DE10018879A1 - Stromversorgungsgerät zur bipolaren Stromversorgung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromversorgungsgerät zur bipolaren Stromversorgung einer Anlage der Plasma- oder Oberflächentechnik, das mindestens ein regelbares Gleichstromnetzteil (G1, G2) aufweist, dessen positive und negative Ausgänge mit dem Eingang wenigstens einer Brückenschaltung von elektronischen Leistungsschaltern (T1 bis T4) verbunden sind, welche Leistungsschalter eingangsseitig mit wenigstens einer Steuersignalaufbereitungseinrichtung und ausgangsseitig mit wenigstens einer Stromerfassungsschaltung zur Steuerung/Regelung der Leistungsschalter und mit der Last der Anlage (A) verbunden sind. Durch die Erfindung können Stromimpulse mit frei wählbaren Amplituden (V¶o+¶, V¶o-¶) für die positiven und negativen Stromimpulse erzeugt werden, indem für jede Brückenschaltung (T1 bis T4) zwei Gleichstromnetzteile (G1, G2) vorgesehen sind, und der positive Ausgang der beiden Gleichstromnetzteile über eine Serienschaltung jeweils zweier Leistungsschalter (T1 und T4; T2 und T3) mit dem negativen Ausgang des anderen Gleichstromnetzteils (G2, G1) verbunden ist, wobei der Ausgang der Brückenschaltung für die Anlage (A) jeweils zwischen den Leistungsschaltern der beiden Serienschaltungen abgreift.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromversorgungsgerät zur bipolaren Stromversorgung einer Anlage der Plasma- oder Oberflächentechnik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der­ artige Geräte, wie sie beispielsweise in der EP 534 068 B of­ fenbart sind, umfassen in der Regel ein Gleichstromnetzteil, dessen Ausgänge mit den Eingängen einer Brückenschaltung elek­ tronischer Leistungsschalter verbunden sind. Die Leistungs­ schalter sind mit Steuersignalaufbereitungseinrichtungen ver­ bunden, die in gewünschter Weise die Leistungsschalter ansteu­ ern, um ein gewünschtes Impulsmuster für die Plasmaanlage zu erhalten. Das Gerät hat hierbei separate Steuersignalaufberei­ tungseinrichtungen zur individuellen Regelung der Steuerzeiten der positiven und negativen Ausgangssignale, was eine sehr freie Wahl der Impulsform ermöglicht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Stromversorgungsgerät nach dem Stand der Technik derart weiterzubilden, dass die Freiheit in der Wahl einer gewünschten Impulsform weiter vergrößert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Stromversor­ gungsgerät der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein weiteres Ziel der Erfin­ dung besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, die die Bereit­ stellung absolut frei wählbarer Impulsformen mit Frequenzen bis in den Megahertz-Bereich erlaubt. Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 7 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der zugeordneten Unteransprüche.

Erfindungsgemäß werden für jede Brückenschaltung mindestens zwei Gleichstromnetzteile verwendet. Die Brücke wird aufge­ teilt, in dem zwischen dem positiven Ausgang des ersten Gleichstromnetzteils und dem negativen Ausgang des zweiten Gleich­ stromnetzteils eine Serienschaltung zweier Leistungshalbleiter geschaltet wird. Das gleiche gilt für den negativen Ausgang des ersten Gleichstromnetzteils und den positiven Ausgang des zwei­ ten Gleichstromnetzteils, zwischen denen ebenfalls eine Serien­ schaltung zweier Leistungshalbleiter angeschlossen ist. Der Ab­ griff für die der Plasmaanlage zugeführten Impulse erfolgt je­ weils zwischen den beiden Leistungsschaltern der Serienschal­ tungen.

Auf diese Weise kann man die Amplitude der positiven und nega­ tiven Impulse frei wählen, z. B. entsprechend einem gewünschten Signalmuster.

