РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕННОГО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2018 года по МПК H01J37/34 

Изобретение относится к переключателю, позволяющему последовательно распределять мощность постоянного тока DC, поставляемую генератором постоянного тока, на более чем две нагрузки без необходимости в прерывании отдачи мощности генератором.

Мощные генераторы находят самое разное применение. Областью применения генераторов мощности является так называемое магнетронное распыление. При этом речь идет о способе нанесения покрытия физическим осаждением из паровой фазы PVD, при котором материал с помощью магнетрона распыляется с мишени ионной бомбардировкой. В этом случае распыляемый материал может оседать на покрываемой подложке. Недостатком этой обычной технологии ионного распыления является незначительная степень ионизации распыляемого материала. А именно, чем выше степень ионизации, тем эффективнее электрическое смещение подложки может использоваться для дополнительного ускорения распыляемого материала в сторону подложки. При ионном распылении подавляющая ионизация распыляемого материала происходит лишь при очень больших плотностях тока. Однако необходимым условием большой плотности тока является подача большой мощности, приводящей, правда, к большой термической нагрузке на мишень. По этой причине мощность подается на мишень импульсно так называемым способом ионного распыления импульсами высокой мощности HIPIMS. Однако реализовать соответствующие импульсные генераторы при этих больших мощностях технически сложно.

Согласно новому способу необходимая на мишени мощность подается более не импульсным генератором, а генератором постоянного тока по существу с постоянной отдачей мощности. Согласно этому способу мощность генератора постоянного тока последовательно подается на более чем две мишени. В принципе это достигается простым переключением с одной мишени на следующую. Правда, на практике оказалось, что это простое переключение является для мишеней весьма большой нагрузкой, так что уже через не слишком много часов эксплуатации происходит выход мишеней из строя. Предполагается, что это, в числе прочего, объясняется пиками мощности, вызываемыми переключением.

Поэтому желательным является обеспечение возможности переключения, позволяющей надежно и без лишней нагрузки на мишени последовательно распределять высокую отдачу мощности генератора постоянного тока по разным мишеням так, чтобы мощность, отдаваемая генератором постоянного тока, по существу была постоянной.

Это соответствует задаче настоящего изобретения.

Согласно изобретению задача решается распределителем мощности согласно пункту 1 формулы изобретения. Оказалось, что с помощью соответствующего распределителя мощности мощность надежно, а прежде всего щадящим образом последовательно распределяется по разным мишеням.

Далее изобретение подробно поясняется на основе примера и со ссылкой на чертежи, на которых показано:

фиг. 1 - общая электрическая схема распределителя мощности согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

фиг. 2 - электрическая схема распределителя мощности согласно изобретению, который в состоянии распределять мощность на 6 мишеней.

фиг. 3 - электрическая схема распределителя мощности согласно изобретению согласно одному из простых вариантов осуществления.

фиг. 4 - электрическая схема распределителя мощности согласно изобретению по другому варианту осуществления.

В примере на фиг. 2 в качестве генератора постоянного тока DC используется генератор AE Pinnacle^®, который в состоянии отдавать мощность постоянного тока 60 кВт. Максимально могут устанавливаться 800 кВт. Самое большое могут протекать токи 150 А. К выходам генератора постоянного тока согласно фиг. 2 подсоединяется мощный генератор. К его выходам раздельно соответствующим образом подсоединяются 6 мишеней. Символы, изображенные на фиг. 2, специалисту известны, и никакого дальнейшего пояснения, соответственно, не требуется. Этот распределитель мощности простым способом сначала позволяет подавать полную мощность генератора постоянного тока на первую мишень, и через первый заданный интервал времени осуществлять переключение на вторую мишень, а через второй заданный промежуток времени – на третью мишень и т.д., пока мощность не станет, наконец, подаваться на шестую мишень. Особенно предпочтительным является тот факт, что с помощью распределителя мощности согласно изобретению после подачи мощности на шестую мишень можно снова начинать подачу на первую мишень и запускать новый коммутационный цикл. Соответствующий процесс может повторяться многократно.

Большинство генераторов постоянного тока отдают полную мощность не сразу после подключения. Поэтому появляется интервал восстановления мощности. С помощью распределителя мощности согласно изобретению мощность во время интервала восстановления мощности подается на сток мощности. Таким стоком мощности может быть, например, простой омический резистор. По завершении коммутационного цикла, т.е. по окончании подачи на последнюю мишень, мощность не должна больше сначала поступать на сток мощности, а она может снова подаваться прямо на первую мишень.

Распределитель мощности согласно изобретению может использоваться также для того, чтобы в случае так называемого дугообразования (arcing) передавать мощность на сток мощности до тех пор, пока дугообразование не прекратится. Даже в этом случае отдача мощности генератором постоянного тока не прекращается и более не должно появляться нового интервала для создания мощности.

На фиг. 3 изображена схема первого варианта осуществления настоящего изобретения. При этом генератор постоянного тока DC изображен пунктирной линией в виде треугольника. Его положительный выход находится в этом примере в непосредственном контакте со всеми мишенями от А до Х с соответствующим выводом. Отрицательный выход генератора постоянного тока через переключатель S_T, за которым установлен омический резистор R_T, также электрически соединен со всеми мишенями. Правда, соединение с мишенью В может прерываться посредством переключателя S_B. Для других мишеней предусмотрены соответствующие переключатели S_T и S_X.

Переключатель S_T при использовании замыкается. Затем дополнительно замыкается переключатель S_A. Таким образом, напряжение генератора постоянного тока приложено к мишени А. Происходит отдача мощности. Например, над мишенью А плазма может быть зажжена таким образом, что на мишени А начинается процесс ионного распыления. В результате подачи мощности на мишень А мишень очень быстро нагревается. Прежде чем мишень А станет слишком «горячей», посредством переключателя S_B может подсоединиться, например, мишень В. Если одновременно или, предпочтительно, вскоре после этого разомкнется переключатель S_A, то плазма «мигрирует» от мишени А к мишени В, и на мишень В подается полная мощность. Прежде чем мишень В нагреется слишком сильно, через переключатель S_C может подключиться мишень С, а мишень В через переключатель мишень S_B может отключиться. Аналогично можно действовать и с остальными мишенями вплоть до последней мишени Х. Прежде чем мишень Х нагреется слишком сильно, переключатель S_A может снова замкнуться, а переключатель S_X одновременно или, предпочтительно, вскоре после этого может разомкнуться. Тем самым начинается новый коммутационный процесс. Друг за другом может следовать столько коммутационных циклов, сколько необходимо. Таким образом, мощность периодически подается на мишени на короткое время, и они, в то время как на другие мишени мощность подается последовательно, имеют большую фазу охлаждения. Отдача мощности генератора постоянного тока DC в это время по существу является постоянной. Если время фазы охлаждения является недостаточным для охлаждения мишени до желательной температуры, то отдача мощности, например, посредством переключателя S_T, может быть полностью прекращена после одного или нескольких коммутационных циклов.

На фиг. 3 дополнительно показан переключатель S_SC. Если последний замыкается, то это ведет к короткому замыканию обоих выходов генератора постоянного тока DC. В таких генераторах постоянного тока DC на случай короткого замыкания предусмотрен соответствующий предохранитель, активируемый соответствующим образом и вызывающий отключения. Переключатель S_SC предусмотрен, соответственно, на случай аварии. Этим обеспечивается аварийное отключение.

Предпочтительно, несколько, а особенно предпочтительно все переключатели выполнены в виде биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (bipolar transistor with isolated gate). Это показано на фиг. 4.

Дополнительно на фиг. 4 изображен защитный диод TVS_I, подсоединяемый непосредственно к выходам генератора постоянного тока DC. Тем самым другие конструктивные элементы защищаются от слишком больших пиков напряжения.

Дополнительно на фиг. 4 изображен омический резистор R_D, подсоединенный к выходам генератора постоянного тока через переключатель S_D. Если переключатель выполнен в виде биполярного транзистора с изолированным затвором, то следует обратить внимание на ориентацию диода, не соответствующую ориентации диодов других переключателей. Эта так называемая фиктивная нагрузка (dummyload) выполняет две уже описанные выше функции стока мощности. При этом резистор R_D может быть резистором, образованным из двух разных, например, параллельно включенных, омических резисторов.

Дополнительно на фиг. 4 изображена схема резистивно-емкостного звена RC, причем омический резистор R_RC, конденсатор C_RC и переключатель S_RC соединены последовательно. Это резистивно-емкостное звено RC подсоединено к выходам генератора постоянного тока DC и обеспечивает сглаживание колебаний мощности. В данном случае резистор R_RC и/или конденсатор C_RC также могут быть составлены из нескольких отдельных элементов.

Дополнительно на фиг. 4 изображено средство поддержки зажигания плазмы, содержащее переключатель S_I, резистор R_I и конденсатор C_I, причем резистор R_I и конденсатор C_I включены параллельно друг другу. Эта часть схемы обеспечивает кратковременную генерацию очень высоких напряжений, так что плазма может зажигаться.

Дополнительно на фиг. 4 изображен дополнительный защитный диод TSV_S, с одной стороны непосредственно соединенный с положительным выходом генератора постоянного тока DC, а с другой стороны контактирующий с соединением между резистором R_T и переключателями S_A–S_X мишеней. Этот контакт, в свою очередь, может быть соединен через переключатель S_S с отрицательным выходом генератора постоянного тока, как это также показано на фиг. 4.

Примерные значения для резисторов и конденсаторов:

R_D: 9 Ом

R_I: 2 кОм

R_T: 2 кОм

C_RC: 1 мкФ

C_I: 3 мкФ

Следует еще раз указать на следующие пункты, из которых один, два или все могут быть реализованы, чтобы стать изобретениями:

а) Это - распределитель мощности, пригодный для того, чтобы по существу постоянную мощность генератора постоянного тока последовательно и безразрывно распределять на более чем две мишени A, B, C … X, отличающийся тем, что распределитель мощности содержит схему, соединяющую выход генератора постоянного тока со всеми более чем двумя мишенями A, B, C … X, а другой выход генератора постоянного тока после омического резистора R_T разветвляется в соответствии с количеством мишеней, и каждая мишень A, B, C … X соединена с одной из ветвей, причем ветви содержат соответственно по одному соотнесенному с мишенью переключателю S_A, S_B, S_C … S_X, которыми может прерываться линия, ведущая к соотнесенной мишени.

б) Распределитель мощности, как описано в а), может предусматривать между другим выходом генератора постоянного тока и омическим резистором R_T переключатель S_T.

в) Распределитель мощности, как описано в а) или б), может иметь прямое соединение между одним выходом и другим выходом генератора постоянного тока.

г) Распределитель мощности, как описано в а), б) или в), может содержать омический резистор R_D, подсоединенный при подключенном генераторе постоянного тока через переключатель S_D к выходам генератора постоянного тока.

д) Распределитель мощности, как описано в а), б) в) или г), может предусматривать схему резистивно-емкостного звена RC, подсоединенного при подключенном генераторе постоянного тока через переключатель S_RC к выходам генератора постоянного тока.

е) Распределитель мощности, как описано в а), б) в), г) или д), может предусматривать схему поддержки зажигания, содержащую переключатель S_I, резистор R_I и конденсатор C_I, причем резистор R_I и конденсатор C_I включены параллельно друг другу, а схема поддержки зажигания при подключенном генераторе постоянного тока подсоединена к выходам генератора постоянного тока.

ж) Распределитель мощности, как описано в а), б) в), г), д) или е), может предусматривать защитный диод TVS_I, подсоединенный при подключенном генераторе постоянного тока к выходам генератора постоянного тока.

з) В распределителе мощности, как описано в а), б) в), г), д), е) или ж), по меньшей мере один из переключателей, предпочтительно несколько переключателей и, особенно предпочтительно, все переключатели могут быть выполнены в виде биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (.

и) Распределитель мощности, как описано в а), б) в), г), д), е) ж) или з), может быть составным элементом установки для нанесения покрытий, содержащей генератор постоянного тока и несколько мишеней, выполненных в виде катодов ионного распыления, причем мишени подсоединены к генератору постоянного тока с возможностью подключения через распределитель мощности.

Изобретение относится к распределителю мощности, который в состоянии последовательно и без перерыва отдачи мощности генератором постоянного тока DC распределить большую мощность генератора постоянного тока DC на более чем две мишени. Распределитель мощности выполнен с возможностью последовательно и без перерыва отдачи мощности распределять по существу постоянную мощность генератора постоянного тока на более чем две мишени (A, B, C, …, X) установки для нанесения покрытий, причем распределитель мощности содержит схему, соединяющую выход генератора постоянного тока со всеми более чем двумя мишенями (A, B, C, …, X), а другой выход генератора постоянного тока после первого омического резистора (R_Т) в точке разветвления разветвляется в соответствии с количеством мишеней. Каждая мишень (A, B, C, …, X) соединена с одной из ветвей, причем ветви содержат соответственно по одному соотнесенному с мишенью первому переключателю (S_A, S_B, S_C … S_X), посредством которых может прерываться линия, ведущая к соотнесенной мишени. Второй омический резистор (R_D) подсоединен при подключенном генераторе постоянного тока через второй переключатель (S_D) параллельно более чем двум мишеням (A, B, C, …, X) и первому омическому резистору (R_Т) к выходам генератора постоянного тока и предназначен для обеспечения стока мощности, в особенности во время интервала восстановления мощности и/или при дугообразовании. Кроме того, изобретение относится к источнику ионного распыления, содержащему вышеописанный мощный генератор. Технический результат - повышение надежности работы мишени. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Распределитель мощности, выполненный с возможностью последовательно и без перерыва отдачи мощности распределять по существу постоянную мощность генератора постоянного тока на более чем две мишени (A, B, C, …, X) установки для нанесения покрытий, причем распределитель мощности содержит схему, соединяющую выход генератора постоянного тока со всеми более чем двумя мишенями (A, B, C, …, X), а другой выход генератора постоянного тока после первого омического резистора (R_Т) в точке разветвления разветвляется в соответствии с количеством мишеней, и каждая мишень (A, B, C, …, X) соединена с одной из ветвей, причем ветви содержат соответственно по одному соотнесенному с мишенью первому переключателю (S_A, S_B, S_C … S_X), посредством которых может прерываться линия, ведущая к соотнесенной мишени, отличающийся тем, что предусмотрен второй омический резистор (R_D), подсоединенный при подключенном генераторе постоянного тока через второй переключатель (S_D) параллельно более чем двум мишеням (A, B, C, …, X) и первому омическому резистору (R_Т) к выходам генератора постоянного тока, при этом второй омический резистор (R_D) выполнен для обеспечения стока мощности, в особенности во время интервала восстановления мощности и/или при дугообразовании.

2. Распределитель мощности по п. 1, отличающийся тем, что между упомянутым другим выходом генератора постоянного тока и упомянутой точкой разветвления предусмотрен третий переключатель (S_S).

3. Распределитель мощности по п. 1, отличающийся тем, что между упомянутым другим выходом генератора постоянного тока и упомянутым первым омическим резистором (R_T) предусмотрен четвертый переключатель (S_T).

4. Распределитель мощности по п. 3, отличающийся тем, что распределитель мощности имеет прямое соединение между одним выходом и другим выходом генератора постоянного тока, разрываемое переключателем (S_SC).

5. Распределитель мощности по п. 4, отличающийся тем, что в распределителе мощности предусмотрена схема резистивно-емкостного звена (RC), подсоединенного при подключенном генераторе постоянного тока через пятый переключатель (S_RC) к выходам генератора постоянного тока.

6. Распределитель мощности по п. 5, отличающийся тем, что в распределителе мощности предусмотрена схема поддержки зажигания, содержащая шестой переключатель (S_I), третий резистор (R_I) и конденсатор (С_I), причем упомянутый третий резистор (R_I) и упомянутый конденсатор (С_I) включены параллельно друг другу, а схема поддержки зажигания при подключенном генераторе постоянного тока подсоединена к выходам генератора постоянного тока.

7. Распределитель мощности по п. 6, отличающийся тем, что в распределителе мощности предусмотрен защитный диод (TVS_I), подсоединенный при подключенном генераторе постоянного тока к выходам генератора постоянного тока.

8. Распределитель мощности по п. 7, отличающийся тем, что по меньшей мере один из упомянутых переключателей, предпочтительно несколько упомянутых переключателей и, особенно предпочтительно, все упомянутые переключатели выполнены в виде биполярных транзисторов с изолированным затвором.

9. Установка для нанесения покрытий, содержащая генератор постоянного тока и несколько мишеней (A, B, C, …, X), выполненных в виде катодов ионного распыления, отличающаяся тем, что мишени (A, B, C, …, X) подсоединены к генератору постоянного тока с возможностью подключения через распределитель мощности по любому из пп. 1-8.