プラズマ点火装置、プラズマ点火方法、およびプラズマ発生装置
【課題】監視したり人手を要したりすることなく、容易にかつ確実にプラズマを点火したり再点火したりすることが可能なプラズマ点火技術を提供する。
【解決手段】所定の高周波信号ＨＳを発生しプラズマ発生させるための負荷電極１１４に供給する高周波電源装置１０１、高周波電源装置側と負荷電極側とのインピーダンスを整合させる整合装置１０５、高周波信号ＨＳの進行波および反射波を検出する進行波・反射波検出装置１０２、所定の高電圧ＨＶを発生する高電圧発生装置１０３、反射波の進行波に対する比率が第１のしきい値より大きい場合に高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳する制御装置１００を備える。
【解決手段】所定の高周波信号ＨＳを発生しプラズマ発生させるための負荷電極１１４に供給する高周波電源装置１０１、高周波電源装置側と負荷電極側とのインピーダンスを整合させる整合装置１０５、高周波信号ＨＳの進行波および反射波を検出する進行波・反射波検出装置１０２、所定の高電圧ＨＶを発生する高電圧発生装置１０３、反射波の進行波に対する比率が第１のしきい値より大きい場合に高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳する制御装置１００を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマ点火装置、プラズマ点火方法、およびプラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの生産現場においてプラズマが用いられている。例えば、半導体回路の製造分野では、プラズマによってボンディング対象となる半導体回路の表面を清浄している。
【０００３】
従来のプラズマ発生装置として、例えば、特開２００２−３４３５９９号公報には、アルゴンガスが導入されるガラスチューブの軸芯にワイヤが配置され、ガラスチューブの先端部分に高周波コイルと点火用コイルとが巻回された装置が開示されている（特許文献１）。当該装置では、アルゴンガスをガラスチューブに導入しプラズマガスの流れが安定した後、高周波電源から高周波コイルに高周波電力を供給し、次いで点火用コイルに高電圧を印加することで放電が発生し、プラズマが発生するようになっている。
【０００４】
また、特開２００３−３２８１３８号公報には、ワイヤを含むプラズマ点火用コイルにイグナイタから高電圧を印加し、プラズマ点火用コイルとワイヤとの間で放電を誘起させプラズマを点火するプラズマ点火機構が開示されている（特許文献２、図３）。
【０００５】
さらに、特開２００６−１０４５４５号公報には、高融点導線を挿通するプラズマトーチ内管の周囲を混合ガスが流通するプラズマトーチ外管で囲み、外部に設けられたイグナイタにより放電を開始させるマイクロプラズマ反応装置が開示されている（特許文献３、図１〜６）。
【０００６】
また、特開平６−２１５８９４号公報には、インピーダンスマッチング回路を介してプラズマチャンバの電極間に高周波電力を供給する高周波プラズマ用電源が開示されている（特許文献４）。当該装置によれば、電源出力インピーダンスとプラズマチャンバのインピーダンスとが整合するまでの期間において電力増幅器のＦＥＴに供給する電圧値を低く設定して、反射波によるＦＥＴの破損を防止していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３４３５９９号公報
【特許文献２】特開２００３−３２８１３８号公報
【特許文献３】特開２００６−１０４５４５号公報
【特許文献４】特開平６−２１５８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、プラズマ発生装置では、プラズマ用不活性ガスの流動状態が悪化等するとプラズマが不安定になったり消滅したりする。プラズマが不安定であったり消滅したりした場合には、半導体回路等の製品の多くに欠陥が生じる。またそのような欠陥により、欠陥箇所とは異なる箇所が発熱する等の不都合が生じる場合もある。プラズマが消滅したことに気付くまでに時間がかかると、多くの製品に欠陥が生じることになってしまう。このため、上記特許文献に記載されたプラズマ発生装置では、プラズマが消滅していないか監視する必要があった。またプラズマが消滅した場合には手動により再点火しなければならなかった。さらにプラズマの点火作業は、高周波電力の印加作業と並行してタイミングを見計らって実施する必要があったため、点火作業にある程度の熟練を要するものであった。
【０００９】
そこで、上記課題に鑑み、本発明は、監視したり人手を要したりすることなく、容易にかつ確実にプラズマを点火したり再点火したりすることが可能なプラズマ点火技術を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のプラズマ点火装置は、プラズマを発生させる負荷電極に所定の高周波信号を供給する高周波電源装置と、前記高周波電源装置側と前記負荷電極側とのインピーダンスを整合させる整合装置と、前記高周波信号の進行波および反射波を検出する進行波・反射波検出装置と、所定の高電圧を発生する高電圧発生装置と、前記反射波の前記進行波に対する比率が第１のしきい値より大きい場合に前記高電圧を前記高周波信号に重畳する制御装置と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、高周波信号が負荷電極に供給されるとその時のプラズマ状態等に応じた負荷電極側のインピーダンスが定まる。このときプラズマが適正に生じていないと整合装置側の出力インピーダンスと負荷電極側のインピーダンスとの不整合を生じるため、高周波信号の進行波に対する反射波の比率が大きくなる。この反射波の進行波に対する比率がある程度大きいと、点火前の状態、または、一旦点火していたプラズマが何らかの事情で消滅した状態であると推定可能である。そこで、プラズマの消滅状態を推定するために予め定めた第１のしきい値よりもこの比率が大きい場合には、プラズマが点火されていないと判定され、高電圧を高周波信号に重畳される。この高電圧により負荷電極に放電が発生し、プラズマが点火または再点火される。
【００１２】
なお、「反射波の進行波に対する比率」は、通常、進行波の振幅値に対する反射波の振幅値の比として把握される、例えば、定在波比（ＳＷＲ（Standing Wave Ratio）値）である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、プラズマの点火状態を反射波の進行波に対する比率で判定し点火作業を実行するので、監視することなく、かつ、人手を介することなく、容易にかつ確実にプラズマを点火したり再点火したりすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１のプラズマ点火装置を含むプラズマ発生装置の構成図。
【図２】実施形態１におけるプラズマ点火方法を説明するフローチャート。
【図３】実施形態１におけるプラズマ点火方法を説明する波形図。
【図４】実施形態２におけるプラズマ点火方法を説明するフローチャート。
【図５】実施形態２におけるプラズマ点火方法を説明する波形図。
【図６】実施形態３におけるプラズマ点火方法を説明するフローチャート。
【図７】実施形態３におけるプラズマ点火方法を説明する波形図。
【図８】実施形態４におけるプラズマ点火方法を説明するフローチャート。
【図９】実施形態４におけるプラズマ点火方法を説明する波形図。
【図１０】応用例のプラズマ点火方法を説明するフローチャート。
【図１１】変形例に係るプラズマ発生装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似のステップには同一又は類似の符号で表している。ただし、図面に示すブロック図、波形図、およびフローチャートは例示である。よって、具体的なブロック、発生波形、処理フローは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。
【００１６】
（実施形態１）
本発明の実施形態１は、反射波の進行波に対する比率が所定のしきい値より大きい場合に高電圧を高周波信号に重畳し、また、高電圧を高周波信号に重畳した後に反射波の進行波に対する比率が上記しきい値以下になった場合に高電圧の重畳を停止する、自動点火可能なプラズマ点火装置の基本形に関する。
【００１７】
図１に、本実施形態におけるプラズマ点火装置を含むプラズマ発生装置の構成図を示す。プラズマ発生装置１は、半導体回路の製造に用いる場合には、洗浄対象である半導体回路（ボンディング対象）の洗浄面に対向して配置され、プラズマを発生させて半導体回路の洗浄面を洗浄するために用いる。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態におけるプラズマ発生装置１は、プラズマ点火装置１０、ガスチャンバ１１０、リアクタンス補正コイル１１１、セラミックスチューブ１１２、負荷電極１１４、接地電極１１６、プラズマガス供給口１１８を備えて構成される。
【００１９】
ガスチャンバ１１０は、セラミックスチューブ１１２にプラズマガスを供給するためのガス充填室である。プラズマガスとしては、不活性ガスが好ましい。Ｈ２、Ｏ２、Ｎ２、またはこれらと不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい。不活性ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、キセノン（Ｘｅ）、ネオン（Ｎｅ）が利用可能であり、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）が最もよく利用される。ガスチャンバ１１０には、プラズマガス供給口１１８から図示しないコンプレッサによりプラズマガスが供給され、所定の気圧、例えば大気圧から３気圧程度までに加圧される。なお、プラズマガスは、ガスボンベ、圧力計、流量計、配管等を備える任意のガス供給系統を通じてプラズマガス供給口１１８に供給されるようになっている。
【００２０】
セラミックスチューブ１１２は、プラズマで発生する高温や高反応性に耐性のある絶縁体材料であるセラミックスで構成された構造物であり、プラズマ発生に適した所定の径に成形されている。セラミックスの他、石英ガラス等も利用可能である。セラミックスチューブ１１２には、軸芯に接地電極１１６が延設されている。セラミックスチューブ１１２はガスチャンバ１１０に連通しており、ガスチャンバ１１０内部の加圧されたプラズマガスが接地電極１１６の周囲を高速に流通するように構成されている。セラミックスチューブ１１２の開口（図１における左側端面）に対向させてプラズマ照射すべき面（半導体回路の被洗浄面等）が配置される。なお、セラミックスチューブ１１２を複数本束ねて広範な範囲を加工可能に構成してもよい（詳しくは変形例として後に説明する）。
【００２１】
接地電極１１６は、プラズマを発生させるために接地される電極であり、負荷電極１１４の対極である。接地電極１１６は、セラミックチューブ１１２の軸芯に沿って延在している。接地電極１１６の先端部は、負荷電極１１４の覆う範囲に位置していても、負荷電極１１４の覆う範囲を超えてセラミックチューブ１１２の先端付近まで延在していてもよい。接地電極１１６は、周囲の発生するプラズマの高温に耐えられるような高融点を有する金属、例えばプラチナやタングステン等のワイヤにより構成されている。接地電極１１６は、ガスチャンバ１１０を経て外部で接地されている。
【００２２】
負荷電極１１４は、プラズマ点火装置１０から高周波信号ＨＳが印加される、接地電極１１６と対となる電極である。負荷電極１１４は、セラミックスチューブ１１２の外側から囲むようにして前記接地電極の一部と対向しており、本実施形態では、断面管形状（円環状）の電極である。負荷電極１１４は、耐酸化性のある金属、例えばステンレスまたはメッキ等により耐酸化性を付与された金属で形成されている。負荷電極１１４と接地電極１１６との距離は、印加する高周波信号の電力と発生させたいプラズマ密度との関係に基づき設定されている。負荷電極１１４は、断面円環状に形成する他、セラミックスチューブ１１２に巻回等したコイル状に形成されていてもよい。
【００２３】
リアクタンス補正コイル１１１は、オプショナルな構成要素であり、負荷電極１１４に接続されたコイル素子である。リアクタンス補正コイル１１１は、負荷電極１１４と接地電位との間に存在する容量成分によって生ずるリアクタンス（インピーダンス）の影響を抑制し、後述する電圧定在波比ＶＳＷＲを改善（すなわちＶＳＷＲを１に近づける）するように機能する。
【００２４】
プラズマ点火装置１０は、制御装置１００、高周波電源装置１０１、進行波・反射波検出装置１０２、高電圧発生装置１０３、重畳コイル１０４を備えて構成される。なお、高周波電源装置１０１と高電圧発生装置１０４とも、一つの装置にまとめて構成されていてもよい。
【００２５】
また、整合装置１０５が、プラズマ点火装置１０とプラズマチャンバ１１０との間に配置される。ここで、整合装置１０５と進行波・反射波検出装置１０２とは、一つの装置にまとめてプラズマ点火装置１０の内部に配置されていてもよい。
【００２６】
高周波電源装置１０１は、プラズマを発生させる負荷電極１１４に所定の高周波信号ＨＳを供給するＲＦ電源である。高周波信号ＨＳは、プラズマの発生に適した周波数および出力を有する信号である。プラズマ発生に適した高周波信号ＨＳの周波数は、１０ＫＨｚ程度から１ＧＨｚ程度までであり、適した電力は０．１Ｗ程度〜１００Ｗ程度である。本実施形態では、周波数４５０ＭＨｚで出力３０Ｗの高周波信号とする。高周波電源装置１０１は、高周波電力トランジスタと高周波トランスとを組み合わせた出力段を有する発振回路等で構成されている。制御装置１００からの制御信号ＳＨＳに対応して、高周波電源装置１０１は高周波信号ＨＳの生成を開始し、また、停止する。
【００２７】
整合装置１０５は、プラズマ点火装置１０と負荷電極１１４と間の伝送経路上に設けられており、高周波電源装置１０１側と負荷電極１１４側とのインピーダンスを整合させるよう機能する。整合装置１０５は、コイルおよび可変コンデンサ等で構成されたフィルタ回路構造を有しており、プラズマが安定的に生成された状態での負荷インピーダンスが高周波電源装置１０１の出力側から見て、特性インピーダンスＺ０（例えば５０Ω）になるように設計されている。しかし、プラズマガスの負荷インピーダンスＺは、プラズマガスがプラズマを発生する過程で急激に変化する。またプラズマガスの種類、流量、圧力、温度等によっても負荷インピーダンスＺは急激に変化する。負荷インピーダンスＺが高周波電源装置１０１の特性インピーダンスＺ０と整合しないと、供給された高周波電力の一部が反射波として帰還し、電力効率が低下したり高周波電源装置１０１の出力段の素子に損傷を与えたりすることがある。整合装置１０５は、インピーダンス整合機能により高周波電源装置１０１側と負荷電極１１４側とのインピーダンスマッチングを行い、反射波の発生を些少に抑制するようになっている。
