JP5692698B2

JP5692698B2 - 静電チャック用の高電圧発生装置

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Publication number: JP5692698B2
Application number: JP2010230386A
Authority: JP
Inventors: 博藤澤
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Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2015-04-01
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Also published as: JP2011103762A

Description

本発明は、半導体製造装置の基板保持用に使われる静電チャックや、静電チャック機能を利用した展示・掲示装置などに用いられる静電チャック用の高電圧発生装置に係り、特に、太陽電池や二次電池（蓄電池）などの低電圧電源を入力電源としてｋＶオーダーの高電圧を発生することが可能であり、しかも小型かつ軽量で消費電力の非常に少ない直流−直流変換型の静電チャック用の高電圧発生装置に関するものである。

静電チャックは、例えば、一対の吸着電極を有し、これら一対の吸着電極にそれぞれ正極性及び負極性の電荷を蓄積して静電気を発生させることにより、ガラスやプラスチックなどの誘電体基板、シリコンウエハなどの半導体基板、鉄、銅、アルミ、ステンレス鋼などの金属基板等の種々の基板を吸着、保持させるために使用される。

また、静電チャックは、吸着電極間の距離を調整することにより、１×１０⁷Ｖ／ｍ程度の非常に強い電界を容易に作り出すことができることを利用して、上述した種々の基板を吸着保持する機能だけではなく、除菌や滅菌装置、空気中の塵や埃を集める集塵装置、あるいは植物やキノコなどの植生の成長を促進する成育装置などの機器にも応用が可能である。以下、これらの静電チャック応用機器も含めて単に「静電チャック」と称する。

静電チャックには、一般に、直流や交流の高電圧電源が使用されるが、半導体製造装置などの比較的大型の装置では、スペースを比較的大きくとれることと、信頼性を確保するため、外装は頑丈な筐体で覆われるなど、メンテナンス時の不意な物理的損傷を避けることが容易であり、高電圧電源の大きさや電源自身の消費電力には特に制約がなかった。静電チャック用の高電圧電源の消費電力は、例えば、±１ｋＶ（電位差２ｋＶ）の両極電圧発生タイプで、出力電流をそれぞれ最大１０ｍＡとすると、この高電圧電源の入力に必要とする電力は、少なくとも３０Ｗ程度となる。

そのため、静電チャックを使用する際には、静電チャックの外部の遠隔に高電圧電源を設置し、高電圧電源に例えばＡＣ１００Ｖのコンセントから電力を供給する必要があり、静電チャックの物理的な使用範囲は、少なからず外部電源の設置位置に影響を受けることになる。

そこで、静電チャック用の高電圧電源の小型化や省電力化を図ることにより、例えばＡＣ１００Ｖのコンセントから電源を取らなくても太陽電池や乾電池あるいは二次電池を利用して独立して動作可能な静電チャック利用機器が望まれている。

しかしながら、従来の高電圧電源は大型であり、しかも消費電力が大きいため、実用化するのが困難であった。

そこで、静電チャック利用機器の電源として使用可能な高電圧発生装置に関する技術としては、例えば、特許文献１〜特許文献４等に開示されたものが既に提案されている。

特許文献１に係るトランス方式ＤＣ−ＤＣコンバータは、高周波トランスの１次巻線に対して電池などの低電圧直流電源と逆流防止ダイオードとスイッチング素子とで閉ループ回路を構成し、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの制御回路の起動用電源を前記低電圧直流電源から起動用ダイオードを介して印加するように構成し、前記高周波トランスのインダクタンスに蓄積されたエネルギーを前記１次巻線に並列接続したスナバ回路で吸収するように構成されたトランス方式ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記スナバ回路に吸収したエネルギーを前記制御回路に対してその駆動電源として供給するように構成したものである。

また、特許文献２に係るイオン発生器用の高電圧発生回路は、発振回路と、この発振回路のパルス出力によりスイッチングされるスイッチング素子と、このスイッチング素子により１次側コイルに流れる電流が制御され２次側に高電圧パルスを出力するパルストランスと、このパルストランスの１次側コイルに並列に接続されたコンデンサと、前記パルストランスの２次側に得られる高電圧パルスを整流する整流回路と、この整流回路により整流された負の高電圧を印加する負放電電極と、を備えたマイナスイオン発生器において、
前記発振回路及びパルストランスの駆動電源が直流電源であり、
前記パルストランスの１次側コイルに直列にダイオードを順方向に挿入したものである。

さらに、特許文献３に係る静電塗装装置は、（Ａ）直流電源回路と、（Ｂ）外部信号により発振の停止が可能な第１の高周波発振回路と、第１の昇圧トランスと、第１の倍電圧整流回路と、該倍電圧整流回路の出力端子間に接続した第１の放電抵抗とを含みアースに対して負極の直流高電圧を発生する負極高電圧発生回路と、（Ｂ）該負極高電圧発生回路の出力端子とノズルとの間に接続した第１の電流制限抵抗と、（Ｃ）外部信号により高出力電圧発振と低出力電圧発振との切り換え及び発振の停止が可能な第２の高周波発振回路と、第２の昇圧トランスと、第２の倍電圧整流回路と、該倍電圧整流回路の出力端子間に接続した第２の放電抵抗とを含み、前記第２の高周波発振器が高出力電圧で発振の時にはアースに対して正極の直流高電圧を発生する正極高電圧発生回路と、（Ｄ）該正極高電圧発生回路の出力端子とノズルとの間に接続した第２の電流制限抵抗と、（Ｅ）前記負極高電圧発生回路の出力電流を検出する出力電流検出回路と、（Ｆ）安全回路と、から構成され、該安全回路は、前記出力電流検出回路で検出した出力電流に異常がない間は前記第２の高周波発振回路に低出力電圧で発振させる指令信号を送信し、前記出力電流に異常を検出した場合には、前記第１の高周波発振回路に発振停止の指令信号を送信すると同時に、前記第２の高周波発振回路に高出力電圧で発振させる指令信号を所定時間送信し、その後、前記第２の高周波発信回路に発振停止の指令信号を送信するものである。

