JP4627696B2

JP4627696B2 - 真空装置

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Description

本発明は、真空中で発生させたプラズマを利用するスパッタ装置、エッチング装置、ＰＶＤ装置、電子ビーム蒸着装置などの真空負荷における異常放電の発生を防止又は抑制する異常放電防止装置を備える真空装置に関する。

真空中でプラズマを発生させ、そのプラズマを利用して加工又は処理するスパッタ装置、エッチング装置、ＰＶＤ装置、電子ビーム蒸着装置などの真空負荷は以前から広い分野で使用されている。そして、このような真空負荷にあっては、何らかの原因で電極間のインピーダンスが低下したり、あるいは導電性の異物で電極間が短絡されることによって、異常放電が発生することが既に知られている。このような異常放電が発生すると、特にスパッタ装置ではスパッタリング中の液晶などの基板材料に欠陥を与え、製品の歩留まりの低下を招くという問題があり、また、電子ビーム蒸着装置では放電エネルギーによってフィラメントが断線してしまうなどの問題がある。このような問題を解決するため、異常放電を防止、又は抑制する異常放電防止回路がすでに種々提案されており、例えば比較的回路構成が簡単で、効果的な異常放電防止回路として、真空負荷に並列接続した半導体スイッチ素子を定期的に又は異常放電が発生したときに短時間オンさせることによって、逆極性のパルス状電圧を真空負荷に印加して異常放電を発生させない、あるいは発生した異常放電を速やかに消滅させる技術も提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

このように定期的に又は異常放電が発生したときに半導体スイッチ素子を短時間オンさせる回路構成の場合には、特に半導体スイッチ素子をオフさせるときに、それまで半導体スイッチ素子に流れていた電流を急激に遮断すると、半導体スイッチ素子にかなり高い電圧が印加され、半導体スイッチ素子の電力損失が大幅に増大することが知られており、これを防止するための回路も既に提案されている（例えば、特許文献４参照）。特許文献４では、図５に示すように、直流電源１とインダクタ２、真空負荷３それぞれに並列接続され、かつ逆電圧電源４と直列接続されている半導体スイッチ素子５に、並列にコンデンサＣとダイオードＤとを接続すると共に、更に並列に放電用抵抗器Ｒを接続し、半導体スイッチ素子５のターンオフ時に発生する回路の配線インダクタンスなどによるサージエネルギーをコンデンサＣにバイパスさせて、半導体スイッチ素子５の両端の電圧が急激に上昇するのを防いでいる。そして、半導体スイッチ素子５のターンオフ時にコンデンサＣに充電された電荷は、次に半導体スイッチ素子５がオンするときに放電用抵抗器Ｒを通して放電され、コンデンサＣに充電された電荷は放電用抵抗器Ｒですべて消費され、熱となる。なお、半導体スイッチ素子５は、制御回路６によってオン駆動され、真空負荷３に逆電圧電源４の逆電圧を印加する。

従来例として図５の真空装置について更に説明すると、異常放電を発生させないために、制御回路６は、半導体スイッチ素子５を例えば１０ｋＨｚの繰り返し周波数で周期的に一定の時間幅でオンさせる。半導体スイッチ素子５が周期的にオンすることによって、逆電圧電源４から半導体スイッチ素子５を通して真空負荷３に正極性のパルス電圧が加わり、異常放電の原因となるターゲット上の負の帯電電荷を中和している。一般的に、逆電圧電源４の電圧は直流電源１の出力電圧の２０％程度の大きさに設定され、例えば、直流電源１の出力電圧が−５００Ｖの場合、逆電圧電源４の出力電圧Ｖｒは１００Ｖ程度である。したがって、半導体スイッチ素子５が駆動される繰り返し周波数ｆを１０ｋＨｚ、コンデンサＣの静電容量ｃを０．１μＦとし、半導体スイッチ素子５のターンオフ時に発生する電圧上昇分を１００Ｖとすると、コンデンサの電圧Ｖは７００Ｖ程度になる。つまり、半導体スイッチ素子５に印加される電圧を高々この程度の電圧に抑制することができるが、このように仮定した場合の損失電力ＰＬは、ＰＬ＝０．５×ｃ×Ｖ^２×ｆ＝０．５×０．１×１０^−６×７００^２×１０×１０^３から２４５Ｗとなる。この電力損失による発熱は、ファンなどによる空冷で処理することができるが、環境問題の面から好ましくなく、真空装置内の温度を上昇させる原因にもなるので、最小限に抑制することが望まれる。

