(57)【要約】  少なくとも２つの離間した電極を具備するプラズマ放電空間でグロー放電プラズマを生成及び維持する方法及び装置に関する。その方法及び装置は、大気圧条件下でガス又はガス混合を放電空間において案内する段階を達成し、複数の電極にＡＣ活性電圧（Ｖa）を印加することによって複数の電極を活性化し、かつプラズマ生成で変位電流の急激で相対的な減少がもたらされるように活性電圧（Ｖa）を制御するよう配置される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ放電空間には少なくとも２つの離間された電極が具備され、少なくとも１つのプラズマパルスは、プラズマ電流及び変位電流を発生する前記複数の電極にＡＣプラズマ活性電圧を印加することによって生成され、前記少なくとも１つのプラズマパルスは、絶対パルス最大値を具備し、大気圧条件下でガス又はガス混合でグロー放電プラズマを制御する方法において、
前記方法は、前記変位電流の相対的な減少が前記パルス最大値の前にもたらされるように、前記活性電圧を制御する段階を具備することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記変位電流の前記相対的な減少を前記プラズマパルスの開始と同期する段階をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記変位電流の前記相対的な減少は、時間間隔内にもたらされ、前記時間間隔は、マイクロ秒単位であり、好ましくは、マイクロ秒の分数であることを特徴とする上記請求項の何れにも記載の方法。
【請求項４】
前記時間間隔内の前記変位電流の前記相対的な減少は、少なくとも１００パーセントであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記変位電流の前記相対的な減少は、前記変位電流に対し相対的に負の値をもたらすことを特徴とする上記請求項の何れにも記載の方法。
【請求項６】
前記パルス最大値の前に、前記活性電圧は、時間に渡る前記活性電圧の第２導関数がプラズマ電流の時間に渡る第１導関数に対して比例又は反対の符号であるような方法で制御されることを特徴とする上記請求項の何れにも記載の方法。
【請求項７】
前記複数の電極のうち少なくとも１つは、誘電体によって被覆されることを特徴とする上記請求項の何れにも記載の方法。
【請求項８】
前記誘電体は、０．０１と１との間で二次電子放出を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記プラズマは、前記プラズマを維持するのに必要な最小電圧よりも数パーセント高い電圧で操作されることを特徴とする上記請求項の何れにも記載の方法。
【請求項１０】
放電空間でグロー放電プラズマを制御する装置において、
少なくとも２つの離間された電極と、
大気圧条件下でガス又はガス混合を前記放電空間に案内する手段と、
少なくとも１つのプラズマパルスを生成しかつプラズマ電流及び変位電流を発生する前記複数の電極にＡＣプラズマ活性電圧を印加することによって前記複数の電極を活性化する電源と、
絶対パルス最大値を具備する前記少なくとも１つのプラズマパルスと、
前記プラズマを制御する手段と、を有する、大気圧条件下でガス又はガス混合でグロー放電プラズマを制御する方法において、
前記プラズマを制御する前記手段は、前記変位電流の相対的な減少が前記パルス最大値の前にもたらされるように前記活性電圧を制御するよう配置されることを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記変位電流の前記相対的な減少を前記プラズマパルスの開始と同期する手段をさらに具備することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
プラズマ生成において、前記安定化手段は、プラズマ破壊の前に前記変位電流の値よりも相対的に低い値に前記変位電流を減少するよう配置されることを特徴とする請求項１０又は１１の何れにも記載の装置。
【請求項１３】
前記安定化手段は、プラズマ生成における前記変位電流の前記相対的な減少が少なくとも１００パーセントでありかつマイクロ秒の分数でもたらされるような方法で前記活性電圧を制御するよう配置されることを特徴とする請求項１０から１２の何れにも記載の装置。
【請求項１４】
前記安定化手段は、前記活性電圧の絶対値の時間に渡る一次導関数を提供し、プラズマ生成において前記活性電圧の前記絶対値の時間に渡る前記一次導関数を急激に減少するよう配置されることを特徴とする請求項１０から１３の何れにも記載の装置。
【請求項１５】
前記安定化手段は、前記パルス最大値の前に、時間に渡る前記活性電圧の二次導関数がプラズマ電流の時間に渡る一次導関数に対して比例及び反対の符号であるような方法で前記活性電圧を制御するよう配置されることを特徴とする請求項１０から１４の何れにも記載の方法。
【請求項１６】
