JP2004220985A

JP2004220985A - Plasma treatment device and plasma treatment method

Info

Publication number: JP2004220985A
Application number: JP2003008782A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Shimizu; 尚博清水
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2004-08-05

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To save a space and reduce a cost effectively for a facility with regard to plasma treatment by generating a pulse train in which plasma treatment can be carried out efficiently. <P>SOLUTION: The plasma treatment device is provided with a high voltage pulse generator circuit 10 and a reactor 102. A high voltage pulse generated from the high voltage pulse generator circuit 10, with a pulse width of 1μs or less and a peak value of 10 kV or more, supplies the pulse train Pc that is outputted at a fixed period (with a repetitive frequency of 1 Hz or more) to the reactor 102, and the plasma treatment is carried out by utilizing the electric discharge in the reactor 102. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧パルス発生装置から発生された高電圧パルスの放電によるプラズマを利用して様々な処理（ガス分解処理、脱臭処理、プラズマ成膜処理、プラズマエッチング処理、レーザ発振処理、ガス発生処理等）を行うことができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、高電圧パルスの放電によるプラズマにより、脱臭、殺菌、成膜、有害ガスの分解等を行う技術が適応されるようになってきたが（例えば特許文献１及び非特許文献１参照）、プラズマによる処理を効率よく行うためには、高電圧の極めて幅の狭いパルスを供給することが必要であることがわかってきている（例えば非特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２６４９３４０号公報（第８欄第３行〜第４１行）
【非特許文献１】
応用物理，第６１巻，第１０号，１９９２，ｐ．１０３９〜１０４３，「高電圧パルス放電化学気相成長法によるアモルファスシリコン系薄膜の作製」
【非特許文献２】
ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＯＮＰＬＡＳＭＩＣＳＣＩＥＮＣＥ，ＶＯＬ．２８，ＮＯ．２，ＡＰＲＩＬ２０００，ｐ．４３４〜４４２，「ＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆＮＯｘＲｅｍｏｖａｌＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＵｓｉｎｇＳｈｏｒｔ−ＷｉｄｔｈＰｕｌｓｅｄＰｏｗｅｒ」
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実験室レベルで１発のパルスを発生させる装置については小型化を実現させることは可能であるが、複数のパルスが連続して出力されるパルス列を発生させるには、装置自体が大型化し、プラズマ処理設備の省スペース化、コストの低廉化を図ることができないという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような問題を考慮してなされたものであり、効率よくプラズマ処理を行うことができるパルス列を発生し、プラズマ処理に関する設備の省スペース化、コストの低廉化を有効に図ることができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプラズマ処理装置は、高電圧パルス発生回路と、リアクタとを有し、前記高電圧パルス発生回路から発生され、かつ、パルス幅が１μｓ以下、繰り返し周波数が１Ｈｚ以上のパルス列を前記リアクタに供給し、該リアクタでの放電を利用してプラズマ処理を行うことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係るプラズマ処理方法は、パルス幅が１μｓ以下、繰り返し周波数が１Ｈｚ以上のパルス列をリアクタに供給し、該リアクタでの放電を利用してプラズマ処理を行うことを特徴とする。
【０００８】
パルス幅が１μｓ以下、繰り返し周波数が１Ｈｚ以上のパルス列は、効率よくプラズマ処理を行うことができるパルス列であり、プラズマ処理に関する設備の省スペース化、コストの低廉化を有効に図ることができる。
【０００９】
