阅读说明：本技术 等离子体装置、等离子体生成方法 (Plasma device and plasma generating method ) 是由 神藤高广 于 2018-03-20 设计创作，主要内容包括：本公开的课题是能够高效地生成等离子体。在本公开的等离子体装置中,包括电介质屏障放电器和电弧放电器,在被供给用于生成等离子体的气体的放电空间内,在比电介质屏障放电器靠下游侧处设置电弧放电器。在电介质屏障放电器中发生电介质屏障放电,在电弧放电器中发生电弧放电。在电介质屏障放电中使用于生成等离子体的气体活性化,因此在电弧放电中能够使前述的气体良好地等离子体化。(The subject of the present disclosure is to efficiently generate plasma. In the plasma apparatus of the present disclosure, including the dielectric barrier discharger and the arc discharger, the arc discharger is provided at a downstream side of the dielectric barrier discharger in the discharge space to which the gas for generating the plasma is supplied. In the dielectric barrier arresters, dielectric barrier discharges occur, and in the arc arresters, arc discharges occur. Since the gas for generating plasma is activated in the dielectric barrier discharge, the gas can be favorably made into plasma in the arc discharge.)

等离子体装置、等离子体生成方法

技术领域

本公开涉及生成等离子体的等离子体装置、等离子体生成方法。

背景技术

专利文献1中记载了一种等离子体装置，其具备一对呈平板状的电极、设于一对电极之间且被供给处理气体的放电空间、将一对电极分别覆盖的电介质物。在该等离子体装置中，在一对电极之间产生放电，由此使供给至放电空间的处理气体等离子体化而生成等离子体。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4833272号

发明内容

要解决的课题

本公开的课题是能够高效地生成等离子体。

用于解决课题的手段、作用及效果

本公开的等离子体装置包括电介质屏障放电器和电弧放电器，在被供给用于生成等离子体的气体的放电空间内，电弧放电器设于比电介质屏障放电器靠下游侧处。在电介质屏障放电器中发生电介质屏障放电，在电弧放电器中发生电弧放电。在电介质屏障放电中使用于生成等离子体的气体活性化，因此在电弧放电中能够使用于生成等离子体的气体良好地等离子体化。

需要说明的是，放电是指通过使一对电极之间的空间产生高电场而使在一对电极之间的空间内存在的气体发生绝缘破坏(气体的分子电离而电子、离子增加的状态)，从而电流在一对电极之间流动。其中，电介质屏障放电是指在向一对电极施加了交流电压的情况下发生的通过电介质物(不包括气体)的放电，电弧放电是指未通过电介质物的放电。在电介质屏障放电中，电荷积蓄于电介质物中，但是在极性反转的情况下，积蓄的电荷被放出，由此发生放电。并且，通过电介质物，在一对电极之间流动的电流被限制。因此，在电介质屏障放电中，不会达到电弧放电，不会给存在于放电空间的气体赋予较大的能量。并且，在向一对电极赋予高频率的交流电压的情况下，极性的反转速度变快，可能连续地发生放电。并且，在电弧放电中，没有对在一对电极之间流动的电流施加限制。因此，较大的电流在一对电极之间流动，向存在于空间的气体赋予较大的能量。

