用于提供高频能量的电路设备和用于产生放电的系统技术方案

实现一种电路设备（12），其用于提供高频能量以便在真空室（2）中产生放电、尤其用于等离子体产生，所述电路设备具有：直流电压电源（13）、升压转换器开关电路（16）和控制单元（17）。所述直流电压电源（13）提供直流电压（Ucc）。所述升压转换器开关电路包含由电感（18）和可控制的开关（19）组成的串联电路，其中，所述电感（18）连接在所述直流电压电源（13）的一极（21）和所述开关（19）的第一电极（D）之间。所述开关（19）的第二电极（S）接地，并且所述开关（19）此外具有控制电极（G）。所述控制单元（17）被设置用于高频地控制所述开关（19），以便在所述开关（19）的第一电极（D）上产生具有周期性的、脉冲式输出电压（UDS）的高频能量，所述输出电压的峰量值大于所述直流电压电源（13）的直流电压（Ucc）的量值。直接地、在无转换的情况下在输出接头（24）上输出具有输出电压（UDS）的高频能量，所述输出接头（24）被确定用于与所述真空室（2）的电极（8）直接连接。同样实现一种具有这样的电路设备（12）的用于产生放电的系统、尤其低压等离子体系统。

Circuit equipment for providing high frequency energy and system for generating discharge

A circuit device (12) is implemented to provide high frequency energy for discharging in a vacuum chamber (2), especially for plasma generation. The circuit device includes a DC voltage supply (13), a boost converter switching circuit (16) and a control unit (17). The DC voltage power supply (13) provides a DC voltage (Ucc). The boost converter switching circuit comprises a series circuit consisting of an inductance (18) and a controllable switch (19), wherein the inductance (18) is connected between one pole (21) of the DC voltage power supply (13) and the first electrode (D) of the switch (19). The second electrode (S) of the switch (19) is grounded, and the switch (19) also has a control electrode (G). The control unit (17) is set to control the switch (19) at high frequency in order to generate high frequency energy with periodic pulse output voltage (UDS) on the first electrode (D) of the switch (19), the peak value of which is larger than the value of the DC voltage supply (13) Ucc. The high frequency energy with output voltage (UDS) is directly output on the output joint (24) without conversion, and the output joint (24) is determined to be directly connected to the electrode (8) of the vacuum chamber (2). Similarly, a system with such a circuit device (12) for generating discharge, especially a low-pressure plasma system, is realized.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于提供高频能量的电路设备和用于产生放电的系统