【００２８】
進行波・反射波検出装置１０２は、伝送経路を流れる高周波信号ＨＳの進行波と、負荷電極１１４から反射された反射波とを検出するように構成されている装置である。具体的に、検出される物理量としては、進行波および反射波の電力値または振幅（電圧）値であるが、以下話を簡単にするため、振幅値（電圧値）を用いる。すなわち、進行波・反射波検出装置１０２は、高周波信号ＨＳの進行波の振幅値Ｖｆと反射波の振幅値Ｖｒとをそれぞれ検出可能に構成されている。
【００２９】
ここで、特性インピーダンスＺ０の伝送経路の両端に信号源と負荷インピーダンスＺとが接続されている場合、負荷側の電圧定在波比(ＶＳＷＲ: Voltage Standing Wave Ratio)
は、進行波振幅値Ｖｆと反射波振幅値Ｖｒとを用いて、式（１）および式（２）で表される。
【数１】
Γ（ガンマ）は電圧反射係数である。式（１）（２）に従えば、伝送経路の特性インピーダンスＺ０と負荷インピーダンスＺとが一致すると、Ｚ０＝Ｚであり、電圧定在波比ＶＳＷＲ＝１となる。整合装置１０５は、電圧反射係数Γが極力ゼロに近づくように内部のインピーダンスを変更制御する。
【００３０】
なお、インピーダンスを整合させる過程で、進行波振幅値Ｖｆおよび反射波振幅値Ｖｒの検出が必須となるため、整合装置１０５と進行波・反射波検出装置１０２とは一つの装置で構成できる。ただし、整合装置１０５は、プラズマ点火装置１０から負荷電極１１４までの伝送経路におけるインピーダンスを整合させる装置であることから、プラズマ点火装置１０の出力端とガスチャンバ１１０との間に配置することが必要である。
【００３１】
高電圧発生装置１０３は、制御装置１００からの制御信号ＳＨＶに対応して所定の高電圧ＨＶを生成する電圧発生回路である。高電圧ＨＶの振幅値は、負荷となるプラズマガスにプラズマを励起するに十分な放電を与えるような電圧値とする。例えば、高電圧発生装置１０３は、０．８ｋＶから２ｋＶ程度の高電圧ＨＶを生成する。現実の回路としては、電源電圧に対して相当に高い電圧を発生させるため、高電圧発生装置１０３はスイッチング素子を用いており、そのため高電圧ＨＶは、所定のスイッチング周波数（例えば１ｋＨｚ）を有するパルス信号として生成される。このパルス信号はコンデンサで平滑化した直流電圧として出力してもよい。
【００３２】
重畳コイル１０４は、高周波信号ＨＳに対しては十分高いインピーダンスとなり、高電圧ＨＶに対しては、十分低いインピーダンスとなるようなリアクタンスを備えている。このため、重畳コイル１０４は、高周波信号ＨＳと高電圧ＨＶとの加算器として機能する。
【００３３】
同軸ケーブル１０６は、高周波信号ＨＳを負荷電極１１４に供給する特性インピーダンスＺ０の伝送経路である。同軸ケーブル１０６は、整合装置１０５およびガスチャンバ１１０のそれぞれにコネクタで接続されており、同軸ケーブル１０６の被覆は、整合装置１０５またはガスチャンバ１１０の少なくとも一方で接地されている。
【００３４】
制御装置１００は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ等を備えた汎用コンピュータとして動作可能に構成されている。制御装置１００は、内部または外部の記憶媒体に格納された所定のプラズマ点火方法を実行させるプログラムを実行することにより、本発明のプラズマ点火方法に係る各機能を実行可能に構成されている。具体的に、制御装置１００は、制御信号ＳＨＳを送信して、高周波電源装置１０１に高周波信号ＨＳの発生開始および停止を指示する。また、制御信号ＳＨＶを送信して、高電圧発生装置１０３に高電圧ＨＶの発生開始および停止を指示するように機能する。また制御装置１００は、進行波・反射波検出装置１０２から進行波振幅値Ｖｆおよび反射波振幅値Ｖｒを入力し、上記式（１）および（２）に基づき電圧定在波比ＶＳＷＲ（以下「ＶＳＷＲ値」とも称する。）を算出可能になっている。制御装置１００は、図示しないプラズマガス供給系に対する指示、例えば、プラズマガスの供給および供給停止の制御を実行可能に構成してもよい。なお、制御装置１００は、ＶＳＷＲ値の代わりに、上記式（２）に基づき算出された電圧反射係数Γを利用たり、反射波振幅値Ｖｒを利用したりしてもよい。
【００３５】
ここで、高周波信号ＨＳの電力が必要以上に高いと発熱による悪影響を生じるため、高周波信号ＨＳの供給電力はプラズマの状態に応じて変更可能に構成することが好ましい。ただし、高周波信号ＨＳの電力が変更されると、反射波振幅値Ｖｒも連動して変動する。このため、振幅値変動の影響を受けないように、反射波の進行波に対する比率、例えば、ＶＳＷＲ値等の定在波比を用いることが好ましい。
【００３６】
なお、本発明のプラズマ点火方法を実行させるためのプログラムは、記憶媒体Ｍに格納されて流通可能なものである。このような記憶媒体Ｍとしては、各種ＲＯＭ、フラッシュメモリを備えたＵＳＢメモリ、ＵＳＢメモリ、ＳＤメモリ、メモリスティック、メモリカードや、ＦＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の物理的な記憶媒体の他、プログラムを伝送可能なインターネット等の伝送媒体をも含むものとする。典型的には、プログラムは制御装置１００のＲＯＭに予め記憶されている。その他の着脱自在な記憶媒体Ｍに記憶されている場合には、制御装置１００は図示しない記憶媒体読取装置を備え、図１に示すように、外部の記憶媒体Ｍに記憶されているプログラムを読み取って実行するよう構成されている。
【００３７】
特に、本実施形態１において、制御装置１００は、反射波の進行波に対する比率（ＶＳＷＲ値）が所定のしきい値Ｖｔｈより大きい場合に所定の高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳するように機能する。すなわち、ＶＳＷＲ値がある程度検出されたと判断したら、制御装置１００は高電圧ＨＶを発生させ、高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳させるよう動作する。また、制御装置１００は、高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳した後に反射波の進行波に対する比率（ＶＳＷＲ値）が所定のしきい値以下になった場合に高電圧ＨＶの重畳を停止するように機能する。高電圧ＨＶを重畳する条件を判定するしきい値と高電圧ＨＶの重畳を停止する条件を判定するしきい値とは異なる値としてもよいが、本実施形態１では、双方のしきい値が同じ値であるものとする。双方のしきい値が異なる値の場合は実施形態２において後述する。
【００３８】
上述したように、プラズマ発生装置の負荷インピーダンスは、プラズマガスが点火する前から安定したプラズマが発生するまでの過渡期に急激に変化する。整合装置１０５は、インピーダンス整合動作に数秒の時間を要するため、負荷インピーダンスが継続的に変動する過渡期ではインピーダンスを整合させることができない。この期間、インピーダンスが不整合であるために反射波が多く発生し、一定以上のＶＳＷＲ値となる。本実施形態１のプラズマ点火装置には、プラズマが不安定な時期のＶＳＷＲ値と安定した時期のＶＳＷＲ値とを識別可能な値にしきい値Ｖｔｈが設定してある。このため、検出されるＶＳＷＲ値としきい値Ｖｔｈとを比較することにより、制御装置１００は、プラズマが安定して発生しているか否かを判定することができるのである。すなわち、プラズマが有効に発生しているか消滅したか（不安定か）を容易に識別可能なのである。
【００３９】
（動作の説明）
次に、図２のフローチャートおよび図３の波形図を参照しながら、本実施形態１におけるプラズマ点火方法についての処理を説明する。図２のフローチャートは、定期的にまたは必要に応じて不定期に、繰り返し実行されるプログラム処理である。
【００４０】
プラズマを点火するための準備状態（以下「プラズマ待機状態」という。）となると、制御装置１００の制御により、または、管理者の操作により、プラズマガスがプラズマガス供給口１１８からガスチャンバ１１０に供給される。プラズマガスが供給されると、ガスチャンバ１１０に充填されたプラズマガスが所定の圧力でセラミックスチューブ１１２を流れるようになる。プラズマガスの流れが安定したら、制御装置１００に対し、プラズマ点火指示が出力される。プラズマガスの点火は、管理者により指示されるものとしたが、プラズマガスの点火タイミングを見計らって制御装置１００が自ら決定するように構成してもよい。
【００４１】
図２において、制御装置１００は、システムのステータスがプラズマ待機状態か否かを判定する。プラズマ待機状態であるか否かは、制御装置１００のメモリに記憶されたフラグや各種スイッチの操作状態を検出することで判定可能である。プラズマ待機状態ではない場合には（ＮＯ）、当該処理ループから復帰する。プラズマ待機状態であったら（ＹＥＳ）、ステップＳ１１に移行する。ステップＳ１１において、制御装置１００は、高周波電源装置１０１に制御信号ＳＨＳを送信して高周波信号ＨＳの供給を指示する。この制御信号ＳＨＳに対応して、高周波電源装置１０１は、周波数４５０ＭＨｚで出力３０Ｗの高周波信号ＨＳを伝送経路に出力する。高周波信号ＨＳが供給されると、負荷電極１１４と接地電極１１６との間に高周波電磁波が誘起される。
【００４２】
次いでステップＳ１２に移行し、高周波信号ＨＳの供給に伴って、進行波・反射波検出装置１０３が進行波振幅値Ｖｆおよび負荷電極１１４から反射される反射波振幅値Ｖｒを検出し、制御装置１００がＶＳＷＲ値を算出する。負荷電極１１４側の負荷インピーダンスは、適正なプラズマが発生している状態で高周波電源装置１０１の特性インピーダンスと同じ値になるようになっている。プラズマ発生前のこの段階では負荷電極１１４側の負荷インピーダンスは特性インピーダンスＺ０と大幅に異なっている。このため、進行波・反射波検出装置１０２で検出される反射波振幅値Ｖｒは大きな値となる。そのため制御装置１００で算出されるＶＳＷＲ値も相対的に大きな値となる。
【００４３】
図３の波形図において、時刻ｔ０〜ｔ１は、上記ステップＳ１０〜Ｓ１１の過程に対応している。時刻ｔ０に制御装置１００が高周波信号をＯＮ状態に変化させ、伝送経路に高周波信号ＨＳが印加される。高周波信号ＨＳは所定の振幅を有する交流信号となっている。当初は負荷インピーダンスが特性インピーダンスＺ０にマッチングしていないので、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈを大きく超えている。
【００４４】
図２に戻って、ステップＳ１３に移行し、制御装置１００は、算出されたＶＳＷＲ値がプラズマの発生を識別するためのしきい値Ｖｔｈより大きいか否かを判定する。判定の結果、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きいと判定された場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１４に移行し、制御装置１００は、高電圧発生装置１０３に制御信号ＳＨＶを送信して高電圧ＨＶの発生開始を指示する。この制御信号ＳＨＶに対応して、高電圧発生装置１０３は、高電圧ＨＶを発生させる。発生した高電圧ＨＶは重畳コイル１０４を介して伝送経路に供給され、高周波信号ＨＳに重畳される。高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶが重畳されると、負荷電極１１４と接地電極１１６との間にも高電圧ＨＶが印加され、セラミックスチューブ１１２内に放電が発生する。放電が発生すると、接地電極１１６で発生する電子が種火となってプラズマが発生する。プラズマが発生すると、負荷電極１１４に印加されている高周波信号ＨＳによりプラズマが維持される。安定的にプラズマが発生すると、セラミックスチューブ１１２の先端からプラズマジェットが噴出し、必要な半導体回路等の処理に供することが可能となる。プラズマが発生すると、負荷電極１１４側の負荷インピーダンスは特性インピーダンスＺ０に向けて収束していく。
【００４５】
ステップＳ１３の判定の結果、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈ以下となった場合には（ＮＯ）、ステップＳ１５に移行し、制御装置１００は、高電圧発生装置１０３に制御信号ＳＨＶを送信して高電圧ＨＶの供給停止を指示する。この制御信号ＳＨＶに対応して、高電圧発生装置１０３は、高電圧ＨＶの供給を停止する。伝送経路には、高周波信号ＨＳのみが供給されるようになる。この段階では、プラズマが安定的に発生しているので、高電圧ＨＶの重畳が存在しなくなってもプラズマが消失することはなくなっている。
【００４６】
図３において、時刻ｔ１〜ｔ３は、上記ステップＳ１３およびＳ１５の過程に対応している。時刻ｔ１に制御装置１００が高電圧ＨＶをＯＮ状態に変化させ、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶが重畳される。高電圧ＨＶの重畳により、高周波信号ＨＳは高電圧ＨＶを中心に高周波信号ＨＳの振幅で増減する交流信号となる。高電圧ＨＶが印加されると種火となるプラズマが発生する。時刻ｔ２において、プラズマが発生する。これに伴い、負荷電極１１４側の負荷インピーダンスは、特性インピーダンスＺ０に向けて急速に収束していく。負荷インピーダンスの収束に伴って、負荷電極１１４から反射される反射波の進行波に対する比率、すなわちＶＳＷＲ値も小さくなっていく。時刻ｔ３において、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｒ以下となった時に、制御装置１００は高電圧ＨＶをＯＦＦ状態に変化させる。高電圧ＨＶの重畳が停止され、高周波信号ＨＳはゼロボルトを中心に振動する交流信号となる。ＶＳＷＲ値はプラズマの安定時の値Ｖｒｍｉｎに収束する。
【００４７】
上記処理は、プラズマ待機状態となって自動的にプラズマが点火される場合の制御であったが、プラズマ処理の中途にプラズマが消失した場合にプラズマに再点火するときにも適用される。なお、上記図２のフローチャートに基づく処理において、高電圧ＨＶの供給が開始（ステップＳ１４）した後は、定期的にＶＳＷＲ値の算出（ステップＳ１２）およびＶＳＷＲ値の判定（ステップＳ１３）が繰り返される。このＶＳＷＲ値の算出および判定はプラズマの消滅が悪影響を与えない程度の時間をおいて繰り返せばよいため、ステップＳ１４からステップＳ１２に戻る過程で一定時間を待つように処理してもよい。この待ち時間は、プラズマ発生装置１の状態に応じて適宜変更するよう構成してもよい。
【００４８】
