(57)【要約】【課題】  デジタル信号プロセッサによって制御される発生器を備えた消毒システムを提供する。【解決手段】  チャンバ内のプラズマに加える電力を制御するための電力フィードバック制御システムを含む消毒システムであって、このフィードバック制御システムが、そのプラズマに加える電流を示す第１の信号を生成するように構成された電流モニタと、プラズマに加える電圧を示す第２の信号を生成するように構成された電圧モニタと、第１の信号および第２の信号を受け取り、その電流にその電圧を乗じて第３の信号を生成するように構成されたプログラム可能なデジタル信号プロセッサを備えた電力制御モジュールと、その電力制御モジュールに接続され、第３の信号に応じてそのプラズマに加える電力を調節するように構成されたプラズマ発生器とを含む。【選択図】        図２８
2004154562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内のプラズマに電力を加えて物品からガス或いは蒸気種を除去する消毒システムであって、前記プラズマに加える前記電力を制御するための電力フィードバック制御システムを含み、この電力フィードバック制御システムが、
前記チャンバ内の前記プラズマに加える電流を示す第１の信号を生成するように構成された電流モニタと、
前記チャンバ内の前記プラズマに加える電圧を示す第２の信号を生成するように構成された電圧モニタと、
前記第１の信号および前記第２の信号を受け取り、前記電流に前記電圧を乗じて、前記電流と前記電圧との積を示す第３の信号を生成するように構成されたプログラム可能なデジタル信号プロセッサを備えた電力制御モジュールと、
前記電力制御モジュールに接続され、前記第３の信号に応じて前記チャンバ内の前記プラズマに加える前記電力を調節するように構成されたプラズマ発生器とを含むことを特徴とする消毒システム。
【請求項２】
チャンバ内のプラズマに電力を加えて物品からガス或いは蒸気種を除去するための方法であって、
前記チャンバ内の前記プラズマに加える電流を示す第１の信号を生成するステップと、
前記チャンバ内の前記プラズマに加える電圧を示す第２の信号を生成するステップと、
前記第１の信号および前記第２の信号に応じて第３の信号を生成するステップとを含み、
前記第３の信号が、前記電流に前記電圧を乗じるプログラム可能なデジタル信号プロセッサを用いて生成され、前記第３の信号が前記電流と前記電圧との積を示すことを特徴とする方法。
【請求項３】
チャンバ内のプラズマに、波形周波数を有する電力を加えて物品からガス或いは蒸気種を除去する消毒システムであって、前記プラズマに加える前記電力を制御するための電力フィードバック制御システムを含み、この電力フィードバック制御システムが、
前記チャンバ内の前記プラズマに加える電流を示す第１の信号を生成するように構成された電流モニタと、
前記チャンバ内の前記プラズマに加える電圧を示す第２の信号を生成するように構成された電圧モニタと、
前記第１の信号および前記第２の信号に応じて第３の信号を生成するように構成された、前記波形周波数の逆数よりも速い処理速度を有する電力制御モジュールと、
前記電力制御モジュールに接続され、前記第３の信号に応じて前記チャンバ内の前記プラズマに加える前記電力を調節するように構成された、プラズマ発生器とを含むことを特徴とする消毒システム。
【請求項４】
チャンバ内のプラズマに電力波列を加えて物品からガス或いは蒸気種を除去する消毒システムであって、前記電力波列が、固有パルス周期を有する複数の電力パルスを含み、前記消毒システムが、前記プラズマに加える前記電力を制御するための電力フィードバック制御システムを含み、この電力フィードバック制御システムが、
前記チャンバ内の前記プラズマに加える電流を示す第１の信号を、前記固有パルス周期よりも短い時間スケールで生成するように構成された電流モニタと、
前記チャンバ内の前記プラズマに加える電圧を示す第２の信号を、前記固有パルス周期よりも短い時間スケールで生成するように構成された電圧モニタと、
前記第１の信号および前記第２の信号を監視し、前記第１の信号および前記第２の信号に応じて第３の信号を、前記固有パルス周期よりも短い時間スケールで生成するように構成された電力制御モジュールと、
前記電力制御モジュールに接続され、前記第３の信号に応じて前記チャンバ内の前記プラズマに加える前記電力を調節するように構成されたプラズマ発生器とを含み、
前記プラズマに加える前記電力が、前記固有パルス周期よりも短い時間スケールで調節されるため、前記プラズマに加える前記電力のパルス内監視および制御を行うことができることを特徴とする消毒システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本願は、現在は米国実用特許第６，４４７，７１９号である２０００年１０月２日出願の米国実用特許出願第０９／６７７，５３４号の一部係属出願である２００１年３月１９日出願の米国実用特許出願第０９／８１２，１４８号の一部係属出願であって、その優先権を主張するものである。またこれらの米国特許出願に言及することを以ってその内容を本願の一部とする。
【０００２】
本発明は、ガス放電プラズマを用いた消毒システムでガス放電プラズマを制御するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
プラズマ、特に高周波（ＲＦ）発生器を用いて生成されたプラズマは、医療器具を消毒するための工程で役立つ装置として知られている。例えば、特許文献１および特許文献２は、ＲＦプラズマを用いる低温消毒システムで過酸化水素を前駆体として使用することを開示する。これらの公報は、参照されることにより、この出願の一部をなす。過酸化水素の蒸気とＲＦプラズマを組み合わせることにより、極めて有害な物質を使用したり残留させたりすることなく、有害な副産物を生成することもない、医療器具の効率的な消毒方法を実現できる。同様に、特許文献３および特許文献４は、消毒方法でのＲＦプラズマの使用を開示する。
【特許文献１】米国特許第４，６４３，８７６号明細書
【特許文献２】米国特許第４，７５６，８８２号明細書
【特許文献３】米国特許第５，３０２，３４３号明細書
【特許文献４】米国特許第５，５１２，２４４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、消毒方法でのＲＦプラズマの使用には以下のような問題がある。すなわち、ＲＦプラズマでは、消毒される物品に過酸化水素が残留してしまうことがある。消毒される物品に残される過酸化水素の残留量は、物品に与えられるＲＦ電力およびＲＦプラズマにさらされる時間および物品の材料によって異なる。例えば、ある種のプラスチック（例えばポリウレタン）は過酸化水素を吸収するが、他の材料（例えばテフロン（Ｒ）（ポリテトラフルオロエチレンを表す登録商標））は比較的少ない過酸化水素しか吸収しないので、消毒後に過酸化水素をあまり残さない。
【０００５】
また、ＲＦプラズマを発生させるために、例えば６０Ｈｚといった低周波のライン電圧から、例えばおよそ１ＭＨｚ乃至１ＧＨｚにわたる高周波電圧にエネルギ変換する場合における固有の問題として、システムの電力効率が通常５０％未満にまで制限されてしまうという非効率さがある。さらに、ＲＦ発生器とそこから給電される装置の間に必要とされるインピーダンス整合回路網の損失によって、エネルギ効率は通常５％乃至２０％低下してしまう。このような低いエネルギ効率によって、消毒される物品に与えられる電力あたりのコストが非常に上昇してしまう。さらに、ＲＦ電気エネルギを使用するのに必要な装置類（例えばＲＦ発生器、インピーダンス整合回路網、監視回路）は高価であり、消毒される物品に与えられる電力あたりのコストがさらにこのために上昇する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
チャンバ内のプラズマに電力を加えて物品からガス或いは蒸気種を除去する消毒システム。この消毒システムは、プラズマに加える電力を制御するための電力フィードバック制御システムを含む。この電力フィードバック制御システムは、チャンバ内のプラズマに加える電流を示す第１の信号を生成するように構成された電流モニタを含む。電力フィードバック制御システムは更に、チャンバ内のプラズマに加える電圧を示す第２の信号を生成するように構成された電圧モニタを含む。電力フィードバック制御システムは更に、プログラム可能なデジタル信号プロセッサを備えた電力制御モジュールを含む。このプログラム可能なデジタル信号プロセッサは、第１の信号および第２の信号を受け取り、電流に電圧を乗じて、電流と電圧との積を示す第３の信号を生成するように構成されている。電力フィードバック制御システムは更に、電力制御モジュールに接続されたプラズマ発生器を含む。このプラズマ発生器は、第３の信号に応じてチャンバ内のプラズマに加える電力を調節するように構成されている。
【０００７】
チャンバ内のプラズマに電力を加えて物品からガス或いは蒸気種を除去するための方法。この方法は、チャンバ内のプラズマに加える電流を示す第１の信号を生成するステップを含む。この方法は更に、チャンバ内のプラズマに加える電圧を示す第２の信号を生成するステップを含む。この方法は更に、第１の信号および第２の信号に応じて第３の信号を生成するステップを含む。第３の信号は、電流に電圧を乗じるプログラム可能なデジタル信号プロセッサで生成される。第３の信号は電流と電圧との積を示す。この方法は更に、第３の信号に応じてプラズマに加える電力を調節するステップを含む。
【０００８】
チャンバ内のプラズマに電力を加えて物品からガス或いは蒸気種を除去する消毒システム。この消毒システムは、プラズマに加える電力を制御するための電力フィードバック制御システムを含む。この電力は波形周波数を有する。この電力フィードバック制御システムは、チャンバ内のプラズマに加える電流を示す第１の信号を生成するように構成された電流モニタを含む。電力フィードバック制御システムは更に、チャンバ内のプラズマに加える電圧を示す第２の信号を生成するように構成された電圧モニタを含む。電力フィードバック制御システムは更に、第１の信号および第２の信号に応じて第３の信号を生成するように構成された電力制御モジュールを含む。この電力制御モジュールは、波形周波数の逆数よりも速い処理速度を有する。電力フィードバック制御システムは更に、電力制御モジュールに接続されたプラズマ発生器を含む。このプラズマ発生器は、第３の信号に応じてチャンバ内のプラズマに加える電力を調節するように構成されている。
【０００９】
チャンバ内のプラズマに電力波列を加えて物品からガス或いは蒸気種を除去する消毒システム。この電力波列は、固有パルス周期を有する複数の電力パルスを含む。この消毒システムは、プラズマに加える電力を制御するための電力フィードバック制御システムを含む。この電力フィードバック制御システムは、チャンバ内のプラズマに加える電流を示す第１の信号を生成するように構成された電流モニタを含む。電力フィードバック制御システムは更に、チャンバ内のプラズマに加える電圧を示す第２の信号を生成するように構成された電圧モニタを含む。この第１の信号および第２の信号は、固有パルス周期よりも短い時間スケールで生成される。電力フィードバック制御システムは更に電力制御モジュールを含む。この電力制御モジュールは、第１の信号および第２の信号を監視し、第１の信号および第２の信号に応じて第３の信号を生成するように構成されている。この第３の信号は、固有パルス周期よりも短い時間スケールで生成される。電力フィードバック制御システムは更に、電力制御モジュールに接続されたプラズマ発生器を含む。このプラズマ発生器は、第３の信号に応じてチャンバ内のプラズマに加える電力を調節するように構成されている。プラズマに加える電力が、固有パルス周期よりも短い時間スケールで調節されるため、プラズマに加える電力に対してパルス内監視および制御を行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
デジタル信号プロセッサによって制御される発生器を備えた、チャンバ内のプラズマに電力を加えて物品からガス或いは蒸気種を除去する消毒システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