本专利技术涉及一种用于提供高频能量以便在真空室中产生放电的电路设备以及一种用于产生放电的系统。本专利技术尤其涉及一种用于提供高频能量来产生等离子体的电路设备以及一种低压等离子体系统。
技术介绍
低压等离子体系统——其在这里相关的、具有用于等离子体的大于1MHz的激励频率的高频（HF）范围中工作——例如被用于在进一步的加工之前、例如在溅射、涂漆、粘接、印制、焊接等等之前清洁或激活由金属、塑料、玻璃和陶瓷构成的对象，用于借助等离子体进行蚀刻或涂覆，用于气体激光器、例如CO2激光器的等离子体产生，并且用于许多另外的应用。JohnR.Hollahan和AlexisT.Bell所著的“TechniquesandApplicationsofPlasmaChemistry（等离子体化学的技术和应用）”（JohnWiley&Sons出版有限公司（1974年），第393-399页）描述一种广为流传的常规的低压等离子体系统。该低压等离子体系统包含用于容纳待离子化的介质或过程气体的真空室、用于产生室中的真空的真空泵、高频发生器和用于施加高频场到真空室的装置以及阻抗匹配网络。必要时，此外可以存在用于测量输送给真空室的HF-功率的装置和/或用于压力测量的装置。高频（HF）发生器用于，在高的运行频率下提供等离子体产生所需的具有在例如10W和数kW之间的值的HF功率。高频（HF）发生器必须满足关于可用的高频范围、尤其对于工业、学术和医疗（ISM）开放的6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz或40.68MHz的频率并且能够以50Ohm的输出阻抗工作。一般，这样的HF发生器包含石英控制的HF振荡器，该HF振荡器大多借助LC振荡电路或作为反馈式振荡器在谐振频率下工作并且用作HF信号的源，所述谐振频率相应于所期望的ISM-频率。HF发生器此外具有放大器和末级，所述放大器放大振荡器的信号，所述末级被设置用于提供所期望的输出功率和HF发生器的固定的输出阻抗。为此目的，通常设置由具有固定的电感值和电容值的线圈和电容器组成的电路，所述电路将在放大器输出端的阻抗转换成HF发生器的所期望的例如50Ohm的输出阻抗。由HF发生器产生的HF功率信号通过线路传输并且施加到真空室的电极上，以便激励在真空室中的过程气体：导致放电以及因此产生等离子体。阻抗匹配网络——其也称作匹配单元——连接在HF发生器和真空室之间并且用于实现发生器的阻抗与负载的阻抗、尤其具有位于其中的等离子体的等离子体室的阻抗之间的匹配。在良好的阻抗匹配的情况下，功率可以从发生器传输直至在真空室中以高的效率放电。相反，在失配的情况下，发生在HF发生器和负载之间的线路上的反射，所述反射导致功率损耗。阻抗匹配电路通常基于线圈和电容器的L布置、T布置或Pi布置，其应适合于测量。在低压等离子体系统中，负载阻抗与众多因素相关并且是可变的。例如，阻抗与真空室的几何结构和真空室的电极的布置相关。此外，所使用的可离子化的介质或过程气体的种类、真空室中的压力和温度以及所输送的功率影响阻抗。阻抗在点火时跳跃式地变化并且在运行中也不保持恒定。也必须考虑在通常远离的HF发生器和真空室之间的线路的线路阻抗。因此，典型地，在低压等离子体系统中使用可变的阻抗匹配网络，其线圈和电容器具有可变的电感值和电容值并且是可调节的，以便将负载阻抗转变成HF发生器的典型的50Ohm的输出阻抗。然而，线圈和电容器的用于阻抗匹配的合适的并且最优的调节是艰难的并且是耗时的，与操作人员的经验强烈相关并且几乎不可重复。通常将由HF发生器输出的功率与在真空室处测量的功率进行比较，并且通过尝试来调整线圈和电容器，以便协调功率。在没有进行正确协调的情况下，在真空室中点火过程气体时可能出现困难。在很少情况下，等离子体在点火之后由于阻抗下降而又可能熄火。最优的阻抗匹配即使对于有经验的专业人员也可能是极其挑战和耗费的过程。DE3942560C2描述一种用于产生等离子体的用电器的高频发生器，其具有直流电压能量源和高频控制的电子开关，其中，产生等离子体的用电器直接地、即在不中间连接阻抗匹配网络的情况下连接在能量源与开关之间。