CN202721890U - 用于等离子体供给装置的模块和等离子体供给装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于等离子体供给装置(10，40，60)的模块(11，12，61-76)，所述等离子体供给装置用于在1-1000MHz范围的频率下以大于500W的功率为等离子体加工装置或者气体激光器供给等离子体，所述模块具有模块衬底(21，22)，在所述模块衬底上设置有一个或者多个印制导线(23，24)，并且所述模块具有至少一个与至少一个印制导线(23，24)连接的GaN半导体开关元件(13-16)以及一个所分配的驱动器(17-20)。

Description

用于等离子体供给装置的模块和等离子体供给装置
技术领域
本实用新型涉及一种用于等离子体供给装置的模块和等离子体供给装置，所述等离子体供给装置用于在1-1000MHz范围内的频率下以＞500W的功率为等离子体加工或者气体激光器供给等离子体。
背景技术
等离子体是由气体产生的特殊的聚集态。每一种气体基本上由原子和/或分子组成。在等离子体中，气体大部分是离子化的。这意味着，通过供给能量，原子或者分子分裂为正的和负的电荷载流子，即离子和电子。等离子体适合加工工件，因为带电的粒子在化学上是极易反应的并且可通过电场影响。可以借助于电场使带电的粒子朝着目标加速，在所述目标处在碰撞时带点的粒子可以从中释放出单个原子。释放出的原子可以通过气体流带走(腐蚀)或者作为涂层淀积在另一个目标上(薄膜的制造)。这种借助于等离子体的加工主要用于加工极薄的层，特别是在几个原子位置范围内。典型的应用是半导体技术(涂层、腐蚀等)、平面屏幕(类似半导体技术)、太阳能电池(类似半导体技术)、建筑玻璃涂层(防热、防目眩等)、存储介质(CD、DVD、硬盘)、装饰层(彩色玻璃等)和工具硬化。这些应用对于精确性和处理稳定性有很高的要求。此外，等离子体还可以用于激励激光器、特别是气体激光器。
为了从气体生成等离子体，必须向其供给能量。这可以通过不同的方式——例如通过光、热、电能实现。通常在等离子体室内点燃并且保持用于加工工件的等离子体。为此通常将具有低压的惰性气体、例如氩导入到等离子体室中。通过电子和/或天线将所述气体置于电场中。当满足多个条件时，产生或者点燃等离子体。首先，必须存在很小数量的自由电荷载流子，其中，大多使用始终在很小的程度上存在的自由电子。通过电场使自由电荷载流子如此强烈地加速，使得其在碰撞到惰性气体的原子或者分子时释放另外的电子，由此产生带正电的离子和另外的带负电的电子。另外的自由电荷载流子又被加速并且在碰撞时产生另外的离子和电子。产生雪崩效应。离子和电子的持续产生在这些粒子与等离子体室的壁或者其他物体碰撞时抵抗放电以及抵抗自然的重新结合，即电子由离子吸引并且重新结合成电中性的原子和分子。因此必须向点燃的等离子体持续地供给能量以保持所述点燃的等离子体。
能量供给可以通过直流供给装置或者交流供给装置实现。以下实施方式涉及用于具有＞1MHz的输出频率的高频(HF)的交流供给装置。
用于产生高的HF功率的等离子体供给装置中的高频放大器(功率放大器)的电路变型方案可以是具有开关电桥的D类放大器。开关电桥具有至少两个串联的进行开关的元件(＝开关元件)，例如MOSFET，它们以反节拍并且优选分别以≤50％的占空比运行；进行开关的元件的连接点是开关电桥的中点。电桥分支的中点通过两个开关元件(以下也称进行开关的元件或者开关)交替地连接到直流功率供给装置的正极或者负极上。两个开关元件以及一个可能存在的第二电桥分支的开关元件的交替控制通过控制信号发生器实现，所述控制信号发生器可以包括确定输出信号的频率的振荡器和其他的组件——如逆变器、移相器和信号成形器。为了去除直流电压成分的输出信号，可以设有电容器。具有两个进行开关的元件的开关电桥也称为半桥。
全桥电路由两个电桥分支(半桥)组成，其中点以所期望的频率分别反向地连接到直流电压供给装置的正极和负极上。交流负载设置在所述两个中点之间。不需要用于去除直流电压成分的输出信号的额外的电容器。因此全桥(电路)是具有四个进行开关的元件的开关电桥。
高频放大器或功率放大器的另一电路变型方案可以是E类放大器。在这种情况下以矩形输入信号控制晶体管。谐振的输出网络与输出侧电容一起提供以下可能性：通过零伏开关(Zero Voltage Switching，ZVS)将开关损耗降低到最小并且从而将效率提高到最大。E类拓扑的一种修改方案可以通过设置反节拍运行的两个级实现。
对于一定的等离子体处理而言，值得追求的是在非常高的频率下产生功率信号。例如，高频在半导体制造中具有优点。基于硅或者GaAs的常规MOSFET具有以下缺点：其在对于应用而言足够的击穿电压下在漏极和源极之间具有相对较高的导通电阻(RDSon)，其导致高损耗功率并且因此导致更高的能量成本和过热的危险。
