JP4212831B2 - 電源、スパッタ用電源及びスパッタ装置 - Google Patents

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、定電力を出力し、負荷インピーダンスの急激な上昇に対しても電源の破損などが生ずることなく、さらに、アーク放電などの突発的な短絡電流を遮断するために、順方向電流を停止するととも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は、定電力出力により負荷を駆動する場合が多いが、運転中に負荷インピーダンスが急激に上昇する場合がある。このような負荷インピーダンスの急上昇は、電源を構成する電気回路あるいは電気部品に対して大きなストレスを与える場合がある。
【０００３】
また、これとは別に、電源の運転中に負荷側で短絡的な突発電流が流れることがある。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、短絡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。
【０００４】
以下、これらの具体例として、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。
【０００５】
図５は、ＤＣ（direct current）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。
【０００６】
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、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。
【０００７】
しかし、このようなスパッタ動作中に、チャンバ１０１内での放電が停止する場合がある。例えば、ガス供給源１０７から供給されるガスとポンプ１０６による排気速度とのバランスが変動したような場合、放電条件が満たされなくなると放電が停止してプラズマが消失することがある。放電が停止すると、スパッタ電流が流れなくなり、負荷インピーダンスが急激に上昇する。従って、電源１１０は、このような負荷インピーダンスの急激な上昇に対して柔軟に対応できる構造を有する必要がある。
【０００８】
また一方、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、ターゲット１０４や基板１００に損傷が生ずる。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
図６は、本発明者が本発明に至る過程で試作したスパッタ用電源を表す模式図である。
【００１３】
この電源は、直流電源ＤＣとトランジスタＱ１〜４を共有した２つのインバータを有する。すなわち、直流電源ＤＣ、トランジスタＱ１〜４、トランスＴ１及び整流器ＤＢ１を有する第１のインバータＩＮＶ１と、直流電源ＤＣ、トランジスタＱ１〜４、トランスＴ２及び整流器ＤＢ２を有する第２のインバータＩＮＶ２と、を有する。
【００１４】
これらインバータの出力電流は、インダクタＬ１とＬ２とによりそれぞれ平滑化されてチャンバ１０１及びターゲット１０４に供給される。
【００１５】
そして、図示しないアーク検出回路により、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、スイッチング回路ＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２が閉じられ、インダクタＬ１、Ｌ２の電流の短絡回路を形成して、チャンバへの供給を停止する。同時に、トランスＴ３の出力を整流器ＤＢ３とコンデンサＣＢとで整流平滑した逆バイアス電圧をチャンバへ出力してアークを消去する。
【００１６】
一方、スパッタ中に、チャンバ内のプラズマが消失してスパッタ電流が流れなくなると、負荷インピーダンスが急激に上昇するため、インダクタＬ１、Ｌ２による逆起電圧が生じる。この過電圧からスイッチング回路ＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２を保護するために、スナバ（snubber）回路ＳＮＢとバリスタＺＲ１、ＺＲ２が設けられている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者の検討の結果、図６に表した電源は、以下の点でさらに改良の余地があることが判明した。
【００１８】
まず、スナバ回路ＳＮＢやバリスタＺＲ１、ＺＲ２の作用によって抑制された出力電圧が、スイッチング回路ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２の耐電圧の合計値より小さくても、２つのＩＧＢＴに対して均等に加わらず一方に集中すると、そのＩＧＢＴが過電圧で破損することがある。また、一方のＩＧＢＴが破損すると、残ったほうに全電圧が集中するので、最終的には全てのＩＧＢＴが破損してしまう。
【００１９】
また、バリスタＺＲ１、ＺＲ２は、その端子間に大きな静電容量を有し、スパッタ中は、スパッタ電圧が充電される。そして、スパッタ中にアーク放電が発生すると、チャンバ電圧（の絶対値）が急激に低下するため、これに対応してバリスタＺＲ１、ＺＲ２が放電する。この大きな放電電流が、アーク発生点に集中するために、アーク被害がさらに拡大する。
【００２０】