低周波（ＬＦ）電圧を用いたガス放電プラズマの生成は、高周波（ＲＦ）電圧によってプラズマを生成して使用する消毒装置および方法の技術の現況に固有の様々な問題を解決する。まず、ＬＦプラズマの方法では、ＲＦプラズマの方法に比べて消毒される物品に残留する反応性のある化学種の量が少ない。第二に、ＬＦプラズマの生成は、ライン電圧からの周波数変換が少なくて済むか不要であるために、高エネルギ効率である。例えば、６０Ｈｚのライン電圧の周波数を周波数変換しないのであれば、消毒システムのエネルギ効率は約８５％乃至約９９％にまで達する。また、ＬＦ電圧を使用すると、インピーダンス整合回路網が不要となり、これに伴うエネルギ損失も回避される。第三に、ＬＦ生成の簡単な装置類と高エネルギ効率のために、ＬＦプラズマを用いて消毒する物品に与えられる電力あたりのコストは、ＲＦプラズマを用いた場合の電力あたりのコストの１０分の１にまで低くすることができる。第四に、ＬＦプラズマを生成するために用いられる簡単な装置は、より信頼性が高く頑丈であって、故障診断装置類の構造の複雑化をさほどもたらさないことが分かっている。
【００１２】
図１は、消毒システム１０を備えるある実施の形態を示す図である。消毒システム１０は、真空室１２と、真空ポンプ１４と、真空ポンプライン１５と、真空ポンプ弁１６と、反応性薬品源１８と、反応性薬品ライン１９と、反応性薬品弁２０と、低周波（ＬＦ）電力モジュール２２と、ＬＦ電圧信号線２４と、通気ベント（vent）２６と、通気ベントライン２７と、通気ベント弁２８と、処理制御モジュール３０と、電極３２と、反応性薬品モニタ３４を備える。当業者であれば、図１に示されたものと異なる構成を有する他の消毒システムがここに記載する実施の形態に適合することを理解できよう。
【００１３】
ある実施の形態では、消毒されるべき物品（図１には示さない）は、消毒される製品を包装するのに普通に利用されている様々な包装材で包装されている。好ましい包装材は、「ＴＹＶＥＫ」という商標で普通に入手可能なスパンボンド法によって製造されたポリエチレン包装材、あるいは「ＴＹＶＥＫ」と「ＭＹＬＡＲ」という商標で普通に入手可能なポリエチレンテレフタレートの包装材材料との組成物である。ポリプロピレンのような他の類似の包装材も利用可能である。紙の包装材も使用可能である。紙の包装では、反応性薬品と紙との起こりうる相互反応のために、消毒を実行するにはより長い処理時間が必要となるかもしれない。
【００１４】
ある実施の形態の真空室１２は、約４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）未満の真空にも耐えられるように十分に気密である。真空室１２には圧力モニタ（図示せず）が接続されており、この圧力モニタは処理制御モジュール３０にも接続されており、真空室１２内の全体の圧力の計測結果を通知する。また、真空室１２には、反応性薬品モニタ３４が接続されており、この反応性薬品モニタ３４は真空室１２の内部の反応性薬品の量を検出することが可能である。典型的な実施の形態においては、反応性薬品は過酸化水素であって、反応性薬品モニタ３４は、ある波長特性の紫外線の過酸化水素による吸収を計測する。ここに記載する実施の形態に適合する反応性薬品の他の検出方法には、圧力計測、近赤外線吸収、および露点計測があるが、これらには限られない。反応性薬品モニタ３４は、処理制御モジュール３０にも接続されており、処理制御モジュール３０に検出された反応性薬品の量を通知する。
【００１５】
ある実施の形態では、真空室１２の内部には電極３２が配置されており、電極３２は真空室１２から電気的に絶縁されている。電極３２は、導電性があり、電極３２の各側部におけるガスとプラズマ化学種の間の流動を高めるために穿孔されている。ある実施の形態の電極３２は、真空室１２の内面形状にほぼ合致した形状をしており、真空室１２の壁から約１．５インチ乃至２インチ離れていて、真空室１２と電極３２との間のギャップ領域を画定する。電極３２はＬＦ電圧信号線２４を介してＬＦ電力モジュール２２に接続されている。ある実施の形態では、電気的に接地された真空室１２によって、真空室１２と電極３２の間のＬＦ電圧を与えると、ＬＦ電界が形成される。ＬＦ電界は、前記のギャップ領域と電極３２の端縁の近傍を含む第１の領域３１で強いが、消毒される物品が配置される第２の領域３３では弱い。より一般的に、他の実施の形態では、真空室１２の内部の第２の電極と電極３２との間にＬＦ電圧を与えることによって、ＬＦ電界を発生させることも可能である。このような実施の形態では、第１の領域３１は二つの電極の間のギャップ領域と、一つまたは両方の電極の端縁の近傍を含む。真空室１２が第２の電極として作用するある実施の形態は、ガスプラズマを生成する多くの様々な方法のうちの一例である。
【００１６】
図２に示されたある実施の形態では、円筒形の電極３２は、その開放された両端部と側部の孔によって、電極３２の各側部におけるガスとプラズマの間の流体的な伝達をもたらす。これらの開放された両端部と孔によって、ガス化学種とプラズマ化学種は、電極３２と真空室１２の壁の間の第１の領域３１と、消毒される物品が配置される第２の領域３３の間を自由に移動することができる。同様に、図３乃至図１０に示された電極３２の他の形態も、第１の領域３１と第２の領域３３との間の流動の移動をもたらす。図３は、開放された両端部と、側部に沿って鎧戸状に形成された開口部を有する円筒形の電極３２を概略的に示す図である。図４は、開放された両端部と孔のない側部を有する円筒形の電極３２を概略的に示す図である。図５は、開放された端部と孔のない側部を有する一連の同軸上の円筒形セグメントを有する電極３２を概略的に示す図である。図６は、開放された端部と孔のない側部を有する円筒の部分の形状を有する電極３２を概略的に示す図である。図７は、開放された端部と孔のない側部を有する、円柱的に均整で長手方向に不均整な電極３２を示す概略図である。図８は、開放された端部と孔のない側部を有する、非対称な電極３２を示す概略図である。プラズマを発生させるために一つより多い電極を使用することも可能である。図９は、開放された端部と孔のない側部を有する円筒形の第１の電極３２と、第１の電極３２とほぼ同軸のワイヤを有する第２の電極３２’とを有する電極装置を示す概略図である。ＬＦ電圧は、第１の電極３２と第２の電極３２’の間に印加される。この実施の形態では、第１の領域３１は第１の電極３２と第２の電極３２’の間の領域であり、第２の領域３３は電極３２と真空室１２の間である。図１０は、ほぼ正方形または長方形の真空室１２の内部のほぼ正方形または長方形の電極３２を示す概略図である。図２乃至図９に概略的に示されたほぼ円筒形の電極の様々な構成は、図１０に示されたほぼ正方形または長方形の電極にも応用することができる。これらの電極３２の実施の形態は、それぞれ第１の領域３１と第２の領域３３との間の流体の移動をもたらすようになっている。
【００１７】
ある実施の形態の真空ポンプ１４は、真空ポンプライン１５と真空ポンプ弁１６を介して真空室１２に接続されている。真空ポンプ１４および真空ポンプ弁１６はともに、処理制御モジュール３０に接続されており、処理制御モジュール３０により制御される。真空ポンプ弁１６を開放することにより、真空室１２の内部のガスは真空室１２から真空ポンプ１４によって真空ポンプライン１５を通って排出される。ある実施の形態では、真空ポンプ弁１６は真空室１２の内部の圧力を調整および制御するために様々な段階で開放されることが可能になっている。
【００１８】
ある実施の形態の反応性薬品源１８は、真空室１２に反応性薬品ライン１９および反応性薬品弁２０を介して接続された流体源である。反応性薬品弁２０は処理制御モジュール３０に接続されており、処理制御モジュール３０により制御される。ある実施の形態の反応性薬品源１８は、反応性薬品の化学種を収容する。このような実施の形態では、反応性薬品の化学種は、過酸化水素のような滅菌剤または消毒剤である殺菌剤を含有する。また、反応性薬品源１８から供給される殺菌剤は、気体または蒸気の形態をとっていてもよい。反応性薬品弁２０を開放することによって、反応性薬品源１８からの反応性薬品の原子および分子は、反応性薬品ライン１９を経て真空室１２の内部に送り届けられる。ある実施の形態では、反応性薬品弁２０は、真空室１２の内部の反応性薬品の圧力を調整するために様々な段階で開放されることが可能になっている。典型的な実施の形態では、反応性薬品源１８の反応性薬品の化学種は、過酸化水素分子を含有する。
【００１９】
ある実施の形態の通気ベント２６は、通気ベントライン２７および通気ベント弁２８を介して真空室１２に接続されている。通気ベント弁２８は、処理制御モジュール３０に接続されており、処理制御モジュール３０により制御される。通気ベント弁２８を開放することにより、通気ガスが通気ベントライン２７を経て真空室１２に漏らされる。ある実施の形態では、通気ベント弁２８は、真空室１２の内部の空気の圧力を調整するために様々な段階で開放されることが可能になっている。典型的な実施の形態では、通気ベント２６は、濾過された空気を通気ガスとして供給する高効率粒子濾過空気（ＨＥＰＡ）ベントである。ここに記載する実施の形態に適合する他の通気ガスには、乾燥窒素またはアルゴンが含まれるが、これらには限られない。
【００２０】
処理制御モジュール３０は、消毒システム１０の様々な構成要素に接続されて、消毒システム１０を制御する。代表的な実施の形態では、処理制御モジュール３０は、他の構成要素から受信した様々な信号に応答して、制御信号を様々な他の構成要素に供給するように構成されたマイクロプロセッサである。
【００２１】
ある実施の形態のＬＦ電力モジュール２２は、ＬＦ電圧信号線２４を介して電極３２に接続されているとともに、処理制御モジュール３０に接続されており、処理制御モジュール３０により制御される。ＬＦ電力モジュール２２は、真空室１２内に低周波プラズマを発生させるために、電極３２と真空室１２との間に低周波電圧を印加するようになされている。図１１および図１２は、プラズマに与えられる低周波電力を制御する位相角制御法に適したＬＦ電力モジュール２２の実施の形態を概略的に示す図である。図１１および図１２に示されるように、ＬＦ電力モジュール２２は、過電力リレー４０と、一対の金属酸化物バリスタ４２と、昇圧用の変圧器５０と、フライバック分流素子６２と、インダクタ６４と、キャパシタ６６と、ＬＦ電力フィードバック制御システム７０とを備える。図１１および図１２に示されたＬＦ電力フィードバック制御システム７０は、電力制御器６０と、電流モニタ８０と、電圧モニタ９０と、電流モニタ８０および電圧モニタ９０に接続された電力モニタ（乗算器）１００を備える。ライン電圧（通常は、交流の２００Ｖ乃至２４０Ｖで５０／６０Ｈｚ）は、ＬＦ電力フィードバック制御システム７０に接続された過電力リレー４０が閉じているときに、過電力リレー４０を介して昇圧用の変圧器５０に供給される。
【００２２】
図１１および図１２に示された実施の形態において、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）４２は、一時的な電圧のインパルスを抑制するために使われる。各金属酸化物バリスタ４２は、低いピーク通過電圧（let-through voltage）での大きなインパルスに耐えうる多接続固体素子（multiple-junction solid-state device）である。金属酸化物バリスタ４２は、通常より高い電圧で低いインピーダンスを持ち、通常の電圧で高いインピーダンスを持った高速で動作する可変抵抗器として動作する。金属酸化物バリスタ４２は、特定の電圧形態および様々なインパルスの程度の目的に合うように製造されている。当業者であれば、ここに記載する実施の形態に適合する金属酸化物バリスタ４２を選択することが可能である。
【００２３】
昇圧用の変圧器５０の出力電圧は、好ましくは約１００Ｖrms 乃至１０００Ｖrms であり、さらに好ましくは約２００Ｖrms 乃至５００Ｖrms であり、最も好ましくは約２５０Ｖrms 乃至４５０Ｖrms である。昇圧用の変圧器５０の出力電圧は、電力制御器６０に伝達され、電力制御器６０はこのＬＦ電圧をフライバック分流素子６２、インダクタ６４、キャパシタ６６およびＬＦ電力フィードバック制御システム７０を介して電極３２および真空室１２に与える。フライバック分流素子６２は、フライバック電流のための、かつ回路を調整するための経路を提供する。ある実施の形態では、フライバック分流素子６２は、約１５００オームの負荷抵抗器である。他の実施の形態では、フライバック分流素子６２は、電圧スパイク抑制装置（snubber）であってもよい。インダクタ６４のインダクタンスは、ＬＦ電流のノイズスパイクを制限するように選択され、通常は約５００ｍＨである。キャパシタ６６のキャパシタンスは、直列のＬＣ（インダクタンス・キャパシタンス）回路の共振周波数を印加されるＬＦ電圧の周波数に合致させることによって、ＬＦプラズマへの電力伝達の効率を最大にするように選択される。６０Ｈｚ電圧で５００ｍＨのインダクタンスでは、キャパシタンスを約１３．６μＦにすれば、直列のＬＣ回路のインピーダンスがほぼゼロとなる共振状態をもたらし、伝達されるＬＦ電力を最大にする。当業者であれば、ここに記載する実施の形態に適合する方式で印加されるＬＦ電圧の周波数によって異なるこれらの構成要素のための適切な数値を選択することができる。
