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对 等离子体过程的供电期间出现的 电弧进行检测的方法、等离子体电源的控制单元、以及等离子体电源

阅读：960发布：2023-02-28

专利汇可以提供对等离子体过程的供电期间出现的电弧进行检测的方法、等离子体电源的控制单元、以及等离子体电源专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于为等离子体室(30)中的等离子体过程供电的等离子体电源(10)，包括：a、DC源(15)；b、输出信号发生器(16)，该输出信号发生器(16)连接到DC源(15)；c、第一信号序列测量设备(20)，该第一信号序列测量设备(20)用于测量存在于DC源(15)与输出信号发生器(16)之间的信号序列；d、第二信号序列测量设备(18、19)，该第二信号序列测量设备(18、19)用于测量存在于输出信号发生器(16)的输出端处的信号序列；e、控制单元(14)，该控制单元(14)连接到第一和第二信号序列测量设备(18、19、20)。，下面是对等离子体过程的供电期间出现的电弧进行检测的方法、等离子体电源的控制单元、以及等离子体电源专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于对在等离子体室(30)中的等离子体过程的供电期间出现的电弧进行检测的方法，包括以下方法步骤：
a、由信号序列测量设备(20)确定存在于DC源(5)与输出信号发生器(16)之间的第一信号序列；
b、由第二信号序列测量设备(18、19)确定存在于所述输出信号发生器(16)的输出端处的第二信号序列；
c、基于所述第一信号序列和所述第二信号序列中的一个来确定参考信号序列(1)；
d、将所述参考信号序列(1)与所述第一信号序列和所述第二信号序列中的没有用于确定所述参考信号序列(1)的信号序列(2)进行比较；
e、如果所述参考信号序列(1)与没有用于确定所述参考信号序列(1)的所述信号序列(2)交叉，则检测到电弧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一信号序列、所述第二信号序列和所述参考信号序列(1)中的至少一个在数字域中被数字化或确定。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其特征在于，以有规律的间隔对所述参考信号序列(1)进行确定。
4.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其特征在于，电流、电压或功率作为第一信号序列或第二信号序列来进行测量。
5.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其特征在于，所确定的第一信号序列和/或第二信号序列是平均值、有效值或最大值。
6.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其特征在于，测量在没有用于确定所述参考信号序列(1)的所述信号序列(2)与所述参考信号序列(1)交叉之后经过的时间，并且如果没有用于确定所述参考信号序列(1)的所述信号序列(2)与所述参考信号序列(1)在预定的时间间隔内没有再一次交叉，则检测到电弧。
7.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其特征在于，所述参考信号序列(1)被确定为所测量到的第一信号序列或第二信号序列减去第一给定值或者被确定为所述第一信号序列或第二信号序列乘以第二给定值。
8.一种用于为等离子体室(30)中的等离子体过程供电的等离子体电源(10)，包括：
a、DC源(15)；
b、输出信号发生器(16)，所述输出信号发生器(16)连接到所述DC源(15)；
c、第一信号序列测量设备(20)，所述第一信号序列测量设备(20)用于测量存在于所述DC源(15)与所述输出信号发生器(16)之间的信号序列；
d、第二信号序列测量设备(18、19)，所述第二信号序列测量设备(18、19)用于测量存在于所述输出信号发生器(16)的输出端处的信号序列；
e、控制单元(14)，所述控制单元(14)连接到所述第一信号序列测量设备(20)和所述第二信号序列测量设备(18、19)，其中，所述控制单元(14)被供应有存在于所述DC源(15)与所述输出信号发生器(16)之间的第一信号序列以及存在于所述输出信号发生器(16)的输出端处的第二信号序列，其特征在于，所述控制单元(14)包括：
i.参考信号序列确定单元(21)，所述参考信号序列确定单元(21)被设计为基于所述第一信号序列和所述第二信号序列中的一个来生成参考信号序列(1)；
ii.比较器(22)，所述比较器(22)被设计为将所述参考信号序列(1)与所述第一信号序列和第二信号序列中的没有用于确定所述参考信号序列的信号序列(2)进行比较，并且如果所述参考信号序列(1)与未用于确定所述参考信号序列(1)的所述信号序列(2)交叉，则生成检测信号。
9.根据权利要求8所述的等离子体电源(10)，其特征在于，所述控制单元(14)是数字控制，所述数字控制以给定的时间间隔计时。
10.根据权利要求8或9所述的等离子体电源(10)，其特征在于，所述控制单元(14)包括计数器(24)，所述计数器(24)测量在没有用于确定所述参考信号序列(1)的所述信号序列(2)与所述参考信号序列(1)交叉之后经过的时间。
11.根据权利要求8或9所述的等离子体电源(10)，其特征在于，所述控制单元(14)包括电弧检测设备(25)，所述电弧检测设备(25)基于所述比较器(22)检测到所述参考信号序列(1)与没有用于确定所述参考信号序列(1)的所述信号序列(2)交叉和/或在所述参考信号序列(1)与没有用于确定所述参考信号序列(1)的所述信号序列(2)交叉之后已经经过给定时间而没有用于确定所述参考信号序列(1)的所述信号序列(2)与所述参考信号序列(1)没有再一次交叉来生成电弧检测信号。
12.根据权利要求8或9所述的等离子体电源(10)，其特征在于，平均单元被提供用于确定所述第一信号序列的平均值和/或所述第二信号序列的平均值。
13.根据权利要求8或9所述的等离子体电源(10)，其特征在于，有效值确定设备被提供用于确定所述第一信号序列的有效值和/或所述第二信号序列的有效值。
14.根据权利要求8或9所述的等离子体电源(10)，其特征在于，最大值确定单元被提供用于确定所述第一信号序列和/或所述第二信号序列在给定的时间间隔内的最大值。

