JP2005222779A - Plasma processing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パルス電源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に関する。 In the present invention, various processes (gas decomposition process, deodorizing process, plasma film forming process, plasma etching process, laser oscillation process, gas generating process, etc.) are performed using plasma generated by the discharge of a high voltage pulse generated from a pulse power supply. It is related with the plasma processing apparatus which can perform.
近時、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)。 Recently, techniques for performing deodorization, sterilization, film formation, decomposition of harmful gases, and the like have been applied by plasma generated by discharge of a high-voltage pulse (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). It has been found that it is necessary to supply a high voltage and a very narrow pulse in order to efficiently perform plasma processing (see, for example, Non-Patent Document 2).
このようなプラズマ処理装置の具体例としては、例えば排ガス中のNOを浄化するための排ガス浄化装置がある。この装置は、排気ガス浄化触媒とプラズマリアクタとを併用してNOを浄化するもので、プラズマリアクタとして、一対の電極のうち、一方の電極を誘電体にて覆い、該一対の電極に交流電流を印加することによってバリア放電を発生させてNOを浄化するようにしている(例えば特許文献2参照)。 As a specific example of such a plasma processing apparatus, there is an exhaust gas purification apparatus for purifying NO in exhaust gas, for example. This device purifies NO by using an exhaust gas purification catalyst and a plasma reactor together. As a plasma reactor, one of a pair of electrodes is covered with a dielectric, and an alternating current is applied to the pair of electrodes. Is applied to generate barrier discharge to purify NO (see, for example, Patent Document 2).
ところで、上述のような誘電体バリア放電によるプラズマ処理は、NOx処理の乾式法として有効であることは知られているが、パルスコロナ放電によるNOx処理も試みられている。 By the way, it is known that the plasma treatment by the dielectric barrier discharge as described above is effective as a dry method of the NOx treatment, but the NOx treatment by the pulse corona discharge has been tried.
このパルスコロナ放電によるNOx処理は、リアクタとして、線状電極を円筒状電極で囲むように構成した同軸円筒型のリアクタを用いることが考えられている。これは、中心の線状電極に正極性のパルスを印加することにより、中心部での電界強度が大きくなり、高エネルギー電子成分が生成されるという利点があるからである。 In this NOx treatment by pulse corona discharge, it is considered to use a coaxial cylindrical reactor configured such that a linear electrode is surrounded by a cylindrical electrode. This is because by applying a positive pulse to the central linear electrode, there is an advantage that the electric field strength at the center is increased and a high-energy electron component is generated.
しかしながら、従来のパルス電源から供給されるパルスは、正弦波に近いパルスである。この場合、パルス波形のうち、プラズマ処理に直接関与する部分は立ち上がり部分のみであり、立ち下がり部分は無駄となる。正弦波に近いパルスは、立ち上がり及び立ち下がり共に緩やかなカーブを描くことから、無駄な期間が多くなり、効率的に不利である。 However, the pulse supplied from the conventional pulse power supply is a pulse close to a sine wave. In this case, only the rising portion of the pulse waveform is directly related to the plasma processing, and the falling portion is wasted. A pulse close to a sine wave draws a gentle curve at both the rising and falling edges, which increases the wasted period and is disadvantageous in terms of efficiency.
また、正弦波に近いパルスを印加したとき、局所的に雷状の放電が発生してしまい、誘電体バリア放電によるプラズマ処理よりも効率が悪くなるおそれがある。あるいはストリーマ放電が発生した場合でも、局所的にストリーマが発生していない部分があり、該部分が処理効率を低下させる要因ともなっている。 Further, when a pulse close to a sine wave is applied, a lightning-like discharge is locally generated, and the efficiency may be worse than the plasma treatment by the dielectric barrier discharge. Alternatively, even when streamer discharge occurs, there is a portion where the streamer is not locally generated, and this portion also causes a reduction in processing efficiency.
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、線状電極と筒状電極を有する例えば同軸円筒型のリアクタを用いたパルスコロナ放電によるプラズマ処理を効率よく行うことができ、プラズマ処理の適用範囲を広げることができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such problems, and plasma processing by pulse corona discharge using, for example, a coaxial cylindrical reactor having a linear electrode and a cylindrical electrode can be efficiently performed. An object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus capable of expanding the application range of processing.
