JP6572424B2 - Power supply for sputtering equipment - Google Patents
Power supply for sputtering equipment Download PDFInfo
- Publication number
- JP6572424B2 JP6572424B2 JP2015127706A JP2015127706A JP6572424B2 JP 6572424 B2 JP6572424 B2 JP 6572424B2 JP 2015127706 A JP2015127706 A JP 2015127706A JP 2015127706 A JP2015127706 A JP 2015127706A JP 6572424 B2 JP6572424 B2 JP 6572424B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- power supply
- winding
- inductor
- regenerative
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Description
本発明は、スパッタ装置においてプラズマを生成するために用いられる電源装置に関し、さらに詳しくは、直流スパッタ装置や直流パルススパッタ装置に好適な電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply device used for generating plasma in a sputtering apparatus, and more particularly to a power supply apparatus suitable for a DC sputtering apparatus or a DC pulse sputtering apparatus.
半導体の成膜工程などに用いられるスパッタ装置においては、ターゲットと基板(被成膜対象物)との間に供給された電力によってアルゴン等のガスが電離してプラズマが生成され、主としてこのプラズマ中のイオンの作用によってターゲットからそのターゲット物質が叩き出され、該物質の粒子が基板に到達して基板表面に被膜を形成する。スパッタ装置としては、陰極であるターゲットと陽極である基板との間に、直流電圧を印加する直流(DC)スパッタ装置、陰極と陽極との間に高周波電圧を印加する高周波(RF)スパッタ装置などが広く利用されている。直流スパッタ装置は、絶縁性のターゲットが使用できないなどの制約はあるものの、高周波スパッタ装置に比べて装置構造が簡単であり、また比較的低温のプラズマを利用できるため基板表面の損傷を抑えられる、といった利点がある。 In a sputtering apparatus used for a semiconductor film forming process, a gas such as argon is ionized by power supplied between a target and a substrate (film formation target), and plasma is generated mainly. The target material is knocked out of the target by the action of ions, and particles of the material reach the substrate to form a film on the surface of the substrate. Examples of the sputtering apparatus include a direct current (DC) sputtering apparatus that applies a DC voltage between a target that is a cathode and a substrate that is an anode, and a radio frequency (RF) sputtering apparatus that applies a high frequency voltage between the cathode and the anode. Is widely used. Although there are restrictions such as the inability to use an insulating target, the DC sputtering device has a simpler device structure than a high-frequency sputtering device and can use a relatively low temperature plasma to suppress damage to the substrate surface. There are advantages such as.
特許文献1等に開示されているように、直流スパッタ装置用電源装置では一般に、DC/DCコンバータ等を含む直流電源と負電圧出力端との間に電流安定化用のインダクタが設けられ、直流電源と正電圧出力端とを接続する線路は接地されている。インダクタは自己誘導作用により電流の変動を阻止する方向に起電力を発生させ、電気エネルギを磁気エネルギとして蓄積する。それによって、例えば放電負荷のインピーダンスが変動したときでも、それによる電流の大きな変動を抑制することができる。 As disclosed in Patent Document 1 and the like, in general, a power source device for a DC sputtering apparatus is provided with an inductor for stabilizing current between a DC power source including a DC / DC converter and the negative voltage output terminal, The line connecting the power source and the positive voltage output terminal is grounded. The inductor generates an electromotive force in a direction to prevent current fluctuation by self-inductive action, and accumulates electric energy as magnetic energy. Thereby, for example, even when the impedance of the discharge load fluctuates, a large fluctuation in current can be suppressed.
直流スパッタ装置は上述したような利点を有するものの、特許文献2、3等に記載されているように、アーク放電が比較的発生し易く、それに起因する成膜不良が発生することがある。直流パルススパッタ装置はこうした不具合を解決するためのものであり、直流電圧をスイッチングすることで生成したパルス状の電圧を陰極−陽極間に印加する、或いは、直流電圧の印加中にその直流電圧とは逆極性の電圧をパルス状に陰極−陽極間に印加する。こうしたパルス状電圧の印加により、ターゲット表面の帯電を抑制し、アーク放電の発生を抑えることができる。
Although the direct current sputtering apparatus has the advantages as described above, as described in
こうした直流パルススパッタ装置用の電源装置では、直流電源と負電圧出力端との間に、電流安定化用のインダクタと電圧スイッチング用の半導体スイッチング素子とが直列に接続される。その場合、放電条件の逸脱を要因とするプラズマの消滅等により放電負荷のインピーダンスが急激に増加してインダクタに流れる電流が急減すると、その電流の供給を持続させるように該インダクタに大きな電圧が誘起され、その電圧によってチャンバが損傷するおそれがある。また、その誘起電圧に起因して半導体スイッチング素子に大きな電圧が加わるため、半導体スイッチング素子として耐圧の大きな高いコストの素子を用いる必要がある。 In such a power supply device for a DC pulse sputtering apparatus, an inductor for current stabilization and a semiconductor switching element for voltage switching are connected in series between the DC power supply and the negative voltage output terminal. In that case, if the impedance of the discharge load suddenly increases due to the extinction of the plasma due to the deviation of the discharge condition and the current flowing through the inductor suddenly decreases, a large voltage is induced in the inductor so that the current supply is sustained. The voltage may damage the chamber. Further, since a large voltage is applied to the semiconductor switching element due to the induced voltage, it is necessary to use a high-cost element having a large withstand voltage as the semiconductor switching element.
