直流电源装置以及直流电源装置的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及直流电源装置，例如涉及等离子体发生装置等负载所使用的直流电源装置、直流电源装置的控制方法。
【背景技术】
[0002]在半导体设备、液晶面板、磁盘等的制造或溅射处理等中，公知的有:对基板等处理对象物使用等离子体的等离子体处理工序。在该等离子体处理工序中，从直流电源装置向等离子体发生装置供给直流电，在等离子体发生装置中的空间中通过使处理气体等离子体化等来产生等离子体，通过产生的等离子体对基板的表面进行成膜处理或蚀刻处理。
[0003]通常，对于直流电源装置，等离子体发生装置相当于电子负载，与直到等离子体放电发生为止的等离子体放电开始时的负载和稳定地发生等离子体放电的通常运转时的负载不同。因此，通常，直流电源装置在等离子体放电开始时，向电极施加一定时间的大于通常运转时的电压的点火电压，之后，施加通常运转时的低电压的放电电压(专利文献I)。此夕卜，公知通过励磁涌流(inrush current)检测等离子体放电开始的技术(专利文献2，3)。
[0004]此外，公知作为产生用于发生等离子体放电的点火电压的电路，而使用共振转换器或使用斩波控制的技术。
[0005]图12(a)，(b)是使用共振转换器的点火电压发生电路，图12(a)表示串联共振转换器的电路例，图12(b)表示并联共振转换器的电路例。在图12(a)所示的电路例中，在逆变器电路与由二极管整流电路构成的转换器之间连接LC的串联共振电路，在图12(b)所示的电路例中，在逆变器电路与由二极管整流电路构成的转换器之间连接LC的并联共振电路。使用共振转换器的点火电压发生电路通过共振使点火电压上升。
[0006]图12(c)是斩波控制的电路例，在直流源(Ein)与逆变器电路之间设置斩波电路。在斩波控制的电路中，通过斩波电路具备的开关元件的接通占空比对点火电压进行控制。
[0007]现有技术文献
[0008]专利文献
[0009]专利文献1:日本特开2010-255061 (段落
[0006])
[0010]专利文献2:日本特开平11-229138号公报(段落
[0009])
[0011]专利文献3:日本特开2002-173772号公报(段落
[0032])
【发明内容】
[0012]发明要解决的课题
[0013]在专利文献2记载的装置中，通过施加一定时间的大于设定的放电电压的电压来发生等离子体，此外，在专利文献3记载的装置中，通过瞬间施加额定以上的电压来进行等离子体放电的着火。
[0014]如上所述，为了使等离子体着火而施加的电压在一定时间或瞬间施加大于放电电压或额定电压的电压。在等离子体放电的发生中存在波动，当施加电压较低时需要将施加时间设定成较长。
[0015]为了在较短的施加时间可靠地发生等离子体放电，需要发生大于放电电压或额定电压的电压。
[0016]因此，向等离子体发生装置供给直流电的直流电源装置存在为了提高在等离子体放电的发生中所使用的电压，直流电源装置复杂化且大型化的问题。
[0017]此外，当通过较低的施加电压发生等离子体放电时，施加时间变长，因此存在等离子体发生装置中的处理时间变长的问题。
[0018]此外，在点火电压发生电路中，当使用串联共振转换器以及并联共振转换器时，通过共振动作使电压上升，因此存在点火电压的最大值仅能升压至输入直流电压的Edc的2倍的问题。为了提高点火电压需要提高输入直流电压Edc，需要准备高电压的直流源。
[0019]当在点火电压发生电路中，基于斩波控制时，在逆变器电路中不具备共振电路，因此在降压斩波电路中存在仅能使点火电压的最大值获得到输入直流电压Ein为止的问题。
[0020]因此，即使在基于共振电路或斩波电路的点火电压发生电路中也存在为了提高在等离子体放电的发生中所使用的电压，直流电源装置复杂化且大型化的问题。
[0021]本发明的目的是解决所述的现有的问题，在向等离子体发生装置供给直流电的直流电源装置中，使形成发生等离子体放电的高压电压的装置结构简单且小型化。
[0022]此外，本发明的目的是不需要使用大型且复杂结构的直流电源装置，缩短等离子体放电发生所需要的电压施加时间。
[0023]用于解决课题的手段
[0024]当对等离子体发生装置等负载供给直流电来进行等离子体处理时，在加载电源时或重新启动时，进行使等离子体发生装置发生等离子体放电的工序。此时，从直流电源装置对等离子体发生装置施加高于被称为点火电压的通常运转时所施加的电压的电压，发生等离子体放电。
[0025]本发明涉及为了发生等离子体放电，而生成向等离子体发生装置施加的电压的直流电源装置以及直流电源装置的控制方法。
[0026]需要将向等离子体发生装置施加的电压升压至发生等离子体放电所需要的点火设定电压。本发明的直流电源装置重复多次仅在微小时间内使电流流过直流电源装置具备的电流型降压斩波部，使用各电流的能量使输出电压逐步上升，直到升压至点火设定电压为止。