従来の真空装置についてもう少し詳しく述べると、定常の運転では、直流電源１からインダクタ２を通して真空負荷３にプラズマ電流Ｉｐが継続的に流れている。半導体スイッチ素子５がオンすると、インダクタ２を流れていた電流は逆電圧電源４と半導体スイッチ素子５との経路側に転流し、同時に真空負荷３に逆電圧を印加する。このとき、逆電圧電源４と半導体スイッチ素子５との経路を流れる電流は、直前までインダクタ２を流れていた電流値を初期値として、ΔＩだけ増加する。電流ΔＩは、Ｅ・Ｔ／Ｌとなる。ここで、Ｅは直流電源１の出力電圧Ｖと逆電圧電源４の出力電圧Ｖｒとの和の電圧であり、Ｔは半導体スイッチ素子５のオン時間である。ただし、インダクタ２のインダクタンスＬが十分に大きければ、電流ΔＩを無視できるから、半導体スイッチ素子５を流れる電流はプラズマ電流Ｉｐに近似することができる。

継続的な繰り返しパルスの場合、その繰り返しパルスのパルスデューティをＤｕとすると、逆電圧電源４が供給する電流Ｉｒは、Ｉｒ×Ｄｕとなる。この電流Ｉｒは高いデューティパルスや大容量の真空装置では無視できない電流となり、逆電圧電源４の容量は大きくなる。例えば、直流電源１が５０ｋＷ（−５００Ｖ、１００Ａ）の出力容量を有し、繰り返し周波数１０ｋＨｚで、２０μｍのパルス幅の逆電圧パルスを印加している状態でプラズマ電流を発生したとき、逆電圧電源４の出力電流Ｉｒは、Ｉｐ×Ｄｕ＝１００×０．２から２０Ａとなり、逆電圧電源４の出力容量Ｐｒは、Ｖｒ×Ｉｒ＝１００×２０から２０００Ｗとなり、非常に大きな電力となる。したがって、真空負荷３が大容量になるほど、逆電圧電源４の容量は増大する。これに伴い、半導体スイッチ素子５のオフ時に発生する電力損失も増大することが分かる。
特開平０７−１９７２５８号公報特開平０８−３１１６４７号公報特開２００５−１５１６１２公報特開２００４−００７８８５公報

以上述べたように、前記特許文献４に開示された異常放電発生防止機能を備える真空装置にあっては、異常放電の発生を防止するために、又は発生した異常放電を速やかに消滅させるために、半導体スイッチ素子５を定期的に又は異常放電の発生時に逆電圧電源４から真空負荷３に逆電圧を印加したり、あるいは異常放電の予知時にオンさせて、逆電圧電源４から真空負荷３に逆電圧を印加しているが、その場合には半導体スイッチ素子５のオフ時に大きな電圧が半導体スイッチ素子５に加わってしまうので、これを軽減するために半導体スイッチ素子５のオフ時に発生するサージエネルギーを一旦コンデンサＣに吸収して蓄え、次に半導体スイッチ素子５がオンするときに放電用抵抗器Ｒに放電している。しかしこの場合には、コンデンサＣに一旦蓄えられた逆電圧電源４からのエネルギーは、前述したように放電用抵抗器Ｒで消費され、すべて電力損失となる。

本発明はかかる従来の真空装置の課題を解決するために、半導体スイッチ素子のオフ時に逆電圧電源からのエネルギーをコンデンサに一旦蓄え、その次に半導体スイッチ素子がオンするときに逆電圧電源と直流電源との双方又はいずれか一方に前記コンデンサに蓄えたエネルギーを帰還することによって、電力損失を抑制し、温度上昇を制限すると共に、逆電圧電源の小容量化などを実現することを主な課題としている。

