DE102012223659B4

DE102012223659B4 - Arclöschverfahren und Leistungsversorgungssystem mit einem Leistungswandler

Info

Publication number: DE102012223659B4
Application number: DE102012223659.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Krausse; Christian Thome; Anton Labanc; Alberto Pena Vidal; André Grede
Original assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: DE102012223659A1

Abstract

Arclöschverfahren zur Löschung von Arcs in einer Plasmakammer (6) eines Plasmasystems, umfassend die Verfahrensschritte: a. Erzeugung einer Plasmabetriebsleistung während eines Plasmabetriebs zur Erzeugung eines Plasmas in der Plasmakammer (6) und zur Durchführung eines Plasmabearbeitungsprozesses unter Verwendung des erzeugten Plasmas; b. Überwachung des Plasmasystems hinsichtlich des Auftretens eines Arcs; c. bei Erkennen eines Arcs im Schritt b.: i. Erzeugung einer Arclöschleistung, die geringer ist als die Plasmabetriebsleistung zur Versorgung der Plasmakammer (6) mit der Arclöschleistung während eines Arclöschbetriebs, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabetriebsleistung und die Arclöschleistung zumindest teilweise erzeugt werden, indem ein Digital-Analog-Wandler (DAC) (41) in Abhängigkeit von der Überwachung des Plasmasystem hinsichtlich des Auftretens eines Arcs angesteuert wird und das analoge Ausgangssignal des DAC (41) in einem nachfolgenden Verstärkerpfad (31–36) zu zumindest einem Teil der Plasmaleistung oder der Arclöschleistung verstärkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Arclöschverfahren zur Löschung von Arcs in einer Plasmakammer eines Plasmasystems, umfassend die Verfahrensschritte:

a. Erzeugung einer Plasmabetriebsleistung während eines Plasmabetriebs zur Erzeugung eines Plasmas in der Plasmakammer und zur Durchführung eines Plasmabearbeitungsprozesses unter Verwendung des erzeugten Plasmas;
b. Überwachung des Plasmasystems hinsichtlich des Auftretens eines Arcs;
c. bei Erkennen eines Arcs im Schritt b.: i. Erzeugung einer Arclöschleistung, die geringer ist als die Plasmabetriebsleistung zur Versorgung der Plasmakammer mit der Arclöschleistung während eines Arclöschbetriebs.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Leistungsversorgungssystem mit einem Leistungswandler, der zur Versorgung eines Plasmaprozesses mit Leistung mit einer Plasmakammer verbindbar ist.
Bei einem Plasma handelt es sich um einen besonderen Aggregatszustand, der aus einem Gas erzeugt wird. Jedes Gas besteht grundsätzlich aus Atomen und/oder Molekülen. Bei einem Plasma ist dieses Gas zu einem Großteil ionisiert. Dies bedeutet, dass durch Zufuhr von Energie die Atome bzw. Moleküle in positive und negative Ladungsträger, also in Ionen und Elektronen, aufgespaltet werden. Ein Plasma eignet sich zur Bearbeitung von Werkstücken, da die elektrisch geladenen Teilchen chemisch hochgradig reaktiv und zudem durch elektrische Felder beeinflussbar sind. Die geladenen Teilchen können mittels eines elektrischen Feldes auf ein Objekt beschleunigt werden, wo sie beim Aufprall einzelne Atome daraus herauslösen können. Die herausgelösten Atome können über Gasfluss abtransportiert werden (Ätzen) oder auf anderen Objekten als Beschichtung abgelagert werden (Herstellung von Dünnfilmen). Anwendung findet eine solche Bearbeitung mittels eines Plasmas vor allem dann, wenn extrem dünne Schichten, insbesondere im Bereich weniger Atomlagen, bearbeitet werden sollen. Typische Anwendungen sind Halbleitertechnik (Beschichten, Ätzen, etc.), Flachbildschirme (ähnlich Halbleitertechnik), Solarzellen (ähnlich Halbleitertechnik), Architekturglasbeschichtung (Wärmeschutz, Blendschutz, etc.), Speichermedien (CD, DVD, Festplatten), dekorative Schichten (farbige Gläser, etc.) und Werkzeughärtung. Diese Anwendungen haben hohe Anforderungen an Genauigkeit und Prozessstabilität. Weiterhin kann ein Plasma auch zur Anregung von Lasern, insbesondere Gaslasern, dienen.