これに対し、特許文献2に記載の電源装置では、インダクタと半導体スイッチング素子との直列回路に対して並列に電流回生用のダイオードを設けている。この装置では、半導体スイッチング素子がオン状態であるときに該ダイオードがインダクタと並列に接続されるため、放電負荷のインピーダンスが極端に増加した場合、その時点までにインダクタに蓄積されていたエネルギに由来する電流はダイオードを介し該インダクタを短絡するように流れる。その結果、インダクタの両端電圧の上昇は生じず、それに伴う半導体スイッチング素子に掛かる電圧の上昇や放電負荷に掛かる電圧の上昇もない。
On the other hand, in the power supply device described in
しかしながら、放電負荷のインピーダンス過渡的に上昇してインダクタに流れる電流が減少する場合でも、電流減少を妨げるインダクタの誘起電圧はダイオードの導通方向に生じるため、インダクタは短絡されて該インダクタの電流続流機能はなんら作用せず、電流は減少したままとなる。一方、放電負荷のインピーダンスが過渡的に低下して放電負荷に流れる電流が増加した場合、その増加した電流に対するインダクタでの電流増加分はダイオードを介して該インダクタを還流する。そのため、放電負荷のインピーダンスが元に戻っても、上記電流増加分はそのまま維持されることになる。これらは、インダクタに蓄積されたエネルギが放電負荷の変動、具体的には放電負荷のインピーダンスの上昇や低下に有用でないことを意味しており、こうした放電負荷の変動に対してインダクタが本来の電流を安定させるという機能を果たさないことになる。その結果、電源装置からスパッタ装置の放電負荷へと供給される電流の安定性が低下し、プラズマの生成状態が悪化するという大きな問題がある。 However, even when the impedance of the discharge load rises transiently and the current flowing through the inductor decreases, the induced voltage of the inductor that prevents the current decrease occurs in the direction of diode conduction. No function will work and the current will remain reduced. On the other hand, when the impedance of the discharge load decreases transiently and the current flowing through the discharge load increases, the current increase in the inductor with respect to the increased current flows back to the inductor via the diode. Therefore, even if the impedance of the discharge load is restored, the increase in current is maintained as it is. This means that the energy stored in the inductor is not useful for fluctuations in the discharge load, specifically, the increase or decrease in the impedance of the discharge load. It will not fulfill the function of stabilizing. As a result, there is a serious problem that the stability of the current supplied from the power supply device to the discharge load of the sputtering device is lowered and the plasma generation state is deteriorated.
一方、特許文献3に記載の電源装置では、放電負荷に供給する電流をオン・オフする半導体スイッチング素子に並列に、コンデンサ、抵抗、ダイオードなどから成るスナバ回路が設けられている。この装置では、例えば放電負荷のインピーダンスの急増等によりインダクタの誘起電圧に起因するサージ電圧が発生しても、半導体スイッチング素子に加わるサージ電圧はスナバ回路で低減される。そのため、サージ電圧によって半導体スイッチング素子が破壊されることを防止することができる。 On the other hand, in the power supply device described in Patent Document 3, a snubber circuit including a capacitor, a resistor, a diode, and the like is provided in parallel with a semiconductor switching element that turns on and off a current supplied to a discharge load. In this device, even if a surge voltage due to an induced voltage of the inductor is generated due to, for example, a sudden increase in impedance of the discharge load, the surge voltage applied to the semiconductor switching element is reduced by the snubber circuit. Therefore, it is possible to prevent the semiconductor switching element from being destroyed by the surge voltage.
しかしながら、こうしたスナバ回路ではサージ電圧によってコンデンサに蓄積されたエネルギを抵抗で消費する(つまりは熱に変換する)ため、電源装置の効率が低下することになる。また、スナバ回路を付加する必要があるため、その分だけ装置のサイズが大きくなる。 However, in such a snubber circuit, the energy stored in the capacitor due to the surge voltage is consumed by the resistor (that is, converted into heat), so that the efficiency of the power supply device is lowered. In addition, since it is necessary to add a snubber circuit, the size of the device increases accordingly.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、スナバ回路のようなエネルギを消費することで過大な電圧が半導体スイッチング素子に加わることを防止する付加的な回路を用いることなく、放電負荷のインピーダンスの急激な増加や半導体スイッチング素子のスイッチングなどに伴う半導体スイッチング素子への過大な電圧の印加を防止するとともに、放電負荷のインピーダンスが変動しても該放電負荷に供給する電流を安定的に保持することができるスパッタ用電源装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to additionally prevent an excessive voltage from being applied to the semiconductor switching element by consuming energy such as a snubber circuit. Without using a circuit, it is possible to prevent an excessive voltage from being applied to the semiconductor switching element due to a sudden increase in impedance of the discharge load or switching of the semiconductor switching element, and even if the impedance of the discharge load fluctuates, the discharge load It is an object of the present invention to provide a sputtering power supply device that can stably maintain a current supplied to the substrate.