说明书全文

对 等离子体过程的供电期间出现的 电弧进行检测的方法、等

离子体电源的控制单元、以及等离子体电源

技术领域

[0001] 本发明涉及：对等离子体室中的等离子体过程的供电期间出现的电弧进行检测的方法、用于为等离子体室中的等离子体过程供电的等离子体电源的控制单元，电源包括DC源和输出信号发生器，其中，控制单元被供应有存在于DC源与输出信号发生器之间的第一信号序列以及存在于输出信号发生器的输出端处的第二信号序列。

[0002] 本发明还涉及用于为等离子体室中的等离子体过程供电的等离子体电源。

背景技术

[0003] 通过等离子体过程中的阴极溅射对衬底(例如，玻璃)的涂覆是公知的。溅射可以常规地完成或使用反应气体来完成。在这种情况下，溅射被称为反应溅射。为此目的，电流或电压源产生等离子体，其从靶上去除材料，该靶随后被涂覆在衬底(例如，玻璃衬底)上。如果使用反应过程，则根据所期望的涂覆，靶原子可以与气体原子或分子结合。

[0004] 具体来说，如果正在使用反应过程，则电弧可能在等离子体过程中出现。这种电弧可能对于等离子体过程是有害的，并且甚至可能破坏涂覆。因此，快速且可靠地检测出电弧是必要的。通常，通过监测电源的输出电压来检测电弧。如果在输出电压中存在快速下降，则检测到电弧。另一方面，可以监测电流。如果在输出电流中存在瞬时上升，则其也指示电弧。具体来说，可以分别监测输出电流和输出电压，并分别将它们与阈值进行比较。然而，输出电流和输出电压可能由于其它原因(即，在不出现电弧的情况下)在等离子体处理期间发生变化。