Um aus einem Gas ein Plasma zu generieren, muss ihm Energie zugeführt werden. Das kann auf unterschiedliche Weise, beispielsweise über Licht, Wärme, elektrische Energie, erfolgen. Ein Plasma zur Bearbeitung von Werkstücken wird typischerweise in einer Plasmakammer gezündet und aufrecht erhalten. Dazu wird in der Regel ein Edelgas, z. B. Argon, mit niedrigem Druck in die Plasmakammer geleitet. Über Elektroden und/oder Antennen wird das Gas einem elektrischen Feld ausgesetzt. Ein Plasma entsteht bzw. wird gezündet, wenn mehrere Bedingungen erfüllt sind. Zunächst muss eine geringe Anzahl von freien Ladungsträgern vorhanden sein, wobei zumeist die stets in sehr geringem Maß vorhandenen freien Elektronen genutzt werden. Die freien Ladungsträger werden durch das elektrische Feld so stark beschleunigt, dass sie beim Aufprall auf Atome oder Moleküle des Edelgases weitere Elektronen herauslösen, wodurch positiv geladene Ionen und weitere negativ geladene Elektronen entstehen. Die weiteren freien Ladungsträger werden wiederum beschleunigt und erzeugen beim Aufprall weitere Ionen und Elektronen. Es setzt ein Lawineneffekt ein. Der ständigen Erzeugung von Ionen und Elektronen wirken die Entladungen bei der Kollision dieser Teilchen mit der Wand der Plasmakammer oder anderen Gegenständen sowie die natürliche Rekombination entgegen, d. h., Elektronen werden von Ionen angezogen und rekombinieren zu elektrisch neutralen Atomen bzw. Molekülen. Deshalb muss einem gezündeten Plasma beständig Energie zugeführt werden, um dieses aufrecht zu erhalten.
Die Energiezufuhr kann über eine Gleichstrom(DC)- oder eine Wechselstrom(AC)-Leistungsversorgung erfolgen. Die bei Plasmaanregung mit einer AC-Leistungsversorgung vorkommenden Frequenzen können bis in den Gigahertzbereich hinein liegen.
Im Plasma kann es zu kurzzeitigen und auch länger anhaltenden Überschlägen, so genannten Arcs, kommen, die unerwünscht sind. Wenn ein solcher Arc erkannt wird, muss dafür gesorgt werden, dass dieser möglichst rasch erlischt, bzw. sich nicht voll entfaltet.
Es ist bekannt, bei Erkennen eines Arc die Energiezufuhr vollständig abzuschalten, um so ein Erlöschen des Arcs zu erzwingen. Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist, dass der Plasmaprozess unterbrochen wird und es eine gewisse Zeit dauert, bis nach Erlöschen des Arcs das Plasma wieder gezündet ist und die Plasmabearbeitung fortgesetzt werden kann. Außerdem kann häufig nicht mit Sicherheit festgestellt werden, ob ein Arc erloschen ist. Es werden daher ausreichend lange Zeiten vorgesehen, in denen in der Regel ein Erlöschen eines Arcs erfolgt. Dies führt jedoch zu längeren Unterbrechungen des Plasmabearbeitungsprozesses.
Aus der US 4 700 315 A ist es bekannt, aus digitalen Signalen Analogsignale mittels eines Digital-Analog-Wandlers zu erzeugen und anhand dieser Analogsignale Strom und Spannung einer Leistungsversorgung einzustellen. Wird in einer Plasmakammer ein Arc erkannt, so wird die Leistungsversorgung abgeschaltet.
Die US 2006/0252283 A1 offenbart, das Verhältnis von Vorwärtsleistung und reflektierter Leistung zu erfassen und einer CPU zuzuführen. Ein von der CPU ausgegebenes Digitalsignal wird mit einem Digital-Analog-Wandler in ein analoges Signal gewandelt. Beim Erkennen eines Arcs wird die Leistungsversorgung abgeschaltet.
Aus der US 5 729 145 A ist es bekannt, Überschläge in einem Wechselspannungsleistungssystem zu detektieren, indem Rauschen überwacht wird.