Wenn zudem separate Steuersignalaufbereitungseinrichtungen zur individuellen Ansteuerung der unterschiedlichen Leistungsschal­ ter vorgesehen sind, so können nicht nur die Amplituden der po­ sitiven und negativen Impulse beliebig gewählt werden, sondern auch deren Schaltzeiten und Signalpausen bzw. Totzeiten. Man hat somit bei der Wahl des einer Plasmaanlage zugeführten Im­ pulsmusters alle Freiheiten.

Da diese Anlagen einen sehr hohen Strom schalten müssen, ist der Wirkungsbereich der Stromversorgungsgeräte auf einen Fre­ quenzbereich von etwa 100 bis 200 kHz begrenzt. Durch Verwen­ dung mehrerer, vorzugsweises zwei bis acht parallel geschalte­ ter Stromversorgungsgeräte und entsprechend kurzer zeitversetz­ ter synchronisierter Ansteuerung der einzelnen Stromversor­ gungsgeräte ist es möglich, ein beliebiges Impulsmuster mit ei­ ner Frequenz bis in den Megahertz-Bereich zu erreichen, wenn z. B. acht Geräte mit einer Frequenz von 125 kHz verwendet wer­ den. Die Ansteuerung der Geräte erfolgt vorzugsweise über einen Steuerbus am Steuereingang der einzelnen Geräte, wobei die Steuersignale von einer zentralen Steuerung den einzelnen, ein­ zeln adressierbaren Geräten zugeführt werden.

Hierfür sind die einzelnen Stromversorgungsgeräte vorzugsweise mit einer Adresse oder Kennung versehen, die der Steuerung das gezielte Ansprechen jedes einzelnen Stromversorgungsgerätes ge­ stattet.

Vorzugsweise sind die Ausgänge der Gleichstromnetzteile kapazi­ tiv stabilisiert mit Kondensatoren möglichst hoher Kapazität, um sehr hohe Impulsströme bereitstellen zu können. Werden die Stromversorgungsgeräte am Rande ihrer maximalen Kapazität be­ trieben, so kann man jedoch in der freien Wahl der Totzeit zwi­ schen den Impulsen beschränkt werden.

Vorzugsweise ist sowohl zwischen den negativen Ausgängen als auch zwischen den positiven Ausgängen der beiden Gleichstrom­ netzteile jeweils eine Brücke schaltbar, so dass auf einen her­ kömmlichen Betrieb gewechselt werden kann, der jedoch dann kei­ ne individuelle unterschiedliche Ansteuerung der positiven und negativen Impulsamplituden ermöglicht.

Die maximal zulässige Stromdynamik für die schaltenden Transi­ storen und Freilaufdioden werden durch zwei ausgangsseitige In­ duktivitäten L1 L2 eingestellt. Dynamisch wird hierbei der Pulsstrom erfaßt und ausgewertet. Insbesondere bei sehr nieder impedanten Kurzschlüssen ist ein schnelles Erkennen des Über­ stromes und eine umgehende Abschaltung der Transistoren erfor­ derlich, um eine Störung der Halbleiterschicht oder an den Sub­ stratoberflächen oder des Plasmabeschichtungssystems selbst zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Stromversorgung oder Anordnung von Strom­ versorgungsgeräten läßt sich für alle plasmatechnischen Verfah­ ren wie CVD, Plasma-PVD, Magnetron-Sputtern, Plasmanitrieren, Plasmaätzen einsetzen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der sche­ matischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Schaltbild eines erfin­ dungsgemäßen Stromversorgungsgerätes ohne Steuer­ elektronik

Fig. 2 eine Darstellung der Ausgangsimpulse der erfin­ dungsgemäßen bipolaren Stromversorgung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsge­ mäßen Anordnung mit mehreren Netzteilen,

Fig. 4 A-F mögliche Impulsmuster der Anordnung aus Fig. 3, und

Fig. 5 eine zu Fig. 3 alternative Anordnung mit mehreren Netzteilen.

