DE102011007598A1

DE102011007598A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Impedanzanpassung

Info

Publication number: DE102011007598A1
Application number: DE102011007598A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bock Christian
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-04-19
Also published as: DE102011007598B4; WO2012143001A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Impedanzanpassung einer Leistungsversorgung an eine Last mittels eines Impedanzanpassungsnetzwerks (12, 22, 42), das zumindest ein Element (20, 21, 40, 41) aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks (12, 22, 42) veränderbar ist, wobei ein mit einer von der Last reflektierten Leistung (Pr) in Beziehung stehendes Signal detektiert wird, wird das Element (20, 21, 40, 41) mittels eines Modulationssignals beeinflusst, das detektierte Signal oder ein damit in Beziehung stehendes Signal mit einem Demodulationssignal demoduliert und aus dem demodulierten Signal ein Impedanzanpassungssignal erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Impedanzanpassung einer Leistungsversorgung an eine Last mittels eines Impedanzanpassungsnetzwerks, das zumindest ein Element aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks veränderbar ist, wobei ein mit einer von der Last reflektierten Leistung in Beziehung stehendes Signal detektiert wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Impedanzanpassungsnetzwerk, das zumindest ein Element aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks veränderbar ist, sowie mit einem Modulationssignalgenerator oder einem Modulationssignaleingang, der mit dem Element verbunden ist.
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.
Die Plasmakammer wird über weitere elektronische Bauteile, wie Spulen, Kondensatoren, Leitungen oder Transformatoren an einen Hochfrequenzgenerator (HF-Generator, HF-Quelle) angeschlossen. Diese weiteren Bauteile können Schwingkreise, Filter oder Impedanzanpassungsschaltungen darstellen.
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 Gasverhältnisse ein.
Hochfrequenzgeneratoren 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 des Hochfrequenzgenerators kommen.
Aus diesem Grund ist in der Regel eine Impedanzanpassungsschaltung (Impedanzanpassungsnetzwerk, Matchbox) erforderlich, die die Impedanz der Last auf eine Nennimpedanz des Generatorausgangs (häufig 50 Ω) transformiert. Bei Fehlanpassung kann nicht die volle Generatorleistung 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 der Generator stabil arbeitet und nicht beschädigt wird. Ist die transformierte Lastimpedanz außerhalb dieses Nennimpedanzbereichs, so kann es aufgrund reflektierter Leistung zu Beschädigungen und Instabilitäten des Generators kommen.
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 Betriebs nicht verändert werden. Dies ist insbesondere bei immer gleich bleibendem Betrieb, wie z. B. bei einem Gaslaser, sinnvoll. Weiterhin sind Impedanzanpassungsschaitungen 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.
Um feststellen zu können, wie die Bauelemente der Impedanzanpassungsschaltung verändert werden müssen, um eine gute Impedanzanpassung zu erreichen, also die reflektierte Leistung zu minimieren, ist es bekannt, die von der Hochfrequenzquelle zu der Last gelieferte Leistung und die von der Last reflektierte Leistung zu erfassen. Eine Steuerung des Impedanzanpassungsnetzwerks versagt häufig dann, wenn die aktuelle Einstellung des Impedanzanpassungsnetzwerks weit vom Anpasspunkt entfernt ist. Außerdem besteht bei dieser Vorgehensweise die Gefahr, dass die vermeintlich gute Anpassung lediglich bei einem lokalen Minimum der reflektierten Leistung liegt, dass tatsächlich noch eine bessere Anpassung bei einem globalen Minimum gefunden werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Impedanzanpassung und ein Impedanzanpassungsnetzwerk bereit zu stellen, mit denen eine Impedanzanpassung schnell und zuverlässig erfolgen kann, insbesondere globale Minima der reflektierten Leistung gefunden werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Impedanzanpassung einer Leistungsversorgung an eine Last mittels eines Impedanzanpassungsnetzwerks, das zumindest ein Element aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks veränderbar ist, wobei ein mit einer von der Last reflektierten Leistung in Beziehung stehendes Signal detektiert wird. Das Element wird mittels eines Modulationssignals beeinflusst, das detektierte Signal oder ein damit in Beziehung stehendes Signal wird mit einem Demodulationssignal demoduliert und aus dem demodulierten Signal wird ein Impedanzanpassungssignal erzeugt. Dadurch, dass das Element mittels eines Modulationssignals beeinflusst wird, entsteht auf der reflektierten Leistung eine Amplitudenmodulation. Wird nun die reflektierte Leistung oder ein damit in Beziehung stehendes Signal, z. B. ein Strom oder eine Spannung, detektiert, so kann durch eine Demodulation des detektierten Signals ein Signal erzeugt werden, mit dem eine Impedanzanpassung gesteuert werden kann. Beispielsweise kann eine Spannung ermittelt werden, die unmittelbar als Regelsignal dem Impedanzanpassungsnetzwerk zugeführt werden kann. Alternativ ist es denkbar, mit dem so gewonnenen Regelsignal eine Hochfrequenzquelle anzusteuern, um deren Frequenz so zu ändern, dass eine gute Lastanpassung erfolgt. Durch eine genügend große Amplitude der Modulation (Modulationshub), also geeignete Wahl des Modulationssignals, kann verhindert werden, dass versehentlich lokale Minima als globale Minima interpretiert werden. Der Modulationshub kann an den Fortschritt der Lastanpassung angepasst werden. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Hängenbleiben in lokalen Minima der Anpassung sich durch einen zunächst höheren Modulationshub vermeiden lässt, der die Minima überfährt. Bei besser werdender Anpassung kann der Modulationshub vermindert werden.
