CN100569427C - 等离子体工艺中快速灭弧的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种操作直流等离子体工艺的新的设备和方法，其在出现电弧时将来自等离子体的电源电流分流，由此抑止能量从电源流向等离子体，以及然后当电源重新激活向等离子体的能量流时，再次允许能量流动。分流装置连接到电源的输出，以在电弧产生时将电流从该等离子体分流出去，其中，当在输出检测到电弧时激活该分流装置并且将该电流分流第一预定时间。在该第一预定时间结束、该电流到达零之前，切断该分流装置，其中电流重新流向该等离子体；而且如果该电弧没有熄灭，则在第二预定时间结束时重新激活该分流装置。

Description

等离子体工艺中快速灭弧的设备和方法

技术领域

本发明一般涉及检测和防止或熄灭等离子体处理应用中的电弧的电源，具体涉及直流工艺以及熄灭其中的电弧的装置和方法。

背景技术

在基于等离子体的工艺中，当在绝缘体上电荷积累的点和阴极上的点之间发生放电时，发生阴极电弧。然后等离子体的阻抗崩溃，这通常称为微弧。过去，微弧被视为无关紧要的，因而被忽略。通常，不能检测到微弧的存在，因为电源不直接检测其存在。如果微弧没有快速熄灭，就会产生级联效应，微弧变成所谓的强电弧。然后等离子体通过该强电弧放电，产生非常高强度的能量，该能量如果不快速熄灭的话，就会对工艺和薄膜的质量产生坏的影响。

在直流等离子体工艺中，过去，电弧控制的方法着重于降低由直流电源提供给电弧的能量，或者使用高频或中频电源结合直流电源来消除电弧的出现或者使其出现的机会最小。如在美国专利US5,535,906中所提出的存储非常少能量的电源，其除了在输出电缆中存储的能量外，提供给电弧的能量很小。这种电源通过检测到电弧后关闭电源来消灭电弧。电源关闭后，存储在电缆中的能量扩散到电弧中，并从电缆和电源中消失。这种类型的电源需要感应电弧的有源电路，并且需要开关电源。

作为替代，可以使用无源电路来熄灭电弧，这是因为电弧的出现不会影响电源的调整电路或逻辑电路，这在例如US 5,645,698和US6,524,455中进行了阐述。有源元件通常包括电感和电容，以提供将等离子体中的电流降低为零的谐振电路，从而消除电弧。电感可以包括分立的电感，但是也可以仅仅是输出电缆的电感，该电缆将电源连接到等离子腔。该熄灭(ring out)的典型时间从若干微秒到几十微秒。无源熄灭电路在输出电流中产生大的脉冲跳增，基于谐振组件的值，这会引起大量的能量被输入到工艺中。US 6,524,455和JP61030655A讨论了一种能在几微秒内熄灭电弧的谐振熄灭电路。

在许多电源中，输出滤波电感存储的能量远多于电缆电容存储的能量，因此，如果在检测到电弧后简单地关闭电源，即便在输出电容中存储的能量相对较低的情况下，也可能有大量的能量输送到电弧中。一种降低存储的被输送到负载的感性能量的方法使用与电源的输出端串接的开关，该开关被打开，以防止电流到达等离子体。因为该方法涉及中断电感电流，所以会在开关上引起大的电压尖峰，这要求有消除感性能量的有效方法，以保护开关。

工业界通常认为，熄灭电弧的最优方法是将通过电弧的电流降到零或者某个预定的低门限值。图1示出了典型的熄灭过程。最容易的熄灭电弧的方法是在电容器C_out和电感L_arcout间加入谐振电路(未示出)，电容器C_out位于电源的输出端上，其通常还作为直流电源的滤波电容，L_arcout可以包括插入的与电源的输出电缆串联的分立电感，但也可以仅仅是电源的输出电缆的电感。在典型的熄灭电路中，通过将电流降到零来熄灭电弧。

如图1所示，t₁到t₂之间的时间是电弧的开始阶段。消除发生在t₂和t₃之间。在时间t₃电流达到零，电弧被熄灭。在t₄，等离子体自然恢复。I_peak是由熄灭过程所产生的电流的峰值。图1和图3所示的电压波形是腔内的波形，其参考腔的负输入端。电流波形说明流入腔的正输入端的电流。

由图1所定义的I_peak和时间间隔t_ring的适当值可以用下面的公式计算：

$t_{\mathrm{ring}}=\mathrm{\π}\·\sqrt{L_{\mathrm{arcout}}\·C_{\mathrm{out}}}$

I_peak＝V_dc/Z_arcout

其中 $Z_{\mathrm{arcout}}=\sqrt{L_{\mathrm{arcout}}\·C_{\mathrm{out}}}.$

无源熄灭方法至少有下列缺陷：

1)为了保证电流总是降到零，峰值电流必须至少是电流的直流值的两倍。这意味着电流峰值可以非常高。

2)为了保证电流降到零，Z_arcout的值必须足够低，以在最小输出电压提供最大输出电流。当以远高于最小输出电压工作时，这使得输出电流比必需的大相当多。

3)当输出电流变到零时，电源输出电压改变极性。如果在电弧之后有反向电流流动，具有太高的反向电压是有害的，因此有时需要防止反向电流的额外电路，这在US6,645,698和US6,524,455中进行了教示。

因此，期望提供一种用于直流等离子体工艺的电源，其可以防止微弧变成强电弧，并可以快速灭弧。还期望电压可以提供到电弧的超低能量释放，而且操作足够快以防止在如自离子化等离子体的应用中等离子体熄灭。本发明的目的是提供用于直流等离子体工艺的电源，其在电弧产生时将电流从等离子体分流出去。

发明内容

本发明提供一种用于基于直流的等离子体工艺的电源，其通过使输送给电弧的电流最小而降低工艺中的电弧效应，而且，在电弧出现过程的早期，通过利用分流开关从等离子体分流电流，由此基本上消除了微弧变成强电弧的可能性。在激活分流开关后预定的短时间间隔后，电源断开分流开关，并且检查输出电压是否增加。如果输出电压增加，则分流开关保持断开，恢复正常操作。如果输出电压持续为低电压，再次接通分流开关，以进一步使电弧熄灭。

根据本发明的一方面，提供了一种用于直流等离子体工艺的设备，包括：a)用于等离子体处理的腔，具有包括在其中的至少两个电极；b)具有输出电感和输出电容的电源，用于向所述电极提供电压以点燃等离子体并输送能量；c)连接到该电感的分流开关，以在电弧产生时从该等离子体分流电流；以及d)连接到该分流开关的输出端的阻塞二极管，用以隔离该输出电容和该分流开关。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于直流等离子体工艺的设备，包括：a)用于等离子体处理的腔，具有包括在其中的至少两个电极；b)电源，用于向所述电极提供电压以点燃等离子体并输送能量；c)和该电源的输出电容并联的分流开关，用于在电弧产生时从该等离子体分流电流；以及d)与该分流开关串联的直流源，其中该直流源提供用于将该电流更快地拉至更低以熄灭该电弧的电压。

根据本发明的再另一方面，提供了一种操作直流等离子体工艺的方法，包括下列步骤：a)向等离子体腔中的电极提供电压以点燃等离子体并输送能量；b)在电弧产生时从该等离子体分流电流一第一预定时间间隔；c)在该等离子体电流到达零之前、该第一预定时间间隔结束时，切断该分流的电流，其中电流重新流向该等离子体；以及d)如果该电弧没有熄灭，则在第二预定时间结束时重新激活该电流的分流。

附图说明

图1示出在先技术中用于熄灭电弧的电源的谐振电路的电压和电流波形；

图2示出实施本发明原理的直流等离子体处理设备；

图3示出图2所示的直流等离子体处理设备的电压和电流波形，其和图1所示的在先技术波形叠加显示；

图4示出实施本发明原理的直流等离子体处理设备的另一个实施例；

图5示出了实施本发明原理的直流等离子体处理设备的详细图示。

具体实施方式

参考图2，其示出了实现了本发明原理的直流等离子体处理设备10。直流电源12通过电缆16向等离子体14供电。等离子体14在电极(未示出)间点燃，并且容纳在腔(未示出)内，以处理衬底上的工件(同样未示出，但对本领域的技术人员是公知的)。和输出电容C1并联的是分流开关S1。分流开关可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、场效应晶体管(FET)或者其他合适的半导体开关。

直流电源应该设计为电弧的时间标度上的适应性电流源，使得当发生电弧而输出电压降低时，输出电流不会变得过大。在直流电源中实现高适应性的通常做法是，与输出串联足够大的电感，或者具有快速电流编程的电流控制器。

输出电容C1设计为存储最小的可能能量，同时提供足够的滤波。如果滤波电容足够小，通常可能在发生微弧时，将等离子体处理设备的输出电流限制得足够低因而可以防止微弧变成强电弧的值。

图3示出了图2所示的直流等离子体工艺的控制方法的工作特性。在时间t₁，等离子体中出现电弧。输出电容C1和电缆16的电感L_cablc提供自然的熄灭。

$t_{\mathrm{ring}}=\mathrm{\π}\·\sqrt{L_{\mathrm{cablc}}\·C1}$

I_peak＝V_dc/Z_arcout

其中 $Z_{\mathrm{arcout}}=\sqrt{L_{\mathrm{cablc}}\·C1}$

和分流开关S₁串联插入二极管D1，以使得当C1和输出电缆的电感谐振时，C1上的电压反向。当分流开关分流电流时，D1前向偏置。

电源输出的电压降和电流增大由电缆电感和C1的相互作用而延时。这延迟了可以检测到电弧的时间。

分流开关S1由控制电路(未示出)控制，其以下面的方式接通或断开开关：电源12检测到电弧后，分流开关S1接通；优选地，在C1放电以防止开关不得不吸收存储在电容中的能量后，立即接通开关。利用图2的电路，在C1放电之前，分流开关不应该打开，但是只有到电流的峰基本消失时，电容C1才会放电。

在输出电压反向的时间间隔内，分流开关不起作用。在该时间间隔内，直流电源继续向输出电路输送电流。在C1上的电压消失后，因为开关接通，来自电源的电流从电缆和等离子体分流。这使得电缆中的能量衰减。电流衰减的斜率依赖于电缆的电感和电弧上的电压。在时间t₂和t₃之间发生电流衰减，时间t₂和t₃是可以控制的。优选地，C1的值选择为仅仅足够大到可以对电源的输出电流滤波。和传统的熄灭电路不同，输出电流不需要变到零，因此输出电流不需要增加到稳态值的两倍。电源的限制的输出电流通常使得微弧在通过等离子体的电流到达零之前就熄灭。

在t₃结束时，分流开关切断。这使得在电缆中的电流衰减到零之前，来自电源的电流再次流入等离子体。发明人进行的实验显示，大多数情况下，如果开关的打开时间持续至少某个最小时间间隔(通常为5-10微秒，对一些等离子体而言也可以更长(20微秒的量级))，在分流开关切断后，等离子体的电压上升。如果开关切断后，输出电压增加到大于预定门限，开关保持切断，电源可以继续供电。在电压不上升的情况下，可以再次接通分流开关。

在时间t₃，当分流开关切断而电压不上升时，有几种选项可用来确定开关应该接通多久，这几种选项中的每个都对特定的等离子体类型是有益的：

1)开关可以接通预定的时间间隔，该时间间隔足够长，可以保证电缆中的电流完全衰减。该时间间隔可以设为远长于电流的衰减时间的长度，以保证在强电弧中出现的热点冷却。

2)开关可以接通预定的时间间隔，该时间间隔没有长到可以保证电缆中的电流完全衰减。在该时间间隔后，当输出电流降到低于某个预定门限时，切断开关。

3)开关可以接通预定的时间间隔，该时间间隔没有长到可以保证电缆中的电流完全衰减。如果电弧在等离子体的电流变为零以前熄灭，等离子体上的电压会由于存储在电缆电感中的能量而上升。这会使得输出电流快速衰减。电源的输出电压不会由于C1而增加，但是通过检测等离子体电流的快速下降，可以感测到电弧的结束。在该实现中，当电源感测到等离子体电流的快速衰减时，切断开关。

4)开关可以接通预定的时间间隔，该时间间隔没有长到可以保证电缆中的电流完全衰减。如果电弧在等离子体的电流变为零以前熄灭，等离子体上的电压会由于存储在电缆电感中的能量而上升。这会使得输出电流快速衰减。如果有和电源的输出端串联的电感，当电弧由于流经该电感的电流的变化而熄灭时，电源的输出电压将增加，尽管C1上的电压不增加。在该实现中，当电源感测到输出电压增加，或者电感上的电压增加时，切断开关。该串联电感可以用一个或多个分立电感实现，或者使用如图5所示的EMI滤波器的差分模式电感，其连接在C1和输出端之间。

选项3和4所描述的用来感测电弧何时熄灭的方法，可用于决定何时重新激活任何直流等离子体电源，在该电源中，输出功率在等离子体中出现电弧状态后被抑止。

参考图4，其示出了实施本发明原理的直流等离子体处理设备10的一个替代性实施例。在电缆12具有大电感的情况下，或者在要求非常快速的电弧恢复的工艺中，直流源18和分流开关串联。直流源提供负电压，其增加t₃到t₂的时间段内电流的斜率，并且将电流更快地拉至更低，因此增加了灭弧的可能性。大多数情况下，本发明的电弧处理电路可以在等离子体电流不降到零的情况下灭弧。因为C1和输出电缆的电感谐振，因此会有一些工作条件，特别是在输出电压较高并且输出电流低的情况下，其中等离子体的电流自然降到零，而不依赖于分流开关的操作。

然而，图5的电路在分流开关和C1之间插入了阻塞二极管D2，这允许分流开关在任何时候接通，而不用担心将C1的能量注入开关。箝位二极管组合Z1和Z2保护S1和D1不会暂态过电压。L1表示直流电源12的滤波电感，其可以包括一个和多个电感。除了提供电感之外，其使得电源作为电弧的时间标度上的电流源，即便滤波之前的电源的阻抗相对低。分流开关防止存储在L1中的能量进入电弧。在分流开关接通时，L1中的电流可以消除较小能量的方式，在其中循环回到并通过电源。当分流开关切断时，电感中的能量可以释放到等离子体中。如果由C1输送到电弧中的能量足够低，使得没有形成强电弧，则可以在几毫秒后，在输出电流中的电流远未降到零之前，切断分流开关。L1释放的能量帮助等离子体工艺快速恢复常态操作。

在短的中断间隔后恢复电源的能量流后，如果等离子体中的电弧状态持续，则再次接通分流开关，以使电弧有更长的时间来熄灭。当分流开关最终切断时，L1中存储的任何剩余能量帮助等离子体工艺快速地恢复常态操作，这比电感电流需要从零增加要快。

这里描述的本发明教示了通过在电源的输出和输出电容并联分流开关来分流等离子体的电流。然而，应该理解的是，本发明的目的是在电弧出现时将从等离子体分流电源电流，因此抑止能量从电源流入等离子体，然后当电源重新向等离子体提供能量时，使能量恢复流动。这可以以本领域的技术人员熟悉的其他方法实现。例如，本发明的其他实施例可以通过将分流开关与电源电感并联实现，或者与电源电感上一个单独的线圈并联。根据这里描述的定时和控制方案，还可以使用其他分流并重新激活从电源到等离子体的能量流的方法，来实现本发明的其他实施例。

尽管说明并描述了操作的具体结构和细节，应该明确的是，这些仅出于说明的目的，本领域的技术人员在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以容易地进行变化和修改。

Claims (10)

1、用于直流等离子体工艺的设备，包括：

a)用于等离子体处理的腔，具有包括在其中的至少两个电极；

b)具有输出电感和输出电容的电源，用于向所述电极提供电压以点燃等离子体并输送能量；

c)连接到该电感的分流开关，以在电弧产生时从该等离子体分流电流；以及

d)连接到该分流开关的输出端的阻塞二极管，用以隔离该输出电容和该分流开关。

2、如权利要求1所述的用于直流等离子体工艺的设备，其中，在检测到所述电弧后激活所述分流开关，并且所述分流开关将所述电流分流第一预定时间间隔。

3、如权利要求2所述的用于直流等离子体工艺的设备，其中，在所述等离子体中的电流到达零之前所述第一预定时间间隔结束时，切断所述分流开关，其中电流从所述电源重新引向所述等离子体。

4、如权利要求3所述的用于直流等离子体工艺的设备，其中，如果所述电弧没有熄灭，则在第二预定时间间隔结束时重新激活所述分流开关。

5、用于直流等离子体工艺的设备，包括：

a)用于等离子体处理的腔，具有包括在其中的至少两个电极；

b)电源，用于向所述电极提供电压以点燃等离子体并输送能量；

c)和该电源的输出电容并联的分流开关，用于在电弧产生时从该等离子体分流电流；以及

d)与该分流开关串联的直流源，其中该直流源提供用于将该电流更快地拉至更低以熄灭该电弧的电压。

6、如权利要求5所述的用于直流等离子体工艺的设备，其中，一二极管和所述分流开关串联连接，使得在所述分流开关分流电流时，所述二极管正向偏置。

7、如权利要求6所述的用于直流等离子体工艺的设备，其中所述分流开关的激活发生在检测到所述电弧后，而且所述分流开关将所述电流分流第一预定时间。

8、如权利要求7所述的用于直流等离子体工艺的设备，其中所述等离子体的电流到达零之前所述第一预定时间间隔结束时，切断所述分流开关，其中电流从所述电源重新引向所述等离子体。

9、如权利要求8所述的用于直流等离子体工艺的设备，其中，如果所述电弧没有熄灭，则在第二预定时间结束时重新激活所述分流开关。

10、一种操作直流等离子体工艺的方法，包括下列步骤：

a)向等离子体腔中的电极提供电压以点燃等离子体并输送能量；

b)在电弧产生时从该等离子体分流电流一第一预定时间间隔；

c)在该等离子体电流到达零之前、该第一预定时间间隔结束时，切断该分流的电流，其中电流重新流向该等离子体；以及

d)如果该电弧没有熄灭，则在第二预定时间结束时重新激活该电流的分流。

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