JP6613411B1 - DC pulse power supply for plasma processing equipment - Google Patents

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Abstract

【課題】限流抵抗での電力損失を抑えるとともに、良好な波形形状のパルス電圧を容量性負荷回路に印加する直流パルス電源装置を提供する。【解決手段】直流パルス電源装置は、パルス電圧の底部及び頂部の電圧を定める基本電圧生成部1と、パルス電圧の立ち上げ及び立ち下げ時に、インダクタンス素子200及び出力コンデンサ18を含むLC共振回路に共振電流を供給する又は吸い込む共振駆動部2と、PFN回路によりパルス電圧の立ち上がり及び立ち下がり特性を改善するパルス整形部3と、を含む。出力コンデンサ18の接続点(ノードN1)の電圧が共振電流によって電圧V1付近にまで上昇したタイミングでスイッチング部13をオンし、直流電圧源10からの電圧を印加し始める。それにより、限流用抵抗17に流れる電流を抑えることができる。また、パルス整形部3を通すことでパルス波形形状を改善し、容量性負荷回路4に印加することができる。【選択図】図1A direct-current pulse power supply apparatus that suppresses power loss at a current limiting resistor and applies a pulse voltage having a favorable waveform shape to a capacitive load circuit. A DC pulse power supply device includes an LC resonance circuit including a basic voltage generation unit that determines a bottom voltage and a top voltage of a pulse voltage, and an inductance element and an output capacitor when the pulse voltage is raised and lowered. A resonance driving unit 2 that supplies or absorbs a resonance current and a pulse shaping unit 3 that improves the rising and falling characteristics of the pulse voltage by a PFN circuit are included. At the timing when the voltage at the connection point (node N1) of the output capacitor 18 rises to the vicinity of the voltage V1 due to the resonance current, the switching unit 13 is turned on and the voltage from the DC voltage source 10 starts to be applied. Thereby, the current flowing through the current limiting resistor 17 can be suppressed. In addition, the pulse waveform shape can be improved by passing through the pulse shaping unit 3 and applied to the capacitive load circuit 4. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、プラズマエッチング装置などの各種のプラズマ加工装置に用いられる直流パルス電源装置に関する。   The present invention relates to a DC pulse power supply device used in various plasma processing apparatuses such as a plasma etching apparatus.

現在、半導体プロセスを始めとする様々な分野において、プラズマを利用して対象物を加工するプラズマ装置が用いられている。
図14は、プラズマエッチング装置を駆動する従来の電源装置の一例の概略構成を示す図である。このプラズマエッチング装置は、高周波プラズマにパルス状の直流電力を加えることで処理対象物を加工するものである。
Currently, in various fields including a semiconductor process, a plasma apparatus that processes an object using plasma is used.
FIG. 14 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a conventional power supply device for driving a plasma etching apparatus. This plasma etching apparatus processes an object to be processed by applying pulsed DC power to high-frequency plasma.

図14において、プラズマエッチング装置は、真空排気された減圧雰囲気の下で放電ガスや反応ガスが導入されるチャンバ(図示せず)内に二つの電極が配置された、ごく簡略化されたモデルで示されている。この例では、上側の電極がカソード電極721であり、所定のガスに電力を供給して放電プラズマ723を生成するための電極である。一方、下側の電極は、カソード電極721との間に均一な電場を形成するように該カソード電極721と対向して設置されている対向電極722である。ここでは、対向電極722はチャンバと共に、電気的に接地されている。処理対象物は、カソード電極721又は対向電極722のいずれか一方に固定される。互いに所定距離だけ離して配置されているカソード電極721と対向電極722との間にはキャパシタが形成され、このキャパシタの容量は、その電極721、722の間に生成される放電プラズマ723のプラズマ抵抗と合成され、容量性負荷回路72となる。   In FIG. 14, the plasma etching apparatus is a very simplified model in which two electrodes are arranged in a chamber (not shown) into which a discharge gas and a reaction gas are introduced in a vacuum atmosphere that is evacuated. It is shown. In this example, the upper electrode is a cathode electrode 721, which is an electrode for generating electric discharge plasma 723 by supplying electric power to a predetermined gas. On the other hand, the lower electrode is a counter electrode 722 that is installed facing the cathode electrode 721 so as to form a uniform electric field with the cathode electrode 721. Here, the counter electrode 722 is electrically grounded together with the chamber. The processing object is fixed to either the cathode electrode 721 or the counter electrode 722. A capacitor is formed between the cathode electrode 721 and the counter electrode 722 that are arranged apart from each other by a predetermined distance, and the capacitance of this capacitor is the plasma resistance of the discharge plasma 723 generated between the electrodes 721 and 722. To form a capacitive load circuit 72.

高周波電源80は、図示しない結合コンデンサやインピーダンス整合回路を介してカソード電極721に高周波電力を供給するものである。一方、直流パルス電源60は、カソード電極721に負極性の直流パルス電圧を与えるものである。直流パルス電源60と高周波電源80はカソード電極721に対して並列に接続されているため、高周波電源80による高周波電圧が直流パルス電源60に印加されないように、カソード電極721と直流パルス電源60との間には、リアクトル711とコンデンサ712とを含むローパスフィルタ71が挿設されている。   The high frequency power supply 80 supplies high frequency power to the cathode electrode 721 via a coupling capacitor and an impedance matching circuit (not shown). On the other hand, the direct-current pulse power supply 60 supplies a negative direct-current pulse voltage to the cathode electrode 721. Since the direct-current pulse power supply 60 and the high-frequency power supply 80 are connected in parallel to the cathode electrode 721, the cathode electrode 721 and the direct-current pulse power supply 60 are prevented from being applied to the direct-current pulse power supply 60. A low pass filter 71 including a reactor 711 and a capacitor 712 is inserted therebetween.

よく知られているように、高周波電源80により放電プラズマ723を励起するとき、電子電流とイオン電流とがほぼ均等な状態となるように負のセルフバイアス電圧が電極721、722間に生起される。このときのセルフバイアス電圧を高周波電源80に直列に挿入される直流電圧源から印加されるものとみなし、図中には、直流電圧源81を等価的に示している。この直流電圧源81によって、容量性負荷回路72及びローパスフィルタ71は所定のセルフバイアス電圧に充電されるとみなせる。容量性負荷回路72に充電されるセルフバイアス電圧によって、放電プラズマ723は高いイオン加速エネルギを処理対象物に照射することができる。   As is well known, when the discharge plasma 723 is excited by the high-frequency power source 80, a negative self-bias voltage is generated between the electrodes 721 and 722 so that the electron current and the ion current are almost equal. . The self-bias voltage at this time is considered to be applied from a DC voltage source inserted in series with the high-frequency power source 80, and the DC voltage source 81 is equivalently shown in the figure. It can be considered that the capacitive load circuit 72 and the low-pass filter 71 are charged to a predetermined self-bias voltage by the DC voltage source 81. The discharge plasma 723 can irradiate the object to be processed with high ion acceleration energy by the self-bias voltage charged in the capacitive load circuit 72.

上述したような容量性負荷回路72に直流パルス電圧を印加するための従来の一般的な直流パルス電源60は、図14中に概略的に示すように、直流電源部61と相補的にオン・オフ動作する二つのスイッチング素子62、63を含む構成である(特許文献1など参照)。即ち、二つのスイッチング素子62、63が相補的にオン・オフ動作すると、直流電源の出力電圧−V0(一般には数百〜千V以上)と接地電位(0V)とが交互に直流パルス電源60の出力端に現れ、波高値がV0である負極性の直流パルス電圧が生成される。また、特許文献1には、直流パルス電圧を容量性負荷回路に印加するだけでなく、スイッチング素子と共振回路とを用い、容量性負荷回路に蓄積されたエネルギを電源装置側に回生する構成も開示されている。   A conventional general DC pulse power source 60 for applying a DC pulse voltage to the capacitive load circuit 72 as described above is complementary to the DC power source 61 as shown schematically in FIG. The configuration includes two switching elements 62 and 63 that are turned off (see, for example, Patent Document 1). That is, when the two switching elements 62 and 63 are turned on and off in a complementary manner, the output voltage -V0 (generally several hundred to 1,000 V or more) of the DC power supply and the ground potential (0 V) are alternately changed to the DC pulse power supply 60. Appears, and a negative DC pulse voltage having a peak value V0 is generated. Patent Document 1 also has a configuration in which not only a DC pulse voltage is applied to the capacitive load circuit, but also energy stored in the capacitive load circuit is regenerated to the power supply device side using a switching element and a resonance circuit. It is disclosed.

特開2018−107904号公報JP 2018-107904 A 特開2001−27888号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-27888

図14中にも記載したように、上記のような直流パルス電源では一般に、電源投入時等に過大な電流(突入電流)がスイッチング素子に流れて該素子が破壊に至るのを防止するために、該電源の出力端と容量性負荷回路72のカソード側との間に数Ωから数十Ω程度の限流抵抗64が設けられる。しかしながら、限流抵抗を設けると、定常動作時において直流パルス電圧の電圧値が変化する毎に、該限流抵抗の抵抗値と直流パルス電圧の波高値とに依存するピーク電流が発生する。直流パルス電圧の周波数が高いほどピーク電流の発生頻度が高くなり、限流抵抗に流れる電流の実効値が増加する。限流抵抗では電力損失によって熱が生じるが、電流の実効値が増加すると発熱量はかなり大きいものとなる。そのため、通常、かなりサイズや重量が大きな抵抗が限流抵抗として必要になる。それによって、電源装置の効率が悪化する、サイズが大きくなる、重量が重くなる、さらにはコストが高くなる、といった問題があった。   As described in FIG. 14, in the DC pulse power supply as described above, in order to prevent an excessive current (inrush current) from flowing into the switching element when the power is turned on, etc. A current limiting resistor 64 of about several Ω to several tens of Ω is provided between the output terminal of the power source and the cathode side of the capacitive load circuit 72. However, when a current limiting resistor is provided, a peak current depending on the resistance value of the current limiting resistor and the peak value of the DC pulse voltage is generated every time the voltage value of the DC pulse voltage changes during steady operation. The higher the frequency of the DC pulse voltage, the higher the frequency of peak current generation, and the effective value of the current flowing through the current limiting resistor increases. In the current limiting resistance, heat is generated due to power loss, but when the effective value of the current increases, the heat generation amount becomes considerably large. Therefore, a resistor having a considerably large size and weight is usually required as the current limiting resistor. As a result, the efficiency of the power supply device is deteriorated, the size is increased, the weight is increased, and the cost is increased.

また、特にプラズマエッチングを始めとするプラズマ加工の分野では、加工精度を高めることが強く要請されており、そのためには直流パルス電源からプラズマエッチング装置に印加する直流パルス電圧の立ち上がり及び立ち下がりの特性を改善する必要がある。   In particular, in the field of plasma processing such as plasma etching, there is a strong demand for improving processing accuracy. For this purpose, the characteristics of rising and falling of the DC pulse voltage applied from the DC pulse power source to the plasma etching apparatus are required. Need to improve.

本発明はこうした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、限流抵抗における電力損失を低減するとともに、直流パルス電圧の立ち上がり及び立ち下がりの特性を改善することができるプラズマ加工装置用直流パルス電源装置を提供することにある。   The present invention has been made to solve these problems, and the object of the present invention is to reduce the power loss in the current limiting resistor and improve the rising and falling characteristics of the DC pulse voltage. An object of the present invention is to provide a DC pulse power supply device for a plasma processing apparatus.

本願発明者は、大きなピーク電流を発生させることなく直流パルス電圧の立ち上げ及び立ち下げを行う一つの技術として、特許文献2等に開示されている共振方式の電源装置に着目した。この電源装置は、プラズマディスプレイの駆動に用いられるものであり、インダクタンス素子と容量性負荷とのLC共振を利用してパルス電圧を滑らかに立ち上げ又は立ち下げる。しかしながら、こうした従来の共振方式の電源装置では、パルス電圧の立ち上がり及び立ち下がりの速度が遅く、プラズマ加工装置用としては適さない。そこで、本発明者は、従来の共振方式の利点を活かしつつ、その欠点を補うように新たな構成を導入することにより本発明をなすに至った。   The inventor of the present application has paid attention to a resonance-type power supply device disclosed in Patent Document 2 as one technique for raising and lowering a DC pulse voltage without generating a large peak current. This power supply device is used for driving a plasma display, and smoothly raises or lowers a pulse voltage by utilizing LC resonance between an inductance element and a capacitive load. However, such a conventional resonance type power supply device has a slow rise and fall speed of the pulse voltage, and is not suitable for a plasma processing apparatus. Therefore, the present inventor has made the present invention by introducing a new configuration so as to make up for the disadvantages while taking advantage of the advantages of the conventional resonance method.