又、特許文献４に係る高電圧発生装置は、特に静電塗装器具（１５）の内部に収容された発電機と、一方で電圧ブースター変圧器（２）、他方で変圧器（２）の出力部に配置された、高電圧増幅器（３）を具備した高電圧"カスケード"（１６）とを備えた、静電塗装器具（１５）用の高電圧発生装置において、
前記変圧器（２）は、少なくとも二つの基本変圧器により形成された、ダブルまたは複式の変圧器から成り、その個々の一次巻線（８Ａ、８Ｂ、８Ｃ）は、電気的に並列で取り付けられ、その個々の二次巻線（９Ａ、９Ｂ、９Ｃ）は、電気的に直列で取り付けられ、二次巻線（９Ａ、９Ｂ、９Ｃ）の直列配置が出力電圧（Ｖｓ）をもたらし、総電圧（Ｖｓ／Ｎ）が二次巻線の各々の端子をわたり、それが電圧増幅器（３）の入力電圧であるように構成したものである。

特開平０５−１７６５３３号公報特開２００４−３１１１５８号公報特開２００３−１６４７７７号公報特表２００５−５００８９４号公報

しかしながら、特許文献１は、一般的なブロッキング発振を利用したものであり、高周波トランスのインダクタに供給していた電流をスイッチング素子で瞬時に遮断したときに、高周波トランスのインダクタに蓄積されていた電気エネルギによって高周波トランスの２次巻線に高電圧を発生させることを利用して昇圧するものであり、所望の高電圧を得るためには、高周波トランスの１次巻線にある程度大きな電流を流す必要があり、回路自身の電力ロスが大きい。特許文献１の場合、電池の出力電圧が例えば５Ｖであるとすると、電流は負荷に関係なく２００〜５００ｍＡ供給しなければならず、全体で１Ｗ（＝５Ｖ×２００ｍＡ）程度の電力を必要とし、電池として大型のものが必要となる。

また、特許文献１は、上記の如く全体で１Ｗ程度の電力を必要とし、蓄電池や太陽電池などのように比較的低電力の電源では、ｋＶオーダーの高電圧を発生させ、かつ静電チャックのような容量性の負荷を動作させるのが困難である。

さらに、特許文献２は、発振回路及びパルストランスの駆動電源が直流電源であり、パルストランスの１次側コイルに直列にダイオードを順方向に挿入したものであって、パルストランスの１次側コイルに直列に挿入された順方向ダイオードによってノイズの影響を抑制するものであるが、発振回路に直流電源によって直流電圧を常時印加する必要があり、その分だけ低消費電力化する上で限界を有している。

さらに、特許文献３は、直流電源回路が商用電源を電源とするものであり、電池などの低電圧の直流電源を電源として採用することができるものではない。

又、特許文献４は、やはり静電塗装器具（１５）の内部に収容された発電機を電源とするものであり、電池などの低電圧の直流電源を電源として採用することができるものではない。

そこで、本発明が解決しようとする第一の課題は、従来の高電圧発生装置と比較して入力電力が非常に小さくて済む静電チャック用の高電圧発生装置を提供することにある。

また、本発明が解決しようとする第二の課題は、静電チャックのような容量性負荷に対して高電圧発生装置からの電荷を効率良く流入させて、所定の電圧を静電チャックの電極間で発現させることが可能な静電チャック用の高電圧発生装置を提供することにある。

すなわち、本発明は、低電圧電源で駆動される自励式発振回路と、前記自励式発振回路から出力される高周波信号を電流増幅するダーリントン接続された複数のトランジスタからなる増幅回路と、前記増幅回路によって増幅された高周波信号が一次巻線に印加される高周波トランスと、前記高周波トランスの二次側巻線に接続されたダイオードとコンデンサからなる整流回路と備えたことを特徴とする高電圧発生装置を基本構成としている。

そして、本発明は、低電圧電源によって駆動される発振回路から出力される高周波信号を増幅するとともに、高周波トランスを用いて高電圧を発生させる高電圧発生回路と、
前記高電圧発生回路によって発生された高電圧を整流しつつ昇圧する昇圧整流回路と、
前記昇圧整流回路によって整流しつつ昇圧された高電圧が印加されるとともに放電抵抗が並列に接続された容量性負荷としての静電チャックと、
起動時は、前記発振回路を前記低電圧電源によって直接駆動するとともに、起動時から予め定められた時間が経過した後は、前記発振回路を前記静電チャックの静電容量及び前記放電抵抗の抵抗値で決定される時定数よりも短い周期で間欠的に駆動するように制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とする静電チャック用の高電圧発生装置である。

従来の高電圧発生装置では、入力電力が１Ｗ〜３０Ｗ程度のものが必要となる。この程度の電力を太陽電池で発生させる場合には、現状の太陽電池の出力はまだ小さく、単位面積当たりの太陽光下で得られる電力は、高々０．０１３Ｗ／ｃｍ²程度と小さい。また、乾電池などの蓄積された電気エネルギを入力電源として使用する場合には、その寿命を長く持たせる必要があるが、市販されている乾電池の電源容量は、電池電圧に依存することなく、およそ１０００ｍＡｈ程度である。たとえば、１０Ｖで１００ｍＡ、すなわち１Ｗの入力電力を必要とする高電圧発生装置の場合、乾電池の寿命は１０時間しか持たないことになる。そのため、入力電力が小さくて済む高電圧発生装置が必要とされる。

また、高電圧発生装置の負荷としての静電チャックは、合成樹脂やセラミックなどの電気絶縁層を介して電極を有し、電極は同じく合成樹脂やセラミックの絶縁層で被覆されているため、高電圧発生装置側から見ると超高抵抗で容量性の負荷と考えられる。静電容量の値は、電極の配置やその面積にもよるが、１ｎＦから５０ｎＦ程度であり、この電極間に形成される静電容量に入力電源として大きな電流を必要とせず、効率的に電荷を移行させないと、電極には必要な電圧が発現できず、本来の吸着力や強い電界を発生させることができない。

