DE19918790A1

DE19918790A1 - Hochfrequenz-Anpassung mit Helikon-Wellen

Info

Publication number: DE19918790A1
Application number: DE1999118790
Authority: DE
Inventors: Roland Gesche; Harald Tobies; Frank Mayer
Original assignee: Aurion Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Aurion Anlagentechnik GmbH
Priority date: 1999-04-26
Filing date: 1999-04-26
Publication date: 2000-11-02

Abstract

Zur Anpassung einer Hochfrequenz-Versorgung an eine Plasma-Anlage wird eine Wellenleiterstruktur verwendet, in der eine Niederdruck-Gasentladung (Plasma) erzeugt wird. Durch die Überlagerung eines statischen Magnetfeldes wird in der Plasma-Röhre eine richtungsabhängige Ausbreitung von Helikonwellen bewirkt. Die Einkopplung der Hochfrequenzleistung erfolgt über Antennen, die genau dem Feldverlauf und der Polarisation der entsprechenden Helikonwellen angepaßt sind. DOLLAR A Die Antenne zur Einkopplung der Hochfrequenzleistung kann direkt an den Generator angepaßt werden, so daß eine Regelung der Impedanz des Anpassungs-Elementes entfällt. DOLLAR A Da für die reflektierte Welle kein Mode existiert, der mit der zur Einkopplung verwendeten Antenne koppelt, wird die reflektierte Leistung wiederum reflektiert. Somit wird also keine Leistung zum Generator zurück reflektiert.

Description

Gegenstand der Anmeldung, Anwendungsbereiche

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für die Anpassung einer Impedanz einer Hochfrequenz-Plasmaanlage an einen Hochfrequenzgenerator.

Bei der Erzeugung eines Plasmas mit einem Hochfrequenzgenerator, beispielswei se einem auf 13,56 MHz schwingenden Generator, tritt das Problem auf, daß ein Teil der Hochfrequenzenergie nicht dem Plasma zugeführt, sondern zu dem Gene rator zurück reflektiert wird, weil der Generator nicht kontinuierlich an den Plasma prozeß angepaßt werden kann. Die Anpassungsschwierigkeiten haben ihre Ursa che beispielsweise darin, daß sich die Impedanz eines Plasmas fortwährend ändert, während die Anpassungsimpedanz des Generators konstant ist. Bei einem 13,56 MHz-Generator beträgt diese normalerweise 50 Ohm. Eine optimale Leistungsan passung ergibt sich somit nur bei einer einzigen Impedanz des Plasmas; bei allen anderen Impedanzen treten dagegen Reflexionserscheinungen auf.

Ein Weg, die Leistungsanpassung zu optimieren, könnte darin bestehen, die Plas maimpedanz konstant zu halten. Dieser Weg wäre allerdings mit sehr hohem Auf wand verbunden, da die Plasmaimpedanz von zahlreichen Parametern abhängt, beispielsweise von der Anlagengeometrie, der Art der Elektrode, der Abschirmung, der Gaszuleitungen, der Gasart und dem Gasdruck.

Eine weitere Möglichkeit der Leistungsanpassung besteht darin, eine Hochfre quenz-Komponente zwischen Generator und Plasmaanlage zu schalten, die eine Anpassung vornimmt, also praktisch eine Impedanztransformation. Dadurch sieht die Quelle immer eine Impedanz von 50 Ohm, gleichgültig, welche Impedanz der Plasma-Prozeß hat.

Stand der Technik

Die Anpassung von Hochfrequenzleistungen an Plasmalasten, wie sie bei verschie denen Verfahren der Oberflächentechnik erforderlich ist, erfolgt derzeit in der Regel mit sogenannten Machtboxen. Diese bestehen in der Regel aus 3 oder mehr reakti ven Bauteilen (Spulen, Kondensatoren), von denen 2 veränderlich ausgeführt wer den, um die Anpassung von Betrag und Phase an die Nennimpedanz, typischerwei se 50 Ω, zu gewährleisten. Dies sind zum Beispiel Plattenkondensatoren für niedri ge Leistungen bis ca. 500 W und Vakuumkondensatoren für höhere Leistungen.

Diese Resonanztransformation erfordert einen sorgfältigen Abgleich, der früher ma nuell erfolgte und heute meist automatisch erfolgt. Durch das komplizierte Tuning verhalten und eine Vielzahl von Störeinflüssen sind diese automatischen Tuning netzwerke jedoch nicht hinreichend betriebssicher. Wünschenwert wäre eine An ordnung, die in sich das gewünschte Reflexionsverhalten durch eine geeignete Streumatrix gewährleistet ohne dynamische Einstellvorgänge zu benötigen.

Beschreibung des Verfahrens

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leistungsmäßige Anpassung zwi schen dem Hochfrequenzgenerator und der Plasmaanlage zu schaffen. Ein Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden genauer beschrieben.

Die Übertragung der Leistung erfolgt durch eine Wellenleiterstruktur (1), in der eine Niederdruck-Gasentladung (Plasma) oder ein Elektronengas erzeugt wird. Durch die Überlagerung eines statischen Magnetfeldes, das durch Permanentmagnete oder durch stromdurchflossene Spulen erzeugt wird (4), werden in der Wellenleiter struktur lokal zirkular polarisierte Wellen ausbreitungsfähig. Diese Helikonwellen oder Whistler-Wellen sind in einem bestimmten Frequenzbereich nur in einer Pola risationsrichtung ausbreitungsfähig. Zur Ein- und Auskopplung der Helikonwellen dienen Antennen (2, 3), deren Geometrien genau an die Feldverteilung und die Pola risation der gewünschten Moden angepaßt sind. Die Antenne zur Einkopplung der Leistung (2) ist hierbei an den Generator angepaßt, hat also eine konstante Impe danz von 50 Ohm. Da für die reflektierte Welle kein Mode existiert, der mit der zur Einkopplung verwendeten Antenne koppelt, wird diese wiederum reflektiert, so daß also keine Leistung von der Plasma-Anlage zum Generator zurück reflektiert wird.

Claims

1. Vorrichtung und Verfahren zur elektrischen Übertragung von Hochfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß im Hochfrequenz-Übertragungsweg eine Wel lenleiterstruktur vorgesehen wird, in der die Hochfrequenz in Form von Heli konwellen übertragen wird.

2. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anordnung zur Impedanzanpassung von Hochfrequenz- Leistungsversorgungen verwendet wird.

3. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hochfrequenz zur Speisung von Plasmaprozessen für die Oberflächentechnik verwendet wird.

4. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hochfrequenz eine ISM-Frequenz von zum Beispiel 13.56 MHz ist.

5. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß mit der Anordnung Hochfrequenzleistung von einem feststehen den Teil auf einen drehbaren Teil oder in entgegengesetzte Richtung übertra gen wird.

6. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß in der Wellenleiterstruktur eine Gasentladung (Plasma) erzeugt wird.

7. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß es sich um eine Niederdruck-Gasentladung handelt.

8. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß in der Wellenleiterstruktur Elektronen erzeugt werden.

9. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 7 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld überlagert wird.

10. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß es sich um ein statisches Magnetfeld handelt.

11. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Magnetfeld mit Permanentmagneten erzeugt wird.

12. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das Magnetfeld durch stromdurchflossene Spulen erzeugt wird.

13. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß es sich bei der verwendeten Helikonwelle um eine zumindest lo kal zirkular polarisierte Welle im Elektronengas oder Plasma mit Magnetfeld handelt (Whistler-Welle).

14. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ein- und Auskopplung der Helikonwelle durch Antennen er folgt, die an die Feldverteilungen der Polarisation und der geometrischen Aus breitungsrichtungen angepaßt sind.

15. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ein- und Auskoppelantennen durch Segmente von Zylin derspulen gebildet werden.

16. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Helikon-Wellenleiterstruktur mit einer zweiten Wellenleiter struktur gekoppelt ist.

17. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Helikon-Wellenleiterstruktur durch eine rohrförmige Struktur gebildet wird.

18. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die rohrförmige Struktur einen annähernd kreisförmigen Querschnitt besitzt.

19. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die rohrförmige Struktur aus einem dielektrischen Material gefertigt wird.

20. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß um die rohrförmige dielektrische Struktur eine weitere leiten de Struktur vorgesehen wird.

21. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die Antennenstrukturen zwischen der dielektrischen Struktur und der metallischen Struktur angeordnet sind.

22. Vorrichtung und Verfahren nach Anordnung nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß es sich um planare Antennenstrukturen handelt.