[发明专利]陡下降沿低功耗的等离子浸没离子注入用高压脉冲调制器及调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陡下降沿低功耗的等离子浸没离子注入用高压脉冲调制器及调制方法，属于脉冲功率技术领域。

背景技术

等离子浸没离子注入技术是一种先进的表面改性技术，近年来引起人们的广泛关注。等离子浸没离子注入过程中，被处理工件被放置在真空室内，真空室内由外部等离子体源激发产生等离子体，在被处理工件上施加负的脉冲高压，由于等离子中电子和离子的质量差异，电子迅速被排斥远离工件，而离子相对静止，这样在工件周围便形成一个等离子压降区，即等离子鞘层区。鞘层内的离子在鞘层电压的加速下，获得足够的能量注入工件表面，与工件表面原子发生复杂的物理和化学作用，最终达到对材料改性的目的。

等离子体浸没离子注入工艺中，高压脉冲调制器的性能很大程度上决定了处理后工件的表面质量，例如：离子的注入深度、注入均匀性等。等离子体浸没离子注入工艺要求电源能够稳定输出陡脉冲前后沿、脉冲平顶压降小的高压脉冲，最理想的高压脉冲波形为矩形波。在实际脉冲电源设备中，由于负载容性和回路中一些寄生参数的存在，不可能获得理想的矩形波电压波形。

目前等离子体浸没离子注入电源还是较多采用电子管模式高压脉冲调制器，如图1所示，是一种采用真空电子管调制的高压脉冲电源的结构示意图，它通过控制真空电子管的通断，可以在负载上得到负的高压脉冲输出，输出电压波形形状如图2所示，由于回路寄生电容C_R的存在，导致输出脉冲电压的上升和下降都需要一段时间，即图2中所示的上升沿t_r和下降沿t_f。这样的电源存在两个难题：首先是能量损耗问题：如图1，由于充电过程中充电限流电阻R₁和控制下降沿的下拉电阻R_T的存在，导致消耗在电阻上的能耗较大。例如，当电源的输出电压为50kV，脉冲占空比为5％，下拉电阻R_T为20kΩ时，单消耗在下拉电阻R_T上的功率就有6.25kW；其次是下降沿太长：由于负载容性和回路中一些寄生参数的存在，导致脉冲下降沿很长。过长的脉冲下降沿对等离子浸没离子注入过程是很不利的，例如引入低能量离子，溅射效应，使改性层注入深度等很难控制。D.T.K.Kwok等人计算了等离子浸没离子注入过程中[参考文献D.T.K.Kwok，M.M.M.Bilek，D.R.McKenzie，et al.Appl.Phys.Lett.Vol.82(12)：1827，2003]，脉冲不同阶段引入的低能离子的百分含量，发现其中24％的低能量离子来自脉冲下降沿期间，这对注入改性层的表面质量控制是不利的。如果减小下拉电阻R_T，会使输出电压波形的下降沿减小，但又使得能耗太大，因此采用图1所示的这种高压脉冲电源的电路结构，很难做到使输出电压波形的下降沿很短。日本的Yukimura等人在文献中提出采用两个硬管开关(真空电子管)调制高压脉冲的电路结构，通过第二个电子管放电实现了对高压脉冲下降沿的控制[参考文献Ken Yukimura，Tomoyuki Muraho.Nucl.Instr.and Meth.in Phys.Res.B Vol.206：791，2003]。但这种方法最大的缺点是：多用了一个真空电子管，一方面使电源成本大幅提高，另一方面也增加了控制电路的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现采用的等离子浸没离子注入用高压脉冲调制器输出脉冲的下降沿长的问题，提供一种陡下降沿低功耗的等离子浸没离子注入用高压脉冲调制器及调制方法。

本发明一种陡下降沿低功耗的等离子浸没离子注入用高压脉冲调制器，它包括直流高压电源、充电限流电感、充电IGBT串联开关、电流尖峰抑制电感、负载限流电阻、真空四极管、灯丝电源、高压脉冲电容器、高压硅堆、下拉放电限流电阻、下拉IGBT串联开关、寄生电容、二栅电源、充电开关的驱动原始信号单元、充电同步隔离驱动电路、脉冲延迟电路、电子管驱动电路、下拉开关的驱动原始信号单元和下拉同步隔离驱动电路，

直流高压电源的输出端连接充电限流电感的一端，充电限流电感的另一端连接充电IGBT串联开关的集电极，充电IGBT串联开关的发射极与调制器的负载接入端之间串联高压脉冲电容器，

充电IGBT串联开关的发射极与真空四极管的阳极之间串联电流尖峰抑制电感和负载限流电阻，灯丝电源为该真空四极管的阴极灯丝供电，真空四极管的阴极灯丝一端连接调制器的负载接地端；

调制器的负载接入端连接高压硅堆的正极，高压硅堆的负极连接调制器的负载接地端，