【００２４】
図１３および図１４は、プラズマに与えられる低周波電力を制御する振幅制御法に適したＬＦ電力モジュール２２の実施の形態を概略的に示す図である。図１３および図１４に示されるように、ＬＦ電力モジュール２２は、過電力リレー４０と、一対の金属酸化物バリスタ４２と、昇圧用の変圧器５５と、ＬＦ電力フィードバック制御システム７０を備える。図１３および図１４に示されるＬＦ電力フィードバック制御システム７０は、高電圧（ＨＶ）直流電源５１、電圧制御発振器（ＶＣＯ）５２、電圧制御増幅器（ＶＣＡ）５３、ＨＶ演算増幅器５４、電流モニタ８０、電圧モニタ９０、および電流モニタ８０と電圧モニタ９０に接続された電力モニタ（乗算器）１００を備える。ライン電圧は、ＬＦ電力フィードバック制御システム７０に接続された過電力リレー４０が閉じているときに、過電力リレー４０を介してＨＶ直流電源５１に供給される。ＨＶ直流電源５１の出力は、好ましくは直流の約１００Ｖ乃至１０００Ｖであり、さらに好ましくは直流の約２００Ｖ乃至５００Ｖであり、最も好ましくは直流の約２５０Ｖ乃至４５０Ｖである。
【００２５】
図１３および図１４に示された実施の形態において、ＶＣＯ５２は、一定振幅で、一定の低い周波数（約２００ｋＨｚ以下）のサイン波状の出力を生成する。この低い周波数は、ＶＣＯ５２に適当なセットポイント電圧を供給するために選択される。これに代わる代替的な実施の形態では、例えば三角波または矩形波のような他の波形を利用してもよい。ＶＣＯ５２のＬＦ出力は、ＶＣＡ５３に供給され、ＶＣＡ５３は、低周波プラズマに与えられるほぼ安定した平均電力を持続するための電力制御器として機能する。電力制御モジュール１１０から与えられるフィードバック信号に応じて、ＶＣＡ５３はＶＣＯ５２のＬＦ出力を増幅して、振幅が交流の０乃至１２Ｖの間である増幅されたＬＦ電圧を生成する。増幅されたＬＦ電圧は、ＶＣＡ５３からＨＶ演算増幅器５４に供給され、これに応じてＨＶ演算増幅器５４は高電圧ＬＦ出力を生成する。この高電圧ＬＦ出力は、ＶＣＡ５３で増幅されたＬＦ電圧の振幅によって定められた振幅を有する。適切なＨＶ演算増幅器は、例えばアリゾナ州タクソン（Tucson）のエイペックス・マイクロテクノロジー（Apex Microtechnology）からＰＡ９３という部品番号で入手可能であり、当業者であれば、ここに記載する実施の形態に適合するＨＶ演算増幅器５４を選択することが可能である。通常、ＨＶ演算増幅器５４からの高電圧ＬＦ出力は交流の約１００Ｖ乃至１５０Ｖである。プラズマへ与えられるＬＦ電圧の振幅を増大させるために、ＨＶ演算増幅器５４からの高電圧ＬＦ出力は図１３および図１４に示されるように、さらに昇圧用の変圧器５５で増幅される。ただし、ＨＶ演算増幅器５４が、プラズマへ与えられる所望の振幅を持った高電圧ＬＦ出力を発生させることができるのであれば、この昇圧用の変圧器５５は省略してもよい。
【００２６】
図１１および図１２に示された位相角制御の実施の形態と、図１３および図１４に示された振幅制御の実施の形態の両方において、ＬＦ電力モジュール２２のＬＦ電力フィードバック制御システム７０は、さらに電力制御モジュール１１０を備えており、電力制御モジュール１１０は電力モニタ１００に接続され、電力モニタ１００は電流モニタ８０および電圧モニタ９０に接続されている。電流モニタ８０は、電極３２と真空室１２を流れるＬＦ電流を計測する。ある実施の形態では、電流モニタ８０は、計測されるリアルタイムの、サイクルにより異なるＬＦ電流を示す出力電圧を生成する電流センサ８２と、電流センサ８２の出力電圧のＲＭＳ（二乗平均）に応じて直流電圧を生成する第１のコンバータ８４と、第１のコンバータ８４からの直流電圧を増幅してリアルタイムの電流信号を生成する第１の電圧増幅器８６とを備える。さらに、電流モニタ８０は過電流検出器８８を備え、過電流検出器８８は第１のコンバータ８４からの直流電圧をリアルタイムで監視し、例えば電極３２と真空室１２との間の短絡などの理由で、ＬＦ電流があらかじめ設定された値を超えたならば、エラー信号を電力制御モジュール１１０に送信する。この場合には、ＬＦ電圧はただちに止められる。このことは、数サイクルを浪費することになるが、所定の許容誤差より大きくは平均電力が影響を受けないように電力は安定化される。
【００２７】
電圧モニタ９０は、電極３２と真空室１２との間のＬＦ電圧を計測する。ある実施の形態では、電圧モニタ９０は、計測されるリアルタイムの、サイクルにより異なるＬＦ電圧を示す出力電圧を生成する降圧用の変圧器９２と、降圧用の変圧器９２の出力電圧のＲＭＳ（二乗平均）に応じて直流電圧を生成する第２のコンバータ９４と、第２のコンバータ９４からの直流電圧を増幅してリアルタイムの電圧信号を生成する第２の電圧増幅器９６とを備える。別の実施の形態では、高圧変圧器９２からの出力電圧と電流センサ８２の出力電圧とを乗算して単一コンバータに送り、そこでプラズマに与えられる電力に対応する電圧信号を生成される。
【００２８】
ある実施の形態では、電力モニタ１００はさらに電流モニタ８０からの直流電圧と電圧モニタ９０からの直流電圧を受けて、これらの二つの電圧を乗算して、リアルタイムの電力信号を生成する乗算器を備える。リアルタイムの電力信号は、電極３２と真空室１２との間のプラズマに印加されるＬＦ電力に比例しており、リアルタイムの電流信号とリアルタイムの電圧信号に応じて生成され、電力制御モジュール１１０に送信される。他の実施の形態では、電力モニタ１００は、リアルタイムのプラズマのインピーダンスを示す信号、およびリアルタイムの電流信号とリアルタイムの電圧信号のいずれかを用いることによって、プラズマに印加される電力を監視する。さらに他の実施の形態では、例えばプラズマにより発生するグロー放電の明るさに比例するリアルタイムの信号のような、プラズマに印加されるＬＦ電力を間接的に示す他のリアルタイムの信号を用いることによって、プラズマに印加されるＬＦ電力を監視する。当業者であれば、本発明に適した適切な電力モニタ１００を選択することができる。
【００２９】
ある実施の形態の電力制御モジュール１１０は、過電力検出器１１２のような誤り検出器を有しており、過電力検出器１１２は電力モニタ１００からのリアルタイムの電力信号を監視して、ＬＦ電力があらかじめ設定された値を越えたならば、過電力リレー４０を開放し、ＬＦプラズマを消滅させる。この後の再開の制御は、ユーザまたはソフトウエアによって行われる。ある実施の形態の電力制御モジュール１１０は、過熱状態を検出する温度スイッチ１１４のようなさらに別の誤り検出器と、電力制御処理器１２０を備える。
【００３０】
ある実施の形態では、電力制御処理器１２０はＬＦ電力フィードバック制御システム７０の状態を監視して制御する。電力制御処理器１２０は、ユーザインタフェイス１２２に接続されており、ユーザインタフェイス１２２は選択された電力量設定および選択された電力オン／オフ設定に関するユーザの入力を供給する。電力制御処理器１２０はさらに電力モニタ１００、温度スイッチ１１４および過電流検出器８８に接続されている。ある実施の形態では、電力量設定は、二つの電力レベルから選択可能にされている。電力が供給され始めると、電力制御処理器１２０のある実施の形態は、急激な電流増加を最小限にするソフトスタート状態を確実に持続する。さらに、ユーザインタフェイス１２２は、ユーザに通知される、消毒システム１０の状態を示す信号を電力制御処理器１２０から受信する。
【００３１】
図１１および図１２に示される位相角制御の実施の形態では、電力制御処理器１２０は、電力制御器６０にも接続されている。この実施の形態では、エラー状態を回避しながら、ＬＦプラズマに与えられるほぼ安定したＬＦ電力を持続させるために、電力制御処理器１２０は、ユーザインタフェイス１２２、電力モニタ１００、過電流検出器８８および温度スイッチ１１４からの信号に応じて電力制御器６０に信号を送信する。図１３および図１４に示される振幅制御の実施の形態では、電力制御処理器１２０はＶＣＡ５３に接続されている。この実施の形態では、エラー状態を回避しながら、ＬＦプラズマに与えられるほぼ安定したＬＦ電力を持続させるために、電力制御処理器１２０はユーザインタフェイス１２２、電力モニタ１００、過電流検出器８８および温度スイッチ１１４からの信号に応じてＶＣＡ５３に信号を送信する。図１１および図１２ならびに図１３および図１４に示される両方の実施の形態では、電力制御処理器１２０は通常は、指定された電力レベルの約０％乃至約５％の許容差の範囲内でＬＦプラズマに与えられるＬＦ電力を持続させる。
【００３２】
図１１および図１２ならびに図１３および図１４は、ＬＦ電力モジュール２２の単にここに記載する実施の形態を示す図であるから、図１１および図１２ならびに図１３および図１４に示される全ての構成要素が本発明を実現するのに必要というわけではないことに留意すべきである。これらの構成要素は、自動化、安全性、調整、効率および便宜的な目的で設けられた構成要素も含んでいる。他の実施の形態は、これらの構成要素のいくつかまたは全てを有していなくてもよく、あるいは他の構成要素を有していてもよい。
【００３３】
電力制御処理器１２０からの信号に応じて、図１１および図１２に示された実施の形態の電力制御器６０は、位相角制御を用いて、電極３２と真空室１２との間に与えられるＬＦ電力を制御する。位相角制御では、ＬＦ電力のデューティ比はサイクル期間の部分Δにおける電極３２と真空室１２に与えられる電圧と電流をゼロにすることにより修正される。このような位相角制御は、電気加熱器または電気炉からの電力を一定に持続させるのに多用されている。図１５は、１００％のデューティ比（Δ＝０）およびより少ないデューティ比（Δ≠０）での電圧および電流を概略的に示す図である。通常の動作の間、計測されたＬＦ電力に応じた電力制御モジュール１１０に受信されるフィードバックされたリアルタイムの信号に応じてＬＦ電力のデューティ比を動作中に調整することにより、電力制御器６０はプラズマに与えられるＬＦ電力を一定に持続する。過電流検出器８８または温度スイッチ１１４により誤り状態が検出されると、電力制御処理器１２０はＬＦ電力のデューティ比を減少させることによりＬＦ電力を減少させ、ユーザインタフェイス１２２に信号を送って誤り状態を通知させる。当業者であれば、ここに記載する実施の形態に適合するＬＦ電力のデューティ比を修正する適切な回路を選択することができる。
【００３４】
あるいは、図１３および図１４に示された実施の形態のように、振幅制御を用いることによりＬＦ電力は制御されうる。振幅制御では、電極３２と真空室１２との間に与えられる電圧と電流の振幅を調整することにより、ＬＦ電力を修正する。図１６は、第１のＬＦ電力設定と、第１のＬＦ電力設定より小さい第２のＬＦ電力設定に対応した電圧と電流を概略的に示す図である。通常の動作の間、計測されたＬＦ電力に応じた電力制御モジュール１１０に受信されるフィードバックされたリアルタイムの信号に応じてＬＦ電力の振幅を動作中に調整することにより、ＶＣＡ５３はプラズマに与えられるＬＦ電力を一定に持続する。当業者であれば、ここに記載する実施の形態に適合するＬＦ電力の振幅を修正する適切な回路を選択することができる。
【００３５】
ＲＦシステムにおいては、電力効率を最大化するとともにＲＦ発生器の損傷を回避するために、ＲＦ発生器の出力インピーダンスを常にプラズマインピーダンスに極めて近く整合させようとする要求のために、ＲＦ消毒器の電子機器は複雑である。プラズマの生成の間、プラズマのインピーダンスは、プラズマが完全に生成されるまでは高く、その後は非常に低くなるというように、大きく変動する。最初のプラズマの点火の際には、ＲＦ発生器はプラズマの完全な生成に先だって存在する高いプラズマインピーダンスに整合することはできず、出力電力の大部分はＲＦ発生器に跳ね返ってくる。損傷を回避するために、高い反射電力の期間の間、通常ＲＦ発生器の出力を制限する保護システムをＲＦ発生器は有する。しかし、プラズマを点火するためには、ＲＦ発生器の出力電力は、プラズマ点火に必要とされる閾値の電圧を越えなければならない。ある実施の形態では、閾値の電圧は、室内の圧力、反応性薬品、および構造やその他の要因によって異なるが、３００Ｖrms である。あるＲＦシステムでは、点火が行われてプラズマインピーダンスが低減したなら、印加されるＲＦ電圧の大きさは、余計な電力供給を避けるために約１４０Ｖrms の持続電圧に減少させられる。プラズマ点火に必要とされる高いＲＦ電圧が、プラズマの完成の前に余計な高い反射電力を生成してしまうので、プラズマ点火段階の間に損傷を防止するための複雑な安全装置をＲＦ発生器は要する。