上記課題を解決するためになされた本発明は、プラズマ加工用のプラズマを形成する電極を含む容量性負荷回路に、2以上の電圧レベルに変化する直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)前記容量性負荷回路を含む複数の容量性素子と複数のインダクタンス素子とがラダー状に接続されて成るパルス整形部と、
b)直流パルス電圧の最も高い電圧レベルに対応する第1直流電圧を生成する直流電圧源を含み、前記パルス整形部を通して前記容量性負荷回路に電力を供給するための電力供給部と、該電力供給部による出力電圧及び/又は接地電位を切り替える複数のスイッチング部と、前記パルス整形部の入力端と接地端との間に接続される出力コンデンサと、該複数のスイッチング部の少なくとも一つが導通されて前記電力供給部から前記容量性負荷回路に電力が供給されるときの電流の経路及び該複数のスイッチング部の少なくとも他の一つが導通されて前記出力コンデンサの蓄積エネルギによる電流が流れる経路に設けられた限流抵抗と、を含み、前記複数のスイッチング部により切り替えられた電圧を前記パルス整形部の入力端に入力する基本電圧生成部と、
c)前記パルス整形部の入力端に一端が接続された共振用インダクタンス素子と、第1スイッチング部及び第2スイッチング部が直列に接続され、該第1スイッチング部と該第2スイッチング部との間に前記共振用インダクタンス素子の他端が接続されている直列回路部と、該直列回路部の高電圧側端部に前記第1直流電圧よりも低い第2直流電圧を印加する共振用第1直流電圧源と、前記直列回路部の低電圧側端部に前記第2直流電圧よりも低い所定の第3直流電圧を印加する共振用第2直流電圧源と、を含む共振駆動部と、
d)前記基本電圧生成部の複数のスイッチング部、並びに、前記共振駆動部の第1及び第2スイッチング部のオン・オフ動作を制御するものであって、直流パルス電圧の立ち上げ時には、前記共振駆動部の第1スイッチング部をオンさせて前記共振用インダクタンス素子と前記出力コンデンサ及び/又は前記パルス整形部の容量とのLC共振により前記パルス整形部の入力端の電圧を増加させたあと、前記基本電圧生成部の所定のスイッチング部をオンして前記電力供給部からの第1直流電圧を前記パルス整形部の入力端に印加し、直流パルス電圧の立ち下げ時には、前記基本電圧生成部からの電圧の印加を停止し前記共振駆動部の第2スイッチング部をオンさせて前記共振用インダクタンス素子と前記出力コンデンサ及び/又は前記パルス整形部の容量とのLC共振により前記パルス整形部の入力端の電圧を減少させたあと、前記基本電圧生成部の所定のスイッチング部をオンして立ち下げ後の電位を前記パルス整形部の入力端に与えるように、前記各スイッチング部の動作をそれぞれ制御する制御部と、
を備えることを特徴としている。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a DC pulse for a plasma processing apparatus that applies a DC pulse voltage that changes to a voltage level of 2 or more to a capacitive load circuit including an electrode that forms plasma for plasma processing. A power supply unit,
a) a pulse shaping unit in which a plurality of capacitive elements including the capacitive load circuit and a plurality of inductance elements are connected in a ladder shape;
b) a power supply unit for supplying power to the capacitive load circuit through the pulse shaping unit, including a DC voltage source that generates a first DC voltage corresponding to the highest voltage level of the DC pulse voltage; At least one of the plurality of switching units for switching the output voltage and / or the ground potential by the supply unit, the output capacitor connected between the input end and the ground end of the pulse shaping unit, and the plurality of switching units is conducted. Current path when power is supplied from the power supply unit to the capacitive load circuit, and a path through which at least one other of the plurality of switching units is conducted and current by the accumulated energy of the output capacitor flows. A basic current for inputting a voltage switched by the plurality of switching units to an input terminal of the pulse shaping unit. A generation unit,
c) A resonance inductance element having one end connected to the input end of the pulse shaping unit, a first switching unit and a second switching unit are connected in series, and between the first switching unit and the second switching unit. A series circuit portion to which the other end of the resonance inductance element is connected, and a resonance first DC that applies a second DC voltage lower than the first DC voltage to the high voltage side end of the series circuit portion. A resonance driving unit including: a voltage source; and a second DC voltage source for resonance that applies a predetermined third DC voltage lower than the second DC voltage to the low voltage side end of the series circuit unit;
d) Controlling on / off operations of the plurality of switching units of the basic voltage generation unit and the first and second switching units of the resonance driving unit, and at the time of starting up the DC pulse voltage, After turning on the first switching unit of the driving unit and increasing the voltage at the input end of the pulse shaping unit by LC resonance between the resonance inductance element and the output capacitor and / or the capacitance of the pulse shaping unit, A predetermined switching unit of the basic voltage generation unit is turned on to apply the first DC voltage from the power supply unit to the input terminal of the pulse shaping unit, and when the DC pulse voltage falls, from the basic voltage generation unit The voltage application is stopped and the second switching unit of the resonance driving unit is turned on, and the resonance inductance element, the output capacitor, and / or the pulse adjustment unit are turned on. After the voltage at the input end of the pulse shaping unit is reduced by LC resonance with the capacitance of the unit, the predetermined switching unit of the basic voltage generation unit is turned on and the potential after falling is set to the input end of the pulse shaping unit A control unit for controlling the operation of each of the switching units,
It is characterized by having.

本発明の第1の態様のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置において、前記限流抵抗は、前記複数のスイッチング部の切り替えによって電圧が出力される電圧出力端と前記パルス整形部の入力端との間に接続されてなる。   In the DC pulse power supply device for a plasma processing apparatus according to the first aspect of the present invention, the current limiting resistor has a voltage output terminal that outputs a voltage by switching the plurality of switching units and an input terminal of the pulse shaping unit. Connected between.

また本発明の第1の態様のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置において、前記限流抵抗は、直列に接続された前記複数のスイッチング部のうちの低電圧側のスイッチング部における低電圧側端部と接地部位との間に接続され、前記電力供給部は、該直列に接続された複数のスイッチング部の両端に電力を供給するものである。   Further, in the DC pulse power supply device for a plasma processing apparatus according to the first aspect of the present invention, the current limiting resistor is a low voltage side end portion in a low voltage side switching portion among the plurality of switching portions connected in series. The power supply unit supplies power to both ends of the plurality of switching units connected in series.

上記第1の態様と第2の態様とで相違する主な点は限流抵抗の挿入位置であり、第2の態様では、第1の態様において設けられている限流抵抗は短絡され、複数のスイッチング部のうちの低電圧側のスイッチング部と接地部位との間に限流抵抗が設けられ、その複数のスイッチング部の両端、つまりは限流抵抗を含まない直列回路の両端に、電力供給部による電力が供給される。それ以外の基本的な構成は第1の態様と第2の態様とで同じである。   The main difference between the first mode and the second mode is the insertion position of the current limiting resistor. In the second mode, the current limiting resistor provided in the first mode is short-circuited, and a plurality of current limiting resistors are short-circuited. A current limiting resistor is provided between the switching part on the low voltage side of the switching part and the ground part, and power is supplied to both ends of the plurality of switching parts, that is, to both ends of the series circuit including no current limiting resistance. Power is supplied by the unit. The other basic configuration is the same between the first and second aspects.

本発明では、容量性負荷回路側から直流パルス電源装置側への高周波電圧の侵入を防止するために直流パルス電源装置の出力段(又はプラズマ加工装置の電圧入力段)に設けられるLCフィルタの構成要素を、上記パルス整形部に含まれる容量性素子及びインダクタンス素子の一部として利用することができる。また、直流パルス電源装置とプラズマ加工装置とを接続する同軸ケーブル線などの配線における寄生インダクタンス、寄生容量なども、パルス整形部に含まれる容量性素子及びインダクタンス素子の一部として用いることができる。   In the present invention, the configuration of the LC filter provided in the output stage of the DC pulse power supply apparatus (or the voltage input stage of the plasma processing apparatus) in order to prevent the high frequency voltage from entering from the capacitive load circuit side to the DC pulse power supply apparatus side. The element can be used as a part of the capacitive element and the inductance element included in the pulse shaping unit. Further, parasitic inductance, parasitic capacitance, and the like in wiring such as a coaxial cable connecting the DC pulse power supply device and the plasma processing apparatus can also be used as part of the capacitive element and the inductance element included in the pulse shaping unit.

本発明の典型的な一形態では、直流パルス電圧は接地電位(0V)と接地電位ではない所定の電位との二つの電圧レベルを有する矩形波電圧である。また本発明の他の形態では、直流パルス電圧はいずれも接地電位ではない所定の二つの電位の二つの電圧レベルを有する矩形波電圧である。また本発明のさらに他の形態では、直流パルス電圧は、接地電位を含む又は含まない所定の三以上の電圧レベルを有する多段矩形波電圧である。   In a typical embodiment of the present invention, the DC pulse voltage is a rectangular wave voltage having two voltage levels: a ground potential (0 V) and a predetermined potential that is not the ground potential. In another embodiment of the present invention, the DC pulse voltage is a rectangular wave voltage having two voltage levels of two predetermined potentials that are not ground potentials. In still another embodiment of the present invention, the DC pulse voltage is a multi-stage rectangular wave voltage having a predetermined three or more voltage levels including or not including the ground potential.

いま、容量性負荷回路に印加される直流パルス電圧が接地電位と所定の電位V1との二つの電圧レベルの矩形波電圧である場合を考える。この場合、基本電圧生成部は一つの直流電圧源と、二つのスイッチング部を含む。直流パルス電圧を電位0から電位V1まで立ち上げる際には、基本電圧生成部からパルス整形部の入力端に電圧は印加されず、共振駆動部において第1スイッチング部がオンされることでLC共振による共振電流が出力コンデンサに供給され該出力コンデンサを充電する。これにより、パルス整形部の入力端の電圧は立ち上がる。共振電流により電圧が十分に立ち上がったあとに、基本電圧生成部でスイッチング部の切替動作が行われ、直流電圧源による出力電圧がパルス整形部の入力端に印加され、該入力端の電位は所定の電位V1を維持する。   Consider a case where the DC pulse voltage applied to the capacitive load circuit is a rectangular wave voltage of two voltage levels, a ground potential and a predetermined potential V1. In this case, the basic voltage generation unit includes one DC voltage source and two switching units. When the DC pulse voltage is raised from the potential 0 to the potential V1, no voltage is applied from the basic voltage generation unit to the input terminal of the pulse shaping unit, and the LC switching resonance is performed by turning on the first switching unit in the resonance driving unit. Is supplied to the output capacitor to charge the output capacitor. As a result, the voltage at the input end of the pulse shaping unit rises. After the voltage rises sufficiently due to the resonance current, the switching operation of the switching unit is performed in the basic voltage generation unit, the output voltage from the DC voltage source is applied to the input end of the pulse shaping unit, and the potential of the input end is predetermined. Is maintained at the potential V1.

一方、直流パルス電圧を電位V1から0まで立ち下げる際には、基本電圧生成部からパルス整形部の入力端への電圧印加は停止され、共振駆動部において第2スイッチング部がオンされることでLC共振による共振電流が共振用インダクタンス素子を先とは逆方向に流れ、例えば共振用第2直流電圧源に含まれるコンデンサを充電する。即ち、その直前まで出力コンデンサに蓄積されていた電荷がコンデンサに移送される。これにより、パルス整形部の入力端の電位は0付近まで低下し、電圧が十分に立ち下がったあと、基本電圧生成部で他方のスイッチング部がオンすることでパルス整形部の入力端の電位は0に固定される。   On the other hand, when the DC pulse voltage is lowered from the potential V1 to 0, voltage application from the basic voltage generation unit to the input terminal of the pulse shaping unit is stopped, and the second switching unit is turned on in the resonance driving unit. The resonance current due to the LC resonance flows through the resonance inductance element in the opposite direction to charge the capacitor included in the resonance second DC voltage source, for example. That is, the electric charge accumulated in the output capacitor until immediately before is transferred to the capacitor. As a result, the potential at the input end of the pulse shaping unit drops to near zero, and after the voltage has sufficiently dropped, the other switching unit is turned on in the basic voltage generating unit, so that the potential at the input end of the pulse shaping unit is Fixed to 0.

このように、本発明に係る直流パルス電源装置では、直流パルス電圧の立ち上がり及び立ち下がりにおいて基本電圧生成部における限流抵抗に殆ど又は全く電流が流れない。そのため、限流抵抗に流れる電流の実効値は小さく、該抵抗での電力損失による発熱を抑えることができる。   Thus, in the DC pulse power supply device according to the present invention, little or no current flows through the current limiting resistor in the basic voltage generator at the rise and fall of the DC pulse voltage. Therefore, the effective value of the current flowing through the current limiting resistor is small, and heat generation due to power loss at the resistor can be suppressed.

また、パルス整形部の入力端での電圧の上昇及び下降の速度は共振電流の共振波長の制約を受ける。そのため、パルス整形部の入力端における電圧変化は緩慢であるものの、パルスフォーミングネットワーク(PFN)であるパルス整形部は、パルス波形の立ち上がり及び立ち下がりの特性を改善する。これにより、容量性負荷回路、即ちプラズマ加工装置のプラズマ生成用電極には、立ち上がり及び立ち下がりが急峻である良好な波形形状の直流パルス電圧が印加される。   Further, the speed of voltage increase and decrease at the input terminal of the pulse shaping unit is restricted by the resonance wavelength of the resonance current. Therefore, although the voltage change at the input terminal of the pulse shaping unit is slow, the pulse shaping unit which is a pulse forming network (PFN) improves the rising and falling characteristics of the pulse waveform. As a result, a DC pulse voltage having a good waveform shape with a sharp rise and fall is applied to the capacitive load circuit, that is, the plasma generation electrode of the plasma processing apparatus.

また、第2の態様では、限流抵抗が低電圧側に配置されるため、限流抵抗の空間的、沿面との間、及び、接地部位との間の容量に配慮する必要がない。そのため、部品や回路の配置や構造上の制約を緩和することができるという付随的な効果がある。   In the second mode, since the current limiting resistor is arranged on the low voltage side, it is not necessary to consider the capacity of the current limiting resistor in terms of space, creepage, and ground. Therefore, there is an accompanying effect that restrictions on the arrangement and structure of components and circuits can be relaxed.

また第2の態様では、前記共振駆動部の直列回路部において、第1スイッチング部と第2スイッチング部との間に二つの順方向接続であるダイオードが直列に接続され、該二つのダイオードの間に前記共振用インダクタンス素子の他端が接続され、前記限流抵抗のスイッチング部側の端部から、前記第1スイッチング部と前記ダイオードとの接続端への間に、順方向接続であるダイオードが設けられ、前記第2スイッチング部と前記ダイオードとの接続端から、前記基本電圧生成部における直列に接続された複数のスイッチング部の高電圧側端部への間に、順方向接続であるダイオードが設けられてなる構成とするとよい。   In the second aspect, in the series circuit unit of the resonance driving unit, two forward connection diodes are connected in series between the first switching unit and the second switching unit, and between the two diodes. The other end of the resonance inductance element is connected to a diode connected in a forward direction from the end of the current limiting resistor on the switching unit side to the connection end of the first switching unit and the diode. A diode connected in a forward direction from a connection end of the second switching unit and the diode to a high voltage side end of the plurality of switching units connected in series in the basic voltage generation unit. It is good to have a structure provided.

