DE10257147A1

DE10257147A1 - Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma

Info

Publication number: DE10257147A1
Application number: DE10257147A
Authority: DE
Inventors: Itsuo Yuzurihara; Masahiro Kikuchi; Toyoaki Suenaga; Yoichi Ishikawa
Original assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-12-07
Also published as: US6777881B2; DE10262286B4; DE10257147B4; JP3641785B2; JP2004080846A; US20040032212A1

Abstract

Eine Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma zum Zuführen einer Hochfrequenzleistung zu einer Plasmaerzeugungsvorrichtung, die eine Last ist, weist folgendes auf: eine DC-Leistungsversorgung; eine Leistungs-Wandlerschaltung, die eine Verstärkerschaltung der D-Klasse mit einer Vielzahl von Umschaltelementen aufweist und die eine DC-Leistungsausgabe der DC-Leistungsversorgung zu einer Hochfrequenzleistung zur Ausgabe umwandelt; und eine Lastimpedanz-Wandlerschaltung, die eine Lastimpedanz zu einer vorbestimmten verzögerten Last umwandelt, wobei die Leistungsversorgungsvorrichtung geeignet ist, die von der Leistungs-Wandlerschaltung ausgegebene Hochfrequenzleistung zu einer Plasmaerzeugungsvorrichtung über die Lastimpedanz-Wandlerschaltung zuzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma.

Eine Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma, die hierin nachfolgend einfach und geeigneterweise "Leistungsversorgung für Plasma" genannt werden kann, ist als Leistungsversorgung bekannt, die in einem Schritt eines Halbleiterherstellungsprozesses, z.B. einem Schritt eines Hochfrequenz-Sputterns, einer Plasma-CVD, eines Plasma-Ätzens, eines Plasma-Veraschens oder von ähnlichem, zu dem Zweck verwendet wird, stabiles Plasma zu erzeugen.

Eine herkömmliche Leistungsversorgung für Plasma hat ein Verstärkungssystem, das einen mehrstufigen linearen Verstärker aufweist, d.h. Verstärker, die in mehreren Stufen verbunden sind, zum Verstärken von minuziösen Oszillationen, die durch einen eingebauten Quarzoszillator erzeugt werden, bis zur schließlichen Ausgabe in einer Reihenfolge. Das Verstärkungssystem, das bei der Leistungsversorgung verwendet wird, wird das lineare Verstärkungssystem genannt, das eine relativ niedrige Effizienz von etwa 50 % hat.

Jedoch kann eine Verwendung eines solchen herkömmlichen Verstärkers mit einer niedrigen Verstärkungseffizienz die Anforderung nach einer großen Ausgabe an Leistungsversorgung für Plasma auf dem Markt nicht erfüllen, weil dies das Volumen und den Leistungsverlust der Leistungsversorgungsvorrichtung sehr groß macht. Aus diesem Grund wird in letzter Zeit hauptsächlich der so genannte Umschaltmode-Verstärker verwendet, der ein Verstärkungssystem mit einer Effizienz hat, die höher als diejenige des herkömmlichen ist, d.h. mehr als 80 %. Der Umschaltmode-Verstärker enthält zwei Verstärkungssysteme, d.h. die so genannte D-Klasse und die so genannte E-Klasse. Für die Leistungsversorgung für Plasma wird allgemein das Verstärkungssystem der E-Klasse verwendet.

17 zeigt einen Schaltungsaufbau eines allgemeinen Verstärkungssystems der E-Klasse. Beim System der E-Klasse sind ein Umschaltelement Q_S und eine Drosselspule RF_C in Bezug auf eine Eingangsspannung V_DD in Reihe geschaltet. Eine Sinuswellenausgabe wird aus der Verbindung zwischen dem Umschaltelement Q_S und der Drosselspule RF_C über einen Reihenresonanzkreis erhalten, der einen Resonanzkondensator Co und einen Resonanzreaktor L₀ aufweist.

Bei dem in 17 gezeigten System der E-Klasse wird der Spitzenwert einer an das Umschaltelement Q_S angelegten Spannung so groß, dass er das Dreifache der Spannung V_DD der Leistungsversorgung selbst in einem eingeschwungenen Zustand der Last übersteigt, weil das Umschaltelement Q_S über die Drosselspule RF_C an die Leistungsversorgung V_DD angeschlossen ist. Weiterhin kann sich bei einer Plasmaerzeugungsvorrichtung, bei welcher es steile Schwankungen bezüglich einer Last gibt, die Last von einem Leerlauf zu einem Kurzschluss und umgekehrt in kurzer Zeit ändern, und zwar bei einem Übergangsphänomen, so dass in Abhängigkeit von der Änderung der Zustände oft eine sehr große Spannung an das Umschaltelement Q_S angelegt werden kann. Es gibt ein derartiges Problem, dass das Umschaltelement Q_S in einem Moment zerstört werden kann, in welchem die an das Umschaltelement Q_S angelegte Spannung die zulässige Spannung einmal übersteigt.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht im Realisieren einer Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas, die eine hohe Effizienz hat und die das Umschaltelement vor steilen Übergangsschwankungen schützen kann, die einer Plasmalast eigen sind.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas zum Zuführen einer Hochfrequenzleistung zu einer Plasmaerzeugungsvorrichtung, die eine Last ist, folgendes auf:
eine DC- bzw. Gleichstrom-Leistungsversorgung (beispielsweise eine variable DC-Leistungsversorgung 10 in 1);
eine Leistungs-Wandlerschaltung (beispielsweise die Verstärkerschaltungen 20 in 1), die eine Verstärkerschaltung der D-Klasse mit einer Vielzahl von Umschaltelementen aufweist und die eine DC-Leistungsausgabe der DC-Leistungsversorgung in eine Hochfrequenzleistung zur Ausgabe umwandelt; und
eine Lastimpedanz-Wandlerschaltung (beispielsweise eine Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30 in 1), die eine Lastimpedanz in eine vorbestimmte verzögerte Last umwandelt,
wobei die Leistungsversorgungsvorrichtung dazu geeignet ist, die Hochfrequenzleistungsausgabe von der Leistungswandlerschaltung über die Lastimpedanz-Wandlerschaltung zu einer Plasmaerzeugungsvorrichtung zuzuführen.

