(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応性ガス発生器においてプラズマに点火するための電力供給方法であって、
プラズマに変換することができるガスを入口を通してプラズマ・チェンバに流入させるステップと、
前記プラズマ・チェンバ中を移動する前記ガスに対し電源を誘導結合するステップであって、前記電源は、切換電源と変圧器との間に結合される直列共振回路を備え、該直列共振回路は、共振キャパシタと直列の共振インダクタを更に備えており、該共振キャパシタが変圧器一次コイル及び前記切換電源と並列である、ステップと、
前記直列共振回路から前記変圧器の一次コイルに、実質的な共振ＡＣ電圧を供給し、前記プラズマ・チェンバ内の前記ガスを前記変圧器のプラズマ二次コイルに変換する実質的な共振電流を前記変圧器一次コイルに誘導するステップと、
前記プラズマ二次コイルの発生時に、前記共振インダクタが、前記切換電源に流入する電流を制限するステップと、
原料ガスを入口を通してプラズマ・チェンバに流入させるステップと、
前記原料ガスを前記プラズマ二次コイルで励起してプラズマ・チェンバの出口から出ていく反応性ガスとするステップと、を備えている、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法であって、更に、
前記切換電源から前記直列共振回路間に第１ＡＣ電圧を供給するステップであって、前記第１ＡＣ電圧の周波数が、前記直列共振回路の実質的な共振周波数である、ステップと、
前記第１ＡＣ電圧に応答して、前記直列共振回路から前記変圧器の一次コイルに前記実質的な共振ＡＣ電圧を供給し、前記プラズマ・チェンバ内の前記ガスを前記変圧器のプラズマ二次コイルに変換する実質的な共振電流を前記変圧器一次コイルに誘導するステップと、
前記切換電源からの第１ＡＣ電圧の周波数を、前記直列共振回路の実質的な共振周波数よりも高い周波数に変調し、前記プラズマ二次コイルの発生後に前記切換電源に流入する電流を更に制限するステップと、を備えている、方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法であって、更に、前記直列共振回路の前記共振キャパシタと直列な複数の共振インダクタを結合して、少なくとも1つの共振インダクタを前記共振キャパシタの各端部と直列に結合するようにする、ステップと、
前記プラズマ二次コイルの発生時に、前記複数のインダクタを通じて前記切換電源に流入する電流を制限するステップと、を備えている、方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法であって、更に、
前記共振インダクタと前記共振キャパシタとの間、または前記共振キャパシタと前記変圧器との間に、第２キャパシタを直列に結合するステップであって、前記第２キャパシタがＤＣ遮断キャパシタまたは第２共振キャパシタである、ステップ、を備えている、方法。
【請求項５】
請求項３記載の方法であって、更に、
前記切換電源から前記直列共振回路間に第１ＡＣ電圧を供給するステップであって、前記第１ＡＣ電圧の周波数が、前記直列共振回路の実質的な共振周波数である、ステップと、
前記第１ＡＣ電圧に応答して、前記直列共振回路から前記変圧器の一次コイルに前記実質的な共振ＡＣ電圧を供給し、前記プラズマ・チェンバ内の前記ガスを前記変圧器のプラズマ二次コイルに変換する実質的な共振電流を前記変圧器一次コイルに誘導するステップと、
前記切換電源からの第１ＡＣ電圧の周波数を前記直列共振回路の実質的な共振周波数よりも高い周波数に変調し、前記プラズマ二次コイルの発生後に前記１つ以上のインダクタを通じて前記切換電源に流入する電流を更に制限するステップと、を備えている、方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、前記切換電源が半ブリッジ反転器である、方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、前記切換電源が全ブリッジ反転器である、方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法であって、更に、
第２の変圧器の一次コイルを前記変圧器に結合するステップであって、前記第２の変圧器の一次コイルが、中央タップまたは実質的な中央タップを有する、ステップと、
前記第２の変圧器の一次コイルの第１リードおよび第２リードを規定するために、前記第２の変圧器の一次コイルの中央タップを接地するステップと、
前記第１リードを前記プラズマ・チェンバの外表面上に位置する第１点火電極に結合し、前記第２リードを前記プラズマ・チェンバの前記外表面上に位置する前記第１点火電極と対向する第２点火電極に結合するステップと、
第１極性の電圧を前記第１リードに印加し、第２極性の電圧を前記第２リードに印加することにより、前記第１および第２電極間のプラズマ・チェンバの断面区域を電界束が横断し、前記プラズマ二次コイルを発生するステップと、を備えている、方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法であって、更に、
前記変圧器の一次コイルから前記プラズマ二次コイルに、前記プラズマ・チェンバの一部を包囲する磁気コアと前記変圧器の一次コイルとを通じて、電束を結合するステップ、を備えている、方法。
【請求項１０】
反応性ガス発生器においてプラズマに点火するための電源であって、
プラズマ・チェンバであって、プラズマに変換することができるガス、及び、前記プラズマによって励起して反応性ガスとなる原料ガスを前記プラズマ・チェンバに流入させる入口と、前記反応性ガスが前記プラズマ・チェンバを出ていく出口とを備える、プラズマ・チェンバと、
切換電源と、
変圧器一次コイルを備えている変圧器と、
前記切換電源と前記変圧器一次コイルとの間に結合されている直列共振回路であって、該直列共振回路は、更に、共振キャパシタと直列の共振インダクタを備えており、該共振キャパシタが前記変圧器一次コイル及び前記切換電源と並列である、直列共振回路と、を備え、
前記切換電源、直列共振回路、及び変圧器一次回路は、前記プラズマ・チェンバ中を移動するプラズマに変換することができる前記ガスに誘導結合され、前記直列共振回路は、前記変圧器一次コイル間に実質的な共振ＡＣ電圧を供給し、前記プラズマ・チェンバ内の前記ガスを前記変圧器のプラズマ二次コイルに変換する実質的な共振電流を前記変圧器一次コイルに誘導させ、
前記プラズマ二次コイルの発生時に、前記共振インダクタが、前記切換電源に流入する電流を制限する、電源。
【請求項１１】
請求項１０記載の電源であって、更に、
コントローラを備えており、
前記切換電源は、前記直列共振回路間に第１ＡＣ電圧を供給し、前記第１ＡＣ電圧の周波数が、前記直列共振回路の実質的な共振周波数であり、
前記第１ＡＣ電圧に応答して、前記直列共振回路が、前記変圧器一次コイルに前記実質的な共振ＡＣ電圧を供給し、前記プラズマ・チェンバ内の前記ガスを前記変圧器のプラズマ二次コイルに変換する実質的な共振電流を前記変圧器一次コイルに誘導し、
前記コントローラは、前記第１ＡＣ電圧の周波数を、前記直列共振回路の実質的な共振周波数よりも高い周波数に変調し、前記プラズマ二次コイルの発生後に前記切換電源に流入する電流を更に制限するために、信号を前記切換電源に供給する、電源。
【請求項１２】
請求項１０記載の電源において、前記直列共振回路は、
前記共振キャパシタと直列な複数の共振インダクタを備え、少なくとも1つの共振インダクタが前記共振キャパシタの各端部と直列に結合されており、
前記プラズマ二次コイルの発生時に、前記複数の共振インダクタが前記切換電源に流入する電流を制限する、電源。
【請求項１３】
請求項１０記載の電源において、前記直列共振回路は、更に、
前記共振インダクタと前記共振キャパシタとの間、または前記共振キャパシタと前記変圧器との間に直列に結合された第２キャパシタ備えており、前記第２キャパシタがＤＣ遮断キャパシタまたは第２共振キャパシタである、電源。
【請求項１４】
請求項１３記載の電源であって、更に、
コントローラを備えており、
前記切換電源は、前記直列共振回路間に第１ＡＣ電圧を供給し、前記第１ＡＣ電圧の周波数が、前記直列共振回路の実質的な共振周波数であり、
前記第１ＡＣ電圧に応答して、前記直列共振回路が、前記変圧器の一次コイル間に前記実質的な共振ＡＣ電圧を供給し、前記プラズマ・チェンバ内の前記ガスを前記変圧器のプラズマ二次コイルに変換する実質的な共振電流を前記変圧器一次コイルに誘導し、
前記コントローラは、前記切換電源からの第１ＡＣ電圧の周波数を前記直列共振回路の実質的な共振周波数よりも高い周波数に変調し、前記プラズマ二次コイルの発生後に前記複数のインダクタを通じて前記切換電源に流入する電流を更に制限する、電源。
【請求項１５】
請求項１０記載の電源において、前記切換電源は半ブリッジ反転器を備えている、電源。
【請求項１６】
請求項１０記載の電源において、前記切換電源は全ブリッジ反転器を備えている、電源。
【請求項１７】
請求項１０記載の電源であって、更に、
前記変圧器に結合されている第２の変圧器の一次コイルであって、該第２の変圧器の一次コイルの第１リードおよび第２リードを規定するために接地される中央タップまたは実質的な中央タップを有する第２の変圧器の一次コイルと、
前記プラズマ・チェンバの外表面に位置する第１点火電極に結合されている第１リードと、
前記プラズマ・チェンバの外表面に位置する前記第１点火電極と対向する第２点火電極に結合されている第２リードと、を備えており、
前記第２の変圧器の一次コイルは、第１極性の電圧を前記第１リードに印加し、第２極性の電圧を前記第２リードに印加することにより、前記第１および第２電極間のプラズマ・チェンバの断面区域を電界束が横断し、前記プラズマ二次コイルを発生する、電源。
【請求項１８】
請求項１０記載の電源であって、更に、
前記変圧器一次側コイルから前記プラズマ二次コイルに電束を結合するために、前記プラズマ・チェンバの一部および前記変圧器の一次コイルを包囲する磁気コアを備えている、電源。
【請求項１９】
請求項１０記載の電源であって、更に、
コントローラを備えており、
前記切換電源は、前記直列共振回路間に第１ＡＣ電圧を供給し、前記第１ＡＣ電圧の周波数が、前記直列共振回路の実質的な共振周波数であり、
前記第１ＡＣ電圧に応答して、前記直列共振回路が、前記変圧器一次コイルに実質的な共振ＡＣ電圧を供給し、前記変圧器の一次コイルに前記実質的な共振電流を誘導して、前記プラズマ二次コイルを発生し、