例えば、図３の時刻ｔ４において、プラズマガスの供給に不具合が生じ、プラズマの状態が不安定になり、時刻ｔ５においてプラズマが消失したものとする。上記図２に示すプログラム処理は、プラズマ状態の如何に関わらず、定期的にまたは不定期に実行される。そのため所定の時刻、図３では時刻ｔ６にＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きいことが判定され（Ｓ１３：ＹＥＳ）、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶが重畳される（Ｓ１４）。高電圧ＨＶの重畳により、時刻ｔ７においてプラズマの種火が発生し、プラズマが発生する。プラズマが発生すると反射波が減少していく。そして、時刻ｔ８において、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈ以下となると判定され（Ｓ１３：ＮＯ）、高電圧ＨＶの重畳が停止する（Ｓ１５）。プラズマが中途に消失したとしても、本実施形態のプラズマ点火装置は自動的に再点火処理を行うのである。
【００４９】
以上、本実施形態に係るプラズマ点火装置の処理によれば、ＶＳＷＲ値が所定のしきい値Ｖｔｈより大きいか否かに基づいて、プラズマの発生の有無が判定される。このＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合には、プラズマを点火する前の状態であるか、または、一旦点火したプラズマが何らかの事情で消滅した状態であると判定し、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶを重畳する。従って、プラズマの点火状態を人間が監視することなく、かつ、人手を介することなく、容易にかつ確実にプラズマを点火したり再点火したりすることが可能である。
【００５０】
（実施形態２）
本発明の実施形態２は、上記実施形態１の発展系に係り、プラズマに点火するために高電圧の供給を開始させる場合のしきい値（第１のしきい値）と高電圧の供給を停止する場合のしきい値（第２のしきい値）とを異ならせた実施形態に関する。
【００５１】
本実施形態２に係るプラズマ発生装置１およびプラズマ点火装置１０の構成は、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。但し、制御装置１００のプログラム処理が図４のフローチャートに対応している点で実施形態１と異なる。
【００５２】
本実施形態２において、制御装置１００は、ＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きい場合に高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳し、高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳した後にＶＳＷＲ値が第２のしきい値Ｖｔｈ２以下になった場合に高電圧ＨＶの重畳を停止するように動作する。
【００５３】
より具体的に、上記実施形態１では、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶを印加する場合と高電圧ＨＶの印加を停止する場合とで、判定に用いるしきい値Ｖｔｈを同じ値にしていたが、本実施形態２では異ならせる。すなわち、本実施形態２では、プラズマが消滅状態であることを判定するために第１のしきい値Ｖｔｈ１を用い、プラズマの消滅状態から点火状態に変わったことを判定するために第２のしきい値Ｖｔｈ２を用いる。第１のしきい値Ｖｔｈ１と第２のしきい値Ｖｔｈ２は、以下のような関係であることが好ましい。
【００５４】
Ｖｔｈ１＞Ｖｔｈ２ …（３）
【００５５】
プラズマが発生していない状態、または、消滅してしまった状態からプラズマを点火するために高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳すると、放電によりプラズマが点火され、プラズマが発生する。ここでプラズマ発生当初は、まだガスの状態等が不安定な場合があり、ＶＳＷＲ値が直ちに低下せず、しきい値Ｖｔｈ付近に留まることがあり得る。このような場合のプラズマは弱かったり不安定な状態であったりする。そのような状態のプラズマに、たまたまＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈを超えたがために高電圧ＨＶが印加されると、その衝撃でプラズマが消滅してしまう場合がある。またプラズマが実際に消滅するとＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈを超えて高電圧ＨＶが印加されるため、高電圧ＨＶによる放電とプラズマの消滅とが繰り返される、いわゆるハンチング状態に陥る可能性もある。
【００５６】
そこで、本実施形態２では、プラズマが消滅状態であることを判定するために第１のしきい値Ｖｔｈ１と、プラズマの消滅状態から点火状態に変わったことを判定するために第２のしきい値Ｖｔｈ２とを異ならせる。異なるしきい値を用いた判定により、高電圧印加処理はヒステリシスを有するようになり、動作を安定的に遷移させることが可能となる。
【００５７】
次に本実施形態２に係るプラズマ点火方法を、図４のフローチャートおよび図５の波形図を参照しながら説明する。図４のフローチャートは、定期的にまたは必要に応じて不定期に、繰り返し実行されるプログラム処理である。上記実施形態１と同一の処理内容については同じステップ番号を付してある。
【００５８】
図４において、プラズマ待機状態の判定（Ｓ１０）、高周波信号ＨＳの供給（Ｓ１１）、ＶＳＷＲ値の算出（Ｓ１２）までの処理は、上記実施形態１と同一である。
【００５９】
ステップＳ１３ｂに移行し、制御装置１００は、算出されたＶＳＷＲ値がプラズマの発生を識別するための第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きいか否かを判定する。判定の結果、ＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きいと判定された場合には（ＹＥＳ）、プラズマが消滅していることが確認される。そこで、ステップＳ１４に移行し、制御装置１００は、高電圧発生装置１０３に制御信号ＳＨＶを送信して高電圧ＨＶの発生開始を指示する。この処理により、負荷電極１１４と接地電極１１６との間に供給される高周波信号ＨＳによるプラズマが発生する。
【００６０】
ステップＳ１３ｂの判定の結果、ＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１以下となった場合には（ＮＯ）、制御装置１００は、ステップＳ１３ｃに移行し、さらにＶＳＷＲ値が第２のしきい値Ｖｔｈ２以下であるか否かを判定する。その結果、ＶＳＷＲ値が第２のしきい値Ｖｔｈ２以下であると判定された場合には（ＹＥＳ）、消滅していたプラズマが安定的に点火したものと判定できる。そこでステップＳ１５に移行し、制御装置１００は、高電圧発生装置１０３に制御信号ＳＨＶを送信して高電圧ＨＶの供給停止を指示する。
【００６１】
ステップＳ１３ｃにおいて、ＶＳＷＲ値が第２のしきい値Ｖｔｈ２より大きい場合には（ＮＯ）、プラズマが安定的に点火したものとまでは言えない、プラズマが弱かったり不安定であったりする状態なので、制御装置１００はステップＳ１２のＶＳＷＲ値の算出に戻り高電圧ＨＶの重畳を継続する。
【００６２】
なお、上記図４のフローチャートに基づく処理において、高電圧ＨＶの重畳が開始（ステップＳ１４）した後に一定時間を待つように処理してもよい点は、上記実施形態１と同様である。この待ち時間は、プラズマ発生装置１の状態に応じて適宜変更するよう構成してもよい。
【００６３】
図５の波形図において、時刻ｔ０〜ｔ２は、上記ステップＳ１０〜Ｓ１３ｂ、Ｓ１３ｃ、Ｓ１４の過程に対応している。時刻ｔ０に制御装置１００が高周波信号をＯＮ状態に変化させ、伝送経路に高周波信号ＨＳが印加される。時刻ｔ１に、ＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きいと判定すると、制御装置１００が高電圧ＨＶをＯＮ状態に変化させ、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶが重畳される。高電圧ＨＶが印加されると種火となるプラズマが発生する。時刻ｔ２において、プラズマが発生する。これに伴い、負荷電極１１４側の負荷インピーダンスは、特性インピーダンスＺ０に向けて急速に収束し、負荷電極１１４から反射される反射波振幅値ＶｒおよびＶＳＷＲ値も小さくなっていく。時刻ｔ３において、ＶＳＷＲ値が第２のしきい値Ｖｔｈ２以下となった時に、制御装置１００は高電圧ＨＶをＯＦＦ状態に変化させる。高電圧ＨＶの重畳が停止され、ＶＳＷＲ値はプラズマの安定時の値Ｖｒｍｉｎに収束する。
【００６４】
プラズマの再点火にも同様にプログラム処理される。図５の時刻ｔ４においてプラズマガスの供給に不具合が生じ、プラズマの状態が不安定になり、時刻ｔ５においてプラズマが消失したものとする。このプラズマの消滅は、時刻ｔ６にＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きいことによって判定される。
【００６５】
以上、本実施形態２に係るプラズマ点火装置の処理によれば、上記実施形態１と同様の作用効果を奏する他、ＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きい場合に高電圧ＨＶを供給させる。またＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１より小さい第２のしきい値Ｖｔｈ２以下である場合に高電圧ＨＶの供給を停止させる。このため、プラズマが消滅状態であること、および、プラズマが点火状態から消滅したことを確実に検出し、安定したプラズマの点火制御が可能となる。
【００６６】
（実施形態３）
本発明の実施形態３は、上記実施形態１の発展系に係り、高電圧を高周波信号に重畳した時から第１の時間経過してもＶＳＷＲ値が所定のしきい値Ｖｔｈより大きい場合には、所定の警報信号を出力し、かつ、高電圧の重畳を停止する態様に関する。プラズマが長時間点火されない場合に異常状態であると判定をする実施形態である。
【００６７】
本実施形態３に係るプラズマ発生装置１およびプラズマ点火装置１０の構成は、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。但し、制御装置１００のプログラム処理が図６のフローチャートに対応している点で実施形態１と異なる。
【００６８】
本実施形態３において、制御装置１００は、高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳した時から第１の時間Ｔ１経過してもＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合には、所定の警報信号を出力し、高周波信号の供給およびプラズマガスの供給を停止し、かつ、高電圧ＨＶの重畳を停止するよう動作する。
【００６９】
より具体的に、上記実施形態１では、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合には高電圧ＨＶを重畳し続けていた。しかし、高周波電源装置１０１または高電圧発生装置１０３の故障により、いつまで経ってもプラズマが発生しない場合がある。また、プラズマ供給系に生じた欠陥により、プラズマガスの流量や圧力に変動を生じた場合にもプラズマが生じない。そこで、本実施形態３では、一定時間経過してもプラズマの安定的な発生を検出できない場合は、異常状態にあるものと判定することとする。
【００７０】
次に本実施形態３に係るプラズマ点火方法を、図６のフローチャートおよび図７の波形図を参照しながら説明する。図６のフローチャートは、定期的にまたは必要に応じて不定期に、繰り返し実行されるプログラム処理である。上記実施形態１と同一の処理内容については同じステップ番号を付してある。
【００７１】
図６において、プラズマ待機状態の判定（Ｓ１０）、高周波信号ＨＳの供給（Ｓ１１）、ＶＳＷＲ値の算出（Ｓ１２）、ＶＳＷＲ値としきい値Ｖｔｈとの比較（Ｓ１３）、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合の高電圧重畳（Ｓ１４）、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈ以下である場合の高電圧重畳の停止（Ｓ１５）の各処理は、上記実施形態１と同一である。
【００７２】
ステップＳ１４において、高電圧を重畳した後、本実施形態３ではステップＳ１６が実行される。ステップＳ１６において、制御装置１００は、高電圧ＨＶの重畳を開始した時からの経過時間Ｔが異常判定のためのしきい値時間である第１の時間Ｔ１より大きいか否かを判定する。第１の時間Ｔ１は、正常なプラズマガスの供給状態であれば、高電圧重畳後に確実にプラズマが発生すると期待される時間長に設定する。判定の結果、高電圧ＨＶの重畳を開始した時からの経過時間が第１の時間Ｔ１を経過していると判定された場合（ＹＥＳ）、異常状態であると判定することが可能である。そこでステップＳ１７に移行し、制御装置１００は異常判定のための処理、例えば警報信号を出力する。次いでステップＳ１８に移行し、制御装置１００は、高周波信号ＨＳの供給およびプラズマガスの供給を停止させる。そしてステップＳ１５に移行し、高電圧ＨＶの重畳を停止させる。ここで、警報信号の出力としては、表示装置への表示、警報ランプの点灯、警報ブザーの発音等が考えられる。
【００７３】
なお、ステップＳ１６において、高電圧ＨＶの重畳を開始した時からの経過時間が第１の時間Ｔ１を経過していないと判定された場合には（ＮＯ）、通常のプラズマ点火待ちの時間範囲内であると判定し、ＶＳＷＲ値の算出に戻る（Ｓ１２）。
【００７４】
図７の波形図において、時刻ｔ１０〜ｔ１１は、上記ステップＳ１０〜Ｓ１３の過程に対応している。時刻ｔ１０に制御装置１００が高周波信号をＯＮ状態に変化させ、伝送経路に高周波信号ＨＳが印加される。時刻ｔ１１に、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きいと判定すると、制御装置１００が高電圧ＨＶをＯＮ状態に変化させ、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶが重畳される。
【００７５】
ここで、何らかの異常が発生していると、高電圧ＨＶが印加されても種火となるプラズマが発生せず、または、種火となるプラズマが発生してもプラズマが安定的に生じない。このような状態では、負荷インピーダンスが収束せず、ＶＳＷＲ値は、プラズマの安定的発生を検出するしきい値Ｖｔｈを上回ったまま時間が経過する。この状態のまま、高電圧ＨＶを印加した時刻ｔ１１から第１の時間Ｔ１が経過した時刻ｔ１２となると、制御装置１００は異常状態が発生しているものと判定する。そして高周波信号および高電圧重畳をＯＦＦ状態とし、警報信号を出力するのである。
【００７６】
以上、本実施形態３に係るプラズマ点火装置の処理によれば、上記実施形態１と同様の作用効果を奏する他、高電圧ＨＶの重畳後に第１の時間Ｔ１が経過してもＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合には異常状態であると判定して警報信号を出力する。よって、プラズマ生成装置１に発生した不具合を確実に検出し、管理者に保守の必要性を報知することが可能である。