そして、前記高電圧パルス発生回路は、直流入力電圧が印加される２つの入力端子間に直列接続されたインダクタ、第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチと、前記第１の半導体スイッチのアノード端子に接続された前記インダクタの他端にカソード端子が接続され、前記第１の半導体スイッチのゲート端子にアノード端子が接続されたダイオードとを有し、前記第２の半導体スイッチのターンオンによる前記第１の半導体スイッチの導通に伴う前記インダクタへの誘導エネルギーの蓄積と、前記第２の半導体スイッチのターンオフによる前記第１の半導体スイッチのターンオフに伴って前記インダクタにおいて高電圧パルスの発生を行うことを特徴とする。
【００１０】
まず、前記第２の半導体スイッチをターンオンすることにより、第１の半導体スイッチも導通し、前記インダクタに直流電源の電圧が印加され、該インダクタに誘導エネルギーが蓄積される。その後、前記第２の半導体スイッチをターンオフさせると、前記第１の半導体スイッチも急速にターンオフするため、前記インダクタに非常に急峻に立ち上がる極めて幅の狭い高電圧パルスが発生することとなる。
【００１１】
前記インダクタで高電圧パルスの発生を行い、高電圧パルスの供給を受けるリアクタは、該インダクタと並列に接続する、あるいは前記第１の半導体スイッチと並列に接続してもよい。
【００１２】
また、前記インダクタは、１次巻線と、該１次巻線と磁気的に結合され、かつ、前記１次巻線の巻数よりも多い巻数の２次巻線とを有するようにしてもよい。この場合、前記１次巻線に、前記第１の半導体スイッチの実用的最大耐圧電圧以下の電圧を印加し、前記１次巻線の巻数をＮ１、前記２次巻線の巻数をＮ２としたとき、前記２次巻線に発生する電圧は、前記１次巻線に印加される電圧のＮ２／Ｎ１以上となる。
【００１３】
また、上述の発明において、前記直流入力電圧は、前記第１の半導体スイッチのラッチアップ電圧以上としてもよい。
【００１４】
前記高電圧パルス発生回路の前段には、少なくとも交流電源からの交流電圧を前記直流入力電圧に変換する制御回路を接続するようにしてもよい。この場合、前記制御回路は、前記交流電源と前記直流入力電圧を発生する直流電源とを選択的に切り換えるスイッチング回路を有するようにしてもよく、更に、前記第２の半導体スイッチを駆動するための信号を発生する駆動信号発生回路を有するようにしてもよい。
【００１５】
なお、前記プラズマ処理は、ガス分解処理、脱臭処理、プラズマ成膜処理、プラズマエッチング処理、レーザ発振処理、ガス発生処理のいずれかを含む。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法の実施の形態例について図１〜図６を参照しながら説明する。
【００１７】
まず、本実施の形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法にて使用されるパルス列Ｐｃは、図１に示すように、パルス幅Ｔｐが１μｓ以下で、波高値が１０ｋＶ以上の高電圧パルスＶ_Ｌが、一定周期で出力されるパルス列である。
このパルス列Ｐｃの繰り返し周波数ｆｃは１Ｈｚ以上である。
【００１８】
そして、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００は、図２に示すように、上述のパルス列Ｐｃの基となる高電圧パルスＶ_Ｌを発生する高電圧パルス発生回路１０と、該パルス列Ｐｃが供給されるリアクタ１０２と、前記高電圧パルス発生回路１０を駆動制御する制御回路１０４とを有する。
【００１９】
高電圧パルス発生回路１０は、図３に示すように、直流入力電圧Ｖｉｎが印加される２つの入力端子１２及び１４間にコンデンサ１６が並列に接続され、更に、前記２つの入力端子１２及び１４間に、インダクタ１８、第１の半導体スイッチ２０及び第２の半導体スイッチ２２が直列に接続されている。なお、インダクタ１８の両端のうち、第１の半導体スイッチ２０のアノード端子側を一端２４と記し、前記一方の入力端子（正極）１２側を他端２６と記す。
【００２０】
前記高電圧パルス発生回路１０は、また、インダクタ１８の他端２６と、第１の半導体スイッチ２０の制御端子（ゲート端子）Ｇとの間に制御端子Ｇ側がアノードとなるようにダイオード３０が挿入接続され、更に、高電圧パルスＶ_Ｌを必要とするリアクタ１０２がインダクタ１８と並列に接続されている。
【００２１】
図３の例では、第２の半導体スイッチ２２が他方の入力端子（負極）１４側に設けられているが、一方の入力端子（正極）１２側に設けても同じ効果をもたらすことは言うまでもない。また、リアクタ１０２もインダクタ１８と並列ではなく、第１の半導体スイッチ２０と並列に接続してもよい。
【００２２】
第２の半導体スイッチ２２は、この実施の形態では、アバランシェ形ダイオード３２が内蔵された電力用金属酸化半導体電界効果トランジスタ（以下、パワーＭＯＳＦＥＴと記す）３４を有する。該パワーＭＯＳＦＥＴ３４のゲート端子３６には、後述するように、制御回路１０４からオン駆動信号Ｖｃが供給される（図２参照）。
【００２３】
第１の半導体スイッチ２０は、この実施の形態では、ターンオフ時の電圧上昇率（ｄｖ／ｄｔ）耐量が極めて大きく、かつ、電圧定格の高いＳＩサイリスタを用いている。
【００２４】
一方、制御回路１０４は、図２に示すように、少なくとも交流電源１０６と直流入力電圧Ｖｉｎを発生する直流電源１０８とを選択的に切り換えるスイッチング回路１１０と、交流電源１０６からの交流電圧を直流入力電圧Ｖｉｎに変換する変換回路１１２と、第２の半導体スイッチ２２（図３参照）をＯＮ／ＯＦＦ制御するための上述したオン駆動信号Ｖｃ及びオフ駆動信号を発生する駆動信号発生回路１１４とを有する。
【００２５】
変換回路１１２は、この実施の形態では、例えば家庭用電源からの交流電圧１００Ｖを、直流入力電圧（例えば１５０Ｖ）に変換する。
【００２６】
スイッチング回路１１０は、例えば手動スイッチによって、交流電源１０６と直流電源１０８とを選択的に切り換えるようにしてもよいし、あるいは、通常は、直流電源１０８が高電圧パルス発生回路１０に接続されるようにしておき、制御回路１０４に交流電源１０６が接続されたときに、自動的に交流電源１０６側、即ち、変換回路１１２側に切り換えるようにしてもよい。
【００２７】
