DE102009046754A1

DE102009046754A1 - Verfahren zum Betrieb einer Plasmaversorgungseinrichtung

Info

Publication number: DE102009046754A1
Application number: DE102009046754A
Authority: DE
Inventors: Daniel Krausse; Thomas Pohl; Kenneth Brimfield Lind
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2011-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Plasmaversorgungseinrichtung (1) mit den Verfahrensschritten: a) Erzeugen einer Hochfrequenzleistung P b) Liefern der Hochfrequenzleistung Pan eine Plasmakammer (50) oder einen Laserresonator c) Erfassen oder Ermitteln zumindest einer mit der von der Plasmakammer (50) oder dem Laserresonator reflektierten Leistung Pin Beziehung stehenden Überwachungsgröße d) Verarbeitung der Überwachungsgröße(n) e) Steuern der Plasmaversorgungseinrichtung (1) in Abhängigkeit von dem Verarbeitungsergebnis dadurch gekennzeichnet, dass f) die Verfahrensschritte a)-e) durchgeführt werden, ehe in der Plasmakammer (50) oder dem Laserresonator eine stationäre Glimmentladung vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Plasmaversorgungseinrichtung mit den Verfahrensschritten:

a) Erzeugen einer Hochfrequenzleistung P_i
b) Liefern der Hochfrequenzleistung an eine Plasmaklammer oder einen Laserresonator
c) Erfassen oder Ermitteln zumindest einer mit der von der Plasmakammer oder dem Laserresonator reflektierten Leistung P_r in Beziehung stehenden Überwachungsgröße
d) Verarbeitung der Überwachungsgröße(n)
e) Steuern der Plasmaversorgungseinrichtung in Abhängigkeit von dem Verarbeitungsergebnis.

Industrielle Plasmaprozesse dienen zum Beschichten oder Ätzen von Oberflächen sowie zum Betrieb von Gaslasern.
Bei einem Plasma handelt es sich um ein Gas, bei dem ein Teil ionisiert ist. In der industriellen Anwendung wird dazu einem Gas, das bei den meisten Anwendungen unter geringem Druck in einer Kammer (Plasmakammer oder Laserresonator) eingeschlossen ist, elektrische Leistung zugeführt. Gasionen und Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt und ionisieren durch Stöße weitere Gasatome oder -moleküle. Unterhalb einer bestimmten zugeführten Energie werden im Mittel weniger Gasteilchen durch Stoßionisation angeregt als positive Ionen mit Elektronen (bzw. in Spezialfällen positiven Ionen negativen Ionen) rekombinieren. Die trotzdem durch zufällige Ionen und Sekundärionen stattfindende Entladung heißt Townsend-Entladung. Erhöht man die anliegende Spannung über eine Zündspannung, wird die Stoßionisation selbsterhaltend; es werden mindestens genauso viele Ionen gebildet wie durch Rekombination verloren gehen. Diesen für industrielle Plasmaprozesse erwünschten Zustand bezeichnet man als Glimmentladung.
Der Start der selbsterhaltenden Glimmentladung nach Erreichen oder Überschreiten der Zündspannung ist statistisch verzögert. Die Zündverzögerung wird kürzer bei einer höheren anliegenden Spannung oder durch künstliche Erhöhung der normalerweise nur wenigen natürlich vorhandenen Gasionen, beispielsweise durch Vorionisation mit Radioaktivität oder Licht oder durch Ionenreste einer vorhergehenden Glimmentladung.
Bei lokalen Inhomogenitäten von Gas oder Elektronen oder bei weiterer Erhöhung der eingebrachten elektrischen Leistung kann eine Bogenentladung (Arc) entstehen. Die Entladung ist auf Kanäle lokalisiert, in denen hohe Temperaturen und hohe Ionisationsdichte durch thermische Ionisation herrschen. Zu ihrer Aufrechterhaltung ist nur eine geringe Spannung erforderlich. Solche Bogenentladungen sind bei industriellen Plasmaprozessen im Allgemeinen unerwünscht, denn sie können zur Zerstörung des zu bearbeitenden Werkstücks, der Plasmakammer, der HF-Leistungsquelle oder des Laserresonators führen. Sie müssen schnell erkannt und z. B. durch Unterbrechung der Leistungszufuhr gelöscht werden.
Bisherige Überwachungen von Anomalitäten industrieller HF-Plasmaprozesse (Hochfrequenz-Plasmaprozesse) bezogen sich im Wesentlichen auf die Erkennung dieser Bogenentladungen während des normalen, stationären Prozesses, das heißt im Zustand der Glimmentladung.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf Plasmen, die entweder ausschließlich oder teilweise durch Hochfrequenz, insbesondere Signale mit einer Frequenz ≥ 1 MHz, angeregt werden. Übliche Frequenzen für die Plasmaanregung sind 13,56 MHz, 27,12 MHz, 40,68 MHz, 162,72 MHz und 433,92 MHz für Bearbeitungsplasma oder Plasma für Gas-Laser, insbesondere CO₂-Laser.
