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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Impedanzanpassung einer Hochfrequenz(HF)-Leistungsversorgung an eine Last.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Hochfrequenz(HF)-Leistungsversorgung.
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Aus der
WO 99/014699 A1 ist ein System zur Überwachung eines Gasplasmabearbeitungssystems bekannt. Die Hochfrequenzleistung wird dabei moduliert, ehe sie einer Plasmakammer zugeführt wird. Es werden Signale an unterschiedlichen Stellen einer elektrischen Schaltung erfasst, die Informationen über den Zustand des Systems liefern.
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Aus der
EP 1 761 113 A2 ist ein Hochfrequenzleistungsgeneratorsystem bekannt. Einem Detektor werden Strom- und Spannungssignale zugeführt. Der Detektor generiert ein Phasensignal, welches in Abhängigkeit der Phase zwischen Spannungssignal und Stromsignal variiert, sowie ein Betragssignal, welches ebenfalls von den Spannungs- und Stromsignalen abhängt. Anhand dieser Signale wird ein Steuerungssignal für ein Impedanzanpassungsnetzwerk generiert.
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Aus der
US 2008/0128087 A1 ist eine Hochfrequenzleistungsversorgung bekannt. Durch einen ersten Hochfrequenzerzeuger wird Leistung bei einer ersten Frequenz erzeugt und durch einen zweiten Hochfrequenzerzeuger wird Leistung einer zweiten Frequenz erzeugt. Eine reflektierte Leistung wird heterodyn detektiert. In Abhängigkeit der Detektion wird die Frequenz des ersten Hochfrequenzerzeugers angepasst.
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Aus der
WO 01/84591 A2 ist ein System zur gepulsten Leistungszuführung an einen Plasmaprozess bekannt. Es werden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, eine reflektierte Leistung zu reduzieren.
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Aus der
DE 11 2006 001 198 T5 ist eine Vorrichtung mit einer Leistungsquelle, die zur Erzeugung von Signalen in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal konfiguriert ist, bekannt. Die Vorrichtung weist weiterhin einen Sensor auf, der zur Messung einer Spannung und eines Stromes der von der Leistungsquelle erzeugten Signale und zur Erzeugung von Sensorsignalen konfiguriert ist, die die gemessene Spannung und den gemessenen Strom darstellen. Eine Abtasteinrichtung, die zur Unterabtastung der Sensorsignale synchron mit dem Ansteuersignal konfiguriert ist, steuert die Leistungsquelle an.
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Die Oberflächenbehandlung von Werkstücken mit Hilfe von Plasma sowie Gaslaser sind industrielle Verfahren, bei denen insbesondere in einer Plasmakammer, ein Plasma mit Gleichstrom oder mit einem hochfrequenten Wechselsignal mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich von einigen 10 kHz bis in den GHz-Bereich erzeugt wird.
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Die Plasmakammer wird über weitere elektronische Bauteile, wie Spulen, Kondensatoren, Leitungen oder Transformatoren, an eine Hochfrequenz-Leistungsversorgung (HF-Generator) angeschlossen. Diese weiteren Bauteile können Schwingkreise, Filter oder Impedanzanpassungsschaltungen darstellen.
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Der Plasmaprozess hat das Problem, dass die elektrische Lastimpedanz der Plasmakammer (des Plasmas), die während des Prozesses auftritt, von den Zuständen in der Plasmakammer abhängt und stark variieren kann. Insbesondere gehen die Eigenschaften von Werkstück, Elektroden und Gasverhältnissen ein.
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Hochfrequenz-Leistungsversorgungen weisen einen eingeschränkten Arbeitsbereich bezüglich der Impedanz der angeschlossenen elektrischen Last auf. Verlässt die Lastimpedanz einen zulässigen Bereich, kann es zu einer Beschädigung oder gar Zerstörung der Hochfrequenz-Leistungsversorgung kommen.