Aus der US 2003/0205460 A1 ist es bekannt, eine Arcerkennungseinheit mit einer Leistungsversorgung zu koppeln und einen leistungsbezogenen Parameter mit wenigstens einer Schwelle zu vergleichen, um Informationen über die Schwere des Überschlags zu erhalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Löschung von Arcs in einer Plasmakammer bereit zu stellen, mit dem ein schnelleres und zuverlässigeres Löschen von Arcs erfolgen kann, ohne dabei einen Plasmabearbeitungsprozess unnötig zu beeinträchtigen. Weiterhin besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Leistungsversorgungssystem bereit zu stellen, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Arclöschverfahren zur Löschung von Arcs in einer Plasmakammer eines Plasmasystems, umfassend die Verfahrensschritte:

a. Erzeugung einer Plasmabetriebsleistung während eines Plasmabetriebs zur Erzeugung eines Plasmas in der Plasmakammer und zur Durchführung eines Plasmabearbeitungsprozesses unter Verwendung des erzeugten Plasmas;
b. Überwachung des Plasmasystems hinsichtlich des Auftretens eines Arcs;
c. bei Erkennen eines Arcs im Schritt b.: i. Erzeugung einer Arclöschleistung, die geringer ist als die Plasmabetriebsleistung zur Versorgung der Plasmakammer mit der Arclöschleistung während eines Arclöschbetriebs, wobei die Plasmabetriebsleistung und die Arclöschleistung zumindest teilweise erzeugt werden, in dem eine Digital-Analog-Wandler (DAC) in Abhängigkeit von der Überwachung des Plasmasystems hinsichtlich des Auftretens eines Arcs angesteuert wird und das analoge Ausgangssignal des DAC in einem nachfolgenden Verstärkerpfad zu zumindest einem Teil der Plasmaleistung oder der Arclöschleistung verstärkt wird.

Ein solches Arclöschverfahren ist um ein Vielfaches schneller als herkömmliche Arclöschverfahren. Es ist auch viel flexibler einstellbar. Das Arclöschverfahren bewirkt einen effektiven Schutz eines Leistungswandlers bei auftretenden Überschlägen (Arcs) in einer Plasmakammer. Außerdem kann ein schnelles Wiedereinschalten der Leistung nach dem Erkennen von Arcs zur Reduzierung der Auswirkungen auf das Substrat im Plasmaprozess erfolgen.
Bisher war es üblich, bei Überschlägen in einer Plasmaanwendung die zugeführte Leistung bei Erkennen eines Arcs sofort auszutasten. Dies hatte zum Ziel, einerseits den Überschlag in der Kammer zu löschen und die damit in der Kammer befindlichen Substrate zu schützen und andererseits die aktiven Bauteile in dem Leistungswandler zu schützen. Durch die Verwendung von robusten Halbleitern und eine entsprechend schnelle Steuerung kann die Leistung erfindungsgemäß nur soweit reduziert werden, dass der Überschlag vollständig erlischt. Die Plasmabetriebsleistung kann auf die Arclöschleistung nur solange reduziert werden, bis der Überschlag vollständig erloschen ist. Anschließend kann die Leistung sofort wieder auf 100% gefahren werden, d. h. die volle Plasmabetriebsleistung an die Plasmakammer geliefert werden. Dies hat den Vorteil, dass die vollständige Plasmazündung innerhalb der Kammer schneller wieder hergestellt wird im Vergleich zu Verfahren des Standes der Technik. Somit werden die Auswirkungen des Überschlags und somit des Austastens der Leistung deutlich reduziert.
Ein oder mehrere weitere DAC können in Abhängigkeit von der Überwachung des Plasmasystems hinsichtlich des Auftretens eines Arcs angesteuert werden und das jeweilige analoge Ausgangssignal der DAC kann in einem nachfolgenden Verstärkerpfad zu einem Teil der Plasma leistung oder der Arclöschleistung verstärkt werden. Somit können mehrere Verstärkerpfade parallel betrieben werden. Dies bedeutet, dass in einem einzelnen Verstärkerpfad keine zu große Leistung erzeugt werden muss, was sich günstig auf die Kosten für die in einem Verstärkerpfad verwendeten Bauteile auswirkt.
Die analogen Ausgangssignale von zumindest zwei DAC in den jeweils nachfolgenden Verstärkerpfaden können unterschiedlich verstärkt werden oder unterschiedliche Durchlaufzeiten durch die Verstärkerpfade erfahren. Somit kann durch Verwendung unterschiedlicher Verstärkerpfade eine Gesamtleistung eingestellt werden, die sich aus der Kopplung der Ausgangsleistungen der einzelnen Verstärkerpfade ergibt. Dadurch lässt sich die der Plasmakammer zugeführte Leistung sehr viel flexibler einstellen als bei Verwendung nur eines Verstärkerpfads oder bei Verwendung von Verstärkerpfaden die exakt die gleiche Ausgangsleistung generieren.