前述のような問題を解決するため、発明１は、直流電源と、その直流電源の出力端子と真空負荷との間にこれらと直列に接続されているインダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続されていて、かつ互いに直列接続されている半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンするときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、互いに直列接続されている第１のダイオードとコンデンサとを前記半導体スイッチ素子に跨って並列に接続し、パルストランスの１次巻線の一端を、前記第１のダイオードと前記コンデンサとの間に接続すると共に、その他端を前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との間に接続し、前記直流電源の出力端子間に第２のダイオードを介して前記パルストランスの２次巻線を接続し、前記半導体スイッチ素子のオフの際に前記コンデンサに充電された電荷を、前記半導体スイッチ素子のオンの際に前記パルストランスを介して前記直流電源に帰還することを特徴とする真空装置を提供する。

前述のような問題を解決するため、発明２は、直流電源と、その直流電源の出力端子と真空負荷との間にこれらと直列に接続されているインダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続されていて、かつ互いに直列接続されている半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンするときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、互いに直列接続されている第１のダイオードとコンデンサとを前記半導体スイッチ素子に跨って並列に接続し、パルストランスの１次巻線の一端を、前記第１のダイオードと前記コンデンサとの間に接続すると共に、その他端を前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との間に接続し、前記逆電圧電源の出力端子間に第３のダイオードを介して前記パルストランスの２次巻線を接続し、前記半導体スイッチ素子のオフの際に前記コンデンサに充電された電荷を、前記半導体スイッチ素子のオンの際に前記パルストランスを介して前記逆電圧電源に帰還することを特徴とする真空装置を提供する。

前述のような問題を解決するため、発明３は、直流電源と、その直流電源の出力端子と真空負荷との間にこれらと直列に接続されているインダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続されていて、かつ互いに直列接続されている半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンするときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、互いに直列接続されている第１のダイオードとコンデンサとを前記半導体スイッチ素子に跨って並列に接続し、パルストランスの１次巻線の一端を、前記第１のダイオードと前記コンデンサとの間に接続すると共に、その他端を前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との間に接続し、前記直流電源の出力端子間に第２のダイオードを介して前記パルストランスの第１の２次巻線を接続し、前記逆電圧電源の出力端子間に第３のダイオードを介して前記パルストランスの第２の２次巻線を接続し、前記第２の２次巻線と前記第１の２次巻線との巻数比を、前記逆電圧電源の出力電圧と前記直流電源の出力電圧との比率よりも大きくし、前記半導体スイッチ素子のオフの際に前記コンデンサに充電された電荷を、前記半導体スイッチ素子のオンの際に前記パルストランスを介して前記逆電圧電源及び前記直流電源に帰還することを特徴とする真空装置を提供する。

発明４は、前記第１の発明ないし前記第３の発明のいずれかにおいて、前記パルストランスの前記１次巻線の前記他端と前記逆電圧電源の正極の出力端子との間には、一方の極性の第４のダイオードと他方の極性の第５のダイオードの双方、又はいずれかが接続されていることを特徴とする真空装置を提供する。

発明５は、前記第１の発明ないし前記第４の発明のいずれかにおいて、前記コンデンサのキャパシタンスは、前記パルストランスの１次巻線が呈するインダクタンスと共振を生じ、その共振の１周期の１／４が前記半導体スイッチ素子のオン時間幅よりも短くなるように、前記キャパシタンスと前記インダクタンスとが選定されていることを特徴とする真空装置を提供する。

発明６は、前記第１の発明ないし前記第５の発明のいずれかにおいて、前記パルストランスは、前記半導体スイッチ素子がオンするときに１次巻線を流れる電流により励磁されて磁気エネルギーを蓄積し、前記半導体スイッチ素子がターンオフするときに前記磁気エネルギーを放出するフライバック型のパルストランスであることを特徴とする真空装置を提供する。

前記第１の発明によれば、半導体スイッチ素子のオフ時に逆電圧電源からのエネルギーをコンデンサに一旦蓄え、そのエネルギーを直流電源に帰還しているので、電力損失を低減することができ、電力効率の向上、環境の改善、真空装置の温度上昇の抑制などを達成することができる。

前記第２の発明によれば、半導体スイッチ素子のオフ時に逆電圧電源からのエネルギーをコンデンサに一旦蓄え、そのエネルギーを逆電圧電源に帰還しているので、電力損失を低減することができ、電力効率の向上、環境の改善、真空装置の温度上昇の抑制、及び逆電圧電源の小容量化、小型化などを達成することができる。