以上説明したように、複数のインバータ（スイッチング回路）出力を結合して出力電圧を得る電源の場合、負荷インピーダンスの急激な上昇に対して、内部の電気回路あるいは電気部品のさらなる保護が必要とされる。
【００２１】
同様の事情は、スパッタ用電源に限らず、マグネトロン電源などの各種の高圧電源について同様である。例えば、マイクロ波などの電磁波発生システムに用いられる高圧電源の場合も、マグネトロンに対して定電流を供給することにより高周波電力を発生させるが、各種の要因により発振条件などが変動すると、負荷インピーダンスが急激に上昇する場合がある。従って、このような状況においても、部品の破損などが生じない電源が必要とされている。また、マグネトロンの発振特性においても、負性抵抗的な特性が見られる場合があり、短絡的な電流の発生を遮断する回路も必要とされる。
【００２２】
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、負荷インピーダンスの急激な上昇に伴う過電圧などに対して回路部品が十分に保護され、しかも、アーク放電などの短絡的な電流を迅速且つ確実に遮断できる電源、スパッタ電源及びスパッタ装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の電源は、
複数のインバータ出力と、
前記複数のインバータ出力のそれぞれに設けられた整流手段と、
前記複数のインバータ出力のそれぞれに設けられたインダクタと、
前記複数のインバータ出力のそれぞれに設けられた第１のスイッチング回路と、
逆バイアス用電源と、
を備え、
前記複数のインバータ出力のそれぞれにおける前記第１のスイッチング回路を開状態とし、前記複数のインバータ出力に設けられた前記整流手段と前記インダクタとを直列に結合することにより前記複数のインバータ出力を直列に結合した順方向電力を出力し、
前記第１のスイッチング回路を閉状態として、前記複数のインバータ出力のそれぞれについて、前記インダクタと前記第１のスイッチング回路とによる閉回路を形成し、前記逆バイアス用電源から前記順方向電力とは逆極性の逆方向電圧を出力することを特徴とする。
【００２４】
上記構成によれば、複数のインバータ出力のそれぞれが過電圧に対して確実に保護され、負荷インピーダンスの急激な上昇に対しても柔軟に対処できる電源を提供できる。
【００２５】
ここで、前記複数のインバータ出力のそれぞれは、第２のスイッチング回路をさらに備え、前記第２のスイッチング回路を閉状態として前記順方向電力を出力し、前記第１のスイッチング回路が前記閉状態の時に、前記第２のスイッチング回路を開状態として、前記複数のインバータ出力のそれぞれを遮断するものとすれば、アーク放電などの発生の際にインバータ出力の順方向電力を確実に遮断できる。
【００２６】
また、前記インダクタと前記第１のスイッチング回路との直列接続回路の両端に並列に接続された第２の整流素子をさらに備え、前記第１のスイッチング回路が前記閉状態の時に、前記インダクタと前記第１のスイッチング回路と前記第２の整流素子とによる短絡回路が形成され、前記順方向電力の出力の際に前記インダクタを流れる電流が前記整流素子を順方向電流として流れて保存されるものとすることができる。
【００２７】
また、前記複数のインバータ出力のそれぞれは、直流電源と、前記直流電源からの直流出力をスイッチングするスイッチング手段と、前記スイッチング手段から分配された複数の１次側結線と、前記複数の１次側結線のそれぞれに対応して変圧器の２次側に設けられた複数の２次側結線と、を有する多段インバータにおける前記複数の２次側結線のそれぞれから得られるものとすれば、コンパクトに高電圧が得られる。
【００２８】
また、コンデンサと、前記コンデンサを放電する放電手段と、前記コンデンサに直列に接続され前記順方向電力の電流方向を順方向とする整流素子と、を有する回路が、前記第１のスイッチング回路のそれぞれ対して並列に接続されてなるものとすれば、第１のスイッチング回路を確実に保護することができる。
【００２９】
ここで、前記放電手段は、前記コンデンサに並列に接続された抵抗素子を含むものとすれば、抵抗を介して安定に放電させることができる。
【００３０】
また、前記コンデンサに並列に接続された電圧制限回路をさらに備えたものとすれば、過電圧の印加を確実に防ぐことができる。
【００３１】
ここで、前記電圧制限回路は、バリスタまたは定電圧ダイオードの少なくともいずれかを含むものとすれば、確実且つ容易に過電圧を抑止できる。
【００３２】
また、前記放電手段を流れる電流によって前記第１のスイッチング回路が駆動されるものとすれば、電圧源を省略でき、コンパクトな構成とすることができる。
【００３３】
また、前記放電手段を流れる電流によって前記第２のスイッチング回路が駆動されるものとすることができる
また、前記逆バイアス用電源から流れる電流によって少なくとも前記第２のスイッチング回路のいずれかが駆動されるものとしてもよい。
【００３４】
ここで、前記放電手段は、前記コンデンサに直列に接続された抵抗素子を含むものとすることができる。
【００３５】
また、前記第１及び第２のスイッチング回路のそれぞれは、トランジスタを有し、前記電流によって充電されたコンデンサを定電圧電源とした制御回路から供給される制御信号により前記トランジスタの動作が制御されるものとすることができる。
【００３６】
また、前記インダクタと、前記整流手段と、前記コンデンサと、前記整流素子と、は、前記第２のスイッチング回路を含まない閉回路を形成するものとすることができる。
【００３７】
一方、本発明のスパッタ用電源は、上記のいずれかの電源を備え、前記順方向電力をスパッタ用電力として出力することを特徴とする。
【００３８】
また、本発明のスパッタ装置は、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、上記のスパッタ用電源と、を備え、
前記スパッタ用電力を前記真空チャンバに供給することによりスパッタを実施し、真空チャンバ内において発生する前記アーク放電を前記逆方向電圧により遮断することを特徴とする。
【００３９】
【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。
【００４０】
（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、出力電流を平滑化するインダクタの逆起電圧に対して、インダクタ電流の迂回路を設けることにより、回路部品を保護した電源について説明する。
【００４１】
図１は、本実施形態の電源の要部を表す模式図である。
【００４２】
本実施形態の電源においては、インバータの整流出力毎にインダクタを設け、その出力にＩＧＢＴが接続されている。
【００４３】
すなわち、トランスＴ１のインバータ出力は、整流器ＤＢ１により整流され、その電流はインダクタＬ１により平滑化される。インダクタＬ１の出力は、第１のスイッチング回路ＩＧＢＴ１のソース端子を経由し、逆アーク防止ダイオードＤ０を経てチャンバへ出力される。また、整流器ＤＢ１の他方出力端子は、第１のスイッチング回路ＩＧＢＴ１のドレイン端子を経由して、次段のインダクタＬ２出力に接続されている。
【００４４】
同様に、トランスＴ２のインバータ出力は、整流器ＤＢ２によって整流され、その電流はインダクタＬ２により平滑化される。インダクタＬ２の出力は、第２のスイッチング回路ＩＧＢＴ２のソース端子と、前述した第１のスイッチング回路ＩＧＢＴ１のドレイン端子を経由し、前段の整流器ＤＢ１の出力と接続されている。
【００４５】
また、整流器ＤＢ２の他方出力端子は、逆バイアス用電源の整流器ＤＢ３と逆バイアス用のコンデンサＣＢの各負側端子を経由してチャンバへ出力される。また、逆バイアス用電源の整流器ＤＢ３の他方出力端子は、逆バイアス用のコンデンサＣＢの正側端子を経由して、第２のスイッチング回路ＩＧＢＴ２のドレイン端子に接続されている。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態においては、インバータの整流出力毎にインダクタ（Ｌ１、Ｌ２）を設け、それらの出力に、スイッチング回路（ＩＧＢＴ）がそれぞれ接続されている。
【００４７】
また、アーク放電などの短絡電流を遮断するための逆電圧源（Ｔ３、ＤＢ３）に隣接するインバータ（Ｔ２、ＤＢ２）には、インダクタ（Ｌ２）を介して、逆電圧コンデンサ（ＣＢ）とインダクタ（Ｌ２）との間にスイッチング回路（ＩＧＢＴ２）が接続されている。
【００４８】
第１のスイッチング回路ＩＧＢＴ１の閉動作により、インバータ（Ｔ１、ＤＢ１）出力とインダクタ（Ｌ１）とＩＧＢＴ１とによる閉回路が形成される。
【００４９】
また、第２のスイッチング回路ＩＧＢＴ２の閉動作により、インバータ（Ｔ２、ＤＢ２）出力とインダクタ（Ｌ２）と逆バイアス用コンデンサ（ＣＢ）とＩＧＢＴ２からなる閉回路が形成される。
【００５０】
そして、これら閉回路のそれぞれについて、コンデンサとダイオードと放電抵抗からなる過電圧防止用のスナバ回路が設けられている。
【００５１】
すなわち、コンデンサＣＳ１とダイオードＤＳ１と放電抵抗ＲＳ１とにより構成されたスナバ回路は、第１のスイッチング回路ＩＧＢＴ１のドレイン端子とソース端子との間に接続されている。また、バリスタＺＲ１は、コンデンサＣＳ１と並列に接続されている。
【００５２】
同様に、コンデンサＣＳ２とダイオードＤＳ２と放電抵抗ＲＳ２とにより構成されたスナバ回路は、第２のスイッチング回路ＩＧＢＴ２のドレイン端子とソース端子との間に接続されている。そして、バリスタＺＲ２が、コンデンサＣＳ２と並列に接続されている。
【００５３】
これらバリスタを設けることにより、スイッチング回路ＩＧＢＴ１、２に過電圧が印加される時は、スナバ回路のダイオード（ＤＳ１、ＤＳ２）を通してバリスタ（ＺＲ１、ＺＲ２）に電流が流れる。
【００５４】
以上説明した本実施形態の電源の動作についてスパッタを例に挙げて説明すると、以下の如くである。
【００５５】
まず、スパッタの際には、スイッチング回路（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２）を開状態とし、トランスＴ１、Ｔ２を介したインバータ出力をそれぞれ整流平滑して順方向電力をスパッタ用チャンバに供給する。
【００５６】
そして、アーク放電が発生すると、図示しないアーク検出回路からの信号によりスイッチング回路（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２）が閉状態とされる。すると、インダクタ（Ｌ１、Ｌ２）のそれぞれは、スイッチング回路を含んだ閉回路により短絡されるため、チャンバへの出力が停止する。同時に、逆バイアス用のコンデンサＣＢからの逆バイアス電圧がチャンバに供給され、アーク放電を消弧する。
【００５７】
