JP4364197B2 - 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

Description

本発明は、交流電源装置に関し、特に、スパッタなどのプロセスを用いて半導体や液晶基板などを製造する製造装置分野において、プロセスの過程で発生するアークを検出し、発生したアークエネルギを最小限に抑えるのに適した交流電源装置およびその装置におけるアーク抑制方法に関するものである。

一般に、スパッタ装置（負荷装置に相当する）は、前記装置内においてプラズマ放電を起こすことにより、スパッタリングプロセスを実現している。このプロセスを実現するためには、高電圧の直流（DC）電源 や交流（AC）電源を使用して、前記装置内の電極に交流電力または直流電力を供給する必要がある。これにより、プラズマ放電を起こしている。

しかしながら、この高電圧の電源をプラズマが浮遊している電極間に印加すると、電極間で耐圧破壊が起こり、短絡現象が発生し、過大電流が流れることがある。この短絡現象が所謂、アークと呼ばれる現象である。このアークが発生すると、異物が成膜用基板（以下、基板という。）に飛散し、基板の商品価値を損なうという問題が発生する。このため、アーク現象を捉えて前記装置への給電を高速遮断することにより、基板への影響を抑えることが不可欠になっていた。従来、このアーク現象を捉える方式として、前記装置に供給する直流電流や交流電流の変化を捉える方式が用いられている。またアーク放電を抑制する方法として、アーク放電を検出し、前記装置への給電を瞬時に停止し、アーク放電が消去した後、スロースタートする方法が用いられていた。

また、アーク現象を捉えて高速遮断する装置として、特許文献１に記載のものがある。この装置は、図１１のように、直流制御部１で得られ平滑回路２を介して取り出された直流電圧が、インバータスイッチング部３で交流（矩形波）に変換された後、昇圧トランス４、整流部５，放電電圧検出回路６及びカレントトランス７を介して処理装置本体１２に供給される。整流部５と処理装置本体１２との間に配置された放電電圧検出回路６から得られた放電電圧検出信号が、微分回路を含む放電電圧立ち下げ検出回路８へ送られる。放電電圧立ち下げ検出回路８には、インバータ制御部１１からのインバータ制御信号が供給されている。インバータ制御部１１は、放電電圧立ち下げ検出回路８の出力として得られるアーク検出信号に基づき、インバータ制御信号をゲートドライブ１０に出力し、インバータスイッチング部３の動作を停止させ、処理装置本体１２への給電を遮断させる。

特開平７−２３３４７２号公報

上述したように、従来は、供給する直流電流や交流電流（放電電流）の変化を捉えてアークを検出し、給電を遮断する方式を採用していた。この方式は、アークが発生してからアーク現象を検出するまでの動作が遅れ、かつ給電を遮断する電気回路の動作が遅れるため、アークが発生してから給電を遮断するまでの期間が長いという問題が生じる虞がある。

これらのうち、アーク現象を検出する動作が遅れることが、アークエネルギを抑制する場合に重要な技術的課題となる。放電電流は、実際にアークが発生すると、図１２に示すように、アーク開始点から急激に変化し、時間の経過と共に漸増する。つまり、この放電電流値を監視して、アーク現象の検出を判断する場合、放電電流値が、あるしきい値（図示せず）とするアーク電流基準値に到達したとき初めてアークが発生したと判断するからである。すなわち、実際にアークが発生してからある時間経過後にアーク現象の検出を判断するので、アーク現象を捉えるまでの時間がかかるからである。

また、特許文献１では、放電電圧を検出する場合、放電電圧立下がり検出回路８が放電電圧に基づき微分回路によりアークの検出を判定し、アーク検出信号を出力する。そして、インバータ制御部１１が、当該アーク検出信号に基づき、インバータスイッチング部３の動作を停止させ、処理装置本体１２への給電を遮断させる。このため、この放電電圧の変化を検出してアーク現象を捉える方式は、放電電流の変化を検出してアーク現象を捉える方式に比べて、アーク現象を高速に捉えることができるが、電圧立ち下がり検出回路８における微分回路の信号処理による遅れやインバータのスイッチングノイズにより、電圧立ち下がり検出回路８における微分回路がないアークの検出回路に比べて、アーク検出信号の品質が劣化するという問題が生じる虞がある。

さらに、通常、アークが発生している間、放電電圧値がある一定値に降下したままであるが、負荷装置によって、例えば電極と電極との対向距離が短い場合、または電極と負荷装置２４の内壁面との距離が短い場合、図１０（Ａ）に示すように、アークが発生しても放電電圧値が中途半端に変化する場合があるため、放電電圧の変化を検出して、アーク現象を的確に捉えることができないという問題が生じる虞がある。これらの問題は、直流電力を処理装置本体へ供給する前述の特許文献１の電源装置だけでなく、交流電力を供給する電源装置にも存在する。

そこで、本発明は、特にスパッタなどのプロセスを用いて半導体や液晶基板などを製造する製造装置分野において、プロセスの過程で発生するアークを抑制し、発生したアークエネルギを最小限に抑えるのに適した交流型の電源装置およびその装置におけるアーク抑制方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、商用交流電力から変換した高周波交流電力を負荷装置へ供給する電源であって、アークを抑制する交流電源装置において、商用交流電力から直流電力を生成するＡＣ−ＤＣ整流器と、直流電力を前記負荷装置に見合う直流電力に変換するＤＣ−ＤＣ電力変換器と、変換された直流電力を高周波交流電力に変換する高周波電力変換器と、高周波交流電力を商用交流電源と絶縁する高周波トランスと、負荷装置のシャーシと交流電源装置のシャーシとをアース線で接続し、かつ負荷装置のシャーシを接地して、アース線に流れるアース電流を検出するアース電流検出器と、アース電流からアークの発生を検出し、さらにアークの発生により出力する遮断信号によって高周波交流電力の前記負荷装置への電力供給を遮断することで、アークエネルギを抑制するアーク抑制手段と、を備えることを特徴とする。

