DE102009002684B4

DE102009002684B4 - Verfahren zur Leistungsversorgung einer Plasmalast und Plasmaversorgungseinrichtung zu seiner Durchführung

Info

Publication number: DE102009002684B4
Application number: DE102009002684A
Authority: DE
Inventors: Dr. Wiedemuth Peter
Original assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2013-12-24
Anticipated expiration: 2029-04-29
Also published as: DE102009002684A1

Abstract

Verfahren zur Leistungsversorgung einer Plasmalast, bei dem in einem Normalbetrieb aus einer Gleichspannung ein Wechselsignal mit Hilfe einer Schaltbrücke (12) erzeugt wird, das erzeugte Wechselsignal unmittelbar ohne Zwischenschaltung eines Schwingkreises an die Plasmalast geliefert wird und eine Zustandsüberwachung der Plasmalast erfolgt und bei Erkennen eines Arcs ein Arclöschbetrieb durchgeführt wird, wobei der Arc ausschließlich durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente (U1–U4) der Schaltbrücke (12) gelöscht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des erfassten Zustands der Plasmalast eine Stromregelung, eine Leistungsregelung oder eine Spannungsregelung des Ausgangssignals der Schaltbrücke (12) durchgeführt wird, wobei bei erfasstem Zustand der Plasmalast 'Zünden' eine Spannungsregelung mit Strombegrenzung erfolgt und bei erfasstem Zustand der Plasmalast 'Arc' eine Stromregelung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsversorgung einer Plasmalast, bei dem in einem Normalbetrieb aus einer Gleichspannung ein Wechselsignal mit Hilfe einer Schaltbrücke erzeugt wird, das erzeugte Wechselsignal unmittelbar ohne Zwischenschaltung eines Schwingkreises an die Plasmalast geliefert wird und eine Zustandsüberwachung der Plasmalast erfolgt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Plasmaversorgungseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer an eine Gleichspannung angeschlossenen, in einem Normalbetrieb ein Wechselsignal erzeugenden Schaltbrücke, deren Ausgänge ohne Zwischenschaltung eines Schwingkreises mit den Leistungsausgängen der Plasmaversorgungseinrichtung verbunden sind, und mit einer Lastzustandsüberwachungseinrichtung.
Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Plasmaversorgungseinrichtung sind beispielsweise aus der US 5,303,139 A bekannt geworden.
Die Beschichtung von Substraten, z. B. Glasflächen, mittels Sputtern/Kathodenzerstäuben in Plasmaprozessen, und zwar sowohl reaktiv als auch konventionell, ist z. B. aus der Architekturglasbeschichtung bekannt. Dazu wird mit einer Strom- oder Spannungsquelle ein Plasma erzeugt, das von einem Target Material abträgt, welches sich auf dem Substrat, z. B. der Glasscheibe, ablagert. Vor der Ablagerung können sich die Atome je nach gewünschter Beschichtung in einem reaktiven Prozess noch mit Gasatomen oder -molekülen verbinden.
Insbesondere bei reaktiven Prozessen werden häufig Mittelfrequenz(MF)-Generatoren eingesetzt, die üblicherweise bei einer Frequenz von 10–1000 kHz arbeiten. Diese gibt es als so genannte frei schwingende MF-Generatoren oder als MF-Generatoren mit Festfrequenz. Die frei schwingenden MF-Generatoren sind in der Regel wie folgt aufgebaut: Aus einer Ein- oder Mehrphasenspannung des Versorgungsnetzes wird eine geregelte oder ungeregelte Gleichspannung, die Zwischenkreisspannung erzeugt. Die Zwischenkreisspannung wird mit einer Inverterschaltung (z. B. Schaltbrücke) zu einer Mittelfrequenz(MF)-Wechselspannung umgewandelt (10–1000 kHz). Das MF-Ausgangsleistungssignal wird in der Regel auf einen Schwingkreis geschaltet, der zu einer Schwingung angeregt wird. Dabei wird die Schaltbrücke so betrieben, dass der Schwingkreis in der Nähe der Resonanzfrequenz betrieben wird.
Um aus der Zwischenkreisspannung, die üblicherweise Spannungsquellencharakteristik besitzt, eine Stromquellencharakteristik zu generieren, werden Drosseln mit genügend großer Induktivität in Serie mit der Inverterschaltung geschaltet. Üblicherweise wird die MF-Leistung an der Spule des Schwingkreises ausgekoppelt und an zwei Elektroden in einer Beschichtungskammer (Plasmakammer) einer Beschichtungsanlage angeschlossen, so dass in der Beschichtungskammer ein Plasma erzeugt werden kann. Die Auskopplung der MF-Leistung kann über einen Ausgangstransformator erfolgen, der für die galvanische Trennung vom Netz sorgt. Die Elektroden arbeiten bei einem MF-Anregungssystem abwechselnd als Anode und Kathode.