【００７７】
（実施形態４）
本発明の実施形態４は、上記実施形態１の発展系に係り、高電圧を高周波信号に重畳した時から第２の時間経過してもＶＳＷＲ値が所定のしきい値Ｖｔｈより大きい場合には、高電圧の電圧値を変更する態様に関する。プラズマが一定時間で点火されない場合には印加する高電圧を変更していく実施形態である。
【００７８】
本実施形態４に係るプラズマ発生装置１およびプラズマ点火装置１０の構成は、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。但し、制御装置１００のプログラム処理が図８のフローチャートに対応している点で実施形態１と異なる。
【００７９】
本実施形態４において、制御装置１００は、高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳した時から第２の時間Ｔ２経過してもＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合には、高電圧ＨＶの電圧値を変更するように動作する。
【００８０】
より具体的に、上記実施形態１では、高周波信号ＨＳに重畳する高電圧ＨＶは変更されなかった。しかし、プラズマガスの状態によっては、高周波信号ＨＳに印加する高電圧ＨＶの電圧値が異なることによって、放電が発生しやすくなる場合もある。そこで、本実施形態４では、第２の時間Ｔ２経過してもプラズマが発生しない場合には、重畳する高電圧ＨＶの電圧値を変更するよう制御することとする。特に、本実施形態では高電圧ＨＶの電圧値を段階的に上昇させていくように処理する場合を例示する。
【００８１】
次に本実施形態４に係るプラズマ点火方法を、図８のフローチャートおよび図９の波形図を参照しながら説明する。図８のフローチャートは、定期的にまたは必要に応じて不定期に、繰り返し実行されるプログラム処理である。上記実施形態１と同一の処理内容については同じステップ番号を付してある。
【００８２】
図８において、プラズマ待機状態の判定（Ｓ１０）、高周波信号ＨＳの供給（Ｓ１１）、ＶＳＷＲ値の算出（Ｓ１２）、ＶＳＷＲ値としきい値Ｖｔｈとの比較（Ｓ１３）、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合の高電圧重畳（Ｓ１４）、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈ以下である場合の高電圧重畳の停止（Ｓ１５）の各処理は、上記実施形態１と同一である。
【００８３】
ステップＳ１４において高電圧を重畳した後、本実施形態４ではステップＳ１９が実行される。ステップＳ１９において、制御装置１００は、高電圧ＨＶの重畳を開始した時からの経過時間Ｔが電圧値変更のしきい値である第２の時間Ｔ２より大きいか否かを判定する。第２の時間Ｔ２は、正常なプラズマガスの供給状態であれば、高電圧重畳後に確実にプラズマが発生すると期待される時間長（実施形態３における第１の時間Ｔ１）より短く設定する。また何段階電圧値を変更するかに応じて設定する。
【００８４】
判定の結果、高電圧ＨＶの重畳を開始した時からの経過時間が第２の時間Ｔ２を経過していると判定された場合（ＹＥＳ）、重畳する高電圧ＨＶの電圧値を変更すべきと判断する。そこでステップＳ２０に移行し、制御装置１００は、高電圧発生装置１０３に制御信号ＳＨＶを出力し、重畳する高電圧ＨＶの電圧値を所定のステップ（例えばΔＶ）上昇させる指示をする。そして、ステップＳ１４に移行し、高電圧発生装置１０３は、指示された電圧値で高電圧ＨＶを発生し、高周波信号ＨＳに重畳させる。判定の結果、高電圧ＨＶの重畳を開始したときからの経過時間が第２の時間Ｔ２だけ経過していないと判断された場合（ＮＯ）、ＶＳＷＲ値の算出に戻る（Ｓ１２）。
【００８５】
なお、ステップＳ１９において、初回は高電圧ＨＶの重畳を開始した時点からの経過時間Ｔを第２の時間Ｔ２と比較するが、２回目以降は、前回高電圧ＨＶの電圧値を変更した時点からの経過時間Ｔを第２の時間Ｔ２と比較する。すなわち、第２の時間Ｔ２が経過する度に、経過時間の計測を行う内部タイマがリセットされる。
【００８６】
図９の波形図において、時刻ｔ２０〜ｔ２１は、上記ステップＳ１０〜Ｓ１３の過程に対応している。時刻ｔ２０に制御装置１００が高周波信号をＯＮ状態に変化させ、伝送経路に高周波信号ＨＳが印加される。時刻ｔ２１に、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きいと判定すると、制御装置１００が高電圧ＨＶをＯＮ状態に変化させ、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶ１（初期値）が重畳される。図９から明らかなように、第１の時間Ｔ１は、第２の時間Ｔ２より長く、かつ、時刻ｔ２１からｔ２４までの時間に等しい。
【００８７】
ここで、プラズマガスの状態によっては、所定の電圧値の高電圧ＨＶが印加されても、プラズマが安定的に生じないことがある。このような状態では、負荷インピーダンスが収束せず、ＶＳＷＲ値はプラズマの安定的発生を検出するしきい値Ｖｔｈを上回ったまま時間が経過する。前回、高電圧ＨＶの重畳を開始した時刻ｔ２１から第２の時間Ｔ２が経過した時刻ｔ２２となると、高周波信号ＨＳに重畳される高電圧ＨＶの電圧値がステップΔＶだけ高いＨＶ２に変更される。変更された高電圧ＨＶ２によってもプラズマが発生しない場合、ＶＳＷＲ値は依然としてしきい値Ｖｔｈを上回ったままである。そこで、前回、高電圧ＨＶの電圧値を変更した時刻ｔ２２から第２の時間Ｔ２が経過した時刻ｔ２３となったら、高周波信号ＨＳに重畳される高電圧ＨＶの電圧値がさらにステップΔＶだけ高いＨＶ３に変更される。変更された高電圧ＨＶ３により時刻ｔ２４にプラズマが発生すれば、ＶＳＷＲ値は収束し、しきい値Ｖｔｈ以下となる結果、高電圧ＨＶの重畳は停止される。
【００８８】
以上、本実施形態４に係るプラズマ点火装置の処理によれば、上記実施形態１と同様の作用効果を奏する他、第２の時間Ｔ２が経過する度に重畳する高電圧ＨＶの電圧値を変更するので、プラズマガスの状態が変動していても確実にプラズマに点火可能である。
【００８９】
（その他の変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用することが可能である。
【００９０】
例えば、上記実施形態１〜４は排他的な実施形態ではなく、複数の実施形態を任意に互いに組み合わせて適用することが可能である。図１０に示すフローチャートは、実施形態１〜４の総てを反映させた場合の応用例を示している。当該応用例によれば、実施形態１による作用効果に加え、実施形態２〜４のそれぞれに特徴的な作用効果を総て備えるプラズマ点火方法を提供可能である。
【００９１】
また上記実施形態１〜４では、図１に示すように、プラズマ発生装置１が一つのセラミックチューブ１１２を備える態様を例示していたが、複数のセラミックチューブによりプラズマを発生させる装置であってもよい。
【００９２】
図１１に、複数のセラミックチューブ１１２を備えたプラズマ発生装置１ｂの構成図を示す。上記実施形態１（図１）と同じ構成は同じ符号を付してある。
【００９３】
本プラズマ発生装置１ｂは、プラズマ点火装置１０、ガスチャンバ１１０ｂ、リアクタンス補正コイル１１１、セラミックチューブ１１２、負荷電極１１４ｂ、フレーム１１５、接地電極１１６ｂ、プラズマガス供給口１１８を備えて構成される。特に本変形例では、セラミックチューブ１１２が複数設けられている点に特徴がある。
【００９４】
ガスチャンバ１１０ｂは、実施形態１のガスチャンバ１１０と同様にプラズマガスを供給するためのガス充填室であるが、複数のセラミックスチューブ１１２が設けられたフレーム１１３を備える点で異なっている。フレーム１１３は、導電体で構成されており、セラミックチューブ１１２を貫通保持させるための保持穴が設けられた板状体となっている。各保持穴は、セラミックチューブ１１２を保持可能なように、セラミックチューブの外径と同じ程度に形成されている。複数のセラミックチューブ１１２は、各々の開口が洗浄面Ｓに対向するようにフレーム１１３に保持されている。負荷電極１１４ｂは、真鍮等の導電体で構成されており、フレーム１１３に保持されたセラミックチューブ１１２を挿通する挿通孔が設けられた板状体となっている。各挿通孔は、セラミックチューブ１１２の外径より僅かに大きくなるように形成されている。負荷電極１１４ｂは、上記実施形態１と同様に、リアクタンス補正コイル１１１を介して同軸ケーブル１０６に電気的に接続され、プラズマ点火装置１０および整合装置１０５から出力された高周波信号ＨＳが供給されるようになっている。ガスチャンバ１１０ｂには、セラミックチューブ１１２の一部および負荷電極１１４ｂを取り囲むように、シールドカバー１１５が設けられている。シールドカバー１１５は、導電体で構成されており、負荷電極１１４ｂから発生する電磁波をシールド可能に構成されている。また接地電極１１６ｂが複数、各セラミックチューブ１１２の軸芯に沿って設けられている。プラズマ点火装置１０および整合装置１０５の構成および動作については、上記実施形態１〜４と同様である。
【００９５】
上記変形例のプラズマ発生装置１ｂにおいて、上記実施形態１〜４と同様に、プラズマガス供給口１１８にプラズマガスが供給され、プラズマ点火装置１０から高電圧ＨＶを負荷電極１１４ｂに供給すると放電によりプラズマが発生する。さらにプラズマ点火装置１０から高周波信号ＨＳが供給されることにより安定的にプラズマが維持される。特に、上記変形例のプラズマ発生装置１ｂによれば、複数のセラミックチューブ１１２が洗浄面Ｓに向かってプラズマジェットを射出可能に構成されている。よって、広範囲に亘ってプラズマジェットによる加工（洗浄）が行える。そして、このような形態のプラズマ発生装置１ｂにおいても、本発明のプラズマ点火方法を適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明のプラズマ点火装置およびプラズマ点火方法は、手動によらず自動的に閉空間の換気を実施させたい環境において適用することが可能である。
【符号の説明】
【００９７】
１…プラズマ発生装置、１０…プラズマ点火装置、１００…制御装置、１０１…高周波電源装置、１０２…進行波・反射波検出装置、１０３…高電圧発生装置、１０４…重畳コイル、１０５…整合装置、１０６…同軸ケーブル、１１０、１１０ｂ…ガスチャンバ、１１１…リアクタンス補正コイル、１１２…セラミックチューブ、１１４、１１４ｂ…負荷電極、１１５…シールドカバー、１１６、１１６ｂ…接地電極、１１８…プラズマガス供給口、ＨＳ…高周波信号、ＨＶ…高電圧、ＨＶ１…高電圧、ＨＶ２…高電圧、ＨＶ３…高電圧、Ｍ…記憶媒体、Ｓ…洗浄面（被加工面）、ＳＨＳ…制御信号、ＳＨＶ…制御信号、Ｖｆ…進行波振幅値、Ｖｒ…反射波振幅値、Ｚ…負荷インピーダンス、Ｚ０…特性インピーダンス、Γ（ガンマ）…電圧反射係数
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマ点火装置、プラズマ点火方法、およびプラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの生産現場においてプラズマが用いられている。例えば、半導体回路の製造分野では、プラズマによってボンディング対象となる半導体回路の表面を清浄している。
【０００３】
従来のプラズマ発生装置として、例えば、特開２００２−３４３５９９号公報には、アルゴンガスが導入されるガラスチューブの軸芯にワイヤが配置され、ガラスチューブの先端部分に高周波コイルと点火用コイルとが巻回された装置が開示されている（特許文献１）。当該装置では、アルゴンガスをガラスチューブに導入しプラズマガスの流れが安定した後、高周波電源から高周波コイルに高周波電力を供給し、次いで点火用コイルに高電圧を印加することで放電が発生し、プラズマが発生するようになっている。
【０００４】
また、特開２００３−３２８１３８号公報には、ワイヤを含むプラズマ点火用コイルにイグナイタから高電圧を印加し、プラズマ点火用コイルとワイヤとの間で放電を誘起させプラズマを点火するプラズマ点火機構が開示されている（特許文献２、図３）。
【０００５】
さらに、特開２００６−１０４５４５号公報には、高融点導線を挿通するプラズマトーチ内管の周囲を混合ガスが流通するプラズマトーチ外管で囲み、外部に設けられたイグナイタにより放電を開始させるマイクロプラズマ反応装置が開示されている（特許文献３、図１〜６）。
【０００６】
また、特開平６−２１５８９４号公報には、インピーダンスマッチング回路を介してプラズマチャンバの電極間に高周波電力を供給する高周波プラズマ用電源が開示されている（特許文献４）。当該装置によれば、電源出力インピーダンスとプラズマチャンバのインピーダンスとが整合するまでの期間において電力増幅器のＦＥＴに供給する電圧値を低く設定して、反射波によるＦＥＴの破損を防止していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３４３５９９号公報
【特許文献２】特開２００３−３２８１３８号公報
【特許文献３】特開２００６−１０４５４５号公報
【特許文献４】特開平６−２１５８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、プラズマ発生装置では、プラズマ用不活性ガスの流動状態が悪化等するとプラズマが不安定になったり消滅したりする。プラズマが不安定であったり消滅したりした場合には、半導体回路等の製品の多くに欠陥が生じる。またそのような欠陥により、欠陥箇所とは異なる箇所が発熱する等の不都合が生じる場合もある。プラズマが消滅したことに気付くまでに時間がかかると、多くの製品に欠陥が生じることになってしまう。このため、上記特許文献に記載されたプラズマ発生装置では、プラズマが消滅していないか監視する必要があった。またプラズマが消滅した場合には手動により再点火しなければならなかった。さらにプラズマの点火作業は、高周波電力の印加作業と並行してタイミングを見計らって実施する必要があったため、点火作業にある程度の熟練を要するものであった。
【０００９】
そこで、上記課題に鑑み、本発明は、監視したり人手を要したりすることなく、容易にかつ確実にプラズマを点火したり再点火したりすることが可能なプラズマ点火技術を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のプラズマ点火装置は、プラズマを発生させる負荷電極に所定の高周波信号を供給する高周波電源装置と、前記高周波電源装置側と前記負荷電極側とのインピーダンスを整合させる整合装置と、前記高周波信号の進行波および反射波を検出する進行波・反射波検出装置と、所定の高電圧を発生する高電圧発生装置と、前記反射波の前記進行波に対する比率が第１のしきい値より大きい場合に前記高電圧を前記高周波信号に重畳する制御装置と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、高周波信号が負荷電極に供給されるとその時のプラズマ状態等に応じた負荷電極側のインピーダンスが定まる。このときプラズマが適正に生じていないと整合装置側の出力インピーダンスと負荷電極側のインピーダンスとの不整合を生じるため、高周波信号の進行波に対する反射波の比率が大きくなる。この反射波の進行波に対する比率がある程度大きいと、点火前の状態、または、一旦点火していたプラズマが何らかの事情で消滅した状態であると推定可能である。そこで、プラズマの消滅状態を推定するために予め定めた第１のしきい値よりもこの比率が大きい場合には、プラズマが点火されていないと判定され、高電圧を高周波信号に重畳される。この高電圧により負荷電極に放電が発生し、プラズマが点火または再点火される。
