CN100496182C - 放电电源、溅射电源、以及溅射装置 - Google Patents

放电电源、溅射电源、以及溅射装置 Download PDF

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Abstract

根据本发明的一种放电电源包括：一个直流电源单元；一个控制单元，它被用来控制直流电源单元的输出；以及一个振荡电流产生单元，它具有与直流电源单元的一对输出相并联的一个电容，以及连接到所述一对输出中至少一个的电感，其中所述放电电源通过振荡电流产生单元输出放电功率，所述控制单元控制了直流电源单元，从而使得直流电源单元输出的电流在直流电源单元所能够输出的电压范围的至少一部分中不超过一个极限电流值，以及所述极限电流值在所述电压范围的至少一部分中与所述电压的绝对值成正相关。根据该放电电源，不管放电电压被设定得高还是低，超过极限特性曲线的放电电流流动都会被阻止。即使发生了电弧放电，振荡电流的幅度总能够被保持在大于放电电流的值。这样，振荡电流就彻底降到零安培以下，从而就彻底抑制了电弧。

Description

放电电源、溅射电源、以及溅射装置
技术领域
本发明涉及一种放电电源、溅射电源、以及溅射装置，更确切的，涉及一种放电电源和溅射电源，其能够进行稳定的等离子体放电或辉光放电，所述放电能够施用DC(直流)电压同时还防止发生电弧放电，以及涉及使用所述放电电源和溅射电源的溅射装置。
背景技术
在多种等离子体应用设备、辉光放电应用设备以及类似设备中，放电过程中出现电弧放电通常会导致设备操作中的问题。因此，通常需要放电电源能够确定地且快速的终止电弧放电。作为具体例子，下面将描述用于形成薄膜的一种溅射装置。
图11中的示意图示出了直流溅射装置的一个相关部分的结构。该溅射装置包括一个真空室101和一个溅射直流电源110。电源110的阳极通过连接电缆120A连接到真空室101，且被置于接地电势。另一方面，电源110的阴极通过连接电缆120B连接到提供在真空室101内的一个溅射靶104。将要被沉积薄膜的衬底100被放置于真空室101内。
在形成薄膜的过程中，首先，真空室101的内部被真空泵106抽真空，诸如氩气(Ar)这样的气体从气源107被引入，以将真空室内部维持在预定的放电压强。接着，电源110在靶104和真空室101之间施加电场以产生辉光放电108。然后，在放电空间产生的等离子体中的正离子撞击到靶104上，以溅射靶104中的原子。这样的溅射现象能够被用来在衬底100上形成由靶104材料所构成的薄膜。
这样的溅射装置被广泛应用于给多种产品形成薄膜的工艺中，这包括半导体器件、CD(高密度盘片)、DVD(数字化多用盘片)，以及液晶显示设备。
然而，在这样的溅射操作中可能发生电弧放电150。这样的电弧放电150更经常发生在靶104的附近。当发生了这样的电弧放电150时，一个大电流在局部流动，这会损坏靶104或衬底100。
例如，当电弧放电150发生在靶104一边时，大电流集中在靶104的一个小区域内，这导致大量的沉积材料瞬时从该区域发射出来。该现象被称为“喷溅”，它将沉积材料喷溅到衬底100的表面上，从而导致损坏。
所以，为了防止这种电弧放电所带来的损坏，就必须在电源110中提供电弧抑制装置。
在直流溅射中抑制电弧放电的方法可以包括：
(1)通过周期性的关闭电源输出来提供一个休眠时间段，从而抑制电弧放电。
(2)利用电弧放电的开关动作以及电源输出电路所提供的LC振荡来将电流反向，从而抑制电弧放电。
(3)电弧放电被检测，并且电弧电流被一个开关元件所关闭。在此情况下，开关元件可以与负载串联或并联，以关闭电弧电流。
(4)电弧放电被检测，然后，通过激活一个开关元件以施加反向电压来抑制电弧放电。
(5)通过周期性的激活一个开关元件来施加反向电压来抑制电弧放电。
这其中，发明者公开了使用日本专利No.2835322和2835323的一种开关元件的方法。
另一方面，由于溅射被中断，所以上述方法(1)有吞吐量减小的问题。
相反，上述方法(2)具有简化装置配置的潜力，其中电弧放电能够在不使用开关元件或类似元件的情况下被抑制。更具体的，如果在直流电源的输出端提供一个LC振荡电路，并且在电弧放电发生时，其开关作用就能够被用来产生振荡电流。当该振荡电流已经越过0A(零安培)从而改变其极性时，电流就能够被电弧放电的整流作用所关闭(由于热电子仅从灼热点发出，所以电流不会在反向电压下流动)，从而就抑制了电弧。
然而，在经过独立研究之后，研究者已经发现，对于这样具有采用了振荡电流的抑制电弧机制的放电电源来说，它的操作有可改进的空间。
更具体的，对于这样使用一个LC谐振电路的直流电源，可以进行对其的操作控制以使得，一个恒定功率控制操作、一个额定电流极限操作、以及一个额定电压极限操作被组合起来，从而来选择将输出最小化的一个信号。
换句话说，在这样的操作控制中，对于一个低溅射电压，对流动电流的控制使其具有对应于恒定功率控制操作的值与额定电流极限操作所限定的值中的较小者。
相反，为了在振荡机制中抑制电弧，振荡电流的幅度必须超过溅射电流，以产生越过0A的电流振荡，其中振荡电流是在从溅射电压到电弧电压转换过程中产生且依赖于LC电路常数。
