(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波誘導コイルを巻装した電気絶縁管の内部にプラズマガスを導入し、高周波誘導コイルに高周波電流を通電して前記ガスをプラズマ化して用いる誘導結合プラズマ装置において、
高周波誘導コイルが複数の単巻きコイルからなり、かつこれらの単巻きコイルにそれぞれ独立に高周波電流を通電する高周波電流通電手段を備えてなることを特徴とする誘導結合プラズマ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の誘導結合プラズマ装置において、前記高周波電流通電手段が、１台の高周波電源と、該高周波電源で得られる高周波電流を複数の単巻きコイルに分配する高周波電流分配器と、高周波電流分配器により分配して得られた高周波電流を各単巻きコイルに送る複数の電流輸送導体と、高周波電流の供給量を制御するインピーダンス調整器とからなることを特徴とする誘導結合プラズマ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の誘導結合プラズマ装置において、前記高周波電流通電手段が、複数の単巻きコイルに対してそれぞれ独立して設けられた複数の高周波電源と、各高周波電源と各単巻きコイルとを連結する複数の電流輸送導体と、高周波電流の供給量を制御するインピーダンス調整器と、複数の高周波電源の発振を調整する発振位相調整器とからなることを特徴とする誘導結合プラズマ装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の誘導結合プラズマ装置において、前記のインピーダンス調整器が、電流輸送導体に設けられた切り欠きよりなることを特徴とする誘導結合プラズマ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波誘導結合を用いて熱プラズマを発生する誘導結合プラズマ装置に係わり、特にプラズマ出力の効率が高く、寿命の長い構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ，以下ＩＣＰと略記する）装置は、電気絶縁管に同軸に高周波誘導コイルを巻装し、高周波誘導コイルに高周波電流を通電して電気絶縁管の内部に導入したガスをプラズマ化して用いる装置である。
【０００３】
図５は、従来より用いられている誘導結合プラズマ装置（ＩＣＰ装置）の基本構成図である。図において、１は円筒状の電気絶縁管である。２は電気絶縁管１に同軸状に巻かれた高周波誘導コイルで、通常３〜４ターン巻装して構成されている。また、３は高周波電源、４はインピーダンス調整器、５は電流輸送導体である。本構成において、電気絶縁管１の一端よりプラズマガスを導入し、高周波電源３の出力電流をインピーダンス調整器４により調整して得られる高周波電流を、電流輸送導体５を通して高周波誘導コイル２に通電し、高周波磁界を発生させる。電気絶縁管１に導入されたプラズマガスは、発生した高周波磁界の電磁誘導で生じる電界によりプラズマ化される。得られるプラズマ出力１０は、電界の強さと形状、ならびに電気絶縁管１に導入されるプラズマガスの径方向および周方向流量を制御することにより、発散形状や絞られたフレア状に形成される。
【０００４】
なお、ＩＣＰ装置は、ＤＣトーチと組み合わせてハイブリッド型トーチとして利用したり（特開昭６２−２９８８０  号参照）、安定化し長寿命化するために多段に組み合わせて用いられる例（特開昭６１−１６１１３８号参照）もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとく、ＩＣＰ装置では、電気絶縁管に同軸に高周波誘導コイルを巻装し、高周波電流を通電して高周波磁界を発生させ、発生した磁界の電磁誘導作用により形成される電界を用いて電気絶縁管に導入したガスをプラズマ化して用いている。したがって、得られるプラズマの形状は電界を生じる高周波磁界の形状、すなわち高周波誘導コイルの形状によって左右される。
【０００６】
これに対して従来のＩＣＰ装置においては、図５に示したごとく高周波誘導コイル１が３〜４ターンの複数巻きのコイルにより形成されているので、高周波誘導コイル２を電気絶縁管１に同軸に配しても、高周波誘導コイル２の導体は螺旋状に巻装され、電気絶縁管１の横断面に対して傾斜を持つこととなり、この導体を流れる高周波電流により生じる高周波磁界は電気絶縁管１の軸方向に対して傾斜を持つこととなる。さらにこのような複数巻きのコイルでは、巻き始めと巻き終わりが上端と下端に配されるので、この部分を流れる電流により生じる磁界は非対象に傾いて形成される。したがって、この高周波磁界の電磁誘導で生じるプラズマ生成用の電界が歪んだり、傾いたりすることとなり、特に下端部での磁界の傾きは電界の形状の偏りに大きな影響を及ぼす。このため、従来のＩＣＰ装置では、生成したプラズマ形状が同軸状にならず電気絶縁管１に偏って生成され、壁面での損失が大きくなってプラズマ出力の効率が低下する事態が生じたり、あるいは、プラズマ出力を上昇させるために高周波電流を増大させると、偏ったプラズマのエネルギーが増大して電気絶縁管１や周辺の構成部品が破損してしまう事態に至る危険性がある。
