Generador de plasma en vacío.

Generador de plasma en vacío con una salida del generador (9, 9') para la alimentación de una descarga de plasma (10) para el tratamiento de piezas (5) en una cámara de vacío (2) con una conexión a la red de corriente alterna (6a),una disposición de rectificador de red (6) para la conversión de la corriente alterna de red a una corriente continua, uncondensador de alisado (6b), una primera etapa como convertidor de voltaje CC-CC (7) sincronizado con elementospara el ajuste del voltaje CC de salida que forma un voltaje de circuito intermedio (Uz), comprendiendo un conmutadorde corriente (7a) controlado que alimenta el arrollamiento primario de un transformador (14), cuyo arrollamientosecundario está conectado a un rectificador (15) y un condensador de circuito intermedio (12) conectado aguas abajo y

forma un circuito secundario flotante (23) de transformador, presentando el convertidor de voltaje CC-CC (7) al menosdos circuitos secundarios flotantes (23) de transformador y un dispositivo de conmutación (20) con un control deinterruptores (22) para la conmutación opcional en paralelo o en serie de los circuitos secundarios flotantes (23) detransformadores, caracterizado porque los circuitos secundarios de transformador están conectados con una segundaetapa conectada aguas abajo que forma una etapa de salida de impulsos (8) conectada a la salida de generador (9, 9'),estando como medio para el ajuste del voltaje de circuito intermedio (Uz) el conmutador de potencia (78) controlado porancho de impulsos y el control de interruptores (22) del dispositivo de conmutación diseñado para con los circuitossecundarios de transformador (23) conmutables duplicar o multiplicar, adicionalmente, por etapas, según elrequerimiento, para la expansión del intervalo de ajuste de voltaje del convertidor CC-CC.

Generador de plasma en vacío.

La invención se refiere a un generador de plasma en vacío para la alimentación de una descarga de plasma para el tratamiento de piezas en una cámara de vacío, según el preámbulo de la reivindicación 1.

Las unidades de alimentación eléctrica para las operaciones de descargas de gases, o descargas de plasma para procesos de vacío ya son conocidos en muchas variantes. Tales aparatos de alimentación eléctrica son conocidos en la técnica como generadores. En este caso, es importante poder controlar las condiciones de funcionamiento, bien y de manera fiable, debido a que la naturaleza de las descargas de plasma y del proceso de plasma relacionado tiene requisitos particulares. Con procesos de plasma en vacío de este tipo se cubren hoy en día un sinnúmero de aplicaciones diferentes, por ejemplo recubrimientos, limpieza, tratamiento térmico de piezas o de sustratos, etcétera.

Los procesos de plasma de este tipo son, por ejemplo, la desintegración catódica, la evaporación de chispas también denominado evaporación por arco, los tratamientos superficiales mediante bombardeo de electrones o iones y procesos de deposición por plasma CVD. Para conseguir resultados especiales con tales procesos de plasma, los procesos de descarga deben ser dominados correspondientemente y controlados selectivamente con ayuda de alimentaciones de corriente apropiadas. En este caso, el campo paramétrico posible de los diferentes modos de funcionamiento de tales descargas de plasma es muy amplio y pueden aparecer siempre resultados novedosos y sorprendentes, por ejemplo en las propiedades de deposición de piezas recubiertas. Desde hace algún tiempo se trata de expandir, adicionalmente, el campo paramétrico mediante descargas de plasma alimentadas de manera pulsante, para poder realizar nuevas posibilidades. En este caso se usan impulsos unipolares o bipolares a diferentes frecuencias, a menudo en el rango del kilohertzio hasta más de 100 kHz y también con diferentes anchos de impulsos y/o formas de impulsos. Con dicha tecnología de impulsos se puede trabajar, por ejemplo, con materiales malos conductores e, incluso, capas aislantes, sin que se produzcan descargas de chispas no deseadas. En particular, en el caso de la aplicación importante de la polarización de sustrato, la técnica de impulsos lleva a resultados positivos, trabajando, por regla general, con una alimentación de corriente pulsada de voltaje estabilizada con la que se pueden realizar también corrientes elevadas. Mediante la técnica por impulsos, para la generación de recubrimientos es posible alimentar desde fuentes de recubrimiento, por ejemplo fuentes de pulverización o fuentes de evaporación de chispas. Para la generación de recubrimientos también es posible alimentar usando la técnica de impulsos las fuentes de recubrimiento, por ejemplo fuentes de atomización o fuentes de pulverización catódica o también fuentes de evaporación de chispas.

La tecnología por impulsos es particularmente apta para el control de procesos con materiales nada y poco conductores, por ejemplo procesos reactivos. Sin embargo, la aplicación de esta tecnología conlleva también enormes ventajas en el uso en el proceso de materiales buenos conductores, por ejemplo para el ajuste de la estequiometría de capas, densidad del material de recubrimiento y, además, también para la influenciación de la estructura.

Debido a la diversidad de las posibilidades se trabaja hoy día con todo el espectro de tipos de descarga de plasma o modos de operación de plasma conocidos.

En el documento US 05.303.139 se aplica una alimentación de corriente bipolar que describe extensas aplicaciones de plasma pulsado en el área de las denominadas descargas luminosas en el campo de las aplicaciones PVD y CVD. Las descargas luminosas trabajan, convencionalmente, a voltajes de menos de 1000 voltios, o sea algunas centenas de voltios, y bajos valores de corriente. Frecuentemente, las descargas luminosas son soportadas, adicionalmente, mediante campos magnéticos especiales. Las fuentes de este tipo se han denominado fuentes con magnetrón. Estas son operadas a unos centenares de voltios y permiten realizar mayores corrientes de descarga que la descarga luminosa sin soporte de campo magnético.

Las descargas luminosas anormales, como se describen en el documento US 5.015.493, se operan a voltajes superiores de algunos kilovoltios y a valores de corriente más elevados que las de descargas luminosas o de magnetrón, pero valores de corriente menores comparados con la descarga de chispas.

Los vaporizadores de chispas, también denominados vaporizadores con arco, son operados en el intervalo de algunas decenas de voltios, pero a corrientes muy elevadas de, generalmente, algunos centenares de amperios.

Otra forma de descarga específica se ha dado a conocer mediante el documento US 6.296.742, el denominado sogenannte "High Power Pulsed Sputtering".

Este modo operativo se denomina a veces ""diffused discharge", porque se produce un aumento de intensidad difusa marcada del plasma en el sector del blanco. En este caso, la descarga es operada a voltajes de impulsos de 0, 35 a 5 kV con potencias de impulso de 10 kW a 1 MW. La duración de impulso se encuentra en el rango de 50 microsegundos a 1 milisegundo y el intervalo entre los impulsos en el rango de 10 milisegundos a 1000 segundos.

Los procesos plasmáticos o métodos de tratamiento plasmático mencionados anteriormente representan una carga para la alimentación de corriente, que cubre un espectro de impedancia muy amplio y, por lo tanto, requieren voltajes de alimentación en el rango de algunos voltios hasta el rango de kV y corrientes de arrollamientos de algunos amperios

hasta algunos centenares de amperios a frecuencias de impulsos de kHz hasta algunos centenares de kHz. Hasta ahora, para cada rango de aplicación se debían usar alimentaciones de corriente en función de la carga o del modo de trabajo de plasma respectivo. Si con generadores convencionales se quiere cubrir otro rango de voltajes, resulta la desventaja de que la potencia nominal del generador debe corresponder al producto del máximo voltaje de salida y la máxima corriente de salida, necesitando los procedimientos que requieren voltajes bajos frecuentemente corrientes más elevadas que los procedimientos con voltajes altos, de modo que la potencia nominal resultaría innecesariamente grande.

Otra desventaja de los generadores convencionales son usadas en un rango amplio de voltajes es la disminución relativa de la calidad al operar con voltajes de salida bajos. Por ejemplo, de este modo la resolución decrece al aumentar la ondulación. Otra seria desventaja particular consiste en que la forma de impulsos frecuentemente no es estable y varía durante la operación en función del comportamiento de carga y, en etse caso, varían especialmente las pendientes de los flancos de los impulsos o, incluso, se aplanan y no es posible generar flancos de impulsos de pendiente suficientemente pronunciada. Con los procesos plasmáticos llevados a cabo hoy en día para el tratamiento de superficies de piezas, en particular para la deposición de capas, debería ser posible operar en el mismo proceso productivo dentro de la misma instalación de proceso de vacío diferentes modos de operación plasmática, nombrados precedentemente. Ello debería ser posible tanto en disposiciones de fuentes de plasma individuales mediante el control del modo operativo y/o también en múltiples disposiciones de fuentes diferentes que, específicamente, están diseñadas para los diferentes modos operativos, por ejemplo y, preferentemente, una combinación de evaporadores con arco, fuentes de pulverización catódica y ruta de plasma de polarización.

En el documento EP 1 278 294 A1 se describe una alimentación eléctrica de corriente aplicable en particular para el tratamiento de plasma de corriente continua. La alimentación de corriente presentada allí está en condiciones de entregar una potencia eléctrica constante, variable sobre un gran rango, como es el caso en procesos de plasma de corriente continua, sin necesidad de modificar o cambiar el hardware de la alimentación de corriente. En la descripción del estado actual de la técnica se menciona allí una disposición de circuitos en la que un convertidor CC-CC incluye un circuito de puente H con dos transformadores con, cada uno, dos arrollamientos secundarios que, según la necesidad, pueden ser conectados en serie o en paralelo mediante interruptores, para conseguir así una adaptación a la carga. A continuación, como es habitual, la corriente es rectificada y alisada mediante inductancia y condensador. El perfeccionamiento presentado allí debe reemplazar dichos interruptores. Para... [Seguir leyendo]

