WO2024256588A1 - Plasmaprozessversorgungssystem, insbesondere für gepulste plasmaprozesse, und ein verfahren zum betrieb eines solchen plasmaprozessversorgungssystems - Google Patents

Plasmaprozessversorgungssystem, insbesondere für gepulste plasmaprozesse, und ein verfahren zum betrieb eines solchen plasmaprozessversorgungssystems Download PDF

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    • H01J37/32917—Plasma diagnostics
    • H01J37/32935—Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge

Definitions

  • Plasma process supply system in particular for pulsed plasma processes, and a method for operating such a plasma process supply system
  • the invention relates to a plasma process supply system, in particular for pulsed plasma processes, and a method for operating such a plasma process supply system.
  • the surface treatment of workpieces using plasma and gas lasers are industrial processes in which a plasma is generated, particularly in a plasma chamber, using direct current or a high-frequency alternating signal with an operating frequency in the range of a few 10 kHz up to the GHz range.
  • the plasma chamber is connected to a high-frequency generator (HF generator) via other electronic components such as coils, capacitors, cables or transformers. These additional components can represent resonant circuits, filters or impedance matching circuits.
  • HF generator high-frequency generator
  • Plasma processes represent a highly variable load for the high-frequency generator, which depends on the conditions in the plasma chamber. In particular, the properties of the workpiece, electrodes and gas conditions are taken into account.
  • matchbox an impedance matching circuit
  • impedance matching circuits are known. Either the impedance matching circuits are fixed and have a predetermined transformation effect, i.e. they consist of electrical components, in particular coils and capacitors, which are not changed during operation. This is particularly useful when operation always remains the same, such as in a gas laser.
  • impedance matching circuits are known in which at least some of the components of the impedance matching circuits are mechanically variable. For example, motor-operated variable capacitors are known whose capacitance value can be changed by changing the arrangement of the capacitor plates relative to one another.
  • a plasma can be roughly assigned to three impedance ranges. Before ignition, very high impedances exist. In normal operation, i.e. when plasma is used as intended, lower impedances exist. Very small impedances can occur in the case of unwanted local discharges (Ares) or plasma fluctuations. In addition to these three identified impedance ranges, other special states with other assigned impedance values can occur. If the load impedance changes suddenly and the load impedance or the transformed load impedance moves out of a permissible impedance range, the HF generator or transmission devices between the HF generator and the plasma chamber can be damaged. There are also stable states of the plasma that are not desired.
  • An impedance matching circuit is described, for example, in DE 10 2009 001 355 A1.
  • a plasma can be operated with a pulsed or a continuous RF signal, also known as a CW signal. Due to the high variance that can occur in plasma processes, an important issue for the safe operation of a plasma process is the reproducible ignition of the plasma. Reproducible ignition is less problematic with an RF generator that provides a CW signal because an impedance matching circuit can be configured at the beginning so that an ideal ignition condition prevails (adjustment to "cold" impedance). After ignition, the impedance matching circuit is then regulated so that adjustment takes place as quickly as possible. With a CW signal, there is sufficient time for this. On the other hand, reliable ignition is more problematic with an RF generator that generates a pulsed high-frequency signal. In pulsed operation, the impedance matching circuit is regulated to the "burning position". However, this may not be optimal for ignition.
  • the plasma process supply system is particularly suitable for pulsed plasma processes. It has an RF generator which comprises at least one amplifier circuit.
  • the plasma process supply system also comprises an impedance matching circuit and a control device.
  • the plasma process supply system can be connected to a plasma chamber.
  • the RF generator is (galvanically) connected to the impedance matching circuit.
  • the impedance matching circuit is designed to provide a target impedance as Input impedance for the HF generator.
  • the target impedance is set in particular at an input of the impedance matching circuit to which the HF generator is connected.
  • the control device is designed to set the target impedance in such a way that a trajectory that describes an impedance curve for the input impedance in a settling period runs from a starting impedance range via an ignition impedance range to a target impedance range, wherein the HF generator outputs a power in the ignition impedance range that is higher than a target power in the subsequent target impedance range.
  • the target impedance lies in the target impedance range.
  • Amplifiers generally show a characteristic behavior with regard to the output power depending on the load impedance. This behavior can also be referred to as the power profile of an HF amplifier.
  • the appropriate choice of target impedance has the great advantage that the appropriate impedances are passed through at a speed that a controller could not regulate in this time. This is especially true when using a pulsed high-frequency signal, for which a controller would have to regulate each pulse individually.
  • the target power that the RF generator delivers can be the same across the entire impedance curve. In reality, however, part of the power is always reflected in the various impedance ranges. The trajectory is therefore selected so that less reflected power is expected in the ignition impedance range when the plasma is ignited than in the target impedance range.
  • the trajectory which runs through various areas up to the target impedance range, is set by selecting the target impedance in such a way that it runs through an ignition impedance range in which the RF generator delivers a higher power than in the later target impedance range.
  • This higher power ensures a short-term increase in the field strength in the plasma chamber, which ignites the plasma more reliably than with conventional plasma process supply systems.
  • the course of the trajectory can be unregulated until the target impedance range is reached, which makes operation much easier.
  • the HF generator does not see the target impedance immediately is due, among other things, to the fact that the impedance matching circuit has a high quality and the corresponding oscillating circuits, which are formed from capacitors and inductors, for example, must first oscillate. Passive components oscillate at least in the starting impedance range. For this reason, the impedance changes in the settling period mentioned above. In addition to the impedance matching circuit, the consumer is also responsible for the formation of the trajectory. The plasma impedance also changes during the settling period. Since there are a large number of target impedances in order to achieve a desired target power that the HF generator should deliver, the target impedance can be selected at which the trajectory passes through a desired ignition impedance range, i.e.
  • the increased power that can be accessed in the ignition impedance range is often not necessary or the permanent access to this increased power is dispensed with for reasons of efficiency.
  • the settling period comprises the time range from the beginning of a pulse of the RF signal to a point in time at which the impedances no longer change, or to the point in time at which a change in the impedances is smaller than a threshold value.
  • the impedances include the impedances of the impedance matching circuit (capacitors, coils) as well as the plasma impedance.
  • the amplifier circuit includes a balanced amplifier.
  • the use of balanced amplifiers offers great advantages in plasma applications because they deliver their maximum power when they see an input impedance that corresponds to the nominal impedance (for example, 50 ohms). They are also more robust and have a constant output resistance.
  • One problem is when igniting the Plasma, which is remedied by selecting the target impedance and thereby improving the trajectory. For this reason, the plasma process supply system allows the use of balanced amplifiers.
  • the balanced amplifier is preferably dimensioned such that its target power is sufficient to operate the plasma process when the target impedance is present, with the increased power in the area of adaptation being used to ignite the plasma process.
  • the balanced amplifier preferably has two amplifier paths that are operated with a phase offset of preferably 90°.
  • a balanced amplifier is described, for example, in WO2015/091468 A1 as a 'power converter'.
  • WO201 5/091468 A1 is hereby incorporated in its entirety into this disclosure by reference.
  • the balanced amplifier preferably has a 90° coupler for coupling the output signals of the amplifier paths.
  • the balanced amplifier preferably has a hybrid coupler for coupling the output signals of the amplifier paths.
  • the balanced amplifier preferably has a 3dB coupler for coupling the output signals of the amplifier paths.
  • control device is designed to set the target impedance in such a way that the RF generator delivers the presettable target power when the target impedance is present.
  • the target impedance there are a large number of target impedances at which the RF generator delivers the same target power. It is also advantageous that the target power can be specified.
  • the control device comprises a memory device.
  • different target powers determined by the RF generator corresponding target impedances are stored.
  • One target impedance can be stored for a target power or several target impedances can be stored.
  • the storage can be done in the form of a look-up table, for example.
  • the control device is designed to set the target impedance to a value for which the trajectory runs through the ignition impedance range, at which the RF generator delivers a power that is higher than the target power by a presettable amount.
  • the amount is presettable.
  • the power in the ignition impedance range should be, for example, 10% or 20% higher than the target power.
  • the ignition impedance range in the Smith diagram for a balanced amplifier is closer to 50 ohms than the target impedance range.
  • the plasma process supply system comprises an operating unit.
  • the control device is designed to receive a user input from the operating unit.
  • the user input is the level of the target power and/or the presettable value by which the power in the ignition impedance range is above the target power. It is particularly advantageous that the operator of the plasma process supply system only has to specify the target power and the increased power in the ignition impedance range and is thereby provided with a reliably igniting plasma process.
  • the control device is designed to set the target impedance to a value for which the trajectory runs through the ignition impedance range and the target impedance range, wherein the amplifier circuit and in particular amplifier elements of the amplifier circuit have a power loss that is below a threshold value, whereby the power loss is in particular minimized.
  • the amplifier circuit and in particular amplifier elements of the amplifier circuit have a power loss that is below a threshold value, whereby the power loss is in particular minimized.
  • control device is designed to set the target impedance to a value such that an average value of the impedance curve corresponds to the nominal impedance of the RF generator, in particular 50 ohms. This improves efficiency.
  • control device is designed to measure the impedance curve of a trajectory and to adapt the target impedance based on the measured impedance curve so that the trajectory has an improved curve in a subsequent settling period.
  • This has the advantage, particularly in pulsed plasma applications, that the trajectory can be successively adapted to the optimal curve. If a repetition rate (pulse rate) of preferably more than 10 Hz to preferably less than 1 MHz is used, the desired trajectory is achieved very quickly.
  • the course of the trajectory in a subsequent settling period can thus be improved with respect to the efficiency of the amplifier circuit, the achievable power in the ignition impedance range, the averaged impedance in the settling period and/or the achievable power in the target impedance range.
  • the RF generator is designed to pulse a high frequency signal and output this pulsed high frequency signal to the impedance matching circuit.
  • the settling period extends over the temporal length of such a pulse.
  • the repetition rate of the pulses can be approximately 10 Hz to 1 MHz.
  • the pulse length can be in the range from 1 ps to 500 ps, in particular in the range from 100 ps to 500 ps, particularly preferably 300 ps.
  • the settling time can cover any time range of each pulse (e.g. 5% or more and 90% or less). The settling time depends in particular on the pulse length. If a pulse has a long pulse length, the settling time is shorter in relation to the length of the pulse compared to a pulse with a shorter length.
  • control device is designed to measure the trajectory for each settling period and thus for each pulse of the high-frequency signal. This allows a particularly fine adjustment of the target impedance. It is also conceivable that after a measured trajectory for a pulse, at least n pulses follow for which no trajectory is measured, with n > 2, 3, 5, 10, 15, 20, 50, 100, 500. If a high pulse rate, e.g. 1 MHz, is used, it is not necessary for the trajectory of each pulse to be measured.
  • the control device comprises a measuring unit.
  • the measuring unit comprises at least one directional coupler unit for detecting the power of a high-frequency signal running back and forth or a current sensor and a voltage sensor.
  • the control device is designed to measure the impedance curve of the trajectory based on the measurement result of the directional coupler unit or the current sensor and the voltage sensor. In this way, the impedance curve of the trajectory can be measured very easily and very quickly.
  • the voltage sensor of the measuring unit is a capacitive voltage divider, wherein a first capacitance is formed by an electrically conductive ring or cylinder through which a cable can be guided, on which the RF power can be transmitted.
  • the current sensor of the measuring unit is a coil that is arranged around the conductive ring or cylinder. This structure enables contactless measurement of current and voltage.
  • the measuring unit is arranged between the RF generator and the impedance matching circuit.
  • the measuring unit is arranged closer to the impedance matching circuit than to the RF generator.
  • the trajectory passes through the ignition impedance range faster than it remains in the target impedance range.
