CN102334273A - 溅镀装置用交流电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种溅镀装置用交流电源，能够通过抑制在各个电极的极性反转时产生的过电压来防止诱发电弧放电。在直流电供给源(1)的正负直流输出线(2a、2b)之间，设置由多个开关晶体管(SW1～SW4)构成桥式电路(3)。在从直流电供给源(1)到桥式电路(3)的正负直流输出线(2a、2b)的至少一方上，设置使直流输出具有恒定电流特性的电感器(DCL)，并设置与桥式电路(3)的输入(3a、3b)并联的缓冲电路(7)。

Description

溅镀装置用交流电源
技术领域
本发明涉及一种为溅镀装置提供双极性脉冲电力的溅镀装置用交流电源。
背景技术
提供双极性脉冲电力的交流电源，应用于例如在处理基板表面上形成预定薄膜的溅镀装置。对于这种交流电源，已知的是包括由设置在直流电供给源和负载之间的4个开关元件(MOSFET)构成的桥式电路。如果使该桥式电路的各个开关元件适时启动，以预定频率彼此极性反转地向作为输出端(电极)的一对靶施加任意的脉冲电压，则各个靶的极性彼此切换正电极和负电极。由此，使正电极和负电极间发生辉光放电并生成等离子，溅镀各个靶(参考例如专利文献1)。
公知的是在这样的辉光放电中，会由于某些原因导致发生电弧放电(异常放电)。如发生电弧放电，则由于等离子(负载)的电阻抗急速减小，将引起输出电压急速降低，伴随输出电流急速增加。此处，靶尤其是为铝等金属材质时，如在靶间局部发生高电弧电流值的电弧放电，则靶被融化，而靶融化后放出的物质将附着在处理基板的表面上，使处理基板的表面形成微粒或溅斑(数μm～数百μm大小的块儿)，无法良好成膜。
然而，由于直流电供给源的输出一般具有恒定电压特性，所以与电感成分相比，电容成分占据支配地位。因此，发生电弧放电时，等离子负载一侧的电阻抗变小(根据情况，变小到数欧姆以下)，输出和等离子(负载)相结合便通过电容成分向输出侧急速放出。其结果是无法高效地抑制电流上升，这样，便存在短时间(数μS的时间)有过电流通过(即发生电弧放电的每单位时间的电流上升率高)的问题。
对于这种问题的一项解决方案，可想到的是在从直流电供给源到桥式电路的正负输出中的至少一方上，设置电感值比等离子的电感值大的电感器，通过该电感器使来自直流电供给源的输出具有恒定电流特性。
但是，如通过电感器使来自直流电供给源的输出具有恒定电流特性，则由于等离子负载具有电感成分，在各个电极极性反转时电流急速流入等离子负载，导致在此时产生峰状过电压。这样的过电压会有诱发电弧放电的危险。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：专利第3639605号公报
发明内容
发明要解决的问题
鉴于以上内容，本发明要解决的技术问题是提供一种溅镀装置用交流电源，其能通过抑制各个电极极性反转时发生的过电压，来防止诱发电弧放电。
解决技术问题的手段
为了解决上述问题，本发明的溅镀装置用交流电源包括：直流电供给源；以及连接在来自该直流电供给源的正负直流输出之间的由多个开关元件构成的桥式电路，通过所述桥式电路的各个开关元件的切换，以预定频率向与等离子接触的一对电极提供双极性脉冲电力；该交流电源包括：电感器，电感器的电感值大于等离子的电感值，在从所述直流电供给源到所述桥式电路的正负直流输出中的至少一方上；以及缓冲电路，该缓冲电路与所述桥式电路的输入并联。
在本发明中，能够通过在从直流电源到桥式电路的正负输出中的至少一方上，设置电感值比等离子的电感值还大的电感器，来限制发生电弧放电的电流上升。