またさらに、スパッタ中にアーク放電が始まり出力電圧が急速に低下しても、スナバ回路のダイオード（ＤＳ１、ＤＳ２）は、スナバコンデンサ（ＣＳ１、ＣＳ２）で逆バイアスされるため、電流は流れない。この時、バリスタＺＲ１とＺＲ２は、スナバコンデンサ（ＣＳ１、ＣＳ２）と合わせて、放電抵抗（ＲＳ１、ＲＳ２）によって放電するが、放電電流がチャンバを流れないのでアーク被害を増大することは無い。
【００５８】
一方、スパッタ中に何らかの要因で電流が無くなり、負荷インピーダンスが上昇すると、２つのインダクタ（Ｌ１、Ｌ２）がそれぞれ逆電圧を生ずる。しかし、インダクタＬ１の電流は、整流器ＤＢ１とダイオードＤＳ１とコンデンサＣＳ１を通ってインダクタＬ１へ戻り、コンデンサＣＳ１を充電するので、過大なサージ電圧にはならない。
【００５９】
また、インダクタＬ１の電流をコンデンサＣＳ１の充電でも吸収しきれない時は、コンデンサＣＳ１と同電圧のバリスタＺＲ１が動作して新たな電流路を形成する。つまり、バリスタがエネルギーを消費することにより、電圧の過大な上昇を抑える。
【００６０】
他方のインバータについても同様であり、第２のスイッチング回路ＩＧＢＴ２にかかる電圧は、スナバ回路（ＣＳ２、ＤＳ２、ＲＳ２）とバリスタ（ＺＲ２）とにより確実に制御されて過電圧は回避される。
【００６１】
その結果として、これら２つのスイッチング回路（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２）の一方に電圧が集中して過電圧による破損などが生ずるという問題を解消できる。
【００６２】
また、本実施形態においては、スイッチング回路（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２）にコンデンサを付加することなく、それにかかる電圧を均等にすることができる。本実施形態において保護用のコンデンサを付加しない理由は、アーク放電により出力電圧が急激に低下すると、保護用コンデンサの放電電流がアークの熱点（ホット・スポット：アーク電流により過熱され、多量の熱電子が放出されやすい部分）に集中してアーク被害が増大する場合があるからである。すなわち、本実施形態においては、スイッチング回路に保護用のコンデンサを設けることなく、過電圧によるこれらスイッチング回路の破損などを確実に阻止でき、同時に保護用コンデンサの追加によるアーク被害の増大も防ぐことができる。
【００６３】
なお、図１においては、２つの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、３つあるいはそれ以上のインバータを設けた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。つまり、３つ以上のインバータを設けた電源の場合にも、これらインバータのそれぞれについて、整流平滑化の素子とインダクタ電流遮断用のスイッチング回路（ＩＧＢＴ１など）を設け、スナバ回路と保護用素子（バリスタなど）をこれらそれぞれに設けることにより、同様の作用効果が得られる。
【００６４】
また、上述した具体例に関しては、スパッタを例に挙げて説明したが、本発明の電源はスパッタに限定されるものではなく、マグネトロンの発振用電源としても同様に用いて同様の作用効果が得られる。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、何らかの原因により発振条件が変動して負荷インピーダンスが急激に上昇した場合にも、それぞのスイッチング回路（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２）は、確実に保護される。さらに、突発的な短絡電流が生じた場合にも、上述したアーク放電遮断動作と同様の動作により、迅速に電流を遮断することができる。
【００６５】
（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、アーク放電などの短絡的な突発電流が発生した時にインバータ電流を遮断するスイッチを設けた電源について説明する。
【００６６】
図２は、本実施形態の電源を表す模式図である。同図については、図１に関して前述したものと同様の要素については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６７】
本実施形態においても、インバータの整流出力毎にインダクタを設け、その出力にＩＧＢＴが接続されている。すなわち、トランスＴ１のインバータ出力は、整流器ＤＢ１により整流され、その電流はインダクタＬ１により平滑化される。
【００６８】
同様に、トランスＴ２のインバータ出力は、整流器ＤＢ２により整流され、その電流はインダクタＬ２により平滑化される。
【００６９】
そして、これらインバータに、スイッチング回路（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２）が設けられ、閉回路を形成するようにされている。また、これらスイッチング回路の後段には、スナバ回路（ＣＳ１、ＣＳ２、ＤＳ１、ＤＳ２、ＲＳ１、ＲＳ２）とバリスタ（ＺＲ１、ＺＲ２）が設けられ、過電圧からスイッチング回路を保護する。
【００７０】
さらに、本実施形態においては、アーク放電などの短絡的な電流が発生した時に、アークセンサ（ＡＳ）により検出して、インバータ電流を遮断するためのスイッチング回路Ｑ５、Ｑ６が設けられている。
【００７１】
以下、本実施形態の電源の動作について、スパッタを例に挙げて説明する。
【００７２】