[0005] 电源可以是电流调节和/或电压调节和/或功率调节的电源。电流、电压或功率的设定点值从外部给出，例如由用户给出。电源随后被调节以在输出端处获得设定点值。例如，如果电源处于对于功率具有期望的设定点、对于电流具有最大设定点、以及对于电压具有最大设定点的功率调节模式，则难以确定电弧检测的良好的阈值，这是因为电压或电流的绝对值随着等离子体阻抗变化。因此，如果使用固定阈值来检测电弧，则电弧检测不是非常可靠。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种允许较迅速且较可靠的电弧检测的方法、控制单元、以及电源。

[0007] 根据本发明，通过对等离子体室中的等离子体过程的供电期间出现的电弧进行检测来解决问题，包括以下方法步骤：

[0008] a、由信号序列测量设备确定存在于DC源与输出信号发生器之间的第一信号序列；

[0009] b、由第二信号序列测量设备确定存在于输出信号发生器的输出端处的第二信号序列；

[0010] c、基于第一信号序列和第二信号序列中的一个来确定参考信号序列；

[0011] d、将参考信号序列与第一信号序列和第二信号序列中的没有用于确定参考信号序列的信号序列进行比较；

[0012] e、如果参考信号序列和没有用于确定参考信号序列的信号序列交叉，则检测到电弧。

[0013] 因此，根据本发明，不同的信号用于生成参考信号序列以及用于与参考信号序列比较，以便判断是否已经出现电弧。这种方法比根据现有技术使用的方法更加可靠。具体来说，可以经常避免错误的电弧检测。信号序列和参考信号序列的交叉可以是信号序列上升到参考信号序列上方或者信号序列下降到参考信号序列下方。

[0014] 第一信号序列、第二信号序列和参考信号序列中的至少一个可以在数字域中被数字化或确定。这允许数字信号处理，其导致较快速的电弧检测。

[0015] 为了改进电弧的检测，可以以有规律的间隔确定参考信号序列。例如，参考信号序列可以在若干毫秒、微秒或纳秒的间隔中确定。此外，参考信号序列可以以与供应给控制单元的时钟率相同的时钟率或该时钟率的整数值除数来确定。

[0016] 电流、电压或功率可以作为第一或第二信号序列来测量。

[0017] 所确定的第一和/或第二信号序列可以是平均值、有效值或最大值。根据正使用的等离子体过程的种类，可以选择哪种类型的值应当被用作为第一和/或第二信号序列。可以在被供应给控制单元的时钟信号的若干周期内计算平均值。

[0018] 可以测量在信号序列和参考信号序列交叉之后经过的时间，并且如果信号序列和参考信号序列在预定的时间间隔内没有再一次交叉，则检测到电弧。因此，可以改进电弧检测。具体来说，信号序列和参考信号序列的交叉并不自动或立即得到电弧检测信号。只有在电弧保持并存在足够长的时间间隔的情况下，才检测到电弧。

[0019] 参考信号序列可以被确定为所测量到的第一或第二信号序列减去第一给定值或可以被确定为第一或第二信号序列乘以第二给定值。

[0020] 此外，本发明涉及用于为等离子体室中的等离子体过程供电的等离子体电源的控制单元，电源包括DC源和输出信号发生器，其中，控制单元被供应有存在于DC源与输出信号发生器之间的第一信号序列以及存在于输出信号发生器的输出端处的第二信号序列，其中，控制单元包括：

[0021] i.参考信号序列确定单元，其被设计为基于第一信号序列和第二信号序列中的一个来生成参考信号序列；

[0022] ii.比较器，其被设计为将参考信号序列与第一信号序列和第二信号序列中的没有用于确定参考信号序列的信号序列进行比较，并且如果参考信号序列和未用于确定参考信号序列的信号序列交叉，则生成检测信号。

[0023] 这种控制单元可以是数字控制单元，例如数字信号处理器或FPGA。因此，可以获得非常快速的信号处理并且从而获得快速的电弧检测。

[0024] 如之前提及的，控制单元可以是数字控制，其可以用给定时钟计时。

[0025] 控制单元可以包括计数器，其测量在信号序列和参考信号序列交叉之后经过的时间。因此，可以改进错误的电弧检测。

[0026] 控制单元可以包括电弧检测设备，其基于比较器检测到参考信号序列和信号序列交叉和/或在参考信号序列和信号序列交叉而信号序列和参考信号序列没有再一次交叉之后已经经过的给定时间来生成电弧检测信号。