さらに、好適には、アーク抑制手段は、アース電流の変化を捉えてアークを検出し、アークの発生の検出に基づいて高周波電力変換器のパワー素子のゲートを遮断することを特徴とする。

さらに、好適には、アーク抑制手段は、アース電流と基準アース電流とを比較して、アース電流が基準アース電流に等しいとき、または大きいとき、アークの発生を検出することを特徴とする。

または、負荷装置に商用交流電力から変換される高周波電力を供給する電源であって、アーク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、商用交流電力から直流電力を生成するＡＣ−ＤＣ整流工程と、直流電力を負荷装置に見合う直流電力に変換するＤＣ−ＤＣ電力変換工程と、変換された直流電力を高周波交流電力に変換する高周波電力変換工程と、高周波交流電力を前記交流電源と絶縁する電力絶縁工程と、接地した負荷装置のシャーシと交流電源装置のシャーシとを接続したアース線につき、アース線に流れるアース電流を検出するアース電流検出工程と、アース電流から前記アークの発生を検出し、さらにアークの発生により出力する遮断信号によって高周波交流電力の負荷装置への電力供給を遮断することで、アークエネルギを抑制するアーク抑制工程と、を備えることを特徴とする。

さらに、好適には、アーク抑制工程は、アース電流の変化を捉えてアークを検出し、アークの発生の検出に基づいて高周波電力変換器のパワー素子のゲートを遮断することを特徴とする。

さらに、好適には、アーク抑制工程は、アース電流と基準アース電流とを比較して、アース電流が基準アース電流に等しい、または大きいとき、アークの発生を検出することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、アークの発生が、最初に、負荷装置における電極とシャーシとの間の絶縁耐力の劣化等に伴ってアース電流の変化に表れることから、交流電源装置が、このアース電流からアークの発生を検出するようにした。これにより、交流電源装置は、成膜用基板製造装置などの交流電源装置として、アーク現象を高速に捕らえることができ、かつ高周波電力変換器から出力されるエネルギを高速に遮断できる。したがって、製造物に障害となるアークエネルギを最小限に抑えることができる。また、本発明によれば、アーク現象を捉えるための微分回路を備える必要がない。したがって、微分回路の信号処理による遅れを生じることなく、高周波交流電力の生成時に発生するスイッチングノイズの影響を受けることがないから、アーク現象を高速かつ確実に捉えることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
〔構成〕
先ず、本発明に係る交流電源装置の構成について説明する。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概略構成図である。図２は、本発明に係る交流電源装置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電力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を示す制御ブロック図である。図５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。

成膜用基板製造装置６１は、図１に示すように、商用交流電源２２、スパッタ装置等の負荷装置２４、および交流電源装置６２を備える。商用交流電源２２は、５０毎秒ヘルツまたは６０毎秒ヘルツの電源周波数の商用交流電力を供給する電源である。負荷装置２４は、負荷装置のシャーシ６６、カソード電極６７a，６７bおよび基板６８を備える。負荷装置のシャーシ６６は、一般に知られている成膜用真空装置であり、グランドに接地される。カソード電極６７aおよび６７bは、以下の説明を簡潔にするために、例えば角型形状した１対の電極であり、負荷装置のシャーシ６６と絶縁されるものとする。

交流電源装置６２は、アース電流検出器６５、電力制御／発振部６３、発振制御手段６４および直流制御用電源３７を備える。交流電源装置６２は、入力する商用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、前記交流電力を負荷装置２４へ出力する。交流電源装置６２のシャーシと負荷装置２４のシャーシ６６との間にアース線を接続し、かつ商用交流電源２２と交流電源装置６２のシャーシとの間にアース線を接続する。アース電流検出器６５は、負荷装置のシャーシ６６と交流電源装置６２のシャーシとを接続するアース線（太い実線）に流れるアース電流を検出する検出器である。アース電流検出器６５は、アース線に直列に接続され、その一端がアース線を介し、交流電源装置６２のシャーシに接続され、他端がアース線を介し、負荷装置のシャーシ６６に接続される。アース電流信号Ｕ1はアース電流端子（図示せず）から出力する。

電力制御／発振部６３は、図２に示すように、ＡＣ−ＤＣ整流器２５、第１の平滑用コンデンサ２６、ＤＣ―ＤＣ電力変換器２７、第２の平滑用コンデンサ２８、第１の電流検出器２９、高周波電力変換器３０、高周波トランス３１および電力制御手段３５を備える。

ＡＣ−ＤＣ整流器２５は、整流素子例えば、ダイオードを用いた３相全波整流回路であり、３相交流電力を入力し、３相交流電力を整流し、直流電力を第１の平滑用コンデンサ２６に出力する。ＡＣ−ＤＣ整流器２５は、出力正極端子が第１の平滑用コンデンサ２６の一端に接続され、出力負極端子が第１の平滑用コンデンサ２６の他端に接続される。第１の平滑用コンデンサ２６は、ＡＣ−ＤＣ整流器２５による直流電力を入力し、直流電圧を平滑にし、得られる第１の直流電力をＤＣ―ＤＣ変換器２７に出力する。第１の平滑用コンデンサ２６は、一端がＤＣ―ＤＣ電力変換器２７の入力正極端子に接続され、他端がＤＣ―ＤＣ変換器２７の入力負極端子に接続される。

