CN103069928B - 直流电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流电源装置，其可施加正电压对电弧放电进行消弧，而且在对电弧放电消弧后，在恢复正常工作时可确保抑制再次发生电弧放电。直流电源装置具有向靶施加电力的直流电源部、电弧检测部、串联安装在负输出上的第一开关元件SW1、并联安装在正负两输出间的第二开关元件SW2和施加反向电压的反向电压施加部、以及控制装置4。正常工作时，在通过第二开关元件已停止反向电压施加部对电极施加反向电压的状态下通过第一开关元件对所述电极通电。如果检测到电弧放电，则通过第二开关元件从反向电压施加部向电极通电施加规定时间的反向电压，在该时间经过后通过第一开关元件阻断对电极的通电，之后再次开始对电极的通电。

Description

直流电源装置

技术领域

本发明涉及一种向接触等离子体负载的电极施加功率，特别是用于溅镀（下称“溅射”）装置中的直流电源装置。

背景技术

对于在玻璃或硅晶片等基板表面成膜的方法，以往已知的是使用溅射装置。在该溅射装置中，例如在真空气氛下的处理室内导入规定的溅射气体（氩气），并以直流电源装置向对应要在基板表面形成的薄膜的成分制作的、作为接触等离子体负载的电极的靶施加电力形成等离子体气氛。而且，使等离子体气氛中的离子向靶加速撞击，使溅射粒子（靶原子）散射，附着沉积在基板表面上形成规定的薄膜。

已知在使用上述溅射装置的薄膜形成过程中，由于某些原因导致发生电弧放电（异常放电）。由于一旦发生电弧放电，则等离子体负载的阻抗急速减小，所以发生电压急降，从而电流増加。这种情况下，尤其是靶为铝等金属制成时，例如高电弧电流值的电弧放电一旦发生在靶的局部，靶被熔解并放出的物质附着在处理基板表面产生微粒或喷溅物（数μｍ～数百μｍ的块体），产生的这些问题导致无法良好成膜。

此处，在专利文献1中，公开了在直流电源部向靶的正负输出之一上串联电感器，并在该电感器之后在直流电源部侧在正负输出（电缆）间并联开关元件，可阻断直流电源部输出的施加功率进行电弧放电的消弧处理。

在上述专利文献1的记载中，由于在正负输出间并联设置开关元件，所以在发生电弧放电时，即便短路（导通）上述开关元件形成闭合电路，但直到等离子体负载或电缆的电感或电容元件中残留的能量被消耗为止，都会存在电弧电流通过上述开关元件不断流向接触等离子体负载的靶的问题。

因此，在上述专利文献1中提出，在使用自耦变压器短路了上述开关元件时产生正电压，迅速消除该残留电弧能量。但是，即便像这样产生正电压，但如果发生电弧放电时阻抗非常低，就会产生过大的反向电流，且由于施加比工艺规定的负电压高10％以上的正电压，所以真空装置内的阳极和阴极切换，有时变为反向溅射状态，在电弧放电继续或从电弧处理恢复再次对靶施加电力时，存在容易再次发生电弧放电的问题。

再有，还有提出在有电弧放电发生时，在施加正电压的电路上串联设置电阻，但这样则会降低对电弧放电进行消弧的能力，也无法施加10％以上的正电压。由此，在施加足够的正电压时也需要增加脉冲宽度，但是用自耦变压器时，随着时间的增加，流入直流电源部侧的线圈的电流增加，结果是流入等离子体负载侧的线圈的反向电流増加，成为满足相反条件的电弧处理。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:专利公开2004－6230号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

