(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面及び第２の表面を有する基板と、
前記基板の第１の表面の上に設けた第１の端部及び第２の端部を有し、かつ動作周波数（λ）の１／４の奇数倍の長さを有する第１の細片と、
前記基板の前記第２の表面上に設けられ、かつ前記第１の細片の第１の端部が接続された接地面と、
前記第１の細片の第２の端部に隣接し、かつ前記接地面に接続された接地電極とを備え、前記第１の細片の第２の端部と前記接地電極との間には放電隙間が設けられ、
さらに、前記第１の細片への給電用電源への接続のため電源コネクタと
を備えたことを特徴とするプラズマ発生器。
【請求項２】
前記基板が誘電材料を含んでなる平面基板であり、前記第１の細片が金属細片からなることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項３】
前記接地面に対して前記第１の細片の第１の端部を接続させるために基板を介して設けられた第１のビアをさらに備えると共に、前記接地面に対して前記接地電極を接続させるために基板を介して設けられた第２のビアを備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項４】
前記電源コネクタは、電源のインピーダンスに適合する入力インピーダンスを供給するために、前記第１および第２の端部間にある前記第１の細片の上の所定の位置で第１の細片に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項５】
プラズマ発生器アレイを形成するために前記基板の第１の表面上に複数の細片をさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項６】
プラズマ発生器アレイであって、
第１の表面及び第２の表面を有する基板；
前記基板の第２の表面に備えられた接地面；
前記第１の表面上にあり、前記接地面と接する接地電極；
前記基板の第１の表面に設けられた複数の細片で、各細片は第１の端部および第２の端部を有し、各細片の第２の端部と、前記接地電極との間に複数の放電隙間が規定され、かつ該放電隙間は互いに隣接しており；および
前記複数の細片のうちの一つである第１の細片への電力供給のために電源に接続するための電源コネクタを備え、各細片の第１の端部は接地面と接し、各細片は、動作周波数（λ）の１／４の奇数倍の長さを有することを特徴とするプラズマ発生器アレイ。
【請求項７】
前記放電隙間が互いに同一直線上にあるように配置されることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ発生器アレイ。
【請求項８】
前記複数の細片が、電力が第１の細片へ供給されるときに、残りの細片は共振結合を介して電力を供給されるように、第１の表面上に配置されることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ発生器アレイ。
【請求項９】
前記放電隙間は、概ね円形配置で配列されていることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ発生器アレイ。
【請求項１０】
少なくとも２以上の周波数を含む入力電力を供給する電源をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ発生器アレイ。
【請求項１１】
前記基板を通して延びる開口部をさらに備え、前記放電隙間はリング状の前記開口部の周囲に配列されていることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ発生器アレイ。
【請求項１２】
前記基板が、絶縁材料からなる平坦な基板で、各細片は金属細片からなる、請求項６のプラズマ発生器アレイ。
【請求項１３】
前記複数の細片の各々に、それぞれの細片の第１の端部を接地面に接続するための基板を貫通して設けられたそれぞれのビア、および
接地電極を接地面に接続する基板を貫通して設けられたビア
をさらに備える請求項６のプラズマ発生器アレイ。
【請求項１４】
電源コネクタは、電源のインピーダンスに適合する入力インピーダンスを供給するために、前記第１および第２の端部間にある前記第１の細片の上の所定の位置で第１の細片に接続されていることを特徴とする請求項６のプラズマ発生器アレイ。
【請求項１５】
請求項６〜１４の何れかに記載のプラズマ発生器アレイを備え；
電源コネクタに電源を接続し；
前記プラズマ発生器アレイの近くに変性させるべき被加工品表面の位置を定め；および
前記被加工品表面を変性するために連続したプラズマを発生させることを特徴とする前記被加工品表面を変性する方法。
【請求項１６】
前記被加工品表面を、前記被加工品表面に材料を加えるか、前記被加工品表面から材料を除去するか、または前記被加工品表面の化学的性質を変性するかの何れか一つによって、発生したプラズマで変性することを特徴とする請求項１５に記載の基板表面の変性方法。
【請求項１７】
前記被加工品表面を変性するために前記発生プラズマと反応するガスを供給することをさらに含む請求項１５に記載の基板表面の変性方法。
【請求項１８】
前記被加工品表面にシリコンを堆積させるシランガスを供給するか、前記被加工品表面をエッチングするフッ化炭素ガスを供給するかの何れかをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の基板表面の変性方法。
【請求項１９】
