JP4624414B2 - プラズマにおけるアーク電流の早期短絡を用いた迅速なアーク消滅のための装置 - Google Patents

Description

本発明は一般に、プラズマ処理用途におけるアークを検出および防止または消滅させる電力供給装置に関し、より詳細には、ｄｃプロセスならびにそのアークを消滅させるための装置および方法に関する。

カソードアークは、電荷が蓄積されている絶縁体上の点とカソード上の点との間に放電が生じる場合、プラズマベースの処理において発生すると言われている。プラズマのインピーダンスが消滅し、これはしばしば、マイクロアークと呼ばれる。これまで、これらのマイクロアークはしばしば、重要ではないものとして無視されていた。しばしば、それらの存在は気付かれないままであり、それゆえに、電力供給装置はそれらの存在を直接には検出しなかった。マイクロアークが十分迅速に消滅しない場合、マイクロアークがハードアークと呼ばれるものに発展するカスケード効果が存在し得る。プラズマは、次いで、このハードアークを介して放電され、迅速に消滅しない場合には、その処理およびフィルムの品質に対して非常に不利であり得る、非常に高密度の電力を生成する。

ｄｃプラズマ処理におけるアーク制御に対する過去のアプローチは、ｄｃ電力供給装置によってアークに供給されるエネルギーの低下に集中しているか、またはそれらのアプローチは、アーク放電の発生を排除するため、ｄｃ電力と合わせて、高周波数電力または中波電力を用いる。特許文献１において教示されている電源供給装置などの、エネルギーを殆ど保存しない電源供給装置は、出力ケーブルにおいて保存されている量を超えて、エネルギーをアークに供給しない。そのような電源供給装置は、アークが検出された後、オフにすることによってアークを消滅させる。電源供給装置がオフにされた後、ケーブルに保存されたエネルギーは、アークへと消散され、ケーブルおよび電源供給装置の中で失われる。このタイプの電源供給装置は、アークを感知し、その電源供給装置をオンおよびオフにするために、アクティブ回路網を必要とする。

あるいは、例えば、特許文献２および特許文献３に教示されているように、電源供給装置の調節または論理回路を妨げることなくアークが生じるように、パッシブ回路網は、アークを消滅するように用いられ得る。パッシブ回路網は通常、インダクタンスおよびコンデンサを含み、プラズマにおいて電流をゼロにリング（ｒｉｎｇ）する共振回路を提供し、アークをオフにする。インダクタンスは、ディスクリートインダクタを含み得るが、また、電力供給装置をプラズマチャンバに接続する出力ケーブルのインダクタンスでもあり得る。このリングアウトの典型的な時間は、数マイクロ秒から数十マイクロ秒の範囲である。このパッシブ・リングアウト（ｒｉｎｇ ｏｕｔ）回路は、出力電流において大きなオーバーシュートを生成し、共振要素の値に依存し、その結果、そのプロセスに多量のエネルギーが放出されるという結果となり得る。特許文献３および特許文献４は、数マイクロ秒において、アークを消滅させることができる共振リングアウト回路を教示する。

多くの電力供給装置において、出力フィルタインダクタンスは、ケーブルインダクタンスよりも遥かに多くのエネルギーを保存し、その電力供給装置が、アークが感知された後に、単にオフにされた場合、出力キャパシタンスに保存されたエネルギーが比較的低い場合でさえも、多量のエネルギーはアークに供給され得る。負荷に供給される保存された誘導エネルギーの量を減らす一つのアプローチは、電流がプラズマに到達するのを防ぐために、開かれている、電力供給装置の出力と直列のスイッチを用いる。この方法はインダクタ電流の遮断を含むゆえに、大きな電圧スパイクがスイッチに亘って発展され得、これによって、スイッチを保護するために、誘導エネルギーを消散させる効果的な手段を有することが必要となる。