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Aus diesem Grund ist in der Regel eine Impedanzanpassungsschaltung (Matchbox) erforderlich, die die Impedanz der Last auf eine Nennimpedanz des Generatorausgangs (häufig 50 Ω) transformiert. Bei Fehlanpassung kann nicht die volle Leistung an die Last geliefert werden. Stattdessen wird ein Teil der Leistung reflektiert. Im Bereich der Nennimpedanz gibt es einen Impedanzbereich, also einen Bereich transformierter Lastimpedanzen, in dem die Hochfrequenz-Leistungsversorgung stabil arbeitet und nicht beschädigt wird. Ist die transformierte Lastimpedanz außerhalb dieses Nennimpedanzbereichs, so kann es aufgrund reflektierter Leistung zu Beschädigungen und Instabilitäten der Hochfrequenz-Leistungsversorgung kommen.
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Es sind unterschiedliche Impedanzanpassungsschaltungen bekannt. Entweder sind die Impedanzanpassungsschaltungen fest eingestellt und haben eine vorgegebene Transformationswirkung, bestehen also aus elektrischen Bauelementen, insbesondere Spulen und Kondensatoren, die während des Betriebes nicht verändert werden. Dies ist insbesondere bei immer gleichbleibendem Betrieb, wie z. B. bei einem Gaslaser, sinnvoll.
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Weiterhin sind Impedanzanpassungsschaltungen bekannt, bei denen zumindest ein Teil der Bauelemente der Impedanzanpassungsschaltungen mechanisch veränderlich sind. Beispielsweise sind motorbetriebene Drehkondensatoren bekannt, deren Kapazitätswert verändert werden kann, indem die Anordnung der Kondensatorplatten relativ zueinander verändert wird.
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Problematisch an den bekannten Impedanzanpassungsnetzwerken ist, dass die Nachführung der Impedanzanpassung häufig relativ langsam erfolgt, beispielsweise weil zunächst Motoren angesteuert werden müssen, die dann wieder Kondensatorplatten in die richtige Position bringen müssen. Der Zustand, insbesondere die Impedanz, eines Plasmas ändert sich zuweilen jedoch sehr schnell. Mit herkömmlichen Impedanzanpassungnetzwerken kann daher häufig keine ausreichend schnelle Reaktion auf eine Änderung der Lastimpedanz durchgeführt werden. Außerdem ist häufig nicht bekannt, wie die Anpassung geändert werden muss, um die reflektierte Leistung zu minimieren und ob ein lokales oder ein globales Minimum der reflektierten Leistung erreicht wurde.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Hochfrequenz-Leistungsversorgung bereitzustellen, mit denen eine schnelle Impedanzanpassung der Ausgangsimpedanz der HF-Leistungsversorgung an die Impedanz einer Last erfolgen kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Impedanzanpassung einer Hochfrequenz(HF)-Leistungsversorgung an eine Last, mit den Verfahrensschritten:
- a. Frequenzmodulation eines HF-Leistungssignals mit einem Modulationssignal einer Modulationsfrequenz;
- b. Detektion eines mit der von der Last reflektierten Leistung in Beziehung stehenden Signals;
- c. Demodulation des detektierten Signals oder eines aus dem detektierten Signal gewonnen Signals mit einem Demodulationssignal einer Demodulationsfrequenz;
- d. Erzeugen eines Impedanzanpassungssignals aus dem demodulierten Signal
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Wird das HF-Leistungssignal mit einem Modulationssignal einer Modulationsfrequenz, die vorzugsweise von der Frequenz des HF-Leistungssignals, insbesondere signifikant, abweicht, moduliert, so zeigt das an der Plasmakammer bzw. dem Plasma reflektierte HF-Leistungssignal eine Amplitudenmodulation. Durch die Demodulation dieses amplitudenmodulierten Signals oder eines davon abhängigen Signals kann ein Impedanzanpassungssignal, insbesondere eine Gleichspannung, erhalten werden, die unmittelbar zur Ansteuerung eines Impedanzanpassungsnetzwerks oder zur Beeinflussung der Frequenz des Hochfrequenz-Leistungssignals verwendet werden kann. Insbesondere durch eine Veränderung der Frequenz des Hochfrequenz-Leistungssignals kann eine sehr schnelle Impedanzanpassung durchgeführt werden.
