JP2007169710A - 真空装置及び真空装置の電力供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
異常放電防止機能が働く際には、直流電源装置から異常放電防止装置に流れる電流を最小にすること。
【解決手段】
真空装置の異常放電防止装置は、真空負荷における異常放電発生の発生を検出したときに異常放電検出信号を発生、又は異常放電発生の予兆を検出したときに異常放電予知信号を発生、あるいは前記真空負荷における異常放電の発生を予防するために周期的に発生される異常放電予防信号を発生し、インバータと制御回路との間に設けられたゲート回路は、異常放電防止装置が異常放電に関する信号を出力するときに、前記制御回路と前記インバータのスイッチング半導体素子の制御端子との間を予め設定された通過禁止期間だけ遮断して、通過禁止期間中は制御信号を前記インバータに通過させず、通過禁止期間が経過したときに制御信号を前記インバータに通過させることを特徴とする真空装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アーク放電のような異常放電の発生時にはその異常放電を消孤する機能、又は異常放電の発生を未然に予防する機能をもつ異常放電防止装置を備えた真空装置及びその電力供給方法に関する。

従来、１個以上のスイッチング半導体素子を備えるインバータ回路と、その交流出力を直流出力に変換する整流器と、その直流出力を平滑する平滑用インダクタと平滑用コンデンサとからなる平滑回路とを備えた直流電源に接続されるスパッタ装置、あるいはエッチング装置、電子ビーム蒸着装置、又はＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置などのような真空を利用した真空装置において、真空装置における真空負荷の電極のインピーダンスが低下したり、あるいは導電性のごみなどが電極間を短絡することによって、プラズマ状態において一時的に異常放電が発生したり、あるいは電子ビーム蒸着装置では高電位にあるフィラメントとその周囲に位置する電極との間で異常放電が生じる場合がある。

スパッタ装置においては、異常放電が発生すると、スパッタリング中の液晶などの基板材料に欠陥を与え、あるいはコンパクトディスクやＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）における金属膜に欠陥を与えるなど、製品の歩留まりを低下させるという問題があった。また、電子ビーム蒸着装置では放電エネルギーによってフィラメントが断線する原因となる。したがって、極力異常放電の発生を防止しなければならない（特許文献１参照）。従来、これら真空装置における異常放電対策の一つとして、異常放電防止装置における異常放電発生検出機構が異常放電の発生を検出して異常放電検出信号を出力し、半導体スイッチをオンさせて逆電圧電源から真空負荷に逆電圧を印加したり、又は半導体スイッチをオンさせて真空負荷の両端を短絡することによって、異常放電を短時間で消滅させることが行われている。また、他の異常放電対策として、異常放電防止装置における異常放電の予知検出機構が異常放電の発生の予兆を検出して異常放電予知信号を出力し、前述のように真空負荷に逆電圧を印加したり、又は真空負荷の両端を短絡することによって、異常放電の発生を予防している。さらに、別の異常放電対策としては、周期的に異常放電防止信号を出力し、周期的に上述のように逆電圧を真空負荷に印加したり、又は真空負荷の両端を短絡することによって、異常放電の発生を未然に防いでいる（例えば、特許文献２参照）。

また、別の異常放電対策としては、真空負荷に異常放電が発生したときに、真空負荷に流れる電流を安定化させるための電流安定化用インダクタンス素子に流れる電流の上昇を回避し、異常放電防止装置を流れる電流の増大を抑制するために、インバータ装置の制御機能を所定時間だけ停止させ、インバータ装置を構成するすべてのスイッチング半導体素子をオフさせて、インバータ装置を停止させるものもあるが、このようにインバータ装置を停止させると復帰時にトランスが偏励磁して過電流が流れ、インバータ装置が不安定な動作になるという問題がある。さらに、インバータ装置は突入電流防止のためにソフトスタート機能を有するものが多いが、この場合にはインバータ装置の復帰に時間がかかり、真空負荷に悪影響を与えるという問題があることが述べられている（特許文献３参照）。なお、一般的にこのような直流電源装置は出力の安定化のために平滑用インダクタを備えている。また、直流電源装置の平滑用インダクタとは別に異常放電防止装置に数１００μＨ〜数ｍＨという大きなインダクタンスを有する電流安定化用インダクタンス素子を備えている。その理由はそのインダクタンスが大きいほどそのインダクタンスの電流持続作用により電子ビーム又はプラズマ放電が安定し、異常放電に移行しにくいからである。
特開平８−３１１６４７号公報 特開２００５−３１８７１４公報 特開２００１−２９５０４２公報

しかし、前掲特許文献１に記載されているような異常放電対策にあっては、異常放電を比較的速やかに消失させることができるが、異常放電防止装置が動作したときに流れる電流は、異常放電防止装置が動作する直前までその電流安定化用インダクタンス素子を流れていた電流に、直流電源装置から給電されるエネルギーによる電流、あるいは直流電源装置の出力電圧に逆電圧を加算した電圧によるピーク値の大きな電流が電流安定化用インダクタ素子及び異常放電防止装置における前記半導体スイッチを流れることになる。このような異常放電対策にあっては、異常放電を速やかに消失させるという観点からは逆電圧が大きく、かつ逆電圧印加時間を長くするのが有効であるが、このような条件にすると、前述したように電流安定化用インダクタ素子及び異常放電防止装置における前記半導体スイッチを流れる電流が大きくなるという問題がある。したがって、実際の真空装置にあっては前述条件のバランスを考慮して、逆電圧の大きさとその印加時間、及び電流安定化用インダクタ素子のインダクタンスなどの大きさが決められる。また、前記電流安定化用インダクタ素子及び異常放電防止装置における前記半導体スイッチを流れる電流が大きい状態で、前記半導体スイッチをオフに戻すと、電流安定化用インダクタンス素子を通流していた電流は真空負荷を流れるので、再び異常放電を引き起こすことがあり、したがって、真空負荷と並列に容量の大きなコンデンサスナバ回路を設けなければならないという問題がある。