駆動信号発生回路１１４から出力されるオン駆動信号Ｖｃの出力タイミング、即ち、第２の半導体スイッチ２２をＯＮするタイミングを適宜変更することで、パルス列Ｐｃの繰り返し周波数ｆｃを変えることができる。なお、オン駆動信号Ｖｃは、第２の半導体スイッチ２２をＯＮする際には例えば１５Ｖの電圧信号として出力されることになる。
【００２８】
次に、この高電圧パルス発生回路１０がリアクタ１０２に対して高電圧パルスＶ_Ｌを供給する時間経過について、図３の回路図と図４Ａ〜図４Ｅの動作波形図とを参照しながら説明する。
【００２９】
まず、時点ｔ_０において、制御回路１０４からパワーＭＯＳＦＥＴ３４のゲート端子３６にオン駆動信号Ｖｃ（図４Ｅ参照）が供給され、パワーＭＯＳＦＥＴ３４がオフからオンになる（図４Ｄ参照）。
【００３０】
このとき、ダイオード３０の逆極性の極めて大きなインピーダンスにより、第１の半導体スイッチ２０は、ゲートＧ及びカソードＫ間に正に印加される電界効果によりターンオンする。第１の半導体スイッチ２０のアノード電流の立上がりは、インダクタ１８により抑制されるため、電界効果だけでも、正常なターンオンが行われる。なお、ダイオード３０と並列に抵抗を接続するか、あるいは他の電源から抵抗を介して第１の半導体スイッチ２０のゲート端子Ｇに積極的にゲート電流を流してもよいことは言うまでもない。
【００３１】
このようにして、時点ｔ_０で第２の半導体スイッチ２２及び第１の半導体スイッチ２０が導通すると、インダクタ１８に、直流入力電圧Ｖｉｎとほぼ同じ電圧が印加され、インダクタ１８のインダクタンスをＬとすると、図４Ａに示すように、インダクタ１８の電流Ｉ_Ｌは勾配Ｖｉｎ／Ｌで時間の経過に伴って直線状に増加する。
【００３２】
前記電流Ｉ_Ｌは、時点ｔ_１で電流がＩｐ（＝ＶｉｎＴ_０／Ｌ）となり、所望の電磁エネルギー（＝ＬＩｐ^２／２）が得られると、制御回路１０４における駆動信号発生回路１１４からのオン駆動信号Ｖｃの供給を停止して、オフ駆動信号を投入し、パワーＭＯＳＦＥＴ３４をターンオフさせる（図４Ｅ参照）。
【００３３】
このとき、前記電流Ｉ_Ｌの通流経路に存在するインダクタ１８以外の図示しない浮遊インダクタンス（主に配線インダクタンス）が大きいと、パワーＭＯＳＦＥＴ３４は瞬時に遮断状態とはならず、若干、電流が流れ続ける時間があり、パワーＭＯＳＦＥＴ３４の出力容量を充電し、ダイオード３２のアバランシェ電圧に達すると、該ダイオード３２がアバランシェ電圧を持ったまま導通し、大きな損失を発生させる。このため、前記浮遊インダクタンスを極力低減させることにより、ダイオード３２がアバランシェまで至らないようにし、ほぼ理想的なターンオフが行われるようにする。
【００３４】
パワーＭＯＳＦＥＴ３４がターンオフすることにより、第１の半導体スイッチ２０のカソードＫからの電流も零、つまり、開放状態となるため、インダクタ１８に流れていた電流Ｉ_Ｌは遮断され、インダクタ１８は残留電磁エネルギーによって逆誘起電圧を発生させようとするが、ダイオード３０が作用し、インダクタ１８の電流Ｉ_Ｌは、第１の半導体スイッチ２０のアノードＡ→第１の半導体スイッチ２０のゲートＧ→ダイオード３０のアノード→ダイオード３０のカソードの経路に転流する。
【００３５】
この場合、ダイオード３０が存在する分岐回路の浮遊インダクタンスも極力低くし、転流が短時間で終了するように配慮する必要がある。第１の半導体スイッチ２０は、今まで流れていた電流によって、電荷が蓄積されており、この電荷が零となるまでは（ストレージ期間）、第１の半導体スイッチ２０のアノード−ゲート間は導通状態を維持するため、上記経路の電圧降下は少ない。
【００３６】
従って、インダクタ１８の逆誘起電圧Ｖ_Ｌは十分低い値に抑えられるため、時間の短いストレージ期間（図４ＡのＴ_１）内の前記電流Ｉ_Ｌの減少はほとんどないが、該時間Ｔ_１は第１の半導体スイッチ２０のゲート端子Ｇから引き抜かれる電荷量により決まる。そのため、できるだけ大きな電流（この実施の形態の場合は、アノード電流以上は流せない）を急峻に流し、見かけ上のターンオフ利得を１以下として期間Ｔ_１を短縮し、インダクタ１８の電流Ｉ_Ｌの減少を極力抑える必要がある。
【００３７】
時点ｔ_２で第１の半導体スイッチ２０の内部に蓄積されていた電荷の引き抜きを完了し、空乏層がカソードＫ側並びにゲートＧ側からアノードＡ側へ広がり、ターンオフ動作を開始する。空乏層は内蔵電位で決まる量により、接合にかかる電圧が増大し、ターンオフが進行するに従い拡大し、最終的にアノードＡ近傍に到達する。
【００３８】
従って、空乏層による電気容量は、アクティブな電荷が多数存在する飽和状態（導通状態）から、構造で決まる少量の電気容量まで変化して行く。インダクタ１８の電磁エネルギーによる電流が引き続きアノードＡ→ゲートＧに流れ、この空乏層の電気容量を充電する。この充電電圧、つまり、第１の半導体スイッチ２０のアノードＡ−ゲートＧ間電圧Ｖ_ＡＧは、初めは大きい電気容量のため、比較的緩やかに上昇するが、空乏層の拡がりとともに急速に上昇していく。
【００３９】
時点ｔ_３で電流Ｉ_Ｌが零になると、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、電圧Ｖ_ＡＧ及びＶ_Ｌが最大となり、それぞれＶ_ＡＰ及びＶ_ＬＰとなる。この時点で、インダクタ１８の電磁エネルギーが全て第１の半導体スイッチ２０の空乏層の電気容量に移行したことになる。
【００４０】
また、この現象は、インダクタ１８のインダクタンスと第１の半導体スイッチ２０の電気容量とによる共振動作であるため、ほぼインダクタ１８の電流Ｉ_Ｌは余弦波形となり、第１の半導体スイッチ２０のアノードＡ−ゲートＧ間電圧Ｖ_ＡＧは正弦波形となる。
【００４１】
従って、自由に定数を決められるインダクタ１８のインダクタンスの値を選ぶことにより、インダクタ１８並びに該インダクタ１８と並列のリアクタ１０２に発生する高電圧パルスＶ_Ｌのパルス幅Ｔｐをコントロールすることができる。つまり、第１の半導体スイッチ２０の電気容量の等価容量をＣとすると、パルス幅Ｔｐは、
【数１】

