JP2010183393A - パルス伝送線路、パルス供給装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気パルスを高効率かつ安全に伝送するパルス伝送線路を提供する。
【解決手段】第１の同軸ケーブル１１６の内部導体１１８の電源側端は、入力ポート１０４の第１の入力端子１０６に接続され、外部導体１２０の電源側端は開放される。内部導体１１８の負荷側端は、コモンモードリアクトル１３６の第１の巻線１３８を経由して出力ポート１１０の第１の出力端子１１２に接続され、外部導体１２０の負荷側端は、第１の抵抗器１３２を経由してグランドに接続される。第２の同軸ケーブル１２２の内部導体１２４の電源側端は、入力ポート１０４の第２の入力端子１０８に接続され、外部導体１２６の電源側端は開放される。内部導体１２４の負荷側端は、コモンモードリアクトル１３６の第２の巻線１４０を経由して出力ポート１１０の第２の出力端子１１４に接続され、外部導体１２６の負荷側端は、第２の抵抗器１３４を経由してグランドに接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１のポートから第２のポートへ電気パルスを伝送するパルス伝送線路及びこれに関連する技術に関する。

図１２は、従来のパルス伝送線路８０２によるパルス電源８７２と負荷８８２との接続を説明する模式図である。

図１２に示すように、従来のパルス伝送線路８０２は、負極８７６が接地されたパルス電源８７２から陰極８８６が接地された負荷８８２への電気パルスの伝送に１本の同軸ケーブル８１６を用いていた。同軸ケーブル８１６の内部導体８１８の電源側端はパルス電源８７２の正極８７４に接続され、外部導体８２０の電源側端はパルス電源８７２の負極８７６に接続され、内部導体８１８の負荷側端は負荷８８２の陽極８８４に接続され、外部導体８２０の負荷側端は負荷８８２の陰極８８６に接続される。

例えば、特許文献１の段落００４８等は、パルス電源（特許文献１では「パルス発生装置」）から負荷への電気パルスの伝送に同軸ケーブルを用いることに言及している。

特開２００５−１８４８８８号公報

しかし、従来のパルス伝送線路８０２は、内部導体８１８と外部導体８２０との間のキャパシタンスＣ１が大きいため、キャパシタンスＣ１を充電する電流が大きくなり、パルス伝送の効率が十分ではない。また、従来のパルス伝送線路８０２は、外部導体８２０に流れる電流Ｉｃが大きいため、外部導体８２０に誘起される電圧が高くなり、安全の確保のための対策が別途必要になる。さらに、従来のパルス伝送線路８０２は、アースループのインピーダンスが低く、陰極８８６からグランドへ流れる電流Ｉｅ１２やグランドから負極８７６へ流れる電流Ｉｅ２が大きくなり、ノイズの発生源となる。

本発明は、この問題を解決するためになされたもので、電気パルスを高効率かつ安全に伝送するパルス伝送線路を提供することを目的とする。さらに、本発明は、ノイズの原因となる電流を抑制するパルス伝送線路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、パルス伝送線路であって、第１の端子及び第２の端子を備える第１のポートから第３の端子及び第４の端子を備える第２のポートへ電気パルスを伝送するパルス伝送線路であって、第１の内部導体と第１の外部導体とを備え、前記第１の内部導体の一端が前記第１の端子に接続され、前記第１の内部導体の一端と同じ側にある前記第１の外部導体の一端が開放され、前記第１の内部導体の他端が前記第３の端子に接続され、前記第１の外部導体の他端がグランドに接続された第１の同軸線路と、第２の内部導体と第２の外部導体とを備え、前記第２の内部導体の一端が前記第２の端子に接続され、前記第２の内部導体の一端と同じ側にある前記第２の外部導体の一端が開放され、前記第２の内部導体の他端が前記第４の端子に接続され、前記第２の外部導体の他端がグランドに接続された第２の同軸線路と、を備える。

請求項２の発明は、請求項１に記載のパルス伝送線路において、第１の巻線と第２の巻線とを備え、前記第１の巻線が前記第１の内部導体の他端と前記第３の端子との間に挿入され、前記第２の巻線が前記第２の内部導体の他端と前記第４の端子との間に挿入されたコモンモードリアクトル、をさらに備える。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のパルス伝送線路において、前記第１の外部導体の他端とグランドとの間に挿入された第１の抵抗器、をさらに備える。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のパルス伝送線路において、前記第２の外部導体の他端とグランドとを結ぶ接地経路に挿入された第２の抵抗器、をさらに備える。

請求項５の発明は、電気パルスを供給するパルス供給装置であって、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のパルス伝送線路と、前記第１のポートに接続されたパルス電源と、を備える。

請求項６の発明は、プラズマ処理装置であって、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のパルス伝送線路と、前記第１のポートに接続されたパルス電源と、前記第２のポートに接続されたリアクタと、を備える。

請求項１ないし請求項６の発明によれば、同軸線路の外部導体に流れる電流が小さくなるので、電気パルスが高効率かつ安全に伝送される。

請求項２の発明によれば、電流のコモンモード成分が阻止され、負荷とグランドとの間に流れる電流が小さくなるので、ノイズの原因となる電流が抑制される。

請求項３の発明によれば、同軸線路の外部導体とグランドとの間に流れる電流が小さくなるので、電気パルスがさらに高効率かつ安全に伝送される。

第１実施形態のパルス伝送線路によるパルス電源と負荷との接続を説明する模式図である。 第２実施形態のパルス伝送線路によるパルス電源と負荷との接続を説明する模式図である。 第３実施形態の表面処理装置の斜視図である。 リアクタの断面図である。 第１の電極構造体の斜視図である。 第２の電極構造体の斜視図である。 別例に係る第２の電極構造体の斜視図である。 ＩＥＳ電源及びＣＥＳ電源が発生する電気パルスの電圧波形を示す図である。 ＩＥＳ電源及びＣＥＳ電源が発生する電気パルスの電流波形を示す図である。 ＩＥＳ電源及びＣＥＳ電源が発生する電気パルスの電圧と電流との積の波形を示す図である。 ＩＥＳ電源の回路図である。 従来のパルス伝送線路によるパルス電源と負荷との接続を説明する模式図である。