まず、スパッタ用電力としては、第１及び第２のインバータからの電力がチャンバに供給される。すなわち、直流電源ＤＣ１、スイッチング回路Ｑ１、Ｑ３、トランスＴ１により構成される第１のインバータ出力Ｎ１は、整流器ＤＢ１及びインダクタＬ１で整流平滑してチャンバへ供給される。また同様に、直流電源ＤＣ１、スイッチング回路Ｑ２、Ｑ４、トランスＴ２により構成される第２のインバータ出力Ｎ２は、整流器ＤＢ２及びインダクタＬ２で整流平滑してチャンバへ供給される。
【００７３】
スパッタ処理する時は、これらインバータを起動し、整流したインバータ電流を断続するスイッチング回路Ｑ５・６を閉じ、さらにインダクタ電流を短絡するスイッチング回路ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２は開く。この状態で、インバータ出力をチャンバに供給する。
【００７４】
一方、スパッタ中にアークセンサＡＳがアーク放電を検出すると、制御回路ＤＲ１〜ＤＲ４に指令を送ることにより、スイッチング回路ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２を閉じ、スイッチング回路Ｑ５、Ｑ６を開く。これにより、逆バイアス電圧源ＤＣ２から、ＩＧＢＴ２、ＩＧＢＴ１、ＤＡ１、ＤＡ２、チャンバ、ＤＣ２という閉回路でアーク電流を急速に遮断することができる。
【００７５】
さらにこの時、インダクタＬ１、Ｌ２に蓄積された電流エネルギーは、それぞれ、ダイオードＤ１とスイッチング回路ＩＧＢＴ１、ダイオードＤ２とスイッチング回路ＩＧＢＴ２で構成される短絡回路により保存することができる。
【００７６】
所定時間の間、スパッタ電流を遮断したら、制御回路ＤＲ１〜ＤＲ４に指令を出して、ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２を開き、スイッチング回路Ｑ５、Ｑ６を閉じて、チャンバへのスパッタ電流の供給を再開する。
【００７７】
また、スパッタ中に何らか原因でプラズマが消失して負荷インピーダンスが上昇すると、インダクタが逆起電圧を発生するが、インダクタと並列に設けられたスナバ回路（ＤＳ１、ＤＳ２とＣＳ１、ＣＳ２とＲＳ１、ＲＳ２）およびバリスタＺＲ１、ＺＲ２により電気回路が保護される。
【００７８】
これらスナバ回路のコンデンサＣＳ１・２に充電された電圧は、放電抵抗ＲＳ１、ＲＳ２により放電される。
【００７９】
以上説明したように、本実施形態においても、複数のインバータのそれぞれに平滑整流素子とスイッチング回路を設け、さらにスナバ回路とバリスタをそれぞれ設けることにより、いずれかの電気部品にして電圧が集中することを回避でき、過電圧を確実に抑止できる。
【００８０】
また同時に、保護用のコンデンサを設けることなく、過電圧によるこれらスイッチング回路の破損などを確実に阻止でき、同時に保護用コンデンサの追加によるアーク被害の増大も防ぐことができる。
【００８１】
またさらに、本実施形態においては、アーク発生時に、スイッチング回路Ｑ５、Ｑ６によりインバータ電流を確実に遮断し、同時に、スイッチング回路ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２、ダイオードＤ１、Ｄ２による迂回路を形成することにより、インダクタＬ１、Ｌ２の電流エネルギーを保存できる。従って、再度のスパッタ電力の投入を迅速に開始できる点で有利である。
【００８２】
また、上述した具体例に関しては、スパッタを例に挙げて説明したが、本発明の電源はスパッタに限定されるものではなく、マグネトロンの発振用電源としても同様に用いて同様の作用効果が得られる。
【００８３】
（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、インバータ電流やインダクタ電流を遮断するための制御回路の電源をスナバ回路から供給する電源について説明する。
【００８４】
すなわち、前述した第２実施形態の電源の場合、スイッチング回路（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２）やスイッチング回路（Ｑ５、Ｑ６）を駆動するための制御回路（ＤＲ１〜ＤＲ４）が設けられている。このため、これら制御回路のそれぞれを動作させるために直流電圧源（Ｖｃｃ）が必要となる。
【００８５】
これらの直流電圧源（Ｖｃｃ）のそれぞれは、絶縁しなければならない。また、これらの直流電圧源（Ｖｃｃ）は、電源に入力する商用周波数の交流電源やインバータ出力をトランスで絶縁、降圧し、しかる後に整流、平滑化、定電圧化するものとして構成するが、電気回路としての構成は、大きく、且つ重いものとなりやすい。
【００８６】
そして、本発明の場合、これらの直流電圧源（Ｖｃｃ）は、インバータの数に応じて必要とされるため、例えば、５段構成あるいはそれ以上のように多数のインバータを設けた電源は、大型で複雑なものとなる。
【００８７】
これに対して、本実施形態においては、これら直流電圧源を、スイッチング回路に並設したスナバ回路から供給することにより、構造を簡略化できる電源を提供する。
【００８８】
図３は、本実施形態にかかる電源の要部を表す模式図である。同図については、図１及び図２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。
【００８９】
本実施形態の電源の特徴を列挙すると、以下の如くである。
【００９０】
