DE102009054449A1

DE102009054449A1 - Selbstabgleichende RF-Plasmastromversorgung

Info

Publication number: DE102009054449A1
Application number: DE200910054449
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Merte
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-05-26
Also published as: WO2011063787A1

Abstract

RF Prozessenergieversorgung (1) mit einer Ausgangsimpedanz (10) zum Anschluss an eine Plasmaanregungsanordnung (5) mit einer dynamischen Plasmaimpedanz (6), wobei die RF Prozessenergieversorgung aufweist:
Anschluss (3) an ein Stromversorgungsnetz (2),
zumindest eine dem Anschluss (3) nachgeschaltete Gleichstromversorgung (4),
zumindest einem der Gleichstromversorgung nachgeschalteten RF-Inverter (7) zur Erzeugung von RF-Leistung mit Frequenzen größer 3 MHz
eine dem RF-Inverter nachgeschaltete elektronisch variierbare Impedanzanpassungsschaltung (8),
eine der Impedanzanpassungsschaltung nachgeschalteter Ausgangsanschluss (9), an den die Plasmaanregungsanordnung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpedanz der RF Prozessenergieversorgung einstellbar auf den Wert der Plasmaimpedanz ist oder während einer Plasmaanregung betragsmäßig kleiner als 30 Ω ist, und dass der RF-Inverter ein Freischwinger ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine RF Prozessenergieversorgung zum Anschluss an eine Plasmaanregung. Eine RF Plasmaanregung erfolgt üblicherweise ausgehend von einer oder mehreren RF Stromversorgungen. RF steht für „radio-frequency” und in der Plasmatechnik sind hier üblicherweise Frequenzen größer 3 MHz gemeint. Die RF Stromversorgungen werden in der Plasmatechnik häufig auch RF Generatoren genannt, sie versorgen den Plasmaprozess mit Prozessenergie, deswegen wird der Begriff Prozessenergieversorgung als Synonym verwendet. Sie haben in der Regel eine Ausgangsimpedanz von 50 Ω. Das ist darin begründet, dass die handelsüblichen Kabel und Steckkontakte für diese Impedanz ausgelegt sind. Bei der Erzeugung der RF Spannung innerhalb der RF Stromversorgung liegt die Impedanz zunächst in der Regel nicht auf 50 Ω sondern bei betragsmäßig niedrigeren Werten. Diese betragsmäßig niedrige Impedanz wird innerhalb der RF Stromversorgung mit einer fest eingestellten Impedanzwandlung zu einer 50 Ω Ausgangsimpedanz gewandelt. Auf den 50 Ω Kabeln wird die Energie zum RF Plasma Prozess geführt. Der RF Plasma Prozess selbst hat zumeist ebenfalls eine deutlich niedrigere Impedanz als 50 Ω, zudem ist diese Impedanz veränderlich. Um die 50 Ω auf die Impedanz des RF Plasma Prozesses anzupassen wird in der Regel ein Impedanzanpassungsnetzwerk (matchbox) verwendet, das automatisch abstimmbar ist. Bekannt ist beispielsweise aus US5654679 , die Frequenz zu verändern um eine Anpassung mit festem Impedanzanpassungsnetzwerk zu erreichen. Dazu wird beispielsweise die Frequenz über eine Regelung verändert, um die Vorwärtsleistung P_i zu vergrößern oder die Rückwärtsleistung P_r zu verkleinern. Eine aufwendige Regelung ist dafür erforderlich, die sich zudem mit anderen Regelungen überlagert, was zu Stabilitätsproblemen führen kann.
Aus DE3519489 ist ein Beispiel für einen freischwingenden Oszillator bekannt, für Anwendung in der Induktionserwärmung.
