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Die Erfindung betrifft ein Leistungsversorgungssystem mit einem Hochfrequenz erzeugenden Leistungswandler, der zur Versorgung eines Plasma- oder Gaslaserprozesses mit Leistung mit einer Last verbindbar ist, wobei der Leistungswandler zumindest einen ersten Verstärkerpfad aufweist, wobei dem zumindest einen Verstärkerpfad ein von einem Digital-Analog-Wandler (DAC) aus einem Digitalsignal erzeugtes Analogsignal zugeführt ist.
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Leistungsversorgungssysteme, insbesondere Systeme, die Leistung bei Frequenzen > 1 MHz erzeugen, werden beispielsweise zur Laseranregung, in Plasmabeschichtungsanlagen oder auch für Induktionsanwendungen verwendet. In derartigen Leistungsversorgungssystemen werden häufig mehrere Verstärker verwendet, um daraus eine Gesamtleistung des Leistungsversorgungssystems zu erzeugen. Die von den einzelnen Verstärkern erzeugten Leistungssignale sind häufig nicht phasensynchron. Auch können die Leistungssignale unterschiedliche Amplituden aufweisen. Die Ausgangsleistungen der einzelnen Verstärker, d. h. die Leistungssignale, müssen häufig zu einer Gesamtleistung kombiniert werden, z. B. mittels Kombinierern (Combiner), oder direkt an einer Last, z. B. einer Plasmaelektrode oder einer Gaslaserelektrode. Zum Kombinieren der Ausgangsleistungen sind häufig feste Phasenbeziehungen der Ausgangsleistungen erforderlich. Außerdem sollten die Ausgangsleistungen der Verstärker bezüglich ihrer Amplitude zueinander abgestimmt sein.
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Weiterhin kann es in einem Leistungsversorgungssystem zu schlagartigen Änderungen der angeforderten Leistung kommen, beispielsweise wenn in der Plasmakammer ein Arc auftritt und entsprechend die gelieferte Leistung schlagartig reduziert werden muss.
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Aus der
US 4,700,315 A ist ein Steuerungssystem zur Steuerung der Entladung zwischen Anode und Kathode in einer Bearbeitungskammer offenbart. Das System weist Mittel zum Regeln der Temperatur eines Werkstücks, Mittel zum Messen der Temperatur des Werkstücks und Mittel zum Kontrollieren des Drucks eines ionisierten Gases in der Kammer auf.
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Aus der
US 6,332,961 B1 ist es bekannt, Überschläge in einem Plasmabearbeitungssystem zu detektieren und zu charakterisieren, indem elektrische Signale eines mit dem Plasma gekoppelten Schaltkreises gemessen und analysiert werden. Die elektrischen Signale können dann mit den Überschlägen korreliert werden. Somit können die Ursachen der Überschläge diagnostiziert werden und unerwünschte Überschläge vermieden werden.
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Die
US 2003/0205460 A1 offenbart ein Verfahren zur Generierung eines Plasmas durch einen Leistungsversorgungsschaltkreis. Weiterhin ist eine Arcerkennungseinrichtung vorgesehen, die mit dem Leistungsversorgungsschaltkreis gekoppelt ist, um Überschläge in einer Plasmakammer zu bewerten.
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Aus der
US 2010/0327749 A1 ist ein Plasmaleistungsversorgungssystem bekannt, um elektrische Leistung im Bereich zwischen 1 kW und 100 kW zu erzeugen. Das Plasmaleistungsversorgungssystem weist einen Leistungswandler, einen Überwachungsbereich, einen Arcableiter und einen Steuerabschnitt auf, wobei eine Eingabeeinrichtung vorgesehen ist, die mit dem Arcableiter verbunden ist.
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Aus der
US 5,729,145 A ist es bekannt, Überschläge in einem AC-Leistungssystem zu erkennen, indem die Wellenform der Leistung überwacht wird.
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Die
DE 92 10 382 U1 offenbart eine Schaltungsanordnung für ein Stromversorgungsgerät für Geräte und Anlagen der Plasma- und Oberflächentechnik, bei der mindestens vier MOSFETs mit Modultreibern in Brückenschaltung zusammengeschaltet sind. Es sind zwei Stromerfassungs- und Auswerteeinheiten vorgesehen, die eine Überwachungseinheit für den maximalen und den mittleren Strom, die Temperatur, eine Hilfsspannung, eine Zeitsperre, ein Reset und einen Anzeigeverstärker enthält, wobei die Überwachungseinheit mit einer Mikroprozessoreinheit verbunden ist, die über eine Schnittstelle mit je einer Steuersignalaufbereitung mit den Modultreibern des MOSFETs verbunden ist.