まず、インバータのインダクタ（Ｌ１、Ｌ２）毎に設けたスナバ回路の放電回路（ＲＳ１、ＲＳ２）と直列に定電圧回路（ＣＤ１、ＺＤ１など）を設け、この定電圧源をインダクタ電流短絡用のスイッチング回路（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２）及びインバータ電流を遮断するスイッチング回路（Ｑ５）を制御する回路の電源とする。
【００９１】
また、スナバ回路の挿入位置を、インバータ出力の整流器（ＤＢ１、ＤＢ２）とインダクタ（Ｌ１、Ｌ２）とからなる直列回路に対して並列にすることにより、スナバ回路のコンデンサ（ＣＳ１、ＣＳ２）を、電源出力が無くても充電できるようにする。つまり、スナバ回路は、インダクタ出力の短絡用のスイッチング回路（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２）に対して並列に接続され、且つ、インバータ出力遮断用のスイッチング回路（Ｑ５、Ｑ６）を含まない閉回路をインバータ出力との間で形成するように接続される。このようにすれば、スイッチング回路（Ｑ５、Ｑ６）が開状態においても、スナバ回路のコンデンサ（ＣＳ１、ＣＳ２）を充電することが可能となる。
【００９２】
一方、逆バイアス電圧源（ＤＣ２）に放電回路（ＲＳ３）と定電圧回路を設け、インバータ電流を遮断するスイッチング回路（Ｑ６）の制御回路の電源とする。
【００９３】
以上説明した特徴に対応して、本実施形態においては、回路構成上、以下に列挙した特徴を有する。
【００９４】
まず、スナバ回路（ＤＳ１、ＤＳ２とＣＳ１、ＣＳ２とＲＳ１、ＲＳ２）のダイオード（ＤＳ１、ＤＳ２）を接続する個所を、インバータ出力を整流するダイオード・ブリッジ（ＤＢ１、ＤＢ２）と、このダイオード・ブリッジの出力電流を遮断するスイッチング回路（Ｑ５、Ｑ６）との接続点とする。
【００９５】
また、スナバ回路の放電抵抗（ＲＳ１、ＲＳ２）の放電経路に、定電圧ダイオード（ＺＤ１、ＺＤ２）と平滑化コンデンサ（ＣＤ１、ＣＤ２）との並列接続回路を設け、コンデンサＣＤ１の電圧をスイッチング回路ＩＧＢＴ１の制御回路（ＤＲ１）の直流電圧源とし、コンデンサＣＤ２の電圧をスイッチング回路ＩＧＢＴ２とスイッチング回路Ｑ５の制御回路（ＤＲ２、ＤＲ３）の直流電圧源とする。
【００９６】
また、逆バイアス電圧源ＤＣ２に放電抵抗（ＲＳ３）を設けて、その放電経路に、定電圧ダイオード（ＺＤ３）と平滑化コンデンサ（ＣＤ３）との並列接続回路を設け、コンデンサＣＤ３の電圧をスイッチング回路Ｑ６の制御回路（ＤＲ４）の直流電圧源とする。
【００９７】
以下、本実施形態の電源の動作について、スパッタを例に挙げて説明する。
【００９８】
まず、インバータが起動する前は、スナバ・コンデンサ（ＣＳ１、ＣＳ２）およびコンデンサＤＣ２の電圧はゼロなので、スイッチング回路（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２、Ｑ５、Ｑ６）の各制御回路（ＤＲ１〜ＤＲ４）の電源も電圧が無く各スイッチング回路は開状態である。
【００９９】
逆バイアス電圧源ＤＣ２が起動すると、コンデンサＣＤ３が放電抵抗ＲＳ３〜ＣＤ３を通る電流により充電される。そして、コンデンサＣＤ３の電圧が上昇すると、スイッチング回路Ｑ６の制御回路（ＤＲ４）が動作してスイッチング回路Ｑ６を閉じる。
【０１００】
また、インバータが起動すると、ダイオードＤＢ１、ＤＢ２が電圧を出力し、スナバ・コンデンサ（ＣＳ１、ＣＳ２）が、ＤＢ１〜ＤＳ１〜ＣＳ１〜Ｌ１〜ＤＢ１、および、ＤＢ２〜ＤＳ２〜ＣＳ２〜Ｌ２〜ＤＢ２を通る電流によってそれぞれ充電される。
【０１０１】
スナバ・コンデンサ（ＣＳ１、ＣＳ２）の電圧が上昇すると、コンデンサＣＤ１、ＣＤ２が、それぞれ、放電抵抗ＲＳ１〜ＣＤ１、放電抵抗ＲＳ２〜ＣＤ２を通る電流により充電される。そして、コンデンサＣＤ１の電圧が上昇すると、スイッチング回路ＩＧＢＴ１の制御回路ＤＲ１が機能し、ＣＤ２の電圧が上昇するとＩＧＢＴ２とＱ５の制御回路（ＤＲ２、ＤＲ３）が機能し、スイッチング回路Ｑ５を閉じて電源からの出力を開始する。このようにしてスイッチング回路Ｑ５とＱ６の両方が閉じると、電源が最大電圧を出力する。
【０１０２】
一方、放電中に何らかの原因でプラズマが消失して出力電流が無くなると、負荷インピーダンスが上昇して、インダクタ（Ｌ１、Ｌ２）に過電圧が生ずる。しかし、この電流は、Ｌ１〜ＤＢ１〜ＤＳ１〜ＣＳ１〜Ｌ１、および、Ｌ２〜ＤＢ２〜ＤＳ２〜ＣＳ２〜Ｌ２という経路でスナバ・コンデンサＣＳ１、ＣＳ２をそれぞれ充電するので、過電圧にはならない。
【０１０３】
スナバ・コンデンサ（ＣＳ１、ＣＳ２）を充電した後に、さらに電圧が上昇すると、バリスタＺＲ１、ＺＲ２において放電が生ずるため、この放電電圧で更なる電流迂回路が構成され過電流を制限することができる。
【０１０４】
一方、スパッタ中にアークセンサＡＳがアーク放電を検出した場合の動作は、第２実施形態に関して前述した電源と同様である。すなわち、アークを検出すると、制御回路ＤＲ１〜ＤＲ４に指令を送ることにより、スイッチング回路ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２を閉じ、スイッチング回路Ｑ５、Ｑ６を開く。これにより、逆バイアス電圧源ＤＣ２から、ＩＧＢＴ２、ＩＧＢＴ１、ＤＡ１、ＤＡ２、チャンバ、ＤＣ２という閉回路でアーク電流を急速に遮断することができる。
【０１０５】