となる。
【００４２】
時点ｔ_３で最大値Ｖ_ＡＰに充電された第１の半導体スイッチ２０の空乏層の電気容量に蓄えられた電荷は、共振現象の継続により、インダクタ１８及び蓄積電荷により逆方向に導通状態のダイオード３０の経路で放電が始まり、時点ｔ_４でダイオード３０が逆回復し、非導通になるまで続く。時点ｔ_４でインダクタ１８及び第１の半導体スイッチ２０の空乏層の電気容量にエネルギーが残存していれば、このエネルギーによる電流は、コンデンサ１６→第２の半導体スイッチ２２のダイオード３２→第１の半導体スイッチ２０のカソードＫ→アノードＡの経路で流れる。
【００４３】
コンデンサ１６に流れる時間Ｔ_４は回生動作となり、インダクタ１８及び第１の半導体スイッチ２０の空乏層の電気容量に残存しているエネルギーが回生され、運転効率の向上に大きく寄与する。従って、ダイオード３０の逆回復時間を極力短縮し、時間Ｔ_３を短くすることが重要となる。
【００４４】
以上の説明ではリアクタ１０２を等価的に抵抗負荷のような線形性のもので説明したが、実際の応用で使われる放電ギャップ５０のような非線形なものでは、電圧の上昇中に負荷インピーダンスが急減し、その後の波形は図４Ｂや図４Ｃとは違ったものとなるが、この場合、図４Ｂや図４Ｃの波形よりもパルス幅の狭いパルス状の波形となる。
【００４５】
ところで、図３に示す高電圧パルス発生回路１０では、第１の半導体スイッチ２０のアノードＡ−カソードＫ間電圧はインダクタ１８の電圧とほぼ同じであるため、この第１の半導体スイッチ２０のアノードＡ−カソードＫ間電圧の耐量以上の電圧をインダクタ１８においてパルス出力を発生させることはできない。
【００４６】
そこで、図５及び図６に示す第１及び第２の変形例に係る高電圧パルス発生回路１０ａ及び１０ｂは、第１の半導体スイッチ２０のアノードＡ−カソードＫ間電圧の耐量以上の電圧を、インダクタ１８においてパルス出力したい場合に好適となる。
【００４７】
まず、第１の変形例に係る高電圧パルス発生回路１０ａは、図５に示すように、図３に示す高電圧パルス発生回路１０とほぼ同様の構成を有するが、インダクタ１８が、１次巻線４０と、該１次巻線４０と磁気的に結合され、かつ、１次巻線４０の巻数よりも多い巻数の２次巻線４２とを有する点で異なる。
【００４８】
一方、第２の変形例に係る高電圧パルス発生回路１０ｂは、図６に示すように、インダクタ１８が、１次巻線４０と、該１次巻線４０に対して直流的に絶縁せずに１次巻線４０に加極となるように巻き足した２次巻線４２とを有する点で異なる。
【００４９】
そして、１次巻線４０の巻数をＮ１、２次巻線４２の巻数をＮ２とすれば、第１の変形例に係る高電圧パルス発生回路１０ａの場合には、Ｖ_ＡＧ×（Ｎ２／Ｎ１）の高電圧パルスＶ_Ｌをリアクタ１０２に出力することができる。
【００５０】
第２の変形例に係る高電圧パルス発生回路１０ｂの場合には、Ｖ_ＡＧ×｛（Ｎ１＋Ｎ２）／Ｎ１｝の高電圧パルスＶ_Ｌをリアクタ１０２に出力することができる。
【００５１】
このように、各高電圧パルス発生回路１０、１０ａ、１０ｂは、高電圧が印加される半導体スイッチとして１個の第１の半導体スイッチ２０を有していればよく、しかも、該第１の半導体スイッチ２０のゲート駆動には、通常使用される電子回路によるゲート駆動回路電源を必要としない。
【００５２】
また、各高電圧パルス発生回路１０、１０ａ、１０ｂは、高電圧が発生又は供給される部分は、第１の半導体スイッチ２０のアノードＡとインダクタ１８の一端２４のみであり、他の回路要素は全て低電圧仕様の回路部品でよい。
【００５３】
例えば、自動車の排ガスのパルス放電によるプラズマ分解のような場合には、自動車のバッテリーである４２Ｖ程度の直流電源からでも動作可能であり、部品の電圧定格も同電圧値以上が目安となる。なお、かかる構成の電源の大きさは、高電圧パルス発生回路１０の部分（主回路部）が１０ｃｍ四方で、制御回路１０４の部分（コントローラ部）が５ｃｍ四方の小型なものである。
【００５４】
従って、各高電圧パルス発生回路１０、１０ａ、１０ｂは、図１に示すように、パルス幅Ｔｐが１μｓ以下で、波高値が１０ｋＶ以上の高電圧パルスＶ_Ｌが、一定周期（繰り返し周波数が１Ｈｚ以上）で出力されるパルス列Ｐｃをリアクタ１０２に供給する場合に好適となる。
【００５５】
そして、この実施の形態に係るプラズマ処理装置１００で行えるプラズマ処理は、ガス分解処理、脱臭処理、プラズマ成膜処理、プラズマエッチング処理、レーザ発振処理、ガス発生処理等を挙げることができる。
【００５６】
例えば、ガス分解処理のうち、例えばＮＯｘガスを分解するための好ましい条件は、パルス半値幅が０．１（μｓ）であって、繰り返し周波数ｆｃが５０〜５０００（Ｈｚ）である。この好ましい条件での分解効率は１００ｅＶ／分子であった。
【００５７】
このように、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００及びプラズマ処理方法においては、パルス幅Ｔｐが１μｓ以下、繰り返し周波数ｆｃが１Ｈｚ以上のパルス列Ｐｃをリアクタ１０２に供給し、該リアクタ１０２での放電を利用してプラズマ処理を行うようにしている。
【００５８】
パルス幅Ｔｐが１μｓ以下、繰り返し周波数ｆｃが１Ｈｚ以上のパルス列Ｐｃは、効率よくプラズマ処理を行うことができるパルス列であり、プラズマ処理に関する設備の省スペース化、コストの低廉化を有効に図ることができる。
【００５９】
なお、本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法によれば、効率よくプラズマ処理を行うことができるパルス列を発生し、プラズマ処理に関する設備の省スペース化、コストの低廉化を有効に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法にて使用されるパルス列を示す波形図である。
【図２】本実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を示すブロック図である。
【図３】高電圧パルス発生回路を示す回路図である。
【図４】図４Ａ〜図４Ｅは、図３に示す高電圧パルス発生回路の各部の電圧および電流の動作波形を説明する図である。
【図５】第１の変形例に係る高電圧パルス発生回路を示す図である。
【図６】第２の変形例に係る高電圧パルス発生回路を示す図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１０ｂ…高電圧パルス発生回路
１８…インダクタ２０…第１の半導体スイッチ
２２…第２の半導体スイッチ４０…１次巻線
４２…２次巻線１００…プラズマ処理装置
１０２…リアクタ１０４…制御回路
１０６…交流電源１０８…直流電源
１１０…スイッチング回路１１２…変換回路
１１４…駆動信号発生回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides various processes (gas decomposition process, deodorization process, plasma film formation process, plasma etching process, laser oscillation process, gas generation, etc.) utilizing plasma generated by discharge of a high voltage pulse generated from a high voltage pulse generator. The present invention relates to a plasma processing apparatus and a plasma processing method capable of performing such processes.
[0002]
[Prior art]
Recently, techniques for deodorizing, sterilizing, film-forming, decomposing harmful gases, and the like by using plasma generated by discharging high-voltage pulses have been applied (for example, see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). It has been found that it is necessary to supply a high-voltage pulse with a very narrow width in order to efficiently perform the processing by the above-mentioned method (for example, see Non-Patent Document 2).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2649340 (column 8, line 3 to line 41)
[Non-patent document 1]
Applied Physics, Vol. 61, No. 10, 1992, p. 1039-1043, "Preparation of amorphous silicon-based thin film by high voltage pulsed discharge chemical vapor deposition"
[Non-patent document 2]
IEEE TRANSACTION ON PLASMIC SCIENCE, VOL. 28, NO. 2, APRIL 2000, p. 434-442, "Improvement of NOx Removal Efficiency Using Short-Width Pulsed Power"
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, although it is possible to reduce the size of a device that generates one pulse at the laboratory level, it is necessary to increase the size of the device itself in order to generate a pulse train in which a plurality of pulses are continuously output. In addition, there is a problem that space saving and cost reduction of plasma processing equipment cannot be achieved.
[0005]
