DE10018879B4

DE10018879B4 - Stromversorgungsgerät zur bipolaren Stromversorgung

Info

Publication number: DE10018879B4
Application number: DE10018879A
Authority: DE
Inventors: Günter Mark
Original assignee: Melec GmbH
Current assignee: MELEC GMBH, DE
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2020-04-18
Also published as: CN100433530C; JP3803064B2; CN1425217A; US20030174526A1; JP2004507993A; WO2001080413A1; DE10018879A1; US6735099B2; TWI256765B

Abstract

Stromversorgungsgerät zur bipolaren Stromversorgung einer Anlage der Plasma- oder Oberflächentechnik, das mindestens ein regelbares Gleichstromnetzteil (G1, G2) aufweist, dessen positive und negative Ausgänge mit dem Eingang einer Brückenschaltung bestehend aus zwei Serienschaltungen (T1, T4 bzw. T3, T2) von je zwei elektronischen Leistungsschaltern (T1 bis T4) verbunden sind, welche Leistungsschalter steuerseitig mit wenigstens einer Steuersignalaufbereitungseinrichtung und die Brückenschaltung ausgangsseitig jeweils zwischen den Leistungsschaltern der beiden Serienschaltungen mit wenigstens einer Stromerfassungsschaltung zur Steuerung/Regelung der Leistungsschalter und mit der Last der Anlage (A) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Brückenschaltung (T1 bis T4) zwei Gleichstromnetzteile (G1, G2) vorgesehen sind, dass der jeweils positive Ausgang der beiden Gleichstromnetzteile über jeweils eine Serienschaltung jeweils zweier Leistungsschalter (T1 und T4, T2 und T3) mit dem jeweils negativen Ausgang des anderen Gleichstromnetzteils (G2, G1) verbunden ist, dass separate Steuersignalaufbereitungseinrichtungen zur individuellen Regelung der positiven und negativen Ausgangsimpulse vorgesehen sind, die in separaten...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromversorgungsgerät zur bipolaren Stromversorgung einer Anlage der Plasma- oder Oberflächentechnik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Geräte, wie sie beispielsweise in der EP 534 068 B1 offenbart sind, umfassen in der Regel ein Gleichstromnetzteil, dessen Ausgänge mit den Eingängen einer Brückenschaltung elektronischer Leistungsschalter verbunden sind. Die Leistungsschalter sind mit Steuersignalaufbereitungseinrichtungen verbunden, die in gewünschter Weise die Leistungsschalter ansteuern, um ein gewünschtes Impulsmuster für die Plasmaanlage zu erhalten. Das Gerät hat hierbei separate Steuersignalaufbereitungseinrichtungen zur individuellen Regelung der Steuerzeiten der positiven und negativen Ausgangsimpulse, was eine sehr freie Wahl der Impulsform ermöglicht.
Die EP 534 068 B1 zeigt eine Brückenschaltung mit zwei Serienschaltungen von je zwei Leistungsschaltern, die eingangsseitig von einem Gleichstromnetzteil gespeist sind. Sie können ausgangsseitig nur Ausgangsimpulse gleicher Amplitude abgeben.
Die DE 1 293 298 A zeigt zwei Gleichstromnetzteile, die zwei Serienschaltungen aus je einem Leistungsschalter und einem Widerstand speisen.
Die DE 31 22 222 A1 zeigt eine Stromversorgung für eine Elektrolyseanlage, die in der Lage ist positive und negative Ausgangsimpulse mit unterschiedlicher Dauer und Amplitude zu liefern.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Stromversorgungsgerät nach dem Stand der Technik derart weiterzubilden, dass die Freiheit in der Wahl einer gewünschten Impulsform weiter vergrößert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Stromversorgungsgerät der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, die die Bereitstellung absolut frei wählbarer Impulsformen mit Frequenzen bis in den Megahertz-Bereich erlaubt. Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 6 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der zugeordneten Unteransprüche.
