JPH0343343B2 - - Google Patents

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JPH0343343B2
JPH0343343B2 JP20855887A JP20855887A JPH0343343B2 JP H0343343 B2 JPH0343343 B2 JP H0343343B2 JP 20855887 A JP20855887 A JP 20855887A JP 20855887 A JP20855887 A JP 20855887A JP H0343343 B2 JPH0343343 B2 JP H0343343B2
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JP
Japan
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glow discharge
arc
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frequency
power
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JP20855887A
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Noboru Kuryama
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Tokuda Seisakusho Co Ltd
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Tokuda Seisakusho Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高周波電源を用いたグロー放電装置の
アークしや断方法およびその装置に関する。
たとえばスパツタリング技術においては所定空
間にてグロー放電を起し作業を行うが、絶縁物等
をスパツタリングするには高周波電源を用いる。
この高周波スパツタリングにおいてもグロー放電
からアーク放電に移行し試料にダメージを与える
等の不具合が生じることがある。そしてアーク放
電は一般的に電力が大きくなるにしたがつて発生
し易くなる。すなわち、電力を増しスパツタ速度
を大きくしていくと全くアークの生じない電力か
らアークが生じてもすぐに消えない領域があり、
更に大きくしていくと連続してアーク放電し消え
ない領域になる。アークの発生し易さおよびアー
クが消えない電力値は、ターゲツトの材質、密
度、冷却条件等により決まり、ターゲツトによつ
てはかなり小さな電力でもアークが生じスパツタ
できない場合がある。ターゲツトの材質に応じて
電力を定めることによりアークを発生し難い条件
とすることも可能ではあるが、ターゲツトの材質
は種々であるから、この方法も実際的ではない。
そして、アークを全く発生しない条件を形成する
ことは一層困難である。したがつて、グロー放電
からアーク放電に移行し始めたときにアークをし
や断するのが最も効果的な方法である。
しかしながら、従来アーク放電移行時にアーク
しや断する効果的な方法は提供されていない。
本発明の目的は、アーク放電発生を速やかに検
知してアークしや断し得る、高周波電源を用いた
グロー放電装置のアークしや断方法およびその装
置を提供することである。
以下添付図面を参照して本発明の実施例を説明
する。
第1図および第2図は高周波スパツタリング装
置の構成を示すブロツク線図および該装置におけ
るアーク発生時の現象説明用タイムチヤートであ
り、これら両図に基き本発明の基本概念を説明す
る。
この装置においてDDはグロー放電装置であ
り、ここでは一方極が試料Sで他方極であるター
ゲツトTとの間にグロー放電を生じスパツタリン
グを行う。このグロー放電装置DDには、高周波
電源PSから電力計PM、インピーダンスマツチン
グ回路MCおよびカツプリングコンデンサCを介
して高周波給電が行われる。
すなわち電力計PMは高周波電力を測定する装
置もしくは高周波電力を測定する計器を接続し得
る端子を有するものであり、またインピーダンス
マツチング回路MCは線路インピーダンスとグロ
ー放電装置DDのインピーダンスとの相違を整合
させるものであり、これにより高周波電源PSの
出力を能率よくグロー放電装置DDに供給し且つ
供給電力の大きさ等を測定するようにしたもので
ある。
グロー放電装置DDは、その放電に整流作用を
伴うものであるからターゲツトTには直流電圧
VDCが与えられ、インピーダンスマツチング回路
MCとの間はカツプリングコンデンサCにより直
流的に切離されている。つまりインピーダンスマ
ツチング回路MCの出力電圧VRFは高周波であり、
これがグロー放電装置DD自体の整流作用により
実効的に直流給電されたものとなる。インピーダ
ンスマツチング回路MCはグロー放電装置DDに
最大電力を与えるためのもので、たとえば第8図
に示すような回路構成となつており、入力インピ
ーダンス、出力インピーダンスを適宜調整するこ
