用於雙極供電的電源裝置的製作方法

2023-09-23 09:23:45

專利名稱：用於雙極供電的電源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1的前序部分所述的用於等離子體或表面工藝設備的雙極供電的電源裝置。這種裝置例如公開在歐洲專利文獻EP534068 B中，它通常包括一個直流電源，其輸出端與一個電子功率開關的橋式電路的輸入端相連。所述功率開關與控制信號處理裝置相連，後者以所要求的方式對功率開關進行控制，從而得到等離子體設備所需的脈衝模式。所述裝置具有獨立的控制信號處理裝置，以便個別地調節正向和負向輸出信號的控制時間，從而能夠非常自由地選擇脈衝形狀。
本發明的任務是，對所述已有技術中的電源裝置加以改進，進一步加大選擇所要求的脈衝形狀的自由度。本發明對該任務的解決方案體現在權利要求1的特徵部分所述的電源裝置中。本發明的另一個任務是，提供一種組件，它允許在兆赫茲的頻率範圍內實現對脈衝形狀的絕對自由的選擇。該任務的解決方案體現在權利要求7所述的組件中。
本發明的其他有利改進是相應的從屬權利要求的技術方案。
根據本發明，每個橋式電路至少使用了兩個直流電源。所述橋式電路分開布置，其方式是在第一直流電源的正向輸出端和第二直流電源的負向輸出端之間接入兩個功率半導體的一個串聯電路。同樣的結構也適用於第一直流電源的負向輸出端和第二直流電源的正向輸出端，在它們之間同樣接入兩個功率半導體的串聯電路。輸出給等離子體設備的脈衝分別是在串聯電路的兩個功率開關之間引出的。
通過該方式可以對正向和負向脈衝的振幅進行自由選擇，例如按照一種所要求的信號模型進行選擇。
如果設置了獨立的控制信號處理裝置用於對不同的功率開關進行個別控制，則不僅可任意選擇正向和負向脈衝的振幅，而且可以任意選擇其導通時間和信號間隔或延持時間。因此可實現輸出給等離子體設備的脈衝模型的所有自由度的選擇。
因為該設備需要進行很大電流的切換，所以電源裝置的有效範圍限制在大約100至200kHz的頻率範圍內。通過使用多個，最好為2至8個並聯連接的電源裝置以及採用相對較短的時間交錯同步控制各個電源裝置，可以實現任意的脈衝模型，其頻率範圍可達到兆赫茲的範圍，例如採用8臺頻率為125kHz的裝置。該裝置的控制優選通過設置在各個裝置控制輸入端的控制總線實現，其中控制信號由一個中央控制器通向各個可獨立尋址的裝置。
為此，各個電源裝置最好設置地址或標識，使得控制器能夠與每個電源裝置之間實現獨立連接。
直流電源的輸出端最好用儘可能大容量的電容實現電容穩壓，從而能夠提供很大的脈衝電流。如果電源裝置工作在其最大容量邊緣，則脈衝之間的延持時間的自由選擇將受到限制。
最好不僅在兩個直流電源的負向輸出端之間，而且在正向輸出端之間分別接入一個橋式電路，從而能夠交替地進入通常的工作狀態，然而它無法實現對正向和負向脈衝振幅的個別的不同控制。
開關電晶體和自振蕩二極體的最大允許電流動態可通過兩個位於輸出側的電感L1和L2調節。此時脈衝電流被動態採集和計算。特別是在很低的阻抗短路情況下需要快速識別過載電流，並且迅速切斷電晶體，以防止半導體層或基片表面或等離子體塗層裝置本身出現故障。
本發明所述供電或電源裝置組件可以用於所有等離子體工藝中，如CVD，等離子PVD，磁控管濺射，等離子氮化，等離子腐蝕。
下面對照附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。


圖1表示本發明所述電源裝置的大大簡化的電路圖，沒有控制電子裝置，圖2表示本發明所述雙極供電裝置的輸出脈衝圖形，圖3表示本發明所述具有多個電源的組件示意圖，圖4A-F表示圖3中組件的可能的脈衝模型，並且圖5表示不同於圖3的一種具有多個電源的組件。
圖1表示的電源裝置具有兩個直流電源G1、G2，其輸出由電容C1、C2穩壓。在直流電源G1上加載電壓V1，在直流電源G2上加載電壓V2。第一直流電源G1的正向輸出經由兩個功率開關T1、T4組成的串聯電路與直流電源G2的負向輸出相連。同樣地，第一直流電源G1的負向輸出經由兩個功率開關T2、T3組成的串聯電路與第二直流電源G2的正向輸出相連。通向等離子體設備A的輸出端引出在串聯電路T1T4、T2T3之間的中點上，並且通過電感L1、L2限制電流動態，以保護功率開關以及等離子體設備本身和其中的基片SU。在所述電源裝置的輸出端還連接一個電流採集裝置SA，其輸出信號被送入一個未畫出的控制器，用於控制功率開關T1至T4，從而實現調節，即反饋調節控制。
兩個橋S1、S2不僅設置在兩個直流電源G1、G2的正向輸出之間，而且設置在其負向輸出之間，這種結構允許電源裝置按照公知方式工作，但具有相同大小的負向和正向電流脈衝振幅。然而例如也可以調整到以下工作狀態直流電壓DC+，此時T1和T2閉合，而T3和T4打開。
直流電壓DC-，此時T3和T4閉合，而T1和T2打開。
單極性正向斬波電壓UP+，此時T1和T2斬波，而T3和T4打開。
單極性負向斬波電壓UP-，此時T3和T4斬波，而T1和T2打開。
雙極性斬波電壓BP，此時T1和T2交替地與T3和T4工作。
圖2表示圖1所示本發明的電源裝置的一種可能的脈衝模型的時間曲線。水平軸是時間，以微秒為單位，垂直軸表示正向和負向的輸出脈衝電壓。圖中表示出一個第一正向脈衝具有的輸出電壓為V0+，並且脈衝寬度為Ton+，隨後是一個延遲時間Toff+。該延遲時間之後是一個第一負向脈衝，其振幅為V0-，其脈衝寬度為Ton-，隨後是延遲時間Toff-。這4個脈衝時間參數Ton+，Toff+，Ton-，Toff-構成一個周期，並且能夠相互獨立地進行選擇，其中這裡採用通常的技術，不會低於一個8微秒周期內的時間總和(相等於最大為125kHz的頻率)。
圖3表示一種用於產生高能高頻脈衝序列的組件，其頻率可達到兆赫茲範圍。該組件由多個圖1所示電源裝置組成，所述裝置在圖中用標號「系統1、系統2…系統N」表示。所述多個電源裝置最好是2或3個或者多達20個，其輸出端並聯連接，並且連接等離子體設備A的輸入端。為了對各個電源裝置進行同步和控制，設置了一個中央控制器10，它經數據總線與各個電源裝置的控制端相連。因為在該系統中，每個電源裝置系統1至系統N都有一個自身的標識或地址，所以中央控制器10能夠單獨地控制組件內的每個電源裝置。當然也可經連接每個電源裝置的獨立導線進行控制，以取代尋址方式。
此外在並聯的輸出端上，在通向設備A之前的位置上設置電流採集裝置14，其輸出端與中央控制器10相連，從而以該方式得到反饋，實現控制的調整。通過圖3所示的組件可以產生圖4A-F顯示的信號形狀，其中各個脈衝序列的極性、振幅和時間長度以及位於中間的延遲時間均可獨立進行任意調整。也可通過該方式產生高能高頻脈衝模型，其頻率可達兆赫茲範圍。例如見圖4B所示，可以逼近正弦波曲線，圖4A可以逼近三角波曲線。圖4D逼近一種雙極順序的鋸齒波曲線。
當然不同電源裝置系統1至系統N的脈衝也可以在時間上重疊發出，因此可實現短時間內的最大功率脈衝，但頻率要有所降低。
此外還可以通過某種傅立葉變換使該組件產生所要求的脈衝形狀，從而使塗層設備的等離子體產生所要求的激勵形狀。在自由設定脈衝模型時，在N個電源裝置的N次並聯脈衝電路中，可以通過增加或減少各個脈衝部分而疊加或減去某種頻譜。
圖5表示的設備基本與圖3中的相同，其中相同或功能相等的部分採用相同的標號。在圖5中和圖3不同的是，各個電源裝置系統1至系統N的電極不是並聯的，而是按照一種預定的模型，例如圓形，布置在等離子體設備的處理腔室內。通過該方式不僅可以調節輸入的電流脈衝的脈衝形狀，而且可以影響等離子體的幾何形狀。
作為各個直流電源G1、G2的替代，也可採用並聯或串聯連接的電源。使用上述連接方法並不限於以上特定的電源，而是可以在所有種類的大電流電源中實現，從而得到具有任意脈衝模型的高頻大電流供電。
權利要求
1.用於一種等離子體或表面工藝設備的雙極供電的電源裝置，包括至少一個可調式直流電源(G1，G2)，其正極和負極輸出端與至少一個電子功率開關(T1至T4)的橋式電路的輸入端相連，所述功率開關的輸入側與至少一個控制信號處理裝置相連，而輸出側則與至少一個用於控制/調節所述功率開關的電流測量電路相連，並且還與設備(A)的負載相連，其特徵是，為每個橋式電路(T1至T4)至少配置兩個直流電源(G1，G2)，所述兩個直流電源的正極輸出端分別經兩個功率開關(T1和T4，T2和T3)的串聯電路與其他直流電源(G2，G1)的負極輸出端相連，其中用於所述設備的橋式電路的輸出端分別在兩個串聯電路的功率開關之間引出。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵是，設置可個別地調節正極和負極輸出信號的獨立的控制信號處理裝置(12，13)，它們包含在獨立的調節迴路內，所述調節迴路由一個控制器(18)進行相互獨立的控制。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特徵是，所述電子功率開關(T1至T4)是由金屬氧化物場效應電晶體MOSFETs構成的。
4.如權利要求1或2所述的裝置，其特徵是，所述功率開關(T1至T4)是雙極電晶體IBGTS或其他快速開關的電子功率半導體。
5.如以上權利要求中任何一項所述的裝置，其特徵是，所述兩個直流電源(G1，G2)的輸出端由電容(C1，C2)穩壓。
6.如以上權利要求中任何一項所述的裝置，其特徵是，至少設置一個開關(S1，S2)用於並聯所述直流電源(G1，G2)。
7.如以上權利要求中任何一項所述的裝置，其特徵是，設置一個可對所述直流電源(G1，G2)進行獨立控制/調節的控制器。
8.具有如以上權利要求中任何一項所述多個裝置的組件，其特徵是，具有一個中央控制器(10)用於對各個裝置(系統1至系統N)發出的輸出脈衝進行時間控制或者同步，其中所有裝置的輸出端均與設備(A)並聯連接。
9.如權利要求8所述的組件，其特徵是，所述中央控制器(10)通過一個總線系統(12)與設置在所述裝置(系統1至系統N)上的控制輸入端相連，而且最好還與一個電流測量電路(14)相連。
10.使用如權利要求1至6中任何一項所述裝置以產生等離子體或表面工藝設備所需電流脈衝的方法，通過該方法產生對於正向和負向電流脈衝均具有可自由選擇的信號時間(Ton+，Toff+，Ton-，Toff-)、並且對於正向和負向電流脈衝具有可獨立選擇的振幅(Vo+，Vo-)的電流脈衝。
11.使用如權利要求7或8所述組件以產生等離子體或表面工藝設備所需高頻電流脈衝的方法，其中的組件包含多個所述裝置，特別是在3至20個之間，其中，所述裝置由中央控制器進行控制以產生一個組合信號模型，方式是使每個裝置輸出一個信號脈衝，其最長脈衝時間等於信號模型的總時間除以所述裝置的數量。
全文摘要
本發明涉及一種用於等離子體或表面工藝設備的雙極供電的電源裝置，包括至少一個可調式直流電源(G1，G2)，其正極和負極輸出端與至少一個電子功率開關(T1至T4)的橋式電路的輸入端相連，所述功率開關的輸入側與至少一個控制信號處理裝置相連，而輸出側則與至少一個用於控制/調節所述功率開關的電流測量電路相連，並且還與設備(A)的負載相連，通過本發明可以產生對於正向和負向電流脈衝具有可自由選擇的振幅(V
文檔編號H02M7/5387GK1425217SQ01808196
公開日2003年6月18日 申請日期2001年4月17日 優先權日2000年4月17日
發明者京特·馬克 申請人:梅勒克有限公司