Erfindungsgemäß werden für jede Brückenschaltung zwei Gleichstromnetzteile verwendet. Die Brücke wird aufgeteilt, in dem zwischen dem positiven Ausgang des ersten Gleichstromnetzteils und dem negativen Ausgang des zweiten Gleichstromnetzteils eine Serienschaltung zweier Leistungshalbleiter geschaltet wird. Das gleiche gilt für den negativen Ausgang des ersten Gleichstromnetzteils und den positiven Ausgang des zweiten Gleichstromnetzteils, zwischen denen ebenfalls eine Serienschaltung zweier Leistungshalbleiter angeschlossen ist. Der Abgriff für die der Plasmaanlage zugeführten Impulse erfolgt jeweils zwischen den beiden Leistungsschaltern der Serienschaltungen.
Auf diese Weise kann man die Amplitude der positiven und negativen Impulse frei wählen, z. B. entsprechend einem gewünschten Signalmuster.
Zudem sind separate Steuersignalaufbereitungseinrichtungen zur individuellen Ansteuerung der unterschiedlichen Leistungsschalter vorgesehen. So können nicht nur die Amplituden der positiven und negativen Impulse beliebig gewählt werden, sondern auch deren Schaltzeiten und Signalpausen bzw. Totzeiten. Man hat somit bei der Wahl des einer Plasmaanlage zugeführten Impulsmusters alle Freiheiten.
Da diese Anlagen einen sehr hohen Strom schalten müssen, ist der Wirkungsbereich der Stromversorgungsgeräte auf einen Frequenzbereich von etwa 100 bis 200 kHz begrenzt. Durch Verwendung mehrerer, vorzugsweises zwei bis acht parallel geschalteter Stromversorgungsgeräte und entsprechend kurzer zeitversetzter synchronisierter Ansteuerung der einzelnen Stromversorgungsgeräte ist es möglich, ein beliebiges Impulsmuster mit einer Frequenz bis in den Megahertz-Bereich zu erreichen, wenn z. B. acht Geräte mit einer Frequenz von 125 kHz verwendet werden. Die Ansteuerung der Geräte erfolgt vorzugsweise über einen Steuerbus am Steuereingang der einzelnen Geräte, wobei die Steuersignale von einer zentralen Steuerung den einzelnen, einzeln adressierbaren Geräten zugeführt werden.
Hierfür sind die einzelnen Stromversorgungsgeräte vorzugsweise mit einer Adresse oder Kennung versehen, die der Steuerung das gezielte Ansprechen jedes einzelnen Stromversorgungsgerätes gestattet.
Vorzugsweise sind die Ausgänge der Gleichstromnetzteile kapazitiv stabilisiert mit Kondensatoren möglichst hoher Kapazität, um sehr hohe Impulsströme bereitstellen zu können. Werden die Stromversorgungsgeräte am Rande ihrer maximalen Kapazität betrieben, so kann man jedoch in der freien Wahl der Totzeit zwischen den Impulsen beschränkt werden.
Vorzugsweise ist sowohl zwischen den negativen Ausgängen als auch zwischen den positiven Ausgängen der beiden Gleichstromnetzteile jeweils eine Brücke schaltbar, so dass auf einen herkömmlichen Betrieb gewechselt werden kann, der jedoch dann keine individuelle unterschiedliche Ansteuerung der positiven und negativen Impulsamplituden ermöglicht.
Die maximal zulässige Stromdynamik für die schaltenden Transistoren und Freilaufdioden werden durch zwei ausgangsseitige Induktivitäten L1 L2 eingestellt. Dynamisch wird hierbei der Pulsstrom erfasst und ausgewertet. Insbesondere bei sehr nieder impedanten Kurzschlüssen ist ein schnelles Erkennen des Überstromes und eine umgehende Abschaltung der Transistoren erforderlich, um eine Störung der Halbleiterschicht oder an den Substratoberflächen oder des Plasmabeschichtungssystems selbst zu vermeiden.