鉴于以上内容，本发明要解决的技术问题是可提供施加正电压对电弧放电进行消弧，且在对电弧放电进行消弧后恢复正常工作时，提供可切实抑制电弧放电再次发生的直流电源装置。

解决技术问题的手段

为了解决上述技术问题，本发明的直流电源装置其特征在于：具有直流电源部，向接触等离子体负载的电极施加电力；电弧检测部，其在该直流电源部的正负输出处检测电极发生的电弧放电；所述直流电源部的正负输出的一方处还具有与等离子体负载串联设置的第一开关元件；位于正负两输出之间的第二开关元件及反向电压施加部，所述第二开关元件与等离子体负载并联设置，所述电压施加部施加反向电压；控制两开关元件通、断切换的控制装置，所述控制装置在正常工作向电极施加电力时，在通过第二开关元件停止从反向电压施加部向电极施加反向电压的状态下，以第一开关元件对所述电极通电；如果电弧检测部检测到电弧放电，则第二开关元件从反向电压施加部向电极通电施加规定时间的反向电压，以此进行电弧放电的消弧，经过该时间后在第一开关元件给电极的通电阻断规定时间后，再次开始对电极通电的电弧处理。

采用本发明，如果以向接触等离子体负载的电极施加负电压的情况为例进行说明，则在正常工作时的等离子体放电时，断开第二开关元件，导通第一开关元件对直流电源部和电极通电施加电力。而且，如果电弧检测部检测到电弧放电，则首先导通第二开关元件。由此，建立与电极之间的闭合电路，从反向电压施加部向电极施加正电压。由此，电弧能量变小（施加该反向电压的时间称为反向电压施加时间）。

像这样电弧能量一旦变小，则通过断开第一开关元件，不使非常大的过电压产生而将等离子体负载断开规定时间（该时间称为输出阻断时间）。即利用第一及第二两开关元件事先构成串并联的开关电路，为进行电弧放电的消弧施加正电压，之后一度断开等离子体负载和直流电源部及反向电压施加部，完全阻断给电弧放电的能量供给。之后，导通第一开关元件对直流电源部和电极再次通电并再次开始等离子体放电。

不同于上述以往例，采用这样的本发明，在经过反向电压施加时间后，通过设置输出阻断时间，可分别对反向电压施加时间和输出阻断时间做最佳设定。结果是可将发生电弧放电时的电弧能量最小化，对电弧放电进行消弧；而且，由于在从消弧处理恢复时，设置输出阻断时间一度阻断能量供给，所以可切实抑制电弧放电的继续及再次发生。

而且，如果将本发明的直流电源装置用于溅镀装置，则在对电弧放电进行消弧时，尽可能缩短正电压施加时间，使电弧电流迅速变为0A，在电弧放电消弧后，切断给电弧放电的能量供给，时间长达作为接触等离子体的电极的靶的表面状态和配置有靶的处理室内的气氛恢复到不再次发生电弧放电的程度，结果是可实现电弧放电的最佳消弧处理。

在本发明中，采用的结构是所述反向电压施加部由变压器构成，该变压器的初级绕组直流电源部输出的正负输出中至少一方与所述第一开关元件串联连接，变压器的次级绕组与在正负两输出间并联设置的第二开关元件串联连接，通过第二开关元件的控制向电极通电施加反向电压。

由此，正常工作时，断开第二开关元件，导通第一开关元件，通过将变压器的次级侧和初级侧串联连接而向电极施加电力。而且，如果电弧检测部检测到发生电弧放电，则首先导通第二开关元件。此时，来自直流电源部的输出电压变为0Ｖ，之后，为使变压器的次级侧产生正电压，通过导通第二开关元件即可向电极施加正电压，构成反向电压施加时间。

经过反向电压施加时间后，通过断开第一开关元件构成输出阻断时间，输出电流及输出电压变为0。此处，在正常工作中输出电压大输出电流流入电极的状态下，如果通断第一开关元件会产生非常大的过电压，但如采用上述结构的话，则由于第二开关元件事先使电压或电流变为低水平，所以第一开关元件的过电压保护用的电路简单即可。

根据上述结构，由于无需使用另外电源即可在变压器上产生正电压，所以有利于可靠性及降低成本。然而，在上述以往例中，如不以较短时间产生正电压结束电弧处理，则反向电流的増加会变大。与之相对，本发明中由于可通过使用第一及第二开关元件来限制正电压的产生时间，所以即便施加通常的等离子体放电时施加的电压的10％以下的正电压，例如施加3～5％的正电压，如果设置的与电极断开的输出阻断时间充足，就能实现电弧放电消弧用的电弧处理。