附图说明

图1是本公开的一实施方式的等离子体装置的立体图。在本等离子体装置中，实施本公开的一实施方式的等离子体生成方法。

图2是上述等离子体装置的一部分的截面图。

图3是上述等离子体装置的包括图2的一部分在内的部分的截面图。

图4是上述等离子体装置的构成部件即电介质包围部件的立体图，图4的(A)、图4的(B)、图4的(C)分别是电介质包围部件的从不同的角度观察的情况下的立体图。

图5是相对于上述等离子体装置能够拆装的喷嘴的截面图。

图6是概念性地表示上述等离子体装置的电源装置的周边的图。

图7是表示上述电源装置的开关电路的图。

图8是概念性地表示上述等离子体装置中的工作的图。

图9是表示上述等离子体装置的工作状态下的电压的图。

具体实施方式

以下，基于附图来说明本公开的等离子体装置。在本等离子体装置中，实施本公开的等离子体生成方法。本等离子体装置在大气压下产生等离子体。

实施例

图1所记载的等离子体装置包括等离子体生成部12、加热气体供给部14、图6所示的电源装置16等。等离子体生成部12和加热气体供给部14排列设置。等离子体生成部12使供给的处理气体等离子体化而生成等离子体。加热气体供给部14将通过对加热用气体进行加热而获得的加热气体向等离子体生成部12供给。在本等离子体装置中，由等离子体生成部12生成的等离子体与由加热气体供给部14供给的加热气体一起输出并向被处理物W照射。在图1中，沿箭头P的方向供给处理气体，输出等离子体。

如图2～4所示，等离子体生成部12包括由陶瓷等绝缘体形成的生成部主体18、一对电极部24、26、电介质包围部件22等。生成部主体18大概呈沿长度方向延伸的形状，将一对电极部24、26保持成在宽度方向上分离。并且，生成部主体18的一对电极部24、26之间为放电空间21，处理气体沿P方向供给。以下，在本等离子体装置中，将生成部主体18的宽度方向即一对电极部24、26(以下有时省略“一对”而简称为电极部24、26或多个电极部24、26等。对于其他的用语也一样。)排列的方向设为x方向，将等离子体生成部12和加热气体供给部14排列的方向设为y方向，将生成部主体18的长度方向设为z方向。z方向与P方向相同，供给处理气体的一侧为上游侧，输出等离子体的一侧为下游侧。需要说明的是，x方向、y方向、z方向彼此正交。

多个电极部24、26分别呈沿长度方向延伸的形状，分别包括一对电极棒27、28和一对电极支架29、30。多个电极支架29、30的各电极支架与多个电极棒27、28相比分别为大径，在电极支架29、30上分别将电极棒27、28保持于偏心的位置并固定。并且，在电极棒27、28的各电极棒分别保持于电极支架29、30的状态下，电极棒27、28的一部分处于从电极支架29、30突出的状态。电极部24、26(电极支架29、30以及电极棒27、28)沿z方向即与处理气体的供给方向P相同的朝向延伸，以电极支架29、30位于上游侧且电极棒27、28位于下游侧的姿态保持于生成部主体18。并且，电极部24、26彼此分离的方向x与供给处理气体的方向z(P)交叉。需要说明的是，电极支架29、30的间隔D1小于电极棒26、27的间隔D2(D1＜D2)。

电极支架29、30分别用具有导电性的材料来制造，具有作为电极的功能。电极棒27、28分别以能够相互通电的状态固定于电极支架29、30。换言之，电极支架29、30和电极棒27、28在电气上一体地设置。并且，在电极部24、26保持于生成部主体18并与电源装置16连接的状态下，向电极棒27、28和电极支架29、30双方施加电压，所述电极棒27、28以及电极支架29、30均作为电极起作用。

如此，电极棒27、28的各电极棒和电极支架29、30的各电极支架分别在电气上一体地设置，因此只要使电源装置16与电极支架29、30和电极棒27、28中的任一方连接即可，相应地能够简单地进行配线。

需要说明的是，向电极棒27、28、电极支架29、30施加任意的大小、频率的交流电压。

电介质包围部件22将电极支架29、30的外周覆盖，用陶瓷等电介质(也可以称为绝缘体)来制造。如图4的(A)～图4的(C)所示，电介质包围部件22包括彼此分离地设置的一对电极罩34、36和将一对电极罩34、36连结的连结部38。

多个电极罩34、36分别大概呈中空筒状，使长度方向的两端部开口。电极罩34、36以长度方向沿z方向延伸的姿态配设成主要电极支架29、30位于电极罩34、36的内周侧的状态。需要说明的是，在电极罩34、36的内周面与电极支架29、30的外周面之间分别设置间隙，这些间隙为后述的气体通路34c、36c。并且，电极棒27、28的从上述的电极支架29、30突出的一部分的下游侧的端部即下游侧端部27s、28s从电极罩34、36的下游侧的开口部突出。