可以提及用来产生这样的大电流振荡的两个方法。
所述方法中的第一方法使用LC常数，即使对于低溅射电压(例如200V)，也能够对应额定电流极限操作获得一个大电流幅度。
第二方法在于设定LC常数，从而使得对应了额定电流极限的电流幅度可以在标准溅射电压(例如400V)范围的一个较低值被获得，以及在该溅射电压以下，可变的控制功率额定值，以使得电流的上限对应该电压而减小。
然而，在使用第一方法时，在标准溅射电压(例如600V)下的操作中，会产生过大的电流振荡。其结果就在于，电源中使用的电学部件可能被施加大的应力和/或噪声可能出现。
为此，LC常数必须被确定来对应一个较低的溅射电压，从而就必须使用上述第二方法。例如，当加上靶104之后，或者当真空室101暴露大气之后，由于靶104的表面覆盖了氧化物或类似物质，所以放电电压会立刻下降很多。为此，必须将溅射功率设定得足够低。这样，溅射初始在足够低的功率设定下进行，这被称为“靶清理模式”。然后，当氧化物从靶104的表面被移除并且放电电压增大时，功率设定就得以提高以转换到标准溅射电压。
然而，该方法存在一个问题，该问题在于，由于功率设定是根据溅射电压来提调节的，所以该方法需要一些麻烦的操作。
本发明已经基于对这些问题的认识而提出。本发明的一个目标就在于提供一种放电电源和溅射电源，它们能够快速和彻底的抑制电弧放电，具有简单的结构，且容易操作，并且还提供使用所述电源的溅射装置。
发明内容
为了达到上述目标，本发明的第一放电电源包括：一个直流电源单元，包括一个平滑电容；一个控制单元，它被用来控制直流电源单元的输出；以及一个振荡电流产生单元，它具有与直流电源单元的一对输出相并联的一个电容器，以及连接在所述电容器和所述一对输出中至少一个之间的电感，所述振荡电流产生单元产生振荡电流，其中所述放电电源通过振荡电流产生单元输出放电功率，所述控制单元控制了直流电源单元，从而使得直流电源单元输出的电流在直流电源单元所能够输出的电压范围的至少一部分中不超过一个极限电流值，以及所述极限电流值在所述电压范围的至少一部分中与所述电压的绝对值成正相关。
根据上述配置，不管放电功率被设置得高还是低，超过极限特性曲线的放电电流流动总能够被阻止。即使发生了电弧放电，振荡电流的幅度总可以被保持在大于放电电流的水平。这样，振荡电流就彻底降到零安培以下，从而就彻底抑制了电弧。
此外，本发明的第二放电电源包括：一个直流电源单元，包括一个平滑电容；一个控制单元，它被用来控制直流电源单元的输出；以及一个振荡电流产生单元，它具有与直流电源单元的一对输出相并联的一个电容器，以及连接在所述电容器和所述一对输出中至少一个之间的电感，所述振荡电流产生单元产生振荡电流，其中所述放电电源通过振荡电流产生单元输出放电功率，所述控制单元控制了直流电源单元，从而使得直流电源单元输出的电流在直流电源单元所能够输出的电压范围的至少一部分中不超过一个极限电流值，以及所述极限电流值被确定以使得振荡电流产生单元在所述电压下由于电弧放电所产生的振荡电流的幅度为所述电压下稳定操作状态电流的1.3或更多倍。
还是根据上述配置，不管放电功率被设置得高还是低，超过极限特性曲线的放电电流流动总能够被阻止。即使发生了电弧放电，振荡电流的幅度总可以被保持在大于放电电流的水平。这样，振荡电流就彻底降到零安培以下，从而就彻底抑制了电弧。
这里，在第一和第二放电电源中，极限电流值可以对应一个上限电流，它满足方程：
I＝(V-Va)×(C/L)1/2/K
其中I是直流电源单元输出的电流，V是直流电源单元输出的电压，L是电感，C是电容，Va是电弧电压，K是幅度的一个乘法因子。这样，振荡电流就彻底降到零安培以下，从而就彻底抑制了电弧。
所述电感还可以包括连接电缆的电感，所述连接电缆延伸到与放电电源一起提供的供电接收器。
所述电源还可以包括电压检测装置，它被用来检测通过振荡电流产生单元输出的电压；以及电流检测装置，它被用来检测通过振荡电流产生单元输出的电流，其中所述控制单元基于电压检测装置的检测结果以及电流检测装置的检测结果来进行反馈控制。这样，就有利于响应溅射电压的稳定的电流控制。
所述电源还可以包括电压检测装置，它被用来检测通过振荡电流产生单元输出的电压；以及电流检测装置，它被用来检测通过振荡电流产生单元输出的电流，其中控制单元基于电压检测装置的检测结果、电流检测装置的检测结果以及一个输出功率设定值来确定一个输出电流设定值，计算该电压下的极限电流值以响应电压检测装置的检测结果，当输出电流的设定值小于极限电流值时，基于输出电流的设定值控制直流电源单元，以及当输出电流的设定值大于极限电流值时，控制直流电源单元以使得极限电流值被输出。这样，输出电流就能够被控制在不超过极限电流的范围内。
所述控制单元可以在电压检测装置的检测结果高于第一预定电压时，使用没有加偏置的极限电流值，以及当电压检测装置的检测结果低于第二预定电压时，使用加了偏置的极限电流值。这样，输出电流就能够在输出电压即使为零的情况下流动，并且可以防止在高电压下超过极限特性曲线。
所述控制单元可以在电压检测装置的检测结果低于第三预定电压且电流检测装置的检测结果高于第一预定电流时，将直流电源单元的输出设定为零。这样，电弧放电就能够被彻底中断。
