SE523509C2 - Förfarande och kopplingsanordning för pulsformig inmatning av energi i magnetronurladdningar - Google Patents

Description

vanan 10 15 20 25 30 35 40 a 4 - . .- 523 509 2 1. 1.. ningen, den så kallade brinnspänningen, över plasmat. Spänningspulsgivarens induktiva karaktär och hela anordningssättet liksom skillnaden mellan den pålagda spänningen och brinnspänningen avgör hur strömmen stiger efter tändningen av plasmat. Detta leder i praktiken till sågtandsforrniga strömpulser med relativt långsam stighastighet för ström- men. Nackdelen är att strömmens förlopp med den långsamt stigande urladdningsström- men betyder att tidsmedelvärdet för den i urladdningen inmatningsbara urladdningseffek- ten begränsas kraftigt. Det krävs således mycket höga toppströmmar för att ett visst önskat värde för urladdningseffekten skall kunna uppnås. Av detta följer höga krav på de elektroniska kretselementens strömbelastningsförmåga, och därmed höga kostnader. De höga toppströmmarna för också med sig en hög plasmatäthet, som i vissa fall kan leda till instabilitet i plasmaprocessen, till exempel till att det bildas oönskade bågurladdningar.

Det är besvärligt att identifiera och förhindra eller släcka bågurladdningar av detta slag, eftersom de höga toppströmmarna knappast kan skiljas från strömstyrkorna vid en begynnande bågurladdning.

Det är också förut känt att driva ett pulsat plasma med en strömpulsgivare (DE-C- 4 438 463, US-A- 5 718 813). Därvid matas en konstant urladdningsström in under pulsfa- sen för att avhjälpa de ovan beskrivna problemen. Ett problem med metoden med en strömpulsgivare är dock att det uppstår en mycket hög spänningspuls vid början av urladd- ningen under varje puls från det att laddningsbärarria börjar bildas till dess att den egent- liga tändningen inträffar vid inmatningen av den förutbestämda strömmen, eftersom strömmen i början måste bäras av alltför få laddningsbärare. Spänningen stiger till värden som är flera gånger högre än urladdningens brinnspänning efter den egentliga tändningen.

Dessa höga spänningar kan skada de elektroniska komponenterna.

Det är förut känt att använda kopplingsanordningar som begränsar den vid inmat- ning av en konstant ström uppträdande höga spänningen genom buffring i ett avlastnings- nät (DE-A- 3 538 494). Detta medför utöver den extra komponentkostnaden att det uppstår effektförluster i avlastningsnätet. Dessa förluster är inte godtagbara, särskilt vid höga urladdningseíïekter, till exempel vid höga urladdningsströmmar, och är en väsentlig nack- del vid kopplingsanordningar av detta slag.

Vidare är det förut känt att mata in energin i magnetronurladdningen i form av pulspaket med olika strömriktning (DE-A- 19 702 187). Metoder av detta slag har dock också de svagheter som beskrivits ovan, beroende på vilken typ av pulsgivare som används för att bilda de enskilda pulserna.

Uppfinningens syfte är mot denna bakgrund att utveckla ett förfarande och en anord- ning för genomförandet av förfarandet av inledningsvis angivet slag som gör det möjligt att i varje pulsfas, dvs. även omedelbart efter en pulslucka, mata in en maximal pulseffekt med en förutbestämd strömstyrka utan att det uppstår en betydande överspänning. Det skall således vara möjligt att vid matning av magnetronurladdningar åstadkomma ett till stor del rektangulärt tidsförlopp för både strömmen och spänningen för de imnatade pul- serna även inom frekvensområden där magnetronurladdningen slocknar efter varje puls och tänds på nytt under nästa puls. 10 15 20 25 30 35 40 n n e . n. 523 509 .n ..- 3 Syítet uppfylls enligt uppfinningen genom att förfarandet enligt uppfimiingen omfat- tar dei patentkravet 1 angivna åtgärderna. En tillhörande kopplingsanordning för genom- förande av förfarandet anges i det självständiga anordningskravet. Föredragna utförings- former anges i de tillhörande osjälvständiga patentkraven.