在连结部38中形成沿z方向贯通的气体通路40。在本实施例中，如图3所示，连结部38的形成气体通路40的周壁与电极罩34、36一体地形成。在气体通路40的内部不存在由电介质(不包括气体。以下相同)制造的部件(可以称为电介质物)。换言之，在电极罩34、36的彼此相对的部分之间不存在与电介质包围部件22不同的由电介质制造的部件。

在生成部主体18的保持电极部24、26的部分的上游侧形成多个气体通路42、44、46等。在气体通路42、44中连接图6所示的氮气供给装置50，在气体通路46中连接氮气供给装置50和供给活性气体即干空气(包含活性氧)的活性气体供给装置52。氮气供给装置50包括氮气源和流量调整机构，能够以期望的流量供给氮气。活性气体供给装置52包括活性气体源和流量调整机构，能够以期望的流量供给活性气体。在本实施例中，处理气体包含从活性气体供给装置52供给的活性气体和从氮气供给装置50供给的氮气(惰性气体的一方案)。

使前述的电极罩34、36的内部的气体通路34c、36c在电极罩34、36的上游侧的开口部处与气体通路42、44分别连通。向气体通路34c、36c分别沿P方向供给氮气。

使形成于电介质包围部件22的气体通路40与气体通路46连通。向气体通路40沿P方向供给包含氮气和活性气体的处理气体。

在生成部主体18的从电极罩34、36突出的一对电极棒27、28的下游侧端部27s、28s之间形成放电室56，在放电室56的下游侧以沿x方向隔开间隔排列的方式形成沿z方向延伸的多个(本实施例中为6条)等离子体通路60a、60b…。多个等离子体通路60a、60b…的上游侧的端部分别在放电室56开口。并且，彼此不同的种类的多个喷嘴80、83等分别以能够拆装的方式安装于生成部主体18的下游侧的端部。喷嘴80、83等由陶瓷等绝缘体制造。需要说明的是，在本实施例中，通过放电室56、气体通路40等来构成放电空间21。

如图1、2所示，加热气体供给部14包括保护罩70、气体管72、加热器73、连结部74等。保护罩70安装于等离子体生成部12的生成部主体18。气体管72在保护罩70的内部以沿z方向延伸的方式配设，在气体管72上连接加热用气体供给装置(参照图5)76。加热用气体供给装置76包括加热用气体源和流量调整部，能够以期望的流量供给加热用气体。加热用气体既可以为干空气等活性气体，也可以为氮等惰性气体。并且，气体管72的外周侧配设有加热器73，通过加热器73对气体管72进行加热，在气体管72中流动的加热用气体被加热。

连结部74将气体管72与喷嘴80连结，包括侧视下大概呈L字形的加热气体供给通路78。在喷嘴80安装于生成部主体18的状态下，加热气体供给通路78的一端部与气体管72连通，另一端部与形成于喷嘴80的加热气体通路62连通。

如图2、3所示，喷嘴80包括彼此平行地设置的多个(本实施例中为6条)等离子体输出通路80a、80b…形成的通路构造体81和喷嘴主体82。通路构造体81和喷嘴主体82分别在通路构造体81位于在喷嘴主体82中形成的收纳室82a的内部的状态下安装于生成部主体18，由此将喷嘴80安装于生成部主体18。如此，在喷嘴80安装于生成部主体18的状态下，等离子体通路60a、60b…和等离子体输出通路80a、80b…分别连通。并且，经由加热气体通路62向喷嘴主体82的收纳室82a与通路构造体81之间的间隙供给加热气体。从喷嘴80的喷嘴主体82的收纳室82a的前端的开口82b输出等离子体等和加热气体。

也可以在生成部主体18上安装与喷嘴80不同的图5所示的喷嘴83。在喷嘴83的通路构造体84中形成一个等离子体输出通路83a。并且，通路构造体84和喷嘴主体85分别在通路构造体84位于在喷嘴主体85的内部形成的收纳室85a中的状态下安装于生成部主体18。如此，在喷嘴80安装于生成部主体18的状态下，多个等离子体通路60a、60b…和等离子体输出通路83a连通。并且，向喷嘴主体85的收纳室85a与通路构造体84之间的间隙供给加热气体，从收纳室85a的前端的开口85b输出等离子体等和加热气体。

