CN107454978B - 电弧处理设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种电弧处理设备(14)包括：a.电弧检测设备(21)，其检测等离子体腔(30)中是否存在电弧；b.电弧能量确定设备(22)，其用于确定电弧能量值，所述电弧能量值是对应于当所述等离子体腔(30)中存在所述电弧时被供应到所述等离子体腔(30)的能量的值；c.切断时间确定设备(24)，其用于根据所确定的电弧能量值确定切断时间。

Description

电弧处理设备及其方法
技术领域
本发明涉及电弧处理设备和处理在等离子体腔中执行等离子体工艺时出现的电弧的方法。
背景技术
在等离子体工艺中通过阴极溅射对基板(例如玻璃)进行涂布已众所周知。可以通过常规方式或使用反应气体进行溅射。在那种情况下，可以将其称为反应溅射。为此，电源产生等离子体，等离子体从靶去除材料，然后将该材料涂布在基板(例如玻璃基板)上。如果使用反应工艺，可以根据期望的涂层而将靶原子与气体原子或分子组合。
具体而言，如果正在使用反应工艺，在等离子体工艺中可能出现电弧。这样的电弧对于等离子体工艺可能是有害的，并且甚至能够破坏涂层。因此，必须要快速且可靠地检测电弧。通常通过监测电源的输出电压来检测电弧。如果输出电压中有迅速的下降，则检测到电弧。替代地，可以监测电流。如果输出电流有瞬间升高，这也指示电弧。具体而言，可以监测电源的输出电流和输出电压并分别与阈值对比。
通常，在检测到电弧时，关闭电源，因此电弧被熄灭。关闭电源导致较低的沉积速率。因此，电源的关闭应当尽可能短，但要像需要的一样长，以避免产生另一个电弧。在下文中，在再次接通电源之前的关闭时间被称为切断时间。对于使用的不同工艺和阴极，需要电弧检测之后的不同的切断时间。已知由用户设置切断时间。然而，难以设置适当的切断时间。如前所述，切断时间应当足够长以使热点冷却，以便避免新的电弧产生。另一方面，切断时间应当尽可能短，以避免在等离子体工艺期间的不必要的电力损失。
发明内容
本发明的目的是提出电弧处理设备，并且还提出处理电弧的方法，其确保电弧的可靠的熄灭，还确保高的沉积速率。
这一目的是由一种电弧处理设备实现的，其包括：
a)电弧检测设备，其检测等离子体腔中是否存在电弧；
b)电弧能量确定设备，其用于确定电弧能量值，所述电弧能量值是对应于在所述等离子体腔中存在电弧时被供应到所述等离子体腔的能量的值；
c)切断时间确定设备，其用于根据所确定的电弧能量值确定切断时间。
因此，根据本发明，对于每个工艺，可以通过确定电弧能量值来为每个电弧确定个体切断时间。
电弧能量值可以是在等离子体腔中存在电弧时被供应到等离子体腔的能量。替代地，电弧能量值可以是基于在等离子体腔中存在电弧时被供应到等离子体腔的能量和另一个值的计算值。计算值可以是在等离子体腔中存在电弧时被供应到等离子体腔的能量的整体或一部分乘以系数或递减/递增预定偏移量。
可以基于在某一时间间隔期间被供应到等离子体腔的能量来确定电弧能量值。该时间间隔可以与整个电弧持续时间一样长，比整个电弧持续时间更长或比整个电弧持续时间更短。优选地，电弧的出现处于该时间间隔中。
示例如下：
-如果在电弧开始和电弧消灭之间的时间间隔期间确定能量，则电弧能量值可以是在存在电弧时被供应到等离子体腔的整个能量，或者
-如果在如下时间之间的时间间隔期间确定能量，则电弧能量值可以是在存在电弧时被供应到等离子体腔的能量的一部分：
ο检测到电弧的时间点和电弧消灭的时间点，或
ο对检测到电弧的反应的时间点和电弧消灭的时间点，或
ο检测到电弧的时间点和电弧能量或电弧电流降到预定阈值以下的时间点，或
ο对检测到电弧的反应的时间点和电弧能量或电弧电流降到预定阈值以下的时间点，或
ο类似的时间间隔。
-该时间间隔也可以在电弧开始之前给定时间的持续时间之前开始。
-该时间间隔也可以在电弧消灭之后给定时间的持续时间之后结束。
切断时间确定设备可以被配置成基于电弧能量值计算切断时间。
对于每个电弧能量值，可以确定需要多长的切断时间来使电弧熄灭。于是，与用户设置的切断时间相比，切断时间可以更短，因为用户必须要设置长到足以允许熄灭每个电弧的切断时间。因此，通常设置的切断时间远远比实际需要的切断时间长，因为用户必须要基于预期的最长电弧或具有预期的最高能量的电弧来选择切断时间。如果为出现的每个电弧计算或确定了个体切断时间，则可以实现更短的切断时间，这会导致更高的沉积速率。于是，可以提高产量。