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Aus der
US 5,982,099 A ist es bekannt, in einer Plasmakammer ein Plasma mit Hilfe eines Hochfrequenzfeldes zu erzeugen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leistungsversorgungssystem und ein Verfahren zur Erzeugung einer Leistung, die einem Plasmaprozess oder Gaslaserprozess zuführbar ist, bereit zu stellen, mit denen die Leistung eines Leistungswandlers schnell und zuverlässig eingestellt werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Leistungsversorgungssystem mit einem Hochfrequenz erzeugenden Leistungswandler, der zur Versorgung eines Plasma- oder Gaslaserprozesses mit Leistung mit einer Last verbindbar ist, wobei der Leistungswandler zumindest einen ersten Verstärkerpfad aufweist, wobei dem zumindest einen Verstärkerpfad ein von einem Digital-Analog-Wandler (DAC) aus einem Digitalsignal erzeugtes Analogsignal zugeführt ist. Dem DAC ist eine Logikschaltungseinheit zur Erzeugung des dem DAC zugeführten Digitalsignals vorgeschaltet, wobei die Logikschaltungseinheit
- • einen Signal-Datenspeicher in dem Signal-Datenwerte zur Erzeugung einer Analogsignalform abgelegt sind,
- • einen Amplituden-Datenspeicher, in dem Amplituden-Datenwerte zur Beeinflussung der Amplituden der Analogsignale abgelegt sind,
- • einen Multiplikator zur Multiplikation der Signal-Datenwerte mit den Amplituden-Datenwerten
aufweist.
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Somit kann auf einfache Art und Weise ein Digitalsignal erzeugt werden, welches Informationen bzgl. der Signalform und der Amplitude des im DAC zu erzeugenden Analogsignals aufweist. Insbesondere kann die Folge von Digitalwerten erzeugt werden, indem mit Hilfe eines Zählers eine Folge von in einem Signaldatenspeicher abgelegten Signaldatenwerten ausgelesen wird, diese Folge von Signaldatenwerten einem Multiplizierer zugeführt wird, und von diesem Multiplizierer mit einem aus einem Amplitudendatenspeicher ausgelesenen Amplitudendatenwert multipliziert wird. Dies hat insbesondere dann Vorteile, wenn parallel mehrere Analogsignale erzeugt werden, die anschließend durch einen Kombinierer kombiniert werden, so dass die zu kombinierenden Signale besonders einfach und schnell aneinander angepasst werden können. Verstärkerpfade, die mit einem so generierten Analogsignal angesteuert sind, sind besonders gut für einen Parallelbetrieb mehrerer Verstärkerpfade geeignet. Die so erzeugten Leistungen können einfach am Ausgang der Verstärkerpfade kombiniert werden. Somit ergibt sich eine sehr schnell und genau abstimmbare Gesamtleistung des Leistungswandlers. Die Last kann dabei ein Plasmaprozess oder ein Gaslaserprozess sein.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn zumindest zwei Verstärkerpfade vorgesehen sind, wobei jedem Verstärkerpfad ein jeweils von einem DAC aus einem Digitalsignal erzeugtes Analogsignal zugeführt ist und jedem DAC eine Logikschaltungseinheit vorgeschaltet ist. Durch diese Maßnahme ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise für hohe Ausgangsleistungen. Damit lassen sich Fertigungsaufwand und Kosten sparen. Außerdem wird ein solcher Aufbau zuverlässiger. Ein solcher Leistungswandler ist besonders gut kalibrierbar und abstimmbar.
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Es kann eine digitale Logikschaltung vorgesehen sein, die mit der oder den Logikschaltungseinheit(en) verbunden ist. Durch die Logikschaltungseinheit können die zu multiplizierenden Datenwerte ausgewählt werden.