本発明に係るプラズマ処理装置は、高電圧パルスを発生するパルス電源と、前記パルス電源に接続され、該パルス電源にて発生された高電圧パルスによって放電を発生するリアクタとを有し、前記リアクタは、パルス電源に接続された線状電極と、一定の電位に固定された筒状電極とを有し、該筒状電極の中空部に前記線状電極が挿入されて構成され、前記パルス電源にて生成される前記高電圧パルスは、立ち上がり時における電圧上昇率(dV/dt)が1011(V/s)以上であることを特徴とする。 The plasma processing apparatus according to the present invention includes a pulse power source that generates a high voltage pulse, and a reactor that is connected to the pulse power source and generates a discharge by the high voltage pulse generated by the pulse power source. Has a linear electrode connected to a pulse power source and a cylindrical electrode fixed at a constant potential, and the linear electrode is inserted into a hollow portion of the cylindrical electrode, and the pulse power source The high-voltage pulse generated in (1) has a voltage increase rate (dV / dt) at the time of rising of 10 11 (V / s) or more.
つまり、立ち上がりの急峻な高電圧パルスが線状電極と筒状電極間に印加されることから、筒状電極における中空部の中心部分での電界強度が大きくなり、高エネルギー電子成分が生成されることとなる。しかも、局所的に雷状の放電が発生するということがなく、リアクタに発生するプラズマ領域は、前記筒状電極の中空部内であって、かつ、線状電極の同軸上に分布する。即ち、筒状電極の中空部内において、線状電極から該筒状電極に向けて均一なストリーマ放電領域が発生することになる。 That is, since a high voltage pulse with a steep rise is applied between the linear electrode and the cylindrical electrode, the electric field strength at the center of the hollow portion of the cylindrical electrode is increased, and a high-energy electron component is generated. It will be. Moreover, there is no local lightning-like discharge, and the plasma region generated in the reactor is distributed within the hollow portion of the cylindrical electrode and coaxially with the linear electrode. That is, in the hollow portion of the cylindrical electrode, a uniform streamer discharge region is generated from the linear electrode toward the cylindrical electrode.
これにより、線状電極と筒状電極を有するリアクタを用いたパルスコロナ放電によるプラズマ処理を効率よく行うことができ、プラズマ処理の適用範囲を広げることができる。 Thereby, plasma processing by pulse corona discharge using a reactor having a linear electrode and a cylindrical electrode can be performed efficiently, and the application range of plasma processing can be expanded.
ここで、プラズマ処理としては、例えばガス分解処理、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、ガス発生処理等を含み、特に、パルスコロナ放電によるNOx処理において好適となる。その他、B4C薄膜の形成、Y−123系薄膜の形成、ZnSやZnS:Mn薄膜の形成、LSI(高集積回路)の配線用ビアホールへの金属埋め込み、例えばAlN超微粒子の作製、表面改質等にも適用することができる。 Here, the plasma treatment includes, for example, gas decomposition treatment, deodorization treatment, plasma film formation treatment, plasma etching treatment, laser oscillation treatment, gas generation treatment, and the like, and is particularly suitable for NOx treatment by pulse corona discharge. In addition, formation of B 4 C thin film, formation of Y-123 series thin film, formation of ZnS or ZnS: Mn thin film, metal filling in via hole for LSI (high integrated circuit) wiring, for example, preparation of AlN ultrafine particles, surface modification It can also be applied to quality.
そして、前記構成において、前記パルス電源にて生成される前記高電圧パルスは、パルス半値幅が50〜100nsであることが好ましい。通常、プラズマ処理に直接関与する部分は立ち上がり部分のみであり、立ち下がり部分は無駄となる。しかし、この発明では、パルス電源から出力される高電圧パルスのパルス波形は、立ち上がり及び立ち下がりが共に急峻なインパルス的なパルス波形となることから、無駄な部分がほとんどなくなり、高電圧パルスによるプラズマ処理の効率化を図ることができる。 And in the said structure, it is preferable that the said high voltage pulse produced | generated by the said pulse power supply has a pulse half width of 50-100 ns. Usually, only the rising portion is directly involved in the plasma processing, and the falling portion is wasted. However, according to the present invention, the pulse waveform of the high voltage pulse output from the pulse power supply is an impulse pulse waveform with both steep rising and falling edges, so there is almost no wasted part, and plasma generated by the high voltage pulse is eliminated. Processing efficiency can be improved.