实用新型内容
本实用新型的任务是提出一种模块和一种等离子体供给装置，借助所述模块和所述等离子体供给装置可以在小的损耗功率下实现高频区域内的大功率。
根据本实用新型，所述任务通过用于等离子体供给装置的模块解决，所述等离子供给装置在1-1000MHz范围内的频率下以＞500W的功率为等离子体加工或者气体激光器供给等离子体，所述模块具有模块衬底，在所述模块衬底上设置有一个或者多个印制导线，并且所述模块具有至少一个设置在模块上的、与至少一个印制导线连接的氮化镓(GaN)半导体开关元件。模块衬底可以由陶瓷、例如氧化铍(BeO)构成。
GaN半导体开关元件由于其高能隙而非常出色地适于用作大功率元件，因为高能隙能够实现高运行电压。通常的制造方法是将GaN层施加到单晶的载体衬底(＝不同于模块衬底的开关元件衬底，在所述开关元件衬底上设置半导体开关元件)上，所述单晶的载体衬底可以是非导体、例如蓝宝石或者半导体、例如n-SiC。优选地，对于载体衬底使用具有高导热能力的材料，以便实现GaN半导体开关元件的较高的损耗功率和(因此)大的运行电流。特别是，作为GaN半导体开关元件可以有利地使用所谓的GaN-HEMT。其具有比基于硅的MOSFET显著更高的增益(约2倍)。此外其具有更小的输入电容、输出电容和反馈电容。这些电容与基于硅的元件相比较小，约为5至10分之一。电阻RDSon也比可比的硅元件小，为5至10分之一。越来越了解GaN中迄今的可靠性问题、特别是退化效应。工艺对策导致可靠的和运行安全的元件，从而现在可以考虑其应用在等离子体供给装置中。
GaN-HEMT(High Electron Mobility Transistors：高电子迁移率晶体管)是为了分开施主和沟道而具有两种不同带宽的材料(在边界区内的异质接触)的n沟道MOSFET(Metal-Semiconductor FET，具有用于栅极的肖特基阻挡层)。结果是在小的导通电阻下的高电荷载流子运动性。也可以考虑作为所谓的MISFET(Metal-Isolator-Semiconductor FET)的实施方式。在这种情况下控制接触是MIS接触。既可以使用耗尽型(在负的栅极电压下电荷载流子减少)也可以使用增强型(在正的栅极电压下才导通)。
可以在薄层方法或者厚层方法中制造模块衬底、优选陶瓷衬底上的印制导线。薄层方法是指，例如以Ti-Cu喷涂、涂敷光刻胶、曝光并且随后蚀刻整个模块衬底。在厚层方法中，以Au或者Ag膏糊在丝网印刷方法中施加并且在约850℃下烧制印制导线。可以附加地如在薄层方法中那样对其进行蚀刻。
GaN半导体开关元件可以直接以其载体衬底贴在或焊在模块衬底上或者模块印制导线上，从而产生良好的热接触。
在模块内或者在模块上，可以至少部分地设置在GaN半导体开关元件后面设置的匹配网络或者振荡电路。对于功率放大器中的应用，应当可以借助于附加的部件变换和匹配根据本实用新型的模块。对于线性放大器设计方案(A类、B类、C类)，优点是所述匹配的一部分已经在模块自身中进行，因此可以更简单地集成到高频级中。对于开关设计方案(D类、E类)，根据本实用新型，在模块中可以集成所需的谐振电路的一部分，因此同样可以在功率放大器中实现更简单的构造方案。振荡电路或者谐振电路可以是输出网络的组成部分，其因此同样可以至少部分地设置在模块中。
在模块内或者在模块上，可以至少部分地设置在GaN半导体开关元件前面设置的振荡电路，其中，GaN半导体开关元件的栅极电容是所述振荡电路的组成部分。由此可以在被控制的半导体开关元件上实现类似正弦的栅极电压曲线。类似正弦的栅极电压有利地作用于电磁兼容性，并且根据振荡电路的品质因数节省控制功率。作为振荡电路的另外的组成部分可以设有电感、电容或者用于栅极电压的变压器。
在模块内或者在模块上、特别是在模块衬底上，可以设置至少一个分配给GaN半导体开关元件的驱动器。然而，也可以在模块外部设置一个或者多个驱动器。
在本实用新型的一个构型中可以设有多个并联的GaN半导体开关元件、特别是GaN-HEMT。通过并联，可以减小晶体管装置或者开关元件装置的内阻。在后连接的变换电路或其一部分同样可以实现在模块上。输出谐振电路或其一部分也可以设置在模块上。通过各GaN半导体开关元件的并联可以实现非常高的输出功率。并联导致模块具有非常小的输入阻抗和输出阻抗。
此外可以提出，在模块上设置有由GaN半导体开关元件构造的半桥或全桥。由此例如可以在模块上实现D类或者E类放大器。也可以分别在一个模块上设置一个半桥，并且可以将(不同模块上的)半桥连接成一个全桥。分配给GaN半导体开关元件的驱动器同样可以设置在模块上。
