CN115427605A - 调整向等离子体供电的电源的输出功率的方法、等离子体设备以及电源 - Google Patents

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Abstract

一种调整向等离子体室(2、2')中的等离子体(15、15')供电的电源(10、10')的输出功率的方法，该方法包括以下步骤：a.将所述电源(10、10')与所述等离子体室(2、2')中的至少一个电极(11、11'、12、12')相连接，b.使用基材载体(4、4')将一个或更多个基材(3、3a、3b、3')相对于所述电极(11、11'、12、12')运送，c.通过电力维持所述等离子体(15、15')，d.借助于所述等离子体(15、15')处理所述基材(3、3a、3b、3')，e.根据与所述电极(11、11'、12、12')的面向基材‑载体组件(5、5')的表面和所述基材‑载体组件(5、5')的面向电极(11、11'、12、12')的表面之间的距离(d)相关的参数调整功率。

Description

调整向等离子体供电的电源的输出功率的方法、等离子体设 备以及电源
技术领域
本发明涉及一种调整向等离子体室中的等离子体供电的电源的输出功率的方法。此外，本发明还涉及一种用于在等离子体室中处理基材的等离子体设备，以及一种具有控制等离子体室中工艺的控制器的电源。
背景技术
等离子体工艺正被用于处理基材，特别是用于在基材上沉积层、例如通过溅射的方式沉积层。此外，基材可以在等离子体工艺中被蚀刻。当在平面或三维基材上进行蚀刻或沉积时，就会观察到不等的层厚。特别是当在同一个等离子体室中处理几个、特别是不同的基材时，问题就会出现。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法和设备，以确保对基材的均匀加工、特别是避免基材的不等层厚。
该目的是通过根据本发明的一个方面的调整向等离子体室中的等离子体供电的电源的输出功率的方法来实现的，包括以下步骤：
a)将电源与等离子体室中的至少一个电极相连，
b)使用基材载体将一个或更多个基材相对于电极运送，
c)通过电力维持等离子体，
d)借助于等离子体处理基材，
e)根据与所述电极的面向基材-载体组件表面和所述基材-载体组件的面向电极的表面之间的距离相关的参数调整功率。
处理过程可以包括沉积、涂层、溅射、反应性溅射、蚀刻、灰化等。有利地，两个电极与一个电源相关联、即连接到一个电源。如果提供多个电源，每个电源可以与一个或更多个电极相关联、特别是与它们相连接。该一个或两个电极可以实施为目标或连接到目标。优选地，电极实施为旋转的电极。使用本发明的方法，可以在金属、玻璃、塑料和其他材料上沉积层。在等离子体室中要处理的基材可以是大型玻璃基材，也可以是小型部件、例如电子元件外壳的一部分、诸如镜片的光学元件或装饰性汽车部件。通常，待在等离子体室中处理的基材不是完全平坦的，而是具有三维形态。
基材-载体组件是载体，在其上放置了一个或更多个基材。基材载体通常与基材一起移动。也有可能，基材移动而基材载体是固定的、例如在直排涂料器中，基材在辊子上移动。两个相邻的基材之间可能存在间隙，从而基材载体的表面就面向电极而不是基材的表面面向电极。部分等离子体会扩散到基材之间的间隙中。已经发现，为了进行均匀的处理(沉积或蚀刻)，当间隙、即载体表面面向电极时，必须向等离子体提供更多的功率。功率可能取决于间隙的深度和/或宽度。
基材-载体组件和电极之间的距离可以理解为与电极表面正交方向的距离。该距离可以是基材和电极之间的距离，也可以是载体在两个基材之间的间隙的表面和电极之间的距离。替代地，该距离可以是基材和电极之间或载体表面和电极之间的最短距离。
如果使用多于一个电极建立等离子体，那么基材-载体组件和电极之间的距离可以理解为：
-第一、第二、第三、......或最后一个电极之间沿基材-载体组件的运送方向的距离，
-电极和基材-载体组件之间的最短、最长、中位数、平均或其他预定的距离，
-任何其他预定的计算方法所得的距离。