前記プラズマ電流の前記一次導関数は、前記放電空間の前記電極又は複数の電極と直列に接続されるインダクタ手段によって提供されることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記安定化手段は、前記複数の電極において前記活性電圧で重畳される電圧パルスを提供するパルス生成手段を具備することを特徴とする請求項１０から１５の何れにも記載の装置。
【請求項１８】
前記パルス生成器は、電力増幅器によって形成され、プラズマ電流を検出する手段に接続される入力又は制御端末を有し、前記増幅器の出力端末は、前記活性電圧で電圧パルスを重畳するために前記電源手段及び前記複数の電極に直列に接続されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記安定化手段は、電子インダクタ回路を具備することを特徴とする請求項１０から１８の何れにも記載の装置。
【請求項２０】
前記複数の電極は、０．０１ｍｍと３ｃｍとの間の距離に渡り離間されることを特徴とする請求項１０から１９の何れにも記載の装置。
【請求項２１】
前記ガスは、ヘリウム、アルゴン、窒素、空気、酸素、二酸化炭素、アンモニア、及び前記群の前記ガスの何れも具備する混合から選択されることを特徴とする請求項１０から２０の何れにも記載の装置。
【請求項２２】
前記ガスは、希ガスと化学活性ガスとの混合であることを特徴とする請求項１０から２１の何れにも記載の装置。
【請求項２３】
前記ＡＣ電源手段は、１０ｋＨｚと５０ＭＨｚとの間の周波数で前記複数の電極を活性電圧で活性化するよう配置されることを特徴とする請求項１０から２２の何れにも記載の装置。
【請求項２４】
請求項１０から２３の何れにも記載の装置を具備する、基板の表面を処理する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、大気圧条件下でグロー放電プラズマを生成する方法及び装置に関し、具体的には、そのようなグロー放電プラズマを安定化する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気圧グロー（ＡＰＧ）放電は、とりわけ、非破壊材料表面改質に実用されている。グロー放電プラズマは、大気圧条件又は不完全真空環境下で一般に生成される、比較的低い出力密度のプラズマである。
【０００３】
通常、プラズマは、対向して配置された２つの平行な平面電極間でプラズマ室又はプラズマ放電空間において生成される。しかし、プラズマは、例えば近接して配置された複数の電極のような他の電極配置を用いて生成することもできる。プラズマは、ＡＣ電源手段から複数の電極を活性化することによってガス又はガス混合で生成される。
【０００４】
安定かつ均一なプラズマが、例えば純ヘリウム又は純窒素ガスで生成できることも観測された。しかし、ｐｐｍレベルの不純物又は他のガス又は化学成分がガスに存在するとすぐに、プラズマの安定性は、著しく減少する。不安定にする成分の典型例は、Ｏ２、ＮＯ、ＣＯ２等である。
【０００５】
プラズマの不安定性は、高電流密度プラズマで発展するか又は局所的にプラズマを消去する。種族の密度が高くかつプラズマでの衝突頻度が高いと、ＡＰＧは、早いポジティブフィードバックを示す。即ち、プラズマの電離の不規則で局所的な増加が指数関数的に増加する。従って、不安定性は、高電流密度プラズマで発展するか又はプラズマを局所的に消去する。このプラズマ電流の指数関数的増加の現象は、グロー・アーク遷移として知られる。結果として、電流アークが発生し、グロー放電プラズマを維持できない。代わりに、フィラメント放電及びグロー放電の組合せが生成される。
【０００６】
大気圧下の空気における平行な複数の平面電極間のフィラメント放電は、大量にオゾンを生成するために使用されてきた。しかし、フィラメント放電は、プラズマフィラメントが表面に穿孔又は不均一な処理をする傾向にあり、相対的に高いプラズマ電流密度に関連付けられるため、材料の表面処理への使用に限定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の１つの目的は、大気圧グロー放電プラズマでグロー・アーク遷移を防止する新規で改良された方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
これを含む他の目的及び特徴は、本発明により、少なくとも２つの離間された電極を具備するプラズマ放電空間で、大気圧条件下においてガス又はガス混合でグロー放電プラズマを制御する方法によって達成され、少なくとも１つのプラズマパルスがプラズマ電流及び変位電流を発生する前記複数の電極にＡＣプラズマ活性電圧を印加することによって生成され、前記少なくとも１つのプラズマパルスは、絶対パルス最大値を具備し、前記方法は、前記変位電流の相対的な減少が前記パルス最大値の前にもたらされるように、前記活性電圧を制御する段階を具備することを特徴とする。
【０００９】