Während der Plasmaanwendung bzw. während des Laserbetriebs kann das zu ionisierende Gas entweder stationär im Entladungsraum verbleiben oder umgepumpt oder erneuert werden. Nicht-gasdurchströmte Plasmaprozesse bzw. Laser neigen auf Grund ihrer inhomogeneren Gasverteilung innerhalb des Entladungsgebietes auch bei HF-Betrieb leichter zu Überschlägen (Arcs) als gasdurchströmte (flow-through, gas flow) Prozesskammern bzw. Laser. Diese Überschläge können die Plasmaanlage und das Bearbeitungsgut bzw. den Laser, insbesondere seine Spiegel, beschädigen.
Die Impedanz einer Glimmentladung wird im Wesentlichen durch die Elektronenwolke bestimmt, die sich fast wie in einem Metall frei bewegen kann. Da bei höherem Leistungseintrag mehr Elektronen durch Stoßionisation zur Verfügung stehen, kann die Impedanz in manchen Bereichen negativ werden; das heißt, je mehr Strom durch das Plasma fließt, desto mehr Elektronen stehen für die Leitung zur Verfügung und desto geringer ist der Spannungsabfall.
Um die Hochfrequenzleistung der HF-Leistungsquelle voll ausnutzen zu können, muss die elektrische Impedanz der Plasmalast an die Impedanz der HF-Leistungsquelle angepasst sein, wozu eine fest eingestellte oder variable Impedanzanpassungsschaltung (matchbox) vorhanden sein kann.
Zur Erkennung von Bogenentladungen wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich mit Bildung der Bogenentladung die Impedanz der Plasmalast schlagartig ändert und damit die reflektierte Leistung stark zunimmt. Beispiele sind ( US 2007/0121267 A1 ).
Ebenso kann zur Bestimmung, ob das Plasma gezündet hat, der Sprung in reflektierter Leistung oder Impedanz ausgenutzt werden, wie dies in der US 5,982,099 beschrieben ist.
Zwar wird die Tatsache der Zündung bestimmt und später eine mögliche Bogenentladung detektiert, der Zeitbereich des Zündvorgangs an sich ist jedoch unerschlossen. Auch Bogenentladungen in diesem Zeitbereich können zu Schäden oder kompletter Zerstörung der Plasmaversorgungseinrichtung, insbesondere deren HF-Leistungsquelle, des Laserresonators, der Plasmakammer oder eines Werkstücks in der Plasmakammer führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen ein besserer Schutz einer Plasmaversorgungseinrichtung und eines Gaslaser bzw. einer Plasmakammer mit Werkstücken erreicht werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, wobei die eingangs genannten Verfahrensschritte durchgeführt werden, ehe in der Plasmakammer oder dem Laserresonator eine stationäre Glimmentladung vorhanden ist.
Somit können bereits während des Zündvorgangs Bogenentladungen erkannt werden. Schäden und Zerstörungen der Plasmaversorgungseinrichtung bzw. der Plasmakammer oder eines Werkstücks können durch frühzeitiges Erkennen von Bogenentladungen und Einleiten von entsprechenden Gegenmaßnahmen wirksam vermieden werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere eine sehr schnelle und frühzeitige Detektion von Bogenentladungen in der Plasmakammer möglich.
Als Überwachungsgröße(n) wird vorzugsweise die reflektierte Leistung P_r, das Verhältnis von reflektierter Leistung und Hochfrequenzleistung P_r/P_i, P_r/(P_i – P_r), die HF-Spannung, der HF-Strom, der Reflexionsfaktor Γ, und/oder die zeitliche Ableitung der vorgenannten Größen erfasst oder ermittelt. Durch Beobachten bzw. Verarbeitung einer oder mehrerer dieser Größen können genaue Informationen über den Zündvorgang erhalten werden. Bei einer Abweichung von einem erwarteten Verlauf des Zündvorgangs kann sehr schnell reagiert werden.
Während die Überwachung der stationären Glimmentladung nur Abweichungen von einem zumindest quasistationären Zustand erfordert, sind die zu beobachtenden und zu untersuchenden Abläufe während des Zündvorgangs sehr viel schneller und komplexer; es gibt vom Zeitpunkt des Anlegens der Spannung bis zur Ausbildung der stationären Glimmentladung viele verschiedene Zustände mit unterschiedlichen Charakteristiken, von denen eine beginnende Bogenentladung sicher unterschieden werden muss.
Die Verarbeitung der Überwachungsgröße umfasst beispielsweise den Vergleich mit einem festen oder variablen Referenzwert. Die Verarbeitung kann außerdem die Verknüpfung von Überwachungsgrößen oder die Bildung der Ableitung der Überwachungsgröße(n), bzw. die Analyse von Überwachungsgröße(n) umfassen. Der Beginn einer Aufbauphase der Glimmentladung kann bestimmt werden, indem überwacht wird, wann die Überwachungsgröße ein vorgegebenes Verhalten zeigt. Wenn als Überwachungsgröße die reflektierte Leistung P_r beobachtet wird, dann wird erwartet, dass diese zunächst steigt. Wenn die reflektierte Leistung P_r zum ersten Mal sinkt, kann dies als Indiz für den Start der Aufbauphase betrachtet werden. Es versteht sich, dass auch die mit der reflektierten Leistung in Beziehung stehenden Größen ein erwartetes Verhalten in Vorbereitung einer Glimmentladung zeigen. Weicht die Überwachungsgröße von dem erwarteten Verhalten ab, so kann dies auf Störungen in der Plasmaversorgungseinrichtung oder der Plasmakammer hindeuten und können entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Auch das Erreichen einer vorgegebenen Leistung oder Spannung kann als Indiz für den Beginn der Aufbauphase dienen.
Die Bestimmung der Aufbauphase kann nach Ablauf einer vorgegebenen ersten Zeit nach Beginn des Lieferns der Hochfrequenzleistung beginnen. Zunächst wird die Überwachungsgröße somit nicht detektiert und überwacht. Dies erlaubt es, den nichtlinearen Einschaltvorgang aus der Detektion auszublenden und falsche Fehlermeldungen auszuschließen.
Weiterhin ist denkbar, dass der Beginn der Aufbauphase nach einer vorgegebenen zweiten Zeit nach Beginn des Lieferns der Hochfrequenzleistung angenommen wird. Diese Vorgehensweise erübrigt das Überwachen der Überwachungsgröße zum Bestimmen des Beginns der Aufbauphase. In der Regel bestehen Erfahrungswerte, wie lang es dauert, bis eine Aufbauphase nach Beginn der Leistungslieferung beginnt. Ausgehend von diesen Erfahrungswerten kann eine zweite Zeit vorgegeben werden.
Vorteilhafterweise wird überwacht, ob die Überwachungsgröße, insbesondere während einer Aufbauphase, einen ersten auf eine Bogenentladung hinweisenden Referenzwert passiert. Beispielsweise wird erwartet, dass die reflektierte Leistung nach Beginn der Aufbauphase stetig sinkt. Würde ein Überschlag bzw. eine Bogenentladung während der Aufbauphase auftreten, würde sich dies durch den Anstieg der reflektierten Leistung P_r zeigen. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Referenzwert so gewählt wird, dass ein geringfügiges Ansteigen der reflektierten Leistung P_r toleriert wird und erst bei einem stärkeren Ansteigen von P_r ein Überschlag detektiert wird. Tritt ein solcher Fall auf, können Gegenmaßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann die Leistungslieferung zur Plasmakammer bzw. zum Laserresonator unterbrochen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste Referenzwert variabel ist und nachgeführt wird. Wird beispielsweise die reflektierte Leistung überwacht, so wird erwartet, dass diese während der Aufbauphase sinkt. Wird nun ein konstanter Referenzwert verwendet, so würde gegen Ende der Aufbauphase ein relativ starkes Ansteigen der reflektierten Leistung möglicherweise nicht als Indiz für eine Bogenentladung erkannt. Wird dagegen der Referenzwert nachgeführt, kann eine Bogenentladung schneller und zuverlässiger erkannt werden. Wird als Überwachungsgröße jedoch eine zeitliche Ableitung einer Größe verwendet, ist es vorteilhaft, einen konstanten ersten Referenzwert zu verwenden. Der konstante Referenzwert kann positiv sein, was bedeutet, dass eine bestimmte Leistung bzw. Leistungs-Fluktuation erlaubt ist, er kann Null sein, was bedeutet, dass eine Abnahme bzw. Stillstand der Aufbauphase erlaubt ist oder er kann negativ sein, was bedeutet, dass eine bestimmte Mindestdynamik der Aufbauphase erforderlich ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste Referenzwert in Abhängigkeit der Überwachungsgröße variiert wird. Somit kann sichergestellt werden, dass beispielsweise bei Überwachung der reflektierten Leistung, der Referenzwert an den Momentanwert der Überwachungsgröße korrekt angepasst ist, so dass eine Bogenentladung schnell und zuverlässig erkannt werden kann.
Bei detektiertem Passieren des ersten Referenzwerts kann eine Leistungszufuhr zur Plasmakammer oder zum Laserresonator unterbunden oder geregelt werden. Beispielsweise kann die HF-Leistungsquelle abgeschaltet werden. Weiterhin ist es denkbar, dass ein Schalter in der Verbindung zwischen HF-Leistungsquelle und Plasmakammer bzw. Laserresonator geöffnet wird, um dadurch die Leistungszufuhr zu unterbinden. Weiterhin ist es denkbar, dass ein Impedanzanpassungsnetzwerk, welches zwischen der HF-Leistungsquelle und der Kammer angeordnet ist, verstimmt wird, so dass keine Leistung mehr in die Plasmakammer geliefert werden kann. Die Impedanzanpassungsschaltung kann beispielsweise PIN-Diodenschalter umfassen. Zudem ist es denkbar, absorbierende Filter zuzuschalten, die Energie auf der Grundwelle und/oder Oberwellenenergie entziehen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass überwacht wird, ob die Überwachungsgröße nach dem bestimmten oder angenommenen Beginn der Aufbauphase einen zweiten, auf eine stationäre Glimmentladung hinweisenden Referenzwert passiert. Fällt beispielsweise die reflektierte Leistung P_r unter einen bestimmten Referenzwert, wird angenommen, dass eine normale, stationäre, bestimmungsgemäße Glimmentladung vorliegt. Im Anschluss daran kann eine herkömmliche Arc-Detektion durchgeführt werden. Außerdem kann dadurch erfasst werden, dass tatsächlich ein Zünden einer Glimmentladung stattgefunden hat und der Zündprozess ordnungsgemäß abgelaufen ist. Wird dagegen der zweite Referenzwert nicht erreicht, so kann festgestellt werden, dass der Zündprozess nicht ordnungsgemäß abgelaufen ist. In diesem Fall kann der Zündvorgang abgebrochen werden, eine Fehlersuche beginnen und/oder der Zündvorgang erneut eingeleitet werden.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn überwacht wird, ob der zweite Referenzwert innerhalb einer vorgegebenen Zeit seit Beginn der Aufbauphase oder seit Beginn der Leistungszufuhr passiert wird.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Hochfrequenzleistung P_i und/oder die reflektierte Leistung P_r erfasst werden und ihnen jeweils eine Spannung mit vorgegebener maximaler Amplitude zugeordnet wird. Durch diese Normierung bzw. Zuordnung kann die Bogenentladungsdetektion für alle Leistungsklassen eines Generators angewendet werden. Die maximale Amplitude des Spannungssignals stellt dabei stets die maximale Leistung dar. Diese Spannung kann als Überwachungsgröße dienen.
Die Überwachungsgröße oder eine Messgröße, aus der die Überwachungsgröße ermittelt wird, kann vor der Verarbeitung digitalisiert und/oder linearisiert werden. Dadurch ist es möglich, eine digitale Signalverarbeitung durchzuführen. Auch ein Vergleich mit Referenzwerten oder anderen Größen ist besonders einfach möglich. Die Normierung kann entweder vor der Digitalisierung durch Schaltungsmaßnahmen oder nach der Digitalisierung durch Multiplikation erfolgen.
Die Verarbeitung kann in einer digitalen Baugruppe erfolgen, die mit einer Taktrate betrieben wird, die höher liegt, als die Dauer der Aufbauphase. Die digitale Baugruppe ist vorzugsweise zur Bearbeitung (Linearisierung, Bilden der Ableitung) und/oder der Auswertung (Vergleich mit Referenzwerten, Ermitteln von variablen Referenzwerten, Zusammenführen von Signalen vor der Entscheidung, ob eine Bogenentladung vorliegt, oder Zusammenführung von Vorentscheidungen vor der Entscheidung) geeignet. Je höher die Taktrate ist, desto genauer können die Vorgänge analysiert werden, desto schneller kann eine Bogenentladung erkannt werden und können Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Wie bereits erwähnt, kann auch nach dem Eintreten der stationären Glimmentladung die Verarbeitung der Überwachungsgröße fortgeführt werden.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Plasmaversorgungseinrichtung mit einer HF-Leistungsquelle zur Erzeugung einer Hochfrequenzleistung P_i, Mitteln zum Liefern der erzeugten Hochfrequenzleistung P_i an eine Plasmakammer oder einen Laserresonator, einer Erfassungsanordnung zur Erfassung einer mit der von der Plasmakammer oder dem Laserresonator reflektierten Leistung P_r in Beziehung stehenden Überwachungsgröße, sowie einer mit der Erfassungsanordnung in Verbindung stehenden Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, die Überwachungsgröße vor dem Vorhandensein einer stationären Glimmentladung zu analysieren.
Eine besonders einfache Messwerterfassung ergibt sich, wenn die Erfassungsanordnung einen Richtkoppler und einen Hüllkurvendetektor umfasst, der mit P_i und P_r in Beziehung stehende Signale ausgibt. Beispielsweise können Spannungen als mit P_i und P_r in Beziehung stehende Signale ausgegeben werden. Diese können besonders einfach weiterverarbeitet werden.
Die Steuereinrichtung kann eine digitale Baugruppe und einen A/D und/oder D/A-Wandler zur Umwandlung der Signale umfassen. Die digitale Baugruppe kann als DSP oder FPGA ausgebildet sein oder solche enthalten.
In der Steuereinrichtung kann eine Tabelle vorhanden sein, in der Parameter und/oder Referenzwerte abgelegt sind. Die Steuereinrichtung kann eine Referenzwertermittlungseinheit umfassen, die in Abhängigkeit der erfassten Überwachungsgröße(n) einen auf eine Bogenentladung hinweisenden Referenzwert ermitteln. Die Mittel zum Liefern der Hochfrequenzleistung können ein Impedanzanpassungsnetzwerk umfassen, welches durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der Verarbeitung der Überwachungsgröße(n) angesteuert ist. Beispielsweise kann das Impedanzanpassungsnetzwerk bei Auftreten einer Bogenentladung so verstimmt werden, dass keine weitere Leistung in die Plasmakammer geliefert wird, so dass eine die Bogenentladung speisende Leistungszufuhr vermieden wird. Die Bogenentladung erlischt in diesem Fall.
Die Mittel zum Liefern der Hochfrequenzleistung können ein dissipatives Filter umfassen, welches durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der Analyse der Überwachungsgröße angesteuert oder zuschaltbar ist. Durch ein dissipatives Filter kann unerwünschte Energie abgeleitet bzw. in Wärme umgewandelt werden. Somit kann vermieden werden, dass Leistung einer Bogenentladung weiter zugeführt wird und diese unnötig aufrechterhalten wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, 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.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine stark schematisierte Darstellung einer Plasmaversorgungseinrichtung;
2 ein Diagramm zur Darstellung des Zündvorgangs, wobei die erzeugte Hochfrequenzleistung, die reflektierte Leistung und der Reflexionsfaktor aufgezeichnet sind;
3 ein Diagramm zur Darstellung des Zündvorgangs, wobei die zeitliche Ableitung der reflektierten Leistung und die zeitliche Ableitung des Reflexionsfaktors aufgetragen sind.
1 zeigt stark schematisiert eine Plasmaversorgungseinrichtung 1. Diese umfasst eine Hochfrequenz(HF-)Leistungsquelle 10, die eine HF-Leistung P_i erzeugt. Die erzeugte HF-Leistung P_i wird über einen Richtkoppler 20 mit Hüllkurvendetektor 21, ein schaltbares dissipatives Filter 30 und eine Impedanzanpassungsschaltung 40 an eine Plasmakammer 50 oder einen Laserresonator geleitet. Durch die in der HF-Leistungsquelle 10 erzeugte HF-Leistung P_i soll ein Plasma in der Plasmakammer 50 zunächst gezündet und anschließend mit stationärer Glimmentladung betrieben werden. Der Richtkoppler 20 mit Hüllkurvendetektor 21 ist geeignet, die in der HF-Leistungsquelle 10 erzeugte HF-Leistung zu erfassen. Ebenfalls ist der Richtkoppler 20 geeignet, die von der Plasmakammer 50 reflektierte Leistung P_r zu erfassen. Die erfassten Leistungssignale bzw. damit in Beziehung stehende Werte oder Größen werden an eine Steuereinrichtung 60 gegeben.
Durch Verarbeitung der erfassten Werte, die auch als Überwachungsgröße(n) bezeichnet werden, wobei die Überwachungsgröße auch erst in der Steuereinrichtung 60 ausgehend von den durch den Richtkoppler 20 erfassten Signalen gebildet werden kann, kann bewertet werden, ob das Zünden des Plasmas in der Plasmakammer 50 ordnungsgemäß abläuft. Die Steuereinrichtung 60 kann Analog-Digitalwandler 61 bzw. Digital-Analogwandler 64 für entsprechende Signale aufweisen. Weiterhin kann eine Tabelle 63 vorgesehen sein, in der Referenzwerte und andere Parameter abgelegt sind. Die Steuereinrichtung 60 kann eine digitale Baugruppe 62, wie beispielsweise einen DSP oder FPGA aufweisen oder als solche ausgebildet sein. Weiterhin kann eine Referenzwertermittlungseinheit 65 zur Generierung bzw. Nachführung von Referenzwerten vorgesehen sein.
Die Reihenfolge der Elemente 20, 30, 40 kann auch anderst gewählt werden.
