JP2005042129A

JP2005042129A - Power source, power source for sputtering and sputtering apparatus

Info

Publication number: JP2005042129A
Application number: JP2003199674A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Imagawa; 和彦今川
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2005-02-17

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power source which can be used for any of high voltage and large current, and can rapidly and accurately interrupt arc; a sputtering power source; and a sputtering apparatus. <P>SOLUTION: The power source outputs a direct current power in a forward direction to a load during a steady operation, carries out an arc extinguishing operation of interrupting the output of the direct current power in the forward direction to the load, when the impedance of the load has decreased, and then carries out a restoration operation of restarting the output of the direct current power in the forward direction. The power source is provided with a plurality of power source blocks comprising a first diode for rectifying an alternating current, and an inductor for smoothing the current rectified by the first diode. In the above steady operation, the power source forms the direct current power in the forward direction by connecting the outputs from the plurality of the power source blocks in parallel, and in the restoration operation, forms the direct current power in the forward direction by connecting the outputs from the plurality of the power source blocks in series. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源、スパッタ用電源及びスパッタ装置に関し、特に、順方向に電圧を印加した状態においてアーク放電などの突発的な短絡電流が発生した場合に、これを遮断するために逆方向に電圧を印加可能な電源、スパッタ用電源及びスパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種のプラズマ応用機器や、マイクロ波などの電磁波発生器、電力スイッチング装置などにおいて、電源の運転中に負荷側で突発的なインピーダンスの低下が生ずることがある。このインピーダンスの低下は、負荷側で、短絡的な突発電流が流れることなどによる。このような突発電流が生ずると機器の動作に弊害をもたらす場合が多いため、突発電流を確実且つ迅速に遮断する回路が必要とされる場合が多い。以下、このような電源の具体例として、薄膜形成に用いるスパッタ用電源を例に挙げて説明する。
【０００３】
図１６は、ＤＣ（ｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔ）スパッタ装置の要部構成を表す模式図である。このスパッタ装置は、真空チャンバ１０１とスパッタ用ＤＣ電源１１０とを有する。電源１１０の陽極は、接続ケーブル１２０Ａを介してチャンバ１０１に接続され、接地電位とされている。一方、電源１１０の陰極は、接続ケーブル１２０Ｂを介して、チャンバ１０１の内部に設けられたスパッタリング・ターゲット１０４に接続されている。そして、チャンバ１０１の内部には、薄膜を堆積する基板１００が設置される。
【０００４】
成膜に際しては、まず、真空排気ポンプ１０６によりチャンバ１０１内を真空状態にした後、ガス供給源１０７からアルゴン（Ａｒ）などの放電ガスを導入してチャンバ内を所定の放電圧力に維持する。そして、電源１１０によりターゲット１０４とチャンバ１０１との間に電界を印加し、グロー放電１０８を発生させる。すると、放電空間において生成されたプラズマ中の正イオンがターゲット１０４の表面に衝突し、ターゲット１０４の原子をはじき出す。このようなスパッタ現象を利用することにより、ターゲット１０４の材料からなる薄膜を基板１００の上に形成することができる。
【０００５】
なお、スパッタ動作中に、チャンバ１０１内でアーク放電１５０が生ずる場合がある。このようなアーク放電１５０は、ターゲット１０４の近傍において生ずる場合が比較的多いが、基板１００の近傍において生ずる場合もある。そして、このようなアーク放電１５０が生ずると、局所的に大電流が流れるために、チャンバの負荷インピーダンスが低下し、ターゲット１０４や基板１００に損傷が生ずる。
【０００６】
例えば、ターゲット１０４の側でアーク放電１５０が生ずると、ターゲット１０４の微小領域に大電流が集中するために、その部分から瞬間的に大量の被着材料が放出される。この現象は「スプラッシュ」などと称され、基板１００の表面に被着材料の粒子が飛び散るために、被害を受けてしまう。
一方、基板１００の側にアーク放電１５０が生じた場合にも、基板１００が損傷を受けて不良品になってしまう場合が多い。
従って、このようなアーク放電が発生した場合に、迅速且つ確実にアークを消弧できるアーク遮断機能を有するスパッタ用電源が必要とされている。
【０００７】
例えば、特許文献１乃至３には、アーク放電が発生すると、順方向電力の出力を遮断してアーク放電を消弧する電源が開示されている。
図１７は、このようなスパッタ用電源の一例を表す模式図である。
この電源は、制御された直流電流を出力する電源部ＤＣＰＦと整流インダクタＬ０とスイッチング部Ｑと遮断回路ＡＳとを有する。
【０００８】
この電源は、コンピュータやシーケンサなどの上位の制御装置ＭＣＵからの起動信号（ＲＵＮ）に応じて、電力の出力の有無が制御される。また、制御装置ＭＣＵからの電力設定進行（Ｐｓｅｔ）に応じてフィードバック制御を行い、適切な電流を出力する。
【０００９】
スパッタの開始時には、スイッチング部Ｑを開いた状態で、電源部ＤＣＰＦから直流電力をターゲット１０４及びチャンバ１０１に印加し、プラズマを点火する。
一方、スパッタ中にアーク放電が発生すると、チャンバのインピーダンスが低下する。すると、遮断回路ＡＳが、出力電圧の低下あるいは電流の増加としてこれを検出し、スイッチング部Ｑを閉じることにより電源部ＤＣＰＦからの出力を短絡して、チャンバへの出力を遮断する。遮断回路ＡＳは、所定の時間だけスイッチング部Ｑを閉じた後に、再びスイッチング部Ｑを開いて、チャンバへの電力の出力を再開させる。そして、ここでアーク放電が消弧している場合には、そのままスパッタを再開する。一方、ここでアーク放電が消弧していない場合には、遮断回路ＡＳは再びスイッチング部Ｑを閉じて遮断動作を繰り返す。このようにして、アーク放電がなくなるまで、スイッチング部Ｑの開閉が繰り返される。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−２９８７５４号公報
【特許文献２】
特開平１０−２９８７５５号公報
【特許文献３】
特開２００２−２３５１７０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１６に表したようなスパッタ装置の場合、プラズマを形成するためにグロー放電を開始する時には、例えばマイナス１５００ボルト程度の高電圧を印加する必要がある。一方、プラズマが形成された後に印加する電圧は例えばマイナス７００ボルト程度であるが、スパッタを高速で実施するためには、例えば、数１０アンペアの大電流を流す必要が生ずる場合もある。
【００１２】
図１７に表したような電源を用いてスパッタリングを実施する場合、スパッタ開始時の高電圧を得るために、電源部ＤＣＰＦにおいては複数のインバータ出力ブロックを直列に接続する必要があるが、放電開始後の電圧はマイナス７００ボルト程度に低下するので、これらインバータを５０パーセント以下の低いデューティで運転させる必要がある。
【００１３】
すなわち、高電圧に対処するために複数のインバータを直列に接続すると、放電開始後には、その運転デューティを低くするため、インバータの使用効率が低く、装置も大規模化するという問題があった。
【００１４】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、高電圧と大電流のいずれにも対応可能であり、且つ迅速且つ的確なアーク遮断動作が可能な電源、スパッタ電源及びスパッタ装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の第１の電源は、負荷に対して順方向の直流電力を出力して定常運転を行い、前記負荷のインピーダンスの低下が生ずると前記負荷に対する前記順方向の直流電力の出力を遮断する消弧動作を行い、しかる後に順方向の直流電力の出力を再開する復旧動作を行う電源であって、
交流電流を整流する第１のダイオードと、前記第１のダイオードにより整流された電流を平滑化するインダクタと、を有する複数の電源ブロックを備え、
前記定常運転においては、前記複数の電源ブロックからの出力を並列に結合することにより前記順方向の直流電力を形成し、
前記復旧動作においては、前記複数の電源ブロックからの出力を直列に結合することにより前記順方向の直流電力を形成することを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、高電圧と大電流のいずれにも対応可能であり、且つ迅速且つ的確なアーク遮断動作が可能な電源を提供することができる。
【００１７】
ここで、前記復旧動作の終了時点において、前記負荷のインピーダンスの低下が解消している場合には、前記複数の電源ブロックからの出力を並列に結合することにより形前記定常運転を再開するものとすることができる。
【００１８】
また、負荷を流れる電流が一定値に至らないときまたは負荷に印加される電圧が一定値を超えたときに、前記複数の電源ブロックの接続を直列とすることができる。
【００１９】
また、前記複数の電源ブロックの接続が直列の場合には、前記複数の電源ブロックのそれぞれの出力は、前記複数の電源ブロックが有する前記インダクタのいずれかを流れる電流値に基づいて制御され、
前記複数の電源ブロックの接続が並列の場合には、前記複数の電源ブロックのそれぞれの出力は、それぞれの電源ブロックが有する前記インダクタを流れる電流値に基づいてそれぞれ制御されるものとすることができる。
【００２０】
また、１つまたは複数の第１のスイッチング素子と、１つまたは複数の第２のスイッチング素子と、をさらに備え、
前記第１のスイッチング素子の閉動作により前記複数の電源ブロックの接続が直列とされ、
前記第２のスイッチング素子の閉動作により前記複数の電源ブロックの接続が並列とされるものとすることができる。
【００２１】
一方、本発明の第２の電源は、負荷に対して順方向の直流電力を出力して定常運転を行い、前記負荷のインピーダンスの低下が生ずると前記負荷に対する前記順方向の直流電力の出力を遮断する消弧動作を行い、しかる後に前記定常運転を再開する電源であって、
交流電流を整流する第１のダイオードと、前記第１のダイオードにより整流された電流を平滑化するインダクタと、を有する複数の電源ブロックを備え、
前記定常運転においては、前記複数の電源ブロックからの出力を並列に結合することにより前記順方向の直流電力が形成し、
前記消弧動作を実行後、前記定常運転を再開する前に、前記複数の電源ブロックのそれぞれからの出力を異なるタイミングで順次加算して並列出力することを特徴とする。
【００２２】
上記構成によれば、高電圧と大電流のいずれにも対応可能であり、且つ迅速且つ的確なアーク遮断動作が可能な電源を提供することができる。
【００２３】
ここで、前記消弧動作の後に、前記複数の電源ブロックのうちの一部の電源ブロックのみから順方向の直流電力を前記負荷に出力する復旧動作を実行するものとすることができる。
【００２４】
また、前記消弧動作は、前記順方向とは反対の逆方向の電圧を前記負荷に出力する動作を含むものとすれば、迅速な回復が可能となる。
【００２５】
一方、本発明のスパッタ用電源は、ターゲットをスパッタして薄膜を形成するスパッタ用電源であって、上述のいずれかの電源を備え、前記順方向の電力を前記ターゲットに与えて前記スパッタを実施可能としたことを特徴とする。
【００２６】
または、本発明のスパッタ用電源は、ターゲットをスパッタして薄膜を形成するスパッタ用電源であって、上述のいずれかの電源を備え、前記順方向の電力を前記ターゲットに与えて前記スパッタを実施可能とし、前記インピーダンスの低下は、前記スパッタの際のアーク放電の発生によるものであることを特徴とする。
【００２７】
一方、本発明のスパッタ装置は、上述のスパッタ用電源と、前記ターゲットを収容可能とし大気圧よりも減圧された雰囲気を維持可能な真空チャンバと、を備えたことを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２９】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態として、複数のインバータ出力の接続関係を直列にも並列にも変えることができ、同時に迅速且つ的確なアーク遮断動作が可能な電源について説明する。
【００３０】
図１は、本実施形態にかかる電源の要部を表す模式図である。
【００３１】
すなわち、同図は、図１６に表した電源に対して本実施形態を適用した具体例を表す。図１の電源の構成及び動作については、図１６に関して前述したものと同様の要素に同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３２】
本具体例の電源は、インバータ出力を含んだ２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２を有する。それぞれの電源ブロックは、それぞれ別々のインバータ（図示せず）及び別々のトランス出力に結合されている。各電源ブロックは、整流器（ＤＢ１、ＤＢ２）と平滑用インダクタ（Ｌ１、Ｌ２）とを有する。これら電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２は、並列接続用スイッチング素子Ｑ１１と直列接続用スイッチング素子Ｑ１２とに接続されている。
【００３３】
そして、グロー放電の点火時は、これら電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２を直列に接続することより出力電圧を大きくすることができる。また一方、スパッタ時には、これら出力ブロックを並列接続して、出力電流の容量を大きくすることができる。
【００３４】
また、アークセンサ（Ａｓｅｎ）により、チャンバへの出力電圧と電流からアーク放電が検出されると、アークを遮断するための「アーク遮断動作」が開始される。「アーク遮断動作」の間は、「消弧期間」と「復旧期間」とが適宜繰り返される。まず、「消弧期間」の間、トランジスタＱ５、Ｑ６が開かれてインバータ出力が遮断される。同時に、スイッチング回路ＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２が閉じられ、コンデンサＣ１からの逆方向電圧を出力することよりアーク放電を急速に遮断する。またこの時、スイッチング回路ＩＧＢＴ１、２によりそれぞれ閉回路を形成し、インダクタＬ１、Ｌ２の電流を保存する。
【００３５】
しかる後に、「復旧期間」の間、電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２は直列接続に変更され、チャンバ１０１に順方向電流が供給される。そして、アークが消失していれば、スパッタ動作を再開し、アークが消失していない場合には、再び「消弧期間」が再開されて逆方向電圧が出力される。
電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２の直列接続と並列接続を制御するスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２の動作は、「アーク遮断動作」の際には、アークセンサ（Ａｓｅｎ）により起動されるタイマＴＭＲ１、ＴＭＲ２により管理される。この点については、後に詳述する。
【００３６】
一方、電源の起動時や定常運転時には、これらスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２の動作は、出力電流センサＣｓｅｎ１及び出力電圧センサＶｓｅｎの測定結果に基づいて制御される。すなわち、これらのセンサの計測結果をヒステリシス・コンパレータ（ｃｏｍｐ＋Ｈ）に入力し、所定値に到達したか否かを判断する。所定値に到達したことを表す到達信号には、ＲＣフィルタでサージ電流による誤動作防止を施して、直列運転用のＳＰ信号を生成する。
【００３７】
ＳＰ信号は、フォトカプラＰＣを介して、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２に供給される。ＳＰ信号がローレベル（ｌｏｗｌｅｖｅｌ）の時は、直列接続用スイッチング素子Ｑ１２をオン（ＯＮ）し、並列接続用スイッチング素子Ｑ１１をオフ（ＯＦＦ）する。一方、ＳＰ信号がハイレベル（ｈｉｇｈｌｅｖｅｌ）の時は、直列接続用スイッチング素子Ｑ１２をオフし、並列接続用スイッチング素子Ｑ１１をオンし、電流指令値を１／２に減じる回路を動作させる。
【００３８】
一方、それぞれの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２にはインダクタ電流をモニタするための個別電流センサＣｓｅｎ２、Ｃｓｅｎ３が設けられ、この測定結果に基づいて、電源はアーク遮断動作状態も含めた定電流制御を行うことができる。
【００３９】
以下、本実施形態の電源の動作について具体的に説明する。なお、以下の具体例は、電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２の最大出力が、電流６アンペア、電圧７５０ボルトの場合である。
【００４０】
まず、起動から点火に至る動作は以下の如くである。すなわち、インバータの起動時は、電源からの出力電圧は０ボルト、出力電流は０アンペアなので、スイッチング素子Ｑ１１はオフで、スイッチング素子Ｑ１２はオンとされる。よって電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２は直列接続され、点火電圧としては、例えば、最大でマイナス１５００Ｖを出力することができる。
【００４１】
放電が始まって電流が流れ始めて閾値０．６Ａを超えると、スイッチング素子Ｑ１１はオン、スイッチング素子Ｑ１２はオフとされる。この時、通常のスパッタ装置においては、出力電流は１．２アンペアから更に上昇する。
またここで、点火時の電源出力にはサージ電流が流れる場合が多いので、点火したか否かの判断は、出力電流が所定値を連続して超過する時間により行う。そして、放電を開始した電流が途切れないように、回路ブロックの接続切替はスイッチング素子により瞬時に行う。
【００４２】
スパッタが開始すると、電源はＰＷＭ（ｐｕｌｓｅｗａｖｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御により所定の電力に達するようにインバータのデューティー比を調整する。スパッタ時の電源定格電流（６アンペア×２＝１２アンペア）に対して、並列接続に切り替える閾値を、例えば定格５パーセントの０．６アンペアとすることができる。並列接続時には、必要とされる出力電流センサＣｓｅｎ１の電流値の１／２を指令電流とし、それぞれの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２は、この指令電流を得ることを目標に、それぞれのインダクタ電流を個別に帰還制御する。
【００４３】
また、スパッタ中に、適当なタイミングで一時的にスイッチング素子Ｑ５を開き、インダクタＬ１の電流で逆電圧源Ｃ１を充電する。
【００４４】
一方、スパッタ中にアーク放電が発生した場合には、アークセンサＡｓｅｎが出力電圧の低下によりアーク放電を検出する。すると、「アーク遮断動作」が開始される。
図２は、アーク遮断動作を説明するための概念図である。
すなわち、アーク遮断動作が開始されるとまず、タイマＴＭＲ１が起動されて「消弧期間」が開始される。「消弧期間」においては、タイマＴＭＲ１に接続されたフォトカプラＰＣを介して、並列接続用スイッチング素子Ｑ１１を開く。同時に、図１７に関して前述したように、トランジスタＱ５、Ｑ６を開いてインバータ出力を遮断するとともに、スイッチング回路ＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２を閉じて、コンデンサＣ１からの逆方向電圧を出力することよりアーク放電を急速に遮断する。この時、逆電圧源Ｃ１からの電流は、ＩＧＢＴ１、Ｑ１２、Ｃ２、ＩＧＢＴ２、出力ケーブル１２０Ｂ、１２０Ａを経てチャンバへ接続され、Ｃ２が充電されると逆電圧の出力が停止する。一方、スイッチング回路ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２によりそれぞれ閉回路を形成し、インダクタＬ１、Ｌ２の電流が保存される。
【００４５】
「消弧期間」は、タイマＴＭＲ１により管理され、その時間は例えば、３マイクロ秒とすることができる。「消弧期間」が終了すると、タイマＴＭＲ２が起動され、「復旧期間」が開始される。
「復旧期間」においては、トランジスタＱ５、Ｑ６を閉じ、スイッチング回路ＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２を開いて、チャンバに順方向電流を供給する。そして、所定の時間が経過した後に、アークセンサ（Ａｓｅｎ）によりアーク放電の有無をモニタする。例えば、図２に表したように、「復旧期間」の最後にアークセンサによるモニタを実行することができる。ここで、「復旧期間」は、タイマＴＭＲ２により管理され、その時間は、例えば、３マイクロ秒とすることができる。
【００４６】
アークセンサによりモニタした結果、アーク放電が消失していると判断されれば、通常のスパッタ動作が再開される。一方、アーク放電が観察された場合には、再び「消弧期間」が開始され、アーク遮断動作が継続される。
【００４７】
さてここで、本実施形態の電源の場合、「復旧期間」において、２つの電源ブロックＰＢ１及びＰＢ２を直列に接続するか、それとも並列に接続するか、が重要である。
【００４８】
図３は、本発明者が本発明に至る過程で検討した動作モードを表すグラフ図である。
すなわち、２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２がそれぞれ７５０ボルト、１アンペアづつ出力する場合について説明する。スパッタ時には、これらを並列接続して７５０ボルト２アンペアとして負荷へ供給する。負荷でアーク放電が発生すると出力電圧の絶対値の低下（例えば、およそマイナス８０ボルト）によりアークセンサ（Ａｓｅｎ）がそれを検出し、「消弧期間」が開始される。「消弧期間」においては、前述したように、電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２のインバータ出力が遮断され、コンデンサＣ１から逆電圧が出力される。
【００４９】
所定時間の「消弧期間」が終了すると、「復旧期間」が開始され、チャンバに順方向電流が供給される。ここで、２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２を並列接続すると、通常のスパッタ時と同様に２アンペアが出力される。「復旧期間」の間は、放電電圧によらずタイマＴＭＲ２により管理される所定の時間（例えば、３マイクロ秒）、順方向電流がチャンバに供給され、所定のタイミングでアークセンサによるモニタが実行される。モニタした結果、放電電圧が回復すれば、そのまま出力を継続してスパッタが再開される。一方、復旧期間の終了時に電圧が回復していなければアーク放電と判定して「消弧期間」が再開される。
【００５０】