また、前記構成において、前記筒状電極は、円筒形状を有し、前記線状電極は、前記筒状電極の同軸上に配されていることが好ましい。これにより、リアクタに発生するプラズマ領域は、円筒形状の筒状電極の中空部内であって、かつ、線状電極の同軸上に分布することになる。従って、同軸円筒型のリアクタを用いたパルスコロナ放電によるプラズマ処理を効率よく行うことができ、プラズマ処理の適用範囲を広げることができる。 Moreover, the said structure WHEREIN: It is preferable that the said cylindrical electrode has a cylindrical shape, and the said linear electrode is distribute | arranged on the same axis | shaft of the said cylindrical electrode. Thereby, the plasma area | region which generate | occur | produces in a reactor is distributed in the hollow part of a cylindrical cylindrical electrode, and on the same axis | shaft of a linear electrode. Therefore, plasma processing by pulse corona discharge using a coaxial cylindrical reactor can be performed efficiently, and the application range of plasma processing can be expanded.
そして、前記パルス電源は、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前記高電圧パルスを発生させるようにしてもよい。 The pulse power supply is connected to 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 terminal of the first semiconductor switch. A diode having a cathode terminal connected to the other end of the inductor and an anode terminal connected to a gate terminal of the first semiconductor switch, the first semiconductor being turned on by the second semiconductor switch. The high voltage pulse may be generated in the inductor in accordance with accumulation of inductive energy in the inductor due to conduction of the switch and turn-off of the first semiconductor switch due to turn-off of the second semiconductor switch. .
この場合、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。 In this case, first, by turning on the second semiconductor switch, the first semiconductor switch is also turned on, a voltage of a DC power supply is applied to the inductor, and inductive energy is accumulated in the inductor. Thereafter, 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 that rises very steeply is generated in the inductor.
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。 The inductor may include a primary winding and a secondary winding that is magnetically coupled to the primary winding and has a greater number of turns than the number of turns of the primary winding. . In this case, a voltage equal to or lower than the practical maximum withstand voltage of the first semiconductor switch is applied to the primary winding, 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 N2 / N1 or more of the voltage applied to the primary winding.
つまり、前記パルス電源を用いることで、該パルス電源からは、立ち上がり時における電圧上昇率(dV/dt)が1011(V/s)以上であって、かつ、パルス半値幅が50〜100nsの高電圧パルスを出力することができる。これは、パルスコロナ放電によるプラズマ処理を効率よく行うことができ、プラズマ処理の適用範囲を広げることができることに寄与させることにつながる。 That is, by using the pulse power supply, the voltage increase rate (dV / dt) at the time of rising is 10 11 (V / s) or more and the pulse half-value width is 50 to 100 ns from the pulse power supply. High voltage pulses can be output. This contributes to the fact that the plasma processing by pulse corona discharge can be efficiently performed and the application range of the plasma processing can be expanded.
以上説明したように、本発明に係るプラズマ処理装置によれば、線状電極と筒状電極を有するリアクタ(例えば同軸円筒型のリアクタ)を用いたパルスコロナ放電によるプラズマ処理を効率よく行うことができ、プラズマ処理の適用範囲を広げることができる。 As described above, according to the plasma processing apparatus of the present invention, it is possible to efficiently perform plasma processing by pulse corona discharge using a reactor having a linear electrode and a cylindrical electrode (for example, a coaxial cylindrical reactor). In addition, the application range of plasma treatment can be expanded.
以下、本発明に係るプラズマ処理装置を例えばパルスコロナ放電によるNOx処理に適用した実施の形態例を図1〜図5を参照しながら説明する。 Hereinafter, an embodiment in which the plasma processing apparatus according to the present invention is applied to, for example, NOx processing by pulse corona discharge will be described with reference to FIGS.
