[发明专利]通过将等离子体中的电弧电流早期分流而快速灭弧的设备和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及检测和防止或熄灭等离子体处理应用中的电弧的电源，具体涉及直流工艺以及熄灭其中的电弧的装置和方法。

背景技术

在基于等离子体的工艺中，当在绝缘体上电荷积累的点和阴极上的点之间发生放电时，发生阴极电弧。然后等离子体的阻抗崩溃，这通常称为微弧。过去，微弧被视为无关紧要的，因而被忽略。通常，不能检测到微弧的存在，因为电源不直接检测其存在。如果微弧没有快速熄灭，就会产生级联效应，微弧变成所谓的强电弧。然后等离子体通过该强电弧放电，产生非常高强度的能量，该能量如果不快速熄灭的话，就会对工艺和薄膜的质量产生坏的影响。

在直流等离子体工艺中，过去，电弧控制的方法着重于降低由直流电源提供给电弧的能量，或者使用高频或中频电源结合直流电源来消除电弧的出现或者使其出现的机会最小。如在美国专利US5,535,906中所提出的存储非常少能量的电源，其除了在输出电缆中存储的能量外，提供给电弧的能量很小。这种电源通过检测到电弧后关闭电源来消灭电弧。电源关闭后，存储在电缆中的能量扩散到电弧中，并从电缆和电源中消失。这种类型的电源需要感应电弧的有源电路，并且需要开关电源。

作为替代，可以使用无源电路来熄灭电弧，这是因为电弧的出现不会影响电源的调整电路或逻辑电路，这在例如US 5,645,698和US6,524,455中进行了阐述。有源元件通常包括电感和电容，以提供将等离子体中的电流降低为零的谐振电路，从而消除电弧。电感可以包括分立的电感，但是也可以仅仅是输出电缆的电感，该电缆将电源连接到等离子腔。该熄灭(ring out)的典型时间从若干微秒到几十微秒。无源熄灭电路在输出电流中产生大的脉冲跳增，基于谐振组件的值，这会引起大量的能量被输入到工艺中。US 6,524,455和JP61030655A讨论了一种能在几微秒内熄灭电弧的谐振熄灭电路。

在许多电源中，输出滤波电感存储的能量远多于电缆电容存储的能量，因此，如果在检测到电弧后简单地关闭电源，即便在输出电容中存储的能量相对较低的情况下，也可能有大量的能量输送到电弧中。一种降低存储的被输送到负载的感性能量的方法使用与电源的输出端串接的开关，该开关被打开，以防止电流到达等离子体。因为该方法涉及中断电感电流，所以会在开关上引起大的电压尖峰，这要求有消除感性能量的有效方法，以保护开关。

工业界通常认为，熄灭电弧的最优方法是将通过电弧的电流降到零或者某个预定的低门限值。图1示出了典型的熄灭过程。最容易的熄灭电弧的方法是在电容器C_out和电感L_arcout间加入谐振电路(未示出)，电容器C_out位于电源的输出端上，其通常还作为直流电源的滤波电容，L_arcout可以包括插入的与电源的输出电缆串联的分立电感，但也可以仅仅是电源的输出电缆的电感。在典型的熄灭电路中，通过将电流降到零来熄灭电弧。

如图1所示，t₁到t₂之间的时间是电弧的开始阶段。消除发生在t₂和t₃之间。在时间t₃电流达到零，电弧被熄灭。在t₄，等离子体自然恢复。I_peak是由熄灭过程所产生的电流的峰值。图1和图3所示的电压波形是腔内的波形，其参考腔的负输入端。电流波形说明流入腔的正输入端的电流。

由图1所定义的I_peak和时间间隔t_ring的适当值可以用下面的公式计算：

tring=π·Larcout·Cout]]>

I_peak＝V_dc/Z_arcout