【００１２】
なお、「反射波の進行波に対する比率」は、通常、進行波の振幅値に対する反射波の振幅値の比として把握される、例えば、定在波比（ＳＷＲ（Standing Wave Ratio）値）である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、プラズマの点火状態を反射波の進行波に対する比率で判定し点火作業を実行するので、監視することなく、かつ、人手を介することなく、容易にかつ確実にプラズマを点火したり再点火したりすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１のプラズマ点火装置を含むプラズマ発生装置の構成図。
【図２】実施形態１におけるプラズマ点火方法を説明するフローチャート。
【図３】実施形態１におけるプラズマ点火方法を説明する波形図。
【図４】実施形態２におけるプラズマ点火方法を説明するフローチャート。
【図５】実施形態２におけるプラズマ点火方法を説明する波形図。
【図６】実施形態３におけるプラズマ点火方法を説明するフローチャート。
【図７】実施形態３におけるプラズマ点火方法を説明する波形図。
【図８】実施形態４におけるプラズマ点火方法を説明するフローチャート。
【図９】実施形態４におけるプラズマ点火方法を説明する波形図。
【図１０】応用例のプラズマ点火方法を説明するフローチャート。
【図１１】変形例に係るプラズマ発生装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似のステップには同一又は類似の符号で表している。ただし、図面に示すブロック図、波形図、およびフローチャートは例示である。よって、具体的なブロック、発生波形、処理フローは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。
【００１６】
（実施形態１）
本発明の実施形態１は、反射波の進行波に対する比率が所定のしきい値より大きい場合に高電圧を高周波信号に重畳し、また、高電圧を高周波信号に重畳した後に反射波の進行波に対する比率が上記しきい値以下になった場合に高電圧の重畳を停止する、自動点火可能なプラズマ点火装置の基本形に関する。
【００１７】
図１に、本実施形態におけるプラズマ点火装置を含むプラズマ発生装置の構成図を示す。プラズマ発生装置１は、半導体回路の製造に用いる場合には、洗浄対象である半導体回路（ボンディング対象）の洗浄面に対向して配置され、プラズマを発生させて半導体回路の洗浄面を洗浄するために用いる。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態におけるプラズマ発生装置１は、プラズマ点火装置１０、ガスチャンバ１１０、リアクタンス補正コイル１１１、セラミックスチューブ１１２、負荷電極１１４、接地電極１１６、プラズマガス供給口１１８を備えて構成される。
【００１９】
ガスチャンバ１１０は、セラミックスチューブ１１２にプラズマガスを供給するためのガス充填室である。プラズマガスとしては、不活性ガスが好ましい。Ｈ２、Ｏ２、Ｎ２、またはこれらと不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい。不活性ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、キセノン（Ｘｅ）、ネオン（Ｎｅ）が利用可能であり、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）が最もよく利用される。ガスチャンバ１１０には、プラズマガス供給口１１８から図示しないコンプレッサによりプラズマガスが供給され、所定の気圧、例えば大気圧から３気圧程度までに加圧される。なお、プラズマガスは、ガスボンベ、圧力計、流量計、配管等を備える任意のガス供給系統を通じてプラズマガス供給口１１８に供給されるようになっている。
【００２０】
セラミックスチューブ１１２は、プラズマで発生する高温や高反応性に耐性のある絶縁体材料であるセラミックスで構成された構造物であり、プラズマ発生に適した所定の径に成形されている。セラミックスの他、石英ガラス等も利用可能である。セラミックスチューブ１１２には、軸芯に接地電極１１６が延設されている。セラミックスチューブ１１２はガスチャンバ１１０に連通しており、ガスチャンバ１１０内部の加圧されたプラズマガスが接地電極１１６の周囲を高速に流通するように構成されている。セラミックスチューブ１１２の開口（図１における左側端面）に対向させてプラズマ照射すべき面（半導体回路の被洗浄面等）が配置される。なお、セラミックスチューブ１１２を複数本束ねて広範な範囲を加工可能に構成してもよい（詳しくは変形例として後に説明する）。
【００２１】
接地電極１１６は、プラズマを発生させるために接地される電極であり、負荷電極１１４の対極である。接地電極１１６は、セラミックチューブ１１２の軸芯に沿って延在している。接地電極１１６の先端部は、負荷電極１１４の覆う範囲に位置していても、負荷電極１１４の覆う範囲を超えてセラミックチューブ１１２の先端付近まで延在していてもよい。接地電極１１６は、周囲の発生するプラズマの高温に耐えられるような高融点を有する金属、例えばプラチナやタングステン等のワイヤにより構成されている。接地電極１１６は、ガスチャンバ１１０を経て外部で接地されている。
【００２２】
負荷電極１１４は、プラズマ点火装置１０から高周波信号ＨＳが印加される、接地電極１１６と対となる電極である。負荷電極１１４は、セラミックスチューブ１１２の外側から囲むようにして前記接地電極の一部と対向しており、本実施形態では、断面管形状（円環状）の電極である。負荷電極１１４は、耐酸化性のある金属、例えばステンレスまたはメッキ等により耐酸化性を付与された金属で形成されている。負荷電極１１４と接地電極１１６との距離は、印加する高周波信号の電力と発生させたいプラズマ密度との関係に基づき設定されている。負荷電極１１４は、断面円環状に形成する他、セラミックスチューブ１１２に巻回等したコイル状に形成されていてもよい。
【００２３】
リアクタンス補正コイル１１１は、オプショナルな構成要素であり、負荷電極１１４に接続されたコイル素子である。リアクタンス補正コイル１１１は、負荷電極１１４と接地電位との間に存在する容量成分によって生ずるリアクタンス（インピーダンス）の影響を抑制し、後述する電圧定在波比ＶＳＷＲを改善（すなわちＶＳＷＲを１に近づける）するように機能する。
【００２４】
プラズマ点火装置１０は、制御装置１００、高周波電源装置１０１、進行波・反射波検出装置１０２、高電圧発生装置１０３、重畳コイル１０４を備えて構成される。なお、高周波電源装置１０１と高電圧発生装置１０４とも、一つの装置にまとめて構成されていてもよい。
【００２５】
また、整合装置１０５が、プラズマ点火装置１０とプラズマチャンバ１１０との間に配置される。ここで、整合装置１０５と進行波・反射波検出装置１０２とは、一つの装置にまとめてプラズマ点火装置１０の内部に配置されていてもよい。
【００２６】
高周波電源装置１０１は、プラズマを発生させる負荷電極１１４に所定の高周波信号ＨＳを供給するＲＦ電源である。高周波信号ＨＳは、プラズマの発生に適した周波数および出力を有する信号である。プラズマ発生に適した高周波信号ＨＳの周波数は、１０ＫＨｚ程度から１ＧＨｚ程度までであり、適した電力は０．１Ｗ程度〜１００Ｗ程度である。本実施形態では、周波数４５０ＭＨｚで出力３０Ｗの高周波信号とする。高周波電源装置１０１は、高周波電力トランジスタと高周波トランスとを組み合わせた出力段を有する発振回路等で構成されている。制御装置１００からの制御信号ＳＨＳに対応して、高周波電源装置１０１は高周波信号ＨＳの生成を開始し、また、停止する。
【００２７】
整合装置１０５は、プラズマ点火装置１０と負荷電極１１４と間の伝送経路上に設けられており、高周波電源装置１０１側と負荷電極１１４側とのインピーダンスを整合させるよう機能する。整合装置１０５は、コイルおよび可変コンデンサ等で構成されたフィルタ回路構造を有しており、プラズマが安定的に生成された状態での負荷インピーダンスが高周波電源装置１０１の出力側から見て、特性インピーダンスＺ０（例えば５０Ω）になるように設計されている。しかし、プラズマガスの負荷インピーダンスＺは、プラズマガスがプラズマを発生する過程で急激に変化する。またプラズマガスの種類、流量、圧力、温度等によっても負荷インピーダンスＺは急激に変化する。負荷インピーダンスＺが高周波電源装置１０１の特性インピーダンスＺ０と整合しないと、供給された高周波電力の一部が反射波として帰還し、電力効率が低下したり高周波電源装置１０１の出力段の素子に損傷を与えたりすることがある。整合装置１０５は、インピーダンス整合機能により高周波電源装置１０１側と負荷電極１１４側とのインピーダンスマッチングを行い、反射波の発生を些少に抑制するようになっている。
【００２８】
進行波・反射波検出装置１０２は、伝送経路を流れる高周波信号ＨＳの進行波と、負荷電極１１４から反射された反射波とを検出するように構成されている装置である。具体的に、検出される物理量としては、進行波および反射波の電力値または振幅（電圧）値であるが、以下話を簡単にするため、振幅値（電圧値）を用いる。すなわち、進行波・反射波検出装置１０２は、高周波信号ＨＳの進行波の振幅値Ｖｆと反射波の振幅値Ｖｒとをそれぞれ検出可能に構成されている。
【００２９】
ここで、特性インピーダンスＺ０の伝送経路の両端に信号源と負荷インピーダンスＺとが接続されている場合、負荷側の電圧定在波比(ＶＳＷＲ: Voltage Standing Wave Ratio)
は、進行波振幅値Ｖｆと反射波振幅値Ｖｒとを用いて、式（１）および式（２）で表される。
【数１】
Γ（ガンマ）は電圧反射係数である。式（１）（２）に従えば、伝送経路の特性インピーダンスＺ０と負荷インピーダンスＺとが一致すると、Ｚ０＝Ｚであり、電圧定在波比ＶＳＷＲ＝１となる。整合装置１０５は、電圧反射係数Γが極力ゼロに近づくように内部のインピーダンスを変更制御する。
【００３０】
なお、インピーダンスを整合させる過程で、進行波振幅値Ｖｆおよび反射波振幅値Ｖｒの検出が必須となるため、整合装置１０５と進行波・反射波検出装置１０２とは一つの装置で構成できる。ただし、整合装置１０５は、プラズマ点火装置１０から負荷電極１１４までの伝送経路におけるインピーダンスを整合させる装置であることから、プラズマ点火装置１０の出力端とガスチャンバ１１０との間に配置することが必要である。
【００３１】
高電圧発生装置１０３は、制御装置１００からの制御信号ＳＨＶに対応して所定の高電圧ＨＶを生成する電圧発生回路である。高電圧ＨＶの振幅値は、負荷となるプラズマガスにプラズマを励起するに十分な放電を与えるような電圧値とする。例えば、高電圧発生装置１０３は、０．８ｋＶから２ｋＶ程度の高電圧ＨＶを生成する。現実の回路としては、電源電圧に対して相当に高い電圧を発生させるため、高電圧発生装置１０３はスイッチング素子を用いており、そのため高電圧ＨＶは、所定のスイッチング周波数（例えば１ｋＨｚ）を有するパルス信号として生成される。このパルス信号はコンデンサで平滑化した直流電圧として出力してもよい。
【００３２】
重畳コイル１０４は、高周波信号ＨＳに対しては十分高いインピーダンスとなり、高電圧ＨＶに対しては、十分低いインピーダンスとなるようなリアクタンスを備えている。このため、重畳コイル１０４は、高周波信号ＨＳと高電圧ＨＶとの加算器として機能する。
【００３３】
同軸ケーブル１０６は、高周波信号ＨＳを負荷電極１１４に供給する特性インピーダンスＺ０の伝送経路である。同軸ケーブル１０６は、整合装置１０５およびガスチャンバ１１０のそれぞれにコネクタで接続されており、同軸ケーブル１０６の被覆は、整合装置１０５またはガスチャンバ１１０の少なくとも一方で接地されている。
【００３４】
制御装置１００は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ等を備えた汎用コンピュータとして動作可能に構成されている。制御装置１００は、内部または外部の記憶媒体に格納された所定のプラズマ点火方法を実行させるプログラムを実行することにより、本発明のプラズマ点火方法に係る各機能を実行可能に構成されている。具体的に、制御装置１００は、制御信号ＳＨＳを送信して、高周波電源装置１０１に高周波信号ＨＳの発生開始および停止を指示する。また、制御信号ＳＨＶを送信して、高電圧発生装置１０３に高電圧ＨＶの発生開始および停止を指示するように機能する。また制御装置１００は、進行波・反射波検出装置１０２から進行波振幅値Ｖｆおよび反射波振幅値Ｖｒを入力し、上記式（１）および（２）に基づき電圧定在波比ＶＳＷＲ（以下「ＶＳＷＲ値」とも称する。）を算出可能になっている。制御装置１００は、図示しないプラズマガス供給系に対する指示、例えば、プラズマガスの供給および供給停止の制御を実行可能に構成してもよい。なお、制御装置１００は、ＶＳＷＲ値の代わりに、上記式（２）に基づき算出された電圧反射係数Γを利用たり、反射波振幅値Ｖｒを利用したりしてもよい。
【００３５】
ここで、高周波信号ＨＳの電力が必要以上に高いと発熱による悪影響を生じるため、高周波信号ＨＳの供給電力はプラズマの状態に応じて変更可能に構成することが好ましい。ただし、高周波信号ＨＳの電力が変更されると、反射波振幅値Ｖｒも連動して変動する。このため、振幅値変動の影響を受けないように、反射波の進行波に対する比率、例えば、ＶＳＷＲ値等の定在波比を用いることが好ましい。
【００３６】
なお、本発明のプラズマ点火方法を実行させるためのプログラムは、記憶媒体Ｍに格納されて流通可能なものである。このような記憶媒体Ｍとしては、各種ＲＯＭ、フラッシュメモリを備えたＵＳＢメモリ、ＵＳＢメモリ、ＳＤメモリ、メモリスティック、メモリカードや、ＦＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の物理的な記憶媒体の他、プログラムを伝送可能なインターネット等の伝送媒体をも含むものとする。典型的には、プログラムは制御装置１００のＲＯＭに予め記憶されている。その他の着脱自在な記憶媒体Ｍに記憶されている場合には、制御装置１００は図示しない記憶媒体読取装置を備え、図１に示すように、外部の記憶媒体Ｍに記憶されているプログラムを読み取って実行するよう構成されている。
