JP7263201B2

JP7263201B2 - プラズマ装置、電源装置、プラズマ維持方法

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Publication number: JP7263201B2
Application number: JP2019185756A
Authority: JP
Inventors: 浩志杉田; 光司坂田; 康夫児玉; 正幹田上
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Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2023-04-24
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Description

本発明は、プラズマ装置とプラズマ用電源装置に係り、特に、消費電力が小さいプラズマを安定して維持することができるプラズマ装置とプラズマ用の電源装置とに関する。

アノード電極とカソード電極との間に電力を供給し、真空槽の内部にプラズマを生成し、維持するために、従来よりＰＷＭ回路を有する電源装置が用いられている。

ＰＷＭ回路では、アノード電極とカソード電極との間の電圧値を示すプラズマ電圧と基準電圧との差電圧が、比較器によって発振回路が出力する三角波電圧と比較され、三角波電圧が差電圧よりも大きい期間、トランスの一次巻線に一次電流を供給するブリッジ回路が導通するように制御されており、アノード電極とカソード電極との間には定電圧が印加されるようになっている。

ＰＷＭ回路は、例えば、基準電圧の電圧値を電源装置の定格電圧の電圧値の５０％にしたときには、プラズマ電圧の電圧値は定格電圧の電圧値の５０％となるように制御されるから、差電圧が三角波電圧の振幅中点近傍で安定する状況が観察される。

しかしながらＰＷＭ回路では、負荷となっているプラズマが消費する電力が小さいときは、図３のように、差電圧が三角波電圧よりも大きくなる期間が発生し、その期間中では、ブリッジ回路を動作させるための矩形波電圧は出力されなくなる。従って、ブリッジ回路は間欠動作し、出力電圧が不安定になる。

そのため、従来技術では、抵抗素子と補助スイッチとが直列接続された負荷回路をプラズマと並列接続し、プラズマが消費する電力が小さいことを検出したときに補助スイッチを導通させ、プラズマに抵抗素子を並列接続させて、プラズマの消費電力に抵抗素子の消費電力を加え、トランスの二次側全体の消費電力が大きくなるようにしていた。

しかしながらＤＣ放電によって発生させたプラズマを維持する際には、プラズマは定電圧負荷となるため、抵抗素子がプラズマに並列接続されても平滑回路の出力電圧は、プラズマ変化に対応した変化ができないから、電源装置としての動作が不安定になるという問題がある。
抵抗素子と補助スイッチとが直列接続された負荷回路の動作は後述する。

