保有特許一覧｜研究・産学連携｜豊田工業大学

10 ( 57) 【要約】   （修正有）

【課題】イグナイター機構を追加しなくてもプラズマ点 火が容易な誘導結合型マイクロプラズマを提供する。 【解決手段】誘導結合型プラズマ発生用スパイラルコイ ル５は螺旋状のパイプにより形成し、ガス流路６は円筒 のガラス細管により形成してある。浮遊電極２は、ガス 流路６の円筒のガラス細管をつなぎ合わせている隙間に 、浮遊電極２を挟み込み、一部がガス流路内部に面して いる構成としている。スパイラルコイル５で発生した磁 場が、浮遊電極２と電磁気的に作用する。浮遊電極２の 形状は、鋭角三角形の先に、僅かに線が伸びたものであ る。浮遊電極２は、ガス流路外部において誘電率の高い 材料４でカバーされており、実際の寸法よりも、誘電率 分だけ大きな電極サイズと同じ、電磁場を受ける働きを 持つ。また、別のサイズがより小さな浮遊電極（サブ電 極）３が流路６内に配置されている。

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50 【 特 許 請 求 の 範 囲 】

【 請 求 項 １ 】

浮 遊 電 極 の 一 部 が ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て い る こ と を 特 徴 と す る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 。

【 請 求 項 ２ 】

浮 遊 電 極 の 一 部 が ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て お り 、 他 の 部 分 は ガ ス 流 路 外 部 に お い て 誘 電 率 の 高 い 材 料 に 近 接 し て い る こ と を 特 徴 と す る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 。

【 請 求 項 ３ 】

浮 遊 電 極 の 一 部 が ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て お り 、 さ ら に 別 の １ つ 以 上 の 浮 遊 電 極 が あ る こ と を 特 徴 と す る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 。

【 請 求 項 ４ 】

請 求 項 １ か ら ３ に 記 載 さ れ た マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 を 利 用 し た 、 光 源 、 分 光 シ ス テ ム 、 表 面 処 理 、 ド ー ピ ン グ 、 膜 堆 積 、 エ ッ チ ン グ な ど の 装 置 。

【 発 明 の 詳 細 な 説 明 】 【 技 術 分 野 】

【 ０ ０ ０ １ 】

  本 発 明 は 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 の 、 小 型 化 ・ マ イ ク ロ デ バ イ ス 化 、 点 火 促 進 、 省 電 力 化 に 関 す る 。

【 背 景 技 術 】 【 ０ ０ ０ ２ 】

プ ラ ズ マ 領 域 サ イ ズ の 一 部 も し く は 全 て が ｃ ｍ を 下 回 る 、 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 に は 、 多 く の 種 類 が 報 告 さ れ て い る 。 圧 力 が 高 く な る た め 、 小 さ な サ イ ズ で も プ ラ ズ マ 生 成 に 有 利 と な る 。 中 で も 大 気 圧 プ ラ ズ マ は 、 真 空 チ ャ ン バ ー が 不 要 に な る こ と か ら 、 省 エ ネ ル ギ ー や 低 コ ス ト も の づ く り に 適 す る 。 容 量 結 合 型 に 比 べ て 、 誘 導 結 合 型 プ ラ ズ マ は 、 プ ラ ズ マ 密 度 が よ り 高 く で き る た め 有 望 で あ る 。

し か し 、 プ ラ ズ マ 点 火 や 点 灯 が 困 難 で あ る 問 題 が あ っ た 。 イ グ ナ イ タ ー 機 構 を 追 加 す る こ と は 、 専 用 電 源 を 新 た に 用 意 す る こ と 、 電 極 製 作 、 電 極 と 電 源 間 の 結 線 を 必 要 と す る 。 プ ラ ズ マ 源 の 小 型 化 ・ マ イ ク ロ デ バ イ ス 化 を も 阻 害 す る 。

誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 点 火 の た め に 、 誘 導 結 合 型 プ ラ ズ マ 発 生 用 コ イ ル 電 極 以 外 の 電 極 と 、 付 随 す る 機 構 を プ ラ ズ マ 源 に 追 加 す る 技 術 は 、 例 え ば 特 許 文 献 １ か ら ５ 、 非 特 許 文 献 １ に 開 示 さ れ て い る 。

【 ０ ０ ０ ３ 】

特 許 文 献 １ お よ び ２ で は 、 微 小 サ イ ズ 金 属 ド ッ ト の 材 料 供 給 源 の た め に 金 属 ワ イ ヤ ー （ タ ン グ ス テ ン と 鉄 を 例 示 ） が キ ャ ピ ラ リ ー 内 に 導 入 さ れ て い る 。 こ の 金 属 ワ イ ヤ ー を 高 周 波 誘 導 加 熱 し た 上 で 、 接 続 し て お い た イ グ ナ イ タ ー を 一 瞬 作 動 す る こ と で 、 ワ イ ヤ ー 先 端 と 誘 導 結 合 型 プ ラ ズ マ 発 生 用 コ イ ル 電 極 間 に 高 電 圧 を 印 加 し て 放 電 さ せ 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ を 点 灯 す る こ と が 開 示 さ れ て い る 。

特 許 文 献 ３ で は 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 点 灯 の た め に 、 絶 縁 体 チ ュ ー ブ 内 外 に 誘 電 体 バ リ ア 放 電 発 生 用 の 電 極 を 追 加 し て 具 備 す る こ と を 開 示 し て い る 。

特 許 文 献 ４ で は 、 図 示 は 無 い も の の 、 装 置 制 御 部 に 、 ガ ス 供 給 手 段 、 高 周 波 電 源 、 及 び プ ラ ズ マ 点 火 手 段 が あ る こ と を 、 言 及 し て い る 。 少 な く と も 出 願 人 が 手 が け た 一 部 の 装 置 で は 、 圧 電 素 子 を 利 用 し た ガ ス コ ン ロ 点 火 装 置 と 同 等 の 機 構 が 組 み 合 わ さ れ て い る 。