电弧处理设备可以具有输入端，以用于接收与等离子体工艺相关的信号。例如，可以向电弧处理设备输入电流、电压或功率。然而，还可以在等离子体腔处提供光传感器，该光传感器可以用于检测电弧，并且这种传感器可以向电弧处理设备的输入端输送信号。
可以提供数据传送装置以用于从电弧检测设备向电源控制装置传送电弧检测信号。因此，如果电弧检测设备检测到等离子体腔中存在电弧，则可以将信号输出到电源控制装置，电源控制装置然后响应于接收到电弧检测信号而关闭电源。另一方面，电源控制装置也可以例如从电弧处理设备接收信号，这允许在切断时间已经过去之后再次打开电源。
可以提供另一数据传送装置以用于从电弧处理设备向电源控制装置传送电弧能量值。
可以提供附加的数据传送装置以用于从电弧处理设备向电源控制装置传送切断时间信息。
数据传送装置、另一数据传送装置和附加的数据传送装置可以是三个个体传送装置或被并入两个传送装置或一个单个传送装置中。
电弧处理设备可以是电源控制装置的一部分。
该目的还通过处理当在等离子体腔中执行等离子体工艺时出现的电弧的方法来解决，所述方法包括以下方法步骤：
a)检测等离子体腔中是否存在电弧；
b)确定电弧能量值，其是对应于在等离子体腔中存在电弧时被供应到等离子体腔的能量的值；
c)根据所确定的电弧能量值确定切断时间。
根据该方法，为等离子体腔中每个所确定的电弧计算或产生个体切断时间。确定切断时间可以表示根据所确定的电弧能量值计算切断时间。切断时间可以被确定为使得在切断时间期间确保电弧熄灭。在切断时间已经过去之后，可以再次接通电力。要在广义上理解关断和接通通往等离子体腔的电力。关断或关闭电力可以包括以下至少其中之一：关断电源设备、将等离子体腔与电源设备断开，或将供应到等离子体腔的电力重定向以使得电源设备产生的电力不到达电弧且不维持电弧。接通或打开电力可以包括以下至少其中之一：接通电源设备，将等离子体腔连接到电源设备，或将电源设备产生的电力引导到等离子体腔。
检测等离子体腔中是否存在电弧可以基于测量并分析电源设备向等离子体腔供应的信号。例如，向等离子体腔供应的电压或电流可以是被分析的信号。
在切断时间开始时，可以标识时间点。这可以是已经检测到电弧时的时间点。
而且，可以将该时间点用作用于计算在存在电弧时向等离子体腔供应的能量的起始点。具体而言，可以基于所标识的时间点和向等离子体腔供应的信号确定能量值。具体而言，可以基于在已经检测到电弧时所标识的时间点、在切断电源设备时的时间点、以及在所标识时间点和电源设备已经被关断时的时间点之间的时间间隔中向等离子体腔输送的信号来确定(具体而言是计算)电弧能量值。
切断时间可以被连续调节。于是，对等离子体工艺中的变化的极灵活的反应是可能的。如果切断时间的确定是在数字域中进行的，那么可以在与供应到电源设备的时钟相同的时钟或周期下进行所述确定。
可以基于所确定的能量值和给定系数确定切断时间。系数可以是预定的。具体而言，它可以由接口供应。例如，可以将所确定的能量值乘以系数。系数可以是固定值，或者可以是由客户调节的值，或者可以是动态值并基于输出功率、靶的类型、靶的长度等来计算。
替代地，可以基于与先前电弧出现相关的量来确定系数。例如，可以基于已经在给定时间间隔中出现的电弧的数量来确定系数。
可以通过向所确定的切断时间添加附加值来确定有效切断时间。附加值可以是给定值，具体而言，可以经由接口给出附加值。通过添加附加值，可以确定在再次接通电源设备之前实际已经熄灭了电弧。
可以仅在所确定的切断时间比参考时间短时才向所确定的切断时间添加附加值。因此，可以实现最小切断时间。
可以选择切断时间或有效切断时间的开始。例如，可以选择切断时间的开始为信号越过指示存在电弧的参考值时的时间。此外，可以将切断时间的开始设置为从电弧检测设备输出电弧检测信号的时间。
替代地，可以将切断时间的开始设置为通往等离子体腔的电源设备被关断的时间。此外，切断时间的开始可以为通往等离子体工艺的电源实际结束的时间。
在供应给等离子体腔的电压突然下降时，则可以检测到电弧。此外，如果电压升高到最大电压以上或者下降到最小电压以下，则可以检测到电弧。此外，如果电流突然增大或者如果电流升高到最大电流以上，则可以检测到电弧。
数据传送装置可以是数字逻辑单元中的电连接、信号路径或数据传送，例如，如果电源设备和电弧处理设备的控制被集成在这种数字逻辑单元中。
电源设备的控制可以是电弧处理设备的一部分，或者可以与电弧处理设备独立。
在与附图一起阅读时，将从以下例示性描述理解本发明的以上和其他目的、特征和优点以及本发明自身。
该目的还通过具有所述的电弧处理设备之一并具有电源控制装置的电源设备实现。
电源设备可以是电流调节和/或电压调节和/或功率调节的电源设备。例如，电源设备可以是双极的、DC电源或具有电流驱动桥逆变器的脉冲DC电源。
该目的还通过具有连接到等离子体腔的所描述的电源设备之一并具有所描述的电弧处理设备之一的等离子体系统实现。
所有所描述的电弧处理设备都可以被布置成对所描述的处理电弧的方法之一进行处理。
附图说明
图1是解释切断时间的确定的图；
图2是具有电源设备的等离子体系统的方框图，该电源设备具有电弧处理设备；
图3是具有替代的等离子体电源设备的图；
图4是具有等离子体电源设备的另一示例的图；
图5是具有等离子体电源设备的另一示例的图。
具体实施方式
图1示出了在等离子体腔30中由等离子体电源设备10供应到等离子体工艺的随时间t变化的电流I和电压U的图。图中示出了所测量的电压信号2和电流信号1。在时间t1，电弧开始出现，可以通过电压信号2下降并且电流信号1突然上升来看出这种情况。在时间t2，用于检测电弧的出现的电流信号1上述到电弧检测阈值3以上。时间t2和时间t3之间的时间间隔是电弧检测时间。这是电弧检测设备21检测电弧所需的时间。在时间t3，在电弧检测设备21的输出端处有电弧检测信号。在时间t4，电源设备10停止通往等离子体工艺的电源。t3和t4之间的时间是硬件反应时间，即，硬件对电弧检测信号的存在作出反应以及切断供应到等离子体腔30中的等离子体工艺的电力所花的时间。
在时间t5，存在通往等离子体工艺的电源的有效(实际)结束。这也是电弧消灭的时间。在图示的示例中，已经选择时间t3作为切断时间4的开始。在时间t6，切断时间4结束，并且电力再次开始被供应到等离子体工艺。电弧的持续时间是时间t1和t5之间的时间。时间t1-t5之间的任何点可以选作切断时间4的开始。
基于在时间t1和时间t5之间被供应到等离子体工艺的能量来计算切断时间4。例如，能量值可以被计算为其中T是采样时间。也可能计算时间tn和时间tm之间的能量值，其中tn可以是从t1到t3的时间之一，并且tm可以是从t4到t5的时间之一。切断时间4可以被计算为E*ncoef，其中ncoef为系数，其可以是固定值，是由客户调节的值，是基于向等离子体腔输送的功率、靶的类型或靶的长度而计算的动态值。
图2示出了等离子体电源设备10，其从供电网12接收供电电压。等离子体电源设备10在其输出13处产生输出信号。输出信号典型为输出电流Iout和输出电压Uout。将输出电压Uout和输出电流Iout相乘得到输出功率Pout，输出功率Pout也被认为是输出信号。
电源设备10包括控制和电弧处理设备14，其接收输出功率Pset、输出电压Uset和输出电流Iset的设置点作为输入。此外，等离子体电源设备10包括DC电源15。DC电源15连接到输出信号发生器16(典型为桥逆变器)的输入端。输出信号发生器16还受控制和电弧处理设备14的控制。此外，输出信号发生器16连接到等离子体腔30，其由等离子体电源设备10供应电力。在等离子体腔30中，发生等离子体工艺。电弧可以在等离子体工艺中出现。
输出信号发生器16的输出端处的信号测量模块18、19向控制和电弧处理设备14输送测量信号。
控制和电弧处理设备14包括检测等离子体腔30中出现的电弧的电弧检测设备21。为此，电弧检测设备21从测量模块18和/或19接收信号。电弧检测设备21可以包括将所测量的信号之一与电弧检测阈值3进行比较的比较器。
此外，控制和电弧处理设备14包括电弧能量确定设备22，其用于确定在等离子体腔30中存在电弧时被供应到等离子体腔30的能量。提供切断时间确定设备24以用于根据所确定的电弧能量值确定切断时间4。提供输入端23以用于接收与等离子体工艺相关的信号。此外，可以提供输入端25以接收系数ncoef，其可以用于基于所确定的电弧能量值和系数来计算切断时间4。可以提供数据传送装置26以用于从电弧检测设备21向电源控制装置27传送电弧检测信号。在检测到等离子体腔30中存在电弧时，可以关断电源设备10，以使得不向等离子体腔30输送更多电力。在所计算的切断时间4已经过去之后，可以再次接通电源设备10。
电源控制装置27可以直接控制输出信号发生器16。
图3、图4和图5示出了等离子体电源设备10和等离子体腔30的替代的实施例，其中对应于上述元件的元件具有相同的附图标记。
在图3中，输出信号发生器16未体现为逆变器，而是体现为DC信号处理设备，其能够产生脉冲。
在图3和图4中，输出信号发生器16包括用于消灭电弧的单元31，其连接到电弧检测设备21。
在图5中所示的实施例中，输出信号发生器16被体现为向等离子体工艺馈送双极电力的全桥逆变器。
输出信号发生器16可以是逆变器，例如全桥或具有输出变压器或附加的输出谐振电路的全桥。等离子体腔30中的等离子体工艺在那种情况下可以是中频(MF)供电的等离子体工艺，如图2和图5所示。
输出信号发生器16可以是脉冲单元。此外或替代地，输出信号发生器16可以包括用于消灭电弧的单元31。等离子体腔30中的等离子体工艺在那种情况下可以是脉冲DC供电的等离子体工艺，如图3和图4所示。
图3、图4和图5中的控制和电弧处理设备14还可以包括后面的单元或设备21、22、23、24、25、26、27中的一个或多个，尽管这些图中未示出它们。

Claims (16)

1.一种电弧处理设备(14)，包括
a.电弧检测设备(21)，其检测等离子体腔(30)中是否存在电弧；
b.电弧能量确定设备(22)，其用于确定电弧能量值，所述电弧能量值是对应于当所述等离子体腔(30)中存在所述电弧时被供应到所述等离子体腔(30)的能量的值；
c.切断时间确定设备(24)，其用于根据所确定的电弧能量值确定切断时间(4)。
2.根据权利要求1所述的电弧处理设备，其特征在于，提供输入端(23)以用于接收与等离子体工艺相关的信号。
3.根据前述权利要求的任一项所述的电弧处理设备，其特征在于，提供数据传送装置(26)以用于将电弧检测信号从所述电弧检测设备(21)传送到电源控制装置(27)。
4.一种处理当在等离子体腔(30)中执行等离子体工艺时出现的电弧的方法，所述方法包括以下方法步骤：
a.检测所述等离子体腔(30)中是否存在电弧；
b.确定电弧能量值，所述电弧能量值是对应于当所述等离子体腔(30)中存在电弧时被供应到所述等离子体腔(30)的能量的值；
c.根据所确定的电弧能量值确定切断时间(4)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，检测所述等离子体腔(30)中是否存在电弧是基于测量并分析由电源设备(10)向所述等离子体腔(30)供应的信号。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在切断时间(4)开始时标识时间点(t3)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述能量值基于所标识的时间点和供应到所述等离子体腔(30)的信号。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述切断时间(4)被连续调节。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于所确定的能量值和给定系数(ncoef)来确定所述切断时间。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，基于与先前的电弧出现相关的量来确定所述系数(ncoef)。
11.根据前述权利要求4-10的任一项所述的方法，其特征在于，通过向所确定的切断时间添加给定的附加值来确定有效切断时间(4)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，仅在所确定的切断时间(4)短于参考时间的情况下才向所确定的切断时间(4)添加附加值。
13.根据前述权利要求4-10的任一项所述的方法，其特征在于，选择所述切断时间(4)的开始。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，选择所述有效切断时间。
15.一种电源设备(10)，具有根据前述权利要求1-3的任一项所述的电弧处理设备(14)并具有电源控制装置。
16.一种等离子体系统，具有连接到等离子体腔(30)的电源设备(10)并具有根据前述权利要求1-3的任一项所述的电弧处理设备(14)。
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