SK289134B6 - Zapojenie stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie - Google Patents

Abstract

Zapojenie stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie je riešené tak, že do výkonovej napájacej vetvy magnetrónu (6) s tranzistorom (5) NMOS je zaradený výkonový ochranný odpor (R17) s nízkou hodnotou parazitnej indukčnosti vinutý drôtom s vinutím typu Ayrton-Perry alebo výkonový ochranný odpor (R17) s nízkou hodnotou parazitnej indukčnosti na báze tenkým vrstiev, kde hodnota impedancie výkonového ochranného odporu (R17) sa rovná impedancii tlecieho výboja v parách kovov. Na hradlo IGBT tranzistora (5) NMOS sú pripojené elektronické riadiace obvody. Medzi source elektródu a drain elektródu tranzistora (5) NMOS je paralelne zaradená prvá vetva deviateho odporu (R9), desiateho odporu (R10), štvrtého kondenzátora (C4), druhá vetva s treťou diódou (D3) a tretia vetva s dvoma prepäťovými diódami (TRANSIL 1, TRANSIL 2), a za výkonový ochranný odpor (R17) sú medzi kladnú a zápornú svorku výkonového napájania zaradené kompenzačné kapacity (CE1 až CE6) a kompenzačné odpory (R15 a R16). Vo výkonovej napájacej vetve magnetrónu (6) je zaradená ochranná dióda (D5), štvrtá dióda (D4), stabilizačné odpory (R12 a R13) a jedenásty odpor (R11) pripojený na zápornú svorku výkonového napájania. Elektronické riadiace obvody hradla IGBT tranzistora (5) NMOS sú tvorené frekvenčným generátorom s vypínačom a podpornými prvkami a ďalej sú tvorené budičom (4) IGBT s podpornými prvkami, medzi ktorými je zaradený prepínač (3) s druhým vstupom ARDUINO.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka zapojenia stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie. Vynález spadá do oblasti elektrotechniky a prípravy tenkých vrstiev a povlakov pomocou magnetrónového naprašovania.

Doterajší stav techniky

Magnetrónové naprašovanie je jednou z najbežnejších metód prípravy rôznych tenkých vrstiev so špecifickými vlastnosťami, vhodnými na priemyselné aplikácie. Vysokovýkonné impulzné magnetrónové naprašovanie (HiPIMS) je energeticky zvýšená forma naprašovania, pri ktorej od terča rozprášený materiál je podrobený veľmi vysokej hustote prúdu výboja, pri ktorom sa v plazme generuje vysoká hustota elektrónov, čo vedie k ionizácii špecifického množstva rozprašovaných častíc majúcich energiu v hypertermálnom rozsahu (1 až 100 eV). Povrch rastúcich tenkých vrstiev a povlakov bombardovaný iónmi v takomto energetickom rozsahu je podrobený procesom oddelenia atómu vrátane fragmentácie trojdimenzionálnych klastrov a ich úplnej fragmentácie na adatómy, čo vedie k hustej mikroštruktúre tenkých vrstiev a povlakov bez pórov a dutín s hladkým povrchom. V technologických postupoch používajúcich HIPIMS na nanášanie dekoratívnych alebo tvrdých povlakov môže štandardná metóda na potlačenie oblúka stačiť na zabránenie alebo obmedzenie poškodenia terča a umožňuje primeranú kvalitu depozície, najmä ak sú podmienky pulzovania výboja starostlivo vybrané na zabránenie alebo obmedzenie jeho častého výskytu a na potlačenie jeho tvorby. Ale pre procesy citlivé na prítomnosť kvapôčok, ako je depozícia tenkých vrstiev a povlakov na polovodičové doštičky, príprava 2D materiálov, MEMS a tenkých vrstiev a povlakov pre optické alebo magnetické ukladanie údajov, zvyšková energia privádzaná do oblúka môže byť príliš veľká. Kvapky emitované z oblúkov počas depozície môžu spôsobiť poruchu niektorých zariadení produkovaných na kremíkovej doštičke alebo inom substráte. Ešte horším problémom môže byť ich akumulácia v depozičnej komore alebo ich zvýšená tvorba napríklad po inštalácii nového terča. Takéto nové terče často vykazujú oveľa väčšiu tendenciu k oblúku ako staršie, erodované terče. Kvapôčky nahromadené týmto spôsobom sa môžu uvoľňovať zo stien depozičnej komory neskôr počas výrobných procesov, dokonca aj vtedy, ak nedochádza k vzniku oblúkov počas samotného procesu (Kadlec et al. US 2016/0237554 A1). V prípade, ak dôjde k oblúku, impedancia výboja prudko klesá. To má za následok prudký nárast prúdu. V prípade, ak je prítomnosť oblúka zistená jednou z dobre známych techník, napr. po prekročení prahového prúdu, je spínač okamžite nastavený do polohy vypnuté s časovým oneskorením obmedzeným použitou elektronikou a spínacím prvkom. Ale energia uložená v prívodovom vodiči a predradnej cievke môže byť stále pomerne veľká na vytvorenie následných oblúkov (Kadlec a kol. US 2016/0237554 A1) a musí byť odvedená (Christie. US 2004/0124077 A1). Efektivita uvedených metód na potlačenie oblúka je závislá od časovej konštanty elektrických obvodov, ktoré majú cieľ zistiť prítomnosť oblúka a odviesť nadmerné množstvo energie. Preto tieto typy techník potlačenia oblúka nemusia byť vhodné pre väčšinu depozičných procesov súvisiacich s prípravou tenkých vrstiev a povlakov citlivých na prítomnosť kvapôčok. Preto je vhodné zvážiť zníženie parazitickej indukčnosti najmä v spojovacích kábloch (BABAYAN a kol. US 2018/0108519 A1).