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50 マ 生 成 方 法 を 開 示 し て い る 。

非 特 許 文 献 １ の 著 者 の 一 人 は 、 特 許 文 献 １ お よ び ２ の 発 明 者 に 含 ま れ て い る 。 本 質 的 に は 同 じ で あ る が 、 タ ン グ ス テ ン 線 が 通 常 グ ラ ン ド 電 位 に 接 続 さ れ て い る こ と 、 熱 電 子 の 発 生 を 促 す こ と 、 プ ラ ズ マ 点 火 に は 約 １ ５ ｋ Ｖ の 直 流 電 圧 を ０ ． ５ 秒 加 え る こ と を 説 明 し て い る 。 以 上 の い ず れ も 、 追 加 し た 電 極 構 造 に は 結 線 と 、 点 火 用 の 高 電 圧 電 源 が 必 要 で あ る 。 【 ０ ０ ０ ４ 】

非 特 許 文 献 ２ で は 、 ２ つ の タ ン グ ス テ ン 針 を 、 ギ ャ ッ プ ２ ． ５ ｍ ｍ を 介 し て 向 か い 合 わ せ 、 片 方 を 浮 遊 電 極 と す る マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 用 の 電 極 構 造 を 示 し て い る 。 ４ ８ ｋ Ｈ ｚ で ４ ｋ Ｖ 程 度 の 電 圧 を 加 え て い る 。

非 特 許 文 献 ３ で は 、 サ イ ズ 数 １ ０ ０ μ ｍ 程 度 の シ リ コ ン デ バ イ ス に よ る マ イ ク ロ プ ラ ズ マ を 示 し て い る 。 基 板 平 面 に は 、 ７ ． ５ ｋ Ｈ ｚ で ２ ６ ０ Ｖ 程 度 の プ ラ ス ・ マ イ ナ ス 両 極 性 の パ ル ス 電 圧 が 印 加 さ れ る 、 ロ の 字 形 ニ ッ ケ ル 電 極 の 中 心 部 に 、 １ ０ ０ μ ｍ 角 ま た は ５ ０ μ ｍ 角 の 浮 遊 電 極 を 用 意 す る こ と で 、 ネ オ ン ガ ス の 放 電 が 促 進 さ れ る こ と を 言 及 し て い る 。 以 上 ２ つ の い ず れ も 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 で は な い 。

特 許 文 献 ６ は 、 発 明 者 が 申 請 し た も の で あ る 。 ガ ス 流 路 内 部 に 、 浮 遊 電 極 を 置 く こ と を 前 提 と す る 。 こ の た め 、 浮 遊 電 極 の デ ザ イ ン が 、 ガ ス 流 路 の デ ザ イ ン に 依 存 す る 。 非 特 許 文 献 ４ は 、 発 明 者 ら の 学 術 論 文 で あ り 、 浮 遊 電 極 を ガ ス 流 路 内 に 配 置 し た Ｕ 字 形 の 平 板 型 コ イ ル に よ っ て 励 起 す る 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 で あ る 。 幅 ２ ｍ ｍ 、 長 さ ４ ０ ｍ ｍ 、 深 さ １ ． ２ ｍ ｍ の 溝 に 、 ア ル ミ や タ ン グ ス テ ン な ど の 金 属 線 を 配 置 し て い る 。 ガ ス 流 路 で あ る 溝 内 に 配 置 す る た め に 、 形 状 、 長 さ 、 向 き に 制 約 が あ る 。

【 ０ ０ ０ ５ 】

【 特 許 文 献 １ 】 「 微 小 な ド ッ ト 又 は ラ イ ン を 備 え た 低 融 点 基 板 、 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ に よ る 堆 積 方 法 及 び 同 装 置 」 公 表 番 号 : 特 許 公 開 ２ ０ ０ ５ − ２ ６ ２ １ １ １ 公 開 日 ： ２ ０ ０ ５ 年 ９ 月 ２ ９ 日 出 願 人 : 独 立 行 政 法 人   産 業 技 術 総 合 研 究 所

【 特 許 文 献 ２ 】 「 微 小 な ラ イ ン を 備 え た 基 板 」 公 表 番 号 : 特 許 公 開 ２ ０ ０ ８ − ３ ０ ６ ２ ０ ９ 公 開 日 : ２ ０ ０ ８ 年 １ ２ 月 １ ８ 日 出 願 人 : 独 立 行 政 法 人   産 業 技 術 総 合 研 究 所 【 特 許 文 献 ３ 】 「 プ ラ ズ マ 発 生 装 置 」 公 表 番 号 : 特 許 公 開 ２ ０ ０ ８ − １ ９ ８ ５ ８ ３ 公 開 日 : ２ ０ ０ ８ 年 ８ 月 ２ ８ 日 出 願 人 : 寺 嶋 和 夫

【 特 許 文 献 ４ 】 「 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ ジ ェ ッ ト 制 御 方 法 及 び 装 置 」 公 表 番 号 : 特 許 公 開 ２ ０ ０ ７ − ２ １ ３ ８ ２ １ 公 開 日 : ２ ０ ０ ７ 年 ８ 月 ２ ３ 日 出 願 人 : 松 下 電 器 産 業 株 式 会 社 【 特 許 文 献 ５ 】 「 プ ラ ズ マ 発 生 装 置 及 び プ ラ ズ マ 生 成 方 法 」 公 表 番 号 : 特 許 公 開 ２ ０ ０ ９ − ２ ８ ９ ４ ３ ２ 、 公 開 日 : ２ ０ ０ ９ 年 １ ２ 月 １ ０ 日 出 願 人 : 国 立 大 学 法 人   東 京 工 業 大 学

【 特 許 文 献 ６ 】 「 浮 遊 電 極 を 持 つ 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 」 公 表 番 号 ： 特 開 ２ ０ １ １ − ２ ４ ９ ２ ８ ９ 公 開 日 ： 平 成 ２ ３ 年 １ ２ 月 ８ 日 出 願 人 ： 学 校 法 人   ト ヨ タ 学 園 豊 田 工 業 大 学