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Die digitale Logikschaltung und ein oder mehrere Logikschaltungseinheiten können in einem Logikbauelement integriert sein. Somit ergibt sich ein hoher Grad der Integration. Es müssen wenige Bauteile eingesetzt werden, was Platz spart und kostengünstig ist.
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Die Signal-Datenwerte und/oder die Amplituden-Datenwerte können in Nachschautabellen (Look-Up-Table, LUT) abgelegt sein und dort besonders einfach für eine einzustellende Signalform und Amplitude ausgewählt werden.
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Der Signal- und der Amplituden-Datenspeicher können als Nachschau-Tabelle (Look-Up-Table, LUT) ausgebildet sein. Dadurch lässt sich Speicherplatz einsparen, da in den eigentlichen Datenbeständen (mit einer hohen Anzahl von Einträgen) nur ein Kurzcode geführt und die zugehörige Langbezeichnung aus der Tabelle verwendet werden kann. In der Look-Up-Table können für bestimmte Konstellationen vorberechnete Ergebnisse oder andere Informationen definiert werden. Auf die Berechnung von Werten kann somit verzichtet werden, so dass die Analogsignale und damit die Leistung extrem schnell angepasst werden können.
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Der Dlgital-Analog-Wandler kann einen Referenzsignaleingang aufweisen. Dieser Referenzsignaleingang kann verwendet werden, um die Generierung des Analogsignals zu beeinflussen. Eine Veränderung des Analogsignals kann auf diese Weise besonders schnell herbeigeführt werden.
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Dem Referenzsignaleingang kann eine Ansteuerschaltung vorgeschaltet sein. Mithilfe einer solchen Ansteuerschaltung kann das Eingangssignal des Referenzsignaleingangs schnell verändert werden, um dadurch auch schnell eine Veränderung des erzeugten Analogsignals zu bewirken.
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Eine besonders kompakte Bauweise ergibt sich, wenn der Digital-Analog-Wandler und die zugeordneten Logikschaltungseinheiten in einem Direkt-Digital-Synthese-(DDS)-Baustein integriert sind.
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Wenn zwischen dem Digital-Analog-Wandler und dem Verstärkerpfad eine Filteranordnung zur Filterung des Analogsignals vorgesehen ist, kann ein besonders oberwellenarmes Signal am Eingang des Verstärkerpfades eingegeben wird. Dies steigert die Effizienz des Gesamtsystems.
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Der Leistungserzeuger kann mehr als zwei Verstärkerpfade aufweisen, denen jeweils ein Digital-Analog-Wandler zugeordnet ist, der dem jeweiligen Verstärkerpfad ein Analogsignal zuführt. Durch diese Maßnahme ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise für hohe Ausgangsleistungen. Ein solcher Leistungserzeuger ist besonders gut abstimmbar.
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Die Verstärkerpfade können mit einem Kombinierer zur Kombination der in den Verstärkerpfaden erzeugten Leistungen zu einer Gesamtleistung verbunden sein. Hierbei können relativ einfache Kombinierer verwendet werden, die die günstiger in der Herstellung sind, aber hohe Anforderungen hinsichtlich der Phasenlage, Amplituden und Frequenzen der Eingangssignale stellen. Der Leistungswandler kann hierdurch in besonders kompakter Bauweise und kostengünstig aufgebaut werden.
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Der Kombinierer kann zur Kombination der in den Verstärkerpfaden erzeugten Leistungen ohne Ausgleichsimpedanzen für Eingangssignale ungleicher Stärke und/oder Phasenlage ausgelegt sein. Ein solcher Kombinierer ist besonders energiesparend und kostengünstig. Außerdem kann ein solcher Kombinierer sehr kompakt und mit wenigen Bauteilen aufgebaut werden.
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Die Verstärkerpfade können Transistoren in LDMOS-Technologie aufweisen. LDMOS steht für „laterally diffused metal oxide semiconductor”; das sind MOSFETs, die bisher vor allem im GHz-Bereich Anwendung fanden. Die Verwendung dieser Transistoren im Bereich unter 200 MHz ist bislang noch nicht bekannt. Beim Einsatz in Verstärkern zur Erzeugung einer Leistung, die einem Plasmaprozess zuführbar ist, hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich diese Transistoren in LDMOS-Technologie sehr viel zuverlässiger verhalten, als vergleichbare herkömmliche MOSFETs. Dies kann auf eine sehr viel höhere Strombelastbarkeit zurückzuführen sein. Insbesondere bei Versuchen mit mehreren Verstärkerpfaden und bei Frequenzen von 3,4 MHz, 13 MHz, 27 MHz, 40 MHz und 162 MHz haben diese Transistortypen eine besonders hohe Zuverlässigkeit gezeigt. Ein weiterer Vorteil dieser Transistortypen gegenüber herkömmlichen MOSFETs besteht darin, dass die gleichen Transistoren für die genannten Frequenzen (3,4 MHz, 13 MHz, 27 MHz, 40 MHz und 162 MHz) einsetzbar sind. Damit lassen sich nun mit einer sehr ähnlichen oder auch mit einer gleichen Topologie Verstärker und Leistungsversorgungssysteme aufbauen, die bei Frequenzen über mehrere Dekaden im Bereich von 1 MHZ bis 200 MHz einsetzbar sind. Das sind Frequenzen, wie sie in Plasmaprozessen und zur Gaslaseranregung oft benutzt werden. Die Frequenz ist durch einfache Veränderung der Ansteuerung der DACs einstellbar, die Amplitude durch Veränderung der Werte im Digitalspeicher bzw. in den LUTs. Herkömmliche MOSFET haben bei diesen Frequenzen betrieben an Plasmaprozessen oftmals Probleme, wenn zu viel in den Plasmaprozess gelieferte Leistung zurückreflektiert wird. Deswegen musste die erzeugte Leistung oft begrenzt werden, um die reflektierte Leistung nicht über eine kritische Grenze ansteigen zu lassen. Damit ließen sich die Plasmaprozesse nicht immer sicher zünden oder im gewünschten Leistungsbereich betreiben. Außerdem wurden aufwändige regelbare Impedanzanpassungsschaltungen und Kombinierer vorgesehen, um diese Nachteile zu beheben. LDMOS-Transistoren sind nun besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn mit reflektierter Leistung in erheblichem Maß zu rechnen ist, wie dies beispielsweise bei der Versorgung von Plasmaprozessen der Fall ist. In Verbindung mit dem oben erwähnten Kombinierer besteht der Vorteil der LDMOS-Transistoren darin, dass sehr viel höhere reflektierte Leistungen von den Transistoren aufgenommen werden können. Dadurch werden die Anforderungen an zusätzliche zwischen Leistungsversorgungssystem und Last geschaltete Impedanzanpassungsnetzwerke niedriger und es können bei diesen Impedanzanpassungsnetzwerken Kosten für Bauteile und Regelung eingespart werden.
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Jedem Verstärkerpfad kann ein eigener Digital-Analog-Wandler mit zugeordnetem Logikschaltelement zugeordnet sein, wobei ein übergeordneter Speicher, insbesondere eine Look-Up-Table vorgesehen ist, der mit den den Digital-Analog-Wandlern zugeordneten Logikschaltelementen verbunden ist. Durch den übergeordneten Speicher können die den Digital-Analog-Wandlern zugeordneten Speicher beschrieben werden. Es ergibt sich ein Gesamtsystem, welches für sehr hohe Leistungen geeignet ist und welches in kompakter Bauweise realisiert werden kann. Auch ist das System hinsichtlich der Ausgangsleistung sehr gut einstellbar und abstimmbar.
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Der übergeordnete Speicher kann in der Logikschaltung integriert sein. Weiterhin kann die Ansteuerschaltung für den Referenzsignaleingang zumindest eines Digital-Analog-Wandlers in dem Logikbauelement, das als programmierbarer Logikbaustein (PLD), insbesondere Field Programmable Gate Array (FPGA), ausgebildet sein kann, integriert sein. Die Logikschaltung kann durch einen digitalen Signalprozessor angesteuert sein.
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Insbesondere können zusätzlich die DACs in diesem PLD bzw. FPGA integriert sein. Weiterhin kann die Ansteuerschaltung für den Referenzsignaleingang zumindest eines DACs in dem PLD bzw. FPGA integriert sein. Das PLD bzw. FPGA kann durch einen digitalen Prozessor insbesondere durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) angesteuert sein. Diese Maßnahmen tragen dazu bei, dass eine kompakte Bauweise für hohe Leistungen realisiert werden kann und dass der Leistungswandler sehr gut abstimmbar ist.