Uppfinningens grundtanke är att för varje enskild puls för en pulsad magnetronur- laddning göra en kopplingsteknisk separering av skedet för begynnande generering av laddningsbärare, vilket i det följande betecknas tändning, och skedet för den likformigt förlöpande urladdningen efter den egentliga tändningen av magnetronurladdningen. Till detta används en strömkälla som kan mata in en bestämd ström och en separat spännings- källa, som i det följande även betecknas tändkälla. Vid pulsens inledning to matas energin in enbart med hjälp av tändkällan. I urladdningsområdet bildas därvid en gradvis ökande mängd laddningsbärare. När en tillräcklig mängd laddningsbärare har bildats tänder plasmat, och brinnspänningen intäller sig. Vid en tidpunkt t, vid vilken en tillräcklig mängd laddningsbärare har bildats fortsätter energiinmatningen med hjälp av strömkäl- lan. Genom att inmatningen av strömmen med en bestämd strömstyrka börjar först när en tillräcklig mängd laddningsbärare redan har bildats undviks de annars uppträdande spän- ningstopparna vid pulsens inledning. Därigenom kombineras de typiska fördelarna med en spänningskälla med de typiska fördelarna med en strömkälla.

Därigenom förhindras att strömkällan förbinds med magnetronurladdningen före och under tändningen, då urladdningen på grund av det till en början begränsade antalet ladd- ningsbärare inte kan överföra den önskade strömstyrkan. Det fins då inget behov av ett avlastningsnät för att överföra strömmen under detta skede av de enskilda pulserna. Detta har en gynnsam inverkan på kopplingsanordningens effektförluster. Samtidigt säkerställer inmatningen av den erforderliga urladdningsströmmen genast efter att en bestämd ladd- ningsbärartäthet uppnåtts att pulserna får maximal effekt.

Växlingen mellan tändkällan och strömkällan kan optimeras genom att tidsförloppet för magnetronurladdningens impedans avkänns och övervakas. Ur impedansens förlopp härleds kriterier, som under varje puls bestämmer tidpunkten för inkoppling av strömkäl- lan och frånkoppling av tändkällan med hjälp av en kopplingsenhet.

Impedansen kan därvid bestämmas direkt genom ström- och spänningsmätning direkt över magnetronurladdningens elektroder. Det kan även vara användbart att be- stämma den bästa tidpunkten för tillkoppling av strömkällan genom att känna av och bearbeta andra parametrar för magnetronurladdningen. Därvid lämpar sig magnetronur- laddningens plasmaemission särskilt väl, till exempel den utsända ljusstrålningens intensi- tet inom ett bestämt våglängdsområde.

Genereringen av laddningsbärarna vid den pulsformiga energiinmatningen i en magnetronurladdning, och därmed även tändegenskapema, beror på ett komplicerat sätt av elektrodmaterialet och täckningen av elektroderna med tunna skikt, gasens slag och tryck i magnetronurladdningen, geometriska förhållanden och styrkan och formen för magnetfältet vid magnetronkatoderna.

Några av dessa parametrar varierar under processens gång, vilket också återverkar 10 15 20 25 30 35 40 ~ a o . u. 523 509 4 en n.. på bildandet av laddningsbärare. Av detta skäl är det särskilt användbart att övervaka impedansförhållandena och bestämma tidpunkten för tillkopplingen av strömkällan för varje enskild puls.

Företrädesvis görs tillkopplingen av strömkällan och bortkopplingen av tändkällan från magnetronurladdningen vid samma tidpunkt. Det kan dock även vara användbart att förbinda både tändkällan och strömkällan med magnetronurladdningen under en viss tids- period, och först därefter koppla bort tändkällan från magnetronurladdningen vid en tid- punkt t2. Under denna tidsperiod adderas de av tändkällan och strömkällan tillförda ström- marna.

Energitillförseln under en enskild puls fortsätter efter tillkopplingen av strömkällan tills en pulstid tpà har förflutit. Pulstiden kan väljas fritt enligt det tekniska förfarandets behov. Under en likaså fritt valbar pulslucka ta, matas ingen energi in i magnetronurladd- ningen. Processen att alstra en enskild puls upprepas vid pulsluckans slut. Därvid kan på varandra följande pulser ha samma strömriktning, dvs. likpolig pulsmatning, eller ha olika strömriktning, dvs bipolär pulsmatning. Det är även möjligt att bilda pulspaket, som innehåller en följd av likpoliga pulser följt av en växling av strömriktningen och en följd av likpolika pulser med den motsatta strömriktningen tills den erforderliga energin har ma- tats in i plasmat. Företrädesvis läggs en utgång på tändkällan och strömkällan på en gemensam referenspotential.

