ラジカル測定装置及びラジカル測定管
【課題】平板状のサンプル材料の組み合わせにより形成されるサンプル管を有するラジカル測定装置及びラジカル測定管を提供すること
【解決手段】本発明のラジカル測定装置１は、ラジカル生成室２と、測定管４と、支持体１６と、真空排気部１０とを具備する。ラジカル生成室２は、原料ガスのプラズマを発生させることで原料ガスのラジカルを生成させるラジカル生成手段６を有する。測定管４は、ラジカル生成室２に連通する。支持体１６は測定管４内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板Ｓにより管状のサンプル管が形成されるように、それぞれのサンプル板を支持する。真空排気部１０は、測定管４を真空排気する。温度センサ９は、サンプル管に挿通され、サンプル管の軸方向に沿って移動可能である。
【解決手段】本発明のラジカル測定装置１は、ラジカル生成室２と、測定管４と、支持体１６と、真空排気部１０とを具備する。ラジカル生成室２は、原料ガスのプラズマを発生させることで原料ガスのラジカルを生成させるラジカル生成手段６を有する。測定管４は、ラジカル生成室２に連通する。支持体１６は測定管４内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板Ｓにより管状のサンプル管が形成されるように、それぞれのサンプル板を支持する。真空排気部１０は、測定管４を真空排気する。温度センサ９は、サンプル管に挿通され、サンプル管の軸方向に沿って移動可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジカルの結合熱を測定するためのラジカル測定装置及びラジカル測定管に関する。
【背景技術】
【０００２】
アッシング、化学エッチング等、ラジカル（不対電子を有する化学種）を反応種として用いるプロセスが知られている。ラジカルは、原料ガスをプラズマ化することにより生成される。ラジカルは、一般に、分子に比べて不安定であり、生成されたラジカルの一部は互いに、又は他の化学種と結合（再結合）して分子等になり、活性が消失（失活）する。失活は、主にプロセスチャンバ等の固相表面において生じ、その速度は当該表面を構成する材料に依存する。このため、ラジカルが接触する表面を、そのラジカルの失活の速度（再結合係数）が小さい材料によって構成することにより、失活によって失われるラジカル量を低減し、所望の反応の速度を向上させることが可能となる。
【０００３】
特定のラジカル種の各種材料に対する再結合係数は、測定により求めることができる。例えば、非特許文献１には、失活によるラジカル濃度の減少速度から、各種材料による水素ラジカルの再結合係数を求める測定装置が開示されている。当該測定装置は、原料ガスのラジカルを発生させるラジカル生成室と、ラジカル生成室に連通する測定管を有する。測定管内にはサンプル材料からなるサンプル管が配置され、サンプル管の軸方向に沿って可動する熱電対が設けられている。ラジカル生成室において生成した原料ガスのラジカルは、真空排気手段によって測定管に流入し、サンプルの表面で失活することによりその濃度が次第に減少する。熱電対によって測定される温度（ラジカルの結合熱）からラジカルの濃度勾配を求め、濃度勾配から当該ラジカルのサンプル材料に対する再結合係数を算出する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】R.K.Grubbs、S.M.George著 「Attenuation of hydrogen radicals traveling under flowing gas conditions through tubes of different materials」 The Journal of Vacuum Science and Technology A Vol.24 No.3 P486 American Vacuum Society
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の測定装置では、円管形状に形成されたサンプル管が用いられている。これは、サンプル表面から熱電対までのラジカルの輸送速度を均一にして、再結合係数の算出式を単純にするためである。しかしながら、多くは平板状で供給されるサンプル材料を円管形状に加工することは困難であり、高コストとなる。また、基体上に表面処理等によりサンプル材料を付着させる場合にも、円管形状では表面処理が困難である。これに対し、平板状のサンプル材料を組み合わせることによりサンプル管を作成することができれば、容易にサンプル管を準備することが可能である。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、平板状のサンプル材料の組み合わせにより形成されるサンプル管を有するラジカル測定装置及びラジカル測定管を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るラジカル測定装置は、ラジカル生成室と、測定管と、支持体と、真空排気部とを具備する。
上記ラジカル生成室は、原料ガスのプラズマを発生させることで上記原料ガスのラジカルを生成させるラジカル生成手段を有する。
上記測定管は、上記ラジカル生成室に連通する。
上記支持体は上記測定管内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板により管状のサンプル管が形成されるように、それぞれの上記サンプル板を支持する。
上記真空排気部は、上記測定管を真空排気する。
上記温度センサは、上記サンプル管に挿通され、上記サンプル管の軸方向に沿って移動可能である。
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るラジカル測定管は、測定管と、支持体とを具備する。
上記測定管は、ラジカルの流路を形成する。
上記支持体は、上記測定管内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板により管状のサンプル管が形成されるように、それぞれの上記サンプル板を支持する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係るラジカル測定装置を示す模式図である。
【図２】同ラジカル測定装置の、支持部材が設置されていない状態の測定管を示す斜視図である。
【図３】同ラジカル測定装置の支持部材を示す斜視図である。
【図４】同ラジカル測定装置の、組み合わされた支持部材を示す斜視図である。
【図５】同ラジカル測定装置の支持部材が挿入された測定管を示す斜視図である。
【図６】同ラジカル測定装置の支持部材が挿入された測定管を示す平面図である。
【図７】同ラジカル測定装置に配置されるサンプル板を示す斜視図である。
【図８】同ラジカル測定装置のサンプル板が設置された測定管を示す斜視図である。
【図９】同ラジカル測定装置のサンプル板が設置された測定管を示す平面図である。
【図１０】同ラジカル測定装置の遮蔽蓋が設置された測定管を示す斜視図である。
【図１１】同ラジカル測定装置の遮蔽蓋が設置された測定管を示す平面図である。
【図１２】実施例及び比較例に係るラジカル測定装置の温度測定の結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態に係るラジカル測定装置は、ラジカル生成室と、測定管と、支持体と、真空排気部とを具備する。
上記ラジカル生成室は、原料ガスのプラズマを発生させることで上記原料ガスのラジカルを生成させるラジカル生成手段を有する。
上記測定管は、上記ラジカル生成室に連通する。
上記支持体は上記測定管内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板により管状のサンプル管が形成されるように、それぞれの上記サンプル板を支持する。
上記真空排気部は、上記測定管を真空排気する。
上記温度センサは、上記サンプル管に挿通され、上記サンプル管の軸方向に沿って移動可能である。
【００１１】
