JP7042124B2 - プラズマ装置用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電極に印加される電圧についてパルス幅制御を行うプラズマ装置用電源装置に関するものである。

特許文献１には、複数の電極に印加される電圧についてパルス幅制御を行うプラズマ装置用電源装置が記載されている。特許文献１の段落[0032]、[0042]には、パルス幅制御が、プラズマから返ってくる反射波に含まれる全ての反射波スペクトルのトータルのパワーに基づいて行われることが記載されている。

特許文献２には、複数の電極に印加される交流電圧の波形を、プラズマの放電電流に基づいて制御するプラズマ装置用電源装置が記載されている。このプラズマ装置用電源装置においては、交流電圧の波形が、節電のために、プラズマの放電が起きていない場合には複数の電極に印加される電圧が小さくなるように制御される。例えば、ピークが小さくされたり、電圧の立下りが正弦波形より早くされたりする。

特開２０１３－１３５１５９号 特表２００６－５０３４０４号

概要

解決しようとする課題

本発明の課題は、プラズマ装置における消費電流を抑制することである。

課題を解決するための手段、作用および効果

本発明に係るプラズマ装置用電源装置においては、電源に流れる電流に基づいて、パルス幅制御が行われる。例えば、電源に流れる電流が大きい場合には、放電回数が少なくなるように、パルス幅制御が行われるようにすることができる。その結果、プラズマ装置における消費電流を抑制することができる。

本発明の実施例１に係るプラズマ装置用電源装置（以下、電源装置と略称する）によって交流電圧が印加される一対の電極を含むプラズマ装置の斜視図である。 上記プラズマ装置の一部断面図である。 上記プラズマ装置の図２の一部を含む部分の断面図である。 上記プラズマ装置の構成部材である誘電体包囲部材の斜視図であり、図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃは、それぞれ、誘電体包囲部材を異なる角度から見た場合の斜視図である。 上記プラズマ装置に着脱可能なノズルの断面図である。 上記電源装置の周辺を概念的に示す図である。 上記電源装置のスイッチング回路を表す図である。 （図８Ａ）上記電源装置において行われるパルス幅制御の一例を概念的に示す図である。（図８Ｂ）上記パルス幅制御のデューティ比を代表的に示す図である。 上記電源装置から出力される交流電圧の波形を、正弦波形と比較して示す図である。 上記プラズマ装置の作動状態における実際の一対の電極部の間の電圧の変化を概念的に単純化して示す図である。（図１０Ａ）と（図１０Ｂ）とでは、上記プラズマ装置の作動状態が異なる。 上記電源装置に含まれる制御装置の記憶部に記憶されたパルス幅制御プログラムを表すフローチャートである。 上記記憶部に記憶された補正値αと電流センサによって検出された電流である検出電流値との関係を概念的に示す図である。 （図１３Ａ）上記プラズマ装置のプラズマの状態を示す図である。（図１３Ｂ）上記プラズマ装置とは別のプラズマの状態を示す図である。 上記電源装置から出力される交流電圧の波形とは別の交流電流の波形を、正弦波形と比較して示す図である。 本発明の実施例２に係る電源装置の制御装置の記憶部に記憶されたパルス幅制御プログラムを表すフローチャートである。 （図１６Ａ）正弦波形の交流電圧が出力される場合に電源装置において行われるパルス幅制御の一例を概念的に示す図である。（図１６Ｂ）上記パルス幅制御のデューティ比を代表的に示す図である。

実施形態

以下、図面に基づいて、本発明に係るプラズマ装置用電源装置を備えたプラズマシステムについて説明する。

本プラズマシステムは、図１に示すプラズマ装置１０、図６に示すプラズマ装置用電源装置１６等を含む。プラズマ装置１０は、大気圧でプラズマを発生させるものであり、プラズマ生成部１２と加熱ガス供給部１４を含む。これらプラズマ生成部１２と加熱ガス供給部１４とは並んで設けられる。プラズマ生成部１２は、供給された処理ガスをプラズマ化して、プラズマを生成するものである。加熱ガス供給部１４は、加熱用ガスを加熱することにより得られる加熱ガスをプラズマ生成部１２に供給するものである。本プラズマ装置においては、プラズマ生成部１２によって生成されたプラズマが、加熱ガス供給部１４によって供給された加熱ガスと共に出力され、被処理物Ｗに照射される。図１において、矢印Ｐの方向に、処理ガスが供給され、プラズマが出力される。

プラズマ生成部１２は、図２～４に示すように、セラミックス等の絶縁体で形成された生成部本体１８、一対の電極部２４，２６、誘電体包囲部材２２等を含む。生成部本体１８は概して長手方向に伸びた形状を成し、一対の電極部２４，２６が幅方向に離間して保持される。また、生成部本体１８の一対の電極部２４，２６の間は放電空間２１とされ、処理ガスがＰ方向に供給される。以下、本プラズマ装置において、生成部本体１８の幅方向、すなわち、一対の電極部２４，２６（以下、「一対の」を省略して、単に電極部２４，２６または複数の電極部２４，２６等と称する場合がある。他の用語についても同様とする。）が並ぶ方向をｘ方向、プラズマ生成部１２と加熱ガス供給部１４とが並ぶ方向をｙ方向、生成部本体１８の長手方向をｚ方向とする。ｚ方向はＰ方向と同じであり、処理ガスが供給される側が上流側、プラズマが出力される側が下流側である。なお、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに直交する。

