JP6075703B2 - Ｄｂｄプラズマ設備における基板損傷を防止するための装置及びプロセス - Google Patents

Description

本発明は、誘電体バリア放電による表面処理用の設備において、特に高温電気アークを制限又は防止することによって基板損傷を防止するための装置及びプロセスに関する。

陰極スパッタリングプロセス用の電気アーク検出器が、米国特許出願公開第２００９／０１５９４３９号明細書から周知である。簡単に言えば、この技術は、粒子の形で原子をスパッタリングする目的でターゲットをボンバードし、そのとき原子が、基板上に堆積されることからなる。この先行技術で説明されている装置の目的は、設備の正常機能のために必要なグロー放電段階と、処理される基板に対して悪影響がある電気アーク段階との間の遷移を検出することである。アークは、反応性ガスの適切なイオン化に続く導電チャネルの生成に対応し、且つ基板の方へ流出した電流における著しい増加を特徴とする。米国特許出願公開第２００９／０１５９４３９号明細書による電気アーク検出器は、電圧及び／又は電流パラメータの値を電気アークの発生に特有な閾値と比較するために、基板に対するこれらのパラメータの値を制御するように意図された電圧及び／又は電流センサを装備している。

米国特許出願公開第２０１２／０２８５６２０号明細書は、プラズマ処理室において電気アークを消滅させるためのシステム、及び従来のアーク軽減技術より速く電力が定常状態レベルに戻れるようにする技術を説明している。それは、特にＤＢＤ設備に向けられているわけではなく、且つ特に高電源が用いられる場合のアーク発生問題には取り組まない。この文献は、損傷される前に基板が耐え得る閾値を考慮することには全く向けられていない。

独国特許出願公開第１０２０１００２４１３５号明細書は、バリア電極の誘電体コーティングの損傷を検出するためのシステムを備えたＤＢＤ設備に関する。それは、導電プローブとバリア電極との間の短絡放電による電気的短絡を検出するための手段を含む。その発明は、プローブが、バリア電極から比較的短距離に配置されるという事実の範囲内にあると言われている。その文献は、特に高電源が用いられる場合のアーク発生の問題にも、ガラス基板の特定の場合にも取り組まない。それは、損傷される前に基板が耐え得る閾値を考慮することには全く向けられていない。

本発明の目的は、誘電体バリア放電による表面処理用の設備、特に大皿形状のガラス片又は連続的に動いているガラスリボンを処理するためのＤＢＤ設備において処理される（例えば、調製又はコーティングされる）ことになる基板に対する損傷を防止することである。基板損傷によって、もちろん基板破損を意味するが、しかしその前に、ガラスにおける目に見える欠陥（例えば局所的な溶解によるガラスの局所的変形）をもたらすであろうどんな損傷も意味する。

本発明の別の目的は、誘電体バリア放電による表面処理用の設備における基板及び電極に有害な高温アークの発生を防止することである。

本発明の更に別の目的は、誘電体バリア放電による表面処理用の設備の正常な運転を構成するフィラメント放電動作の誘発及び持続を妨害しないことである。

本発明は、以下のステップ、
− 反応室を含むＤＢＤ設備を提供するステップであって、反応室に、基板を支持及び／又は移動するための手段と、基板を支持及び／又は移動するための手段の両側に並列に配置された少なくとも２つの電極と、が配置されるステップと、
− ガラス基板を反応室の中に入れるか又はそこを通過させるステップと、
− 少なくとも５０ｋＷの電力を供給する高電源を運転に投入するステップと、
− 前記電極の端子における電圧の振幅及び前記電極間を循環する電流の振幅を検出するステップと、
− 前記基板における消散エネルギーとして５０ジュールを超えないために、高温電気アークが存在する状態で前記電極の端子における電圧の最大交番回数（ｎ最大数）を定義するステップと、
− 前記２つのパラメータの振幅の変動が前記電極間における高温電気アークの誘発に起因する場合に、電極の端子における電圧の定義された最大交番回数に達する前に、前記電極の端子における電圧を負のフィードバックで変更するステップと、
を含む、誘電体バリア放電（ＤＢＤ）による表面処理用の設備における基板損傷を防止するためのプロセスであって、ここで、
であり、
ｎ＝交番回数
Ｐ＝ワットで表現された、電気アークへと消散される電力
ｆ＝Ｈｚで表現された周波数
であるプロセスに関する。

