CN109804452B - 用于提供高频能量的电路设备和用于产生放电的系统 - Google Patents

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Abstract

实现一种电路设备（12），其用于提供高频能量以便在真空室（2）中产生放电、尤其用于等离子体产生，所述电路设备具有：直流电压电源（13）、升压转换器开关电路（16）和控制单元（17）。所述直流电压电源（13）提供直流电压（Ucc）。所述升压转换器开关电路包含由电感（18）和可控制的开关（19）组成的串联电路，其中，所述电感（18）连接在所述直流电压电源（13）的一极（21）和所述开关（19）的第一电极（D）之间。所述开关（19）的第二电极（S）接地，并且所述开关（19）此外具有控制电极（G）。所述控制单元（17）被设置用于高频地控制所述开关（19），以便在所述开关（19）的第一电极（D）上产生具有周期性的、脉冲式输出电压（UDS）的高频能量，所述输出电压的峰量值大于所述直流电压电源（13）的直流电压（Ucc）的量值。直接地、在无转换的情况下在输出接头（24）上输出具有输出电压（UDS）的高频能量，所述输出接头（24）被确定用于与所述真空室（2）的电极（8）直接连接。同样实现一种具有这样的电路设备（12）的用于产生放电的系统、尤其低压等离子体系统。

Description

用于提供高频能量的电路设备和用于产生放电的系统
技术领域
本发明涉及一种用于提供高频能量以便在真空室中产生放电的电路设备以及一种用于产生放电的系统。本发明尤其涉及一种用于提供高频能量来产生等离子体的电路设备以及一种低压等离子体系统。
背景技术
低压等离子体系统——其在这里相关的、具有用于等离子体的大于1MHz的激励频率的高频（HF）范围中工作——例如被用于在进一步的加工之前、例如在溅射、涂漆、粘接、印制、焊接等等之前清洁或激活由金属、塑料、玻璃和陶瓷构成的对象，用于借助等离子体进行蚀刻或涂覆，用于气体激光器、例如CO2激光器的等离子体产生，并且用于许多另外的应用。
John R. Hollahan和Alexis T. Bell所著的“Techniques and Applications ofPlasma Chemistry（等离子体化学的技术和应用）”（John Wiley & Sons出版有限公司（1974年），第393-399页）描述一种广为流传的常规的低压等离子体系统。该低压等离子体系统包含用于容纳待离子化的介质或过程气体的真空室、用于产生室中的真空的真空泵、高频发生器和用于施加高频场到真空室的装置以及阻抗匹配网络。必要时，此外可以存在用于测量输送给真空室的HF-功率的装置和/或用于压力测量的装置。
高频（HF）发生器用于，在高的运行频率下提供等离子体产生所需的具有在例如10W和数kW之间的值的HF功率。高频（HF）发生器必须满足关于可用的高频范围、尤其对于工业、学术和医疗（ISM）开放的6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz或40.68MHz的频率并且能够以50Ohm的输出阻抗工作。一般，这样的HF发生器包含石英控制的HF振荡器，该HF振荡器大多借助LC振荡电路或作为反馈式振荡器在谐振频率下工作并且用作HF信号的源，所述谐振频率相应于所期望的ISM-频率。HF发生器此外具有放大器和末级，所述放大器放大振荡器的信号，所述末级被设置用于提供所期望的输出功率和HF发生器的固定的输出阻抗。为此目的，通常设置由具有固定的电感值和电容值的线圈和电容器组成的电路，所述电路将在放大器输出端的阻抗转换成HF发生器的所期望的例如50Ohm的输出阻抗。由HF发生器产生的HF功率信号通过线路传输并且施加到真空室的电极上，以便激励在真空室中的过程气体：导致放电以及因此产生等离子体。
阻抗匹配网络——其也称作匹配单元——连接在HF发生器和真空室之间并且用于实现发生器的阻抗与负载的阻抗、尤其具有位于其中的等离子体的等离子体室的阻抗之间的匹配。在良好的阻抗匹配的情况下，功率可以从发生器传输直至在真空室中以高的效率放电。相反，在失配的情况下，发生在HF发生器和负载之间的线路上的反射，所述反射导致功率损耗。阻抗匹配电路通常基于线圈和电容器的L布置、T布置或Pi布置，其应适合于测量。
在低压等离子体系统中，负载阻抗与众多因素相关并且是可变的。例如，阻抗与真空室的几何结构和真空室的电极的布置相关。此外，所使用的可离子化的介质或过程气体的种类、真空室中的压力和温度以及所输送的功率影响阻抗。阻抗在点火时跳跃式地变化并且在运行中也不保持恒定。也必须考虑在通常远离的HF发生器和真空室之间的线路的线路阻抗。因此，典型地，在低压等离子体系统中使用可变的阻抗匹配网络，其线圈和电容器具有可变的电感值和电容值并且是可调节的，以便将负载阻抗转变成HF发生器的典型的50Ohm的输出阻抗。然而，线圈和电容器的用于阻抗匹配的合适的并且最优的调节是艰难的并且是耗时的，与操作人员的经验强烈相关并且几乎不可重复。通常将由HF发生器输出的功率与在真空室处测量的功率进行比较，并且通过尝试来调整线圈和电容器，以便协调功率。在没有进行正确协调的情况下，在真空室中点火过程气体时可能出现困难。在很少情况下，等离子体在点火之后由于阻抗下降而又可能熄火。最优的阻抗匹配即使对于有经验的专业人员也可能是极其挑战和耗费的过程。
DE 39 42 560 C2描述一种用于产生等离子体的用电器的高频发生器，其具有直流电压能量源和高频控制的电子开关，其中，产生等离子体的用电器直接地、即在不中间连接阻抗匹配网络的情况下连接在能量源与开关之间。开关通过HF矩形控制信号来控制，并且能量源的由此交替地接通和关断的输出电压直接作为运行电压施加在产生等离子体的用电器上。为了能够实现矩形电压传输，在该HF发生器中有针对性地放弃在能量源与发生器的连接端子之间的电感和电容。此外，MOSFET必须能够，在数百伏的供电电压的情况下在数纳秒内开关10安培或更高的数量级的高的电流并且MOSFET必须具有小的自感。因此，在此使用特殊的快速开关的功率MOSFET晶体管，所述功率MOSFET晶体管具有内部接头，所述内部接头通过相应多个接合线与MOSFET晶体管的壳体的外部接头以电感减小的方式连接，其中，壳体分别具有两个在栅极侧的源极接头和两个在漏极侧的源极接头，并且其中，壳体的接头分别具有所谓的带状线结构，也即向外平坦地并且紧紧相邻地实现。这样的快速开关的功率MOSFET晶体管在这种电路拓扑中是必然需要的，但相对大地构造，非常昂贵并且需要相应复杂的电路环境以及特别精确的、快速的和昂贵的栅极控制单元（栅极驱动器）。存在以下期望：对于HF低压等离子体应用也使用相对在商业上通用的和成本适宜的开关以及所属的控制单元。
由DE 33 37 811 A1已知一种高频发生器，该高频发生器具有直流电压能量源，所述直流电压能量源的输出端与可控制的电子开关连接。通过开关接通和关断的直流电压输送给变压器形式的能量中间存储器设备和传输设备，所述变压器的输出端与低温等离子体发生器连接。电子开关脉冲式地由控制电路控制，其中，在变压器的输出端上产生用于运行等离子体发生器的高电压输出脉冲。借助该发生器不可以产生高频率的高电压脉冲、也即在MHz范围中的脉冲，因为变压器在这样的输入频率的情况下由于其欧姆电阻和其电感和电容电阻而不再能够在其输出端上传输或产生具有这样的频率的高电压脉冲。此外，在此开关、即MOSFET连接在能量源和变压器之间，使得源极电位形成用于栅极接头和连接到栅极接头上的控制电路的浮动的参考电位。因此，在此需要特别低电容的供电，以便避免高的开关损耗、EMV问题和可能的功能干扰。这附加地使该发生器不适合应用于HF低压等离子体系统。
发明内容