＜１ 第１実施形態＞
第１実施形態は、パルス電源１７２と負荷１８２とを接続するパルス伝送線路１０２に関する。

図１は、第１実施形態のパルス伝送線路１０２によるパルス電源１７２と負荷１８２との接続を説明する模式図である。パルス伝送線路１０２は、正極１７４及び負極１７６がグランドから絶縁されたフローティング電源であるパルス電源１７２の正極１７４及び負極１７６に接続された入力ポート１０４から陰極１８６が接地された負荷１８２の陽極１８４及び負極１８６が接続された出力ポート１１０へ電気パルスを伝送する。パルス伝送線路１０２は、「ケーブルアセンブリ」等とも呼ばれる。

図１に示すように、パルス伝送線路１０２は、電気パルスの伝送経路を提供する第１の同軸ケーブル１１６と、第１の同軸ケーブル１１６の外部導体１１８を一点接地する第１の接地線１２８と、外部導体１１８とグランドとの間を流れる電流を制限する第１の抵抗器１３２と、電気パルスの伝送経路を提供する第２の同軸ケーブル１２２と、第２の同軸ケーブル１２２の外部導体１２６を一点接地する第２の接地線１３０と、外部導体１２６とグランドとの間を流れる電流を制限する第２の抵抗器１３４と、電流のノーマルモード成分を阻止せずコモンモード成分を阻止するコモンモードリアクトル１３６とを備える。なお、パルス伝送線路１０２の取り扱いの容易さを考慮すると、同軸ケーブル等のノンリジッドな同軸線路を用いることが望ましいが、同軸管等のリジッドな同軸線路を用いてもよい。

第１の同軸ケーブル１１６の内部導体１１８の電源側端は、入力ポート１０４の第１の入力端子１０６に接続され、第１の同軸ケーブル１１６の外部導体１２０の電源側端は開放される。内部導体１１８の負荷側端は、コモンモードリアクトル１３６の第１の巻線１３８の一端に接続され、第１の巻線１３８を経由して出力ポート１１０の第１の出力端子１１２に接続され、外部導体１２０の負荷側端は、第１の抵抗器１３２を経由してグランドに接続される。

第２の同軸ケーブル１２２の内部導体１２４の電源側端は、入力ポート１０４の第２の入力端子１０８に接続され、第２の同軸ケーブル１２２の外部導体１２６の電源側端は開放される。内部導体１２４の負荷側端は、コモンモードリアクトル１３６の第２の巻線１４０の一端に接続され、第２の巻線１４０を経由して出力ポート１１０の第２の出力端子１１４に接続され、外部導体１２６の負荷側端は、第２の抵抗器１３４を経由してグランドに接続される。

第１の接地線１２８の一端は、外部導体１２０の負荷側端に接続され、第１の接地線１２８の他端はグランドに接続される。第１の接地線１２８は、外部導体１２０の負荷側端とグランドとを結ぶ接地経路となる。

第２の接地線１３０の一端は、外部導体１２６の負荷側端に接続され、第２の接地線１３０の他端はグランドに接続される。第２の接地線１３０は、外部導体１２６の負荷側端とグランドとを結ぶ接地経路となる。

第１の抵抗器１２８は、第１の接地線１２８に挿入される。

第２の抵抗器１３４は、第２の接地線１３０に挿入される。

コモンモードリアクトル１３６は、第１の巻線１３８及び第２の巻線１４０を逆相で流れる電流のノーマルモード成分に対しては磁束を発生せず、第１の巻線１３８及び第２の巻線１４０を同相で流れる電流のコモンモード成分に対しては磁束を発生するように第１の巻線１３８及び第２の巻線１４０を磁気的に結合させている。これにより、コモンモードリアクトル１３６は、電流のノーマルモード成分を阻止せずコモンモード成分を阻止する。コモンモードリアクトル１３６が電流のコモンモード成分に対して示すインダクタンスは、数μＨ〜数１０ｍＨであることが望ましい。コモンモードリアクトル１３６は、「コモンモードチョーク」等とも呼ばれる。

図１に示すコモンモードリアクトル１３６において「逆相で流れる」とは、第１の巻線１３８を流れる電流が内部導体１１８に接続された側から第１の出力端子１１２に接続された側へ向かっており、第２の巻線１４０を流れる電流が第２の出力端子１１４に接続された側から内部導体１２４に接続された側へ向かっていること、又は、第１の巻線１３８を流れる電流が第１の出力端子１１２に接続された側から内部導体１１８に接続された側へ向かっており、第２の巻線１４０を流れる電流が内部導体１２４に接続された側から第２の出力端子１１４に接続された側へ向かっていることを意味する。

一方、「同相で流れる」とは、第１の巻線１３８を流れる電流が内部導体１１８に接続された側から第１の出力端子１１２に接続された側へ向かっており、第２の巻線１４０を流れる電流が内部導体１２４に接続された側から第２の出力端子１１４に接続された側へ向かっていること、または、第１の巻線１３８を流れる電流が第１の出力端子１１２に接続された側から内部導体１１８に接続された側へ向かっており、第２の巻線１４０を流れる電流が第２の出力端子１１４に接続された側から内部導体１２４に接続された側へ向かっていることを意味する。

コモンモードリアクトル１３６は、典型的には、トロイダルコア・ＥＩコア等の磁性体のコアに第１の巻線１３８及び第２の巻線１４０を巻回した構造を有する。第１の巻線１３８及び第２の巻線１４０の巻回の形態は、分割巻き及びバイファイラ巻きのいずれであってもよい。巻回の形態がバイファイラ巻きであるコモンモードリアクトル１３６は、インピーダンスを変換しない特殊な伝送線路トランスともみなせる。