Fig. 1 zeigt ein Stromversorgungsgerät mit zwei Gleichstrom­ netzteilen G1, G2, deren Ausgänge durch Kondensatoren C1, C2 stabilisiert sind. An dem Gleichstromnetzteil G1 liegt die Spannung V1 an, während am Gleichspannungsnetzteil G2 die Span­ nung V2 anliegt. Der positive Ausgang des ersten Gleichspan­ nungsnetzteils G1 ist über eine Serienschaltung zweier Lei­ stungsschalter T1, T4 mit dem negativen Ausgang des Gleichspan­ nungsnetzteils G2 verbunden. In gleicher Weise ist der negative Ausgang des ersten Gleichstromnetzteils G1 über eine Serien­ schaltung von zwei Leistungsschaltern T2, T3 mit dem positiven Ausgang des zweiten Gleichstromnetzteils G2 verbunden. Die ei­ ner Plasmaanlage A zugeleiteten Ausgänge greifen in der Mitte zwischen den Serienschaltungen T1 T4, T2 T3 ab und sind durch Induktivitäten L1, L2 hinsichtlich der Stromdynamik begrenzt, um sowohl die Leistungsschalter als auch die Plasmaanlage selbst und die darin befindlichen Substrate SU zu schützen. In den Ausgang des Stromversorgungsgerätes ist noch ein Stromauf­ nehmer SA geschaltet, dessen Ausgangssignal einer nicht darge­ stellten Steuerung zur Ansteuerung der Leistungsschalter T1 bis T4 zugeführt wird, um somit eine Regelung, d. h. eine Feedback­ geregelte Steuerung zu realisieren.

Die Anordnung zweier Brücken S1, S2 zwischen den positiven Aus­ gängen als auch den negativen Ausgängen der beiden Gleichspan­ nungsnetzteile G1, G2 ermöglicht den Betrieb des Stromversor­ gungsgerätes nach herkömmlicher Art mit allerdings identisch großen Amplituden für die negativen und positiven Stromimpulse. Es lassen sich beispielsweise folgende Betriebsarten einstel­ len:
Gleichspannung DC+ wenn T1 und T2 geschlossen sind, während T3 und T4 geöffnet sind.
Gleichspannung DC-, wenn T3 und T4 geschlossen sind, während T2 und T2 geöffnet sind.
Unipolar plus gepulst UP+, wenn T1 und T2 gepulst sind, wäh­ rend T3 und T4 geöffnet sind.
Unipolar negativ gepulst UP-, wenn T3 und T4 gepulst sind, während T1 und T2 geöffnet sind.
Bipolar gepulst BP, wenn T1 und T2 alternativ mit T3 und T4 ge­ taktet werden.

Fig. 2 beschreibt den zeitlichen Verlauf eines möglichen Im­ pulsmusters mit dem erfindungsgemäßen Stromversorgungsgerät aus Fig. 1. Auf der horizontalen Achse ist die Zeit in Mikrosekun­ den aufgetragen. Die vertikale Achse gibt die Spannung des Aus­ gangsimpulses sowohl in positiver als auch in negativer Rich­ tung wieder. Die Figur zeigt einen ersten positiven Impuls mit Ausgangsspannung V₀₊ und der Impulsdauer T_on+, gefolgt von einer Auszeit T_off+. Dieser Auszeit folgt ein erster negativer Impuls mit der Amplitude V_0- und der Impulsdauer T_on-, gefolgt von der Auszeit T_off-. Die vier Pulszeitparameter T_on+, T_off+, T_on- und T_off- einer Periode sind frei und unabhängig voneinander wählbar, wobei derzeit bei Verwendung herkömmlicher Technik die Summe der Zeiten in einer Periode 8 Mikrosekunden (entsprechend einer Frequenz von maximal 125 kHz) nicht unterschreiten kann.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung hochenergetischer und hochfrequenter Impulsfolgen mit Frequenzen bis in den Mega­ hertz-Bereich. Die Anordnung besteht aus einer Vielzahl von Stromversorgungsgeräten gemäß Fig. 1, die in dieser Figur mit den Bezugszeichen "System 1, System 2 . . . System N" bezeichnet sind. Die Ausgänge dieser mehreren, vorzugsweise 2 oder 3 oder bis zu 20 Stromversorgungsgeräte sind parallel geschaltet und auf den Eingang einer Plasmaanlage A geführt. Zur Synchronisa­ tion und Ansteuerung der einzelnen Stromerzeugungsgeräte ist eine zentrale Steuerung 10 vorgesehen, die über einen Datenbus mit den Steueranschlüssen der einzelnen Stromversorgungsgeräte verbunden ist. Da in diesem System jedes Stromversorgungsgerät System 1 bis System N eine eigene Kennung bzw. Adresse hat, ist es der zentralen Steuerung 10 möglich, jedes einzelne Stromver­ sorgungsgerät in der Anordnung individuell anzusteuern. Statt einer Adressierbarkeit kann selbstverständlich die Steuerung auch über separate Zuleitungen mit jedem Stromversorgungsgerät einzeln verbunden sein.

