(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に超音波を照射して気泡を発生させるとともに、液体中で電磁波発生装置の先端より当該液体中に電磁波を継続的に照射して気泡中にプラズマを発生させる方法。
【請求項２】
前記液体が炭化水素を含むものである請求項１に記載のプラズマを発生させる方法。
【請求項３】
前記液体がドデカンを含むものである請求項２に記載のプラズマを発生させる方法。
【請求項４】
蒸着を行うべき基材を炭化水素を含む液体中でプラズマが発生する位置にいれ、基材表面にダイヤモンドを蒸着させる請求項２または請求項３に記載のプラズマを発生させる方法。
【請求項５】
前記液体が入った容器を真空容器に設置して減圧するものである請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のプラズマを発生させる方法。
【請求項６】
液体を入れる容器と、前記液体中に気泡を発生させる超音波発生装置と、前記液体中で前記液体に電磁波を継続的に照射する電磁波発生装置を備えたプラズマ発生装置。
【請求項７】
液体を減圧するための真空装置を有する請求項６に記載のプラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体中においてプラズマを発生させるための方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、プラズマを用いた蒸着技術として気相プラズマによる蒸着技術が幅広く利用されている。たとえば特開平１０−８１５８９号公開特許公報にはプラズマＣＶＤ法によってシリコンまたは立方晶シリコンカーバイトの表面にダイヤモンド膜を形成することが記載されている。
【０００３】
しかし、これらの方法では蒸着物質を大量に合成することは困難である。また、気相で高エネルギーのプラズマを発生させると高温になり、熱に弱い基板材料へ蒸着することはできない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、液体中において高エネルギーのプラズマを発生する方法および装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、本発明におけるプラズマを発生させる方法は、液体中に超音波を照射して気泡を発生させるとともに、液体中で電磁波発生装置の先端より当該液体中に電磁波を継続的に照射して気泡中にプラズマを発生させるものである。使用する液体は、炭化水素を含むものであってもよく、さらにはドデカンを含むものであってもよい。液体が入った容器を真空容器に設置して減圧するものであってもよい。そして、蒸着を行うべき基材を炭化水素を含む液体中でプラズマが発生する位置にいれ、基材表面にダイヤモンドを蒸着させるようにしてもよい。また、本発明におけるプラズマ発生装置は、液体を入れる容器と、前記液体中に気泡を発生させる超音波発生装置と、前記液体中で前記液体に電磁波を継続的に照射する電磁波発生装置を備えたものである。また、液体を減圧するための真空装置を備えてもよい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明に係るプラズマ発生方法および発生装置の実施の形態について図１に示す例を用いて説明する。プラズマ発生装置１の容器２には液体３が入れられる。液体は発生するプラズマの用途に応じて様々なものが選択できる。表面蒸着を行う場合には、蒸着物質の原料となる液体や蒸着物質の原料を含む溶液等を使用する。また、ダイヤモンド膜を蒸着するために、ダイヤモンドの原料となる炭素を含む液体が使用でき、特に水素を含む炭化水素を使用すると蒸着時にダイヤモンド層中に発生するグラファイトを還元して排除するため純粋なダイヤモンド膜の蒸着に有利である。特にドデカン（Ｃ１２Ｈ２６）は室温でも液体でありかつ粘性が小さく超音波や電磁波が減衰しにくいので有効である。液体３の中にはホーン型振動子を用いた超音波発生装置４の先端が入れられ、液体中に超音波が照射される。この超音波によって液体中に多数の気泡が雲状に発生する。気泡の中にはドデカン等液体３の物質が気相で入っているが、気泡内部の気体は超音波によって急速に拡大収縮を繰り返す。収縮時にはほぼ断熱圧縮となり、気泡内では超高圧高温となりプラズマが発生しやすい状態となる。本発明に係るプラズマ発生装置には電磁波発生装置５が設けられており、液体３の中の気泡が発生する位置に電磁波を照射するようになっている。電磁波としては、発生させようとするプラズマの種類や強度等によって周波数や出力を選択すればよいが、主に２ＧＨｚ程度かそれ以上のマイクロ波が用いられる。超音波により高温高圧になっているところに電磁波を重畳することにより気泡中に高エネルギーのプラズマが発生する。なお、本実施形態において容器２は真空容器６内に収められており、真空ポンプ７により減圧できるようになっている。減圧することは必ずしも必要ではないが、減圧することによりプラズマの発生の開始を容易にすることができる。いったんプラズマが発生して安定したら、多くの場合は真空ポンプを停止して大気圧に戻してもプラズマは継続する。
【０００７】