ラジカル生成室において生成されたラジカルは、真空排気部による圧力差によりラジカル生成室から測定管に向かって流れる。測定管に流入したラジカルのうち、サンプル管の表面に到達したものはその表面において失活するため、ラジカルの濃度は次第に減少する。温度センサによりラジカルの温度センサ表面への再結合熱を測定することにより、測定管内の複数の位置でラジカル濃度の減少量を算出することができる。このラジカル濃度の減少量から、当該ラジカル種のサンプル材料に対する失活の程度（速度）を示す再結合係数を算出することが可能である。ここで、上記構成によれば、平板状のサンプル板が支持体によって支持されることにより、測定管の内部にサンプル管が形成される。平板状のサンプル板は、曲板状などの形状を有するものに比べて成形が容易であり、また表面処理を施すことも容易である。
【００１２】
上記支持体は、上記測定管と複数の上記サンプル板とに面接触するものであってもよい。
【００１３】
支持体が測定管とサンプル板とに面接触することにより、サンプル板と測定管の間の熱伝導率を向上させることが可能である。当該ラジカル測定装置では、測定管の外壁の温度をサンプル板の温度として扱うため、サンプル板と測定管の温度差が小さい方が正確なラジカル結合熱の測定が可能である。
【００１４】
上記ラジカル測定装置は、上記測定管内に配置され、上記支持体及び上記サンプル板の端面を上記測定管内に露出しないように被覆する被覆部材をさらに具備してもよい。
【００１５】
上記のように測定管に流入したラジカルのサンプル表面における失活を測定するため、測定管内には、サンプル表面以外の表面が露出していないことが望ましい。上記構成によれば、被覆部材により支持体及びサンプル板の端面が被覆され、当該面でのラジカルの失活を防止することが可能である。
【００１６】
上記支持体は、複数の、上記測定管に面接触する第１の面と上記サンプル板に面接触する第２の面を有する支持部材からなるものであってもよい。
【００１７】
この構成によれば、１枚のサンプル板を１基の支持部材が支持するため、第１の面は平面状とすることができる。このため、支持部材とサンプル板の間の隙間の発生を防止し、支持部材とサンプル板の間の熱伝導を良好なものとすることができる。
【００１８】
上記測定管は、円管であり、上記支持体は、上記サンプル管が矩形管となるように上記サンプル板を支持してもよい。
【００１９】
円管は、他の形状の管に比較して耐圧性が高く、同じ耐圧性とするならば少ない材料で作成することが可能である。このため、測定管を円管とし、内部に平板状のサンプル板を組み合わせた矩形管を配置するものである。
【００２０】
上記目的を達成するため、本発明の一実施形態に係るラジカル測定管は、測定管と、支持体とを具備する。
上記測定管は、ラジカルの流路を形成する。
上記支持体は、上記測定管内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板により管状のサンプル管が形成されるように、それぞれの上記サンプル板を支持する。
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
［ラジカル測定装置の全体構成］
図１は、本発明の一実施形態に係るラジカル測定装置１を示す模式図である。
同図に示すように、ラジカル測定装置１は、ラジカル生成室２、Ｌ字管３、測定管４及び排気管５によって構成されている。ラジカル生成室２にＬ字管３が接続され、Ｌ字管３に測定管４が接続され、測定管４に排気管５が接続されている。測定管４には、温度センサ９が挿通されている。
【００２３】
ラジカル生成室２は、原料ガスがプラズマ化され、ラジカルが生成される室である。ラジカル生成室２は室内を室外と隔絶し、室内と室外の圧力差を維持可能に構成されている。ラジカル生成室２には、生成されたラジカルが流出するための開口２ａが設けられている。ラジカル生成室２にはプラズマ発生器６及びガス導入系７が接続されている。
【００２４】
プラズマ発生器６は、ガス導入系７によってラジカル生成室２に導入された原料ガスに対して、マイクロ波（例：周波数２．４５ＧＨｚ）等の電磁波を照射し、原料ガスをプラズマ化することが可能に構成されている。また、プラズマ発生器６は、レーザによる励起等によって原料ガスをプラズマ化するものとすることもできる。
【００２５】
ガス導入系７はラジカル生成室２の室内に原料ガスを供給する。ガス導入系７は、例えばガスボンベと配管により構成されている。ガス導入系７は、ラジカル生成室２に供給される原料ガスの流量を調節可能なものとされる。
【００２６】
Ｌ字管３は、Ｌ字形状の管路を有する管であり、ラジカル生成室２の開口２ａに接続されている。Ｌ字管３は、後述するラジカルの失活が発生しない材料、例えば石英からなるものとすることができる。Ｌ字管３は、ラジカル生成室２において発生する原料ガスのプラズマから放射される輻射熱が測定管４に到達することを防止するために配置される。Ｌ字管３は、ラジカル生成室２に接続されるフランジ３ａと、測定管４に接続されるフランジ３ｂとを有する。
【００２７】
測定管４は、サンプルが配置される管であり、Ｌ字管３に接続されている。測定管４は円管形状に形成されている。測定管４には、サンプル板Ｓを支持する支持部材１６と、サンプル板Ｓ及び支持部材１６の端面を被覆する遮蔽蓋１８が設けられている。これらの構成の詳細は後述する。測定管４は、Ｌ字管３に接続されるフランジ４ａと、排気管５に接続されるフランジ４ｂを有する。
【００２８】
排気管５は、測定管４内にラジカルを流通させるための管であり、測定管４に接続されている。排気管５には、排気口５ａが設けられ、排気口５ａには排気系１０が接続されている。後述するが、排気口５ａが測定管４に近接していると、排気口５ａに吸引される気体の流れにより、測定管４内の気体の流れが層流ではなくなり、結合熱の算出に影響が生じるおそれがある。このため、排気管５によって排気口５ａと測定管４とが離間されている。排気管５の測定管４と反対側の開口は蓋１２によって閉塞されている。排気管５は、測定管４に接続されるフランジ５ｂと、蓋１２が接続されるフランジ５ｃを有する。
【００２９】
排気系１０は、ラジカル生成室２、Ｌ字管３、測定管４及び排気管５によって形成されてる空間の気体を排気管５に形成された排気口５ａから排気する。排気系１０は、例えば真空ポンプと配管によって構成される。排気系１０は、排気速度を調節可能なものとされる。
【００３０】
温度センサ９は、測定管４に流入したラジカルを検出する。温度センサ、ラジカルが付着して再結合する触媒表面を有するものとされる。温度センサ９は、例えばＲ熱電対（＋極：Pt-Rh(13%)合金、−極：Pt)とすることができる。温度センサ９は測定管４の軸方向に伸びる支持棒１４に支持され、測定管４の中心軸上に配置される。
【００３１】
支持棒１４は、測定管４から排気管５を挿通して蓋１２を貫通し、排気管５の外部に伸びる。支持棒１４は、蓋１２に設けられた駆動機構１５に連結されている。駆動機構１５は、モータ、ギア等を内蔵し、支持棒１４を測定管４の軸方向に駆動する。駆動機構１５は、支持棒１４に取り付けられている温度センサ９が測定管４の内部において移動可能となるように構成される。即ち、駆動機構１５によって支持棒１４が駆動され、支持棒１４に取り付けられている温度センサ９が測定管４の軸方向において任意の位置をとることが可能とされる。なお、支持棒１４及び駆動機構１５は、ここに示す構成に限られず、温度センサ９を支持し、駆動することが可能な他の構成とすることも可能である。
【００３２】
ラジカル測定装置１は以上のように構成されている。ラジカル生成室２、Ｌ字管３、測定管４及び排気管５によって、連通した空間（以下、測定空間）が形成される。測定空間は、ガス導入系７及び排気系１０によって圧力が調節可能に構成されている。
【００３３】
［測定管の構成］
以下、測定管４の詳細な構成について説明する。
図２は支持部材１６が設置されていない状態の測定管４を示す斜視図である。同図に示すように、測定管４は、円形の管路を有する円管である。測定管４には、遮蔽蓋１８が装着されるための凹部４ｃが形成されている。凹部４ｃはフランジ４ａの当接面から一段繰り下げられている。
【００３４】
図３は、支持部材１６を示す斜視図である。図３（ａ）は支持部材１６を一方向からみた図であり、図３（ｂ）は支持部材１６を反対方向からみた図である。