Gemäß der Leistungsversorgungsvorrichtung der Erfindung ist es deshalb, weil die Leistungs-Wandlerschaltung eine Verstärkerschaltung der D-Klasse mit einer Vielzahl von Umschaltelementen aufweist und eine DC-Leistungsausgabe der DC-Leistungsversorgung in eine Hochfrequenzleistung zur Ausgabe umwandelt, möglich, die an jedes Umschaltelement angelegte Spannung bis zu der Spannung zu unterdrücken, die maximal durch die DC-Leistungsversorgung zugeführt wird. Demgemäß ist es selbst dann, wenn die Leistungsversorgungsvorrichtung für eine Plasmaerzeugungsvorrichtung verwendet wird, bei welcher es steile Schwankungen bezüglich einer Last bei einem Übergangsphänomen gibt, möglich, eine Zerstörung des Umschaltelements in der Leistungsversorgungsvorrichtung zu verhindern.

Weiterhin wird deshalb, weil die Lastimpedanz zu einer vorbestimmten verzögerten Last in Bezug auf die Leistungs-Wandlerschaltung durch die Lastimpedanz-Wandlerschaltung umgewandelt wird, der Laststrom auch bezüglich einer Phase verzögert. Als Ergebnis ist es möglich, den Verlust in der Schaltung zu reduzieren, der durch Umschaltoperationen auftreten kann, und eine Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas mit einer hohen Effizienz zu realisieren.

Genauer gesagt wird der Laststrom bezüglich einer Phase in Bezug auf die Leistungs-Wandlerschaltung so verzögert, dass die Richtung des Laststroms nach einem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit geändert wird, nachdem die Halbleiterschalter einschalten, wie beispielsweise einer Zeit, die länger als eine der Wiedergewinnungszeit für die parasitären Dioden der Halbleiterschalter ist. Dadurch ist es möglich, zu verhindern, dass ein Kurzschlussstrom durch die Verstärkerschaltung fließt, und daher ist es möglich, den Verlust zu reduzieren, der durch Schaltoperationen erfolgen kann.

Vorzugsweise weist die Leistungs-Wandlerschaltung eine Vollbrücken-Inverterschaltung auf, bei welcher die Vielzahl von Umschaltelementen in einer Brückenschaltung vorgesehen ist.

Die oben beschriebene vorbestimmte verzögerte Last veranlasst vorzugsweise eine Phase einer Laststromverzögerung so, dass eine Richtung des Laststroms nach einem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit umgekehrt wird, seit eines der Umschaltelemente einschaltet.

Die vorbestimmte Zeit kann länger als eine Zeit sein, die einer Erholungszeit für parasitäre Dioden von dem einen der Umschaltelemente entspricht.

Die Lastimpedanz-Wandlerschaltung kann eine Reaktanz Xs aufweisen, die zu einem ihrer Eingangsanschlüsse in Reihe geschaltet ist, und eine Reaktanz Xp, die zu den Eingangsanschlüssen parallel geschaltet ist, wobei jede der Reaktanzen Xs und Xp eine Spule oder einen Kondensator aufweist, um die Phase eines verzögerten Laststroms zu bestimmen.

Vorzugsweise weist die Leistungsversorgungsvorrichtung weiterhin folgendes auf: eine Zusammensetzungsschaltung zum Zusammensetzen von Ausgaben der Vielzahl von Verstärkerschaltungen, die über die Lastimpedanz-Wandlerschaltung versorgt werden, um eine Hochfrequenzleistung mit einer hohen Spannung zu erzeugen; eine Filterschaltung zum Abschneiden bzw. Begrenzen harmonischer Komponenten einer Ausgabe der Zusammensetzungsschaltung; einen Leistungssensor zum Erfassen einer Ausgangsleistung der Filterschaltung; und eine Steuerschaltung zum Steuern eines Leistungsumwandlungsbetriebs der DC-Leistungsversorgung auf der Basis eines erfassten Werts des Leistungssensors.

Vorzugsweise weist jede der Verstärkerschaltungen der D-Klasse folgendes auf: einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Halbleiterschalter, die in einer Brückenschaltung verbunden sind; und einen Transformator, wobei ein Anschluss einer Primärwicklung des Transformators an eine Verbindungsstelle des ersten und des zweiten Halbleiterschalters angeschlossen ist und der andere Anschluss der Primärwicklung an eine Verbindungsstelle des dritten und des vierten Halbleiterschalters angeschlossen ist.