本実施の形態に係るプラズマ処理装置10は、図1に示すように、直流入力電圧Vinの供給によって高電圧パルスVL(又は高電圧パルスVLを含む高電圧パルス列Pc)を発生するパルス電源12と、該パルス電源12に接続され、該パルス電源12にて発生された高電圧パルスVL(又は高電圧パルスVLを含む高電圧パルス列Pc)によって均一なストリーマ放電領域14を発生させて、パルスコロナ放電によるNOx処理を促進させるリアクタ16とを有する。
As shown in FIG. 1, the
リアクタ16は、パルス電源12に接続された線状電極18と、GND(グランド)に接続された筒状電極20とを有し、該筒状電極20の中空部22に線状電極18が挿入されて構成されている。
The
線状電極18は、径が約0.5mm、長さが約500mmであり、材質はステンレスである。材質としては、その他、インコネル等の耐蝕性導電材料を使用することができる。筒状電極20は、円筒形状を有し、内径が約76mm、長さが約500mmであり、材質はステンレスである。材質としては、その他、インコネル等の耐蝕性導電材料を使用することができる。即ち、リアクタ16は、円筒形状を有する筒状電極20の中空部22の中心部分に線状電極18が該筒状電極20の同軸上に挿入された、いわゆる同軸円筒型の形状を有する。
The
そして、パルス電源12から出力される高電圧パルスVL(又は高電圧パルスVLを含む高電圧パルス列Pc)としては、図2に示すように、パルス半値幅Tpを50〜100ns、立ち上がり時における電圧上昇率(dV/dt)を1011(V/s)以上としている。
As shown in FIG. 2, the high voltage pulse V L (or the high voltage pulse train Pc including the high voltage pulse V L ) output from the
ここで、本実施の形態に係るプラズマ処理装置10でのパルスコロナ放電によるNOx処理を説明する。
Here, the NOx process by pulse corona discharge in the
線状電極18に高電圧パルスVL(又は高電圧パルスVLを含む高電圧パルス列Pc)を印加すると、リアクタ16が同軸円筒構造を有することから、中心部分での電界強度が非常に大きくなり、高エネルギー電子成分が生成される。本実施の形態では、高電圧パルスVLの出力電圧(ピーク値)を約42kV、電流(ピーク値)を約138Aとした。反応ガスは、N2:O2:H2O:NO=90%:5%:4%:200ppmで、圧力は1×105Paである。ガス流量は2.0リットル/分である。
When a high voltage pulse V L (or a high voltage pulse train Pc including the high voltage pulse V L ) is applied to the
筒状電極20の中空部22内での放電現象を観察した結果、線状電極18から筒状電極20に向けて均一なストリーマ放電領域14が発生していることが観測された。
As a result of observing the discharge phenomenon in the
通常、NOxガスを分解し、無毒なガスに変換するためには、NOxガス分子に衝突して解離を生じさせることのできる高エネルギー電子が必要である。そのためにはガス分子の解離エネルギーより大きなエネルギーを有する電子を多量に生成することが重要となる。 Usually, in order to decompose NOx gas and convert it into non-toxic gas, high energy electrons that can collide with NOx gas molecules and cause dissociation are required. For that purpose, it is important to generate a large amount of electrons having energy larger than the dissociation energy of gas molecules.