同図に示すように、支持部材１６は、欠円（直線と円弧からなる円の一部）を上面及び下面とする柱状の形状を有し、側面に当たる第1の面１６ａと第２の面１６ｂを有する。第１の面１６ａは平面状であり、サンプルＳが配置される面である。第２の面１６ｂは曲面であり、測定管４に当接する面である。支持部材１６の長さ（測定管４の軸方向）は測定管４の長さと同一とすることができる。支持部材１６は、熱伝導性の高い材料、例えばアルミニウムからなるものとすることができる。
【００３５】
支持部材１６は、４基が組み合わされた状態で測定管４に挿入される。図４は、支持部材１６を組み合わせた状態を示す斜視図である。同図に示すように、支持部材１６は、それぞれの第１の面１６ａが直交するように組み合わされる。これにより、内周が４面の第１の面１６ａからなる面であり、外周が４面の第２の面１６ｂからなる面である筒状形状が形成される。
【００３６】
図５は、支持部材１６が挿入された測定管４を示す斜視図である。図６は、支持部材１６が挿入された測定管４を示す平面図である。これらの図に示すように、４基の支持部材１６は、それぞれの第２の面６ｂが測定管４の内周面に面接触する。この状態の測定管４に４枚のサンプル板Ｓが載置される。
【００３７】
図７サンプル板Ｓを示す斜視図である。図７（ａ）は１枚のサンプル板Ｓを示し、図７（ｂ）は、測定管４に載置される状態の４枚のサンプル板Ｓを示す。サンプル板Ｓは、測定対象の材料からなり、略同一の大きさを有する平板状である。サンプル板Ｓは、支持部材１６の第１の面１６ａと同等の大きさに形成されている。サンプル板Ｓは、１枚ずつがそれぞれ１基の支持部材１６に載置され、図７（ｂ）に示すように角管状に配置される。
【００３８】
図８は、サンプル板Ｓが設置された測定管４を示す斜視図である。図９はサンプル板Ｓが設置された測定管４を示す平面図である。同図に示すように、測定管４の管内に、サンプル板Ｓからなる管（以下、サンプル管とする）が形成される。サンプル板Ｓは、それぞれ支持部材１６の第１の面１６ａに面接触する。
【００３９】
さらに、測定管４には、遮蔽蓋１８が装着される。図１０は、遮蔽蓋１８が装着される測定管４を示す斜視図である。図１１は、遮蔽蓋１８が装着された測定管４を示す平面図である。なお、図１０では、遮蔽蓋１８は測定管４から離間して示されている。これらの図に示すように、遮蔽蓋１８は、矩形状の開口を有する円板状である。遮蔽蓋１８は、ラジカルが失活しない材料、例えば石英からなり、ラジカルが支持部材１６の端面及びサンプル板Ｓの端面において失活することを防止する。開口の大きさは、支持部材１６の端面と、サンプル板Ｓの端面が被覆され、かつ最大の開口面積となる大きさである。
【００４０】
測定管４は以上のような構成を有する。４基の支持部材１６により、４枚のサンプル板Ｓが管状に支持される。これにより、平板状のサンプル板Ｓを用いてサンプル管とすることができる。平板状のサンプル板Ｓは、曲面状のもの等に比べて製造が容易であり、サンプル管のコストを低減することが可能である。また、熱伝導性の高い支持部材１６により、サンプル管の温度と測定管４の外面の温度を同等とすることが可能となる。さらに、サンプル板Ｓと支持部材１６の熱容量が大きくなるため、測定中のサンプル板Ｓの温度変化を小さくすることができ、ラジカルの結合熱を正確に測定することが可能となる。
【００４１】
［ラジカル測定装置によるラジカル測定方法］
以上のように構成されたラジカル測定装置１による測定方法を説明する。
【００４２】
最初に、排気系１０により測定空間が排気され、測定空間が清浄になるまで十分に減圧される。次にガス導入系７からラジカル生成室２に原料ガスが供給される。排気系１０の排気速度と、ガス導入系７からの原料ガスの供給速度が調節され、測定空間が所定の圧力に維持される。この状態において、測定空間では、ラジカル生成室２からＬ字管３、測定管４、排気管５を経由して排気口５ａに至る、一定流量の原料ガスのガスフローが形成される。ここで、測定管４を流通するガスフローは層流とされる。
【００４３】
次に、プラズマ発生器６により原料ガスがプラズマ化される。プラズマ中の電子が原料ガスの分子に衝突することにより分子の結合が開裂し、ラジカルが生成する。ラジカルは不安定であるため再結合して分子に戻るが、プラズマ中では電子衝撃が継続するため、ラジカルの生成と再結合が平衡し、所定の濃度のラジカルがプラズマ中に存在する。生成したラジカルは、ガスフローによってラジカル生成室２の開口２ａから流出し、Ｌ字管３を通過して測定管４に流入する。
【００４４】
測定管４を流通するラジカルのうち、サンプル板Ｓの表面に到達したものは、サンプル板Ｓの表面において所定の速度（割合）で失活する。この失活の速度は、ラジカル種とサンプル板Ｓの表面の材質によって決定される。これにより、測定管４内のラジカル濃度は、上流から下流に向かって次第に減少する。
【００４５】
測定管４を流通するラジカルの一部は、温度センサ９の表面に付着して再結合し、結合熱を生じる。結合熱は、ラジカルが結合して分子を生成する際に放出する結合解離エネルギーと温度センサ９に輸送されるラジカルの数の積として考えられる。これにより、結合熱から温度センサ９に輸送されるラジカルの数を求めることができる。測定管４を流れるガスフローが層流であれば、結合熱からラジカルの濃度を算出することが可能である。
【００４６】
温度センサ９は特定の位置においてその出力が測定された後、測定管４の軸方向に移動する。温度センサ９の移動は駆動機構１５によって支持棒１４が駆動されることによってなされる。温度センサ９は移動した新たな位置において出力が測定され、さらに移動及び出力の測定が繰り返される。このようにすることによって、温度センサ９は測定管４内の複数の位置においてその出力を測定される。
【００４７】
測定管４を通過したラジカルは、排気管５に流入し、排気系１０によって排気口５ａから排出される。排気口５ａと測定管４は十分離間されているため、測定管４内のガスフローは層流として維持される。
【００４８】
［再結合係数の算出方法］
以上のようにして測定された温度センサ９の出力から、当該ラジカル種のサンプル板Ｓの表面における再結合係数を算出する。以下、再結合係数の算出方法について説明する。
【００４９】
温度センサ９の出力、即ち温度センサ９の熱収支は、以下の式（１）で表すことが出来る。
Ｑ１＋Ｑ３＋Ｑ４＝Ｑ２＋Ｑ５ （１）
ここで、Ｑ１は温度センサ９からの電磁波の放射により失われる熱、Ｑ２はプラズマからの輻射によって温度センサ９に加えられる熱、Ｑ３は温度センサ９の周囲に存在する気体の層流によって温度センサ９から失われる熱、Ｑ４は温度センサ９の熱電対ワイヤから支持棒１４への熱伝導によって失われる熱、Ｑ５は温度センサ９の表面において生じるラジカルの結合熱によって温度センサ９に加わる熱である。温度センサ９の出力が一定となるまで、その位置を維持することにより温度センサ９への熱の流入（式（１）の左辺）と温度センサ９からの熱の流出（式（１）の右辺）が一致し、式（１）が成り立つ。
【００５０】
Ｑ１はステファンボルツマン（Stefan-Boltzmann）の法則（黒体の表面から単位面積、単位時間当たりに放出される電磁波のエネルギーはその黒体の熱力学温度の４乗に比例）から以下の式（２）によって求めることができる。
Ｑ１＝σＡε（Ｔｗ４−Ｔｆ４） （２）
σはステファンボルツマン係数（５．６７×１０−８[Ｗ・ｍ−２・Ｋ−４]）、Ａは温度センサ９の表面積、εは温度センサ９の輻射率、Ｔｗは各測定位置の温度（温度センサ９の出力）、Ｔｆはガス温度（測定管４の外壁温度と仮定）である。
【００５１】
Ｑ３は以下の式（３）によって求めることができる。
Ｑ３＝ｈＡ（Ｔｗ−Ｔｆ） （３）
ｈはガス流れ中の温度センサ９の熱伝達率である。
【００５２】
Ｑ４は温度センサ９の熱電対ワイヤの断面積が十分小さいため無視することができる。
Ｑ２は、プラズマからの輻射がＬ字管３によって遮蔽されるため無視することができる。
【００５３】
以上により、温度センサ９の出力ＴｗからＱ１及びＱ３を算出することでラジカルの結合熱であるＱ５が得られる。温度センサ９の位置に対するＱ５の傾きが減衰係数α［Ｗ／ｍ］である。この減衰係数αから、以下の［数１］に示す行列式を用いて再結合係数γを算出する。
【００５４】
【数１】
【００５５】