第１の巻線１３８は、内部導体１１８の負荷側端と第１の出力端子１１２との間に挿入され、第１の巻線１３８の一端は、内部導体１１８の負荷側端に接続され、第１の巻線１３８の他端は、第１の出力端子１１２に接続される。

第２の巻線１４０は、内部導体１２４の負荷側端と第２の出力端子１１４との間に挿入され、第２の巻線１４０の一端は、内部導体１２４の負荷側端に接続され、第２の巻線１４０の他端は、第２の出力端子１１４に接続される。

第１実施形態によれば、パルス伝送線路１０２のキャパシタンスを充電する電流が小さくなるので、パルス伝送の効率が向上する。また、外部導体１２０，１２６に流れる電流が小さくなるので、パルス伝送の安全性が向上する。

また、第１実施形態によれば、コモンモードリアクトル１３６により、電流のコモンモード成分が阻止され、パルス伝送線路１０２から陽極１８４へ流れる電流Ｉ１１と、陰極１８６からパルス伝送線路１０２へ流れる電流Ｉ１２とがほぼ等しくなり、陰極１８６からグランドへ流れる電流Ｉｅ０が小さくなるので、ノイズの原因となる電流が抑制される。また、正極１７４及び陰極１７６が接地されていないことも、ノイズの原因となる電流を抑制することに寄与する。

さらに、第１実施形態によれば、第１の抵抗器１３２及び第２の抵抗器１３４により、外部導体１２０からグランドへ流れる電流Ｉｅ１及び外部導体１２６からグランドへ流れる電流Ｉｅ２が小さくなるので、パルス伝送の効率がさらに向上する。なお、この効果を発揮するためには、第１の抵抗器１３２及び第２の抵抗器１３４の抵抗値は、１−１０オームであることが望ましい。ただし、第１の同軸ケーブル１１６や第２の同軸ケーブル１２２が短く、内部導体１１８と外部導体１２０との間のキャパシタンスＣ１や内部導体１２４と外部導体１２６との間のキャパシタンスＣ２が小さい場合は、第１の抵抗器１３２及び第２の抵抗器１３４の一方を省略し、外部導体１２０及び外部導体１２６の一方を直接接地しても、パルス伝送の効率を向上することができる。また、第１の抵抗器１３２及び第２の抵抗器１３４の両方を省略し、外部導体１２０及び外部導体１２６を直接接地しても、従来のパルス伝送線路と比較すれば、パルス伝送の効率を向上することができる。

なお、パルスの伝送に２本の単芯ケーブルを用いることも考えられるが、一の単芯ケーブルと他の単芯ケーブルとが接触すると、接触した部分で放電を招くことから、一の単芯ケーブルと他の単芯ケーブルとをある程度離す必要がある。すると、パルス伝送線路のインダクタンスが大きくなるため、立ち上がりが急峻な電気パルスを伝送することが困難になる。これに対して、パルス伝送線路１０２は、電圧上昇率が１０ｋＶ／μｓ以上になるような立ち上がりが急峻な電気パルスも大きな波形のみだれをともなうことなく伝送することができる。

＜２ 第２実施形態＞
第２実施形態は、パルス電源２７２と負荷２８２とを接続するパルス伝送線路２０２に関する。

図２は、第２実施形態のパルス伝送線路２０２によるパルス電源２７２と負荷２８２との接続を説明する模式図である。パルス伝送線路２０２は、負極２７６が接地されたパルス電源２７２の正極２７４及び負極２７６に接続された入力ポート２０４から陰極２８６が接地された負荷２８２の陽極２８４及び負極２８６が接続された出力ポート２１０へ電気パルスを伝送する。

図２に示すように、パルス伝送線路２０２は、第１実施形態の場合と同じく、第１の同軸ケーブル２１６と、第１の接地線２２８と、第１の抵抗器２３２と、第２の同軸ケーブル２２２と、第２の接地線２３０と、第２の抵抗器２３４と、を備えるが、コモンモードリアクトルを備えていない。その結果、第１実施形態の場合と異なり、内部導体２１８の負荷側端は、出力ポート２１０の第１の出力端子２１２に直接接続される。また、内部導体２２４の負荷側端は、出力ポート２１０の第２の出力端子２１４に直接接続される。

第２実施形態によれば、アースループのインピーダンスが第１実施形態の場合よりも低くなるものの、従来のパルス伝送線路８０２と比較すれば、パルス伝送の効率及び安全性を向上することができる。また、パルス伝送線路２０２も、電圧上昇率が１０ｋＶ／μｓ以上になる急峻な電気パルスの伝送に特に好適である。

＜３ 第３実施形態＞
第３実施形態は、パルス電源３４４及びパルス伝送線路３４６を備えるパルス供給装置３４８から負荷であるリアクタ３０２へ電気パルスを供給する表面処理装置３００に関する。パルス伝送線路３４６としては、第１実施形態のパルス伝送線路１０２又は第２実施形態のパルス伝送線路２０２を使用する。このことは、第１実施形態の負荷１８２又は第２実施形態の負荷２８２が表面処理装置のリアクタに限定されることを意味しない。したがって、負荷１８２又は負荷２８２は、滅菌装置・殺菌装置・自動車の排ガスの処理装置・ＣＶＤ（化学気相蒸着）装置等のリアクタ、より一般的に言えば、電気パルスの放電によりプラズマを発生させるプラズマ処理装置のリアクタであってもよい。

＜３．１ 表面処理装置３００の概略＞
図３は、第３実施形態の表面処理装置３００の模式図である。図３は、表面処理装置３００の斜視図となっている。

図３に示すように、表面処理装置３００は、被処理物たるワーク３９０の表面処理を行うリアクタ３０２と、表面処理を行う前のワーク３９０を保持する第１のワーク載置台３２６と、表面処理を行った後のワーク３９０を保持する第２のワーク載置台３２８と、ワーク３９０を搬送する搬送機構３３０と、リアクタ３０２の高さを調整する高さ調整台３４０と、これらを保持する絶縁ステージ３４２と、電気パルスを発生するパルス電源３４４と、パルス電源３４４からリアクタ３０２へ電気パルスを伝送するパルス伝送線路３４６とを備える。

図４は、リアクタ３０２の模式図である。図４は、リアクタ３０２の断面図となっている。

図４に示すように、リアクタ３０２は、第１の電極３０６を備える第１の電極構造体３０４と、第２の電極３１４を備える第２の電極構造体３１２と、第１の電極構造体３０４と第２の電極構造体３１２との間隙３０２２に窒素ガスを主成分とする処理ガスを供給する処理ガス供給体３１８と、第２の電極構造体３１２と処理ガス供給体３１８との距離を調整する距離調整体３２２と、これらを収容するハウジング３２４とを備える。

表面処理装置３００は、第１の電極３０６と第２の電極３１４との間への立ち上がりの速い電気パルスの繰り返しの印加により間隙３０２２にストリーマ放電を発生させながら、ワーク３９０に間隙３０２２を通過させ、ワーク３９０の表面処理を行う。ここでいう「表面処理」には、表面に付着した汚染を除去するクリーニング、表面を侵食するエッチング、表面に形成されたフッ素化合物膜その他の膜を灰化するアッシング、表面のぬれ性を向上する改質等の表面の状態を変更する処理がある。

＜３．２ ストリーマ放電＞
ストリーマ放電を発生させる電気パルスは、ピーク電圧が概ね１０〜１００ｋＶ、半値幅ＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum）が概ね１００〜５０００ｎｓ、立ち上がり時の電圧の時間上昇率ｄＶ／ｄｔが概ね１０〜５００ｋＶ／μｓ、周波数が概ね１〜５０ｋＨｚの電気パルスである。電気パルスは、極性が変化しない単極性の電気パルスであってもよいし、極性が交互に変化する両極性の電気パルスであってもよい。

ストリーマ放電が間隙３０２２に発生しているときには、図４に示すように、第２の電極構造体３１２の下面３１２２から第１の電極構造体３０４の上面３０４２に向かって末広がりになる筋状のプラズマ３９８が薄紫色に発光している。一方、グロー放電が間隙３０２２に発生しているときには、図４に示すような薄紫色に発光する筋状のプラズマ３９８は見られない。

なお、上述の説明において半値幅等の範囲を「概ね」としているのは、第１の電極構造体３０４及び第２の電極構造体３１２の構造及び材質・間隙３０２２の間隔・処理ガスの圧力等の表面処理装置３００の具体的な構成によっては、ストリーマ放電が発生する半値幅等の範囲が上述の範囲よりも広くなる場合があるからである。したがって、放電がストリーマ放電になっているか否かは、実際の放電を観察して判断することが望ましい。

＜３．３ リアクタ３０２＞
（ａ）各部の配置；
図３及び図４に戻って表面処理装置３００の詳細を説明する。

図４に示すように、リアクタ３０２の内部においては、第１の電極構造体３０４がワーク３９０の搬送経路３１９の下方に設けられ、処理ガス供給体３１８、距離調整体３２２及び第２の電極構造体３１２が搬送経路３１９の上方に設けられる。第１の電極構造体３０４と第２の電極構造体３１２とは搬送経路３１９を挟んで対向する。

処理ガス供給体３１８、距離調整体３２２及び第２の電極構造体３１２は、搬送経路３１９の上流側（以下では「搬送経路上流側」という）から下流側（以下では「搬送経路下流側」という）に向かって配列される。処理ガス供給体３１８及び距離調整体３２２は、搬送経路３１９を挟んで第１の電極構造体３０４と対向する。第１の電極構造体３０４と処理ガス供給体３１８及び距離調整体３２２との間隙は、間隙３０２２へ至る処理ガスの導入路３０２４となる。導入路３０２４は、間隙３０２２へ向かうワーク３９０及びワークキャリア３３２の通り道にもなる。導入路３０２４の延在方向は、ワーク３９０の搬送方向すなわちワークキャリア３３２の走行方向と平行である。なお、図４に示すリアクタ３０２は、２個の第２の電極構造体３１２を備えているが、第２の電極構造体３１２の数を１個又は３個以上に増減してもよい。

（ｂ）第１の電極構造体３０４；
図５は、第１の電極構造体３０４の模式図である。図５は、第１の電極構造体３０４の斜視図となっている。

図４及び図５に示すように、第１の電極構造体３０４は、板形状の外形形状を有する。第１の電極構造体３０４は、第１の電極３０６と、第１の電極３０６を保持するホルダ３０８と、第１の電極３０６を覆う第１の誘電体バリア３１０とを備える。なお、ホルダ３０８と第１の誘電体バリア３１０とを同一の絶縁材料で構成して一体化してもよい。ホルダ３０８と第１の誘電体バリア３１０とを一体化した場合、その一体物の中に第１の電極３０６が埋設される。

第１の電極３０６は、アルミニウム・銅等の導電材料で構成される。第１の電極３０６は、板形状を有する。第１の電極３０６は、第２の電極構造体３１２の下面３１２２と平行に設置される。第１の電極３０６は、矩形又は正方形の平面形状を有することが望ましい。第１の電極３０６が矩形又は正方形の平面形状を有する場合、１組の対辺が搬送経路３１９と平行となるように第１の電極３０６が設置されることが望ましい。

第１の電極３０６を陰極、第２の電極３１４を陽極とする場合、第１の電極３０６の幅（搬送経路３１９に垂直な方向の寸法）は、第２の電極３１４の幅よりも狭くならないようにすることが望ましい。第２の電極構造体３１２の下面３１２２からの第１の電極構造体３０４の上面３０４２に向かってプラズマ３９８が末広がりになるのを妨げないためである。また、第１の電極３０６の幅は、ワーク３９０の幅よりも広いことが望ましい。ワーク３９０の周縁まで均一に表面処理を行うためである。

第１の電極３０６の板厚は、概ね５〜２０ｍｍであることが望ましい。

ホルダ３０８は、ガラス・アルミナ等の絶縁材料で構成される。ホルダ３０８は、板形状を有する。ホルダ３０８の上面３０８２には、第１の電極３０６と略同一の立体形状を有する収容穴３０８４が形成される。収容穴３０８４には、第１の電極３０６が収容される。第１の電極３０６が収容穴３０８４に収容された状態においては、第１の電極３０６の上面３０６２とホルダ３０８の上面３０８２の収容穴３０８４の外側とは平坦な同一平面を構成する。

第１の誘電体バリア３１０は、ガラス・アルミナ等の絶縁材料で構成される。第１の誘電体バリア３１０は、板形状を有する。第１の誘電体バリア３１０は、ホルダ３０８と略同一の平面形状を有する。第１の誘電体バリア３１０は、第１の電極３０６の上面３０６２及びホルダ３０８の上面３０８２に載置される。第１の誘電体バリア３１０により、第１の電極３０６を保護することができるとともに、アーク放電が発生することを抑制し、ストリーマ放電を安定して発生させることができる。

第１の誘電体バリア３１０の上面３１０２は、平坦になっている。これにより、間隙３０２２へ向かう処理ガスの流れの乱れを抑制することができ、ワーク３９０の表面処理を均一に行うことができる。第１の誘電体バリア３１０の板厚は、概ね０．５〜５ｍｍであることが望ましい。第１の誘電体バリア３１０の板厚がこの範囲を下回ると、アーク放電が発生しやすくなる傾向があるからであり、この範囲を上回ると、第１の電極３０６と第２の電極３１４との間の静電容量が増加して第１の電極３０６と第２の電極３１４との間に立ち上がりの速い電気パルスを印加することが難しくなる傾向があるからである。

（ｃ）第２の電極構造体３１２；
図６は、第２の電極構造体３１２の模式図である。図６は、第２の電極構造体３１２の斜視図となっている。

図４及び図６に示すように、第２の電極構造体３１２は、板形状の外形形状を有する。第２の電極構造体３１２は、第２の電極３１４と、第２の誘電体バリア３１６とを備える。

第２の電極３１４は、アルミニウム・銅等の導電材料で構成されている。第２の電極３１４は、板形状を有する。第２の電極３１４は、第１の電極３０６及び搬送経路３１９と垂直に設置される。第２の電極３１４は、その下面が第１の電極３０６と平行になるように設置されることが望ましい。これにより、ストリーマ放電を均一に発生させ、ワーク３９０の表面処理を均一に行うことができる。第２の電極３１４の幅は、ワーク３９０の幅よりも広いことが望ましい。ワーク３９０の周縁まで均一に表面処理を行うためである。

第２の電極３１４の板厚は、概ね１〜２０ｍｍであることが望ましい。

第２の誘電体バリア３１６は、ガラス・アルミナ等の絶縁材料で構成される。第２の誘電体バリア３１６は、細長矩形形状の開口を上面に有する鞘形状を有する。第２の誘電体バリア３１６には、第２の電極３１４と略同一の立体形状を有する収容穴３１６２が形成される。収容穴３１６２には、第２の誘電体バリア３１６の主面に平行に第２の電極３１４が収容される。なお、図４に示す第２の誘電体バリア３１６は、第２の電極３１４の全体を収容しているが、ストリーマ放電の発生に主に寄与するのは第２の電極３１４のうちの第１の電極３０６に近い搬送経路３１９寄りであるので、第２の誘電体バリア３１６に収容されているのが第２の電極３１４の下方の搬送経路３１９寄りのみであっても問題はない。第２の誘電体バリア３１６により、第２の電極３１４を保護することができるとともに、アーク放電が発生することを抑制し、ストリーマ放電を安定して発生させることができる。

第２の誘電体バリア３１６の第２の電極３１４の下端面を覆う部分の厚さｔ１は、概ね０．５〜５ｍｍであることが望ましい。第２の誘電体バリア３１６の厚さｔ１がこの範囲を下回ると、アーク放電が発生しやすくなる傾向があるからであり、この範囲を上回ると、第１の電極３０６と第２の電極３１４との間の静電容量が増加して第１の電極３０６と第２の電極３１４との間に立ち上がりの速い電気パルスを印加することが難しくなる傾向があるからである。また、第２の誘電体バリア３１６の第２の電極３１４の主面を覆う部分の厚さｔ２は、概ね２〜２０ｍｍであることが望ましい。第２の誘電体バリア３１６の厚さｔ２がこの範囲を下回ると、プラズマ３９８の裾野の重なりが大きくなりすぎる傾向があり、この範囲を上回るとプラズマ３９８の隙間が大きくなりすぎる傾向があるからである。

図７は、第２の電極構造体３１２に代えて採用することができる第２の電極構造体４１２の模式図である。図７は、第２の電極構造体４１２の斜視図となっている。

図７に示すように、板形状を有する第２の電極３１４を鞘形状を有する第２の誘電体バリア３１６で覆う第２の電極構造体３１２に代えて、丸棒形状又は丸パイプ形状を有する第２の電極４１４を丸パイプ形状を有する第２の誘電体バリア４１６で覆う第２の電極構造体４１２を採用しても、ストリーマ放電を間隙３０２２に発生させることができる。ただし、第２の電極構造体３１２には、容易に製造することができるという第２の電極構造体４１２と比較した有利な点がある。

（ｄ）第１の誘電体バリア３１０又は第２の誘電体バリア３１６の省略；
図４に示すリアクタ３０２においては、第１の電極構造体３０４及び第２の電極構造体３１２の両方が誘電体バリアを備えているが、第１の誘電体バリア３１０又は第２の誘電体バリア３１６を省略し、第１の電極構造体３０４及び第２の電極構造体３１２の片方のみが誘電体バリアを備えるようにしてもよい。

（ｅ）処理ガス供給体３１８；
図４に示すように、処理ガス供給体３１８は、略直方体の外形形状を有し、その内部には、処理ガスを滞留させるガス溜り３１８６と、上面３１８４からガス溜り３１８６へ処理ガスを導く流路３１８７と、ガス溜り３１８６から下面３１８２へ処理ガスを導く流路３１８８とが形成される。また、処理ガス供給体３１８の内部には、ガス溜り３１８６に接してシャワー板３２０が設置される。シャワー板３２０には、直径が０．１〜１ｍｍの貫通孔が１〜２０ｍｍ間隔で規則的に形成される。なお、シャワー板３２０に代えて、貫通孔が多数形成された圧損部材、例えば、メッシュの積層体やセラミックスの多孔質体を採用してもよい。

処理ガス供給体３１８は、処理ガスの供給源から供給された処理ガスに流路３１８７、ガス溜り３１８６、シャワー板３２０及び流路３１８８を順次通過させて処理ガスの流れを均一化した上でスリット形状を有する吹き出し口３１８９から導入路３０２４へ処理ガスを噴出する。

（ｆ）距離調整体３２２；
距離調整体３２２は、ガラス・アルミナ等の剛性の高い絶縁材料で構成される。距離調整体３２２は、直方体形状を有する。図４に示すように、距離調整体３２２は、搬送経路３１９に垂直に設けられる。距離調整体３２２の搬送経路上流側の面は処理ガス供給体３１８と接し、搬送経路下流側の面は第２の電極構造体３１２と接する。距離調整体３２２により、吹き出し口３１８９と間隙３０２２との距離を離すことができるので、処理ガスが間隙３０２２に到達するまでに処理ガスの流れを均一化することができ、ワーク３９０の表面処理を均一に行うことができる。

（ｇ）処理ガスの組成；
処理ガスは、窒素ガスを主成分とするガスであることが望ましく、窒素ガスのみからなるガス又は窒素ガス及び酸素ガスからなる混合ガスであることが望ましい。

＜３．４ 第１のワーク載置台３２６及び第２のワーク載置台３２８＞
図３に示すように、第１のワーク載置台３２６及び第２のワーク載置台３２８は、略直方体形状を有する。第１のワーク載置台３２６及び第２のワーク載置台３２８は、それぞれ、リアクタ３０２の搬送経路上流側及び搬送経路下流側に設置される。第１のワーク載置台３２６の上面３２６２及び第２のワーク載置台３２８の上面３２８２は平坦になっている。

＜３．５ 搬送機構３３０＞
図１に示すように、搬送機構３３０は、ワーク３９０を上面３３２２に保持し第１の電極構造体３０４の上面３０４２を滑動するワークキャリア３３２とワークキャリア３３２を搬送方向に走行させる走行機構たる１軸ステージロボット３３４とを備える。

ワークキャリア３３２は、フッ素樹脂等の絶縁体で構成される。なお、厚さが極端に暑くならない場合には、ワークキャリア３３２を導電体で構成することも許容される。ワークキャリア３３２は、長尺のシート形状を有している。ワークキャリア３３２は、第１のワーク載置台３２６の上面３２６２からリアクタの３０２の搬入口３０２６、導入路３０２４、間隙３０２２及びリアクタ３０２の搬出口３０２８を経て第２のワーク載置台３２８の上面３２８２に渡って延在する。ワークキャリア３３２は、第１のワーク載置台３２６の上面３２６２、第１の誘電体バリア３１０の上面３１０２及び第２のワーク載置台３２８の上面３２８２に接し、第１のワーク載置台３２６の上面３２６２、第１の電極構造体３０４の上面３０４２及び第２のワーク載置台３２８の上面３２８２を滑動する。

１軸ステージロボット３３４は、第２のワーク載置台３２８のさらに搬送経路下流側に設置される。１軸ステージロボット３３４は、移動ステージ３３８をワーク３９０の搬送方向に案内する固定レール３３６と固定レール３３６に沿って移動する移動ステージ３３８とを備える。固定レール３３６は、絶縁ステージ３４２に固定されている。また、移動ステージ３３８には、ワークキャリア３３２の搬送方向下流側の端部が接続されている。これにより、移動ステージ３３８をワーク３９０の搬送方向に動かすと、ワークキャリア３３２がワーク３９０の搬送方向に走行し、ワークキャリア３３２が保持しているワーク３９０が搬送方向に搬送される。

＜３．６ 高さ調整台３４０＞
図３に示すように、高さ調整台３４０は、絶縁ステージ３４２の上面３４２２に固定され、その上面にはリアクタ３０２が載置されている。高さ調整台３４０により、図４に示すように、第１の誘電体バリア３１０の上面３１０２の高さは、第１のワーク載置台３２６の上面３２６２の高さ及び第２のワーク載置台３２８の上面３２８２の高さに合わされる。これにより、ワークキャリア３３２が平坦な姿勢を維持することができるので、ワークキャリア３３２を水平に走行させることができ、ワーク３９０を安定して水平に搬送することができる。

＜３．７ パルス電源３４４＞
（ａ）電源の形式；
パルス電源３４４は、アーク放電を発生させることなくストリーマ放電を発生させることができる電気パルスを第１の電極３０６と第２の電極３１４との間に印加するものであればどのようなものを用いてもよいが、誘導性素子に磁界の形で蓄積したエネルギーを短時間で放出する誘導エネルギー蓄積型（ＩＥＳ；Inductive Energy Storage）の電源（以下では、「ＩＥＳ電源」という）であることが望ましい。これは、ＩＥＳ電源は、容量性素子に電界の形で蓄積したエネルギーを短時間で放出する静電エネルギー蓄積型（ＣＥＳ；Capacitive Energy Storage）の電源（以下では、「ＣＥＳ電源」という）と比較して、著しく大きいエネルギーをリアクタ３０２に投入することができるからである。典型的には、電極構造が同じならば、ＩＥＳ電源を採用した場合、プラズマを生成する反応に使われる１パルスあたりのエネルギー（以下では、「１パルスエネルギー」という）は、ＣＥＳ電源を採用した場合よりも概ね１桁大きくなる。ＩＥＳ電源とＣＥＳ電源とのこの相違は、ＩＥＳ電源が発生する電気パルスは電圧の上昇が急激であるのに対して、ＣＥＳ電源が発生する電気パルスは電圧の上昇が緩慢であることにより生じる。すなわち、ＩＥＳ電源を採用した場合、電圧が十分に上昇してから放電が始まり、１パルスエネルギーを十分に大きくすることができるのに対して、ＣＥＳ電源を採用した場合、電圧が十分に上昇しないうちに放電が始まり、１パルスエネルギーを十分に大きくすることができないことにより生じる。

図８〜図１０は、ＩＥＳ電源が発生するパルス幅がナノ秒のオーダーの電気パルス（以下では、「ナノパルス」という）とＣＥＳ電源が発生するパルス幅がマイクロ秒のオーダーの電気パルス（以下では「マイクロパルス」という）の概略の波形を示す図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、それぞれ、ＩＥＳ電源が発生するナノパルス及びＣＥＳ電源が発生するマイクロパルスの電圧波形、図９（ａ）及び図９（ｂ）は、それぞれ、ＩＥＳ電源が発生するナノパルス及びＣＥＳ電源が発生するマイクロパルスの電流波形、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、それぞれ、ＩＥＳ電源が発生するナノパルス及びＣＥＳ電源が発生するマイクロパルスの電圧と電流との積の波形を示す図である。

１パルスエネルギーは、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示す電圧と電流との積を時間で積分することにより算出される。図８及び図９に示すように、電流は、電圧の上昇とほぼ同期して正方向に流れ、電圧の下降とほぼ同期して負方向に流れるので、１パルスエネルギーは、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）における波形が正になる領域Ａの面積から波形が負になる領域Ｂの面積を減じた面積に比例する。

（ｂ）スイッチング素子；
ＩＥＳ電源としては、静電誘導型サイリスタ（以下では、「ＳＩサイリスタ」という）を誘導性素子への電流の供給を制御するスイッチング素子として用いた電源を採用することが望ましい。ＳＩサイリスタをスイッチング素子として用いることにより、立ち上がりの速い電気パルスを発生することができるので、上述のストリーマ放電を容易に発生させることができるからである。ＳＩサイリスタをスイッチング素子として用いることにより立ち上がりの速い電気パルスを発生することができるのは、ＳＩサイリスタは、ゲートが絶縁されておらずゲートから高速にキャリアを引き抜くことができるので、高速にターンオフすることができるからである。ＩＥＳ電源の動作原理等の詳細は、例えば、飯田克二、佐久間健：「ＳＩサイリスタによる極短パルス発生回路（ＩＥＳ回路）」、ＳＩデバイスシンポジウム講演論文集、Ｖｏｌ．１５，Ｐａｇｅ．４０−４５（２００２年６月１４日発行）に記載されている。

（ｃ）ＳＩサイリスタ３５８をスイッチング素子として用いたＩＥＳ電源３５０の回路図；
図１１は、パルス電源３４４に好適に用いることができるＳＩサイリスタ３５８をスイッチング素子として用いたＩＥＳ電源３５０の回路図である。もちろん、図１１に示す回路図は一例にすぎず、様々に変形することができる。

図１１に示すように、ＩＥＳ電源３５０は、電気エネルギーを供給する直流電源３５２と直流電源３５２の放電能力を強化するキャパシタ３５４とを備える。

直流電源３５２の電圧は、ＩＥＳ電源３５０が発生させる電気パルスのピーク電圧より著しく低い電圧であることが許容される。例えば、後述する昇圧トランス３５６の１次側に発生させる１次側電圧Ｖ1のピーク電圧が４ｋＶに達しても、直流電源３５２の電圧は数１０〜数１００Ｖで足りる。この電圧の下限は後述するＳＩサイリスタ３５８のラッチング電圧によって決まる。ＩＥＳ電源３５０は、このような低電圧の直流電源３５２を電気エネルギー源として利用可能であるので、小型・低コストに構築可能である。

キャパシタ３５４は、直流電源３５２と並列に接続される。キャパシタ３５４は、直流電源３５２のインピーダンスを見かけ上低下させることにより直流電源３５２の放電能力を強化する。

ＩＥＳ電源３５０は、さらに、昇圧トランス３５６、ＳＩサイリスタ３５８、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)３６０、ゲート駆動回路３６２及びダイオード３６４を備える。

ＩＥＳ電源３５０では、直流電源３５２と、昇圧トランス３５６の１次側と、ＳＩサイリスタ３５８のアノード（Ａ）・カソード（Ｋ）間と、ＭＯＳＦＥＴ３６０のドレイン（Ｄ）・ソース（Ｓ）間とが直列接続される。すなわち、昇圧トランス３５６の１次側の一端が直流電源３５２の正極に、昇圧トランス３５６の１次側の他端がＳＩサイリスタ３５８のアノードに、ＳＩサイリスタ３５８のカソード（Ｋ）がＭＯＳＦＥＴ３６０のドレイン（Ｄ）に、ＭＯＳＦＥＴ３６０のソース（Ｓ）が直流電源３５２の負極に接続される。これにより、直流電源３５２からこれらの回路素子に電流を供給可能になる。また、ＩＥＳ電源３５０では、ＳＩサイリスタ３５８のゲート（Ｇ）がダイオード３６４を介して昇圧トランス３５６の１次側の一端と並列接続される。すなわち、ＳＩサイリスタ３５８のゲート（Ｇ）がダイオード３６４のアノード（Ａ）に、ダイオード３６４のカソード（Ｋ）が昇圧トランス３５６の１次側の一端（直流電源３５２の正極）に接続される。ＦＥＴのゲート（Ｇ）・ソース（Ｓ）間には、ゲート駆動回路３６２が接続される。

昇圧トランス３５６は、１次側に与えられた電気パルスをさらに昇圧して２次側に出力する。昇圧トランス３５６の２次側にはパルス伝送線路３４６を経由してリアクタ３０２が接続される。昇圧トランス３５６の１次側は自己インダクタンスを有する誘導性素子になっている。

