JP2000515678A - プラズマ生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 交番電磁界を用いて真空室（３）にプラズマを生成するための装置であって、絶縁材料から成る管（５）内にロッド形状の導体（４）が真空室（３）を通ってガイドされておりかつ該絶縁管（５）の内径は前記導体（４）の直径より大きく、かつ前記絶縁管（５）は両端部が真空室（３）の壁（６，７）に保持されかつ該壁（６，７）に対してその外周面がシールされておりかつ前記導体（４）は両端部でそれぞれ、交番電磁界を発生するための第１の源（８ないし９）に接続されている形式のものにおいて、前記ロッド形状の導体（４）は両方の壁貫通案内部の領域（１０，１１）においてそれぞれ、その真ん中の部分（Ｋ）の方向において少なくともちよっとだけ離されて、導電材料から成る管部材（１２，１３）によって間隔を以て取り囲まれており、この場合１つまたは２つの管部材（１２，１３）は前記絶縁管（５）に対して同心的に配置されておりかつそれぞれ、交番電磁界を発生するための第２の源（１４ないし１５）に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】 プラズマ生成装置 本発明は、交番電磁界を用いて真空室にプラズマを生成するための装置であっ て、絶縁材料から成る管内にロッド形状の導体が真空室を通ってガイドされてお りかつ該絶縁管の内径は前記導体の直径より大きく、かつ前記絶縁管は両端部が 真空室の壁に保持されかつ壁に対してその外周面がシールされておりかつ前記導 体は両端部でそれぞれ、交番電磁界を発生するための第１の源に接続されている 形式のものに関する。 プラズマを生成するための公知の装置では（ドイツ連邦共和国特許出願公開第 １９５０３２０５号公報）、制限された作動領域（加工領域、ガス圧力、マイク ロ波電力）において、表面処理および成膜技術のためにプラズマを生成すること ができる。この公知の装置は、実質的に、真空加工室に設置されている円筒形状 のガラス管と、その中に存在している金属製の導管とから成っており、ガラス管 の内室には雰囲気圧が生じている。マイクロ波電力は、両側から、２つの供給部 と、内部導体と外部導体とから成る２つの金属製の同軸線路とによって真空加工 室の壁を通して導入される。真空加工室内の同軸線路の欠けている外部導体は、 点弧条件（ガス圧力）が十分な場合マイクロ波電力に よって点弧されかつ維持されるプラズマ放電によって置換され、その際マイクロ 波電力は２つの金属製の同軸線路からかつガラス管を通って真空加工室に出て行 くことができる。プラズマは円筒形状のガラス管を外から取り囲みかつ内部導体 と一緒に非常に高い減衰被膜を有する同軸線路を形成する。マイクロ波電力が定 置で、両側から供給される場合、真空加工室のガス圧力は、プラズマが装置に沿 って明らかに均一に、真空加工室内で同軸線路の外部導体が存在していないとこ ろで燃焼するように調整設定することができる。 しかしマイクロ波電力が予め調整設定されている場合に真空加工室におけるガ ス圧力が高められるとき、経験によれば、装置に沿ったプラズマの均質性は失わ れる。プラズマは装置の供給点間のほぼ１／２の距離のところで光学的に弱くな りかつある圧力から全く消弧する可能性がある。プラズマ線は「引き裂かれ」か つ両方から生じた部分プラズマは引き続き圧力が上昇した際に供給点の方向に後 退する。殊に装置が長い場合（例えば１ｍから）、この効果のためにプラズマは 不均質になりかつそのことから結果的に真空加工は不均質になる。部分プラズマ は壁の近傍の供給端部において高い光度を呈しかつ真ん中に向かって弱くなる。 この観測は同軸線路の真性特性に基づいているということができ、この場合外 部導体が金属から成っているかまたは導電性のプラズマから成っているかどうか は明らかに問題にならない。 同軸線路の単位長さ当たりのＴＥＭ波の減衰度α_cは内部導体および外部導体 の導電率によって制限されかつ次のように記述することができることは周知であ る： ただしパラメータは次の通りである： ａおよびｂ 同軸線路の内部導体の外径および外部導体の内径、 δ_S マイクロ波の、導電性の表面への侵入深度（表皮効果） λ₀ 使用のマイクロ波の自由空間波長 ε_R 同軸線路の誘電体の比誘電率（＝空気に対して１） この式から分かるように、マイクロ波の減衰度は同軸線路に沿った位置には全 く関係ない。同軸線路の誘電体充填物は空気から成りかつεＲは装置の長さにわ たって一定であるので、減衰度の大きさは導電性の表而に対するマイクロ波の侵 入深度にだけ依存している。単位長さ当たりの減衰度が一定とすれば、単位長さ 当たりのプラズマに送出される正味のマイクロ波電力は装置に沿って中央に向か って低下していくことを意味する。