ＤＣ―ＤＣ電力変換器２７は、半導体スイッチング素子例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）（以下、第１のスイッチング素子という。）と直流リアクタとを備えるスイッチング回路であり、第１のスイッチング素子のゲートに入力する制御信号（以下、ゲート制御信号という。）Ａにより、コレクターエミッタ間の導通／遮断を制御する。第１のスイッチング素子のコレクタおよびエミッタは、第１の平滑用コンデンサ２６および第２の平滑用コンデンサ２８の負極端子にそれぞれ接続される。直流リアクタは、その一端が第１の平滑用コンデンサ２６の正極端子に接続され、他端が第２の平滑用コンデンサ２８の正極端子に接続される。すなわち、ＤＣ―ＤＣ電力変換器２７は、第１の直流電力を入力し、内在する第１のスイッチング素子のゲート制御信号Ａによりオン／オフ動作させて、第２の直流電力を第２の平滑用コンデンサ２８に出力する。

第２の平滑用コンデンサ２８は、第２の直流電力を入力し、第２の直流電圧を平滑にし、高周波電力変換器３０に出力する。第２の平滑用コンデンサ２８は、その一端が高周波電力変換器３０の入力正極端子に接続され、他端が高周波電力変換器３０の入力負極端子に接続される。第１の電流検出器２９は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して、被測定電流を非接触で検出するセンサであり、ＤＣ―ＤＣ電力変換器２７の出力側の実際直流電流値〔Ｃ〕（以下、〔〕は信号レベルをいう。例えば、信号Ｃの信号レベルは〔Ｃ〕を示す。）や過電流を検出する。

高周波電力変換器３０は、インバータ回路であり、相対向する２対の半導体スイッチング素子例えば、ＩＧＢＴ（Ｑ１およびＱ４スイッチ）およびＩＧＢＴ（Ｑ２およびＱ３スイッチ）の対（以下、第２のスイッチング素子という。）が、第２のスイッチング素子のゲートに入力する制御信号（以下、スイッチング制御信号という。）Ｄにより、コレクターエミッタ間の導通／遮断を制御する。すなわち、高周波電力変換器３０は、第２のスイッチング素子が、交互にオン／オフ動作を繰り返し、第２の平滑用コンデンサ２８により平滑された波形の電圧を有する第２の直流電力を、略矩形波交流波形の電圧を有する第１の交流電力に変換する回路である。すなわち、高周波電力変換器３０は、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スイッチング制御信号Ｄによりオン／オフ動作させ、第２の直流電力を第１の高周波交流電力に変換し、前記交流電力を高周波トランス３１に出力する。

高周波トランス３１は、相互に電磁結合された１次巻線３１pおよび２次巻線３１sからなる変圧器であり、１次巻線３１pに交流電圧を入力し、相互電磁誘導作用により、１次巻線３１pと２次巻線３１sとの巻数比に比例した交流電圧を２次巻線３１sに発生させる。高周波トランス３１の１次巻線３１pは、巻き始めが第２のスイッチング素子Ｑ１のエミッタおよびＱ３のコレクタに接続され、巻き終りが第２のスイッチング素子Ｑ２のエミッタおよびＱ４のコレクタに接続される。高周波トランス３１の２次巻線３１sは、負荷装置２４に接続される。すなわち、高周波トランス３１は、第１の高周波交流電力を入力し、第１の高周波交流電力と電気的に絶縁させた第２の高周波交流電力に変換し、負荷装置２４へ出力する。このように、高周波トランス３１は、入力側の商用交流電源２２と高周波交流電力とを電気的に絶縁する。

電力制御手段３５は、図３に示すように、基本電力指令値設定器３８、帰還電力演算器３９、減算器４０、ＰＩＤ制御器４１およびＧＡＴＥ制御器４２を備える。基本電力指令値設定器３８は、負荷装置２４に見合う、例えば装置の大きさ、生産効率等のパラメータにより定められる直流入力電力の基本電力指令値〔Ｓ〕を設定する設定器である。帰還電力演算器３９は、実際直流電圧値〔Ｂ〕および実際直流電流値〔Ｃ〕を入力し、実際直流電圧値〔Ｂ〕と実際直流電流値〔Ｃ〕とを乗算し、演算の結果により、得られる帰還電力値を減算器４０に出力する。

減算器４０は、基本電力指令値設定器３８による基本電力指令値〔Ｓ〕と帰還電力演算器３９による帰還電力値とを入力し、基本電力指令値〔Ｓ〕から帰還電力値を減算し、演算の結果により、得られる電力偏差値をＰＩＤ制御器４１に出力する。ＰＩＤ制御器４１は、電力偏差値を入力し、電力偏差値をＰＩＤ制御して、操作量をＧＡＴＥ制御器４２に出力する。ＧＡＴＥ制御器４２は、電力偏差値に応じてＰＩＤ制御するＰＩＤ制御器４１による操作量に基づいて、ゲート制御信号ＡをＤＣ−ＤＣ電力変換器２７における第１のスイッチング素子のゲートに出力する。すなわち、電力制御手段３５は、負荷装置２４に見合う基本電力指令値〔Ｓ〕から帰還電力値を減算し、演算の結果により、得られる電力偏差値に基づいて、ゲート制御信号ＡをＤＣ−ＤＣ電力変換器２７に出力し、そのゲート制御信号Ａによって、第２の直流電力を制御させる。

発振制御手段６４は、図４に示すように、アーク検出手段４３およびパルス指令演算手段４４を備える。アーク検出手段４３は、電流−電圧変換器６９、パルストランス４５、差動増幅器４６、絶対値変換器４７、基準値設定器７０、電流判定器７１、アーク検出指令器７２、ラッチおよび遮断信号発生器５１、および再起動信号演算器５２を備える。

電流−電圧変換器６９は、図５に示すように、例えば、抵抗体７３およびコンデンサ７４を備え、図１に示したアース電流検出器６５のアース電流出力端子（図示せず）とグランド（アース）との間に抵抗体７３を直列に配設し、さらに抵抗体７３に並列にコンデンサ７４を配設する。電流―電圧変換器６９は、アース電流信号Ｕ1を入力し、電圧信号Ｕ2をパルストランス４５に出力する。