特開２００２－２３５１７０号公報

本発明は上記従来技術のプラズマ装置の動作を安定させるために創作されたものであり、ブリッジ回路が所定周波数で安定して動作し、プラズマを維持させることを課題とする。

上記課題を課題を解決するため、本発明は、正電圧端子と負電圧端子との間に一次側直流電圧を出力する直流電圧源と、一次巻線と前記一次巻線に磁気結合した二次巻線とを有するトランスと、導通すると前記一次巻線の一端を前記正電圧端子に接続する第一の主スイッチ素子と、導通すると前記一端を前記負電圧端子に接続する第二の主スイッチ素子とを有するブリッジ回路と、前記第一の主スイッチ素子と前記第二の主スイッチ素子とを交互に導通させ、前記一次巻線に一次側交流電流を流す主制御回路と、前記一次側交流電流の流れによって前記二次巻線に誘起された二次側交流電圧を整流平滑して直流出力電圧を出力する整流平滑回路と、内部に真空雰囲気が形成される真空槽と、前記真空雰囲気に接触するアノード電極とカソード電極と、を有し、前記主制御回路は、所定の設定周波数の三角波電圧を生成する発振回路と、前記第一の主スイッチ素子又は前記第二の主スイッチ素子を出力期間の間導通させるＰＷＭ回路と、を有し、前記カソード電極には前記出力電圧の負電圧が出力されて前記真空雰囲気中にプラズマが生成され、維持されるプラズマ装置であって、前記プラズマに流れるプラズマ電流を検出し、検出した前記プラズマ電流の電流値を示す電流信号を出力する電流検出器と、前記プラズマに印加されるプラズマ電圧を検出し、検出した前記プラズマ電圧の電圧値を示す電圧信号を出力する電圧検出器と、前記電圧信号と前記電流信号とを用いて電力信号を求め、出力する演算回路と、を有し、前記ブリッジ回路は、前記プラズマが消費する電力が目標電力値になるように動作が制御され、抵抗値が可変の抵抗回路と、前記目標電力値に基づいて前記抵抗回路の抵抗値を変更させる抵抗制御回路とを有し、前記抵抗回路は前記プラズマ電流が流れる経路に挿入されたプラズマ装置である。
本発明は、前記抵抗回路は、少なくとも小抵抗値と、前記小抵抗値よりも大きい中抵抗値と、前記中抵抗値よりも大きい大抵抗値とのいずれの抵抗値にも設定されるように構成され、前記抵抗制御回路には、第一基準値と、第一基準値よりも大きい第二基準値とが設定されており、前記抵抗制御回路は、前記目標電力値が前記第一基準値が示す電力値よりも小さいときは前記抵抗回路を前記大抵抗値に設定し、前記目標電力値が前記第一基準値が示す電力値以上であって前記第二基準値が示す電力値よりも小さいときは前記抵抗回路を前記中抵抗値に設定し、前記目標電力値が前記第二基準値が示す電力値以上であるときは前記抵抗回路を前記小抵抗値に設定するプラズマ装置である。
本発明は、前記抵抗回路は、直列接続された複数の抵抗素子を有し、前記抵抗制御回路は、導通すると前記抵抗素子の両端をそれぞれ短絡させる副スイッチ素子を有し、前記副スイッチ素子の導通と遮断は、前記目標電力値と前記第一、第二基準値との比較結果によって制御され、前記小抵抗値と前記中抵抗値と前記大抵抗値との間は、所定の前記副スイッチ素子の導通と遮断とが変更されて生成されるプラズマ装置である。
本発明は、前記ブリッジ回路は、前記第一、第二の主スイッチ素子の主直列接続回路と第一、第二のコンデンサの副直列接続回路とが並列接続され、前記主直列接続回路と前記副直列接続回路とには、前記一次側直流電圧がそれぞれ印加され、前記第一、第二の主スイッチ素子の接続点が前記一次巻線の一端に電気的に接続され、前記第一、第二のコンデンサの接続点が前記一次巻線の他端に電気的に接続されたプラズマ装置である。
本発明は、正電圧端子と負電圧端子との間に一次側直流電圧を出力する直流電圧源と、一次巻線と前記一次巻線に磁気結合した二次巻線とを有するトランスと、導通すると前記一次巻線の一端を前記正電圧端子に接続する第一の主スイッチ素子と、導通すると前記一端を前記負電圧端子に接続する第二の主スイッチ素子とを有するブリッジ回路と、前記第一の主スイッチ素子と前記第二の主スイッチ素子とを交互に導通させ、前記一次巻線に一次側交流電流を流す主制御回路と、前記一次側交流電流の流れによって前記二次巻線に誘起された二次側交流電圧を整流平滑して直流出力電圧を出力する整流平滑回路と、を有し、前記主制御回路は、所定の設定周波数の三角波電圧を生成する発振回路と、前記第一の主スイッチ素子又は前記第二の主スイッチ素子を出力期間の間導通させるＰＷＭ回路と、を有し、真空雰囲気に接触されたカソード電極に前記出力電圧の負電圧を出力して前記真空雰囲気中にプラズマを生成して維持する電源装置であって、前記プラズマに流れるプラズマ電流を検出し、検出した前記プラズマ電流の電流値を示す電流信号を出力する電流検出器と、前記プラズマに印加されるプラズマ電圧を検出し、検出した前記プラズマ電圧の電圧値を示す電圧信号を出力する電圧検出器と、前記電圧信号と前記電流信号とを用いて電力信号を求め、出力する演算回路と、を有し、前記ブリッジ回路は、前記プラズマが消費する電力が目標電力値になるように動作が制御され、抵抗値が可変の抵抗回路と、前記目標電力値に基づいて前記抵抗回路の抵抗値を変更させる抵抗制御回路とを有し、前記抵抗回路は前記プラズマ電流が流れる経路に挿入された電源装置である。
本発明は、前記抵抗回路は、少なくとも小抵抗値と、前記小抵抗値よりも大きい中抵抗値と、前記中抵抗値よりも大きい大抵抗値とのいずれの抵抗値にも設定されるように構成され、前記抵抗制御回路には、第一基準値と、第一基準値よりも大きい第二基準値とが設定されており、前記抵抗制御回路は、前記目標電力値が前記第一基準値が示す電力値よりも小さいときは前記抵抗回路を前記大抵抗値に設定し、前記目標電力値が前記第一基準値が示す電力値以上であって前記第二基準値が示す電力値よりも小さいときは前記抵抗回路を前記中抵抗値に設定し、前記目標電力値が前記第二基準値が示す電力値以上であるときは前記抵抗回路を前記小抵抗値に設定する電源装置である。
本発明は、前記抵抗回路は、直列接続された複数の抵抗素子を有し、前記抵抗制御回路は、導通すると前記抵抗素子の両端をそれぞれ短絡させる副スイッチ素子を有し、前記副スイッチ素子の導通と遮断は、前記目標電力値と前記第一、第二基準値との比較結果によって制御され、前記小抵抗値と前記中抵抗値と前記大抵抗値との間は、所定の前記副スイッチ素子の導通と遮断とが変更されて生成される電源装置である。
本発明は、前記ブリッジ回路は、前記第一、第二の主スイッチ素子の主直列接続回路と第一、第二のコンデンサの副直列接続回路とが並列接続され、前記主直列接続回路と前記副直列接続回路とには、前記一次側直流電圧がそれぞれ印加され、前記第一、第二の主スイッチ素子の接続点が前記一次巻線の一端に電気的に接続され、前記第一、第二のコンデンサの接続点が前記一次巻線の他端に電気的に接続された電源装置である。
本発明は、出力電圧を出力する電源装置をアノード電極とカソード電極とに接続し、前記アノード電極と前記カソード電極との間に直流電圧を印加して真空槽の内部にプラズマを発生させて前記プラズマにプラズマ電流を流し、前記プラズマで消費される電力を目標電力値にして前記プラズマを維持するプラズマ維持方法であって、前記プラズマを維持する間に前記目標電力値と基準値とを比較し、前記目標電力値が前記基準値よりも小さい場合に、前記プラズマ電流が流れる経路の抵抗値を増加させるプラズマ維持方法である。
本発明は、前記アノード電極と前記電源装置の間と前記カソード電極と前記電源装置の間のうち、少なくともいずれか一方の間に抵抗回路を配置しておき、前記プラズマ電流が流れる経路の抵抗値を増加させるときには、前記抵抗回路の抵抗値を増加させるプラズマ維持方法である。
本発明は、前記目標電力値は前記電源装置の外部から入力されるプラズマ維持方法である。

低消費電力のプラズマでも安定して維持できるプラズマ装置を提供することができる。

本発明のプラズマ装置その副スイッチ素子の動作と抵抗値の関係を示すグラフ一般的なＰＷＭ制御方法を説明するための図従来技術のプラズマ装置

図１の符号２は、本発明のプラズマ装置であり電源装置３と真空装置４とを有している。

真空装置４は、真空槽４２とカソード電極４１とプラズマガス源４５とを有しており、カソード電極４１は真空槽４２の内部に配置されている。この例ではカソード電極４１にはスパッタリングターゲット４４が設けられている。