外部導体はプラズマから成っているので、こ の導電性は正確には突き止めることができない。確かに導電性はプラズマ密度に 依存しておりかつプラズマ密度の方は所定の範囲において、放電領域におけるマ イクロ波電力密度の関数に依存している。放電領域におけるマイクロ波電力密度 は金属表面の場合（〜５０μｍ）よりおそらく数オーダ高くかつ装置の長さにわ たって一定ではない。 更に、公知の装置は、８×１０^-2mbarより低い圧力ではプラズマ放電を維持す ることは殆どできないことが分かっている。装置のフレキシビリティを高めるた めに、プラズマ放電に対する作動条件を比較的低い圧力の場合にも磁界の支援な しに保証することが望まれる。 本発明の課題は、公知の装置の欠点を改善することである。 この課題は本発明によれば、ロッド形状の導体は両方の壁貫通案内部の領域に おいてそれぞれ、その真ん中の部分の方向において、導電材料から成る管部材に よって間隔を以て取り囲まれており、この場合該２つの管部材は絶縁管に対して 同心的に配置されておりかつそれぞれ、交番電磁界を発生するための第２の源に 接続されていることによって解決される。 有利な実施形態において、ロッド形状の導体は、導電材料から成る管によって 間隔を以て取り囲まれており、この場合管の両端部はそれぞれ、交番電磁界を発 生するための第２の源に接続されており、かつ管の真ん中の部分は、開口、例え ば細長い、菱形の縦スリットを備えている。 その他の実施の形態、詳細および特徴はその他の請求項に詳しく記載されてお りかつ特徴付けられている。 本発明は種々様々な実施例を可能にする。そのうちの２つが添付図面に模式的 に詳細に示されており、その内容は： 第１図は、ロッド形状の導体の両端部の領域にそれぞれ管部材を備えているプラ ズマ生成装置の縦断面図であり、 第２図は、ロッド形状の導体の全長を取り囲んでいて、その際管がその長さの大 部分にわたって長手方向のスリットの形状の開口を備えている、択一的な実施例 の縦断面図であり、 第３図は、第２図の管の概略図であり、 第４図、第５図はそれぞれ、前記２つの実施例におけるロッド形状の導体の横断 面図であり、 第６図、第７図は、第１図および第２図に図示の装置に対する電磁界の強度の分 布を示す線図である。 第１図の装置は、実質的に、真空室３の壁部６，７を通って案内されている絶 縁管５（ガラス管）と、これに同軸配置されているロッド形状の導体４と、該導 体４の両端部にそれぞれ配置されている第１の源８， ９と、導体４を取り囲みかつ同様に導体の長手方向に延在している金属製の２つ の管部材１２，１３と、管部材１２，１３にそれぞれ接続されている第２の源１ ４，１５と、壁貫通領域１０，１１におけるプラズマの生成を妨げる２つの金属 リング１６，１７とから成っている。 第２図の実施例は、上述した実施例とは、ロッド形状の導体４が導電性の材料 から成る唯一の管２０によって間隔をおいて取り囲まれていることによって相異 している。この場合管２０の両端部はそれぞれ第２の源１４ないし１５に接続さ れておりかつ管２０の真ん中の部分は長手方向のスリット形状の開口２１を備え ている。 第１図の装置は、全部で４つの同軸のマイクロ波供給部を備えている。付加的 な、金属製の導管１２および１３は、内部導体４および外部導体１６，１７と一 緒に、全部で４つの同軸の同心的なマイクロ波供給部を、即ち、領域Ａにおける １６，１２、領域Ｂにおける１２，４、領域Ｃにおける１３，４、領域Ｄにおけ る１７，１３を形成する。４つの同心的な、同軸のマイクロ波供給部に代わって 、比較的長いプラズマ源に対しておよび／または真空加工室におけるガス圧力が 比較的高い場合には、６つ、８つまたはそれ以上（技術的な実現能力に応じて） のマイクロ波供給部を設けることもできる。この場合、間隔（例えばＡ−Ｂまた はＢ−Ｃ）は相互に変えることができるので、均質なプラズマ分布が実現される 。しかしそれぞれ２つの同心的な同軸線路に対して、３つの金属製の導管しか使 用されない。内側の同軸線路の外部導体は同時に、内側の同軸線路を取り囲む外 側の同軸線路の内部導体である。 第１図の装置では、金属の同軸線路から「プラズマ線路」への移行は突然であ り、即ち、金属外部導体（例えば１６）の端面を含む平面は中心軸線に対して垂 直に位置している。供給点でのマイクロ波電力の著しい減衰（プラズマ発生電力 に相応している）に対抗するために、外部導体２０（第２図）を、領域Ｅ−Ｆお よびＧ−Ｈで示されているように、徐々に大きく開かれていくように変形するこ とができる。金属製の同軸線路は中心に向かって徐々にプラズマ線路に置換され る。このことは、プラズマがガラス管５に対して半径方向に対称に燃焼しないと いう欠点を有しているが、このことは大抵の用途に対しては重要ではない。金属 製の外部導体からプラズマ導体への移行は別の形態のものであってもよい。例え ば、幅が徐々に大きくなっていく同軸のスリット。