本実施の形態では、線状電極18と筒状電極20間に高電圧パルスVL(又は高電圧パルスVLを含む高電圧パルス列Pc)を印加すると、上述したように、線状電極18から筒状電極20に向けて均一なストリーマ放電領域14が発生することになる。このストリーマー放電は、その放電領域14における先端部分(外周部分)が非常に高い電界強度を有しており、電子は線状電極18に向かって進展しながら加速され、高エネルギー電子が生成される。この高エネルギー電子が、NOxを直接解離して無毒なガスに変換する。この場合、大電力のため大容量のNOxガス処理が可能である。
In the present embodiment, when a high voltage pulse V L (or a high voltage pulse train Pc including the high voltage pulse V L ) is applied between the
このように、本実施の形態に係るプラズマ処理装置10においては、線状電極18と筒状電極20を有するリアクタ16に、立ち上がり時における電圧上昇率(dV/dt)が1011(V/s)以上の立ち上がりの急峻な高電圧パルスVL(又は高電圧パルスVLを含む高電圧パルス列Pc)を印加するようにしたので、筒状電極20における中空部22の中心部分での電界強度が大きくなり、高エネルギー電子成分が生成されることとなる。しかも、局所的に雷状の放電が発生するということがなく、リアクタ16に発生するプラズマ領域は、筒状電極20の中空部22内であって、かつ、線状電極18の同軸上に分布する。即ち、筒状電極20の中空部22内において、線状電極18から該筒状電極20に向けて均一なストリーマ放電領域14が発生することになる。
Thus, in the
これにより、線状電極18と筒状電極20を有するリアクタ16を用いたパルスコロナ放電によるNOx処理を効率よく行うことができ、NOx処理の適用範囲を広げることができる。
Thereby, NOx treatment by pulse corona discharge using the
次に、パルス半値幅Tpが50〜100nsで、立ち上がり時における電圧上昇率(dV/dt)が1011(V/s)以上の高電圧パルスを発生させるパルス電源12の具体的な構成について図3〜図4Eを参照しながら説明する。
Next, a specific configuration of the
パルス電源12は、図3に示すように、高電圧パルス発生回路30と、駆動信号発生回路32とを有する。
As shown in FIG. 3, the
高電圧パルス発生回路30は、直流入力電圧Vinが印加される2つの入力端子34及び36間にコンデンサ38が並列に接続され、更に、前記2つの入力端子34及び36間に、インダクタ40、第1の半導体スイッチ42及び第2の半導体スイッチ44が直列に接続されている。なお、インダクタ40の両端のうち、第1の半導体スイッチ42のアノード端子側を一端46と記し、一方の入力端子(正極)34側を他端48と記す。
In the high voltage
この高電圧パルス発生回路30は、また、インダクタ40の他端48と、第1の半導体スイッチ42の制御端子(ゲート)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50が挿入接続され、更に、高電圧パルスVLを必要とするリアクタ16がインダクタ40と並列に接続されている。
In the high voltage
図3の例では、第2の半導体スイッチ44が他方の入力端子(負極)36側に設けられているが、一方の入力端子(正極)34側に設けても同じ効果をもたらすことはいうまでもない。また、リアクタ16もインダクタ40と並列ではなく、第1の半導体スイッチ42と並列に接続してもよい。
In the example of FIG. 3, the
第2の半導体スイッチ44は、この図3の例では、アバランシェ形ダイオード52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)54を有する。該パワーMOSFET54のゲート端子には、駆動信号発生回路32から駆動信号Vcが供給される。
In the example of FIG. 3, the
第1の半導体スイッチ42は、この図3の例では、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。
In the example of FIG. 3, the
また、この図3の例では、駆動信号発生回路32から出力される駆動信号Vcをパルス列とすることで、高電圧パルス発生回路30からは、複数の高電圧パルスVLが前記駆動信号Vcのパルス列に準じて発生する高電圧パルス列Pcが出力されることになる。
In the example of FIG. 3, the drive signal Vc output from the drive
この高電圧パルス発生回路30から出力される高電圧パルス列Pcは、図2に示すように、パルス半値幅Tpが50〜100nsで、立ち上がり時における電圧上昇率(dV/dt)が1011(V/s)以上の高電圧パルスVLが、一定周期で出力されるパルス列である。この高電圧パルス列Pcの繰り返し周波数fcは1Hz以上である。
As shown in FIG. 2, the high voltage pulse train Pc output from the high voltage
そして、前記駆動信号Vcの出力タイミング、即ち、第2の半導体スイッチ44をオンするタイミングを適宜変更することで、高電圧パルス列Pcの繰り返し周波数fcを変えることができる。なお、駆動信号Vcは、第2の半導体スイッチ44をオンする際には例えば15Vの電圧信号として出力されることになる。
The repetition frequency fc of the high voltage pulse train Pc can be changed by appropriately changing the output timing of the drive signal Vc, that is, the timing at which the
ここで、パルス電源12における高電圧パルス発生回路30がリアクタ16に対して高電圧パルスVL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。
Here, with reference to the circuit diagram of FIG. 3 and the operation waveform diagrams of FIGS. 4A to 4E regarding the passage of time during which the high voltage
まず、時点t0において、駆動信号発生回路32からパワーMOSFET54のゲート端子に駆動信号Vc(図4E参照)が供給され、パワーMOSFET54がオフからオンになる(図4D参照)。
First, at time t 0 , the drive signal Vc (see FIG. 4E) is supplied from the drive
