專利名稱:用于等離子體供給裝置的模塊和等離子體供給裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于等離子體供給裝置的模塊和等離子體供給裝置，所述等離子體供給裝置用于在1-lOOOMHz范圍內(nèi)的頻率下以> 500W的功率為等離子體加工或者氣體激光器供給等離子體。
背景技術：
等離子體是由氣體產(chǎn)生的特殊的聚集態(tài)。每一種氣體基本上由原子和/或分子組成。在等離子體中，氣體大部分是離子化的。這意味著，通過供給能量，原子或者分子分裂為正的和負的電荷載流子，即離子和電子。等離子體適合加工工件，因為帶電的粒子在化學上是極易反應的并且可通過電場影響。可以借助于電場使帶電的粒子朝著目標加速，在所述目標處在碰撞時帶點的粒子可以從中釋放出單個原子。釋放出的原子可以通過氣體流帶走(腐蝕)或者作為涂層淀積在另一個目標上(薄膜的制造)。這種借助于等離子體的加工主要用于加工極薄的層，特別是在幾個原子位置范圍內(nèi)。典型的應用是半導體技術(涂層、腐蝕等)、平面屏幕(類似半導體技術)、太陽能電池(類似半導體技術)、建筑玻璃涂層(防熱、防目眩等)、存儲介質(zhì)(CD、DVD、硬盤)、裝飾層(彩色玻璃等)和工具硬化。這些應用對于精確性和處理穩(wěn)定性有很高的要求。此外，等離子體還可以用于激勵激光器、特別是氣體激光器。
為了從氣體生成等離子體，必須向其供給能量。這可以通過不同的方式——例如通過光、熱、電能實現(xiàn)。通常在等離子體室內(nèi)點燃并且保持用于加工工件的等離子體。為此通常將具有低壓的惰性氣體、例如氬導入到等離子體室中。通過電子和/或天線將所述氣體置于電場中。當滿足多個條件時，產(chǎn)生或者點燃等離子體。首先，必須存在很小數(shù)量的自由電荷載流子，其中，大多使用始終在很小的程度上存在的自由電子。通過電場使自由電荷載流子如此強烈地加速，使得其在碰撞到惰性氣體的原子或者分子時釋放另外的電子，由此產(chǎn)生帶正電的離子和另外的帶負電的電子。另外的自由電荷載流子又被加速并且在碰撞時產(chǎn)生另外的離子和電子。產(chǎn)生雪崩效應。離子和電子的持續(xù)產(chǎn)生在這些粒子與等離子體室的壁或者其他物體碰撞時抵抗放電以及抵抗自然的重新結合，即電子由離子吸引并且重新結合成電中性的原子和分子。因此必須向點燃的等離子體持續(xù)地供給能量以保持所述點燃的等離子體。
能量供給可以通過直流供給裝置或者交流供給裝置實現(xiàn)。以下實施方式涉及用于具有> IMHz的輸出頻率的高頻(HF)的交流供給裝置。
用于產(chǎn)生高的HF功率的等離子體供給裝置中的高頻放大器(功率放大器)的電路變型方案可以是具有開關電橋的D類放大器。開關電橋具有至少兩個串聯(lián)的進行開關的元件(=開關元件)，例如M0SFET，它們以反節(jié)拍并且優(yōu)選分別以彡50%的占空比運行；進行開關的元件的連接點是開關電橋的中點。電橋分支的中點通過兩個開關元件(以下也稱進行開關的元件或者開關)交替地連接到直流功率供給裝置的正極或者負極上。兩個開關元件以及一個可能存在的第二電橋分支的開關元件的交替控制通過控制信號發(fā)生器實現(xiàn)，所述控制信號發(fā)生器可以包括確定輸出信號的頻率的振蕩器和其他的組件一如逆變器、移相器和信號成形器。為了去除直流電壓成分的輸出信號，可以設有電容器。具有兩個進行開關的元件的開關電橋也稱為半橋。
全橋電路由兩個電橋分支(半橋)組成，其中點以所期望的頻率分別反向地連接到直流電壓供給裝置的正極和負極上。交流負載設置在所述兩個中點之間。不需要用于去除直流電壓成分的輸出信號的額外的電容器。因此全橋(電路)是具有四個進行開關的元件的開關電橋。
高頻放大器或功率放大器的另一電路變型方案可以是E類放大器。在這種情況下以矩形輸入信號控制晶體管。諧振的輸出網(wǎng)絡與輸出側電容一起提供以下可能性通過零伏開關(Zero Voltage Switching, ZVS)將開關損耗降低到最小并且從而將效率提高到最大。E類拓撲的一種修改方案可以通過設置反節(jié)拍運行的兩個級實現(xiàn)。