Um ein aussagekräftiges Impedanzanpassungssignal generieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn eine Phasenbeziehung und/oder Frequenzbeziehung zwischen dem Modulationssignal und dem Demodulationssignal bekannt ist. Dadurch ist es möglich, ein vorzeichenbehaftetes Impedanzanpassungssignal zu generieren. Durch das Vorzeichen wird angegeben, in welche Richtung die Anpassung verändert werden muss.
Als Demodulationssignal kann ein Signal mit der Frequenz des Modulationssignals verwendet werden. Dann ist das Impedanzanpassungssignal besonders einfach zu generieren.
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.
Die Modulationsfrequenz kann kleiner, insbesondere deutlich kleiner, beispielsweise mehr als 10 oder 100 mal kleiner als die Frequenz des Hochfrequenzleistungssignals sein.
Als Demodulationssignal kann das Modulationssignal verwendet werden. Somit muss kein separates Demodulationssignal generiert werden. Außerdem ist die Phasenbeziehung zwischen Demodulationssignal und Modulationssignal in diesem Fall bekannt. Eine Frequenzänderung des Modulationssignals führt in diesem Fall automatisch zu einer phasenrichtigen Frequenzänderung des Demodulationssignals.
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.
Bei der homodynen Demodulation hingegen haben Local Oscillator und das HF-Leistungssignal 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.
Das detektierte Signal kann phasenrichtig demoduliert werden. Dadurch erhält man eine Information, in welche Richtung die Anpassung verändert werden muss, um die reflektierte Leistung zu minimieren. Dies ist mit dem Verfahren des Standes der Technik nicht möglich. Dort muss vielmehr durch Versuche ermittelt werden, in welche Richtung die Anpassung verändert werden muss.
Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass das demodulierte Signal gefiltert, insbesondere tiefpassgefiltert, wird. Durch die Tiefpassfilterung des demodulierten Signals ergibt sich vorzeichenrichtig eine Regelspannung, z. B. für das Element, welches mittels des Modulationssignals beeinflusst wurde.
Die Kapazität oder Induktivität des Elements kann durch das Modulationssignal verändert werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein insbesondere als Kondensator ausgebildetes Element in Abhängigkeit des Modulationssignals in Serie oder parallel zu einer Reaktanz des Impedanzanpassungsnetzwerks geschaltet oder abgetrennt werden. Die Zuschaltung oder Abtrennung kann beispielsweise durch PIN-Dioden erfolgen, die durch das Modulationssignal angesteuert werden. Zu diesem Zweck kann das Modulationssignal als Rechtecksignal ausgebildet sein. Durch das Zu- oder Abschalten von Elementen verändert sich die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks. Dies wiederum verursacht eine Amplitudenmodulation der reflektierten Leistung. Aus diesem reflektierten Signal, welches detektiert werden kann, kann ein demoduliertes Signal generiert werden, aus dem dann wiederum das Impedanzanpassungssignal erzeugt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann ein insbesondere als Induktivität ausgebildetes Element zumindest teilweise in Abhängigkeit des Modulationssignals zu- oder abgeschaltet werden. Auch diese Zu- oder Abschaltung kann beispielsweise mittels PIN-Dioden erfolgen, die durch das Modulationssignal angesteuert sind. Auch das Zu- oder Abschalten von Induktivitäten führt zu einer Veränderung der Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks und somit zu einer veränderten reflektierten Leistung.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Kapazität eines als Kondensator ausgebildeten Elements in Abhängigkeit von dem Modulationssignal verändert wird. Beispielsweise kann der Rotor eines variablen Kondensators als Element in Abhängigkeit des Modulationssignals angetrieben werden. Das Modulationssignal kann dabei das Signal sein, mit dem der Motor angetrieben wird. Die Frequenz des Modulationssignals sowie seine Phasenlage kann dabei durch einen Winkelgeber (im einfachsten Fall eine Lichtschranke) abgefragt werden. Wird der Kondensator durch einen Schrittmotor angetrieben, können Drehwinkel sowie die Variation direkt beispielsweise durch ein digitalisiertes Modulationssignal eingestellt werden. Der Kondensator kann parallel zu einer Reaktanz angeordnet sein. Wenn die Kapazität des Kondensators verändert wird, verändert sich in Folge auch die Impedanz der Parallelschaltung. Auch die Parallelschaltung kann als „Element” im Sinne der Erfindung verstanden werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein induktivitätsbeeinflussendes Teil mit dem Modulationssignal beeinflusst wird. Beispielsweise können in Abhängigkeit des Modulationssignals mechanisch induktivitätsbeeinflussende Teile beispielsweise dia-, para- oder ferromagnetische Materialien zyklisch, pulsierend oder in einer anderen vorbestimmten Weise in die Nähe einer Induktivität des Impedanzanpassungsnetzwerks gebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein in der Nähe der Induktivität angebrachter Ferrit oder ähnliches durch das Modulationssignal in seiner Permeabilität verändert werden. Wichtig ist dabei, wie in den vorgenannten Fällen, dass die Frequenz und Phasenlage des Modulationssignals bekannt sind. Anhand dieser Informationen kann dann aus den detektierten Signalen ermittelt werden, welchen Einfluss das Modulationssignal auf die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks und somit auf die reflektierte Leistung hat. Hieraus können wiederum Rückschlüsse darauf gezogen werden, wie die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks verändert werden muss, um einen möglichst guten Anpasspunkt zu erreichen.
