[发明专利]等离子体发生器的起弧增强电路

说明书

本发明涉及溅射或等离子体应用的电源，特别针对一种起弧电路，该电路将高起弧电压施加到等离子体室的阴极和阳极，以启动电极间的放电。本发明涉及一种可增添到现存溅射电源上的起弧电路，却不干扰其运行而且不需要控制电路的设施。

溅射是一种真空淀积加工法，其中，溅射靶受离子的轰击，于是溅射靶的原子通过动量传递被机械地游离出来，典型使用的离子是惰性气体离子。然后靶材料就被覆盖到附近的衬底上。靶材料可以是一种金属，例如铝或镍。在活性溅射加工法中，一种活性气体被引入淀积室，游离的靶材料与活性气体起反应以构成覆盖材料。覆盖材料可以是一种氧化物，例如Al₂O₃，碳化物如SiC，或氮化物如TiN。溅射加工法在等离子体室内进行，在那里惰性气体以很低的、接近真空的压力存在。为了向靶加速惰性气体原子，产生一等离子体。等离子体是一种广泛的放电，其中等离子体的惰性气体离子向着作为阴极的靶加速。跨于等离子体的典型电压在300伏至700伏之间，视靶材料和等离子体室尺度而定。然而，为引发等离子体，开始时必须有一个启动电压或起弧电压，其值数倍于等离子体工作电压。

众所周知，在此工艺中，电源的功率级里采用了固有过冲量(overshout)来产生起弧电压。以往产生起弧电压的工艺方法要求在电源中将固有和寄生超过冲量的控制放得很松，或者用谐振功率级以提升或“Q值升高”(Q-up)电压以便起弧等离子体。现有工艺方法也需要附加的部件，并在电源中产生附加损耗。这通常涉及在电源变压器中以不希望有的圈数比来建造电源。也可能为点燃等离子体而要装置另一个分立的电源。然而，在那种情况下就需要分立的控制，也需要修改主电源，以便为电气安全目的保留至少10mm的间隔。

本发明的一个目的是提供一种起弧电路，它可以结合现存等离子体发生器或溅射电源，或者可以加装到现存电源上。

本发明的进一步目的是提供由主电源变压器次级线圈运行的起弧电路，从而避免了电气安全问题。

本发明更进一步的目的是提供一种具有高阻抗的起弧电路，它在运行开始时可有效提供高电压去点燃等离子体，然而只要等离子体一经点燃它就自动停止供应高电压。

按照本发明的一个方面，等离子体发生器的起弧电路将输入引线连接到等离子体发生器变压器的次级引线上，那里给出一个非正弦波的交流电。在等离子体发生器或这种类型的电源里，初级线圈上加以跳跃波，例如方波，于是次级线圈或绕组就会产生有点不规则的波形，也就是在初级线圈脉冲的前沿或后沿会有大的尖峰或超冲量。起弧电路由一组峰值检测电路构成，其中每一个都有第一和第二ac端口，这些端口加有交流波形，而它们的直流正负输出上就呈现交流波形峰值的正负电压。在第一输入端与峰值检测电路的一个交流线端之间连接着相应的隔离电容器，同样在第二输入端与峰值检测电路的另一个交流线端之间也连接着相应的隔离电容器。在一种优选的具体装置中，峰值检测电路各由一个二极管桥路构成并在正负直流端区之间连接一个电容器。

几个峰值检测电路将它们的直流输出串联起来，使得第一个峰值检测电路的正输出端连接到第一高压输出，而最末一个峰值检测电路的负输出端连接到第二高压输出。其余正负输出端的连接是每个负端都顺次连到下一个峰值检测电路的正端。在这种方式中，各高电压输出端提供的电压电平为输入交流波形峰值电压的数倍。第一和第二高电压输出端被连接到主电源的正负输出上，并由此再连接到相关联的等离子体室的阳极和阴极。

在一种实际的具体设置中，有四个二极管桥路，也就是四个全波整流器，连接成一组，以产生超过千伏的起弧电压，而变压器次级的电压只有约三百伏。

隔离电容器相互串联并与相应的二极管桥路串联。只要没有可观的负载加到二极管桥路的输出端上，也就是不存在等离子体时，起弧电路就起作用，把高压施加于等离子体室的阳极与阴极之间。然后，一旦电离开始并引燃了等离子体，阳极和阴极间的阻抗就降到几十至几百欧量级的数值。这个数值相对小于隔离电容器的容抗Xc。于是，在等离子体运行期间，只有次级峰-峰电压的一小部分加在相应的峰值检测电路上，起弧电路就停止提供高电压。