专利名称：双极脉冲电源及并联多台该双极脉冲电源的电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及双极脉冲电源以及将多台该双极脉冲电源并联连接的电源装置，所述 双极脉冲电源可对等离子体以及表面处理装置进行双极脉冲电力供应。
背景技术：
对于这种双极脉冲电源，例如已知有在处理基板表面形成规定的薄膜的溅射装 置中使用的，具有供应直流电力的整流电路、连接于该整流电路的正和负输出端并包含4 个开关元件的MOSFET电桥电路的双极脉冲电源。而且，通过使各开关元件适当动作，并按 照规定的频率交替切换极性对作为输出端(电极)的一对靶施加任意的脉冲电压，将各靶 交替切换为阳极电极、阴极电极，而在阳极电极和阴极电极间产生辉光放电从而形成等离 子体气氛，使各靶溅射。由此，通过施加相反的相位电压而抵消靶表面所蓄积的电荷，从而 可获得更稳定的放电(例如，专利文献1)。对于这样的辉光放电，已知有因某些原因而产生异常放电(电弧放电)的情况；如 果在电极间局部地产生电流变化量多的(电弧电流大的)异常放电，则会诱发飞溅、产生颗 粒等问题，无法实现良好的成膜。由此，对于上述双极脉冲电源，设置检测源自电桥电路的 输出电流的检测电路，在由该检测电路检测的输出电流超过稳定输出电流值时，切换动作 中的开关元件而暂时切断对该电极的输出。于是，如果过电流被平息而其值接近稳定输出 电流值，即再次开始对该电极的输出(参见专利文献1)。也就是，对于该双极脉冲电源，如 果输出电流超过一定的范围而变化，那么捕捉为异常放电的前段现象(微电弧)，对其进行 消弧处理，从而可抑制电流变化量多的异常放电的产生。专利文献1 专利第3639605号公报(例如，参见权利要求1，0016段的记载)。
发明内容
发明要解决的问题然而，对于上述的双极脉冲电源，在由于靶的氧化等而导致放电不稳定的溅射开 始之初及溅射中产生异常放电并且过电流流通时，由于分别高速控制4个开关元件本身进 行应对，即，由于在提供了直流电力的状态下进行各开关元件的开关，因此各个开关元件的 开关损耗很大，根据使用条件而有可能会在早期发生动作不良。由此，作为开关元件，需要 使用耐久性高、开关速度高的开关元件，但是这样就会导致高成本。此处，以往的溅射装置有，可对如制造FPD时所使用的被处理基板那样大面积的 基板形成薄膜的溅射装置。对于这种溅射装置，一般来说，与被处理基板相对并列设置多只 同一形状的靶，针对该并列设置的靶中的分别成对的每对靶而分配设置上述的双极脉冲电 源，通过相互通信自如的各双极脉冲电源而向各靶施加电力。但是，对于以往的双极脉冲电源，分别具有4个开关元件，而且开关元件中存在开 关速度的个体差异(存在在大电流用的开关元件中产生最大数μ s的差的情况)，并且在各 开关元件的控制电路中也存在控制速度的偏差。由此，源自各双极脉冲电源的输出有偏差，难以实现同步运行。因此鉴于上述原因，本发明的第一目的在于提供可减轻电桥电路的开关元件的 开关损耗、不使用高功能开关元件便可实现高耐久性的双极脉冲电源。另外，本发明的第二 目的在于提供将多台容易实现输出同步的双极脉冲电源并联连接的电源装置。解决问题的技术方案为了解决上述问题，权利要求1所述的双极脉冲电源，其特征在于，具备连接于源 自直流电力供应源的正和负的直流输出端的、包含开关元件的电桥电路，以及控制电桥电 路的各开关元件的开、闭的切换的控制装置；在按照规定的频率向接触等离子体的一对电 极提供双极脉冲供电的双极脉冲电源中，在前述源自直流电力供应源的正和负的直流输出 间设置输出短路用的开关元件，通过该输出短路用的开关元件的短路状态而由控制装置来 进行电桥电路的各开关元件的切换。根据本发明，从直流电力供应源向电桥电路供应直流电力。接着，在输出短路用的 开关元件短路(开)的状态，将构成电桥电路的开关元件中的、输出至一方电极的2个开关 元件设为开。其后，如果解除(闭)输出短路用的开关元件的短路，则对一方电极进行电力 供应(输出)。接着，将输出短路用的开关元件再次短路，将对一方电极输出中的开关元件 设为闭，并且将输出于另一方电极的2个开关元件设为开，其后，如果解除输出短路用的开 关元件的短路，则向另一方电极输出。通过重复该控制，从而按照规定的频率而向与等离子 体接触的一对电极提供双极脉冲供电。在双极脉冲供电时，由于开关损耗仅由1个输出短路用的开关元件产生，因此在 电桥电路的各开关元件上几乎不产生开关损耗。由此，不使用高性能的开关元件便可实现 高耐久性，也不需要在4个开关元件上产生开关损耗的情况下的充分的散热机构。因此实 现了双极脉冲电源的低成本化。需要说明的是，前述电极优选为，设置于实施溅射法的处理室内的一对靶。另外，具备检测前述一对电极间的输出电流的检测装置，及如果该输出电流的绝 对值超过向电极的稳定输出电流值，则捕捉异常放电产生的前段现象的异常放电检测装 置；如果由该异常放电检测装置捕捉到异常放电产生的前段现象，则在前述输出短路用开 关元件的作用下切断对电极的输出从而进行异常放电的消弧处理，控制输出中的2个开关 元件而进行异常放电的消弧处理，由此，可响应性良好地进行其控制；在该处理中，在电桥 电路的各开关元件上几乎不产生开关损耗，可进一步提高其耐久性。进一步，为了解决上述问题，权利要求4所述的电源装置，其为将多台权利要求 1 3中任一项所述的双极脉冲电源并联连接的电源装置；其特征在于，具有总控制装置， 所述总控制装置在对设置于相同的处理室内的多对电极进行双极脉冲电力供应时，控制各 双极脉冲电源的输出短路用开关元件的开、闭的切换。根据本发明，由于通过总控制装置而仅使各双极脉冲电源的各输出短路用开关元 件进行同步即可，因此可使电桥电路的开关元件留有充分余地地来动作，即使在各双极脉 冲电源开关元件、控制电路上存在个体差异，也容易进行同步运行。在通过前述总控制装置而将各双极脉冲电源的输出短路用开关元件设为短路的 状态下，如果控制装置将电桥电路的各开关元件的切换定时设为可自由变更，例如，在连接 于相同的双极脉冲电源的一对靶间产生了异常放电的情况下，可按照使得邻近该靶的靶的4电位与产生异常放电靶的电位趋向一致的方式，而控制电桥电路的各开关元件，可容易对 异常放电进行消弧。发明效果如上所述，本发明的双极脉冲电源，具有可减轻电桥电路开关元件的开关损耗、不 使用高功能开关元件便可实现高耐久性、并可实现低成本化的效果。另外，本发明的电源装 置，取得了容易实现源自各双极脉冲电源的输出同步的效果。
具体实施例方式参见图1，E为本发明的双极脉冲电源；对于双极脉冲电源E，例如在溅射装置的真 空腔中与处理基板S相对地设置；用于按照规定的频率，向作为接触等离子体P的电极的一 对靶Tl、T2供应双极脉冲电力。双极脉冲电源E，包括可进行直流电力供应的直流电力供 应部1、控制对各靶Tl、T2的输出(电力供应)的振荡部2。在此情况下，输出电压的波形 为大致的方形波、大致的正弦波。直流电力供应部1，具有控制其动作的第ICPU电路11、输入商用交流电力(3相 AC200V或400V)的输入部12，以及包含将所输入的交流电力整流而转换为直流电力的6个 二极管13a的整流电路13 ；通过正和负直流电力线路14a、14b而将直流电力输出于振荡部 2。另外，在直流电力供应部1中设置有设置于直流电力线路14a、14b间的开关晶体管15， 通信自如地连接于第ICPU电路11并且控制开关晶体管15的开、闭的输出振荡用的驱动电 路16。在直流电力线路14a、14b间，连接有检测其电流、电压的检测电路17a ；由检测电路 17a检测的电流、电压，通过AD转换电路17a而输入于第ICPU电路11。另一方面，在振荡部2中设置有通信自如地连接于第ICPU电路11的第2CPU电 路21，连接于正和负直流电力线路14a、14b间的包含4个第1 第4开关晶体管SWl SW4 的电桥电路22，以及通信自如地连接于第2CPU电路21并且控制各开关晶体管SWl SW4 的开、闭的切换的输出振荡用的驱动电路23。