KR101421483B1 - 직류 전원 장치 - Google Patents
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Abstract
양전압을 인가하여 아크 방전을 소호할 수 있고, 게다가, 아크 방전을 소호한 후, 통상 동작으로 복귀할 때, 아크 방전의 재발을 확실하게 억제할 수 있는 직류 전원 장치를 제공한다. 직류 전원 장치는 타겟에 전력 투입하는 직류 전원부와, 아크 검지부와, 음의 출력에 직렬로 설치된 제 1 스위칭 소자(SW1)와, 양 및 음의 두 출력 사이에 병렬로 설치된 제 2 스위칭 소자(SW2) 및 역전압을 인가하는 역전압 인가부와, 제어 수단(4)을 가진다. 통상 동작시, 제 2 스위칭 소자에 의해 역전압 인가부로부터 전극으로의 역전압의 인가를 정지한 상태에서 제 1 스위칭 소자에 의해 상기 전극으로 통전하고, 아크 방전이 검지되면, 제 2 스위칭 소자에 의해 역전압 인가부로부터 전극으로 통전하여 소정 기간 역전압을 인가하고, 이 기간 경과 후에 제 1 스위칭 소자에 의해 전극으로의 통전을 소정 기간 차단한 후, 전극으로의 통전을 재개한다.
Description
본 발명은 플라즈마 부하에 접촉하는 전극에 전력을 투입하는 직류 전원 장치에 관한 것으로, 특히, 스퍼터링(이하, "스퍼터"라고 함) 장치에 이용되는 것에 관한 것이다.
유리나 실리콘 웨이퍼 등의 기판 표면에 박막을 형성하는 방법으로서, 스퍼터 장치를 이용하는 것이 종래로부터 알려져 있다. 이 스퍼터 장치에서는, 예를 들어, 진공 분위기 하의 처리실 내에 소정의 스퍼터 가스(아르곤 가스)를 도입함과 함께, 기판 표면에 형성하려고 하는 박막의 조성에 따라서 제작된, 플라즈마 부하에 접촉하는 전극인 타겟에 직류 전원 장치에 의해 전력을 투입하여 플라즈마 분위기를 형성한다. 그리고, 플라즈마 분위기 중의 이온을 타겟을 향해 가속시켜서 충격시키고, 스퍼터 입자(타겟 원자)를 비산시키고, 기판 표면에 부착하고, 퇴적시켜서 소정의 박막이 형성된다.
상기 스퍼터 장치에 의한 박막 형성 중에, 어떠한 원인에 의해 아크 방전(이상 방전)이 발생하는 것이 알려져 있다. 아크 방전이 발생하면, 플라즈마 부하의 임피던스가 급격하게 작아지기 때문에, 급격한 전압 저하가 일어나고, 그에 따라 전류가 증가한다. 이러한 경우에, 타겟이 특히 알루미늄 등의 금속제인 경우, 높은 아크 전류값의 아크 방전이 예를 들어, 타겟에서 국소적으로 발생하면, 타겟이 용해되어 방출된 것이 처리 기판 표면에 부착한다고 하는 파티클이나 스플래쉬(수 ㎛ ~ 수백 ㎛의 덩어리)가 발생하고, 양호한 성막이 가능하지 않다고 하는 단점이 생긴다.
여기서, 특허 문헌 1에는, 직류 전원부로부터 타겟으로의 양 및 음의 출력 중에서 한쪽에 인덕터를 직렬로 접속함과 함께, 이 인덕터의 뒤에서 직류 전원부 측에서 양 및 음의 출력(케이블) 사이에 병렬로 스위칭 소자를 접속하고, 직류 전원부로부터의 전력 투입을 차단하여 아크 방전의 소호 처리를 행할 수 있도록 한 것이 개시되어 있다.
상기 특허 문헌 1에 기재된 것에서는, 양 및 음의 출력 사이에 병렬로 스위칭 소자를 설치하고 있기 때문에, 아크 방전의 발생 시에 상기 스위칭 소자를 단락(온)하여 폐회로를 형성하여도, 플라즈마 부하나 케이블의 인덕턴스 성분이나, 캐패시턴스 성분에 남아 있는 에너지가 소비될 때까지, 상기 스위칭 소자를 통하여 아크 전류가 플라즈마 부하에 접촉하는 타겟으로 계속 흐른다고 하는 단점이 있다.
따라서, 상기 특허 문헌 1에서는, 오토 트랜스를 이용하여, 상기 스위칭 소자를 단락하였을 때, 양전압을 발생시켜서 이 잔류 아크 에너지를 급속히 제거하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 이와 같이 양전압을 발생시켜도, 아크 방전의 발생 시에 임피던스가 매우 낮으면, 역전류가 과다하게 발생하고, 게다가, 프로세스 상의 음 전압의 10 % 이상으로 비교적 높은 양전압을 인가하는 것으로부터, 진공 장치 내의 애노드와 캐소드가 교체되고, 경우에 따라서는, 역스퍼터 상태가 되어, 아크 방전이 계속 또는 아크 처리로부터 타겟으로의 전력 투입을 재개하는 복귀 시에 아크 방전이 재발하기 쉽다고 하는 문제가 있다.
또한, 아크 방전의 발생 시에, 양전압을 인가하는 회로에 직렬로 저항을 설치하는 것도 제안되어 있지만, 이것에서는, 아크 방전을 소호하기 위한 능력을 떨어뜨리고 있는 것이 되어, 10 % 이상의 양전압도 인가할 수 없다. 이것으로부터, 충분한 양전압 인가 시에 펄스폭을 늘릴 필요도 있지만, 오토 트랜스를 이용하였을 경우, 시간이 길어짐에 따라, 직류 전원부 측의 코일에 흐르는 전류가 증가하고, 결과적으로, 플라즈마 부하 측의 코일에 흐르는 역전류가 증가하고, 상반되는 조건을 만족시키는 것과 같은 아크 처리가 되고 있다.
본 발명은 이상의 점을 고려하여, 양전압을 인가하여 아크 방전을 소호할 수 있고, 게다가, 아크 방전을 소호한 후, 통상 동작에 복귀할 때, 아크 방전의 재발을 확실하게 억제할 수 있는 직류 전원 장치를 제공하는 것을 그 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 직류 전원 장치는, 플라즈마 부하에 접촉하는 전극에 전력을 투입하는 직류 전원부와, 이 직류 전원부로부터의 양 및 음의 출력에서 전극에 발생하는 아크 방전을 검지하는 아크 검지부를 구비하고, 상기 직류 전원부로부터의 양 및 음의 출력 중에서 어느 한 쪽에 플라즈마 부하와 직렬로 설치된 제 1 스위칭 소자와, 양 및 음의 양 출력 사이에, 플라즈마 부하와 병렬로 설치된 제 2 스위칭 소자, 및 역전압을 인가하는 역전압 인가부와, 양측 스위칭 소자의 온, 오프의 전환을 제어하는 제어 수단을 더 가지고, 상기 제어 수단은, 전극에 전력을 투입하는 통상 동작 시에, 제 2 스위칭 소자에 의해 역전압 인가부로부터 전극으로의 역전압의 인가를 정지한 상태에서 제 1 스위칭 소자에 의해 상기 전극으로 통전하고, 아크 검지부에 의해 아크 방전이 검지되면, 제 2 스위칭 소자에 의해 역전압 인가부로부터 전극으로 통전하여 소정 기간 역전압을 인가함으로써 아크 방전의 소호를 행하고, 이 기간 경과 후에 제 1 스위칭 소자에 의해 전극으로의 통전을 소정 기간 차단한 후, 전극으로의 통전을 재개하는 아크 처리를 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 부하에 접촉하는 전극에 음의 전압을 인가하는 경우를 예로 설명하면, 통상 동작시인 플라즈마 방전시에, 제 2 스위칭 소자를 오프(OFF), 제 1 스위칭 소자를 온(ON) 하여 직류 전원부와 전극을 통전하고, 전력이 투입되게 한다. 그리고, 아크 검지부에서 아크 방전이 검지되면, 먼저, 제 2 스위칭 소자가 온 된다. 이것에 의해, 전극과의 사이에 폐회로가 만들어지고, 역전압 인가부로부터 전극에 양전압이 인가된다. 이것에 의해, 아크 에너지가 작게 된다(이 반대 전압을 인가하는 시간을 역전압 인가 기간이라고 한다).
이와 같이 아크 에너지가 작아지면, 제 1 스위칭 소자를 오프 함으로써, 매우 큰 과전압의 발생 없이, 플라즈마 부하가 소정 기간 분리된다(이 기간을 출력 차단 기간이라고 한다). 즉, 제 1 및 제 2 의 두 스위칭 소자에 의해 직병렬의 스위치 회로를 구성하여 두고, 아크 방전을 소호하기 위하여 양전압을 더하고, 그 후, 플라즈마 부하와 직류 전원부 및 역전압 인가부를 일단 분리하여, 아크 방전으로의 에너지 공급을 완전하게 차단한다. 그 후, 제 1 스위칭 소자를 온 하여 직류 전원부와 전극을 다시 통전하여 플라즈마 방전을 재개한다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 상기 종래의 예와는 상이하게, 역전압 인가 기간 경과 후에, 출력 차단 기간을 설치함으로써, 역전압 인가 기간과 출력 차단 기간을 각각 최적으로 설정할 수 있다. 그 결과, 아크 방전 발생시의 아크 에너지를 최소화하여 아크 방전을 소호할 수 있고, 게다가, 소호 처리로부터 복귀할 때에, 출력 차단 기간을 설치하여 에너지 공급을 일단 차단하고 있기 때문에, 아크 방전의 계속이나 재발을 확실하게 억제할 수 있다.
그리고, 본 발명의 직류 전원 장치를 스퍼터링 장치에 적용하면, 아크 방전을 소호할 때에는, 양전압 인가 기간은 가능한 한 짧게 하여, 아크 전류를 급속하게 0A까지 가지고 가고, 아크 방전이 소호한 후에는, 플라즈마에 접촉하는 전극인 타겟의 표면 상태와, 타겟이 배치된 처리실 내의 분위기로부터, 아크 방전이 재발하지 않을 정도로 돌아올 때까지의 기간만큼, 아크 방전으로의 에너지 공급이 차단되고, 그 결과, 최적의 아크 방전의 소호 처리가 실현될 수 있다.
본 발명에서는, 상기 역전압 인가부는 트랜스로 구성되고, 이 트랜스의 1차측 권선은 권선은 직류 전원부로부터의 양 및 음의 출력 중에서 적어도 한쪽에서 상기 제 1 스위칭 소자와 직렬로 접속되고, 트랜스의 2차측 권선은, 양 및 음의 두 출력 사이에 병렬로 설치된 제 2 스위칭 소자와 직렬로 접속되고, 제 2 스위칭 소자의 제어에 의해 전극으로 통전하여 역전압이 인가되는 구성을 채용하면 좋다.
이것에 의하면, 통상 동작시에는, 제 2 스위칭 소자를 오프, 제 1 스위칭 소자를 온 하고, 트랜스의 2차측과 1차측이 직렬 접속됨으로써 전극에 전력이 투입된다. 그리고, 아크 검지부에서 아크 방전의 발생이 검지되면, 먼저, 제 2 스위칭 소자를 온 한다. 이때, 직류 전원부로부터의 출력 전압이 0V가 되고, 그 후, 트랜스의 2차측에 양의 전압이 발생하기 때문에, 제 2 스위칭 소자를 통하여 전극에 양전압이 인가되고, 역전압 인가 기간이 된다.
역전압 인가 기간 경과 후, 제 1 스위칭 소자를 오프 함으로써 출력 차단 기간이 되고, 출력 전류 및 출력 전압은 0이 된다. 여기서, 통상 동작 중에, 출력 전압이 크고, 전극에 출력 전류가 흐르고 있는 상태에서는, 제 1 스위칭 소자를 온, 오프 시키면, 매우 큰 과전압이 발생하여 버리지만, 상기 구성을 채용하면, 제 2 스위칭 소자에 의해 미리 전압이나 전류를 작은 레벨로 하고 있기 때문에, 제 1 스위칭 소자의 과전압 보호용의 회로는 간단하게 된다.
상기 구성에 의하면, 별도의 전원을 이용하지 않고, 트랜스에서 양전압을 발생할 수 있기 때문에, 신뢰성이나 비용의 점에서 유리하다. 그런데, 상기 종래 예의 것에서는, 비교적 짧은 시간에 양전압을 발생시켜서 아크 처리를 종료시키지 않으면, 역전류의 증가가 커진다. 그것에 대하여, 본 발명에서는, 제 1 및 제 2 의 각 스위칭 소자를 이용함으로써 양전압의 발생 시간을 제한할 수 있기 때문에, 통상의 플라즈마 방전 시에 투입되는 전압의 10 % 이하의 양전압, 예를 들어, 3 ~ 5 % 정도의 양전압을 인가하여도, 전극과 분리하는 출력 차단 기간을 충분히 잡으면, 아크 방전을 소호하기 위한 아크 처리가 실현될 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명에서는, 상기 역전압 인가부는 역전압 발생용의 다른 직류 전원부로 구성되고, 이 다른 직류 전원으로부터의 양의 출력이 제 2 스위칭 소자와 직렬로 접속되고, 그 음의 출력이 전극에 접속되어 있는 구성을 채용하여도 좋다.
이것에 의하면, 통상 동작 시에는, 제 2 스위칭 소자를 오프, 제 1 스위칭 소자를 온으로 한다. 그리고, 아크 검지부에서 아크 방전의 발생이 검지되면, 제 2 스위칭 소자를 온 하는 것과 동시에 제 1 스위칭 소자를 오프 하고, 직류 전원부로부터 전극에 양전압을 인가하고, 역전압 인가 기간이 된다. 그리고, 제 2 스위칭 소자를 오프 함으로써 출력 차단 기간이 되고, 이 출력 차단 기간 경과 후에, 제 1 스위칭 소자를 온 하여 통상의 플라즈마 방전 상태가 된다. 상기 구성에 의하면, 통상의 플라즈마 방전 상태와 무관하게, 전극에 인가하는 양전압의 레벨(전압)을 간단하게 제어할 수 있기 때문에, 여러 가지 아크 처리에 대응할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 상기 제어 수단은, 상기 아크 처리를 연속하여 반복하는 구성을 채용하여도 좋다. 이것에 의하면, 상기와 같이 역전압 인가 기간에 계속 출력 차단 기간을 설치한 경우, 역스퍼터나 그것에 따르는 역아크 방전 상태를 방지하기 위하여, 역전압 인가 기간은 가능한 한 짧게 하는 것이 바람직하지만, 기판이나 타겟으로의 처리실 내의 전자의 대전(차지업)에 의해 아크 방전의 빈도가 많은 것과 같은 경우에는, 차지업의 방지 효과로서, 역펄스의 발생은 유효하다. 이 때문에, 상기와 같이, 차지업 방지의 역전압 인가에서 역스퍼터가 되기 쉬운 경우에는, 펄스폭과 출력 차단 시간을 짧게 하여, 상기 아크 처리를 복수 회 반복함으로써, 확실하게 아크 방전의 소호가 가능하다.
상기 아크 처리를 복수 회 반복하는 경우, 제어 수단은, 최후에 역전압의 인가를 정지한 직후에, 제 1 스위칭 소자에 의해 전극으로의 통전을 재개하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 제어 수단은, 통상 동작 시에, 제 1 스위칭 소자에 의해 상기 전극으로의 통전을 정지하고, 제 2 스위칭 소자에 의해 역전압 인가부로부터 전극으로 통전하여 역전압을 인가하고, 소정 기간 경과 후에, 제 1 스위칭 소자에 의해 전극으로의 통전을 재개하는 전극으로의 대전 방지 처리를 소정 간격으로 행하는 구성을 채용하여도 좋다.
이것에 의하면, 통상 동작 중에, 기판이나 전극으로의 차지업을 저감할 수 있고, 이 차지업에 기인하여 아크 방전이 유발되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 상기 아크 처리에서 역전압을 인가하는 기간과, 상기 대전 방지 처리에서 역전압을 인가하는 기간을 서로 상이한 기간으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 아크 처리에서는, 아크 방전이 소호될 수 있다면 좋기 때문에, 역전압 인가 기간은, 아크 방전이 소호될 수 있을 때까지의 시간에서 가능한 한 짧게 설정되고, 출력 차단 기간을 반대로 길게 함으로써, 특히, 전극인 캐소드 표면의 상태를 열적으로도 정상 상태로 신속히 되돌릴 수가 있다. 다른 한편으로, 대전 방지 처리에서는, 캐소드 표면이나 플라즈마 상태는 정상적이기 때문에, 차지업 방지 효과가 커지도록 역전압 인가 기간을 길게 잡고, 출력 차단 기간을 역스퍼터가 방지하는 시간만 있다면 좋고, 매우 짧은 시간이어서 좋다. 또한, 역스퍼터가 문제가 되지 않는 경우에는, 상기 시간이 0이어도 좋다.
또한, 상기 아크 처리에서 역전압 인가 후에 제 1 스위칭 소자에 의해 전극으로의 통전을 재개할 때까지 기간과, 상기 대전 방지 처리에서 역전압 인가 후에 제 1 스위칭 소자에 의해 전극으로의 통전을 재개할 때까지 기간을 서로 상이한 기간으로 하여도 좋다.
도 1은 본 발명의 실시 형태의 직류 전원 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 직류 전원 장치의 제어 순서를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태의 직류 전원 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3의 직류 전원 장치의 제어 순서를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1의 직류 전원 장치의 제어 순서의 변형예를 설명하는 도면이다.
도 6의 (a) 내지 (c)는 도 1에 도시하는 직류 전원 장치에서, 통상 동작 시에 대전 방지 처리를 행하는 경우의 제어 순서를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 직류 전원 장치의 제어 순서를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태의 직류 전원 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3의 직류 전원 장치의 제어 순서를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1의 직류 전원 장치의 제어 순서의 변형예를 설명하는 도면이다.
도 6의 (a) 내지 (c)는 도 1에 도시하는 직류 전원 장치에서, 통상 동작 시에 대전 방지 처리를 행하는 경우의 제어 순서를 설명하는 도면이다.
이하에서 도면을 참조하여, 스퍼터 장치에서 타겟으로 직류 전력을 투입하기 위해 이용하는 경우를 예로서 본 발명의 실시 형태의 직류 전원 장치(E1, E2)를 설명한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 직류 전원 장치(E1)는 예를 들어, 스퍼터링 장치의 처리실(1) 내에 배치되는 기판(S)에 대향시켜 배치되고, 플라즈마 부하(P)에 접촉하는 전극인 타겟(T)에 대해 직류 전력을 투입하는 것이다. 직류 전원 장치(E1)는 직류 전력의 공급을 가능하게 하는 직류 전원부(2)와, 아크 검지부(3)와, 직류 전원 장치(E1)의 가동을 통괄 제어하는 제어 수단인 CPU 회로(4)를 구비한다. 직류 전원부(2)는, 특히 도시하지 않지만, 상용의 교류 전력(예를 들어, 단상 AC 200 V, 3상 AC 200 등)이 입력되고, 이 입력된 교류 전력을 정류하여 직류 전력으로 변환한 후, 인버터 변환에서 다시 교류로 변환하고, 그 출력을 정류하여 직류 전력으로 다시 변환하여 타겟(T)에 출력한다. 직류 전원부(2)로부터의 양의 출력(케이블)(5a)의 단부는 그라운드 접지(본 실시 형태에서는, 그라운드 접지된, 처리실(1) 내에서 기판(S)을 보호 지지하는 홀더(도시하지 않음)에 접속)되고, 음의 출력(케이블)(5b)의 단부는 타겟(T)에 접속되어 있다 .또한, 도 1 중에서, C는 콘덴서이다.
아크 검지부(3)는 출력 전류, 출력 전압을 검출하는 검출 회로(31)를 구비하고, 검출 회로(31)로 검출된 출력 전류, 출력 전압은 AD 변환 회로(32)를 통해 CPU 회로(4)에 입력되도록 되어 있다. 또한, 검출 회로(31)에는 아크 검출 회로(33)가 접속되어 있다. 아크 검출 회로(33)는 아크 방전이 발생하였을 때에 플라즈마 부하(P)의 임피던스가 급격하게 작아져서, 급격한 전압저하가 일어나고, 그것에 따라 전류가 증가하는 것으로부터, 검출 회로(31)로 검출된 출력 전류 및/또는 출력 전압의 변화량으로부터 아크 방전의 발생을 검출한다. 아크 검출 회로(33)에는 아크 처리 회로(34)가 통신 가능하게 접속되고, 아크 처리 회로(34)는 CPU 회로(4)에 통신 가능하게 접속되어 있다.
직류 전원부(2)로부터의 음의 출력(5b)에는, 플라즈마 부하(P)와 직렬로 제 1 스위칭 소자(SW1)가 설치되어 있다. 또한, 양 및 음의 두 출력(5a, 5b) 사이에는, 제 1 스위칭 소자(SW1)의 위치로부터 직류 전원부(2) 측에서 플라즈마 부하(P)와 병렬로 제 2 스위칭 소자(SW2) 및 역전압을 인가하는 역전압 인가부(6)가 설치되어 있다. 제 1 스위칭 소자(SW1)는 쌍방향 스위치로서 구성되고, 예를 들어, IGBT와 다이오드(d)를 구비한다. 그리고, CPU 회로(4)에 통신 가능하게 접속된 드라이버 회로(D)에 의해 그 온, 오프의 전환이 제어된다. 또한, 제 2 스위칭 소자(SW2)는 단방향 스위치로서 구성되고, 예를 들어, IGBT를 구비한다. 그리고, 상기와 마찬가지로, CPU 회로(4)에 통신 가능하게 접속된 드라이버 회로(D)에 의해 그 온, 오프의 전환이 제어된다. 또한, 제 1, 제 2 의 두 스위칭 소자(SW1, SW2)는 상기로 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 제 1 스위칭 소자로서는, 2개의 IGBT를 조합하여 구성할 수가 있고, 또한, FET 등의 트랜지스터를 이용할 수도 있다.
역전압 인가부(6)는 트랜스로 구성되고, 이 트랜스의 1차 측 권선(61)은 음의 출력(5b)에서 이 음의 출력(5b)으로의 제 2 스위칭 소자로부터의 배선의 접점으로부터 직류 전원부 측(2)에서 제 1 스위칭 소자(SW1)와 직렬로 접속되어 있다. 다른 한편, 트랜스의 2차 측 권선(62)은 양 및 음의 두 출력(5a, 5b)에 병렬로 설치된 제 2 스위칭 소자(SW2)와 직렬로 접속되어 있다.
다음으로, 도 2를 참조하여 본 실시 형태의 직류 전원 장치(E1)의 동작을 설명한다. 타겟(T)에 전력을 투입하는 통상 동작시, CPU 회로(4) 및 드라이버 회로(D)의 제어에 의해 제 2 스위칭 소자(SW2)를 오프(off)하고, 역전압 인가부(6)로부터 타겟(T)으로의 역전압 인가를 정지한 상태에서, 제 1 스위칭 소자(SW1)의 IGBT를 온(on) 하면, 회로 상의 다이오드(d)가 온이기 때문에, 직류 전원부(2)로부터 타겟(T)에 전력이 투입된다. 즉, 트랜스의 1차 측 권선(61)과 2차 측 권선(62)이 직렬 접속됨으로써, 직류 전원부(2)로부터 타겟(T)에 전력이 투입된다.
타겟(T)의 스퍼터 중에, 아크 검지부(3)에서 아크 방전이 검지되면, CPU 회로(4) 및 드라이버 회로(D)의 제어에 의해 제 2 스위칭 소자(SW2)가 먼저 온(on) 된다. 이것에 의해, 타겟(T)과의 사이에서 폐회로가 만들어져서 아크 방전을 소호하는 아크 처리가 개시된다. 즉, 제 2 스위칭 소자(SW2)가 온 되면, 트랜스의 2차 측 권선(62)에서 양의 전압이 발생하기 때문에, 제 2 스위칭 소자(SW2)를 통하여 타겟(T)에 양전압이 인가된다. 이것에 의해, 역전압 인가부(6)로부터 양전압이 타겟(T)에 인가됨으로써 플라즈마 부하(P)로의 아크 에너지가 작아진다. 또한, 본 실시 형태에서는, 펄스 모양 양전압을 인가하고 있지만, 파형은 이것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 발생시키는 양의 전압은 통상 동작시에 타겟(T)에 투입하는 전력 등을 고려하여, 트랜스의 1차 측 및 2차 측의 두 권선(61, 62)의 권수비를 적절하게 조절함으로써 설정된다.
그리고, 소정 기간(역전압 인가 기간) 경과 후, 즉, 아크 에너지가 작아진 후, 제 1 스위칭 소자(SW1)의 IGBT를 오프(off) 하면, 다이오드(d)도 오프가 되어, 매우 큰 과전압의 발생 없이, 직류 전원부(2) 및 역전압 인가부(6)로부터 플라즈마 부하(P)가 소정 기간 분리되어 출력 차단 기간이 된다. 이때, 제 2 스위칭 소자(SW2)는 온 상태인 채로 있어도, 또는, 오프로 전환하여도 좋다. 그리고, 출력 차단 기간에서, 출력 전류 및 출력 전압이 0이 되어, 아크 방전으로의 에너지 공급이 일단 차단된다. 마지막으로, CPU 회로(4) 및 드라이버 회로(D)의 제어에 의해 제 2 스위칭 소자(SW2)가 오프 됨과 동시에, 제 1 스위칭 소자(SW1)의 다이오드(d)가 온 되어 아크 처리가 종료하고, 통상 동작으로 돌아해, 통상 동작으로 돌아온다.
여기서, 통상, 직류 전원부(2)로부터의 출력 전압이 크고, 타겟(T)에 출력 전류가 흐르고 있는 상태에서는, 제 1 스위칭 소자(SW1)를 온, 오프시키면, 매우 큰 과전압이 발생해 버리지만, 상기 구성을 채용하면, 제 2 스위칭 소자(SW2)에 의해 미리 전압이나 전류를 작은 레벨로 하고 있기 때문에, 제 1 스위칭 소자(SW1)의 과전압 보호용의 회로는 간단해진다. 또한, 아크 처리시에, 양전압을 인가하기 위해 별도의 전원을 이용하는 일 없이, 트랜스(6)에서 양전압을 발생할 수 있기 때문에, 신뢰성이나 비용의 점에서 유리하다. 게다가, 상기 종래 예의 것에서는, 비교적 짧은 시간에서 양전압을 발생시켜서 아크 처리를 종료시키지 않으면, 역전류의 증가가 커지는 것에 대하여, 본 실시 형태에서는, 제 1 및 제 2 의 각 스위칭 소자(SW1, SW2)를 이용함으로써 양전압의 발생 시간을 제한할 수 있기 때문에, 통상의 플라즈마 방전시에 투입되는 전압의 10 % 이하의 양전압, 예를 들어, 3~5 % 정도의 양전압을 인가시켜도, 플라즈마 부하(P)와의 분리 시간을 충분히 잡으면, 충분한 아크 방전을 소호하기 위한 조작이 실현될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 상기 종래 예와는 상이하게, 역전압 인가 기간 경과 후에, 출력 차단 기간을 설치함으로써, 역전압 인가 기간과 출력 차단 기간을 각각 최적으로 설정할 수 있다. 그 결과, 아크 방전 발생시의 아크 에너지를 최소화하여 아크 방전을 소호할 수 있고, 게다가, 소호 처리로부터 복귀할 때에, 출력 차단 기간을 설치하여 에너지 공급을 일단 차단하고 있기 때문에, 아크 방전의 계속이나 재발을 확실하게 억제할 수 있다. 즉, 아크 방전을 소호할 때에는, 양전압 인가의 기간은 가능한 한 짧게 하여 아크 전류를 급속하게 0 A까지 가지고 가서, 아크 방전이 소호한 후에, 타겟(T)의 표면 상태(이 분리되어 있는 사이에 타겟(T)이 냉각되는 등)와 처리실(1) 내의 분위기로부터 아크 방전이 다시 발생하지 않을 정도로 돌아올 때까지의 시간만큼, 직류 전원부로부터 타겟(T)으로의 에너지의 공급을 절단할 수 있고, 그 결과, 통상 동작 복귀 후에 아크 방전이 재발하지 않는 최적인 아크 처리를 행할 수 있다.
상기 실시 형태에서는, 역전압 인가부(6)로서 트랜스를 이용한 것을 예로 설명하였지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 다른 실시 형태와 관련되는 직류 전원 장치(E2)에서는, 역전압 인가부(6)는 펄스 모양의 양전압을 타겟(T)에 인가할 수 있는 양전압 발생 회로(60)로 구성될 수 있다. 이 경우, 양전압 발생 회로(60)는 예를 들어, 직류 전원부(2)와 마찬가지의 구성으로 할 수 있고, 그 양의 출력은 제 2 스위칭 소자(SW2)와 직렬로 접속되고, 그 음의 출력은 타겟(T)에 접속된다. 그리고, 아크 검지부(3)에서 아크 방전의 발생이 검지되면, 제 2 스위칭 소자(SW2)를 온 함과 동시에, 제 1 스위칭 소자(SW1)를 오프 하면, 역전압 인가 기간이 된다.
역전압 인가 기간 경과 후, 제 2 스위칭 소자(SW2)를 오프 함으로써 출력 차단 기간이 되고, 이 출력 차단 기간 경과 후에, 제 1 스위칭 소자(SW1)를 온 하여 통상의 플라즈마 방전 상태가 된다. 이러한 구성을 채용하면, 통상의 플라즈마 방전 상태와 무관하게, 아크 방전의 소호를 위하여 인가해야 할 양전압의 레벨(전압)을 간단하게 제어할 수 있기 때문에, 여러 가지 아크 처리에 대응하는 것이 실현될 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 역전압 인가 기간과 출력 차단 기간을 연속하여 1회 설치한 것을 예로 설명하였지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 5에 도시하는 바와 같이, CPU 회로(4) 및 드라이버 회로(D)의 제어에 의해, 상술한 아크 처리가 연속하여 반복되도록 하여도 좋다. 이것에 의하면, 역전압 인가 기간에 계속 이어서 출력 차단 기간을 설치하였을 경우, 역스퍼터나 그것에 따르는 역아크 방전의 발생을 방지하기 위하여, 역전압 인가 기간은 가능한 한 짧게 하는 것이 바람직하지만, 기판(S)이나 타겟(T)으로의 차지업에 의해 아크 방전의 빈도가 많은 것과 같은 경우에는, 차지업의 방지 효과로서, 역펄스의 발생은 유효하다. 이 때문에, 상기와 같이, 차지업 방지를 위해 역전압을 인가함으로써 역스퍼터가 되기 쉬운 경우에는, 펄스폭과 출력 차단 시간을 짧게 하여 복수 회 반복함으로써(2 회째 이후의 역전압 인가 기간이 대전 방지가 된다), 확실히 아크 방전의 소호를 할 수 있다. 이 경우, 마지막에 역전압의 인가를 정지한 직후에, 제 1 스위칭 소자(SW1)에 의해 타겟(T)으로의 통전을 재개하면 좋다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 최적인 아크 처리를 행하는 것을 예로 본 발명의 직류 전원 장치(E1, E2)를 설명하였지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 제 1 및 제 2 스위칭 소자(SW1, SW2) 및 역전압 인가부(6)를 구비한 직류 전원 장치(E1, E2)는 타겟(T)의 스퍼터 중에, 타겟(T)이나 기판(S)으로의 차지업에 기인한 아크 방전 발생을 저감시키는 것으로서 기능시킬 수도 있다.
즉, 직류 전원 장치(E1)를 예로 하면, 도 6의 (a)에 도시하는 바와 같이, 통상 동작 중, 소정의 간격에서, CPU 회로(4) 및 드라이버 회로(D)의 제어에 의해 제 2 스위칭 소자(SW2)가 먼저 온(on) 하여 타겟(T)과의 사이에서 폐회로를 만들고, 대전 방지 처리가 개시된다. 즉, 제 2 스위칭 소자(SW2)를 온 하면, 트랜스(6)의 2차 측 권선(62)에서 양의 전압이 발생하기 때문에, 제 2 스위칭 소자(SW2)를 통하여 타겟(T)에 양전압이 인가된다. 그리고, 소정 기간(대전 방지 기간) 경과 후, 제 1 스위칭 소자(SW1)를 오프 하면, 플라즈마 부하(P)가 소정 기간 분리되고, 역아크의 발생을 방지하는 출력 차단 기간이 된다. 그 후, CPU 회로(4) 및 드라이버 회로(D)의 제어에 의해 제 2 스위칭 소자(SW2)를 오프 함과 동시에, 제 1 스위칭 소자(SW1)를 온 하면, 대전 방지 처리가 종료하여 통상 동작으로 돌아온다. 또한, 대전 방지 처리를 행하는 횟수나 간격은 타겟(T)으로의 투입 전력, 그 사용 빈도나 타겟(T)의 종류에 따라 적절하게 설정된다.
또한, 상기 간격은 등간격이어도, 상이한 간격이어도 좋다. 또한, 역전압을 인가하는 파형은 아크 처리시와 대전 방지 처리시에 상이한 쪽이 효과적이다. 통상 아크 처리에는, 역전압 발생은 아크 방전이 소호될 수 있으면 좋으므로, 가능한 한 짧게 하여, 출력 차단 기간을 반대로 길게 함으로써, 특히, 타겟(T) 표면의 상태를 열적으로도 정상 상태로 조속히 되돌릴 수가 있다. 한편, 대전 방지 처리에서는, 아크 방전 상태가 아니고, 통상의 플라즈마 방전으로부터 역전압으로 이행하기 위하여, 타겟(T) 표면이나 플라즈마 상태는 정상이기 때문에, 차지업 방지 효과가 커지도록 역전압 기간을 길게 잡고, 출력 차단 기간은 역스퍼터를 방지하는 시간만 있으면 좋기 때문에 매우 짧은 시간이어도 좋다. 역스퍼터가 문제가 되지 않는 경우에는, 출력 차단 시간이 0이어도 좋다.
또한, 도 6의 (b)에 도시하는 바와 같이, 아크 처리를 행한 후에, 도 6의 (a)에 도시하는 대전 방지 처리를 실시함으로써, 기판(S)이나 타겟(T)으로의 차지업을 저감하고, 아크 방전 발생의 빈도를 저감하도록 하여도 좋다. 이때에도 또한, 아크 처리시의 양전압 인가의 파형과, 대전 방지 처리시의 양전압 인가의 파형은, 상기와 마찬가지로, 상이한 쪽이 효과적이다. 또한, 도 6의 (c)에 도시하는 바와 같이, 아크 처리 후에, 대전 방지 처리로서 역전압을 복수 회(2회) 발생시켜도 좋다.
E1, E2 : 직류 전원 장치 1 : 처리실
2 : 직류 전원부 3 : 아크 검지부
4 : CPU 회로(제어 수단) 5a, 5b : 출력
6 : 트랜스(역전압 인가부) 60 : 양전압 발생 회로(역전압 인가부)
SW1, SW2 : 스위칭 소자 T : 타겟(전극)
P : 플라즈마 부하
2 : 직류 전원부 3 : 아크 검지부
4 : CPU 회로(제어 수단) 5a, 5b : 출력
6 : 트랜스(역전압 인가부) 60 : 양전압 발생 회로(역전압 인가부)
SW1, SW2 : 스위칭 소자 T : 타겟(전극)
P : 플라즈마 부하
Claims (8)
- 플라즈마 부하에 접촉하는 전극에 전력 투입하는 직류 전원부와, 이 직류 전원부로부터의 양 및 음의 출력에서 전극에 발생하는 아크 방전을 검지하는 아크 검지부를 구비하고, 상기 직류 전원부로부터의 양 및 음의 출력 중에서 어느 한 쪽에 플라즈마 부하와 직렬로 설치된 제 1 스위칭 소자와, 양 및 음의 두 출력 사이에, 플라즈마 부하와 병렬로 설치된 제 2 스위칭 소자 및 역전압을 인가하는 역전압 인가부와, 두 스위칭 소자의 온, 오프의 전환을 제어하는 제어 수단을 더 가지고,
상기 제어 수단은 전극에 전력 투입하는 통상 동작시, 제 2 스위칭 소자에 의해 역전압 인가부로부터 전극으로의 역전압의 인가를 정지한 상태에서 제 1 스위칭 소자에 의해 상기 전극으로 통전하고,
아크 검지부에 의해 아크 방전이 검지되면, 제 2 스위칭 소자에 의해 역전압 인가부로부터 전극으로 통전하여 소정 기간 역전압을 인가함으로써 아크 방전의 소호를 행하고, 이 기간 경과 후에 제 1 스위칭 소자에 의해 전극으로의 통전을 소정 기간 차단한 후, 전극으로의 통전을 재개하는 아크 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 역전압 인가부는 트랜스로 구성되고, 이 트랜스의 1차 측 권선은 직류 전원부로부터의 양 및 음의 출력 중에서 적어도 한 쪽에서 상기 제 1 스위칭 소자와 직렬로 접속되고, 트랜스의 2차 측 권선은, 양 및 음의 두 출력 사이에 병렬로 설치된 제 2 스위칭 소자와 직렬로 접속되고, 제 2 스위칭 소자의 제어에 의해 전극으로 통전하여 역전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 역전압 인가부는 역전압 발생용의 다른 직류 전원부로 구성되고, 이 다른 직류 전원으로부터의 양의 출력이 제 2 스위칭 소자와 직렬로 접속되고, 그 음의 출력이 전극에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 수단은 상기 아크 처리를 연속하여 반복하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치. - 청구항 4에 있어서,
상기 아크 처리를 복수 회 반복하는 경우, 상기 제어 수단은 마지막으로 역전압의 인가를 정지한 직후에, 제 1 스위칭 소자에 의해 전극으로의 통전을 재개하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어 수단은 통상 동작시에, 제 2 스위칭 소자에 의해 역전압 인가부로부터 전극으로 통전하여 소정 기간 역전압을 인가하고, 이 기간 경과 후에 제 1 스위칭 소자에 의해 전극으로의 통전을 소정 기간 차단한 후, 전극으로의 통전을 재개하는 대전 방지 처리를 소정 간격으로 행하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 아크 처리에서 역전압을 인가하는 기간과, 상기 대전 방지 처리에서 역전압을 인가하는 기간을 서로 상이한 기간으로 한 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치. - 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 아크 처리에서 역전압 인가 후에 제 1 스위칭 소자에 의해 전극으로의 통전을 재개할 때까지 기간과, 상기 대전 방지 처리에서 역전압 인가 후에 제 1 스위칭 소자에 의해 전극으로의 통전을 재개할 때까지의 기간을 서로 상이한 기간으로 한 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치.
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