[0027] 此外，本发明涉及一种用于为等离子体室中的等离子体过程供电的等离子体电源，包括：

[0028] a、DC源；

[0029] b、输出信号发生器，其连接到DC源；

[0030] c、第一信号序列测量设备，其用于测量存在于DC源与输出信号发生器之间的信号序列；

[0031] d、第二信号序列测量设备，其用于测量存在于输出信号发生器的输出端处的信号序列；

[0032] e、根据本发明的控制单元，其连接到第一和第二信号序列测量设备。

[0033] 第一信号可以在DC源的输出端与输出信号发生器的输入端之间的任何点处获得。第一和第二信号序列可以是电流、电压或功率。

[0034] 等离子体电源可以包括平均单元，其用于确定第一信号序列的平均值和/或第二信号序列的平均值。替代地，等离子体电源可以包括有效值确定设备，其用于确定第一信号序列和/或第二信号序列的有效值。作为另外的替代，等离子体电源可以包括最大值确定单元，其用于确定第一信号序列和/或第二信号序列在给定的时间间隔内的最大值。附图说明

[0035] 当与附图一起阅读时，根据以下说明性描述，将更充分理解本发明的前述和其它目的、特征和优点以及本发明本身，它们不一定是按比例的。

[0036] 图1是解释具有参考信号序列的电弧检测的图示；

[0037] 图2是解释错误的电弧检测的图示；

[0038] 图3是示出了如何可以避免错误的电弧检测的图示；

[0039] 图4是等离子体电源的框图；

[0040] 图5是替代的等离子体电源的图示；

[0041] 图6是等离子体电源的另一个示例；

[0042] 图7是等离子体电源的又一个示例。

具体实施方式

[0043] 图1示出了参考信号序列1，其已经从等离子体电源的输出端处(即，在输出信号发生器的输出端处)、或者在DC源与等离子体电源的输出信号发生器之间测量到的信号序列获得。附图标记2示出了在等离子体电源的输出端处或者在等离子体电源的DC源与输出信号发生器之间获得的信号的信号序列。然而，信号序列2不是已经用于获得参考信号序列1的信号序列。可以看到，在点3处，信号序列2与参考信号序列1交叉，具体来说，信号序列2落在参考信号序列1下方。这表示在发生等离子体过程的等离子体室中已经出现电弧。

[0044] 图2中示出了类似的情形。在这种情况下，参考信号序列1和信号序列2在点4、5处交叉。在这种情况下，仅出现相对小或短的电弧，其在没有外部干扰的情况下熄灭。这种电弧不会显著影响等离子体过程，并且如果出现这种电弧，则应当发起计数器电弧测量。为了避免错误的电弧检测，测量点4与5之间的时间。这用线条7示出。只有在线条7与另一线条6交叉时(这指示电弧已经出现足够长的时间)，才生成电弧检测信号，并且发起计数器电弧测量。如图2中示出的，如果电弧相对短并且线条7保持在线条6下方，则未检测到实际的电弧，并且不会发起计数器电弧测量。

[0045] 图3示出了与图2类似的情形。在这种情况下，参考信号序列1和信号序列2在点8处交叉。在点8处，开始时间测量。这再次用线条7指示。然而，在这种情况下，与图2中的情形相反，信号序列2保持在参考信号序列1下方达到使线条7与线条6交叉那么长的时间。因此，生成电弧检测信号并且可以发起计数器电弧测量。

[0046] 当信号序列2和参考信号序列1第一次交叉时，在模拟域中测量时间等同于开始增加计数器。只要参考信号序列1和信号序列2没有再一次交叉，该计数器就增加或减小。如果计数器增加或减小到给定值，则检测到电弧。

