TWI523583B

TWI523583B - Power supply

Info

Publication number: TWI523583B
Application number: TW099140403A
Authority: TW
Inventors: Shinobu Matsubara; Yoshikuni Horishita; Atsushi Ono
Original assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2016-02-21
Also published as: KR101373268B1; WO2011064958A1; CN102668722B; TW201146093A; CN102668722A; JP5363281B2; US8734627B2; US20120205243A1; JP2011113696A; KR20120079150A

Description

電源裝置

本發明，係有關於對於與電漿相接觸之電極而施加直流電壓(投入電力)之電源裝置。

作為在玻璃或者是矽晶圓等之基板表面上形成薄膜的方法，從先前技術起，便周知有使用濺鍍裝置的方法。此濺鍍裝置，例如，係在真空氛圍下之處理室內，而導入特定之濺鍍氣體(氬氣)，並且，對於因應於欲在基板表面所形成之薄膜的組成而製作了的標靶，來藉由電源裝置而施加負的直流電壓，以形成電漿氛圍。而後，使電漿氛圍中之離子朝向標靶而加速並作碰撞，來使濺鍍粒子(標靶原子)飛散，並附著、堆積在基板表面上，而形成特定之薄膜。

在由上述濺鍍裝置所致之薄膜形成中，會由於某些之原因而導致產生電弧放電(異常放電)，此事，係為周知。若是產生電弧放電，則由於電漿(負載)之阻抗係會急遽地變小，因此，會發生急遽的電壓降低，伴隨於此，電流係會增加。於此，特別是在標靶為鋁等之金屬製的情況時，高電弧電流值之電弧放電，若是例如在標靶處而局部性地發生，則標靶係會被熔解，所放出的物質會附著在處理基板表面上，而發生所謂的粒子或者是噴濺(數μm～數百μm之塊)，並造成無法進行良好之成膜的問題。

在對於上述標靶施加直流電壓之電源裝置處，一般係被設置有電弧處理部，作為此種電弧處理部，係可列舉出具備有將從直流電源部而對於標靶之輸出電壓或者是輸出電流檢測出來的檢測手段、和在從直流電源部所對於標靶之正負的輸出間而以並聯或者是串聯所設置了的電弧遮斷用之切換元件(電弧開關)者。而，在根據輸出電壓或者是輸出電流之變化量而檢測出了電弧放電之發生後，係使上述切換元件，在作並聯連接時，使其作短路，或者是在作串聯連接時，使其作開放，來將對於電漿(負載)之電弧能量的供給作遮斷。

又，為了解決上述問題，亦周知有將電源裝置之輸出阻抗作定電流化的方法。通常，在從電源裝置所對於標靶之輸出處，多係被並聯地設置有電容器，作為在將電弧能量之供給作遮斷時的每單位時間之特性，係展現有定電壓特性。而，若是在電漿處而產生電弧放電，則根據定電壓特性，過電流會在短時間內急遽地產生，而電弧能量係會增大，但是，在檢測出了電弧放電的發生時，藉由操作上述切換元件，係能夠防止過電流的增加。然而，在切換元件起作用的數μS的期間中，此一電流之急遽增加係並無法作避免。

因此，為了防止此急遽的電流增加，係藉由專利文獻1，係周知有下述之方法：亦即是，將電源裝置之輸出特性，在對於電弧開關作切換並將電弧放電作消弧的處理(消弧處理)時所必要的期間中而設為定電流化，並極力對於在直到切換元件作動為止的時間中的電弧電流之增加作防止。然而，在專利文獻1所記載之方法中，關於在結束了電弧處理後的特性，係存在有很大的問題。亦即是，在專利文獻1所記載之方法中，在對於切換元件作控制並結束了電弧處理之後，當回復至通常之輸出時，會產生下述的問題：亦即是，由於電漿(負載)之電感成分，會產生過電壓。此種問題，特別是在身為陰極之標靶的面積為大而電漿體積變大的情況時，會變得更為顯著(例如，在大面積之平面面板製造用的濺鍍裝置中，若是標靶之外型尺寸成為數公尺之規模，則其之過度性的電感成分，係會成為數十μH以上)。

而，由於此種電感成分，會導致從被設為定電流化之直流電源的輸出而來之急遽的電流增加，經由此，在電漿處之電壓，相較於通常之放電電壓，係會成為過大。例如，當通常之放電電壓為-600V的情況時，在電弧處理電路之切換元件而結束了電弧處理之後，若是直流電源被作定電流化，則係會產生-1000V以上之電壓。若是產生此種過電壓，則電弧放電係會成為容易頻繁發生。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平10-298754號公報