交流活性電圧を扱うため、その振幅の符号と変位電流の振幅とは正から負へ変わる。活性電圧の正の半周期又は期間の場合、変位電流の減少は、フィラメント形成の可能性を低減する。負の値を有する変位電流は、任意のフィラメントの形成を許容しない。結果として、本発明に従って、パルス最大値の前でプラズマ生成の間に変位電流を急激に減少することによってフィラメントの生成を防ぐことができる。
【００１０】
活性電圧の負の半周期の場合、符号は反対だが同様な説明が妥当である。
【００１１】
明確にするために、変位電流の“急激で相対的な減少”において、“急激で”は、変位電流の急速な変化を示し、“相対的な減少”は、変化の符号が正でも負でもあることを意味する。活性電圧が正の半周期の場合、変位電流の“急激で相対的な減少”は、変位電流が０又は負の値にも急速に減少することを意味する。活性電圧が負の半周期にある場合、変位電流の“急激で相対的な減少”は、変位電流が０又は正の値にも急速に増加することを意味する。
【００１２】
以下に言及される場合を除くほか、本発明に従ってグロープラズマを安定化する処理及び／又は方法の説明は、変位電流の正の半周期について主になされる。変位電流の負の半周期についての同一の説明は、符号を反対に変えることによって等しくなされる。故に負の半周期については、本発明に従って、負の半周期の間、前記プラズマパルスの（絶対最小値に応答して）相対的なパルス最大値の前でプラズマ生成の間に（変位電流の絶対増加に応答して）変位電流を相対的に急激に減少することによってフィラメント生成の防止が達成される。明確にするために、以下に本発明は、正の半周期のみに関して説明され、同様な効果を有する負の半周期の間における同様な方法が、特に記載がある場合を除くほか、想定されるべきである。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態において、複数の電極のうち少なくとも１つが誘電体によって被覆される。
【００１４】
本発明による方法は、誘電体バリア放電において、フィラメント放電の密度が変位電流によって制御できるという洞察に基づく。フィラメント放電において、大量の電荷が生成され、その又は各電極を被覆する誘電体上に蓄積する。これは、フィラメントが生成された領域でガスの電圧の実質的な下降をもたらす。新たなフィラメントは、複数の電極間の電圧になってやっとこの領域の近傍で生成できるので、ガスの電圧は増加する。故に、変位電流は、電圧変化の割合を制御し、単位時間のフィラメント放電の密度に比例する。
【００１５】
均一なグロー放電を生成するために、変位電流の相対的な減少は、時間間隔内で発生する必要があり、その時間間隔は、マイクロ秒単位であり、好ましくはマイクロ秒の分数であることが見出された。時間間隔は、例えば０．０５μｓと１０μｓとの範囲内である。この僅少な時間間隔内で、変位電流の相対的な減少は、少なくとも１００パーセントである。
【００１６】
また、良好な結果は、本発明の実施形態で達成され、変位電流の相対的な減少が変位電流に負の値を提供する。
【００１７】
グローとフィラメントとの混合が形成される時、グロープラズマの安定性は、変位電流の減少によってあまり影響を受けないことが見出された。
【００１８】
この現象は、グロープラズマの電流密度がフィラメント（ストリーマー）の電流密度よりも３から４桁小さいという事実によって発生しうる。故に、グロープラズマの生成による活性電圧の下降は、フィラメントの場合よりも３から４桁遅い。その発見の根拠となるもう１つの要素は、グロープラズマの均一性であり、フィラメントの場合のように周期的にプラズマを再点火する必要がない。結果として、プラズマ生成間の変位電流の急激な減少は、グローの変化に影響せず、単に必要に応じてフィラメント形成のリスクを排除する。
【００１９】
故に、本発明は、不安定なプラズマを安定化するのに最適であり、その不安定性は、誘電体表面の特性、低周波数の使用、電気陰性ガス、及び他の要素によって発生しうる。本発明による方法はまた、フィラメントとグローとの混合を具備するプラズマ放電を安定化し、かつグローからフィラメント状態への遷移を防ぐことによってグロープラズマを安定に維持するのにかなり適している。
ガスの電圧変化は、以下の式で与えられる。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
そして、時間に渡る活性電圧（applied voltage over time）又は印加電圧の一次導関数は以下の式で与えられる。
【００２２】
【数２】
2007515760.tif 000004
【００２３】
時間に渡る活性又は印加電圧の二次導関数は、時間に渡る変位電流の一次導関数に実際比例し、以下の式で与えられる。
【００２４】
【数３】
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【００２５】
そして、プラズマ電極Ｉtの電流経路で測定される全電流は、以下の式で与えられる。
【００２６】
【数４】
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【００２７】
