(57)【要約】【課題】プラズマの両端間の電圧を測定可能な放電装置を提供する。【解決手段】一対の電極１０は、チャンバー３０の内部に対向して設けられる。モニター用抵抗３４およびモニター用コンデンサ３２は、一対の電極１０の一方と接地の間に直列に設けられる。一対の電極１０それぞれの表面は、誘電体によって覆われている。駆動回路２０は、チャンバーの外部に設けられ、一対の電極１０ａ、１０ｂ間に交流電圧を印加する。電圧センサ３６は、モニター用抵抗３４の両端間の電圧ＶＲを測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを収容するチャンバーと、
前記チャンバーの内部に対向して設けられ、それぞれの表面が誘電体によって覆われている一対の電極と、
前記チャンバーの外部に設けられ、一対の電極間に交流電圧を印加する駆動回路と、
前記一対の電極の一方と接地の間に直列に設けられたモニター用抵抗およびモニター用コンデンサと、
前記モニター用抵抗の両端間の電圧を測定する電圧センサと、
を備えることを特徴とするガスレーザの放電装置。
【請求項２】
前記一対の電極の他方と接地の間に直列に設けられたモニター用抵抗およびモニター用コンデンサをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガスレーザの放電装置。
【請求項３】
ガスを収容するチャンバーと、
前記チャンバーの内部に対向して設けられ、それぞれの表面が誘電体によって覆われている一対の電極と、
前記チャンバーの外部に設けられ、一対の電極間に交流電圧を印加する駆動回路と、
前記一対の電極の間に直列に設けられたモニター用抵抗およびモニター用コンデンサと、
前記モニター用抵抗の両端間の電圧を測定する電圧センサと、
を備えることを特徴とするガスレーザの放電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスレーザの放電装置に関し、特に放電管の電極間の電圧を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＯ２レーザをはじめとするガスレーザや、スパッタ装置に、プラズマ放電装置（単に放電装置という）が使用される。放電装置は、対向して設けられた電極のペアを備える。各電極の内側は、セラミックなどの誘電体によって覆われている。放電装置は、対向する電極の間に、高圧の交流電圧を印加することにより、電極のペアの間に存在するガス中にプラズマを形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者は、このような放電装置において、プラズマの状態、たとえばプラズマに供給される電力を正確に監視することについて検討した。プラズマに供給される電力は、プラズマの両端間の電圧と、プラズマに流れる電流の積で与えられるため、電圧波形と電流波形を検出する必要がある。
【０００５】
電極のペアは、チャンバー内に配置され、チャンバーに設けられたフィードスルーを介して、外部に配線が引き出されている。ここで、チャンバーの外部において、フィードスルーから引き出された配線の間の電圧を測定しても、一対の電極間の電圧波形を測定することはできるが、プラズマの両端間の電圧波形を測定することができない。なぜなら、電極の表面は誘電体でコーティングされており、誘電体は容量と把握されるため、プラズマの両端間の電圧（２枚の電極それぞれの誘電体の間の電圧）は、一対の電極間の電圧波形とは、振幅および位相がいずれも一致しないからである。
【０００６】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、プラズマの両端間の電圧を測定可能な放電装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、放電装置に関する。放電装置は、ガスを収容するチャンバーと、チャンバーの内部に対向して設けられ、それぞれの表面が誘電体によって覆われた一対の電極と、チャンバーの外部に設けられ、一対の電極間に交流電圧を印加する駆動回路と、一対の電極の一方と接地の間に直列に設けられたモニター用抵抗およびモニター用コンデンサと、モニター用抵抗の両端間の電圧を測定する電圧センサと、を備える。
【０００８】
本発明の別の態様もまた、放電装置である。この放電装置は、ガスを収容するチャンバーと、チャンバーの内部に対向して設けられた一対の電極と、一対の電極それぞれの表面にコーティングされた誘電体と、チャンバーの外部に設けられ、一対の電極間に交流電圧を印加する駆動回路と、一対の電極の間に直列に設けられたモニター用抵抗およびモニター用コンデンサと、モニター用抵抗の両端間の電圧を測定する電圧センサと、を備える。
【０００９】