由此出发，本发明的一个任务是，实现一种用于提供在MHz范围内的高频能量以便在真空室中产生放电的电路设备以及一种用于产生放电的系统，所述电路设备和所述系统克服现有技术的在先前描述的缺点。本发明的一个任务尤其是，实现一种这样的电路设备和一种这样的系统，所述电路设备和所述系统具有小数目的简单的、成本适宜的组件，不需要昂贵的HF功率MOSFET晶体管和所属的控制单元并且在无阻抗匹配网络和输出电压转换的情况下足以应付。此外，应使调试和在运行中的操纵变得容易并且能够实现高的运行效率和运行安全性。
借助一种具有权利要求1的特征的用于提供高频能量的电路设备以及通过一种具有权利要求13的特征的用于产生放电的系统来解决所述任务。有利的实施方式是从属权利要求的主题。
在本发明的一个方面中，实现一种用于提供高频能量以便在真空室中产生放电、尤其用于等离子体产生的电路设备。所述电路设备具有直流电压电源，所述直流电压电源提供直流电压。所述电路设备此外具有升压转换器开关电路，所述升压转换器开关电路包含由电感和可控制的开关组成的串联电路。所述电感连接在所述直流电压电源的一个极和所述开关的第一电极之间，其中，所述开关的第二电极接地，并且其中，所述开关此外具有控制电极。电路设备此外具有控制单元，所述控制单元被设置用于高频地控制所述开关，以便在所述开关的第一电极上产生具有周期性的、脉冲式输出电压的高频能量，所述输出电压的峰量值大于所述直流电压电源的直流电压的量值。电路设备此外具有输出接头，所述输出接头被确定成在不中间连接阻抗匹配网络并且没有电压转换装置的情况下与真空室的电极直接连接并且与所述开关的第一电极直接连接，以便将具有所述输出电压的高频能量直接施加到所述真空室。
根据本发明的电路设备提供新的HF发生器，所述HF发生器基于升压转换器的拓扑和功能方式。电感被设置用于在开关闭合的情况下强烈充磁并且在开关断开的情况下又退磁，以便朝输出接头放电。因此，升压转换器可以在输出接头和与输出接头直接连接的真空室处提供高的电流和高的电压，所述高的电流和高的电压在开关闭合时出现，所述高的电流和高的电压能够实现在kW范围内的HF功率。传统的HF发生器可以如阻抗匹配网络（匹配单元）那样同样被省去，以便使负载阻抗匹配于HF发生器的输出阻抗。更确切地说，将通过升压转换器开关电路产生的HF功率在无阻抗匹配的情况下和在无进一步转换的情况下直接施加到输出接头和真空室上。
根据本发明的电路设备不具有由分立器件、如线圈和电容器或通过反馈形成的谐振电路，所述谐振电路设置在常规的系统、例如低压等离子体系统中，以便产生HF交变电压。根据本发明的电路设备不具有这样的谐振电路。根据本发明的电路设备此外不具有以下线圈和电容器，所述线圈和电容器用于实现在输出接头上的限定的输出阻抗。在常规的系统中，为此需要具有线圈和电容器的附加的开关电路，所述附加的开关电路使传统的HF发生器的输出功率匹配于用于传输的50Ohm输出阻抗。根据本发明的电路设备此外不具有如通常在HF发生器和负载之间布置的匹配单元。通过在无转换的情况下直接施加输出功率来直接产生等离子体，温度、压力、气体种类、腐蚀等等几乎对阻抗失配不具有影响。此外，在HF功率的路径中可以实现非常好的效率。附加地，通过节省匹配单元以及馈电线而减小损耗。借助本发明可以实现相对高的约70%至85%的效率。通过简化的结构，也可以节省原料和组件，主要节省昂贵的可变的组件和与此有关的成本。通过专业操作人员的昂贵的调节工作不是必需的。可以在运行中实现高的可靠性和必要时实现冗余。
根据本发明的电路设备适合于多种多样的应用。在一种优选的应用中，所述电路设备被设置用于在低压等离子体系统中运行，所述低压等离子体系统具有含有以下运行压力的等离子体室：所述运行压力小于大气压力、优选是约0.01mbar至200mbar，进一步优选是0.01mbar至5mbar，特别优选是约0.05mbar至2mbar。这样的低压等离子体系统最好地适合用于在例如通过粘接、印制、焊接等等的进一步处理之前清洁或激活工件，或者适合用于材料的涂覆或蚀刻。电路设备也可以与气体激光器结合地使用，以便将高频能量耦合输入到气体激光器中。
在用于低压等离子体系统的优选的应用中，直流电压可以优选位于0至400V的范围中。通过升压转换器开关电路产生的输出电压可以大于350V或者甚至位于400V至900V的范围中、必要时至1500V或高于1500V。输出电压的频率和控制频率相应于包括6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz和40.68MHz的ISM频率fISM中的一个。输出电压的频率和控制频率优选是13.56MHz。
电路设备在无LC振荡器的情况下以及无反馈式振荡器的情况下足以应付。为了支持周期性的运行并且实现准谐振的升压转换器，电感优选可以特殊地选择成，使得该电感与真空室的阻抗的电容分量组合地产生由电感和真空室的电容阻抗分量组成的准振荡电路的谐振频率，所述谐振频率位于0.5 x fISM至1.5 x fISM的范围中、优选位于0.9 x fISM至1.4 x fISM的范围中，其中，fISM是所期望的控制频率或者是输出电压的频率，例如是13.56MHz。真空室的阻抗尤其通过所述真空室的、所述真空室的电极的设计和几何布置、所述开关以及承载所述电路设备的电路板相对于地的寄生电容来确定并且可以被计算或通过经验来求取。通过对于电感的设计考虑真空室的电极的分别给定的电容，这些电极实际上变成电路设备的一个整体部分。在电感的这样的设计中，可以周期性地在升压转换器的开关的第一电极上产生相对高的输出电压脉冲并且将所述输出电压脉冲与周期性的交变电流一起作为HF能量直接馈入到真空室中。通过在时间上合适的控制，可以在电压过零时无损耗地接通开关，由此减小功率损耗。
作为电路设备的可控制的开关，优选使用功率半导体开关、尤其双极型晶体管或还有电极管。优选地，使用成本有利的传统的功率MOSFET。在此不需要快速开关的、自感小的高频功率MOSFET晶体管连同所属的昂贵的壳体，如其例如一开始结合DE 39 42 560 C2描述的那样。
可控制的开关尤其可以是具有小于5nF、优选小于1nF的输入电容的半导体晶体管。于是，可以根据运行频率足够快速地对输入电容再充电。此外，可控制的开关优选地具有大于500V、优选大于900V的反向电压。这能够实现，产生具有高于400V峰值的、必要时至900V峰值的峰值的高的HF交变电压，而不存在损害开关的危险。此外，可控制的开关优选具有小于15ns的上升时间和下降时间，以便满足高频要求。碳化硅功率MOSFET可以有利地满足这些要求并且优选被使用。然而，例如也可以使用氮化镓功率MOSFET或者当前已知的或者将来研发的其他半导体开关或其他可控制的开关，它们满足这些要求，尤其在高的反向电压方面。
由于开关的低的输入电容——所述输入电容为了转换而必须被再充电，有利地可以设置用于开关的控制单元，例如用于MOSFET开关的栅极驱动器，以便以相对低的控制电流或少于10A的、优选甚至少于5A、特别优选地甚至小于2A的驱动电流来控制开关。因此可以使用小的成本有利的控制单元或驱动器，所述控制单元或驱动器作为具有相对简单地设计的、节省空间的壳体的集成电路在商业上可获得。例如可以使用价格有利的TO-247-半导体壳体。
为了控制电路设备的运行，优选地设置控制装置。所述控制装置可以作为微处理器或类似的布置在与升压转换器开关电路和控制单元共用的电路板上或者布置在单独的电路板上。控制装置也可以是计算机的、工作站的或类似物的一部分，所述计算机或工作站与电路设备处于通信连接中。
在一种优选的实施方式中，控制装置优选被设置用于，引起正常运行模式和点火运行模式，所述点火运行模式不同于正常运行模式。尤其可以设置电路设备，以便在点火运行模式中产生以下输出电压：所述输出电压相比正常运行模式提高一定程度，优选提高了正常运行模式中的输出电压的平均值的至少10%。提高的输出电压被考虑用于待离子化的介质在点火之前较高的阻抗并且有助于，通过提高的HF功率输入能够实现可靠的点火。在正常运行中，于是可以减小耦合输入的HF功率。用于点火运行模式的输出电压的提高可以通过提高输入电压，从例如正常运行中的100V提高到点火运行模式中的150V来实现。
