CN202930354U - 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在1-1000MHz范围内的频率下以大于500W的功率对等离子体处理、特别是等离子体加工处理或气体激光器进行功率供给的方法，在使用至少一个具有氮化镓(GaN)的半导体开关元件(13-16)、特别是晶体管的情况下产生馈给所述等离子体处理的功率信号。

Description

等离子体供给装置
技术领域
本实用新型涉及一种用于在1-1000MHz范围内的频率下以＞500W的功率对等离子体处理或气体激光器进行功率供给的方法。 
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。 
此外，当今使用形式为振荡器-放大器系统的电子管生成器在13MHz或者27MHz下产生＞10kW的范围内的HF功率。开关运行(E类和D类)的具有硅LDMOS晶体管的半导体放大器在市场上越来越多，其通过模块的级联和组合实现直到50kW的功率范围。 
然而，当今Si晶体管的开关功率是有限的，使得E类装置中的单个晶体管可以提供最大1kW的功率贡献。以下通过将所述功率类型中的单个开关级通过组合器和滤波器联接在一起来产生整体拓扑结构。 
对于具有10到100kW的目标方向的HF大功率系统而言，所需的晶体管和同样需要的组合器和滤波器的数量是重要的参数。特别是，大量的所需部件降低了运行安全性并且附加地由于开销更高的连接技术增加了系统的制造成本。 
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方法和一种等离子体供给装置，借助所述方法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，所述任务通过用于在1-1000MHz范围内的频率下以＞500W的功率对等离子体处理、特别是等离子体加工处理或者气体激光器进行功率供给的方法解决，其中，在使用至少一个具有氮化镓(GaN)的半导体开关元件、特别是晶体管的情况下产生向等离子体处理馈给的功率 信号。特别是可以产生具有1至200MHz的范围内的频率的功率信号。 
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。GaN半导体开关元件的通常的制造方法是将GaN层施加到单晶的载体衬底上，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。通过因此可能的良好冷却可以实现大运行电流。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移动性。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。 
为了产生功率信号，可以使用至少一个具有至少一个GaN半导体开关元件的(高频)放大器(HF放大器)。特别是，作为HF放大器可以借助于开关放大器产生功率信号。用于产生高的HF功率的等离子体供给装置中的开关放大器的电路变型方案可以是具有由GaN半导体开关元件构造的开关电桥的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)；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。为了去除输出信号的直流电压成分，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。不需要用于去除输出信号的直流电压成分的额外的电容器。因此全桥(电路)是具有四个进行开关的元件的开关电桥。 
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。 
根据本实用新型，通过结合用于开关放大器(例如D类、E类)的电路拓扑结构和GaN晶体管、特别是具有高击穿电压、小RDSon和小输入容量以及由此仅仅小的驱动功率的晶体管，有利地实现用于开始时提到的应用的高频放大器，其在小的结构尺寸和更大的功率密度、更小的复杂性和更小的元件数以及更高的运行安全性方面和同样通过更小的制造成本的可能性优于现有的设计方案和系统。 
通过半导体材料GaN可以极大地扩展现有的放大器技术。迄今，GaN仅仅用在千兆赫兹范围中，主要用在军事无线电系统、卫星通信和雷达设备(10至50GHz)中。在这些应用中，通常在线性运行中和在小的运行电压(＜50V)下使用GaN晶体管。 
根据本实用新型，半导体材料GaN由于材料特性有利地用于完全另外的领域中。特别的特性——如高的击穿电压、非常良好的导热能力和高的电荷载流子移动性可以有利地用于在高的运行电压下实现具有大的开关功率的晶体管，这些晶体管由于其高的开关速度和小的导通电阻能够以很小的损耗在MHz范围内工作。 
因此，借助材料GaN可以实现单个晶体管的显著更高的开关功率，同时用于栅极控制的技术开销很小。因此，在总体上电路开销降低并且所需部件的数量减少，这又减小了系统的故障概率。 
通过使用GaN，根据本实用新型可以在大功率范围内实现高频放大器(以下往往仅仅称为放大器)，其在结构尺寸、效率、运行安全性和成本方面具有显著的优点。 
