JPS63297559A - 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 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
ゃ断方法およびその装置に関する。

たとえばスパッ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、絶縁物等をスパッタリン
グするには高周波電源を用いる。

この高周波スパッ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って発生し易くなる。すなわち、電
力を増しスパッ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１−でアーク放電し
消えない領域になる。アークの発生し易さおよびアーり
が消えない電力値は、ターゲットの材質、密度、冷却条
件等により決まり、ターゲットによってはかなり小さな
電力でもアークが生じスパッタできない場合がある。タ
ーゲッ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
ッ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。したがって、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ゃ断するのが最
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ゃ断す
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
ークしゃ断し得る。高周波電源を用いたグロー放電装置
のアークしゃ新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詳細な説明する。

第１図および第２図は高周波スパッタリング装置の構成
を示すブロッ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ャートであり、これら両図に晶き
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−電極が試料Ｓで他電極であるターゲットＴとの間に
グロー放電を生じスパッタリングを行う。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およびカップリングコン
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何する
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
であるからターゲット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との間はカップリ
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ｖＲｒ
、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っており、人力インピーダンス、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Ｐｒを最大に、負荷からの反
射波電力Ｐ、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図のタイムチャートにより説明する。

ここでは、進行波電力Ｐ　ｒ　、反射波電力Ｐ２、マツ
チング回路出力電圧ＶＩ？Ｆおよびグロー放電装置の直
流電圧■Ｄｏについて示している。まず給電電力Ｐ「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Ｐ　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、高周波電圧Ｖ　ＲＰ　ｌよ、ｎ１定点に
よって異なるが通常は低下する。そして直流電圧ｖ、Ｃ
は、電力値、負荷、ターゲットの材質、およびガスによ
って定まる負の高電圧からゼロに向って急激に変化する
。したがって、これら４要索とくに反射波電力Ｐ　およ
び陽極電圧Ｖ、。

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ゃ断する実施例、および
同実施例に用いるフィルタ回路の特性を示したものであ
る。この直流電圧■、。は高周波電源の周波数ｆ。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。この重置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ｆ。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ィルタＦを介して取出した直流電圧
Ｖ、。′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■、。′の変化を示すタイムチャートである。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Ｖ
Ｄｏ′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Ｖ、。′が立下ったことを検出する。この時点
ｔ２から時点ｔ３にかけてはフィルタ回路Ｆの回路要素
による遅れにより直流電圧Ｖ、。′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Ｐ
Ｓ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ｔ　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ｔｏ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Ｐ　の変化検出によるアーり発生を
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Ｐ　のレベル検出ではなく立上りを検出する必要が
あり、またアークしゃ新漬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Ｐｒも用いている。

第７図により反射波電力Ｐ　および進行波電力Ｐｒ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 Ｖ Ｖ−□ −ｊ　　− ω　に こでＶ：出力電圧 てＲ（□とすれば ω　Ｃ ｖＩ＋ｊωｃＲＶ である。また、Ｖ２　、Ｖａは、 ｖ２Ｌ：ｖ３−ｊωＭ工 ここでＩ：出力電流 であり、ｆ点の電圧をＶｒ　、ｒ点の電圧を■、とする
と、 Ｖｒ″″ｖ１＋ｖ２ ■ｒ−ｖｌ−ｖ３ である。

そして結合係数を調整してＶｌ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
　　　　　ｒ ■　・■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、 １−２Ｖ２ となるから ＶｆｌｌｌＩｖＩ＋ｖ２ＩｌｌＩ１２ｖ２＋■２ｗＭａ
３Ｖ２■、−ｖｌ−Ｖ２ａ−２Ｖ２＋Ｖ２−Ｖ２となり
Ｖ　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ＩＶｒ　ｌ”ＩＶ、ｌとなる。

このように電力計ＰＭつまりＣＭカブラを用いると伝達
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かできる。これは
Ｖ　、Ｑの状態である。

ｒ そしてＶｒ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、
■、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
Ｐ、つまり進行波電力信号といい、■　の整流信号をＰ
　っま「　　　　　　　　　　　　　　　　　ｒり反射
波電力信号と呼ぶ。

再び第５図に戻ると電力計ＰＭに接続された一点鎖線で
囲んだ部分は検出回路ＤＣであり、電力；ｌＰＭに接続
された単一周波数フィルタにより反射波信号Ｐ　および
進行波電力Ｐ、を取出し微分子 回路を介して変化分を得、トランジスタＱ、。

Ｑ　およびＱ　からなる差動増幅器により極性おｒ　　
　　　　　　　　Ｏ ｄｔ　　　　　ｄす る信号を取出し制御回路ＣＣに与える。この場合、すな
わちＰ　の急激な立上りによりＱ　がオンとＶｒ ゛なってＱｆがオフになりＱ。にバイアスがかかって、
制御回路ＣＣにパルスを与える。反射波電力Ｐ　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ＲＩ３１’　ＲＢ２等は全熱放電しなか
っ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
Ｐ　ｒ　、反射波電力Ｐｒの両信号、およびｄｔ　　　
　　ｄｔ 化を示すタイムチャートである。まず正常放電時ｔ　に
は進行波電力Ｐ、は設定値、反射波電力口となる。次い
でアーク発生時点ｔ１２になると進行波電力Ｐ、が減少
（増加）し、反射波電力Ｐ。

ｄ、ｔ　　　　　ｄｔ 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１１４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ｔ１．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１・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Ｐ　が大となる
。

「 進行波電力Ｐｒはソフトスタートの特性にしたがって増
大する。このとき反射波電力Ｐ　の変化はかなり大であ
るが、進行波電力Ｐｒも同様に変化ｄｔ　　　　　　　
　ｄｔ となる。したがってアーク検出そしてこれに続くアーク
しゃ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となり、さらに時点ｔ
　で進行波電力Ｐｒが設定値になり、反射波電力Ｐ　お
よび ｄｔ　　　　　ｄｔ 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ゃ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
たりスプラッシュ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ッタリング装置の構成を示
すブロック線図、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ャート、第３図（ａ）
、　　（ｂ）は本発明の一実施例を示すブロック線図お
よび同実施例に用いるフィルタの特性図、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ャー１・
、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ャート、第７図は
第５図に示した電力針Ｐ　Ｍ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、ＶＲＰ・・・高周波電圧、
ｖ　　　ｖ’　・・・直流電圧、Ｐ、・・・進行波電力
、ＤＣ’　　　　ＤＣ Ｐ　・・・反射波電力。 「 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 図面の浄占（内容に変更なし） も１　図 ！０ 馬２・図 乳３図（（１Ｊ Ｐ、３図（ｂ） 娩４図 も７図 娩８図 手続補正書（丈へ） 昭和６３年７月Ｚ日

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量成分を除去
   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ゃ断方法。 ２、高周波電源から電力計、マッチング回路およびカッ
   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ィルタ回路と、
   このフィルタ回路の出力レベルが所定値より小さくなっ
   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
   アークしゃ断装置。