DE202010016732U1

DE202010016732U1 - Plasmaversorgungseinrichtung

Info

Publication number: DE202010016732U1
Application number: DE202010016732U
Authority: DE
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2020-12-18

Abstract

Plasmaversorgungseinrichtung zur Erzeugung einer Ausgangsleistung > 500 W bei einer im Wesentlichen konstanten Grundfrequenz > 3 MHz und zur Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses, an welchen die erzeugte Ausgangsleistung geliefert wird und von welchem reflektierte Leistung zumindest bei Fehlanpassung an die Plasmaversorgungseinrichtung zurückgeleitet wird, mit zumindest zwei an zumindest eine DC-Stromversorgung angeschlossene Inverter, die jeweils zumindest ein schaltendes Element aufweisen, und mindestens je einem den Invertern nachgeschalteten Ausgangsnetzwerk und zumindest einem den Ausgangsnetzwerken nachgeschalteten Koppler, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung vorgesehen ist mit einer Flüssigkeit, die direkten Kontakt zu Bauteilen des Kopplers und/oder der Ausgangsnetzwerke und/oder der Inverter und/oder der DC Stromvorsorgung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmaversorgungseinrichtung zur Erzeugung einer Ausgangsleistung > 500 W bei einer im Wesentlichen konstanten Grundfrequenz > 3 MHz und zur Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses, an welchen die erzeugte Ausgangsleistung geliefert wird und von welchem reflektierte Leistung zumindest bei Fehlanpassung an die Plasmaversorgungseinrichtung zurückgeleitet wird, mit zumindest zwei an zumindest eine DC-Stromversorgung angeschlossene Inverter, die jeweils zumindest ein schaltendes Element aufweisen, und mindestens je einem den Invertern nachgeschalteten Ausgangsnetzwerk und zumindest einem den Ausgangsnetzwerken nachgeschalteten Koppler.
Eine derartige Plasmaversorgungseinrichtung wird zur Plasmastromversorgung, d. h., zur Stromversorgung von Plasmaprozessen eingesetzt. Die Plasmaversorgungseinrichtung arbeitet bei einer Grundfrequenz, die bei dessen Einsatz als Plasmastromversorgung nur geringfügig von einem Sollwert abweichen darf. Typische Grundfrequenzen sind 3,39 MHz, 13,56 MHz, 27 MHz, 40 MHz, 62 MHz.
Plasmastromversorgungen werden zur Erzeugung bzw. Zündung und zur Aufrechterhaltung eines Plasmas eingesetzt, können jedoch auch zur Anregung von Gaslasern eingesetzt werden. Plasmastromversorgungen müssen möglichst kleine Abmessungen besitzen, damit sie in der Anwendung nah an den Plasmaentladungen angeordnet werden können. Das kann die Prozessstabilität verbessern. Sie sollen möglichst wiederholgenau und exakt arbeiten und möglichst geringe Verluste aufweisen, um einen hohen Wirkungsgrad zu realisieren. Eine weitere Anforderung sind möglichst geringe Herstellungskosten und hohe Wartungsfreundlichkeit. Nach Möglichkeit sollen Plasmastromversorgungen ohne mechanisch angetriebene Bauteile auskommen, insbesondere sind Lüfter aufgrund ihrer begrenzten Lebensdauer und der Gefahr von Verschmutzungen unerwünscht. Weiter sollen Plasmastromversorgungen gleichzeitig möglichst zuverlässig sein, sich nicht überhitzen und eine lange Betriebsdauer aufweisen. Aufgrund der hohen Dynamik und den oftmals chaotischen Verhältnissen in Plasmaprozessen ist eine Plasmastromversorgung viel höheren Anforderungen ausgesetzt als irgendeine andere Stromversorgung.
Die obere Leistungsgrenze der Plasmaversorgungseinrichtung ist unter anderem durch die abzuführende Verlustleistung bestimmt. Die obere Leistungsgrenze kann angehoben werden, indem die Plasmaversorgungseinrichtung mindestens zwei Ausgangsnetzwerke auf einer oder mehreren Leiterplatten aufweist, die zusammen von mindestens einem an die DC-Stromversorgung angeschlossenen Inverter oder für sich von jeweils mindestens einem an die DC-Stromversorgung angeschlossenen Inverter gespeist werden und deren Ausgangsleistungen über mindestens einen Koppler zu einer Gesamtleistung zusammengeführt werden können. Ein Koppler ist ein elektronisches Bauteil, das dafür ausgelegt ist, elektrische Leistungen zusammenzuführen oder aufzuteilen. Auch der Koppler kann Bauteile aufweisen, die die reflektierte Leistung zumindest teilweise absorbieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Plasmaversorgungseinrichtung bereitzustellen, mit der eine hohe Genauigkeit und Prozessstabilität sichergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Plasmaversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der eine Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung vorgesehen ist mit einer Flüssigkeit, die direkten Kontakt zu Bauteilen des Kopplers und/oder der Ausgangsnetzwerke und/oder der Inverter und/oder der DC Stromvorsorgung aufweist.