さらにこの時、インダクタＬ１、Ｌ２に蓄積された電流エネルギーは、それぞれ、ダイオードＤ１とスイッチング回路ＩＧＢＴ１、ダイオードＤ２とスイッチング回路ＩＧＢＴ２で構成される短絡回路により保存することができる。
【０１０６】
所定時間の間、スパッタ電流を遮断したら、制御回路ＤＲ１〜ＤＲ４に指令を出して、ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２を開き、スイッチング回路Ｑ５、Ｑ６を閉じて、チャンバへのスパッタ電流の供給を再開する。
【０１０７】
以上説明したように、本実施形態によれば、インバータ電流を断続するスイッチング回路（Ｑ５、Ｑ６）や、インダクタ電流を短絡し且つ逆バイアス電圧源を出力するスイッチング回路（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２）の制御回路（ＤＲ１〜ＤＲ４）を動作させるための電源をスナバ回路から与えることができる。
【０１０８】
その結果として、商用周波数のトランスや制御電源用インバータや整流器などの電気部品が不要になり、電源の軽量化、小型化が可能になる。
【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、上述した具体例に関しては、スパッタ用電源を例に挙げて説明したが、本発明の電源はスパッタに限定されるものではなく、マグネトロンの発振用電源としても同様に用いて同様の作用効果が得られる。
【０１１１】
図４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。
【０１１２】
すなわち、図１乃至図３に関して前述した本発明の電源１１０は、マグネトロン２００を駆動する電源としても用いることができる。
【０１１３】
すなわち、図４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。本発明の電源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。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。
【０１１４】
このようなシステムの場合にも、マグネトロン２００に順方向電力を供給して発振動作を生じさせ、何らかの原因により発振条件が変動して負荷インピーダンスが急激に上昇した場合にも、電源１１０のスイッチング回路（ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２）は確実に保護される。さらに、マグネトロン２００において突発的な短絡的電流が生じた場合にも、電源１１０は、上述したアーク放電遮断動作と同様の動作により、迅速に電流を遮断することができる。
【０１１５】
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。
【０１１６】
より具体的には、例えば、スイッチング回路としてＭＯＳトランジスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）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。
【０１１７】
また、同様に、インバータやスナバ回路の具体的な構成や、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。
【０１１８】
またさらに、本発明は、２つのインバータを設けた電源には限定されず、すなわち３つあるいはそれ以上のインバータを設けたいわゆる「多段インバータ構成」を有する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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、負荷インピーダンスの急激な上昇に対して電気素子の破損などを回避し、且つ、迅速且つ確実にアーク放電などの短絡電流を遮断でき、しかも、小型化や軽量化も実現可能な電源、スパッタ電源及びスパッタ装置を提供することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のスパッタ用電源の要部を表す模式図である。
【図２】本発明の第２実施形態のスパッタ用電源を表す模式図である。
【図３】本発明の第３実施形態にかかるスパッタ用電源の要部を表す模式図である。
【図４】本発明の電源をマグネトロン発振用電源として用いた構成を例示する概念図である。
【図５】ＤＣ（direct current）スパッタ装置の要部構成を表す模式図である。
【図６】本発明者が本発明に至る過程で試作したスパッタ用電源を表す模式図である。
【符号の説明】
１００ 基板
１０１ 真空チャンバ
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（スパッタ用電源、マグネトロン用電源）
１２０Ａ、１２０Ｂ 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 センサ
３４０ 整合器
５００ 負荷
ＡＳ アークセンサ
ＣＢ、ＣＤ１〜３、ＣＳ１、２ コンデンサ
Ｄ０ 逆アーク防止ダイオード
Ｄ１、２、ＤＳ１、２ ダイオード
ＤＢ１〜３ 整流器
ＤＣ、ＤＣ１ 直流電源
ＤＣ２ 逆バイアス電圧源
ＤＲ１〜ＤＲ４ 制御回路
ＦＳ フィードバック信号
ＩＧＢＴ１，ＩＧＢＴ２ スイッチング回路
ＩＮＶ１、２ インバータ
Ｌ１、Ｌ２ インダクタ
