JP2007143338A - 交流電源装置およびその装置におけるアーク抑制方法 - Google Patents
交流電源装置およびその装置におけるアーク抑制方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】AC−DC整流器25及びDC−DC整流器27が、商用交流電力から直流電力に変換し、DC−AC変換器30が、直流電力から高周波交流電力に変換し、高周波トランス31を介して高周波交流電力を負荷へ供給する。発振制御手段35は、電流検出器32が検出した高周波交流電力の電流値を入力し、この電流値に基づいてアーク放電を検出し、前記高周波交流電力の供給を遮断させる。その後、初期パルス巾〔P〕から設定パルス巾〔HA〕に漸増して変化するようなパルスを生成し、このパルスを有するスイッチング信号をDC−AC変換器30に出力する。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明に係る交流電源装置を成膜用基板製造装置に適用した場合の制御ブロック図である。図2は、本発明に係る交流電源装置における電力制御手段を示す制御ブロック図である。図3は、本発明に係る交流電源装置における発振制御手段を示す制御ブロック図である。図4は、本発明に係る交流電源装置における発振制御手段の一部分の回路例を示す図である。図5、本発明に係る交流電源装置における他の発振制御手段を示す制御ブロック図である。図6は、本発明に係る交流電源装置における他の電力制御手段を示す制御ブロック図である。図7は、本発明に係る交流電源装置におけるアークの検出に基づくアーク抑制方法の処理手順を示すフローチャート図である。図8は、本発明に係る交流電源装置におけるアーク信号、遮断信号、リセット信号およびスイッチング信号と経過時間との関係を示す図である。
成膜用基板製造装置21は、図1に示すように、商用交流電源22、交流電源装置23および負荷24例えば、スパッタ装置を備える。交流電源装置23は、AC−DC整流器25、第1の直流フィルタ26、DC―DC変換器27、第2の直流フィルタ28、第1の電流検出器29、DC−AC変換器30、高周波トランス31、第2の電流検出器32、直流制御用電源33、電力制御手段34および発振制御手段35を備える。交流電源装置23は、商用交流電源22から供給される3相交流電力を一旦、直流電力に変換し、さらに直流電力から交流電力に変換して、交流電力を負荷24に出力する。すなわち、交流電源装置23は、AC−ACコンバータとして機能する。
次に、本発明に係る交流電源装置におけるアーク抑制方法について説明する。交流電源装置23におけるアーク抑制方法は、先ず、商用の交流電源を、第1の直流電力に変換するAC−DC整流工程と、第1の直流電力を、内在する第1のスイッチング素子のゲートをオン/オフ動作させて、負荷24に応じて定められる第2の直流電力に変換するDC―DC変換工程と、第1のスイッチング素子のゲートをオン/オフ制御するゲート制御信号を出力して、第2の直流電力を制御する電力制御工程と、第2の直流電力を入力し、第2のスイッチング素子のゲートをオン/オフ動作させて、第1の高周波の交流電力に変換するDC−AC変換工程と、アーク放電によるアーク信号の検出に基づいて、電力供給を遮断する遮断信号Lを出力し、所定時間だけ負荷24への電力供給を遮断した後、リセット信号Mを出力し、リセット信号Mが出力してから一定時間後に、電力供給が元の状態に復帰するように、第2のスイッチング素子のゲートをオン/オフ制御するスイッチング信号のパルス巾を初期パルス巾〔P〕から設定パルス巾〔HA〕に漸増させて、電力制御する発振制御工程とを備える。
次に、本発明に係る交流電源装置23の動作について説明する。
先ず、交流電源装置23の全体的な動作について説明する。商用交流電源22をAC−DC整流器25に入力すると、AC−DC整流器25によって、交流電力から直流電力に整流し、第1の直流電力を出力する。第1の直流電力をDC−DC変換器27に入力すると、DC−DC変換器27に内在する第1のスイッチング素子のゲートを電力制御手段34によるゲート制御信号Aによってオン/オフ制御して、DC−DC変換器27の出力電圧を一定に制御しかつ、出力電力を制御して、第2の直流電力を出力する。
2 平滑回路
3 インバータスイッチング部
4 昇圧トランス
5 整流部
6 処理装置本体
7 サイリスタ制御部
8 インバータ制御部
9 カレントトランス
10 電流検出回路
21 成膜用基板製造装置
22 商用交流電源
23 交流電源装置
24 負荷
25 AC−DC整流器
26 第1の直流フィルタ
27 DC−DC変換器
28 第2の直流フィルタ
29 第1の電流検出器
30 DC−AC変換器
31 高周波トランス
32 第2の電流検出器
33 直流制御用電源
34−1,34−2 電力制御手段
35−1,35−2 発振制御手段
36 基本電力指令値設定器
37 帰還電力演算器
38 減算器
39 PID制御器
40 GATE制御器
41−1,41−2 アーク検出手段
42 初期パルス巾指令演算手段
43 パルス巾可変演算/GATE制御手段
44 電流―電圧変換器
45 差動増幅器
46 絶対値変換器
47 アーク基準値設定器
48 比較器
49 ラッチ/遮断信号発生器
50 再起動信号演算出力器
51 パルス巾減衰比率設定器
52 アーク遮断指令器
53 レート指令書込器
54 レート時間設定器
55 レート演算器
56 最小パルス巾設定器
57 初期パルス巾選択器
58 スイッチング周波数指令設定器
59 デッドバンド設定器
60 スイッチングパルス巾生成器
61 パルス巾可変演算器
62 GATE制御器
63 抵抗体
64 平滑用コンデンサ
65 抵抗体
66 オペアンプ
67 パルストランス
68 揺動電力制御手段
69 揺動レベル設定器
70 加算器
71 揺動値/揺動周波数設定器
72 揺動波形選択器
73 加減算器
74 電力指令演算器
A ゲート制御信号
B 帰還直流電流信号
C 帰還直流電圧信号
D スイッチング信号
E1 出力電流信号
E2 出力電圧信号
F 基本電力指令信号
G アーク基準信号
H 元のパルス巾信号
HA 設定パルス巾信号
P 初期パルス巾信号
Y 遥動周期信号
Z 遥動振幅信号
Claims (15)
- 商用交流電力から変換した高周波交流電力を負荷へ供給する電源であって、アーク放電を抑制する交流電源装置において、
スイッチング信号によりスイッチング素子のゲートを制御し、前記高周波交流電力を生成する電力変換器と、
前記負荷へ供給される高周波交流電力の電流値を検出する電流検出器と、
前記電流値に基づいてアーク放電を検出し、前記電力変換器に高周波交流電力の供給を遮断させ、遮断の後、予め設定された初期パルス巾から漸増するパルスを生成し、前記パルスを有するスイッチング信号を前記電力変換器に出力する発振制御手段と、
を備えることを特徴とする交流電源装置。 - 商用交流電力から変換した高周波交流電力を負荷へ供給する電源であって、アーク放電を抑制する交流電源装置において、
前記商用交流電力を、第1の直流電力に変換するAC−DC整流器と、
前記第1の直流電力を、内在する第1のスイッチング素子のゲートをオン/オフ動作させて、前記負荷に応じて定められる第2の直流電力に変換するDC―DC変換器と、
前記DC―DC変換器の出力側の帰還直流電流値を検出する第1の電流検出器と、
前記第2の直流電力を入力し、内在する第2のスイッチング素子のゲートをオン/オフ動作させて、前記第2の直流電力を第1の高周波の交流電力に変換するDC−AC変換器と、
前記第1の高周波の交流電力を入力し、前記第1の高周波の交流電力を電気的絶縁させて第2の高周波の交流電力に変換する高周波トランスと、
前記高周波トランスの2次側の負荷へ入力される出力電流値を検出する第2の電流検出器と、
前記帰還直流電流値と前記DC−DC変換器の出力側の帰還直流電圧値とを乗算し、前記第2の直流電力の目標値とする基本電力指令値から、前記乗算結果の帰還電力値を減算し、減算結果の電力偏差値に基づいて、前記第1のスイッチング素子のゲートをオン/オフ制御するゲート制御信号を出力し、前記ゲート制御信号によって、前記第2の直流電力を制御する電力制御手段と、
前記出力電流値と、前記第2のスイッチング素子のゲートをオン/オフ制御するスイッチング信号のスイッチング周波数指令値と、前記アーク放電の検出基準であるアーク基準値と、前記スイッチング信号の再起動時における初期パルス巾とに基づいて、前記スイッチング信号を出力し、そのスイッチング信号によって、前記第1の高周波の交流電力を制御する発振制御手段と、
を備え、
前記発振制御手段は、前記出力電流値とアーク基準値とに基づいてアーク信号を出力し、前記アーク信号に基づいて、電力供給を遮断する遮断信号を出力し、所定時間だけ前記負荷への電力供給を遮断した後、リセット信号を出力し、前記リセット信号が出力してから一定時間後に、電力供給が元の状態に復帰するように、前記第2のスイッチング素子のスイッチング信号のパルス巾が前記初期パルス巾から設定パルス巾に漸増して電力制御することを特徴とする交流電源装置。 - 前記発振制御手段は、
