专利名称：判定辉光放电装置中电弧的方法及高频电弧放电抑制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电弧检测方法以及控制高频电弧放电的装置，可在不中断高频溅射装置或高频刻蚀装置中的辉光放电的情况下控制电弧放电。
背景技术：
例如，在溅射装置中，要在预定空间内获得辉光放电。尤其为了在绝缘体上实施溅射，就要由高频电源为装置供应电功率。在高频溅射过程中，辉光放电会突然变成电弧放电，于是会不可避免地损坏样品。一般而言，电功率越大，就越可能发生电弧放电。即，随着增大功率以提高溅射速度，即使在很少发生电弧的区域，一旦产生了电弧，该电弧也不会迅速消失。随着功率进一步增加，电弧就留在该区域内，并且不会消失。
控制电弧放电的装置是公知的，该装置被设计成在检测到辉光放电已变成电弧放电时，能中断电力供应200μs。
但是，当这种类型的装置中断电力供应200μs时，不仅电弧放电中止，而且辉光放电也会中止，这就是个问题。
电弧放电控制装置是已知的，仅在检测到辉光放电已变成电弧放电时中断电力供应5μs。该装置示于图5中，并在日本专利申请KOKAI公开2000-133412中公开。
下面参照图5对该装置进行描述。如图5所描绘的，设置了一个高频电源PS，能输出13.56MHz的高频电压。高频电源PS通过同轴电缆、功率表CM、同轴电缆、以及阻抗匹配电路IM和DC-切断Cc与靶T和腔室CH相连。于是，由高频电源PS供应电力，并将电压施加在靶T和腔室CH之间。图5中的“GD”是辉光-放电装置。
与从功率表CM采集行波电压Vf和反射波电压Vr不同的是，反射波电压Vr和行波电压Vf分别输入放大器1和2。此外，们还分别通过差分电路3和4输入比较器5。当值dVr/dt-dVf/dt达到由电平设定单元6设定的第一电平(例如它是0.2或更高)时，比较器5向单-多电路M/M输出H-电平信号。单-多电路M/M一接到H-电平信号，就向高频电源PS输出电弧-切断脉冲。要指出的是，电弧切断脉冲有预定长度T1，例如它是5μs。
更准确地说，当反射波电压Vr增大到图4A点a处所示的峰值时，单-多电路(mono-multi circuit)M/M向高频电源PS提供图4B所示的电弧切断脉冲。高频电源PS不可避免地要中断施加在靶T和腔室CH之间的电压。结果，即使反射波电压Vr象图4B中点b处所示的那样变化，也检不到电弧放电。这是因为值dVr/dt-dVf/dt未超过第一电平。由于电弧持续存在，虽然电压Vr维持在一定电平，也检不到电弧放电。也就是说，只要反射波电压Vr和行波电压Vf都处在某一电平，比较器5的输出就是值0。该情况下，dVr/dt-dVf/dt升不到第一电平以上，也就不可能检测到电弧放电。
发明公开本发明的目的是提供一种电弧的检测方法和用于控制高频电弧的装置，可在不终止辉光放电的情况下控制电弧放电。
依照本发明的一个方面，提供了一种检测具有高频电源的辉光放电装置中的电弧放电的方法。
在该方法中，当dVr/dt-dVf/dt增加到第一电平以上时，向高频电源输出切断脉冲时间T1，以切断辉光放电装置的电力供应，其中Vf和Vr分别是施加给辉光放电装置的行波电压和反射波电压。当在终止辉光放电装置的电力供应之后的预定时间内Vr/Vf增加到第二电平或者更高的电平时，就确定辉光放电装置内已产生了电弧放电。
于是，本发明的一个方面能提供一种检测电弧放电的方法，该方法能在不用终止辉光放电的情况下控制电弧放电。
图1是表示依照本发明第一实施例的高频电弧放电控制装置的图解；图2是表示依照本发明第二实施例的高频电弧放电控制装置的图解；图3是表示依照本发明第三实施例的高频电弧放电控制装置的图解；图4A和4B是说明传统装置的操作和本发明装置的操作的时序图；及图5是表示用于控制高频电弧放电的传统装置的图解。
最佳实施方式参照图1描述本发明的第一实施例。图1中，与图5所示部件相同的部件用相同的参考数字来表示。
在第一实施例中，高频电源PS通过同轴电缆、功率表CM、同轴电缆、阻抗匹配电路IM和DC-切断电容Cc与靶T和腔室CH相连。由此由高频电源PS供应电力，并在靶T和腔室CH之间施加电压。要指出的是，图5中的“GD”是辉光-放电装置。
只要辉光-放电装置GD中辉光放电持续进行，高频电源PS就向辉光放电装置供应电力，从而使得反射波和行波功率分别为最小和最大。这样，反射波功率和行波功率都不会剧烈变化。当辉光放电装置GD中产生电弧放电时，反射波功率会突然增加。根据反射波功率的急剧增加，就能检测到辉光放电装置GD中产生了电弧放电。
当装置GD中产生了电弧放电时，行波功率降低，而反射波功率急剧增加。根据反射波功率的急剧增加，就能检测出装置GD中的放电已由辉光放电变为电弧放电。
功率表GM分别向放大器1和2提供反射波电压Vr和行波电压Vf，而不是提供反射波功率和行波功率。反射波电压Vr通过差动电路3提供给比较器5。类似地，行波电压Vf通过差动电路4提供给比较器5。这是因为，当辉光放电装置GD中发生电弧放电时，反射波电压Vr会以与反射波功率相同的方式增加，行波电压Vf以与行波功率相同的方式减小。比较器5以及与比较器5相连的电路构成第一切断-脉冲输出单元。
设置一个电平-设定单元6，设定一个0.2的值、即第一电平。当值dVr/dt-dVf/dt增大到0.2(第一电平)以上时，比较器5就通过0R电路11向单-多电路M/M输出H-电平信号。电平-设定单元6响应该H-电平信号，向高频电源PS输出电弧-切断脉冲(切断脉冲)ACP。电弧-切断脉冲ACP持续预定时间T1，例如5μs。
从放大器1输出的反射波电压Vr施加给比较器12的正(+)输入端子。从放大器2输出的行波电压Vf施加给分压电阻r1，该电阻输出的电压是输入电压的一半，即Vf/2。电压Vf/2施加到比较器12的负(-)输入端子上。
当反射波电压Vr升高到Vf/2以上、即行波电压Vf的一半以上时，比较器12就测出辉光放电装置GD中发生了电弧放电。当Vr/Vf变得大于0.5，或者超过了第二电平(Vr/Vf＞0.5)时，比较器12输出高-电平信号。
比较器12的这个输出借助计时电路13输入施密特触发器电路14中。计时电路13包括电阻r2和电容c1，一测到时间T2，该计时电路就会重置。例如，计时电路13中预设的时间T2为1μs。
施密特触发器电路14的输出输入到AND电路15的一个输入端子中。
从放大器2输出的行波电压Vf施加到比较器16的正(+)输入端子上。施加到比较器16的负(-)输入端子上的是0.5v的电压，该电压是行波电压Vf能拥有的最大值Vfmax(＝10v)的0.05倍。
当Vf高于0.5v(Vf＞0.5)时，比较器16向AND电路15的一个输入端子输出H-电平信号。“Vf＞0.5V”意味着高频电源PS正在供应电力。
单-多电路M/M的输出与计时电路17相连，该计时电路又顺次接地。如图1所示，计时电路17包括电容c2和电阻r3。电容c2的一端接地。电容器c2的另一端与施密特触发器电路18相连，该施密特触发器电路又与AND电路15的一个输入端子相连。自电弧切断脉冲ACP的前沿开始，一旦经过时间To(例如20μs)，计时电路17就打开AND电路15的门电路。AND电路15的输出输入到OR电路11的一个输入端子上。在图1中，那个虚线方框内示出的部件构成了电弧检测电路A。要指出的是，AND电路15和连接AND电路15的输入端子的部件构成了第二切断-脉冲输出单元。
下面描述本发明的第一实施例是如何工作的。
当辉光放电装置GD中的辉光放电变为电弧放电时，如图4A中的a点处所示，行波电压Vf降低，而反射波电压Vr升高。于是，自比较器5输出H-电平信号时的时间t1开始，单-多电路M/M向高频单元PS输出电弧-切断脉冲ACP时间T1。结果，高频单元PS停止电力供应时间T1。
一旦经过了时间T1，电源PS又开始供电。当比较器16的输出信号升高到H电平时，检测供电的起点。
自时间T1结束(即电弧切断-脉冲ACP的后沿)开始，计时电路17维持AND电路15的打开状态达时间To。
当反射波电压Vr升高到0.5V以上(参见图4A中的c点处)，比较器12的输出升到H电平。在经过了时间T2或者当计时电路13(自比较器12的输出升高开始一直在测量时间)重置时，施密特触发器电路14输出H-电平信号。基于此，AND电路15产生这些输入的逻辑乘积。换句话说，AND电路15输出H-电平信号。该H-电平信号通过OR电路11提供给单-多电路M/M。再次向高频电源PS输出电弧切断脉冲ACP。于是，让电力供应中断时间T1。
这样，再次输出电弧-切断脉冲ACP。在经过时间To之前检测有效放电，所述时间To始自电弧-切断脉冲ACP的后沿。该情况下，AND门电路15产生这三个输入的逻辑乘积，借此单-多电路M/M输出电弧-切断脉冲ACP。
该电弧-切断脉冲ACP提供给电源PS，直到辉光-放电装置GD中的电弧放电终止。
在本发明的第一实施例中，监测比较器5的输出。于是，即使在检测到辉光放电装置GD内已发出了电弧放电之后，也要确定AND电路15是否产生逻辑乘积。这样，单-多电路M/M持续输出电弧切断-脉冲ACP，直到电弧放电停止。也就是说，这能可靠地消除电弧放电。
参照图2描述本发明的第二实施例。在图2中，与图1所示部件相同的部件用相同的参考数字表示，因此就不再对它作详细描述了。
图2是依照第二实施例提供的电弧检测电路的电路图，与图1所示的电弧检测电路A不同。要指出的是，比较器12和16的输入与图1电弧检测电路A的完全相同。
图2所示的电路具有能检测已实现匹配的比较器21。
比较器21的正(+)输入端子通过分压电阻r4接收从放大器2输出的行波电压Vf的十分之一(1/10)。也就是说，当Vr/Vf变得小于0.1(第三电平)(Vr/Vf＜0.1，由此判定已实现了匹配)时，比较器21输出H-电平信号。
比较器16和21的输出输入AND电路22。AND电路22的输出输入S-R触发器23的S端子。于是，在AND电路22产生比较器16和21的输出电平的逻辑乘积时，设定S-R触发器23。
S-R触发器23的输出输入到AND电路24的一个输入端子上。要指出的是，比较器16的输出和施密特触发器电路14的输出输入到AND电路14的一个输入端子中。
AND电路24的输出输入单-多电路M/M。单-多电路M/M向高频电源PS输出电弧-切断脉冲ACP。
下面描述上面描述的第二实施例如何操作。
在第二实施例中，S-R触发器23存储表示已实现匹配的数据。于是就不再需要图1中方框D内所示的那种差分电路了。
第二实施例的其它操作(即，在产生比较器16和21的输出电平的逻辑乘积时输出电弧切断脉冲ACP)与上述第一实施例的相同。
参照图3描述本发明的第三实施例。图3中与图2所示部件相同的部件用相同的参考数字表示，在此就不对它们作详细描述了。图3的电路具有计时电路25和施密特电路26，串连接在与图2所示相同的AND电路22和24之间。计时电路25包括电阻r5和电容c3。
在第三实施例中，当匹配缓慢偏移、从而使Vr/Vf大于0.5(Vr/Vf＞0.5)时，没有电弧-切断脉冲ACP输出。这是因为，包括电阻r5和电容c3的计时电路25以及施密特电路26串连接在AND电路22和24之间。
虽然第一和第二实施例中不能免除一测到时间T2就会重置的计时电路13，但在第三实施例中却可以不用。