Wie bereits erwähnt, kann das Modulationssignal rechteckförmig sein. Grundsätzlich ist jegliche Art von Signalform für das Modulationssignal denkbar. Ein besonders einfach zu demodulierendes Signal ergibt sich jedoch, wenn das Modulationssignal sinusförmig ist.
Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass ein erstes Element des Impedanzanpassungsnetzwerks durch ein erstes Modulationssignal und ein zweites Element des Impedanzanpassungsnetzwerks durch ein zweites Modulationssignal verändert wird. Werden demnach zwei oder mehr Elemente mit unterschiedlichen Modulationssignalen moduliert, so können durch Demodulation voneinander unabhängige Regelspannungen erhalten werden. Somit können gleichzeitig zwei Elemente des Impedanzanpassungsnetzwerks beeinflusst und so eingestellt werden, dass ein optimaler Anpassungspunkt entsteht. Dabei kann die Demodulation des detektierten Signals mit den Frequenzen der jeweiligen Modulationssignale erfolgen.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Frequenz des ersten und zweiten Modulationssignals gleich ist und die Signale phasenverschoben sind. Durch jeweils phasenrichtige Demodulation können somit zwei Impedanzanpassungssignale, insbesondere ein Signal für jedes Element, gewonnen werden. Der ideale Fall liegt bei phasenmäßig orthogonaler Modulation (z. B. Sinus und Kosinus, also um 90° phasenverschobene Modulationssignale gleicher Frequenz) vor, was voneinander unabhängige Impedanzanpassungssignale erzeugt. Mit dem gewonnenen Impedanzanpassungssignal kann das Element oder ein anderes Bauteil des Impedanzanpassungsnetzwerks oder die HF-Quelle angesteuert werden. Ein sparsamer Aufbau wird erreicht, wenn man nur einen Signalgenerator für zwei Modulations- und Demodulationssignale vorsieht.
Sollen andere Parameter der Anordnung gleichzeitig moduliert werden, kann das durch weitere Modulationssignale erfolgen, wodurch die demodulierten Signale voneinander unabhängig werden. Dadurch können mehrere HF-Quellen, die an eine gemeinsame Plasmakammer angeschlossen sind, die Vollbrücken einer HF-Quelle oder weitere prozessrelevante Einflüsse unabhängig voneinander moduliert und orthogonal demoduliert werden.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Impedanzanpassungsnetzwerk, das zumindest ein Element aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks veränderbar ist, sowie mit einem Modulationssignalgenerator oder einem Modulationssignaleingang, der mit dem Element verbunden ist, wobei einem Demodulator ein mit einem von einer Last reflektierten Leistung in Beziehung stehendes Detektionssignal und ein Demodulationssignal zugeführt sind. Mit einem solchen Impedanzanpassungsnetzwerk ist eine einfache, sehr schnelle und immer korrekte Steuerung der Elemente des Impedanzanpassungsnetzwerks möglich. Als Impedanzanpassungssignale können linear unabhängige Regelspannungen auf einfache Art und Weise erhalten werden. Das Hängenbleiben in lokalen Minima der reflektierten Leistung kann vermieden werden. Vor dem Demodulator kann eine Diode oder ein Gleichrichter angeordnet sein, der/dem die reflektierte Leistung zugeführt wird. Die reflektierte Leistung ist ein Hochfrequenzsignal. Durch die Diode oder den Gleichrichter kann aus diesem amplitudenmodulierten Hochfrequenzsignal der Kurvenzug ermittelt werden, d. h. die Einhüllende des hochfrequenten Signals, die die Frequenz des Modulationssignals aufweist. Der Diode bzw. dem Gleichrichter kann ein Filter nachgeordnet sein. Anschließend, also nach der Diode bzw. dem Gleichrichter oder dem Filter, kann dieses Signal mit dem Demodulationssignal demoduliert werden.