對于一定的等離子體處理而言，值得追求的是在非常高的頻率下產(chǎn)生功率信號。例如，高頻在半導體制造中具有優(yōu)點。基于硅或者GaAs的常規(guī)MOSFET具有以下缺點其在對于應用而言足夠的擊穿電壓下在漏極和源極之間具有相對較高的導通電阻(RdsJ，其導致高損耗功率并且因此導致更高的能量成本和過熱的危險。

實用新型內(nèi)容

本實用新型的任務是提出一種模塊和一種等離子體供給裝置，借助所述模塊和所述等離子體供給裝置可以在小的損耗功率下實現(xiàn)高頻區(qū)域內(nèi)的大功率。
根據(jù)本實用新型，所述任務通過用于等離子體供給裝置的模塊解決，所述等離子供給裝置在l-ΙΟΟΟΜΗζ范圍內(nèi)的頻率下以> 500W的功率為等離子體加工或者氣體激光器供給等離子體，所述模塊具有模塊襯底，在所述模塊襯底上設置有一個或者多個印制導線，并且所述模塊具有至少一個設置在模塊上的、與至少一個印制導線連接的氮化鎵(GaN)半導體開關元件。模塊襯底可以由陶瓷、例如氧化鈹(BeO)構成。
GaN半導體開關元件由于其高能隙而非常出色地適于用作大功率元件，因為高能隙能夠實現(xiàn)高運行電壓。通常的制造方法是將GaN層施加到單晶的載體襯底(=不同于模塊襯底的開關元件襯底，在所述開關元件襯底上設置半導體開關元件)上，所述單晶的載體襯底可以是非導體、例如藍寶石或者半導體、例如n-SiC。優(yōu)選地，對于載體襯底使用具有高導熱能力的材料，以便實現(xiàn)GaN半導體開關元件的較高的損耗功率和(因此)大的運行電流。特別是，作為GaN半導體開關元件可以有利地使用所謂的GaN-HEMT。其具有比基于硅的MOSFET顯著更高的增益(約2倍)。此外其具有更小的輸入電容、輸出電容和反饋電容。這些電容與基于硅的元件相比較小，約為5至10分之一。電阻Rdsmi也比可比的硅元件小，為5至10分之一。越來越了解GaN中迄今的可靠性問題、特別是退化效應。工藝對策導致可靠的和運行安全的元件，從而現(xiàn)在可以考慮其應用在等離子體供給裝置中。
GaN-HEMT(High Electron Mobility Transistors :高電子遷移率晶體管)是為了分開施主和溝道而具有兩種不同帶寬的材料(在邊界區(qū)內(nèi)的異質(zhì)接觸)的η溝道MOSFET (Metal-Semiconductor FET，具有用于柵極的肖特基阻擋層)。結果是在小的導通電阻下的高電荷載流子運動性。也可以考慮作為所謂的MISFET (Metal-Isolator-Semiconductor FET)的實施方式。在這種情況下控制接觸是MIS接觸。既可以使用耗盡型(在負的柵極電壓下電荷載流子減少)也可以使用增強型(在正的柵極電壓下才導通)。
可以在薄層方法或者厚層方法中制造模塊襯底、優(yōu)選陶瓷襯底上的印制導線。薄層方法是指，例如以Ti-Cu噴涂、涂敷光刻膠、曝光并且隨后蝕刻整個模塊襯底。在厚層方法中，以Au或者Ag膏糊在絲網(wǎng)印刷方法中施加并且在約850°C下燒制印制導線?？梢愿郊拥厝缭诒臃椒ㄖ心菢訉ζ溥M行蝕刻。
GaN半導體開關元件可以直接以其載體襯底貼在或焊在模塊襯底上或者模塊印制導線上，從而產(chǎn)生良好的熱接觸。
在模塊內(nèi)或者在模塊上，可以至少部分地設置在GaN半導體開關元件后面設置的匹配網(wǎng)絡或者振蕩電路。對于功率放大器中的應用，應當可以借助于附加的部件變換和匹配根據(jù)本實用新型的模塊。對于線性放大器設計方案(A類、B類、C類)，優(yōu)點是所述匹配 的一部分已經(jīng)在模塊自身中進行，因此可以更簡單地集成到高頻級中。對于開關設計方案(D類、E類)，根據(jù)本實用新型，在模塊中可以集成所需的諧振電路的一部分，因此同樣可以在功率放大器中實現(xiàn)更簡單的構造方案。振蕩電路或者諧振電路可以是輸出網(wǎng)絡的組成部分，其因此同樣可以至少部分地設置在模塊中。