本発明では、低電圧電源で駆動される自励式発振回路から高周波信号を出力し、この高周波信号をダーリントン接続された複数のトランジスタからなる増幅回路によって電流増幅した状態で高周波トランスの一次巻線に印加し、当該高周波トランスにその一次巻線に流れる電流と一次巻線側のインダクタンスとで決定される電気エネルギーを蓄積し、増幅回路を構成するトランジスタに印加される高周波信号によって当該トランジスタがＯＦＦ状態となったとき電流が瞬時にゼロになるため、高周波トランスの一次巻線に蓄積された電気エネルギーによって、高周波トランスの一次巻線側に高電圧が発生し、この高周波トランスの一次巻線側に発生した高電圧が、二次巻線によって更に昇圧された高電圧となった後に整流回路で整流することで、直流の高電圧を得るように構成したので、電源として低電圧電源を使用することができるのは勿論のこと、高周波トランスの一次側に流れる電流は、自励式発振回路から出力された高周波信号を増幅回路によって電流増幅したものであるため、低電圧電源から供給される入力電流は、数十ｍＡ程度で済み、太陽電池や二次電池の組合せ、あるいは乾電池等によっても長時間駆動することが可能となる。

さらに、本発明では、起動時は、発振回路を低電圧電源によって直接駆動するものの、起動時から予め定められた時間が経過した後は、発振回路を静電チャックの静電容量及び放電抵抗の抵抗値で決定される時定数よりも短い周期で間欠的に駆動するように制御することにより、低電圧電源から供給される入力電流を更に低減させることができ、更なる省電力化が可能となる。

本発明の高電圧発生装置によれば、従来の高電圧発生装置と比較して入力電力が非常に小さくて済む高電圧発生装置を提供することができる。

また、本発明の高電圧発生装置によれば、静電チャックのような容量性負荷に対して高電圧発生装置からの電荷を効率良く流入させて、所定の電圧を静電チャックの電極間で発現させることが可能な高電圧発生装置を提供することができる。

図１はこの発明の参考例に係る高電圧発生装置を示す回路図である。図２はこの発明の参考例に係る高電圧発生装置を実際に駆動した場合のパラメータを示す図表である。図３は平行平板型プラズマエッチング装置において本発明の高電圧発生装置を適用した静電チャックを用いてシリコンウエハを吸着保持し、シリコンウエハのエッチング処理を行う様子を示す斜視断面模式図である。図４は、高電圧発生装置１が適用された静電チャックを示す回路図である。図５はこの発明の実施の形態１に係る高電圧発生装置を示すブロック図である。図６はこの発明の実施の形態１に係る高電圧発生装置を示す回路図である。図７はこの発明の実施の形態１に係る高電圧発生装置の動作を示す波形図である。

以下、添付図に基づいて、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明する。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではない。

参考例
図１は本発明の参考例に係る高電圧発生装置を示す回路図である。
図において、１は高電圧発生装置を示すものであり、この高電圧発生装置１は、低電圧電源２としての二次電池（蓄電池）ＢＡＴと、二次電池ＢＡＴに逆流防止用ショットキーバリアダイオードＤ１００を介して並列に接続された同じく低電圧電源としての太陽電池ＳＣとを備えている。低電圧電源２としては、二次電池ＢＡＴと太陽電池ＳＣの組み合わせに限らず、太陽電池、乾電池、二次電池、燃料電池の少なくとも一つを含んでいれば良く、又これら太陽電池、乾電池、二次電池、燃料電池のうち、いずれか二つ以上を任意に組み合わせて用いても良い。低電圧電源２の供給電圧は、例えば、３〜１５Ｖに設定され、供給平均電流は、例えば、１０〜１００ｍＡに設定される。

二次電池ＢＡＴとしては、任意のものを使用することができるが、例えば、マイクロビークル社製の容量１１Ｖ／３００ｍＡｈのリチウム二次電池ＰＢ３０４８を３個直列に接続したものが用いられる。太陽電池ＳＣとしては、任意のものを使用することができるが、例えば、ＴＤＫ社製のアモルファスシリコン型の太陽電池ＢＣＳ０９０６Ｐを２個並列に接続したものや、ＳＡＮＹＯ社製のアモルファスシリコン型の太陽電池ＡＭ−５８１５、総受光面積約３ｃｍ²を複数個（例えば、８個）並列に接続したものが用いられる。

二次電池ＢＡＴの容量としては、例えば、３００ｍＡｈのものが用いられる。したがって、低電圧電源２として電圧９Ｖで動作させた場合、太陽光がなくても約１０時間連続して運転が可能である。太陽光がある場合には、後述する第１及び第２の高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２からなる昇圧回路であまった電流によって二次電池ＢＡＴが充電される。

二次電池ＢＡＴには、スイッチＳＷを介して自励式発振回路としての汎用タイマーＩＣ３が接続されている。汎用タイマーＩＣ３としては、例えば、ＬＭＣ５５５型発振ＩＣが用いられるが、他のものを使用しても勿論良い。汎用タイマーＩＣ３は、無安定発振にて周波数６．５ｋＨｚの高周波信号を出力する。自励式発振回路３は、汎用タイマーＩＣに限らず、１〜１０ｋＨｚ程度の高周波電圧を出力可能なものであればよく、出力信号の波形は、矩形波である。汎用タイマーＩＣ３は、ＶＣＣ端子及びＲＥＳＥＴ端子に二次電池ＢＡＴの正極が接続されているとともに、ＧＮＤ端子が二次電池ＢＡＴの負極（アース電位）に接続されている。汎用タイマーＩＣ３のＤＩＳＣ端子は、二次電池ＢＡＴの正極側に第１の抵抗器Ｒ１を介して接続されており、ＴＨＲＥＳ端子及びＴＲＩＧ端子は、二次電池ＢＡＴの正極側に直列接続の第１の抵抗器Ｒ１及び第２の抵抗器Ｒ２を介して接続されているとともに、二次電池ＢＡＴの負極に第１のコンデンサＣ１を介して接続されている。上記第１及び第２の抵抗器Ｒ１、Ｒ２、並びに第１のコンデンサＣ１は、汎用タイマーＩＣ３を低電圧電源２によって駆動するためのものであり、これらの抵抗器やコンデンサに限定されるものではない。