［数１］に示す式において、Ｄはラジカルの拡散係数（ｍ２／ｓ）、Ｖｆは測定管８を流れる気体の平均流速（ｍ／ｓ）、Ｌはサンプル管の一辺の長さ（ｍ）、ｖｔはラジカルの熱速度（ｍ／ｔ）である。
【００５６】
[数１］の式の導出について説明する。
【００５７】
角管の移流拡散方程式は以下の[数２]のように記述することができる。
【００５８】
【数２】
【００５９】
以下の［数３］に示すように関数形を仮定して［数２］に示す移流拡散方程式に代入すると、以下の［数４］に示す式が得られる。
【００６０】
【数３】
【００６１】
【数４】
【００６２】
また、［数３］に示した関数形を、［数５］に示す境界条件に代入すると、［数６］に示す式が得られる。
【００６３】
【数５】
【００６４】
【数６】
【００６５】
［数４］に示す式と［数６］に示す式から、［数７］に示す連立一次方程式が得られる。
【００６６】
【数７】
【００６７】
［数７］に示す式において、非ゼロの解が存在するためには、以下の［数８］に示す行列式が０となるγを求めればよい。［数８］に示す行列式において、各係数を求めると、［数９］に示した行列式となる。
【００６８】
【数８】
【００６９】
【数９】
【００７０】
以上のようにして算出した［数９］の式を用いて、減衰係数αから再結合係数γを求めることができる。本実施形態では、上述のように、サンプル板Ｓと測定管４の熱伝導が良好であるため、ラジカルの結合熱Ｑ５を正確に算出することができ、したがって、再結合係数γを正確に求めることが可能である。
【００７１】
本発明は上述の実施形態にのみ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内において変更され得る。
【００７２】
上記実施形態において、測定管４は円管であるものとしたがこれには限られず、楕円形断面を有する管等とすることも可能である。この場合、支持部材１６も測定管４の形状に応じた形状に形成される。
【００７３】
上記実施形態において、サンプル管は４枚のサンプル板Ｓの組み合わせによって形成される角管であるものとしたがこれには限られない。例えば５枚のサンプル板Ｓの組み合わせてによって形成される、５角形の断面形状を有する管とすることも可能である。
【実施例】
【００７４】
本発明の実施例及び比較例について説明する。実施例及び比較例では測定管を除いて上記実施形態に示したラジカル測定装置を用い、測定管を下記の各種構成とした。
【００７５】
（実施例１）
円管（φ８４ｍｍ×３５０ｍｍ）を測定管とした。その中に上記実施形態に示した支持部材を配置した。サンプル板として、Ａ５０５２（アルミニウム：ＪＩＳ規格）圧延板４枚（５９．４ｍｍ×３４５ｍｍ×２ｔｍｍ：２枚、５５．４ｍｍ×３４５ｍｍ×２ｔｍｍ：２枚）を用いた。４枚のサンプル板を支持部材上に角管状に配置した。測定管には、石英からなる遮蔽蓋を配置した。
【００７６】
（比較例１）
サンプル材料であるＡ５０５２からなるφ８４ｍｍ×３５０ｍｍの円管を測定管とした。即ち、測定管自体をサンプル管として用いた。
【００７７】
（比較例２）
角管（外径６０ｍｍ×３５０ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を測定管とした。その中に、Ａ５０５２からなる板であり、サンプル板としてＬ字状に折り曲げられたＬ字板（Ｌ５４ｍｍ×３４５ｍｍ×２ｔｍｍ）２枚を管状に組み合わせて配置した。測定管には、石英からなる遮蔽蓋を配置した。
【００７８】
（比較例３）
角管（外径６０ｍｍ×３５０ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を測定管とした。その中に、Ａ５０５２からなる板であり、サンプル板として、Ａ５０５２圧延板４枚（５４ｍｍ×３４５ｍｍ×２ｔｍｍ：２枚、５０ｍｍ×３４５ｍｍ×２ｔｍｍ：２枚）を用いた。４枚のサンプル板を支持部材上に角管状に配置した。測定管には、石英からなる遮蔽蓋を配置した。
【００７９】
サンプル管作成の容易性について評価した。実施例１のサンプル管は、平板上のサンプル板を４枚組み合わせることにより、角管状のサンプル管を作成することが可能である。これに対し、比較例１のサンプル管は、サンプル材料を管状に加工する必要がある。サンプル材料が溶接ができる材料であるならば、平板状のサンプル材料を管状に折り曲げて溶接したのち、さらにフランジを溶接する必要がある。溶接できない材料であるならば、削り出しにより作成する必要がある。このため、実施例１の場合に比べて高コストとなる。
【００８０】
比較例２及び比較例３では、サンプル材料を管状に加工する必要はないものの、角管状の測定管の角部にＲが存在することにより、サンプル板と測定管の間に隙間が発生した。即ち、実施例１の場合に比べて測定管とサンプル板との密着性が低下する。また、角管をフランジを溶接する際に、溶接ビートの発生により削り出しで作成する場合に比べて隙間が大きくなった。
【００８１】
サンプル材料を表面処理により作成する場合について評価した。サンプル材料が高価である場合等、特定の材料に表面処理を施したものをサンプル材料とする場合ある。実施例１の場合には、平板状の材料に表面処理を施せばよく、容易にすることが可能である。これに対し、比較例１や比較例２の場合には、表面処理を施す材料が平板状ではないため、アルマイト処理等のアノード酸化処理や化成処理等のウエット処理ならまだしも、蒸着や溶射等の表面処理は困難である。
【００８２】
サンプル管の熱伝導率について評価した。上記実施例及び比較例の測定管を有する各ラジカル測定装置において実際に測定を行い、温度センサと測定管外壁の温度を測定した。測定結果を図１２に示す。なお、この測定において原料ガスは酸素とし、マイクロ波パワー７００Ｗ、ガス流速１．５ｍ／ｓ、温度センサの位置１００ｍｍとした。図１２に示すように、実施例１と比較して比較例１の温度センサの温度は約７０℃低く、外壁温度は約２℃高い。外壁温度が高いのは、酸素ラジカルの再結合熱の他に、熱容量の違いが考えられる。
【００８３】
比較例２及び比較例３では、実施例１に比べて温度センサの温度が２００℃程度低かった。角管の測定管とサンプル板の隙間やサンプル板同士の隙間が影響していると考えられる。温度センサの温度が高い方がＳ／Ｎ比のよい測定ができるが、比較例２及び比較例３では正確な測定に適していないといえる。比較例２及び比較例３では外壁温度も実施例１に比べて約３℃低かった。測定管とサンプル板の間の隙間により、熱が伝わり難くなっているためだと考えられる。以上のように、実施例１の構成は、比較例１乃至３の構成に比べてサンプル管の作成が容易であり、より正確な測定も可能であると考えられる。
【符号の説明】
【００８４】
２…ラジカル生成室
４…測定管
９…温度センサ
１０…真空排気管
１６…支持部材
１８…遮蔽部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジカルの結合熱を測定するためのラジカル測定装置及びラジカル測定管に関する。
【背景技術】
【０００２】
アッシング、化学エッチング等、ラジカル（不対電子を有する化学種）を反応種として用いるプロセスが知られている。ラジカルは、原料ガスをプラズマ化することにより生成される。ラジカルは、一般に、分子に比べて不安定であり、生成されたラジカルの一部は互いに、又は他の化学種と結合（再結合）して分子等になり、活性が消失（失活）する。失活は、主にプロセスチャンバ等の固相表面において生じ、その速度は当該表面を構成する材料に依存する。このため、ラジカルが接触する表面を、そのラジカルの失活の速度（再結合係数）が小さい材料によって構成することにより、失活によって失われるラジカル量を低減し、所望の反応の速度を向上させることが可能となる。
【０００３】