この構成において、共振駆動部の直列回路部に含まれるダイオードは共振動作における逆電流を阻止する作用を有するが、転流時に蓄積電荷によるリカバリ電流を生じる。このリカバリ電流により共振用インダクタンス素子に発生するエネルギのために、該ダイオードやスイッチング部に高電圧のサージ電圧が印加されるおそれがある。これに対し、共振駆動部の直列回路部と前記基本電圧生成部との間に設けられた二つのダイオードはフリーホイールダイオードとして機能し、共振用インダクタンス素子に流れたリカバリ電流を流し続ける。それにより、逆電流阻止用のダイオードやスイッチング部に高電圧のサージが印加されることを防止し、サージ吸収用のスナバ回路を付設する必要がなくなる。   In this configuration, the diode included in the series circuit unit of the resonance driving unit has a function of preventing a reverse current in the resonance operation, but generates a recovery current due to accumulated charges at the time of commutation. Due to the energy generated in the resonance inductance element by this recovery current, a high surge voltage may be applied to the diode or the switching unit. On the other hand, the two diodes provided between the series circuit unit of the resonance drive unit and the basic voltage generation unit function as freewheel diodes and continue to flow the recovery current that has flowed through the resonance inductance element. This prevents a high voltage surge from being applied to the reverse current blocking diode and the switching unit, and eliminates the need to provide a snubber circuit for absorbing the surge.

また本発明に係る直流パルス電源装置において、直流パルス電圧の立ち上がり及び立ち下がりの際に限流抵抗に流れる電流をできるだけ少なくするには、共振電流による出力コンデンサの充電電圧が基本電圧生成部においてスイッチング部を切り替えることで出力する電圧と等しいとき、及び、共振電流により放電される出力コンデンサの充電電圧が0と等しいときに、基本電圧生成部におけるスイッチング部の切り替え動作を行うことが好ましい。   Further, in the DC pulse power supply device according to the present invention, in order to minimize the current flowing through the current limiting resistor when the DC pulse voltage rises and falls, the charging voltage of the output capacitor due to the resonance current is switched in the basic voltage generator. It is preferable to perform the switching operation of the switching unit in the basic voltage generation unit when the voltage is equal to the voltage output by switching the unit and when the charging voltage of the output capacitor discharged by the resonance current is equal to 0.

そこで本発明に係る直流パルス電源装置において、前記制御部は、共振用インダクタンス素子に流れる電流値を検出する検出部を含み、該検出部による検出結果に基づいて、前記基本電圧生成部でスイッチング部を切り替えるタイミングを決める構成とするとよい。   Therefore, in the DC pulse power supply device according to the present invention, the control unit includes a detection unit that detects a current value flowing through the resonance inductance element, and the basic voltage generation unit switches the switching unit based on the detection result by the detection unit. It is preferable to determine the timing for switching between.

一般的には、LC共振の半サイクルの間に共振電流が略正弦波の半波形状を呈したあとの0時点で、出力コンデンサの充電電圧は最高値に到達する。したがって、基本電圧生成部における第1直流電圧に対して共振駆動部における第2直流電圧及び第3直流電圧をそれぞれ適宜に定めた状態では、共振電流が略正弦波の半波形状に変化したあとの0時点で基本電圧生成部におけるスイッチング部を切り替えるようにするとよい。即ち、共振電流により出力コンデンサの充電電圧が第1直流電圧に達する又は最も近くなったときに、基本電圧生成部からの電圧印加に切り替えるとよい。これにより、限流抵抗に流れる電流をより一層少なくすることができ、その発熱を抑えることができる。   In general, the charging voltage of the output capacitor reaches the maximum value at time 0 after the resonance current exhibits a substantially sinusoidal half-wave shape during the half cycle of LC resonance. Therefore, in a state where the second DC voltage and the third DC voltage in the resonance driving unit are appropriately determined with respect to the first DC voltage in the basic voltage generation unit, the resonance current changes to a substantially sinusoidal half-wave shape. It is preferable to switch the switching unit in the basic voltage generation unit at time 0. That is, when the charging voltage of the output capacitor reaches or is closest to the first DC voltage due to the resonance current, switching to voltage application from the basic voltage generation unit is preferable. Thereby, the electric current which flows into a current limiting resistor can be decreased further, and the heat_generation | fever can be suppressed.

上述したように共振駆動部のスイッチング部がオン・オフ動作するのに伴ってLC共振が生じ共振電流が流れるが、容量性負荷回路のプラズマ抵抗による電力消費のために共振エネルギは減衰する。その共振エネルギが減衰した分だけ、充電時における出力コンデンサの最大充電電圧は下がるし、逆に放電時においては出力コンデンサの充電電圧は下がり切らなくなる。   As described above, LC resonance occurs and resonance current flows as the switching unit of the resonance driving unit is turned on / off, but resonance energy is attenuated due to power consumption by the plasma resistance of the capacitive load circuit. As the resonance energy is attenuated, the maximum charging voltage of the output capacitor at the time of charging is lowered, and conversely, the charging voltage of the output capacitor is not completely lowered at the time of discharging.

そこで本発明に係る直流パルス電源装置では、前記第2直流電圧は前記第1直流電圧の1/2よりも高く設定され、前記第3直流電圧は前記第1直流電圧の1/2よりも低く設定される構成とするとよい。   Therefore, in the DC pulse power supply device according to the present invention, the second DC voltage is set higher than 1/2 of the first DC voltage, and the third DC voltage is lower than 1/2 of the first DC voltage. It may be configured to be set.

第2直流電圧と第1直流電圧の1/2との電圧差、及び、第3直流電圧と第1直流電圧の1/2との電圧差、をそれぞれ負荷抵抗の大きさに応じて適宜に定めることで、上述した共振エネルギの減衰による電圧の不足分を補償することができる。それにより、基本電圧生成部からの電圧印加に移行する際、及びその逆の移行の際における、限流抵抗に流れる電流を一層少なくすることができる。   The voltage difference between the second DC voltage and 1/2 of the first DC voltage, and the voltage difference between the third DC voltage and 1/2 of the first DC voltage are appropriately set according to the magnitude of the load resistance. By determining, it is possible to compensate for the shortage of voltage due to the attenuation of the resonance energy described above. Thereby, it is possible to further reduce the current flowing through the current limiting resistor when shifting to the voltage application from the basic voltage generating unit and vice versa.

即ち、本発明に係る直流パルス電源装置では、前記共振用第1直流電圧源及び前記共振用第2直流電圧源はそれぞれ、前記容量性負荷回路中の負荷抵抗に流れる負荷電流に応じて、前記第1直流電圧の1/2と前記第2直流電圧との電圧差、及び前記第1直流電圧の1/2と前記第3直流電圧との電圧差、を決定する構成とするとよい。   That is, in the DC pulse power supply device according to the present invention, the first DC voltage source for resonance and the second DC voltage source for resonance are each in accordance with a load current flowing through a load resistor in the capacitive load circuit. A voltage difference between 1/2 of the first DC voltage and the second DC voltage, and a voltage difference between 1/2 of the first DC voltage and the third DC voltage may be determined.

プラズマエッチング装置等のプラズマ加工装置では、負荷抵抗の大きさはプラズマ生成条件などによって異なるため、負荷電流を検出する電流検出部を設け、検出された負荷電流に応じて電圧差を決定することで、負荷抵抗の大きさに拘わらず限流抵抗に流れる電流を少なくすることができる。   In a plasma processing apparatus such as a plasma etching apparatus, the magnitude of the load resistance varies depending on the plasma generation conditions, etc., so a current detector for detecting the load current is provided, and the voltage difference is determined according to the detected load current. The current flowing through the current limiting resistor can be reduced regardless of the load resistance.

また、上述したように第2直流電圧及び第3直流電圧を負荷電流に応じて変化させるために、本発明に係る直流パルス電源装置において、前記共振用第1直流電圧源及び前記共振用第2直流電圧源はそれぞれ、出力電圧の調整が可能な昇圧コンバータ、降圧コンバータ、又は昇降圧コンバータを含む構成とするとよい。   Further, as described above, in order to change the second DC voltage and the third DC voltage according to the load current, in the DC pulse power supply device according to the present invention, the resonance first DC voltage source and the resonance second DC voltage source. Each of the DC voltage sources may include a boost converter, a buck converter, or a buck-boost converter that can adjust the output voltage.

本発明に係る直流パルス電源装置によれば、限流抵抗での電力損失を減少させ、その発熱を軽減することができる。それにより、限流抵抗として使用する抵抗のサイズ、重量を小さくすることができ、また低コストの抵抗を使用することができる。その結果、電源装置自体のサイズや重量を小さくし、装置コストを低減することもできる。また、本発明に係る直流パルス電源装置によれば、限流抵抗での電力損失を減少させながら、立ち上がり及び立ち下がりの急峻な、良好な波形形状の直流パルス電圧をプラズマ加工装置の容量性負荷回路に供給することができる。それにより、プラズマ加工装置においてプラズマを用いた加工や処理の精度を向上させることができる。   According to the direct-current pulse power supply device according to the present invention, it is possible to reduce the power loss at the current limiting resistor and reduce the heat generation. Thereby, the size and weight of the resistor used as the current limiting resistor can be reduced, and a low-cost resistor can be used. As a result, the size and weight of the power supply device itself can be reduced and the device cost can be reduced. Further, according to the DC pulse power supply device according to the present invention, the DC pulse voltage having a good waveform shape with a steep rise and fall is reduced while reducing the power loss at the current limiting resistor. Can be supplied to the circuit. Thereby, it is possible to improve the accuracy of processing and processing using plasma in the plasma processing apparatus.

本発明の第1の実施形態である直流パルス電源装置の概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of a DC pulse power supply device according to a first embodiment of the present invention. 第1の実施形態である直流パルス電源装置のより詳細な構成図。The more detailed block diagram of the DC pulse power supply device which is 1st Embodiment. 第1の実施形態である直流パルス電源装置の要部の動作波形図。The operation | movement waveform diagram of the principal part of the direct-current pulse power supply device which is 1st Embodiment. 第1の実施形態である直流パルス電源装置の電圧変化及び電流変化のシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the voltage change of the DC pulse power supply device which is 1st Embodiment, and an electric current change. 本発明の第2の実施形態である直流パルス電源装置の概略構成図。The schematic block diagram of the DC pulse power supply device which is the 2nd Embodiment of this invention. 第2の実施形態である直流パルス電源装置において負荷に印加される直流パルス電圧の波形の一例を示す図。The figure which shows an example of the waveform of the direct current | flow pulse voltage applied to load in the direct current | flow pulse power supply device which is 2nd Embodiment. 本発明の第3の実施形態である直流パルス電源装置の概略構成図。The schematic block diagram of the DC pulse power supply device which is the 3rd Embodiment of this invention. 第3の実施形態である直流パルス電源装置において負荷に印加される直流パルス電圧の波形の一例を示す図。The figure which shows an example of the waveform of the direct current | flow pulse voltage applied to load in the direct current | flow pulse power supply device which is 3rd Embodiment. 第1の実施形態の変形例である直流パルス電源装置の構成図。The lineblock diagram of the direct-current pulse power supply device which is a modification of a 1st embodiment. 第1の実施形態の変形例である直流パルス電源装置の構成図。The lineblock diagram of the direct-current pulse power supply device which is a modification of a 1st embodiment. 第1の実施形態の変形例である直流パルス電源装置の構成図。The lineblock diagram of the direct-current pulse power supply device which is a modification of a 1st embodiment. 図11に示した変形例にさらに改良を加えた直流パルス電源装置の詳細な構成図。FIG. 12 is a detailed configuration diagram of a DC pulse power supply device in which the modification shown in FIG. 11 is further improved. 図12に示した直流パルス電源装置の要部の動作波形図。FIG. 13 is an operation waveform diagram of the main part of the DC pulse power supply device shown in FIG. 12. 従来のプラズマ装置用電源装置の一例の概略構成図。The schematic block diagram of an example of the conventional power supply device for plasma apparatuses.

[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態であるプラズマ加工装置用直流パルス電源装置について、添付図面を参照して説明する。
図1は第1の実施形態である直流パルス電源装置の基本的な回路構成図、図2は第1の実施形態である直流パルス電源装置のより詳細な構成図である。図3は、第1の実施形態である直流パルス電源装置の要部の動作波形図である。
[First Embodiment]
A DC pulse power supply device for a plasma processing apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a basic circuit configuration diagram of a DC pulse power supply device according to the first embodiment, and FIG. 2 is a more detailed configuration diagram of the DC pulse power supply device according to the first embodiment. FIG. 3 is an operation waveform diagram of the main part of the DC pulse power supply device according to the first embodiment.

第1の実施形態の直流パルス電源装置は、プラズマエッチング装置においてプラズマ生成用の電極を含む容量性負荷回路4に直流パルス電圧を印加するものである。ここでは、容量性負荷回路4をキャパシタ40と抵抗41との並列回路で簡易的に示している。一般的に、プラズマエッチング装置ではプラズマ生成用電極に負極性の直流パルス電圧が印加されることが多いが、ここでは、説明の便宜上、プラズマ生成用電極を含む容量性負荷回路4に正極性の直流パルス電圧を印加するものとして説明する。
この直流パルス電源装置は、基本電圧生成部1と、共振駆動部2と、パルス整形部3と、制御部5と、を含む。
The DC pulse power supply device of the first embodiment applies a DC pulse voltage to the capacitive load circuit 4 including an electrode for plasma generation in a plasma etching apparatus. Here, the capacitive load circuit 4 is simply shown as a parallel circuit of a capacitor 40 and a resistor 41. In general, in a plasma etching apparatus, a negative DC pulse voltage is often applied to a plasma generation electrode. Here, for convenience of explanation, a positive polarity is applied to the capacitive load circuit 4 including the plasma generation electrode. Description will be made assuming that a DC pulse voltage is applied.
The DC pulse power supply device includes a basic voltage generation unit 1, a resonance drive unit 2, a pulse shaping unit 3, and a control unit 5.

基本電圧生成部1は、容量性負荷回路4に印加する直流パルス電圧の二つの電圧レベル、つまりはパルス頂部側の電圧及びパルス底部側の電圧を決めるものである。図1、図2に示すように、基本電圧生成部1は、第1直流電圧源10、第3ダイオード11、電圧源コンデンサ12、第1スイッチング部13、第1ダイオード14、第2スイッチング部15、第2ダイオード16、限流抵抗17、及び出力コンデンサ18を含む。   The basic voltage generator 1 determines two voltage levels of the DC pulse voltage applied to the capacitive load circuit 4, that is, the voltage on the pulse top side and the voltage on the pulse bottom side. As shown in FIGS. 1 and 2, the basic voltage generator 1 includes a first DC voltage source 10, a third diode 11, a voltage source capacitor 12, a first switching unit 13, a first diode 14, and a second switching unit 15. , A second diode 16, a current limiting resistor 17, and an output capacitor 18.