汎用タイマーＩＣ３の出力端子であるＯＵＴ端子から出力される高周波出力信号４は、電流調整用の第３の抵抗器Ｒ３を介して、ダーリントン接続された複数（図示例では、２つ）の第１及び第２のトランジスタＴ１、Ｔ２からなる増幅回路５に入力されている。汎用タイマーＩＣ３から出力される高周波出力信号４は、増幅回路５を構成する第１のトランジスタＴ１のベース端子に入力されており、第１及び第２のトランジスタＴ１、Ｔ２のコレクタ端子は、後述する第１及び第２の高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２の一次巻線Ｎ１、Ｎ１の一端に並列に接続されている。第１のトランジスタＴ１のエミッタ端子は、第２のトランジスタＴ２のベース端子に接続されており、第２のトランジスタＴ２のエミッタ端子は、二次電池ＢＡＴの負極（アース電位）に接続されている。増幅回路５は、第１のトランジスタＴ１の増幅率と第２のトランジスタＴ２の増幅率との積に応じた増幅率で、汎用タイマーＩＣ３から出力される高周波出力信号４を電流増幅する。

第１及び第２のトランジスタＴ１、Ｔ２のコレクタ端子は、第１及び第２の高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２の一次巻線Ｎ１、Ｎ１の一端に並列に接続されているとともに、第１及び第２の高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２の一次巻線Ｎ１、Ｎ１の他端は、電圧調整ボリュームＰ１及びスイッチＳＷを介して二次電池ＢＡＴの正極にそれぞれ接続されている。第１及び第２の高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２としては、例えば、ＳＡＮＳＵＩ社製の高周波トランスＳＴ−１４（１ｋ：５００ｋ）が用いられる。第１の高周波トランスＴＲ１は、正極性の直流高電圧出力用のものであり、第２の高周波トランスＴＲ２は、負極性の直流高電圧出力用のものである。高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２は、必ずしも２つ使用する必要はなく、正極性又は負極性のものを何れかを１つ備えていれば良い。

第１の高周波トランスＴＲ１の二次巻線Ｎ２には、正極性用の昇圧整流回路としての第１のコッククロフト・ウオルトン回路６が接続されている。この第１のコッククロフト・ウオルトン回路６は、５つのコンデンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６と５つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５を５段接続して構成されている。第１のコッククロフト・ウオルトン回路６の出力側には、アース電位との間に第６の抵抗器Ｒ６（１００ＭΩ程度）が並列に接続されているとともに、正極性の出力端子７との間に１ＭΩ程度に設定された高抵抗の電流制限用の第４の抵抗器Ｒ４が直列に接続されている。

整流用のダイオードとしては、例えば、ファーストリカバリダイオードが用いられるが、通常の整流用ダイオードＩＮ４００７（耐圧１ｋＶ）等を用いても勿論良い。

また、第２の高周波トランスＴＲ２の二次巻線Ｎ２には、負極性用の昇圧整流回路としての第２のコッククロフト・ウオルトン回路８が接続されている。この第２のコッククロフト・ウオルトン回路８は、５つのコンデンサＣ７、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１０、Ｃ１１と５つのダイオードＤ６、Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１０を５段接続して構成されている。第２のコッククロフト・ウオルトン回路８の出力側には、アース電位との間に第７の抵抗器Ｒ７（１００ＭΩ程度）が並列に接続されているとともに、負極性の出力端子９との間に１ＭΩ程度に設定された高抵抗の電流制限用の第５の抵抗器Ｒ５が直列に接続されている。

上記出力端子に並列に接続されている１００ＭΩ程度の抵抗器Ｒ６、Ｒ７は、自己放電用、及び電源のスイッチＳＷが切れたら速やかに出力電圧を降下させ、安全性を確保するためのものである。また、出力端子に直列に接続されている１ＭΩ程度の抵抗器Ｒ４、Ｒ５は、負荷の電流制限用のものであり、静電チャックの吸着電極からなる負荷のようなキャパシタにスムーズに電荷をチャージ（＝昇圧）する役目を有している。

以上の構成において、この参考例に係る高電圧発生装置では、次のようにして、従来の高電圧発生装置と比較して入力電力が非常に小さくて済む高電圧発生装置を提供することが可能となっている。

すなわち、高電圧発生装置１は、図１に示すように、太陽電池ＳＣが受光している際に発電した電力によって二次電池ＢＡＴが充電される。本参考例では、ＴＤＫ社製のアモルファスシリコン型の太陽電池ＢＣＳ０９０６Ｐを２個並列に接続したものが用いられ、図２に示すように、発電電圧は自然光にて最大９．０Ｖ程度であり、電流平均値は３５ｍＡ程度、電流ピーク値は４８ｍＡ程度である。したがって、総電力（Ｗ）は、平均値で０．３２Ｗ、ピーク値で０．４３Ｗ程度である。

高電圧発生装置１は、図１に示すように、スイッチＳＷがオン状態となると、二次電池ＢＡＴ又は太陽電池ＳＣの少なくとも一方から平均値で０．３２Ｗ程度の電力が回路の下流側に供給され、汎用タイマーＩＣ３が駆動され、汎用タイマーＩＣ３からは、無安定発振にて周波数６．５ｋＨｚの高周波信号４が出力端子ＯＵＴから出力される。汎用タイマーＩＣ３から出力される高周波出力信号４は、第３の抵抗器Ｒ３を介してダーリントン接続された第１のトランジスタＴ１のベース端子に入力され、ダーリントン接続された第１及び第２のトランジスタＴ１、Ｔ２によって電流増幅される。

ダーリントン接続された第１及び第２のトランジスタＴ１、Ｔ２によって増幅された高周波信号１０は、第１及び第２の高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２の一次巻線Ｎ１、Ｎ１に印加され、当該高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２にその一次巻線Ｎ１、Ｎ１に流れる電流と一次巻線側のインダクタンスとで決定される電気エネルギーが蓄積され、増幅回路を構成する第１のトランジスタＴ１に印加される高周波信号１０によって当該トランジスタＴ１がＯＦＦ状態となったとき電流が瞬時にゼロになるため、高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２の一次巻線Ｎ１、Ｎ１に蓄積された電気エネルギーによって、高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２の一次巻線Ｎ１、Ｎ１側に高電圧が発生し、この高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２の一次巻線Ｎ１、Ｎ１側に発生した高電圧が、二次巻線Ｎ２、Ｎ２によって更に昇圧された高電圧となり、第１及び第２の高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２の二次巻線Ｎ２、Ｎ２には、一次巻線Ｎ１に印加される高周波信号１０に同期して昇圧された高電圧が発生する。

第１及び第２の高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２の二次巻線Ｎ２、Ｎ２に発生した高電圧は、第１及び第２のコッククロフト・ウオルトン回路６、８によって整流されるとともに昇圧されて出力される。

第１のコッククロフト・ウオルトン回路６から出力される直流高電圧は、電流制限用の第４の抵抗器Ｒ４を介して出力端子７から正極性の直流高電圧（例えば、＋９００Ｖ）として出力される。一方、第２のコッククロフト・ウオルトン回路８から出力される直流高電圧は、電流制限用の第６の抵抗器Ｒ５を介して出力端子９から負極性の直流高電圧（例えば、−９００Ｖ）として出力される。また、出力電圧は、電圧調整ボリュームＰ１によって、第１及び第２の高周波トランスＴＲ１、ＴＲ２の一次巻線Ｎ１、Ｎ１に流れる電流を制御することにより、１〜９００Ｖまでにわたって調整することができる。

本発明者は、図１に示す高電圧発生装置１を試作し、高電圧発生装置１の特性を調べたところ、図２に示すような結果が得られた。

二次電池ＢＡＴ又は太陽電池ＳＣの少なくとも一方から供給される入力電圧が９Ｖの場合には、入力電流の平均値が３５ｍＡ、入力電流のピーク値が４８ｍＡ、最大出力電圧が±８５０Ｖ、入力電力の平均値が０．３２Ｗ、入力電力のピーク値が０．４３Ｗであった。

また、入力電圧が５．５Ｖの場合には、入力電流の平均値が２３ｍＡ、入力電流のピーク値が２８ｍＡ、最大出力電圧が±４８０Ｖ、入力電力の平均値が０．１３Ｗ、入力電力のピーク値が０．１５Ｗであった。

このように、高電圧発生装置１では、低電圧電源２として、入力電圧が９Ｖ、入力電流の平均値が３５ｍＡ程度と非常に少ない電流で、出力端子７、９から電流制限用の第４及び第５の抵抗器Ｒ４、Ｒ５を介して正極性の直流高電圧（例えば、＋９００Ｖ）及び負極性の直流高電圧（例えば、−９００Ｖ）を出力することができ、出力端子７、９に接続される負荷として、静電チャックの吸着電極のような静電容量が２０ｎＦ程度の容量性負荷を接続した場合であっても、ｋＶオーダーに近い＋９００Ｖ及び−９００Ｖ程度の高電圧を出力し、基板等を安定して吸着保持することが可能となる。

図３は、平行平板型プラズマエッチング装置２１において本発明の高電圧発生装置１を適用した静電チャック２２を用いてシリコンウエハｗを吸着保持し、シリコンウエハｗのエッチング処理を行う様子を示す斜視断面模式図であり、図４は、高電圧発生装置１が適用された静電チャックを示す回路図である。

静電チャック２２は、厚さ１２ｍｍ、直径３４０ｍｍのアルミニウム製の金属基盤２３の上面側に電極シート２４が貼着されている。電極シート２４は、吸着電極２５の上下面側に、それぞれ厚さ１００μｍ、直径２９８ｍｍのポリイミドフィルムからなる下部絶縁層２６及び上部絶縁層２７が積層されてなる。また、この電極シート２４には、基板ｗを吸着させる基盤吸着面の周縁部であって基板が吸着されない箇所にアモルファスシリコン製の太陽電池ＳＣが取り付られ、更に金属基盤２３には、高電圧発生装置１が内蔵されている。なお、高電圧発生装置１としては、図１に示したものが用いられている。太陽電池ＳＣは、プラズマエッチング装置２１のプラズマによって発電を行うが、太陽電池ＳＣをプラズマエッチング装置２１の外部に配置し、外部から太陽光などを取り入れるように構成しても良い。

図３中、符号２８はプラズマエッチング装置２１の上部電極を示しており、上部電極２８には高周波電源２９が接続されている。

実施の形態１
図５は本発明の実施の形態１に係る高電圧発生装置を示すブロック図であり、前記参考例と同一の部分には同一の符号を付して説明すると、この実施の形態１では、低電圧電源によって駆動される発振回路から出力される高周波信号を増幅するとともに、高周波トランスを用いて高電圧を発生させる高電圧発生回路と、前記高電圧発生回路によって発生された高電圧を整流しつつ昇圧する昇圧整流回路と、前記昇圧整流回路によって整流しつつ昇圧された高電圧が印加されるとともに放電抵抗が並列に接続された容量性負荷としての静電チャックと、起動時は、前記発振回路を前記低電圧電源によって直接駆動するとともに、起動時から予め定められた時間が経過した後は、前記発振回路を前記静電チャックの静電容量及び前記放電抵抗の抵抗値で決定される時定数よりも短い周期で間欠的に駆動するように制御する制御回路とを備えるように構成されている。

すなわち、この高電圧発生装置１は、図５に示すように、大別して、直流の低電圧電源２と、制御部１１０と、高電圧発生部１２０とから構成されており、高電圧発生部１２０には、容量性負荷としての静電チャック２２が接続されている。