しかし、このように、「復旧期間」において、２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２を並列接続して、アーク放電が始まる直前の電流、すなわちスパッタ状態の電流をターゲットに出力する場合、アーク放電が完全に消弧していれば問題無いが、消弧できない場合、アーク点に大きな電流を投入することとなる。その結果として、投入した電力エネルギーでアーク点の温度をさらに上昇させてしまうので、「連続アーク」が助長され、アーク放電が消え難くなる。また、一度はアークが消弧できたとしても、アーク点が充分に冷却しない状態で大きな電流を与えると、アーク放電を再発させやすくなる。その結果として、チャンバ内に設置した非処理物や、スパッタ装置自体がアーク放電により被害を受ける可能性が高くなる。
【００５１】
そこで、本実施形態においては、「復旧期間」においては、２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２を直列に接続し、電源からの電流出力を半分に低下させる。
【００５２】
図４は、本実施形態における電源の動作モードを表すグラフ図である。
すなわち、「復旧期間」においては、２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２を直列に接続し、電源からの電流出力をアーク発生前、すなわち通常のスパッタ状態の半分に低下させる。そして、「復旧期間」の終了時点においてアークセンサによりモニタしてアーク放電が検出されない場合には、２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２を並列接続にしてスパッタを再開する。これらの接続動作は、タイマＴＭＲ１、ＴＭＲ２により実行させることができる。
【００５３】
すなわち、「消弧期間」を規定するタイマＴＭＲ１の動作中は、フォトカプラＰＣを介して、２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２を直列接続するトランジスタＱ１２をＯＮとし（閉じる）、並列接続するトランジスタＱ１１をＯＦＦにする（開く）。またこの時、インダクタＬ１、Ｌ２と並列なトランジスタＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２はＯＮとし、トランジスタＱ５、Ｑ６はＯＦＦにする。これにより、チャンバには、逆方向電圧が印加される。
【００５４】
一方、「復旧期間」を管理するタイマＴＭＲ２の動作中は、フォトカプラＰＣを介して、２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２を直列接続するトランジスタＱ１２をＯＮし、並列接続するトランジスタＱ１１をＯＦＦにする。またこの時、インダクタＬ１、Ｌ２と並列なトランジスタＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２はＯＦＦとし、トランジスタＱ５、Ｑ６はＯＮにする。これにより、チャンバには、２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２が直列接続されて順方向電流が印加される。
【００５５】
タイマＴＭＲ２がタイムアップしたら、２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２を直列接続するトランジスタＱ１２をＯＦＦし、並列接続するトランジスタＱ１１をＯＮにする。そして、アークセンサ（Ａｓｅｎ）がアーク放電を検出した場合には、再び「消弧期間」を開始する。
【００５６】
「消弧期間」中は、従来と変わらず出力電流が無くなるのでアーク発生点は冷却される。そして、「消弧期間」が終了して順方向出力を再開した時、２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２を直列接続で出力するので、出力電流は１アンペアになる。この時、図４に例示したように、アーク放電が継続していたとしても、アーク発生中のチャンバ電圧は一定なので、復旧期間中にアーク点に投入される電力は、並列接続した場合の半分（１／２）になる。「復旧期間」の終了時点でアークセンサによるモニタが実行され、アーク放電が検出されると、２回目の「消弧期間」が開始される。
図４に例示した２回目の「消弧期間」も１回目と同様の動作が実行される。そして、図４に表した具体例の場合、２回目の「復旧期間」においてアーク放電が消弧して放電電圧が上昇しているが、その「復旧期間」の間は、そのまま１アンペアを出力する。そして、２回目の「復旧期間」が終了した時点で、タイマＴＭＲ２のタイムアップにより、２つの電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２は、並列接続に変更される。この時、アークセンサ（Ａｓｅｎ）によりモニタしてアーク放電が観察されないので、並列接続が維持されたまま、２アンペアのスパッタ出力が再開される。
【００５７】
以上説明した一連のアーク遮断動作の時間は、通常は短時間なのでインダクタＬ１、Ｌ２の電流はＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２により形成される閉回路に保存されており、大きな変動はない。従って、出力電流は速やかにもとの出力状態に復元される。
【００５８】
アーク放電が消弧すると、電源の動作はスパッタ状態に戻るが、コンデンサＣ２が逆電圧源Ｃ１で充電されているので、インダクタＬ２の電流はコンデンサＣ２を流れて放電しつつ、整流器ＤＢ２を流れ、全て放電するとダイオードＤＡ２を流れてコンデンサＣ２の逆充電を防止する。
【００５９】
一方、スパッタ中に雰囲気ガス圧力の変動などの原因により、プラズマが失火することかある。このような場合には、プラズマを再点火する必要がある。そこで、放電中の出力電圧が所定値を所定時間上回ったら失火と判断して、電源ブロックを直列接続させて点火動作に切り替える。スパッタ定格電圧であるマイナス７５０ボルトに対して、直列接続に切り替える閾値は、例えばマイナス１０００ボルトとすることができる。直列接続に切り替えると、電源の点火定格電圧を、マイナス７５０ボルト×２＝マイナス１５００ボルトとすることができる。
【００６０】
ここで、プラズマが失火する時、プラズマの衰退速度がインダクタ電流の減少より早いと、出力電圧は、インダクタ電流により急速に上昇して、並列接続時の最大値であるマイナス７５０Ｖを超過する。この時、電圧がさらに上昇して、例えばマイナス１０００Ｖに達すると、電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２を直列接続に切り替える。
【００６１】
直列接続に切り替えると出力電流は切替前の１／２になるが、電源の出力耐圧が２倍になり、過電圧による電源ブロックの回路破損を防ぐことができる。
【００６２】
なお、図１に表した具体例の電源の場合、電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２毎にインダクタ電流センサＣｓｅｎ２、Ｃｓｅｎ３を設け、これら電流センサの測定結果により、電源ブロックはアーク遮断時を含む定電流制御を行う。ここで、直列接続時の電流制御は、複数のインダクタ電流センサ（Ｃｓｅｎ２、Ｃｓｅｎ３）の平均値を採用するが、簡易的には、いずれか一つのインダクタ電流センサの計測値を用いても良い。
【００６３】
一方、並列接続時の電流制御は、指令電流を並列に接続した電源ブロックの数（図１の場合には２である）で分割し、ブロック毎のインダクタ電流センサ（Ｃｓｅｎ２、Ｃｓｅｎ３）を用いて制御する。
【００６４】
また、本実施形態の電源を複数台、並列に接続して動作させることもできる。
【００６５】
図５は、このような複数の電源を用いたスパッタ装置を表す模式図である。すなわち、本実施形態の電源１１０が複数台設けられ、これらの出力は並列に接続されてチャンバ及びターゲットに接続されている
このような複数台の並列運転の場合には、図２に例示したように、各電源１１０のＳＰ端子とグラウンド（ＧＮＤ）端子をそれぞれ並列に接続する。このようにすれば、電源１１０の何れかがその内部の電源ブロックを直列接続にした場合、ＳＰ信号がローレベルになるので、他の全ての電源１１０もその内部の電源ブロックを直列接続に切り替える。
【００６６】
このようにして、並列接続された電源１１０同士の出力電圧のバランスをとることができる。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態によれば、高電圧が必要だが電流が少なくてよいプラズマ点火時や失火時には、電源ブロックを直列接続するので、高い電圧を出力できる。一方、大電流が必要だが電圧が低くてよいスパッタ時には、電源ブロックを並列接続するので、直列動作時の２倍の電流容量が得られる。その結果として、インバータの運転効率が向上し、電源の小型化、低コスト化が可能となる。
【００６８】
またさらに、アーク放電を消去する「アーク遮断動作」において、「復旧期間」には、これら電源ブロックを直列に接続することにより、チャンバへの出力電流を抑制する。その結果、アーク発生点の温度上昇を抑制することができる。その結果として、その次に実行される「消弧期間」の逆電圧の印加によりアークを完全に消弧できる確率が高くなる。つまり、「スプラッシュ」などのアーク被害を最小限に食い止めることができる。
【００６９】
図６は、本実施形態の変形例の電源を表す模式図である。同図については、図１乃至図５に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７０】
本変形例の場合、図１に表した並列接続用スイッチング素子Ｑ１１を省略している。この場合には、スイッチング素子Ｑ１２のオン、オフにより、直列接続、並列接続を切り替えることができる。このようにしても、図１に関して前述したものと同様の効果が得られる。
【００７１】
一方、図１及び図６には２つの電源ブロックを有する電源を例示したが、本実施形態はこれには限定されない。
【００７２】
図７は、４つの電源ブロックを有する電源の初段部を表した模式図である。同図についても、図１乃至図６に関して前述したものと同様の要素には同様の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７３】
本変形例の場合、４つの電源ブロックＰＢ１〜ＰＢ４が、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４により接続されている。そして、直列接続時には、これら４つの電源ブロックを直列に接続して各ブロックの４倍の電圧を出力できる。一方、並列接続時には、これら電源ブロックを２台ずつ並列に接続し、各ブロックの２倍の電流容量と電圧とを出力することができる。
【００７４】
すなわち、点火時と、「アーク遮断動作」の「復旧期間」は、Ｑ５〜Ｑ８、Ｑ１２〜Ｑ１４を閉じ、Ｑ１１、ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ４を開いて、４つの電源ブロックＰＢ１〜ＰＢ４の出力を直列接続して高電圧を出力する。
【００７５】
また、スパッタ時は、Ｑ５〜Ｑ８、Ｑ１１を閉じ、Ｑ１２〜Ｑ１４、ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ４を開いて、２つの電源ブロックの出力を並列接続して電流容量を拡大し、かつその２組を直列接続して出力する。
【００７６】
インダクタＬ１の電流が規定値に達したらＱ５を開いて、Ｄ１を経て逆電源用コンデンサＣ１を規定の電圧（例えば、２００Ｖ）に充電する。
【００７７】
一方、スパッタ中にアーク放電が発生し、アークセンサがチャンバの電圧低下を出力電圧の低下として検知すると、「消弧期間」が開始され、スイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１４、ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ４を閉じ、Ｑ５〜Ｑ８を開いて出力電流を遮断する。さらにコンデンサＣ１からＩＧＢＴ１、Ｑ１２、Ｃ２、ＩＧＢＴ２、Ｑ１３、Ｃ３、ＩＧＢＴ３、Ｑ１４、Ｃ４、ＩＧＢＴ４の経路で逆電圧を出力してアーク放電を急速遮断する。
【００７８】
なお、アーク遮断中に逆方向アークが生ずると、逆方向電流によってコンデンサＣ２〜Ｃ４がＣ１の電圧まで充電され、逆方向電圧の出力がなくなるので逆方向アークの電流が遮断される。
【００７９】
タイマＴＭＲ１のタイムアップにより「消弧期間」が終了すると、次に、タイマＴＭＲ２が起動されて「復旧期間」に入る。「復旧期間」においては、Ｑ５〜Ｑ８、Ｑ１２〜Ｑ１４を閉じ、Ｑ１１、ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ４を開いて、４つの電源ブロックＰＢ１〜ＰＢ４の出力を直列接続して順方向電流を出力する。アーク放電が発生している場合には、チャンバの電圧は一定になるので、直列接続により、チャンバ電流を抑制できる。
【００８０】
「復旧期間」の終了時にアークセンサ（Ａｓｅｎ）がアーク放電を検知したら、上述した「消弧期間」の動作を再開し、アーク放電を検知しなければ、Ｑ１２〜Ｑ１４を開いて、並列接続としてスパッタ電流を出力する。
【００８１】
以上説明した本変形例においても、高電圧が必要だが電流が少なくてよいプラズマ点火時や失火時、あるいは電流を抑制したい「復旧期間」には、４つの電源ブロックを直列接続するので、高い電圧を出力し、または出力電流を抑制できる。一方、大電流が必要だが電圧が低くてよいスパッタ時には、４つの電源ブロックを２つずつ並列接続するので、直列動作時の２倍の電流容量が得られる。その結果として、インバータの運転効率が向上し、電源の小型化、低コスト化が可能となる。
【００８２】
なお、本実施形態は図示した具体例には限定されず、例えば、電源ブロックの数についても、２つあるいは４つ以外にも、任意の複数のブロックを用いてその接続関係を直接と並列に適宜変更することにより同様の効果が得られる。
【００８３】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態として、並列接続された複数の電源ブロックを用い、アーク消去後に徐々に電流を増加させる電源について説明する。
【００８４】
図８は、本実施形態にかかる電源の最も基本的な構成を例示する模式図である。同図については、図１乃至図７に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本具体例の電源においては、第１の電源ブロックＰＢ１と第２の電源ブロックＰＢ２とは、並列に接続されている。これら電源ブロックの出力は、それぞれ遮断スイッチＱ１１、Ｑ１２により制御可能とされている。つまり、遮断スイッチＱ１１、Ｑ１２の開閉に応じて、対応する電源ブロックからの出力は、適宜遮断される。
【００８５】
そして、アークセンサ（Ａｓｅｎ）により起動されるタイマＴＭＲ１、ＴＭＲ２を介して、これら電源ブロックの遮断スイッチＱ１１、Ｑ１２が制御される。
【００８６】
図９は、本実施形態の電源の動作を説明するための概念図である。
また、図１０は、具体的な動作の一例を表す模式図である。
【００８７】
本実施形態の電源においては、定常運転中は、スイッチング素子ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２は開いた状態とされ、また、並列に接続された電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２に接続された遮断スイッチＱ１１、Ｑ１２は、閉じた状態とされ、これら電源ブロックからの出力が並列にチャンバに出力される。例えば、図８に例示した電源の場合、電源ブロックＰＢ１、ＰＢ２からそれぞれ１アンペアが出力され、これらの並列出力として２アンペアがチャンバに供給される。
【００８８】
そして、定常運転中にアーク放電が発生すると、アークセンサ（Ａｓｅｎ）がこれを検出し、アーク遮断動作が開始される。具体的には、まず、タイマＴＭＲ１が起動して「消弧期間」が開始される。「消弧期間」においては、アークセンサ（Ａｓｅｎ）によるフィードバックは停止し、遮断スイッチＱ１１、Ｑ１２が開き、各電源ブロックからの出力が遮断される。そして、第１実施形態と同様に、スイッチング素子ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２が閉じて閉回路を形成することにより、インダクタＬ１、Ｌ２の電流が保存される。また、図示しない逆バイアス電源からチャンバに逆方向電圧が印加され、アーク放電が急速に遮断される。
【００８９】
タイマＴＭＲ１により管理される所定の時間（例えば、３マイクロ秒）が経過すると、タイマＴＭＲ２が起動して「復旧期間」が開始する。「復旧期間」においては、アークセンサ（Ａｓｅｎ）からのフィードバックは停止した状態のまま、まず、遮断スイッチＱ１１を閉じることにより、第１の電源ブロックＰＢ１から順方向電流が出力される。つまり、一回目の「復旧期間」において、いきなり全ての電源ブロックからの出力を並列に供給するのではなく、まず一部のみの電源ブロックからの出力のみをチャンバに供給する。
【００９０】
タイマＴＭＲ２により管理される所定の時間（例えば、３マイクロ秒）が経過すると、アークセンサ（Ａｓｅｎ）によるモニタが実行され、「復旧期間」が終了する。ここでアーク放電が検出された場合には、再びタイマＴＭＲ１が起動し、「消弧期間」が開始される。つまり、全ての電源ブロックからの出力は遮断され、逆方向電圧がチャンバに印加される。
一方、アーク放電が検出されない場合には、「漸増期間」が開始される。この「漸増期間」は、タイマＴＭＲ２により継続して管理してもよく、または、図示しない第３のタイマを起動させることによって管理してもよい。
【００９１】
「漸増期間」においては、アークセンサ（Ａｓｅｎ）によるフィードバックを継続しつつ、電源ブロックからの出力を順次チャンバに接続する。例えば、図１０に例示した如く、「漸増期間」において、遮断スイッチＱ１２を閉じることにより、第２の電源ブロックＰＢ２からの出力を並列に追加する。そして、アークセンサがアーク放電を検出しない場合には、順次、電源ブロックからの出力を追加する。全ての電流ブロックからの出力が並列にチャンバに接続された時に、「定常運転」が再開されることとなる。
【００９２】
また、この「漸増期間」にアークセンサがアーク放電を検出した場合には、再び「アーク遮断動作」が開始され、アーク放電が消弧したら「漸増期間」が開始される。
【００９３】
以上説明したように、本実施形態によれば、アーク遮断動作において、アーク放電が消去されるまで「消弧期間」と「復旧期間」とが繰り返される。そして、「復旧期間」の終了時点でアークが消弧している場合には、アークセンサによるフィードバックを継続しつつ、「漸増期間」が開始される。「漸増期間」においては、複数の電源ブロックからの出力を順次追加して、チャンバに与える電流出力を漸増させる。このように、段階的に順方向電流を増加させることにより、アーク放電の発生点を急激に再加熱することを防ぎ、アークの再発や、連続アークの形成を効果的に阻止できる。
【００９４】
図１１は、本実施形態にかかる電源のもうひとつの具体例を表す模式図である。すなわち、本具体例においては、ｎ個の電源ブロックＰＢ１〜ＰＢｎが並列に設けられている。それぞれの電源ブロックには、遮断スイッチＱ１１〜Ｑ（１＋ｎ）が設けられ、それぞれの出力を適宜遮断可能とされている。
【００９５】
これら遮断スイッチＱ１１〜Ｑ（１０＋ｎ）は、タイマＴＭＲ１、ＴＭＲ２により制御され、「アーク遮断動作」及び「漸増期間」において各電源ブロックからの出力が制御される。
【００９６】
図１２は、ｎ＝４すなわち、４台の電源ブロックＰＢ１〜ＰＢ４が設けられた場合の動作の一例を表す模式図である。
すなわち、定常運転の際には、これら４台の電源ブロックＰＢ１〜ＰＢ４からの出力は全てチャンバに供給される。例えば、１台あたり１アンペアの順方向電流を出力する場合には、定常運転の際には、４アンペアの順方向電流がチャンバに出力される。
【００９７】
そして、アークセンサ（Ａｓｅｎ）によりアーク放電が検出されると、アーク遮断動作が開始される。すなわちまず、タイマＴＭＲ１が起動して１回目の「消弧期間」が開始する。「消弧期間」においては、全ての遮断スイッチＱ１１〜Ｑ１４は開き、電源ブロックからの出力は遮断される。そして、図示しない逆バイアス電源から逆方向電圧が出力され、アーク放電が消去される。
タイマＴＭＲ１により管理される所定の時間が経過すると、タイマＴＭＲ２が起動し、「復旧期間」が開始される。ここでまず、４台の電源ブロックのうちの１台、例えば、第１の電源ブロックＰＢ１のみからの順方向電流がチャンバに出力される。つまり、１アンペアの順方向電流が出力される。この動作は、遮断スイッチＱ１１を閉じることにより実行される。
【００９８】
タイマＴＭＲ２により管理される所定の時間が経過して「復旧期間」が終了する時点において、アークセンサ（Ａｓｅｎ）によるモニタが実行される。ここで、図示したように、未だチャンバ電圧（絶対値）が低い場合には、アーク放電が継続していると判断され、再びタイマＴＭＲ１が起動して２回目の「消弧期間」が開始される。
【００９９】
２回目の「消弧期間」が終了すると、再びタイマＴＭＲ２が起動して２回目の「復旧期間」が開始される。この時に、再び、第１の電源ブロックＰＢ１のみが接続され、１アンペアの順方向電流がチャンバに出力される。そして、「復旧期間」の終了時点で、アークセンサによるモニタが実行される。この時点で、図示した如く、チャンバの電圧（絶対値）が上昇している場合には、アーク放電が消去したと判断され、「漸増期間」が開始される。
【０１００】
「漸増期間」においては、所定の時間間隔毎に、順次、電源ブロックからの順方向電流出力を追加する。すなわち、各電源ブロックの遮断スイッチを順次閉じる。その結果、チャンバに出力される順方向電流は、１アンペア、２アンペア、３アンペア・・と順次増加する。この動作は、遮断スイッチＱ１１〜Ｑ（１０＋ｎ）の制御により実行される。これらスイッチの制御は、タイマＴＭＲ２により実行させてもよく、または、図示しない第３のタイマなどの他の制御手段により実行させてもよい。
【０１０１】
「漸増期間」においては、アークセンサ（Ａｓｅｎ）によるモニタは継続する。アーク放電を検出した時には、速やかに「アーク遮断動作」が再開され、「消弧期間」が開始される。
一方、アーク放電が検出されない場合には、「漸増期間」が順次進行し、全ての電源ブロックからの出力がチャンバに接続されると、「定常運転」が再開される。すなわち、４アンペアの順方向電流が定常的に出力されることとなる。
【０１０２】
以上説明したように、本具体例においても、アーク遮断動作の後に、４台の電源ブロックＰＢ１〜ＰＢ４の全てをいきなり出力させず、順次出力を増加させることにより、アーク放電の再発を効果的に防止することができる。
【０１０３】
図１３は、アーク遮断動作において、「消弧期間」が３回繰り返された場合を表す模式図である。すなわち、本具体例は、４台の電源ブロックを有する電源を用いてスパッタ中にアーク放電が発生し、「消弧期間」と「復旧期間」が３回づつ繰り返された場合を例示する。このように、アーク放電が消去しにくいような場合でも、本実施形態によれば、「復旧期間」にチャンバに出力する順方向電流を少量に抑えているので、アーク発生点の再加熱を抑制し、アーク被害の拡大を最小限に抑えて、迅速なアーク遮断を可能としている。
【０１０４】
図１４は、「漸増期間」中にアーク放電が発生した場合を例示した模式図である。すなわち、本具体例の場合、最初のアーク放電は、２回の「消弧期間」により消去されているが、その後の「漸増期間」において、３アンペアの順方向電流の出力を開始した時点でアーク放電が再発し、再び、「アーク遮断動作」を実行している。このように、アーク消去後に、順方向電流を出力するとアーク放電が再発する場合がある。これに対して、本実施形態によれば、順方向電流を徐々に増加させることにより、アークの再発を極力抑制できるとともに、アークが再発した場合でも、そのアーク被害を最小限に食い止めることができる。
【０１０５】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態として、第１および第２の実施の形態に関して前述したいずれかの電源を用いたマグネトロン用の電源システムについて説明する。すなわち、マグネトロンに順方向電力を供給して発振動作を生じさせ、またその運転条件に応じて複数の電源ブロックを直列に接続したり並列に接続することができる。
【０１０６】
図１５は、本発明の電源をマグネトロンの発振に用いた構成を例示する概念図である。すなわち、同図は、マグネトロンを用いたマイクロ波発生システムを表す。
【０１０７】
このシステムの電源１１０は、所定の直流高電圧をマグネトロン２００に印加して発振させる。この電源１１０として、図１乃至図１４に関して前述した本発明の電源を用いることができる。マグネトロン２００の発振により生じたマイクロ波電力は、導波管を伝送路としてアイソレータ３１０、マイクロ波センサ３２０、マイクロ波整合器３４０を介して、負荷５００に供給される。また、センサ３２０からはフィードバック信号ＦＳが、電源１１０のインバータに与えられ、マイクロ波の出力電力の制御が行われる。
【０１０８】
このようなシステムの場合にも、マグネトロン２００の特性や状態あるいは要求されるマイクロ波の出力レベルや使用条件に応じて、突発電流が流れる場合があり得る。そのような場合に、その突発電流を遮断するための動作として、前述したアーク遮断動作と同様の動作をさせることができる。すなわち、「復旧期間」において、複数の電源ブロックを並列に接続して出力電流を抑制したり、または、予め並列に設けられた複数の電源ブロックを「漸増期間」において順次追加することにより、突発電流による被害を最小限に抑え、迅速且つ的確に復帰させることが可能となる。