【 非 特 許 文 献 １ 】 " T h e r mo e l e c t r o n - e n h a n c e d mic r o me t e r - s c a le p la s ma g e n e r a t io n " , T . I t o , K . T e r a s h i ma , Ap p l ie d P h y s ic s L e t t e r s ,V o l . 8 0 , No . 1 5 ( 2 0 0 2 ) 2 6 4 8 - 2 6 5 0 . 【 非 特 許 文 献 ２ 】 “ A s imp le c o ld Ar p la s ma je t g e n e r a t e d wit h a f lo a t i n g e le c t r o d e

a t a t mo s p h e r i c p r e s s u r e " , Q.- Y . Nie , C.- S . R e n , D.- Z . Wa n g , J.- L . Z h a n g , Ap p l ie d P h y s ic s L e t t e r s , V o l . 9 3 ( 2 0 0 8 ) 0 1 1 5 0 3 .

【 非 特 許 文 献 ３ 】 " Mo d e Ch a n g e Ob s e r v e d o n S p a t i a l Dis t r i b u t i o n o f Mic r o p la s ma E mis s io n in a Mic r o d is c h a r g e Ce ll wit h a F l o a t in g E le c t r o d e " , D.- S . L e e , O. S a k a i , K .

T a c h ib a n a , Ja p a n e s e Jo u r n a lo f Ap p l ie d P h y s i c s , V o l. 4 8 ( 2 0 0 9 ) 1 0 6 0 0 2 .

【 非 特 許 文 献 ４ 】 " No v e l At mo s p h e r ic P r e s s u r e I n d u c t iv e l y Co u p le d Mic r o P la s ma S o u r c e Us in g F lo a t i n g Wir e E le c t r o d e " , S .K u ma g a i , H. Ma t s u y a ma , Y . Y o k o y a ma , M. Ho r i , M. S a s a k i, Ja p a n e s e Jo u r n a l o f Ap p l ie d P h y s i c s , V o l . 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 8 JA0 2 .

【 発 明 の 開 示 】

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50 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ は 、 高 密 度 プ ラ ズ マ を 発 生 で き る 。 し か し 、 プ ラ ズ マ 点 火 が

難 し い 問 題 が あ っ た 。 イ グ ナ イ タ ー 機 構 を 追 加 す る 方 法 が 知 ら れ て い る が 、 専 用 電 源 を 新 た に 用 意 す る こ と 、 追 加 の 電 極 製 作 、 電 極 と 電 源 間 の 結 線 を 必 要 と す る 。 こ れ ら は 、 プ ラ ズ マ 源 の 小 型 化 ・ マ イ ク ロ デ バ イ ス 化 を 阻 害 す る 。

こ の 問 題 を 解 決 す る た め に 、 発 明 者 は 浮 遊 電 極 を ガ ス 流 路 内 部 に 配 置 す る こ と で 、 点 火 用 の 電 源 を 追 加 す る こ と な く 、 点 火 を 容 易 に す る 方 法 を 、 先 に 特 許 申 請 し た 。

し か し な が ら 、 ガ ス 流 路 内 部 に 電 極 を 配 置 す る こ と は 、 浮 遊 電 極 の デ ザ イ ン が 、 ガ ス 流 路 の デ ザ イ ン に 依 存 す る こ と を 意 味 す る 。 プ ラ ズ マ 源 に 適 切 な 流 路 と 電 極 デ ザ イ ン は 異 な る た め 、 必 ず し も 互 い に 最 適 な も の と な ら な い 課 題 が あ っ た 。

【 課 題 を 解 決 す る た め の 手 段 】 【 ０ ０ ０ ７ 】

本 発 明 は 、 浮 遊 電 極 の 一 部 が ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て い る 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 を 実 現 す る こ と に よ り 課 題 を 解 決 し た も の で あ る 。

本 発 明 に よ れ ば 、 浮 遊 電 極 を 利 用 す る が 、 そ の 一 部 の み を ガ ス 流 路 内 部 に 面 す る こ と で 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 が 得 ら れ る 。

マ イ ク ロ プ ラ ズ マ の 励 起 に 誘 導 結 合 を 利 用 し て い る た め 、 特 別 の 結 線 を 施 す こ と な く 、 浮 遊 電 極 に エ ネ ル ギ ー を 供 給 し 、 点 火 を 促 進 で き る 。 浮 遊 電 極 の 一 部 の み が 電 離 し 易 い ガ ス に 面 し て い る た め 、 点 火 す る 点 は 限 ら れ る が 、 電 極 配 置 に よ っ て 点 火 す る 位 置 は 決 ま っ て く る た め 、 プ ラ ズ マ 源 の デ ザ イ ン に 組 み 込 む こ と が で き る 。

こ れ に よ り 、 ガ ス 流 路 と 浮 遊 電 極 を 、 各 々 最 適 に デ ザ イ ン で き る 。 例 え ば 、 ガ ス 流 路 と は 独 立 に 、 浮 遊 電 極 の 長 さ や 向 き を デ ザ イ ン で き る 。 電 極 が 長 い ほ ど 点 火 電 力 を 下 げ る こ と が で き 、 向 き は 光 源 応 用 の 場 合 に は 出 射 光 取 り 出 し の 設 計 に 関 係 す る 。 プ ラ ズ マ 発 光 で あ る た め 、 自 己 吸 収 を 避 け る た め の 適 切 な 方 向 が あ る 。

【 ０ ０ ０ ８ 】

ま た 本 発 明 に よ れ ば 、 浮 遊 電 極 の 一 部 が ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て お り 、 他 の 部 分 は ガ ス 流 路 外 部 に お い て 誘 電 率 の 高 い 材 料 に 近 接 し て い る こ と を 特 徴 と す る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 が 得 ら れ る 。

マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 用 途 に は １ ０ ０ Ｍ Ｈ ｚ 程 度 の 高 周 波 電 源 が 利 用 さ れ る た め 、 波 長 は ３ ｍ 程 度 で あ る 。 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ の 構 造 は 通 常 ｃ ｍ を 下 回 る た め 、 波 長 よ り も 十 分 小 さ い 。 浮 遊 電 極 が 大 き く な る 程 、 ア ン テ ナ と 同 様 、 電 磁 界 を 受 け る 効 果 が 得 ら れ る た め 、 プ ラ ズ マ 点 火 に 有 利 と な る 。 浮 遊 電 極 が 、 ガ ス 流 路 外 部 に お い て 誘 電 率 の 高 い 材 料 に 近 接 す る こ と は 、 電 磁 界 に 対 し て 、 実 際 の 寸 法 よ り も 長 く な る 効 果 を 持 つ 。 す な わ ち 、 プ ラ ズ マ 源 の サ イ ズ を 小 さ く 維 持 し つ つ 点 火 し 易 く す る 効 果 を 得 る こ と が で き る 。

【 ０ ０ ０ ９ 】

ま た 本 発 明 に よ れ ば 、 浮 遊 電 極 の 一 部 が ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て お り 、 さ ら に 別 の １ つ 以 上 の 浮 遊 電 極 が あ る こ と を 特 徴 と す る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 が 得 ら れ る 。 浮 遊 電 極 が １ つ の 場 合 は 、 電 極 端 と そ の 周 囲 の 電 位 の 間 で 高 電 界 が 得 ら れ る こ と に よ り 、 プ ラ ズ マ 点 火 を 促 し て い た 。 ２ つ 以 上 の 浮 遊 電 極 を 用 意 す る と 、 サ イ ズ や レ イ ア ウ ト に よ り 、 互 い の 電 極 端 に お い て プ ラ ス と マ イ ナ ス の 異 符 号 の 電 位 を 形 成 で き る 。 電 極 間 距 離 を 短 く デ ザ イ ン す る こ と が 可 能 で あ る た め 、 高 電 界 を 形 成 す る 効 果 を 高 め る こ と が で き る 。

ま た 本 発 明 に よ れ ば 、 浮 遊 電 極 の 一 部 が ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て い る こ と を 特 徴 と す る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 を 利 用 し た 、 光 源 、 分 光 シ ス テ ム 、 表 面 処 理 、 ド ー ピ ン グ 、 膜 堆 積 、 エ ッ チ ン グ な ど の 装 置 が 実 現 で き る 。

【 発 明 の 効 果 】 【 ０ ０ １ ０ 】

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50 待 さ れ る 。 浮 遊 電 極 の デ ザ イ ン と 、 ガ ス 流 路 の デ ザ イ ン が 互 い に 依 存 す る 程 度 を 減 ら し 、

互 い に プ ラ ズ マ 点 火 や 点 灯 に 適 切 な も の に で き る 。 安 定 し た プ ラ ズ マ 源 と な る 。 よ り 大 き な 装 置 内 の 部 品 と し て プ ラ ズ マ 源 を 応 用 す る 際 に は 、 重 要 な 性 能 で あ る 。 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 を 利 用 し た 装 置 の 、 小 型 化 ・ マ イ ク ロ デ バ イ ス 化 、 高 機 能 化 、 信 頼 性 向 上 、 省 エ ネ ル ギ ー 化 の 効 果 が 得 ら れ る 。

【 発 明 を 実 施 す る た め の 最 良 の 形 態 】 【 ０ ０ １ １ 】

以 下 、 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に つ い て 図 面 を 参 照 し な が ら 説 明 す る 。 図 は 例 示 で あ り 、 プ ラ ズ マ 源 を 構 成 す る 、 電 極 や ガ ス 流 路 の 材 料 、 形 状 、 配 置 な ど は 限 定 さ れ る も の で は な い 。 図 １ は 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に よ る 、 浮 遊 電 極 の 一 部 が ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て い る こ と を 特 徴 と す る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 の 一 実 施 例 の 概 略 図 で あ る 。

図 １ に お い て 、 １ は プ ラ ズ マ 領 域 で あ る 。 ２ は 浮 遊 電 極 で あ る 。 浮 遊 電 極 2 は 基 本 的 に 三 角 形 状 を し て お り 、 尖 っ た 角 か ら 僅 か に 線 が 伸 び て 、 ガ ス 流 路 内 に 面 し て い る 。 点 火 は こ の 電 極 の ガ ス 流 路 に 面 し た 端 部 の 周 辺 で 発 生 す る 。 ３ は 別 の 浮 遊 電 極 ( サ ブ 電 極 ) で あ る 。 ４ は 浮 遊 電 極 に 近 接 し た 誘 電 率 の 高 い 材 料 で あ る 。 こ の 誘 電 率 が 大 き く な る ほ ど 、 浮 遊 電 極 ２ の 電 磁 気 的 作 用 は 、 実 寸 よ り も 長 く な る 。

【 ０ ０ １ ２ 】

５ は 螺 旋 状 の パ イ プ か ら な る 誘 導 結 合 型 プ ラ ズ マ 発 生 用 コ イ ル 電 極 で あ る 。

図 １ の 例 で は 、 ３ の 別 の 浮 遊 電 極 は ガ ス 流 路 内 に 配 置 し 、 ２ の 浮 遊 電 極 よ り も 小 さ く 、 向 き も 直 交 し て い る 。

プ ラ ズ マ 点 火 の 際 に は 、 電 磁 誘 導 を 介 し て 、 浮 遊 電 極 ２ や 別 の 浮 遊 電 極 ３ に エ ネ ル ギ ー を 供 給 す る 。

６ は ガ ス 流 路 で あ り 、 ガ ス の 流 れ ７ を 形 成 す る 。 こ の 例 で は 、 円 筒 ガ ラ ス 細 管 を 利 用 し て い る 。

