JP7287149B2 - 電流測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナに高周波電流を流すことによりアンテナを中心とした磁界を発生させてプラズマを発生させる誘導結合プラズマ発生装置の電流測定装置に関する。

アンテナに高周波電流を流すことによって誘導電界を発生させてプラズマを発生させるプラズマ発生装置の、アンテナに流れる高周波電流を測定する装置が従来から提案されている。このような電流測定装置としては、例えば、特許文献１に開示されている高周波電流測定装置が挙げられる。

特開２０１５－２１５９９２号公報（２０１５年１２月３日公開）

しかしながら、特許文献１に開示されている電流測定装置では、高周波電流によって生じた誘導電界によって発生する誘導電流（ノイズ電流）が、電流検出器で検出した誘導電流の情報を電子機器（演算器）に伝達するためのリード線を介して電子機器に侵入してしまうという問題がある。ノイズ電流が電子機器に侵入してしまうと、電子機器の動作不具合を生じる可能性がある。

本発明の一態様は、電流検出器からアナログ情報を伝達するための同軸ケーブルを伝わるノイズ電流を低減し、電子機器の動作不具合を防止することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る電流測定装置は、プラズマを発生させるアンテナを備えた誘導結合プラズマ発生装置の電流測定装置であって、前記誘導結合プラズマ発生装置の筐体または前記電流測定装置の筐体は接地されており、前記アンテナを流れる高周波電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器が検出した電流についてのアナログ情報をデジタル情報に変換する電子機器と、前記電流検出器から前記電子機器への前記アナログ情報の伝達経路の一部をなす同軸ケーブルであり、前記アナログ情報を伝達する導線と、当該導線の外側に形成された外部導体とを有する同軸ケーブルと、接地されている前記筐体と電気的に接続されているコネクタとを備え、前記外部導体は、前記コネクタに対して電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、電流検出器からアナログ情報を伝達するための同軸ケーブルを伝わるノイズ電流を低減し、電子機器動作不具合を防止することができる。

図１は、第１の実施形態に係る電流測定装置を備えたプラズマ発生装置の断面図である。 図２は、前記電流測定装置の一例である電流測定装置の機能ブロック図である。 図３は、前記電流測定装置の別の一例である電流測定装置の機能ブロック図である。 図４は、前記電流測定装置が備える同軸ケーブルの断面図である。 図５は、比較例としての電流測定装置を備えたプラズマ発生装置の断面図である。 図６は、第２の実施形態に係る電流測定装置を、設置面に対して平行な平面で切断したときの断面図である。 図７は、第２の実施形態に係る電流測定装置の機能ブロック図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。
（プラズマ発生装置１０００の構成）
図１は、本実施形態に係る電流測定装置９００を備えたプラズマ発生装置１０００の断面図である。プラズマ発生装置１０００は、誘導結合型のプラズマ発生装置である。

プラズマ発生装置１０００は、図１に示すように、高周波電源１と、マッチングボックス２と、真空容器（誘導結合プラズマ発生装置の筐体）３と、アンテナ４と、電流測定装置９００とを備えている。アンテナ４の一方の端部は、高周波電源１と接続されており、他方の端部は、真空容器３に電気的に接続されている。真空容器３は、接地されている。

電流測定装置９００は、シールドボックス３００を備えている。シールドボックス３００は、電流測定装置９００の筐体である。

シールドボックス３００は、電流検出器５を格納するアンテナボックス１００（第１筐体）と、電子機器６を格納するコントローラボックス２００（第２筐体）とを備える。アンテナボックス１００とコントローラボックス２００とは隣接している。図１において、接地は、プラズマ発生装置１０００の真空容器３から取られているが、シールドボックス３００は真空容器３に対して電気的に接続されているため、シールドボックス３００から接地が取られていてもよい。