重要なのは、移行が突然では なくて、徐々に大きくなっていくように構成されており、かつ波の反射が発生し ないことだけである。 放電体積におけるガス圧力が高い場合、また低い場合も、プラズマ点弧条件を 改善するために、前以て決 められたマイクロ波電力における交番電磁界の電界成分の強度を高めると有利で ある。このことは、移動する電磁界構成に比して、共振する構成（共振器）を有 するプラズマ源の利点でもある。公知の装置（ドイツ連邦共和国特許出願第１９ ５０３２０５号明細書）は移動する電磁界構成でありかつ純然たるＴＥＭ波によ って作動される。にも拘わらずこの場合も、金属製の内部導体４の横断面を円筒 形（第４図）から角形（第５図）に変更することによって、界の増強を実現する ことができる。円筒形の内部導体の場合の交番電磁界の電界成分の厳密な半径方 向の対称性は破られかつ電気力線の集中（第４図および第５図に図示されている 矢印によって示唆されている）が縁部に生じる。 第１図の実施例は、第６図に示されているように、マイクロ波の交番電磁界の 電界成分の強度が装置の全長にわたって均質になるように作用する。２つの供給 点Ａ，Ｄしかない場合は曲線Ｌが示す分布が生じ、４つの供給点の場合は曲線Ｍ が示す分布を期待することができる。図示の曲線は絶対的な関係にはなく、曲線 の経過が重要なだけである。更に、改良例によれば、マイクロ波電力を２より大 きな数のマイクロ波発生器から唯一の装置に供給することができる。このことは 例えば、５０mbarおよびそれ以上の加工圧力（例えばダイヤモンド析出）におい て行われるプラズマ化学加工にとって非常に重要である。 第２図の実施例は同様に、マイクロ波の交番電磁界の電界成分の強度が、第７ 図に示されているように、装置の仝長にわたって均質になるようにするものであ る。金属製の同軸線路からプラズマ線路への移行が徐々に大きくなっていく場合 、点Ｅ−Ｆと点Ｇ−Ｈとの間に曲線Ｏで示す分布が生じる。しかしこの改良は、 ２つの供給点しか有していない本来の装置のように働く。 装置に沿ってマイクロ波に高い電力密度が生じるようにすべきであれば、第１ 図および第２図の実施例の特徴を組み合わせることができる。装置の寸法が適当 であれば、このようにして、比較的長い距離（例えば３ｍ）にわたって絶対的に 均質なプラズマ密度を実現することができる。 第３図に図示の、細長い、菱形の開口２１を有する管２０の構成によれば、縁 部の近傍における交番電磁界の電界成分が高められ（マイクロ波電力が変わらな いとした場合の円筒形の、金属製のない部導体と比較して）かつひいては、放電 領域におけるガス圧力が低い場合も高い場合もプラズマ点弧条件および燃焼条件 が改善されるようになる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．交番電磁界を用いて真空室（３）にプラズマを生成するための装置であっ て、絶縁材料から成る管（５）内にロッド形状の導体（４）が真空室（３）を通 ってガイドされておりかつ該絶縁管（５）の内径は前記導体（４）の直径より大 きく、かつ前記絶縁管（５）は両端部が真空室（３）の壁（６，７）に保持され かつ該壁（６，７）に対してその外周面がシールされておりかつ前記導体（４） は両端部でそれぞれ、交番電磁界を発生するための第１の源（８ないし９）に接 続されている形式のものにおいて、 前記ロッド形状の導体（４）は両方の壁貫通案内部の領域（１０，１１）におい てそれぞれ、その真ん中の部分（Ｋ）の方向においてちょっとだけ離されて、導 電材料から成る管部材（１２，１３）によって間隔を以て取り囲まれており、こ の場合該２つの管部材（１２，１３）は前記絶縁管（５）に対して同心的に配置 されておりかつ前記絶縁管（５）およびそれぞれの管部材（１２，１３）によっ て形成される円筒形状の中間空間がそれぞれ、交番電磁界を発生するための第２ の源（１４ないし１５）に接続されている ことを特徴とする装置。 ２．交番電磁界を用いて真空室（３）にプラズマを生成するための装置であっ て、絶縁材料から成る管（ ５）内にロッド形状の導体（４）が真空室（３）を通ってガイドされておりかつ 該絶縁管（５）の内径は前記導体（４）の直径より大きく、かつ前記絶縁管（５ ）は両端部が真空室（３）の壁（６，７）に保持されかつ該壁（６，７）に対し てその外周面がシールされておりかつ前記導体（４）は両端部でそれぞれ、交番 電磁界を発生するための第１の源（８ないし９）に接続されている形式のものに おいて、 前記ロッド形状の導体（４）は、導電材料から成る管（２０）によって間隔を以 て取り囲まれておりかつ該管（２０）の両端部はそれぞれ、交番電磁界を発生す るための第２の源（１４ないし１５）に接続されており、この場合該管（２０） の真ん中の部分は、開口（２１）、例えば細長い、菱形の縦スリットを備えてい る ことを特徴とする装置。