The present invention has been made in view of such a problem, and it is possible to generate a pulse train capable of performing plasma processing efficiently, and to effectively reduce space and cost of equipment related to plasma processing. It is an object of the present invention to provide a plasma processing apparatus and a plasma processing method that can be used.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The plasma processing apparatus according to the present invention includes a high-voltage pulse generation circuit and a reactor, and generates a pulse train having a pulse width of 1 μs or less and a repetition frequency of 1 Hz or more from the high-voltage pulse generation circuit. And plasma treatment is performed by utilizing discharge in the reactor.
[0007]
Further, a plasma processing method according to the present invention is characterized in that a pulse train having a pulse width of 1 μs or less and a repetition frequency of 1 Hz or more is supplied to a reactor, and plasma processing is performed using discharge in the reactor.
[0008]
A pulse train having a pulse width of 1 μs or less and a repetition frequency of 1 Hz or more is a pulse train that can efficiently perform plasma processing, and can effectively reduce the space and cost of equipment relating to plasma processing.
[0009]
The high-voltage pulse generating circuit includes an inductor, a first semiconductor switch and a second semiconductor switch connected in series between two input terminals to which a DC input voltage is applied, and an anode of the first semiconductor switch. A cathode terminal connected to the other end of the inductor connected to a terminal, a diode having an anode terminal connected to the gate terminal of the first semiconductor switch, and the second semiconductor switch being turned on by the second semiconductor switch; (1) accumulating induced energy in the inductor due to conduction of the first semiconductor switch and generating a high-voltage pulse in the inductor with the turn-off of the first semiconductor switch due to the turn-off of the second semiconductor switch. Features.
[0010]
First, by turning on the second semiconductor switch, the first semiconductor switch is also turned on, the voltage of the DC power supply is applied to the inductor, and the induced energy is stored in the inductor. Then, when the second semiconductor switch is turned off, the first semiconductor switch is also turned off rapidly, so that a very narrow high-voltage pulse which rises very steeply in the inductor is generated.
[0011]
The reactor that generates a high-voltage pulse with the inductor and receives the supply of the high-voltage pulse may be connected in parallel with the inductor or in parallel with the first semiconductor switch.
[0012]
The inductor may include a primary winding and a secondary winding magnetically coupled to the primary winding and having a larger number of turns than the number of turns of the primary winding. . In this case, a voltage equal to or less than the practical maximum withstand voltage of the first semiconductor switch is applied to the primary winding, and the number of turns of the primary winding is N1 and the number of turns of the secondary winding is N2. At this time, the voltage generated in the secondary winding is equal to or higher than N2 / N1 of the voltage applied to the primary winding.
[0013]
In the above-described invention, the DC input voltage may be equal to or higher than a latch-up voltage of the first semiconductor switch.
[0014]
A control circuit for converting at least an AC voltage from an AC power supply into the DC input voltage may be connected to a stage preceding the high voltage pulse generation circuit. In this case, the control circuit may include a switching circuit that selectively switches between the AC power supply and the DC power supply that generates the DC input voltage, and further includes a driving circuit for driving the second semiconductor switch. A drive signal generation circuit for generating a signal may be provided.
[0015]
The plasma processing includes any of gas decomposition processing, deodorization processing, plasma film formation processing, plasma etching processing, laser oscillation processing, and gas generation processing.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a plasma processing apparatus and a plasma processing method according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0017]
First, as shown in FIG. 1, a pulse train Pc used in the plasma processing apparatus and the plasma processing method according to the present embodiment has a high voltage pulse _VL having a pulse width Tp of 1 μs or less and a peak value of 10 kV or more. Is a pulse train output at a constant cycle.
The repetition frequency fc of this pulse train Pc is 1 Hz or more.
[0018]
Then, as shown in FIG. 2, the plasma processing apparatus 100 according to the present embodiment includes a high-voltage pulse generation circuit 10 that generates a high-voltage pulse _VL that is a basis of the above-described pulse train Pc, and a supply of the pulse train Pc. And a control circuit 104 that drives and controls the high-voltage pulse generation circuit 10.
[0019]
As shown in FIG. 3, the high-voltage pulse generating circuit 10 has a capacitor 16 connected in parallel between two