前記第３の発明によれば、前記第１の発明と前記第２の発明で得られる効果の他に、前記エネルギーの帰還に伴う逆電圧電源の電圧の上昇を抑制することができる。

前記第４の発明によれば、前記第１の発明ないし前記第３の発明のいずれかで得られる効果の他に、前記第４のダイオードを備えることにより、逆電圧電源からパルストランスの１次巻線を通して電流を流さないので、逆電圧電源からの放出電力を低減でき、逆電圧電源のより小容量化が可能である。また、前記第５のダイオードを備えることにより、パルストランスのリセット電圧を確保することができ、この真空装置を安定に動作させることができる。

前記第５の発明によれば、前記第１の発明ないし前記第４の発明で得られる効果の他に、より効率的に直流電源又は逆電圧電源に前記エネルギーを帰還できるので、より一層電力効率の向上、環境の改善、真空装置の温度上昇の抑制などを達成することができる。

前記第６の発明によれば、前記第１の発明ないし前記第５の発明で得られる効果の他に、フライバック型のパルストランスを用いることにより、前記コンデンサに充電したエネルギーをパルストランスに磁気エネルギーとして蓄積し、効率的に直流電源にエネルギーを帰還させることができる。

〔実施形態１〕
先ず図１及び図４によって本発明を実施するための実施形態１の真空装置１００について説明する。図１は真空装置１００の回路構成を示し、図４は真空装置１００の各部の動作波形を示す図である。図１において、図５で示した記号と同一の記号は同じ名称の部材を示すものとする。直流電源１は、図示しない商用三相交流電源又は単相交流電源の交流電力を整流する整流器及び平滑化するフィルタ回路などからなる真空負荷３に適した直流電源である。逆電圧電源４は、真空負荷３に適したパルス状の逆電圧を印加できる直流電源であり、この実施形態では半導体スイッチ素子５に直列に接続されているコンデンサ４Ａ、コンデンサ４Ａを所望電圧まで充電するための直流電源、つまり充電回路４Ｂ、及び充電回路４Ｂの極性と同方向で、コンデンサ４Ａに並列に接続されたダイオード４Ｃからなる。半導体スイッチ素子５はＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴなどのような電圧駆動型の半導体素子であることが好ましい。また、半導体スイッチ素子５は寄生ダイオード５Ａを有する。

互いに直列接続され、半導体スイッチ素子５と並列に接続されているコンデンサ７、第1のダイオード８は図５に示したコンデンサＣ、ダイオードＤにそれぞれ相当するものである。逆電圧電源４の正極の出力端子と半導体スイッチ素子５の正極端子との間には直列に第２のダイオード９が接続されている。パルストランス１０の1次巻線Ｎ１の一端は、コンデンサ７とダイオード８との接続箇所に接続され、1次巻線Ｎ１の他端は、第３のダイオード１１を通して半導体スイッチ素子５と第２のダイオード９との接続箇所に接続されている。パルストランス１０の２次巻線Ｎ２は第４のダイオード１２を通して直流電源１の両端に接続されている。パルストランス１０の1次巻線Ｎ１、２次巻線Ｎ２に付された黒点は極性を示し、黒点から分かるように、パルストランス１０はフライバック型のものである。また、必ずしも必要でないが、半導体スイッチ素子５と第２のダイオード９とに跨って第５のダイオード１３、コンデンサ７と並列に第６のダイオード１４が接続されている。

ここで各ダイオードの働きについて簡単に説明しておくと、第1のダイオード８はコンデンサ７に充電された電荷が直接半導体スイッチ素子５に流れるのを防ぎ、コンデンサ７に充電された電荷がパルストランス１０の1次巻線Ｎ１を通して放電されるようにするものである。第２のダイオード９は、パルストランス１０の1次巻線Ｎ１から逆電圧電源４の正極に電流が流れるのを防いで、1次巻線Ｎ１のリセット電圧を確保するためのものである。第３のダイオード１１は、逆電圧電源４の正極からパルストランス１０の1次巻線Ｎ１に電流が流れるのを防止するためのものである。第４のダイオード１２は、パルストランス１０に蓄積されたエネルギーを直流電源１に放出するダイオードである。第５のダイオード１３は、インダクタ２と真空負荷３と半導体スイッチ素子５との接続点ａの電圧が逆電圧電源４の正極端子の電圧よりも高くなったときにオンして、半導体スイッチ素子５及び第２のダイオード９の保護を行うものである。第６のダイオード１４は、共振によってコンデンサ７が逆極性に充電されるのを防止するものである。また、逆電圧電源４のダイオード４Ｃは、事故などによってコンデンサ４Ａが完全に放電した場合に逆方向に充電されるのを防止する働きを行う。