因此，本發明，係有鑑於上述之點，而以提供一種：對於在會直接導致噴濺或者是粒子之產生的電弧放電之發生時的電流上升有效地作抑制，並且在電弧處理結束時而能夠防止放電電壓變得過大之電源裝置一事，作為課題。

為了解決上述課題，本發明之電源裝置，其特徵為，具備有：直流電源部，係對於與電漿作接觸之電極施加直流電壓；和電弧處理部，係能夠將由於從此直流電源部而來之正負的輸出所在電極處產生的電弧放電檢測出來，並且進行該電弧放電之消弧處理，該電源裝置，並具備有：輸出特性切換電路，係以當藉由前述電弧處理部而檢測出電弧放電之發生而開始了消弧處理時，對於前述電極所進行之輸出係具備有定電流特性，並在直到該消弧處理之結束為止而對於前述電極所進行之輸出為具備有定電壓特性的方式，來對於前述輸出作切換。

若依據本發明，則藉由設置有輸出特性切換電路，在若是由於某些的原因而產生了電弧放電的情況時產生電弧放電，起因於電漿之阻抗急遽地變小一事，會發生急遽的電壓降低，伴隨於此，電流係會增加。此時，藉由電弧處理部，由於從直流電源部所對於電極之輸出係成為定電流特性，因此，在電弧放電發生時之每單位時間的電流上升率係被作限制。另一方面，藉由緊接於電弧處理部所進行之電弧處理的結束、或者是與其同時地，而切換為定電壓特性，電漿之電壓相較於通常之放電電壓而成為過大一事係被作防止，並且能夠進而防止電弧放電之頻繁發生。

在本發明中，若是採用下述之構成：亦即是，前述輸出特性切換電路，係具備有：被配置在正負之兩輸出的至少其中一方處之電感、和被與此電感作了並聯連接之切換元件，則係能夠簡單地實現從定電流特性而切換為定電壓特性之構成。於此情況，上述切換元件之切換的時序，係能夠因應於在亦對於電弧之持續量(亦即是，對於標靶T之投入電力、被儲存在由於配線所導致之電感成分或者是電容成分中之能量)作了考慮的情況下的直到電弧之殘留能量成為0為止所需要的時間，來適宜地作設定，又，在微電弧處理時，係以使電弧放電時之電流上升率被作限制的方式，來將上述切換元件控制為OFF。

另一方面，前述輸出特性切換電路，若是採用下述之構成：亦即是，係具備有：被配置在正負之兩輸出的至少其中一方處之電感、和被與前述電感作了串聯連接並在過電壓產生時而使前述電感短路之二極體，則在產生有過電壓的期間中，二極體係成為ON狀態，而電感係被短路，藉由此，僅在該期間中，會成為定電壓特性。若依據此，則由於並未使用有需要對於切換作控制之切換元件，因此，係能夠將電路構成或者是其之控制簡單化。

另外，在本發明中，前述電極，例如，係為被配置在實施濺鍍法之處理室內的標靶。

以下，參考圖面，針對為了在濺鍍裝置中而對於標靶施加直流電壓所利用的本發明之實施形態的電源裝置E作說明。

如圖1中所示一般，電源裝置E，例如係與被配置在濺鍍裝置之處理室1內的基板(未圖示)相對向地而被作配置，並對於身為與電漿P相接觸之電極的標靶T，而以特定之電力來施加負的直流電壓。電源裝置E，係具備有可進行直流電力之供給的直流電源部2、和電弧處理部3、和對於電源裝置之動作進行統籌控制的CPU電路4。直流電源部2，雖並未特別作圖示，但是，係被輸入有商用之交流電力(例如，單相AC200V、3相AC200等)，並在將此所輸入了的交流電力作整流而變換為直流電力之後，進行反相器變換而再度變換為交流，再對於該輸出作整流而再度變換為直流電力，而輸出至標靶T處。從直流電源部2而來之正的輸出(纜線)5a之端部，係被作接地(在本實施形態中，係被作接地，並與區劃出處理室1之真空腔作連接)，而負的輸出(纜線)5b之端部，係被與標靶T作連接。另外，在圖1之直流電源部2中，C係為電容器。

電弧處理部3，係具備有在正負之兩輸出5a、5b間而被並聯地作了連接的切換元件(電弧開關)SW1。切換元件SW1，例如係由IGBT(亦可使用FET或者是Tr)所構成，並藉由可自由通訊地被與CPU電路4作了連接的驅動電路31，來對於其之ON、OFF的切換作控制。又，電弧處理部3，係具備有將輸出電流、輸出電壓檢測出來之檢測電路32，藉由檢測電路32所檢測出來的輸出電流、輸出電壓，係成為透過AD變換電路33而被輸入至CPU電路4中。

又，檢測電路32係被與電弧檢測電路34作連接。當產生了電弧放電時，電漿(負載)P之阻抗係會急遽地變小，並發生急遽的電壓降低，伴隨於此，電流係會增加，電弧檢測電路34，係根據此，而從藉由檢測電路32所檢測出的輸出電流以及/或者是輸出電壓之變化量，來檢測出電弧放電之發生。電弧檢測電路34，係可自由通訊地被與電弧處理電路35作連接，電弧處理電路35，係可自由通訊地被與CPU電路4以及驅動電路31作連接。而，若是藉由電弧檢測電路34而檢測出電弧放電之發生，則此事係被輸出至電弧處理電路35處，並藉由電弧處理電路35，而透過驅動電路31來對於切換元件SW1之ON、OFF的切換作控制，以進行電弧放電之消弧處理。

於此，在上述構成之電源裝置E中，從直流電源部2而來之輸出，係為定電壓特性，若是相較於電感成分而電容成分成為具有支配性，則在電弧放電發生時，電漿負載側之阻抗係變小，藉由此，輸出與電漿P係相耦合，並從電容成分而急遽地被放出至輸出側處。故而，從藉由電弧檢測電路34而將電弧放電檢測出來起，直到切換元件SW1被作切換並將對於標靶T之輸出遮斷為止的時間內，係會有流動大的電弧電流之虞。

在本實施形態中，係設為在負的輸出5b處，設置有具備較電漿P之電感成分而更大之電感值的電感6。於此情況，當在後述之微電弧處理時的電流上升率係被限制為較定常電流值之200%而更小、更理想係被限制為150%以下的情況時，電弧放電發生時之輸出電流上升率(Δi)，若是將電感6之電感值設為L，並將對於標靶T之輸出電壓設為V，且將電流變化時間設為Δt，則係可藉由Δi=Δt‧V/L而計算出來。此時，若是將對於標靶T之輸出電壓設為500V，將輸出電流設為100A，並將微電弧處理(輸出遮斷)時間設為200μS，則為了使從檢測出過電流起直到將輸出遮斷為止的電流上升率成為150%，Δi係成為50A。在此種情況時，係只要將具備有2mH之電感值的電感6與負的輸出5b作連接即可。另外，在本實施形態中，雖係在負的輸出5b處設置有特定值之電感6，但是，電感6之連接位置，係並不被限定於此，亦可設置在正的輸出5a處，或者是分別設置在正負之兩輸出5a、5b處。

另外，在採用了上述構成的情況時，在經由電弧處理部3而結束了電弧處理之後，當對於切換元件SW1之切換作控制並回復至通常之輸出時，由於係可能會由於電漿P之電感成分而產生過電壓，因此係有必要對此作防止。

在本實施形態中，係與電感6並聯地而設置其他的切換元件SW2，並設為藉由切換元件SW1、SW2以及電感6來構成本實施形態之輸出特性切換電路。切換元件SW2，例如係可藉由IGBT(亦可使用FET或者是Tr)來構成，並藉由驅動電路31，來對於其之ON、OFF的切換作控制。另外，在本實施形態中，係在從直流電源部2所對於標靶T之正負的輸出5a、5b間而更進而並聯地設置有其他之切換元件SW3，並構成為：在判斷無法藉由電弧處理部3之微電弧處理來進行電弧放電之消弧處理的情況時，能夠立即地將對於標靶T之輸出遮斷。於此情況，切換元件SW3，亦同樣的，例如係可藉由IGBT(亦可使用FET或者是Tr)來構成，並藉由驅動電路31，來對於其之ON、OFF的切換作控制。

接下來，參考圖2以及圖3，對於本實施形態之電源裝置E處的電弧處理作說明。在處理室1內設置標靶T與基板，之後，將處理室1內真空抽氣至特定之壓力。而後，將特定之濺鍍氣體導入，並使電源裝置E作動，而對於標靶T施加特定之負的電位。藉由此，在處理室1內，係被形成有電漿P氛圍，藉由標靶T之濺鍍，在基板表面上係被形成薄膜。