８ は 高 周 波 電 源 で あ る 。 大 気 圧 プ ラ ズ マ で は 、 流 路 壁 へ の ガ ス 衝 突 に よ る エ ネ ル ギ ー の ロ ス が 少 な く な る よ う 、 １ ０ ０ Ｍ Ｈ ｚ を 代 表 と す る Ｖ Ｈ Ｆ 帯 の 周 波 数 が 利 用 さ れ る こ と が 多 い 。

【 ０ ０ １ ３ 】

図 １ の 実 施 例 で は 、 誘 導 結 合 型 プ ラ ズ マ 発 生 用 ス パ イ ラ ル コ イ ル ５ は 螺 旋 状 の パ イ プ に よ り 形 成 し 、 ガ ス 流 路 ６ は 円 筒 の ガ ラ ス 細 管 に よ り 形 成 し て あ る 。

浮 遊 電 極 ２ は 、 ガ ス 流 路 ６ の 円 筒 の ガ ラ ス 細 管 を つ な ぎ 合 わ せ て い る 隙 間 に 、 浮 遊 電 極 ２ を 挟 み 込 み 、 一 部 が ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て い る 構 成 と し て い る 。

ス パ イ ラ ル コ イ ル ５ で 発 生 し た 磁 場 が 、 浮 遊 電 極 ２ と 電 磁 気 的 に 作 用 す る 。 浮 遊 電 極 ２ の 形 状 は 、 鋭 角 三 角 形 の 先 に 、 僅 か に 線 が 伸 び た も の で あ る 。 こ の 浮 遊 電 極 は 、 ガ ス 流 路 外 部 に お い て 誘 電 率 の 高 い 材 料 （ 例 え ば 、 ポ リ イ ミ ド ） で カ バ ー さ れ て い る 。 こ の た め 、 実 際 の 寸 法 よ り も 、 誘 電 率 分 だ け 大 き な 電 極 サ イ ズ と 同 じ 、 電 磁 場 を 受 け る 働 き を 持 つ 。 ま た 、 別 の サ イ ズ が よ り 小 さ な 浮 遊 電 極 （ サ ブ 電 極 ） ３ が 流 路 内 ６ に 配 置 さ れ て い る 。 【 ０ ０ １ ４ 】

図 １ の 実 施 例 で は 、 浮 遊 電 極 （ サ ブ 電 極 ） ３ を ガ ス が 流 れ る 上 流 側 に 配 置 し た 例 で あ る 。 浮 遊 電 極 ２ と 浮 遊 電 極 （ サ ブ 電 極 ） ３ の 浮 遊 電 極 間 の ギ ャ ッ プ が 小 さ い た め 、 高 電 界 を 形 成 す る こ と が で き る 。 こ れ に よ り 、 プ ラ ズ マ 点 火 の 効 果 を よ り 高 め る こ と が で き る 。 ガ ス 流 路 ７ を 形 成 す る ガ ラ ス 管 ６ は 、 ス パ イ ラ ル コ イ ル ５ に 対 し て 直 交 し た 配 置 に な っ て い る が 通 常 の 直 線 状 の 管 で 構 成 す る た め の 便 宜 で あ り 、 プ ラ ズ マ が 形 成 さ れ る 領 域 以 外 は 任 意 の 管 形 状 で も プ ラ ズ マ 点 火 の 効 果 は 同 じ で あ る 。

マ イ ク ロ プ ラ ズ マ の 励 起 に 誘 導 結 合 を 利 用 し て い る た め 、 特 別 の 結 線 を 施 す こ と な く 、 浮 遊 電 極 に エ ネ ル ギ ー を 供 給 し 、 点 火 を 促 進 で き る 。

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50 小 型 化 ・ マ イ ク ロ デ バ イ ス 化 、 点 火 を 容 易 に す る と 同 時 に 、 よ り 省 電 力 で プ ラ ズ マ を 発 生

さ せ る 効 果 の 更 な る 促 進 を 実 現 す る 。 【 ０ ０ １ ５ 】

図 ２ は 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に よ る 、 浮 遊 電 極 の 一 部 が ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て い る こ と を 特 徴 と す る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 の 他 の 実 施 例 の 概 略 図 で あ る 。

図 ２ に お い て 、 １ は プ ラ ズ マ 領 域 で あ る 。 ２ は 浮 遊 電 極 で あ る 。 ３ は 別 の 浮 遊 電 極 （ サ ブ 電 極 ） で あ る 。 こ の 電 極 を 加 え る か は 、 目 的 に よ る 。 こ の 例 で は 、 ３ の 浮 遊 電 極 は ２ の 浮 遊 電 極 よ り も 小 さ く 、 向 き も 直 交 し て い る 。

２ と ３ が 互 い に 向 か い 合 う 先 端 は 、 電 界 強 度 を 得 る た め に 、 尖 っ た 形 状 に し て い る 。 点 火 は 電 極 ２ 、 ３ の ガ ス 流 路 に 面 し た 部 分 の 周 辺 で 発 生 す る 。 ４ は 浮 遊 電 極 に 近 接 し た 誘 電 率 の 高 い 材 料 で あ る 。 例 え ば 、 マ イ ク ロ デ バ イ ス を 形 成 す る 基 板 材 料 で あ る 、 シ リ コ ン で も 良 い 。 ５ は 螺 旋 状 の パ イ プ か ら な る 誘 導 結 合 型 プ ラ ズ マ 発 生 用 コ イ ル 電 極 で あ る 。 プ ラ ズ マ 点 火 の 際 に は 、 電 磁 誘 導 を 介 し て 、 ２ や ３ の 浮 遊 電 極 に エ ネ ル ギ ー を 供 給 す る 。 ６ は 流 路 で あ り 、 ガ ス の 流 れ ７ を 形 成 す る 。 こ の 例 で は 、 微 細 加 工 に よ っ て 製 作 し た ト レ ン チ 構 造 を 利 用 し て い る 。 実 際 に は ト レ ン チ に カ バ ー を 付 け て 流 路 と す る が 、 分 か り 易 さ の た め に 図 示 し て い な い 。 ８ は 高 周 波 電 源 で あ る 。