【０１０９】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【０１１０】
例えば、図１乃至図１４においては、２つあるいは４つの電源ブロックまたはインバータを設けた電源を例示したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、これら以外の複数のインバータを設けた、いわゆる「多段インバータ構成」の電源についても同様に適用して同様の作用効果を得ることができる。
【０１１１】
また一方、本発明の電源、スパッタ用電源及びスパッタ装置における各部の構成、構造、数、配置、形状、材質などに関しては、上記具体例に限定されず、当業者が適宜選択採用したものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に包含される。
【０１１２】
より具体的には、例えば、スイッチング素子またはスイッチング回路としてＭＯＳトランジスタやＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の記号により例示したものや、保護用素子としてバリスタの記号により例示したものなどは、これら特定の電気素子には限定されず、同様の機能または作用を有する単一の電気素子あるいは複数の電気素子を含む電気回路として構成することができ、これらすべての変形は、本発明の範囲に包含される。
【０１１３】
また、同様に、インバータやコンパレータ、論理回路、保護回路などの具体的な構成や、ダイオード、抵抗、トランジスタをはじめとする各回路素子の数や配置関係などについても、当業者が適宜設計変更したものは本発明の範囲に包含される。
【０１１４】
また、本発明の電源は、スパッタ装置やマグネトロンの発振の他にも、各種のプラズマ応用機器や、レーザ発振、電力スイッチング装置などの各種の用途に用いて同様の効果を得ることができる。
【０１１５】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての電源、スパッタ用電源及びスパッタ装置は本発明の範囲に包含される。
【０１１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の電源ブロックの接続関係を直列にも並列にも可変とし、アーク遮断動作の「復旧期間」において、これら電源ブロックを並列接続として出力することにより、アークの再発を効果的に抑止し、アーク放電を迅速且つ的確に遮断して定常運転に復帰させることができる。
【０１１７】
また、本発明によれば、予め並列に設けられた複数の電源ブロックを「漸増期間」において順次追加することにより、アーク放電の再発を最小限に抑え、迅速且つ的確に定常運転状態に復帰させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる電源の要部を表す模式図である。
【図２】アーク遮断動作を説明するための概念図である。
【図３】本発明者が本発明に至る過程で検討した動作モードを表すグラフ図である。
【図４】本発明の実施形態における電源の動作モードを表すグラフ図である。
【図５】複数の電源を用いたスパッタ装置を表す模式図である。
【図６】本発明の実施形態の変形例の電源を表す模式図である。
【図７】４つの電源ブロックを有する電源の初段部を表した模式図である。
【図８】本発明の第２実施形態にかかる電源の最も基本的な構成を例示する模式図である。
【図９】本発明の実施形態の電源の動作を説明するための概念図である。
【図１０】具体的な動作の一例を表す模式図である。
【図１１】本実施形態にかかる電源のもうひとつの具体例を表す模式図である。
【図１２】ｎ＝４すなわち、４台の電源ブロックＰＢ１〜ＰＢ４が設けられた場合の動作の一例を表す模式図である。
【図１３】アーク遮断動作において、「消弧期間」が３回繰り返された場合を表す模式図である。
【図１４】「漸増期間」中にアーク放電が発生した場合を例示した模式図である。
【図１５】本発明の電源をマグネトロンの発振に用いた構成を例示する概念図である。
【図１６】ＤＣ（ｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔ）スパッタ装置の要部構成を表す模式図である。
【図１７】スパッタ用電源の一例を表す模式図である。
【符号の説明】
１００基板
１０１チャンバ
１０４ターゲット
１０６真空排気ポンプ
１０７ガス供給源
１０８グロー放電
１１０電源
１２０Ａ、１２０Ｂ接続ケーブル
１５０アーク放電
２００マグネトロン
３１０アイソレータ
３２０マイクロ波センサ
３４０マイクロ波整合器
５００負荷
Ａｓｅｎアークセンサ
Ｃｓｅｎ１出力電流センサ
Ｃｓｅｎ２、Ｃｓｅｎ３インダクタ電流センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power supply, a power supply for sputtering, and a sputtering apparatus, and in particular, when a sudden short-circuit current such as arc discharge occurs in a state where a voltage is applied in the forward direction, The present invention relates to a power source that can be applied, a sputtering power source, and a sputtering apparatus.
[0002]
[Prior art]
In various plasma application devices, electromagnetic wave generators such as microwaves, power switching devices, and the like, sudden drop in impedance may occur on the load side during operation of the power supply. This decrease in impedance is caused by a short-circuit sudden current flowing on the load side. When such a sudden current occurs, the operation of the device is often adversely affected. Therefore, a circuit that reliably and quickly cuts off the sudden current is often required. Hereinafter, as a specific example of such a power source, a sputtering power source used for forming a thin film will be described as an example.
[0003]
FIG. 16 is a schematic diagram illustrating a configuration of a main part of a DC (direct current) sputtering apparatus. This sputtering apparatus has a vacuum chamber 101 and a DC power source 110 for sputtering. The anode of the power supply 110 is connected to the chamber 101 via the connection cable 120A and is set to the ground potential. On the other hand, the cathode of the power source 110 is connected to the sputtering target 104 provided inside the chamber 101 via the connection cable 120B. A substrate 100 on which a thin film is deposited is placed inside the chamber 101.
[0004]
In film formation, first, the inside of the chamber 101 is evacuated by the vacuum exhaust pump 106, and then a discharge gas such as argon (Ar) is introduced from the gas supply source 107 to maintain the inside of the chamber at a predetermined discharge pressure. Then, an electric field is applied between the target 104 and the chamber 101 by the power source 110 to generate a glow discharge 108. Then, positive ions in the plasma generated in the discharge space collide with the surface of the target 104 and eject atoms of the target 104. By utilizing such a sputtering phenomenon, a thin film made of the material of the target 104 can be formed on the substrate 100.
[0005]
Note that arc discharge 150 may occur in the chamber 101 during the sputtering operation. Such arc discharge 150 occurs relatively near the target 104, but may occur near the substrate 100. When such an arc discharge 150 is generated, a large current flows locally, so that the load impedance of the chamber is lowered and the target 104 and the substrate 100 are damaged.
[0006]
For example, when the arc discharge 150 is generated on the target 104 side, a large current is concentrated in a minute region of the target 104, and a large amount of deposition material is instantaneously discharged from that portion. This phenomenon is referred to as “splash” and the like, and particles of the deposition material are scattered on the surface of the substrate 100, which causes damage.
On the other hand, when the arc discharge 150 occurs on the substrate 100 side, the substrate 100 is often damaged and becomes defective.
Therefore, there is a need for a sputtering power source having an arc interrupting function that can extinguish an arc quickly and reliably when such arc discharge occurs.
[0007]
For example, Patent Documents 1 to 3 disclose power supplies that cut off the output of forward power and extinguish arc discharge when arc discharge occurs.
FIG. 17 is a schematic diagram showing an example of such a power source for sputtering.
This power supply includes a power supply unit DCPF that outputs a controlled direct current, a rectifying inductor L0, a switching unit Q, and a cutoff circuit AS.
[0008]
This power supply is controlled to output power according to a start signal (RUN) from a host control unit MCU such as a computer or a sequencer. Further, feedback control is performed according to the power setting progress (Pset) from the control unit MCU, and an appropriate current is output.
[0009]
At the start of sputtering, DC power is applied from the power supply unit DCPF to the target 104 and the chamber 101 with the switching unit Q open, and plasma is ignited.
On the other hand, when arc discharge occurs during sputtering, the impedance of the chamber decreases. Then, the shut-off circuit AS detects this as a decrease in output voltage or an increase in current, and closes the switching unit Q to short-circuit the output from the power supply unit DCPF, thereby shutting off the output to the chamber. The shut-off circuit AS closes the switching unit Q for a predetermined time, and then opens the switching unit Q again to restart the output of power to the chamber. If arc discharge is extinguished here, sputtering is resumed. On the other hand, when the arc discharge is not extinguished here, the interruption circuit AS again closes the switching unit Q and repeats the interruption operation. In this way, the switching unit Q is repeatedly opened and closed until there is no arc discharge.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-298754
[Patent Document 2]
JP-A-10-298755
[Patent Document 3]
JP 2002-235170 A
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a sputtering apparatus as shown in FIG. 16, it is necessary to apply a high voltage of, for example, about minus 1500 volts when glow discharge is started to form plasma. On the other hand, the voltage applied after the plasma is formed is, for example, about minus 700 volts, but in order to perform sputtering at a high speed, it may be necessary to flow a large current of, for example, several tens of amperes.
[0012]
When sputtering is performed using a power supply as shown in FIG. 17, in order to obtain a high voltage at the start of sputtering, it is necessary to connect a plurality of inverter output blocks in series in the power supply unit DCPF. Since the subsequent voltage drops to about minus 700 volts, it is necessary to operate these inverters with a low duty of 50% or less.
[0013]
That is, when a plurality of inverters are connected in series in order to cope with a high voltage, the operation duty is lowered after the start of discharge, so that there is a problem that the use efficiency of the inverter is low and the apparatus becomes large-scale.
[0014]
The present invention has been made on the basis of recognition of such a problem, and an object of the present invention is to provide a power supply and a sputter power supply capable of dealing with both high voltage and large current and capable of quick and accurate arc interruption operation. And providing a sputtering apparatus.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
That is, the first power source of the present invention outputs a direct current in the forward direction to the load and performs steady operation, and when the impedance of the load decreases, the output of the forward direct current to the load is generated. A power source that performs a arc-extinguishing operation that shuts off, and then performs a recovery operation that resumes the output of forward DC power,
A plurality of power supply blocks each including a first diode for rectifying an alternating current and an inductor for smoothing a current rectified by the first diode;
In the steady operation, the forward DC power is formed by combining outputs from the plurality of power supply blocks in parallel.
In the restoration operation, the forward DC power is formed by coupling outputs from the plurality of power supply blocks in series.
[0016]
According to the above configuration, it is possible to provide a power supply that can handle both high voltage and large current and that can perform an arc-breaking operation quickly and accurately.
[0017]
Here, when the decrease in the impedance of the load has been eliminated at the end of the restoration operation, the steady operation is resumed by combining outputs from the plurality of power supply blocks in parallel. can do.
[0018]
Further, when the current flowing through the load does not reach a certain value or when the voltage applied to the load exceeds a certain value, the plurality of power supply blocks can be connected in series.
[0019]
Further, when the connection of the plurality of power supply blocks is in series, the output of each of the plurality of power supply blocks is controlled based on the value of the current flowing through one of the inductors of the plurality of power supply blocks,
When the connection of the plurality of power supply blocks is parallel, the output of each of the plurality of power supply blocks can be controlled based on the value of the current flowing through the inductor of each power supply block. .
[0020]
And further comprising one or more first switching elements and one or more second switching elements,
The connection of the plurality of power supply blocks is made in series by the closing operation of the first switching element,