与电极的面向基材-载体组件的表面和基材-载体组件的面向电极的表面之间的距离相关的参数可以是距离本身。替代地，该参数可以是基材-载体组件的高度或载体表面的标高或基材表面高于载体表面的高度。
可以建立基材-载体组件的形貌，并以此为基础来确定基材-载体组件和电极之间的距离。因此，形貌也可以是与电极的面向基材-载体组件的表面和基材-载体组件的面向电极的表面之间的距离相关的参数。
基于与距离相关的参数调整功率可以有一般意义，也包括根据基材相对于电极的位置和根据基材-载体组件的形状来调整功率。
根据与距离相关的参数调整功率，也可能意味着至少部分地
-按比例调整功率，
-对数地调制功率，
-阶梯地调制功率，
-以距离的偏差调制功率，
-根据给定的查询表调制功率，
-或以上述方式的组合调制功率。
等离子体处理过的基材的结果、特别是根据其质量可以被诊断出来、特别是通过自动功能诊断，并反馈到算法中。该算法可配置为能够找到最佳功率调整值。这可以用机器学习算法来完成。这可以用计算机化的神经元网络来完成。
通过根据与电极和特定电极附近正在处理的特定基材之间的距离相关的参数调整提供给电极的功率，可以影响到沉积在基材上的层的厚度。特别地，如果在同一等离子体室中处理具有不同厚度的多个基材、即基材和电极之间的距离不同，如果根据基材和电极之间的距离调整提供给电极的功率，就可以确保所有基材上沉积层的厚度是相同的。例如，对于基材和电极之间的较长距离，可以使用较高的功率。
根据所述方法的一种变体，可以测量基材的厚度，或者如果其厚度是已知的，可以输入到控制器，从基材的厚度可以确定基材和电极之间的距离或与距离相关的参数。然而，优选地是测量电极和基材之间的距离或与距离相关的参数。测得的距离或参数可以输入到控制器，该控制器可以用来调整电源的输出功率。
特别地，与基材和电极之间的距离相关的参数可以被输入到电源内的控制器，其中，输出功率由控制器调整。使用内部控制比使用连接到电源的外部控制要快得多，也更可靠和精确。这使得等离子体处理的结果也更加均匀。
电源可以提供交流电、特别是频率在0.1kHz和200kHz之间的交流电。该电源可以是一个双极脉冲电源。交流电源、特别是双极脉冲电源可以连接到两个电极上，这两个电极在交流等离子体工艺中作为阴极工作。
如果根据电极和基材之间的相对位置来调整电源的输出功率，则会产生进一步的优势。电极和基材的相对位置可以根据基材相对于电极的运动方向来确定。特别是，电极和基材的相对位置不在确定基材和电极之间距离的方向上确定。特别是，电极和基材的相对位置可以在确定基材和电极之间的距离的方向的正交方向上确定。
电极和基材的相对位置可以根据基材载体的位置和基材在基材载体上的已知位置以及电极的已知位置来确定。此外，电极和基材的相对位置可以是电极和待处理基材的重叠量。
如果基材-载体组件的形貌是确定基材-载体组件和电极之间距离的基础，那么这个形貌可以被分配到载体上确定的位置。
输出功率可以以阶梯方式、线性方式或根据给定的函数进行调整。例如，对于每个基材和/或基材之间的每个间隙，可以调整(不同的)恒定的输出功率。替代地，输出功率可以随着基材相对于电极的移动而线性增加或减少。此外，输出功率可以根据函数来改变。特别是，输出功率可以根据基材表面的形廓(形貌)来改变。
输出功率可以根据携带一个或更多个基材的载体的位置来调整。特别是，输出功率可以与载体的位置同步。例如，对于旋转的载体，输出功率可以与载体通过给定的位置的输出同步。
可以确定与基材和/或基材-载体组件的形貌相关的信息。这可以在校准步骤或处理过程中进行、即当等离子体室中存在等离子体时进行、例如当另一个基材在等离子体室中被处理时、即在基材被移动到等离子体处理位置之前。通过确定基材的形貌可以获得更详细的距离信息，并且可以更精确地调整输出功率。
功率的调整可以与载体的位置同步，以准确的时刻调整输出功率。
根据另一个方面，本发明涉及一种等离子体设备，包括：
a)等离子体室。
b)设置在等离子体室中的至少一个电极。
c)至少一个与电极相连的电源，其配置为向电极供电，以维持等离子体，从而在等离子体室中处理一个或更多个基材。