Die erfindungsgemäße Stromversorgung oder Anordnung von Stromversorgungsgeräten lässt sich für alle plasmatechnischen Verfahren wie CVD, Plasma-PVD, Magnetron-Sputtern, Plasmanitrieren, Plasmaätzen einsetzen.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:
1 ein stark vereinfachtes Schaltbild eines erfindungsgemäßen Stromversorgungsgerätes ohne Steuerelektronik
2 eine Darstellung der Ausgangsimpulse der erfindungsgemäßen bipolaren Stromversorgung,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit mehreren Netzteilen,
4A–F mögliche Impulsmuster der Anordnung aus 3, und
5 eine zu 3 alternative Anordnung mit mehreren Netzteilen.
1 zeigt ein Stromversorgungsgerät mit zwei Gleichstromnetzteilen G1, G2, deren Ausgänge durch Kondensatoren C1, C2 stabilisiert sind. An dem Gleichstromnetzteil G1 liegt die Spannung V1 an, während am Gleichspannungsnetzteil G2 die Spannung V2 anliegt. Der positive Ausgang des ersten Gleichspannungsnetzteils G1 ist über eine Serienschaltung zweier Leistungsschalter T1, T4 mit dem negativen Ausgang des Gleichspannungsnetzteils G2 verbunden. In gleicher Weise ist der negative Ausgang des ersten Gleichstromnetzteils G1 über eine Serienschaltung von zwei Leistungsschaltern T2, T3 mit dem positiven Ausgang des zweiten Gleichstromnetzteils G2 verbunden. Die einer Plasmaanlage A zugeleiteten Ausgänge greifen in der Mitte zwischen den Serienschaltungen T1 T4, T2 T3 ab und sind durch Induktivitäten L1, L2 hinsichtlich der Stromdynamik begrenzt, um sowohl die Leistungsschalter als auch die Plasmaanlage selbst und die darin befindlichen Substrate SU zu schützen. In den Ausgang des Stromversorgungsgerätes ist noch ein Stromaufnehmer SA geschaltet, dessen Ausgangssignal einer nicht dargestellten Steuerung zur Ansteuerung der Leistungsschalter T1 bis T4 zugeführt wird, um somit eine Regelung, d. h. eine Feedback-geregelte Steuerung zu realisieren.
Die Anordnung zweier Brücken S1, S2 zwischen den positiven Ausgängen als auch den negativen Ausgängen der beiden Gleichspannungsnetzteile G1, G2 ermöglicht den Betrieb des Stromversorgungsgerätes nach herkömmlicher Art mit allerdings identisch großen Amplituden für die negativen und positiven Stromimpulse. Es lassen sich beispielsweise folgende Betriebsarten einstellen:
Gleichspannung DC+ wenn T1 und T2 geschlossen sind, während T3 und T4 geöffnet sind.
Gleichspannung DC–, wenn T3 und T4 geschlossen sind, während T2 und T2 geöffnet sind.
Unipolar plus gepulst UP+, wenn T1 und T2 gepulst sind, während T3 und T4 geöffnet sind.
Unipolar negativ gepulst UP–, wenn T3 und T4 gepulst sind, während T1 und T2 geöffnet sind.
Bipolar gepulst BP, wenn T1 und T2 alternativ mit T3 und T4 getaktet werden.
2 beschreibt den zeitlichen Verlauf eines möglichen Impulsmusters mit dem erfindungsgemäßen Stromversorgungsgerät aus 1. Auf der horizontalen Achse ist die Zeit in Mikrosekunden aufgetragen. Die vertikale Achse gibt die Spannung des Ausgangsimpulses sowohl in positiver als auch in negativer Richtung wieder. Die Figur zeigt einen ersten positiven Impuls mit Ausgangsspannung V₀₊ und der Impulsdauer T_on+, gefolgt von einer Auszeit T_off+. Dieser Auszeit folgt ein erster negativer Impuls mit der Amplitude V_0– und der Impulsdauer T_on–, gefolgt von der Auszeit T_off–. Die vier Pulszeitparameter T_on+, T_off+, T_on– und T_off– einer Periode sind frei und unabhängig voneinander wählbar, wobei derzeit bei Verwendung herkömmlicher Technik die Summe der Zeiten in einer Periode 8 Mikrosekunden (entsprechend einer Frequenz von maximal 125 kHz) nicht unterschreiten kann.