真空槽４２の内部のスパッタリングターゲット４４に対面する位置には台４３が配置されている。

真空槽４２は接地電位に接続されアノード電極として機能しており、アノード電極として機能する真空装置をアノード電極４０と呼ぶと、電源装置３から出力された出力電圧の正負二極性のうち、正極性側がアノード電極４０に印加され、負極性側がカソード電極４１に印加されるようになっている。

台４３上に基板４６を配置し、真空槽４２に接続された真空排気装置４７によって真空槽４２の内部を真空排気し、プラズマガス源４５から真空槽４２の内部にプラズマ用ガスを導入し、電源装置３によってカソード電極４１とアノード電極４０の間にプラズマ生成用の出力電圧を印加すると、スパッタリングターゲット４４の表面にプラズマ用ガスのプラズマが直流電圧によって生成される。

このプラズマ装置２では、プラズマ用ガスはスパッタリングガスとして用いられている。

プラズマ用ガスのプラズマは、プラズマが生成された後、カソード電極４１とアノード電極４０との間に印加される電圧によって維持されており、スパッタリングターゲット４４は維持されたプラズマによってスパッタリングされ、基板４６の表面に薄膜が形成される。

カソード電極４１とアノード電極４０との間に印加される電圧は電源装置３によって供給されており、その電源装置３を説明する。

電源装置３は、主制御回路３０とトランス１３とを有しており、トランス１３の一次側には直流電圧源１１とブリッジ回路１２とが設けられ、二次側には整流平滑回路１４と、電圧検出器２１と、電流検出器２２とが設けられている。

直流電圧源１１は、正電圧端子Ａと負電圧端子Ｂとを有しており、正電圧端子Ａと負電圧端子Ｂとの間に一次側直流電圧が出力される。正電圧端子Ａが、一次側直流電圧の正電圧側である。

トランス１３は、一次巻線Ｗ₁と、この一次巻線Ｗ₁に磁気結合された二次巻線Ｗ₂とを有している。

ブリッジ回路１２は、第一の主スイッチ素子Ｑ₁₁と第二の主スイッチ素子Ｑ₁₂と第一のコンデンサＣ₁₁と第二のコンデンサＣ₁₂とを有しており、第一の主スイッチ素子Ｑ₁₁と第二の主スイッチ素子Ｑ₁₂とは直列接続されて主直列接続回路が構成され、また、第一のコンデンサＣ₁₁と第二のコンデンサＣ₁₂とは直列接続されて副直列接続回路が構成されている。

主直列接続回路と副直列接続回路とは、一端がそれぞれ正電圧端子Ａに接続され、他端がそれぞれ負電圧端子Ｂに接続されている。

第一の主スイッチ素子Ｑ₁₁と第二の主スイッチ素子Ｑ₁₂とが互いに接続された接続点は、一次巻線Ｗ₁の一端に接続されており、従って、第一の主スイッチ素子Ｑ₁₁と第二の主スイッチ素子Ｑ₁₂との接続された接続点は、第一の主スイッチ素子Ｑ₁₁を介して正電圧端子Ａに接続され、同様に、第二の主スイッチ素子Ｑ₁₂を介して負電圧端子Ｂに接続されている。

第二の主スイッチ素子Ｑ₁₂が遮断した状態で第一の主スイッチ素子Ｑ₁₁が導通すると一次巻線のＷ₁の一端は正電圧端子Ａに接続される。第一の主スイッチ素子Ｑ₁₁が遮断した状態で第二の主スイッチ素子Ｑ₁₂が導通すると一次巻線のＷ₁の一端は負電圧端子Ｂに接続される。

第一のコンデンサＣ₁₁と第二のコンデンサＣ₁₂とが互いに接続された接続点は、一次巻線Ｗ₁の他端に接続されており、従って、一次巻線Ｗ₁の他端は、第一のコンデンサＣ₁₁を介して正電圧端子Ａに接続され、同様に、第二のコンデンサＣ₁₂を介して負電圧端子Ｂに接続されている。

ブリッジ回路１２の動作は主制御回路３０によって制御されており、第一、第二の主スイッチ素子Ｑ₁₁、Ｑ₁₂は、交互に導通するようにされている。

第二の主スイッチ素子Ｑ₁₂が遮断した状態で第一の主スイッチ素子Ｑ₁₁が導通すると一次巻線Ｗ₁の一端は、正電圧端子Ａに接続され、正電圧端子Ａと負電圧端子Ｂとの間で、第一の主スイッチ素子Ｑ₁₁と、一次巻線Ｗ₁と、第二のコンデンサＣ₁₂とをこの順序で通る第一の電流が流れる。

第一の主スイッチ素子Ｑ₁₁が遮断した状態で、第二の主スイッチ素子Ｑ₁₂が導通すると一次巻線Ｗ₁の一端は負電圧端子Ｂに接続され、正電圧出力端子Ａと負電圧出力端子Ｂとの間で、第一の主コンデンサＣ₁₁と、一次巻線Ｗ₁と、第二の主スイッチ素子Ｑ₁₂とをこの順序で通る第二の電流が流れる。

第一の電流と第二の電流とが一次巻線Ｗ₁に流れる向きは互いに逆向きであり、第一の主スイッチ素子Ｑ₁₁と第二の主スイッチ素子Ｑ₁₂とは交互に導通するため、第一の電流と第二の電流とは交互に流れるから、一次巻線Ｗ₁には交流電流である一次側交流電流が流れ、二次巻線Ｗ₂には交流電圧である二次側交流電圧が誘起される。

二次側交流電圧は整流平滑回路１４によって直流電圧に変換され、整流平滑回路１４の負電圧側の端子Ｄと正電圧側の端子Ｆとの間に出力電圧として出力される。

負電圧側の端子Ｄは、カソード電極４１に電気的に接続されており、正電圧側の端子Ｆはアノード電極４０に電気的に接続されている。

アノード電極４０とカソード電極４１との間に形成されたプラズマに流れる電流をプラズマ電流とすると、プラズマ電流は、正電圧側の端子Ｆから出力され、プラズマを流れて負電圧側の端子Ｄに戻る。