Insbesondere bei reaktiven Prozessen kommt es auch bei MF-Generatoren zu Überschlägen, die oft mit der nächsten Spannungsumkehr oder zumindest nach wenigen Perioden von selbst verlöschen, zu so genannten Micro-Arcs. Es können aber auch energiereichere und länger andauernde Arcs auftreten. Bisher wurden alle Arcs erkannt durch Überprüfen der Ausgangsspannung auf einen Spannungseinbruch oder durch Überprüfen des Ausgangsstroms auf einen Stromanstieg. Alternativ kann ein Arc an der Differenz zwischen den Strömen zu den einzelnen Elektroden erkannt werden.
Zur Arclöschung sind aktive oder passive Lösch-Schaltungen bekannt. Nachteilig daran ist jedoch, dass es sich um zusätzliche Baugruppen handelt, die mit entsprechenden Kosten, Platzbedarf und Gewicht verbunden sind. Ein weiteres Problem besteht darin, dass der Strom durch den Generator beim Auftreten eines Arcs nicht umgehend unterbrochen werden kann. Es vergeht eine gewisse Zeit bis zur Erkennung des Arczustands. Danach vergeht eine gewisse Zeit, bis Leistungsschalter zur Stromunterbrechung betätigt werden können, die für die Arclöschung sorgen. Weiterhin ist Energie in parasitären Elementen, wie beispielsweise Induktivitäten oder Kapazitäten, gespeichert, die im Arc-Stromkreis abgebaut werden muss, ehe der Strom so klein wird, dass der Arc verlischt. Diese Energiespeicher können im Generator selbst oder in den Elektrodenanschlussleitungen vorhanden sein.
Aus der der US 5,303,139 A ist es bekannt, über eine Schaltbrücke ein Plasma mit Wechselstrom zu versorgen. Es ist ein Stromsensor vorgesehen, mit dessen Hilfe die zeitliche Änderung des Stroms überwacht werden kann. Tritt ein hoher Strom auf, so wird derjenige Brückenzweig der Schaltbrücke, der gerade aktiv ist, abgeschaltet.
Wenn der Kurzschlussstrom nahezu 0A erreicht hat, wird der Normalbetrieb fortgesetzt.
Aus der DE 197 02 187 C2 ist es bekannt, Gleichstrompulse über eine Schaltbrücke einer Plasmakammer zuzuführen. Weiterhin ist es bekannt, Gleichstrompulse unterschiedlicher Polarität zuzuführen. Beim Erkennen einer Bogenentladung oder Betätigung der Schalter der Schaltbrücken kann ein vorzeitiger Polwechsel durchgeführt werden, indem die Einspeisung von Gleichstrompulsen in dem gegebenen Schaltzustand abgebrochen und eine Umkehr der Stromrichtung der Magnetronentladung bewirkt wird.
Aus der DE 42 02 425 A1 ist es bekannt, über eine an eine DC-Stromquelle angeschlossene Brückenschaltung eine Plasmakammer mit Leistung zu versorgen. Mittels einer Brückenschaltung kann ein Umpolprozess durchgeführt werden. Wenn ein Arc auftritt, wird die Plasmastrecke von der Spannungsquelle getrennt.
Die EP 0 564 789 A1 offenbart ein Verfahren zur Werkstückbehandlung in einer Vakuumatmosphäre. Diese Druckschrift spricht sich explizit gegen die Verwendung von AC-Generatoren aus. Es ist eine Arc-Detektionseinheit beschrieben, die an eine Vergleichseinheit angeschlossen ist, die auf ein einziges Schaltelement einwirkt, um einen Arc zu behandeln. Dadurch kann eingestellt werden, mit welcher Frequenz ein Schalter geschlossen und geöffnet wird, bzw. wie lange der Schalter geöffnet oder geschlossen wird.