input terminals

12 and 14 to which a DC input voltage Vin is applied. The inductor 18, the first semiconductor switch 20, and the second semiconductor switch 22 are connected in series. Of the two ends of the inductor 18, the anode terminal side of the first semiconductor switch 20 is described as one end 24, and the one input terminal (positive electrode) 12 side is described as the other end 26.
[0020]
In the high-voltage pulse generating circuit 10, a diode 30 is inserted between the other end 26 of the inductor 18 and the control terminal (gate terminal) G of the first semiconductor switch 20 so that the control terminal G side becomes an anode. A reactor 102 that is connected and requires a high voltage pulse _VL is connected in parallel with the inductor 18.
[0021]
In the example of FIG. 3, the second semiconductor switch 22 is provided on the other input terminal (negative electrode) 14 side, but it goes without saying that the same effect can be obtained by providing it on the one input terminal (positive electrode) 12 side. . Also, the reactor 102 may be connected not in parallel with the inductor 18 but in parallel with the first semiconductor switch 20.
[0022]
In this embodiment, the second semiconductor switch 22 has a power metal oxide semiconductor field effect transistor (hereinafter referred to as a power MOSFET) 34 in which an avalanche diode 32 is built. An ON drive signal Vc is supplied from the control circuit 104 to the gate terminal 36 of the power MOSFET 34 as described later (see FIG. 2).
[0023]
In this embodiment, the first semiconductor switch 20 uses an SI thyristor having an extremely large voltage rise rate (dv / dt) resistance during turn-off and a high voltage rating.
[0024]
On the other hand, as shown in FIG. 2, the control circuit 104 includes a switching circuit 110 for selectively switching at least an AC power supply 106 and a DC power supply 108 for generating a DC input voltage Vin, and a DC input from the AC power supply 106 It has a conversion circuit 112 for converting the voltage to the voltage Vin, and a drive signal generation circuit 114 for generating the above-described ON drive signal Vc and OFF drive signal for ON / OFF control of the second semiconductor switch 22 (see FIG. 3). .
[0025]
In this embodiment, the conversion circuit 112 converts, for example, an AC voltage of 100 V from a household power supply into a DC input voltage (for example, 150 V).
[0026]
The switching circuit 110 may selectively switch between the AC power supply 106 and the DC power supply 108 by, for example, a manual switch, or normally, the DC power supply 108 is connected to the high-voltage pulse generation circuit 10. In this case, when the AC power supply 106 is connected to the control circuit 104, the control circuit 104 may automatically switch to the AC power supply 106 side, that is, the conversion circuit 112 side.
[0027]
The repetition frequency fc of the pulse train Pc can be changed by appropriately changing the output timing of the ON drive signal Vc output from the drive signal generation circuit 114, that is, the timing of turning on the second semiconductor switch 22. The ON drive signal Vc is output as a voltage signal of, for example, 15 V when the second semiconductor switch 22 is turned ON.
[0028]
Next, the lapse of time during which the high-voltage pulse generation circuit 10 supplies the high-voltage pulse _VL to the reactor 102 will be described with reference to the circuit diagram of FIG. 3 and the operation waveform diagrams of FIGS. 4A to 4E. .
[0029]
First, at time _{t 0,} on-drive signal Vc to the gate terminal 36 of the power MOSFET34 from the control circuit 104 (see FIG. 4E) is supplied, the power MOSFET34 is turned from OFF to ON (see FIG. 4D).
[0030]
At this time, the first semiconductor switch 20 is turned on by the electric field effect applied between the gate G and the cathode K due to the extremely large impedance having the opposite polarity of the diode 30. Since the rise of the anode current of the first semiconductor switch 20 is suppressed by the inductor 18, normal turn-on is performed only by the electric field effect. Needless to say, a resistor may be connected in parallel with the diode 30 or a gate current may be positively applied to the gate terminal G of the first semiconductor switch 20 from another power supply via the resistor.
[0031]
Thus, when at time t ₀ the second semiconductor switch 22 and the first semiconductor switch 20 becomes conductive, the inductor 18, substantially the same voltage as the DC input voltage Vin is applied, when the inductance of the inductor 18 is L as shown in FIG. 4A, the current I _L of the inductor 18 increases linearly with time at a gradient Vin / L.
[0032]
On from the current _{I L,} the current Ip at the time _{_{t 1 (= VinT 0 / L}} ) , and the desired electromagnetic energy (= ^LIp 2/2) When is obtained, the drive signal generation circuit 114 in the control circuit 104 The supply of the drive signal Vc is stopped, an off drive signal is applied, and the power MOSFET 34 is turned off (see FIG. 4E).
[0033]
At this time, when the current I _L unillustrated stray inductance than the inductor 18 which is present in the current path to the (mainly wiring inductance) is large, the power MOSFET34 does not become blocked state instantaneously, slightly current continues to flow When there is time, the output capacitance of the power MOSFET 34 is charged, and when the avalanche voltage of the diode 32 is reached, the diode 32 conducts while maintaining the avalanche voltage, causing a large loss. For this reason, by reducing the stray inductance as much as possible, the diode 32 is prevented from reaching the avalanche, and almost ideal turn-off is performed.
[0034]
By power MOSFET34 is turned off, current also from the cathode K of the first semiconductor switch 20 zero, that is, to become an open state, current I _L flowing in the inductor 18 is cut off, the inductor 18 is the residual electromagnetic energy by it to try to generate a reverse induction voltage, the diode 30 acts, the current I _L of the inductor 18, the anode of the gate G → diode 30 the anode a → first semiconductor switch 20 of the first semiconductor switch 20 → Commutated to the path of the cathode of the diode 30.
[0035]
In this case, it is necessary to reduce the stray inductance of the branch circuit in which the diode 30 exists as much as possible so that the commutation is completed in a short time. In the first semiconductor switch 20, electric charge is accumulated by the current that has been flowing so far. Until this electric charge becomes zero (storage period), a conduction state is established between the anode and the gate of the first semiconductor switch 20. , The voltage drop in the above path is small.
[0036]
Accordingly, since the reverse induced voltage V _L of the inductor 18 can be suppressed to a sufficiently low value, the said although little decrease in the current I _L, said time T ₁ of the inside (T ₁ of the FIG. _4A) short storage period of time the It is determined by the amount of charge extracted from the gate terminal G of one semiconductor switch 20. Therefore, (in the case of this embodiment, the anode current is not further flowed) largest possible current steeply flow, shorten the period T ₁ to turn-off gain apparent as 1 or less, decrease in the current I _L of the inductor 18 Need to be minimized.
[0037]
Complete withdrawal of charges at the time t ₂ has accumulated inside the first semiconductor switch 20, a depletion layer spreads from the cathode K side and the gate G side to the anode A side starts the turn-off operation. The depletion layer increases the voltage applied to the junction depending on the amount determined by the built-in potential, expands as the turn-off progresses, and finally reaches the vicinity of the anode A.
[0038]
Therefore, the capacitance due to the depletion layer changes from a saturated state (conductive state) where a large number of active charges exist to a small capacitance determined by the structure. The current due to the electromagnetic energy of the inductor 18 continuously flows from the anode A to the gate G, and charges the electric capacity of the depletion layer. This charging voltage, that is, the voltage _VAG between the anode A and the gate G of the first semiconductor switch 20 initially rises relatively slowly due to the large electric capacity, but rises rapidly with the expansion of the depletion layer. Go.
[0039]
When the current _{I L} becomes zero at time _{t 3,} as shown in FIGS. 4B and 4C, the voltage _{V AG} and _{V L} is maximized, the _{V AP} and _{V LP,} respectively. At this point, all the electromagnetic energy of the inductor 18 has been transferred to the electric capacity of the depletion layer of the first semiconductor switch 20.
[0040]
Furthermore, this phenomenon are the resonant operation by the capacitance of the inductance and the first semiconductor switch 20 of the inductor 18, substantially current I _L of the inductor 18 becomes a cosine waveform, the first semiconductor switch 20 anode A- The gate-to-gate voltage _VAG has a sine waveform.
[0041]
Therefore, the pulse width Tp of the high voltage pulse _VL generated in the inductor 18 and the reactor 102 in parallel with the inductor 18 can be controlled by selecting the inductance value of the inductor 18 whose constant can be freely determined. That is, assuming that the equivalent capacitance of the electric capacitance of the first semiconductor switch 20 is C, the pulse width Tp is
(Equation 1)