上面提到的预置时间To是5到100μs。时间T1是2到10μs，时间T2是0.5到5μs。第一电平范围从Vmax*0.05到Vmax*0.2。第二电平范围从0.5到0.95。第三电平范围从0.05到0.5。优选的是，第一电平、第二电平以及第三电平分别是Vmax*0.2、0.5和0.1。
此外，可将Vf＞Vmax*0.05作为产生代表电弧放电的逻辑乘积的附加条件。
工业应用性因而，本发明能够提供一种检测电弧的方法和用于控制高频电弧的装置，可在不终止辉光放电的情况下控制电弧放电。
权利要求
1.一种检测辉光放电装置中的电弧放电的方法，所述辉光放电装置具有高频电源，其中，当dVr/dt-dVf/dt增加到第一电平以上时，向高频电源输出切断脉冲时间T1，以终止辉光放电装置的电力供应，其中Vf和Vr分别是施加给辉光放电装置的行波电压和反射波电压；当在辉光放电装置的电力供应停止之后的预定时间To内Vr/Vf增加到第二电平或更高电平时，就判定在辉光放电装置内已经产生了电弧放电。
2.一种检测辉光放电装置中的电弧放电的方法，所述辉光放电装置具有高频电源，其中，当dVr/dt-dVf/dt增加到第一电平以上时，向高频电源输出切断脉冲时间T1，以终止辉光放电装置的电力供应，其中Vf和Vr分别是施加给辉光放电装置的行波电压和反射波电压；当在辉光放电装置的电力供应停止之后的预定时间To内Vr/Vf增加到第二电平或更高电平时，判定在辉光放电装置内已经发生了电弧放电；以及在检测到电弧放电后，进一步终止辉光放电装置的电力供应时间T1。
3.一种检测辉光放电装置中的电弧放电的方法，所述辉光放电装置具有高频电源，其中，当dVr/dt-dVf/dt增加到第一电平以上时，向高频电源输出切断脉冲时间T1，以终止辉光放电装置的电力供应，其中Vf和Vr分别是施加给辉光放电装置的行波电压和反射波电压；当在辉光放电装置的电力供应停止之后的预定时间To内Vr/Vf增加到第二电平或更高电平、而Vf变得大于Vfmax×0.05时，就判定在辉光放电装置内已经发生了电弧放电。
4.一种检测辉光放电装置中的电弧放电的方法，所述辉光放电装置具有高频电源，其中，当dVr/dt-dVf/dt增加到第一电平以上时，向高频电源输出切断脉冲时间T1，以中断辉光放电装置的电力供应，其中Vf和Vr分别是施加给辉光放电装置的行波电压和反射波电压；当在辉光放电装置的电力供应停止之后的预定时间To内Vr/Vf增加到第二电平或更高电平、而Vf变得大于Vfmax×0.05时，就判定在辉光放电装置内已发生了电弧放电；以及，在检测到电弧放电后，进一步终止辉光放电装置的电力供应时间T1。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的电弧放电检测方法，其中第一电平范围为Vmax*0.05到Vmax*0.2，第二电平范围为0.5到0.95。
6.根据权利要求1到4中任一项所述的电弧放电检测方法，其中当Vr/Vf保持第二电平或更高电平达时间T2或更长时间时，就判定已经发生了电弧放电。
7.根据权利要求6所述的电弧放电检测方法，其中第一电平范围为Vmax*0.05到Vmax*0.2，第二电平范围为0.5到0.95。
8.根据权利要求1到4中任一项所述的电弧放电检测方法，其中预定时间To是从切断脉冲的后沿处开始测量。
9.根据权利要求6所述的电弧放电检测方法，其中预定时间To是从切断脉冲的后沿处开始测量。
10.一种检测辉光放电装置中的电弧放电的方法，所述辉光放电装置具有高频电源，其中，当Vr/Vf处在第三电平或更低电平时，为辉光放电装置确定经历阻抗匹配的负载，其中Vf和Vr分别是施加给辉光放电装置的行波电压和反射波电压；以及此后当Vr/Vf增加到第二电平或更高电平时，判定在辉光放电装置中已经发生了电弧放电。
11.一种检测辉光放电装置中的电弧放电的方法，所述辉光放电装置具有高频电源，其中，当Vr/Vf处在第三电平或更低的电平时，为辉光放电装置确定经历阻抗匹配的负载，其中Vf和Vr分别是施加给辉光放电装置的行波电压和反射波电压；以及此后当Vr/Vf增加到第二电平或更高电平时，判定在辉光放电装置中已经发生了电弧放电；在检测到电弧放电之后，终止高频电压的电力供应时间T1。
12.一种检测辉光放电装置中的电弧放电的方法，所述辉光放电装置具有高频电源，其中，当Vr/Vf处在第三电平或更低的电平时，为辉光放电装置确定经历阻抗匹配的负载，其中Vf和Vr分别是施加给辉光放电装置的行波电压和反射波电压；以及此后当Vr/Vf增加到第二电平或更高电平、而Vf大于Vfmax×0.05时，判定在辉光放电装置中已经发生了电弧放电。
13.一种检测辉光放电装置中的电弧放电的方法，所述辉光放电装置具有高频电源，其中，当Vr/Vf处在第三电平或更低的电平时，为辉光放电装置确定经历阻抗匹配的负载，其中Vf和Vr分别是施加给辉光放电装置的行波电压和反射波电压；以及此后当Vr/Vf增加到第二电平或更高电平、而Vf大于Vfmax×0.05时，就判定在辉光放电装置中已经发生了电弧放电；以及，在检测到电弧放电之后，终止高频电压的电力供应时间T1。
14.根据权利要求10到13中任一项所述的电弧放电检测方法，其中第二电平范围从0.5到0.95，第三电平范围从0.05到0.5。
15.一种高频电弧放电控制装置，包括辉光-放电装置，通过功率表和阻抗匹配电路从高频电源接收电力；第一切断-脉冲输出单元，当dVr/dt-dVf/dt增加到第一电平以上时，向高频电源输出切断脉冲时间T1，其中Vf和Vr分别是由功率表施加的行波电压和反射波电压；以及第二切断-脉冲输出单元，当在第一切断-脉冲输出单元输出切断脉冲之后的预定时间To内Vr/Vf增加到第二电平以上时，再次向高频电源输出切断脉冲时间T1。
16.一种高频电弧放电控制装置，包括辉光-放电装置，通过功率表和阻抗匹配电路从高频电源接收电力；第一切断-脉冲输出单元，当dVr/dt-dVf/dt增加到第一电平以上时，向高频电源输出切断脉冲时间T1，其中Vf和Vr分别是由功率表施加的行波电压和反射波电压；以及第二切断-脉冲输出单元，当在第一切断-脉冲输出单元输出切断脉冲之后的预定时间To内Vr/Vf增加到第二电平以上时，再次向高频电源输出切断脉冲时间T1，并当在向高频电源输出切断脉冲之后的预定时间To内Vr/Vf增加到第二电平以上时，再次向高频电源输出切断脉冲时间T1。
17.一种高频电弧放电控制装置，包括辉光-放电装置，通过功率表和阻抗匹配电路从高频电源接收电力；第一切断-脉冲输出单元，当dVr/dt-dVf/dt增加到第一电平以上时，向高频电源输出切断脉冲，其中Vf和Vr分别是由功率表施加的行波电压和反射波电压；以及第二切断-脉冲输出单元，当在第一切断-脉冲输出单元输出切断脉冲之后的预定时间To内Vr/Vf增加到第二电平以上、而Vf变得大于Vfmax×0.05时，再次向高频电源输出切断脉冲时间T1。
18.一种高频电弧放电控制装置，包括辉光-放电装置，通过功率表和阻抗匹配电路从高频电源接收电力；第一切断-脉冲输出单元，当dVr/dt-dVf/dt增加到第一电平以上时，向高频电源输出切断脉冲，其中Vf和Vr分别是由功率表施加的行波电压和反射波电压；以及第二切断-脉冲输出单元，当在第一切断-脉冲输出单元输出切断脉冲之后的预定时间To内Vr/Vf增加到第二电平以上、而Vf变得大于Vfmax×0.05时，再次向高频电源输出切断脉冲时间T1，以及，当在向高频电源输出切断脉冲之后的预定时间To内Vr/Vf增加到第二电平以上、并且Vf变得大于Vfmax×0.05时，再次向高频电源输出切断脉冲时间T1。
19.根据权利要求15到18中任一项所述的高频电弧放电控制装置，其中第一电平范围从Vmax*0.05到Vmax*0.2，第二电平范围从0.5到0.95。
20.根据权利要求15到18中任一项所述的高频电弧放电控制装置，其中当Vr/Vf维持第二电平或者更高电平达时间T2或更长时，第二切断-脉冲输出单元就判定已发生了电弧放电。
21.根据权利要求20所述的高频电弧放电控制装置，其中第一电平范围为Vmax*0.05到Vmax*0.2，第二电平范围为0.5到0.95。
22.根据权利要求15到18中任一项所述的高频电弧放电控制装置，其中预定时间To是从切断脉冲的后沿处开始测量。
23.根据权利要求20所述的高频电弧放电控制装置，其中预定时间To是从切断脉冲的后沿处开始测量。
24.一种高频电弧放电控制装置，包括辉光-放电装置，通过功率表和阻抗匹配电路从高频电源接收电力；匹配-存储单元，当Vr/Vf处在第三电平或者更低的电平时，存储代表负载经历阻抗匹配的数据，其中Vr和Vf分别表示由功率表施加的行波电压和反射波电压；以及切断-脉冲输出单元，当Vr/Vf增加到第二电平以上、同时匹配存储单元存储了代表负载经历阻抗匹配的数据时，向高频电源输出切断脉冲。
25.一种高频电弧放电控制装置，包括辉光-放电装置，通过功率表和阻抗匹配电路从高频电源接收电力；匹配-存储单元，当Vr/Vf处于第三电平或更低的电平时，存储代表负载经历阻抗匹配的数据，其中Vf和Vr分别是由功率表施加的行波电压和反射波电压；以及切断-脉冲输出单元，当Vr/Vf增大到第二电平或更高的电平、同时匹配-存储单元存储了代表负载经历阻抗匹配的数据时，向高频电源输出切断脉冲，并当在向高频电源输出切断脉冲之后的预定时间To内Vr/Vf增大到第二电平或更高电平时，再次向高频电源输出切断脉冲时间T1。
26.一种高频电弧放电控制装置，包括辉光-放电装置，通过功率表和阻抗匹配电路从高频电源接收电力；匹配-存储单元，当Vr/Vf处在第三电平或更低的电平时，存储代表负载经历阻抗匹配的数据，其中Vf和Vr分别是由功率表施加的行波电压和反射波电压；以及切断-脉冲输出单元，当Vr/Vf增大到第二电平或更高的电平、而Vf变得大于Vfmax×0.05、同时匹配-存储单元存储了代表负载经历阻抗匹配的数据时，向高频电源输出切断脉冲。
27.一种高频电弧放电控制装置，包括辉光-放电装置，通过功率表和阻抗匹配电路从高频电源接收电力；匹配-存储单元，当Vr/Vf处于第三电平或更低的电平时，存储代表负载经历阻抗匹配的数据，其中Vf和Vr分别是由功率表施加的行波电压和反射波电压；以及切断-脉冲输出单元，当Vr/Vf增大到第二电平或更高的电平、而Vf变得大于Vfmax×0.05、同时匹配存储了单元存储代表负载经历阻抗匹配的数据时，向高频电源输出切断脉冲，并当Vr/Vf在向高频电源输出切断脉冲之后的预定时间To内增大到第二电平或更高电平时，再次向高频电源输出切断脉冲时间T1。
28.根据权利要求24到27中任一项所述的高频电弧放电控制装置，其中第二电平范围从0.5到0.95，而第三电平范围从0.05到0.5。
全文摘要
在检测具有高频电源PS的辉光放电装置GD内的电弧放电的方法中，当dVr/dt－dVf/dt增加到第一电平以上时，向高频电源PS输出切断脉冲时间T1，以停止辉光放电装置GD的电力供应，其中Vf和Vr分别是施加给辉光放电装置GD的行波电压和反射波电压。当在辉光放电装置的电力供应终止之后的预定时间To内Vr/Vf增大为第二电平或更高的电平时，判定在辉光放电装置中已经发生了电弧放电。
文档编号H01J37/32GK1565148SQ0281990
公开日2005年1月12日 申请日期2002年9月30日 优先权日2001年10月22日
发明者栗山升 申请人:芝浦机械电子株式会社