[發明專利]通過將等離子體中的電弧電流早期分流而快速滅弧的設備和方法

無效

• 申請號: 200580022284.3
• 申請日: 2005-06-09
• 公開（公告）號: CN101076425A
• 公開（公告）日: 2007-11-21
• 發明（設計）人: 米蘭·伊利克;卡利安·N·C·西德巴圖拉;安德雷·B·馬利寧
• 申請（專利權）人: 先進能源工業公司
• 主分類號: B23K9/00
• 分類號: B23K9/00
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 韓宏

技術領域

本發明一般涉及檢測和防止或熄滅等離子體處理應用中的電弧的電源，具體涉及直流工藝以及熄滅其中的電弧的裝置和方法。

背景技術

在基于等離子體的工藝中，當在絕緣體上電荷積累的點和陰極上的點之間發生放電時，發生陰極電弧。然后等離子體的阻抗崩潰，這通常稱為微弧。過去，微弧被視為無關緊要的，因而被忽略。通常，不能檢測到微弧的存在，因為電源不直接檢測其存在。如果微弧沒有快速熄滅，就會產生級聯效應，微弧變成所謂的強電弧。然后等離子體通過該強電弧放電，產生非常高強度的能量，該能量如果不快速熄滅的話，就會對工藝和薄膜的質量產生壞的影響。

在直流等離子體工藝中，過去，電弧控制的方法著重于降低由直流電源提供給電弧的能量，或者使用高頻或中頻電源結合直流電源來消除電弧的出現或者使其出現的機會最小。如在美國專利US5,535,906中所提出的存儲非常少能量的電源，其除了在輸出電纜中存儲的能量外，提供給電弧的能量很小。這種電源通過檢測到電弧后關閉電源來消滅電弧。電源關閉后，存儲在電纜中的能量擴散到電弧中，并從電纜和電源中消失。這種類型的電源需要感應電弧的有源電路，并且需要開關電源。

作為替代，可以使用無源電路來熄滅電弧，這是因為電弧的出現不會影響電源的調整電路或邏輯電路，這在例如US?5,645,698和US6,524,455中進行了闡述。有源元件通常包括電感和電容，以提供將等離子體中的電流降低為零的諧振電路，從而消除電弧。電感可以包括分立的電感，但是也可以僅僅是輸出電纜的電感，該電纜將電源連接到等離子腔。該熄滅(ring?out)的典型時間從若干微秒到幾十微秒。無源熄滅電路在輸出電流中產生大的脈沖跳增，基于諧振組件的值，這會引起大量的能量被輸入到工藝中。US?6,524,455和JP61030655A討論了一種能在幾微秒內熄滅電弧的諧振熄滅電路。

在許多電源中，輸出濾波電感存儲的能量遠多于電纜電容存儲的能量，因此，如果在檢測到電弧后簡單地關閉電源，即便在輸出電容中存儲的能量相對較低的情況下，也可能有大量的能量輸送到電弧中。一種降低存儲的被輸送到負載的感性能量的方法使用與電源的輸出端串接的開關，該開關被打開，以防止電流到達等離子體。因為該方法涉及中斷電感電流，所以會在開關上引起大的電壓尖峰，這要求有消除感性能量的有效方法，以保護開關。

工業界通常認為，熄滅電弧的最優方法是將通過電弧的電流降到零或者某個預定的低門限值。圖1示出了典型的熄滅過程。最容易的熄滅電弧的方法是在電容器C_out和電感L_arcout間加入諧振電路(未示出)，電容器C_out位于電源的輸出端上，其通常還作為直流電源的濾波電容，L_arcout可以包括插入的與電源的輸出電纜串聯的分立電感，但也可以僅僅是電源的輸出電纜的電感。在典型的熄滅電路中，通過將電流降到零來熄滅電弧。

如圖1所示，t₁到t₂之間的時間是電弧的開始階段。消除發生在t₂和t₃之間。在時間t₃電流達到零，電弧被熄滅。在t₄，等離子體自然恢復。I_peak是由熄滅過程所產生的電流的峰值。圖1和圖3所示的電壓波形是腔內的波形，其參考腔的負輸入端。電流波形說明流入腔的正輸入端的電流。

由圖1所定義的I_peak和時間間隔t_ring的適當值可以用下面的公式計算：

tring=π·Larcout·Cout]]>

I_peak＝V_dc/Z_arcout