Das analoge Ausgangssignal eines DAC kann insbesondere dann besonders schnell und zuverlässig eingestellt werden, wenn dem DAC eine Folge von Digitalwerten zugeführt wird. Dabei können die Digitalwerte in einem Speicher, insbesondere einer Look-Up-Table, abgelegt sein.
Dem zumindest einen Verstärkerpfad kann ein von einem DAC aus einem Digitalsignal erzeugtes Analogsignal zugeführt werden. Das Analogsignal kann in dem Verstärkerpfad zu einem Hochfrequenzleistungssignal verstärkt werden. Das Digitalsignal kann insbesondere erzeugt werden, indem ein in einem Signal-Datenspeicher abgelegter Signal-Datenwert mit einem in einem Amplituden-Datenspeicher abgelegten Amplituden-Datenwert multipliziert werden. So kann sehr schnell auf eine Arcerkennung reagiert werden.
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.
Den zumindest zwei Verstärkerpfaden kann jeweils ein von einem DAC aus jeweils einem Digitalsignal erzeugtes Analogsignal zugeführt werden. Die Analogsignale können in jeweils einem Verstärkerpfad zu einem Hochfrequenzleistungssignal verstärkt werden. Die Digitalsignale können erzeugt werden, indem ein in einem Signal-Datenspeicher abgelegter Signal-Datenwert mit einem in einem Amplituden-Datenspeicher abgelegten Amplituden-Datenwert multipliziert wird. So kann besonders schnell und flexibel auf eine Arcerkennung reagiert werden.
Zum Umschalten von der Erzeugung der Plasmabetriebsleistung zur Erzeugung der Arclöschleistung können die im Amplituden-Datenspeicher abgelegten Amplituden-Datenwerte geändert werden. Damit können die Verstärkerpfade sehr schnell in ihrer Ausgangsleistung verändert werden und gleichzeitig bleibt die Synchronisierung der Verstärkerpfade untereinander unberührt.
Die Multiplikation der in den Amplituden-Datenspeichern abgelegten Amplituden-Datenwerte mit den in den Signal-Datenspeichern abgelegten Signal-Datenwerten kann in einem DDS-Baustein durchgeführt werden. Das reduziert die Anzahl der Bauteile und die Kosten.
Die Arclöschleistung kann so gewählt werden, dass der detektierte Arc erlischt. Während es bisher üblich war, bei Erkennen eines Überschlags die Leistung auszutasten und anschließend wieder einzuschalten, in der Annahme, dass der Überschlag erloschen ist, ist es erfindungsgemäß möglich, die Leistung, die in die Plasmakammer geliefert wird, von der Plasmabetriebsleistung auf die Arclöschleistung zu reduzieren. Durch das kontinuierliche Liefern einer Arclöschleistung an die Kammer kann jedoch auch erkannt und sicher gestellt werden, ob und dass der Überschlag auch tatsächlich erloschen ist. Sobald erkannt wird, dass der Arc tatsächlich erloschen ist, kann die Arclöschleistung wieder auf die Plasmabetriebsleistung erhöht werden. Insbesondere bei Prozessen, die bereits bei niedriger Prozessenergie zünden, kann durch die Reduktion der Leistung der Plasmaprozess zunächst auf einem niedrigen Energielevel (z. B. geringere Beschichtungsrate) weiter betrieben werden. Nach sicherem Erkennen des Erlöschens des Arcs kann der Prozess wieder mit den ursprünglichen Parametern weiter betrieben werden. Dies reduziert die von der Plasmakammer und einem Anpassungsnetzwerk an den Leistungswandler reflektierte Energie und erhöht somit die Lebensdauer des Leistungswandlers.
In zumindest einem Verstärkerpfad kann das analoge Ausgangssignal des zugeordneten DAC sowohl im Plasmabetrieb als auch im Arclöschbetrieb mit einem konstanten Verstärkungsfaktor verstärkt werden. Dadurch können die im Verstärkerpfad verwendeten Verstärker besonders einfach gehalten werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass im Plasmabetrieb und im Arclöschbetrieb derselbe Verstärkungsfaktor verwendet wird.
Zumindest einem DAC kann im Plasmabetrieb und im Arclöschbetrieb dieselbe Folge von Digitalwerten zugeführt werden. Die Änderung von der Plasmabetriebsleistung auf die Arclöschleistung erfolgt somit nicht durch die zugeführte Folge von Digitalwerten sondern kann auf andere Art und Weise bewirkt werden, die unter Umständen schneller ist als die Veränderung des analogen Ausgangssignals des DAC aufgrund einer veränderten Folge von Digitalwerten.
