-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines MF-Leistungsgenerators, bei dem ein Ausgangssignal geregelt oder gesteuert wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen MF-Leistungsgenerator mit einer DC-Quelle, die einen Zwischenkreiskondensator speist.
-
„DC” ist eine gebräuchliche Abkürzung für „Direct Current” und wird für Gleichspannung und/oder Gleichstrom verwendet. Eine DC-Quelle, kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Gleichspannungsquelle oder eine Gleichstromquelle sein. „MF” ist eine gebräuchliche Abkürzung für „Mittelfrequenz”. Unter „MF” wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Frequenz im Bereich zwischen 1 kHz und 100 kHz, insbesondere im Bereich zwischen 10 kHz und 70 kHz verstanden. Bei einem Ausgangssignal des MF-Leistungsgenerators kann es sich um eine Ausgangsspannung, einen Ausgangsstrom oder eine Ausgangsleistung handeln.
-
Bisher bekannte Leistungsgeneratoren für Plasmaprozesse weisen eine Regeldynamik für das Ausgangssignal im Bereich von einigen 100 μs bis in den ms-Bereich auf. Aufgrund dieser relativ trägen Regeldynamik können Instabilltäten auftreten, die zu reduzierter Abscheidrate oder Unterbrechungen im Plasmaprozess führen. Eine Steuerung bzw. Regelung des Ausgangssignals zur Erzeugung optimaler Prozessergebnisse ist mit bekannten MF-Leistungsgeneratoren nicht möglich.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrieb eines MF-Leistungsgenerators weiter zu bilden und einen MF-Leistungsgenerator zur Verfügung zu stellen, mit denen die Kurvenform des Ausgangssignals zur Erzielung optimaler Prozessergebnisse geregelt und/oder gesteuert werden kann.
-
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb eines MF-Leistungsgenerators, bei dem ein Ausgangssignal, wie z. B. Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und/oder Ausgangsleistung, geregelt oder gesteuert wird, wobei das Ausgangssignal jeweils auf eine vorgegebene Sollwertkurve geregelt oder gesteuert wird.
-
Für das Ausgangssignal wird somit nicht nur ein einziger Sollwert vorgegeben, sondern eine Sollwertkurve. Dies bedeutet, dass sich der Sollwert ändert. Insbesondere kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass sich der Sollwert für das Ausgangssignal innerhalb einer halben, insbesondere innerhalb mehrerer, besonders bevorzugt innerhalb jeder Periode des Ausgangssignals ändert. Insbesondere kann eine Sollwertkurve das Ausgangssignal in seinem Verlauf innerhalb einer, insbesondere innerhalb mehrerer, besonders bevorzugt innerhalb jeder Halbwelle beeinflussen. Zuvor wurde lediglich ein Sollwert für einen Mittel-, einen Scheitel- oder einen Effektivwert vorgegeben. Damit wurde das Ausgangssignal innerhalb einer Halbwelle nicht bewusst beeinflusst. Erfindungsgemäß können durch die Vorgabe einer Sollwertkurve nahezu beliebige Signalformen aktiv erzeugt werden, d. h. diese sind nicht mehr ausschließlich von der Quell-Impedanz des Generators, z. B. MF-Sinus oder bipolarer Pulser und der Last-, z. B. Plasma-Impedanz abhängig. Es wird somit nicht auf einen konstanten Sollwert geregelt oder gesteuert. Durch die Steuerung bzw. Regelung des Ausgangssignals nach vorgegebenen Sollwertkurven ist es möglich, optimale Prozessergebnisse zu erzielen. Insbesondere kann sich die Sollwertkurve innerhalb einer Periode der MF-Frequenz des Ausgangssignals ändern und insbesondere das Ausgangssignal innerhalb dieser Periode der MF-Frequenz beeinflussen. Somit ist eine optimale Steuerung bzw. Regelung der Ausgangssignalform für Single- und Dual-Magnetron-Plasmaprozesse zur Erzielung hoher Abscheidraten möglich. Weiterhin ist eine freie Parametrierbarkeit von Frequenz, Pulsform, Symmetrie und Amplitude für hohe Flexibilität in der Anwendung für unterschiedliche Prozesse möglich. Die um ein Vielfaches höhere Regelungsdynamik im Vergleich zu bekannten MF-Leistungsgeneratoren ermöglicht eine bessere Prozessstabilitiät. Auf Arcs im Plasmaprozess kann je nach spezifischen Anforderungen sehr flexibel reagiert werden. Somit kann eine sehr niedrige oder auch programmierbare Arcenergie eingestellt werden. Die frei steuerbare Kurvenform des Ausgangssignals ermöglicht sowohl einen Puls-Softstart als auch Hochstrom-Pulsüberlagerungen. Somit ist das Verfahren zum Betrieb eines MF-Leistungsgenerators geeignet, bei Plasmaprozessen eingesetzt zu werden.