第1直流電圧源10は正極性の直流電圧(電圧値:V1)を出力するものであり、順方向接続である第3ダイオード11を介して電圧源コンデンサ12、及び、第1スイッチング部13と第2スイッチング部15との直列回路の一端に接続されている。該直列回路の他端は接地されている。第1ダイオード14は第1スイッチング部13に、第2ダイオード16は第2スイッチング部15に、それぞれ逆並列に接続されている。また、限流抵抗17は、第1スイッチング部13と第2スイッチング部15との接続点と、後述する共振用インダクタンス素子200と出力コンデンサ18とが接続されるノードN1と、の間に接続されている。   The first DC voltage source 10 outputs a positive DC voltage (voltage value: V1), and is connected to the voltage source capacitor 12 and the first switching unit 13 via the third diode 11 which is forward-connected. It is connected to one end of a series circuit with the second switching unit 15. The other end of the series circuit is grounded. The first diode 14 is connected to the first switching unit 13 and the second diode 16 is connected to the second switching unit 15 in antiparallel. The current limiting resistor 17 is connected between a connection point between the first switching unit 13 and the second switching unit 15 and a node N1 to which a resonance inductance element 200 and an output capacitor 18 described later are connected. ing.

図1に示すように、共振駆動部2は、共振用第1直流電圧源20、共振用第1スイッチング部21、第4ダイオード22、第5ダイオード23、第6ダイオード24、共振用第2スイッチング部25、第7ダイオード26、電圧源コンデンサ27、第8ダイオード28、共振用第2直流電圧源29、及び共振用インダクタンス素子200、を含む。共振用第1直流電圧源20は正極性の直流電圧を出力するものであり、この共振用第1直流電圧源20の出力端の間に、共振用第1スイッチング部21、第5ダイオード23、第6ダイオード24、及び共振用第2スイッチング部25が順に直列に接続された直列回路が接続されている。第5ダイオード23及び第6ダイオード24は、共振用インダクタンス素子200に共振電流の半波をそれぞれ個別に流すための逆方向阻止用のダイオードである。   As shown in FIG. 1, the resonance driving unit 2 includes a resonance first DC voltage source 20, a resonance first switching unit 21, a fourth diode 22, a fifth diode 23, a sixth diode 24, and a resonance second switching. Part 25, seventh diode 26, voltage source capacitor 27, eighth diode 28, resonance second DC voltage source 29, and resonance inductance element 200. The resonance first DC voltage source 20 outputs a positive DC voltage. Between the output terminals of the resonance first DC voltage source 20, the resonance first switching unit 21, the fifth diode 23, A series circuit in which the sixth diode 24 and the second switching unit for resonance 25 are connected in series is connected. The fifth diode 23 and the sixth diode 24 are reverse blocking diodes for individually flowing a half wave of the resonance current through the resonance inductance element 200.

第4ダイオード22は共振用第1スイッチング部21に、第7ダイオード26は共振用第2スイッチング部25に、それぞれ逆並列に接続されている。共振用第2直流電圧源29は正極性の直流電圧(電圧値:V3)を出力するものであり、順方向接続である第8ダイオード28を介して電圧源コンデンサ27、及び、共振用第1直流電圧源20と共振用第2スイッチング部25との接続点であるノードN2とに接続されている。また、二つのダイオード23、24の接続点であるノードN3と上記ノードN1との間に共振用インダクタンス素子200が接続されている。なお、図2では、共振用第1直流電圧源20、共振用第2直流電圧源29などの構成をより具体的に記載してあるが、これについては後述する。   The fourth diode 22 is connected to the first resonance switching unit 21 and the seventh diode 26 is connected to the second resonance switching unit 25 in antiparallel. The resonance second DC voltage source 29 outputs a positive DC voltage (voltage value: V3), and is connected to the voltage source capacitor 27 and the resonance first via the eighth diode 28 which is forward-connected. It is connected to a node N2 that is a connection point between the DC voltage source 20 and the second switching unit 25 for resonance. A resonance inductance element 200 is connected between the node N3 which is a connection point of the two diodes 23 and 24 and the node N1. In FIG. 2, the configurations of the resonance first DC voltage source 20, the resonance second DC voltage source 29, and the like are described more specifically, which will be described later.

パルス整形部3は、例えば三つのインダクタンス素子30、32、34と二つのコンデンサ31、33とを含み、容量性負荷回路4に含まれるキャパシタ40と相まって、LC集中分布回路であるパルスフォーミングネットワーク(PFN=Pulse Forming Network)回路となっている。   The pulse shaping unit 3 includes, for example, three inductance elements 30, 32, 34 and two capacitors 31, 33, and coupled with a capacitor 40 included in the capacitive load circuit 4, a pulse forming network (LC concentrated distribution circuit) PFN = Pulse Forming Network) circuit.

プラズマエッチング装置と直流パルス電源装置とを接続した実際のシステムにおいて、パルス整形部3に含まれるインダクタンス素子30、32、34及びコンデンサ31、33は、必ずしも直流パルス電源装置の筐体内に存在する構成要素でなくてもよい。具体的には、一般に、プラズマエッチング装置と直流パルス電源装置との間は同軸ケーブル線で接続され、同軸ケーブル線は比較的大きなインダクタンス成分及び容量成分を有する。また上述したように、プラズマエッチング装置には、プラズマ生成用電極に印加される高周波電圧が直流パルス電源装置側に印加されるのを回避するために、インダクタンス素子及びコンデンサを含むフィルタが備えられている。こうした、同軸ケーブル線やフィルタにおけるインダクタンス成分、キャパシタンス成分を、上記インダクタンス素子30、32、34及びコンデンサ31、33に用いることができる。もちろん、インダクタンスやキャパシタンスを調整するために、同軸ケーブル線やフィルタのほかに、インダクタンス素子やコンデンサを適宜追加しても構わない。   In an actual system in which a plasma etching apparatus and a DC pulse power supply apparatus are connected, the inductance elements 30, 32 and 34 and capacitors 31 and 33 included in the pulse shaping unit 3 are necessarily present in the casing of the DC pulse power supply apparatus. It does not have to be an element. Specifically, the plasma etching apparatus and the DC pulse power supply apparatus are generally connected by a coaxial cable line, and the coaxial cable line has a relatively large inductance component and capacitance component. Further, as described above, the plasma etching apparatus is provided with a filter including an inductance element and a capacitor in order to avoid applying a high frequency voltage applied to the plasma generating electrode to the DC pulse power supply apparatus side. Yes. Such an inductance component and a capacitance component in the coaxial cable line and the filter can be used for the inductance elements 30, 32, and 34 and the capacitors 31 and 33. Of course, in order to adjust the inductance and capacitance, in addition to the coaxial cable line and the filter, an inductance element and a capacitor may be appropriately added.

なお、図1、図2では、インダクタンス素子30は同軸ケーブル線のインダクタンス成分、インダクタンス素子32、34及びコンデンサ33は高周波電圧阻止用のフィルタのインダクタンス成分及びキャパシタンス成分、コンデンサ31は同軸ケーブル線のキャパシタンス成分と高周波電圧阻止用フィルタのキャパシタンス成分とを加算したもの、を想定している。   1 and 2, the inductance element 30 is the inductance component of the coaxial cable line, the inductance elements 32 and 34 and the capacitor 33 are the inductance component and capacitance component of the high frequency voltage blocking filter, and the capacitor 31 is the capacitance of the coaxial cable line. The sum of the component and the capacitance component of the high frequency voltage blocking filter is assumed.

各スイッチング部13、15、21、25は電力用MOSFETなどの半導体スイッチング素子から成り、制御部5からそれぞれ入力される制御信号G1、G2、G3、G4によりそのオン・オフ動作が制御される。制御部5は、例えばCPU、ROM、RAM、タイマなどから成るマイコン(マイクロコンピュータ)を含み、予め与えられたプログラムに従った処理を実行することで、上記各制御信号を生成して出力する。また、制御部5に付設されている電流検出部51は、共振用インダクタンス素子200に流れる電流を検出し、その検出信号を制御部5に入力する。   Each switching unit 13, 15, 21, 25 is composed of a semiconductor switching element such as a power MOSFET, and its on / off operation is controlled by control signals G 1, G 2, G 3, G 4 respectively input from the control unit 5. The control unit 5 includes a microcomputer (microcomputer) including, for example, a CPU, a ROM, a RAM, a timer, and the like, and generates and outputs the control signals by executing processing according to a program given in advance. The current detection unit 51 attached to the control unit 5 detects a current flowing through the resonance inductance element 200 and inputs the detection signal to the control unit 5.

図2では、図1中の直流電圧源10、20、29の構成をより具体的に示している。図2において図1中と同じ符号を付した構成要素は同じものを示している。
図1における第1直流電圧源10は図2では出力電圧が共に(1/2)V1=V4である二つの直流電圧源10A、10Bが直列に接続された構成であり、第1スイッチング部13には二つの直流電圧源10A、10Bの出力電圧が加算された電圧値がV1である直流電圧が印加される。一方、直流電圧源10Bの出力電圧(電圧値:V4)は、インダクタンス素子212、ダイオード204、205、スイッチング部203、及びコンデンサ202を含む昇圧コンバータと、直列接続された二つのスイッチング部207、209、ダイオード208、210、インダクタンス素子211、及びコンデンサ206を含む双方向昇降圧コンバータとに入力される。
2, the configuration of the DC voltage sources 10, 20, 29 in FIG. 1 is shown more specifically. 2, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components.
The first DC voltage source 10 in FIG. 1 has a configuration in which two DC voltage sources 10A and 10B whose output voltages are both (1/2) V1 = V4 in FIG. A DC voltage having a voltage value V1 obtained by adding the output voltages of the two DC voltage sources 10A and 10B is applied to. On the other hand, the output voltage (voltage value: V4) of the DC voltage source 10B is generated by a boost converter including an inductance element 212, diodes 204 and 205, a switching unit 203, and a capacitor 202, and two switching units 207 and 209 connected in series. , Diodes 208 and 210, inductance element 211, and bidirectional buck-boost converter including capacitor 206.

即ち、図1中の共振用第2直流電圧源29は図2では直流電圧源10Bと双方向昇降圧コンバータとの組み合わせで構成されている。また、図1中の共振用第1直流電圧源20の出力電圧と共振用第2直流電圧源29の出力電圧とが加算された、共振用第1スイッチング部21の一端に印加される電圧V2は、図2では直流電圧源10Bと昇圧コンバータとの組み合わせにより生成される。上記双方向昇降圧コンバータは、直流電圧源10B側から共振用第2スイッチング部25側の方向へ電圧を変換する際には降圧コンバータとして機能する。昇圧コンバータ及び双方向昇降圧コンバータは、制御部5から供給される、それぞれ一又は二つのスイッチング部をオン・オフさせる制御信号のデューティ比によって、電圧値がV4である電圧を昇圧した、電圧値がV2である電圧、及び、電圧値がV4である電圧を降圧した、電圧値がV3である電圧を出力する。即ち、昇圧コンバータでの昇圧分をVaとするとV2=V4+Vaであり、双方向昇降圧コンバータを降圧コンバータとして機能させたときの降圧分をVbとするとV3=V4−Vbである。   That is, the resonance second DC voltage source 29 in FIG. 1 is constituted by a combination of the DC voltage source 10B and the bidirectional buck-boost converter in FIG. Further, a voltage V2 applied to one end of the resonance first switching unit 21 in which the output voltage of the resonance first DC voltage source 20 and the output voltage of the resonance second DC voltage source 29 in FIG. 2 is generated by the combination of the DC voltage source 10B and the boost converter in FIG. The bidirectional buck-boost converter functions as a step-down converter when converting voltage from the DC voltage source 10B side to the resonance second switching unit 25 side. The step-up converter and the bidirectional step-up / step-down converter are obtained by boosting a voltage having a voltage value of V4 by the duty ratio of a control signal supplied from the control unit 5 to turn on or off one or two switching units. Is a voltage obtained by stepping down a voltage having a voltage value of V3 and a voltage having a voltage value of V4. That is, V2 = V4 + Va when the boosted voltage in the booster converter is Va, and V3 = V4−Vb when the reduced voltage when the bidirectional buck-boost converter functions as a buck converter is Vb.

図3に示す動作波形図を参照しつつ、本実施形態の装置の動作を説明する。
t0時刻以前には、制御信号G2のみがHレベルで第2スイッチング部15がオン状態、制御信号G1、G3、G4がLレベルで他のスイッチング部13、21、25はオフ状態である。このとき、ノードN1は限流抵抗17及びオン状態である第2スイッチング部15を介して接地されており、容量性負荷回路4に印加される電圧は0である。また、共振駆動部2のノードN2は第2直流電圧源29及び電圧源コンデンサ27によりほぼ電圧V3に固定されている。
The operation of the apparatus of this embodiment will be described with reference to the operation waveform diagram shown in FIG.
Prior to time t0, only the control signal G2 is at the H level and the second switching unit 15 is in the on state, the control signals G1, G3, and G4 are at the L level, and the other switching units 13, 21, and 25 are in the off state. At this time, the node N1 is grounded through the current limiting resistor 17 and the second switching unit 15 in the on state, and the voltage applied to the capacitive load circuit 4 is zero. Further, the node N2 of the resonance driving unit 2 is fixed to the voltage V3 by the second DC voltage source 29 and the voltage source capacitor 27.

t0時点で制御信号G3がHレベルに変化し、制御信号G2はLレベルに変化する。これにより、第2スイッチング部15はオフし、代わりに共振用第1スイッチング部21がオンする。すると、共振用第1直流電圧源20の出力電圧と共振用第2直流電圧源29の出力電圧とが加算された電圧V2が、インダクタンス素子200を介して、出力コンデンサ18、パルス整形部3及び容量性負荷回路4に印加される。ノードN3から見た負荷はLC共振回路となっているため、t0〜t1(t1は第1スイッチング部13がオンするタイミング)の間のα1期間、インダクタンス素子200を経て容量性負荷回路4には略正弦波の半波形状の共振電流Lo(i)が流れる(図3(e)参照)。この共振電流が出力コンデンサ18を充電するため、該出力コンデンサ18の両端電圧Co(v)はLo(v)+V2と変化する。   At time t0, the control signal G3 changes to H level, and the control signal G2 changes to L level. As a result, the second switching unit 15 is turned off, and the resonance first switching unit 21 is turned on instead. Then, the voltage V2 obtained by adding the output voltage of the first DC voltage source for resonance 20 and the output voltage of the second DC voltage source for resonance 29 is added via the inductance element 200 to the output capacitor 18, the pulse shaping unit 3, and Applied to the capacitive load circuit 4. Since the load viewed from the node N3 is an LC resonance circuit, the capacitive load circuit 4 passes through the inductance element 200 during the α1 period between t0 and t1 (t1 is a timing when the first switching unit 13 is turned on). A substantially sinusoidal half-wave resonance current Lo (i) flows (see FIG. 3E). Since this resonance current charges the output capacitor 18, the voltage Co (v) across the output capacitor 18 changes to Lo (v) + V2.