パルストランス４５は、ディジタル信号用広帯域トランスであり、図５に示すように、電流―電圧変換器６９によるアース電圧信号Ｕ2を入力し、アース電圧信号Ｕ2と電気的に絶縁するアース電圧信号Ｕ3を差動増幅器４６に出力する。パルストランス４５は、電流―電圧変換器６９と差動増幅器４６との間に配設し、パルストランス４５の２次側巻線４５sが、１次側巻線４５pに対し、巻線比が例えば１：１とする。

差動増幅器４６は、減算回路であり、図５に示すように、例えば、抵抗体７５a〜７５dおよびオペアンプ７６を備える。差動増幅器４６は、パルストランス４５によるアース電圧信号Ｕ3を入力し、アース電圧信号Ｕ3を増幅し、得られる出力電圧値〔Ｕ4〕を絶対値変換器４７に出力する。抵抗体７５a〜７５dは、出力電圧値〔Ｕ4〕をアース電流値〔Ｕ1〕の数値に等しくするように、それぞれの抵抗値が予め設定されており、差動増幅器４６の電力入力線に接続されている。例えば、アース電流値〔Ｕ1〕が１アンペアであれば、出力電圧信号Ｕ4の電圧値〔Ｕ4〕を１ボルトにする。これにより、差動増幅器４６の出力端子から電圧値〔Ｕ4〕を出力することによって、アース電流値〔Ｕ1〕を知ることができる。

絶対値変換器４７は、図４に示すように、差動増幅器４６による出力電圧値〔Ｕ4〕を入力し、出力電圧値〔Ｕ4〕の絶対値を演算し、演算の結果により、得られる絶対値信号である片極性のアース帰還電流信号Ｖを電流判定器７１に出力する。

基準値設定器７０は、アース電流値〔Ｕ1〕の変化に基づいてアーク放電と判定する基準であるアーク基準値〔Ｎ〕を設定する設定器である。電流判定器７１は、基準値設定器７０によるアーク基準値〔Ｎ〕と絶対値変換器４７によるアース帰還電流値〔Ｖ〕とを入力し、アーク基準値〔Ｎ〕とアース帰還電流値〔Ｖ〕とを比較し、アース帰還電流値〔Ｖ〕が、アーク基準値〔Ｎ〕に等しいとき、または大きいとき、ＨＩＧＨ信号Ｗをアーク検出指令器７２に出力し、アース帰還電流値〔Ｖ〕が、アーク基準値〔Ｎ1〕に満たないとき、ＬＯＷ信号を出力する。

アーク検出指令器７２は、前記ＨＩＧＨ信号Ｗを入力し、前記ＨＩＧＨ信号に基づいてアーク検出信号Ｋをラッチおよび遮断信号発生器５１に出力する。ラッチおよび遮断信号発生器５１は、アーク検出指令器７２によるアーク検出信号Ｋを入力し、アーク検出信号Ｋを保持して、遮断信号Ｌを出力遮断切替器５７および再起動信号演算器５２に出力する。これにより、スイッチング指令信号Ｉを遮断し、さらに第２のスイッチング素子のゲートを遮断することによって、高周波電力変換器３０の出力電力を高速遮断することができる。再起動信号演算器５２は、遮断信号Ｌを入力し、当該遮断信号Ｌを入力してから所定時間だけ経過した後、ラッチおよび遮断信号発生器５１のラッチを解除するためのリセット信号Ｍをラッチおよび遮断信号発生器５１に出力する。これにより、ラッチおよび遮断信号発生器５１により出力される遮断信号Ｌが、次のアーク検出信号Ｋを検出するために、所定時間後にリセットされる。

パルス指令演算手段４４は、スイッチング周波数設定器５３、デッドバンド設定器５４、スイッチング信号生成器５５、出力遮断切替器５７、Ｐ側素子ドライブ回路５８およびＮ側素子ドライブ回路５９を備える。スイッチング周波数設定器５３は、第２のスイッチング素子のゲートをオン／オフ動作させるためのスイッチング指令信号Ｉのスイッチング周波数指令値〔Ｐ〕を設定する設定器である。デッドバンド設定器５４は、スイッチング指令信号ＩのＰ側とＮ側のパルス信号の切換えのとき、第２のスイッチング素子が確実にオフするためのデッドバンド期間〔Ｑ〕を設定する設定器である。スイッチング信号生成器５５は、スイッチング周波数指令値〔Ｐ〕とデッドバンド期間〔Ｑ〕とを入力し、スイッチング周波数指令値〔Ｐ〕とデッドバンド期間〔Ｑ〕とからスイッチング指令信号Ｉを生成し、スイッチング指令信号Ｉを出力遮断切替器５７に出力する。

出力遮断切替器５７は、スイッチング指令信号Ｉを入力し、ラッチおよび遮断信号発生器５１による遮断信号Ｌによって、スイッチング指令信号Ｉを遮断して、Ｐ側素子ドライブ回路５８およびＮ側素子ドライブ回路５９への制御信号Ｒを遮断する。一方、遮断信号Ｌが出力しない場合、出力遮断切替器５７は、Ｐ側素子ドライブ回路５８およびＮ側素子ドライブ回路５９に制御信号Ｒを出力する。Ｐ側素子ドライブ回路５８は、制御信号Ｒを入力し、制御信号ＲによってＰ側の第２のスイッチング素子を駆動するためのスイッチング制御信号Ｄ（Ｐ）を高周波電力変換器３０に出力する。Ｎ側素子ドライブ回路５９は、Ｐ側と同様に、制御信号Ｒを入力し、制御信号ＲによってＮ側の第２のスイッチング素子を駆動するスイッチング制御信号Ｄ（Ｎ）を高周波電力変換器３０に出力する。