开关通过HF矩形控制信号来控制，并且能量源的由此交替地接通和关断的输出电压直接作为运行电压施加在产生等离子体的用电器上。为了能够实现矩形电压传输，在该HF发生器中有针对性地放弃在能量源与发生器的连接端子之间的电感和电容。此外，MOSFET必须能够，在数百伏的供电电压的情况下在数纳秒内开关10安培或更高的数量级的高的电流并且MOSFET必须具有小的自感。因此，在此使用特殊的快速开关的功率MOSFET晶体管，所述功率MOSFET晶体管具有内部接头，所述内部接头通过相应多个接合线与MOSFET晶体管的壳体的外部接头以电感减小的方式连接，其中，壳体分别具有两个在栅极侧的源极接头和两个在漏极侧的源极接头，并且其中，壳体的接头分别具有所谓的带状线结构，也即向外平坦地并且紧紧相邻地实现。这样的快速开关的功率MOSFET晶体管在这种电路拓扑中是必然需要的，但相对大地构造，非常昂贵并且需要相应复杂的电路环境以及特别精确的、快速的和昂贵的栅极控制单元（栅极驱动器）。存在以下期望：对于HF低压等离子体应用也使用相对在商业上通用的和成本适宜的开关以及所属的控制单元。由DE3337811A1已知一种高频发生器，该高频发生器具有直流电压能量源，所述直流电压能量源的输出端与可控制的电子开关连接。通过开关接通和关断的直流电压输送给变压器形式的能量中间存储器设备和传输设备，所述变压器的输出端与低温等离子体发生器连接。电子开关脉冲式地由控制电路控制，其中，在变压器的输出端上产生用于运行等离子体发生器的高电压输出脉冲。借助该发生器不可以产生高频率的高电压脉冲、也即在MHz范围中的脉冲，因为变压器在这样的输入频率的情况下由于其欧姆电阻和其电感和电容电阻而不再能够在其输出端上传输或产生具有这样的频率的高电压脉冲。此外，在此开关、即MOSFET连接在能量源和变压器之间，使得源极电位形成用于栅极接头和连接到栅极接头上的控制电路的浮动的参考电位。因此，在此需要特别低电容的供电，以便避免高的开关损耗、EMV问题和可能的功能干扰。这附加地使该发生器不适合应用于HF低压等离子体系统。
技术实现思路
由此出发，本专利技术的一个任务是，实现一种用于提供在MHz范围内的高频能量以便在真空室中产生放电的电路设备以及一种用于产生放电的系统，所述电路设备和所述系统克服现有技术的在先前描述的缺点。本专利技术的一个任务尤其是，实现一种这样的电路设备和一种这样的系统，所述电路设备和所述系统具有小数目的简单的、成本适宜的组件，不需要昂贵的HF功率MOSFET晶体管和所属的控制单元并且在无阻抗匹配网络和输出电压转换的情况下足以应付。此外，应使调试和在运行中的操纵变得容易并且能够实现高的运行效率和运行安全性。借助一种具有权利要求1的特征的用于提供高频能量的电路设备以及通过一种具有权利要求13的特征的用于产生放电的系统来解决所述任务。有利的实施方式是从属权利要求的主题。在本专利技术的一个方面中，实现一种用于提供高频能量以便在真空室中产生放电、尤其用于等离子体产生的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于提供高频能量以便在真空室中产生放电、尤其用于等离子体产生的电路设备，所述电路设备具有：直流电压电源（13），所述直流电压电源（13）提供直流电压（Ucc）；升压转换器开关电路（16），所述升压转换器开关电路包含由电感（18）和可控制的开关（19）组成的串联电路，其中，所述电感（18）连接在所述直流电压电源（13）的一极（21）和所述开关（19）的第一电极（D）之间，其中，所述开关（19）的第二电极（S）接地，并且其中，所述开关（19）此外具有控制电极（G）；控制单元（17），所述控制单元被设置用于高频地控制所述开关（19），以便在所述开关（19）的第一电极（D）上产生具有周期性的、脉冲式输出电压（UDS）的高频能量，所述输出电压的峰量值大于所述直流电压电源（13）的直流电压（Ucc）的量值，以及输出接头（24），所述输出接头（24）被确定用于在不中间连接阻抗匹配网络的情况下与真空室（2）的电极（8）直接连接并且与所述开关（19）的第一电极（D）连接，以便施加具有所述输出电压（UDS）的高频能量到所述真空室（2）上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.20 DE 102016109343.21.