前記第2の電流検出器による出力電流値から変換される電圧値の絶対値と、前記アーク基準値とを入力し、前記絶対値と前記アーク基準値との大小を比較し、絶対値がアーク基準値に等しいときまたはより大きいときに前記アーク信号を出力し、前記負荷への電力供給を遮断する遮断信号を出力し、所定時間だけ前記負荷への電力供給を遮断した後、前記リセット信号を出力するアーク検出手段と、
前記遮断信号およびリセット信号に基づいて、初期パルス巾を演算する初期パルス巾指令演算手段と、
前記初期パルス巾と、前記スイッチング周波数指令値と、デッドバンド期間とを入力し、前記リセット信号によって、所定時間内に、パルス巾が初期パルス巾から設定パルス巾に漸増するスイッチング信号を出力するパルス巾可変演算/GATE制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項2に記載の交流電源装置。 - 前記アーク検出手段は、
前記第2の電流検出器による出力電流値を入力し、出力電流値を電圧値に変換する電流−電圧変換器と、
前記電圧値を入力し、入力端子間電圧を増幅した出力電圧値を出力する差動増幅器と、
前記出力電圧値を入力し、出力電圧値の絶対値を演算し、絶対値を出力する絶対値変換器と、
前記アーク基準値を設定するアーク基準設定器と、
前記絶対値とアーク基準値とを入力し、絶対値とアーク基準値との大小を比較し、絶対値がアーク基準値に等しいときまたはより大きいときに、前記アーク信号を出力する比較器と、
前記アーク信号を入力し、アーク信号を保持し、遮断信号を出力するラッチ/遮断信号発生器と、
前記遮断信号を入力し、遮断信号により前記第2のスイッチング素子のゲートがオフ状態に変わってから所定時間が経過した後、リセット信号を出力し、前記ラッチ/遮断信号発生器による保持した前記アーク信号を解除する再起動信号演算出力器と、
を備えることを特徴とする請求項3に記載の交流電源装置。 - 前記リセット信号によって再起動するP側およびN側からなるスイッチング信号は、アークを検出する前記P側またはN側と反対側の前記N側またはP側のいずれかのスイッチングが開始することを特徴とする請求項2から請求項4までの何れかの請求項に記載の交流電源装置。
- 前記初期パルス巾指令演算手段は、
設定パルス巾に対する所定パルス巾の比率とするパルス巾減衰比率指令値を設定するパルス巾減衰比率設定器と、
前記遮断信号を入力し、遮断信号に基づいてアーク遮断信号を出力するアーク遮断指令器と、
前記アーク遮断信号を入力し、アーク遮断信号に基づいて前記パルス巾減衰比率指令値を書き込むレート指令書込み器と、
スイッチング信号のパルス巾が、前記所定パルス巾から設定パルス巾まで変化するのに要するレート時間を設定するレート時間設定器と、
前記再起動信号演算出力器によるリセット信号が入力すると、前記レート時間とパルス巾減衰比率指令値とを入力し、レート時間とパルス巾減衰比率指令値とから演算される前記所定パルス巾を出力するレート演算器と、
前記スイッチング信号の最小パルス巾を設定する最小パルス巾設定器と、
前記所定パルス巾と最小パルス巾とを入力し、所定パルス巾と最小パルス巾との大小を比較し、パルス巾が大きい方を初期パルス巾として選択するパルス巾選択器と、
を備えることを特徴とする請求項3から請求項5までの何れかの請求項に記載の交流電源装置。 - 前記アーク検出手段は、
さらに、前記電流−電圧変換器と差動増幅器との間にパルストランス
を備えることを特徴とする請求項3から請求項6までの何れかの請求項に記載の交流電源装置。 - 前記電力制御手段は、
前記基本電力指令値に電力波形が揺動的に変化する揺動電力を付加し、これにより得られる新たな電力指令値と、帰還直流電流値と、帰還直流電圧値とを入力し、帰還直流電流値と帰還直流電圧値とを乗算し、新たな電力指令値から前記乗算結果である帰還直流電力を減算し、減算結果である電力偏差値に基づいて前記第1のスイッチング素子のゲート制御信号を出力して、前記第2の直流電力を制御することを特徴とする請求項2から請求項7までの何れかの請求項に記載の交流電源装置。 - 前記揺動電力が、正弦波形、方形波または三角波からなる電力波形、揺動振動数および揺動振幅から設定されることを特徴とする請求項8に記載の交流電源装置。
- 前記負荷が、スパッタ装置であることを特徴とする請求項2から請求項9までの何れかの請求項に記載の交流電源装置。
- 前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子は、IGBTであることを特徴とする請求項2から請求項10までの何れかの請求項に記載の交流電源装置。
- 商用交流電力から変換した高周波交流電力を負荷へ供給する電源であって、アーク放電を抑制する交流電源装置におけるアーク抑制方法において、
前記商用交流電力を、第1の直流電力に変換するAC−DC整流工程と、
前記第1の直流電力を、内在する第1のスイッチング素子のゲートをオン/オフ動作させて、前記負荷に応じて定められる第2の直流電力に変換するDC−DC変換工程と、
前記第1のスイッチング素子のゲートをオン/オフ制御するゲート制御信号を出力して、前記第2の直流電力を制御する電力制御工程と、
前記第2の直流電力を入力し、第2のスイッチング素子のゲートをオン/オフ動作させて、第1の高周波の交流電力に変換するDC−AC変換工程と、
前記アーク放電を検出してアーク信号を出力し、アーク信号に基づいて電力供給を遮断する遮断信号を出力し、所定時間だけ前記負荷への電力供給を遮断した後、リセット信号を出力し、リセット信号が出力してから一定時間後に、電力供給が元の状態に復帰するように、前記第2のスイッチング素子のゲートをオン/オフ制御するスイッチング信号のパルス巾が初期パルス巾から設定パルス巾に漸増して、電力制御する発振制御工程と、
を備えることを特徴とする交流電源装置におけるアーク抑制方法。 - 前記電力制御工程が、
前記第2の直流電力の目標値とする基本電力指令値を設定する基本電力指令値設定工程と、前記帰還電力値を演算する帰還電力値演算工程と、前記基本電力指令値から帰還電力値を減算し、電力偏差値を演算する電力偏差値演算工程と、前記電力偏差値に基づいて第1のスイッチング素子のゲートをオン/オフ制御するゲート制御信号を出力して、前記第2の直流電力を制御する工程とを備え、
前記発振制御工程が、
前記高周波トランスを介して第1の高周波の交流電力を電気的絶縁させた第2の高周波の交流電力につき、その第2の高周波の交流電力から得られる出力電流値を検出する出力電流値検出工程と、前記出力電流値を電圧値に変換する電流―電圧変換工程と、前記電圧値を入力し、両入力端子間電圧を増幅し、出力電圧値を出力する差動増幅工程と、前記出力電圧値の絶対値を演算し、絶対値を出力する絶対値演算工程と、前記絶対値とアーク放電の検出基準とするアーク基準値との大小を比較する比較工程と、前記絶対値がアーク基準値に等しいときまたはより大きいとき、アーク信号を出力するアーク信号出力工程と、前記アーク信号を入力し、アーク信号を保持し、アーク信号に基づいて遮断信号を出力するラッチ/遮断信号保持発生工程と、前記遮断信号を入力し、遮断信号により前記第2のスイッチング素子のゲートをオフ状態になってから所定時間が経過した後、リセット信号を出力し、保持されたアーク信号を解除する再起動信号演算出力工程と、前記リセット信号を入力し、レート時間とパルス巾減衰比率とから演算される所定パルス巾を出力するレート演算工程と、前記所定パルス巾と最小パルス巾とを入力し、所定パルス巾と最小パルス巾の大小とを比較し、パルス巾が大きい方を初期パルス巾として選択する初期パルス巾選択工程と、
前記第2のスイッチング素子のゲートをオン/オフ制御するスイッチング信号のスイッチング周波数指令値とデッドバンド期間とから設定パルス巾を生成し、設定パルス巾と前記初期パルス巾とに基づいて、前記スイッチング信号のパルス巾を演算し、リセット信号によって再起動するスイッチング信号を出力するパルス巾可変演算/GATE制御工程と、
を備えることを特徴とする請求項12に記載の交流電源装置におけるアーク抑制方法。 - 前記リセット信号によって再起動するP側およびN側からなるスイッチング信号は、アークを検出する前記P側またはN側と反対側の前記N側またはP側のいずれかのスイッチングが開始することを特徴とする請求項12または請求項13に記載の交流電源装置におけるアーク抑制方法。
- 前記基本電力指令値に電力波形が揺動的に変化する揺動電力を付加し、これにより得られる新たな電力指令値と、帰還直流電流値と、帰還直流電圧値とを入力し、帰還直流電流値と帰還直流電圧値とを乗算し、新たな電力指令値から前記乗算結果である帰還直流電力を減算し、減算結果である電力偏差値に基づいて第1のスイッチング素子のゲート制御信号を出力して、第2の直流電力を制御することを特徴とする請求項13または請求項14に記載の交流電源装置におけるアーク抑制方法。
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