前記プラズマ二次コイルの発生時に、前記共振インダクタは、前記切換電源に流入する電流を制限し、
前記コントローラは、前記第１ＡＣ電圧のデューティ・サイクルを変調し、前記プラズマ二次コイルの発生後に前記切換電源に流入する電流を更に制限するために、信号を前記切換電源に供給する、電源。
【請求項２０】
請求項１記載の方法であって、更に、
前記切換電源から前記直列共振回路間に第１ＡＣ電圧を供給するステップであって、前記第１ＡＣ電圧の周波数が、前記直列共振回路の実質的な共振周波数である、ステップと、
前記第１ＡＣ電圧に応答して、前記直列共振回路から前記変圧器一次コイルに前記実質的な共振ＡＣ電圧を供給し、前記変圧器一次コイルに前記実質的な共振電流を誘導して前記プラズマ二次コイルを発生するステップと、
前記プラズマ二次コイルの発生時に、前記共振インダクタが、前記切換電源に流入する電流を制限するステップと、
前記切換電源からの前記第１ＡＣ電圧のデューティ・サイクルを変調し、前記プラズマ二次コイルの発生後に前記切換電源に流入する電流を更に制限するステップと、を備えている、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、イオン、遊離基、原子、および分子を含有する反応性ガスの発生という分野に関し、反応性ガス発生器においてプラズマに点火するための電力供給装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ放電は、ガスを励起させ、イオン、遊離基、原子、および分子を含有する反応性ガスを生成するために用いられる。反応性ガスは、半導体ウェハのような固体材料、粒状物、およびその他のガスの処理を含む、多数の工業および科学的用途において用いられている。
【０００３】
反応ガスの一例に原子状フッ素があり、基板表面上に薄膜を堆積するための化学蒸着（ＣＶＤ）チェンバを清浄化するために用いることができる。ＣＶＤチェンバは、基板表面以外のチェンバ部分の表面上に積み重なる堆積物を除去するために定期的に清浄化する必要がある。チェンバの湿式清浄は、労働集約的であり、しかも作業者にとって有害であるのに対して、プラズマ源が発生する原子状フッ素を用いてチェンバを清浄化すると、チェンバを大気に解放することなく、堆積物を除去することができ、ツールの生産性および作業条件が改善する。原子状フッ素用の典型的な原料ガスは、ＮＦ３、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６、およびＣ４Ｆ８のような、フッ素化合物を含む。
【０００４】
反応性ガスの別の例に、原子状酸素があり、これは微細電子製作においてフォトレジストの除去に用いることができる。パターン発生後、ウェハ表面を、プラズマ源が発生した原子状酸素に露出することによって、フォトレジストを除去する。原子状酸素は、フォトレジストと急速かつ選択的に反応するので、プロセスを真空および比較的低い温度で行うことが可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
プラズマは、電源から、プラズマに変換することができるガスへのエネルギの誘導性結合によって発生することができる。プラズマに点火しこれを維持するために電力を供給する既知の技法では、プラズマ点火の際に電力用半導体デバイスに対する損傷を防止するための回路を含む。しかしながら、このような技法は、一般に、費用がかかり、信頼性が低い。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、反応性ガス発生器においてプラズマに点火しこれを維持するために電力を供給する方法および電源を特徴とする。特定的な実施形態の利点には、コストを削減し、信頼性および信頼性を高めて、電力用半導体デバイスに対する損傷を防止することが含まれる。
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、反応性ガス発生器においてプラズマに点火するための電源および方法を提供し、（ｉ）共振インダクタと共振キャパシタとを備えている直列共振回路を、切換電源と変圧器との間に結合するステップであって、変圧器が変圧器一次コイルとプラズマ二次コイルとを有する、ステップと、（ｉｉ）共振キャパシタから変圧器の一次コイルに、実質的な共振ＡＣ電圧を供給することにより、プラズマ二次コイルを発生するために変圧器一次コイルにおいて実質的な共振電流を誘導させるステップと、（ｉｉｉ）プラズマ二次コイルの発生時に、共振インダクタが、切換電源に流入する電流を制限するステップと含む。
【０００８】
特定的な実施形態は、更に、切換電源から直列共振回路間に第１ＡＣ電圧を供給するステップであって、第１ＡＣ電圧の周波数が、直列共振回路の実質的な共振周波数である、ステップと、第１ＡＣ電圧に応答して、共振キャパシタから変圧器の一次コイルに実質的な共振ＡＣ電圧を供給することにより、変圧器の一次コイルに実質的な共振電流を誘導してプラズマ二次コイルを発生するステップと、切換電源からの第１ＡＣ電圧の周波数を、直列共振回路の実質的な共振周波数よりも高い周波数に変調し、プラズマ二次コイルの発生後に切換電源に流入する電流を更に制限するステップとを含むことができる。
【０００９】
特定的な実施形態は、共振キャパシタと直列な１つ以上の共振インダクタを含む直列共振回路を設け、共振キャパシタを変圧器の一次コイルと並列に結合する、ステップと、プラズマ二次コイルの発生時に、１つ以上のインダクタを通じて切換電源に流入する電流を制限するステップとを含むことができる。このような実施形態では、前述の方法は、切換電源から直列共振回路間に第１ＡＣ電圧を供給するステップであって、第１ＡＣ電圧の周波数が、直列共振回路の実質的な共振周波数である、ステップと、第１ＡＣ電圧に応答して、共振キャパシタから変圧器の一次コイル間に実質的な共振ＡＣ電圧を供給することにより、変圧器の一次コイルに実質的な共振電流を誘導してプラズマ二次コイルを発生するステップと、切換電源からの第１ＡＣ電圧の周波数を直列共振回路の実質的な共振周波数よりも高い周波数に変調し、プラズマ二次コイルの発生後に１つ以上のインダクタを通じて切換電源に流入する電流を更に制限するステップとを含むことができる。
【００１０】
また、特定的な実施形態は、１つ以上の共振インダクタと共振キャパシタとの間、または共振キャパシタと変圧器との間に直列に結合された第２キャパシタを更に含む直列共振回路を設けるステップであって、第２キャパシタがＤＣ遮断キャパシタまたは第２共振キャパシタである、ステップも含むことができる。
【００１１】
更に、特定的な実施形態は、プラズマ二次コイルを収容するプラズマ・チェンバを設けるステップと、変圧器の一次コイルからプラズマ二次コイルに、プラズマ・チェンバの一部を包囲する磁気コアと変圧器の一次コイルとを通じて、電束を結合するステップと、入力ガスを反応性ガスに変換するために、入力ガスをプラズマ二次コイルに通過させるステップとを含むことができる。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、反応性ガス発生器においてプラズマに点火するための電源および方法を提供し、（ｉ）変圧器一次コイルを有する変圧器を設けるステップであって、変圧器一次コイルが中央タップまたは実質的な中央タップを有する、ステップと、（ｉｉ）変圧器一次コイルの第１リードおよび第２リードを規定するために、一次コイルの中央タップを接地するステップと、（ｉｉｉ）第１リードをプラズマ本体の周囲にある第１位置に位置する第１点火電極に結合し、第２リードをプラズマ本体の周囲にある第２位置において第１点火電極と対向する第２点火電極に結合するステップと、（ｉｖ）第１極性の電圧を第１リードに印加し、第２極性の電圧を第２リードに印加することにより、第１および第２電極間の断面区域を電界束が横断し、プラズマ本体を発生するステップとを含む。
【００１３】
更に、特定的な実施形態は、（ｖ）プラズマ本体を収容するプラズマ・チェンバを設けるステップと、（ｖｉ）第１リードをプラズマ・チェンバの外面上にある第１点火電極に結合し、第２リードをプラズマ・チェンバの外面上にあり第１点火電極と対向する第２点火電極に結合するステップと、（ｖｉｉ）第１極性の電圧を第１リードに供給し、第２極性の電圧を第２リードに印加することにより、第１および第２電極間においてプラズマ・チェンバの断面区域を電界束が横断し、プラズマ本体を発生するステップとを含むことができる。
【００１４】
本発明の以上のおよびその他の目的、特徴、ならびに利点は、添付図面に図示した本発明の好適な実施形態を更に特定した以下の説明から明らかとなろう。図面において、同様の参照番号は、種々の図全体を通じて、同じ部分を示すこととする。図面は、必ずしも、同一の拡縮率ではなく、本発明の原理を示す際には、逆に、強調されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、反応性ガス発生器においてプラズマに点火しこれを維持するために電力を供給する方法および電源を特徴とする。特定的な実施形態の利点には、コストを削減し、信頼性および信頼性を高めて、電力用半導体デバイスに対する損傷を防止することが含まれる。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態を適用することができる反応性ガス発生装置を示す図である。図示のように、反応性ガス発生器１は、電源１０と、プラズマ・チェンバ２０とを含む。プラズマ・チェンバ２０は、プラズマ（例えば、Ａｒ＋）に変換するためのガス（例えば、アルゴン）を受ける入口４０を含む。一旦発生すると、プラズマを直接使用してもよいし、あるいは１つ以上の原料ガスを励起して対応する反応性ガスとするために用いることもでき、この反応性ガスが出口４２において発生器から出射し、例えば、プロセス・チェンバ４５に進入する。
【００１７】
プラズマに点火するために、電源１０は変圧器３０を含む。変圧器の一次コイルは、磁気コア３４の一部の周囲に巻回されている一次巻線３２を含む。電源１０からのエネルギは、変圧器の一次コイルを通じて、チェンバ２０を貫通して移動するガスに誘導的に結合されて、プラズマに点火するか、またはこれを発生する。プラズマ・チャンバ２０内において点火したプラズマは、変圧器の二次コイルとしての役割を果たす。具体的には、電源１０は、変圧器の一次巻線３２間に大振幅(high magnitude)の励起電圧を印加する。この高励起電圧は、巻線３２内に高電圧電流を誘導することによって、ガスの通路を横切って、磁気コア３４を貫通する交流磁界を発生する。その結果、ガス内部に電流が誘導され、プラズマ内部への点火が生じる。一旦プラズマが発生したなら、他の原料ガスを励起するためにプラズマを用いることができ、特定の用途に合った所望の反応性ガスを生成することができる。
【００１８】
図２Ａおよび図２Ｂは、プラズマに点火しこれを維持するために電力を供給する既知の電源構成を表す回路図である。変圧器のプラズマ二次コイル３６は、インダクタンスＬおよび抵抗Ｚを有する等価回路として表すことができる。双方の構成において、電源は、高励起電圧を変圧器の一次コイル３２に供給するために直列共振回路５０を含む。具体的には、直列共振回路５０は、一次巻線３２を共振インダクタとして用い、共振キャパシタ５４を切換電源６０および一次巻線４２の間に直列に結合することによって、形成されている。共振回路５０の共振周波数またはそれに近い周波数を有する切換電源６０からの励起電圧ＶＳに応答して、共振電圧または実質的な共振電圧ＶＲＥＳが、変圧器３０の一次巻線間に印加され、既に説明したように、プラズマの点火を誘起するために、一次巻線３２において高電圧、共振電流ＩＲＥＳを含む。
【００１９】
プラズマの印加に先立ち、図２Ａおよび図２Ｂにおける一次巻線３２のインダクタンスは、この高電圧共振電流ＩＲＥＳを、切換電源６０に返流する際における安全動作レベルに制限する。しかしながら、一旦プラズマが点火すると、一次巻線３２のインダクタンスは低下し（例えば、事実上短絡させる）、余分な電流が切換電源６０に流れ込むことを可能にする。また、インダクタンスの低下により、この動作周波数における負荷は容量性となり、当業者にはお分かりのことであるが、ＡＣ電源において、大きな変形応力を有する過酷な遷移を生ずる。高電流および過酷な遷移双方は、潜在的な危害となり得るものであり、電源の構成半導体デバイス（例えば、ＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）に対する損傷の原因となる。ここで用いる場合短絡電流とは、プラズマの点火時における巻線のインダクタンス低下の結果一次巻線を通過する電流の増大であればいずれでも当てはまる。プラズマ点火の後高回路電流を制限するために、図２Ａの回路は、共振キャパシタ５４を跨いで橋架した、制御可能なリレー５６を含む。動作において、このリレー５６は、プラズマの点火中には開放となり、共振キャパシタ５４を回路に結合し、プラズマ点火の後に閉鎖して、回路からキャパシタ５４を切断する。キャパシタ５４を回路から切断することにより、共振電圧ＶＲＥＳは一次巻線３２間にかかるソース励起電圧ＶＳまで低下し、その結果一次巻線内に誘導する電流および電源６０に環流する電流が減少する。また、リレーがキャパシタを能動回路から除去するので、負荷はもはや容量性ではなくなる。このため、切換電源内部における半導体損傷の可能性が低下する。
【００２０】
しかしながら、この電源構成の欠点は、リレー５６を必要とするために回路に伴う高コスト、ならびにリレー５６およびプラズマ点火検出回路（図示せず）の時間遅延または潜在的な故障の可能性を含む。プラズマ点火の検出をし損ねた場合または検出が遅れた場合、短絡電流ＩＲＥＳ＋が電源に返流し、損傷の原因となる可能性がある。この回路では、励起電圧を供給する電力ハンド対に対する破壊的な損傷を回避するために、非常に速い電子部品の応答が必要となる。
【００２１】
図２Ｂに関して、ソース励起電圧の周波数変調を用いて、高回路電流ＩＲＥＳ＋を制限する。具体的には、切換電源６０が周波数変調を利用して、可変周波数の励起電圧ＶＳを供給し、切換電源に返流する電流を制御する。プラズマ点火に先立ち、切換電源６０は、直列共振回路５０の共振周波数またはそれに近い周波数を有するソース励起電圧ＶＳを供給する。一旦プラズマ点火が検出されたなら、周波数変調コントローラ８０が励起電圧ＶＳの周波数を調節して共振周波数から遠ざけ、一次巻線３２に印加される電圧ＶＲＥＳの振幅を減少させ、こうして切換電源６０に返流する電流を減少させる。
【００２２】
ソース励起電圧の周波数を制御することにより、この回路は、リレーを必要とせずに、一次巻線３２を通過する電流を制御することができる。しかしながら、それでもなお図２Ａの回路と同様、プラズマ点火の検出をし損ねた場合、または検出が遅れた場合、高回路電流ＩＲＥＳ＋が電源に返流し、半導体損傷が起こる可能性があることに変わりはない。安全な動作に求められる周波数範囲は、回路要素の能力を超える場合もある。また、この回路は、励起電圧を供給する電力用半導体に対する破壊的な損傷を回避するためには、非常に速い電子部品の応答を必要とする。
【００２３】
本発明は、反応性ガス発生器においてプラズマに点火しこれを維持するために電力を供給する方法および電源を特徴とする。特定的な実施形態の利点には、コストを削減し、信頼性および信頼性を高めて、電力用半導体デバイスに対する損傷を防止することが含まれる。
【００２４】
図３Ａは、反応性ガス発生器においてプラズマに点火しこれを維持するために電力を供給する電源を示す回路図である。この実施形態では、電源は、切換電源６０と、一次巻線３２、磁気コア３４、およびプラズマ二次コイル３６を備えている変圧器３０とを含む。直列共振回路１００を切換電源６０によって駆動し、切換電源６０および変圧器３０と並列に、そのキャパシタと結合する。直列共振回路は、ＬＣ回路を含み、ＬＣ回路は、共振キャパシタ１２０と直列に共振インダクタ１１０を有する。一方、共振キャパシタ１２０は、一次巻線３２と並列に結合されている。共振インダクタ１１０および共振キャパシタ１２０は、ロー・パス・フィルタ・ネットワークを形成する。
【００２５】
動作において、切換電源６０は、"Control Circuit for Switching Power Supply"（切換電源用制御回路）と題する米国特許出願第１１／０７７，５５５に記載されているように、当技術分野では周知の半ブリッジまたは全ブリッジ電力変換器とすることができる。この特許出願の内容全体は、ここで引用したことにより、本願にも含まれるものとする。電源６０は、直列共振回路の共振周波数または実質的にその周波数を有するＡＣ励起電圧ＶＳを供給する。一実施形態では、励起電圧の周波数は、共振インダクタンスおよび容量の共振周波数よりも高い。電流および電力が大きい程、周波数は共振に近づく。電流および電力が小さい程、周波数は共振から遠ざかる。通例、要求範囲全域において生ずる周波数のシフトは、共振周波数の５０％未満である。点火がない回路について、Ｑファクタが１０とすると、電流のシフトは最大値の小さな端数（１０％よりも遥かに小さい）程度となる。実際には、点火中における共振電流の指令値は、定常状態のプラズマ動作に必要とされる値の１．５から３倍であることが好ましい。
【００２６】
励起電圧ＶＳを直列共振回路１００に印加して、共振回路に実質的な共振ＡＣ電圧ＶＲＥＳを変圧器の一次コイルに供給させ、変圧器の一次コイルに実質的な共振電流ＩＲＥＳを誘導し、プラズマに点火する。
【００２７】
発生したプラズマ３６は、変圧器３０の二次コイルとしての役割を果たす。プラズマ二次コイルは、インダクタンスＬおよびリアクタンスＺを有する等価回路によって表すことができる。しかしながら、プラズマ二次コイル３６は実際には、プラズマ・チェンバ内部の立体空間を横断するプラズマの本体であることは言うまでもない。プラズマ・チェンバ２０は、円環形状、または円環状のガス流を生ずるその他の形状に製造することができる。
【００２８】
一旦プラズマが点火すると、短絡電流は切換電源６０に流れなくなる。逆に、プラズマ点火後、変圧器３０の一次巻線３２のインダクタンスは減少するが、直列共振回路１００の共振インダクタ１１０は、ロー・パス・フィルタとしての役割を果たし続け、一次巻線３２を通過する電流を、切換電源６０への返流に合わせた安全動作レベルに制限する。また、キャパシタ１２０を跨る変圧器を通じて反映されるプラズマ・インピーダンス低下の効果により、誘導性負荷が生じ、大きな変形応力を有する過酷な遷移を回避する。つまり、高電流による電源６０内にある構成半導体デバイスに対する損傷を実質的に防止する。この実施形態の利点には、リレー構成要素がなくなることによるコスト低減、およびプラズマ点火を検出したか否かには関係なく回路が電流を制限できることによる信頼性の向上が含まれる。
【００２９】
図３Ｂは、別の実施形態にしたがって、反応性ガス発生器においてプラズマに点火しこれを維持するために電力を供給する電源を示す回路図である。ここに示す図では、電源は、回路が１つ以上の追加のキャパシタ１２２を共振キャパシタ１２０と直列に含むことを除いて、図３Ａの電源と同様である。これら追加のキャパシタは、インダクタと元からの共振キャパシタとの間、または元からの共振キャパシタと変圧器との間に配置するとよく、ＤＣ遮断キャパシタまたは追加の共振キャパシタとしての役割を果たすことができる。また、この回路は、追加の共振インダクタ１１２も含み、共振キャパシタ１２０と直列に結合されており、プラズマ点火の最中に補助し、プラズマ点火後に電源に環流する電流を制限する。
【００３０】
別の実施形態によれば、図３Ａおよび図３Ｂの電源は、コントローラ１４０を含むことができる。コントローラ１４０は、更に、プラズマ点火の検出に応答して、電流および電力のプラズマ・ガス内への流れを制御するために用いることができる。図示の実施形態では、コントローラ１４０は、信号を切換電源６０に供給し、この電源に、ＡＣ励起電圧ＶＳの周波数および／またはデューティ・サイクルを変調させ（例えば、パルス幅変調即ちＰＷＭ）、その結果、電源回路内に所望の電流が流れ込むようにすることができる。所望の電流は、コントローラ１４０に入力する基準電流ＲＥＦを設定することによって構成することができる。コントローラ１４０は、（ｉ）回路における１箇所以上の所定の位置（例えば、位置Ａ、Ｂ）において電流を検知し、（ｉｉ）それを基準電流と比較し、（ｉｉｉ）切換電源６０に制御信号を送り、既知の周波数変調またはパルス幅変調技法を用いて、電源の動作周波数またはデューティ・サイクルに対して調節を行う。
【００３１】
例えば、一旦ガスが点火してプラズマが発生すると、変圧器のインダクタンスが減少し、余分な電流を一次巻線に流入させる。この状態を、地点ＡまたはＢにおいて電流センサによって検出し、コントローラ１４０にフィードバックして、周波数を共振周波数から遠ざけ、プラズマ流の維持および電源の安全な動作に適した周波数にシフトする。周波数が上昇すると、共振インダクタの作用によって電流量が減少する。これによって、回路のいずれかの位置においてこのパラメータを検知することにより、電流または電力流を調整し、ガスの励起の所望レベルを達成するために周波数を調節する手段が得られる。あるいは、または周波数変調と合わせて、パルス幅変調（ＰＷＭ）も用いて、切換電源のデューティ・サイクルを調節し、調整のダイナミック・レンジ拡大を達成することもできる。特定的な実施形態によれば、低出力電流はパルス幅変調（ＰＷＭ）によって調整することができ、一方電力はパルス周波数変調（ＰＦＭ）によって調整することができる。あるいはその逆も可能である。このようにＰＦＭおよびＰＷＭを組み合わせて用いることによって、電力変換システム全体に対する調整のダイナミック・レンジが拡大することになる。ＰＦＭおよびＰＷＭを組み合わせて用いることによる別の利点は、ＰＦＭのみによる調整では変調周波数がメガヘルツ範囲に近くなければならないのとは異なり、低電流または電力において切換電源内にあるＭＯＳＦＥＴのボディ・ダイオード(body diode)に対する回復応力(recovery stress)が減少することである。
【００３２】
本発明の別の態様によれば、プラズマ点火において補助するために、誘導性エネルギ結合と共に、双極高電圧点火電極を用いることができる。好ましくは、点火電極は、プラズマ・チャンバ内部またはその周囲に配して、チェンバ内部においてエネルギをガス流に容量的に結合し、プラズマに点火しこれを維持する。プラズマに点火しこれを維持するために点火電極に加える電圧は、通例、高電圧点火コントローラによって制御する。一旦プラズマが発生したなら、図１から図３Ｂにおいて既に説明したように、インダクタンスを通じて結合されるエネルギは、プラズマ状態を維持するのに十分となり、点火電極を不能化する、言い換えると「オフに切り換える」ことができる。
【００３３】
図４Ａおよび図４Ｂは、先行技術による高電圧点火コントローラおよび対応する点火電極の配列を示す図である。具体的には、高電圧点火コントローラ２００は、変圧器３０の磁気コア３４の一部の周囲に巻回した巻線２１０の形態とした、第２変圧器一次コイルを含む。電源１０が一次巻線３２間に励起電圧を供給すると、巻線比に応じて第２変圧器一次コイル２１０内に電流が誘導される。巻線の第１リード２１０ａは接地されており、一方第２リードは、プラズマ・チェンバ３０の周囲または内部に配列された１つ以上の電力２３０に切換可能に接続されている。プラズマ点火の間、コントローラ２００のリレー２２０は閉じているので、第２リード２１０ｂからの電圧を１つ以上の点火電極２３０に印加することができる。一旦プラズマが点火したなら、リレー２２０を開放し、容量性放電を不能化する。
【００３４】
図４Ｂは、チェンバ２５０内においてプラズマ・チェンバ即ちチャネルの断面の周囲に位置付けられた点火電極の典型的な配列を示す。具体的には、点火電極２３０ａ、２３０ｂは、プラズマ・チェンバ２５０の対向する両側に位置付けられ、第２一次巻線２１０ｂの第２リードに切換可能に接続されており、その結果、双方の電極が同じ極性を有することになる。接地電極２４０ａ、２４０ｂも、プラズマ・チェンバ即ちチャネル２５０の対向する両側に、点火電極２３０ａ、２３０ｂ間でずらして位置づけられている。
【００３５】
高電圧点火コントローラ２００がリレー２２０に点火電極を接続するように指令すると、第２リード２１０ｂにおける電圧が双方の電極２３０に印加され、点火電極２３０と接地電極２４０との間に、図示のように、空間的に制限された電界が発生する。この制限された電界、即ち、フリンジ・フィールド(fringe field)のために、チェンバ内部におけるある種のガス流および圧力条件の下で、プラズマに点火し損なう可能性があり、または点火をプラズマの塊の中に伝搬し損なう可能性がある。つまり、これらの場合、プラズマに点火するためには、電界を強くする必要がある。先行技術の技法では、必要十分な電束を発生するためには、点火電極２３０に印加する電圧を高めることを伴うために、絶縁性を高めそれに関係するコストが上昇する。
【００３６】
本発明の第２の態様は、第２一次巻線に接続した中央接地タップの使用により、この問題に取り組む。中央接地タップの使用により、第２一次巻線から延出するリードが双極となり、したがって正の点火電極および負の点火電極を設けることが可能になる。正および負の点火電極を、これらが互いに対向するように配置することにより、プラズマ・チェンバ即ちチャネル全域に実現することができる電束の量が増大する。この結果、プラズマ・ガスに点火するために必要十分な量の電束を発生するのに要求される、接地への電圧が低下する。
【００３７】
図５Ａおよび図５Ｂは、一実施形態による高電圧点火コントローラおよび対応する点火電極の配列を示す図である。具体的には、高電圧点火コントローラ３００は、変圧器３０の磁気コア３４の一部の周囲に巻回された巻線３１０の形態とした、第２変圧器一次コイルを含む。第２変圧器一次コイル３１０は、中央タップまたは実質的に中央にあるタップ３１０ｃを含む。タップ３１０ｃは接地されており、第１極性を有する第１リード３１０ａ、および第１極性とは異なる第２極性を有する第２リード３１０ｂを規定する。
【００３８】
例えば、電源１０が一次巻線３２間に励起電圧を供給すると、第２一次巻線３１０内部に電流が誘導され、負極性の電圧−Ｖを第１リード３１０ａに供給することができ、正極性の電圧Ｖ＋を第２リード３１０ｂに印加することができることになる。例えば、電極の寿命を延長するために望ましい場合、第１リード３１０ａおよび第２リード３１０ｂを双方共、切換可能にそれぞれの点火電極３３０ａ、３３０ｂに、リレー３２０ａ、３２０ｂを通じて接続する。