Der erste, der zweite, der dritte und der vierte Halbleiterschalter haben jeweils eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte parasitäre Diode; und die vorbestimmte verzögerte Last lässt zu, dass die Verstärkerschaltung von der ersten und der vierten parasitären Diode, die EIN-geschaltet sind, zu dem ersten und dem vierten Halbleiterschalter, die EIN-geschaltet sind, überträgt bzw. transferiert, so dass weder ein übermäßiger Strom noch eine übermäßige Spannung im zweiten und im dritten Halbleiterschalter und in der zweiten und der drittenparasitären Diode erzeugt wird, und von der zweiten und der dritten parasitären Diode, die EIN-geschaltet sind, zum zweiten und zum dritten Halbleiterschalter, die EIN-geschaltet sind, überträgt bzw. transferiert, so dass weder ein übermäßiger Strom noch eine übermäßige Spannung im ersten und im vierten Halbleiterschalter und in der ersten und der vierten parasitären Diode erzeugt wird.

Die vorliegende Erfindung wird vollständiger aus der hierin nachfolgend angegebenen detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nur anhand einer Darstellung angegeben sind und somit nicht als Definition der Beschränkungen der vorliegenden Erfindung dienen sollen, vollständiger verstanden werden, wobei:
1 ein Blockdiagramm ist, das einen schematischen Aufbau der Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2 ein Blockdiagramm ist, das einen schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Verstärkers zeigt;
3 ein Blockdiagramm ist, das ein Ersatzschaltbild der Lastimpedanz-Wandlerschaltung zeigt;
4 ein Blockdiagramm ist, das ein Ersatzschaltbild der in 1 gezeigten Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma zeigt;
5A-5C Zeitdiagramme sind, die den Betrieb der in 4 gezeigten Verstärkerschaltung zeigen;
6 ein Schaltungsdiagramm ist, das ein Beispiel eines Strompfads in einem Verstärker zeigt;
7 ein Schaltungsdiagramm ist, das ein Beispiel eines Strompfads in einem Verstärker zeigt;
8 ein Schaltungsdiagramm ist, das ein Beispiel eines Strompfads in einem Verstärker zeigt;
9 ein Schaltungsdiagramm ist, das ein Beispiel eines Strompfads in einem Verstärker zeigt;
10A–10C Zeitdiagramme sind, die den Betreib der Verstärkerschaltung in einem Fall einer führenden Last zeigen;
11 ein Schaltungsdiagramm ist, das ein Beispiel eines Strompfads in einem Verstärker zeigt;
12 ein Schaltungsdiagramm ist, das ein Beispiel eines Strompfads in einem Verstärker zeigt;
13 ein Schaltungsdiagramm ist, das ein Beispiel eines Strompfads in einem Verstärker zeigt;
14 ein Schaltungsdiagramm ist, das ein Beispiel eines Strompfads in einem Verstärker zeigt;
15 ein Schaltungsdiagramm ist, das ein Beispiel eines Strompfads in einem Verstärker zeigt;
16 ein Schaltungsdiagramm ist, das ein Beispiel eines Strompfads in einem Verstärker zeigt; und
17 ein Schaltungsdiagramm ist, das einen Grundaufbau eines Verstärkers der E-Klasse zeigt.
Nun wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt.
1 ist ein Blockdiagramm, das einen schematischen Aufbau der Leistungsversorgungsvorrichtung 1 zum Erzeugen von Plasma gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Die Leistungsversorgungsvorrichtung 1 für Plasma wandelt beispielsweise eine Dreiphasen-Wechselstromleistung, die von der kommerziellen Frequenzleistungsversorgung zugeführt wird, in eine Hochfrequenzleistung, z.B. eine Funkfrequenzleistung, mit einer vorbestimmten Spannung um und führt sie zu einer Plasmaerzeugungsvorrichtung 2, die eine Last ist. Wenn die Vorrichtung 2 von der Seite der Leistungsversorgungsvorrichtung 1 angeschaut wird, ist die Plasmaerzeugungsvorrichtung 2 mit einer Last eines reinen Widerstands von 50 Ω an die Leistungsversorgungsvorrichtung 1 durch ein Anpasselement (nicht gezeigt) angepasst.
Die Leistungsversorgungsvorrichtung 1 weist eine variable DC-Leistungsversorgungseinheit 10, eine Vielzahl von Hochfrequenz-Verstärkerschaltungen, z.B. Funkfrequenz-Verstärkerschaltungen 20, die hierin nachfolgend einfach "Verstärkerschaltungen" genannt werden, eine Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30, eine Zusammensetzungsschaltung 40, eine Filterschaltung 50, einen Leistungssensor 60 und eine Steuerschaltung 70 auf.
Die variable DC-Leistungsversorgungseinheit 10 betätigt einen Wandler, der eine eingegebene AC-Leistung in eine DC-Leistung zur Ausgabe umwandelt. Der Betrieb der Leistungsumwandlung wird durch die Steuerschaltung 70 gesteuert.
Die Verstärkerschaltungen 20 sind die so genannten Verstärker der Klasse D, die Umschaltelemente (Q1 und Q2; oder Q3 und Q4) enthalten, die zueinander in Reihe geschaltet sind. Die Verstärkerschaltungen 20 wandeln die von der Variablen DC-Leistungsversorgungseinheit 10 zugeführte DC-Leistung in eine Hochfrequenzleistung, z.B. eine Funkfrequenzleistung, zur Ausgabe um.
Der Aufbau der Verstärkerschaltung 20 ist in 2 gezeigt. Die Verstärkerschaltung 20 weist vier Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3 und Q4 auf, die in Brückenschaltung verbunden sind, und einen Transformator 21.