Použitie predradného odporu na stabilizáciu výboja je všeobecne známe, a to v prípade jednosmerného výboja, kde di/dt = 0 a kde parazitná indukčnosť odporu nehrá rolu. Použitie stabilizačného odporu je taktiež zrejmé. Ale situácia je odlišná v prípade pulzného výboja, kde di/dt môže nadobúdať veľmi vysoké hodnoty. V dôsledku prítomnosti parazitnej indukčnosti v obvode bude veľká zmena prúdu di/dt vytvárať dostatočné napätie L.di/dt, a tým znižovať stabilitu napätia a následne aj prúdu vo výboji hlavne pri zapínaní a vypínaní výboja, keďže ide o pulzný výboj.

Daný problém možno riešiť aj inou cestou, kde by sa nahradil induktívny predradník čisto odporovým predradníkom, a to aj za cenu, že určitá časť energie sa na ňom rozptýli a stratí a nebude privádzaná do výboja. Výsledkom toho je zapojenie stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie opísané v predloženom vynáleze.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky sú odstránené zapojením stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie podľa tohto vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že do výkonovej napájacej vetvy magnetrónu s tranzistorom NMOS je zaradený výkonový ochranný odpor s nízkou hodnotou parazitnej indukčnosti vinutý drôtom s vinutím typu Ayrton-Perry. Môže byť použitý aj výkonový ochranný odpor s nízkou hodnotou parazitnej indukčnosti na báze tenkým vrstiev. V oboch alternatívnych realizáciách sa hodnota impedancie výkonového ochranného odporu rovná impedancii tlecieho výboja v parách kovov. V zapojení sú ďalej na hradlo IGBT tranzistora NMOS pripojené elektronické riadiace obvody. Medzi source elektródu a drain elektródu tranzistora NMOS je paralelne zaradená prvá vetva deviateho odporu, desiateho odporu a štvrtého kondenzátora. Zaradená druhá vetva obsahuje tretiu diódou. Zaradená tretia vetva obsahuje dve prepäťové diódy. Napokon za výkonový ochranný odpor sú medzi kladnú a zápornú svorku napájania zaradené kompenzačné kapacity a kompenzačné odpory. Vo výkonovej napájacej vetve magnetrónu môže byť zaradená ochranná dióda, štvrtá dióda, stabilizačné odpory a jedenásty odpor pripojený na zápornú svorku výkonového napájania.

Podstatu zapojenia dotvárajú elektronické riadiace obvody hradla IGBT tranzistora NMOS, ktoré sú tvorené frekvenčným generátorom s vypínačom so svojimi podpornými prvkami a budičom IGBT so svojimi podpornými prvkami. Medzi frekvenčným generátorom a budičom IGBT je zaradený prepínač s druhým vstupom ARDUINO.

Výhody vynálezu zapojenia stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie sú zjavné z jeho účinkov, ktorými sa prejavuje navonok. Účinky tohto vynálezu spočívajú najmä v tom, že sa potlačí kolísanie napätia a prúdu magnetrónu a zamedzí sa prechodu do oblúkového výboja. Podľa vynálezu je časový vývoj napätia a prúdu výboja magnetrónu po počiatočnej fáze zapaľovania konštantný, čo zaisťuje jeho stabilitu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Zapojenie stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie podľa vynálezu bude bližšie objasnené na obr. 1. Na obr. 2 je znázornený graf časového priebehu napätia a prúdu počas magnetrónového výboja príslušného zariadenia postaveného na základe navrhovaného vynálezu.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Jednotlivé uskutočnenia zapojenia stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie podľa vynálezu sú predstavované na ilustráciu a nie ako obmedzenia vynálezov. Odborníci znalí stavu techniky nájdu alebo budú schopní zistiť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov k špecifickým uskutočneniam vynálezu. Aj takéto ekvivalenty budú potom spadať do rozsahu nasledujúcich patentových nárokov.

Odborníkom znalým stavu techniky nemôže robiť problém vhodná voľba materiálov a dimenzovanie, preto tieto znaky neboli detailne riešené.

Príklad

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu vynálezu je opísané zapojenie stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie, ako je znázornené na obr. 1. Základom zapojenia je magnetrón 6 s tranzistorom 5 NMOS. Následne do výkonovej napájacej vetvy magnetrónu 6 s tranzistorom 5 NMOS je zaradený výkonový ochranný odpor R17 s nízkou hodnotou parazitnej indukčnosti vinutý drôtom s vinutím typu Ayrton-Perry alebo výkonový ochranný odpor R17 s nízkou hodnotou parazitnej indukčnosti na báze tenkým vrstiev, kde hodnota impedancie výkonového ochranného odporu R17 sa rovná impedancii tlecieho výboja v parách kovov. Na obr. 2 je znázornený graf časového priebehu napätia a prúdu počas magnetrónového výboja príslušného zariadenia postaveného na základe navrhovaného vynálezu. Na hradlo IGBT tranzistora 5 NMOS sú pripojené elektronické riadiace obvody hradla IGBT tranzistora 5 NMOS tvorené frekvenčným generátorom 1 s vypínačom 2 a podpornými prvkami a ďalej sú tvorené budičom 4 IGBT s podpornými prvkami, medzi ktorými je zaradený prepínač 3 s druhým vstupom ARDUINO.

Medzi source elektródu a drain elektródu tranzistora 5 NMOS sú zaradené tri paralelné vetvy. V prvej vetve je do série zaradený deviaty odpor R9, desiaty odpor R10 a štvrtý kondenzátor C4. V druhej vetve je len tretia dióda D3. V tretej vetve sú do série radené dve prepäťové diódy TRANSIL1 a TRANSIL2. Za výkonový ochranný odpor R17 sú medzi kladnú a zápornú svorku napájania zaradené kompenzačné kapacity Cei až Ce6 a kompenzačné odpory R15 a R16.

Vo výkonovej napájacej vetve magnetrónu 6 je zaradená aj ochranná dióda D5, štvrtá dióda D4 a stabilizačné odpory R a jedenásty odpor R11 pripojený na zápornú svorku výkonového napájania. Zo spojnice stabilizačných odporov R12 a R13 a magnetrónu 6 je vyvedené uzemnenie. Z drain elektródy tranzistora 5 NMOS je vyvedený napäťový výstup pre osciloskop. Prúdový výstup pre osciloskop je vyvedený zo spojnice stabilizačných odporov R12 a R13 a štvrtej diódy D4.

Elektronické riadiace obvody hradla IGBT tranzistora 5 NMOS sú tvorené frekvenčným generátorom s vypínačom a podpornými prvkami a ďalej sú tvorené budičom 4 IGBT s podpornými prvkami, medzi ktorými je zaradený prepínač 3 s druhým vstupom ARDUINO.

Jadrom frekvenčného generátora 1 je obvod NE555 s podpornými prvkami zapojenými tak, že nulová svorka 0 napájania je pripojená na druhý a šiesty pin obvodu cez prvý kondenzátor C1; na prvý pin obvodu je pripojená priamo a na piaty pin obvodu je pripojená cez piaty kondenzátor C5. Kladná svorka +U napájania je pripojená: na siedmy pin obvodu cez prvý odpor R1 a prvý regulačný odpor RV1; na ôsmy pin obvodu cez prvú Zenerovu diódu ZD1 a na štvrtý pin obvodu cez tretí odpor R3. Medzi štvrtý pin obvodu a nulovú svorku 0 napájania je zaradený vypínač 2. Medzi siedmy a súčasne šiesty a druhý pin obvodu je sériovo zapojený druhý odpor R2 a druhý regulačný odpor RV2; a paralelne je pripojená prvá dióda D1. Štvrtý pin obvodu je cez vypínač 2 prepojený s nulovou svorkou 0 napájania. Tretí pin obvodu je vyvedený na prvý vstup prepínača 3 cez paralelnú kombináciu štvrtého odporu R4 a druhého kondenzátora C2. Výstup prepínača 3 je pripojený na druhý pin budiča 4 IGBT cez piaty odpor R5.