In einer Ausführungsform kann ein dem Demodulator nachgeordneter Filter vorgesehen sein. Dem Filter kann demnach das demodulierte Signal zugeführt werden, wodurch sich ein vorzeichenrichtiges Impedanzanpassungssignal, insbesondere eine Spannung, ergibt. Mit diesem Signal kann unmittelbar das Element wieder beeinflusst werden, um die Anpassung zu verbessern.
Weiterhin kann ein als Kondensator ausgebildetes Element vorgesehen sein, welches in Abhängigkeit des Modulationssignals in Serie oder parallel zu einer Reaktanz schalt- oder abtrennbar ist. Das Zuschalten und Abtrennen kann insbesondere über PIN-Diodenschalter erfolgen, die durch das Modulationssignal angesteuert werden. Die Modulationssignale können unmittelbar die Elemente steuern. Das kann mechanisch durch einen Motor zum Antrieb beispielsweise eines Drehkondensators oder Variometers, elektrisch, beispielsweise durch Zu- oder Wegschalten von Teilreaktanzen oder indirekt durch Beeinflussung der Permeabilität von dia-, para- oder ferromagnetischen Stoffen, was zu einer Änderung des Induktivitätswerts einer Induktivität führen kann, erfolgen.
Zu diesem Zweck kann ein als Induktivität ausgebildetes Element vorgesehen sein, das zumindest teilweise in Abhängigkeit des Modulationssignals zu- oder abschaltbar ist.
Weiterhin kann ein variabler Kondensator vorgesehen sein, dessen Rotor in Abhängigkeit des Modulationssignals antreibbar ist.
Zusätzlich oder alternativ kann zumindest ein induktivitätsbeeinflussendes Teil vorgesehen sein, das durch das Modulationssignal beeinflussbar ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die aufgezeigten 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 eine schematische Darstellung eines Plasmaversorgungssystems;
2 eine erste Ausführungsform eines Impedanzanpassungsnetzwerks;
3 eine zweite Ausführungsform eines Impedanzanpassungsnetzwerks;
4 ein Diagramm, bei dem das Maß für die reflektierte Energie über die Veränderung zweier Elemente des Impedanzanpassungsnetzwerks aufgetragen ist;
5 ein der 4 entsprechendes Diagramm, in dem gezeigt ist, wie die Impedanzanpassung verbessert wird;
6 ein Diagramm, bei dem die Veränderung der reflektierten Energie in Abhängigkeit von sinusförmigen Modulationssignalen gezeigt ist;
7 ein Diagramm, in dem gezeigt ist, wie sich rechteckförmige Modulationssignale auf die reflektierte Energie auswirken.
In der 1 ist stark schematisiert ein Plasmaversorgungssystem 10 gezeigt. Hierbei ist eine HF-Quelle 11 über ein Impedanzanpassungsnetzwerk 12 an eine Plasmakammer 13 angeschlossen, in der durch die HF-Quelle 11 ein Plasma generiert wird. Durch das Impedanzanpassungsnetzwerk 12 soll der Ausgangswiderstand am Ausgang 14 der HF-Quelle 11 an die Lastimpedanz, insbesondere die Impedanz des Plasmas in der Plasmakammer 13, angepasst werden. Durch die HF-Quelle 11 wird demnach eine Leistung P_i zur Plasmakammer 13 geliefert. Wenn die Impedanz des Plasmas 13 nicht auf den Ausgangswiderstand am Anschluss 14 angepasst ist, wird ein Teil der Leistung P_i reflektiert und läuft als reflektierte Energie P_r zurück zur HF-Quelle 11. Die reflektierte Leistung P_r kann durch eine Messeinrichtung 15, die beispielsweise als Richtkoppler ausgebildet sein kann, erfasst werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Modulationssignalgenerator 16 dem Impedanzanpassungsnetzwerk 12 ein Modulationssignal zuführt und dadurch ein Element des Impedanzanpassungsnetzwerks 12 verändert. Durch eine Veränderung eines Elements des Impedanzanpassungsnetzwerks 12 verändert sich die Impedanzanpassung und somit die reflektierte Energie P_r. Insbesondere wird durch diese Maßnahme die reflektierte Leistung P_r amplitudenmoduliert. Dieses amplitudenmodulierte Signal oder ein damit in Beziehung stehendes Signal kann durch die Messeinrichtung 15 ausgekoppelt werden und einem Demodulator 17 zugeführt werden. Auch dem Demodulator 17 kann beispielsweise das Modulationssignal als Demodulationssignal zugeführt sein und mit Hilfe des Modulationssignals kann das detektierte Signal demoduliert werden. Das Demodulationssignal kann aber auch optional durch einen Demodulationssignalgenerator 19 erzeugt werden. Das demodulierte Signal kann einem Tiefpassfilter 18 zugeführt werden, an dessen Ausgang ein Impedanzanpassungssignal liegt. Das Impedanzanpassungssignal kann dem Impedanzanpassungsnetzwerk 12 zugeführt werden, um das mit dem Modulationssignal veränderte Element entsprechend anzupassen, so dass eine bessere Impedanzanpassung erzielt wird.