The plurality of power supply blocks may be connected in parallel by the closing operation of the second switching element.
[0021]
On the other hand, the second power source of the present invention outputs a forward DC power to the load to perform steady operation, and when the impedance of the load is reduced, the forward DC power is output to the load. A power supply that performs an arc-extinguishing operation to shut off and then resumes the steady operation,
A plurality of power supply blocks each including a first diode for rectifying an alternating current and an inductor for smoothing a current rectified by the first diode;
In the steady operation, the forward DC power is formed by combining outputs from the plurality of power supply blocks in parallel,
After executing the arc extinguishing operation and before resuming the steady operation, outputs from each of the plurality of power supply blocks are sequentially added at different timings and output in parallel.
[0022]
According to the above configuration, it is possible to provide a power supply that can handle both high voltage and large current and that can perform an arc-breaking operation quickly and accurately.
[0023]
Here, after the arc extinguishing operation, a restoration operation for outputting forward DC power to only the load from only some of the plurality of power supply blocks may be executed.
[0024]
Further, if the arc extinguishing operation includes an operation of outputting a voltage in a reverse direction opposite to the forward direction to the load, a quick recovery can be performed.
[0025]
On the other hand, the sputtering power source of the present invention is a sputtering power source for sputtering a target to form a thin film, and includes any one of the above-described power sources, and applying the forward power to the target to perform the sputtering. It is possible to do this.
[0026]
Alternatively, the sputtering power source of the present invention is a sputtering power source that forms a thin film by sputtering a target, and includes any one of the above-described power sources, and applies the forward power to the target to perform the sputtering. The reduction in impedance is caused by the occurrence of arc discharge during the sputtering.
[0027]
On the other hand, a sputtering apparatus of the present invention includes the above-described sputtering power source and a vacuum chamber capable of accommodating the target and maintaining an atmosphere reduced from atmospheric pressure.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0029]
(First embodiment)
First, as a first embodiment of the present invention, a power supply capable of changing the connection relation of a plurality of inverter outputs in series or in parallel and simultaneously capable of a quick and accurate arc interruption operation will be described.
[0030]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a main part of a power supply according to the present embodiment.
[0031]
That is, this figure shows a specific example in which the present embodiment is applied to the power source shown in FIG. About the structure and operation | movement of the power supply of FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected to the element similar to what was mentioned above regarding FIG. 16, and detailed description is abbreviate | omitted.
[0032]
The power supply of this specific example has two power supply blocks PB1 and PB2 including inverter outputs. Each power supply block is coupled to a separate inverter (not shown) and a separate transformer output. Each power supply block includes a rectifier (DB1, DB2) and a smoothing inductor (L1, L2). These power supply blocks PB1, PB2 are connected to a parallel connection switching element Q11 and a series connection switching element Q12.
[0033]
When the glow discharge is ignited, the output voltage can be increased by connecting the power supply blocks PB1 and PB2 in series. On the other hand, at the time of sputtering, these output blocks can be connected in parallel to increase the output current capacity.
[0034]
Further, when an arc discharge is detected from the output voltage and current to the chamber by the arc sensor (Asen), an “arc cut-off operation” for cutting off the arc is started. During the “arc cut-off operation”, the “extinguishing period” and the “recovery period” are repeated as appropriate. First, during the “arc-extinguishing period”, the transistors Q5 and Q6 are opened and the inverter output is shut off. At the same time, the switching circuits IGBT1 and IGBT2 are closed, and the arc discharge is rapidly cut off by outputting the reverse voltage from the capacitor C1. At this time, closed circuits are formed by the switching circuits IGBT1 and 2, respectively, and currents of the inductors L1 and L2 are stored.
[0035]
Thereafter, during the “recovery period”, the power supply blocks PB 1 and PB 2 are changed to a serial connection, and a forward current is supplied to the chamber 101. If the arc has disappeared, the sputtering operation is resumed. If the arc has not disappeared, the “extinguishing period” is resumed and a reverse voltage is output.
The operations of the switching elements Q11 and Q12 for controlling the series connection and the parallel connection of the power supply blocks PB1 and PB2 are managed by the timers TMR1 and TMR2 activated by the arc sensor (Asen) in the “arc cut-off operation”. . This will be described in detail later.
[0036]
On the other hand, during startup of the power supply or during steady operation, the operations of the switching elements Q11 and Q12 are controlled based on the measurement results of the output current sensor Csen1 and the output voltage sensor Vsen. That is, the measurement results of these sensors are input to a hysteresis comparator (comp + H) to determine whether or not a predetermined value has been reached. The arrival signal indicating that the predetermined value has been reached is prevented from malfunctioning due to a surge current with an RC filter, and an SP signal for series operation is generated.
[0037]
The SP signal is supplied to the switching elements Q11 and Q12 via the photocoupler PC. When the SP signal is at a low level, the series connection switching element Q12 is turned on (ON), and the parallel connection switching element Q11 is turned off. On the other hand, when the SP signal is at a high level, the switching element Q12 for series connection is turned off, the switching element Q11 for parallel connection is turned on, and a circuit for reducing the current command value to 1/2 is operated.
[0038]
On the other hand, individual current sensors Csen2 and Csen3 for monitoring the inductor current are provided in the respective power supply blocks PB1 and PB2, and the power supply performs constant current control including the arc interruption operation state based on the measurement result. Can do.
[0039]
Hereinafter, the operation of the power supply of the present embodiment will be specifically described. In the following specific example, the maximum output of the power supply blocks PB1 and PB2 is a current of 6 amperes and a voltage of 750 volts.
[0040]
First, the operation from start to ignition is as follows. That is, when the inverter is started up, the output voltage from the power supply is 0 volts and the output current is 0 amperes, so that the switching element Q11 is off and the switching element Q12 is on. Therefore, the power supply blocks PB1 and PB2 are connected in series, and for example, a maximum minus 1500V can be output as the ignition voltage.
[0041]
When discharge starts and current starts to flow and exceeds the threshold of 0.6 A, the switching element Q11 is turned on and the switching element Q12 is turned off. At this time, in a normal sputtering apparatus, the output current further increases from 1.2 amperes.
Here, since a surge current often flows in the power supply output at the time of ignition, it is determined whether or not the ignition has been ignited based on a time during which the output current continuously exceeds a predetermined value. Then, the connection switching of the circuit block is instantaneously performed by the switching element so that the current that has started the discharge is not interrupted.
[0042]
When sputtering is started, the power supply adjusts the duty ratio of the inverter so as to reach a predetermined power by PWM (pulse wave modulation) control. The threshold value for switching to parallel connection with respect to the power supply rated current during sputtering (6 amperes × 2 = 12 amperes) can be set to, for example, 0.6 amperes with a rating of 5 percent. At the time of parallel connection, ½ of the required current value of the output current sensor Csen1 is set as a command current, and each power supply block PB1, PB2 individually sets each inductor current for the purpose of obtaining this command current. Control feedback.
[0043]
During sputtering, the switching element Q5 is temporarily opened at an appropriate timing, and the reverse voltage source C1 is charged with the current of the inductor L1.
[0044]
On the other hand, when arc discharge occurs during sputtering, the arc sensor Asen detects arc discharge due to a decrease in output voltage. Then, the “arc interruption operation” is started.
FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the arc interrupting operation.
That is, when the arc cut-off operation is started, first, the timer TMR1 is started and the “arc extinguishing period” is started. In the “arc-extinguishing period”, the switching element Q11 for parallel connection is opened via the photocoupler PC connected to the timer TMR1. At the same time, as described above with reference to FIG. 17, the transistors Q5 and Q6 are opened to cut off the inverter output, and the switching circuits IGBT1 and IGBT2 are closed to output the reverse voltage from the capacitor C1, thereby rapidly causing arc discharge. Cut off. At this time, the current from the reverse voltage source C1 is connected to the chamber via the IGBT1, Q12, C2, IGBT2, and the output cables 120B and 120A, and the output of the reverse voltage is stopped when C2 is charged. On the other hand, closed circuits are formed by the switching circuits IGBT1 and IGBT2, respectively, and currents of the inductors L1 and L2 are stored.
[0045]
The “arc-extinguishing period” is managed by the timer TMR1, and the time can be set to 3 microseconds, for example. When the “arcing period” ends, the timer TMR2 is started and the “recovery period” is started.
In the “recovery period”, the transistors Q5 and Q6 are closed, the switching circuits IGBT1 and IGBT2 are opened, and a forward current is supplied to the chamber. And after predetermined time passes, the presence or absence of arc discharge is monitored by an arc sensor (Asen). For example, as shown in FIG. 2, monitoring by an arc sensor can be executed at the end of the “recovery period”. Here, the “recovery period” is managed by the timer TMR2, and the time can be set to 3 microseconds, for example.
[0046]
As a result of monitoring with the arc sensor, if it is determined that arc discharge has disappeared, normal sputtering operation is resumed. On the other hand, when arc discharge is observed, the “arc extinguishing period” is started again, and the arc interrupting operation is continued.