-
Die Regelung oder Steuerung kann mit einem Regel- oder Steuersignal erfolgen, das eine höhere Frequenz aufweist als das Ausgangssignal. Hierdurch ist eine Steuerung oder Regelung der Amplitude des Ausgangssignals mit einer hohen Dynamik möglich.
-
Insbesondere kann das Regel- oder Steuersignal eine Frequenz größer 0,5 MHz, insbesondere größer 1 MHz aufweisen. Dadurch, dass das Regel- oder Steuersignal eine höhere Frequenz aufweist als das Ausgangssignal, ist es möglich, unabhängig von der Frequenz des Ausgangssignals eine niedrige Puls- oder Umpolfrequenz für die unipolare oder bipolare Plasmaanregung einzustellen.
-
Um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erzielen, kann die Amplitude des Ausgangssignals geregelt oder gesteuert werden. Mit Amplitude ist hier die sich innerhalb einer Periode verändernde Kurvenform über der Zeit gemeint. Es ist nicht ein Wert gemeint, der über eine oder mehrere Perioden Bemittelt wurde, auch kein Effektivwert und auch kein über mehrere Scheitelpunkte approximierter Wert.
-
Die hohe Dynamik der Regelung oder Steuerung kann dadurch erreicht werden, dass eine Modulation des Ausgangssignals innerhalb einer Halbwelle des Ausgangssignals erfolgt.
-
Das Ausgangssignal kann durch zwei Schaltstufen erzeugt werden, wobei die Schaltstufen bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. Dabei kann eine lastseitig angeordnete Schaltstufe mit dem Ausgangssignal einer vorgeschalteten Schaltstufe als Eingangsgröße betrieben werden, wobei das Steuer- oder Regelsignal der vorgeschalteten Schaltstufe eine höhere Frequenz aufweist als das Steuer- oder Regelsignal der lastnäheren Schaltstufe.
-
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein MF-Leistungsgenerator mit einer DC-Quelle, insbesondere Gleichspannungsquelle, die einen Zwischenkreiskondensator speist sowie zumindest einer Schaltstufe, die mit einem Signal angesteuert ist, das eine höhere Frequenz aufweist als das Ausgangssignal des Leistungsgenerators. Die DC-Quelle kann dabei eine konstante oder variable Ausgangsspannung erzeugen sowie eine Netzpotentialtrennung aufweisen. Bei der Schaltstufe kann es sich um eine stromgespeiste Vollbrücke handeln, welche zum Polaritätswechsel dient.
-
Es kann eine zweite Schaltstufe vorgesehen sein, die bei einer höheren Frequenz betrieben wird als die erste Schaltstufe. Beispielsweise kann die erste Schaltstufe als Vollbrücke mit mindestens einem schaltenden Element in jedem Brückenzweig und die zweite Schaltstufe als Tiefsetzsteller ausgebildet sein. Dabei kann der Tiefsetzsteller mit einer höheren Frequenz betrieben werden als die Vollbrücke. Insbesondere kann der Tiefsetzsteller mit einer Frequenz größer 0,5 MHz, insbesondere größer 1 MHz angesteuert werden.
-
Die erste Schaltstufe kann der zweiten Schaltstufe nachgeordnet sein. Die zweite Schaltstufe kann die erste Schaltstufe mit einer Leistung versorgen, die spannungs-, strom- oder leistungsgeregelt ist.
-
Weiterhin kann eine Ausgangsfiltergruppe vorgesehen sein. Die Ausgangsfiltergruppe dient der Vermeidung elektromagnetischer Störungen sowie der Anpassung an die Zuleitungsinduktivität einer Plasmakammer.