前掲特許文献２に記載されている方法の場合には、前掲特許文献１の方法による問題点を軽減できる。しかしながら、前述したように、異常放電防止機能が働く際には直流電源装置のインバータ回路を停止させるので、インバータ回路が復帰するときに直流電源装置が定格出力電圧を出力する状態に戻るまでに時間がかかること、インバータ回路が復帰するときにトランスが偏励磁することがあるなどの問題があり、真空負荷に電力を供給する電源装置としてはこのような技術を用い難い。更にまた、従来の直流電源装置は平滑用インダクタを出力側に備えているので、インバータ回路が動作停止しても、平滑用インダクタに蓄えられているエネルギーが放出されるために、直流電源装置からエネルギーが供給され続けるという欠点もある。

したがって、本発明は前述の問題点を解決しながら、異常放電防止機能が働く際には、直流電源装置から異常放電防止装置に流れる電流を最小にすることによって、異常放電防止機能が働くときに安定化用インダクタンスをそれまで流れていた電流をほとんど増大させず、従来に比べて安定化用インダクタを流れる電流のピーク値を低減させることを主目的にしている。

第１の発明は、真空負荷と、その真空負荷に給電する直流電源装置と、その直流電源装置と前記真空負荷との間に備えられて異常放電の発生を防止する異常放電防止装置とを備える真空装置において、前記直流電源装置は、トランスと、そのトランスの１次巻線に接続されていて、前記真空負荷に給電される電力を制御するスイッチング半導体素子を備えるインバータと、前記トランスの２次巻線に接続されている整流回路と、前記スイッチング半導体素子を制御する制御回路と、その制御回路と前記スイッチング半導体素子の制御端子との間に備えられているゲート回路とを備え、前記異常放電防止装置は、前記真空負荷における異常放電の発生を検出したときに異常放電検出信号を出力、又は異常放電発生の予兆を検出したときに異常放電予知信号を出力、あるいは前記真空負荷における異常放電の発生を予防するために周期的に発生される異常放電予防信号を出力し、前記ゲート回路は、前記異常放電防止装置が前記異常放電検出信号又は前記異常放電予知信号、あるいは前記異常放電予防信号を出力するときに、前記制御回路と前記スイッチング半導体素子の制御端子との間を予め設定された通過禁止期間だけ遮断して、その通過禁止期間中は前記制御信号を前記スイッチング半導体素子の制御端子に通過させず、前記通過禁止期間が経過したときに前記制御信号を前記スイッチング半導体素子の制御端子に通過させることを特徴とする真空装置を提供する。

第２の発明は、前記第１の発明において、前記制御回路の前記動作応答時間は１００μｓよりも長く、前記通過禁止期間は１０μｓから１００μｓ以下であることを特徴とする真空装置を提供する。

第３の発明は、前記第１の発明又は前記第２の発明において、前記通過禁止期間は、前記異常放電検出信号又は前記異常放電予知信号、あるいは前記異常放電予防信号が発生するときに形成される信号のパルス幅と実質的に等しい期間であることを特徴とする真空装置を提供する。

第４の発明は、前記第１の発明ないし前記第３の発明のいずれかにおいて、前記真空負荷の負荷電力に比例する負荷電力検出信号と比較される基準電力値を有する電力基準源と、前記負荷電力検出信号と前記基準電力値との差に等しい誤差増幅信号を前記制御回路に出力する誤差増幅器とを備え、前記電力基準源は、前記通過禁止期間中は、定常時の前記基準電力値よりも低い値の基準電力値を与えることを特徴とする真空装置を提供する。

第５の発明は、前記第１の発明ないし前記第４の発明のいずれかにおいて、前記整流回路は出力端子間に平滑用コンデンサを備え、かつ実質的に平滑用インダクタを備えないコンデンサインプット型であることを特徴とする真空装置を提供する。

第６の発明は、前記第１の発明ないし前記第５の発明のいずれかにおいて、前記異常放電防止装置は、前記真空負荷における異常放電の発生を検出したとき、又は異常放電発生の予兆を検出したとき、あるいは前記真空負荷における異常放電の発生を予防するために周期的に発生される異常放電予防信号を出力するとき、前記真空負荷に逆極性の電圧を印加、又は前記真空負荷の両端を短絡する半導体スイッチを備えることを特徴とする真空装置を提供する。

第７の発明は、真空負荷と、前記真空負荷に給電される電力を制御するスイッチング半導体素子を備えるインバータとそのインバータを制御する制御回路とを備える直流電源装置と、その直流電源装置と前記真空負荷との間に備えられている異常放電防止装置とからなる真空装置の電力供給方法において、前記異常放電防止装置が、異常放電の発生を示す異常放電検出信号、又は異常放電発生の予兆を示す異常放電予知信号を出力するとき、あるいは異常放電の発生を未然に防止するために周期的に異常放電防止信号を出力するときでも、前記制御回路の制御機能は停止することなく動作を継続して制御信号を発生し、前記異常放電検出信号又は前記異常放電予知信号、あるいは前記異常放電防止信号は、前記制御回路から出力された前記制御信号が予め設定された通過禁止期間だけ前記スイッチング半導体素子の制御端子に通過するのを遮断し、前記スイッチング半導体素子は、前記制御回路の前記制御信号とは無関係に、前記通過禁止期間だけオフし、前記通過禁止期間の経過に伴い、前記制御信号が前記スイッチング半導体素子の制御端子を通過することにより前記インバータが直ぐに定常の動作を行うことを特徴とする真空装置の電力供給方法を提供する。