Uppfinningen kommer nu att förklaras närmare med ledning av två på ritningen visade utföringsexempel. Därvid visar fíg 1 ett blockschema över det principiella funktions- sättet, fig 2 en kopplingsanordning för bipolär inmatníng av elektrisk energi i ett av två magnetronkällor bestående dubbelmagnetronsystem och fig 3 en kopplingsanordning för likpolig inmatníng av elektrisk energi i en magnetronurladdning.

Fig 1 visar i form av ett blockschema en kopplingsanordning enligt uppfinningen för inmatníng av energi. Anordningen har en tändkälla 1, som har egenskaper som en spän- ningskälla med inställbar spänning, och en reglerbar strömkälla 2. Vidare har den en kopplingsanordning 3, som förbinder tändkällan 1 och/eller strömkällan 2 med elektroder- na i en magnetronanordning 4. Denna består av flera magnetroner med tillhörande tar- gets. En styranordning 5 säkerställeri samverkan med ornkopplingsanordningen 3 tidsfölj- den för de erforderliga förbindelserna mellan tändkällan 1 och/eller strömkällan 2 och magnetronanordningens 4 elektroder, och bestämmer därigenom längden för de enskilda pulsernas pulstider och pulsluckor. En avkännare 6 gör det därvid möjligt att på ovan beskrivet sätt bestämma den gynnsammaste tidpunkten för tillkopplingen av strömkällan 2 och bortkopplingen av tändkällan 1.

I fig 2 visas kopplingsanordningen enligt uppfinningen i ett utförande för bipolär inmatníng av elektrisk energi i ett av två magnetronkällor bildat dubbelmagnetronsystem 4'. En inställbar likspänningskälla 7, två strömställare 8, 9, en drossel 10 och tre dioder 11, 12, 13 bildar tändkällan 1. En andra inställbar likspärmingskälla 14, två strömställare 15, 16, en drossel 17 och två dioder 18, 19 bildar strömkällan/ll Omkopplingsanordningen 3 bildas av de i tändkällan 1 och strömkällan 2 ingående strömställama 8, 9, 15 och 16. Den ouaoo 10 15 20 25 30 35 40 525 509 5 bipolärt pulsade driften kräver dessutom en helvågslikriktarbrygga 20, som bildas av ytterligare omkopplare 21, 22, 23, 24 och dioder 25, 26, 27, 28. Som omkopplare används IGBT (insulated gate bipolar transistor) av känt slag. Helvågslikriktarbryggans 20 utgång är ansluten till magnetronsystemets 4 elektroder. En styranordning 5 för styrningen av kretsen och förfarandet liksom en detektor 6 för bestämningen av de gynnsammaste om- kopplingstidpunkterna är av känt slag och visas endast som block.

Uppfinningen förklaras i det följande närmare med ledning av detta utföringsexem- pel.

Magnetronsystemet 4 'som drivs med hjälp av denna kopplingsanordning används för att belägga platta glasunderlag med kiseloxid med utnyttjande av reaktiv förstoftning i ett dubbelmagnetronsystem. Magnetronsystemets 4' magnetroner 31, 32 är anslutna till helvågslikriktarbryggans 20 mittpunktsklänunor 29 och 30. De båda magnetronerna 31, 32 är belägna i en icke visad vakuumkammare och är försedda med targets av kisel. När dessa skall förstoftas leds ädelgasen argon in i vakuumkammaren, varefter energi tillförs via klämmorna 29, 30 på sådant sätt att den till 300 A uppgående strömmen som skall matas in i gasurladdningen ställs in i förväg i drosseln 17 genom att strömställaren 16 sluts och likspärmingskällan 14 kopplas in. Vid förstoftning av targets på magnetronen 32 kopplas helvågslikriktarbryggans ena diagonal 20 in med hjälp av strömställarna 22, 23.