【数５】
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【００２８】
いかなる不安定性をも除去するために、ガスの電圧変化は、０又は０に近接した値を下回る必要がある。故に、変位電流Ｉdmaxの最大値は、以下の式よりも小さくなる。
【００２９】
【数６】
2007515760.tif 000008
【００３０】
ゼロに近接又はゼロを下回る僅少な変位電流は、最大プラズマ電流密度又は浮遊容量又は誘電体容量が任意でも、臨界安定限度を常に下回ることが分かる。故に、本発明に記載された実施形態を用いて、グローは常に、グロー・アーク遷移が僅少な安全領域にある。
【００３１】
本発明による方法はまた、表面処理に対するＡＰＧプラズマにおけるフィラメント放電の逆効果は、相対的に高い二次電子放出を有する適切な材料を選択することにより表面から二次電子放出を促進又は刺激することによって低減できるという洞察に基づく。
【００３２】
局所的に高い電流密度の不安定性（プラズマフィラメント）が生成される傾向がある場合、フィラメント形成率は、変位電流又は活性電圧の時間微分によって決定される。従って、活性電圧の時間に渡る二次導関数を制御することによって、効率的なプラズマの安定した制御が達成される。
【００３３】
上記に基づき、本発明のもう１つの実施形態において、変位電流は、活性電圧の絶対値の時間に渡る一次導関数として提供され、活性電圧は、プラズマ生成において活性電圧の絶対値の時間に渡る一次導関数が急激に減少するような方法で制御される。
【００３４】
本発明の好ましい実施形態に従って、活性電圧の正の半周期でのプラズマの生成において、変位電流は、マイクロ秒の分数で相対的に減少する。故に、活性電圧の絶対値の時間に渡る一次導関数を突然減少することによって、変位電流において必要とされる急激な減少が、活性電圧の負の半周期だけでなく正の半周期の両方で得ることができる。
【００３５】
即ち、本発明による方法を用いて、段階がプラズマの点火からあらかじめとられると、プラズマで発生する不安定性に対処することになる。これは、既に発生したプラズマの不安定性、即ち米国特許５４１４３２４によって開示されたフィラメント電流又はストリーマーに応答してプラズマ電流を安定化する従来技術の方法とは異なる。スパーク、即ちプラズマでの電流アークから処理すべき基板又は表面を保護するために、導電グリッドが複数の電極間に提供される。このグリッドは、大きなインダクタンスを有するインダクタによって接続される。グリッド及びインダクタは、電流スパークのコレクタとして動作するが、プラズマで既に発生しているので、そのようなスパークの発生を防ぐように動作しない。即ち、スパークは、インダクタがプラズマの活性電圧を減少することによって反応を開始する時には既に存在する。活性電圧を低減するためのグリッド及びインダクタの動作は、プラズマ破壊の間に機能しない点に留意すべきである。プラズマが破壊において極端に発展する時、活性又は励起電圧の減少は、プラズマ電流が減少を開始することを保証しない。プラズマの破壊に近接して、プラズマは、電圧が減少する場合に電流が実際相対的に速く増加するように負性抵抗を有する。
【００３６】
本発明による方法のさらにもう１つの実施形態において、活性電圧は、プラズマ生成において時間に渡る活性電圧の二次導関数がプラズマ電流の時間に渡る一次導関数に対して比例及び反対の符号であるような方法で制御される。変位電流の安定性は、図５から分かるように、処理すべき表面に渡るプラズマ分布の均一性をかなり増加する。
【００３７】
本発明による方法のさらにもう１つの実施形態において、複数の電極のうち少なくとも１つを被覆する誘電体は、０．０１と１、好ましくは０．１と１との間で二次電子放出を有するべきである。
【００３８】
二次電子放出が０．０１よりも小さい場合、自立した放電を維持するために多量のイオン化係数が必要になる。そのような多量のイオン化係数の結果として、放電は、ストリーマーのような放電に発展する。他方で、安定したプラズマは、１よりも高い二次電子放出で生成できる。
【００３９】
本発明はまた、プラズマを生成する方法を提供し、活性電圧は、プラズマが破壊電圧より上の電圧で操作されるような方法で制御される。好ましくは、電圧は、プラズマを維持するのに必要な最小電圧よりも数パーセント高い。
【００４０】
本発明はまた、少なくとも２つの離間された電極を有する放電空間でグロー放電プラズマを制御する装置と、大気圧条件下でガス又はガス混合を前記放電空間において案内する手段と、少なくとも１つのプラズマパルスを生成しかつプラズマ電流及び変位電流を発生するために前記複数の電極にＡＣプラズマ活性電圧を印加することによって前記複数の電極を活性化する電源と、前記プラズマを制御する手段とを提供し、前記少なくとも１つのプラズマパルスは、絶対パルス最大値を具備し、前記プラズマを制御する前記手段は、前記変位電流の相対的な減少が前記パルス最大値の前にもたらされるように前記活性電圧を制御するよう配置されることを特徴とする。複数の電極のうち少なくとも１つは、誘電体によって被覆されるのが好ましい。