Weiterhin sind an dem parallel geschalteten Ausgang vor der Einspeisung in die Anlage A Stromabnehmer 14 vorgesehen, deren Ausgänge mit der zentralen Steuerung 10 verbunden sind, um auf diese Weise eine Rückkopplung zur Regelung der Ansteuerung zu erhalten. Durch diese in Fig. 3 gezeigte Anordnung lassen sich die in Fig. 4 A bis F gezeigten Signalformen erzeugen, wobei die Polarität der Abfolge der einzelnen Impulse als auch deren Amplitude und zeitliche Länge sowie die dazwischen befindlichen Totzeiten separat und individuell einstellbar sind. Es lassen sich auf diese Weise hochenergetische hochfrequente Impulsmu­ ster mit Frequenzen bis in den Megahertz-Bereich erzeugen. Wie z. B. Fig. 4B zeigt, können Sinus-Verläufe approximiert werden.

Gemäß Fig. 4 A können Dreieck-Verläufe approximiert werden. Fig. 4 D zeigt einen approximierten Sägezahnverlauf in bipola­ rer Abfolge.

Selbstverständlich können die Impulse der unterschiedlichen Stromerzeugungsgeräte System 1 . . . System N auch zeitlich über­ lagert gesendet werden, so dass kurzzeitige Höchstleistungsim­ pulse allerdings geringerer Frequenz erzielt werden können.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, durch die Anordnung ge­ wünschte Pulsformen durch eine Art Fouriertransformation zu er­ zeugen, wobei evtl. ein Plasma einer Beschichtungsanlage in ei­ ne gewünschte Anregungsform überführt werden kann. Bei der freien Einstellung des Pulsmusters bei N-facher Pulsparallel­ schaltung von N Stromversorgungsgeräten können durch Zu- oder Wegschalten einzelner Pulsteile gewisse Frequenzspektren addi­ tiv überlagert oder ausgeblendet werden.

Fig. 5 zeigt eine zu Fig. 3 weitgehend identische Anlage, wobei identische oder funktionsgleiche Teile mit den selben Bezugs­ zeichen versehen sind. In Fig. 5 sind jedoch im Gegensatz zu Fig. 3 die Elektroden der einzelnen Stromversorgungsgeräte SYSTEM 1 . . SYSTEM N nicht parallel geschaltet, sondern ent­ sprechend einem vorgegebenen Muster, z. B. kreisförmig, im Be­ handlungsraum der Plasmaanlage angeordnet. Hierdurch kann nicht nur die Pulsform der eingebrachten Stromimpulse eingestellt werden, sondern auch Einfluss auf die geometrische Entwicklung des Plasmas genommen werden.

Statt einzelner Netzteil G1, G2 können auch Parallel- oder Seri­ enschaltungen von Netzteilen verwendet werden.

