(57)【要約】【課題】金属ロッドから成り、マイクロ波発生装置から導波管を介して伝搬されるマイクロ波を前記ロッドの一方側で受信し、他方端側では同心状に形成される接地側の電極との間で放電を行うことでプラズマを発生させるプラズマ電極において、長寿命化を図る。【解決手段】ロッド状のプラズマ電極４０の上方側のアンテナ４１の部分が導波管２０の導波空間Ｈに配置されてマイクロ波を受信する一方、前記プラズマ電極４０の下方側が内側電極４２となり、それに外側電極３１が同心状に配置され、それらの間の内部空間３２にガス供給孔３５から供給される処理ガスを前記マイクロ波でプラズマ化するプラズマ発生ノズル３０において、前記内側電極４２の下方端４２１にセラミック溶射層４９を形成する。したがって、前記セラミック溶射層４９が前記下方端４２１に密着して該下方端４２１を安定して覆い、前記放電に対して、金属基材の蒸発や酸化を抑えることができる。【選択図】図２
2010212226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接地側の電極との間で放電を行うことでプラズマを発生させるプラズマ電極において、
ロッド状に形成され、そのロッドの一方側でマイクロ波を受信し、他方端側で前記放電を行う導電性の基材部と、
少なくとも前記他方端側の表層に設けられるセラミック溶射層とを有することを特徴とするプラズマ電極。
【請求項２】
前記基材部がチタンから成り、前記セラミック溶射層がアルミナからなることを特徴とする請求項１記載のプラズマ電極。
【請求項３】
前記基材部の表面にコーティングされ、該基材部よりも高い導電性を有するコート層をさらに備え、
前記コート層の上に、前記セラミック溶射層が積層されていることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ電極。
【請求項４】
前記基材部の他方端側の端面中央に、凹所を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ電極。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ電極からなる内側電極と、
筒状に形成され、前記内側電極と同心状に配置されるとともに、接地される外側電極と、
前記内側電極と外側電極とによって形成される環状のプラズマ吹出し口とを有することを特徴とするプラズマ発生ノズル。
【請求項６】
マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、
前記マイクロ波を伝搬する導波管と、
所定の処理ガスに前記マイクロ波のエネルギーを与え、前記処理ガスをプラズマ化して放出する前記請求項５記載のプラズマ発生ノズルとを具備し、
前記プラズマ発生ノズルにおいて、前記プラズマ電極の一方端は接地されることを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項７】
前記アンテナを伝搬するマイクロ波の波長をλとするとき、
前記アンテナの接地点から前記他方端までの長さが、（２ｎ−１）λ／４（但し、ｎは整数）、若しくはその近傍の長さとされていることを特徴とする請求項６記載のプラズマ発生装置。
【請求項８】
絶縁性を有する材料で円筒状に形成され、前記内側電極を前記外側電極内に保持する保持部材と、
前記導波管において外側電極が取付けられる壁面とは反対側の壁面に形成され、前記保持部材に保持された内側電極が遊挿可能な点検口と、
前記点検口を覆う固定具とをさらに備え、
前記保持部材の導波管内における少なくとも一部分は、把持部として、前記導波管の前記反対側の壁面に延びて形成され、
前記固定具に前記プラズマ電極の一方端が吊止めされることで、該一方端が前記固定具を介して接地されることを特徴とする請求項６または７記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかに記載のプラズマ発生装置と、
前記プラズマ発生ノズルで発生したプラズマ化された処理ガスでワークを処理するワーク処理部と、を備えることを特徴とするワーク処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ発生装置のプラズマ発生ノズルに用いられるプラズマ電極ならびにそのプラズマ電極を用いる前記のプラズマ発生ノズル、プラズマ発生装置およびワーク処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンなどのマイクロ波発生手段で発生されたマイクロ波を導波管を介して受信し、外部から供給される処理ガスを前記のマイクロ波のエネルギーによってプラズマ化して被処理物へ照射するようにしたプラズマ発生ノズルは、たとえば本件出願人による特許文献１などで提案されている。図８は、その従来技術のプラズマ発生ノズルを簡略化して示す断面図である。