このとき、ダイオード50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42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42のアノード電流の立ち上がりは、インダクタ40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50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42のゲートGに積極的にゲート電流を流してもよいことはいうまでもない。
At this time, the
このようにして、時点t0で第2の半導体スイッチ44及び第1の半導体スイッチ42が導通すると、インダクタ40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40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40の電流ILは勾配Vin/Lで時間の経過に伴って直線状に増加する。
In this way, when the
前記電流ILは、時点t1で電流がIp(=VinT0/L)となり、所望の電磁エネルギ(=LIp2/2)が得られると、駆動信号発生回路32からの駆動信号Vcの供給を停止し、パワーMOSFET54をターンオフさせる(図4E参照)。
The current I L, the current Ip at the time t 1 (= VinT 0 / L ) , and the the desired electromagnetic energy (= LIp 2/2) is obtained, the supply of the driving signal Vc from the driving
このとき、前記電流ILの通流経路に存在するインダクタ40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MOSFET54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MOSFET54の出力容量を充電し、ダイオード52のアバランシェ電圧に達すると、該ダイオード52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52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。
At this time, if the floating inductance (not shown) other than the
パワーMOSFET54がターンオフすることにより、第1の半導体スイッチ42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40に流れていた電流ILは遮断され、インダクタ40は残留電磁エネルギ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50が作用し、インダクタ40の電流ILは、第1の半導体スイッチ42のアノードA→第1の半導体スイッチ42のゲートG→ダイオード50のアノード→ダイオード50のカソードの経路に転流する。
When the
この場合、ダイオード50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42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42のアノードA−ゲートG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。
In this case, it is necessary to consider that the stray inductance of the branch circuit in which the
従って、インダクタ40の逆誘起電圧VL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T1)内の前記電流ILの減少はほとんどないが、該期間T1は第1の半導体スイッチ42のゲート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(図3の例の場合は、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T1を短縮し、インダクタ40の電流ILの減少を極力抑える必要がある。
Accordingly, since the reverse induced voltage V L of the
時点t2で第1の半導体スイッチ42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のに従い拡大し、最終的にアノードA近傍に到達する。
At the time t 2 , the extraction of the charge accumulated in the
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いく。インダクタ40の電磁エネルギ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42のアノードA−ゲートG間の電圧VAG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、空乏層の広がりと共に急速に上昇していく。
Therefore, the electric capacity due to the depletion layer changes from a saturated state (conducting state) where many active charges exist to a small amount of electric capacity determined by the structure. A current due to the electromagnetic energy of the
時点t3で電流ILが零になると、図4B及び図4Cに示すように、電圧VAG及びVLが最大となり、それぞれVAP及びVLPとなる。この時点で、インダクタ40の電磁エネルギが全て第1の半導体スイッチ42の空乏層の電気容量に移行したことになる。
When the current I L becomes zero at the time point t 3 , the voltages V AG and V L become maximum and become V AP and V LP , respectively, as shown in FIGS. 4B and 4C. At this time, all of the electromagnetic energy of the
また、この現象は、インダクタ40のインダクタンスと第1の半導体スイッチ42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40の電流ILは余弦波形、第1の半導体スイッチ42のアノードA−ゲートG間の電圧VAGは正弦波形となる。