ところで、上記制御部１１０は、タイマー回路１１１と、変調信号発生回路１１２と、論理回路（ＡＮＤ回路）１１３とから構成されている。

タイマー回路１１１は、直流電源２をオン状態としたときに、１秒程度の予め定められた時間Ｔが経過した後、当該タイマー回路１１１の出力電圧を０からハイ（直流電源２の出力電圧）に切り替えるための回路である。このタイマー回路１１１は、図６に示すように、直流電源２から第９の抵抗Ｒ９を介して出力電圧が印加されるＣＲ回路を構成する直列接続の抵抗Ｒ１２とコンデンサＣ１６を備えており、この直列接続の抵抗Ｒ１２とコンデンサＣ１６との接続点には、第３のトランジスタＱ３のベース端子が接続されている。また、この第３のトランジスタＱ３のコレクタ端子には、抵抗Ｒ１３を介して出力電圧が印加されているとともに、そのエミッタ端子は接地されている。さらに、上記第３のトランジスタＱ３のコレクタ端子には、第４のトランジスタＱ４のベース端子が接続されているとともに、当該第４のトランジスタＱ４のコレクタ端子には、抵抗Ｒ１３を介して出力電圧が印加されているとともに、そのエミッタ端子は接地されている。そして、上記第４のトランジスタＱ４のコレクタ端子は、論理回路１１３の逆方向ダイオードＤ１５に接続されている。

そして、上記タイマー回路１１１は、直流電源２をオン状態とした直後は、第３のトランジスタＱ３がオフ状態、第４のトランジスタＱ４がオン状態であって、タイマー回路１１１の出力電圧が０となり、直列接続の抵抗Ｒ１２とコンデンサＣ１６で決まる時定数［＝Ｒ（Ｒ１２の抵抗値）×Ｃ（コンデンサＣ１６の静電容量）］に応じて、第３のトランジスタＱ３がオン状態、第４のトランジスタＱ４がオフ状態となり、タイマー回路１１１の出力電圧がハイとなる。ここで、直流電源２をオン状態にしてからタイマー回路１１１の出力電圧がハイとなるまでの時間は、例えば、１秒程度に設定されている。

このタイマー回路１１１の出力電圧がハイとなるまでの時間は、後述する図７に示すように、電源スイッチＳＷをオンしてから高電圧発生部１２０の出力電圧が予め定められた高電圧まで立ち上がるのに十分な時間に設定されており、本実施の形態では、上述したように、約１秒程度に設定されている。

また、上記変調信号発生部１１２は、例えば、上述した高電圧発生装置１の自励式発振回路と同様に構成され、汎用タイマーＩＣ１１４が用いられる。汎用タイマーＩＣ１１４としては、例えば、ＬＭＣ５５５型発振ＩＣが用いられるが、他のものを使用しても勿論良い。この汎用タイマーＩＣ１１４は、例えば、無安定発振にて周波数１０．０〜２０．０Ｈｚ程度の矩形波状の低周波信号を出力する。この自励式発振回路は、汎用タイマーＩＣに限らず、周波数１０．０〜２０．０Ｈｚ程度の矩形波状の低周波信号を出力可能なものであれば良い。

汎用タイマーＩＣ１１４には、図６に示すように、当該汎用タイマーＩＣ１１４を駆動するための抵抗Ｒ１０、抵抗Ｒ１１、可変抵抗Ｘ３、コンデンサＣ１５、コンデンサＣ１４、ダイオードＤ１３、Ｄ１４が、上述した汎用タイマーＩＣ３と同様に対応する端子にそれぞれ接続されている。なお、可変抵抗Ｘ３は、汎用タイマーＩＣ１１４から出力される出力電圧のデューティ比を調整するためのものである。

さらに、上記論理回路（アンド回路）１１３は、図６に示すように、直流電源２の出力電圧が抵抗Ｒ１５を介して印加される逆方向ダイオードＤ１５と逆方向ダイオードＤ１６を備えており、逆方向ダイオードＤ１５と逆方向ダイオードＤ１６の接続点には、第５のトランジスタＱ５のベース端子が接続されている。この第５のトランジスタＱ５のコレクタ端子には、抵抗Ｒ１６を介して直流電源２の出力電圧が印加されているとともに、当該コレクタ端子から出力されるコントロール信号は、高電圧発生部１２０の汎用タイマーＩＣ３のＲＥＳＥＴ端子に入力されている。

上記論理回路（アンド回路）１１３は、一方の逆方向ダイオードＤ１５に入力されるタイマー回路１１１からの出力信号と、他方の逆方向ダイオードＤ１６に入力される変調信号発生部１１２からの出力信号とが共に“ハイ”となった場合にのみ、エミッタ接地の第５のトランジスタＱ５がオン状態となって“０”の信号を出力するようになっている。

したがって、上記論理回路（アンド回路）１１３は、タイマー回路１１１からの出力信号が“０”の場合には信号を出力せず、タイマー回路１１１からの出力信号が“ハイ”となった後は、変調信号発生部１１２から出力される矩形波状の低周波信号が“ハイ”の場合には“０”を、変調信号発生部１１２から出力される矩形波状の低周波信号が“０”の場合には“ハイ”を、つまり変調信号発生部１１２から出力される矩形波状の低周波信号を反転して出力する。

一方、上記高電圧発生部１２０は、基本的に、上述した参考例に係る高電圧発生装置と略同様に構成されている。

すなわち、上記高電圧発生部１２０は、図５に示すように、大別して、発振回路３と、フライバックコンバータ回路１２１と、正極昇圧整流回路１２２と、負極昇圧整流回路１２３と、正極側の放電抵抗Ｒ６と、負極側の放電抵抗Ｒ７と、電流制限用の第４の抵抗器Ｒ４と、同じく電流制限用の第５の抵抗器Ｒ５とから構成されている。