上記課題を解決するためになされた本発明は、スパッタ装置のチャンバ内にプラズマを生成するために、一対の電圧出力端から前記チャンバ内に配設された一対の電極間に直流電圧又はパルス状の電圧を印加する電源装置において、
a)定常的なプラズマ維持のための所定の直流電圧又はパルス状の電圧を一対の出力端間に出力する電力供給部と、
b)前記電力供給部の一方の出力端と前記一対の電圧出力端の一方との間の経路中に電気的に直列に主巻線が設けられ、該主巻線の前記電力供給部側に回生巻線の一端が接続され、該主巻線と回生巻線との接続点を基準として該主巻線と回生巻線との極性が逆向きであるインダクタと、
c)前記インダクタの回生巻線と直列に接続されて該回生巻線とともに前記電力供給部に並列に接続された直列回路を形成し、該直列回路と前記電力供給部とを含む閉回路において該電力供給部から流れる電流を阻止する向きに接続されてなるダイオードと、
を備え、前記ダイオードが阻止状態であって前記回生巻線に電流が流れないときには、前記インダクタの主巻線を前記電圧出力端から前記チャンバに供給する電流を安定化するためのインダクタとして機能させる一方、前記回生巻線の両端に誘起される電圧が上昇して前記ダイオードが導通状態になると、該回生巻線に誘起された電圧に由来する電流を前記ダイオードを介して前記電力供給部に回生させるようにしたことを特徴としている。
In order to generate plasma in a chamber of a sputtering apparatus, the present invention has been made to solve the above-described problems. A direct current voltage or a pulsed current is generated between a pair of voltage output terminals from a pair of electrodes disposed in the chamber. In the power supply device that applies the voltage of
a) a power supply unit that outputs a predetermined DC voltage or pulsed voltage for maintaining a steady plasma between a pair of output terminals;
b) A main winding is provided electrically in series in a path between one output end of the power supply unit and one of the pair of voltage output ends, and the main winding is disposed on the power supply unit side of the main winding. One end of the regenerative winding is connected, an inductor in which the polarity of the main winding and the regenerative winding is opposite with respect to the connection point of the main winding and the regenerative winding;
c) forming a series circuit connected in parallel to the power supply unit with connected in series with the regenerative winding regenerative winding of the inductor, the at closed circuit including said with the series circuit power supply section A diode connected in a direction to block current flowing from the power supply unit;
Wherein the diode sometimes no current flows to the regenerative winding I is blocked state that is functional main winding of the inductor as the inductor to regulate the current supplied to said chamber from said voltage output terminal while for, before the voltage induced across the Kikai raw winding rises to the diode becomes conductive, the power supply current derived from the voltage induced in the regenerative winding via the diode It is characterized in that the so that is regenerative separate component.
本発明に係るスパッタ装置用電源装置において電力供給部は、典型的には、外部から供給される交流電力を直流電力に変換する整流器と、その直流電力を電圧の相違する直流電力に変換するDC−DCコンバータとを含む回路である。
本発明に係るスパッタ装置用電源装置において、インダクタの回生巻線に直列に接続されたダイオードが阻止状態であるときには、それら回路素子と電力供給部を含む閉回路には電流が流れない。そのため、電力供給部の一方の出力端と本装置の電圧出力端との間の経路中に設けられたインダクタの主巻線による電流安定化の作用によって、例えば放電負荷のインピーダンスが或る程度変動したときでも、放電負荷に流れる電流の大きな変動を抑制することができる。
In the power supply device for a sputtering apparatus according to the present invention, the power supply unit typically includes a rectifier that converts AC power supplied from the outside into DC power, and DC that converts the DC power into DC power having a different voltage. A circuit including a DC converter.
In the power supply device for a sputtering apparatus according to the present invention, when the diode connected in series with the regenerative winding of the inductor is in the blocking state, no current flows through the closed circuit including these circuit elements and the power supply unit. Therefore, for example, the impedance of the discharge load fluctuates to some extent due to the effect of current stabilization by the main winding of the inductor provided in the path between one output end of the power supply unit and the voltage output end of the apparatus. Even when this is done, large fluctuations in the current flowing through the discharge load can be suppressed.
電力供給部から電圧出力端を通してチャンバ内の一対の電極間に印加される電圧によって、放電負荷やインダクタの主巻線を含む閉回路に電流が流れる。通常の動作においても放電負荷は時々刻々と変化して負荷インピーダンスが変動し、それに伴う電流変化のために該インダクタの回生巻線の両端には電圧が誘起される。主巻線を流れる電流が増加すると回生巻線に誘起される電圧も増加する。回生巻線の一端(ダイオードに接続されている側とは反対側の端部)は主巻線の電力供給部側の端部に接続されているため、回生巻線の誘起電圧が増加すると、回生巻線と主巻線との接続点を基準として、回生巻線とダイオード(のアノード)との接続点の電位が上昇することになる。回生巻線とダイオードとの直列回路は電力供給部に並列に接続されているため、回生巻線の両端間の電圧が電力供給部の出力電圧よりも低いときにはダイオードは逆バイアスされ、阻止状態を維持する。スパッタ装置やプラズマの生成状態に問題がない通常動作では、この状態が保たれる。 A current flows through the closed circuit including the discharge load and the main winding of the inductor by the voltage applied between the pair of electrodes in the chamber through the voltage output terminal from the power supply unit. Even in normal operation, the discharge load changes from moment to moment and the load impedance fluctuates. Due to the accompanying current change, a voltage is induced across the regenerative winding of the inductor. As the current flowing through the main winding increases, the voltage induced in the regenerative winding also increases. Since one end of the regenerative winding (the end opposite to the side connected to the diode) is connected to the end of the main winding on the power supply unit side, when the induced voltage of the regenerative winding increases, With reference to the connection point between the regenerative winding and the main winding, the potential at the connection point between the regenerative winding and the diode (the anode) increases. Since the series circuit of the regenerative winding and the diode is connected in parallel to the power supply unit, when the voltage across the regenerative winding is lower than the output voltage of the power supply unit, the diode is reverse-biased and becomes blocked. maintain. This state is maintained in a normal operation in which there is no problem in the sputtering apparatus or the plasma generation state.
