(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１管状体と、該第１管状体内に位置する第２管状体とを備え、前記第１管状体の外部に配置される第１電極と、前記第２管状体内に配置される第２電極とがプラズマ発生電極であり、前記第１管状体および前記第２管状体の少なくとも一方が、結晶間である粒界相における粒界側を境界領域、該境界領域以外を内部領域としたとき、該内部領域が前記境界領域よりもナトリウムの酸化物の含有量が多く、ＮｉＯ換算した含有量が４質量ｐｐｍ以下のニッケルを含むアルミナ質セラミックスであることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項２】
高周波電圧を受ける側に位置する前記第１管状体または前記第２管状体が、前記アルミナ質セラミックスからなることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
【請求項３】
前記第１管状体が、前記第２管状体よりも機械的強度が高いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、プラズマを発生、供給させるためのプラズマ発生装置に用いられるプラズマトーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ発生装置は、高周波でプラズマを発生させる装置であり、従来、この装置内のプラズマに曝される部品には、誘電正接が小さいセラミックスが用いられている。この理由として、誘電正接の小さいセラミックスは、高周波透過性が優れることでプラズマ発生効率が向上することや、吸収される高周波による発熱量が小さくなり、その部品の機械的特性における設計上の制約が緩和され、製品形状の自由度が高くなることが挙げられる。
【０００３】
そして、誘電正接の小さいセラミックスとして、Ｎａの酸化物の含有量を減らしたアルミナ質セラミックスが提案されている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１４３３５８号公報
【特許文献２】特開平５−２１７９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２および３に記載されているアルミナ質セラミックスは、Ｎａの酸化物の含有量が少なく、誘電正接が低いものとなっている。しかしながら、Ｎａの酸化物はアルミナ原料に不可避的に含まれるものであるため、純度の高いアルミナ原料を用いたり、Ｎａの酸化物を除去するための工程を増やしたりすれば、製造コストが増えたり、リードタイムが長くなる。それ故、今般のアルミナ質セラミックスからなるプラズマトーチには、アルミナ質セラミックス自体にはＮａの酸化物を含むものの、誘電正接の低いことが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態のプラズマトーチは、第１管状体と、該第１管状体内に位置する第２管状体とを備え、前記第１管状体の外部に配置される第１電極と、前記第２管状体内に配置される第２電極とがプラズマ発生電極であり、前記第１管状体および前記第２管状体の少なくとも一方が、結晶間である粒界相における粒界側を境界領域、該境界領域以外を内部領域としたとき、該内部領域が前記境界領域よりもナトリウムの酸化物の含有量が多く、ＮｉＯ換算した含有量が４質量ｐｐｍ以下のニッケルを含むアルミナ質セラミックスであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本実施形態のプラズマトーチは、アルミナ質セラミックス自体にはＮａの酸化物を含むものの誘電正接が低いため、プラズマ発生効率に優れる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態のプラズマトーチの構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は本実施形態のプラズマトーチの構成の一例を示す模式図である。
【００１０】
図１に示すプラズマトーチ１０は、第１管状体１と、第１管状体１内に位置する第２管状体２とを備える。そして、第１管状体１の外部に配置される第１電極（不図示）と、第２管状体２内に配置される第２電極３とが、第１管状体１と、第１管状体１内に位置する第２管状体２との間である内部空間Ｓにおいて、プラズマＰを発生させるための電極である。第１管状体１の外部に配置される第１電極は、例えば、第１管状体１の外周面に形成される金属層であってもよい。
【００１１】
このような金属層からなる第１電極としては、例えば、モリブデンを主成分としマンガンを含む、厚みが１０μｍ以上６０μｍ以下の中間層と、中間層上に位置する、ニッケルを主成分としリンまたは硼素を含む、厚みが１μｍ以上１０μｍ以下の最外層が挙げられる。ここで、第１電極は、高周波電源から高周波電圧が印加される電極である。
【００１２】
図１に示す第２電極３は、ロッド状の電極である。材質としては、例えば、アルミニウム、銀、銅、真鍮等の銅合金、チタン、タングステンなどが挙げられる。
【００１３】
第１管状体１は、図１に示すように、上端側にフランジ１ａを有していてもよい。また、第１管状体１は、下端側においてチャンバー（不図示）に接続される第３管状体４に同軸上で連結されていてもよい。
【００１４】
第２管状体２は、図１に示すように、上端側にフランジ２ａを有していてもよい。このようにフランジ２ａを有しているときには、第１管状体１のフランジ１ａに当接させることにより、安定して保持することができる。そして、第２管状体２は、下端側が閉塞されている有底管状体である。
【００１５】
高周波電源から第１電極に高周波電圧が印加されると、内部空間Ｓには、プラズマＰが発生して、第３管状体４の内部を介してチャンバーにプラズマＰが供給される。なお、上述した電極の構成とは逆に、第２電極２が高周波電源から高周波電圧が印加される電極であってもよい。
【００１６】
本実施形態のプラズマトーチ１０は、第１管状体１および第２管状体２の少なくともいずれか一方が、結晶間である粒界相における粒界側を境界領域、境界領域以外を内部領域としたとき、内部領域が境界領域よりもナトリウムの酸化物の含有量が多いアルミナ質セラミックスである。
【００１７】
なお、粒界相における境界領域とは、粒界から５ｎｍまでの領域のことである。また、本実施形態におけるアルミナ質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、アルミニウムを酸化物換算した値であるアルミナの含有量が９６質量％以上のセラミックスのことである。言い換えれば、アルミナ以外の成分が４質量％未満であるセラミックスである。アルミニウムを酸化物換算した値であるアルミナの含有量として好ましくは、９９．４質量％以上である。
【００１８】
本実施形態のプラズマトーチは、第１管状体１および第２管状体２の少なくともいずれか一方が、結晶間である粒界相における粒界側を境界領域、境界領域以外を内部領域としたとき、内部領域が前記境界領域よりもナトリウムの酸化物の含有量が多いアルミナ質セラミックスであることにより、アルミナ質セラミックス自体にはＮａの酸化物を含むものの誘電正接が低いため、プラズマ発生効率に優れる。
【００１９】
なお、上述したように誘電正接が低くなるのは、アルミナ質セラミックス自体にはＮａの酸化物を含むものの、Ｎａの酸化物が内部領域に多く存在している、すなわち、粒界相
の内部にＮａの酸化物が集まった結果、Ｎａの酸化物のアルミナ結晶への固溶が抑制されたためであると推察される。
【００２０】
そして、アルミナ質セラミックスであることの確認については、まず、Ｘ線回折装置を用いて同定することにより、アルミナの存在を確認する。次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（ＩＣＰ）または蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いてアルミニウム（Ａｌ）の含有量を測定する。そして、得られたアルミニウムの含有量からアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に換算し、換算した値であるアルミナの含有量が９６質量％以上であれば、アルミナ質セラミックスである。なお、含有量の高い成分は測定誤差の絶対値も大きな値となってしまうため、アルミナの存在が確認できた後に、ＩＣＰまたはＸＲＦを用いて定性分析を行ない、確認された成分について定量分析を行ない、それぞれ酸化物に換算した値の合計を１００から差し引くことにより、アルミナの含有量を算出してもよい。