In der gezeigten Darstellung sind der Modulator 16, der Demodulationssignalgenerator 19 und der Demodulator 17 sowie der Tiefpassfilter 18 außerhalb des Impedanzanpassungsnetzwerks 12 gezeigt. Es kann sich dabei grundsätzlich um separate, externe Komponenten handeln. Es ist sogar denkbar, dass alle vier Bauteile 16, 17, 18, 19 im Impedanzanpassungsnetzwerk, insbesondere einer Matchbox, angeordnet sind. Weiterhin ist es denkbar, dass die Komponenten 16, 17, 18, 19 in einer Leistungsversorgung, insbesondere in der HF-Quelle 11 angeordnet sind. Weiterhin ist es denkbar, dass nur ein Teil der Komponenten 16, 17, 18, 19 im Impedanzanpassungsnetzwerk 12 und ein Teil in der HF-Quelle 11 angeordnet sind.
In der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Impedanzanpassungsnetzwerks 22 gezeigt. Das Impedanzanpassungsnetzwerk 22 ist zwischen einer Hochfrequenzquelle 11 und einer Plasmakammer 13 angeordnet. Eine Leistung P_i wird von der Hochfrequenzquelle 11 über das Impedanzanpassungsnetzwerk 22 zur Plasmakammer 13 geführt. Ein Maß für die reflektierte Leistung P_r wird durch eine als Richtkoppler ausgebildete Messeinrichtung 15 detektiert und dem Impedanzanpassungsnetzwerk 22 zugeführt.
Das Impedanzanpassungsnetzwerk 22 weist ein erstes und ein zweites Element 20, 21 auf. Das erste Element 21 weist einen Kondensator C₁ auf, dessen Kondensatorplatten relativ zueinander verstellbar sind. Die Verstellung kann, über einen Motor M₁ erfolgen. Parallel zum Kondensator C₁ ist eine Kapazität C₁' geschaltet, die elektronisch variabel ist. Insbesondere ist die Kapazität C₁' als PIN-Diode ausgebildet. PIN-Dioden sind elektronische Bauelemente, die ähnlich wie eine pn-Diode aufgebaut sind. Im Unterschied zu diesen befindet sich die p-dotierte Schicht nicht in direktem Kontakt zur n-dotierten Schicht, sondern es liegt eine schwachdotierte oder undotierte i-Schicht dazwischen. Diese i-Schicht ist eigenleitend. Da sie aber nur wenige freie Leitungsträger enthält, ist sie hochohmig. In Durchlassrichtung funktioniert die PIN-Diode ähnlich wie eine normale Halbleiterdiode. Bei PIN-Dioden ist die Lebensdauer der Ladungsträger in der undotierten i-Schicht allerdings besonders hoch. Werden durch einen Vorwärtsstrom Ladungsträger in die i-Schicht eingebracht, bleibt die PIN-Diode auch dann dauernd leitend, wenn dem Vorwärtsstrom eine Hochfrequenz überlagert ist und dadurch periodisch kurze Spannungsimpulse in Sperrrichtung anliegen. In diesem Zustand verhält sich eine PIN-Diode wie ein Widerstand.
Betreibt man die Diode durch Anlegen einer Gleichspannung in Sperrrichtung, ergibt sich in der p- und der i-Zone eine unterschiedlich breite Raumladungszone. Durch die breite Raumladungszone in der i-Zone sind diese Dioden für hohe Sperrspannungen geeignet. Für eine überlagerte Hochfrequenz stellt eine gesperrte PIN-Diode im Wesentlichen eine durch die Sperrschicht gebildete Kapazität dar. Die Größe der Kapazität C₁' kann demnach durch Anlegen einer Gleichspannung in Sperrrichtung beeinflusst werden. Dies geschieht, indem ein Modulationssignal von einem Modulationssignalgenerator 24 der Kapazität C₁' zugeführt wird. Durch Ansteuerung der Kapazität C₁' mittels des Modulationssignals lässt sich demnach die Gesamtkapazität des Elements 20, gebildet durch die Parallelschaltung der Kapazitäten C₁, C₁', beeinflussen. Die Kapazität C₁' kann durch das Modulationssignal zu- und weggeschaltet werden und stellt somit auch in Alleinstellung (ohne die Kapazität C₁) ein beeinflussbares Element im Sinne der Erfindung dar.
Das Element 21 ist analog zum Element 20 ausgebildet und weist den variablen Kondensator C₂, der von einem Motor M₂ angesteuert wird und die Kapazität C₂', die ebenfalls als PIN-Diode ausgebildet ist, auf. Der Kapazität C₂' wird ein zweites Modulationssignal von einem Modulationssignalgenerator 25 zugeführt.
Zwischen den Elementen 20, 21 ist eine Spule 26 angeordnet. Wird eines oder beide der Elemente 20, 21 durch ein Modulationssignal beeinflusst, so ändert sich nicht nur die Impedanz des jeweiligen Elements 20, 21, sondern auch die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks 22 und somit das Anpassverhalten. Dies führt dazu, dass die von der Plasmakammer 13 reflektierte Leistung eine Amplitudenmodulation erfährt. Das detektierte Signal wird einer Diode 27 zugeführt. Dadurch wird der Hochfrequenzanteil aus diesem Signal entfernt und als Resultat die Hüllkurve des amplitudenmodulierten Signals erhalten. Dieses Signal wird auf einen Kondensator 28 gegeben, durch den ein Gleichanteil des Signals entfernt wird.
Dieses Signal, das mit der reflektierten Leistung in Beziehung steht, wird einem Demodulator 29 zugeführt, dem auch das erste Modulationssignal des Modulationssignalgenerators 24 zugeführt wird. Das erste Modulationssignal wird demnach ebenfalls als Demodulationssignal verwendet.
Das demodulierte Signal wird einem Trefpassfilter 30 zugeführt, an dessen Ausgang eine vorzeichenbehaftete Gleichspannung anliegt. Diese Gleichspannung wird einem Treiber oder Verstärker 31 zugeführt, der wiederum den Motor M₁ zur Verstellung der Kapazität des Kondensators C₁ ansteuert. Hieraus ergibt sich, dass aus dem amplitudenmodulierten Signal, welches mit der reflektierten Leistung in Zusammenhang steht, ein Impedanzanpassungssignal generiert wird, welches den Motor M₁ ansteuert. Dies geschieht ohne Zwischenschaltung einer Steuerung oder eines Mikroprozessors.
In analoger Weise wird das Signal am Ausgang des Kondensators 28 dem zweiten Demodulator 32 zugeführt, dem auch das zweite Modulationssignal des zweiten Modulationssignalgenerators 25 zugeführt ist. Das Ausgangssignal wird einem Tiefpassfilter 33 zugeführt, an dessen Ausgang das Impedanzanpassungssignal anliegt, welches einem Verstärker oder Treiber 34 zugeführt wird, der entsprechend den Motor M₂ ansteuert. Das erste und zweite Modulationssignal können dieselbe Frequenz aufweisen, aber phasenverschoben sein. Beispielsweise kann das erste Modulationssignal ein Kosinussignal und das zweite Modulationssignal ein Sinussignal gleicher Frequenz sein. Alternativ kann das erste Modulationssignal ein erstes Rechtecksignal und das zweite Modulationssignal ein zweites Rechtecksignal sein. Durch ein Rechtecksignal können die Kapazitäten C₁', C₂' zu- bzw. weggeschaltet werden.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, anstatt das erste Modulationssignal dem Demodulator 29 zuzuführen, dem Demodulator 29 ein Demodulationssignal zuzuführen, welches zwar dieselbe Frequenz wie das erste Modulationssignal aufweist, jedoch eine andere Signalform und/oder Phase aufweist. Entsprechend könnte ein vom zweiten Modulationssignal abweichendes Demodulationssignal dem Demodulator 32 zugeführt werden.
In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Impedanzanpassungsnetzwerks 42 dargestellt. Bauelemente, die denen der 2 entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Die Elemente 40, 41 weisen wiederum die Kondensatoren C₁, C₂ auf. Den Kondensatoren C₁, C₂ sind jeweils Kapazitäten C₁'' und C₂'' parallel geschaltet, wobei in diesem Fall die Kapazitäten C₁', C₂' ebenfalls als Kondensatoren mit über Motoren verstellbaren Kondensatorplatten ausgebildet sind. Die Kapazitäten C₁'' und C₂'' werden durch einen gemeinsamen Motor M₃ angesteuert. In diesem Fall ist das Modulationssignal das Ansteuersignal des Motors M₃. Durch eine entsprechende Ansteuerung des Motors M₃ werden die Kapazitätswerte der Kapazitäten C₁'' und C₂'' verändert, was wiederum zu einer Veränderung der Impedanzen der Elemente 40, 41 und somit zu einer Veränderung der Anpassung führt. Wie bereits im letzten Ausführungsbeispiel beschrieben, führt dies zu einer Amplitudenmodulation des Signals der reflektierten Leistung. Auch die Kapazitäten C₁'' und C₂'' können als durch ein Modulationssignal beeinflussbare Elemente im Sinne der Erfindung aufgefasst werden.