特定のラジカル種の各種材料に対する再結合係数は、測定により求めることができる。例えば、非特許文献１には、失活によるラジカル濃度の減少速度から、各種材料による水素ラジカルの再結合係数を求める測定装置が開示されている。当該測定装置は、原料ガスのラジカルを発生させるラジカル生成室と、ラジカル生成室に連通する測定管を有する。測定管内にはサンプル材料からなるサンプル管が配置され、サンプル管の軸方向に沿って可動する熱電対が設けられている。ラジカル生成室において生成した原料ガスのラジカルは、真空排気手段によって測定管に流入し、サンプルの表面で失活することによりその濃度が次第に減少する。熱電対によって測定される温度（ラジカルの結合熱）からラジカルの濃度勾配を求め、濃度勾配から当該ラジカルのサンプル材料に対する再結合係数を算出する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】R.K.Grubbs、S.M.George著 「Attenuation of hydrogen radicals traveling under flowing gas conditions through tubes of different materials」 The Journal of Vacuum Science and Technology A Vol.24 No.3 P486 American Vacuum Society
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の測定装置では、円管形状に形成されたサンプル管が用いられている。これは、サンプル表面から熱電対までのラジカルの輸送速度を均一にして、再結合係数の算出式を単純にするためである。しかしながら、多くは平板状で供給されるサンプル材料を円管形状に加工することは困難であり、高コストとなる。また、基体上に表面処理等によりサンプル材料を付着させる場合にも、円管形状では表面処理が困難である。これに対し、平板状のサンプル材料を組み合わせることによりサンプル管を作成することができれば、容易にサンプル管を準備することが可能である。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、平板状のサンプル材料の組み合わせにより形成されるサンプル管を有するラジカル測定装置及びラジカル測定管を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るラジカル測定装置は、ラジカル生成室と、測定管と、支持体と、真空排気部とを具備する。
上記ラジカル生成室は、原料ガスのプラズマを発生させることで上記原料ガスのラジカルを生成させるラジカル生成手段を有する。
上記測定管は、上記ラジカル生成室に連通する。
上記支持体は上記測定管内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板により管状のサンプル管が形成されるように、それぞれの上記サンプル板を支持する。
上記真空排気部は、上記測定管を真空排気する。
上記温度センサは、上記サンプル管に挿通され、上記サンプル管の軸方向に沿って移動可能である。
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るラジカル測定管は、測定管と、支持体とを具備する。
上記測定管は、ラジカルの流路を形成する。
上記支持体は、上記測定管内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板により管状のサンプル管が形成されるように、それぞれの上記サンプル板を支持する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係るラジカル測定装置を示す模式図である。
【図２】同ラジカル測定装置の、支持部材が設置されていない状態の測定管を示す斜視図である。
【図３】同ラジカル測定装置の支持部材を示す斜視図である。
【図４】同ラジカル測定装置の、組み合わされた支持部材を示す斜視図である。
【図５】同ラジカル測定装置の支持部材が挿入された測定管を示す斜視図である。
【図６】同ラジカル測定装置の支持部材が挿入された測定管を示す平面図である。
【図７】同ラジカル測定装置に配置されるサンプル板を示す斜視図である。
【図８】同ラジカル測定装置のサンプル板が設置された測定管を示す斜視図である。
【図９】同ラジカル測定装置のサンプル板が設置された測定管を示す平面図である。
【図１０】同ラジカル測定装置の遮蔽蓋が設置された測定管を示す斜視図である。
【図１１】同ラジカル測定装置の遮蔽蓋が設置された測定管を示す平面図である。
【図１２】実施例及び比較例に係るラジカル測定装置の温度測定の結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態に係るラジカル測定装置は、ラジカル生成室と、測定管と、支持体と、真空排気部とを具備する。
上記ラジカル生成室は、原料ガスのプラズマを発生させることで上記原料ガスのラジカルを生成させるラジカル生成手段を有する。
上記測定管は、上記ラジカル生成室に連通する。
上記支持体は上記測定管内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板により管状のサンプル管が形成されるように、それぞれの上記サンプル板を支持する。
上記真空排気部は、上記測定管を真空排気する。
上記温度センサは、上記サンプル管に挿通され、上記サンプル管の軸方向に沿って移動可能である。
【００１１】
ラジカル生成室において生成されたラジカルは、真空排気部による圧力差によりラジカル生成室から測定管に向かって流れる。測定管に流入したラジカルのうち、サンプル管の表面に到達したものはその表面において失活するため、ラジカルの濃度は次第に減少する。温度センサによりラジカルの温度センサ表面への再結合熱を測定することにより、測定管内の複数の位置でラジカル濃度の減少量を算出することができる。このラジカル濃度の減少量から、当該ラジカル種のサンプル材料に対する失活の程度（速度）を示す再結合係数を算出することが可能である。ここで、上記構成によれば、平板状のサンプル板が支持体によって支持されることにより、測定管の内部にサンプル管が形成される。平板状のサンプル板は、曲板状などの形状を有するものに比べて成形が容易であり、また表面処理を施すことも容易である。
【００１２】
上記支持体は、上記測定管と複数の上記サンプル板とに面接触するものであってもよい。
【００１３】
支持体が測定管とサンプル板とに面接触することにより、サンプル板と測定管の間の熱伝導率を向上させることが可能である。当該ラジカル測定装置では、測定管の外壁の温度をサンプル板の温度として扱うため、サンプル板と測定管の温度差が小さい方が正確なラジカル結合熱の測定が可能である。
【００１４】
上記ラジカル測定装置は、上記測定管内に配置され、上記支持体及び上記サンプル板の端面を上記測定管内に露出しないように被覆する被覆部材をさらに具備してもよい。
【００１５】
上記のように測定管に流入したラジカルのサンプル表面における失活を測定するため、測定管内には、サンプル表面以外の表面が露出していないことが望ましい。上記構成によれば、被覆部材により支持体及びサンプル板の端面が被覆され、当該面でのラジカルの失活を防止することが可能である。
【００１６】
上記支持体は、複数の、上記測定管に面接触する第１の面と上記サンプル板に面接触する第２の面を有する支持部材からなるものであってもよい。
【００１７】
この構成によれば、１枚のサンプル板を１基の支持部材が支持するため、第１の面は平面状とすることができる。このため、支持部材とサンプル板の間の隙間の発生を防止し、支持部材とサンプル板の間の熱伝導を良好なものとすることができる。
【００１８】
上記測定管は、円管であり、上記支持体は、上記サンプル管が矩形管となるように上記サンプル板を支持してもよい。
【００１９】
円管は、他の形状の管に比較して耐圧性が高く、同じ耐圧性とするならば少ない材料で作成することが可能である。このため、測定管を円管とし、内部に平板状のサンプル板を組み合わせた矩形管を配置するものである。
【００２０】
上記目的を達成するため、本発明の一実施形態に係るラジカル測定管は、測定管と、支持体とを具備する。
上記測定管は、ラジカルの流路を形成する。
上記支持体は、上記測定管内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板により管状のサンプル管が形成されるように、それぞれの上記サンプル板を支持する。
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
［ラジカル測定装置の全体構成］