第８の発明は、前記第７の発明において、前記異常放電防止装置が動作して、前記真空負荷に逆電圧を印加している期間、又は前記真空負荷の両端を短絡している期間は前記直流電源装置が出力せず、前記通過禁止期間の経過に伴い、前記直流電源装置は直ぐに定常の直流出力電力を出力することを特徴とする真空装置の電力供給方法を提供する。

第９の発明は、前記第７の発明又は前記第８の発明において、前記制御機能の前記動作応答時間は１００μｓよりも長く、前記通過禁止期間は１０μｓから１００μｓ以下であることを特徴とする真空装置の電力供給方法を提供する。

前述のような問題を解決するため、前記第１の発明は異常放電防止機能が働く際に、直流電源装置から異常放電防止装置の半導体スイッチに流れる電流を最小にすることができ、異常放電防止装置の低コスト化、小型軽量化などを図ることができ、また、異常放電消滅直後に真空負荷を流れる電流を低減するので、負荷への悪影響を小さくできる。また、インバータが停止する通過禁止期間の経過後に直ぐに前記直流電源装置が定常の直流電力を出力することができる。

前記第２、第３の発明によれば、前記第１の発明が奏する効果の他に、異常放電防止作用を行う半導体スイッチがオフする通過禁止期間の経過直後における直流電源装置の出力電圧のオーバーシュートを防ぐことができだけでなく、真空負荷に流れ始める電流のオーバーシュートも防ぐことができる。

前記第４の発明によれば、前記第１の発明ないし前記第３の発明が奏する効果の他に、制御回路が高速の制御応答特性を有するものであっても、異常放電防止作用を行う半導体スイッチがオフする通過禁止期間経過直後における直流電源装置の出力電圧のオーバーシュートを防ぐことができる。

前記第５の発明によれば、前記第１の発明ないし前記第４の発明が奏する効果の他に、インバータが動作を停止するときに、急速に直流電源装置が供給する出力電力を低下させることができる。

前記第６の発明によれば、前記第１の発明ないし前記第５の発明が奏する効果の他に、異常放電の発生を検出するだけではなく、異常放電の発生を予知して、短時間で真空負荷における異常放電を消滅させ、あるいは異常放電に至る前に放電を消滅させることができる。

前記第７の発明によれば、異常放電防止機能が働く際に、直流電源装置から異常放電防止装置の半導体スイッチに流れる電流を最小にすることができ、異常放電防止装置の低コスト化、小型軽量化などを図ることができ、また、異常放電の消滅直後に真空負荷を流れる電流のオーバーシュートを防止するので、負荷への悪影響を小さくできる電力供給方法を提供できる。また、インバータが停止する通過禁止期間の経過後に直ぐに定常の直流電力を出力することができる。

前記第８の発明によれば、前記第７の発明が奏する効果の他に、インバータが停止する通過禁止期間の経過後に直ぐに定常の直流電力を出力することができる電力供給方法を提供する。

前記第９の発明によれば、前記第８の発明が奏する効果の他に、異常放電防止作用を行う半導体スイッチがオフする通過禁止期間経過直後における直流電源装置の出力電圧のオーバーシュートを防ぐことができる電力供給方法を提供する。

[実施形態１]
図１及び図２によって本発明に係る実施形態１の真空装置１００について説明する。この真空装置１００は、大別して直流電源装置１、異常放電防止装置３０及び真空負荷５０からなる。直流電源装置１は、商用三相交流入力電源１０からの三相交流電力は直流電力に変換する三相全波整流装置１１、その直流電力を高周波交流電力に変換するインバータ１２、インバータ１２に接続された１次巻線１３Ａと２次巻線１３Ｂとを有するトランス１３、２次巻線１３Ｂに接続された出力側整流回路１４、出力側整流回路１４の出力端子間に接続された平滑用コンデンサ１５、インバータ１２に制御信号を与える制御回路１６、インバータ１２と制御回路１６との間に接続されているゲート回路１７、直流出力端子１８と１９、これら直流出力端子１８と１９から真空負荷５０に流れる電流を検出する負荷電流検出器２０、負荷電圧検出回路２１、負荷電流検出器２０からの負荷電流検出信号と負荷電圧検出回路２１からの負荷電圧検出信号とを乗算して、真空負荷５０の負荷電力に比例する負荷電力検出信号を出力する乗算回路２２、その負荷電力検出信号と電力基準源２３の基準電力値との誤差増幅信号を出力する誤差増幅器２４などからなる。なお、交流入力電源１０は単相交流電源でも勿論よい。この場合には、整流装置１１は単相交流を直流に変換する回路構成のものになる。