Aus der EP 1 978 542 A1 ist es bekannt, nach Ablauf einer bestimmten Zeit nach Beendigung eines Bogenentladungslöschpulses erneut kurz zu pulsen. Die Zeit bis zu diesem erneuten kurzen Pulsen kann veränderlich eingestellt sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Plasmaversorgungseinrichtung bereitzustellen, mit denen bei geringem schaltungstechnischem Aufwand Arcs gelöscht werden können, sodass Beschädigungen der Plasmaversorgungseinrichtung vermieden werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch ist es nicht mehr nötig, über die Schaltelemente der Schaltbrücke hinaus zusätzliche Schaltelemente, wie Leistungsschalter, ausschließlich zur Arclöschung vorzusehen. Außerdem ist eine sehr schnelle Arclöschung möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren hat insbesondere Vorteile bei Plasmaanwendungen im Frequenzbereich von 10 bis 1000 kHz. Dadurch, dass die Schaltelemente der Schaltbrücke direkt angesteuert werden, kann ein Wechsel des Ausgangsstroms zwischen positiv, negativ und 0 sehr schnell, insbesondere innerhalb von 0,1 bis 10 ms, vorgenommen werden. Dies kann auch zu einem beliebigen Zeitpunkt geschehen. In einem Arclöschbetrieb kann am Ausgang der Schaltbrücke eine Spannungsumkehr erzeugt werden. Durch diese Maßnahme kann ein Arc besonders schnell gelöscht werden.
Weiterhin kann in einem Arclöschbetrieb zunächst ein vorgegebener Strom am Ausgang der Schaltbrücke für eine vorgegebene Zeit eingestellt werden und nach Ablauf der vorgegebenen Zeit eine Spannungsumkehr am Ausgang der Schaltbrücke erzeugt werden. Dabei kann der Strom eingestellt werden, indem er auf einen vor dem Auftreten des Arcs vorliegende Stromwert oder einen vorgegebenen Stromwert geregelt wird. Durch diese Vorgehensweise können die Arc-Energie und die Arc-Leistung eingestellt werden. Es gibt z. B. Prozesse, bei denen eine bestimmte Mindest-Arcenergie zum Wegbrennen von „Flakes” auf der Targetoberfläche benötigt wird.
Für den vorgegebenen Strom kann ein Stromwert fest vorgegeben werden oder es kann in Abhängigkeit von ermittelten Parametern des Plasmaprozesses vor dem Auftreten des Arcs ein Stromwert festgelegt werden. Diese Parameter können jeweils einzeln oder in einer beliebigen Kombination sein: maximaler oder mittlerer Strom, maximale oder mittlere Spannung, maximale oder mittlere Leistung, Druck, Gasfluss, Arc-Häufigkeit.
Nach einer vorgegebenen Zeit der Spannungsumkehr kann eine Ausgangsspannung der Schaltbrücke im Bereich von 0 V eingestellt werden. Eine Ausgangsspannung im Bereich von 0 V ist dabei vorzugsweise eine Spannung kleiner 1% der zuvor im arcfreien Betrieb anliegende Spitzenspannung, also < 0,01 U_max, arcfrei. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Arc definitiv gelöscht ist, ehe mit dem Normalbetrieb fortgefahren wird.
Um gezielt auf einen Arc reagieren zu können, können die Arcleistung, Arcenergie, Arcspannung, Arcstrom und/oder die Arcdauer erfasst werden. Dabei kann die erfasste Arcleistung, Arcenergie, Arcstrom, Arcspannung und/oder die erfasste Arcdauer mit einem Referenzwert verglichen werden und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses kann die Ansteuerung der Schaltelemente der Schaltbrücke zur Löschung des Arcs erfolgen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass bei Überschreiten der Arcleistung, Arcenergie, Arcstrom, Arcspannung oder der Arcdauer des jeweiligen Referenzwerts eine sofortige Arclöschung erfolgt und bei Unterschreiten des Referenzwertes zunächst eine Stromregelung durchgeführt wird, ehe eine Arclöschung, beispielsweise durch Umpolen der Ausgangsspannung, durchgeführt wird.
Nach erfolgter Arclöschung kann der Normalbetrieb mit der vor dem Arclöschbetrieb vorliegenden Polarität des Ausgangssignals, insbesondere der Ausgangsspannung der Schaltbrücke, oder mit umgekehrter Polarität fortgeführt werden. Dabei kann die für die Fortführung des Normalbetriebs eingestellte Polarität sprunghaft eingestellt oder mit einer Rampe angefahren werden. Durch diese Maßnahme kann ein Ausgleich der durch den Arc verursachten Asymmetrie der Leistungsverteilung innerhalb der Plasmakammer erfolgen. Weiterhin kann die durch Arcs auftretende Abweichung von der beabsichtigten Leistungsverteilung auf beide Ausgangselektroden durch eine Regelschleife eliminiert werden. Regelgröße der Regelschleife kann die gesamte Ausgangsleistung oder eine jedem Magnetron zugeordnete Leistung sein. In den meisten Fällen wird eine identische Leistungsabgabe für beide Magnetrons angestrebt (gleiche Targetmaterialien, gleiche Abnutzung), es gibt jedoch auch Anwendungen, bei denen die Leistung beider Magnetrons unabhängig voneinander einstellbar sein soll (ungleiche Targetmaterialien, Ausgleich von Asymmetrien). Die Regelschleife sorgt dafür, dass häufige Arcs auf nur einem Target nicht zu unerwünschter Asymmetrie führen.