前記プラズマが、大気圧で発生されることを特徴とする請求項１５に記載の基板表面の変性方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年４月２８日に出願した米国仮出願番号６１／１７３３３４の利益を享受することを主張する。
【０００２】
本発明は、米国エネルギー省からの許可Grant DE-SC0001923に基づくサポートによりなされたものであり、従って、米国政府は、本発明について一定の権利を有している。
【背景技術】
【０００３】
基板表面の処理技術についての改善が要望されている。例えば、光電池（ＰＶ）素子は、太陽電池を形成するために、ガラスシートなどのような基板材料の上に、各種材料、例えばシリコンや金属などの複数の薄膜層を堆積して製造するのが典型例である。
【０００４】
ＰＶ素子は、化石燃料に比べてまだコストが高い。一般に、ＰＶ素子の製造は、もともと半導体工業によって発展してきた半導体技術を基礎とするものである。半導体チップは非常に高機能であるけれども、サイズ（面積）は小さい（高々約１ｃｍ２程度）。これとは対照的に、光電池（ＰＶ）素子は比較的単純な素子であって、サイズ（面積）は非常に大きい。１０８個からなる半導体チップを製造する技術は、単一で大型サイズのダイオード（例えば、ＰＶ電池など）の製造には必ずしもうまく適合していない。それにもかかわらず、チップ技術は、現在、寸法的には、ＰＶ製造のスケールになっている。現在、ＰＶ製造用設備には、高度の真空技術を使用しており、連続的にチャンバーからチャンバーへ大きなシート状のガラスを転送し、太陽電池形成のためにそのガラスの基板にシリコンや金属を複数層堆積させている。所謂、このバッチ法での製造方法は、大きな体積のものを低コストで製造する用途とは矛盾する。
【発明の概要】
【０００５】
［発明の要約］
本発明の一態様によれば、本発明のマイクロプラズマ発生器は、少なくとも１つの金属細片を有する。その金属細片の第１の端部は隣接する接地平面に接続されていると共に、該金属細片の第２の端部はその細片の接地電極に隣接しており、該第２の端部と接地電極との間には隙間を備えている。高周波電力がその細片に供給されており、好ましくは、入力インピーダンスが電源のインピーダンスとマッチングしているのがよい。ある実施形態においては、周波数は、細片上を移動する信号の波長の１／４の奇数倍となるように選択されている。マイクロプラズマは、細片の第２の端部と接地電極との間の隙間に、当該領域での電場に起因して発生する。
【０００６】
本発明の他の態様として、マイクロプラズマ発生器は、互いに近接した金属細片のアレイを備えている。当該細片の少なくとも１つは、高周波数電力に対する入力を有している。細片の残りは、少なくとも１つの電力が供給されている細片からの結合に起因して共振する。マイクロプラズマは、各細片の端部と接地電極との間の隙間（ギャップ）に発生する。ある実施形態においては、前記アレイの細片は、前記隙間が実質的に互いに隣接し合うように配置されており、各隙間は、実質的に連続したプラズマを生成するために重なり合っている。一実施形態では、前記隙間は同一直線上にあり、プラズマの“ライン”を形成している。別の一実施形態では、前記隙間は概ね円形に配置され、プラズマリングを生み出している。
【０００７】
一実施形態では、上記アレイへ供給される電力周波数は、結合されたアレイの動作モードの励起周波数に対応するように選択されている。また、他の実施形態では、プラズマの不均一性を改善するために、動作モードのそれぞれの励起周波数に対応する少なくとも２以上の周波数が供給される。
【０００８】
さらに、本発明の別の態様によれば、少なくとも１つの金属細片を備えてなるマイクロプラズマ発生器は、基板の表面を変性するために用いられる。また、他の実施形態では、基板の表面は、例えば、ＳｉＨ４（水素化ケイ素）のような化学的によく反応するガスを用いることにより材料を付加（例えば、堆積）、あるいは、ＣＦ４(四フッ化メタン)のような反応性のガスを用いることによって材料を除去（例えば、エッチング）、あるいは、酸素や水蒸気などを用いて化学的に変性するなどにより変性される。
【０００９】
本発明に係る方法及びシステムでは、本発明のマイクロプラズマ発生器は、“ロールからロールへのコーティング（roll-to-roll coating）”方法において、基板上に材料を堆積するために用いられる。基板材料は、回転（ロール）形式によって供給することができ、そして、そのロールに巻かれた基板材料はロールから解かれ、マイクロプラズマ発生器によって処理される。このマイクロプラズマ発生器は、好ましくは線形プラズマを生成するマイクロプラズマアレイであって、その基板は再度ロールに巻かれる。基板は、その基板上に薄いフィルム層を堆積することにより製造（加工）することができる。この方法の利点は、マイクロプラズマが冷たいから、例えばプラスチックのような低コストの基板材料の使用が可能になることである。また、そのマイクロプラズマは、大気圧又はこれに近い圧力で発生され、ロールに巻かれた材料が処理領域を出たり入ったりするので、高価な差動ポンプ（differential pumping）を用いる必要がない。また、ある実施形態では、光電池（ＰＶ）素子を提供するため、マイクロプラズマ発生器が、少なくとも１つの材料層を基板上に堆積させるのに用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の好ましい実施例の記述、請求項及び添付図面を参照することにより明らかになるであろう。