Ｎ１、Ｎ２ インバータ出力
Ｑ１〜６ スイッチング回路
ＲＳ１、２ 放電抵抗（放電回路）
ＳＮＢ スナバ回路
Ｔ１〜Ｔ３ トランス
ＺＲ１、２ バリスタ

Claims (16)

1. 複数のインバータ出力と、
   前記複数のインバータ出力のそれぞれに設けられた整流手段と、
   前記複数のインバータ出力のそれぞれに設けられたインダクタと、
   前記複数のインバータ出力のそれぞれに設けられた第１のスイッチング回路と、
   逆バイアス用電源と、
   を備え、
   前記複数のインバータ出力のそれぞれにおける前記第１のスイッチング回路を開状態とし、前記複数のインバータ出力に設けられた前記整流手段と前記インダクタとを直列に結合することにより前記複数のインバータ出力を直列に結合した順方向電力を出力し、
   前記第１のスイッチング回路を閉状態として、前記複数のインバータ出力のそれぞれについて、前記インダクタと前記第１のスイッチング回路とによる閉回路を形成し、前記逆バイアス用電源から前記順方向電力とは逆極性の逆方向電圧を出力することを特徴とする電源。
2. 前記複数のインバータ出力のそれぞれは、第２のスイッチング回路をさらに備え、
   前記第２のスイッチング回路を閉状態として前記順方向電力を出力し、
   前記第１のスイッチング回路が前記閉状態の時に、前記第２のスイッチング回路を開状態として、前記複数のインバータ出力のそれぞれを遮断することを特徴とする請求項１記載の電源。
3. 前記インダクタと前記第１のスイッチング回路との直列接続回路の両端に並列に接続された第２の整流素子をさらに備え、
   前記第１のスイッチング回路が前記閉状態の時に、前記インダクタと前記第１のスイッチング回路と前記第２の整流素子とによる短絡回路が形成され、前記順方向電力の出力の際に前記インダクタを流れる電流が前記整流素子を順方向電流として流れて保存されることを特徴とする請求項１または２に記載の電源。
4. 前記複数のインバータ出力のそれぞれは、
   直流電源と、
   前記直流電源からの直流出力をスイッチングするスイッチング手段と、
   前記スイッチング手段から分配された複数の１次側結線と、
   前記複数の１次側結線のそれぞれに対応して変圧器の２次側に設けられた複数の２次側結線と、
   を有する多段インバータにおける前記複数の２次側結線のそれぞれから得られることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電源。
5. コンデンサと、前記コンデンサを放電する放電手段と、前記コンデンサに直列に接続され前記順方向電力の電流方向を順方向とする整流素子と、を有する回路が、前記第１のスイッチング回路のそれぞれ対して並列に接続されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の電源。
6. 前記放電手段は、前記コンデンサに並列に接続された抵抗素子を含むことを特徴とする請求項５記載の電源。
7. 前記コンデンサに並列に接続された電圧制限回路をさらに備えたことを特徴とする請求項５または６に記載の電源。
8. 前記電圧制限回路は、バリスタまたは定電圧ダイオードの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項５または６に記載の電源。
9. 前記放電手段を流れる電流によって前記第１のスイッチング回路が駆動されることを特徴とする請求項５、７及び８のいずれか１つに記載の電源。
10. 前記放電手段を流れる電流によって前記第２のスイッチング回路が駆動されることを特徴とする請求項５、７及び８のいずれか１つに記載の電源。
11. 前記逆バイアス用電源から流れる電流によって少なくとも前記第２のスイッチング回路のいずれかが駆動されることを特徴とする請求項９または１０に記載の電源。
12. 前記放電手段は、前記コンデンサに直列に接続された抵抗素子を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１つに記載の電源。
13. 前記第１及び第２のスイッチング回路のそれぞれは、トランジスタを有し、
    前記電流によって充電されたコンデンサを定電圧電源とした制御回路から供給される制御信号により前記トランジスタの動作が制御されることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１つに記載の電源。
14. 前記インダクタと、前記整流手段と、前記コンデンサと、前記整流素子と、は、前記第２のスイッチング回路を含まない閉回路を形成することを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１つに記載の電源。
15. 請求項１〜１４のいずれか１つに記載の電源を備え、
    前記順方向電力をスパッタ用電力として出力することを特徴とするスパッタ用電源。
16. 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、
    請求項１５記載のスパッタ用電源と、
    を備え、
    前記スパッタ用電力を前記真空チャンバに供給することによりスパッタを実施し、
    真空チャンバ内において発生する前記アーク放電を前記逆方向電圧により遮断することを特徴とするスパッタ装置。

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