Aufgabe der Erfindung ist die zur Verfügungstellung einer verbesserten RF Prozessenergieversorgung mit erhöhter Anpassgeschwindigkeit und erhöhter Zuverlässigkeit für eine erhöhte Betriebssicherheit des Plasmaprozesses.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine RF Prozessenergieversorgung mit einer Ausgangsimpedanz zum Anschluss an eine Plasmaanregungsanordnung mit einer dynamischen Plasmaimpedanz, wobei die RF Prozessenergieversorgung aufweist:
Anschluss an ein Stromversorgungsnetz,
zumindest eine dem Anschluss nachgeschaltete Gleichstromversorgung,
zumindest einem der Gleichstromversorgung nachgeschalteten RF Inverter zur Erzeugung von RF-Leistung mit Frequenzen größer 3 MHz eine dem RF-Inverter nachgeschaltete elektronisch variierbare Impedanzanpassungsschaltung,
eine der Impedanzanpassungsschaltung nachgeschalteter Ausgangsanschluss an den die Plasmaanregungsanordnung angeschlossen ist, wobei die Ausgangsimpedanz der RF Prozessenergieversorgung einstellbar auf den Wert der Plasmaimpedanz ist und/oder während der Plasmaanregung betragsmäßig ungleich 50 Ω, insbesondere kleiner als 30 Ω ist, und wobei der der RF Inverter ein RF-Freischwinger ist.
Die Bauteilintensive Impedanzwandlung von Inverterimpedanz auf 50 Ω und anschließende Rücktransformation auf Plasmaimpedanz wird auf diese Weise vermieden. Damit wird die RF Prozessenergieversorgung günstiger und zuverlässiger und zeigt ein beschleunigtes Anpassungsverhalten. Für den Betreiber wird der Gesamtprozess zuverlässiger.
Mit RF-Freischwinger ist eine Schaltungsanordnung gemeint, die sich selbsttätig ohne zusätzliche Steuerung von außen auf eine der Ausgangsimpedanz besonders angepasste Frequenz einstellt. Eine solche Freischwingeranordnung hat besondere Vorteile im Einsatz zusammen mit einer elektronisch variierbaren Impedanzanpassungsschaltung. Mit einer elektronisch variierbaren Impedanzanpassungsschaltung ist eine Impedanzanpassungsschaltung gemeint, deren Recktanzen also in der Regel Kapazitäten und/oder Induktivitäten sich elektronisch verändern lassen, das bedeutet ohne mechanische Antriebe. Solche elektronisch veränderbaren Recktanzen können stufenweise verstellbar sein. Der RF Freischwinger stellt sich dann innerhalb einer Periode oder innerhalb weniger Perioden auf eine veränderte Impedanzanpassungsschaltung ein und läuft innerhalb sehr kurzer Zeit wieder optimal angepasst. Mit der Kombination aus RF Freischwinger und elektronisch variierbaren Impedanzanpassungsschaltung, die direkt auf die Plasmaimpedanz anpasst ohne Anpassung auf eine 50 Ω Zwischenimpedanz ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen: So kann auf eine Messung und zusätzliche Regelung zur Frequenzeinstellung verzichtet werden. Auf kostenintensive Bauteile kann verzichtet werden. Die Anpassgeschwindigkeit erhöht sich. Aus Betreibersicht ergibt sich eine erhöhte Prozessstabilität. Durch die Einsparung von Bauteilen vermindert sich auch die Gefahr des Ausfalls dieser Bauteile, was die Zuverlässigkeit weiter erhöht. Mit RF-Invertern sind Schaltungsanordnungen gemeint, die RF Signale hoher Leistung aus RF Signalen kleiner Leistung erzeugen. Da die RF-Inverter dieser Erfindung immer RF-Freischwinger sind, werden die RF Signale kleiner Leistung durch Eigenresonanz erzeugt, die sich in Abhängigkeit der an den RF-Inverter angeschlossenen Impedanz verstellt, also der Impedanzanpassungsschaltung. Solche Inverter können zur Umschaltung der Gleichspannungsleistung zur RF-Leistung Transistoren oder Röhren aufweisen. Wenn Transistoren eingesetzt werden, die im Schaltbetrieb arbeiten.
Zur Realisierung der elektronisch variierbaren Impedanzanpassung können einzelne Recktanzen mittels PIN Dioden zugeschaltet werden.
Eine RF Prozessenergieversorgung kann in unmittelbarer Nähe der Plasmaanregung angeordnet sein. Reflexionen auf schlecht angepassten Anschlüssen und Kabeln können so vermieden werden.
