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熱プラズマのエネルギー制御法 UPDATE

国内特許コード P03A003057
掲載日 2004年2月24日
出願番号 特願平09-161831
公開番号 特開平10-340795
登録番号 特許第2920207号
出願日 平成9年6月4日(1997.6.4)
公開日 平成10年12月22日(1998.12.22)
登録日 平成11年4月30日(1999.4.30)
発明者
  • 石垣 隆正
  • 羽田 肇
  • 作田 忠裕
出願人
  • 国立研究開発法人物質・材料研究機構
発明の名称 熱プラズマのエネルギー制御法 UPDATE
発明の概要 【課題】 高周波熱プラズマのエネルギーを効率的に制御する方法を提供する。
【解決手段】 周波数500KHz~4MHzの高周波アーク放電により発生する発生圧力250~760Torrの熱プラズマに、外部から矩形パルス変調を加えることにより熱プラズマのエネルギー制御を行なう。
従来技術、競合技術の概要



数千度から1万5千度の超高温を有する熱プラズマ中に原料を注入することで、それらの原料は分解、電離し、原子、イオン、ラジカル、電子等の極めて反応性に富む化学種が生成される。また、プラズマの尾炎部においては、プラズマは105 ~107 K/secという高速度で超急冷される。

従来より、この熱プラズマを発生する方法として、無電極型の熱プラズマ発生法である高周波誘導法が知られており、この方法においてはプラズマガスに制限はなく、酸化、還元、腐食性のあらゆるガスの使用が可能である。この超高温、高反応性の化学種、超急冷を利用して、セラミックス・金属を問わず、超微粒子の合成、非平衡物質の合成、溶射等に利用することができる。

しかしながら、従来の高周波熱プラズマを用いた材料プロセスにおいては、プラズマの有する熱量が大きすぎるという問題がある。また、溶射、粉末処理等のパウダープロセッシングにおいては熱損失が問題となり、特に処理する粉末の粒径が1μm以下のときには、表面積が大きく熱移動量も大きくなるので蒸発が多くなる。このように蒸発量が増加することで、蒸発潜熱および金属蒸気からの放射による熱損失が大きくなり、粉末を加熱するためにプラズマの熱量が有効に活用できない。

さらに、薄膜合成においては、成膜領域におけるプラズマ温度が基板温度よりはるかに高いので、成長後の熱ストレスが大きくなり、膜の基板に対する密着性が低くなり、また、プラズマ放射熱による膜の損傷が大きくなる等の問題が生じる。そこで、これらの問題点を解決方法として、比較的温度の低いプラズマ尾炎部を利用する方法が容易に考えられ、粉末をプラズマ尾炎部に供給したり、膜合成においては基板を尾炎部に配置する方法が実際に採用されてきた。しかしながら、このときのプラズマの熱利用率はかなり低く、また尾炎部に存在する化学種はプラズマ高温領域に存在する化学種とは異なるため、目的の生成物が得られない等の問題が生じている。

また、他の解決方法として、プラズマ発生圧力の低減が考えられ、パウダープロセッシングにおいては、プラズマ発生圧力を下げることで扱う粒径範囲が広がり、化学反応性を利用することが期待される。圧力を200Torr以下まで下げると、 Knudsen効果によってプラズマ中の化学種の平均自由行程が粉末粒径以上になり、連続流体に対する扱いができなくなるため、プラズマから粉末粒子への熱移動は減少する。従って、小粒径粉末にプラズマから適当な熱移動が起こり、プラズマによる粉末修飾が可能になる。また、薄膜合成における基板および膜の損傷も減少する。しかしながら、この方法においては、プラズマの流体的制御が困難であるため、プラズマの外周部が反応管の内壁に近づき、大電力を供給したときには反応管の内壁が損傷し、管が破壊される等の問題が生じる。

そこで、この発明は、高周波熱プラズマの欠点を解消すべくなされたものであり、高周波熱プラズマのエネルギーを効率的に制御する方法を提供することを目的としている。

産業上の利用分野



この出願の発明は、熱プラズマのエネルギー制御法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、超微粒子の合成、非平衡物質の合成、溶射等に有用な熱プラズマのエネルギー制御法に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
周波数500KHz~4MHzの高周波アーク放電により発生する発生圧力250~760Torrの熱プラズマに、外部から矩形パルス変調を加えることを特徴とする熱プラズマのエネルギー制御法。

【請求項2】
高周波電力の最大値(Emax )と最小値(Emin )の比(Emin /Emax )が0以上0.8以下である請求項1の熱プラズマのエネルギー制御法。

【請求項3】
高周波電力の最大値の継続時間(tmax 〔ミリ秒〕)と最小値の継続時間(tmin 〔ミリ秒〕)が
【数1】
の範囲にある請求項1ないし2のいずれかの熱プラズマのエネルギー制御法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP1997161831thum.jpg
出願権利状態 登録
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