另一方面，在本发明中，也可采用所述反向电压施加部由反向电压产生用的另一直流电源部构成，设置为来自该另一直流电源的正输出与第二开关元件串联连接，该负输出与电极连接。

由此，在正常工作时，断开第二开关元件，导通第一开关元件。而且，如果电弧检测部检测出电弧放电的发生，就在导通第二开关元件的同时断开第一开关元件，从直流电源部向电极施加正电压，构成反向电压施加时间。而且，通过断开第二开关元件来构成输出阻断时间，经过该输出阻断时间后，导通第一开关元件构成通常的等离子体放电状态。采用上述结构，由于可与通常的等离子体放电状态无关地、简单控制向电极施加的正电压的水平（电压），所以可应对各种电弧处理。

再有，在本发明中，所述控制装置也可采用连续重复所述电弧处理的结构。由此，像上述那样在反向电压施加时间上继续设置输出阻断时间的情况下，为防止反向溅射或与之相伴的反向电弧放电状态，优选尽可能缩短反向电压施加时间，但因向基板或靶的处理室内的电子带电（充电）导致电弧放电的频率很高时，作为防止充电的效果对产生反向脉冲有效的。因此，如上述那样，在通过施加反向电压防止充电而导致易于变为反向溅射时，通过缩短脉冲宽度和输出阻断时间，多次重复上述电弧处理，可切实对电弧放电进行消弧。

多次重复进行所述电弧处理时，优选控制装置在最后停止施加反向电压后，紧接着通过第一开关元件再次开始对电极通电。

进而在本发明中，也可构成为所述控制装置在正常工作时通过第一开关元件停止给所述电极通电，通过第二开关元件从反向电压施加部对电极通电施加反向电压，在经过规定时间后，以规定间隔对通过第一开关元件再次开始对电极通电的电极进行防止带电处理。

由此，在正常工作中可减低对基板或电极的充电，可抑制由该充电引发的电弧放电。

另外，在本发明中，优选将所述电弧处理中施加反向电压的时间和所述防止带电处理中施加反向电压的时间彼此设为不同的时间。即由于在电弧处理中只要对电弧放电进行消弧即可，所以通过将反向电压施加时间在到电弧放电可消弧为止的时间中设置得尽可能短些，输出阻断时间反而延长设置，尤其可使作为电极的阴极表面的状态尽快从发热返回到正常状态。另一方面，在防止带电处理中，由于阴极表面及等离子体状态为正常，所以可延长反向电压施加时间以增加防充电效果，输出阻断时间可为非常短的时间，只要有防止反向溅射的时间即可。另外，在反向溅射没有问题时，上述时间也可设为0。

再有，也可把所述电弧处理中施加反向电压后到通过第一开关元件再次开始对电极通电的时间和从所述防止带电处理中施加反向电压后到通过第一开关元件再次对电极通电的时间设置为彼此不同的时间。

附图说明

图1是本发明的实施方式的直流电源装置的结构示意图。

图2是说明图1的直流电源装置的控制顺序的流程图。

图3是本发明的另一实施方式的直流电源装置的结构示意图。

图4是说明图3的直流电源装置的控制顺序的流程图。

图5是说明图1的直流电源装置的控制顺序变形例的流程图。

图6(a)～（c）是说明图1示出的直流电源装置中在正常工作中进行防止带电处理时的控制顺序的流程图。

具体实施方式

参照以下附图，以通过溅射装置对靶施加直流电力的情况为例说明本发明的实施方式的直流电源装置E1，E2。

如图1所示，直流电源装置E1例如与配置在溅镀装置的处理室1内的基板Ｓ相对配置，是对作为接触等离子体负载P的电极的靶T施加直流电力的装置。直流电源装置E1具有可供给直流电力的直流电源部2、电弧检测部3、作为统一控制直流电源装置E1运行的控制装置的CPU电路4。直流电源部2在图中虽未特别示出，但输入商用交流电力（例如单相AC200Ｖ，三相AC200等），整流该输入的交流电力变为直流电力后，通过逆变器转换再次变为交流，整流该输出再次变为直流电力输出到靶T。直流电源部2的正输出（电缆）5a的端部接地（在本实施方式中与接地的、在处理室1内保持基板Ｓ的台架（未图示）连接），负输出（电缆）5b的端部与靶T连接。另外，图1中C是电容器。