いま仮にVa=0でV2=V4=(1/2)V1であり、容量性負荷回路4の抵抗41が無視できるとすると、共振半周期の期間α1中に出力コンデンサ18の両端電圧は0から変化してV1まで到達する。但し実際には、容量性負荷回路4に含まれる抵抗41での電力消費のために共振エネルギは減少する。そのため、V2=(1/2)V1であるとすると、出力コンデンサ18の充電電圧Co(v)は図3(f)中に破線で示すように変化し、共振半周期の期間α1終了時点でも電圧V1まで上昇し得ない。そこで本実施形態の装置では、V2=(1/2)V1とするのではなく、V2を(1/2)V1よりもVaだけ増崇することで共振エネルギの減少分を補償し、充電電圧Co(v)がほぼV1まで到達するようにしている。   Assuming that Va = 0 and V2 = V4 = (1/2) V1, and the resistance 41 of the capacitive load circuit 4 can be ignored, the voltage across the output capacitor 18 from 0 during the resonance half-cycle period α1. Change to reach V1. In practice, however, the resonance energy decreases due to power consumption by the resistor 41 included in the capacitive load circuit 4. Therefore, if V2 = (1/2) V1, the charging voltage Co (v) of the output capacitor 18 changes as shown by the broken line in FIG. 3 (f), and even at the end of the period α1 of the resonance half cycle. It cannot rise to voltage V1. Therefore, in the apparatus of the present embodiment, instead of setting V2 = (1/2) V1, the decrease in resonance energy is compensated by increasing V2 by Va rather than (1/2) V1, and the charging voltage is increased. Co (v) reaches almost V1.

制御部5は、電流検出部51により検出される電流Lo(i)の変化に基づいて、α1期間の終了時点であるt1のタイミングを判断する。時刻t1において、出力コンデンサ18の充電電圧Co(v)の電圧値はV1に達している筈であり、このときに制御信号G1をHレベルに変化させる。すると、第1スイッチング部13はターンオンし、第1直流電圧源10(10A)の出力及び電圧源コンデンサ12の高電圧側端子が限流抵抗17を介してノードN1に接続され、ノードN1に電圧値V1の電圧が印加される。   The control unit 5 determines the timing of t1, which is the end point of the α1 period, based on the change in the current Lo (i) detected by the current detection unit 51. At time t1, the voltage value of the charging voltage Co (v) of the output capacitor 18 should have reached V1, and at this time, the control signal G1 is changed to H level. Then, the first switching unit 13 is turned on, and the output of the first DC voltage source 10 (10A) and the high voltage side terminal of the voltage source capacitor 12 are connected to the node N1 via the current limiting resistor 17, and the voltage is applied to the node N1. A voltage of value V1 is applied.

第1スイッチング部13がターンオンしたときに、出力コンデンサ18の充電電圧Co(v)の電圧値がV1よりも低いと、第1スイッチング部13を通じて、図3(g)中に破線で示すように大きく急峻な充電電流Rd(i)が流れるため、限流抵抗17に大きな電力損失が発生する。また逆に、出力コンデンサ18の充電電圧Co(v)の電圧値がV1よりも高い場合には、限流抵抗17を介し、第1スイッチング部13のボディダイオードを通じて電圧源コンデンサ12に電源回生電流が流れる。そのため、この場合にも限流抵抗17に電力損失が発生する。こうしたことから、α1の期間終了のタイミングの検出及び適切なVaの設定は、限流抵抗17での電力損失を抑えるうえで特に重要である。   When the voltage value of the charging voltage Co (v) of the output capacitor 18 is lower than V1 when the first switching unit 13 is turned on, the first switching unit 13 passes through the first switching unit 13 as shown by a broken line in FIG. Since a large and steep charging current Rd (i) flows, a large power loss occurs in the current limiting resistor 17. Conversely, when the voltage value of the charging voltage Co (v) of the output capacitor 18 is higher than V1, the power source regenerative current is supplied to the voltage source capacitor 12 via the current limiting resistor 17 and the body diode of the first switching unit 13. Flows. Therefore, also in this case, power loss occurs in the current limiting resistor 17. For this reason, detection of the end timing of α1 and appropriate setting of Va are particularly important for suppressing power loss in the current limiting resistor 17.

制御部5は、制御信号G1をHレベルに変化させてから所定時間経過後に制御信号G3をLレベルに変化させ、共振用第1スイッチング部21をターンオフさせる。第5ダイオード23の阻止作用により、共振電流Lo(i)はto〜t2の期間の中の共振半波α1の期間にのみ流れる。したがって、共振用第1スイッチング部21のオン期間β1を終了させるタイミングは、時刻t1以降で時刻t2までの間の任意の時点でよい。第1スイッチング部13がオンしている状態では、容量性負荷回路4に印加される直流パルス電圧の電圧レベルはV1に固定される。このとき、電圧源コンデンサ12(又は第1直流電圧源10)から第1スイッチング部13、限流抵抗17、インダクタンス素子30、32、34を経て容量性負荷回路4を通り、グラウンドを経て電圧源コンデンサ12(又は第1直流電圧源10)へと戻る電流経路が形成される。したがって、限流抵抗17に流れる電流Rd(i)は容量性負荷回路4の抵抗41に流れる負荷電流Rp(i)とほぼ等しくなる(図3(g)参照)。この負荷電流Rp(i)は僅かであるので、限流抵抗17に流れる電流Rd(i)も僅かであり、発熱は殆ど問題とならない。   The control unit 5 changes the control signal G3 to L level after a predetermined time has elapsed after changing the control signal G1 to H level, and turns off the resonance first switching unit 21. Due to the blocking action of the fifth diode 23, the resonance current Lo (i) flows only in the period of the resonance half-wave α1 in the period from to to t2. Therefore, the timing for ending the on-period β1 of the resonance first switching unit 21 may be any time between time t1 and time t2. When the first switching unit 13 is on, the voltage level of the DC pulse voltage applied to the capacitive load circuit 4 is fixed at V1. At this time, the voltage source capacitor 12 (or the first DC voltage source 10) passes through the first switching unit 13, the current limiting resistor 17, the inductance elements 30, 32, and 34, passes through the capacitive load circuit 4, and passes through the ground. A current path returning to the capacitor 12 (or the first DC voltage source 10) is formed. Accordingly, the current Rd (i) flowing through the current limiting resistor 17 is substantially equal to the load current Rp (i) flowing through the resistor 41 of the capacitive load circuit 4 (see FIG. 3G). Since the load current Rp (i) is small, the current Rd (i) flowing through the current limiting resistor 17 is also small, and heat generation hardly causes a problem.

そのあと、時刻t2において制御部5は制御信号G1をLレベルに変化させ、制御信号G4をHレベルに変化させる。すると、第1スイッチング部13はターンオフし共振用第2スイッチング部25はターンオンする。これにより、共振用第2直流電圧源29の出力電圧(電圧値:V2)がノードN3に印加され、共振用インダクタンス素子200、出力コンデンサ18、パルス整形部3、容量性負荷回路4を含む共振回路から共振用第2直流電圧源29側へ向かって、つまりは共振用インダクタンス素子200を上記α1期間中とは全く逆方向に共振電流Lo(i)が流れる。この共振電流Lo(i)は、図3(e)に示すように共振の半サイクルであるα2の期間中にのみ流れる。共振電流は第6ダイオード24、共振用第2スイッチング部25を通して、共振用第2直流電圧源29に対応する電圧源コンデンサ27に充電される。   After that, at time t2, the control unit 5 changes the control signal G1 to L level and changes the control signal G4 to H level. Then, the first switching unit 13 is turned off and the resonance second switching unit 25 is turned on. As a result, the output voltage (voltage value: V2) of the resonance second DC voltage source 29 is applied to the node N3, and the resonance including the resonance inductance element 200, the output capacitor 18, the pulse shaping unit 3, and the capacitive load circuit 4 is achieved. A resonance current Lo (i) flows from the circuit toward the resonance second DC voltage source 29, that is, through the resonance inductance element 200 in the opposite direction to that during the α1 period. This resonance current Lo (i) flows only during the period of α2, which is a half cycle of resonance, as shown in FIG. The resonance current is charged to the voltage source capacitor 27 corresponding to the resonance second DC voltage source 29 through the sixth diode 24 and the resonance second switching unit 25.

α2の期間中に共振電流が流れることにより出力コンデンサ18の充電電圧Co(v)はV3−Lo(v)になる。いま仮にVb=0でV3=V4=(1/2)V1であり、容量性負荷回路4の抵抗41が無視できるとすると、共振半周期の期間α2中に出力コンデンサ18の両端電圧はV1から変化して0まで到達する。但し、上述したように、実際には容量性負荷回路4に含まれる抵抗41での電力消費のために共振エネルギは減少する。そのため、V3=(1/2)V1であるとすると、出力コンデンサ18の充電電圧Co(v)は図3(f)中に破線で示すように変化し、共振半周期の期間α2終了時点でも0まで低下しない。そこで本実施形態の装置では、V3=(1/2)V1とするのではなく、V3を(1/2)V1よりもVbだけ低減することで電力消費による共振エネルギの減少分を補償し、充電電圧Co(v)がほぼ0まで下がるようにしている。   When the resonance current flows during the period α2, the charging voltage Co (v) of the output capacitor 18 becomes V3−Lo (v). Assuming that Vb = 0 and V3 = V4 = (1/2) V1, and the resistance 41 of the capacitive load circuit 4 can be ignored, the voltage across the output capacitor 18 from V1 during the resonance half-cycle period α2. Change to zero. However, as described above, the resonance energy actually decreases due to power consumption by the resistor 41 included in the capacitive load circuit 4. Therefore, assuming that V3 = (1/2) V1, the charging voltage Co (v) of the output capacitor 18 changes as shown by the broken line in FIG. 3 (f), and even at the end of the period α2 of the resonance half cycle. Does not drop to zero. Therefore, in the apparatus of the present embodiment, instead of setting V3 = (1/2) V1, V3 is reduced by Vb from (1/2) V1 to compensate for the decrease in resonance energy due to power consumption, The charging voltage Co (v) is reduced to almost zero.

制御部5は、電流検出部51により検出される電流Lo(i)の変化に基づいて、α2期間の終了時点であるt3のタイミングを判断する。時刻t3において、出力コンデンサ18の充電電圧Co(v)の電圧値は0付近にまで下がっている筈であり、このときに制御信号G2をHレベルに変化させる。すると、第2スイッチング部15はターンオンし、ノードN1が接地され、該ノードN1の電圧は接地電位になる。   Based on the change in the current Lo (i) detected by the current detector 51, the controller 5 determines the timing of t3, which is the end point of the α2 period. At time t3, the voltage value of the charging voltage Co (v) of the output capacitor 18 should be lowered to near 0, and at this time, the control signal G2 is changed to H level. Then, the second switching unit 15 is turned on, the node N1 is grounded, and the voltage of the node N1 becomes the ground potential.

このとき、出力コンデンサ18の充電電圧Co(v)の電圧値が0よりも高いと、第2スイッチング部15を通じて、図3(g)中に破線で示すように大きく急峻な充電電流Rd(i)が流れるため、限流抵抗17に大きな電力損失が発生する。また逆に、出力コンデンサ18の充電電圧Co(v)の電圧値が0よりも低いと、限流抵抗17を介し、第2スイッチング部15のボディダイオードを通じて共振回路に短絡電流が流れる。そのため、この場合にも限流抵抗17に電力損失が発生する。こうしたことから、α2の期間終了のタイミングの検出及び適切なVbの設定は、パルス電圧の立ち下がり時に限流抵抗17での電力損失を抑えるうえで特に重要である。   At this time, if the voltage value of the charging voltage Co (v) of the output capacitor 18 is higher than 0, a large and steep charging current Rd (i) is passed through the second switching unit 15 as indicated by a broken line in FIG. ) Flows, a large power loss occurs in the current limiting resistor 17. Conversely, when the voltage value of the charging voltage Co (v) of the output capacitor 18 is lower than 0, a short-circuit current flows through the resonance circuit through the body diode of the second switching unit 15 via the current limiting resistor 17. Therefore, also in this case, power loss occurs in the current limiting resistor 17. For this reason, the detection of the end timing of α2 and the appropriate setting of Vb are particularly important for suppressing power loss in the current limiting resistor 17 when the pulse voltage falls.

制御部5は、制御信号G2をHレベルに変化させてから所定時間経過後に制御信号G4をLレベルに変化させ、共振用第2スイッチング部25をターンオフさせる。第6ダイオード24の阻止作用により、共振電流Lo(i)はt2〜t0の期間の中の共振半波α2の期間にのみ流れる。したがって、共振用第2スイッチング部25のオン期間β2を終了させるタイミングは、時刻t3以降で時刻t0までの間の任意の時点でよい。第2スイッチング部15がオンしている状態では、容量性負荷回路4に印加される直流パルス電圧の電圧レベルは0に固定され、限流抵抗17には殆ど電流が流れない。   The control unit 5 changes the control signal G4 to L level after a predetermined time has elapsed after changing the control signal G2 to H level, and turns off the resonance second switching unit 25. Due to the blocking action of the sixth diode 24, the resonance current Lo (i) flows only in the period of the resonance half-wave α2 in the period from t2 to t0. Therefore, the timing for ending the on period β2 of the resonance second switching unit 25 may be any time between time t3 and time t0. In the state where the second switching unit 15 is on, the voltage level of the DC pulse voltage applied to the capacitive load circuit 4 is fixed to 0, and almost no current flows through the current limiting resistor 17.

