JP2021013265A - プラズマ加工装置用直流パルス電源装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図14は、プラズマエッチング装置を駆動する従来の電源装置の一例の概略構成を示す図である。このプラズマエッチング装置は、高周波プラズマにパルス状の直流電力を加えることで処理対象物を加工するものである。
a)前記容量性負荷回路を含む複数の容量性素子と複数のインダクタンス素子とがラダー状に接続されて成るパルス整形部と、
b)直流パルス電圧の最も高い電圧レベルに対応する第1直流電圧を生成する直流電圧源を含み、前記パルス整形部を通して前記容量性負荷回路に電力を供給するための電力供給部と、該電力供給部による出力電圧及び/又は接地電位を切り替える複数のスイッチング部と、前記パルス整形部の入力端と接地端との間に接続される出力コンデンサと、該複数のスイッチング部の少なくとも一つが導通されて前記電力供給部から前記容量性負荷回路に電力が供給されるときの電流の経路及び該複数のスイッチング部の少なくとも他の一つが導通されて前記出力コンデンサの蓄積エネルギによる電流が流れる経路に設けられた限流抵抗と、を含み、前記複数のスイッチング部により切り替えられた電圧を前記パルス整形部の入力端に入力する基本電圧生成部と、
c)前記パルス整形部の入力端に一端が接続された共振用インダクタンス素子と、第1スイッチング部及び第2スイッチング部が直列に接続され、該第1スイッチング部と該第2スイッチング部との間に前記共振用インダクタンス素子の他端が接続されている直列回路部と、該直列回路部の高電圧側端部に前記第1直流電圧よりも低い第2直流電圧を印加する共振用第1直流電圧源と、前記直列回路部の低電圧側端部に前記第2直流電圧よりも低い所定の第3直流電圧を印加する共振用第2直流電圧源と、を含む共振駆動部と、
d)前記基本電圧生成部の複数のスイッチング部、並びに、前記共振駆動部の第1及び第2スイッチング部のオン・オフ動作を制御するものであって、直流パルス電圧の立ち上げ時には、前記共振駆動部の第1スイッチング部をオンさせて前記共振用インダクタンス素子と前記出力コンデンサ及び/又は前記パルス整形部の容量とのLC共振により前記パルス整形部の入力端の電圧を増加させたあと、前記基本電圧生成部の所定のスイッチング部をオンして前記電力供給部からの第1直流電圧を前記パルス整形部の入力端に印加し、直流パルス電圧の立ち下げ時には、前記基本電圧生成部からの電圧の印加を停止し前記共振駆動部の第2スイッチング部をオンさせて前記共振用インダクタンス素子と前記出力コンデンサ及び/又は前記パルス整形部の容量とのLC共振により前記パルス整形部の入力端の電圧を減少させたあと、前記基本電圧生成部の所定のスイッチング部をオンして立ち下げ後の電位を前記パルス整形部の入力端に与えるように、前記各スイッチング部の動作をそれぞれ制御する制御部と、
を備えることを特徴としている。
本発明の第1の実施形態であるプラズマ加工装置用直流パルス電源装置について、添付図面を参照して説明する。
図1は第1の実施形態である直流パルス電源装置の基本的な回路構成図、図2は第1の実施形態である直流パルス電源装置のより詳細な構成図である。図3は、第1の実施形態である直流パルス電源装置の要部の動作波形図である。
この直流パルス電源装置は、基本電圧生成部1と、共振駆動部2と、パルス整形部3と、制御部5と、を含む。
図1における第1直流電圧源10は図2では出力電圧が共に(1/2)V1=V4である二つの直流電圧源10A、10Bが直列に接続された構成であり、第1スイッチング部13には二つの直流電圧源10A、10Bの出力電圧が加算された電圧値がV1である直流電圧が印加される。一方、直流電圧源10Bの出力電圧(電圧値:V4)は、インダクタンス素子212、ダイオード204、205、スイッチング部203、及びコンデンサ202を含む昇圧コンバータと、直列接続された二つのスイッチング部207、209、ダイオード208、210、インダクタンス素子211、及びコンデンサ206を含む双方向昇降圧コンバータとに入力される。
t0時刻以前には、制御信号G2のみがHレベルで第2スイッチング部15がオン状態、制御信号G1、G3、G4がLレベルで他のスイッチング部13、21、25はオフ状態である。このとき、ノードN1は限流抵抗17及びオン状態である第2スイッチング部15を介して接地されており、容量性負荷回路4に印加される電圧は0である。また、共振駆動部2のノードN2は第2直流電圧源29及び電圧源コンデンサ27によりほぼ電圧V3に固定されている。
・限流抵抗17の抵抗値:2Ω
・共振用インダクタンス素子200のインダクタンス:2uH
・出力コンデンサ18のキャパシタンス:1200pF