Durch die Diode 27 wird eine HF-Demodulation durchgeführt, um ein Signal zu erhalten, das die Frequenz des Modulationssignals aufweist. Aus diesem Signal wird durch den Kondensator 28 der Gleichanteil entfernt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass als Demodulationssignal dem Demodulator 29 der Kosinusanteil des Modulationssignals, welches den Motor M₃ ansteuert, zugeführt wird. Dagegen kann dem Demodulator 32 der Sinusanteil des Modulationssignals, nämlich des Ansteuersignals des Motors M₃ zugeführt werden. Die Signale an den Ausgängen der Demodulatoren 29, 32 geben an, wie viel und in welche Richtung die Verstellung der Kondensatorplatten der Kondensatoren C₁, C₂ erfolgen muss, um die Anpassung des Ausgangswiderstands der HF-Quelle 11 an die Plasmalast zu verbessern.
Nicht gezeigt, aber grundsätzlich denkbar ist es auch, die Induktivität der Spule 26 zu verändern. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine weitere Reaktanz parallel oder in Serie zu der Spule 26 geschaltet wird, wobei das Zu- bzw. Wegschalten über ein Modulationssignal erfolgt. Weiterhin ist es denkbar, induktivitätsverändernde Teile selbst durch Ansteuerung mit einem Modulationssignal zu verändern bzw. deren Lage relativ zur Spule 26 zu verändern, um dadurch die resultierende Impedanz der Spule 26 zu verändern.
In der 4 ist ein Diagramm gezeigt, bei dem auf der Z-Achse ein Maß für die gemessene reflektierte Energie dargestellt ist. Die reflektierte Energie ändert sich dabei in Abhängigkeit von einer Veränderung der Impedanz der Elemente 20, 21, wobei eine Änderung der Impedanz des Elements 20 auf der Y-Achse und eine Änderung der Impedanz des Elements 21 auf der X-Achse aufgetragen ist. Hieraus ist zu erkennen, dass ein globales Minimum der reflektierten Energie im Bereich 50 liegt. Wenn die Impedanzen der Elemente 20, 21 so eingestellt sind, dass die reflektierte Energie im Bereich 50 liegt, liegt eine gute Impedanzanpassung durch das Impedanzanpassungsnetzwerk 22 vor.
Der Bereich 51 wird durchlaufen, indem die Impedanzen der Elemente 20, 21 mittels des ersten und zweiten Modulationssignals verändert wird. In der gezeigten Darstellung sind die Modulationssignale nicht optimal gewählt. Daher wird lediglich ein lokales Minimum im Bereich 52 ermittelt und angenommen, dass bei Erreichen dieses lokalen Minimums eine gute Impedanzanpassung gefunden wurde. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Impedanzanpassungsnetzwerk ist es jedoch möglich, über solche lokalen Minima hinweg zufahren und zu detektieren, dass lediglich ein lokales Minimum erreicht wurde, nicht jedoch das globale Minimum. Dies ist der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik wo man Gefahr läuft, in lokalen Minima, wie z. B. einer Stelle 52, zu verhaften.
Aus dem Bereich 51 kann man beispielsweise dadurch gelangen, dass die Amplitude der Modulationssignale (Modulationshub) vergrößert wird. Dabei kann, wenn der Verdacht besteht, in einem lokalen Minimum gefangen zu sein, der Modulationshub vergrößert werden. Der Verdacht besteht beispielsweise dann, wenn die Regelung in einem Minimum verharrt und dieses Minimum aber keine ausreichende Anpassung darstellt, also die reflektierte Leistung größer ist, als unter gegebenen Umständen zu erwarten wäre. Wenn dieser Verdacht nicht besteht, kann der Modulationshub verkleinert werden, um die Erzeugung des Plasmas möglichst wenig durch Variation der eingekoppelten Leistung zu stören.
Bei der Darstellung der 5 ist eine Trajektorie 55 eingezeichnet, die erhalten wurde, indem die Modulationsfrequenzen variiert wurden. Es wurde demnach Schritt für Schritt die Anpassung verbessert, bis ein globales Minimum der reflektierten Leistung an der Stelle 56 erreicht wurde.
In der 6 ist dargestellt, welche reflektierte Leistung ermittelt wird, wenn die erste und zweite Modulationsfrequenz für die Schaltung der 2 gleich sind, die Modulationssignale jedoch orthogonale Phasen aufweisen. Es entsteht eine Art Kreisfigur 57.