直流制御用電源３７は、図１に示すように、電力制御／発振部６３、発振制御手段６４およびアース電流検出器６５における直流回路に直流定電圧を供給するための制御用定電圧電源である。本実施の形態において、直流制御用電源３７は、商用交流電源２２から２相商用電源を入力し、直流定電圧を出力するようにしたが、商用交流電源２２とは別系統の電源を用いることにより、全く独立した直流制御用電源として直流定電圧を出力するようにしてもよい。

以上の説明では、発振制御手段６４のアーク検出手段４３に入力する信号Ｕ1を電流信号としたが、電流信号の代わりに電圧信号、例えば所定の抵抗体をアース線に直列に接続し、前記抵抗体の両端子間の電圧を入力するようにしてもよい。この場合、信号Ｕ1は、図４に示した電流―電圧変換器６９に入力することなく、パルストランス４５の入力側に直接的に入力するようにする。

〔アークの抑制方法〕
次に、本発明に係る交流電源装置におけるアークの抑制方法について説明する。図６は、本発明に係る交流電源装置における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。

交流電源装置６２におけるアーク抑制方法は、商用交流電力から直流電力を生成するＡＣ−ＤＣ整流工程（Ｓ−１）と、前記直流電力を、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、負荷装置２４に見合う直流電力に変換するＤＣ−ＤＣ変換工程（Ｓ−２）と、前記変換された直流電力を高周波交流電力に交換する高周波電力変換工程（Ｓ−３）と、前記高周波交流電力を前記商用交流電力と絶縁する電力絶縁工程（Ｓ−４）と、前記負荷装置のシャーシ６６と交流電源装置６２のシャーシとを接続するアース線に流れるアース電流を検出するアース電流検出工程（Ｓ−５）と、前記アークの発生を前記アース電流から検出し、アークの発生により生成される遮断信号にて前記高周波交流電力を遮断するアーク抑制工程（Ｓ−６）とを備える。これにより、アーク現象を高速に捕らえて、これにより生成される遮断信号Ｌによって高周波電力変換器３０から出力するエネルギを高速に遮断することができる。

〔動作〕
次に、本発明に係る交流電源装置６２の動作について説明する。先ず、交流電源装置６２の全体的な動作について説明する。交流電源装置６２は、図２に示すように、ＡＣ−ＤＣ整流器２５によって、商用交流電源２２の交流電力を整流し、直流電力を出力する。第１の平滑用コンデンサ２６によって、直流電力に基づく直流電圧を平滑にし、第１の直流電力を出力する。ＤＣ−ＤＣ電力変換器２７によって、第１の直流電力を第２の直流電力に変換する。すなわち、ＤＣ−ＤＣ電力変換器２７は、第１の直流電力を入力し、ＤＣ−ＤＣ電力変換器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３５によるゲート制御信号Ａによってオン／オフ制御し、一定の直流電圧、電流、電力（以下、総称して電力という）を制御し、第２の直流電力を出力する。第２の平滑用コンデンサ２８によって、第２の直流電力に基づく第２の直流電圧を平滑にし、平滑した第２の直流電力を出力する。

高周波電力変換器３０によって、平滑された第２の直流電力を高周波交流電力に変換する。すなわち、高周波電力変換器３０は、平滑された第２の直流電圧を入力し、高周波電力変換器３０に内在する第２のスイッチング素子のゲートを、発振制御手段６４によるスイッチング制御信号Ｄによって、高速でスイッチングし、高周波交流電力を出力する。高周波トランス３１によって、生成された高周波交流電力と入力の商用交流電源２２とを電気的に絶縁する。高周波トランス３１は、必要に応じて設置され、絶縁した高周波交流電力を負荷装置２４に供給する。

次に、電力制御手段３５の動作について説明する。電力制御手段３５は、図２および図３に示すように、実際直流電圧値〔Ｂ〕と、第１の電流検出器２９による実際直流電流値〔Ｃ〕とを入力し、実際直流電圧値〔Ｂ〕と、実際直流電流値〔Ｃ〕とから求めた帰還電力値と、基本電力指令値設定器３８による基本電力指令値〔Ｓ〕とに基づいて、第１のスイッチング素子を動作させるためのゲート制御信号ＡをＤＣ−ＤＣ電力変換器２７に出力する。

実際直流電圧値〔Ｂ〕と実際直流電流値〔Ｃ〕とが帰還電力演算器３９に入力すると、帰還電力演算器３９によって、実際直流電圧値〔Ｂ〕と実際直流電流値〔Ｃ〕を乗算し、得られる帰還電力値を減算器４０に出力する。減算器４０によって、基本電力指令値〔Ｓ〕から実際帰還電力値を減算し、得られる電力偏差値をＰＩＤ制御器４１に出力する。ＰＩＤ制御器４１によって、電力偏差値に比例動作させるとともに、前記電力偏差値の積分に比例して入力値を変化させる積分動作、および前記電力偏差値の微分に比例して入力値を変化させる微分動作を組み合わせた制御を行って、操作量をＧＡＴＥ制御器４２に出力する。この場合、ＰＩＤ動作の代わりにＰＩ動作のみの制御を行うようにしてもよい。ＧＡＴＥ制御器４２によって、ＰＩＤ制御器４１による操作量に基づいて、ゲート制御信号Ａを第１のスイッチング素子のゲートに出力する。すなわち、電力偏差値が増加すれば、ゲート制御信号Ａのオン動作時間が長くなるように制御し、電力偏差値が減少すれば、ゲート制御信号Ａのオン動作時間が短くなるように制御する。これにより、電力制御手段３５は、ＤＣ−ＤＣ電力変換器２５が入力する直流電力を一定の直流電力になるように制御することができる。

次に、発振制御手段６４の動作について説明する。図７は、本発明に係る交流電源装置を示す制御ブロックの各信号波形と経過時間との関係を示す図である。図７（Ｕ1）は、アース電流信号Ｕ1のレベルと経過時間との関係を示す図であり、横軸は、経過時間t、縦軸は、アース電流信号Ｕ1のレベルをそれぞれ示す。図７（Ｖ）は、アース電流信号Ｕ1のレベルの絶対値と経過時間との関係を示す図であり、横軸は、経過時間t、縦軸は、アース電流信号Ｕ1のレベルの絶対値をそれぞれ示す。図７（Ｎ＆Ｖ）は、アース電流信号Ｕ1の絶対値および基準電流信号Ｎと経過時間との関係を示す図であり、横軸は、経過時間t、縦軸は、アース電流信号のレベルの絶対値Ｖおよび基準電流信号（２点鎖線で示す）Ｎをそれぞれ示す。図７（Ｗ）は、アーク検出前信号と経過時間との関係を示す図である。横軸は、経過時間t、縦軸は、アーク検出前信号Ｗをそれぞれ示す。図７（Ｋ）は、アーク検出信号と経過時間との関係を示す図であり、横軸は、経過時間t、縦軸は、アーク検出信号Ｋをそれぞれ示す。図７（Ｌ／Ｍ）は、遮断信号および再起動信号と経過時間との関係を示す図である。横軸は、経過時間t、縦軸は、遮断信号Ｌおよび再起動信号Ｍをそれぞれ示す。

図８は、本発明に係る交流電源装置における信号波形の拡大図と経過時間との関係を示す図である。図８（Ｕ1、アークなし）は、アークの発生が無いときのアース電流信号と経過時間との関係を示す図であり、横軸は、経過時間t、縦軸は、アークの発生が無いときのアース電流信号Ｕ1のレベルをそれぞれ示す。ここで、アース電流信号Ｕ1の周期t1は、スイッチング信号Ｄのスイッチング周波数が、例えば２５毎秒キロヘルツとすると、２０マイクロ秒である。

図８（Ｕ1、アークあり）は、アークの発生が有るときのアース電流信号と経過時間との関係を示す図である。横軸は、経過時間t、縦軸は、アークが有るときのアース電流信号Ｕ1のレベルをそれぞれ示す。符号Ｖ1は、アークが有るときのアース電流信号Ｕ1の最大アース電流値を示す。また、符号Ｖ2は、アークが発生しない定常状態の場合のアース電流信号Ｕ1の最大電流値を示す。点Ｔは、アークが発生する場合、アース電流信号Ｕ1のレベルが、瞬時に立上る時刻を示す。

図８（Ｋ）は、アーク検出信号と経過時間との関係を示す図である。点Ｕは、パルス状のアーク検出信号Ｋが出力し始める時刻を示す。図８（Ｌ／Ｍ）は、遮断信号および再起動信号と経過時間との関係を示す図である。点Ｖは、アーク検出信号Ｋに基づいて、遮断信号Ｌが出力し始める時刻を示す。点Ｗは、再起動信号Ｍが出力し始める時刻を示す。t5は、遮断信号Ｌが出力した後、再起動信号Ｍが出力するまでの所定時間を示す。

図９は、本発明に係る交流電源装置におけるアース電流の流れ方の一例を示す図である。アース電流は、プラズマの条件や負荷装置２４の構造的な仕様によって、アークが最初電極間で発生するのではなく、むしろカソード電極６７の片極から一旦、負荷装置のシャーシ６６を仲介して、対向する他の電極との間で発生することにより、負荷装置のシャーシ６６と交流電源装置６２のシャーシとを接続するアース線に流れる。すなわち、真空装置内のプラズマが過剰に発生し、かつ負荷装置２４が、例えば電極と負荷装置のシャーシ６６との間隙が狭いような構造を有するとき、負荷装置のシャーシ６６と電極との間の絶縁耐圧が劣化して、負荷装置のシャーシ６６と電極とが導通することにより、アース電流はアース線に流れる。何故ならば、図９に示すように、仮想コンデンサＣ1およびＣ2が高周波トランス３１の出力線とシャーシとの間に存在するかのように作用し、アース線を経由し電流ループ（イ〜ル）を形成して、アース電流が流れると推定できるからである。

図１０（Ｂ）は、本発明に係る交流電源装置における実際アース電流信号と経過時間との関係を示す図である。横軸は、経過時間t、縦軸は、アース電流信号Ｕ1の実際レベルをそれぞれ示す。結果として、アークが発生したときのアース電流値〔Ｕ1〕は、２０アンペアであり、アークが発生しないときのアース電流値〔Ｕ1〕は、５アンペアである。ここで負荷装置２４に印加する交流電圧は、５００ボルトとする。したがって、アークが発生したときのアース電流値は、アークが発生しないときのアース電流値に対し、４倍だけ感度が高い結果を得たことになる。

アース電流検出器６５によるアース電流信号Ｕ1が、図４に示したアーク検出手段４３の電流―電圧変換器６９に入力すると、図５に示すように、電流―電圧変換器６９によって電圧値〔Ｕ2〕をパルストランス４５に出力する。前記電圧値〔Ｕ2〕がパルストランス４５に入力すると、絶縁した電圧値〔Ｕ3〕を差動増幅器４６に出力する。これにより、パルストランス４５の1次側巻線４５p側の入力信号と２次側巻線４５s側の出力信号とを絶縁することができ、パルストランス４５を有しない発振制御手段に比べて、入力信号に対する出力信号の絶縁性を向上させることができる。さらに、パルトランス４５の代わりに、フォトカプラを使用する場合に比べて、入力信号に対する出力信号の伝達遅れを、さらに低減することができる。

前記電圧値〔Ｕ3〕が差動増幅器４６に入力すると、差動増幅器４６によって、電圧値〔Ｕ3〕を増幅させた出力電圧値〔Ｕ4〕を絶対値変換器４７に出力する。これにより、配線経路のグランドに対し、高圧側の電圧に電気的ノイズが重畳するとき、コモンモードノイズを軽減することができる。