单独控制GaN半导体开关元件具有特别的优点。因此，可以非常精确并且彼此独立地调节半导体开关元件的开关时刻。通过半导体开关元件的适当控制，可以由此减小损耗功率。此外，可以更准确地调节放大器特性。这在由GaN半导体开关元件构造半桥或全桥时是特别有利。
模块可以是冷却剂冷却的。特别是，可以借助于模块的主动水冷快速地导出产生的热量。
此外，在模块中可以实现适当的温度断开装置，其保护活动的组件不受高热量影响。特别地，可以设有用于温度监视的装置。这在使用GaN时由于Ga的熔点较低并且由此导致最大允许运行温度较低的情况下是特别有利的。
此外，用于在1-1000MHz范围内的频率下以＞500W的功率供给等离子体的、具有至少一个根据本实用新型的模块的等离子体供给装置也在本实用新型的范围内。
当两个模块借助于3dB耦合器耦合时可以实现更高的输出功率。特别是，3dB耦合器可以构造为具有90°相移的混合耦合器。此外，使用3dB耦合器具有既可以实现半桥拓扑结构也可以实现全桥拓扑结构的优点。
根据本实用新型的一个构型可以提出，设有开关放大器、特别是D类放大器或者E类放大器，其具有至少一个模块。
此外，可以设有由模块构造的半桥或者全桥。
当两个模块借助于3dB耦合器耦合时可以实现更高的输出功率。特别是，3dB耦合器可以构造为具有90°相移的混合耦合器。即涉及一种耦合器，通过所述耦合器相移90°的输入信号耦合成最大的输出信号(如果输入信号未相移90°，则同样进行耦合，但不能实现最大的输出信号)。此外使用3dB耦合器具有既可以实现半桥拓扑结构也可以实现全桥拓扑结构的优点。
用于提高放大器装置或者等离子体供给装置的输出功率的另一措施在于，级联地设置多个3dB耦合器。
本实用新型的其他特征和优点由以下根据示出本实用新型重要细节的附图对本实用新型实施例的说明以及由权利要求中得出。在本实用新型的变型方案中可以单独地或者以任意组合的方式一起实现各特征。
附图说明
下面根据附图说明本实用新型的实施例。附图中：
图1示出具有两个模块的等离子体供给装置的第一实施方式；
图2示出具有两个模块的等离子体供给装置的第二实施方式，其中，这些模块分别具有一个振荡电路；
图3示出用于说明借助于3dB耦合器的耦合和借助3dB耦合器的级联的示意图。
具体实施方式
在图1中示出了等离子体供给装置10，其具有两个模块11、12。
每个模块11、12具有两个GaN半导体开关元件13-16，这些GaN半导体开关元件分别具有所分配的驱动器17-20。GaN半导体开关元件13-16分别设置在模块衬底21、22上，所述模块衬底21、22又具有印制导线23、24。在所述实施例中，模块11、12是所谓的DCB模块(Direct Copper Bond：直接键合铜)。衬底材料在本实施例中是陶瓷。印制导线23、24由铜在薄层方法或者厚层方法中施加。直接安装上半导体开关元件13-16以及驱动器17-20，并且随后将它们的连接端子与印制导线23、24通过键合线连接。其他的部件可以直接焊在印制导线23、24上。
本实用新型的意义上的模块11、12是这样的DCB，具有至少一个GaN半导体开关元件13-16，在必要时具有至少一个驱动器17-20，较高整合地具有半桥、更高整合地具有与全桥和/或输出电路的一部分。此外，可以设有壳体和水冷方案。在本实施例中，针对模块11示出冷却剂通道25。
正如半导体开关元件15、16那样，半导体开关元件13、14形成一个半桥。这些半桥的中点M1、M2通过输出变压器26与仅仅示意性示出的等离子体负载27连接。在输出变压器26和等离子体负载27之间可以设有未示出的匹配网络。模块11、12，特别是在其上设置的由半导体开关元件13、14或者15、16组成的半桥，分别与DC功率供给装置的正连接端子28和负连接端子29连接。两个半桥共同形成一个全桥。
根据图2的等离子体供给装置40的实施方式与根据图1的等离子体供给装置略微不同。因此对于一致的元件使用相同的附图标记。与图1的等离子体供给装置10不同地，等离子体供给装置40的模块11、12具有振荡电路41、42，所述振荡电路同样设置在模块11、12内或模块11、12上或者衬底21、22上。
在本实施例中，分别包括电容器C和线圈L的振荡电路41、42用于提供正弦输出电流以及实现半桥的半导体开关元件的零电流开关(ZeroCurrent Switching ZVS)或者零电压开关(Zero Voltage Switching ZVS)。振荡电路41、42可以视为输出电路的组成部分，所述输出电路的另外的组成部分是输出变压器26。例如，为了半导体开关元件13的控制，示出栅极变压器43，其连接到驱动器17上。栅极变压器43的次级绕组44与半导体开关元件13的输入电容共同形成一个振荡电路。由此构成的振荡电路同样如栅极变压器43那样设置在模块11上或模块11内。虽然未示出，但是可以想到，对于其他的半导体开关元件14-16也可以设置相应的栅极变压器43。
在图3中示出了等离子体供给装置60的一部分。所述等离子体供给装置60具有中央的控制和/或调节装置59。在所述控制和/或调节装置59上连接有四个全桥61-64。详细地示出了全桥61。由此得出，每个全桥具有两个模块65-72，这些模块分别具有一个半桥，所述半桥具有两个GaN半导体开关元件13-16。每两个半桥61-64连接在一个混合耦合器、特别是3dB耦合器73、74上。在下一级中，每两个3dB耦合器73、74连接在一个3dB耦合器75上。在3dB耦合器75的输出端76上存在可以供给等离子体负载77的HF功率。通过测量装置检测并且向调节和/或控制装置59传输所述功率。
因此，从图3可以得出，可以通过3dB耦合器73、74耦合两个全桥61-64的输出功率，并且可以级联地使用多个3dB耦合器73、74、75，以便实现提供给等离子体负载77使用的最大功率的放大。替代全桥，也可以通过3dB耦合器将半桥和(因此)模块连接在一起。

Claims (14)

1.用于等离子体供给装置(10，40，60)的模块(11，12，61-76)，所述等离子体供给装置用于在1-1000MHz范围内的频率下以大于500W的功率为等离子体加工或者气体激光器供给等离子体，所述模块具有模块衬底(21，22)，在所述模块衬底上设置有一个或者多个印制导线(23，24)，并且所述模块具有至少一个设置在所述模块(11，12，61-76)上的、与至少一个印制导线(23，24)连接的氮化镓(GaN)半导体开关元件(13-16)。 
2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，在所述模块(11，12，61-76)中或在所述模块(11，12，61-76)上至少部分地设置有在所述GaN半导体开关元件(13-16)后面设置的匹配网络或者振荡电路(41，42)。 
3.根据以上权利要求中任一项所述的模块，其特征在于，在所述模块(11，12，61-76)中或在所述模块(11，12，61-76)上至少部分地设置有在所述GaN半导体开关元件(13-16)前面设置的振荡电路(43)，其中，所述GaN半导体开关元件的栅极电容是所述振荡电路(43)的组成部分。 
4.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于，在所述模块(11，12，61-76)中或在所述模块(11，12，61-76)上设置有至少一个分配给所述GaN半导体开关元件(13-16)的驱动器(17-20)。 
5.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于，设有多个并联的GaN半导体开关元件(13-16)、特别是GaN-HEMT。 
6.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于，在所述模块(11，12，61-76)上设置有由GaN半导体开关元件(13-16)构造的半桥或全桥。 
7.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于，所述GaN半导体开关元件(13-16)是单独控制的。 
8.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于，所述模块是冷却剂冷却的。 
9.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于，设有用于温度监视的装置。 
10.等离子体供给装置(10，40，60)，用于在1-1000MHz范围内的频率下以大于500W的功率供给等离子体，所述等离子体供给装置具有至少一个根据以上权利要求中任一项所述的模块(11，12，61-76)。 
11.根据权利要求10所述的等离子体供给装置，其特征在于，设有开关放大器、特别是D类放大器或者E类放大器，其具有至少一个模块(11，12，61-76)。 
12.根据以上权利要求10或11中任一项所述的等离子体供给装置，其特征在于，设有半桥或全桥，所述半桥或全桥由模块(13-16)构造。 
13.根据权利要求10至11中任一项所述的等离子体供给装置，其特征在于，两个模块(11，12，61-76)借助于3dB耦合器(77-84)耦合。 
14.根据权利要求13所述的等离子体供给装置，其特征在于，级联地设置有多个3dB耦合器(77-90)。 
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