DE102007006225A1

DE102007006225A1 - Richtkoppler

Info

Publication number: DE102007006225A1
Application number: DE102007006225A
Authority: DE
Inventors: Christoph Gerhardt; Daniel Krausse; Stephan Günther; Rolf Weber
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2008-08-14
Also published as: US8203398B2; DE112008000119A5; US20100026415A1

Abstract

Bei einem Richtkoppler (10, 20, 30) mit einer a. Koppeldämpfung in Vorwärtsrichtung $I1 b. Koppeldämpfung in Rückwärtsrichtung $I2 c. Entkopplung in Vorwärtsrichtung $I3 d. Entkopplung in Rückwärtsrichtung $I4 beträgt e. der Betrag von Deltaphi = phiCr + phiCf - (phiIr + phiIf) <= 20°. Dadurch kann eine phasenunabhängige Leistungsmessung erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Richtkoppler mit einer

a. Koppeldämpfung in Vorwärtsrichtung
b. Koppeldämpfung in Rückwärtsrichtung
c. Entkopplung in Vorwärtsrichtung
d. Entkopplung in Rückwärtsrichtung

HF-Generatoren werden dafür eingesetzt, eine HF-Leistung zu erzeugen und an eine Last zu liefern. Als Last kommen beispielsweise Plasmaprozesse, wie Plasmabeschichten und Plasmaätzen, infrage. Da sich die Impedanz der Last ändern kann, und es somit bei Fehlanpassung zur (teilweisen) Reflexion der von dem HF-Generator gelieferten Leistung kommen kann, wird häufig nicht die gesamte von dem HF-Generator gelieferte Leistung in der Last (dem Plasma) absorbiert. Um die in die Last gelieferte HF-Leistung genau einstellen beziehungsweise regeln zu können, ist es wünschenswert, die in der Last absorbierte Leistung zu bestimmen.
Es ist bekannt, zur Messung/Bestimmung der in einer Last absorbierten HF-Leistung einen Richtkoppler einzusetzen, wobei die absorbierte HF-Leistung sich aus der Differenz der von dem HF-Generator erzeugten Leistung und der reflektierten Leistung ergibt. Dadurch ist es möglich, den HF-Generator so zu regeln, dass die in der Last absorbierte Leistung hochgenau eingestellt und konstant gehalten werden kann.
Die Messung der an eine Last gelieferten Leistung (incident power, forward power) durch einen Richtkoppler beziehungsweise durch einen Reflektometer und die Messung der reflektierten Leistung (reflected power) ist wegen der endlichen Richtwirkung (directivity) (auch Richtverhältnis) des Richtkopplers jedoch fehlerbehaftet. Die Messung der in der Last absorbierten Leistung ist somit ebenfalls fehlerbehaftet. Im Stand der Technik ist eine Phasenmessung zwischen der hinlaufenden und der rücklaufenden Welle (zur Last gelieferte Leistung und von der Last reflektierte Leistung) bekannt. Mit Hilfe dieser Messung kann der Fehler herausgerechnet werden.
Eine andere Möglichkeit, die in die Last gelieferte Leistung genau zu messen, ist eine Messung des Stroms und der Spannung. Allerdings muss hierbei eine sehr gute Entkopplung des Spannungs- und des Stromsensors erreicht werden. Außerdem benötigt man eine sehr genaue Phasenmessung zwischen der Spannung und dem Strom.
Ein Richtkoppler kann als Viertor betrachtet werden, dessen Übertragungsverhalten durch die komplexen Größen Koppeldämpfung (coupling) und Entkopplung (isolation) beschrieben werden können. In der 1, ist ein Richtkoppler 10 als Viertor mit Koppelleitungen 5, 6, die beidseits einer Hauptleitung 7 angeordnet sind, dargestellt. Dabei ist
die Koppeldämpfung in Vorwärtsrichtung, also von Tor 1 nach Tor 2. Die Koppeldämpfung in Rückwärtsrichtung ist
also von Tor 3 nach Tor 4. Entsprechend ist
die Entkopplung in Vorwärtsrichtung (Tor 1 nach Tor 4) und
die Entkopplung in Rückwärtsrichtung (Tor 3 nach Tor 2).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Richtkoppler bereitzustellen, mit dem die von einem HF-Generator in eine Last gelieferte Vorwärtsleistung und/oder die von der Last reflektierte Rückwärtsleistung genauer gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Richtkoppler der eingangs genannten Art gelöst, bei dem Δφ = φ_Cr + φ_Cf – (φ_Ir + φ_If) ≤ 20°, bevorzugt ≤ 10°, besonders bevorzugt ≤ 5°, ganz besonders bevorzugt ≤ 1°.
Diese Aufgabe wird auch gelöst, wenn Δφ = φ_Cr + φ_Cf – (φ_Ir + φ_If) ≥ –20° ist.
Man kann zusammenfassend sagen, dass die Aufgabe gelöst wird, wenn der Betrag von Δφ ≤ 20° ist, also |Δφ| ≤ 20°, bevorzugt ≤ 10°, besonders bevorzugt ≤ 5°, ganz besonders bevorzugt ≤ 1°.
Bei einem derart konzipierten Richtkoppler wird der Messfehler bei der Messung der zur Last gelieferten und von dieser reflektierten Leistung und somit der in der Last absorbierten HF-Leistung minimiert. Das oben genannte Kriterium wurde bei der Herstellung von Richtkopplern bisher nicht beachtet. Ein Richtkoppler wird zumeist auf Leiterplattenmaterial FR4 oder auf Keramik in Form von gedruckten Leiterbahnen aufgebracht. Bei dieser an sich recht genauen Produktionsmethode ergeben sich aber immer noch geringe Ungenauigkeiten und dadurch Fehler in solchen Größenordnungen, dass ein Phasenfehler |Δφ| ≤ 20° weder gezielt noch zufällig erreicht werden kann. Nur unter Einsatz von Simulationshilfsmitteln und durch modernste Fertigungstechnologie können Werte |Δφ| ≤ 20° erreicht werden. Mit Hilfe von Nacharbeit und besonders ausgereifter Fertigungstechnologie können Werte kleiner 10°, kleiner 5° oder sogar kleiner 1° erreicht werden. Im Idealfall ist Δφ = 0°. Dies bedeutet φ_Cr + φ_Cf = φ_Ir + φ_If.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass
bevorzugt ≤ 1,2, besonders bevorzugt ≤ 1,1. Dies bedeutet, dass im Idealfall
entspricht. Der Fehler bei der Messung der in der Last absorbierten Leistung ist dann weder vom Betrag noch von der Phase des Lastreflektionsfaktors abhängig. Damit ist der Fehler bei der Messung lastunabhängig sowohl nach Betrag als auch nach Phase der Last. Daher kann der Fehler als systematischer Fehler aus dem Messwert herausgerechnet und so vollständig kompensiert werden. Eine Phasenmessung zwischen der hinlaufenden Welle (in die Last gelieferte Leistung) und der rücklaufenden Welle (von der Last reflektierte Leistung) ist dadurch überflüssig. Somit können Kosten für die Bauelemente der Phasenmessung eingespart werden.
Besonders bevorzugt ist es wenn der Richtkoppler reziprok ist und gilt: C_f = C_r und I_f = I_r. Das Verhältnis der Koppelfaktoren wie auch die Differenz der Phasen kann mit Netzwerkanalysatoren (network analyser) gemessen werden.
Die oben genannte Bedingung wird gemäß einer Weiterbildung auf besonders einfache Art und Weise durch einen Richtkoppler realisiert, bei dem φ_Cr = –φ_Cf + k und φ_Ir = –φ_If + k, wobei k beliebige Werte annehmen kann. Im einfachsten Fall nimmt k den Wert 0 an, so dass gilt φ_Cr = –φ_Cf und φ_Ir = –φ_If.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn I_f und/oder I_r > Cf und/oder C. Dies bedeutet insbesondere, dass die Werte I_f und/oder I_r möglichst groß sein sollten. Unter diesen Bedingungen kann ein sehr genauer Wert für die in der Last verbliebene (absorbierte) Leistung ermittelt werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Richtkoppler zwei Koppelleitungen aufweist, die zumindest abschnittsweise parallel zueinander angeordnet sind. Dadurch können sie auch parallel zu einer Hauptleitung, über die die zu messende Leistung übertragen wird, angeordnet werden. Mit der einen Koppelleitung kann die in Richtung Last gelieferte Leistung ermittelt werden und mit der anderen Koppelleitung kann die von der Last reflektierte Leistung ermittelt wird. Vorzugsweise sind die Koppelleitungen an gegenüberliegenden Seiten einer Hauptleitung angeordnet.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der Richtkoppler zwei Koppelleitungen aufweist, die in Längsrichtung des Richtkopplers und damit in Längsrichtung der Hauptleitung zueinander versetzt angeordnet sind. Durch diese Maßnahme können die Phasenwerte φ zur Erfüllung der oben genannten Bedingungen genau und besonders einfach eingestellt werden, insbesondere kann eine Phase φ_Cr _' φ_Cf, φ_Ir, φ_If realisiert werden.
Als eigenständige Erfindung wird ein Richtkoppler betrachtet der zwei Koppelleitungen aufweist, die entlang einer Hauptleitung angeordnet sind, wobei die Koppelleitungen in Längsrichtung der Hauptleitung (und damit in Längsrichtung des Richtkopplers) zueinander versetzt angeordnet sind. Dadurch kann eine Phasenkorrektur erfolgen.
Ein Richtkoppler kann auch derart ausgestaltet werden, dass die Koppelleitungen etwa denselben Abstand zu einer Längsachse der Hauptleitung aufweisen. Durch diese Maßnahme werden die gleichen Kopplungs- und Entkopplungsfaktoren für die hinlaufende und für die reflektierte Welle realisiert.
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 Darstellung zur Erläuterung der komplexen Größen Koppeldämpfung (coupling) und Entkopplung (isolation);
2 eine stark schematisierte Darstellung eines Richtkopplers mit zueinander versetzt angeordneten Koppelleitungen;
3 eine stark schematisierte Darstellung eines Richtkopplers mit einem mittensymmetrischen Aufbau.
In der 2 ist ein Richtkoppler 20 dargestellt, der eine erste Koppelleitung 21 und eine zweite Koppelleitung 22 aufweist. Die Koppelleitungen 21, 22 sind an sich gegenüberliegenden Seiten einer Hauptleitung 23 angeordnet. Über die Hauptleitung 23 wird Leistung von einem Generator an eine Last geliefert (hinlaufende Welle, Vorwärtsrichtung). Wird die Leistung von der Last reflektiert (rücklaufende Welle, Rückwärtsrichtung), wird die reflektierte Leistung ebenfalls über die Hauptleitung 23 zurück zum Generator übertragen. Es ist zu sehen, dass die Koppelleitungen 21, 22 in Längsrichtung 24 der Hauptleitung 23 versetzt angeordnet sind. Dadurch kann die Phasenbeziehung zwischen den ausgekoppelten Signalen der hinlaufenden und der rücklaufenden (reflektierten) Welle eingestellt werden.
Um reproduzierbare Richtkoppler 20 herstellen zu können, kann ein Abstand d1 zwischen den Mittelpunkten 25, 26 der Koppelleitung 21, 22 vorgegeben werden. Alternativ können Abstände d2, d3 der Mittelpunkte 25, 26 von einer Markierung 27 vorgegeben werden.
Bei dem in der 3 dargestellten Richtkoppler 30 sind die Koppelleitungen 31, 32 im gleichen Abstand von einer Mittellinie 33 einer Hauptleitung 34 angeordnet. Dadurch ergeben sich gleiche Koppelfaktoren für die Koppelleitungen 31, 32. Insbesondere ist der Richtkoppler 30 mittensymmetrisch aufgebaut.