此处，如通过电感器使直流电供给源的输出具有恒定电流特性，则由于与电极耦合的等离子负载具有电感成分，将因在各个电极的极性反转时电流急速流入等离子负载导致产生峰状过电压。这样的过电压有诱发电弧放电的危险。在本发明中，通过用缓冲电路有效限制各个电极极性反转时的输出电流的上升，能够有效地抑制各个电极极性反转时发生的过电压，能够防止诱发电弧放电。
在本发明中，所述缓冲电路设置在所述电感器和所述桥式电路之间，可由相互串联的二极管及电容和与所述二极管并联的电阻构成。
采用这样的构成，在各个电极极性反转时，直流电供给源的电流不是急速流入等离子负载的电感，而是流入电容去充电，通过该充电电流，缓冲电路的电容的电压缓慢上升，由于输出电流根据该电容电压而稳步上升，从而有效地抑制在各个电极的极性反转时发生过电压。
在本发明中，所述缓冲电路设置在所述电感器和所述桥式电路之间，可设置为由相互串联二极管及电容，和一端连接在所述二极管和所述电容之间，另一端连接在所述直流电供给源和所述电感器之间的电阻构成。
采用该构成，由于缓冲电路的电容的放电电流即使在产生电弧时也会流经电感器，因此，可将缓冲电路的电阻的电阻値设置得更小。从而，加上由上述构成得到的效果，就能够降低缓冲电路的电容的初始电压，由于能够得到进一步抑制上述过电压的效果，所以能够降低缓冲电路的损失，提高该交流电源的效率。
此外，在由于某些原因导致所有的开关元件变为截止时，会因流经电感器的电流被急速阻断而产生过电压，这就存在由于该过电压而导致开关元件故障的可能。因此，通常需要将由相互串联的二极管和电阻构成的惯性同步电路设计为保护开关元件的保护电路。根据本发明的构成，即便流经电感器的电流发生了急速变化，电感器带有的能量也能通过缓冲电路的二极管及电阻释放，因而不会产生过电压。从而，由于本发明的缓冲电路作为保护开关元件的惯性同步电路发挥作用，因此能够省去惯性同步电路，可以降低成本。
并且，在本发明中，还可设置一个开关元件，用于在切换所述桥式电路的各个开关元件时使所述直流电供给源的直流输出短路。由此，在提供双极性脉冲电力时，能够仅在一个输出短路用开关元件上发生开关损耗。
附图说明
[图1]为采用本发明的第1实施方式的交流电源E1的构成的示意图。
[图2]为说明采用本发明的第1实施方式的交流电源E1的输出控制的图。
[图3]为说明作用于交流电源E1的一个电极的输出电压及输出电流的波形图。
[图4]为采用本发明的第2实施方式的交流电源E2的构成的示意图。
[图5]为说明作用于交流电源E2的一个电极的输出电压及输出电流的波形图。
[图6]为采用本发明的变形例的交流电源E3的构成示意图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明，对各附图的共有元件附加同一标记，并省略重复说明。
参照图1，说明采用本发明的第1实施方式的交流电源E1的构成。该交流电源E1为AC脉冲电源，例如与溅镀装置S内的处理基板相向配置，用于以预定频率向作为与等离子负载P接触的电极的一对靶T1、T2提供双极性脉冲电力。此处，等离子负载P能够通过等价电路5来表示。该等价电路5具有电感值为20μH～30μH的电感元件Lp，该等价电路5与一对靶T1、T2电容耦合。
交流电源E1包括直流电供给源1，该直流电供给源1例如由输出500V直流电压的DC电源构成。直流电供给源1的正负输出线2a、2b之间设置有由4个开关晶体管SW1～SW4构成的桥式电路3。
