CN116848615A - 功率供给装置和等离子体系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于为等离子体产生高频电功率信号的功率供给装置(1)，所述功率供给装置具有功率发生器(2)和与所述功率发生器(2)连接的阻抗匹配组件(6)，其中，所述功率供给装置(1)设立为用于，尤其是在所述阻抗匹配组件(6)的输入端(5)上或者在所述功率发生器(2)的输出端(3)上确定阻抗参量，在预给定的时间段中求取基于阻抗的质量特性数值(17)，并且输出所述基于阻抗的质量特性数值。
Description
技术领域
用于为等离子体产生高频电功率信号的功率供给装置和具有这样的功率供给装置的等离子体系统。
本发明涉及一种用于为等离子体产生HF电功率信号的功率供给装置以及一种用于运行功率供给装置的方法。
背景技术
阻抗匹配网络用于使负载的阻抗匹配于功率发生器的阻抗。
阻抗匹配电路通常在HF激励的等离子体工艺中使用。典型地，频率为1MHz或以上。HF激励的等离子体工艺例如用于在生产建筑玻璃、半导体、光伏元件、平板显示屏、显示器等时对衬底进行涂覆(溅射)和/或蚀刻。在这样的工艺中的阻抗通常非常快速地发生变化，因此，通常应非常快速地(在几毫秒或者更短时间内)匹配阻抗匹配。通常供给给这种过程的电功率为几百W，例如300W及以上，但是也不乏千瓦或以上，通常也为10kW及以上。在这样的功率的情况下，阻抗匹配组件内的电压通常为几百V，例如300V及以上，也不乏1000V及以上。这样的电路中的电流可以为几安培，通常为10A及以上，有时也可以为100A及以上。在这样的电压和电流的情况下实现阻抗匹配组件，就已经一直是一种巨大的挑战。这种阻抗匹配网络中的电抗的快速可改变性是附加的、非常高的挑战。这样的阻抗匹配网络的例子例如在DE 10 2015 220 847 A1中或者在DE 20 2020 103539U1中公开。
通常，阻抗匹配网络用于将负载的阻抗转换为50欧姆。为了获得关于阻抗匹配的质量的陈述，通常，求取平均反射功率的量值并且将其用作用于匹配过程的质量的指标。同时，平均反射功率的量值用作用于等离子体的稳定性标准。在脉冲式应用的情况下，在每个脉冲开始和结束时出现起振过程和振动衰减过程，尽管等离子体工艺是稳定的并且匹配是尽可能好的，所述起振过程和振动衰减过程仍然产生反射功率。
发明内容
因此，整个发明的任务在于，提供一种功率供给装置，在该功率供给装置的情况下，可以做出更可靠的关于匹配过程的质量的陈述。
根据本发明，该任务通过一种用于为等离子体产生HF电功率信号的功率供给装置来解决，该功率供给装置具有功率发生器和与该功率发生器连接的阻抗匹配组件，其中，功率供给装置设立为用于，尤其是在阻抗匹配组件的输入端上或者在功率发生器的输出端上确定阻抗参量，在预给定的时间段中求取基于阻抗的质量特性数值，并且输出所述基于阻抗的质量特性数值尤其用于进一步处理和/或使用。
在此，阻抗参量可以是复阻抗、复反射因子、阻抗的量值和相位或者由其推导出的值，例如导纳或者归一化阻抗。原则上能够考虑，检测复参量或者二维实数参量作为阻抗参量。尤其是，当涉及到阻抗匹配组件和功率发生器集于一体的集成系统时，有利的是，在功率发生器的输出端上检测阻抗参量。
与平均反射功率不同，在预给定的时间段中求取基于阻抗的质量特性数值。可以如此选择该预给定的时间段，使得起振过程和振动衰减过程不包括在对基于阻抗的质量特性数值的求取中。因此，可以为匹配过程求取有说服力的质量特性数值。基于阻抗的质量特性数值可以是无量纲变量。
功率供给装置可以设立为用于，求取所测量的阻抗参量的阻抗平均值，特别是所测量的阻抗参量的几何平均值、几何重心、算术平均值或者中位数，作为基于阻抗的质量特性数值。尤其是几何平均值可以以特别简单的方式来求取。
功率供给装置可以设立为用于，如此产生阻抗匹配组件的调设参量，使得质量特性数值占有(einhehmen)预给定的值。因此，阻抗匹配组件可以基于该质量特性数值进行阻抗匹配。例如，通过调设参量可以如此调设阻抗匹配组件的可变电抗，使得实现阻抗匹配。
如果阻抗匹配组件不能够被调整，则能够考虑，基于所求取的质量特性数值来改变由功率发生器输出的功率，以便得到更好的质量特性数值并且因此得到更好的阻抗匹配。例如，可以改变HF功率信号的频率。
功率供给装置可以设立为用于，基于质量特性数值求取估算的反射功率。估算的反射功率是用户可以判断和归类的参量，因为用户已经习惯于该参量。所求取的估算的反射功率，在下文中也被称为(虚拟的)反射功率，不相应于实际的(能够测量的)反射功率。所求取的估算的反射功率同样可以被理解为质量特性数值。
阻抗匹配组件可以具有测量装置，该测量装置设立为用于求取质量特性数值。因此，可以直接求取质量特性数值。
替代地，能够考虑，阻抗匹配组件具有调节器，该调节器设立为用于求取质量特性数值。尤其是，通过调节器的求积分部分可以隐含地对一个时间段内的检测到的阻抗参量求平均。在此，调节器用于将质量特性数值尽可能地匹配为或者说调节为应有值。
该质量特性数值可以输出给功率发生器。由此可能的是，发生器可以以检测到的正向功率求取估算的(虚拟的)反射功率。尤其是，当用于匹配的调节算法没有转换时，这导致高的反射功率。因此，通常反射功率用作调节或者说匹配是否成功了的量度。然而，在瞬态阻抗的情况下，尤其是在高脉冲频率的情况下，情况并非如此。当调节算法已达到尽可能好的匹配时，也出现反射功率。根据本发明，质量特性数值、尤其是阻抗参量的几何平均值，用于计算估算的(虚拟的)反射功率。替代实际反射功率地或者除了实际反射功率之外，可以显示该估算的(虚拟的)反射功率，因此，该估算的(虚拟的)反射功率为用户提供熟悉且已知的参量。
质量特性数值可以例如作为模拟信号输出。然而，特别有利的是，设置有显示设备，用于输出所求取的估算的反射功率。
功率发生器可以设立为用于测量所产生的(正向)功率。所测量的所产生的功率可以用于求取估算的(虚拟的)反射功率。
可以如此确定所述预给定的时间段，使得实现到等离子体中的最大能量转移，而不影响所求取的估算的(虚拟的)反射功率。尤其是，该时间段可以比脉冲持续时间短。另外，可以如此确定该时间段，使得脉冲起点(Pulsbeginn)位于该时间段之外。
此外，一种用于运行功率供给装置的方法落入到本发明的框架中，该功率供给装置用于为等离子体产生高频(HF)电功率信号，其中，尤其是在阻抗匹配组件的输入端上或者在功率发生器的输出端上确定阻抗参量，在预给定的时间段中求取基于阻抗的质量特性数值，并且输出基于阻抗的质量特性数值。尤其是，可以输出基于阻抗的质量特性数值用于进一步使用或者处理。基于阻抗的质量特性数值可以作为数字信号或者模拟信号输出。
可以求取所测量的阻抗参量的阻抗平均值，尤其是所测量的阻抗参量的几何平均值、几何重心、算术平均值或者中位数，作为基于阻抗的质量特性数值。
可以如此产生用于阻抗匹配组件的调设参量，使得该质量特性数值占有预给定的值。
基于质量特性数值，可以求取估算的(虚拟的)反射功率。与所测量的实际反射功率不同，估算的(虚拟的)反射功率是根据质量特性数值计算的功率。
质量特性数值可以直接在测量装置中求取或者间接地通过阻抗匹配组件的调节器求取。
该质量特性数值可以输出给功率发生器。基于该质量特性数值，可以在功率发生器中求取(虚拟的)反射功率。估算的(虚拟的)反射功率可以输出给显示设备。
可以如此确定所述预给定的时间段，使得实现到等离子体中的最大能量转移，而不影响所求取的估算的(虚拟的)反射功率。
此外，一种等离子体系统落入到本发明的框架中，该等离子体系统具有如上所述的功率供给装置和等离子体工艺设备(Plasmaprozessvorrichtung)，该等离子体工艺设备尤其是HF激励的等离子体工艺设备，即用于执行等离子体工艺的设备。该等离子体工艺设备优选用于对衬底进行涂覆和/或蚀刻。该等离子体工艺设备优选适合用于在生产建筑玻璃、半导体、光伏元件、平板显示屏或者显示器时使用。
高频功率信号的高频可以为1MHz或者以上。
供给等离子体工艺所需要的电功率可以为300W及以上、尤其是为1千瓦及以上，功率供给装置设计用于提供该等离子体工艺。
等离子体工艺设备可以设计为用于连接另外的功率供给装置，例如可以使用下述功率供给装置中的一个或者多个功率供给装置：具有相同的或者不同的高频率的HF功率供给装置。
DC功率供给装置、尤其是脉冲式DC功率供给装置
具有小于1MHz的频率的MF功率供给装置。
附图说明
本发明的其他优点从说明书和附图中得出。同样地，根据本发明，上文提到的和更进一步阐释的特征能够本身单独地或以多个形成任意组合地予以应用。所示出并且所描述的实施方式不应理解为详尽的列举，而是具有用于本发明的叙述的示例性特征。
图1示出功率供给装置，
图2a-2d根据导纳水平示出用于求取质量特性数值的处理方式；
图3示出用于求取质量特性数值的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出功率供给装置1，该功率供给装置具有功率发生器2，用于产生例如60MHz的(脉冲式)HF电功率信号。功率发生器2具有输出端3，该输出端经由HF线缆4与阻抗匹配组件6的输入端5连接。阻抗匹配组件6与负载7连接。另外，功率发生器2和阻抗匹配组件6经由信号连接8相互连接。负载7可以是等离子体工艺的、尤其是HF激励的等离子体工艺的等离子体，该等离子体工艺例如用于在生产建筑玻璃、半导体、光伏元件、平板显示屏、显示器等时对衬底进行涂覆(溅射)和/或蚀刻。
阻抗匹配组件6用于在输入端3上使负载7的阻抗匹配于功率发生器2的阻抗。功率发生器2可以设立为用于向负载7提供脉冲式HF功率。由于负载7的阻抗(尤其是当该负载是等离子体时)可能频繁且快速地发生变化，因此，存在对阻抗匹配组件6的特殊要求，以便使负载7的阻抗匹配于功率发生器2的阻抗。
在阻抗匹配组件6的输入端5的区域中，可以设置有测量装置10，以便检测阻抗参量。替代地或者附加地，在功率发生器2的输出端3的区域中，可以设置有测量装置11，以便检测阻抗参量。阻抗参量可以是复阻抗、复反射因子、阻抗的量值和相位等。基于检测到的这些阻抗参量，可以在预给定的时间段中求取基于阻抗的质量特性数值，该质量特性数值对阻抗匹配有多好做出陈述。
这应根据图2来阐述。图2a示出在功率发生器2的高频脉冲期间负载7的阻抗的轨迹15(时间曲线)。能够看到，负载7的阻抗在该脉冲期间强烈地发生变化。
根据图2b能够看出，对于该质量特性数值的求取，相应于脉冲开端的第一区段15a不被考虑，即几乎被隐没。只考虑轨迹15的第二区段15b。
在图2c中能够看出，通过测量装置10、11中的一个测量装置来测量在位于轨迹15的区段15b上的离散的阻抗点16，即不同时间点的阻抗参量。根据图2d能够看出，几何重心被求取作为基于阻抗的质量特性数值17。
可以如此给阻抗匹配组件6的调节器13供给调节参量，使得质量特性数值1被最小化，并且因此实现更好的匹配。
另外，质量特性数值17可以用于计算估算的(虚拟的)反射功率。为此，质量特性数值可以例如经由信号连接8被输出给功率发生器2，使得在那里可以通过求取装置14求取估算的(虚拟的)反射功率。
图3示出根据本发明的方法的流程图。在步骤100中，测量阻抗参量。在步骤101中，由在预给定的时间段内测量的阻抗参量求取基于阻抗的质量特性数值。在步骤102中，输出该基于阻抗的质量特性数值，使得可以进一步处理该基于阻抗的质量特性数值。
Claims (22)
1.一种用于为等离子体产生高频电功率信号的功率供给装置(1)，所述功率供给装置具有功率发生器(2)和与所述功率发生器(2)连接的阻抗匹配组件(6)，其中，所述功率供给装置(1)设立为用于，尤其是在所述阻抗匹配组件(6)的输入端(5)上或者在所述功率发生器(2)的输出端(3)上确定阻抗参量，在预给定的时间段中求取并且输出基于阻抗的质量特性数值(17)。
2.根据权利要求1所述的功率供给装置，其特征在于，所述功率供给装置(1)设立为用于，求取所测量的阻抗参量的阻抗平均值，尤其是所测量的阻抗参量的几何平均值、几何重心、算术平均值或者中位数，作为基于阻抗的质量特性数值(17)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的功率供给装置，其特征在于，所述功率供给装置(1)设立为用于，如此产生所述阻抗匹配组件(6)的调设参量，使得所述质量特性数值(17)占有预给定的值。
4.根据上述权利要求中任一项所述的功率供给装置，其特征在于，所述功率供给装置(1)设立为用于，基于所述质量特性数值(17)求取估算的反射功率。
5.根据上述权利要求中任一项所述的功率供给装置，其特征在于，所述阻抗匹配组件(6)或者所述功率发生器(2)具有测量装置(10，11)，所述测量装置设立为用于求取所述质量特性数值(17)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的功率供给装置，其特征在于，所述阻抗匹配组件(6)具有调节器(13)，所述调节器设立为用于求取所述质量特性数值(17)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的功率供给装置，其特征在于，向所述功率发生器(2)输出所述质量特性数值(17)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的功率供给装置，其特征在于，设置有显示设备，用于输出所求取的估算的反射功率。
9.根据上述权利要求中任一项所述的功率供给装置，其特征在于，所述功率发生器(2)设立为用于测量所产生的功率。
10.根据上述权利要求中任一项所述的功率供给装置，其特征在于，如此确定所述预给定的时间段，使得实现到所述等离子体中的最大能量转移，而不影响所求取的估算的反射功率。
11.根据上述权利要求中任一项所述的功率供给装置，其特征在于，所述阻抗匹配组件(6)内的电压在运行时为300V及以上，尤其为1000V及以上。
12.根据上述权利要求中任一项所述的功率供给装置，其特征在于，所述阻抗匹配组件(6)内的电流在运行时为10A及以上，尤其为100A及以上。
13.一种等离子体系统，所述等离子体系统具有根据上述权利要求中任一项所述的功率供给装置和等离子体工艺设备，所述等离子体工艺设备尤其是HF激励的等离子体工艺设备，所述等离子体工艺设备优选用于对衬底进行涂覆(溅射)和/或蚀刻，所述等离子体工艺设备适合用于在生产建筑玻璃、半导体、光伏元件、平板显示屏或者显示器时使用。
14.一种用于运行功率供给装置(1)的方法，所述功率供给装置用于为等离子体产生高频电功率信号，其中，尤其是在阻抗匹配组件(6)的输入端上或者在功率发生器(2)的输出端上确定阻抗参量，在预给定的时间段中求取基于阻抗的质量特性数值(17)，并且输出所述基于阻抗的质量特性数值(17)，其中，尤其是，输出所述基于阻抗的质量特性数值(17)用于进一步使用或者处理。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，求取所测量的阻抗参量的阻抗平均值，尤其是所测量的阻抗参量的几何平均值、几何重心、算术平均值或者中位数，作为基于阻抗的质量特性数值(17)。
16.根据权利要求14至15中任一项所述的方法，其中，如此产生用于所述阻抗匹配组件(6)的调设参量，使得所述质量特性数值(17)占有预给定的值。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，基于所述质量特性数值(17)求取估算的反射功率，其中，尤其是，所述估算的反射功率是根据所述质量特性数值(17)计算的功率。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中，直接在所述测量装置(10，11)中或者间接地通过所述阻抗匹配组件(6)的调节器求取所述质量特性数值(17)。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中，向所述功率发生器(2)输出所述质量特性数值(17)。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中，如此确定所述预给定的时间段，使得实现到所述等离子体中的最大能量转移，而不影响所求取的估算的反射功率。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的方法，其中，在300V及以上、尤其是1000V及以上的电压的情况下运行所述阻抗匹配组件(6)。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的方法，其中，以10A及以上、尤其是100A及以上的电流运行所述阻抗匹配组件(6)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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