在模塊內(nèi)或者在模塊上，可以至少部分地設置在GaN半導體開關元件前面設置的振蕩電路，其中，GaN半導體開關元件的柵極電容是所述振蕩電路的組成部分。由此可以在被控制的半導體開關元件上實現(xiàn)類似正弦的柵極電壓曲線。類似正弦的柵極電壓有利地作用于電磁兼容性，并且根據(jù)振蕩電路的品質(zhì)因數(shù)節(jié)省控制功率。作為振蕩電路的另外的組成部分可以設有電感、電容或者用于柵極電壓的變壓器。
在模塊內(nèi)或者在模塊上、特別是在模塊襯底上，可以設置至少一個分配給GaN半導體開關元件的驅動器。然而，也可以在模塊外部設置一個或者多個驅動器。
在本實用新型的一個構型中可以設有多個并聯(lián)的GaN半導體開關元件、特別是GaN-HEMT。通過并聯(lián)，可以減小晶體管裝置或者開關元件裝置的內(nèi)阻。在后連接的變換電路或其一部分同樣可以實現(xiàn)在模塊上。輸出諧振電路或其一部分也可以設置在模塊上。通過各GaN半導體開關元件的并聯(lián)可以實現(xiàn)非常高的輸出功率。并聯(lián)導致模塊具有非常小的輸入阻抗和輸出阻抗。
此外可以提出，在模塊上設置有由GaN半導體開關元件構造的半橋或全橋。由此例如可以在模塊上實現(xiàn)D類或者E類放大器。也可以分別在一個模塊上設置一個半橋，并且可以將(不同模塊上的)半橋連接成一個全橋。分配給GaN半導體開關元件的驅動器同樣可以設置在模塊上。
單獨控制GaN半導體開關元件具有特別的優(yōu)點。因此，可以非常精確并且彼此獨立地調(diào)節(jié)半導體開關元件的開關時刻。通過半導體開關元件的適當控制，可以由此減小損耗功率。此外，可以更準確地調(diào)節(jié)放大器特性。這在由GaN半導體開關元件構造半橋或全橋時是特別有利。
模塊可以是冷卻劑冷卻的。特別是，可以借助于模塊的主動水冷快速地導出產(chǎn)生的熱量。
此外，在模塊中可以實現(xiàn)適當?shù)臏囟葦嚅_裝置，其保護活動的組件不受高熱量影響。特別地，可以設有用于溫度監(jiān)視的裝置。這在使用GaN時由于Ga的熔點較低并且由此導致最大允許運行溫度較低的情況下是特別有利的。[0023]此外，用于在l-ΙΟΟΟΜΗζ范圍內(nèi)的頻率下以> 500W的功率供給等離子體的、具有至少一個根據(jù)本實用新型的模塊的等離子體供給裝置也在本實用新型的范圍內(nèi)。
當兩個模塊借助于3dB耦合器耦合時可以實現(xiàn)更高的輸出功率。特別是，3dB耦合器可以構造為具有90°相移的混合耦合器。此外，使用3dB耦合器具有既可以實現(xiàn)半橋拓撲結構也可以實現(xiàn)全橋拓撲結構的優(yōu)點。
根據(jù)本實用新型的一個構型可以提出，設有開關放大器、特別是D類放大器或者E類放大器，其具有至少一個模塊。
此外，可以設有由模塊構造的半橋或者全橋。
當兩個模塊借助于3dB耦合器耦合時可以實現(xiàn)更高的輸出功率。特別是，3dB耦合 器可以構造為具有90°相移的混合耦合器。即涉及一種耦合器，通過所述耦合器相移90°的輸入信號耦合成最大的輸出信號(如果輸入信號未相移90°，則同樣進行耦合，但不能 實現(xiàn)最大的輸出信號)。此外使用3dB耦合器具有既可以實現(xiàn)半橋拓撲結構也可以實現(xiàn)全橋拓撲結構的優(yōu)點。
用于提高放大器裝置或者等離子體供給裝置的輸出功率的另一措施在于，級聯(lián)地設置多個3dB稱合器。
本實用新型的其他特征和優(yōu)點由以下根據(jù)示出本實用新型重要細節(jié)的附圖對本實用新型實施例的說明以及由權利要求
中得出。在本實用新型的變型方案中可以單獨地或者以任意組合的方式一起實現(xiàn)各特征。


下面根據(jù)
本實用新型的實施例。附圖中
圖I示出具有兩個模塊的等離子體供給裝置的第一實施方式；
