JPH0521193A - 高周波プラズマ装置 - Google Patents

高周波プラズマ装置

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JPH0521193A
JPH0521193A JP3168232A JP16823291A JPH0521193A JP H0521193 A JPH0521193 A JP H0521193A JP 3168232 A JP3168232 A JP 3168232A JP 16823291 A JP16823291 A JP 16823291A JP H0521193 A JPH0521193 A JP H0521193A
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JP
Japan
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high frequency
frequency plasma
plasma
electrode
upstream
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Withdrawn
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JP3168232A
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English (en)
Inventor
Jun Takeuchi
順 竹内
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高周波プラズマ装置において、中流部以外に
も上流部および下流部において被処理材を加熱すること
ができる装置を提供することを目的とする。 【構成】 高周波プラズマトーチの上流部に一方の電極
を設け、高周波プラズマトーチの下流部にもう一方の電
極を設けてかつ両電極を高周波プラズマ電源とは独立な
電源に接続してなる装置である。本装置により高周波プ
ラズマに移行型アークプラズマを重畳することが可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、誘導結合型高周波プラ
ズマ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】誘導結合型高周波プラズマ(以下高周波
プラズマ)は、超微粒子の合成、溶射、蒸着、塩化物の
酸化などの分野に用いられている。高周波プラズマは直
流プラズマに比べてプラズマの体積が大きい、プラズマ
の流速が遅いという特徴を有する。このため高周波プラ
ズマにおいては供給した材料の滞留時間が長いという利
点がある。一方高周波プラズマではこの原理上高周波プ
ラズマコイル上流部の中心軸付近では流れが上流に逆流
するという流体力学的特徴がある。この逆流部にガスや
粉末などの原料を吹き込むとプラズマが不安定化する欠
点がある。
【0003】この欠点を克服するために高周波プラズマ
トーチを改良することが行われている。第一の方法は高
周波プラズマトーチ内の流れを制御するとともに原料供
給用水冷ノズルをプラズマ中に挿入し、このノズルから
原料を供給することである。この装置の概略図を図2に
示す(特開昭63-58799)。第二の方法は高周波プラズマ
トーチの上流部に補助的なプラズマトーチを設置するこ
とである。補助的なプラズマトーチとして直流非移行型
プラズマトーチを設置するものはハイブリッドプラズマ
と呼ばれ最も古くに開発された。単独の直流非移行型プ
ラズマトーチ8を設置する装置の概略図を図3に示す
(特開昭55-32317)。複数の直流非移行型プラズマトー
チ8を設置する装置を図4に示す(特開昭63−22184
2)。補助的なプラズマトーチとして別個の高周波プラ
ズマトーチ(特開昭61−161138)を設置する方法なども
開発されている。
【0004】高周波プラズマを用いた材料プロセスにお
いては上に指摘した欠点に加えもう一つ欠点がある。高
周波プラズマでは流速が遅いためプラズマの上流部及び
中流部で加熱された原料がプラズマの下流部に長く滞留
する間に放射冷却により冷却される。すなわち、適度に
加熱された状態で材料を取り出すことが困難である。上
に述べた改良では高周波プラズマ上流部でのプラズマの
流れや温度分布を対象としている。したがって、第一の
欠点については改良が加えられた。しかし、第二の欠点
については上流部での温度分布の改善はみられるものの
下流部での温度分布が改善されていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる現状に
鑑み、プラズマの上流部、中流部及び下流部において材
料を均一に加熱する高周波プラズマ装置を提供すること
を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記の目的を
達成するべく種々実験、検討を重ねた結果、本発明に至
った。高周波プラズマ単独では中流部でのみ材料が加熱
される。補助的なプラズマを設置した場合設置した部分
のみしか温度分布が改善されない。そこで上流部及び下
流部が同時に加熱される方法を検討した。移行型アーク
プラズマではプラズマフレーム中も加熱されるが陽極お