【００４１】
本発明による装置のさらにもう１つの実施形態において、安定化手段は、プラズマ生成で変位電流の相対的な減少がマイクロ秒の分数でもたらされるような方法で活性電圧を制御するよう配置される。安定化手段は、複数の電極における活性電圧で重畳される電圧パルスを提供するパルス生成手段を具備する。パルス生成手段は、パルス最大値の前でパルス生成の間に活性電圧の絶対値の時間に渡る二次導関数が負の値、即ち０を下回る値で、好ましくは実質的に負の値を有するように制御される。
【００４２】
本発明のもう１つの実施形態において、安定化手段は、プラズマ生成で時間に渡る活性電圧の二次導関数がプラズマ電流の時間に渡る一次導関数に対して比例及び反対の符号であるような方法で活性電圧を制御するよう配置される。
【００４３】
プラズマ電流を検出する手段及び／又は変位電流の時間に渡る一次導関数を提供する手段に接続される入力又は制御端末を有する電力増幅器を実施形態において具備する、本発明で使用するのに適切なパルス生成器であって、増幅器の出力端末は、電源手段と、プラズマ活性電圧で電圧パルス又は複数の電圧パルスを重畳する複数の電極とに直列に接続される。
【００４４】
プラズマ電流の変化に反しうる変位電流の時間に渡る一次導関数を生成する手段は、プラズマ放電空間の電流経路に組込まれる電流チョークコイルのような適切に設計されたインダクタ手段によって具備されうる。
【００４５】
本発明による装置の代替の実施形態において、安定化手段は、少なくとも１つのチョークコイルのようなインダクタ手段を具備する。複数の電極のうち少なくとも１つとインダクタ手段とは、電源手段に直列に接続される。
【００４６】
プラズマの破壊時、プラズマ電流は、かなり急激に増加し、結果として大きな電圧降下がインダクタに渡り発生し、電流の変化率とインダクタ手段のインダクタンスとに比例する。プラズマに印加される活性電圧は、急勾配を有する降下を示す。インダクタ手段の適切な設計によって、活性電圧の絶対値の時間に渡る二次導関数は、プラズマの破壊時、即ちプラズマ電流の立ち上がりで負となる。
【００４７】
本発明のさらにもう１つの実施形態において、本発明による装置は、電子インダクタ回路を有する安定化手段を具備する。
【００４８】
実験で得られたデータから、本発明による方法及び装置が、各種供給ガス、励起状態、電極設計、及び０．０１ｍｍから３ｃｍの距離のような電極離間に対し、プラズマ破壊からかなり安定したプラズマをもたらすことが示された。
【００４９】
プラズマを生成するガスは、ヘリウム、アルゴン、窒素、空気、酸素、二酸化炭素、アンモニア、及び任意の群のガスを含む混合を具備する群から選択できる。
【００５０】
本発明の好ましい実施形態において、ガスは、ヘリウム又はアルゴンのような希ガスと空気、酸素、及び二酸化炭素のような化学活性ガスとの混合である。ガスはまた、Ｓ１Ｈ４、炭化水素、テトラエチル・オルトシリケート（ＴＥＯＳ）のような有機ケイ素化合物等の化学気相堆積処理に一般に含まれる特殊化合物を具備できる。
【００５１】
本発明による装置及び方法は、基板がガラスやポリマー金属等である表面活性処理等の基板のプラズマ表面処理用装置と親水性又は疎水性表面の生成装置とに限定されないが、化学気相堆積処理用のプラズマ装置と；揮発性有機化合物含有ガスの分解生成用プラズマ装置と；気相から毒性化合物を除去するプラズマ装置と；殺菌または乾燥洗浄処理等の表面洗浄処理用プラズマ装置；など多種多様な用途に実際使用できる。
【００５２】
本発明の上述の、及び他の特徴と長所は、添付図面を参照して以下の詳細な説明で説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
本発明はここで限定されることなく、添付図面についてより具体的に開示される。図面では、同一部分は、同一の参照番号によって指定される。
【００５４】
図９は、不安定なプラズマの典型的なプラズマ電流Ｉpとガスの電圧Ｖgasとの特性を示す。ガスの電圧Ｖgasは、横軸上にボルト単位で描写され、誘電体バリアに渡る電圧降下Ｖdielectricを印加又は活性電圧Ｖaから減算することによって計算される。縦軸上にｍＡ単位でプロットされたプラズマ電流Ｉpは、システムを通過する全電流Ｉtから変位電流Ｉdを減算することによって計算される。図９に示した電流及び電圧値は、参照目的にすぎない。プラズマは、かなり低い動作抵抗によって特徴付けられるので、任意の摂動にかなり敏感である。
【００５５】
図９から分かるように、破壊電圧（即ち、この例では約＋−１０００ボルト）より高い電圧へのガスの電圧Ｖgasの増加は、大きなプラズマ電流の変化Ｉpと、さらに高い可能性としてグロー・アーク遷移又は他のフィラメント状態とを引起す。
【００５６】