出力電圧値〔Ｕ4〕が絶対値変換器４７に入力すると、出力電圧値〔Ｕ4〕の絶対値を演算して、絶対値を電流判定器７１に出力する。前記絶対値と基準値設定器７０による基準電流値〔Ｎ〕とが電流判定器７１に入力すると、絶対値と基準電流値〔Ｎ〕との大小を比較し、演算の結果により、得られる絶対値が基準電流値〔Ｎ〕に等しいときまたは、より大きいとき、アーク検出前信号Ｗをアーク検出指令器７２に出力する。すなわち、成膜中にアークが発生すると、アーク検出前信号Ｗは、例えば、図７（Ｗ）に示すように、片極性の波状の信号として出力する。

さらに、アーク検出前信号Ｗがアーク検出指令器７２に入力すると、パルス状のアーク検出信号Ｋをラッチおよび遮断信号発生器５１に出力する。アーク検出信号Ｋがラッチおよび遮断信号発生器５１に入力すると、ラッチおよび遮断信号発生器５１によって、ラッチされた遮断信号Ｌを再起動信号演算出力器５２および出力遮断切替器５７に出力する。この場合、遮断信号Ｌは、図７または図８（Ｌ／Ｍ）に示すように、点Ｖにおいて出力する。実際上、ラッチおよび遮断信号発生器５１による信号処理時間の遅延によって、アーク検出信号Ｋが出力する点Ｕから僅かな時間だけ遅れた点Ｖ’（図示せず）において、負荷装置２４への通電状態ＨＩＧＨ状態から遮断状態ＬＯＷに変化するように、遮断信号Ｌを出力する

遮断信号Ｌが再起動信号演算出力器５２に入力すると、再起動信号演算出力器５２に内蔵するタイマが作動し、図８（Ｌ／Ｍ）に示すように、所定時間t5だけ経過した後、タイマがオフとなって、リセット信号Ｍをラッチおよび遮断信号発生器５１に出力する。すなわち、遮断信号Ｌは、リセット信号Ｍにより、点Ｗにおいて、ＬＯＷ状態からＨＩＧＨ状態に変化するように出力する。また、出力遮断切替器５７は、Ｐ側のスイッチング信号Ｄがオン状態のときに遮断信号Ｌを入力した場合、リセット信号Ｍによって再起動するスイッチング信号Ｄを、先ずＮ側からオンし、続いてＰ側がオンするように設定する。逆に、Ｎ側のスイッチング信号Ｄがオン状態のときに遮断信号Ｌを入力した場合、リセット信号Ｍによって再起動するスイッチング信号Ｄを、先ずＰ側からオンし、続いてＮ側がオンするように設定する。すなわち、リセット信号Ｍ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Ｄ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。

この場合、アークが検出された際の極性と同じＰ側またはＮ側にてスイッチングが開始すると、高周波トランス３１において、磁気飽和が起きて抵抗値が小さくなる。この結果、電流が増大し、アークが発生する可能性がある。つまり、反対側の極性のＰ側またはＮ側にてスイッチングを開始させることにより、高周波トランス３１の磁気飽和を防止することができ、結果として、アークの発生を抑制することができる。また、プラズマに起因して、アークを増長させないようにすることもできる。すなわち、高周波トランス３１は、ＤＣ−ＡＣ変換器３０により出力される第１の高周波交流電力を第２の高周波交流電力に変換する際に、飽和することなく、発振制御手段６４により出力されるスイッチング信号Ｄに応じた第２の高周波交流電力を負荷装置２４へ供給することができる。

予め設定されたスイッチング信号のスイッチング周波数〔Ｐ〕およびデッドバンド期間〔Ｑ〕をスイッチング信号生成器５５に入力すると、スイッチング信号生成器５５は、スイッチング周波数〔Ｐ〕およびデッドバンド期間〔Ｑ〕を有するパルス状信号であるスイッチング指令信号Ｉを出力遮断切替器５７に出力する。

遮断信号Ｌがパルス指令演算手段４４の出力遮断切替器５７に入力すると、遮断信号Ｌによって、第２のスイッチング素子を駆動するためのＰ側素子ドライブ回路５８およびＮ側素子ドライブ回路５９に入力する制御信号Ｒを遮断する。これにより、アース電流の変化を検出することによって、アーク現象を捉えた後、遮断信号Ｌによって第２のスイッチング素子のゲートを高速に遮断することができる。すなわち、アース電流を検出してアーク現象を捉える方法は、放電電流が変化する場合並びに放電電圧を検出するだけではアークを確実に捉えることができないような場合に比べて、アークをより早く検出することができる。つまり、アークを高速に検出することができる。これにより、第２のスイッチング素子のゲートを高速に遮断して、アークのエネルギを抑制することができる。

以上の説明では、負荷装置２４内に１対または複数対の電極を配置し、前記各対の電極間の放電域を制限する導体からなるグランドシールド（例えば直方体状の導体とし、電極に対向しない面の一端を基板６８に対向させ、他端を負荷装置のシャーシ６６と直接的に、またはアース線（図示せず）を介して、接続する）を備えていないが、グランドシールドを備える負荷装置２４についても、アース線に流れるアース電流を検出することにより、アーク現象を高速に捉え、これにより高周波電力変換器３０から出力されるエネルギを高速に遮断することができる。

以上により、本発明によれば、交流電源装置６２は、成膜用基板製造装置２１の交流電源装置として、負荷装置のシャーシ６６と交流電源装置６２のシャーシとの間に接続するアース線に流れるアース電流値〔Ｕ1〕の変化を検出するようにした。すなわち、アークの発生が、最初に、電極と負荷装置のシャーシ６６との間の絶縁耐力の劣化等に伴うアース電流値〔Ｕ1〕の変化に表れることから、交流電源装置６２は、このアース電流値〔Ｕ1〕に基づいてアーク現象を捉えるようにした。これによって、アーク現象を高速に捉え、高周波電力変換器３０から出力されるエネルギを高速に遮断することができる。したがって、製造物に障害となるアークエネルギを最小限に抑えることができる。