【００３６】
これに対して、ＬＦ消毒器は、ある閾値の電圧より上の印加電圧で稼働することができ、出力インピーダンスの整合に関する要求の拘束も少ないので、ＬＦ消毒器では電力システムの複雑さや点火の失敗率を大幅に減少させることができる。周波数が約１ｋＨｚ未満の場合は、図１５に示すように、印加されたＬＦ電圧がゼロである時間の間、ＬＦプラズマは消滅し、真空室にはＬＦプラズマが存在しない。そこで、ＬＦプラズマは、各サイクルにつき二回、点火されなければならない。一つの電圧状態だけで稼働することにより、ＬＦ消毒器はＲＦ消毒器に比べて、より簡単でより信頼性の高い電気システムを有する。このような電気システムは、動作および故障診断がより容易であり、修理に伴うコストを低減することができる。さらに、ＬＦ消毒器によって発生する、より高いピークのプラズマ密度のために、物品上の再結合の解離を多くすることができ、消毒処理の後に物品に反応性化学種が残留する量を低減することができる。
【００３７】
ある実施の形態では、局在化したガスが加熱されることによってプラズマのインピーダンスが低下し、それによってアークが生成されたり、その他のプラズマの不安定化が起こる。このような状態は、電流密度がより高い場合に生じ易い。しかしながら、周波数が入力ライン電圧（５０／６０Ｈｚ）より高い場合には、この影響が小さくなりプラズマの安定性が増す。図１７および図１８に概略図の例が示されているように、ＬＦ電力モジュール２２のある実施の形態では、プラズマに与えられるＬＦ電力をパルス化してより高い周波数を供給するスイッチングモジュール１３０を備えるようにしてもよい。図１７および図１８は、図１１および図１２に例が示されている実施の形態に基づいているが、図１３および図１４に類似の変更をしてスイッチングモジュール１３０を用いるようにすることもできる。図１７および図１８では、スイッチングモジュール１３０が第一のＭＯＶ４２と昇圧変圧器５０との間に配置されているが、当業者であれば、スイッチングモジュール１３０をＬＦ電力モジュール２２内の別の位置に配置された別の実施の形態にしてもよいことを理解できるであろう。
【００３８】
図１９には、本発明に適合したスイッチングモジュール１３０からの出力の概略図の例が示されている。図１９に示されているように、６０Ｈｚの周波数の入力サイン波電圧が、スイッチングモジュール１３０によってパルス化され、連続する幅Ｗの電圧パルスと時間Ｔによる空白部分とが生成される。当業者であれば、別の波形をスイッチングモジュール１３０に入力してもよいことを理解できるであろう。例えば、印加電圧がプラズマの点火に必要な閾値電圧ＶT より低くなる期間を最小化或いはなくすために、図２０に例が示されているように、スイッチングモジュール１３０によって電圧をパルス化する前に、ライン電圧を全波整流し、フィルタリングすることによってリプルＤＣ電圧を生成することができる。一実施の形態では、このようなリプルＤＣ電圧は、図１７および図１８に示されている概略図の例のように、過電力リレー４０とＭＯＶ４２との間にＡＣ／ＤＣコンバータを配置して生成することもできる。別の実施の形態では、力率補正モジュールを用いることもできる。ここに記載する実施の形態に適合する例示的な力率補正モジュールは、カリフォルニア州サニーベイルに所在のＲＯアソシエイツ社（RO Associates, Inc）が販売するＰＦＣ−６００である。当業者であれば、このようなリプルＤＣ電圧を生成する別の実施の形態も思いつくであろう。
【００３９】
図１９に例が示されているスイッチングモジュール１３０の出力周波数は約１０００Ｈｚであるが、これは例示目的である。当業者であれば、他の周波数もここに記載する実施の形態に適合することを理解できるであろう。スイッチングモジュールの出力周波数は、好ましくは約２００ｋＨｚ以下、より好ましくは約１ｋＨｚ乃至約１００ｋＨｚの間、最も好ましくは約２０ｋＨｚ乃至約５０ｋＨｚの間である（ＤＣ電圧および電流を含む）。さらに、スイッチングモジュール１３０は、図２１に例が示されているように単極のパルス出力を生成するように、或いは図２２に示されているように両極のパルス出力を生成するように構成することができる。両極のパルスにすることによって、プラズマによる電極のスパッターが生じにくくなり、より安定したプラズマを生成することができる。図２３に模式的に例が示されているスイッチングモジュール１３０の一実施の形態では、ブリッジ整流器１３１、パワーＭＯＳＦＥＴ１３２、パワーＭＯＳＦＥＴドライバ１３３、スナバ（snubber）１３４、オプトアイソレータ１３５、および関数発生器１３６を用いて単極のパルスが生成される。スナバ１３４は、昇圧変圧器５０の漏れインダクタンスにおける蓄積されたエネルギを分路してパワーＭＯＳＦＥＴ１３２に損傷を与えないようにするために用いられる。ここに記載する実施の形態に適合したオプトアイソレータ１３５の一例としては、テキサス州ダラスに所在のテキサス・インスツルメンツ社（Texas Instruments）が販売する４Ｎ２６フォトトランジスタオプトアイソレータがある。ここに記載する実施の形態に適合したパワーＭＯＳＦＥＴ１３２の一例としては、カリフォルニア州エル・セガンド（El Segundo）に所在のインターナショナル・レクテフィアー（International Rectifier）社が販売するシリアルナンバーがＩＲＦＰＳ３７Ｎ５０Ａの「Ｓｕｐｅｒ−２４７」がある。ここに記載する実施の形態に適合したＭＯＳＦＥＴドライバ１３３の一例としては、テキサス州ダラスに所在のテキサス・インスツルメンツ社（Texas Instruments）が販売するＳＮ７５３７２デュアルＭＯＳＦＥＴドライバがある。
【００４０】
図２３に例が示されているように、ある実施の形態では、スイッチングモジュール１３０によってパルス幅Ｗまたはパルス間の時間Ｔを調節して、プラズマに与えられるＬＦ電力を調節することができる。ある実施の形態では、関数発生器１３６の代わりに与えられるＬＦ電力を自動的に制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御器を用いてもよい。周期（Ｗ＋Ｔ）は選択したパルス周波数の逆数であり、比率Ｗ／Ｔを変えてプラズマに与えられる平均ＬＦ電力を制御することができる。このような実施の形態では、スイッチングモジュール１３０が電力制御プロセッサ１２０から適正な信号を受け取り、パルス幅Ｗおよび／または時間Ｔを適正に選択するようにもできる。
【００４１】
図２４は、図１に模式的に例示した装置を用いるある消毒方法の概略図の例である。図２４に示されている消毒プロセスは具体例であり、当業者であればその他のプロセスもここに記載する実施の形態に適合することを理解できるであろう。図１０のプロセスのある実施の形態ではまず、消毒するために真空室１２の内部に物品を密閉する（ステップ２００）。次に、プロセス制御モジュール３０の制御下で真空ポンプ１４および真空ポンプ弁１６を連結して真空室を減圧する（ステップ２１０）。真空室１２は、好ましくは約１３２０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）未満、さらに好ましくは２５Ｐａ乃至２７０Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ乃至２Ｔｏｒｒ）、最も好ましくは４０Ｐａ乃至２００Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ乃至１．５Ｔｏｒｒ）の圧力となるように減圧する。
【００４２】
典型的なプロセスでは、真空室１２が目的の圧力に達すると、プロセス制御モジュール３０がＬＦ電力モジュール２２に信号を送って、真空室１２の電極３２にエネルギを与えるようにする。ＬＦ電圧を電極３２に加えることによって、ＬＦ電力モジュール２２が真空室１２の残留ガスをイオン化し、それによって真空室１２の内部にガス放電ＬＦプラズマを生成する（ステップ２２０）。このガス放電ＬＦプラズマは、主に空気と水蒸気である真空室１２内の残留ガスから生成される。このガス放電ＬＦプラズマは、反応性薬品が真空室１２内に注入される前に生成される（ステップ２２０）ため、このガス放電ＬＦプラズマは一般に「注入前プラズマ」と呼ばれる。真空ポンプ弁１６は、この注入前プラズマステップ２２０の間、所定の真空圧力を維持するべく開閉が制御制御可能に開閉される。この注入前プラズマによって物品を含む真空室１２の内部の表面が加熱され、それによって凝縮した水やその他の吸収されたガスが蒸発して真空室１２および物品から除去されるのが助けられる。これに類似の注入前プラズマが、スペンサー（Spencer）らによる米国特許第５，６５６，２３８号および同第６，０６０，０１９号に開示されており、参照されることによりこの出願の一部をなす。典型的なプロセスでは、約０分後乃至６０分後に注入前プラズマを終了する。別の実施の形態では、注入前プラズマの生成を行わなくてもよいし、または注入前プラズマを複数回使用してもよい。さらに別の実施の形態では、物品が注入前プラズマにさらされた後に、真空室１２を排気してもよい。
【００４３】
プロセスのある実施の形態では、真空室が所定の圧力に到達すると、プロセス制御モジュール３０の制御下で真空弁１６が閉じ反応性薬品弁２０が開き、反応性薬品が反応性薬品源１８から反応性薬品供給ライン１９を介して真空室１２内に注入される（ステップ２３０）。ある実施の形態では、反応性薬品は過酸化水素を含む。この過酸化水素は液体で注入され、その後に気化される。この注入される液体には、好ましくは約３重量％乃至６０重量％、より好ましくは約２０重量％乃至６０重量％、最も好ましくは約３０重量％乃至６０重量％の過酸化水素を含有する。真空室１２内における過酸化水素の蒸気の濃度は、好ましくは真空室１２の容積１リットル当たり０．１２５ｍｇ乃至２０ｍｇである。過酸化水素の濃度が高くなればなるほど、消毒時間が短くて済む。空気、またはアルゴン、ヘリウム、窒素、ネオン、キセノンなどの不活性ガスを過酸化水素と共に真空室１２に加えて、真空室１２を所定の圧力に維持することができる。反応性薬品の注入ステップ２３０は、１回または複数回に分けて行ってもよい。
【００４４】
反応性薬品の注入ステップ２３０によって、プロセスのある実施の形態における真空室１２の圧力が約２０００Ｐａ（１５Ｔｏｒｒ）以上に上昇する。注入ステップ２３０の開始から約６分が経過すると、反応性薬品が完全に拡散し（ステップ２４０）、真空室１２全体が均一となる。拡散ステップ２４０から約１分乃至約４５分経過すると、反応性薬品が真空室１２内で実質的に平衡状態となる。この拡散ステップ２４０によって、反応性化学種が物品の包装材を通過して拡散し、物品の表面に接触しないとしてもかなり近接するため、物品が消毒される。別の実施の形態では、反応性薬品の拡散の直後に真空室１２が排気されてもよい。
【００４５】
次に、プロセス制御モジュール３０の制御下で真空ポンプ弁１６が制御可能に開かれ、真空室１２から反応性薬品の一部がポンピングによって排出され、真空室１２が真空に近づけられる（ステップ２５０）。真空室１２の内部圧力が所定の真空圧力に達したら、所定の圧力を維持するように真空弁１６が制御可能に調整され、プロセス制御モジュール３０がＬＦ電力にモジュール２２に信号を送って、真空室１２内の電極３２にエネルギが与えられる。反応性薬品が過酸化水素を含むある実施の形態では、真空室１２内の過酸化水素の圧力は、好ましくは約１３２０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）、より好ましくは約２５Ｐａ乃至約２７０Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ乃至２Ｔｏｒｒ）、最も好ましくは約４０Ｐａ乃至２００Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ乃至１．５Ｔｏｒｒ）である。ＬＦ電圧を電極３２に印加することによって、ＬＦ電力モジュール２２が反応性薬品をイオン化し、真空室１２内に反応性薬品ＬＦプラズマが生成される（ステップ２６０）。物品は所定時間、反応性薬品ＬＦプラズマにさらされる。ある実施の形態では、追加のサイクル２７５が実行される。別の実施の形態では、この追加のサイクル２７５を省略してもよいし、さらにサイクルを追加してもよい。
【００４６】