電圧検出器２１の一端は、カソード電極４１に接続され、他端はアノード電極４０に接続されている。この例ではアノード電極４０は接地電位に接続されており、電圧検出器２１の他端は接地電位に接続されている。

この電源装置３は、抵抗値が可変の抵抗回路１５を有しており、抵抗回路１５と電流検出器２２とは、電源装置３の内部のプラズマ電流が流れる経路に挿入されている。

抵抗回路１５と電流検出器２２とは、具体的には、整流平滑回路１４の負電圧側の端子Ｄとカソード電極４１の間、又は、正電圧側の端子Ｆとアノード電極４０の間に、別々に又は一緒に挿入することができる。

なお、整流平滑回路１４は、整流回路１４ａと平滑回路１４ｂとを有している。

整流回路１４ａは、４個のダイオードＤ₁₁～Ｄ₁₄がブリッジ接続されたダイオードブリッジ回路であり、平滑回路１４ｂは、平滑インダクタＩ₁と平滑コンデンサＣ₁とから成るＬＣフィルタ回路であり、平滑インダクタＩ₁は二次側交流電圧によって流れる電流経路に挿入されており、平滑コンデンサＣ₁は平滑インダクタＩ₁よりもプラズマ側で、生成されたプラズマと並列に接続されている。ここでは平滑インダクタＩ₁は、整流平滑回路１４の正電位側の端子Ｆと整流回路１４ａの一端との間に挿入されており、平滑回路１４ｂの出力端子は、整流平滑回路１４の負電圧側の端子Ｄと正電圧側の端子Ｆである。

抵抗回路１５は抵抗制御回路１６に接続されており、抵抗制御回路１６によって抵抗値が設定される。ここでは抵抗回路１５はゼロΩである小抵抗値に設定されているものとする。また、電流検出器２２には電圧降下は発生せず、電圧検出器２１には電流が流れないものとすると、カソード電極４１とアノード電極４０とには整流平滑回路１４の負電圧側の端子Ｄと正電圧側の端子Ｆとの間に出力された出力電圧が印加されている。

真空槽４２の内部で生成されたプラズマにはカソード電極４１とアノード電極４０との間の電圧が印加されており、カソード電極４１とアノード電極４０との間の電圧をプラズマ電圧とすると、プラズマ電圧の大きさは電圧検出器２１によって検出され、検出されたプラズマ電圧の電圧値を示す電圧信号が電圧検出器２１から主制御回路３０に出力される。

また、真空槽４２の内部で生成されたプラズマには真空槽４２の内部でカソード電極４１とアノード電極４０との間に流れる電流が流れており、真空槽４２の内部でカソード電極４１とアノード電極４０との間に流れる電流をプラズマ電流とすると、プラズマ電流は電流検出器２２によって検出され、検出されたプラズマ電流の電流値を示す電流信号が電流検出器２２から主制御回路３０に出力される。

主制御回路３０は、ＰＷＭ回路３６と発振回路３２と演算回路３１と入力回路３７と記憶回路３５とを有しており、電圧信号と電流信号とは演算回路３１に入力されており、演算回路３１の内部では、電圧信号と電流信号とが演算され、プラズマで消費された電力の大きさを示す電力信号が生成される。

入力回路３７と記憶回路３５とは演算回路３１に接続されており、外部機器から出力された信号が、入力回路３７を介して演算回路３１に入力されるようになっている。

入力回路３７はキーボード等で人手で生成された信号を演算回路３１に入力させるコンピュータ等の装置も含まれる。

プラズマに印加されるべき電圧の値を目標電圧値とし、プラズマに流されるべき電流の値を目標電流値とし、プラズマが消費すべき電力の値を目標電力値とすると、演算回路３１には、それらの値のうちの少なくとも一つの値が入力回路３７を介して入力され、記憶回路３５に記憶され、演算回路３１が読み込むことができる。

他方、記憶回路３５には、入力回路３７を介さずに、予め目標電圧値、目標電流値、又は目標電力値を記憶しておくこともできる。この場合は、演算回路３１は記憶された値のうち、何れかを選択して読み込むことができる。

外部機器が、目標電圧値、目標電流値、又は目標電力値のうちのいずれかを示す信号を出力して入力回路３７に入力する場合は、外部機器が出力する信号は、入力回路３７を介して演算回路３１に入力されるから、記憶回路３５と入力回路３７とが目標値を演算回路３１に示す役割を担っている。

主制御回路３０は、記憶回路３５の目標値を記憶する部分と入力回路３７とのうち、いずれか一方のみが設けられていてもよく、また、入力回路３７と記憶回路３５とを一つの記憶入力回路として一個の回路で構成してもよい。

演算回路３１は、目標電圧値が入力されると、目標電圧値と電圧信号が示す電圧値との間の差である差電圧を求め、差電圧の値を示す差電圧信号を生成する。目標電流値が入力されると、目標電流値と電流信号が示す電流値との間の差である差電流を求め、差電流の値を示す差電流信号を生成する。また、目標電力値が入力されると、目標電力値と電力信号が示す電力値との間の差である差電力を求め、差電力の値を示す差電力信号を生成する。

差電圧は、目標電圧値と電圧信号が示す電圧値との間の誤差であり、差電流は、目標電流値と電流信号が示す電流値との間の誤差であり、差電力は、目標電力値と電力信号が示す電力値との間の誤差である。

差電流の値と差電力の値とを差の値とすると、差の値は、信号が示す値と目標値との間の誤差であり、演算回路３１はこの誤差を算出していることになる。

電源装置３は、プラズマに定電圧を印加する定電圧モードと、プラズマに定電流を流す定電流モードと、プラズマの消費電力を一定にする定電力モードのいずれかのモードで動作するように設定されており、定電圧モードで動作するときは差電圧信号が制御信号として演算回路３１からＰＷＭ回路３６に出力され、定電流モードで動作するときは差電流信号が制御信号として演算回路３１からＰＷＭ回路３６に出力され、定電力モードで動作するときは差電力信号が制御信号として演算回路３１からＰＷＭ回路３６に出力される。

ここでは、演算回路３１は、差電圧信号と差電流信号と差電力信号のいずれか１個の信号を制御信号としてＰＷＭ回路３６に出力しているものとする。例えば、演算回路３１は、各モードのうち記憶された何れかのモードに従った誤差を制御信号としてＰＷＭ回路３６に出力する。

発振回路３２が同じ形状で同じピーク電圧を有する三角波の電圧波形を一定の周波数で継続して生成して発振信号として発振回路３２からＰＷＭ回路３６に出力されている。

ＰＷＭ回路３６は、比較器３３と駆動回路３４とを有している。

比較器３３には、発振回路３２が出力する発振信号と、演算回路３１が出力する制御信号とが電圧値から成る信号又は電圧変化から成る信号として入力されている。ここでは、例えば差電圧信号は、差電圧信号の電圧値が差電圧の電圧値を示しており、差電流信号は差電流信号の電圧値が差電流の電流値を示している。また、差電力信号は差電力信号の電圧値が差電力の電力値を示している。

比較器３３は発振信号の電圧の絶対値と制御信号の電圧の絶対値とを比較し、発振信号の電圧の絶対値が制御信号の電圧の絶対値よりも大きい期間を出力時間とした矩形波電圧を駆動回路３４に出力する。

発振信号の電圧波形は鋸歯状波であり、繰り返し出力される矩形波電圧の終期の周期が三角波電圧の周波数と同じになる。

駆動回路３４は入力された矩形波の始期と同期して、第一、第二の主スイッチ素子Ｑ₁₁、Ｑ₁₂を交互に導通させており、第一、第二の主スイッチ素子Ｑ₁₁、Ｑ₁₂の導通期間は、矩形波電圧の時間幅になっている。矩形波電圧の時間幅は、制御信号の電圧の絶対値が大きい場合は短くなり、小さい場合は長くなる。

第一、第二の主スイッチ素子Ｑ₁₁、Ｑ₁₂を、入力された矩形波電圧の時間幅だけ交互に導通させて一次側直流電圧を流し、二次側交流電圧を生成し、整流平滑回路１４によって直流の出力電圧に変換し、プラズマに供給される。

上記ＰＷＭ回路３６では、負荷となっているプラズマが消費する電力が小さいときは制御信号の電圧が必要以上に大きくなりやすく、制御信号の電圧の絶対値が、三角波電圧のピーク電圧の絶対値よりも大きくなると矩形波電圧が出力されなくなる。

その場合、第一、第二の主スイッチ素子Ｑ₁₁、Ｑ₁₂が導通できない期間が発生し、出力電圧の値が不安定になり、プラズマを安定して維持できないことになるため、本発明ではプラズマ電力が小さいときほど、プラズマに直列接続される抵抗回路１５の抵抗値を大きくする。

抵抗回路１５の抵抗値は、少なくとも小抵抗値と、小抵抗値よりも大きな大抵抗値を有しており、ここでは、小抵抗値と、小抵抗値よりも大きい中抵抗値と、前記中抵抗値よりも大きい大抵抗値との３種類の抵抗値を有している。

この抵抗回路１５の抵抗値は、小抵抗値と中抵抗値と大抵抗値のうちのどの値の抵抗値にも設定することができる。

抵抗回路１５の抵抗値は、２種類の抵抗値に設定できる場合も、４種類以上の抵抗値に設定できる場合も本発明に含まれるが、いずれの場合も最小の抵抗値はゼロΩに近い値にすることが望ましい。

ここでは抵抗回路１５は、例えば二個の抵抗素子Ｒ₁、Ｒ₂を直列接続して構成させ、二個の抵抗素子Ｒ₁、Ｒ₂の直列接続回路の一端を負電圧側の端子Ｄに接続し、他端をカソード電極４１に接続する。または、二個の抵抗素子Ｒ₁、Ｒ₂の直列接続回路の一端を正電圧側の端子Ｆに接続し、他端をアノード電極４０に接続してもよい。

この抵抗回路１５を動作させる抵抗制御回路１６は、導通すると抵抗素子Ｒ₁、Ｒ₂の両端をそれぞれ個別に短絡させる二個の副スイッチ素子Ｑ₁、Ｑ₂と、副スイッチ素子Ｑ₁、Ｑ₂の導通と遮断とを切り替える副制御装置１７とを有している。

副制御装置１７は演算回路３１によって制御されており、演算回路３１が副制御装置１７を制御して二個の副スイッチ素子Ｑ₁、Ｑ₂を導通させると抵抗回路１５は小抵抗値に設定され、二個の副スイッチ素子Ｑ₁、Ｑ₂を遮断させると抵抗回路１５は大抵抗値に設定される。二個の副スイッチ素子Ｑ₁、Ｑ₂の一方を導通させ，他方を遮断させると抵抗回路１５は中抵抗値に設定される。

＜目標電力値による抵抗値制御＞
次に、抵抗回路１５の抵抗値制御を説明する。

プラズマは既に発生され、電源装置３は定電力モードで動作してプラズマを維持するようにされており、差電力信号が制御信号として演算回路３１からＰＷＭ回路３６に出力されているものとする。

記憶回路３５には、抵抗回路１５の抵抗値を切り替えるための複数の基準値が記憶されており、ここでは小電力を示す第一基準値と、第一基準値よりも大きな電力を示す第二基準値とが記憶されている。

