專利名稱：用于雙極供電的電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1的前序部分所述的用于等離子體或表面工藝設(shè)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(xiàn)EP534068 B中，它通常包括一個(gè)直流電源，其輸出端與一個(gè)電子功率開關(guān)的橋式電路的輸入端相連。所述功率開關(guān)與控制信號(hào)處理裝置相連，后者以所要求的方式對(duì)功率開關(guān)進(jìn)行控制，從而得到等離子體設(shè)備所需的脈沖模式。所述裝置具有獨(dú)立的控制信號(hào)處理裝置，以便個(gè)別地調(diào)節(jié)正向和負(fù)向輸出信號(hào)的控制時(shí)間，從而能夠非常自由地選擇脈沖形狀。
本發(fā)明的任務(wù)是，對(duì)所述已有技術(shù)中的電源裝置加以改進(jìn)，進(jìn)一步加大選擇所要求的脈沖形狀的自由度。本發(fā)明對(duì)該任務(wù)的解決方案體現(xiàn)在權(quán)利要求1的特征部分所述的電源裝置中。本發(fā)明的另一個(gè)任務(wù)是，提供一種組件，它允許在兆赫茲的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖形狀的絕對(duì)自由的選擇。該任務(wù)的解決方案體現(xiàn)在權(quán)利要求7所述的組件中。
本發(fā)明的其他有利改進(jìn)是相應(yīng)的從屬權(quán)利要求的技術(shù)方案。
根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)橋式電路至少使用了兩個(gè)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(fù)向輸出端之間接入兩個(gè)功率半導(dǎo)體的一個(gè)串聯(lián)電路。同樣的結(jié)構(gòu)也適用于第一直流電源的負(fù)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(gè)功率半導(dǎo)體的串聯(lián)電路。輸出給等離子體設(shè)備的脈沖分別是在串聯(lián)電路的兩個(gè)功率開關(guān)之間引出的。
通過該方式可以對(duì)正向和負(fù)向脈沖的振幅進(jìn)行自由選擇，例如按照一種所要求的信號(hào)模型進(jìn)行選擇。
如果設(shè)置了獨(dú)立的控制信號(hào)處理裝置用于對(duì)不同的功率開關(guān)進(jìn)行個(gè)別控制，則不僅可任意選擇正向和負(fù)向脈沖的振幅，而且可以任意選擇其導(dǎo)通時(shí)間和信號(hào)間隔或延持時(shí)間。因此可實(shí)現(xiàn)輸出給等離子體設(shè)備的脈沖模型的所有自由度的選擇。
因?yàn)樵撛O(shè)備需要進(jìn)行很大電流的切換，所以電源裝置的有效范圍限制在大約100至200kHz的頻率范圍內(nèi)。通過使用多個(gè)，最好為2至8個(gè)并聯(lián)連接的電源裝置以及采用相對(duì)較短的時(shí)間交錯(cuò)同步控制各個(gè)電源裝置，可以實(shí)現(xiàn)任意的脈沖模型，其頻率范圍可達(dá)到兆赫茲的范圍，例如采用8臺(tái)頻率為125kHz的裝置。該裝置的控制優(yōu)選通過設(shè)置在各個(gè)裝置控制輸入端的控制總線實(shí)現(xiàn)，其中控制信號(hào)由一個(gè)中央控制器通向各個(gè)可獨(dú)立尋址的裝置。
為此，各個(gè)電源裝置最好設(shè)置地址或標(biāo)識(shí)，使得控制器能夠與每個(gè)電源裝置之間實(shí)現(xiàn)獨(dú)立連接。
直流電源的輸出端最好用盡可能大容量的電容實(shí)現(xiàn)電容穩(wěn)壓，從而能夠提供很大的脈沖電流。如果電源裝置工作在其最大容量邊緣，則脈沖之間的延持時(shí)間的自由選擇將受到限制。
最好不僅在兩個(gè)直流電源的負(fù)向輸出端之間，而且在正向輸出端之間分別接入一個(gè)橋式電路，從而能夠交替地進(jìn)入通常的工作狀態(tài)，然而它無法實(shí)現(xiàn)對(duì)正向和負(fù)向脈沖振幅的個(gè)別的不同控制。
開關(guān)晶體管和自振蕩二極管的最大允許電流動(dòng)態(tài)可通過兩個(gè)位于輸出側(cè)的電感L1和L2調(diào)節(jié)。此時(shí)脈沖電流被動(dòng)態(tài)采集和計(jì)算。特別是在很低的阻抗短路情況下需要快速識(shí)別過載電流，并且迅速切斷晶體管，以防止半導(dǎo)體層或基片表面或等離子體涂層裝置本身出現(xiàn)故障。
本發(fā)明所述供電或電源裝置組件可以用于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(duì)照附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。


圖1表示本發(fā)明所述電源裝置的大大簡(jiǎn)化的電路圖，沒有控制電子裝置，圖2表示本發(fā)明所述雙極供電裝置的輸出脈沖圖形，圖3表示本發(fā)明所述具有多個(gè)電源的組件示意圖，圖4A-F表示圖3中組件的可能的脈沖模型，并且圖5表示不同于圖3的一種具有多個(gè)電源的組件。
圖1表示的電源裝置具有兩個(gè)直流電源G1、G2，其輸出由電容C1、C2穩(wěn)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(jīng)由兩個(gè)功率開關(guān)T1、T4組成的串聯(lián)電路與直流電源G2的負(fù)向輸出相連。同樣地，第一直流電源G1的負(fù)向輸出經(jīng)由兩個(gè)功率開關(guān)T2、T3組成的串聯(lián)電路與第二直流電源G2的正向輸出相連。通向等離子體設(shè)備A的輸出端引出在串聯(lián)電路T1T4、T2T3之間的中點(diǎn)上，并且通過電感L1、L2限制電流動(dòng)態(tài)，以保護(hù)功率開關(guān)以及等離子體設(shè)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(gè)電流采集裝置SA，其輸出信號(hào)被送入一個(gè)未畫出的控制器，用于控制功率開關(guān)T1至T4，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，即反饋調(diào)節(jié)控制。
兩個(gè)橋S1、S2不僅設(shè)置在兩個(gè)直流電源G1、G2的正向輸出之間，而且設(shè)置在其負(fù)向輸出之間，這種結(jié)構(gòu)允許電源裝置按照公知方式工作，但具有相同大小的負(fù)向和正向電流脈沖振幅。然而例如也可以調(diào)整到以下工作狀態(tài)直流電壓DC+，此時(shí)T1和T2閉合，而T3和T4打開。
直流電壓DC-，此時(shí)T3和T4閉合，而T1和T2打開。
單極性正向斬波電壓UP+，此時(shí)T1和T2斬波，而T3和T4打開。
單極性負(fù)向斬波電壓UP-，此時(shí)T3和T4斬波，而T1和T2打開。
雙極性斬波電壓BP，此時(shí)T1和T2交替地與T3和T4工作。
圖2表示圖1所示本發(fā)明的電源裝置的一種可能的脈沖模型的時(shí)間曲線。水平軸是時(shí)間，以微秒為單位，垂直軸表示正向和負(fù)向的輸出脈沖電壓。圖中表示出一個(gè)第一正向脈沖具有的輸出電壓為V0+，并且脈沖寬度為Ton+，隨后是一個(gè)延遲時(shí)間Toff+。該延遲時(shí)間之后是一個(gè)第一負(fù)向脈沖，其振幅為V0-，其脈沖寬度為Ton-，隨后是延遲時(shí)間Toff-。這4個(gè)脈沖時(shí)間參數(shù)Ton+，Toff+，Ton-，Toff-構(gòu)成一個(gè)周期，并且能夠相互獨(dú)立地進(jìn)行選擇，其中這里采用通常的技術(shù)，不會(huì)低于一個(gè)8微秒周期內(nèi)的時(shí)間總和(相等于最大為125kHz的頻率)。
圖3表示一種用于產(chǎn)生高能高頻脈沖序列的組件，其頻率可達(dá)到兆赫茲范圍。該組件由多個(gè)圖1所示電源裝置組成，所述裝置在圖中用標(biāo)號(hào)“系統(tǒng)1、系統(tǒng)2…系統(tǒng)N”表示。所述多個(gè)電源裝置最好是2或3個(gè)或者多達(dá)20個(gè)，其輸出端并聯(lián)連接，并且連接等離子體設(shè)備A的輸入端。為了對(duì)各個(gè)電源裝置進(jìn)行同步和控制，設(shè)置了一個(gè)中央控制器10，它經(jīng)數(shù)據(jù)總線與各個(gè)電源裝置的控制端相連。因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中，每個(gè)電源裝置系統(tǒng)1至系統(tǒng)N都有一個(gè)自身的標(biāo)識(shí)或地址，所以中央控制器10能夠單獨(dú)地控制組件內(nèi)的每個(gè)電源裝置。當(dāng)然也可經(jīng)連接每個(gè)電源裝置的獨(dú)立導(dǎo)線進(jìn)行控制，以取代尋址方式。
此外在并聯(lián)的輸出端上，在通向設(shè)備A之前的位置上設(shè)置電流采集裝置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(shí)現(xiàn)控制的調(diào)整。通過圖3所示的組件可以產(chǎn)生圖4A-F顯示的信號(hào)形狀，其中各個(gè)脈沖序列的極性、振幅和時(shí)間長(zhǎng)度以及位于中間的延遲時(shí)間均可獨(dú)立進(jìn)行任意調(diào)整。也可通過該方式產(chǎn)生高能高頻脈沖模型，其頻率可達(dá)兆赫茲范圍。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(dāng)然不同電源裝置系統(tǒng)1至系統(tǒng)N的脈沖也可以在時(shí)間上重疊發(fā)出，因此可實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的最大功率脈沖，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(chǎn)生所要求的脈沖形狀，從而使涂層設(shè)備的等離子體產(chǎn)生所要求的激勵(lì)形狀。在自由設(shè)定脈沖模型時(shí)，在N個(gè)電源裝置的N次并聯(lián)脈沖電路中，可以通過增加或減少各個(gè)脈沖部分而疊加或減去某種頻譜。
圖5表示的設(shè)備基本與圖3中的相同，其中相同或功能相等的部分采用相同的標(biāo)號(hào)。在圖5中和圖3不同的是，各個(gè)電源裝置系統(tǒng)1至系統(tǒng)N的電極不是并聯(lián)的，而是按照一種預(yù)定的模型，例如圓形，布置在等離子體設(shè)備的處理腔室內(nèi)。通過該方式不僅可以調(diào)節(jié)輸入的電流脈沖的脈沖形狀，而且可以影響等離子體的幾何形狀。
作為各個(gè)直流電源G1、G2的替代，也可采用并聯(lián)或串聯(lián)連接的電源。使用上述連接方法并不限于以上特定的電源，而是可以在所有種類的大電流電源中實(shí)現(xiàn)，從而得到具有任意脈沖模型的高頻大電流供電。
權(quán)利要求
1.用于一種等離子體或表面工藝設(shè)備的雙極供電的電源裝置，包括至少一個(gè)可調(diào)式直流電源(G1，G2)，其正極和負(fù)極輸出端與至少一個(gè)電子功率開關(guān)(T1至T4)的橋式電路的輸入端相連，所述功率開關(guān)的輸入側(cè)與至少一個(gè)控制信號(hào)處理裝置相連，而輸出側(cè)則與至少一個(gè)用于控制/調(diào)節(jié)所述功率開關(guān)的電流測(cè)量電路相連，并且還與設(shè)備(A)的負(fù)載相連，其特征是，為每個(gè)橋式電路(T1至T4)至少配置兩個(gè)直流電源(G1，G2)，所述兩個(gè)直流電源的正極輸出端分別經(jīng)兩個(gè)功率開關(guān)(T1和T4，T2和T3)的串聯(lián)電路與其他直流電源(G2，G1)的負(fù)極輸出端相連，其中用于所述設(shè)備的橋式電路的輸出端分別在兩個(gè)串聯(lián)電路的功率開關(guān)之間引出。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，設(shè)置可個(gè)別地調(diào)節(jié)正極和負(fù)極輸出信號(hào)的獨(dú)立的控制信號(hào)處理裝置(12，13)，它們包含在獨(dú)立的調(diào)節(jié)回路內(nèi)，所述調(diào)節(jié)回路由一個(gè)控制器(18)進(jìn)行相互獨(dú)立的控制。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征是，所述電子功率開關(guān)(T1至T4)是由金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFETs構(gòu)成的。
4.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征是，所述功率開關(guān)(T1至T4)是雙極晶體管IBGTS或其他快速開關(guān)的電子功率半導(dǎo)體。
5.如以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，所述兩個(gè)直流電源(G1，G2)的輸出端由電容(C1，C2)穩(wěn)壓。
6.如以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，至少設(shè)置一個(gè)開關(guān)(S1，S2)用于并聯(lián)所述直流電源(G1，G2)。
7.如以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是，設(shè)置一個(gè)可對(duì)所述直流電源(G1，G2)進(jìn)行獨(dú)立控制/調(diào)節(jié)的控制器。
8.具有如以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述多個(gè)裝置的組件，其特征是，具有一個(gè)中央控制器(10)用于對(duì)各個(gè)裝置(系統(tǒng)1至系統(tǒng)N)發(fā)出的輸出脈沖進(jìn)行時(shí)間控制或者同步，其中所有裝置的輸出端均與設(shè)備(A)并聯(lián)連接。
9.如權(quán)利要求8所述的組件，其特征是，所述中央控制器(10)通過一個(gè)總線系統(tǒng)(12)與設(shè)置在所述裝置(系統(tǒng)1至系統(tǒng)N)上的控制輸入端相連，而且最好還與一個(gè)電流測(cè)量電路(14)相連。
10.使用如權(quán)利要求1至6中任何一項(xiàng)所述裝置以產(chǎn)生等離子體或表面工藝設(shè)備所需電流脈沖的方法，通過該方法產(chǎn)生對(duì)于正向和負(fù)向電流脈沖均具有可自由選擇的信號(hào)時(shí)間(Ton+，Toff+，Ton-，Toff-)、并且對(duì)于正向和負(fù)向電流脈沖具有可獨(dú)立選擇的振幅(Vo+，Vo-)的電流脈沖。
11.使用如權(quán)利要求7或8所述組件以產(chǎn)生等離子體或表面工藝設(shè)備所需高頻電流脈沖的方法，其中的組件包含多個(gè)所述裝置，特別是在3至20個(gè)之間，其中，所述裝置由中央控制器進(jìn)行控制以產(chǎn)生一個(gè)組合信號(hào)模型，方式是使每個(gè)裝置輸出一個(gè)信號(hào)脈沖，其最長(zhǎng)脈沖時(shí)間等于信號(hào)模型的總時(shí)間除以所述裝置的數(shù)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于等離子體或表面工藝設(shè)備的雙極供電的電源裝置，包括至少一個(gè)可調(diào)式直流電源(G1，G2)，其正極和負(fù)極輸出端與至少一個(gè)電子功率開關(guān)(T1至T4)的橋式電路的輸入端相連，所述功率開關(guān)的輸入側(cè)與至少一個(gè)控制信號(hào)處理裝置相連，而輸出側(cè)則與至少一個(gè)用于控制/調(diào)節(jié)所述功率開關(guān)的電流測(cè)量電路相連，并且還與設(shè)備(A)的負(fù)載相連，通過本發(fā)明可以產(chǎn)生對(duì)于正向和負(fù)向電流脈沖具有可自由選擇的振幅(V
文檔編號(hào)H02M7/5387GK1425217SQ01808196
公開日2003年6月18日 申請(qǐng)日期2001年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月17日
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