ＲＦプラズマおよびＬＦプラズマの双方には、反応性薬品プラズマの成分には、反応性薬品の電離した化学種と電子的または振動的に励起された状態の反応性薬品の分子とが含まれる。例えば、反応性薬品がある実施の形態のように過酸化水素を含む場合、反応性薬品プラズマは、電子、イオン、様々なフリーラジカル（例えば、ＯＨ、Ｏ2 Ｈ）などの帯電粒子、および基底状態のＨ2 Ｏ2 分子や励起状態のＨ2 Ｏ2 分子などの中性粒子を含む。反応性薬品プラズマにおいて生成される紫外線と共にこれらの反応性薬品化学種は、胞子やその他の微生物を殺す能力を有する。
【００４７】
反応性薬品プラズマの帯電粒子は、一旦生成されたら、真空室１２の内部で生成された電界によって加速される。第１の領域３１と第２の領域３３の間が流体的に連通しているので、第１の領域３１で生成された帯電粒子の一部は加速されて、物品が配置された第２の領域３３に進む。
【００４８】
第１の領域３１から第２の領域３３に進む帯電粒子は、プラズマと真空室１２および電極３２の壁との間の各空間電荷層領域の電位差によって影響されたそれぞれの経路とエネルギを有する。これらの空間電荷層領域は、プラズマから壁に衝突する帯電粒子があるために、素材壁に接触した全ての電子イオンプラズマによって形成される。質量が小さいため大きな移動性を有する電子は、他のもっと重くて移動性の小さいイオンよりも先に、プラズマから壁に衝突して消失し、壁の周囲には負の電荷の密度が過度になった部分が形成され、これに対応して電子とイオンの損失率を均等化する電圧差が形成される。この電圧差、すなわちシース電圧は、壁の表面から電子を取り去るように電子を加速し、壁の表面に向けて正のイオンを加速する。
【００４９】
シース電圧は、プラズマの種類、組成および生成方法によって異なる。ＲＦプラズマの場合、シース電圧は、通常は電極３２に加えられるＲＦ電圧の４０％乃至８０％である。例えば、二乗平均されたＲＦ電圧、１４０Ｖrms が電極３２に与えられて、ＲＦプラズマが定常的に設けられると、対応するシース電圧は約５５Ｖ乃至１１０Ｖである。このため、電極３２の周囲の空間電荷層領域に進入するイオンは、５５ｅＶ乃至１１０ｅＶのエネルギに加速される。シース電圧によるこの正イオンの加速は、ＲＦプラズマによる半導体プロセスを支える基本原理である。
【００５０】
上述のように、本発明のある実施の形態のＬＦプラズマのためには、電極３２に与えられる電圧は、点火のための閾値の電圧、通常３００Ｖ以上であるとよい。さらに、ＬＦプラズマでは、シース電圧は通常は、ＲＦプラズマの場合よりも、与えられる電圧に対してより高い比率を持つ。このため、ある実施の形態の形態のシース電圧は、ＲＦプラズマシステムの場合のシース電圧よりもさらに高い。この高いシース電圧は、ＬＦプラズマの帯電した粒子をさらに高いエネルギに加速する。従って、ＬＦプラズマの帯電した粒子がさらに高いエネルギに加速されるので、ある実施の形態のＬＦプラズマの帯電した粒子は、より遠くに移動し、ＲＦプラズマ消毒器による帯電粒子よりも物品に大きく作用することができる。
【００５１】
ＬＦ電界は各サイクルで極性を２回変更するので、帯電粒子に対する電界の加速の方向は各サイクルで２回反転する。第１の領域３１における帯電粒子については、この加速の方向の切替は、帯電粒子の位置の振動という結果をもたらす。しかし、第１の領域３１と第２の領域３３の間で流体的に連通しているために、帯電粒子の一部は、電界の加速方向が反転する前に、第１の領域３１から物品が収容された第２の領域３３に移動することができる。
【００５２】
反応性薬品ＬＦプラズマで生成された帯電粒子のうちの第２の領域３３に進入する量は、印加された電界の振動数の関数として求められる。これらの帯電された粒子は、運動に関する二つの成分を有する。一つはランダムな熱速度（thermal speed）であり、他の一つは与えられた電界の影響による帯電粒子の運動（ドリフト運動）である。熱速度は、温度によって判定され、これらの二つの運動成分のうち大きい方である（通常、電子では約１０7 ｃｍ／ｓｅｃ乃至１０8 ｃｍ／ｓｅｃである）が、帯電粒子をある特定の方向に流れるようにすることはない。これに対して、ドリフトの速度は、与えられた電界の方向に沿って向いており、与えられた電界の方向、或いはその逆方向に帯電粒子の本流を引き起こす。ドリフトの速度の大きさは、与えられた電界の大きさにほぼ比例しており、帯電された粒子の質量に反比例する。さらに、ドリフトの速度の大きさは、ガスの化学種と真空室の圧力にも依存する。例えば、約１Ｖ／ｃｍの平均電界強度を持つガス放電プラズマ消毒器の通常の動作パラメータでは、ガス放電プラズマで形成される電子のドリフトの速度は、通常約１０6 ｃｍ／ｓｅｃである。
【００５３】
帯電された一つの粒子は、印加される電界の極性が変化して電極３２から帯電粒子が離れるように加速の向きを逆転する前に第２の領域３３に達したときに限って、物品を収容した第２の領域３３に進入する。例えば、印加されるＲＦ電界の周波数が１３．５６ＭＨｚの場合には、電界の変更周期は約７．４×１０-8秒であり、電界の向きが変わって電子が電極３２から離れるように加速される前の半サイクル（半周期）では、電子は約３．７×１０-3ｃｍのわずかな距離しか動かない。イオンの場合には、そのもっと大きな質量のために、電子が移動する距離よりもさらにわずかな距離しか動かない。ある実施の形態のように、真空室１２と電極３２の間の第１の領域３１が約２．５４ｃｍの幅である場合には、ＲＦプラズマによって生成されたうちのごくわずかな帯電粒子だけが、物品を収容した第２の領域３３に実際に到達するであろう。
【００５４】
他方、６０Ｈｚの周波数でＬＦ電界を印加した場合には、電界の変更周期は約１６．７×１０-3秒であり、電子が電極３２から離れるように加速される前には、電子は約８．３５×１０3 ｃｍを動くことができる。従って、ある実施の形態の消毒システム１０でプラズマを生成するのにＬＦ電圧を用いることによって、ＲＦ電圧を用いて生成したプラズマに比べて、第２の領域３３の内部をより活性化することができる。ＬＦ消毒器のこの高い活動度は、ＲＦ消毒器に比べて、残留する反応性化学種を消毒される物品から除去する効率を高めるのに貢献しうる。
【００５５】
電力が与えられなくなってからプラズマが中性化するまでの特性時間として定義されるプラズマ崩壊時間（plasma decay time）は、ＬＦ制御方式とＲＦ制御方式の間に、おおよその境界を画定する。プラズマ崩壊時間は正確には知ることができないが、消毒システムのある実施の形態で用いられるプラズマ密度では、約１０-4秒乃至１０-3秒であると見積もられる。このプラズマ崩壊時間は、帯電粒子が表面または他のプラズマ成分に衝突して中性化されるまでの帯電粒子の存在時間に対応し、生成されるプラズマの化学種および消毒システム１０の様々な構成要素の構造によって異なる。上述のように、ＬＦ制御方式は、各サイクルでプラズマが二回消滅させられて再点火されることを特徴とし、印加されるＬＦ電圧の半周期がプラズマ崩壊時間よりも長くなる。従って、プラズマを再点火するために、プラズマを点火する閾値の電圧を越える電圧で消毒システム１０が頻繁に駆動される。ここに記載する実施の形態に適合する多くのプラズマについて見積もられる約１０-4秒乃至１０-3秒の範囲のプラズマ崩壊時間は、約１ｋＨｚ乃至約１０ｋＨｚの低周波制御方式の上限周波数に換算される。しかし、ある状況の下では、より高い周波数も許容されうる。
【００５６】
あるいは、低周波数方式の上限は、与えられたＬＦ電圧の半周期の間に２．５４ｃｍの幅の第１の領域３１を電子が横切るには、電子のドリフトの速度が遅すぎることになる周波数に決定してもよい。通常の動作構造の下では、低周波数方式の上限は、約２００ｋＨｚである。他の構造では、低周波数方式の上限はこれに応じて異なりうる。
【００５７】
ある実施の形態の方法では、ＬＦ電力モジュール２２は約２分間乃至約１５分間励起され、この間、プラズマは真空室１２の内部の物品を含む表面に存在する余分な残留反応性化学種を除去する。ステップ２６０でプラズマを生成すると、一時的に真空圧が上昇するが、ステップ２７０では、５０Ｐａ乃至７０Ｐａ（０．４Ｔｏｒｒ乃至０．５Ｔｏｒｒ）のほぼ一定の真空圧で残留物の大部分が除去される。この残留物除去ステップ２７０は、処理制御モジュール３０がＬＦ電力モジュール２２を停止させてプラズマを消すことによって終了する。
【００５８】
残留物除去ステップ２７０の後、処理制御モジュール３０が通気ベント弁２８を開放して、通気ベント２６から通気ベントライン２７および通気ベント弁２８を経て、ベントガスを流入させることによって、真空室１２はステップ２８０で通気される。このプロセスのある実施の形態では、真空室１２はこの後ステップ２９０で、約４０Ｐａ乃至１０５Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ乃至０．８Ｔｏｒｒ）まで減圧され、真空室１２内に残留するあらゆる反応性薬品が除去される。この後、真空室１２は再びステップ３００で大気圧になるように通気され、この後、消毒された物品はステップ３１０で真空室１２から取り出される。
【００５９】
ＬＦプラズマは、消毒処理が完了した後に物品に残留する反応性薬品分子の量を減少させる。反応性薬品が過酸化水素を含有する場合には、消毒された物品上の過酸化水素の残留量は好ましくは約８０００ｐｐｍ未満であり、さらに好ましくは約５０００ｐｐｍ未満であり、最も好ましくは約３０００ｐｐｍ未満である。ＬＦプラズマ消毒とＲＦプラズマ消毒の後に残留する過酸化水素の量を比較するために、ＬＦ消毒器とＲＦ消毒器の両方において、ある消毒試験期間の間、９つのポリウレタン試料を過酸化水素にさらした。各試料は、不純物の混入防止のために、マヌクレンズ（Manuklenz）（登録商標）で洗浄し、消毒の前に乾燥した。次に、これらの９つの試料を普通の工業用の棚の上段に均等間隔で並べた。
【００６０】
標準的なＲＦ消毒工程の条件とほぼちょうど同等である完全なＬＦ消毒工程がこの比較実験のために使われた。完全なＬＦ消毒工程は、注入前プラズマに２０分間さらすことと、６分間の第１回目の過酸化水素の注入と、大気の通気と、２分間の拡散と、２分間の第１回目の注入後プラズマにさらすことと、６分間の第２回目の過酸化水素の注入と、大気の通気と、２分間の拡散と、２分間の第２回目の注入後プラズマにさらすことと、大気の通気とを有する。完全なＬＦ消毒工程は二回行って、二回の完全なＲＦ消毒工程と比較した。表１に示されるように、注入後プラズマの電力を除く全ての条件は、全ての稼働についてできる限り一定に維持した。
【００６１】
【表１】
2004154562.tif 000003
【００６２】
注入前プラズマの電力の変動は±３．５％であり、全ての稼働について試料の温度がほぼ一定にされた。この後、試料を取り出して、残留量の分析を行った。
【００６３】
ＬＦプラズマを生成するＬＦ消毒器は、５００ｍＨのインダクタと、１３．６μＦのキャパシタを有しており、６０Ｈｚで稼働した。ＬＦプラズマの電力は、ＬＦプラズマにかかる電圧を電流で乗算して、オシロスコープで平均することにより求めた。ＬＦ電力の変動レベルは約１０％であった。表２は比較結果を示す。
【００６４】
【表２】
2004154562.tif 000004
【００６５】
ＬＦ注入後プラズマにさらすことによって、同等の電力のＲＦ注入後プラズマにさらす場合よりも、残留する反応性化学種をより効率的に減らすことができた。ＬＦ稼働１では、ＲＦ稼働１またはＲＦ稼働２に比べて、ほぼ同じ注入後プラズマの電力でありながら、残留する過酸化水素量を約２３％減らすことができた。従って、ＬＦ方法は、同等のＲＦ方法に比べて、残留する過酸化水素量を減らすことができた。
【００６６】
二つのＬＦ消毒工程を比較すると、プラズマ電力を上昇させると、過酸化水素の残留量の減少をもたらすことが分かる。また、ＬＦ方法では、残留量の計測の標準偏差で表される試料間の相違も非常に減少し、ＲＦ方法に比べて均一性が高まることが分かった。
【００６７】
図２５を参照すると、プラズマ放電システムの３つの動作領域が模式的に例示されている。図２５における動作領域を分けている電流のレベルはおおよその値であり、実際の電流のレベルは、様々なプラズマのパラメータに依存する。低い電流に対応する正規グローでは、放電が電極の表面全体を覆っていない。この放電電流は外部回路の抵抗によって決まる。外部回路の抵抗を小さくすると、放電が広がってより多くの電極表面を覆うようになり、これに伴って放電電流が大きくなる。電極表面全体が放電によって覆われると、印加する電圧を上げることによってのみ放電電流を大きくすることができる。この領域が異常グロー領域である。異常グロー領域で動作するプラズマ放電システムとして、限定するものではないが、消毒システムおよび半導体ウエハ製造装置が挙げられる。