Jeder der vier Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3 und Q4 ist ein MOS-FET. Ein Ein- oder Aus-Zustand zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss jedes Halbleiterschalters Q1, Q2, Q3 oder Q4, d.h. ein Ein- oder Aus-Zustand jedes Halbleiterschalters, wird durch ein Spannungssignal, d.h. ein Gate-Signal, gesteuert, das von einer jeweiligen Treiberschaltung in einen jeweiligen Gateanschluss eingegeben wird.
Der Sourceanschluss des Halbleiterschalters Q1 ist mit dem Drainanschluss des Halbleiterschalters Q2 verbunden und der Sourceanschluss des Halbleiterschalters Q3 ist mit dem Drainanschluss des Halbleiterschalters Q4 verbunden. Die Drainanschlüsse der Halbleiterschalter Q1 und Q3 sind miteinander verbunden und die Sourceanschlüsse der Halbleiterschalter Q2 und Q4 sind miteinander verbunden.
Ein Anschluss der Primärwicklung, welche später beschrieben wird, des Transformators 21 ist an die Verbindungsstelle der Halbleiterschalter Q1 und Q2 angeschlossen, und der andere Anschluss der Primärwicklung ist an die Verbindungsstelle der Halbleiterschalter Q3 und Q4 angeschlossen.
Die Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3 und Q4 wandeln eine eingegebene DC-Leistung in eine Hochfrequenz, z.B. eine Funkfrequenz bzw. Radiofrequenz, um, und zwar im Wesentlichen einen sinusförmigen Strom durch ein erstes Paar von Halbleiterschaltern Q1 und Q4 und ein zweites Paar von Halbleiterschaltern Q2 und Q3, wobei das erste und das zweite Paar abwechselnd und wiederholt ein- und ausgeschaltet werden.
Das bedeutet, dass die Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3 und Q4 die so genannte Verstärkerschaltung der Klasse D bilden und die von der variablen DC-Leistungsversorgungseinheit 10 zugeführte DC-Leistung in eine Hochfrequenzleistung zur Ausgabe umwandeln und als Vollbrückeninverter zum Ausgeben der umgewandelten Hochfrequenzleistung in die primäre Seite des Transformators 21 fungieren.
Die Dioden D1, D2, D3 und D4, die zu den Halbleiterschaltern Q1, Q2, Q3 und Q4 nicht parallel geschaltet sind, sind jeweils parasitäre Dioden der Halbleiterschaltung Q1, Q2, Q3 und Q4.
Der Transformator 21 weist eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung auf, die miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind. Ein Ende der Primärwicklung ist an die Verbindungsstelle der Halbleiterschaltung Q1 und Q2 angeschlossen und das andere Ende ist an die Verbindungsstelle der Halbleiterschaltung Q3 und Q4 angeschlossen. Der Transformator 21 transformiert die zwischen den beiden Enden der Primärwicklung angelegte Spannung gemäß dem Windungsverhältnis der Wicklungen zum Erzeugen einer transformierten Spannung zwischen den beiden Enden der Sekundärwicklung.
In 1 dient die Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30 zum Veranlassen, dass die Plasmaerzeugungsvorrichtung 2, die eine Last ist, eine verzögerte Last in Bezug auf die Verstärkerschaltungen 20 ist. Ein Ersatzschaltbild für die Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30 ist in 3 gezeigt.
In 3 ist ein Ersatzschaltbild für die Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30, die an den letzteren Teil einer Verstärkerschaltung 20 angeschlossen ist, dargestellt.
Die Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30 kann als die Ersatzschaltung ausgedrückt werden, die eine Reaktanz Xs aufweist, die zu einem der Eingangsanschlüsse in Reihe geschaltet ist, und eine Reaktanz Xp, die zu den Eingangsanschlüssen parallel geschaltet ist. Jede der Reaktanzen Xs und Xp kann aus einer Spule, einem Kondensator oder ähnlichem aufgebaut sein. Die Reaktanzen Xs und Xp können die Lastimpedanz der Plasmaerzeugungsvorrichtung 2, wenn sie von der Seite der Verstärkerschaltungen 20 gesehen wird, in "eine verzögerte Last" umwandeln, indem die Werte der Reaktanzen Xs und Xp geeignet ausgewählt werden. Das bedeutet, dass die Last, wenn sie von der Seite der Verstärkerschaltungen 20 gesehen wird, durch die Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30 auf äquivalente Weise als "eine verzögerte Last" bestimmt werden kann.
In 1 setzt die Zusammensetzungsschaltung 40 die Ausgaben der Vielzahl von Verstärkerschaltungen 20 über die Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30 zusammen, um eine Hochfrequenzleistung mit einer Spannung zu erzeugen, die höher als diejenige der Ausgabe jeder Verstärkerschaltung 20 ist.
Die Filterschaltung 50 weist beispielsweise eine Spule und einen Kondensator auf, um harmonische Komponenten, die ein Rauschen erzeugen, von der Ausgabe der Zusammensetzungsschaltung 40 abzuschneiden.
Der Leistungssensor 60 erfasst die Ausgangsleistung der Filterschaltung 50 und gibt den erfassten Wert zur Steuerschaltung 70 aus.
Die Steuerschaltung 70 führt die so genannte Rückkopplung, d.h. eine Steuerung des Leistungsumwandlungsbetriebs der variablen DC-Leistungsversorgungseinheit 10, auf der Basis des erfassten Werts des Leistungssensors 60 durch.