Furthermore, this phenomenon are the resonant operation by the inductance and capacitance of the
従って、自由に定数を決められるインダクタ40のインダクタンスの値を選ぶことにより、インダクタ40並びに該インダクタ40と並列のリアクタ16に発生する高電圧パルスVLのパルス半値幅Tpをコントロールできる。つまり、第1の半導体スイッチ42の電気容量の等価容量をCとすると、パルス半値幅Tpは、
Accordingly, by selecting the inductance value of the
時点t3で最大値VAPに充電された第1の半導体スイッチ42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40及び蓄積電荷により逆方向に導通状態のダイオード50の経路で放電が始まり、時点t4でダイオード50が逆回復し、非導通になるまで続く。時点t4でインダクタ40及び第1の半導体スイッチ42の空乏層の電気容量にエネルギが残存していれば、このエネルギによる電流は、コンデンサ38→第2の半導体スイッチ44のダイオード52→第1の半導体スイッチ42のカソードK→アノードAの経路で流れる。
The electric charge stored in the electric capacity of the depletion layer of the
コンデンサ38に流れる期間T4は回生動作となり、インダクタ40及び第1の半導体スイッチ42の空乏層の電気容量に残存しているエネルギが回生され、運転効率の向上に大きく寄与する。従って、ダイオード50の逆回復時間を極力短縮し、期間T3を短くすることが重要となる。
During the period T 4 flowing through the
以上の説明ではリアクタ16を抵抗負荷のような線形性のもので説明したが、放電ギャップのような非線形性なものでは、電圧の上昇中に負荷インピーダンスが急減したりして、その後の波形は図4A〜図4Eとは違ったものとなる場合もある。
In the above description, the
ところで、図3に示すパルス電源12では、第1の半導体スイッチ42のアノードA−カソードK間の電圧はインダクタ40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42のアノードA−カソードK間の電圧の耐量以上の電圧を、インダクタ40においてパルス出力させることはできない。
By the way, in the
そこで、図5に示す変形例に係るパルス電源12aは、第1の半導体スイッチ42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40においてパルス出力させたい場合に好適となる。
Therefore, the pulse power supply 12a according to the modification shown in FIG. 5 is suitable when it is desired to output a voltage in the
まず、この変形例に係るパルス電源12aは、図5に示すように、図3に示すパルス電源12とほぼ同様の構成を有するが、インダクタ40が、1次巻線70と、該1次巻線70と磁気的に結合され、かつ、1次巻線70の巻数よりも多い巻数の2次巻線72とを有する点で異なる。
First, as shown in FIG. 5, the pulse power source 12 a according to this modification has substantially the same configuration as the
この変形例においては、1次巻線70と2次巻線72間の磁気結合を密にし、漏れ磁束の発生を抑制するために、磁性体コアに巻きつけることが好ましい。 In this modification, it is preferable to wind the magnetic core around the magnetic core in order to close the magnetic coupling between the primary winding 70 and the secondary winding 72 and suppress the generation of leakage magnetic flux.
そして、1次巻線70の巻数をN1、2次巻線72の巻数をN2とすれば、前記変形例に係るパルス電源12aの場合においては、VAG×(N2/ N1)の高電圧パルスVLをリアクタ16に出力できる。
If the number of turns of the primary winding 70 is N1, and the number of turns of the secondary winding 72 is N2, in the case of the pulse power source 12a according to the modification, a high voltage pulse of V AG × (N2 / N1) V L can be output to the
このように、各パルス電源12及び12a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42でよく、しかも、該第1の半導体スイッチ42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を必要としない。
As described above, each of the pulse power supplies 12 and 12a may be a single
また、各パルス電源12及び12aの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42のアノードAとインダクタ40の一端46のみであるため、各パルス電源12及び12aの他の回路要素は全て低電圧仕様の回路部品でよい。このことから、12V程度の直流入力電圧Vinからでも動作可能であり、部品の電圧定格も数10Vあれば十分である。
In addition, since the high voltage of each
そして、リアクタ16の線状電極18に高電圧パルスVL(又は高電圧パルスVLを含む高電圧パルス列Pc)が供給されることによって、筒状電極20の内壁と線状電極18との間で放電が発生し、筒状電極20の中空部22においてプラズマが発生することになる。
Then, the high voltage pulse V L (or the high voltage pulse train Pc including the high voltage pulse V L ) is supplied to the
その結果、上述したように、前記プラズマの発生によって、NOxが直接解離されて無毒なガスに変換されることになる。 As a result, as described above, the generation of the plasma causes NOx to be directly dissociated and converted into a non-toxic gas.