よび陰極近傍が集中的に加熱される。これは陽極降下及
び陰極降下により陽極及び陰極近傍で電位落差が大きい
ためである。この移行型アークの陽極及び陰極を高周波
プラズマの上流部及び下流部に配置することで高周波プ
ラズマフレームを加熱するだけでなく上流部及び下流部
を重点的に加熱することが可能であることを思いつき本
発明に至った。
【0007】すなわち、本発明は高周波プラズマ装置に
於て、高周波プラズマトーチ上流側に一方の電極を設
け、高周波プラズマトーチ下流側にもう一方の電極を設
けるとともに、前記両電極を高周波プラズマ電源から独
立したプラズマ電源に接続してなる系を付加したことを
特徴とする高周波プラズマ装置である。
【0008】
【作用】以下に詳細に本発明を説明する。図1を用いて
説明する。図1に示した本発明の高周波プラズマ装置は
高周波プラズマトーチの上流部に陽極を有し高周波プラ
ズマトーチ下流部に陰極を有してて高周波電源とは独立
した直流プラズマ電源に接続した装置である。
【0009】高周波プラズマトーチは高周波電流が流れ
る高周波コイル1とプラズマを閉じ込めるためのプラズ
マ閉じ込め管2とからなっている。プラズマ閉じ込め管
2は絶縁体で出来ており高周波により誘導されず、かつ
プラズマがコイルに放電することを防いでいる。高周波
コイル1はプラズマ閉じ込め管2の外部に位置し高周波
電源3から供給される高周波電流を流しこの高周波電流
により誘導電流をプラズマ中に誘起する。誘起される電
流は高周波コイル1近傍のプラズマ表面に流れ、このジ
ュール発熱によりプラズマが加熱される。したがって、
高周波プラズマにおいては高周波コイル近傍のプラズマ
中流部にエネルギーが投下される。
【0010】高周波プラズマトーチ上流部にはガスを供
給するためのノズルが設置されておりプラズマにガスを
供給する。高周波プラズマトーチ上流部電極4は銅また
は黄銅などの導電体により構成される必要がある。また
高周波プラズマトーチ上流部電極4は十分に冷却される
必要がある。高周波プラズマトーチの下流部にもう一方
の電極5を設置する。高周波プラズマ装置を成膜プロセ
スに応用する場合には基板ホルダーまたは基板を電極と
することが可能である。電極の形状を環状とし高周波プ
ラズマトーチの直下に設置し、電極の中心部からプラズ
マフレームが吹き抜ける構造とすることも可能である。
【0011】高周波プラズマ電源3とは独立なプラズマ
電源6を高周波プラズマトーチ上流部電極4と高周波プ
ラズマトーチ下流部電極5に接続する。該独立電源6と
しては直流電源を用いるが、交流電源または高周波電源
であってもかまわない。該独立電源6が直流電源である
場合、電極の極性は任意である。すなわち、上流部電極
4を陰極とし下流部電極5を陽極とする組合せであって
も、上流部電極4を陽極とし下流部電極5を陰極とする
組合せであっても良い。
【0012】真空容器7は下流部電極5と電気的に絶縁
されていることが望ましい。すなわち、真空容器7と下
流部電極5が電気的に接続されている場合、移行型アー
クは下流部電極5でなく真空容器7の高周波プラズマト
ーチ直下流部を電極として放電するからである。以下に
本発明の実施例を示す。
【0013】
【実施例】
(実施例1)図1に示された本発明の装置を用いて下流
部電極5すなわち、基板ホルダー5−2上に設置した基
板5−1を加熱し温度計測を行なった。熱電対により上
記基板5−1の温度を測定した。手順は以下の通りであ
る。真空容器7を真空にする。高周波プラズマトーチ上
流部へノズルからアルゴンを40l/min 供給する。高
周波プラズマ電源3を動作させプラズマを点火する。真
空容器7が大気圧になったら真空容器7を大気開放とす
る。この時、高周波電源における陽極出力条件は、陽極
電圧5kV、陽極電流5Aとする。したがって、陽極出力
は25kWである。この後独立電源6を動作させ移行型ア
ークを高周波プラズマに重畳させる。この時上流部電極
4を陽極とし、下流部電極5である基板5−1及び基板
ホルダー5−2を陰極とした。独立電源6の運転条件は
基板位置によるが出力電圧40V、出力電流40Aであ
り、電力としては1.6kWであり、高周波電源の出力の
1/10以下である。なお、対比のため独立電源6を動
作させない実験も行なった。この時の高周波電源の出力
も25kWとした。
【0014】熱電対により測定された温度は時間の経過
とともに上昇し、一定となる。一定となった温度を到達
温度とする。本発明の装置による高周波+移行型アーク
プラズマによる到達温度と高周波プラズマのみによる到
達温度を様々な基板距離において測定した。なお、基板
距離とは高周波プラズマトーチ出口から基板までの距離
をさす。
【0015】表1にこの結果を示す。1.6kWの移行型
アークを重畳した場合には高周波プラズマのみの場合に
比べて到達温度が高い。さらに対比のため高周波プラズ
マ電源の出力を26.6kWにした場合および25kW高周
波プラズマに4kW直流非移行型アークプラズマを重畳し
た場合についても到達温度を測定した。この結果も表1
に示すが移行型アークを重畳した場合は高周波プラズマ
のみのいずれの場合や非移行型アークを重畳した場合に
比べて到達温度が高い。すなわち、移行型アークを重畳
することがプラズマ下流部を効率よく加熱するため基板
の到達温度が高くなる。
【0016】
【表1】
【0017】(実施例2)実施例1に示された移行型ア