Aus der Darstellung der 7 wird deutlich, dass bei Verwendung von Rechtecksignalen als erstes und zweites Modulationssignal, die die Kapazitäten C₁' und C₂' der Schaltung der 2 ansteuern, vier Punkte 60 bis 63 erhalten werden. Die Rechtecksignale werden dabei um 90° verschoben. Durch Veränderung der Frequenz der Rechtecksignale können vier andere Punkte erhalten werden und überprüft werden, ob für einen dieser Punkte eine bessere Anpassung, also geringere reflektierte Leistung erzielt wurde. Die vier Punkte 60 bis 63 werden deshalb erhalten, da aufgrund der 90° phasenverschobenen Rechteckspannungen vier unterschiedliche Kombinationen von zu- bzw. weggeschalteten Kapazitäten C₁', C₂' eingestellt werden und entsprechend das Impedanzanpassungsnetzwerk 22 vier unterschiedliche Impedanzanpassungen vornimmt und somit entsprechend vier unterschiedliche reflektierte Leistungen erfasst werden.

Claims

Verfahren zur Impedanzanpassung einer Leistungsversorgung an eine Last mittels eines Impedanzanpassungsnetzwerks (12, 22, 42), das zumindest ein Element (20, 21, 40, 41) aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks (12, 22, 42) veränderbar ist, wobei ein mit einer von der Last reflektierten Leistung (P_r) in Beziehung stehendes Signal detektiert wird, wobei das Element (20, 21, 40, 41) mittels eines Modulationssignals beeinflusst wird, das detektierte Signal oder ein damit in Beziehung stehendes Signal mit einem Demodulationssignal demoduliert wird und aus dem demodulierten Signal ein Impedanzanpassungssignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Demodulationssignal ein Signal mit der Frequenz des Modulationssignals verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das detektierte Signal phasenrichtig demoduliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Demodulation mit dem Modulationssignal erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das demodulierte Signal gefiltert, insbesondere tiefpassgefiltert, wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität oder Induktivität des Elements durch das Modulationssignal verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein insbesondere als Kondensator ausgebildetes Element (C₁', C₂') in Abhängigkeit des Modulationssignals in Serie oder parallel zu einer Reaktanz (C₁, C₂) des Impedanzanpassungsnetzwerks (22) geschaltet oder abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein insbesondere als Induktivität ausgebildetes Element zumindest teilweise in Abhängigkeit des Modulationssignals zu- oder abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität eines als Kondensator ausgebildeten Elements (C₁'', C₂'') in Abhängigkeit von dem Modulationssignal verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein induktivitätsbeeinflussendes Teil mit dem Modulationssignal beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal sinus- oder rechteckförmig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Element (20, 40) des Impedanzanpassungsnetzwerks (22, 42) durch ein erstes Modulationssignal und ein zweites Element (21, 41) des Impedanzanpassungsnetzwerks (22, 42) durch ein zweites Modulationssignal verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen des ersten und zweiten Modulationssignals verschieden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des ersten und zweiten Modulationssignals gleich ist und die Signale phasenverschoben sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (20, 21, 40, 41) oder ein anderes Bauteil des Impedanzanpassungsnetzwerks (22, 42) mit dem Impedanzanpassungssignal angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Modulationssignal, insbesondere die Amplitude wenigstens eines Modulationssignals, variiert wird, insbesondere bis ein globales Minimum der reflektierten Leistung oder eines damit in Verbindung stehenden Signals erreicht ist.
Impedanzanpassungsnetzwerk (12, 22, 42), das zumindest ein Element (20, 21, 40, 41) aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks (12, 22, 42) veränderbar ist sowie mit einem Modulationssignalgenerator (24, 25) oder einem Modulationssignaleingang, der mit dem Element (20, 21) verbunden ist, wobei ein Demodulator (17, 29, 32) vorgesehen ist, dem ein mit einem von einer Last reflektierten Leistung in Beziehung stehendes Detektionssignal und ein Demodulationssignal zugeführt sind.
Impedanzanpassungsnetzwerk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Demodulator (29, 32) nachgeordneter Filter (30, 33) vorgesehen ist.
Impedanzanpassungsnetzwerk nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Kondensator ausgebildetes Element (C₁', C₂') vorgesehen ist, das in Abhängigkeit des Modulationssignals in Serie oder parallel zu einer Reaktanz (C₁, C₂) schalt- oder abtrennbar ist.
Impedanzanpassungsnetzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Induktivität ausgebildetes Element vorgesehen ist, das zumindest teilweise in Abhängigkeit des Modulationssignals zu- oder abschaltbar ist.
Impedanzanpassungsnetzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein variabler Kondensator (C₁'', C₂'') vorgesehen ist, dessen Rotor in Abhängigkeit des Modulationssignals antreibbar ist.
Impedanzanpassungsnetzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein induktivitätsbeeinflussendes Teil vorgesehen ist, das durch das Modulationssignal beeinflussbar ist.