【００３７】
特に、本実施形態１において、制御装置１００は、反射波の進行波に対する比率（ＶＳＷＲ値）が所定のしきい値Ｖｔｈより大きい場合に所定の高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳するように機能する。すなわち、ＶＳＷＲ値がある程度検出されたと判断したら、制御装置１００は高電圧ＨＶを発生させ、高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳させるよう動作する。また、制御装置１００は、高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳した後に反射波の進行波に対する比率（ＶＳＷＲ値）が所定のしきい値以下になった場合に高電圧ＨＶの重畳を停止するように機能する。高電圧ＨＶを重畳する条件を判定するしきい値と高電圧ＨＶの重畳を停止する条件を判定するしきい値とは異なる値としてもよいが、本実施形態１では、双方のしきい値が同じ値であるものとする。双方のしきい値が異なる値の場合は実施形態２において後述する。
【００３８】
上述したように、プラズマ発生装置の負荷インピーダンスは、プラズマガスが点火する前から安定したプラズマが発生するまでの過渡期に急激に変化する。整合装置１０５は、インピーダンス整合動作に数秒の時間を要するため、負荷インピーダンスが継続的に変動する過渡期ではインピーダンスを整合させることができない。この期間、インピーダンスが不整合であるために反射波が多く発生し、一定以上のＶＳＷＲ値となる。本実施形態１のプラズマ点火装置には、プラズマが不安定な時期のＶＳＷＲ値と安定した時期のＶＳＷＲ値とを識別可能な値にしきい値Ｖｔｈが設定してある。このため、検出されるＶＳＷＲ値としきい値Ｖｔｈとを比較することにより、制御装置１００は、プラズマが安定して発生しているか否かを判定することができるのである。すなわち、プラズマが有効に発生しているか消滅したか（不安定か）を容易に識別可能なのである。
【００３９】
（動作の説明）
次に、図２のフローチャートおよび図３の波形図を参照しながら、本実施形態１におけるプラズマ点火方法についての処理を説明する。図２のフローチャートは、定期的にまたは必要に応じて不定期に、繰り返し実行されるプログラム処理である。
【００４０】
プラズマを点火するための準備状態（以下「プラズマ待機状態」という。）となると、制御装置１００の制御により、または、管理者の操作により、プラズマガスがプラズマガス供給口１１８からガスチャンバ１１０に供給される。プラズマガスが供給されると、ガスチャンバ１１０に充填されたプラズマガスが所定の圧力でセラミックスチューブ１１２を流れるようになる。プラズマガスの流れが安定したら、制御装置１００に対し、プラズマ点火指示が出力される。プラズマガスの点火は、管理者により指示されるものとしたが、プラズマガスの点火タイミングを見計らって制御装置１００が自ら決定するように構成してもよい。
【００４１】
図２において、制御装置１００は、システムのステータスがプラズマ待機状態か否かを判定する。プラズマ待機状態であるか否かは、制御装置１００のメモリに記憶されたフラグや各種スイッチの操作状態を検出することで判定可能である。プラズマ待機状態ではない場合には（ＮＯ）、当該処理ループから復帰する。プラズマ待機状態であったら（ＹＥＳ）、ステップＳ１１に移行する。ステップＳ１１において、制御装置１００は、高周波電源装置１０１に制御信号ＳＨＳを送信して高周波信号ＨＳの供給を指示する。この制御信号ＳＨＳに対応して、高周波電源装置１０１は、周波数４５０ＭＨｚで出力３０Ｗの高周波信号ＨＳを伝送経路に出力する。高周波信号ＨＳが供給されると、負荷電極１１４と接地電極１１６との間に高周波電磁波が誘起される。
【００４２】
次いでステップＳ１２に移行し、高周波信号ＨＳの供給に伴って、進行波・反射波検出装置１０３が進行波振幅値Ｖｆおよび負荷電極１１４から反射される反射波振幅値Ｖｒを検出し、制御装置１００がＶＳＷＲ値を算出する。負荷電極１１４側の負荷インピーダンスは、適正なプラズマが発生している状態で高周波電源装置１０１の特性インピーダンスと同じ値になるようになっている。プラズマ発生前のこの段階では負荷電極１１４側の負荷インピーダンスは特性インピーダンスＺ０と大幅に異なっている。このため、進行波・反射波検出装置１０２で検出される反射波振幅値Ｖｒは大きな値となる。そのため制御装置１００で算出されるＶＳＷＲ値も相対的に大きな値となる。
【００４３】
図３の波形図において、時刻ｔ０〜ｔ１は、上記ステップＳ１０〜Ｓ１１の過程に対応している。時刻ｔ０に制御装置１００が高周波信号をＯＮ状態に変化させ、伝送経路に高周波信号ＨＳが印加される。高周波信号ＨＳは所定の振幅を有する交流信号となっている。当初は負荷インピーダンスが特性インピーダンスＺ０にマッチングしていないので、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈを大きく超えている。
【００４４】
図２に戻って、ステップＳ１３に移行し、制御装置１００は、算出されたＶＳＷＲ値がプラズマの発生を識別するためのしきい値Ｖｔｈより大きいか否かを判定する。判定の結果、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きいと判定された場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１４に移行し、制御装置１００は、高電圧発生装置１０３に制御信号ＳＨＶを送信して高電圧ＨＶの発生開始を指示する。この制御信号ＳＨＶに対応して、高電圧発生装置１０３は、高電圧ＨＶを発生させる。発生した高電圧ＨＶは重畳コイル１０４を介して伝送経路に供給され、高周波信号ＨＳに重畳される。高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶが重畳されると、負荷電極１１４と接地電極１１６との間にも高電圧ＨＶが印加され、セラミックスチューブ１１２内に放電が発生する。放電が発生すると、接地電極１１６で発生する電子が種火となってプラズマが発生する。プラズマが発生すると、負荷電極１１４に印加されている高周波信号ＨＳによりプラズマが維持される。安定的にプラズマが発生すると、セラミックスチューブ１１２の先端からプラズマジェットが噴出し、必要な半導体回路等の処理に供することが可能となる。プラズマが発生すると、負荷電極１１４側の負荷インピーダンスは特性インピーダンスＺ０に向けて収束していく。
【００４５】
ステップＳ１３の判定の結果、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈ以下となった場合には（ＮＯ）、ステップＳ１５に移行し、制御装置１００は、高電圧発生装置１０３に制御信号ＳＨＶを送信して高電圧ＨＶの供給停止を指示する。この制御信号ＳＨＶに対応して、高電圧発生装置１０３は、高電圧ＨＶの供給を停止する。伝送経路には、高周波信号ＨＳのみが供給されるようになる。この段階では、プラズマが安定的に発生しているので、高電圧ＨＶの重畳が存在しなくなってもプラズマが消失することはなくなっている。
【００４６】
図３において、時刻ｔ１〜ｔ３は、上記ステップＳ１３およびＳ１５の過程に対応している。時刻ｔ１に制御装置１００が高電圧ＨＶをＯＮ状態に変化させ、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶが重畳される。高電圧ＨＶの重畳により、高周波信号ＨＳは高電圧ＨＶを中心に高周波信号ＨＳの振幅で増減する交流信号となる。高電圧ＨＶが印加されると種火となるプラズマが発生する。時刻ｔ２において、プラズマが発生する。これに伴い、負荷電極１１４側の負荷インピーダンスは、特性インピーダンスＺ０に向けて急速に収束していく。負荷インピーダンスの収束に伴って、負荷電極１１４から反射される反射波の進行波に対する比率、すなわちＶＳＷＲ値も小さくなっていく。時刻ｔ３において、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｒ以下となった時に、制御装置１００は高電圧ＨＶをＯＦＦ状態に変化させる。高電圧ＨＶの重畳が停止され、高周波信号ＨＳはゼロボルトを中心に振動する交流信号となる。ＶＳＷＲ値はプラズマの安定時の値Ｖｒｍｉｎに収束する。
【００４７】
上記処理は、プラズマ待機状態となって自動的にプラズマが点火される場合の制御であったが、プラズマ処理の中途にプラズマが消失した場合にプラズマに再点火するときにも適用される。なお、上記図２のフローチャートに基づく処理において、高電圧ＨＶの供給が開始（ステップＳ１４）した後は、定期的にＶＳＷＲ値の算出（ステップＳ１２）およびＶＳＷＲ値の判定（ステップＳ１３）が繰り返される。このＶＳＷＲ値の算出および判定はプラズマの消滅が悪影響を与えない程度の時間をおいて繰り返せばよいため、ステップＳ１４からステップＳ１２に戻る過程で一定時間を待つように処理してもよい。この待ち時間は、プラズマ発生装置１の状態に応じて適宜変更するよう構成してもよい。
【００４８】
例えば、図３の時刻ｔ４において、プラズマガスの供給に不具合が生じ、プラズマの状態が不安定になり、時刻ｔ５においてプラズマが消失したものとする。上記図２に示すプログラム処理は、プラズマ状態の如何に関わらず、定期的にまたは不定期に実行される。そのため所定の時刻、図３では時刻ｔ６にＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きいことが判定され（Ｓ１３：ＹＥＳ）、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶが重畳される（Ｓ１４）。高電圧ＨＶの重畳により、時刻ｔ７においてプラズマの種火が発生し、プラズマが発生する。プラズマが発生すると反射波が減少していく。そして、時刻ｔ８において、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈ以下となると判定され（Ｓ１３：ＮＯ）、高電圧ＨＶの重畳が停止する（Ｓ１５）。プラズマが中途に消失したとしても、本実施形態のプラズマ点火装置は自動的に再点火処理を行うのである。
【００４９】
以上、本実施形態に係るプラズマ点火装置の処理によれば、ＶＳＷＲ値が所定のしきい値Ｖｔｈより大きいか否かに基づいて、プラズマの発生の有無が判定される。このＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合には、プラズマを点火する前の状態であるか、または、一旦点火したプラズマが何らかの事情で消滅した状態であると判定し、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶを重畳する。従って、プラズマの点火状態を人間が監視することなく、かつ、人手を介することなく、容易にかつ確実にプラズマを点火したり再点火したりすることが可能である。
【００５０】
（実施形態２）
本発明の実施形態２は、上記実施形態１の発展系に係り、プラズマに点火するために高電圧の供給を開始させる場合のしきい値（第１のしきい値）と高電圧の供給を停止する場合のしきい値（第２のしきい値）とを異ならせた実施形態に関する。
【００５１】
本実施形態２に係るプラズマ発生装置１およびプラズマ点火装置１０の構成は、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。但し、制御装置１００のプログラム処理が図４のフローチャートに対応している点で実施形態１と異なる。
【００５２】
本実施形態２において、制御装置１００は、ＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きい場合に高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳し、高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳した後にＶＳＷＲ値が第２のしきい値Ｖｔｈ２以下になった場合に高電圧ＨＶの重畳を停止するように動作する。
【００５３】
より具体的に、上記実施形態１では、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶを印加する場合と高電圧ＨＶの印加を停止する場合とで、判定に用いるしきい値Ｖｔｈを同じ値にしていたが、本実施形態２では異ならせる。すなわち、本実施形態２では、プラズマが消滅状態であることを判定するために第１のしきい値Ｖｔｈ１を用い、プラズマの消滅状態から点火状態に変わったことを判定するために第２のしきい値Ｖｔｈ２を用いる。第１のしきい値Ｖｔｈ１と第２のしきい値Ｖｔｈ２は、以下のような関係であることが好ましい。
【００５４】
Ｖｔｈ１＞Ｖｔｈ２ …（３）
【００５５】
プラズマが発生していない状態、または、消滅してしまった状態からプラズマを点火するために高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳すると、放電によりプラズマが点火され、プラズマが発生する。ここでプラズマ発生当初は、まだガスの状態等が不安定な場合があり、ＶＳＷＲ値が直ちに低下せず、しきい値Ｖｔｈ付近に留まることがあり得る。このような場合のプラズマは弱かったり不安定な状態であったりする。そのような状態のプラズマに、たまたまＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈを超えたがために高電圧ＨＶが印加されると、その衝撃でプラズマが消滅してしまう場合がある。またプラズマが実際に消滅するとＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈを超えて高電圧ＨＶが印加されるため、高電圧ＨＶによる放電とプラズマの消滅とが繰り返される、いわゆるハンチング状態に陥る可能性もある。
【００５６】
そこで、本実施形態２では、プラズマが消滅状態であることを判定するために第１のしきい値Ｖｔｈ１と、プラズマの消滅状態から点火状態に変わったことを判定するために第２のしきい値Ｖｔｈ２とを異ならせる。異なるしきい値を用いた判定により、高電圧印加処理はヒステリシスを有するようになり、動作を安定的に遷移させることが可能となる。
【００５７】
次に本実施形態２に係るプラズマ点火方法を、図４のフローチャートおよび図５の波形図を参照しながら説明する。図４のフローチャートは、定期的にまたは必要に応じて不定期に、繰り返し実行されるプログラム処理である。上記実施形態１と同一の処理内容については同じステップ番号を付してある。
【００５８】
図４において、プラズマ待機状態の判定（Ｓ１０）、高周波信号ＨＳの供給（Ｓ１１）、ＶＳＷＲ値の算出（Ｓ１２）までの処理は、上記実施形態１と同一である。
【００５９】