それによると、導波管１０１の底板１０１ａには、ノズルとなる筒状の外側電極１０２が取付けられ、前記導波管１０１の天板１０１ｂに形成された点検孔１０１ｃから、ロッド状の内側電極１０３が嵌め込まれる。プラズマ電極である前記内側電極１０３は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などからなる筒状の保持部材１０４によって、外側電極１０２との間を絶縁して支持されており、前記点検孔１０１ｃのキャップ１０５を外すことで、保持部材１０４と一体で内側電極１０３の交換が可能となっている。前記外側電極１０２に形成された開口１０２ａからは、外部から前記処理ガスが供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３００２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の従来技術は、簡単に内側電極１０３の交換を行えるようにしたものであるが、内側電極１０３自体の寿命が短いという問題がある。詳しくは、先ず上記のような電極材料としては、加工が容易で導電性を有する真鍮、アルミ、銀、銅などを選ぶことができる。これらの材料からなるロッド電極によって、プラズマ点火は問題なく行うことができる。しかしながら、放電によって高温となる電極先端部１０３ａが蒸発し、パーティクルが被処理物を汚染してしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、前記電極材料として、加工は難しくなるけれども、融点や沸点が高いタングステンを使用することで、プラズマの点火性を維持しつつ、金属の蒸発を抑えることができる。しかしながら、今度はタングステンの酸化粉が発生し、依然としてパーティクル量が多く、短時間しかクリーンルームなどでは使用できないレベルにある。
【０００６】
本発明の目的は、長寿命化することができるプラズマ電極ならびにそれを用いるプラズマ発生ノズル、プラズマ発生装置およびワーク処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のプラズマ電極は、接地側の電極との間で放電を行うことでプラズマを発生させるプラズマ電極において、ロッド状に形成され、そのロッドの一方側でマイクロ波を受信し、他方端側で前記放電を行う導電性の基材部と、少なくとも前記他方端側の表層に設けられるセラミック溶射層とを有することを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、セラミック溶射層がロッド状の基材部の他方端側に密着して該他方端側を安定して覆い、前記放電に対して、該基材の蒸発や酸化を抑えることができる。これによって、プラズマ電極を長寿命化することができる。
【０００９】
また、本発明のプラズマ電極は、前記基材部がチタンから成り、前記セラミック溶射層がアルミナからなることを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、放電に対して前記基材部の他方端側に密着して該他方端側を安定して覆うことができるセラミック溶射層に対応して、基材部として熱膨張係数の近いチタンを用いる。したがって、高温になるプラズマ電極において、セラミック溶射層の温度ストレスによる損傷を抑え、より長寿命化を図ることができる。
【００１１】
さらにまた、本発明のプラズマ電極は、前記基材部の表面にコーティングされ、該基材部よりも高い導電性を有するコート層をさらに備え、前記コート層の上に、前記セラミック溶射層が積層されていることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、マイクロ波を受信してから実際にプラズマ点火するまでに該プラズマ電極内を行き来するマイクロ波電流が、表皮効果によって該プラズマ電極の表層を流れることを考慮して、前記チタンなどの基材部に、該基材部よりも導電性の高い金などの材料からなる層をコーティングした上に、前記セラミック溶射層を積層（被膜形成）している。したがって、プラズマ点火までの該プラズマ電極の損失によるジュール熱の発生を抑えることができる。
【００１３】
また、本発明のプラズマ電極では、前記基材部の他方端側の端面中央に、凹所を有することを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、ロッド状の基材部の端面を旋盤などで平面に切削加工すると、その中央に突起が残されてしまうのに対して、前記中央を平面とせずに、凹所となるように彫り込む。
【００１５】
したがって、前記突起が残されてしまうと、その部分に電界が集中し、前記セラミック溶射層を損傷する可能性があるのに対して、そのような不具合を無くし、該プラズマ電極のより長寿命化を図ることができる。
【００１６】