1. Generador de plasma en vacío con una salida del generador (9, 9’) para la alimentación de una descarga de plasma (10) para el tratamiento de piezas (5) en una cámara de vacío (2) con una conexión a la red de corriente alterna (6a) , una disposición de rectificador de red (6) para la conversión de la corriente alterna de red a una corriente continua, un condensador de alisado (6b) , una primera etapa como convertidor de voltaje CC-CC (7) sincronizado con elementos para el ajuste del voltaje CC de salida que forma un voltaje de circuito intermedio (Uz) , comprendiendo un conmutador de corriente (7a) controlado que alimenta el arrollamiento primario de un transformador (14) , cuyo arrollamiento secundario está conectado a un rectificador (15) y un condensador de circuito intermedio (12) conectado aguas abajo y forma un circuito secundario flotante (23) de transformador, presentando el convertidor de voltaje CC-CC (7) al menos dos circuitos secundarios flotantes (23) de transformador y un dispositivo de conmutación (20) con un control de interruptores (22) para la conmutación opcional en paralelo o en serie de los circuitos secundarios flotantes (23) de transformadores, caracterizado porque los circuitos secundarios de transformador están conectados con una segunda etapa conectada aguas abajo que forma una etapa de salida de impulsos (8) conectada a la salida de generador (9, 9’) , estando como medio para el ajuste del voltaje de circuito intermedio (Uz) el conmutador de potencia (78) controlado por ancho de impulsos y el control de interruptores (22) del dispositivo de conmutación diseñado para con los circuitos secundarios de transformador (23) conmutables duplicar o multiplicar, adicionalmente, por etapas, según el requerimiento, para la expansión del intervalo de ajuste de voltaje del convertidor CC-CC.

2. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de conmutación (20) incluye diodos de conmutación (D) e interruptores (21) controlados.

3. Generador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dispositivo de conmutación (20) incluye interruptores electrónicos (21) controlados, preferentemente interruptores mecánicos (21) .

4. Generador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se han previsto tres circuitos secundarios de transformador (23) con dispositivo de conmutación (20) .

5. Generador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la etapa de salida de impulsos (8) está implementada como convertidor de voltaje con control de ancho de impulsos ajustable adicionalmente para generar impulsos con amplitud de impulsos, ancho de impulsos y frecuencia de impulsos especificados.

6. Generador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el convertidor de voltaje (7) y/o la etapa de salida de impulsos (8) pueden ser operados mediante impulsos discontinuos.

7. Generador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque está diseñado para cubrir en la salida del generador (9) múltiples intervalos de impedancias de plasma para la alimentación de diferentes modos de plasma, por ejemplo descarga luminosa, descarga luminosa anormal, evaporación de chispas o “diffused discharge”.

8. Generador según la reivindicación 7, caracterizado porque los intervalos de impedancias de plasma comprenden 0, 05 ohmios hasta 1, 0 ohmios y 0, 2 ohmios hasta 3, 0 ohmios.

9. Generador según la reivindicación 8, caracterizado porque los intervalos de impedancias de plasma comprenden, adicionalmente, 10 ohmios hasta 100 ohmios.

10. Generador según una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque los intervalos de impedancias de plasma comprenden, adicionalmente, 50 ohmios hasta 500 ohmios.

11. Generador según una de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado porque los intervalos de impedancias de plasma comprenden, adicionalmente, 50 ohmios hasta 5000 ohmios.

12. Generador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque está configurado para conservar en la salida de generador (9) una pendiente de flancos de impulsos más pronunciada que 0, 1 voltios por nanosegundo, preferentemente más pronunciada que 1, 0 V/ns.

13. Generador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque está configurado para entregar en la salida de generador (9, 9’) impulsos unipolares y / o impulsos bipolares.

14. Generador según la reivindicación 13, caracterizado porque los impulsos bipolares presentan duraciones de impulsos desiguales, en particular en la conexión a la pieza (5) para la operación de polarización el impulso negativo es más largo que el impulso positivo, preferentemente la duración de impulso del impulso positivo es menor que 5%, preferentemente menor que 2% de la duración de impulso negativo.

15. Generador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la salida de generador (9, 9’) está conectado a un dispositivo de conmutación que conecta, opcionalmente, preferentemente de manera secuencial, al menos dos, preferentemente múltiples fuentes de plasma (10) .

16. Generador según la reivindicación 15, caracterizado porque el generador está diseñado de manera que conecta con el dispositivo de conmutación fuentes de plasma (10) con impedancias de plasma diferentes, preferentemente con 10 intervalos de impedancia según las reivindicaciones precedentes 7 a 11.

17. Generador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la salida de generador (9, 9’) está conectada a un filtro conteniendo, preferentemente, diodos para el desacoplamiento eléctrico del generador (1) de una alimentación de CC superpuesta conectada adicionalmente.

18. Generador según la reivindicación 13, caracterizado porque las duraciones de impulsos bipolares son diferentes y

porque las amplitudes de impulsos de voltaje se ajustan, correspondientemente, a la impedancia de carga conectada y porque los anchos de impulsos pueden ser variados.}