如图6所示，本等离子体装置包括以计算机为主体的控制装置86。控制装置86包括执行部86c、存储部86m、输入输出部86i、计时器86t等，在输入输出部86i上连接氮气供给装置50、活性气体供给装置52、加热用气体供给装置76、加热器73、电源装置16、显示器87等，并且连接开始开关88、停止开关89等。在显示器87中显示本等离子体装置的状态等。

开始开关88是在对等离子体装置的驱动进行指示的情况下***作的开关，停止开关89是在对等离子体装置的停止进行指示的情况下***作的开关。例如，将本等离子体装置的电源线缆90与插座连接并装上未图示的断路器，由此成为能够从商用的交流电源93向本等离子体装置供给交流电压的状态，开始控制装置86的工作。由此，本等离子体装置从不能进行驱动的状态即不能驱动状态切换成能够进行驱动的可驱动状态。并且，在可驱动状态下，通过进行开始开关88的接通操作而开始等离子体装置的驱动，通过在等离子体装置的驱动期间进行停止开关89的接通操作而使等离子体装置的等离子体生成用的驱动停止。即，在进行了停止开关89的接通操作的情况下，不进行电压向电极部24、26的施加，加热用气体的加热也没有进行，不过有时开始未图示的冷却装置的工作等。

电源装置16包括电源线缆90、电流传感器94、A/D(交流直流)转换器95、开关电路96、升压器98等。在电源线缆90与插座连接的状态下，从商用的交流电源93供给的交流电压在A/D转换器95中转换成直流电压，通过开关电路96来进行PWM(Plus Width Modulation：脉冲宽度调制)控制。并且，通过进行PWM控制而获得的期望的频率的电压的脉冲信号通过升压器98而升压并向电极部24、26施加。并且，通过电流传感器94来检测向电源装置16流动的交流电流。

如图7所示，开关电路96通过第一～第四这四个开关元件101～104的桥连接而构成。在本实施例中，使用MOSFET元件作为开关元件。关于第一开关元件101，漏极D与A/D转换器95的输出部的高压端子105连接，源极S与第一输出端子106连接。关于第二开关元件102，漏极D与第一输出端子106连接，源极S与A/D转换器95的低压端子107连接。关于第三开关元件103，漏极D与A/D转换器95的高压端子105连接，源极S与第二输出端子108连接。关于第四开关元件104，漏极D与第二输出端子108连接，源极S与A/D转换器94的低压端子107连接。

第一输出端子106以及第二输出端子108经由未图示的平滑电路向升压器98输入。第一开关元件101的栅极G与第四开关元件104的栅极G、第二开关元件102的栅极G与第三开关元件103的栅极G分别汇集一起与控制装置86的输入输出部连接。

第一～第四开关元件101～104只在向栅极G输入控制信号时使漏极D与源极S之间导通。在向第一开关元件101、第四开关元件104的栅极G输入了接通信号的情况下和在向第二开关元件102、第三开关元件103的栅极G输入了接通信号的情况下，电流的朝向相反。

如以上那样构成的等离子体装置通过开始开关88的接通操作而成为驱动状态。通过开关电路96的控制，由电源装置16向电极部24、26施加2kHz以上的交流电压，例如可以施加8kHz以上且9kHz以下的交流电压。并且，向气体通路34c、36c以期望的流量供给氮气，向放电空间21以期望的流量供给处理气体。而且，向加热气体通路62供给加热气体。

向放电空间21沿P方向供给处理气体，不过在上游侧的气体通路40中，在一对电极支架29、30之间经由电极罩34、36发生电介质屏障放电，在靠下游侧的放电室56中，在一对电极棒27、28的下游侧端部27s、28s之间发生电弧放电。

在电介质屏障放电中，通过向电极支架29、30施加交流电压，电荷蓄积于电极罩34、36，但是在极性反转时，积蓄的电荷被放出，由此发生放电。并且，通过电极罩34、36，在电极支架29、30之间流动的电流被限制。因此，在电介质屏障放电中，通常不会达到电弧放电，通常不会给处理气体赋予较大的能量。并且，在本实施例中，向电极支架29、30赋予高频的交流电压，因此极性的反转速度变快，能够使放电良好地发生。