インバータ１２は、４個のＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴのようなスイッチング半導体素子１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄをフルブリッジ構成に接続してなるフルブリッジ型インバータである。スイッチング半導体素子１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄはそれぞれボディダイオード（寄生ダイオード）１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを有する。ここで、インバータ１２は２個のコンデンサと２個のスイッチング半導体素子とをフルブリッジ構成に接続してなるハーフブリッジ型インバータなど、他の回路構成のインバータであっても勿論よい。なお、スイッチング半導体素子１２Ａ〜１２Ｄがボディダイオード１２ａ〜１２ｄを備えない半導体素子の場合には、これらボディダイオードの動作を行う個別のダイオードを逆並列接続すればよい。制御回路１６は、異常放電が発生したときでも、スイッチング半導体素子１２Ａ〜１２Ｄをパルス幅制御するパルス幅制御信号を出力し続ける。ゲート回路１７は４個のＡＮＤゲート１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄからなる。ＡＮＤゲート１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄは、制御回路１６から正の制御信号を受け、かつ異常放電防止装置３０から正の信号を受けるとき、正の制御信号をインバータ１２に通過させる。そして、異常放電に関連する負の信号を受けるとき、ＡＮＤゲート１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄは制御回路１６からの正の制御信号を遮断し、通過させない。この真空装置１００では、インバータ１２、トランス１３、制御回路１６、及びゲート回路１７がインバータ装置を構成する。スイッチング半導体素子１２Ａと１２Ｂ、１２Ｃと１２Ｄは互いに逆位相で交互に動作する。また、図示していないが、実際には制御回路１６とスイッチング半導体素子１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄとの間における電気信号の授受は絶縁伝達される。

直流電源装置１の直流出力端子１８、１９に接続されている異常放電防止装置３０は、直流出力端子１８、１９間に真空負荷５０と直列に接続されて、負荷電流を連続させる働きとアーク放電のような異常放電（以下、異常放電という。）の発生時に急激に電流が増大するのを抑制する働きとを行う電流安定化用インダクタンス素子３１、真空負荷５０の両端に跨って接続され、かつ互いに直列に接続されている半導体スイッチ３２と逆極性電源３３、低電圧側と高電圧側を電気絶縁しながら信号を伝達する絶縁伝達回路３４、真空負荷５０の両端に接続されて異常放電の発生を検出又は異常放電発生の予知を行う異常放電検知回路３５、異常放電検知回路３５から異常放電検出信号又は異常放電予知信号を受けるときにＨレベル（１）のパルス信号Ｓ１とＬレベル（０）のパルス信号Ｓ２とを発生するパルス発生回路３６を備える。ここで、逆極性電源３３の逆極性電圧とは、真空負荷５０における定常の電圧の極性（図示）とは反対の極性の電圧を言う。逆極性電源３３の逆極性電圧は、直流電源装置１の直流出力電圧の１０〜２０％程度である。例えば、直流電源装置１の直流出力電圧が−５００Ｖの場合、＋１００Ｖ程度である。なお、逆極性電源３３は図示極性で充電される不図示のコンデンサとこれを充電する充電回路とからなるものが知られている。

先ず、真空装置１００の動作を説明する前に異常放電検知回路３５について説明するが、異常放電検知回路３５の詳細な構成は本発明の要件でなく、本件出願人の先願の特願２００５−０９７８４８号明細書に記載されているので、構成については図示せずに、以下では作用的に説明する。異常放電検知回路３５の基本的な第１の例としては、真空負荷５０に異常放電が発生すると、負荷電圧は急激に低下して設定電圧以下に降下し、かつ負荷電流は急激に増えて設定値以上に増大するので、この条件が満たされたときに異常放電が発生したものとして異常放電検出信号を発生する。第２の例としては、真空負荷５０に異常放電が発生又は異常放電の発生に至る可能性が大きなときには負荷電圧の減少率が大きくなるので、その電圧減少率を検出し、前記電圧減少率が設定値を超えた場合には異常放電発生の直前であるとして異常放電予知信号を出力、あるいは異常放電が発生したものとして異常放電検出信号を発生する。この点についてもう少し詳しく説明すると、真空負荷５０がマグネトロンスパッタである場合、プラズマ運転中において、異常放電が発生しにくい安定状態では、真空負荷５０の電圧の減少率、つまり降下率は小さく、設定値に達しないので異常放電予知信号又は異常放電検出信号を発生しない。

しかし、真空負荷５０の不図示のターゲットが帯電することなどによって異常放電が発生し易い状態になると、異常放電には未だ移行しない微小放電が発生し、この微小放電で電流が増加しようとすると、電流安定化用インダクタンス素子３１が存在するために電流の増加は真空負荷５０の電圧を短時間で降下させる。このように微小放電によって真空負荷５０の電圧降下が生じる状態は、真空負荷５０がプラズマ状態から異常放電状態に移行し易い不安定な状態であり、異常放電に移行する可能性がある。したがって、この異常放電状態に移行し易い不安定な状態を、異常放電発生の前兆現象として捉え、この前兆現象として真空負荷５０の電圧の降下率を検出し、その電圧降下率を示す検出電圧が基準値、つまり設定値よりも高くなれば、異常放電に移行する危険性が高いものとして異常放電予知信号を発生する。

異常放電検知方法の第３の例として、短い一定時間ごとに小さい時間幅で負荷電圧５０の電圧をサンプリングし、そのサンプリングした電圧を一旦記憶し、その記憶したサンプリング電圧値を次にサンプリングした電圧値から差し引いて差電圧を求め、その差電圧が設定値よりも大きければ異常放電に移行する危険性が高いものとして異常放電予知信号を発生するものである。この方法の場合には、出力電流の差を用いて同様に行ってもよく、更に電圧差と電流差とを組み合わせればより確実な異常放電発生の予知を検知できる。また、異常放電検知方法の第４の例として、前記第３の例で求めた電圧差を次の電圧差から差し引く、つまり今求めた電圧差から直ぐ前の電圧差を差し引くことによって２次微分信号が得られ、その２次微分信号が設定値よりも大きなときには異常放電予知信号を発生する方法であってもよい。この場合には、第３の例に比べてより迅速に異常放電発生の予知を検知することが可能である。上記に、異常放電検知回路３５の代表的な検知方法を説明したが、その他の検知方法を行うものであっても勿論よい。