电弧检测部3具有检测输出电流、输出电压的检测电路31，检测电路31所检测出的输出电流、输出电压经AD转换电路32输入到CPU电路4。再有，检测电路31上连接有电弧检测电路33。由于在电弧放电发生时等离子体负载P的阻抗迅速减小，导致电压急降，电流随之増加，所以根据检测电路31所检测出的输出电流及／或输出电压的变化量检测电弧放电的产生。电弧检测电路33上通信自如地连接有电弧处理电路34，电弧处理电路34上通信自如地连接有CPU电路4。

直流电源部2的负输出5b上设置有第一开关元件SW1与等离子体负载P串联。再有，正负两输出5a、5b之间，在相比第一开关元件SW1的位置更靠近直流电源部2侧与等离子体负载P并联安装有第二开关元件SW2及施加反向电压的反向电压施加部6。第一开关元件SW1的结构为双向开关，例如具有IGBT和二极管d。而且，通过CPU电路4上通信自如地连接的驱动电路D控制切换其通断。再有，第二开关元件SW2的结构为单向开关，例如具有IGBT。而且，与上述相同，通过CPU电路4上通信自如地连接着的驱动电路D控制切换其通断。另外，第一、第二两开关元件SW1、SW2并不受上述限定，例如，作为第一开关元件，其结构可以是组合有两个IGBT，再有，也可使用FET等晶体管。

反向电压施加部6由变压器构成，该变压器的一次侧绕线61通过在负输出5b上第二开关元件向该负输出5b的线路的接点在直流电源部侧2与第一开关元件SW1串联连接。另一方面，变压器的二次侧绕线62与正负两输出5a、5b上并联设置的第二开关元件SW2串联连接。

接着，参照图2说明本实施方式的直流电源装置E1的工作。向靶T施加电力正常工作时，通过CPU电路4及驱动电路D的控制断开第二开关元件SW2，由于在反向电压施加部6对靶T的反向电压施加已停止的状态下，如果导通第一开关元件SW1的IGBT，则在电路上二极管d导通，所以从直流电源部2向靶T施加电力。即通过变压器的初级绕组61和次级绕组62串联连接，从直流电源部2向靶T施加功率。

在靶T的溅射过程中，如果电弧检测部3检测出电弧放电，则通过CPU电路4及驱动电路D控制第二开关元件SW2首先导通。由此，在其与靶T之间构建闭合电路开始对电弧放电进行消弧的电弧处理。即由于如果第二开关元件

SW2导通，则变压器的次级绕组62上产生正电压，所以通过第二开关元件SW2向靶T施加正电压。由此，通过从反向电压施加部6对靶T施加正电压给等离子体负载P的电弧能量减小。另外，虽然在本实施方式中施加脉冲状正电压，

但波形并不仅限于此。再有，考虑正常工作时向靶T施加的电力等，通过适当调节变压器的初级及次级绕组61、62的圈数比来设定产生的正电压。

而且，经过规定时间（反向电压施加时间）后，即电弧能量减小后，如果断开第一开关元件SW1的IGBT，则二极管d也断开，不会产生非常大的过电压，等离子体负载P从直流电源部2及反向电压施加部6断开规定时间变为输出阻断时间。此时，第二开关元件SW2既可维持导通状态，也可切换为断开。而且，在输出阻断时间，输出电流及输出电压变为0，一度阻断对电弧放电的能量供给。最后通过CPU电路4及驱动电路D控制断开第二开关元件SW2，并第一开关元件SW1的二极管d导通电弧处理结束，返回正常工作。

此处，通常如果在来自直流电源部2的输出电压变大，输出电流流向靶T的状态下导通、断开第一开关元件SW1，则会产生非常大的过电压，如果采用上述结构，则由于通过第二开关元件SW2事先将电压或电流设置到低水平，所以第一开关元件SW1的过电压保护用的电路简单即可。再有，由于电弧处理时无需使用施加正电压用的其他电源，可用变压器6产生正电压，所以有利于可靠性和降低成本。此外，在上述以往例的装置中，如果不在较短时间产生正电压结束电弧处理，则与反向电流的増加相反，在本实施方式中，由于通过使用第一及第二开关元件SW1、SW2可限制正电压的产生时间，所以即便施加通常的等离子体放电时施加的电压的10％以下的正电压，例如3～5％左右的正电压，只要将等离子体负载P切断足够的时间，就能实现足够的电弧放电消弧用的操作。