さらにまた、本発明のプラズマ発生ノズルは、前記のプラズマ電極からなる内側電極と、筒状に形成され、前記内側電極と同心状に配置されるとともに、接地される外側電極と、前記内側電極と外側電極とによって形成される環状のプラズマ吹出し口とを有することを特徴とする。
【００１７】
上記の構成によれば、同心状の内側電極と外側電極とを用い、両電極間にマイクロ波による電界を印加することで、アーク放電ではなく、グロー放電を生じさせることができる。したがって、それらの同心状の電極間に外部の供給管から処理ガスを供給することで、その処理ガスをプラズマ化して前記環状のプラズマ吹出し口から被処理物となるワークに照射することができる。
【００１８】
また、本発明のプラズマ発生装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波を伝搬する導波管と、所定の処理ガスに前記マイクロ波のエネルギーを与え、前記処理ガスをプラズマ化して放出する前記のプラズマ発生ノズルとを具備し、前記プラズマ発生ノズルにおいて、前記プラズマ電極の一方端は接地されることを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、導波管内においてアンテナに電界集中部が形成されることはなく、導波管内でのグロー放電を防止することができる。
【００２０】
さらにまた、本発明のプラズマ発生装置は、前記アンテナを伝搬するマイクロ波の波長をλとするとき、前記アンテナの接地点から前記他方端までの長さが、（２ｎ−１）λ／４（但し、ｎは整数）、若しくはその近傍の長さとされていることを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、一方端が接地されたアンテナは、受信するマイクロ波の１／４波長の奇数倍となる長さで電気的に共振する。したがって、前記のようにアンテナの接地点からの長さを、（２ｎ−１）λ／４の長さ若しくはその近傍の長さとすることで、前記他方端における電界強度を高強度とすることができ、プラズマを効率的に発生させることができる。
【００２２】
また、本発明のプラズマ発生装置では、絶縁性を有する材料で円筒状に形成され、前記内側電極を前記外側電極内に保持する保持部材と、前記導波管において外側電極が取付けられる壁面とは反対側の壁面に形成され、前記保持部材に保持された内側電極が遊挿可能な点検口と、前記点検口を覆う固定具とをさらに備え、前記保持部材の導波管内における少なくとも一部分は、把持部として、前記導波管の前記反対側の壁面に延びて形成され、前記固定具に前記プラズマ電極の一方端が吊止めされることで、該一方端が前記固定具を介して接地されることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、固定具を導波管から取外すことで、保持部材に内側電極を取外すことができ、被照射対象物（ワーク）側から交換を行う場合に比べて、プラズマ発生ノズルが取付けられた導波管を取外したりするような必要はなく、極めて容易に交換を行うことができる。また、作業者は、前記保持部材の延長された把持部を把持して、内側電極に手や工具で触れることなく、該内側電極を交換することができ、該内側電極への傷付きを防止することができるとともに、専用工具を用いることなく交換を行うことができる。そして、内側電極を吊止めしている固定具から、該内側電極を接地することもできる。
【００２４】
さらにまた、本発明のワーク処理装置は、前記のプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生ノズルで発生したプラズマ化された処理ガスでワークを処理するワーク処理部とを備えることを特徴とする。
【００２５】
したがって、長寿命なワーク処理装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のプラズマ電極によれば、セラミック溶射層がロッド状の基材部の他方端側に密着して該他方端側を安定して覆い、放電に対して、基材部の蒸発や酸化を抑えることができる。これによって、プラズマ電極を長寿命化することができる。
【００２７】
また、本発明のプラズマ発生ノズルによれば、同心状の電極間に外部の供給管から処理ガスを供給することで、その処理ガスをプラズマ化して環状のプラズマ吹出し口から被処理物となるワークに照射することができる。
【００２８】
さらにまた、本発明のプラズマ発生装置によれば、導波管内においてアンテナに電界集中部が形成されることはなく、導波管内でのグロー放電を防止することができる。
【００２９】
また、本発明のワーク処理装置は、以上のように、前記のプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生ノズルで発生したプラズマ化された処理ガスでワークを処理するワーク処理部とを備える。
【００３０】