Claims

Richtkoppler (10, 20, 30) mit einer a. Koppeldämpfung in Vorwärtsrichtung
b. Koppeldämpfung in Rückwärtsrichtung
c. Entkopplung in Vorwärtsrichtung
d. Entkopplung in Rückwärtsrichtung
dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag von Δφ = φCr+ φCf – (φIr + φIf) ≤ 20°bevorzugt ≤ 10°, besonders bevorzugt ≤ 5°, ganz besonders bevorzugt ≤ 1°.
Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
bevorzugt ≤ 1,2, besonders bevorzugt ≤ l,1.
Richtkoppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass C_f = C_r und I_f = I_r.
Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass φ_Cr = –φ_Cf + k und φ_Ir = φ_If + k.
Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass I_f und/oder I_r > C_f und/oder C_r.
Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtkoppler (10, 20, 30) zwei Koppelleitungen (21, 22, 31, 32) aufweist, die zumindest abschnittsweise parallel zu einander angeordnet sind.
Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtkoppler (10, 20, 30) zwei Koppelleitungen (21, 22, 31, 32) aufweist die in Längsrichtung (24) des Richtkopplers (10, 20, 30) zueinander versetzt angeordnet sind.
Richtkoppler (10, 20, 30), der zwei Koppelleitungen (21, 22, 31, 32) aufweist, die entlang einer Hauptleitung (23, 34) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelleitungen (21, 22, 31, 32) in Längsrichtung der Hauptleitung (23, 34) zueinander versetzt angeordnet sind.
Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelleitungen (21, 22, 31, 32) etwa denselben Abstand zu einer Längsachse (33) der Hauptleitung (34) aufweisen.