(57)【要約】【課題】大気圧大面積プラズマ発生装置を提供する。【解決手段】本発明による大気圧大面積プラズマ発生装置は、発振周波数が可変なＶＣＯ回路，マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間可変のパルス回路を含むマイクロ波発振器１と、アイソレータと増幅器を含むマイクロ波変調器２と、前記マイクロ波変調器２の出力に接続されているユニット化した複数のマイクロ波電力増幅器と、前記各マイクロ波電力増幅器にそれぞれ接続され、それぞれにプラズマ発生用ガスが導入されている同軸共振ヘッドよりなるプラズマガスを発生する複数のマイクロ波プラズマ発生源４と、前記複数のマイクロ波プラズマ発生源４を特定の空間に向けて配列する支持構造と、前記プラズマ発生源４に関連して配置されているプラズマセンサと、制御装置５から構成されている。【選択図】図１Ａ
2006156100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧下でプラズマ生成用ガスを励起するマイクロ波励起プラズマガス発生装置であって、
発振周波数が可変なＶＣＯ回路，マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間可変のパルス回路を含むマイクロ波発振器と、
前記マイクロ波発振器に接続されているアイソレータと増幅器を含むマイクロ波変調器と、
前記マイクロ波変調器の出力に接続されているユニット化した複数のマイクロ波電力増幅器と、
前記各マイクロ波電力増幅器にそれぞれ接続され、それぞれにプラズマ発生用ガスが導入されている同軸共振ヘッドよりなるプラズマガスを発生する複数のマイクロ波プラズマ発生源と、
前記複数のマイクロ波プラズマ発生源を特定の空間に向けて配列する支持構造と、
前記特定の空間に前記プラズマ発生源に関連して配置されているプラズマセンサと、
前記プラズマセンサの出力が接続されており、前記発生源のプラズマ発生の前後のプラズマ振動モードにおけるモードの変化の影響で発生する発振周波数の変化を抑制するとともに、電磁場の分布の変化を利用して電源とプラズマ発生源とのカップリングを最適にする構造を有し、マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間を制御して前記マイクロ波電力増幅器の出力を制御し、供給電力を制御するプログラムを有し、前記プログラムにしたがって制御信号を前記マイクロ波発振器，前記マイクロ波変調器または前記マイクロ波電力増幅器に接続する制御装置と、
から構成する大気圧大面積プラズマ発生装置。
【請求項２】
大気圧下でプラズマ生成用ガスを励起するマイクロ波励起プラズマガス発生装置であって、
発振周波数が可変なＶＣＯ回路，マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間可変のパルス回路を含むマイクロ波発振器と、
前記マイクロ波発振器に接続されているアイソレータと増幅器を含むマイクロ波変調器と、
前記マイクロ波変調器の出力に接続されているユニット化した複数のマイクロ波電力増幅器と、
空洞内または、空洞の一部にプラズマ生成用ガスが導入され、マイクロ波電力増幅器からの電力を前記空洞に供給する複数の結合アンテナが空洞壁に配置されている空洞共振器と、
前記空洞共振器の複数のアンテナとプラズマガス生成位置に関連して配置されている複数のプラズマセンサと、
前記発生源のプラズマ発生の前後のプラズマ振動モードにおけるモードの変化の影響で発生する発振周波数の変化を抑制するとともに、電磁場の分布の変化を利用してカップリングを最適にする構造を有し、マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間を制御して前記マイクロ波電力増幅器の出力を制御し、供給電力を制御するプログラムを有し、
前記プログラムにしたがって制御信号を前記マイクロ波発振器，前記マイクロ波変調器または前記マイクロ波電力増幅器に接続する制御装置と、
から構成する大気圧大面積プラズマ発生装置。
【請求項３】
前記アンテナは、前記空洞の壁に隣接するアンテナ間の距離が励起マイクロ波の管内波長の４分の１程度の距離を保って二次元配置されている請求項２記載の大気圧大面積プラズマ発生装置。
【請求項４】
大気圧下でプラズマ生成用ガスを励起するマイクロ波励起プラズマガス発生装置であって、
発振周波数が可変なＶＣＯ回路，マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間可変のパルス回路を含むマイクロ波発振器と、
前記マイクロ波発振器に接続されているアイソレータと増幅器を含むマイクロ波変調器と、
前記マイクロ波変調器の出力に接続されているユニット化した複数のマイクロ波電力増幅器と、
対向する細長いギャップで結合する一対の空洞よりなり、前記ギャップ間に前記ギャップに直交する方向にプラズマ生成用ガスを通過させる誘電体通路をもち、マイクロ波電力増幅器からの電力を前記空洞に供給する複数の結合アンテナが空洞壁に配置されている空洞共振器と、
前記誘電体通路のプラズマガス排出口に配置されている複数のプラズマセンサと、
前記プラズマセンサの出力が接続されており、
前記発生源のプラズマ発生の前後のプラズマ振動モードにおけるモードの変化の影響で発生する発振周波数の変化を抑制するとともに、電磁場の分布の変化を利用してカップリングを最適にする構造を有し、マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間を制御して前記マイクロ波電力増幅器の出力を制御し、供給電力を制御するプログラムを有し、
前記プログラムにしたがって制御信号を前記マイクロ波発振器，前記マイクロ波変調器または前記マイクロ波電力増幅器に接続する制御装置と、
から構成する大気圧大面積プラズマ発生装置。
【請求項５】
前記複数の結合アンテナが前記ギャップの方向に沿って空洞壁に配置されている請求項４記載の大気圧大面積プラズマ発生装置。
【請求項６】