それゆえ、長寿命なワーク処理装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の一形態に係るワーク処理装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係るプラズマ発生ノズルの断面図である。
【図３】前記のプラズマ発生ノズルの構成要素の分解図である。
【図４】アンテナとマイクロ波との結合関係を示す模式的な図である。
【図５】本発明の実施の他の形態に係るプラズマ発生ノズルの断面図である。
【図６】本発明の実施のさらに他の形態に係るプラズマ発生ノズルの断面図である。
【図７】図１のプラズマ発生ノズルと図６のプラズマ発生ノズルとのプラズマ電極端面の違いを拡大して示す斜視図である。
【図８】典型的な従来技術のプラズマ発生ノズルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の一形態に係るワーク処理装置Ｓを示す概略構成図である。このワーク処理装置Ｓは、プラズマ化されたガスを発生するプラズマ発生ユニットＰＵ（プラズマ発生装置）と、前記プラズマ化されたガスが導入されるチャンバーＴ（ワーク処理部）とから構成されている。前記チャンバーＴでは、前記プラズマ化されたガスによって、例えば医療用器具類の滅菌、或いは半導体基板等の有機汚染物の除去や表面改質などを行う。
【００３３】
プラズマ発生ユニットＰＵは、マイクロ波を利用し、常温常圧でのプラズマ発生が可能なユニットであって、大略的に、所定波長のマイクロ波μを発生するマイクロ波発生装置１０（マイクロ波発生手段）と、このマイクロ波発生装置１０に接続され、前記マイクロ波μを伝搬させる導波管２０と、該導波管２０に設けられたプラズマ発生ノズル３０とを備えて構成されている。
【００３４】
マイクロ波発生装置１０は、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波μを発生し、該マイクロ波μを導波管２０の内部へ伝搬させる。このためマイクロ波発生装置１０は、マイクロ波を発生するマグネトロン等のマイクロ波発生源と、このマイクロ波発生源にて発生されたマイクロ波の強度を所定の出力強度に調整するアンプと、マイクロ波を導波管２０の内部へ放出するマイクロ波送信アンテナとを備える。本実施形態に係るプラズマ発生ユニットＰＵでは、例えば１Ｗ〜３ｋＷのマイクロ波エネルギーを出力できる連続可変型のマイクロ波発生装置１０が好適に用いられる。
【００３５】
導波管２０は、例えば非磁性金属（アルミニウム等）からなり、断面矩形の管状を呈し、マイクロ波発生装置１０により発生されたマイクロ波μをプラズマ発生部３０へ向けて伝搬させる。導波管２０は、例えば金属平板からなる上面板、下面板及び２枚の側面板を用いた角筒状の組み立て体にて構成することができる。このような平板の組み立てによらず、押し出し成形や板状部材の折り曲げ加工等により形成しても良い。また、断面矩形の導波管に限らず、例えば断面楕円の導波管を用いることも可能である。さらに、非磁性金属に限らず、導波作用を有する各種の部材で導波管を構成することができる。
【００３６】
プラズマ発生ノズル３０は、適宜な処理ガスにマイクロ波μのエネルギーを与え、前記処理ガスをプラズマ化して放出する。プラズマ発生ノズル３０は、マイクロ波μを受信するロッド状のプラズマ電極４０を備える。プラズマ電極４０は、上方側が導波管２０の内部に導入されてアンテナ４１となり、下方側が導波管２０の外部へ突出されて内側電極４２となる。このプラズマ発生ノズル３０については、図２および図３に基づき、後に詳述する。
【００３７】
このようなプラズマ発生ユニットＰＵには、上記の構成要素の他、マイクロ波μを導波管２０の遠端側において反射するスライディングショート、導波管２０に放出されたマイクロ波μのうち反射マイクロ波がマイクロ波発生装置１０に戻らないよう分離するサーキュレータ、このサーキュレータで分離された反射マイクロ波を吸収するダミーロード、およびインピーダンス整合を行うスタブチューナ等を具備させるようにしても良い。
【００３８】
チャンバーＴは、ワークＷに対する滅菌処理を行うためのチャンバーである。このチャンバーＴは、チャンバー本体５０と、チャンバー本体５０の内部に収納され、ワークＷを載置するためのワークトレイ５１とを備えている。
【００３９】
チャンバー本体５０には、プラズマ化されたガスＧの導入孔５２と、処理後のガスを換気するインレット５４およびアウトレット５５とが備えられている。ガス導入孔５２には、プラズマ発生部３０で発生された前記ガスＧをチャンバー本体５０の内部へ導くためのステンレスチューブ５３が接続されている。ワークトレイ５１は、例えばメッシュ状の金属トレイからなる。
【００４０】
このように構成されたワーク処理装置Ｓの使用態様の一例は次の通りである。例えば医療用器具などのワークＷを、ワークトレイ５１に載置してチャンバー本体５０内に収納する。その後、マイクロ波発生装置１０を起動してマイクロ波μを発生させると共に、プラズマ発生ノズル３０へ処理ガスを供給する。ここでの処理ガスとしては、酸素、水素、窒素、アルゴン、フロンなどの励起ガスに、過酸化水素水、アンモニア水、水などの水素成分を有するミストを混合させたものを用いることができる。
