直流電源裝置以及直流電源裝置的控制方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及直流電源裝置，例如涉及等離子體發(fā)生裝置等負載所使用的直流電源裝置、直流電源裝置的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導體設備、液晶面板、磁盤等的制造或濺射處理等中，公知的有:對基板等處理對象物使用等離子體的等離子體處理工序。在該等離子體處理工序中，從直流電源裝置向等離子體發(fā)生裝置供給直流電，在等離子體發(fā)生裝置中的空間中通過使處理氣體等離子體化等來產(chǎn)生等離子體，通過產(chǎn)生的等離子體對基板的表面進行成膜處理或蝕刻處理。
[0003]通常，對于直流電源裝置，等離子體發(fā)生裝置相當于電子負載，與直到等離子體放電發(fā)生為止的等離子體放電開始時的負載和穩(wěn)定地發(fā)生等離子體放電的通常運轉(zhuǎn)時的負載不同。因此，通常，直流電源裝置在等離子體放電開始時，向電極施加一定時間的大于通常運轉(zhuǎn)時的電壓的點火電壓，之后，施加通常運轉(zhuǎn)時的低電壓的放電電壓(專利文獻I)。此夕卜，公知通過勵磁涌流(inrush current)檢測等離子體放電開始的技術(shù)(專利文獻2，3)。
[0004]此外，公知作為產(chǎn)生用于發(fā)生等離子體放電的點火電壓的電路，而使用共振轉(zhuǎn)換器或使用斬波控制的技術(shù)。
[0005]圖12(a)，(b)是使用共振轉(zhuǎn)換器的點火電壓發(fā)生電路，圖12(a)表示串聯(lián)共振轉(zhuǎn)換器的電路例，圖12(b)表示并聯(lián)共振轉(zhuǎn)換器的電路例。在圖12(a)所示的電路例中，在逆變器電路與由二極管整流電路構(gòu)成的轉(zhuǎn)換器之間連接LC的串聯(lián)共振電路，在圖12(b)所示的電路例中，在逆變器電路與由二極管整流電路構(gòu)成的轉(zhuǎn)換器之間連接LC的并聯(lián)共振電路。使用共振轉(zhuǎn)換器的點火電壓發(fā)生電路通過共振使點火電壓上升。
[0006]圖12(c)是斬波控制的電路例，在直流源(Ein)與逆變器電路之間設置斬波電路。在斬波控制的電路中，通過斬波電路具備的開關元件的接通占空比對點火電壓進行控制。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0008]專利文獻
[0009]專利文獻1:日本特開2010-255061 (段落
[0006])
[0010]專利文獻2:日本特開平11-229138號公報(段落
[0009])
[0011]專利文獻3:日本特開2002-173772號公報(段落
[0032])

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]發(fā)明要解決的課題
[0013]在專利文獻2記載的裝置中，通過施加一定時間的大于設定的放電電壓的電壓來發(fā)生等離子體，此外，在專利文獻3記載的裝置中，通過瞬間施加額定以上的電壓來進行等離子體放電的著火。
[0014]如上所述，為了使等離子體著火而施加的電壓在一定時間或瞬間施加大于放電電壓或額定電壓的電壓。在等離子體放電的發(fā)生中存在波動，當施加電壓較低時需要將施加時間設定成較長。
[0015]為了在較短的施加時間可靠地發(fā)生等離子體放電，需要發(fā)生大于放電電壓或額定電壓的電壓。
[0016]因此，向等離子體發(fā)生裝置供給直流電的直流電源裝置存在為了提高在等離子體放電的發(fā)生中所使用的電壓，直流電源裝置復雜化且大型化的問題。
[0017]此外，當通過較低的施加電壓發(fā)生等離子體放電時，施加時間變長，因此存在等離子體發(fā)生裝置中的處理時間變長的問題。
[0018]此外，在點火電壓發(fā)生電路中，當使用串聯(lián)共振轉(zhuǎn)換器以及并聯(lián)共振轉(zhuǎn)換器時，通過共振動作使電壓上升，因此存在點火電壓的最大值僅能升壓至輸入直流電壓的Edc的2倍的問題。為了提高點火電壓需要提高輸入直流電壓Edc，需要準備高電壓的直流源。
[0019]當在點火電壓發(fā)生電路中，基于斬波控制時，在逆變器電路中不具備共振電路，因此在降壓斬波電路中存在僅能使點火電壓的最大值獲得到輸入直流電壓Ein為止的問題。
[0020]因此，即使在基于共振電路或斬波電路的點火電壓發(fā)生電路中也存在為了提高在等離子體放電的發(fā)生中所使用的電壓，直流電源裝置復雜化且大型化的問題。
[0021]本發(fā)明的目的是解決所述的現(xiàn)有的問題，在向等離子體發(fā)生裝置供給直流電的直流電源裝置中，使形成發(fā)生等離子體放電的高壓電壓的裝置結(jié)構(gòu)簡單且小型化。
[0022]此外，本發(fā)明的目的是不需要使用大型且復雜結(jié)構(gòu)的直流電源裝置，縮短等離子體放電發(fā)生所需要的電壓施加時間。
[0023]用于解決課題的手段
[0024]當對等離子體發(fā)生裝置等負載供給直流電來進行等離子體處理時，在加載電源時或重新啟動時，進行使等離子體發(fā)生裝置發(fā)生等離子體放電的工序。此時，從直流電源裝置對等離子體發(fā)生裝置施加高于被稱為點火電壓的通常運轉(zhuǎn)時所施加的電壓的電壓，發(fā)生等離子體放電。
[0025]本發(fā)明涉及為了發(fā)生等離子體放電，而生成向等離子體發(fā)生裝置施加的電壓的直流電源裝置以及直流電源裝置的控制方法。
[0026]需要將向等離子體發(fā)生裝置施加的電壓升壓至發(fā)生等離子體放電所需要的點火設定電壓。本發(fā)明的直流電源裝置重復多次僅在微小時間內(nèi)使電流流過直流電源裝置具備的電流型降壓斬波部，使用各電流的能量使輸出電壓逐步上升，直到升壓至點火設定電壓為止。
[0027]在本發(fā)明的直流電源裝置中，為了使電流僅在微小時間流過電流型降壓斬波部，僅在微小時間切斷從電流型降壓斬波部向直流電源裝置的輸出端的電流流路，從而使短路電流流過電流型降壓斬波部。為了切斷向直流電源裝置的輸出端的電流流路，將電流型降壓斬波部的電流先積蓄在電流型降壓斬波部具備的電感器中。
[0028]之后，解除向直流電源裝置的輸出端的電流路的切斷，當形成從電流型降壓斬波部向直流電源裝置的輸出端的電流路時，通過積蓄在電感器中的能量使直流電源裝置的輸出端的電壓升壓。通過重復基于電流的積蓄和釋放的輸出端的升壓，使直流電源裝置的輸出端的電壓升壓至點火設定電壓為止。
[0029]圖1是用于說明本申請發(fā)明的、短路電流的發(fā)生動作以及基于短路電流的輸出電壓的升壓動作的圖。
[0030]圖1(a)是用于說明短路電流的發(fā)生動作的圖。在電流型降壓斬波部或多相逆變器中，通過使正電壓側(cè)和負電壓側(cè)短路，使短路電流Δ?流過電流型降壓斬波部。將短路電流Δ i的能量積蓄在電感L中。
[0031]圖1(b)是用于說明輸出電壓的升壓動作的圖。停止短路動作，將電流型降壓斬波部和多相逆變器切換成連接狀態(tài)時，積蓄在電感L中的能量變被換成電壓，使輸出電壓升壓。在圖1(b)中，使輸出電容C。的電壓升壓。另外，當在負載側(cè)具備電容時，輸出電壓通過輸出電容C。和負載側(cè)的電容的并聯(lián)電路來升壓。
[0032]本發(fā)明的直流電源裝置除了對與電流型降壓斬波部連接的多相逆變器的橋接電路的開關元件進行控制使正電壓側(cè)和負電壓側(cè)短路外，還可以在電流型降壓斬波部的輸出端的正電壓側(cè)與負電壓側(cè)之間連接開關元件，對該開關元件進行控制使正電壓側(cè)和負電壓側(cè)短路。
[0033]本申請的直流電源裝置通過各短路將流過電流型降壓斬波部的電流積蓄在電感L中，對該積蓄電流進行能量變換使輸出電壓升壓。由于基于一次的短路的升壓較小，因此重復多次基于短路的升壓工序由此使輸出電壓階段性地上升，直到升壓至點火設定電壓為止。此外，可以通過延長使正電壓側(cè)和負電壓側(cè)短路的短路時間，來使基于一次的短路的升壓量變大，但是一次的升壓量越小，可以微小地調(diào)整使輸出電壓升壓時的升壓幅度，可以提高升壓的分辨能力，利于輸出電壓的控制。
[0034]在電流型降壓斬波部中形成的微小時間的電流路可以在電流型降壓斬波部的電路或與該電路連接的多相逆變器的電路中，通過簡單地使正電壓側(cè)和負電壓側(cè)短路來形成，因此可以使直流電源裝置為簡單且小型的結(jié)構(gòu)。
[0035][直流電源裝置]
[0036]向本發(fā)明的等離子體發(fā)生裝置供給直流電的直流電源裝置具備:構(gòu)成直流源的電流型降壓斬波部、通過多個開關元件的動作將電流型降壓斬波部的直流輸出變換成多相交流電的多相逆變器、以及控制部，該控制部具有對多相逆變器的輸出進行交直變換且將得到的直流向負載供給的整流部、對電流型降壓斬波部進行控制的斬波控制部以及對多相逆變器進行控制的逆變器控制部。
[0037]控制部具備對動作模式進行切換的切換控制和對電流型降壓斬波部的電路中在微小時間內(nèi)形成電流路的間歇短路控制的兩個控制。
[0038]切換控制對點火模式和正常運轉(zhuǎn)模式進行切換，其中，所述點火模式供給使等離子體發(fā)生裝置發(fā)生等離子體放電的點火電壓，所述正常運轉(zhuǎn)模式供給使等離子體發(fā)生裝置的等離子體放電繼續(xù)的正常運轉(zhuǎn)電流。
[0039]間歇短路控制使電流型降壓斬波部和/或多相逆變器的正電壓側(cè)和負電壓側(cè)間歇短路，通過該短路在電流型降壓斬波電路中形成微小時間的電流路，來使短路電流流過。
[0040]控制部在點火模式中，通過進行間歇短路控制使短路電流流過電流型降壓斬波部。將該短路電流的能量先積蓄在電流型降壓斬波部具備的電感器中。積蓄的能量在直到下次的短路為止的期間，經(jīng)由多相逆變器以及整流部使直流電源裝置的輸出電壓升壓。通過基于該短路的電流能量的積蓄和重復基于導通的輸出電壓的升壓的升壓動作，來進行提高向等離子體發(fā)生裝置施加的輸出電壓的控制。
[0041 ] 在該點火模式中，斬波控制部進行脈寬控制，將電流型降壓斬波部的輸入電壓控制成預定電壓。
[0042]在點火模式中，直流電源裝置的輸出電壓通過基于多次短路動作的升壓和由斬波控制決定的電流型降壓斬波部的輸入電壓來決定。此外，升壓至點火設定電壓所需要的短路動作的次數(shù)與電流型降壓斬波部的輸入電壓、點火模式的時間帶、通過一次短路動作升壓的電壓幅度等有關聯(lián)性，因此可以根據(jù)直流電源裝置的結(jié)構(gòu)或使用條件來決定。
[0043]本發(fā)明的控制部，例如可以將斬波控制部的斬波控制的接通占空比和間歇短路控制的次數(shù)設成參數(shù)，通過接通占空比對電流型降壓斬波部的輸入電壓進行控制，通過間歇短路控制的次數(shù)對升壓比進行控制，通過電流型降壓斬波部的輸入電壓和升壓比對輸出電壓的電壓上升進行控制。
[0044]本發(fā)明的間歇短路控制可以通過逆變器控制部或斬波控制部來進行。可以通過多個方式進行基于逆變器控制部的間歇短路控制。
[0045](基于逆變器控制部的間歇短路控制的第I方式)
[0046]本發(fā)明的基于逆變器控制部的間歇短路控制的第I方式，生成對構(gòu)成多相逆變器的橋接電路的開關元件進行脈寬控制的柵極脈沖信號，并且生成使橋接電路的正電壓側(cè)和負電壓側(cè)間歇短路的短路脈沖信號，重疊所生成的柵極脈沖信號與短路脈沖信號來生成控制信號，通過該控制信號對多相逆變器進行控制。
[0047]控