モニター用抵抗の抵抗値を、一対の電極間にプラズマが形成された状態における電極間の抵抗値のｋ倍（ｋは実数）とし、モニター用コンデンサの容量値を、一対の電極対それぞれにコーティングされた誘電体の容量の１／ｋ倍とすることにより、モニター用抵抗の両端間には、プラズマの両端間の電圧に比例し、かつ位相が一致した電圧波形が現れる。したがってこれらの態様によれば、プラズマの両端間の電圧を測定することができる。
【００１０】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のある態様によれば、プラズマの両端間の電圧を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る放電装置を示す図である。
【図２】図１の放電装置の等価回路図である。
【図３】図２の放電装置の動作波形図である。
【図４】変形例１に係る放電装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１４】
図１は、実施の形態に係る放電装置２を示す図である。
放電装置２は、ＣＯ２レーザなどのガスレーザ装置に使用される。放電装置２は、ＣＯ２（二酸化炭素）などのガスに、高電圧を印加することにより、ガス中にプラズマを形成する。放電装置２は、一対の電極１０ａ、１０ｂ、誘電体１２ａ、１２ｂ、交流駆動回路２０、電圧検出部３０、チャンバー４０を備える。
【００１５】
一対の第１電極１０ａ、第２電極１０ｂは、ガスを収容するチャンバー４０の内部に、互いに対向して設けられる。第１電極１０ａの、第２電極１０ｂと対向する一面は、誘電体１２ａでコーティングされ、第２電極１０ｂの、第１電極１０ａと対向する一面は、誘電体１２ｂでコーティングされる。誘電体１２ａ、１２ｂの間には、プラズマを形成するガスが存在する。
【００１６】
一対の電極１０ａ、１０ｂそれぞれからは、チャンバー４０に設けられたフィードスルー４２ａ、４２ｂを介して、配線１４ａ、１４ｂが引き出されている。交流駆動回路２０は、チャンバー４０の外部に設けられ、配線１４ａ、１４ｂを介して、一対の電極１０ａ、１０ｂの間に交流電圧ＶＡＣを印加する。
【００１７】
交流電圧ＶＡＣは、電極１０ａ、１０ｂの間に、所望のプラズマを発生させるために必要な電圧、周波数、位相を有すればよく、交流電圧ＶＡＣの波形は特に限定されない。たとえば交流駆動回路２０は、第１電極１０ａに、＋ＶＤＤと０Ｖを交互に繰り返す第１交流電圧ＶＡＣ＋を印加し、第２電極１０ｂには、交流電圧ＶＡＣ＋と逆極性の、−ＶＤＤと０Ｖを交互に繰り返す第２交流電圧ＶＡＣ−を印加する。
【００１８】
電圧検出部３０は、モニター用コンデンサ３２、モニター用抵抗３４、電圧センサ３６、を含む。モニター用コンデンサ３２ａおよびモニター用抵抗３４ａは、チャンバー４０の外部に、一対の電極１０ａ、１０ｂの一方（本実施の形態では第１電極１０ａとする）と接地の間に順に直列に設けられる。より具体的には、モニター用抵抗３４ａおよびモニター用コンデンサ３２ａは、第１電極１０ａから引き出された配線１４ａと接地ラインの間に設けられる。回路の対称性を高めるために、第２電極１０ｂから引き出された配線１４ｂと接地の間に、モニター用抵抗３４ａおよびモニター用コンデンサ３２ａを直列に設けることが望ましい。また、配線のインダクタンス成分の影響を低減するため、モニター用コンデンサ３２、モニター用抵抗３４は、なるべくフィードスルー４２ａ、４２ｂに近い箇所に接続することが望ましい。
【００１９】
電圧センサ３６は、モニター用抵抗３４の両端間の電圧ＶＲを検出する。以上が放電装置２の構成である。
【００２０】
図２は、図１の放電装置２の等価回路図である。
コンデンサＣ１ａは、モニター用コンデンサ３２ａに、コンデンサＣ１ｂは、モニター用コンデンサ３２ｂに、コンデンサＣ２ａは誘電体１２ａの容量に、コンデンサＣ２ｂは誘電体１２ｂの容量に相当する。また、抵抗Ｒ１ｂおよびＲ１ｂは、一対の電極１０ａ、１０ｂの間に発生するプラズマの直流抵抗成分に相当する。インダクタンスＬ１ａ、Ｌ１ｂは、駆動回路２０から引き出される配線のインダクタンス成分を示す。
【００２１】
駆動回路２０は、第１トランスＴ１、第２トランスＴ２および交流電源２２を備える。第１トランスＴ１、第２トランスＴ２それぞれの一端は接地される。交流電源２２は、交流電圧ＶＡＣを、第１トランスＴ１、第２トランスＴ２それぞれに印加する。交流電圧ＶＡＣは、台形波、矩形波、あるいは正弦波であってもよい。
【００２２】
モニター用抵抗Ｒ１ａの抵抗値は、一対の電極１０ａ、１０ｂの間にプラズマが形成された状態における電極１０ａ、１０ｂ間の抵抗値の推定値（Ｒ２ａ＋Ｒ２ｂ）のｋ倍（ｋは実数）とされる。プラズマの抵抗値の推定値は、ガスの種類、濃度、印加電圧などに応じており、放電装置２の設計段階において、実測あるいは計算により求めることができる。ｋは、数十〜数千のオーダーとしてもよい。また、モニター用コンデンサＣ１ａの容量値は、誘電体１２の容量Ｃ２ａの１／ｋ倍とする。容量Ｃ２ａ、Ｃ２ｂも、放電装置２の設計段階において実測あるいは計算により求めることができる。