通过未图示的驱动电路切换桥式电路3的各个开关晶体管SW1～SW4的通断。例如，在进行切换控制使第1及第4开关晶体管SW1、SW4和第2及第3开关晶体管SW2、SW3的通断时间反转的情况下，即可经由桥式电路3的输出线4a、4b为一对靶T1、T2提供双极性脉冲电力。
此处，在上述构成的交流电源E1上，若以提供直流电供给源1的电力的方式来切换各个开关晶体管SW1～SW4，则它们的开关损耗变得很大。因此，需要设置一种各开关晶体管SW1～SW4的耐久性增强的构成。在本实施方式中，在直流电供给源1的正负输出线2a、2b之间，设置有短路输出用开关晶体管SW5。在该开关晶体管SW5处于短路状态(导通)下，进行各开关晶体管SW1～SW4的切换。
即如图2所示，在向一对靶T1、T2提供双极性脉冲电力时，例如，在时刻t1使开关晶体管SW5处于短路状态(导通)。在改变为短路状态的情况下，在时刻t1前流向等离子负载P的电流流入了短路路径6，因此电流绕过等离子负载P流通。
随后，在开关晶体管SW5为短路状态的时刻t2，使第1及第4开关晶体管SW1、SW4截止，并在时刻t2后的时刻t3，使第2及第3开关晶体管SW2、SW3导通。此后，在时刻t4，解除(断开)开关晶体管SW5的短路状态。通过解除该短路状态，此前流过短路路径6的电流按照开关晶体管SW3、等离子负载P和开关晶体管SW2的顺序流通，因此，产生形成负极性的输出电流。此处，开关晶体管SW5导通时间(图2示出的时刻t1～t4)例如为数μsec。
接下来，通过在时刻t5再次短路开关晶体管SW5，使电流绕开等离子负载P流入短路路径6。在随后的时刻t6使第2及第3开关晶体管SW2、SW3截止，再在随后的时刻t7使第1及第4开关晶体管SW1、SW4导通。此后，在时刻t8断开开关晶体管SW5的短路状态。由此，此前流过短路路径6的电流按照开关晶体管SW1、等离子负载P和开关晶体管SW4的顺序流通，产生形成正极性的输出电流。
另外，虽然在图2示出的例子中，在不同时间进行开关晶体管SW1～SW4的通断，但也可在相同时间内进行。再者，在将第1及第4开关晶体管SW1、SW4由导通状态切换为截止状态，和将第2及第3开关晶体管SW2、SW3由截止状态切换为导通状态时，也可在使第1及第4开关晶体管SW1、SW4截止之前使第2及第3开关晶体管SW2、SW3导通，其后再使第1及第4开关晶体管SW1、SW4截止。即也可不使用开关晶体管SW5，而代之以使4个开关晶体管SW1～SW4全部导通来形成的短路状态。
继而，通过重复各开关晶体管SW1～SW4的通断时间反转的上述控制，即可以预定频率向一对靶T1、T2之间提供双极性脉冲电力。届时，在向保持在预定压力的溅镀装置S内导入Ar等溅镀气体的状态下，以预定频率交替改变极性地为靶T1、T2提供电力的方式，使靶T1、T2交替切换为正电极、负电极，这样，就会在正电极及负电极之间发生辉光放电，形成等离子，能够溅镀各靶T1、T2。此时，向靶T1、T2输出时发生的开关损耗只在短路用开关晶体管SW5上发生，各个开关晶体管SW1～SW4几乎不发生。
此处，如果像传统交流电源那样，向靶T1、T2提供具有直流电供给源的恒定电压特性的输出的话，在辉光放电中由于某些原因发生电弧放电时等离子负载一侧的电阻抗变小，会产生很大的电弧电流。
在本实施方式中，为了抑制产生这样的电弧电流，在正输出线2a上设置具有比等离子P的电感值还大的电感值(例如为5mH)的电感器(直流电抗器)DCL，在该电感器DCL的作用下，使直流电供给源1的输出具有恒定电流特性。要使直流电供给源1的输出具有恒定电流特性，使该电感器DCL的电感值为1mH以上即可。通过在正输出线2a上设置电感器DCL，能够抑制发生电弧放电时的电流上升率，因此能够抑制产生电弧电流。