【００６８】
放電は、ある放電電流値で異常グロー領域からアーク領域に移行する。この移行は、放電が拡散グロー放電から、電極のホットスポットからの熱電子放出を含む明るい糸状放電に収束することで達成される。アーク領域は、ずっと大きい電流で放電が起こる負の抵抗によって特徴付けられる。アーク領域の放電電流は通常、放電電流を外部で制御する安定器によって安定化される。アーク領域で動作するプラズマ放電システムとして、限定するものではないが、電気外科装置およびプラズマ切断装置が挙げられる。
【００６９】
異常グロー領域内のプラズマを維持し、プラズマによって散逸する電力を制御するために、従来技術によるシステムは様々な電力フィードバック制御システムを利用している。ジョンソン・ジュニア（Johnson, Jr.）らに付与された米国特許第５，１７５，４７２号に、インピーダンスの変動や反射にかかわらずプラズマ電力を設定レベルに維持する高周波プラズマ電力モニタが開示されている。この高周波プラズマ電力モニタは、アナログからデジタルに変換（Ａ／Ｄ変換）する前に、様々なアナログ前処理要素（ＲＭＳコンバータ、零交差検出器、周波数ダウンコンバータ、およびデータプロセッサを含む）を利用する。クリック（Klick）に付与された米国特許第５，８６１，７５２号に、アースへの放電電流を監視して非対称高周波低圧プラズマを制御するフィードバックシステムが開示されている。チャン（Chang）らに付与された米国特許第６，３８３，５５４号に、ヘテロダインミリ波干渉計を用いてプラズマ密度を監視する高周波プラズマシステム用のフィードバックシステムが開示されている。
【００７０】
図２６を参照すると、ここに記載する実施の形態に従った消毒システム３００が模式的に例示されている。この消毒システム３００は、物品からガスや蒸気種を除去するためにチャンバ３０５内のプラズマに電力を加える。消毒システム３００は、プラズマに加える電力を制御するための電力フィードバック制御システム３１０を含む。電力フィードバック制御システム３１０は、チャンバ３０５内のプラズマに加えられる電流を示す第１の信号３２２を生成するように構成された電流モニタ３２０を含む。電力フィードバック制御システム３１０は更に、チャンバ３０５内のプラズマに加えられる電圧を示す第２の信号３３２を生成するように構成された電圧モニタ３３０を含む。電力フィードバック制御システム３１０は更に、プログラム可能なデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）３４５を備えた電力制御モジュール３４０を含む。このＤＳＰ３４５は、第１の信号３２２および第２の信号３３２を受け取り、その電流にその電圧を乗じて、電流と電圧との積を示す第３の信号３４７を生成するように構成されている。電力フィードバック制御システム３１０は更に、電力制御モジュール３４０に接続されたプラズマ発生器３５０を含む。プラズマ発生器３５０は、第３の信号３４７に応じて、チャンバ３０５内のプラズマに加える電力を調節するように構成されている。
【００７１】
ある実施の形態のプラズマ発生器３５０は、プラズマに一定の電力を供給するための電力測定およびフィードバック制御機構を含む。電力の制御は、振幅変調（図１６）、パルス幅変調（図１５、図１９、図２１、図２２）、または周波数変調によって行うことができる。ある実施の形態では、プラズマ発生器３５０は、図１１乃至図１４に模式的に例示されているように外部電源に接続されており、過電力リレー、一対の金属酸化物バリスタ、および昇圧変圧器を含む。別の実施の形態では、プラズマ発生器３５０は更に、図１１および図１２に模式的に例示されているように、フライバック分流素子、インダクタ、およびキャパシタを含む。更に別の実施の形態では、プラズマ発生器３５０は更に、図１７、図１８、および図２３に模式的に例示されているようにスイッチングモジュールを含む。
【００７２】
ここに記載するある実施の形態では、消毒システム３００のプラズマは、図２５の異常グロー領域の非平衡プラズマである。プラズマを異常グロー領域内に維持し、プラズマによって散逸する電力を制御するために、ある実施の形態ではＤＳＰ３４５を用いる。例えば、ＤＳＰ３４５は、加える電圧の大きさを調節したり、電圧を加える時間を調節して、所定の平均電力値を維持するようにプログラムすることができる。別の実施の形態では、ＤＳＰ３４５を用いて、消毒システム３００の電力以外の別のパラメータを制御することもできる。ある実施の形態では、ＤＳＰ３４５は、約１０ナノ秒乃至約１０ミリ秒の範囲の時間枠において、約０．１Ｋｖ乃至約２０Ｋｖの範囲でプラズマのピークピーク電圧を監視するようにプログラムされている。ある実施の形態では、ＤＳＰ３４５は、約１０ナノ秒乃至約１０ミリ秒の範囲の時間枠において、約０．０１Ａ乃至約１００Ａのプラズマの範囲でピークピーク電流を監視するようにプログラムされている。ここに記載する実施の形態に適合する市販のＤＳＰとして、テキサス州ダラスに所在のテキサス・インスツルメンツ社（Texas Instruments）のＤＳＰシリーズＴＭＳ３２０Ｃ６Ｘが挙げられる。
【００７３】
残留ガス或いは蒸気混合物を含むチャンバにおける非平衡プラズマの生成は、ＤＳＰ３４５を用いて実施可能なプラズマ電力の正確かつ迅速な制御によって容易になる。プラズマの安定性は、プラズマに加える電圧、プラズマを流れる電流、プラズマのインピーダンス、温度、圧力、およびガスの種類或いは蒸気混合物等の様々なパラメータによって影響される。一般に、消毒システムは様々な物品を消毒するために用いられるため、消毒システムのロードは、サイクルによって或いは病院によって著しく変化し得る。これとは反対に、半導体ウエハ製造装置のロードは通常、ウエハが同じであるためロード或いは場所によって変化することがない。更に、消毒システムのロードは、消毒システムのチャンバ内の滅菌剤や雰囲気要素の量の変化によって処理中に変化し得る。ここに記載するプログラム可能なＤＳＰ３４５を用いることにより、消毒システム３００が、ロードによって変化する或いはロードの処理中に変化する様々なパラメータに応じることができるようにしてロードに左右されないようにできる。また、このようにプログラム可能なＤＳＰ３４５を使用することにより、従来技術が実現していないプラズマの正確かつ迅速な監視および制御が可能となる。
【００７４】
加えて、ある実施の形態のＤＳＰ３４５は、監視したパラメータに応じてプラズマの不安定性を認知し、そのプラズマの不安定性に対処するようにプログラムされている。このようなＤＳＰ３４５は、プラズマ電圧、プラズマ電流、またはプラズマインピーダンス（電圧を電流で除して求める）を監視してプラズマの不安定性を認知する。例えば、電圧が上昇し、かつ電流が急激に上昇した場合は、ＤＳＰ３４５がこの不安定性を認知して、この不安定性に対して補償動作する。
【００７５】
図２７を参照すると、ここに記載する実施の形態に従った別の電力フィードバック制御システム４１０が模式的に例示されている。電流モニタ４２０および電圧モニタ４３０の両方が、出力変圧器４５５を含むプラズマ発生器４５０内に含まれている。通常は、出力変圧器４５５は特定の用途のために特別にデザインされる。ある実施の形態では、電流モニタ４２０は、アナログ電流信号４２１を生成する電流感知変圧器を含む。このアナログ電流信号４２１は、電力制御モジュール４４０の高速同期Ａ／Ｄ変換器４２５によってデジタル電流信号４２２に変換される。ここに記載する実施の形態に適合するＡ／Ｄ変換器として、テキサス州ダラスに所在のテキサス・インスツルメンツ社（Texas Instruments）が販売するＡＤＳ２８０７およびＡＤＳ５２０４が挙げられる。ある実施の形態では、電圧モニタ４３０が単一ターンオン出力変圧器４５５の電圧を検出してアナログ電圧信号４３１を生成する。このアナログ電圧信号４３１は、電圧分割器４３３で電圧分割され、Ａ／Ｄ変換器４２５によってデジタル電圧信号４３２に変換される。
【００７６】
ある実施の形態では、電力制御モジュール４４０は、デジタル電流信号４２２およびデジタル電圧信号４３２をストアすると共にＤＳＰ４４５からの更なる命令を待つバッファ４４６を含む。デジタル電流信号４２２およびデジタル電圧信号４３２は、ＤＳＰ４４５によって同時或いは連続的に読取られ、プラズマに加える電力の計算に用いられる。
【００７７】
ある実施の形態では、ＤＳＰ４４５が、瞬間電流（Ｉinstant ）に瞬間電流（Ｖinstant ）を乗じて瞬間電力（Ｐinstant ）を求める。また、ある実施形態のＤＳＰ４４５は、所定の枠においてＰinstant を平均して平均電力Ｐave を求める。このＰave の値を用いて、プラズマに加えられる反応電力のパルス間の変動についての情報を得ることができる。
【００７８】
別の実施の形態では、ＤＳＰ４４５は、Ｉinstant とＶinstant を用いて、プラズマ電流の平均二乗平方根（ＩRMS ）およびプラズマ電圧の平均二乗平方根（ＶRMS ）の両方を同時に求める。これらのＲＭＳ値の計算は、加えられる電流および電圧の少なくとも完全な１サイクルで行われる。次に、これらのＲＭＳ値が、ＤＳＰ４４５によって電力計算アルゴリズムに入力され、所定数の波形周期に対する平均電力Ｐave が計算される。
【００７９】
更に別の実施の形態では、ＤＳＰ４４５は、上記した両方のアルゴリズムを用いてＰave を計算する。Ｐave の値は、両方のアルゴリズムで同一であるはずであり、差がある場合はＶinstant とＩinstant との間のシフトから生じるものであり、これによりロードインピーダンスおよび反応電力の両方の情報が得られる。ここで用いる用語「反応電力」は、ロードの反応要素に蓄えられたエネルギの流れを指す。
【００８０】
ある実施の形態では、ＤＳＰ４４５は、プラズマインピーダンスを監視するようにプログラム可能である。プラズマインピーダンスは、加えられた電圧と電流の比であり、ロードの様々なパラメータの関数である。このような実施の形態では、ＤＳＰ４４５は、加える電力を調節してプラズマインピーダンスの変化に対処することができる。プラズマインピーダンスは、約１０ナノ秒乃至約１０００ナノ秒の範囲の時間枠において約０．５Ω乃至約２００Ωの範囲で監視することができる。
【００８１】
ある実施の形態では、ＤＳＰ４４５は、プラズマに加えられる電力を示す電力信号４４７を生成し、この電力信号４４７が電力発生器４５０に送られる。このような実施の形態では、電力発生器４５０に適合する信号を得るために、電力信号４４７を一定の係数でスケーリングし、デジタルアナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）４４８によってアナログ波形に変換する。ここに記載する実施の形態に適合するＤ／Ａ変換器として、テキサス州ダラスに所在のテキサス・インスツルメンツ社（Texas Instruments）が販売するＴＨＳ５６５１ＡおよびＴＨＳ５５６７１Ａが挙げられる。
【００８２】
電力発生器４５０がパルス幅変調器を含むある実施の形態では、電力発生器４５０が、電力信号４４７に応じて加えられた電圧および電流のパルス幅を調節し、加える所定電力を維持する。ここに記載する実施の形態に適合するパルス幅変調器として、カリフォルニア州アービンに所在のマイクロセミ社（Microsemi Corp.）が販売するＳＧ３５２６Ｎが挙げられる。他の実施の形態の電力発生器４５０は、電力信号に応じて、別の方法（例えば、加える振幅、波形、または周波数を調節）で加える所定電力を維持する。
【００８３】
図２８を参照すると、ここに記載する実施の形態に従った別の消毒システム５００の模式的に例示されている。この消毒システム５００は、チャンバ５０５内のプラズマに電力を加えて物品からガス或いは蒸気種を除去する。消毒システム５００は、電流モニタ５２０を備えた電力フィードバック制御システム５１０を含む。この電流モニタ５２０は、チャンバ５０５内のプラズマに加えられる電流を示す第１の信号５２２を生成するように構成されている。電力フィードバック制御システム５１０は更に、チャンバ５０５内のプラズマに加えられる電圧を示す第２の信号５３２を生成するように構成された電圧モニタ５３０を含む。電力フィードバック制御システム５１０は更に、プログラム可能なＤＳＰ５４５を備えた電力制御モジュール５４０を含む。このＤＳＰ５４５は、第１の信号５２２および第２の信号５３２に応じて第３の信号５４７を生成するように構成されている。電力フィードバック制御システム５１０は更に、電力制御モジュール５４０に接続されたプラズマ発生器５５０を含む。プラズマ発生器５５０は、第３の信号５４７に応じて、チャンバ５０５内のプラズマに加える電力を調節するように構成されている。
【００８４】
ロードの変化（例えば、チャンバの圧力、ガスの成分、或いはチャンバの温度等）でプラズマ電力が非線形に変化するため、ある実施の形態のＤＳＰ５４５は、これらのパラメータを監視する周辺モニタ装置からの信号に応じるように構成されている。例えば、図２８に模式的に例示されている消毒システム５００は更に、チャンバの温度を示す電気信号５６２を生成するように構成された温度モニタ５６０（例えば、熱電対、サーミスタ、または光ファイバー温度センサ等）を含む。消毒システム５００は更に、チャンバの圧力を示す電気信号５７２を生成するように構成された圧力モニタ５７０（例えば、平行板コンデンサセンサ）を含む。消毒システム５００は更に、チャンバ５０５内の滅菌剤の濃度を示す電気信号５８２を生成するように構成された濃度モニタ５８０を含む。ここに記載する実施の形態に適合する濃度モニタ５８０として、言及することを以って本明細書の一部とする米国特許第６，２６９，６８０号に開示されている紫外線吸収モニタが挙げられる。ある実施の形態では、これらの周辺モニタ装置からの信号が、Ａ／Ｄ変換器で変換され、ＤＳＰ５４５によって読取られるまでバッファに保持される。別の実施の形態に従った他の消毒システムは、これらの周辺モニタ装置のサブセットのみ、或いは別の周辺モニタ装置を含む。
【００８５】
このような実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、周辺モニタ装置から信号を受け取り、これに応じて、プラズマ発生器５５０に送られる第３の信号５４７を調節してプラズマに加えられる電力を調節するように構成されている。例えば、ＤＳＰ５４５は、プラズマ電力に影響を及ぼすチャンバ５０５内の圧力の変化に応じて電力を調節することができる。ある実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、プラズマに加える電力を計算するアルゴリズムを調節することにより非線形効果に対処する。例えば、プラズマ動作の最初の瞬間は、プラズマのインピーダンスは急激かつ非線形に変化する。このような状態では、反応時間がＳ／Ｎ比よりも重要であるため、ＤＳＰ５４５は、Ｐave を計算するために平均される波形周期の数を減らして反応時間を短縮する。ある実施の形態では、反応時間は、好ましくは約１０秒未満であり、より好ましくは約５秒未満であり、最も好ましくは約２秒未満である。ある実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、プラズマ電力を所定の平均電力値の約５％の範囲内に調節するようにプログラム可能であり、他の実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、プラズマ電力を所定の平均電力値の約０．１％の範囲内に調節するようにプログラム可能である。
【００８６】
更に別の実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、周辺モニタ装置によって監視されたパラメータを調節する様々な周辺制御装置に接続されている。ある実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、消毒システム５００或いはユーザが設定した所定値にパラメータを維持する。
【００８７】
例えば、図２８に模式的に例示されている消毒システム５００は、チャンバ・加熱器／冷却器５６３（例えば、熱電・加熱器／冷却器）に接続されたＤＳＰ５４５を含む。このチャンバ・加熱器／冷却器５６３は、ＤＳＰ５４５によって生成された温度制御信号５６４に応じて動作し、これによりチャンバの温度が制御される。ＤＳＰ５４５はまた、様々なチャンバ・ポンプ／ベント弁に接続される。チャンバ・ポンプ／ベント弁は、ＤＳＰ５４５によって生成された圧力制御信号５７４に応じて動作し、これによりチャンバの圧力が制御される。ＤＳＰ５４５はまた、滅菌剤弁５８３（例えば、質量流量制御装置）に接続されている。この滅菌剤弁５８３は、ＤＳＰ５４５によって生成された濃度制御信号５８４に応じて動作し、これによりチャンバ５０５の滅菌剤の濃度が制御される。ある実施の形態では、ＤＳＰ５４５からの制御信号は、周辺制御装置に送られる前にＤ／Ａ変換器によって変換される。他の実施の形態に従った別の消毒システムは、これらの周辺制御装置のサブセットのみ、或いは他の制御装置を含む。
【００８８】
ある実施の形態の消毒システム５００は、初めは開ループ電力制御、続いて閉ループ電力制御によってプラズマを点火する。開ループ電力制御には、所定のパルス幅にパルス幅を固定すること、およびプラズマが点火するまで電圧パルスを加え続けることが含まれる。ある実施の形態では、所定のパルス幅は、約０．６μ秒乃至約２μ秒の範囲である。開ループ電力制御には、プラズマが点火するまで電圧パルスの大きさ、或いは他の装置のパラメータを変更することも含む。開ループ電力制御は、加える電圧が高い点火段階でパルスに加える電流を制限するのに有用である。点火段階の電圧は、通常は数百Ｖから数千Ｖであり、プラズマシステムの構成によって異なる。点火中に電圧が公称動作電圧に低下すると、固定パルス幅により、加える電流が公称動作値になる。ある実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、約１０ナノ秒乃至約１００ミリ秒の時間枠においてプラズマ点火を検出するようにプログラム可能である。
【００８９】
ＤＳＰ５４５が、所定の平均電力値（例えば、約１００Ｗ乃至１５０Ｗ）よりも高い電力値、および所定の電流閾値よりも高い電流の検出によりプラズマ点火を検出すると、ＤＳＰ５４５は閉ループ電力制御に移行する。閉ループ電力制御では、ＤＳＰ５４５は検出したプラズマ電力を用いてフィードバック信号を生成する。ある実施の形態では、このフィードバック信号がプラズマ発生器５５０に送られ、パルス幅が変えられて所定の平均電力値になる。
【００９０】
ある実施の形態のＤＳＰ５４５は、開回路保護を実施し、開回路状態の検出時にプラズマを再確立するようにプログラム可能である。開回路状態は、小電流・高電圧によって特徴付けられる。開回路状態の原因として、限定するものではないが、プラズマが消失するようなチャンバ圧力の突然の変化、過度に高い或いは低いチャンバ圧力、過剰な滅菌剤濃度、過剰な水分濃度、または電気接続の切断が挙げられる。
【００９１】
ある実施の形態のＤＳＰ５４５は、短絡状態の検出時にプラズマの生成を停止して短絡保護を実施するようにプログラム可能である。短絡状態は、大電流・低電圧によって特徴付けられ、大電流が長時間流れると消毒システム５００の電子機器が破壊され得る。短絡状態の原因として、限定するものではないが、電極間のアーク放電（「フィラメント化（filamentation）」とも呼ばれる）や、電極間の直接的な電気接続が挙げられる。ある実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、短絡状態を示す所定の閾値に対して加えられたプラズマ電流値とを比較する。加えられたプラズマ電流値が所定の閾値電流を超えている場合、ＤＳＰ５４５は、次のパルスの前にプラズマ電力を加えるのを中止するように電力発生器５５０に信号を送る。プラズマ電力を加えるのを中止した後、消毒システム５００は、再び上記したようにプラズマ点火を行う。
【００９２】
一定時間に亘ってプラズマに加えられた平均電力を監視する従来技術のシステムとは対照的に、ある実施の形態の上記した消毒システム５００は、プラズマに加えられる電力のリアルタイムの監視および制御を行う。例えば、ジョンソン・ジュニア（Johnson, Jr.）らに付与された米国特許第５，１７５，４７２号に、高周波プラズマ電力モニタが開示されている。この電力モニタは、「サンプルアンドホールド」周波数変換器を用いて加えられる高周波電流および電圧の周波数をその電力モニタの別のモジュールによって監視できる所定の周波数にダウンコンバートする。このように周波数を下げることは、高周波波形の所定数の周期に対して加えられる電力を平均化するのに有効である。また、参照した従来技術による電力モニタは、乗算器等の様々なアナログの数学的前処理モジュールを用いて、デジタルに変換する前に平均電流および平均電圧の信号を処理する。このようなシステムは、波形周波数の逆数よりも長い時間スケールにおけるプラズマ電力の変化にしか応じることができないため、リアルタイムの監視および制御を行うことができない。
【００９３】
これとは対照的に、ここに記載するある実施の形態では、消毒システム５００は、プラズマに加える電力のパルス内（intra-pulse）監視および制御を行うことができる。このような実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、加える電力パルス内の瞬間プラズマインピーダンス（即ち、Ｖinstant とＩinstant の比）の変化を監視することによりパルス内監視を行う。例えば、ＤＳＰ５４５は、瞬間プラズマインピーダンスが短絡状態であることを示した場合、次のパルスの開始の前にプラズマ発生器５５０を停止する。ある実施の形態では、短絡状態が検出されたパルス中にプラズマ発生器５５０が停止される。このような方法で、消毒システム５００は、短絡発生時に、電子機器に対してリアルタイムのパルス内保護を行うことができる。
【００９４】
電力が波形周波数を有するある実施の形態では、電力制御モジュール５００は、好ましくは波形周波数の逆数よりも速い処理速度を有し、より好ましくは波形周波数の逆数の２分の１よりも速い処理速度を有する。プラズマに電力波列が加えられるある実施の形態では、電力波列は、固有のパルス周期を有する複数の電力パルスを含む。このような実施の形態では、プラズマに加えられる電力は、固有パルス周期よりも短い時間スケールで調節される。ある実施の形態の消毒システム５００は、全電力波列においてパルス内監視および制御を行う。
【００９５】
他のある実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、多数のパルスに対するプラズマインピーダンス（即ち、ＶRMS とＩRMS の比）を監視することによりパルス間（inter-pulse）監視を行うことができる。加えて、ある実施の形態のＤＳＰ５４５は、開回路状態の小電流・高電圧の値を認識し、これらの値をシステムの他のパラメータ（例えば、圧力や滅菌剤の濃度）の異常と相関させるようにプログラム可能である。ＤＳＰ５４５はまた、適当と判断すれば、システムのパラメータを安定させてプラズマを再び最大電力にするようにプログラム可能である。開回路状態がチャンバ圧力の急激な変化に相関して検出されるある実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、チャンバの圧力を制御するべく適切な信号をチャンバ・ポンプ／ベント弁５７３に送る。
【００９６】
ある実施の形態では、第１の信号５２２および第２の信号５３２における負所望のノイズが、プラズマに加えられる制御された電力の精度を低下させ得る。このような実施の形態では、ＤＳＰ５４５が、リアルタイムのデジタル周波数フィルタリングアルゴリズムを用いてノイズを低下させる。実施の形態に従ったフィルタリング技術として、限定するものではないが、有限インパルス応答（ＦＩＲ）および無限インパルス応答（ＩＩＲ）が挙げられる。このようなアルゴリズムは、「CおよびTMS320C6X DSKを用いたＤＳＰへの適用（DSP Applications Using C and the TMS320C6X DSK）」、出版社ジョン・ワイリー・アンド・サンズ（John Wiley & Sons）、ISBN:0471207543、および「TMS320C6000を用いたＤＳＰシステムデザイン（DSP System Design Using the TMS320C6000）」、出版社プレンテイス・ホール（Prentice Hall）、ISBN:0130910317に記載されている。ある実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、負所望の高周波数成分、並びに加えられるパルスの基本周波数よりも低い負所望の周波数成分を除去するフィルタリングアルゴリズムを備えるようにプログラム可能である。ある実施の形態では、フィルタリングアルゴリズムのロールオフが、好ましくは約２０ｄＢ／ｄｅｃで、より好ましくは２０ｄＢ／ｄｅｃを超えて減衰する。通過帯域は約０ｄＢ／ｄｅｃである。フィルター係数（例えば、減衰、利得）は、動作周波数およびサンプリング周波数が選択されてから決定される。