Durch zumindest einen DAC kann im Plasmabetrieb ein anderes analoges Ausgangssignal erzeugt werden als im Arclöschbetrieb. Dadurch lässt sich auf besonders einfache Art und Weise im Arclöschbetrieb eine Arclöschleistung einstellen.
Zumindest einem DAC kann im Plasmabetrieb ein anderes Referenzsignal zugeführt werden als im Arclöschbetrieb. Das Referenzsignal kann dazu verwendet werden, das Ausgangssignal des DAC zu beeinflussen. Die Ansteuerung des DAC mit dem Referenzsignal kann zu einer deutlich schnelleren Änderung des Ausgangssignals des DAC führen als die Veränderung der zugeführten Folge von Digitalwerten.
Wenn zumindest einem DAC im Plasmabetrieb dasselbe Referenzsignal zugeführt wird wie im Arclöschbetrieb, kann die Veränderung des analogen Ausgangssignals des DAC dadurch erfolgen, dass eine veränderte Folge von Digitalwerten zugeführt wird.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass allen DAC im Plasmabetrieb dasselbe Plasmabetriebsreferenzsignal zugeführt wird. Weiterhin kann allen DAC im Arclöschbetrieb dasselbe Arclöschbetriebsreferenzsignal zugeführt werden. Die Änderung von einer Plasmabetriebsleistung zu einer Arclöschleistung kann daher besonders einfach dadurch erfolgen, dass den DAC ein anderes Referenzsignal zugeführt wird.
Es kann überwacht werden, ob der detektierte Arc erloschen ist und bei Detektion des Erlöschens des Arcs kann die Plasmabetriebsleistung wieder erzeugt und der Plasmakammer zugeführt werden. Es wird somit keine vorbestimmte Zeit abgewartet, bis die Plasmabetriebsleistung der Plasmakammer wieder zugeführt wird. Eine solche vordefinierte Zeit ist unter Umständen länger als die Zeit, die tatsächlich zum Erlöschen des Arcs benötigt wird. Wenn dagegen überwacht wird, ob der Arc erloschen ist, kann unmittelbar nach Löschen des Arcs die Plasmabetriebsleistung der Plasmakammer wieder zugeführt werden. Somit kann die Unterbrechungszeit des Plasmaprozesses minimal gehalten werden.
Bei Erkennen eines Arcs kann stufenweise oder rampenförmig von der Plasmabetriebsleistung auf die Arclöschleistung übergegangen werden. Zu große Leistungssprünge in der Plasmakammer können dadurch vermieden werden.
Insbesondere kann nach dem Erkennen eines Arcs überwacht werden, ob der detektierte Arc erloschen ist und bis zur Detektion des Erlöschens des Arcs der Arclöschleistung stufenweise oder rampenförmig verringert werden. Somit kann die Arclöschleistung immer weiter aber auch nur dann reduziert werden, wenn der Arc noch nicht erloschen ist. Es wird auf diese Art und Weise verhindert, dass die Arclöschleistung zu weit abgesenkt wird.
Bei Erkennen eines Arcs kann von der Plasmabetriebsleistung auf eine Arclöschleistung übergegangen werden, die > 0 Watt ist. Somit wird die Leistungszufuhr nicht komplett ausgetastet sondern stets eine gewisse Leistung der Plasmakammer zugeführt, auch im Arclöschbetrieb.
Die Anzahl oder Höhe der Stufen des stufenförmigen Übergangs oder die Steilheit des rampenförmigen Übergangs können einstellbar sein. Somit kann der Übergang von der Plasmabetriebsleistung auf die Arclöschleistung in Abhängigkeit von dem durchgeführten Plasmaprozess gewählt werden.
Zumindest ein analoges Ausgangssignal eines DAC kann durch einen Direct Digital Synthesis-Baustein (DDS-Baustein) erzeugt werden, der den DAC aufweist. Mit einem DDS-Baustein kann eine besonders schnelle Erzeugung eines analogen Ausgangssignals bewirkt werden. Der Übergang von der Plasmabetriebsleistung zu der Arclöschleistung kann dadurch bewirkt werden, dass ein Referenzsignaleingang des DDS-Bausteins angesteuert wird, insbesondere eine Eingangsspannung an dem Referenzsignaleingang erhöht wird. Durch eine solche Ansteuerung des DDS-Bausteins kann das analoge Ausgangssignal und somit die der Plasmakammer zugeführte Leistung besonders schnell verändert werden.