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Es kann eine Messeinrichtung vorgesehen sein, die mit einer Systemsteuerung verbunden ist, die wiederum die Logikschaltung zumindest mittelbar, insbesondere über einen digitalen Prozessor oder DSP, ansteuert. Dadurch kann eine sehr genaue und sehr schnelle Regelung der einem Plasmaprozess zugeführten Leistung realisiert werden.
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Die erzeugte Gesamtleistung und/oder eine von einer Last, insbesondere Plasmakammer, reflektierte Leistung kann erfasst und einer übergeordneten Steuerung zugeführt werden. Auf diese Art und Weise kann die Ausgangsleistung des Leistungswandlers gesteuert oder geregelt werden. Das kann auch direkt im FPGA auf einer Leiterkarte bestehend aus FPGA und DDS und eventuell DSP erfolgen.
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Mit der Erfindung können die Toleranzen der einzelnen Verstärkerpfade, die durch Bauteile und/oder begrenzte Wiederholgenauigkeit in der Fertigung entstehen, herrauskalibriert werden. Dadurch wird das einfache Kombinieren der Leistungen möglich. Damit ergibt sich auch eine Kostenersparnis in der Produktion, da nicht alle Stufen einzeln abgeglichen werden müssen. Der Geschwindigkeitsvorteil entsteht dadurch, dass diese Kalibrationsdaten in einem Speicher abgelegt werden können und durch einen FPGA beim Setzten eines neuen Leistungswertes parallel, also gleichzeitig, auf alle Verstärkerpfade angewendet werden können.
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Außerdem lassen sich so mehrere, voneinander unabhängige Leistungswandler oder Leistungserzeugungssysteme untereinander in Phase und/oder Amplitude synchronisieren.
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Voraussetzung dafür, dass dieses Konzept funktioniert, ist eine Verstärkertopologie die sich durch Änderung der Amplitude des einem Verstärkerpfad zugeführten Signals steuern lässt. Um genau zu sein wird der Leistungswandler dazu in verschiedenen Betriebsmodi, insbesondere in verschiedenen Betriebsklassen betrieben. So wird er für kleine Leistungen, z. B. Leistungen kleiner 200 W im linearen Betriebsmodus gehalten, insbesondere in der Betriebsklasse AB. Für hohe Leistungen, insbesondere für Leistungen größer 800 W wird er aber in einem durch Schaltvorgänge bestimmten Betrieb gehalten, insbesondere in einer Betriebsklasse E oder F, besonders bevorzugt in einer Betriebsklasse „F invers” betrieben.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung einer Hochfrequenzleistung, die einer Last zuführbar ist, bei dem zumindest einem Verstärkerpfad ein von einem Digital-Analog-Wandler (DAC) aus einem Digitalsignal erzeugtes Analogsignal zugeführt und in dem Verstärkerpfad zu einem Hochfrequenzleistungssignal verstärkt wird, wobei das Digitalsignal erzeugt wird, indem ein in einem Signal-Datenspeicher abgelegter Signal-Datenwert mit einem in einem Amplituden-Datenspeicher abgelegten Amplituden-Datenwert multipliziert wird. Ein Analogsignal kann eine Analogspannung sein.
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Hierdurch ergeben sich die oben zum Leistungsversorgungssystem beschriebenen Vorteile.
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Vorzugsweise wird einem Digitalsignaleingang des Digital-Analog-Wandlers eine Folge von Digitalwerten zugeführt, aus denen der Digital-Analog-Wandler das Analogsignal erzeugt. Auf diese Art und Weise kann ein Analogsignal besonders schnell und exakt erzeugt werden.
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Einem Referenzsignaleingang des Digital-Analog-Wandlers kann zur Beeinflussung des Analogsignals ein Referenzsignal zugeführt werden. Somit kann das Analogsignal nicht nur durch die Folge von Digitalwerten beeinflusst werden sondern auch durch ein Referenzsignal, welches dem Referenzsignaleingang zugeführt wird. Es stehen somit mehrere Möglichkeiten offen, das Analogsignal zu beeinflussen und exakt einzustellen.
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Das Analogsignal kann gefiltert werden, woraus sich die oben erwähnten Vorteile ergeben.
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Es kann durch mehrere Digital-Analog-Wandler jeweils ein Analogsignal erzeugt werden und in einem jeweils zugeordneten Verstärkerpfad verstärkt werden. Somit können in parallelen Verstärkerpfaden relativ geringe Leistungen erzeugt werden, die anschließend zu einer Gesamtleistung zusammengeführt werden können. Für die einzelnen Verstärkerpfade können wegen der relativ geringen erzeugten Leistungen kostengünstige Bauelemente eingesetzt werden.
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Die Ausgangssignale der Verstärkerpfade können mit einem Kombinierer zu einer Gesamtleistung gekoppelt werden. Somit kann auf einfache Art und Weise eine hohe Ausgangsleistung des Leistungserzeugers realisiert werden.
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Die Signal-Datenspeicher und Amplituden-Datenspeicher können von einem übergeordneten Speicher beschrieben werden. Durch den übergeordneten Speicher kann somit der Inhalt der den Digital-Analog-Wandlern zugeordneten Speicher bestimmt und beeinflusst werden.
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Die Amplitude der HF-Leistungssignale, also des Ausgangssignals jedes Verstärkerpfads, kann durch eine vorgebbare Amplitude des dem jeweiligen Verstärkerpfad zugeführten Analogsignals beeinflusst werden.
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Das Analogsignal kann dem Verstärkerpfad direkt zugeführt werden und eine Veränderung der Amplitude des Analogsignals kann direkt zu einer Veränderung der Amplitude des HF-Leistungssignals des Verstärkerpfads führen. Somit wird insbesondere der Aufwand bezüglich Hardware reduziert. Außerdem wird dadurch sichergestellt, dass keine Amplitudeninformation des Analogsignals verlorengeht, die nachträglich wieder generiert werden muss.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kompensation der Toleranzen in Amplitude und Phase der in verschiedenen Verstärkerpfaden erzeugten HF-Leistungssignale, wobei jedem Verstärkerpfad ein von jeweils einem DAC erzeugtes Signal zugeführt wird, das von einer übergeordneten digitalen Speicher-Steuereinheit jeweils in Amplitude und Phase eingestellt wird. Somit ergibt sich eine besonders gute Abstimmung und Kalibrierung.
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Die Amplitude jedes HF-Leistungssignals jedes Verstärkerpfads kann durch die Amplitude des vom DAC erzeugten Analogsignals beeinflusst werden.
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Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, dass bei einer ersten zu erzeugenden Ausgangsleistung dem ersten Verstärkerpfad ein erstes Signal zugeführt wird, bei einer zweiten zu erzeugenden Ausgangsleistung dem ersten Verstärkerpfad ein zweites Signal zugeführt wird, bei der ersten zu erzeugenden Ausgangsleistung dem zweiten Verstärkerpfad ein drittes Signal zugeführt wird, bei der zweiten zu erzeugenden Ausgangsleistung dem zweiten Verstärkerpfad ein viertes Signal zugeführt wird, die Amplitude des ersten, zweiten, dritten, und vierten Signals in einem Speicher abgelegt sind.
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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 zeigen und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in stark schematisierter Darstellung ein Plasmasystem mit einem Leistungsversorgungssystem;
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2 in einer Blockdarstellung ein Leistungsversorgungssystem;
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3 in einer Blockdarstellung einen DDS Baustein.
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Die 1 zeigt ein Plasmasystem 1, welches ein Leistungsversorgungssystem 2 umfasst. Das Leistungsversorgungssystem 2 weist wiederum einen Leistungswandler 3 auf, der an ein Spannungsversorgungsnetz 4 angeschlossen sein kann. Die am Ausgang des Leistungswandlers 3 erzeugte Leistung wird über ein Impedanzanpassungsnetzwerk 5 an eine Plasmakammer 6 gegeben, wo ein Plasma erzeugt wird, mithilfe dessen eine Plasmabearbeitung in der Plasmakammer 6 durchgeführt werden kann. Insbesondere kann ein Werkstück geätzt werden oder kann eine Materialschicht auf ein Substrat aufgebracht werden.
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Die 2 zeigt in stark schematisierter Darstellung ein Leistungsversorgungssystem 20. Das Leistungsversorgungssystem 20 weist einen Leistungswandler 30 auf, der eine Ausgangsleistung erzeugt, die einer Last, beispielsweise einem Plasmaprozess oder einer Laseranregung zugeführt werden kann. In dem Leistungswandler 30 sind mehrere Verstärkerpfade 31–36 vorgesehen. Die Verstärkerpfade 31–36 sind weitestgehend identisch aufgebaut. Daher wird nachfolgend nur noch der Verstärkerpfad 31 beschrieben. Die Verstärkerpfade 31–36 weisen mehrere Verstärker 37, 38 auf, die geeignet sind, ein Analogsignal zu verstärken. Am Ende der Verstärkerpfade 31–36 ist jeweils ein Verstärker 39 mit zumindest einem LDMOS-Transistor vorgesehen, dessen Ausgang direkt oder indiekt, z. B. über ein Impedanzanpassungsglied und/oder Filter, auf einen Kombinierer 40 geschaltet ist. Insbesondere sind sämtliche Ausgänge sämtlicher Verstärkerpfade 31–36, insbesondere in gleicher Weise, auf den Kombinierer 40 geschaltet. Durch den Kombinierer 40 werden die Einzelleistungen der Verstärkerpfade 31–36 zu einer Gesamtleistung gekoppelt.
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Dass die Verstärkerpfade 31–36 weitestgehend identisch aufgebaut sind, bedeutet nicht zwingend, dass sie die gleiche Verstärkung besitzen. Bauteilstreuung und Toleranzen beim Aufbau der Schaltungen können zu erheblichen Differenzen in der Phase und/oder in der Amplitude der in den Verstärkerpfade 31–36 erzeugten Hochfrequenzleistungssignalen bei identischem Eingangssignal führen.
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Den Verstärkerpfaden 31–36 ist jeweils ein Digital-Analog-Wandler (DAC) 41 vorgeschaltet, dem eine Logikschaltungseinheit 42 zugeordnet ist. Insbesondere werden dem DAC 41 aus der Logikschaltungseinheit 42 Folgen von Digitalwerten zugeführt, aus denen der DAC 41 ein analoges Ausgangssignal erzeugt, welches einem Verstärkerpfad 31–36 – gegebenenfalls nach Filterung durch einen optionalen Filter 55 – zugeführt wird. Der DAC 41 und die Logikschaltungseinheit 42 können in einem sogenannten Direkt-Digital-Synthese-Baustein (DDS-Baustein) 43 integriert sein, auch genannt: Direct-Digital-Synthesizer. Jedem der Verstärkerpfade 31–36 ist ein eigener DDS-Baustein 43 und entsprechend ein DAC 41 und eine Logikschaltungseinheit 42 zugeordnet. Beispielhaft ist der DDS-Baustein 43 in 3 beschrieben.
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Die Logikschaltungseinheit 42 weist hier auf:
- 1. einen Signal-Datenspeicher 61, in dem Signal-Datenwerte zur Erzeugung des Analogsignalform abgelegt sind,
- 2. einen Amplituden-Datenspeicher 62, in dem Amplituden-Datenwerte zur Beeinflussung der Amplituden der Analogsignale abgelegt sind,
- 3. einen Multiplikator 63 zur Multiplikation der Signal-Datenwerte mit den Amplituden-Datenwerten und
- 4. einen Zähler 64, der dafür sorgt, dass in einem vorbestimmten Takt Signal-Datenwerte aus dem Signal-Datenspeicher 61 ausgelesen und dem Multiplikator zugeführt werden.
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Sowohl der Signal-Datenspeicher 61 als auch der Amplituden-Datenspeicher 62 können als sogenannte Nachschautabellen (Look-Up-Tables, LUT) ausgebildet sein.
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Der DAC 41 weist weiterhin einen Referenzsignaleingang 44 auf, dem eine Ansteuerschaltung 45 vorgeschaltet sein kann, um ein Referenzsignal zu erzeugen. Die Ansteuerschaltung 45 kann in der noch zu beschreibenden digitalen Logikschaltung (Programmable Logic Device, PLD) 46 realisiert werden. Die digitale Logikschaltung kann als eine Feld programmierbare (Logik-)Gatter-Anordnung (Field Programmable Gate Array FPGA) ausgebildet sein.
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Durch das am Referenzsignaleingang 44 eingegebene Referenzsignal kann das Ausgangssignal, also das generierte Analogsignal des DACs 41, beeinflusst werden. Dem DDS-Baustein 43 ist die digitale Logikschaltung 46 vorgeschaltet, welches ebenfalls einen als Look-Up-Table (LUT) ausgebildeten Speicher 47 aufweist. in dem Speicher 47 können Amplituden-Datenwerte abgelegt sein, die vom Speicher 47 in den Amplituden-Datenspeicher 62 geschrieben werden können. Zusätzlich können auch Daten zur Phasenkorrektur abgelegt sein. Die Werte, die im Speicher 47 abgelegt sind, dienen der Kompensierung von Unterschieden in den Verstärkerpfaden (31–36) oder in nachgeschalteten Kombinierern 40. Sie können der Logikschaltungseinheit 42, insbesondere dem Amplituden-Datenspeicher 62 übergeben werden. Die digitale Logikschaltung 46 wird durch einen digitalen Prozessor, insbesondere Digitalen Signalprozessor (DSP) 48, angesteuert, der mit einer Systemsteuerung 49 über einen Datenbus 50 in Verbindung steht.
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Der digitale Prozessor, insbesondere Digitale Signalprozessor (DSP) 48, der Speicher 47 und die Logikschaltungseinheiten 42 können in einem Logikbauelement 58 realisiert werden. Das Logikbauelement kann als digitale Logikschaltung PLD, insbesondere FPGA 58 ausgebildet sein. Wenn auch noch die DAC 41 integriert werden, ergibt sich ein kompakter Logikbaustein 57. Der digitale Prozessor insbesondere DSP 48, der Speicher 47, die DDS-Bausteine 43 und auch die DACs 41 sowie die Filter 55 und die ersten Verstärker 37 können auf einer Leiterkarte 56 realisiert werden. Die identische Leiterkarte 56 kann für eine Vielzahl unterschiedlicher Leistungsversorgungssysteme mit unterschiedlichen Leistungen, unterschiedlichen Frequenzen und unterschiedlichen Versorgungslasten (Laser, Plasma etc.) eingesetzt werden.
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Die Ausgangsleistung des Kombinierers 40 wird über einen Richtkoppler 51 an eine Last, z. B. einen Plasmaprozess, gegeben. Durch den Richtkoppler 51 kann die ausgegebene Leistung und eine von der Last reflektierte Leistung erfasst werden. Die Messsignalaufbereitung erfolgt mit Messmitteln 52, die mit dem Richtkoppler 51 in Verbindung stehen. Die Messmittel 52 sind wiederum mit der Systemsteuerung 49 verbunden. Somit kann über die Systemsteuerung 49 anhand der erfassten Ausgangsleistung und der erfassten reflektierten Leistung bestimmt werden, welche Ausgangsleistung vom Kombinierer 40 erzeugt werden soll. Entsprechend dieser Vorgabe kann die Systemsteuerung 49 den DSP 48 und dieser wiederum die digitale Logikschaltung 46 ansteuern.
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In den Messmitteln kann eine Arcerkennung realisiert sein. Um eine schnelle Reaktion auf einen Arc zu erreichen, kann die Arcerkennung, d. h. die Messmittel, unmittelbar mit dem Digital-Analog-Wandler 41, insbesondere dessen Referenzsignaleingang 44, oder der Ansteuerschaltung 45, in Verbindung stehen.
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In dem Speicher 47 sind Digitalwerte abgespeichert, die sowohl eine Amplitudeninformation als auch eine Phasen- und ggf. auch eine Frequenzinformation enthalten, so dass am Ausgang des DAC 41 ein Analogsignal mit einer vorgegebenen Amplitude, Frequenz- und Phasenlage erzeugt werden kann. Dadurch ist es möglich, die Ausgangssignale der einzelnen Verstärkerpfade 31–36 aufeinander abzustimmen, so dass diese im Kombinierer 40 für eine verbesserte Ausgangsleistung gekoppelt werden können. Insbesondere können auf diese Art und Weise sehr einfache Kombinierer 40 ohne Verlust erzeugende Ausgleichsimpedanzen eingesetzt werden und eine Verlustleistung gering gehalten werden.
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Durch die erfindungsgemäße Art und Weise, ein analoges Signal zu erzeugen, kann sehr schnell die Leistung im Ausgang des Kombinierers 40 beeinflusst und verändert werden.