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明に係る１／４波長の線形共振器及びマイクロプラズマ発生器の平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの線形共振器の側断面図である。
【図２】図２は、共振周波数で動作した単一共振器の等価回路を示す説明図である。
【図３】図３は、列状に重なり合ったマイクロプラズマを生成するための線形共振器アレイを示す平面図である。
【図４】図４は、その構造及び５つの共振細片の上に誘導された高周波電流を示す説明図である。
【図５】図５は、電力が、５列の線形共振器アレイのための電磁シミュレーション及び測定された反射係数の双方のために吸収される固有周波数を示すグラフである。
【図６】図６は、５つの共振システムでの最初の２つの固有モード及び当該最初の２つの固有モードの重ね合わせに対するエネルギー分布を示すグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、線形アレイと、第１モード（７３３Torrで、ｆ＝４１３ＭＨｚ、０．６６Ｗ）における放電隙間でのプラズマ分布を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、線形アレイと、第２モード（７３１Torrで、ｆ＝４７１ＭＨｚ、０．６３Ｗ）における放電隙間でのプラズマ分布を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、線形アレイと、第１モード及び第２モードの重ね合わせによって生成されるプラズマ分布を示す図である。
【図８】図８は、多重周波数でのマイクロプラズマ発生器アレイ及び電力供給用の電源を示す説明図である。
【図９】図９は、多重周波数入力を備えたアレイを示す図である。
【図１０】図１０は、本発明に係るマイクロプラズマの線形アレイの写真である。
【図１１】図１１は、露光時間を減らした状態での図４のアレイの写真である。
【図１２】図１２は、３６要素を備えたアレイを示す図である。
【図１３】図１３は、細片ラインに対して直接電力供給される電源を備えた１６要素アレイを示す図である。
【図１４】図１４は、幾何学的に円形なマイクロプラズマ発生器アレイを示す図である。
【図１５】図１５は、円形アレイの配置構成を示す説明図である。
【図１６】図１６は、リング状のマイクロプラズマを発生する円形アレイを示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の一態様に係る線形マイクロプラズマアレイを用いたロールからロールへの被覆装置の機構を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、２００９年４月２８日に提出された米国仮出願Ｎｏ．６１／１７３，３３４の利益享受を主張するものであって、その全ての内容が以下に網羅されている。
【００１３】
図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ本発明の一態様に係るマイクロプラズマ発生器１００の平面図及び側部断面図を示す。本実施形態のマイクロプラズマ発生器１００は、誘電体（材料）１０３の表面に支持された単一の金属細片１０１を備えている。接地平面１０５は、金属細片１０１とは反対側に位置する誘電体１０３の上に設けられている。金属細片１０１の第１の端部１０７は、誘電体１０３において、単一のビア（via）１０９を通って接地平面１０５に接続されている。接地電極１１１は、ビア１１３を通って接地平面１０５に接続されている。隙間（ギャップ）１１５は、金属細片１０１の第２の端部１１０と接地電極１１１との間の領域に形成されている。
【００１４】
高周波数電力の電源１１７は、上記細片１０１に、好ましくは、入力インピーダンスと電力インピーダンスがマッチングする細片上の場所で、接続されている。電源の動作周波数は、細片１０１の長さが細片上を進む波長の１／４の奇数倍となるように選択されるのが好ましい。マイクロプラズマ１２０は、細片１０１の第２の端部１１０と接地電極１１１との間の隙間１１５において、その領域の電場に基づいて生成される。図１Ａ及び図１Ｂに示す実施形態では、前記細片１０１は、波長の１／４であって、比誘電率（relative dielectric constant；相対的な誘電定数）９．８を有する誘電体層１０３の上の接地平面１０５の上方で支持されている。
【００１５】
一つの態様によれば、隙間１１５に形成されるマイクロプラズマ１２０は、低温（即ち、“コールド（冷温）”）の大気圧でのプラズマである。当該技術分野で知られているように、プラズマはイオン化されたガスであって、電場によって加熱された電子はガス原子をイオン化するように作用する。ガス圧が低いときには、プラズマ内部のホットエレクトロン（熱電子）は、比較的、ガス原子と殆ど衝突しない。従って、蛍光（圧力が高々略１Torr程度）で観察されるように、ガスは冷たいままである。しかしながら、大気圧又はそれに近い圧力（圧力が略７６０Torr程度）では、プラズマ内部の自由電子はガス原子と頻繁に衝突し、ガスを非常に高温（例えば、５,０００〜１０,０００Ｋ）にまで加熱する。大気圧雰囲気中のプラズマの例としては、稲妻や溶接アーク等が含まれる。高温プラズマは有害であり、従って、光電池（ＰＶ）の製造を含む多くの工業的な処理には不向きである。
【００１６】