接著，在濺鍍中，若是由於某些之原因而產生電弧放電，則由於電漿P之阻抗係會急遽地變小，因此，會發生急遽的電壓降低，伴隨於此，電流係會增加。此時，若是藉由電弧處理部3之檢測電路32所檢測出來的輸出電流、輸出電壓超過特定之範圍地作變化，則係藉由電弧檢測電路34而檢測出電弧放電之發生。例如，若是輸出電流超過一定之範圍地作變化，則係將其作為電弧放電之前段現象(微電弧)而掌握，並進行其之消弧處理。

亦即是，若是參考圖3來作說明，則當藉由檢測電路32所檢測出的輸出電流Ia超過了定常輸出電流值Ic時，係經由電弧處理電路35而將此作為電弧放電發生之前段現象而作掌握，並透過CPU電路4以及電弧處理電路35，來經由輸出振盪用之驅動電路31來使輸出短路用之切換元件SW1短路(ON)。此時，由於在負的輸出5b處係被設置有電感6，因此，從直流電源部2而來之輸出係成為定電流特性，在電弧放電發生時之電流上升率係被作限制。

接著，在經過了特定時間後(數μS～數mS)，若是切換元件SW1之短路被解除(OFF)，則對於標靶T之輸出係再度開始。此時，緊接於切換元件SW1之短路被解除(OFF)之前、或者是與其同時地，而使電感6短路用之其他的切換元件SW2短路(ON)(參考圖2)。另外，SW1之ON的時間，係因應於在亦對於電弧之持續量(亦即是，對於標靶T之投入電力、被儲存在由於配線所導致之電感成分或者是電容成分中之能量)作了考慮的情況下的直到電弧之殘留能量成為0為止所需要的時間，來適宜地作設定(10μS左右的時間)。藉由如此這般地使切換元件SW2成為ON，電感6係被作一定期間(數μS)的短路，在此狀態下，從直流電源部2所對於標靶T之輸出，係成為定電壓特性。其結果，從直流電源部2的輸出而來之急遽的電流增加，係被作防止，電漿P之電壓相較於通常之放電電壓而成為過大一事，係被作防止。而，電感6短路用之其他的切換元件SW2，係在切換元件SW1之短路被作了解除之後而更進而經過了數μS或者是其以上的時間之後，而被作切換，電感6之短路，係被解除(OFF)。另外，在切換元件SW1之短路被解除之後，當發生了下一次的電弧放電的情況時，若是電感6係身為被作了短路的狀態，則係會成為過電流。因此，係有必要以在發生了下一次的電弧放電時而使電感6能夠有效地起作用的方式，來對於其他的切換元件SW2之切換時期作設定。接著，藉由電弧檢測電路34，而判別輸出電流Ia是否超過定常輸出電流值Ic，若是並未超過定常輸出電流值Ic，則經由驅動電路31，切換元件SW1係再度被作短路，在經過特定期間後，係與上述相同的而進行有輸出之回復處理。

如果就算是反覆進行了複數次之此種一連串的微電弧處理，輸出電流Ia亦仍維持在超過定常輸出電流值Ic的狀態下，或者是輸出電流Ia係超過了預先所設定了的特定值，則係判斷為發生會導致噴濺或者是粒子之產生的電弧放電，並經由從CPU電路4而來之控制，來使切換元件SW3成為ON，並停止從直流電源部2而來之輸出(強電弧處理)。在此處理的期間中，亦同樣的，係藉由將電弧電流值保持在較定常電流值之200%而更小，來使所放出之電弧能量縮小，而能夠有效地抑制噴濺或者是粒子之產生。

如同以上所說明一般，若依據本實施形態之電源裝置E，則藉由設置輸出特性切換電路6、SW2，當由於某些之原因而發生了電弧放電時，由於從直流電源部2所對於標靶T之輸出係成為定電流特性，因此，電弧放電發生時之每單位時間的電流上升率係被作限制。另一方面，藉由緊接於電弧處理部3所進行之電弧處理的結束、或者是與其同時地，而成為定電壓特性，電漿P之電壓相較於通常之放電電壓而成為過大一事係被作防止，並且能夠進而防止電弧放電之頻繁發生。

以上，雖係針對本發明之實施形態的電源裝置E作了說明，但是，本發明，係並不被限定於上述形態。在上述實施形態中，雖係針對作為切換元件SW1～SW3而使用IGBT、FET或者是Tr者為例，而作了說明，但是，係並不被限定於此。又，雖係針對將輸出特性切換電路藉由電感6和切換元件SW2而構成者為例來作了說明，但是，亦可如圖4中所示一般，採用具備有被配置在正負之兩輸出5a、5b中的至少其中一方處之電感6、和被與此電感6作並聯連接並在過電壓發生時而使電感6短路之將二極體D與電阻R作了串聯具備者的構成。若依據此構成，則在產生有過電壓的期間中，二極體D係成為ON狀態，電感6係被短路，藉由此，僅在該期間中，會成為定電壓特性。若依據此，則由於並未使用有需要對於切換作控制之切換元件，因此，係能夠將電路構成或者是其之控制簡單化。作為電阻R，係只要使用數Ω～10Ω之範圍者即可。

又，在上述實施形態中，雖係針對將身為電弧開關之切換元件SW1並聯地連接於正負的輸出5a、5b處者為例而作了說明，但是，係並不被限定於此，在將切換元件SW1作了串聯連接者之中，亦可適用本發明。另外，當將切換元件SW1並聯地連接在正負的輸出5a、5b處的情況時，在進行電弧放電之消弧處理的期間中，對於直流電源部2側而言，係成為負載被作了短路的狀況。因此，係並不需要特別的處理，也不會有產生過電壓的情況。另一方面，當作了串聯連接的情況時，對於直流電源部2側而言，係成為負載開放，在定電力控制的情況時，電壓係會上升，因此，係會成為有必要在直流電源部側而將輸出停止。

進而，在上述實施形態中，雖係針對在1枚的標靶T處而藉由1個的電源裝置E來進行電力投入者為例來作了說明，但是，就算是在如圖5中所示一般之藉由複數台之電源裝置來對於1枚的標靶T而輸出大電力一般的情況時，亦可適用本發明。在此種情況時，係只要在直流電源部2a、2b之每一者處，設置身為輸出切換電路之電感6a、6b；身為電弧開關之切換元件10a、10b；以及電感6a、6b短路用之切換元件SW11a、SW11b即可。

E．．．電源裝置

1．．．處理室

2．．．直流電源部

3．．．電弧處理部

5a、5b．．．輸出

6．．．電感

SW1～SW3．．．切換元件

D．．．二極體

T．．．標靶(電極)

[圖1]對於本發明之實施形態的電源裝置之構成作概略性展示的圖。

[圖2]對於圖1之電源裝置中的電弧放電之消弧處理作說明的圖。

[圖3]對於電弧處理作說明之圖。

[圖4]對於其他實施形態的電源裝置之構成作概略性展示的圖。

[圖5]對於使用複數台的本發明之電源裝置而對於標靶作輸出的例子作說明之圖。

E．．．電源裝置

1．．．處理室

2．．．直流電源部

3．．．電弧處理部

4．．．CPU電路

5a、5b．．．輸出

6．．．電感

31．．．驅動電路

32．．．檢測電路

33．．．AD變換電路

34．．．電弧檢測電路

35．．．電弧處理電路

SW1～SW3．．．切換元件

C．．．電容器

P．．．電漿

T．．．標靶(電極)

Claims

一種電源裝置，其特徵為，具備有：直流電源部，係對於與電漿作接觸之電極施加直流電壓；和電弧處理部，係能夠將由於從此直流電源部而來之正負的輸出所在電極處產生的電弧放電檢測出來，並且進行該電弧放電之消弧處理，該電源裝置，並具備有：輸出特性切換電路，係以當藉由前述電弧處理部而檢測出電弧放電之發生並開始了消弧處理時，對於前述電極所進行之輸出係具備有定電流特性，並在直到該消弧處理之結束為止而對於前述電極所進行之輸出為具備有定電壓特性的方式，來對於前述輸出作切換，前述輸出特性切換電路，係具備有：被配置在正負之兩輸出的至少其中一方處之電感、和被與此電感作了並聯連接之切換元件。
一種電源裝置，其特徵為，具備有：直流電源部，係對於與電漿作接觸之電極施加直流電壓；和電弧處理部，係能夠將由於從此直流電源部而來之正負的輸出所在電極處產生的電弧放電檢測出來，並且進行該電弧放電之消弧處理，該電源裝置，並具備有：輸出特性切換電路，係以當藉由前述電弧處理部而檢測出電弧放電之發生並開始了消弧處理時，對於前述電極所進行之輸出係具備有定電流特性，並在直到該消弧處理之結束為止而對於前述電極所進行之輸出為具備有定電壓特性的方式，來對於前述輸出作切換，前述輸出特性切換電路，係具備有：被配置在正負之兩輸出的至少其中一方處之電感、和被與前述電感作了並聯連接並在過電壓產生時而使前述電感短路之二極體。
如申請專利範圍第1項或第2項所記載之電源裝置，其中，前述電極，係為被配置在實施濺鍍法之處理室內的標靶。