在一种有利的实现方案中，控制装置被设置用于，周期性地以明显小于运行高频率的频率在持续运行中引起点火运行模式。例如，该频率可以是约100Hz。因此，不需要例如通过操作人员来调节或发起点火运行模式。更确切地说，点火运行模式是连续的正常运行模式的部分。即使在等离子体的无意熄火的情况下，等离子体也可以直接地立即又被点火。
在优选的实施方式中，电路设备具有两个或优选更多个连接到共同的直流电压电源上的升压转换器开关电路以及分配给开关的多个控制单元，所述升压转换器开关电路具有所属的电感、所属的可控制的开关和用于耦合高频能量到真空室的单独的电极上的所属的单独的输出接头。当控制单元可以胜任一个或两个升压转换器开关电路时，控制单元可以分别分配给一个或两个升压转换器开关电路。用于电路设备的组件的数目和空间需求可以由此进一步减小。
电路设备可以具有时钟发生器单元，其提供时钟信号到存在的所有控制单元上，使得很大程度上同步地运行所述控制单元。尤其可以规定，在最大10%、优选少于2%的相位偏差内同步地运行控制单元。如果升压转换器开关电路给真空室的不同电极供电，所述电极越过真空室地分散布置，则因此可以实现很大程度上同步的、相位相同的激励并且获得在整个等离子体室中的均匀的等离子体。
根据本发明的电路设备的特征在于高的安全性和可靠性。所述电路设备是固有防短路的，因为升压转换器开关电路的开关在真空室中的短路的情况下不存在于电流路径中，并且仅仅需要小的中间电路电容。此外，分散的功率器件在相对低的温度水平上工作。优选地，电路设备此外具有置于升压转换器开关电路的所有开关之前的共同的用于过电流切断的保护装置，所述保护装置在总电路的可规定的电流消耗的情况下持久地或者在限定的时间段内中断供电。因此，可以整体保护电路设备的器件以及电路板。这例如可以在室中的出于意外的短路的情况下是格外重要的，所述短路例如通过下落的被处理的对象引起。
附加地或替代地，电路设备可以具有过电压保护装置，所述过电压保护装置被设置用于消除可能出现的过电压。优选地，在升压转换器开关电路的每个开关的输出端上可以设置放电路径，例如所谓的开关火花间隙，所述放电路径在过电压的情况下自动地点火或者被点火。
此外，可选地，防止过温的保护装置可以属于电路设备的保护装置。在过温的情况下，如在其他情况下那样，可以短时间地或者持久地切断电路设备，和/或，输出针对操作人员的警报。
根据本发明的另一方面，实现一种用于产生放电的系统、尤其低压等离子体系统。该系统具有真空室、尤其等离子体室，其用于容纳可离子化的介质，其中，所述真空室包含多个电极，以便电感式地、电容式地或直接地将高频能量耦合输入到所述可离子化的介质中，以便离子化介质。此外，该系统具有用于提供高频能量的如先前描述的电路设备。所述电路设备的每个输出接头直接地、在不中间连接阻抗匹配网络的情况下与所述真空室的电极连接。
因此，可以实现一种系统、尤其低压等离子体系统，所述系统从根据本发明的电路设备的有利的设计获益，所述电路设备的优点也有利于整个系统。最终的系统简单地构建，是紧凑的和成本有利的。所述系统在无传统的HF发生器的情况下、在无布置在HF发生器和真空室之间的阻抗匹配单元的情况下、在无连接在它们之间的用于电压转换的装置的情况下以及在无昂贵的HF功率MOSFET晶体管和所属的HF驱动器的情况下足以应付。尤其可以可靠地接通和运行所述系统，使等离子体安全地点火并且稳定地保持。在此不出现如在常规的系统中那样的通过温度、压力、气体种类、错误操作、接触部、电极和线路的腐蚀引起的失配。通过发生器区段的非常小的尺寸和短的换向路径，可以将EMV发射保持得低。此外，减小线路损耗，使得可以实现整个系统的高的效率。通过省去阻抗匹配单元、馈电线和传统的等离子体发生器可以避免昂贵的可变的组件、原料和必须由专业人士执行的调节工作。
在根据本发明的系统的优选的实施方式中，电路设备在一个或多个电路板上实现，所述一个或多个电路板与真空室直接相邻地布置并且优选与所述真空室一起安置在共同的壳体中。特别优选地，至少一个电路板可以与室或室的电极直接接触。例如，电路板的输出接头可以与真空室的电极接头处于直接的插接连接或螺栓连接中。于是在电路板与真空室的电极接头之间不需要连接线路或仅仅需要相对短的连接线路。无论如何，可以忽略线路阻抗。这样可以不引起升压转换器开关电路的输出阻抗与真空室之间的明显的失配并且不引起与此相关的反射和功率损耗。
有利地，至少一个电路板可以与真空室在空间上接近地布置，使得在所述电路设备的每个可控制的开关的第一电极与所述真空室的所属的电极之间的电连接路径短于100cm、优选短于20cm、特别优选短于12cm。
附加地或替代地，在所述电路设备的每个可控制的开关的第一电极与所述真空室的所属的电极之间的连接路径的电感可以小于10μΗ、优选小于1μΗ、特别优选地小于250nH。这样的短的连接路径或连接路径的小的电感避免在连接路径上的阻抗失配或波反射连同所属的功率损耗。
在本发明的确定的实施方式中，真空室可以是玻璃室，所述玻璃室具有由玻璃、优选石英玻璃或硼硅酸玻璃制成的室壁，所述室壁包围真空室的内部空间。真空室的电极可以例如以螺旋线圈或电容器电极的形式布置在室壁的外侧上。优选地，多个这样的电极沿着真空室的纵向方向等距地、均匀分布地设置，以便实现跨越真空室的均匀的能量耦合输入并且由此获得均匀的等离子体。真空室的每个电极分配有电路设备的所属的升压转换器开关电路。
在一种特别的实施方式中，所述电路设备的每个开关可以与所属的电极导热连接。例如，开关可以直接安装在所属的、螺旋状的线圈或平的电容电极上，必要时借助布置在其之间的电绝缘层地安装，或者间接地与所述线圈或电容电极连接。无论如何，真空室的电极同时也用作开关、尤其功率半导体开关的冷却体，以便极为有效地将在运行中出现的热从所述开关中导出。
在其他实施方式中，所述真空室可以是金属室，所述金属室具有由金属、优选铝或不锈钢制成的室壁，所述室壁包围所述真空室的内部空间。所述真空室的电极于是伸入到所述真空室的内部空间中，其中，优选地同样设置多个这样的电极，所述电极沿着所述真空室的纵向方向等距地、均匀分布地设置。每个电极分配有电路设备的所属的升压转换器开关电路。为了抑制高频输出电压的直流电压分量，在真空室的电极和电路设备的所属的开关之间设置具有优选2至50nF的电容值的电容器。
在使用由金属制成的真空室的优选的实施方式中，电路设备的每个开关可以与金属的室壁导热连接。例如，开关可以通过导热的电绝缘层或绝缘盘直接安装在金属的室壁上或者通过热传导与室壁间接连接，以便将运行中的热导走到室。
所述系统也可以包含多个根据本发明的电路设备，所述电路设备分别具有多个升压转换器开关电路、控制单元和输出接头。电路设备可以分散在多个电路板上，所述多个电路板相互并联连接，优选分别由自身的直流电压电源馈电。所有电路板和开关可以由共同的时钟发生器供给共同的时钟信号。线路连接可以如此导向，使得获得对所有控制单元的尽可能同步的时钟供给。尤其可以接收合适的时间延迟元件到线路连接中，所述时间延迟元件支持时钟供给的同步。优选地，每个电路板自身受保护以防过电压和/或过电流和/或过温。
此外，根据本发明的系统的相应的扩展方案相应于根据本发明的电路设备的在先前提到的实施方式。为了避免重复，参考电路设备的实施方式的先前阐述以及所述实施方式的优点，其在此同样地适用于整个系统。
在所述系统的一种有利的实施方式中，所述电路设备的两个或更多个输出接头例如通过金属片相互导电连接，以便形成用于所述等离子体室的、唯一的共同的有效电极。由此，可以借助电路设备施加明显更高的、积聚的HF功率到真空室，所述HF功率也可以是10kW或者更多。此外，可以在真空室的在空间上延展的区域中馈入更均匀的HF功率并且因此产生更均匀的等离子体。
附图说明
本发明的实施方式的另外的有利的细节由从属权利要求、附图以及所属的描述得出。下面根据附图详细描述本发明，该附图示出本发明的示例性的绝不进行限制的实施方式，其中，在所有附图中使用相同的附图标记来标记相同的元件。其中：
图1以强烈示意性的原理图示出低压等离子体系统的框图，在所述低压等离子体系统中可以使用本发明；
图2以强烈简化的示图示出示例性的根据本发明的一种实施方式的用于例如为根据图1的系统提供高频能量的电路设备；
图3以强烈简化的示图示出经修改的根据本发明的另一种实施方式的用于例如为根据图1的系统提供高频能量的电路设备；
图4以强烈简化的示图示出进一步修改的根据本发明的又另一种实施方式的用于例如为根据图1的系统提供高频能量的电路设备；
图5以简化的示图示出在根据图1的系统中的根据图2的实施方式的电路设备运行时的电压和电流的时间变化过程；
图6以强烈简化的示图示出用于根据图2的实施方式的电路设备的用于支持点火运行的供电电压的时间变化过程；
图7a-7c示出根据本发明的一种实施方式的具有在等离子体室处的多个电极和根据本发明的电路设备的低压等离子体系统的不同配置的强烈简化的示图；
图8以强烈简化的原理图示出用于为根据图7a-7c的系统之一提供高频能量的电路设备的框图；以及
图9以强烈简化的原理图示出根据本发明的又另一种实施方式的具有用于提供非常高的功率的高频能量的电路设备的经修改的低压等离子体系统。
具体实施方式
现在参考本发明的实施方式，所述实施方式在附图中说明。应可理解的是，在附图中说明的实施方式仅仅是示例性的并且本身不限制本发明。更确切地说，实施方式仅仅被考虑用于，阐述本发明的可能的实施方式并且使本领域技术人员有能力实施本发明。此外应可理解的是，为了提供可能的实施方式的简洁的描述，必要时可以不说明由本发明的范围包括的所有细节。
在图1中，以强烈简化的原理图说明系统1，所述系统尤其在此是用于处理对象的低压等离子体系统。这样的系统例如可以用于在进一步处理之前、例如在溅射、涂漆、粘接、印制、焊接等等之前清洁由金属、塑料、玻璃或陶瓷制成的物品，用于在进一步处理之前激活物品、用于借助等离子体聚合进行等离子体蚀刻或涂覆。然而应可理解的是，在图1中示出的低压等离子体系统仅仅示出本发明的一个优选的应用，并且本发明也可以应用到其他系统、例如气体激光器系统上。
参考图1，低压等离子体系统1包含真空室2、真空泵3、过程气体源4和高频（HF）发生器6，该真空室也称作容器并且容纳可离子化的介质或过程气体。在此，作为真空室，一般也参考真空室2，以便包括所有室，HF能量从HF发生器6耦合输入到所述所有室中，以便在室的内部引起放电。
对于等离子体处理过程，将对象7放置在真空室2的内部中，并且在真空室2中借助真空泵3产生低压。在约0.1mbar的绝对压力的情况下，将过程气体、例如氩气、氧气或类似物或环境空气从过程气体源4导入到真空室2中。工作压力范围是约0.05至2.0mbar。如果达到该工作压力，则接通HF发生器6，所述HF发生器产生HF能量并且通过电极8将HF能量耦合输入到真空室2的内部，以便激励并且离子化过程气体并且引起放电。形成等离子体，处理材料暴露于该等离子体。连续地给等离子体设施输送新鲜的气体，而借助真空泵3导走过程相关的废气。在处理过程之后，可以通过附加的通风接头9对真空室通风，紧接着可以从室2中取出所加工的工件7。大体上，根据图1的低压等离子体系统1的结构和功能方式相应于常规的低压等离子体系统的结构和功能方式。
如由图1可以看出的那样，根据本发明的HF发生器6与等离子体室2直接相邻地布置。所述HF发生器可以与所述等离子体室2一起安置在共同的壳体内，所述壳体在图1中通过以11表示的矩形标出。HF发生器6与等离子体室2的直接的在空间上的邻近使得可能的是，将用于供给HF能量至等离子体室2的电极8的线路的长度保持得最小，使得电极8几乎变成根据本发明的HF发生器6的一个整体部分并且在所述HF发生器的设计中被考虑。这与HF发生器6的新的下面进一步阐述的根据本发明的电路设备一起实现用于以下的基础：在此可以放弃如在常规的系统中所需要的阻抗匹配网络（匹配单元）并且可以给等离子体室2供给所需要的高的功率和频率的激励信号以用于稳定的等离子体产生。系统1可以在其结构和其操作方面简化，由此可以降低购置成本和运行成本。
在图2中以强烈简化的示图示出根据本发明的一种实施方式的用于根据本发明的HF发生器6的电路设备12的示例性拓扑，所述HF发生器用于提供HF能量以便在真空室、例如根据图1的等离子体室2中产生放电。电路设备12包括直流电压电源13、时钟发生器单元14、升压转换器开关电路16和用于升压转换器开关电路16的控制单元17。直流电压电源13提供优选连续的直流电压Ucc用于给电路设备12供电。也可以输送脉动式的直流电压。直流电压Ucc可以在0和400V之间或者更大。直流电压Ucc可以如通过虚线的箭头示出的那样是可变的。
时钟发生器单元14为电路设备12提供时钟。时钟发生器单元14尤其可以提供具有确定的频率的时钟脉冲，所述频率相应于对于工业、研究和医疗（ISM）开放的6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz或40.68MHz的ISM频率。优选地，使用13.56MHz的频率。然而可理解的是，可以使用任意的运行高频率。作为时钟发生器单元14可以使用具有振荡石英的振荡器。时钟发生器单元14的占空比可以有利地规定在50%之下，例如在30%和50%之间，因此必要时可以减小所引入的功率。
升压转换器开关电路16根据已知的升压转换器电路的型式构造有由电感18和开关19组成的串联电路，所述电感和开关直接彼此串联连接地连接在直流电压电源13的第一极、在此正极21与接地点22之间。尤其，电感18的一个端子与正极21连接，而另一个端子与在此构造为n沟道MOSFET的开关19的漏极电极D连接。半导体开关19的源极电极S与接地点22在此直接连接。在源极电极S和接地点22之间可以布置有（未说明的）低欧姆的分流电阻，如这普遍用于电流检测的那样。开关19此外具有控制电极或栅极电极G，所述控制电极或栅极电极与控制单元17的输出端连接。
尽管在此，开关S作为MOSFET、尤其功率MOSFET示出，但可理解的是，替代用于开关19的MOSFET，也可以使用其他的可控制的功率半导体开关，诸如双极型功率晶体管，当所述双极型功率晶体管可以相应地高频定时地转换时。本领域技术人员将看出，尽管在此参考具有漏极D、源极S和栅极G的电极，所述实施方案仍以相同的方式适用于类似半导体开关的不同表示的电极。原则上，开关19也可以以电极管的形式实现，其中，漏极电极D于是相应于电极管的阳极，而源极电极S相应于电极管的阴极。在优选的实现方案中，在此由于其特别合适的特性，优选使用基于碳化硅或氮化镓的功率MOSFET。
也称作栅极驱动器的控制单元17用于，从由时钟发生器单元14接收的时钟信号出发，在时钟发生器单元的与开关19的栅极电极G连接的输出端23上生成适合用于接通开关19的控制信号。一般，使用约8-15V的栅极电压来控制开关19，以便接通该开关。可理解的是，开关19在接通的状态中允许在源极电极S和漏极电极D之间的电流流过或者传导该电流，而开关19在关断的状态中中断从漏极电极D至源极电极S的通过电流或者不传导该通过电流。栅极驱动器17作为集成电路商业上可以从不同的半导体开关的众多制造商获得。
如此外由图2可以看出的那样，开关19的漏极电极D与电路设备12的输出接头24连接。通过该输出接头24，电路设备12提供用于运行等离子体室2所需的HF能量，其包括HF电压和HF电流在内。如在图2中标出和在图1中说明的那样，输出接头24与等离子体室2的电极8-1连接，以便将HF能量耦合输入到室2中。不同于图1中的那样，在此，等离子体室2不是如图1中说明的那样的金属室，而是例如玻璃室，在金属室的情况下，电极8-1伸入到等离子体室2的内部空间中，在玻璃室的情况下，电极8-1、8-2布置在室壁的外侧上。在此情况中，电极8-1分配有对应电极8-2，该对应电极与地电位连接。可理解的是，在此也可以使用图1中的金属的等离子体室2。此外，可以替代电容器板形式的电极8-1、8-2，使用螺旋线圈形式的电极，所述螺旋线圈环绕室壁缠绕，以便将HF能量以电感式方式耦合输入到室内部空间中。
如此外由图2可以看出的那样，设有控制装置26，以便控制电路设备12的运行。控制装置26也可以是总控制装置的部分，所述总控制装置也控制等离子体室2的运行或甚至整个低压等离子体系统1的运行。控制装置26可以以硬件和/或固件形式构造，所述硬件或固件例如可以实施在处理器上。硬件可以与电路设备12一起布置在共同的电路板上或者与电路设备远离地布置。无论如何，控制装置26在此例如可以控制或调节直流电压电源13的直流电压Ucc，控制控制单元17，从时钟发生器14接收时钟信号并且优选监视电路设备12的参数、尤其内部的电流和电压。
下面应参考图1和2并且附加地参考图5来描述用于HF发生器6的电路设备12的功能方式，图5说明在电路设备12中和在电路设备12上的、时间上的电压变化过程与电流变化过程。大体上描述的电路设备12如下起作用：
在图5中的区段I中，借助控制信号通过控制单元17来接通开关19。为此，通过控制单元17将在开关19的栅极电极G上的栅极电压UGS从0V置于例如12V上。栅极电压UGS在图5中通过虚线来说明。在图5中以实线来说明的漏极电压UDS在接通的开关19的情况下是约0V。在接通开关19的情况下，通过电感18的电流开始上升并且磁化电感18。流过电感18的电流在图5中借助点划线示出。从开关19的漏极电极D流出至输出接头24并且经由该输出接头流至作为负载的等离子体室2的负载电流在图5中以点线示出。在时间区段I中，负载电流是相对小的。
在时间区段II中，首先通过控制单元17切断开关19。为此，将栅极电压UGS（虚线）又降低到0V上或负值上。在栅极电压UGS下降之后并且所属的信号传播时间过去之后，在开关19的漏极电极D上的电压UDS（实线）开始上升。在以下瞬间电感18放电到等离子体室2中：在所述瞬间，超出当前馈送的直流电压Ucc的值，其在此例如为100V。电感18在此退磁。在漏极电极D上以及直接在等离子体室2中的等离子体上的电压UDS达到峰值并且接着又下降，该峰值在此例如是约370V。在该时间中，流入到等离子体的复负载中的负载电流ILast（点状的）也是最大的，使得功率被输出给等离子体。
如由图5可以看出的那样，周期性地以通过时钟发生器单元14预给定的例如13.56MHz的频率重复以下过程以便引起以所产生的HF能量周期性地激励等离子体室2中的等离子体：在所述过程中，闭合开关19以便磁化电感18，接着断开开关，以便获得高的漏极电压UDS并且实现电感18的退磁以及电感放电到等离子体室2中。如可以看出的那样，该过程相应于升压转换器的典型的以下功能方式：该功能方式在此被用于HF激励以便等离子体产生。
根据本发明，虽然不使用LC振荡电路并且也不使用反向耦合的振荡器来产生周期性的HF能量。但是，取而代之地，产生振荡电路，该振荡电路由电感18和复阻抗、尤其等离子体室2的阻抗的电容分量构成。该电容阻抗分量主要通过等离子体室2的、所述等离子体室的电极8、8-1、8-2的设计和几何布置以及所述开关19以及承载所述电路设备12的电路板（未示出）相对于地的寄生电容来确定。根据本发明，将该振荡电路用于实现开关19的特别有利的、尤其低损耗的运行。不进行阻抗匹配（Matching）来使离子体室2的阻抗匹配于HF发生器的50欧姆条件，如这在常规的HF发生器中所要求的那样。更确切地说，在此等离子体室2的电容负载式复阻抗变成电路设备12的基本电路的部分并且被一同考虑进尺寸确定中。可以在考虑等离子体室的以及所属的组件的设计和几何布置的情况下通过计算机或根据经验来求取等离子体室2的阻抗。所述阻抗被一同考虑用于电感18的尺寸确定。
电感18尤其可以选择成，使得电感结合等离子体室2的电容、根据室2的和尤其电极8、8-1、8-2的各自的几何布置、开关19和电路板相对于地的寄生电容等等来产生准振荡电路的谐振频率，该谐振频率尽可能准确地是13.56MHz或是分别期望的ISM频率。谐振频率可以与最优值最大偏离50%。优选地，谐振频率应仅仅最小在ISM频率之下或者仅仅略微在ISM频率之上，优选地与ISM频率偏离最大-10%至+40%。通过在设计电感18时考虑电极8、8-1、8-2之间的相应的电容，所述电极实际上变成电路设备12的整体组成部分。
优选地，此外确定电感的尺寸，使得如也由图5可以看出的那样，漏极电压UDS在开关19接通之前不久变成零。因此，可以无损耗地接通开关19，由此实现电路12的特别高的效率并且明显减小半导体开关19的变热。
为了能够实现根据本发明的功能方式，可控制的开关19也应满足确定的标准。例如，开关19应具有小于5nF、优选小于1nF的输入电容。然后，开关19的输入电容可以以对于本应用所需的足够快的方式被再充电。开关19的上升与下降时间在当前运行频率下应优选小于15ns。开关19的反向电压应尽可能大于500V、优选大于900V，以便能够产生高的HF输出电压。
此外已经确定，为了实现电路设备12的成本有利的并且可靠的结构以及为了放弃阻抗匹配措施，应选择可控制的开关19，使得晶体管的栅极电容与漏极电流之间的比例关系（例如在25°C的情形）小于50pF/A。如果不考虑这点，则在当前的高的例如13.56MHz的频率的情况下，所需要的驱动器功率变得如此高，使得无驱动器或仅仅格外昂贵的驱动器可用于此。此外，驱动器功率与传输到等离子体中的功率的比例关系同样变差，因此该布置的效率下降。根据本发明，可以借助开关19和栅极驱动器17的正确选择来实现驱动器功率与传输到等离子体中的功率的至少1:15至1:20或更大的比例关系。为此，具有先前提到的特性的SiC功率MOSFET或GaN功率MOSFET的使用是特别有利的。
为了从总电路获得所期望的高功率，即通过高的输出电压输出高的功率到等离子体中，此外可以优选地选择开关19，使得栅极电容与开关的反向电压的比例关系不高于0.5pF/V并且反向电压至少为900V。具有拥有1200V（相应于在运行中的900V峰值的周期性的峰值电压）的最大漏极电压UDSmax的开关的电路设备12的最大可能的输出电压必须高于等离子体的冷点火电压。尽管该点火电压与许多参数、尤其与等离子体室中的低压、气体组分、室几何结构和电极几何结构等等相关，但该点火电压大多高于400V并且通常高于800V。就此而言，开关应具有至少900V的反向电压。
除了开关，栅极驱动器17也必须满足确定的要求。栅极驱动器17尤其也应具有小于15ns、优选小于10ns的上升和下降时间，以便在13.56MHz的频率下有工作能力。此外，栅极驱动器17应具有对于所应用的栅极电容足够的电流承载能力。
通过根据等离子体室2的和等离子体室的电极的相应的应用和分别给定的几何结构和设计来选择和组合合适的电感18、功率半导体开关19（或其他开关，例如电极管）、所属的栅极驱动器17，在无特殊的谐振电路的情况下、在无附加的使常规的HF振荡器的输出功率匹配于针对传输的通常所期望的50Ohm输出阻抗的L、C-部件的情况下，以及在无可调节的进行等离子体室2与常规的HF发生器的阻抗阻抗匹配的器件的情况下，根据本发明的电路设备12对于HF发生器6而言足以应付。
控制装置26控制电路设备12的运行。控制装置尤其可以被设置用于，引起正常运行模式和点火运行模式。如已经提到的那样，用于等离子体的点火电压根据不同的因素可以高于400V并且必要时远远超出。就此而言，控制装置可以被设置用于，在点火运行模式中引起在电路设备12的输出接头24上的输出电压的产生，所述输出电压相对于正常运行模式提高一确定的程度。电压提高的所需要的程度可以在确定的等离子体室2的情况下根据所期望的等离子体处理的相应的参数来求取。在优选的实施方式中，使在点火运行模式中的输出电压提高正常运行模式中的输出电压的平均值的至少10%。例如通过直流电压电源13的供电电压Ucc的短期的提高，控制装置26可以实现这点。
图6示出一种有利的实现方案，其中，没有设置分开的正常运行模式和点火运行模式，而是所述正常运行模式和点火运行模式在此简单地彼此交织。如可以看出的那样，供电电压Ucc以有规律的间隔——所述间隔的频率明显小于待产生的输出电压的HF频率——短时间地从其正常的运行水平提高到更高的点火水平上。短期的电压提高如此选择，使得其在短的时间内引起等离子体室2中的等离子体的安全的点火或再点火，而不损害正常运行。作为一个示例，正常的供电电压Ucc可以是120V并且例如被提高到200V上。用于电压提高的低的频率可以是200Hz，这相应于10ms的周期，而电压提高的持续时间例如可以是周期的5-10%或者在此是0.5-1ms。
如此外在图6中通过双向箭头和虚线示出的那样，可以改变供电电压Ucc的正常的运行水平，以便控制或调节到电路设备12中的功率输入。
在图3中示出用于HF发生器6的电路设备12'的经修改的电路拓扑，所述HF发生器用于提供HF能量以便在真空室、例如根据图1的等离子体室2中产生放电。该电路设备12'与根据图2的电路设备12类似，从而只要存在结构和/或功能方面的一致性，就对于电路设备12'中的相同元件使用相同的附图标记，并且，为了避免重复，参考先前的描述。
与根据图2的电路设备12不同，图3中的电路设备12'配备有负的供电电压-Ucc以及作为开关19的p沟道MOSFET。直流电压电源13因此在其第一极、在此相对于接地点22负的极21上提供负电压-Ucc。开关19是p沟道MOSFET，其又与电感18串联地连接在接地点22和负极21之间。
此外，电路设备12'的结构和功能方式相应于根据图2的电路设备12的结构和功能方式。在开关19接通的情况下，通过开关19的源极-漏极电流从接地点22流到负极21并且磁化电感18。如果闭合开关，则电感18放电并且退磁，其中，电流从在此未示出的等离子体室2经由输出接头24和电感18继续流到直流电压电源13的负极21，然而下降。可理解的是，图3中的p沟道MOSFET 19借助负的栅极源极电压UGS来接通并且在漏极电极D或电路设备12'的输出接头24上的电压UDS在开关19的关断的状态中达到负的峰值。
如在图2和3中可以看出的那样，在开关19的漏极接头D和输出接头24之间可以可选地布置有电容器27，以便滤出输送给等离子体室2的或者从等离子体室2导走的负载电流中的直流分量。这主要在使用金属室2的情况下是重要的，如在图1中说明的那样，其中，电极8布置在室2的内部空间中，使得在无电容器27的情况下，直流电流可以直接通过等离子体作为短路电流流出。另外的部件、尤其LC滤波器可以在导向至等离子体室2的连接线路中布置在输出接头24之前或之后，以便从所产生的HF功率信号中去除确定的频率范围，例如谐波。但这样的LC滤波器仅仅被确定和设置用于对输出信号进行滤波并且不被安排用于产生所期望的谐振频率。
在图4中以简化的示图说明用于提供高频能量以便在真空室中、尤其在根据图1的等离子体室2中产生放电的另外的电路设备12''。该电路设备12''与根据图2的电路设备的区别在于，在此设有两个升压转换器开关电路16-1、16-2。升压转换器开关电路16-1、16-2与电感18-1或18-2和所属的开关19-1、19-2的串联电路相同地构造，所述开关布置在共同的直流电压电源13和接地点22之间。在此情况下，开关19-1、19-2通过n沟道MOSFET构成，然而相应于根据图3的实施方式地也可以是p沟道MOSFET。每个开关19-1、19-2分配有所属的控制单元或栅极驱动器17-1或17-2。
时钟发生器单元14的一个输出端与第一控制单元17-1连接，而时钟发生器单元14的反相的第二输出端与第二控制单元17-2连接。因此，使开关19-1、19-2分别相移180°地进行时钟激励。在相应的阶段——在所述阶段中开关19-1、19-2中的一个关断并且经由输出接头24-1或24-2施加高的电压以及高的负载电流到电极8-1或8-2上——期间，相对置的电极8-2或8-1和连接到所述电极上的开关19-2或19-1分别用作接地电极，因为电极8-2或8-1在该阶段中接地。有利地，在该构造中，接地电极对于等离子体室2而言不再是必需的，如这通过图4中的以虚线绘出的接地电极28标出的那样。借助该基本电路也可以实现等离子体室2的更复杂的几何结构，并且可以使在室2上的有效电极面积倍增。
图7a-7c示出根据本发明的低压等离子体系统1的优选的实现形式，其使得特别有利的紧凑的和低损耗的实现方案成为可能。分别示出具有室壳体29的长形的等离子体室2，第一前壳体件31、第二后壳体件32以及室壁33属于所述室壳体，所述室壁在所述第一和第二壳体件31、32之间沿着等离子体室2的纵向方向延伸并且包围等离子体室2的内部空间34。壳体件31、32和室壁33可以在横截面上例如圆形地、方形地或矩形地构造或者具有其他合适的横截面形状。
图7a示出一种实施方式，其中，室壁33例如由玻璃、优选石英玻璃或硼硅酸玻璃构造并且一系列电极8a、8b、... 8n布置在室壁33的外侧上。电极8a-n在等离子体室2的纵向方向上均匀分布地并且等距地布置。尽管电极8a-n在此如其基本上以薄的、平的金属环形式构造并且环绕室壁33地布置那样地示出，电极8a-n仍可以替代地基本上板状地构造并且以直线的行在等离子体室2的纵向方向上布置在室壁33之上、之下或也布置在室壁33的一侧上。无论如何，优选地设有相应的数目和布置的电极8a-n，以便通过电极8a-n引起在内部空间34中的等离子体的很大程度上均匀的激励。对应电极例如可以通过室壳体29的金属的后壳体件32来构成。前壳体件32可以配备有门以便加载工件。
此外，在图7a中，电路板36与电极8a-n直接相邻地布置。电路板36具有电路设备12'''用于为等离子体室2提供高频能量，所述电路设备基于图2至4的基本电路12、12'或12''中的一个。电路设备12'''在图8中详细说明。
参考图8，电路设备12'''具有时钟发生器单元14，所述时钟发生器单元提供时钟信号给所存在的多个控制单元17a、17b ... 17n。时钟信号同步地、尤其在最大10%、优选少于2%的相位偏差内被提供给所存在的所有控制单元17a-n。这可以通过协调至控制单元17a-n的线路长度来实现。
每个控制单元17a-n与所属的升压转换器开关电路16a-n连接，控制单元分别控制所述升压转换器开关电路。由每个控制单元17a-n和所属的升压转换器开关电路16a-n组成的组合可以如在图2中或在图3中那样设计。替代地，该组合可以通过由两个开关电路对和电极对组成的组合来取代，所述两个开关电路对和电极对分别相移180°地进行时钟激励，如在图4中示出的那样。
升压转换器开关电路16a-n必要时在中间连接直流电阻挡电容器27或其他LC滤波器的情况下（如果必要）并且通过所属的输出接头24a-n分别与所属的电极8a-n和所属的负载区段或等离子体室2的区段37a-n连接。
返回到图7a，可以看出，电路板36在此与电极8a-n直接相邻地布置。因此，可以实现在相应的开关19a-n的漏极电极D与所属的电极8a-n之间的格外短的线路路径，所述线路路径短于100cm、优选短于20cm、更优选短于12cm或仅仅是数厘米短。在特别优选的实施方式中，输出接头24a-n直接与等离子体室2的电极8a-n连接，例如焊接。可以省去在输出接头24a-n和电极8a-n之间的附加的线缆线路，并且线路阻抗是可忽略的。必要时可以设置通过平的铜条带等实现的短的、阻抗小的中间连接。
替代地或附加地，根据图7a的低压等离子体系统可以由共同的壳体11包封，所述壳体不仅容纳等离子体室2而且容纳具有电路设备12'''的电路板36。
尽管在图7a中没有说明所述壳体，但电路板36的和在电路板上的器件的布置此外可以如此实现，使得电路设备12'''的每个开关19a-n与所属的电极8a-n导热连接。例如，开关19a-n可以直接安装在所属的电极8a-n上。替代地，可以在开关和电极之间插入良好导热的连接元件。无论如何，等离子体室2的电极8a-n可以用作开关19a-n的冷却体，以便将在高频运行中产生的热极为有效导走。
图7b示出与图7a类似的布置，但其具有HF能量到等离子体室2中的电感式耦合输入。电极8a-n在此通过螺旋状的线圈形成，所述线圈借助分别一个或多个绕组包围玻璃室2的室壁33。电极8a-n又是等距地、均匀分布地沿着等离子体室2的纵向方向布置，以便产生均匀的等离子体。出于先前说明的原因，具有用于等离子体室2的HF能量供应的电路设备、尤其具有根据图8的电路设备12'''的电路板36又与电极8a-n直接相邻地布置。为了避免重复，参考关于根据图7a的实施方式、关于短的、阻抗小的连接路径、可能的共同的壳体11以及电极8a-n可能用作开关19a-n的冷却体的先前的实施，所述实施在此相应地适用。
图7c示出与图7a类似的布置，其具有电容式耦合输入HF能量到等离子体室2中，然而是针对金属室2的并且具有直接的耦合输入。室壁33因此由金属、优选由铝或者由不锈钢构造，并且电极8a-n在内部空间34中又等距地、均匀分布地沿着等离子体室2的纵向方向布置。电极8a-n通过穿过室壁33引导的输送线路38a-n与电路板36连接，所述电路板承载用于等离子体室2的HF能量供应的电路设备、尤其根据图8的电路设备。通过电路板36与电极8a-n的直接邻近，输送线路38a-n又可以非常短地并且阻抗低地实施。可以设置用于低压等离子体系统1的共同的壳体11。此外，电路板36上的每个开关19a-n可以为了冷却目的而与金属的室壁33导热连接，其中，可以在开关和室壁之间插入例如薄的、良好导热的、电绝缘的中间层。
在本发明的范围内，还能够实现另外的修改。例如，图8示出，可以设有监视设备39，该监视设备被设置用于检测电路设备12、12'、12''或12'''（以下简称电路设备12）中的电压和电流并且发送表征所述电压和电流的信号给控制装置26。这些测量信号可以由控制装置26来使用，以便识别不允许的过电流或过电压并且接着采取用于保护电路设备12的器件的保护措施。例如，控制装置26可以包含逻辑电路，所述逻辑电路实现用于过电流切断的保护装置，所述保护装置置于升压转换器开关电路16a-n的所有开关19a-n之前并且是共有的，并且所述保护装置在超出总电路的可预给定的最大电流消耗的情况下通过断开在至升压转换器电路16a-n的共同的供电线路42中的分离开关41来持久地或在限定的时间段内中断供电。这尤其对于室2中的意外短路的情况对于部件和整个系统1的保护是有利的，所述短路例如通过等离子体室2的内部空间34中的下落的被处理的对象引起。分离开关41也可以在识别共同的供电线路42上的过电压的情况下被分离以便保护部件。
替代地或附加地，控制装置26可以包含逻辑电路，该逻辑电路实现过电压保护装置，所述过电压保护装置能够消除过电压。例如，可以如在图8中的开关19n上示例性地说明的那样，在每个开关19a-b的输出端上设置可点火的放电路径，例如所谓的开关火花间隙43，所述开关火花间隙与分别待保护的升压转换器开关电路16a-n并联地布置。在输出端24a-n中的一个输出端上的过电压条件下，相应的放电路径43可以自动地点火，以便消除过电压。替代地，控制装置26也可以识别过电压条件并且点燃相应的放电路径43。基于放电路径或开关火花间隙的这样的过电压放电器在现有技术中众所周知并且可以在此应用。
可选地，还可以进一步设有防过温的保护装置。
此外可能的是，将根据图8的电路设备12'''分散地布置在两个或更多个电路板36i（i=1.. m）上（在此未说明）。由此，也可以均匀地并且以非常高的HF能量来激励具有多个电极8a-n的非常大的等离子体室2。电路板36i可以相互并联连接，分别由自身的直流电压电源13馈电并且由共同的时钟发生器单元14供给共同的时钟信号。在一种特别优选的实施方式中，线路连接可以适合地引导，并且时间延迟元件可以被采纳到线路连接中，以便确保，共同的时钟在很大程度上同步地被输送给在所有电路板36i上的所有控制单元17a-n。防止过电压、过电流和/或过温的保护优选对于每个电路板36i分开地设置。
与使用多少电路板无关，所述多个开关19a-n也提供有利的冗余。在单个开关19a-n失效的情况下，其他开关可以继续运行，使得等离子体室2的区段继续被供给HF能量，其中，必要时仅仅无关紧要地影响等离子体产生的均匀性。
在本发明的在图9中说明的另一实施方式中，先前阐述的低压等离子体系统1之一的电极8a-n例如可以通过薄的、平的金属片44相互导电连接，以便形成用于等离子体室2的唯一的共同的有效电极8。由此，例如可以借助电路设备12'''施加明显更高的、积聚的HF功率到等离子体室上，所述HF功率也可以是10kW或者更大。此外，与点状的馈入相比，可以通过放大的电极8更均匀并且更同步地馈入HF功率，这可以改进所产生的等离子体的均匀性。尽管电极8a-n或电路设备12'''的输出接头24a-n在此电连接，这在施加到输出接头24a-n上的输出电压的运行频率的情况下是不重要的。金属片44对于高频而言可以被视为多个相互串联和并联连接的电感47的网络46，使得在HF技术上不存在短路。
实现一种用于提供高频能量以便在真空室2中产生放电、尤其用于等离子体产生的电路设备12，所述电路设备具有直流电压电源13、升压转换器开关电路16和控制单元17。直流电压电源13提供直流电压Ucc。升压转换器开关电路16包含由电感18和可控制的开关19组成的串联电路，其中，电感18连接在直流电压电源13的一极21和开关19的第一电极D之间。开关19的第二电极S接地，并且开关19此外具有控制电极G。所述控制单元17被设置用于高频地控制所述开关19，以便在所述开关19的第一电极D上产生具有周期性的、脉冲式输出电压UDS的高频能量，所述输出电压的峰量值大于所述直流电压电源13的直流电压Ucc的量值。具有输出电压UDS的高频能量直接地、在无转换的情况下在输出接头24上被输出，所述输出接头24被确定用于与所述真空室2的电极8直接连接。同样实现具有这样的电路设备12的一种用于产生放电的系统、尤其低压等离子体系统。

Claims (30)

1.一种用于提供高频能量以便在真空室中产生放电的电路设备，所述电路设备具有：
直流电压电源（13），所述直流电压电源（13）提供直流电压（Ucc）；
升压转换器开关电路（16），所述升压转换器开关电路包含由电感（18）和可控制的开关（19）组成的串联电路，其中，所述电感（18）连接在所述直流电压电源（13）的一极（21）和所述开关（19）的第一电极之间，其中，所述开关（19）的第二电极接地，并且其中，所述开关（19）此外具有控制电极；
控制单元（17），所述控制单元被设置用于高频地控制所述开关（19），以便在所述开关（19）的第一电极上产生具有周期性的、脉冲式输出电压（UDS）的高频能量，所述输出电压的峰量值大于所述直流电压电源（13）的直流电压（Ucc）的量值，以及
输出接头（24），所述输出接头（24）被确定用于在不中间连接阻抗匹配网络的情况下与真空室（2）的电极（8）直接连接并且与所述开关（19）的第一电极连接，以便施加具有所述输出电压（UDS）的高频能量到所述真空室（2）上。
2.根据权利要求1所述的电路设备，其特征在于，所述电路设备不具有由线圈和电容器构成的谐振电路并且不具有通过反馈构成的谐振电路，所述谐振电路与所述开关（19）耦合并且通过所述开关（19）来激励，以便产生在所述输出接头上存在的高频交变电压，并且所述电路设备不具有可调节的阻抗匹配单元用于使所述开关（19）的输出端阻抗匹配于待连接到所述输出接头（24）上的负载。
3.根据权利要求1所述的电路设备，其特征在于，所述电路设备被配置用于提供高频能量以便生成等离子体并且被设置用于运行低压等离子体系统，所述低压等离子体系统具有带有以下运行压力的等离子体室（2），所述运行压力小于大气压力并且为0.01mbar至200mbar。
4.根据权利要求3所述的电路设备，其特征在于，所述运行压力为0.05mbar至2mbar。
5.根据权利要求1所述的电路设备，其特征在于，所述直流电压位于0至400V的范围中，所述输出电压（UDS）具有以下峰值：所述峰值位于250至900V的范围中或者更高，并且，用于控制开关（19）的控制频率和输出电压（UDS）的频率是分派用于工业、学术和医疗的ISM频率fISM，所述ISM频率从6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz或40.68MHz中选择。
6.根据权利要求1所述的电路设备，其特征在于，所述电感（18）被安排成，使得结合所述真空室（2）的阻抗的电容分量得出谐振频率，所述阻抗通过所述真空室（2）的、所述真空室的电极（8）的设计和几何布置、所述开关（19）以及承载所述电路设备（12）的电路板相对于地的寄生电容来确定，所述谐振频率位于0.5 x fISM至1.5 x fISM的范围中，其中，fISM是所述输出电压（UDS）的频率。
7.根据权利要求6所述的电路设备，其特征在于，所述谐振频率位于0.9 x fISM至1.4 xfISM的范围中，其中，fISM是所述输出电压（UDS）的频率。
8.根据权利要求1所述的电路设备，其特征在于，所述可控制的开关（19）是功率半导体开关或电极管，所述开关（19）是功率MOSFET。
9.根据权利要求8所述的电路设备，其特征在于，所述可控制的开关（19）是双极型晶体管或氮化镓功率MOSFET。
10.根据权利要求1所述的电路设备，其特征在于，所述可控制的开关（19）具有小于5nF的输入电容，大于500V的反向电压以及小于15ns的上升时间和下降时间，
其中，所述控制单元（17）构造为集成电路，所述集成电路被设置用于，以小于10A的控制电流控制所述开关（19）。
11.根据权利要求10所述的电路设备，其特征在于，所述可控制的开关（19）的输入电容小于1nF，所述反向电压大于900V，并且用于控制所述开关（19）的控制电流小于5A。
12.根据权利要求1所述的电路设备，其特征在于，设有用于运行所述电路设备（12）的控制装置（26），其中，所述控制装置（26）被设置用于引起点火运行模式，在所述点火运行模式中，所产生的输出电压（UDS）相对于正常运行模式提高正常运行模式中的输出电压的平均值的至少10%。
13.根据权利要求12所述的电路设备，其特征在于，所述控制装置（26）被设置用于周期性地以小于运行高频率的频率在持续运行中引起点火运行模式。
14.根据权利要求13所述的电路设备，其特征在于，在点火运行模式中的频率约为100Hz。
15.根据权利要求1所述的电路设备，其特征在于，所述电路设备具有连接到共同的直流电压电源上的两个或更多个升压转换器开关电路（16a-n）以及多个控制单元（17a-n），所述两个或更多个升压转换器开关电路具有所属的输出接头（24a-n）用于耦合高频能量到所述真空室（2），所述多个控制单元分别分配给一个或两个升压转换器开关电路（16a-n）。
16.根据权利要求1所述的电路设备，其特征在于，所述电路设备具有时钟发生器单元（14），所述时钟发生器单元提供时钟信号到所存在的所有控制单元（17a-n）上，使得所有控制单元同步地在最大10°的相位偏差内运行。
17.根据权利要求16所述的电路设备，其特征在于，最大相位偏差小于2°。
18.根据权利要求1所述的电路设备，其特征在于，所述电路设备具有以下保护装置中的一个或多个：
置于所述升压转换器开关电路（16）的所有开关（19）之前的、用于过电流切断的共同的保护装置，所述保护装置在总电路的可规定的电流消耗情况下中断供电；
过电压保护装置，所述过电压保护装置具有放电路径（43），所述放电路径在过电压的情况下点火或者被点火，以便消除所述过电压；和/或
防过温的保护装置。
19.一种用于产生放电的系统，所述系统具有：
真空室（2），其用于容纳可离子化的介质，其中，所述真空室（2）具有多个电极（8），以便电感式地、电容式地或直接地将高频能量耦合输入到所述可离子化的介质中；以及
根据以上权利要求中任一项所述的用于提供高频能量的电路设备（12），其中，所述电路设备（12）的每个输出接头（24）直接地、在不中间连接阻抗匹配网络的情况下与所述真空室（2）的电极（8）连接。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述电路设备（12）实现在电路板（36）上，所述电路板与所述真空室（2）直接相邻地布置并且与所述真空室一起安置在共同的壳体（11）中。
21.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，在所述电路设备（12）的每个可控制的开关（19）的第一电极与所述真空室（2）的所属的电极（8）之间的电连接路径短于100cm；和/或
其中，在所述电路设备（12）的每个可控制的开关（19）的第一电极与所述真空室（2）的所属的电极（8）之间的连接路径的电感小于10μΗ。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，在所述电路设备（12）的每个可控制的开关（19）的第一电极与所述真空室（2）的所属的电极（8）之间的电连接路径短于20cm；和/或
其中在所述电路设备（12）的每个可控制的开关（19）的第一电极与所述真空室（2）的所属的电极（8）之间的连接路径的电感小于1μΗ。
23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，在所述电路设备（12）的每个可控制的开关（19）的第一电极与所述真空室（2）的所属的电极（8）之间的电连接路径短于12cm；和/或
其中在所述电路设备（12）的每个可控制的开关（19）的第一电极与所述真空室（2）的所属的电极（8）之间的连接路径的电感小于250nΗ。
24.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述真空室具有由玻璃制成的室壁（33），所述室壁包围所述真空室（2）的内部空间（34），其中，所述电极（8a-n）布置在所述室壁（33）的外侧上并且沿着所述真空室（2）的纵向方向等距地设置。
25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，所述电路设备（12'''）的每个开关（19a-n）与所属的电极（8a-n）导热连接。
26.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述真空室具有由金属、优选铝或不锈钢制成的室壁（33），所述室壁包围所述真空室（2）的内部空间（34），其中，所述电极（8a-n）伸入所述真空室（2）的内部空间（34）中并且沿着所述真空室（2）的纵向方向优选等距地设置，并且其中，在每个开关（19a-n）和所属的电极（8a-n）之间连接有电容器（27）用于抑制所述输出电压的直流电压分量，所述输出电压是高频输出电压。
27.根据权利要求26所述的系统，其特征在于，所述电路设备（12'''）的每个开关（19a-n）与金属的室壁导热连接。
28.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，多个电路设备（12，12'，12''，12'''）分散地布置在多个电路板（36i）上，所述多个电路板相互并联连接，优选分别由自身的直流电压电源（13）馈电并且由共同的时钟发生器单元（14）供给共同的时钟信号，其中，线路连接如此引导并且包含时间延迟元件，使得获得对所有控制单元（17a-n）的尽可能同步的时钟供给，并且其中，每个电路板（36i）自身受保护以防过电压和/或过电流和/或过温。
29.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述电路设备（12）的两个或更多个输出接头（24a-d）相互导电连接，以便形成用于所述真空室（2）的唯一的共同的有效电极（8）。
30.根据权利要求19-29中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统是低压等离子体系统，所述真空室（2）是等离子体室，并且所述电路设备（12）被设置用于提供高频能量以便在等离子体室中产生等离子体。
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