Jedem DAC kann eine eigene (individuelle) Folge von Digitalwerten zugeführt werden. Somit kann das erzeugte Ausgangssignal des DAC individuell eingestellt werden. Insbesondere können unterschiedlichen Verstärkerpfaden unterschiedliche analoge Eingangssignale zugeführt werden. Dadurch lässt sich die Gesamtleistung, die einer Plasmakammer zugeführt wird, besonders flexibel einstellen.
Die Folge von Digitalwerten kann aus einem Datenspeicher ausgelesen werden, der von einer zentralen Logikbaugruppe beschrieben wird. Bei den Datenspeichern kann es sich um sogenannte Look-Up-Tables handeln.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Leistungsversorgungssystem mit einem ein Hochfrequenzsignal erzeugenden Leistungswandler, der zur Versorgung eines Plasmaprozesses mit Hochfrequenz-Leistung mit einer Plasmakammer verbindbar ist, wobei der Leistungswandler einen ersten Verstärkerpfad aufweist, dem ein von einem DAC erzeugtes Analogsignal zugeführt ist, wobei der DAC zumindest mittelbar mit einer Arcerkennung verbunden ist. Dies bedeutet, dass die Arcerkennung unmittelbar ein Signal an einen DAC geben kann. Alternativ ist es denkbar, dass eine Arcerkennung über einen weiteren Baustein, beispielsweise einen Steuerbaustein mit dem DAC verbunden ist. Eine besonders schnelle Reaktion auf das Erkennen eines Arcs kann jedoch dadurch bewirkt werden, dass die Arcerkennung unmittelbar mit dem DAC verbunden ist und somit unmittelbar das vom DAC erzeugte Ausgangssignal beeinflusst.
Der DAC kann einen Digitalsignaleingang und einen Referenzsignaleingang aufweisen. Ferner kann eine Ansteuerschaltung vorgesehen sein, die in Abhängigkeit von einem durch die Arcerkennung ermittelten Arcerkennungssignals zumindest ein Eingangssignal für einen Eingang eines DAC erzeugt. Insbesondere kann die Arcerkennung das Referenzsignal, welches dem Referenzsignaleingang zugeführt wird, verändern. Selbst bei gleichbleibender Folge von Digitalwerten, die dem DAC zugeführt werden, kann somit das von dem DAC erzeugte Ausgangssignal beeinflusst werden. Dadurch kann besonders schnell eine Reduktion von der Plasmabetriebsleistung auf die Arclöschleistung erfolgen.
Der Leistungswandler kann mehrere Verstärkerpfade. aufweisen, denen jeweils ein DAC zugeordnet ist, der den jeweiligen Verstärkerpfad an ein Analogsignal zuführt. Somit kann parallel in mehreren Verstärkerpfaden ein Leistungssignal erzeugt werden. In den Verstärkerpfaden kann dasselbe Leistungssignal erzeugt werden oder es können unterschiedliche Leistungssignale erzeugt werden.
Dem zumindest einen Verstärkerpfad kann ein von einem DAC aus einem Digitalsignal erzeugtes Analogsignal zugeführt werden. Dabei kann dem DAC insbesondere eine Logikschaltungseinheit zur Erzeugung des dem DAC zugeführten Digitalsignals vorgeschaltet sein. Die Logikschaltungseinheit kann dabei insbesondere eine oder mehrere der folgenden Einheiten aufweisen:

– 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, und
– einen Multiplikator zur Multiplikation der Signal-Datenwerte mit den Amplituden-Datenwerten.

Auf diese Weise kann sehr schnell auf eine Arcerkennung reagiert werden.
Den zumindest zwei Verstärkerpfaden können jeweils ein von jeweils einem DAC aus einem Digitalsignal erzeugtes Analogsignal zugeführt sein.
Dabei können insbesondere jedem DAC eine Logikschaltungseinheit zur Erzeugung der dem DAC zugeführten Digitalsignale vorgeschaltet sein. Dabei kann die Logikschaltungseinheit insbesondere eine oder mehrere der folgenden Einheiten aufweisen:

Auf diese Weise kann sehr schnell auf eine Arcerkennung reagiert werden und die einzelnen Verstärkerpfade arbeiten trotzdem weiter synchron. Die Einheiten können in einem DDS integriert sein.
Die Arcerkennung kann derart mit der Logikschaltungseinheit verbunden sein, dass sie den Amplituden-Datenspeicher beeinflussen kann. Auf diese Weise kann besonders schnell auf eine Arcerkennung reagiert werden und die einzelnen Verstärkerpfade arbeiten trotzdem weiter synchron.