ークの効果が逆極性および交流においても見られること
を確かめた。実施例1では下流部電極5を陰極とした
が、下流部電極5を陽極とし上流部電極4を陰極とした
場合、及び独立電源6を交流電源とした場合について到
達温度を測定した。独立電源の出力は1.6kWに調整し
た。交流電源とした場合の周波数は50Hzである。基板
距離は100mmとした。
【0018】表2にこの結果を示す。25kW高周波+
1.6kW移行型アークの場合の到達温度はそれぞれほぼ
等しく、かつ表1に示した26.6kW高周波のみの場合
の到達温度に比して高い。すなわち、いずれの場合にお
いても移行型アークによる高周波プラズマ下流部の加熱
効果が見られた。
【0019】
【表2】
【0020】(実施例3)図1に示された本発明の高周
波プラズマ装置を用いて溶射を行なった。手順は以下の
通りである。真空容器7を真空にする。高周波プラズマ
トーチ上流部へノズルからアルゴンを40l/min 供給
する。高周波プラズマ電源3を動作させプラズマを点火
する。真空容器7が大気圧になったら真空容器7を大気
開放とする。独立電源6を動作させ移行型アークを高周
波プラズマに重畳させる。この時上流部電極4を陽極と
し、下流部電極5である基板5−1及び基板ホルダー5
−2を陰極とした。重畳されたプラズマにより基板5−
1を加熱したのち、プラズマトーチ上流部から粉末を供
給し溶射した。溶射中の基板5−1が過熱される様であ
れば溶射前または溶射中に移行型アークを停止すること
も可能である。しかし、溶射中のプラズマ中の温度分布
を改善するためには移行型アーク及び独立電源6を溶射
前及び溶射中に動作することが必要である。
【0021】粒径が60〜80,80〜100,100
〜120ミクロンのTi粉体を原料として溶射を行な
い、溶射皮膜の密度を測定した。高周波プラズマのみの
場合、高周波プラズマに直流非移行型アークを重畳した
場合、本発明に示される様に高周波プラズマに移行型ア
ークを重畳した場合の比較を表3に示す。
【0022】
【表3】
【0023】以上から本発明の装置を用いて移行型アー
クを高周波プラズマに重畳する方法で溶射した場合には
いかなる原料粒径であっても高周波プラズマ溶射法より
も高密度の皮膜が得られる。これは本発明の高周波プラ
ズマ装置では上流部、中流部及び下流部において材料を
均一に加熱するためであり、また高周波プラズマ溶射法
では中流部での加熱が中心であるためであり、高周波プ
ラズマ+非移行型アークでは上流部及び中流部での加熱
が中心であるため下流部では材料が冷却されるからであ
る。
【0024】
【発明の効果】本発明の装置により、プラズマの上流
部、中流部及び下流部において材料を均一に加熱する高
周波プラズマを発生することが可能となった。これによ
り高周波プラズマを工業的に運転することが可能とな
り、産業上の発展に貢献するところきわめて大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高周波プラズマ装置を示す正面断面図
である。
【図2】従来の高周波プラズマ装置を示す正面断面図で
ある。
【図3】従来の単独の直流非移行型プラズマを高周波プ
ラズマトーチ上流部に設置した装置を示す正面断面図で
ある。
【図4】従来の複数の直流非移行型プラズマを高周波プ
ラズマトーチ上流部に設置した装置を示す正面断面図で
ある。
【符号の説明】
1…高周波コイル 2…プラズマ閉じこめ管 3…高周波電源 4…高周波プラズマトーチ上流部電極 5…高周波プラズマトーチ下流部電極 6…移行型アーク電源 7…真空容器 8…直流非移行型プラズマトーチ 9…直流電源 10…原料供給用ノズル

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 高周波プラズマ装置に於て、高周波プラ
    ズマトーチ上流側に一方の電極を設け、かつ前記高周波
    プラズマトーチ下流側にもう一方の電極を設けるととも
    に、前記両電極を高周波プラズマ電源から独立したプラ
    ズマ電源に接続してなる系を付加したことを特徴とする
    高周波プラズマ装置。
JP3168232A 1991-07-09 1991-07-09 高周波プラズマ装置 Withdrawn JPH0521193A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08264296A (ja) * 1994-11-01 1996-10-11 Applied Materials Inc 誘導増強された反応性イオンエッチング
US5710486A (en) * 1995-05-08 1998-01-20 Applied Materials, Inc. Inductively and multi-capacitively coupled plasma reactor
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JP2024507017A (ja) * 2022-01-06 2024-02-16 グローバル エンバイロ ホールディング プライベート リミテッド タイヤリサイクルのための方法及び装置

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Effective date: 19981008