シールド板７は、アンテナボックス１００とコントローラボックス２００との境界を形成する壁面である。アンテナボックス１００およびコントローラボックス２００は、シールドボックス３００の内部空間をシールド板７によって区切ることによって形成されている。あるいは、アンテナボックス１００とコントローラボックス２００とを別々の筐体として実現してもよい。この場合、アンテナボックス１００のある面と、コントローラボックス２００のある面とが互いに接するようにアンテナボックス１００およびコントローラボックス２００が配置される。このように互いに接する２つの面がシールド板７として機能する。

シールドボックス３００、アンテナボックス１００、およびコントローラボックス２００は、それぞれアルミニウムなどの金属製である。シールド板７がシールドボックス３００を区切る板である場合、シールド板７はアルミニウムなどの金属製であり、シールドボックス３００と電気的に接続されている。

電流検出器５と電子機器６は、同軸ケーブル８およびコネクタ９によって接続されている。コネクタ９は、シールド板７に電通可能に取り付けられており、接地されているプラズマ発生装置１０００の真空容器３と、電気的に接続されている。電子機器６は、コントローラボックス２００の内部において、絶縁体１０によって支持されている。

プラズマ発生装置１０００は、高周波電源１からアンテナ４に高周波電流を流すことにより、アンテナを中心とした磁界を発生させて誘導結合型のプラズマを発生させ、当該誘導結合型のプラズマを用いて、真空容器３内に配置された基板などの処理対象（図示せず）に処理を施すものである。ここで、処理対象としての基板は、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどのフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用の基板、フレキシブル基板などである。また、処理対象に施す処理は、例えば、プラズマＣＶＤ法による膜形成、エッチング、アッシング、スパッタリングなどである。

高周波電源１は、真空容器３内に誘導結合型のプラズマを生成するための高周波を、マッチングボックス２を介して、アンテナ４に印加する電源である。高周波電源１は、マッチングボックス２を介して、アンテナ４と電気的に接続されている。高周波電源１からアンテナ４に高周波を印加することにより、アンテナ４に高周波電流が流れて、真空容器３内に磁界が発生して誘導結合型のプラズマが生成される。図１では、高周波電源１が１つ設けられている例を示しているが、これに限定されない。高周波電源１から流れる電流は、例えば、０～１５０［Ａ］のピークピーク値（ｐｅｅｋ ｔｏ ｐｅｅｋ ｖａｌｕｅ）の電流である。

真空容器３は、例えば、アルミニウムなどの金属製の容器であり、その内部は真空排気装置（図示せず）によって真空排気される。

アンテナ４は、プラズマ生成用のアンテナである。アンテナ４の両端部付近は、図１に示すように、真空容器３における互いに対向する一対の側壁をそれぞれ貫通している。アンテナ４の両端部を真空容器３の外へ貫通させる部分には、絶縁部材３１がそれぞれ設けられている。この各絶縁部材３１を、アンテナ４の両端部が貫通しており、その貫通部分は例えばパッキン（図示せず）によって真空シールされている。この絶縁部材３１を介して、アンテナ４は、真空容器３の対向する一対の側壁に対して電気的に絶縁された状態で支持されている。

電流検出器５は、アンテナ４に流れる高周波電流（１次電流）によって発生する磁束を打ち消す向きに流れる誘導電流を、変流器（ＣＴ）にて２次電流として検出し、２次電流が流れる閉回路に含まれるシャント抵抗の両端に発生する電圧を、測定電流に比例した電圧として出力する装置である。

電子機器６は、電流検出器５が検出した電流についてのアナログ情報をデジタル情報に変換する電子機器である。電子機器６は、単体であっても、複数の電子機器の組み合わせであってもよい。

図２は、電流測定装置９００の一例である電流測定装置９０１の機能ブロック図である。図２で示されるように、電流測定装置９０１において、電子機器６は、電流検出器５からの入力を実効値へと変換し出力するＣＴ変換器６１と、ＣＴ変換器６１からの入力をデジタル信号へと変換するアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器６２との組み合わせである。電流測定装置９０１における、測定電流についてのデータの変換の流れの例を以下に示す。