[0047]
Now, in the case of the power supply of the present embodiment, in the “restoration period”, it is important to connect the two power supply blocks PB1 and PB2 in series or in parallel.
[0048]
FIG. 3 is a graph showing the operation modes studied by the inventor in the course of reaching the present invention.
That is, the case where the two power supply blocks PB1 and PB2 output 750 volts and 1 ampere each will be described. At the time of sputtering, these are connected in parallel and supplied to the load as 750 volts 2 amps. When arc discharge occurs in the load, the arc sensor (Asen) detects this by a decrease in the absolute value of the output voltage (for example, approximately minus 80 volts), and the “arcing period” is started. In the “arc-extinguishing period”, as described above, the inverter outputs of the power supply blocks PB1 and PB2 are cut off, and a reverse voltage is output from the capacitor C1.
[0049]
When the “extinguishing period” for a predetermined time is completed, a “recovery period” is started, and a forward current is supplied to the chamber. Here, when the two power supply blocks PB1 and PB2 are connected in parallel, 2 amperes are output as in normal sputtering. During the “recovery period”, a forward current is supplied to the chamber for a predetermined time (for example, 3 microseconds) managed by the timer TMR2 regardless of the discharge voltage, and monitoring by the arc sensor is executed at a predetermined timing. The If the discharge voltage is recovered as a result of monitoring, the output is continued as it is and the sputtering is resumed. On the other hand, if the voltage has not recovered at the end of the recovery period, it is determined that arc discharge has occurred and the “extinguishing period” is resumed.
[0050]
However, when the two power supply blocks PB1 and PB2 are connected in parallel in the “recovery period” and the current immediately before the arc discharge is started, that is, the current in the sputtered state is output to the target, the arc discharge is completely completed. If the arc is extinguished, there is no problem, but if the arc cannot be extinguished, a large current is supplied to the arc point. As a result, the temperature of the arc point is further increased by the input power energy, so that “continuous arc” is promoted and arc discharge is difficult to disappear. Moreover, even if the arc can be extinguished once, if a large current is applied in a state where the arc point is not sufficiently cooled, the arc discharge is likely to reoccur. As a result, there is a high possibility that non-processed objects installed in the chamber and the sputtering apparatus itself are damaged by arc discharge.
[0051]
Therefore, in the present embodiment, in the “recovery period”, the two power supply blocks PB1 and PB2 are connected in series to reduce the current output from the power supply in half.
[0052]
FIG. 4 is a graph showing the operation mode of the power supply in this embodiment.
That is, in the “recovery period”, the two power supply blocks PB1 and PB2 are connected in series, and the current output from the power supply is reduced to half before the occurrence of the arc, that is, in the normal sputtering state. If no arc discharge is detected by monitoring with the arc sensor at the end of the “recovery period”, the two power supply blocks PB1 and PB2 are connected in parallel to resume sputtering. These connection operations can be executed by the timers TMR1 and TMR2.
[0053]
That is, during the operation of the timer TMR1 that defines the “extinguishing period”, the transistor Q12 that connects the two power supply blocks PB1 and PB2 in series is turned on (closed) via the photocoupler PC, and the transistor Q11 that is connected in parallel is turned on. Turn off (open). At this time, the transistors IGBT1 and IGBT2 in parallel with the inductors L1 and L2 are turned on, and the transistors Q5 and Q6 are turned off. Thereby, a reverse voltage is applied to the chamber.
[0054]
On the other hand, during the operation of the timer TMR2 that manages the “recovery period”, the transistor Q12 that connects the two power supply blocks PB1 and PB2 in series is turned on and the transistor Q11 that is connected in parallel is turned off via the photocoupler PC. At this time, the transistors IGBT1 and IGBT2 in parallel with the inductors L1 and L2 are turned off, and the transistors Q5 and Q6 are turned on. As a result, two power supply blocks PB1 and PB2 are connected in series to the chamber and forward current is applied.
[0055]
When the timer TMR2 expires, the transistor Q12 that connects the two power supply blocks PB1 and PB2 in series is turned off, and the transistor Q11 that is connected in parallel is turned on. Then, when the arc sensor (Asen) detects arc discharge, the “arc extinguishing period” is started again.
[0056]
During the “arc-extinguishing period”, since the output current is not changed as in the conventional case, the arc generation point is cooled. When the “extinguishing period” ends and the forward output is resumed, the two power supply blocks PB1 and PB2 are output in series connection, so the output current is 1 ampere. At this time, as illustrated in FIG. 4, even if arc discharge continues, the chamber voltage during arc generation is constant, so that the electric power supplied to the arc point during the recovery period is half that in the case of parallel connection. (1/2). At the end of the “recovery period”, monitoring by the arc sensor is executed, and when an arc discharge is detected, a second “extinguishing period” is started.
In the second “extinguishing period” illustrated in FIG. 4, the same operation as the first is executed. In the case of the specific example shown in FIG. 4, the arc discharge is extinguished and the discharge voltage rises in the second “recovery period”, and during that “recovery period”, 1 ampere is output as it is. To do. At the end of the second “restoration period”, the two power supply blocks PB1 and PB2 are changed to parallel connection due to the time-up of the timer TMR2. At this time, since the arc discharge is not observed as monitored by the arc sensor (Asen), the sputtering output of 2 amperes is resumed while the parallel connection is maintained.
[0057]
Since the series of arc interruption operations described above are usually short, the currents of the inductors L1 and L2 are stored in the closed circuit formed by the IGBT1 and IGBT2, and there is no significant fluctuation. Therefore, the output current is quickly restored to the original output state.
[0058]
When the arc discharge is extinguished, the operation of the power supply returns to the sputtered state, but since the capacitor C2 is charged by the reverse voltage source C1, the current of the inductor L2 flows through the capacitor C2 while discharging through the rectifier DB2, When all are discharged, the diode DA2 flows to prevent reverse charging of the capacitor C2.
[0059]
On the other hand, plasma may be misfired during sputtering due to fluctuations in atmospheric gas pressure. In such a case, it is necessary to reignite the plasma. Therefore, when the output voltage during discharge exceeds a predetermined value for a predetermined time, it is determined that a misfire has occurred, and the power supply blocks are connected in series to switch to the ignition operation. For the negative rated sputtering voltage of minus 750 volts, the threshold value for switching to series connection can be, for example, minus 1000 volts. When switched to the series connection, the ignition rated voltage of the power source can be set to minus 750 volts × 2 = minus 1500 volts.
[0060]
Here, when the plasma is misfired, if the decay rate of the plasma is faster than the decrease in the inductor current, the output voltage rapidly rises due to the inductor current and exceeds the maximum value of minus 750 V in parallel connection. At this time, when the voltage further increases and reaches, for example, minus 1000 V, the power supply blocks PB1 and PB2 are switched to the serial connection.
[0061]
When switching to the serial connection, the output current is halved before switching, but the output withstand voltage of the power supply is doubled, and circuit damage to the power supply block due to overvoltage can be prevented.
[0062]
In the case of the power supply of the specific example shown in FIG. 1, inductor current sensors Csen2 and Csen3 are provided for each of the power supply blocks PB1 and PB2, and according to the measurement results of these current sensors, the power supply block performs constant current control including when the arc is interrupted. Do. Here, the current control at the time of series connection employs the average value of a plurality of inductor current sensors (Csen2, Csen3), but for simplicity, the measured value of any one of the inductor current sensors may be used.
[0063]
On the other hand, current control at the time of parallel connection divides the command current by the number of power supply blocks connected in parallel (2 in the case of FIG. 1) and uses inductor current sensors (Csen2, Csen3) for each block. Control.
[0064]
In addition, a plurality of power supplies according to the present embodiment can be connected and operated in parallel.
[0065]
FIG. 5 is a schematic diagram showing a sputtering apparatus using such a plurality of power supplies. That is, a plurality of power supplies 110 of this embodiment are provided, and their outputs are connected in parallel and connected to the chamber and the target.
In the case of such a parallel operation of a plurality of units, as illustrated in FIG. 2, the SP terminal and the ground (GND) terminal of each power supply 110 are connected in parallel. In this way, when any of the power supplies 110 connects their internal power supply blocks in series, the SP signal goes low, so all other power supplies 110 also switch their internal power supply blocks to serial connection. .
[0066]
In this way, it is possible to balance the output voltages of the power supplies 110 connected in parallel.
[0067]
As described above, according to the present embodiment, a high voltage can be output because the power supply blocks are connected in series at the time of plasma ignition or misfire that requires a high voltage but requires a small current. On the other hand, since the power supply blocks are connected in parallel during sputtering, which requires a large current but a low voltage, a current capacity that is twice that of the series operation can be obtained. As a result, the operation efficiency of the inverter is improved, and the power source can be reduced in size and cost.
[0068]
Furthermore, in the “arc cut-off operation” for eliminating arc discharge, the output current to the chamber is suppressed by connecting these power supply blocks in series during the “recovery period”. As a result, the temperature rise at the arc generation point can be suppressed. As a result, there is a high probability that the arc can be completely extinguished by applying a reverse voltage during the “arcing period” to be executed next. In other words, arc damage such as “splash” can be minimized.