【００４１】
前記マイクロ波μは、導波管２０の内部でプラズマ電極４０により受信される。受信されたマイクロ波μのエネルギーは、前記処理ガスのプラズマ化のために消費され、これによりプラズマ発生ノズル３０でプラズマ化されたガスＧが生成される。このガスＧは、ステンレスチューブ５３を介してチャンバー本体５０内に導入される。プラズマ化によりガスＧは高い反応性をもつ水酸基ラジカルや酸素ラジカル等を含み、ワークＷに付着している微生物に作用してこれを死滅させる。
【００４２】
続いて、プラズマ発生ノズル３０の詳細構造について、図２および図３に基づいて説明する。図２は本発明の実施の一形態のプラズマ発生ノズル３０の断面図であり、図３はプラズマ発生ノズル３０の構成要素の分解図である。プラズマ発生ノズル３０は、プラズマ電極４０と、外側電極３１と、口金２５および固定具４４とを備えて構成されている。
【００４３】
前記プラズマ電極４０は、前述のように、そのアンテナ４１の側が導波管２０の内部空間（導波空間）Ｈを貫通し、内側電極４２の側が導波管２０の外部へ突出する態様で配置されている。導波管２０は、上下方向で対向する上面板２１および下面板２２、ならびに左右方向で対向する一対の側面板２３，２４で構成された、前述のような断面矩形の導波管である。詳細には、プラズマ電極４０は、このような導波管２０に対し、アンテナ４１の側が、導波管２０の内部空間Ｈを貫通すると共に上面板２１を貫通して先端が外部へ突出するように、また、内側電極４２の側が、下面板２２を貫通して外部へ所定長だけ突出し、筒状の外側電極３１で外囲されるように各々配置されている。
【００４４】
プラズマ電極４０は、筒状の保持部材４３によって保持されている。この保持部材４３は、プラズマ電極４０の位置決めの役目、および該プラズマ電極４０が後述する接地点Ｐ以外の部位で導波管２０や外側電極３１と接触することを防止する役目を果たす。保持部材４３は、マイクロ波透過性の部材であって、絶縁性の材料で形成される。好ましくは、ポリプロピレン樹脂やフッ素樹脂等の耐熱性樹脂、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やセラミック等の低誘電率の絶縁材料を用いることができる。
【００４５】
保持部材４３は、プラズマ電極４０の長手方向の中央付近外周と密着接合している充実部４３１と、プラズマ電極４０のアンテナ４１部分の外周に空間４３３を置いて配置されている中空部４３２とを備える。充実部４３１はプラズマ電極４０を保持すると共に導波管２０の下面板２２と接触することを抑止し、中空部４３２はプラズマ電極４０が上面板２１および口金２５と接触することを抑止している。保持部材４３は、導波管２０を上下方向に貫通する態様で組み付けられ、その上端４３４が上面板２１から上方へ突出し、下端４３５が下面板２２から下方へ突出している。
【００４６】
外側電極３１は、金属ブロックからなり、その内部空間３２に前記プラズマ電極４０の内側電極４２が同心状に配置されて前記内側電極４２との間に筒状空間を形成し、該筒状空間を通るガス流を形成可能とするものである。導波管２０に対して外側電極３１は、その上端面３３が導波管２０の下面板２２の外表面と接するように取付けられ、保持部材４３の下端４３５の側が内部空間３２の上部に入り込む。
【００４７】
外側電極３１には、処理ガスを供給するためのガス供給孔３５（ガス供給部）が設けられている。ガス供給孔３５は、内部空間３２と連通しており、図略のガス供給管が接続される。また、外側電極３１の側周壁には、図略の冷却管を取り付けるための凹部３６が設けられている。前記冷却管は、プラズマの発生により高温となる外側電極３１を冷却するためのものである。
【００４８】
このように前記のプラズマ電極４０を内側電極４２とし、同心状に接地された外側電極３１を備え、環状のプラズマ吹出し口を有することで、両電極３１，４２間にマイクロ波μによる電界を印加すると、アーク放電ではなく、グロー放電を生じさせることができる。したがって、それらの同心状の電極３１，４２間に外部の供給管から処理ガスを供給することで、その処理ガスをプラズマ化して前記環状のプラズマ吹出し口から被処理物となるワークＷに照射することができる。
【００４９】
口金２５は、固定具４４を装着させるために設けられ、導波管２０の上面板２１の外表面に取り付けられている。口金２５は、貫通孔２５１を有する円筒状の部材であり、該貫通孔２５１には、保持部材４３の上端４３４の側が収納されている。
【００５０】
