KR20120012761A - 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로 및 직류 플라즈마 전원장치 - Google Patents

직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로 및 직류 플라즈마 전원장치 Download PDF

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KR20120012761A
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plasma
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키요미 와타나베
카즈오 사카이
켄이치 나카무라
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오리진 일렉트릭 캄파니 리미티드
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Abstract

직류전압이 입력되는 직류전압단자 간에 콘덴서가 접속되고, 콘덴서의 일단과 부하단자의 일방과의 사이에 인덕턴스 수단이 접속되고, 콘덴서에 병렬로 단위 스위칭 회로가 접속된다. 단위 스위칭 회로는 제1, 제2 스위치 소자, 제1 코일의 직렬 회로와, 제1, 제2 귀환용 정류소자와, 전압 밸런스용 저항을 포함한다. 직류전압이 설정 값을 넘는 경우에는, 콘덴서의 양단 전압을 비도통의 제1, 제2 스위치 소자에 분담시키고, 직류전압이 설정 값보다 낮은 경우에는, 주기적 또는 수시로 제1, 제2 스위치 소자를 도통 시켜서 역극성 전압을 부하단자 간에 출력시키고, 제1, 2의 스위치 소자를 턴오프 시키는 경우에는, 제1, 제2 귀환용 정류소자가 도통 되는 기간에, 제1, 제2 스위치 소자의 양단 전압이 콘덴서의 양단 전압으로 제한된다.

Description

직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로 및 직류 플라즈마 전원장치{Reversed-polarity pulse generating circuit for direct plasma and direct current plasma power-supply unit}
본 발명은, 직류 플라즈마장치에서의 아크방전과 같은 이상방전의 발생을 억제 또는 예방하는데 유효한 역극성 전압 펄스를 발생하는 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로에 관한 것이다.
종래, 진공중에 발생시킨 플라즈마 방전을 이용하는 스퍼터 장치, PVD(Physical Vapor Deposition)장치, CVD(Chemical Vapor Deposition)장치, 에칭 장치 등과 같은 직류 플라즈마 장치에서는, 플라즈마 부하의 전극간 임피던스가 저하되거나, 혹은 도전성 먼지 등의 이물이 전극간을 단락시키는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 플라즈마 부하의 진공 중에 발생되고 있는 플라즈마 방전이 일시적으로 아크방전과 같은 이상방전이 될 수 있다. 특히, 스퍼터 장치에서는 이러한 이상방전이 발생되면 타겟이 용융될 우려가 있다. 스퍼터 장치에서는, 예를 들면 액정 패널 등의 기판 재료의 스퍼터링 중에 타겟이 용융되면 기판재료에 결함을 주게 된다. 또한, 예를 들면 CD나 DVD의 금속막의 스퍼터링 중에 타겟이 용융되면 금속막에 결함을 주게 된다. 이로 인해 제품의 수득율을 저하시킨다는 문제가 있다. 따라서, 이러한 이상방전의 발생은 가능한 한 억제해야 한다.
예를 들면 일본 특허 공개 2005-347212호 공보(이하, 특허문헌 1이라고 한다)를 참조하면, 직류 플라즈마장치에서의 종래의 이상방전 대책방법의 하나는, 이상방전의 발생을 검출했을 때에 플라즈마 부하에 역극성 전압 펄스를 인가함으로써 이상방전을 단시간에 소멸시키는 것이다. 또한, 다른 이상방전 대책으로서, 주기적으로 상술한 바와 같이 역극성 전압을 플라즈마 부하에 인가함으로써 이상방전의 발생을 미연에 방지하는 방법도 기재되어 있다.
또한, 다른 이상방전 대책방법으로서, 일본공개특허 2006-274393호 공보 (이하, 특허문헌 2라고 한다)를 참조하면, 이상방전이 발생하기 직전의 현상을 이상방전의 발생 예조로서 검지하고, 이상방전의 발생 직전에 상기한 바와 같이 플라즈마 부하에 역극성 전압을 인가함으로써 이상방전의 발생을 미연에 방지하는 기술도 있다.
상술한 이상방전 대책방법은, 발생된 이상방전을 신속하게 소멸시키고, 혹은 이상방전이 발생되는 것을 예방할 수 있다는 점에서 효과적이다. 이와 같이 이상방전 대책방법을 실현하기 위한 구성이 이미 여러 가지 제안되었다.
또한, 예를 들면 일본공개특허 평성 10-298755호 공보(이하, 특허문헌 3이라고 한다)를 참조하면, 플라즈마 부하에 흐르는 전류를 안정화시키기 위한 인덕턴스 수단에 자기적으로 결합되는 부가적인 코일과, 그 코일에 직렬로 역극성 전압 인가용 스위치 소자를 접속시킨 회로가 이용되고 있다. 이러한 회로는 플라즈마 부하에 이상방전이 발생했을 경우, 상기 역극성 전압 인가용 스위치 소자를 도통시켜서 인덕턴스 수단에 발생되는 부극성(負極性)의 전압에 비해 전압값이 큰 역극성의 정(正)의 전압 펄스를 상기 인덕턴스 수단에 발생시켜, 그 역극성의 정(正)의 전압을 이용하여 플라즈마 부하에 역극성 전압 펄스를 인가한다. 이로 인해, 이상방전을 빠르게 소멸시키고 있다.
직류 플라즈마용 전원의 경우, 플라즈마 방전 상태에 있을 때에 직류 플라즈마용 전원이 출력하는 직류전압을 Vo라고 하면, 플라즈마 방전이 발생되기 전(플라즈마 착화 전)에는 거의 무부하 상태이고, 플라즈마 방전을 발생시키는데 필요한 1.5~1.8Vo의 직류 고전압을 출력한다. 따라서, 상술한 특허문헌 3의 발명에 한정되지 않고, 이상방전 대책방법에 이용되는 상기 역극성 전압 인가용 스위치 소자는, 최저라도 1.5~1.8Vo의 직류 고전압에 견디는 내압을 가져야만 한다.
상술한 특허문헌 3의 발명에서는, 특별한 역극성 전압을 부여하는 전원을 필요로 하지 않으나, 상기 인덕턴스 수단을 리셋하는데 필요한 리셋 전압에, 해당 인덕턴스 수단의 코일간의 누설 인덕턴스나 배선 인덕턴스에 기인하는 서지 전압이 중첩된다. 이러한 서지 전압의 영향을 저감하기 위해서는 상기 역극성 전압 인가용 스위치 소자에 전압 서지 흡수 회로를 병렬로 접속시켜야 한다. 이러한 전압 서지 흡수 회로는 충분한 전류용량을 가지는 저항과 콘덴서 등으로 이루어져 전력손실을 증가시킨다. 특히 주기적으로 상기 역극성 전압 인가용 스위치 소자를 스위칭시킬 경우에는, 전압 서지 흡수 회로의 전력손실과 발열이 증가한다는 문제가 있다. 이러한 전압 서지 흡수 회로를 구비하더라도, 직류전압(Vo)의 2.5~3배 정도의 직류 고전압을 정격으로 하는 역극성 전압 인가용 스위치 소자가 필요하다.
일례로서 구체적인 수치를 들어서 설명하면, 직류전압(Vo)이 800V의 직류 플라즈마장치인 경우에는, 상술한 바와 같이 2000~2400V 정격의 역극성 전압 인가용 스위치 소자가 필요하다. 역극성 전압 인가용 스위치 소자로서 IGBT를 이용하며, 시판되는 저가격으로 입수 가능한 정격전압이 1200V인 IGBT를 2개 직렬로 접속시켜 이용하면, 전체로서 2400V의 내압을 가지는 역극성 전압 인가용 스위치 소자를 얻을 수 있다. 이러한 2400V의 내압을 가지는 역극성 전압 인가용 스위치 소자는, 상술한 1.5~1.8Vo의 전압에 상당하는 1200~1500V 정도의 플라즈마 착화 전의 직류 고전압에도 당연히 견딜 수 있다.
이러한 IGBT를 직렬 접속시킨 구성의 역극성 전압 인가용 스위치 소자는, 경제적으로는 우수하나 FET 등의 고속 반도체 스위치 소자에 비해 스위칭 속도가 느리다. 따라서, IGBT를 직렬 접속시킨 구성의 역극성 전압 인가용 스위치 소자는, 고주파의 역극성 전압 펄스를 플라즈마 부하에 인가하여 이상방전의 발생을 예방하는 이상방전 대책에 이용하는 것은 적합하지 않다는 문제가 있다. 한편, 일반적으로 FET는 IGBT에 비해 스위칭 속도가 고속이고 온 저항도 작으나, IGBT에 비해 내압이 낮은 것이 많다. 예를 들면 FET도 1200V가 정격전압인 것도 시판되고 있으나, 이러한 고내압의 FET는, 범용의 500~600V 내압의 FET에 비해 온 저항이 높다. 이러한 고내압의 FET를 2개 직렬 접속시키는 것은, 높은 온 저항으로 인해 전력손실이 증가하고 발열도 커진다. 또한, 이러한 고내압의 FET는, 범용의 500~600V 내압의 FET 에 비해, 스위칭 속도가 떨어지는 등의 이유로 직류 플라즈마용의 역극성 전압 펄스를 발생시키는 용도로는 적합하지 않다.
이와 같이, 직류 플라즈마장치의 플라즈마 부하에 역극성 전압을 부여하는 상술한 바와 같은 종래의 회로구성에서는, 역극성 전압 인가용 스위치 소자가 턴오프 할 때 발생되는 높은 서지 전압을 고려하여, 고 정격전압의 역극성 전압 인가용 스위치 소자가 필요하며, 또한 상술한 서지 전압을 흡수하는 큰 전압 서지 흡수 회로가 필요하였다. 더욱이, 전압 서지 흡수 회로에 흡수되는 서지 전력은 헛되이 소비되어 전압 서지 흡수 회로의 발열을 증가시키므로, 환경상, 경제상으로 바람직하지 못한 것으로 알려져 있다.
(선행 1) 일본공개특허 2005-347212호 (선행 2) 일본공개특허 2006-274393호 (선행 3) 일본공개특허 평성 10-298755호
본 발명은, 역극성 전압 인가용 스위치 소자의 턴오프 시에 발생되는 서지 전압을 작게 하고, 또한 종래의 회로구성의 경우보다도 역극성 전압 인가용 스위치 소자에 인가되는 전압을 저감하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는, 플라즈마용의 직류전원 (1)로부터 직류전압이 인가되는 한 쌍의 직류전압단자(2,3)와, 플라즈마 부하(4)에 접속되는 한 쌍의 부하단자(7,8)와, 상기 한 쌍의 직류전압단자(2,3) 사이에 접속되는 콘덴서(10)와, 상기 콘덴서(10)의 일단과 상기 부하단자(7,8)의 일방과의 사이에 접속되는 인덕턴스 수단(9)과, 상기 콘덴서에 병렬로 접속되는 단위 스위칭 회로(17)와, 상기 한 쌍의 직류전압단자(2,3)의 직류전압이 입력되어 단위 스위칭 회로내의 제1 스위치 소자(11) 및 제2 스위치 소자(12)의 도통을 제어하는 제어회로(18)를 포함하고, 상기 단위 스위칭 회로(17)는, 상기 콘덴서에 병렬로 접속되는, 상기 제1 스위치 소자(11)와, 상기 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B) 또는 상기 인덕턴스 수단에 병렬로 접속되는 제2 코일(N2)에 대하여 자기적으로 결합되는 제1 코일(9C, N1)과 상기 제2 스위치 소자(12)와를 구비하는 직렬 회로와, 직렬로 접속되는 상기 제1 스위치 소자(11)와 상기 제1 코일 (9C, N1)에 병렬로 접속되는 제1 귀환용 정류소자(13)와, 직렬로 접속되는 상기 제2 스위치 소자(12)와 상기 제1 코일 (9C, N1)에 병렬로 접속되는 제2 귀환용 정류소자(14)와, 상기 제1 스위치 소자(11)와 상기 제2 스위치 소자(12)에 또는 상기 제1 귀환용 정류소자(13)와 상기 제2 귀환용 정류소자(14)에 각각 병렬로 접속되는 전압 밸런스용 저항(15,16)을 포함하고, 상기 한 쌍의 직류전압단자(2,3) 사이의 직류전압이 설정값을 넘는 경우에는, 상기 제1 스위치 소자(11)와 상기 제2 스위치 소자(12)를 도통시키지 않고 상기 콘덴서(10)의 양단 전압을 상기 제1 스위치 소자(11)와 상기 제2 스위치 소자(12)에 분담시키고, 상기 한 쌍의 직류전압단자 사이의 직류전압이 상기 설정값보다 낮은 경우에는, 주기적으로, 또는 이상방전의 발생 혹은 이상방전 발생의 예지가 검출될 때에 상기 제1 스위치 소자(11)와 상기 제2 스위치 소자(12)를 도통시키고 플라즈마 발생 상태에서의 상기 직류전압단자(2,3) 사이의 직류전압보다 큰 역극성 전압을 상기 인덕턴스 수단(9)에 인가시켜서, 상기 플라즈마 발생 상태에서의 직류전압단자(2,3) 사이의 직류전압과 상기 역극성 전압과의 차에 상당하는 크기의 차분 역극성 전압을 상기 부하단자(7,8) 사이에 출력시키고, 상기 제1 스위치 소자(11)와 상기 제2 스위치 소자(12)를 턴오프 시키는 경우에는, 상기 제1 귀환용 정류소자(13)와 상기 제2 귀환용 정류소자(14)가 도통하는 기간에, 상기 제1 스위치 소자(11)의 양단과 상기 제2 스위치 소자(12)의 양단에 인가되는 전압이 상기 콘덴서(10)의 양단 전압으로 제한된다.
이러한 구성을 취함으로써 플라즈마 착화 전에는 콘덴서의 양단 전압이 역극성 전압 인가용 스위치 소자의 각각에 병렬 접속된 상기 전압 밸런스용 저항에 의해 2분할되므로, 각각의 역극성 전압 인가용 스위치 소자에는 콘덴서의 양단 전압의 거의 1/2의 전압이 인가될 뿐이다. 또한 역극성 펄스를 발생시키기 위하여 도통하고 있던 역극성 전압 인가용 스위치 소자가 턴오프 할 때에는, 귀환용 다이오드가 도통하여 상기 인덕턴스 수단에 축적된 에너지를 상기 콘덴서에 귀환시키는 동시에, 역극성 전압 인가용 스위치 소자의 양단 전압이 상기 콘덴서의 전압으로 제한된다. 따라서, 본 발명에서는 종래에 비해 서지 전압을 대폭 작게 할 수 있고, 역극성 전압 인가용 스위치 소자의 턴오프 시에 그 양단에 인가되는 전압도 작게 할 수 있다. 또한 서지 전압에 의한 노이즈도 작게 할 수 있다.
더욱이 본 발명에 따르면, 정격전압이 낮은 스위칭 소자를 이용할 수 있으므로, 온 저항이 작고, 또한 스위칭 속도가 우수한 FET(전계효과 트랜지스터)등의 반도체 스위치를 상기 역극성 전압 인가용 스위치 소자로서 이용할 수 있다. 이렇게 하면, 역극성 전압 펄스를 플라즈마 부하에 인가하는 주기를 고주파화 할 수 있다. 이렇게 함으로써, 종래에 비해 플라즈마 부하에의 영향을 매우 작게 할 수 있는 동시에 아크방전 등의 이상방전의 발생을 보다 확실하게 예방할 수 있다.
본 발명에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는, 상기 인덕턴스 수단과 상기 제1 코일이 동일한 철심에 감기는 초크트랜스를 구성하거나, 또는 상기 제1 코일과 상기 제2 코일은 동일한 철심에 감기는 펄스 트랜스를 구성할 수 있다.
이러한 구성을 취함으로써 인덕턴스 수단의 철심에 제1 코일을 감아 초크트랜스로 하고, 이러한 제1 코일을 인덕턴스 수단의 코일에 자기적으로 결합 함으로써, 제1 코일에 유기되는 전압 펄스로 인덕턴스 수단에 역극성 전압 펄스를 발생시킬 수 있다. 또는 펄스 트랜스의 2차 코일에 발생되는 역극성 전압 펄스를 인덕터 수단의 양단에 인가할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는 상기 콘덴서와 상기 단위 스위칭 회로 세트를 하나 이상 더 구비하고, 복수의 상기 콘덴서(10A, 10B)가 상기 한 쌍의 직류전압단자(2,3) 사이에 서로 직렬로 접속되고, 상기 복수의 콘덴서(10A, 10B)의 각각에, 복수의 상기 단위 스위칭 회로(17(27)A, 17(27)B)가 각각 접속되고, 상기 단위 스위칭 회로의 각각의 상기 제1 코일(9C1, 9C2)은, 상기 인덕턴스 수단(9)이 가지는 철심(9A)에 감겨 자기적으로 결합되거나, 또는 상기 인덕턴스 수단(9)에 대하여 병렬로 접속되는 각각의 상기 제2 코일(N2A, N2B)과 동일한 철심에 감기는 펄스 트랜스를 각각 구성할 수 있다.
이러한 구성을 취함으로써, 더욱 역극성 전압 인가용 스위칭 소자의 내압을 낮게 할 수 있으며, 또한 서지 전압을 저감할 수 있고, 노이즈도 저감할 수 있을 뿐 아니라 전력손실도 저감할 수 있다.
본 발명에 따른 직류 플라즈마 전원장치는, 상술한 어느 하나의 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로를 구비한다. 이러한 구성을 취함으로써 상술한 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로와 마찬가지로, 역극성 전압 인가용 스위칭 소자의 내압을 낮게 할 수 있으며, 또한 서지 전압을 저감할 수 있고, 노이즈도 저감할 수 있을 뿐 아니라 전력손실도 저감할 수 있다.
본 발명에 따르면, 역극성 전압 인가용 스위치 소자가 턴오프 할 때에는 역극성 전압 인가용 스위치 소자의 양단의 전압을 콘덴서의 전압에 클램프하기 때문에 서지 전압을 작게 할 수 있고, 서지 전압에 의해 발생되는 손실을 저감할 수 있다. 또한 플라즈마 방전의 발생 전인 플라즈마 착화 전에는, 콘덴서의 전압을 역극성 전압 인가용 스위치 소자의 각각에 병렬 접속되는 전압 밸런스용 저항에 의해 분담시키기 때문에, 종래의 회로구성의 경우보다도 역극성 전압 인가용 스위치 소자에 인가되는 전압을 저감할 수 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 제1 실시형태인 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로를 나타내는 도면이다.
도 2의 (A) ~ (C)는, 각각 본 발명에 따른 제1 실시형태인 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로를 설명하기 위한 파형도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 제2 실시형태인 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로를 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 제3 실시예인 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로를 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 제4 실시예인 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명의 각각의 실시형태에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로에 대하여 설명한다. 본 발명은, 이하에 나타내는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한 각 도면에서 동일 기호는 동일한 명칭의 부재를 나타내는 것으로 한다.
[실시형태 1]
도 1, 도 2에 의해, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로에 대하여 설명한다. 도 1은, 본 발명에 따른 제1 실시형태인 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로를 나타내는 도면이다. 본 발명에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는, 플라즈마 부하(4)가 플라즈마 발생 상태에 있을 때에 플라즈마용의 직류전원(1)이 직류전압단자(2, 3) 사이에 출력하는 직류출력전압 (이하, 직류전압(Vo)라 한다.)에 비해 전압값이 큰 역극성 전압 펄스를 인덕턴스 수단(9)에 주기적으로 또는 수시로 발생시키기 위한 것으로, 직류전압단자(2, 3)와 부하단자(7, 8) 사이에 구비된다.
도 1에 기재된 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는, 주로 콘덴서(10), 인덕턴스 수단(9), 단위 스위칭 회로(17), 및 제어회로(18)로 구성된다. 구체적으로, 도 1에 기재된 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는, 플라즈마용의 직류전원으로부터 직류전압이 인가되는 한 쌍의 직류전압단자(2, 3)와, 플라즈마 부하(4)에 접속되는 한 쌍의 부하단자(7, 8)와, 직류전압단자(2, 3) 사이에 접속되는 콘덴서(10)와, 콘덴서(10)의 일단과 부하단자의 일방의 단자(8)와의 사이에 접속되는 인덕턴스 수단(9)과, 콘덴서(10)에 병렬로 접속되는 단위 스위칭 회로(17)와, 를 포함한다. 그리고 한 쌍의 직류전압단자(2, 3)의 직류전압이 입력되고, 단위 스위칭 회로(17)내의 제1 스위치 소자(11) 및 제2 스위치 소자(12)의 도통을 제어하는 제어회로(18)를 포함한다. 단위 스위칭 회로(17)는 콘덴서(10)에 병렬로 접속되는 제1 스위치 소자(11), 인덕턴스 수단(9)인 코일(9B)에 대하여 자기적으로 결합되는 제1 코일(9C), 및 제2 스위치 소자(12)를 포함하는 직렬 회로를 포함한다. 또한 직렬로 접속되는 제1 스위치 소자(11)와 제1 코일(9C)에 병렬로 접속되는 제1 귀환용 정류소자(13) 및 직렬로 접속되는 제2 스위치 소자(12)와 제1 코일(9C)에 병렬로 접속되는 제2 귀환용 정류소자(14)를 포함한다. 그리고, 제1 스위치 소자(11)와 제2 스위치 소자(12)에 또는 제1 귀환용 정류소자(13)와 제2 귀환용 정류소자(14)에 각각 병렬로 접속되는 전압 밸런스용 저항(15, 16)을 포함한다.
직류전원(1)은, 상용전원과 같은 교류전원으로부터의 교류전력을 원하는 직류전력으로 변환하는 컨버터 등으로 이루어지는 직류전원으로서, 진공중에 플라즈마를 발생시키는데 적합한 전력을 공급하는 플라즈마용의 직류전원이다. 직류전원(1)은, 정(正)측의 직류전압단자(2), 부(負)측의 직류전압단자(3)의 양단에 외부에서 접속되는 것으로, 본 발명에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로의 필수적인 구성요소는 아니다. 직류전원(1)은, 예를 들면 플라즈마 착화 전의 무부하전압 1500V, 정격 플라즈마 전압의 상한을 800V로 하는 일반적인 전압사양의 것으로 한다. 직류전원(1)은, 플라즈마 착화 전에는 무부하전압을 예를 들면 1500V로 정전압 제어한다. 플라즈마 착화 후에는, 정전력 제어 또는 정전류 제어되고, 플라즈마 부하(4)에 인가되는 부하단자(7, 8) 사이의 전압은 플라즈마 부하의 조건에 의해 결정된다. 따라서, 플라즈마 부하(4)가 플라즈마 발생 상태에 있을 때에 직류전압단자(2, 3) 사이에 출력되는 직류전압(Vo)도 플라즈마 부하의 조건에 의해 결정된다. 정(正)측의 직류전압단자(2), 부(負)측의 직류전압단자(3)는 직류전원(1)으로부터의 직류전압을 수전(受電)하는 단자이며, 직류전원(1)의 직류출력단자일 수 있다.
진공 중에 발생시킨 플라즈마를 이용하는 플라즈마 부하(4)는, 챔버 전극(5)과 타겟 전극(6) 등을 포함하고, 여기에서는 스퍼터 장치의 일부분인 것으로 한다. 플라즈마 부하(4)의 챔버 전극(5), 타겟 전극(6)은 각각 직류전압이나 직류전압과는 역극성 전압을 수전(受電)하는 부하단자(7, 8)에 접속된다. 챔버 전극(5)이 접속되는 부하단자(7)는, 일반적으로 접지된다. 이와 같은 펄스 발생회로를 직류전원(1)내의 도시하지 않은 평활 콘덴서 또는 인덕턴스를 이용하여 직류전원(1)내에 포함시킬 수 있다.
콘덴서(10)는, 한 쌍의 직류전압단자(2, 3) 사이에 병렬로 접속된다. 일반적인 플라즈마용의 직류전원(1)에서는, 도 1의 플라즈마용의 직류전원(1)내의 직류출력측, 즉, 한 쌍의 직류전압단자(2, 3) 사이에 접속되는 측에, 도시하지 않은 직류출력전압을 평활화하는 평활용 콘덴서를 구비한다. 이와 같은 평활용 콘덴서를 이용하여, 도 1의 콘덴서(10)의 경우와 마찬가지로, 플라즈마용의 직류전원(1)에 구비되는 도시하지 않은 콘덴서에 병렬로 단위 스위치 회로(17)를 접속하여 도 1의 콘덴서(10)와 대체할 수 있다. 또한 반대로 콘덴서(10)를 상기 평활용 콘덴서로 대체할 수 있다.
큰 인덕턴스를 가지는 인덕턴스 수단(9)은, 플라즈마 전류를 안정화시키기 위하여 콘덴서(10)의 직류전압단자(3)측의 단자와 부하단자(8)와의 사이에 직렬로 접속된다. 실시형태 1의 인덕턴스 수단(9)의 철심(9A), 철심(9A)에 감긴 코일(9B), 및 제1 코일(9C)로 초크 트랜스를 구성한다. 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B), 제1 코일(9C)의 각각의 일단에 붙여진 흑점은 전압극성을 나타낸다. 제1 코일(9C)의 권수(卷數)를 n1, 코일(9B)의 권수를 n2라 할 때, 권선비(卷數比)(n2/n1)는 1보다 크게(n2/n1>1) 설정한다. 일반적으로 플라즈마용의 직류전원(1)인 경우, 도 1의 플라즈마용의 직류전원(1)내에, 도시하지 않은 철심과 철심에 감긴 하나의 코일로 이루어지는 일반적인 구조의 인덕턴스 수단을 구비한다. 이러한 인덕턴스 수단을 이용하여, 도 1의 인덕턴스 수단(9)의 경우와 마찬가지로 플라즈마용의 직류전원(1)에 구비되는 도시하지 않은 인덕턴스 수단의 철심에 제1 코일(9C)을 감아 부가하여, 자기적으로 결합한 초크 트랜스 구조로 하여 도 1의 인덕턴스 수단(9)과 대체할 수 있다.
여기에서 단위 스위칭 회로(17)는, 도 1에서 파선으로 나타낸 바와 같이 인덕턴스 수단(9)의 철심(9A)에 감긴 제1 코일(9C), 제1, 제2 스위치 소자(11, 12), 제1, 제2 귀환용 다이오드(13, 14), 및 제1, 제2 전압 밸런스용 저항(15, 16)으로 구성된다. 단위 스위칭 회로(17)는 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)가 도통할 때에 제1 코일(9C)에 펄스상 전류를 흘리고, 이와 같은 펄스 전류에 의해 제1 코일(9C)에 자기적으로 결합되어 있는 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)에 역극성 전압 펄스를 발생시킨다.
제1, 제2 스위치 소자(11, 12)는, 도 1에서는 FET(전계효과 트랜지스터)를 이용하여 설명한다. 제1 스위치 소자(11), 제1 코일(9C), 및 제2 스위치 소자(12)가 직렬로 접속된 직렬 회로가 콘덴서(10)에 병렬로 접속된다. 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)가 도통하면, 콘덴서(10)의 직류전압단자(2)측의 단자로부터 제1 스위치 소자(11), 제1 코일(9C), 제2 스위치 소자(12), 콘덴서(10)의 직류전압단자(3)측의 단자를 연결하는 경로가 형성되고, 제1 코일(9C)에 나타낸 흑점 측을 정(正)으로 하는 콘덴서(10)의 전압이 가해진다. 이와 같은 전압 인가에 의해 코일(9C)에 인덕턴스 수단(9)의 여자전류가 도시된 화살표 방향으로 흐른다. 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)는 상술한 역극성 전압 인가용 스위치 소자에 상당하는 것으로, FET와 같이 스위칭 속도가 크고, 온 저항이 작은 것이 바람직하나, IGBT 등과 같은 다른 스위치 소자를 이용할 수도 있다.
제1 귀환용 정류소자인 제1 귀환용 다이오드(13)는, 서로 직렬 접속된 제1 스위치 소자(11)와 제1 코일(9C)에 걸치도록 병렬접속 되고, 제1 귀환용 다이오드(13)의 애노드는 제1 코일(9C)의 비흑점측에 접속된다. 제2 귀환용 정류소자인 제2 귀환용 다이오드(14)는, 서로 직렬 접속된 제2 스위치 소자(12)와 제1 코일(9C)에 걸치도록 병렬접속 되고, 제2 귀환용 다이오드(14)의 캐소드는 제1 코일(9C)의 흑점측에 접속된다. 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)가 오프된 후, 제1 코일(9C)에 도시된 화살표 방향으로 흐르던 여자전류, 또는 제1 코일(9C), 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)간의 누설 인덕턴스에 의한 서지 전류에 의해 제1 귀환용 다이오드(13)와 제2 귀환용 다이오드(14)가 도통되면, 제1 코일(9C), 제1 귀환용 다이오드(13), 콘덴서(10), 제2 귀환용 다이오드(14), 제1 코일(9C)을 연결하는 경로가 형성되고, 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)의 턴오프 전압을 콘덴서(10)의 전압으로 제한한다.
제1 스위치 소자(11)의 양단, 제2 스위치 소자(12)의 양단에는 고 저항치를 가지는 제1 전압 밸런스용 저항(15), 제2 전압 밸런스용 저항(16)이 각각 병렬로 접속된다. 제1, 제2 전압 밸런스용 저항(15, 16)은 실질적으로 동일한 저항치이며, 예를 들면 수십 kΩ~수 MΩ의 저항치를 가진다. 제1 전압 밸런스용 저항(15), 제1 코일(9C), 및 제2 전압 밸런스용 저항(16)의 직렬 회로에 콘덴서(10)의 양단 전압이 인가될 경우, 제1 코일(9C)의 직류저항이 제로이면 제1, 제2 전압 밸런스용 저항(15, 16)에 콘덴서(10)의 양단 전압이 인가된다. 따라서, 제1 스위치 소자(11)의 양단 및 제2 스위치 소자(12)의 양단에, 콘덴서(10)의 양단 전압이 1/2씩 거의 균일하게 분담된다. 제1, 제2 전압 밸런스용 저항(15, 16)은, 제1 귀환용 다이오드(13)와 제2 귀환용 다이오드(14)에 각각 병렬로 접속될 수 있다. 즉 제1, 제2 전압 밸런스용 저항(15, 16)은, 제1 스위치 소자(11), 제2 스위치 소자(12) 또는 제1, 제2 귀환용 다이오드(13, 14)의 적어도 어딘가에 각각 병렬로 접속된다.
제어회로(18)는, 직류전압단자(2, 3) 사이의 전압을 검출하는 입력전압 검출선(19, 20)과, 부하단자(7, 8) 사이의 전압을 검출하는 출력전압검출선(21, 22)이 입력되고, 제1 신호선(23), 제2 신호선(24)이, 제1, 제2 스위치 소자(11, 12) 각각의 제어 단자로 출력되어, 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)의 도통을 제어한다. 제어회로(18)는 종래와 같은 각종 제어 기능을 가지는 것으로 충분하며, 예를 들면 주기적으로 온 구동신호를 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)에 동시에 공급하는 기능을 가지는 것, 혹은 이상방전의 발생을 검출했을 때, 또는 이상방전의 발생을 예지했을 때에 수시로 온 구동신호를 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)에 동시에 공급하는 것, 또는 이들 기능의 쌍방을 구비하는 것 등이다.
다만, 입력전압 검출선(19, 20)에 의해 검출되는 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압이 설정값을 넘는 전압이 될 때, 제어회로(18)는 온 구동신호를 제1, 제2 신호선(23, 24)에 공급하는 것을 금지하는 기능을 갖는다. 따라서 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압이 상기 설정값을 넘는 전압일 때 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)는 도통되지 않는다. 도 1에서는, 편의상 제1 신호선(23), 제2 신호선(24)에 의해 제어회로(18)를 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)에 직접 접속하고 있으나, 실제로는 제어회로(18)와 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)와의 사이에는 전위 차이가 있기 때문에, 도시하지 않은 펄스 트랜스 또는 포토 커플러 등과 같은 신호 절연 수단이 제1 신호선(23), 제2 신호선(24)의 도중에 설치된다. 제1, 제2 신호선(23, 24)에 대응되는 고정 전위측의 신호선에 대해서는 도시를 생략하였다.
본 발명에 따른 제1 실시형태인 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로의 동작의 개요에 대하여 설명한다. 한 쌍의 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압이 설정값을 넘는 경우에는, 제1 스위치 소자(11)와 제2 스위치 소자(12)를 도통시키지 않고, 콘덴서(10)의 양단 전압을 제1 스위치 소자(11)와 제2 스위치 소자(12)에 분담시킨다. 또한 한 쌍의 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압이 설정값보다 낮은 경우에는, 주기적으로 또는 이상방전의 발생 혹은 이상방전의 발생의 예지가 검출될 때에 제1 스위치 소자(11)와 제2 스위치 소자(12)를 도통시킨다. 그리고, 플라즈마 발생 상태에서의 직류전압단자간의 직류전압보다 큰 역극성 전압을 인덕턴스 수단(9)에 인가시켜서, 플라즈마 발생 상태에서의 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압과 역극성 전압과의 차에 상당하는 크기의 차분역극성 전압을 부하단자(7, 8) 사이에 출력시킨다. 더욱이, 제1 스위치 소자(11)와 제2 스위치 소자(12)를 턴오프 시키는 경우에는, 제1 귀환용 정류소자(13)와 제2 귀환용 정류소자(14)가 도통하는 기간에 제1 스위치 소자(11)의 양단과 제2 스위치 소자(12)의 양단에 인가되는 전압이 콘덴서(10)의 양단 전압으로 제한된다.
다음으로, 도 2에 나타내는 파형도를 이용하여 실시형태 1에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로의 동작을 설명한다. 도 2를 이용한 설명에서는 도 1을 적절히 참작한다. 도2 (A)는 제1 스위치 소자(11)와 제2 스위치 소자(12)의 온 구동신호(S) (S1, S2, ...)를 나타낸다. 도2 (B)는 인덕턴스 수단(9)의 제1 코일(9C)의 흑점측을 정(正)으로 하는 전압을 나타내고, 도2 (C)는 플라즈마 부하(4)의 전압, 즉 부하단자(7, 8) 사이에 현출하는 전압을 나타낸다.
<플라즈마 착화 전>
플라즈마용의 직류전원(1)은, 시각(t0) 이전의 플라즈마 착화 전에는 직류전압(Vo)보다 전압값이 큰 착화용의 직류 고전압(V1)을 출력한다. 일례를 들면, 이러한 직류 고전압(V1)은 1500V이고, 직류전압(Vo)의 최대값은 800V이다. 따라서, 플라즈마 착화 전의 직류전압단자(2, 3) 사이의 전압은 직류 고전압(V1)이 되고, 콘덴서(10)의 양단의 전압도 직류 고전압(V1)이 된다. 제어회로(18)에서는, 직류전압단자(2, 3) 사이의 전압이 입력전압 검출선(19, 20)에 의해 검출된다. 검출된 직류전압단자(2, 3) 사이의 전압이 설정값을 넘는 전압, 예를 들면 상기의 직류 고전압(V1)의 경우, 제어회로(18)는 온 구동신호를 제1, 제2 신호선(23, 24)에 공급하는 것을 금지한다. 설정값을 넘는 전압이란, 플라즈마 발생 상태에서의 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압(Vo)보다 크고, 착화용의 직류 고전압(V1) 이하의 값이다. 상기와 같은 경우에는 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)를 도통시키지 않으므로, 제1 코일(9C)에 전류는 흐르지 않는다. 따라서, 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류 고전압(V1)은, 제1 전압 밸런스용 저항(15), 제1 코일(9C), 제2 전압 밸런스용 저항(16)의 경로로 인가되나, 제1 코일(9C)의 직류저항이 제로이면, 제1, 제2 전압 밸런스용 저항(15, 16)에 의해 거의 동일하게 분할되므로, 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)의 양단에 인가되는 전압도 거의 동일하게 분할된다. 직류전압단자(2, 3) 사이의 전압, 즉 콘덴서(10)의 양단 전압이 V1이라 하면, 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)의 양단에 인가되는 전압은, 각각 V1/2과 같은 전압이 된다. 상술한 일례에서는, V1/2과 같은 전압인 750V가 된다.
<플라즈마 착화 후>
직류전압단자(2, 3)를 통하여 부하단자(7, 8) 사이에 착화용의 직류 고전압(V1)이 인가되고, 시각(t0)에서 플라즈마 부하(4)는 착화되어 플라즈마 방전 상태가 되는 것으로 한다. 이러한 상태에서는, 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)에 직류전류가 흐르고, 인덕턴스 수단(9)은 통상의 인덕턴스로서 작용하여 플라즈마 전류를 안정화시킨다. 시각(t0) 전에는, 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)는 비도통 상태이므로 제1 코일(9C)에는 전류가 흐르지 않는다. 플라즈마용의 직류전원(1)은, 플라즈마 부하(4)가 플라즈마 착화되면 출력전압을 강하시켜 직류전압(Vo)을 출력하기 때문에, 시각(t0)에서는, 도2 (C)에서의 플라즈마 부하(4)의 전압은 직류전압(Vo)이 된다. 플라즈마 착화 후에는, 상술한 바와 같이 직류전압단자(2, 3) 사이에 출력되는 직류전압(Vo)은 플라즈마 부하의 조건에 의해 결정된다. 제어회로(18)는, 시각(t0)~(t1) 동안에 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압이 설정값, 예를 들면 직류전압(Vo)의 최대값인 800V보다 낮은 전압을 검출하면, 온 구동신호(S)의 발생 금지를 해제하고, 온 구동신호(S)를 제1, 제2 신호선(23, 24)에 언제든지 공급할 수 있는 상태로 대기한다.
제어회로(18)는, 도2 (A)에 나타낸 펄스폭(To)의 온 구동신호(S)를 주기적으로 반복 출력하는 기능을 가지는 것으로 한다. 제어회로(18)는, 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압이 설정값보다 낮은 전압을 검출한 후, 1주기 이내의 시각(t1)에서 첫번째의 온 구동신호(S1)를 제1, 제2 신호선(23, 24)을 통하여 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)의 제어 단자에 동시에 부여한다. 이에 따라, 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)가 거의 동시에 턴온하여 도통되고, 제1 코일(9C)에 흑점측이 정(正)이 되는 극성으로 전압을 인가하여, 도2 (B)에 나타낸 바와 같이 시각(t1)에서 콘덴서(10)의 양단 전압이 제1 코일(9C)에 그 흑점측을 정(正)으로 하는 극성으로 인가된다.
상술한 바와 같이, 제1 코일(9C)의 권수 n1을 1로 했을 경우, 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)의 권수 n2는, 1보다 커지도록 n2/n1>1로 하기 때문에 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)에는 부(負)의 직류전압보다 큰 값의 전압 펄스가 도 1에 나타난 코일(9B)의 흑점측을 정(正)으로 하는 극성으로 유기된다. 즉 실시형태 1의 인덕턴스 수단(9)은, 제1 코일(9C)이 1차 코일, 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)이 2차 코일이 되는 초크 트랜스로서 작용한다. 예를 들면 직류전압(Vo), 상술한 제1 코일(9C)과 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)과의 권선비 (n2/n1)가 1.2 라고 하면, 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)가 도통할 때 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)에는 정(正)극성의 1.2Vo와 동일한 전압 펄스가 유기된다.
인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)의 1.2Vo와 동일한 정(正)의 전압 펄스에서 부(負)의 직류전압(Vo)이 감산되어 도2 (C)에 나타낸 바와 같이 부하단자(7, 8) 사이에는 0.2Vo와 동일한 정(正)의 전압 펄스가 인가된다. 이와 같은 전압 펄스는 부(負)의 직류전압(Vo)과는 역극성인 정(正)의 극성이므로 역극성 전압 펄스라고 한다. 이와 같이, 플라즈마 발생 상태에서의 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압(Vo)보다 큰 역극성 전압을 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)에 발생시켜, 플라즈마 발생 상태에서의 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압(Vo)과 역극성 전압 1.2Vo와의 차에 상당하는 크기의 차분역극성 전압 0.2Vo를 부하단자(7, 8) 사이에 출력시킨다.
다음으로, 온 구동신호(S1)가 제1, 제2 신호선(23, 24)으로부터 소실되는 시각(t2), 즉 시각(t1)으로부터 펄스폭(To)과 거의 동일한 시간 경과 후에 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)가 턴오프하여 비도통 된다. 이에 따라 제1, 제2 귀환용 다이오드(13, 14)가 도통하여 제1 코일(9C)에 여자전류로서 축적된 자기 에너지를 콘덴서(10)에 귀환시킨다. 제1, 제2 귀환용 다이오드(13, 14)가 동시에 도통됨으로써, 제1 귀환용 다이오드(13)의 캐소드와 제2 귀환용 다이오드(14)의 애노드 사이의 전압은, 콘덴서(10)의 양단 전압, 즉 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압(Vo)과 거의 동일한 전압으로 제한된다.
제1 스위치 소자(11)의 직류전압단자(2)측의 단자와 제2 스위치 소자(12)의 직류전압단자(3)측의 단자 사이의 전압도 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압(Vo)과 거의 동일한 전압값으로 제한된다. 따라서 제1 스위치 소자(11)의 양단 및 제2 스위치 소자(12)의 양단은, 콘덴서(10)의 양단 전압, 여기에서는 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압(Vo)으로 제한되게 된다. 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)을 흐르는 플라즈마 전류에 의해 인덕턴스 수단(9)에 축적되는 자기 에너지는, 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)가 도통되는 기간, 제1 코일(9C)측에 전류(轉流)되어서 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)를 흐르고, 인덕턴스 수단(9)에 흐르는 전류는 거의 제로가 된다. 역극성 전압 펄스가 플라즈마 부하(4)의 챔버 전극(5)과 타겟 전극(6)과의 사이에 인가되는 기간(To), 이 전압은 역극성이기 때문에 플라즈마 부하(4)에서 방전은 일어나지 않고, 어느 방향으로도 전류는 거의 흐르지 않는다.
다음 주기의 개시 시각(t4)에서, 제어회로(18)는 두번째의 상술한 바와 같은 온 구동신호(S2)를 발생시킨다. 따라서 상술한 예에서는 역극성 전압 펄스가 1주기마다 플라즈마 부하(4)의 챔버 전극(5)과 타겟 전극(6)과의 사이에 인가된다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로에서는, 인덕턴스 수단(9)이 초크 트랜스로서 작용할 때에 축적되는 자기 에너지를 직류전압단자(2, 3)측에 귀환시키므로 큰 전압 서지가 발생되지 않으며, 특별한 전압 서지 흡수 회로가 불필요하고, 전력손실이 작으며, 발열도 작다.
역극성 전압 인가용 스위치 소자의 바람직한 내압은, 최대 직류전압(Vo)의 120% ~ 150%이다. 상술한 일례에서 플라즈마 착화 전에는 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)에 인가되는 전압은 거의 동일한 750V이고 또한 최대 직류전압(Vo)이 800V이므로, 이 경우 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)는 900~1000V의 내압을 가지면 충분하며, 상술한 특허문헌 3에 기재된 종래의 회로에 비해, 역극성 전압 인가용 스위치 소자의 내압은 반 정도보다 작아도 된다. 따라서, 역극성 전압 인가용 스위치 소자로서 온 저항이 비교적 낮고 또한 스위칭 속도가 고속인 FET를 이용할 수 있게 된다. 이러한 역극성 전압 인가용의 스위칭 소자로서 내압이 낮고, 스위칭 속도가 큰 모스펫(MOSFET) 또는 접합형 FET을 이용함으로써, 보다 고주파로 반복되는 역극성 전압 펄스를 발생할 수 있게 된다. 또한 서지 전압을 저감할 수 있고, 노이즈도 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 전력손실도 저감할 수 있다.
도2 (B)에 나타내는 Vr은 초크 트랜스로서 작용하는 인덕턴스 수단(9)의 리셋 전압을 나타낸다. 일반적으로 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)의 리셋 전압은 플라즈마 비선형부하(4)의 특성에 의해 결정되고, 제1 코일(9C)에 나타나는 리셋 전압이 직류전원전압(V1)에 도달하지 않으면 귀환 다이오드(13, 14)가 도통되지 않는다. 인덕턴스 수단(9)을 리셋하기 위해서는, (직류전압(Vo))*(펄스폭(To))과 동일한 전압ㆍ시간의 곱이 필요하나, 리셋전압(Vr)이 직류전압(Vo)보다 낮으므로, 리셋 시간(Tr)은 역극성 전압 펄스의 펄스폭(To)보다 길어진다. 따라서 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)를 1/2의 듀티사이클로 동작시킬 수는 없으나, 일반적으로 1/2의 듀티보다도 상당히 작은 온 듀티의 역극성 전압 펄스를 플라즈마 부하(4)에 인가하고 있기 때문에 전혀 문제는 없다.
본 발명의 실시형태 1에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로에서는, 상술한 바와 같이 온 저항이 비교적 낮고 또한 스위칭 속도가 고속인 FET를 이용할 수 있게 되므로, 주기적 예를 들면 10μs (100kHz)의 주기로 1/10의 온 듀티(1μs)의 고주파 온 구동신호에 의해 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)를 동작시킬 수 있다. 이와 같이 펄스폭이 작은 역극성 전압 펄스를 짧은 주기로 플라즈마 부하(4)에 공급하면, 스퍼터링에 영향을 주지 않고, 아크방전 등의 이상방전이 발생하는 것을 보다 확실하게 예방할 수 있다.
이상의 설명에서는, 제어회로(18)가 주기적으로 온 구동신호를 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)에 공급하여 스위칭 동작시켜서 주기적으로 역극성 전압 펄스를 플라즈마 부하(4)에 인가하는 바람직한 예를 나타내었다. 그러나, 제어회로(18)는 이상방전의 발생을 검출, 또는 이상방전의 발생의 예지를 검출한 단계에서, 온 구동신호를 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)에 공급하는 기능을 가질 수도 있다. 이 경우, 제어회로(18)는 출력전압 검출선(21, 22)을 통하여 부하단자(7, 8) 사이의 전압 크기를 검출하여 그 전압값이 설정값보다 내려갔을 때, 혹은 부하단자(7, 8) 사이의 전압의 변화를 검출하여 그 검출값이 설정값보다 커질 때, 온 구동신호를 발생하는 기능을 가진다. 물론 제어회로(18)가 이상에서 설명한 기능을 조합한 것일 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 이러한 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는, 역극성 전압 펄스를 플라즈마 부하(4)의 타겟 전극(6)을 정(正), 챔버 전극(5)을 부(負)로서 그들 전극간에 인가한다. 따라서 이러한 역극성 전압 펄스가 주기적으로 플라즈마 부하(4)에 인가되면, 아크방전 등의 이상방전이 발생하기 어려워지므로, 이상방전의 발생을 예방할 수 있다. 또한, 상기 역극성 전압 펄스가 이상방전의 발생시에 생긴 것이라면 신속하게 이상방전을 소멸시킬 수 있다. 또한, 상기 역극성 전압 펄스가 이상방전의 발생을 예지했을 때 생긴 것이라면, 이상방전에 이르기 전에 그 원인을 소멸시킬 수 있다. 특히 제1, 제2 스위치 소자(11, 12)의 서지 전압을, 제1, 제2 귀환 다이오드(13, 14)를 통하여 콘덴서(10)의 양단 전압 즉 여기에서는 직류전압단자(2, 3) 사이에 인가되는 직류전원(1) 전압 정도의 크기로 제한할 수 있다.
[실시형태 2]
도 3에 나타내는 본 발명의 실시형태 2에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는, 주로 콘덴서(10A, 10B), 인덕턴스 수단(9), 제1 단위 스위칭 회로(17A), 제2 단위 스위칭 회로(17B), 및 제어회로(18)가 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로를 구성한다. 도 3에 나타내는 본 발명의 실시형태 2에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는, 도 1에 나타낸 단위 스위칭 회로(17)와 회로구성이 동일한 2개의 단위 스위칭 회로(17A, 17B)를 구비하는 것에 특징이 있다. 구체적으로 실시형태 2에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는, 2개의 콘덴서(10A, 10B)가 한 쌍의 직류전압단자(2, 3) 사이에 서로 직렬로 접속되고, 2개의 콘덴서(10A, 10B)의 각각에 복수의 단위 스위칭 회로(17A, 17B)가 각각 접속되며, 단위 스위칭 회로(17A, 17B)의 각각의 제1 코일(9C1, 9C2)은 인덕턴스 수단(9)이 가지는 철심(9A)에 감겨서 자기적으로 결합된다. 도 1의 실시형태 1과 동일한 구성, 동작에 대해서는 설명을 생략한다.
제1 단위 스위칭 회로(17A)는, 도 1에 나타낸 단위 스위칭 회로(17)를 구성하는 부재인 제1 코일(9C), 제1, 제2 스위치 소자(11, 12), 제1, 제2 귀환용 다이오드(13, 14), 및 제1, 제2 전압 밸런스용 저항(15, 16)에 각각 상당하는 제1 코일(9C1), 제1, 제2 스위치 소자(11A, 12A), 제1, 제2 귀환용 다이오드(13A, 14A), 및 제1, 제2 전압 밸런스용 저항(15A, 16A)으로 구성된다. 단위 스위칭 회로(17)와 마찬가지로 제1 단위 스위칭 회로(17A)는, 제1, 제2 스위치 소자(11A, 12A)가 도통하여 제1 코일(9C1)에 펄스상 전류를 흘리고, 이러한 펄스상 전류에 의해 제1 코일(9C1)에 자기적으로 결합되어 있는 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)에 역극성 전압 펄스를 발생시킨다.
마찬가지로 제2 단위 스위칭 회로(17B)는, 도 1에 나타낸 단위 스위칭 회로(17)을 구성하는 부재인 제1 코일(9C), 제1, 제2 스위치 소자(11, 12), 제1, 제2 귀환용 다이오드(13, 14), 및 제1, 제2 전압 밸런스용 저항(15, 16)에 각각 상당하는 제1 코일(9C2), 제1, 제2 스위치 소자(11B, 12B), 제1, 제2 귀환용 다이오드(13B, 14B), 및 제1, 제2 전압 밸런스용 저항(15B, 16B)으로 구성된다. 단위 스위칭 회로(17)와 마찬가지로, 제2 단위 스위칭 회로(17B)는 제1, 제2 스위치 소자(11B, 12B)가 도통하여 제1 코일(9C2)에 펄스상 전류를 흘리고, 이러한 펄스상 전류에 의해 제2 코일(9C2)에 자기적으로 결합되어 있는 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)에 역극성 전압 펄스를 발생시킨다.
제1, 제2 단위 스위칭 회로(17A, 17B)에서의 제1, 제2 스위치 소자(11A, 12A) 및 제1, 제2 스위치 소자(11B, 12B)가 동시에 스위칭 동작을 할 때, 제1 코일(9C1), 제1 코일(9C2)에 거의 동일한 펄스상 전류가 동시에 흐른다. 인덕턴스 수단(9)은 제1 코일(9C1), 제1 코일(9C2)를 1차 코일로 하고 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)를 2차 코일로 하는 초크 트랜스로서 작용하므로, 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)에 역극성 전압 펄스를 발생시킨다. 이와 같은 실시형태 2에서는 제1 코일(9C1)과 제1 코일(9C2)의 권수는 동일하며, 제1 코일(9C1)과 제1 코일(9C2)에는 거의 동일한 전압이 유기된다. 이 전압에 권선비로 대응되는 전압이 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)에 유기된다. 여기서, 제1 코일(9C1)과 제1 코일(9C2)과의 권수를 n1이라 하고, 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)의 권수를 n2라고 한다. 콘덴서(10A, 10B)의 양단 전압은 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압의 약 1/2이 되므로, 실시형태 1과 같이 0.2Vo의 정(正)의 역극성 전압 펄스를 플라즈마 부하(4)에 인가시킬 경우에는, 제1 코일(9C1)과 제1 코일(9C2)과의 권수(n1)를 1로 하면 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)의 권수(n2)는 2.4, 즉 권선비(n2/n1)를 2.4로 한다.
콘덴서(10A)와 콘덴서(10B)는 캐패시턴스 등의 특성은 거의 동일하므로, 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압은 콘덴서(10A)와 콘덴서(10B)에 동일하게 분담된다. 따라서 플라즈마 착화 전의 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류 고전압(V1)의 1/2 전압이 각각 콘덴서(10A)와 콘덴서(10B)에 인가된다. 플라즈마 착화 후의 직류전압(Vo)도 마찬가지로 Vo/2의 전압이 각각 콘덴서(10A)와 콘덴서(10B)에 인가된다. 즉, 콘덴서(10A, 10B) 각각에 충전되는 전압은, 도 1의 회로구성과 비교해 약 1/2이 된다.
제어회로(18)는 신호선(23A, 24A)을 통하여 단위 스위칭 회로(17A)의 제1, 제2 스위치 소자(11A, 12A)의 제어 단자에 접속되는 동시에, 신호선(23B, 24B)을 통하여 단위 스위칭 회로(17B)의 제1, 제2 스위치 소자(11B, 12B)의 제어 단자에 접속된다. 또한, 실시형태 1에서 설명한 바와 같이, 제어회로(18)와 스위치 소자(11A, 12A, 11B, 12B)는 전위가 다르기 때문에, 신호선(23A, 24A, 23B, 24B)의 도중에 도시하지 않은 신호 절연 수단이 구비된다.
제어회로(18)는, 상술한 실시형태 1의 제어회로와 동일한 기능을 가지나, 제1, 제2 단위 스위칭 회로(17A, 17B)에서의 역극성 전압 인가용 스위치 소자로서 작용하는 4개의 스위치 소자(11A, 12A, 11B, 12B)의 제어 단자에 동시에 네 개의 온 구동신호를 부여할 수 있다는 것이 실시형태 1의 제어회로와 상이하다. 실시형태 2의 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는 실시형태 1의 것과 거의 동일하게 동작하므로, 상이한 부분에 대해서만 설명한다.
직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압이 설정값을 넘을 경우, 예를 들면 직류전압(Vo)보다 높은 전압(V1)이 1500V일 때, 제어회로(18)는 온 구동신호를 4개의 스위치 소자(11A, 12A, 11B, 12B)의 제어 단자에 공급하지 않기 때문에, 이들 스위치 소자(11A, 12A, 11B, 12B)는 전부 비도통 상태이다. 이 경우, 상술한 바와 같이 각각의 콘덴서(10A, 10B)에 인가되는 전압은 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압의 약 1/2이므로 상술한 일례에서는 거의 750V이다. 단위 스위칭 회로(17A)에서는 콘덴서(10A)의 전압, 예를 들면 750V를 전압 밸런스용 저항(15A, 16A)이 거의 동일하게 분할되므로, 스위치 소자(11A, 12A)의 양단에 인가되는 전압은 콘덴서(10A)의 전압인 750V의 1/2 전압인 375V가 된다. 마찬가지로, 단위 스위칭 회로(17B)에서는 콘덴서(10B)의 전압, 예를 들면 750V를 전압 밸런스용 저항(15B, 16B)이 거의 동일하게 분할하므로, 스위치 소자(11B, 12B)의 양단에 인가되는 전압은 콘덴서(10B) 전압인 750V의 1/2 전압인 375V가 된다.
다음으로, 플라즈마 부하(4)가 플라즈마 착화되어, 제어회로(18)가 주기적으로 온 구동신호를 출력하고, 또는 이상방전의 발생을 검출, 또는 이상방전의 발생의 예지를 검출한 단계에서 온 구동신호를 출력한다. 이들 온 구동신호는 4개의 스위치 소자(11A, 12A, 11B, 12B)의 제어 단자에 동시에 공급되어 스위치 소자(11A, 12A, 11B, 12B)를 동시에 도통시킨다. 플라즈마 부하(4)가 플라즈마를 발생한 상태에서는 상술한 바와 같이 직류전압단자(2, 3) 사이의 전압은 직류전압(Vo)(예를 들면 800V)가 된다. 콘덴서(10A, 10B)의 전압은 그 전압의 약 반 정도(예를 들면 400V)가 되므로, 스위치 소자(11A, 12A, 11B, 12B)의 양단에 걸리는 전압은 최대 직류전압(Vo)의 약 반 정도의 전압(예를 들면 400V)이 된다.
따라서, 4개의 스위치 소자(11A, 12A, 11B, 12B)의 양단에 인가되는 전압은, 플라즈마 착화 전에는 착화용의 고전압(V1)(예를 들면 1500V)의 1/4에 상당하는 전압(375V)이 되고, 플라즈마 발생 후에는 직류전압(Vo)(최대 800V)에는 최대 400V가 된다. 이 때문에, 스위치 소자(11A, 12A, 11B, 12B)의 내압은 여유를 가지고 직류전압(Vo)의 120% ~ 150%, 상기 일례에서는 500~600V 정도로 할 수 있으며, 낮은 온 저항인 동시에 고속 스위칭 속도의 범용의 FET를 선정할 수 있게 된다. 이것은, 스위치 소자(11A, 12A, 11B, 12B)의 전력손실을 저감할 수 있는 동시에, 역극성 전압 펄스의 펄스폭을 보다 작게 할 수 있으며, 반복 주파수를 보다 고주파화 할 수 있다.
여기서, 전압 밸런스용 저항(15A, 16A) 및 전압 밸런스용 저항(15B, 16B)은, 예를 들면 수십 kΩ ~ 수 MΩ의 높은 저항치를 가진다. 따라서, 콘덴서(10A)와 전압 밸런스용 저항(15A, 16A) 및 콘덴서(10B)와 전압 밸런스용 저항(15B, 16B)과의 시정수는 커지나, 실시형태 2에서는 짧은 주기로 스위치 소자(11A)와 스위치 소자 (12A), 스위치 소자(11B)와 스위치 소자(12B)가 도통과 비도통을 반복하더라도 콘덴서(10A)와 콘덴서(10B)의 충전 전압은 다음과 같은 이유로 균형을 이루고, 거의 동일해진다. 실시형태 2의 인덕턴스 수단(9)에서는, 동일한 권수를 가지는 제1 코일(9C1), 제1 코일(9C2)이 동일한 철심(9A)에 감겨 있으므로, 상술한 바와 같이 제1 코일(9C1)과 제1 코일(9C2)은 등가적으로 병렬 접속되고, 콘덴서(10A)와 콘덴서(10B)의 충전 전압이 거의 동일해진다.
예를 들면 콘덴서(10A)와 콘덴서(10B)의 충전 전압이 불균형해져 한쪽 콘덴서의 전압이 높고, 다른쪽 콘덴서의 전압이 낮아지더라도, 4개의 스위치 소자(11A, 12A, 11B, 12B)는 거의 동시에 도통되므로, 전압이 높은 콘덴서를 가지는 단위 스위칭 회로로부터 전압이 낮은 콘덴서를 가지는 단위 스위칭 회로로 전류가 흘러들어간다. 결과적으로, 전압이 높은 콘덴서로부터 전압이 낮은 콘덴서로 전하가 이동하고, 주기적으로 상술한 동작을 반복함으로써, 콘덴서(10A)와 콘덴서(10B)의 전압은 균형을 이루어 거의 동일해진다. 이상방전의 발생을 검출했을 때, 또는 이상방전의 발생을 예지했을 때에 역극성 전압 펄스를 수시로 발생할 경우에는, 일반적으로 전(前)의 역극성 전압 펄스와 그 후의 역극성 전압 펄스와의 시간간격이 긴 경우가 많으므로, 콘덴서(10A)와 콘덴서(10B)의 충전 전압이 불균등해지는 경우는 적다.
[실시형태 3]
상기에서 설명한 본 발명의 실시형태 1에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로에서는, 직류전류가 흐르는 인덕턴스 수단(9)의 철심(9A)에 감긴 코일(9B)에, 단위 스위칭 회로(17)의 제1 코일(9C)을 자기결합하고, 제2 코일에 펄스상 전류를 흘림으로써, 역극성 전압 펄스를 인덕턴스 수단(9)에 발생시켰다. 그러나, 직류 플라즈마장치에서의 인덕턴스 수단은 직류 플라즈마 전류를 안정화시키는 것에 주목적이 있으므로, 당연히 인덕턴스 수단(9)에는 직류전류가 흐른다. 그 직류전류에 의해 인덕턴스 수단(9)의 철심(9A)은 직류 바이어스되므로, 철심(9A)은 대형화된다. 또한 플라즈마 전류가 큰 경우에는 인덕턴스 수단(9)을 흐르는 직류전류가 커지므로 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)을 굵은 선재를 이용하여 형성해야 하다. 이러한 이유로 인덕턴스 수단(9)은 대형화된다.
한편, 제1 코일(9C)에는 온 듀티가 작은 전류가 흐르는 것뿐이므로, 일반적으로 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)을 흐르는 전류의 평균치에 비해 제1 코일(9C)을 흐르는 전류의 평균치는 대폭 작아진다. 따라서, 제1 코일(9C)의 선재 굵기는 인덕턴스 수단(9)의 코일(9B)보다 수분의 일로 작을 수 있다. 이와 같이 온 듀티가 작은 전류가 흐르는 제1 코일을 대형화된 인덕턴스 수단(9)의 철심(9A)에 감는 것은 실제로 득책이 아닌 면이 있다. 따라서, 실시형태 3에서는 도 4 에 나타낸 바와 같이, 단위 스위칭 회로(27)의 제1 코일(N1)과 제2 코일(N2)을 구비하는 펄스 트랜스를 구성하고, 이러한 펄스 트랜스(25)의 2차 코일(N2)은 다이오드(26)를 통하여 인덕턴스 수단(9)에 접속된다. 이러한 구성을 취함으로써 펄스 트랜스(25)의 2차 코일(N2)에 발생하는 역극성 전압 펄스와 거의 동일한 전압을 인덕턴스 수단(9)의 양단에 인가하도록 하였다.
도 4에 나타낸 실시형태 3에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는, 주로 콘덴서(10), 인덕턴스 수단(9), 펄스 트랜스(25)의 2차 코일(N2), 단위 스위칭 회로(27) 및 제어회로(18)로 구성된다. 상술한 실시형태 1, 2에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로와 동일한 구성 및 동작에 대해서는 생략한다. 구체적으로, 도 4에 나타낸 실시형태 3에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로에서의 단위 스위칭 회로(27)는, 콘덴서(10)에 병렬로 접속되는 제1 스위치 소자(11)와 인덕턴스 수단(9)에 병렬로 접속되는 제2 코일인 펄스 트랜스(25)의 2차 코일(N2)에 대하여 자기적으로 결합되는 제1 코일인 펄스 트랜스(25)의 1차 코일(N1)과 제2 스위치 소자(12)를 구비하는 직렬 회로를 포함한다. 또한, 직렬로 접속되는 제1 스위치 소자(11)와 제1 코일(N1)에 병렬로 접속되는 제1 귀환용 정류소자(13)와, 직렬로 접속되는 제2 스위치 소자(12)와 제1 코일(N1)에 병렬로 접속되는 제2 귀환용 정류소자(14)를 포함한다. 그리고 제1 스위치 소자(11)와 제2 스위치 소자(12)에 각각 병렬로 접속되는 전압 밸런스용 저항(15, 16)을 포함한다.
즉, 실시형태 3에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로에서는, 실시형태 1의 인덕턴스 수단(9)의 철심(9A)에 감은 제1 코일(9C) 대신에, 철심(C), 이 철심(C)에 감긴 1차 코일(N1), 및 2차 코일(N2)로 이루어지는 펄스 트랜스(25)를 이용하는 것에 특징이 있다. 도 4에서는, 펄스 트랜스(25)의 2차 코일(N2)의 양단은 다이오드(26)를 통하여 인덕턴스 수단(9)의 양단에 접속되나, 다이오드(26)는 후술하는 바와 같이 생략될 수 있기 때문에 필수 구성요소는 아니다. 다만, 다이오드(26)로 펄스 트랜스(25)의 리셋 전압이 블럭되므로, 펄스 트랜스(25)의 리셋은 직류전압(Vo)으로 단독으로 이루어질 수 있다. 이 경우 스위치 소자(11, 12)가 오프 되면 여자전류에 의해 귀환 다이오드(13, 14)가 반드시 도통된다.
본 실시형태 3에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는, 실시형태 1과 거의 동일하게 동작하는 부분이 많으므로, 동작의 상이한 부분에 대해서만 동작을 설명한다. 제어회로(18)로부터의 온 구동신호로 제1 스위치 소자(11)와 제2 스위치 소자(12)가 동시에 턴온하여 도통되면, 전류가 콘덴서(10)의 직류전압단자(2)측으로부터 제1 스위치 소자(11), 1차 코일(N1), 제2 스위치 소자(12)를 통하여 콘덴서(10)의 직류전압단자(3)측으로 흐른다. 이에 따라 펄스 트랜스(25)의 1차 코일(N1)에 인가되는 전압이 1차 코일(N1)과 2차 코일(N2)의 권선비에 대응되는 전압으로 2차 코일(N2)에 유기된다. 2차 코일(N2)에 유기된 이 전압이 역극성 전압 펄스이며, 이와 같은 역극성 전압 펄스가 인덕턴스 수단(9)의 양단에 인가된다.
상술한 일례에서는, 부(負)의 플라즈마 전압(Vo)의 1.2배의 전압에 상당하는 정(正)의 1.2Vo의 전압 펄스가 2차 코일(N2)에 유기된다. 따라서, 정(正)의 1.2Vo로부터 부(負)의 직류전압(Vo)을 감산하여 얻어진 0.2Vo의 역극성 전압 펄스가 부하단자(7, 8)을 통하여 플라즈마 부하(4)의 타겟 전극(6)을 정(正), 챔버 전극(5)을 부(負)로 하여 그들 전극간에 인가된다. 다이오드(26)는 펄스 트랜스(25)의 2차 코일(N2)에 직류전류가 흐르는 것을 막기 위한 것이다. 흐르는 직류전류가 작고, 펄스 트랜스(25)의 직류여자가 거의 문제가 안될 경우에는 다이오드(26)를 생략할 수 있다.
[실시형태 4]
도 5에 나타내는 본 발명의 실시형태에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로는, 도 4에 나타낸 단위 스위칭 회로(27)와 동일한 회로구성의 2개의 단위 스위칭 회로(27A, 27B)를 구비하는 것에 특징이 있다. 도 5의 단위 스위칭 회로(27A, 27B)는 상술한 실시형태 4의 단위 스위칭 회로(27)와 동일한 구조이므로, 상세하게 도시하지 않는다.
쌍방의 단위 스위칭 회로(27A, 27B)는, 도 4에 나타낸 단위 스위칭 회로(27)를 구성하는 부재인 펄스 트랜스(25)의 1차 코일(N1), 1차 코일(N1)에 직렬 접속되는 제1 스위치 소자(11), 1차 코일(N1)을 통하여 제1 스위치 소자(11)에 직렬 접속되는 제2 스위치 소자(12), 제1 스위치 소자(11)와 1차 코일(N1)에 걸쳐 병렬로 접속되는 제1 귀환용 다이오드(13), 1차 코일(N1)과 제2 스위치 소자(12)에 걸쳐 병렬로 접속되는 제2 귀환용 다이오드(14), 전압 밸런스용 저항(15, 16)으로 구성되는 회로와 구성이 완전히 동일하므로, 상기 부재의 부호를 사용하여 설명한다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 2개의 콘덴서(10A, 10B)가 한 쌍의 직류전압단자(2, 3) 사이에 서로 직렬로 접속되고, 2개의 콘덴서(10A, 10B)의 각각에 2개의 단위 스위칭 회로(27A, 27B)가 각각 접속된다. 단위 스위칭 회로(27A, 27B)의 각각의 제1 코일인 1차 코일(N1)은 인덕턴스 수단(9)에 대하여 병렬로 접속되는 각각의 제2 코일인 2차 코일(N2A, N2B)과 동일한 철심에 감기는 펄스 트랜스(25A, 25B)를 각각 구성한다. 펄스 트랜스(25A)의 2차 코일(N2A)과 펄스 트랜스(25B)의 2차 코일(N2B)은 서로 병렬 접속되고, 각각 다이오드(26A, 26B)를 통하여 인덕턴스 수단(9)의 양단에 병렬로 접속되며, 2차 코일(N2A)과 2차 코일(N2B)는 다이오드(26A, 26B)에 의해 OR 접속된다. 실시형태 3과 마찬가지로, 다이오드(26A, 26B)는 생략할 수 있는 경우가 있으므로 필수 구성요소는 아니다.
제어회로(18)로부터의 온 구동신호(S)에 의하여 제1, 제2 단위 스위칭 회로(27A, 27B)에서의 제1, 제2 스위치 소자가 동시에 스위칭 동작을 할 때, 4개의 제1, 제2 스위치 소자를 통하여 펄스 트랜스(25A, 25B)의 각각의 1차 코일(N1)에 펄스상 전류가 흐르고, 펄스 트랜스(25A, 25B)의 2차 코일(N2A), 2차 코일(N2B)에 거의 동일한 역극성 전압 펄스를 각각 동시에 발생시킨다. 이들 역극성 전압 펄스가 다이오드(26A, 26B)를 통하여 인덕턴스 수단(9)의 양단에 인가된다.
이와 같은 실시형태 4에서도 실시형태 2와 마찬가지로, 각 콘덴서(10A, 10B)에 인가되는 전압은 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압의 1/2이다. 제1, 제2 단위 스위칭 회로(27A, 27B)에서의 각 스위칭 소자(11, 12)에는 콘덴서(10A, 10B)의 1/2과 같은 전압, 즉 직류전압단자(2, 3) 사이의 직류전압의 1/4과 같은 전압이 인가된다. 또한, 정상 플라즈마 상태에서는, 상술한 바와 같이 최대 직류전압(Vo)의 1/2정도의 전압이 스위칭 소자(11, 12)의 양단에 인가될 뿐이므로, 스위칭 소자(11, 12)는 최대 직류전압(Vo)의 1/2의 120% ~ 150%의 내압을 가지면 된다. 따라서, 최대 직류전압(Vo)이 800V인 경우에는, 스위칭 소자는 500~600V의 내압을 가지면 충분하고, 온 저항이 비교적 낮으며 스위칭 속도가 고속인 범용의 FET를 이용할 수 있다.
그리고, 제1, 제2 단위 스위칭 회로(27A, 27B)에서의 각 콘덴서(10A, 10B)의 전압이 이하에 설명한 바와 같이 불균형해지지 않는다. 이러한 실시형태 4에서는, 2차 코일(N2A)과 2차 코일(N2B)를 다이오드(26A, 26B)에 의해 인덕턴스 수단(9)의 양단에 OR 접속하고 있다. 따라서 콘덴서(10A, 10B)의 한쪽의 전압이 다른쪽보다 높아지면, 2차 코일(N2A, N2B)의 전압차로, 우선, 전압이 높은 한쪽의 콘덴서(10A) 또는 콘덴서(10B)로부터 전류가 흐르고, 양쪽의 콘덴서의 전압이 동일하게 되면, 다음으로, 다른 한쪽의, 즉, 이전까지 전압이 낮았던 콘덴서(10B) 또는 콘덴서(10A)로부터도 전류가 흘러 나간다. 이러한 동작을 반복함으로써 제1, 제2 단위 스위칭 회로(27A, 27B)의 콘덴서(10A, 10B)의 전압은 자동적으로 균형을 이루어 동일해진다. 이와 같이, 2차 코일(N2A)과 2차 코일(N2B)을 OR 접속시키는 것은, 별도로 콘덴서(10A, 10B) 전압의 균형을 이루기 위한 저항을 각각의 콘덴서(10A, 10B)에 접속시키지 않아도 되므로, 전력손실이나 비용 면에서 유리하다.
도 3을 이용하여 설명한 실시형태 2 및 도 5을 이용하여 설명한 실시형태 4에서는, 단위 스위칭 회로를 2개 접속하였으나, 직류전압(Vo)이 더욱 높은 경우 등, 필요에 따라서 3개 이상의 상기 단위 스위칭 회로를 접속할 수 있다. 또한, 주기적으로 역극성 전압 펄스를 발생시키지 않고, 이상방전이 발생했을 때, 또는 이상방전의 발생을 예지했을 때 역극성 전압 펄스를 발생시키는 이상방전 대책의 경우에는, 전압 밸런스용 저항(15, 16)등이 직렬 접속된 콘덴서(10)의 전압이 균형을 이루도록 항상 작용하므로, 2개 이상의 펄스 트랜스(25)의 2차 코일(N2)을 직렬 접속할 수 있다. 이 경우에는, 2개 이상의 2차 코일(N2)의 저항이 직렬이 되어 저항이 증가하므로, 다이오드(26)가 없어도 흐르는 직류전류는 미미해지므로, 다이오드(26)를 생략할 수도 있다.
실시형태 1과 마찬가지로 실시형태 2, 3, 4에서는, 제1 전압 밸런스용 저항(15, 15A, 15B)과 제2 전압 밸런스용 저항(16, 16A, 16B)은, 제1 귀환용 다이오드(13, 13A, 13B)와 제2 귀환용 다이오드(14, 14A, 14B)에 각각 병렬로 접속될 수 있다. 제1 전압 밸런스용 저항(15, 15A, 15B)과 제2 전압 밸런스용 저항(16, 16A, 16B)은, 제1 스위치 소자(11, 11A, 11B)와 제2 스위치 소자(12, 12A, 12B), 또는 제1 귀환용 다이오드(13, 13A, 13B)와 제2 귀환용 다이오드(14, 14A, 14B)의 적어도 어딘가에 각각 병렬로 접속된다.
상술한 바와 같이, 플라즈마용의 직류전원(1)은, 일반적으로는 도시하지 않은 평활용의 콘덴서나 인덕턴스 수단을 출력측에 구비하고 있기 때문에, 실시형태 1~4에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로에서는 플라즈마용의 직류전원(1)이 구비하는 콘덴서나 인덕턴스 수단을, 콘덴서(10)나 인덕턴스 수단(9)으로서 이용할 수 있다. 이러한 경우에는 부하단자(7, 8)가 직류전원(1)의 직류출력단자가 된다. 따라서, 플라즈마용의 직류전원(1)이 직류출력측에 구비하는 인덕턴스 수단을 이용하는 경우에는, 이 인덕턴스 수단에 대하여 제1 코일(9C) 또는 제1 코일(9C1, 9C2)을 자기적으로 결합시키고, 또는 이 인덕턴스 수단에 병렬로 펄스 트랜스(25)의 2차 코일(N2)을 접속하게 된다. 또한 플라즈마용의 직류전원(1)이 직류출력측에 구비하는 콘덴서를 이용하는 경우에는, 이 콘덴서에 단위 스위칭 회로(17) 또는 단위 스위칭 회로(17A, 17B)나 단위 스위칭 회로(27) 또는 단위 스위칭 회로(27A, 27B)를 접속하게 된다. 이와 같이, 플라즈마용의 직류전원의 출력측에 구비되는 평활용의 콘덴서나 인덕턴스 수단을 이용함으로써, 본 발명에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로내의 단위 스위칭 회로를 독립된 제품으로서 취급할 수 있다. 이 때문에, 종래의 플라즈마용의 직류전원에 본 발명에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로의 단위 스위칭 회로를 접속하는 것만으로 본 발명에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로를 실현할 수 있고, 이상방전의 발생을 예방하고, 또는 이상방전을 빠르게 소멸시킬 수 있는 플라즈마용의 직류전원으로 할 수 있다.
또한, 상기에 기재한 본 발명에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로를 구비하는 직류 플라즈마 전원장치는, 본 발명에 따른 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로가 가지는 효과를 나타낼 수 있다.
스퍼터 장치, PVD 장치, CVD 장치, 에칭 장치 등과 같은 직류 플라즈마장치의 플라즈마 부하에, 플라즈마 전압의 역극성인 전압 펄스를 인가하여 이상방전 발생의 예방이나 이상방전의 소거 등에 이용할 수 있다.
1 직류 플라즈마용의 직류전원
2, 3 직류전압단자
4 플라즈마 부하
5 플라즈마 부하(4)의 챔버 전극
6 플라즈마 부하(4)의 타겟 전극
7, 8 부하단자
9 인덕턴스 수단
9A 인덕턴스 수단(9)의 철심
9B 인덕턴스 수단(9)의 코일
9C, 9C1, 9C2 인덕턴스 수단(9)의 제1 코일
10, 10A, 10B 콘덴서
11, 11A, 11B, 12, 12A, 12B 스위칭 소자
13, 13A, 13B, 14, 14A, 14B 귀환용 다이오드
15, 15A, 15B, 16, 16A, 16B 전압 밸런스용 저항
17, 17A, 17B, 27, 27A, 27B 단위 스위칭 회로
18 제어회로
19, 20 입력전압 검출선
21, 22 출력전압 검출선
23, 23A, 23B, 24, 24A, 24B 신호선
25 펄스 트랜스
N1 펄스 트랜스(25)의 1차 코일
N2, N2A, N2B 펄스 트랜스(25)의 2차 코일

Claims (5)

  1. 플라즈마용의 직류전원으로부터 직류전압이 인가되는 한 쌍의 직류전압단자와,
    플라즈마 부하에 접속되는 한 쌍의 부하단자와,
    상기 한 쌍의 직류전압단자 간에 접속되는 콘덴서와,
    상기 콘덴서의 일단과 상기 부하단자의 일방 사이에 접속되는 인덕턴스 수단과,
    상기 콘덴서에 병렬로 접속되는 단위 스위칭 회로와,
    상기 한 쌍의 직류전압단자의 직류전압이 입력되어, 단위 스위칭 회로 내의 제1 스위치 소자 및 제2 스위치 소자의 도통을 제어하는 제어회로, 를 포함하고,
    상기 단위 스위칭 회로는, 상기 콘덴서에 병렬로 접속되는,
    상기 제1 스위치 소자와,
    상기 인덕턴스 수단의 코일 또는 상기 인덕턴스 수단에 병렬로 접속되는 제2 코일에 대하여 자기적으로 결합하는 제1 코일과,
    상기 제2 스위치 소자, 를 포함하는 직렬 회로와,
    직렬로 접속되는 상기 제1 스위치 소자와 상기 제1 코일에 병렬로 접속되는 제1 귀환용 정류소자와,
    직렬로 접속되는 상기 제2 스위치 소자와 상기 제1 코일에 병렬로 접속되는 제2 귀환용 정류소자와,
    상기 제1 스위치 소자와 상기 제2 스위치 소자에 또는 상기 제1 귀환용 정류소자와 상기 제2 귀환용 정류소자에 각각 병렬로 접속되는 전압 밸런스용 저항,
    을 포함하고,
    상기 한 쌍의 직류전압단자 간의 직류전압이 설정 값을 넘는 경우에는, 상기 제1 스위치 소자와 상기 제2 스위치 소자를 도통 시키지 않고, 상기 콘덴서의 양단 전압을 상기 제1 스위치 소자와 상기 제2 스위치 소자에 분담시키고,
    상기 한 쌍의 직류전압단자 간의 직류전압이 상기 설정 값보다 낮은 경우에는, 주기적으로, 또는 이상방전의 발생 혹은 이상방전의 발생의 예지가 검출될 때에, 상기 제1 스위치 소자와 상기 제2 스위치 소자를 도통 시켜 플라즈마 발생 상태에서의 상기 직류전압단자 간의 직류전압보다 큰 역극성 전압을 상기 인덕턴스 수단에 인가시켜서, 상기 플라즈마 발생 상태에서의 직류전압단자 간의 직류전압과 상기 역극성 전압과의 차에 상당하는 크기의 차분 역극성 전압을 상기 부하단자 간에 출력시키고,
    상기 제1 스위치 소자와 상기 제2 스위치 소자를 턴오프 시키는 경우에는, 상기 제1 귀환용 정류소자와 상기 제2 귀환용 정류소자가 도통 하는 기간에, 상기 제1 스위치 소자의 양단과 상기 제2 스위치 소자의 양단에 인가되는 전압이 상기 콘덴서의 양단 전압으로 제한되는 것을 특징으로 하는 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인덕턴스 수단과 상기 제1 코일은, 동일한 철심에 감기는 초크 트랜스를 구성하는, 또는 상기 제1 코일과 상기 제2 코일은 동일한 철심에 감기는 펄스 트랜스를 구성하는 것을 특징으로 하는 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 콘덴서와 상기 단위 스위칭 회로 세트를 하나 이상 더 구비하고,
    복수의 상기 콘덴서가 상기 한 쌍의 직류전압단자 간에 서로 직렬로 접속되고,
    상기 복수의 콘덴서 각각에, 복수의 상기 단위 스위칭 회로가 각각 접속되고,
    상기 단위 스위칭 회로의 각각의 상기 제1 코일은, 상기 인덕턴스 수단이 가지는 철심에 감기는, 또는 상기 인덕턴스 수단에 대하여 병렬로 접속되는 각각의 상기 제2 코일과 동일한 철심에 감기는, 것을 특징으로 하는 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인덕턴스 수단과 각각의 상기 제1 코일은, 동일한 철심에 감기는 초크 트랜스를 구성하는, 또는 각각의 상기 제1 코일과 각각의 상기 제2 코일은, 각각에 있어서 동일한 철심에 감기는 펄스 트랜스를 구성하는, 것을 특징으로 하는 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 직류 플라즈마용 역극성 펄스 발생회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 직류 플라즈마 전원장치.
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