もしくは
コロイド等を高効率で製造することができる改良された
プラズマ気相反応装置を提供することを目的としてい
る。

（課題を解決するための手段）この発明は、上記の課題を解決するために、回転対称
形の曲面内壁を有し、液状媒質を装入した回転真空反応
容器の横方向回転軸の両端に、減圧用排気口と反応ガス
吹出口とが対向して設けられ、この減圧用排気口および
反応ガス吹出口の開口部には回転自在な封止機構が設け
られるとともに、反応容器の減圧用排気口より接地電極
が、また、反応ガス吹出口より低温プラズマ発生用電極
が挿入配設されており、低温グロー放電プラズマの発生
により生成された微粒子が反応容器内の液状媒質に捕集
されることを特徴とするプラズマ気相反応装置を提供す
る。

より具体的には、プラズマ発生用高周波電極は、反応
ガス吹出管として使用してもよく、高周波電極に複数の
反応ガス吹出口を形成し、反応ガスを反応容器内に導入
してもよい。

また、反応ガス吹出管のみを反応容器内に配置する場
合には、プラズマ放電の発生手段として、反応容器の内
部にRF誘導コイルを設けることもできる。

なお、反応ガス吹出管または反応ガス吹出管兼用の高
周波電極の表面積は、反応容器内に配置する接地電極の
表面積よりも小さいものとすることが好ましい。

また、この発明においては、反応容器の曲面内壁を球
状、回転楕円形状あるいは円筒状とし、この液状媒質が
反応容器の内壁に一様に展開するようにする。

（作用）この発明のプラズマ気相反応装置においては、接地電
極を挿入配設した減圧用排気口と低温プラズマ発生用の
高周波電極を挿入配設した反応ガス吹出口とを、各々、
分離して回転軸の両端部に対向するように反応容器に配
設しているので、反応ガスの流れは接地電極と減圧用排
気口に向けて一方向であり、従来の装置のように微粒子
の生成反応域以外の領域に反応に関与しない減圧域は生
成せず、不必要、かつ反応にとって好ましくないプラズ
マ放電が発生することはなく、微粒子の生成反応域の放
電状態を高安定に保持することができる。

これによって生成する微粒子の粒径や性状は均一とな
り、また高周波電力の浪費を防止できる。

（実施例）次に図面に沿って実施例を示し、この発明のプラズマ
気相反応装置についてさらに詳しく説明する。

第１図は、この発明のプラズマ気相反応装置の一例を
示した構成断面図である。

この例においては、反応容器（１）の横方向回転軸の
両端に減圧用排気口（２）および反応ガス吹出口（３）
を回転軸上に対向して設けている。減圧用排気口（２）
には、パルプ（４）を介して真空ポンプ（５）を接続
し、また、減圧用排気口（２）からは接地電極（６）を
挿入している。反応ガス吹出口（３）からは、反応ガス
吹出管兼用の高周波電極（７）を挿入している。この高
周波電極（７）の先端には複数の反応ガス吹出口（８）
を形成している。

このように、接地電極（６）と反応ガス吹出管兼用の
高周波電極（７）は、各々、減圧用排気口（２）および
反応ガス吹出口（３）より反応容器（１）内に挿入配置
しているので、互いに対向する位置関係にある。

この第１図に示したように、接地電極（６）の表面積
は、高周波電極（７）のものよりも広くしている。この
ことにより、プラズマ気相反応はさらに高安定性、高効
率なものとなる。

反応ガス吹出管兼用の高周波電極（７）は、様々な形
状のものとしてもよい。たとえば複数のガス吹出口を持
つコイル状の電極としてもよいし、あるいは先端に複数
のガス吹出口を有する平板状の反応ガス吹出管兼用の高
周波電極とすることもできる。

反応ガス吹出管と高周波電極とを兼用しない場合に
は、反応容器（１）外周部にRF誘導コイルを設けること
もできる。

反応容器（１）の両端に設けた減圧排気口（２）およ
び反応ガス吹出口（３）には、回転自在な封止機構とし
てＯリング（９）を配備し、反応容器（１）内部を気密
に保持するとともに、反応容器（１）を回転できるよう
にしている。もちろん、このような回転自在な封止機構
はＯリング（９）に限定されることはない。また、この
例においては、反応容器（１）の内壁は球状の曲面とし
ているが、特にその形状に制限はなく、反応容器（１）
の底部に後述する液状媒質を装入することができ、反応
容器（１）の回転により液状媒質を反応容器（１）の内
壁に一様に展開させることのできる回転楕円形状または
円筒状等の回転対称形形状としてもよい。

このような反応容器（１）をその回転軸のまわりに回
転させる回転機構としては、減圧用排気口（２）の端部
に歯車（10）を設け、モータ（11）に装備したもつ一つ
の歯車（12）と歯合させ、また反応ガス導入口（３）端
部はＯリング（９）を有する軸受け（13）に連結する機
構としている。モータ（11）を駆動させることによっ
て、反応容器（１）を回転させることができる。さらに
この例においては、軸受け（13）をベローズ（14）を介
して固定してもいる。ベローズ（14）を用いることによ
り、反応容器（１）の回転による芯ぶれを吸収すること
ができ、反応容器（１）の回転を円滑に行うことができ
る。