圖2示出具有兩個模塊的等離子體供給裝置的第二實施方式，其中，這些模塊分別具有一個振蕩電路；
圖3示出用于說明借助于3dB耦合器的耦合和借助3dB耦合器的級聯(lián)的示意圖。
具體實施方式
在圖I中示出了等離子體供給裝置10，其具有兩個模塊11、12。
每個模塊11、12具有兩個GaN半導體開關元件13_16，這些GaN半導體開關元件分別具有所分配的驅動器17-20。GaN半導體開關元件13-16分別設置在模塊襯底21、22上，所述模塊襯底21、22又具有印制導線23、24。在所述實施例中，模塊11、12是所謂的DCB模塊(Direct Copper Bond :直接鍵合銅)。襯底材料在本實施例中是陶瓷。印制導線23、24由銅在薄層方法或者厚層方法中施加。直接安裝上半導體開關元件13-16以及驅動器17-20，并且隨后將它們的連接端子與印制導線23、24通過鍵合線連接。其他的部件可以直接焊在印制導線23、24上。
本實用新型的意義上的模塊11、12是這樣的DCB，具有至少一個GaN半導體開關元件13-16，在必要時具有至少一個驅動器17-20，較高整合地具有半橋、更高整合地具有與全橋和/或輸出電路的一部分。此外，可以設有殼體和水冷方案。在本實施例中，針對模塊11示出冷卻劑通道25。[0037]正如半導體開關元件15、16那樣，半導體開關元件13、14形成一個半橋。這些半橋的中點M1、M2通過輸出變壓器26與僅僅示意性示出的等離子體負載27連接。在輸出變壓器26和等離子體負載27之間可以設有未示出的匹配網(wǎng)絡。模塊11、12，特別是在其上設置的由半導體開關元件13、14或者15、16組成的半橋，分別與DC功率供給裝置的正連接端子28和負連接端子29連接。兩個半橋共同形成一個全橋。
根據(jù)圖2的等離子體供給裝置40的實施方式與根據(jù)圖I的等離子體供給裝置略微不同。因此對于一致的元件使用相同的附圖標記。與圖I的等離子體供給裝置10不同地，等離子體供給裝置40的模塊11、12具有振蕩電路41、42，所述振蕩電路同樣設置在模塊
11、12內(nèi)或模塊11、12上或者襯底21、22上。
在本實施例中，分別包括電容器C和線圈L的振蕩電路41、42用于提供正弦輸出電流以及實現(xiàn)半橋的半導體開關元件的零電流開關(Zero Current Switching ZVS)或者
零電壓開關(Zero Voltage Switching ZVS)。振蕩電路41、42可以視為輸出電路的組成部分，所述輸出電路的另外的組成部分是輸出變壓器26。例如，為了半導體開關元件13的控制，示出柵極變壓器43，其連接到驅動器17上。柵極變壓器43的次級繞組44與半導體開關元件13的輸入電容共同形成一個振蕩電路。由此構成的振蕩電路同樣如柵極變壓器43那樣設置在模塊11上或模塊11內(nèi)。雖然未示出，但是可以想到，對于其他的半導體開關元件14-16也可以設置相應的柵極變壓器43。
在圖3中示出了等離子體供給裝置60的一部分。所述等離子體供給裝置60具有中央的控制和/或調(diào)節(jié)裝置59。在所述控制和/或調(diào)節(jié)裝置59上連接有四個全橋61-64。詳細地示出了全橋61。由此得出，每個全橋具有兩個模塊65-72，這些模塊分別具有一個半橋，所述半橋具有兩個GaN半導體開關元件13-16。每兩個半橋61-64連接在一個混合率禹合器、特別是3dB耦合器73、74上。在下一級中，每兩個3dB耦合器73、74連接在一個3dB耦合器75上。在3dB耦合器75的輸出端76上存在可以供給等離子體負載77的HF功率。通過測量裝置檢測并且向調(diào)節(jié)和/或控制裝置59傳輸所述功率。
因此，從圖3可以得出，可以通過3dB耦合器73、74耦合兩個全橋61-64的輸出功率，并且可以級聯(lián)地使用多個3dB耦合器73、74、75，以便實現(xiàn)提供給等離子體負載77使用的最大功率的放大。替代全橋，也可以通過3dB耦合器將半橋和(因此)模塊連接在一起。
權利要求
1.用于等離子體供給裝置(10，40，60)的模塊(11，12，61-76)，所述等離子體供給裝置用于在1-lOOOMHz范圍內(nèi)的頻率下以大于500W的功率為等離子體加工或者氣體激光器供給等離子體，所述模塊具有模塊襯底(21，22)，在所述模塊襯底上設置有一個或者多個印制導線(23，24)，并且所述模塊具有至少一個設置在所述模塊(11，12，61-76)上的、與至少一個印制導線(23，24)連接的氮化鎵(GaN)半導體開關元件(13-16)。
2.根據(jù)權利要求
I所述的模塊，其特征在于，在所述模塊(11，12，61-76)中或在所述模塊(11，12，61-76)上至少部分地設置有在所述GaN半導體開關元件(13-16)后面設置的匹配網(wǎng)絡或者振蕩電路(41，42)。
3.根據(jù)以上權利要求
中任一項所述的模塊，其特征在于，在所述模塊(11，12，61-76)中或在所述模塊(11，12，61-76)上至少部分地設置有在所述GaN半導體開關元件(13-16)前面設置的振蕩電路(43)，其中，所述GaN半導體開關元件的柵極電容是所述振蕩電路(43)的組成部分。
4.根據(jù)權利要求
I或2所述的模塊，其特征在于，在所述模塊(11，12，61-76)中或在所述模塊(11，12，61-76)上設置有至少一個分配給所述GaN半導體開關元件(13-16)的驅動器(17-20)。
5.根據(jù)權利要求
I或2所述的模塊，其特征在于，設有多個并聯(lián)的GaN半導體開關元件(13-16)、特別是 GaN-HEMT。
6.根據(jù)權利要求
I或2所述的模塊，其特征在于，在所述模塊(11，12，61-76)上設置有由GaN半導體開關元件(13-16)構造的半橋或全橋。
7.根據(jù)權利要求
I或2所述的模塊，其特征在于，所述GaN半導體開關元件(13-16)是單獨控制的。
8.根據(jù)權利要求
I或2所述的模塊，其特征在于，所述模塊是冷卻劑冷卻的。
9.根據(jù)權利要求
I或2所述的模塊，其特征在于，設有用于溫度監(jiān)視的裝置。
10.等離子體供給裝置(10，40，60)，用于在1-10001取范圍內(nèi)的頻率下以大于500評的功率供給等離子體，所述等離子體供給裝置具有至少一個根據(jù)以上權利要求
中任一項所述的模塊(11，12，61-76)。
11.根據(jù)權利要求
10所述的等離子體供給裝置，其特征在于，設有開關放大器、特別是D類放大器或者E類放大器，其具有至少一個模塊(11，12，61-76)。
12.根據(jù)以上權利要求
10或11中任一項所述的等離子體供給裝置，其特征在于，設有半橋或全橋，所述半橋或全橋由模塊(13-16)構造。
13.根據(jù)權利要求
10至11中任一項所述的等離子體供給裝置，其特征在于，兩個模塊(11，12，61-76)借助于3dB耦合器(77-84)耦合。
14.根據(jù)權利要求
13所述的等離子體供給裝置，其特征在于，級聯(lián)地設置有多個3dB耦合器(77-90)。
專利摘要
本實用新型涉及一種用于等離子體供給裝置(10，40，60)的模塊(11，12，61-76)，所述等離子體供給裝置用于在1-1000MHz范圍的頻率下以大于500W的功率為等離子體加工裝置或者氣體激光器供給等離子體，所述模塊具有模塊襯底(21，22)，在所述模塊襯底上設置有一個或者多個印制導線(23，24)，并且所述模塊具有至少一個與至少一個印制導線(23，24)連接的GaN半導體開關元件(13-16)以及一個所分配的驅動器(17-20)。
文檔編號H03K17/00GKCN202721890SQ200990100702
公開日2013年2月6日 申請日期2009年2月13日
發(fā)明者D·克勞瑟 申請人:許廷格電子兩合公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan