JP3563723B2 - グロー放電負荷の試験負荷装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタリング装置などのグロー放電を利用した装置に用いられる直流電源の試験において、グロー放電開始までの高インピーダンス状態と正規グロー放電のインピーダンス状態と、さらにアーク放電発生時の低インピーダンス状態を模擬して、直流電源の各状態における特性を容易に試験できるようにした試験負荷装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の試験負荷装置を説明するに当たって、スパッタリング装置などのグロー放電を利用した装置に用いられる直流電源に求められる機能について説明する。
【０００３】
図１はグロー放電の電流−電圧特性を示したものである。グロー放電が始まるためには放電開始電圧以上の電圧を印加しなければならず、放電開始電圧以上の電圧を印加するとグロー放電が始まり、電流密度が上がるにつれて電圧が急速に低下する負性抵抗領域である前期グローと呼ばれる領域に入る。さらに電流密度が上がると、電圧があまり変化しない正規グローと呼ばれる領域に入る。そして、さらに電流密度が上がると電圧も上昇する異常グロー領域に入り、ついにはアーク放電領域に至る。
【０００４】
スパッタリング装置の場合では、放電開始電圧は１０００Ｖ〜１６００Ｖであり、正規グローの電圧は数百Ｖである。これに対して、アーク放電時は１００Ｖ以下の電圧となり、過大な電流が流れることになる。この過大な電流によって、スパッタリング装置のターゲット材などを損傷したり、さらにはスパッタリング装置で製造する製品にも影響を及ぼし、製品の品質の低下や歩留まりの低下を招くことになる。
【０００５】
そこで、このグロー放電を利用したスパッタリング装置などに用いられる直流電源の機能として、
（１）放電開始時は、放電開始電圧以上の電圧を出力でき、そのときの出力インピーダンスが大きいこと、
（２）グロー放電が開始して、定常運転に入ると、出力インピーダンスは極力小さく、かつ、グロー放電の開始後は速やかに電圧を低下させて、異常グロー領域に入らないようにすること、
（３）アーク放電が発生した場合には、アーク放電を速やかに検出し、出力電圧をゼロＶあるいは小さな逆電圧にしてアーク放電を消滅させ、一定時間後に再び出力して正常なグロー放電に戻すことが要求される。
【０００６】
図２は、このような機能を備えたスパッタリング装置用直流電源のアーク放電
発生時の出力電圧および出力電流の一例を示したものである。なお図２において、出力電圧はターゲット（陰極）への電位で示している。アーク放電が発生すると出力電圧がステップ状に立ち上がり、逆に出力電流が急増する。この時間は多くとも数十ｎｓである。その後、直流電源がアーク放電を検出し、出力電圧をゼロＶにすると出力電流はゼロまで減衰する。アーク放電検出から出力電流がゼロになるまでの時間は、直流電源によって異なるが、数μｓから数十μｓである。一定の時間後に直流電源が出力電圧を復帰させると、放電開始電圧に向かって立ち下がり、放電開始電圧を超えると電流が流れ始め、電圧も正規グローの電圧に戻っていく。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記直流電源において、これらの機能の確認試験をする場合は、従来、スパッタリング装置などのグロー放電を利用した装置そのものと組合わせなければならなかった。一方、これらの装置は高価であり、寸法も大きく、直流電源の製造者が必ずしも用意できるものではないので、直流電源の機能確認試験が困難であった。
【０００８】
そこで本発明の目的は、スパッタリング装置などのグロー放電を利用した装置と組合わせなくとも、直流電源単独で前記機能を確認できるような試験負荷装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の試験負荷装置は、グロー放電開始電圧に相当する電圧になったことを、分圧器とトリガダイオードで検出してパルス信号を作り、正規グローに相当するインピーダンスを持った模擬負荷に直列接続されたサイリスタスイッチにパルス信号を供給してサイリスタスイッチを点弧することによって、グロー放電までの高インピーダンス状態から正規グロー放電のインピーダンス状態への移行現象を模擬できる機能を備えている。
【００１０】
また、本発明の試験負荷装置は、アーク放電電圧に相当する電圧を模擬するコンデンサ負荷と、このコンデンサ負荷に直列接続されたサイリスタスイッチとを備え、コンデンサ負荷に予めアーク放電電圧に相当する電圧を充電した後、サイリスタスイッチを点弧することによって、アーク放電発生時の低電圧，低インピーダンス状態への移行現象を模擬できる機能を備えている。
【００１２】
さらにまた、本発明の試験負荷装置は、前期グロー放電までの高インピーダンス状態から正規グロー放電のインピーダンス状態への移行現象を模擬できる機能と、アーク放電発生時の低電圧，低インピーダンス状態への移行現象を模擬できる機能とを同時に備えて、さらに連続的に確認できる機能を備えている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明による試験負荷装置の回路例を示したものである。この試験負荷装置は、放電開始動作模擬回路２０と、アーク放電模擬回路３０とを備えている。