前記マイクロ波発振器は固体半導体発振器を用いるものである請求項１，２または４記載の大気圧大面積プラズマ発生装置。
【請求項７】
前記マイクロ波電力増幅器は、回路中に交流電源を含んで構成されている請求項１，２または４記載の大気圧大面積プラズマ発生装置。
【請求項８】
プラズマの発生領域を拡張し、変形するために複数のプラズマ発生源を前記領域に対応して組み立てるように構成されている請求項１記載の大気圧大面積プラズマ発生装置。
【請求項９】
前記プラズマを計測するセンサはラングミュアプローブである請求項１，２または４記載の大気圧大面積プラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波励振によって大気圧のガスをプラズマガスに変換し、サーマルプラズマガスを発生する大気圧プラズマ発生装置、さらに詳しく言えば、多数のプラズマ発生源を並列的に組み合わせ、それぞれにフィードバックコントロールを行って、駆動することにより、大気圧で大面積のプラズマの発生を可能にする大気圧大面積プラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーマルプラズマは大気圧プラズマと略同義に用いられている。１９７０年代に、工業的応用のための開発が盛んになった。応用分野は、工業素材の溶融、溶断加工、接合、精製、治金、スプレイなどの工業素材の加工分野、プラズマの発生する光を利用するディスプレイのための光源などの照明分野、微粒子生成、誘導プラズマをイオン化の手段とする微量試料成分の化学分析の分析分野、半導体プロセスの材料における表面処理の洗浄分野であり、広い分野にわたっている。
【０００３】
１９８０年代には、大気汚染の原因物質の除去に利用することで注目された。テプラ（TePLA ）社のRFプラズマ源と、アリオス（ARIOS ）社の大気圧プラズマ源が開発され、利用されている。前者はガスをプラズマ状態に励起する高周波が１３．５６ＭＨｚと比較的低いのでプラズマ変換効率が低い。また周波数の関係から装置が大形になっている。
【０００４】
図１７を参照して、アリオス（ARIOS ）社の大気圧プラズマ源を説明する。この装置はプラズマ源に、励振周波数は２．４５ＧＨz の近くで発振するマイクロ波を用いている。プラズマガスを発生するマイクロ波プラズマ源１７０１の内部にあるプラズマキャビティにマイクロ波を供給する手段としてマイクロ波導波管１７１０を用いている。マイクロ波発振器１７０７から負荷側を見たインピーダンスはプラズマが点灯する前とプラズマ点灯後では大きく変化する。プラズマ源に適切な電力を供給するために導波管１７１０の途中にスタブチューナ１７１１を設け、このスタブチューナ１７１１を自動的に制御して電力を安定供給するようにしてある。しかしながら、導波管を用いるために、装置が大きくなる。そのため、プラズマキャビティの径が１５ｃｍと比較的大きい。また、スタブチューナ１７１１を自動制御するために機械的制御をするパルスモータを必要としている。
【０００５】
前記の装置は、１つの大形のマグネトロンを使って、１ＫＷから５ＫＷの発振電力を出力するマイクロ波発振器であるので、その電源は大きな電力供給を必要とする。従って電源装置が大形になる。
またマイクロ波発生源からのマイクロ波の供給に、導波管を使用するので、プラズマ源（処理装置）とマイクロ波源との位置関係は機械的に固定されてしまう。そのため、装置の配置の変更が容易ではない。
また負荷側の周波数をマグネトロンの発振周波数に合わせる必要があり、複雑で高価なチューニング機構が必要になる。
マイクロ波発生源では、連続発振するマイクロ波の電力による発熱が大きいため、水冷冷却方式を用いている。この冷却により装置が大形になる。また、常に綿密なメンテナンスが必要となる。下記の文献に示された発明は、いずれも導波管を用いてマイクロ波電力を供給するものである。
【特許文献１】特開２００１−２５７０９７号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０１９６号公報
【０００６】
最近、広い領域を均一に洗浄するためにプラズマ分布を広い領域で均一に維持できる装置が求められている。
そのため、前述のような装置とか、同一のマイクロ波発生源からのマイクロ波を、円盤等に形成された多数のアンテナから容器内に放出し、容器内にプラズマを発生させようとする数多くの提案がなされている。しかしながら、特許文献３記載のように円盤等のスロットアンテナの配置や形状に種々の配慮をしても、プラズマ分布を広い領域で均一に維持することは極めて困難である。
特にマイクロ波を使ったプラズマ発生装置で大きな問題になるのは以下の２点である。
１）プラズマができる前後で装置内（チェンバ、または共振器）における電磁波（マイクロ波）のモードが大きく変わり、したがって見掛けのインピーダンスが変わり、電磁波が反射してしまう。そのために高価で複雑なインピーダンス自動整合装置が必要になる。
２）プラズマができる前にチェンバ内の電磁波をどんなに一様にしても一旦プラズマができると一様でなくなる。
この原因は、１．波長に比べてはるかに大きなチェンバを使用することと、２．プラズマによる電磁波の境界条件が大きく変わることによる装置内（チェンバ、または共振器）のモードが複雑なパターンになることである。これらの原因により、波長より十分大きな装置内（チェンバ、または共振器）では、一様なプラズマを作ることが困難である。
【特許文献３】特開２００２−２９９３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したように、プラズマ分布を広い領域で均一に維持できる装置を実現するためには、従来の方法では困難である。そこで、本発明では、複数のプラズマ発生源またはプラズマ発生箇所（アンテナ）を準備して、これらのプラズマ発生源またはプラズマ発生箇所に供給するマイクロ波電力を個々的にまたは同様に制御できるようなシステムを提供しようとするものである。
