TW201909222A - 電弧抑制裝置與電弧抑制方法 - Google Patents

Abstract

一種電弧抑制裝置包含交流/直流轉換器、開關、電阻器與控制器。開關耦接於交流/直流轉換器與電漿室之間。電阻器並聯耦接開關。控制器耦接開關。交流/直流轉換器用以將交流電壓轉換為直流電壓以提供至電漿室。控制器用以偵測電漿室接收之電漿電流之斜率。當控制器判斷電漿電流之斜率大於第一斜率門檻值時，控制器控制開關電性隔離交流/直流轉換器與電漿室以透過電阻器將電漿電流降低至第一電流值。

Description

電弧抑制裝置與電弧抑制方法

本案是有關於電弧抑制技術，且特別是有關於一種連續輸出能量的電弧抑制裝置與電弧抑制方法。

於電漿製程中，當電漿室內發生電弧時，容易導致製程的良率不佳。然而，為了消除電漿室內的電弧而斷開輸出至電漿室的電源，將會產生能量不連續的問題。此外，若透過多個開關元件控制電源的輸出，則操作方式變得較為複雜。

本揭示內容的一態樣是提供一種電弧抑制裝置，其包含交流/直流轉換器、開關、電阻器與控制器。開關耦接於交流/直流轉換器與電漿室之間。電阻器並聯耦接開關。控制器耦接開關。交流/直流轉換器用以將交流電壓轉換為直流電壓以提供至電漿室。控制器用以偵測電漿室接收之電漿電流之斜率。當控制器判斷電漿電流之斜率大於第一斜率門檻值時，控制器控制開關電性隔離交流/直流轉換器與電漿室以透過電阻器將電漿電流降低至第一電流值。

本揭示內容的另一態樣是提供一種電弧抑制方法，其包含以下步驟。透過控制器，當判斷電漿室接收之電漿電流之斜率大於第一斜率門檻值時，控制開關電性隔離交流/直流轉換器與電漿室以透過電阻器將電漿電流降低至第一電流值。開關電性耦接於交流/直流轉換器與電漿室之間，電阻器並聯耦接開關。

綜上所述，當電弧發生時，電弧抑制裝置可透過電阻器降低輸出至電漿室的電漿電流至第一電流值以消除電弧。此外，由於電弧抑制裝置並未中斷輸出至電漿室（亦即並未將電漿電流降至零），因此當電弧消除後電弧抑制裝置可快速地恢復電漿室正常操作。

以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述，並對本揭示內容之技術方案提供更進一步的解釋。

以下揭示提供許多不同實施例或例證用以實施本發明的特徵。本揭示在不同例證中可能重複引用數字符號且/或字母，這些重複皆為了簡化及闡述，其本身並未指定以下討論中不同實施例且/或配置之間的關係。

於實施方式與申請專利範圍中，除非內文中對於冠詞有所特別限定，否則「一」與「該」可泛指單一個或複數個。將進一步理解的是，本文中所使用之「包含」、「包括」、「具有」及相似詞彙，指明其所記載的特徵、區域、整數、步驟、操作、元件與/或組件，但不排除其所述或額外的其一個或多個其它特徵、區域、整數、步驟、操作、元件、組件，與/或其中之群組。

當一元件被稱為「連接」或「耦接」至另一元件時，它可以為直接連接或耦接至另一元件，又或是其中有一額外元件存在。相對的，當一元件被稱為「直接連接」或「直接耦接」至另一元件時，其中是沒有額外元件存在。

關於本文中所使用之「約」、「大約」或「大致約」一般通常係指數值之誤差或範圍約百分之二十以內，較好地是約百分之十以內，而更佳地則是約百分五之以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如「約」、「大約」或「大致約」所表示的誤差或範圍。

關於本文中所使用之「第一」、「第二」、…等，並非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本案，其僅僅是為了區別以相同技術用語描述的元件或操作而已。

請參考第1圖，第1圖係根據本揭示內容一實施例繪示之電弧抑制裝置100之示意圖。電弧抑制裝置100包 含交流/直流轉換器（AC to DC converter）110、開關SW、電阻器R與控制器120。開關SW耦接於交流/直流轉換器110與電漿室150之間，電阻器R並聯耦接開關SW，控制器120耦接開關SW。交流/直流轉換器110用以將交流電源AC產生的交流電壓轉換為直流電壓以提供至電漿室150。於一實施例中，電漿室150的電漿電壓(如後第3A圖的電漿電壓V)關聯於交流/直流轉換器110輸出的直流電壓。例如，電漿室150的電漿電壓為經濾波後的直流電壓。

操作上，請同時參考第2圖、第3A圖、第3B圖、第4A圖、第4B圖與第4C圖。第2圖係根據本案一實施例繪示之電弧抑制方法200流程圖。電弧抑制方法200具有多個步驟S201～S203，其可應用於如第1圖所示的電弧抑制裝置100。然熟習本案之技藝者應瞭解到，在上述實施例中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行。

以下段落將依序針對普通電弧以及嚴重電弧等情況說明。其中，針對普通電弧或嚴重電弧的情況，控制器120可選擇性地設置為偵測電漿電流Ip、電漿電壓V或同時偵測上述兩者，以完成消除電弧的操作。相關操作將於以下段落詳細說明。

以下說明普通電弧發生的情況。於一實施例中，控制器120用以偵測電漿室150接收之電漿電流Ip的斜率。當電漿室150於時間t0時發生電弧，電漿電壓V開始下降（如第4A圖所示），電漿電流Ip的斜率上升（如第4B圖所示）。於步驟S201，控制器120判斷電漿室150接收之電漿電流Ip的斜率是否大於第一斜率門檻值。於一實施例中，第一斜率門檻值可設計為普通電弧發生時的電漿電流Ip的斜率。

舉例而言，於時間t1，控制器120判斷電漿電流Ip的斜率大於第一斜率門檻值，則控制器120於步驟S202控制開關SW電性隔離交流/直流轉換器110與電漿室150以透過電阻器R將電漿電流Ip降低至第一電流值I1。換言之，當控制器120判斷電漿室150發生電弧而控制開關SW斷開，則大部分的功率消耗於電阻器R，電漿電流Ip於時間t1至t3之間下降至第一電流值I1以消除電弧。

或者，於另一實施例中，控制器120更用以偵測電漿室150接收之電漿電壓V。於步驟S201，控制器120判斷電漿室150接收之電漿電流Ip的斜率是否大於第一斜率門檻值，以及電漿電壓V是否小於第一電壓門檻值。在一些實施例中，第一電壓門檻值的範圍可設置為11~100伏特（V），但本揭示內容不以此為限。舉例而言，於時間t1，控制器120判斷電漿電流Ip的斜率大於第一斜率門檻值以及電漿電壓V小於第一電壓門檻值，則控制器120於步驟S202控制開關SW電性隔離交流/直流轉換器110與電漿室150以透過電阻器R將電漿電流Ip降低至第一電流值I1。

於步驟S203，經過第一時間（例如時間t1至t4期間）後，控制器120控制開關SW電性連接交流/直流轉換器110與電漿室150以調整電漿電流Ip至第二電流值I2。如第4B圖所示，第二電流值I2大於第一電流值I1。

如此一來，當電弧發生時，電弧抑制裝置100可降低透過電阻器R輸出至電漿室150的電漿電流Ip至第一電流值I1以消除電弧。此外，由於電弧抑制裝置100並未中斷輸出至電漿室150（亦即並未將電漿電流Ip降至零），因此當電弧消除後電弧抑制裝置100可快速地恢復電漿室150正常操作。

以下說明嚴重電弧發生的情況。於另一實施例中，於步驟S201，控制器120判斷電漿室150接收之電漿電流Ip的斜率是否大於第二斜率門檻值，其中第二斜率門檻值大於第一斜率門檻值。舉例而言，於時間t1，控制器120判斷電漿電流Ip的斜率大於第二斜率門檻值（表示電漿室150發生嚴重電弧），則控制器120於步驟S202控制開關SW電性隔離交流/直流轉換器110與電漿室150並且斷開交流/直流轉換器110以快速消除電弧。須說明的是，相較於普通電弧的情形，於本實施例中，當控制器120判斷嚴重電弧發生（亦即電漿電流Ip的斜率大於第二斜率門檻值）時，控制器120更控制開關SW來斷開交流/直流轉換器110，以有效地消除嚴重電弧。

或者，於另一實施例中，控制器120更用以偵測電漿室150接收之電漿電壓V。於步驟S201，控制器120判斷電漿室150接收之電漿電流Ip的斜率是否大於第二斜率門檻值以及電漿電壓V是否小於第二電壓門檻值。於一些實施例中，第二電壓門檻值可設置為11~100伏特（V），並小於第一電壓門檻值。舉例而言，於時間t1，控制器120判斷電漿電流Ip的斜率大於第二斜率門檻值以及電漿電壓V小於第二電壓門檻值（表示電漿室150發生嚴重電弧），則控制器120於步驟S202控制開關SW電性隔離交流/直流轉換器110與電漿室150並且斷開交流/直流轉換器110以快速消除電弧。此外，相較於普通電弧的情形，於本實施例中，當控制器120判斷嚴重電弧發生（亦即電漿電流Ip的斜率大於第二斜率門檻值以及電漿電壓V小於第二電壓門檻值）時，控制器120更控制開關SW來斷開交流/直流轉換器110，以有效地消除嚴重電弧。

於上述討論普通電弧或嚴重電弧的例子中，僅以控制器120單獨偵測電漿電流Ip或同時偵測電漿電流Ip與電漿電壓V的操作為例說明，但本案不依此為限。於各種實施例中，控制器120可分別地偵測電漿電流Ip或電漿電壓V，或同時偵測電漿電流Ip與電漿電壓V，以消除電弧。例如，在前述的步驟S201中，控制器120可僅偵測電漿電壓V，並比較電漿電壓V與第一電壓門檻值與/或第二電壓門檻值來消除電弧。利用電漿電壓V的偵測方式與前述例子相同，故於此不再重複贅述。因此，各種可適用於控制器120來偵測電漿電流Ip與/或電漿電壓V的設置方式皆為本案所涵蓋之範圍。

須說明的是，於本實施例中，經過第一時間（例如時間t1至t4期間）後，控制器120控制開關SW電性連接交流/直流轉換器110與電漿室150，並開啟交流/直流轉換器110以調整電漿電流Ip至第二電流值I2。如第4B圖所示，由於交流/直流轉換器110需要一段時間（例如時間t4至t5期間）來啟動，因此電漿電流Ip於時間t5之後上升至第二電流值I2。此外，第二斜率門檻值可設計為嚴重電弧發生時的電漿電流Ip的斜率。

於一實施例中，電弧抑制裝置100更包含電感電容（LC）電路130、140。電感電容（LC）電路130耦接於交流/直流轉換器110與控制器120之間並用以對交流/直流轉換器110轉換出的直流電壓進行濾波。電感電容（LC）電路140耦接於控制器120與電漿室150之間並用以抑制電漿電流Ip之斜率並產生電漿電壓V。

於一實施例中，電感電容（LC）電路130包含電感器L1與電容器C1，電感電容（LC）電路140包含電感器L2與電容器C2。交流/直流轉換器110具有第一端111與第二端112，開關SW具有第一端SW_1與第二端SW_2，電感器L1具有第一端L1_1與第二端L1_2，電容器C1具有第一端C1_1與第二端C1_2，電感器L2具有第一端L2_1與第二端L2_2，電容器C2具有第一端C2_1與第二端C2_2。

關於電感電容（LC）電路130的連接方式，電感器L1之第一端L1_1耦接交流/直流轉換器110之第一端111，電感器L1之第二端L1_2耦接開關SW之第一端SW_1與電阻器R的第一端R_1。電容器C1之第一端C1_1耦接電感器L1之第二端L1_2，電容器C1之第二端C1_2耦接交流/直流轉換器110之第二端112。

關於電感電容（LC）電路140的連接方式，電感器L2之第一端L2_1耦接開關SW之第二端SW_2，電感器L2之第二端L2_2耦接電漿室150之外殼151與接地端GND。電容器C2之第一端C2_1耦接電感器L2之第二端L2_2，電容器C2之第二端C2_2耦接交流/直流轉換器110之第二端112與電漿室150之靶材(target)152。

須說明的是，於時間t2，由於流經電感器L2的電漿電流Ip續流而產生的反向電壓（如第4A圖所示）有助於消除電弧。

於一實施例中，電感器L1之電感值（約數百微亨利（μH））大於電感器L2之電感值（約數百微亨利（μH））。

於一實施例中，電容器C1之電容值（約數十奈法拉（nF））大於電容器C2之電容值（約數奈法拉（nF））。

實作上，開關SW可以是電晶體（例如絕緣閘極雙極性電晶體（Insulated gate bipolar transistor，IGBT），控制器120可以是微控制器（Microprocessor control unit，MCU）、可程式化邏輯陣列（Field-programmable gate array，FPGA），但本揭示內容不以此為限。

綜上所述，當電弧發生時，電弧抑制裝置100可透過電阻器R降低輸出至電漿室150的電漿電流Ip至第一電流值I1以消除電弧。此外，由於電弧抑制裝置100並未中斷輸出至電漿室150（亦即並未將電漿電流Ip降至零），因此當電弧消除後電弧抑制裝置100可快速地恢復電漿室150正常操作。

雖然本案已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電弧抑制裝置

110‧‧‧交流/直流轉換器

111、L1_1、C1_1、L2_1、C2_1、SW_1、R_1‧‧‧第一端

112、L1_2、C1_2、L2_2、C2_2、SW_2、R_2‧‧‧第二端

120‧‧‧控制器

130、140‧‧‧電感電容電路

150‧‧‧電漿室

151‧‧‧外殼

152‧‧‧靶材

L1、L2‧‧‧電感器

C1、C2‧‧‧電容器

R‧‧‧電阻器

SW‧‧‧開關

AC‧‧‧交流電源

200‧‧‧電弧抑制方法

S201~S203‧‧‧步驟

Ip‧‧‧電漿電流

V‧‧‧電漿電壓

t0、t1、t2、t3、t4、t5‧‧‧時間

I1、I2‧‧‧電流值

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖示之說明如下： 第1圖係根據本揭示內容一實施例繪示之電弧抑制裝置之示意圖； 第2圖係根據本案一實施例繪示之電弧抑制方法流程圖； 第3A圖係根據本揭示內容一實施例繪示之電弧抑制裝置之操作示意圖； 第3B圖係根據本揭示內容一實施例繪示之電弧抑制裝置之操作示意圖； 第4A圖係繪示本揭示內容一實施例中對應第3A、3B圖之電弧抑制裝置之波形示意圖； 第4B圖係繪示本揭示內容一實施例中對應第3A、3B圖之電弧抑制裝置之波形示意圖；以及 第4C圖係繪示本揭示內容一實施例中對應第3A、3B圖之電弧抑制裝置之波形示意圖。

Claims (16)

1. 一種電弧抑制裝置，包含： 一交流/直流轉換器，用以轉換一交流電壓為一直流電壓以提供至一電漿室； 一開關，耦接於該交流/直流轉換器與該電漿室之間； 一電阻器，並聯耦接該開關；以及 一控制器，耦接該開關並用以偵測該電漿室接收之一電漿電流之一斜率，並且當判斷該電漿電流之該斜率大於一第一斜率門檻值時，控制該開關電性隔離該交流/直流轉換器與該電漿室以透過該電阻器將該電漿電流降低至一第一電流值。
2. 如請求項1所述之電弧抑制裝置，其中該控制器更用以當判斷該電漿電流之該斜率大於一第二斜率門檻值時，斷開該交流/直流轉換器。
3. 如請求項1所述之電弧抑制裝置，更包含： 一第一電感電容（LC）電路，耦接於該交流/直流轉換器與該控制器之間並用以對該直流電壓進行濾波。
4. 如請求項3所述之電弧抑制裝置，更包含： 一第二電感電容（LC）電路，耦接於該控制器與該電漿室之間並用以抑制該電漿電流之該斜率。
5. 如請求項3所述之電弧抑制裝置，其中該交流/直流轉換器具有一第一端與一第二端，該開關具有一第一端與一第二端，該第一電感電容（LC）電路包含： 一第一電感器，具有一第一端與一第二端，其中該第一電感器之該第一端耦接該交流/直流轉換器之該第一端，該第一電感器之該第二端耦接該開關之該第一端；以及 一第一電容器，具有一第一端與一第二端，其中該第一電容器之該第一端耦接該第一電感器之該第二端，該第一電容器之該第二端耦接該交流/直流轉換器之該第二端。
6. 如請求項5所述之電弧抑制裝置，其中該第二電感電容（LC）電路包含： 一第二電感器，具有一第一端與一第二端，其中該第二電感器之該第一端耦接該開關之該第二端，該第二電感器之該第二端耦接該電漿室之一外殼；以及 一第二電容器，具有一第一端與一第二端，其中該第二電容器之該第一端耦接該第二電感器之該第二端，該第二電容器之該第二端耦接該交流/直流轉換器之該第二端。
7. 如請求項6所述之電弧抑制裝置，其中該第一電感器之電感值大於該第二電感器之電感值。
8. 如請求項6所述之電弧抑制裝置，其中該第一電容器之電容值大於該第二電容器之電容值。
9. 如請求項1所述之電弧抑制裝置，其中該控制器更用以於控制該開關電性隔離該交流/直流轉換器與該電漿室並經過一第一時間後，控制該開關電性連接該交流/直流轉換器與該電漿室以調整該電漿電流至一第二電流值，其中該第二電流值大於該第一電流值。
10. 如請求項1所述之電弧抑制裝置，其中該控制器更用以偵測該電漿室接收之一電漿電壓，並且當判斷該電漿電流之該斜率大於該第一斜率門檻值以及該電漿電壓小於一第一電壓門檻值時，控制該開關電性隔離該交流/直流轉換器與該電漿室以透過該電阻器將該電漿電流降低至該第一電流值，其中該電漿電壓關聯該直流電壓。
11. 如請求項10所述之電弧抑制裝置，其中該控制器更用以當判斷該電漿電流之該斜率大於一第二斜率門檻值以及該電漿電壓小於一第二電壓門檻值時，斷開該交流/直流轉換器。
12. 一種電弧抑制方法，包含： 透過一控制器，當判斷一電漿室接收之一電漿電流之一斜率大於一第一斜率門檻值時，控制一開關電性隔離該交流/直流轉換器與該電漿室以透過一電阻器將該電漿電流降低至一第一電流值，其中該開關電性耦接於該交流/直流轉換器與該電漿室之間，該電阻器並聯耦接該開關。
13. 如請求項12所述之電弧抑制方法，更包含： 透過該控制器，當判斷該電漿電流之該斜率大於一第二斜率門檻值時，斷開該交流/直流轉換器。
14. 如請求項12所述之電弧抑制方法，更包含： 透過該控制器，於控制該開關電性隔離該交流/直流轉換器與該電漿室並經過一第一時間後，控制該開關電性連接該交流/直流轉換器與該電漿室以調整該電漿電流至一第二電流值，其中該第二電流值大於該第一電流值。
15. 如請求項12所述之電弧抑制方法，更包含： 透過該控制器，當判斷該電漿電流之該斜率大於該第一斜率門檻值以及該電漿室接收之一電漿電壓小於一第一電壓門檻值時，控制該開關電性隔離該交流/直流轉換器與該電漿室以透過該電阻器將該電漿電流降低至該第一電流值。
16. 如請求項15所述之電弧抑制方法，更包含： 透過該控制器，當判斷該電漿電流之該斜率大於一第二斜率門檻值以及該電漿電壓小於一第二電壓門檻值時，斷開該交流/直流轉換器。