專利名稱：雙極脈沖電源及并聯(lián)多臺該雙極脈沖電源的電源裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及雙極脈沖電源以及將多臺該雙極脈沖電源并聯(lián)連接的電源裝置，所述 雙極脈沖電源可對等離子體以及表面處理裝置進行雙極脈沖電力供應。
背景技術：
對于這種雙極脈沖電源，例如已知有在處理基板表面形成規(guī)定的薄膜的濺射裝 置中使用的，具有供應直流電力的整流電路、連接于該整流電路的正和負輸出端并包含4 個開關元件的MOSFET電橋電路的雙極脈沖電源。而且，通過使各開關元件適當動作，并按 照規(guī)定的頻率交替切換極性對作為輸出端(電極)的一對靶施加任意的脈沖電壓，將各靶 交替切換為陽極電極、陰極電極，而在陽極電極和陰極電極間產生輝光放電從而形成等離 子體氣氛，使各靶濺射。由此，通過施加相反的相位電壓而抵消靶表面所蓄積的電荷，從而 可獲得更穩(wěn)定的放電(例如，專利文獻1)。對于這樣的輝光放電，已知有因某些原因而產生異常放電(電弧放電)的情況；如 果在電極間局部地產生電流變化量多的(電弧電流大的)異常放電，則會誘發(fā)飛濺、產生顆 粒等問題，無法實現(xiàn)良好的成膜。由此，對于上述雙極脈沖電源，設置檢測源自電橋電路的 輸出電流的檢測電路，在由該檢測電路檢測的輸出電流超過穩(wěn)定輸出電流值時，切換動作 中的開關元件而暫時切斷對該電極的輸出。于是，如果過電流被平息而其值接近穩(wěn)定輸出 電流值，即再次開始對該電極的輸出(參見專利文獻1)。也就是，對于該雙極脈沖電源，如 果輸出電流超過一定的范圍而變化，那么捕捉為異常放電的前段現(xiàn)象(微電弧)，對其進行 消弧處理，從而可抑制電流變化量多的異常放電的產生。專利文獻1 專利第3639605號公報(例如，參見權利要求1，0016段的記載)。

發(fā)明內容
發(fā)明要解決的問題然而，對于上述的雙極脈沖電源，在由于靶的氧化等而導致放電不穩(wěn)定的濺射開 始之初及濺射中產生異常放電并且過電流流通時，由于分別高速控制4個開關元件本身進 行應對，即，由于在提供了直流電力的狀態(tài)下進行各開關元件的開關，因此各個開關元件的 開關損耗很大，根據使用條件而有可能會在早期發(fā)生動作不良。由此，作為開關元件，需要 使用耐久性高、開關速度高的開關元件，但是這樣就會導致高成本。此處，以往的濺射裝置有，可對如制造FPD時所使用的被處理基板那樣大面積的 基板形成薄膜的濺射裝置。對于這種濺射裝置，一般來說，與被處理基板相對并列設置多只 同一形狀的靶，針對該并列設置的靶中的分別成對的每對靶而分配設置上述的雙極脈沖電 源，通過相互通信自如的各雙極脈沖電源而向各靶施加電力。但是，對于以往的雙極脈沖電源，分別具有4個開關元件，而且開關元件中存在開 關速度的個體差異(存在在大電流用的開關元件中產生最大數(shù)μ s的差的情況)，并且在各 開關元件的控制電路中也存在控制速度的偏差。由此，源自各雙極脈沖電源的輸出有偏差，難以實現(xiàn)同步運行。因此鑒于上述原因，本發(fā)明的第一目的在于提供可減輕電橋電路的開關元件的 開關損耗、不使用高功能開關元件便可實現(xiàn)高耐久性的雙極脈沖電源。另外，本發(fā)明的第二 目的在于提供將多臺容易實現(xiàn)輸出同步的雙極脈沖電源并聯(lián)連接的電源裝置。解決問題的技術方案為了解決上述問題，權利要求1所述的雙極脈沖電源，其特征在于，具備連接于源 自直流電力供應源的正和負的直流輸出端的、包含開關元件的電橋電路，以及控制電橋電 路的各開關元件的開、閉的切換的控制裝置；在按照規(guī)定的頻率向接觸等離子體的一對電 極提供雙極脈沖供電的雙極脈沖電源中，在前述源自直流電力供應源的正和負的直流輸出 間設置輸出短路用的開關元件，通過該輸出短路用的開關元件的短路狀態(tài)而由控制裝置來 進行電橋電路的各開關元件的切換。根據本發(fā)明，從直流電力供應源向電橋電路供應直流電力。接著，在輸出短路用的 開關元件短路(開)的狀態(tài)，將構成電橋電路的開關元件中的、輸出至一方電極的2個開關 元件設為開。其后，如果解除(閉)輸出短路用的開關元件的短路，則對一方電極進行電力 供應(輸出)。接著，將輸出短路用的開關元件再次短路，將對一方電極輸出中的開關元件 設為閉，并且將輸出于另一方電極的2個開關元件設為開，其后，如果解除輸出短路用的開 關元件的短路，則向另一方電極輸出。通過重復該控制，從而按照規(guī)定的頻率而向與等離子 體接觸的一對電極提供雙極脈沖供電。在雙極脈沖供電時，由于開關損耗僅由1個輸出短路用的開關元件產生，因此在 電橋電路的各開關元件上幾乎不產生開關損耗。由此，不使用高性能的開關元件便可實現(xiàn) 高耐久性，也不需要在4個開關元件上產生開關損耗的情況下的充分的散熱機構。因此實 現(xiàn)了雙極脈沖電源的低成本化。需要說明的是，前述電極優(yōu)選為，設置于實施濺射法的處理室內的一對靶。另外，具備檢測前述一對電極間的輸出電流的檢測裝置，及如果該輸出電流的絕 對值超過向電極的穩(wěn)定輸出電流值，則捕捉異常放電產生的前段現(xiàn)象的異常放電檢測裝 置；如果由該異常放電檢測裝置捕捉到異常放電產生的前段現(xiàn)象，則在前述輸出短路用開 關元件的作用下切斷對電極的輸出從而進行異常放電的消弧處理，控制輸出中的2個開關 元件而進行異常放電的消弧處理，由此，可響應性良好地進行其控制；在該處理中，在電橋 電路的各開關元件上幾乎不產生開關損耗，可進一步提高其耐久性。進一步，為了解決上述問題，權利要求4所述的電源裝置，其為將多臺權利要求 1 3中任一項所述的雙極脈沖電源并聯(lián)連接的電源裝置；其特征在于，具有總控制裝置， 所述總控制裝置在對設置于相同的處理室內的多對電極進行雙極脈沖電力供應時，控制各 雙極脈沖電源的輸出短路用開關元件的開、閉的切換。根據本發(fā)明，由于通過總控制裝置而僅使各雙極脈沖電源的各輸出短路用開關元 件進行同步即可，因此可使電橋電路的開關元件留有充分余地地來動作，即使在各雙極脈 沖電源開關元件、控制電路上存在個體差異，也容易進行同步運行。在通過前述總控制裝置而將各雙極脈沖電源的輸出短路用開關元件設為短路的 狀態(tài)下，如果控制裝置將電橋電路的各開關元件的切換定時設為可自由變更，例如，在連接 于相同的雙極脈沖電源的一對靶間產生了異常放電的情況下，可按照使得鄰近該靶的靶的4電位與產生異常放電靶的電位趨向一致的方式，而控制電橋電路的各開關元件，可容易對 異常放電進行消弧。發(fā)明效果如上所述，本發(fā)明的雙極脈沖電源，具有可減輕電橋電路開關元件的開關損耗、不 使用高功能開關元件便可實現(xiàn)高耐久性、并可實現(xiàn)低成本化的效果。另外，本發(fā)明的電源裝 置，取得了容易實現(xiàn)源自各雙極脈沖電源的輸出同步的效果。
具體實施例方式參見圖1，E為本發(fā)明的雙極脈沖電源；對于雙極脈沖電源E，例如在濺射裝置的真 空腔中與處理基板S相對地設置；用于按照規(guī)定的頻率，向作為接觸等離子體P的電極的一 對靶Tl、T2供應雙極脈沖電力。雙極脈沖電源E，包括可進行直流電力供應的直流電力供 應部1、控制對各靶Tl、T2的輸出(電力供應)的振蕩部2。在此情況下，輸出電壓的波形 為大致的方形波、大致的正弦波。直流電力供應部1，具有控制其動作的第ICPU電路11、輸入商用交流電力(3相 AC200V或400V)的輸入部12，以及包含將所輸入的交流電力整流而轉換為直流電力的6個 二極管13a的整流電路13 ；通過正和負直流電力線路14a、14b而將直流電力輸出于振蕩部 2。另外，在直流電力供應部1中設置有設置于直流電力線路14a、14b間的開關晶體管15， 通信自如地連接于第ICPU電路11并且控制開關晶體管15的開、閉的輸出振蕩用的驅動電 路16。在直流電力線路14a、14b間，連接有檢測其電流、電壓的檢測電路17a ；由檢測電路 17a檢測的電流、電壓，通過AD轉換電路17a而輸入于第ICPU電路11。另一方面，在振蕩部2中設置有通信自如地連接于第ICPU電路11的第2CPU電 路21，連接于正和負直流電力線路14a、14b間的包含4個第1 第4開關晶體管SWl SW4 的電橋電路22，以及通信自如地連接于第2CPU電路21并且控制各開關晶體管SWl SW4 的開、閉的切換的輸出振蕩用的驅動電路23。而且，在輸出振蕩用的驅動電路23的作用下，例如，如果按照反轉第1和第4開關 晶體管SW1、SW4與第2和第3開關晶體管SW2、SW3的開、閉定時的方式來控制各開關晶體 管SWl SW4的切換，可通過源自電橋電路22的輸出線路Ma、24b而向一對靶T1、T2進行 雙極脈沖電力供應。在輸出線路Ma、24b上，連接有檢測對一對靶Tl、T2的輸出電流和輸 出電壓的檢測電路25 ；由該檢測電路25檢測的輸出電流和輸出電壓，通過AD轉換電路沈 而輸入于第2CPU電路21。此處，對于上述結構的雙極脈沖電源E，由于通過從直流電力供應部1輸出直流電 力的狀態(tài)來切換各開關晶體管SWl SW4，因而這些開關損耗變大，因此需要提高各開關晶 體管SWl SW4的耐久性。本實施方式中，在源自直流電力供應部1的正和負直流輸出線路14a、14b之間，設 置由輸出振蕩用的驅動電路23控制開、閉的切換的輸出短路用的開關晶體管SW0，通過輸 出短路用的開關晶體管SWO的短路狀態(tài)(切斷對靶Tl、T2的輸出的狀態(tài))，進行電橋電路 22的各開關晶體管SWl SW4的切換。正如圖2所示，在向一對靶T1、T2進行雙極脈沖電力供應的情況下，通過開關晶體 管SWO的短路狀態(tài)(開)，例如將第1和第4開關晶體管SW1、SW4設為開，其后，將開關晶體管SWO的短路解除(閉)而向一方的靶Tl輸出(對靶Tl施加負的電位)。接著，將開 關晶體管SWO再次短路，將第1和第4開關晶體管SW1、SW4設為閉，并且將第2和第3開關 晶體管SW2、SW3設為開，其后，將開關晶體管SWO設為閉而向另一方的靶T2輸出(對靶T2 施加負的電位)。然后，將各開關晶體管SWl SW4的開、閉的定時反轉，通過重復上述控制，從而按 照規(guī)定的頻率在一對靶Tl、T2間進行雙極脈沖電力供應。由此，在向保持規(guī)定壓力的真空 腔內導入Ar等濺射氣體的狀態(tài)下，按照規(guī)定的頻率交替變換極性向一對靶Tl、T2施加電 力，使該一對靶Tl、T2交替切換為陽極電極、陰極電極，在陽極電極和陰極電極間產生輝光 放電而形成等離子體氣氛，各靶Tl、T2被濺射。由此，對靶Tl、T2輸出時產生的開關損耗僅在開關晶體管SWO產生，在各開關晶體 管SWl SW4幾乎不產生開關損耗。其結果，不使用高功能的開關元件，便可實現(xiàn)高耐久性， 而且，不需要在4個開關元件產生開關損耗的情況下的充分的散熱裝置，實現(xiàn)了低成本化。在上述的輝光放電中，存在因某些原因而產生電弧放電的情況，如果在一對靶Tl、 Τ2之間產生電弧電流大的電弧放電，會誘發(fā)飛濺、顆粒的產生等問題，無法實現(xiàn)良好地成 膜。由此，本實施方式中，將輸入有由檢測電路25檢測的輸出電流和輸出電壓的電弧檢測 控制電路27，通信自如地設置于第2CPU電路21 (參見圖1)，進行電弧放電的消弧處理。如圖3和圖4所示，在由檢測電路25檢測的輸出電流Va超過穩(wěn)定輸出電流值Vc 時，被電弧檢測控制電路27捕捉為電弧放電產生的前段現(xiàn)象，通過第2CPU電路21及電 弧檢測控制電路27并由輸出振蕩用的驅動電路23將輸出短路用的開關晶體管SWO短路 (開)。在此情況下，對于電橋電路22的各開關晶體管SWl SW4，雖然保持對任一方的靶 Τ1、Τ2的輸出狀態(tài)，但是通過使開關晶體管SWO短路，從而切斷對靶Τ1、Τ2的輸出(微電弧 處理)。接著，經過規(guī)定時間之后，對輸出短路用的開關晶體管SWO解除(閉)短路，根據 各開關晶體管SWl SW4的動作狀態(tài)再開始對任一方的靶Tl、Τ2的輸出。此時，通過電弧 檢測控制電路27判斷輸出電流Va是否超過穩(wěn)定輸出電流值Vc，如果仍超過穩(wěn)定輸出電流 值Vc，則由輸出振蕩用的驅動電路23將輸出短路用的開關晶體管SWO再次短路。如果即使多次重復該一連串的微電弧處理，輸出電流Va也一直為超過穩(wěn)定輸出 電流值Vc的狀態(tài)，或者，超過輸出電流Va的預先設定的規(guī)定值，那么判斷為發(fā)生了誘發(fā)飛 濺、顆粒產生的電弧放電，通過將來自第ICPU電路11的控制使開關晶體管15設為閉，停止 源自直流電力供應部1的輸出(硬電弧處理)。如果如上所述實施微電弧處理，那么相比于切換輸出中的2個開關晶體管SWl SW4來進行電弧放電的消弧處理的情況下，可響應性良好地進行控制，在該處理中，在電橋 電路22的各開關晶體管SWl SW4中幾乎完全不產生開關損耗，可進一步提高耐久性。接著，參見圖5和圖6，對將多臺本發(fā)明的雙極脈沖電源E并聯(lián)連接的電源裝置進 行說明。ES為本發(fā)明的電源裝置；該電源裝置ES，在例如具有下述結構的磁控管濺射裝置 (以下，稱為“濺射裝置”)3中使用。濺射裝置3具有可通過旋轉泵、渦輪分子泵等真空排氣裝置(未圖示)保持在規(guī) 定的真空壓(例如，I(T5Pa)的真空腔31，構成濺射室(處理室)32。在真空腔31的上部設 置有將例如在制造FPD時所使用的大面積的處理基板S保持在電位浮動狀態(tài)的基板支架33。在真空腔31中另設置有將工藝氣體導入濺射室32內的氣體導入管(未圖示)；在通 過包含Ar等稀有氣體的濺射氣體或反應性濺射而形成規(guī)定的薄膜的情況下，可將根據想 要在處理基板S表面形成的薄膜的組成而適當選擇的02、N2, H2O等反應性氣體導入處理室 32。在濺射室32中，與處理基板S相對、以等間隔并列設置多只(本實施方式中8只) 靶41a 41h。各靶41a 41h，為利用Al、Ti、Mo、銦與錫的氧化物(ITO)或銦與錫的合金 等，根據想要在處理基板S表面形成的薄膜的組成而采用公知方法來制作，形成為例如大 致長方體(俯視為長方形)等相同形狀。各靶41a 41h在濺射器中，通過銦、錫等焊接材料而接合在冷卻靶41a 41h的 后板上。對于各靶41a 41h，按照未使用時的濺射面位于平行于處理基板S的同一平面上 的方式，借助于絕緣部件而設置于真空腔31中。另外，在靶41a 41h的后方(背向濺射 面一側)，設置有具有公知結構的磁鐵組合件(未圖示)；在各靶41a 41h的前方(濺射 面)側，通過捕捉電離的電子和因濺射而產生的二次電子，從而提高各靶41a 41h前方處 的電子密度而使等離子體密度變高，可提高濺射率。對于各靶41a 41h，以相鄰的2只構成一對靶(41a禾口 41b,41c和41d、41E和 41f、41g和41h)；按照逐一分配于41a 41h的各對靶的方式，而設置有上述實施方式的雙 極脈沖電源El E4 ；源自雙極脈沖電源El E4的輸出線路Ma、24b連接于各對靶41a、 41b (41c和41d，41E和41f，41g和41h)。由此，便可通過雙極脈沖電源El E4，交替極性 對各對靶41a 41h進行雙極脈沖電力供應。本實施方式中，為了穩(wěn)定地在靶41a 41h的前方生成等離子體，按照相互鄰接的 靶41a 41h的極性相互反轉的方式，使各雙極脈沖電源El E4同步進行電力供應(參 見圖5)。為了實現(xiàn)該同步運行，設置由CPU構成的總控制裝置5，該CPU通信自如地連接于 各雙極脈沖電源El E4的第2CPU電路21上。而且，在各雙極脈沖電源El E4的輸出短路用的開關晶體管SWO的短路狀態(tài)下， 對于各雙極脈沖電源El E4中的每個，將第1和第4開關晶體管SWl、SW4以及第2和第 3開關晶體管SW2、SW3的開、閉的定時反轉，并且，按照相互鄰近的靶41a 41h的極性反 轉的方式而使各開關晶體管SWl SW4動作，然后，通過源自總控制裝置5的輸出來解除開 關晶體管SWO的短路，向一對靶中一方一靶41a、41c、41E、41g輸出。接著，通過源自總控制裝置5的輸出，進行各雙極脈沖電源El E4的輸出短路用 開關晶體管SWO的短路，將各開關晶體管SWl SW4切換，然后，通過源自總控制裝置5的 輸出來解除開關晶體管510的短路，向另一方的各靶4113、41(1、41廠4111輸出。然后，通過重 復上述控制，按照預置的頻率對各靶41a 41h進行雙極脈沖電力供應，從而同步運行。在該同步運行時，由于通過總控制裝置5，僅使各雙極脈沖電源El E4的輸出短 路用開關元件SWO的開、閉的切換定時同步即可，因此可使各雙極脈沖電源El E4的開關 元件SWl SW4留有充分余地地動作，即使在各雙極脈沖電源的開關元件、控制電路上存在 個體差異，也容易實現(xiàn)該同步運行。另外，對于各雙極脈沖電源El E4，按照如下方式構成在濺射中，在任1個雙極 脈沖電源中由檢測電路25檢測的輸出電流Va超過穩(wěn)定輸出電流值Vc時，通過由該雙極脈 沖電源的電弧檢測控制電路23來進行輸出短路用開關晶體管SWO的切換，從而進行上述的7微電弧處理。在任1個雙極脈沖電源進行微電弧處理時，如果連接于源自該雙極脈沖電源的輸 出電線14a、14b的一對靶，與鄰近該一對靶的源自其它的雙極脈沖電源的輸出電線14a、 14b所連接其它的靶的電位為相互一致，那么可容易地對異常放電進行消弧。本實施方式中，在任1個雙極脈沖電源El E4開始微電弧處理時，通過總控制 裝置5向輸出于鄰近的靶的雙極脈沖電源的第2CPU電路21輸出。在此情況下，通過該第 2CPU電路21，由輸出振蕩用的驅動電路23使輸出短路用的開關晶體管SWO暫時短路，根據 各開關晶體管SWl SW4的動作狀態(tài)，變更各開關晶體管SWl SW4的動作定時以使其電 位相互一致，解除輸出短路用的開關晶體管SWO的短路，向靶輸出。需要說明的是，本實施方式中，雖然針對為了使各雙極脈沖電源El E4同步運行 而設置有總控制裝置的例子進行了說明，但是也可將任1個第2CPU電路21作為總控制裝 置(主電源)，通過該總控制裝置的輸出，來控制其它雙極脈沖電源E2 E(從屬電源)的 動作。


圖1本發(fā)明的雙極脈沖電源的示意圖。圖2本發(fā)明的雙極脈沖電源的輸出控制的說明圖。圖3本發(fā)明的雙極脈沖電源處的微電弧處理的說明4本發(fā)明的雙極脈沖電源處的微電弧處理的說明5使用本發(fā)明的電源裝置的濺射裝置示意圖。圖6本發(fā)明的電源裝置的輸出控制的說明圖。附圖標記說明1直.流電力供應部2振蕩部22電橋電路24a,24b輸出電線25輸出電流、電壓檢測電路27電弧檢測控制電路E雙極脈沖電源SffO . SW4開關元件T1、T2電極(靶)
權利要求
1.一種雙極脈沖電源，包括連接于源自直流電力供應源的正和負直流輸出端的、由 開關元件組成的電橋電路，以及控制電橋電路的各開關元件的開、閉切換的控制裝置；按照 規(guī)定的頻率向與等離子體接觸的一對電極進行雙極脈沖供電；其特征在于，在源自所述直 流電力供應源的正和負直流輸出間設置輸出短路用的開關元件，通過該輸出短路用開關元 件的短路狀態(tài)而由控制裝置來進行電橋電路的各開關元件的切換。
2.根據權利要求1所述的雙極脈沖電源，其特征在于，所述電極為設置于實施濺射法 的處理室內的一對靶。
3.根據權利要求1或2所述的雙極脈沖電源，其特征在于，包括檢測所述一對電極間 的輸出電流的檢測裝置，以及如果該輸出電流的絕對值超過向電極的穩(wěn)定輸出電流值，則 捕捉為異常放電產生的前段現(xiàn)象的異常放電檢測裝置；如果由該異常放電檢測裝置捕捉到 異常放電產生的前段現(xiàn)象，則在所述輸出短路用開關元件的作用下切斷對電極的輸出，從 而對異常放電進行消弧處理。
4.一種電源裝置，用于將多臺權利要求1 3中任一項所述的雙極脈沖電源并聯(lián)連接， 其特征在于，具備總控制裝置，所述總控制裝置在對設置于相同的處理室內的多對電極進 行雙極脈沖電力供應時，控制各雙極脈沖電源的輸出短路用開關元件的開、閉切換。
5.根據權利要求4所述的電源裝置，其特征在于，在由所述總控制裝置將各雙極脈沖 電源的輸出短路用開關元件處于短路的狀態(tài)下，由控制裝置自由變更電橋電路的各開關元 件的切換定時。
全文摘要
本發(fā)明提供一種雙極脈沖電源，其按照規(guī)定的頻率向與等離子體接觸的一對電極進行雙極脈沖供電，可減輕電橋電路的開關元件的開關損耗，不用高性能開關元件便可實現(xiàn)高耐久性。雙極脈沖電源包括連接于源自直流電力供應源(1)的正和負的直流輸出端的、包含開關元件(SW1～SW4)的電橋電路(22)，以及控制電橋電路的各開關元件的開、閉切換的控制裝置。在源自直流電力供應源的正和負直流輸出間設置輸出短路用的開關元件(SW0)，通過該輸出短路用開關元件的短路狀態(tài)而由控制裝置來進行電橋電路的各開關元件的切換。
文檔編號H02M7/5387GK102047548SQ20098011932
公開日2011年5月4日 申請日期2009年5月20日 優(yōu)先權日2008年5月26日
發(fā)明者堀下芳邦, 大島亙, 小野敦 申請人:株式會社愛發(fā)科