本発明の主たる目的は、同軸共振器のみならず、他の形態の共振器についても利用できる、取り扱いが容易な大気圧大面積プラズマ発生装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、大気圧で動作するプラズマを、安定して、しかも小形の装置で発生させ、複数個のプラズマ発生装置を組み合わせて、広い領域の一様なプラズマ分布を供給する大気圧大面積プラズマ発生装置を提供することにある。
なお本発明で用いる大気圧の意味は厳密に標準大気圧を意味するものではなく、極端な減圧を必要としないという意味で用いているものである。
本発明の他の目的は、同軸共振器を用いてプラズマ発生部（プラズマヘッド）をいっそう小形にすることにより、プラズマヘッドの配置等を自在に移動させることができるマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにより、広い領域の一様なプラズマ分布を供給する大気圧大面積プラズマ発生装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、前述した装置内に生ずるプラズマの一様化の問題を解決するために、アンテナの方向と形状とチェンバの構造を最適化することでプラズマの発生前後でのインピーダンス変換を起こすことが自動的に可能な構造とすることにある。
また本発明の他の目的は、前述の多数のアンテナを設け、それぞれのアンテナ部分にプラズマ検出プローブを配置して、各アンテナに供給する電力を時間と空間の両方で独立的に制御することにより、プラズマの一様性を保持することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の大気圧大面積プラズマ発生装置は、
大気圧下でプラズマ生成用ガスを励起するマイクロ波励起プラズマガス発生装置であって、
発振周波数が可変なＶＣＯ回路，マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間可変のパルス回路を含むマイクロ波発振器と、
前記マイクロ波発振器に接続されているアイソレータと増幅器を含むマイクロ波変調器と、
前記マイクロ波変調器の出力に接続されているユニット化した複数のマイクロ波電力増幅器と、
前記各マイクロ波電力増幅器にそれぞれ接続され、それぞれにプラズマ発生用ガスが導入されている同軸共振ヘッドよりなるプラズマガスを発生する複数のマイクロ波プラズマ発生源と、
前記複数のマイクロ波プラズマ発生源を特定の空間に向けて配列する支持構造と、
前記特定の空間に前記プラズマ発生源に関連して配置されているプラズマセンサと、
前記プラズマセンサの出力が接続されており、前記発生源のプラズマ発生の前後のプラズマ振動モードにおけるモードの変化の影響で発生する発振周波数の変化を抑制するとともに、電磁場の分布の変化を利用して電源とプラズマ発生源とのカップリングを最適にする構造を有し、マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間を制御して前記マイクロ波電力増幅器の出力を制御し、供給電力を制御するプログラムを有し、前記プログラムにしたがって制御信号を前記マイクロ波発振器，前記マイクロ波変調器または前記マイクロ波電力増幅器に接続する制御装置と、から構成されている。
この構成によれば、複数のマイクロ波プラズマ発生源の出力を制御できる。
【０００９】
本発明による請求項２記載の大気圧大面積プラズマ発生装置は、
大気圧下でプラズマ生成用ガスを励起するマイクロ波励起プラズマガス発生装置であって、
発振周波数が可変なＶＣＯ回路，マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間可変のパルス回路を含むマイクロ波発振器と、
前記マイクロ波発振器に接続されているアイソレータと増幅器を含むマイクロ波変調器と、
前記マイクロ波変調器の出力に接続されているユニット化した複数のマイクロ波電力増幅器と、
空洞内または、空洞の一部にプラズマ生成用ガスが導入され、マイクロ波電力増幅器からの電力を前記空洞に供給する複数の結合アンテナが空洞壁に配置されている空洞共振器と、
前記空洞共振器の複数のアンテナとプラズマガス生成位置に関連して配置されている複数のプラズマセンサと、
前記発生源のプラズマ発生の前後のプラズマ振動モードにおけるモードの変化の影響で発生する発振周波数の変化を抑制するとともに、電磁場の分布の変化を利用してカップリングを最適にする構造を有し、マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間を制御して前記マイクロ波電力増幅器の出力を制御し、供給電力を制御するプログラムを有し、
前記プログラムにしたがって制御信号を前記マイクロ波発振器，前記マイクロ波変調器または前記マイクロ波電力増幅器に接続する制御装置と、から構成されている。
本発明による請求項３記載の大気圧大面積プラズマ発生装置は、請求項２記載の大気圧大面積プラズマ発生装置において、前記アンテナは、前記空洞の壁に隣接するアンテナ間の距離が励起マイクロ波の管内波長の４分の１程度の距離を保って二次元配置されている。
本発明による請求項４記載の大気圧大面積プラズマ発生装置は、
大気圧下でプラズマ生成用ガスを励起するマイクロ波励起プラズマガス発生装置であって、
発振周波数が可変なＶＣＯ回路，マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間可変のパルス回路を含むマイクロ波発振器と、
前記マイクロ波発振器に接続されているアイソレータと増幅器を含むマイクロ波変調器と、
前記マイクロ波変調器の出力に接続されているユニット化した複数のマイクロ波電力増幅器と、
対向する細長いギャップで結合する一対の空洞よりなり、前記ギャップ間に前記ギャップに直交する方向にプラズマ生成用ガスを通過させる誘電体通路をもち、マイクロ波電力増幅器からの電力を前記空洞に供給する複数の結合アンテナが空洞壁に配置されている空洞共振器と、
前記誘電体通路のプラズマガス排出口に配置されている複数のプラズマセンサと、
前記プラズマセンサの出力が接続されており、
前記発生源のプラズマ発生の前後のプラズマ振動モードにおけるモードの変化の影響で発生する発振周波数の変化を抑制するとともに、電磁場の分布の変化を利用してカップリングを最適にする構造を有し、マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間を制御して前記マイクロ波電力増幅器の出力を制御し、供給電力を制御するプログラムを有し、
前記プログラムにしたがって制御信号を前記マイクロ波発振器，前記マイクロ波変調器または前記マイクロ波電力増幅器に接続する制御装置と、
から構成されている。
本発明による請求項５記載の大気圧大面積プラズマ発生装置は、請求項４記載の大気圧大面積プラズマ発生装置において、前記複数の結合アンテナが前記ギャップの方向に沿って空洞壁に配置されている。
【００１０】
本発明による請求項６記載の大気圧大面積プラズマ発生装置は、請求項１，２または４記載の大気圧大面積プラズマ発生装置において、前記マイクロ波発振器は固体半導体発振器を用いるものである。
本発明による請求項７記載の大気圧大面積プラズマ発生装置は、請求項１，２または４記載の大気圧大面積プラズマ発生装置において、前記マイクロ波電力増幅器は、回路中に交流電源を含んで構成されているものである。
本発明による請求項８記載の大気圧大面積プラズマ発生装置は、請求項１記載の大気圧大面積プラズマ発生装置において、プラズマの発生領域を拡張し、変形するために複数のプラズマ発生源を前記領域に対応して組み立てるように構成されている。
本発明による請求項９記載の大気圧大面積プラズマ発生装置は、請求項１，２または４記載の大気圧大面積プラズマ発生装置において、前記プラズマを計測するセンサはラングミュアプローブとしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複数のプラズマ発生源または、複数のプラズマ励起点（アンテナ）へのマイクロ波電力を同時的にまたは個別に制御できる。その結果、均一で大面積のプラズマ発生領域を得ることができる。またその使用環境、目的に対応してプラズマの強度の制御も可能である。このような均一性の確保や制御は従来の装置では不可能であった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面等を参照して、本発明による大気圧大面積プラズマ発生装置の実施形態を説明する。図１Ａは、複数のそれぞれ独立したプラズマヘッドを組み合わせて構成した本発明の大気圧大面積プラズマ発生装置のブロック図である。なお本件発明者は、特開２００４−１７２０４４号として前記プラズマヘッドとして利用できるマイクロ波プラズマ発生装置を提案している。図１Ｂは、複数のそれぞれ独立したプラズマアンテナ（マイクロ波供給源）を組み合わせて用いた本発明の大気圧大面積プラズマ発生装置のブロック図である。
【００１３】
まず最初に、図１Ａに示す本発明の大気圧大面積プラズマ発生装置について説明する。前記大気圧大面積プラズマ発生装置は、マイクロ波発振器１、マイクロ波変調回路２、電力増幅装置３、プラズマ発生装置群４、制御回路５と手動操作用キーボード６から構成する。さらに、電力増幅装置３は、３1 ，３2 ，３3 ，・・・，３N-1 ，３N の番号のついたＮ個の複数の電力増幅器を含んでいる。
【００１４】
図２は、マイクロ波発振器１の内部の回路を示している。図２に示すようにマイクロ波発振器１は、発振回路１３、増幅器１５を含んでいる。発振回路１３は、固体半導体素子で構成し、プラズマ励起用に使用する高い周波数のマイクロ波を発生する。発振回路１３はＶＣＯ回路で構成されており、このマイクロ波発振周波が、端子１４に接続される周波数制御信号ＣＦＴ（図４Ａに示すＣＦＴ１信号３Ｅなどである）により変化させられる。
【００１５】
図３に、マイクロ波変調回路２を示す。マイクロ波変調回路２は変調器２２、アイソレータ２３、増幅器２５を含んでいる。変調器２２はＰＩＮダイオードで構成される変調回路であり、端子２４に印加される制御信号ＣＴＰＴにより変調される。図７にＣＴＰＴ信号を示す。ＣＴＰＴ信号は、パルス信号であり、そのパルス信号のパルス幅はｔ、繰り返し時間はＴである。このＣＴＰＴ信号のパルス幅ｔと周期時間Ｔは任意に変化する。
このパルス信号が変調器２２に印加されると、図８に示すように、マイクロ波の波形は、発振している時間ｔと繰り返す時間Ｔ（周期時間間隔）である出力信号に変換される。
このパルス変調されたマイクロ波はアイソレータ２３、増幅器２５を通り、出力端２６に出力される。この変調されたマイクロ波の出力が図４Ａに示す電力増幅器３1 の入力端３１に加えられる。次にアイソレータ２３は、プラズマ状態の形成の前後における大きい負荷変動による反射電力を遮断するために用いられる。これにより、マイクロ波発振器１の発振周波数は、負荷の影響を受けず、安定した発振を持続する。
【００１６】
この安定化した周波数の出力信号は、電力増幅装置３（各電力増幅器３1 〜３N ）に接続される。
図４Ａに、電力増幅器３1 の入力端３１に接続されている状態を示す。各電力増幅器３1 〜３N の出力は、プラズマ発生装置群４のうちの対応する発生装置（４１Ｓ〜４ＮＳ）に接続される。電力増幅器３1 〜３N は同一の構成であり、マイクロ波の振幅電圧を調整する減衰器３２、増幅器３４，３５、アイソレータ３６、方向性結合器３７、減衰器３２をコントロールする制御回路３９、電力増幅器で消費する直流電圧を供給する交流直流電圧変換回路３Ａ、マイクロ波周波数安定用帰還回路３Ｄを含む。前記電力増幅器はマイクロ波用ＬＤＭＯＳ（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor）などの固体半導体素子で構成し、小形化と高い信頼性を有する。
【００１７】
減衰器３２は、ＰＩＮダイオードで構成されており、マイクロ波の振幅電圧を調整する。減衰器３２は、ＣＰＵを内蔵する制御回路３９の制御信号により、伝達するマイクロ波の振幅電圧の減衰量を制御する。直流電圧を減衰器３２のＰＩＮダイオードに印加して、マイクロ波の交流信号に対して減衰量を制御する。増幅器３４，３５は、マイクロ波の信号を増幅し、プラズマ発生装置で必要とする電力を供給する。また、アイソレータ３６は前述したとおり、負荷側からの反射電力を遮断する。