[0069]
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a power source of a modification of the present embodiment. In the figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0070]
In the case of this modification, the parallel connection switching element Q11 shown in FIG. 1 is omitted. In this case, the series connection and the parallel connection can be switched by turning on and off the switching element Q12. Even in this case, the same effect as described above with reference to FIG. 1 can be obtained.
[0071]
On the other hand, FIGS. 1 and 6 illustrate a power supply having two power supply blocks, but the present embodiment is not limited to this.
[0072]
FIG. 7 is a schematic diagram showing the first stage of a power supply having four power supply blocks. Also in this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0073]
In the case of this modification, four power supply blocks PB1 to PB4 are connected by switching elements Q11 to Q14. At the time of series connection, these four power supply blocks can be connected in series to output a voltage four times that of each block. On the other hand, at the time of parallel connection, two of these power supply blocks can be connected in parallel to output a current capacity and voltage twice that of each block.
[0074]
That is, at the time of ignition and the “restoration period” of the “arc cut-off operation”, Q5 to Q8, Q12 to Q14 are closed, Q11, IGBT1 to IGBT4 are opened, and the outputs of the four power supply blocks PB1 to PB4 are connected in series. Output a high voltage.
[0075]
During sputtering, Q5 to Q8 and Q11 are closed, Q12 to Q14, IGBT1 to IGBT4 are opened, the outputs of the two power supply blocks are connected in parallel to increase the current capacity, and the two sets are connected in series. Output.
[0076]
When the current of the inductor L1 reaches a specified value, Q5 is opened, and the reverse power supply capacitor C1 is charged to a specified voltage (for example, 200V) via D1.
[0077]
On the other hand, when arc discharge occurs during sputtering and the arc sensor detects a decrease in the chamber voltage as a decrease in the output voltage, an “arc extinguishing period” is started, switching elements Q12 to Q14, IGBT1 to IGBT4 are closed, and Q5 to Q5 are closed. Open Q8 and cut off the output current. Further, a reverse voltage is output from the capacitor C1 through the paths of IGBT1, Q12, C2, IGBT2, Q13, C3, IGBT3, Q14, C4, and IGBT4, thereby rapidly interrupting arc discharge.
[0078]
If a reverse arc occurs during the arc interruption, the capacitors C2 to C4 are charged to the voltage of C1 by the reverse current, and the reverse voltage output is lost, so the reverse arc current is interrupted.
[0079]
When the “extinguishing period” ends due to the time-up of the timer TMR1, the timer TMR2 is then started and enters the “recovery period”. In the “restoration period”, Q5 to Q8 and Q12 to Q14 are closed, Q11 and IGBT1 to IGBT4 are opened, and outputs of the four power supply blocks PB1 to PB4 are connected in series to output a forward current. When arc discharge is occurring, the chamber voltage is constant, so that the chamber current can be suppressed by series connection.
[0080]
When the arc sensor (Asen) detects arc discharge at the end of the “recovery period”, the above-described “extinguishing period” operation is resumed. If no arc discharge is detected, Q12 to Q14 are opened and parallel connection is established. Outputs sputtering current.
[0081]
Even in this modification described above, four power supply blocks are connected in series at the time of plasma ignition or misfiring, which requires a high voltage but requires a small amount of current, or during the “restoration period” when the current is to be suppressed. Can be output or the output current can be suppressed. On the other hand, at the time of sputtering where a large current is required but the voltage may be low, two power supply blocks are connected in parallel, so that a current capacity twice that in series operation can be obtained. As a result, the operation efficiency of the inverter is improved, and the power source can be reduced in size and cost.
[0082]
Note that the present embodiment is not limited to the illustrated example. For example, the number of power supply blocks is not limited to two or four, and the connection relationship is directly and in parallel using any plurality of blocks. Similar effects can be obtained by making appropriate changes.
[0083]
(Second Embodiment)
Next, as a second embodiment of the present invention, a power supply that uses a plurality of power supply blocks connected in parallel and gradually increases current after arc extinction will be described.
[0084]
FIG. 8 is a schematic view illustrating the most basic configuration of the power supply according to this embodiment. In this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
In the power supply of this specific example, the first power supply block PB1 and the second power supply block PB2 are connected in parallel. The outputs of these power supply blocks can be controlled by cutoff switches Q11 and Q12, respectively. That is, the output from the corresponding power supply block is appropriately cut off according to the opening and closing of the cutoff switches Q11 and Q12.
[0085]
Then, the shutoff switches Q11 and Q12 of these power supply blocks are controlled via timers TMR1 and TMR2 activated by the arc sensor (Asen).
[0086]
FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining the operation of the power supply of the present embodiment.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of a specific operation.
[0087]
In the power supply of the present embodiment, the switching elements IGBT1 and IGBT2 are opened during steady operation, and the cutoff switches Q11 and Q12 connected to the power supply blocks PB1 and PB2 connected in parallel are closed. The output from these power supply blocks is output to the chamber in parallel. For example, in the case of the power source illustrated in FIG. 8, 1 ampere is output from each of the power supply blocks PB1 and PB2, and 2 amperes are supplied to the chamber as a parallel output thereof.
[0088]
Then, when arc discharge occurs during steady operation, the arc sensor (Asen) detects this and the arc breaking operation is started. Specifically, first, the timer TMR1 is activated and the “arcing period” is started. In the “arc-extinguishing period”, feedback by the arc sensor (Asen) is stopped, the cut-off switches Q11 and Q12 are opened, and the output from each power supply block is cut off. As in the first embodiment, the switching elements IGBT1 and IGBT2 are closed to form a closed circuit, whereby the currents of the inductors L1 and L2 are stored. Further, a reverse voltage is applied to the chamber from a reverse bias power source (not shown), and arc discharge is rapidly interrupted.
[0089]
When a predetermined time (for example, 3 microseconds) managed by the timer TMR1 elapses, the timer TMR2 is activated and the “recovery period” starts. In the “restoration period”, the feedback from the arc sensor (Asen) is stopped, and first, the cutoff switch Q11 is closed to output a forward current from the first power supply block PB1. That is, in the first “restoration period”, the outputs from all the power supply blocks are not supplied in parallel, but only the outputs from only a part of the power supply blocks are supplied to the chamber.
[0090]
When a predetermined time (for example, 3 microseconds) managed by the timer TMR2 elapses, monitoring by the arc sensor (Asen) is executed, and the “recovery period” ends. Here, when arc discharge is detected, the timer TMR1 is started again, and the “arc-extinguishing period” is started. That is, the output from all the power supply blocks is cut off, and a reverse voltage is applied to the chamber.
On the other hand, if no arc discharge is detected, a “gradual increase period” is started. This “gradual increase period” may be continuously managed by the timer TMR2, or may be managed by starting a third timer (not shown).
[0091]
In the “gradual increase period”, the output from the power supply block is sequentially connected to the chamber while continuing feedback by the arc sensor (Asen). For example, as illustrated in FIG. 10, in the “gradual increase period”, the output from the second power supply block PB2 is added in parallel by closing the cutoff switch Q12. And when an arc sensor does not detect arc discharge, the output from a power supply block is added sequentially. When the outputs from all current blocks are connected to the chamber in parallel, “steady operation” will resume.
[0092]
Further, when the arc sensor detects arc discharge during this “gradual increase period”, the “arc cut-off operation” is started again, and when the arc discharge is extinguished, the “gradual increase period” is started.
[0093]
As described above, according to the present embodiment, in the arc interrupting operation, the “extinguishing period” and the “restoring period” are repeated until the arc discharge is eliminated. When the arc is extinguished at the end of the “recovery period”, the “gradual increase period” is started while continuing feedback by the arc sensor. In the “gradual increase period”, outputs from a plurality of power supply blocks are sequentially added to gradually increase the current output to the chamber. Thus, by increasing the forward current stepwise, it is possible to prevent the arc discharge occurrence point from being rapidly reheated, and to effectively prevent the recurrence of the arc and the formation of a continuous arc.
[0094]
FIG. 11 is a schematic diagram showing another specific example of the power supply according to the present embodiment. That is, in this specific example, n power supply blocks PB1 to PBn are provided in parallel. Each power supply block is provided with cutoff switches Q11 to Q (1 + n), and each output can be appropriately cut off.
[0095]
These cut-off switches Q11 to Q (10 + n) are controlled by timers TMR1 and TMR2, and the outputs from the respective power supply blocks are controlled during the “arc cut-off operation” and “gradual increase period”.
[0096]
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating an example of an operation when n = 4, that is, when four power supply blocks PB1 to PB4 are provided.
That is, during steady operation, all the outputs from these four power supply blocks PB1 to PB4 are supplied to the chamber. For example, when a forward current of 1 ampere is output per unit, a forward current of 4 amperes is output to the chamber during steady operation.
[0097]
When an arc discharge is detected by the arc sensor (Asen), an arc interruption operation is started. That is, first, the timer TMR1 starts and the first “extinguishing period” starts. In the “arc-extinguishing period”, all the cut-off switches Q11 to Q14 are opened, and the output from the power supply block is cut off. Then, a reverse voltage is output from a reverse bias power source (not shown), and arc discharge is eliminated.