図１は、本発明の一実施形態に係るラジカル測定装置１を示す模式図である。
同図に示すように、ラジカル測定装置１は、ラジカル生成室２、Ｌ字管３、測定管４及び排気管５によって構成されている。ラジカル生成室２にＬ字管３が接続され、Ｌ字管３に測定管４が接続され、測定管４に排気管５が接続されている。測定管４には、温度センサ９が挿通されている。
【００２３】
ラジカル生成室２は、原料ガスがプラズマ化され、ラジカルが生成される室である。ラジカル生成室２は室内を室外と隔絶し、室内と室外の圧力差を維持可能に構成されている。ラジカル生成室２には、生成されたラジカルが流出するための開口２ａが設けられている。ラジカル生成室２にはプラズマ発生器６及びガス導入系７が接続されている。
【００２４】
プラズマ発生器６は、ガス導入系７によってラジカル生成室２に導入された原料ガスに対して、マイクロ波（例：周波数２．４５ＧＨｚ）等の電磁波を照射し、原料ガスをプラズマ化することが可能に構成されている。また、プラズマ発生器６は、レーザによる励起等によって原料ガスをプラズマ化するものとすることもできる。
【００２５】
ガス導入系７はラジカル生成室２の室内に原料ガスを供給する。ガス導入系７は、例えばガスボンベと配管により構成されている。ガス導入系７は、ラジカル生成室２に供給される原料ガスの流量を調節可能なものとされる。
【００２６】
Ｌ字管３は、Ｌ字形状の管路を有する管であり、ラジカル生成室２の開口２ａに接続されている。Ｌ字管３は、後述するラジカルの失活が発生しない材料、例えば石英からなるものとすることができる。Ｌ字管３は、ラジカル生成室２において発生する原料ガスのプラズマから放射される輻射熱が測定管４に到達することを防止するために配置される。Ｌ字管３は、ラジカル生成室２に接続されるフランジ３ａと、測定管４に接続されるフランジ３ｂとを有する。
【００２７】
測定管４は、サンプルが配置される管であり、Ｌ字管３に接続されている。測定管４は円管形状に形成されている。測定管４には、サンプル板Ｓを支持する支持部材１６と、サンプル板Ｓ及び支持部材１６の端面を被覆する遮蔽蓋１８が設けられている。これらの構成の詳細は後述する。測定管４は、Ｌ字管３に接続されるフランジ４ａと、排気管５に接続されるフランジ４ｂを有する。
【００２８】
排気管５は、測定管４内にラジカルを流通させるための管であり、測定管４に接続されている。排気管５には、排気口５ａが設けられ、排気口５ａには排気系１０が接続されている。後述するが、排気口５ａが測定管４に近接していると、排気口５ａに吸引される気体の流れにより、測定管４内の気体の流れが層流ではなくなり、結合熱の算出に影響が生じるおそれがある。このため、排気管５によって排気口５ａと測定管４とが離間されている。排気管５の測定管４と反対側の開口は蓋１２によって閉塞されている。排気管５は、測定管４に接続されるフランジ５ｂと、蓋１２が接続されるフランジ５ｃを有する。
【００２９】
排気系１０は、ラジカル生成室２、Ｌ字管３、測定管４及び排気管５によって形成されてる空間の気体を排気管５に形成された排気口５ａから排気する。排気系１０は、例えば真空ポンプと配管によって構成される。排気系１０は、排気速度を調節可能なものとされる。
【００３０】
温度センサ９は、測定管４に流入したラジカルを検出する。温度センサ、ラジカルが付着して再結合する触媒表面を有するものとされる。温度センサ９は、例えばＲ熱電対（＋極：Pt-Rh(13%)合金、−極：Pt)とすることができる。温度センサ９は測定管４の軸方向に伸びる支持棒１４に支持され、測定管４の中心軸上に配置される。
【００３１】
支持棒１４は、測定管４から排気管５を挿通して蓋１２を貫通し、排気管５の外部に伸びる。支持棒１４は、蓋１２に設けられた駆動機構１５に連結されている。駆動機構１５は、モータ、ギア等を内蔵し、支持棒１４を測定管４の軸方向に駆動する。駆動機構１５は、支持棒１４に取り付けられている温度センサ９が測定管４の内部において移動可能となるように構成される。即ち、駆動機構１５によって支持棒１４が駆動され、支持棒１４に取り付けられている温度センサ９が測定管４の軸方向において任意の位置をとることが可能とされる。なお、支持棒１４及び駆動機構１５は、ここに示す構成に限られず、温度センサ９を支持し、駆動することが可能な他の構成とすることも可能である。
【００３２】
ラジカル測定装置１は以上のように構成されている。ラジカル生成室２、Ｌ字管３、測定管４及び排気管５によって、連通した空間（以下、測定空間）が形成される。測定空間は、ガス導入系７及び排気系１０によって圧力が調節可能に構成されている。
【００３３】
［測定管の構成］
以下、測定管４の詳細な構成について説明する。
図２は支持部材１６が設置されていない状態の測定管４を示す斜視図である。同図に示すように、測定管４は、円形の管路を有する円管である。測定管４には、遮蔽蓋１８が装着されるための凹部４ｃが形成されている。凹部４ｃはフランジ４ａの当接面から一段繰り下げられている。
【００３４】
図３は、支持部材１６を示す斜視図である。図３（ａ）は支持部材１６を一方向からみた図であり、図３（ｂ）は支持部材１６を反対方向からみた図である。
同図に示すように、支持部材１６は、欠円（直線と円弧からなる円の一部）を上面及び下面とする柱状の形状を有し、側面に当たる第1の面１６ａと第２の面１６ｂを有する。第１の面１６ａは平面状であり、サンプルＳが配置される面である。第２の面１６ｂは曲面であり、測定管４に当接する面である。支持部材１６の長さ（測定管４の軸方向）は測定管４の長さと同一とすることができる。支持部材１６は、熱伝導性の高い材料、例えばアルミニウムからなるものとすることができる。
【００３５】
支持部材１６は、４基が組み合わされた状態で測定管４に挿入される。図４は、支持部材１６を組み合わせた状態を示す斜視図である。同図に示すように、支持部材１６は、それぞれの第１の面１６ａが直交するように組み合わされる。これにより、内周が４面の第１の面１６ａからなる面であり、外周が４面の第２の面１６ｂからなる面である筒状形状が形成される。
【００３６】
図５は、支持部材１６が挿入された測定管４を示す斜視図である。図６は、支持部材１６が挿入された測定管４を示す平面図である。これらの図に示すように、４基の支持部材１６は、それぞれの第２の面６ｂが測定管４の内周面に面接触する。この状態の測定管４に４枚のサンプル板Ｓが載置される。
【００３７】
図７サンプル板Ｓを示す斜視図である。図７（ａ）は１枚のサンプル板Ｓを示し、図７（ｂ）は、測定管４に載置される状態の４枚のサンプル板Ｓを示す。サンプル板Ｓは、測定対象の材料からなり、略同一の大きさを有する平板状である。サンプル板Ｓは、支持部材１６の第１の面１６ａと同等の大きさに形成されている。サンプル板Ｓは、１枚ずつがそれぞれ１基の支持部材１６に載置され、図７（ｂ）に示すように角管状に配置される。
【００３８】
図８は、サンプル板Ｓが設置された測定管４を示す斜視図である。図９はサンプル板Ｓが設置された測定管４を示す平面図である。同図に示すように、測定管４の管内に、サンプル板Ｓからなる管（以下、サンプル管とする）が形成される。サンプル板Ｓは、それぞれ支持部材１６の第１の面１６ａに面接触する。
【００３９】
さらに、測定管４には、遮蔽蓋１８が装着される。図１０は、遮蔽蓋１８が装着される測定管４を示す斜視図である。図１１は、遮蔽蓋１８が装着された測定管４を示す平面図である。なお、図１０では、遮蔽蓋１８は測定管４から離間して示されている。これらの図に示すように、遮蔽蓋１８は、矩形状の開口を有する円板状である。遮蔽蓋１８は、ラジカルが失活しない材料、例えば石英からなり、ラジカルが支持部材１６の端面及びサンプル板Ｓの端面において失活することを防止する。開口の大きさは、支持部材１６の端面と、サンプル板Ｓの端面が被覆され、かつ最大の開口面積となる大きさである。
【００４０】
測定管４は以上のような構成を有する。４基の支持部材１６により、４枚のサンプル板Ｓが管状に支持される。これにより、平板状のサンプル板Ｓを用いてサンプル管とすることができる。平板状のサンプル板Ｓは、曲面状のもの等に比べて製造が容易であり、サンプル管のコストを低減することが可能である。また、熱伝導性の高い支持部材１６により、サンプル管の温度と測定管４の外面の温度を同等とすることが可能となる。さらに、サンプル板Ｓと支持部材１６の熱容量が大きくなるため、測定中のサンプル板Ｓの温度変化を小さくすることができ、ラジカルの結合熱を正確に測定することが可能となる。