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Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass das detektierte Signal oder das aus dem detektierten Signal gewonnene Signal phasenrichtig demoduliert wird. Dadurch ergibt sich ein Impedanzanpassungssignal mit richtigem Vorzeichen. Das vorzeichenbehaftete Impedanzanpassungssignal gibt somit unmittelbar an, in welche Richtung eine Veränderung entweder der Impedanz eines Impedanzanpassungsnetzwerks oder der Frequenz des Hochfrequenz-Leistungssignals erfolgen muss. Zur Impedanzanpassung sind somit keine weiteren Algorithmen oder Auswerteeinheiten notwendig.
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Das mit der von der Last reflektierten Leistung in Beziehung stehende Signal kann ein von einem Richtkoppler generiertes Signal sein. Es kann auch ein Signal sein, das an einem Port eines Kopplers, insbesondere Hybridkopplers, wie er zum Kombinieren von Leistungen mehrerer Hochfrequenzgeneratoren verwendet wird, gemessen wird. Dies kann insbesondere ein Port eines 3 dB Hybridkopplers sein, an dem ein Ausgleichswiderstand angeschlossen ist. Es kann an den verschiedensten Stellen von Hochfrequenzgeneratoren oder in Impedanzanpassungsschaltungen gewonnen werden. Beispielsweise aus einer DC-Stromversorgung eines oder mehrerer Hochfrequenzgeneratoren oder einer Bias-Spannungsmessung einer Impedanzanpassungsschaltung. Insbesondere, wenn zwei Hochfrequenzgeneratoren mit unterschiedlicher Phasenlage betrieben werden und der Koppler, der die Leistungen kombiniert, die Leistungen phasenabhängig kombiniert, ergeben sich viele Möglichkeiten der einfachen Strom- oder Spannungsmessung ohne einen Richtkoppler, um ein mit der von der Last reflektierten Leistung in Beziehung stehendes Signal zu generieren.
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Die Modulationsfrequenz kann kleiner, insbesondere deutlich kleiner, beispielsweise mehr als 10 oder 100 mal kleiner als die Frequenz des Hochfrequenzleistungssignals sein.
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Vereinfacht werden kann das Verfahren, wenn als Demodulationssignal ein Signal verwendet wird, das dieselbe Frequenz wie das Modulationssignal aufweist. Besonders einfach kann das Verfahren durchgeführt werden, wenn die Demodulation mit dem Modulationssignal erfolgt. Eine Frequenzänderung des Modulationssignals führt in diesem Fall automatisch zu einer phasenrichtigen Frequenzänderung des Demodulationssignals.
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Das demodulierte Signal kann gefiltert werden, insbesondere tiefpassgefiltert werden. Dadurch kann als Impedanzanpassungssignal eine Gleichspannung erzeugt werden, welches unmittelbar einer Hochfrequenzquelle oder einem Impedanzanpassungsnetzwerk zugeführt werden kann.
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Das Modulationssignal kann grundsätzlich beliebige Signalformen annehmen. Vorzugsweise ist es jedoch sinus- oder rechteckförmig.
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Das detektierte Signal oder das aus dem detektierten Signal gewonnene Signal kann homodyn oder heterodyn demoduliert werden. Bei der heterodynen Demodulation wird zur Demodulation vorzugsweise eine Local Oscillator(LO)-Frequenz benutzt, die sich um einige 100 kHz von der Frequenz des Hochfrequenz-Leistungssignals unterscheiden kann. Bei der heterodynen Demodulation wird das amplitudenmodulierte detektierte Signal direkt auf einen Niederfrequenzbereich umgesetzt. Bei dem Signal mit der Local Oscillator-Frequenz kann es sich um das Modulationssignal handeln. Eine heterodyne Demodulation eines amplitudenmodulierten Signals mit dem Modulationssignal als Local Oscillator ergibt ein Signal, dessen Vorzeichen und Amplitude unmittelbar die Regelgröße für die Frequenz in Richtung einer besseren Anpassung ist.
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Bei der homodynen Demodulation hingegen haben Local Oscillator und das HF-Signal die gleiche Frequenz. Wenn auf die homodyne Demodulation verzichtet wird, ist es wichtig, nicht nur die Amplitude sondern auch mindestens das Vorzeichen der Phasenbeziehung zum Modulationssignal festzustellen.