この実施の形態１では、図６に示すように、直流電源２に第８の抵抗Ｒ８と第１３のコンデンサＣ１３がそれぞれ並列に接続されているとともに、抵抗Ｒ８とコンデンサＣ１３との間には、第９の抵抗Ｒ９が直列に接続されている。また、上記高電圧発生部１２０の自励式発振回路３は、直流電源２に接続されたＶＣＣ端子が第１２のコンデンサＣ１２を介して接地されている。さらに、上記高電圧発生部１２０の自励式発振回路３には、直流電源２の正極側と出力端子との間にダイオードＤ１２が逆方向に接続されているとともに、出力端子と直流電源２の負極側（アース電位）との間もダイオードＤ１１が逆方向に接続されている。なお、図６では、直流電源２が省略されている。今回追加された抵抗Ｒ８は、ダミー電流を流すためのもの、Ｒ９は流入電流の制限抵抗であり、電源スイッチＳＷをオンしたときに過電流が流れるのを防止するためのもの、コンデンサＣ１２、Ｃ１３、Ｃ１４はバイパスコンデンサ、ダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４は保護用ダイオードをそれぞれ示している。

以上の構成において、この実施の形態１に係る高電圧発生装置では、次のようにして、従来の高電圧発生装置と比較して入力電力の更なる省電力化が可能となっている。

すなわち、この実施の形態１に係る高電圧発生装置１では、図６に示すように、図示が省略されたスイッチＳＷがオン状態となると、低電圧の直流電源２から９Ｖ程度の直流電圧が供給され、汎用タイマーＩＣ３が駆動される。汎用タイマーＩＣ３からは、無安定発振にて周波数１５．１ｋＨｚの高周波信号４が出力端子ＯＵＴから出力される。汎用タイマーＩＣ３から出力される高周波出力信号４は、フライバックコンバータ回路１２０によって数１０〜１００Ｖ程度の比較的高い交流電圧に変換される。

更に、上記フライバックコンバータ回路１２０によって比較的高い電圧に変換された交流電圧は、正極性昇圧整流部１２２と負極性昇圧整流部１２３とによって、±約１．８ｋＶ程度の正極性の直流高電圧と負極性の直流高電圧にそれぞれ変換された後、容量性負荷としての静電チャック２２（図３及び図４を参照）の正極性の吸着電極２５と負極性の吸着電極２５とにそれぞれ印加される。

その際、上記高電圧発生装置１の高電圧発生部１２０には、図５及び図６に示すように、制御部１１０からコントロール信号１３０が入力されている。この制御部１１０から出力されるコントロール信号１３０は、図５に示すように、スイッチＳＷがオン状態となった直後は、タイマー回路１１１が起動された状態であり、タイマー回路１１１からの出力は、“０”となっている。そのため、上記高電圧発生装置１の高電圧発生部１２０は、低電圧の直流電源２から供給される直流電圧によって上述したように駆動される。

次に、上記制御部１１０は、図５に示すように、スイッチＳＷがオン状態となってから予め定められた時間Ｔが経過すると、タイマー回路１１１からの出力が“ハイ”状態となり、論理回路１１３の他方に入力される変調信号発生回路１１２からの矩形波状の低周波信号が反転されたコントロール信号１３０として、高電圧発生部１２０の汎用タイマーＩＣ３のＲＥＳＥＴ端子に入力される。

すると、上記高電圧発生部１２０の汎用タイマーＩＣ３は、ＲＥＳＥＴ端子に入力される変調信号発生回路１１２からの矩形波状の変調信号に応じて変調され、汎用タイマーＩＣ３の出力端子から出力される出力電圧は、変調信号の周波数に応じてオンオフ変調されて、フライバックコンバータ回路１２１が間欠的に駆動される。上記汎用タイマーＩＣ３の出力端子から出力される変調信号は、そのデューティ比が可変となっており、例えば、デューティ比が５０〜７５％程度に設定されている。

そして、上記高電圧発生部１２０から出力される正極性の高電圧と負極性の高電圧は、電流制限用の第４の抵抗器Ｒ４と電流制限用の第５の抵抗器Ｒ５を介して、容量性負荷としての静電チャック２２（図３及び図４を参照）の正極性の吸着電極２５と負極性の吸着電極２５とにそれぞれ印加される。

その際、上記汎用タイマーＩＣ３の出力端子から出力され、フライバックコンバータ回路１２１を間欠的に駆動する変調信号の周波数は、高電圧発生部１２０の出力とアース（グランド電位）との間に取り付けられる放電抵抗Ｒ６と放電抵抗Ｒ７の抵抗値Ｒ（１００ＭΩ程度）と、容量性負荷としての静電チャック２２の正極性電極２５と負極性電極２５との間の静電容量Ｃ（１０〜１０００ｎＦ程度）の積で表わされる時定数よりも十分に小さい（１／１０〜１／２０程度）周期に設定されている。

このように、フライバックコンバータ回路１２１を間欠的に駆動する変調信号の周波数を、放電抵抗Ｒ６と放電抵抗Ｒ７の抵抗値Ｒと、容量性負荷としての静電チャック２２の正極性電極２５と負極性電極２５との間の静電容量Ｃの積で表わされる時定数よりも十分に小さい周期で決定される周波数に設定することによって、静電チャック２２の正極性電極２５と負極性電極２５に印加される高電圧出力の電圧を十分高くとりながら、入力に要する平均電流を低減することが可能となる。

いま、放電抵抗Ｒ６と放電抵抗Ｒ７の抵抗値Ｒ（１００ＭΩ程度）と、容量性負荷としての静電チャック２２の正極性電極２５と負極性電極２５との間の静電容量Ｃ（１０〜１０００ｎＦ程度）の積で表わされる時定数ＲＣを、ＲＣ＝１秒とすると、変調信号発生回路１１２の周期は、０．１秒、つまり周波数は１０Ｈｚ程度に設定され、その変調信号発生回路１１２の出力波形のデューティー比を５０％に設定すれば、消費電力を１／２にすることができる。