  • the impedance that the RF generator sees at its output over time (trajectory) passes through the ignition impedance range faster than it remains in the target impedance range. This allows a stable plasma process with more reliable ignition to be achieved.
  • the trajectory passes through the ignition impedance range in less than 30%, 20%, or 10% of the time it remains in the target impedance range.
  • a DC generator which is designed to generate a DC signal, wherein the DC signal can be fed to the plasma chamber in overlap with the high-frequency signal.
  • the DC signal can be emitted constantly or pulsed by the DC generator.
  • the impedance matching circuit can have a further input to which the DC generator is connected.
  • a bias tee can also be connected between the impedance matching circuit and the plasma chamber, which is designed to overlap the high-frequency signal and the DC signal with each other and to transmit them to the plasma chamber.
  • the impedance matching circuit comprises at least one or more adjustable reactances in order to change the transformation ratio for the impedance between an input to which the RF generator is connected and an output to which a load, i.e. the plasma chamber, can be connected.
  • the reactances are mechanically adjustable and/or electrically adjustable. This can be done, for example, by semiconductor switching elements such as transistors or PIN diodes. In addition or as an alternative, at least one varactor and/or at least one switchable inductance and/or capacitance can also be used.
  • the method is used to operate the plasma process supply system.
  • pulsed plasma processes can be operated using the method.
  • the plasma process supply system comprises an RF generator which has at least one amplifier circuit, an impedance matching circuit and a control device.
  • the plasma process supply system can be connected to a plasma chamber.
  • the RF generator is connected to the impedance matching circuit.
  • a target impedance is set as the input impedance for the RF generator, so that a trajectory which describes an impedance curve for the input impedance in a settling period runs from a starting impedance range via an ignition impedance range to a target impedance range.
  • the RF generator outputs a power in the ignition impedance range that is higher than a target power in the subsequent target impedance range.
  • a target impedance is set as the input impedance for the RF generator by the impedance matching circuit.
  • Figure 1 an embodiment of the plasma process supply system with a control device
  • Figure 2 an embodiment of an amplifier circuit of an RF amplifier of the plasma process supply system
  • Figures 3A, 3B, 3C, 3D, 3E various examples of how a trajectory can run that describes an impedance curve for an input impedance in a settling period
  • Figures 4A, 4B different curves for output power delivered by the RF generator
  • Figures 5A, 5B various embodiments of how an impedance matching circuit can be constructed
  • Figures 6, 7 embodiments of how a measuring unit for measuring a current and a voltage can be designed.
  • Figure 8 a flow chart for a method explaining the operation of the control device.
  • FIG. 1 shows a plasma process supply system 100, which comprises a control device 1.
  • the plasma generation system 100 further comprises an RF generator 2, an impedance matching circuit 3 and at least one consumer 4, in particular in the form of a plasma chamber.
  • the RF generator 2 is designed to generate a high-frequency signal, in particular in the form of a pulsed high-frequency signal, with a nominal power PNenn and a Frequency fo and to output it at an output connection 2a.
  • the impedance matching circuit 3 comprises an input connection 3a, wherein the RF generator 2 is connected to the input connection 3a via a first cable connection 5a.
  • the impedance matching circuit 3 further comprises an output connection 3b.
  • the output connection 3b is connected to the at least one consumer 4 via a second cable connection 5b.
  • the first and/or second cable connection 5a, 5b can comprise one or more cables, for example connected in series and/or in parallel. Coaxial cables are preferably used.
  • the consumer 4 i.e. the plasma chamber, comprises at least one electrode 6 for generating a plasma 7.
  • the electrode 6 is (galvanically) connected to the output connection 3b of the impedance matching circuit 3.
  • a camera system 8 is also arranged in the plasma chamber, which is designed to observe the plasma 7.
  • the control device 1 is preferably a processor and/or FPGA and/or microcontroller and/or ASIC.
  • the control device 1 can also comprise a memory device 9.
  • the control device 1 is designed to control the HF generator 2, in particular to activate or deactivate it. In addition or alternatively, the control device 1 is also designed to change the power and/or frequency of the HF signal by appropriately controlling the HF generator 2. In addition or alternatively, the control device 1 is designed to change the waveform (type of high-frequency signal, modulation of the HF signal, pulse durations, pulse repetition rate) of the high-frequency signal by appropriately controlling the HF generator 2.
  • the control device 1 is preferably also designed to control the impedance matching circuit 3.
  • the Control device 1 is designed to change the transformation ratio within the impedance matching circuit 3 or to specify a target impedance 10 which acts as an input impedance for the RF generator 2.
  • the control device 1 also comprises a measuring unit 11.
  • the measuring unit 11 is designed to measure, among other things, the value of the impedance at the input terminal 3a of the impedance matching circuit 3.
  • the measuring unit 11 is preferably arranged between the RF generator 2 and the impedance matching circuit 3.
  • the measuring unit 11 comprises a directional coupler unit.
  • the measuring unit 11 can use the directional coupler unit to measure the power of a high-frequency signal running back and forth on the first cable connection 5a in order to calculate the input impedance from this.
  • the measuring unit 11 can alternatively also comprise a current sensor 16 and a voltage sensor 20.
  • a structure with a current sensor 16 and a voltage sensor 20 is shown in Figures 6 and 7.
  • the control device 1 is designed to calculate the impedance that the RF generator 2 sees based on the measurement result of the directional coupler unit or the current sensor 16 and the voltage sensor 20.
  • the plasma generation system 100 preferably also comprises an operating unit 12.
  • the operating unit 12 is preferably a screen, in particular a touch-sensitive screen. In addition to a screen, the operating unit 12 can also comprise input means such as a keyboard and/or mouse.
  • the operating unit 12 can also be a web server that provides data and receives user input.
  • the control device 1 is designed to display current settings of the RF generator 2 and/or the impedance matching circuit 3 on the operating unit 12.
  • the control device 1 is preferably designed to provide setpoint values, for example for the power of the high-frequency signal, the so-called target power. Furthermore, the frequency of the high-frequency signal and/or the waveform of the high-frequency signal and/or the pulse rate and/or the pulse duration for the high-frequency signal can be received by the control unit 12. From this, corresponding control variables for the HF generator 2 and the impedance matching circuit 3 can be generated and transmitted to them.
  • Fig. 1 also shows:
  • FIG. 2 shows an exemplary structure of an amplifier circuit 30 of the RF amplifier 2.
  • the amplifier circuit 30 comprises a balanced amplifier.
  • the amplifier circuit 30 could also comprise an unbalanced amplifier.
  • the balanced amplifier has a first 3 dB coupler 31 a and a second 3 dB coupler 31 b, which are designed in particular in the form of a hybrid coupler.
  • a first input of the first 3 dB coupler 31 a is connected to a signal source 32.
  • the signal source 32 is designed to generate the high frequency signal (pulsed).
  • a second input of the first 3 dB coupler 31 a is connected to the reference ground via a resistor 33.
  • a first output of the first 3 dB coupler 31 a is connected to a first amplifier 34 a, in particular in the form of a transistor amplifier.
  • a second output of the first 3dB coupler 31a is connected to a second amplifier 34b, in particular in the form of a transistor amplifier.
  • the first transistor amplifier 34a is connected with its output to a first input of the second 3dB Köppers 31b.
  • the second transistor amplifier 34b is connected at its output to a second input of the second 3dB coupler 31b.
  • a first output of the second 3dB coupler 31b is connected to the reference ground via the resistor 35.
  • FIGS 3A, 3B, 3C, 3D and 3E show various examples of how a trajectory 40 can run in a Smith chart SD, which describes an impedance curve for an input impedance 10 in a settling period 41.
  • a trajectory 40 describes an impedance curve over time. Such a trajectory 40 is shown in dashed lines in the figures mentioned.
  • the trajectory 40 runs in a settling period 41 (see Figures 4A, 4B) in the direction of a point on a Smith chart SD that corresponds to an impedance of 50 ohms.
  • this impedance is the target impedance 10.
  • the balanced amplifier delivers the maximum power.
  • the ignition behavior of the plasma 7 is problematic here. If the efficiency does not necessarily have to be maximum here, it could be advantageous to choose a target impedance 10 that is far from the nominal impedance. In this case, a mismatch would be deliberately induced. This is shown, for example, in Figures 3C and 3D.
  • Figure 3B explains that there are different impedance ranges in a balanced amplifier in which the balanced amplifier delivers the same power. These ranges have the same hatching in Figure 3B and extend approximately in a circle around the point of the nominal impedance. If a user specifies a target power, different target impedances 10 can be selected so that the RF amplifier 2 also delivers the desired target power. Not all of these target impedances 10 are useful; there are target impedances at which the RF amplifier 2 delivers the desired power, but the individual transistor amplifiers 34a, 34b are loaded to different degrees. The closer the hatched areas are to the point of the nominal impedance, the higher the output power that the RF amplifier 2 can provide.
  • Figure 3C describes the course of a trajectory 40 in the direction of the target impedance 10. Due to a transient process in the impedance matching circuit 3 and also in the plasma chamber 4, the target impedance 10 is not reached immediately. Instead, a trajectory 40, i.e. an impedance curve over time, can be measured, at the end of which the target impedance is reached. This means that the RF generator 2 does not immediately see the target impedance 10 at its output. In Figure 3C, the RF generator 2 provides the desired output power (outermost circle) when the target impedance 10 is reached, at the end of the trajectory 40. The problem is that the RF generator 2 only sees impedances until the target impedance 10 is reached, at which it cannot provide the required power for the high-frequency signal that is necessary for reliable ignition of the plasma 7.
  • the control device 1 is now designed to set the target impedance 10 in such a way that a trajectory 40 runs from a starting impedance range 42 via an ignition impedance range 43 to the target impedance range 44, wherein the HF generator 2 in the ignition impedance range 43 delivers a power that is higher than the target power in the subsequent target impedance range 44, where the target impedance 10 is present.
  • the RF amplifier 2 outputs a high-frequency signal with approximately the same power as in the target impedance range 44 from Figure 3C.
  • the trajectory 40 passes through the ignition impedance range 43, in which impedances are present that cause the RF amplifier 2 to output a higher power than in the later target impedance range 44, which leads to a more reliable ignition of the plasma 7.
  • a user can enter what power he would like to have from the RF amplifier 2 in the ignition impedance range 41.
  • the appropriate target impedance 10 is selected depending on the selected target power, which can be specified by a user, and the desired power in the ignition impedance range 43, which can also be specified by a user.
  • the measuring unit 11 enables the control device 1 to continuously measure the impedance curve and to adapt the target impedance 10 so that the trajectory 40 runs through the desired ignition impedance range 43.
  • a power can be stored for each target impedance 10, which can be set by the impedance adaptation circuit 2, which the RF amplifier 2 can deliver when the target impedance 10 is reached.
  • Figure 3E shows that there are areas 45 through which the trajectory 40 should not pass. This can be due, for example, to the fact that there are impedances here which lead to the transistor amplifiers 34a, 34b being loaded excessively or one-sidedly by power that is reflected back to the RF amplifier 2 and/or to insufficient efficiency. It is therefore the task of the control device 1 to ensure, by selecting the target impedance 10, that the trajectory 40 does not pass through the areas 45 or only passes through them for a very short period of time within the settling period 41.
  • Figures 4A and 4B each show a curve of the output power PL over time t.
  • Figure 4A shows a settling period 41 such as that present in the trajectory 40 from Figure 3A.
  • the target impedance in Figure 3A is at the nominal impedance, in this case 50 ohms, whereby the amplifier circuit 30 is a balanced amplifier that delivers the maximum power at the nominal impedance. Therefore, the power that the RF amplifier 2 delivers in Figure 4A increases with increasing time in the settling period 41.