另外，虽然在本实施方式中，将该电感器DCL设置在正输出线2a上，但并不仅限于此，也可将电感器DCL设置在负输出线2b或在正负输出线2a、2b上均设置电感器DCL。
在将电感器DCL设置在输出线2a上时，如上所述，在以预定频率(例如5kHz)切换各开关晶体管SW1～SW4时，即令各靶T1、T2的极性发生反转时，短路用开关晶体管SW5进行通断。如开关晶体管SW5断开，则输出电流上升。即在临断开开关晶体管SW5之前被短路的电流流过与靶T1、T2电容耦合的等离子负载P。由于等离子负载P具有电感元件Lp，因而急速流入电流后将产生峰状(值接近恒定值的2倍)的过电压。这样的过电压有诱发电弧放电的危险。
在本实施方式中，为通过抑制在各靶T1、T2极性反转时输出电流的上升来抑制峰状过电压，设置了与桥式电路3的输入3a、3b并联的缓冲(Snubber)电路7。该缓冲电路7设置在电感器DCL和桥式电路3之间，且包括串联在一起的缓冲二极管Ds及缓冲电容Cs。由于该缓冲电容Cs的电容值小于5μF时有可能无法有效抑制输出电流的上升，超过20μF时有可能增加自由放电，因此，该缓冲电容Cs的电容值优选为例如在5μF～20μF的范围内。进一步地，缓冲电路7具有与缓冲二极管Ds并联的缓冲电阻Rs。由于该缓冲电阻Rs作为放电电阻工作，因而能够防止缓冲二极管Ds的电压变得过高。
采用本实施方式中的缓冲电路7，如在各靶T1、T2的极性反转时断开开关晶体管SW5，则此前流过短路路径6的电流将通过缓冲二极管Ds流入缓冲电容Cs。而且，随着该缓冲电容Cs的充电电压的上升，经由靶T1、T2流向等离子负载P的电流渐渐上升。其结果是，如图3的以虚线括起的部分所示(另外，图3仅示出了一个靶的输出电压Vc及输出电流Ic的变化)，在各靶T1、T2的极性反转时输出电流Ic的上升变得缓和，这样，就可有效地抑制在各靶T1、T2极性反转时出现的过电压，进而能够防止诱发电弧放电。
此处，为了抑制在各靶T1、T2极性反转时出现的过电压，优选减小缓冲电阻Rs的电阻値，以使缓冲电容Cs的充电电压降低。另一方面，如缓冲电阻Rs的电阻値过小，则在等离子负载P上发生电弧放电时，经由缓冲电阻Rs释放的缓冲电容Cs的放电电流增大，这将为等离子负载P提供过大的电弧能量。在本实施方式中，该缓冲电阻Rs的电阻値优选在例如20～50Ω的范围内。
接下来，参照图4说明第2实施方式的交流电源E2的构成。该交流电源E2中，构成缓冲电路7的缓冲电阻Rs的一端的连接位置与上述交流电源E1不同。该缓冲电阻Rs的一端连接在直流电供给源1与电感器DCL之间。该缓冲电阻Rs的另一端与上述交流电源E1一样，连接在缓冲二极管Ds的负极和缓冲电容Cs之间。由于该交流电源E2的其他构成、开关晶体管SW1～SW4及短路用开关晶体管SW5的切换控制与上述交流电源E1一样，所以省略其详细说明。
采用本实施方式的交流电源E2，在各靶T1、T2的极性反转时，如断开开关晶体管SW5，则此前流过短路路径6的电流将通过缓冲二极管Ds流过缓冲电容Cs。而且，与上述第1实施方式的交流电源E1一样，随着该缓冲电容Cs的充电电压的上升，经由靶T1、T2流向等离子负载P的电流渐渐上升。其结果是如在图5中以虚线括起的部分所示，输出电流Ic的上升变得缓和，这样，有效抑制了过电压的产生，进而能够防止诱发电弧放电。
此处，在本实施方式中，由于临断开开关晶体管SW5之前的缓冲电容Cs的电压被直流电供给源1的电压所钳制，因此，与上述第1实施方式(参照图3)相比，开关晶体管SW5截止后的缓冲电容Cs的充电电压变得更低，能够进一步抑制过电压。