固定具４４は、金属材料で形成され、プラズマ電極４０の上面板２１からの突出部を保持してプラズマ電極４０を吊止するための部材である。固定具４４は、ビス等で口金２５の上面と密着固定される円形のフランジ部４４１と、前記フランジ部４４１の中心に突設される支持部４４２と、前記支持部４４２を上下方向に貫通する保持孔４４３と、支持部４４２の周面に設けられ、保持孔４４３と連通する止め孔４４４を備えている。
【００５１】
保持孔４４３には、プラズマ電極４０のアンテナ４１が摺接状態で挿通されている。止め孔４４４には図略の止めネジが螺合され、これによりプラズマ電極４０のアンテナ４１の側が固定具４４に対して固定（吊止）される。プラズマ発生ノズル３０の組立てに際しては、保持部材４３が被着されたプラズマ電極４０を予め固定具４４に固定しておき、これを導波管２０の口金２５が装着された部位へ嵌め込み、口金２５に固定具４４を固着する方法を取ることができる。そして、プラズマ電極４０を交換する場合は、口金２５から固定具４４を取り外し、プラズマ電極４０と共に固定具４４を抜き出すようにすれば良い。
【００５２】
このように構成されたプラズマ発生ノズル３０において、本実施形態では、プラズマ電極４０のアンテナ４１が接地されている。具体的には、図２に模式的に示しているように、プラズマ電極４０のアンテナ４１の側を吊止固定する固定具４４が接地されている。プラズマ電極４０は、固定具４４による固定部以外の部位において他の導電性部材と接触していない。このためプラズマ電極４０は、固定具４４による固定部を接地点Ｐとする、片端接地のアンテナとして機能することとなる。なお、このアンテナ４１における接地点は適宜設定しても良く、例えば固定具４４による固定部よりも下側の位置において、アンテナ４１を導波管２０へ導通させることで、接地点を形成しても良い。
【００５３】
ここで、プラズマ電極４０の接地点Ｐから内側電極４２方向の長さＬは、導波管２０内の波長λ０のマイクロ波μを受信したプラズマ電極４０を伝搬するマイクロ波の波長をλとするとき、３λ／４の長さに選ばれている。
【００５４】
図４は、上述のようなプラズマ電極４０と、そのプラズマ電極４０を伝搬するマイクロ波μとの結合関係を示す模式的な図である。片端が接地されたプラズマ電極４０は、受信するマイクロ波の１／４波長の奇数倍となる長さで電気的に共振することになる。このため、プラズマ電極４０の長さ方向、つまり接地点Ｐからの突出方向の電圧分布は、図４に示すように、該接地点Ｐとλ／２の位置とがゼロとなり、λ／４及び３λ／４の位置で最大となるカーブとなる。このため、前述のようにプラズマ電極４０の接地点Ｐからの長さＬを３λ／４の長さとすることで、内側電極４２における電界強度を高強度とすることができる。これにより、内側電極４２付近を通過する処理ガスに高いエネルギーを与えることができ、プラズマを効率的に発生させることができる。
【００５５】
ここで、共振は１／４波長の奇数倍となる長さで表れるので、プラズマ電極４０の長さＬは、次の一般式により設定することができる。
【００５６】
Ｌ＝（２ｎ−１）λ／４  （但し、ｎは整数）
なお、上記の一般式で導出される長さＬから多少ズレた長さＬ′であっても、比較的強い電界強度が得られる場合は、プラズマ電極４０をその長さＬ′に設定しても良い。
【００５７】
上述の通り構成されたプラズマ発生ノズル３０によれば、導波管２０内にマイクロ波μが伝搬されると、このマイクロ波μはプラズマ電極４０で受信される。その結果、プラズマ電極４０の内側電極４２の近傍に電界集中部が形成されるようになる。かかる状態で、外側電極３１のガス供給孔３５から処理ガスが供給されると、内側電極４２の近傍で処理ガスが励起されてプラズマ（電離気体）が発生する。このようにしてプラズマ化された処理ガスＧは、ガス供給孔３５から与えられるガス流によりプルームとして外側電極３１の筒状空間３２の下端から放射される。
【００５８】
以上説明した本実施形態に係るプラズマ発生ノズル３０によれば、プラズマ電極４０のアンテナ４１の側は、導波管２０内を伝搬するマイクロ波μを受信するべく導波管２０の内部に導入されているが、アンテナ４１が接地されることから、導波管２０内においてプラズマ電極４０に電界集中部が形成されることはない。したがって、導波管２０内でグロー放電が生じることは無い。一方、内側電極４２は、接地点Ｐからは突出端となり、該接地点Ｐからの長さＬが３λ／４に選ばれているので、電界集中部となる。このため、処理ガスをプラズマ化するためのエネルギーを、内側電極４２において確実に与えることができる。したがって、本来プラズマを発生させるべき内側電極４２の側で、確実にプラズマを発生させることができる。また、プラズマ電極４０の導波管２０への取り付けに際し、導波管内放電を回避するためのシビアな調整管理等を不要とすることができる。
【００５９】