正如以上说明的那样，在本实施方式中，与上述以往例不同，在经过反向电压施加时间后，通过设置输出阻断时间，可分别对反向电压施加时间和输出阻断时间做最佳设置。结果是可将电弧放电产生时的电弧能量最小化，对电弧放电进行消弧，而且，从消弧处理恢复时，由于设置有输出阻断时间，一度将能量供给阻断，所以可切实抑制电弧放电的继续和再次发生。即在对电弧放电进行消弧时，将正电压施加的时间尽可能缩短将电弧电流迅速降为0A，在电弧放电消弧后，在从靶T的表面状态（在该切断时间里冷却靶T等）和处理室1内的气氛返回电弧放电不再发生的程度所需的时间中，一度切断直流电源部对靶T的能量供给，结果是得到在恢复正常工作后不再发生电弧放电的最佳电弧处理。

在上述实施方式中，以将反向电压施加部6用作变压器的装置为例进行了说明，但并不仅限于此。如果参照图3及图4进行说明，则另一施方式施加的直流电源装置E2中，反向电压施加部6可由可向靶T施加脉冲状的正电压的正电压产生电路60构成。此时，正电压产生电路60例如可设置为与直流电源部2相同的结构，其正输出与第二开关元件SW2串联连接，其负输出连接在靶T上。而且，如果电弧检测部3检测到电弧放电发生，则在导通第二开关元件SW2的同时，断开第一开关元件SW1变为反向电压施加时间。

经过反向电压施加时间后，通过断开第二开关元件SW2变为输出阻断时间，经过该输出阻断时间后，导通第一开关元件SW1变为通常的等离子体放电状态。如果采用这样的结构，与通常的等离子体放电状态无关，由于可简单控制电弧放电的消弧所需的待施加正电压的水平（电压），可用于各种电弧处理。

再有，在上述实施方式中以将反向电压施加时间和输出阻断时间连续起来设置成一次为例进行了说明，但并不仅限于此。即如图5所示，也可通过CPU电路4及驱动电路D的控制，将上述电弧处理连续起来反复进行。由此，在反向电压施加时间上继续设置输出阻断时间时，为防止反向溅射或与之相伴的反向电弧放电的发生，优选反向电压施加时间尽可能缩短，在因对基板Ｓ或靶T充电导致发生电弧放电的频率很高时，作为防止充电的效果，发生反向脉冲是有效的。因此，如上所述，在为防止充电施加反向电压而容易发生反向溅射时，通过缩短脉冲宽度和输出阻断时间而反复多次进行（第二次以后的反向电压施加时间变为防止带电），可切实进行对电弧放电的消弧。此时，也可在最后停止施加反向电压后，紧接着通过第一开关元件SW1再次开始对靶T的通电。

再有，在上述实施方式中，以进行最佳的电弧处理为例说明了本发明的直流电源装置E1、E2，但并不仅限于此，第一及第二开关元件SW1、SW2及具有反向电压施加部6的直流电源装置E1、E2可在向靶T的溅射过程中作为降低对靶T或基板Ｓ的充电引起的电弧放电发生的装置。

即如果以直流电源装置E1为例，则如图6（a）所示，在正常工作时以规定的间隔通过CPU电路4及驱动电路D控制首先导通第二开关元件SW2构建与靶T之间的闭合电路，开始防止带电处理。即如果导通第二开关元件SW2，则由于变压器6的次级绕组62上产生正电压，通过第二开关元件SW2向靶T施加正电压。而且，经过规定时间（防止带电时间）后，如果断开第一开关元件SW1，则等离子体负载P切断规定时间，变为防止反向电弧产生的输出阻断时间。此后，如果通过CPU电路4及驱动电路D控制断开第二开关元件SW2，同时导通第一开关元件SW1，则防止带电处理结束，返回正常工作。另外，进行防止带电处理的次数或间隔与给靶T的施加功率、其使用频率或靶T的种类相对应做适当设置。