上述の例では、プラズマ処理として、パルスコロナ放電によるNOx処理を適用した例を示したが、その他、例えばガス分解処理、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、ガス発生処理等にも適用させることができ、例えばB4C薄膜の形成、Y−123系薄膜の形成、ZnSやZnS:Mn薄膜の形成、LSI(高集積回路)の配線用ビアホールへの金属埋め込み、例えばAlN超微粒子の作製、表面改質等にも適用することができる。 In the above-described example, an example in which NOx treatment by pulse corona discharge is applied as plasma treatment has been shown. However, for example, gas decomposition treatment, deodorization treatment, plasma film formation treatment, plasma etching treatment, laser oscillation treatment, gas generation treatment For example, formation of a B 4 C thin film, formation of a Y-123 series thin film, formation of a ZnS or ZnS: Mn thin film, metal embedding in a wiring via hole of an LSI (high integrated circuit), for example, It can also be applied to production of AlN ultrafine particles, surface modification, and the like.
なお、本発明に係るプラズマ処理装置は、上述の実施の形態に限らず、本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もちろんである。 The plasma processing apparatus according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can of course have various configurations without departing from the gist of the present invention.
10、10a…プラズマ処理装置 12…パルス電源
14…ストリーマ放電領域 16…リアクタ
18…線状電極 20…筒状電極
22…中空部 30…高電圧パルス発生回路
40…インダクタ 42…第1の半導体スイッチ
44…第2の半導体スイッチ 50…ダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記パルス電源に接続され、該パルス電源にて発生された高電圧パルスによって放電を発生するリアクタとを有し、
前記リアクタは、パルス電源に接続された線状電極と、一定の電位に固定された筒状電極とを有し、該筒状電極の中空部に前記線状電極が挿入されて構成され、
前記パルス電源にて生成される前記高電圧パルスは、立ち上がり時における電圧上昇率(dV/dt)が1011(V/s)以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。 A pulse power supply that generates high voltage pulses;
A reactor connected to the pulse power source and generating a discharge by a high voltage pulse generated by the pulse power source;
The reactor includes a linear electrode connected to a pulse power source and a cylindrical electrode fixed at a constant potential, and the linear electrode is inserted into a hollow portion of the cylindrical electrode,
The plasma processing apparatus, wherein the high voltage pulse generated by the pulse power source has a voltage increase rate (dV / dt) at the time of rising of 10 11 (V / s) or more.
前記パルス電源にて生成される前記高電圧パルスは、パルス半値幅が50〜100nsであることを特徴とするプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1,
The plasma processing apparatus, wherein the high voltage pulse generated by the pulse power source has a pulse half width of 50 to 100 ns.
前記筒状電極は、円筒形状を有し、
前記線状電極は、前記筒状電極の同軸上に配されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1 or 2,
The cylindrical electrode has a cylindrical shape,
The plasma processing apparatus, wherein the linear electrode is arranged coaxially with the cylindrical electrode.
前記パルス電源から前記リアクタに対する高電圧パルスの印加によって前記リアクタに発生するプラズマ領域は、前記筒状電極の中空部内であって、かつ、線状電極の同軸上に分布していることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus of any one of Claims 1-3,
A plasma region generated in the reactor by application of a high voltage pulse from the pulse power supply to the reactor is distributed in the hollow portion of the cylindrical electrode and coaxially with the linear electrode. Plasma processing equipment.
前記パルス電源は、
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前記高電圧パルスを発生させることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus of any one of Claims 1-4,
The pulse power supply is
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 the anode terminal of the first semiconductor switch, and an anode terminal connected to the gate terminal of the first semiconductor switch;
Accumulation of inductive energy in the inductor due to conduction of the first semiconductor switch by turning on the second semiconductor switch;
The plasma processing apparatus, wherein the high voltage pulse is generated in the inductor when the first semiconductor switch is turned off by turning off the second semiconductor switch.
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次巻線とを有し、
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以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
The plasma processing apparatus according to claim 5, wherein
The inductor has a primary winding and a secondary winding that is magnetically coupled to the primary winding and has a greater number of turns than the number of turns of the primary winding;
Applying a voltage below the 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, wherein a voltage generated in the secondary winding is N2 / N1 or more of a voltage applied to the primary winding.
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