【０００７】
本発明の目的は、上記のごとき従来の難点を解消し、プラズマ生成電界の歪みが抑制され、絶縁管等の構成部品の損傷の恐れがなく、高効率で、高出力の運転が可能な誘導結合プラズマ装置（ＩＣＰ装置）を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
高周波誘導コイルを巻装した電気絶縁管の内部にプラズマガスを導入し、高周波誘導コイルに高周波電流を通電して前記ガスをプラズマ化して用いるＩＰＣ装置において、
（１）高周波誘導コイルを複数の単巻きコイルから形成し、かつこれらの単巻きコイルにそれぞれ独立に高周波電流を通電する高周波電流通電手段を備えることとする。
【０００９】
（２）さらに、（１）の高周波電流通電手段を、１台の高周波電源と、該高周波電源で得られる高周波電流を複数の単巻きコイルに分配する高周波電流分配器と、高周波電流分配器により分配して得られた高周波電流を各単巻きコイルに送る複数の電流輸送導体と、高周波電流の供給量を制御するインピーダンス調整器とから構成することとする。
【００１０】
（３）あるいは、（１）の高周波電流通電手段を、複数の単巻きコイルに対してそれぞれ独立して設けられた複数の高周波電源と、各高周波電源と各単巻きコイルとを連結する複数の電流輸送導体と、高周波電流の供給量を制御するインピーダンス調整器と、複数の高周波電源の発振を調整する発振位相調整器とから構成することとする。
【００１１】
（４）さらに、（２）または（３）のＩＣＰ装置において、電流輸送導体に切り欠きを設けて、インピーダンス調整器とする。
上記（１）のごとく、ＩＣＰ装置の高周波誘導コイルを複数の単巻きコイルから形成することとすれば、各単巻きコイルは、導体を電気絶縁管の横断面に平行に配して設置することができるので、電流ループの偏りや傾きが無くなり、発生する磁界の中心軸を電気絶縁管の中心軸に一致させて配することができる。特に、単巻きコイルでは導体の巻き始めと巻き終わりを電気絶縁管の横断面に平行な同一面内に配することができるので、従来の複数巻きのコイルのごとき巻き始めと巻き終わり部での発生磁界の偏りを生じることなく対象性に優れた磁界が得られる。したがって、高周波電流通電手段により複数の単巻きコイルのそれぞれに独立して高周波電流を通電することにより、所定の強度と形状を持ち、かつ偏りのない高周波磁界が形成されることとなり、さらに電磁誘導作用で生じる電界により偏りのないプラズマ出力が得られることとなる。
【００１２】
さらに、上記の（２）のごとくとすれば、高周波電流分配器により分配され電流輸送導体を通して各単巻きコイルに送られる高周波電流が、インピーダンス調整器により分配量を制御されるので、系統およびプラズマ負荷によって生じる電流バランスの崩れが防止され、１台の高周波電源で複数の単巻きコイルを効果的に駆動できることとなる。
【００１３】
また、上記の（３）のごとくとすれば、複数の単巻きコイルを駆動するそれぞれ専用の高周波電源が、発振位相調整器によって互いに発振協調・安定化されて駆動されるので、複数の高周波電源で複数の単巻きコイルが効果的に駆動されることとなる。
また、上記の（４）のごとくとすれば、コンダクタンスとインダクタンスの調整が容易にでき、複数の単巻きコイルに通電する高周波電流の調整をより効果的に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるＩＣＰ装置の第１の実施例を示す概略構成図で、（ａ）はＩＣＰ装置本体と高周波電流供給系の構成を示す基本構成図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ面におけるＩＣＰ装置本体の断面図である。
本実施例のＩＣＰ装置本体は、図に見られるように、円筒状の電気絶縁管１に３個の単巻きの高周波誘導コイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃを同心状に巻装して構成されている。電気絶縁管１には石英ガラス製の二重円筒が用いられており、二重円筒の中間層に冷却水を通して冷却する構成である。高周波誘導コイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃのコイル導体には、いずれも中空銅管が用いられており、内部に冷却水を通流し冷却して使用される。各コイルは、図示しない治具により、平面を電気絶縁管１の横断面に、また軸心を電気絶縁管１の軸心に一致させるよう調整して固定される。
【００１５】
また、本実施例においては、３個の単巻きの高周波誘導コイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃを１台の高周波電源３により駆動する方式が採られており、高周波電流を高周波電流分配器６により分配し、中空銅管製の電流輸送導体５によって各コイルに供給している。各コイルの電流バランスは、各系統に設けられたインピーダンス調整器４Ａ，４Ｂ，４Ｃの可変静電容量を調整することにより調整され、最適化される。すなわち、本方式を用いれば、利用効率を高めて１台の高周波電源で駆動できることとなる。なお、インピーダンスの調整にはインダクタンスを用いても良いが、負荷を含めた高周波系統全体のバランスから最適なインピーダンス調整素子を選択すればよい。
