JP2009187862A - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】グロー放電からアーク放電への移行を防止することができ、かつ、パルス電源を使うことの種々の問題を解決できる新しい大気圧プラズマ発生装置を提供することである。
【解決手段】誘電体材料を介在させて対向する一対の電極（２）の間に、窒素ガスを流過させて当該電極（２）間に常温プラズマを生成する。そして、一対の電極（２）には正弦波電界を供給するとともに、一対の電極間に、不活性ガスが封入されたガラス体（１）が配置されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明はプラズマ発生装置に関する。特に、大気圧状態でプラズマを発生させるプラズマ発生装置に関する。

光洗浄装置の一つとして大気圧プラズマ発生装置が知られている。この装置は、所定空間に、窒素などの反応性ガスを流しながら、高周波電界を印加して、大気圧近傍でプラズマを発生させるものである。このプラズマによって、ガラス基板などの被処理物に付着した有機物を除去することができる。

図６は従来の大気圧プラズマ装置の概略構成を示す。
一対の電極の間にプラズマが形成される空隙が形成されており、この空隙に窒素ガスを流しながら、短パルスの高電圧電界が印加される。プラズマは、大気圧下では、一瞬にしてグロー放電からアーク放電に移行してしまうため、アーク放電に移行する前に、強制的に電界を切替える必要があり、このため短パルスの電界が電極に印加される。また、電極の表面には誘電体が形成される。荷電蓄積により印加電圧を低くすることで、パルス電源の負担を低減できるからである。

しかしながら、短パルス電界の場合は、処理物（ガラス基板）の走行位置とのタイミングを図る複雑な制御が必要となり、また、急峻な電界が発生することからノイズの問題も生じる。さらには、パルス電源自体がコスト高という問題もある。
特開平１１−２３６６７６号 特開２００２−３２０８４５号

この発明が解決しようとする課題は、グロー放電からアーク放電への移行を防止することができ、かつ、パルス電源を使うことの種々の問題を解決できる新しい大気圧プラズマ発生装置を提供することである。

この発明に係るプラズマ発生装置は、誘電体材料を介在させて対向する一対の電極の間に、反応性ガス（Ｎ２）を流過させて当該電極間に常温プラズマを生成する。そして、前記一対の電極には交流電界を供給するとともに、一対の電極間に、不活性ガスが封入されたガラス体が配置されていることを特徴とする。

さらに、前記不活性ガスは前記誘電体材料で覆われていることを特徴とする。

さらに、前記反応性ガスは窒素ガスであることを特徴とする。

さらに、前記不活性ガスはキセノンガス、アルゴンガス、クリプトンガスのいずれか１種を少なくとも含むことを特徴とする。

さらに、プラズマを生成するチャンバーと、このチャンバーの中に配置された一対の電極と、この一対の電極に対して交流電界を供給する給電装置と、一対の電極の間に配置され、内部に不活性ガスが密閉されたガラス体と、同じく一対の電極の間に形成された空隙に対して、反応性ガスを供給するガス供給管と、よりなり、前記一対の電極間において、常温かつ大気圧状態においてプラズマを生成することを特徴とする。

上記構成により、本発明に係るプラズマ発生装置は、第一に、交流電界を電極間に供給するので、パルス電源を使うことの上記問題を解決でき、第二に、不活性ガスが封入されたガラス体を、一対の電極間に配置させているので、アーク放電への移行を防止できる。

図１は本発明に係るプラズマ発生装置の構成を概念的に示す図である。
ガラス体１は合成石英ガラスやサファイアなどの真空紫外光を透過する材料により構成される。ガラス体１の内部には密閉空間Ｓが形成されており、キセノンやアルゴンなどの不活性ガスが充填されている。ガラス体１の外側側面には電極２が密着配置している。電極２は、例えば、セシウム、金、銀など熱膨張係数がガラス体を構成する材料の熱膨張係数に近い金属が採用され、ガラス体１の側面に溶射されている。また、電極２がガラス体１に密着することで、ガラス体１は冷却される。ガラス体１同士の間には、プラズマが形成される空隙３が存在する。空隙３には、図における上部から、窒素ガス（Ｎ２ガス）が流入される。電極２同士には、正弦波状の交流電圧が供給され、電極間の放電にしたがい、空隙３においてプラズマが生成される。生成されたプラズマは、図における下部から排出されて処理基板に接触される。

