JP2012049139A - プラズマ点火装置、プラズマ点火方法、およびプラズマ発生装置 - Google Patents
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Abstract
り再点火したりすることが可能なプラズマ点火技術を提供する。
【解決手段】所定の高周波信号HSを発生しプラズマ発生させるための負荷電極114に
供給する高周波電源装置101、高周波電源装置側と負荷電極側とのインピーダンスを整
合させる整合装置105、高周波信号HSの進行波および反射波を検出する進行波・反射
波検出装置102、所定の高電圧HVを発生する高電圧発生装置103、反射波の進行波
に対する比率が第1のしきい値より大きい場合に高電圧HVを高周波信号HSに重畳する
制御装置100を備える。
【選択図】図1
Description
は、プラズマによってボンディング対象となる半導体回路の表面を清浄している。
ルゴンガスが導入されるガラスチューブの軸芯にワイヤが配置され、ガラスチューブの先
端部分に高周波コイルと点火用コイルとが巻回された装置が開示されている(特許文献1
)。当該装置では、アルゴンガスをガラスチューブに導入しプラズマガスの流れが安定し
た後、高周波電源から高周波コイルに高周波電力を供給し、次いで点火用コイルに高電圧
を印加することで放電が発生し、プラズマが発生するようになっている。
イグナイタから高電圧を印加し、プラズマ点火用コイルとワイヤとの間で放電を誘起させ
プラズマを点火するプラズマ点火機構が開示されている(特許文献2、図3)。
チ内管の周囲を混合ガスが流通するプラズマトーチ外管で囲み、外部に設けられたイグナ
イタにより放電を開始させるマイクロプラズマ反応装置が開示されている(特許文献3、
図1〜6)。
ラズマチャンバの電極間に高周波電力を供給する高周波プラズマ用電源が開示されている
(特許文献4)。当該装置によれば、電源出力インピーダンスとプラズマチャンバのイン
ピーダンスとが整合するまでの期間において電力増幅器のFETに供給する電圧値を低く
設定して、反射波によるFETの破損を防止していた。
とプラズマが不安定になったり消滅したりする。プラズマが不安定であったり消滅したり
した場合には、半導体回路等の製品の多くに欠陥が生じる。またそのような欠陥により、
欠陥箇所とは異なる箇所が発熱する等の不都合が生じる場合もある。プラズマが消滅した
ことに気付くまでに時間がかかると、多くの製品に欠陥が生じることになってしまう。こ
のため、上記特許文献に記載されたプラズマ発生装置では、プラズマが消滅していないか
監視する必要があった。またプラズマが消滅した場合には手動により再点火しなければな
らなかった。さらにプラズマの点火作業は、高周波電力の印加作業と並行してタイミング
を見計らって実施する必要があったため、点火作業にある程度の熟練を要するものであっ
た。
かつ確実にプラズマを点火したり再点火したりすることが可能なプラズマ点火技術を提供
することを目的の一つとする。
電極に所定の高周波信号を供給する高周波電源装置と、前記高周波電源装置側と前記負荷
電極側とのインピーダンスを整合させる整合装置と、前記高周波信号の進行波および反射
波を検出する進行波・反射波検出装置と、所定の高電圧を発生する高電圧発生装置と、前
記反射波の前記進行波に対する比率が第1のしきい値より大きい場合に前記高電圧を前記
高周波信号に重畳する制御装置と、を備えたことを特徴とする。
応じた負荷電極側のインピーダンスが定まる。このときプラズマが適正に生じていないと
整合装置側の出力インピーダンスと負荷電極側のインピーダンスとの不整合を生じるため
、高周波信号の進行波に対する反射波の比率が大きくなる。この反射波の進行波に対する
比率がある程度大きいと、点火前の状態、または、一旦点火していたプラズマが何らかの
事情で消滅した状態であると推定可能である。そこで、プラズマの消滅状態を推定するた
めに予め定めた第1のしきい値よりもこの比率が大きい場合には、プラズマが点火されて
いないと判定され、高電圧を高周波信号に重畳される。この高電圧により負荷電極に放電
が発生し、プラズマが点火または再点火される。
幅値の比として把握される、例えば、定在波比(SWR(Standing Wave Ratio)値)で
ある。
を実行するので、監視することなく、かつ、人手を介することなく、容易にかつ確実にプ
ラズマを点火したり再点火したりすることが可能である。
テップには同一又は類似の符号で表している。ただし、図面に示すブロック図、波形図、
およびフローチャートは例示である。よって、具体的なブロック、発生波形、処理フロー
は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。
本発明の実施形態1は、反射波の進行波に対する比率が所定のしきい値より大きい場合
に高電圧を高周波信号に重畳し、また、高電圧を高周波信号に重畳した後に反射波の進行
波に対する比率が上記しきい値以下になった場合に高電圧の重畳を停止する、自動点火可
能なプラズマ点火装置の基本形に関する。
。プラズマ発生装置1は、半導体回路の製造に用いる場合には、洗浄対象である半導体回
路(ボンディング対象)の洗浄面に対向して配置され、プラズマを発生させて半導体回路
の洗浄面を洗浄するために用いる。
、ガスチャンバ110、リアクタンス補正コイル111、セラミックスチューブ112、
負荷電極114、接地電極116、プラズマガス供給口118を備えて構成される。
ガス充填室である。プラズマガスとしては、不活性ガスが好ましい。H2、O2、N2、
またはこれらと不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい。不活性ガスとしては、アルゴン