このプロセスは、先行技術の周知のプロセスより速い応答を提供し、それによって、ガラス基板の破損を回避するだけではなく、破損の前にガラス基板に現れる目に見える欠陥を低減及び／又は回避するという利点を有する。

それは、更に、大皿形状のガラス片（例えば、少なくとも１ｍ幅の、即ち少なくとも１ｍの長さの電極を伴う）又は連続的に動いているガラスリボンを処理するためのＤＢＤ設備に特に適合され、そこでは、高電力、即ち少なくとも５０ｋＷ又は少なくとも１００ｋＷ、好ましくは少なくとも２００ｋＷ又は少なくとも５００ｋＷ、更により好ましくは少なくとも６００ｋＷ又は少なくとも８００ｋＷが用いられる。

有利な実施形態によれば、前記負のフィードバックループによる電圧の変更は、電圧遮断である。

有利な実施形態によれば、前記負のフィードバックループによる電圧の変更は、多重遮断である。各遮断には、例えば、所定の時間後且つ／又は所定の遮断数（例えば３）後の自動リセットが続くことができる。次に、遮断は、決定的なものになり、リセット動作が必要になる。この運転モードは、生産ロスなしに短命な欠陥を除去する利点を有する。

有利な実施形態によれば、前記負のフィードバックループは、２０〜５００の範囲の、電極の端子における電圧の交番回数に対応する時間後に、前記電極の端子で電圧を変更することができる。

有利な実施形態によれば、プロセスは、室と、室の中に基板を入れるための搬送手段及び支持手段と、少なくとも２つの電極に接続される高電圧及び高周波電源であって、前記電極が、基板の搬送及び支持手段の両側に配置される高電圧及び高周波電源と、前記電極間に配置される少なくとも１つの誘電体バリアと、電源を調整及び制御するための手段と、室の中に反応性物質を供給するための手段と、背景物質を取り出すための手段と、を含む、誘電体バリア放電によるガラス基板の表面処理用の設備であって、前記基板に表面処理を実行できるようにプラズマを生成するのに適切である設備に適用される。

本発明はまた、
− 反応室であって、基板を支持及び／又は移動するための手段と、基板を支持及び／又は移動するための手段の両側に並列に配置された少なくとも２つの電極と、が配置される反応室と、
− 前記電極の端子における電圧の振幅及び前記電極間を循環する電流の振幅を検出するための手段と、
− 前記基板における消散エネルギーとして５０ジュールを超えないために、高温電気アークが存在する状態で電極の端子における電圧の最大交番回数（ｎ最大数）を定義するための手段と、
− 前記２つのパラメータの振幅の変動が前記電極間における高温電気アークの誘発に起因する場合に、電極の端子における電圧の定義された最大交番回数に達する前に、前記電極の端子における電圧を負のフィードバックで変更するための手段と、
を含む表面処理ＤＢＤ設備であって、ここで、
であり、
ｎ＝交番回数
Ｐ＝ワットで表現された、電気アークへと消散される電力
ｆ＝Ｈｚで表現された周波数
である表面処理ＤＢＤ設備に関する。

有利な実施形態によれば、電極の端子における電圧の振幅を検出するための手段及び前記電極間を循環する電流の振幅を検出するための手段は、それらの反応時間を低減するために、できるだけ電極に接近して配置される。

好ましい実施形態によれば、誘電体バリア放電による表面処理は、大気圧又はそれに近い圧力で行われる。

本発明のこれらの態様と同様に他の態様も、図面に関連する本発明の特定の実施形態の詳細な説明において明らかになろう。

電気アークの発生中における５０ｋＷ発生装置用の電極の端子における電流のグラフである。 電気アークの発生中における５０ｋＷ発生装置用の電極の端子における電圧のグラフである。 本発明の実施形態の回路図である。

図は、一定の比率で描かれてはいない。全体として、同様の要素は、図において同様の参照符号によって表されている。

２つの電極、即ち、その間に誘電体バリアが置かれる２つの電極によって生成されたプラズマを用いることからなる誘電体バリア放電による表面処理用のプロセスの場合に、運転の正常な段階は、フィラメント段階と呼ばれる。それは、上記で言及されたグロー放電段階と電気アーク段階との間の中間段階に対応する。フィラメント段階において、ＨＦ電源によって供給された電力は、不安定であるが高エネルギーレベルを有する多数の放電の形で、２つの電極間の単位面積当たり不均一に分配される。ターゲット基板自体が、フィラメントプラズマ誘発の開始時に誘電体バリアであり、且つ例えばガスの泡、金属外皮、局所的温度勾配などの欠陥を有する場合に、アーク段階へのフィラメント段階の遷移があり得る。この遷移は、電極の表面全体にわたって最初は分配された全ての電力の、数平方ミリメートル程度の非常に小さい面積への集中が特徴である。ＤＢＤ用語において、かかるアークは、プロセスの運転における正常な段階に存在するフィラメント放電とは対照的に、「高温アーク」と通常称される。高温アークは、基板（特にガラス板の場合）及び電極の損傷及び時には破壊さえもたらし得るような電力集中を有する。

図１は、ガラス基板の表面処理用のＤＢＤ設備の場合に、フィラメント段階１と高温電気アーク段階２との間の遷移中に観察された電流における変動を示し、その電源電力は、５０ｋＷである。この遷移は、１０００％程度の電流増加によって特徴付けられ、２つの段階間の遷移時間は、１０μｓ程度である。グラフに表された段階３は、電圧発生装置のヒューズの切断後に電極間を循環する残留電流に対応する。この段階において、ガラス基板は、既に、もはや使用可能ではない。何故なら、電気アークによってガラス基板に送られたエネルギーが、５０ジュールを超え、５０ジュールが、ガラス基板の回復不能な損傷に関連する閾値であるからである。高温電気アークによって基板に送られるエネルギーを１０ジュール未満の値に制限することが、実際上不可能であることが注目される。何故なら、１０ジュールが、高温アークの開始の前に、無効電力の形で設備に既に存在しているエネルギーに対応するからである。実際に、高温電気アークが存在する状態で超えられるべきでない、電極の端子における電圧の交番回数は、２０〜５００の範囲である。この交番回数は、誘電体バリア放電による表面処理用の工業設備の典型的な電力値に対して、ガラス基板に回復不能な損傷をもたらす前の超えられるべきでない最大エネルギーに関連する。

本明細書で定義されているように、高温電気アークが存在する状態で超えられるべきでない、電極の端子における電圧の交番回数は、
であり、
ｎ＝交番回数
Ｐ＝ワットで表現された、電気アークへと消散される電力
ｆ＝Ｈｚで表現された周波数。

電気アーク（Ｐ）へと消散される電力は、以下の式で定義される。
ここで、Ｉ_ＰＰ＝ピークトゥピーク電流強度
Ｖ_ＰＰ＝ピークトゥピーク電圧。

図２は、図１に関連して説明された高温アーク段階に関連する電圧変動を示す。２つの段階間の遷移は、電圧の著しい降下によって特徴付けられ、その勾配は、電流の増加よりはるかに急である。従って、電圧降下は、高温アークに関連する電流の増加よりも一般により簡単に利用できる信号を高温アークの発生から結果として構成する。

図３に示されている本発明の実施形態は、設備の電極の端子における電圧及び前記電極間を循環する電流振幅の検出に基づいている。それは、「高温」アークが発生した場合に反応時間を最小限にするために、できるだけ電極に接近して配置されるのが好ましい。設備の高電圧電源９及び反応室１０は、概略的に示されている。

電圧検出装置の第１要素は、誘電体バリア放電による表面処理用の古典的な設備の電極間に印加される著しい電圧を低減するために必要な分圧器４である。第２の要素は、交流電圧に関連する正弦波変動を除去することによって、電圧の振幅値を検出できるようにするダイオード５である。次の要素６は回路であり、その主要な要素は、ダイオード５によって検出された電圧の振幅を入力として受信し、これを、電気アークの発生に特有の閾値と比較する差動増幅器である。この差動増幅器に関連するのは、時定数、即ち、設備の始動中に結果として生じる、且つその正常な運転に対応するフィラメント段階の誘発を検出せずにフィラメント段階と高温アーク段階との間の遷移だけを検出するために慎重に選択されなければならない時定数である。

類似の回路が、電流センサ１１及びインバータ１２を更に含む電流検出装置（「ｂｉｓ」で示されている）用に使用される。

次の要素は、電圧の振幅及び電流の振幅と同様に、それらに対するどんな変更も論理関数に変換する「ＡＮＤ」ゲートである。

ダイオード７が、「ＡＮＤ」ゲート論理関数における負変動だけを検出するために、差動増幅器の下り線に配置される。

次はトリガ回路８であり、その掃引状態は、ダイオード７によってトリガ回路８に送信される値に続き、その出力は、設備の発生装置に直接作用する。フィードバックループのこの最終要素は、この装置の存在なしでは基板が被るであろう損傷から基板を保護するために、高温電気アークがｎ最大数を超えて発生し継続する場合に、発生装置をオフにする。製造の妨害を防止するために、装置は、０．２〜１０秒の範囲における時間間隔後に自動的にリセットされる。３回自動的にリセットする試みの後で、電源は、運転から取り除かれる。

本発明が、図示され上記で説明された例に限定されないことが、当業者には明らかであろう。参照番号の存在は、制限的なものと見なすことはできない。用語「含む」の使用は、言及された要素以外の要素の存在を決して排除するものではない。要素を導入するための不定冠詞「ａ」の使用は、複数のこれらの要素の存在を排除しない。

Claims (5)

1. 以下のステップ、
   − 反応室を含むＤＢＤ設備を提供するステップであって、前記反応室に、基板を支持及び／又は移動するための手段と、前記基板を支持及び／又は移動するための手段の両側に並列に配置された少なくとも２つの電極と、が配置されるステップと、
   − ガラス基板を前記反応室の中に入れるか又はそこを通過させるステップと、
   − 少なくとも５０ｋＷの電力を供給する高電源を運転に投入するステップと、
   − 前記電極の端子における電圧の振幅及び前記電極間を循環する電流の振幅を検出するステップと、
   − 前記基板における消散エネルギーとして５０ジュールを超えないために、高温電気アークが存在する状態で前記電極の前記端子における電圧の最大交番回数（ｎ最大数）を定義するステップと、
   − 前記２つのパラメータの振幅の変動が前記電極間における高温電気アークの誘発に起因する場合に、前記電極の前記端子における電圧の前記定義された最大交番回数に達する前に、前記電極の端子における電圧を負のフィードバックで変更するステップと、
   を含む、誘電体バリア放電（ＤＢＤ）による表面処理用の設備における基板損傷を防止するための方法であって、ここで、
   であり、
   ｎ＝交番回数
   Ｐ＝ワットで表現された、前記電気アークへと消散される電力
   ｆ＝Ｈｚで表現された周波数
   である方法。
2. 前記負のフィードバックループによる電圧の前記変更が、電圧遮断であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記負のフィードバックループによる電圧の前記変更が、多重遮断であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記負のフィードバックループが、２０〜５００の範囲の、前記電極の前記端子における電圧の交番回数に対応する時間後に、前記電極の前記端子における電圧を変更できることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記電極の前記端子における電圧の振幅を検出するための前記手段及び前記電極間を循環する電流の振幅を検出するための前記手段が、できるだけ前記電極に接近して配置されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。