Die Einheiten können in einem DDS-Baustein integriert sein. Das reduziert die Anzahl der Bauteile und die Kosten.
Die Verstärkerpfade können mit einem Koppler oder Kombinierer zur Kopplung der in den Verstärkerpfaden erzeugten Leistungen zu einer Gesamtleistung verbunden sein. Somit kann parallel in mehreren Verstärkerpfaden jeweils eine relativ geringe Leistung erzeugt werden, die anschließend über einen Kombinierer gekoppelt werden. Die am Kombinierer ausgegebene Gesamtleistung kann somit besonders flexibel und kostengünstig erzeugt werden.
Der Kombinierer kann zur Kopplung der in den Verstärkerpfaden erzeugten Leistungen ohne Ausgleichsimpedanzen für Eingangssignale ungleicher Stärke und/oder Phasenlage ausgelegt sein. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau des Kombinierers.
Die Verstärkerpfade können Transistoren in LDMOS-Technologie aufweisen. LDMOS-Transistoren zeichnen sich durch eine extrem hohe Strombelastbarkeit aus. Sie haben allerdings den Nachteil, dass sie nur bei relativ geringen Spannungen betrieben werden können, was für Leistungen, wie sie bei der industriellen Plasmaerzeugung benötigt werden, nicht ausreichen würde. Der Vorteil eines Leistungswandlers mit mehreren Verstärkerpfaden und einem einfachen Kombinierer besteht darin, dass in jedem Pfad nur eine geringe Spannung mit hohem Strom am verstärkenden Transistor (insbesondere LDMOS-Transistor) anliegen kann, also ein Signal mit geringer Impedanz erzeugt werden kann. Mehrere solcher Signale können durch den Kombinierer zu der für den Plasmaprozess benötigten Gesamtleistung gekoppelt werden.
Die Ansteuerschaltung kann als FPGA ausgebildet sein, das mit einem DAC der Verstärkerpfade verbunden ist oder in ein solches integriert sein. Eine als FPGA ausgebildete Ansteuerschaltung kann besonders schnell arbeiten.
Das FPGA kann durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) angesteuert sein. Auch dadurch ergibt sich eine besonders schnelle Signalverarbeitung und entsprechend schnelle Reaktion auf das Erkennen eines Arcs in der Plasmakammer.
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.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 in stark schematisierter Darstellung ein Plasmasystem mit einem Leistungsversorgungssystem;
2 in einer Blockdarstellung ein Leistungsversorgungssystem;
3 in einer Blockdarstellung ein DDS Baustein;
4 ein Diagramm, welches den Verlauf eines Referenzsignals darstellt, wie es beispielsweise beim Erkennen eines Arcs erzeugt werden kann.
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.
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.
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 Verstärkerpfaden 31–36 erzeugten Hochfrequenzleistungssignalen bei identischem Eingangssignal führen.
Den Verstärkerpfaden 31–36 ist jeweils ein 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 jedoch nur der DDS-Baustein 43 in 3 beschrieben.
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.

Sowohl der Signal-Datenspeicher 61 als auch der Amplituden-Datenspeicher 62 können als sogenannte Nachschautabellen (Look-Up-Tables, LUT) ausgebildet sein.
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.
Durch das am Referenzsignaleingang 44 eingegebene Referenzsignal kann das Ausgangssignal, also das generierte Analogsignal des DAC 41, beeinflusst werden, Dem DDS-Baustein 43 ist die digitale Logikschaltung 46 vorgeschaltet, welche 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.
Der digitale Prozessor, insbesondere Digitale Signalprozessor (DSP) 48, der Speicher 47 und die Logikschaltungseinheiten 42 können in einem Logikbauelement 58 realisiert werden. Das Logikbauelement 58 kann als digitale Logikschaltung PLD, insbesondere FPGA, 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.
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 das FPGA 46 ansteuern.
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 DAC 41, insbesondere dessen Referenzsignaleingang 44, oder der Ansteuerschaltung 45, in Verbindung stehen.
In den Speichern 47 sind Digitalwerte abgespeichert, die sowohl eine Amplitudeninformation als auch eine Phasen- und ggf. auch 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.
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.