Als nächstes wird der Betrieb der Leistungsversorgungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung erklärt. Die Erklärung wird unter Bezugnahme auf 4 durchgeführt, die die Leistungsversorgungsvorrichtung 1 zum Erzeugen von Plasma schematisch zeigt, um die Erklärung einfach und verständlich zu machen.
In 4, die die Leistungsversorgungsvorrichtung 1 zeigt, ist eine Vielzahl von Verstärkerschaltungen weggelassen und ist nur eine Verstärkerschaltung 20 gezeichnet, und sind die Zusammensetzungsschaltung 40, die Filterschaltung 50 und der Leistungssensor 60 auch weggelassen. Weiterhin ist eine konstante Spannung einer DC-Leistungsversorgung V_DD anstelle der variablen DC-Leistungsversorgungseinheit 10 gezeigt, und eine Last 3, die über die Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30 in "eine verzögerte Last" umgewandelt wurde, anstelle der Plasmaerzeugungsvorrichtung 2, wenn sie von der Seite der Verstärkerschaltungen 20 aus gesehen wird.
Die 5A-5C sind Zeitdiagramme, die den Betrieb der in 4 gezeigten Verstärkerschaltung 20 zeigen. 5A zeigt einen EIN- und AUS-Zustand der Halbleiterschaltungen Q1 und Q4 und 5B zeigt einen EIN- und AUS-Zustand der Halbleiterschalter Q2 und Q3 und 5 zeigt den Strom, der zur Primärseite bzw. Primärwicklung des Transformators 21 fließt. Die Abszissenachse zeigt gemeinsam die Zeit t. Die Zeitintervalle I-IV entsprechen einer Betriebsperiode der Verstärkerschaltung 20.
In 5C zeigt der obere Teil in Bezug auf die zentrale laterale Linie den Strom, der in der Primärwicklung des Transformators 21 von "A" zu "B" fließt (in der Richtung nach unten in 4), was hierin nachfolgend "A-zu-B-Richtung" genannt werden kann, und zeigt der untere Teil in Bezug auf die zentrale laterale Linie den Strom, der von "B" zu "A" fließt (in der Richtung nach unten in 4), was hierin nachfolgend "B-zu-A-Richtung" genannt werden kann.
In 5C zeigt die durchgezogene Linie den Strom, der in die Verstärkerschaltung 20 fließt, und zeigt die gestrichelte Linie den Strom, der in die Verstärkerschaltung 20 fließt, wenn keine Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30 vorgesehen ist, d.h. wenn die Last 3, die von den (in Bezug auf die) Verstärkerschaltungen 20 gesehen wird, eine Last von nur einem Widerstand ist. Das bedeutet, dass deshalb, weil die Last 3, die von den Verstärkerschaltungen 20 gesehen wird, "eine verzögerte Last" ist, die Phase des Stroms, der zur Primärwicklung des Transformators 21 fließt, zum EIN/AUS-Zustand der Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3 und Q4 verzögert wird.
Die verzögerte Phase des Stroms hängt von der Schaltungskonstanten der Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30 ab, d.h. den Werten der Reaktanzen Xs und Xp. Der Wert davon wird so bestimmt, dass die Richtung des Stroms nach einem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit seit dem Einschalten der Halbleiterschalter geändert wird, insbesondere einer Zeit entsprechend der Stabilisierungs- bzw. Erholungszeit für Dioden, wie es später beschrieben wird.
Intervall I:
In den 5A und 5B ist jeder der Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3 und Q4 im Intervall I AUS-geschaltet. Während des Intervalls fließt der Strom in der Primärwicklung des Transformators in der B-zu-A-Richtung und sind die Dioden D1 und D4 EIN-geschaltet, wie es in 6 gezeigt ist.
Intervall II:
Im Intervall II wird, obwohl die Halbleiterschalter Q1 und Q4 EIN-geschaltet sind, der Strom, der in der Primärwicklung des Transformators 21 fließt, verzögert, um die Richtung zu ändern, weil die Last 3, die von den Verstärkerschaltungen 20 gesehen wird, "eine verzögerte Last" ist.
Während eines Beginnens des Intervalls II fährt der Strom fort, in der B-zu-A-Richtung zu fließen, während der Zustand genau zuvor beibehalten wird, wie der Zustand, der in 6 gezeigt ist, und die Dioden D1 und D4 EIN-geschaltet sind. Danach fließt, obwohl die Flussrichtung des Stroms geändert wird, weil die Halbleiterschalter Q1 und Q4 EIN-geschaltet sind, der Strom in der Primärwicklung des Transformators in der A-zu-B-Richtung, wie es in 7 gezeigt ist.
Wie es oben beschrieben ist, wird deshalb, weil die Last 3" eine verzögerte Last" in Bezug auf die Verstärkerschaltungen 20 ist, die Flussrichtung des Stroms verzögert, nachdem die Halbleiterschalter Q1 und Q4 EIN-geschaltet werden, und dann wird seine Richtung geändert. Somit wird der Zustand der Verstärkerschaltungen 20 von den Dioden D1 und D4, die EIN-geschaltet sind, zu den Halbleiterschaltern Q1 und Q4, die EIN-geschaltet sind, transferiert. Als Ergebnis wird weder ein übermäßiger Strom noch eine übermäßige Spannung in den Halbleiterschaltern Q2 und Q3 und in den Dioden D2 und D3 erzeugt.
Intervall III:
Im darauf folgenden Intervall III fährt der Strom dann, wenn die Halbleiterschalter Q1 und Q4 AUS-geschaltet werden, damit fort, in der A-zu-B-Richtung zu fließen, während der Zustand genau zuvor beibehalten wird, wie es in 8 gezeigt ist, und die Dioden D2 und D3 EIN-geschaltet sind.
Intervall IV:
Im Intervall IV wird, obwohl die Halbleiterschalter Q2 und Q3 EIN-geschaltet sind, der Strom, der in der Primärwicklung des Transformators 21 fließt, verzögert, um die Richtung zu ändern, weil die Last 3 "eine verzögerte Last" in Bezug auf die Verstärkerschaltung 20 ist.
