特許 7568455 パルス発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-07

(45)【発行日】2024-10-16

(54)【発明の名称】パルス発生装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241008BHJP

   H02M 3/28 20060101ALI20241008BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 M

H02M3/28 F

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020154839

(22)【出願日】2020-09-15

(65)【公開番号】P2022048809

(43)【公開日】2022-03-28

【審査請求日】2023-07-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】河野 真吾

【審査官】上野 力

(56)【参考文献】

【文献】特表２００７－５１９３４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－０４６８６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２７８２６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６４８３７２４（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開平１１－２４５０３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｍ ３／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを第１ノードを介して第１電源端子と第２電源端子との間に直列接続してなる第１アームと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とを第２ノードを介して前記第１電源端子と前記第２電源端子との間に直列接続してなる第２アームとを含み、直流電力を交流電力に変換する第１インバータ回路と、
前記第１インバータ回路が出力する交流電力を電圧値が異なる交流電力に変換する変圧器と、
前記第１ノードと前記変圧器の第１端子との間に接続される第１インダクタ、前記第２ノードと前記変圧器の第２端子との間に接続される第２インダクタ、前記第１電源端子と前記第２電源端子との間において前記第１端子を中点として直列接続される第１ダイオード及び第２ダイオード、並びに、前記第１電源端子と前記第２電源端子との間において前記第２端子を中点として直列接続される第３ダイオード及び第４ダイオードを含むクランプ回路と、
電源電圧端子と接地端子との間に直列に接続される第５スイッチング素子と第６スイッチング素子とを備え、第１出力ノードから第１パルス電圧を出力する第２インバータ回路を備える第１パルス発生回路と、
前記第１出力ノードと、前記変圧器の出力電圧を更に昇圧させた昇圧電圧を供給されるノードとの間に接続される第７スイッチング素子と第８スイッチング素子とを備え、第２出力ノードから前記第１パルス電圧にオフセット電圧を重畳させた第２パルス電圧を出力する第３インバータ回路を備える第２パルス発生回路と、を備え、
前記第１～第４ダイオードは、前記第２電源端子から前記第１電源端子に向かう方向を順方向とする
ことを特徴とするパルス発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パルス発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

プラズマ発生装置においては、プラズマを発生させるための高電圧パルスを発生させるパルス発生装置が設けられている（例えば、特許文献１参照）。パルス発生回路は、例えば、直流電力をインバータ回路で交流電力に変換した後、変圧器により異なる電圧値の交流電力に変換し、更にインバータ回路等により高電圧パルスを発生させるよう構成される。

【0003】

このような高電圧パルス発生装置に備えられた変圧器の１次巻線と２次巻線との間には、結合容量（浮遊容量）が存在する。高周波交流電力は、このような結合容量を介して２次側と１次側との間を行き来してしまう。このように、変圧器の結合容量は、変圧器の２次側巻線から１次側巻線を介してインバータ回路に不要な電流（このような電流を以下では「コモンモード電流」という）が流れ込むことにより、有意な電力損失の原因となり得る。また、インバータ回路のデッドタイム中にこのような不要な電流が変圧器の２次側から１次側に向けて流れると、素子の発熱や誤動作・素子破壊を引き起こす虞がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１５－１６５７５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、変圧器の結合容量を介して流れる不要な電流による発熱や誤動作・素子破壊等を抑制することができるパルス発生装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題の解決のため、本発明に係るパルス発生装置は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを第１ノードを介して第１電源端子と第２電源端子との間に直列接続してなる第１アームと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とを第２ノードを介して前記第１電源端子と前記第２電源端子との間に直列接続してなる第２アームとを含み、直流電力を交流電力に変換する第１インバータ回路と、前記第１インバータ回路が出力する交流電力を電圧値が異なる交流電力に変換する変圧器と、前記第１ノードと前記変圧器の第１端子との間に接続される第１インダクタ、前記第２ノードと前記変圧器の第２端子との間に接続される第２インダクタ、前記第１電源端子と前記第２電源端子との間において前記第１端子を中点として直列接続される第１ダイオード及び第２ダイオード、並びに、前記第１電源端子と前記第２電源端子との間において前記第２端子を中点として直列接続される第３ダイオード及び第４ダイオードを含むクランプ回路とを備える。前記第１～第４ダイオードは、前記第２電源端子から前記第１電源端子に向かう方向を順方向とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、変圧器の結合容量を介して流れる不要な電流による発熱や誤動作・素子破壊等を抑制することができるパルス発生装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置１０の全体構成を示す概略図である。

【図2】第１の実施の形態に係るパルス発生回路３０の構成例を示す回路図である。

【図3】比較例に係るパルス発生回路３０Ａの構成例を示す回路図である。

【図4】比較例のパルス発生装置３０Ａにおける電流波形の例を示すグラフである。

【図5】第１の実施の形態のパルス発生装置３０における電流波形の例を示すグラフである。

【図6】第２の実施の形態に係るパルス発生回路３０Ｂの構成例を示す回路図である。

【図7】第３の実施の形態に係るパルス発生回路３０Ｃの構成例を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

【0010】

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

【0011】

［第１の実施の形態］
図１～図２を参照して、第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置１０について説明する。図１は、第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置１０の全体構成を示す概略図であり、図２は、パルス発生装置３０の構成例を示す回路図である。プラズマ処理装置１０は、プラズマ生成部１１と、プラズマ処理部１２とから大略構成されている。プラズマ生成部１１は、パルス発生装置３０から印加された高電圧パルスを与えられて動作し、プラズマを生成する。プラズマ処理部１２は、プラズマ生成部１１で生成されたプラズマにより、対象物Ｗに対する処理（ＣＶＤ等）を実行する。また、制御部２０は、プラズマ処理装置１０及びパルス発生装置３０に対する制御を司る。

【0012】

プラズマ生成部１１は、一例として、絶縁管３と、絶縁管３の周囲に配置されたアンテナ４とを備える。また、プラズマ処理部１２は、一例として、チャンバ１と、このチャンバ１内に設置され対象物Ｗを載置するステージ２とを備える。チャンバ１の上方には開口部が形成され、この開口部に、プラズマ生成部１１の一部としての絶縁管３が接続されている。加えて、チャンバ１は、チャンバ１内に真空を形成するための真空形成装置５も備えている。絶縁管３は、例えばガラスやセラミックス等の絶縁材にて形成されている。チャンバ１は、例えば接地された金属製の真空容器にて構成される。ステージ２は、図１に示すように、チャンバ１内の絶縁管３の直下の位置に配置される。

【0013】

絶縁管３の上部からはエッチングガスＧが供給され、アンテナ４にパルス発生装置３０から高周波のパルスが印加されることにより、絶縁管３の内部を通るエッチングガスＧが電離してプラズマＰが発生する。アンテナ４は、例えば銅線等の導電配線を絶縁管３の周囲に数百回程度巻き付けて構成されるコイルにより構成され得る。アンテナ４には、高電圧パルスが供給される。なお、プラズマ処理装置１０は、様々な方式があり、図１に示したプラズマ処理装置１０はその一例である。図１に示したプラズマ処理装置１０は、誘導結合型であるが、例えばアンテナ４の構造も様々な方式がある。また、容量結合型のプラズマ処理装置１０もある。本実施の形態で説明するパルス発生装置３０は、このような様々な方式のプラズマ処理装置１０に適用可能である。

【0014】

図２を参照して、パルス発生装置３０の構成例を説明する。パルス発生装置３０は、直流電源３１と、インバータ回路ＩＮＶ０（第１インバータ回路）と、クランプ回路ＣＰと、変圧器ＴＦと、電荷転送回路ＣＴと、インバータ回路ＩＮＶ１（第２インバータ回路）と、インバータ回路ＩＮＶ２（第３インバータ回路）とを備えて構成される。このうち、インバータ回路ＩＮＶ１により第１パルス発生回路３０１が形成される。また、インバータ回路ＩＮＶ０と、クランプ回路ＣＰと、変圧器ＴＦと、電荷転送回路ＣＴと、インバータ回路ＩＮＶ２とにより、第２パルス発生回路３０２が形成される。第１パルス発生回路３０１は、例えば－１０ｋＶの第１パルス電圧を出力可能に構成される。第２パルス発生回路３０２は、この第１パルス電圧に、更にオフセット電圧を重畳させた第２のパルス電圧を生成可能に構成される。

【0015】

第１パルス発生回路３０１を形成するインバータ回路ＩＮＶ１は、トランジスタＱ５及びトランジスタＱ６を、電源ノードＮｖ（例えば、－１０ｋＶ）と接地端子（ＧＮＤ）との間に直列に接続して構成される。トランジスタＱ５とトランジスタＱ６とが交互に導通することにより、出力ノードＮ６から振幅が－１０ｋＶ（０Ｖ～－１０ｋＶ）のパルス電圧が出力される。

【0016】

第２パルス発生回路３０２は、前述のように、インバータ回路ＩＮＶ０（第１インバータ回路）と、クランプ回路ＣＰと、変圧器ＴＦと、電荷転送回路ＣＴと、インバータ回路ＩＮＶ２（第３インバータ回路）とにより構成され得る。第２パルス発生回路３０２は、インバータ回路ＩＮＶ１の出力ノードＮ６がインバータ回路ＩＮＶ２に接続され、いわゆるフローティング接続とされている。これにより、第２パルス発生回路３０２は、第１パルス発生回路３０１が発生する第１パルス電圧をオフセットとして重畳させた第２パルス電圧を発生させる。

【0017】

インバータ回路ＩＮＶ０は、一例として、直流電源３１から供給される直流電力を交流電力に変換するフルブリッジ型のインバータ回路である。すなわち、インバータ回路ＩＮＶ０は、第１アームＡｍ１と、第２アームＡｍ２を備える。第１アームＡｍ１は、トランジスタＱ１及びＱ２（第１及び第２スイッチング素子）を直流電源３１の正極端子（第１電源端子）及び負極端子（第２電源端子）との間に第１ノードＮ１を介して直列に接続してなる。第２アームＡｍ２は、トランジスタＱ３及びＱ４（第３及び第４スイッチング素子）を直流電源３１の正極端子及び負極端子との間に第２ノードＮ２を介して直列に接続してなる。トランジスタＱ１とＱ４が導通状態となり且つトランジスタＱ２とＱ３が非導通状態となる第１の状態と、トランジスタＱ２とＱ３が導通状態となり且つトランジスタＱ１とＱ４が非導通状態となる第２の状態とが繰り返されることにより、直流電力が交流電力に変換される（第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間に交流電力が発生する）。

【0018】

クランプ回路ＣＰは、インダクタ３２、インダクタ３３、及びダイオードＤ１～Ｄ４（第１～第４ダイオード）を備えている。インダクタ３２は、第１ノードＮ１と、変圧器ＴＦの第１端子Ｎ３との間に接続されており、インダクタ３３は、第２ノードＮ２と、変圧器ＴＦの第２端子Ｎ４との間に接続されている。

【0019】

ダイオードＤ１は、直流電源３１の正極端子と第１端子Ｎ３との間に接続されている。ダイオードＤ２は、第１端子Ｎ３と直流電源３１の負極端子との間に接続されている。ダイオードＤ３は、直流電源３１の正極端子と第２端子Ｎ４との間に接続されている。ダイオードＤ４は、第２端子Ｎ４と直流電源３１の負極端子との間に接続されている。換言すると、ダイオードＤ１及びＤ２は、第１端子Ｎ３を中点として、直流電源３１の負極端子と正極端子との間に直列に接続されている。また、ダイオードＤ３及びＤ４は、第２端子Ｎ４を中点として、直流電源３１の負極端子と正極端子との間に直列に接続されている。ダイオードＤ１～Ｄ４は、いずれも直流電源３１の負極端子から正極端子に向かう方向を順方向として接続されている。

【0020】

インダクタ３２及び３３は、変圧器ＴＦからインバータ回路ＩＮＶ０を見た場合の入力インピーダンスを高くする役割を有し、これにより、変圧器ＴＦの２次側巻線から、寄生容量Ｃｓを介して１次側巻線に向けてコモンモード電流が流れた場合に、このコモンモード電流がインバータ回路ＩＮＶ０を構成するトランジスタＱ１～Ｑ４に流れ込むことを抑制する。ダイオードＤ１～Ｄ４は、このようなコモンモード電流がインバータ回路ＩＮＶ０には流れず、直流電源３１や接地端子に流すための迂回路として機能する。なお、インダクタ３２及び３３は、互いに略同一のインダクタンスを有するのが好適であるが、これに限定されるものではない。また、インダクタ３２及び３３と直列に抵抗素子が接続されていてもよい。

【0021】

変圧器ＴＦは、互いに対向して配置される１次巻線と２次巻線とを有し、インバータ回路ＩＮＶ０がクランプ回路ＣＰを介して出力した交流電力を、更に異なる電圧値の交流電力に変換する。図２に示すように、変圧器ＴＦの一次側に追加的にインダクタＬ１が接続されていてもよい。変圧器ＴＦの出力電圧は、電荷転送回路ＣＴに印加される。電荷転送回路ＣＴは、図２に示すように、キャパシタとダイオードの直列回路を複数段に亘って並列に接続した構造を有する。隣接する各段のダイオードは、互いに逆方向を順方向として接続される。これにより、電荷転送回路ＣＴは、ノードＮ５の電圧を所定の昇圧値まで昇圧した電圧を、出力ノードＮ８において発生させる昇圧回路として機能する。

【0022】

インバータ回路ＩＮＶ２は、トランジスタＱ７及びトランジスタＱ８を、出力ノードＮ６と出力ノードＮ８との間に直列に接続して構成される。トランジスタＱ７とトランジスタＱ８とが交互に導通することにより、インバータ回路ＩＮＶ２は、出力ノードＮ７から第１パルス電圧にオフセットを重畳した第２パルス電圧が出力させる。

【0023】

ここで、図３を参照して、第１の実施の形態の比較例に係るパルス発生装置３０Ａを説明する。図３において、図２と同一の構成要素については同一の参照符号を付しているので、重複する説明は省略する。

【0024】

この比較例は、クランプ回路ＣＰを構成するインダクタ３３、及びダイオードＤ１～Ｄ４が備えられていない点で、第１の実施の形態と異なっている。変圧器ＴＦにおける電流の急激な上昇の抑制のため、インダクタ３２は接続されている。この比較例の構成の場合、変圧器ＴＦの寄生容量Ｃｓを介してコモンモード電流が２次側回路から１次側回路に向かって流れ、これによりインバータ回路ＩＮＶ０における発熱や誤動作、素子の破壊などが生じる虞が高まるという問題がある。

【0025】

比較例のパルス発生装置３０Ａにおける電流波形を図４に示す。図４（ａ）は、インバータ回路ＩＮＶ０のトランジスタＱ１～Ｑ４を流れるドレイン電流Ｉｄｓの変化を示し、図４（ｂ）はノードＮ５を流れる電流Ｉｏｕｔの電流波形を示している。第２パルス発生回路３０２のみが動作している状況では、電流Ｉｏｕｔの電流値は略一定（例えば２．５Ａ程度）である。しかし、パルス発生回路３０１においてトランジスタＱ５及びＱ６が交互に導通し、これにより出力ノードＮ６の電位に変化が生じると、電流Ｉｏｕｔには、トランジスタＱ５及びＱ６のＯＮ／ＯＦＦ動作に対応して、図４（ｂ）に示すようなオーバーシュートＯＳ１が発生する。このオーバーシュートＯＳ１が発生すると、電流が変圧器ＴＦの２次側回路から１次側回路に向けて寄生容量Ｃｓを介して流れ、これにより、インバータ回路ＩＮＶ０のトランジスタＱ１～Ｑ４を流れるドレイン電流Ｉｄｓにおいても、オーバーシュートＯＳ２が発生する。このようなオーバーシュートＯＳ２が大きくなると、インバータ回路ＩＮＶ０において誤動作が発生したり、発熱や素子破壊などが生じたりする虞が高くなる。