In dem Diagramm der 4 ist eine Spannung, die einem Eingangssignal am Referenzsignaleingang eines DAC entspricht, gegenüber der Zeit aufgetragen. Bei der Position t1 wird ein Überschlag erkannt. In der Folge wird die Spannung des Referenzsignals erhöht, was durch die Ziffer 12 angedeutet wird. Im gezeigten Fall wird die Spannung des Referenzsignals rampenförmig erhöht. Dies führt dazu, dass das Ausgangssignal des DAC reduziert wird. Anstatt das Referenzsignal rampenförmig zu erhöhen, könnte es auch sprungartig auf einen Maximalwert erhöht werden, was dazu führen würde, dass sprungartig die Arclöschleistung eingestellt wird. Bei der Position t3 wird das Erlöschen des Arcs erkannt. In der Folge wird die Spannung des Referenzsignals reduziert, was durch die Ziffer 14 gezeigt ist. Somit wird die vorher eingestellte Ausgangsleistung des DAC wieder hergestellt.

Claims

Arclöschverfahren zur Löschung von Arcs in einer Plasmakammer (6) eines Plasmasystems, umfassend die Verfahrensschritte: a. Erzeugung einer Plasmabetriebsleistung während eines Plasmabetriebs zur Erzeugung eines Plasmas in der Plasmakammer (6) und zur Durchführung eines Plasmabearbeitungsprozesses unter Verwendung des erzeugten Plasmas; b. Überwachung des Plasmasystems hinsichtlich des Auftretens eines Arcs; c. bei Erkennen eines Arcs im Schritt b.: i. Erzeugung einer Arclöschleistung, die geringer ist als die Plasmabetriebsleistung zur Versorgung der Plasmakammer (6) mit der Arclöschleistung während eines Arclöschbetriebs, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabetriebsleistung und die Arclöschleistung zumindest teilweise erzeugt werden, indem ein Digital-Analog-Wandler (DAC) (41) in Abhängigkeit von der Überwachung des Plasmasystem hinsichtlich des Auftretens eines Arcs angesteuert wird und das analoge Ausgangssignal des DAC (41) in einem nachfolgenden Verstärkerpfad (31–36) zu zumindest einem Teil der Plasmaleistung oder der Arclöschleistung verstärkt wird.
Arclöschverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere weitere Digital-Analog-Wandler (41) in Abhängigkeit von der Überwachung des Plasmasystem hinsichtlich des Auftretens eines Arcs angesteuert werden und das jeweilige analoge Ausgangssignal der Digital-Analog-Wandler (41) in einem nachfolgenden Verstärkerpfad (31–36) zu einem Teil der Plasmaleistung oder der Arclöschleistung verstärkt wird.
Arclöschverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die analogen Ausgangssignale von zumindest zwei Digital-Analog-Wandlern (41) in den jeweils nachfolgenden Verstärkerpfaden (31–36) unterschiedlich verstärkt werden oder unterschiedliche Durchlaufzeiten durch die Verstärkerpfade (31–36) erfahren.
Arclöschverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem zumindest einen Verstärkerpfad (31–36) ein von einem Digital-Analog-Wandler (41) 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 (61) abgelegter Signal-Datenwert mit einem in einem Amplituden-Datenspeicher (62) abgelegten Amplituden-Datenwert multipliziert wird.
Arclöschverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Umschalten von der Erzeugung der Plasmabetriebsleistung zur Erzeugung der Arclöschleistung die im Amplituden-Datenspeicher (62) abgelegten Amplituden-Datenwerte geändert werden.
Arclöschverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Digital-Analog-Wandler (41) im Plasmabetrieb und im Arclöschbetrieb dieselbe Folge von Digitalwerten zugeführt wird.
Arclöschverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von zumindest einem Digital-Analog-Wandler (41) im Plasmabetrieb ein anderes analoges Ausgangssignal erzeugt wird als im Arclöschbetrieb.
Arclöschverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Digital-Analog-Wandler (41) im Plasmabetrieb ein anderes Referenzsignal zugeführt wird als im Arclöschbetrieb.
Arclöschverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen eines Arc stufenweise oder rampenförmig von der Plasmabetriebsleistung auf die Arclöschleistung übergegangen wird.
Leistungsversorgungssystem (20) mit einem ein Hochfrequenzsignal erzeugenden Leistungswandler (30), der zur Versorgung eines Plasmaprozesses mit Hochfrequenz-Leistung mit einer Plasmakammer (6) verbindbar ist, wobei der Leistungswandler (30) einen ersten Verstärkerpfad (31–36) aufweist, dem ein von einem Digital-Analog-Wandler (41) erzeugtes Analogsignal zugeführt ist, wobei der Digital-Analog-Wandler (41) zumindest mittelbar mit einer Arcerkennung verbunden ist.