3 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung hochenergetischer und hochfrequenter Impulsfolgen mit Frequenzen bis in den Megahertz-Bereich. Die Anordnung besteht aus einer Vielzahl von Stromversorgungsgeräten gemäß 1, die in dieser Figur mit den Bezugszeichen ”System 1, System 2 ... System N” bezeichnet sind. Die Ausgänge dieser mehreren, vorzugsweise 2 oder 3 oder bis zu 20 Stromversorgungsgeräte sind parallel geschaltet und auf den Eingang einer Plasmaanlage A geführt. Zur Synchronisation und Ansteuerung der einzelnen Stromerzeugungsgeräte ist eine zentrale Steuerung 10 vorgesehen, die über einen Datenbus mit den Steueranschlüssen der einzelnen Stromversorgungsgeräte verbunden ist. Da in diesem System jedes Stromversorgungsgerät System 1 bis System N eine eigene Kennung bzw. Adresse hat, ist es der zentralen Steuerung 10 möglich, jedes einzelne Stromversorgungsgerät in der Anordnung individuell anzusteuern. Statt einer Adressierbarkeit kann selbstverständlich die Steuerung auch über separate Zuleitungen mit jedem Stromversorgungsgerät einzeln verbunden sein.
Weiterhin sind an dem parallel geschalteten Ausgang vor der Einspeisung in die Anlage A Stromabnehmer 14 vorgesehen, deren Ausgänge mit der zentralen Steuerung 10 verbunden sind, um auf diese Weise eine Rückkopplung zur Regelung der Ansteuerung zu erhalten. Durch diese in 3 gezeigte Anordnung lassen sich die in 4A bis F gezeigten Signalformen erzeugen, wobei die Polarität der Abfolge der einzelnen Impulse als auch deren Amplitude und zeitliche Länge sowie die dazwischen befindlichen Totzeiten separat und individuell einstellbar sind. Es lassen sich auf diese Weise hochenergetische hochfrequente Impulsmuster mit Frequenzen bis in den Megahertz-Bereich erzeugen. Wie z. B. 4B zeigt, können Sinus-Verläufe approximiert werden. Gemäß 4A können Dreieck-Verläufe approximiert werden. 4D zeigt einen approximierten Sägezahnverlauf in bipolarer Abfolge.
Selbstverständlich können die Impulse der unterschiedlichen Stromerzeugungsgeräte System 1 ... System N auch zeitlich überlagert gesendet werden, so dass kurzzeitige Höchstleistungsimpulse allerdings geringerer Frequenz erzielt werden können.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, durch die Anordnung gewünschte Pulsformen durch eine Art Fouriertransformation zu erzeugen, wobei evtl. ein Plasma einer Beschichtungsanlage in eine gewünschte Anregungsform überführt werden kann. Bei der freien Einstellung des Pulsmusters bei N-facher Pulsparallelschaltung von N Stromversorgungsgeräten können durch Zu- oder Wegschalten einzelner Pulsteile gewisse Frequenzspektren additiv überlagert oder ausgeblendet werden.
5 zeigt eine zu 3 weitgehend identische Anlage, wobei identische oder funktionsgleiche Teile mit den selben Bezugszeichen versehen sind. In 5 sind jedoch im Gegensatz zu 3 die Elektroden der einzelnen Stromversorgungsgeräte SYSTEM 1 ... SYSTEM N nicht parallel geschaltet, sondern entsprechend einem vorgegebenen Muster, z. B. kreisförmig, im Behandlungsraum der Plasmaanlage angeordnet. Hierdurch kann nicht nur die Pulsform der eingebrachten Stromimpulse eingestellt werden, sondern auch Einfluss auf die geometrische Entwicklung des Plasmas genommen werden.