次に図４を用いて、半導体スイッチ素子５のスイッチングに伴うコンデンサ７の充電、あるいは放電に関連する動作について説明を行う。半導体スイッチ素子５がオンすることにより、逆電圧電源４から逆電圧を真空負荷３に印加する動作、及び半導体スイッチ素子５がオフするときのコンデンサ７とダイオード８の動作については図５で示した従来例と同じである。説明を理解し易くするために、直流電源１、逆電圧電源４の出力電圧、出力電流、サージ電圧などの諸条件は前述従来例の値と同じであるとする。図４において、時刻ｔ０では半導体スイッチ素子５がオフしているものとすると、直流電源１は５００Ｖ、１００Ａを供給しており、真空負荷３の電圧は、インダクタ２の電圧をゼロとすると、図４（Ａ）に示すように、ほぼ−５００Ｖにある。コンデンサ７は、図４（Ｂ）に示すように、直流電源１の出力電圧５００Ｖと逆電圧電源４の出力電圧１００Ｖとサージ電圧１００Ｖとの和の電圧である略７００Ｖに充電されている。

時刻ｔ１で半導体スイッチ素子５がオンすると、それまで真空負荷３を通してインダクタ２を流れていた電流Ｉｐは逆電圧電源４と半導体スイッチ素子５との経路に転流、つまり逆電圧電源４が電流Ｉｐを担持して供給する。同時に、コンデンサ７の充電エネルギーはパルストランス１０の1次巻線Ｎ１、ダイオード１１、半導体スイッチ素子５を通して放電され、実質的にコンデンサ７の充電電圧はパルストランス１０の1次巻線Ｎ１にすべて印加され、コンデンサ７の充電エネルギーは1次巻線Ｎ１に磁気エネルギーとして蓄えられる。この動作はパルストランス１０の1次巻線Ｎ１が有するインダクタンスＬ１とコンデンサ７のキャパシタンスＣ１との共振現象を伴う。図４（Ｃ）に示すように、1次巻線Ｎ１のインダクタンスとコンデンサ７のキャパシタンスとの共振電流のピークが半導体スイッチ素子５のオン期間中にあれば、コンデンサ７の充電エネルギーを効果的にパルストランス１０の２次巻線Ｎ２側に伝達することができるので好ましい。したがって、1次巻線Ｎ１のインダクタンスＬ１とコンデンサ７のキャパシタンスＣ１との共振周波数の１周期Ｔｒの１／４が半導体スイッチ素子５のオン時間（例えば２０μｍ）以下になるように、1次巻線Ｎ１のインダクタンスＬ１とコンデンサ７のキャパシタンスＣ１とを選定すれば、半導体スイッチ素子５のオン時間中にコンデンサ７の放電電流はピーク値に達し、同時にコンデンサ７の電圧がゼロとなる（時刻ｔ２）。コンデンサ７の電圧がゼロになると、時刻ｔ２で共振電流はダイオード１４を通して流れる。

時刻ｔ３で半導体スイッチ素子５がオフすると、パルストランス１０の２次巻線Ｎ２の電圧は黒点側が負、非黒点側が正となり、1次巻線Ｎ１のインダクタンスに蓄えられた前記磁気エネルギーは、図４（Ｄ）に示すように、２次巻線Ｎ２からダイオード１２を通して電流として直流電源１に放出される。ダイオード１２が導通することによってパルストランス１０の２次巻線Ｎ２の電圧は直流電源１の電圧にクランプされる。したがって、パルストランス１０の1次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２との比率を適当に設定することによって、1次巻線Ｎ１の電圧も所望の電圧にクランプすることができる。このように、半導体スイッチ素子５のターンオフ時にコンデンサ７に充電されたエネルギーは直流電源１に帰還され、熱損失にならならず、また、エネルギーが直流電源1側に帰還されるので、その帰還時に半導体スイッチ素子５を流れる電流を小さくできる。特に、前述したようにパルストランス１０の1次巻線Ｎ１のインダクタンスＬ１とコンデンサ７のキャパシタンスＣ１とを選定することによって、コンデンサ７に充電されたエネルギーを効率的に直流電源１に帰還することができる。