したがって、上記高電圧発生部１２０の汎用タイマーＩＣ３から出力される交流電圧は、低電圧の直流電源２から供給される直流電圧によって直接駆動した場合と比較して、デューティ比に応じて消費電力を低減することが可能となる。そのため、上記高電圧発生装置１では、汎用タイマーＩＣ１１４の出力端子から出力される変調信号のデューティ比を５０％に設定すれば、直流電源２によって直接駆動した場合と比較して消費電力を半分に減少させることができる。

図７は本発明者が実施の形態１に係る高電圧発生装置１を試作し、当該高電圧発生装置１の出力電圧をオシロスコープで観察した場合の波形を示したものである。尚、ここで、高電圧発生部１２０のタイマーＩＣ３の発振周波数は１５．１ｋＨｚ、制御部のタイマーＩＣ１１４の発振周波数は１３．６Ｈｚ、制御部のタイマーＩＣ１１４のデューティ比は７２％（オン状態）、電源電圧は９Ｖにそれぞれ設定されている。

この図７から明らかなように、制御部１１０から出力されるコントロール信号１３０は、スイッチＳＷがオン状態となった直後から予め定められた時間が経過するまで“ハイ”となっており、出力電圧は、スイッチＳＷがオン状態となった直後から急激に立ち上がり、約１．８ｋＶまで上昇する。そして、スイッチＳＷがオン状態となった直後からタイマー回路１１１によって設定された所定の時間が経過すると、コントロール信号１３０は、変調信号発生回路１１２から出力される変調信号となり、出力電圧は、コントロール信号１３０に応じてオンオフ変調された信号となり、約１．８ｋＶ程度の直流高電圧を得ることができる。

また、上記高電圧発生装置１の消費電流と消費電力を測定したところ、立ち上がりの連続運転時と通常の動作時である間欠運転時でそれぞれ９２ｍＡ／０．８０Ｗと４８ｍＡ／０．４２Ｗとなり、消費電力を略半減することがわかった。この実施の形態１では、出力電圧を参考例の２倍である約１．８ｋＶに上げることができたにも関わらず、消費電力を大幅に省電力化することができる。なお、高電圧発生装置１の消費電流は、２．２Ω程度のシャント抵抗を直流電源２の正極側と本回路の間に挿入し、電位差をオシロスコープの２つのプローブで観測することによって測定した。

なお、上記参考例に係る高電圧発生装置１では、その出力電圧が約０．９ｋＶであったのに対して、本実施の形態１では、出力電圧が約１．８ｋＶと高くなった理由は、高電圧発生部１２０の汎用タイマーＩＣ３の発振周波数を実施の形態１の６．５ｋＨから１５．１ｋＨに上げたためである。この高電圧発生部１２０の汎用タイマーＩＣ３の発振周波数を上げたことによって、昇圧率が約１７％程度改善し、汎用タイマーＩＣ３の発振周波数が６．５ｋＨであった場合に聞こえていたキーンという発振音も聞こえなくなった。

その他の構成及び作用は、前記参考例と同様であるので、その説明は省略する。

本発明の静電チャックは、所定の基板の処理を行う際に光エネルギーを発する装置であれば、半導体製造プロセスや液晶製造プロセス等で使用される種々の基板処理装置で用いることができる。特に、本発明の静電チャックは外部電源を使用しなくても基板を吸着保持することができることから、例えば基板を吸着させたまま移動や搬送が可能となり、基板処理装置において従来使用されている静電チャックの用途に制限されずに新たな使用態様を生み出す可能性を有する。

本発明は、半導体製造装置の基板保持用に使われる静電チャックや、静電チャック機能を利用した展示・掲示装置、除菌・滅菌装置、空気中の塵や埃を集める集塵装置、あるいは植物やキノコなどの植生の成長を促進する成育装置など、種々の装置に供給する高電圧を発生する高電圧発生装置に係り、特に太陽電池あるいは電池などを入力の電源として数ｋＶオーダーの高電圧を発生することが可能で、小型・軽量で消費電力の非常に少ない直流−直流変換の高電圧発生装置に関するものである。

１：高電圧発生装置、２：低電圧電源、３：自励式発振回路、５：増幅回路、６、８：整流回路、７、９：出力端子。

Claims

低電圧電源によって駆動される発振回路から出力される高周波信号を増幅するとともに、高周波トランスを用いて高電圧を発生させる高電圧発生回路と、
前記高電圧発生回路によって発生された高電圧を整流しつつ昇圧する昇圧整流回路と、
前記昇圧整流回路によって整流しつつ昇圧された高電圧が印加されるとともに放電抵抗が並列に接続された容量性負荷としての静電チャックと、
起動時は、前記発振回路を前記低電圧電源によって直接駆動するとともに、起動時から予め定められた時間が経過した後は、前記発振回路を前記静電チャックの静電容量及び前記放電抵抗の抵抗値で決定される時定数よりも短い周期で間欠的に駆動するように制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とする静電チャック用の高電圧発生装置。
前記昇圧整流回路と出力端子との間に直列接続された負荷に所定の高電圧を印加するための抵抗器を有することを特徴とする請求項１に記載の静電チャック用の高電圧発生装置。
前記低電圧電源は、太陽電池、乾電池、二次電池、燃料電池の少なくとも一つを含み、当該低電圧電源の供給電圧は３〜１５Ｖ、供給平均電流は１０〜１００ｍＡであることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電チャック用の高電圧発生装置。
前記発振回路の発振周波数は、１〜２０ｋＨｚであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の静電チャック用の高電圧発生装置。
正極性の高電圧を発生させるための第１の高周波トランスと、負極性の高電圧を発生させるための第２の高周波トランスとを少なくとも１つずつ有し、前記第１及び第２の高周波トランスの一次側巻線の一方は、増幅回路を構成するダーリントン接続された複数のトランジスタのコレクタに並列に接続するとともに、その他方は、共通の前記低電圧電源に接続し、前記第１及び第２の高周波トランスの二次側巻線の一方は、正極性用及び負極性用の昇圧整流回路にそれぞれ接続するとともに、その他方は、共通のアース電位に接続することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の静電チャック用の高電圧発生装置。