ＳＩサイリスタ３５８は、ゲート（Ｇ）に与えられる信号に応答してターンオン及びターンオフが可能である。

ＭＯＳＦＥＴ３６０は、ゲート駆動回路３６２から与えられる信号に応答してドレイン（Ｄ）・ソース（Ｓ）間の導通状態が変化するスイッチング素子である。ＭＯＳＦＥＴ３６０のオン電圧ないしはオン抵抗は低いことが望ましい。また、ＭＯＳＦＥＴ３６０の耐圧は直流電源３５２の電圧より高いことを要する。

ダイオード３６４は、ＳＩサイリスタ３５８のゲート（Ｇ）に正バイアスを与えた場合に流れる電流を阻止するため、すなわち、ＳＩサイリスタ３５８のゲート（Ｇ）に正バイアスを与えた場合にＳＩサイリスタ３５８が電流駆動とならないようにするために設けられる。

（ｄ）ＳＩサイリスタ３５８をスイッチング素子として用いたＩＥＳ電源３５０の動作の概略；
ＩＥＳ電源３５０に電気パルスを発生させる場合、まず、ゲート駆動回路３６２からＭＯＳＦＥＴ３６０のゲートにオン信号を与え、ＭＯＳＦＥＴ３６０のドレイン（Ｄ）・ソース（Ｓ）間を導通状態にする。すると、ＳＩサイリスタ３５８はノーマリオン型のスイッチング素子であってＳＩサイリスタ３５８のアノード（Ａ）・カソード（Ｋ）間は導通状態となっているので、昇圧トランス３５６の１次側に電流が流れる。この状態においては、ＳＩサイリスタ３５８のゲート（Ｇ）に正バイアスが与えられるので、ＳＩサイリスタ３５８のアノード（Ａ）・カソード（Ｋ）間の導通状態は維持される。

続いて、ゲート駆動回路３６２からＭＯＳＦＥＴ３６０へオン信号を与えることを中止し、ＭＯＳＦＥＴ３６０のドレイン（Ｄ）・ソース（Ｓ）間を非導通状態にする。すると、ＳＩサイリスタ３５８のゲート（Ｇ）からキャリアが電流駆動により高速に排出されＳＩサイリスタ３５８のアノード（Ａ）・カソード（Ｋ）間が非導通状態となるので、昇圧トランス３５６の１次側への電流の流入が高速に停止される。これにより、昇圧トランス３５６の１次側には誘導起電力が発生し、昇圧トランス３５６の２次側にも高圧が発生する。

＜３．８ 被処理物＞
表面処理装置３００が処理するワーク３９０は、主に、半導体基板・ガラス基板等の板形状物である。ただし、表面処理装置３００は、ポリエチレンシート・ポリプロピレンシート等の長尺のシート形状物の表面処理を行うこともできる。この場合、ワークキャリア３３２に代えて被処理物たるシート形状物を走行させ、シート形状物に間隙３０２２を通過させればよい。

＜４ その他＞
この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は全ての局面において例示であって、この発明は上記の説明に限定されない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得る。

なお、本願は、電気パルスを供給するパルス供給装置であって、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のパルス伝送線路と、前記第１のポートに接続されたパルス電源と、を備え、前記パルス電源がフローティング電源であるパルス供給装置の発明も含む。

１０２，２０２，３４６ パルス伝送線路
１０４，２０４ 入力ポート
１１４，３１４ 出力ポート
１１６，１２２，２１６，３１６ 同軸ケーブル
１１８，１２４，２１８，２２４ 内部導体
１２０，１２６，２２０，２２６ 外部導体
１２８，１３０，２２８，２３０ 接地線
１３２，１３４，２３２，２３４ 抵抗器
１３６ コモンモードリアクトル
１７２，２７２，３４４ パルス電源
１８２，２８２ 負荷
３００ 表面処理装置
３０２ リアクタ

Claims (6)

1. 第１の端子及び第２の端子を備える第１のポートから第３の端子及び第４の端子を備える第２のポートへ電気パルスを伝送するパルス伝送線路であって、
   第１の内部導体と第１の外部導体とを備え、前記第１の内部導体の一端が前記第１の端子に接続され、前記第１の内部導体の一端と同じ側にある前記第１の外部導体の一端が開放され、前記第１の内部導体の他端が前記第３の端子に接続され、前記第１の外部導体の他端がグランドに接続された第１の同軸線路と、
   第２の内部導体と第２の外部導体とを備え、前記第２の内部導体の一端が前記第２の端子に接続され、前記第２の内部導体の一端と同じ側にある前記第２の外部導体の一端が開放され、前記第２の内部導体の他端が前記第４の端子に接続され、前記第２の外部導体の他端がグランドに接続された第２の同軸線路と、
   を備えるパルス伝送線路。
2. 請求項１に記載のパルス伝送線路において、
   第１の巻線と第２の巻線とを備え、前記第１の巻線が前記第１の内部導体の他端と前記第３の端子との間に挿入され、前記第２の巻線が前記第２の内部導体の他端と前記第４の端子との間に挿入されたコモンモードリアクトル、
   をさらに備えるパルス伝送線路。
3. 請求項１又は請求項２に記載のパルス伝送線路において、
   前記第１の外部導体の他端とグランドとを結ぶ接地経路に挿入された第１の抵抗器、
   をさらに備えるパルス伝送線路。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のパルス伝送線路において、
   前記第２の外部導体の他端とグランドとを結ぶ接地経路に挿入された第２の抵抗器、
   をさらに備えるパルス伝送線路。
5. 電気パルスを供給するパルス供給装置であって、
   請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のパルス伝送線路と、
   前記第１のポートに接続されたパルス電源と、
   を備えるパルス供給装置。
6. プラズマ処理装置であって、
   請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のパルス伝送線路と、
   前記第１のポートに接続されたパルス電源と、
   前記第２のポートに接続されたリアクタと、
   を備えるプラズマ処理装置。

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