以上のようにして、液体中で高密度の高エネルギープラズマを発生させることができる。プラズマは既に気泡中に封じ込まれており、プラズマ技術における大きな課題である発生したプラズマの封じ込めは本発明においては問題にならない。局所的には高温高圧のプラズマが発生しているが、熱容量の大きな液体中に閉じ込められており巨視的にみれば低温である。したがって外部やプラズマに接触するものを加熱することがない。このようにして発生したプラズマは高温高圧であってエネルギー密度が高く、しかも取り扱いが容易であるので、蒸着や物質の化学合成、あるいは核融合等に利用可能である。さらに、高エネルギー状態での電気分解にも応用ができ、ダイオキシン等有害物質の分解に利用することもできる。音響キャビテーションによる気泡として単気泡（シングルバブル）と多気泡（マルチバブル）があり、本発明は両者に適用できる。単気泡では全体のエネルギーは小さくなるが、気泡内において超音波照射だけでも１００００Ｋ〜１０００００Ｋという高エネルギー状態が得られ、核融合等の反応炉として有効である。一方、多気泡ではやや低温になり超音波照射のみで５０００Ｋ程度であるが、全体のエネルギー量は大きく、蒸着加工等の工業的利用に有利である。なお、超音波を照射せずに電磁波のみを照射してもプラズマは発生するが、このためには大きな出力の電磁波を必要とし、また得られるプラズマはエネルギーの低い実用性に乏しいものである。本発明に係るプラズマ発生装置は簡易であるとともに小型であり、机上に置けるほどの大きさに作ることができる一方、超音波発生装置や電磁波発生装置に高出力のものを用いて大規模なものとすることもできる。
【０００８】
【実施例】
図２に本発明に係るプラズマ発生方法および発生装置の第１の実施例を示す。本実施例は本発明をダイヤモンド等の蒸着に適用した例である。容器２の中には純度の高いドデカン３が入れられており、ドデカン中にはホーン型振動子を用いた超音波発生装置４と電磁波発生装置５の先端が近接して設けられており、それぞれ超音波とマイクロ波をドデカン中に照射する。また、容器の底部には基板取付け部８が設けられており基板９を取り付けるようになっている。超音波およびマイクロ波は基板９の表面付近に集中して照射され、基板９の付近で気泡雲およびプラズマが発生するようになっている。マイクロ波は２．５ＧＨｚを１２０Ｗの出力で照射した。超音波発生装置４は１９．５ｋＨｚ、出力が０〜６００Ｗのものを用いた。真空ポンプを作動させて、圧力を１０〜１０００ｈＰａで変化させた。超音波とマイクロ波を照射すると目視で確認できるほど強いプラズマの発光が得られた。圧力を１０〜１００ｈＰａにしているときは白色発光プラズマが、圧力を１００〜１０００ｈＰａにしているときは橙色発光プラズマが確認された。プラズマの発生を開始させるときには減圧するほうがプラズマの発生が容易になるが、発生したプラズマが安定したら減圧を止めて大気圧に戻してもプラズマは継続する。このようにして発生したプラズマは超音波とマイクロ波の照射を続ける限り長時間に渡って継続することができる。
【０００９】
超音波とマイクロ波の照射後、ドデカンから生成された褐色の溶解物および黒色の難溶性物質が存在していた。液相では気相に比べて分子密度が非常に高いので、気体での蒸着法よりはるかに速い合成速度が得られる。また、液中で蒸着させることにより液体による冷却効果があり、熱に弱い物質を基板として用いることができ、プラスチックや紙、木材等従来では考えられなかったような材料の表面への蒸着加工も可能となる。ドデカン等の炭化水素中で高エネルギープラズマを発生させてダイヤモンドの合成および蒸着を行うことができ、フラーレンやカーボンナノチューブの合成を行うこともできる。さらに、ドデカン以外にも各種の液体を使って、ＴｉＣ、ＳｉＮ、ＴｉＮなどのコーティングもできる。なお、プラズマは継続できるので、基板取り付け部を可動にして、基板の表面の広い範囲に蒸着を行うこともできる。
【００１０】
次に、本発明のプラズマ発生方法の第２の実施例について説明する。本例においても図２に記載したプラズマ発生装置を使用したが、液体としてドデカンの代わりに灯油を用いた。プラズマを発生させるのはドデカンよりやや困難であったが、プラズマが発生した後は安定して継続した。本実施例においても白色に発光する高エネルギープラズマが確認された。灯油は主成分がドデカンであるが、その他ドデカンよりも分子量の小さい炭化水素や分子量の大きい炭化水素が混在しており、灯油において高エネルギーのプラズマを得られたことは、本発明が多成分混合液体においても有効であることを示すものである。
【００１１】
【発明の効果】
本発明のプラズマ発生方法およびプラズマ発生装置は、液中でプラズマを発生させることにより、巨視的には低温で取り扱いやすいプラズマ技術を提供するという効果がある。低温条件下でプラズマを発生させるので安全であり、本発明を蒸着加工に適用した場合には、熱に弱い材料の表面にも蒸着加工ができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ発生装置の例を示す断面図である。
【図２】本発明のプラズマ発生装置の別の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１．プラズマ発生装置
２．容器
３．液体（ドデカン）
４．超音波発生装置
５．電磁波発生装置
６．真空容器
７．真空ポンプ
８．基板取付け部
９．基板
【図１】
0003624238.tif 000002
【図２】
0003624238.tif 000003