It becomes.
[0042]
First charge stored in the capacitance of the depletion layer of the semiconductor switch 20 which is charged to the maximum value V _AP at time t _3, by continuing the resonance inductor 18 and the accumulated charge in the conducting state in the reverse direction diode discharge starts at 30 path, the diode 30 is reverse recovery at time t _4, it continues until the non-conductive. The energy to electrical capacitance of the depletion layer at the time t ₄ the inductor 18 and the first semiconductor switch 20 if still present, the current due to the energy, the capacitor 16 → the second semiconductor switch 22 diode 32 → first The current flows through a path from the cathode K to the anode A of the semiconductor switch 20.
[0043]
Time T ₄ flowing through the capacitor 16 becomes regenerative operation, energy is regenerated remaining in electric capacity of the depletion layer of the inductor 18 and the first semiconductor switch 20, which contributes greatly to the improvement of the operating efficiency. Therefore, the reverse recovery time is reduced as much as possible of the diode 30, it is important to shorten the time T _3.
[0044]
In the above description, the reactor 102 is equivalently described as a linear type such as a resistive load. However, in a non-linear type such as a discharge gap 50 used in an actual application, the load impedance suddenly decreases during a voltage rise. Then, the subsequent waveforms are different from those in FIGS. 4B and 4C, but in this case, the waveforms are pulse-like waveforms having a narrower pulse width than those in FIGS. 4B and 4C.
[0045]
Incidentally, in the high-voltage pulse generating circuit 10 shown in FIG. 3, since the voltage between the anode A and the cathode K of the first semiconductor switch 20 is almost the same as the voltage of the inductor 18, the anode A of the first semiconductor switch 20 A pulse output cannot be generated in the inductor 18 at a voltage higher than the withstand voltage of the voltage between the cathodes K.
[0046]
Therefore, the high-voltage pulse generating circuits 10a and 10b according to the first and second modifications shown in FIGS. 5 and 6 apply a voltage equal to or higher than the withstand voltage of the anode A to the cathode K of the first semiconductor switch 20, This is suitable when a pulse output is desired in the inductor 18.
[0047]
First, as shown in FIG. 5, a high-voltage pulse generating circuit 10a according to a first modification has substantially the same configuration as the high-voltage pulse generating circuit 10 shown in FIG. The difference is that it has a wire 40 and a secondary winding 42 that is magnetically coupled to the primary winding 40 and has a greater number of turns than the primary winding 40.
[0048]
On the other hand, in the high-voltage pulse generating circuit 10b according to the second modification, as shown in FIG. 6, the inductor 18 does not insulate the primary winding 40 from the primary winding 40 in a DC manner. And a secondary winding 42 wound around the primary winding 40 so as to be an additional pole.
[0049]
Assuming that the number of turns of the primary winding 40 is N1 and the number of turns of the secondary winding 42 is N2, in the case of the high-voltage pulse generation circuit 10a according to the first modification, V _AG × (N2 / N1) a high voltage pulse _{V L} of) can be output to the reactor 102.
[0050]
In the case of the high voltage pulse generation circuit 10b according to the second modification, a high voltage pulse _VL of V _AG × {(N1 + N2) / N1} can be output to the reactor 102.
[0051]
As described above, each of the high-voltage

pulse generation circuits

10, 10a, and 10b only needs to have one first semiconductor switch 20 as a semiconductor switch to which a high voltage is applied. The gate drive of the switch 20 does not require a gate drive circuit power supply by a commonly used electronic circuit.
[0052]
In each of the high-voltage