なお、図1に示した構成では、上述したように共振電流によって電圧源コンデンサ27を充電することで、共振エネルギをコンデンサ27に回生して蓄積する。こうしたエネルギ回生により、共振用第2直流電圧源29から供給する電力を節約することができ、電源の効率を改善することができる。また、図2に示したように、共振用第2直流電圧源29として双方向昇降圧コンバータを使用した構成では、第2スイッチング部25がオンしたときに該スイッチング部25に流れる共振電流によってコンデンサ206が充電されるが、双方向昇降圧コンバータが電圧制御を行うことでコンデンサ206の充電電圧を昇圧しコンデンサ27を充電する。即ち、この場合には、コンデンサ206に蓄積された電圧値V3からの上昇分に相当するエネルギをコンデンサ27に回生して蓄積する。こうしたエネルギ回生により、直流電圧源10Bから供給する電力を節約することができる。   In the configuration shown in FIG. 1, as described above, the voltage source capacitor 27 is charged with the resonance current, so that the resonance energy is regenerated and accumulated in the capacitor 27. By such energy regeneration, the power supplied from the resonance second DC voltage source 29 can be saved, and the efficiency of the power supply can be improved. Further, as shown in FIG. 2, in the configuration in which the bidirectional buck-boost converter is used as the second DC voltage source 29 for resonance, the capacitor is generated by the resonance current flowing through the switching unit 25 when the second switching unit 25 is turned on. 206 is charged, but the bidirectional buck-boost converter performs voltage control to boost the charging voltage of the capacitor 206 and charge the capacitor 27. That is, in this case, energy corresponding to an increase from the voltage value V3 stored in the capacitor 206 is regenerated and stored in the capacitor 27. Such energy regeneration can save power supplied from the DC voltage source 10B.

なお、負荷抵抗41での共振エネルギの損失を補償するための電圧の増崇分Va及び電圧の減少分Vbの最適値は、抵抗41の値によって変わる。この抵抗41の値はプラズマの生成条件等に依存するし、プラズマの状態にも依存する。そこで、好ましくは、制御部5は、直流パルス電圧の高電圧レベルの電圧値V1と、第1直流電圧源10(10A及び10B)から出力される電流(負荷電流)の平均値と、第1スイッチング部13を駆動する制御信号G1のデューティ比とに基づいて、抵抗41の値を推測し、その推測値に基づいてVa、Vbの値を決め、V2、V3を設定するとよい。電流の平均値は例えばインダクタンス素子19に流れる電流を検出すればよい。また、電圧値V1は実際の検出値を用いてもよいが、第1直流電圧源10における設定値(目標値)でもよい。   Note that the optimum value of the voltage increase Va and the voltage decrease Vb for compensating for the loss of resonance energy in the load resistor 41 varies depending on the value of the resistor 41. The value of the resistor 41 depends on plasma generation conditions and the like, and also depends on the plasma state. Therefore, preferably, the control unit 5 has a voltage value V1 at a high voltage level of the DC pulse voltage, an average value of the current (load current) output from the first DC voltage source 10 (10A and 10B), and the first value. The value of the resistor 41 is estimated based on the duty ratio of the control signal G1 that drives the switching unit 13, and the values of Va and Vb are determined based on the estimated value, and V2 and V3 are set. What is necessary is just to detect the electric current which flows into the inductance element 19, for example for the average value of an electric current. The voltage value V1 may be an actual detection value, but may be a set value (target value) in the first DC voltage source 10.

上述のようにして本実施形態の装置では、限流抵抗17に流れる電流を少なくして無駄な電力損失を抑えることができる。それにより、限流抵抗17での発熱量が減り、小形で安価な抵抗を用いることができる。   As described above, in the apparatus according to the present embodiment, it is possible to reduce a current flowing through the current limiting resistor 17 and suppress a useless power loss. Thereby, the amount of heat generated by the current limiting resistor 17 is reduced, and a small and inexpensive resistor can be used.

本実施形態の装置では、ノードN1における直流パルス電圧の立ち上がり及び立ち下がりの速度は共振電流の共振波長に依存するが、共振波長を短くすることで高速化を図ることは共振定数の制約から難しい。それに対し本実施形態の装置では、PFN回路であるパルス整形部3により、直流パルス電圧の立ち上がり及び立ち下がりを改善し、良好な波形形状の直流パルス電圧を容量性負荷回路4に印加している。   In the apparatus of this embodiment, the rising and falling speeds of the DC pulse voltage at the node N1 depend on the resonance wavelength of the resonance current, but it is difficult to increase the speed by shortening the resonance wavelength due to the limitation of the resonance constant. . On the other hand, in the apparatus of the present embodiment, the pulse shaping unit 3 which is a PFN circuit improves the rising and falling of the DC pulse voltage and applies a DC pulse voltage having a favorable waveform shape to the capacitive load circuit 4. .

図2に示した回路構成においてパルス整形部3のパルス整形の効果を確認するための回路シミュレーションの結果を説明する。回路シミュレーションにおける要部の回路定数は次の通りである。
・限流抵抗17の抵抗値:2Ω
・共振用インダクタンス素子200のインダクタンス:2uH
・出力コンデンサ18のキャパシタンス:1200pF
・パルス整形部3の各インダクタンス素子30、32、34のインダクタンス:0.9uH
・パルス整形部3のコンデンサ31のキャパシタンス:800pF(300pF+500pF)
・パルス整形部3のコンデンサ33のキャパシタンス:500pF
・容量性負荷回路4のキャパシタンス:350pF
・容量性負荷回路4の抵抗:500Ω
・直流パルス電圧の生成サイクル:400kHz
The result of circuit simulation for confirming the effect of pulse shaping of the pulse shaping unit 3 in the circuit configuration shown in FIG. 2 will be described. The circuit constants of the main part in the circuit simulation are as follows.
-Resistance value of current limiting resistor 17: 2Ω
・ Inductance of the resonant inductance element 200: 2 uH
・ Capacitance of output capacitor 18: 1200pF
-Inductance of each inductance element 30, 32, 34 of the pulse shaping part 3: 0.9uH
・ Capacitance of capacitor 31 of pulse shaping unit 3: 800 pF (300 pF + 500 pF)
・ Capacitance of capacitor 33 in pulse shaping unit 3: 500 pF
・ Capacitance of capacitive load circuit 4: 350pF
・ Resistance of capacitive load circuit 4: 500Ω
・ DC pulse voltage generation cycle: 400kHz

上記回路定数は或る程度最適化した結果であるものの、必ずしも最良の状態であるとは限らない。図4(a)は、パルス整形部3の出力電圧線路上の出力コンデンサ18の接続点の電位Co(v)、コンデンサ31の接続点の電位Cn+Cf2(v)、コンデンサ33の接続点の電位Cf1(v)、及び、容量性負荷回路4の接続点の電位Rp(v)の変化をシミュレーションした結果である。図4(b)は、共振用インダクタンス素子200に流れる電流Lo(i)、インダクタンス素子30に流れる電流Ln(i)、インダクタンス素子32に流れる電流Lf2(i)、及びインダクタンス素子34に流れる電流Lf1(i)の変化をシミュレーションした結果である。図4から、直流パルス電圧波形の立ち上がり及び立ち下がりの特性が確実に改善されていることが分かる。
このように本実施形態の装置では、容量性負荷回路4に対して立ち上がり及び立ち下がりが急峻である直流パルス電圧を印加することができる。
Although the above circuit constant is a result of optimization to some extent, it is not necessarily the best state. 4A shows the potential Co (v) at the connection point of the output capacitor 18 on the output voltage line of the pulse shaping unit 3, the potential Cn + Cf2 (v) at the connection point of the capacitor 31, and the potential Cf1 at the connection point of the capacitor 33. FIG. (v) is a result of simulating changes in the potential Rp (v) at the connection point of the capacitive load circuit 4. FIG. 4B shows a current Lo (i) flowing through the resonance inductance element 200, a current Ln (i) flowing through the inductance element 30, a current Lf2 (i) flowing through the inductance element 32, and a current Lf1 flowing through the inductance element 34. It is the result of simulating the change of (i). FIG. 4 shows that the rising and falling characteristics of the DC pulse voltage waveform are reliably improved.
As described above, in the apparatus according to the present embodiment, a DC pulse voltage having a steep rise and fall can be applied to the capacitive load circuit 4.

[第1の実施形態の変形例]
上記第1の実施形態の装置において、共振駆動部2において共振用第1スイッチング部21、共振用第2スイッチング部25を含む直列回路の両端に電圧V2、V3を印加するための電源部の構成は様々に変形が可能である。
図9に示す例では、電圧値V1の電圧を生成する第1直流電圧源10の出力電圧を降圧コンバータにより降圧して電圧値V2(=(1/2)V1+Va)の電圧を生成するとともに、同じ出力電圧を双方向昇降圧コンバータにより降圧して電圧値V3(=(1/2)V1−Vb)の電圧を生成している。
また、図10に示す例では、直流電圧源29の電圧値がV4(=(1/2)V1)である出力電圧を昇圧コンバータにより昇圧して電圧値V2(=(1/2)V1+Va)の電圧を生成するとともに、同じ出力電圧を双方向昇降圧コンバータにより降圧して電圧値V3(=(1/2)V1−Vb)の電圧を生成している。
[Modification of First Embodiment]
In the apparatus of the first embodiment, the configuration of the power supply unit for applying the voltages V2 and V3 across the series circuit including the resonance first switching unit 21 and the resonance second switching unit 25 in the resonance driving unit 2 is described. Can be variously modified.
In the example shown in FIG. 9, the output voltage of the first DC voltage source 10 that generates the voltage value V1 is stepped down by the step-down converter to generate the voltage value V2 (= (1/2) V1 + Va). The same output voltage is stepped down by a bidirectional buck-boost converter to generate a voltage value V3 (= (1/2) V1-Vb).
In the example shown in FIG. 10, the output voltage whose voltage value of the DC voltage source 29 is V4 (= (1/2) V1) is boosted by the boost converter and the voltage value V2 (= (1/2) V1 + Va). And the same output voltage is stepped down by a bidirectional buck-boost converter to generate a voltage value V3 (= (1/2) V1-Vb).

このように、共振用第1スイッチング部21、共振用第2スイッチング部25を含む直列回路の両端に上記電圧V2、V3をそれぞれ印加するとともに、共振エネルギを電源側に回生できる構成であれば、直流電圧源、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、双方向昇降圧コンバータの組み合わせは適宜に決めることができる。   As described above, if the voltages V2 and V3 are applied to both ends of the series circuit including the resonance first switching unit 21 and the resonance second switching unit 25, respectively, and the resonance energy can be regenerated to the power source side, The combination of the DC voltage source, the boost converter, the buck converter, and the bidirectional buck-boost converter can be determined as appropriate.

また、上記第1の実施形態の装置では、第1スイッチング部13と第2スイッチング部15との接続点とノードN1との間に限流抵抗17が接続されていたが、この限流抵抗17の挿入位置を変更することも可能である。図11は、限流抵抗17の挿入位置を変更した変形例の概略構成図である。   In the device of the first embodiment, the current limiting resistor 17 is connected between the connection point between the first switching unit 13 and the second switching unit 15 and the node N1. It is also possible to change the insertion position. FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a modified example in which the insertion position of the current limiting resistor 17 is changed.

この例では、第1スイッチング部13と第2スイッチング部15との接続点とノードN1とを直結する一方、第2スイッチング部15の一端と接地電位との間に限流抵抗17を挿入している。さらにまた、電力供給用のコンデンサである電圧源コンデンサ12の低電圧側の端子を接地電位ではなく、第2スイッチング部15と限流抵抗17との接続点に接続している。この構成では、第1スイッチング部13がオン状態、第2スイッチング部14がオフ状態であるとき、電圧源コンデンサ12から第1スイッチング部13、インダクタンス素子30、32、34を経て容量性負荷回路4を通り、グラウンドを経て、限流抵抗17を通り電圧源コンデンサ12へと戻る電流経路が形成される。また第1直流電圧源10による電圧源コンデンサ12の充電時には、電圧源コンデンサ12を経て限流抵抗17、グラウンドを通り第1直流電圧源10へと戻る電流経路が形成される。さらにまた、第1スイッチング部13がオフ状態、第2スイッチング部14がオン状態であって、ノードN1の電位(出力コンデンサ18の充電電圧)が0Vより高い場合には、出力コンデンサ18による放電電流が第2スイッチング部14、グラウンドを通り出力コンデンサ18に戻る電流経路が形成される。即ち、図11に示す構成では、上記電流経路はいずれも限流抵抗17を含む。   In this example, a connection point between the first switching unit 13 and the second switching unit 15 and the node N1 are directly connected, while a current limiting resistor 17 is inserted between one end of the second switching unit 15 and the ground potential. Yes. Furthermore, the low voltage side terminal of the voltage source capacitor 12, which is a power supply capacitor, is connected to the connection point between the second switching unit 15 and the current limiting resistor 17 instead of the ground potential. In this configuration, when the first switching unit 13 is in the on state and the second switching unit 14 is in the off state, the capacitive load circuit 4 passes from the voltage source capacitor 12 through the first switching unit 13 and the inductance elements 30, 32, and 34. , A current path is formed through the ground, through the current limiting resistor 17 and back to the voltage source capacitor 12. Further, when the voltage source capacitor 12 is charged by the first DC voltage source 10, a current path is formed that returns to the first DC voltage source 10 through the voltage source capacitor 12, the current limiting resistor 17, and the ground. Furthermore, when the first switching unit 13 is in the off state and the second switching unit 14 is in the on state, and the potential of the node N1 (charging voltage of the output capacitor 18) is higher than 0V, the discharge current generated by the output capacitor 18 Is formed through the second switching unit 14 and the ground to return to the output capacitor 18. That is, in the configuration shown in FIG. 11, each of the current paths includes the current limiting resistor 17.