〔実施形態２〕
次に図２を用いて本発明の実施形態２について説明する。実施形態２の真空装置２００では、前述のようにパルストランス１０の1次巻線Ｎ１のインダクタンスに蓄えた磁気エネルギーを逆電圧電源４に帰還するところが実施形態１の真空装置１００と異なる。真空装置１００と異なる点について主に説明する。図２において、図１で用いた記号と同じ記号は同じ名称の部材を示すものとする。真空装置２００では、パルストランス１０の２次巻線Ｎ２をダイオード１５を介して逆電圧電源４に跨って接続している。したがって、半導体スイッチ素子５のオフの際にダイオード８を介してコンデンサ７に充電された電荷は、次に半導体スイッチ素子５がオンするときにパルストランス１０の1次巻線Ｎ１、ダイオード１１を介して放電され、パルストランス１０の1次巻線Ｎ１のインダクタンスに磁気エネルギーとして蓄積される。ここまでの動作は真空装置１００と同じである。

そして、半導体スイッチ素子５がオフすると、パルストランス１０の２次巻線Ｎ２の電圧は黒点側が負、非黒点側が正となり、1次巻線Ｎ１のインダクタンスに蓄えられた前記磁気エネルギーは、２次巻線Ｎ２からダイオード１５を通して電流として逆電圧電源４のコンデンサ４Ａに放出され、コンデンサ４Ａを充電する。つまり、半導体スイッチ素子５のターンオフ時にコンデンサ７に充電されたエネルギーは逆電圧電源４のコンデンサ４Ａに帰還され、熱損失にならない。実施形態１と同様であるので再度述べないが、パルストランス１０の1次巻線Ｎ１のインダクタンスＬ１とコンデンサ７のキャパシタンスＣ１とを選定、特にコンデンサ７を選定して、半導体スイッチ素子５のオン時間中にコンデンサ７の放電電流がピーク値に達するようにすることにより、逆電圧電源４を小容量化することができる。例えば、実施形態１の真空装置１００における逆電圧電源４の出力容量を２０００Ｗとし、前述からコンデンサ７の充電エネルギーを２４５Ｗとすると、この真空装置２００では２４５Ｗが逆電圧電源４に帰還されるので、逆電圧電源４は１７５５Ｗの出力容量をもてばよいことになる。

〔実施形態３〕
次に図３を用いて本発明の実施形態３について説明する。実施形態３の真空装置３００では、前述のようにパルストランス１０の1次巻線Ｎ１のインダクタンスに蓄えた磁気エネルギーを逆電圧電源４と直流電源１とに帰還するところが真空装置１００、真空装置２００と異なる。真空装置１００、２００と異なる点について主に説明する。図３において、図１、図２で用いた記号と同じ記号は同じ名称の部材を示すものとする。真空装置３００では、パルストランス１０は第１の２次巻線Ｎ２ａと第２の２次巻線Ｎ２ｂとを備える。パルストランス１０の第１の２次巻線Ｎ２ａを実施形態１と同様にダイオード１２を介して直流電源１に跨って接続すると共に、パルストランス１０の第２の２次巻線Ｎ２ｂを実施形態２と同様にダイオード１５を介して逆電圧電源４に跨って接続している。この真空装置３００では、コンデンサ７に充電された電荷を逆電圧電源４に優先的にエネルギーとして帰還し、帰還エネルギーが過剰の場合には直流電源１にもその過剰分を帰還して逆電圧が必要以上に上昇するのを防ぐところに特徴がある。