図１は、一般に知られた大気圧グロー（ＡＰＧ）プラズマ装置又はデバイス１０についての単純で概略的な実施例を示す。装置１０は、プラズマ室又はプラズマ放電空間１１と、矢印１７で示される、放電空間１１において大気圧条件下でガス又はガス混合物を供給する手段１２とを具備する。プラズマ放電空間１１においてグロー放電プラズマを生成及び維持して、物体１８の表面１９を処理するために、少なくとも２つの対向して離間された電極１３及び１４は、中間変圧段階１６を介してＡＣ電源手段１５に、好ましくはＡＣ電源手段に放電空間１１において接続する。前記ＡＣ電源手段の周波数は、１０ｋＨｚと５０ＭＨｚとの間で選択される。
【００５７】
距離ｄで対向して離間された２つの電極１３及び１４が示されているが、装置１０は、複数の電極を具備してもよく、必ずしも対向して配置される必要がない。電極１３及び１４は、例えば隣接して位置決めすることができる。複数の電極のうち少なくとも１つは、０．０１と１との間で二次電子放出を有する誘電体によって被覆されるのが好ましい。
【００５８】
本発明に従って、ＡＰＧプラズマにおけるフィラメント放電の逆効果は、プラズマ生成において変位電流の急激で相対的な減少がもたらされるように、活性電圧Ｖaを制御することによって低減され、活性電圧の絶対値の時間に渡る二次導関数が０未満の値、好ましくは可能な限り大きな負の値を有することになる。
【００５９】
図２は、実施例の装置における測定活性電圧Ｖa及び全電流Ｉtの波形の結果をグラフィカルに示し、プラズマは、図１に概略的に図示されるプラズマ放電空間においてアルゴンで生成される。電極距離又は離間がｄ＝１ｍｍであり、活性電圧Ｖaは、１１．８ｋＨｚの周波数を有する。マイクロ秒の時間ｔは、横軸上に描写される。グラフの左縦軸上には、ｍＡの電流値Ｉcが示される。グラフの右縦軸上には、Ｖの電圧値Ｖaが示される。
【００６０】
図２から分かるように、プラズマ破壊において多くの電流ストリーマー（current streamer）が生成され、不要なフィラメントプラズマをもたらす。
【００６１】
図３は一般に、図２と同様に、実施例の装置における測定活性電圧Ｖa及び全電流Ｉtの波形の結果を示し、プラズマは、図１に概略的に図示されるプラズマ放電空間においてアルゴンで生成されるが、本発明による方法を用いる。電極の離間距離がｄ＝１ｍｍであり、活性電圧Ｖaは、１３ｋＨｚの周波数を有する。
【００６２】
図３から分かるように、正の半周期のプラズマ破壊で、即ち全電流Ｉtの立ち上がり時又は立ち上がりにおいて、活性電圧Ｖaは、０未満の時間に渡る二次導関数を有するように用意される。結果として、電流ストリーマーが生成されず、より均一で安定したプラズマが生成される。プラズマは、プラズマを維持するための最小電圧よりも数パーセント高い電圧で生成されるのが好ましい。
【００６３】
本発明による改良点は、上述の実施例で処理される表面に対し最初のイメージカメラで撮影された写真からさらに図示できる。図４は、図２に関連して開示される装置で処理された表面を示す。図５は、図３に関連して開示される装置で処置された表面を示す。図４及び５において、図の平面で見られる縦軸又は方向は、３０マイクロ秒の時間枠を示し、横軸又は方向は、プラズマの空間均一性を示す。不要なストリーマーのため、図２の表面は、均一に処理されず、生成されたフィラメント放電プラズマにより表面に渡って不規則に拡散した摂動から明白に理解できる。図５に示される表面は、より均一に処理される。摂動は、安定したグロープラズマの生成により視認できない。
【００６４】
本発明による装置２０の実施形態において、安定手段２１は、点線で示されたパルス生成器の形式で具備され、プラズマ生成において活性電圧Ｖaの時間に渡る二次導関数が０未満となるように、ＡＣ電源手段１５によって提供される電圧を変える電圧パルスを生成する。パルス生成器２１の電圧パルスの振幅は、ＡＣ電源手段１５のＡＣ電圧と反対である。パルス生成器２１によって生成されるパルスは、活性電圧に適切に重畳されうる。
【００６５】
代替の実施形態において、安定手段２１は、パルス生成器２２と、入力又は制御端末２３、２４とを具備し、制御端末２３、２４は、プラズマ放電空間の複数の電極１３のうち少なくとも１つとＡＣ電源手段１５とに直列に、即ち全電流経路に接続される電流検出手段２５に接続される。パルス生成器２２の出力端子２６、２７は、電源手段１５とプラズマ放電空間の電極１４とに直列に接続される。
【００６６】
パルス生成器２２は、プラズマ破壊において活性化され、電流検出手段２５によって検出される。電流検出手段２５は、インダクタ手段及び／又は小型レジスタの電子構成要素等に限定されないが、各種形式をとりうる。プラズマの破壊は、例えばチョークコイルのようなインダクタ手段の飽和から検出することができる。
【００６７】
手段２５はさらにまた、本発明のもう１つの実施形態に従って、変位電流ｄＩd／ｄｔの時間に渡る一次導関数を提供するように配置されうる。この目的のための手段は、とりわけ、適切に設計されたインダクタ手段を具備しうる。
【００６８】
本発明のさらにもう１つの実施形態において、手段２５は、活性電圧ｄＶa／ｄｔの時間に渡る一次導関数を提供するように配置されうる。パルス生成手段２２は、プラズマ生成において、ｄＶa／ｄｔを突然減少するように配置され、活性電圧の時間に渡る大きい負の二次導関数、即ちｄ2Ｖa／ｄｔ2＜＜０を生成する。
【００６９】
効率的なプラズマの安定化は、プラズマ生成において時間に渡る電圧の二次導関数が負、ｄ2Ｖa／ｄｔ2＜０の場合に達成され、その絶対値は、変位電流ｄＩd／ｄｔの時間に渡る一次導関数に比例する。
【００７０】
電流検出及び／又は電気量の導関数を提供するためのパルス生成手段２２及び手段２５は、当業者に公知であり、本発明の目的のために、ここで具体的な説明は省略される。
【００７１】
図７は、本発明による装置３０の単純な実施形態を示し、電源手段１５に直列に接続されるインダクタ手段２９を用いる。インダクタ手段２９は、適切に設計されたチョークコイル手段又は電子インダクタ手段を具備しうる。インダクタ手段は、０未満の時間に渡る二次導関数を有する電極１３、１４において活性電圧Ｖaを提供する電源手段１５によって提供される供給電圧を変えるように設計される。
【００７２】
図８は、アルゴンガス及び電極離間１ｍｍを備える図７に示された装置を用いる実施例の装置において測定される活性電圧Ｖa及び全電流Ｉtの一部波形を示す。
【００７３】
参照番号３５によって示されるように、全電流Ｉtの立ち上がりにおいて、インダクタ手段２９の作用により、活性電圧Ｖaは、０未満の時間に渡る二次導関数の電圧に等しくふるまうことを示す。結果として、かなり安定したプラズマが、ストリーマーなく生成される。
【００７４】
図１０は、本発明の実施形態による配置の概略図であり、ＡＣ電源４１は、大気圧グロー（ＡＰＧ）プラズマを生成するための放電空間を形成する電極配置４２に接続される。電極配置４２に直列に、チョークコイル４３の形式の非線形電気回路素子が接続され、少なくともＡＣ電源４１を用いて生成されるプラズマパルスの間、及び特にパルス最大値後のパルスの寿命期間、即ちパルスの終端又は近傍で動作する。
【００７５】
チョークコイル４３に直列に、本発明の実施形態に従って、さらなるインダクタ又はマッチングコイル４４が配置され、不飽和状態で動作する。マッチングコイル４４は、移相手段として主に使用され、この目的のために適切に寸法決めすることができる。１つの実施形態において、０．７ｍＨのインダクタンスを有するマッチングコイルは、０．１と０．２ｍＨとの間のインダクタンスを有するフェライトチョークコイル４３と共に使用された。このチョークコイルで用いたフェライトは、μｒ＝１７００、Ｈｃ＝２０Ａ／ｍ、Ｂｒ＝１７０Ａ／ｍ、及びＢｓａｔ＝３５０Ａ／ｍの３Ｓ４フェライト（ＭｎＺｎ）である。
【００７６】
マッチングコイル４４はまた、図１０の配置を用いて生成されるプラズマパルスの初期段階で、変位電流の相対的な減少をもたらす。これは、マッチングコイルが、変位電流の相対的な減少に応答することによって、パルス最大値の前におけるプラズマ生成の間に急激に変化する磁束を妨害するからである（レンツの法則）。プラズマの不安定性は、本発明に従って、変位電流が減少する結果として解消する。
【００７７】
キャパシタンス４５は、高調波を除去するために電極配置４２に並列に接続される。このキャパシタンス４５は、例えば電極配置４２の浮遊容量によって本質的に形成されてもよい。
【００７８】
チョークコイル４３の効果は、チョークコイル４３の飽和電流が、チョークコイル４３のない図１０の回路の変位電流よりも少なくとも小さい場合に最も望ましい点に留意でき、以下の式で示される。
【００７９】
【数７】
2007515760.tif 000009
【００８０】
好ましくは、用いられるチョークコイルの飽和電流は、変位電流の５０パーセントを上回る。
【００８１】
図１１は、図１０に示される配置を備える本発明の方法の１実施形態における、時間ｔに渡る活性電圧Ｖ、プラズマ電流Ｉp、及び変位電流Ｉdのグラフを示す。説明の便宜のため、活性電圧Ｖの最初の半波のみが示される。プラズマは、以下の条件下で本発明により生成された：２４０ｋＨｚのＬＣ直列回路が、共振又は２ｍＨのインダクタンスを有するマッチングコイル４４と、１４０ｐＦのＡＰＧ電極キャパシタンス４５と、０．７ｍＨのインダクタンスを有するチョークコイル４３と、Ｉd／Ｉsat＝１．４とで使用された。使用したガスは、大気圧でＡｒ＋２０パーセント空気だった。スパーキングの危険を防止するため、かつマッチングにより、１０パーセントのデューティサイクルでパルスプラズマが使用された。
【００８２】
プラズマパルス５７が生成され、絶対パルス最大値５８を有することが分かる。パルス最大値５８の後、即ち略２と３μｓとの間の時間ｔで、プラズマ電流Ｉpが減少し、負の勾配５９を示す。本発明に従って、プラズマ電流Ｉpの減少５９に対して、変位電流Ｉdの相対的な減少６０が発生し、飽和したチョーク４３により引起される。結果として、プラズマ電流Ｉpは、プラズマフィラメントによって生成される急激なピーク又はスパイクがなく、比較的滑らかな下り勾配６１を示し、所望の安定したグロープラズマがもたらされる。説明の便宜のため、破線６２は、従来技術に従う、即ち本発明の教示のないプラズマ電流Ｉpを図示する。かなり不規則な電流波形６２が観測でき、プラズマで不要なストリーマー等を発生する。
【００８３】
図１１から、少なくともプラズマ破壊前からパルス最大値５８後のプラズマパルス５７までの期間において、変位電流Ｉdとチョークコイル４３の飽和電流Ｉsatとの間の比率は、１．２と１．６との間の範囲に含まれることがさらに理解できる。この比率で、変位電流Ｉdは、プラズマが生成される領域を除いて実質的に三角形を呈し、プラズマパルス５７の開始前からプラズマが完全に消滅するまでの全期間の間に相対的な減少を示す。この三角形の波形は、安定したプラズマ破壊を得るのにかなり有益である。一般に、プラズマの安定性は、変位電流の勾配、即ちｄＩd／ｄｔを急勾配にすることによって向上される。
【００８４】
図１１から、プラズマパルス５７の生成において、即ちパルス最大値５８の前に、言い換えれば、参照番号６３によって示された略１と２μｓとの間で、変位電流Ｉdは、初期にかなり下降する。この変位電流Ｉdの下降６３は、（不飽和）マッチングコイル４４によって引起される。従って、図１０に図示された本発明の配置において、特に、変位電流Ｉdとチョークコイル４３の飽和電流Ｉsatとの間の比率が、１．０と３との間、好ましくは１．２と１．６との間の範囲に含まれるように、チョークコイルを適切に選択することによって、プラズマパルス５７の生成における変位電流Ｉdの急激で相対的な減少が得られ、安定したグロープラズマの生成を向上及び維持することができる。
【００８５】
変位電流Ｉdとチョークコイル４３の飽和電流Ｉsatとの間の比率を、１．６を超えるよう増加することによって、複数のＡＰＧ電極に渡る電圧は、より一層三角形の波形を呈することが観測された。
【００８６】
図１１から、本発明及び上述した本発明による変位電流の相対的な減少は、マイクロ秒の分数でもたらされることが分かる。
【００８７】
当業者であれば、異符号の同一波形が活性電圧Ｖの負の半波で発生することが分かる。
【００８８】
上述において、対向して位置決めされた複数の電極が議論され、関連する図面で示されたが、本発明はまた、ＡＰＧ装置の複数の電極に対して隣接して配置される電極対又は他の構成で実施しうる。
【００８９】
当業者であれば、多様な変更及び追加が、添付した特許請求の範囲で定義される本発明の新規性及び進歩性の範囲から逸脱することなく可能であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】図１は、一般に知られるＡＰＧプラズマ装置を単純に概略して示した図である。
【図２】図２は、本発明を使用しない、アルゴンにおける図１の装置での全電流波形及び活性電圧波形のグラフを示す図である。
【図３】図３は、本発明を使用する、アルゴンにおける図１の装置での全電流波形及び活性電圧波形のグラフを示す図である。
【図４】図４は、図２のＡＰＧプラズマで処理される表面に対する最初のカメラ画像を示す図である。
【図５】図５は、図３のＡＰＧプラズマで処理される表面に対する最初のカメラ画像を示す図である。
【図６】図６は、本発明による装置の実施形態の電気回路図を単純に概略して示した図である。
【図７】図７は、本発明による装置のもう１つの実施形態の電気回路図を単純に概略して示した図である。
【図８】図８は、図７の装置における全電流波形及び活性電圧波形の一部グラフを示す図である。
【図９】図９は、測定値から計算される不安定なプラズマ放電の典型的なＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態によるもう１つの配置形態の電気回路図の略図である。
【図１１】図１１は、本発明の図１０の実施形態を用いて生成されるＡＣ活性電圧、プラズマのプラズマ電流及び変位電流を示す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０  大気圧グロープラズマ装置
１１  プラズマ室
１２  ガス供給手段
１３  電極
１５  ＡＣ電源手段
【図１】
2007515760.tif 000010
【図２】
2007515760.tif 000011
【図３】
2007515760.tif 000012
【図４】
2007515760.tif 000013
【図５】
2007515760.tif 000014
【図６】
2007515760.tif 000015
【図７】
2007515760.tif 000016
【図８】
2007515760.tif 000017
【図９】
2007515760.tif 000018
【図１０】
2007515760.tif 000019
【図１１】
2007515760.tif 000020
【国際調査報告】
2007515760.tif 000021
2007515760.tif 000022
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