再有，上述间隔即可以是相等间隔，也可以是不同的间隔。另外，施加反向电压的波形设置为在电弧处理时和防止带电处理时不同会更有效。在正常的电弧处理中，由于只需对电弧放电进行消弧即可，所以尽量缩短反向电压产生，通过反而延长阻断时间，尤其可使靶T表面的状态从发热尽快返回到正常状态。另一方面，在防止带电处理中，由于并不是电弧放电状态，而是从通常的等离子体放电向反向电压转移，所以为使靶T表面或等离子体状态回复正常，可将反向电压时间延长以使防止充电效果增加，由于输出阻断时间只需设置为具有防止反向溅射的时间即可，所以也可以是很短的时间。当反向溅射没有问题时，输出阻断时间也可为0。

进而，如图6（b）所示，在进行电弧处理后，也可通过进行图6（a）所示的防止带电处理，减低对基板S或靶T的充电，降低电弧放电发生的频率。此时也是与上述同样，设置为电弧处理时的施加正电压的波形与防止带电处理时的施加正电压的波形不同而更有效。再有，如图6（c）所示，在电弧处理后，

也可作为防止带电处理而多次（两次）发生反向电压。

附图标记说明

E1、E2…直流电源装置、1…处理室、2…直流电源部、3…电弧检测部、4…CPU电路（控制装置）、5a、5b…输出、6…变压器（反向电压施加部）、60…正电压产生电路（反向电压施加部）、SW1、SW2…开关元件、T…靶（电极）、P…等离子体负载。

Claims (8)

1.一种直流电源装置，其特征在于：

具有直流电源部，其向接触等离子体负载的电极施加电力；以及电弧检测部，其在该直流电源部的正负输出处检测电极上产生的电弧放电；还具有：

第一开关元件，其在所述直流电源部的正负两输出之一处与等离子体负载串联设置；位于正负两输出之间的第二开关元件及反向电压施加部，所述第二开关元件与等离子体负载并联设置，所述电压施加部施加反向电压；以及控制装置，其控制切换两开关元件的通断；

所述控制装置在正常工作向电极施加电力时，在第二开关元件已停止反向电压施加部向电极施加反向电压的状态下通过第一开关元件对所述电极通电；

如果电弧检测部检测出电弧放电，则通过第二开关元件从反向电压施加部向电极通电施加规定时间的反向电压来进行电弧放电的消弧，经过该时间后，在通过第一开关元件阻断给电极的通电规定时间后，进行再次开始向电极通电的电弧处理。

2.根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于：

所述反向电压施加部由变压器构成，该变压器的初级绕组在直流电源部的正负输出中的至少一方与所述第一开关元件串联，变压器的次级绕组与正负两输出间并联设置的第二开关元件串联连接，通过控制第二开关元件向电极通电施加反向电压。

3.根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于：

所述反向电压施加部由反向电压发生用的另一直流电源部构成，来自该另一直流电源部的正输出与第二开关元件串联连接，其负输出与电极连接。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的直流电源装置，其特征在于：

所述控制装置连续重复所述电弧处理。

5.根据权利要求4所述的直流电源装置，其特征在于：

多次重复所述电弧处理时，所述控制装置在最后已停止施加反向电压后，紧接着通过第一开关元件再次开始对电极通电。

6.根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于：

所述控制装置在正常工作时通过第二开关元件从反向电压施加部给电极施加规定时间的反向电压，经过该时间后在通过第一开关元件阻断对电极通电规定时间后，以规定间隔进行再次开始对电极通电的防止带电处理。

7.根据权利要求6所述的直流电源装置，其特征在于：

所述电弧处理中施加反向电压的时间和所述防止带电处理中施加反向电压的时间彼此设置为不同的时间。

8.根据权利要求6或7所述的直流电源装置，其特征在于：

从所述电弧处理中施加反向电压后到通过第一开关元件再次开始对电极通电的时间和从所述防止带电处理中施加反向电压后到通过第一开关元件再次开始对电极通电为止的时间彼此设置为不同的时间。