一种基于等离子体发光强度检测的射频离子源保护装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于等离子体发光强度检测的射频离子源保护装置，包括光纤准直镜、光纤过真空法兰、光纤适配器、第一石英光纤、光强比较器和联锁保护电路；所述光纤过真空法兰由穿过真空法兰的第二石英光纤构成，所述真空法兰用于使射频离子源放电腔实现真空密封；所述光纤准直镜固定在所述第二石英光纤的一端，用于收集射频离子源放电腔内的等离子体发光，所述第二石英光纤的另一端通过所述光纤适配器连接所述第一石英光纤的一端，所述第一石英光纤的另一端依次连接所述光强比较器和所述联锁保护电路。本发明根据光强检测结果决定是否采取相应的保护措施，增加了安全冗余，提高了系统的可靠性，为射频离子源提供了一种新的保护手段。
【专利说明】一种基于等离子体发光强度检测的射频离子源保护装置
【技术领域】
[0001]本发明属于等离子体【技术领域】，更具体地，涉及一种基于等离子体发光强度检测的射频离子源保护装置。
【背景技术】
[0002]目前射频激发等离子体技术被广泛应用于离子源领域，射频功率通过电容耦合或者感应耦合方式馈入放电腔，在放电腔内部激发工作气体，产生等离子体，然后采用直流高压将带电粒子引出。由于一般情况下离子源的等效射频阻抗与射频功率源的输出阻抗不相等，因此需要在离子源负载上连接阻抗匹配器，进行阻抗变换，实现离子源负载与射频功率源的良好阻抗匹配。
[0003]一般而言，射频离子源在运行过程中先后经历两个阶段，第一个阶段是激发阶段，在这个阶段中放电腔内等离子体从无到有，然后达到稳定；第二个阶段是稳定运行阶段，在这个阶段放电腔内的等离子体浓度基本维持稳定。等离子体是导体，其浓度不同会影响射频离子源放电腔部位的电磁场位形，改变离子源的等效射频阻抗。在激发阶段，等离子体浓度变化较快，等效阻抗变化也较快，而射频功率源的输出阻抗是不变的，这就意味着只有阻抗匹配器的参数调节速度足够快，才可能在这个动态过程中始终维持良好的阻抗匹配。
[0004]通常采用的通过机械方式调节匹配器元件参数难以实现这种快速的跟踪调节，目前广泛采用的方案是:根据预估的稳定运行阶段负载阻抗，在离子源加载功率激发之前先设定匹配器元件参数，在运行过程中不再调节匹配器参数。该方案虽然在激发过程存在阻抗失配，但因激发过程通常在毫秒量级，时间较短，从而不致损害射频功率源。但是，当离子源系统出现异常导致等离子体激发不成功时，射频功率源将长时间处于严重的阻抗失配状态下，输出馈线上存在较高的反射功率，如果不能正确、及时地检测到该运行状态并采取保护措施，长时间运行就可能损坏射频功率源。另外，在不明原因的异常情况下长期运行也可能损害离子源的其它子系统，比如真空、直流引出高压电源。
[0005]为了避免以上情况的发生，通常采用定向耦合器实时检测反射功率大小，一旦反射功率超过保护阈值，立即关闭射频功率源。然而，该保护方案缺乏安全冗余，一旦定向耦合器的反射功率检测、保护出现故障，在高反射功率情况下不能及时关闭射频功率源，导致射频功率源损坏。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于等离子体发光强度检测的射频离子源保护装置，有效弥补了基于定向耦合器的检测与保护系统缺乏安全冗余的不足，实现了对强射频干扰、直流高压、低工作气压运行条件下射频离子源不透明放电腔内等离子体发光强度的远程监测，并根据检测结果决定是否采取相应的保护措施，增加了安全冗余，增强了系统的可靠性，为射频离子源提供了一种新的保护手段。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种射频离子源保护装置，其特征在于，包括光纤准直镜、光纤过真空法兰、光纤适配器、第一石英光纤、光强比较器和联锁保护电路；所述光纤过真空法兰由穿过真空法兰的第二石英光纤构成，所述真空法兰用于使射频离子源放电腔实现真空密封；所述光纤准直镜固定在所述第二石英光纤的一端，用于收集射频离子源放电腔内的等离子体发光，所述第二石英光纤的另一端通过所述光纤适配器连接所述第一石英光纤的一端，所述第一石英光纤的另一端依次连接所述光强比较器和所述联锁保护电路；所述光强比较器用于根据所述光纤准直镜收集的光信号，判断等离子体的激发程度是否达到离子源稳态运行阶段的要求，所述联锁保护电路用于在离子源激发设定的时长后，等离子体的激发程度仍未达到离子源稳态运行阶段的要求时，切断射频功率源的主供电。
[0008]优选地，所述光强比较器包括依次连接的光电转换元件、滤波放大电路和电压比较电路；所述光电转换元件用于将所述光纤准直镜收集的光信号转换为电信号，所述滤波放大电路用于将电信号进行滤波并放大，得到与射频离子源放电腔内的等离子体发光强度对应的模拟电压信号，所述电压比较电路用于将模拟电压信号与设定的电压阈值比较，在模拟电压信号低于设定的电压阈值时，判定等离子体的激发程度未达到离子源稳态运行阶段的要求。
[0009]优选地，所述光强比较器为光谱仪；所述光谱仪用于接收所述光纤准直镜收集的光信号，由此得到发射光谱谱线，并将谱线的幅值与设定阈值比较，在谱线的幅值低于设定阈值时，判定等离子体的激发程度未达到离子源稳态运行阶段的要求。
[0010]优选地，在等离子体的激发程度达到离子源稳态运行阶段的要求时，所述光强比较器输出低电平；在等离子体的激发程度未达到离子源稳态运行阶段的要求时，所述光强比较器输出高电平。
[0011]优选地，所述联锁保护电路包括第一与门、三极管、续流二极管和继电器；所述光强比较器的输出端通过电阻R3连接所述第一与门的一个输入端，所述第一与门的另一个输入端用于输入激发过程结束信号，该信号初始为低电平，在离子源激发设定的时长后跳至高电平，所述第一与门的输出端通过电阻R4连接所述三极管的基极，所述三极管的基极和发射极间通过电阻R5连接，所述三极管的集电极连接所述继电器的线圈，所述续流二极管与所述继电器的线圈并联。
[0012]优选地，该保护装置还包括控制器，所述联锁保护电路还包括第二与门；所述第二与门的两个输入端分别连接所述第一与门的两个输入端，所述第二与门的输出端连接所述控制器；所述控制器用于在离子源激发设定的时长后，等离子体的激发程度仍未达到离子源稳态运行阶段的要求时，关闭供气和直流引出高压系统。
[0013]优选地，所述控制器还用于输出所述激发过程结束信号。
[0014]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0015]1、根据放电腔内检测到的等离子体发光强度，判断射频离子源是否出现异常，并决定是否采取相应的保护措施，增加了安全冗余，提高了系统的可靠性。
[0016]2、光纤准直镜置于射频离子源的不透明放电腔内，同时对放电腔内外环境进行良好地密封，大幅降低了环境光对测量结果的影响。
[0017]3、放电腔与电路元件之间全程采用光路传输信号，有效避免了离子源放电腔周围的强射频干扰。
[0018]4、利用光纤传输，由于光纤是绝缘体，通过选择合适的光纤长度，能有效解决离子源直流弓I出高压与电路元件之间的隔离问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明一个实施例的射频离子源保护装置的原理框图；
[0020]图2是本发明一个实施例的射频离子源保护装置的结构示意图；
[0021]图3是本发明一个实施例的光纤过真空法兰的结构示意图；
[0022]图4是本发明一个实施例的电压比较电路的电路图；
