TWI472142B - The AC power supply for the sputtering device - Google Patents

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Description

濺鍍裝置用之交流電源
本發明，係有關於對於濺鍍裝置而以雙極脈衝狀來供給電力的濺鍍裝置用之交流電源。
以雙極脈衝狀而供給電力之交流電源，例如係被使用在對於處理基板表面而形成特定之薄膜的濺鍍裝置中。作為此種交流電源，係週知有：具備有由被設置在直流電力供給源與負載間之4個的切換元件(MOSFET)所成的橋接電路者。若是使此橋接電路之各切換元件適宜動作，並對於身為輸出端(電極)之一對的標靶而以特定之頻率來交互地使極性反轉並施加任意之脈衝電壓，則各標靶之極性，係在陽極電極與陰極電極間而交互被切換。藉由此，而在陽極電極以及陰極電極之間來使輝光放電產生，並產生電漿，而對於各標靶作濺鍍(例如，參考專利文獻1)。
在此種輝光放電中，係週知有會由於某種之原因而產生電弧放電(異常放電)的事態。若是產生有電弧放電，則由於電漿(負載)之阻抗係急遽地變小，因此，會引起急遽之電壓降低，伴隨於此，輸出電流係急遽地增加。於此，特別是當標靶為鋁等之金屬製的情況時，若是在標靶間局部性地產生有高電弧電流值之電弧放電，則係會產生標靶之被溶融且放出的部分附著在處理基板表面上之所謂的粒子或是噴濺(數μm～數百μm之塊)，而無法進行良好的成膜。
然而，一般而言，由於從直流電力供給源而來之輸出係具備有定電壓特性，因此，相較於電感成分，電容成分(capacitance)係成為更加具有支配性。因此，在電弧放電發生時，由於電漿負載側之阻抗係變小(依存於情況，亦會變小至數歐姆以下)，因此，輸出與電漿(負載)係被耦合，並從電容成分而急遽地被放出至輸出側。其結果，係無法對電流上升有效率地作抑制，而有著在短時間(數μs之間)而流動過電流(亦即是，電弧放電發生時之每單位時間的電流上升率為高)的問題。
作為此種問題的其中一種解決方法，係可考慮有：將具備有較電漿之電感值為更大的電感值之電感，設置在從直流電力供給源起而對於橋接電路之正負的輸出中之至少其中一方處，並經由此電感來將從直流電力供給源而來之輸出設為定電流特性。
但是，若是將從直流電力供給源而來之輸出藉由電感而設為定電流特性，則由於電漿負載係具備有電感成分，因此，在各電極之極性反轉時，電流會急遽地流入至電漿負載中，故而，於此時係會產生尖刺(Spike)狀之過電壓。此種過電壓，係會有引發電弧放電之虞。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第3639605號公報
本發明，係有鑑於上述之點，而以提供一種：藉由對於在各電極之極性反轉時所發生的過電壓作抑制，而能夠防止電弧放電之誘發的濺鍍裝置用之交流電源一事，作為課題。
為了解決上述課題，本發明，係為一種具備有直流電力供給源、和被連接於從此直流電力供給源而來的正負之直流輸出間的由複數之切換元件所成之橋接電路，並藉由對於前述橋接電路之各切換元件的切換，來在與電漿相接觸之一對的電極處而以特定之頻率來將電力以雙極脈衝狀而作供給之濺鍍裝置用之交流電源，該濺鍍裝置用之交流電源，其特徵為：將具備有較前述電漿之電感值更大的電感值之電感，設置在從前述直流電力供給源起而對於前述橋接電路之正負的直流輸出中之至少其中一方處，相對於前述橋接電路之輸入，而並聯地設置有緩衝電路(Snubber circuit)。
在本發明中，藉由將具備有較電漿之電感值為更大的電感值之電感，設置在從直流電力供給源起而對於橋接電路之正負的輸出中之至少其中一方處，而能夠對於電弧放電時之電流上升作限制。
於此，若是將從直流電力供給源而來之輸出藉由電感而設為定電流特性，則由於與電極作了電容耦合之電漿負載係具備有電感成分，因此，在各電極之極性反轉時，電流會急遽地流入至電漿負載中，故而，會產生尖刺狀之過電壓。此種過電壓，係會有引發電弧放電之虞。在本發明中，藉由以緩衝電路來對於各電極之極性反轉時的輸出電流之上揚有效果地作抑制，能夠對於在各電極之極性反轉時所發生的過電壓有效地作抑制，而能夠防止引發電弧放電。
在本發明中，前述緩衝電路，係可設為：被設置在前述電感與前述橋接電路之間，並經由被相互作了串聯連接之二極體以及電容器、和相對於前述二極體而為並聯之電阻，而構成之。
若藉由此構成，則在各電極之極性反轉時，從直流電力供給源而來之電流係不會有急遽地流入至電漿負載之電感中的情況，而會流入至緩衝電路之電容器中並作充電，藉由此充電電流，緩衝電路之電容器的電壓係緩慢地上升，因應於此電容器電壓，輸出電流係平緩地上揚，因此，能夠對於在各電極之極性反轉時所發生的過電壓有效地作抑制。
在本發明中，前述緩衝電路，係亦可設為：被設置在前述電感與前述橋接電路之間，並經由被相互作了串聯連接之二極體以及電容器、和其中一端被連接於前述二極體與前述電容器之間，而另外一端被連接於前述直流電力供給源與前述電感之間之電阻，而構成之。
若藉由此構成，則由於就算是在電弧發生時，從緩衝電路之電容器而來的放電電流亦係在電感中流動，因此，能夠將緩衝電路之電阻的電阻值縮小。故而，除了藉由上述構成所得到的效果之外，亦能夠得到下述之效果：亦即是，能夠將緩衝電路之電容器的初期電壓降低，並將上述過電壓抑制為更低，因此，能夠將緩衝電路之損失降低，而能夠將該交流電源之效率提高。
又，當由於某種的原因而使得所有的切換元件成為了OFF的情況時，由於在電感中所流動之電流係急遽地被遮斷，因此，會發生過電壓，經由此過電壓，會有使切換元件故障的可能性。因此，通常，係有必要作為對於切換元件作保護之保護電路，而設置由相互被作了串聯連接之二極體與電阻所構成的飛輪(Fly Wheel)電路。若藉由本發明之構成，則由於就算是產生有在電感中所流動之電流的急遽之變化，電感所具有的能量亦係通過緩衝電路之二極體以及電阻而被放出，因此，係不會產生過電壓。故而，由於本發明之緩衝電路係作為對於切換元件作保護之飛輪電路而起作用，因此，能夠將飛輪電路省略，而能夠對成本作抑制。
又，在本發明中，係亦可更進而設置有：在對於前述橋接電路之各切換元件進行切換時，用以使前述直流電力供給源的直流輸出短路之切換元件。藉由此，在雙極脈衝狀之電力供給時，能夠使切換損失僅在1個的輸出短路用之切換元件處而發生。
以下，參考圖面，針對本發明之實施形態作說明。另外，在各圖之共通的要素處，係附加相同之符號，並省略重複之說明。
參考圖1，對於本發明之第1實施形態所致的交流電源E1之構成作說明。此交流電源E1，例如係為：與濺鍍裝置S內之處理基板相對向地而被配置，並用以對於身為與電漿負載P相接觸之電極的一對之標靶T1、T2而以特定之頻率來進行雙極脈衝狀之電力供給而被使用的AC脈衝電源。於此，電漿負載P，係可經由等價電路5來作表現。此等價電路5，係具備有電感值為20μH～30μH之電感成分Lp，並與一對之標靶T1、T2作電容耦合。
交流電源E1，係具備有直流電力供給源1，此直流電力供給源1，例如係經由輸出500V之DC電壓的DC電源而構成之。在從直流電力供給源1而來之正負的直流輸出線2a、2b之間，係被設置有由4個的切換電晶體SW1乃至SW4所成之橋接電路3。
橋接電路3之各切換電晶體SW1乃至SW4的ON、OFF之切換，係經由省略圖示之驅動電路而被作控制。例如，若是以使第1以及第4切換電晶體SW1、SW4和第2以及第3切換電晶體SW2、SW3之間ON、OFF之時機作反轉的方式來進行切換控制，則係經介於從橋接電路3而來之輸出線4a、4b而對於一對之標靶T1、T2來進行雙極脈衝狀之電力供給。
於此，在上述構成之交流電源E1中，若是在從直流電力供給源1而供給有電力的狀態下，而對於各切換電晶體SW1乃至SW4作切換，則該些之切換損失係會成為極大。因此，係有必要設置用以使各切換電晶體SW1乃至SW4之耐久性提升一般的構成。在本實施形態中，係在從直流電力供給源1而來之正負的輸出線2a、2b之間，設置有輸出短路用之切換電晶體SW5。在此切換電晶體SW5成為短路狀態(ON)之下，而進行各切換電晶體SW1乃至SW4之切換。
亦即是，如圖2中所示一般。當對於一對之標靶T1、T2而以雙極脈衝狀來供給電力的情況時，例如，在時刻t1處，將切換電晶體SW5設為短路狀態(ON)。藉由此短路狀態，到此刻為止而一直在電漿負載P中所流動之電流，由於係流入至短路路徑6中，因此，電流係對電漿負載P作旁通而流動。
而後，在切換電晶體SW5為短路狀態的時刻t2處，將第1以及第4切換電晶體SW1、SW4設為OFF，並在其後之時刻t3處，將第2以及第3電晶體SW2、SW3設為ON。之後，在時刻t4處，將切換電晶體SW5之短路狀態解除(OFF)。藉由此短路狀態之解除，至此為止而在短路路徑6中作流動之電流，由於係以切換電晶體SW3、電漿負載P、切換電晶體SW2之順序而流動，因此，負之極性的輸出電流係上揚。於此，切換電晶體SW5之ON期間(圖2中所示之時刻t1～t4)，例如係為數μsec。
接著，在時刻t5處，再度使切換電晶體SW5短路，藉由此，而將電漿負載P作旁通，電流係流入至短路路徑6中。而後，在時刻t6處，將第2以及第3切換電晶體SW2、SW3設為OFF，並在其後之時刻t7處，將第1以及第4切換電晶體SW1、SW4設為ON。之後，在時刻t8處，將切換電晶體SW5之短路狀態設為OFF。藉由此，至此為止而在短路路徑6中作流動之電流，由於係以切換電晶體SW1、電漿負載P、切換電晶體SW4之順序而流動，因此，正之極性的輸出電流係上揚。
另外，在圖2所示之例中，雖係將切換電晶體SW1乃至SW4之OFF、ON在相異之時機處而進行，但是，亦可在相同的時機處而進行。又，當分別將第1以及第4切換電晶體SW1、SW4從ON而切換為OFF，並將第2以及第3切換電晶體SW2、SW3從OFF而切換為ON的情況時，亦可設為：在將第1以及第4切換電晶體設為OFF之前，先將第2以及第3切換電晶體SW2、SW3設為ON，之後，將第1以及第4切換電晶體SW1、SW4設為OFF。亦即是，代替使用切換電晶體SW5，亦可藉由將4個的切換電晶體SW1乃至SW4全部設為ON，來形成短路狀態。
而後，藉由反覆進行將各切換電晶體SW1乃至SW4之ON、OFF的時機作反轉的上述控制，而在一對之標靶T1、T2之間來以特定之頻率而進行雙極脈衝狀之電力供給。此時，在將Ar等之濺鍍氣體導入至被保持為特定壓力之濺鍍裝置S內的狀態下，以特定之頻率來交互地切換極性並被投入有電力之一對的標靶T1、T2，係分別交互地被切換為陽極電極、陰極電極，而在陽極電極以及陰極電極之間使輝光放電產生，並形成電漿，而能夠對各標靶T1、T2作濺鍍。此時，在進行對於標靶T1、T2之輸出時所產生的切換損失，係僅會在短路用之切換電晶體SW5處發生，在各切換電晶體SW1乃至SW4處，係幾乎不會發生。
於此，若是如同先前技術之交流電源一般，而將從直流電力供給源而來之具備有定電壓特性的輸出對於標靶T1、T2作供給，則當在輝光放電中由於某種的原因而發生了電弧放電時，電漿負載側之阻抗會變小，並發生大的電弧電流。
在本實施形態中，為了對於此種電弧電流之發生作抑制，係在正的輸出線2a處，設置具備有較電漿P之電感值更大的電感值(例如，5mH)之電感(直流電抗器)DCL，並藉由此電感DCL而將從直流電力供給源1而來之輸出設為了定電流特性。為了將從直流電力供給源1而來之輸出設為定電流特性，係只要將此電感DCL之電感值設為1mH以上即可。藉由將電感DCL設置在正的輸出線2a處，由於能夠對於電弧放電發生時之電流上升率作抑制，因此，能夠對於電弧電流之發生作抑制。
另外，在本實施形態中，雖係將電感DCL設置在正的輸出線2a處，但是，係並不被限定於此，例如，係亦可設置在負的輸出線2b處，或者是在正負的輸出線2a、2b處分別作設置。
當在輸出線2a處設置了電感DCL的情況時，如同上述一般，當藉由特定之頻率(例如，5kHz)來對於各切換電晶體SW1乃至SW4作切換時、亦即是當使各標靶T1、T2之極性作反轉時，短路用之切換電晶體SW5係被作ON、OFF。若是切換電晶體SW5被設為OFF，則輸出電流係上揚。亦即是，直到切換電晶體SW5被作OFF為止而一直被作了短路的電流，係會流入至與標靶T1、T2作電容耦合之電漿負載P中。由於電漿負載P係具備有電感成分Lp，因此，若是電流急遽地流入，則會產生尖刺狀(接近定常值之2倍的值)之過電壓。此種過電壓，係會有引發電弧放電之虞。
在本實施形態中，為了對於各標靶T1、T2之極性反轉時的輸出電流之上揚作抑制並對於尖刺狀之過電壓作抑制，係相對於橋接電路3之輸入3a、3b而並聯地設置有緩衝(snubber)電路7。此緩衝電路7，係被設置在電感DCL與橋接電路3之間，並且，係具備有被相互作了串聯連接之緩衝二極體Ds以及緩衝電容器Cs。當此緩衝電容器Cs之容量為未滿5μF的情況時，會有無法對於輸出電流之上揚有效地作抑制的可能性，而當超過了20μF的情況時，則會有使自由放電增加的可能性，因此，此緩衝電容器Cs之容量，例如係以設為5μF~20μF的範圍為理想。進而，緩衝電路7，係相對於緩衝二極體Ds而並聯地具備有緩衝電阻Rs。由於此緩衝電阻Rs係作為放電電阻而起作用，因此，能夠防止緩衝二極體Ds之電壓變得過高。
若藉由本實施形態之緩衝電路7，則若是在各標靶T1、T2之極性反轉時而將切換電晶體SW5設為OFF，則至此為止均係在短路路徑6中作流動的電流，係通過緩衝二極體Ds而流入至緩衝電容器Cs中。而後，伴隨著此緩衝電容器Cs之充電電壓的上升，經介於標靶T1、T2而流動至電漿負載P處的電流，係逐漸的上揚。其結果，如同在圖3中而以虛線所包圍並展示一般(另外，在圖3中，係僅展示有在其中一方之標靶處的輸出電壓Vc以及輸出電流Ic之變化)，在各標靶T1、T2之極性反轉時，輸出電流Ic之上揚係變得平緩，其結果，由於能夠對於各標靶T1、T2之極性反轉時的過電壓有效地作抑制，因此，能夠防止電弧放電之引發。
於此，為了對於各標靶T1、T2之極性反轉時的過電壓作抑制，係期望以使緩衝電容器Cs之充電電壓變低的方式，來將緩衝電阻Rs之電阻值設為較小。另一方面，若是緩衝電阻Rs之電阻值過小，則當在電漿負載P處發生了電弧放電時，經介於緩衝電阻Rs而流動的緩衝電容器Cs之放電電流係變大，而會對於電漿負載P供給過大的電弧能量。在本實施形態中，緩衝電阻Rs之電阻值，例如係以設為20～50Ω之範圍為理想。
接著，參考圖4，對於本發明之第2實施形態的交流電源E2之構成作說明。在此交流電源E2處，構成緩衝電路7之緩衝電阻Rs的其中一端之連接位置，係與上述之交流電源E1相異。亦即是，緩衝電阻Rs之其中一端，係被連接於直流電力供給源1與電感DCL之間。此緩衝電阻Rs之另外一端，係與上述交流電源E1相同的，被連接在緩衝二極體Ds之陰極與緩衝電容器Cs之間。在此交流電源E2處之其他的構成，切換電晶體SW1乃至SW4以及短路用切換電晶體SW5之切換控制，由於係與上述交流電源E1相同，故省略其詳細說明。
若藉由本實施形態之交流電源E2，則若是在各標靶T1、T2之極性反轉時而將切換電晶體SW5設為OFF，則至此為止均係在短路路徑6中作流動的電流，係通過緩衝二極體Ds而流入至緩衝電容器Cs中。而後，與上述第1實施形態之交流電源E1相同的，伴隨著此緩衝電容器Cs之充電電壓的上升，經介於標靶T1、T2而流動至電漿負載P處的電流，係逐漸的上揚。其結果，如同在圖5中以虛線包圍並展示一般，輸出電流Ic之上揚係變得平緩，其結果，由於過電壓係被有效的作抑制，因此，能夠防止電弧放電之引發。
於此，在本實施形態中，直到將切換電晶體SW5設為OFF之前為止的緩衝電容器Cs之電壓，由於係被夾鉗為直流電力供給源1之電壓，因此，相較於上述第1實施形態(參考圖3)，係成為較切換電晶體SW5之OFF後的緩衝電容器Cs之充電電壓更低，而能夠對於過電壓作更進一步的抑制。
又，當由於某種的原因而使得切換電晶體SW1乃至SW4全部成為了OFF的情況時，由於在電感DCL中所流動之電流係急遽地被遮斷，因此，會發生過電壓，經由此過電壓，會有使切換電晶體SW1乃至SW4故障的可能性。因此，通常，係有必要作為對於切換電晶體SW1乃至SW4作保護之保護電路，而設置由相互被作了串聯連接之二極體與電阻所構成的飛輪(Fly Wheel)電路。
在本實施形態中，由於就算是產生有在電感DCL中所流動之電流的急遽之變化，電感DCL所具有的能量亦係通過緩衝電路7之緩衝二極體Ds以及緩衝電阻Rs而被放出，因此，係不會產生過電壓。故而，由於緩衝電路7係作為對於切換電晶體SW1乃至SW4作保護之飛輪電路而起作用，因此，能夠將飛輪電路省略，而能夠對成本作抑制。
又，就算是在由於某種原因而在電漿負載P處發生的電弧放電的情況時，緩衝電容器Cs之放電，亦係經介於電感DCL而被進行。因此，就算是將緩衝電阻Rs之電阻值縮小，從緩衝電容器Cs而來之放電電流亦並不會變得過大。故而，係可將緩衝電阻Rs之電阻值，設為較上述第1實施形態更小之例如數Ω～10Ω的範圍。藉由此，由於係能夠將緩衝電容器Cs之初期電壓降低，並能夠將在切換電晶體SW5之OFF後所產生的過電壓抑制為更低，因此，能夠將緩衝電路7之損失降低至上述第1實施形態之75%左右，故而，能夠更進而得到將電源之效率提升的效果。
另外，本發明，係並不被限定於上述貴施形態，在不脫離本發明之要旨的範圍內，係可作各種之變形並實施之。例如，亦可如同圖6中所示之交流電源E3一般，而設為將2個的緩衝電路7a、7b作串聯連接之構成。在此交流電源E3中，係在正負的兩輸出線2a、2b處而分別被設置有電感DCL1、DCL2。而後，係相對於構成緩衝電路7a、7b之緩衝二極體Ds以及緩衝電容器Cs的串聯電路，而並聯地分別設置有切換電晶體SW5a、SW5b與電阻R1、R2。此些之電阻R1、R2，係為用以將對於各緩衝電路7a、7b之施加電壓作分壓之分壓電阻。在此交流電源E3處之其他的構成，以及切換電晶體SW1乃至SW4之切換控制，由於係與上述交流電源E2相同，故省略其詳細說明。若藉由此交流電源E3，則除了藉由上述交流電源E2所能夠得到的效果之外，能夠更進而得到使緩衝電路7a、7b具備耐壓性之效果。
E1、E2、E3‧‧‧交流電源
S‧‧‧濺鍍裝置
P‧‧‧電漿負載
T1、T2‧‧‧標靶(電極)
DCL‧‧‧電感
SW5‧‧‧短路用之切換電晶體
1‧‧‧直流電力供給源
2a、2b‧‧‧輸出線
3‧‧‧橋接電路
SW1~SW4‧‧‧切換電晶體
7‧‧‧緩衝電路
Ds‧‧‧緩衝二極體
Cs‧‧‧緩衝電容器
Rs‧‧‧緩衝電阻
[圖1]對本發明之第1實施形態所致的交流電源E1之構成作概略展示的圖。
[圖2]用以對於本發明之第1實施形態所致的交流電源E1之輸出控制作說明的圖。
〔圖3〕用以對於交流電源E1之對於其中一方之電極的輸出電壓以及輸出電流的波形作說明之圖。
〔圖4〕對本發明之第2實施形態所致的交流電源E2之構成作概略展示的圖。
〔圖5〕用以對於交流電源E2之對於其中一方之電極的輸出電壓以及輸出電流的波形作說明之圖。
〔圖6〕對本發明之變形例所致的交流電源E3之構成作概略展示的圖。
E1．．．交流電源
1．．．直流電力供給源
2a、2b．．．輸出線
3．．．橋接電路
3a、3b．．．橋接電路3之輸入
4a、4b．．．輸出線
5．．．等價電路
6、7．．．緩衝電路
DCL．．．電感
Ds．．．緩衝二極體
Cs．．．緩衝電容器
S．．．濺鍍裝置
P．．．電漿負載
T1、T2．．．標靶(電極)
Lp．．．電感成分
SW1～SW4．．．切換電晶體
SW5．．．短路用之切換電晶體
Rs．．．緩衝電阻

Claims (3)

  1. 一種濺鍍裝置用之交流電源，係具備有直流電力供給源、和被連接於從此直流電力供給源而來的正負之直流輸出間的由複數之切換元件所成之橋接電路，並藉由對於前述橋接電路之各切換元件的切換，來在與電漿相接觸之一對的電極處而以特定之頻率來將電力以雙極脈衝狀而作供給，該濺鍍裝置用之交流電源，其特徵為：將具備有較前述電漿之電感值更大的電感值之電感，設置在從前述直流電力供給源起而對於前述橋接電路之正負的直流輸出中之至少其中一方處，該濺鍍裝置用之交流電源，係更進而具備有：在對於前述橋接電路之各切換元件進行切換時，用以使前述直流電力供給源的直流輸出短路之切換元件，相對於前述橋接電路之輸入，而並聯地設置有緩衝電路(Snubber circuit)。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之濺鍍裝置用之交流電源，其中，前述緩衝電路，係被設置在前述電感與前述橋接電路之間，並具備有：被相互作了串聯連接之二極體以及電容器、和相對於前述二極體而為並聯之電阻。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載之濺鍍裝置用之交流電源，其中，前述緩衝電路，係被設置在前述電感與前述橋接電路之間，並具備有：被相互作了串聯連接之二極體以及電容器、和其中一端被連接於前述二極體與前述電 容器之間，而另外一端被連接於前述直流電力供給源與前述電感之間之電阻。
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