一般に、このような真空装置にあっては、負荷電流が少ないときには直流電源１の出力電流が少なくなるばかりでなく、逆電圧電源４の出力電流も少なくなる。しかし、コンデンサ７に充電されるエネルギーは従来例で数式を用いて述べたように周波数に依存し、軽負荷のときにも減少しない。したがって、軽負荷時にはコンデンサ７に充電されるエネルギーを逆電圧電源４にすべて帰還すると、逆電圧が必要以上に上昇する危険性がある。この問題を解決するために、この真空装置３００ではパルストランス１０に第１の２次巻線Ｎ２ａと第２の２次巻線Ｎ２ｂとを設け、第１の２次巻線Ｎ２ａと第２の２次巻線Ｎ２ｂとの巻数比を、直流電源１の出力電圧（例えば５００Ｖ）に対する逆電圧電源４の出力電圧（例えば１００Ｖ）の比率５対１（２０％）よりも大きな割合、例えば４対１（２５％）に設定することによって、逆電圧電源４の逆電圧の上昇を直流電源１の出力電圧の１／４に制限することができる。

パルストランス１０の第１の２次巻線Ｎ２ａと第２の２次巻線Ｎ２ｂの黒点側が負、非黒点側が正となって、1次巻線Ｎ１のインダクタンスに蓄えられた前記磁気エネルギーが第１の２次巻線Ｎ２ａ、第２の２次巻線Ｎ２ｂを介して放出される段階において、第１の２次巻線Ｎ２ａ、第２の２次巻線Ｎ２ｂそれぞれの電圧が上昇し、先ず第１の２次巻線Ｎ２ａの電圧が逆電圧電源４の出力電圧（例えば１００Ｖ）を越えると、ダイオード１５が導通して逆電圧電源４のコンデンサ４Ａを充電する。そして、第１の２次巻線Ｎ２ａ、第２の２次巻線Ｎ２ｂそれぞれの電圧が更に上昇し、第２の２次巻線Ｎ２ｂの電圧が直流電源１の出力電圧（例えば５００Ｖ）を越えると、ダイオード１２が導通することにより第２の２次巻線Ｎ２ｂからも磁気エネルギーは帰還され、第２の２次巻線Ｎ２ｂの電圧はほぼ直流電源１の出力電圧にクランプされる。

したがって、前述のように、第１の２次巻線Ｎ２ａと第２の２次巻線Ｎ２ｂの巻数比が４対１であることから、第２の２次巻線Ｎ２ｂの電圧はほぼ１２５（５００／４）Ｖ程度に制限されるので、逆電圧電源４のコンデンサ４Ａの電圧もほぼ１２５（５００／４）Ｖ程度以下に制限され、過剰になることはない。第１の２次巻線Ｎ２ａと第２の２次巻線Ｎ２ｂとの好ましい巻数比の範囲は、直流電源１の出力電圧と逆電圧電源４の出力電圧との比率Ｐと同程度ないし比率Ｐの１５０％程度迄である。
このことから、パルストランス１０の第１の２次巻線Ｎ２ａと第２の２次巻線Ｎ２ｂとの巻数比を４対１に限らず、適切に設定することによって、逆電圧電源４の電圧を所望の値以下に制限できる。この実施形態３でも、逆電圧電源４のコンデンサ４Ａの充電電力の一部分をコンデンサ７から供給することができるので、逆電圧電源４を小容量化できる。

以上の実施形態では、いずれも制御回路６は半導体スイッチ素子５を予め決めた周波数で、予め決めたパルス幅だけオン、オフ動作させたが、このような異常放電の予防法は電力損失が大きいために、異常放電の発生を検出し、異常放電が検出されたときだけ、半導体スイッチ素子５を予め決めたパルス幅だけオンさせる異常放電抑制方法が既に提案されており、このような異常放電抑制方法にも本発明をそのまま適用できることは明らかである。更に、異常放電の発生を予知して、異常放電が発生する直前に半導体スイッチ素子５を予め決めたパルス幅だけオンさせることにより、異常放電を発生させない異常放電発生防止方法も提案されており、このような異常放電発生防止方法にも本発明をそのまま適用することができる。

また以上の実施形態では、半導体スイッチ素子５を１個の半導体素子として説明したが、スパッタ装置は負荷電圧が数１００Ｖであるために、半導体スイッチ素子５としてＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴなどを使用する場合は、例えば１２００Ｖの耐圧を有する素子１個で実現できるが、電子ビーム装置の場合には負荷電圧が１０ｋＶ程度であるため、１２００Ｖの耐圧を有するＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴなどを複数個直列接続することにより実現できる。この場合にはそれぞれのＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴなどにコンデンサが並列接続され、これらコンデンサに充電されたエネルギーがパルストランス１０の１次巻線を通して放電されるように構成しておけばよい。