【００４１】
［ラジカル測定装置によるラジカル測定方法］
以上のように構成されたラジカル測定装置１による測定方法を説明する。
【００４２】
最初に、排気系１０により測定空間が排気され、測定空間が清浄になるまで十分に減圧される。次にガス導入系７からラジカル生成室２に原料ガスが供給される。排気系１０の排気速度と、ガス導入系７からの原料ガスの供給速度が調節され、測定空間が所定の圧力に維持される。この状態において、測定空間では、ラジカル生成室２からＬ字管３、測定管４、排気管５を経由して排気口５ａに至る、一定流量の原料ガスのガスフローが形成される。ここで、測定管４を流通するガスフローは層流とされる。
【００４３】
次に、プラズマ発生器６により原料ガスがプラズマ化される。プラズマ中の電子が原料ガスの分子に衝突することにより分子の結合が開裂し、ラジカルが生成する。ラジカルは不安定であるため再結合して分子に戻るが、プラズマ中では電子衝撃が継続するため、ラジカルの生成と再結合が平衡し、所定の濃度のラジカルがプラズマ中に存在する。生成したラジカルは、ガスフローによってラジカル生成室２の開口２ａから流出し、Ｌ字管３を通過して測定管４に流入する。
【００４４】
測定管４を流通するラジカルのうち、サンプル板Ｓの表面に到達したものは、サンプル板Ｓの表面において所定の速度（割合）で失活する。この失活の速度は、ラジカル種とサンプル板Ｓの表面の材質によって決定される。これにより、測定管４内のラジカル濃度は、上流から下流に向かって次第に減少する。
【００４５】
測定管４を流通するラジカルの一部は、温度センサ９の表面に付着して再結合し、結合熱を生じる。結合熱は、ラジカルが結合して分子を生成する際に放出する結合解離エネルギーと温度センサ９に輸送されるラジカルの数の積として考えられる。これにより、結合熱から温度センサ９に輸送されるラジカルの数を求めることができる。測定管４を流れるガスフローが層流であれば、結合熱からラジカルの濃度を算出することが可能である。
【００４６】
温度センサ９は特定の位置においてその出力が測定された後、測定管４の軸方向に移動する。温度センサ９の移動は駆動機構１５によって支持棒１４が駆動されることによってなされる。温度センサ９は移動した新たな位置において出力が測定され、さらに移動及び出力の測定が繰り返される。このようにすることによって、温度センサ９は測定管４内の複数の位置においてその出力を測定される。
【００４７】
測定管４を通過したラジカルは、排気管５に流入し、排気系１０によって排気口５ａから排出される。排気口５ａと測定管４は十分離間されているため、測定管４内のガスフローは層流として維持される。
【００４８】
［再結合係数の算出方法］
以上のようにして測定された温度センサ９の出力から、当該ラジカル種のサンプル板Ｓの表面における再結合係数を算出する。以下、再結合係数の算出方法について説明する。
【００４９】
温度センサ９の出力、即ち温度センサ９の熱収支は、以下の式（１）で表すことが出来る。
Ｑ１＋Ｑ３＋Ｑ４＝Ｑ２＋Ｑ５ （１）
ここで、Ｑ１は温度センサ９からの電磁波の放射により失われる熱、Ｑ２はプラズマからの輻射によって温度センサ９に加えられる熱、Ｑ３は温度センサ９の周囲に存在する気体の層流によって温度センサ９から失われる熱、Ｑ４は温度センサ９の熱電対ワイヤから支持棒１４への熱伝導によって失われる熱、Ｑ５は温度センサ９の表面において生じるラジカルの結合熱によって温度センサ９に加わる熱である。温度センサ９の出力が一定となるまで、その位置を維持することにより温度センサ９への熱の流入（式（１）の左辺）と温度センサ９からの熱の流出（式（１）の右辺）が一致し、式（１）が成り立つ。
【００５０】
Ｑ１はステファンボルツマン（Stefan-Boltzmann）の法則（黒体の表面から単位面積、単位時間当たりに放出される電磁波のエネルギーはその黒体の熱力学温度の４乗に比例）から以下の式（２）によって求めることができる。
Ｑ１＝σＡε（Ｔｗ４−Ｔｆ４） （２）
σはステファンボルツマン係数（５．６７×１０−８[Ｗ・ｍ−２・Ｋ−４]）、Ａは温度センサ９の表面積、εは温度センサ９の輻射率、Ｔｗは各測定位置の温度（温度センサ９の出力）、Ｔｆはガス温度（測定管４の外壁温度と仮定）である。
【００５１】
Ｑ３は以下の式（３）によって求めることができる。
Ｑ３＝ｈＡ（Ｔｗ−Ｔｆ） （３）
ｈはガス流れ中の温度センサ９の熱伝達率である。
【００５２】
Ｑ４は温度センサ９の熱電対ワイヤの断面積が十分小さいため無視することができる。
Ｑ２は、プラズマからの輻射がＬ字管３によって遮蔽されるため無視することができる。
【００５３】
以上により、温度センサ９の出力ＴｗからＱ１及びＱ３を算出することでラジカルの結合熱であるＱ５が得られる。温度センサ９の位置に対するＱ５の傾きが減衰係数α［Ｗ／ｍ］である。この減衰係数αから、以下の［数１］に示す行列式を用いて再結合係数γを算出する。
【００５４】
【数１】
【００５５】
［数１］に示す式において、Ｄはラジカルの拡散係数（ｍ２／ｓ）、Ｖｆは測定管８を流れる気体の平均流速（ｍ／ｓ）、Ｌはサンプル管の一辺の長さ（ｍ）、ｖｔはラジカルの熱速度（ｍ／ｔ）である。
【００５６】
[数１］の式の導出について説明する。
【００５７】
角管の移流拡散方程式は以下の[数２]のように記述することができる。
【００５８】
【数２】
【００５９】
以下の［数３］に示すように関数形を仮定して［数２］に示す移流拡散方程式に代入すると、以下の［数４］に示す式が得られる。
【００６０】
【数３】
【００６１】
【数４】
【００６２】
また、［数３］に示した関数形を、［数５］に示す境界条件に代入すると、［数６］に示す式が得られる。
【００６３】
【数５】
【００６４】
【数６】
【００６５】
［数４］に示す式と［数６］に示す式から、［数７］に示す連立一次方程式が得られる。
【００６６】
【数７】
【００６７】
［数７］に示す式において、非ゼロの解が存在するためには、以下の［数８］に示す行列式が０となるγを求めればよい。［数８］に示す行列式において、各係数を求めると、［数９］に示した行列式となる。
【００６８】
【数８】
【００６９】
【数９】
【００７０】
以上のようにして算出した［数９］の式を用いて、減衰係数αから再結合係数γを求めることができる。本実施形態では、上述のように、サンプル板Ｓと測定管４の熱伝導が良好であるため、ラジカルの結合熱Ｑ５を正確に算出することができ、したがって、再結合係数γを正確に求めることが可能である。
【００７１】
本発明は上述の実施形態にのみ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内において変更され得る。
【００７２】
上記実施形態において、測定管４は円管であるものとしたがこれには限られず、楕円形断面を有する管等とすることも可能である。この場合、支持部材１６も測定管４の形状に応じた形状に形成される。
【００７３】
上記実施形態において、サンプル管は４枚のサンプル板Ｓの組み合わせによって形成される角管であるものとしたがこれには限られない。例えば５枚のサンプル板Ｓの組み合わせてによって形成される、５角形の断面形状を有する管とすることも可能である。
【実施例】
【００７４】
本発明の実施例及び比較例について説明する。実施例及び比較例では測定管を除いて上記実施形態に示したラジカル測定装置を用い、測定管を下記の各種構成とした。
【００７５】
（実施例１）
円管（φ８４ｍｍ×３５０ｍｍ）を測定管とした。その中に上記実施形態に示した支持部材を配置した。サンプル板として、Ａ５０５２（アルミニウム：ＪＩＳ規格）圧延板４枚（５９．４ｍｍ×３４５ｍｍ×２ｔｍｍ：２枚、５５．４ｍｍ×３４５ｍｍ×２ｔｍｍ：２枚）を用いた。４枚のサンプル板を支持部材上に角管状に配置した。測定管には、石英からなる遮蔽蓋を配置した。
【００７６】
（比較例１）
サンプル材料であるＡ５０５２からなるφ８４ｍｍ×３５０ｍｍの円管を測定管とした。即ち、測定管自体をサンプル管として用いた。
【００７７】
（比較例２）