図２は本発明に係るプラズマ発生装置を模式化した図面であり、図２ａは図１に示す装置の模式図であり、図２ｂは説明の便宜上、誘電体および不活性ガスを一つにした模式図である。
図２ａにおいて、誘電体１と誘電体２は、図１におけるガラス体の側壁にそれぞれ相当し、また、誘電体３と誘電体４はもう一つのガラス体の側壁にそれぞれ相当する。誘電体１と誘電体２の間に挟まれている不活性ガスは図１におけるガラス体に密封されているガスに相当し、また、誘電体３と誘電体４の間に挟まれている不活性ガスはもう一つのガラス体に密封されているガスに相当する。誘電体２と誘電体３の間に存在する窒素ガスは、図１における空隙３およびそこに流れる窒素ガスに相当する。
図２ｂにおいて、交流電圧が印加されると、誘電体（以下、放電原理の説明では「誘電体層」ともいう）、不活性ガス（以下、放電原理の説明では「不活性ガス層」ともいう）、窒素ガス（以下、放電原理の説明では「窒素ガス層」ともいう）に誘電分極が生じ、それぞれの層はコンデンサとして働く。

図３は、図２ｂに示す構造の放電原理を説明するものである。なお、印加電圧は、本来、交流電源であるが、本説明においては交流の半パルスを説明するため、便宜上、直流電源を表記している。また、誘電体層を容量Ｃａのコンデンサ、不活性ガス層を容量Ｃｂのコンデンサ、窒素ガス層を容量Ｃｃのコンデンサとして等価的に表している。不活性ガス層と窒素ガス層は、一時的には抵抗として表している。
図３（ａ）において、誘電体層、不活性ガス層、窒素ガス層の３層構造に、電圧Ｖ０が印加されると、誘電体層、不活性ガス層、窒素ガス層は、それぞれ電圧Ｖａ、電圧Ｖｂ、電圧Ｖｃと静電分圧されて、電荷的には、図２（ｂ）で示したように誘電分極されて、各コンデンサには電荷Ｑ０がチャージされる。
図３（ｂ）は、印加電圧がより上昇した状態を示す。各コンデンサＣａ、Ｃｂ、Ｃｃにチャージされる電荷も多くなり、各コンデンサの静電電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃもそれぞれ上昇する。

図３（ｃ）は、印加電圧がさらに上昇し、不活性ガス層の静電電圧Ｖｂが不活性ガス層の放電開始電圧に到達した状態を示す。この場合、不活性ガス層は、放電により、等価的には等価容量Ｃｂが抵抗Ｒｂに置き換わった形となり、放電電流Ｉｂが抵抗Ｒｂに流れる。しかし、誘電体層と窒素ガス層は、依然、コンデンサ状態のままであるため、放電電流Ｉｂの流れは制限され、すなわち、不活性ガス層の放電は持続することなく停止してしまう。

図３（ｄ）は、不活性ガス層の放電が終了した時点の状態を示す。不活性ガス層は電荷がなくなったため、静電電圧Ｖｂはゼロとなる。
図３（ｅ）は、さらに印加電圧が上昇して、窒素ガス層の静電圧Ｖｃが窒素ガス層の放電開始電圧に到達した状態を示す。この場合、窒素ガス層は、等価的にはコンデンサＣｃから抵抗Ｒｃに置き換わったことになり、放電電流Ｉｃが抵抗Ｒｃに流れる。ここで、上記と同様に、不活性ガス層が再びコンデンサになっているため、放電電流Ｉｃの流れは制限され、すなわち、窒素ガス層の放電は維持することなく停止してしまう。窒素ガス層の放電を持続させることなく停止できることこそが、アーク放電への移行防止になる。
なお、図３は交流の半パルス、特に電圧が上昇する状況を、直流電源として説明したが、交流の半パルスごとに上記放電原理を繰り返すこととなる。

