JPH0778697A - グロー放電処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 制御の応答性を向上させることのできるグロ
ー放電処理方法及び装置を提供する。 【構成】 直流制御部１で商用電力から変換され、平滑
回路２を介して取り出された直流電圧は、インバータス
イッチング部３へ送られて、交流（矩形波）に変換さ
れ、昇圧トランス４、整流部５を介して処理装置本体６
へ供給される。７はサイリスタ制御部、８はインバータ
制御部である。９は昇圧トランス４と整流部５の間に設
けられたカレントトランス、１０はカレントトランスで
検出された電流を読み取り、その値に応じて前記サイリ
スタ制御部７及びインバータ制御部８へ制御信号を送る
電流検出回路である。１１は本体処理室内の処理物の温
度を検出する温度検出器で、得られた温度検出信号は、
前記インバータ制御部８へ供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、グロー放電処理装置に
関し、特に、高い応答速度でグロー放電を制御できるグ
ロー放電処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】直流グロー放電を用いてイオン窒化、プ
ラズマ侵炭、プラズマＣＶＤ、マグネトロンスパッタ蒸
着などを行うグロー放電処理装置が広く用いられてい
る。

【０００３】図１は、このグロー放電処理装置の一例を
示している。図において２１は商用電力をサイリスタを
用いて直流に変換する直流制御部で、取り出された直流
電圧は処理装置本体２２へ供給される。２３はサイリス
タの流通角を制御して直流出力電圧を制御するサイリス
タ制御部、２４は処理装置本体内の圧力をグロー放電及
び処理に適した圧力に維持するための真空ポンプであ
る。２５は本体処理室内の処理物の温度を検出する温度
検出器で、得られた温度検出信号は前記サイリスタ制御
部２３へ供給される。

【０００４】上記構成において、直流電圧は、処理装置
本体内の処理物（陰極）と本体（陽極）の間に印加され
る。そして、それにより発生するグロー放電に処理物が
包まれ、その結果、例えばイオン窒化、マグネトロンス
パッタ蒸着などの表面処理が行われる。

【０００５】この様な処理を安定に行うため、放電電流
を検出し、これを設定値と比較し、差の出力に基づいて
処理装置へ供給される直流電圧を制御することが行われ
ている。イオン窒化の場合、グロー放電で発生するプラ
ズマによって処理物の温度を昇温・保持させており、こ
の温度を一定に維持するために、温度検出器５から得ら
れる温度検出信号に基づいて、温度が低い場合には直流
電圧を高め、高い場合には直流電圧を低めるようにサイ
リスタ制御部で制御を行っている。

【０００６】なお、直流制御部２１と処理装置本体２２
の間にスイッチング手段を設け、直流電圧をチョッピン
グし、一定周期・一定パルス幅の電圧パルスとして処理
装置へ供給することも行われている。この場合も、制御
は直流電圧を変化させることにより行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この様な従来装置で
は、直流電圧を変化させるのにサイリスタの流通角を変
化させており、従って、電圧制御の応答は、商用電力の
１周期ないし半周期の遅れを伴うことが避けられない。
この様な遅れがあるため、放電が突然異常になったりし
た場合、即座に電圧を制御して対応することが困難であ
り、そのため、安定した放電を維持することも困難であ
った。特に、マグネトロンスパッタ蒸着の場合には、放
電の異常により例えば反応ガスが過剰になるなどして反
応プロセスが崩れ、光学膜の場合は特に薄膜特性に大き
な悪い影響を受けるので、制御の応答の遅れは大きな問
題であった。

【０００８】本発明は、上述した点に鑑みてなされたも
のであり、制御の応答性を高めることのできるグロー放
電処理方法及び装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
第１の本発明は、処理室内の電極に直流電圧を供給して
直流グロー放電を発生させて被処理物を処理するグロー
放電処理方法において、直流電圧の供給を所定の周期で
繰り返しパルス的に行うと共に、供給パルスのパルス幅
を制御することにより供給電力の制御を行うことを特徴
としている。

【００１０】更に、第２の本発明は、処理室内の電極に
直流電圧を供給して直流グロー放電を発生させて被処理
物を処理するグロー放電処理方法において、直流電圧の
供給を所定の周期でパルス的に行うためのパルス化手段
と、該パルス化手段によって生成され処理室内の電極に
供給されるパルスのパルス幅を制御する制御手段を設け
たことを特徴としている。