業界において一般的に認められていることは、アークを消滅させる最も良いアプローチは、アークを介して、電流をゼロ、または一部の所定の低閾値に減らすことである。図１は、典型的なアークリングアウトプロセスを示す。アークをリングアウトする最も容易な方法は、通常、ｄｃ電源供給装置のためのフィルタコンデンサの役割を果たす電力供給装置の出力部上のコンデンサＣ_ｏｕｔと、電力供給装置の出力部と直列に挿入されたディスクリートインダクタを含み得るが、電力供給装置の出力ケーブルのインダクタンスであってもよい、インダクタンスＬ_{ａｒｃｏｕｔ}との間において共振回路（図示されず）を生成する。典型的なリングアウト回路において、アークは、電流をゼロにドライブすることによって消滅される。

図１に示されるように、ｔ_１からｔ_２への間の時間はアークの開始である。リングアウトは時間ｔ_２とｔ_３との間において生じる。電流は時間ｔ_３においてゼロに達し、アークは消滅される。ｔ_４において、プラズマは自然に回復する。Ｉ_ｐｅａｋはリングアウトによって生成された電流のピーク値である。図１および図３にプロットされた電圧波形はチャンバにおける電圧であり、そのチャンバの負の入力端子に参照される。電流波形は、チャンバの正の入力端子へと流れ込む電流を示す。

図１に規定されるような、Ｉ_ｐｅａｋおよび時間間隔ｔ_ｒｉｎｇのおよその値は、以下の等式によって計算され得る：

パッシブ・リングアウトのアプローチは、少なくとも以下の不利な点を有する。
１）電流を一貫してゼロに到達することを保証するために、ピーク電流は電流のｄｃ値の少なくとも２倍である必要がある。これは、電流ピークが非常に高いことを意味する。
２）電流をゼロにリングすることを保証するために、Ｚ_{ａｒｃｏｏｕｔ}の値は、最小出力電圧において、最大出力電流を収容するのに十分に低くなければならない。これは、最小出力電圧よりも高い出力電圧にて動作する場合、電流を、必要な電流よりも相当に大きくリングアウトさせる。
３）電源供給出力電圧は、その出力電流がゼロにドライブされる場合、極性を反転する。大きすぎる逆電圧を有することは、逆電流がアーク後に流れる場合、有害であり得、従って、逆電流を防ぐための余分な回路網は、特許文献５および特許文献３に教示されるように、ときに必要とされ得る。

マイクロアークを、ハードアークに発展することを防ぎ、迅速なアークのリングアウトを可能にする、ｄｃプラズマプロセスのための電力供給装置を提供することが所望される。また、電力供給装置が、超低エネルギー放電をアークに供給し、十分に迅速に動作してプラズマが、自己イオン化プラズマなどの繊細な用途において消滅しないようにすることが所望される。
米国特許第５，５３５，９０６号明細書 米国特許第５，６４５，６９８号明細書 米国特許第６，５２４，４５５号明細書 特許第６１０３０６５５号明細書 米国特許第６，６４５，６９８号明細書

本発明の目的は、アークの開始において、プラズマからの電流を迂回させる、ｄｃベースのプラズマ処理のための電力供給装置および方法を提供することである。

本発明によって、アークに供給される電流を最小化し、およびアーク開始プロセスにおいて、初期にプラズマから電流を迂回させるための短絡スイッチを利用することによって、プロセスにおけるアーク放電の効果を低減する、ｄｃベースのプラズマ処理のための電力供給装置を提供し、その結果、マイクロアークがハードアークに展開する可能性を実質的に低下させる。短絡スイッチの作動に続く、所定の短時間の間隔の後、電源供給装置は短絡スイッチをオフにし、出力電圧が上昇するかどうかをチェックする。出力電圧が上昇する場合、短絡スイッチはオフのままであり、通常の動作が再開する。出力電圧が低いままである場合、その短絡スイッチは、再びオンにされ、アークが消滅するように、さらなる時間を許可する。

図２を参照すると、本発明の原理を組み込むｄｃプラズマ処理装置１０が示される。ｄｃ電力供給装置１２は、ケーブル１６を介して電力をプラズマ１４に供給する。プラズマ１４は電極（図示されず）間において点火され、基板上の材料を処理するために、チャンバ（図示されず）に含まれ、該基板は図示されないが、当業者には周知である。短絡スイッチＳ１は出力コンデンサＣ１と並列に接続される。短絡スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、または他の適切な半導体スイッチであり得る。

ｄｃ電力供給装置は、アークが生じた場合、出力電流がそれほど上昇しないように、アークの時間尺度上における対応電流源であるように設計されるべきである。ｄｃ電力供給における高適合性を達成する典型的な方法は、出力と直列である十分に大きいインダクタンスを有するか、または迅速な電流をプログラムされた（ｆａｓｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ）電流制御器を有するかのいずれかである。

出力コンデンサＣ１は、最小の可能なエネルギーを保存し、同時に、十分なフィルタリングを提供し続けるように設計されている。フィルタコンデンサが十分に小さい場合、マイクロアークがハードアークに展開しないように十分に低い値に対してマイクロアーク生じる場合に、プラズマ処理装置の出力電流における上昇を制限することが、通常は可能である。

図３は、図２に示されたｄｃプラズマ処理のための制御スキームの動作特性を示す。時間ｔ_１において、アークはプラズマにおいて開始される。出力コンデンサＣ１およびケーブル１６Ｌ_{ｃａｂｌｅ}によって提供される自然なリングアウトが存在する。

ダイオードＤ１は短絡スイッチＳ_１と直列に挿入され、出力ケーブルのインダクタンスと共振する場合、Ｃ１を介する電圧が反転可能となる。Ｄ１は、短絡スイッチが電流を迂回させる場合、順方向バイアスである。

電力供給装置の出力部における電圧降下および電流上昇は、ケーブルインダクタンスのＣ１との相互作用によって遅延される。これは、アークが検出され得る時間を遅延させる。

短絡スイッチＳ１は、以下の方法においてスイッチをオンまたはオフにするように機能する制御回路（図示されず）によって制御される。短絡スイッチＳ１は、アークが電力供給装置１２によって検出された後、オンにされる。スイッチは、Ｃ１が放電された後、短時間で最適にオンにされる。これは、スイッチがコンデンサに保存されたエネルギーを吸収しないようにするためである。図２の回路に関して、短絡スイッチは、Ｃ１が放電されるまでオンにすべきではないが、放電は電流のリングアップのおよそピーク時間まで生じない。

短絡スイッチは、出力電圧が反転される時間間隔の間、効果を有さない。ｄｃ電力供給装置は、この間隔の間、電流を出力ケーブルに供給し続ける。Ｃ１を介した電圧からのリングアウトに続いて、スイッチがオンになるので、電力供給装置からの電流は、ケーブルおよびプラズマから迂回される。これは、ケーブルにおけるエネルギーを減衰させる。電流の減衰の勾配は、ケーブルのインダクタンスおよびアークに亘る電圧に依存する。電流の減衰は時間ｔ_２とｔ_３との間において見られ、それらは制御され得る。Ｃ１の値は、好適には、電力供給装置の出力電流をフィルタリングするために必要とされるのと同じ程度に大きいように選択される。従来のリングアウト回路と異なり、出力電流は、ゼロにリングされる必要はなく、その出力電流は、定常状態の値の２倍の最小値にまで上昇する必要はない。電力供給装置の制限された出力電流によって、通常、マイクロアークが、プラズマを介した電流がゼロに到達する前に、十分に消滅される。

時間ｔ_３の終了時、短絡スイッチはオフにされる。これは、ケーブルにおける電流がゼロに減少される前に、電力供給装置からの電流を再びプラズマへ流れ込ませる。本発明者らによって実行された実験は、スイッチのオン時間が、通常は約５〜１０マイクロ秒であるが一部のプラズマに対してはそれより長くあり得る（約２０マイクロ秒）少なくとも所定の最小時間間隔、続く場合、プラズマ電圧は、大方の場合、短絡スイッチがオフにされた後に上昇したことを示した。スイッチがオフにされた後、出力電圧が、所定の閾値よりも上昇した場合、スイッチはオフのままであり、電力供給装置は、電力の供給を継続し得る。電圧が上昇しない場合、短絡スイッチは再びオンにされ得る。

電圧が上昇しない場合で、時間ｔ_３にて短絡スイッチをオフにする場合まで、スイッチがどの程度長くオンにされるべきかを決定するいくつかのオプションが存在し、それぞれは、特定のプラズマタイプに対して有利であり得る。
１）ケーブルにおける電流が完全に減衰されることを保証するために十分に長い所定の時間間隔の間、スイッチがオンにされ得る。その時間間隔は、ハードアークへの発展の間に発現し得るホットスポットの冷却を可能にするために、電流減衰時間よりも実質的により長い長さにセットされ得る。
２）ケーブルにおける電流が完全に減衰されることを保証するためには十分に長くない所定の時間間隔の間、スイッチがオンにされ得る。その時間間隔に続いて、出力電流が一部の所定の閾値未満に下がる場合、スイッチはオフにされる。
３）ケーブルにおける電流が完全に減衰されることを保証するためには十分に長くない所定の時間間隔の間、スイッチがオンにされ得る。プラズマ電流がゼロになる前にアークが消滅される場合、プラズマを介した電流は、ケーブルインダクタンスに保存されたエネルギーのために上昇する。電力供給装置の出力電圧はＣ１のために上昇せず、しかし、アークの終了時は、プラズマ電流における急落を検出することによって、感知され得る。このインプリメンテーションにおいて、電力供給装置がプラズマ電流における急速な減衰を感知した場合、スイッチはオフにされる。
４）ケーブルにおける電流が完全に減衰されることを保証するためには十分に長くない所定の時間間隔の間、スイッチがオンにされ得る。プラズマ電流がゼロになる前にアークが消滅される場合、プラズマを介した電流は、ケーブルインダクタンスに保存されたエネルギーにために上昇する。電力供給装置の出力端子と直列にあるインダクタンスが存在する場合、たとえＣ１を介した電圧が上昇しない場合であっても、アークがこのインダクタンスを介して流れる電流における変化のためにオフになる場合、電力供給装置の出力電圧は上昇する。このインプリメンテーションにおいて、電力供給装置が出力電圧における上昇を感知するか、またはインダクタンスを介した電圧における上昇を感知する場合、スイッチはオフにされる。この直列のインダクタンスは、一つ以上のディスクリートインダクタを用いて、または、Ｃ１と出力端子との間において接続される、図５に示されるものなどのような、ＥＭＩフィルタの差動モードインダクタンスを用いて、実現され得る。
オプション３および４に記載されている、アークが消滅された場合を感知する方法は、プラズマにおけるアーク状態の発生に続いて、出力電力が妨げられる、任意のｄｃプラズマ電力供給をいつ再び有効にするかを決定するために用いられ得る。

図４を参照すると、本発明の原理を組み込むｄｃプラズマ処理装置１０の代替的な実施形態が示される。ケーブル１２が高インダクタンスを有する状況においてか、または非常に迅速なアークの回復を必要とするプロセスに対して、ｄｃソース１８は、短絡スイッチと直列に置かれる。ｄｃソースは電圧を提供し、負の電圧は、ｔ_３からｔ_２への期間における電流の勾配を増加させ、その電流をより低く、より迅速にし、その結果、アークを消滅させる可能性を増加させる。本発明のアーク処理回路は、プラズマ電流をゼロにすることなく、多くの場合において、アークを消滅させることを可能にする。Ｃ１は出力ケーブルのインダクタンスと共振するゆえに、しかしながら、一部の動作状況、特により高い出力電圧および低い出力電流における状況なども存在し、短絡スイッチの動作から独立して、プラズマ電流が自然にゼロへとリングする。

しかしながら、図５における回路は、短絡スイッチとＣ１との間に挿入されたブロッキングダイオードＤ２を有し、これによって、Ｃ１のエネルギーをスイッチに放出することを心配する必要なく、常に、短絡スイッチがオンになることが可能となる。クランピングダイオードアセンブリＺ１およびＺ２は、過渡過電圧からＳ１およびＤ１を保護する。Ｌ１は、一つ以上のインダクタを備え得るｄｃ電力供給装置１２におけるフィルタインダクタンスを表す。フィルタリングを提供することに加えて、電力供給装置が、フィルタの前方の電力供給装置のインピーダンスが比較的低い場合であっても、アークの時間尺度上における電流ソースとして動作することを可能にする。短絡スイッチは、Ｌ１に保存されたエネルギーがアークへ放出されないようにする。短絡スイッチがオンである一方で、Ｌ１に流れる電流は、比較的少ないエネルギーを消散する方法において、電力供給装置を介して循環して戻り得る。インダクタに残っているエネルギーは、短絡スイッチがオフである場合、プラズマに解放されるように利用可能である。Ｃ１によってアークへ供給されるエネルギーは、ハードアークが形成されないように十分に低く、次いで、短絡スイッチは、僅か数マイクロ秒後であって出力ケーブルにおける電流およびプラズマがゼロにまで減衰される十分前に、オフにされ得る。Ｌ１から解放されたエネルギーは、プラズマ処理が定常状態の動作へ迅速に戻るのを助ける。

プラズマにおけるアーク状態が、電流供給装置からの電力の流れが短い遮断間隔に続いて回復された後も持続する場合、短絡スイッチは再びオンにされ、アークが消滅するようにさらなる時間が許可される。短絡スイッチが最終的にオフにされた場合、Ｌ１に保存された任意の残りのエネルギーは、インダクタの電流がゼロから増加する必要がある場合よりも、より迅速に定常状態動作に、プラズマ処理が戻ることを助ける。

本明細書に記載された本発明は、出力コンデンサと並列にある電力供給装置の出力部において、短絡スイッチを配置することによって、プラズマから電流を迂回させることを教示する。しかしながら、本発明の目的は、アークの開始時においてプラズマから電力供給装置からの電流を迂回し、それによって、エネルギーが電力供給装置からプラズマへと流れることを妨げ、次いで、電力供給装置がプラズマへのエネルギーの流れを再び有効にする場合に、再びエネルギーを流れさせることであることが理解されるべきである。これは、当業者に対して周知である他の方法において達成され得る。例えば、本発明の他の実施形態は、電力供給インダクタと並列に、または電力供給インダクタ上の別個の巻き線（ｗｉｎｄｉｎｇ）と並列に、短絡スイッチを配置することによって、実現され得る。本発明のさらなる他の実施形態は、本明細書に記載されたタイミング方法および制御方法にしたがい、プラズマへ電力供給装置からのエネルギーの流れを迂回し、および、再び有効にするための他の方法によって用いられることによって実現され得る。

図示および記載された、動作の特定の構造および詳細が存在するが、それらは、単に例示の目的のためのみであり、変更および修正が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者によって容易になされ得ることは明瞭に理解される。

図１は、アークをリングアウトするために、電力供給装置において用いられる共振回路のための従来技術の電圧波形および電流波形を示す。 図２は、本発明の原理を組み込むｄｃプラズマ処理装置を示す。 図３は、重ね合わされた図１の従来技術の電流波形を有する、図２において示されたｄｃプラズマ処理装置のための電圧波形および電流波形を示す。 本発明の原理を組み込むｄｃプラズマ処理装置の別の実施形態を示す。 本発明の原理を組み込む、さらに詳細なｄｃプラズマ処理装置を示す。

Claims (4)

1. ａ）少なくとも２つの電極を有するプラズマ処理のためのチャンバと、
   ｂ）出力インダクタと出力コンデンサとを有する電力供給装置であって、プラズマを点火するために、および、電力を供給するために、該電極に電圧を供給する電力供給装置と、
   ｃ）該インダクタに接続された短絡スイッチであって、アークの開始時に、該プラズマから電流を迂回させる短絡スイッチと、
   ｄ）該出力コンデンサと該短絡スイッチの出力端子との間に電気的に接続されたブロッキングダイオードであって、該短絡スイッチがオンにされたときに該出力コンデンサからエネルギーが該短絡スイッチに放出されないように該出力コンデンサを該短絡スイッチから分離するブロッキングダイオードと
   を備える、ｄｃプラズマ処理のための装置。
2. 前記短絡スイッチの作動が、前記アークが検出された後に生じ、第１の所定の時間間隔の間、前記電流を迂回させる、請求項１に記載のｄｃプラズマ処理のための装置。
3. 前記短絡スイッチは、前記プラズマ内の電流がゼロに到達する前に、前記第１の所定の時間間隔の終了時に解放され、前記電流はプラズマに再び導かれる、請求項２に記載のｄｃプラズマ処理のための装置。
4. 前記短絡スイッチは、前記アークが消滅しない場合に、第２の所定の時間間隔の終了時に再作動される、請求項３に記載のｄｃのプラズマ処理のための装置。

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