[0023]图5是本发明一个实施例的联锁保护电路的原理图；
[0024]图6是本发明另一个实施例的射频离子源保护装置的原理框图；
[0025]图7是本发明另一个实施例的射频离子源保护装置的结构示意图。
[0026]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:1_射频离子源放电腔，2-金属盖板，3-法兰接头，4-光纤准直镜，5-光纤过真空法兰，6-法兰卡箍，7-光纤适配器，8-第一石英光纤，9-光敏二极管，10-滤波放大电路，11-联锁保护电路，51-光纤入口，52-第一 SMA905光纤接头，53-第二石英光纤，54-KF16真空法兰，55-第二SMA905光纤接头，56-光纤出口，12-光谱仪，13-电压比较电路。
【具体实施方式】
[0027]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0028]射频离子源在运行过程中，等离子体激发不成功或者浓度偏低时，除了离子源负载与射频功率源之间阻抗失配造成反射功率较大之外，表现出的另一现象是放电腔内部无等离子体发光或者光强度不足。本发明利用这一现象，设定等离子体激发过程的时长为t，通过检测等离子体发光强度，将射频离子源在运行t时间后检测到的等离子体发光强度与设定的光强阈值比较，当其小于光强阈值时，说明此时放电腔内仍无等离子体被激发或者等离子体浓度偏低，判定射频离子源出现异常，切断射频功率源的主供电，避免基于定向耦合器的检测与保护系统失灵时高反射功率损坏射频功率源，同时关闭供气、直流引出高压等系统，能有效增加离子源的安全冗余，提高保护系统的可靠性。
[0029]本发明一个实施例的射频离子源保护装置的原理框图如图1所示，光纤准直镜收集射频离子源放电腔内的等离子体发光，通过光纤将收集的光信号传输至光电转换部件，光电转换元件将光信号转换为电信号，电信号经滤波放大电路得到与光强对应的模拟电压信号。电压比较电路将模拟电压信号与设定的电压阈值(根据正常情况下离子源稳态运行阶段模拟电压信号的值确定)进行比较，并将比较结果输出至联锁保护电路。联锁保护电路根据电压比较电路在离子源激发设定的时长后的比较结果，判定射频离子源是否出现异常，该设定的时长根据离子源正常激发至等离子体浓度达到稳态所需的时间确定。如果在离子源激发设定的时长后，模拟电压信号仍小于电压阈值，联锁保护电路将切断射频功率源的主供电。
[0030]具体地，上述射频离子源保护装置的结构如图2所示，它包括:光纤准直镜4、光纤过真空法兰5、光纤适配器7、第一石英光纤8、光敏二极管9、滤波放大电路10、电压比较电路13和联锁保护电路11。其中，光纤过真空法兰5的结构如图3所示，它包括KF16真空法兰54和穿过KF16真空法兰54的第二石英光纤53。光纤准直镜4通过第一 SMA905光纤接头52连接第二石英光纤53的光纤入口 51，第二石英光纤53的光纤出口 56通过第二SMA905光纤接头55与光纤适配器7的一端连接,光纤适配器7的另一端与第一石英光纤8的一端连接，第一石英光纤8的另一端依次连接光敏二极管9、滤波放大电路10、电压比较电路13和联锁保护电路11。
[0031]工作时，将光纤准直镜4放入与射频离子源放电腔I连通的法兰接头3内，将KF16真空法兰54通过法兰卡箍6固定在法兰接头3上，实现真空密封，以便收集射频离子源放电腔I内的光信号。其中，法兰接头3焊接在射频离子源放电腔I的金属盖板2的开孔上，与射频离子源放电腔I实现连通。射频离子源放电腔I不透明，大幅降低了环境光对测量结果的影响。
[0032]具体地，光纤准直镜可采用凸透镜，其作用在于将光信号聚集至光纤中，以采集到足够强度的光信号。调整凸透镜到第二石英光纤53的光纤入口 51的距离，使得第二石英光纤53的光纤入口 51位于凸透镜的焦点处。第二石英光纤53的芯径可选为600 μ m,其在200?1600nm光谱段内具有衰减小的特点。光敏二极管9的选择应依据等离子体的发光光谱。由于光纤的纤芯直径通常比较小，所以光纤能够采集、传输的光信号强度较弱，光敏二极管输出的电压信号也就相对较弱，因而需要经过滤波放大电路作进一步的处理。
[0033]如图4所示，电压比较电路13包括电位器R2和比较器Ul，滤波放大电路的输出端连接比较器Ul的反相输入端，电位器R2的活动端连接比较器Ul的同相输入端，比较器Ul的输出端连接联锁保护电路。
[0034]如图5所示，联锁保护电路11包括第一与门U2A、三极管Q1、续流二极管Dl和继电器。比较器Ul的输出端通过电阻R3连接第一与门U2A的一个输入端，第一与门U2A的另一个输入端用于输入激发过程结束信号，该信号用于标识离子源的激发时间是否达到设定的时长。第一与门U2A的输出端通过电阻R4连接三极管Ql的基极，三极管Ql的基极和发射极间通过电阻R5连接，三极管Ql的集电极连接继电器线圈，续流二极管Dl与继电器线圈并联。
[0035]上述射频离子源保护装置的工作原理如下:
[0036]光纤准直镜4采集射频离子源放电腔I内的等离子体发光信号并将其通过石英光纤传输至光敏二极管9，光敏二极管9将光信号转换为电信号，滤波放大电路10将光敏二极管9输出的电信号进行滤波并放大，得到与射频离子源放电腔I内的等离子体发光强度对应的模拟电压信号并输出至电压比较电路13的比较器Ul的反相输入端。调整电位器R2，使其活动端的输出电压为电压阈值，当模拟电压信号低于电压阈值时，比较器Ul输出高电平。激发过程结束信号初始为低电平，在离子源激发设定的时长后跳至高电平，如果此时的模拟电压信号仍低于电压阈值，比较器Ul输出高电平,进而第一与门U2A输出高电平,使三极管Ql导通，继电器线圈得电，常开触点Kl闭合，射频功率源主供电回路上的三相断路器的保护线圈得电，切断射频功率源的主供电。
[0037]本发明另一个实施例的射频离子源保护装置的原理框图如图6所示，光谱仪接收光纤准直镜收集的光信号，得到发射光谱谱线，谱线幅值与射频离子源放电腔内的等离子体的发光强度成正比，光强越强，谱线的幅值越大，将谱线的幅值与设定阈值(由正常情况下离子源稳态运行阶段的谱线幅值确定)比较，使光谱仪的触发电平输出端输出高电平或低电平。联锁保护电路根据光谱仪的触发电平输出端在离子源激发设定的时长后的输出结果，判定射频离子源是否出现异常。如果在离子源激发设定的时长后，光谱仪测得的发光光谱谱线的幅值仍低于设定阈值，联锁保护电路将切断射频功率源的主供电。
[0038]具体地，上述射频离子源保护装置的结构如图7所示，第一石英光纤8的输出端依次连接光谱仪12和联锁保护电路11，其它结构与上一实施例类似，在此不再赘述。根据不同气体的放电光谱和期望观察的谱线选择相应频段的光谱仪。光谱仪的触发电平输出端通过电阻R3连接联锁保护电路11的第一与门U2A的一个输入端，第一与门U2A的另一个输入端用于输入激发过程结束信号。
[0039]上述射频离子源保护装置的工作原理如下:
[0040]光纤准直镜4采集射频离子源放电腔I内的等离子体发光信号并将其通过石英光纤传输至光谱仪12，光谱仪得到发射光谱谱线，当谱线的幅值低于设定阈值时，光谱仪的触发电平输出端输出高电平，当谱线的幅值高于设定阈值时，光谱仪的触发电平输出端输出低电平。激发过程结束信号初始为低电平，在离子源激发设定的时长后跳至高电平，如果此时光谱仪测得谱线的幅值仍低于设定阈值，光谱仪的触发电平输出端输出高电平，进而第一与门U2A输出高电平，最终切断射频功率源的主供电。
[0041]上述实施例中，优选地，射频离子源保护装置还包括控制器，联锁保护电路11还包括第二与门U2B，第二与门U2B的两个输入端分别连接第一与门U2A的两个输入端，第二与门U2B的输出端连接控制器。在离子源激发设定的时长后，如果模拟电压信号仍低于电压阈值或者光谱仪测得谱线的幅值仍低于设定阈值，第二与门U2B输出高电平，使控制器关闭供气、直流引出高压等系统。控制器还用于输出激发过程结束信号。
[0042]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种射频离子源保护装置，其特征在于，包括光纤准直镜、光纤过真空法兰、光纤适配器、第一石英光纤、光强比较器和联锁保护电路；所述光纤过真空法兰由穿过真空法兰的第二石英光纤构成，所述真空法兰用于使射频离子源放电腔实现真空密封；所述光纤准直镜固定在所述第二石英光纤的一端，用于收集射频离子源放电腔内的等离子体发光，所述第二石英光纤的另一端通过所述光纤适配器连接所述第一石英光纤的一端，所述第一石英光纤的另一端依次连接所述光强比较器和所述联锁保护电路；所述光强比较器用于根据所述光纤准直镜收集的光信号，判断等离子体的激发程度是否达到离子源稳态运行阶段的要求，所述联锁保护电路用于在离子源激发设定的时长后，等离子体的激发程度仍未达到离子源稳态运行阶段的要求时，切断射频功率源的主供电。
2.如权利要求1所述的射频离子源保护装置，其特征在于，所述光强比较器包括依次连接的光电转换元件、滤波放大电路和电压比较电路；所述光电转换元件用于将所述光纤准直镜收集的光信号转换为电信号，所述滤波放大电路用于将电信号进行滤波并放大，得到与射频离子源放电腔内的等离子体发光强度对应的模拟电压信号，所述电压比较电路用于将模拟电压信号与设定的电压阈值比较，在模拟电压信号低于设定的电压阈值时，判定等离子体的激发程度未达到离子源稳态运行阶段的要求。
3.如权利要求1所述的射频离子源保护装置，其特征在于，所述光强比较器为光谱仪；所述光谱仪用于接收所述光纤准直镜收集的光信号，由此得到发射光谱谱线，并将谱线的幅值与设定阈值比较，在谱线的幅值低于设定阈值时，判定等离子体的激发程度未达到离子源稳态运行阶段的要求。
4.如权利要求1至3中任一项所述的射频离子源保护装置，其特征在于，在等离子体的激发程度达到离子源稳态运行阶段的要求时，所述光强比较器输出低电平；在等离子体的激发程度未达到离子源稳态运行阶段的要求时，所述光强比较器输出高电平。
5.如权利要求4所述的射频离子源保护装置，其特征在于，所述联锁保护电路包括第一与门、三极管、续流二极管和继电器；所述光强比较器的输出端通过电阻R3连接所述第一与门的一个输入端，所述第一与门的另一个输入端用于输入激发过程结束信号，该信号初始为低电平，在离子源激发设定的时长后跳至高电平，所述第一与门的输出端通过电阻R4连接所述三极管的基极，所述三极管的基极和发射极间通过电阻R5连接，所述三极管的集电极连接所述继电器的线圈，所述续流二极管与所述继电器的线圈并联。
6.如权利要求5所述的射频离子源保护装置，其特征在于，该保护装置还包括控制器，所述联锁保护电路还包括第二与门；所述第二与门的两个输入端分别连接所述第一与门的两个输入端，所述第二与门的输出端连接所述控制器；所述控制器用于在离子源激发设定的时长后，等离子体的激发程度仍未达到离子源稳态运行阶段的要求时，关闭供气和直流引出闻压系统。
7.如权利要求6所述的射频离子源保护装置，其特征在于，所述控制器还用于输出所述激发过程结束信号。
【文档编号】H05H1/46GK104135812SQ201410336152
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】李冬, 黄俊昌, 刘开锋, 陈德智, 周驰, 岳海昆, 王晓敏, 赵鹏 申请人:华中科技大学