此外，如果由于某些原因使开关晶体管SW1～SW4全部截止，则将因流过电感器DCL的电流被急速阻断而产生过电压，从而导致开关晶体管SW1～SW4可能因该过电压而发生故障。因此，通常需要设置一由相互串联的二极管和电阻构成的惯性同步电路作为保护开关晶体管SW1～SW4的保护电路。
在本实施方式中，即便流过电感器DCL的电流发生急速变化，但由于电感器DCL的能量可通过缓冲电路7的缓冲二极管Ds及缓冲电阻Rs释放，所以不会产生过电压。从而，由于缓冲电路7作为保护开关晶体管SW1～SW4的惯性同步电路发挥作用，所以可以省去惯性同步电路，进而降低成本。
再者，即便是在由于某种原因导致在等离子负载P上发生电弧放电，缓冲电容Cs也可经由电感器DCL放电。因此，即便减小缓冲电阻Rs的电阻値，缓冲电容Cs的放电电流也不会变得过大。从而，缓冲电阻Rs的电阻値可比上述第1实施方式中的缓冲电阻的电阻值还小，例如为数Ω至数十Ω。由此，能够使缓冲电容Cs的初始电压降低，进而能够进一步抑制降低在开关晶体管SW5截止后产生的过电压。这样，能够使缓冲电路7的损失降低到上述第1实施方式的75％左右，提高了电源的效率。
此外，本发明并不受上述实施方式限定，可以在不超出本发明的主旨的范围内实施各种变形。例如也可像图6所示的交流电源E3那样，具有二个串联的缓冲电路7a、7b。在该交流电源E3中，正负两输出线2a、2b上分别设有电感器DCL1、DCL2。而且，开关晶体管SW5a、SW5b和电阻R1、R2分别与构成缓冲电路7a、7b的缓冲二极管Ds及缓冲电容Cs的串联电路并联设置。这些电阻R1、R2是为各缓冲电路7a、7b分配所施加电压的分压电阻。由于该交流电源E3上的其他构成及开关晶体管SW1～SW4的切换控制与上述交流电源E2一样，因此省略其详细说明。采用该交流电源E3，除了可获得上述交流电源E2具有的效果外，还能够使缓冲电路7a、7b更加耐压。
附图标记说明
E1、E2、E3 交流电源
S 溅镀装置
P 等离子负载
T1、T2 靶(电极)
DCL 电感器
SW5 短路用开关晶体管
1 直流电供给源
2a、2b 输出线
3 桥式电路
SW1～SW4 开关晶体管
7 缓冲电路
Ds 缓冲二极管
Cs 缓冲电容
Rs 缓冲电阻

Claims (4)

1.一种溅镀装置用交流电源，包括：直流电供给源；以及连接在该直流电供给源的正负直流输出之间的由多个开关元件构成的桥式电路，通过所述桥式电路的各个开关元件的切换，以预定频率向与等离子接触的一对电极提供双极性脉冲电力，其特征在于：
所述溅镀装置用的交流电源包括：
电感器，所述电感器的电感值大于等离子的电感值，所述电感器设置在从所述直流电供给源到所述桥式电路的正负直流输出中的至少一方上；以及，
缓冲电路，所述缓冲电路与所述桥式电路的输入并联。
2.根据权利要求1所述的溅镀装置用交流电源，其特征在于：
所述缓冲电路设置在所述电感器和所述桥式电路之间，所述缓冲电路包括彼此串联的二极管及电容，以及与所述二极管并联的电阻。
3.根据权利要求1所述的溅镀装置用交流电源，其特征在于：
所述缓冲电路设置在所述电感器和所述桥式电路之间，包括彼此串联的二极管及电容，以及一端连接在所述二极管和所述电容之间，另一端连接在所述直流电供给源和所述电感器之间的电阻。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的溅镀装置用交流电源，其特征在于：
还包括在切换所述桥式电路的各个开关元件时，用于使所述直流电供给源的直流输出短路的开关元件。
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