专利名称：用于双极供电的电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的用于等离子体或表面工艺设备的双极供电的电源装置。这种装置例如公开在欧洲专利文献EP534068 B中，它通常包括一个直流电源，其输出端与一个电子功率开关的桥式电路的输入端相连。所述功率开关与控制信号处理装置相连，后者以所要求的方式对功率开关进行控制，从而得到等离子体设备所需的脉冲模式。所述装置具有独立的控制信号处理装置，以便个别地调节正向和负向输出信号的控制时间，从而能够非常自由地选择脉冲形状。
本发明的任务是，对所述已有技术中的电源装置加以改进，进一步加大选择所要求的脉冲形状的自由度。本发明对该任务的解决方案体现在权利要求1的特征部分所述的电源装置中。本发明的另一个任务是，提供一种组件，它允许在兆赫兹的频率范围内实现对脉冲形状的绝对自由的选择。该任务的解决方案体现在权利要求7所述的组件中。
本发明的其他有利改进是相应的从属权利要求的技术方案。
根据本发明，每个桥式电路至少使用了两个直流电源。所述桥式电路分开布置，其方式是在第一直流电源的正向输出端和第二直流电源的负向输出端之间接入两个功率半导体的一个串联电路。同样的结构也适用于第一直流电源的负向输出端和第二直流电源的正向输出端，在它们之间同样接入两个功率半导体的串联电路。输出给等离子体设备的脉冲分别是在串联电路的两个功率开关之间引出的。
通过该方式可以对正向和负向脉冲的振幅进行自由选择，例如按照一种所要求的信号模型进行选择。
如果设置了独立的控制信号处理装置用于对不同的功率开关进行个别控制，则不仅可任意选择正向和负向脉冲的振幅，而且可以任意选择其导通时间和信号间隔或延持时间。因此可实现输出给等离子体设备的脉冲模型的所有自由度的选择。
因为该设备需要进行很大电流的切换，所以电源装置的有效范围限制在大约100至200kHz的频率范围内。通过使用多个，最好为2至8个并联连接的电源装置以及采用相对较短的时间交错同步控制各个电源装置，可以实现任意的脉冲模型，其频率范围可达到兆赫兹的范围，例如采用8台频率为125kHz的装置。该装置的控制优选通过设置在各个装置控制输入端的控制总线实现，其中控制信号由一个中央控制器通向各个可独立寻址的装置。
为此，各个电源装置最好设置地址或标识，使得控制器能够与每个电源装置之间实现独立连接。
直流电源的输出端最好用尽可能大容量的电容实现电容稳压，从而能够提供很大的脉冲电流。如果电源装置工作在其最大容量边缘，则脉冲之间的延持时间的自由选择将受到限制。
最好不仅在两个直流电源的负向输出端之间，而且在正向输出端之间分别接入一个桥式电路，从而能够交替地进入通常的工作状态，然而它无法实现对正向和负向脉冲振幅的个别的不同控制。
开关晶体管和自振荡二极管的最大允许电流动态可通过两个位于输出侧的电感L1和L2调节。此时脉冲电流被动态采集和计算。特别是在很低的阻抗短路情况下需要快速识别过载电流，并且迅速切断晶体管，以防止半导体层或基片表面或等离子体涂层装置本身出现故障。
本发明所述供电或电源装置组件可以用于所有等离子体工艺中，如CVD，等离子PVD，磁控管溅射，等离子氮化，等离子腐蚀。
下面对照附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
图1表示本发明所述电源装置的大大简化的电路图，没有控制电子装置，图2表示本发明所述双极供电装置的输出脉冲图形，图3表示本发明所述具有多个电源的组件示意图，图4A-F表示图3中组件的可能的脉冲模型，并且图5表示不同于图3的一种具有多个电源的组件。
图1表示的电源装置具有两个直流电源G1、G2，其输出由电容C1、C2稳压。在直流电源G1上加载电压V1，在直流电源G2上加载电压V2。第一直流电源G1的正向输出经由两个功率开关T1、T4组成的串联电路与直流电源G2的负向输出相连。同样地，第一直流电源G1的负向输出经由两个功率开关T2、T3组成的串联电路与第二直流电源G2的正向输出相连。通向等离子体设备A的输出端引出在串联电路T1T4、T2T3之间的中点上，并且通过电感L1、L2限制电流动态，以保护功率开关以及等离子体设备本身和其中的基片SU。在所述电源装置的输出端还连接一个电流采集装置SA，其输出信号被送入一个未画出的控制器，用于控制功率开关T1至T4，从而实现调节，即反馈调节控制。
两个桥S1、S2不仅设置在两个直流电源G1、G2的正向输出之间，而且设置在其负向输出之间，这种结构允许电源装置按照公知方式工作，但具有相同大小的负向和正向电流脉冲振幅。然而例如也可以调整到以下工作状态直流电压DC+，此时T1和T2闭合，而T3和T4打开。
直流电压DC-，此时T3和T4闭合，而T1和T2打开。
单极性正向斩波电压UP+，此时T1和T2斩波，而T3和T4打开。
单极性负向斩波电压UP-，此时T3和T4斩波，而T1和T2打开。
双极性斩波电压BP，此时T1和T2交替地与T3和T4工作。
图2表示图1所示本发明的电源装置的一种可能的脉冲模型的时间曲线。水平轴是时间，以微秒为单位，垂直轴表示正向和负向的输出脉冲电压。图中表示出一个第一正向脉冲具有的输出电压为V0+，并且脉冲宽度为Ton+，随后是一个延迟时间Toff+。该延迟时间之后是一个第一负向脉冲，其振幅为V0-，其脉冲宽度为Ton-，随后是延迟时间Toff-。这4个脉冲时间参数Ton+，Toff+，Ton-，Toff-构成一个周期，并且能够相互独立地进行选择，其中这里采用通常的技术，不会低于一个8微秒周期内的时间总和(相等于最大为125kHz的频率)。
图3表示一种用于产生高能高频脉冲序列的组件，其频率可达到兆赫兹范围。该组件由多个图1所示电源装置组成，所述装置在图中用标号“系统1、系统2…系统N”表示。所述多个电源装置最好是2或3个或者多达20个，其输出端并联连接，并且连接等离子体设备A的输入端。为了对各个电源装置进行同步和控制，设置了一个中央控制器10，它经数据总线与各个电源装置的控制端相连。因为在该系统中，每个电源装置系统1至系统N都有一个自身的标识或地址，所以中央控制器10能够单独地控制组件内的每个电源装置。当然也可经连接每个电源装置的独立导线进行控制，以取代寻址方式。
此外在并联的输出端上，在通向设备A之前的位置上设置电流采集装置14，其输出端与中央控制器10相连，从而以该方式得到反馈，实现控制的调整。通过图3所示的组件可以产生图4A-F显示的信号形状，其中各个脉冲序列的极性、振幅和时间长度以及位于中间的延迟时间均可独立进行任意调整。也可通过该方式产生高能高频脉冲模型，其频率可达兆赫兹范围。例如见图4B所示，可以逼近正弦波曲线，图4A可以逼近三角波曲线。图4D逼近一种双极顺序的锯齿波曲线。
当然不同电源装置系统1至系统N的脉冲也可以在时间上重叠发出，因此可实现短时间内的最大功率脉冲，但频率要有所降低。
此外还可以通过某种傅立叶变换使该组件产生所要求的脉冲形状，从而使涂层设备的等离子体产生所要求的激励形状。在自由设定脉冲模型时，在N个电源装置的N次并联脉冲电路中，可以通过增加或减少各个脉冲部分而叠加或减去某种频谱。
图5表示的设备基本与图3中的相同，其中相同或功能相等的部分采用相同的标号。在图5中和图3不同的是，各个电源装置系统1至系统N的电极不是并联的，而是按照一种预定的模型，例如圆形，布置在等离子体设备的处理腔室内。通过该方式不仅可以调节输入的电流脉冲的脉冲形状，而且可以影响等离子体的几何形状。
作为各个直流电源G1、G2的替代，也可采用并联或串联连接的电源。使用上述连接方法并不限于以上特定的电源，而是可以在所有种类的大电流电源中实现，从而得到具有任意脉冲模型的高频大电流供电。
权利要求
1.用于一种等离子体或表面工艺设备的双极供电的电源装置，包括至少一个可调式直流电源(G1，G2)，其正极和负极输出端与至少一个电子功率开关(T1至T4)的桥式电路的输入端相连，所述功率开关的输入侧与至少一个控制信号处理装置相连，而输出侧则与至少一个用于控制/调节所述功率开关的电流测量电路相连，并且还与设备(A)的负载相连，其特征是，为每个桥式电路(T1至T4)至少配置两个直流电源(G1，G2)，所述两个直流电源的正极输出端分别经两个功率开关(T1和T4，T2和T3)的串联电路与其他直流电源(G2，G1)的负极输出端相连，其中用于所述设备的桥式电路的输出端分别在两个串联电路的功率开关之间引出。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是，设置可个别地调节正极和负极输出信号的独立的控制信号处理装置(12，13)，它们包含在独立的调节回路内，所述调节回路由一个控制器(18)进行相互独立的控制。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征是，所述电子功率开关(T1至T4)是由金属氧化物场效应晶体管MOSFETs构成的。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征是，所述功率开关(T1至T4)是双极晶体管IBGTS或其他快速开关的电子功率半导体。
5.如以上权利要求中任何一项所述的装置，其特征是，所述两个直流电源(G1，G2)的输出端由电容(C1，C2)稳压。
6.如以上权利要求中任何一项所述的装置，其特征是，至少设置一个开关(S1，S2)用于并联所述直流电源(G1，G2)。
7.如以上权利要求中任何一项所述的装置，其特征是，设置一个可对所述直流电源(G1，G2)进行独立控制/调节的控制器。
8.具有如以上权利要求中任何一项所述多个装置的组件，其特征是，具有一个中央控制器(10)用于对各个装置(系统1至系统N)发出的输出脉冲进行时间控制或者同步，其中所有装置的输出端均与设备(A)并联连接。
9.如权利要求8所述的组件，其特征是，所述中央控制器(10)通过一个总线系统(12)与设置在所述装置(系统1至系统N)上的控制输入端相连，而且最好还与一个电流测量电路(14)相连。
10.使用如权利要求1至6中任何一项所述装置以产生等离子体或表面工艺设备所需电流脉冲的方法，通过该方法产生对于正向和负向电流脉冲均具有可自由选择的信号时间(Ton+，Toff+，Ton-，Toff-)、并且对于正向和负向电流脉冲具有可独立选择的振幅(Vo+，Vo-)的电流脉冲。
11.使用如权利要求7或8所述组件以产生等离子体或表面工艺设备所需高频电流脉冲的方法，其中的组件包含多个所述装置，特别是在3至20个之间，其中，所述装置由中央控制器进行控制以产生一个组合信号模型，方式是使每个装置输出一个信号脉冲，其最长脉冲时间等于信号模型的总时间除以所述装置的数量。
全文摘要
本发明涉及一种用于等离子体或表面工艺设备的双极供电的电源装置，包括至少一个可调式直流电源(G1，G2)，其正极和负极输出端与至少一个电子功率开关(T1至T4)的桥式电路的输入端相连，所述功率开关的输入侧与至少一个控制信号处理装置相连，而输出侧则与至少一个用于控制/调节所述功率开关的电流测量电路相连，并且还与设备(A)的负载相连，通过本发明可以产生对于正向和负向电流脉冲具有可自由选择的振幅(V
文档编号H02M7/5387GK1425217SQ01808196
公开日2003年6月18日 申请日期2001年4月17日 优先权日2000年4月17日
发明者京特·马克 申请人:梅勒克有限公司