【００１８】
方向性結合器３７を用いたマイクロ波周波数安定用帰還回路３Ｄの動作を説明する。
方向性結合器３７のａ端子とｂ端子にはそれぞれ進行波と反射波が出力される。反射波は位相器を通して３ｄｂ結合器に加えられる。この反射波を位相器で調整することにより、共振周波数において反射波と進行波の位相差が零になるように設定できる。一方進行波は３ｄｂ結合器に加わり、この結合器の出力端子から検出器に供給され、直流電圧に変換される。進行波から変換された直流電圧と、反射波から変換された直流電圧とが差動増幅器の入力部に供給される。共振周波数において反射波と進行波の位相差が零になるときに、この２つの直流電圧が等しくなるので、差動増幅器の出力電圧は零になる。なお、この動作については前述した特開２００４−１７２０４４号にさらに詳しく説明している。
【００１９】
この差動増幅器の出力電圧は、図４Ａに示す制御信号３Ｅ（ＣＦＴ１）などであり、マイクロ波周波数の安定化に利用する。
前述した共振周波数では、制御信号ＣＦＴ１は零になり、たとえば、共振周波数より高い時には、制御信号ＣＦＴ１はプラスに、共振周波数より低い時には、制御信号ＣＦＴ１はマイナスになる。このように、このネガティブフィードバック（負帰還）の作用により、発振回路１３の発振周波数は、常に共振周波数を維持するようになる。
【００２０】
マイクロ波プラズマ発生装置群４の任意の同軸キャビティ（４Ｋ）内の中心部で、ガスがプラズマ状態でないときに、共振周波数で動作するように設定する。ガスがプラズマ状態に転換したときに、キャビティ内の電界分布が変化し、大きく負荷状態が変化するが、キャビティの寸法設計の最適化を計ることにより、プラズマ化の前後の周波数変化を充分に少なくできる。
この負荷状態が変わる場合、前記の最適化により、この周波数は、キャビティの固有の共振周波数とは少し異なる周波数になるが、この周波数の差異は少なくなる。
【００２１】
各電力増幅器は交流電源を内蔵している。たとえば電力増幅器３1 は、この交流電圧を直流電圧に変換して、電力増幅器３1 で使用される最大消費直流電力まで供給することができる。
一つの電力増幅器内に交流電源を内蔵する手段により、広い領域のプラズマ応用の要望に対してプラズマ発生装置の増設すなわち電力増幅器３1 ・・の増設が必要になるときに、交流電源の新設は不要である。
多様なプラズマ洗浄に対して、プラズマ発生装置は、規格化された電力増幅器ユニットを挿入するだけの簡単な操作で対応できる大きな利点がある。
【００２２】
図９は電力増幅器の冷却機構を示す斜視図である。
電力増幅器のアンプ回路チップ６３ａ，６３ｂから熱が発生する。アンプ回路チップ６３ａ，６３ｂに密着した冷却フィン６１には側面に空気溝６４が設けられている。
この空気溝６４に冷却用空気６５を送って、冷却する。冷却機構は水冷方式ではなく、空冷方式にすることにより、装置の信頼性と簡便性を向上させる。
【００２３】
各電力増幅器３1 〜３N は、それぞれ対応する一つのプラズマ発生装置４１〜４Ｎを励起するので、広い領域をプラズマで洗浄する場合、多数のプラズマ発生装置４１〜４Ｎを組み合わせて配置する。
この多数のプラズマヘッドの発生装置を励起するために、図１Ａに示すとおり、電力増幅器３1 〜３N を並列に構成する。
【００２４】
以上説明したとおり、洗浄領域の大きさに対応するプラズマ発生装置の数および組み合わせの選択は極めて容易である。
図５にプラズマ発生装置群４をプラズマ発生装置４１からプラズマ発生装置４Ｎまでの組み合わせで配置した例を示す。各プラズマ発生装置４１〜４Ｎの同軸の上方からプラズマガスが供給されている。そして、各プラズマ発生装置４１〜４Ｎの同軸の側面からマイクロ波が入力される。プラズマガスの洗浄の対象である試料４００は、均一にプラズマガスに接触される。プラズマガスの中にプラズマの強度を検出する検出器４１Ｓ〜４ＮＳが配置されている。検出器は二本の深針の簡単な構造のラングミュア（Langmuir）プローブを用いる。この深針間に直流電圧を印加して、流れる電流を測定する。前記深針間に流れる電流を電圧に変換する。たとえば、プラズマ発生装置４１に配置する検出器４１Ｓから変換された電圧をＤ１とする。
【００２５】
図６に制御回路５を示す。前記電圧Ｄ１は制御回路５でディジタル信号に変換され、制御信号ＣＴＤとＣＴＰＴに変換される。電圧Ｄ１は増幅器５２で増幅され、マルチプレキサー５３に入力される。このマルチプレキサー５３により、Ｄ１からＤＮの電圧を直列の電圧列に並び替え、Ａ／Ｄ変換器５４に入力する。Ｄ１からＤＮの電圧をディジタルデータに変換する。
ＣＰＵ５６はこれらのディジタルデータを演算し、このディジタルデータをＤ／Ａ変換器５７により、アナログ電圧ＣＴＤ１に変換する。このアナログ電圧ＣＴＤ１は、図４Ａに示す電力増幅器３1 の入力端子３Ｂに入力され、これにより個別的にマイクロ波電力の強度を制御する。
【００２６】
次に、この実施例においてはＣＴＰＴ信号は、図１Ａに示すように、全ての電力増幅装置３に対して同じ信号になる。図１ＡのＣＴＰＴ信号は、マイクロ波変調回路２に接続されている。また、この実施例では、ＣＴＰＴ信号は、プラズマ発生装置全体の平均電力を規定することになる。その平均電力の制御は、プラズマ発生装置を使用する環境により、また、装置起動時および定常動作時等の電力制御の際に有効である。
一般的には、次の制御方法を選択する。
１）Ｄ１からＤＮの平均値からＣＴＰＴ信号を決定する。
【数１】
2006156100.tif 000003
２）図１Ａに示すキーボード６から入力する一定の値にＤを固定する。
以上、図１Ａに示したプラズマ発生装置の一例を説明した。
【００２７】
先に、マイクロ波発振器１の周波数制御について簡単に説明したが、最後にシステム全体の周波数制御について説明する。
図１Ａ，図４Ａで示す電力増幅器の各回路に方向性結合器が内蔵されている。
よってこの回路から周波数制御信号ＣＦＴ１，，ＣＦＴｎが出力される。図６に示す制御回路５の下部に示す回路がこのＣＦＴ１などの信号を処理する回路である。
この回路は、マルチプレキサー５Ｅ，増幅回路５Ｆ，Ｄ／Ａ変換回路５Ｇ，制御用ＣＰＵ５Ｈ，アナログスイッチ５Ｉと増幅回路５Ｊで構成される。