Nach erfolgter Arclöschung und vor Fortführung des Normalbetriebs kann eine variable Pausenzeit von 0,1 μs bis 1000 ms vorgesehen werden. Wenn die Brückentransistoren zum Zweck der Arc-Löschung umgesteuert werden, dann dient das dazu, die im Prozess einschließlich Anschlussleitung gespeicherte Restenergie so schnell wie möglich abzubauen, d. h. den Arc-Strom auf Null abklingen zu lassen (z. B. durch Umpolung der Brücken-Ausgangsspannung). Eine Umkehr der Stromrichtung ist damit nicht beabsichtigt.
In Abhängigkeit des erfassten Zustands der Plasmalast wird eine Stromregelung, eine Leistungsregelung oder eine Spannungsregelung des Ausgangssignals der Schaltbrücke durchgeführt. Somit kann in Abhängigkeit des Zustands der Plasmalast die jeweils ideale Regelungsmethode verwendet werden. Bei erfasstem Zustand der Plasmalast „Zünden” erfolgt eine Spannungsregelung mit Strombegrenzung. Der Strom kann z. B. auf 1 bis 100 mA begrenzt werden. Wenn als Zustand der Plasmalast „Arc” erfasst wird, wird eine Stromregelung durchgeführt. Liegt dagegen ein gezündetes Plasma vor, kann eine Leistungs- oder Stromregelung durchgeführt werden. Es ist jedoch auch denkbar, eine Spannungsregelung durchzuführen.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Plasmaversorgungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Mit einer derartigen Plasmaversorgungseinrichtung kann der Lastzustand, insbesondere das Auftreten eines Arcs als Sonderfall des Lastzustands, sehr schnell und präzise erkannt werden. Eine Arclöschung kann durch schnelle Leistungsschalter als Schaltelemente der Schaltbrücke realisiert werden. Energiespeicher in der Plasmaversorgungseinrichtung können minimiert werden. Die Plasmaversorgungseinrichtung kann eine Regeleinrichtung zur Regelung des Ausgangssignals der Schaltbrücke aufweisen. Je nach Zustand der Plasmalast kann die Regeleinrichtung eine Regelung auf Strom, Spannung oder Leistung durchführen. Beispielsweise kann bei erkanntem Arc, also in einem Arclöschbetrieb, eine Stromregelung durchgeführt werden.
Um einen Arc gezielt und wirkungsvoll löschen zu können, kann eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Arcleistung, Arcenergie, Arcspannung, Arcstrom und/oder der Arcdauer vorgesehen sein.
Weiterhin kann ein Vergleicher zum Vergleich der erfassten Arcleistung, Arcenergie, Arcspanung, Arcstrom und/oder der erfassten Arcdauer mit einem Referenzwert vorgesehen sein. In Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs kann dann geeignet auf den Arc reagiert werden, indem die Schaltelemente der Schaltbrücke so angesteuert werden, dass der Arc möglichst schnell erlischt und die Plasmaversorgungseinrichtung keinen Schaden nimmt. Es kann ein Zeitglied zur Einstellung einer variablen Pausenzeit vorgesehen sein, die nach erfolgter Arclöschung abgewartet wird, ehe der Normalbetrieb fortgesetzt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass sich sofort nach Aufnahme des Normalbetriebs wieder ein Arc einstellt.
Die Wahrscheinlichkeit eines erneut auftretenden Arcs bei Fortführung des Normalbetriebs kann weiterhin dadurch reduziert werden, dass eine Strombegrenzungseinrichtung vorgesehen ist.