  • FIG 4B shows a settling period 41, such as that present in the trajectory 40 from Figure 3D, for example.
  • the trajectory 40 runs over a starting impedance range 42 to an ignition impedance range 43 and further to a target impedance range 44.
  • the power that the RF amplifier 2 delivers is higher in the ignition impedance range 43 than in the target impedance range 44. This results in more reliable ignition of the plasma 7.
  • the target impedance range 44 lasts the longest in relation to the entire duration of the settling period 41.
  • the ignition impedance range 43 extends over a shorter period of time, preferably less than 30%, 20% or less than 10% of the time period over which the target impedance range 44 extends.
  • the settling period 41 can be the pulse duration, for example.
  • the control device 1 is preferably designed to measure the trajectory 40 again for each pulse, i.e. for each new settling period 41. In doing so, it can adapt the target impedance 10, with the target power (predetermined by the user) preferably remaining unchanged, in order to positively influence the course of the trajectory 40, i.e. in particular to ensure that a sufficiently high power is delivered by the HF generator 2 in the ignition impedance range 43.
  • the impedance matching circuit 3 can comprise one or more (series-connected) transformation stages.
  • Such a transformation stage is shown, for example, in Figures 5A and 5B. If the impedance matching circuit 3 contains several transformation stages, each transformation stage can be constructed according to the embodiment of Figures 5A, 5B. It is clear that the impedance matching circuit 3 can also be constructed differently than shown in Figures 5A, 5B.
  • the input connection 3a of the impedance matching circuit 3 is connected in Figure 5A to a first coil 50 (first inductance) and to a second coil 51 (second inductance).
  • the first and second coils 50, 51 are connected with their first connection to a common node and thus to the input connection 3a of the impedance matching circuit 3.
  • the first coil 50 is connected to a reference ground via a first capacitor 52 (first capacitance).
  • the second coil 51 is connected to the output connection 3b via a second capacitor 53 (second capacitance).
  • the first and/or second capacitors 52, 53 are adjustable components, in particular in the form of variable capacitors, the capacitance of which can be changed via stepper motors.
  • solid state switches can be used in order to be able to switch capacitances on and off as quickly as possible.
  • the plate spacing of the first and second capacitors 52, 53 can be changed.
  • the control device 1 is designed to control the respective stepper motors accordingly.
  • the capacitances of the first and second capacitors 52, 53 can be adjusted independently of one another.
  • the impedance matching circuit 3 is preferably free of further components.
  • the position of the first coil 50 and the first capacitor 52 can also be swapped.
  • the first capacitor 52 is connected to the input terminal 3a of the impedance matching circuit 3 and the first coil 50 is connected to the Reference ground.
  • the position of the second coil 51 and the second capacitor 53 can also be swapped.
  • the second capacitor 53 is arranged at the input terminal 3a of the impedance matching circuit 3 and the second coil 51 is arranged at the output terminal 3b of the impedance matching circuit 3.
  • the input terminal 3a of the impedance matching circuit 3 is connected to the first capacitor 52 (first capacitance) in Figure 5B.
  • the first capacitor 52 is connected to both the first coil 50 (first inductance) and the second coil 51 (second inductance). This is done via a common node to which both the first capacitor 52 and the first and second coils 50, 51 are connected.
  • the first coil 50 is also connected to the reference ground.
  • the second coil 51 is connected to the second capacitor 53 (second capacitance) (series connection).
  • the second capacitor 53 is connected to the output terminal 3b of the impedance matching circuit 3.
  • the position of the second coil 51 and the second capacitor 53 could also be swapped. In this case, the second capacitor 53 would be connected to the common node and the second coil 51 to the output terminal 3b of the impedance matching circuit 3.
  • impedance matching circuit 3 is free of further components.
  • Figures 6 and 7 show an embodiment of a possible structure of the measuring unit 11.
  • the measuring unit 11 is designed to measure a voltage and a current without contact.
  • the measuring unit 11 comprises a current sensor 16 and a voltage sensor 20.
  • the phase relationship between current and voltage is measured so that the impedance can be calculated.
  • the current sensor 16 of the measuring unit 11 is a coil 21, in particular in the form of a Rogowski coil. Both ends of the coil are preferably connected to one another via a shunt resistor 22. The voltage that drops across the shunt resistor 22 can be digitized by means of a first A/D converter 23.
  • the voltage sensor 20 of the measuring unit 11 is preferably designed as a capacitive voltage divider.
  • a first capacitor 24 is formed by an electrically conductive ring 24.
  • An electrically conductive cylinder could also be used.
  • the corresponding first cable connection 5a is guided through this electrically conductive ring 24.
  • a second capacitor 25 of the voltage sensor 20 designed as a voltage divider is connected to the reference ground.
  • a second A/D converter 26 is connected in parallel to the second capacitor 25 and is designed to detect and digitize the voltage that drops across the second capacitor 25.
  • the measuring unit 11 can also be arranged or constructed on a (common) circuit board.
  • the first capacitor 24 can be formed by a coating on a first and an opposite second side of the circuit board. In this case, the coatings on the first and second sides are electrically connected to one another by vias.
  • the first cable connection 5a is led through an opening in the circuit board.
  • the second capacitor 25 can be formed by a discrete component.
  • the current sensor 16 in the form of the coil 21, in particular in the form of the Rogowski coil, is further away from the first cable connection 5a than the first capacitor 24.
  • the coil can also be formed on the same circuit board by means of appropriate coatings and through-holes.
  • the coil for measuring the current and the first capacitor for measuring the voltage preferably run through a common plane.
  • the shunt resistor 22 can also be arranged on this circuit board.
  • the measuring unit 11 can also be designed as a directional coupler unit.
  • the measuring unit 11 can also be arranged between the impedance matching circuit 3 and the load in the form of the plasma chamber 4.
  • the second cable connection 5b would be used for measuring current and voltage.
  • the input impedance can then be calculated by taking into account a known transformation ratio of the impedance matching circuit 3.
  • FIG 8 describes the method used to operate the plasma process supply system 100.
  • the plasma process supply system 100 comprises an RF generator 2, which has at least one amplifier circuit 30, an impedance matching circuit 3 and a control device 1.
  • the plasma process supply system 100 can be connected to a plasma chamber 4.
  • the RF generator 2 is connected to the impedance matching circuit 3.
  • a target impedance 10 is set as the input impedance for the RF generator 2, so that a trajectory 40, which describes an impedance curve for the input impedance in a settling period 41, runs from a starting impedance range 42 via an ignition impedance range 43 to a target impedance range 44.
  • the HF generator 2 outputs a power in the ignition impedance range 43 that is higher than a target power in the subsequent target impedance range 44.
  • a target impedance 10 is set as an input impedance for the HF generator 2 by the impedance matching circuit 3.

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Abstract

Ein Plasmaprozessversorgungssystem (100), insbesondere für gepulste Plasma- prozesse, mit einem HF-Generator (2), der zumindest eine Verstärkerschaltung (30) umfasst, einer Impedanzanpassungsschaltung (3) und einer Steuerungsvorrichtung (1). Das Plasmaprozessversorgungssystem (100) ist mit einer Plasmakammer (4) verbindbar. Der HF-Generator (2) ist mit der Impedanzanpassungsschaltung (3) verbunden, wobei die Impedanzanpassungsschaltung (3) dazu ausgebildet ist, um eine Zielimpedanz (10) als Eingangsimpedanz für den HF-Generator (2) einzustel- len. Die Steuerungsvorrichtung (1) ist dazu ausgebildet, um die Zielimpedanz (10) derart festzulegen, dass eine Trajektorie (40), die einen Impedanzverlauf für die Eingangsimpedanz in einem Einschwingzeitraum (41) beschreibt, von einem Startimpedanzbereich (42) über einen Zündimpedanzbereich (43) hin zu einem Zielimpedanzbereich (44) verläuft, wobei der HF-Generator (2) im Zündimpedanzbereich (43) eine Leistung abgibt, die höher ist als eine Zielleistung im anschließenden Zielimpedanzbereich (44).

Description

Plasmaprozessversorgungssystem, insbesondere für gepulste Plasmaprozesse, und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Plasmaprozessversor- gungssystems
Die Erfindung betriff ein Plasmaprozessversorgungssystem, insbesondere für gepulste Plasmaprozesse, und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Plasmaprozessversorgungssystems.
Die Oberflächenbehandlung von Werkstücken mit Hilfe von Plasma sowie Gaslaser sind industrielle Verfahren, bei denen insbesondere in einer Plasmakammer, ein Plasma mit Gleichstrom oder mit einem hochfrequenten Wechselsignal mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich von einigen 10 kHz bis in den GHz-Bereich erzeugt wird.
Die Plasmakammer wird über weitere elektronische Bauteile, wie Spulen, Kondensatoren, Leitungen oder Transformatoren, an einen Hochfrequenzgenerator (HF- Generator) angeschlossen. Diese weiteren Bauteile können Schwingkreise, Filter oder Impedanzanpassungsschaltungen darstellen.
Plasmaprozesse stellen für den Hochfrequenzgenerator eine stark variable Last dar, die von den Zuständen in der Plasmakammer abhängt. Insbesondere gehen die Eigenschaften von Werkstück, Elektroden und Gasverhältnissen ein.
Hochfrequenzgeneratoren weisen einen eingeschränkten Arbeitsbereich bezüglich der Impedanz der angeschlossenen elektrischen Last (= Verbraucher) auf. Verlässt die Lastimpedanz einen zulässigen Bereich, so kann die geforderte Ener- gie/Leistung nicht an den Verbraucher abgegeben werden. Auch eine Beschädigung des HF-Generators ist möglich. Aus diesem Grund ist in der Regel eine Impedanzanpassungsschaltung (Matchbox) erforderlich, die die Impedanz der Last auf eine Nennimpedanz des Generatorausgangs transformiert.
Es sind unterschiedliche Impedanzanpassungsschaltungen bekannt. Entweder sind die Impedanzanpassungsschaltungen fest eingestellt und haben eine vorgegebene Transformationswirkung, bestehen also aus elektrischen Bauelementen, insbesondere Spulen und Kondensatoren, die während des Betriebes nicht verändert werden. Dies ist insbesondere bei immer gleichbleibendem Betrieb, wie z. B. bei einem Gaslaser, sinnvoll. Weiterhin sind Impedanzanpassungsschaltungen bekannt, bei denen zumindest ein Teil der Bauelemente der Impedanzanpassungsschaltungen mechanisch veränderlich sind. Beispielsweise sind motorbetriebene Drehkondensatoren bekannt, deren Kapazitätswert verändert werden kann, indem die Anordnung der Kondensatorplatten relativ zueinander verändert wird.
Einem Plasma können bei grober Betrachtung drei Impedanzbereiche zugeordnet werden. Vor der Zündung liegen sehr hohe Impedanzen vor. Im Normalbetrieb, d. h. bei bestimmungsgemäßem Betrieb mit Plasma, liegen niedrigere Impedanzen vor. Bei unerwünschten lokalen Entladungen (Ares) oder bei Plasmaschwankungen können sehr kleine Impedanzen auftreten. Außer diesen drei identifizierten Impedanzbereichen können noch weitere Sonderzustände mit anderen zugeordneten Impedanzwerten auftreten. Verändert sich die Lastimpedanz schlagartig und gelangt dabei die Lastimpedanz bzw. die transformierte Lastimpedanz aus einem zulässigen Impedanzbereich, können der HF-Generator oder auch Übertragungseinrichtungen zwischen dem HF-Generator und der Plasmakammer beschädigt werden. Es gibt außerdem auch stabile Zustände des Plasmas die nicht erwünscht sind.
Eine Impedanzanpassungsschaltung ist beispielsweise in der DE 10 2009 001 355 A1 beschrieben. Ein Plasma kann je nach Plasmaprozess mit einem gepulsten oder einem kontinuierlichen HF-Signal, auch CW-Signal genannt, betrieben werden. Aufgrund der hohen Varianz, die bei Plasmaprozessen vorliegen kann, ist ein wichtiges Thema für den sicheren Betrieb eines Plasmaprozesses die reproduzierbare Zündung des Plasmas. Die reproduzierbare Zündung ist bei einem HF-Generator, der CW-Signal bereitstellt, weniger problematisch, weil eine Impedanzanpassungsschaltung zu Beginn so konfiguriert sein kann, dass eine ideale Zündbedingung herrscht (Anpassung auf "kalte" Impedanz). Nach dem Zünden wird die Impedanzanpassungsschaltung dann so geregelt, dass möglichst schnell Anpassung herrscht. Bei einem CW-Signal ist hierfür ausreichend Zeit. Problematischer ist dagegen eine zuverlässige Zündung bei einem HF-Generator, der ein gepulstes Hochfrequenzsignal erzeugt. Im gepulsten Betrieb wird die Impedanzanpassungsschaltung auf die "Brennposition" geregelt. Dies ist für das Zünden aber eventuell nicht optimal.
Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein Plasmaprozessversorgungssystem zu schaffen, welches insbesondere bei gepulsten Plasmaprozessen eine zuverlässige Zündung des Plasmas an jedem Pulsanfang erlaubt.
Die Aufgabe wird bezüglich des Plasmaprozessversorgungssystems durch den Anspruch 1 und bezüglich eines Verfahrens zum Betrieb eines solchen Plasmaprozessversorgungssystems durch den Anspruch 19 gelöst. In den Ansprüchen 2 bis 18 sind vorteilhafte Weiterbildungen des Plasmaprozessversorgungssystems angegeben.
Das Plasmaprozessversorgungssystem eignet sich insbesondere für gepulste Plasmaprozesse. Es weist einen HF-Generator auf, der zumindest eine Verstärkerschaltung umfasst. Weiterhin umfasst das Plasmaprozessversorgungssystem eine Impedanzanpassungsschaltung und eine Steuerungsvorrichtung. Das Plasmaprozessversorgungssystem ist mit einer Plasmakammer verbindbar. Der HF-Generator ist mit der Impedanzanpassungsschaltung (galvanisch) verbunden. Die Impedanzanpassungsschaltung ist dazu ausgebildet, um eine Zielimpedanz als Eingangsimpedanz für den HF-Generator einzustellen. Die Zielimpedanz wird insbesondere an einem Eingang der Impedanzanpassungsschaltung eingestellt, mit welchem der HF-Generator verbunden ist. Die Steuerungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, um die Zielimpedanz derart festzulegen, dass eine Trajektorie, die einen Impedanzverlauf für die Eingangsimpedanz in einem Einschwingzeitraum beschreibt, von einem Startimpedanzbereich über einen Zündimpedanzbereich hin zu einem Zielimpedanzbereich verläuft, wobei der HF-Generator im Zündimpedanzbereich eine Leistung ausgibt, die höher ist als eine Zielleistung im anschließenden Zielimpedanzbereich. Die Zielimpedanz liegt dabei im Zielimpedanzbereich. Verstärker zeigen grundsätzlich ein charakteristisches Verhalten bzgl. der abgegebenen Leistung in Abhängigkeit von der Lastimpedanz. Dieses Verhalten kann auch als Leistungsprofil eines HF-Verstärkers bezeichnet werden. Die passende Wahl der Zielimpedanz hat den großen Vorteil, dass die passenden Impedanzen durchlaufen werden und zwar mit einer Geschwindigkeit, die ein Regler in dieser Zeit nicht ausregeln könnte. Dies gilt insbesondere bei Verwendung eines gepulsten Hochfrequenzsignals, für das ein Regler jeden Puls einzeln ausregeln müsste. Dabei kann die Soll-Leistung, die der HF-Generator abgibt, über den gesamten Impedanzverlauf gleich groß sein. Tatsächlich wird aber in den verschiedenen Impedanzbereichen immer ein Teil der Leistung reflektiert. Deswegen wird die Trajektorie so gewählt, dass im Zündimpedanzbereich bei gezündetem Plasma weniger reflektierte Leistung erwartet wird als im Zielimpedanzbereich.
Es ist hier besonders vorteilhaft, dass die Trajektorie, die verschiedene Bereiche bis zum Zielimpedanzbereich durchläuft, durch Wahl der Zielimpedanz derart eingestellt wird, dass diese durch einen Zündimpedanzbereich verläuft, in welchem der HF-Generator eine höhere Leistung abgibt, als im späteren Zielimpedanzbereich. Diese höhere Leistung (engl. power peaking) sorgt für eine kurzfristige Erhöhung der Feldstärke in der Plasmakammer, wodurch das Plasma zuverlässig(er) zündet als bei herkömmlichen Plasmaprozessversorgungssystemen. Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, dass der Verlauf bis zum Erreichen des Zielimpedanzbereichs der Trajektorie ungeregelt sein kann, was den Betrieb deutlich vereinfacht. Die Tatsache, dass der HF-Generator nicht sofort die Zielimpedanz sieht, ist unter anderem darin begründet, dass die Impedanzanpassungsschaltung eine hohe Güte aufweist, und es erst zum Einschwingen der entsprechenden Schwingkreise, die beispielsweise aus Kapazitäten und Induktivitäten gebildet sind, kommen muss. Passive Bauelemente schwingen zumindest im Startimpedanzbereich ein. Aus diesem Grund verändert sich die Impedanz in dem oben genannten Einschwingzeitraum. Außer der Impedanzanpassungsschaltung ist auch der Verbraucher für das Entstehen des Verlaufs derTrajektorie verantwortlich. So ändert sich die Plasmaimpedanz ebenfalls im Zuge des Einschwingzeitraum. Nachdem es eine Vielzahl von Zielimpedanzen gibt, um eine gewünschte Zielleistung zu erreichen, die der HF- Generator abgeben soll, kann diejenige Zielimpedanz ausgewählt werden, bei welcher die Trajektorie einen gewünschten Zündimpedanzbereich durchläuft, also einen Bereich, in welchem die dort von dem HF-Generator abgegebene Leistung die Zielleistung überschreitet. Für den eigentlichen Plasmaprozess ist die erhöhte Leistung, die im Zündimpedanzbereich abgerufen werden kann, häufig nicht notwendig bzw. es wird aus Effizienzgründen auf das dauerhafte Abrufen dieser erhöhten Leistung verzichtet.
In einem Aspekt umfasst der Einschwingzeitraum den Zeitbereich, von Beginn eines Pulses des HF-Signals bis zu einem Zeitpunkt, in welchem sich die Impedanzen nicht mehr verändern, bzw. bis zu dem Zeitpunkt, in dem eine Änderung der Impedanzen kleiner als ein Schwellwert ist. Zu den Impedanzen zählen die Impedanzen der Impedanzanpassungsschaltung (Kondensatoren, Spulen) als auch die Plasmaimpedanz.
In einem Aspekt umfasst die Verstärkerschaltung einen Balanced-Amplifier (deutsch: balancierter Verstärker). Durch den Einsatz von Balanced-Amplifiern stellen sich große Vorteile bei Plasmaanwendungen ein, weil diese ihre maximale Leistung dann abgeben, wenn sie eine Eingangsimpedanz sehen, die der Nennimpedanz (zum Beispiel 50 Ohm) entspricht. Sie sind außerdem robuster und haben einen konstanten Ausgangswiderstand. Ein Problem besteht beim Zünden des Plasmas, welches durch die Wahl der Zielimpedanz und eines dadurch verbesserten Verlaufs der Trajektorie behoben wird. Aus diesem Grund erlaubt das Plasmaprozessversorgungssystem den Einsatz von Balanced-Amplifiern. Der Balanced- Amplifier ist bevorzugt derart dimensioniert, dass seine Zielleistung bei Vorliegen der Zielimpedanz ausreichend ist, um den Plasmaprozess zu betreiben, wobei die erhöhte Leistung im Bereich der Anpassung zum Zünden des Plasmaprozesse verwendet wird.
Der Balanced-Amplifier weist bevorzugt zwei Verstärkerpfade auf, die mit einem Phasenversatz von vorzugsweise 90° betrieben werden. Ein solcher Balanced- Amplifier ist z.B. in WO2015/091468 A1 als .Leistungswandler' beschrieben. WO201 5/091468 A1 wird hiermit in seiner Gesamtheit durch Referenzierung mit in diese Offenbarung mit aufgenommen.
Der Balanced-Amplifier weist bevorzugt einen 90°-Koppler zum Koppeln der Ausgangssignale der Verstärkerpfade auf.
Der Balanced-Amplifier weist bevorzugt einen Hybridkoppler zum Koppeln der Ausgangssignale der Verstärkerpfade auf.
Der Balanced-Amplifier weist bevorzugt einen 3dB-Koppler zum Koppeln der Ausgangssignale der Verstärkerpfade auf.
In einem Aspekt ist die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet, um die Zielimpedanz derart festzulegen, dass der HF-Generator bei Vorliegen der Zielimpedanz die voreinstellbare Zielleistung abgibt. Wie bereits erläutert gibt es eine Vielzahl von Zielimpedanzen, bei deren Erreichen der HF-Generator dieselbe Zielleistung abgibt. Es ist auch vorteilhaft, dass die Zielleistung vorgebbar ist.
In einem Aspekt umfasst die Steuerungsvorrichtung eine Speichervorrichtung. In der Speichervorrichtung sind für unterschiedliche Zielleistungen, die durch den HF- Generator abgebbar sind, entsprechende Zielimpedanzen hinterlegt. Dabei kann für eine Zielleistung eine Zielimpedanz hinterlegt sein oder es können mehrere Zielimpedanzen hinterlegt sein. Das Hinterlegen kann z.B. in Form einer Look-Up-Tabelle erfolgen.
In einem Aspekt ist die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet, um die Zielimpedanz auf einen derartigen Wert festzulegen, für den die Trajektorie durch den Zündimpedanzbereich verläuft, bei welchen der HF-Generator eine Leistung abgibt, die um eine voreinstellbare Größe über der Zielleistung liegt. Auch hier ist vorteilhaft, dass die Größe voreinstellbar ist. So kann ein Benutzer vorgeben, dass die Leistung im Zündimpedanzbereich beispielsweise um 10 % oder um 20 % höher sein soll als die Zielleistung. Bevorzugt befindet sich der Zündimpedanzbereich im Smith-Diagramm bei einem Balanced-Amplifier näher an den 50 Ohm als der Zielimpedanzbereich.
In einem Aspekt umfasst das Plasmaprozessversorgungssystem eine Bedieneinheit. Die Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, um von der Bedieneinheit eine Benutzereingabe zu empfangen. Die Benutzereingabe ist die Höhe der Zielleistung und/oder die voreinstellbare Größe, um die die Leistung im Zündimpedanzbereich über der Zielleistung liegt. Es ist besonders vorteilhaft, dass der Bediener des Plasmaprozessversorgungssystems lediglich die Zielleistung und die erhöhte Leistung im Zündimpedanzbereich vorgeben muss und er dadurch einen zuverlässig zündenden Plasmaprozess bereitgestellt bekommt.
In einem Aspekt ist die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet, um die Zielimpedanz auf einen derartigen Wert festzulegen, für den die Trajektorie durch den Zündimpedanzbereich und den Zielimpedanzbereich verläuft, wobei die Verstärkerschaltung und insbesondere Verstärkerelemente der Verstärkerschaltung, eine Verlustleistung aufweisen, die unterhalb eines Schwellwerts liegen, wodurch die Verlustleistung insbesondere minimiert ist. Durch Vermessen der Verstärkerschaltung können diejenigen Bereiche ermittelt werden, in denen die Effizienz über einem Schwellwert liegt bzw. in denen die Verlustleistung, die in den einzelnen Verstärkerelementen (zum Beispiel in den Transistoren) anfällt, unterhalb eines Schwellwerts liegt. Die Wahl einer entsprechenden Trajektorie ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil bei Einsatz eines Balanced-Amplifiers dieser im Zielimpedanzbereich nicht mit Anpassung betrieben wird und daher eine Signalleistung von der Impedanzanpassungsschaltung zum HF-Verstärker zurück reflektiert wird.
In einem Aspekt ist die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet, um die Zielimpedanz auf einen derartigen Wert festzulegen, für den gilt, dass ein Mittelwert des Impedanzverlaufs der Nennimpedanz des HF-Generators, insbesondere 50 Ohm, entspricht. Dadurch wird die Effizienz verbessert.
In einem Aspekt ist die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet, um den Impedanzverlauf einer Trajektorie zu messen und um anhand des gemessenen Impedanzverlaufs die Zielimpedanz anzupassen, sodass die Trajektorie in einem nachfolgenden Einschwingzeitraum einen verbesserten Verlauf aufweist. Dies hat, insbesondere bei gepulsten Plasmaanwendungen, den Vorteil, dass die Trajektorie sukzessiv auf den optimalen Verlauf angepasst werden kann. Wird mit einer Wiederholrate (Pulsrate) von vorzugsweise mehr als 10 Hz bis vorzugsweise weniger als 1 MHz gearbeitet, so wird die gewünschte Trajektorie sehr schnell erreicht.
In einem Aspekt kann so der Verlauf der Trajektorie in einem nachfolgenden Einschwingzeitraum bezüglich der Effizienz der Verstärkerschaltung, der erzielbaren Leistung im Zündimpedanzbereich, der gemittelten Impedanz im Einschwingzeitraum und/oder der erzielbaren Leistung im Zielimpedanzbereich verbessert werden.
In einem Aspekt ist die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet, um in jedem Einschwingzeitraum die Trajektorie zu messen. Dadurch kann die Zielimpedanz feiner angepasst werden, um gleichzeitig überprüfen zu können, ob der Verlauf der Trajektorie im nachfolgenden Einschwingzeitraum (zum Beispiel im nachfolgenden Puls) verbessert ist. Bei einer hohen Wiederholrate der Pulse ist es nicht notwendig, dass die Trajektorie im Einschwingzeitraum für jeden Puls gemessen wird. In diesem Fall kann die Trajektorie für den Einschwingzeitraum von mindestens jedem n-ten Puls, mit n = 2, 5, 10, 50, 100, 500, 1000, 5000, 10000 gemessen werden.
In einem Aspekt ist der HF-Generator dazu ausgebildet, um ein Hochfrequenzsignal zu pulsen und dieses gepulste Hochfrequenzsignal an die Impedanzanpassungsschaltung auszugeben. Der Einschwingzeitraum erstreckt sich über die zeitliche Länge eines solchen Pulses. Die Wiederholrate der Pulse kann bei ungefähr 10 Hz bis 1 MHz liegen. Die Pulslänge kann im Bereich von 1 ps bis 500 ps, insbesondere im Bereich von 100 ps bis 500 ps, besonders bevorzugt bei 300 ps liegen. Die Einschwingzeit kann einen beliebigen Zeitbereich jedes Pulses umfassen (z.B. 5% oder mehr und 90% oder weniger). Die Einschwingzeit hängt insbesondere von der Pulslänge ab. Hat ein Puls eine lange Pulslänge, so ist die Einschwingzeit bezogen auf die Länge des Pulses kürzer verglichen mit einem Puls mit einer kürzerer Länge.
In einem Aspekt ist die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet, um die Trajektorie für jeden Einschwingzeitraum und damit für jeden Puls des Hochfrequenzsignals zu messen. Dadurch kann ein besonders feines Einstellen der Zielimpedanz erfolgen. Es ist auch denkbar, dass nach einer gemessenen Trajektorie für einen Puls mindestens n Pulse folgen, für die keine Trajektorie gemessen wird, mit n > 2, 3, 5, 10, 15, 20, 50, 100, 500. Wird mit einer hohen Pulsrate, z.B. 1 MHz gepulst, so ist es nicht erforderlich, dass die Trajektorie von jedem Puls gemessen wird.
In einem Aspekt umfasst die Steuerungsvorrichtung eine Messeinheit. Die Messeinheit umfasst zumindest einen Richtkopplereinheit zur Erfassung der Leistung eines hin- und rücklaufenden Hochfrequenzsignals oder einen Stromsensor und einen Spannungssensor. Die Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, um anhand des Messergebnisses der Richtkopplereinheit oder des Stromsensors und des Spannungssensors den Impedanzverlauf der Trajektorie zu messen. Auf diese Art und Weise kann sehr einfach und sehr schnell der Impedanzverlauf der Trajektorie gemessen werden. In einem Aspekt ist der Spannungssensor der Messeinheit ein kapazitiver Spannungsteiler, wobei eine erste Kapazität durch einen elektrisch leitfähigen Ring oder Zylinder gebildet ist, durch den ein Kabel führbar ist, auf dem die HF-Leistung übertragbar ist. Ergänzend hierzu ist der Stromsensor der Messeinheit eine Spule, die um den leitfähigen Ring oder Zylinder herum angeordnet ist. Durch diesen Aufbau ist ein berührungsloses Messen von Strom und Spannung möglich.
In einem Aspekt ist die Messeinheit zwischen dem HF-Generator und der Impedanzanpassungsschaltung angeordnet. Bevorzugt ist die Messeinheit näher an der Impedanzanpassungsschaltung angeordnet als am HF-Generator.
In einem Aspekt wird der Zündimpedanzbereich von der Trajektorie zeitlich schneller durchlaufen als diese im Zielimpedanzbereich verbleibt. Die Impedanz, die der HF-Generator an seinem Ausgang über die Zeit sieht (Trajektorie) durschreitet den Zündimpedanzbereich schneller als sie im Zielimpedanzbereich verbleibt. Dadurch kann ein stabiler Plasmaprozess mit einer zuverlässigeren Zündung erreicht werden.
In einem Aspekt durchläuft die Trajektorie den Zündimpedanzbereich in weniger als 30%, 20% oder 10% der zeit als diese im Zielimpedanzbereich verbleibt.
In einem Aspekt ist ein DC-Generator vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, um ein DC-Signal zu erzeugen, wobei das DC-Signal der Plasmakammer in Überlappung zu dem Hochfrequenzsignal zuführbar ist. Das DC-Signal kann durch den DC-Ge- nerator konstant abgegeben oder gepulst werden. Die Impedanzanpassungsschaltung kann einen weiteren Eingang aufweisen, an den der DC-Generator angeschlossen wird. Es kann auch ein Bias-Tee zwischen die Impedanzanpassungsschaltung und die Plasmakammer geschaltet sein, welches dazu ausgebildet ist, um das Hochfrequenzsignal und das DC-Signal zueinander zu überlappen und an die Plasmakammer zu übertragen. In einem Aspekt umfasst die Impedanzanpassungsschaltung zumindest eine oder mehrere verstellbare Reaktanzen, um das Transformationsverhältnis für die Impedanz zwischen einem Eingang, an dem der HF-Generator angeschlossen ist und einem Ausgang, an dem eine Last, also die Plasmakammer, anschließbar ist, zu verändern. Die Reaktanzen sind mechanisch verstellbar und/oder elektrisch verstellbar. Dies kann beispielsweise durch Halbleiterschaltelemente wie z.B. Transistoren oder PIN-Dioden erfolgen. Ergänzend oder alternativ können auch zumindest ein Varaktor und/oder zumindest eine zuschaltbare Induktivität und/oder Kapazität verwendet werden.
Das Verfahren dient zum Betrieb des Plasmaprozessversorgungssystems. Insbesondere gepulste Plasmaprozesse können mit dem Verfahren betrieben werden. Das Plasmaprozessversorgungssystem umfasst einen HF-Generator, der zumindest eine Verstärkerschaltung aufweist, eine Impedanzanpassungsschaltung und eine Steuerungsvorrichtung. Das Plasmaprozessversorgungssystem ist mit einer Plasmakammer verbindbar. In einem ersten Verfahrensschritt findet ein Verbinden des HF-Generators mit der Impedanzanpassungsschaltung statt. In einem zweiten Verfahrensschritt findet ein Festlegen einer Zielimpedanz als Eingangsimpedanz für den HF-Generator statt, so dass eine Trajektorie, die einen Impedanzverlauf für die Eingangsimpedanz in einem Einschwingzeitraum beschreibt, von einem Startimpedanzbereich über einen Zündimpedanzbereich hin zu einem Zielimpedanzbereich verläuft. Der HF-Generator gibt im Zündimpedanzbereich eine Leistung aus, die höher ist als eine Zielleistung im anschließenden Zielimpedanzbereich. In einem dritten Verfahrensschritt findet ein Einstellen einer Zielimpedanz als Eingangsimpedanz für den HF-Generator durch die Impedanzanpassungsschaltung statt.
Nachfolgend wird die Entwicklung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Figur 1 : ein Ausführungsbeispiel des Plasmaprozessversorgungssystems mit einer Steuerungsvorrichtung;
Figur 2: ein Ausführungsbeispiel einer Verstärkerschaltung eines HF-Verstär- kers des Plasmaprozessversorgungssystems;
Figuren 3A, 3B, 3C, 3D, 3E: verschiedene Beispiele wie eine Trajektorie verlaufen kann, die einen Impedanzverlauf für eine Eingangsimpedanz in einem Einschwingzeitraum beschreibt;
Figuren 4A, 4B: verschiedene Verläufe für Ausgangsleistungen, die der HF-Genera- tor abgibt;
Figuren 5A, 5B: verschiedene Ausführungsbeispiele wie eine Impedanzanpassungsschaltung aufgebaut sein kann;
Figuren 6, 7: Ausführungsbeispiele wie eine Messeinheit zur Messung eines Stroms und einer Spannung ausgeführt sein kann; und
Figur 8: ein Flussdiagramm für ein Verfahren, welches den Betrieb der Steuerungsvorrichtung erläutert.
Figur 1 zeigt ein Plasmaprozessversorgungssystem 100, welches eine Steuerungsvorrichtung 1 umfasst. Das Plasmaerzeugungssystem 100 umfasst weiterhin einen HF-Generator 2, eine Impedanzanpassungsschaltung 3 und zumindest einen Verbraucher 4, insbesondere in Form einer Plasmakammer. Der HF-Genera- tor 2 ist dazu ausgebildet, um ein Hochfrequenzsignal, insbesondere in Form eines gepulsten Hochfrequenzsignals, mit einer Nennleistung PNenn und einer Frequenz fo bereitzustellen und an einem Ausgangsanschluss 2a auszugeben. Die Impedanzanpassungsschaltung 3 umfasst einen Eingangsanschluss 3a, wobei der HF-Generator 2 mit dem Eingangsanschluss 3a über eine erste Kabelverbindung 5a verbunden ist. Die Impedanzanpassungsschaltung 3 umfasst weiterhin einen Ausgangsanschluss 3b. Der Ausgangsanschluss 3b ist mit dem zumindest einen Verbraucher 4 über eine zweite Kabelverbindung 5b verbunden. Die erste und/oder zweite Kabelverbindung 5a, 5b kann ein oder mehrere, beispielsweise seriell und/oder parallel geschaltete Kabel umfassen. Vorzugsweise werden Koaxialkabel verwendet.
Der Verbraucher 4, also die Plasmakammer, umfasst zumindest eine Elektrode 6 zur Erzeugung eines Plasmas 7. Die Elektrode 6 ist mit dem Ausgangsanschluss 3b der Impedanzanpassungsschaltung 3 (galvanisch) verbunden. In der Plasmakammer ist in diesem Ausführungsbeispiel noch ein Kamerasystem 8 angeordnet, welches dazu ausgebildet ist, um das Plasma 7 zu beobachten.
Bei der Steuerungsvorrichtung 1 handelt es sich vorzugsweise um einen Prozessor und/oder FPGA und/oder Mikrocontroller und/oder ASIC. Die Steuerungsvorrichtung 1 kann auch eine Speichervorrichtung 9 umfassen.
Die Steuerungsvorrichtung 1 ist dazu ausgebildet, um den HF-Generator 2 anzusteuern, insbesondere um diesen zu aktivieren oder zu deaktivieren. Ergänzend oder alternativ ist die Steuerungsvorrichtung 1 auch dazu ausgebildet, um die Leistung und/oder Frequenz des HF-Signals durch entsprechende Ansteuerung des HF-Generators 2 zu verändern. Ergänzend oder alternativ ist die Steuerungsvorrichtung 1 dazu ausgebildet, um die Wellenform (Art des Hochfrequenzsignals, Modulation des HF-Signals, Pulsdauern, Pulswiederholrate) des Hochfrequenzsignals durch entsprechende Ansteuerung des HF-Generators 2 zu verändern.
Die Steuerungsvorrichtung 1 ist bevorzugt ebenfalls dazu ausgebildet, um die Impedanzanpassungsschaltung 3 anzusteuern. Insbesondere ist die Steuerungsvorrichtung 1 dazu ausgebildet, um das Transformationsverhältnis innerhalb der Impedanzanpassungsschaltung 3 zu verändern bzw. um eine Zielimpedanz 10 vorzugeben, die als Eingangsimpedanz für den HF-Generator 2 wirkt.
Die Steuerungsvorrichtung 1 umfasst außerdem eine Messeinheit 11 . Die Messeinheit 11 ist dazu ausgebildet, um u.a. den Wert der Impedanz am Eingangsanschluss 3a der Impedanzanpassungsschaltung 3 zu messen. Die Messeinheit 11 ist vorzugsweise zwischen dem HF-Generator 2 und der Impedanzanpassungsschaltung 3 angeordnet.
Hierzu umfasst die Messeinheit 11 eine Richtkopplereinheit. Über die Richtkopplereinheit kann die Messeinheit 11 eine Leistung eines hin- und rücklaufenden Hochfrequenzsignals auf der ersten Kabelverbindung 5a messen, um hieraus die Eingangsimpedanz zu berechnen. Die Messeinheit 11 kann alternativ auch einen Stromsensor 16 und einen Spannungssensor 20 umfassen. Ein Aufbau mit einem Stromsensor 16 und einem Spannungssensor 20 ist in den Figuren 6 und 7 dargestellt. Die Steuerungsvorrichtung 1 ist dazu ausgebildet, um anhand des Messergebnisses der Richtkopplereinheit oder des Stromsensors 16 und des Spannungssensors 20 die Impedanz zu berechnen, die der HF-Generator 2 sieht.
Das Plasmaerzeugungssystem 100 umfasst vorzugsweise noch eine Bedieneinheit 12. Bei der Bedieneinheit 12 handelt es sich vorzugsweise um einen Bildschirm, insbesondere um einen berührungsempfindlichen Bildschirm. Die Bedieneinheit 12 kann neben einem Bildschirm auch Eingabemittel wie Tastatur und/oder Maus umfassen. Die Bedieneinheit 12 kann auch ein Webserver sein, der Daten bereitstellt und Benutzereingaben entgegennimmt. Die Steuervorrichtung 1 ist dazu ausgebildet, um auf der Bedieneinheit 12 aktuelle Einstellungen des HF-Ge- nerators 2 und/oder der Impedanzanpassungsschaltung 3 darzustellen.
Die Steuervorrichtung 1 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, um Sollwertvorgaben, zum Beispiel für die Leistung des Hochfrequenzsignals, die sogenannte Zielleistung, entgegenzunehmen. Weiterhin können die Frequenz des Hochfrequenzsignals und/oder die Wellenform des Hochfrequenzsignals und/oder die Pulsrate und/oder die Pulsdauer für das Hochfrequenzsignal von der Bedieneinheit 12 empfangen werden. Hieraus können entsprechende Stellgrößen für den HF-Generator 2 und die Impedanzanpassungsschaltung 3 generiert und an diese übertragen werden.
In Fig. 1 ist auch gezeigt:
- Ein Beispiel für den Verlauf einer Trajektorie 40 in einem Smith-Diagramm SD, die einen Impedanzverlauf für eine Eingangsimpedanz 10 in einem Einschwingzeitraum 41 beschreibt, der von einem Startimpedanzbereich 42 über einen Zündimpedanzbereich 43 hin zu einem Zielimpedanzbereich 44 verläuft. Dies ist im Detail weiter unten zu Fig. 3D beschrieben.
- Ein Beispiel für den Verlauf einer Ausgangsleistung PL über die Zeit t, die ein HF-Generator 2 in einem Einschwingzeitraum 41 abgibt. Dies ist im Detail weiter unten zu Fig. 4B beschrieben.
In Figur 2 ist ein exemplarischer Aufbau einer Verstärkerschaltung 30 des HF-Ver- stärkers 2 angegeben. Die Verstärkerschaltung 30 umfasst einen Balanced-Amplifier. Grundsätzlich könne die Verstärkerschaltung 30 auch einen Unbalanced- Amplifier umfassen. Der Balanced-Amplifier weist einen ersten 3dB-Kopper 31 a und einen zweiten 3dB-Kopper 31 b auf, die insbesondere in Form eines Hybridkopplers ausgebildet sind. Ein erster Eingang des ersten 3dB-Koppers 31 a ist mit einer Signalquelle 32 verbunden. Die Signalquelle 32 ist dazu ausgebildet, um das Hochfrequenzsignal (gepulst) zu erzeugen. Ein zweiter Eingang des ersten 3dB- Koppers 31 a ist über einen Widerstand 33 mit der Bezugsmasse verbunden. Ein erster Ausgang des ersten 3dB-Koppers 31 a ist mit einem ersten Verstärker 34a, insbesondere in Form eines Transistorverstärkers, verbunden. Ein zweiter Ausgang des ersten 3dB-Koppers 31 a ist mit einem zweiten Verstärker 34b, insbesondere in Form eines Transistorverstärkers, verbunden. Der erste Transistorverstärker 34a ist mit seinem Ausgang mit einem ersten Eingang des zweiten 3dB- Köppers 31 b verbunden. Der zweite Transistorverstärker 34b ist an seinem Ausgang mit einem zweiten Eingang des zweiten 3dB-Koppers 31 b verbunden. Ein erster Ausgang des zweiten 3dB-Koppers 31 b ist über den Widerstand 35 mit der Bezugsmasse verbunden. Bei einer Fehlanpassung, die wie nachfolgend erläutert wird, bewusst herbeigeführt wird, hängt es in Abhängigkeit der Zielimpedanz 10 davon ab, ob Leistung, die zurück in den HF-Verstärker 2 reflektiert wird, in dem Widerstand 35 oder in dem ersten und/oder zweiten Transistorverstärker 34a, 34b in Wärme umgesetzt wird. Das Ziel ist es, dass Leistung, die zurück reflektiert wird, in dem Widerstand 35 in Wärme umgesetzt wird, weil dieser problemlos ausreichend dimensioniert werden kann. Ein zweiter Ausgang des zweiten Transistorverstärker 34a, 34b, bei welchem es sich um den Ausgangsanschluss 2a handeln kann, ist mit der Impedanzanpassungsschaltung 3 verbunden.
Die Figuren 3A, 3B, 3C, 3D und 3E zeigen verschiedene Beispiele wie eine Trajektorie 40 in einem Smith-Diagramm SD verlaufen kann, die einen Impedanzverlauf für eine Eingangsimpedanz 10 in einem Einschwingzeitraum 41 beschreibt. Eine Trajektorie 40 beschreibt einen Impedanzverlauf über die Zeit. Eine solche Trajektorie 40 ist in den genannten Figuren gestrichelt dargestellt.
In Figur 3A verläuft die Trajektorie 40 in einem Einschwingzeitraum 41 (siehe Figuren 4A, 4B) in Richtung eines Punktes auf einem Smith-Diagramm SD, der einer Impedanz von 50 Ohm entspricht. In diesem Fall handelt es sich bei dieser Impedanz um die Zielimpedanz 10. Bei einem Balanced-Amplifier herrscht in diesem Punkt Anpassung und der Balanced-Amplifier gibt die maximale Leistung ab. Problematisch ist hier das Zündverhalten des Plasmas 7. Wenn die Effizienz hier nicht zwingend maximal sein muss, könnte es vorteilhaft sein, eine Zielimpedanz 10 zu wählen, die von der Nennimpedanz entfernt ist. In diesem Fall würde bewusst eine Fehlanpassung herbeigeführt. Dies ist z.B. in den Figuren 3C und 3D gezeigt. Figur 3B erläutert, dass es verschiedene Impedanzbereiche bei einem Balanced- Amplifier gibt, in denen der Balanced-Amplifier dieselbe Leistung abgibt. Diese Bereiche haben in Figur 3B dieselbe Schraffur und erstrecken sich in etwa kreisförmig um den Punkt der Nennimpedanz herum. Gibt ein Benutzer eine Zielleistung vor, so können unterschiedliche Zielimpedanzen 10 gewählt werden, damit der HF-Verstärker 2 die gewünschte Zielleistung auch abgibt. Nicht alle dieser Zielimpedanzen 10 sind dabei sinnvoll, so gibt es Zielimpedanzen, bei denen der HF- Verstärker 2 zwar die gewünschte Leistung abgibt, die einzelnen Transistorverstärker 34a, 34b unterschiedlich stark belastet werden. Je näher die schraffierten Bereiche um den Punkt der Nennimpedanz herum angeordnet sind, desto höher ist die Ausgangsleistung, die der HF-Verstärker 2 bereitstellen kann.
Figur 3C beschreibt den Verlauf einer Trajektorie 40 in Richtung der Zielimpedanz 10. Aufgrund eines Einschwingvorgangs in der Impedanzanpassungsschaltung 3 und auch in der Plasmakammer 4 wird die Zielimpedanz 10 nicht sofort erreicht. Stattdessen kann eine Trajektorie 40, also ein Impedanzverlauf über die Zeit, gemessen werden, an dessen Ende die Zielimpedanz erreicht wird. Dies bedeutet, dass der HF-Generator 2 an seinem Ausgang nicht sofort die Zielimpedanz 10 sieht. In Figur 3C stellt der HF-Generator 2 bei Erreichen der Zielimpedanz 10, am Ende der Trajektorie 40, die gewünschte Ausgangsleistung (äußerster Kreis) zu Verfügung. Problematisch ist, dass der HF-Generator 2 bis zum Erreichen der Zielimpedanz 10 lediglich Impedanzen sieht, bei denen er nicht die erforderliche Leistung für das Hochfrequenzsignal erbringen kann, die für ein zuverlässiges Zünden des Plasmas 7 notwendig ist.
Gemäß der hier vorliegenden Entwicklung ist nun die Steuervorrichtung 1 dazu ausgebildet, um die Zielimpedanz 10 derart festzulegen, dass eine Trajektorie 40 von einem Startimpedanzbereich 42 über einen Zündimpedanzbereich 43 hin zu dem Zielimpedanzbereich 44 verläuft, wobei der HF-Generator 2 im Zündimpedanzbereich 43 eine Leistung abgibt, die höher ist als die Zielleistung im anschließenden Zielimpedanzbereich 44, wo die Zielimpedanz 10 vorliegt. Dieser Sachverhalt ist in Figur 3D dargestellt. Im Zielimpedanzbereich 44 gibt der HF- Verstärker 2 ein Hochfrequenzsignal mit ungefähr derselben Leistung aus wie im Zielimpedanzbereich 44 aus Figur 3C. Die Trajektorie 40 durchschreitet in Figur 3D den Zündimpedanzbereich 43, in welchem Impedanzen vorliegen, die den HF- Verstärker 2 dazu veranlassen eine höhere Leistung auszugeben als im späteren Zielimpedanzbereich 44, wodurch es zu einem zuverlässigeren Zünden des Plasmas 7 kommt. Wie erläutert kann ein Benutzer eingeben, welche Leistung er im Zündimpedanzbereich 41 von dem HF-Verstärker 2 haben möchte.
In Abhängigkeit der gewählten Zielleistung, die durch einen Benutzer vorgegeben werden kann, und der gewünschten Leistung im Zündimpedanzbereich 43, die ebenfalls durch einen Benutzer vorgegeben werden kann, wird die passende Zielimpedanz 10 gewählt. Durch die Messeinheit 11 ist es der Steuerungsvorrichtung 1 möglich den Impedanzverlauf fortlaufend zu messen und die Zielimpedanz 10 dahingehend anzupassen, dass die Trajektorie 40 durch den gewünschten Zündimpedanzbereich 43 verläuft. In der Speichervorrichtung 9 kann für jede Zielimpedanz 10, die durch die Impedanzanpassungsschaltung 2 einstellbar ist, eine Leistung gespeichert sein, die der HF-Verstärker 2 bei Erreichen der Zielimpedanz 10 abgeben kann.
Figur 3E zeigt, dass es Bereiche 45 gibt, durch die die Trajektorie 40 nicht laufen sollte. Dies kann beispielsweise darin begründet sein, dass hier Impedanzen vorliegen, die dazu führen, dass durch eine Leistung, die zurück zum HF-Verstärker 2 reflektiert wird, die Transistorverstärker 34a, 34b übermäßig bzw. einseitig belastet werden und/oder in eine unzureichende Effizienz vorliegt. Es ist daher die Aufgabe der Steuerungsvorrichtung 1 , durch Wahl der Zielimpedanz 10, dafür zu sorgen, dass die Trajektorie 40 nicht oder nur für einen sehr kurzen Zeitraum innerhalb des Einschwingzeitraums 41 durch die Bereiche 45 läuft.
Figur 4A und Fig. 4B zeigen jeweils einen Verlauf der abgegebenen Leistung PL über der Zeit t. Figur 4A zeigt einen Einschwingzeitraum 41 , wie er beispielsweise bei der Trajek- torie 40 aus Figur 3A vorliegt. Die Zielimpedanz in Figur 3A liegt bei der Nennimpedanz, in diesem Fall bei 50 Ohm, wobei es sich bei der Verstärkerschaltung 30 um einen Balanced-Amplifier handelt, der bei der Nennimpedanz die maximale Leistung abgibt. Daher steigt die Leistung, die der HF-Verstärker 2 in Figur 4A abgibt mit zunehmender Zeit im Einschwingzeitraum 41 an.
Figur 4B zeigt dagegen einen Einschwingzeitraum 41 , wie er beispielsweise bei der Trajektorie 40 aus Figur 3D vorliegt. Die Trajektorie 40 verläuft über einen Startimpedanzbereich 42 hin zu einem Zündimpedanzbereich 43 und weiter zu einem Zielimpedanzbereich 44. Die Leistung, die der HF-Verstärker 2 abgibt, ist im Zündimpedanzbereich 43 höher als im Zielimpedanzbereich 44. Dadurch wird ein zuverlässigeres Zünden des Plasmas 7 erreicht. Ebenfalls gut zu erkennen ist, dass der Zielimpedanzbereich 44 bezogen auf die gesamte Zeitdauer des Einschwingzeitraum 41 am längsten andauert. Der Zündimpedanzbereich 43 erstreckt sich über einen kürzeren Zeitraum, vorzugsweise über weniger als 30 %, 20 % oder weniger als 10 % des der Zeitdauer über den sich der Zielimpedanzbereich 44 erstreckt.
Handelt es sich bei dem Hochfrequenzsignal um ein gepulstes Hochfrequenzsignal, so kann es sich bei dem Einschwingzeitraum 41 beispielsweise um die Pulsdauer handeln. Die Steuerungsvorrichtung 1 ist in diesem Fall vorzugsweise dazu ausgebildet, um die Trajektorie 40 für jeden Puls, also für jeden neuen Einschwingzeitraum 41 , erneut zu messen. Dabei kann sie die Zielimpedanz 10 anpassen, wobei vorzugsweise die Zielleistung (vom Benutzer vorgegeben) unverändert bleibt, um dadurch den Verlauf der Trajektorie 40 positiv zu beeinflussen, also insbesondere sicherzustellen, dass im Zündimpedanzbereich 43 eine ausreichend hohe Leistung durch den HF-Generator 2 abgegeben wird. Um die Plasmaimpedanz auf die Eingangsimpedanz des HF-Generators 2 zu transformieren, kann die Impedanzanpassungsschaltung 3 eine oder mehrere (in Serie geschaltete) Transformationsstufen umfassen.
Eine solche Transformationsstufe ist beispielsweise in den Figuren 5A und 5B gezeigt. Enthält die Impedanzanpassungsschaltung 3 mehrere Transformationsstufen, so kann jede Transformationsstufe gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 5A, 5B aufgebaut sein. Es ist klar, dass die Impedanzanpassungsschaltung 3 auch noch anders aufgebaut sein kann, als dies in den Figuren 5A, 5B dargestellt ist.
Der Eingangsanschluss 3a der Impedanzanpassungsschaltung 3 ist in Figur 5A mit einer ersten Spule 50 (erste Induktivität) und mit einer zweiten Spule 51 (zweite Induktivität) verbunden. Die erste und die zweite Spule 50, 51 liegen mit ihrem ersten Anschluss an einen gemeinsamen Knoten und damit am Eingangsanschluss 3a der Impedanzanpassungsschaltung 3 an. Die erste Spule 50 ist über einen ersten Kondensator 52 (erste Kapazität) mit einer Bezugsmasse verbunden. Die zweite Spule 51 ist über einen zweiten Kondensator 53 (zweite Kapazität) mit dem Ausgangsanschluss 3b verbunden. Bei dem ersten und/oder zweiten Kondensator 52, 53 handelt es sich um verstellbare Bauelemente, insbesondere in Form von Drehkondensatoren, deren Kapazität über Schrittmotoren verändert werden kann. Alternativ können Solid State Switches eingesetzt werden, um möglichst schnell Kapazitäten zu- und wegschalten zu können. Insbesondere kann der Plattenabstand der ersten und zweiten Kondensatoren 52, 53 geändert werden. Die Steuerungsvorrichtung 1 ist dazu ausgebildet, um die jeweiligen Schrittmotoren entsprechend anzusteuern. Die Kapazitäten der ersten und zweiten Kondensatoren 52, 53 können unabhängig voneinander verstellt werden. Vorzugsweise ist Impedanzanpassungsschaltung 3 frei von weiteren Bauteilen. Selbstverständlich kann die Position der ersten Spule 50 und des ersten Kondensators 52 auch getauscht sein. In diesem Fall ist der erste Kondensator 52 am Eingangsanschluss 3a der Impedanzanpassungsschaltung 3 und die erste Spule 50 an der Bezugsmasse angeordnet. Ergänzend oder alternativ kann die Position der zweiten Spule 51 und des zweiten Kondensators 53 auch getauscht sein. In diesem Fall ist der zweite Kondensator 53 am Eingangsanschluss 3a der Impedanzanpassungsschaltung 3 und die zweite Spule 51 am Ausgangsanschluss 3b der Impedanzanpassungsschaltung 3 angeordnet.
Der Eingangsanschluss 3a der Impedanzanpassungsschaltung 3 ist in Figur 5B mit dem ersten Kondensator 52 (erste Kapazität) verbunden. Der erste Kondensator 52 ist sowohl mit der ersten Spule 50 (erste Induktivität) als auch mit der zweiten Spule 51 (zweite Induktivität) verbunden. Dies erfolgt über einen gemeinsamen Knoten, an den sowohl der erste Kondensator 52 als auch die erste und die zweite Spule 50, 51 angeschlossen sind. Die erste Spule 50 ist weiterhin mit der Bezugsmasse verbunden. Die zweite Spule 51 ist mit dem zweiten Kondensator 53 (zweite Kapazität) verbunden (Reihenschaltung). Der zweite Kondensator 53 ist mit dem Ausgangsanschluss 3b der Impedanzanpassungsschaltung 3 verbunden. Die Position der zweiten Spule 51 und des zweiten Kondensators 53 könnte auch vertauscht sein. In diesem Fall wäre der zweite Kondensator 53 an den gemeinsamen Knoten und die zweite Spule 51 an den Ausgangsanschluss 3b der Impedanzanpassungsschaltung 3 angeschlossen. Vorzugsweise ist Impedanzanpassungsschaltung 3 frei von weiteren Bauteilen.
Figuren 6 und 7 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines möglichen Aufbaus der Messeinheit 11. Die Messeinheit 11 ist dazu ausgebildet, um berührungslos eine Spannung und berührungslos einen Strom zu messen.
Hierfür umfasst die Messeinheit 11 einen Stromsensor 16 und einen Spannungssensor 20.
Bevorzugt wird die Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung gemessen, damit die Impedanz berechnet werden kann. Der Stromsensor 16 der Messeinheit 11 ist eine Spule 21 , insbesondere in Form einer Rogowskispule. Beide Enden der Spule sind vorzugsweise über einen Shuntwiderstand 22 miteinander verbunden. Die Spannung, die über den Shuntwi- derstand 22 abfällt, kann mittels eines ersten A/D-Wandlers 23 digitalisiert werden.
Der Spannungssensor 20 der Messeinheit 11 ist vorzugsweise als kapazitiver Spannungsteiler aufgebaut. Eine erste Kapazität 24 ist durch einen elektrisch leitfähigen Ring 24 gebildet. Es könnte auch ein elektrisch leitfähiger Zylinder verwendet werden. Durch diesen elektrisch leitfähigen Ring 24 ist die entsprechende erste Kabelverbindung 5a geführt. Eine zweite Kapazität 25 des als Spannungsteiler aufgebauten Spannungssensors 20 ist mit der Bezugsmasse verbunden. Parallel zur zweiten Kapazität 25 ist ein zweiter A/D-Wandler 26 angeschlossen, der dazu ausgebildet ist, um die Spannung, die über der zweiten Kapazität 25 abfällt, zu erfassen und zu digitalisieren.
Grundsätzlich kann die Messeinheit 11 auch auf einer (gemeinsamen) Leiterplatte angeordnet, bzw. aufgebaut sein. Die erste Kapazität 24 kann durch eine Beschichtung auf einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite der Leiterplatte gebildet sein. Die Beschichtungen auf der ersten und der zweiten Seite sind in diesem Fall durch Durchkontaktierungen miteinander elektrisch verbunden. Die erste Kabelverbindung 5a ist durch eine Öffnung in der Leiterplatte hindurchgeführt. Die zweite Kapazität 25 kann durch ein diskretes Bauelement gebildet sein.
Der Stromsensor 16 in Form der Spule 21 , insbesondere in Form der Rogowskispule, ist weiter von der ersten Kabelverbindung 5a beabstandet als die erste Kapazität 24. Die Spule kann ebenfalls auf derselben Leiterplatte durch entsprechende Beschichtungen nebst Durchkontaktierungen gebildet sein. Die Spule zur Strommessung und die erste Kapazität zur Spannungsmessung verlaufen bevorzugt durch eine gemeinsame Ebene. Der Shuntwiderstand 22 kann ebenfalls auf dieser Leiterplatte angeordnet sein.
Nichts anderes gilt auch für den ersten und/oder zweiten A/D-Wandler 23, 23.
Die Messeinheit 11 kann auch als Richtkopplereinheit ausgebildet sein.
Grundsätzlich kann die Messeinheit 11 auch zwischen der Impedanzanpassungsschaltung 3 und der Last in Form der Plasmakammer 4 angeordnet sein. In diesem Fall würde die zweite Kabelverbindung 5b für die Messung von Strom und Spannung hergenommen werden. Die Eingangsimpedanz kann dann durch Berücksichtigung eines bekannten Transformationsverhältnisses der Impedanzanpassungsschaltung 3 berechnet werden.
Figur 8 beschreibt das Verfahren, welches zum Betrieb des Plasmaprozessversorgungssystems 100 dient. Insbesondere gepulste Plasmaprozesse können mit dem Verfahren betrieben werden. Das Plasmaprozessversorgungssystem 100 umfasst einen HF-Generator 2, der zumindest eine Verstärkerschaltung 30 aufweist, eine Impedanzanpassungsschaltung 3 und eine Steuerungsvorrichtung 1. Das Plasmaprozessversorgungssystem 100 ist mit einer Plasmakammer 4 verbindbar. In einem Verbinden- Verfahrensschritt Si findet ein Verbinden des HF-Generators 2 mit der Impedanzanpassungsschaltung 3 statt. In einem Festlegen-Verfahrensschritt S2 findet ein Festlegen einer Zielimpedanz 10 als Eingangsimpedanz für den HF-Gene- rator 2 statt, so dass eine Trajektorie 40, die einen Impedanzverlauf für die Eingangsimpedanz in einem Einschwingzeitraum 41 beschreibt, von einem Startimpedanzbereich 42 über einen Zündimpedanzbereich 43 hin zu einem Zielimpedanzbereich 44 verläuft. Der HF-Generator 2 gibt im Zündimpedanzbereich 43 eine Leistung aus, die höher ist als eine Zielleistung im anschließenden Zielimpedanzbereich 44. In einem Einstellen-Verfahrensschritt S3 findet ein Einstellen einer Zielimpedanz 10 als Eingangsimpedanz für den HF-Generator 2 durch die Impedanzanpassungsschaltung 3 statt.

Claims

Ansprüche
1. Plasmaprozessversorgungssystem (100), insbesondere für gepulste Plasmaprozesse, mit einen HF-Generator (2), der zumindest eine Verstärkerschaltung (30) umfasst, einer Impedanzanpassungsschaltung (3) und einer Steuerungsvorrichtung (1 ), wobei das Plasmaprozessversorgungssystem (100) mit einer Plasmakammer (4) verbindbar ist, mit den folgenden Merkmalen:
- der HF-Generator (2) ist mit der Impedanzanpassungsschaltung (3) verbunden, wobei die Impedanzanpassungsschaltung (3) dazu ausgebildet ist, um eine Zielimpedanz (10) als Eingangsimpedanz für den HF-Generator (2) einzustellen;
- die Steuerungsvorrichtung (1 ) ist dazu ausgebildet, um die Zielimpedanz (10) derart festzulegen, dass eine Trajektorie (40), die einen Impedanzverlauf für die Eingangsimpedanz in einem Einschwingzeitraum (41 ) beschreibt, von einem Startimpedanzbereich (42) über einen Zündimpedanzbereich (43) hin zu einem Zielimpedanzbereich (44) verläuft, wobei der HF-Generator (2) im Zündimpedanzbereich (43) eine Leistung abgibt, die höher ist als eine Zielleistung im anschließenden Zielimpedanzbereich (44).
2. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- die Verstärkerschaltung (30) umfasst einen Balanced-Amplifier.
3. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- die Steuerungsvorrichtung (1 ) ist dazu ausgebildet, um die Zielimpedanz (10) derart festzulegen, dass der HF-Generator (2) bei Vorliegen der Zielimpedanz (10) die voreinstellbare Zielleistung abgibt.
4. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- die Steuerungsvorrichtung (1 ) umfasst eine Speichervorrichtung (9), wobei in der Speichervorrichtung (9) für unterschiedliche Zielleistungen, die durch den HF-Generator (2) abgebbar sind, entsprechende Zielimpedanzen (10), die durch die Impedanzanpassungsschaltung (3) hierfür eingestellt werden müssen, hinterlegt sind.
5. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- die Steuerungsvorrichtung (1 ) ist dazu ausgebildet, um die die Zielimpedanz (10) auf einen derartigen Wert festzulegen, für den die Trajektorie (40) durch den Zündimpedanzbereich (43) verläuft, bei welchem der HF-Generator (2) eine Leistung abgibt, die um eine voreinstellbare Größe über der Zielleistung liegt.
6. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- es ist eine Bedieneinheit (12) vorgesehen;
- die Steuervorrichtung (1 ) ist dazu ausgebildet, um von der Bedieneinheit (12) eine Benutzereingabe zu empfangen, wobei die Benutzereingabe: a) die Höhe der Zielleistung; und/oder b) die voreinstellbare Größe umfasst, um die die Leistung im Zündimpedanzbereich (43) über der Zielleistung liegt.
7. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- die Steuerungsvorrichtung (1 ) ist dazu ausgebildet, um die Zielimpedanz (10) auf einen derartigen Wert festzulegen, für den die Trajektorie (40) durch den Zündimpedanzbereich (43) und den Zielimpedanzbereich (44) verläuft, wobei die Verstärkerschaltung (30) und insbesondere Verstärkerelemente (34a, 34b) der Verstärkerschaltung (30), eine Verlustleistung aufweisen, die unterhalb eines Schwellwerts liegen.
8. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- die Steuerungsvorrichtung (1 ) ist dazu ausgebildet, um die Zielimpedanz (10) auf einen derartigen Wert festzulegen, für den gilt, dass ein Mittelwert des Impedanzverlaufs über dem Einschwingzeitraum (41 ) der Nennimpedanz des HF-Generators (2), insbesondere 50 Ohm, entspricht.
9. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- die Steuerungsvorrichtung (1 ) ist dazu ausgebildet, um den Impedanzverlauf einer Trajektorie (40) zu messen und um anhand des gemessenen Impedanzverlaufs die Zielimpedanz (10) anzupassen, sodass die Trajektorie (40) in einem nachfolgenden Einschwingzeitraum (41 ) einen verbesserten Verlauf aufweist.
10. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach einem Anspruch 9, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- der Verlauf der Trajektorie (40) ist in einem nachfolgenden Einschwingzeitraum bezüglich der: a) Effizienz der Verstärkerschaltung (30); b) erzielbaren Leistung im Zündimpedanzbereich (43); c) gemittelten Impedanz im Einschwingzeitraum (41 ); und/oder d) erzielbaren Leistung im Zielimpedanzbereich (44) verbessert.
11 . Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- die Steuerungsvorrichtung (1 ) ist dazu ausgebildet, um in jedem Einschwingzeitraum (41 ) oder innerhalb jedes n-ten Einschwingzeitraums (41 ), mit n = 2, 5, 10, 50, 100, 500, 1000, 5000, 10000, die Trajektorie (40) zu messen.
12. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- der HF-Generator (2) ist dazu ausgebildet, um ein Hochfrequenzsignal zu pulsen und dieses gepulste Hochfrequenzsignal an die Impedanzanpassungsschaltung (3) auszugeben;
- der Einschwingzeitraum (41 ) erstreckt sich über die zeitliche Länge eines solchen Pulses oder eines Teiles davon.
13. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- die Steuerungsvorrichtung (1) ist dazu ausgebildet, um die Trajektorie (40) für jeden Einschwingzeitraum (41 ) und damit für jeden Puls des Hochfrequenzsignals zu messen.
14. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- die Steuerungsvorrichtung (1 ) umfasst eine Messeinheit (11 );
- die Messeinheit (11) umfasst eine Richtkopplereinheit zur Erfassung der Leistung eines hin- und rücklaufenden Hochfrequenzsignals oder einen Stromsensor (16) und einen Spannungssensor (20);
- die Steuervorrichtung (1) ist dazu ausgebildet, um anhand des Messergebnisses der Richtkopplereinheit oder des Stromsensors (16) und des Spannungssensors (20) den Impedanzverlauf der Trajektorie (40) zu messen.
15. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- der Zündimpedanzbereich (43) wird von derTrajektorie (40) zeitlich schneller durchlaufen als diese im Zielimpedanzbereich (44) verbleibt.
16. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- die Trajektorie (40) durchläuft den Zündimpedanzbereich (43) in weniger als 50%, 40%, 30%, 20% oder 10% der zeit, die die Trajektorie (40) im Zielimpedanzbereich (44) verbleibt.
17. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- es ist ein DC-Generator vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, um ein DC- Signal zu erzeugen, wobei das DC-Signal der Plasmakammer (4) in Überlappung zu dem Hochfrequenzsignal zuführbar ist.
18. Plasmaprozessversorgungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
- die Impedanzanpassungsschaltung (3) umfasst zumindest eine oder mehrere verstellbare Reaktanzen (52, 53), um das Transformationsverhältnis für die Impedanz zwischen einem Eingang (3a), an dem der HF-Generator (2) angeschlossen ist und einem Ausgang (3b), an dem die Plasmakammer (4) anschließbar ist, zu verändern;
- die Reaktanzen (52, 53) sind mechanisch verstellbar und/oder elektrisch verstellbar und insbesondere durch zumindest einen Varaktor und/oder zumindest eine zuschaltbare Induktivität und/oder Kapazität (52, 53) und/oder durch zumindest eine Pin-Diode gebildet.
19. Verfahren zum Betrieb eines Plasmaprozessversorgungssystems (100), insbesondere für gepulste Plasmaprozesse, mit einen HF-Generator (2), der zumindest eine Verstärkerschaltung (30) umfasst, einer Impedanzanpassungsschaltung (3) und einer Steuerungsvorrichtung (1 ), wobei das Plasmaprozessversor- gungssystem (100) mit einer Plasmakammer (4) verbindbar ist und wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- Verbinden (Si) des HF-Generators (2) mit der Impedanzanpassungsschaltung (3);
- Festlegen (S2) einer Zielimpedanz (10) als Eingangsimpedanz für den HF- Generator (2), so dass eine Trajektorie (40), die einen Impedanzverlauf für die Eingangsimpedanz in einem Einschwingzeitraum (41 ) beschreibt, von einem Startimpedanzbereich (42) über einen Zündimpedanzbereich (43) hin zu einem Zielimpedanzbereich (44) verläuft, wobei der HF-Generator (2) im Zündimpedanzbereich (43) eine Leistung abgibt, die höher ist als eine Ziel- leistung im anschließenden Zielimpedanzbereich (44);
- Einstellen (S3) der Zielimpedanz (10) als Eingangsimpedanz für den HF-Ge- nerator (2) durch die Impedanzanpassungsschaltung (3).
PCT/EP2024/066458 2023-06-16 2024-06-13 Plasmaprozessversorgungssystem, insbesondere für gepulste plasmaprozesse, und ein verfahren zum betrieb eines solchen plasmaprozessversorgungssystems Ceased WO2024256588A1 (de)

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