【００２１】
また、粒界相における境界領域および内部領域のナトリウムの含有量は、以下の方法により確認することができる。まず、アルミナ質セラミックスの一部をイオンシンニング装置などの加工装置を用いてエッチングし、測定面を得る。次に、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ
ＪＥＯＬ社製  ＪＥＭ−２０１０Ｆ）を用いて、加速電圧を２００ｋＶとして測定面の特定視野を１万倍〜１０万倍の倍率で隣り合う酸化アルミニウムの結晶粒子間に存在する粒界相を観察する。なお、境界領域および内部領域を明確にできるという点において、観察する粒界相として３重点を選択することが好適である。
【００２２】
そして、粒界相における境界領域に対応する部分と、内部領域に対応する部分とをエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）によりＮａの含有量を測定し、酸化物（Ｎａ２Ｏ）に換算すればよい。なお、いずれもＮａの含有量をＮａ２Ｏに換算するものであるため、境界領域と内部領域との比較にあたっては、Ｎａの含有量で行なっても、含有量の大小関係は同じである。
【００２３】
ここで、本実施形態のプラズマトーチ１０におけるアルミナ質セラミックス自体に含まれるＮａの酸化物の含有量が３０ｐｐｍであるときの８．５ＧＨｚにおける誘電正接の値は０．１５×１０−４であり、Ｎａの酸化物の含有量が５００質量ｐｐｍであるときの８．５ＧＨｚにおける誘電正接の値は２．５×１０−４である。なお、試料サイズが異なるとともに、測定周波数が異なるために単純な比較はできないものの、特許文献２において、Ｎａの酸化物の含有量が２０ｐｐｍであるときの１０ＧＨｚにおける誘電正接の値は４．０×１０−４であり、Ｎａの酸化物の含有量が１００ｐｐｍであるときの１０ＧＨｚにおける誘電正接の値は２０．０×１０−４である。本実施形態のプラズマトーチ１０におけるアルミナ質セラミックスは、Ｎａの酸化物を含むものであるものの、誘電正接の低いものである。
【００２４】
なお、誘電正接については、直径が５０ｍｍ、厚みが１ｍｍの円板状の試料を作製し、周波数８．５ＧＨｚの誘電正接の値をそれぞれキャパシタンスメータ（ＨＰ−４２７８Ａ）、インピーダンスアナライザ（ＨＰ−４２９１Ａ）および空洞共振器（ネットワーク・アナライザ  ８７２２ＥＳ）を用いて測定することができる。
【００２５】
また、アルミナ質セラミックス中に含まれるＮａの酸化物の含有量は、アルミナ質セラミックスの一部を粉砕し、得られた粉体を塩酸などの溶液に溶解した後、ＩＣＰを用いて、Ｎａの含有量を測定し、Ｎａ２Ｏに換算すればよい。
【００２６】
また、アルミナ質セラミックスはＭｇを含んでいてもよい。Ｍｇを含むものであるとき、ＭｇＯ換算した含有量は２００質量ｐｐｍ以上１５００質量ｐｐｍ以下であることが好
適である。このような構成を満たしているときには、誘電正接が高くなる傾向を示すスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）の結晶を生成させるおそれが少なく、焼結の促進を図ることができるため、アルミナ質セラミックスの機械的強度を向上させることができる。
【００２７】
また、アルミナ質セラミックスは、ＮａおよびＭｇ以外の成分として、ＳｉおよびＣａを含んでいてもよい。そして、ＳｉおよびＣａは、それぞれＳｉＯ２換算した含有量およびＣａＯ換算した含有量が、アルミナ質セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、いずれも２００質量ｐｐｍ以上であることが好適である。また、他に、Ｂａ，Ｓｒのいずれかを含んでいてもよい。そして、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃａ、ＢａやＳｒは、主結晶であるアルミナ結晶間である粒界相に、酸化物からなる結晶相または非晶質相として存在する。なお、Ａｌが粒界相に存在する場合もある。そして、以下の記載において、粒界相を構成する成分として、Ｎａ以外の成分は、他の成分と記載する。
【００２８】
また、アルミナ結晶間の粒界相において、ＮａをＮａ２Ｏに換算した含有量をＡとし、Ｎａ以外である他の成分をそれぞれ酸化物に換算した含有量の合計をＢとしたとき、比Ａ／Ｂが０．１１以下であることが好適である。
【００２９】
このように、アルミナ結晶間の粒界相において、ＮａをＮａ２Ｏに換算した含有量をＡとし、他の成分をそれぞれ酸化物に換算した含有量の合計をＢとしたとき、比Ａ／Ｂが０．１１以下であるときには、さらに誘電正接を低くすることができる。
【００３０】
なお、アルミナ結晶間の粒界相におけるＮａをＮａ２Ｏに換算した含有量Ａと、Ｎａ以外の成分をそれぞれ酸化物に換算した含有量の合計Ｂとの比Ａ／Ｂは、次のようにして求めることができる。
【００３１】
まず、アルミナ質セラミックスの一部をイオンシンニング装置などの加工装置を用いてエッチングした測定面をＴＥＭにより、加速電圧２００ｋＶの条件で測定面の特定視野を１万倍〜１０万倍の倍率で観察し、粒界相のＥＤＳ測定を行ない、得られた各成分の含有量を求め、それぞれ酸化物に換算し、ＮａをＮａ２Ｏに換算した含有量をＡとし、他の成分をそれぞれ酸化物に換算した含有量の合計をＢとし、比Ａ／Ｂを算出すればよい。なお、１つの粒界相において、複数カ所、例えば、３カ所についてＥＤＳ測定を行ない、平均値を用いて比Ａ／Ｂを算出することが好適であり、小数点第３位で四捨五入する。
【００３２】
なお、粒界相にＡｌが含まれていない場合は、アルミナ質セラミックスの一部を粉砕し、得られた粉体を塩酸などの溶液に溶解した後、ＩＣＰ発光分光分析装置を用いて、ＮａやＮａ以外の他の成分の含有量を測定し、それぞれ酸化物に換算した値を用いて比（Ａ／Ｂ）を算出してもよい。
【００３３】
また、アルミナ質セラミックスにおいては、ＮｉをＮｉＯ換算した含有量が４質量ｐｐｍ以下であることが好適である。Ｎｉは、酸化すると、酸化の程度に応じて色調がばらつきやすく、商品価値を損ねやすいからであり、ＮｉをＮｉＯ換算した含有量が上記範囲を満たすものであるときには、色調のばらつきが抑制され、商品価値が向上する。ここで、ＮｉをＮｉＯ換算した含有量は、グロー放電質量分析装置（ＧＤＭＳ）を用いて求めればよい。
【００３４】
そして、本実施形態のプラズマトーチ１０において、高周波電源から第１電極に高周波電圧が印加されて内部空間ＳにプラズマＰが発生する形態であるとき、第２管状体２が上述したアルミナ質セラミックスであることが好適である。このような構成を満たすものであるときには、安定したプラズマを発生させることができる。
【００３５】
逆に、高周波電源から第２電極に高周波電圧が印加されて内部空間ＳにプラズマＰが発生する形態であるとき、第１管状体１が上述したアルミナ質セラミックスであることが好適である。
【００３６】
また、本実施形態のプラズマトーチ１０における第１管状体１は、第２管状体２よりも大きく重いものである。そのため、第１管状体１は、第２管状体２よりも機械的強度が高いアルミナ質セラミックス（識別のため、以下においては、機械的強度の高いアルミナ質セラミックスを高強度アルミナ質セラミックスと記載する。）ことが好適である。
【００３７】
本実施形態のプラズマトーチ１０におけるアルミナ質セラミックスおよび高強度アルミナ質セラミックスの機械的強度は、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１−２００８（ＩＳＯ  １７５６５：２００３（ＭＯＤ））に準拠した３点曲げ強度を測定することにより確認することができる。
【００３８】
本実施形態のプラズマトーチ１０は、少ないエネルギーで高出力のプラズマを安定して生成することができるため、チャンバーに安定してプラズマを供給することができる。
【００３９】
次に、本実施形態のプラズマトーチの製造方法について説明する。
【００４０】
まず、平均粒径が０．４〜０．６μｍの酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）Ａ粉末および平均粒径が１．２〜１．８μｍ程度の酸化アルミニウムＢ粉末を準備する。また、Ｓｉ源として酸化珪素（ＳｉＯ２）粉末、Ｃａ源として炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）粉末を準備する。なお、酸化珪素粉末は、平均粒径が０．５μｍ以下の微粉のものを準備する。また、Ｍｇを含むアルミナ質セラミックスを得るには、水酸化マグネシウム粉末を用いる。なお、以下の記載において、酸化アルミニウムＡ粉末および酸化アルミニウムＢ粉末以外の粉末を総称して、第１の副成分粉末と称す。
【００４１】
そして、第１の副成分粉末をそれぞれ所定量秤量する。次に、酸化アルミニウムＡ粉末と、酸化アルミニウムＢ粉末とを質量比率が４０：６０〜６０：４０となるように、また、得られるアルミナ質セラミックスを構成する成分１００質量％のうち、ＡｌをＡｌ２Ｏ３換算した含有量が９９．４質量％以上となるように秤量し、酸化アルミニウム調合粉末とする。また、第１の副成分粉末について好適には、アルミナ調合粉末におけるＮａ量をまず把握し、アルミナ質セラミックスとした場合におけるＮａ量からＮａ２Ｏに換算し、この換算値と、第１の副成分粉末を構成する成分（この例においては、ＳｉやＣａ等）を酸化物に換算した値との比が１．１以下となるように秤量する。
【００４２】
そして、アルミナ調合粉末と、第１の副成分粉末と、アルミナ調合粉末および第１の副成分粉末との合計１００質量部に対し、１〜１．５質量部のＰＶＡ（ポリビニールアルコール）などのバインダと、１００質量部の溶媒と、０．１〜０．５５質量部の分散剤とを攪拌装置に入れて混合・攪拌してスラリーを得る。
【００４３】
その後、スラリーを噴霧造粒して顆粒を得た後、静水圧プレス成形法（ラバープレス法）により所定形状に成形し、必要に応じて切削加工を施してフランジを有する成形体を得る。
【００４４】
次に、成形体を１５００℃以上１７００℃以下で焼成することによって本実施形態の第１管状体または第２管状体を得ることができる。
【００４５】
そして、第１管状体の外周に第１電極を形成する方法としては、テレフンケン法により、モリブデンを主成分とし、マンガンを含む中間層を形成し、その後、中間層の表面に、
無電解めっきにより、ニッケルを主成分とし、リンまたは硼素を含む金属層を形成すればよい。
【００４６】
また、第１管状体を高強度アルミナ質セラミックスとするときには、出発原料として、平均粒径が上記酸化アルミニウム調合粉末よりも小さい、純度９９．９%の酸化アルミニ
ウムＣ粉末を用いる。そして、この酸化アルミニウムＣ粉末１００質量部に対して、焼結助剤を加えずに、１〜１．５質量部のＰＶＡ（ポリビニールアルコール）などのバインダと、１００質量部の溶媒と、０．１〜０．５５質量部の分散剤とを攪拌装置に入れて混合・攪拌してスラリーを得る。
【００４７】
これ以降は、上述した製造方法と同じ方法で作製することにより、高強度アルミナ質セラミックスからなる第１管状体を得ることができる。そして、上記方法によれば、Ｎａの酸化物の含有量の少ない高価な酸化アルミニウム原料を用いずとも、誘電正接の低いアルミナ質セラミックスを得ることができる。また、上記方法によれば、Ｎａの酸化物を除去するための工程が増えることがないため、コストも増えず、リードタイムも長くならないため、比較的安価にアルミナ質セラミックスを得ることができる。
【００４８】
そして、第１管状体のフランジに、第２管状体のフランジを当接させることで本実施形態のプラズマトーチを得ることができる。
【００４９】
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せ等が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１    第１管状体
２    第２管状体
３    第２電極
４    第３管状体
１０  プラズマトーチ
【図１】
0006683513.tif 000002