Wenn eine RF Prozessenergieversorgung mit einer kurzen oder langen Verbindungsleitung an eine Plasmaanregungsanordnung angeschlossen ist, kann in der Prozessenergieversorgung eine Ausgleichsreaktanz für diese Leitung vorgesehen sein, z. B. eine Kapazität zum Ausgleich einer Leitungsinduktivität. Mehrere RF Prozessenergieversorgungen können an eine Plasmaanregung über mehrere Einkoppelelektroden oder Antennen angeschlossen sein.
Am Ausgangsanschluss können Messaufnehmer zur Ermittlung von Spannung und Strom und der zwischen Spannung und Strom liegenden Phase so wie eine Auswertevorrichtung zur Bestimmung der RF-Leistung und/oder Plasmaimpedanz vorgesehen sein. Die hochauflösende Echtzeitmessung von Strom, Spannung und Phase zwischen Strom und Spannung ergibt eine erhöhte Regelgeschwindigkeit und Prozesssicherheit gegenüber der herkömmlich verwendeten Messung von Vorwärts- und Rückwärtsleistung.
Es können Messaufnehmer zur Ermittlung der RF-Leistung und/oder Plasmaimpedanz an der Gleichstromversorgung vorgesehen sein. Die Messung von RF-Leistung und/oder Plasmaimpedanz an den Signalen der Gleichspannung vereinfacht den Aufbau und spart kostenintensive Bauteile und kostenintensive Kalibrierung.
Die Prozessenergieversorgung kann eine Regelungsvorrichtung zur Regelung der RF-Leistung an der Gleichstromversorgung aufweisen. Insbesondere bei Invertern, die im Schaltbetrieb arbeiten, kann eine solche Anordnung vorgesehen werden.
Die Aufgabe wird außerdem durch Verfahren zur RF Prozessenergieversorgung zur Versorgung einer Plasmaanregungsanordnung mit RF Leistung gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Aufnahme von elektrischer Leistung aus einem Stromversorgungsnetz,
Gleichrichtung der elektrischen Leistung aus dem Stromversorgungsnetz in eine Gleichspannungleistung,
Wandlung der Gleichspannungsleistung in eine RF-Leistung mit einer Frequenz größer 3 MHz mittels eines RF Inverters mit einer RF-Inverterimpedanz,
Wandlung der RF-Inverterimpedanz in eine Ausgangsimpedanz mittels einer elektronisch variierbaren Impedanzanpassungsschaltung,
Lieferung der RF Leistung über die Impedanzanpassungsschaltung über einen Ausgangsanschluss an eine Plasmaanregung,
wobei die Ausgangsimpedanz auf Werte betragsmäßig ungleich 50 Ω,
insbesondere kleiner als 30 Ω eingestellt wird und sich die Frequenz des eines RF Inverters automatisch an die Impedanzanpassungsschaltung anpasst.
Mit der Anpassung der Frequenz auf die Impedanzanpassungsschaltung ist eine automatische Selbstregelung der Frequenz des RF-Inverters auf eine optimale Betriebsfrequenz gemeint, die in der Nähe der Resonanzfrequenz der Impedanzanpassungsschaltung oder der Inverterschaltung zusammen mit der Impedanzanpassungsschaltung liegen kann. Diese Selbstregulierung erfolgt in der Regel in weniger als einer Periodendauer oder innerhalb weniger Periodendauern.
Ein solches Verfahren weist die oben beschriebenen Vorteile auf.
Die Ausgangsimpedanz kann direkt auf die Plasmaimpedanz geregelt werden. Bei dem Verfahren können die RF-Leistung und/oder die Plasmaimpedanz aus einer Messung des Stroms, der Spannung und der Phase zwischen Strom und Spannung erfolgen.
Bei dem Verfahren kann die RF-Leistung und/oder die Plasmaimpedanz durch Messung von Signalen ausschließlich an Anschlüssen der Gleichspannungsenergie ermittelt werden.