-
Bei einer Ausführungsform des MF-Leistungsgenerators kann nur eine einzige Schaltstufe vorgesehen sein, die mit einer hohen Frequenz angesteuert wird. Am Ausgang der Schaltstufe kann ein Filter, insbesondere eine Induktivität vorgesehen sein, um ein Ausgangssignal einer gewünschten Frequenz zu erzeugen. Der Filter bzw. die Induktivität dient zur Glättung des Ausgangssignals, d. h. zum Herausfiltern der höherfrequenten Anteile. Die höhere Frequenz des Sollwertsignals kann mit diesem Filter bzw. Induktivität soweit reduziert werden, dass sie im Ausgangssignal weniger als 1% des Ausgangssignals ausmacht. Ein solcher Filter hat zudem den Vorteil, dass sich die Leistungsversorgung wie eine Stromquelle verhält. Außerdem kann der Stromanstieg bei Fehlern in der Last, z. B. bei Arcs im Plasma, begrenzt werden. So können die Leistungsversorgung und die Last geschützt werden.
-
Es kann eine Steuerung oder Regelung zur Erzeugung eines Steuer- oder Regelsignals für die erste und/oder zweite Schaltstufe unter Berücksichtigung einer in der Steuerung oder Regelung abgelegten vorgegebenen Sollwertkurve vorgesehen sein.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
-
In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine erste Ausführungsform eines MF-Leistungsgenerators mit zwei Schaltstufen;
-
2 eine weitere Ausführungsform eines MF-Leistungsgenerators mit nur einer Schaltstufe;
-
3a bis 3c Darstellungen von Ausgangssignalen für unterschiedliche Sollwertkurven, die mit einem MF-Leistungsgenerator entsprechend der 1 erzielt wurden;
-
4a bis 4c Darstellungen von Ausgangssignalen für unterschiedliche Sollwertkurven, die mit einem MF-Leistungsgenerator entsprechend der 2 erzielt wurden.
-
Die 1 zeigt einen MF-Leistungsgenerator 1, der eine DC-Quelle 2 aufweist, die einen Zwischenkreiskondensator C1 speist. Die DC-Quelle 2 kann an eine hier nicht dargestellte Netzspannungsversorgung angeschlossen sein. Die DC-Quelle 2 hat keine direkte Verbindung zu Masse 9. Sie weist aber einen Bezug zur Masse 9 auf, der sich vor allem durch parasitäre Kapazitäten ergibt. Diese parasitären Kapazitäten sind durch den Kondensator 8 angedeutet. An die durch den Zwischenkreiskondensator C1 zur Verfügung gestellte Zwischenkreisspannung ist eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Tiefsetzsteller ausgebildete Schaltstufe 3 angeschlossen. Die Schaltstufe 3 umfasst ein schaltendes Element 4, eine Diode 5 und eine Induktivität 6. Das schaltende Element 4 wird durch eine Regelung und/oder Steuerung 7 angesteuert.
-
Der Schaltstufe 3 nachgeschaltet ist eine weitere Schaltstufe 10, die im Ausführungsbeispiel als Vollbrücke mit vier schaltenden Elementen 11, 12, 13, 14 ausgebildet ist. Jedem schaltenden Element 11–14 ist jeweils eine Diode D1–D4 parallel geschaltet. Somit weist jeder Brückenzweig der Vollbrücke 10 ein schaltendes Element 11–14 auf. Die schaltenden Elemente 11–14 werden ebenfalls durch die Regelung und/oder Steuerung 7 angesteuert. Die Ansteuerung der schaltenden Elemente 4, 11–14 durch die Regelung und/oder Steuerung 7 erfolgt derart, dass das Ausgangssignal an der Stelle 15 auf eine Sollwertkurve, die in der Regelung und/oder Steuerung 7 abgelegt ist, geregelt oder gesteuert wird. Dabei wird das schaltende Element 4 mit einer höheren Frequenz angesteuert als die schaltenden Elemente 11–14. Die Frequenz des Ausgangssignals an Stelle 15 entspricht vorzugsweise der Frequenz der Ansteuersignale, die jeweils ein Regel- oder Steuersignal darstellen, der schaltenden Elemente 11–14.
-
Zwischen dem MF-Leistungsgenerator 1 und einer Last, die hier als Plasmalast ausgebildet ist und zu deren Verdeutlichung eine Plasmakammer 16 schematisch dargestellt ist, ist eine Ausgangsfiltergruppe 17 vorgesehen, zur Vermeidung elektromagnetischer Störungen sowie zur Impedanzanpassung.
-
Wenn die Regelung und/oder Steuerung 7 als Regelung ausgebildet ist, erfolgt eine Regelung auf eine Sollwertkurve (closed-loop control). Dazu können Strom, Spannung, Leistung als Istwerte an der Stelle 15 mittels Messaufnehmer 18 gemessen werden, die mit der Regelung und/oder Steuerung 7 verbunden sind. Wenn die Regelung und/oder Steuerung 7 als Steuerung ausgelegt ist, erfolgt eine Steuerung des Ausgangssignals auf eine Sollwertkurve (open-loop control).