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 zeigen:
1a eine Plasmaversorgungseinrichtung;
1b ein beispielhaftes Ansteuerschema der Schaltelemente der Schaltbrücke der Plasmaversorgungseinrichtung;
2 Strom- und Spannungsverläufe für einen Plasmaprozess ohne Arc;
3 Strom- und Spannungsverläufe bei Auftreten eines Arcs und Arclöschung durch Umpolung;
4 Strom- und Spannungsverläufe bei Auftreten eines Arcs, Arclöschung durch Umpolung und anschließendes Einstellen von etwa 0 V, ehe der Normalbetrieb fortgesetzt wird;
5 Strom- und Spannungsverläufe bei Auftreten eines Arcs und Arclöschung, wobei zunächst ein Strom eingestellt wird, ehe der Arc gelöscht wird;
6 Strom- und Spannungsverläufe bei Auftreten eines Arcs und Arclöschung mit Stromregelung;
7 Strom- und Spannungsverläufe bei Auftreten eines Arcs und Arclöschung mit Stromregelung und einer Rampe;
8 ein Diagramm zur Darstellung der Ablaufsteuerung bei einer Arclöschung.
1a zeigt eine Plasmaversorgungseinrichtung 10 mit einer Gleichspannungsquelle 11, an die eine Schaltbrücke 12 angeschlossen ist. Die Schaltbrücke 12 umfasst vier schaltende Elemente U1 bis U4, die beispielsweise als MOSFETs ausgebildet sein können. Im Normalbetrieb erzeugt die Schaltbrücke 12 aus der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 11 ein Wechselsignal an den Ausgängen 13, 14 der Plasmaversorgungseinrichtung. Die Ausgänge 13, 14 der Plasmaversorgungseinrichtung 10 sind ohne Zwischenschaltung weiterer Elemente, insbesondere ohne Zwischenschaltung eines Schwingkreises, an die Schaltbrücke 12 angeschlossen.
An die Ausgänge 13, 14 der Plasmaversorgungseinrichtung 10 wiederum sind Elektroden 15, 16 einer Plasmakammer 17 angeschlossen.
Über eine Lastzustandsüberwachungseinrichtung 18 kann der Zustand der Last, hier eines Plasmas, in der Plasmakammer 17, überwacht werden. In der 1a ist die Lastzustandsüberwachungseinrichtung 18 als Bestandteil der Plasmaversorgungseinrichtung 10 eingezeichnet. In diesem Fall wird beispielsweise der Strom i(t) überwacht. Es ist jedoch auch denkbar, eine Lastzustandsüberwachungseinrichtung im Bereich der Plasmakammer 17 vorzusehen, um beispielsweise die Temperatur oder Strahlung des Plasmas zu erfassen.
Die Lastzustandsüberwachungseinrichtung 18 steht mit einem Ansteuersignalerzeuger 19 in Verbindung, der Ansteuersignale für die Schaltelemente U1 bis U4 erzeugt und dadurch steuert, wann die Schaltelemente U1 bis U4 geschlossen bzw. geöffnet sind. Insbesondere können durch den Ansteuersignalerzeuger 19 die Schaltelemente U1 bis U4 in einem Arcbetrieb, also nachdem ein Arczustand erfasst wurde, so angesteuert werden, dass der Arc in der Plasmakammer 17 erlischt.
Eine Regeleinrichtung 20 ist zur Regelung des Ausgangssignals der Schaltbrücke 12 vorgesehen. Vorzugsweise kann die Regeleinrichtung 20 Bestandteil des Ansteuersignalerzeugers 19 sein. Es kann sich jedoch auch um eine separate Einrichtung handeln, die mit dem Ansteuersignalerzeuger 19 in Verbindung steht. Eine Erfassungseinrichtung 21 zur Erfassung des Arcstroms, der Arcspannung, Arcleistung, Arcenergie und/oder der Arcdauer kann weiterhin vorgesehen sein. Im Ausführungsbeispiel ist diese Erfassungseinrichtung 21 als Bestandteil der Lastzustandsüberwachungseinrichtung 18 eingezeichnet. Die Erfassungseinrichtung 21 könnte jedoch auch als separate Einheit ausgebildet sein.
Ein Vergleicher 22 dient dem Vergleich des erfassten Arcstroms, der Arcspannung, Arcleistung, Arcenergie oder der erfassten Arcdauer mit einem Referenzwert. Auch dieser Vergleicher 22 ist im Ausführungsbeispiel als Bestandteil der Lastzustandsüberwachungseinrichtung 18 eingezeichnet.
Ein Zeitglied 23 ist vorgesehen, um eine Pausenzeit einstellen zu können, die nach erfolgter Arclöschung abgewartet wird, ehe der Normalbetrieb fortgesetzt wird. Dieses Zeitglied 23 ist im Ausführungsbeispiel Bestandteil des Ansteuersignalerzeugers 19. Weiterhin ist eine Strombegrenzungseinrichtung 24 vorgesehen, durch die der Strom i(t) begrenzt wird. Dies erfolgt wiederum über geeignete Einstellung der Ansteuersignale, so dass die Strombegrenzungseinrichtung 24 bevorzugt Bestandteil des Ansteuersignalerzeugers 19 ist.