以下、この回路の動作について図１６を参照して説明する。制御の方法は次の３通りがある。
１）プラズマ発生の条件を調査研究するために、周波数を細かく設定し、プラズマの発生を研究する段階でキー入力して実施する方法。この処理は図１６に示す１の処理である。
２）ＣＦＴ１からＣＦＴｎの信号の内のどれかを選択する方法。この処理は図１６に示す２の処理である。
ＣＦＴ１の入力端５Ｃから増幅器５Ｄにこの信号が入力される。マルチプレキサー５Ｅは、ＣＰＵ５Ｈの制御信号ＳＥＬＡにより、ＣＦＴ１からＣＦＴｎの信号の内の一つの信号を出力する。増幅回路５Ｆを通り、アナログスイッチ５Ｉに入力する。ＣＰＵ５Ｈからの制御信号により、アナログスイッチ５Ｉは増幅回路５Ｆの出力信号をアナログスイッチ５Ｉの出力に伝達する。
この信号が増幅回路５Ｊをとおり、出力端５ＫにＣＦＴ制御信号を出力する。この制御信号ＣＦＴがマイクロ波発振器１の入力端１４に印加され、発振周波数を制御する。
この負帰還制御により、一定の周波数に保持することができる。
ＣＦＴ１からＣＦＴｎの信号のどれを選択するかはＣＰＵまたはキーボードから決定できる。
３）ＣＰＵが一定のプログラムに従って周波数を制御する方法。この処理は図１６に示す３の処理である。
プラズマ発生時の周波数とプラズマ発生後の温度変化により、周波数の変移を見込んで周波数をシフトし、発振の効果をあげる。
周波数のシフトはあらかじめ実験テストで測定しておき、プログラムにそのデータをプログラムする方法をとる。
この場合、ＣＰＵ５ＨはＤ／Ａ変換回路５Ｇにディジタルデータを転送し、Ｄ／Ａ変換回路５Ｇの出力端にアナログ電圧を出力する。同時にＣＰＵ５Ｈからの制御信号ＳＥＬＢにより、アナログスイッチ５ＩはＤ／Ａ変換回路５Ｇの出力信号をアナログスイッチ５Ｉの出力に伝達する。このＣＦＴ制御信号がマイクロ波発振器１の発振周波数を変える。
このようにＣＰＵの制御を利用して、使用状態に対応した柔軟かつ複雑な制御を実行して、発振効率を上げることが可能になる。
【００２８】
次に本発明の第２の実施形態である図１Ｂに示した大気圧大面積プラズマ発生装置について説明する。この実施形態も図１Ａに示した大気圧下でプラズマ生成用ガスを励起するマイクロ波励起プラズマガス発生装置と共通の目的と同様な機能をもつプラズマガス発生装置である。
マイクロ波発振器１は、発振周波数が可変なＶＣＯ回路，マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間可変のパルス回路を含むものである。
マイクロ波変調回路２も前記マイクロ波発振器に接続されているアイソレータと増幅器を含んでいる。
マイクロ波電力増幅装置３は、マイクロ波変調器２の出力に接続されている、ユニット化した複数のマイクロ波電力増幅器３1 〜３N を含んでいる。
空洞共振器８は、図１０，１１に示されているように対向する細長いギャップで結合する一対の空洞８ａ，８ｂよりなり、前記ギャップ間に、前記ギャップに直交する方向にプラズマ生成用ガスを通過させる誘電体通路をもち、マイクロ波電力増幅器からの電力を前記空洞に供給する結合アンテナ８１〜８Ｎが前記ギャップの方向に沿って一方の空洞８ａの空洞壁に配置されている。
また複数のプラズマセンサ８１Ｓ〜８ＮＳが、前記誘電体通路のプラズマガス排出口に配置されている。
制御回路５には前記プラズマセンサの出力が接続されており、前記発生源のプラズマ発生の前後のプラズマ振動モードにおける回路インピーダンスの変化の影響で発生する発振周波数の変化を抑制する。また、マイクロ波の発振時間と発振の繰り返し時間を制御して前記マイクロ波電力増幅器の出力を制御する。制御回路５は、供給電力を制御するプログラムを有し、前記プログラムにしたがって制御信号をマイクロ波発振器，マイクロ波変調器またはマイクロ波電力増幅器に接続する。
【００２９】
制御回路５は、図１Ａの実施形態で説明した回路と殆ど同じである。しかし若干相違する点があるので、以下相違点について補足する。
図１Ｂに示すプラズマアンテナで構成したマイクロ波プラズマ発生装置は、図１Ａの電力増幅装置３と一部が異なる。
図４Ｂの回路には、位相制御回路３３が付加されている。ＣＰＵを内蔵する制御回路３９の制御信号により、位相制御回路３３が働き、マイクロ波の位相を変化させる。
この装置の特徴は、プラズマ発生装置のエレメントが一列に配列されており、その間隔は、マイクロ波の導波管（チェンバ）内におけるマイクロ波管内波長の４分の１の長さ
（λg ／４）に設定されている。当然エレメントの列の長さはマイクロ波管内波長λg に対して充分な長さになっている。
【００３０】
前記プラズマ発生装置におけるプラズマ発生の前後のモードは、図１１と図１２に示されている。まず、プラズマが発生する前の電界モードでは、図１１に示すように、電界はチェンバのスリット間に発生する。チェンバ内のＱは高いので、電界に対して直角方向のアンテナで励起することで、カップリングを１に近くする。このことにより最大電力が供給され、プラズマ化を促進する。
【００３１】
次にプラズマが発生した後の電界モードでは、図１２Ａに示すように、電界はアンテナ側とチェンバのスリット間に発生する。プラズマが発生しているので、チェンバ内のＱは低くなる。この電界はアンテナと同じ方向で励起されるので、カップリングはまたほぼ１に近くなる。このことにより電力がアンテナから充分供給され、強いプラズマが維持される。
前記プラズマ発生装置におけるプラズマ発生の前後の等価回路は、図１１Ｂに示す回路で表される。チェンバ内のＱは非常に高く、コンダクタンスＧ1 は極めて小さい。このときの共振周波数はω1 で、ＱはＱ1 である。アンテナ出力がチェンバに電力を供給するときの結合係数はｋ1 である。プラズマ発生後の等価回路は、図１２Ｂに示す回路で表される。プラズマが発生すると、チェンバ内のコンダクタンスＧ2 は大きくなる。このときの共振周波数はω2 で、ＱはＱ2 となる。
本発明では、条件（ω1 ≒ω2 ）と条件（ｋ2 ／ｋ1 ）≒（Ｇ2 ／Ｇ1 ）を満足するように、アンテナの形状とチェンバの形状を最適化することが重要である。