When a predetermined time managed by the timer TMR1 elapses, the timer TMR2 is activated and a “recovery period” is started. First, a forward current from only one of the four power supply blocks, for example, the first power supply block PB1 is output to the chamber. That is, a forward current of 1 ampere is output. This operation is executed by closing the cutoff switch Q11.
[0098]
At the time when the “restoration period” ends after a predetermined time managed by the timer TMR2, monitoring by the arc sensor (Asen) is executed. Here, as shown in the figure, when the chamber voltage (absolute value) is still low, it is determined that arc discharge is continuing, the timer TMR1 is started again, and the second “extinguishing period” is started. The
[0099]
When the second “extinguishing period” ends, the timer TMR2 starts again and the second “restoration period” starts. At this time, only the first power supply block PB1 is connected again, and a forward current of 1 ampere is output to the chamber. Then, at the end of the “recovery period”, monitoring by the arc sensor is executed. At this time, as shown in the figure, when the voltage (absolute value) of the chamber is increased, it is determined that the arc discharge has been erased, and the “gradual increase period” is started.
[0100]
In the “gradual increase period”, the forward current output from the power supply block is sequentially added at predetermined time intervals. That is, the cutoff switch of each power supply block is closed sequentially. As a result, the forward current output to the chamber sequentially increases as 1 amp, 2 amps, 3 amps,. This operation is executed by controlling the cutoff switches Q11 to Q (10 + n). The control of these switches may be executed by the timer TMR2, or may be executed by other control means such as a third timer (not shown).
[0101]
In the “gradual increase period”, monitoring by the arc sensor (Asen) continues. When the arc discharge is detected, the “arc cut-off operation” is immediately resumed and the “arc extinguishing period” is started.
On the other hand, when arc discharge is not detected, the “gradual increase period” proceeds sequentially, and when the outputs from all the power supply blocks are connected to the chamber, “steady operation” is resumed. That is, a forward current of 4 amperes is constantly output.
[0102]
As described above, also in this specific example, after the arc cut-off operation, all of the four power supply blocks PB1 to PB4 are not suddenly output, but the output is increased sequentially, thereby effectively preventing the recurrence of the arc discharge. Can be prevented.
[0103]
FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a case where the “arc extinguishing period” is repeated three times in the arc interrupting operation. That is, this specific example illustrates a case where arc discharge is generated during sputtering using a power supply having four power supply blocks, and the “extinguishing period” and “recovery period” are repeated three times. Thus, even when arc discharge is difficult to eliminate, according to the present embodiment, the forward current output to the chamber during the “recovery period” is suppressed to a small amount, thereby suppressing reheating of the arc generation point. In addition, the arc damage can be minimized and the arc can be interrupted quickly.
[0104]
FIG. 14 is a schematic view illustrating a case where arc discharge occurs during the “gradual increase period”. That is, in this specific example, the first arc discharge is erased by two “extinguishing periods”, but at the subsequent “gradual increase period”, the output of the forward current of 3 amperes is started. The arc discharge recurs and the “arc cut-off operation” is performed again. Thus, arc discharge may recur when a forward current is output after arc extinction. On the other hand, according to this embodiment, by gradually increasing the forward current, it is possible to suppress the reoccurrence of the arc as much as possible, and even when the arc recurs, the arc damage can be minimized. .
[0105]
(Third embodiment)
Next, as a third embodiment of the present invention, a magnetron power supply system using any of the power supplies described above with reference to the first and second embodiments will be described. That is, forward power can be supplied to the magnetron to cause an oscillation operation, and a plurality of power supply blocks can be connected in series or in parallel depending on the operating conditions.
[0106]
FIG. 15 is a conceptual diagram illustrating a configuration in which the power supply of the present invention is used for magnetron oscillation. That is, this figure represents a microwave generation system using a magnetron.
[0107]
The power supply 110 of this system applies a predetermined high DC voltage to the magnetron 200 to oscillate it. As the power source 110, the power source of the present invention described above with reference to FIGS. 1 to 14 can be used. The microwave power generated by the oscillation of the magnetron 200 is supplied to the load 500 through the isolator 310, the microwave sensor 320, and the microwave matching unit 340 using the waveguide as a transmission path. Further, a feedback signal FS is supplied from the sensor 320 to the inverter of the power source 110, and the output power of the microwave is controlled.
[0108]
Even in such a system, a sudden current may flow depending on the characteristics and state of the magnetron 200 or the required microwave output level and usage conditions. In such a case, an operation similar to the arc interrupting operation described above can be performed as an operation for interrupting the sudden current. That is, in the “recovery period”, a plurality of power supply blocks are connected in parallel to suppress output current, or a plurality of power supply blocks provided in parallel in advance are added sequentially in the “gradual increase period”. It is possible to minimize damage caused by electric current and to recover quickly and accurately.
[0109]
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples.
[0110]
For example, in FIGS. 1 to 14, a power supply provided with two or four power supply blocks or inverters is illustrated, but the present invention is not limited to this. That is, the present invention can be similarly applied to a power supply of a so-called “multi-stage inverter configuration” in which a plurality of inverters other than these are provided, and similar operational effects can be obtained.
[0111]
On the other hand, the configuration, structure, number, arrangement, shape, material, etc. of each part in the power source, sputtering power source and sputtering apparatus of the present invention are not limited to the above specific examples, and those appropriately selected and adopted by those skilled in the art, As long as the gist of the present invention is included, it is included in the scope of the present invention.
[0112]
More specifically, for example, a switching element or a switching circuit exemplified by a symbol of a MOS transistor or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), or a protection element exemplified by a symbol of a varistor is used. The present invention is not limited to elements, and can be configured as a single electric element having a similar function or action or an electric circuit including a plurality of electric elements, and all these modifications are included in the scope of the present invention.
[0113]
Similarly, the person skilled in the art appropriately changed the design of the specific configuration of the inverter, comparator, logic circuit, protection circuit, etc., and the number and arrangement of each circuit element including diodes, resistors, transistors, etc. Are within the scope of the present invention.
[0114]
The power supply of the present invention can be used for various applications such as various plasma application devices, laser oscillation, power switching devices, etc. in addition to sputtering devices and magnetron oscillations.
[0115]
In addition, all power supplies, sputtering power supplies, and sputtering apparatuses that include the elements of the present invention and that can be appropriately modified by those skilled in the art are included in the scope of the present invention.
[0116]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the connection relationship of a plurality of power supply blocks can be varied both in series and in parallel, and these power supply blocks are output as parallel connections in the “restoration period” of the arc interruption operation. Thus, the recurrence of the arc can be effectively suppressed, and the arc discharge can be quickly and accurately interrupted to return to the steady operation.
[0117]
In addition, according to the present invention, by sequentially adding a plurality of power supply blocks provided in parallel in the “gradual increase period”, the recurrence of arc discharge can be minimized, and the steady operation state can be quickly and accurately restored. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a main part of a power supply according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining an arc breaking operation.
FIG. 3 is a graph showing an operation mode studied by the inventor in the course of reaching the present invention.
FIG. 4 is a graph showing an operation mode of a power supply in the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a sputtering apparatus using a plurality of power supplies.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a power source of a modification of the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a first stage portion of a power supply having four power supply blocks.
FIG. 8 is a schematic view illustrating the most basic configuration of a power supply according to a second embodiment of the invention.
FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining the operation of the power supply according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of a specific operation.
FIG. 11 is a schematic diagram showing another specific example of the power supply according to the embodiment.
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating an example of an operation when n = 4, that is, when four power supply blocks PB1 to PB4 are provided.
FIG. 13 is a schematic diagram showing a case where the “arc extinguishing period” is repeated three times in the arc interrupting operation.
FIG. 14 is a schematic view illustrating a case where arc discharge occurs during a “gradual increase period”.
FIG. 15 is a conceptual diagram illustrating a configuration in which the power source of the present invention is used for magnetron oscillation.
FIG. 16 is a schematic diagram showing a main part configuration of a DC (direct current) sputtering apparatus.
FIG. 17 is a schematic diagram illustrating an example of a power source for sputtering.
[Explanation of symbols]
100 substrates
101 chamber
104 target
106 Vacuum pump
107 Gas supply source
108 Glow discharge
110 Power supply
120A, 120B connection cable
150 arc discharge
200 magnetron
310 Isolator
320 Microwave sensor
340 Microwave matcher
500 load
Asen arc sensor
Csen1 output current sensor
Csen2, Csen3 Inductor current sensor