【００１１】

【作用】本発明では、直流電圧の供給を所定の周期で繰
り返しパルス的に行うと共に、供給パルスのパルス幅を
制御して供給電力を制御するため、制御の応答性を高め
ることができる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の一実施例を詳説
する。図２は、本発明を実施するための装置構成の一例
を示す図である。図２において、１は商用電力を直流に
変換する直流制御部である。平滑回路２を介して取り出
された直流電圧は、インバータスイッチング部３へ送ら
れて、交流（矩形波）に変換され、昇圧トランス４、整
流部５を介して処理装置本体６へ供給される。７はサイ
リスタ制御部、８はインバータ制御部である。９は昇圧
トランス４と整流部５の間に設けられたカレントトラン
ス、１０はカレントトランスで検出された電流を読み取
り、その値に応じて前記サイリスタ制御部７及びインバ
ータ制御部８へ制御信号を送る電流検出回路である。１
１は本体処理室内の処理物の温度を検出する温度検出器
で、得られた温度検出信号は、前記インバータ制御部８
へ供給される。

【００１３】前記直流制御部１は、サイリスタ及びダイ
オードで構成され、サイリスタ制御部７からの制御信号
に基づいてサイリスタの導通タイミングを制御すること
により、平滑回路２から得られる直流電圧Ｖdcを０Ｖか
ら３００Ｖ程度まで任意に設定することができる。

【００１４】インバータスイッチング部３は、高速スイ
ッチング素子（ＩＧＢＴ：絶縁ゲートバイポーラトラン
ジスタ，ＭＯＳＦＥＴ，ＳＩＴなど）４個又は複数個並
列で４組使用したフルブリッジのインバータ方式が採用
されている。インバータスイッチング部３とインバータ
制御部８から構成されるインバータにより、平滑部２か
らの直流出力電圧は、繰り返し周波数ｆが数ＫＨZ 〜数
100 ＫＨZ の図３に示すような高周波パルス波形に変換
される。この時、インバータ制御部８は、温度検出器１
１からの温度検出信号または電流検出回路からの制御信
号に基づいて、図３において破線で示すように高周波パ
ルスのデューティの制御（例えば０％〜８０％の範囲
で）を行う。

【００１５】昇圧トランス４は、この高周波パルス電圧
を所定の振幅に昇圧する。イオン窒化、プラズマ侵炭、
プラズマＣＶＤ、マグネトロンスパッタなどでは、例え
ば８００Ｖ〜１０００Ｖ程度に選ばれる。昇圧された高
周波パルス電圧は、整流部５によって整流され、図４に
示すような波形で処理装置本体６へ供給される。

【００１６】上記構成において、インバータの発振周波
数ｆは、例えば１５ＫＨz 一定とされ、Ｖdcが２００Ｖ
一定に維持されるようにサイリスタ制御部７による制御
が行われる。そして、正常動作時、本体処理室６内の処
理物の温度を検出して得られた温度検出信号に基づい
て、前記インバータ制御部８は処理物温度が所定値より
下回ったら高周波パルスのパルス幅を広げることにより
デューティを上げて投入電力を上昇させ、逆に処理物温
度が所定値を越えたらパルス幅を狭めることによりデュ
ーティを下げて投入電力を減少させるように制御する。
そのため、処理物温度が一定に維持された状態で、処理
物に対してイオン窒化、プラズマ侵炭、プラズマＣＶＤ
などの処理を行うことができる。

【００１７】この様なデューティの制御は、直流電圧を
変化させる場合のように商用電源の周期に依存すること
がないため、極めて高速に行うことができる。

【００１８】反応性マグネトロンスパッタリング蒸着の
場合には、処理装置本体６内部へ適宜な反応ガスを適宜
な圧力で供給すると共に、電流検出回路１０から得られ
る供給電流に対応した制御信号に基づいて、同様に高周
波パルスのデューティ制御が行われる。その結果、放電
の微妙な変動を打ち消すように、素早くデューティが制
御され、一定の反応ガス圧のもとで反応プロセスが安定
に維持される。

【００１９】なお、放電を開始する際、サイリスタ制御
部７はＶdcを最初２００Ｖよりも十分に高い電圧に設定
し、処理装置本体に放電開始電圧（正常動作時の電圧よ
りも高い）を超えた電圧が供給されるようにし、放電が
始まったらＶdcを２００Ｖに戻すようにしている。

【００２０】次に、アーク放電が発生した場合について
説明する。図５（ａ）はアーク放電が発生した前後の放
電電流の変化を表わすカレントトランスの電流検出出力
を示している。期間Ａの放電電流は、正規のパルス電流
波形を示しており、前述のようにデューティを調節する
ことにより放電が制御されている。図５（ｂ）に示すＶ
dcも、２００Ｖ一定に維持されている。