-
Die 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines MF-Leistungsgenerators 100. Elemente, die denen der 1 entsprechen, sind mit derselben Bezugsziffer gekennzeichnet. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß der 1 weist die Ausführungsform gemäß der 2 nur eine Schaltstufe 10 auf. Insbesondere weist sie keinen Tiefsetzsteller auf. Durch die Regelung und/oder Steuerung 7 wird somit lediglich die als Vollbrücke ausgestaltete Schaltstufe 10 angesteuert. Dabei haben das oder die Ansteuersignale, die Regel- oder Steuersignale darstellen, der schaltenden Elemente 11–14 eine höhere Frequenz als das Ausgangssignal an der Stelle 15. Dies wird dadurch erreicht, dass vor der Stelle 15, also am Ausgang des MF-Leistungsgenerators 100, Induktivitäten 20, 21 vorgesehen sind.
-
Die schaltenden Elemente 4, 11–14 können als MOSFET ausgelegt sein. Die Dioden D1–D4 können intrinsische Dioden der schaltenden Elemente 11–14 sein. Auch das schaltende Element 4 der Schaltstufe 3 kann eine intrinsische Diode (nicht gezeigt) aufweisen. Jedes schaltende Element kann als SiC Transistor, z. B. als SiC JFET oder als GaN Leistungsschalter ausgelegt sein. Diese eignen sich besonders zur Ansteuerung im Frequenzbereich größer 0,5 MHz, insbesondere größer 1 MHz.
-
In der 3a ist eine Sollwertkurve 101 dargestellt. Das entsprechende durch den MF-Leistungsgenerator 1 gemäß der 1 an der Stelle 15 erzeugte Ausgangssignal ist mit der Bezugsziffer 102 gekennzeichnet. Das Ausgangssignal 102 wurde erzeugt, indem die Schaltstufe 3 mit einem Regel- oder Steuersignal angesteuert wurde, das eine höhere Frequenz hat als das oder die Ansteuersignale der schaltenden Elemente 11–14 der in diesem Ausführungsbeispiel als Vollbrücke ausgestalteten Schaltstufe 10.
-
In der 3b ist eine sinusförmige Sollwertkurve 104 dargestellt. Mit der Bezugsziffer 105 ist das Ausgangssignal an der Stelle 15 des MF-Leistungsgenerators 1 gezeigt, das entsteht, wenn auf die Sollwertkurve 104 geregelt und/oder gesteuert wird.
-
In der 3c ist eine sägezahnförmige Sollwertkurve 106 dargestellt. Das zugeordnete Ausgangssignal an der Stelle 15, welches durch den MF-Leistungsgenerator 1 erzeugt wurde, trägt die Bezugsziffer 107.
-
Die 4a zeigt eine Sollwertkurve 110. Für diese Sollwertkurve 110 wurde mit dem MF-Leistungsgenerator gemäß der 2 das Ausgangssignal 111 erzeugt. Die hochfrequenten Schwingungen (den Rippel) an der Stelle 112 erhält man, da das Regel- oder Steuersignal eine höhere Frequenz aufweist als das Ausgangssignal 111. Die hochfrequenten Schwingungen sollten eigentlich durch die Induktivitäten 20, 21 ausreichend bedämpft sein. In diesem Fall sind die Induktivitäten aber nicht ausreichend ausgelegt worden, so dass die hochfrequenten Schwingungen zu erkennen sind.
-
In der 4b ist eine Sollwertkurve 113 gezeigt. Mit dem MF-Leistungsgenerator 100 gemäß der 2 wurde das entsprechende Ausgangssignal 114 an der Stelle 15 erzeugt.
-
Entsprechend wurde für die Sollwertkurve 115 der 4c mit dem MF-Leistungsgenerator 100 gemäß der 2 an der Stelle 15 das Ausgangssignal 116 erzeugt.
-
In den 3a–3c und 4a bis 4c sind als Ausgangssignale (102, 105, 107, 111, 114, 116) beispielhaft Spannungen gezeigt. Die Spitze an der Stelle 103 zeigt die Zündspannung, die zum Zünden des Plasmas benötigt wird. Sie ist vergleichbar auch in den Ausgangssignalen (105, 107, 114) in den 3b, 3c, 4b, 4c zu erkennen. Sie kann so aussehen, wie gezeigt, sie kann aber auch anders aussehen, je nach angeschlossener Last.