この変形例では、限流抵抗17を低電圧側(接地電位側)に配置しているため、該限流抵抗17の空間的、沿面との間、及び、接地部位との間の容量に配慮する必要がなくなる。そのため、部品や回路の配置や構造上の制約を緩和することができる。また上述したように、第1直流電圧源10から供給されて電圧源コンデンサ12を充電する電流と、電圧源コンデンサ12からの放電により第1スイッチング部13を経てパルス整形部3の入力端に流れ込み、容量性負荷回路4を経て帰還して来る電流とが同時に限流抵抗17に流れることになる。そのため、そうした電流の少なくとも一部は相殺されるので、限流抵抗17に流れる電流を減らして限流抵抗17での電力損失を低減することができるという利点もある。   In this modification, since the current limiting resistor 17 is arranged on the low voltage side (ground potential side), consideration is given to the capacity of the current limiting resistor 17 between the space, the creepage, and the grounded portion. There is no need to do it. Therefore, restrictions on the arrangement and structure of components and circuits can be relaxed. Further, as described above, the current supplied from the first DC voltage source 10 and charging the voltage source capacitor 12 and the discharge from the voltage source capacitor 12 flow into the input terminal of the pulse shaping unit 3 through the first switching unit 13. The current fed back through the capacitive load circuit 4 flows to the current limiting resistor 17 at the same time. Therefore, since at least a part of such current is canceled, there is an advantage that the power loss in the current limiting resistor 17 can be reduced by reducing the current flowing through the current limiting resistor 17.

さらに、限流抵抗17を低電圧側に配置した構成をさらに改良した変形例とすることもできる。図12はこの改良を加えた直流パルス電源装置の詳細な構成図である。図13は、図12に示した直流パルス電源装置の要部の動作波形図である。なお、図12では図2と同様に、図11中の直流電圧源10、共振用第1直流電圧源20、共振用第2直流電圧源29などの構成をより具体的に記載してあり、その一部の構成は図2に記載のものとも相違するものの、これらについての基本的な動作は既に述べたものと同じであるので説明を省略する。   Furthermore, a modified example in which the configuration in which the current limiting resistor 17 is arranged on the low voltage side is further improved can be employed. FIG. 12 is a detailed configuration diagram of a DC pulse power supply device to which this improvement is added. FIG. 13 is an operation waveform diagram of the main part of the DC pulse power supply device shown in FIG. In FIG. 12, the configuration of the DC voltage source 10, the resonance first DC voltage source 20, the resonance second DC voltage source 29, etc. in FIG. Although a part of the configuration is different from that shown in FIG. 2, the basic operation thereof is the same as that already described, and the description thereof is omitted.

一般に、ダイオードの特性として、順方向に通電を行っている状態から急に逆バイアス電圧を印加したときに、蓄積電荷によりリカバリ電流が生じ、通常状態に戻るまでにリカバリ期間が必要であることがよく知られている。この現象が生じることは、図11、図12等の記載の共振駆動部2における逆方向阻止用ダイオード23、24でも同様である。図13(e)に示すように、時刻t0から共振電流の半波が終了した時刻t1において共振用インダクタンス素子200の両端に印加される電圧の極性が反転すると、ダイオード23により逆方向への電流が阻止されて 共振電流Lo(i)は本来0になる筈である。しかしながら、実際には、ダイオード23には逆方向にリカバリ電流が流れてしまう。また、t3時点においては同様にダイオード24によるリカバリ電流が流れる。リカバリ電流の大きさはダイオードの特性に依存するが、ダイオードの選定のみでその発生を抑えることは難しい。   Generally, as a characteristic of a diode, when a reverse bias voltage is suddenly applied from a state where current is applied in the forward direction, a recovery current is generated due to accumulated charges, and a recovery period is required until the normal state is restored. well known. This phenomenon also occurs in the reverse blocking diodes 23 and 24 in the resonance drive unit 2 described in FIGS. As shown in FIG. 13 (e), when the polarity of the voltage applied to both ends of the resonance inductance element 200 is reversed at time t1 when the half wave of the resonance current ends from time t0, the current in the reverse direction by the diode 23 is reversed. Is prevented and the resonance current Lo (i) should be zero. However, in reality, a recovery current flows through the diode 23 in the reverse direction. Similarly, a recovery current from the diode 24 flows at time t3. Although the magnitude of the recovery current depends on the characteristics of the diode, it is difficult to suppress the generation by only selecting the diode.

図11に示した構成の場合、このリカバリ電流によって共振用インダクタンス素子200に発生するエネルギのために、リカバリ期間経過後に逆回復したダイオード23、24と相補的にオフ動作しているスイッチング部21、25とに高電圧サージが加わる可能性がある。即ち、時刻t1ではダイオード23及びスイッチング部25に、時刻t3ではダイオード24及びスイッチング部21に高電圧サージが印加される可能性がある。これは高電圧サージ吸収用のスナバ回路を設けることで回避することができるものの、スナバ回路の損失による電源効率の低下、回路設置スペース確保のため機器の大型化等の問題が生じる。   In the case of the configuration shown in FIG. 11, due to the energy generated in the resonance inductance element 200 by this recovery current, the switching unit 21 that is turned off complementarily with the diodes 23 and 24 reversely recovered after the recovery period has elapsed, 25, a high voltage surge may be applied. That is, a high voltage surge may be applied to the diode 23 and the switching unit 25 at time t1, and a diode 24 and the switching unit 21 at time t3. Although this can be avoided by providing a snubber circuit for absorbing a high voltage surge, problems such as a reduction in power supply efficiency due to the loss of the snubber circuit and an increase in the size of the device for securing circuit installation space arise.

これに対し、図12に示した装置では、スイッチング部15と限流抵抗17との接続点から、スイッチング部21とダイオード23との接続点への間、及び、スイッチング部25とダイオード24との接続点から、スイッチング部13の高電圧側端部への間に、それぞれ順方向接続のダイオード220、221をフリーホイールダイオードとして設けている。これらフリーホイールダイオードは、上述したように共振用インダクタンス素子200の両端に印加される電圧の極性が反転したときに、その共振用インダクタンス素子200にその反転の直後と同じ方向に電流を流し続けるようにするためのものである。   On the other hand, in the apparatus shown in FIG. 12, the connection point between the switching unit 15 and the current limiting resistor 17 is connected to the connection point between the switching unit 21 and the diode 23 and between the switching unit 25 and the diode 24. Forward-connected diodes 220 and 221 are provided as free-wheeling diodes from the connection point to the high voltage side end of the switching unit 13, respectively. These free wheel diodes continue to flow current in the same direction as immediately after the reversal when the polarity of the voltage applied to both ends of the resonance inductance element 200 is reversed as described above. It is for making.

即ち、時刻t0でスイッチング部21がターンオンすると、コンデンサ202→スイッチング部21→ダイオード23→共振用インダクタンス素子200→ノードN1→グラウンド、の経路で、時刻t1まで半波の共振電流が流れる。時刻t1においてダイオード23にリカバリ電流が逆方向に流れたあと該ダイオード23が逆回復すると、リカバリ電流は共振用インダクタンス素子200→ダイオード24→ダイオード221→スイッチング部13を通して共振用インダクタンス素子200に還流する。同時に、電圧源コンデンサ12→スイッチング部13→ノードN1→負荷抵抗41→グラウンド→限流抵抗17の経路でプラズマ負荷電流が流れる。   That is, when the switching unit 21 is turned on at time t0, a half-wave resonance current flows through the path of capacitor 202 → switching unit 21 → diode 23 → resonance inductance element 200 → node N1 → ground until time t1. When the recovery current flows in the reverse direction to the diode 23 at time t 1 and then reversely recovers, the recovery current flows back to the resonance inductance element 200 through the resonance inductance element 200 → the diode 24 → the diode 221 → the switching unit 13. . At the same time, a plasma load current flows through the path of the voltage source capacitor 12 → the switching unit 13 → the node N 1 → the load resistor 41 → the ground → the current limiting resistor 17.

時刻t2でスイッチング部13がターンオフしスイッチング部25がターンオンすると、ノードN1→共振用インダクタンス素子200→ダイオード24→スイッチング部25→コンデンサ206→グラウンドの経路で時刻t3まで半波の共振電流が流れる。時刻t3においてダイオード24にリカバリ電流が逆方向に流れたあと該ダイオード24が逆回復すると、リカバリ電流は共振用インダクタンス素子200→スイッチング部14→ダイオード220→ダイオード23を通して共振用インダクタンス素子200に還流する。同時に、ノードN1→スイッチング部15→限流抵抗17→グラウンドの経路でノードN1は接地電位に固定される。このように、共振用インダクタンス素子200の電流は流れ続け、高電圧サージが発生することはない。また、時刻t1及びt3においてターンオンするスイッチング部13、15のオン動作が制御上の都合により遅れ、過渡的に共振電流が流れる経路が開ループとなった場合であっても、時刻t1ではスイッチング部15の寄生ダイオード、時刻t3ではスイッチング部13の寄生ダイオードを介し高電圧サージのエネルギは電圧源コンデンサ12にクランプされる。そのため、高電圧サージは発生しない。   When the switching unit 13 is turned off and the switching unit 25 is turned on at time t2, a half-wave resonance current flows through the path of node N1 → resonance inductance element 200 → diode 24 → switching unit 25 → capacitor 206 → ground until time t3. When the recovery current flows in the reverse direction to the diode 24 at time t3 and then reversely recovers, the recovery current flows back to the resonance inductance element 200 through the resonance inductance element 200 → the switching unit 14 → the diode 220 → the diode 23. . At the same time, the node N1 is fixed to the ground potential through the path of the node N1, the switching unit 15, the current limiting resistor 17, and the ground. In this way, the current of the resonance inductance element 200 continues to flow and no high voltage surge occurs. Further, even when the on-operation of the switching units 13 and 15 that are turned on at times t1 and t3 is delayed due to control reasons and the path through which the resonance current flows transiently becomes an open loop, the switching unit at time t1. The energy of the high voltage surge is clamped to the voltage source capacitor 12 via the parasitic diode of the switching unit 13 at the time t3 of the 15 parasitic diodes. Therefore, no high voltage surge occurs.

なお、上記のようなフリーホイールダイオードの付加によってリカバリ電流に起因する高電圧サージを回避するのは、限流抵抗17を図11、図12に示したような低電圧側に挿入する構成が好ましい。例えば図1、図2に示した構成のように、限流抵抗17を2つのスイッチング部13、15の接続点とノードN1との間に挿入した場合、上述したフリーホイールダイオードを経た環流の電流経路に限流抵抗17が含まれてしまう。即ち、フリーホイール電流が限流抵抗に流れることになり大きな電力損失が生じるので、この場合にはフリーホイールダイオードの使用はあまり適切ではない。   In order to avoid the high voltage surge caused by the recovery current by adding the free wheel diode as described above, a configuration in which the current limiting resistor 17 is inserted on the low voltage side as shown in FIGS. 11 and 12 is preferable. . For example, when the current limiting resistor 17 is inserted between the connection point of the two switching units 13 and 15 and the node N1, as in the configuration shown in FIGS. The current limiting resistor 17 is included in the path. That is, since a free wheel current flows through a current limiting resistor and a large power loss occurs, the use of a free wheel diode is not very appropriate in this case.

[第2の実施形態]
上記第1の実施形態の装置は、容量性負荷回路4に電圧レベルが0とV1(例えば1500V)の二つである直流パルス電圧を印加するものであるが、0Vを含まない二つの電圧レベルの直流パルス電圧を生成する構成に変更することが可能である。図5は、可変2電圧レベルの直流パルス電圧を生成する、第2の実施形態の直流パルス電源装置の概略構成図である。
[Second Embodiment]
The apparatus of the first embodiment applies a DC pulse voltage having two voltage levels of 0 and V1 (for example, 1500V) to the capacitive load circuit 4, but does not include 0V. It is possible to change to a configuration that generates a direct current pulse voltage. FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a DC pulse power supply device according to the second embodiment that generates a DC pulse voltage of a variable 2 voltage level.

この装置では、基本電圧生成部1における第2スイッチング部15と接地端との間に、第2直流電圧源100を挿入している。例えば、第1直流電圧源10の出力電圧の電圧値V1は1500V、第2直流電圧源100の出力電圧の電圧値V5は400Vである。この場合、共振駆動部2における直列回路の両端に印加される電圧の電圧値V2、V3は、{(1500−400)/2}+400=950Vを中心として、V2=950+Va、V3=950−Vbとすればよい。装置の動作は第1の実施形態の装置と同様であり、図6に示すように、パルス底部の電圧が400V、パルス頂部の電圧が1500Vである矩形波の直流パルス電圧を容量性負荷回路4に印加することができる。   In this apparatus, the second DC voltage source 100 is inserted between the second switching unit 15 and the ground terminal in the basic voltage generation unit 1. For example, the voltage value V1 of the output voltage of the first DC voltage source 10 is 1500V, and the voltage value V5 of the output voltage of the second DC voltage source 100 is 400V. In this case, the voltage values V2 and V3 of the voltages applied to both ends of the series circuit in the resonance drive unit 2 are centered on {(1500-400) / 2} + 400 = 950V, V2 = 950 + Va, V3 = 950-Vb. And it is sufficient. The operation of the apparatus is the same as that of the apparatus of the first embodiment. As shown in FIG. 6, a rectangular wave DC pulse voltage having a pulse bottom voltage of 400 V and a pulse top voltage of 1500 V is applied to the capacitive load circuit 4. Can be applied.

[第3の実施形態]
上記第1、第2の実施形態の装置は、電圧レベルが二つである直流パルス電圧を生成するものであるが、さらに多段の、例えば三つの電圧レベルの直流パルス電圧を生成する構成に変更することも可能である。図7は、可変3電圧レベルの直流パルス電圧を生成する、第3の実施形態の直流パルス電源装置の概略構成図である。
[Third Embodiment]
The apparatus according to the first and second embodiments generates a DC pulse voltage having two voltage levels. However, the apparatus is further changed to a configuration that generates a DC pulse voltage of, for example, three voltage levels. It is also possible to do. FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a DC pulse power supply device according to a third embodiment that generates a DC pulse voltage of a variable three voltage level.