Claims (11)

1. Stromversorgungsgerät zur bipolaren Stromversorgung einer An­ lage der Plasma- oder Oberflächentechnik, das mindestens ein regelbares Gleichstromnetzteil (G1, G2) aufweist, dessen positive und negative Ausgänge mit dem Eingang wenigstens einer Brückenschaltung von elektronischen Leistungsschaltern (T1 bis T4) verbunden sind, welche Leistungsschalter eingangsseitig mit wenigstens einer Steuersignalaufbereitungseinrichtung und aus­ gangsseitig mit wenigstens einer Stromerfassungsschaltung zur Steuerung/Regelung der Leistungsschalter und mit der Last der Anlage (A) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß für jede Brückenschaltung (T1 bis T4) wenigstens zwei Gleichstromnetzteile (G1, G2) vorgesehen sind,
daß der positive Ausgang der beiden Gleichstromnetzteile über eine Serienschaltung jeweils zweier Leistungsschalter (T1 und T4; T2 und T3) mit dem negativen Ausgang des anderen Gleich­ stromnetzteils (G2, G1) verbunden ist, wobei der Ausgang der Brückenschaltung für die Anlage jeweils zwischen den Leistungs­ schaltern der beiden Serienschaltungen abgreift.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß separate Steuersignalaufbereitungs­ einrichtungen (12, 13) zur individuellen Regelung der positiven und negativen Ausgangssignale vorgesehen sind, die in separaten Regelkreisen zusammengefaßt sind, welche von einer Steuerung (18) unabhängig voneinander gesteuert werden.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Leistungsschal­ ter (T1 bis T4) durch MOSFETs gebildet sind.

4. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschalter (T1 bis T4) bipolare Transistoren IBGTs oder andere schnell schaltende elektronische Leistungs­ halbleiter sind.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der beiden Gleichstromnetzteile (G1, G2) kapazi­ tiv (C1, C2) stabilisiert ist.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Schalter (S1, S2) zum Parallelschalten der Gleichstromnetzteile (G1, G2) vorgesehen ist.

7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung zur separaten Steuerung/Regelung der Gleich­ stromnetzteile (G1, G2) vorgesehen ist.

8. Anordnung mit mehreren Geräten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zentrale Steuerung (10) zur zeitlichen Steuerung bzw. Synchronisation der durch die einzelnen Geräte (SYSTEM 1 . . . SYSTEM N) abgegebenen Ausgangsim­ pulse, wobei die Ausgänge aller Geräte zur Anlage (A) parallel geschaltet sind.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Steuerung (10) durch ein Bussystem (12) mit an den Geräten (SYSTEM 1 . . . SYSTEM N) vorgesehenen Steuereingängen und vorzugsweise auch einer Stromerfassungsschaltung (14) ver­ bunden ist.

10. Verfahren zur Erzeugung von Stromimpulsen für Anlagen der Plasma- und Oberflächentechnik mit einem Gerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, durch das die Stromimpulse mit frei wählba­ ren Signalzeiten (T_on+, T_off+, T_on-, T_off-) für die positiven als auch die negativen Stromimpulse und separat wählbaren Amplitu­ den (V₀₊, V_0-) für die positiven und negativen Stromimpulse er­ zeugt werden.

11. Verfahren zur Erzeugung hochfrequenter Stromimpulse für An­ lagen der Plasma- und Oberflächentechnik mit einer Anordnung gemäß Anspruch 7 oder 8, die mehrere, insbesondere zwischen drei und 20 Geräte umfaßt, wobei die Geräte durch die zentrale Steuerung zur Erzeugung eines zusammengesetzten Signalmusters angesteuert werden, indem jedes Gerät zur Abgabe eines Si­ gnalimpulses veranlasst wird, dessen Impulszeit höchstens der Gesamtzeit des Signalmusters geteilt durch die Anzahl der Gerä­ te entspricht.