(57)【要約】【課題】  適切なパルス幅と値を有する逆電圧を周期的に、又は異常放電が発生したときに真空装置に印加して、異常放電の発生を防止し、異常放電が発生したときには速やかにその異常放電を消滅させること。【構成】  直流電源１と真空装置２とに並列に接続されている短絡用半導体スイッチ４と直列に接続され、制御回路が短絡用半導体スイッチ４をオンさせるときに真空装置２に逆極性電圧を印加する逆極性電圧回路５と、逆並列ダイオード８と、短絡用半導体スイッチ４の両端に跨って接続されている共振回路１１とを備え、短絡用半導体スイッチ４がオンするとき、逆極性電圧回路５から真空装置２に逆極性電圧を印加すると共に、共振回路１１によって短絡用半導体スイッチ４をソフトスイッチングターンオフする真空装置用異常放電抑制装置。【選択図】  図１
2005347212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空装置と、該真空装置に給電を行う直流電源との間に接続された真空装置用異常放電抑制装置において、
前記直流電源と前記真空装置とに並列に接続されている短絡用半導体スイッチと直列に接続され、制御回路が前記短絡用半導体スイッチをオンさせるときに前記真空装置に逆極性電圧を印加する逆極性電圧回路と、
前記短絡用半導体スイッチの極性とは逆の極性になるよう、前記短絡用半導体スイッチと並列に接続されている逆並列ダイオードと、
前記短絡用半導体スイッチの両端に跨って接続されている共振回路とを備え、
前記短絡用半導体スイッチがオンするとき、前記逆極性電圧回路から前記真空装置に逆極性電圧を印加すると共に、前記共振回路による共振電流を前記逆並列ダイオードに流すことにより、前記短絡用半導体スイッチをソフトスイッチターンオフさせることを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御回路は、前記共振回路の共振周期の５０％〜１００％に等しい時間に相当するパルス幅を有するオン信号を前記短絡用半導体スイッチに与えることを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置。
【請求項３】
真空装置と、該真空装置に給電を行う直流電源との間に接続された真空装置用異常放電抑制装置において、
前記直流電源と前記真空装置とに並列に接続されている短絡用半導体スイッチと、
該短絡用半導体スイッチの極性とは逆の極性になるよう、前記短絡用半導体スイッチと並列に接続されている逆並列ダイオードと、
前記短絡用半導体スイッチと直列に接続されている逆電圧用コンデンサと、該逆電圧用コンデンサを充電する充電器とからなる逆極性電圧回路を備え、
前記短絡用半導体スイッチがオンするとき、前記逆電圧用コンデンサに充電されている電圧を前記真空装置に放電して逆極性電圧を印加することを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記充電器の他に、この真空装置用異常放電抑制装置内の電力によって前記逆電圧用コンデンサを充電する補助充電回路を備えていることを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記短絡用半導体スイッチと前記真空装置との間の配線インダクタンスによるサージ電圧を制限し、かつ前記補助充電回路としても働くサージ電圧吸収回路を備え、該サージ電圧吸収回路に吸収された電力を前記逆電圧用コンデンサに供給することを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置。
【請求項６】
請求項４において、
前記補助充電回路として、前記共振回路の共振電力の一部分を、前記短絡用半導体スイッチを通して前記逆電圧用コンデンサに供給するダイオード回路を備えることを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６において、
前記制御回路は、前記オン信号を周期的に前記短絡用半導体スイッチに印加してオンさせ、周期的に前記逆極性電圧回路から前記真空装置に逆極性電圧を印加して、異常放電の発生を抑制する機能を有することを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかにおいて、
前記真空装置の異常放電を検出する異常放電検出回路を備え、前記制御回路は、該異常放電検出回路からの異常放電検出信号を受けるときに、前記短絡用半導体スイッチにオン信号を与えてこれをオンさせ、異常放電直後に前記逆極性電圧回路から前記真空装置に逆極性電圧を印加して前記異常放電を速やかに消滅させることを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、真空中で発生させたプラズマを利用するスパッタ装置又はエッチング装置、あるいは電子ビーム蒸着装置などにおける真空装置で発生する異常放電を抑制するのに有効な異常放電抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インバータ回路と、その出力を整流する整流器と、その出力を平滑するフィルタとを備えた直流電源に接続されるスパッタリング装置、あるいはエッチング装置、又は電子ビーム蒸着装置などのような真空を利用した真空装置においては、その真空装置の電極のインピーダンスが低下したり、あるいは導電性のごみなどが電極間を短絡することがあり、これら現象によって、プラズマの一時的な異常放電が発生したり、あるいは電子ビーム蒸着装置では高電位にあるフィラメントとその周囲に位置する電極との間で異常放電が生じる場合がある。
特に、スパッタリング装置においては、異常放電が発生すると、スパッタリング中の液晶などの基板材料に欠陥を与え、製品の歩留まりが大幅に低下するという問題が生ずる。また、電子ビーム蒸着装置では、異常放電による放電エネルギーによって、フィラメントが断線するといった問題が発生する。
【０００３】
これら異常放電を抑制するために、直流電源の主回路に共振用インダクタと共振用コンデンサとからなる共振回路を接続すると共に、真空装置と並列に短絡用半導体スイッチを接続し、異常放電の発生していない定常時にもある周期で前記短絡用スイッチをオンさせて共振させることによって、電極間に共振による正極性、逆極性パルス電圧を印加して、異常放電の発生を抑制し、また、異常放電が発生したときにはこれを検出して即座に共振回路を共振させ、逆極性パルス電圧を電極間に印加して、異常放電を消滅させる異常放電抑制装置が既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、回路構成が異なるものの原理的にはほぼ同様な真空装置用の異常放電抑制装置も既に提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平０８−２２２３９８号公報
【特許文献２】ＷＯ９９−４７７２７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１、２に記載された異常放電抑制装置は、負荷の両端を短絡すると同時に、共振電圧を負荷の電極間に印加する方式であり、電極間に印加される正極性、逆極性パルス電圧の波高値が共振用コンデンサの充電電圧に比例し、正極性パルス電圧の波高値は定常のスパッタリング電圧から決定されるので、逆極性パルス電圧の波高値だけを制御することは不可能である。しかし、用途によっては、逆極性パルス電圧の波高値を任意の値に制御したい場合もあるが、かかる従来の異常放電抑制方法ではそのような制御をすることはできない。
また、逆極性パルス電圧のパルス幅は、当然に共振電流の半周期となり、確実に異常放電を抑制するためには逆極性パルス電圧のパルス幅を広くしたい場合もあるが、そのためには共振回路を構成する共振用インダクタ、共振用コンデンサの値を大きくしなければならない。
【０００５】
さらに、異常放電が発生してから逆極性パルス電圧のピーク値が電極間に印加されるまでに、共振周期の正極性の半周期が終了した後、負極性の半周期の１／２の時点でピーク値に達するので、当然に共振周期の３／４の時間がかかることもあり、即座に異常放電を消滅させることは難しい。また、正、負の共振波形はほぼ同じであるので、所望のスパッタリング電圧など定常の電圧値にあわせれば、逆極性パルス電圧が大き過ぎることもあり、この場合には逆極性の放電が発生する可能性もある。
【０００６】
本発明は、真空装置などにおける異常放電の発生を抑制、又は発生した異常放電を消滅するために、真空装置に逆極性電圧を与えることのできる機能を有した真空装置用異常放電抑制装置において、従来のように共振電圧を真空装置に印加するのではなく、負荷の両端を短絡するときに逆極性電圧回路から所望の値の逆電圧を真空装置に与えることを第１の課題とし、逆極性電圧回路から所望の値の逆電圧を真空装置に与えるときにオンさせる前記短絡用半導体スイッチのターンオフ損失を共振によって低減することを第２の課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述の課題を解決するために、第１の発明は、真空装置と、その真空装置に給電を行う直流電源との間に接続された真空装置用異常放電抑制装置において、前記直流電源と前記真空装置とに並列に接続されている短絡用半導体スイッチと直列に接続され、制御回路が前記短絡用半導体スイッチをオンさせるときに前記真空装置に逆極性電圧を印加する逆極性電圧回路と、前記短絡用半導体スイッチの極性とは逆の極性になるよう、前記短絡用半導体スイッチと並列に接続されている逆並列ダイオードと、前記短絡用半導体スイッチの両端に跨って接続されている共振回路とを備え、前記短絡用半導体スイッチがオンするとき、前記逆極性電圧回路から前記真空装置に逆極性電圧を印加すると共に、前記共振回路による共振電流を前記逆並列ダイオードに流すことにより、前記短絡用半導体スイッチをソフトスイッチターンオフさせることを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置を提供するものである。
【０００８】
第２の発明は、前記第１の発明において、前記制御回路は、前記共振回路の共振周期の５０％〜１００％に等しい時間に相当するパルス幅を有するオン信号を前記短絡用半導体スイッチに与えることを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置を提供するものである。
【０００９】
第３の発明は、真空装置と、その真空装置に給電を行う直流電源との間に接続された真空装置用異常放電抑制装置において、前記直流電源と前記真空装置とに並列に接続されている短絡用半導体スイッチと、その短絡用半導体スイッチの極性とは逆の極性になるよう、前記短絡用半導体スイッチと並列に接続されている逆並列ダイオードと、前記短絡用半導体スイッチと直列に接続されている逆電圧用コンデンサと、該逆電圧用コンデンサを充電する充電器とからなる逆極性電圧回路を備え、前記短絡用半導体スイッチがオンするとき、前記逆電圧用コンデンサに充電されている電圧を前記真空装置に放電して逆極性電圧を印加することを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置を提供するものである。
【００１０】
第４の発明は、前記第３の発明において、前記充電器の他に、この真空装置用異常放電抑制装置内の電力によって前記逆電圧用コンデンサを充電する補助充電回路を備えていることを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置を提供するものである。
【００１１】
第５の発明は、前記第４の発明において、前記短絡用半導体スイッチと前記真空装置との間の配線インダクタンスによるサージ電圧を制限し、かつ前記補助充電回路としても働くサージ電圧吸収回路を備え、そのサージ電圧吸収回路に吸収された電力を前記逆電圧用コンデンサに供給することを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置を提供するものである。
【００１２】
第６の発明は、前記第４の発明において前記補助充電回路として、前記共振回路の共振電力の一部分を、前記短絡用半導体スイッチを通して前記逆電圧用コンデンサに供給するダイオード回路を備えることを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置を提供するものである。
【００１３】
第７の発明は、前記第１の発明ないし前記第６の発明において、前記制御回路は、前記オン信号を周期的に前記短絡用半導体スイッチに印加してオンさせ、周期的に前記逆極性電圧回路から前記真空装置に逆極性電圧を印加して、異常放電の発生を抑制する機能を有することを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置を提供するものである。
【００１４】
第８の発明は、前記第１の発明ないし前記第７の発明において、前記真空装置の異常放電を検出する異常放電検出回路を備え、前記制御回路は、該異常放電検出回路からの異常放電検出信号を受けるときに、前記短絡用半導体スイッチにオン信号を与えてこれをオンさせ、異常放電直後に前記逆極性電圧回路から前記真空装置に逆極性電圧を印加して前記異常放電を速やかに消滅させることを特徴とする真空装置用異常放電抑制装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１５】
前記第１の発明によれば、異常放電の発生の抑止を図り、異常放電が発生したときには速やかに消滅させ、また、短絡用半導体スイッチのターンオフ損失を低減できる。
前記第２の発明によれば、真空装置に発生する異常放電を確実かつ速やかに消滅させることができる。
前記第３の発明によれば、簡単な回路構成の逆極性電圧回路で、異常放電の発生を抑止でき、異常放電が発生したときにはその異常放電を速やかに消滅させることができる。
前記第４の発明ないし前記第６の発明によれば、逆極性電圧回路の逆極性用コンデンサを充電する充電器を小容量化できる。
前記第７の発明によれば、真空装置において異常放電が発生するのを抑制することができる。
前記第８の発明によれば、異常放電が発生したときにはその異常放電を速やかに消滅させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［実施形態１］
図１によって、本発明の第１の実施形態に係る真空装置用異常放電抑制装置１００について説明する。図１において、商用電源のような交流電源からの交流電力を所望の直流電力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータなどからなる直流電源１と前述のような真空を利用している装置である真空装置２との間には大きなインダクタンスを有する定電流用インダクタ３が接続されている。真空装置２の一端と直流電源１の正極性端子とが接地されている。ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴのような短絡用半導体スイッチ４と逆極性電圧回路５とを直列接続した回路が、真空装置２に跨って接続されている。なお、ここで真空装置２に真空装置２に跨ってとは、必ずしも真空装置全体を指すのではなく、その最小単位としては真空装置２の電極と電極とに跨ってということを意味する。異常放電が発生したか否かを検出する異常放電検出回路６からの異常放電検出信号を受けて、制御回路７は短絡用半導体スイッチ４をオンさせる。短絡用半導体スイッチ４には、その極性とは逆極性にされた逆並列ダイオード８が並列に接続されている。逆並列ダイオード８は短絡用半導体スイッチ４に形成されている内部ダイオードで代替することもできる。また、互いに直列に接続された共振用インダクタ９と共振用コンデンサ１０とからなる共振回路１１が短絡用半導体スイッチ４に跨って接続されている。
【００１７】
異常放電検出回路６は、負荷電圧が設定値以下に低下した現象、真空装置２を流れる電流が所定値以上に増大した現象、負荷電圧の低下率（負荷電圧の検出電圧を１次微分した値）、負荷電圧の低下速度（負荷電圧の検出電圧を２次微分した値）、更には負荷電流の増加率（負荷電流を１次微分した値）、負荷電流の増加速度（負荷電流を２次微分した値）が設定した値以上になる現象のいずれか、又は組み合わせを検出して、異常放電の検出信号を出力するものである。
【００１８】
制御回路７は、異常放電は発生していない定常時にはオン信号を出力せずに、異常放電検出回路６から異常放電検出信号を受けたときだけ即座に短絡用半導体スイッチ４にオン信号を印加するものであっても良いし、あるいは定常時には予め決められた周期で所定のパルス幅のオン信号を短絡用半導体スイッチ４に与えて、周期的に短絡用半導体スイッチ４をオンさせ、かつ異常放電検出回路６から異常放電検出信号を受けたときには即座に短絡用半導体スイッチ４にオン信号を印加するものであってもよい。
制御回路７が短絡用半導体スイッチ４に与えるオン信号のパルス幅Ｔｏｎは、共振用インダクタ９と共振用コンデンサ１０との直列共振周期をＴとした場合に、直列共振周期Ｔのほぼ５０％〜１００％の範囲内の時間である。ここでは、Ｔ＝１０μｓとし、Ｔｏｎ＝７μｓとする。この理由については、後で説明する。
【００１９】
逆極性電圧回路５は、異常放電を消滅させるのに適した図示の極性の所定電圧を呈し、短絡用半導体スイッチ４がオンするとき、真空装置２に定常の電圧とは逆の極性の電圧を与えるものである。一般的に短絡用半導体スイッチ４は数Ｖ以上の順方向ドロップを有するので、短絡用半導体スイッチ４がオンした状態でも、真空装置２の両端の電圧は短絡用半導体スイッチ４の順方向ドロップなどに等しい電圧値以下には低下しない。そして、短絡用半導体スイッチ４のオンによって通常の異常放電が消滅するとはいえ、その直後には異常放電によって生成されたイオンが残留しているので、負荷は未だ比較的低インピーダンス状態にあり、低電圧異常放電を消滅できず、微小な電流が引き続き流れようとするが、この実施形態では、逆極性電圧回路５がこの異常放電電圧を速やかに反転して異常放電、更には低電圧異常放電を消滅させる。したがって、逆極性電圧回路５は、微小な電流が引き続き流れるのを抑止する幅を持つ逆極性電圧を与えることが好ましい。
【００２０】
なお、定電流用インダクタ３は直流電源１に含まれていてもよい。また、図示していないが、異常放電検出回路６が異常放電を検出するときに、異常放電検出信号を直流電源１に与えて直流電源１の不図示のインバータ回路を停止させてもよい。さらに、別途不図示の過電流検出手段を直流電源１に備えて、過電流が生じたときにはその過電流検出手段からの信号で直流電源１の不図示のインバータ回路を停止させてもよい。この場合には、短絡用半導体スイッチ４側の回路と直流電源１との間で信号のやりとりをすることなく、異常放電を消滅できるので、直流電源１のオプションとして後から追加できる利点がある。また、異常放電しやすい真空装置の場合、あるいは液晶用のスパッタリング装置などのように異常放電を極力避けなければならない用途など、必要に応じて直流電源１に後付けできる利点がある。
【００２１】
次に、実施形態１の真空装置用異常放電抑制装置１００の動作について、図２も用いて説明する。図２は各部の電圧波形、電流波形を示し、図２（Ａ）は逆極性電圧回路５から真空装置２に印加される逆極性電圧Ｖｂの波形を示し、図２（Ｂ）は配線Ｌを流れるバイパス電流Ｉｂを示し、図２（Ｃ）は共振回路１１による共振電流を示し、図２（Ｄ）は短絡用半導体スイッチ４と逆並列ダイオード８とを流れる合成電流を示す。斜線で示す負極性の電流波形が逆並列ダイオード８を流れる電流部分である。
【００２２】
真空装置２に正常なプラズマ放電が発生していれば、直流電源１から定電流用インダクタ３を通して真空装置２に、負極性の直流電圧、例えば６００Ｖの電圧と直流電流Ｉｏとが供給される。このとき、共振用コンデンサ１０は図示極性で６００Ｖに充電されている。この状態で、真空装置２に異常放電が発生すると、その異常放電現象を異常放電検出回路６が検出し、制御回路７に異常放電検出信号を送出する。これに伴い、制御回路７は短絡用半導体スイッチ４にオン信号を与え、これをオンさせる。短絡用半導体スイッチ４がオンすると、直流電源１から定電流用インダクタ３を通して真空装置２に供給されていた直流電流をバイパスすると共に、真空装置２を短絡し、同時に逆極性電圧回路５から図２（Ａ）に示す逆極性電圧Ｖｂを真空装置２に印加する。この逆極性電圧Ｖｂの印加によって、真空装置２に発生していた異常放電は即座に消滅する。逆極性電圧Ｖｂは予め最適な値に設定されており、微小電流が流れる低電圧異常放電状態も消滅させる。
【００２３】
他方、短絡用半導体スイッチ４がオンすると、図示極性に充電されていた共振用コンデンサ１０は、短絡用半導体スイッチ４と共振用インダクタ９とからなる閉回路を通して図２（Ｃ）に示す正極性の直列共振電流Ｉｒを矢印Ｘ方向に流す。直列共振電流Ｉｒは半周期で反転し、今度は逆並列ダイオード８と共振用インダクタ９とからなる閉回路を通して負極性の直列共振電流Ｉｒを矢印Ｙ方向に流す。そして、共振用コンデンサ１０は最初の図示極性の電圧に戻る。この点についてもう少し詳しく説明する。等価的に短絡用半導体スイッチ４と逆並列ダイオード８とが単一の半導体素子を構成しているものと考えれば、短絡用半導体スイッチ４がオンすると、先ず、短絡用半導体スイッチ４にはバイパス電流Iｂに共振周期の正の半周期の共振電流Ｉｒ（矢印Ｘ方向）を加えた合成電流が流れる。次に共振が反転して負の周期になると、負方向の共振電流Ｉｒ（矢印Ｙ方向）に正のバイパス電流Iｂを和した電流が流れるものと考えられる。そして、バイパス電流Iｂの値と共振周期における負の半周期の共振電流Ｉｒの値とが等しくなった時点で、短絡用半導体スイッチ４を流れる電流はゼロになり、共振周期における負の半周期の共振電流Ｉｒの値がバイパス電流Iｂの値を超えると、図２（Ｄ）の斜線で示すような電流が逆並列ダイオード８に流れる。
【００２４】
したがって、短絡用半導体スイッチ４を流れる電流がゼロとなる時点から、逆並列ダイオード８に電流が流れている期間、つまり短絡用半導体スイッチ４に電流が流れない期間で、制御回路７によって短絡用半導体スイッチ４をターンオフさせれば、ソフトスイッチングターンオフ（ゼロ電流ターンオフ）できるので、ターンオフ損失を小さくすることができる。さらに、図２（Ｄ）の斜線で示すように逆並列ダイオード８の電流も共振波形に従ってゼロとなる。共振電流Ｉｒの負方向電流が共振波形から多少変形しているが、短絡用半導体スイッチ４のオン時間は、短絡用半導体スイッチ４が図２（Ｄ）で示す正方向電流を遮断せず、かつ２度目の共振電流を流さないようにするため、オン信号のパルス幅は、概ね、共振周期Ｔの１／２の時間以上で、１周期Ｔ以下にすることが望ましい。共振用インダクタ９と共振用コンデンサ１０との直列共振周波数が１００ｋＨｚであるとすると、共振周期Ｔは１０μｓであるから、前述した短絡用半導体スイッチ４へのオン信号のパルス幅Ｔｏｎの一例が７μｓであることは妥当である。上述からも明らかなように、共振電流Ｉｒの値がバイパス電流Iｂを越える期間があるように、共振用インダクタ９と共振用コンデンサ１０との値を選定することは大切である
逆並列ダイオード８を流れる電流がゼロになって逆並列ダイオード８が非導通になるとき、定電流インダクタ３のインダクタンス作用によって過電圧が逆極性電圧回路５を通して短絡用半導体スイッチ４の両端に加わるが、この電圧は同時に共振用インダクタ９と共振用コンデンサ１０とからなる共振回路１１にも加わり、共振用コンデンサ１０を充電してその電圧を図示極性で上昇させることにより、短絡用半導体スイッチ４の両端に印加される過電圧を制限する。つまり、このとき共振用コンデンサ１０がスナバコンデンサの働きも行う。
【００２５】
短絡用半導体スイッチ４としてＩＧＢＴを選定した場合、ターンオンはオーバードライブなど駆動回路の工夫で高速化できるが、ターンオフ特性は、用いる半導体素子の特性に大きく依存し、駆動回路により高速化することが困難である。実施形態１によれば、ＩＧＢＴなどの半導体素子が不得意とするターンオフ時の低損失化を達成できるので、繰り返し周波数を数１０ｋＨｚにすることも可能である。
【００２６】
次に、実施形態１の変更例について説明する。回路構成は図１に示したとおりであるが、制御回路７は、予め決めた周期と所定のオンパルス幅とを有するオン信号を発生する機能を有すると共に、そのオン信号と前述した異常放電検出回路６からの異常放電検出信号とをＯＲ論理する機能とを別途備えている。したがって、異常放電が発生していない状態では、制御回路７は周期的にオン信号を短絡用半導体スイッチ４に加えてオンさせ、逆極性電圧回路５からの逆極性電圧を周期的に真空装置２に印加することによって、異常放電の発生を抑止する。この場合、共振用インダクタ９と共振用コンデンサ１０との直列共振周波数（１００ｋＨｚ）より低い任意の周波数で、例えば２０ｋＨｚの繰り返し周波数で逆極性電圧回路５からの逆極性電圧を周期的に真空装置２に印加してもよい。
【００２７】
また、途中で、異常放電が発生した場合には、前述のように次の周期的な逆極性電圧の印加を待つことなく、異常放電の発生を検出した時点で短絡用半導体スイッチ４を即座にオンさせ、逆極性電圧を真空装置２に印加して速やかに異常放電を消滅させる。なお、周期的に逆極性電圧を真空装置２に印加する繰り返し周波数がある程度高ければ（例えば２０ｋＨｚ以上とすると）、途中で異常放電が発生したとしても、５０μ秒以下の時間が経過すれば、次の周期的な逆極性電圧が真空装置２に印加され、その逆極性電圧で異常放電を消滅させることができるから、異常放電検出回路６を備えていた方が好ましいが、必ずしも必要でない。
【００２８】
図示しないが、図１において、不図示のダイオードを短絡用半導体スイッチ４と直列かつ同一方向にして導線Ｌに接続することによって、異常放電時の動作を改善できる。そのダイオードは、真空装置２で異常放電が発生した場合に、異常放電検出回路６の遅れ時間や、短絡用半導体スイッチ４の遅れ時間の間、共振用コンデンサ１０の充電電荷が共振用インダクタ９を通して真空装置２に直接放電されるのを阻止するように働くものであるが、必ずしも必要なダイオードではない。この場合には、真空装置２を流れる電流を検出しないオープンループで動作し、制御回路は７は所定の周波数で短絡用スイッチ４をオンオフさせて、その度毎に逆極性電圧を真空装置２に与え、共振回路１１はその所定の周波数よりも高い共振周波数で共振を行って、短絡用半導体スイッチ４をソフトスイッチングターンオフさせる。
【００２９】
［実施形態２］
図３によって、本発明の他の実施形態２に係る第２の真空装置用異常放電抑制装置２００について説明する。図３において、図１で用いた記号と同一の記号は同じ名称の部材を示すものとする。この実施形態２では、逆極性電圧回路５が短絡用半導体スイッチ４のアノード側に直列に接続された逆電圧用コンデンサ５Ａと、短絡用半導体スイッチ４の導通方向と同方向に向けられて、逆電圧用コンデンサ５Ａに並列接続されたダイオード５Ｂと、逆電圧用コンデンサ５Ａを充電する充電器５Ｃとからなる。充電器５Ｃは逆電圧用コンデンサ５Ａを図示極性に所定電圧まで充電し、ダイオード５Ｂは逆電圧用コンデンサ５Ａの逆方向充電を防止する働きを行う。その所定電圧は、これに制限されるものでないが、例えば、真空装置２の定常放電電圧の２０％以下である。通常、真空装置にあっては真空装置２のプラズマ放電電圧は２００〜８００Ｖであるから、充電器５Ｃの出力電圧は、プラズマ放電電圧に応じて４０〜１６０Ｖに設定され、短絡用半導体スイッチ４のスイッチング周期よりも短い周期で４０〜１６０Ｖに充電される。充電器５Ｃの出力電圧は、固定の値であっても良いし、真空装置２のプラズマ放電電圧に応じて自動的に変更される電圧であっても良い。
【００３０】
この真空装置用異常放電抑制装置２００では、逆電圧用コンデンサ５Ａの充電電力を、サージ電圧吸収回路１２からも供給する。サージ電圧吸収回路１２は、短絡用半導体スイッチ４と真空装置２間の配線インダクタンスによるサージ電圧を吸収して制限し、さらに、逆極性電圧回路５の逆電圧用コンデンサ５Ａの充電電圧を補充するものである。サージ電圧吸収回路１２は、真空装置２と並列に接続されており、互いに直列に接続されている逆流防止用ダイオード１２Ａ、サージ吸収用コンデンサ１２Ｂ、電源電圧保持用コンデンサ１２Ｃから構成されている。サージ吸収用コンデンサ１２Ｂの両端にはインバータ回路１３の直流入力端子が接続されている。インバータ回路１３の交流出力端子は絶縁トランス１４と整流器１５を通して、逆電圧用コンデンサ５Ａの両端に接続されている。サージ吸収用コンデンサ１２Ａは、逆並列ダイオード８が非導通になるときに発生する過電圧サージを吸収する。通常は、このサージ吸収用コンデンサ１２Ａに不図示の抵抗が並列接続されて、サージ電圧上昇分を消費させるのであるが、この実施形態２では、そのサージ電圧上昇分に相当する電力をインバータ回路１３によって高周波電力に変換し、さらに整流器１４で直流に変換して、逆電圧用コンデンサ５Ａに充電電力として供給する。電源電圧保持用コンデンサ１２Ｃはその両端が直流電源１の出力端子に直接接続され、電源電圧に充電される。サージ吸収用コンデンサ１２Ｂは、電源電圧よりも高いサージ電圧分だけ充電される。サージ電圧吸収回路１２は、サージ吸収作用を行うばかりでなく、インバータ回路１３と絶縁トランス１４と整流器１５と一緒に、逆電圧用コンデンサ５Ａの補助的な充電を行う補助充電回路を構成する。
【００３１】
この実施形態２の真空装置用異常放電抑制装置２００の主な動作は、真空装置用異常放電抑制装置１００の動作とほぼ等しいので説明を省略するが、制御回路７からの周期的なオン信号又は異常放電の発生によるオン信号を受けて、短絡用半導体スイッチ４がオンするとき、逆極性電圧回路５の逆電圧用コンデンサ５Ａの充電電圧が短絡用半導体スイッチ４を通して真空装置２に放電されて、真空装置２の不図示の電極間を逆バイアスして瞬時に異常放電を消滅させる。
前述したように、逆並列ダイオード８を流れる電流がゼロになって逆並列ダイオード８が非導通になるとき、定電流インダクタ３のインダクタンス作用によって過電圧が発生するが、この電圧は共振回路１１の共振用コンデンサ１０を充電すると共に、サージ吸収用コンデンサ１２Ａを直流電源１の出力電圧よりも高いサージ電圧分だけ充電する。したがって、短絡用半導体スイッチ４の両端に印加される電圧は制限される。
【００３２】
［実施形態３］
図４によって本発明に係る実施形態３の真空装置用異常放電抑制装置３００について説明する。図４において、図３で用いた記号と同一の記号は同じ名称の部材を示すものとする。真空装置用異常放電抑制装置３００が真空装置用異常放電抑制装置２００と異なる点は、真空装置用異常放電抑制装置２００からサージ電圧吸収回路１２、インバータ回路１３、絶縁トランス１４、整流器１５からなる補助充電回路を削除し、これに代えて２個のダイオード１６と１７とからなるダイオード回路を接続したところにある。これらダイオード１６と１７を利用して、逆極性電圧回路５の逆電圧用コンデンサ５Ａを共振電流の半波で充電するところが真空装置用異常放電抑制装置２００と異なる。ダイオード１６は、短絡用半導体スイッチ４と逆電圧用コンデンサ５Ａとの接続点と、共振回路１１の一端との間に、カソード側を短絡用半導体スイッチ４に向けて接続されており、ダイオード１７は共振回路１１とダイオード１６との接続点と、直流電源１の正極との間に、直流電源１の正極にアノード側を向けて接続されている。この実施形態では、ダイオード１６と１７とからなるダイオード回路が逆並列ダイオード８と共振回路１１と協働して、補助充電回路を構成する。
【００３３】
制御回路７からのオン信号によって、短絡用半導体スイッチ４がオンしたとき、共振回路１１の共振用コンデンサ１０は追加されたダイオード１６を通して矢印Ｘ方向に電荷を放電して共振電流Ｉｒを流す。そして、共振用コンデンサ１０の電圧が反転して、矢印Ｙ方向に共振電流Ｉｒが流れるとき、逆並列ダイオード８を流れる共振電流Ｉｒの半波の電流はダイオード１６で阻止され、逆電圧用コンデンサ５Ａとダイオード１７を通して流れて、逆電圧用コンデンサ５Ａを図示極性に充電する。実験では、この回路により、充電器５Ｃの所要電力を７０％以上減少でき、非常に効果がある。他方では、短絡用半導体スイッチ４がオンしたときに、前記実施形態と同様に、逆電圧用コンデンサ５Ａの充電電圧は短絡用半導体スイッチ４及び真空装置２を通して放電され、真空装置２を逆バイアスして異常放電を速やかに消滅させる。逆極性電圧回路５は、真空装置２を流れる電流が一旦ゼロになり、異常放電によって生じたイオンが消滅すると真空装置２のインピーダンスは大きくなって、再び微少な電流が流れることがない時点まで、逆極性電圧を真空装置２に印加するのが好ましい。
【００３４】
この実施形態３でも、真空装置用異常放電抑制装置１００と同様に、配線Ｌを流れるバイパス電流Iｂと共振周期の負の半周期の共振電流Ｉｒ（矢印Ｙ方向）とは方向が互いに逆になるので、実際には、バイパス電流Iｂから共振周期の負の半周期の共振電流Ｉｒを差し引いた電流が短絡用半導体スイッチ４を流れる。したがって、バイパス電流Iｂの値と共振周期の負の半周期の共振電流Ｉｒの値とが等しくなった時点で、短絡用半導体スイッチ４を流れる電流はゼロになり、共振周期の負の半周期の共振電流Ｉｒの値がバイパス電流Iｂの値を超えると、図２（Ｄ）の斜線で示した電流が逆並列ダイオード８に流れる。したがって、短絡用半導体スイッチ４は電流が自然にゼロとなるソフトスイッチングターンオフとなり、ターンオフ負損失は最小となる。したがって、短絡用半導体スイッチ４を数１０ｋＨｚの高周波でオンオフさせることも可能になる。
【００３５】
以上、本発明では短絡用半導体スイッチ４を1個の半導体スイッチで説明してきたが、スパッタリング装置は数１００Ｖであるため、短絡用半導体スイッチ４としてＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどを使用する場合は、１２００Ｖ程度の耐圧を1個使用すれば実現できるが、電子ビーム装置の場合には、１０ｋＶ程度あるため、１２００Ｖ程度の耐圧のＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴを複数個直列接続することにより実現できる。この場合には、短絡用半導体スイッチ４の順方向ドロップが大きくなるので、逆極性電圧回路５の働きがより有効になる。
また、使用するＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴの内部ダイオードを逆並列ダイオード８として使用する場合、内部ダイオードの逆回復特性が悪い、いわゆるリカバリー時間が長いと、内部ダイオードのオフ時にサージ電圧が発生する。この場合には、内部ダイオードが有効に働かないように、短絡用半導体スイッチ４と直列同方向に図示しない逆電流防止ダイオードを接続し、その直列回路に跨って逆回復特性の優れた外付けのダイオードを接続して、これを逆並列ダイオード８として用いることが望ましい。
【００３６】
さらにまた、必要に応じて、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴに並列に抵抗、コンデンサなどからなるスナバ回路を接続したものを短絡用半導体スイッチとして用いても良い。
また、定電流用インダクタ３を直流電源１の出力端子に接続されたものとして説明したが、直流電源２のフィルタ用インダクタであってもよい。図示しないが、定電流用インダクタ３に２次巻線を設け、その２次巻線の交流電力を整流回路で整流して直流電力に変換し、その直流電力を逆極性電圧回路５の逆電圧用コンデンサ５Ａの充電電力の一部分として供給しても良い。この場合には、不図示の２次巻線を備える定電流用インダクタ３が整流回路や抵抗と共に補助充電回路を構成する。
充電器５Ｃは、直流電源１にトランスが備えられている場合には、その図示しないトランスに付加的な巻線を設け、その付加的な巻線に整流器を接続して必要な直流電力を得る簡単な構成のものであってもよい。
真空装置２の電圧が予め決めた設定電圧を越えているときには、前記短絡用半導体スイッチのターンオン時の電力損失が大きくなるので、前記短絡用半導体スイッチをオンさせない電圧インターロック回路を必要に応じて備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る第１の実施形態である真空装置用異常放電抑制装置１００を示す図である。
【図２】本発明に係る第１の実施形態である真空装置用異常放電抑制装置１００を説明するための波形図である。
【図３】本発明に係る第２の実施形態である真空装置用異常放電抑制装置２００を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態である真空装置用異常放電抑制装置３００を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…直流電源
２…真空装置
３…定電流用インダクタ
４…短絡用半導体スイッチ
５…逆極性電圧回路
５Ａ…逆電圧用コンデンサ
５Ｂ…ダイオード
５Ｃ…充電器
６…異常放電検出回路
７…制御回路
８…逆並列ダイオード
９…共振用インダクタ
１０…共振用コンデンサ
１１…共振回路
１２…サージ電圧吸収回路
１３…インバータ回路
【図１】
2005347212.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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