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Vor der Demodulation kann eine Mischung des detektierten Signals auf eine Zwischenfrequenz erfolgen. Dadurch wird die Verstärkung und Filterung des detektierten Signals erleichtert. Die Signalfilterung kann auf der niedrigeren Zwischenfrequenz erfolgen. Dadurch kann auf ein Festfrequenzfilter zurückgegriffen und der Aufbau der signalverarbeitenden Elemente vereinfacht werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das detektierte Signal oder das aus dem detektierten Signal gewonnene Signal komplex demoduliert wird. Das bedeutet, dass mit zwei Demodulationssignalen demoduliert wird, die in der Phase um 90° verschoben sind. Auch daraus kann die Phasenbeziehung zwischen dem amplitudenmodulierten Signal und dem Modulationssignal ermittelt werden. Darüber hinaus können weitere Einzelheiten, wie Richtung der Trajektorie in der komplexen Widerstandsebene, die elektrische Entfernung zur Plasmakammer und Oberwellen als Zeichen einer geknickten Trajektorie, ermittel werden.
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Die Demodulation des detektierten Signals oder des aus dem detektierten Signal gewonnenen Signals kann mehrstufig erfolgen. Beispielsweise kann das detektierte Signal oder das aus dem detektierten Signal gewonnene Signal mit einem ersten Demodulationssignal demoduliert werden und das demodulierte Signal mit einem zweiten Demodulationssignal demoduliert werden. Beispielsweise kann zunächst eine homodyne Demodulation durchgeführt werden und anschließend eine komplexe Demodulation durchgeführt werden. Die komplexe Demodulation kann dabei noch mehrstufig sein, so dass am Ende eine Information gewonnen wird, die angibt, wie stark die Frequenz des Hochfrequenz-Leistungssignals geändert werden muss und in welche Richtung die Frequenz geändert werden muss, um die Anpassung zu verbessern.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das detektierte Signal mit einem ersten und einem zweiten Demodulationssignal demoduliert wird. Dabei können sich das erste und zweite Demodulationssignal lediglich in der Phasenlage unterscheiden. Insbesondere können das erste und zweite Demodulationssignal dieselbe Frequenz und/oder Signalform aufweisen, jedoch zueinander phasenverschoben sein.
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Weiterhin können die Frequenzen des ersten und zweiten Demodulationssignals verschieden sein. Beispielsweise kann das erste Demodulationssignal die Frequenz des HF-Leistungssignals aufweisen und das zweite Demodulationssignal kann die Frequenz des Modulationssignals aufweisen.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Hub des Modulationssignals eingestellt werden. Durch den Hub des Modulationssignals kann die Grundfrequenz des Leistungssignals verstellt werden. Beispielsweise kann zunächst ein relativ großer Hub gewählt werden, der dann bei besserer Anpassung verringert wird. Insbesondere kann bei einem HF-Leistungssignal mit einer Grundfrequenz von 13,56 MHz eine Modulationsfrequenz von 10 kHz und ein Hub von 100 kHz verwendet werden. Das Einrasten in lokale Minima der Anpassung lässt sich durch einen zunächst höheren Hub des Modulationssignals vermeiden, der die Minima überfährt. Bei besser werdender Anpassung kann der Hub vermindert werden.
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Wie bereits erwähnt, kann eine Hochfrequenzquelle oder ein Impedanzanpassungsnetzwerk mit dem Impedanzanpassungssignal angesteuert werden. Insbesondere können die tiefpassgefilterten Regelsignale (das Impedanzanpassungssignal) unmittelbar einem spannungsgesteuerten Oszillator (Voltage Controlled Oscillator VCO) oder DDS-Baustein zugeführt werden. Durch die Demodulation sind keine besser/schlechter Entscheidungen notwendig. Ein DDS Baustein bezeichnet einen integrierten Schaltkreis, der die komplette Hardware eines Synthesizers nach dem ”Direct Digital Synthesis” oder ”direkte digitale Synthese”-Verfahren realisiert. Dies Verfahren wird in der digitalen Signalverarbeitung zur Erzeugung periodischer, bandbegrenzter Signale mit praktisch beliebig feiner Frequenzauflösung genutzt.