(Ar)、ヘリウム(He)、キセノン(Xe)、ネオン(Ne)が利用可能であり、ア
ルゴン(Ar)、ヘリウム(He)が最もよく利用される。ガスチャンバ110には、プ
ラズマガス供給口118から図示しないコンプレッサによりプラズマガスが供給され、所
定の気圧、例えば大気圧から3気圧程度までに加圧される。なお、プラズマガスは、ガス
ボンベ、圧力計、流量計、配管等を備える任意のガス供給系統を通じてプラズマガス供給
口118に供給されるようになっている。
体材料であるセラミックスで構成された構造物であり、プラズマ発生に適した所定の径に
成形されている。セラミックスの他、石英ガラス等も利用可能である。セラミックスチュ
ーブ112には、軸芯に接地電極116が延設されている。セラミックスチューブ112
はガスチャンバ110に連通しており、ガスチャンバ110内部の加圧されたプラズマガ
スが接地電極116の周囲を高速に流通するように構成されている。セラミックスチュー
ブ112の開口(図1における左側端面)に対向させてプラズマ照射すべき面(半導体回
路の被洗浄面等)が配置される。なお、セラミックスチューブ112を複数本束ねて広範
な範囲を加工可能に構成してもよい(詳しくは変形例として後に説明する)。
4の対極である。接地電極116は、セラミックチューブ112の軸芯に沿って延在して
いる。接地電極116の先端部は、負荷電極114の覆う範囲に位置していても、負荷電
極114の覆う範囲を超えてセラミックチューブ112の先端付近まで延在していてもよ
い。接地電極116は、周囲の発生するプラズマの高温に耐えられるような高融点を有す
る金属、例えばプラチナやタングステン等のワイヤにより構成されている。接地電極11
6は、ガスチャンバ110を経て外部で接地されている。
116と対となる電極である。負荷電極114は、セラミックスチューブ112の外側か
ら囲むようにして前記接地電極の一部と対向しており、本実施形態では、断面管形状(円
環状)の電極である。負荷電極114は、耐酸化性のある金属、例えばステンレスまたは
メッキ等により耐酸化性を付与された金属で形成されている。負荷電極114と接地電極
116との距離は、印加する高周波信号の電力と発生させたいプラズマ密度との関係に基
づき設定されている。負荷電極114は、断面円環状に形成する他、セラミックスチュー
ブ112に巻回等したコイル状に形成されていてもよい。
接続されたコイル素子である。リアクタンス補正コイル111は、負荷電極114と接地
電位との間に存在する容量成分によって生ずるリアクタンス(インピーダンス)の影響を
抑制し、後述する電圧定在波比VSWRを改善(すなわちVSWRを1に近づける)する
ように機能する。
出装置102、高電圧発生装置103、重畳コイル104を備えて構成される。なお、高
周波電源装置101と高電圧発生装置104とも、一つの装置にまとめて構成されていて
もよい。
置される。ここで、整合装置105と進行波・反射波検出装置102とは、一つの装置に
まとめてプラズマ点火装置10の内部に配置されていてもよい。
Sを供給するRF電源である。高周波信号HSは、プラズマの発生に適した周波数および
出力を有する信号である。プラズマ発生に適した高周波信号HSの周波数は、10KHz
程度から1GHz程度までであり、適した電力は0.1W程度〜100W程度である。本
実施形態では、周波数450MHzで出力30Wの高周波信号とする。高周波電源装置1
01は、高周波電力トランジスタと高周波トランスとを組み合わせた出力段を有する発振
回路等で構成されている。制御装置100からの制御信号SHSに対応して、高周波電源
装置101は高周波信号HSの生成を開始し、また、停止する。
れており、高周波電源装置101側と負荷電極114側とのインピーダンスを整合させる
よう機能する。整合装置105は、コイルおよび可変コンデンサ等で構成されたフィルタ
回路構造を有しており、プラズマが安定的に生成された状態での負荷インピーダンスが高
周波電源装置101の出力側から見て、特性インピーダンスZ0(例えば50Ω)になる
ように設計されている。しかし、プラズマガスの負荷インピーダンスZは、プラズマガス
がプラズマを発生する過程で急激に変化する。またプラズマガスの種類、流量、圧力、温
度等によっても負荷インピーダンスZは急激に変化する。負荷インピーダンスZが高周波
電源装置101の特性インピーダンスZ0と整合しないと、供給された高周波電力の一部
が反射波として帰還し、電力効率が低下したり高周波電源装置101の出力段の素子に損
傷を与えたりすることがある。整合装置105は、インピーダンス整合機能により高周波
電源装置101側と負荷電極114側とのインピーダンスマッチングを行い、反射波の発
生を些少に抑制するようになっている。
電極114から反射された反射波とを検出するように構成されている装置である。具体的
に、検出される物理量としては、進行波および反射波の電力値または振幅(電圧)値であ
るが、以下話を簡単にするため、振幅値(電圧値)を用いる。すなわち、進行波・反射波
検出装置102は、高周波信号HSの進行波の振幅値Vfと反射波の振幅値Vrとをそれ
ぞれ検出可能に構成されている。
が接続されている場合、負荷側の電圧定在波比(VSWR: Voltage Standing Wave Ratio
)
は、進行波振幅値Vfと反射波振幅値Vrとを用いて、式(1)および式(2)で表され
る。
ダンスZ0と負荷インピーダンスZとが一致すると、Z0=Zであり、電圧定在波比VS
WR=1となる。整合装置105は、電圧反射係数Γが極力ゼロに近づくように内部のイ
ンピーダンスを変更制御する。