Während eines Beginnens des Intervalls IV fährt der Strom damit fort, in der A-zu-B-Richtung zu fließen, während der Zustand genau zuvor beibehalten wird, wie der Zustand, der in 8 gezeigt ist, und die Dioden D2 und D3 EIN-geschaltet sind. Danach fließt, obwohl die Flussrichtung des Stroms geändert wird, weil die Halbleiterschalter Q2 und Q3 EIN-geschaltet sind, der Strom in der Primärwicklung des Transformators in der B-zu-A-Richtung, wie es in 9 gezeigt ist.
Wie es oben beschrieben ist, wird deshalb, weil die Last 3, die von den Verstärkerschaltern 20 gesehen wird, "eine verzögerte Last" ist, die Flussrichtung des Stroms verzögert, nachdem die Halbleiterschalter Q2 und Q3 EIN-geschaltet sind, und dann wird seine Richtung geändert. Somit wird der Zustand der Verstärkerschaltungen 20 von den Dioden D2 und D3 die EIN-geschaltet sind, zu den Halbleiterschaltern Q2 und Q3, die EIN-geschaltet sind, transferiert. Als Ergebnis wird weder ein übermäßiger Strom noch eine übermäßige Spannung in den Halbleiterschaltern Q1 und Q4 und in den Dioden D1 und D4 erzeugt.
Wenn die Halbleiterschalter Q2 und Q3 am Ende des Intervalls IV AUS-geschaltet werden, wird eine Betriebsperiode der Verstärkerschaltungen 20 beendet. Danach werden gleiche Operationen vom Intervall I bis zum Intervall IV wiederholt.
Wie es oben beschrieben ist, fungieren die Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3 und Q4, die die Verstärkerschaltung 20 bilden, als Vollbrückeninverter und bilden auch eine Verstärkerschaltung der D-Klasse. Als Ergebnis wird weder ein übermäßiger Strom noch eine übermäßige Spannung in den Halbleiterschaltern Q1, Q2, Q3 und Q4 erzeugt, und daher wird eine Spannung, die nicht größer als eine DC-Leistungsversorgung V_DD ist, zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss jedes Halbleiterschalters angelegt. Daher wird selbst dann, wenn steile Übergangsschwankungen bezüglich einer Last, die einer Plasmaerzeugungsvorrichtung eigen sind, erzeugt werden, keine übermäßige Spannung in den Halbleiterschaltern Q1, Q2, Q3 und Q4 erzeugt. Demgemäß ist es möglich, eine Zerstörung dieser Halbleiterschalter zu verhindern.
Ein Umwandeln der Last 3, die von der Verstärkerschaltung 20 gesehen wird, in "eine verzögerte Last" über die Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30, d.h. ein Veranlassen, dass die Phase des Stroms zu einer verzögerten Phase wird, ermöglicht eine Reduzierung des Umschaltverlustes der Schaltung und eine Realisierung einer hohen Effizienz.
Die Verstärkerschaltung 20 kann bei einer erwünschten Frequenz betrieben werden, weil sie keinerlei Element hat, das von der Betriebsfrequenz abhängt. Das bedeutet, dass die Verstärkerschaltung 20 bei einer erwünschten Frequenz betrieben werden kann, indem das Treibersignal, d.h. ein Gate-Signal, der Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3 und Q4 geändert wird. Daher ist zum Ausführen eines Betriebs davon bei einer anderen Frequenz für eine gesamte Leistungsversorgungsvorrichtung 1 für Plasma nur ein Ändern der Schaltungskonstanten der Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30 und der Filterschaltung 50 erforderlich, ohne andere Schaltungselemente zu ändern.
Als nächstes wird der Betrieb der Leistungsversorgungsvorrichtung 1 für Plasma in einem derartigen Fall erklärt, dass die Last 3, die von der Verstärkerschaltung 20 gesehen wird, eine führende bzw. voreilende Last wäre.
Die 10A–10C sind Zeitdiagramme, die den Betrieb der Verstärkerschaltung 20 in einem Fall zeigen, dass die Last 3 eine "führende bzw. voreilende Last" ist. 10A zeigt einen EIN- und AUS-Zustand der Halbleiterschalter Q1 und Q4 und 10B zeigt einen EIN- und AUS-Zustand der Halbleiterschalter Q2 und Q3 und 10C zeigt den Strom I, der durch die Primärwicklung des Transformators 21 fließt. Die Abszissenachse zeigt gemeinsam die Zeit t. Die Zeitintervalle I-IV entsprechen einer Betriebsperiode der Verstärkerschaltung 20, wie im Fall der 5A und 5C.
In 10C zeigt die gestrichelte Linie den Strom, wenn keine Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30 vorgesehen ist, wie im Fall der 5C. Das bedeutet, dass deshalb, weil die Last 3" eine führende Last" in Bezug auf die Verstärkerschaltungen 20 ist, die Phase des Stroms, der zur Primärwicklung des Transformators 21 fließt, zum EIN/AUS-Zustand der Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3 und Q4 führt.
Intervall I:
In den 10A und 10B ist jeder der Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3 und Q4 im Intervall I AUS-geschaltet. Während des Intervalls fließt der Strom in der Primärwicklung des Transformators in der A-zu-B-Richtung und sind die Dioden D2 und D3 EIN-geschaltet, wie es in 11 gezeigt ist.
Intervall II:
Im Intervall II werden, obwohl die Halbleiterschalter Q1 und Q4 EIN-geschaltet werden, die Dioden D2 und D3 nicht sofort genau dann AUS-geschaltet, nachdem die Halbleiterschalter EIN-geschaltet wurden, und zwar aufgrund der Erholungs-(Umkehrerholungs- bzw. Sperrverzögerungs-)Kennlinien davon. Folglich werden der Halbleiterschalter Q1 und die Dioden D3 jeweils mit den Dioden D2 und dem Halbleiterschalter Q4 kurzgeschlossen, was in Verlusten resultiert, weil ein Kurzschlussstrom durch sie fließt, wie es in 12 gezeigt ist.
Wenn eine Zeitperiode entsprechend der Erholungs-(Umkehrerholungs-)Zeit der Dioden D2 und D3 verstrichen ist, werden diese Dioden AUS-geschaltet, so dass der Strom in der A-zu-B-Richtung fließt, und werden die Halbleiterschalter Q1 und Q4 EIN-geschaltet, wie es in 13 gezeigt ist.
Am Ende des Intervalls II wird deshalb, weil die Last 3"eine führende bzw. voreilende Last" in Bezug auf die Verstärkerschaltungen 20 ist, die Flussrichtung des Stroms zur B-zu-A-Richtung geschaltet und werden die Halbleiterschalter Q1 und Q4 EIN-geschaltet und werden auch die Dioden D1 und D4 EIN-geschaltet.
Intervall III:
Im darauf folgenden Intervall III fährt der Strom dann, wenn die Halbleiterschalter Q1 und Q4 AUS-geschaltet werden, damit fort, in der B-zu-A-Richtung zu fließen, während der Zustand genau zuvor beibehalten wird, wie es in 14 gezeigt ist, und werden die Dioden D1 und D4 EIN-geschaltet.
Intervall IV:
Im Intervall IV werden, obwohl die Halbleiterschalter Q2 und Q3 EIN-geschaltet werden, die Dioden D1 und D4 nicht sofort genau dann AUS-geschaltet, nachdem die Halbleiterschalter EIN-geschaltet wurden, und zwar aufgrund der Stabilisierungs- bzw. Erholungskennlinien davon. Folglich werden die Diode D1 und der Halbleiterschalter Q3 jeweils mit dem Halbleiterschalter Q2 und der Diode D4 kurzgeschlossen, was in Verlusten resultiert, weil ein Kurzschlussstrom durch sie fließt, wie es in 15 gezeigt ist.
Wenn eine Zeitperiode entsprechend der Erholungszeit der Diode D1 und D4 verstrichen ist, werden diese Dioden AUS- geschaltet, so dass der Strom in der B-zu-A-Richtung fließt, und werden die Halbleiterschalter Q2 und Q3 EIN-geschaltet, wie es in 16 gezeigt ist.
Am Ende des Intervalls IV wird deshalb, weil die Last 3"eine führende bzw. voreilende Last" in Bezug auf die Verstärkerschaltungen 20 ist, die Flussrichtung des Stroms zu der A-zu-B-Richtung geschaltet und werden die Halbleiterschalter Q2 und Q3 EIN-geschaltet und werden auf die Dioden D2 und D3 EIN-geschaltet.
Wenn die Halbleiterschalter Q2 und Q3 AUS-geschaltet werden, ist eine Betriebsperiode der Verstärkerschaltungen 20 beendet. Darauf folgend werden gleiche Operationen ab dem Intervall I bis zum Intervall IV wiederholt.
Wie es oben beschrieben ist, werden in einem Fall, in welchem die Phase eines Stroms in eine führende bzw. voreilende Phase gelangt, die parasitären Dioden nicht sofort dann AUS-geschaltet, wenn die Umschaltelemente EIN-geschaltet wurden, und zwar aufgrund ihrer Erholungskennlinien. Als Ergebnis wird jede der parasitären Dioden zum Halbleiterschalter kurzgeschlossen, der in Reihe zu der parasitären Diode geschaltet ist, und zwar bei jedem EIN/AUS-Zustand der Umschaltelemente, um in erhöhten Verlusten der Schaltung zu resultieren. Das bedeutet, dass die Verluste von der Umschaltfrequenz der Schaltung abhängen. Insbesondere werden die Verluste in einer Funkfrequenz-Leistungsversorgungsvorrichtung, wie beispielsweise einer Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma, sehr erhöht.
Selbst wenn die Last 3 dieselbe Phase hat, d.h. selbst dann, wenn keine Lastimpedanz-Wandlerschaltung 30 vorgesehen ist, und die Last 3 eine Plasmaerzeugungsvorrichtung 2a ist, die eine Last von nur einem Widerstand ist, bringt sie ähnliche Ergebnisse hervor. Beispielsweise fließt im Intervall II dann, wenn die Halbleiterschalter Q1 und Q4 EIN-geschaltet werden, der Strom in der A-zu-B-Richtung, wie es in 10C durch die gestrichelte Linie gezeigt ist. Demgemäß fließt ein durch die Erholungskennlinien der Dioden D2 und D3 verursachter Kurzschlussstrom, wie beim Fall der 12, um darin zu resultieren, dass Verluste in der Schaltung auftreten.
Gegensätzlich dazu fließt der Strom dann, wenn die Last 3" eine verzögerte Last" in Bezug auf die Verstärkerschaltungen 20 ist, d.h. wenn die Phase des Stroms verzögert ist, wie es oben beschrieben ist, wie beispielsweise im Intervall II, wenn die Halbleiterschalter Q1 und Q4 EIN-geschaltet werden, in der B-zu-A-Richtung, wie es in 5C gezeigt ist. Das bedeutet, dass die Schaltung ruhig bzw. glatt vom EIN-Zustand der Dioden D1 und D4 zum EIN-Zustand der Halbleiterschalter Q1 und Q4 transferiert wird, und kein Kurzschlussstrom fließt. Demgemäß ist es möglich, durch ein EIN/AUS-Schalten der Umschaltelemente verursachte Verluste zu reduzieren und eine hohe Effizienz zu realisieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas zu realisieren, die eine hohe Effizienz hat und die das Umschaltelement vor steilen Übergangsschwankungen der Plasmalast schützen kann.
Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. Tokugan hei-11-368199, die am 24. Dezember 1999 eingereicht ist, einschließlich der Beschreibung, der Ansprüche, der Zeichnungen und der Zusammenfassung, ist hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit enthalten.