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概略構成図である。 本発明に係る交流電源装置を示す制御ブロック図である。 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。 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。 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。 本発明に係る交流電源装置における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。 本発明に係る交流電源装置を示す制御ブロックの各信号波形と経過時間との関係を示す図である。 本発明に係る交流電源装置における信号波形の拡大図と経過時間との関係を示す図である。 本発明に係る交流電源装置におけるアース電流の流れ方の一例を示す図である。 本発明に係る交流電源装置における実際アース電流波形および放電電圧と経過時間との関係を示す図である。 従来技術における装置を示す制御ブロック図である。 従来技術における他の装置における実際放電電流波形と経過時間との関係を示す図である。

符号の説明

１ 直流制御部
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 放電電圧検出回路
７ カレントトランス
８ 放電電圧立ち下げ検出回路
１０ ゲートドライブ
１１ インバータ制御部
１２ 処理装置本体
１３ サイリスタ制御部
２２ 商用交流電源
２４ 負荷装置
２５ ＡＣ−ＤＣ整流器
２６ 第１の平滑用コンデンサ
２７ ＤＣ−ＤＣ電力変換器
２８ 第２の平滑用コンデンサ
２９ 第１の電流検出器
３０ 高周波電力変換器
３１ 高周波トランス
３５ 電力制御手段
３７ 直流制御用電源
３８ 基本電力指令値設定器
３９ 帰還電力演算器
４０ 減算器
４１ ＰＩＤ制御器
４２ ＧＡＴＥ制御器
４３ アーク検出手段
４４ パルス指令演算手段
４５ パルストランス
４６ 差動増幅器
４７ 絶対値変換器
５１ ラッチおよび遮断信号発生器
５２ 再起動信号演算器
５３ スイッチング周波数設定器
５４ デッドバンド設定器
５５ スイッチング信号生成器
５７ 出力遮断切替器
５８ Ｐ側素子ドライブ回路
５９ Ｎ側素子ドライブ回路
６１ 成膜用基板製造装置
６２ 交流電源装置
６３ 電力制御／発振部
６４ 発振制御手段
６５ アース電流検出器
６６ 負荷装置のシャーシ
６７a、６７ｂ カソード電極
６８ 基板
６９ 電流―電圧変換器
７０ 基準値設定器
７１ 電流判定器
７２ アーク検出指令器
７３ 抵抗体
７４ コンデンサ
７５a、７５b、７５c、７５d 抵抗体
７６ オペアンプ
Ａ ゲート制御信号
Ｂ 実際直流電圧信号
Ｃ 実際直流電流信号
Ｃ1 仮想コンデンサ
Ｃ2 仮想コンデンサ
Ｄ スイッチング制御信号
Ｉ スイッチング指令信号
Ｋ アーク検出信号
Ｌ 遮断信号
Ｍ 再起動信号
Ｎ 基準電流信号
Ｓ 基本電力指令信号
Ｕ1 アース電流信号

Claims (6)

1. 商用交流電力から変換した高周波交流電力を負荷装置へ供給する電源であって、アークを抑制する交流電源装置において、
   前記商用交流電力から直流電力を生成するＡＣ−ＤＣ整流器と、
   前記直流電力を前記負荷装置に見合う直流電力に変換するＤＣ−ＤＣ電力変換器と、
   前記変換された直流電力を高周波交流電力に変換する高周波電力変換器と、
   前記高周波交流電力を商用交流電源と絶縁する高周波トランスと、
   前記負荷装置のシャーシと当該交流電源装置のシャーシとをアース線で接続し、かつ前記負荷装置のシャーシを接地して、前記アース線に流れるアース電流を検出するアース電流検出器と、
   前記アース電流から前記アークの発生を検出し、さらにアークの発生により出力する遮断信号によって高周波交流電力の前記負荷装置への電力供給を遮断することで、アークエネルギを抑制するアーク抑制手段と、
   を備えることを特徴とする交流電源装置。
2. 前記アーク抑制手段は、
   前記アース電流の変化を捉えてアークを検出し、アークの発生の検出に基づいて前記高周波電力変換器のパワー素子のゲートを遮断することを特徴とする請求項１に記載の交流電源装置。
3. 前記アーク抑制手段は、
   前記アース電流と基準アース電流とを比較して、前記アース電流が前記基準アース電流に等しいとき、または大きいとき、アークの発生を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の交流電源装置。
4. 負荷装置に商用交流電力から変換される高周波電力を供給する電源であって、アーク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、
   前記商用交流電力から直流電力を生成するＡＣ−ＤＣ整流工程と、
   前記直流電力を負荷装置に見合う直流電力に変換するＤＣ−ＤＣ電力変換工程と、
   前記変換された直流電力を高周波交流電力に変換する高周波電力変換工程と、
   前記高周波交流電力を前記交流電源と絶縁する電力絶縁工程と、
   接地した前記負荷装置のシャーシと前記交流電源装置のシャーシとを接続したアース線につき、該アース線に流れるアース電流を検出するアース電流検出工程と、
   前記アース電流から前記アークの発生を検出し、さらにアークの発生により出力する遮断信号によって高周波交流電力の負荷装置への電力供給を遮断することで、アークエネルギを抑制するアーク抑制工程と、
   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。
5. 前記アーク抑制工程は、
   前記アース電流の変化を捉えてアークを検出し、アークの発生の検出に基づいて前記高周波電力変換器のパワー素子のゲートを遮断することを特徴とする請求項４に記載の交流電源装置におけるアーク抑制方法。
6. 前記アーク抑制工程は、
   前記アース電流と基準アース電流とを比較して、前記アース電流が前記基準アース電流に等しい、または大きいとき、アークの発生を検出することを特徴とする請求項４または請求項５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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