DE102006005128B4

DE102006005128B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Lastanpassung

Info

Publication number: DE102006005128B4
Application number: DE102006005128A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kirchmeier
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2006-02-04
Filing date: 2006-02-04
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2026-02-05
Also published as: JP4681568B2; US7692389B2; DE102006005128A1; US20070194628A1; JP2007208990A

Abstract

Verfahren zum Anpassen der Impedanz einer variablen Last (8) an den Ausgangswiderstand eines HF-Generators (2), wobei eine erste Anpassung für eine erste Lastimpedanz (8a) und eine zweite Anpassung für eine zweite Lastimpedanz (8b) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anpassung bei einer ersten und die zweite Anpassung bei einer zweiten Frequenz erfolgt, wobei die erste Lastimpedanz (8a) im Bereich der Impedanz eines gezündeten Plasmas und die zweite Lastimpedanz (8b) im Bereich der Impedanz einer ungezündeten Entladungsstrecke gewählt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anpassen der Impedanz einer variablen Last an den Ausgangswiderstand eines HF-Generators, wobei eine erste Anpassung für eine erste Lastimpedanz und eine zweite Anpassung für eine zweite Lastimpedanz durchgeführt wird.
Bei der Anpassung einer HF-Quelle an eine Plasmalast besteht grundsätzlich das Problem einer Lastimpedanz, die von vielen Parametern beeinflusst wird. Bei der Plasma-Dünnschichttechnologie zur Oberflächenbehandlung werden häufig automatisch abgleichende Anpassungsschaltungen verwendet. Diese folgen im Prozess kontinuierlich allen Änderungen der Lastimpedanz. Sie bieten aber auch die Möglichkeit der gezielten Voreinstellung einer Zündposition, die erheblich von der Position bei brennendem Plasma abweicht, und die erforderliche hohe Zündspannung an die noch hochohmige, ungezündete Entladungsstrecke transformiert.
Die Brennimpedanz von Laseranregungsplasmen schwankt weniger, so dass robuste und kostengünstige, so genannte Fixmatch-Schaltungen zum Einsatz kommen, die für eine akzeptable Lastanpassung bei Standardbrennbedingungen fest eingestellt werden. Es bleibt allerdings das Problem der drastisch höheren Impedanz der ungezündeten Entladungsstrecke, die eine grobe Fehlanpassung bewirkt.
Wird die HF-Leistung gepulst eingespeist und die Leistung durch Beeinflussung des Tastverhältnisses geregelt, verschärft sich dieses Problem, da je nach Tastfrequenz und Tastverhältnis unterschiedlich ausgeprägt, auch im eingeschalteten Zustand ein periodischer Wechsel zwischen Brennimpedanz und Zündimpedanz besteht.
Deshalb wird häufig als Anpassung ein Kompromiss zwischen der Optimierung der Lastanpassung und dem Zündverhalten eingestellt. Zusätzlich wird in der Regel eine Zündhilfsschaltung verwendet.
Aus der US 5,288,971 A ist es bekannt, eine Anpasseinrichtung mit einer Steuereinrichtung zu verbinden, wobei die Steuereinrichtung variable Kondensatoren der Anpasseinrichtung ansteuert, um so zwischen einem Brennbetrieb und einem Zündbetrieb hin- und herschalten zu können.
In der US 6,815,899 B2 ist ebenfalls eine Anpasseinrichtung beschrieben, die durch eine Steuereinrichtung angesteuert ist. Die Steuereinrichtung steuert außerdem einen Schalter an, über den eine Zündhilfe zugeschaltet werden kann, um ein Zünden des Plasmas zu ermöglichen.
In der US 2003/0041972 A1 ist ein Plasmaprozesssystem beschrieben, welches eine Bearbeitungskammer aufweist, in der eine obere und eine untere Elektrode parallel zueinander beabstandet angeordnet sind. Die obere Elektrode ist über ein erstes Anpassungsnetzwerk mit einem ersten Generator verbunden und die untere Elektrode ist über ein zweites Anpassungsnetzwerk mit der unteren Elektrode verbunden. Der erste Generator arbeitet beispielsweise bei 60 MHz und der zweite Generator arbeitet beispielsweise bei 2 MHz.
Aus der DE 197 17 127 A1 ist es bekannt, mit einem HF Generator, zum einen eine erste Wechselspannung und zum anderen kurzzeitige Spannungspulse zu erzeugen. Zur Zündung einer Gasentladung können die beiden Spannungen überlagert werden. Die Kurzzeit-Spannungspulse können des Weiteren zur steileren Ausbildung des Nulldurchgangs der Wechselspannung und zur Veränderung der Leistungseinkopplung in die Gasentladung verwendet werden.
Aus der US 6,385,573 B1 und der US 6,136,388 A ist es bekannt, bei einem Plasmaprozesssystem zwei HF Generatoren zu verwenden, die bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. Für nur einen der Generatoren ist eine Impedanzanpassung vorgesehen.
Aus der US 5,272,417 A ist es bekannt, ein ersten HF Generator über ein Anpassnetzwerk mit einer ersten Elektrode und einem zweiten HF Generator über ein Anpassnetzwerk mit einer zweiten Elektrode oder Plasmakammer zu verbinden.
In der US 6,537,421 B2 und der US 6,631,693 B2 sind Anpassungsnetzwerke beschrieben, mit denen eine Lastanpassung bei einer bestimmten Frequenz erfolgen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen eine verbesserte Anpassung und ein erleichtertes Zünden einer Plasmalast ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf ebenso überraschende wie einfache Art und Weise durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Dadurch wird es möglich, je nach Lastimpedanz zwischen den beiden Anpassungen (automatisch) zu wählen. Insbesondere sind keine separaten, angesteuerten Elemente notwendig, um zwischen den beiden Anpassungen zu wechseln, wie dies im Stand der Technik notwendig ist. Leistung, die bei einer höheren Frequenz als der Grundfrequenz durch einen HF-Generator ausgegeben wird, kann auf diese Art und Weise verwendet werden, um ein Plasma zu zünden. Eine zusätzliche Zündhilfe kann dadurch entfallen.
Vorzugsweise wird mit einer für zwei unterschiedliche Lastimpedanzen bei zwei Frequenzen ausgelegten, fest eingestellten, nicht variablen Anpasseinrichtung für beide Lastimpedanzen eine Impedanzanpassung durchgeführt. Während im Stand der Technik variable Elemente verwendet werden müssen, die je nach sich ändernder Lastimpedanz nachgeführt werden, so dass eine optimale Anpassung entsteht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zwei feste, nicht veränderbare Anpassungen zu verwenden. Dabei kann eine Anpassung für eine hochohmige Lastimpedanz und eine Anpassung für eine niederohmige Lastimpedanz vorgesehen sein.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die erste und zweite Frequenz aus dem Frequenzspektrum des HF-Generators gewählt werden. Beispielsweise kann als erste Frequenz die Grundfrequenz und als zweite Frequenz eine Harmonische gewählt werden. Die bei der Grundfrequenz gelieferte Leistung kann zum Plasmabetrieb verwendet werden und die bei einer Harmonischen gelieferte Leistung kann zum Zünden des Plasmas verwendet werden, wobei in beiden Fällen durch die feste Impedanzanpassung eine optimale Anpassung vorliegt. Hierbei kann die Tatsache ausgenutzt werden, dass die Zündfreudigkeit eines Plasmas mit steigender Frequenz steigt. Beispielsweise kann als Grundfrequenz die Industriefrequenz 13,56 MHz und als Harmonische die zweite Harmonische bei 40,68 MHz verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die Impedanzanpassung mittels einer Anpasseinrichtung erfolgt, deren Aufbau folgendermaßen ermittelt wird:

a. Ermittlung eines ersten Anpassnetzes für eine erste Impedanzanpassung einer ersten Lastimpedanz bei einer ersten Frequenz;
b. Ermittlung eines zweiten Anpassnetzes für eine zweite Impedanzanpassung einer zweiten Lastimpedanz bei einer zweiten Frequenz;
c. Ermittlung einer Minimalstruktur, die beide Anpassnetze enthält;
d. Ersetzen der Einzelkomponenten der Minimalstruktur durch Serien- oder Parallel-LC-Anordnungen, die für beide Frequenzen die jeweils gewünschten L- oder C-Werte darstellen.

Bei einer Verfahrensvariante können die erste und zweite Lastimpedanz vorgegeben werden. Dann kann eine Schaltung, die das erfindungsgemäße Verfahren umsetzt, besonders einfach ausgelegt werden. Für den Anwendungsfall der Plasmaprozesse ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste Lastimpedanz im Bereich der Impedanz eines gezündeten Plasmas und die zweite Lastimpedanz im Bereich der Impedanz einer ungezündeten Entladungsstrecke gewählt wird.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Anpasseinrichtung zur Anpassung der Impedanz einer variablen Last an den Ausgangswiderstand eines HF-Generators, wobei die Anpasseinrichtung für die Impedanzanpassung der ersten Lastimpedanz bei einer ersten Frequenz und für die Impedanzanpassung der zweiten Lastimpedanz bei einer zweiten Frequenz ausgebildet ist. Die Wahl der ersten Anpassung oder der zweiten Anpassung erfolgt in Abhängigkeit von der Lastimpedanz automatisch. Separate Schalter oder ein Verstellen von Bauelementen ist daher nicht notwendig.
Eine Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Frequenz die Grundfrequenz des Generators und die zweite Frequenz eine Harmonische der Grundfrequenz ist. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass der Ausgangskreis von HF-Generatoren häufig eine niedrige Güte aufweist, so dass dieser eine geringe spektrale Reinheit aufweist. Die Grundfrequenz und eine oder mehrere Harmonische werden daher auch vom HF-Generator zur Verfügung gestellt. Im Plasmabetrieb wird die wesentliche Leistung des HF-Generators aus der Grundfrequenz gezogen. Die mit einer Harmonischen assoziierte Leistung ist jedoch häufig ausreichend, um ein Plasma zu zünden. Bei einer Impedanzanpassung auf eine hohe Impedanz (ungezündete Entladungsstrecke) bei einer Frequenz, die höher ist als die Grundfrequenz, kann daher die erforderliche Zündleistung bei guter Anpassung in eine Plasmakammer, beziehungsweise an die Elektroden der Plasmakammer, geliefert werden.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Anpasseinrichtung zur Anpassung einer ersten und zweiten Lastimpedanz fest eingestellt ist. Mit einer derartigen Anpasseinrichtung erfolgt sowohl eine gute Anpassung einer Plasmalast als auch eine gute Anpassung beim Zünden eines Plasmas, ohne dass dafür eine variable Lastanpassung ermöglichende Schalter oder variable Kondensatoren, die möglicherweise durch eine Steuerung angesteuert und/oder über Motoren bewegt werden müssen, notwendig sind. Weiterhin kann auf Zündhilfen verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Anpasseinrichtung kann daher im Vergleich zum Stand der Technik besonders kostengünstig realisiert werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass die Anpasseinrichtung keine variablen und/oder schaltenden Elemente aufweist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Anpasseinrichtung als Serien- und/oder Parallelschaltung mehrerer passiver Bauelemente, insbesondere Spulen und/oder Kondensatoren, ausgebildet ist, deren Anpassungsverhalten für zwei vorgegebene Frequenzen unterschiedlich ist. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Fixmatch-Anpassung, die nur für eine Last bei einer Frequenz ausgelegt ist, werden daher erfindungsgemäß einzelne Reaktanzkomponenten durch Serien- oder Parallelkombinationen, die frequenzabhängig unterschiedliche L- oder C-Werte darstellen, ersetzt. Dadurch werden zusätzliche Freiheitsgrade geschaffen, die es ermöglichen, unter Berücksichtigung der Gesamtanpassung die Anpasseinrichtung so auszulegen, dass sie bei zwei unterschiedlichen Frequenzen für zwei unterschiedliche Impedanzen optimiert werden kann.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Plasmaprozessanregungsanordnung mit einem HF-Generator und einer Last sowie dazwischen angeordneter vorher beschriebener Anpasseinrichtung.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Plasmaprozessanregungsanordnung zur gepulsten Leistungszufuhr mit einem durch eine Leistungsregelung einstellbaren Tastverhältnis ausgebildet ist. Bei einer solchen Leistungsregelung mittels Tastverhältnis muss der Ausgangskreis schnell ein- beziehungsweise ausschwingen, so dass steile Flanken des Leistungssignals entstehen. Dies wird durch eine geringe Güte Q des Ausgangskreises, insbesondere eine Güte Q < 3 erreicht. Ein Kreis geringer Güte kann besonders kostengünstig realisiert werden, und er besitzt eine geringe spektrale Reinheit, was für die erfindungsgemäße Anpasseinrichtung ausgenutzt werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Plasmaprozessanregungsanordnung mit einer Anpasseinrichtung;
2a–2c beispielhaft die Vorgehensweise zum Auffinden der Anpasseinrichtung.
In der 1 ist eine Plasmaprozessanregungsanordnung 1 mit einem HF-Generator 2 gezeigt. Der HF-Generator 2 umfasst eine Treiberstufe 3, die über ein Kabel 4 mit einer Röhrenendstufe 5 verbunden ist. Die Röhrenendstufe 5 ist mit einem Ausgangskreis 6 verbunden, über den eine HF-Leistung an den Ausgang 7 gegeben wird. Bei dem Ausgang 7 handelt es sich üblicherweise um einen 50Ω-Ausgang. Der HF-Generator weist also einen Ausgangswiderstand von 50Ω auf. Die vom HF-Generator 2 generierte HF-Leistung soll an eine Last 8 mit variabler Lastimpedanz geliefert werden. Insbesondere kann es sich bei der Last 8 um ein gezündetes niederohmiges Plasma oder um eine ungezündete hochohmige Entladungsstrecke handeln. Um für beide Zustände der Last 8 eine optimale Anpassung an den Ausgang 7 zu erhalten, ist eine Anpasseinrichtung 9 zwischengeschaltet und über ein Kabel 10 an den Ausgang 7 angeschlossen. Die Anpasseinrichtung 9 ist so ausgebildet, dass eine Anpassung der Last 8 bei einem niedrigen Impedanzwert an den Ausgang 7 und damit den Ausgangswiderstand des HF-Generators 2 bei einer ersten Frequenz und bei einem hohen Impedanzwert ebenfalls an den Ausgangswiderstand des HF-Generators 2 bei einer zweiten Frequenz erfolgt.
Der HF-Generator 2 ist zur gepulsten Leistungseinspeisung in die Last 8 ausgebildet. Die gelieferte Leistung wird über eine Leistungsregelung 15 durch Einstellung des Tastverhältnisses eingestellt. Um steile Flanken zu gewährleisten, weist der Ausgangskreis 6 eine geringe Güte Q auf. Dadurch kann der Ausgangskreis 6 kostengünstig und einfach aufgebaut werden. Aufgrund der geringen Güte weist er jedoch eine geringe spektrale Reinheit auf, so dass auch Leistung bei Harmonischen der Grundfrequenz, also insbesondere bei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz, ausgegeben wird. Die ausgegebene Leistung bei Frequenzen oberhalb der Grundfrequenz ist geringer als die Leistungsabgabe bei der Grundfrequenz. Wenn eine Entladungsstrecke nicht gezündet ist, reicht jedoch die Leistung, die bei einer höheren Frequenz ausgegeben wird, aus, um ein Plasma zu zünden. Die Anpasseinrichtung 9 passt für diesen Fall die Last 8 an den Ausgang 7 an. Daher ist keine zusätzliche Zündhilfe notwendig. Sobald das Plasma gezündet ist, fällt der Wert der Lastimpedanz der Last 8 auf einen niederohmigen Wert. Auch für diesen Fall leistet die Anpasseinrichtung 9 eine Anpassung an den Ausgang 7, da nun eine Anpassung für die Leistungsabgabe bei der Grundfrequenz erfolgt. Die Anpassung für unterschiedliche Lastimpedanzen erfolgt somit ausschließlich frequenzabhängig und automatisch. Variable Elemente oder schaltende Elemente in der Anpasseinrichtung 9 sind nicht notwendig.
Das Auffinden der Ausgestaltung der Anpasseinrichtung 9 wird anhand der 2a–2c erläutert. Zunächst wird für eine Impedanzanpassung einer hochohmigen Lastimpedanz 8a an den Anschluss 7 bei einer ersten Frequenz ein erstes Anpassnetz 11 ermittelt. Im Ausführungsbeispiel umfasst das Anpassnetz 11 die Komponenten L1 und C1. In einem zweiten Schritt wird für eine Impedanzanpassung einer niederohmigen Lastimpedanz 8b an den Anschluss 7 bei einer zweiten Frequenz ein zweites Anpassnetz 12 ermittelt. Im Ausführungsbeispiel umfasst das Anpassnetz 12 die Komponenten 12 und C2.
Daraufhin wird eine Minimalstruktur 13 ermittelt, die beide Anpassnetze 11, 12 umfasst (2b). Im Ausführungsbeispiel wurden die Spulen L1, L2 zur Spule 13 zusammengefasst.
Anschließend werden die Einzelkomponenten C1, C2, L3 durch LC-Anordnungen, die für beide Frequenzen den jeweils gewünschten L- oder C-Wert darstellen, ersetzt. So ersetzt im Ausführungsbeispiel die Serien-LC-Anordnung 14 den Kondensator C1, die Serien-LC-Anordnung 15 die Spule L3 und der Kondensator 16 den Kondensator C2. Die Anordnungen 14, 15, 16 stellen zusammen die Anpasseinrichtung 9 dar, die zur Lastimpedanzanpassung zweier Lastimpedanzen 8a, 8b bei zwei unterschiedlichen Frequenzen ausgelegt ist.

Claims

Verfahren zum Anpassen der Impedanz einer variablen Last (8) an den Ausgangswiderstand eines HF-Generators (2), wobei eine erste Anpassung für eine erste Lastimpedanz (8a) und eine zweite Anpassung für eine zweite Lastimpedanz (8b) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anpassung bei einer ersten und die zweite Anpassung bei einer zweiten Frequenz erfolgt, wobei die erste Lastimpedanz (8a) im Bereich der Impedanz eines gezündeten Plasmas und die zweite Lastimpedanz (8b) im Bereich der Impedanz einer ungezündeten Entladungsstrecke gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer für zwei unterschiedliche Lastimpedanzen (8a, 8b) bei zwei Frequenzen ausgelegten, fest eingestellten, nicht variablen Anpasseinrichtung (9) für beide Lastimpedanzen (8a, 8b) eine Impedanzanpassung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Frequenz aus dem Frequenzspektrum des HF-Generators (2) gewählt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Frequenz die Grundfrequenz und als zweite Frequenz eine Harmonische gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanpassung mittels einer Anpasseinrichtung (9) erfolgt, deren Aufbau folgendermaßen ermittelt wird: a. Ermittlung eines ersten Anpassnetzes (11) für eine erste Impedanzanpassung einer ersten Lastimpedanz (8a) bei einer ersten Frequenz; b. Ermittlung eines zweiten Anpassnetzes (12) für eine zweite Impedanzanpassung einer zweiten Lastimpedanz (8b) bei einer zweiten Frequenz; c. Ermittlung einer Minimalstruktur (13), die beide Anpassnetze (11, 12) enthält; d. Ersetzen der Einzelkomponenten (C1, C2, L3) der Minimalstruktur (13) durch Serien- und/oder Parallel-LC-Anordnungen (14, 15, 16), die für beide Frequenzen die jeweils gewünschten L- oder C-Werte darstellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Lastimpedanz (8a, 8b) vorgegeben werden.
Anpasseinrichtung (9) zur Anpassung der Impedanz einer variablen Last (8) an den Ausgangswiderstand eines HF-Generators (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Anpasseinrichtung (9) für die Impedanzanpassung der ersten Lastimpedanz (8a) im Bereich der Impedanz eines gezündeten Plasmas bei einer ersten Frequenz und für die Impedanzanpassung der zweiten Lastimpedanz (8b) im Bereich der Impedanz einer ungezündeten Entladungsstrecke bei einer zweiten Frequenz ausgebildet ist.
Anpasseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz die Grundfrequenz des HF-Generators (2) und die zweite Frequenz eine Harmonische der Grundfrequenz ist.
Anpasseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpasseinrichtung (9) zur Anpassung einer ersten und zweiten Lastimpedanz (8a, 8b) fest eingestellt ist.
Anpasseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpasseinrichtung (9) keine variablen und/oder schaltenden Elemente aufweist.
Anpasseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpasseinrichtung (9) als Serien- und/oder Parallelschaltung mehrerer passiver Bauelemente, insbesondere Spulen und/oder Kondensatoren, ausgebildet ist, deren Anpassungsverhalten für zwei vorgegebene Frequenzen unterschiedlich ist.
Plasmaprozessanregungsanordnung (1) mit einem HF-Generator (2) und einer Last (8) sowie dazwischen angeordneter Anpasseinrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11.
Plasmaprozessanregungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaprozessanregungsanordnung (1) zur gepulsten Leistungszufuhr mit einem durch eine Leistungsregelung (15) einstellbaren Tastverhältnis ausgebildet ist, wobei der Ausgangskreis (6) des HF-Generators (2) eine geringe Güte Q aufweist, insbesondere eine Güte Q < 3.