JP5088159B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents
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Description
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。
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(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(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(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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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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