Claims

A normal DC operation is performed by outputting forward DC power to the load, and when the impedance of the load decreases, an arc extinguishing operation is performed to cut off the output of the DC power in the forward direction to the load. A power supply that performs a recovery operation to resume output of direct-current DC power,
A plurality of power supply blocks each including a first diode for rectifying an alternating current and an inductor for smoothing a current rectified by the first diode;
In the steady operation, the forward DC power is formed by combining outputs from the plurality of power supply blocks in parallel.
In the restoration operation, the forward power is generated by combining the outputs from the plurality of power supply blocks in series.

The steady operation is resumed by combining outputs from the plurality of power supply blocks in parallel when a decrease in impedance of the load has been eliminated at the end of the restoration operation. The power supply according to claim 1.

The connection of the plurality of power supply blocks is made in series when the current flowing through the load does not reach a certain value or when the voltage applied to the load exceeds a certain value. Power.

When the connection of the plurality of power supply blocks is in series, the output of each of the plurality of power supply blocks is controlled based on the current value flowing through any of the inductors of the plurality of power supply blocks,
When the connection of the plurality of power supply blocks is parallel, the output of each of the plurality of power supply blocks is controlled based on the value of a current flowing through the inductor of each power supply block. Item 4. The power supply according to any one of Items 1 to 3.

One or more first switching elements;
One or more second switching elements;
Further comprising
The connection of the plurality of power supply blocks is made in series by the closing operation of the first switching element,
The power supply according to any one of claims 1 to 4, wherein the plurality of power supply blocks are connected in parallel by the closing operation of the second switching element.

A steady operation is performed by outputting forward direct current power to the load, and when the impedance of the load decreases, an arc extinguishing operation is performed to cut off the forward direct current power output to the load. A power supply for resuming steady operation,
A plurality of power supply blocks each including a first diode for rectifying an alternating current and an inductor for smoothing a current rectified by the first diode;
In the steady operation, the forward DC power is formed by combining outputs from the plurality of power supply blocks in parallel,
A power supply characterized in that, after executing the arc extinguishing operation, before restarting the steady operation, outputs from each of the plurality of power supply blocks are sequentially added at different timings and output in parallel.

The power supply according to claim 6, wherein after the arc extinguishing operation, a recovery operation is performed in which forward DC power is output to the load from only some of the plurality of power supply blocks.

The power supply according to any one of claims 1 to 7, wherein the arc extinguishing operation includes an operation of outputting a voltage in a reverse direction opposite to the forward direction to the load.

A power supply for sputtering that forms a thin film by sputtering a target,
A power supply according to any one of claims 1 to 8,
A sputtering power source characterized in that the sputtering can be performed by applying the forward power to the target.

A power supply for sputtering that forms a thin film by sputtering a target,
A power supply according to any one of claims 1 to 9,
Applying the forward power to the target to enable the sputtering,
The power supply for sputtering is characterized in that the decrease in impedance is caused by generation of arc discharge during the sputtering.

A power supply for sputtering according to claim 9 or 10,
A vacuum chamber capable of accommodating the target and maintaining an atmosphere depressurized from atmospheric pressure;
A sputtering apparatus comprising: