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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden und/oder Aufrechterhalten eines Plasmas mit einem gepulsten Hochfrequenzsignal. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Leistungsgenerator und eine Plasmaanordnung.
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In Plasmaprozessen mit gepulsten Quellen wird während eines Pulses eine Impedanztrajektorie durchlaufen, die von den Prozessparametern abhängt. Ziel ist es, ein Plasma zuverlässig zu zünden und dann im angepassten Zustand zu landen, ohne ein Impedanzanpassungsnetzwerk nachstellen zu müssen.
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Von der Form eines gepulsten Hochfrequenzsignals hängt es ab, wie schnell ein Plasma zündet und wie stabil der Plasmaprozess ist. Die 1a zeigt einen typischen Verlauf der Leistung eines gepulsten Hochfrequenzsignals. Die 1b zeigt den typischen Verlauf der Frequenz eines gepulsten Hochfrequenzsignals und die 1c zeigt den typischen Verlauf des Betrags des Reflektionsfaktors. Im Stand der Technik wird zum Zünden und Betreiben eines Plasmas häufig ein Mehrstufenpuls benutzt, wobei in einem ersten Zeitintervall, die in den 1a, b, c mit I bezeichnet ist, versucht wird, ein Plasma zu zünden. Dazu wird während dem ersten Zeitintervall I und einem zweiten Zeitintervall II einer Plasmakammer Energie zugeführt. Die Zeitintervalle können auch verwendet werden, um verschiedene Plasmabetriebszustände zu erreichen. Die Leistung und Frequenz der Zeitintervalle werden im Stand der Technik allenfalls manuell optimiert. Während der Dauer eines Zeitintervalls I, II werden die Frequenz und die Amplitude des Hochfrequenzsignals nicht verändert. Auch die Dauern der Zeitintervalle I, II werden bislang allenfalls manuell optimiert.
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Während des zweiten Zeitintervalls II kann ein Plasmaprozess mit Leistung versorgt werden. Frequenz und Amplitude des Hochfrequenzsignals sind dabei so ausgelegt, dass das Plasma während des zweiten Zeitintervalls II als stabil angenommen werden kann und Impedanzanpassung vorliegt.
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Während des ersten Zeitintervalls I ändern sich die Plasmaparameter. Zu Beginn des ersten Zeitintervalls I ist das Plasma ungezündet. Die Impedanz ist also hoch. Am Ende des ersten Zeitintervalls I nähert sich die Impedanz nach dem Zünden des Plasmas der Systemimpedanz an. Dies erkennt man an dem fallenden Betrag des Reflektionsfaktors gemäß 1c. Die sich ändernde Impedanz des Plasmas führt zu der oben erwähnten Impedanztrajektorie.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und einen Leistungsgenerator bereitzustellen, mit denen das Zünden und Speisen eines Plasmas mit Energie verbessert werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Zünden und/oder Aufrechterhalten eines Plasmas mit einem gepulsten Hochfrequenzsignal mit den Verfahrensschritten:
- a) Erzeugen eines gepulsten Hochfrequenzsignals,
- b) Verändern der Frequenz des Hochfrequenzsignals gemäß eines Frequenzsweeps und/oder der Amplitude des Hochfrequenzsignals gemäß eines Leistungssweeps während eines vorgegebenen ersten Zeitintervalls innerhalb eines Pulses,
- c) Überwachen zumindest eines Prozessparameters des Plasmaprozesses,
- d) Ermitteln eines Zusammenhangs des Prozessparameters zum durchgeführten Sweep und
- e) Erfassen, ob der oder die überwachten Prozessparameter mit Zusammenhang zu dem oder den Sweep(s) einen vorgegebenen Wert einnehmen oder in einem vorgegebenen Wertebereich liegen.
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Ein Hochfrequenzsignal im Sinne der Erfindung ist dabei ein Signal mit einer Frequenz von 1 MHz oder höher. Vorzugsweise weist das Hochfrequenzsignal eine Frequenz im Bereich 10-100 MHz auf.
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Ein gepulstes Hochfrequenzsignal im Sinne der Erfindung ist dabei ein Hochfrequenzsignal, das pulsförmig moduliert ist. Eine mögliche Generierung eines solchen gepulsten Hochfrequenzsignals ist z.B. in
US 8.884.523B2 beschrieben. Ein gepulstes Hochfrequenzsignal kann mit einer Frequenz von bis zu 500 kHz gepulst sein. Ein gepulstes Hochfrequenzsignal kann in mehreren Leistungsleveln gepulst sein.
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In dem ersten Zeitintervall kann die Frequenz um ±30 %, insbesondere ±20 %, vorzugsweise ±10 % variieren. Die Amplitude des Hochfrequenzsignals kann im ersten Zeitintervall ebenfalls um ±30 %, insbesondere ±20 %, vorzugsweise ±10 % variieren.
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Unter einem Sweep wird im Sinne der Erfindung eine vorgegebene oder an die Messwerte angepasste zeitliche Änderung einer Größe in einem vorgegebenen Zeitraum verstanden. Mit einer „zeitlichen Änderung“ soll eine Änderung der Größe im Verlauf des Zeitraums verstanden werden. Ein Frequenzsweep ist demnach eine vorgegebene oder an die Messwerte angepasste zeitliche Änderung der Frequenz während der Dauer eines vorgegebenen Zeitraums, z.B. des ersten und/oder zweiten Zeitintervalls. Ein Leistungssweep ist entsprechend eine vorgegebene oder an die Messwerte angepasste zeitliche Änderung der Amplitude eines Hochfrequenzsignals in einem vorgegebenen Zeitraum, z.B. des ersten und/oder zweiten Zeitintervalls.
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Das Ermitteln eines Zusammenhangs des Prozessparameters zum durchgeführten Sweep kann umfassen, dass das Erfassen des Plasmaparameters und das Durchführen des Sweeps in einem zeitlichen Zusammenhang stehen, beispielsweise gleichzeitig oder mit zeitlicher Überlappung stattfinden. Ein Zusammenhang eines Prozessparameters und eines Sweeps kann auch darin bestehen, dass sich ein Prozessparameter in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Frequenz oder der Amplitude des Hochfrequenzsignals während des Sweeps verändert. Beispielweise kann sich ein Prozessparameter während des Zündens des Plasmas verändern, wobei ein bestimmter Frequenz- und/oder Amplitudenwert des Hochfrequenzsignals mit dem Zünden des Plasmas einhergehen kann. Ein Zusammenhang eines Prozessparameters und eines Sweeps kann auch ermittelt werden, indem ein Korrelations-Algorithmus einen solchen Zusammenhang bestimmt.
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Das Erfassen, ob der oder die überwachten Prozessparameter jeweils einen vorgegebenen Wert einnehmen oder in einem vorgegebenen Wertebereich liegen, kann einen Hinweis geben, ob ein Sweep zur Verbesserung des Prozesses, zum Beispiel zum Zünden des Plasmas, verändert werden muss.
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Es kann eine Bewertung des oder der Sweeps auf Basis ihrer Erfassung, insbesondere ihrer Erfassung im Schritt v., erfolgen. Insbesondere kann bewertet werden, ob ein Sweep zu einem guten oder schlechten, einem besseren oder schlechteren Prozessverhalten als ein vorhergehender Sweep geführt hat. Außerdem kann untersucht werden, zu welchem Zeitpunkt während eines Sweeps ein Zünden stattgefunden hat. Es können die Auswirkungen eines Sweeps auf einen oder mehrere Prozessparameter ermittelt werden. Diese Auswirkungen können erst nach einiger Zeit eintreten, beispielsweise nach Beendigung eines Sweeps. Ein Zusammenhang eines Prozessparameters und eines Sweeps kann auch darin bestehen, dass ein Sweep keine Auswirkung auf einen Prozessparameter hat.
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Für nachfolgende Pulse und/oder für ein zweites Zeitintervall eines Pulses, insbesondere des ersten Pulses oder eines weiteren Pulses, kann ein Sweep auf Basis der Bewertung eines oder mehrerer vorhergehender Sweeps gewählt werden. Somit kann aufgrund der Analyse vorhergehender Sweeps ein veränderter Sweep für nachfolgende Pulse und/oder Zeitintervalle eingestellt werden. Ein zweites Zeitintervall kann zum Normalbetrieb des Plasmas, d.h. zur Aufrechterhaltung des Plasmas geeignet sein. Dafür kann Impedanzanpassung vorliegen.
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Die Bewertung kann eine Untersuchung des Sweeps auf Basis der Erfassung, insbesondere Erfassung gemäß Schritt v., beinhalten. Insbesondere kann dadurch ermittelt werden, zu welchem Zeitpunkt eines Sweeps ein Prozessparameter ein bestimmtes Verhalten zeigt.
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Die Dauer der Zeitintervalle kann auf Basis der Bewertung für nachfolgende Pulse angepasst werden. Wenn beispielsweise erkannt wird, dass das Zünden eines Plasmas bereits sehr früh während eines Frequenzsweeps oder Leistungssweeps eines Pulses stattfindet, kann für einen nachfolgenden Puls das erste Zeitintervall verkürzt werden. Somit kann einem Plasma mehr Energie zugeführt werden, da beispielsweise ein zweites Zeitintervall entsprechend verlängert werden kann.
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Die Frequenz des Hochfrequenzsignals kann gemäß eines Frequenzsweeps und/ oder die Amplitude des Hochfrequenzsignals kann gemäß eines Leistungssweeps während eines vorgegebenen zweiten Zeitintervalls innerhalb des Pulses verändert werden. Dadurch kann eine optimale Speisung des Plasmas mit Energie erreicht werden. Vorzugsweise können die beiden unterschiedlichen Sweeps nacheinander durchgeführt werden.
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Die Schritte c) - e) können zusätzlich im zweiten Zeitintervall durchgeführt werden. Somit stehen mehr Analysedaten zur Verfügung und kann das zweite Zeitintervall für nachfolgende Pulse bzw. der Frequenzsweep und/oder der Leistungssweep für das zweite Zeitintervall nachfolgender Pulse eingestellt werden, um bestimmte Sollprozessparameterwerte zu erreichen.
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Es kann für zumindest einen weiteren Puls ein anderer Frequenzsweep und/oder ein anderer Leistungssweep verwendet werden als für einen vorhergehenden, insbesondere für einen ersten Puls. Durch Vergleich der Situation mit dem vorhergehenden Puls kann ermittelt werden, ob der Plasmaprozess verändert wurde, insbesondere verbessert oder verschlechtert wurde. Je nach Ergebnis dieser Analyse kann für folgende Pulse der Frequenzsweep und/oder der Leistungssweep angepasst werden.
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Es können unterschiedliche Frequenzsweeps und/oder Leistungssweeps eingestellt werden, bis der oder die überwachten Prozessparameter vorgegebene Werte oder Wertebereiche erreichen. Dies kann so lange gemacht werden, bis optimale Prozessparameter erreicht sind. Es ist denkbar, die Sollwerte für Prozessparameter zu verändern. Dadurch kann eine Optimierung während des Plasmaprozesses erfolgen.
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In einem Kalibrierprozess kann ein Frequenzsweep und/oder ein Leistungssweep ermittelt werden, der geeignet ist, ein Plasma zu zünden. Somit können geeignete Frequenz- und/oder Leistungssweeps außerhalb eines Plasmaprozesses ermittelt werden.
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Insbesondere können einer oder mehrere der folgenden Prozessparameter überwacht werden: Zündverhalten des Plasmas, Verlustleistung des das gepulste Hochfrequenzsignal generierenden Generators, Reflektionsfaktor, Amplitude des Hochfrequenzsignals, relative Phase zwischen vor- und rücklaufender Welle des gepulsten Hochfrequenzsignals.
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Die Analyse kann erleichtert werden, wenn die Frequenz und/oder die Amplitude während des Frequenzsweeps und/oder Leistungssweeps stetig verändert werden.
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Der Frequenzsweep und/oder der Leistungssweep können mehrere Abschnitte aufweisen, wobei in den Abschnitten die Frequenz und/oder die Amplitude jeweils konstant sind. Dabei kann ein Abschnitt mehrere Perioden des Hochfrequenzsignals umfassen. Grundsätzlich ist es möglich, das Hochfrequenzsignal Periode für Periode zu betrachten. Die Erfassung der Prozessparameter und eine Regelung werden jedoch stark vereinfacht, wenn das Signal stattdessen in Abschnitten generiert und gemessen/erfasst wird, wobei die Abschnitte jeweils aus mehreren Perioden des Hochfrequenzsignals bestehen, die sich innerhalb des Abschnitts nicht in eingestellter Leistung und/oder Frequenz unterscheiden.
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Zumindest einige Abschnitte können unterschiedlich lang, insbesondere im Verlauf eines Pulses in zeitlicher Länge zunehmend sein. Beispielsweise können Abschnitte zu Beginn des ersten Zeitintervalls des Pulses kürzer sein als Abschnitte, die am Ende des ersten Zeitintervalls und gegebenenfalls im zweiten Zeitintervall liegen. Somit kann die Länge der Abschnitte an die Dynamik des Plasmas angepasst werden.
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In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Leistungsgenerator für eine Plasmaanordnung, wobei der Leistungsgenerator konfiguriert ist,
- a) ein gepulstes Hochfrequenzsignal zu erzeugen
- b) die Frequenz des Hochfrequenzsignals gemäß eines Frequenzsweeps und/oder die Amplitude des Hochfrequenzsignals gemäß eines Leistungssweeps während eines vorgegebenen ersten Zeitintervalls innerhalb eines Pulses zu verändern,
- c) einen Frequenzsweep und/oder einen Leistungssweep in Abhängigkeit von zumindest einem erfassten Prozessparameter zu generieren.
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Mit einem solchen Leistungsgenerator kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut durchgeführt werden
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Der Leistungsgenerator kann zur Erzeugung des gepulsten Hochfrequenzsignals einen Digital-/Analogwandler aufweisen. Das so erzeugte Signal kann verstärkt werden. Dies erlaubt die Kontrolle über die Amplitude des Hochfrequenzsignals und die Frequenz des Hochfrequenzsignals. Insbesondere können mit einem solchen Leistungsgenerator Frequenz- und Leistungssweeps besonders einfach eingestellt werden.
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Alternativ kann der Leistungsgenerator zur Erzeugung des gepulsten Hochfrequenzsignals einen Direct Digital Synthesizer (DDS) mit anschließender Amplitudenmodulationseinrichtung umfassen.
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In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Plasmaanordnung mit einem erfindungsgemäßen Leistungsgenerator, einer Plasmakammer sowie einer zwischen dem Leistungsgenerator und der Plasmakammer angeordneten Impedanzanpassungsanordnung. Es kann eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung zumindest eines Prozessparameters vorgesehen sein. Weiterhin kann der Leistungsgenerator konfiguriert sein, einen Frequenzsweep und/oder einen Leistungssweep in Abhängigkeit von dem zumindest einen erfassten Prozessparameter zu generieren.
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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 dort gezeigten Merkmale sind 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.
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In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1a die Leistung eines herkömmlichen gepulsten Hochfrequenzsignals;
- 1b die Frequenz eines herkömmlichen gepulsten Hochfrequenzsignals;
- 1c den Verlauf des Betrags des Reflektionsfaktors als Folge der in den 1a, 1b dargestellten Verläufe von Leistung und Frequenz.
- 2a den Verlauf der Leistung eines gepulsten Hochfrequenzsignals mit Variation der Amplitude des Hochfrequenzsignals gemäß eines Leistu ngssweeps;
- 2b den Verlauf der Frequenz eines Hochfrequenzsignals, wobei die Frequenz gemäß eines Frequenzsweeps variiert wird,
- 2c den Verlauf des Reflektionsfaktors korrespondierend zu den Signalverläufen der 2a, 2b,
- 3a einen in Abschnitten variierten Leistungsverlauf (Leistungssweep) eines gepulsten Hochfrequenzsignals;
- 3b einen in Abschnitten variierten Frequenzverlauf (Frequenzsweep) eines gepulsten Hochfrequenzsignals.
- 4 stark schematisiert eine Plasmaanordnung.
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Die 2a zeigt, dass während eines ersten Zeitintervalls I die Amplitude eines gepulsten Hochfrequenzsignals und in der Folge die Leistung während eines Pulses 10 variiert wurde. Im ersten Zeitintervall I wird somit die Amplitude des Hochfrequenzsignals gemäß eines Leistungssweeps variiert. Während eines zweiten Zeitintervalls II des Pulses wird die Amplitude des gepulsten Hochfrequenzsignals dagegen nicht variiert. Das dritte Zeitintervall III kann eine Pulspause des gepulsten Hochfrequenzsignals darstellen. Dann würde in der Pulspause keine Leistung an den Plasmaprozess geliefert werden. Alternativ ist es möglich, dass in diesem dritten Zeitintervall III eine weitere Leistung, die sich von der Leistung des zweiten Zeitintervalls II unterscheidet, an den Plasmaprozess geliefert wird.
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Ganz grundsätzlich kann in einem Pulssignal zwischen mehreren Leistungsleveln geschaltet werden. Es sind Plasmaprozesse bekannt, in denen zwischen zwei, bevorzugt drei, insbesondere vier und mehr Leistungsleveln umgeschaltet wird. Auch dafür können einzelne Zeitintervalle (in Figuren nicht gezeigt) definiert werden. In jedem dieser Zeitintervalle kann die Frequenz gemäß einem Frequenzsweep, insbesondere gemäß einem zuvor beschriebenen erzeugten Frequenzsweep verändert werden.
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In jedem dieser Zeitintervalle kann zusätzlich oder alternativ die Amplitude gemäß einem Leistungssweep, insbesondere gemäß einem zuvor beschriebenen erzeugten Leistungssweep verändert werden.
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In der 2b ist zu erkennen, dass die Frequenz des gepulsten Hochfrequenzsignals während des ersten Zeitintervalls I während des Pulses 10 verändert wurde. Die Frequenz wurde demnach gemäß eines Frequenzsweeps verändert. Auch im zweiten Zeitintervall II wurde die Frequenz gemäß eines Frequenzsweeps variiert. Dabei kann im ersten Zeitintervalls I ein erster Sweep, z.B. ein Frequenzsweep durchgeführt werden und im zweiten Zeitintervall II ein zweiter vom ersten verschiedener Sweep, z.B. ein Leistungssweep durchgeführt werden, oder umgekehrt. Alternativ ist es möglich, dass beide Sweeps in zumindest einem Zeitintervall durchgeführt werden.
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Der 2c kann man entnehmen, dass der Betrag des Reflektionsfaktors zu Beginn des ersten Zeitintervalls I sehr hoch ist und dann stark abfällt. Das Abfallen des Betrags des Reflektionsfaktors hängt damit zusammen, dass das Plasma gezündet wurde. Durch eine entsprechende Analyse kann ermittelt werden, bei welcher Frequenz und welcher Amplitude des gepulsten Hochfrequenzsignals das Zünden erfolgte. Um das Zündverhalten zur verbessern, kann für den Folgepuls 12 ein anderer Frequenzsweep und/oder Leistungssweep verwendet werden. Außerdem kann die zeitliche Länge des ersten und/oder zweiten Zeitintervalls I, II zur Verbesserung des Plasmaprozesses verändert werden.
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Die 3a zeigt einen Leistungssweep im Zeitintervall I, wobei die Leistung und entsprechend die Amplitude des Hochfrequenzsignals mehrere Abschnitte 14, 16 aufweist. Die Leistung bzw. Amplitude ist in jedem Abschnitt 14, 16 konstant. Die Abschnitte 14, 16 zu Beginn des Pulses 10 sind zeitlich kürzer als die Abschnitte 18, 20 am Ende des Pulses 10. Der Abschnitt 22 am Ende des ersten Zeitintervalls I kann dabei zeitlich länger sein als der erste Abschnitt 14 zu Beginn des ersten Zeitintervalls I. Der Abschnitt 22 kann gleich lang oder kürzer sein als der Zeitabschnitt 24 zu Beginn des zweiten Zeitintervalls II.
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In der 3b ist der Verlauf der Frequenz des gepulsten Hochfrequenzsignals zu sehen. Auch die Frequenz ändert sich von Abschnitt zu Abschnitt 14-24. Innerhalb eines Abschnitts 14-24 ist die Frequenz jedoch konstant. In den 3a, 3b sind die Abschnitte 14-24 für die Leistung und die Frequenz gleich lang. Es ist doch auch denkbar, für die Leistung anders lange Abschnitte 14-24 zu wählen als für die Frequenz.
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Die 4 zeigt eine Plasmaanordnung 100 mit einem Leistungsgenerator 102. Der Leistungsgenerator 102 ist konfiguriert, ein gepulstes Hochfrequenzsignal zu generieren, wobei für die einzelnen Pulse des Hochfrequenzsignals unterschiedliche Frequenzsweeps und/oder Leistungssweeps eingestellt werden können. Das gepulste Hochfrequenzsignal kann durch einen Verstärker 104 verstärkt werden und über eine Impedanzanpassungsanordnung 106 an eine Plasmakammer 108 geliefert werden. Bearbeitungsparameter können unmittelbar an der Plasmakammer 108 durch eine Erfassungseinrichtung 109 erfasst werden und an eine Auswerteeinrichtung 110 geliefert werden, was durch den Pfeil 112 angedeutet ist. Weitere Prozessparameter, insbesondere elektrische Parameter, können durch eine als Messeinrichtung ausgebildete Erfassungseinrichtung 114 erfasst werden und an die Auswerteeinrichtung 110 gegeben werden, was durch den Pfeil 116 symbolisiert ist.
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Die erfassten Bearbeitungsparameter und das gepulste Hochfrequenzsignal, insbesondere einzelne Pulse des gepulsten Hochfrequenzsignals, können in der Auswerteeinrichtung 110 miteinander in Beziehung gesetzt werden. Aus dieser Analyse kann ermittelt werden, ob und in welcher Weise die Erzeugung der Pulse des gepulsten Hochfrequenzsignals verändert werden muss, um den Plasmaprozesses zu verbessern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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