(57)【要約】  プラズマ照射装置は、プラズマ放電管および、前記プラズマ放電管の部分を少なくとも部分的に取り囲むマイクロ波キャビティを含む。マイクロ波エネルギーは、結合絞りを介してマイクロ波キャビティに結合される。マイクロ波キャビティの少なくとも二つの直交次元は、前記マイクロ波キャビティ内の前記マイクロ波エネルギーが横電気（ＴＥ）モードで伝搬するように選択される。前記マイクロ波エネルギーから発生する一次電場は、前記結合絞りから発生するエバネセント電場と結合し、前記マイクロ波キャビティでの結合電場は、前記プラズマ放電管の前記縦軸に沿って実質的に均一になる。複数のラジアルマイクロ波チョークは、前記プラズマ放電管の外部にわたって配置される。マイクロ波チョークは、ＴＥモード及び横電磁（ＴＥＭ）モードで伝搬するマイクロ波エネルギーが減衰するように位置する。
2019517707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ照射装置であり、
内部でプラズマを発生させることができるプラズマ放電管であって、該プラズマ放電管にプラズマ処理ガスが入ることを許容する処理ガス流入口を有するとともに、縦軸を有するプラズマ放電管と、
前記プラズマ放電管の部分を少なくとも部分的に取り囲むマイクロ波キャビティと、
マイクロ波エネルギーがプラズマ放電管の前記部分内でプラズマを発生させることができるように、マイクロ波エネルギーが前記マイクロ波キャビティに結合され得る結合絞りと
を備え、
前記マイクロ波キャビティが、長さ及び幅及び高さを含む三つの直交次元を有し、少なくとも二つの前記直交次元は、前記マイクロ波キャビティ内の前記マイクロ波エネルギーが横電気（ＴＥ）モードで伝搬するように選択されるプラズマ照射装置。
【請求項２】
前記マイクロ波エネルギーから発生する一次電場が、前記結合絞りから発生するエバネセント電場と結合し、前記マイクロ波キャビティでの結合電場が、前記プラズマ放電管の前記縦軸に沿って実質的に均一になる請求項１に記載のプラズマ照射装置。
【請求項３】
前記マイクロ波エネルギーが、約１ｋＷの出力を有する請求項１に記載のプラズマ照射装置。
【請求項４】
前記マイクロ波エネルギーの供給源が、ソリッドステート発生器を備える請求項１に記載のプラズマ照射装置。
【請求項５】
前記マイクロ波エネルギーの供給源が、マグネトロンを備える請求項１に記載のプラズマ照射装置。
【請求項６】
前記プラズマ放電管が、石英、サファイア、セラミック、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素の少なくとも一つを含む材料からなる請求項１に記載のプラズマ照射装置。
【請求項７】
当該処理ガスが、酸素、窒素、水素、フッ素化ガス、フォーミングガス、ＮＦ3、ＮＨ3、Ｃ2Ｆ4およびＣ2Ｆ6の少なくとも一つを備える請求項１に記載のプラズマ照射装置。
【請求項８】
前記プラズマ放電管の外部にわたって配置されるとともに、前記マイクロ波キャビティ内でマイクロ波エネルギーを実質的に含むべく前記マイクロ波キャビティの端部に配置される複数のラジアルマイクロ波チョークであって、前記ＴＥモード及び横電磁（ＴＥＭ）モードで伝搬するマイクロ波エネルギーを減衰させるように位置するマイクロ波チョークをさらに備える請求項１に記載のプラズマ照射装置。
【請求項９】
前記複数のラジアルマイクロ波チョークが、前記マイクロ波キャビティの第一端部に位置する第一内側チョーク及び第一外側チョークと、前記マイクロ波キャビティの第二端部に位置する第二内側チョーク及び第二外側チョークとを備え、前記第一内側チョークと前記第一外側チョークとの間の第一スペース及び、前記第二内側チョークと前記第二外側チョークとの間の第二スペースが、前記ＴＥモード及びＴＥＭモードで伝搬する前記マイクロ波エネルギーの減衰をもたらすべく選択される請求項８に記載のプラズマ照射装置。
【請求項１０】
前記第一スペース及び第二スペースの少なくとも一つが、約０．３８インチである請求項９に記載のプラズマ照射装置。
【請求項１１】
前記第一スペース及び第二スペースが実質的に等しい請求項９に記載のプラズマ照射装置。
【請求項１２】
プラズマ照射装置であり、
内部でプラズマを発生させることができるプラズマ放電管であって、該プラズマ放電管にプラズマ処理ガスが入ることを許容する処理ガス流入口を有するとともに、縦軸を有するプラズマ放電管と、
前記プラズマ放電管の部分を少なくとも部分的に取り囲むマイクロ波キャビティと、
マイクロ波エネルギーがプラズマ放電管の前記部分内でプラズマを発生させることができるように、マイクロ波エネルギーが前記マイクロ波キャビティに結合され得る結合絞りと
を備え、
前記マイクロ波エネルギーから発生する一次電場が、前記結合絞りから発生するエバネセント電場と結合し、前記マイクロ波キャビティでの結合電場が、前記プラズマ放電管の前記縦軸に沿って実質的に均一になるプラズマ照射装置。
【請求項１３】
前記マイクロ波キャビティが、長さ及び幅及び高さを含む三つの直交次元を有し、少なくとも二つの前記直交次元が、前記マイクロ波キャビティ内の前記マイクロ波エネルギーが横電気（ＴＥ）モードで伝搬するように選択される請求項１２に記載のプラズマ照射装置。
【請求項１４】
前記プラズマ放電管の外部にわたって配置されるとともに、前記マイクロ波キャビティ内でマイクロ波エネルギーを実質的に含むべく前記マイクロ波キャビティの端部に配置される複数のラジアルマイクロ波チョークであって、前記ＴＥモード及び横電磁（ＴＥＭ）モードで伝搬するマイクロ波エネルギーを減衰させるように位置するマイクロ波チョークをさらに備える請求項１２に記載のプラズマ照射装置。
【請求項１５】
前記複数のラジアルマイクロ波チョークが、前記マイクロ波キャビティの第一端部に位置する第一内側チョーク及び第一外側チョークと、前記マイクロ波キャビティの第二端部に位置する第二内側チョーク及び第二外側チョークとを備え、前記第一内側チョークと前記第一外側チョークとの間の第一スペース及び、前記第二内側チョークと前記第二外側チョークとの間の第二スペースが、前記ＴＥモード及びＴＥＭモードで伝搬する前記マイクロ波エネルギーの減衰をもたらすべく選択される請求項１４に記載のプラズマ照射装置。
【請求項１６】
前記第一スペース及び第二スペースの少なくとも一つが、約０．３８インチである請求項１５に記載のプラズマ照射装置。
【請求項１７】
前記第一スペース及び第二スペースが実質的に等しい請求項１５に記載のプラズマ照射装置。
【請求項１８】
前記マイクロ波エネルギーが、約１ｋＷの出力を有する請求項１２に記載のプラズマ照射装置。
【請求項１９】
前記マイクロ波エネルギーの供給源が、ソリッドステート発生器を備える請求項１２に記載のプラズマ照射装置。
【請求項２０】
前記マイクロ波エネルギーの供給源が、マグネトロンを備える請求項１２に記載のプラズマ照射装置。
【請求項２１】
前記プラズマ放電管が、石英、サファイア、セラミック、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素の少なくとも一つを含む材料からなる請求項１２に記載のプラズマ照射装置。
【請求項２２】
当該処理ガスは、酸素、窒素、水素、フッ素化ガス、フォーミングガス、ＮＦ3、ＮＨ3、Ｃ2Ｆ4およびＣ2Ｆ6の少なくとも一つを備える請求項１２に記載のプラズマ照射装置。
【請求項２３】
プラズマ照射装置であり、
内部でプラズマを発生させることができるプラズマ放電管であって、該プラズマ放電管にプラズマ処理ガスが入ることを許容する処理ガス流入口を有するとともに、縦軸を有するプラズマ放電管と、
前記プラズマ放電管の部分を少なくとも部分的に取り囲むマイクロ波キャビティと、
マイクロ波エネルギーがプラズマ放電管の前記部分内でプラズマを発生させることができるように、マイクロ波エネルギーが前記マイクロ波キャビティに結合され得る結合絞りと、
前記プラズマ放電管の外部にわたって配置されるとともに、前記マイクロ波キャビティ内でマイクロ波エネルギーを実質的に含むべく前記マイクロ波キャビティの端部に配置される複数のラジアルマイクロ波チョークであって、横電気（ＴＥ）モードおよび横電磁（ＴＥＭ）モードで伝搬するマイクロ波エネルギーが減衰するように位置するマイクロ波チョークと
を備えるプラズマ照射装置。
【請求項２４】
前記複数のラジアルマイクロ波チョークが、前記マイクロ波キャビティの第一端部に位置する第一内側チョーク及び第一外側チョークと、前記マイクロ波キャビティの第二端部に位置する第二内側チョーク及び第二外側チョークとを備え、前記第一内側チョークと前記第一外側チョークとの間の第一スペース及び、前記第二内側チョークと前記第二外側チョークとの間の第二スペースが、前記ＴＥモード及びＴＥＭモードで伝搬する前記マイクロ波エネルギーの減衰をもたらすべく選択される請求項２３に記載のプラズマ照射装置。
【請求項２５】
前記第一スペース及び第二スペースの少なくとも一つが、約０．３８インチである請求項２４に記載のプラズマ照射装置。
【請求項２６】
前記第一スペース及び第二スペースが実質的に等しい請求項２４に記載のプラズマ照射装置。
【請求項２７】
前記マイクロ波キャビティが、長さ及び幅及び高さを含む三つの直交次元を有し、少なくとも二つの前記直交次元は、前記マイクロ波キャビティ内の前記マイクロ波エネルギーが横電気（ＴＥ）モードで伝搬するように選択される請求項２３に記載のプラズマ照射装置。
【請求項２８】
前記マイクロ波エネルギーから発生する一次電場が、前記結合絞りから発生するエバネセント電場と結合し、前記マイクロ波キャビティでの結合電場が、前記プラズマ放電管の前記縦軸に沿って実質的に均一になる請求項２３に記載のプラズマ照射装置。
【請求項２９】
前記マイクロ波エネルギーが、約１ｋＷの出力を有する請求項２３に記載のプラズマ照射装置。
【請求項３０】
前記マイクロ波エネルギーの供給源が、ソリッドステート発生器を備える請求項２３に記載のプラズマ照射装置。
【請求項３１】
前記マイクロ波エネルギーの供給源が、マグネトロンを備える請求項２３に記載のプラズマ照射装置。
【請求項３２】
前記プラズマ放電管が、石英、サファイア、セラミック、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素の少なくとも一つを含む材料からなる請求項２３に記載のプラズマ照射装置。
【請求項３３】
当該処理ガスは、酸素、窒素、水素、フッ素化ガス、フォーミングガス、ＮＦ3、ＮＨ3、Ｃ2Ｆ4およびＣ2Ｆ6の少なくとも一つを備える請求項２３に記載のプラズマ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、プラズマ照射装置、特に、電場の結合を用いる小型マイクロ波プラズマ照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体処理では、処理チャンバーの上流側にて、プラズマ発生器を用いることが多い。プラズマ発生器では、典型的にはエネルギーが、マイクロ波キャビティ内に配置されるプラズマ放電管を通って流れるガスと結合され、マイクロ波エネルギーにより当該ガス中でプラズマが励起される。プラズマ生成物は、プラズマ放電管を通って下流側へ処理チャンバー内に流れて、半導体ウエハ等のワークピース上に衝突する。
【０００３】
プラズマ発生システムでは、エネルギー効率及びコストが重要事項である。従来の高エネルギー、すなわち、５ｋＷより大きなマイクロ波出力のプラズマ発生器では、プラズマ放電管が、極めて高い温度に到達し得る。高温の影響を軽減させるため、一般に冷却システムが用いられる。通常は、液体冷却材、たとえば水が、管の周囲の銅巻き／コイルを通って循環し、過剰な熱を除去する。これらの液体冷却システムは、極めて高価になりがちであるが、高出力レベルでの高温のゆえに不可欠である。プラズマ発生器で空冷を用いることが、複雑さ及びコストの軽減のため好ましいが、空冷はプラズマ放電管内に生じる比較的低い温度に対して効果的であることから、空冷は一般に、低出力、たとえば１ｋＷ以下のマイクロ波出力のシステムにのみ有効である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プラズマ放電管でのプラズマの発生のため、ガスの励起に用いる不均一な励起エネルギーパターン、すなわち電場により、不均一な空間パターン内にプラズマが発生することがあり、これは、管内でのプラズマエネルギー及び、それによる温度が特に高くなる「ホットスポット」をもたらす。これらの「ホットスポット」は、プラズマ発生処理での非効率性を招く。また、それらは、空冷もしくは水冷が用いられる冷却システムに、不均一な温度制御の負荷を提示する。この理由又は他の理由により、プラズマ放電管内でのプラズマの発生に用いられるマイクロ波エネルギー、特に電場が空間的に均一であり、それにより生じたプラズマに、比較的ホットスポットがないことが強く望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第一側面では、プラズマ照射装置を提供する。プラズマ照射装置は、内部でプラズマを発生させることができるプラズマ放電管を含み、前記プラズマ放電管は、該プラズマ放電管にプラズマ処理ガスが入ることを許容する処理ガス流入口を有するとともに、前記プラズマ放電管は縦軸を有する。マイクロ波キャビティは、前記プラズマ放電管の部分を少なくとも部分的に取り囲む。プラズマ照射装置は、前記マイクロ波エネルギーがプラズマ放電管の前記部分内でプラズマを発生させることができるように、マイクロ波エネルギーが前記マイクロ波キャビティに結合され得る結合絞り（a coupling iris）を含む。前記マイクロ波キャビティは、長さ及び幅及び高さを含む三つの直交次元（three orthogonal dimensions）を有し、少なくとも二つの前記直交次元は、前記マイクロ波キャビティ内の前記マイクロ波エネルギーが横電気（ＴＥ）モードで伝搬するように選択される。
【０００６】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波エネルギーから発生する一次電場は、前記結合絞りから発生するエバネセント電場と結合し、前記マイクロ波キャビティでの結合電場は、前記プラズマ放電管の前記縦軸に沿って実質的に均一になる。
【０００７】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波エネルギーは、約１ｋＷの出力を有する。
【０００８】
いくつかの実施形態では、前記プラズマ放電管の長さは、約１１インチである。
【０００９】
いくつかの実施形態では、前記プラズマ放電管の外径は、約１インチである。
【００１０】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波キャビティの幅は、約３インチである。
【００１１】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波キャビティの長さは、約４．５インチである。
【００１２】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波エネルギーの供給源は、ソリッドステート発生器を備える。
【００１３】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波エネルギーの供給源は、マグネトロンを備える。
【００１４】
いくつかの実施形態では、前記プラズマ放電管は、石英、サファイア、セラミック、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素の少なくとも一つを含む材料からなる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、前記処理ガスは、酸素、窒素、水素、フッ素化ガス、フォーミングガス、ＮＦ3、ＮＨ3、Ｃ2Ｆ4およびＣ2Ｆ6の少なくとも一つを備える。
【００１６】
いくつかの実施形態では、前記プラズマ照射装置はさらに、前記プラズマ放電管の外部にわたって配置されるとともに、前記マイクロ波キャビティ内でマイクロ波エネルギーを実質的に含むべく前記マイクロ波キャビティの端部に配置される複数のラジアルマイクロ波チョークであって、前記ＴＥモード及び横電磁（ＴＥＭ）モードで伝搬するマイクロ波エネルギーを減衰させるように位置するマイクロ波チョークを備える。いくつかの実施形態では、前記複数のラジアルマイクロ波チョークは、前記マイクロ波キャビティの第一端部に位置する第一内側チョーク及び第一外側チョークと、前記マイクロ波キャビティの第二端部に位置する第二内側チョーク及び第二外側チョークとを備え、前記第一内側チョークと前記第一外側チョークとの間の第一スペース及び、前記第二内側チョークと前記第二外側チョークとの間の第二スペースが、前記ＴＥモード及び前記ＴＥＭモードで伝搬する前記マイクロ波エネルギーの減衰をもたらすべく選択される。前記第一スペース及び第二スペースは実質的に同等にすることができ、特定の典型的な実施形態では、前記スペースの少なくとも一つは約０．３８インチである。
【００１７】
他の側面では、プラズマ照射装置を提供する。プラズマ照射装置は、内部でプラズマを発生させることができるプラズマ放電管を含み、前記プラズマ放電管は、該プラズマ放電管にプラズマ処理ガスが入ることを許容する処理ガス流入口を有するとともに、前記プラズマ放電管は縦軸を有する。マイクロ波キャビティは、前記プラズマ放電管の部分を少なくとも部分的に取り囲む。前記プラズマ照射装置は、前記マイクロ波エネルギーがプラズマ放電管の前記部分内でプラズマを発生させることができるように、マイクロ波エネルギーが前記マイクロ波キャビティに結合され得る結合絞りを含む。前記マイクロ波エネルギーから発生する一次電場は、前記結合絞りから発生するエバネセント電場と結合し、前記マイクロ波キャビティでの結合電場は、前記プラズマ放電管の前記縦軸に沿って実質的に均一になる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波キャビティが、長さ及び幅及び高さを含む三つの直交次元を有し、少なくとも二つの前記直交次元は、前記マイクロ波キャビティ内の前記マイクロ波エネルギーが横電気（ＴＥ）モードで伝搬するように選択される。
【００１９】
いくつかの実施形態では、前記プラズマ照射装置はさらに、前記プラズマ放電管の外部にわたって配置されるとともに、前記マイクロ波キャビティ内でマイクロ波エネルギーを実質的に含むべく前記マイクロ波キャビティの端部に配置される複数のラジアルマイクロ波チョークであって、前記ＴＥモード及び横電磁（ＴＥＭ）モードで伝搬するマイクロ波エネルギーを減衰させるように位置するマイクロ波チョークを備える。いくつかの実施形態では、前記複数のラジアルマイクロ波チョークは、前記マイクロ波キャビティの第一端部に位置する第一内側チョーク及び第一外側チョークと、前記マイクロ波キャビティの第二端部に位置する第二内側チョーク及び第二外側チョークとを備え、前記第一内側チョークと前記第一外側チョークとの間の第一スペース及び、前記第二内側チョークと前記第二外側チョークとの間の第二スペースが、前記ＴＥモード及び前記ＴＥＭモードで伝搬する前記マイクロ波エネルギーの減衰をもたらすべく選択される。前記第一スペース及び第二スペースは実質的に同等にすることができ、特定の典型的な実施形態では、前記スペースの少なくとも一つは約０．３８インチである。
【００２０】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波エネルギーは、約１ｋＷの出力を有する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、前記プラズマ放電管の長さは、約１１インチである。
【００２２】
いくつかの実施形態では、前記プラズマ放電管の外径は、約１インチである。
【００２３】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波キャビティの幅は、約３インチである。
【００２４】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波キャビティの長さは、約４．５インチである。
【００２５】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波エネルギーの供給源は、ソリッドステート発生器を備える。
【００２６】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波エネルギーの供給源は、マグネトロンを備える。
【００２７】
いくつかの実施形態では、前記プラズマ放電管は、石英、サファイア、セラミック、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素の少なくとも一つを含む材料からなる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、前記処理ガスは、酸素、窒素、水素、フッ素化ガス、フォーミングガス、ＮＦ3、ＮＨ3、Ｃ2Ｆ4およびＣ2Ｆ6の少なくとも一つを備える。
【００２９】
他の側面では、プラズマ照射装置を提供する。前記プラズマ照射装置は、内部でプラズマを発生させることができるプラズマ放電管を含み、前記プラズマ放電管は、該プラズマ放電管にプラズマ処理ガスが入ることを許容する処理ガス流入口を有するとともに、前記プラズマ放電管は縦軸を有する。マイクロ波キャビティは、前記プラズマ放電管の部分を少なくとも部分的に取り囲む。前記プラズマ照射装置は、前記マイクロ波エネルギーがプラズマ放電管の前記部分内でプラズマを発生させることができるように、マイクロ波エネルギーが前記マイクロ波キャビティに結合され得る結合絞りを含む。複数のラジアルマイクロ波チョークは、前記プラズマ放電管の外部にわたって配置されるとともに、前記マイクロ波キャビティ内で前記マイクロ波エネルギーを実質的に含むべく前記マイクロ波キャビティの端部に配置され、前記マイクロ波チョークは、横電気（ＴＥ）モードおよび横電磁（ＴＥＭ）モードで伝搬するマイクロ波エネルギーが減衰するように位置する。
【００３０】
いくつかの実施形態では、前記複数のラジアルマイクロ波チョークは、前記マイクロ波キャビティの第一端部に位置する第一内側チョーク及び第一外側チョークと、前記マイクロ波キャビティの第二端部に位置する第二内側チョーク及び第二外側チョークとを備え、前記第一内側チョークと前記第一外側チョークとの間の第一スペース及び、前記第二内側チョークと前記第二外側チョークとの間の第二スペースが、前記ＴＥモード及び前記ＴＥＭモードで伝搬する前記マイクロ波エネルギーの減衰をもたらすべく選択される。前記第一スペース及び第二スペースは実質的に同等にすることができ、特定の典型的な実施形態では、前記スペースの少なくとも一つは約０．３８インチである。
【００３１】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波キャビティが、長さ及び幅及び高さを含む三つの直交次元を有し、少なくとも二つの前記直交次元は、前記マイクロ波キャビティ内の前記マイクロ波エネルギーが横電気（ＴＥ）モードで伝搬するように選択される。 
【００３２】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波エネルギーから発生する一次電場は、前記結合絞りから発生するエバネセント電場と結合し、前記マイクロ波キャビティでの結合電場は、前記プラズマ放電管の前記縦軸に沿って実質的に均一になる。
【００３３】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波エネルギーは、約１ｋＷの出力を有する。
【００３４】
いくつかの実施形態では、前記プラズマ放電管の長さは、約１１インチである。
【００３５】
いくつかの実施形態では、前記プラズマ放電管の外径は、約１インチである。
【００３６】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波キャビティの幅は、約３インチである。
【００３７】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波キャビティの長さは、約４．５インチである。
【００３８】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波エネルギーの供給源は、ソリッドステート発生器を備える。
【００３９】
いくつかの実施形態では、前記マイクロ波エネルギーの供給源は、マグネトロンを備える。
【００４０】
いくつかの実施形態では、前記プラズマ放電管は、石英、サファイア、セラミック、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素の少なくとも一つを含む材料からなる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、前記処理ガスは、酸素、窒素、水素、フッ素化ガス、フォーミングガス、ＮＦ3、ＮＨ3、Ｃ2Ｆ4およびＣ2Ｆ6の少なくとも一つを備える。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】典型的な実施形態では、小型の低出力プラズマ照射装置の概略断面図を含む。
【図２】図２Ａ及び２Ｂは、典型的な実施形態では、図１のプラズマ照射装置を含む二つのプラズマ発生システムの概略ブロック図を含む。
【図３Ａ】矩形ＴＥ１０モード導波路の伝搬及びフィールドパターンを示す概略図である。
【図３Ｂ】矩形ＴＥ１０モード導波路の伝搬及びフィールドパターンを示す概略図である。
【図４Ａ】チョークが互いに最適配置されていないプラズマ照射装置の概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示すチョーク位置がもたらす複数のプラズマ密度条件におけるプラズマ照射装置のマイクロ波キャビティで結果として生じる電場減衰を示すグラフである。
【図５Ａ】典型的な実施形態に従い、チョークが互いに最適配置されているプラズマ照射装置の概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示すチョーク位置がもたらす複数のプラズマ密度条件におけるプラズマ照射装置のマイクロ波キャビティで結果として生じる電場減衰を示すグラフである。
【図６Ａ】典型的な実施形態では、ＩＲ透過窓部を示す、冷却ジャケットの部分の概略斜視図を含む。
【図６Ｂ】典型的な実施形態では、図６Ａに示すＩＲ透過窓部の一つの概略斜視図を含む。
【図７】典型的な実施形態では、プラズマ発生システムの冷却システムの作動の概略機能図である。
【図８】典型的な実施形態では、ここで述べる最適冷却をするプラズマ照射装置の概略断面図である。
【図９】プラズマ放電管の壁厚と温度との関係を示す概略図である。
【図１０】典型的な実施形態に従い、プラズマ照射装置２００の冷却の最適化に用いられる設計及び試験パラメータを示す、典型的な実施形態では、他のプラズマ照射装置の概略断面図である。
【図１１】典型的な実施形態では、図１０に示すプラズマ照射装置の詳細な概略断面図である。
【図１２】典型的な実施形態では、実質的に円筒状のプラズマ照射装置の概略絵画的斜視図を含む。
【図１３】典型的な実施形態では、実質的に矩形状のプラズマ照射装置の概略絵画的斜視図を含む。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下に詳細な説明にて、複数の図面に示すところを参照しつつ、本開示の非限定的な例を用いて、本開示について説明する。図面のいくつかの図中では、類似の符号は類似の部分を表している。
【００４４】
図１には、典型的な実施形態では、小型の低出力プラズマ照射装置１００の概略断面図が含まれている。図１を参照すると、プラズマ照射装置１００は、縦軸１３６を有するプラズマ放電管１０２を含み、その内部で、一以上の処理ガスが、プラズマ放電管１０２を少なくとも部分的に取り囲むマイクロ波キャビティ１０６内に結合されるマイクロ波エネルギーにより励起される。いくつかの典型的な実施形態では、前記処理ガスは、酸素、窒素、水素、フッ素化ガス、フォーミングガス、ＮＦ3、ＮＨ3、Ｃ2Ｆ4およびＣ2Ｆ6の少なくとも一つ、又は、一以上の他の処理ガスを備える。マイクロ波エネルギーは、結合絞り１２４でプラズマ照射装置１００の外側ハウジング１２２に連結されるマイクロ波導波路（図示せず）から、結合絞り１２４を介して、マイクロ波キャビティ１０６内に向けられる。典型的な実施形態では、プラズマ照射装置１００は、空気で満たされたラジアル導波路チョーク１０８、１１０、１１２、１４４を含み、これらは、図示のように、対をなす反対側の端部に配置されるとともに寸法化されて、プラズマ放電管１０２を取り囲んで、マイクロ波キャビティ１０６でのマイクロ波エネルギーの格納をもたらす。すなわち、マイクロ波キャビティ１０６及び相互に対する相対位置及びサイズは、マイクロ波エネルギーがマイクロ波キャビティ１０６の外側に伝搬することが実質的に防止されるようなものとする。プラズマの発生に用いられる処理ガスは、処理ガス流入口１１６にてプラズマ放電管１０２に入る。結果として生じるプラズマ生成物は、排出口１２０を通って、所望の適用処理に用いられるプラズマ放電管１０２を出る。
【００４５】
プラズマ照射装置１００はまた、プラズマ放電管１０２を少なくとも部分的に取り囲む冷却ジャケット１０４を含む。冷却ジャケット１０４は、プラズマ放電管１０２の外部の周囲を循環して、プラズマ放電管１０２の温度を制御する、つまり冷却をもたらす冷却流体を含む。典型的な実施形態では、プラズマ照射装置１００は、比較的低出力、たとえば約１ｋＷで作動し、それにより、冷却ジャケット１０４内を循環する冷却流体は、空気のようなガスとすることができる。すなわち、いくつかの典型的な実施形態では、プラズマ照射装置１００の低出力作動のゆえに、液体、たとえば水冷を要しない。冷却ジャケット１０４は空冷流入口１２８を含み、それを通って冷却空気が冷却ジャケット１０４に流入する。該空気は冷却ジャケット１０４を通って循環し、空冷排出口１３０にて冷却ジャケット１０４を出る。冷却ジャケット１０４は、Ｏリングシール１３２により、プラズマ放電管１０２の外部に密閉されるものとすることができる。
【００４６】
上述したように、プラズマ照射装置１００は小型で低出力発生器であり、高さＨ及び幅Ｗを有する。いくつかの典型的な実施形態では、高さＨは約１１インチとすることができ、また幅Ｗは約３．５インチとすることができる。上述したように、プラズマ照射装置１００は、比較的低いマイクロ波出力で作動することができ、これは、いくつかの特定の典型的な実施形態では約１ｋＷであり、１．５ｋＷ以下とすることができる。
【００４７】
図２Ａ及び２Ｂは、二つのプラズマ発生システム１５０Ａ及び１５０Ｂの概略ブロック図を含み、これらは、典型的な実施形態では、図１のプラズマ照射装置１００を含む。図２Ａに、二つの異なる他の結合構造を示し、これらは、同軸ケーブル１４３を介するソリッドステートマイクロ波発生器１４１との統合に用いることができる。一の構造は、同軸ケーブルコネクタを介して照射装置１００に直接的に結合する同軸ケーブル供給部１４２を含み、そこで同軸ケーブル１４３が結合され得る。他の構造は、結合絞り１２４を介してマイクロ波励起エネルギーをマイクロ波キャビティ１０６に結合するための導波路供給部１３８を含む。同軸ケーブルから導波路への移行部１４０は、同軸ケーブル１４３を介して、ソリッドステートマイクロ波発生器１４１からのマイクロ波エネルギーを、導波路供給部１３８に結合する。導波路供給部は、固定チューニングスタブ１４２もしくはバイナリチューニングの更なる利点をもたらし、これは、作動の一の固定位置及びプラズマ添加の一のチューニング位置を与えることに用いられる。この構成は、ソリッドステート発生器１４１により、自動周波数チューニングに更なるチューニング促進をもたらす。図２Ａには、同軸ケーブル１４３を介して同軸ケーブルから導波路への移行部１４０に接続されたソリッドステートマイクロ波発生器１４１が示されていることに注意すべきである。同軸ケーブル供給部１４２が用いられる場合、同軸ケーブル１４３は、導波路供給部１４２上で同軸ケーブルコネクタを介して照射装置１００に直接結合された同軸ケーブルコネクタに直接接続される。
【００４８】
図２Ｂに、図２Ａのソリッドステート発生器１４１に代えて、マグネトロンを用いるプラズマ発生システム１５０Ｂを示す。図２Ｂを参照するに、高圧ＤＣ出力供給部１５３は、高圧ケーブル１５５を介して、マグネトロンヘッド１５１に出力を加える。アイソレーター１４９は、照射装置１００から跳ね返る任意の出力が、マグネトロンヘッド１５１へのダメージを防止するべくブロックされるように、照射装置１００からマグネトロンヘッド１５１を分離する。双方向結合器１４７は、マグネトロンヘッド１５１と照射装置１００との間の出力を測定して結合する。照射装置１００に結合されたマイクロ波エネルギーは、トリプルスタブ自動チューナー１５７である。
【００４９】
種々のプラズマ照射装置は、米国特許第５９６１８５１号、第７１８３５１４号、第５４９８３０８号、第６２６３８３０号、第８０４８３２９号、第７５６２６３８号、第７５５４０５３号及び第６４３９１５５号に記載されている。それらの米国特許は、全て本出願で挙げられた少なくとも一人の発明者によるものであるが、参照によりその全体をここに組み込む。従来のプラズマ照射装置、たとえば、米国特許第５，９６１，８５１号に記載されたプラズマ照射装置では、複数のマイクロ波キャビティがＴＭmnp（横磁界）モードで作動して、伸長励起フィールドを生成する。マイクロ波キャビティ内でのプラズマ収縮は、処理ガス圧力の機能であり、圧力の増大に伴い、プラズマは、個々のキャビティのそれぞれの中央部分内で集中する傾向がある。
【００５０】
また、これまでに既知の技術では、たとえば、米国特許第５，９６１，８５１及び第８，０４８，３２９号に記載されているように、マイクロ波チョークは、単一もしくはデュアル構成として用いられて、ＴＥＭ（横電磁）モードのＥフィールド強度を低下させる。デュアル構成は、チョークが互いに隣接するべく構成されて、プラズマ放電管を通過するマイクロ波侵入を軽減するように設計される。これらの隣接構成は、主として１／４波長設計に基づくものであるが、ＴＥＭモード構成にのみ有効な減衰をもたらす。
【００５１】
これに対し、典型的な実施形態のプラズマ照射装置１００では、マイクロ波励起は、ＴＥ（横電気）モードにてマイクロ波キャビティ１０６で生成される。典型的な実施形態のマイクロ波チョーク１０８、１１０、１１２、１１４は、同時にＴＥ及びＴＥＭモードの両方の電場を減衰させる。ここで詳細に述べるように、マイクロ波キャビティ１０６及び相互に対するチョーク１０８、１１０、１１２、１１４の位置は、ＴＥ及びＴＥＭモードの両方の減衰におけるチョーク１０８、１１０、１１２、１１４の有効な作動を実現するように選択される。
【００５２】
マイクロ波キャビティ内での磁場は均一であり、それにより結果として生じるプラズマもまた均一であることが望ましい。これまでのプラズマ照射装置では、電場の均一性を達成するため、複数のキャビティが互いに隣接して構成され、このことは大型で広範囲になり得る。これらのシステムでは、個別の装置チューブのそれぞれでのプラズマ形成は、圧力に依存する。圧力が増大すると、プラズマは当該チューブ内で収縮し、プラズマチューブの中央部内で集中し、崩壊する。このことは、適切な電場がプラズマの収縮を防ぐことに利用できないという事実に起因する。
【００５３】
また、これらの従来のシステムでは、マイクロ波チョークは、望ましい電場減衰をもたらすための、チョーク間の距離のいかなる最適化もなく、互いに隣接して設計される。これらの従来の構成の性能は、共振もしくは非共振の１／４波長トポロジーのいずれかに基づくものであり、本実施形態のものほど有効ではない。
【００５４】
図１及び２に示す典型的な実施形態では、プラズマ照射装置１００は、従来の照射装置や従来技術で用いられているＴＭmnp（横磁界）タイプ構成とは対照的に、ＴＥmnp（横電気）タイプの電場構成である。典型的な実施形態では、二つの結合電場が、基本的にプラズマ放電管１０２の全長を覆う。部分フィールドのみが発生する結合フィールド部分は、横方向に結合絞り１２４に隣接し、結合絞り１２４により生成される「近接フィールド」強度で満たされて完了する。それゆえに、典型的な実施形態では、プラズマ放電管１０２内での結合電場は、結合絞り１２４により生成されるエバネセントフィールドと一次モードとの組み合わせにより実現される。
【００５５】
典型的な実施形態では、マイクロ波キャビティ１０６内の三次元空間（ｘ、ｙ、ｚ）での磁気及び電場強度は、次式（１）により定義される。
【００５６】
【数１】
2019517707.tif 000003
【００５７】
矩形ＴＥ10モード導波路の電気及び磁気フィールドパターンは、下記の式（２）により定義される。図３Ａ及び３Ｂは、矩形ＴＥ10モード導波路の伝搬及びフィールドパターンを示す概略図である。
【００５８】
【数２】
2019517707.tif 000004
【００５９】
式（１）を参照すると、この特定の実施形態では、整数ｐは０（ゼロ）が選択されて、共振はマイクロ波キャビティ１０６の高さから独立し、高さは縦軸１３６の方向に測定される。高さを十分大きな値に調整することにより、典型的な実施形態の二つの結合電場が得られる。いくつかの特定の典型的な実施形態では、マイクロ波キャビティ１０６の概算幅は３インチであり、概算高さは４．５インチである。これらのキャビティ寸法により、典型的な実施形態の二つの結合電場が実現される。
【００６０】
したがって、典型的な実施形態では、結合電場は、単一のマイクロ波キャビティ１０６内で生成されて、プラズマ放電管１０２に沿う伸長フィールドを生成する。結合フィールドは、結合絞り１２４から生成される「近接フィールド」エバネセント放射により、均一なフィールドとして結合されて完了する。二つの単一電場及びエバネセント放射により形成されるこの均一な伸長フィールドは、プラズマ形成及び均一性が維持されている間、プラズマ照射装置１００が、１０トル以下かつそれよりも大きなより高い圧力で作動することを可能にする。均一な伸長フィールドはまた、プラズマ放電管１０２に沿って、均一なプラズマ形成及び均一な温度をもたらし、このことは、一般に脆弱で従来のより厳しいプラズマ形成環境で損傷を受けると考えられているチューブ材料の使用を可能にする。たとえば、典型的な実施形態では、プラズマ放電管１０２は、サファイア、石英、セラミック、窒化アルミニウム、窒化ホウ素及び／又は他の類似の材料からなるものとすることができる。
【００６１】
典型的な実施形態では、プラズマ放電管１０２内でのプラズマ形成は、圧力から独立し、プロセス圧力が増大するときに、その形成を維持する。プラズマは、プラズマ放電管１０２の中央部分内で崩壊及び集中しない。均一な伸長フィールドは、プラズマの集中を防止し、プラズマがプラズマ放電管１０２内でその形成を維持するようにさせる。
【００６２】
典型的な実施形態では、マイクロ波エネルギーは、結合絞り１２４を介してマイクロ波キャビティ１０６内に結合する。式（１）及び（２）では、指数ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ、マイクロ波キャビティ（導波路）の幅、深さ及び高さ（長さ）を表す。いくつかの典型的な実施形態では、導波路キャビティ１０６の寸法は、上述したように、式（１）及び（２）に従って選択され、ここで、式（１）は、ＴＥmnpのマイクロ波キャビティ１０６内での結合フィールド 形成を算出及び定義し、また式（２）は、マイクロ波出力源からのエネルギーの移行のＴＥ10導波路パラメータを算出及び定義し、これは、先に詳細に説明したように、たとえばソリッドステート発生器１４１又はマグネトロン１５１とすることができる。
【００６３】
典型的な実施形態では、二つの結合電場は、プラズマ放電管１０２内で生成される。上述したように、部分フィールドのみが存在する結合フィールド部分は、横方向に結合絞り１２４の反対側に位置し、結合絞り１２４により生成される「近接フィールド」強度で満たされて完了する。したがって、上述したように、結合電場は、結合絞り１２４により生成されるエバネセントフィールドと一次モードとの組み合わせにより実現されて、プラズマ放電管１０２の縦軸に沿って延びる実質的に均一な電場をもたらす。
【００６４】
先に詳説したように、例示のプラズマ照射装置１００は、ＴＥmnpモードで作動する。特定の典型的な実施形態では、整数ｍ、ｎ及びｐはそれぞれ、１、１及び０である。高さを規定する整数ｐはゼロ（０）に設定されるので、マイクロ波キャビティ１０６の高さはモードから独立する。それゆえに、ＴＥ110高さの二倍の高さを選択することにより、二つの独立電場は、小さい距離で分離されて形成されることがあり、結合端部での各電場の残留強度により弱く結合される。結合絞り１２４は、プラズマ照射装置１００にマイクロ波エネルギーを移行するとともに結合するよう設計されるが、極めて強力な近接フィールド エバネセントモードを有し、これは、プラズマ照射装置１００の内部深くに延びることができ、ここでは、二つの独立電場が配置されるとともに、ＴＥ110モードの弱い残留フィールドを介して結合される。二つの独立電場は、結合絞り１２４から放出されるより強いエバネセントモードを介して結合されるとともに組み合わされ、それにより、プラズマ放電管１０２の縦軸１３６に沿って実質的に均一な電場を生成する。
【００６５】
図４Ａ、４Ｂ、５Ａ及び５Ｂに、マイクロ波キャビティ１０６内での電場の減衰におけるマイクロ波チョーク１０８、１１０、１１２、１１４の位置の効果、それによる、典型的な実施形態でのマイクロ波キャビティ１０６内の電場の封じ込めを示す。特に図４Ａは、典型的な実施形態に従い、チョークが互いに最適配置されていないプラズマ照射装置１００の概略図であり、図４Ｂは、複数のプラズマ密度条件についての、マイクロ波キャビティ１０６で結果として生じる電場減衰を示すグラフを含む。図５Ａは、典型的な実施形態に従い、チョークが最適配置されているプラズマ照射装置１００の概略図であり、図５Ｂは、複数のプラズマ密度条件についての、マイクロ波キャビティ１０６で結果として生じる電場減衰を示すグラフを含む。
【００６６】
図４Ａ、４Ｂ、５Ａ及び５Ｂを参照するに、内側チョーク１１０及び１１２を「チョーク１」と称し、外側チョーク１０８及び１１４を「チョーク２」と称する。第一チョーク１１０及び１１２に対する第二チョーク１０８及び１１４の相対距離はそれぞれ、典型的な実施形態に従い、組み合わせ構造の減衰効率を高めると認識される。また、チョークのフィールド強度は極めて低く、これは大幅な減衰を示唆する。図示のように、典型的な実施形態では、チョーク１０８、１１０、１１２、１１４は、マイクロ波キャビティ１０６の両端部に配置される。いくつかの実施形態では、チョーク１０８、１１０、１１２、１１４は、石英材料で満たされ、それにより、ラジアル導波路構造の寸法は、システムの小型を増進させるため、比較的小さくすることができる。たとえばセラミック、サファイア及び、その他の誘電材料のような他のチョーク充満材料を用いることができる。また、たとえば、他の実施形態では、チョーク１０８、１１０、１１２、１１４は空気で満たされる。
【００６７】
図４Ａ及び４Ｂを参照すると、構成は、内側チョーク１１０、１１２と各外側チョーク１０８、１１４との間の最適化された間隔を含まない。図４Ａの例示では、各内側及び外側チョーク間の通常の空間は、約０．０８インチである。図４Ｂの対応する強度曲線を参照すると、チョーク、つまりチョーク１及びチョーク２で結果として生じる図示の減衰はわずかである。すなわち、チョークの最適化された位置決め、特にチョーク間の間隔なしでは、電場減衰が極めて小さいか又は無いことが実現される。
【００６８】
一方、図５Ａ及び５Ｂを参照すると、構成は、内側チョーク１１０、１１２と各外側チョーク１０８、１１４との間の最適化された間隔を含む。図５Ａの例示では、各内側及び外側チョーク間の通常の間隔は約 ０．３８インチである。図５Ｂの対応する強度曲線を参照すると、チョーク、つまりチョーク１及びチョーク２で結果として生じる図示の減衰は、図４Ａ及び４Ｂのケースよりもはるかに著しい。すなわち、チョークの最適化された位置決め、特にチョーク間隔があると、電場減衰のかなりの改善が実現される。
【００６９】
典型的な実施形態では、二つの隣接するチョーク間の最適な減衰性能に影響を及ぼすチョーク間の距離をもたらす構成は、ＴＥmnpモードの存在であり、これは、式（１）の最終行に従って説明される波長を有する。
【００７０】
【数３】
2019517707.tif 000005
【００７１】
特定の典型的な実施形態では、ＴＥ110のモードについては、波長は４．２４３’’と計算され、ここでは、式（１）の整数ｍ、ｎ及びｐはそれぞれ、１、１及び０である。この典型的な実施形態では、寸法ａ及びｂはそれぞれ３．０インチであり、周波数はｆ＝２，４５０ＭＨｚである。上記のｋの式にｍ＝１、ｎ＝１、ｐ＝０、ａ＝３．０及びｂ＝３．０を代入し、λについて解くと、λ＝ ４．２４３インチとなる。これまでのアプローチでは、波長は次式：λ＝ｃ／ｆにより計算されており、ここで、λは波長、ｃは光の速度、ｆは周波数である。この計算はＴＥＭモードに適用できる。これに対し、典型的な実施形態では、２，４５０ＭＨｚの設計周波数で、例示のシステムの波長は４．２４３インチである。典型的な実施形態では、チョーク離隔距離は、波長の関数、すなわち周波数である。所定の典型的な実施形態では、マイクロ波プラズマ励起波長が４．２４３インチで、チョーク離隔距離が０．３８インチのとき、線形増倍係数、つまり傾斜が０．３８／４．２４３＝０．０８９６と得られる。典型的な実施形態に従うと、０．３８インチのチョーク離隔距離は、最適な減衰をもたらすと考えられている。但し、許容減衰をもたらすように、チョーク離隔距離を０．１２５〜０．６２５インチの範囲内で決定することもある。
【００７２】
よって、典型的な実施形態では、従来のシステムのＴＭモードとは対照的に、マイクロ波チョーク構成が、キャビティ１０６内をＴＥモードで伝搬するマイクロ波エネルギーの減衰に用いられる。チョーク構成はまた、ＴＥＭモードで伝搬するマイクロ波エネルギーを補足し、又は減衰させる。
【００７３】
図４Ａ、４Ｂ、５Ａ及び５Ｂを参照すると、減衰は、チョーク内部とチョーク外部の電場の比として計算され、プラズマ放電管１０２の周囲にわたって平均化される。チョーク性能は、１０〜１００Ｓ／ｍのプラズマ伝導率範囲にわたって評価されて、作動空間にわたる安定性能を保証する。特定の典型的な実施形態では、図５Ｂに示すように、５０〜７１の係数で電場を減衰させ、これはプラズマインピーダンスに応じるものである。電場強度の二乗に応じて出力が変化するので、出力減衰は約２，５００〜５，０００になる。
【００７４】
したがって、マイクロ波キャビティ１０６の反対側の端部における二つの隣接するチョークは、ラジアル導波路トポロジーを有し、最適な距離で互いに離れて、ＴＥ及びＴＥＭモードの両方の組み合わせを同時に減衰させる。このことは、少なくとも、マイクロ波表面電流が、ＴＥ及びＴＥＭモードの両方でチョークにてゼロに近づくという理由では特異である。典型的な実施形態では、チョークは、マイクロ波キャビティ１０６の外側寸法に一致する径を有するとともに、石英材料で満たされて小型のために径をさらに小さくする。典型的な実施形態のこのマイクロ波チョーク構成、すなわち、所定の距離で分離されたラジアル導波路構成は、図５Ｂに示すように、ＴＥ及びＴＥＭモードの両方で、電場強度を効果的に低減する。これに対し、図４Ｂに示すように、電場減衰は、ＴＥ及びＴＥＭモードの両方で、二つチョークの分離が最適化されていない場合、不十分で最小となる。これは、最適化された分離なくしては、チョークでのＴＥモードのマイクロ波表面電流がゼロにならず、それにより、最小減衰が得られることによるものである。
【００７５】
上述したように、プラズマ照射装置１００は、プラズマ放電管１０２を少なくとも部分的に取り囲む冷却ジャケット１０４を含む。いくつかの実施形態では、一以上の赤外線（ＩＲ）検出器を用いる温度検出のような何らかの形態の視線監視を通じて、プラズマ放電管１０２の温度を監視することが望ましい。そのような監視を容易にするため、プラズマ冷却ジャケット１０４は選択的に、たとえばＩＲ放射等の監視放射に対して透過にすることができる一以上の窓部を含むことができる。図６Ａは、典型的な実施形態に従うＩＲ透過窓部１０３を示す、冷却ジャケット１０４の一部の概略斜視図を含む。図６Ｂは、典型的な実施形態に従う、図６Ａに示すＩＲ透過窓部１０３の一つの概略斜視図を含む。図１、６Ａ及び６Ｂを参照すると、プラズマ放電管１０２は選択的に、図示のような複数の開口部とともに形成されるものとすることができる。複数のＩＲ透過窓部１０３のそれぞれは、冷却ジャケット１０４の外部表面に接着されることができ、この接着部は、窓部１０３と冷却ジャケット１０４との間のシールをもたらす。窓部１０３は、選択的な監視孔１２６とつながるものとすることができ、それにより、プラズマ放電管１０２の内部が、たとえば一以上のＩＲ検出器により監視され得る。窓部１０３の材料は、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）又は類似の材料等のようなＩＲ透過材料とすることができる。
【００７６】
プラズマ照射装置１００が低い空気圧で作動するので、プラズマ放電管１０２からの十分な熱を除去することは難しい場合がある。典型的な実施形態では、冷却ジャケット１０４とプラズマ放電管１０２との間の隙間が、最大熱除去効率のために最適化される。プラズマ照射装置１００、特にプラズマ放電管１０２の冷却をもたらすアプローチについては、次に詳細に説明する。典型的な実施形態では、照射装置の反対側の二つの実質的に対称な構造が、照射装置の空冷及びフランジの水冷をもたらす。
【００７７】
典型的な実施形態では、プラズマ照射装置１００における強制空冷システムは、圧縮空気システムの能力の広い範囲で、プラズマ放電管１０２の最低温度を得る。図７は、典型的な実施形態に従うプラズマ発生システム１５０の冷却システムの作動の概略機能図である。図７を参照すると、第一端部でプラズマ放電管１０２に入るプロセスガスは、マイクロ波キャビティ１０６のマイクロ波エネルギーと結合されて、プラズマを生成し、そしてプラズマ放電管１０２の反対側の端部から排出される冷却ジャケット１０４は、プラズマ放電管１０２より径が大きい他のチューブであり、プラズマ放電管１０２と同軸に配置されて、少なくとも部分的にプラズマ放電管１０２を取り囲むとともに包み込む。プラズマ放電管１０２と冷却ジャケット１０４との間の隙間（ｇ）１０７は、プラズマ放電管１０２を冷却するため、強制空気の通路を与える。
【００７８】
典型的な実施形態では、プラズマ放電管１０２と冷却ジャケット１０４との間の隙間ｇは、最適化された寸法である。所定の空気システムでは、ｇは、熱伝達係数（ｈ）及び気流量（ｆ）を決定する。ｇが増大すると、ｆも増大するが、ｈは減少する。隙間ｇのサイズは、気流量及び熱伝達係数を最適化するように選択される。いくつかの典型的な実施形態では、プラズマ放電管は、１.００インチ（２５.４ｍｍ）の外径ｒ（ＯＤ）を有する。様々な標準サイズの冷却ジャケット１０４は、２６ｍ、２７ｍｍ、２８ｍｍ、２９ｍｍ及び３０ｍｍ等のような異なる内径（ＩＤ）を有し、１.００インチＯＤのプラズマ放電管１０２で作動し得る。これらの可能性のある冷却ジャケット１０４のなかから、シミュレーション及び実験データにより、プラズマ放電管１０２で最も低い温度になる２７ｍｍのＩＤを有する冷却ジャケットが決定されている。これは、隙間ｇが約０．８ｍｍのサイズをもたらす。
【００７９】
図８は、典型的な実施形態に従う、ここで述べた最適冷却のプラズマ照射装置１００の概略断面図である。図８を参照すると、ｇ値が決定されると、チューブ冷却箇所Ｃ２の外側でフローコンダクタンスを増大させることにより、冷却をさらに促進させることができる。照射装置１００の三つの異なる箇所のそれぞれでのフローコンダクタンスは、Ｃ１、Ｃ２及びＣ３で示され、一般に異なるものである。照射装置１００の全コンダクタンスは次のように記述することができる。
【００８０】
【数４】
2019517707.tif 000006
【００８１】
ここで、Ｃは全コンダクタンス、Ｃ１は、照射装置１００の上流側箇所のコンダクタンス、Ｃ２は、チューブ冷却箇所のコンダクタンス、Ｃ３は、照射装置１００の下流側箇所のコンダクタンスである。典型的な実施形態では、Ｃ１及びＣ３は、最も高いコンダクタンス及び流量を得るためにさらに最大化され、それにより、照射装置１００の冷却性能を最大化する。このことは、可能であれば、最大の噴射孔の最大数、最短の冷却空気通路および、最大の断面積の使用を含む。
【００８２】
典型的な実施形態の冷却アプローチは、他の冷却アプローチと比べて、プラズマ放電管１０２上での小さい熱応力をもたらす。冷却の改善を与えることにより、プラズマ放電管１０２が、不均一な冷却表面により生じる大きな熱応力からの損傷に対する防御として、高い壁の厚みを有することを要しない。典型的な実施形態では、プラズマ放電管１０２の内側表面上の所定の熱流束および、所定のチューブ材料で、より薄い壁が、より低いチューブ温度をもたらす。このことは、プラズマ放電管１０２が、比較的小さい壁厚みを有することを許容し、さらなる温度低下を実現させる。
【００８３】
図９は、プラズマ放電管１０２の壁厚みと温度との間の関係を示す概略図である。図９より次式が得られる。
【００８４】
【数５】
2019517707.tif 000007
【００８５】
ここで、ｑは熱流束、Ｔiは内側チューブ温度、ＴOは外側温度、ｋは熱伝導率、Δｘはプラズマ放電管１０２の厚みである。式（４）はまた次のように記述することもできる。
【００８６】
【数６】
2019517707.tif 000008
【００８７】
式（４）及び（５）に示すように、より薄い壁厚みは、より低い内側チューブ温度をもたらす。
【００８８】
図１０は、典型的な実施形態に従う他のプラズマ照射装置２００の概略断面図であり、典型的な実施形態に従うプラズマ照射装置２００の最適化冷却に用いる設計及び試験パラメータを示す。図１０を参照すると、圧縮空気システムの性能の広い範囲で、最高の冷却性能が決定されている。特に、プラズマ照射装置１００及び２００は、図１０に示すような設定を用いて設計されるとともに試験されており、ここで、Ｐ１は上流側圧力、Ｐ２は下流側圧力、Ｃ４は上流側フローコンダクタンス、Ｃ５は、接続に依存する下流側フローコンダクタンスである流れ設定が異なる場合に、この設計が最良であることを検証するため、圧縮空気システムの最も高い性能をもたらすように、理論的な設定、すなわちＣ４＝Ｃ５＝０が使用された。その後、流量は、電流設計の熱性能が、プラズマ放電管１０２での最低温度の観点で最良になるものとしてシミュレートされるとともに発見されたことに基づいて算出された。
【００８９】
次の全熱方程式から最適化が説明される。
【００９０】
【数７】
2019517707.tif 000009
【００９１】
ここで、Ｑは、１秒当たりに空気により除去された全熱、Ｃｐは空気の比熱（Ｗ／ｋｇ）、Ｆは気流量、Ｔoutは、排出口での空気の温度、Ｔinは、流入口での空気の温度である。Ｑは、Ｆの増大とともに増大する。Ｆは、空気圧の増大とともに増大し、一定の圧力では、プラズマチューブとジャケットチューブとの間の大きな隙間が、より大きなＦをもたらす。
【００９２】
次式は熱伝達からである。
【００９３】
【数８】
2019517707.tif 000010
【００９４】
ここで、ｈは熱伝達係数、ｋは空気の熱伝導率、Ｔwallはプラズマ放電管１０２の温度、Ｔairは空気の温度である。Ｑは、ｈの増大とともに増大する。Ｈはまた、圧力の増大とともに増大し、圧力が一定のとき、プラズマ放電管１０２と冷却ジャケット１０４との間のより狭い隙間は、大きなｈをもたらす。但し、所定の圧縮空気システムでは、最も大きな圧力は一定である。それゆえに、典型的な実施形態では、プラズマチューブ１０２と冷却ジャケット１０４との間の最適化された隙間がもたらされる。
【００９５】
二つの試験条件が開発され、それから、システムにおけるフローコンダクタンスのすべての値が開発された。すべての可能性のある条件及び設計における気流は予測された。最適化されたチューブ隙間ｇは、選択された例示の市販の圧縮空気システムに基づいて作り出され、これはすべての圧力範囲に適用可能であり、それにより、プラズマ放電管１０２の最良の冷却結果をもたらす。
【００９６】
図１１は、典型的な実施形態に従う、図１０に示すプラズマ照射装置２００の概略断面図である。図１１を参照すると、プラズマ照射装置２００は、照射装置２００におけるフランジの水冷を除いて、ここで述べたプラズマ照射装置１００と同様のものである。プラズマ照射装置１００及び２００における類似の要素は、類似の符号を用いて特定されている。
【００９７】
図１１を参照するに、マイクロ波キャビティ１０６は、プラズマ放電管１０２及び冷却ジャケット１０４の外部の周囲のラジアル・キャビティ・フランジ２０２Ａ及び２０２Ｂを含む。ラジアル流入口フランジ２０８Ａは、プラズマ放電管１０２及び冷却ジャケット１０４の外部の周囲のプラズマ照射装置２００の流入口端部に配置されている。ラジアル排出口フランジ２０８Ｂは、プラズマ放電管１０２及び冷却ジャケット１０４の外部の周囲のプラズマ照射装置２００の流入口端部に配置されている。
【００９８】
冷却ジャケット１０４を介して与えられるプラズマ照射装置２００の空冷に加えて、プラズマ照射装置２００はまた、水のような液体によるフランジ２０２Ａ、２０２Ｂ、２０８Ａ及び２０８Ｂの冷却を与える。そのため、プラズマ照射装置２００は、ラジアル水接続具２０６Ａ及び２０６Ｂを含み、これを通って、水が、循環水路２０４Ａ及び２０４Ｂの内外へ通過することができる。
【００９９】
図１２及び１３は、典型的な実施形態に従うプラズマ照射装置の他の実施形態の概略絵画的斜視図を含む。特に図１２は、典型的な実施形態に従う実質的に円筒状のプラズマ照射装置３００の概略絵画的斜視図を含み、図１３は、典型的な実施形態に従う実質的に矩形状のプラズマ照射装置４００の概略絵画的斜視図を含む。ここでの詳細な説明の全体は、文中に別段の指示がない限り、図１２及び１３におけるプラズマ照射装置３００及び４００の実施形態に適用する。
【０１００】
図１２及び１３を参照すると、プラズマ照射装置３００及び４００は、プラズマの点火を開始する点火ランプアセンブリ３１１、４１１を含む。プラズマ照射装置３００、４００は、先に詳細に説明した典型的な実施形態に従い、空冷のため、空冷流入口３１８、４１８及び空冷排出口３３０、４３０とともに、処理ガス流入口３１６、４１６を含む。プラズマ照射装置３００、４００はまた、先に詳細に説明した典型的な実施形態に従い、フランジの水冷をもたらす水冷ポート３０６３、４０６を含む。プラズマ照射装置３００、４００はまた、プラズマの発生のためにマイクロ波キャビティ３０６、４０６内にマイクロ波エネルギーを結合するべく、導波路が取り付けられ得る結合絞り３２４、４２４を含む。プラズマ照射装置３００、４００はまた、典型的な実施形態に従い、先に詳細に説明したように、マイクロ波チョークもしくはトラップ３０８、３１０、３１２、３１４及び４０８、４１０、４１２、４１４を含む。
【０１０１】
本発明の概念を、その典型的な実施形態を参照しながら、具体的に示すとともに説明したが、当業者は、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の概念の主旨及び範囲から逸脱することなしに、そこに形式及び詳細において様々な変更が加えられ得ることを理解する。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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