【 ０ ０ １ ６ 】

誘 導 結 合 型 プ ラ ズ マ 発 生 用 ス パ イ ラ ル コ イ ル は 螺 旋 状 の パ イ プ 、 ガ ス 流 路 は マ イ ク ロ 溝 加 工 に よ り 製 作 し た 流 路 に よ り 形 成

し た 例 で あ る 。 例 え ば 、 シ リ コ ン 微 細 加 工 に よ り 蛇 行 し た 流 路 の 形 成 が 可 能 で あ る 。 浮 遊 電 極 の 形 状 は 、 鋭 角 三 角 形 で あ る 。 こ の 浮 遊 電 極 は 、 ガ ス 流 路 外 部 に お い て 誘 電 率 の 高 い 材 料 （ 例 え ば 、 シ リ コ ン ） 上 に あ る た め 、 実 際 の 寸 法 よ り も 、 誘 電 率 分 だ け 大 き な 電 極 サ イ ズ と 同 じ 、 電 磁 場 を 受 け る 働 き を 持 つ 。 ま た 、 別 の 浮 遊 電 極 （ サ イ ズ が よ り 小 さ な サ ブ 電 極 ） が 流 路 内 に 配 置 さ れ て い る 。 こ の 図 で は 、 ガ ス が 流 れ る 上 流 側 に 配 置 し た 例 で あ る 。 上 記 ２ つ の 浮 遊 電 極 間 の ギ ャ ッ プ が 小 さ い た め 、 高 電 界 を 形 成 す る こ と が で き る 。 こ れ に よ り 、 プ ラ ズ マ 点 火 の 効 果 を よ り 高 め る こ と が で き る 。

【 ０ ０ １ ７ 】

図 3 は 図 1 の 実 施 例 の 浮 遊 電 極 の 働 き を 等 価 回 路 モ デ ル に よ っ て 表 し た も の で あ る 。 誘 導 結 合 型 プ ラ ズ マ 発 生 用 ス パ イ ラ ル コ イ ル 5 か ら 発 生 す る 高 周 波 の 磁 場 を 受 け 、 浮 遊 電 極 2 中 に 起 電 力 が 発 生 す る 。 こ の 作 用 は 、 コ イ ル 5 と 浮 遊 電 極 2 と の 間 に 存 在 す る 相 互 イ ン ダ ク タ ン ス Ｍ に よ っ て 表 す こ と が で き る 。 浮 遊 電 極 に は 様 々 な 導 電 性 材 料 が 利 用 で き る 。 直 線 状 の 浮 遊 電 極 の 両 端 ａ お よ び ｂ に お い て 周 囲 の グ ラ ン ド 電 位 と そ れ ぞ れ 結 合 し て い る と 考 え る こ と が で き る 。 こ れ は キ ャ パ シ タ ン ス Ｃ ａ お よ び Ｃ ｂ で 表 す こ と が で き る 。 従 っ て 、 浮 遊 電 極 2 は 、 グ ラ ン ド 電 位 − キ ャ パ シ タ ン ス Ｃ ａ − 浮 遊 電 極 自 体 の イ ン ダ ク タ ン ス Ｌ ２ − 浮 遊 電 極 自 体 の 内 部 抵 抗 Ｒ ２ − キ ャ パ シ タ ン ス Ｃ ｂ − グ ラ ン ド 電 位 、 か ら な る 直 列 回 路 を 形 成 す る 。 こ れ に 起 電 力 が 働 き 、 回 路 中 に 電 流 が 流 れ る 。 電 流 が 、 上 記 直 列 回 路 を 通 り な が ら 、 各 素 子 の イ ン ピ ー ダ ン ス に 応 じ た 電 圧 を 発 生 す る 。

【 ０ ０ １ ８ 】

各 素 子 の イ ン ピ ー ダ ン ス 絶 対 値 を 図 2 の 実 施 例 の 針 金 の 場 合 を 想 定 し て 見 積 も る 。

10

20

30

40

50 こ れ は ａ ま た は ｂ 点 の 電 位 が 周 辺 電 位 と 比 べ て 大 き く 異 な る こ と を 意 味 し 、 こ れ に よ る 電

界 に よ っ て 浮 遊 電 極 の 端 か ら 点 火 す る こ と と 符 合 す る 。 キ ャ パ シ タ ン ス Ｃ ａ お よ び Ｃ ｂ の 値 は 、 形 状 や レ イ ア ウ ト に よ っ て 、 そ の 値 を 調 節 で き 、 線 状 の 浮 遊 電 極 端 の 片 方 に 、 よ り 電 界 を 集 中 さ せ る こ と も 可 能 で あ り 、 デ ザ イ ン で き る 。

以 上 の 結 果 と し て 、 浮 遊 電 極 に よ っ て 、 ガ ス 流 路 内 に 効 率 的 に 電 界 を 集 中 さ せ る こ と が で き る 。 こ の 電 界 が プ ラ ズ マ 点 火 を 促 進 す る 。 な お 、 浮 遊 電 極 １ と キ ャ パ シ タ ン ス を 介 し て 結 合 し え る の は 、 グ ラ ン ド 電 位 の み で は な く 、 別 の 電 位 を 持 つ コ イ ル 電 極 ３ も 考 え ら れ る 。 こ の 場 合 に は 、 電 圧 は 結 合 部 分 と の 中 間 の 値 を 取 る た め 、 そ の 領 域 の 電 圧 勾 配 で あ る 電 界 が 抑 え ら れ る 形 と な り 、 必 ず し も 点 火 に 有 利 と は な ら な い 。

【 ０ ０ １ ９ 】

図 4 は 、 図 １ で 示 し た 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に よ る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 を 利 用 し て 、 い く つ か の 浮 遊 電 極 を 利 用 し た 際 の 点 火 電 力 を 示 す グ ラ フ で あ る 。