例えばプラズマが消滅する等によって放電負荷のインピーダンスが急激に増加し放電負荷に殆ど電流が流れない状態になると、インダクタの主巻線には大きな電圧が誘起される。これに伴い回生巻線の両端間の電圧が上昇し該電圧が電力供給部の出力電圧を超えると、ダイオードは順バイアスされることとなり導通状態となる。そうなると、回生巻線、ダイオード、電力供給部を含む閉回路が実質的に形成され、該閉回路に電流が流れる。その結果、回生巻線に誘起された電圧に由来する電流は電力供給部に回生され、インダクタの主巻線及び回生巻線のそれぞれの両端電圧は電力供給部の出力電圧にクランプされる。このようにして、放電負荷のインピーダンスが急激に増加した場合でもインダクタの主巻線やこれに繋がる放電負荷、つまりチャンバ内の一対の電極間に過大な電圧が加わることを回避することができる。
なお、本発明に係るスパッタ装置用電源装置において、上記インダクタの回生巻線の一端は該インダクタの主巻線の電力供給部側端部に直接的に接続されていてもよいが、上記ダイオードを介して又は該ダイオードとは別のダイオードや抵抗などの他の回路素子を介して間接的に接続されていてもよい。
また、インダクタは2巻線構造の各巻線を主巻線及び回生巻線として用いたものでもよいし、単巻線構造であるタップインダクタにおいてタップを境界とした両側の巻線を主巻線及び回生巻線として用いたものでもよい。
For example, when the impedance of the discharge load suddenly increases due to extinction of plasma or the like and almost no current flows through the discharge load, a large voltage is induced in the main winding of the inductor. As a result, when the voltage across the regenerative winding rises and the voltage exceeds the output voltage of the power supply unit, the diode is forward-biased and becomes conductive. Then, a closed circuit including the regenerative winding, the diode, and the power supply unit is substantially formed, and a current flows through the closed circuit. As a result, the current derived from the voltage induced in the regenerative winding is regenerated in the power supply unit, and the voltage across each of the main winding and the regenerative winding of the inductor is clamped to the output voltage of the power supply unit. In this way, even when the impedance of the discharge load increases rapidly, it is possible to avoid applying an excessive voltage between the main winding of the inductor and the discharge load connected thereto, that is, a pair of electrodes in the chamber.
In the power supply device for a sputtering apparatus according to the present invention, one end of the regenerative winding of the inductor may be directly connected to the power supply side end of the main winding of the inductor. Or may be indirectly connected via another circuit element such as a diode or a resistor other than the diode.
The inductor may be one in which each winding having a two-winding structure is used as a main winding and a regenerative winding. In a tap inductor having a single winding structure, the windings on both sides with the tap as a boundary are used as the main winding and What was used as a regenerative winding may be used.
また本発明に係るスパッタ装置用電源装置は、チャンバ内に形成されたプラズマに連続的に直流電力を供給する直流スパッタ装置用電源装置にも適用可能であるが、直流電力を間欠的に供給し、また場合によっては、その直流電力の供給を停止している間に逆極性の電圧を一対の電極間に印加する直流パルススパッタ装置用電源装置に特に有用である。即ち、本発明に係るスパッタ装置用電源装置では、好ましくは、前記インダクタの主巻線に直列に半導体スイッチング素子を備え、該半導体スイッチング素子をオン・オフ動作させることで前記電圧出力端から前記一対の電極間にパルス状の電圧を印加するようにした構成とするとよい。 The power supply device for a sputtering apparatus according to the present invention is also applicable to a power supply device for a DC sputtering apparatus that continuously supplies DC power to plasma formed in a chamber, but it supplies DC power intermittently. In some cases, the present invention is particularly useful for a power supply device for a DC pulse sputtering apparatus that applies a voltage of opposite polarity between a pair of electrodes while the supply of DC power is stopped. That is, in the power supply device for a sputtering apparatus according to the present invention, preferably, a semiconductor switching element is provided in series with the main winding of the inductor, and the semiconductor switching element is turned on / off so that the pair of the output terminals from the voltage output terminal. It is preferable that a pulse voltage be applied between the electrodes.
上述したように本発明に係るスパッタ装置用電源装置では、インダクタの回生巻線及びダイオードの作用によって、放電負荷のインピーダンスが急増したときに生じる過大な電圧が抑制されるので、この過大な電圧が半導体スイッチング素子に加わることを防止し、該素子の破損を回避することができる。 As described above, in the power supply device for a sputtering apparatus according to the present invention, the excessive voltage generated when the impedance of the discharge load increases rapidly by the action of the regenerative winding of the inductor and the diode is suppressed. It is possible to prevent the semiconductor switching element from being damaged and to avoid damage to the element.
本発明に係るスパッタ装置用電源装置によれば、スナバ回路のような電力を無駄に消費する保護回路を付加することなく、簡単で且つ余剰に発生したインダクタのエネルギを電力供給部に回生する回路によって、放電負荷のインピーダンスの急激な増加に伴う過大な電圧の発生を防止することができる。また、インダクタの主巻線は本来の主目的である電流安定用のインダクタとして機能するので、放電負荷のインピーダンスが変動したときでも、放電負荷に供給される電流を安定化させることができる。 According to the power supply device for a sputtering apparatus according to the present invention, a circuit that regenerates the energy of the inductor generated easily and excessively to the power supply unit without adding a protection circuit that wastes power like a snubber circuit. Therefore, it is possible to prevent an excessive voltage from being generated due to a rapid increase in the impedance of the discharge load. In addition, since the main winding of the inductor functions as a current stabilizing inductor which is the original main purpose, the current supplied to the discharge load can be stabilized even when the impedance of the discharge load varies.
本発明の一実施例である直流パルススパッタ装置用電源装置について、添付図面を参照して説明する。
図1は本実施例の直流パルススパッタ装置用電源装置の概略構成図、図2は本実施例の直流パルススパッタ装置用電源装置における動作を説明するためのタイミング及び波形図である。
A power supply device for a DC pulse sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a power source device for a DC pulse sputtering apparatus according to the present embodiment, and FIG. 2 is a timing and waveform diagram for explaining the operation of the power source device for the DC pulse sputtering apparatus according to the present embodiment.
