(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
グロー放電負荷装置に主電源を供給する直流電源であって、直流を供給するための複数の２次側整流器と、前記グロー放電負荷装置の放電開始時は最大デューティで、通常運転時は５０％デューティ、かつ位相差９０度で動作するようにされた、前記２次側整流器のそれぞれに電力を供給するための複数のデューティ制御用スイッチング素子と、前記デューティ制御用スイッチング素子に供給される電力を制御することによって前記直流電源の出力を制御するための、オン時間およびオン電圧が可変の出力制御用スイッチング素子とを備えた直流電源の制御装置において、
前記出力制御用スイッチング素子のオン時間を制御するための定電流制御信号を出力する定電流調節器と、
前記負荷装置の定格から定まる最大電流値を電流リミッタ設定値として、前記直流電源の出力電流の検出値と比較して、前記検出値が前記電流リミッタ設定値を超えるときのみその差を増幅して出力する増幅回路と、
前記直流電源の出力電流が過電流にならないように、前記定電流調節器の出力から、前記増幅回路の出力を減算する減算回路と、
前記直流電源の出力電流および出力電圧から、少なくともグロー放電開始を検出する検出回路と、
グロー放電開始の検出を示す検出信号で、前記出力制御用スイッチング素子のオン電圧を所定の速さで下げるように制御するオン電圧制御回路とを備え、
前記出力制御用スイッチング素子のオン電圧が下がると、前記出力制御用スイッチング素子のインピーダンスが下がり、前記直流電源の出力電流が増大することにより、前記グロー放電負荷装置を、連続的、速やかに、かつ過電流を発生させることなく、グロー放電開始状態から定常運転状態に移行させることを特徴とする直流電流の制御装置。
【請求項２】
前記出力制御用スイッチング素子は、電界効果型トランジスタまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、前記オン電圧の低下は、前記オン電圧制御回路が、前記トランジスタのゲート電圧をランプ関数で増大させることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の直流電源の制御装置。
【請求項３】
前記グロー放電開始を検出する検出回路は、前記出力電流がグロー放電開始電流を超え、かつ出力電圧が前期グロー電圧ないし正規グロー電圧まで下がったことを条件としてグロー放電開始を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の直流電流の制御装置。
【請求項４】
前記グロー放電負荷装置を、定常運転状態に移行した後に、前記複数のデューティ制御用スイッチング素子のデューティを、最大デューティから５０％デューティにランプ関数で移行させるデューティ制御回路を備えることを特徴とする請求項１，２または３に記載の直流電源の制御装置。
【請求項５】
前記検出回路は、前記直流電源の出力電流および出力電圧から、アーク放電の発生をさらに検出し、アーク放電の発生を検出すると、前記デューティ制御用スイッチング素子をオフさせることにより前記直流電源の出力電圧をゼロＶにしてアーク放電を消滅させ、一定時間後に再び前記デューティ制御用スイッチング素子をオンすることによって定常運転状態に戻すことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の直流電源の制御装置。
【請求項６】
前記グロー放電負荷装置は、スパッタリング装置であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の直流電源の制御装置。
【請求項７】
グロー放電負荷装置に主電源を供給する直流電源であって、直流を供給するための複数の２次側整流器と、前記グロー放電負荷装置の放電開始時は最大デューティで、通常運転時は５０％デューティ、かつ位相差９０度で動作するようにされた、前記２次側整流器のそれぞれに電力を供給するための複数のデューティ制御用スイッチング素子と、前記デューティ制御用スイッチング素子に供給される電力を制御することによって、前記直流電源の出力を制御するためのオン時間およびオン電圧が可変の出力制御用スイッチング素子とを備えた直流電源の制御方法において、
前記負荷装置の定格から定まる最大電流値を電流リミッタ設定値として、前記直流電源の出力電流の検出値と比較して検出値が設定値を超えるときのみその差を増幅して出力し、前記出力制御用スイッチング素子のオン時間を制御するための定電流制御信号から、前記増幅された出力を減算することによって出力電流が過電流にならないように制御すると同時に、出力電流および出力電圧からグロー放電開始を検出し、その検出信号で前記出力制御用スイッチング素子のオン電圧を所定の速さで下げることにより前記出力制御用スイッチング素子のインピーダンスを下げて前記直流電源の出力電流を増大させるという手順によって定常運転状態に移行させることを特徴とする直流電源の制御方法。
【請求項８】
前記出力制御用スイッチング素子は、電界効果型トランジスタまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、前記オン電圧の低下は、前記オン電圧制御装置が、前記トランジスタのゲート電圧をランプ関数で増大させることにより行うことを特徴とする請求項７に記載の直流電源の制御方法。
【請求項９】
定常運転状態に移行した後に、前記複数のデューティ制御用スイッチング素子のデューティを最大デューティから５０％デューティにランプ関数で移行させることを特徴とする請求項７または８に記載の直流電源の制御方法。
【請求項１０】
出力電圧が定格電圧に比較して異常に低いか、または出力電流が定格電流に比較して異常に大きい場合にアーク放電が発生したと判断して、前記デューティ制御用スイッチング素子をオフさせることにより出力電圧をゼロＶにしてアーク放電を消滅させ、さらに一定時間後に再びオンすることによって正常なグロー放電に戻すことを特徴とする請求項７，８または９に記載の直流電源の制御方法。
【請求項１１】
前記グロー放電負荷装置は、スパッタリング装置であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の直流電源の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタリング装置などのグロー放電を利用した装置に用いられる直流電源において、グロー放電開始までの高インピーダンス状態と、グロー放電開始から正規グロー放電へ移行する段階での制御を連続的にスムーズに行えるようにした制御装置および方法に関するものである。本発明は、さらに、アーク放電が発生した場合に、アーク放電を消滅させ、正常なグロー放電に戻すようにした制御装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明のグロー放電負荷用電源の制御装置および方法を説明するに当たって、スパッタリング装置などのグロー放電を利用した装置に用いられる直流電源に求められる機能について説明する。
【０００３】
図１はグロー放電の電流−電圧特性を示したものである。グロー放電が始まるためには放電開始電圧以上の電圧を印加しなければならず、放電開始電圧以上の電圧を印加するとグロー放電が始まり、電流密度が上がるにつれて電圧が急速に低下する負性抵抗領域である前期グローと呼ばれる領域に入る。さらに電流密度が上がると電圧があまり変化しない正規グローと呼ばれる領域に入る。そして、さらに電流密度が上がると、電圧も上昇する異常グロー領域に入り、ついにはアーク放電領域に至る。
【０００４】
スパッタリング装置の場合では、放電開始電圧は１０００Ｖ〜１６００Ｖであり、正規グローの電圧は数百Ｖである。これに対して、アーク放電時は１００Ｖ以下の電圧となり、過大な電流が流れることになる。この過大な電流によって、スパッタリング装置のターゲット材などを損傷したり、さらにはスパッタリング装置で製造する製品にも影響を及ぼし、製品の品質の低下や歩留まりの低下を招くことになる。
【０００５】
そこで、このグロー放電を利用したスパッタリング装置などに用いられる直流電源の機能として、
（１）放電開始時は、放電開始電圧以上の電圧を出力でき、そのときの出力インピーダンスが大きいこと、
（２）グロー放電が開始して、定常運転に入ると、出力インピーダンスは極力小さく、かつ、グロー放電の開始後は速やかに電圧を低下させて、異常グロー領域に入らないようにすること、
（３）アーク放電が発生した場合には、アーク放電を速やかに検出し、出力電圧をゼロＶあるいは小さな逆電圧にしてアーク放電を消滅させ、一定時間後に再び出力して正常なグロー放電に戻すことが要求される。このような機能を備える直流電源を、本出願人は考案し、既に特許出願している（特願２００１−５０３１５号）。
【０００６】
図２に、上記出願に係るスパッタリング装置用直流電源の回路図を示す。このスパッタリング装置用直流電源は、交流を直流に変換する１次側整流器１２、オン時間およびオン電圧が可変の例えば電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）よりなる出力制御用スイッチング素子１４、１次側コイル１６、１次側コンデンサ１８、デューティ制御用スイッチング素子２０，２２、トランス２４，２６、２次側整流器２８，３０、２次側コイル３２，３４、２次側コンデンサ３６を備えている。３８は、スパッタリング装置である。
【０００７】
デューティ制御用スイッチング素子２０，２２は、放電開始時は最大デューティで、通常運転時は５０％デューティ、かつ位相差９０度で、出力遮断時は０％デューティで動作するようにされ、２次側整流器２８，３０のそれぞれに電力を供給する。出力制御用スイッチング素子１４は、オン時間およびオン電圧が変えられて、デューティ制御用スイッチング素子２０，２２に供給される電力を制御する。
【０００８】
デューティ制御用スイッチング素子２０，２２をパルス幅変調（ＰＷＭ）で運転し、かつ、それぞれ位相に９０゜の差を設けた場合には、デューティが５０％の時に限って、電流リップルが小さくなるので、定常運転時には、常にこの状態とする。そして、直流電源の出力の制御は、デューティ制御用スイッチング素子２０，２２ではなく、出力制御用スイッチング素子１４で行う。
【０００９】
以上のような制御により、直流電源は、放電開始時の電圧を高く、かつ出力インピーダンスを大きくすることが容易にでき、放電開始時の過電流発生を防ぐことができる。また定常運転時には、出力インピーダンスを小さくすることができ、さらには、発生した不所望なアーク放電を消滅させることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した直流電源において、放電開始後、正規グロー領域での定常運転に移行する段階で、出力制御用スイッチング素子（ＦＥＴ）１４のゲート電圧を大きくしてスイッチング素子のインピーダンス、すなわちオン電圧を下げる速さが速すぎると、急速に出力電流が大きくなってアーク放電に至ったり、逆にその速さが遅すぎると定常運転への移行時間が掛かり過ぎるという問題が発生する。
【００１１】
また、放電開始後、正規グロー領域での定常運転に移行する段階で、デューティ制御用スイッチング素子のデューティを最大デューティから５０％デューティへの移行をあまりに急速に行うと出力電圧が下がり過ぎてグロー放電が停止してしまうという問題がある。
【００１２】
そこで本発明の目的は、このようなグロー放電負荷用直流電源において、グロー放電開始後に、連続的、速やかに、かつ過電流を発生させることなく定常運転に移行させる制御装置および方法を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、アーク放電が発生した場合に、アーク放電を消滅させ、正常なグロー放電に戻すようにした制御装置および方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、負荷装置の定格から決まる最大電流値を設定値として、直流電源の出力電流の検出値と比較して検出値が設定値を超えるときのみその差を増幅して出力する増幅回路を備え、出力制御用スイッチング素子のオン時間を制御するための定電流調節器の出力から、前記増幅回路の出力を減算することによって出力電流が過電流にならないように制御すると同時に、出力電流が数十ｍＡから数百ｍＡのグロー放電開始電流を超え、かつ出力電圧が数百Ｖの前期グロー電圧または正規グロー電圧まで下がったことを条件としてグロー放電開始を検出し、その検出信号で出力制御用スイッチング素子のオン電圧を適正な速さで下げるようにするという手順によって一旦定常運転状態に移行させ、しかる後にデューティ制御用スイッチング素子のデューティを最大デューティから５０％デューティへランプ関数で移行させることによって、グロー放電負荷のグロー放電開始後に連続的、速やかに、かつ過電流を発生させることなく定常運転に移行させることができる。
【００１５】
また、出力電圧が定格電圧に比較して異常に低いか（定格電圧の１０％位）、または出力電流が定格電流に比較して異常に大きい（定格電流の１２０〜１５０％）場合にアーク放電が発生したと判断して、デューティ制御用スイッチング素子をオフさせることにより出力電圧をゼロＶにしてアーク放電を消滅させ、一定時間後に再びオンすることによって正常なグロー放電に戻す。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図３および図４は、本発明による制御装置の回路例を示したものである。図３は直流電源を含む主回路部１０を、図４は制御回路部５０を示す。
【００１７】
図３の主回路部１０の直流電源の構成は、図２に示したものと同一であり、同一の要素には、同一の参照番号を付して示してある。主回路部１０は、出力制御用スイッチング素子１４を駆動するゲートドライバ（ＧＤ）４０、デューティ制御用スイッチング素子２０，２２を駆動するゲートドライバ（ＧＤ）４２，直流電源の出力電流検出用のシャント抵抗４４，直流電源の出力電圧検出用の分圧抵抗４６，４８を備えている。
【００１８】
なお、図３において、記号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは、図４の回路との結線関係をわかりやすくするために付したものである。
【００１９】
図４の制御回路部５０は、ゲートドライバ４０を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御回路５２、ゲートドライバ４２を制御するデューティ制御回路５４、定電力調節器（ＡＷＲ）５６、定電流調節器（ＡＣＲ）５８、電流リミッタ制御用比例増幅器６０、オン電圧制御回路６２、タイマ６４、検出器６６を主に備えている。
【００２０】
デューティ制御回路５４は、最大デューティ設定スイッチ８０，５０％デューティ設定スイッチ８２，ランプ関数を有する電圧発生回路８４，ＰＷＭ制御回路８６により構成されている。
【００２１】
オン電圧制御回路６２は、高インピーダンス設定用スイッチ７６，高インピーダンス解除用スイッチ７８，ランプ関数を有する電圧発生回路７４により構成されている。
【００２２】
検出器６６は、直流電源から出力電流，出力電圧を取り込み、出力電圧検出、出力電流検出、グロー放電開始検出、およびアーク放電検出を行うための回路である。図５に、検出器６６の詳細を示す。シャント抵抗４４からの出力電流は、電流検出回路１００で検出され、分圧抵抗４６からの出力電圧は電圧検出回路１０２で検出される。グロー放電開始検出は、出力電流が数十ｍＡから数百ｍＡのグロー放電開始電流を超え、かつ出力電圧が数百Ｖの前期グロー電圧または正規グロー電圧まで下がったことを条件として行われるように構成されている。また、アーク放電は、出力電圧が定格電圧に比較して異常に低いか（定格電圧の１０％位）、または出力電流が定格電流に比較して異常に大きい（定格電流の１２０〜１５０％）場合にアーク放電が発生したと判断できるように構成されている。グロー放電開始検出用フリップフロップ１０４およびアーク放電検出用フリップフロップ１０６は、始動信号によりリセットされるように構成されている。
【００２３】
検出器６６の出力するグロー放電開始検出信号は、オン電圧制御回路６２およびタイマ６４に入力され、一方、検出器６６の出力するアーク放電検出信号は、デューティ制御用スイッチング素子用のゲートドライバ４２に出力される。
【００２４】
検出器６６内の電流検出器１００および電圧検出器１０２で検出された出力電流値と出力電圧値とは、乗算器６８に入力され、乗算器６８で出力電力を演算し、定電力調節器５６の検出信号としている。定電力調節器５６は、この検出信号と電力設定値との差がゼロになるように出力信号を出すが、その信号が定電流調節器５８の設定値となる。定電流調節器５８には、この設定値と検出器６６の電流検出回路１００からの出力電流検出値Ｉｄｅｔ  が等しくなるように定電流制御信号を出す。
【００２５】
一方、比例増幅器６０の入力側にある減算器５９には、負荷装置の定格から決まる最大電流値である電流リミッタ設定値Ｉｍａｘ  と、検出器６６で検出された出力電流検出値Ｉｄｅｔ  とが入力され、Ｉｄｅｔ  からＩｍａｘ  を減算し、比例増幅器６０に入力する。比例増幅器では、入力値をゲイン倍して出力する。比例増幅器６０の出力側には、負の出力を０にクランプするクランプ回路７０が設けられている。なお、減算器５９と比例増幅器６０とクランプ回路７０とを含めて、本発明では増幅回路と言うものとする。この増幅回路において、検出値Ｉｄｅｔ  が設定値Ｉｍａｘ  を超える場合には、その差がゲイン倍された値が、減算器７２に入力され、検出値Ｉｄｅｔ  が設定値Ｉｍａｘ  を超えない場合には、ゼロ値が、定電流調節器５８の出力側の減算器７２に入力される。
【００２６】
減算器７２では、定電流調節器５８の定電流制御信号から増幅回路の出力信号を減算し、減算された信号はＰＷＭ制御部５２に入力される。ＰＷＭ制御部５２では、この信号と例えば三角波との比較により出力制御用スイッチング素子１４のオン時間を決定する。これによりデューティ制御用スイッチング素子２０，２２の入力側の電圧が制御され、直流電源の出力電圧が制御されるので、電流が制御され、電力も制御されることになる。
【００２７】
また、検出器６６は、前述したように、出力電流，出力電圧を取り込み、出力電圧検出、出力電流検出、グロー放電開始検出およびアーク放電検出をするための回路である。ここでグロー放電開始が検出されると、フリップフロップ１０４からの信号が、オン電圧制御回路６２に入力される。オン電圧制御回路６２では、高インピーダンスモードから高インピーダンス解除モードに切替え、ゲート電圧発生回路７４は、発生するゲート電圧をランプ関数で時間Ｔ１の間に上昇させる。その結果、出力制御用スイッチング素子１４のゲート電圧が時間Ｔ１の間に上昇し、飽和領域でオン状態となるように制御される。その結果、出力制御用スイッチング素子のインピーダンス、すなわちオン電圧がランプ関数で低下する。
【００２８】
また、検出器６６によるグロー放電開始検出からタイマ６４による計時時間Ｔ１後には、デューティ制御用スイッチング素子２０，２２のデューティを最大デューティから５０％デューティへランプ関数で移行させるように、デューティ制御回路６２が働く。
【００２９】
図６は本発明による制御方法でのグロー放電開始から定常運転に移行するまでの直流電源の出力電圧，出力電流の変化を、負荷特性との関係において示したものである。以下、図３〜図５をも参照して動作を説明する。
【００３０】
放電開始時は、出力インピーダンスを大きくするために、オン電圧制御回路６２の高インピーダンス用スイッチ７６をオンしておき、出力制御用スイッチング素子１４のゲート電圧を小さくして、インピーダンスすなわちオン電圧を大きくし、かつ、出力電圧を定常運転時より高くするために、デューティ制御回路５４の最大デューティ用スイッチ８０をオンしておき、デューティ制御用スイッチング素子２０，２２のデューティを最大デューティで運転する。図６の直線１は、例えば出力電圧１６００Ｖ，出力インピーダンス２０ｋΩの場合の直流電源の出力電流と出力電圧の関係を示している。この直線と負荷特性との交点Ａがグロー放電開始直後の動作点であり、仮に放電電圧が３００Ｖとすると、出力電流は６５ｍＡとなる。
【００３１】
次に、検出器６６が、出力電流が設定値（図６では５０ｍＡとする）以上で、かつ出力電圧が設定値（図６では５００Ｖとする）以下であることをとらえてグロー放電が開始したことを検知すると、オン電圧制御回路６２がスイッチング素子１４の高インピーダンス状態を解除するようにモードを切り替え、時間Ｔ１のランプ関数でゲート電圧を上昇させる。ゲート電圧が上がるとスイッチング素子１４のインピーダンスすなわちオン電圧が下がり、出力電流が増え、やがて電流リミッタ設定値Ｉｍａｘ  に達する。この時の直流電源の出力電流と出力電圧の関係を示したのが図６の直線２である。この直線と負荷特性との交点Ｂが、電流リミッタ設定値に対応している。
【００３２】