図４は、本発明と比較するためのものであって、不活性ガス層が存在しない場合の放電原理を説明する図面である。
図４（ａ）において、電圧Ｖ０が印加されると、誘電体層、窒素ガス層は、それぞれ電圧Ｖａ、電圧Ｖｃと静電分圧されて、各コンデンサに電荷Ｑ０がチャージされる。
図４（ｂ）は、印加電圧がより上昇した状態を示す。各コンデンサＣａ、Ｃｃにチャージされる電荷も多くなり、各コンデンサの静電電圧Ｖａ、Ｖｃもそれぞれ上昇する。

図４（ｃ）において、印加電圧がさらに上昇し、窒素ガス層の静電電圧Ｖｃが窒素ガスガス層の放電開始電圧に到達した状態を示す。この場合、窒素ガス層は、放電により、等価的には等価容量Ｃｃが抵抗Ｒｃに置き換わった形となり、放電電流Ｉｃが抵抗Ｒｃに流れる。しかし、図３と異なり、誘電体層の静電電圧Ｖａは、窒素ガス層の放電開始電圧よりも高くなっているので、窒素ガス層では引き続き放電電流が流れ、アーク放電に移行してしまう。
なお、図３、図４は、発明を説明するためのモデル図であり、特に、放電空間やガラス肉厚が小さい形態を対象とするものである。数値例で示すと、放電ギャップは２０mm以下であり、肉厚は５ｍｍ以下である。
同様に、図３、図４に示した電圧値も理想モデルを対象に説明したものであり、表示した数式は現実には多少の誤差を有している。特に、図３（ｄ）などで放電後のコンデンサの電圧値をゼロとしているが、厳密にゼロとなるわけではない。

このように、不活性ガス層が存在しない、従来の大気圧プラズマ発生装置は、正弦波交流電圧を供給するとアーク放電が発生してしまうため、従来の装置にあっては、正弦波ではなくパルス電界が供給されていた。一方、本願発明は、不活性ガス層を新たに設けることで、正弦波の交流電圧を供給しつつ、アーク放電の発生を抑えることができる。なお、交流電圧は必ずしも正弦波である必要はなく、パルス状、矩形波状であっても本発明は適用できる。
また、本発明では不活性ガス層において発生する光を以下のように利用することができる。
すなわち、直接、処理物に対して照射できる構成を採用ことで、プラズマにより処理に加えて光照射による処理を併用することができる。
また、大気圧層を、不活性ガス層において発生した光により、励起あるいはイオン化することで、大気圧層の放電開始電圧を低下させることができる。
さらには、不活性ガス層の封入ガスの選択により、様様な波長の光を利用することができる。

図５は本発明に係るプラズマ発生装置を表す。チャンバー１０の中にガラス体１が配置される。ガラス体１は、例えば、石英ガラスなどの誘電体材料により全体が構成されており、内部に不活性ガスが充填された密閉空間Ｓが形成される。ガラス体１の外面には２つの電極２（２ａ，２ｂ）が溶射されている。ガラス体１は全体が中空円筒体であって、中空部分（空隙）はチャンバー１０の上下方向に貫通しており、後述するようにプラズマ生成領域３が形成される。空隙の上方開口近傍には、ガス供給管であるノズル４の噴射口が配置する。このノズル４より、例えば窒素ガスなどの反応性ガスが噴射されると、窒素ガスはガラス体１の空隙に流し込まれる。なお、不活性ガスはガラス体の内部に密閉されることに限定されず、ガラス体の内部を流してもよい。

チャンバー１０には、プラズマの排出口１１が形成されており、この排出口１１の近傍をガラス基板などの処理物がコンベア２０によって搬送される。コントローラ３０は給電装置３１、ガス制御器３２、搬送制御器３３から構成される。給電装置３１は電極２に所望の正弦波交流電圧を供給するものあり、スイッチング回路や昇圧トランスなどにより構成される。ガス制御器３２はノズルから反応性ガスを噴射させるタイミングを制御するものであり、給電装置３１による交流電圧の位相に関連して動作させている。搬送制御器３３は処理物の搬送速度を制御するだけでなく、処理物と排出口１１との位置関係を検知して、当該位置情報を給電装置３１およびガス制御器３３に送信している。

上記実施例について、数値例をあげると、ガラス体１のギャップ長は９ｍｍ、封入ガスであるキセノンは４００Ｔｏｒｒ、空隙３のギャップ長は５ｍｍである。正弦波電圧は２０ＫＶｐ−ｐ、２０ｋＨｚ〜４０ＭＨｚである。

なお、図５の実施例において、電極とガラス体の間に空隙を設ける構成でもかまわない。具体的には、電極２ａ、空隙、ガラス体（不活性ガス層）、空隙、電極２ｂのような構成でもよい。また、ガラス体の内部に電極２ａ、電極２ｂとは別に、他の電極を設けてもよい。電極２ａ、電極２ｂは金属のみではなく、金属にアルミナ等の誘電体を溶射させてもよい。

さらには、特開平１１−２３６６７６号に開示されるような構造や、特開２００２−３２０８４５号に開示されるような構造において、本願発明を適用することもできる。

反応性ガスは窒素ガス以外に、空気、炭酸ガス、酸素ガス、又これらの混合ガスを使うこともできる。また、不活性ガスはキセノンガス以外に、アルゴンガス、クリプトンガス、あるいはこれらの混合ガスを使うこともできる。さらに、本発明に係るプラズマ発生装置は、排ガス処理装置などにも流用可能であり、この場合は、反応性ガスとしては、Ｎｏｘなどの窒化化合物や、半導体プロセスで発生するフッ素系ガス（ＣＦ４、ＰＦＣｓ、ＳＦ６等）を使うこともできる。

以上説明したように、本発明に係るプラズマ発生装置は、第一に、正弦波状交流電界を電極間に供給するので、パルス電源を使うことの上記問題を解決でき、第二に、不活性ガスが封入されたガラス体を、一対の電極間に配置させているので、アーク放電への移行を防止できる。

この発明に係るプラズマ発生装置を示す。 この発明に係るプラズマ発生装置の模式図を示す。 この発明に係るプラズマ発生装置の原理を説明する図を示す。 比較例のるプラズマ発生装置の原理を説明する図を示す。 この発明に係るプラズマ発生装置を示す。 従来のプラズマ発生装置を示す。

符号の説明

１ ガラス体
２ 電極
３ 空隙
４ ガス供給管
１０ チャンバー
２０ 搬送機構
３０ コントローラ
３１ 給電装置
３２ ガス制御器
３３ 搬送制御器

Claims (5)

1. 誘電体材料を介在させて対向する一対の電極の間に、反応性ガスを流過させて当該電極間に、大気圧状態でプラズマを生成するプラズマ発生装置において、
   前記一対の電極には交流電界が供給されるとともに、当該一対の電極間に、不活性ガスが封入されたガラス体が配置されていることを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記不活性ガスは前記ガラス体により密閉されていることを特徴とする請求項１のプラズマ発生装置。
3. 前記反応性ガスは窒素ガスであることを特徴とする請求項１のプラズマ発生装置。
4. 前記不活性ガスはキセノンガス、アルゴンガス、クリプトンガスのいずれか１種を少なくとも含むことを特徴とする請求項１のプラズマ発生装置。
5. プラズマを生成するチャンバーと、
   このチャンバーの中に配置された一対の電極と、
   この一対の電極に対して交流電界を供給する給電装置と、
   一対の電極の間に配置され、内部に不活性ガスが密閉されたガラス体と、
   同じく一対の電極の間に形成された空隙に対して、反応性ガスを供給するガス供給管と、
   よりなり、
   前記一対の電極間において、常温かつ大気圧状態においてプラズマを生成するプラズマ発生装置。

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