・パルス整形部3の各インダクタンス素子30、32、34のインダクタンス:0.9uH
・パルス整形部3のコンデンサ31のキャパシタンス:800pF(300pF+500pF)
・パルス整形部3のコンデンサ33のキャパシタンス:500pF
・容量性負荷回路4のキャパシタンス:350pF
・容量性負荷回路4の抵抗:500Ω
・直流パルス電圧の生成サイクル:400kHz
このように本実施形態の装置では、容量性負荷回路4に対して立ち上がり及び立ち下がりが急峻である直流パルス電圧を印加することができる。
上記第1の実施形態の装置において、共振駆動部2において共振用第1スイッチング部21、共振用第2スイッチング部25を含む直列回路の両端に電圧V2、V3を印加するための電源部の構成は様々に変形が可能である。
図9に示す例では、電圧値V1の電圧を生成する第1直流電圧源10の出力電圧を降圧コンバータにより降圧して電圧値V2(=(1/2)V1+Va)の電圧を生成するとともに、同じ出力電圧を双方向昇降圧コンバータにより降圧して電圧値V3(=(1/2)V1−Vb)の電圧を生成している。
また、図10に示す例では、直流電圧源29の電圧値がV4(=(1/2)V1)である出力電圧を昇圧コンバータにより昇圧して電圧値V2(=(1/2)V1+Va)の電圧を生成するとともに、同じ出力電圧を双方向昇降圧コンバータにより降圧して電圧値V3(=(1/2)V1−Vb)の電圧を生成している。
上記第1の実施形態の装置は、容量性負荷回路4に電圧レベルが0とV1(例えば1500V)の二つである直流パルス電圧を印加するものであるが、0Vを含まない二つの電圧レベルの直流パルス電圧を生成する構成に変更することが可能である。図5は、可変2電圧レベルの直流パルス電圧を生成する、第2の実施形態の直流パルス電源装置の概略構成図である。
上記第1、第2の実施形態の装置は、電圧レベルが二つである直流パルス電圧を生成するものであるが、さらに多段の、例えば三つの電圧レベルの直流パルス電圧を生成する構成に変更することも可能である。図7は、可変3電圧レベルの直流パルス電圧を生成する、第3の実施形態の直流パルス電源装置の概略構成図である。
V7=(1/2)(V1+V6)+Va
V8=V1−{(1/2)(V1−V5)+Vb}=(1/2)(V1+V5)−Vb
V9={(1/2)(V5+V6)}+Va
V10=V1−{(1/2)(V5−V6)+Vb}
であり、V7=950+Va、V8=1150−Vb、V9=600+Va、V10=1300−Vb、とすればよい。
10、10A、10B、100、101、103、20、29…直流電圧源
11、14、16、204、208、22、23、24、26、28、220、221…ダイオード
12、18、27、202、206、31、33…コンデンサ
13、15、21、25、203、207…スイッチング部
17…限流抵抗
19、200、211、212、30、32、34…インダクタンス素子
2…共振駆動部
3…パルス整形部
4…容量性負荷回路
40…キャパシタ
41…抵抗
5…制御部
51…電流検出部
Claims (8)
- プラズマ加工用のプラズマを形成する電極を含む容量性負荷回路に、2以上の電圧レベルに変化する直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)前記容量性負荷回路を含む複数の容量性素子と複数のインダクタンス素子とがラダー状に接続されて成るパルス整形部と、
b)直流パルス電圧の最も高い電圧レベルに対応する第1直流電圧を生成する直流電圧源を含み、前記パルス整形部を通して前記容量性負荷回路に電力を供給するための電力供給部と、該電力供給部による出力電圧及び/又は接地電位を切り替える複数のスイッチング部と、前記パルス整形部の入力端と接地端との間に接続される出力コンデンサと、該複数のスイッチング部の少なくとも一つが導通されて前記電力供給部から前記容量性負荷回路に電力が供給されるときの電流の経路及び該複数のスイッチング部の少なくとも他の一つが導通されて前記出力コンデンサの蓄積エネルギによる電流が流れる経路に設けられた限流抵抗と、を含み、前記複数のスイッチング部により切り替えられた電圧を前記パルス整形部の入力端に入力する基本電圧生成部と、
c)前記パルス整形部の入力端に一端が接続された共振用インダクタンス素子と、第1スイッチング部及び第2スイッチング部が直列に接続され、該第1スイッチング部と該第2スイッチング部との間に前記共振用インダクタンス素子の他端が接続されている直列回路部と、該直列回路部の高電圧側端部に前記第1直流電圧よりも低い第2直流電圧を印加する共振用第1直流電圧源と、前記直列回路部の低電圧側端部に前記第2直流電圧よりも低い所定の第3直流電圧を印加する共振用第2直流電圧源と、を含む共振駆動部と、