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Sind mehrere Anregungsfrequenzen beteiligt (mehrere HF-Leistungssignale), kann jede ihre eigene Modulationsfrequenz bekommen. Diese sind dann unabhängig voneinander gleichzeitig demodulierbar. Gleiches gilt für die gleichzeitige Modulation anderer Parameter. Dadurch können mehrere HF-Quellen an einer Plasmakammer, die Vollbrücken einer HF-Quelle oder weitere prozessrelevante Einflüsse unabhängig voneinander moduliert und orthogonal demoduliert werden.
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In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Hochfrequenz(HF)-Leistungsversorgung mit einer HF-Quelle, einem mit der HF-Quelle verbundenen Modulationssignalgenerator oder einem Modulationssignaleingang und einem Demodulator, dem ein mit einem von der Last reflektierten Leistung in Beziehung stehendes Detektionssignal oder daraus gewonnenes Signal und ein Demodulationssignal mit der Frequenz des Modulationssignals zugeführt sind. Durch die Frequenzmodulation des Ausgangssignals der HF-Quelle entsteht ein reflektiertes Leistungssignal, welches nicht nur frequenzmoduliert sondern auch amplitudenmoduliert ist. Dieses Signal oder ein damit in Beziehung stehendes Signal kann zunächst derart demoduliert werden, dass der Hochfrequenzanteil entfernt wird. Insbesondere wird die Hüllkurve des amplitudenmodulierten Signals gewonnen. Es handelt sich dabei um ein Signal mit der Frequenz des Modulationssignals. Dieses so gewonnene Signal kann dann weiter demoduliert werden, um daraus ein Impedanzanpassungssignal zu generieren, welches unmittelbar die HF-Quelle ansteuern kann. Insbesondere kann das Impedanzanpassungssignal bewirken, dass die Frequenz der HF-Quelle verändert wird. Dadurch kann zumindest eine Richtung in der komplexen Widerstandsebene variiert werden, was auch zu einer Veränderung der (absoluten) Anpassung führt. Eine Frequenzänderung kann sehr schnell durchgeführt werden, insbesondere schneller als eine Veränderung der Impedanz eines Impedanzanpassungsnetzwerks.
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Anstatt das Signal der reflektierten Leistung unmittelbar zu erfassen, ist es auch möglich, eine andere Größe zu erfassen, die mit der reflektierten Leistung in Beziehung steht, beispielsweise die Summe oder Differenz der DC-Stromaufnahme einer Vollbrücke, die durch die HF-Quelle angesteuert ist. Die DC-Stromaufnahme ist abhängig vom Lastwinkel der reflektierten Leistung. Es ist daher möglich, die Modulationsfrequenz auf der Summe, der Quadratsumme oder der Differenz (gegebenenfalls der Quadrate) der DC-Stromaufnahme der Vollbrücken zu detektieren. Dies gibt eine Aussage über die Richtung der Frequenzänderungstrajektorie im Smith-Diagramm.
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Durch eine geeignete, insbesondere durch eine komplexe Demodulation, kann ein Impedanzanpassungssignal, insbesondere zur Frequenzänderung, für eine bessere absolute Anpassung gewonnen werden.
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Wenn ein dem Demodulator nachgeordneter Filtervorgesehen ist, kann eine vorzeichenbehaftete Gleichspannung als Impedanzanpassungssignal gewonnen werden.
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Es kann ein erster und ein zweiter, dem ersten Demodulator nachgeordneter Demodulator vorgesehen sein. Beispielsweise kann durch den ersten Demodulator der Hochfrequenzanteil des detektierten Signals entfernt werden. In dem zweiten Demodulator kann eine Mischung des so gewonnen Signals mit einem Demodulationssignal, welches dem Modulationssignal entsprechen kann, durchgeführt werden, um daraus ein Impedanzanpassungssignal zu gewinnen.
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Zwischen dem ersten und zweiten Demodulator kann ein Kondensator angeordnet sein. Dadurch kann der Gleichanteil des im ersten Demodulator demodulierten Signals entfernt werden, was die weitere Signalverarbeitung erleichtert.
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Zumindest ein Demodulator kann als komplexer Demodulator ausgebildet sein.