电压检测装置的检测结果可以通过一个低通滤波器来确定。这样就能够通过适当确定低通滤波器的常数，来调整门脉冲被阻断之前电弧放电的振荡数(持续时间)。
本发明的一种溅射电源，它通过溅射一个靶来形成薄膜，所述溅射电源包括上述放电电源中的任何一个，其中，通过振荡电流产生单元输出的放电功率的负输出被连接到所述靶，从而允许实现溅射。
本发明的一种溅射装置包括上述溅射电源；以及一个真空室，该真空室能够将靶封闭于其中，并且能够维持压强低于大气压的气氛。
同样是在溅射电源和溅射装置中，不管放电功率被设置得高还是低，超过极限特性曲线的放电电流流动总能够被阻止。即使发生了电弧放电，振荡电流的幅度总可以被保持在大于溅射电流的水平。这样，振荡电流就彻底降到零安培以下，从而就彻底抑制了电弧。
附图说明
图1中的示意图示出了根据本发明一个实施例的放电电源，以及使用该放电电源的一个溅射装置；
图2示出了直流溅射中的电压-电流特性；
图3中的框图示出了在本发明中用来将溅射电流控制在极限曲线以下的电路的基本形式；
图4示出了本发明的电源的操作范围；
图5中的框图示出了在本发明中用来将溅射电流控制在极限曲线以下的电路的一个例子；
图6中的示意图示出了实施图5所示框图的一个电路的例子；
图7中的示意图示出了本发明放电电源的一个相关部件的一个变化；
图8中的示意图示出了本发明放电电源的一个相关部件的另一个变化；
图9示出了本发明放电电源的操作；
图10示出了本发明放电电源的操作；
图11中的示意图示出了一个直流溅射装置的一个相关部件的结构。
具体实施方式
下面将通过参考附图来更详细的描述本发明。
图1中的示意图示出了根据本发明一个实施例的放电电源，以及使用该放电电源的一个溅射装置。
更具体的，该图所示的电源包括一个直流电源单元DCP和一个振荡电流产生单元VCG。
作为电源的直流电源单元DCP被用来给真空室101与靶104之间加上电压，以实现溅射，其中真空室为正电极，靶为负电极。如图1所示，该直流电源单元DCP包括，例如，接收三相交流输入R、S和T的一个整流二极管组DB1，由开关晶体管IGBT和自由轮二极管FWD所构成的一个反相器INV，一个变压器T1，一个整流二极管组DB2，以及一个平滑电感L0。
直流电源单元DCP的输出由控制电路CC所控制。更具体的，该控制电路CC给构成反相器INV的晶体管IGBT加上门脉冲，从而控制其操作。
这样，从直流电源单元DCP所得到的直流输出就通过振荡电流产生单元VCG和传输电缆120A和120B而加到真空室上。
包括一个电容C1和一个电感L1以产生振荡电流的振荡电流产生单元VCG通过LC谐振电路产生振荡电流。振荡电流产生单元VCG的电气部分包括延伸到真空室101和靶104的同轴传输电缆120A和120B。更具体的，一个50Ω的同轴电缆具有的电感为0.25μH/m，电容为100pF/m。另一方面，靶104一般具有的电容为300pF或更小。
需要注意的是，直流电源单元DCP的电感L0是用于电源输出滤波器的电感，所以它的值最好充分的大于(30倍或更多)振荡电流产生单元VCG的电感L1。
根据上述配置，直流电源单元DCP的输出端就提供了具有LC谐振电路的振荡电流产生单元VCG，从而，当发生电弧放电时，它的开关动作可以被用来产生振荡电流。当这一振荡电流越过0A(零安培)而改变极性时，电流能够被电弧放电的整流作用所关闭(由于热电子只会从灼热点发射出来，所以电流不会在反向电压下流动)，从而就抑制了电弧。
此外，根据本发明，对溅射电流的控制使得振荡电流的幅度大于溅射电流。更具体的，为了用振荡电流彻底抑制电弧放电，由振荡电流产生单元VCG所产生的振荡电流的低限必须低于0A。为了达到这一点，振荡电流的幅度必须大于溅射电流。
这样，根据本发明，对直流电源单元DCP操作的控制就使得，进行溅射的范围是溅射电流小于振荡电流幅度，振荡电流幅度由振荡电流产生单元VCG的LC常数所决定。这一控制一般可以通过控制电路CC来实现。
下文将通过参考溅射的电压-电流特性来具体描述根据本发明的电源的操作原理。
图2示出了直流溅射中的电压-电流特性。
这里，图中的特性曲线A是15kW(千瓦)的额定功率线。特性曲线B、C、E和F是溅射电流的极限线，各自由对应了振荡电流产生单元VCG中预定LC常数的振荡电流幅度确定。特性曲线D代表了传统溅射中的电压-电流特性。特性曲线G是电弧放电的特性曲线。位于25A处的短划线H代表了600V×25A＝15kW电源的最大电流。在200V电压处沿竖直方向延伸的特性曲线I代表了当铝(Al)靶表面被氧化时的放电特性。
例如，这里的特性曲线B从下面经过最大功率600V×25A(特性曲线A和H的交点)。也就是说，特性曲线A和H的交叉点超过了由特性曲线B所确定的溅射电流的极限值。所以，当选择了对应于特性曲线B的LC常数时，在该交点处溅射的溅射电流，也就是在25A的溅射电流大于振荡电流的幅度，从而电弧就没有被振荡所抑制。
换句话说，如果需要在最大功率处的稳定溅射，那么就需要选择振荡电流产生单元VCG的LC常数以使得极限线从该条件的上面经过。