次に、真空装置１００の動作説明を行う。直流電源装置１が定格の直流出力電力をその直流出力端子１８、１９間に出力している状態では、電流は直流出力端子１８から真空負荷５０、負荷電流検出器２０及び電流安定化用インダクタンス素子３１を通して直流出力端子１９に流れ、真空負荷５０の電圧は高い状態にある。この状態では、異常放電検知回路３５は異常放電検出信号及び異常放電予知信号を発生しておらず、したがって、パルス発生回路３６が発生する信号Ｓ１はＬレベルであり、信号Ｓ２はＨレベルである。絶縁伝達回路３４はＬレベルの信号Ｓ１を絶縁しながら半導体スイッチ３２のゲートに伝達し、半導体スイッチ３２はオフ状態である。他方、パルス発生回路３６からのＨレベルの信号Ｓ２はゲート回路１７における各ＡＮＤゲート１７Ａ〜１７Ｄの一方の入力端子に入力される。各ＡＮＤゲート１７Ａ〜１７Ｄの他方の入力端子には制御回路１６からのＨレベルのパルス幅制御信号が入力される。したがって、各ＡＮＤゲート１７Ａ〜１７ＤはＨレベルの信号Ｓ２を受けているときには、そのまま制御回路１６からのＨレベルのパルス幅制御信号をそれぞれのスイッチング半導体素子１２Ａ〜１２Ｄのゲートに通過させ、インバータ１２はパルス幅制御される。なお、制御回路１６はよく知られているように、乗算回路２２から出力される負荷電力検出信号と電力基準源２３の基準電力値との差に等しい誤差増幅信号を誤差増幅器２４から受けて、前記負荷電力検出信号と基準電力値とが等しくなるようにインバータ１２を制御するパルス幅制御信号を出力する。

次に、異常放電検知回路３５が前述したような異常放電検出信号又は異常放電予知信号をパルス発生回路３６に出力した場合について説明する。パルス発生回路３６は、前記信号を受けて、Ｈレベルの信号Ｓ１を出力すると共に、今までＨレベルであった信号Ｓ２をＬレベルの信号レベルに切り替えてゲート回路１７に出力する。このとき、制御回路１６は誤差増幅器２４からの誤差増幅信号を受けて、乗算回路２２から出力される負荷電力検出信号が電力基準源２３の基準電力値に等しくなるように、パルス幅制御信号をゲート回路１７に出力している。しかし、ゲート回路１７における各ＡＮＤゲート１７Ａ〜１７Ｄの一方の入力端子にはＬレベルの信号レベルとなっているので、各ＡＮＤゲート１７Ａ〜１７Ｄは制御回路１６からのＨレベルのパルス幅制御信号を通過させない。つまり、異常放電検知回路３５が異常放電検出信号及び異常放電予知信号を発生すると、制御回路１６が正常に動作してパルス幅制御信号を送出していても、パルス幅制御信号はインバータ２に与えられないので、すべてのスイッチング半導体素子１２Ａ〜１２Ｄはオフとなり、直流電源装置１は出力停止となる。

他方、パルス発生回路３６からのＨレベルの信号Ｓ１は、例えば２０μｓ程度のパルス幅のパルス信号であり、絶縁伝達回路３４を通して半導体スイッチ３２のゲートに印加され、半導体スイッチ３２をオンにする。半導体スイッチ３２のオンに伴って、逆極性電源３３の逆極性電圧が真空負荷５０に印加されるので、異常放電は消滅する。このとき、今まで直流電源装置１の一方の直流出力端子１８から真空負荷５０、電流安定化用インダクタンス素子３１を通して他方の直流出力端子１９に流れていた電流は、半導体スイッチ３２のオンに伴って、半導体スイッチ３２を通して流れるようになる。本発明では、前述したように、異常放電検知回路３５が異常放電検出信号又は異常放電予知信号を出力すると、直流電源装置１は出力の供給を停止するので、半導体スイッチ３２が閉じたときに直流電源装置１から供給される電流は十分に小さい。特に、この真空装置１００では直流電源装置１の出力に平滑用インダクタを備えていない、いわゆるコンデンサインプット形の整流回路を用いているので、平滑用インダクタに蓄えられたエネルギーが供給されることがなく、かつトランス１３の漏れインダクタンスに蓄えられたエネルギーはインバータ１２におけるスイッチング半導体素子１２Ａ〜１２Ｄのボディダイオード（寄生ダイオード）１２ａ〜１２ｄを通して電源側に帰還されるので、半導体スイッチ３２を流れる電流のピーク値を従来に比べて十分に低減することができる。なお、この実施形態では、コンデンサインプット形の整流回路を負荷とするインバータの電流制限要素として、トランス１３の漏れインダクタンス（図示しない）を利用しており、この漏れインダクタンスによって平滑用コンデンサ１５の充電電流を制限できる。

この点について図２を用いて更に詳しく説明をする。図２（Ａ）は異常放電検知回路３５が異常放電検出信号又は異常放電予知信号を発生するときに、パルス発生回路３６が半導体スイッチ３２に出力する信号Ｓ１を示し、図２（Ｂ）はそのときにパルス発生回路３６がゲート回路１７に出力する信号Ｓ２を示す。図２（Ｃ）は半導体スイッチ３２がオンしたときの真空負荷５０の電圧波形Ｖｏを示す、図２（Ｄ）は電流安定化用インダクタンス素子３１の電流波形Ｉ_Ｌを示す。図２（Ｅ）は真空負荷５０を流れる負荷電流の波形を示し、図２（Ｆ）は半導体スイッチ３２を流れる電流波形Ｉ_Ｓを示す。実線は本発明の場合を示し、破線は従来の場合を示す。