一种用于提供高频能量以便在真空室中产生放电、尤其用于等离子体产生的电路设备，所述电路设备具有：直流电压电源（13），所述直流电压电源（13）提供直流电压（Ucc）；升压转换器开关电路（16），所述升压转换器开关电路包含由电感（18）和可控制的开关（19）组成的串联电路，其中，所述电感（18）连接在所述直流电压电源（13）的一极（21）和所述开关（19）的第一电极（D）之间，其中，所述开关（19）的第二电极（S）接地，并且其中，所述开关（19）此外具有控制电极（G）；控制单元（17），所述控制单元被设置用于高频地控制所述开关（19），以便在所述开关（19）的第一电极（D）上产生具有周期性的、脉冲式输出电压（UDS）的高频能量，所述输出电压的峰量值大于所述直流电压电源（13）的直流电压（Ucc）的量值，以及输出接头（24），所述输出接头（24）被确定用于在不中间连接阻抗匹配网络的情况下与真空室（2）的电极（8）直接连接并且与所述开关（19）的第一电极（D）连接，以便施加具有所述输出电压（UDS）的高频能量到所述真空室（2）上。2.根据权利要求1所述的电路设备，其特征在于，所述电路设备不具有由线圈和电容器构成的或通过反馈构成的谐振电路，所述谐振电路与所述开关（19）耦合和/或通过所述开关（19）来激励，以便产生在所述输出接头上存在的HF交变电压，并且所述电路设备不具有尤其可调节的器件，所述器件用于使所述开关（19）的输出端阻抗匹配于待连接到所述输出接头（24）上的负载。3.根据权利要求1或2所述的电路设备，其特征在于，所述电路设备被设置用于运行低压等离子体系统，所述低压等离子体系统具有带有以下运行压力的等离子体室（2），所述运行压力小于大气压力，优选是约0.01mbar至200mbar，特别优选地是约0.05至2mbar。4.根据以上权利要求中任一项所述的电路设备，其特征在于，所述直流电压位于0至400V的范围中，所述输出电压（UDS）具有以下峰值：所述峰值位于250至900V的范围中或者更高，优选地大于350V，并且，所述控制频率和所述输出电压（UDS）的频率是ISM频率（fISM），所述ISM频率从6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz和40.68MHz中选择，优选是13.56MHz。5.根据以上权利要求中任一项所述的电路设备，其特征在于，所述电感（18）被安排成，使得结合所述真空室（2）的阻抗的电容分量得出谐振频率，所述阻抗基本上通过所述真空室（2）的、所述真空室的电极（8）的设计和几何布置、所述开关（19）以及承载所述电路设备（12）的电路板相对于地的寄生电容来确定，所述谐振频率位于0.5xfISM至1.5xfISM的范围中，优选位于0.9xfISM至1.4xfISM的范围中，其中，fISM是所述输出电压（UDS）的频率。6.根据以上权利要求中任一项所述的电路设备，其特征在于，所述可控制的开关（19）是功率半导体开关、尤其是双极型晶体管或电极管，其中，所述开关（19）优选是功率MOSFET、特别优选地是碳化硅功率MOSFET或氮化镓功率MOSFET。7.根据以上权利要求中任一项所述的电路设备，其特征在于，所述可控制的开关（19）具有小于5nF、优选小于1nF的输入电容，大于500V、优选大于900V的反向电压以及小于15ns的上升时间和下降时间，其中，所述控制单元（17）优选构造为集成电路，所述集成电路被设置用于，以小于10A、优选小于5A的控制电流控制所述开关（19）。8.根据以上权利要求中任一项所述的电路设备，其特征在于，设有用于运行所述电路设备（12）的控制装置（26），其中，所述控制装置（26）优选被设置用于引起点火运行模式，在所述点火运行模式中，所产生的输出电压（UDS）相对于正常运行模式提高一定程度，优选提高了正常运行模式中的输出电压的平均值的至少10%。9.根据权利要求8所述的电路设备，其特征在于，所述控制装置（26）被设置用于周期性地以明显小于运行高频率的频率、优选以约100Hz的频率在持续运行中引起点火运行模式。10.根据以上权利要求中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托夫赫伯特·迪纳，
申请(专利权)人：克里斯托夫赫伯特·迪纳，
类型：发明
国别省市：德国,DE