本電源装置における電圧出力端である正極側電圧出力端9a及び負極側電圧出力端9bは、スパッタ装置のチャンバ10内に設置された陽極10a及び陰極10bにそれぞれ接続されている。即ち、陽極10a、陰極10bを含むチャンバ10内空間全体が本電源装置の放電負荷10cである。通常、陽極10aは被成膜対象である基板であり、陰極10bはスパッタされるターゲットである。
A positive voltage output terminal 9a and a negative
本電源装置において、交流電力を直流電力に変換する整流器やDC−DCコンバータなどを含む直流電源1の正極性出力端は正極側電圧出力端9aに接続され、該直流電源1の負極性出力端は、インダクタ2の主巻線2aと第1半導体スイッチング素子3の直列回路を介して負極側電圧出力端9bに接続されている。直流電源1、チャンバ10内空間(放電負荷10c)、第1半導体スイッチング素子3、及びインダクタ2の主巻線2aが、第1の閉回路を構成している。図示するように、通常、チャンバ10の陽極10aは接地されているから、正極側電圧出力端9aの電位は0Vであり、負極側電圧出力端9bは負電位となる。例えば直流電源1の出力電圧は700V、出力定格電力は5kWである。直流電源1を含む第1の閉回路は、チャンバ10内にプラズマが発生したあとの定常動作時に該プラズマを維持するために該プラズマに電力を供給するための電力供給経路である。
In the present power supply device, the positive output terminal of the DC power source 1 including a rectifier that converts AC power into DC power, a DC-DC converter, and the like is connected to the positive voltage output terminal 9a. Is connected to the negative
インダクタ2の主巻線2aの両端間には、第1ダイオード4と第2半導体スイッチング素子5との直列回路が並列に接続されている。第1ダイオード4、第2半導体スイッチング素子5、及びインダクタ2の主巻線2aは、第2の閉回路を形成している。
A series circuit of the first diode 4 and the second semiconductor switching element 5 is connected in parallel between both ends of the main winding 2 a of the
また、直流電源1の両出力端間には、インダクタ2の回生巻線2bと第2ダイオード6との直列回路が並列に接続され、第3の閉回路を形成している。インダクタ2の主巻線2aと回生巻線2bの極性は、該主巻線2aと回生巻線2bとの接続点を基準として逆向きであり、図1中に矢印で示すように、主巻線2aに発生する電圧の方向は第1半導体スイッチング素子3側から上記接続点に向かう方向、回生巻線2bに発生する電圧の方向は上記接続点から第2ダイオード6に向かう方向である。
また、ここでは説明の便宜上、密結合であるインダクタ2の主巻線2aと回生巻線2bとの巻数比を1:1としているが、巻線比はこれに限らず適宜に調整可能であることは言うまでもない。
In addition, a series circuit of the regenerative winding 2b of the
Further, here, for convenience of explanation, the turns ratio of the main winding 2a and the regenerative winding 2b of the
第1、第2半導体スイッチング素子3、5はいずれも、制御部7からの指示に基づいてスイッチング素子駆動部8により生成される駆動信号G1、G2によりオン・オフ制御される。また、直流電源1に含まれるDC−DCコンバータは、制御部7からの制御信号に応じて所定電圧、所定電流を出力するように動作する。
制御部7は後述する特徴的な制御動作を実施するために、CPUや制御用プログラムが格納されたメモリ(例えばフラッシュROM)などを備える。第1、第2半導体スイッチング素子3、5としては、高耐圧でスイッチング速度が速く且つオン抵抗が小さいSiC(シリコンカーバイド)−MOSFETを用いるとよい。また、第1、第2ダイオード4、6としては、同じく高耐圧でスイッチング速度が速く順方向電圧が低いSiC−SBD(ショットキーバリアダイオード)を用いるとよい。
Both the first and second semiconductor switching elements 3 and 5 are on / off controlled by drive signals G1 and G2 generated by the switching
The
なお、説明の便宜上、図1では、プラズマ点火時に定常的な電圧よりも高い電圧(ただし電流は小さい)を陽極10a−陰極10b間に印加可能な着火回路は省略してある。また、後述するように、直流電源1からの直流電圧が陽極10a−陰極10b間に印加されていない期間に逆極性の所定電圧を印加する場合もあるが、そうした逆極性の電圧を印加するための回路も図1では省略している。
For convenience of explanation, in FIG. 1, an ignition circuit that can apply a voltage (current is small) higher than a steady voltage during plasma ignition between the
図1に加え図2を参照しつつ、本実施例の直流パルススパッタ装置用電源装置におけるプラズマ維持時、つまりは着火後にプラズマが形成されている状態での動作を説明する。 With reference to FIG. 2 in addition to FIG. 1, the operation of the power supply device for the DC pulse sputtering apparatus of the present embodiment at the time of plasma maintenance, that is, in the state where plasma is formed after ignition will be described.