アーク放電のような異常放電が発生する時刻ｔ１以前の定常運転状態では、直流電源装置１から真空負荷５０、電流安定化インダクタンス素子３１へと、図２（Ｄ）に示す安定なプラズマ電流Ｉｏが継続して流れている。時刻ｔ１で、異常放電検知回路３５が異常放電検出信号又は異常放電予知信号を出力すると、パルス発生回路３６は図２（Ａ）のようなＨレベルの信号Ｓ１を発生すると共に、図２（Ｂ）のようにＨレベルからＬレベルに変化する信号Ｓ２を発生する。信号Ｓ１のパルス幅が、例えば異常放電を消滅させるのに必要な時間である２０μｓであるとすると、信号Ｓ１は時刻ｔ１から２０μｓ後の時刻ｔ２まで所定のＨレベルの電圧であり、時刻ｔ２の経過後にＬレベルになる。また、信号Ｓ２は時刻ｔ１から時刻ｔ２までの２０μｓの期間だけＬレベルになり、時刻ｔ２の経過後に元のＨレベルに戻る。そして、そのＨレベルの信号Ｓ１を受けて半導体スイッチ３２がオンすることにより、真空負荷５０に逆極性電源３３から逆極性の電圧が印加され、真空負荷５０の電圧は図２（Ｃ）に示すように正の電圧Ｅとなる。したがって、真空負荷５０に発生している異常放電、あるいは異常放電の発生に至る可能性の大きな放電状態が２０μｓの期間に消滅するのが理解される。

時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間における電流安定化インダクタンス素子３１を流れる電流は、本発明では図２（Ｄ）の実線で示すほぼ一定に近い波形になり、従来の場合には破線で示すように増大する波形となる。本発明では、前述したように、ゲート回路１７がパルス発生回路３６からの図２（Ｂ）のような信号Ｓ２を受けることによって、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間Ｔ、つまり通過禁止期間Ｔだけ、制御回路１６からのパル幅制御信号をインバータ１２に通過させないので、この通過禁止期間Ｔだけインバータ１２はオフであり、直流電源装置１は出力しない。直流電源装置１はコンデンサインプット形であり、直流電源装置１内に含まれるインダクタンスによる影響が実質的に無く、この通過禁止期間中は、平滑用コンデンサ１５の充電電荷が急速に放電されるだけなので、図２（Ｄ）の実線で示すように時刻ｔ１直後に僅か増えるだけで元に戻る。この点、インバータ１２がオフしない従来装置では、時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間Ｔも直流電源装置１は出力電力を供給するので、図２（Ｄ）の破線で示すように電流安定化用インダクタンス素子３１の電流はそれまで流れていた電流Ｉ_Ｌを初期電流として、ΔＩ_Ｌ＝ＥＴ／Ｌだけ増大し、（Ｉ_Ｌ＋ΔＩ_Ｌ）の電流となる。ここで、Ｅは直流電源装置１の出力電圧と逆極性電源３３の電圧との和に等しい電圧であり、Ｌは電流安定化用インダクタンス素子３１のインダクタンスである。したがって、通過禁止期間Ｔ（ｔ１〜ｔ２）では、電流安定化用インダクタンス素子３１を流れる電流は半導体スイッチ３２に移行して流れるので、図２（Ｅ）に実線で示すように真空負荷５０に流れる負荷電流Ｉｏは時刻ｔ１後にほぼゼロになり、図２（Ｆ）に破線で示すように半導体スイッチ３２に流れる電流Ｉ_Ｓのピーク値は（Ｉ_Ｌ＋ΔＩ_Ｌ）まで増大するが、本発明の場合には実線で示すように実質的に増大しない。

また、従来の電源装置の場合には、直流出力端子１８、１９の出力側整流回路１４と平滑用コンデンサ１５との間に不図示の平滑用インダクタを備えており、その平滑用インダクタに蓄えられているエネルギーはインバータ１２がオフしても平滑用コンデンサ１５に放出され続けるので、平滑用コンデンサ１５の電圧は低下せず、電流Ｉ_Ｌの増加分ΔＩ_Ｌをより大きくするという欠点を有している。図２（Ｅ）の破線からも分かるように、半導体スイッチ３２のオフ直後に真空負荷５０に流れる電流はオーバーシュートするので、真空負荷５０にプラズマがあるレベルで残存する状態では、再度、異常放電が発生する可能性がある。

実施形態１の真空装置１００では、半導体スイッチ３２がオンするときには、直流電源装置１からほとんど電力を供給しないので、半導体スイッチ３２を流れる電流は今まで電流安定化用インダクタンス素子３１を流れていた電流とほぼ同程度であるので、従来に比べて電流容量の小さな半導体スイッチ３２を用いることができ、異常放電防止装置３０の低コスト化を図れると同時に小型軽量化も実現できる。また、従来装置と同程度の電流容量の半導体スイッチを用いる場合には、逆極性電源３３の逆極性電圧を更に高くすることができるので、より高速かつ確実に異常放電を消滅させることができる。また、ここで大切なことは、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間Ｔ、つまり通過禁止期間Ｔでも制御回路１６は誤差増幅器２４からの帰還信号を受けて正常に動作していることであり、図２（Ｂ）に示すようにパルス発生回路３６からの信号Ｓ２が時刻ｔ２でＬレベルからＨレベルに戻ると、ゲート回路１７が制御回路１６からのパルス幅制御信号をそのまま通過させ、直ぐにインバータ１２がパルス幅制御で動作を開始し、定電力制御することである。したがって、直流電源装置１の起動時に大きな突入電流が流れるのを防ぐためにソフトスタート制御機能を備えていたとしても、直流電源装置１は通過禁止期間Ｔの経過後に直ぐに正常な動作を行い、定電力を出力することができる。

また、実施形態１では制御回路１６が前記通過禁止期間Ｔよりも大きな応答時間を有する、つまり応答速度が遅いということも大切なファクタである。上記では、通過禁止期間Ｔを例えば２０μｓとして説明したが、通過禁止期間Ｔは高々（長くても）１０〜１００μｓの範囲であり、制御回路１６の周波数応答を通過禁止期間Ｔよりも長い時間、好ましくは１ｍｓ以上に設定しておけば、制御回路１６は１０〜１００μｓの範囲の通過禁止期間Ｔにおける制御信号の遮断に関してはほとんど応答することがなく、制御回路１６は通過禁止期間Ｔの経過直後にほぼ正常に動作を行う。ここで、制御回路１６の応答時間とは、一般に制御回路１６は図示しない種々の演算回路やキャパシタなどで構成されており、これらの要素によって決まる制御回路１６の入力信号に対する出力信号、ここではパルス幅制御信号の遅れ時間、つまり応答時間である。また、制御回路１６に入力される誤差増幅器２４及びそれに結合される積分要素などによっても、応答時間が決まる。その応答時間が通過禁止期間Ｔよりも長い時間、好ましくは１ｍｓ以上であれば、通過禁止期間Ｔの経過直後に制御回路１６から出力されるパルス幅制御信号には実質的な悪影響が生じない。

他方、制御回路１６の応答速度が高速、例えば応答時間が通過禁止期間Ｔの数倍以下程度の短い時間である場合には、直流電源装置１の出力が強制的にオフされるのに反応して、通過禁止期間Ｔの経過直後における直流電源装置１の出力がオーバーシュートするなどの問題が発生することがある。このオーバーシュートの発生を回避するためには、通過禁止期間Ｔ中は電力基準源２３の定常の基準電力値を低下させることによって、オーバーシュートを最小限にできる。この場合には、パルス発生回路３６が通過禁止期間Ｔと同じパルス幅をもつ第３の信号を信号Ｓ１に同期させて電力基準源２３に与え、電力基準源２３はその第３の信号が入力されている通過禁止期間Ｔだけ定常の基準電力値を所定の値まで低下させればよい。

真空装置１００の変形例については、図示しないが、例えば電流安定化用インダクタンス素子３１の両端に真空装置１００の異常放電検知回路３５とほぼ同一の回路構成を有し、かつ同一の働きを行う不図示の異常放電検知回路を備えている構成でもよい。他は真空装置１００の構成とほぼ同じであり、動作も同様であるので、図１を利用して主として真空装置１００と異なる点について述べる。真空負荷５０に異常放電の発生、又は異常放電の発生に至る可能性が大きい状態では、電流安定化用インダクタンス素子３１を流れる電流は増大する。これに伴い、電流安定化用インダクタンス素子３１の電圧も増大する。その増大が急激であると、異常放電が発生しやすい。したがって、電流安定化用インダクタンス素子３１の両端に接続された不図示の異常放電検知回路は電流の増加率に相当する増加率で上昇する電圧が基準電圧以上になるとき、前述と同様に異常放電検出信号又は異常放電予知信号を出力する。他は真空装置１００と同様であるので説明を省略する。

また他の変形例として、図１におけるパルス発生回路３６が予め決められた周期で半導体スイッチ３２を駆動し、異常放電の発生と無関係に半導体スイッチ３２をオンさせて周期的に真空負荷５０に逆極性電圧を印加するだけの場合、及びこのように周期的に逆極性電圧を真空負荷５０に印加しても、異常放電が発生するケースも考えられるので、周期的に逆極性電圧を真空負荷５０に印加すると共に、真空装置１００のように異常放電を検知して前記対応を行う場合もある。このような場合にも、半導体スイッチ３２がオンする期間は通過禁止期間として、制御回路１６が動作して制御信号を発生しているにもかかわらず、ゲート回路１７は制御信号を通過させずにインバータ１２をオフにする。

更にまた、実施形態１及び変形例では逆極性電源３３を用いたが、比較的負荷インピーダンスの大きなものの場合などでは逆極性電源３３を用いることなく逆極性電圧を印加せずに、半導体スイッチ３２をオンさせて真空負荷５０を短絡し、異常放電の発生に至るのを防止する方法、あるいは異常放電を消滅させる方法などもある。本発明はこのような方法の場合にも同様に適用でき、半導体スイッチ３２がオンする期間を通過禁止期間として、その通過禁止期間だけ制御回路１６からの制御信号をゲート回路１７が通過させないようにすれば、実施形態１と同様な効果を得ることができる。

つまり、本発明は、異常放電発生の検出方法、あるいは異常放電発生の予知方法などの種類にかかわらず、異常放電防止装置３０における半導体スイッチ３２をオンさせるときには、通常の動作を行っている制御回路から発生される制御信号の通過を遮断することが重要であり、好ましくは出力側に平滑用インダクタを備えないコンデンサインプットタイプの直流電源装置であることが望ましい。また、パルス幅制御信号などの制御信号を発生する制御回路は、異常放電防止装置の半導体スイッチがオンする前記通過禁止期間よりも動作応答時間が長いことが好ましい。更にまた、制御回路が高速応答つまり動作応答時間が短い場合には、前記通過禁止期間だけ負荷電力検出信号と比較される基準電力値を低下させるのが好ましい。なお実施形態１ではゲート回路１７を４個のＡＮＤゲート１７Ａ〜１７Ｄで構成したが、これに限られることは無く、パルス発生回路から信号によって制御回路からの制御信号を遮断、又は吸収してほぼゼロのレベルにする回路構成であっても勿論よい。