Der Strom kann auch begrenzt werden durch Ansteuerung des Schalters U5, der zusammen mit D1 und L1/L2 eine Spannungs- und/oder Stromeinstellung ermöglicht.
In der 1b ist beispielhaft ein Steuerschema dargestellt. Insbesondere ist der Strom i(t) als Ausgangssignal der Schaltbrücke 12 dargestellt. Die schraffierten Flächen bedeuten, dass die entsprechenden Schaltelemente U1 bis U4 eingeschaltet sind. Der Strom i₁ stellt sich beispielsweise ein, wenn die Schaltelemente U1 und U4 eingeschaltet (geschlossen) sind und die Schaltelemente U2, U3 ausgeschaltet (geöffnet) sind. Der Strom i(t) fließt somit vom positiven Potential der Gleichstromquelle 11 über das Schaltelement U1, die Elektrode 15, die Elektrode 16, das Schaltelement U4 zurück zum negativen Potenzial der Gleichstromquelle 11. Der Strom i₂, also 0 A, stellt sich ein, wenn sämtliche Schaltelemente U1 bis U4 eingeschaltet sind. Der Strom i₃ stellt sich ein, wenn die Schaltelemente U2, U3 eingeschaltet und die Schaltelemente U1, U4 ausgeschaltet, d. h. geöffnet, sind. Dies bedeutet, dass der Strom i(t) vom positiven Potenzial der Gleichstromversorgung 11 über die das Schaltelement U3, die Elektrode 16, die Elektrode 15, das Schaltelement U2 zurück zum negativen Potenzial der Gleichstromversorgung 11 fließt.
In der 2 ist der Ausgangsstrom i(t) der Schaltbrücke 12 dargestellt. Darunter ist die Spannung v(t) zwischen den Ausgangsanschlüssen 13, 14 dargestellt. Die Strom- bzw. Spannungsverläufe der 2 entsprechen einem Plasmaprozess, bei dem kein Arc auftritt.
In der 3 sind wiederum der Strom- und der Spannungsverlauf gezeigt. Allerdings tritt in diesem Fall an der Stelle 30 ein Arc auf. Auf den Arc wird reagiert, indem die Spannung v(t) umgepolt wird. Die Umpolung wird während der Zeit Δt₁ aufrechterhalten, die etwa der Zeit Δt₂ entspricht, d. h. der Zeitdauer des negativen Stroms unmittelbar vor Auftreten des Arcs an der Stelle 30. Dadurch wird eine Symmetrie hergestellt, sodass die beiden Elektroden 15, 16 gleichmäßig abgenutzt werden.
In 3 ist z. B. dargestellt, wie der Prozess durch sofortiges Umpolen auf dem anderen Target (Elektrode) unmittelbar fortgesetzt wird. Wenn der Arc in dieser Zeit (während die umgekehrte Polarität aktiv ist) verlischt, resultiert aus dem Löschvorgang keine Prozessunterbrechung. Allerdings kann es sein, dass die Löschzeit (Zeitdauer bis zum erneuten Polaritätswechsel) nicht ausreicht und der Arc erneut gezündet wird. Bei Prozessen, die zu einem solchen Verhalten neigen, kann es sinnvoll sein, eine zusätzliche variable Pausenzeit Δt₅ einzufügen, wie dies in der 4 dargestellt ist. Für die Pausenzeit Δt₅ wird nach der vorgegebenen Zeit Δt₁ für die Spannungsumkehr eine Spannung im Bereich von 0 V eingestellt, ehe der Normalbetrieb wieder aufgenommen wird.
In der 5 sind wiederum Strom- und Spannungsverläufe dargestellt, wobei an der Stelle 30 ein Arc auftritt. In diesem Fall werden die Spannung v(t) zunächst auf einen Wert im Bereich von 0 V und der Strom i(t) zunächst auf einen Wert im Bereich von 0 A eingestellt, ehe eine zur Arclöschung führende Umpolung erfolgt. Dies bedeutet, dass während der Zeit Δt₃ abgewartet wurde, ehe eine Umpolung erfolgte. Die Zeitdauer der Umpolung Δt₁ entspricht wiederum etwa der Zeit Δt₂. Die Zeitdauer Δt₁ könnte auch länger gemacht werden, um den Arc sicher zu löschen.