Wird durch die Verarbeitung bzw. Analyse der Überwachungsgröße erkannt, dass der Zündvorgang in der Plasmakammer 50 nicht ordnungsgemäß abläuft, beispielsweise weil Bogenentladungen auftreten, so kann durch die Steuereinrichtung 60 das schaltbare dissipative Filter 30 angesteuert werden, so dass durch die HF-Leistungsquelle 10 erzeugte Leistung beispielsweise in Wärme umgewandelt wird und nicht an die Plasmakammer 50 gelangt. Somit kann vermieden werden, dass die Bogenentladung weiter mit Leistung gespeist wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung 60 die HF-Leistungsquelle 10 ansteuern, um die Leistungszufuhr zur Plasmakammer 50 zu unterbinden, beispielsweise indem die HF-Leistungsquelle abgeschaltet wird.
Das schaltbare dissipative Filter 30 kann auch dafür ausgelegt sein, Oberwellen bzw. harmonische Frequenzen, auszufiltern und die darin enthaltene Energie abzuleiten. Oberwellen entstehen beispielsweise, wenn die HF-Leistung, die bei einer Grundfrequenz erzeugt wird, an der Plasmakammer 50 reflektiert wird.
Im Normalfall ist die Impedanzanpassungsschaltung 40 so eingestellt, dass sie am Eingang die Impedanz der HF-Leistungsquelle aufweist und am Ausgang die Impedanz der Plasmakammer 50 bzw. der Plasmalast aufweist. Bei Auftreten einer Bogenentladung in der Plasmakammer wird insbesondere die Impedanzanpassung am Ausgang der Impedanzanpassungsschaltung 40 verändert.
Bei Detektieren einer Bogenentladung in der Plasmakammer 50 während des Zündvorgangs kann die Leistungszufuhr zur Plasmakammer 50 auch dadurch unterbunden werden, dass die Impedanzanpassungsschaltung 40 so durch die Steuereinrichtung 60 angesteuert wird, dass eine schlechte Anpassung vorliegt, so dass Leistung nicht in die Plasmakammer 50 geleitet wird. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass PIN-Diodenschalter eingesetzt werden, um die Impedanzanpassung zu verändern.
Die 2 zeigt in einem Diagramm die Vorgänge während des Zündvorgangs zur Erzeugung einer stationären Glimmentladung. Im Diagramm ist die durch die HF-Leistungsquelle erzeugte Hochfrequenzleistung P_i als gepunktete Linie dargestellt. Die reflektierte Leistung P_r ist als durchgezogene Linie dargestellt. Der Reflexionsfaktor Γ ist mit der gestrichelten Linie dargestellt.
Zum Zeitpunkt t₀ beginnt die Leistungszufuhr von der HF-Leistungsquelle zur Plasmakammer bzw. zum Laserresonator. Es ist zu erkennen, dass die Hochfrequenzleistung P_i und die reflektierte Leistung P_r zunächst gemeinsam ansteigen. Der Reflexionsfaktor Γ ist konstant 1. Zum Zeitpunkt t₁ liegt eine Zündspannung an, so dass der Zündvorgang beginnen kann. Zum Zeitpunkt t₂ fallen die reflektierte Leistung P_r und der Reflexionsfaktor Γ zum ersten Mal. Dies ist gleichbedeutend mit dem Ereignis A, nämlich dem Beginn der sogenannten Aufbauphase. Die Zeit zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ entspricht einer Zündverzögerung. Im Zeitabschnitt zwischen dem Beginn der Leistungszufuhr und dem Zeitpunkt t₂ findet die sogenannten Townsend- oder Dunkelentladung statt. Das Ereignis A kann detektiert werden, indem als Überwachungsgröße beispielsweise die reflektierte Leistung P_r oder der Reflexionsfaktor Γ überwacht werden. Wenn diese Werte zum ersten Mal fallen, ist das ein Indiz dafür, dass der Beginn der Aufbauphase erreicht ist. Ab diesem Zeitpunkt ist ein Fallen sowohl des Reflexionsfaktors Γ als auch der reflektierten Leist und P_r zu erwarten.
Steigen die reflektierte Leistung P_r bzw. der Reflexionsfaktor während der Aufbauphase unerwartet an, so kann dies auf das Vorliegen einer Bogenentladung hindeuten. Um gewisse zulässige Schwankungen nicht als Bogenentladung zu detektieren, werden die reflektierte Leistung bzw. der Reflexionsfaktor Γ nicht darauf überwacht, ob diese während der Aufbauphase überhaupt ansteigen, sondern wird überwacht, ob diese über einen ersten Referenzwert R₁ steigen. Der Referenzwert R₁ ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel variabel. Dies ist zweckmäßig, da während der Aufbauphase die Überwachungsgrößen P_r bzw. Γ fallen. Somit wird der Referenzwert R₁ nachgeführt. Beispielsweise steigt beim Ereignis B die reflektierte Leistung P_r geringfügig an, jedoch so geringfügig, dass der Referenzwert R₁ nicht passiert wird. Es wird demnach keine Bogenentladung erkannt. Beim Ereignis C steigen sowohl die reflektierte Leistung P_r als auch der Reflexionsfaktor Γ über den Referenzwert R₁. Hier wird demnach eine Bogenentladung erkannt.
Das Ereignis D, das Ende der Aufbauphase zum Zeitpunkt t₃, wird erkannt, wenn die Überwachungsgröße, also im vorliegenden Beispiel entweder P_r oder Γ, einen vorgegebenen zweiten Referenzwert R₂ passiert, in diesem Fall unterschreitet. Ab diesem Zeitpunkt liegt eine stationäre Glimmentladung vor. Von nun an kann eine herkömmliche Arc-Erkennung durchgeführt werden. Beispielsweise wird das Ereignis E als Bogenentladung bzw. Arc detektiert, da die Überwachungsgröße, hier P_r bzw. Γ, den Referenzwert R₃ passiert.
Die 2 macht deutlich, dass erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass auch Bogenentladungen vor dem Vorhandensein einer stationären Glimmentladung, also vor dem Zeitpunkt t₃ erkannt werden können. Im vorliegenden Beispiel würde die Analyse der Aufbauphase mit dem ersten Fallen von P_r beginnen. Alternativ ist es denkbar, die Analyse, d. h. Verarbeitung und Überwachung der Überwachungsgröße(n) nach einer festen, vorgegebenen Zeit zum Zeitpunkt t₄ nach Beginn des Zuführens der Hochfrequenzleistung zur Plasmakammer zu beginnen. Weiterhin ist es denkbar, erst nach einer vorgegebenen Zeit nach Eintritt des Ereignisses A mit der Verarbeitung der Überwachungsgröße zu beginnen.
Das Diagramm der 3 zeigt andere Überwachungsgrößen, die überwacht werden können, um den Zündvorgang in einer Plasmakammer oder einem Laserresonator zu überwachen. In diesem Fall sind als Überwachungsgrößen mit einer durchgezogenen Linie die zeitliche Ableitung der reflektierten Leistung dP_r/dt und mit einer gestrichelten Linie die zeitliche Ableitung des Reflexionsfaktors dΓ/dt aufgezeichnet. Das Ereignis A wird hier detektiert, wenn die zeitliche Ableitung des Reflexionsfaktors zum ersten Mal sinkt, bzw. die zeitliche Ableitung des Reflexionsfaktors das zum Zeitpunkt A erwartete Verhalten zeigt. Während der Aufbauphase ab dem Zeitpunkt t₂ wird überwacht, ob die Überwachungsgrößen einen vorgegebenen Referenzwert R₁, der in diesem Fall konstant ist, überschreiten. Da hier zeitliche Ableitungen betrachtet werden, wird der Referenzwert R₁ konstant gewählt und nicht nachgeführt. Die Bogenentladung als Ereignis C wird erkannt, da die Überwachungsgrößen den ersten Referenzwert R₁ passieren. Das Ende der Aufbauphase wird dadurch detektiert, dass die zeitliche Ableitung der reflektierten Leistung bzw. die zeitliche Ableitung des Reflexionsfaktors einen Referenzwert R₂ überschreitet. Ab dem Zeitpunkt t₃, wenn eine stationäre Glimmentladung vorliegt, wird überwacht, ob die Überwachungsgrößen den Referenzwert R₃' passieren. Wenn dies der Fall ist, wird eine Bogenentladung erkannt und können entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0121267 A1 [0011]
US 5982099 [0012]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Plasmaversorgungseinrichtung (1) mit den Verfahrensschritten: a) Erzeugen einer Hochfrequenzleistung P_i b) Liefern der Hochfrequenzleistung P_i an eine Plasmakammer (50) oder einen Laserresonator c) Erfassen oder Ermitteln zumindest einer mit der von der Plasmakammer (50) oder dem Laserresonator reflektierten Leistung P_r in Beziehung stehenden Überwachungsgröße d) Verarbeitung der Überwachungsgröße(n) e) Steuern der Plasmaversorgungseinrichtung (1) in Abhängigkeit von dem Verarbeitungsergebnis dadurch gekennzeichnet, dass f) die Verfahrensschritte a)–e) durchgeführt werden, ehe in der Plasmakammer (50) oder dem Laserresonator eine stationäre Glimmentladung vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Überwachungsgröße(n) eine oder mehrere der folgenden Größen erfasst oder ermittelt wird: die reflektierte Leistung P_r, das Verhältnis von reflektierter Leistung und Hochfrequenzleistung P_r/P_i, P_r/(P_i–P_r) oder P_i–P_r, die HF-Spannung, der HF-Strom, der Reflexionsfaktor Γ, die zeitliche Ableitung zumindest einer der vorgenannten Größen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn einer Aufbauphase der Glimmentladung bestimmt wird, indem überwacht wird, wann die Überwachungsgröße ein vorgegebenes Verhalten zeigt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Aufbauphase nach Ablauf einer vorgegebenen ersten Zeit nach Beginn des Lieferns der Hochfrequenzleistung P_i beginnt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn einer Aufbauphase nach einer vorgegebenen zweiten Zeit nach Beginn des Lieferns der Hochfrequenzleistung angenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass überwacht wird, ob die Überwachungsgröße, insbesondere während einer Aufbauphase, einen ersten auf eine Bogenentladung hinweisenden festen oder variablen und nachgeführten Referenzwert (R₁) passiert.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Referenzwert (R₁) in Abhängigkeit der Überwachungsgröße variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei detektiertem Passieren des ersten Referenzwerts (R₁) eine Leistungszufuhr zur Plasmakammer (50) oder zum Laserresonator unterbunden oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass überwacht wird, ob die Überwachungsgröße nach dem bestimmten oder angenommenen Beginn der Aufbauphase einen zweiten auf eine stationäre Glimmentladung hinweisenden Referenzwert (R₂) passiert, insbesondere überwacht wird, ob der zweite Referenzwert (R₂) innerhalb einer vorgegebenen Zeit seit Beginn der Aufbauphase oder seit dem Beginn der Leistungszufuhr passiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzleistung P_i und/oder die reflektierte Leistung P_r erfasst werden und ihnen jeweils eine Spannung mit vorgegebener maximaler Amplitude zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsgröße oder eine Messgröße, aus der die Überwachungsgröße ermittelt wird, vor der Verarbeitung digitalisiert und/oder linearisiert wird und die Verarbeitung in einer digitalen Baugruppe erfolgt, die mit einer Taktrate betrieben wird, die höher liegt als die Aufbauphase.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte: a. Erzeugen einer Hochfrequenzleistung P_i b. Liefern der Hochfrequenzleistung an eine Plasmaklammer oder einen Laserresonator c. Erfassen oder Ermitteln zumindest einer mit der von der Plasmakammer oder dem Laserresonator reflektierten Leistung P_r in Beziehung stehenden Überwachungsgröße d. Verarbeitung der Überwachungsgröße(n) e. Steuern der Plasmaversorgungseinrichtung in Abhängigkeit von dem Verarbeitungsergebnis bei vorhandener stationärer Glimmentladung durchgeführt werden.
Plasmaversorgungseinrichtung mit einer HF-Leistungsquelle (10) zur Erzeugung einer Hochfrequenzleistung P_i, Mitteln zum Liefern der erzeugten Hochfrequenzleistung P_i an eine Plasmakammer (50) oder einen Laserresonator, einer Erfassungsanordnung zur Erfassung einer mit der von der Plasmakammer (50) oder dem Laserresonator reflektierten Leistung P_r in Beziehung stehenden Überwachungsgröße, sowie einer mit der Erfassungsanordnung in Verbindung stehenden Steuereinrichtung (60), die eingerichtet ist, die Überwachungsgröße vor dem Vorhandensein einer stationären Glimmentladung zu analysieren.
Plasmaversorgungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsanordnung einen Richtkoppier (20) und einen Hüllkurvendetektor (21) umfasst, der mit P_i und P_r in Beziehung stehende Signale ausgibt.
Plasmaversorgungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (60) eine digitale Baugruppe (62) und einen A/D- und/oder D/A-Wandler (61, 64) zur Umwandlung der Signale umfasst.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (60) eine Tabelle (63) aufweist, in der Parameter und/oder Referenzwerte abgelegt sind.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (60) eine Referenzwertermittlungseinheit (65) umfasst, die in Abhängigkeit der erfassten Überwachungsgröße einen auf einen Überschlag hinweisenden Referenzwert ermittelt.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Liefern der Hochfrequenzleistung P_i ein Impedanzanpassungsnetzwerk (40) umfassen, welches durch die Steuereinrichtung (60) in Abhängigkeit der Verarbeitung der Überwachungsgröße angesteuert ist, und/oder dass die Mittel zum Liefern der Hochfrequenzleistung ein dissipatives Filter (30) umfassen, welches durch die Steuereinrichtung (60) in Abhängigkeit der Verarbeitung der Überwachungsgröße angesteuert oder zuschaltbar ist.