複数の電極部２４，２６の各々は、長手方向に伸びた形状を成し、それぞれ、一対の電極棒２７，２８と一対の電極ホルダ２９，３０とを含む。複数の電極ホルダ２９，３０の各々は、複数の電極棒２７，２８よりそれぞれ大径とされ、電極ホルダ２９，３０の各々に、電極棒２７，２８が偏心した位置に保持されて、固定される。また、電極棒２７，２８の各々がそれぞれ電極ホルダ２９，３０に保持された状態で、電極棒２７，２８の一部は電極ホルダ２９，３０から突出した状態にある。電極部２４，２６（電極ホルダ２９，３０および電極棒２７，２８）は、ｚ方向、すなわち、処理ガスの供給方向Ｐと同じ向きに伸び、電極ホルダ２９，３０が上流側、電極棒２７，２８が下流側に位置する姿勢で生成部本体１８に保持される。また、電極部２４，２６が互いに離間する方向ｘと処理ガスが供給される方向ｚ（Ｐ）とは交差する。なお、電極ホルダ２９，３０の間隔Ｄ１は、電極棒２６，２７の間隔Ｄ２より小さい（Ｄ１＜Ｄ２）。

電極ホルダ２９，３０は、それぞれ、導電性を有する材料で製造されたものであり、電極としての機能を有する。電極棒２７，２８は、それぞれ、電極ホルダ２９，３０に互いに通電可能な状態で固定される。換言すれば、電極ホルダ２９，３０と電極棒２７，２８とは電気的に一体的に設けられる。また、電極部２４，２６が生成部本体１８に保持され、電源装置１６に接続された状態で、電極棒２７，２８と電極ホルダ２９，３０との両方に電圧が印加され、これら電極棒２７，２８および電極ホルダ２９，３０はいずれも電極として作用する。

このように、電極棒２７，２８の各々と電極ホルダ２９，３０の各々とがそれぞれ電気的に一体的に設けられるため、電源装置１６を電極ホルダ２９，３０と電極棒２７，２８とのいずれか一方に接続すればよく、その分、配線を簡単にすることができる。
なお、電極棒２７，２８、電極ホルダ２９，３０には、任意の大きさ、周波数の交流電圧が印加される。

誘電体包囲部材２２は、電極ホルダ２９，３０の外周を覆うものであり、セラミックス等の誘電体（絶縁体と称することもできる）で製造されたものである。誘電体包囲部材２２は、図４Ａ～図４Ｃに示すように、互いに離間して設けられた一対の電極カバー３４，３６と、一対の電極カバー３４，３６を連結する連結部３８とを含む。

複数の電極カバー３４，３６は、それぞれ、概して中空筒状を成し、長手方向の両端部が開口とされる。電極カバー３４，３６は、長手方向がｚ方向に伸びた姿勢で、電極カバー３４，３６の内周側に主として電極ホルダ２９，３０が位置する状態で配設される。なお、電極カバー３４，３６の内周面と電極ホルダ２９，３０の外周面との間には、それぞれ、隙間が設けられ、これら隙間が後述するガス通路３４ｃ、３６ｃとされる。また、電極棒２７，２８の、上述の電極ホルダ２９，３０から突出した一部の下流側の端部である下流側端部２７ｓ，２８ｓは、電極カバー３４，３６の下流側の開口部から突出している。

連結部３８には、ｚ方向に貫通するガス通路４０が形成される。本実施例において、図３に示すように、連結部３８のガス通路４０を形成する周壁は電極カバー３４，３６と一体的に形成される。ガス通路４０の内部には、誘電体（気体は含まない。以下、同様とする。）で製造された部材（誘電体物と称することができる）は存在しない。換言すれば、電極カバー３４，３６の互いに対向する部分の間に、誘電体包囲部材２２とは別の誘電体で製造された部材は存在しないことになる。

生成部本体１８の電極部２４，２６が保持された部分の上流側には、複数のガス通路４２，４４，４６等が形成される。ガス通路４２，４４には、図６に示す窒素ガス供給装置５０が接続され、ガス通路４６には、窒素ガス供給装置５０と、活性ガスであるドライエア（活性酸素を含む）を供給する活性ガス供給装置５２とが接続される。窒素ガス供給装置５０は、窒素ガス源と流量調整機構とを含み、窒素ガスを所望の流量で供給可能なものである。活性ガス供給装置５２は、活性ガス源と流量調整機構とを含み、活性ガスを所望の流量で供給可能なものである。本実施例においては、処理ガスが、活性ガス供給装置５２から供給された活性ガスと窒素ガス供給装置５０から供給された窒素ガス（不活性ガスの一態様である）とを含むものとされる。

ガス通路４２，４４には、それぞれ、前述の電極カバー３４，３６の内部のガス通路３４ｃ、３６ｃが、電極カバー３４，３６の上流側の開口部において連通させられる。ガス通路３４ｃ、３６ｃには、それぞれ、窒素ガスがＰ方向に供給される。

ガス通路４６には誘電体包囲部材２２に形成されたガス通路４０が連通させられる。ガス通路４０には、窒素ガスと活性ガスとを含む処理ガスがＰ方向に供給される。

生成部本体１８の、電極カバー３４，３６から突出した一対の電極棒２７，２８の下流側端部２７ｓ，２８ｓの間には放電室５６が形成され、放電室５６の下流側に、ｘ方向に間隔を隔てて並んで、ｚ方向に伸びた複数(本実施例においては６本)のプラズマ通路６０ａ、６０ｂ・・・が形成される。複数のプラズマ通路６０ａ、６０ｂ・・・の上流側の端部は、それぞれ、放電室５６に開口する。また、生成部本体１８の下流側の端部には、互いに異なる種類の複数のノズル８０，８３等がそれぞれ着脱可能に取り付けられる。ノズル８０，８３等は、セラミックス等の絶縁体で製造される。なお、本実施例において、放電室５６、ガス通路４０等によって放電空間２１が構成される。

加熱ガス供給部１４は、図１，２に示すように、保護カバー７０、ガス管７２、ヒータ７３、連結部７４等を含む。保護カバー７０は、プラズマ生成部１２の生成部本体１８に取り付けられる。ガス管７２は、保護カバー７０の内部において、ｚ方向に伸びて配設され、ガス管７２には、加熱用ガス供給装置（図５参照）７６が接続される。加熱用ガス供給装置７６は、加熱用ガス源と流量調整部とを含み、加熱用ガスを所望の流量で供給可能なものである。加熱用ガスは、ドライエア等の活性ガスとしても、窒素等の不活性ガスとしてもよい。また、ガス管７２の外周側にはヒータ７３が配設されており、ガス管７２がヒータ７３によって加熱され、ガス管７２を流れる加熱用ガスが加熱される。

連結部７４は、ガス管７２をノズル８０に連結するものであり、側面視において概してＬ字形を成す加熱ガス供給通路７８を含む。加熱ガス供給通路７８は、ノズル８０が生成部本体１８に取り付けられた状態で、一端部がガス管７２に連結され、他端部がノズル８０に形成された加熱ガス通路６２に開口する。

ノズル８０は、図２，３に示すように、互いに平行に設けられた複数(本実施例においては６本)のプラズマ出力通路８０ａ、８０ｂ・・・が形成された通路構造体８１と、ノズル本体８２とを含む。通路構造体８１と、ノズル本体８２とが、それぞれ、ノズル本体８２に形成された収容室８２ａの内部に、通路構造体８１が位置する状態で、生成部本体１８に取り付けられ、それによって、ノズル８０が生成部本体１８に取り付けられる。このように、ノズル８０が生成部本体１８に取付けられた状態で、プラズマ通路６０ａ、６０ｂ・・・とプラズマ出力通路８０ａ、８０ｂ・・・とがそれぞれ連通させられる。また、ノズル本体８２の収容室８２ａと通路構造体８１との隙間には加熱ガス通路６２を経て加熱ガスが供給される。ノズル８０のノズル本体８２の収容室８２ａの先端の開口８２ｂからは、プラズマ等と加熱ガスとが出力される。

生成部本体１８には、ノズル８０とは異なる図５に示すノズル８３を取り付けることもできる。ノズル８３の通路構造体８４には、プラズマ出力通路８３ａが１つ形成される。また、通路構造体８４と、ノズル本体８５とが、それぞれ、ノズル本体８５の内部に形成された収容室８５ａに通路構造体８４が位置する状態で、生成部本体１８に取り付けられる。このようにノズル８３が生成部本体１８に取り付けられた状態で、複数のプラズマ通路６０ａ、６０ｂ・・・とプラズマ出力通路８３ａとが連通させられる。また、ノズル本体８５の収容室８５ａと通路構造体８４との間の隙間には加熱ガスが供給され、収容室８５ａの先端の開口８５ｂから、プラズマ等と加熱ガスとが出力される。

本プラズマシステムは、図６に示すように、コンピュータを主体とする制御装置８６を含む。制御装置８６は実行部８６ｃ、記憶部８６ｍ、入出力部８６ｉ、タイマ８６ｔ等を含み、入出力部８６ｉには、窒素ガス供給装置５０、活性ガス供給装置５２、加熱用ガス供給装置７６、ヒータ７３、スイッチング回路９６、ディスプレイ８７等が接続されるとともに、開始スイッチ８８、停止スイッチ８９、電流センサ９４等が接続される。ディスプレイ８７には、本プラズマシステムの状態等が表示される。

開始スイッチ８８は、プラズマ装置の駆動を指示する場合に操作されるスイッチであり、停止スイッチ８９は、プラズマ装置の停止を指示する場合に操作されるスイッチである。
電流センサ９４は電源９２の電流を検出するものであり、電源９２は、交流電源９３、Ａ／Ｄ（交流直流）変換器９５等を含む。電源９２において、交流電源９３から出力された交流電圧がＡ／Ｄ変換器９５において直流電圧に変換されて出力される。なお、電流センサ９４によって検出される電流である検出電流値は、プラズマ装置の消費電流に対応する。

スイッチング回路９６は、電源９２と電極部２４，２６との間に設けられたものであり、図７に示すように、第１ないし第４の４個のスイッチング素子１０１～１０４のブリッジ接続によって構成されたものである。電源９２から出力された直流電圧についてスイッチング回路９６によりパルス幅制御、すなわち、ＰＷＭ（Plus Width Modulation）が行われる。そして、パルス幅制御が行われることによって得られた電圧のパルス信号は、平滑回路９７によって平滑化された後、昇圧回路９８により昇圧されて、電極部２４，２６に印加される。

スイッチング回路９６において、上述のスイッチング素子１０１～１０４としてＭＯＳＦＥＴ素子が用いられる。第１スイッチング素子１０１については、ドレインＤがＡ／Ｄ変換器９５の出力部の高圧端子１０５に接続され、ソースＳが第１出力端子１０６に接続される。第２スイッチング素子１０２については、ドレインＤが第１出力端子１０６に接続され、ソースＳがＡ／Ｄ変換器９５の低圧端子１０７に接続される。第３スイッチング素子１０３については、ドレインＤがＡ／Ｄ変換器９５の高圧端子１０５に接続され、ソースＳが第２出力端子１０８に接続される。第４スイッチング素子１０４については、ドレインＤが第２出力端子１０８に接続され、ソースＳがＡ／Ｄ変換器９４の低圧端子１０７に接続される。

第１出力端子１０６および第２出力端子１０８は、平滑回路９７を経て昇圧器９８に入力される。第１スイッチング素子１０１のゲートＧおよび第４スイッチング素子１０４のゲートＧ、第２スイッチング素子１０２のゲートＧおよび第３スイッチング素子１０３のゲートＧは、それぞれ、まとめて制御装置８６の入出力部に接続される。
第１ないし第４スイッチング素子１０１～１０４は、ゲートＧに制御信号が入力されているときだけ、ドレインＤとソースＳとの間が導通する。第１スイッチング素子１０１，第４スイッチング素子１０４のゲートＧにＯＮ信号が入力された場合と、第２スイッチング素子１０２，第３スイッチング素子１０３のゲートＧにＯＮ信号が入力された場合とでは、電流の向きが逆になる。

以上のように構成されたプラズマシステムにおいて、一対の電極部２４，２６には、スイッチング回路９６の制御により、例えば、８ｋＨｚ以上９ｋＨｚ以下の交流電圧が印加される。また、ガス通路３４ｃ、３６ｃには窒素ガスが所望の流量で供給され、放電空間２１には処理ガスが所望の流量で供給される。さらに、加熱ガス通路６２には、加熱ガスが供給される。

放電空間２１には処理ガスがＰ方向に供給されるが、上流側のガス通路４０において、一対の電極ホルダ２９，３０の間で電極カバー３４，３６を介して誘電体バリア放電が生じ、それより下流側の放電室５６において、一対の電極棒２７，２８の下流側端部２７ｓ，２８ｓの間でアーク放電が生じる。

誘電体バリア放電においては、電極ホルダ２９、３０に交流電圧が加えられることにより、電極カバー３４，３６に電荷が蓄えられるが、極性が反転すると、蓄えられた電荷が放出されるのであり、それにより放電が起きる。また、電極カバー３４，３６により、電極ホルダ２９，３０の間に流れる電流が制限される。そのため、誘電体バリア放電においては、アーク放電に至らないのが普通であり、大きなエネルギが処理ガスに付与されないのが普通である。また、本実施例においては、電極ホルダ２９，３０に高周波の交流電圧が付与されるため、極性の反転速度が早くなり、放電を良好に起こすことができる。

それに対して、アーク放電においては、一対の電極棒２７，２８の下流側端部２７ｓ，２８ｓの間に大きな電流が流れ、処理ガスに大きなエネルギが付与される。

このように、誘電体バリア放電においては、処理ガスに付与されるエネルギが小さいため、処理ガスが電離して、プラズマ化されるとは限らない。しかし、処理ガスは、エネルギポテンシャルが高い状態にされる、すなわち、励起状態にされたり、加熱されたりする。
その後、アーク放電において、処理ガスに大きなエネルギが付与されるため、誘電体バリア放電においてプラズマ化されなかった処理ガスも、良好にプラズマ化することができる。また、誘電体バリア放電を受けた処理ガスは、すでにエネルギポテンシャルが高い状態にあるため、アーク放電を受けることにより、より一層、プラズマ化し易くなる。なお、放電空間２１の、一対の電極ホルダ２９，３０の間の部分と、一対の電極棒２７，２８の下流側端部２７ｓ，２８ｓの間の部分との両方で放電が起きることは、それぞれの部分において、光が発生させられることにより確認された。

また、本実施例においては、一対の電極部２４，２６に供給される交流電圧が、正弦波形の交流電圧より、立ち上がりが早くなる波形となるように、スイッチング回路９６のパルス幅制御が行われる。

まず、電極部２４，２６に正弦波形の交流電圧が供給される場合のパルス幅制御の一例を図１６Ａ，１６Ｂに基づいて説明する。例えば、図１６Ａに示すように、交流電圧の１周期が区分Ｒ１～１６に分けられ、各々の区分において、それぞれ、パルスが２個または３個ずつ出力される場合を想定する。なお、区分Ｒ１は、隣接する周期に跨って設けられるため、交流電圧の１周期には、区分Ｒ１の後半部分と、次の区分Ｒ１の前半部分とが含まれる。区分Ｒ９は、交流電圧の前半（正方向の電圧が印加される）の１／２周期と後半（負方向の電圧が印加される）の１／２の周期分とに跨って設けられるため、区分Ｒ９の前半部分は交流電圧の前半の１／２周期分に含まれ、区分Ｒ９の後半部分は交流電圧の後半の１／２周期分に含まれる。また、図１６Ｂは、各区分Ｒ１～１６の各々のデューティ比Ｄ（％）を代表して示す。デューティ比Ｄは、下式に示すように、ＯＮ時間を（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間）で割った値に１００を掛けた値（％）
Ｄ＝ＯＮ時間／（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間）×１００
とされる。以下、本明細書において、正弦波形の交流電圧が得られるようにパルス幅制御が行われる場合のデューティ比を基準デューティ比Ｄと称する。

図１６Ａ，１６Ｂに示すように、立ち上がり時の区分Ｒ１（後半部分）～Ｒ４の各々の基準デューティ比Ｄは、０％、３０％、７０％、９０％とされ、区分Ｒ５において１００％とされる。また、立ち下がり時の区分Ｒ６～８の各々の基準デューティ比Ｄは、９０％、７０％、３０％とされ、区分Ｒ９（前半部分）において０％とされる。また、その後、電流の向きが変わるが、区分Ｒ９（後半部分）～Ｒ１（前半部分）における基準デューティ比Ｄは、それぞれ、区分Ｒ１（後半部分）～９（前半部分）と同様に、設定される。

図１６Ａの破線は、平滑回路９７から出力される交流電圧の瞬時値（以下、瞬時値と略称する）Ｗｓｉｎを示す。平滑回路９７により、電圧の複数のパルスが平滑化されて、ほぼ正弦波形を成す交流電圧の瞬時値Ｗｓｉｎが得られるのである。
なお、平滑回路９７は不可欠ではない。例えば、交流電圧の周波数が高い場合、デューティ比が細かに変化するようにパルス幅制御が行われた場合等には、平滑回路９７がなくても、滑らかに変化する交流電圧の瞬時値を得ることができる。

次に、本実施例におけるパルス幅制御の一例を図８Ａ，８Ｂに基づいて説明する。本実施例においては、基準デューティ比Ｄに補正値αを加えて求められた補正デューティ比ＤＡに基づいてパルス幅制御が行われる。補正値αは立ち上がり時に値α０とされ、立ち下がり時に０とされる。
具体的には、立ち上がり時における区分Ｒ１（後半部分）～Ｒ４、Ｒ９（後半部分）～Ｒ１２の各々において、補正デューティ比ＤＡは、図８Ｂに示すように、基準デューティ比Ｄに補正値α０を加えた値、（０＋α０）％、（３０＋α０）％、（７０＋α０）％、（９０＋α０）％とされる。立ち下がり時における区分Ｒ６～Ｒ９(前半部分)、Ｒ１４～１(前半部分)の各々における補正デューティ比ＤＡは基準デューティ比Ｄと同じ値とされる。この場合の瞬時値Ｗｒｉｓは図８Ａの実線が示すように変化する。なお、本実施例において、補正値αは０以上の値とされる。補正値α０は、例えば１０％とすることができる。

図９には、パルス幅制御が、補正デューティ比ＤＡに基づいて行われた場合の瞬時値Ｗｒｉｓと、基準デューティ比Ｄに基づいて行われた場合の瞬時値Ｗｓｉｎとを示す。図９の一点鎖線が示す瞬時値Ｗｒｉｓは、破線が示す瞬時値Ｗｓｉｎに比較して、立ち上がりが早くなる。プラズマ発生電圧（アーク放電開始電圧）Ｖｐに達するまでの時間が、瞬時値Ｗｒｉｓの場合は時間ｔ１であるのに対して、瞬時値Ｗｓｉｎの場合は時間ｔ２となり、瞬時値Ｗｒｉｓの方が、早期にプラズマを発生させることが可能となる。
また、瞬時値Ｗｒｉｓと瞬時値Ｗｓｉｎとで、電圧がゼロとなる点（ゼロ点）ＺＰ，ＺＮと、電圧の正のピーク点ＰＰ，負のピーク点ＰＮとは一致する。また、瞬時値Ｗｒｉｓは、ゼロ点ＺＰから正のピーク点ＰＰに向かって滑らかに単調増加し、負のピーク点ＰＮからゼロ点ＺＰに向かって滑らかに単調増加する。さらに、瞬時値Ｗｒｉｓは、正のピーク点ＰＰから負のピーク点ＰＮに向かってゼロ点ＺＮを経て滑らかに単調減少する。

一方、電極部２４，２６の間の電圧は、印加される電圧の増加に伴って増加し、誘電体バリア放電が起き、その後、さらに、電圧が高くなってアーク放電が起きるが、アーク放電により短絡して０になる。図１０Ａ，１０Ｂには、電極部２４，２６の間の実際の電圧である実電圧Ｗ０、Ｗ１、Ｗ０´、Ｗ２を概念的に単純化して示す。実電圧Ｗ０，Ｗ１，Ｗ０´、Ｗ２が示すように、交流電圧の１周期の間に、放電は複数回起きるが、放電回数が多い場合は少ない場合より、プラズマ装置における消費電流が多くなる。

また、１回の放電が行われた場合の、プラズマ装置における消費電流は、放電空間２１に供給される処理ガスの流量、ノズルの形状等に基づいて決まることが知られている。例えば、放電空間２１に供給される処理ガスの流量が大きい場合は小さい場合より、消費電流が大きくなる。また、ノズルの形状がプラズマが出力され易い形状を成す場合にはプラズマが出力され難い形状を成す場合より消費電流が大きくなる。例えば、ノズル８０，８３を比較した場合、ノズル８３が取り付けられた場合にはノズル８０が取り付けられた場合より、消費電流が大きくなる。前述のように、ノズル８３のプラズマ出力通路８３ａの方がノズル８０のプラズマ出力通路８０ａ、ｂ・・・の合計より流路面積が大きくプラズマが出力され易いことに起因すると考えられる。

例えば、図１３Ａに示すように、処理ガスの流量が大きい場合やノズルの形状がプラズマが出力され易い形状である場合には、電極部２４，２６の間に存在するプラズマの量が少なくなる。そのため、図１０Ａの実電圧Ｗ０、Ｗ１が示すように、アーク放電が起きる場合の電圧が高くなり、１回の放電におけるプラズマ装置の消費電流が大きくなる。

また、図１３Ｂに示すように、処理ガスの流量が小さい場合やノズルの形状がプラズマが出力され難い形状である場合には、電極部２４，２６の間に存在するプラズマの量が多くなる。そのため、図１０Ｂの実電圧Ｗ０´、Ｗ２が示すように、アーク放電が起きる場合の電圧が、図１０Ａの実電圧Ｗ０，Ｗ１より、低くなり、１回の放電におけるプラズマ装置の消費電流が小さくなる。

以上の事情に基づき、本実施例においては、プラズマ装置の消費電流に対応する検出電流値が大きい場合は小さい場合より補正値αが小さい値に決定されるようにした。補正値αが小さい場合は大きい場合より補正デューティ比ＤＡが小さい値となる。ＯＮ時間が短くなるのであり、パルス幅（ＯＮ時間に対応する）が小さくなる。
本実施例においては、図１２に示すように、補正値αが、検出電流値が大きくなるのに伴って連続的に小さくなる値に決定されるようにした。図１２に示す補正値αと消費電流との関係は予め取得されて記憶されている。本実施例においては、電流センサ９４によって検出された電流である検出電流値と図１２に示す関係とに基づいて補正値αが決定される。

スイッチング回路９６のパルス幅制御は、図１１のフローチャートで表されるパルス幅制御プログラムにより実行される。本パルス幅制御プログラムは予め定められた設定時間毎に実行される。
ステップ１（以下、Ｓ１と略称する。他のステップについても同様とする）において、検出電流値が取得され、Ｓ２において、検出電流値と図１２に示す関係とに基づいて補正値αが求められる。Ｓ３において、立ち上がり時の区分Ｒ１（後半部分）～Ｒ４、Ｒ９（後半部分）～１２の各々の基準デューティ比ＤにＳ２において求められた補正値αが加えられて、補正デューティ比ＤＡが決定される。そして、Ｓ４において、補正デューティ比ＤＡに基づいてパルス幅制御が行われる。

例えば、検出電流値が電流値Ｉ１である場合に補正値αが値α１に決定される。その結果、電極部２４，２６に印加される交流電圧は、図１０Ａの補正値αが値α１である場合の瞬時値Ｗｒｉｓ（補正値α１）が示すように変化し、補正値αが値α０とされた場合の瞬時値Ｗｒｉｓ（補正値α０）に比較して、立ち上がり時の増加勾配が抑制される。それにより、電極部２４，２６間の電圧は、実電圧Ｗ１(補正値α１)が示すよう変化し、実電圧Ｗ０(補正値α０)が示す場合に比較して、プラズマの発生（アーク放電の発生）の時期を遅らせることができ、その分、交流電圧の１周期の間の放電回数を減らすことができる。それにより、交流電圧が１周期変化する間の、ノズルから出力されるプラズマの量を少なくすることができ、プラズマ装置における消費電流を小さくすることができる。プラズマ装置において発熱を抑制し、発熱による損傷を回避することができる。

また、電流センサ９４によって検出された電流が電流値Ｉ２である場合には、補正値αが値α１より大きい値α２に決定される。その結果、電極部２４，２６に印加される交流電圧は、図１０Ｂの瞬時値Ｗｒｉｓ（補正値α２）が示すよう変化し、瞬時値Ｗｒｉｓ（補正値α０）と比較して立ち上がり時の増加勾配が大きくされる。それにより、実電圧Ｗ２（補正値α２）は、実線が示すように変化し、実電圧Ｗ０´と比較してプラズマの発生の開始時期を早くすることができ、電極部２４，２６に印加される交流電圧が１周期変化する間の放電回数を増やすことができる。その結果、交流電圧が１周期変化する間に出力されるプラズマの量を多くすることができる。

以上のように、本実施例においては、電流センサ９４によって検出された電流に基づいてパルス幅制御が行われるため、プラズマ装置における消費電流を抑制することができ、プラズマが安定して出力されるようにすることができる。

以上のように、制御装置８６の図１１のパルス幅制御プログラムを記憶する部分、実行する部分等によりパルス幅制御部、電流依拠パルス幅制御部、立ち上がり時パルス幅制御部が構成され、そのうちの、Ｓ２を記憶する部分、実行する部分等により、係数決定部が構成され、Ｓ３を記憶する部分、実行する部分等によりパルス幅決定部が構成される。下式に示すように、デューティ比ＤＡを決定することにより、ＯＮ時間、すなわち、パルス幅が決定されるため、Ｓ３を記憶する部分、実行する部分等によりパルス幅決定部が構成されると考えることができる。
ＤＡ＝ＯＮ時間／（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間）×１００
ＯＮ時間＝ＤＡ×（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間）／１００
また、上述のパルス幅制御部、電源９２、スイッチング回路９６、平滑回路９７、昇圧器９８等により、プラズマ装置用電源装置１６が構成される。

なお、上記実施例においては、立ち上がり時の区分Ｒ１（後半部分）～Ｒ４、Ｒ９（後半部分）～１２の基準デューティ比Ｄに加えられる補正値αが同じ値とされていたが、互いに異なる値とすることができる。さらに、補正値αと検出電流値との関係は、図１２に示す関係に限らない。例えば、補正値αは、検出電流値が大きくなるのに伴って段階的に小さくなる値としたり、曲線的に小さくなる値としたりすること等もできる。また、基準デューティ比Ｄに１より大きい係数を掛けることにより補正デューティ比ＤＡが取得されるようにすることもできる。

さらに、上記実施例においては、立ち上がり時ではなく、立ち下がり時の、区分Ｒ６～９（前半部分）、Ｒ１３～１(前半部分)において、基準デューティ比Ｄに補正値α（０より大きい値）を加えて補正デューティ比ＤＡが求められるようにすることもできる。なお、区分Ｒ１（後半部分）～４，９（後半部分）～１２における補正デューティ比ＤＡは基準デューティ比Ｄと同じ値（補正値αが０）とされる。

その場合の一例を図１４に示す。図１４に示すように、補正デューティ比ＤＡに基づいてパルス幅制御が行われた場合の瞬時値Ｗｄｗｎにおいては、基準デューティ比Ｄに基づいてパルス幅制御が行われた場合の瞬時値Ｗｓｉｎにおける場合より、立ち下がりが遅くなる。電圧がプラズマ消滅電圧（放電停止電圧）より低くなる時間は、瞬時値Ｗｄｗｎにおいて時間ｔ４となり、瞬時値Ｗｓｉｎにおいては時間ｔ３となり、瞬時値Ｗｄｗｎにおいては瞬時値Ｗｓｉｎより、遅くまで放電が可能となる。また、瞬時値Ｗｄｗｎと瞬時値Ｗｓｉｎとで、電圧がゼロとなる点（ゼロ点）ＺＰ，ＺＮと、電圧の正のピーク点ＰＰ，負のピーク点ＰＮとは一致する。また、瞬時値Ｗｄｗｎは、ゼロ点ＺＰから正のピーク点ＰＰに向かって滑らかに単調増加し、負のピーク点ＰＮからゼロ点ＺＰに向かって滑らかに単調増加する。さらに、瞬時値Ｗｒｉｓは、正のピーク点ＰＰから負のピーク点ＰＮに向かってゼロ点ＺＮを経て滑らかに単調減少する。

本実施例においては、立ち下がり時の基準デューティ比Ｄに加えられる補正値αの大きさが検出電流値に基づいて決められる。例えば、補正値αを大きい値とすることにより放電回数を増やし、補正値αを小さい値とすることにより放電回数を減らすことができるのであり、それにより、プラズマが安定して出力されるようにすることができ、プラズマ装置における消費電流を抑制することができる。

上記実施例においては、補正値αが電流センサ９４によって検出された電流である検出電流値の増加に伴って連続的に小さくなる値に決定されるようにされていたが、検出電流値がしきい値Ｉｔｈ以下である場合には補正値αが値α０に決定され、検出電流値がしきい値Ｉｔｈより大きい場合には値α０より小さい値α´(α´＜α０)に決定されるようにすることもできる。その場合のパルス幅制御プログラムの一例を図１５に示す。図１５のフローチャートにおいて、図１１のフローチャートが表すパルス幅制御が行われる場合と同様の実行が行われるステップについては同じステップ番号を付して説明を省略する。

本実施例においては、Ｓ２１において、検出電流値がしきい値Ｉｔｈより大きいか否かが判定される。検出電流値がしきい値Ｉｔｈ以下である場合には、Ｓ２２において補正値αが値α０とされるが、検出電流値がしきい値Ｉｔｈより大きい場合にはＳ２３において補正値αが値α´とされる。そして、Ｓ３において、立上がり時と立下り時との少なくとも一方における基準デューティ比Ｄに補正値αが加えられることにより補正デューティ比ＤＡが求められ、Ｓ４において、補正デューティ比ＤＡに基づいてパルス幅制御が行われる。

このように、本実施例においては、検出電流値がしきい値Ｉｔｈより大きい場合に補正値αが小さい値α´に決定される。補正デューティ比ＤＡが小さい値となり、ＯＮ時間が短くなり、パルス幅が小さくなる。その結果、交流電圧が１周期変化する間において、プラズマ装置における消費電流を抑制することができ、プラズマ装置の発熱を抑制し、ノズル等の発熱損傷を回避することができる。また、出力されるプラズマの量が過大にならないようにすることができる。

また、電流センサ９４は、交流直流変換器９５の上流側の電流を検出するものであっても、下流側の電流を検出するものであってもよい。また、交流直流変換器９５の上流側の電流と下流側の電流との両方に基づいて取得された値を消費電流として取得されるようにすることもできる。さらに、プラズマ生成部１２の構造は問わない。また、上記実施例におけるパルス幅制御の内容（例えば、デューティ比の値、区分の数、パルスの数）等はあくまで一例であり、それらに限定されない等、その他、本発明は、前記実施形態に記載の態様の他、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。

１２：プラズマ生成部 １６：電源装置 ２１：放電空間 ２４，２６：電極部バー ４０：ガス通路 ５０:窒素ガス供給装置 ５２：活性ガス供給装置 ５６:放電室 ８０，８３：ノズル ８６：制御装置 ９２：電源 ９４：電流センサ ９６：スイッチング回路 ９７：平滑回路

Claims (5)

1. 電源から出力される電圧について、前記電圧のパルスの幅であるパルス幅の制御を行って、交流電圧を一対の電極に印加してプラズマを発生させるプラズマ装置の電源装置であって、
   正弦波交流電圧と比較して電圧の立ち上がりを早くする立上がり時パルス幅制御部と、前記電圧の立ち下りを遅くする立下り時パルス幅制御部との少なくとも一方を含むパルス幅制御部を含み、
   前記パルス幅制御部が、前記電源に流れる電流に基づいて前記パルス幅を制御する電流依拠パルス幅制御部を含み、
   前記電流依拠パルス幅制御部が、前記パルス幅を、前記正弦波交流電圧に対応するパルス幅に補正値を加えた大きさとするパルス幅決定部と、前記補正値を、前記電流がしきい値より大きい場合は小さい場合より小さい値に決定する係数決定部とを含むプラズマ装置用電源装置。
2. 電源から出力される電圧について、前記電圧のパルスの幅であるパルス幅の制御を行って、交流電圧を一対の電極に印加してプラズマを発生させるプラズマ装置の電源装置であって、
   正弦波交流電圧と比較して電圧の立ち上がりを早くする立上がり時パルス幅制御部と、前記電圧の立ち下りを遅くする立下り時パルス幅制御部との少なくとも一方を含むパルス幅制御部を含み、
   前記パルス幅制御部が、前記電源に流れる電流に基づいて前記パルス幅を制御する電流依拠パルス幅制御部を含み、
   前記電流依拠パルス幅制御部が、前記パルス幅を、前記正弦波交流電圧に対応するパルス幅に補正値を加えた大きさとするパルス幅決定部と、前記補正値を、前記電流が大きくなるのに伴って連続的に小さくなる値に決定する係数決定部とを含むプラズマ装置用電源装置。
3. 電源から出力される電圧について、前記電圧のパルスの幅であるパルス幅の制御を行って、交流電圧を一対の電極に印加してプラズマを発生させるプラズマ装置の電源装置であって、
   正弦波交流電圧と比較して電圧の立ち上がりを早くする立上がり時パルス幅制御部と、前記電圧の立ち下りを遅くする立下り時パルス幅制御部との少なくとも一方を含むパルス幅制御部を含み、
   前記パルス幅制御部が、前記電源に流れる電流に基づいて前記パルス幅を制御する電流依拠パルス幅制御部を含み、
   前記電流依拠パルス幅制御部が、前記パルス幅を、前記正弦波交流電圧に対応するパルス幅に補正値を加えた大きさとするパルス幅決定部と、前記補正値を、前記電流が大きくなるのに伴って段階的に小さくなる値に決定する係数決定部とを含むプラズマ装置用電源装置。
4. 前記電源が、交流電源と、前記交流電源によって出力される交流電圧を直流電圧に変換して出力する交流直流変換器とを含み、
   当該プラズマ装置用電源装置が、前記交流電源に流れる電流と前記交流直流変換器に流れる電流との少なくとも一方を検出する電流センサを含む請求項１ないし３のいずれか１つに記載のプラズマ装置用電源装置。
5. 前記電流依拠パルス幅制御部によって前記パルス幅が制御されて得られた交流電圧は、前記正弦波交流電圧と比較して前記パルス幅が制御されて得られた交流電圧の波形のゼロ点、正のピーク点および負のピーク点が時間軸上で移動せず、かつ、前記ゼロ点から前記正ピーク点までの間と、前記負のピーク点から前記ゼロ点までの間とにおいて電圧瞬時値が滑らかに単調増加し、かつ、前記正ピーク点から前記ゼロ点を経て前記負のピーク点までの間で前記電圧瞬時値が滑らかに単調減少するものである請求項１ないし４のいずれか１つ記載のプラズマ装置用電源装置。

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