ヘ リ ウ ム ガ ス 流 量 は ０ ． ５ Ｌ ／ 分 、 ガ ラ ス 細 管 の 内 径 は １ ｍ ｍ 、 外 径 は １ ． ５ ｍ ｍ 、 ス パ イ ラ ル コ イ ル と ガ ラ ス 細 管 中 心 間 距 離 は ２ ｍ ｍ 以 下 に 近 づ け た 。 ス パ イ ラ ル コ イ ル は １ ０ ０ Ｍ Ｈ ｚ 電 源 と 、 イ ン ピ ー ダ ン ス マ ッ チ ン グ ボ ッ ク ス を 介 し て 接 続 さ れ て い る 。 図 の 横 軸 に は 浮 遊 電 極 の 長 さ L を 、 縦 軸 に は 点 火 電 力 を と っ た 。 浮 遊 電 極 の 形 状 は 、 挿 入 図 に あ る よ う に 鋭 角 三 角 形 と し 、 そ の 頂 角 θ と 、 長 さ Ｌ の 取 り 方 を 示 す 。 浮 遊 電 極 は 銅 箔 ( 厚 さ 0 .1 mm) を 手 作 業 で 切 り 、 先 端 の 銅 線 は ハ ン ダ 付 け し て 製 作 し て い る の で 、 構 造 に は あ る 程 度 の ば ら つ き が あ る 。 ま ず 全 体 的 な 傾 向 と し て 、 電 極 長 さ Ｌ が 短 く な る （ す な わ ち 小 型 化 を 進 め る ） と 、 点 火 電 力 が 上 が る 。 × 印 で 示 す θ ＝ ３ ． ９ ° の 電 極 は 、 図 の 範 囲 に お い て 、 幅 が ３ ｍ ｍ 以 下 に な る が 、 全 体 的 に 点 火 電 力 が 高 い 。 製 作 時 の 反 り も 含 め て パ ワ ー 損 失 の 大 き な 構 造 に な っ た と 考 え ら れ る 。

【 ０ ０ ２ ０ 】

他 の θ の 値 を 持 つ 電 極 は 、 単 独 の 銅 線 も 含 め て 類 似 し て い る 。 た だ し 、 長 さ Ｌ ＝ ５ ｍ ｍ の デ ー タ は 有 意 な 差 を 示 し て お り 、 ○ 印 で 示 す θ ＝ １ １ ． ７ ° の 三 角 形 状 が 点 火 に 有 利 と 判 断 さ れ る 。 ・ 印 で 示 す wir e は 直 径 ０ ． １ ｍ ｍ の 銅 線 を 、 三 角 形 の 浮 遊 電 極 と 同 様 に 、 一 部 の み ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て 配 置 し た と き の 値 で あ る 。 な お 、 長 さ Ｌ ＝ ２ ２ ｍ ｍ で の １ 点 の み で あ る が 、 ガ ラ ス 細 管 を ス パ イ ラ ル コ イ ル に 通 し た 上 で 、 直 径 ０ ． １ ｍ ｍ の 銅 線 か ら な る 浮 遊 電 極 を ガ ス 流 路 内 に 配 置 し た 際 の 点 火 電 力 を ＋ 印 で 示 す （ 特 許 文 献 ６ で 示 し た 構 成 に 該 当 ） 。 僅 か で は あ る が 、 点 火 の 低 電 力 化 が 得 ら れ た 。 ガ ス 流 路 と 浮 遊 電 極 を 、 各 々 最 適 に デ ザ イ ン で き る こ と は 、 プ ラ ズ マ 源 を 小 型 化 ・ マ イ ク ロ デ バ イ ス 化 す る 際 に は 重 要 で あ る こ と が 分 か る 。

【 ０ ０ ２ １ 】

図 5 は 、   図 １ で 示 し た 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に よ る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 を 利 用 し て 、 い く つ か の 浮 遊 電 極 、 お よ び 別 の 浮 遊 電 極 （ サ ブ 電 極 ） を 組 み 合 わ せ た 際 の 点 火 電 力 を 示 す グ ラ フ で あ る 。

ヘ リ ウ ム ガ ス 流 量 は ０ ． ５ Ｌ ／ 分 で あ る 。 ガ ラ ス 細 管 の 外 に 出 て い る 浮 遊 電 極 部 分 は 、 ポ リ イ ミ ド テ ー プ で カ バ ー し た 。 実 験 の ば ら つ き 幅 を 確 認 す る た め に 、 ３ 回 同 じ 実 験 を 行 っ た 。 （ ａ ） は 模 式 図 に 示 す よ う に 、 長 さ Ｌ ＝ ２ ２ ｍ ｍ 、 幅 ｗ ＝ ９ ｍ ｍ （ θ ＝ ２ ３ ． １ ° ） の 三 角 形 状 を も つ 浮 遊 電 極 に お け る 例 で あ る 。 グ ラ フ の 横 軸 は 、 別 の 浮 遊 電 極 （ サ ブ 電 極 ） の 違 い を 表 す 。 「 な し 」 は サ ブ 電 極 が 無 い 場 合 、 「 上 流 」 は 流 路 の 上 流 側 に 直 径 ０ ． １ ｍ ｍ 、 長 さ ５ ｍ ｍ の 銅 線 を ガ ラ ス 細 管 内 に 置 い た 場 合 、 「 下 流 」 は 流 路 の 下 流 側 に 直 径 ０ ． １ ｍ ｍ 、 長 さ ５ ｍ ｍ の 銅 線 を ガ ラ ス 細 管 内 に 置 い た 場 合 、 「 上 下 流 は 」 流 路 の 上 下 流 に 直 径 ０ ． １ ｍ ｍ 、 長 さ ５ ｍ ｍ の 銅 線 ２ 本 を ガ ラ ス 細 管 に 置 い た 場 合 を 表 す 。