pulse generation circuits

10, 10a, and 10b, a portion where a high voltage is generated or supplied is only the anode A of the first semiconductor switch 20 and one end 24 of the inductor 18, and the other circuit elements are All may be low voltage specification circuit components.
[0053]
For example, in the case of plasma decomposition by pulse discharge of exhaust gas from an automobile, operation can be performed from a DC power supply of about 42 V, which is an automobile battery, and the voltage rating of parts is a standard value or higher. The size of the power supply having such a configuration is as small as 10 cm square in the portion of the high voltage pulse generation circuit 10 (main circuit portion) and 5 cm square in the portion of the control circuit 104 (controller portion).
[0054]
Therefore, as shown in FIG. 1, each of the high-voltage

pulse generation circuits

10, 10a, and 10b generates a high-voltage pulse _VL having a pulse width Tp of 1 μs or less and a peak value of 10 kV or more in a constant cycle (repetition frequency of 1 Hz This is suitable when the pulse train Pc output in the above is supplied to the reactor 102.
[0055]
The plasma processing that can be performed by the plasma processing apparatus 100 according to this embodiment includes gas decomposition processing, deodorization processing, plasma film formation processing, plasma etching processing, laser oscillation processing, gas generation processing, and the like.
[0056]
For example, in the gas decomposition process, preferable conditions for decomposing NOx gas, for example, are a pulse half width of 0.1 (μs) and a repetition frequency fc of 50 to 5000 (Hz). The decomposition efficiency under these preferable conditions was 100 eV / molecule.
[0057]
As described above, in the plasma processing apparatus 100 and the plasma processing method according to the present embodiment, the pulse train Pc having the pulse width Tp of 1 μs or less and the repetition frequency fc of 1 Hz or more is supplied to the reactor 102, and the discharge in the reactor 102 is performed. Is used to perform plasma processing.
[0058]
A pulse train Pc having a pulse width Tp of 1 μs or less and a repetition frequency fc of 1 Hz or more is a pulse train capable of performing plasma processing efficiently, and it is possible to effectively reduce space and cost of equipment related to plasma processing. it can.
[0059]
It is to be noted that the plasma processing apparatus and the plasma processing method according to the present invention are not limited to the above-described embodiment, but may adopt various configurations without departing from the gist of the present invention.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the plasma processing apparatus and the plasma processing method according to the present invention, a pulse train capable of efficiently performing the plasma processing is generated, so that the space related to the plasma processing can be saved and the cost can be effectively reduced. It can be aimed at.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a waveform diagram showing a pulse train used in a plasma processing apparatus and a plasma processing method according to the present embodiment.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a plasma processing apparatus according to the present embodiment.
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a high-voltage pulse generation circuit.
4A to 4E are diagrams illustrating operation waveforms of voltages and currents of respective parts of the high voltage pulse generation circuit shown in FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating a high-voltage pulse generation circuit according to a first modification.
FIG. 6 is a diagram illustrating a high-voltage pulse generation circuit according to a second modification.
[Explanation of symbols]
10, 10a, 10b high voltage pulse generating circuit 18 inductor 20 first semiconductor switch 22 second semiconductor switch 40 primary winding 42 secondary winding 100 plasma processing apparatus 102 reactor 104 Control circuit 106 AC power supply 108 DC power supply 110 Switching circuit 112 Conversion circuit 114 Drive signal generation circuit

Claims

A high voltage pulse generation circuit,
A reactor and
A pulse train generated from the high-voltage pulse generating circuit, having a pulse width of 1 μs or less and a repetition frequency of 1 Hz or more is supplied to the reactor, and plasma processing is performed using discharge in the reactor. Plasma processing equipment.

The plasma processing apparatus according to claim 1,
The high voltage pulse generation circuit,
An inductor, a first semiconductor switch, and a second semiconductor switch connected in series between two input terminals to which a DC input voltage is applied;
A diode having a cathode terminal connected to the other end of the inductor connected to an anode terminal of the first semiconductor switch, and an anode terminal connected to a gate terminal of the first semiconductor switch;
Accumulating induced energy in the inductor due to conduction of the first semiconductor switch due to turn-on of the second semiconductor switch;
A plasma processing apparatus, wherein a high-voltage pulse is generated in the inductor with the turn-off of the first semiconductor switch due to the turn-off of the second semiconductor switch.

The plasma processing apparatus according to claim 2,
The inductor has a primary winding and a secondary winding magnetically coupled to the primary winding and having a larger number of turns than the number of turns of the primary winding;
Applying a voltage equal to or lower than a practical maximum withstand voltage of the first semiconductor switch to the primary winding;
When the number of turns of the primary winding is N1 and the number of turns of the secondary winding is N2,
The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein a voltage generated in the secondary winding is equal to or higher than N2 / N1 of a voltage applied to the primary winding.

The plasma processing apparatus according to claim 2 or 3,
The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the DC input voltage is equal to or higher than a latch-up voltage of the first semiconductor switch.

The plasma processing apparatus according to any one of claims 2 to 4,
A plasma processing apparatus, wherein a control circuit for converting at least an AC voltage from an AC power supply into the DC input voltage is connected to a stage preceding the high-voltage pulse generation circuit.

The plasma processing apparatus according to claim 5,
The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the control circuit includes a switching circuit that selectively switches between the AC power supply and the DC power supply that generates the DC input voltage.

The plasma processing apparatus according to claim 5, wherein
The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the control circuit further includes a drive signal generation circuit that generates a signal for driving the second semiconductor switch.

The plasma processing apparatus according to any one of claims 1 to 7,
The plasma processing apparatus, wherein the plasma processing includes any of gas decomposition processing, deodorization processing, plasma film formation processing, plasma etching processing, laser oscillation processing, and gas generation processing.

A plasma processing method, comprising: supplying a pulse train having a pulse width of 1 μs or less and a repetition frequency of 1 Hz or more to a reactor, and performing plasma processing using discharge in the reactor.

The plasma processing method according to claim 9,
The plasma processing method, wherein the plasma processing includes any of gas decomposition processing, deodorization processing, plasma film formation processing, plasma etching processing, laser oscillation processing, and gas generation processing.