In der 6 sind wiederum Strom- und Spannungsverläufe gezeigt, wobei an der Stelle 30 wiederum ein Arc auftritt. Als Reaktion auf den Arc erfolgt zunächst eine Stromregelung während des Zeitintervalls Δt₄. Dies bedeutet, dass der Strom i(t) auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird, in diesem Fall auf den Stromwert vor Auftreten des Arcs. Die Spannung v(t) nimmt währenddessen einen geringen negativen Wert ein. Anschließend wird während der Zeit Δt₃ eine Spannung im Bereich von 0 V und ein Strom im Bereich von 0 A eingestellt, ehe eine Spannungsumkehr während des Zeitintervalls Δt₁ erfolgt. Die Zeitspanne Δt₁ könnte auch verlängert werden, um den Arc sicher zu löschen.
Beide Elektroden sind räumlich getrennte Magnetrons. Im „Normalbetrieb”, d. h. arcfreien Betrieb, liegen an beiden Elektroden abwechselnd unterschiedliche Potentiale. Es erfolgt also eine periodische Umpolung an jeder Elektrode. Damit die Targets an beiden Elektroden gleichmäßig verbraucht werden, werden gleiche Potentiale an beide Elektroden vorzugsweise immer gleich lang angelegt. Die Umpolung zur Löschung eines Arcs kann länger oder kürzer sein als die Zeitdauer des Umpolens im Normalbetrieb. Somit kann das arcbedingte Umpolen zu einem ungleichmäßigen Abtrag der Targets der Elektroden führen. Dieser Effekt tritt besonders deutlich auf, wenn Arcs immer an derselben Elektrode auftreten. Um diesen Effekt auszugleichen, kann ein Symmetrieausgleich erfolgen, indem nach der Arclöschung darauf geachtet wird, dass die kürzere oder längere Umpolung kompensiert wird, so dass an beiden Elektroden derselbe Materialabtrag erfolgt. Ein Symmetrieausgleich kann dann in den der Arclöschung folgenden Pulsen (Umpolungen) erfolgen, z. B. indem die Länge eines Pulses angepasst wird, oder indem der erforderliche Zeitausgleich auf mehrere Pulse aufgeteilt wird, die dann individuell nur um eine kürzere Zeit verlängert oder verkürzt werden.
In der 7 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, welches dem der 6 ähnlich ist. Der Unterschied liegt darin, dass im Zeitintervall Δt₁ der Stromwert, mit dem der Normalbetrieb fortgesetzt werden soll, gemäß einer Rampe angefahren wird und der Wert nicht sprunghaft angenommen wird.
In den 5–7 sind somit im Unterschied zu den 3, 4 Fälle dargestellt, bei denen die Spannung zur Arc-Löschung auf Null (0 V) gesteuert wird.
In der 8 ist schematisch eine Ablaufsteuerung der Arclöschung gezeigt. In einem Plasma 40 kann ein Arc 41 auftreten. Bei kleinen Arcs kann der Arc von selbst erlöschen, was durch den gestrichelten Pfeil 42 angedeutet ist. Danach befindet sich das Plasma 40 wiederum im Normalzustand. Wird jedoch ein Arc 41 erkannt, der nicht von selbst erlischt, so kann sobald der Arczustand eingetreten ist, der Ausgangsstrom i(t) geregelt werden. Dabei kann der Strom auf den vor dem Arceintritt anliegenden Wert geregelt werden oder auf einen anderen vorgegebenen Wert. Die Stromregelung ist durch den Pfeil 43 angedeutet. Weiterhin wird bei Erkennen eines nicht selbst verlöschenden Arcs die Arcenergie und/oder die Arcdauer erfasst. Sobald die Soll-Arcenergie bzw. das Lastintegral I². t_Arcdauer oder die Soll-Arcdauer erreicht sind, wird der Arc gelöscht. Es kann entweder eine sofortige Löschung, um den Arc schnellstmöglich und mit dem kleinstmöglichen Energieeintrag zu löschen, oder eine Stromregelung durchgeführt werden. Danach erfolgt schnellstmöglich die Arclöschung in vorgegebener Art und Weise, insbesondere, indem die Ausgangsspannung v(t) umgepolt wird. Die Umpolung kann erfolgen, nachdem der Strom für eine vorgegebene Zeit im Bereich von 0 A gehalten wurde. Dann tritt der Zustand 44 ein, dass der Arc gelöscht ist. Danach kann eine Wiederherstellung der Plasmaentladung nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit, z. B. Δt₃, 6, erfolgen. Der Strom zur Fortführung des Normalbetriebs kann mit oder ohne Rampe angefahren werden.