根据一个方法变型方案可以提出，求得等离子体的负载阻抗。借助于所述信息可以如此控制或者调节放大器，使得在等离子体中实现最优的功率传输。特别是，可以最优地匹配于负载阻抗。此外，可以在识别到指示等离子体未点燃的高负载阻抗时减小放大器的功率或者完全关断放大器。 
此外可以提出，求得借助于功率信号向等离子体提供的前向功率和/或由等离子体反射的后向功率或者与其有关的参量、例如电流和电压。根据这些信息可以确定其他的参量、例如等离子体的反射系数。所述信息又可以用于放大器的适当控制。 
当求得前向功率和后向功率之间或者电流和电压之间的相位时，可以获得用于控制放大器的更好的判定依据。根据已求得的参数，可以求得用于每个半导体开关元件的单独的控制信号，以及相应地控制所述半导体开关元件，以便避免半导体开关元件上的过载和(因此)放大器的损坏。通过本实用新型的方法，可以使等离子体供给装置在无吸收滤波器的情况下也可靠地防止进行开关的元件的损坏。这尤其在等离子体供给装置中是重要的和有利的，因为在等离子体负载中经常出现错误匹配和杂乱的状态。 
可以使用多个放大器来产生功率信号，并且可以借助于90°混合耦合器(3dB耦合器)耦合由这些放大器产生的信号。即涉及一种耦合器，通过所述耦合器将90°相移的输入信号耦合成最大的输出信号(如果输入信号不是相移90°，则同样进行耦合，但不能实现最大的输出信号)。以这种方式方法能够产生更高的输出功率。此外，可以进行级联，其方式是，通过混合耦合器耦合多个混合耦合器。 
可以根据已求得的负载阻抗单独地控制放大器。如上所述，由此可以防止放大器的损坏。 
可以单独地控制GaN半导体开关元件。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。。 
当通过具有栅极电容的谐振电路控制GaN半导体开关元件时得到另外的优点。即形成谐振电路，半导体开关元件的栅极电容是所述谐振电路的组成部分。由此可以在受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，可以设有栅极变压器的漏电感。 
此外，用于在1-1000MHz范围内的频率下以＞500W的功率对等离子体处理、特别是等离子体加工处理进行功率供给的等离子体供给装置也在本实用新型的范围内，所述等离子体供给装置具有至少一个HF放大器，其具有至少一个GaN半导体开关元件。 
根据本实用新型的一个构型可以提出，放大器构造为开关放大器，特别是D类放大器或者E类放大器。D类放大器可以如以上所述构造为半桥或者全桥。 
可以设有至少一个测量装置、特别是定向耦合器或者电流测量装置和/或电压测量装置，用于求得借助于功率信号向等离子体提供的前向功率和/或由等离子体反射的后向功率。可以向用于确定前向功率和后向功率之间或者电流和电压之间的相位的分析处理装置提供如此检测的测量信号。根据分析处理，分析处理装置可以为半导体开关元件产生用于半导体开关元件的适当的控制信号。 
为了实现更高的输出功率，可以设有多个用于产生功率信号的放大器，并且可以借助于90°混合耦合器(3dB耦合器)耦合由这些放大器产生的信号。也可以考虑多个混合耦合器的级联，以便提高功率信号。 
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：具有两个半桥的等离子体供给装置的第一实施方式； 
图2：用于说明借助于3dB耦合器的耦合和借助于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，其具有两个半桥11、12。每个半桥11、12具有两个分别具有所分配的驱动器17-20的GaN半导体开关元件13-16。例如，为了控制半导体开关元件13，示出了连接到驱动器17上的栅极变压器43。栅极变压器43的次级绕组44与半导体开关元件13的输入电容一起形成振荡电路。虽然未示出，但可以想到，对于其他半导体开关元件14-16使用相应的栅极变压器43。 
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11。半桥11、12的中点M1、M2通过输出变压器26与仅仅示意性表示的等离子体负载27连接。由半导体开关元件13、14或者15、16组成的半桥分别连接到DC功率供给装置的正连接端子28和负连接端子29上。两个半桥11、12一起形成一个全桥并且(因此)形成用于高频的D类放大器。 
在图2中示出了等离子体供给装置60的一部分。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HF放大器61-64。更详细地示出了HF放大器61。从中可以得出，每个HF放大器61-64具有两个半桥65-72，其具有两个GaN半导体开关元件13-16。每两个HF放大器61-64连接到一个混合耦合器、特别是3dB耦合器73、74上。在下一级中，每两个3dB耦合器73、74连接到一个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93检测并且向调节和/或控制装置59或者可以是调节和/或控制装置59的组成部分的分析处理装置58传输所述功率。 
因此，从图2中可以得出，可以通过一个3dB耦合器73、74耦合两个HF放大器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。 