近年、大気圧又はこれに近い低圧下で比較的低温のプラズマを生成するプラズマ発生器の開発が行われている。これらの、いわゆる低温大気圧プラズマは“冷たい”プラズマとして知られており、しばしば５００Ｋ以下で、一般には３００〜１０００Ｋの範囲にある、より低いガス温度によって特徴付けられている。これらの“冷たい”プラズマ放電は、アーク放電に限られるものではなく、典型的には、かなり小さな（＜１ｍｍ）ものであり、工業的処理に必要とされる１ｍ２までの比較的広い領域をカバーするものではない。しかしながら、これらの低温大気圧プラズマは、非常に多くの製品の工業的処理への適用に有利であり、特に、例えばプラスチックのような熱に敏感で、低廉な日用品用途の素材を処理するために有利である。
【００１７】
大気圧雰囲気での冷温プラズマを生成させるマイクロプラズマ発生器の例としては、分割されたリング状共振器（ＳＲＲ：Split Ring Resonator）がある。この装置では、マイクロプラズマは、リング状の微小細片の伝送ライン（microstrip transmission line）に形成される放電隙間（例えば、２５μｍ）に生成される。冷温大気圧雰囲気プラズマは、共振回路を用いることで、マイクロ波エネルギー（０．４〜２．４ＧＨｚ）をプラズマ電子と結合させることによって生成される。その共振回路は、ガス分子の回転及び振動の各モードとの強力な結合を行うことなく（即ち、多大な熱を生じることなく）、プラズマ電子を加熱するような高電場Ｅ（Ｅは略１０ＭＶ／ｍ程度）を生成する。プラズマ内部の気体温度は、窒素分子の回転スペクトルを使用して測定することができ、典型的には、１００〜４００℃の範囲内にある。ＳＲＲプラズマ発生器の具体的な例としては、ホップウッドら（Hopwood et al.）の米国特許第６９１７１６５号に記載されており、その全ての内容が本明細書に参考として組み入れられている。
【００１８】
本発明に係るマイクロプラズマ発生器には、好ましくは、冷温大気圧雰囲気プラズマを生成するためのマイクロ波共振回路が用いられる。冷温プラズマ技術について知る限り、マイクロ波共振器についての研究により、最も低いガス温度と最も長い電極寿命が維持されるようになる一方、最強の電子密度が提供されるようにもなったのである。
【００１９】
図２は、共振周波数で運転動作された単一の共振器１００の等価回路を示す。この実施形態では、前記共振器は、高い比誘電率（εｒ＝１０．２）を有する材料で製造された微細細片の伝送ラインからなり、共振器の端部と接地グランドとの間に形成される２００μｍの放電隙間を横断する、最大電圧差ｒｆを有する１／４波長共振器に基づいて設計されている。
【００２０】
入力ポートの物理的な位置が、その電力インピーダンス（５０Ω）とマッチングするように選択されているので、マイクロ波電源は、ネットワークとマッチングさせることなく、共振器と直接接続されている。１／４波長共振器の入力インピーダンスは、図２に示した等価伝送ライン回路を基礎としており、２ラインの区間（Ｚ１‖Ｚ２）の平行インピーダンスよって計算されている。これは、J.ChoiらのPlasma Source Sci. Technology 18, 025029 (2009)の伝送ラインモデルから導出されており、その全ての内容は本明細書に参考として組み入れられている。プラズマの発生が見られない単一ライン共振器での共振周波数は、ｆ０＝４７３．９MHｚである。マイクロプラズマのインピーダンス［Ｚｐ＝Ｒｐ＋ｊＸｐ（Ω）］は、F. Iza及びJ. HopwoodのPlasma Sources Sci. Technol. 14, 397 (2005) に記載された方法を用いて、周波数に対する、前方及び反射の電力（Ｓ１１）の割合（比）から導出されており、その全ての内容は本明細書に参考として組み入れられている。概括するに、プラズマインピーダンスは、抵抗と容量の成分を有する複素数である。共振周波数は、プラズマの表皮（シース）容量（Ｘｐ＝−９１０Ω）に起因して、ｆ０から４５６ＭＨｚへシフトしており、共振吸収曲線は、マイクロプラズマ（Ｒｐ＝４９２Ω）による共振器の抵抗負荷に起因して、広がっている。
【００２１】
現行の冷温プラズマ発生器について不都合なことの一つは、工業的な製法について、特に基板の表面を変性するための処理に対して、幾何学的な配置が最適化されていないことである。例えば、ＳＲＲ装置は、単一の“点”としての幾何学的な配置に限られており、その結果、広い領域（面積）を有する基板の処理に対する有効性が厳しく制限されている。
【００２２】
図１Ａ及び１Ｂに示すマイクロプラズマ発生器１００の利点は、多数の微細片共振器を、隙間１１５が互いに隣接するようにすぐ近くに配置できることである。マイクロプラズマは、広がった領域に亙って実質的に連続的なプラズマ放電を生み出すために、各隙間が重なり合った状態で形成されている。一実施形態では、微細片共振器が、前記複数の隙間が互いに同一直線上にあってプラズマによる連続した“ライン”を作り出すように配置されている。
【００２３】
本発明の一実施形態によれば、金属細片２０１の線形アレイ２００の一例が、図３に示されている。この実施形態では、線形マイクロプラズマアレイ２００が、強力に結合された１／４波長微細片共振器によって駆動される。該細片のアレイは、重畳するマイクロプラズマを生成し、実質的に連続したプラズマライン２０３を生成している。前記アレイは多かれ少なかれ複数の細片を含むことができることが理解されるであろうが、これを例証するために、１６本の細片のみが示されている。好ましい実施形態においては、アレイ２００は多数の細片（例えば、およそ１００本程度或いはそれ以上）を備えている。その細片は、一つのｒｆ回路基板の上に、ミクロ機械加工されている。個々の電源（位相干渉性は失われているであろう）を備えた各共振器を駆動させることは、一般的に現実的ではない。従って、好ましい実施形態では、共振器の線形アレイは、強力な共振結合の助けにより、単一の電源２０５により駆動される。結合モード理論は、複数の共振器間のエネルギー交換のための正確なモデルを与える。
【００２４】
結合モード理論は、次式
0005746147.tif 000002
により、共振器システム間の相互作用を規定している。式中、ａｍは、共振周波数ωｍ及び減衰Γｍを有する共振システムｍに貯蔵されたエネルギーを示す。ｍとｎとの間の結合係数は、κｍｎ及び強制関数Ｆｍ（ｔ）によって与えられる。もし、すべてのシステムが同一の共振周波数を有するのであれば、そして、（κｍｎ）２／ΓｍΓｎ＞１であるならば、エネルギーは効果的にｍからｎへ及びｎからｍへ移送される。
【００２５】
強力な共振結合は、２つのＳＲＲを分離している共通の接地平面で組み立てられた２つのＳＲＲ共振器の場合において、実証されてきた。しかしながら、このシステムは、２つのマイクロプラズマが連続した接地平面によって互いに完全に隔離されているので、線形プラズマ用としては適さない。アレイ上に都合良く組み立てられるマイクロプラズマ発生器を製造するためには、前記ＳＲＲの実質的な修正が必要である。このＳＲＲは、対称的な電圧定在波を備えた半波長共振器である。リングの中心と放電隙間とを通って延びる対称面を選択することによって、対称面で前記リングを接地すると共に、前記共振器に影響を与えることなく、隙間の中央配置で接地平面を挿入することが可能となる。半波長共振器を直線に変えるように変更することにより、図１Ａ及び１Ｂに示した前記λ／４共振器を形成することができる。電源入力１１７の位置は、任意の現実の駆動源（典型的には５０Ω）に対してインピーダンス整合を図るようにする。２つの接地バイアス１０９、１１３は、対称垂直面によって誘起された接地を示す。
【００２６】
線形共振器の発展とともに、例えば、強固に結合した線形共振器のアレイを作り出すことが可能となる。図４は、その構造を示すものであって、５本の共振細片の上に高周波電流が誘導されている。５つの結合された線形共振器の電磁気的な応答性は、Ａｎｓｏｆｔ社（米国、ピッツバーグのＬＬＣ）のＥＮＳＥＭＢＬＥＴＭ（登録商標）シミュレータツールを使用してモデル化された。５つのマイクロ放電隙間は、同図の右上隅に示すように、互いに整列して（一列に並んで）配置されている。電源は最も左側の共振器にのみつながれている。残りの４つの共振器の応答性は強力な電磁結合に起因する。
【００２７】
ｎ個の共振器のアレイを考慮し、ａｉとして示すｉ番目の共振器に蓄えられているエネルギーを定義すると、ｎ個の共振器間の結合は、最低次数について、次式
0005746147.tif 000003
で表すことができる。式中、ωｉは、隔離したｉ番目の共振器の共振周波数、Γｉは減衰係数、
Ｆｉは外部入力関数、κｍはｉ番目とｍ番目の共振器間の結合係数を示す。
【００２８】
単一のｎ−共振器系に対するｎ個の微分方程式（２）の解は、結合された複数の共振器のシステムに対するｎ個の固有周波数を与える。図５は、５つの共振器アレイを有する特別の場合において吸収される電力の擬似（シミュレーション）固有周波数及び実測固有周波数を示す。３次元シミュレーションには、ＡＮＳＯＦＴ ＨＦＳＳＴＭ（登録商標）が用いられると共に、計測には、ＨＰ４３８Ａ電力計、ＨＰ８４８１Ａ電力センサ及びナルダ マイクロ波双方向同軸カプラー（Narda Microwave bidirectional coaxial coupler）が用いられた。５つの固有周波数のうちの４つは、はっきり目視できる。最後のモードは、前記４番目のものと重なっており、共振器の有限の品質係数Ｑのために解くことができない。シミュレーションと実験との間の周波数のずれは、製造の間に誘電体基板の細りに起因して起こり、Ｓ１１の全般的な減少は、実験的な電力伝送ロスによって生じる。
【００２９】
方程式（２）を解くことにより、最初の２つの固有モード及び５つの共振器システムでの２つの固有モードの重ね合わせに対するエネルギー分布を示している図６に示すように、最初の２つの固有モードに対する共振器間のエネルギー分布が算出される。これらの結果は、図７Ａ，７Ｂに示すように、電場のシミュレーション及びマイクロプラズマ生成実験によっても実証されている。全ての場合において、電力は第１共振器（ｉ＝１）にのみ供給され、残りの共振器は共振結合を介して動作する。アレイに沿った均一な分布のプラズマの生成のため、全共振器は最初の２つの固有モード（図６）の重ね合わせによって動作させることができる。図７Ｃに示すように、最初の２つのモードを加算することにより生じる放電は、不均一さを改善している。このモードの重ね合わせは、上述したように、ｒｆ電力結合器を使用し、かつ、この増幅された波形を第１共振器のみに適用して、２つのｒｆ信号生成器から２つの周波数を結合させることで、簡単に実行される。図７Ｃに示す例では、プラズマは、全出力が７３３Ｔｏｒｒで０．６３Ｗを発生させるために、４１３ＭＨｚで０．５４Ｗ（第１モード）及び４７１ＭＨｚで０．０９Ｗ（第２モード）の重ね合わせによって生成される。
【００３０】
一般に、マイクロプラズマ発生器アレイは、Ｎモードでの運転態様を有しており、ここでＮはアレイでの要素の数である。それぞれのモードは、アレイでのマイクロ波電力を吸収する固有の周波数を有している。そのモードはまた共振器間のエネルギー分布について固有のパターンを有している。図８に概要を示すように、マイクロプラズマ発生器アレイ２００は、一方が３９６ＭＨｚ、他方が４２７ＭＨｚで動作する、２つのｒｆ生成器源２３１、２３３によって電力供給がなされる。これらの周波数は、マイクロプラズマ発生器アレイ２００のそれぞれのモードに対して、励起周波数に対応している。図８に示すように、２つの生成器２３１，２３３からの２つの信号が一つに合算され、増幅され、アレイ２００へ供給される。図９は、重畳周波数入力を有する単一のアレイを示す。この例では、周波数が低くなるほどアレイの中心へ向かうマイクロプラズマが励起され、周波数が高いほどアレイの端部へ向かうマイクロプラズマが励起される。２モードの重ね合わせは、マイクロプラズマのほぼ均一ラインの近傍に与えられる（この例では、前記プラズマは、（ちょうど中心である）共振器の４番目に電力が直接供給される場所で僅かに大きくなる。）。この実施形態では、２つの周波数が入力に加えられ、各周波数は前記アレイの一つのモードを励起する。２以上の周波数が入力に加えられることが分かるであろう。一実施形態においては、前記アレイの動作のために単一モードでの励起周波数にそれぞれ対応する、Ｎまでの異なる周波数を入力に加えることができる。一態様として、励起周波数のモードの重ね合わせは、プラズマの均一性を改善する。
【００３１】
図１０は、大気圧のほぼ半分のアルゴン中でのマイクロプラズマ動作中の実際の線形アレイを示す写真である。電力は、前記写真の上部における共軸線を通る最上部の共振器へ供給される。５つ全てのマイクロプラズマは、隣接する共振器の密接な結合を通して維持されている。この実施形態では、マイクロプラズマアレイは、４１３ＭＨｚ、１ワットの出力で動作する。
【００３２】
図１１は、個々のマイクロプラズマがより明らかになるように、露光が減ぜられた図１０の線形アレイの写真である。
【００３３】
図１２は、３６要素を有する単一の線形マイクロプラズマ発生器アレイの一例である。最上部の右角隅の大きな銅の小片（破片）は、インピーダンス整合用キャパシタ（面積＝ｗ×１）である。そのマイクロプラズマはそのアレイの左側に沿って形成されている。インピーダンス整合は、図１３の１６要素アレイに示すように、微細細片ラインの一つへ電力が直接供給されることで改善される。これは、インピーダンス整合キャパシタに対する必要性を除去している。
【００３４】
図１４は、幾何学的に円形を有するマイクロプラズマ発生器アレイ３００を示す。上述の線形アレイの場合のように、円形アレイ３００は１／４波長微細細片共振器３０１と強く結合することによって駆動される。前記細片のアレイ３００は、円形パターンを形成している各細片において、隙間３０５を伴った中央軸３０２の周囲に配置されている。各隙間３０５に発生するマイクロプラズマは、実質的に連続するリング状マイクロプラズマを作り出すために重なり合っている。
【００３５】
その円形アレイの構成は、円筒物、チューブ、ワイヤなどの表面を処理するために役立つ。一実施形態では、被加工品（ワークピース）が基板及びプラズマの中心を通過するのを許容するために、開口３０７が誘電性基板３０５に形成されている。他の実施形態では、マイクロプラズマリングは、プラズマリングの中心を流れる流体（例えば、液体又は気体）を処理することができる。例えば、解析化学への応用において、解析物（例えば、気体或いは液体中の蛋白質）はリングから出射された高エネルギー状態の光子によって光イオン化され、その後、解析のために質量スペクトロメータへ導入される。もう一つの別の実施形態では、プラズマリングからの光子は、気体又は液体（これはプラズマリングの中心を通ってチューブの中を流れる）中で蛍光を誘導するために使用される。従って、その蛍光信号の光学的な出射（発光）スペクトルは、サンプルの化学的な性質の分析のために使用される。
【００３６】
図１５及び１６は、円形アレイ装置の典型的な一例を示す。図１５はその装置の構成を示すとともに、図１６はリング状のマイクロプラズマを示す。絶縁性ディスクは、中心領域にプラズマを閉じ込めるためにアレイに対してテープが張られている。
【００３７】
前記円形アレイは、上述したように、プラズマの均一性を改善するために、多重入力周波数を用いて動作させることができることが理解できるであろう。また、上述の線形及び円形プラズマアレイに加えて、前記アレイは、楕円、２つのプラズマラインを作り出すための二重平面アレイ、３次元アレイを形成するために垂直に積み重ねた複数の線形アレイを含んだ、任意の適切な幾何学的配列を含むことができる。
【００３８】
本発明のマイクロプラズマ発生装置は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ガラス 、或いはロジャース社（Rogers Corporation）のデュリオド（登録商標：DuriodTM）製の基板を使用して、組み立てることができる。その好ましい材料としては、化学反応に対する抵抗性に優れた酸化アルミニウムが挙げられる。低い電磁損失（即ち、低損失の接平面を有する）を示す任意の誘電体が好適である。誘電体の厚さは、０．１ｍｍから数ｍｍの範囲でよい。前記誘電体層の正面と背面は、粘着（接着）促進層及び高導電性金属で完全に被覆されているのが好ましい。例えば、金の貼着を改善するために、金を被覆する前に薄いクロム層でガラス基板を覆うことがしばしば必要となっている。金属層は、全て高い電気伝導率を示すものがよく、好ましくは磁性材料でないのがよい。典型的な金属は、銅及び金を含む。
【００３９】
前記１／４λの微細細片の上面に、誘電体（例えば、ガラス）、或いは耐熱性の金属（例えば、タングステン）の薄い保護層で金属層を被覆することは有益かも知れない。一つの実施形態では、マイクロプラズマ発生器の金属構造をプラズマから保護するために、第２の誘電体層を金属細片及び接地電極の上に形成することができる。そのマイクロプラズマはこの保護誘電体層の上面に形成される。この保護誘電体層は、ガラスや酸化アルミニウムなどが好ましいが、任意の誘電体で構成することができる。この保護誘電体層の厚さは、例えば、１μｍ〜５００μｍの範囲である。この保護誘電体層は厚くなればなるほど保護性能は増大するが、その反面マイクロプラズマの強さは減ぜられる。
【００４０】
前記装置の金属層を備えた前記構造は、例えば、（１）回路基板の原型治具（例えば、ＬＰＦＫ回路基板の研磨治具が、デュリオド（Duriod）／銅ラミネートをパターン化するために用いられる）を用いて望ましくない表面を研磨したり、或いは（２）（電子工業において知られている方法に従った）フォトリソグラフィ的に所望の構造を定め、引き続き、保存すべきことが望まれている構造を保護するフォトレジストマスクを備えた酸或いはプラズマを利用して金属層をエッチングすることにより形成することができる。さらなる組み立て方法は、フォトレジスト層上への金属の積層を伴う、誘電体基板上に直接フォトグラフィによって金属構造を形成することである。フォトレジスト層の除去により、誘電体上に金属パターンを残すことができ、この方法は、リフトオフ法として知られている。これらの処理法（手順）の全てが、電子工業、特にマイクロ波集積回路工業では普通に実施されている。
【００４１】
本装置の特徴的な大きさは、幾つかの実施形態によれば、
隙間；１〜１０００μｍ（用いる気体（空気＝２０ミクロン（微子サイズ）、アルゴン＝２００ミクロン（微子サイズ））にもよるが、好ましい隙間幅は２５〜２５０μｍ）
微細細片の幅；１ｍｍ
微細細片の長さ；１／４・λ（Ａｌ２Ｏ３を用いた場合、４５０ＭＨｚで約６０ｍｍ；長さは比誘電率に依存する）
微細細片の厚さ；５０μｍ
誘電体の厚さ；２．５ｍｍ
電力周波数；１００ＭＨｚ〜１０ＧHz（好ましくは、約１〜３ＧＨｚ）
電力；各細片当たり、０．１〜１．０Ｗ（このパラメータは気体と処理方法に依存する）
【００４２】
薄膜積層
本発明の低温大気圧マイクロプラズマ発生器は、非常に多くの工業的製法での応用に使用することができる。例えば、かかるマイクロプラズマ発生器は、例えば、プラスチックなどのような廉価な商品の基板を含む様々な基板材料の上に、高品質の薄膜を堆積するために使用される。
【００４３】
現在、基板上に素子品質に優れた半導体（例えば、シリコン）薄膜を堆積させる最も一般的な方法は、（１）高温化学気相成長（堆積）法（ＣＶＤ）、および（２）低圧プラズマ化学気相成長（堆積）法（ＰＥＣＥＤ）である。前者の方法で要求される高温度は、コスト効率のよい基板に使えず、従って、ＣＶＤ法は、一般に高価なシリコンウエハの製造に制限されている。一方、後者のＰＥＣＶＤ法は、高価で、複雑な高真空技術及びバッチ処理に用いられる。ＰＥＣＶＤ法の利点は、エネルギーの高いプラズマ電子の方が、熱的方法より返って、必要な化学反応を誘導しやすいため、低温での操作が可能である点である。かくして、ＰＥＣＶＤ法は、ガラスのようなよりコスト効率の良い基板に用いられる。
【００４４】
図１７は、マイクロプラズマ発生器７０１を用いて基板７０３上に薄膜を堆積するための装置７００を示す。この実施形態では、装置７００は、ロールからロールへの被覆装置（a roll-to-roll coating apparatus）を備えており、基板７０３は、被覆用ローラ７０５から巻かれずに供給され、低温大気圧プラズマを用いて薄膜７０７が被覆され、それから巻き戻される。
【００４５】
ロールからロールへの被覆技術は、プラスチックのような安価な基板上に金属薄膜を堆積するための低コストの方法として、広く使用されている。例えば、ポテトチップ袋の製造において、ロールコーティング法は、ごくわずかなコストで、これらのプラスチック袋の内側に高品質の金属薄膜を堆積するために用いられている。その金属（典型的にはアルミニウム）は、電子ビーム蒸発器からのエネルギーを用いて蒸着される。ロールコーティング法は、現在、プラスチック上へ金属を堆積するために使用されるけれども、従来のロールコーティング技術は、例えば半導体材料の堆積や光電池装置の製造のような、より複雑な応用に対しては適していない。
【００４６】
本発明の一実施形態では、現在の線形マイクロプラズマ発生器アレイは、プラスチックのような低コスト商品用基板を含む基板を、装置グレードのシリコン薄膜を含む高品質の薄膜で被覆するため、ロールからロールへの被覆処理に使用されている。低温大気圧プラズマを使用するロールからロールへの堆積処理は、低温基板（ＣＶＤとは違って）及び大気圧または略大気圧（従前のＰＥＣＶＤとは違って）で実施できるため、従前のＣＶＤ法やＰＥＣＶＤ法に比べて有利である。従って、従前のＰＥＣＶＤ法による複雑で高価な真空技術やバッチ処理技術を回避できると共に、ロールからロールへの被覆のような安価な被覆技術を大気圧または略大気圧で実施できる。
【００４７】
図１７に示すロール被覆装置７００において、マイクロプラズマ発生器７０１は、好ましくは、例えば図３に示すような、実質的にプラズマの連続線を生成する結合線形共振器のアレイを備えている。幅広いプラズマ発生領域を与えるためには、共振器の数は一般的に多数（例えば、およそ１００或いはそれ以上）であることが好ましいけれども、その共振器の数は、個々の適用例に依存して変更できる。基板への被覆を均一にするには、理想的には、前記プラズマの “線（ライン）”がローラ７０５の全幅を横切るようにすればよい。
