CN102668722B - 电源装置 - Google Patents

Abstract

提供一种电源装置，其在有效限制与喷溅或颗粒的产生直接相关的电弧放电发生时的电流上升的同时，能够防止电弧处理结束时放电电压变得过大。本发明的电源装置E具有：直流电源部（2），其向与等离子体P接触的靶T施加直流电压；以及电弧处理部（3），其在该直流电源部的正负输出（5a、5b）上检测电极处发生的电弧放电，并且能进行该电弧放电的消弧处理。具有输出特性切换电路（6、SW2），通过电弧处理部检测得知电弧放电的发生，所述输出特性切换电路（6、SW2）为使消弧处理开始时给所述电极的输出具有恒流特性，到该消弧处理结束之前给所述电极的输出具有恒压特性，而进行所述输出的切换。

Description

电源装置

技术领域

本发明涉及一种电源装置，其向与等离子体接触的电极施加直流电压（投入电力）。

背景技术

对于在玻璃或硅晶片等基板表面形成薄膜的方法，已知的是使用磁控溅镀（下称“溅镀”）装置。在该溅镀装置中，例如向真空气氛下的处理室内导入规定的溅镀气体（氩气），并且通过电源装置给对应要在基板表面形成的薄膜的组成而制备的靶施加负直流电压形成等离子气氛。之后，使等离子气氛中的离子向靶加速撞击，使溅镀颗粒（靶原子）散射，附着、堆积在基板表面上，形成规定的薄膜。

已知通过上述溅镀装置形成薄膜期间，因某些原因导致发生电弧放电（异常放电）。一旦发生电弧放电，由于等离子体（负载）的阻抗急速变小，将引起电压急速降低，与之伴随电流增加。此处，靶特别是铝等金属材质时，高电弧电流值的电弧放电，一旦例如在靶上局部发生，则靶被熔解而飞出的物质附着在处理基板表面上产生颗粒或喷溅（数μm～数百μm的颗粒），产生无法良好成膜的问题。

在给上述靶施加直流电压的电源装置中，一般设置有电弧处理部，对于像这样的电弧处理部，可以举出具有：检测从直流电源部给靶的输出电压或输出电流的检测设备，以及并联或串联设置在从直流电源部到靶的正负输出之间的断弧用开关元件（电弧开关）。之后，从输出电压或输出电流的变化量检测出电弧放电的产生后，对上述开关元件，在并联连接时短路，或在串联连接时打开，截断给等离子体（负载）的电弧能量供给。

再有，为了消除上述问题，已知一种将电源装置的输出阻抗恒流化的方法。一般地，很多时候是在从电源装置到靶的输出中并联设置电容器，作为截断电弧能量供给时的每单位时间的特性而显示恒压。之后，一旦等离子体处发生电弧放电，就因恒压特性过流短时间急速产生电弧能量増大，但检测到电弧放电发生时通过操作上述开关元件，能够防止过流的增加。但是，在开关元件工作的数μS的时间里，该电流的急速增加无法避免。

因此，为了防止该急速的电流增加，通过专利文献1可知一种方法，其在切换电弧开关对电弧放电做消孤的处理（消孤处理）所需的期间里，将电源装置的输出特性恒流化，极力防止在到开关元件动作之前的时间内电弧电流的增加。然而，专利文献1所述的方法中，在电弧处理结束后的特性上有很大问题。即在专利文献1所述的方法中，控制开关元件结束电弧处理之后，在返回一般的输出时，存在等离子体（负载）的电感成分导致产生过压的问题。像这样的问题，在作为阴极的靶的面积变大、等离子体体积变大时变得明显（例如，在大面积的平板制造用的溅镀装置中靶的外形尺寸变为数米大小，则其过度的电感成分变为数十μH以上）。

之后，由于靠此种电感成分恒流化的直流电源的输出的电流急速増加，导致等离子体处的电压与一般的放电电压相比变得过大。例如，一般的放电电压为－600V时，通过电弧处理电路的开关元件电弧处理结束后，一旦直流电源被恒流化，将产生－1000V以上的电压。一旦产生这样的过压，电弧放电就变得更加频繁。

现有技术

现有技术文献

专利文献

专利文献1：专利公开平成10－298754号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

鉴于以上情况，本发明所要解决的技术问题是提供一种电源装置，其在有效限制与喷溅或颗粒的产生直接相关的电弧放电发生时的电流上升的同时，能防止电弧结束时放电电压变得过大。

解决技术问题的手段

为解决上述技术问题，本发明的电源装置，具有向与等离子体接触的电极施加直流电压的直流电源部；以及能在该直流电源部的正负输出上检测出电极处发生的电弧放电，并且能进行该电弧放电的消弧处理的电弧处理部；其特征在于具有：输出特性切换电路，通过所述电弧处理部来检测电弧放电的发生，所述输出特性切换电路为使在消弧处理开始时，所述电极的输出具有恒流特性，到该消弧处理结束之前所述电极的输出具有恒压特性，而进行所述输出的切换。

根据本发明，设置了输出特性切换电路，因某些原因导致电弧放电发生时，当等离子体的阻抗急速变小而引起急速的电压降低，与之伴随电流増加时，由于依靠电弧处理部从直流电源部给电极的输出是恒流特性，所以电弧放电发生时的每单位时间的电流上升率受到限制。另一方面，通过在电弧处理部电弧处理即将结束或者在结束的同时，切换为恒压特性，来防止等离子体的电压与一般的放电电压相比变得过大，从而能够防止电弧放电频繁发生。

在本发明中，所述输出特性切换电路，如果采用具有配置在正负两个输出中的至少一方上的电感器，以及与该电感器并联连接的开关元件的结构，就能够很简单地实现从恒流特性切换为恒压特性的结构。此时，上述开关元件的切换时序，可根据电弧的持续时间量，即给靶T的投入电力、以及布线中的电感成分或电容成分中贮存的能量而对应电弧的残留能量变为0所需的时间而合理设置，再有，在处理微电弧时，控制上述开关元件断开，以使电弧放电发生时的电流上升率受到限制。

另一方面，所述输出特性切换电路，如果采用具有配置在正负两个输出中的至少一方上的电感器，以及与所述电感器串联连接，在过压发生时短路所述电感器的二极管的结构，则在过压产生期间，通过二极管变为导通状态电感器被短路，在此期间变为恒压特性。这样一来，由于不使用需要控制切换的开关元件，所以能够简化电路结构及其控制。

另外，在本发明中，所述电极，例如是配置在实施溅镀法的处理室内的靶。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的电源装置的结构的示意图。

图2是说明在图1的电源装置的电弧放电的消弧处理的图。

图3是说明电弧处理的图。

图4是示出另一种实施方式的电源装置的结构的示意图。

图5是用于说明使用多台本发明的电源装置向靶输出的例示图。

具体实施方式

参照下面的附图，说明用于在溅镀装置中给靶施加直流电压的本发明实施方式的电源装置E。

如图1所示，电源装置E，例如与溅镀装置的处理室1内配置的基板（图中未示出）相向配置，对作为与等离子体P接触的电极的靶T，以规定的电力施加负直流电压。电源装置E具有：能提供直流电的直流电源部2；电弧处理部3；统一控制电源装置运行的CPU电路4。直流电源部2，虽未特别示出，但输入商用交流电（例如单相AC200V、三相AC200等），整流该输入的交流电变换为直流电后，通过逆变器转换再次转为交流，整流其输出再次转换为直流电输出给靶T。来自直流电源部2的正输出（电缆）5a的端部接地（在本实施方式中接地，与分隔出处理室1的真空腔连接），负输出（电缆）5b的端部与靶T连接。另外，在图1的直流电源部2中，C是电容器。

电弧处理部3，具有与正负两个输出5a、5b之间并联连接的开关元件（电弧开关）SW1。开关元件SW1，例如由IGBT（也可使用FET或Tr）构成，通过通信自如地连接在CPU电路4上的驱动电路31控制其通断切换。再有，电弧处理部3，设置为具有检测输出电流、输出电压的检测电路32，检测电路32检测出的输出电流、输出电压经AD转换电路33输入到CPU电路4中。

再有，检测电路32与电弧检测电路34连接。由于发生电弧放电时等离子体（负载）P的阻抗急速变小，引起电压急速降低，与之伴随电流增加，从而电弧检测电路34从检测电路32检测出的输出电流和/或输出电压的变化量检测出电弧放电的发生。电弧检测电路34与电弧处理电路35通信自如地连接，电弧处理电路35与CPU电路4及驱动电路31通信自如地连接。而且，一旦在电弧检测电路34上检测出电弧放电的发生，就将其输出给电弧处理电路35，通过电弧处理电路35，经驱动电路31控制开关元件SW1的通断切换，进行电弧放电的消弧处理。