角管（外径６０ｍｍ×３５０ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を測定管とした。その中に、Ａ５０５２からなる板であり、サンプル板としてＬ字状に折り曲げられたＬ字板（Ｌ５４ｍｍ×３４５ｍｍ×２ｔｍｍ）２枚を管状に組み合わせて配置した。測定管には、石英からなる遮蔽蓋を配置した。
【００７８】
（比較例３）
角管（外径６０ｍｍ×３５０ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を測定管とした。その中に、Ａ５０５２からなる板であり、サンプル板として、Ａ５０５２圧延板４枚（５４ｍｍ×３４５ｍｍ×２ｔｍｍ：２枚、５０ｍｍ×３４５ｍｍ×２ｔｍｍ：２枚）を用いた。４枚のサンプル板を支持部材上に角管状に配置した。測定管には、石英からなる遮蔽蓋を配置した。
【００７９】
サンプル管作成の容易性について評価した。実施例１のサンプル管は、平板上のサンプル板を４枚組み合わせることにより、角管状のサンプル管を作成することが可能である。これに対し、比較例１のサンプル管は、サンプル材料を管状に加工する必要がある。サンプル材料が溶接ができる材料であるならば、平板状のサンプル材料を管状に折り曲げて溶接したのち、さらにフランジを溶接する必要がある。溶接できない材料であるならば、削り出しにより作成する必要がある。このため、実施例１の場合に比べて高コストとなる。
【００８０】
比較例２及び比較例３では、サンプル材料を管状に加工する必要はないものの、角管状の測定管の角部にＲが存在することにより、サンプル板と測定管の間に隙間が発生した。即ち、実施例１の場合に比べて測定管とサンプル板との密着性が低下する。また、角管をフランジを溶接する際に、溶接ビートの発生により削り出しで作成する場合に比べて隙間が大きくなった。
【００８１】
サンプル材料を表面処理により作成する場合について評価した。サンプル材料が高価である場合等、特定の材料に表面処理を施したものをサンプル材料とする場合ある。実施例１の場合には、平板状の材料に表面処理を施せばよく、容易にすることが可能である。これに対し、比較例１や比較例２の場合には、表面処理を施す材料が平板状ではないため、アルマイト処理等のアノード酸化処理や化成処理等のウエット処理ならまだしも、蒸着や溶射等の表面処理は困難である。
【００８２】
サンプル管の熱伝導率について評価した。上記実施例及び比較例の測定管を有する各ラジカル測定装置において実際に測定を行い、温度センサと測定管外壁の温度を測定した。測定結果を図１２に示す。なお、この測定において原料ガスは酸素とし、マイクロ波パワー７００Ｗ、ガス流速１．５ｍ／ｓ、温度センサの位置１００ｍｍとした。図１２に示すように、実施例１と比較して比較例１の温度センサの温度は約７０℃低く、外壁温度は約２℃高い。外壁温度が高いのは、酸素ラジカルの再結合熱の他に、熱容量の違いが考えられる。
【００８３】
比較例２及び比較例３では、実施例１に比べて温度センサの温度が２００℃程度低かった。角管の測定管とサンプル板の隙間やサンプル板同士の隙間が影響していると考えられる。温度センサの温度が高い方がＳ／Ｎ比のよい測定ができるが、比較例２及び比較例３では正確な測定に適していないといえる。比較例２及び比較例３では外壁温度も実施例１に比べて約３℃低かった。測定管とサンプル板の間の隙間により、熱が伝わり難くなっているためだと考えられる。以上のように、実施例１の構成は、比較例１乃至３の構成に比べてサンプル管の作成が容易であり、より正確な測定も可能であると考えられる。
【符号の説明】
【００８４】
２…ラジカル生成室
４…測定管
９…温度センサ
１０…真空排気管
１６…支持部材
１８…遮蔽部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスのプラズマを発生させることで前記原料ガスのラジカルを生成させるラジカル生成手段を有するラジカル生成室と、
前記ラジカル生成室に連通する測定管と、
前記測定管内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板により管状のサンプル管が形成されるように、それぞれの前記サンプル板を支持する支持体と、
前記測定管を真空排気する真空排気部と、
前記サンプル管に挿通され、前記サンプル管の軸方向に沿って移動可能な温度センサと
を具備するラジカル測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のラジカル測定装置であって、
前記支持体は、前記測定管と複数の前記サンプル板とに面接触する
ラジカル測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載のラジカル測定装置であって、
前記測定管内に配置され、前記支持体及び前記サンプル板の端面を前記測定管内に露出しないように被覆する被覆部材
をさらに具備するラジカル測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載のラジカル測定装置であって、
前記支持体は、複数の、前記測定管に面接触する第１の面と前記サンプル板に面接触する第２の面を有する支持部材からなる
ラジカル測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載のラジカル測定装置であって、
前記測定管は、円管であり、
前記支持体は、前記サンプル管が矩形管となるように前記サンプル板を支持する
ラジカル測定装置。
【請求項６】
ラジカルの流路を形成する測定管と、
前記測定管内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板により管状のサンプル管が形成されるように、それぞれの前記サンプル板を支持する支持体と
を具備するラジカル測定管。
【請求項１】
原料ガスのプラズマを発生させることで前記原料ガスのラジカルを生成させるラジカル生成手段を有するラジカル生成室と、
前記ラジカル生成室に連通する測定管と、
前記測定管内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板により管状のサンプル管が形成されるように、それぞれの前記サンプル板を支持する支持体と、
前記測定管を真空排気する真空排気部と、
前記サンプル管に挿通され、前記サンプル管の軸方向に沿って移動可能な温度センサと
を具備するラジカル測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のラジカル測定装置であって、
前記支持体は、前記測定管と複数の前記サンプル板とに面接触する
ラジカル測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載のラジカル測定装置であって、
前記測定管内に配置され、前記支持体及び前記サンプル板の端面を前記測定管内に露出しないように被覆する被覆部材
をさらに具備するラジカル測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載のラジカル測定装置であって、
前記支持体は、複数の、前記測定管に面接触する第１の面と前記サンプル板に面接触する第２の面を有する支持部材からなる
ラジカル測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載のラジカル測定装置であって、
前記測定管は、円管であり、
前記支持体は、前記サンプル管が矩形管となるように前記サンプル板を支持する
ラジカル測定装置。
【請求項６】
ラジカルの流路を形成する測定管と、
前記測定管内に配置され、複数の、平板状のサンプル材料からなるサンプル板により管状のサンプル管が形成されるように、それぞれの前記サンプル板を支持する支持体と
を具備するラジカル測定管。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−９４３９９（Ｐ２０１２−９４３９９Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４１４２７（Ｐ２０１０−２４１４２７）
【出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]