とにより電力計PMによる負荷への進行波電力Pf
を最大に、負荷からの反射波電力Prを最小にする
ように調整する。
次に、この装置におけるアーク発生前後の状態
変化を第2図のタイムチヤートにより説明する。
ここでは、進行波電力Pf、反射波電力Pr、マツチ
ング回路出力電圧VRFおよびグロー放電装置の直
流電圧VDCについて示している。まず給電電力Pf
はアーク発生により減少または増加する。これは
マツチング回路等の条件により変るが通常は下が
るようにする。これに対し反射電力Prはアーク発
生前は略々ゼロに抑えられているが、アーク発生
により負荷インピーダンスが変ることにより必ず
大きくなる。また、高周波電力VRFは、測定点に
よつて異なるが通常は低下する。そして直流電圧
VDCは、電力値、負荷、ターゲツトの材質、およ
びガスによつて定まる負の高電圧からゼロに向つ
て急激に変化する。したがつて、これら4要素と
くに反射波電力Prおよび陽極電圧VDCを監視する
ことによりアーク発生を検出することができる。
第3図a,bはこのうちでグロー放電装置DD
の非接地電極すなわち陰極の直流電圧VDCの変化
によりアーク発生を検出しアークしや断する実施
例、および同実施例に用いるフイルタ回路の特性
を示したものである。この直流電圧VDCは高周波
電源の周波数fOおよびこの周波数より高い周波数
の放電に起因する高周波分を多量に含んでいる。
この重畳周波数成分を含んだまま検出動作を行う
と誤検出することになるので、この周波数fOおよ
びそれより高い成分を除去する同図bに示すよう
な特性のフイルタFを介して取出した直流電圧
VDC′を制御回路CCに与えるようにしている。
第4図は第3図の実施例の動作を説明するため
の直流電圧VDC′の変化を示すタイムチヤートで
ある。まず正常放電時点t1では負の略々一定値を
保つが、アーク発生時点t2で急激にゼロに近づ
く。このとき直流電圧VDC′の値は検出レベルを
通過するから制御回路CCは直流電圧VDC′が立下
つたことを検出する。この時点t2から時点t3にか
けてはフイルタ回路Fの回路要素による遅れによ
り直流電圧VDC′の立下りがなまる。そして、時
点t4において制御回路CCは高周波電源PSに制御
信号を与えて高周波給電を停止させる。この給電
停止時点t4から時点t5までは高周波電源PSおよび
マツチング回路MC内のLCによる振動が残り
徐々にゼロになる。この後時点t6までは制御回路
CCにおけるタイマによる休止時間(50マイクロ
秒〜1ミリ秒)であり、熱電子発生点が消失する
時間および再放電開始可能時間を考慮して定め
る。すなわち、アーク放電は熱陰極放電であるの
に対し、グロー放電は冷陰極放電であり、正常な
グロー放電を行うには電極を冷やす必要がある。
この時間経過後の時点t6で制御回路CCは高周波
電源PSを始動させ、時点t7にかけてソフトスタ
ートを行う。そして時点t7より後は正常放電とな
る。
第5図は反射波電力Prの変化検出によるアーク
発生を検出する他の実施例を示したもので、この
場合は反射波電力Prのレベル検出ではなく立上り
を検出する必要があり、またアークしや断後の放
電再開時に誤検出することを防止するため進行波
電力Pfも用いている。
第7図により反射波電力Prおよび進行波電力Pf
について説明する。同図においてCは同軸ケーブ
ルの芯線1とこの芯線1に並設されたアンテナ線
2との間の静電容量、Mは芯線1とアンテナ線2
との相互誘導係数であり、これらC,Mを用いて
いることからCMカプラとも呼ばれる。
図における抵抗R両端間の電圧V1は V1=RV/R−j1/ωc ここでV:出力電圧 でR≪1/ωcとすれば V1≒jωcRV である。また、V2、V3は、 V2≒V3=jωMI ここでI:出力電流 であり、f点の電圧をVf、r点の電圧をVrとす
ると、 Vf=V1+V2 Vr=V1−V3 である。
そして結合係数を調整してV1とV2を負荷が
50Ωのとき同じ大きさになるようにすると、 Vf=2V1 Vr=0 となる。この状態で負荷を50Ω以外たとえば
100Ωの負荷に接続すると、 V1=2V2 となるから Vf=V1+V2=2V2+V2=3V2 Vr=V1−V2=2V2+V2=V2 となりVrは0ではなくなる。
一方、抵抗の代りに静電容量(50Ωとする)を
接続すると電流位相は90°進むからV2が90°進むこ
とになりベクトル合成により |Vf|≒|Vr|となる。
このように電力計PMつまりCMカプラを用い
ると伝達線路の終端に特性インピーダンスと同じ
値の純抵抗が接続されたと同じ状態をモニタする
ことができる。これはVr=0の状態である。
そしてVfおよびVrをそれぞれダイオードで整
流して直流電圧として取出し指示計器に与えるこ
ととし、この指示計器に抵抗R=50Ωで消費する
電力を知るには、Vfの計器の指針の振れに応じ
た目盛を付しておけば高周波電力に対応した目盛
となる。そしてこの直流信号をPfつまり進行波電
力信号といい、Vrの整流信号をPrつまり反射波
電力信号と呼ぶ。
再び第5図に戻ると電力計PMに接続された一
転鎖線で囲んだ部分は検出回路DCであり、電力
計PMに接続された単一周波数フイルタにより反
射波信号Prおよび進行波電力Pfを取出し微分回路
を介して変化分を得、トランジスタQf,Qrおよ
びQpからなる差動増幅器により極性およびレベ
ル検出し(dPr/dt−dPf/dt)なる信号を取出し制御 回路CCに与える。この場合、すなわちPrの急激
な立上りによりQrがオンとなつてQfがオフとな
りQpにバイアスがかかつて、制御回路CCにパル
スを与える。反射波電力Prの信号が与えられる差
動増幅器入力端に設けられている抵抗RB1,RB2
等は全然放電しなかつたり反射レベルが所定値以
上になるのを防止し装置の動作安定化を図るため
に挿入されている。
第6図は第5図の実施例の動作説明のための進
行波電力Pf、反射波電力Prの両信号、およびこれ
ら両信号に基く信号(dPr/dt−dPf/dt)の変化を示 すタイムチヤートである。まず正常放電時t11
は進行波電力Pfは設定値、反射波電力Prはゼロ、
したがつて(dPr/dt−dPf/dt)もゼロとなる。次い でアーク発生時点t12になると進行波電力Pfが減
少(増加)し、反射波電力Prが急増し、したがつ
て(dPr/dt−dPf/dt)が急峻に立上り検出レベルを 超える。これにより制御回路CCが検出動作し高
周波電源PSを停止させ、時点t13にて高周波電源
PSが停止する。この後、時点t14間で高周波電源
PSとかインピーダンスマツチング回路MCのLC
により減衰振動電流が流れ、次いで時点t15まで
制御回路CCのタイマ動作による休止時間となる。
時点t15で高周波電源PSが始動する。高周波電源
PSはソフトスタートするが、低出力時は負荷と
のインピーダンスマツチングがとれず反射波電力
Prが大となる。進行波電力Pfはソフトスタートの
特性にしたがつて増大する。このとき反射波電力
Prの変化はかなり大であるが、進行波電力Pfも同
様に変化するから(dPr/dt−dPf/dt)はほぼゼロと なる。したがつてアーク検出そしてこれに続くア
ークしや断という動作は防止できる。そして時点
t16からt17になると徐々に高周波電源PSと負荷と
のインピーダンスマツチングがとれてきて反射波
電力Prが減少し(dPr/dt−dPf/dt)は負となり、さ らに時点t18で進行波電力Pfが設定値になり、反
射波電力Prおよび (dPr/dt−dPf/dt)もゼロとなる。
この進行波および反射波の各電力を検出する方
法は電圧検出による方法よりも汎用性があり、し
かもこれら電力の検出器はケーブル上のどの点に
設置してもよいので高周波電源の出力に組込むこ
とができ、インピーダンスマツチング回路への配
線が簡単になる。
本発明は上述のように、高周波電源を用いたグ
ロー放電装置におけるグロー放電からアーク放電
への移行時の変化要素を検出して電源のしや断を
行い処置時間後に再度放電開始させるようにした
ため、試料にダメージを与えたりスプラツシユを
生じることがなく円滑にグロー放電を続けること
ができる。しかも、比較的アーク放電に移行し易
い大電力グロー放電でもかかる問題を生じること
なく作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は一般的な高周波スパツタリング装置の
構成を示すブロツク線図、第2図は第1図の構成
におけるアーク発生時の変化要素を示すタイムチ
ヤート、第3図a,bは本発明の一実施例を示す
ブロツク線図および同実施例に用いるフイルタの
特性図、第4図は第3図aの実施例における動作
説明用タイムチヤート、第5図は本発明の他の実
施例を示す回路図、第6図は第5図の実施例の動
作説明用タイムチヤート、第7図は第5図に示し
た電力針PMについての詳細説明図、第8図はマ
ツチング回路の一例を示す回路図である。 DD……グロー放電装置、VRF……高周波電圧、
VDC′,VDC′……直流電圧、Pf……進行波電力、
Pr……反射波電力。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 高周波電源から所定周波数の高周波電流が給
    電されてグロー放電装置の電極間に生じる直流電
    圧から前記電源の周波数またはそれより高い周波
    数の重畳成分を除去した電圧信号を取出し、この
    信号の変化に基いて前記電源の給電を停止させる
    ようにした、高周波電源を用いたグロー放電装置
    のアークしや断方法。 2 高周波電源から電力計、マツチング回路およ
    びカツプリングコンデンサを介して給電されるグ
    ロー放電装置と、このグロー放電装置の電極間に
    生じた直流電圧が与えられ前記電源の周波数およ
    びそれより高い周波数の重畳成分を除去した直流
    電圧を形成するフイルタ回路と、このフイルタ回
    路の出力レベルが所定値より小さくなつたことを
    検出し前記電源からの給電を停止させる制御回路
    とをそなえた、高周波電源を用いたグロー放電装
    置のアークしや断装置。
JP20855887A 1987-08-22 1987-08-22 高周波電源を用いたグロ−放電装置のア−クしゃ断方法および装置 Granted JPS63297559A (ja)

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