【0026】

第１の実施の形態のパルス発生装置３０における電流波形を図５に示す。図５（ａ）は、インバータ回路ＩＮＶ０のトランジスタＱ１～Ｑ４を流れるドレイン電流Ｉｄｓの変化を示し、図５（ｂ）はノードＮ５を流れる電流Ｉｏｕｔの電流波形を示している。比較例の場合と同様に、パルス発生回路３０１においてトランジスタＱ５及びＱ６が交互に導通し、これにより出力ノードＮ６の電位に変化が生じると、電流Ｉｏｕｔには、図５（ｂ）に示すようなオーバーシュートＯＳ１が発生する。しかし、第１の実施の形態では、このようなオーバーシュートＯＳ１により電流Ｉｏｕｔが急激に増加しても、その電流はクランプ回路ＣＰのダイオードＤ１～Ｄ４を介して直流電源３１に流れる一方、インダクタ３２及び３３が高インピーダンスのため、トランジスタＱ１～Ｑ４には殆ど流れない。このため、図５（ｂ）に示すように、第１の実施の形態では、トランジスタＱ１～Ｑ４に流れるドレイン電流Ｉｄｓにはオーバーシュートは発生しない。これにより、インバータ回路ＩＮＶ０におけるトランジスタＱ１～Ｑ４の誤動作、発熱、又は素子破壊を抑制することができる。

【0027】

［第２の実施の形態］
図６を参照して、第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置１０について説明する。この第２の実施の形態のプラズマ処理装置１０の全体構成は、第１の実施の形態（図１）と同様であるが、パルス発生回路３０Ｂの構成が、第１の実施の形態とは異なっている。図６において、図２と同一の構成要素については図２と同一の参照符号を付しているので、以下では重複する説明は省略する。

【0028】

図６に示すように、この第２の実施の形態の第２パルス発生回路３０２’は、図１の第２パルス発生回路３０２との比較において、変圧器ＴＦの２次側において、インダクタ３６、インダクタ３７、及びキャパシタ３８を備えている。インダクタ３６はノードＮ５と出力ノードＮ６の間に接続され、インダクタ３７は電荷転送回路ＣＴの出力端子とノードＮ８との間に接続されている。また、キャパシタ３８は、ノードＮ８とノードＮ５の間に接続されている。インダクタ３６及び３７が所定のインダクタンスを有していることにより、第１の実施の形態で説明したようなオーバーシュートを抑制することができ、これにより、インバータ回路ＩＮＶ０におけるオーバーシュートの発生も抑制し、これにより、インバータ回路ＩＮＶ０におけるトランジスタＱ１～Ｑ４の誤動作、発熱、又は素子破壊を更に抑制することができる。なお、インダクタ３６及び３７は、互いに等しいインダクタンスを有するのが好適であるが、これに限定されるものではない。

【0029】

[第３の実施の形態]
図７を参照して、第３の実施の形態に係るプラズマ処理装置１０について説明する。この第３の実施の形態のプラズマ処理装置１０の全体構成は、第１の実施の形態（図１）と同様であるが、パルス発生回路３０Ｃの構成が、第１の実施の形態とは異なっている。図７において、図２と同一の構成要素については図２と同一の参照符号を付しているので、以下では重複する説明は省略する。

【0030】

図７に示すように、この第３の実施の形態の第２パルス発生回路３０２’’は、変圧器ＴＦの２次側において、電荷転送回路ＣＴに代えて、いわゆる４倍圧整流回路ＣＴａを備えている点で、第１の実施の形態と異なっている。その他は前述の実施の形態と同様である。４倍圧整流回路ＣＴａは、電荷転送回路ＣＴと同様に昇圧回路として機能する。この構成によっても、変圧器ＴＦの２次側の出力電圧を更に昇圧することができ、前述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【0031】

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0032】

１…チャンバ、 ２…ステージ、 ３…絶縁管、 ４…アンテナ、 ５…真空形成装置、 １０…プラズマ処理装置、 １１…プラズマ生成部、 １２…プラズマ処理部、 ２０…制御部、 ３０…パルス発生装置、 ３０１…第１パルス発生回路、 ３０２、３０２’、３０２’’…第２パルス発生回路、 ３１…直流電源、 ３２、３３、３６、３７…インダクタ、 ３８…キャパシタ、 Ａｍ１…第１アーム、 Ａｍ２…第２アーム、 ＣＰ…クランプ回路、 Ｃｓ…寄生容量、 ＣＴ…電荷転送回路、 Ｄ１～Ｄ４…ダイオード、 Ｇ…エッチングガス、 ＧＮＤ…接地端子、 Ｉｄｓ…ドレイン電流、 ＩＮＶ０～２…インバータ回路、 Ｑ１～Ｑ８…トランジスタ、 ＴＦ…変圧器、 Ｗ…対象物。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】