[0027]在本发明的直流电源装置中，为了使电流仅在微小时间流过电流型降压斩波部，仅在微小时间切断从电流型降压斩波部向直流电源装置的输出端的电流流路，从而使短路电流流过电流型降压斩波部。为了切断向直流电源装置的输出端的电流流路，将电流型降压斩波部的电流先积蓄在电流型降压斩波部具备的电感器中。
[0028]之后，解除向直流电源装置的输出端的电流路的切断，当形成从电流型降压斩波部向直流电源装置的输出端的电流路时，通过积蓄在电感器中的能量使直流电源装置的输出端的电压升压。通过重复基于电流的积蓄和释放的输出端的升压，使直流电源装置的输出端的电压升压至点火设定电压为止。
[0029]图1是用于说明本申请发明的、短路电流的发生动作以及基于短路电流的输出电压的升压动作的图。
[0030]图1(a)是用于说明短路电流的发生动作的图。在电流型降压斩波部或多相逆变器中，通过使正电压侧和负电压侧短路，使短路电流Δ?流过电流型降压斩波部。将短路电流Δ i的能量积蓄在电感L中。
[0031]图1(b)是用于说明输出电压的升压动作的图。停止短路动作，将电流型降压斩波部和多相逆变器切换成连接状态时，积蓄在电感L中的能量变被换成电压，使输出电压升压。在图1(b)中，使输出电容C。的电压升压。另外，当在负载侧具备电容时，输出电压通过输出电容C。和负载侧的电容的并联电路来升压。
[0032]本发明的直流电源装置除了对与电流型降压斩波部连接的多相逆变器的桥接电路的开关元件进行控制使正电压侧和负电压侧短路外，还可以在电流型降压斩波部的输出端的正电压侧与负电压侧之间连接开关元件，对该开关元件进行控制使正电压侧和负电压侧短路。
[0033]本申请的直流电源装置通过各短路将流过电流型降压斩波部的电流积蓄在电感L中，对该积蓄电流进行能量变换使输出电压升压。由于基于一次的短路的升压较小，因此重复多次基于短路的升压工序由此使输出电压阶段性地上升，直到升压至点火设定电压为止。此外，可以通过延长使正电压侧和负电压侧短路的短路时间，来使基于一次的短路的升压量变大，但是一次的升压量越小，可以微小地调整使输出电压升压时的升压幅度，可以提高升压的分辨能力，利于输出电压的控制。
[0034]在电流型降压斩波部中形成的微小时间的电流路可以在电流型降压斩波部的电路或与该电路连接的多相逆变器的电路中，通过简单地使正电压侧和负电压侧短路来形成，因此可以使直流电源装置为简单且小型的结构。
[0035][直流电源装置]
[0036]向本发明的等离子体发生装置供给直流电的直流电源装置具备:构成直流源的电流型降压斩波部、通过多个开关元件的动作将电流型降压斩波部的直流输出变换成多相交流电的多相逆变器、以及控制部，该控制部具有对多相逆变器的输出进行交直变换且将得到的直流向负载供给的整流部、对电流型降压斩波部进行控制的斩波控制部以及对多相逆变器进行控制的逆变器控制部。
[0037]控制部具备对动作模式进行切换的切换控制和对电流型降压斩波部的电路中在微小时间内形成电流路的间歇短路控制的两个控制。
[0038]切换控制对点火模式和正常运转模式进行切换，其中，所述点火模式供给使等离子体发生装置发生等离子体放电的点火电压，所述正常运转模式供给使等离子体发生装置的等离子体放电继续的正常运转电流。
[0039]间歇短路控制使电流型降压斩波部和/或多相逆变器的正电压侧和负电压侧间歇短路，通过该短路在电流型降压斩波电路中形成微小时间的电流路，来使短路电流流过。
[0040]控制部在点火模式中，通过进行间歇短路控制使短路电流流过电流型降压斩波部。将该短路电流的能量先积蓄在电流型降压斩波部具备的电感器中。积蓄的能量在直到下次的短路为止的期间，经由多相逆变器以及整流部使直流电源装置的输出电压升压。通过基于该短路的电流能量的积蓄和重复基于导通的输出电压的升压的升压动作，来进行提高向等离子体发生装置施加的输出电压的控制。
[0041 ] 在该点火模式中，斩波控制部进行脉宽控制，将电流型降压斩波部的输入电压控制成预定电压。
[0042]在点火模式中，直流电源装置的输出电压通过基于多次短路动作的升压和由斩波控制决定的电流型降压斩波部的输入电压来决定。此外，升压至点火设定电压所需要的短路动作的次数与电流型降压斩波部的输入电压、点火模式的时间带、通过一次短路动作升压的电压幅度等有关联性，因此可以根据直流电源装置的结构或使用条件来决定。
[0043]本发明的控制部，例如可以将斩波控制部的斩波控制的接通占空比和间歇短路控制的次数设成参数，通过接通占空比对电流型降压斩波部的输入电压进行控制，通过间歇短路控制的次数对升压比进行控制，通过电流型降压斩波部的输入电压和升压比对输出电压的电压上升进行控制。
[0044]本发明的间歇短路控制可以通过逆变器控制部或斩波控制部来进行。可以通过多个方式进行基于逆变器控制部的间歇短路控制。
[0045](基于逆变器控制部的间歇短路控制的第I方式)
[0046]本发明的基于逆变器控制部的间歇短路控制的第I方式，生成对构成多相逆变器的桥接电路的开关元件进行脉宽控制的栅极脉冲信号，并且生成使桥接电路的正电压侧和负电压侧间歇短路的短路脉冲信号，重叠所生成的栅极脉冲信号与短路脉冲信号来生成控制信号，通过该控制信号对多相逆变器进行控制。
[0047]控