d)前記基本電圧生成部の複数のスイッチング部、並びに、前記共振駆動部の第1及び第2スイッチング部のオン・オフ動作を制御するものであって、直流パルス電圧の立ち上げ時には、前記共振駆動部の第1スイッチング部をオンさせて前記共振用インダクタンス素子と前記出力コンデンサ及び/又は前記パルス整形部の容量とのLC共振により前記パルス整形部の入力端の電圧を増加させたあと、前記基本電圧生成部の所定のスイッチング部をオンして前記電力供給部からの第1直流電圧を前記パルス整形部の入力端に印加し、直流パルス電圧の立ち下げ時には、前記基本電圧生成部からの電圧の印加を停止し前記共振駆動部の第2スイッチング部をオンさせて前記共振用インダクタンス素子と前記出力コンデンサ及び/又は前記パルス整形部の容量とのLC共振により前記パルス整形部の入力端の電圧を減少させたあと、前記基本電圧生成部の所定のスイッチング部をオンして立ち下げ後の電位を前記パルス整形部の入力端に与えるように、前記各スイッチング部の動作をそれぞれ制御する制御部と、
を備えることを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。 - 請求項1に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記限流抵抗は、前記複数のスイッチング部の切り替えによって電圧が出力される電圧出力端と前記パルス整形部の入力端との間に接続されてなることを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。 - 請求項1に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記限流抵抗は、直列に接続された前記複数のスイッチング部のうちの低電圧側のスイッチング部における低電圧側端部と接地部位との間に接続され、前記電力供給部は、該直列に接続された複数のスイッチング部の両端に電力を供給するものであることを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。 - 請求項3に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記直列回路部において、第1スイッチング部と第2スイッチング部との間に二つの順方向接続であるダイオードが直列に接続され、該二つのダイオードの間に前記共振用インダクタンス素子の他端が接続され、
前記限流抵抗のスイッチング部側の端部から、前記第1スイッチング部と前記ダイオードとの接続端への間に、順方向接続であるダイオードが設けられ、
前記第2スイッチング部と前記ダイオードとの接続端から、前記基本電圧生成部における直列に接続された複数のスイッチング部の高電圧側端部への間に、順方向接続であるダイオードが設けられてなることを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記制御部は、前記共振用インダクタンス素子に流れる電流値を検出する検出部を含み、該検出部による検出結果に基づいて、前記基本電圧生成部でスイッチング部を切り替えるタイミングを決めることを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記第2直流電圧は前記第1直流電圧の1/2よりも高く設定され、前記第3直流電圧は前記第1直流電圧の1/2よりも低く設定されることを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。 - 請求項6に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記共振用第1直流電圧源及び前記共振用第2直流電圧源はそれぞれ、前記容量性負荷回路中の負荷抵抗に流れる負荷電流に応じて、前記第1直流電圧の1/2と前記第2直流電圧との電圧差、及び前記第1直流電圧の1/2と前記第2直流電圧との電圧差、を決定することを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。 - 請求項7に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記共振用第1直流電圧源及び前記共振用第2直流電圧源はそれぞれ、出力電圧の調整が可能な昇圧コンバータ、降圧コンバータ、又は昇降圧コンバータを含むことを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
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