Bei dem Verfahren kann eine Regelung der RF-Leistung durch die Regelung der Gleichspannungsenergie erfolgen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 Schematische Darstellung einer Prozessenergieversorgung mit einer Plasmaanregungsanordnung
In 1 ist eine RF Prozessenergieversorgung 1 mit einer Ausgangsimpedanz 10 zum Anschluss an eine Plasmaanregungsanordnung 5 mit einer dynamischen Plasmaimpedanz 6 gezeigt. An der RF Prozessenergieversorgung 1 befinden sich ein Anschluss 3 an ein Stromversorgungsnetz 2, und ein Ausgangsanschluss 9, an den die Plasmaanregungsanordnung 5 angeschlossen ist. Eine eventuell vorhandene Verbindungsleitungsreaktanz 16 kann zum Beispiel eine inhärente Induktivität oder Kapazität oder auch eine Kombination aus beidem sein. Sie kann durch eine optionale Ausgleichsreaktanzen 15 kompensiert werden, die in der der RF Prozessenergieversorgung 1 angeordnet sein kann. Wird die RF Prozessenergieversorgung 1 direkt an die Plasmaanregungsanordnung 5 angeschlossen oder zumindest in unmittelbarer Nähe angeordnet, kann die Ausgleichsreaktanz 15 entfalllen.
Die Gleichstromversorgung 4 ist dem Anschluss 3 nachgeschaltet. Sie kann eine geregelte oder ungeregelte Gleichstromversorgung sein, bevorzugt lässt sie sich mit der Regelungseinrichtung 14 steuern und erfolgt auf diese weise eine Steuerung oder Regelung der RF-Leistung.
Optional sind Messaufnehmer 13 zum Anschluss an einen beliebeigen Anschluss in der Gleichspannungsversorgung vorgesehen. Hiermit kann die Impedanz und/oder die Leistung bestimmt werden. Diese Messung kann auch zur Regelung der Leistung verwendet werden. Der Gleichstromversorgung 4 ist ein RF-Inverter 7 zur Erzeugung von RF-Leistung nachgeschaltet. Der RF Inverter ist ein Freischwinger, der seine Frequenz in Abhängigkeit der an ihn angeschlossenen Schaltung einstellt. Er besitzt eine RF Inverterimpedanz 17, was durch einen Pfeil in 1 angedeutet ist. Dem RF-Inverter 7 nachgeschaltet ist eine elektronisch variierbare Impedanzanpassungsschaltung 8, die elektrisch variierbare Kapazitäten aufweisen kann. Sie kann auch elektrisch variierbare Induktivitäten aufweisen. Elektrisch variierbar bedeutet in diesem Zusammenhang variierbar durch elektrische Signale ohne Zuhilfenahme von mechanischen Antrieben. Eine Möglichkeit ist das stufenweise Zuschalten von Induktivitäten oder Kapazitäten über PIN-Dioden oder vergleichbare Mittel. Eine Möglichkeit ist auch die Verwendung von Kapazitätsdioden, deren Kapazität über eine eingekoppelte Gleichspannung gesteuert wird. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Beeinflussung von Induktivitäten mit sättigbaren Kernen über eine Einkopplung von magnetischen Feldern z. B. mittels einer Gleichstromgespeisten Spule. Im Bereich der Impedanzanpassungsschaltung 8, vorzugsweise nach der Impedanzanpassungsschaltung 8 und vor dem Ausgangsanschluss 9 befindet sich ein optionaler Messwertaufnehmer 11 für Strom und Spannung. An ihn angeschlossen ist eine Auswertevorrichtung 12, die die Leistung und/oder die Plasmaimpedanz bestimmt. Diese kann optional der Regelung 14 zugeführt werden. Diese kann auch einen Anschluss auf die elektrisch variierbare Impedanzanpassungsschaltung 8 aufweisen. Ebenso kann die Regelung 14 einen Anschluss auf die elektrisch variierbare Impedanzanpassungsschaltung 8 aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5654679 [0001]
DE 3519489 [0002]

Claims

RF Prozessenergieversorgung (1) mit einer Ausgangsimpedanz (10) zum Anschluss an eine Plasmaanregungsanordnung (5) mit einer dynamischen Plasmaimpedanz (6), wobei die RF Prozessenergieversorgung aufweist: Anschluss (3) an ein Stromversorgungsnetz (2), zumindest eine dem Anschluss (3) nachgeschaltete Gleichstromversorgung (4), zumindest einem der Gleichstromversorgung nachgeschalteten RF-Inverter (7) zur Erzeugung von RF-Leistung mit Frequenzen größer 3 MHz eine dem RF-Inverter nachgeschaltete elektronisch variierbare Impedanzanpassungsschaltung (8), eine der Impedanzanpassungsschaltung nachgeschalteter Ausgangsanschluss (9) an den die Plasmaanregungsanordnung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpedanz der RF Prozessenergieversorgung einstellbar auf den Wert der Plasmaimpedanz ist oder während einer Plasmaanregung betragsmäßig ungleich 50 Ω, insbesondere kleiner als 30 Ω ist, und dass der RF-Inverter ein Freischwinger ist.
RF Prozessenergieversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgangsanschluss Messaufnehmer (11) zur Ermittlung von Spannung und Strom und der zwischen Spannung und Strom liegenden Phase so wie eine Auswertevorrichtung (12) zur Bestimmung der RF-Leistung und/oder Plasmaimpedanz vorgesehen sind.
RF Prozessenergieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messaufnehmer (13) zur Ermittlung der RF-Leistung und/oder Plasmaimpedanz an einem Anschluss der Gleichstromversorgung vorgesehen sind.
RF Prozessenergieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelungsvorrichtung (14) zur Regelung der RF-Leistung an der Gleichstromversorgung vorgesehen ist.
RF Prozessenergieversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der RF Prozessenergieversorgung Ausgleichsreaktanz (15) zum Kompensieren von Verbindungsleitungreaktanzen (16) zwischen Ausgangsanschluss und Plasmanregungsanordnung vorgesehen ist.
Verfahren zur RF Prozessenergieversorgung zur Versorgung einer Plasmaanregungsanordnung mit RF Leistung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Aufnahme von elektrischer Leistung aus einem Stromversorgungsnetz, Gleichrichtung der elektrischen Leistung aus dem Stromversorgungsnetz in eine Gleichspannungsleistung, Wandlung der Gleichspannungsleistung in eine RF-Leistung mit einer Frequenz größer 3 MHz mittels eines RF Inverters mit einer RF-Inverterimpedanz (17), Wandlung der RF-Inverterimpedanz in eine Ausgangsimpedanz mittels einer elektronisch variierbaren Impedanzanpassungsschaltung, Lieferung der RF Leistung über die Impedanzanpassungsschaltung über einen Ausgangsanschluss an eine Plasmaanregung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpedanz auf Werte betragsmäßig ungleich 50 Ω, insbesondere kleiner als 30 Ω eingestellt wird und dass sich die Frequenz des eines RF-Inverters automatisch an die Impedanzanpassungsschaltung anpasst.
Verfahren zur RF Prozessenergieversorgung zur Versorgung einer Plasmaanregungsanordnung mit RF Leistung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Aufnahme von elektrischer Leistung aus einem Stromversorgungsnetz, Gleichrichtung der elektrischen Leistung aus dem Stromversorgungsnetz in eine Gleichspannungsleistung, Wandlung der Gleichspannungsleistung in eine RF-Leistung mit einer Frequenz größer 3 MHz mittels eines RF Inverters mit einer RF-Inverterimpedanz (17), Wandlung der einer RF-Inverterimpedanz in eine Ausgangsimpedanz mittels einer elektronisch variierbaren Impedanzanpassungsschaltung, Lieferung der RF Leistung über die Impedanzanpassungsschaltung über einen Ausgangsanschluss an eine Plasmaanregung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpedanz auf Werte die Plasmaimpedanz eingestellt wird und dass sich die Frequenz des eines RF-Inverters automatisch an die Impedanzanpassungsschaltung anpasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die RF-Leistung und/oder die Plasmaimpedanz aus einer Messung des Stroms, der Spannung und der Phase zwischen Strom und Spannung erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die RF-Leistung und/oder die Plasmaimpedanz durch Messung von Signalen ausschließlich an Anschlüssen der Gleichspannungsenergie ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der RF-Leistung durch die Regelung der Gleichspannungsenergie erfolgt.