アンテナ４に流れる高周波電流によって生じる磁界によって引き起こされる誘導電流は、電流検出器５によって、０～７．５［Ｖ］のピークピーク値の電圧で出力される。その後ＣＴ変換器によって０～５［Ｖ］の実効値に変換されて出力され、Ａ／Ｄ変換器によって０～４０００［－］のデジタル信号へと変換される。

図３は、電流測定装置９００の一例である電流測定装置９０２の機能ブロック図である。図３で示されるように、電流測定装置９０２において、電子機器６は、出力波形を確認するオシロスコープ６３である。電流測定装置９０２では、オシロスコープ６３を用いて、電流検出器５によって検出された電流値の正当性を確認する。

同軸ケーブル８は、電流検出器５から電子機器６へのアナログ情報の伝達経路である。図４は、同軸ケーブル８の断面図である。図４に示すように、同軸ケーブル８は、導線８１と、導線８１の外周に配された絶縁体８２と、絶縁体８２の外周に配された外部導体８３と、外部導体８３の外周に配された保護被膜８４とを備えている。

導線８１は、例えば軟銅線である。外部導体８３として、例えばアルミ箔付きプラスチックテープ、軟銅線編組、または錫メッキ軟銅線編組を用いることができる。絶縁体８２の材料は、例えば、ポリエチレンまたは発砲ポリエチレンであり、保護被膜８４の材料は、例えばポリ塩化ビニルなどであるが、これらに限定されない。同軸ケーブル８としては、例えば、ＢＮＣ（Ｂａｙｏｎｅｔ Ｎｅｉｌｌ Ｃｏｎｃｅｌｍａｎ）コネクタ付同軸ケーブルを用いることができる。

コネクタ９は、電流検出器５に接続されている同軸ケーブル８（第１の同軸ケーブル８Ａ）と、電子機器６に接続されている同軸ケーブル８（第２の同軸ケーブル８Ｂ）とを接続するための接続コネクタである。コネクタ９は、両端に２つの接続端子を備えており、一方の接続端子に第１の同軸ケーブル８Ａが接続され、他方の接続端子に第２の同軸ケーブル８Ｂが接続される。

このコネクタ９として、例えば、ＢＮＣコネクタを用いることができる。シールド板７の両面から２つの接続端子をそれぞれ露出するようにコネクタ９をシールド板７取り付けることにより、コネクタ９の両端にそれぞれ同軸ケーブルが接続され、電流検出器５から電子機器６への伝達経路が形成される。

（ノイズ電流の流れ）
プラズマ発生装置１０００において、アンテナ４に流れる高周波電流により発生した強力な磁界により、当該磁界が影響を及ぼす範囲にある導体に誘導電流が生じる。当該誘導電流は、ノイズ電流として同軸ケーブル８にも流れる。図４に示されるように、同軸ケーブル８は、導線８１にノイズ電流が流れることを防止するために外部導体８３を備えている。本実施形態に係る電流測定装置９００において、外部導体８３を流れるノイズ電流は、コネクタ９を介して真空容器３と接続されている接地へと流れる。

より具体的には、コネクタ９は、アンテナボックス１００とコントローラボックス２００との境界を形成する壁面（シールド板７）に電通可能に取り付けられている。この構造により、電流検出器５から電子機器６に向かうノイズ電流は、第１の同軸ケーブル８Ａの外部導体８３を流れる。当該ノイズ電流がコネクタ９に到達すると、コネクタ９から電子機器６に向かう同軸ケーブル８Ｂよりも抵抗の低い、アンテナボックス１００とコントローラボックス２００と境界を形成する壁面（シールド板７）に流れ、シールドボックス３００および真空容器３の表面を伝播して接地へと流れ得る。

（本実施形態の効果）
本実施形態の効果を明示できるよう、比較例を用いて以下に説明する。図５は、比較例としての電流測定装置９０３を備えたプラズマ発生装置１００１の断面図である。