Jadrom budiča 4 IGBT je obvod TLP 250 alebo HCPL 3120 s podpornými prvkami zapojenými tak, že ôsmy pin budiča 4 IGBT je pripojený na kladnú svorku +U napájania; tretí a piaty pin budiča 4 IGBT je pripojený na nulovú svorku 0 napájania. Šiesty a siedmy pin budiča 4 IGBT je cez paralelnú kombináciu druhej diódy D2 a šiesty odpor R6 pripojený na hradlo IGBT tranzistora 5 NMOS. Do spojnice druhej diódy D2 a šiesteho odporu R6 s hradlom IGBT tranzistora 5 NMOS sú pripojené tri vetvy k nulovej svorke 0 napájania. Prvá vetva je tvorená druhou Zenerovou diódou ZD2, druhá vetva je tvorená siedmym odporom R7 a tretia vetva je tvorená sériovým zaradením tretej Zenerovej diódy ZD3 a tretieho kondenzátora C3. Spojnica tretej Zenerovej diódy ZD3 a tretieho kondenzátora C3 je cez ôsmy odpor R8 pripojená na kladnú svorku +U napájania a na source elektródu tranzistora 5 NMOS. Štvrtá Zenerová dióda ZD4 je pripojená medzi source elektródu tranzistora 5 NMOS a nulovú svorku 0 napájania.

Priemyselná využiteľnosť

Zapojenie stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie podľa vynálezu nachádza uplatnenie v spoločnostiach, ktoré sa zaoberajú prípravou tenkých vrstiev a povlakov a stavbou príslušných zariadení.

Claims (4)

1. Zapojenie stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie, vyznačujúce sa tým, že do výkonovej napájacej vetvy magnetrónu s tranzistorom NMOS je zaradený výkonový ochranný odpor (R17) s nízkou hodnotou parazitnej indukčnosti vinutý drôtom s vinutím typu Ayrton-Perry alebo výkonový ochranný odpor (R₁₇) s nízkou hodnotou parazitnej indukčnosti na báze tenkým vrstiev, kde hodnota impedancie výkonového ochranného odporu (R17) sa rovná impedancii tlecieho výboja v parách kovov; pritom na hradlo IGBT tranzistora NMOS sú pripojené elektronické riadiace obvody; medzi source elektródu a drain elektródu tranzistora NMOS je paralelne zaradená prvá vetva deviateho odporu (R9), desiateho odporu (R10), štvrtého kondenzátora (C4), druhá vetva s treťou diódou (D3) a tretia vetva s dvoma prepäťovými diódami (TRANSIL 1, TRANSIL 2) a za výkonový ochranný odpor (R17) sú medzi kladnú a zápornú svorku výkonového napájania do série zaradené prvý kompenzačný odpor (R15) a druhý kompenzačný odpor (R16), pričom k prvému kompenzačnému odporu (R15) sú paralelne pripojené prvá kompenzačná kapacita (Cei), druhá kompenzačná kapacita (Ce2) a tretia kompenzačná kapacita (Ce3) a k druhému kompenzačnému odporu (R16) sú paralelne pripojené štvrtá kompenzačná kapacita (CE4), piata kompenzačná kapacita (CE5) a šiesta kompenzačná kapacita (CE6).

2. Zapojenie stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, ž e vo výkonovej napájacej vetve magnetrónu (6) je za výkonový ochranný odpor (R17) v priepustnom smere zaradená ochranná dióda (D5); medzi source elektródu tranzistora 5 NMOS a zápornú svorku výkonového napájania je zapojený jedenásty odpor (R11); medzi ochrannú diódu (D5) a magnetrón (6) je v priepustnom smere zaradená štvrtá dióda (D4) v sérii s paralelnou kombináciou prvého stabilizačného odporu (R12) a druhého stabilizačného odporu (R13).

3. Zapojenie stabilizácie vysokovýkonného impulzného výboja pulzného plazmového generátora na magnetrónové naprašovanie podľa nároku 1, vyzna čujúce sa tým, že elektronické riadiace obvody hradla IGBT tranzistora (5) NMOS sú tvorené frekvenčným generátorom (1) s vypínačom (2) a podpornými prvkami a ďalej sú tvorené budičom

(4) IGBT s podpornými prvkami, medzi ktorými je zaradený prepínač (3) s druhým vstupom ARDUINO.