たとえば、以上のように例示したプラズマ気相反応装
置を用いて、金属、合金またはセラミックスなどの微粒
子の構造は、次のような操作により行うことができる。

すなわち、真空ポンプ（５）により、反応容器（１）
内部を排気し減圧する。次いで、各種の反応ガス（15）
を反応容器（１）内に導入して吹出させる。この例にお
いては、反応ガス（15）は、反応ガス吹出管兼用の高周
波電極（７）に形成した反応ガス噴出口（８）より反応
容器（１）内に吹出させる。ここで、反応容器（１）を
モータ（11）の駆動によって回転させ、高周波電極（1
6）より接地電極（６）および高周波電極（７）の両電
極間に低温プラズマ（17）放電を発生させる。この低温
プラズマ（17）によって反応ガス（15）相互のプラズマ
気相反応が進行する。所望の金属、合金またはセラミッ
クスなどの微粒子（18）を生成させることができる。生
成したこれらの微粒子（18）は反応容器（１）の内壁に
一様に付着する。反応終了後、反応容器（１）内壁に付
着した微粒子（18）を採集する。

これらの微粒子（18）の磁性流体やコロイドなどを製
造する場合には、反応容器（１）に液状媒質（19）を装
入し、上述と同様な操作を行う。

反応容器（１）を回転させると液状媒質（19）は、反
応容器（１）の内壁に一様に展開し、液体膜（20）を形
成する。この液体膜（20）に、プラズマ気相反応により
生成した金属、合金またはセラミックス等の微粒子が付
着し、反応容器（１）の回転により反応容器（１）底部
の液状媒質（19）に回収され、所望の磁性流体あるいは
コロイドが得られる。

以上のように、この発明の装置においては、高周波電
極（７）付近に従来装置のように微粒子生成反応域以外
の不必要な空間がないため、放電によるプラズマの発生
域は限定され、高周波電力を有効に気相反応に使用する
ことができ、また、微粒子生成反応域以外の領域におけ
る放電を防止することができることから、装置を長時間
運転してもプラズマの状態を高安定に保持することがで
きる。

（磁性流体の製造）この第１図に例示したプラズマ気相反応装置を用い
て、磁性流体を製造した例を説明すると、まず、操作条
例としては次の通りとした。

反応ガス：Fe(CO)₅ 3cc/分 Ar 100cc/分 N₂ 20cc/分反応容器内圧力:1mbar 高周波 :13.56MHz,100W 回転速度 :10回転／分液状媒質：ポリブテニルコハク酸ポリアミンのア
ルキルナフタレン10％溶液（100cc）反応時間 :20時間この反応によって、Fe₃N微粒子20gを含む磁性流体100
ccを得た。この磁性流体の飽和磁化は220ガウスであっ
た。反応を行っている間の放電状態は安定していた。放
電状態の調整は全く必要なかった。

比較のために、第２図に示したような従来装置を用い
て上述の例と同様の条件で磁性流体を製造したが、約30
分〜１時間に１回の割合でプラズマ放電が停止した。長
時間の連続運転は不可能であった。

（発明の効果）この発明のプラズマ気相反応装置によって、電力が有
効に利用され、高効率で微粒子を製造することができ
る。また、放電状態を高安定に保持することができるの
で、プラズマ気相反応を長時間連続して行わせることが
でき、装置の運転操作が極めて容易となり、無人運転す
ることも可能となる。また、微粒子生成反応が、放電状
態の安定により、高安定で促進され、プラズマ気相反応
により反応生成物の性状が均質となる。

さらには、放電発生域を限定することができるので、
電極部材などの消耗を著しく低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のプラズマ気相反応装置の一例を示
した構成断面図である。第２図は、従来装置の例を示した構成断面図である。１……反応容器、２……減圧用排気口３……反応ガス吹出口、４……バルブ５……真空ポンプ、６……接地電極７……反応ガス吹出管兼用高周波電極８……反応ガス噴出口、９……Ｏリング 10,12……歯車、11……モータ 13……軸受け、14……ベローズ 15……反応ガス、16……高周波電源 17……低温プラズマ、18……微粒子 19……液状媒質、20……液体膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転対称形の曲面内壁を有し、液状媒質を
装入した回転真空反応容器の横方向回転軸の両端に、減
圧用排気口と反応ガス吹出口とが対向して設けられ、こ
の減圧用排気口および反応ガス吹出口の開口部には回転
自在な封止機構が設けられるとともに、反応容器の減圧
用排気口より接地電極が、また、反応ガス吹出口より低
温プラズマ発生用電極が挿入配設されており、低温グロ
ー放電プラズマの発生により生成された微粒子が反応容
器内の液状媒質に捕集されることを特徴とするプラズマ
気相反応装置。
【請求項２】低温プラズマ発生用電極に反応ガス噴出口
を形成した請求項（１）記載のプラズマ気相反応装置。