Likspänningskällan 7 ställs in på 800 V, och strömställarna 8 och 9 sluts. Därmed ligger en tändspänning över de båda magnetronerna 31, 32, och plasmat tänder. Därvid stiger urladdningsströmmen linjärt. När en i styranordningen 5 i förväg inställd triggpunkt av 25 A, som mäts av avkännaren 6, uppnås öppnas strömställaren 16, så att strömmen 300 A plötsligt matas in, varigenom strömmen i drosseln 17 kopplas in i gasurladdningen genom dioden 19. Strömställama 8 och 9 öppnas, emedan det inte behövs en extra ström från tändkällan 1 i plasmat. Deni drosseln 10 lagrade energin matas tillbaka till likspän- ningskällan 7 genom dioderna 11 och 12 för att det inte skall uppstå en spänningstopp vid nästa tändning. Detta tillstånd upprätthålls under en i förväg inställd pulstid (15 us).

Spänningen ställer in sig på plasmats brinnspänning (cirka 470 V), och strömmen är kon- stant. Därigenom maximeras energin i pulsen eftersom båda storhetema har nästan rek- tangulärt förlopp. Om pulsluckan sätts till 5 us blir medeleffekten 105 kW som medelvärde över pulstiden och pulsluckan. När pulstiden är slut sluts strömställaren 15, varigenom strömmen leds in i den av strömställaren 15, dioden 18 och drosseln 17 bestående relaxa- tionskretsen. Strömställama 22 och 23 sluts och parasitära element i lastkretsen urladdas till likspänningskällan 7 genom dioderna 25, 28, 12, 13. På samma sätt alstras 100 pulser.

Därefter kopplas helvågslikriktarbryggans 20 andra diagonal till och från med hjälp av strömställarna 21, 24 under 100 pulser, medan samtliga övriga element fungerar som tidigare. Det beskrivna förloppet upprepas under den tid beläggningsprocessen pågår.

Energitillförseln avslutas genom att strömställama upphör att ansluta helvågslikriktar- bryggan 20, att likspänningskällorna 7 och 14 kopplas ifrån och att drosseln får svänga fritt över strömställaren 15 dioden 18.

En buffertkondensator 33 ingåri en föredragen utföringsform av kopplingsanordning- 10 15 523 509 ;;: 6 nu -wu en enligt uppfinningen och används om den önskade strömmen i drosseln 17 är högre än den högsta ström som likspänningskällan 14 kan tillföra. I detta fall kommer styranord- ningen 5 att ladda buffertkondensatorn 33 under pulsluckoma på sådant sätt att den önskade strömmen kan matas in i drosseln 17 som summan av strömmen från likspän- ningskällan 14 och strömmen från buffertkondensatom 13.

Fig 3 visar kopplingsanordningen enligt uppfinningen i ett utförande för likpolig inmatning av elektrisk energi i en magnetronanordning. På analogt sätt visas tändkällan 1, strömkällan 2 (utan buffertkonensator), omkopplaranordningen (strömställare 8, 9, 15, 16), styranordningen 5, magnetronsystemet 4" och avkännaren 6.

Vid det likpoliga funktionssättet behövs inte den i fig 2 visade helvågslikriktarbryg- gan, utan magnetronsystemets 4" magnetroner 31', 32' fórbinds direkt med strömkällans 2 klämmor.

Funktionssättet for kopplingsanordningen enligt fig 3 är i övrigt analogt med vad som beskrivits ovan för fig 2.

Claims (16)

uno-o 10 15 20 25 30 35 40 523 509 7 Patentkrav

1. Förfarande för pulsforrnig inmatning av energi i magnetronurladdningar, vid vilket en spänning vid en första tidpunkt to läggs på elektroderna i ett magnetronsystem (4) med hjälp av en spänningskälla (1), kännetecknat av att tändningen av magnetronurladd- ningen avkänns efter anslutningen av den elektriska spänningen, att en ström med ett önskat värde börjar att matas in från en strömkälla (2) vid en av tändningen av magnetro- nurladdningen bestämd andra tidpunkt tl, att spänningskällan (1) bryts från magnetron- systemets (4) elektroder vid en tredje tidpunkt t2, som likaså bestäms av tändningen av magnetronurladdningen, att inmatningen av strömmen med hjälp av strömkällan (2) upp- rätthålls under en förutbestämd tid tm, att inmatningen av den elektriska energin därefter avbryts under en bestämd tid tfm, och att de enskilda stegen därefter upprepas med början med påläggningen av spänningen med hjälp av spänningskällan (1).

2. Förfarande enligt kravet 1, kännetecknat av att villkoret t, 2 t, upprätthålls för t, och tg.

3. Förfarande enligt kravet 1 eller 2, kännetecknat av att spänningskällans (1) spänning och/eller strömkällans (2) ström ställs in före eller under driften.