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Zwischen der HF-Quelle und einem Demodulator kann ein Phasenänderungsglied angeordnet sein. Dies hat insbesondere dann Vorteile, wenn das detektierte Signal in zwei unterschiedlichen Demodulatoren jeweils mit der Frequenz des HF-Leistungssignals demoduliert wird. Einem Demodulator kann dann das HF-Leistungssignal unmittelbar zugeführt werden, während dem anderen Demodulator das HF-Leistungssignal nach einer durch das Phasenänderungsglied bewirkten Phasenverschiebung zugeführt wird. Dadurch lassen sich die Koordinaten eines komplexen Zeigers ermitteln, die angeben, wie die Anpassung verändert werden muss, um die reflektierte Leistung zu minimieren.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein Mikroprozessor vorgesehen sein, dem der Ausgang eines Demodulators zugeführt ist. Der Mikroprozessor kann errechnen, wie stark und in welche Richtung die Frequenz des HF-Leistungssignals für eine bessere Anpassung geändert werden muss.
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Eine besonders einfache Impedanzanpassung und schnelle Impedanzanpassung kann durchgeführt werden, wenn die HF-Quelle als VCO oder DDS ausgebildet ist.
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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.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematisierte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Hochfrequenz-Leistungsversorgung;
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2a ein Hochfrequenz-Leistungssignal, welches an der Stelle A der 1 auftritt;
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2b ein mit der reflektierten Leistung in Beziehung stehendes amplitudenmoduliertes Hochfrequenzsignal, welches an der Stelle B der 1 anliegt;
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2c das demodulierte Signal der 2b;
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2d das Signal der 2c nach Entfernung eines Gleichanteils;
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2e ein Modulationssignal;
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2f ein mit dem Modulationssignal demoduliertes Signal;
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2g ein Impedanzanpassungssignal;
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Hochfrequenz-Leistungsversorgung;
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Hochfrequenz-Leistungsversorgung.
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Die 1 zeigt eine Hochfrequenz-Leistungsversorgung 10, die eine HF-Quelle 11 aufweist. Durch die HF-Quelle 11, die als sogenannter VCO ausgebildet ist, wird ein hochfrequentes Leistungssignal generiert. Dieses wird im Ausführungsbeispiel einem Verstärker 12 zugeführt und über ein Impedanzanpassungsnetzwerk 13 an eine Plasmakammer 14 geleitet, wo mit Hilfe des HF-Leistungssignals ein Plasma generiert wird.
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Die Hochfrequenz-Leistungsversorgung 10 weist weiterhin einen Modulationssignalgenerator 15 auf, der ein Modulationssignal generiert. Der Modulationssignalgenerator 15 ist im Ausführungsbeispiel als Bestandteil der HF-Leistungsversorgung 10 dargestellt. Es ist jedoch auch denkbar, einen separaten Modulationssignalgenerator 15 vorzusehen, der extern angeordnet ist. In diesem Fall würde die HF-Leistungsversorgung 10 einen Modulationssignaleingang aufweisen.
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Das Modulationssignal wird über ein Addierglied 16 der HF-Quelle 11 zugeführt. Das Ausgangssignal an der Stelle A der HF-Quelle 11 ist demnach ein frequenzmoduliertes Signal. Ein Signal, wie es an der Stelle A auftritt, ist beispielshaft in der 2a dargestellt.
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Das frequenzmodulierte HF-Leistungssignal wird abhängig von der Frequenz bei Fehlanpassung an der Kammer 14 reflektiert und erfährt dadurch eine Amplitudenmodulation mit der Frequenz des Modulationssignals. Dieses reflektierte HF-Leistungssignal kann durch eine Messeinrichtung 17, die im Ausführungsbeispiel als Richtkoppler ausgebildet ist, erfasst werden. Durch die Messeinrichtung 17 wird demnach ein mit der reflektierten Leistung in Beziehung stehendes Signal B ausgegeben. Beispielhaft ist ein solches Signal in der 2b angegeben.
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Der 2b kann man entnehmen, dass das Signal sowohl frequenz- als auch amplitudenmoduliert ist. Dieses Signal wird einem ersten Demodulator 18, der als Diode ausgebildet ist, zugeführt. Durch den ersten Demodulator 18 wird somit die Hüllkurve des Signals der 2b gewonnen und der hochfrequente Anteil des Signals B entfernt. Das Signal, welches an der Stelle C anliegt, ist in der 2c dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass es sich bei dem Signal an der Stelle C um ein Signal handelt, welches die Frequenz der Frequenzmodulation gemäß des Signals der 2a aufweist. Dies bedeutet, dass das Signal 2c die Frequenz des Modulationssignals aufweist. Auch das in der 2c dargestellte Signal wird als ein Signal aufgefasst, welches mit der reflektierten Leistung in Beziehung steht.
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Dieses Signal wird einem Kondensator 19 zugeführt, wodurch der Gleichanteil des Signals C entfernt wird. Daraus ergibt sich das in der 2d dargestellte Signal, welches in 1 an der Stelle D anliegt.
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Dieses Signal, welches wiederum als ein mit der reflektierten Leistung in Beziehung stehendes Signal aufgefasst werden kann, wird einem zweiten Demodulator 20 zugeführt. Dem Demodulator 20 wird außerdem das Modulationssignal des Modulationssignalgenerators 15 zugeführt, was durch den Buchstaben E in der 1 angedeutet wird. Das Modulationssignal ist in der 2e dargestellt.
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Im Demodulator 20 erfolgt demnach eine Mischung der Signale D und E. Im Demodulator 20 wird eine phasentreue Demodulation des Signals D durchgeführt. Das resultierende Signal an der Stelle F ist in der 2f dargestellt. Dieses Signal wird wiederum einem Tiefpassfilter 21 zugeführt, an dessen Ausgang an der Stelle G das Signal der 2g anliegt. Bei diesem Signal handelt es sich um ein Impedanzanpassungssignal, welches dem Addierglied 16 zugeführt wird. Das Signal G ist ein sich mit der Impedanzanpassung langsam änderndes Gleichspannungssignal. Hierdurch wird somit das Modulationssignal verschoben, was wiederum Einfluss hat auf die Frequenz des HF-Leistungssignals, welches an der Stelle A ausgegeben wird.
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Dadurch, dass im zweiten Demodulator 20 eine phasentreue Demodulation durchgeführt wird, entsteht an der Stelle G eine Gleichspannung, die mit einem Vorzeichen behaftet ist. Je nach Vorzeichen wird demnach das Modulationssignal positiv oder negativ verschoben, was die Richtung der Frequenzänderung (höhere oder niedrigere Frequenz) des HF-Leistungssignals angibt. Die Größe der Gleichspannung gibt an, um welches Maß, d. h. wie stark die Frequenz des Hochfrequenzleistungssignals verändert wird. Durch die Änderung der Frequenz des Hochfrequenzleistungssignals wird die Anpassung der Ausgangsimpedanz der HF-Leistungsversorgung 10 an die Impedanz der Plasmakammer 14 verbessert. Ziel ist es dabei, die reflektierte Leistung zu minimieren.
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Alternativ oder zusätzlich besteht die Möglichkeit, das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 21 einem Impedanzanpassungsnetzwerk 13 zuzuführen und dort die Impedanz einzelner Elemente des Impedanzanpassungsnetzwerks in Abhängigkeit des Impedanzanpassungssignals zu verändern, um die Impedanzanpassung des Ausgangswiderstands der HF-Leistungsversorgung 10 an die Impedanz der Plasmakammer 14 zu verbessern.
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In der 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer HF-Leistungsversorgung 30 dargestellt. Elemente, die denen der 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Im Unterschied zum vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das mit der reflektierten Leistung in Beziehung stehende Signal, welches von der Messeinrichtung 17 ausgegeben wird, in einem ersten Demodulator 31 und einem zweiten Demodulator 32 demoduliert. Im ersten Demodulator 31 erfolgt dabei eine Mischung mit dem von der HF-Quelle 11 ausgegebenen Hochfrequenz-Leistungssignal. Im zweiten Demodulator 32 erfolgt eine Mischung mit dem durch ein Phasenänderungsglied 33 phasenverschobenen HF-Leistungssignal. Im Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Phasenänderungsglied 33 eine Phasenverschiebung um 90° bewirkt. Es handelt sich dann um eine komplexe Demodulation. Das von der Messeinrichtung 17 ausgegebene Signal wird demnach mit Signalen demoduliert, die dieselbe Frequenz aufweisen. Durch die Demodulatoren 31, 32 wird somit eine homodyne Demodulation durchgeführt.
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Die Ausgangssignale der Demodulatoren 31, 32 werden einem ersten Auswerteglied 34 zugeführt, wo aus den Ausgangssignalen der Demodulatoren 31, 32 der Betrag r und die Phase φ des Ausgangssignals der Messeinrichtung 17 ermittelt werden. Der Betrag r wird über einen optionalen Kondensator 35 einem dritten Demodulator 36 und einem vierten Demodulator 37 zugeführt.
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Dem Demodulator 36 wird weiterhin das Modulationssignal des Modulationssignalgenerators 15 und dem Demodulator 37 das durch ein Phasenänderungsglied 38 phasenverschobene Modulationssignal zugeführt. Auch hier erfolgt eine komplexe Demodulation (90° phasenverschobene Demodulationssignale). Die demodulierten Signale werden wiederum einer zweiten Auswerteeinheit 39 zugeführt, wo Betrag und Phase des Ausgangssignals der Auswerteeinheit 34 ermittelt werden. Diese Werte werden einem Mikroprozessor 40 zugeführt, der ein Impedanzanpassungssignal generiert, welches wiederum dem Addierer 16 zugeführt wird.
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Der in der Auswerteeinheit 39 ermittelte Betrag r gibt an, wie groß das Impedanzanpassungssignal ist und die Phase φ gibt an, in welcher Richtung die Impedanzanpassung erfolgen muss, also in welche Richtung das Modulationssignal verschoben werden muss. Somit gibt der Mikroprozessor 40 wiederum ein vorzeichenbehaftetes DC-Signal als Impedanzanpassungssignal aus. Alternativ oder zusätzlich kann das Impedanzanpassungssignal dem Impedanzanpassungsnetzwerk 13 zugeführt werden.
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Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer HF-Leistungsversorgung 50. Bauteile, die denen der 1 und 3 entsprechen, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Das Ausgangssignal der HF-Quelle 11 wird einem Verstärker 51 zugeführt, der eine erste, insbesondere als Vollbrücke ausgebildete Leistungseinheit 52 und eine zweite, ebenfalls vorzugsweise als Vollbrücke ausgebildete Leistungseinheit 53, aufweist. Beide Leistungseinheiten 52, 53 sind an eine DC-Versorgung 54 angeschlossen. Weiterhin ist beiden Leistungseinheiten 52, 53 das HF-Leistungssignal zugeführt, wobei ein Phasenänderungsglied 55 die Phase des HF-Leistungssignals ändert, ehe es der Leistungseinheit 52 zugeführt wird. Die Ausgangssignale der Leistungseinheiten 52, 53 sind einem Leistungskoppler 56 zugeführt, der die Leistung in Abhängigkeit der Phasenlage der Ausgangssignale der Leistungseinheiten 52, 53 koppelt und dann über das Impedanzanpassungsnetzwerk 13 der Plasmakammer 14 zuführt.
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Wenn es aufgrund von Fehlanpassung zu Reflektionen von Leistung an der Plasmakammer 14 kommt, wirkt sich das auf die Stromaufnahme der Leistungseinheiten 52, 53 aus, was durch die Messeinrichtungen 57, 58 detektiert werden kann. Die Summe und/oder Differenz der DC-Stromaufnahmen der Leistungseinheiten 52, 53 hängt somit mit der reflektierten Leistung zusammen. Die mit der reflektierten Leistung in Beziehung stehenden Signale werden einer Auswerteeinheit 59 zugeführt, wo die Summe, Quadratsumme, Differenz oder Differenz der Quadrate der DC-Stromaufnahmen ermittelt werden.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Summe der DC-Stromaufnahmen einem ersten Demodulator 60 zugeführt und die Differenz der Stromaufnahmen einem zweiten Demodulator 61. Den beiden Demodulatoren 60, 61 wird weiterhin als Demodulationssignal bzw. Local Oscillator das Modulationssignal des Modulationssignalgenerators 15 zugeführt. Die demodulierten Signale werden wiederum einem Mikroprozessor 62 zugeführt, der aus den demodulierten Signalen das Impedanzanpassungssignal generiert, welches dem Addierer 16 und/oder dem Impedanzanpassungsnetzwerk 13 zugeführt wird.