更具体的，对于像特性曲线C、E、以及F这样的陡(具有大斜率的)曲线，产生的振荡电流的幅度大于溅射电流。因此，可以得到彻底低于0A的振荡电流。然而，与特性曲线D所代表的标准溅射特性不同，特性曲线C和F所代表的条件会产生太大的振荡电流，这将对组成靶和电源的电气部件产生应力问题。
这样，从实际的角度来看，所选的LC常数最好对应了一条从最大功率条件上面经过的特性曲线，例如特性曲线E。然而，即使在选择了特性曲线E时，它也会在10A处与表面被氧化的铝(Al)靶的放电特性曲线I相交。因此，允许超过该电流的任何功率设定都会导致连续的电弧。
在这种情况下，传统技术就不可避免的要采用下面的步骤。也就是，要使用可变功率设定。铝的氧化表面在降低的功率设定条件下被溅射开。随着氧化膜的减少以及对特性曲线D的逐渐接近，功率设定就会被提高以进行对应特性曲线B或E的LC设定的标准溅射。
相反，本发明没有调整功率设定，而是将溅射电流控制在对应于LC常数的极限线以下，以响应溅射电压。该控制可以由图1所示电源的控制电路CC来实现。
图3中的框图示出了在本发明中用来将溅射电流控制在极限线以下的电路的一种基本形式。
更具体的，本图所示的是图1的电源中控制电路CC的一部分，控制电路CC所产生的水平信号决定了门脉冲宽度或频率。
该电路包括一个反馈控制单元10和一个极限电流控制单元20。
反馈控制单元10分别接收的输入有，输出功率设定值Pset，代表溅射装置靶电流的信号I0，以及代表溅射装置靶电压的信号V0。
如图1所示，信号I0和V0例如可以分别作为来自电流检测器IM和振荡电流产生单元VCG中的分压器电路VM的电压信号而获得。
反馈控制单元10将输出功率设定值Pset与信号I0和V0相比较，以反馈它们，并且输出一个水平信号LS以用来控制直流电源单元DCP中反相器INV的门脉冲宽度。
极限电流控制单元20基于电源振荡电流产生单元VCG的LC常数，产生电流极限信号CL以响应靶电压。更具体的，如图2所示，基于LC常数的一条极限特性曲线(例如，特性曲线E)被设定。代表靶电压的信号V0被用作输入来计算该极限特性曲线上的电流值。然后，代表该电流值的信号被输出为电流极限信号CL。
反馈控制单元10将通过反馈I0和V0所获得的水平信号LS与电流极限信号CL进行比较。当水平信号LS小于电流极限信号CL时，反馈控制单元10直接输出水平信号LS。另一方面，当水平信号LS大于电流极限信号CL时，反馈控制单元10将电流极限信号CL输出以作为水平信号LS。
如上所述，根据本发明，在极限电流控制单元20中，基于振荡电流产生单元VCG中LC常数的极限特性线被设定，电流极限被设定以响应靶电压V0，其值不超过所述极限特性线。
图4示出了本发明电源的操作范围。更具体的，在本图所示的具体例子中，图2中的特性曲线E被设定为极限特性曲线，那么电流和/电压在溅射电流不超过特性曲线E的范围Z(本图中灰色阴影部分)中被输出。
这样，不管对溅射功率的设定是高还是低，超过极限特性曲线的溅射电流的流动都会被阻止。这样的结果就在于，即使发生了电弧放电，振荡电流的幅度也能够保持比溅射电流大。这样，振荡电流就彻底的降到零安培以下，从而彻底的抑制电弧。所以，该电源可以被用于图11所示的溅射装置，以快速抑制可能发生的电弧放电，并且从高溅射功率到低溅射功率均实现稳定的溅射。
下面将描述本发明的又一个具体实例。
图5中框图所示的电路例子是本发明用来将溅射电流控制在极限特性曲线以下。也就是说，该图还表示了在图1所示的电源中产生水平信号的控制电路CC的一部分，所述水平信号决定了门脉冲宽度或频率。
该电路包括一个输出功率计算单元11、一个功率控制单元12、一个电流控制单元13、一个最大电流信号产生单元21，以及一个偏置产生单元22。其中，输出功率计算单元11、...、电流控制单元13对应了图3所示框图中的反馈控制单元10。最大电流信号产生单元21和偏置产生单元22对应了图3所示框图中的极限电流控制单元20。
输出功率计算单元11分别接收的输入有，代表溅射装置的靶电流的信号I0，以及代表溅射装置的靶电压的信号V0。输出功率计算单元11基于这些信号I0和V0来计算来自电源的功率输出，并且输出一个对应的输出功率信号OS。
功率控制单元12进行功率反馈控制。更具体的，功率控制单元12将从输出功率计算单元11输出的输出功率信号OS与输出功率的设定值Pset进行比较，并且计算出对应了两者之差的一个电流设定值。然后，如下文所要详述的，功率控制单元12将它与电流极限信号CL2相比较，以输出一个电流设定信号CS。
电流控制单元13进行电流反馈控制。更具体的，电流控制单元13将电流设定信号CS与信号I0相比较，从而输出一个水平信号LS，以控制直流电源单元DCP中反相器INV的门脉冲宽度。
根据上述的这些功能模块，本发明通过将I0和V0作为电流设定信号Pset的反馈信号来进行直流电源单元DCP的反馈控制。
此外，根据本发明，最大电流信号产生单元21基于振荡电流产生单元VCG的LC常数来产生一个电流极限信号CL，以响应靶电压。更具体的，如图2所示，基于LC常数的一条极限特性曲线(例如，特性曲线E)被设定。代表靶电压的信号V0被用作输入，来计算这条极限特性曲线上的电流值。然后，代表该电流值的信号被输出以作为电流极限信号CL1。