ステップＳ１３ｂに移行し、制御装置１００は、算出されたＶＳＷＲ値がプラズマの発生を識別するための第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きいか否かを判定する。判定の結果、ＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きいと判定された場合には（ＹＥＳ）、プラズマが消滅していることが確認される。そこで、ステップＳ１４に移行し、制御装置１００は、高電圧発生装置１０３に制御信号ＳＨＶを送信して高電圧ＨＶの発生開始を指示する。この処理により、負荷電極１１４と接地電極１１６との間に供給される高周波信号ＨＳによるプラズマが発生する。
【００６０】
ステップＳ１３ｂの判定の結果、ＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１以下となった場合には（ＮＯ）、制御装置１００は、ステップＳ１３ｃに移行し、さらにＶＳＷＲ値が第２のしきい値Ｖｔｈ２以下であるか否かを判定する。その結果、ＶＳＷＲ値が第２のしきい値Ｖｔｈ２以下であると判定された場合には（ＹＥＳ）、消滅していたプラズマが安定的に点火したものと判定できる。そこでステップＳ１５に移行し、制御装置１００は、高電圧発生装置１０３に制御信号ＳＨＶを送信して高電圧ＨＶの供給停止を指示する。
【００６１】
ステップＳ１３ｃにおいて、ＶＳＷＲ値が第２のしきい値Ｖｔｈ２より大きい場合には（ＮＯ）、プラズマが安定的に点火したものとまでは言えない、プラズマが弱かったり不安定であったりする状態なので、制御装置１００はステップＳ１２のＶＳＷＲ値の算出に戻り高電圧ＨＶの重畳を継続する。
【００６２】
なお、上記図４のフローチャートに基づく処理において、高電圧ＨＶの重畳が開始（ステップＳ１４）した後に一定時間を待つように処理してもよい点は、上記実施形態１と同様である。この待ち時間は、プラズマ発生装置１の状態に応じて適宜変更するよう構成してもよい。
【００６３】
図５の波形図において、時刻ｔ０〜ｔ２は、上記ステップＳ１０〜Ｓ１３ｂ、Ｓ１３ｃ、Ｓ１４の過程に対応している。時刻ｔ０に制御装置１００が高周波信号をＯＮ状態に変化させ、伝送経路に高周波信号ＨＳが印加される。時刻ｔ１に、ＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きいと判定すると、制御装置１００が高電圧ＨＶをＯＮ状態に変化させ、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶが重畳される。高電圧ＨＶが印加されると種火となるプラズマが発生する。時刻ｔ２において、プラズマが発生する。これに伴い、負荷電極１１４側の負荷インピーダンスは、特性インピーダンスＺ０に向けて急速に収束し、負荷電極１１４から反射される反射波振幅値ＶｒおよびＶＳＷＲ値も小さくなっていく。時刻ｔ３において、ＶＳＷＲ値が第２のしきい値Ｖｔｈ２以下となった時に、制御装置１００は高電圧ＨＶをＯＦＦ状態に変化させる。高電圧ＨＶの重畳が停止され、ＶＳＷＲ値はプラズマの安定時の値Ｖｒｍｉｎに収束する。
【００６４】
プラズマの再点火にも同様にプログラム処理される。図５の時刻ｔ４においてプラズマガスの供給に不具合が生じ、プラズマの状態が不安定になり、時刻ｔ５においてプラズマが消失したものとする。このプラズマの消滅は、時刻ｔ６にＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きいことによって判定される。
【００６５】
以上、本実施形態２に係るプラズマ点火装置の処理によれば、上記実施形態１と同様の作用効果を奏する他、ＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きい場合に高電圧ＨＶを供給させる。またＶＳＷＲ値が第１のしきい値Ｖｔｈ１より小さい第２のしきい値Ｖｔｈ２以下である場合に高電圧ＨＶの供給を停止させる。このため、プラズマが消滅状態であること、および、プラズマが点火状態から消滅したことを確実に検出し、安定したプラズマの点火制御が可能となる。
【００６６】
（実施形態３）
本発明の実施形態３は、上記実施形態１の発展系に係り、高電圧を高周波信号に重畳した時から第１の時間経過してもＶＳＷＲ値が所定のしきい値Ｖｔｈより大きい場合には、所定の警報信号を出力し、かつ、高電圧の重畳を停止する態様に関する。プラズマが長時間点火されない場合に異常状態であると判定をする実施形態である。
【００６７】
本実施形態３に係るプラズマ発生装置１およびプラズマ点火装置１０の構成は、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。但し、制御装置１００のプログラム処理が図６のフローチャートに対応している点で実施形態１と異なる。
【００６８】
本実施形態３において、制御装置１００は、高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳した時から第１の時間Ｔ１経過してもＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合には、所定の警報信号を出力し、高周波信号の供給およびプラズマガスの供給を停止し、かつ、高電圧ＨＶの重畳を停止するよう動作する。
【００６９】
より具体的に、上記実施形態１では、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合には高電圧ＨＶを重畳し続けていた。しかし、高周波電源装置１０１または高電圧発生装置１０３の故障により、いつまで経ってもプラズマが発生しない場合がある。また、プラズマ供給系に生じた欠陥により、プラズマガスの流量や圧力に変動を生じた場合にもプラズマが生じない。そこで、本実施形態３では、一定時間経過してもプラズマの安定的な発生を検出できない場合は、異常状態にあるものと判定することとする。
【００７０】
次に本実施形態３に係るプラズマ点火方法を、図６のフローチャートおよび図７の波形図を参照しながら説明する。図６のフローチャートは、定期的にまたは必要に応じて不定期に、繰り返し実行されるプログラム処理である。上記実施形態１と同一の処理内容については同じステップ番号を付してある。
【００７１】
図６において、プラズマ待機状態の判定（Ｓ１０）、高周波信号ＨＳの供給（Ｓ１１）、ＶＳＷＲ値の算出（Ｓ１２）、ＶＳＷＲ値としきい値Ｖｔｈとの比較（Ｓ１３）、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合の高電圧重畳（Ｓ１４）、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈ以下である場合の高電圧重畳の停止（Ｓ１５）の各処理は、上記実施形態１と同一である。
【００７２】
ステップＳ１４において、高電圧を重畳した後、本実施形態３ではステップＳ１６が実行される。ステップＳ１６において、制御装置１００は、高電圧ＨＶの重畳を開始した時からの経過時間Ｔが異常判定のためのしきい値時間である第１の時間Ｔ１より大きいか否かを判定する。第１の時間Ｔ１は、正常なプラズマガスの供給状態であれば、高電圧重畳後に確実にプラズマが発生すると期待される時間長に設定する。判定の結果、高電圧ＨＶの重畳を開始した時からの経過時間が第１の時間Ｔ１を経過していると判定された場合（ＹＥＳ）、異常状態であると判定することが可能である。そこでステップＳ１７に移行し、制御装置１００は異常判定のための処理、例えば警報信号を出力する。次いでステップＳ１８に移行し、制御装置１００は、高周波信号ＨＳの供給およびプラズマガスの供給を停止させる。そしてステップＳ１５に移行し、高電圧ＨＶの重畳を停止させる。ここで、警報信号の出力としては、表示装置への表示、警報ランプの点灯、警報ブザーの発音等が考えられる。
【００７３】
なお、ステップＳ１６において、高電圧ＨＶの重畳を開始した時からの経過時間が第１の時間Ｔ１を経過していないと判定された場合には（ＮＯ）、通常のプラズマ点火待ちの時間範囲内であると判定し、ＶＳＷＲ値の算出に戻る（Ｓ１２）。
【００７４】
図７の波形図において、時刻ｔ１０〜ｔ１１は、上記ステップＳ１０〜Ｓ１３の過程に対応している。時刻ｔ１０に制御装置１００が高周波信号をＯＮ状態に変化させ、伝送経路に高周波信号ＨＳが印加される。時刻ｔ１１に、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きいと判定すると、制御装置１００が高電圧ＨＶをＯＮ状態に変化させ、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶが重畳される。
【００７５】
ここで、何らかの異常が発生していると、高電圧ＨＶが印加されても種火となるプラズマが発生せず、または、種火となるプラズマが発生してもプラズマが安定的に生じない。このような状態では、負荷インピーダンスが収束せず、ＶＳＷＲ値は、プラズマの安定的発生を検出するしきい値Ｖｔｈを上回ったまま時間が経過する。この状態のまま、高電圧ＨＶを印加した時刻ｔ１１から第１の時間Ｔ１が経過した時刻ｔ１２となると、制御装置１００は異常状態が発生しているものと判定する。そして高周波信号および高電圧重畳をＯＦＦ状態とし、警報信号を出力するのである。
【００７６】
以上、本実施形態３に係るプラズマ点火装置の処理によれば、上記実施形態１と同様の作用効果を奏する他、高電圧ＨＶの重畳後に第１の時間Ｔ１が経過してもＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合には異常状態であると判定して警報信号を出力する。よって、プラズマ生成装置１に発生した不具合を確実に検出し、管理者に保守の必要性を報知することが可能である。
【００７７】
（実施形態４）
本発明の実施形態４は、上記実施形態１の発展系に係り、高電圧を高周波信号に重畳した時から第２の時間経過してもＶＳＷＲ値が所定のしきい値Ｖｔｈより大きい場合には、高電圧の電圧値を変更する態様に関する。プラズマが一定時間で点火されない場合には印加する高電圧を変更していく実施形態である。
【００７８】
本実施形態４に係るプラズマ発生装置１およびプラズマ点火装置１０の構成は、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。但し、制御装置１００のプログラム処理が図８のフローチャートに対応している点で実施形態１と異なる。
【００７９】
本実施形態４において、制御装置１００は、高電圧ＨＶを高周波信号ＨＳに重畳した時から第２の時間Ｔ２経過してもＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合には、高電圧ＨＶの電圧値を変更するように動作する。
【００８０】
より具体的に、上記実施形態１では、高周波信号ＨＳに重畳する高電圧ＨＶは変更されなかった。しかし、プラズマガスの状態によっては、高周波信号ＨＳに印加する高電圧ＨＶの電圧値が異なることによって、放電が発生しやすくなる場合もある。そこで、本実施形態４では、第２の時間Ｔ２経過してもプラズマが発生しない場合には、重畳する高電圧ＨＶの電圧値を変更するよう制御することとする。特に、本実施形態では高電圧ＨＶの電圧値を段階的に上昇させていくように処理する場合を例示する。
【００８１】
次に本実施形態４に係るプラズマ点火方法を、図８のフローチャートおよび図９の波形図を参照しながら説明する。図８のフローチャートは、定期的にまたは必要に応じて不定期に、繰り返し実行されるプログラム処理である。上記実施形態１と同一の処理内容については同じステップ番号を付してある。
【００８２】
図８において、プラズマ待機状態の判定（Ｓ１０）、高周波信号ＨＳの供給（Ｓ１１）、ＶＳＷＲ値の算出（Ｓ１２）、ＶＳＷＲ値としきい値Ｖｔｈとの比較（Ｓ１３）、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きい場合の高電圧重畳（Ｓ１４）、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈ以下である場合の高電圧重畳の停止（Ｓ１５）の各処理は、上記実施形態１と同一である。
【００８３】
ステップＳ１４において高電圧を重畳した後、本実施形態４ではステップＳ１９が実行される。ステップＳ１９において、制御装置１００は、高電圧ＨＶの重畳を開始した時からの経過時間Ｔが電圧値変更のしきい値である第２の時間Ｔ２より大きいか否かを判定する。第２の時間Ｔ２は、正常なプラズマガスの供給状態であれば、高電圧重畳後に確実にプラズマが発生すると期待される時間長（実施形態３における第１の時間Ｔ１）より短く設定する。また何段階電圧値を変更するかに応じて設定する。
【００８４】
判定の結果、高電圧ＨＶの重畳を開始した時からの経過時間が第２の時間Ｔ２を経過していると判定された場合（ＹＥＳ）、重畳する高電圧ＨＶの電圧値を変更すべきと判断する。そこでステップＳ２０に移行し、制御装置１００は、高電圧発生装置１０３に制御信号ＳＨＶを出力し、重畳する高電圧ＨＶの電圧値を所定のステップ（例えばΔＶ）上昇させる指示をする。そして、ステップＳ１４に移行し、高電圧発生装置１０３は、指示された電圧値で高電圧ＨＶを発生し、高周波信号ＨＳに重畳させる。判定の結果、高電圧ＨＶの重畳を開始したときからの経過時間が第２の時間Ｔ２だけ経過していないと判断された場合（ＮＯ）、ＶＳＷＲ値の算出に戻る（Ｓ１２）。
【００８５】
なお、ステップＳ１９において、初回は高電圧ＨＶの重畳を開始した時点からの経過時間Ｔを第２の時間Ｔ２と比較するが、２回目以降は、前回高電圧ＨＶの電圧値を変更した時点からの経過時間Ｔを第２の時間Ｔ２と比較する。すなわち、第２の時間Ｔ２が経過する度に、経過時間の計測を行う内部タイマがリセットされる。
【００８６】
図９の波形図において、時刻ｔ２０〜ｔ２１は、上記ステップＳ１０〜Ｓ１３の過程に対応している。時刻ｔ２０に制御装置１００が高周波信号をＯＮ状態に変化させ、伝送経路に高周波信号ＨＳが印加される。時刻ｔ２１に、ＶＳＷＲ値がしきい値Ｖｔｈより大きいと判定すると、制御装置１００が高電圧ＨＶをＯＮ状態に変化させ、高周波信号ＨＳに高電圧ＨＶ１（初期値）が重畳される。図９から明らかなように、第１の時間Ｔ１は、第２の時間Ｔ２より長く、かつ、時刻ｔ２１からｔ２４までの時間に等しい。
【００８７】
ここで、プラズマガスの状態によっては、所定の電圧値の高電圧ＨＶが印加されても、プラズマが安定的に生じないことがある。このような状態では、負荷インピーダンスが収束せず、ＶＳＷＲ値はプラズマの安定的発生を検出するしきい値Ｖｔｈを上回ったまま時間が経過する。前回、高電圧ＨＶの重畳を開始した時刻ｔ２１から第２の時間Ｔ２が経過した時刻ｔ２２となると、高周波信号ＨＳに重畳される高電圧ＨＶの電圧値がステップΔＶだけ高いＨＶ２に変更される。変更された高電圧ＨＶ２によってもプラズマが発生しない場合、ＶＳＷＲ値は依然としてしきい値Ｖｔｈを上回ったままである。そこで、前回、高電圧ＨＶの電圧値を変更した時刻ｔ２２から第２の時間Ｔ２が経過した時刻ｔ２３となったら、高周波信号ＨＳに重畳される高電圧ＨＶの電圧値がさらにステップΔＶだけ高いＨＶ３に変更される。変更された高電圧ＨＶ３により時刻ｔ２４にプラズマが発生すれば、ＶＳＷＲ値は収束し、しきい値Ｖｔｈ以下となる結果、高電圧ＨＶの重畳は停止される。