この回路条件の最適化で、プラズマ発生の前後で共振周波数が一定に保たれ、プラズマが安定に維持される。プラズマ発生前後で、前述した電界モードが変化することにより、条件が満足させられる。
このようにこのプラズマ発生装置の構造は、プラズマ発生に適した構造であることが特徴である。
【００３２】
図４Ｂは本発明による第２の実施形態である大気圧大面積プラズマ発生装置における電力増幅装置を示す回路図である。この回路は図４Ａに示されている回路の他に位相制御回路３３が付加されている。図６に示したＣＰＵを内蔵する制御回路３９の制御信号により、位相制御回路３３が働き、マイクロ波の位相を変化させる。この装置の特徴は、図１３上段に示すように、プラズマアンテナが一列に配列しており、その間隔は、マイクロ波のチェンバ内におけるマイクロ波波長の４分の１の長さλg ／４に設定する。この間隔により、チェンバ内部の定在波の波形は、図１３下段に示すように、隣同士のアンテナの定在波の位相差は９０度になるので隣同士のアンテナの干渉の影響を抑えることができる。しかし、プラズマ発生前後におけるチェンバ内のインピーダンスの変化により定在波の位相が変わるので、これを制御するために位相制御回路３３により位相調整を実行する。また一定時間の電界の平均は、チェンバの長さ方向（エレメントの列の長さ方向）に対して一定になる特徴がある。このことは、チェンバの長さ方向に対して電力が一定になることを示し、試料に一様な照射が可能になる。
当然アンテナエレメントの列の長さはマイクロ波波長λg に対して充分な長さになっている。よって壁側からの反射波は少なくなる。
前記プラズマ発生装置に使用するアンテナは、モノポールアンテナ、誘電体ホーンアンテナ、パッチアンテナ、ヘリカルアンテナなど使用できる。
【００３３】
（第１の実施形態の利用例）図１４は、本発明の第１の実施形態（図１Ａ）である広い領域を短時間でプラズマ洗浄するマイクロ波プラズマ発生源に応用した例の斜視図である。図１５Ａは他の応用例を示す斜視図である。
各応用例において、複数のマイクロ波プラズマ発生源（同軸共振器）４１・・・を支持構造７により特定の空間に向けて配列してある。
図１４に示す先の例では導波管状の支持構造７で、複数のマイクロ波プラズマ発生源（同軸共振器）４１，４２・・を直線上に配置してある。
図１５Ａに示す例では、複数のマイクロ波プラズマ発生源（同軸共振器）４１・・を支持構造７により円盤状に配置し、広い領域を同時に洗浄するプラズマ発生装置を形成している。この場合、大規模なエレメントを必要とするが、短時間で洗浄できるプラズマ発生装置が構築できる。
図１５Ｂに示す例では、複数プラズマアンテナで構成するマイクロ波プラズマ発生源（同軸共振器）４１・・を支持構造７により円盤状に配置し、各プラズマアンテナ間の距離をほぼ管内波長の４分の１の長さλg ／４に配置して、広い領域を同時に洗浄するプラズマ発生装置を形成している。この場合、大規模なエレメントを必要とするが、短時間で洗浄できるプラズマ発生装置が構築できる。
【００３４】
以上詳しく説明した２つの実施形態に係る装置は、装置を小形化で携帯性に優れた構成とすることができるので、広範囲の応用が可能になる。
【００３５】
本発明のマイクロ波プラズマ発生装置において、マイクロ波発生源は固体素子を利用することができ、小形化、高い信頼性、長い寿命のマイクロ波プラズマ発生装置が得られる。またマイクロ波用ＬＤＭＯＳなどの固体素子で回路構成するので、高い変換効率で動作させることができる。機械的な付属回路もなく、小形で高出力であり、広い分野に利用できる。
特にプラズマ励起用マイクロ波電力は、固体素子で構成する電力増幅器から供給することにより、マイクロ波発振器の発振出力電力は数ミリワット台の少ない電力で済み、安定した発振が得られる。
前記マイクロ発生源は固体発振器とすることもできるから、装置を一層小形にすることができ、全体を可搬形に構成することもできる。
大気圧に近いガスをマイクロ波で励起させプラズマガスを発生するマイクロ波プラズマ発生装置であって、取り扱いが容易であり、安定した動作ができる。
【００３６】
次に、電力増幅器３1 では、交流電源を内蔵し、この交流電圧を直流電圧に変換して、電力増幅器３1 で使用される最大消費直流電力を供給している。
一つの電力増幅器３1 内に交流電源を内蔵するので、広い領域のプラズマ洗浄の要望にたいしてプラズマ発生装置の増設すなわち電力増幅器３1 ・・の増設が必要になるときに、交流電源の新設は不要である。
多様なプラズマ洗浄にたいして、プラズマ発生装置は、規格化された電力増幅器ユニットを挿入するだけの簡単な操作で対応できるという利点がある。
【００３７】
一つの電力増幅器内に交流電源を内蔵する手段により、広い領域のプラズマ洗浄の要望にたいしてプラズマ発生装置の増設すなわち電力増幅器の増設が必要になるときに、交流電源の新設は不要である。
洗浄領域の大きさにより、プラズマ発生装置の数を増加しても、それに伴う電力増幅器のユニット数だけ増やして簡単に対応できる特徴がある。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明による大気圧大面積プラズマ発生装置は、工業素材の溶融、溶断加工、接合、精製、治金、スプレイなどの工業素材の加工分野、プラズマの発生する光を利用するディスプレイのための光源などの照明分野、微粒子生成、誘導プラズマをイオン化の手段とする微量試料成分の化学分析の分析分野、半導体プロセスの材料における表面処理の洗浄分野に広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１Ａ】本発明による第１の実施形態であるトーチプラズマタイプの大気圧大面積プラズマ発生装置のブロック図である。
【図１Ｂ】本発明による第２の実施形態であるアンテナプラズマタイプの大気圧大面積プラズマ発生装置のブロック図である。
【図２】本発明による大気圧大面積プラズマ発生装置におけるマイクロ波プラズマを励起するマイクロ波発振器の回路の実施例を示す図である。
【図３】本発明による大気圧大面積プラズマ発生装置におけるマイクロ波変調回路の実施例を示す図である。