Claims (30)

1.用于在1-1000MHz范围内的频率下以大于500W的功率对等离子体处理、特别是等离子体加工处理或气体激光器进行功率供给的等离子体供给装置（10，60），所述等离子体供给装置具有至少一个HF放大器（61-64），其具有至少一个GaN半导体开关元件（13-16）。 
2.根据权利要求1所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述放大器（61-64）被构造为开关放大器。 
3.根据以上权利要求中任一项所述的等离子体供给装置，其特征在于，设有至少一个测量装置（93），特别是定向耦合器或者电流测量装置和/或电压测量装置，用于求得借助于功率信号向所述等离子体提供的前向功率和/或由所述等离子体反射的后向功率。 
4.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，设有分析处理装置（58），用于确定前向功率和后向功率之间或者电流和电压之间的相位。 
5.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，设有多个放大器（61-64），用于产生功率信号，并且由这些放大器（61-64）产生的信号借助于90°混合耦合器（73-75）进行耦合。 
6.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体加工处理或所述气体激光器的功率供给在1至200MHz的频率下进行。 
7.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述GaN半导体开关元件被构造为GaN-HEMT。 
8.根据权利要求7所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述GaN-HEMT被构造为n沟道MESFET。 
9.根据权利要求7所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述GaN-HEMT被构造为MISFET。 
10.根据权利要求1所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有D类放大器，所述D类放大器具由GaN半导体开关元件（13-16）构造的开关电桥（11，12）。 
11.根据权利要求1所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有由GaN半导体开关元件构造的全桥。 
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，每个GaN半导体开关元件（13-16）分配有一个驱动器（17-20）。 
13.根据权利要求1所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有控制信号发生器。 
14.根据权利要求13所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述控制信号发生器具有移相器。 
15.根据权利要求13或14所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述控制信号发生器具有振荡器。 
16.根据权利要求13所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述控制信号发生器具有信号成形器。 
17.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有用于去除输出信号的直流电压成分的电容器。 
18.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有E类开关放大器。 
19.根据权利要求18所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有谐振输出网络，所述谐振输出网络具有输出侧电容。 
20.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置包括修改的E类拓扑结构，所述修改的E类拓扑结构具有两个反节拍运行的放大器级。 
21.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有多个放大器。 
22.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有90°混合耦合器。 
23.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有多个混合耦合器的级联。 
24.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有谐振电路，其中，所述GaN半导体开关元件的栅极电容形成所述谐振电路的组成部分。 
25.根据权利要求24所述的等离子体供给装置，其特征在于，栅极变压器（43）的漏电感设置为所述谐振电路的组成部分。 
26.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有栅极变压器，所述栅极变压器连接到驱动器（17）上。 
27.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有栅极变压器（43），所述栅极变压器的次级绕组（44）与所述半导体开关元件（13）的输入电容一起构成振荡电路。 
28.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有电桥电路，等离子体负载（27）通过输出变压器（26）与所述电桥电路的中点（M1，M2）连接。 
29.根据权利要求1或2所述的等离子体供给装置，其特征在于，所述等离子体供给装置具有中央的控制和/或调节装置（59）和至少四个HF放大器（61-64），在所述四个HF放大器中，每两个连接到一个混合耦合器（73，74）上，其中，至少两个混合耦合器（73，74）连接到一个3dB耦合器（75）上。 
30.根据权利要求29所述的等离子体供给装置，其特征在于，设有调节和/或控制装置（59）和测量装置（93），所述测量装置用于检测所述3dB耦合器（75）上的功率并且用于向所述调节和/或控制装置（59）进行传输。 
CN200990100703.4U 2009-02-13 2009-02-13 等离子体供给装置 Expired - Lifetime CN202930354U (zh)

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