【００８８】
以上、本実施形態４に係るプラズマ点火装置の処理によれば、上記実施形態１と同様の作用効果を奏する他、第２の時間Ｔ２が経過する度に重畳する高電圧ＨＶの電圧値を変更するので、プラズマガスの状態が変動していても確実にプラズマに点火可能である。
【００８９】
（その他の変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用することが可能である。
【００９０】
例えば、上記実施形態１〜４は排他的な実施形態ではなく、複数の実施形態を任意に互いに組み合わせて適用することが可能である。図１０に示すフローチャートは、実施形態１〜４の総てを反映させた場合の応用例を示している。当該応用例によれば、実施形態１による作用効果に加え、実施形態２〜４のそれぞれに特徴的な作用効果を総て備えるプラズマ点火方法を提供可能である。
【００９１】
また上記実施形態１〜４では、図１に示すように、プラズマ発生装置１が一つのセラミックチューブ１１２を備える態様を例示していたが、複数のセラミックチューブによりプラズマを発生させる装置であってもよい。
【００９２】
図１１に、複数のセラミックチューブ１１２を備えたプラズマ発生装置１ｂの構成図を示す。上記実施形態１（図１）と同じ構成は同じ符号を付してある。
【００９３】
本プラズマ発生装置１ｂは、プラズマ点火装置１０、ガスチャンバ１１０ｂ、リアクタンス補正コイル１１１、セラミックチューブ１１２、負荷電極１１４ｂ、フレーム１１５、接地電極１１６ｂ、プラズマガス供給口１１８を備えて構成される。特に本変形例では、セラミックチューブ１１２が複数設けられている点に特徴がある。
【００９４】
ガスチャンバ１１０ｂは、実施形態１のガスチャンバ１１０と同様にプラズマガスを供給するためのガス充填室であるが、複数のセラミックスチューブ１１２が設けられたフレーム１１３を備える点で異なっている。フレーム１１３は、導電体で構成されており、セラミックチューブ１１２を貫通保持させるための保持穴が設けられた板状体となっている。各保持穴は、セラミックチューブ１１２を保持可能なように、セラミックチューブの外径と同じ程度に形成されている。複数のセラミックチューブ１１２は、各々の開口が洗浄面Ｓに対向するようにフレーム１１３に保持されている。負荷電極１１４ｂは、真鍮等の導電体で構成されており、フレーム１１３に保持されたセラミックチューブ１１２を挿通する挿通孔が設けられた板状体となっている。各挿通孔は、セラミックチューブ１１２の外径より僅かに大きくなるように形成されている。負荷電極１１４ｂは、上記実施形態１と同様に、リアクタンス補正コイル１１１を介して同軸ケーブル１０６に電気的に接続され、プラズマ点火装置１０および整合装置１０５から出力された高周波信号ＨＳが供給されるようになっている。ガスチャンバ１１０ｂには、セラミックチューブ１１２の一部および負荷電極１１４ｂを取り囲むように、シールドカバー１１５が設けられている。シールドカバー１１５は、導電体で構成されており、負荷電極１１４ｂから発生する電磁波をシールド可能に構成されている。また接地電極１１６ｂが複数、各セラミックチューブ１１２の軸芯に沿って設けられている。プラズマ点火装置１０および整合装置１０５の構成および動作については、上記実施形態１〜４と同様である。
【００９５】
上記変形例のプラズマ発生装置１ｂにおいて、上記実施形態１〜４と同様に、プラズマガス供給口１１８にプラズマガスが供給され、プラズマ点火装置１０から高電圧ＨＶを負荷電極１１４ｂに供給すると放電によりプラズマが発生する。さらにプラズマ点火装置１０から高周波信号ＨＳが供給されることにより安定的にプラズマが維持される。特に、上記変形例のプラズマ発生装置１ｂによれば、複数のセラミックチューブ１１２が洗浄面Ｓに向かってプラズマジェットを射出可能に構成されている。よって、広範囲に亘ってプラズマジェットによる加工（洗浄）が行える。そして、このような形態のプラズマ発生装置１ｂにおいても、本発明のプラズマ点火方法を適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明のプラズマ点火装置およびプラズマ点火方法は、手動によらず自動的に閉空間の換気を実施させたい環境において適用することが可能である。
【符号の説明】
【００９７】
１…プラズマ発生装置、１０…プラズマ点火装置、１００…制御装置、１０１…高周波電源装置、１０２…進行波・反射波検出装置、１０３…高電圧発生装置、１０４…重畳コイル、１０５…整合装置、１０６…同軸ケーブル、１１０、１１０ｂ…ガスチャンバ、１１１…リアクタンス補正コイル、１１２…セラミックチューブ、１１４、１１４ｂ…負荷電極、１１５…シールドカバー、１１６、１１６ｂ…接地電極、１１８…プラズマガス供給口、ＨＳ…高周波信号、ＨＶ…高電圧、ＨＶ１…高電圧、ＨＶ２…高電圧、ＨＶ３…高電圧、Ｍ…記憶媒体、Ｓ…洗浄面（被加工面）、ＳＨＳ…制御信号、ＳＨＶ…制御信号、Ｖｆ…進行波振幅値、Ｖｒ…反射波振幅値、Ｚ…負荷インピーダンス、Ｚ０…特性インピーダンス、Γ（ガンマ）…電圧反射係数
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを発生させる負荷電極に所定の高周波信号を供給する高周波電源装置と、
前記高周波電源装置側と前記負荷電極側とのインピーダンスを整合させる整合装置と、
前記高周波信号の進行波および反射波を検出する進行波・反射波検出装置と、
所定の高電圧を発生する高電圧発生装置と、
前記反射波の前記進行波に対する比率が第１のしきい値より大きい場合に前記高電圧を前記高周波信号に重畳する制御装置と、
を備えたことを特徴とするプラズマ点火装置。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記高電圧を前記高周波信号に重畳した後に前記比率が第２のしきい値以下になった場合に前記高電圧の重畳を停止する、
請求項１に記載のプラズマ点火装置。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記高電圧を前記高周波信号に重畳した時から第１の時間経過しても前記比率が前記第２のしきい値より大きい場合には、所定の警報信号を出力し、かつ、前記高電圧の重畳、前記高周波信号の供給、および前記プラズマを誘導するために供給されていたプラズマガスの供給を停止する、
請求項１または２に記載のプラズマ点火装置。
【請求項４】
前記制御装置は、
前記高電圧を前記高周波信号に重畳した時から第２の時間経過しても前記比率が前記第２のしきい値より大きい場合には、前記高電圧の電圧値を変更する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置。
【請求項５】
前記第１のしきい値と前記第２のしきい値とが異なっている、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置を備えるプラズマ発生装置であって、
前記高周波信号が供給される前記負荷電極と、
前記負荷電極との間で前記プラズマを発生させるための接地電極と、
前記負荷電極または前記設置電極の周囲にプラズマガスを誘導するセラミックチューブと、
前記セラミックチューブに前記プラズマガスを供給するガス供給装置と、
を備えるプラズマ発生装置。
【請求項７】
前記接地電極は、前記セラミックチューブの軸芯に沿って延在しており、
前記負荷電極は、前記セラミックチューブの外側から囲むようにして前記接地電極の一部と対向している、
請求項６に記載のプラズマ発生装置。
【請求項８】
前記接地電極は、前記セラミックチューブの軸芯に沿って延在しており、
前記負荷電極は、前記セラミックチューブの外側を囲む管形状を有しており、前記接地電極の先端部まで延在している、
請求項６に記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】
前記セラミックチューブを複数本備えており、
前記接地電極は、各前記セラミックチューブの軸芯に沿って、それぞれ延在している、
請求項６に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１０】
前記プラズマ点火装置と前記負荷電極との間にインピーダンス補正コイルが設けられている、
請求項６に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１１】
プラズマを発生させる負荷電極に所定の高周波信号を供給するステップと、
前記高周波信号供給側と前記負荷電極側とのインピーダンスを整合させるステップと、
前記高周波信号の進行波および反射波を検出するステップと、
前記反射波の前記進行波に対する比率が第１のしきい値より大きい場合に所定電圧の高電圧を前記高周波信号に重畳するステップと、
を備えたことを特徴とするプラズマ点火方法。
【請求項１２】
プラズマを発生させる負荷電極に所定の高周波信号を供給する高周波電源装置と、前記高周波電源装置側と前記負荷電極側とのインピーダンスを整合させる整合装置と、前記高周波信号の進行波および反射波を検出する進行波・反射波検出装置と、所定の高電圧を発生する高電圧発生装置と、を備えるプラズマ点火装置のためのプラズマ点火制御プログラムであって、
コンピュータに、
前記高周波信号の前記負荷電極への供給を開始させる機能と、
前記反射波の前記進行波に対する比率を演算して第１のしきい値と比較する機能と、
前記比率が前記第１のしきい値より大きい場合に前記高電圧を前記高周波信号に重畳させる機能と、
を実行させるための命令が記述されたプラズマ点火制御プログラム。
【請求項１】
プラズマを発生させる負荷電極に所定の高周波信号を供給する高周波電源装置と、
前記高周波電源装置側と前記負荷電極側とのインピーダンスを整合させる整合装置と、
前記高周波信号の進行波および反射波を検出する進行波・反射波検出装置と、
所定の高電圧を発生する高電圧発生装置と、
前記反射波の前記進行波に対する比率が第１のしきい値より大きい場合に前記高電圧を前記高周波信号に重畳する制御装置と、
を備えたことを特徴とするプラズマ点火装置。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記高電圧を前記高周波信号に重畳した後に前記比率が第２のしきい値以下になった場合に前記高電圧の重畳を停止する、
請求項１に記載のプラズマ点火装置。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記高電圧を前記高周波信号に重畳した時から第１の時間経過しても前記比率が前記第２のしきい値より大きい場合には、所定の警報信号を出力し、かつ、前記高電圧の重畳、前記高周波信号の供給、および前記プラズマを誘導するために供給されていたプラズマガスの供給を停止する、
請求項１または２に記載のプラズマ点火装置。
【請求項４】
前記制御装置は、
前記高電圧を前記高周波信号に重畳した時から第２の時間経過しても前記比率が前記第２のしきい値より大きい場合には、前記高電圧の電圧値を変更する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置。
【請求項５】
前記第１のしきい値と前記第２のしきい値とが異なっている、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置を備えるプラズマ発生装置であって、
前記高周波信号が供給される前記負荷電極と、
前記負荷電極との間で前記プラズマを発生させるための接地電極と、
前記負荷電極または前記設置電極の周囲にプラズマガスを誘導するセラミックチューブと、
前記セラミックチューブに前記プラズマガスを供給するガス供給装置と、
を備えるプラズマ発生装置。
【請求項７】
前記接地電極は、前記セラミックチューブの軸芯に沿って延在しており、
前記負荷電極は、前記セラミックチューブの外側から囲むようにして前記接地電極の一部と対向している、
請求項６に記載のプラズマ発生装置。
【請求項８】
前記接地電極は、前記セラミックチューブの軸芯に沿って延在しており、
前記負荷電極は、前記セラミックチューブの外側を囲む管形状を有しており、前記接地電極の先端部まで延在している、
請求項６に記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】
前記セラミックチューブを複数本備えており、
前記接地電極は、各前記セラミックチューブの軸芯に沿って、それぞれ延在している、
請求項６に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１０】
前記プラズマ点火装置と前記負荷電極との間にインピーダンス補正コイルが設けられている、
請求項６に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１１】
プラズマを発生させる負荷電極に所定の高周波信号を供給するステップと、
前記高周波信号供給側と前記負荷電極側とのインピーダンスを整合させるステップと、
前記高周波信号の進行波および反射波を検出するステップと、
前記反射波の前記進行波に対する比率が第１のしきい値より大きい場合に所定電圧の高電圧を前記高周波信号に重畳するステップと、
を備えたことを特徴とするプラズマ点火方法。
【請求項１２】
プラズマを発生させる負荷電極に所定の高周波信号を供給する高周波電源装置と、前記高周波電源装置側と前記負荷電極側とのインピーダンスを整合させる整合装置と、前記高周波信号の進行波および反射波を検出する進行波・反射波検出装置と、所定の高電圧を発生する高電圧発生装置と、を備えるプラズマ点火装置のためのプラズマ点火制御プログラムであって、
コンピュータに、
前記高周波信号の前記負荷電極への供給を開始させる機能と、
前記反射波の前記進行波に対する比率を演算して第１のしきい値と比較する機能と、
前記比率が前記第１のしきい値より大きい場合に前記高電圧を前記高周波信号に重畳させる機能と、
を実行させるための命令が記述されたプラズマ点火制御プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１２４０８７（Ｐ２０１１−１２４０８７Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８０５８１（Ｐ２００９−２８０５８１）
【出願日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【出願人】（０００１４６７２２）株式会社新川 (128)
【出願人】（５９９１４５７３１）株式会社 東京ハイパワー (3)
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【出願人】（０００１４６７２２）株式会社新川 (128)
【出願人】（５９９１４５７３１）株式会社 東京ハイパワー (3)
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