また、プラズマ電極４０が、絶縁性を有し、円筒状に形成される保持部材４３を介して前記外側電極３１内に保持され、前記保持部材４３の導波管２０内における中空部４３２が把持部となる一方、口金２５には点検口となる貫通孔２５１を形成しておき、その貫通孔２５１を覆う固定具４４にアンテナ４１の先端を吊止めすることで、固定具４４を導波管２０から取外すことで、保持部材４３にプラズマ電極４０を取外すことができ、被照射対象物（ワークＷ）側から交換を行う場合に比べて、該プラズマ発生ノズル３０が取付けられた導波管２０を取外したりするような必要はなく、極めて容易に交換を行うことができる。また、作業者は、前記保持部材４３を把持して、プラズマ電極４０に手や工具で触れることなく、該プラズマ電極４０を交換することができ、該プラズマ電極４０への傷付きを防止することができるとともに、専用工具を用いることなく交換を行うことができる。そして、プラズマ電極４０を吊止めしている固定具４４から、該プラズマ電極４０を接地することもできる。
【００６０】
上記のように構成されるプラズマ発生ノズル３０において、注目すべきは、プラズマ電極４０は、ロッド状で導電性を有する基材部４０１に対して、少なくとも外側電極３１との間で放電を行う下方端４２１の表層に、セラミック溶射層４９が形成されてなることである。
【００６１】
前記溶射とは、材料を加熱・溶解し、被施工物（基材）に吹き付け、皮膜を形成することで、その表面を処理する方法の一種である。加熱の熱源としては、高温の燃焼炎やプラズマなどを用いることができる。この熱源によって材料（溶射材料）は液滴化され、基材や皮膜上に吹付けられる。なお、基材と溶射粒子との密着強度は、溶接などに比べて小さいので、施工前にブラスト処理によって基材部４０１の表面を荒し、機械的な噛み合わせによる密着強度の向上を図る必要がある。また、塗装などと同様に、マスキングによって、図２や図３で示すように、対象物の特定の部分のみに施工可能である。
【００６２】
このように構成することで、前記セラミック溶射層４９が内側電極４２の下方端４２１に密着して該下方端４２１を安定して覆い、前記放電に対して、基材部４０１（内側電極４２）の蒸発や酸化を抑えることができる。これによって、プラズマ電極４０を長寿命化することができる。また、このようなプラズマ発生ノズル３０を用いることで、ワーク処理装置Ｓも長寿命化することができる。
【００６３】
好ましくは、基材部４０１がチタンからなり、前記セラミック溶射層４９がアルミナからなる。これは、放電に対して前記内側電極４２の下方端４２１に密着して該下方端４２１を安定して覆うことができるセラミック溶射層４９に対応して、基材部４０１として、熱膨張係数の近いチタンを用いるためである。このように構成することで、高温になるプラズマ電極４０において、セラミック溶射層４９の温度ストレスによる損傷を抑え、より長寿命化を図ることができる。
【００６４】
具体的には、基材部４０１として、前述のように真鍮、アルミ、銀、銅などの良導電性の金属を用いた場合に比べて、融点や沸点が高いタングステンを使用することで、電極金属の蒸発が抑えられ、長寿命化を図ることができる。しかしながら、前述のようにタングステンの酸化粉が発生する。そこで、酸化防止の一般的な手法として、タングステン表面に数μｍ程度炭素を含侵させることで、暫くの間、例えばアンテナ４０で受信するマイクロ波のエネルギーが１００Ｗとして、３００時間程度は、クラス１０以下にパーティクルの発生を抑えることができる。しかしながら、その時間が過ぎると、炭化層が徐々に剥がれ、前記の酸化粉が発生する。
【００６５】
これに対して、本実施の形態のように、チタンの基材部４０１に、アルミナのセラミック溶射層４９を形成した場合、２０００時間を超える寿命を確保することができた。表１に、本願発明者の実験結果を示す。マイクロ波エネルギーは前述のように１００Ｗ、使用した処理ガスはクリーンなドライエアで、流量は１５ＬＰＭであった。評価は、電極先端への付着物の付着の有無である（その付着物がノズルから飛び出し、ワークに付着することになる）。
【００６６】
【表１】
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【００６７】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の他の形態に係るプラズマ発生ノズル３０ａの断面図である。このプラズマ発生ノズル３０ａは、前述のプラズマ発生ノズル３０に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、このプラズマ発生ノズル３０ａでは、プラズマ電極４０ａが、前記基材部４０１に、該基材部４０１よりも導電性の高いコート層４０２がコーティングされ、さらに前記セラミック溶射層４９が積層（被膜形成）されて構成されていることである。
【００６８】
これは、前述のようにセラミック溶射層４９を形成してパーティクルを抑えることで、２０００時間を超えるプラズマ電極４０の長寿命化を実現できるものの、プラズマを消灯状態から点火させる際に、マイクロ波μの受信から実際にプラズマ点火するまでに該プラズマ電極４０内を行き来するマイクロ波電流が、該プラズマ電極４０ａ内の抵抗成分によってジュール熱となり、保持部材４３の劣化（溶融や焦げ付き）を招くためである。