【００１４】
放電開始動作模擬回路２０は、サイリスタスイッチ１Ａと、そのゲートフィルタ２Ａと、パルストランス３Ａと、電流制限抵抗４と、設定電圧以上でオンするトリガダイオード５と、パルス電源用コンデンサ６と、分圧器７と、負荷抵抗８とから構成されている。負荷抵抗８は、正規グロー領域に相当するインピーダンスに設定され、模擬負荷を構成している。
【００１５】
一方、アーク放電模擬回路３０は、サイリスタスイッチ１Ｂと、そのゲートフィルタ２Ｂと、パルストランス３Ｂと、パルス変換回路９と、ゲートパルス供給用ＤＣ電源１０と、模擬アーク放電電圧充電用のコンデンサ１１と、電流制限抵抗１２と、ブロックダイオード１３，１４と、模擬アーク放電電圧充電用のＤＣ電源１５と、スイッチ１６，１７，１８と、スイッチ制御器１９とから構成されている。
【００１６】
以上のような構成の試験負荷装置は、前述した機能を有する直列電源４０に接続される。
【００１７】
次に、この試験負荷装置の動作を説明するが、まず、放電開始動作模擬回路２０による、グロー放電までの高インピーダンス状態から正規グロー放電のインピーダンス状態への移行現象の模擬動作について説明する。
【００１８】
直流電源４０からの出力電圧が試験負荷装置に供給されると、分圧器７によって分圧された電圧がトリガダイオード５の設定電圧以上に達した時点で、トリガダイオード５がオンして、パルス電源用コンデンサ６と電流制限抵抗４とで決まるパルス電流がパルストランス３Ａに流れる。このパルス電流はパルストランス３Ａの二次側に変換され、ゲートフィルタ２Ａでノイズが除去されて、サイリスタスイッチ１Ａのゲートに供給され、サイリスタスイッチ１Ａがオンする。サイリスタスイッチ１Ａがオンすると模擬負荷８に電流が流れ始めるが、模擬負荷８は正規グロー領域に相当するインピーダンスに設定してあるので、直流電源４０が、グロー放電領域に入ったことを検知して出力電圧を低下させれば、過電流にならずに定常運転状態に入ることができる。
【００１９】
次に、アーク放電模擬回路３０による、アーク放電発生時の低電圧、低インピーダンス状態への移行現象の模擬動作を、図４に示すスイッチ１６，１７，１８のオン，オフのタイミング図を参照して説明する。
【００２０】
スイッチ１６がオンすると、模擬アーク放電電圧充電用のコンデンサ１１が電流制限抵抗１２を介して放電される。次に、スイッチ１６がオフしてスイッチ１７がオンすると、予め模擬アーク放電電圧に設定されているＤＣ電源１５により模擬アーク放電電圧充電用のコンデンサ１１が電流制限抵抗１２を介して模擬アーク放電電圧に充電される。その後、スイッチ１７をオフしてスイッチ１８をオンすると、ゲートパルス供給用ＤＣ電源１０からパルス変換回路９を介してパルストランス３Ｂにパルス電流が流れる。このパルス電流はパルストランス３Ｂの二次側に変換され、ゲートフィルタ２Ｂによりノイズが除去されてサイリスタスイッチ１Ｂのゲートに供給され、サイリスタスイッチ１Ｂがオンする。サイリスタスイッチ１Ｂがオンすると、放電開始動作模擬回路２０の模擬負荷８に流れていた電流は、模擬アーク放電電圧充電用のコンデンサ１１の電圧が低いために、ブロックダイオード１３でブロックされて、サイリスタスイッチ１Ａがオフすると同時に、模擬アーク放電電圧充電用のコンデンサ１１に急速に電流が流れ込む。このとき、直流電源４０が急激な電圧の低下や過大な電流を検知してアーク放電として検出し、出力電圧をゼロＶにするか、または小さな逆電圧を発生すると、出力電流が急速に減少しサイリスタスイッチ１Ｂがオフする。
【００２１】
一定の時間後に、直流電源４０が出力電圧を復帰させると放電開始電圧に向かって立ち上がり、再び放電開始動作模擬回路２０が動作する。
【００２２】
ここでスイッチ１６，１７，１８の動作を停止しなければ、アーク放電模擬回路３０の動作が繰り返される。したがって、直流電源の放電開始時の動作とアーク放電発生時の動作が連続的に模擬でき、機能確認ができる。
【００２３】
図５は、本発明による試験負荷装置の他の回路例を示したものである。この試験負荷装置は、放電開始動作模擬回路２０と、アーク放電模擬回路３２とを備えている。図３の試験負荷装置と比べて、アーク放電模擬回路の構成が異なる。すなわち、アーク放電模擬回路３２は、模擬アーク電圧充電用のコンデンサ１１への予備充電回路（ブロックダイオード１４、ＤＣ電源１５、スイッチ１６，１７）は無く、言い換えればアーク電圧が０Ｖの場合に相当する。この場合、電流制限抵抗１２は放電時定数がスイッチ１８のオン・オフ周期に比べて充分小さな値に設定される。また、スイッチ制御器１９は、図３の場合と異なり、一定周波数の単発パルス発生器で充分である。
【００２４】
図６は、本発明による試験負荷装置のさらに他の回路例を示したものである。この試験負荷装置は、放電開始動作模擬回路２０と、アーク放電模擬回路３２とを備えている。図５の試験負荷装置と比べて、放電開始動作模擬回路の構成が異なる。すなわち、補助サイリスタ１Ｃが付加されている。
【００２５】
この放電開始模擬回路２２では、トリガダイオード５がオンしてもサイリスタスイッチ１Ａをオンさせるに十分な電流が供給できない場合（例えば、サイリスタスイッチ１Ａが２個以上のサイリスタ素子を直列接続したもので構成される場合）に、トリガダイオード５がオンすると補助サイリスタ１Ｃがオンして、補助サイリスタ１Ｃに流れる電流でパルストランス３Ａを駆動してサイリスタスイッチ１Ａのゲート電流を供給するようにしたものである。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のグロー放電負荷の模擬試験装置を用いることにより、スパッタリング装置などのグロー放電を利用した装置に用いられる直流電源の放電開始時の動作特性とアーク放電発生時の動作特性を、実際の負荷装置と組合わせることなく容易に確認することができ、直流電源の単独の試験が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】グロー放電の電力−電圧特性を示す図である。
【図２】スパッタリング装置用直流電源のアーク放電発生時の出力電圧および出力電流の一例を示す図である。
【図３】本発明の試験負荷装置の回路例を示す図である。
【図４】スイッチのオン，オフのタイミング図である。
【図５】本発明の試験負荷装置の他の回路例を示す図である。
【図６】本発明の試験負荷装置のさらに他の回路例を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ サイリスタスイッチ
１Ｃ 補助サイリスタ
２Ａ，２Ｂ ゲートフィルタ
３Ａ，３Ｂ パルストランス
４Ａ，１２ 電流制限抵抗
５ トリガダイオード
６ パルス電源用コンデンサ
７ 分圧器
８ 負荷抵抗
９ パルス変換回路
１０ ゲートパルス供給用ＤＣ電源
１１ 模擬アーク放電電圧充電用のコンデンサ
１３，１４ ブロックダイオード
１５ 模擬アーク放電電圧充電用のＤＣ電源
１６，１７，１８ スイッチ
１９ スイッチ制御器
２０，２２ 放電開始動作模擬回路
３０，３２ アーク放電模擬回路
４０ 直列電源

Claims (7)

1. グロー放電を利用した装置に用いられる直流電源の試験負荷装置において、
   正規グローに相当するインピーダンスを持った模擬負荷と、
   前記模擬回路に直列接続されたスイッチと、
   グロー放電開始電圧に相当する電圧になったことを検出して、前記スイッチをオンするパルス信号を作成する回路とを備え、
   前記パルス信号を供給して前記スイッチをオンすることによって、グロー放電までの高インピーダンス状態から正規グロー放電のインピーダンス状態への移行現象を模擬することを特徴とする試験負荷装置。
2. 前記模擬負荷は、抵抗であり、前記スイッチは、サイリスタであることを特徴とする請求項１に記載の試験負荷装置。
3. グロー放電を利用した装置に用いられる直流電源の試験負荷装置において、
   アーク放電電圧に相当する電圧を模擬するコンデンサ負荷と、
   前記コンデンサに直列接続されたスイッチとを備え、
   前記コンデンサに予めアーク放電電圧に相当する電圧を充電した後、前記スイッチをオンすることによって、アーク放電発生時の低電圧，低インピーダンス状態への移行現象を模擬することを特徴とする試験負荷装置。
4. 前記スイッチは、サイリスタであることを特徴とする請求項３に記載の試験負荷装置。
5. グロー放電を利用した装置に用いられる直流電源の試験負荷装置において、
   正規グローに相当するインピーダンスを持った模擬負荷と、前記模擬回路に直列接続された第１のスイッチと、グロー放電開始電圧に相当する電圧になったことを検出して、前記第１のスイッチをオンするパルス信号を作成する回路とを備え、前記パルス信号を供給して前記第１のスイッチをオンすることによって、グロー放電までの高インピーダンス状態から正規グロー放電のインピーダンス状態への移行現象を模擬する放電開始動作模擬回路と、
   アーク放電電圧に相当する電圧を模擬するコンデンサ負荷と、前記コンデンサに直列接続された第２のスイッチとを備え、前記コンデンサに予めアーク放電電圧に相当する電圧を充電した後、前記第２のスイッチをオンすることによって、
   アーク放電発生時の低電圧、低インピーダンス状態への移行現象を模擬するアーク放電模擬回路とを有し、
   グロー放電までの高インピーダンス状態から正規グロー放電のインピーダンス状態への移行現象と、アーク放電発生時の低電圧，低インピーダンス状態への移行現象とを連続的に模擬することを特徴とする試験負荷装置。
6. 前記模擬負荷は、抵抗であり、前記第１および第２のスイッチは、サイリスタ
   であることを特徴とする請求項５に記載の試験負荷装置。
7. 前記グロー放電を利用した装置は、スパッタリング装置であることを特徴とす
   る請求項１〜６のいずれかに記載の試験負荷装置。

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