4. Förfarande enligt något av kraven 1 till 3, kännetecknat av att tiden ttm och/eller tiden tfim, ställs in före eller under driften.

5. Förfarande enligt något av kraven 1 till 4, kännetecknat av att tändningen av magnetronurladdningen bestäms genom avkänning av magnetronurladdningens impedans.

6. Förfarande enligt något av kraven 1 till 4, kännetecknat av att tändningen av magnetronurladdningen bestäms genom avkänning av det ljus som avges av magnetronur- laddningen.

7. Förfarande enligt något av kraven 1 till 6, kännetecknat av att tidsmässigt efter varandra följande pulser har samma strömriktning.

8. Förfarande enligt något av kraven 1 till 6, kännetecknat av att tidsmässigt efter varandra följande pulser har motsatt strömriktning.

9. Förfarande enligt något av kraven 1 till 6, kännetecknat av att strömriktningen för ett antal tidsmässigt efter varandra följande pulser är lika och att strömriktningen därefter är motsatt för ett lika eller icke lika stort antal tidsmässigt efter varandra följande pulser och att växlingen av strömriktning för därefter följande pulser sker enligt ett förut- bestämt program.

10. Kopplingsanordning för genomförande av förfarandet enligt kravet 1, med minst en tändkälla (1), minst en strömkälla (2), minst en omkopplingsanordning (3), som kan ansluta tändkällan (1) och strömkällan (2) separat eller tillsammans till magnetronsyste- mets (4) elektroder, organ (6) för avkärming av tändningen av magnetronurladdningen och organ (5) för styrning av omkopplingsanordningen (3).

11. Kopplingsanordning enligt kravet 10, kännetecknad av att tändkällan (1) är en inställbar spänningskälla.

12. Kopplingsanordning enligt kravet 10, kännetecknad av att strömkällan (2) är nn-ne 10 15 20 25 30 . o ~ . »- 523 509 reglerbar.

13. Kopplingsanordning enligt kravet 10, kännetecknad av att - tändkällan (1) innehåller en inställbar likspänningskälla (7), varvid dennas positiva pol av en första strömställare (8) kan anslutas till en drossel (10) och dennas andra anslutning är förbunden med en första utgång på tändkällan genom en andra strömställare (9), - likspänningskällans (7) negativa pol är förbunden med en på en referenspotential liggan- de andra utgång på tändkäl1an(1), varvid en diod (12) är parallellkopplad med den av den första strömställaren (8) och drosseln (10) bestående seriekopplingen på sådant sätt att diodens (10) katod blir förbunden med likspäxiningskällans (7 ) pluspol, - en första diod (13) är parallellkopplad med den andra strömställaren (9) på sådant sätt att dess anod blir förbunden med tändkällans (1) första utgång, - en andra diod (1 1) är inkopplad mellan förbindningspunkten mellan den första strömstäl- laren (8) och drosseln på sin ena sida och är förbunden med referenspotentialen på sin andra sida på sådant sätt att dess anod blir förbunden med referenspotentialen, - att strömkällan (2) innehåller en inställbar likspänningskälla (14), vars positiva pol är förbunden med katoden på en tredje diod (18) och via en drossel (17) är förbunden med den ena sidan av tredje och fjärde strömställare (15, 16) och med anoden i en fjärde diod (19), - likspänningskällans (14) negativa pol och den andra sidan av den fjärde strömställaren (16) är förbundna med strömkällans (2) utgång och med referenspotentialen, - den tredje strömställarens (15) andra sida är förbunden med den tredje diodens (18) anod och den fjärde diodens (19) katod är förbunden med en ytterligare utgång på strömkällan (2).

14. Kopplingsanordning enligt något av kraven 10 till 13, kännetecknad av att utgångarna på tändkällan (1) och strömkällan (2) är förbundna med en enfasig helvågslik- riktarbrygga (20) och att dennas mittpunktsklämmor (29, 30) är förbundna med magne- tronsystemets (4) elektroder.

15. Kopplingsanordning enligt något av kraven 10 till 14, kännetecknad av att strömställama (8, 9, 15, 16, 21, 22, 23, 24) bildas av transistorer av IGBT-typ.

16. Kopplingsanordning enligt något av kraven 10 till 15, kännetecknad av att en buffertkondensator (33) är parallellkopplad med likspänningskällan (14)í strömkällan (2).