【００１６】
上記のごとく構成したＩＣＰ装置において、電気絶縁管１の一端からプラズマガスを導入して径方向と周方向に供給し、同時に高周波誘導コイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃに高周波電流を通電すると、生じる高周波磁界、したがって高周波磁界の電磁誘導により生じる電界が、電気絶縁管１と同軸に、かつ偏りを生じることなく形成され、プラズマ出力１０は電気絶縁管１の内部に同軸状に形成されるので、壁面での損失あるいは壁面の損傷等の恐れがなく、高効率でプラズマが生成されることとなる。
【００１７】
図２は、本発明によるＩＣＰ装置の第２の実施例を示す基本構成図である。
本実施例のＩＣＰ装置本体の構成は、図１に示した第１の実施例のＩＣＰ装置本体の構成と同一であり、本実施例の第１の実施例との差異は、３個の単巻きの高周波誘導コイル２Ａ，２Ｂ，２Ｃの駆動方式にある。すなわち、本実施例では、３個のコイルを３個の高周波電源３Ａ，３Ｂ，３Ｃにより駆動する方式を採っており、各電源より供給される高周波電流は、各系統に設けられたインピーダンス調整器４Ａ，４Ｂ，４Ｃにより調整される。また、複数の電源での駆動を効率よく行うために、発振位相調整器７によって電源の発振協調、安定化が図られている。
【００１８】
したがって、本構成のＩＣＰ装置においては、高周波電源３Ａ，３Ｂ，３Ｃが小型化でき、技術的難度の高いＭＨｚ域の大電流の供給が可能となり、誘導電流の大きさと周波数に比例するＩＣＰ装置の電界を大きくできるので、高出力のＩＣＰ装置が得られることとなる。
図３および図４は、本発明によるＩＣＰ装置の高周波電流供給系に用いられるインピーダンス調整器の実施例を示す外形図で、このうち、図３は板状の電流輸送導体５Ａに、切り欠き９Ａを設けてインピーダンス調整器としたもの、図４は管状の電流輸送導体５Ｂに、切り欠き９Ｂを設けてインピーダンス調整器としたものである。
【００１９】
このように切り欠き９Ａ，９Ｂを形成すれば、主に回路中のインダクタンスが増加され、特別な回路素子やこれを収めるシールドケースを設けることなく、簡単な構成により容易にプラズマ負荷に対する電力効率を上げることができることとなる。
【００２０】
【発明の効果】
上述のごとく、本発明によれば、
（１）ＩＣＰ装置を請求項１に記載のごとくに構成することとしたので、高周波誘導コイルの電流ループをプラズマ生成空間の横断面に一致して配することが可能となり、プラズマ生成電界の歪みが抑制されることとなったので、絶縁管等の構成部品の損傷の恐れがなく、高効率で、高出力の運転が可能なＩＣＰ装置が得られることとなった。
【００２１】
（２）さらに、請求項２に記載のごとくに構成することとすれば、複数の高周波誘導コイルを、利用効率を高めて１台の高周波電源で駆動できるので、構成部品の損傷の恐れがなく、高効率で、高出力の運転が可能なＩＣＰ装置として好適である。
（３）また、請求項３に記載のごとくに構成することとすれば、各電源が小型化でき、ＭＨｚ域の大電流の供給が可能となり、高出力のＩＣＰ装置が得られることとなる。
【００２２】
（４）また、請求項４に記載のごとくとすれば、容易にインピーダンスが調整され、簡単な構成により容易にプラズマ負荷に対する電力効率を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＩＣＰ装置の第１の実施例を示す概略構成図で、（ａ）はＩＣＰ装置本体と高周波電流供給系の構成を示す基本構成図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ面におけるＩＣＰ装置本体の断面図
【図２】本発明によるＩＣＰ装置の第２の実施例を示す基本構成図
【図３】本発明によるＩＣＰ装置の高周波電流供給系に用いられるインピーダンス調整器の実施例を示す外形図
【図４】本発明によるＩＣＰ装置の高周波電流供給系に用いられるインピーダンス調整器の他の実施例を示す外形図
【図５】従来より用いられているＩＣＰ装置の基本構成図
【符号の説明】
１    電気絶縁管
２    高周波誘導コイル
２Ａ    高周波誘導コイル
２Ｂ    高周波誘導コイル
２Ｃ    高周波誘導コイル
３    高周波電源
３Ａ    高周波電源
３Ｂ    高周波電源
３Ｃ    高周波電源
４    インピーダンス調整器
４Ａ    インピーダンス調整器
４Ｂ    インピーダンス調整器
４Ｃ    インピーダンス調整器
５    電流輸送導体
５Ａ    電流輸送導体
５Ｂ    電流輸送導体
６    高周波電流分配器
７    発振位相調整器
９Ａ    切り欠き
９Ｂ    切り欠き
１０    プラズマ出力
【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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