【００６９】
前記基材部４０１は、前述のように溶射層４９のアルミナに熱膨張係数の近いチタンであり、前記コート層４０２は、例えば金層で、１μｍ以上の厚さにコーティングされる。前記点火までのマイクロ波電流は、表皮効果によって、該プラズマ電極４０ａの表層、２〜３μｍを流れる。このように構成することで、プラズマ点火の繰返しによる保持部材４３の劣化を抑え、該プラズマ電極４０ａの一層の長寿命化を実現することができる。
【００７０】
表２に、本願発明者の実験結果を示す。実験条件は前述の表１の場合と同様で、３０秒点火すると３０秒消灯する動作を加えた。なお、保持部材４３の材料には、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を用いている。この実験結果から理解されるように、コーティング無しでは、数十回から焦げ付きが発生し、長く使えたとしても１０００回が限界であるのに対して、前記コーティングを施すことで、４０００回を超えても変化はなく、著しく耐久性を向上することができる。
【００７１】
【表２】
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【００７２】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施のさらに他の形態に係るプラズマ発生ノズル３０ｂの断面図である。このプラズマ発生ノズル３０ｂは、前述のプラズマ発生ノズル３０に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、このプラズマ発生ノズル３０ｂでは、プラズマ電極４０ｂの内側電極４２の下方端４２１の端面中央に、凹所４２２が形成されていることである。
【００７３】
これは、前述のように該プラズマ電極４０ｂの基材部４０１がチタンからなり、前記内側電極４２の下方端４２１の端面を旋盤などで平面に切削加工すると、図７（ａ）で拡大して示すように、その中央に突起４２３が残されてしまうためである。この突起４２３が残されてしまうと、この部分に電界が集中し、前記アルミナからなるセラミック溶射層４９が溶解し、或いは割れを生じる。そこで、図７（ｂ）で拡大して示すように、突起４２３部分を取り除くために、前記下方端４２１の端面中央を彫り込み、前記凹所４２２を形成している。
【００７４】
これによって、前記電界集中部は、前記下方端４２１の外周端縁４２４に、前記凹所４２２の端縁４２５に分散され、該下方端４２１の温度上昇を抑えて、前記セラミック溶射層４９の損傷を防止し、より長寿命化を図ることができる。前記外周端縁４２４および端縁４２５は、面取りが施されていてもよい。
【００７５】
以上、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生ノズル３０，３０ａ，３０ｂ、プラズマ発生ユニットＰＵ及びワーク処理装置Ｓについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば下記の実施形態を取ることができる。
（１）上記実施形態では、導波管２０に１本のプラズマ発生ノズル３０を取り付ける例を示したが、複数本設けるようにしても良い。その場合、直線状の導波管２０に複数のプラズマ発生ノズル３０も一直線上に配置するのではなく、千鳥状や、並列に２列設けるようにしても良い。このようなノズル配置は、導波管２０の幅やプラズマ発生ノズル３０の配置ピッチ、マイクロ波の波長等を適正化することで実現可能である。
（２）上記実施形態では、プラズマ発生ユニットＰＵが適用されるワーク処理装置Ｓの例として滅菌装置を例示した。この他、プラズマ発生ユニットＰＵは、他のワーク処理装置、例えば半導体ウェハ等の半導体基板に対するエッチング処理装置や成膜装置、プラズマディスプレイパネル等のガラス基板やプリント基板の清浄化処理装置、タンパク質の分解装置等にも好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１０  マイクロ波発生装置
２０  導波管
２５  口金
３０，３０ａ，３０ｂ    プラズマ発生ノズル
３１  外側電極
３２  内部空間
３５  ガス供給孔
４０，４０ａ，４０ｂ    プラズマ電極
４０１  基材部
４０２  コート層
４１  アンテナ
４２  内側電極
４２１  下方端
４２３  凹所
４２４  外周端縁
４２５  端縁
４３  保持部材
４４  固定具
４９  セラミック溶射層
Ｓ  ワーク処理装置
ＰＵ  プラズマ発生ユニット（プラズマ発生装置）
Ｔ  滅菌チャンバー
Ｗ  ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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