相对于此，在电弧放电中，较大的电流在一对电极棒27、28的下游侧端部27s、28s之间流动，向处理气体赋予较大的能量。

如此，在电介质屏障放电中，向处理气体赋予的能量较小，因此处理气体未必会电离并等离子体化。但是，处理气体变成能量潜力较高的状态即激励状态或者被加热。

然后，在电弧放电中，向处理气体赋予较大的能量，因此在电介质屏障放电中未等离子体化的处理气体也能够良好地等离子体化。并且，受到电介质屏障放电的处理气体已经处于能量潜力较高的状态，因此通过受到电弧放电而更加容易等离子体化。需要说明的是，在放电空间21中的一对电极支架29、30之间的部分和一对电极棒27、28的下游侧端部27s、28s之间的部分这两方发生放电通过在各个部分产生光来确认。

如此，在本实施例中，如图8所示，在放电空间21的上游侧设置电介质屏障放电区域R1，在下游侧设置电弧放电区域R2，因此按照基于电介质屏障放电的能量向处理气体的赋予(电介质屏障放电工序)和基于电弧放电的能量向处理气体的赋予(电弧放电工序)这两阶段来进行等离子体的生成。其结果是，能够高效地使处理气体等离子体化。并且，由此能够使向被处理物照射的等离子体的浓度稳定地变高，对于被处理物能够良好地进行等离子体处理。

需要说明的是，图9中简化示出本等离子体装置的工作状态下的电压的变化。如图9的实线所示，在向电极部24、26施加的电压增加且与放电开始电压相比变高的情况下，发生电介质屏障放电，但是然后电压进一步增加并发生电弧放电时，发生短路，电压变成0。在本实施例中，考虑在交流电流的1周期内发生4～8次电介质屏障放电以及电弧放电。

并且，在气体通路40的内部没有设置由电介质制造的部件。而且，电极支架29、30的间隔小于电极27、28即下游侧端部27s、28s的间隔。通过以上结构，在电极支架29、30之间能够容易发生电介质屏障放电。

而且，电极支架29、30延伸的方向和处理气体的供给方向相同，因此能够使电介质屏障放电区域R1变宽，良好地使处理气体活性化。

如以上那样，在本实施例中，电极支架29、30对应于第一电极，电极棒27、28对应于第二电极，电极罩34、36对应于电介质屏障。并且，通过电极支架29、30、电极罩34、36、气体通路40等而构成电介质屏障放电器110(参照图8)，通过电极棒27、28的下游侧端部27s、28s、放电室56等而构成电弧放电器112(参照图8)。而且，通过氮气供给装置50、活性气体供给装置52等而构成处理气体供给装置。需要说明的是，电极支架29、30对应于技术方案9所记载的一对电极，电极罩34、36对应于一对电介质物，电源装置16对应于高频电源。

需要说明的是，在上述实施例中，用于生成等离子体的气体即处理气体包括包含活性氧的干空气和氮气，但是处理气体的种类并没有什么关系。并且，在上述实施例中，设置了一对电极部24、26，但是也可以设置多对电极部。而且，作为电介质屏障的电极罩34、36将电极支架29、30的外周覆盖，但是电介质屏障只要位于电极支架29、30的彼此相对的部分之间即可，不需要形成将电极支架29、30的外周覆盖的形状。并且，加热气体供给部14不是不可缺少的，另外本公开除了所述实施方式中记载的方案以外，还能够以基于本领域技术人员的知识而实施了各种各样的变更、改良后的方式实施。

附图标记说明

12：等离子体生成部 21：放电空间 22：电介质包围部件 24、26：电极部 27、28：电极棒 27s、28s：下游侧端部 29、30：电极支架 34、36：电极罩 34c、36c：气体通路 40：气体通路 42、44、46：气体通路 50：氮气供给装置 52：活性气体供给装置 56：放电室 86：控制装置 96：开关电路 110：电介质屏障放电器 112：电弧放电器