Statt einzelner Netzteile G1, G2 können auch Parallel- oder Serienschaltungen von Netzteilen verwendet werden.

Claims

Stromversorgungsgerät zur bipolaren Stromversorgung einer Anlage der Plasma- oder Oberflächentechnik, das mindestens ein regelbares Gleichstromnetzteil (G1, G2) aufweist, dessen positive und negative Ausgänge mit dem Eingang einer Brückenschaltung bestehend aus zwei Serienschaltungen (T1, T4 bzw. T3, T2) von je zwei elektronischen Leistungsschaltern (T1 bis T4) verbunden sind, welche Leistungsschalter steuerseitig mit wenigstens einer Steuersignalaufbereitungseinrichtung und die Brückenschaltung ausgangsseitig jeweils zwischen den Leistungsschaltern der beiden Serienschaltungen mit wenigstens einer Stromerfassungsschaltung zur Steuerung/Regelung der Leistungsschalter und mit der Last der Anlage (A) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Brückenschaltung (T1 bis T4) zwei Gleichstromnetzteile (G1, G2) vorgesehen sind, dass der jeweils positive Ausgang der beiden Gleichstromnetzteile über jeweils eine Serienschaltung jeweils zweier Leistungsschalter (T1 und T4, T2 und T3) mit dem jeweils negativen Ausgang des anderen Gleichstromnetzteils (G2, G1) verbunden ist, dass separate Steuersignalaufbereitungseinrichtungen zur individuellen Regelung der positiven und negativen Ausgangsimpulse vorgesehen sind, die in separaten Regelkreisen zusammengefasst sind, welche von einer Steuerung unabhängig voneinander gesteuert werden.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Leistungsschalter (T1 bis T4) durch MOSFETs gebildet sind.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschalter (T1 bis T4) bipolare Transistoren, IBGTs oder andere schnell schaltende elektronische Leistungshalbleiter sind.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der beiden Gleichstromnetzteile (G1, G2) kapazitiv (C1, C2) stabilisiert ist.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schalter (S1, S2) zum Parallelschalten der Gleichstromnetzteile (G1, G2) vorgesehen sind.
Anordnung mit mehreren Geräten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zentrale Steuerung (10) zur zeitlichen Steuerung bzw. Synchronisation der durch die einzelnen Geräte (SYSTEM 1 ... SYSTEM N) abgegebenen Ausgangsimpulse, wobei die Ausgänge aller Geräte zur Anlage (A) parallel geschaltet sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuerung (10) durch ein Bussystem (12, 13) mit an den Geräten (SYSTEM 1 ... SYSTEM N) vorgesehenen Steuereingängen und vorzugsweise auch einer Stromerfassungsschaltung (14) verbunden ist
Verfahren zur Erzeugung von Ausgangsimpulsen für Anlagen der Plasma- und Oberflächentechnik mit einem Gerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, durch das die Ausgangsimpulse mit frei wählbaren Signalzeiten (Ton+, Toff+, Ton–, Toff–) für die positiven als auch die negativen Ausgangsimpulse und separat wählbaren Amplituden (Vo+, Vo–) für die positiven und negativen Ausgangsimpulse erzeugt werden.
Verfahren zur Erzeugung hochfrequenter Ausgangsimpulse für Anlagen der Plasma- und Oberflächentechnik mit einer Anordnung gemäß Anspruch 6 oder 7, die mehrere, insbesondere zwischen drei und 20 Geräte umfasst, wobei die Geräte durch die zentrale Steuerung (10) zur Erzeugung eines zusammengesetzten Signalmusters angesteuert werden, indem jedes Gerät zur Abgabe von Ausgangsimpulsen veranlasst wird, dessen Impulszeiten höchstens der Gesamtzeit des Signalmusters geteilt durch die Anzahl der Geräte entspricht.