の検出が必須となるため、整合装置105と進行波・反射波検出装置102とは一つの装
置で構成できる。ただし、整合装置105は、プラズマ点火装置10から負荷電極114
までの伝送経路におけるインピーダンスを整合させる装置であることから、プラズマ点火
装置10の出力端とガスチャンバ110との間に配置することが必要である。
圧HVを生成する電圧発生回路である。高電圧HVの振幅値は、負荷となるプラズマガス
にプラズマを励起するに十分な放電を与えるような電圧値とする。例えば、高電圧発生装
置103は、0.8kVから2kV程度の高電圧HVを生成する。現実の回路としては、
電源電圧に対して相当に高い電圧を発生させるため、高電圧発生装置103はスイッチン
グ素子を用いており、そのため高電圧HVは、所定のスイッチング周波数(例えば1kH
z)を有するパルス信号として生成される。このパルス信号はコンデンサで平滑化した直
流電圧として出力してもよい。
圧HVに対しては、十分低いインピーダンスとなるようなリアクタンスを備えている。こ
のため、重畳コイル104は、高周波信号HSと高電圧HVとの加算器として機能する。
スZ0の伝送経路である。同軸ケーブル106は、整合装置105およびガスチャンバ1
10のそれぞれにコネクタで接続されており、同軸ケーブル106の被覆は、整合装置1
05またはガスチャンバ110の少なくとも一方で接地されている。
ュータとして動作可能に構成されている。制御装置100は、内部または外部の記憶媒体
に格納された所定のプラズマ点火方法を実行させるプログラムを実行することにより、本
発明のプラズマ点火方法に係る各機能を実行可能に構成されている。具体的に、制御装置
100は、制御信号SHSを送信して、高周波電源装置101に高周波信号HSの発生開
始および停止を指示する。また、制御信号SHVを送信して、高電圧発生装置103に高
電圧HVの発生開始および停止を指示するように機能する。また制御装置100は、進行
波・反射波検出装置102から進行波振幅値Vfおよび反射波振幅値Vrを入力し、上記
式(1)および(2)に基づき電圧定在波比VSWR(以下「VSWR値」とも称する。
)を算出可能になっている。制御装置100は、図示しないプラズマガス供給系に対する
指示、例えば、プラズマガスの供給および供給停止の制御を実行可能に構成してもよい。
なお、制御装置100は、VSWR値の代わりに、上記式(2)に基づき算出された電圧
反射係数Γを利用たり、反射波振幅値Vrを利用したりしてもよい。
周波信号HSの供給電力はプラズマの状態に応じて変更可能に構成することが好ましい。
ただし、高周波信号HSの電力が変更されると、反射波振幅値Vrも連動して変動する。
このため、振幅値変動の影響を受けないように、反射波の進行波に対する比率、例えば、
VSWR値等の定在波比を用いることが好ましい。
されて流通可能なものである。このような記憶媒体Mとしては、各種ROM、フラッシュ
メモリを備えたUSBメモリ、USBメモリ、SDメモリ、メモリスティック、メモリカ
ードや、FD、CD−ROM、DVD−ROM等の物理的な記憶媒体の他、プログラムを
伝送可能なインターネット等の伝送媒体をも含むものとする。典型的には、プログラムは
制御装置100のROMに予め記憶されている。その他の着脱自在な記憶媒体Mに記憶さ
れている場合には、制御装置100は図示しない記憶媒体読取装置を備え、図1に示すよ
うに、外部の記憶媒体Mに記憶されているプログラムを読み取って実行するよう構成され
ている。
WR値)が所定のしきい値Vthより大きい場合に所定の高電圧HVを高周波信号HSに
重畳するように機能する。すなわち、VSWR値がある程度検出されたと判断したら、制
御装置100は高電圧HVを発生させ、高電圧HVを高周波信号HSに重畳させるよう動
作する。また、制御装置100は、高電圧HVを高周波信号HSに重畳した後に反射波の
進行波に対する比率(VSWR値)が所定のしきい値以下になった場合に高電圧HVの重
畳を停止するように機能する。高電圧HVを重畳する条件を判定するしきい値と高電圧H
Vの重畳を停止する条件を判定するしきい値とは異なる値としてもよいが、本実施形態1
では、双方のしきい値が同じ値であるものとする。双方のしきい値が異なる値の場合は実
施形態2において後述する。
前から安定したプラズマが発生するまでの過渡期に急激に変化する。整合装置105は、
インピーダンス整合動作に数秒の時間を要するため、負荷インピーダンスが継続的に変動
する過渡期ではインピーダンスを整合させることができない。この期間、インピーダンス
が不整合であるために反射波が多く発生し、一定以上のVSWR値となる。本実施形態1
のプラズマ点火装置には、プラズマが不安定な時期のVSWR値と安定した時期のVSW
R値とを識別可能な値にしきい値Vthが設定してある。このため、検出されるVSWR
値としきい値Vthとを比較することにより、制御装置100は、プラズマが安定して発
生しているか否かを判定することができるのである。すなわち、プラズマが有効に発生し
ているか消滅したか(不安定か)を容易に識別可能なのである。
次に、図2のフローチャートおよび図3の波形図を参照しながら、本実施形態1におけ
るプラズマ点火方法についての処理を説明する。図2のフローチャートは、定期的にまた
は必要に応じて不定期に、繰り返し実行されるプログラム処理である。
制御装置100の制御により、または、管理者の操作により、プラズマガスがプラズマガ
ス供給口118からガスチャンバ110に供給される。プラズマガスが供給されると、ガ
スチャンバ110に充填されたプラズマガスが所定の圧力でセラミックスチューブ112
を流れるようになる。プラズマガスの流れが安定したら、制御装置100に対し、プラズ
マ点火指示が出力される。プラズマガスの点火は、管理者により指示されるものとしたが
、プラズマガスの点火タイミングを見計らって制御装置100が自ら決定するように構成
してもよい。
判定する。プラズマ待機状態であるか否かは、制御装置100のメモリに記憶されたフラ
グや各種スイッチの操作状態を検出することで判定可能である。プラズマ待機状態ではな
い場合には(NO)、当該処理ループから復帰する。プラズマ待機状態であったら(YE
S)、ステップS11に移行する。ステップS11において、制御装置100は、高周波
電源装置101に制御信号SHSを送信して高周波信号HSの供給を指示する。この制御
信号SHSに対応して、高周波電源装置101は、周波数450MHzで出力30Wの高
周波信号HSを伝送経路に出力する。高周波信号HSが供給されると、負荷電極114と
接地電極116との間に高周波電磁波が誘起される。
装置103が進行波振幅値Vfおよび負荷電極114から反射される反射波振幅値Vrを
検出し、制御装置100がVSWR値を算出する。負荷電極114側の負荷インピーダン
スは、適正なプラズマが発生している状態で高周波電源装置101の特性インピーダンス
と同じ値になるようになっている。プラズマ発生前のこの段階では負荷電極114側の負
荷インピーダンスは特性インピーダンスZ0と大幅に異なっている。このため、進行波・
反射波検出装置102で検出される反射波振幅値Vrは大きな値となる。そのため制御装
置100で算出されるVSWR値も相対的に大きな値となる。
している。時刻t0に制御装置100が高周波信号をON状態に変化させ、伝送経路に高
周波信号HSが印加される。高周波信号HSは所定の振幅を有する交流信号となっている
。当初は負荷インピーダンスが特性インピーダンスZ0にマッチングしていないので、V
SWR値がしきい値Vthを大きく超えている。
プラズマの発生を識別するためのしきい値Vthより大きいか否かを判定する。判定の結
果、VSWR値がしきい値Vthより大きいと判定された場合には(YES)、ステップ
S14に移行し、制御装置100は、高電圧発生装置103に制御信号SHVを送信して
高電圧HVの発生開始を指示する。この制御信号SHVに対応して、高電圧発生装置10
3は、高電圧HVを発生させる。発生した高電圧HVは重畳コイル104を介して伝送経
路に供給され、高周波信号HSに重畳される。高周波信号HSに高電圧HVが重畳される
と、負荷電極114と接地電極116との間にも高電圧HVが印加され、セラミックスチ
ューブ112内に放電が発生する。放電が発生すると、接地電極116で発生する電子が
種火となってプラズマが発生する。プラズマが発生すると、負荷電極114に印加されて
いる高周波信号HSによりプラズマが維持される。安定的にプラズマが発生すると、セラ
ミックスチューブ112の先端からプラズマジェットが噴出し、必要な半導体回路等の処
理に供することが可能となる。プラズマが発生すると、負荷電極114側の負荷インピー
ダンスは特性インピーダンスZ0に向けて収束していく。
O)、ステップS15に移行し、制御装置100は、高電圧発生装置103に制御信号S
HVを送信して高電圧HVの供給停止を指示する。この制御信号SHVに対応して、高電
圧発生装置103は、高電圧HVの供給を停止する。伝送経路には、高周波信号HSのみ
が供給されるようになる。この段階では、プラズマが安定的に発生しているので、高電圧
HVの重畳が存在しなくなってもプラズマが消失することはなくなっている。
いる。時刻t1に制御装置100が高電圧HVをON状態に変化させ、高周波信号HSに
高電圧HVが重畳される。高電圧HVの重畳により、高周波信号HSは高電圧HVを中心
に高周波信号HSの振幅で増減する交流信号となる。高電圧HVが印加されると種火とな
るプラズマが発生する。時刻t2において、プラズマが発生する。これに伴い、負荷電極
114側の負荷インピーダンスは、特性インピーダンスZ0に向けて急速に収束していく
。負荷インピーダンスの収束に伴って、負荷電極114から反射される反射波の進行波に
対する比率、すなわちVSWR値も小さくなっていく。時刻t3において、VSWR値が
しきい値Vr以下となった時に、制御装置100は高電圧HVをOFF状態に変化させる
。高電圧HVの重畳が停止され、高周波信号HSはゼロボルトを中心に振動する交流信号
となる。VSWR値はプラズマの安定時の値Vrminに収束する。
ったが、プラズマ処理の中途にプラズマが消失した場合にプラズマに再点火するときにも
適用される。なお、上記図2のフローチャートに基づく処理において、高電圧HVの供給
が開始(ステップS14)した後は、定期的にVSWR値の算出(ステップS12)およ
びVSWR値の判定(ステップS13)が繰り返される。このVSWR値の算出および判
定はプラズマの消滅が悪影響を与えない程度の時間をおいて繰り返せばよいため、ステッ
プS14からステップS12に戻る過程で一定時間を待つように処理してもよい。この待
ち時間は、プラズマ発生装置1の状態に応じて適宜変更するよう構成してもよい。
態が不安定になり、時刻t5においてプラズマが消失したものとする。上記図2に示すプ
ログラム処理は、プラズマ状態の如何に関わらず、定期的にまたは不定期に実行される。
そのため所定の時刻、図3では時刻t6にVSWR値がしきい値Vthより大きいことが
判定され(S13:YES)、高周波信号HSに高電圧HVが重畳される(S14)。高
電圧HVの重畳により、時刻t7においてプラズマの種火が発生し、プラズマが発生する
。プラズマが発生すると反射波が減少していく。そして、時刻t8において、VSWR値
がしきい値Vth以下となると判定され(S13:NO)、高電圧HVの重畳が停止する
(S15)。プラズマが中途に消失したとしても、本実施形態のプラズマ点火装置は自動
的に再点火処理を行うのである。
値Vthより大きいか否かに基づいて、プラズマの発生の有無が判定される。このVSW
R値がしきい値Vthより大きい場合には、プラズマを点火する前の状態であるか、また
は、一旦点火したプラズマが何らかの事情で消滅した状態であると判定し、高周波信号H
Sに高電圧HVを重畳する。従って、プラズマの点火状態を人間が監視することなく、か
つ、人手を介することなく、容易にかつ確実にプラズマを点火したり再点火したりするこ
とが可能である。
本発明の実施形態2は、上記実施形態1の発展系に係り、プラズマに点火するために高
電圧の供給を開始させる場合のしきい値(第1のしきい値)と高電圧の供給を停止する場
合のしきい値(第2のしきい値)とを異ならせた実施形態に関する。
施形態1と同様であるため、その説明を省略する。但し、制御装置100のプログラム処
理が図4のフローチャートに対応している点で実施形態1と異なる。
大きい場合に高電圧HVを高周波信号HSに重畳し、高電圧HVを高周波信号HSに重畳
した後にVSWR値が第2のしきい値Vth2以下になった場合に高電圧HVの重畳を停
止するように動作する。
電圧HVの印加を停止する場合とで、判定に用いるしきい値Vthを同じ値にしていたが
、本実施形態2では異ならせる。すなわち、本実施形態2では、プラズマが消滅状態であ
ることを判定するために第1のしきい値Vth1を用い、プラズマの消滅状態から点火状
態に変わったことを判定するために第2のしきい値Vth2を用いる。第1のしきい値V
th1と第2のしきい値Vth2は、以下のような関係であることが好ましい。
るために高電圧HVを高周波信号HSに重畳すると、放電によりプラズマが点火され、プ
ラズマが発生する。ここでプラズマ発生当初は、まだガスの状態等が不安定な場合があり
、VSWR値が直ちに低下せず、しきい値Vth付近に留まることがあり得る。このよう
な場合のプラズマは弱かったり不安定な状態であったりする。そのような状態のプラズマ
に、たまたまVSWR値がしきい値Vthを超えたがために高電圧HVが印加されると、
その衝撃でプラズマが消滅してしまう場合がある。またプラズマが実際に消滅するとVS
WR値がしきい値Vthを超えて高電圧HVが印加されるため、高電圧HVによる放電と
プラズマの消滅とが繰り返される、いわゆるハンチング状態に陥る可能性もある。
きい値Vth1と、プラズマの消滅状態から点火状態に変わったことを判定するために第
2のしきい値Vth2とを異ならせる。異なるしきい値を用いた判定により、高電圧印加
処理はヒステリシスを有するようになり、動作を安定的に遷移させることが可能となる。
図を参照しながら説明する。図4のフローチャートは、定期的にまたは必要に応じて不定
期に、繰り返し実行されるプログラム処理である。上記実施形態1と同一の処理内容につ
いては同じステップ番号を付してある。
、VSWR値の算出(S12)までの処理は、上記実施形態1と同一である。
生を識別するための第1のしきい値Vth1より大きいか否かを判定する。判定の結果、
VSWR値が第1のしきい値Vth1より大きいと判定された場合には(YES)、プラ
ズマが消滅していることが確認される。そこで、ステップS14に移行し、制御装置10
0は、高電圧発生装置103に制御信号SHVを送信して高電圧HVの発生開始を指示す
る。この処理により、負荷電極114と接地電極116との間に供給される高周波信号H
Sによるプラズマが発生する。
合には(NO)、制御装置100は、ステップS13cに移行し、さらにVSWR値が第
2のしきい値Vth2以下であるか否かを判定する。その結果、VSWR値が第2のしき
い値Vth2以下であると判定された場合には(YES)、消滅していたプラズマが安定
的に点火したものと判定できる。そこでステップS15に移行し、制御装置100は、高
電圧発生装置103に制御信号SHVを送信して高電圧HVの供給停止を指示する。
(NO)、プラズマが安定的に点火したものとまでは言えない、プラズマが弱かったり不
安定であったりする状態なので、制御装置100はステップS12のVSWR値の算出に
戻り高電圧HVの重畳を継続する。
テップS14)した後に一定時間を待つように処理してもよい点は、上記実施形態1と同
様である。この待ち時間は、プラズマ発生装置1の状態に応じて適宜変更するよう構成し
てもよい。
、S14の過程に対応している。時刻t0に制御装置100が高周波信号をON状態に変
化させ、伝送経路に高周波信号HSが印加される。時刻t1に、VSWR値が第1のしき
い値Vth1より大きいと判定すると、制御装置100が高電圧HVをON状態に変化さ
せ、高周波信号HSに高電圧HVが重畳される。高電圧HVが印加されると種火となるプ
ラズマが発生する。時刻t2において、プラズマが発生する。これに伴い、負荷電極11
4側の負荷インピーダンスは、特性インピーダンスZ0に向けて急速に収束し、負荷電極
114から反射される反射波振幅値VrおよびVSWR値も小さくなっていく。時刻t3
において、VSWR値が第2のしきい値Vth2以下となった時に、制御装置100は高
電圧HVをOFF状態に変化させる。高電圧HVの重畳が停止され、VSWR値はプラズ
マの安定時の値Vrminに収束する。
ガスの供給に不具合が生じ、プラズマの状態が不安定になり、時刻t5においてプラズマ
が消失したものとする。このプラズマの消滅は、時刻t6にVSWR値が第1のしきい値
Vth1より大きいことによって判定される。
作用効果を奏する他、VSWR値が第1のしきい値Vth1より大きい場合に高電圧HV
を供給させる。またVSWR値が第1のしきい値Vth1より小さい第2のしきい値Vt
h2以下である場合に高電圧HVの供給を停止させる。このため、プラズマが消滅状態で
あること、および、プラズマが点火状態から消滅したことを確実に検出し、安定したプラ
ズマの点火制御が可能となる。
本発明の実施形態3は、上記実施形態1の発展系に係り、高電圧を高周波信号に重畳し
た時から第1の時間経過してもVSWR値が所定のしきい値Vthより大きい場合には、
所定の警報信号を出力し、かつ、高電圧の重畳を停止する態様に関する。プラズマが長時
間点火されない場合に異常状態であると判定をする実施形態である。
施形態1と同様であるため、その説明を省略する。但し、制御装置100のプログラム処
理が図6のフローチャートに対応している点で実施形態1と異なる。
から第1の時間T1経過してもVSWR値がしきい値Vthより大きい場合には、所定の
警報信号を出力し、高周波信号の供給およびプラズマガスの供給を停止し、かつ、高電圧
HVの重畳を停止するよう動作する。
高電圧HVを重畳し続けていた。しかし、高周波電源装置101または高電圧発生装置1
03の故障により、いつまで経ってもプラズマが発生しない場合がある。また、プラズマ
供給系に生じた欠陥により、プラズマガスの流量や圧力に変動を生じた場合にもプラズマ
が生じない。そこで、本実施形態3では、一定時間経過してもプラズマの安定的な発生を
検出できない場合は、異常状態にあるものと判定することとする。
図を参照しながら説明する。図6のフローチャートは、定期的にまたは必要に応じて不定
期に、繰り返し実行されるプログラム処理である。上記実施形態1と同一の処理内容につ
いては同じステップ番号を付してある。
、VSWR値の算出(S12)、VSWR値としきい値Vthとの比較(S13)、VS
WR値がしきい値Vthより大きい場合の高電圧重畳(S14)、VSWR値がしきい値
Vth以下である場合の高電圧重畳の停止(S15)の各処理は、上記実施形態1と同一
である。
行される。ステップS16において、制御装置100は、高電圧HVの重畳を開始した時
からの経過時間Tが異常判定のためのしきい値時間である第1の時間T1より大きいか否
かを判定する。第1の時間T1は、正常なプラズマガスの供給状態であれば、高電圧重畳
後に確実にプラズマが発生すると期待される時間長に設定する。判定の結果、高電圧HV
の重畳を開始した時からの経過時間が第1の時間T1を経過していると判定された場合(
YES)、異常状態であると判定することが可能である。そこでステップS17に移行し
、制御装置100は異常判定のための処理、例えば警報信号を出力する。次いでステップ
S18に移行し、制御装置100は、高周波信号HSの供給およびプラズマガスの供給を
停止させる。そしてステップS15に移行し、高電圧HVの重畳を停止させる。ここで、
警報信号の出力としては、表示装置への表示、警報ランプの点灯、警報ブザーの発音等が
考えられる。
の時間T1を経過していないと判定された場合には(NO)、通常のプラズマ点火待ちの
時間範囲内であると判定し、VSWR値の算出に戻る(S12)。
対応している。時刻t10に制御装置100が高周波信号をON状態に変化させ、伝送経
路に高周波信号HSが印加される。時刻t11に、VSWR値がしきい値Vthより大き
いと判定すると、制御装置100が高電圧HVをON状態に変化させ、高周波信号HSに
高電圧HVが重畳される。
マが発生せず、または、種火となるプラズマが発生してもプラズマが安定的に生じない。
このような状態では、負荷インピーダンスが収束せず、VSWR値は、プラズマの安定的
発生を検出するしきい値Vthを上回ったまま時間が経過する。この状態のまま、高電圧
HVを印加した時刻t11から第1の時間T1が経過した時刻t12となると、制御装置
100は異常状態が発生しているものと判定する。そして高周波信号および高電圧重畳を
OFF状態とし、警報信号を出力するのである。
作用効果を奏する他、高電圧HVの重畳後に第1の時間T1が経過してもVSWR値がし
きい値Vthより大きい場合には異常状態であると判定して警報信号を出力する。よって
、プラズマ生成装置1に発生した不具合を確実に検出し、管理者に保守の必要性を報知す
ることが可能である。
本発明の実施形態4は、上記実施形態1の発展系に係り、高電圧を高周波信号に重畳し
た時から第2の時間経過してもVSWR値が所定のしきい値Vthより大きい場合には、
高電圧の電圧値を変更する態様に関する。プラズマが一定時間で点火されない場合には印
加する高電圧を変更していく実施形態である。
施形態1と同様であるため、その説明を省略する。但し、制御装置100のプログラム処
理が図8のフローチャートに対応している点で実施形態1と異なる。
から第2の時間T2経過してもVSWR値がしきい値Vthより大きい場合には、高電圧
HVの電圧値を変更するように動作する。
なかった。しかし、プラズマガスの状態によっては、高周波信号HSに印加する高電圧H
Vの電圧値が異なることによって、放電が発生しやすくなる場合もある。そこで、本実施
形態4では、第2の時間T2経過してもプラズマが発生しない場合には、重畳する高電圧
HVの電圧値を変更するよう制御することとする。特に、本実施形態では高電圧HVの電
圧値を段階的に上昇させていくように処理する場合を例示する。
図を参照しながら説明する。図8のフローチャートは、定期的にまたは必要に応じて不定
期に、繰り返し実行されるプログラム処理である。上記実施形態1と同一の処理内容につ
いては同じステップ番号を付してある。
、VSWR値の算出(S12)、VSWR値としきい値Vthとの比較(S13)、VS
WR値がしきい値Vthより大きい場合の高電圧重畳(S14)、VSWR値がしきい値
Vth以下である場合の高電圧重畳の停止(S15)の各処理は、上記実施形態1と同一
である。
される。ステップS19において、制御装置100は、高電圧HVの重畳を開始した時か
らの経過時間Tが電圧値変更のしきい値である第2の時間T2より大きいか否かを判定す
る。第2の時間T2は、正常なプラズマガスの供給状態であれば、高電圧重畳後に確実に
プラズマが発生すると期待される時間長(実施形態3における第1の時間T1)より短く
設定する。また何段階電圧値を変更するかに応じて設定する。
ていると判定された場合(YES)、重畳する高電圧HVの電圧値を変更すべきと判断す
る。そこでステップS20に移行し、制御装置100は、高電圧発生装置103に制御信
号SHVを出力し、重畳する高電圧HVの電圧値を所定のステップ(例えばΔV)上昇さ
せる指示をする。そして、ステップS14に移行し、高電圧発生装置103は、指示され
た電圧値で高電圧HVを発生し、高周波信号HSに重畳させる。判定の結果、高電圧HV
の重畳を開始したときからの経過時間が第2の時間T2だけ経過していないと判断された
場合(NO)、VSWR値の算出に戻る(S12)。
間Tを第2の時間T2と比較するが、2回目以降は、前回高電圧HVの電圧値を変更した
時点からの経過時間Tを第2の時間T2と比較する。すなわち、第2の時間T2が経過す
る度に、経過時間の計測を行う内部タイマがリセットされる。
対応している。時刻t20に制御装置100が高周波信号をON状態に変化させ、伝送経
路に高周波信号HSが印加される。時刻t21に、VSWR値がしきい値Vthより大き
いと判定すると、制御装置100が高電圧HVをON状態に変化させ、高周波信号HSに
高電圧HV1(初期値)が重畳される。図9から明らかなように、第1の時間T1は、第
2の時間T2より長く、かつ、時刻t21からt24までの時間に等しい。
プラズマが安定的に生じないことがある。このような状態では、負荷インピーダンスが収
束せず、VSWR値はプラズマの安定的発生を検出するしきい値Vthを上回ったまま時
間が経過する。前回、高電圧HVの重畳を開始した時刻t21から第2の時間T2が経過
した時刻t22となると、高周波信号HSに重畳される高電圧HVの電圧値がステップΔ
Vだけ高いHV2に変更される。変更された高電圧HV2によってもプラズマが発生しな
い場合、VSWR値は依然としてしきい値Vthを上回ったままである。そこで、前回、
高電圧HVの電圧値を変更した時刻t22から第2の時間T2が経過した時刻t23とな
ったら、高周波信号HSに重畳される高電圧HVの電圧値がさらにステップΔVだけ高い
HV3に変更される。変更された高電圧HV3により時刻t24にプラズマが発生すれば
、VSWR値は収束し、しきい値Vth以下となる結果、高電圧HVの重畳は停止される
。
作用効果を奏する他、第2の時間T2が経過する度に重畳する高電圧HVの電圧値を変更
するので、プラズマガスの状態が変動していても確実にプラズマに点火可能である。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で適
宜変更して適用することが可能である。
いに組み合わせて適用することが可能である。図10に示すフローチャートは、実施形態
1〜4の総てを反映させた場合の応用例を示している。当該応用例によれば、実施形態1
による作用効果に加え、実施形態2〜4のそれぞれに特徴的な作用効果を総て備えるプラ
ズマ点火方法を提供可能である。
ックチューブ112を備える態様を例示していたが、複数のセラミックチューブによりプ
ラズマを発生させる装置であってもよい。
示す。上記実施形態1(図1)と同じ構成は同じ符号を付してある。
ンス補正コイル111、セラミックチューブ112、負荷電極114b、フレーム115
、接地電極116b、プラズマガス供給口118を備えて構成される。特に本変形例では
、セラミックチューブ112が複数設けられている点に特徴がある。
給するためのガス充填室であるが、複数のセラミックスチューブ112が設けられたフレ
ーム113を備える点で異なっている。フレーム113は、導電体で構成されており、セ
ラミックチューブ112を貫通保持させるための保持穴が設けられた板状体となっている
。各保持穴は、セラミックチューブ112を保持可能なように、セラミックチューブの外
径と同じ程度に形成されている。複数のセラミックチューブ112は、各々の開口が洗浄
面Sに対向するようにフレーム113に保持されている。負荷電極114bは、真鍮等の
導電体で構成されており、フレーム113に保持されたセラミックチューブ112を挿通
する挿通孔が設けられた板状体となっている。各挿通孔は、セラミックチューブ112の
外径より僅かに大きくなるように形成されている。負荷電極114bは、上記実施形態1
と同様に、リアクタンス補正コイル111を介して同軸ケーブル106に電気的に接続さ
れ、プラズマ点火装置10および整合装置105から出力された高周波信号HSが供給さ
れるようになっている。ガスチャンバ110bには、セラミックチューブ112の一部お
よび負荷電極114bを取り囲むように、シールドカバー115が設けられている。シー
ルドカバー115は、導電体で構成されており、負荷電極114bから発生する電磁波を
シールド可能に構成されている。また接地電極116bが複数、各セラミックチューブ1
12の軸芯に沿って設けられている。プラズマ点火装置10および整合装置105の構成
および動作については、上記実施形態1〜4と同様である。
ガス供給口118にプラズマガスが供給され、プラズマ点火装置10から高電圧HVを負
荷電極114bに供給すると放電によりプラズマが発生する。さらにプラズマ点火装置1
0から高周波信号HSが供給されることにより安定的にプラズマが維持される。特に、上
記変形例のプラズマ発生装置1bによれば、複数のセラミックチューブ112が洗浄面S
に向かってプラズマジェットを射出可能に構成されている。よって、広範囲に亘ってプラ
ズマジェットによる加工(洗浄)が行える。そして、このような形態のプラズマ発生装置
1bにおいても、本発明のプラズマ点火方法を適用することが可能である。
換気を実施させたい環境において適用することが可能である。
源装置、102…進行波・反射波検出装置、103…高電圧発生装置、104…重畳コイ
ル、105…整合装置、106…同軸ケーブル、110、110b…ガスチャンバ、11
1…リアクタンス補正コイル、112…セラミックチューブ、114、114b…負荷電
極、115…シールドカバー、116、116b…接地電極、118…プラズマガス供給
口、HS…高周波信号、HV…高電圧、HV1…高電圧、HV2…高電圧、HV3…高電
圧、M…記憶媒体、S…洗浄面(被加工面)、SHS…制御信号、SHV…制御信号、V
f…進行波振幅値、Vr…反射波振幅値、Z…負荷インピーダンス、Z0…特性インピー
ダンス、Γ(ガンマ)…電圧反射係数
Claims (12)
- プラズマを発生させる負荷電極に所定の高周波信号を供給する高周波電源装置と、
前記高周波電源装置側と前記負荷電極側とのインピーダンスを整合させる整合装置と、
前記高周波信号の進行波および反射波を検出する進行波・反射波検出装置と、
所定の高電圧を発生する高電圧発生装置と、
前記反射波の前記進行波に対する比率が第1のしきい値より大きい場合に前記高電圧を
前記高周波信号に重畳する制御装置と、
を備えたことを特徴とするプラズマ点火装置。 - 前記制御装置は、
前記高電圧を前記高周波信号に重畳した後に前記比率が第2のしきい値以下になった場
合に前記高電圧の重畳を停止する、
請求項1に記載のプラズマ点火装置。 - 前記制御装置は、
前記高電圧を前記高周波信号に重畳した時から第1の時間経過しても前記比率が前記第
2のしきい値より大きい場合には、所定の警報信号を出力し、かつ、前記高電圧の重畳、
前記高周波信号の供給、および前記プラズマを誘導するために供給されていたプラズマガ
スの供給を停止する、
請求項1または2に記載のプラズマ点火装置。 - 前記制御装置は、
前記高電圧を前記高周波信号に重畳した時から第2の時間経過しても前記比率が前記第
2のしきい値より大きい場合には、前記高電圧の電圧値を変更する、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置。 - 前記第1のしきい値と前記第2のしきい値とが異なっている、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置を備えるプラズマ発生装置で
あって、
前記高周波信号が供給される前記負荷電極と、
前記負荷電極との間で前記プラズマを発生させるための接地電極と、
前記負荷電極または前記設置電極の周囲にプラズマガスを誘導するセラミックチューブ
と、
前記セラミックチューブに前記プラズマガスを供給するガス供給装置と、
を備えるプラズマ発生装置。 - 前記接地電極は、前記セラミックチューブの軸芯に沿って延在しており、
前記負荷電極は、前記セラミックチューブの外側から囲むようにして前記接地電極の一
部と対向している、
請求項6に記載のプラズマ発生装置。 - 前記接地電極は、前記セラミックチューブの軸芯に沿って延在しており、
前記負荷電極は、前記セラミックチューブの外側を囲む管形状を有しており、前記接地
電極の先端部まで延在している、
請求項6に記載のプラズマ発生装置。 - 前記セラミックチューブを複数本備えており、
前記接地電極は、各前記セラミックチューブの軸芯に沿って、それぞれ延在している、
請求項6に記載のプラズマ発生装置。 - 前記プラズマ点火装置と前記負荷電極との間にインピーダンス補正コイルが設けられて
いる、
請求項6に記載のプラズマ発生装置。 - プラズマを発生させる負荷電極に所定の高周波信号を供給するステップと、
前記高周波信号供給側と前記負荷電極側とのインピーダンスを整合させるステップと、
前記高周波信号の進行波および反射波を検出するステップと、
前記反射波の前記進行波に対する比率が第1のしきい値より大きい場合に所定電圧の高
電圧を前記高周波信号に重畳するステップと、
を備えたことを特徴とするプラズマ点火方法。 - プラズマを発生させる負荷電極に所定の高周波信号を供給する高周波電源装置と、前記
高周波電源装置側と前記負荷電極側とのインピーダンスを整合させる整合装置と、前記高
周波信号の進行波および反射波を検出する進行波・反射波検出装置と、所定の高電圧を発
生する高電圧発生装置と、を備えるプラズマ点火装置のためのプラズマ点火制御プログラ
ムであって、
コンピュータに、
前記高周波信号の前記負荷電極への供給を開始させる機能と、
前記反射波の前記進行波に対する比率を演算して第1のしきい値と比較する機能と、
前記比率が前記第1のしきい値より大きい場合に前記高電圧を前記高周波信号に重畳さ
せる機能と、
を実行させるための命令が記述されたプラズマ点火制御プログラム。
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WO2014184910A1 (ja) * | 2013-05-15 | 2014-11-20 | 富士機械製造株式会社 | プラズマ処理装置 |
JPWO2014184910A1 (ja) * | 2013-05-15 | 2017-02-23 | 富士機械製造株式会社 | プラズマ処理装置 |
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