【００９７】
ある実施の形態では、ＤＳＰ５４５は、プラズマの不安定性を認識してプラズマを安定させるための調節を行うようにプログラム可能である。一例として、異常な圧力変化によるフィラメント化不安定性は、プラズマインピーダンス（Ｖ／Ｉ）が所定の閾値よりも下がると認識される。フィラメント化不安定性はまた、電流が所定の閾値を超えた場合、或いは電圧が所定の閾値よりも下がった場合に認識される。
【００９８】
特定の実施の形態に関して説明してきたが、実施の形態の説明は本発明を例示するものであり、限定することを意図したものではないことを理解されたい。当業者であれば、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更例、適用例を思いつくであろう。
【００９９】
本発明の実施態様は以下の通りである。
（１）前記プラズマが非平衡プラズマであることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（２）前記プラズマ発生器が前記電流モニタおよび前記電圧モニタを含むことを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（３）前記デジタル信号プロセッサが、前記電力を所定の平均電力値の約５％の範囲内に制御するようにプログラム可能であることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（４）前記デジタル信号プロセッサが、前記電力を所定の平均電力値の約０．１％の範囲内に制御するようにプログラム可能であることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（５）前記デジタル信号プロセッサがプラズマインピーダンスを監視するようにプログラム可能であることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
【０１００】
（６）前記デジタル信号プロセッサが、約１０ナノ秒乃至約１０００ナノ秒の時間枠においてインピーダンスを監視するようにプログラム可能であることを特徴とする実施態様（５）に記載の消毒システム。
（７）前記プラズマ発生器が、前記プラズマに電流および電圧パルスを加え、この加える電流および電圧パルスのパルス幅を前記第３の信号に応じて調節するように構成されたパルス幅モニタを含み、前記デジタル信号プロセッサが、パルス内インピーダンスを監視するようにプログラム可能であることを特徴とする実施態様（５）に記載の消毒システム。
（８）前記デジタル信号プロセッサが開回路の保護を行うようにプログラム可能であることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（９）前記デジタル信号プロセッサが短絡の保護を行うようにプログラムことを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（１０）前記デジタル信号プロセッサが、約１０ナノ秒乃至約１００ミリ秒の時間枠においてプラズマ点火を検出するようにプログラム可能であることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
【０１０１】
（１１）前記デジタル信号プロセッサが、約０．１Ｖ乃至約２０ｋＶの範囲でプラズマのピークピーク電圧を監視するようにプログラム可能であることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（１２）前記デジタル信号プロセッサが、約１０ナノ秒乃至約１０００ナノ秒の範囲の時間枠においてプラズマのピークピーク電圧を監視するようにプログラム可能であることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（１３）前記デジタル信号プロセッサが、約０．１Ａ乃至約１００Ａの範囲でプラズマのピークピーク電圧を監視するようにプログラム可能であることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（１４）前記デジタル信号プロセッサが、約１０ナノ秒乃至約１０００ナノ秒の範囲の時間枠においてプラズマのピークピーク電流を監視するようにプログラム可能であることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（１５）前記デジタル信号プロセッサがプラズマの不安定性を予測するようにプログラム可能であることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
【０１０２】
（１６）更に、前記チャンバおよび前記電力制御モジュールに接続された温度モニタを含み、前記電力制御モジュールが、前記温度モニタからの信号に更に応じて前記第３の信号を生成するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（１７）更に、前記チャンバおよび前記電力制御モジュールに接続された圧力モニタを含み、前記電力制御モジュールが、前記圧力モニタからの信号に更に応じて前記第３の信号を生成するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（１８）更に、前記チャンバおよび前記電力制御モジュールに接続された滅菌剤濃度モニタを含み、前記電力制御モジュールが、前記滅菌剤濃度モニタからの信号に更に応じて前記第３の信号を生成するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の消毒システム。
（１９）前記電力制御モジュールがプログラム可能なデジタル信号プロセッサを含むことを特徴とする請求項３に記載の消毒システム。
（２０）前記処理速度が前記波形周波数の逆数の２分の１より速いことを特徴とする請求項３に記載の消毒システム。
（２１）前記パルス内監視および制御を全電力波列において行うことを特徴とする請求項４に記載の消毒システム。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】消毒システムのある実施の形態を示す概略図である。
【図２】開放された両端部と穿孔された側部を有する円筒形の電極のある実施の形態を示す概略図である。
【図３】開放された両端部と鎧戸状に開口部が形成された側部を有する円筒形の電極のある実施の形態を示す概略図である。
【図４】開放された両端部と孔のない側部を有する円筒形の電極のある実施の形態を示す概略図である。
【図５】開放された端部と孔のない側部を有する一つまたは複数の同軸上の円筒形セグメントを有する電極のある実施の形態を示す概略図である。
【図６】開放された端部と孔のない側部を有する円筒の部分の形状を有する電極の代替的な実施の形態を示す概略図である。
【図７】開放された端部と孔のない側部を有する、円柱的に均整で長手方向に不均整な電極のある実施の形態を示す概略図である。
【図８】開放された端部と孔のない側部を有する、一つまたは複数の非対称な電極のある実施の形態を示す概略図である。
【図９】開放された端部と孔のない側部を有する円筒形の第１の電極と、第１の電極とほぼ同軸のワイヤを有する第２の電極とを有する電極装置のある実施の形態を示す概略図である。
【図１０】ほぼ正方形または長方形の真空室の内部のほぼ正方形または長方形の電極のある実施の形態を示す概略図である。
【図１１】位相角制御法に適合した低周波電力モジュールの実施の形態を示す概略図の左部分である。
【図１２】図１１を補完する前記の概略図の右部分である。
【図１３】振幅制御法に適合した低周波電力モジュールの実施の形態を示す概略図の左部分である。
【図１４】図１３を補完する前記の概略図の右部分である。
【図１５】プラズマに与えられる低周波電力を制御する位相角制御法を示す概略図である。
【図１６】プラズマに与えられる低周波電力を制御する振幅制御法を示す概略図である。
【図１７】スイッチングモジュールを含む低周波電力モジュールの実施の形態を示す概略図の左部分である。
【図１８】図１７を補完する前記の概略図の右部分である。
【図１９】幅Ｗと時間Ｔによる空白部分とが連続する電圧パルスとなるように６０Ｈｚの周波数の入力サイン波電圧をパルス化する、スイッチングモジュールからの出力を示す概略図である。
【図２０】スイッチングモジュールで電圧をパルス化する前に、ライン電圧を全波整流し、フィルタリングして得られるリプルＤＣ電圧を示す概略図である。
【図２１】単極スイッチングを用いるスイッチングモジュールでパルス化した後の図２０のリプルＤＣ電圧を示す概略図である。
【図２２】両極スイッチングを用いるスイッチングモジュールでパルス化した後の図２０のリプルＤＣ電圧を示す概略図である。
【図２３】単極パルスを生成するスイッチングモジュールの一実施の形態を示す概略図である。
【図２４】消毒方法のある実施の形態を示す概略図である。
【図２５】プラズマ放電システムの動作領域を示す模式図である。
【図２６】ここに記載する実施の形態に従った消毒システムを示す模式図である。
【図２７】ここに記載する実施の形態に従った別の電力フィードバック制御システムを示す模式図である。
【図２８】ここに記載する実施の形態に従った別の消毒システムを示す模式図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１０  消毒システム
１２  真空室
１４  真空ポンプ
１５  真空ポンプライン
１６  真空ポンプ弁
１８  反応性薬品源
１９  反応性薬品ライン
２０  反応性薬品弁
２２  ＬＦ電力モジュール
２４  ＬＦ電圧信号線
２６  通気ベント
２７  通気ベントライン
２８  通気ベント弁
３０  処理制御モジュール
３１  第１の領域
３２  電極
３２’  第２の電極
３３  第２の領域
３４  反応性薬品モニタ
４０  過電力リレー
４２  金属酸化物バリスタ
５０  昇圧用の変圧器
５１  高電圧（ＨＶ）直流電源
５２  電圧制御発振器（ＶＣＯ）
５３  電圧制御増幅器（ＶＣＡ）
５４  ＨＶ演算増幅器
５５  昇圧用の変圧器
６０  電力制御器
６２  フライバック分流素子
６４  インダクタ
６６  キャパシタ
７０  ＬＦ電力フィードバック制御システム
８０  電流モニタ
８２  電流センサ
８４  第１のコンバータ
８６  第１の電圧増幅器
８８  過電流検出器
９０  電圧モニタ
９２  降圧用の変圧器
９４  第２のコンバータ
９６  第２の電圧増幅器
１００  電力モニタ（乗算器）
１１０  電力制御モジュール
１１２  過電力検出器
１１４  温度スイッチ
１２０  電力制御処理器
１２２  ユーザインタフェイス
【図１】
2004154562.tif 000005
【図２】
2004154562.tif 000006
【図３】
2004154562.tif 000007
【図４】
2004154562.tif 000008
【図５】
2004154562.tif 000009
【図６】
2004154562.tif 000010
【図７】
2004154562.tif 000011
【図８】
2004154562.tif 000012
【図９】
2004154562.tif 000013
【図１０】
2004154562.tif 000014
【図１１】
2004154562.tif 000015
【図１２】
2004154562.tif 000016
【図１３】
2004154562.tif 000017
【図１４】
2004154562.tif 000018
【図１５】
2004154562.tif 000019
【図１６】
2004154562.tif 000020
【図１７】
2004154562.tif 000021
【図１８】
2004154562.tif 000022
【図１９】
2004154562.tif 000023
【図２０】
2004154562.tif 000024
【図２１】
2004154562.tif 000025
【図２２】
2004154562.tif 000026
【図２３】
2004154562.tif 000027
【図２４】
2004154562.tif 000028
【図２５】
2004154562.tif 000029
【図２６】
2004154562.tif 000030
【図２７】
2004154562.tif 000031
【図２８】
2004154562.tif 000032
【外国語明細書】
2004154562000001.pdf