出力電流が電流リミッタ設定値Ｉｍａｘ  を超えると、比例増幅器６０の動作により電流リミッタ設定値Ｉｍａｘ  と電流検出値Ｉｄｅｔ  との差をゲイン倍したものが、減算器７２で定電流調節器５８の出力から差し引かれ、その値がＰＷＭ制御装置５２に入力される。ＰＷＭ制御装置は、スイッチング素子１４のオン時間を減少させて、出力電圧を下げる。その結果、直流電源の出力電流と出力電圧の関係は図６の直線３の方向に動くことになり、電流が減少する。一方、オン電圧制御回路６２はスイッチング素子１４のオン電圧を下げ続けているので、直流電源の出力電流と出力電圧の関係はさらに図６の直線４の方向に動く。ここで再び比例増幅器６０の動作で出力電圧が下がり、図６の直線５の方向に動き、さらに直線６の方向に動く。結局、この動作が連続的に行われるので、結果的には点Ｂを基点として直線２から直線６の方向に動くことになる。以上の動作によりグロー放電開始後は連続的に速やかに、しかも過電流になることなく定常運転状態に移行することになる。
【００３３】
次に、グロー放電開始検出後時間Ｔ１が経つと、デューティ制御回路５４の出力が時間Ｔ２のランプ関数で最大デューティから５０％デューティに切替わっていく。この時は既に定常運転に入っているので、この切替わりによって出力電圧が下がろうとしても、定電力調節器５６および定電流調節器５８の動作により出力が一定に保たれる。
【００３４】
以上のようにして、グロー放電開始後に連続的、速やかに、かつ過電流を発生させることなく定常運転に移行させることができる。
【００３５】
グロー放電負荷が定常運転中にアーク放電に移行した場合には、検出器６６が、直流電源の出力電圧が定格電圧に比較して異常に低い（定格電圧の１０％位）場合、または出力電流が定格電流に比較して異常に大きい（定格電流の１２０〜１５０％）場合を検出すると、アーク放電検出信号がゲートドライバ４２に入力され、デューティ制御用スイッチング素子２０，２２をオフさせることにより出力電圧をゼロＶにしてアーク放電を消滅させ、一定時間後に再びオンすることによって正常なグロー放電に戻す。
【００３６】
以上の実施例では、出力制御用スイッチング素子がＦＥＴの場合について説明したが、ＦＥＴの代わりに、ＭＯＳＦＥＴとバイポーラトランジスタを組合わせて１チップとした絶縁ゲートバイポーラトランジスタを用いても良い。
【００３７】
また、デューティ制御用スイッチング素子は、２つを用いたが、３つ以上のスイッチング素子を用いることもできる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の制御装置および方法によれば、グロー放電負荷用直流電源において、グロー放電開始後に連続的、速やかに、かつ過電流を発生させることなく定常運転に移行させることができる。また、アーク放電が発生した場合には、これを検出して速やかにグロー放電に移行させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】グロー放電の電流−電圧特性を示す図である。
【図２】スパッタリング装置用直流電源の回路図である。
【図３】直流電源を含む回路部の回路図である。
【図４】制御回路部の回路図である。
【図５】検出部の詳細図である。
【図６】本発明による制御方法でのグロー放電開始から定常運転に移行するまでの直流電源の出力電圧，出力電流の変化を、負荷特性との関係において示す図である。
【符号の説明】
１０  主回路部
１２  １次側整流器
１４  出力制御用スイッチング素子
１６  １次側コイル
１８  １次側コンデンサ
２０，２２  デューティ制御用スイッチング素子
２４，２６  トランス
２８，３０  ２次側整流器
３２，３４  ２次側コイル
３６  ２次側コンデンサ
４０，４２  ゲートドライバ
４４  シャント抵抗
４６，４８  分圧抵抗
５０  制御回路部
５２  ＰＷＭ制御回路
５４  デューティ制御回路
５６  定電力調節器
５８  定電流調節器
６０  比例増幅器
６２  オン電圧制御回路
６４  タイマ
６６  検出器
【図１】
0003548753.tif 000002
【図２】
0003548753.tif 000003
【図３】
0003548753.tif 000004
【図４】
0003548753.tif 000005
【図５】
0003548753.tif 000006
【図６】
0003548753.tif 000007