Claims

Verfahren zur Leistungsversorgung einer Plasmalast, bei dem in einem Normalbetrieb aus einer Gleichspannung ein Wechselsignal mit Hilfe einer Schaltbrücke (12) erzeugt wird, das erzeugte Wechselsignal unmittelbar ohne Zwischenschaltung eines Schwingkreises an die Plasmalast geliefert wird und eine Zustandsüberwachung der Plasmalast erfolgt und bei Erkennen eines Arcs ein Arclöschbetrieb durchgeführt wird, wobei der Arc ausschließlich durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente (U1–U4) der Schaltbrücke (12) gelöscht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des erfassten Zustands der Plasmalast eine Stromregelung, eine Leistungsregelung oder eine Spannungsregelung des Ausgangssignals der Schaltbrücke (12) durchgeführt wird, wobei bei erfasstem Zustand der Plasmalast 'Zünden' eine Spannungsregelung mit Strombegrenzung erfolgt und bei erfasstem Zustand der Plasmalast 'Arc' eine Stromregelung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Arclöschbetrieb am Ausgang der Schaltbrücke (12) eine Spannungsumkehr erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Arclöschbetrieb zunächst ein vorgegebener Strom am Ausgang der Schaltbrücke (12) für eine vorgegebenen Zeit eingestellt wird und nach Ablauf der vorgegebenen Zeit eine Spannungsumkehr am Ausgang der Schaltbrücke (12) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom eingestellt wird, indem er auf einen vor dem Auftreten des Arcs vorliegenden Stromwert oder einen vorgegebenen Stromwert geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorgegebenen Zeit der Spannungsumkehr eine Ausgangsspannung der Schaltbrücke (12) im Bereich von 0 V eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arcleistung, Arcenergie, Arcspannung, der Arcstrom und/oder die Arcdauer erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Arcleistung, Arcenergie oder die erfasste Arcdauer mit einem Referenzwert verglichen wird und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses die Ansteuerung der Schaltelemente (U1–U4) der Schaltbrücke (12) zur Löschung des Arcs erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Arclöschung der Normalbetrieb mit der vor dem Arclöschbetrieb vorliegenden Polarität des Ausgangssignals der Schaltbrücke (12) oder mit umgekehrter Polarität fortgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Fortführung des Normalbetriebs eingestellte Polarität sprunghaft eingestellt wird oder mit einer Rampe angefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Arclöschung und vor Fortführung des Normalbetriebs eine variable Pausenzeit (Δt₅) von 0,1 μs bis 1000 ms vorgesehen wird.
Plasmaversorgungseinrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer an eine Gleichspannung angeschlossenen in einem Normalbetrieb ein Wechselsignal erzeugenden Schaltbrücke (12), deren Ausgänge ohne Zwischenschaltung eines Schwingkreises mit Leistungsausgängen (13, 14) der Plasmaversorgungseinrichtung (10) verbunden sind, und mit einer Lastzustandsüberwachungseinrichtung (18), wobei ein mit der Lastzustandsüberwachungseinrichtung (18) in Verbindung stehender Ansteuersignalerzeuger (19) vorgesehen ist, der Schaltelemente (U1–U4) der Schaltbrücke (12) in einem Arcbetrieb zur Löschung des Arcs ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung (20) zur Regelung des Ausgangssignals der Schaltbrücke (12) vorgesehen ist, wobei die Regeleinrichtung (20) eingerichtet ist, bei erfasstem Zustand der Plasmalast 'Zünden' eine Spannungsregelung mit Strombegrenzung und bei erfasstem Zustand der Plasmalast 'Arc' eine Stromregelung durchzuführen.
Plasmaversorgungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassungseinrichtung (21) zur Erfassung der Arcleistung, Arcenergie, Arcspannung, des Arcstroms und/oder der Arcdauer vorgesehen ist.
Plasmaversorgungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleicher (22) zum Vergleich der erfassten Arcleistung, Arcenergie, Arcspannung, Arcstrom und/oder der erfassten Arcdauer mit einem Referenzwert vorgesehen ist.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitglied (23) zur Einstellung einer variablen Pausenzeit (Δt₅) vorgesehen ist, die nach erfolgter Arclöschung abgewartet wird, ehe der Normalbetrieb fortgesetzt wird.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strombegrenzungseinrichtung (24) vorgesehen ist.