演算回路３１は、記憶回路３５に記憶された目標電力値や、入力回路３７を介して入力された目標電力値を読み取り、記憶された第一基準値と第二基準値と比較して、目標電力値が第一基準値よりも小さいときは、抵抗回路１５を大抵抗値に設定し、目標電力値が第一基準値以上であり第二基準値よりも小さいときは抵抗回路１５を中抵抗値に設定し、目標電力値が第二基準値以上であるときは抵抗回路１５を小抵抗値に設定する。

従って、プラズマ電力が第二基準値以上の場合はプラズマ電流が大きくなるため、抵抗回路１５は小抵抗にされ、抵抗回路１５の消費電力が小さくされる。プラズマ電力が第一基準値よりも小さい場合は、プラズマが不安定になるため、抵抗回路１５は大抵抗値にされ、安定してプラズマを維持することができるようになる。

上記例では、抵抗回路１５は小抵抗値と中抵抗値と大抵抗値との３個の抵抗値に設定できるようにされていたが、二個の抵抗値に設定できるようにしてもよい。また、抵抗回路１５が４個以上の抵抗値になるようにされることもできる。

その場合は、印加するプラズマ電力の電力範囲を、互いに重複しないように分割して複数の電力区分を設け、小さい電力値の電力区分には大きい電力値の電力区分に関連付けられた抵抗値よりも大きな抵抗値が関連付けられるように、各電力区分に抵抗回路１５が設定できる抵抗値を関連付け、入力された目標電力値が属する電力区分を特定し、抵抗回路１５を、特定された電力区分に関連付けられた抵抗値に設定すればよい。

この場合、プラズマ電力の電力範囲を複数の電力区分に区分けするときに、隣接する電力区分の境界となる基準値を、隣接する電力区分毎に記憶回路３５に記憶させておき、入力された目標電力値と基準値とを比較して、電力区分を決定すればよい。

抵抗回路１５が二個の抵抗素子Ｒ₁、Ｒ₂を有する場合に、一方の抵抗素子Ｒ₁の抵抗値よりも他方の抵抗素子Ｒ₂の抵抗値が大きい場合は、二個の抵抗素子Ｒ₁、Ｒ₂と二個の副スイッチ素子Ｑ₁、Ｑ₂とによって、抵抗回路１５の抵抗値を４種類の抵抗値(０、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₁＋Ｒ₂)の中の２種類以上の抵抗値にすることができる。

例えば、記憶回路３５には電源装置３の定格の出力電力を設定しておき、また、第一基準値として定格出力電力の５％の値が設定され、第二基準値として定格出力電力の１０％の値が設定されており、目標電力値と第一、第二の基準値とを比較し、図２に示すように、目標電力値が第二基準値が示す電力値以上の場合は、二個の副スイッチ素子Ｑ₁、Ｑ₂を導通させ、抵抗回路１５の抵抗値をゼロΩである小抵抗値にする。

目標電力値が第二基準値が示す電力値よりも小さく、第一基準値が示す電力値以上の場合は、一方の副スイッチ素子Ｑ₁を導通させて一方の抵抗素子Ｒ₁を短絡させ、他方の副スイッチ素子Ｑ₂を遮断させて抵抗回路１５を他方の抵抗素子Ｒ₂の中抵抗値の抵抗値Ｒ₂にすることができる。第一基準値よりも小さい場合は、二個の副スイッチ素子Ｑ₁、Ｑ₂を遮断させ、抵抗回路１５の抵抗値を、大抵抗値である二個の抵抗素子Ｒ₁、Ｒ₂の合計抵抗値Ｒ₁＋Ｒ₂にする。

＜測定値による抵抗制御＞
演算回路３１は、入力された目標電力値と第一基準値と第二基準値と比較結果ではなく、電圧信号と電流信号との演算で求められた電力信号を第一基準値と第二基準値と比較し、電力信号が示す電力値が第一基準値よりも小さいときは大抵抗値に設定し、電力信号が示す電力値が第一基準値以上であって第二基準値よりも小さいときは中抵抗値に設定し、電力信号が示す電力値が第二基準値以上であるときは小抵抗値に設定することもできる。

この場合に電力信号の変化によって抵抗回路１５の抵抗値が小抵抗値から大抵抗値に変更されたときに、抵抗回路１５で消費される電力値だけ、整流平滑回路１４の負電圧側の端子Ｄと正電圧側の端子Ｆの間で消費される電力が大きくなる。これは二次側の消費電力が増加したことになり、一次側交流電流の電流量が増加するので、ブリッジ回路１２の間欠動作が防止される。

電圧検出器２１はカソード電極４１とアノード電極４０との間の電圧を検出しており、抵抗回路１５の両端に生じた電圧は、電圧検出器２１には検出されないようになっている。

＜その他の抵抗値制御＞
抵抗回路１５の抵抗値を設定する信号が、入力回路３７を介して演算回路３１に入力されるようにしてもよい。その信号を抵抗値信号とすると、小抵抗値を示す抵抗値信号が入力されると演算回路３１は抵抗制御回路１６を動作させて抵抗回路１５の抵抗値を小抵抗値に設定し、中抵抗値を示す抵抗値信号が入力されると演算回路３１は抵抗制御回路１６を動作させて抵抗回路１５の抵抗値を中抵抗値に設定し、大抵抗値を示す抵抗値信号が入力されると演算回路３１は抵抗制御回路１６を動作させて抵抗回路１５の抵抗値を大抵抗値に設定することができる。

＜他の内容＞
以上説明したように、本発明では、抵抗回路１５の抵抗値とプラズマのインピーダンスが直列接続されて出力電圧が印加され、プラズマ消費電力が小さくなったときに、プラズマに直列接続された抵抗回路１５の抵抗値が大きくされ、二次側の消費電力が大きくなる。

この場合、プラズマが消費する電力に変化が無くても、プラズマと抵抗回路１５との直列接続回路が消費する電力は大きくなるため、供給電力を大きくするためにブリッジ回路１２の導通期間が長くなり、間欠動作が防止される。

それに対し、従来技術のプラズマ装置は、本願発明の抵抗回路１５は設けられていない。

図４の符号１０２は、従来技術のプラズマ装置を示しており、図１のプラズマ装置２と同じ素子には同じ符号を付すと、プラズマの消費電力が、設定された比較用の基準値以上の場合は、本発明の図１のプラズマ装置２の抵抗回路１５の抵抗値がゼロの場合と同じである。

図４のプラズマ装置１０２が図１のプラズマ装置２と異なる点は、図４のプラズマ装置１０２が有する電源装置１０３では、整流平滑回路１４の負電圧側の端子Ｄとカソード電極４１とは直結されており、負電圧側の端子Ｄと正電圧側の端子Ｆとの間に、副スイッチ素子Ｑ₁₀₁と抵抗素子Ｒ₁₀₁とが直列接続されたブリーダ回路１１５が接続されている。

記憶回路３５には比較用の基準値が記憶されており、電力信号が示す電力値と比較用の基準値とが演算回路３１によって比較され、電力信号が示す電力値が比較用の基準値よりも小さい場合は、演算回路３１は抵抗制御回路１１６を制御して副スイッチ素子Ｑ₁₀₁を導通させ、負電圧側の端子Ｄと正電圧側の端子Ｆとを、抵抗素子Ｒ₁₀₁によって接続し、二次側の消費電力を増加させる。

しかしながらＤＣ放電によって維持されているプラズマは定電圧負荷の電気的特性を有しているため、不安定な制御になり、カソード電極４１に印加される電圧が安定しないという不都合が発生する。

それに対し本発明は負電圧側の端子Ｄと正電圧側の端子Ｆとの間の出力電圧が大きくなるので、安定に制御することができる。

なお、副スイッチ素子Ｑ₁、Ｑ₂は、光結合素子によって、電気的に絶縁された状態で、導通と遮断が制御されるようになっている。

また、上記ブリッジ回路１２はハーフブリッジ回路であったが、第一～第四の主スイッチ素子を使用するフルブリッジ回路であっても、一次巻線Ｗ₁に交流電流を流せるように動作すればよい。

また、抵抗値が連続的に変化できる抵抗回路１５を用いたプラズマ装置も本発明に含まれる。

２……プラズマ装置
３……電源装置
４……真空装置
１１……直流電圧源
１２……ブリッジ回路
１３……トランス
１４……整流平滑回路
１５……抵抗回路
１６……抵抗制御回路
２１……電圧検出器
２２……電流検出器
３１……演算回路
３６……ＰＷＭ回路
３３……比較器
３４……駆動回路
４０……アノード電極
４１……カソード電極
Ａ……正電圧端子
Ｂ……負電圧端子
Ｃ₁₁……第一のコンデンサ
Ｃ₁₂……第二のコンデンサ
Ｑ₁,Ｑ₂……副スイッチ素子
Ｑ₁₁……第一の主スイッチ素子
Ｑ₁₂……第二の主スイッチ素子
Ｒ₁、Ｒ₂……抵抗素子
Ｗ₁……一次巻線
Ｗ₂……二次巻線

Claims

正電圧端子と負電圧端子との間に一次側直流電圧を出力する直流電圧源と、
一次巻線と前記一次巻線に磁気結合した二次巻線とを有するトランスと、
導通すると前記一次巻線の一端を前記正電圧端子に接続する第一の主スイッチ素子と、導通すると前記一端を前記負電圧端子に接続する第二の主スイッチ素子とを有するブリッジ回路と、
前記第一の主スイッチ素子と前記第二の主スイッチ素子とを交互に導通させ、前記一次巻線に一次側交流電流を流す主制御回路と、
前記一次側交流電流の流れによって前記二次巻線に誘起された二次側交流電圧を整流平滑して直流出力電圧を出力する整流平滑回路と、
内部に真空雰囲気が形成される真空槽と、
前記真空雰囲気に接触するアノード電極とカソード電極と、
を有し、
前記主制御回路は、
所定の設定周波数の三角波電圧を生成する発振回路と、
前記第一の主スイッチ素子又は前記第二の主スイッチ素子を出力期間の間導通させるＰＷＭ回路と、
を有し、
前記カソード電極には前記出力電圧の負電圧が出力されて前記真空雰囲気中にプラズマが生成され、維持されるプラズマ装置であって、
前記プラズマに流れるプラズマ電流を検出し、検出した前記プラズマ電流の電流値を示す電流信号を出力する電流検出器と、
前記プラズマに印加されるプラズマ電圧を検出し、検出した前記プラズマ電圧の電圧値を示す電圧信号を出力する電圧検出器と、
前記電圧信号と前記電流信号とを用いて電力信号を求め、出力する演算回路と、
を有し、
前記ブリッジ回路は、前記プラズマが消費する電力が目標電力値になるように動作が制御され、
抵抗値が可変の抵抗回路と、
前記目標電力値に基づいて前記抵抗回路の抵抗値を変更させる抵抗制御回路とを有し、
前記抵抗回路は前記プラズマ電流が流れる経路に挿入されたプラズマ装置。
前記抵抗回路は、少なくとも小抵抗値と、前記小抵抗値よりも大きい中抵抗値と、前記中抵抗値よりも大きい大抵抗値とのいずれの抵抗値にも設定されるように構成され、
前記抵抗制御回路には、第一基準値と、第一基準値よりも大きい第二基準値とが設定されており、前記抵抗制御回路は、前記目標電力値が前記第一基準値が示す電力値よりも小さいときは前記抵抗回路を前記大抵抗値に設定し、前記目標電力値が前記第一基準値が示す電力値以上であって前記第二基準値が示す電力値よりも小さいときは前記抵抗回路を前記中抵抗値に設定し、前記目標電力値が前記第二基準値が示す電力値以上であるときは前記抵抗回路を前記小抵抗値に設定する請求項１記載のプラズマ装置。
前記抵抗回路は、直列接続された複数の抵抗素子を有し、
前記抵抗制御回路は、導通すると前記抵抗素子の両端をそれぞれ短絡させる副スイッチ素子を有し、
前記副スイッチ素子の導通と遮断は、前記目標電力値と前記第一、第二基準値との比較結果によって制御され、前記小抵抗値と前記中抵抗値と前記大抵抗値との間は、所定の前記副スイッチ素子の導通と遮断とが変更されて生成される請求項２記載のプラズマ装置。
前記ブリッジ回路は、前記第一、第二の主スイッチ素子の主直列接続回路と第一、第二のコンデンサの副直列接続回路とが並列接続され、前記主直列接続回路と前記副直列接続回路とには、前記一次側直流電圧がそれぞれ印加され、前記第一、第二の主スイッチ素子の接続点が前記一次巻線の一端に電気的に接続され、前記第一、第二のコンデンサの接続点が前記一次巻線の他端に電気的に接続された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のプラズマ装置。
正電圧端子と負電圧端子との間に一次側直流電圧を出力する直流電圧源と、
一次巻線と前記一次巻線に磁気結合した二次巻線とを有するトランスと、
導通すると前記一次巻線の一端を前記正電圧端子に接続する第一の主スイッチ素子と、導通すると前記一端を前記負電圧端子に接続する第二の主スイッチ素子とを有するブリッジ回路と、
前記第一の主スイッチ素子と前記第二の主スイッチ素子とを交互に導通させ、前記一次巻線に一次側交流電流を流す主制御回路と、
前記一次側交流電流の流れによって前記二次巻線に誘起された二次側交流電圧を整流平滑して直流出力電圧を出力する整流平滑回路と、
を有し、
前記主制御回路は、
所定の設定周波数の三角波電圧を生成する発振回路と、
前記第一の主スイッチ素子又は前記第二の主スイッチ素子を出力期間の間導通させるＰＷＭ回路と、
を有し、
真空雰囲気に接触されたカソード電極に前記出力電圧の負電圧を出力して前記真空雰囲気中にプラズマを生成して維持する電源装置であって、
前記プラズマに流れるプラズマ電流を検出し、検出した前記プラズマ電流の電流値を示す電流信号を出力する電流検出器と、
前記プラズマに印加されるプラズマ電圧を検出し、検出した前記プラズマ電圧の電圧値を示す電圧信号を出力する電圧検出器と、
前記電圧信号と前記電流信号とを用いて電力信号を求め、出力する演算回路と、
を有し、
前記ブリッジ回路は、前記プラズマが消費する電力が目標電力値になるように動作が制御され、
抵抗値が可変の抵抗回路と、
前記目標電力値に基づいて前記抵抗回路の抵抗値を変更させる抵抗制御回路とを有し、
前記抵抗回路は前記プラズマ電流が流れる経路に挿入された電源装置。
前記抵抗回路は、少なくとも小抵抗値と、前記小抵抗値よりも大きい中抵抗値と、前記中抵抗値よりも大きい大抵抗値とのいずれの抵抗値にも設定されるように構成され、
前記抵抗制御回路には、第一基準値と、第一基準値よりも大きい第二基準値とが設定されており、前記抵抗制御回路は、前記目標電力値が前記第一基準値が示す電力値よりも小さいときは前記抵抗回路を前記大抵抗値に設定し、前記目標電力値が前記第一基準値が示す電力値以上であって前記第二基準値が示す電力値よりも小さいときは前記抵抗回路を前記中抵抗値に設定し、前記目標電力値が前記第二基準値が示す電力値以上であるときは前記抵抗回路を前記小抵抗値に設定する請求項５記載の電源装置。
前記抵抗回路は、直列接続された複数の抵抗素子を有し、
前記抵抗制御回路は、導通すると前記抵抗素子の両端をそれぞれ短絡させる副スイッチ素子を有し、
前記副スイッチ素子の導通と遮断は、前記目標電力値と前記第一、第二基準値との比較結果によって制御され、前記小抵抗値と前記中抵抗値と前記大抵抗値との間は、所定の前記副スイッチ素子の導通と遮断とが変更されて生成される請求項６記載の電源装置。
前記ブリッジ回路は、前記第一、第二の主スイッチ素子の主直列接続回路と第一、第二のコンデンサの副直列接続回路とが並列接続され、前記主直列接続回路と前記副直列接続回路とには、前記一次側直流電圧がそれぞれ印加され、前記第一、第二の主スイッチ素子の接続点が前記一次巻線の一端に電気的に接続され、前記第一、第二のコンデンサの接続点が前記一次巻線の他端に電気的に接続された請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載の電源装置。
出力電圧を出力する電源装置をアノード電極とカソード電極とに接続し、前記アノード電極と前記カソード電極との間に直流電圧を印加して真空槽の内部にプラズマを発生させて前記プラズマにプラズマ電流を流し、前記プラズマで消費される電力を目標電力値にして前記プラズマを維持するプラズマ維持方法であって、
前記プラズマを維持する間に前記目標電力値と基準値とを比較し、
前記目標電力値が前記基準値よりも小さい場合に、前記プラズマ電流が流れる経路の抵抗値を増加させるプラズマ維持方法。
前記アノード電極と前記電源装置の間と前記カソード電極と前記電源装置の間のうち、少なくともいずれか一方の間に抵抗回路を配置しておき、前記プラズマ電流が流れる経路の抵抗値を増加させるときには、前記抵抗回路の抵抗値を増加させる請求項９記載のプラズマ維持方法。
前記目標電力値は前記電源装置の外部から入力される請求項９又は請求項１０のいずれか１項記載のプラズマ維持方法。