【００２３】
たとえばＲ２ａ＝Ｒ２ｂ＝４８Ωであるとき、ｋ＝１００とすると、Ｒ１ａ＝Ｒ１ｂ＝４．８ｋΩとしてもよい。またＣ２ａ＝Ｃ２ｂ＝０．８４ｎＦであるとき、Ｃ１ａ＝Ｃ１ｂ＝０．００８４ｎＦとしてもよい。
【００２４】
これにより、モニター用抵抗３４ａの両端間には、プラズマの両端間、すなわち等価抵抗Ｒ２ａとＲ２ｂの両端間の電圧Ｖｐに比例し、かつ位相が一致した電圧波形ＶＲが現れる。
【００２５】
以上が放電装置２の構成である。続いてその動作を説明する。
図３は、図２の放電装置２の動作波形図である。図３には上から順に、図２の等価回路におけるコンデンサＣ２ａと抵抗Ｒ２ａの接続点の電位Ｖ１、第１電極１０ａから引き出された配線１４ａ上の電位Ｖ２、およびモニター用抵抗３４ａの両端間の電圧ＶＲを示す。
【００２６】
図１、２の放電装置２の利点を明確とするため、はじめに従来の放電装置について説明する。従来の放電装置においては、電圧検出部３０のモニター用コンデンサ３２、モニター用抵抗３４が設けられていなかった。したがってプラズマの状態を外部からモニターしようとした場合、配線１４上の電位、すなわち図３の電圧Ｖ２を測定することになる。当然ながらこの電圧Ｖ２は、プラズマの両端間の電圧Ｖ１（＝Ｖｐ×１／２）に対して、位相がずれており、また位相のずれ角θも不明であるため、プラズマの状態、たとえばプラズマに供給される電力を正確に知ることは困難であった。
【００２７】
これに対して、実施の形態に係る放電装置２では、誘電体１２およびプラズマの等価回路に対応づけて、プラズマの状態を模擬したダミーの負荷、すなわちモニター用コンデンサ３２およびモニター用抵抗３４を設けられる。図３に示すように、モニター用抵抗３４ａの両端間には、プラズマの両端間の電圧Ｖｐと振幅が比例し、かつ位相が一致した電圧ＶＲが現れる。したがってモニター用抵抗３４ａの両端間の電圧ＶＲを測定することにより、プラズマの状態を、チャンバーの外部から正確に知ることができる。
【００２８】
測定した電圧波形ＶＲは、様々な用途に利用できる。たとえば、電圧ＶＲにもとづいて、プラズマの消費電力をフィードバック制御してもよい。あるいは、放電装置２の故障、エラー検出に使用してもよいし、回路保護に利用してもよい。
【００２９】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００３０】
（変形例１）
図４は、変形例１に係る放電装置２ａを示す図である。実施の形態では、配線１４ａと接地の間にモニター用コンデンサ３２ａ、モニター用抵抗３４ａを設け、モニター用抵抗３４ａの両端間の電位を監視した。これに対して、変形例１では、配線１４ａと１４ｂの間に、モニター用コンデンサ３２ａ、モニター用抵抗３４、モニター用コンデンサ３２ｂが直列に設けられる。電圧センサ３６ａは、モニター用抵抗３４の両端間の電圧ＶＲを測定する。この変形例によっても、実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
（変形例２）
上述したように、駆動電圧ＶＡＣの波形は特に限定されない。たとえば、電極１０ｂの電位ＶＡＣ−を接地電圧（０Ｖ）に固定し、配線１４ａの電位ＶＡＣ＋を０ＶとＶＤＤの間でスイッチングしてもよい。この場合、図１の放電装置２において、モニター用コンデンサ３２ｂおよびモニター用抵抗３４ｂを省略することができる。
【００３２】
（変形例３）
実施の形態では、電圧検出部３０は、電極１０および誘電体１２を模擬したダミー負荷が、モニター用コンデンサ３２およびモニター用抵抗３４を含む場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。たとえば、ダミー負荷は、モニター用コンデンサ３２とモニター用抵抗３４に加えて、モニター用のインダクタを含んでもよい。フィードスルー４２と電極１０の間の配線の距離が長く、インダクタンス成分が有意である場合には、ダミー負荷にインダクタを設けることで、より正確に、プラズマの電圧Ｖｐを測定できる。
【００３３】
（変形例４）
実施の形態では、ＣＯ２レーザの放電装置について説明したが、ガスの種類はＣＯ２には限定されない。
【符号の説明】
【００３４】
２…放電装置、１０…電極、１２…誘電体、１４…配線、２０…駆動回路、２２…交流電源、Ｔ１…第１トランス、Ｔ２…第２トランス、３０…電圧検出部、３２…モニター用コンデンサ、３４…モニター用抵抗、３６…電圧センサ、４０…チャンバー、４２…フィードスルー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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