本発明の実施形態１に係る第１の真空装置１００の回路構成を示す図である。本発明の実施形態２に係る第２の真空装置２００の回路構成を示す図である。本発明の実施形態３に係る第３の真空装置３００の回路構成を示す図である。本発明に係る第１の真空装置１００を説明するための波形図である。従来の真空装置の回路構成を説明するための図である

符号の説明

１・・・直流電源
２・・・インダクタ
３・・・真空負荷
４・・・逆電圧電源
５・・・半導体スイッチ素子
６・・・制御回路
７・・・コンデンサ
８・・・ダイオード
９・・・ダイオード
１０・・・パルストランス
１１〜１５・・・ダイオード

Claims

直流電源と、該直流電源の出力端子と真空負荷との間にこれらと直列に接続されているインダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続されていて、かつ互いに直列接続されている半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンするときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、
互いに直列接続されている第１のダイオードとコンデンサとを前記半導体スイッチ素子に跨って並列に接続し、
パルストランスの１次巻線の一端を、前記第１のダイオードと前記コンデンサとの間に接続すると共に、その他端を前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との間に接続し、
前記直流電源の出力端子間に第２のダイオードを介して前記パルストランスの２次巻線を接続し、
前記半導体スイッチ素子のオフの際に前記コンデンサに充電された電荷を、前記半導体スイッチ素子のオンの際に前記パルストランスを介して前記直流電源に帰還することを特徴とする真空装置。
直流電源と、該直流電源の出力端子と真空負荷との間にこれらと直列に接続されているインダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続されていて、かつ互いに直列接続されている半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンするときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、
互いに直列接続されている第１のダイオードとコンデンサとを前記半導体スイッチ素子に跨って並列に接続し、
パルストランスの１次巻線の一端を、前記第１のダイオードと前記コンデンサとの間に接続すると共に、その他端を前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との間に接続し、
前記逆電圧電源の出力端子間に第３のダイオードを介して前記パルストランスの２次巻線を接続し、
前記半導体スイッチ素子のオフの際に前記コンデンサに充電された電荷を、前記半導体スイッチ素子のオンの際に前記パルストランスを介して前記逆電圧電源に帰還することを特徴とする真空装置。
直流電源と、該直流電源の出力端子と真空負荷との間にこれらと直列に接続されているインダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続されていて、かつ互いに直列接続されている半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンするときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、
互いに直列接続されている第１のダイオードとコンデンサとを前記半導体スイッチ素子に跨って並列に接続し、
パルストランスの１次巻線の一端を、前記第１のダイオードと前記コンデンサとの間に接続すると共に、その他端を前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との間に接続し、
前記直流電源の出力端子間に第２のダイオードを介して前記パルストランスの第１の２次巻線を接続し、
前記逆電圧電源の出力端子間に第３のダイオードを介して前記パルストランスの第２の２次巻線を接続し、
前記第２の２次巻線と前記第１の２次巻線との巻数比を、前記逆電圧電源の出力電圧と前記直流電源の出力電圧との比率よりも大きくし、
前記半導体スイッチ素子のオフの際に前記コンデンサに充電された電荷を、前記半導体スイッチ素子のオンの際に前記パルストランスを介して前記逆電圧電源及び前記直流電源に帰還することを特徴とする真空装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
前記パルストランスの前記１次巻線の前記他端と前記逆電圧電源の正極の出力端子との間には、一方の極性の第４のダイオードと他方の極性の第５のダイオードの双方、又はいずれかが接続されていることを特徴とする真空装置。
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、
前記コンデンサのキャパシタンスは、前記パルストランスの１次巻線が呈するインダクタンスと共振を生じ、その共振の１周期の１／４が前記半導体スイッチ素子のオン時間幅よりも短くなるように、前記キャパシタンスと前記インダクタンスとが選定されていることを特徴とする真空装置。
請求項１ないし請求項５のいずれかにおいて、
前記パルストランスは、前記半導体スイッチ素子がオンするときに１次巻線を流れる電流により励磁されて磁気エネルギーを蓄積し、前記半導体スイッチ素子がターンオフするときに前記磁気エネルギーを放出するフライバック型のパルストランスであることを特徴とする真空装置。