図2(a)、(b)に示すように、制御部7は、第1半導体スイッチング素子3のゲートに入力される駆動信号G1がHレベルである期間(T1期間)には、第2半導体スイッチング素子5のゲートに入力される駆動信号G2がLレベルとなり、また逆に、駆動信号G2がHレベルである期間(T2期間)には駆動信号G1がLレベルとなるように駆動信号G1、G2を制御し、両半導体スイッチング素子3、5を相補的にオン・オフ動作させる。第1半導体スイッチング素子3がオンしているT1期間には、直流電源1から放電負荷10cに電力を供給するための第1の閉回路に電流が流れ、この電流がインダクタ2の主巻線2aを経由する。第2半導体スイッチング素子5がオンしているT2期間には、第1半導体スイッチング素子3はオフして第1の閉回路は遮断され、その代わりに、第1ダイオード4を経由してインダクタ2の主巻線2aを短絡する第2の閉回路が形成される。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
図2において、時刻t0には駆動信号G1は立ち上がり第1半導体スイッチング素子3がオン状態となり、逆に駆動信号G2は立ち下がって第2半導体スイッチング素子5がオフ状態にそれぞれ切り替わる。時刻tcには駆動信号G2が立ち上がり第2半導体スイッチング素子5がオン状態となり、逆に駆動信号G1は立ち下がって第1半導体スイッチング素子3はオフ状態にそれぞれ切り替わる。時刻t0〜時刻tcまでの期間がT1期間であり、第1の閉回路を通して放電負荷10cに電流が流れる。また、時刻tc〜時刻t0の期間がT2期間であり、その直前のT1期間に第1の閉回路に流れていた電流が第2の閉回路に切り替わって流れる。
In FIG. 2, at time t 0 , the drive signal G1 rises and the first semiconductor switching element 3 is turned on. Conversely, the drive signal G2 falls and the second semiconductor switching element 5 is turned off. The time t c second semiconductor switching element 5 rising drive signal G2 is is turned on, the first semiconductor switching element 3 is fallen drive signals G1 conversely switched respectively to the OFF state. A period from time t 0 to time t c is a T 1 period, and a current flows to the
図2において(c)は通常の状態において放電負荷10cに流れる負荷電流I0、(d)は放電負荷10cの両端の電圧V0である。
第1半導体スイッチング素子3がオン状態、第2半導体スイッチング素子5がオフ状態であるとき、上述したように、第1の閉回路を通して放電負荷10cに電流が流れる。このとき、インダクタの主巻線2aの両端に発生する電圧は直流電源1の出力電圧よりも低いから、回生巻線2bに誘起される電圧も直流電源1の出力電圧よりも低い。したがって、回生巻線2bと第2ダイオード6との接続点つまり該ダイオード6のアノードの電位はカソードの電位よりも低く、該ダイオード6は逆バイアスされた状態である。そのため、第3の閉回路には電流は流れない。
In FIG. 2, (c) is a load current I 0 flowing through the
When the first semiconductor switching element 3 is on and the second semiconductor switching element 5 is off, a current flows through the first closed circuit to the
第2半導体スイッチング素子5がターンオンしたあとは、第2の閉回路のインピーダンスは非常に低くほぼ短絡状態であるとみなせる。このT2期間の間、インダクタ2の鉄心の磁化レベルは変化できず、その主巻線2aの両端電圧に変化はない。そのため、T2期間の開始時点、つまり時刻tcの時点で第1の閉回路に流れていた電流値は保持される。それによって、第1の閉回路と第2の閉回路とに共通しているインダクタ2の主巻線2aに流れる電流値はT1期間とT2期間との両期間、即ちパルス周期の1周期期間Tを通じてほぼ一定になる。これは、T1期間において放電負荷10cに流れる電流I0のパルス波高値が、パルスのデューティ比D=T1/Tとは無関係に略一定になることを意味する。また、これは、第1の閉回路と第2の閉回路との間での電流の切替えつまり転流に殆どエネルギを要さないことを意味する。それ故に、パルス周波数は半導体スイッチング素子3、5のスイッチング速度に依存して決められ、通常、数百kHzまで高速化することができる。
After the second semiconductor switching element 5 is turned on, the impedance of the second closed circuit is very low and can be regarded as being almost short-circuited. During this T 2 period, the magnetization level of the iron core of the
図2において、(e)及び(f)は例えば放電条件の変動等の要因によりプラズマが不安定になり、放電負荷10cのインピーダンスが増加したときの負荷電流I0及び電圧V0を示す波形図である。これは、T1期間中の時刻ta〜tbの期間だけ放電負荷10cのインピーダンスが定常時よりも約1.5倍増加した場合を示している。
In FIG. 2, (e) and (f) are waveform diagrams showing the load current I 0 and the voltage V 0 when the plasma becomes unstable due to factors such as fluctuations in discharge conditions and the impedance of the
時刻ta〜tbの期間に放電負荷10cのインピーダンスが増加すると、第1の閉回路に流れる電流は減少しようとするが、それに伴って増加する負荷電圧V0と直流電源1の出力電圧との差分がインダクタ2の主巻線2aの極性に応じた方向に誘起され、その直前に主巻線2aに流れていた電流を保持するように電流を増加させる。即ち、主巻線2aは本来の主目的である電流安定用のインダクタとして機能し、それによって負荷電流I0は殆ど減少することなくほぼ一定に保たれる。
If the impedance of the
なお、放電条件の変動等の要因によって放電負荷10cのインピーダンスが定常時よりも下がった場合や、アーク放電の発生や負荷の短絡などの要因でインピーダンスが極端に下がった場合でも同様に、インダクタ2の主巻線2aは電流安定用のインダクタとして機能するから、負荷電流I0はほぼ一定に維持される。
Similarly, when the impedance of the
放電負荷10cのインピーダンスの増加が大きくなるほど、インダクタ2の主巻線2aの両端間に発生する電圧は大きくなる。磁気結合によってインダクタ2の回生巻線2bにもその極性に応じた方向に同じ大きさの電圧が誘起されるから、放電負荷10cのインピーダンスの増加に伴い、第2のダイオード6のアノードの電位も上昇する。そして、放電負荷10cのインピーダンスの増加が極端に大きいと、第2のダイオード6のアノードの電位がカソードの電位よりも高くなり、第2のダイオード6が順バイアスになって該ダイオード6が導通状態となる。
As the increase in the impedance of the
図2の(g)及び(h)は放電負荷10cのインピーダンスが極端に上昇したときの放電負荷10cの電流I0及び電圧V0の波形図である。
時刻ta〜tbの期間にプラズマが消滅する等の要因で放電負荷10cのインピーダンスが極端に増加すると、負荷電流I0はほぼゼロになる。そして、インダクタ2の主巻線2aの両端間に直流電源1の出力電圧以上に発生した電圧が回生巻線2bにも誘起され、第2ダイオード6は順バイアス状態となって導通する。すると、第3の閉回路が形成され、回生巻線2bに誘起された電圧に由来する電流は第2ダイオード6を経て直流電源1に回生される。また、第2ダイオード6が導通すると、インダクタ2の回生巻線2bの両端電圧は直流電源1の出力電圧とほぼ同じレベルにクランプされ、さらに主巻線2aの両端電圧もほぼ同じレベルにクランプされる。それによって、半導体スイッチング素子3、5に過大な電圧が掛かることを回避することができる。即ち、インダクタ2及び第2ダイオード6は放電負荷10cのインピーダンスが極端に増加したときに電圧クランパとして作用する。
FIGS. 2G and 2H are waveform diagrams of the current I 0 and the voltage V 0 of the
When the impedance of the
即ち、本実施例のスパッタ装置用電源装置では、放電負荷10cの負荷電圧V0が直流電源1の出力電圧の約2倍になるまではインダクタ2の主巻線2aは本来の主目的である電流を安定的に維持するインダクタとして機能し、負荷電圧V0が直流電源1の出力電圧の約2倍を超えると電圧クランパの構成要素として機能する。例えば直流電源1の出力電圧が700Vである場合、電流安定化の機能と電圧クランパの機能とが切り替わる放電負荷10cの負荷電圧V0の電圧閾値は−1400Vである。
That is, in the power supply device for a sputtering apparatus of this embodiment, until the load voltage V 0 which discharge
上述したように、上記実施例では説明の便宜上インダクタ2の主巻線2aと回生巻線2bとの巻数比を1:1としたが、例えば、この巻数比を1.2:1とした場合には次のようになる。即ち、第2ダイオード6が導通状態であるときにインダクタ2の回生巻線2bにおいてクランプされた電圧値は、磁気結合によって、主巻線2aには[直流電源1の出力電圧値]×1.2の電圧として現れる。したがって、上述した電流安定化の機能と電圧クランパの機能とが切り替わる放電負荷10cの負荷電圧V0の電圧閾値は[直流電源1の出力電圧値]×(1+1.2)となる。したがって、直流電源1の出力電圧が700Vである場合、インダクタ2の主巻線2aのクランプ電圧値は840V、負荷電圧V0の電圧閾値は−1540Vである。このように、インダクタ2の主巻線と回生巻線との巻数比を適宜に調整することで、直流電源1の出力電圧、半導体スイッチング素子3、5の耐圧、及び、電圧閾値に対応した適切な設計が可能である。
As described above, in the above embodiment, for convenience of explanation, the turns ratio of the main winding 2a and the regenerative winding 2b of the
また、上記実施例では、第1半導体スイッチング素子3がオフ状態であるときに、負荷電圧V0は接地電位(ゼロボルト)となるが、正極側電圧出力端9aと負極側電圧出力端9bとの間に、直流電源1とは逆極性(ここでは接地電位に対して正極性)の電圧を負極側電圧出力端9bに印加可能な逆バイアス印加回路を設け、第1半導体スイッチング素子3がオフ状態であるT2期間の少なくとも一部の期間に、逆極性の電圧を陽極10a−陰極10b間に印加するとよい。こうした逆極性の電圧を短時間印加することで、ターゲット表面等の帯電を防止することができ、帯電によるアーク放電の発生を抑制することができる。こうした構成においても、上記実施例で説明した特徴的な回路によって、電流安定化の機能と電圧クランパの機能とが達成されることは明らかである。
Further, in the above embodiment, when the first semiconductor switching element 3 is in the OFF state, the load voltage V 0 becomes the ground potential (zero volts), but the positive voltage output terminal 9a and the negative
また上記実施例では、インダクタ2の主巻線2aの一端と回生巻線2bの一端と直流電源1の負極性出力端とを接続し、回生巻線2bの他端に第2ダイオード6を接続するように構成しているが、主巻線2aと直流電源1の負極性出力端との接続点から回生巻線2bの一端への配線の途中に第2ダイオード6を挿入するように接続位置を変更してもよい。或いは、第2ダイオード6の位置は図1に示したままとし、主巻線2aと直流電源1の負極性出力端との接続点から回生巻線2bの一端への配線の途中に別のダイオードを等価直列となるように接続してもよい。このように変更した回路においても、上述した第3の閉回路及びインダクタ2の動作や機能は上記実施例と全く同じである。
さらにまた上記実施例では、インダクタ2は主巻線2aと回生巻線2bとを有する2巻線構造であるが、単巻線構造であるタップドインダクタをインダクタ2として用い、そのタップを上記実施例における主巻線2aと回生巻線2bとの接続点としてもよい。
In the above embodiment, one end of the main winding 2a of the
Furthermore, in the above embodiment, the
また、上記実施例や上述した各種変更例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。 In addition, the above-described embodiments and the above-described various modifications are merely examples of the present invention, and it is a matter of course that modifications, modifications, and additions within the scope of the present invention are included in the scope of the claims of the present application. is there.
1…直流電源
2…インダクタ
2a…主巻線
2b…回生巻線
3…第1半導体スイッチング素子
4…第1ダイオード
5…第2半導体スイッチング素子
6…第2ダイオード
7…制御部
8…スイッチング素子駆動部
9a…正極側電圧出力端
9b…負極側電圧出力端
10…チャンバ
10a…陽極
10b…陰極
10c…放電負荷
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (2)
a)定常的なプラズマ維持のための所定の直流電圧又はパルス状の電圧を一対の出力端間に出力する電力供給部と、
b)前記電力供給部の一方の出力端と前記一対の電圧出力端の一方との間の経路中に電気的に直列に主巻線が設けられ、該主巻線の前記電力供給部側に回生巻線の一端が接続され、該主巻線と回生巻線との接続点を基準として該主巻線と回生巻線との極性が逆向きであるインダクタと、
c)前記インダクタの回生巻線と直列に接続されて該回生巻線とともに前記電力供給部に並列に接続された直列回路を形成し、該直列回路と前記電力供給部とを含む閉回路において該電力供給部から流れる電流を阻止する向きに接続されてなるダイオードと、
を備え、前記ダイオードが阻止状態であって前記回生巻線に電流が流れないときには、前記インダクタの主巻線を前記電圧出力端から前記チャンバに供給する電流を安定化するためのインダクタとして機能させる一方、前記回生巻線の両端に誘起される電圧が上昇して前記ダイオードが導通状態になると、該回生巻線に誘起された電圧に由来する電流を前記ダイオードを介して前記電力供給部に回生させるようにしたことを特徴とするスパッタ装置用電源装置。
In order to generate plasma in the chamber of the sputtering apparatus, a power supply apparatus that applies a DC voltage or a pulsed voltage between a pair of electrodes disposed in the chamber from a pair of voltage output ends,
a) a power supply unit that outputs a predetermined DC voltage or pulsed voltage for maintaining a steady plasma between a pair of output terminals;
b) A main winding is provided electrically in series in a path between one output end of the power supply unit and one of the pair of voltage output ends, and the main winding is disposed on the power supply unit side of the main winding. One end of the regenerative winding is connected, an inductor in which the polarity of the main winding and the regenerative winding is opposite with respect to the connection point of the main winding and the regenerative winding;
c) forming a series circuit connected in parallel to the power supply unit with connected in series with the regenerative winding regenerative winding of the inductor, the at closed circuit including said with the series circuit power supply section A diode connected in a direction to block current flowing from the power supply unit;
Wherein the diode sometimes no current flows to the regenerative winding I is blocked state that is functional main winding of the inductor as the inductor to regulate the current supplied to said chamber from said voltage output terminal while for, before the voltage induced across the Kikai raw winding rises to the diode becomes conductive, the power supply current derived from the voltage induced in the regenerative winding via the diode sputtering system power supply device being characterized in that the so that is regenerative separate component.
前記インダクタの主巻線に直列に半導体スイッチング素子を備え、
該半導体スイッチング素子をオン・オフ動作させることで前記電圧出力端から前記一対の電極間にパルス状の電圧を印加するようにしたことを特徴とするスパッタ装置用電源装置。 The power supply device for a sputtering apparatus according to claim 1,
A semiconductor switching element is provided in series with the main winding of the inductor,
A power supply apparatus for a sputtering apparatus, wherein a pulse voltage is applied between the pair of electrodes from the voltage output terminal by turning on and off the semiconductor switching element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015127706A JP6572424B2 (en) | 2015-06-25 | 2015-06-25 | Power supply for sputtering equipment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015127706A JP6572424B2 (en) | 2015-06-25 | 2015-06-25 | Power supply for sputtering equipment |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017008401A JP2017008401A (en) | 2017-01-12 |
JP6572424B2 true JP6572424B2 (en) | 2019-09-11 |
Family
ID=57762841
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015127706A Active JP6572424B2 (en) | 2015-06-25 | 2015-06-25 | Power supply for sputtering equipment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6572424B2 (en) |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5186281B2 (en) * | 2008-05-26 | 2013-04-17 | 株式会社アルバック | Bipolar pulse power supply and power supply device comprising a plurality of bipolar pulse power supplies connected in parallel |
JP2012033409A (en) * | 2010-07-30 | 2012-02-16 | Origin Electric Co Ltd | Reversed-polarity pulse generating circuit for dc plasma, and dc plasma power supply device |
-
2015
- 2015-06-25 JP JP2015127706A patent/JP6572424B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2017008401A (en) | 2017-01-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9620340B2 (en) | Charge removal from electrodes in unipolar sputtering system | |
KR101164889B1 (en) | System and method for managing power supplied to a plasma chamber | |
WO2015045196A1 (en) | Voltage-type dc power supply and control method of voltage-type dc power supply | |
KR101136836B1 (en) | Apparatus and method for fast arc extinction with early shunting of arc current in plasma | |
US8467211B2 (en) | Bipolar pulsed power supply and power supply apparatus having plurality of bipolar pulsed power supplies | |
US9068259B2 (en) | AC power supply for sputtering apparatus | |
US8471484B2 (en) | Reversed-polarity pulse generating circuit for direct current plasma and direct current plasma power supply unit | |
JP4253341B2 (en) | Discharge lamp lighting control device | |
US9025302B2 (en) | Ionizer | |
JP6233330B2 (en) | Power converter | |
JP6572424B2 (en) | Power supply for sputtering equipment | |
JP6368928B2 (en) | Power supply for DC sputtering equipment | |
JP2013018101A (en) | Electric discharge machining power supply device for wire electric discharge machine capable of suppressing wire electrode consumption | |
JP6307341B2 (en) | Welding power supply device and control method for welding power supply device | |
JP5575610B2 (en) | Power supply | |
JP6586556B2 (en) | Power supply for sputtering equipment | |
JP2012090363A (en) | Protection device for load drive control device | |
JP2005328653A (en) | High voltage pulse generation circuit | |
JP5172135B2 (en) | Vacuum equipment | |
JP7200450B2 (en) | Plasma generator | |
JP2001335928A (en) | Sputtering apparatus | |
KR101995708B1 (en) | Plasma pulse power supply providing initially boosted pulse voltage | |
JP4627696B2 (en) | Vacuum equipment | |
JP2001295042A (en) | Sputtering apparatus | |
JP6529784B2 (en) | Power supply for plasma welding |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180412 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180618 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20181029 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20181113 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20190107 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190306 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190702 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190712 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6572424 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |