JP4532948B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents
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本発明における略常圧(大気圧近傍の圧力)とは、1.013×104〜50.663×104Paの範囲を言い、圧力調整の容易化や装置構成の簡便化を考慮すると、好ましくは、1.333×104〜10.664×104Paであり、より好ましくは、9.331×104〜10.397×104Paである。
図1は、本発明に係る常圧プラズマ処理装置Mを模式的に示したものである。プラズマ処理装置Mは、互いに対向する一対の電極11,12と、電源装置20とを備えている。図示は省略するが、一対の電極11,12の対向面には、固体誘電体の層が設けられている。なお、固体誘電体層は、少なくとも一方の電極11,12に設けられていればよい。電極11,12間の空間10pの厚さは、例えば1mmである。
電極間空間10pには、図示しない処理ガス導入手段によって処理ガスが導入されるようになっている。
〔固有振動周波数の推定工程〕
実際のプラズマ処理(以下「本処理」という。)に先立ち、予め、電極回路1の本処理時(放電時)における固有振動周波数f0を推定しておく。推定方法として、例えば次の掃引式、減衰波式等がある。
電極11への印加電圧が本処理時の大きさ(Vpp=10kV)に維持されるようにインバータ21の一次側電圧Vを調節しながら、給電周波数fを0〜数百kHzの範囲で掃引する。そして、電圧Vの調節値から入出力比Vpp/Vを算出する。これによって、図3に示すようなデータを得ることができる。そして、入出力比Vpp/Vが極大になった時の周波数を電極回路1の固有振動周波数f0と推定する。この掃引式では、Vpp/Vがピークになるあたりすなわち瞬間変動領域R0での出力暴走に注意する。
図2に示すように、インバータ21からトランス22に周波数f1の間欠波状の電圧V1を入力する。この間欠波V1の各波要素は、短周期(1/f1’)の方形波になっている。各波要素の振幅(すなわち電圧V1の大きさ)は、インバータ21の一次側電圧Vによって決まる。この間欠波電圧V1の給電によって電極回路1の電極11に振動電圧V2が生じる。この電圧V2は、上記間欠波V1の各波要素が出力されている期間中は、該波要素と同じ周波数で振動する。一方、波要素がオフになった瞬間から、電圧V2は、電極回路1に固有の振動数で振動しながら減衰していく。この減衰振動の初期のピーク間電圧V2ppが、上記本処理時のピーク間電圧Vpp(=10kV)と等しくなるように、上記間欠波V1の各波要素の振幅すなわちインバータ21の一次側電圧Vを設定しておく。これによって、減衰振動の少なくとも初期においては、電極間空間10pを本処理時と同様の放電状態にすることができ、本処理時と同じ固有振動数にすることができる。この減衰振動の初期の、特に第1波の周波数f0を測定する。すなわち、間欠波V1の波要素がオフになった瞬間からの電圧V2の1サイクル分の時間(周期:1/f0)を測定する。これを本処理時における固有振動周波数f0と推定する。測定は、間欠波V1の波要素がオフになる度に繰返し行ない、その平均を取るのが好ましい。これによって、推定精度を高めることができる。間欠波V1の1つの波要素と次の波要素の間の休止期間t1(=(1/f1)−(1/f1’))は、減衰が十分に収束し得る程度に設定するのが好ましい。これにより、次の減衰波との重畳を避けることができる。
推定固有振動周波数f0は、例えば100kHz乃至120kHzとなる。
次に、上記推定固有振動周波数f0に基づいて本処理時における給電周波数fを設定する。最も望ましくは、上記の推定固有振動周波数f0の±50%の大きさになるように設定する。すなわち、
f=f0×(1−0.5)=0.5f0 …(式1)
又はf=f0×(1+0.5)=1.5f0 …(式2)
に設定する。これは、安定スロープ領域R2における変動領域R1との境界となる周波数である。例えばf0=120kHzの場合、f=60kHzとなる。
そして、本処理工程において、設定周波数fで給電しながら常圧プラズマ処理を実行する。これによって、出力を安定化でき、しかも電力効率を高めることができる。
f≦f0×(1−0.5)=0.5f0 …(式3)
又はf≧f0×(1+0.5)=1.5f0 …(式4)
f≧f0×(1−0.8)=0.2f0 …(式5)
又はf≦f0×(1+0.8)=1.8f0 …(式6)
0.2f0≦f≦0.5f0 …(式7)
又は1.5f0≦f≦1.8f0 …(式8)
0.5f0<f≦0.75f0(=f0×(1−0.25)) …(式9)
又は1.5f0>f≧1.25f0(=f0×(1+0.25)) …(式10)
この緩慢変動領域R1では、電力効率が非常に高くなり、大出力を得ることができる。入出力比は経時的に上昇していくが、その程度は緩慢であり、瞬時に上昇することはない。したがって、処理を短時間で終えてオフにすれば、インバータ21や電極11,12が破壊に至ることはない。
この実施形態では、推定固有振動周波数f0に代えて入出力比Vpp/Vを基準にする。詳述すると、先ず、予備工程として、給電周波数fと入出力比Vpp/Vとの関係を求めておく。その方法は、前述実施形態の掃引式と実質的に同じである。すなわち、電極11への印加電圧が本処理時の大きさ(Vpp=10kV)に維持されるようにインバータ21の一次側電圧Vを調節しながら、給電周波数fを0〜数百kHzの範囲で掃引する。そして、電圧Vを測定し、給電周波数fに対する入出力比Vpp/Vを算出してデータ化する。
1 電極回路(LC回路)
11,12 電極
20 電源
21 インバータ
22 トランス
22b 二次コイル(インダクタ)
R0 瞬間変動領域
R1 緩慢変動領域
R2 安定スロープ領域
R3 安定フラット領域
Claims (11)
- 一対の電極とインダクタを含むLC回路に給電することにより、前記電極どうし間の略常圧の空間に電界を印加してグロー放電を起こしプラズマ処理を行なう方法であって、前記略常圧空間での放電時における前記LC回路の固有振動周波数を予め推定する工程と、前記LC回路への給電周波数を、前記推定固有振動周波数からずらして設定する設定工程と、設定した周波数で給電することによりプラズマ処理を行なう本処理工程とを実行し、 前記推定工程において、前記LC回路に一時的に給電を行なって放電を起こした後、該給電の切断により前記LC回路に減衰振動を生じさせ、しかもこの減衰振動の初期における電極間への印加電圧が本処理工程における設定印加電圧と略等しくなるようにし、この減衰振動の初期の周波数を測定し、この測定値を前記推定固有振動周波数とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
- 一対の電極とインダクタを含むLC回路に給電することにより、前記電極どうし間の略常圧の空間に電界を印加してグロー放電を起こしプラズマ処理を行なう方法であって、前記略常圧空間での放電時における前記LC回路の固有振動周波数を予め推定する工程と、後記本処理工程での前記LC回路への給電周波数を設定する設定工程と、設定した周波数で給電することによりプラズマ処理を行なう本処理工程とを実行し、
前記推定工程において、前記電極間への印加電圧が本処理工程における設定印加電圧と略等しくなるようにしながらかつ周波数を掃引しながら前記LC回路に給電し、該給電の電圧に対する前記電極間への印加電圧の比(以下、特許請求の範囲において「入出力比」と称す)が極大になる点における周波数を求め、これを前記推定固有振動周波数とするとともに、前記推定固有振動周波数の±25%内の周波数を瞬間変動領域とし、前記設定工程では、前記本処理工程での前記給電周波数を前記瞬間変動領域からずらして設定することを特徴とするプラズマ処理方法。 - 一対の電極とインダクタを含むLC回路に給電することにより、前記電極どうし間の略常圧の空間に電界を印加してグロー放電を起こしプラズマ処理を行なう方法であって、前記電極間への印加電圧を本処理時における設定印加電圧と等しくしながらかつ周波数を掃引しながら前記LC回路に給電し、前記周波数と入出力比との関係を予め求めるとともに前記入出力比が極大になる周波数の±25%内の周波数を瞬間変動領域とする予備工程と、後記本処理工程での前記LC回路への給電周波数を、前記入出力比がその極大値に対し所定%以下になる範囲でかつ前記瞬間変動領域からずらして設定する設定工程と、設定した周波数で給電することによりプラズマ処理を行なう本処理工程とを実行することを特徴とするプラズマ処理方法。
- 前記設定工程において、給電周波数を、入出力比が時間的に安定でかつ給電周波数に応じて増減する領域に設定することを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマ処理方法。
- 前記設定工程において、給電周波数を、入出力比が時間的に安定な領域における時間的に変動する領域との境に設定することを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマ処理
方法。 - 前記設定工程において、給電周波数を、前記推定固有振動周波数の±約25%以上ずらして設定することを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理方法。
- 前記設定工程において、給電周波数を、前記推定固有振動周波数の±約50%以上ずらして設定することを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマ処理方法。
- 前記設定工程において、給電周波数を、前記推定固有振動周波数の±約50%に設定することを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマ処理方法。
- 前記本処理工程における前記電極間への印加電圧が、連続波であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載のプラズマ処理方法。
- 前記LC回路への給電が、インバータの出力電圧をトランスで昇圧することによりなされるようになっており、前記トランスが、前記LC回路のインダクタ成分を構成していることを特徴とする請求項1〜9の何れかに記載のプラズマ処理方法。
- 直流をインバータで交流に変換し、更にトランスで昇圧することにより、前記LC回路へ給電されるようになっており、前記入出力比を、前記電極間のピーク間電圧Vppと、前記直流入力電圧Vとの比(Vpp/V)とすることを特徴とする請求項2又は3に記載のプラズマ処理方法。
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