而且，在输出振荡用的驱动电路23的作用下，例如，如果按照反转第1和第4开关 晶体管SW1、SW4与第2和第3开关晶体管SW2、SW3的开、闭定时的方式来控制各开关晶体 管SWl SW4的切换，可通过源自电桥电路22的输出线路Ma、24b而向一对靶T1、T2进行 双极脉冲电力供应。在输出线路Ma、24b上，连接有检测对一对靶Tl、T2的输出电流和输 出电压的检测电路25 ；由该检测电路25检测的输出电流和输出电压，通过AD转换电路沈 而输入于第2CPU电路21。此处，对于上述结构的双极脉冲电源E，由于通过从直流电力供应部1输出直流电 力的状态来切换各开关晶体管SWl SW4，因而这些开关损耗变大，因此需要提高各开关晶 体管SWl SW4的耐久性。本实施方式中，在源自直流电力供应部1的正和负直流输出线路14a、14b之间，设 置由输出振荡用的驱动电路23控制开、闭的切换的输出短路用的开关晶体管SW0，通过输 出短路用的开关晶体管SWO的短路状态(切断对靶Tl、T2的输出的状态)，进行电桥电路 22的各开关晶体管SWl SW4的切换。正如图2所示，在向一对靶T1、T2进行双极脉冲电力供应的情况下，通过开关晶体 管SWO的短路状态(开)，例如将第1和第4开关晶体管SW1、SW4设为开，其后，将开关晶体管SWO的短路解除(闭)而向一方的靶Tl输出(对靶Tl施加负的电位)。接着，将开 关晶体管SWO再次短路，将第1和第4开关晶体管SW1、SW4设为闭，并且将第2和第3开关 晶体管SW2、SW3设为开，其后，将开关晶体管SWO设为闭而向另一方的靶T2输出(对靶T2 施加负的电位)。然后，将各开关晶体管SWl SW4的开、闭的定时反转，通过重复上述控制，从而按 照规定的频率在一对靶Tl、T2间进行双极脉冲电力供应。由此，在向保持规定压力的真空 腔内导入Ar等溅射气体的状态下，按照规定的频率交替变换极性向一对靶Tl、T2施加电 力，使该一对靶Tl、T2交替切换为阳极电极、阴极电极，在阳极电极和阴极电极间产生辉光 放电而形成等离子体气氛，各靶Tl、T2被溅射。由此，对靶Tl、T2输出时产生的开关损耗仅在开关晶体管SWO产生，在各开关晶体 管SWl SW4几乎不产生开关损耗。其结果，不使用高功能的开关元件，便可实现高耐久性， 而且，不需要在4个开关元件产生开关损耗的情况下的充分的散热装置，实现了低成本化。在上述的辉光放电中，存在因某些原因而产生电弧放电的情况，如果在一对靶Tl、 Τ2之间产生电弧电流大的电弧放电，会诱发飞溅、颗粒的产生等问题，无法实现良好地成 膜。由此，本实施方式中，将输入有由检测电路25检测的输出电流和输出电压的电弧检测 控制电路27，通信自如地设置于第2CPU电路21 (参见图1)，进行电弧放电的消弧处理。如图3和图4所示，在由检测电路25检测的输出电流Va超过稳定输出电流值Vc 时，被电弧检测控制电路27捕捉为电弧放电产生的前段现象，通过第2CPU电路21及电 弧检测控制电路27并由输出振荡用的驱动电路23将输出短路用的开关晶体管SWO短路 (开)。在此情况下，对于电桥电路22的各开关晶体管SWl SW4，虽然保持对任一方的靶 Τ1、Τ2的输出状态，但是通过使开关晶体管SWO短路，从而切断对靶Τ1、Τ2的输出(微电弧 处理)。接着，经过规定时间之后，对输出短路用的开关晶体管SWO解除(闭)短路，根据 各开关晶体管SWl SW4的动作状态再开始对任一方的靶Tl、Τ2的输出。此时，通过电弧 检测控制电路27判断输出电流Va是否超过稳定输出电流值Vc，如果仍超过稳定输出电流 值Vc，则由输出振荡用的驱动电路23将输出短路用的开关晶体管SWO再次短路。如果即使多次重复该一连串的微电弧处理，输出电流Va也一直为超过稳定输出 电流值Vc的状态，或者，超过输出电流Va的预先设定的规定值，那么判断为发生了诱发飞 溅、颗粒产生的电弧放电，通过将来自第ICPU电路11的控制使开关晶体管15设为闭，停止 源自直流电力供应部1的输出(硬电弧处理)。如果如上所述实施微电弧处理，那么相比于切换输出中的2个开关晶体管SWl SW4来进行电弧放电的消弧处理的情况下，可响应性良好地进行控制，在该处理中，在电桥 电路22的各开关晶体管SWl SW4中几乎完全不产生开关损耗，可进一步提高耐久性。接着，参见图5和图6，对将多台本发明的双极脉冲电源E并联连接的电源装置进 行说明。ES为本发明的电源装置；该电源装置ES，在例如具有下述结构的磁控管溅射装置 (以下，称为“溅射装置”)3中使用。溅射装置3具有可通过旋转泵、涡轮分子泵等真空排气装置(未图示)保持在规 定的真空压(例如，I(T5Pa)的真空腔31，构成溅射室(处理室)32。在真空腔31的上部设 置有将例如在制造FPD时所使用的大面积的处理基板S保持在电位浮动状态的基板支架33。在真空腔31中另设置有将工艺气体导入溅射室32内的气体导入管(未图示)；在通 过包含Ar等稀有气体的溅射气体或反应性溅射而形成规定的薄膜的情况下，可将根据想 要在处理基板S表面形成的薄膜的组成而适当选择的02、N2, H2O等反应性气体导入处理室 32。在溅射室32中，与处理基板S相对、以等间隔并列设置多只(本实施方式中8只) 靶41a 41h。各靶41a 41h，为利用Al、Ti、Mo、铟与锡的氧化物(ITO)或铟与锡的合金 等，根据想要在处理基板S表面形成的薄膜的组成而采用公知方法来制作，形成为例如大 致长方体(俯视为长方形)等相同形状。各靶41a 41h在溅射器中，通过铟、锡等焊接材料而接合在冷却靶41a 41h的 后板上。对于各靶41a 41h，按照未使用时的溅射面位于平行于处理基板S的同一平面上 的方式，借助于绝缘部件而设置于真空腔31中。另外，在靶41a 41h的后方(背向溅射 面一侧)，设置有具有公知结构的磁铁组合件(未图示)；在各靶41a 41h的前方(溅射 面)侧，通过捕捉电离的电子和因溅射而产生的二次电子，从而提高各靶41a 41h前方处 的电子密度而使等离子体密度变高，可提高溅射率。对于各靶41a 41h，以相邻的2只构成一对靶(41a禾口 41b,41c和41d、41E和 41f、41g和41h)；按照逐一分配于41a 41h的各对靶的方式，而设置有上述实施方式的双 极脉冲电源El E4 ；源自双极脉冲电源El E4的输出线路Ma、24b连接于各对靶41a、 41b (41c和41d，41E和41f，41g和41h)。由此，便可通过双极脉冲电源El E4，交替极性 对各对靶41a 41h进行双极脉冲电力供应。本实施方式中，为了稳定地在靶41a 41h的前方生成等离子体，按照相互邻接的 靶41a 41h的极性相互反转的方式，使各双极脉冲电源El E4同步进行电力供应(参 见图5)。为了实现该同步运行，设置由CPU构成的总控制装置5，该CPU通信自如地连接于 各双极脉冲电源El E4的第2CPU电路21上。而且，在各双极脉冲电源El E4的输出短路用的开关晶体管SWO的短路状态下， 对于各双极脉冲电源El E4中的每个，将第1和第4开关晶体管SWl、SW4以及第2和第 3开关晶体管SW2、SW3的开、闭的定时反转，并且，按照相互邻近的靶41a 41h的极性反 转的方式而使各开关晶体管SWl SW4动作，然后，通过源自总控制装置5的输出来解除开 关晶体管SWO的短路，向一对靶中一方一靶41a、41c、41E、41g输出。接着，通过源自总控制装置5的输出，进行各双极脉冲电源El E4的输出短路用 开关晶体管SWO的短路，将各开关晶体管SWl SW4切换，然后，通过源自总控制装置5的 输出来解除开关晶体管510的短路，向另一方的各靶4113、41(1、41厂4111输出。然后，通过重 复上述控制，按照预置的频率对各靶41a 41h进行双极脉冲电力供应，从而同步运行。在该同步运行时，由于通过总控制装置5，仅使各双极脉冲电源El E4的输出短 路用开关元件SWO的开、闭的切换定时同步即可，因此可使各双极脉冲电源El E4的开关 元件SWl SW4留有充分余地地动作，即使在各双极脉冲电源的开关元件、控制电路上存在 个体差异，也容易实现该同步运行。另外，对于各双极脉冲电源El E4，按照如下方式构成在溅射中，在任1个双极 脉冲电源中由检测电路25检测的输出电流Va超过稳定输出电流值Vc时，通过由该双极脉 冲电源的电弧检测控制电路23来进行输出短路用开关晶体管SWO的切换，从而进行上述的7微电弧处理。在任1个双极脉冲电源进行微电弧处理时，如果连接于源自该双极脉冲电源的输 出电线14a、14b的一对靶，与邻近该一对靶的源自其它的双极脉冲电源的输出电线14a、 14b所连接其它的靶的电位为相互一致，那么可容易地对异常放电进行消弧。本实施方式中，在任1个双极脉冲电源El E4开始微电弧处理时，通过总控制 装置5向输出于邻近的靶的双极脉冲电源的第2CPU电路21输出。在此情况下，通过该第 2CPU电路21，由输出振荡用的驱动电路23使输出短路用的开关晶体管SWO暂时短路，根据 各开关晶体管SWl SW4的动作状态，变更各开关晶体管SWl SW4的动作定时以使其电 位相互一致，解除输出短路用的开关晶体管SWO的短路，向靶输出。需要说明的是，本实施方式中，虽然针对为了使各双极脉冲电源El E4同步运行 而设置有总控制装置的例子进行了说明，但是也可将任1个第2CPU电路21作为总控制装 置(主电源)，通过该总控制装置的输出，来控制其它双极脉冲电源E2 E(从属电源)的 动作。
图1本发明的双极脉冲电源的示意图。图2本发明的双极脉冲电源的输出控制的说明图。图3本发明的双极脉冲电源处的微电弧处理的说明4本发明的双极脉冲电源处的微电弧处理的说明5使用本发明的电源装置的溅射装置示意图。图6本发明的电源装置的输出控制的说明图。附图标记说明1直.流电力供应部2振荡部22电桥电路24a,24b输出电线25输出电流、电压检测电路27电弧检测控制电路E双极脉冲电源SffO . SW4开关元件T1、T2电极(靶)
权利要求
1.一种双极脉冲电源，包括连接于源自直流电力供应源的正和负直流输出端的、由 开关元件组成的电桥电路，以及控制电桥电路的各开关元件的开、闭切换的控制装置；按照 规定的频率向与等离子体接触的一对电极进行双极脉冲供电；其特征在于，在源自所述直 流电力供应源的正和负直流输出间设置输出短路用的开关元件，通过该输出短路用开关元 件的短路状态而由控制装置来进行电桥电路的各开关元件的切换。
2.根据权利要求1所述的双极脉冲电源，其特征在于，所述电极为设置于实施溅射法 的处理室内的一对靶。
3.根据权利要求1或2所述的双极脉冲电源，其特征在于，包括检测所述一对电极间 的输出电流的检测装置，以及如果该输出电流的绝对值超过向电极的稳定输出电流值，则 捕捉为异常放电产生的前段现象的异常放电检测装置；如果由该异常放电检测装置捕捉到 异常放电产生的前段现象，则在所述输出短路用开关元件的作用下切断对电极的输出，从 而对异常放电进行消弧处理。
4.一种电源装置，用于将多台权利要求1 3中任一项所述的双极脉冲电源并联连接， 其特征在于，具备总控制装置，所述总控制装置在对设置于相同的处理室内的多对电极进 行双极脉冲电力供应时，控制各双极脉冲电源的输出短路用开关元件的开、闭切换。
5.根据权利要求4所述的电源装置，其特征在于，在由所述总控制装置将各双极脉冲 电源的输出短路用开关元件处于短路的状态下，由控制装置自由变更电桥电路的各开关元 件的切换定时。
全文摘要
本发明提供一种双极脉冲电源，其按照规定的频率向与等离子体接触的一对电极进行双极脉冲供电，可减轻电桥电路的开关元件的开关损耗，不用高性能开关元件便可实现高耐久性。双极脉冲电源包括连接于源自直流电力供应源(1)的正和负的直流输出端的、包含开关元件(SW1～SW4)的电桥电路(22)，以及控制电桥电路的各开关元件的开、闭切换的控制装置。在源自直流电力供应源的正和负直流输出间设置输出短路用的开关元件(SW0)，通过该输出短路用开关元件的短路状态而由控制装置来进行电桥电路的各开关元件的切换。
文档编号H02M7/5387GK102047548SQ20098011932
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月20日 优先权日2008年5月26日
发明者堀下芳邦, 大岛亘, 小野敦 申请人:株式会社爱发科