此处，在上述结构的电源装置E中，来自直流电源部2的输出是恒压特性，由于一旦与电容成分（电容）相比电感成分变为主导，电弧放电发生时等离子体负载侧的阻抗变小，输出和等离子体P相结合后从电容成分向输出侧急速释放。因此，存在从电弧检测电路34检测电弧放电到开关元件SW1的切换导致给靶T的输出截断的时间内存在大电弧电流流通的危险。

在本实施方式中，设置为在负输出5b上设置有电感值比等离子体P的电感成分大的电感器6。此时，后面说明的微电弧处理时的电流上升率小于稳态电流值的200％，优选的是限制在150％以下时，电感器6的电感值设为L，给靶T的输出电压设为V及电流变化时间为Δt，则电弧放电发生时的输出电流上升率（Δi）按Δi＝Δt·V／L来计算。其时，设给靶T的输出电压为500V，设输出电流为100A，设微电弧处理（输出截断）时间为200μS，要使到检测过流截断输出为止的电流上升率为150％，则Δi变为50A。此时将带有2mH的电感值的电感器6与负输出5b连接即可。另外，在本实施方式中，是把具有规定值的电感器6设置在负输出5b上，但电感器6的连接位置并不受此限定，也可设置在正输出5a或分别设置在正负两个输出5a、5b上。

然而，采用上述结构时，通过电弧处理部3结束电弧处理后，控制开关元件SW1的切换并返回一般的输出时，由于等离子体P的电感成分导致过压产生，所以需要对此加以防止。

在本实施方式中，设置为与电感器6并联安装另一个开关元件SW2，由开关元件SW1、SW2及电感器6构成本实施方式的输出特性切换电路。开关元件SW2，例如能够由IGBT（也可使用FET及Tr）构成，通过驱动电路31对其通断切换进行控制。另外，在本实施方式中，构成为从直流电源部2到靶T的正负输出5a、5b之间再并联安装另一个开关元件SW3，以便在判断电弧处理部3的微电弧处理不能进行电弧放电的消弧处理时，能够即时截断给靶T的输出。此时，开关元件SW3也例如能够由IGBT（也可使用FET及Tr）构成，通过驱动电路31对其通断切换进行控制。

接着。参照图2及图3对在本实施方式的电源装置E处的电弧处理进行说明。在处理室1内设置靶T和基板后，将处理室1内抽真空直到规定圧力。之后，导入规定的溅镀气体，并且启动电源装置E给靶T施加规定的负电位。由此，在处理室1内形成等离子体P气氛，通过靶T的溅镀在基板表面形成薄膜。

接着，在溅镀期间，一旦由于某些原因导致电弧放电发生，即可由于等离子体P的阻抗急速变小，而引起电压急速下降，与之伴随电流増加。此时，一旦电弧处理部3的检测电路32检测出的输出电流、输出电压超过规定的范围变化，则通过电弧检测电路34检测电弧放电的发生。例如，一旦输出电流超过固定的范围变化，就可作为电弧放电的前兆现象（微弧）加以捕捉，进行消弧处理。

即参照图3说明的话，检测电路32检测出的输出电流Ia超过稳态输出电流値Ic时，通过电弧处理电路35作为电弧放电发生的前兆现象加以捕捉，经CPU电路4及电弧处理电路35通过输出振荡用驱动电路31短路（导通）输出短路用的开关元件SW1。此时，由于在负输出5b上安装有电感器6，所以来自直流电源部2的输出变为恒流特性，电弧放电的发生时的电流上升率受到限制。

接着，经过规定时间（数μS～数mS）后，一旦开关元件SW1的短路被解除（断开），则给靶T的输出重新开始。此时，在开关元件SW1的短路即将被解除时或短路被解除的同时，电感器6短路用的另一个开关元件SW2被短路（导通）（参照图2）。另外，SW1的导通时间，可根据电弧的持续时间量，即给靶T的投入电力、布线中的电感成分以及电容成分中储存的能量并对应电弧的残留能量变为0所需时间而合理设置（10μS左右的时间）。像这样通过将开关元件SW2导通而使电感器6短路固定期间（数μS），在此状态中，从直流电源部2向靶T的输出变为恒压特性。其结果是来自直流电源部2的输出的急速的电流増加得到防止，等离子体P的电压相比一般放电电压过大的情况得到防止。之后，电感器6短路用的另一个开关元件SW2，在开关元件SW1的短路解除后，在经过数μS或其以上后，进行切换而电感器6的短路被解除（断开）。另外，开关元件SW1的短路解除后，在下一个电弧放电发生时，一旦电感器6处于被短路的状态，就变为过流。因此，变得需要设定另一个开关元件SW2的切换时期，以便在下一个电弧放电发生后能够使电感器6有效地发挥作用。接着，通过电弧检测电路34判定输出电流Ia是否超过稳态输出电流値Ic，还超过稳态输出电流値Ic的话，通过驱动电路31再次短路开关元件SW1，经过规定期间后，和上述一样进行输出的恢复处理。