电流极限信号CL1被输出到偏置电流单元22，然后作为电流极限信号CL2而被输出到功率控制单元12，所述的电流极限信号CL2已经被加上了偏置，从而使得，例如，即使输出电压为零伏，电流设定也会大于零安培。
功率控制单元12将从输出功率计算单元11所输出的输出功率信号OS与输出功率的设定值Pset相比较，并且对应两者之差来计算一个电流设定值。此外，功率控制单元12还将该电流设定值与电流极限信号CL2相比较。
当电流设定值小于电流极限信号CL2时，也就是当要通过的溅射电流的值小于LC常数所决定的极限特性曲线(例如图2中的特性曲线E)时，功率控制单元12直接将电流设定值输出以作为电流设定信号CS。
另一方面，当电流设定值大于电流极限信号CL2时，也就是当要通过的溅射电流的值大于LC常数所决定的极限特性曲线(例如图2中的特性曲线E)时，功率控制单元12就将电流极限信号CL2输出为电流设定信号CS，而不是将电流设定值输出。
如上所述，根据本发明，最大电流信号产生单元21基于振荡电流产生单元VCG的LC常数来设定极限特性曲线，并且设定电流极限以响应靶电压V0。也就是说，如图4所示，电源的操作范围是，溅射电流不超过一条预定的极限特性曲线。
这样，不管溅射功率的设定是高还是低，超过极限特性曲线的溅射电流的流动都会被阻止。其结果就在于，即使发生了电弧放电，振荡电流的幅度总能够保持比溅射电流大。这样，振荡电流就会彻底降到零安培以下，从而就可以彻底抑制电弧。
此外，还可以根据电源的配置、溅射装置的结构、溅射材料、以及条件来选择适当的LC常数，从而就可以彻底抑制电弧，而又不产生过大的振荡电流。此外，靶、电学部件以及类似部件上不会存在应力的问题。
这里，在电弧电压下面，偏置产生单元22给电流设定值提供了一个偏置，以固定对电流设定值的设定，例如，在额定值的百分之五，从而就能够产生初始输出电压。
经过研究，发明者已经发现，合适的振荡电流幅度约为标准溅射电流的1.3到2倍。所以，就可以根据溅射装置的结构和应用来确定振荡电流产生单元VCG的LC常数，以得到这样的振荡电流范围。最大电流信号产生单元21中的计算过程可以基于对应了这些LC常数的极限特性曲线来进行。
更具体的，期望的范围能使得下面的方程得到满足：
I＝(V-Va)/{K×(L/C)1/2}
其中I是从电源输出的电流，V是从电源输出的电压，L是振荡电流产生单元VCG中的电感，C是振荡电流产生单元VCG中的电容，Va是电弧电压，K是幅度的乘法因子。
在上述方程中，(V-Va)是溅射电压与电弧电压之间的差。振荡电流产生单元VCG中所产生的振荡电流的幅度由电压与振荡电路电导(C/L)1/2的乘积所给出。然而，由于振荡是受到衰减的，所以它只有在为溅射电流的K倍的时候才能越过0A。
也就是说，如果从电源输出的电流被限制在不能超过上述方程所定义的I的范围内，那么振荡电流就会彻底降到零安培以下，从而就可以在发生电弧放电的时候彻底抑制电弧。
图6中的示意图表示了实施图5所示框图的一个电路的例子。在该图中，与图1到5中相似的元件采用相同的附图标记来表示，这里不对它们作详细描述。
在本具体例子的电路中，代表溅射电流的信号I0和代表溅射电压的信号V0用电压信号给出，其值分别为0到5伏，和0到-6.66伏。代表功率设定值的信号Pset用0到10伏的电压信号给出。
信号I0和V0被输入到乘法器U1，然后被相乘来计算输出功率OS。
输出信号OS被输入到用于功率反馈控制的误差放大器U2，在误差放大器中，输出信号OS与功率设定信号Pset相比较，以输出电流设定信号。
用于电流反馈控制的误差放大器U3将误差放大器U2计算的电流设定值与I0进行比较，从而产生确定了反相器INV门脉冲宽度(或频率)的水平信号。如果常数被设定使得误差放大器U2的最大输出为最大电流，那么就可以用该最大电流值(例如，图2中的特性曲线H)来进行限制。
此外，计算器U4基于LC常数所预先确定的极限特性曲线来产生与溅射电压V0成正比的电流极限信号CL1。
然后，计算器U5产生具有小偏置的电流极限信号CL2，以使得即使当输出电压为0V的时候，电流设定也是高于0A的。
根据这样的一个具体例子，就可以实现工作在图4所示极限特性曲线以下区域的一个电源。
图7中的框图表示了本发明放电电源相关部分的变体。在本图中，与图1到6中相似的元件采用相同的附图标记来表示，这里不对它们作详细描述。
本发明的电源利用上述图6中的电路来实现其基本操作。然而，例如当输出电压为80V或更小时，电流设定相对于偏置并没有变成0A。
所以，图7所示的变体就加入了一个比较器U6。当输出电压超过了第一默认电压，例如200V时，具有滞后的比较器U6就会接通晶体管Tr来清除由计算器U5提供的偏置。另一方面，当输出电压达到第二默认电压，例如10V或更小，比较器U6就会用一个CR计时器在预定的时间切断晶体管Tr以提供所述偏置。
在电弧电压以下，可以通过将电流设定值的设定固定在额定值的大约百分之五来产生初始输出电压。然而，一旦产生了像200伏或更高的输出电压，该偏置就可以被清除。这样，电流设定就能够归零，从而，当发生电弧放电时振荡电流就可以彻底降到零以下。
图8中的示意图表示了本发明放电电源相关部件的另一变体。同样，在该图中，与图1到7中相似的元件采用相同的附图标记来表示，并且这里不对它们作详细描述。
本变体添加了一个功能来检测电弧放电，以迅速终止门电压。具体的，本变体添加了计算器U7、U8、和U9。计算器U7确定了输出电压。计算器U8确定了输出电流。计算器U9取它们的逻辑乘(与)来确定电弧，从而产生用于终止输出的信号。
计算器U7将信号V0与默认电压相比较以输出一个逻辑值。这里所述的默认电压例如可以被设定为150伏。也就是说，如果溅射电压落到比该值低的情况，那么就认为有可能发生电弧放电。
类似的，计算器U8将信号I0与对应默认电流值的一个信号相比较。这里，期望的默认电流值大约为额定输出电流的1/5到1/10。
对计算器U7和U8进行逻辑乘以当溅射电压低于其默认值且溅射电流大于其默认值的时候确定电弧放电的发生。基于该确定，门脉冲就可以被立刻终止。
此外，还提供了一个低通滤波器C7以用于计算器U7所确定的电压信号，这样它就不会对一个振荡中所抑制的电弧进行操作。可以通过适当的确定低通滤波器C7的常数来调整停止门脉冲前电弧放电的振荡数(持续时间)。
此外，在电弧被抑制之后，本变化中的电路可以在短时间内恢复输出，并且在最小的额外等待时间后开始操作。
换句话说，增加了对连续电弧的确定。在确定了连续电弧的时候，对功率控制的切换被迅速终止，并且电流极限值的偏置被删除。这样，当发生了连续电弧的时候，可以通过减小电弧电流和持续时间来减少进入连续电弧的能量，并且休眠时间可以被控制到需要的最小值。
(实例)
下面将通过参考一个实例来描述根据本发明抑制电弧放电的具体例子。
图9和10示出了本发明放电电源的操作。也就是说，在这些图所示的波形中，振荡电流由振荡电流产生单元VCG所产生，电弧发生放电，然后电弧被抑制。
这里，在图9和10中，横轴代表时间，它被分成溅射状态S、电弧放电状态A、以及休眠状态R。图9中的波形代表了靶104的电压，图10中的波形代表了靶104的电流。这里，由于靶电压是相对真空室101在靶104处测量得到的，所以靶电压出现在相对于符号B所处位置(零伏)的负侧。靶电流被表示在附号C所处位置(零安培)的正侧。
电压尺度被设定为200V/div，电流尺度被设定为20A/div，时间尺度被设定为10μs/div。
现在将沿着时间轴来描述图9和10。初始状态是在600V和22A处的稳定溅射状态(S)。随后，放电电压突然降到近80V的点代表了电弧产生(A)。此时，电容器C1已经在600V的溅射电流下被充电，并且靶电压已经降到了80V。然后，电压差(600-80)＝520V被加在等于(L1)+(同轴电缆120A和120B)的电感L上，这给出了520V＝L×di/dt，从而，靶电流快速增加。同时，电容器C1上的电压会下降，以提供该靶电流。
当电容器C1的电荷达到零时，振荡电流被最大化，其值满足能量守恒方程CV2＝LI2(注意，方程两边的1/2都被略去了)。也就是说，考虑到80V的电弧放电电压的计算将得到下列关系：
C1×(Vsp-Varc)2＝(L1+Lcable)×Ip2(1)
其中，Vsp代表溅射电压，Varc代表电弧放电电压，Lcable代表电缆120A和120B的电感，Ip代表振荡电流。该方程可以被重写而得到下面的形式：
(Vsp-Varc)/Ip＝((L1+Lcable)/C1)1/2(2)
也就是说，振荡电流Ip由(L/C)1/2以及紧靠在前面的溅射电压来确定。由于振荡周期T由T＝2π(LC)1/2给出，所以电感L和电容C可以从周期T、电压变化dV、以及振荡电流Ip计算出来。
dV/Ip＝(L/C)1/2(3)
T＝2π(LC)1/2(4)
将方程(3)和(4)的两边相乘就得到：
T×dV/Ip＝(LC)1/2×2π(L/C)1/2
＝2πL         (5)
另一方面，用方程(3)的两边去除方程(4)的两边就得到：
T/(dV/Ip)＝2π(LC)1/2/(L/C)1/2
＝2πC         (6)
从方程(5)，L按下面的方式来决定：
L＝T×dV/Ip/2π
＝520(V)/38(A)×10E-6(s)/2π
＝2.18E-5H
＝21.8μH
从方程(6)，C按下面的方式来决定：
C＝T/2π/(dV/Ip)
＝10E-6(s)/2π/(520(V)/38(A))
＝1.16E-7F
＝0.116μF
这些值接近真实的电路常数(L＝(20+2.5)μH，C＝0.102μF)。这里，即使假设电缆120A和120B的长度为10m，电缆120A和120B以及靶104的电容部分也处于100pF/m×10m+300pF＝1300pf＝0.0013μF的量级。这是电容器C1的电容值的大约1/100，所以可以忽略。
在图9中，虚线代表了电弧开始时间以后电容C1的电压变化。在图10中，虚线J所代表的正弦波是电弧振荡电流。该振荡电流的中心为溅射电流。
当振荡电流J增涨到它的峰值时，电容C1的电压VC1降到0伏以下。当振荡电流J已经经过其峰值，并且重新降到溅射电流Isp的水平以下时，电容C1的电压VC1增加到最大反向电压。
当振荡电流降到0A(确切的，是维持电弧放电的电压水平)以下之后，由于对电弧放电的整流作用，电弧电流就会停止流动(也就是说，流过电感L1的电流变成0A)。结果，电压VC1变得与靶电压相等。电容C1被溅射电流Isp充电，其中电感L0将该溅射电流维持在恒定值，当电容C1的电压超过200V时，溅射放电电流开始增加。
在振荡电流越过0A后直到维持电压的电弧被超过为止，对电弧没有提供能量，那么，由于灼热点被冷却并且停止发射热电子，所以在这里就推测电弧放电被抑制了。根据图9和10所示的波形，这一时间段近3μs。然而，必须考虑多个参数以确定，不管这一时间段为多短电弧是否总能被抑制。
决定电弧抑制时间的参数可以包括，例如：
(1)靶的材料属性(功函数、热导率、表面氧化：表面功函数、表面温度，等等)
(2)溅射功率(电压，电流)
(3)振荡电流的峰值电流以及振荡周期(LC值)
(4)溅射气氛(氩压强，残余气体部分压强，添加气体的种类，等等)
在图9和10中，在电弧产生之后，直到电压再次超过200V为止，溅射放电停止了大约10微秒的时间。当电弧被抑制，且溅射重新开始时，电流不会立刻回到溅射电流Isp，这样，电压跳到大约-1300V。滞后于该电压增加的溅射电流增加到大约50A，然后稳定于减幅振荡。即使在电弧放电被抑制的时候溅射电流也不立刻恢复的原因可以包括，由于10-微秒停止所产生的等离子体稀释，以及电感L1所导致的电流抑制效应。
本发明的实施例已经通过参考具体实例得到了描述。然而，本发明不限于这些具体实例。
例如，直流电源单元、振荡电流产生单元、控制电路以及本发明溅射装置的其它部件中的配置、结构、数量、布局、形状以及类似的并不限于上述具体实例，并且，只要本领域熟悉技术的人员适当选择的任何一种覆盖了本发明的特征，那么它都属于本发明的范围之内。
更具体的，例如，由本领域熟悉技术的人员适当修改的每个电路的任何具体配置，电路部件的数量和布局关系都属于本发明的范围之内，其中所述电路部件包括溅射电源中所提供的二极管、电阻以及晶体管。
此外，本发明的放电电源还可以用于多种应用，以及需要通过直流电压来产生放电的溅射中，从而实现相似的功能和效果。
包括本发明元件且能够被本领域熟悉技术的人员修改的任何其它放电电源、溅射电源、以及溅射装置都属于本发明的范围之内。
工业应用
如上说述，根据本发明，基于振荡电流产生单元LC常数的一条极限特性曲线被设定，并且电源在溅射电流不超过该极限特性曲线的范围内操作。这样，不管溅射功率被设定得高还是低，超过极限特性线的溅射电流的流动都会被阻止。即使发生了电弧放电，振荡电流的幅度总被维持在大于溅射电流的水平。这样，振荡电流就彻底降到零安培以下，从而就彻底抑制了电弧放电。
这样的结果就在于，例如，操作不需要切换，从而，当靶变脏或被氧化的时候，清洁时间就被减少，而传统上这需要切换到溅射的清洁模式。
此外，即使在放电电压由于靶损耗而降低时，连续电弧的出现频率也会大大降低。从而，就能够进行稳定溅射。
此外，即使当溅射电压由于负载变化而降低一小段时间，连续电弧的发生频率也可以切实的被降低。从而，就能够实现稳定溅射。
此外，当不幸的发生了连续电弧时，输入连续电弧的能量可以被最小化，并且休眠时间可以是需要的最小值。从而，就能够减小对工艺的破坏和溅射功率中的误差。
也就是说，本发明能够提供一种放电电源、溅射电源、以及溅射装置，它们能够用简单的配置快速且彻底的停止电弧放电，从而提供重大的工业利益。

Claims (13)

1.一种放电电源，包括：
一个直流电源单元，其具有一个平滑电感；
一个控制单元，它被用来控制直流电源单元的一个输出；以及
一个振荡电流产生单元，它具有与直流电源单元的一对输出并联连接的一个电容，以及连接在所述电容和所述一对输出中至少一个之间的一个电感，所述振荡电流产生单元产生振荡电流，其中
所述放电电源通过振荡电流产生单元输出放电功率，
所述控制单元控制了直流电源单元，从而使得直流电源单元输出的电流在直流电源单元所能够输出的电压范围的至少一部分中不超过一个极限电流值，以及
所述极限电流值在所述电压范围的至少一部分中与所述电压的绝对值成正相关。
2.一种放电电源，包括：
一个直流电源单元，其具有一个平滑电感；
一个控制单元，它被用来控制直流电源单元的一个输出；以及
一个振荡电流产生单元，它具有与直流电源单元的一对输出并联连接的一个电容，以及连接在所述电容和所述一对输出中至少一个之间的一个电感，所述振荡电流产生单元产生振荡电流，其中
所述放电电源通过振荡电流产生单元输出放电功率，
所述控制单元控制了直流电源单元，从而使得直流电源单元输出的电流在直流电源单元所能够输出的电压范围的至少一部分中不超过一个极限电流值，以及
所述极限电流值被确定，以使得振荡电流产生单元在所述电压下由于电弧放电的出现所产生的振荡电流的幅度为所述电压下稳定操作状态电流的1.3或更多倍。
3.根据权利要求1或2所述的放电电源，其中所述极限电流值对应于满足下面方程的上极限电流：
I＝(V-Va)×(C/L)1/2/K
其中I是直流电源单元输出的电流，V是直流电源单元输出的电压，L是电感，C是电容，Va是电弧电压，K是幅度的一个乘法因子。
4.根据权利要求1或2所述的放电电源，其中所述电感还包括一条连接电缆的电感，所述电缆延伸到被提供所述放电功率的供电接收器。
5.根据权利要求1或2所述的放电电源，还包括：
电压检测装置，它被用来检测通过振荡电流产生单元输出的电压；以及
电流检测装置，它被用来检测通过振荡电流产生单元输出的电流，其中
所述控制单元基于电压检测装置的检测结果以及电流检测装置的检测结果来进行反馈控制。
6.根据权利要求1或2所述的放电电源，还包括：
电压检测装置，它被用来检测通过振荡电流产生单元输出的电压；以及
电流检测装置，它被用来检测通过振荡电流产生单元输出的电流，其中
所述控制单元可操作来：
基于电压检测装置的检测结果、电流检测装置的检测结果以及一个输出功率设定值来确定一个输出电流设定值，
计算所述电压下的极限电流值，以响应电压检测装置的检测结果，
当输出电流的设定值小于极限电流值时，基于输出电流的设定值控制直流电源单元，以及
当输出电流的设定值大于极限电流值时，控制直流电源单元以使得极限电流值被输出。
7.根据权利要求6所述的放电电源，其中控制单元被操作来：
当电压检测装置的检测结果高于第一预定电压时，使用没有加偏置的极限电流值，以及
当电压检测装置的检测结果低于第二预定电压时，使用加了偏置的极限电流值。
8.根据权利要求1或2所述的放电电源，其中，当电压检测装置的检测结果低于第三预定电压且电流检测装置的检测结果高于第一预定电流时，控制单元将直流电源单元的输出设为零。
9.根据权利要求8所述的放电电源，其中电压检测装置的检测结果是通过一个低通滤波器来确定的。
10.一种溅射电源，用来通过溅射一个靶而形成薄膜，所述溅射电源包括：
一个直流电源单元，其具有一个平滑电感；
一个控制单元，它被用来控制直流电源单元的一个输出；以及
一个振荡电流产生单元，它具有与直流电源单元的一对输出并联连接的一个电容，以及连接在在所述电容和所述一对输出中至少一个之间的一个电感，所述振荡电流产生单元产生振荡电流，其中
所述控制单元控制直流电源单元，从而使得直流电源单元输出的电流在直流电源单元所能够输出的电压范围的至少一部分中不超过一个极限电流值，以及
所述极限电流值在所述电压范围的至少一部分中与所述电压的绝对值成正相关，以及
通过振荡电流产生单元输出的放电功率的一个负输出被连接到靶，从而使得溅射能够进行。
11.一种溅射电源，用来通过溅射一个靶而形成薄膜，所述溅射电源包括：
一个直流电源单元，其具有一个平滑电感；
一个控制单元，它被用来控制直流电源单元的一个输出；以及
一个振荡电流产生单元，它具有与直流电源单元的一对输出并联连接的一个电容，以及连接在所述电容和所述一对输出中至少一个之间的一个电感，所述振荡电流产生单元产生振荡电流，其中
所述控制单元控制直流电源单元，从而使得直流电源单元输出的电流在直流电源单元所能够输出的电压范围的至少一部分中不超过一个极限电流值，以及
所述极限电流值被确定，以使得振荡电流产生单元在所述电压下由于电弧放电的出现所产生的振荡电流的幅度为所述电压下稳定操作状态电流的1.3或更多倍，
通过振荡电流产生单元输出的放电功率的一个负输出被连接到靶，从而使得溅射能够进行。
12.一种溅射装置，包括：
一个溅射电源；以及
一个真空室，它能够将靶封闭于其中，并且能够维持一个气氛，其压强低于大气压强，其中
所述溅射电源是一个用来通过溅射一个靶而形成薄膜的溅射电源，它包括：
一个直流电源单元，其具有一个平滑电感；
一个控制单元，它被用来控制直流电源单元的一个输出；以及
一个振荡电流产生单元，它具有与直流电源单元的一对输出并联连接的一个电容，以及连接在所述电容和所述一对输出中至少一个之间的一个电感，所述振荡电流产生单元产生振荡电流，其中
所述控制单元控制直流电源单元，从而使得直流电源单元输出的电流在直流电源单元所能够输出的电压范围的至少一部分中不超过一个极限电流值，以及
所述极限电流值在所述电压范围的至少一部分中与所述电压的绝对值成正相关，以及
通过振荡电流产生单元输出的放电功率的一个负输出被连接到靶，从而使得溅射能够进行。
13.一种溅射装置，包括：
一个溅射电源；以及
一个真空室，它能够将靶封闭于其中，并且能够维持一个气氛，其压强低于大气压强，其中
所述溅射电源是一个用来通过溅射一个靶而形成薄膜的溅射电源，它包括：
一个直流电源单元，其具有一个平滑电感；
一个控制单元，它被用来控制直流电源单元的一个输出；以及
一个振荡电流产生单元，它具有与直流电源单元的一对输出并联连接的一个电容，以及连接在所述电容和所述一对输出中至少一个之间的一个电感，所述振荡电流产生单元产生振荡电流，其中
所述控制单元控制直流电源单元，从而使得直流电源单元输出的电流在直流电源单元所能够输出的电压范围的至少一部分中不超过一个极限电流值，以及
所述极限电流值被确定，以使得振荡电流产生单元在所述电压下由于电弧放电的出现所产生的振荡电流的幅度为所述电压下稳定操作状态电流的1.3或更多倍，
通过振荡电流产生单元输出的放电功率的一个负输出被连接到靶，从而使得溅射能够进行。
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