(57)【要約】【課題】物理的な接触による短絡や「気中アーク」などが発生した場合に迅速且つ確実に停止することができる電源、電源システム、スパッタ電源及びスパッタ装置を提供することを目的とする。【解決手段】インバータにおける電流が所定値を超えている時間を積算し、この積算した時間が所定の上限値を超えるとインバータの動作を制限する過電流停止回路（ＣＳＵ）を設ける。または、負荷（１０１、１０４）に対して順方向の直流電力を出力して定常運転を行い、負荷のインピーダンスの低下が生ずると負荷に対する順方向の直流電力の出力を遮断する遮断動作を行い、しかる後に順方向の直流電力の出力を再開する復帰動作を行う電源において、遮断動作と復帰動作の頻度が所定の上限値を超えると順方向の直流電力の出力を制限するアーク停止回路（ＡＳＵ）を設ける。【選択図】  図１
2004194420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータからの交流出力を整流し平滑して負荷に対して順方向の直流電力を出力する電源であって、
前記インバータにおける電流が第１の値を超えた時に前記インバータの動作を制限する電流リミット回路と、
前記インバータにおける電流が第２の値を超えている時間を積算し、この積算した時間が所定の上限値を超えると前記インバータの動作を制限する過電流停止回路と、
を備えたことを特徴とする電源。
【請求項２】
負荷に対して順方向の直流電力を出力して定常運転を行い、前記負荷のインピーダンスの低下が生ずると前記負荷に対する前記順方向の直流電力の出力を遮断する遮断動作を行い、しかる後に前記順方向の直流電力の出力を再開する復帰動作を行う電源であって、
前記遮断動作と前記復帰動作の頻度が所定の上限値を超えると前記順方向の直流電力の出力を制限するアーク停止回路を備えたことを特徴とする電源。
【請求項３】
インバータからの交流出力を整流し平滑して負荷に対して順方向の直流電力を出力して定常運転を行い、前記負荷のインピーダンスの低下が生ずると前記負荷に対する前記順方向の直流電力の出力を遮断する遮断動作を行い、しかる後に前記順方向の直流電力の出力を再開する復帰動作を行う電源であって、
前記インバータにおける電流が第１の値を超えた時に前記インバータの動作を制限する電流リミット回路と、
前記インバータにおける電流が第２の値を超えている時間を積算し、この積算した時間が所定の上限値を超えると前記インバータの動作を制限する過電流停止回路と、
前記遮断動作と前記復帰動作の頻度が所定の上限値を超えると前記順方向の直流電力の出力を制限するアーク停止回路と、
を備えたことを特徴とする電源。
【請求項４】
前記過電流停止回路は、前記インバータにおける電流が前記第２の値を超えたことを第１の瞬間に検出し、さらに前記第１の瞬間から第１の時間が経過する前の第２の瞬間に前記インバータにおける電流が前記第２の値を再び超えたことを検出した場合には、前記インバータにおける電流が、前記第１の瞬間から前記第２の瞬間まで連続して前記第２の値を超えたと判断することを特徴とする請求項１または３に記載の電源。
【請求項５】
前記過電流停止回路は、前記インバータの動作を制限するための信号をラッチ回路により保持することを特徴とする請求項１、３及び４のいずれか１つに記載の電源。
【請求項６】
前記アーク停止回路は、前記インバータの動作を制限するための信号をラッチ回路により保持することを特徴とする請求項２または３に記載の電源。
【請求項７】
請求項５または６に記載の電源と、
前記電源に対して出力電力の設定値と、起動及び停止の制御信号と、を出力する制御装置と、
を備え、
前記ラッチ回路には、前記制御信号も入力されることを特徴とする電源システム。
【請求項８】
請求項１〜３、４及び５のいずれか１つに記載の電源と、
前記電源に対して出力電力の設定値と、起動及び停止の制御信号と、を出力する制御装置と、
を備え、
前記過電流停止回路は、前記インバータの動作を制限したことを前記制御装置に通知することを特徴とする電源システム。
【請求項９】
請求項２、３及び６のいずれか１つに記載の電源と、
前記電源に対して出力電力の設定値と、起動及び停止の制御信号と、を出力する制御装置と、
を備え、
前記アーク停止回路は、前記インバータの動作を制限したことを前記制御装置に通知することを特徴とする電源システム。
【請求項１０】
ターゲットをスパッタして薄膜を形成するスパッタリング用電源であって、
請求項１〜６のいずれか１つに記載の電源を備え、
前記順方向の電力を前記ターゲットに与えて前記スパッタを実施可能としたことを特徴とするスパッタリング用電源。
【請求項１１】
ターゲットをスパッタして薄膜を形成するスパッタリング用電源であって、
請求項２、３及び６のいずれか１つに記載の電源を備え、
前記順方向の電力を前記ターゲットに与えて前記スパッタを実施可能とし、
前記インピーダンスの低下は、前記スパッタの際のアーク放電の発生によるものであることを特徴とするスパッタリング用電源。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載のスパッタリング用電源と、
前記ターゲットを収容可能とし大気圧よりも減圧された雰囲気を維持可能な真空チャンバと、
を備えたことを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項１３】
請求項７〜９のいずれか１つに記載の電源システムと、
前記ターゲットを収容可能とし大気圧よりも減圧された雰囲気を維持可能な真空チャンバと、
を備え、
前記順方向の電力を前記ターゲットに与えて前記スパッタを実施可能としたことを特徴とするスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源、電源システム、スパッタ用電源及びスパッタ装置に関し、特に、順方向に電圧を印加した状態においてアーク放電などの突発的な短絡電流が発生した場合に、これを遮断するために逆方向に電圧を印加可能な電源、電源システム、スパッタ用電源及びスパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種のプラズマ応用機器や、マイクロ波などの電磁波発生器、電力スイッチング装置などにおいて、電源の運転中に負荷側で突発的なインピーダンスの低下が生ずることがある。このインピーダンスの低下は、負荷側で、短絡的な突発電流が流れることなどによる。このような突発電流が生ずると機器の動作に弊害をもたらす場合が多いため、突発電流を確実且つ迅速に遮断する回路が必要とされる場合が多い。
【０００３】
以下、このような電源の具体例として、薄膜形成に用いるスパッタ用電源を例に挙げて説明する。
【０００４】
図１０は、ＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）スパッタ装置の要部構成を表す模式図である。このスパッタ装置は、真空チャンバ１０１とスパッタ用ＤＣ電源１１０とを有する。電源１１０の陽極は、接続ケーブル１２０Ａを介してチャンバ１０１に接続され、接地電位とされている。一方、電源１１０の陰極は、接続ケーブル１２０Ｂを介して、チャンバ１０１の内部に設けられたスパッタリング・ターゲット１０４に接続されている。そして、チャンバ１０１の内部には、薄膜を堆積する基板１００が設置される。
【０００５】
成膜に際しては、まず、真空排気ポンプ１０６によりチャンバ１０１内を真空状態にし、ガス供給源１０７からアルゴン（Ａｒ）などの放電ガスを導入してチャンバ内を所定の放電圧力に維持する。そして、電源１１０によりターゲット１０４とチャンバ１０１との間に電界を印加し、グロー放電１０８を発生させる。すると、放電空間において生成されたプラズマ中の正イオンがターゲット１０４の表面に衝突し、ターゲット１０４の原子をはじき出す。このようなスパッタ現象を利用することにより、ターゲット１０４の材料からなる薄膜を基板１００の上に形成することができる。
【０００６】
しかし、このようなスパッタ動作中に、チャンバ１０１内での放電が停止する場合がある。例えば、ガス供給源１０７から供給されるガスとポンプ１０６による排気速度とのバランスが変動したような場合、放電条件が満たされなくなると放電が停止してプラズマが消失することがある。放電が停止すると、スパッタ電流が流れなくなり、負荷インピーダンスが急激に上昇する。従って、電源１１０は、このような負荷インピーダンスの急激な上昇に対して柔軟に対応できる構造を有する必要がある。
【０００７】
また一方、スパッタ動作中に、チャンバ１０１内でアーク放電１５０が生ずる場合がある。このようなアーク放電１５０は、ターゲット１０４の近傍において生ずる場合が比較的多いが、基板１００の近傍において生ずる場合もある。そして、このようなアーク放電１５０が生ずると、局所的に大電流が流れるために、チャンバの負荷インピーダンスが低下し、ターゲット１０４や基板１００に損傷が生ずる。
【０００８】
例えば、ターゲット１０４の側でアーク放電１５０が生ずると、ターゲット１０４の微小領域に大電流が集中するために、その部分から瞬間に大量の被着材料が放出される。この現象は「スプラッシュ」などと称され、基板１００の表面に被着材料の粒子が飛び散るために、被害を受けてしまう。
【０００９】
一方、基板１００の側にアーク放電１５０が生じた場合にも、基板１００が損傷を受けて不良品になってしまう場合が多い。
【００１０】
従って、このようなアーク放電が発生した場合に、迅速且つ確実にアークを消弧できるアーク遮断機能を有するスパッタ用電源が必要とされている。
【００１１】
図１１は、スパッタ用電源の一例を表す模式図である。
【００１２】
この電源は、制御された直流電流を出力する電源部ＤＣＰＦと整流インダクタＬ０とスイッチング部Ｑ３と遮断回路ＡＳとを有する。
【００１３】
この電源は、コンピュータやシーケンサなどの上位の制御装置ＭＣＵからの起動停止信号（ｒｕｎ／ｓｔｏｐ）に応じて、電力の出力の有無が制御される。また、制御装置ＭＣＵからの電力設定進行（Ｐｓｅｔ）に応じてフィードバック制御を行い、適切な電流を出力する。
【００１４】
スパッタの開始時には、スイッチング部Ｑ３を開いた状態で、電源部ＤＣＰＦから直流電力をターゲット１０４及びチャンバ１０１に印加し、プラズマを点火する。
【００１５】
一方、スパッタ中にアーク放電が発生すると、チャンバのインピーダンスが低下する。すると、遮断回路ＡＳが、出力電圧の低下として検出し、スイッチング部Ｑ３を閉じることにより電源部ＤＣＰＦからの出力を短絡して、チャンバへの出力を遮断する。遮断回路ＡＳは、所定の時間だけスイッチング部Ｑ３を閉じた後に、再びスイッチング部Ｑ３を開いて、チャンバへの電力の出力を再開させる。  そして、ここでアーク放電が消弧している場合には、そのままスパッタを再開する。一方、ここでアーク放電が消弧していない場合には、遮断回路ＡＳは再びスイッチング部Ｑ３を閉じて遮断動作を繰り返す。このようにして、アーク放電がなくなるまで、スイッチング部Ｑ３の開閉が繰り返される。
【００１６】
通常のスパッタの際には、２ミリ秒を超えるような長い連続アークは観察されないことが多い。そして、図１１に表した電源によれば、チャンバ内で生ずる通常のアーク放電をほぼ確実に遮断することが可能である。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１１に例示した電源の場合、チャンバ内部での通常のアーク放電とは異なる原因で短絡や突発電流が発生すると、その遮断が容易でないことがある。例えば、チャンバ内でターゲットとアノード電極とが物理的に接触することにより短絡して電源からの出力電圧が低下したような場合には、上述した遮断動作によっては原因を排除することが困難である。
【００１８】
また、いわゆる「気中アーク」、すなわちチャンバ外部の大気中でアーク放電が発生したような場合にも、通常の「遮断期間」の停止動作で消弧することは困難である。
【００１９】
また、電源の内部においても、例えば、高電圧充電部などに宇宙線が飛来して放電が始まり、気中アーク放電に至る場合もあり得る。
【００２０】
これらの場合には、電源部ＤＣＰＦに設けられているリミット回路（図示せず）によって電源の出力は急停止するが、短絡部あるはアーク放電に流れる電流がインダクタＬ０に保持されたり、大きなアーク放電で消弧できなかったりすると、電源部ＤＣＰＦの運転再開によりアーク放電が消えないまま再度電力を投入してしまい、アーク放電をいつまでも消弧できない。このようにして短絡部や「気中アーク」に電力を投入し続けると、発熱などにより電源や装置が故障することもあり得る。
【００２１】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、物理的な接触による短絡や「気中アーク」などが発生した場合に迅速且つ確実に停止することができる電源、電源システム、スパッタ電源及びスパッタ装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の第１の電源は、インバータからの交流出力を整流し平滑して負荷に対して順方向の直流電力を出力する電源であって、
前記インバータにおける電流が第１の値を超えた時に前記インバータの動作を制限する電流リミット回路と、前記インバータにおける電流が第２の値を超えている時間を積算し、この積算した時間が所定の上限値を超えると前記インバータの動作を制限する過電流停止回路と、を備えたことを特徴とする。
【００２３】
上記構成によれば、物理的な接触による短絡や「気中アーク」などが発生した場合に、過電流停止回路によって迅速且つ確実に停止する電源を提供できる。
【００２４】
また、本発明の第２の電源は、負荷に対して順方向の直流電力を出力して定常運転を行い、前記負荷のインピーダンスの低下が生ずると前記負荷に対する前記順方向の直流電力の出力を遮断する遮断動作を行い、しかる後に前記順方向の直流電力の出力を再開する復帰動作を行う電源であって、
前記遮断動作と前記復帰動作の頻度が所定の上限値を超えると前記順方向の直流電力の出力を制限するアーク停止回路を備えたことを特徴とする。
【００２５】
上記構成によれば、物理的な接触による短絡や「気中アーク」などが発生した場合に、アーク停止回路によって迅速且つ確実に停止する電源を提供できる。
【００２６】
また、本発明の第３の電源は、インバータからの交流出力を整流し平滑して負荷に対して順方向の直流電力を出力して定常運転を行い、前記負荷のインピーダンスの低下が生ずると前記負荷に対する前記順方向の直流電力の出力を遮断する遮断動作を行い、しかる後に前記順方向の直流電力の出力を再開する復帰動作を行う電源であって、
前記インバータにおける電流が第１の値を超えた時に前記インバータの動作を制限する電流リミット回路と、前記インバータにおける電流が第２の値を超えている時間を積算し、この積算した時間が所定の上限値を超えると前記インバータの動作を制限する過電流停止回路と、前記遮断動作と前記復帰動作の頻度が所定の上限値を超えると前記順方向の直流電力の出力を制限するアーク停止回路と、を備えたことを特徴とする。
【００２７】
上記構成によれば、物理的な接触による短絡や「気中アーク」などが発生した場合に、過電流停止回路またはアーク停止回路によって迅速且つ確実に停止する電源を提供できる。
【００２８】
ここで、前記過電流停止回路は、前記インバータにおける電流が前記第２の値を超えたことを第１の瞬間に検出し、さらに前記第１の瞬間から第１の時間が経過する前の第２の瞬間に前記インバータにおける電流が前記第２の値を再び超えたことを検出した場合には、前記インバータにおける電流が、前記第１の瞬間から前記第２の瞬間まで連続して前記第２の値を超えたと判断するものとすることができる。
【００２９】
また、前記過電流停止回路は、前記インバータの動作を制限するための信号をラッチ回路により保持するものとすれば、電源による自動復帰をさせず、異常の原因を確実に取り除くことができる。
【００３０】
また、前記アーク停止回路は、前記インバータの動作を制限するための信号をラッチ回路により保持するものとすれば、電源による自動復帰をさせず、異常の原因を確実に取り除くことができる。
【００３１】
一方、本発明の第１の電源システムは、上記の電源と、前記電源に対して出力電力の設定値と、起動及び停止の制御信号と、を出力する制御装置と、を備え、前記ラッチ回路には、前記制御信号も入力されることを特徴とする。
【００３２】
上記構成によれば、制御装置からの復帰信号により電源を復帰させることができる。
【００３３】
また、本発明の第２の電源システムは、上記の電源と、前記電源に対して出力電力の設定値と、起動及び停止の制御信号と、を出力する制御装置と、を備え、前記過電流停止回路は、前記インバータの動作を制限したことを前記制御装置に通知することを特徴とする。
【００３４】
上記構成によれは、短絡などの異常が発生して過電流停止回路が電源を停止させた時に、制御装置に最適な処理を実行させることができる。
【００３５】
また、本発明の第４の電源システムは、上記の電源と、前記電源に対して出力電力の設定値と、起動及び停止の制御信号と、を出力する制御装置と、を備え、前記アーク停止回路は、前記インバータの動作を制限したことを前記制御装置に通知することを特徴とする。
【００３６】
上記構成によれは、短絡などの異常が発生してアーク停止回路が電源を停止させた時に、制御装置に最適な処理を実行させることができる。
【００３７】
一方、本発明のスパッタリング用電源は、ターゲットをスパッタして薄膜を形成するスパッタリング用電源であって、上記の電源を備え、前記順方向の電力を前記ターゲットに与えて前記スパッタを実施可能としたことを特徴とする。
【００３８】
上記構成によれば、物理的な接触による短絡や「気中アーク」などが発生した場合に、迅速且つ確実に停止するスパッタリング用電源を提供できる。
【００３９】
また、本発明の第２のスパッタリング用電源は、ターゲットをスパッタして薄膜を形成するスパッタリング用電源であって、上記の電源を備え、前記順方向の電力を前記ターゲットに与えて前記スパッタを実施可能とし、前記インピーダンスの低下は、前記スパッタの際のアーク放電の発生によるものであることを特徴とする。
【００４０】
上記構成によれば、スパッタ中にチャンバ内で発生するアーク放電を確実に遮断しつつ、物理的な接触による短絡や「気中アーク」などが発生した場合にも迅速且つ確実に停止する電源を提供できる。
【００４１】
一方、本発明のスパッタリング装置は、上記のスパッタリング用電源と、前記ターゲットを収容可能とし大気圧よりも減圧された雰囲気を維持可能な真空チャンバと、を備えたことを特徴とする。
【００４２】
また、本発明の第２のスパッタリング装置は、上記の電源システムと、前記ターゲットを収容可能とし大気圧よりも減圧された雰囲気を維持可能な真空チャンバと、を備え前記順方向の電力を前記ターゲットに与えて前記スパッタを実施可能としたことを特徴とする。
【００４３】
以下、本発明の電源について説明する前にまず、本発明者が本発明に至る過程で試作した電源について説明する。
【００４４】
図９は、本発明者が本発明に至る過程で試作したスパッタ用電源の要部を表す模式図である。
【００４５】
この電源は、直流電源ＤＣ１とトランジスタＱ１、Ｑ２とを共有した２つのインバータを有する。すなわち、直流電源ＤＣ１、トランジスタＱ１、Ｑ２、トランスＴ１及び整流器ＤＢ１を有する第１のインバータＩＮＶ１と、直流電源ＤＣ１、トランジスタＱ１、Ｑ２、トランスＴ２及び整流器ＤＢ２を有する第２のインバータＩＮＶ２と、を有する。これらインバータの出力電流は、インダクタＬ１乃至Ｌ４によりそれぞれ平滑化されてチャンバ１０１及びターゲット１０４に供給される。
【００４６】
また、この電源は、上位の制御装置ＭＣＵによって制御される。すなわち、この電源は、制御装置ＭＣＵから、出力電力の設定信号Ｐｓｅｔと起動停止信号（ｒｕｎ／ｓｔｏｐ）を入力し、これらの信号に基づいて動作する。
【００４７】
電力設定信号Ｐｓｅｔは、電源においてフィードバック制御の参照信号として用いられる。すなわち、電源からチャンバに出力される電圧は電圧検出部（Ｖ−ｍｓｒ）により検出され、また電流は電流検出部（Ｃ−ｍｓｒ）により検出される。これらの検出データは乗算部（ＭＰＸ）において乗算され、出力電力が得られる。この出力電力と、上位の制御装置ＭＣＵからの制御信号Ｐ−ｓｅｔは、電力比較回路Ｐ−ｃｔｒ１に入力され、その差分に基づく電流出力信号が得られる。この電流出力信号は、実際の出力電流値（Ｃ−ｍｓｒ）とともに電流比較回路Ｃ−ｃｔｒ１に入力され、出力すべき電流値に対応する制御信号が演算される。
【００４８】
この制御信号は、パルス幅変調器ＰＷＭに入力されてインバータを構成するトランジスタＱ１、Ｑ２のゲートパルス幅を制御する。このようにして、上位の制御装置ＭＣＵからの制御信号Ｐ−ｓｅｔに基づくフィードバック制御が実行される。
【００４９】
一方、この電源は、インバータのトランスを流れる電流から過電流を検出してインバータ動作を停止させるリミット回路を有する。すなわち、インバータのトランスＴ１、Ｔ２の１次側には、それぞれ電流検出用のトランスＣＴ１、ＣＴ２が直列に設けられている。
【００５０】
これらトランスＣＴ１、ＣＴ２の２次側の出力は、抵抗Ｒにより電圧に変換され、比較回路ＯＣ１において基準電圧（Ｖｒｅｆ）と比較され、トランス電流が所定値を超えている場合には、オア・ゲートを介してパルス幅変調器ＰＷＭにリミット信号（ｌｉｍｉｔ）が出力される。パルス幅変調器ＰＷＭは、このリミット信号（ｌｉｍｉｔ）を受け取るとインバータのトランジスタＱ１、Ｑ２を開いてインバータ動作を停止させる。
【００５１】
このようにして、トランス電流が所定の制限値を超えると、リミット信号（ｌｉｍｉｔ）が出力されてインバータの動作が停止する。そして、トランス電流が制限範囲内に低下するとリミット信号は解除され、インバータが動作を再開する。
【００５２】
また一方、同様のリミット信号（ｌｉｍｉｔ）は、上位の制御装置ＭＣＵから停止信号が送信された場合にも出力され、インバータの動作を停止させることができる。
【００５３】
次に、この電源の動作について説明する。
【００５４】
まず、スパッタを実施する時には、インバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２を起動し、インダクタ電流を短絡する絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ３を開いた状態として、直流電圧をチャンバ１０１及びターゲット１０４に出力する。
【００５５】
一方、チャンバ内にアーク放電が発生すると、チャンバのインピーダンスが低下し、出力電圧が低下する。アークセンサ（Ａ−ｓｅｎ）は、このような電圧の低下によってアーク放電を検出すると、アンド・ゲートを介してワンショット・タイマＴＭ１を起動する。ワンショット・タイマＴＭ１は、所定の「アーク遮断期間」の間、アーク遮断信号（ａｒｃ−ｃｕｔ）を出力し、これがドライバ（ｄｒｉｖｅｒ）を介してトランジスタＱ３を閉じる。
【００５６】
「アーク遮断期間」が経過すると「休止期間」に入る。「休止期間」には、アーク判定は行わず、チャンバに対して無条件に順方向電圧を印加して電圧が安定するのを待つ。具体的には、タイマＴＭ１からのアーク遮断信号（ａｒｃ−ｃｕｔ）は停止し、  トランジスタＱ３は再び開く。そして、タイマＴＭ２から出力されるリセット信号（ｒｅｓｅｔ）によってタイマＴＭ１をリセットする。さらに、このリセット信号（ｒｅｓｅｔ）の反転信号をアークセンサ（Ａ−ｓｅｎ）  からの出力信号の対入力としてアンド・ゲートに入力することにより、アークセンサ（Ａ−ｓｅｎ）からのフィードバックを無効にする。
【００５７】
「休止時間」の後は、アークセンサ（Ａ−ｓｅｎ）からのフィードバックを再び有効にする。すなわち、タイマＴＭ２により所定の時間をカウントしたらリセット信号（ｒｅｓｅｔ）を停止する。
【００５８】
そして、アーク放電が消弧したとアークセンサ（Ａ−ｓｅｎ）が判断した場合、つまりチャンバへの出力電圧が高い場合には、そのままスパッタリングが再開される。一方、アーク放電が消弧していまないと判断した場合、つまりチャンバへの出力電圧が低い場合には、アークセンサ（Ａ−ｓｅｎ）は、再びタイマＴＭ１をオンして「アーク遮断期間」を開始する。このようにして、アーク放電がなくなるまで、「アーク遮断期間」と「休止期間」とが繰り返される。
【００５９】
通常のスパッタの際には、２ミリ秒を超えるような長い連続アークは観察されないことが多い。そして、図１１に表した電源によれば、チャンバ内で生ずる通常のアーク放電をほぼ確実に遮断することができる。
【００６０】
本発明者は、以上説明したような電源にさらに改良を施すことにより、本発明をするに至った。
【００６１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００６２】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態として、インバータのトランスに過電流が流れる時間を積算することにより短絡または連続アークの発生を判断して出力を停止し、必要に応じて上位制御装置に通知する電源システムについて説明する。
【００６３】
図１は、本実施形態にかかる電源システムの要部を表す模式図である。
【００６４】
すなわち、同図は、図９に表した電源に対して本実施形態を適用した具体例を表す。図１の電源の構成及び動作については、図９に関して前述したものと同様の要素に同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６５】
本実施形態においては、過電流停止回路ＣＳＵが設けられている。過電流停止回路ＣＳＵは、インバータのトランスを過電流が連続して流れる時間を計測し、その時間が所定の上限を超えた場合に、インバータに停止信号を出力する。
【００６６】
すなわち、過電流停止回路ＣＳＵは、チャンバ１０１内でターゲット１０４とアノード電極とが短絡したり、またはチャンバの外部で「気中アーク」などが発生した場合に、電源を停止させる。これらの異常の有無の判定は、インバータのトランスを過電流が流れた時間を計測することにより行う。
【００６７】
ただし、図９に関して前述したように、アーク放電などが発生した場合には、トランスＣＴ１、ＣＴ２によりトランス電流を検出するリミット回路（Ｒ、ＯＣ１、Ｖｒｅｆ）が動作してインバータは瞬時遮断される。このような瞬時遮断が作用すると、トランスの過電流の連続性を計測できない。そこで、過電流停止回路ＣＳＵは、一度過電流を検出したら、それから所定の時間はその過電流が連続しているものと仮定し、この所定時間の範囲内に再度トランスの過電流を検出したら、過電流の時間計測を継続する。そして、計測した過電流の時間が所定の値に達したら、インバータを停止させる信号を出力する。
【００６８】
このようにしてインバータを停止させた後の再起動は、上位の制御装置ＭＣＵから起動信号を再投入することにより行うことができる。
【００６９】
以下、図１に例示した過電流停止回路ＣＳＵの具体例の動作について説明する。
【００７０】
まず、差動回路ＤＩＦ１、ＤＩＦ２は、インバータのトランスＣＴ１、ＣＴ２を介して抵抗Ｒの両端に生ずる電圧をそれぞれ計測する。これらの計測値は比較回路ＯＣ２に共通入力され、基準電圧Ｖｒｅｆと比較される。このようにして、トランスＣＴ１、ＣＴ２の少なくともいずれかを規定値以上の電流が流れた時に、タイマＴＭ３が起動される。
【００７１】
タイマＴＭ３は、その動作中に再度起動信号を受け取ると、出力パルス時間を延長する。すなわち、タイマＴＭ３は、カウントを開始すると所定の時間、パルスを出力する。そして、タイマＴＭ３は、カウント中にトランスＣＴ１、ＣＴ２の少なくともいずれかに過電流が流れると、最初からカウントを再開する。
【００７２】
タイマＴＭ３の出力はＲＣ時定数回路に入力されて時間平均が得られる。この時間平均が所定の基準に達したら、ラッチ回路を介して、トランス過電流によるリミット信号（比較回路ＯＣ１からの出力信号）との論理和を求め、この停止信号によりインバータのトランジスタを停止する。
【００７３】
このようにして電源が停止しても、過電流停止回路ＣＳＵから出力される停止信号は保持され、電源は、過電流停止回路ＣＳＵのラッチが解除されるまで停止する。ラッチ回路の他方の入力に、上位の制御装置ＭＣＵからの起動停止信号（ｒｕｎ／ｓｔｏｐ）を入力し、制御装置ＭＣＵから起動信号を入力することにより、ラッチ回路をリセットすることができる。すなわち、過電流停止回路ＣＳＵにより電源が停止した場合には、上位の制御装置ＭＣＵからの起動信号を再投入することにより、電源は復帰する。
【００７４】
このようにすれば、チャンバ内で物理的な短絡が生じたり、またはチャンバの外部で「気中アーク」が発生した場合などに、過電流停止回路ＣＳＵが電源を確実に停止させることができる。
【００７５】
しかも、このようにして電源を停止させた場合、電源を復帰させるためには、上位の制御装置からの起動信号を再投入する必要がある。つまり、電源の復帰の前に、物理的な短絡や「気中アーク」などの異常の原因を確実に取り除くことができ、過剰電流を流しつづける心配がない。
【００７６】
なお、このような過電流の連続を上位の制御装置ＭＣＵにより検出する方法も考えられる。しかし、上位の制御装置ＭＣＵとして用いられる標準的なシーケンサの場合、下位の接続機器である電源からのデータ読みとりサイクルは０．１秒程度であり、いわゆる「高速型」のシーケンサの場合でも、データ読みとりサイクルは１０ミリ秒程度である。つまり、これらのデータ読みとり時間よりも短い制御は困難である。
【００７７】
これに対して、本具体例の場合、過電流停止回路ＣＳＵが動作するための連続過電流の許容時間は、１ミリ秒以下に設定することができる。つまり、本具体例によれば、短絡や「気中アーク」などにより過電流が１ミリ秒程度流れた場合に電源を停止させることができ、過電流による電源やスパッタ装置の損傷を大幅に低減することができる。
【００７８】
なお、図１の過電流停止回路ＣＳＵのラッチ回路の入力の一方を、上位の制御装置ＭＣＵからの起動停止信号（ｒｕｎ／ｓｔｏｐ）ではなく、電源内に別途設けたリセット信号源（図示せず）としてもよい。
【００７９】
この場合には、制御装置ＭＣＵからの起動信号ではなく、電源内のリセット信号源からラッチ回路にリセット信号を与えることにより、電源を復帰させることができる。
【００８０】
図２は、本実施形態の変形例にかかる電源システムの要部を表す模式図である。同図については、図１あるいは図９に関して前述したものと同様の要素については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８１】
本変形例の場合、過電流停止回路ＣＳＵのラッチ回路からの停止信号ＡＬが上位の制御装置ＭＣＵに入力されている。このようにすれば、上位の制御装置ＭＣＵは、電源において過電流停止回路ＣＳＵによる停止が発生したことを検知し、電源の目的や用途に応じて、その後の最適な動作を行うことができる。
【００８２】
例えば、上位の制御装置ＭＣＵは、過電流停止回路ＣＳＵから停止信号ＡＬを所定の回数だけ受け取ったら、スパッタ装置を停止させ、オペレータ（作業者）を呼び出すモードを開始してもよい。
【００８３】
または、上位の制御装置ＭＣＵは、過電流停止回路ＣＳＵから停止信号ＡＬを所定の回数だけ受け取ったら、その工程を中断し、その工程に異常があったことを記録した上で、次の工程を開始するようにしてもよい。つまり、その工程で流れたバッチを「不良品」として処理し、その次のバッチのスパッタリングを開始する。
【００８４】
または、制御装置ＭＣＵは、過電流停止回路ＣＳＵから停止信号ＡＬを受け取った場合に、電源に対して起動信号を出力し、その後２０ミリ秒以上経過してから電源から停止信号ＡＬを受け取った場合には、電源に対して起動信号を再び出力し、その後２０ミリ秒の猶予を以て電源の運転状態を監視する。そして、このような再起動動作を所定の回数だけ繰り返したら、「故障」と判断してスパッタ装置の運転を中止するようにしてもよい。このようにすれば、アーク放電が多発するような負荷状態でも、装置の故障と誤判断することを防げる。
【００８５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態として、アークセンサによるアーク遮断動作を検出し、アーク遮断動作が所定の頻度で行われたら出力を停止し、必要に応じて上位の制御装置に通知する電源について説明する。
【００８６】
図３は、本実施形態にかかる電源システムの要部を表す模式図である。
【００８７】
すなわち、同図は、図９に表した電源に対して本実施形態を適用した具体例を表す。図３の電源の構成及び動作については、図９、図１及び図２に関して前述したものと同様の要素に同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本具体例の電源においては、アークセンサによるアーク遮断動作の頻度を計測し、その頻度が所定の範囲に達したら電源を停止させるアーク停止回路ＡＳＵが設けられている。
【００８８】
すなわち、チャンバ出力インピーダンスの低下をアークセンサ（Ａ−ｓｅｎ）が検出すると、図９に関して前述したようなアーク遮断動作を開始する。しかし、その原因が、チャンバ内での物理的な接触による短絡や「気中アーク」などによる場合には、アーク遮断動作によっては回復せず、再びアークセンサによりアーク遮断動作が繰り返される。
【００８９】
本実施形態においては、このようにアーク遮断動作が所定の時間内に所定の回数だけ繰り返された場合に、アーク停止回路ＡＳＵが電源を停止させる。すなわち、前述した「遮断期間」と「休止期間」とがある程度連続して繰り返されたような場合に、アーク停止回路ＡＳＵは電源を停止する。また、「遮断期間」と「休止期間」とが必ずしも連続的に繰り返されなくても、短時間（例えば、１マイクロ秒以下）の間隔を置いて繰り返されたような場合も、アーク遮断回路ＡＳＵは電源を停止する。
【００９０】
図３の具体例について説明すると、アークセンサ（Ａ−ｓｅｎ）からタイマＴＭ１を介して出力されたアーク遮断信号（ａｒｃ−ｃｕｔ）と、「休止期間」を管理するタイマＴＭ２からの出力信号とが、アーク停止回路ＡＳＵのオア・ゲートに入力され、論理和が得られる。
この論理和信号をＲＣ時定数回路に入力して、その時間平均を求める。時間平均が所定の基準に達したら、ラッチ回路を介して、トランス過電流によるリミット信号（比較回路ＯＣ１からの出力信号）その論理和を求め、この停止信号によりインバータのトランジスタを停止する。つまり、「遮断期間」と「休止期間」とがある程度の頻度で繰り返されると、ＲＣ時定数回路に対して、その減衰時間を超えるような信号入力が生ずる。すると、ラッチ回路を介して停止信号が出力される。この停止信号を出力するための時間平均は、例えば、７ミリ秒程度に設定することができる。
【００９１】
アーク停止回路ＡＳＵのラッチ回路から出力される信号に基づいて電源が停止した場合には、停止信号は保持されるので、電源は、ラッチが解除されるまで停止する。ラッチ回路の他方の入力に、上位の制御装置ＭＣＵからの起動停止信号（ｒｕｎ／ｓｔｏｐ）を入力し、制御装置ＭＣＵから起動信号を入力することにより、ラッチ回路をリセットすることができる。すなわち、アーク停止回路ＡＳＵにより電源が停止した場合には、上位の制御装置ＭＣＵからの起動信号を再投入することにより、電源は復帰する。
【００９２】
このようにすれば、チャンバ内で物理的な短絡が生じたり、またはチャンバの外部で「気中アーク」が発生した場合などに、アークセンサによりアーク遮断動作が連続して繰り返され、アーク停止回路ＡＳＵがこれを検出して電源を確実に停止させることができる。
【００９３】
しかも、第１実施形態の場合と同様に、このようにして電源を停止させた場合、電源を復帰させるためには、上位の制御装置からの起動信号を再投入する必要がある。つまり、電源の復帰の前に、物理的な短絡や「気中アーク」などの異常の原因を確実に取り除くことができ、過剰電流を流しつづける心配がない。
【００９４】
なお、本実施形態においても、アーク停止回路ＡＳＵのラッチ回路の入力の一方を、上位の制御装置ＭＣＵからの起動停止信号（ｒｕｎ／ｓｔｏｐ）ではなく、電源内に別途設けたリセット信号源（図示せず）としてもよい。この場合には、制御装置ＭＣＵからの起動信号ではなく、電源内のリセット信号源からラッチ回路にリセット信号を与えることにより、電源を復帰させることができる。
【００９５】
図４は、本実施形態の変形例にかかる電源システムの要部を表す模式図である。同図については、図１乃至３あるいは図９に関して前述したものと同様の要素については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９６】
本変形例の場合、アーク停止回路ＡＳＵのラッチ回路からの停止信号ＡＬが上位の制御装置ＭＣＵに入力されている。このようにすれば、上位の制御装置ＭＣＵは、電源においてアーク停止回路ＡＳＵによる停止が発生したことを検知し、電源の目的や用途に応じて、その後の最適な動作を行うことができる。
【００９７】
例えば、図２に関して前述したように、上位の制御装置ＭＣＵは、過電流停止回路ＣＳＵから停止信号ＡＬを所定の回数だけ受け取ったら、スパッタ装置を停止させ、オペレータ（作業者）を呼び出すモードを開始してもよい。
【００９８】
または、その工程を中断し、その工程に異常があったことを記録した上で、次の工程を開始するようにしてもよい。
【００９９】
また、所定の時間間隔で所定の回数までは、電源の復帰を許容してもよい。
【０１００】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態として、第１実施形態の過電流停止回路と第２実施形態のアーク停止回路とを組み合わせた停止回路を有する電源システムについて説明する。
【０１０１】
図５は、本実施形態にかかる電源システムの要部を表す模式図である。
【０１０２】
すなわち、同図も、図９に表した電源に対して本実施形態を適用した具体例を表す。図５の電源の構成及び動作については、１乃至図４及び図９に関して前述したものと同様の要素に同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１０３】
本具体例の電源においては、複合停止回路ＤＳＵが設けられている。複合停止回路ＤＳＵは、第１実施形態に関して前述したように、インバータのトランスＣＴ１、ＣＴ２の少なくともいずれかを過電流が流れる時間を積算することにより停止信号を発生させる回路と、第２実施形態に関して前述したように、アークセンサ（Ａ−ｓｅｎ）によるアーク遮断動作の連続回数を計測することにより停止信号を発生させる回路からの出力とをオア・ゲートＯＲ１に入力し、これらの論理和を求める。そして、この論理和をラッチ回路を介して停止信号として出力させる。
【０１０４】
このようにすれば、インバータのトランスに過電流が所定時間流れた場合と、アークセンサによりアーク遮断動作が繰り返された場合のいずれにも対応して電源を停止させることができる。
【０１０５】
図６は、本実施形態の変形例にかかる電源システムの要部を表す模式図である。同図についても、図１乃至５あるいは図９に関して前述したものと同様の要素については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１０６】
本変形例においては、複合停止回路ＤＳＵのラッチ回路からの停止信号ＡＬが上位の制御装置ＭＣＵに入力されている。このようにすれば、第１及び第２実施形態に関して前述したように、上位の制御装置ＭＣＵは、電源において複合停止回路ＤＳＵによる停止が発生したことを検知し、電源の目的や用途に応じて、その後の最適な動作を行うことができる。
【０１０７】
例えば、図２に関して前述したように、上位の制御装置ＭＣＵは、過電流停止回路ＣＳＵから停止信号ＡＬを所定の回数だけ受け取ったら、スパッタ装置を停止させ、オペレータ（作業者）を呼び出すモードを開始してもよい。
【０１０８】
または、その工程を中断し、その工程に異常があったことを記録した上で、次の工程を開始するようにしてもよい。
【０１０９】
また、所定の時間間隔で所定の回数までは、電源の復帰を許容してもよい。
【０１１０】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態として、第１乃至第３の実施の形態に関して前述したいずれかの停止回路を有するマグネトロン用の電源システムについて説明する。すなわち、マグネトロンに順方向電力を供給して発振動作を生じさせ、何らかの原因により、突発的な短絡電流が生じた場合にも、上述した充電動作により充電された逆バイアス電圧源から逆電圧を印加して、迅速に電流を遮断することができる。
【０１１１】
図７は、本発明の電源をマグネトロンの発振に用いた構成を例示する概念図である。すなわち、同図は、マグネトロンを用いたマイクロ波発生システムを表す。
【０１１２】
このシステムの電源１１０は、所定の直流高電圧をマグネトロン２００に印加して発振させる。この電源１１０として、図１乃至図６に関して前述した本発明の電源を用いることができる。マグネトロン２００の発振により生じたマイクロ波電力は、導波管を伝送路としてアイソレータ３１０、マイクロ波センサ３２０、マイクロ波整合器３４０を介して、負荷５００に供給される。また、センサ３２０からはフィードバック信号ＦＳが、電源１１０のインバータに与えられ、マイクロ波の出力電力の制御が行われる。
【０１１３】
このようなシステムの場合にも、電源１１０からマグネトロン２００に順方向電力を供給して発振動作を生じさせ、マグネトロン２００において物理的な短絡や、または「気中アーク」などが生じた場合にも、電源１１０は、過電流停止回路ＣＳＵ、アーク停止回路ＡＳＵまたは複合停止回路ＤＳＵの動作によって電源を確実に停止させることができる。
【０１１４】
また、上位の図２、図４、図６に関して前述したように、上位の制御装置ＭＣＵに停止信号ＡＬを出力することにより、目的や用途に応じた最適な処理を実行させることもできる。
【０１１５】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【０１１６】
例えば、図１乃至図６においては、２つのインバータを設けた電源を例示したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、３つあるいはそれ以上のインバータを設けた、いわゆる「多段インバータ構成」の電源についても同様に適用して同様の作用効果を得ることができる。
【０１１７】
また一方、本発明の電源、スパッタ用電源及びスパッタ装置における各部の構成、構造、数、配置、形状、材質などに関しては、上記具体例に限定されず、当業者が適宜選択採用したものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に包含される。
【０１１８】
より具体的には、例えば、スイッチング回路としてＭＯＳトランジスタやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の記号により例示したものや、保護用素子としてバリスタの記号により例示したものなどは、これら特定の電気素子には限定されず、同様の機能または作用を有する単一の電気素子あるいは複数の電気素子を含む電気回路として構成することができ、これらすべての変形は、本発明の範囲に包含される。
【０１１９】
また、同様に、インバータやコンパレータ、論理回路、保護回路などの具体的な構成や、ダイオード、抵抗、トランジスタをはじめとする各回路素子の数や配置関係などについても、当業者が適宜設計変更したものは本発明の範囲に包含される。
【０１２０】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての電源、スパッタ用電源及びスパッタ装置は本発明の範囲に包含される。
【０１２１】
例えば、本発明は、いわゆる「逆バイアス印加型」の電源についても同様に適用して同様の作用効果を得ることができる。
【０１２２】
図８は、逆バイアス印加型の電源の要部を表す模式図である。この電源も、トランジスタＱ１〜Ｑ４とトランスＴ１を共有する２つのインバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２を有する。これらインバータの出力は、インダクタＬ１、Ｌ２を介してチャンバに出力される。
【０１２３】
制御回路ＰＣは、上位の制御装置からの電力設定信号Ｐｓｅｔに基づいてインバータをフィードバックするフィードバック制御部と、チャンバのインピーダンスの低下を検出してアーク遮断動作を実行させるアーク遮断回路と、が設けられている。
【０１２４】
アーク遮断の際には、スイッチング部Ｑ５、Ｑ６が開かれ、スイッチング部ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２が閉じられて、逆バイアス電源ＤＣ２から逆方向電圧がチャンバに印加されてアークを消弧する。またこの際に、スイッチング部ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２と、ダイオードＤ１、Ｄ２とによりそれぞれ形成される閉回路によってインダクタＬ１、Ｌ２の電流が保存される。
【０１２５】
そして、この電源においても、制御回路ＰＣに、第１実施形態に関して前述した過電流停止回路ＣＳＵ、第２実施形態に関して前述したアーク停止回路ＡＳＵ、または第３実施形態に関して前述した複合停止回路ＤＳＵのいずれかが設けられている。その結果として、前述したように、チャンバ内での物理的な短絡や、「気中アーク」などが発生した場合には、確実に電源を停止することができる。
【０１２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スパッタなどの通常の使用条件においてチャンバ内に発生するアーク放電を消弧する電源において、チャンバ内での物理的な接触による短絡や、「気中アーク」などが発生した場合に、短時間で確実に電源を停止させることができる。
【０１２７】
またさらに、このような電源の停止を上位の制御装置に通知することにより、目的や用途に応じて最適な処理を実行させることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる電源の要部を表す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態の変形例にかかる電源の要部を表す模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる電源の要部を表す模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態の変形例にかかる電源の要部を表す模式図である。
【図５】本発明の第３実施形態にかかる電源の要部を表す模式図である。
【図６】本発明の第３実施形態の変形例にかかる電源の要部を表す模式図である。
【図７】本発明の電源をマグネトロンの発振に用いた構成を例示する概念図である。
【図８】逆バイアス印加型の電源の要部を表す模式図である。
【図９】本発明者が本発明に至る過程で試作したスパッタ用電源の要部を表す模式図である。
【図１０】ＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）スパッタ装置の要部構成を表す模式図である。
【図１１】スパッタ用電源の一例を表す模式図である。
【符号の説明】
１００  基板
１０１  チャンバ
１０４  ターゲット
１０６  ポンプ
１０７  ガス供給源
１０８  グロー放電
１１０  電源
１２０Ａ、１２０Ｂ  接続ケーブル
１５０  アーク放電
２００  マグネトロン
３１０  アイソレータ
３２０  センサ
３４０  マイクロ波整合器
５００  負荷
ＡＬ  停止信号
ＡＳ  遮断回路
ＡＳＵ  アーク停止回路
ＣＳＵ  過電流停止回路
ＤＢ１、ＤＢ２  整流器
ＤＣ１  直流電源
ＤＣ２  逆バイアス電源
ＤＣＰＦ  電源部
ＤＳＵ  複合停止回路
ＩＮＶ１、ＩＮＶ２  インバータ
Ｌ０、Ｌ１〜Ｌ４  インダクタ
ＭＣＵ  制御装置
ＯＣ１、ＯＣ２  比較回路
ＯＲ１  ゲート
Ｐｓｅｔ  電力設定信号
ＰＣ  制御回路
ＰＷＭ  パルス幅変調器
ＴＭ１〜ＴＭ３  タイマ
Ｖｒｅｆ  基準電圧
【図１】
2004194420.tif 000003
【図２】
2004194420.tif 000004
【図３】
2004194420.tif 000005
【図４】
2004194420.tif 000006
【図５】
2004194420.tif 000007
【図６】
2004194420.tif 000008
【図７】
2004194420.tif 000009
【図８】
2004194420.tif 000010
【図９】
2004194420.tif 000011
【図１０】
2004194420.tif 000012
【図１１】
2004194420.tif 000013