本発明の実施形態１に係る真空装置１００を示す図である。 本発明の真空回路１００における各部及び従来装置の電圧波形又は電流波形を示す図である。

符号の説明

１０・・・交流入力電源
１２・・・インバータ
１２Ａ〜１２Ｄ・・・スイッチング半導体素子
１３・・・トランス
１４・・・出力側整流回路
１５・・・平滑用コンデンサ
１６・・・制御回路
１７・・・ゲート回路
１７Ａ〜１７Ｄ・・・ＡＮＤ回路
１８、１９・・・直流出力端子
２０・・・負荷電流検出器
２１・・・負荷電圧検出回路
２２・・・乗算回路
２３・・・電力基準源
２４・・・誤差増幅器
３０・・・異常放電防止装置
３１・・・電流安定化用インダクタンス素子
３２・・・半導体スイッチ
３３・・・逆極性電源
３４・・・絶縁伝達回路
３５・・・異常放電検知回路
３６・・・パルス発生回路
５０・・・真空負荷
１００・・・実施形態１の真空装置

Claims (9)

1. 真空負荷と、該真空負荷に給電する直流電源装置と、該直流電源装置と前記真空負荷との間に備えられて異常放電の発生を防止する異常放電防止装置とを備える真空装置において、
   前記直流電源装置は、トランスと、該トランスの１次巻線に接続されていて、前記真空負荷に給電される電力を制御するスイッチング半導体素子を備えるインバータと、前記トランスの２次巻線に接続されている整流回路と、前記スイッチング半導体素子を制御する制御回路と、該制御回路と前記スイッチング半導体素子の制御端子との間に備えられているゲート回路とを備え、
   前記異常放電防止装置は、前記真空負荷における異常放電の発生を検出したときに異常放電検出信号を出力、又は異常放電発生の予兆を検出したときに異常放電予知信号を出力、あるいは前記真空負荷における異常放電の発生を予防するために周期的に発生される異常放電予防信号を出力し、
   前記ゲート回路は、前記異常放電防止装置が前記異常放電検出信号又は前記異常放電予知信号、あるいは前記異常放電予防信号を出力するときに、前記制御回路と前記スイッチング半導体素子の制御端子との間を予め設定された通過禁止期間だけ遮断して、該通過禁止期間中は前記制御信号を前記スイッチング半導体素子の制御端子に通過させず、前記通過禁止期間が経過したときに前記制御信号を前記スイッチング半導体素子の制御端子に通過させることを特徴とする真空装置。
2. 請求項１において、
   前記制御回路の前記動作応答時間は１００μｓよりも長く、前記通過禁止期間は１０μｓから１００μｓ以下であることを特徴とする真空装置。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記通過禁止期間は、前記異常放電検出信号又は前記異常放電予知信号、あるいは前記異常放電予防信号が発生するときに形成される信号のパルス幅と実質的に等しい期間であることを特徴とする真空装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
   前記真空負荷の負荷電力に比例する負荷電力検出信号と比較される基準電力値を有する電力基準源と、前記負荷電力検出信号と前記基準電力値との差に等しい誤差増幅信号を前記制御回路に出力する誤差増幅器とを備え、
   前記電力基準源は、前記通過禁止期間中は、定常時の前記基準電力値よりも低い値の基準電力値を与えることを特徴とする真空装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、
   前記整流回路は出力端子間に平滑用コンデンサを備え、かつ実質的に平滑用インダクタを備えないコンデンサインプット型であることを特徴とする真空装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかにおいて、
   前記異常放電防止装置は、前記真空負荷における異常放電の発生を検出したとき、又は異常放電発生の予兆を検出したとき、あるいは前記真空負荷における異常放電の発生を予防するために周期的に発生される異常放電予防信号を出力するとき、前記真空負荷に逆極性の電圧を印加、又は前記真空負荷の両端を短絡する半導体スイッチを備えることを特徴とする真空装置。
7. 真空負荷と、前記真空負荷に給電される電力を制御するスイッチング半導体素子を備えるインバータと該インバータを制御する制御回路とを備える直流電源装置と、該直流電源装置と前記真空負荷との間に備えられている異常放電防止装置とからなる真空装置の電力供給方法において、
   前記異常放電防止装置が、異常放電の発生を示す異常放電検出信号、又は異常放電発生の予兆を示す異常放電予知信号を出力するとき、あるいは異常放電の発生を未然に防止するために周期的に異常放電防止信号を出力するときでも、前記制御回路の制御機能は停止することなく動作を継続して制御信号を発生し、
   前記異常放電検出信号又は前記異常放電予知信号、あるいは前記異常放電防止信号は、前記制御回路から出力された前記制御信号が予め設定された通過禁止期間だけ前記スイッチング半導体素子の制御端子に通過するのを遮断し、
   前記スイッチング半導体素子は、前記制御回路の前記制御信号とは無関係に、前記通過禁止期間だけオフし、
   前記通過禁止期間の経過に伴い、前記制御信号が前記スイッチング半導体素子の制御端子を通過することにより前記インバータが直ぐに定常の動作を行うことを特徴とする真空装置の電力供給方法。
8. 請求項７において、
   前記異常放電防止装置が動作して、前記真空負荷に逆電圧を印加している期間、又は前記真空負荷の両端を短絡している期間は前記直流電源装置が出力せず、前記通過禁止期間の経過に伴い、前記直流電源装置は直ぐに定常の直流出力電力を出力することを特徴とする真空装置の電力供給方法。
9. 請求項７又は請求項８において、
   前記制御機能の前記動作応答時間は１００μｓよりも長く、前記通過禁止期間は１０μｓから１００μｓ以下であることを特徴とする真空装置の電力供給方法。
   

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