図５の電流測定装置９０３は、本実施形態の電流測定装置９００と比較して、電流検出器５と電子機器６とが１本の同軸ケーブル８で直接的に接続されているという点で異なる。図５の電流測定装置９０３では、シールド板７によってアンテナボックス１００内の空間ノイズが遮断されているが、同軸ケーブル８の外部導体８３を流れるノイズ電流は、電子機器６へと侵入する。その結果、当該ノイズ電流が電子機器６の動作不具合を引き起こし得る。さらに、当該ノイズ電流は、コントローラボックス２００内の空間ノイズの発生を引き起こす要因にもなる。

一方、上記のように構成した本実施形態の電流測定装置９００は、電流検出器５から電子機器６へのアナログ情報の伝達経路の一部をなす同軸ケーブル８を備えている。同軸ケーブル８は、アナログ情報を伝達する導線８１と、当該導線の外側に形成された外部導体８３とを有する同軸ケーブルと、コネクタ９とを備えている。プラズマ発生装置１０００の筐体または電流測定装置９００の筐体は接地されており、コネクタ９は、接地されている前記筐体と電気的に接続されている。外部導体８３は、コネクタ９に対して電気的に接続されている。

当該構成により、同軸ケーブル８（第１の同軸ケーブル８Ａ）の外部導体８３を流れるノイズ電流を、電子機器６に侵入することなく接地へと流すことができ、電子機器６の動作不具合を防止することが可能となる。また、コントローラボックス２００内に存在する同軸ケーブル８（第２の同軸ケーブル８Ｂ）を流れるノイズ電流は大幅に低減されているため、コントローラボックス２００内の空間ノイズを低減することができる。さらに、コントローラボックス２００内の空間ノイズが低減されることにより、電子機器６と接続される制御装置など（図示せず）へのノイズ電流も低減することが可能となり、制御装置なども正常に作動させることができる。

また、電流測定装置９００によれば、電子機器６が絶縁体８２によってコントローラボックス２００から支持されていることにより、コントローラボックス２００と絶縁されている。これにより、電子機器６とシールドボックス３００との間で誘導電流が循環して流れる閉回路の形成を防止できる。さらに電子機器６についても、同軸ケーブル８の外部導体８３およびコネクタ９を介して、上記のように接地を取ることができ、接地経路を１つにすることができる。これにより、接地面積を少なくすることができ、装置を簡略化することが可能となる。

また、電流測定装置９００によれば、同軸ケーブル８の伝達経路の途中にコネクタ９を取り付けるという単純な構造を付加することにより、絶縁アンプ、フィルタなどのノイズ対策機器またはノイズ対策用の部品を用いることなくノイズ対策を講じることができる。その結果、シールドボックス３００内の接地面積を変化させずにノイズ対策を講じることができる。

また、電流測定装置９００によれば、電流検出器５と電子機器６との間は、シールド板７に取り付けられているコネクタ９と、同軸ケーブル８Ａまたは８Ｂとの接続部分で取り外し可能に接続されている。これにより、電子機器６の取付け、交換の作業が生じた場合、コントローラボックス２００内の作業のみで済み、作業効率が向上する。

（実証試験の結果）
本発明の効果について実証した試験の結果について以下に説明する。

まず、比較例として、図５の電流測定装置９０３を用いてアンテナ４を流れる電流を測定した。この時のコントローラボックス２００内の電子機器６周辺の高周波電磁界の値を測定したところ、５０［ｍＷ/ｃｍ^２］以上となった。

次に、図１で示される実施形態１の電流測定装置９００を用いてアンテナ４を流れる電流を測定した。この時のコントローラボックス２００内の電子機器６周辺の高周波電磁界の値を測定したところ、０．２［ｍＷ/ｃｍ^２］以下となった。

このことから、実施形態１に従う電流測定装置９００は、同軸ケーブル８を伝わるノイズ電流を有意に低減することができることが実証された。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図６および図７を用いて以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

図６は、実施形態２に係る電流測定装置９０４を、電流測定装置９０４が設置されている床面に対して平行な平面で電流測定装置９０４を切断したときの断面を示す図である。

電流測定装置９０４は、図６に示すように、電流を測定する対象であるアンテナ４が複数であるという点で実施形態１と異なる。アンテナ４が複数である場合、電流測定装置９０４は、各アンテナ４に対応する、電流検出器５、同軸ケーブル８Ａおよび８Ｂ、コネクタ９、ならびに電子機器６を備える。

この場合においても、各第１の同軸ケーブル８Ａを流れるノイズ電流は、コネクタ９を介してシールド板７に流れ、シールドボックス３００および真空容器３の表面を伝播して接地へと流れ得る。

図７は、電流測定装置９０４の機能ブロック図である。図７で示されるように、各アンテナ４に流れる高周波電流によって生じる磁界によって引き起こされる誘導電流は、各電流検出器５によって当該誘導電流と比例する電圧で出力される。その後ＣＴ変換器６１によって実効値に変換されて出力され、Ａ／Ｄ変換器６２によってデジタル信号へと変換される。

上記のように構成した電流測定装置９０４によれば、アンテナ４が複数である場合であっても、複数の同軸ケーブル８（第１の同軸ケーブル８Ａ）の外部導体８３を流れるノイズ電流を、電子機器６に侵入することなく接地へと流すことができる。これにより、各電子機器６の動作不具合を防止することが可能となる。

また、コントローラボックス２００内に存在する複数の同軸ケーブル８（第２の同軸ケーブル８Ｂ）を流れるノイズ電流は大幅に低減されているため、コントローラボックス２００内の空間ノイズを低減することができる。これにより、電子機器６と接続される制御装置など（図示せず）へのノイズ電流も低減することが可能となり、制御装置なども正常に作動させることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

３・・・真空容器
４・・・アンテナ
５・・・電流検出器
６・・・電子機器
７・・・シールド板
８、８Ａ、８Ｂ・・・同軸ケーブル、（第１の同軸ケーブル）、（第２の同軸ケーブル）
９・・・コネクタ
１０・・・絶縁体
８１・・・導線
８２・・・絶縁体
８３・・・外部導体
８４・・・保護被膜
１００・・・アンテナボックス
２００・・・コントローラボックス
３００・・・シールドボックス
９００、９０１、９０２、９０３、９０４・・・電流測定装置
１０００、１００１・・・プラズマ発生装置

Claims (3)

1. プラズマを発生させるアンテナを備えた誘導結合プラズマ発生装置の電流測定装置であって、前記誘導結合プラズマ発生装置の筐体または前記電流測定装置の筐体は接地されており、
   前記アンテナを流れる高周波電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器が検出した電流についてのアナログ情報をデジタル情報に変換する電子機器と、
   前記電流検出器から前記電子機器への前記アナログ情報の伝達経路の一部をなす同軸ケーブルであり、前記アナログ情報を伝達する導線と、当該導線の外側に形成された外部導体とを有する同軸ケーブルと、
   接地されている前記筐体と電気的に接続されているコネクタとを備え、
   前記外部導体は、前記コネクタに対して電気的に接続されており、
   前記電流検出器を格納する第１筐体と、
   前記第１筐体と隣接し、前記電子機器を格納する第２筐体とをさらに備え、
   前記コネクタは、前記第１筐体と前記第２筐体との境界を形成する壁面に取り付けられていることを特徴とする、電流測定装置。
2. 前記境界を形成する壁面の両面に接続端子が露出している前記コネクタが取り付けられており、
   前記接続端子と接続する複数の前記同軸ケーブルによって前記伝達経路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
3. 前記電子機器は、前記第２筐体の内部において絶縁体によって支持されている、請求項１または２に記載の電流測定装置。

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