【００２１】期間Ｂにおいて、グロー放電からアーク放
電に移行しており、電流が急激に増加している。前記電
流検出回路１０は、適宜なスレッショルドレベルＬとの
比較に基づいて図５（ｃ）に示すアーク検出信号ｐを発
生し、前記インバータ制御部８及びサイリスタ制御部７
へ送る。インバータ制御部８は、アーク検出信号ｐに基
づいて直ちにインバータの発振を停止し、遮断期間Ｃ
（例えば数１０μSec 〜１００μSec ）の間停止させ
る。ＩＧＢＴ素子を使用した場合、２〜５μSec で停止
できる。それと同時に、サイリスタ制御部７は、アーク
検出信号ｐに基づいて直流制御部１のサイリスタを制御
し、平滑回路２の直流出力Ｖdcが図５（ｂ）に示すよう
に一旦低下した後再度徐々に上昇するようにする。

【００２２】インバータ制御部８は、遮断期間Ｃ終了後
の復帰期間Ｄにおいて、インバータの発振を同じ周波数
ｆで再開させるが、その際、高周波パルスのデューティ
を、図５（ａ）に示すように零からアーク検出される前
のデューティまで徐々に増加させる。放電電流値も、図
４（ｂ）のＶdcの変化に従ってデューティと同様に徐々
に上昇し、復帰期間Ｄの終りの時点でアーク検出される
前の状態に戻る。

【００２３】従来は、高周波パルスのデューティは常に
一定で、復帰期間Ｄにおいてインバータの発振開始と同
時にアーク検出前のデューティで高周波パルスを処理装
置本体に供給していたため、再度アーク放電に移行して
しまう可能性が高く、それを避けるために、遮断期間Ｃ
を１ｍSec 〜５ｍSec 程度に長く設定しなければならな
かった。

【００２４】その点、復帰期間Ｄに高周波パルスのデュ
ーティを零から徐々に高めてゆく、換言すれば、パルス
幅を徐々に広げてゆくと、最初の幅の狭いパルスにより
アークへの移行を避けつつ徐々に放電を開始させること
になるため、アーク放電への移行が極めて有効に抑制さ
れる。そのため、遮断期間Ｃを例えば数１０μSec 〜１
００μSec と従来に比べて非常に短く設定してもアーク
への移行を避けた復帰が可能になった。また、復帰期間
Ｄも併せて短縮することができ、例えば、１５０μSec
〜６００μSec 程度に短く設定してもアークへの移行が
避けられることが確認された。

【００２５】なお、本発明は、放電処理の制御をデュー
ティ調節（周波数一定でのパルス幅調節）により行うこ
とを要旨とするものであるから、上記実施例のように復
帰期間Ｄに高周波パルスのデューティを零から徐々に高
めてゆくことは必ずしも必須要件ではなく、復帰期間だ
けは例えば従来のようなデューティ一定で直流電圧ある
いは電流のみの調節によるソフトスタートを採用しても
良い。しかしながら、デューティ調節機能を復帰期間に
も活用して遮断期間を短縮することが実際には好ましい
のはいうまでもない。

【００２６】

【発明の効果】以上詳述した様に、本発明では、放電処
理の制御をデューティ調節（周波数一定でのパルス幅調
節）により行うようにしたため、従来よりも制御の応答
性が向上し、安定した放電を維持することが可能となっ
た。特に、反応性マグネトロンスパッタ蒸着の場合、異
常放電に対する素早い応答により反応プロセスが崩され
ることが防止でき、薄膜特性への悪い影響を防止でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】グロー放電処理装置の従来例を示す図である。

【図２】本発明を実施するための装置構成の一例を示す
図である。

【図３】高周波パルス波形を示す図である。

【図４】処理装置本体へ供給される高周波パルス波形を
示す図である。

【図５】アーク放電が発生した前後の装置各部の信号波
形を示す図である。

【符号の説明】

１ 直流制御部 ２ 平滑回路 ３ インバータスイッチング部 ４ 昇圧トランス ５ 整流部 ６ 処理装置本体 ７ サイリスタ制御部 ８ インバータ制御部 ９ カレントトランス １０ 電流検出回路 １１ 温度検出器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理室内の電極に直流電圧を供給して直
   流グロー放電を発生させて被処理物を処理するグロー放
   電処理方法において、直流電圧の供給を所定の周期で繰
   り返しパルス的に行うと共に、供給パルスのパルス幅を
   制御することにより供給電力の制御を行うことを特徴と
   するグロー放電処理方法。
2. 【請求項２】 処理室内の電極に直流電圧を供給して直
   流グロー放電を発生させて被処理物を処理するグロー放
   電処理方法において、直流電圧の供給を所定の周期でパ
   ルス的に行うためのパルス化手段と、該パルス化手段に
   よって生成され処理室内の電極に供給されるパルスのパ
   ルス幅を制御する制御手段を設けたことを特徴とするグ
   ロー放電処理装置。