【００３９】
この図示した実施形態では、第１リード３１０ａはプラズマ・チェンバ３５０の外面上にある第１点火電極３３０ａに結合されており、第２リード３１０ｂは、プラズマ・チェンバ３５０の外面上にあり第１点火電極３３０ａに対向する、第２点火電極３３０ｂに結合されている。接地電極２４０ａ、２４０ｂも、プラズマ・チェンバ即ちチャネル３００の対向する両側に、点火電極３３０ａ、３３０ｂの間でずらして位置づけられている。
【００４０】
プラズマ点火の間、コントローラ３００のリレー３２０ａ、３０２ｂは閉じているので、第１リード３１０ａの正電圧および第２リード３１０ｂの負電圧がそれぞれの点火電極３３０ａ、３３０ｂに供給され、その結果強い電界束が、第１および第２電極間にあるプラズマ・チェンバ即ちチャネル３５０の断面区域を横断して、プラズマ二次コイルを発生する。一旦プラズマが点火したなら、リレー３２０ａ、３２０ｂを開放して、容量性放電を不能化することができる。
【００４１】
図６Ａおよび図６Ｂは、プラズマ・チェンバの周囲における点火電極の特定的な配列を示す模式図である。図６Ａは、点火電極４１５ａ、４１５ｂ、４１５ｃ、および４１５ｄを有するプラズマ・チェンバの外面４１０の図を表す。各電極には、正または負の極性が関連付けられている。図６Ｂを参照すると、プラズマ・チェンバの三次元図が示されており、図６Ａの外面４１０は、対向する外面４２０を有する。図６Ｂは、チェンバ４５０の対向面４２０が点火電極４２５ａ、４２５ｂ、４２５ｃ、および４２５ｄを含み、これらの電極が有する極性が表面の電極の極性に直接対向することを示す。このような構成によれば、プラズマ点火の間対向する面４１０、４２０上の双極電極間において、プラズマ・チェンバ内部で強い電界束を発生することができる。その結果、プラズマ・ガスに点火するための電束の必要十分な量が、点火電極に印加する電圧において、対応する増大を伴わずに、実現することができる。
【００４２】
以上、回路図の例に関して本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるのではない。更に、本発明の他の実施形態は、混成回路、ディスクリート回路、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、および当業者には周知のその他の使用を含む、代替となる実施態様の詳細を含んでもよい。
【００４３】
以上、本発明について、その好適な実施形態を参照しながら特定的に示し説明したが、添付した特許請求の範囲によって包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細における種々の変更が可能であることは、当業者には言外であろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本発明の実施形態を適用することができる、反応性ガス発生器を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、プラズマに点火しこれを維持するために電力を供給する既知の電源構成を示す回路図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、プラズマに点火しこれを維持するために電力を供給する既知の電源構成を示す回路図である。
【図３Ａ】図３Ａは、一実施形態にしたがって反応性ガス発生器においてプラズマに点火しこれを維持するために電力を供給する電源を示す回路図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、別の実施形態にしたがって反応性ガス発生器においてプラズマに点火しこれを維持するために電力を供給する電源を示す回路図である。
【図４Ａ】図４Ａは、従来技術による、高電圧点火コントローラおよび対応する点火電極の配列を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、従来技術による、高電圧点火コントローラおよび対応する点火電極の配列を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、一実施形態による、高電圧点火コントローラおよび対応する点火電極の配列を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、一実施形態による、高電圧点火コントローラおよび対応する点火電極の配列を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、プラズマ・チェンバ周囲における点火電極の特定的な配列を示す模式図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、プラズマ・チェンバ周囲における点火電極の特定的な配列を示す模式図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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