d)基材载体，其用于将一个或更多个基材相对于至少一个电极运送。
e)控制器，其用于根据与至少一个电极和基材-载体组件的面向电极的表面之间的距离相关的参数控制电源的输出功率。
基材-载体组件应被理解为是基材载体，在其上放置一个或更多个基材。根据基材载体的位置，直接面向电极的基材-载体组件的表面是载体的表面或放置在基材载体上的基材的表面。随着电极和基材-载体组件表面之间距离的变化，可以施加不同的输出功率。例如，如果电极正面向两个基材之间的间隙、即基材载体的表面，与放置在基材载体上的基材的表面正面向电极的情况相比，可以使用较大的输出功率。
在一个实施例中，高度形廓可以被输入到控制输出功率的控制器中。根据高度形廓，对于基材载体的特定位置可以确定基材-载体组件的表面与特定的电极之间的距离。在另一种情况下，可以设置传感器，以用于测量基材-载体组件的表面与电极表面之间的距离，或与该距离相关的数量。可以垂直于电极表面来确定电极的表面与基材载体的表面之间的距离或与该距离相关的参数。替代地，该距离可以是电极的表面和基材-载体组件的表面之间的最短距离。
基材的表面也可以变化。因此，当基材相对于电极移动时，基材的表面和电极的表面之间的距离可能会变化。因此，即使对于一个基材来说，基材的表面和电极的表面之间的距离也可能不同。因此，输出功率可以根据变化的距离(或与之相关的参数)随着基材相对于电极的移动而变化。
可以设置传感器来确定基材载体和/或基材相对于固定位置和/或电极的位置。因此，可以确定哪个基材正面向特定的电极，或者间隙是否正面向特定的电极。功率可以根据确定的基材载体的位置进行调整。
为了提高等离子体设备的产量，可以提供两个或更多的电源，每个电源连接到一个或更多个电极。该两个或更多的电源可以在不同的输出功率下操作，这取决于它们所面向的基材、特别是取决于基材的表面和基材相应的电极表面之间的距离。
可以设置用于确定基材的形貌的传感器。利用基材形貌，可以更精确地控制输出功率。
根据另一个方面，本发明涉及一种具有控制器的电源，
a)该电源配置为提供电力以维持等离子体室中的等离子体。
b)该控制器还配置为接收关于等离子体室中至少一个电极与面向该电极的基材-载体组件的表面之间的距离的信息。
c)控制器还配置为根据电源设定值调整电源的输出功率，该电源设定值通过将与距离相关的功率值与给定的功率设定值相加或相减而确定。
因此，电源的输出功率可以根据面向连接到电源的电极的特定基材或来调整。如果在电极的表面和基材的表面之间确定了较小的距离，那么可以从给定的功率设定值中减去功率值。另一方面，如果在电极的表面和基材的表面之间确定了较大的距离，则可将功率值添加到给定的功率设定值中。因此，可以确保对基材进行更均匀的处理。即使是平坦的基材，本发明也有优势。平坦的基材之间的间隙对基材上的等离子体加工结果有负面影响，可以通过所述的功率调整来平衡。
附图说明
在下文中，将结合附图来描述和解释本发明。
图1示出了第一等离子体设备的示意图；
图2示出了等离子体设备的第二实施例的示意图；
图3示出了随时间调整输出功率；
图4示出了说明本发明方法的的一个方面的示意图；以及
图5a-5c示出了功率调制与基材载体位置的同步。
具体实施方式
图1示出了等离子体设备1。等离子体设备1包括用于处理基材3的等离子体室2，基材3放置在基材载体4上。基材3和基材载体4共同构成了基材-载体组件5。在本实施例中，基材载体实施为沿箭头20的方向旋转的旋转筒。
等离子体设备1包括多个电极-电源组件6-9。在下文中，将只描述电极-电源组件6。其他电极-电源组件7-9可以有同样的体现。也可以提供附加的电极-电源组件。
电极-电源组件6包括经由电源线13、14连接到电极11、12的电源10。电极11、12布置在等离子体室2内。通过向电极11、12供电，可以在等离子体室2中形成并维持等离子体15。可以看出，等离子体15是在电极11、12和直接面向电极11、12的基材-载体组件5之间的区域中形成的。因此，在所示的附图中，基材3a正在被处理。
从图l中可以看出，基材3、3a具有不同的形状。特别是，它们具有不同的高度。这导致距离d-示出为基材3a和电极11之间的距离-在基材移过特定的电极11、12时发生变化。为了获得对所有基材3、3a的均匀处理，必须根据基材3a面向电极11表面之间的距离d来调整电源10的输出功率。此外，如果两个基材3a、3b之间的间隙16、即基材载体4的表面正面向特定的电极11、12，那么电源10的输出功率也要进行调整。
在所示的实施例中，连接到距离传感器输入端18的距离传感器17用于确定电极11和面向电极11的基材3a之间的距离。距离传感器17经由距离传感器输入端18连接到电源10内的控制器19。控制器19根据所确定的距离来调整电源10的输出功率。这可能意味着，电源10可以从外部控制获得给定的设定值。电源10可能只对一个或一些距离d输出该设定值。随着距离d的变化，输出功率可能基于距离d而变化，尽管外部给定的设定值保持不变。如果外部给定的设定值发生变化，那么新给定的设定值就是新的基本设定值，同样，随着距离d的变化，输出功率可能根据距离d而变化。新的基本设定值的变化可以由电源10的控制器19推迟到基材-载体组件相对于电极11、12的位置达到一定值的时刻。
此外，电源10的输出功率可以取决于基材载体4的位置。如果基材载体4的位置是已知的，也就可以知道哪个基材3a正面向特定的电极11。为了确定基材载体4的位置，可以设置位置传感器30。位置传感器30也可以连接到控制器19。因此，该信息也可用于调整电源10的输出功率。特别地，基材3a和电极11的相对位置(沿箭头20的方向)可以被确定并用于调整电源10的输出。
另外，可以设置传感器40以用于确定特定的基材3、3a的形貌。根据与基材3、3a的形貌相关的信息，可以确定基材3、3a的表面和特定的电极11之间的距离，因此，也可调整电源10的输出功率。
图2示出了等离子体设备1'。该等离子体设备1'可以是直排涂料器的结构。等离子体设备1'包括用于处理基材3'的等离子体室2'，基材3'放置在基材载体4'上。基材3'和基材载体4'共同构成了基材-载体组件5'。等离子体设备1'包括多个电极-电源组件6'、7'。在下文中，将只描述电极-电源组件6'。其他电极-电源组件7'可以有同样的体现。也可以提供附加的电极-电源组件。
电极-电源组件4'包括经由电源线13'、14'连接到电极11'、12'的电源10'。电极11'、12'布置在等离子体室2'内。通过向电极11'、12'供电，可以在等离子体室2'中形成并维持等离子体15'。可以看出，等离子体15'是在电极11'、12'和直接面向电极11'、12'的基材-载体组件5'之间的区域中形成的。因此，在所示的附图中，基材3'正在被处理。
从图2中可以看出，基材3'具有不同的形状。特别是，它们具有不同的高度。这导致基材3'和电极11'之间的距离d在基材移过特定的电极11'时发生变化。为了获得对所有基材3'的均匀处理，必须根据基材3'面向电极11'表面之间的距离d来调整电源10'的输出功率。此外，如果两个基材3'之间的间隙16'正面向特定的电极11'，那么电源10'的输出功率也要进行调整。在这种情况下，基材载体4'正面向电极11'。
在所示的实施例中，连接到距离传感器输入端18'的距离传感器17'用于确定电极11'和面向电极11'的基材3'之间的距离。距离传感器17'经由距离传感器输入端18'连接到电源10'内的控制器19'。控制器19'根据所确定的距离来调整电源10'的输出功率。
此外，电源10'的输出功率可以取决于基材载体4'的位置。如果基材载体4'的位置是已知的，也就可以知道哪个基材3'正面向特定的电极11'、12'。为了确定基材载体4'的位置，可以设置位置传感器30'。位置传感器30'也可以连接到控制器19'。因此，该信息也可用于调整电源10'的输出功率。
另外，可以设置传感器40'以用于确定特定的基材3'的形貌。根据与基材3'的形貌相关的信息，可以确定基材3'的表面和特定的电极11'、12'之间的距离，因此，也可调整电源10'的输出功率。
图3示出了对电源10的功率设定点的调整。在这种情况下，对于特定等离子体工艺的给定电源设定点是10KW。已经确定，下一个待加工的基材的表面与电极的表面之间的距离大于额定距离。因此，在时间X1，与距离相关的功率值被添加到给定的功率设定值。因此，在这种情况下，处理下一个基材的电源设定值是13KW。对于下一个基材，基材的表面和电极的表面之间存在更大的距离。因此，与距离相关的功率值6KW被添加到给定的功率设定值10KW。因此，电源设定值为16KW。
对于第三基材，在基材的表面和电极的表面之间建立了更小的距离。因此，从给定的功率设定值10KW中减去与距离相关的功率值2KW，输出功率被设定为8KW。如果基材载体是旋转筒，那么在基材载体旋转一圈之后，第一基材又面向电极。因此，在第二次时间X1，再次使用相同的电源设定值。新的电源设定值在X1时的设定可以与基材载体、即旋转筒的运动同步。
更一般地说，电源可以从接口或外部控制器接收输出功率的实际设定点、即给定的电源设定点(P设定点)。这个值可以通过存储在n个步骤的列表中的与距离相关的功率值(P步骤)来改变，其中，n是待处理的基材的数量。对于每个待处理的基材，可以存储与距离相关的功率值。电源设定值(P设定值)可以通过公式计算：P设定值＝P设定点+P步骤[k]，其中，k是1到n的步数。
因此，进行了设定点调制。设定点调制的全序列将通过时间T周期定期变化(对于旋转的基材载体)，其中，T周期从公式T周期＝1/调制频率计算处。电源设定值将每隔T步骤时间改变一次，T步骤从公式T步骤＝T周期/n中计算出，其中，n是列表中的条目数、即正在处理的基材数。
此外，改变电源设定值可以与筒的旋转(基材载体的旋转)同步，以便在正确的时刻改变电源。可以在基材载体上安装位置传感器，每次当基材载体旋转一圈时，就会给出同步信号。然后，电源将在这个时刻准确地调整输出功率。
图4是本发明的方法的一个方面的示意图。
在步骤100，电源与等离子体室中的至少一个电极相连。
在步骤101，使用基材载体将一个或更多个基材相对于电极进行运送。
在步骤102，通过向等离子体室供电来维持等离子体。
在步骤103，借助于等离子体处理基材。
在步骤104，根据电极的面向基材载体组件的表面和基材载体组件的面向电极的表面之间的距离调整电源。
图5a-5c示出了功率调整(功率调制)与载体位置同步的图。如果用户输入了基材-载体组件的高度形廓(形貌)，并且控制器计算出了相应的电源设定值曲线，那么功率的调整必须在正确的时刻进行。然而，位置传感器的信号可能与电源设定值曲线的开始相吻合，也有可能不吻合。在图5a中，图5c的同步信号与电源设定值的开始时间相吻合。因此，延迟为0。
另一方面，在图5b中，同步信号和电源设定值曲线的开始并不重合。因此，在这种情况下，使用了16的延迟或偏移，功率调整从前面提到的存储的与距离相关的功率值列表的步骤17开始。

Claims (15)

1.一种调整向等离子体室(2、2')中的等离子体(15、15')供电的电源(10、10')的输出功率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.将所述电源(10、10')与所述等离子体室(2、2')中的至少一个电极(11、11'、12、12')相连接，
b.使用基材载体(4、4')将一个或更多个基材(3、3a、3b、3')相对于所述电极(11、11'、12、12')运送，
c.通过电力维持所述等离子体(15、15')，
d.借助于所述等离子体(15、15')处理所述基材(3、3a、3b、3')，
e.根据与所述电极(11、11'、12、12')的面向基材-载体组件(5、5')的表面和所述基材-载体组件(5、5')的面向电极(11、11'、12、12')的表面之间的距离(d)相关的参数调整功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述电极(11、11'、12、12')和所述基材-载体组件(5、5')之间的距离(d)以及与所述距离相关的参数。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，与所述基材-载体组件(5、5')和所述电极(11、11'、12、12')之间的距离相关的参数被输入到所述电源(10、10')内的控制器(19、19')，其中，输出功率由所述控制器(19、19')调整。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电源(10、10')提供交流电、特别是频率在0.1kHz和200kHz之间的交流电。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述电极(11、11'、12、12')和所述基材(3、3a、3b、3')的相对位置调整所述电源(10、10')的输出功率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以阶梯方式、线性方式、或根据给定的函数来调整输出功率。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据携带一个或更多个基材(3、3a、3b、3')的载体(4、4')的位置调整输出功率。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，与所述基材(3、3a、3')和/或所述基材-载体组件(5、5')的形貌相关的信息被确定。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，功率的调整与所述基材载体的位置(4、4')同步。
10.一种等离子体设备(1、1')，其特征在于，所述等离子体设备包括：
a.等离子体室(2、2')，
b.位于所述等离子体室(2、2')内的至少一个电极(11、11'、12、12')，
c.至少一个电源(10、10')，其与所述电极(11、11'、12、12')连接并配置为能够向所述电极(11、11'、12、12')供电，以维持等离子体(15、15')在所述等离子体室(2、2')中处理一个或更多个基材(3、3a、3b、3')，
d.基材载体(4、4')，其用于将所述一个或更多个基材(3、3a、3')相对于所述至少一个电极(11、11'、12、12')运送，
e.控制器(19、19')，其用于根据与所述至少一个电极(11、11'、12、12')和基材-载体组件(5、5')的面向所述电极(11、11'、12、12')的表面之间的距离(d)相关的参数控制所述电源(10、10')的输出功率。
11.根据权利要求10所述的等离子体设备，其特征在于，所述等离子体设备设置有用于测量所述基材-载体组件(5、5')的表面和所述电极的表面之间的距离(d)的传感器(17、17')。
12.根据权利要求10或11所述的等离子体设备，其特征在于，所述等离子体设备设置有用于确定所述基材载体(4、4')和/或所述基材(3、3a、3b、3')相对于固定位置和/或所述电极(11、11'、12、12')的位置的传感器(30)。
13.根据前述权利要求10-12中任一项所述的等离子体设备，其特征在于，所述等离子体设备设置有分别连接到一个或更多个电极(11、11'、12、12')的两个或更多个电源(10、10')。
14.根据前述权利要求10-13中任一项所述的等离子体设备，其特征在于，所述等离子体设备设置有用于确定所述基材(3、3a、3')的形貌的传感器(40)。
15.一种具有控制器(19、19')的电源(10、10')，其特征在于，
a.所述电源(10、10')配置为适于提供电力以维持等离子体室(2、2')中的等离子体(15、15')，
b.所述控制器(19、19')还配置为适于接收与所述等离子体室中至少一个电极(11、11'、12、12')和基材-载体组件(5、5')的面向所述电极(11、11'、12、12')的表面之间的距离(d)相关的信息，
c.所述控制器(19、19')还配置为适于根据电源设定值调整所述电源(10、10')的输出功率，所述电源设定值是通过在给定的电源设定值上加减与距离相关的功率值来确定的。
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