[0047] 图4示出了从供电电网12接收供电电压的等离子体电源10。等离子体电源10在其输出端13处生成输出信号序列。输出信号序列通常是输出电流Iout和输出电压Uout。将输出电压和输出电流相乘得到输出功率Pout，其也被认为是输出信号序列。

[0048] 电源10包括控制和电弧检测单元14，其接收输出功率Pset、输出电压Uset和输出电流Iset作为输入设定点。此外，等离子体电源10包括DC源15。DC源15连接到输出信号发生器16(通常是桥反相器)的输入端。输出信号发生器16也由控制和电弧检测单元14来控制。

[0049] 除了输出信号发生器16的输出端处的信号测量装置18、19以外，测量装置20也被提供用于测量存在于DC源15与输出信号发生器16之间的信号。

[0050] 控制单元14包括参考信号序列确定单元21，其被设计为基于由测量装置18、19中的至少一个在输出信号发生器16的输出端处测量到的信号或者在DC源15与输出信号发生器16之间测量到的信号(即，由测量设备20测量到的信号)来生成参考信号序列。

[0051] 此外，控制单元包括比较器22，其被设计为将参考信号序列与没有用于确定参考信号序列的信号序列进行比较，并且如果参考信号序列和未用于确定参考信号序列的信号序列交叉则生成检测信号。

[0052] 控制单元14可以是数字控制单元，其以给定的时钟计时。为此目的，控制单元14包括时钟输入端23。

[0053] 此外，控制单元14可以包括计数器24，其测量在信号序列和参考信号序列已经交叉之后经过的时间。

[0054] 此外，控制单元14可以包括电弧检测设备25，其基于比较器22和/或计数器24所生成的信号(即，基于检测到参考信号序列与信号序列交叉和/或在参考信号序列与信号序列交叉(而信号序列与参考信号序列不会再次交叉)之后已经经过的给定时间)来生成电弧检测信号。

[0055] 另外，单元26用于确定信号序列的平均值、用于确定信号序列的有效值和/或用于确定信号序列的最大值。

[0056] 此外，输出信号发生器16连接到等离子体室30，其由等离子体电源10供电。在等离子体室30中，发生等离子体过程。电弧可能在等离子体过程中发生。

[0057] 图5、图6和图7示出了等离子体电源10和等离子体室30的替代实施例，其中，与上面所描述的元件相对应的元件具有相同的附图标记。

[0058] 在图5中，输出信号发生器16并不体现为反相器，而是体现为DC信号源。

[0059] 在图5和图6中，输出信号发生器16包括用于熄灭电弧的单元31，其连接到电弧检测设备25。

[0060] 在图7中示出的实施例中，输出信号发生器16被体现为向等离子体过程馈送双极性功率的全桥反相器，并且由测量装置18在输出信号发生器16的输出端处获得参考信号序列。

[0061] 输出信号发生器16可以是反相器，例如全桥或具有输出变压器或附加的输出谐振电路的全桥。在这种情况下，等离子体室30中的等离子体过程可以是如图4和图7中示出的中频(MF)供电的等离子体过程。在这样的MF供电的等离子体过程中，所确定的第一和/或第二信号序列可以是平均值或有效值。

[0062] 输出信号发生器16可以是脉冲单元。另外地或替代地，输出信号发生器16可以包括用于熄灭电弧的单元31。在这种情况下，等离子体室30中的等离子体过程可以是如图5和图6中示出的脉冲DC供电的等离子体过程。在这样的脉冲DC供电的等离子体过程中，所确定的第一和/或第二信号序列可以是平均值或最大值。

[0063] 尽管在这些附图中未示出，但是图5、图6、和图7中的控制和电弧检测单元14还可以包括以下单元或设备中的一个或多个：参考信号序列确定单元21、比较器22、时钟输入端23、计数器24、电弧检测设备25、以及单元26。

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