浮 遊 電 極 間 ど う し は 、 接 触 し な い 程 度 に で き る だ け 近 づ け た 。 【 ０ ０ ２ ２ 】

10

20

30

40 形 状 を も つ 浮 遊 電 極 に お け る 例 で あ る 。

い ず れ の 浮 遊 電 極 形 状 の デ ー タ に も 、 ば ら つ き は あ る が 、 別 の 浮 遊 電 極 （ サ ブ 電 極 ） を 組 み 合 わ せ る こ と で 、 点 火 電 力 が 低 下 す る 傾 向 が 見 ら れ る 。 点 火 電 力 が 小 さ い と 、 そ の 後 入 力 パ ワ ー を 高 く し た 際 に も 、 目 視 で よ り 明 る く な る こ と が 観 察 さ れ る 。 （ ｂ ） の 場 合 で 、 ガ ラ ス 管 を 接 続 し て い る ポ リ イ ミ ド テ ー プ が 焼 け て 煙 が 出 始 め る パ ワ ー が 、 「 な し 」 の 場 合 で ９ ０ Ｗ 、 「 上 流 」 の 場 合 で ５ ０ Ｗ で あ っ た 。 入 力 パ ワ ー が 効 率 良 く プ ラ ズ マ に 伝 わ っ て い る こ と を 示 唆 す る 。

【 産 業 上 の 利 用 可 能 性 】 【 ０ ０ ２ ３ 】

プ ラ ズ マ 領 域 の 一 部 も し く は 全 て が ｃ ｍ を 下 回 る 、 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 に は 、 多 く の 種 類 が 報 告 さ れ て い る 。 圧 力 が 高 く な る と 、 小 さ な サ イ ズ で も プ ラ ズ マ 生 成 に 有 利 と な る 。 圧 力 に 応 じ た 、 高 密 度 な プ ラ ズ マ を 形 成 で き る 。 中 で も 大 気 圧 プ ラ ズ マ は 、 低 圧 プ ラ ズ マ で 必 須 で あ っ た 真 空 チ ャ ン バ ー が 不 要 に な る こ と か ら 装 置 が 簡 単 で 安 価 に な り 、 真 空 引 き が 要 ら な い こ と か ら プ ロ セ ス 時 間 が 短 く で き る 。 光 源 応 用 は 点 状 の プ ラ ズ マ で 良 い こ と が 多 く 、 分 光 シ ス テ ム に 利 用 で き る 。 プ ラ ズ マ 源 を ア レ イ 化 す れ ば 、 線 状 や 面 状 に 形 成 で き る 。 プ ラ ズ マ 源 の 走 査 機 構 と 組 み 合 わ せ る こ と で も 、 表 面 処 理 、 ド ー ピ ン グ 、 膜 堆 積 、 エ ッ チ ン グ な ど に 応 用 で き る 。

活 性 種 は 多 く あ る が 、 ガ ス 温 度 が 高 く な っ て い な い 非 平 衡 プ ラ ズ マ が 得 ら れ る た め 、 プ ラ ス チ ッ ク や フ ィ ル ム 材 な ど 様 々 な 材 料 に 、 高 密 度 プ ラ ズ マ 処 理 が で き る 。 様 々 な プ ラ ズ マ 発 生 方 式 の 中 で も 、 誘 導 結 合 型 プ ラ ズ マ は 、 高 密 度 化 に 有 利 で あ る 。 実 験 結 果 か ら 、 プ ラ ズ マ 点 火 が 、 低 電 力 に お い て 開 始 で き る と 、 プ ラ ズ マ 領 域 が あ る 範 囲 に 広 が っ た り 、 あ る 明 る さ に 到 達 し た り す る ま で の 電 力 も 小 さ く で き る 。 低 コ ス ト 、 省 エ ネ ル ギ ー も の づ く り に 適 す る 性 質 を 持 つ 。 良 質 な プ ラ ズ マ 源 は 、 応 用 可 能 性 を 高 め る こ と に な る 。

【 図 面 の 簡 単 な 説 明 】 【 ０ ０ ２ ４ 】

【 図 １ 】 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に よ る 、 浮 遊 電 極 の 一 部 が ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て い る こ と を 特 徴 と す る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 の 一 実 施 例 の 概 略 図 で あ る 。

【 図 ２ 】 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に よ る 、 浮 遊 電 極 の 一 部 が ガ ス 流 路 内 部 に 面 し て い る こ と を 特 徴 と す る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 の 他 の 実 施 例 の 概 略 図 で あ る 。

【 図 ３ 】 浮 遊 電 極 の 働 き を 等 価 回 路 モ デ ル に よ っ て 表 し た も の で あ る 。

【 図 ４ 】 図 １ で 示 し た 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に よ る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 を 利 用 し て 、 い く つ か の 浮 遊 電 極 を 利 用 し た 際 の 点 火 電 力 を 示 す グ ラ フ で あ る 。

【 図 ５ 】 図 １ で 示 し た 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に よ る 、 誘 導 結 合 型 マ イ ク ロ プ ラ ズ マ 源 を 利 用 し て 、 い く つ か の 浮 遊 電 極 、 お よ び 別 の 浮 遊 電 極 （ サ ブ 電 極 ） を 組 み 合 わ せ た 際 の 点 火 電 力 を 示 す グ ラ フ で あ る 。

【 符 号 の 説 明 】 【 ０ ０ ２ ５ 】

１ ・ ・ ・ プ ラ ズ マ 領 域 ２ ・ ・ ・ 浮 遊 電 極

３ ・ ・ ・ 別 の 浮 遊 電 極 （ サ ブ 電 極 ）

４ ・ ・ ・ 浮 遊 電 極 に 近 接 し た 誘 電 率 の 高 い 材 料

５ ・ ・ ・ 誘 導 結 合 型 プ ラ ズ マ 発 生 用 ス パ イ ラ ル コ イ ル

６ ・ ・ ・ 流 路 （ ガ ラ ス 管 、 微 細 加 工 に よ っ て 製 作 し た ト レ ン チ 構 造 な ど に よ り 形 成 ） ７ ・ ・ ・ ガ ス の 流 れ

【 図 １ 】 【 図 ２ 】