この装置では、基本電圧生成部1において、第1スイッチング部13と限流抵抗17との接続点と、接地端との間に、スイッチング部と直流電圧源とを直列に接続した直列回路が二つ並列に接続されている。三つの直流電圧源10、101、103の出力電圧の電圧値は全て異なり、例えば第1直流電圧源10の出力電圧の電圧値V1は1500V、第2直流電圧源101の出力電圧の電圧値V5は800V、第3直流電圧源103の出力電圧の電圧値V6は400Vである。また、電圧レベルの数が増加し電圧変化のパターンが増えるのに合わせて共振駆動部2における共振電流の経路(二つのスイッチング部と二つのダイオードの直列回路)を二つ並列に設けている。   In this device, the basic voltage generator 1 includes two series circuits in which a switching unit and a DC voltage source are connected in series between the connection point between the first switching unit 13 and the current limiting resistor 17 and the ground terminal. Are connected in parallel. The voltage values of the output voltages of the three DC voltage sources 10, 101, 103 are all different. For example, the voltage value V1 of the output voltage of the first DC voltage source 10 is 1500V, and the voltage value V5 of the output voltage of the second DC voltage source 101 is. Is 800V, and the voltage value V6 of the output voltage of the third DC voltage source 103 is 400V. Further, as the number of voltage levels increases and the pattern of voltage change increases, two resonance current paths (a series circuit of two switching units and two diodes) in the resonance driving unit 2 are provided in parallel.

この場合、共振駆動部2における二つの直列回路の両端に印加される電圧の電圧値V7、V8、V9、V10は、
V7=(1/2)(V1+V6)+Va
V8=V1−{(1/2)(V1−V5)+Vb}=(1/2)(V1+V5)−Vb
V9={(1/2)(V5+V6)}+Va
V10=V1−{(1/2)(V5−V6)+Vb}
であり、V7=950+Va、V8=1150−Vb、V9=600+Va、V10=1300−Vb、とすればよい。
In this case, the voltage values V7, V8, V9, V10 of the voltages applied to both ends of the two series circuits in the resonance driving unit 2 are:
V7 = (1/2) (V1 + V6) + Va
V8 = V1 − {(1/2) (V1−V5) + Vb} = (1/2) (V1 + V5) −Vb
V9 = {(1/2) (V5 + V6)} + Va
V10 = V1 − {(1/2) (V5−V6) + Vb}
V7 = 950 + Va, V8 = 1150-Vb, V9 = 600 + Va, V10 = 1300-Vb.

上記第1、第2の実施形態の装置における動作を拡張し、各スイッチング部のオン・オフ動作を適宜に制御することで、例えば図8に示すような、パルス底部の電圧が400V、パルス頂部の電圧が1500V、パルス中間部の電圧が800Vである、多段レベルの直流パルス電圧を容量性負荷回路4に印加することができる。もちろん、各スイッチング部のオン・オフ動作の制御を変更することで、電圧レベルの変化の順番を、例えば400V→800V→1500V→400V等と変えることもできる。   By extending the operation of the devices of the first and second embodiments and appropriately controlling the on / off operation of each switching unit, the voltage at the bottom of the pulse is 400 V, for example, as shown in FIG. Can be applied to the capacitive load circuit 4 with a multi-stage DC pulse voltage of 1500V and a pulse intermediate voltage of 800V. Of course, by changing the control of the on / off operation of each switching unit, the order of change of the voltage level can be changed, for example, from 400V → 800V → 1500V → 400V.

もちろん、制御は複雑になるものの、電圧レベルの数をさらに増やした直流パルス電圧を生成する構成とすることもできる。   Of course, although the control is complicated, it may be configured to generate a DC pulse voltage in which the number of voltage levels is further increased.

なお、上記各実施形態及び変形例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜修正、変更、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明らかである。   It should be noted that the above-described embodiments and modifications are examples of the present invention, and it is obvious that modifications, changes, and additions as appropriate within the spirit of the present invention are included in the scope of the claims of the present application.

1…基本電圧生成部
10、10A、10B、100、101、103、20、29…直流電圧源
11、14、16、204、208、22、23、24、26、28、220、221…ダイオード
12、18、27、202、206、31、33…コンデンサ
13、15、21、25、203、207…スイッチング部
17…限流抵抗
19、200、211、212、30、32、34…インダクタンス素子
2…共振駆動部
3…パルス整形部
4…容量性負荷回路
40…キャパシタ
41…抵抗
5…制御部
51…電流検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Basic voltage generation part 10, 10A, 10B, 100, 101, 103, 20, 29 ... DC voltage source 11, 14, 16, 204, 208, 22, 23, 24, 26, 28, 220, 221 ... Diode 12, 18, 27, 202, 206, 31, 33 ... capacitors 13, 15, 21, 25, 203, 207 ... switching unit 17 ... current limiting resistors 19, 200, 211, 212, 30, 32, 34 ... inductance elements 2 ... Resonant drive unit 3 ... Pulse shaping unit 4 ... Capacitive load circuit 40 ... Capacitor 41 ... Resistance 5 ... Control unit 51 ... Current detection unit

Claims (8)

プラズマ加工用のプラズマを形成する電極を含む容量性負荷回路に、2以上の電圧レベルに変化する直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)前記容量性負荷回路を含む複数の容量性素子と複数のインダクタンス素子とがラダー状に接続されて成るパルス整形部と、
b)直流パルス電圧の最も高い電圧レベルに対応する第1直流電圧を生成する直流電圧源を含み、前記パルス整形部を通して前記容量性負荷回路に電力を供給するための電力供給部と、該電力供給部による出力電圧及び/又は接地電位を切り替える複数のスイッチング部と、前記パルス整形部の入力端と接地端との間に接続される出力コンデンサと、該複数のスイッチング部の少なくとも一つが導通されて前記電力供給部から前記容量性負荷回路に電力が供給されるときの電流の経路及び該複数のスイッチング部の少なくとも他の一つが導通されて前記出力コンデンサの蓄積エネルギによる電流が流れる経路に設けられた限流抵抗と、を含み、前記複数のスイッチング部により切り替えられた電圧を前記パルス整形部の入力端に入力する基本電圧生成部と、
c)前記パルス整形部の入力端に一端が接続された共振用インダクタンス素子と、第1スイッチング部及び第2スイッチング部が直列に接続され、該第1スイッチング部と該第2スイッチング部との間に前記共振用インダクタンス素子の他端が接続されている直列回路部と、該直列回路部の高電圧側端部に前記第1直流電圧よりも低い第2直流電圧を印加する共振用第1直流電圧源と、前記直列回路部の低電圧側端部に前記第2直流電圧よりも低い所定の第3直流電圧を印加する共振用第2直流電圧源と、を含む共振駆動部と、
d)前記基本電圧生成部の複数のスイッチング部、並びに、前記共振駆動部の第1及び第2スイッチング部のオン・オフ動作を制御するものであって、直流パルス電圧の立ち上げ時には、前記共振駆動部の第1スイッチング部をオンさせて前記共振用インダクタンス素子と前記出力コンデンサ及び/又は前記パルス整形部の容量とのLC共振により前記パルス整形部の入力端の電圧を増加させたあと、前記基本電圧生成部の所定のスイッチング部をオンして前記電力供給部からの第1直流電圧を前記パルス整形部の入力端に印加し、直流パルス電圧の立ち下げ時には、前記基本電圧生成部からの電圧の印加を停止し前記共振駆動部の第2スイッチング部をオンさせて前記共振用インダクタンス素子と前記出力コンデンサ及び/又は前記パルス整形部の容量とのLC共振により前記パルス整形部の入力端の電圧を減少させたあと、前記基本電圧生成部の所定のスイッチング部をオンして立ち下げ後の電位を前記パルス整形部の入力端に与えるように、前記各スイッチング部の動作をそれぞれ制御する制御部と、
を備えることを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
A DC pulse power supply device for a plasma processing apparatus that applies a DC pulse voltage that changes to a voltage level of 2 or more to a capacitive load circuit including an electrode that forms plasma for plasma processing,
a) a pulse shaping unit in which a plurality of capacitive elements including the capacitive load circuit and a plurality of inductance elements are connected in a ladder shape;
b) a power supply unit for supplying power to the capacitive load circuit through the pulse shaping unit, including a DC voltage source that generates a first DC voltage corresponding to the highest voltage level of the DC pulse voltage; At least one of the plurality of switching units for switching the output voltage and / or the ground potential by the supply unit, the output capacitor connected between the input end and the ground end of the pulse shaping unit, and the plurality of switching units is conducted. Current path when power is supplied from the power supply unit to the capacitive load circuit, and a path through which at least one other of the plurality of switching units is conducted and current by the accumulated energy of the output capacitor flows. A basic current for inputting a voltage switched by the plurality of switching units to an input terminal of the pulse shaping unit. A generation unit,
c) A resonance inductance element having one end connected to the input end of the pulse shaping unit, a first switching unit and a second switching unit are connected in series, and between the first switching unit and the second switching unit. A series circuit portion to which the other end of the resonance inductance element is connected, and a resonance first DC that applies a second DC voltage lower than the first DC voltage to the high voltage side end of the series circuit portion. A resonance driving unit including: a voltage source; and a second DC voltage source for resonance that applies a predetermined third DC voltage lower than the second DC voltage to the low voltage side end of the series circuit unit;
d) Controlling on / off operations of the plurality of switching units of the basic voltage generation unit and the first and second switching units of the resonance driving unit, and at the time of starting up the DC pulse voltage, After turning on the first switching unit of the driving unit and increasing the voltage at the input end of the pulse shaping unit by LC resonance between the resonance inductance element and the output capacitor and / or the capacitance of the pulse shaping unit, A predetermined switching unit of the basic voltage generation unit is turned on to apply the first DC voltage from the power supply unit to the input terminal of the pulse shaping unit, and when the DC pulse voltage falls, from the basic voltage generation unit The voltage application is stopped and the second switching unit of the resonance driving unit is turned on, and the resonance inductance element, the output capacitor, and / or the pulse adjustment unit are turned on. After the voltage at the input end of the pulse shaping unit is reduced by LC resonance with the capacitance of the unit, the predetermined switching unit of the basic voltage generation unit is turned on and the potential after falling is set to the input end of the pulse shaping unit A control unit for controlling the operation of each of the switching units,
A direct-current pulse power supply for a plasma processing apparatus.
請求項1に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記限流抵抗は、前記複数のスイッチング部の切り替えによって電圧が出力される電圧出力端と前記パルス整形部の入力端との間に接続されてなることを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
A DC pulse power supply device for a plasma processing apparatus according to claim 1,
The DC current source for a plasma processing apparatus, wherein the current limiting resistor is connected between a voltage output terminal from which a voltage is output by switching the plurality of switching units and an input terminal of the pulse shaping unit. apparatus.
請求項1に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記限流抵抗は、直列に接続された前記複数のスイッチング部のうちの低電圧側のスイッチング部における低電圧側端部と接地部位との間に接続され、前記電力供給部は、該直列に接続された複数のスイッチング部の両端に電力を供給するものであることを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
A DC pulse power supply device for a plasma processing apparatus according to claim 1,
The current limiting resistor is connected between a low voltage side end of the low voltage side switching unit among the plurality of switching units connected in series and a ground part, and the power supply unit is connected in series. A DC pulse power supply for a plasma processing apparatus, which supplies power to both ends of a plurality of connected switching units.
請求項3に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記直列回路部において、第1スイッチング部と第2スイッチング部との間に二つの順方向接続であるダイオードが直列に接続され、該二つのダイオードの間に前記共振用インダクタンス素子の他端が接続され、
前記限流抵抗のスイッチング部側の端部から、前記第1スイッチング部と前記ダイオードとの接続端への間に、順方向接続であるダイオードが設けられ、
前記第2スイッチング部と前記ダイオードとの接続端から、前記基本電圧生成部における直列に接続された複数のスイッチング部の高電圧側端部への間に、順方向接続であるダイオードが設けられてなることを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
A DC pulse power supply device for a plasma processing apparatus according to claim 3,
In the series circuit unit, two forward connection diodes are connected in series between the first switching unit and the second switching unit, and the other end of the resonance inductance element is connected between the two diodes. And
A diode that is a forward connection is provided between the end of the current limiting resistor on the switching unit side to the connection end of the first switching unit and the diode,
A diode that is a forward connection is provided between a connection end of the second switching unit and the diode to a high voltage side end of the plurality of switching units connected in series in the basic voltage generation unit. A direct-current pulse power supply device for a plasma processing apparatus.
請求項1〜4のいずれか1項に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記制御部は、前記共振用インダクタンス素子に流れる電流値を検出する検出部を含み、該検出部による検出結果に基づいて、前記基本電圧生成部でスイッチング部を切り替えるタイミングを決めることを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
A DC pulse power supply device for a plasma processing apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The control unit includes a detection unit that detects a value of a current flowing through the resonance inductance element, and determines a timing for switching the switching unit in the basic voltage generation unit based on a detection result by the detection unit. DC pulse power supply for plasma processing equipment.
請求項1〜5のいずれか1項に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記第2直流電圧は前記第1直流電圧の1/2よりも高く設定され、前記第3直流電圧は前記第1直流電圧の1/2よりも低く設定されることを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
A DC pulse power supply device for a plasma processing apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The second DC voltage is set higher than 1/2 of the first DC voltage, and the third DC voltage is set lower than 1/2 of the first DC voltage. DC pulse power supply device.
請求項6に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記共振用第1直流電圧源及び前記共振用第2直流電圧源はそれぞれ、前記容量性負荷回路中の負荷抵抗に流れる負荷電流に応じて、前記第1直流電圧の1/2と前記第2直流電圧との電圧差、及び前記第1直流電圧の1/2と前記第2直流電圧との電圧差、を決定することを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
A DC pulse power supply device for a plasma processing apparatus according to claim 6,
The first DC voltage source for resonance and the second DC voltage source for resonance are respectively ½ of the first DC voltage and the second DC voltage source according to a load current flowing through a load resistor in the capacitive load circuit. A DC pulse power supply apparatus for a plasma processing apparatus, which determines a voltage difference from a DC voltage and a voltage difference between ½ of the first DC voltage and the second DC voltage.
請求項7に記載のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
前記共振用第1直流電圧源及び前記共振用第2直流電圧源はそれぞれ、出力電圧の調整が可能な昇圧コンバータ、降圧コンバータ、又は昇降圧コンバータを含むことを特徴とするプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
A DC pulse power supply device for a plasma processing apparatus according to claim 7,
The first DC voltage source for resonance and the second DC voltage source for resonance each include a step-up converter, a step-down converter, or a step-up / step-down converter capable of adjusting an output voltage. Power supply.
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