【００４８】
前記本発明のマイクロプラズマ発生器７０１は、好ましくは、安定化した、ライン状のプラズマの高プラズマ密度ｎｅ（１０１４ｃｍ−３程度）を与えるのがよい。安定した線形マイクロプラズマアレイからの高密度イオンが、基板上への薄膜層の堆積を十分に可能にし得る高エネルギーフラックス（high energy flux）（即ち、これは低エネルギーイオンの高フラックスである）を供給する。例えば、本発明の線形マイクロプラズマアレイは、薄膜堆積を意図するものとして報告されている他の試み（例えば、誘電体障壁放電：dielectric barrier discharges）よりも、３桁高いイオンのフラックスを与えることができると考えられている。
【００４９】
フィルム（薄層）被覆処理において、線形プラズマは、プラズマの周辺において気体分子を解離するために用いられると共に、解離した分子の断片を用いて基板上にフィルム（薄層）を堆積するために用いる。その堆積は、好ましくは、大気圧若しくは大気圧近傍で行われる。一つの態様として、前記線形プラズマはシランガス（例えば、ＳｉＨ４）ガスを解離すると共に、基板上に高品質シリコンフィルム（薄層）を堆積する。他の実施形態では、前記プラズマは、炭化水素ガス（例えば、ＣＨ４）を解離すると共に、アモルファスのカーボン薄膜を堆積する。当業者によって理解されているように、様々な他のフィルム（薄層）がこのような方法で堆積される。
【００５０】
図１７に示したロールからロールへの被覆方法及び装置は、線形マイクロプラズマアレイを用いた、薄膜の堆積処理の一実施例にすぎない。本発明の線形マイクロプラズマアレイは、任意の好適なプラズマに基づく堆積技術を用いて、基板上に材料を堆積するために利用することができる、といったことが当業者によって理解されるであろう。
【００５１】
堆積処理に加えて、線形マイクロプラズマアレイは、マイクロプラズマの周辺に、例えばＣＦ４のような好適な反応性ガスを用いて、基板から材料を除去することによって、基板表面を変性（例えば、エッチング）するために利用することができる。また、前記マイクロプラズマアレイは、酸素、水蒸気などを用いて基板の表面を化学的に変性するために使用することができる。これらの処理は、低温プラズマと大気圧或いは略大気圧近くの圧力を用いて有利に実施することができる。さらに、その線形プラズマアレイに加えて、他の幾何学配置を有するプラズマアレイは、上述の円形幾何学配置のような、基板表面の変性のために用いることができる。
【００５２】
前記大気圧線形プラズマは、また、効率的な風力の生成と航空機の設計のための航空翼アクチュエータ分野にも応用できる。表面を制御するためにプラズマの流れを付加すると、例えば、高い迎角（high angles of attack）において、薄膜層の流れ（層流）を維持することができるといった、興味深い結果をもたらした。本発明に係る薄層堆積技術は、また、例えば、新規な触媒材料の創出への応用にも利用できる。
【００５３】
本発明に係るマイクロプラズマ発生器のその他の応用には、光源；ＶＵＶ、ＵＶ、及び可視光子群のライン状光源；情報表示装置；分析化学；分析目的のための化学サンプルのイオン化（電離化）または励起（例えば、質量スペクトル計、ガスクロマトグラフィ、原子分子発光分光計）；ＵＶ蛍光計測計；及び、荷電粒子のための電子源（例えば、写真複写、粒子検知器）などが挙げられる。
【００５４】
本明細書では、本発明についてその好ましい実施形態と共に述べてきたが、当業者は、本明細書を読取った後、この中に記載した構成（組成物）及び方向に対する効果的な様々な変更、等価物の置換、及び変性が可能になるであろう。従って、本特許出願によって許可される特許の保護範囲は、特許請求の範囲及びその均等範囲によって規定される。
【符号の説明】
【００５５】
１００    発生器
１０３    誘電体
１０１    金属細片
１０５    接地平面
１０７    端部
１０９    ビア
１０９，１１３    接地バイアス
１１０    端部
１１１    接地電極
１１３    ビア
１１５    隙間
１１５    隙間
１１７    電源
１２０    マイクロプラズマ
２０１    金属細片
２００    マイクロプラズマ発生器アレイ
２０３    プラズマライン
２３１，２３３    生成器
３００    マイクロプラズマ発生器アレイ
３０１    微細細片共振器
３０２    中央軸
３０５    隙間
３０５    基板
３０７    開口
７００    ロール被覆装置
７０１    マイクロプラズマ発生器
７０３    基板
７０５    被覆用ローラ
７０７    薄膜
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0005746147.tif 000017
【図１２】
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【図１３】
0005746147.tif 000019
【図１４】
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【図１５】
0005746147.tif 000021
【図１６】
0005746147.tif 000022
【図１７】
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