Claims

Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma zum Zuführen von Hochfrequenzleistung zu einer Plasmaerzeugungsvorrichtung, die eine Last ist, welche Leistungsversorgungsvorrichtung folgendes aufweist: eine DC- bzw. Gleichstrom-Leistungsversorgung; eine Leistungs-Wandlerschaltung, die eine Verstärkerschaltung der D-Klasse mit einer Vielzahl von Umschaltelementen aufweist und die eine DC-Leistungsausgabe der DC-Leistungsversorgung zu einer Hochfrequenzleistung zur Ausgabe umwandelt; und eine Lastimpedanz-Wandlerschaltung, die eine Lastimpedanz in einer vorbestimmten verzögerten Last umwandelt, wobei die Leistungsversorgungsvorrichtung dazu geeignet ist, die Hochfrequenzleistungsausgabe von der Leistungs-Wandlerschaltung zu einer Plasmaerzeugungsvorrichtung durch die Lastimpedanz-Wandlerschaltung zuzuführen.
Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma nach Anspruch 1, wobei die Leistungs-Wandlerschaltung eine Vollbrücken-Inverterschaltung aufweist, bei welcher die Vielzahl von Umschaltelementen in einer Brückenschaltung verbunden sind.
Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte verzögerte Last eine Phase eines Laststroms veranlasst, zu verzögern, so dass eine Richtung des Laststroms nach einem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit seit einem Einschalten der Umschaltelemente umgekehrt wird.
Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma nach Anspruch 3, wobei die vorbestimmte Zeit länger als eine Zeit ist, die einer Erholungszeit für parasitäre Dioden an einem Ende der Umschaltelemente entspricht.
Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma nach Anspruch 3, wobei die Lastimpedanz-Wandlerschaltung eine Reaktanz Xs aufweist, die zu einem ihrer Eingangsanschlüsse in Reihe geschaltet ist, und eine Reaktanz Xp, die zu den Eingangsanschlüssen parallel geschaltet ist, wobei jede der Reaktanzen Xs und Xp eine Spule oder einen Kondensator aufweist, um die Phase eines verzögerten Laststroms zu bestimmten.
Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma nach Anspruch 1, die weiterhin folgendes aufweist: eine Zusammensetzungsschaltung zum Zusammensetzen von Ausgaben der Vielzahl von Verstärkerschaltungen, die durch die Lastimpedanz-Wandlerschaltung versorgt werden, um eine Hochfrequenzleistung mit einer hohen Spannung zu erzeugen; eine Filterschaltung zum Abschneiden harmonischer Komponenten von einer Ausgabe der Zusammensetzungsschaltung; einen Leistungssensor zum Erfassen einer Ausgangsleistung der Filterschaltung; und eine Steuerschaltung zum Steuern eines Leistungsumwandlungsbetriebs der DC-Leistungsversorgung auf der Basis eines erfassten Werts des Leistungssensors.
Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma nach Anspruch 1, wobei jede der Verstärkerschaltungen der D-Klasse folgendes aufweist: einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Halbleiterschalter, die in einer Brückenschaltung verbunden sind; und einen Transformator, wobei ein Anschluss einer Primärwicklung des Transformators an eine Verbindungsstelle des ersten und des zweiten Halbleiterschalters angeschlossen ist, und wobei der andere Anschluss der Primärwicklung an eine Verbindungsstelle des dritten und des vierten Halbleiterschalters angeschlossen ist.
Leistungsversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Plasma nach Anspruch 7, wobei der erste, der zweite, der dritte und der vierte Halbleiterschalter jeweils eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte parasitäre Diode haben; und die vorbestimmte verzögerte Last zulässt, dass die Verstärkerschaltung von der ersten und der vierten parasitären Diode, die EIN-geschaltet sind, zum ersten und zum vierten Halbleiterschalter, die EIN-geschaltet sind, transferiert, so dass weder ein übermäßiger Strom noch eine übermäßige Spannung im zweiten und im dritten Halbleiterschalter und in der zweiten und der dritten parasitären Diode erzeugt wird, und von der zweiten und der dritten parasitären Diode, die EIN-geschaltet sind, zum zweiten und zum dritten Halbleiterschalter, die EIN-geschaltet sind, transferiert, so dass weder ein übermäßiger Strom noch eine übermäßige Spannung im ersten und im vierten Halbleiterschalter und in der ersten und der vierten parasitären Diode erzeugt wird.