【図４Ａ】本発明による第１の実施形態である大気圧大面積プラズマ発生装置における電力増幅装置を示す回路図である。
【図４Ｂ】本発明による第２の実施形態である大気圧大面積プラズマ発生装置における電力増幅装置を示す回路図である。
【図５】本発明による第１の実施形態であるトーチプラズマの大気圧大面積プラズマ発生装置におけるＮ個のプラズマ発生装置で構成するプラズマ発生装置群を示す図である。
【図６】本発明による大気圧大面積プラズマ発生装置におけるラングミュア（Langmuir）プローブを利用したプラズマ強度測定回路を示す図である。
【図７】ＣＴＰＴ信号を示す図である。
【図８】変調されたマイクロ波波形を示す図である。
【図９】本発明の電力増幅器回路の空冷方式の構造を示す図である。
【図１０】本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造の、第２の実施形態であるアンテナプラズマタイプのマイクロ波プラズマ発生源を示す図である
【図１１Ａ】本発明による第２の実施形態であるアンテナプラズマタイプのプラズマ発生直前における一例のマイクロ波プラズマ発生源における励起電界の分布を示す図である。
【図１１Ｂ】本発明による第２の実施形態であるアンテナプラズマタイプのプラズマ発生直前における一つのアンテナと共振器についてのマイクロ波プラズマ発生源の等価回路図である。
【図１２Ａ】本発明による第２の実施形態であるアンテナプラズマタイプのプラズマ発生直後における一例のマイクロ波プラズマ発生源における励起電界の分布を示す図である。
【図１２Ｂ】本発明による第２の実施形態であるアンテナプラズマタイプのプラズマ発生直後における一つのアンテナと共振器についてのマイクロ波プラズマ発生源の等価回路図である。
【図１３】本発明による第２の実施形態であるアンテナプラズマタイプのアンテナの間隔を示す図と本発明によるアンテナプラズマタイプのチェンバ内の定在波の分布を示す図である。
【図１４】本発明の第１の実施形態である広い領域を短時間でプラズマ処理するマイクロ波プラズマ発生源に応用した例の斜視図である。
【図１５Ａ】本発明の第１の実施形態である広い領域を短時間でプラズマ処理するマイクロ波プラズマ発生源に応用した他の例の斜視図である。
【図１５Ｂ】本発明の第２の実施形態である広い領域を短時間でプラズマ処理するマイクロ波プラズマ発生源に応用した他の例の斜視図である。
【図１６】本発明によるＣＰＵが安定な発振周波数を制御するための処理を示すフローチャート図である。
【図１７】従来のマイクロ波プラズマ発生装置の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  マイクロ波発振器
２  マイクロ波変調回路
３  電力増幅装置
４  プラズマ発生装置群
５  制御回路
６  手動操作用キーボード
７  支持構造
８  空洞共振器
８ａ，８ｂ  上空洞，下空洞
８１〜８Ｎ  空洞励起アンテナ
８１Ｓ〜８ＮＳ  検出器
１３  発振回路
１４  周波数制御信号ＣＦＴの入力端
１５  増幅器
１６  出力端
２１  マイクロ波変調回路の入力端
２３  アイソレータ
２５  増幅器
２６  マイクロ波変調回路の出力端
３１  電力増幅器の入力端
３２  減衰器
３３  位相制御回路
３４，３５  増幅器
３６  アイソレータ
３７  方向性結合器
３８  電力増幅器の出力端
３９  制御回路
３Ａ  交流直流電圧変換回路
３Ｂ  制御信号ＣＴＤの入力端
３Ｃ  交流電圧の入力端
３Ｄ  マイクロ波周波数の制御回路
３Ｅ  ＣＦＴ制御信号出力端
４０  プラズマガス供給装置
４１，４２，・・・，４Ｎ  プラズマ発生装置
４１Ｓ，４２Ｓ，・・・，４ＮＳ  検出器
４００  試料
５１  ＣＴＤ１信号の出力端
５２  増幅器
５５  ＣＰＵ内蔵の制御回路
５４  Ａ／Ｄ変換回路
５３  マルチプレキサー
５２  Ｄ１信号増幅器
５１  Ｄ１信号入力端
５９  ＣＴＰＴ信号出力端
５７  Ｄ／Ａ変換回路
５６  ＣＰＵ
５Ａ  バッファ
５Ｂ  ＣＤＴ１の出力端
５Ｃ  ＣＦＴ１の入力端
５Ｄ  増幅器
５Ｅ  マルチプレキサー
５Ｆ  増幅器
５Ｇ  Ｄ／Ａ変換回路
５Ｈ  ＣＰＵ
５Ｉ  アナログスイッチ回路
５Ｊ  増幅器
５Ｋ  ＣＦＴ出力端
６１  冷却フィン
６２  電力増幅器
６３ａ，６３ｂ  アンプ回路チップ
６４  空気溝
６５  冷却用空気
１７０７  マイクロ波発振器
１７０８  アイソレータ
１７１０  マイクロ波導波管
１７１１  パルスモータ制御の３スタブチューナ
【図１Ａ】
2006156100.tif 000004
【図１Ｂ】
2006156100.tif 000005
【図２】
2006156100.tif 000006
【図３】
2006156100.tif 000007
【図４Ａ】
2006156100.tif 000008
【図４Ｂ】
2006156100.tif 000009
【図５】
2006156100.tif 000010
【図６】
2006156100.tif 000011
【図７】
2006156100.tif 000012
【図８】
2006156100.tif 000013
【図９】
2006156100.tif 000014
【図１０】
2006156100.tif 000015
【図１１Ａ】
2006156100.tif 000016
【図１１Ｂ】
2006156100.tif 000017
【図１２Ａ】
2006156100.tif 000018
【図１２Ｂ】
2006156100.tif 000019
【図１３】
2006156100.tif 000020
【図１４】
2006156100.tif 000021
【図１５Ａ】
2006156100.tif 000022
【図１５Ｂ】
2006156100.tif 000023
【図１６】
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【図１７】
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