判断是否即便多次重复该一系列的微电弧处理输出电流Ia仍处于超过稳态输出电流値Ic的状态，或者一旦输出电流Ia超过预设的规定値，则发生诱发喷溅或颗粒发生的电弧放电，通过CPU电路4的控制使开关元件SW3导通，停止来自直流电源部2的输出（强电弧处理）。即便在该处理期间，通过电弧电流值保持为小于稳态电流值的200％，能够减小释放的电弧能量，有效地抑制喷溅或颗粒的发生。

如以上说明的那样，采用本实施方式中的电源装置E，由于安装了输出特性切换电路6、SW2，所以在因某些原因导致电弧放电发生时，从直流电源部2给靶T的输出是恒流特性，所以电弧放电发生时的每单位时间的电流上升率受到限制。另一方面，通过在电弧处理部3即将结束电弧处理时或结束电弧处理的同时变为恒压特性，而能够防止等离子体P的电压相比放电电压变得过大，从而防止电弧放电频繁发生。

以上，针对本发明的实施方式的电源装置E进行了说明，但本发明并不被上述所限制。在上述实施方式中，以使用IGBT、FET或Tr作为开关元件SW1～SW3的装置来进行了说明，但并不限于此。再有，以由电感器6和开关元件SW2构成的输出特性切换电路为例进行了说明，但如图4所示那样，也能够采用具有设置在正负两个输出的5a、5b中的至少一方的电感器6，以及彼此串联、与该电感器6并联连接、在过压发生时短路电感器6的二极管D和电阻R的结构。采用该结构，在过压产生期间，通过二极管D变为导通状态电感器6被短路，而变为在此期间恒压特性。由此，由于不使用需要控制切换的开关元件，所以能够简化电路结构及其控制。作为电阻R，可使用数Ω～10Ω范围的电阻。

再有，在上述实施方式中，以在正负输出5a、5b之间并联连接作为电弧开关的开关元件SW1的装置为例进行了说明，但并不限于此，本发明也能适用于串联连接开关元件SW1的装置。然而，将开关元件SW1并联连接在正负输出5a、5b之间时，进行电弧放电的消弧处理期间，对于直流电源部2侧负载变为短路状态。因此，没有特别处理也不会产生过压。另一方面，串联连接时，对于直流电源部2侧负载变为开路，由于恒电力控制时电压上升，所以在直流电源部侧需要停止输出。

进而，在上述实施方式中，以用一个电源装置E向一个靶投入电力为例进行了说明，但如图5所示，本发明也能适用于用多台电源装置向一个靶输出大电力的情况。此时，可对每个直流电源部2a、2b，安装作为输出切换电路的电感器6a、6b，作为电弧开关的开关元件10a、10b及电感器6a、6b短路用的开关元件SW11a、11b。

附图标记说明

E…电源装置、1…处理室、2…直流电源部、3…电弧处理部、5a、5b…输出、6…电感器、SW1～SW3…开关元件、D…二极管、T…靶（电极）

Claims (4)

1.一种电源装置，具有：

向与等离子体接触的电极施加直流电压的直流电源部；

在该直流电源部的正负输出上检测电极处发生的电弧放电，并且能对该电弧放电的进行消弧处理的电弧处理部；

其特征在于具有：

输出特性切换电路，当通过所述电弧处理部检测到电弧放电发生时，所述输出特性切换电路进行输出切换，在消弧处理开始时给所述电极的输出具有恒流特性，到该消弧处理结束之前给所述电极的输出具有恒压特性。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：

所述输出特性切换电路具有

配置在正负两输出中至少一方上的电感器；以及

与该电感器并联连接的开关元件。

3.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：

所述输出特性切换电路具有

配置在正负两个输出中至少一方的电感器；以及

与该电感器串联连接、在过压发生时短路所述电感器的二极管。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的电源装置，其特征在于：

所述电极是配置在实施溅镀法的处理室内的靶。