Damit wird die Wärmeabführung verbessert. Es können kleinere Abmessungen für den Koppler und/oder Inverter und/oder Ausgangsnetzwerke vorgesehen und/oder DC Stromvorsorgung werden. Auf Lüfter kann verzichtet werden. Bauteile verhalten sich stabiler und die Plasmaversorgungseinrichtung arbeitet zuverlässiger. In allen so gekühlten Baugruppen (Inverter, Koppler, Ausgangsnetzwerke, DC Stromvorsorgung) und Bauteilen in den Baugruppen können unerwünschte reflektierte Leistungen absorbiert und in Wärme umgewandelt werden und mittels der Flüssigkeit abtransportiert werden. Insbesondere können die Abstände zu einer mit Masse verbundenen elektrisch leitfähigen Kühlplatte, die in den beschriebenen Plasmaversorgungseinrichtung derzeit standardmäßig verwendet wird vergrößert werden oder ganz entfallen, weil eine solche Kühlplatte ganz entfallen kann. Für Kühlflüssigkeitsdurchströmte Kühlplatten werden wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit und der hohen Wärmekapazität in der Regel Kühlplatten aus Aluminium oder Kupfer eingesetzt. Beide Materialien besitzen auch eine gute elektrische Leitfähigkeit. Da diese Kühlkörper in der Nähe von vielen elektrischen Bauteilen mit hohen Strömen und Spannungen angeordnet sind, müssen sie auf einem festen Potential liegen, um ein Koppeln zwischen verschiedenen Signalen zu verhindern. Üblicherweise werden sie großflächig mit der Gehäusemasse verbunden, die ihrerseits auch mit dem Schutzleiter der Stromversorgungsanschluss verbunden ist. Über den Schutzleiter darf aus Sicherheitsgründen nur ein begrenzter Ableitstrom fließen. Insbesondere bei Frequenzen größer 3 MHz und der großen Anzahl von zu kühlenden Bauteilen in Plasmaversorgungseinrichtung mit einer Leistung größer 500 W ergibt sich eine hohe Koppelkapazität von den zu kühlenden Bauteilen und der großflächig mit der Gehäusemasse verbundenen elektrisch leitfähigen Kühlplatte. Ein großer Ableitstrom, insbesondere, wenn er Hochfrequente Anteile aufweist, kann auch wegen seiner möglichen Störabstrahlung insbesondere bei Plasmaanwendungen problematisch sein. Er kann reduziert werden, wenn die zu kühlenden Bauteilen einen größeren Abstand zu der Kühlplatte aufweisen. Dann aber sinkt die Kühlleistung und es werden wieder Lüfter benötigt. All diese Probleme können durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung gelöst werden.
Die Flüssigkeit kann eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit insbesondere größer als 10⁶ V/m aufweisen. Damit wird gleichzeitig mit der verbesserten Wärmeabführung auch die elektrische Spannungsfestigkeit verbessert. Mit der Verbesserung der Durchschlagfestigkeit können die Leiterbahnabstände reduziert werden insbesondere bei gedruckten Leiterbahnen auf der Leiterplatte.
Die Flüssigkeit kann t einen hohen elektrischen Widerstand insbesondere größer als 10¹³ Ohm cm aufweisen. Dann sind die elektrisch ohmschen Verluste gering und die Plasmaleistungsversorgung arbeitet hocheffizient.
Als Flüssigkeit kann eine chemisch resistente Flüssigkeit gewählt werden, die keine chemische Verbindung mit den eingesetzten Bauteilen eingeht. Das hat den Vorteil, dass die Zuverlässigkeit der Bauteile erhöht wird.
Als Flüssigkeit kann eine dielektrisch neutrale Flüssigkeit gewählt werden, die keine oder im Vergleich zu den sonstigen dielektrischen Beeinflussungen (z. B. in Leiterplatten) geringere dielektrischen Beeinflussungen, insbesondere Verluste erzeugt.
Als Flüssigkeit kann eine magnetisch neutrale Flüssigkeit gewählt werden, die keine oder im Vergleich zu den sonstigen magnetischen Beeinflussungen (z. B. in Ferriten) geringere magnetischen Beeinflussungen insbesondere Verluste erzeugt.
Als Flüssigkeit kann eine Flüssigkeit die ihren Siedepunkt unter 125°C hat, eingesetzt werden. Dann kann die erhöhte Kühlleistung verursacht durch Verdunstung ausgenutzt werden.
Als Flüssigkeit kann eine der von der Firma 3M unter der Warenbezeichnung ”Fluorinert” angebotenen Flüssigkeiten verwendet werden, z. B.: FC-87, FC-72, FC-84, FC-3283, FC-43, FC-70, FC-5312. FC-77, FC-3255, FC-40 oder FC-75.
Ein Ausgangsnetzwerk und/oder Koppler und/oder Inverter und/oder DC-Stromversorgung können auf einer Leiterplatte angeordnet sein. Das ist insbesondere in Verbindung mit Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung vorteilhaft, weil auf der Leiterpatte auf allen Seiten Bauteile platziert werden können und Leiterbahnen gedruckt sein können weil eine thermisch nahe Verbindung zu einer Kühlplatte nicht notwendig ist. Durch diese Maßnahme kann das Ausgangsnetzwerk besonders kostengünstig realisiert werden. Außerdem ist es möglich, die Bauelemente des Ausgangsnetzwerks mit exakten Induktivitäten und Kapazitäten, d. h. Induktivitäts- und Kapazitätswerten, die von Sollwerten allenfalls geringfügig abweichen, zu realisieren. Dies ist bei einer hohen Wiederholgenauigkeit möglich. Auf zumindest einer der Leiterplatten kann weiter mindestens ein Eingangsanschluss zum Anschluss der zumindest zwei Inverter angeordnet sein. Die Ausgangsnetzwerke besitzen einen großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und folglich auf die Lebensdauer der gesamten Plasmastromversorgung bzw. der Plasmaversorgungseinrichtung. Zumindest ein Bauteil der Plasmaversorgungseinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass es von dem Plasmaprozess reflektierte Leistung bei der Grundfrequenz zumindest teilweise absorbiert. Dabei kann die reflektierte Leistung in Wärme umgewandelt werden. Die reflektierte Leistung kann zumindest teilweise absorbiert werden von dem Inverter, von verlustbehafteten Induktivitäten, Übertragern, Kapazitäten oder Widerständen.
Bei der Plasmaversorgungseinrichtung sind die Ausgangsnetzwerke derart dimensioniert, dass die Fläche der Leiterplatte kleiner als 150 cm² gehalten werden kann. Die Dicke der Leiterplatte kann 2 bis 5 mm betragen. Als Leiterplattenmaterial kann glasfaserverstärktes Epoxydharz, insbesondere FR4- oder FR5-Material, verwendet werden. Die Schaltung kommt mit diesen Materialien aus, obwohl sie ein verlustbehafteteres dielektrisches Verhalten und eine geringere Wärmeleitfähigkeit und Wärmebeständigkeit als vergleichsweise sehr teure Keramiken oder PTFE-Materialen aufweisen. Mehrlagige Leiterplatten mit flächig ausgebildeten Induktivitäten und SMD-Bauteilen sind für niedrigere Frequenz- und Leistungsbereiche bekannt. Entgegen des Vorurteils, die für die bekannten Leiterplatten verwendeten Materialien seien für Hochfrequenzanwendungen mit einer Ausgangsleistung > 500 W und einer Grundfrequenz > 3 MHz aufgrund hoher Wärmeentwicklung und schlechter Wärmeabführung ungeeignet, wird vorgeschlagen, ein Ausgangsnetzwerk mit planaren Induktivitäten und Kapazitäten auf einer Leiterplatte für den genannten Ausgangsleistungs- und Hochfrequenzbereich zu realisieren. Dies führt zu erheblichen Einsparungen beim Platzbedarf und Kostenaufwand sowie zu einer verbesserten Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Herstellung der Plasmaversorgungseinrichtung.
In vorliegender Beschreibung werden die Begriffe Induktivität oder Kapazität bzw. Kondensator einerseits für ein auf der Leiterplatte angeordnetes Bauteil, andererseits für eine dem Bauteil zugeordnete physikalische Größe verwendet, wobei sich die entsprechende Verwendung jeweils aus dem Zusammenhang ergibt.
In einer Ausführungsform der Plasmaversorgungseinrichtung weisen die mindestens zwei Ausgangsnetzwerke mindestens jeweils einen Ausgangsübertrager mit einer primärseitigen Wicklung und einer sekundärseitigen Wicklung auf. Durch den Ausgangsübertrager wird eine galvanische Trennung zwischen dem zumindest einen an eine DC-Stromversorgung angeschlossenen Inverter und einer an die Leiterplatte anzuschließenden Last, insbesondere einer Plasmalast, erreicht. Auf diese Weise werden niederfrequente Signale, insbesondere DC-Anteile, welche am Ausgang des Inverters vorhanden sein können, abgetrennt. Zur galvanischen Trennung kann alternativ eine Kapazität eingesetzt werden. Durch die Ausbildung ausreichender Sicherheitsabstände kann die Primärseite des Ausgangsübertragers galvanisch mit dem Netzanschluss verbunden bleiben. Durch den damit einhergehenden Verzicht auf eine galvanische Trennung in der DC-Stromversorgung können die Kosten und die Baugröße der Plasmaversorgungseinrichtung weiter verringert werden. In Verbindung mit der Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung kann die Baugröße weiter verringert werden, und die Zuverlässigkeit weiter erhöht werden.
Die Ausgangsübertrager können in Planartechnologie realisiert sein. Derart hergestellte, auf der Leiterplatte angeordnete Ausgangsübertrager können sehr präzise und wiederholgenau gefertigt werden, insbesondere können die Windungen der primär- und der sekundärseitigen Wicklung bei einer guten Reproduzierbarkeit hergestellt werden. Darüber hinaus ist dies kostengünstiger als ein Aufbau mit Drahtwicklungen. Weiter kann der Ausgangsübertrager großflächig aufgebaut und somit in einfacher insbesondere in Verbindung mit der Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung gekühlt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Leiterplatte mehrlagig, insbesondere mit vier Lagen, ausgebildet, und in jeder Lage der Leiterplatte ist eine Windung des Ausgangsübertragers ausgebildet. In Verbindung mit der Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung ist dies im Besonderen Maße vorteilhaft, weil nun auch Leiterbahnen mit hohen Spannungen auf beiden Seiten der Leiterplatte vorgesehen werden können, ohne dass auf einen Mind3estabstand zu einer Massekühlplatte geachtet werden muss. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die kapazitive Kopplung zwischen den Windungen, die üblicherweise als unerwünschte, parasitäre Kapazität betrachtet wird, für weitere Schaltungsteile, beispielsweise für ein impedanzanpassungsglied, verwendet werden kann. Zudem können die Streuinduktivitäten des Ausgangsübertragers für weitere Schaltungsteile mit verwendet werden.
In einer Ausführungsform weisen die primärseitige Wicklung und die sekundärseitige Wicklung des Ausgangsübertragers jeweils zwei Windungen auf. Auf diese Weise können alle vier Lagen der Leiterplatte genutzt werden. Die gleichzeitig entstehende magnetische Kopplung und die Streuinduktivität können beispielsweise einen LC-Filter bilden.
In einer Ausführungsform der Plasmaversorgungseinrichtung weist das Ausgangsnetzwerk mindestens einen zwischen dem Eingangsanschluss und der primärseitigen Wicklung angeordneten Satz erster Induktivitäten auf. Unter einem ”Satz erster Induktivitäten” ist zu verstehen, dass jeder Inverter über eine erste Induktivität mit dem ihm zugeordneten Ausgangsübertrager verbunden ist.
Die ersten Induktivitäten können als planare Leiterbahnen ausgebildet sein, die jeweils eine Windung aufweisen. Zweckmäßiger Weise sind die ersten Induktivitäten magnetisch gekoppelt, wodurch auf Magnetfeldverstärkungselemente verzichtet werden kann. Zusätzliche Magnetfeldverstärkungselemente können die Induktivität aber noch erhöhen. Es werden Induktivitäten im Bereich von 50 bis 300 nH erreicht. Die Induktivitäten können Werte größer 50 nH und Güten Q größer 200 aufweisen. In einer Ausführungsform können Leiterbahnen zum Beispiel für die ersten Induktivitäten in mehreren Lagen parallel geführt werden. Der Strom verteilt sich auf die Leiterbahnen und die Verluste werden geringer. Damit steigt die Güte der Induktivitäten auf Werte größer 200. Das war bisher mit planaren Induktivitäten im Bereich von 50 bis 300 nH auf nur einer Lage nicht erreichbar.
Die Inverterschaltungen der Plasmaversorgungseinrichtung können jeweils zwei Halbbrücken aufweisen, die jeweils an eine oder mehrere DC-Stromversorgung angeschlossen sind. Indem die Mittelpunkte der Halbbrückenschaltung über die ersten Induktivitäten mit der primärseitigen Wicklung des Ausgangsübertragers verbunden werden, kann ein verlustarmes Null-Volt-Einschalten über einen weiten Bereich von Lastimpedanzen erreicht werden. Mittels der Plasmaversorgungseinrichtung können vorteilhafte Schaltbedingungen für den Inverter sichergestellt werden. Vorteilhaft sind beispielsweise ein Null-Volt-Einschalten vor allem bei höheren Frequenzen und bei MOSFETs oder ein Null-Strom-Ausschalten vor allem bei niedrigen Frequenzen und bei IGBTs als Schalter im Inverter. Dies kann durch eine geeignete Dimensionierung des Ausgangsnetzwerks bzw. der Schaltungsteile des Ausgangsnetzwerks erreicht werden.
In einer Ausführungsform der Plasmaversorgungseinrichtung bildet die durch die Leiterbahnen gebildete Kapazität zwischen den Windungen der sekundärseitigen Wicklung des mindestens einen Ausgangsübertragers zusammen mit der Induktivität der sekundärseitigen Wicklung des mindestens einen Ausgangsübertragers einen LC-Filter. Die durch die Leiterbahnen zwischen der primärseitigen Wicklung und der sekundärseitigen Wicklung des mindestens einen Ausgangsübertragers gebildete Kapazität kann ein weiterer Bestandteil des LC-Filters sein. In einer Ausführungsform kann das Ausgangsnetzwerk ein zwischen der sekundärseitigen Wicklung und einem Ausgangsanschluss zum Anschluss einer Last angeordnetes Impedanzanpassungsglied mit einer oder mehreren zweiten Induktivitäten und/oder einem oder mehreren Kondensatoren aufweisen. Auf diese Weise wird eine Lastimpedanzanpassung vom Inverter zum Ausgang des Ausgangsnetzwerks erreicht. Durch reaktive Bauelemente des Ausgangsnetzwerks, d. h. Induktivitäten und Kapazitäten, werden die von einer Plasmalast reflektierten und/oder erzeugten Leistungsanteile gefiltert. Es können spezielle Filter vorgesehen sein, die von der Grundfrequenz abweichende Frequenzen vorzugsweise in Wärme umwandeln. Auch können Frequenzen, die von der Plasmakammer reflektiert werden, sowohl bei der Grundfrequenz auch bei anderen Frequenzen insbesondere bei Oberwellen der Grundfrequenz in Wärme gewandelt werden. Diese Wärme kann mit der Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung abgeführt werden.
Weiter können die Ausgangsnetzwerke jeweils einen LC-Filter aufweisen. Am Ausgang eines Inverters liegt in der Regel ein Signal mit einem relativ hohen Anteil von Oberwellen bzw. harmonischen Frequenzen an, welche am Ausgang der Plasmastromversorgung, d. h., am Ausgangsanschluss unerwünscht sind. Die Plasmaversorgungseinrichtung filtert diese Oberwellen bzw. harmonischen Frequenzen mit Hilfe des LC-Filters. Zweckmäßiger Weise bilden die Streuinduktivität und die Kapazität zwischen zwei Windungen des Ausgangsübertragers einen LC-Filter, wodurch zusätzliche Bauelemente eingespart werden können. Der LC-Filter ist entweder wie oben beschrieben ausgebildet und/oder Teil des Impedanzanpassungsglieds. In einer weiteren Ausführungsform weist das Ausgangsnetzwerk einen zur sekundärseitigen Wicklung parallelen oberflächenmontierbaren (SMD-)Kondensator auf. Die Kapazität zwischen den sekundärseitigen Windungen kann dann die Kapazität dieses Kondensators verstärken.
Weiter können die zweiten Induktivitäten in Planartechnologie realisiert sein. Die Kondensatoren können beispielsweise in Planartechnologie und/oder als SMD-Bauteil realisiert sein. Hieraus ergibt sich der Vorteil einer verbesserten Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Herstellung der Plasmaversorgungseinrichtung. Die Leiterplatten können Durchkontaktierungen zum Verbinden der in den Lagen angeordneten Leiterbahnen aufweisen. Auf diese Weise werden eine hohe Festigkeit der Leiterplatte und gute Kontakte zwischen den auf dieser Seite angeordneten Schaltungsteilen sichergestellt. Sowohl der Eingangsanschluss zum Anschluss der DC-Stromversorgung oder des Inverters als auch der Ausgangsanschluss zum Anschluss der Plasmalast, an welche das durch das Ausgangnetzwerk generierte sinusförmige Ausgangssignal übergeben wird, können mit Durchkontaktierungen verbunden werden. An Leiterkarten aus dem Stand der Technik, die aus Wärmeleitgründen direkt auf der Kühlplatte montiert wurden, konnten keine solche Durchkontaktierungen vorgesehen werden, da sie einen Kurzschluss zwischen der auf Massepotential liegenden Kühlplatte und den Potentialen der Durchkontaktierungen verursacht hätten. Die Wärme kann mit der Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung abgeführt werden.
In einer Ausführungsform der Plasmaversorgungseinrichtung ist an der Leiterplatte zumindest ein einer oder mehreren Induktivitäten und/oder Wicklungen des Ausgangsübertragers zugeordnetes Magnetfeldverstärkungselement vorgesehen. Auf diese Weise kann die Anzahl der Windungen für die einzelnen Induktivitäten reduziert werden. Dadurch ist es möglich, mit kurzen Leiterbahnen hohe Induktivitäten zu erzielen. Durch die kurzen Leiterbahnen ergibt sich zudem der Vorteil geringer Widerstände und damit einhergehender geringerer Verluste. Die in den Magnetfeldverstärkungselementen erzeugte Wärme kann zusätzlich auch mit der Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung abgeführt werden.
Ein Magnetfeld B wird verursacht durch eine magnetische Feldstärke H. Diese wird wiederum verursacht durch einen Strom I durch eine Leitung, welche eine Induktivität bildet. Zwischen B und H besteht die Beziehung B = μ·H wobei μ die Permeabilität ist. Die Permeabilität μ setzt sich zusammen aus der Permeabilität des Vakuums μ₀ = 4π·10⁷ Vs/Am und der Permeabilitätszahl μ_r, die materialabhängig ist. Es gilt μ = μ₀·μ_r. Ein Magnetfeldverstärkungselement weist ein μ_r deutlich größer als 1 auf. Typischerweise wird bei den genannten Frequenzen ein Ferrit als Magnetfeldverstärkungselement verwendet. Das Magnetfeldverstärkungselement erhöht bei Induktivitäten den Wert der Induktivität entsprechend der Permeabilitätszahl μ_r.
In einer Ausführungsform kann das zumindest eine Magnetfeld Verstärkungselement ein Ferrit, insbesondere ein Perminvarferrit, sein. Typischerweise umschließen die Magnetfeldverstärkungselemente oder Ferrite ringförmig die Leiterbahnen der planaren Induktivitäten. Die Ferrite, die die Windungen der Induktivitäten bzw. der Wicklungen ring bzw. schalenförmig umschließen, bestehen zweckmäßiger Weise aus zwei Teilen, welche gegenstückartig an der Leiterplatte angeordnet werden.
Weiter kann an der Leiterplatte zumindest eine Aussparung zur Aufnahme des zumindest einen Magnetfeldverstärkungselements ausgebildet sein. Typischerweise sind an der Leiterplatte Aussparungen zur Aufnahme des zweiteilig aus zwei gleichen oder zumindest ähnlichen Teilen bestehenden Magnetfeldverstärkungselements ausgebildet. Auf diese Weise kann das Magnetfeldverstärkungselement sicher und platzsparend an der Leiterplatte angeordnet werden.
An der Leiterplatte kann ein Masseanschluss vorgesehen sein. Der Masseanschluss kann als kontaktierte Bohrung ausgebildet sein. Zwischen der Leiterplatte und der Kühlplatte können Abstandsbolzen vorgesehen sein, an denen eine Masseverbindung hergestellt werden kann.
Der Koppler kann auf der Leiterplatte angeordnet und bevorzugt zumindest teilweise in Planartechnologie realisiert sein. Zur Erhöhung der Induktivität können eine oder mehrere Magnetfeldverstärkungselemente vorgesehen sein Bei einer Plasmaversorgungsanordnung werden die Ausgangsleistungen von mindestens zwei Plasmaversorgungseinrichtungen über mindestens einen Koppler zusammengeführt. An einem solchen Koppler enstehen zumeist die höchsten Spannungen und höchsten Ströme. Um die Spannungsfestigkeit sicherzustellen sind bei herkömmlicher Bauweise große Anstrengungen notwendig. Die großen Ströme verursachen eine große Wärmeentwicklung in den Kupferleitungen auf der Leiterplatte und in den Magnetfeldverstärkungselemente oder Ferriten. Beide Anforderungen können hervorragend mit der Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung gelöst werden. Zusätzlich kann auf eine weitere Kühlung mittels nachteiliger elektrisch leitfähiger Kühlplatte verzichtet werden.
Der Koppler kann ausgebildet sein als ein 3 dB-Koppler oder als ein 90° Hybrid. Er kann mindestens einem ersten und einem zweiten elektrischen Leiter aufweisen, die voneinander beabstandet sind und die kapazitiv und induktiv miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Leiter die Primärseite und der zweite Leiter die Sekundärseite eines Übertragers darstellt.
Bei der Verwendung des 3 dB Kopplers als Combiner werden an zwei Tore jeweils ein Hochfrequenz-Leistungsverstärker mit jeweils gleichem Innenwiderstand, gleicher Ausgangsfrequenz und einem um 90 deg. phasenverschobenen Ausgangssignal angeschlossen. An einem dritten Tor wird eine Last mit einem Lastwiderstand angeschlossen. An dem vierten Tor wird ein Lastausgleichswiderstand angeschlossen. Lastwiderstand, Lastausgleichswiderstand und Innenwiderstände der Verstärker sind gleich. Die ausschliesslich passiven Bauelemente des 90 deg. Hybriden (Leitungen, Kapazitäten, Übertrager oder Induktivitäten) werden so ausgelegt, dass an der Last die Leistung der beiden Verstärker zusammengeführt wird, dass am Lastausgleichswiderstand keine Leistung abgegeben wird und dass die beiden Verstärker entkoppelt sind und sich gegenseitig nicht beeinflussen können. Der 90 deg. Hybrid ist selbst idealerweise verlustfrei, das heißt, die Leistung der beiden Hochfrequenzverstärker wird vollständig der am dritten Tor anliegenden Last zugeführt. Ein teil der von der Plasmalast reflektierten Leistung kann aber im Lastausgleichswiderstand in Wärme umgewandelt werden. Die Wärme kann mit der Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung abgeführt werden.
Die Abmessungen des 3 dB Kopplers für Frequenzen unter 100 MHz können deutlich reduziert werden. Sie können kleiner als λ/4, insbesondere kleiner als λ/8 und vorzugsweise sogar kleiner als λ/10 betragen. λ steht als Variable für die zur Grundfrequenz zugeordneten Wellenlänge. Bei diesen Größen haben die Einflüsse der Leitungstheorie der Hochfrequenztechnik keine Bedeutung mehr. Ausdrücklich sei hier noch einmal erwähnt, dass es sich bei dem 3 dB Kuppler nach dieser Erfindung nicht um einen Leitungskuppler handelt, wie er aus dem Stand der Technik für höhere Frequenzen bekannt ist, d. h. die Charakteristik des 3 dB-Kopplers wird nicht (ausschließlich) durch die Leitungslänge bestimmt. Vielmehr entspricht die Kopplung zwischen den elektrischen Leitern einer kapazitiven Kopplung mit einer fest vorgegebenen und eingestellten Kapazität zwischen den Leitern bei vorgegebener Grundfrequenz f und vorgegebenem Wellenwiderstand Z0. Die Kapazität kann über die Fläche und den Abstand der Leiter eingestellt werden. Weiterhin entspricht die Kopplung einer induktiven Kopplung mit einer fest vorgegebenen und eingestellten Induktivität des Übertragers bei vorgegebener Grundfrequenz f und vorgegebenem Wellenwiderstand Z0. Die Induktivität wird beispielsweise abhängig von der Länge der Leiter, insbesondere der Leiterabschnitte eingestellt. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist im Kopplungsbereich zur Erhöhung der Induktivität der Leiter zumindest ein Magnetfeldverstärkungselement vorgesehen. Die Werte für die Induktivität und die Kapazität berechnen sich aus in Abhängigkeit von Frequenz und Wellenwiderstand.
Dabei kann das Magnetfeldverstärkungselement eine beliebige Form haben. Vorzugsweise umgibt es die Leiter im Kopplungsbereich zumindest teilweise. Es kann z. B. parallel zu ihnen liegen. Dadurch kann eine besonders einfache und effektive Kopplung erreicht werden. Bevorzugt wird das Magnetfeldverstärkungselement die Leiter im Kopplungsbereich ringförmig umgeben. Dabei ist mit ringförmig gemeint, dass die Leiterabschnitte im Kopplungsbereich von einer weitestgehend geschlossenen Geometrie umgeben sind, sie kann kreisförmig, ellipsoid, rechteckig oder anders geformt sein. Der Vorteil einer ringförmigen Geometrie ist die Reduzierung von Streufeldern. Dabei kann die Wärme kann mit der Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung vorteilhaft abgeführt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen 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.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 einen vereinfachten Schaltplan einer erfindungsgemäßen Plasmaversorgungseinrichtung;
2 einen Schnitt durch eine Inverter und/oder Ausgangsnetzwerk, und/oder Koppler und/oder DC Stromversorgung mit einer Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung.
3a bis 3d jeweils eine Lage der Leiterplatte aus 2;
4 einen vereinfachten Schaltplan einer weiteren erfindungsgemäßen Plasmaversorgungseinrichtung; und
5a und 5b jeweils einen vereinfachten Schaltplan einer beispielhaften zwei Ausgangsnetzwerke aufweisenden Plasmaversorgungseinrichtung.
6 einen kühlflüssigkeitsumströmten 3 dB Koppler oder 90° Hybrid
Die 1 zeigt eine Plasmaversorgungseinrichtung 10 mit einem ersten Inverter 11 und einem zweiten Inverter 12. Die Inverter 11, 12 sind als Halbbrücken mit jeweils zwei in Serie geschalteten schaltenden Elementen 11.1, 11.2, 12.1, 12.2 ausgebildet. Beide Inverter 11, 12 sind jeweils an einen positiven Versorgungsspannungsanschluss 13 und an einen negativen Versorgungsspannungsanschluss 14 einer DC-Stromversorgung (nicht gezeigt) angeschlossen. Die Plasmaversorgungseinrichtung 10 weist weiter ein Ausgangsnetzwerk 15 auf, an das einerseits die Inverter 11, 12 und andererseits eine Last 16, insbesondere eine Plasmalast, angeschlossen sind. Als zentrales Schaltungsteil weist das Ausgangsnetzwerk 15 einen Ausgangsübertrager 17 mit einer primärseitigen Wicklung 18 und einer sekundärseitigen Wicklung 19 auf.
Der Inverter, der das zumindest eine schaltende Element aufweist, generiert aus dem DC-Signal der DC-Stromversorgung ein Wechselsignal, welches periodisch mit der Grundfrequenz sein Vorzeichen ändert. Dazu wird das zumindest eine schaltende Element im Takt der Grundfrequenz zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand hin und hergeschaltet. Das Ausgangsnetzwerk generiert aus dem durch den Inverter generierten Wechselsignal ein sinusförmiges Ausgangssignal im Wesentlichen bei der vorgegebenen Grundfrequenz.
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 die Zufuhr von Energie die Atome bzw. Moleküle in positive und negative Ladungsträger, also in Ionen und Elektronen, aufgespalten werden. Ein Plasma eignet sich zur Bearbeitung von Werkstücken, da die elektrisch geladenen Teilchen chemisch hochgradig reaktiv sind und zudem durch elektrische Felder beeinflussbar sind.
Die geladenen Teilchen können mittels eines elektrischen Feldes auf ein Werkstück beschleunigt werden, wo sie beim Aufprall einzelne Atome aus dem Werkstück herauslösen können. Die herausgelösten Atome können über Gasfluss abtransportiert werden (Ätzen) oder auf andere Werkstücke beschichtet 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.
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. Bei Erzeugung mittels elektrischer Energie spricht man vom Zünden des Plasmas. Ein Plasma zur Bearbeitung von Werkstücken wird typischerweise in einer Plasmakammer gezündet. 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 wirkt 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.
Ein ungezündetes Gas, das nur eine sehr geringe Anzahl von freien Ladungsträgern besitzt, weist eine nahezu unendlich hohe Impedanz auf. Ein Plasma besitzt aufgrund seiner großen Anzahl freier Ladungsträger eine relativ niedrige Impedanz. Beim Zünden des Plasmas erfolgt also ein sehr schneller Impedanzwechsel. Ein gezündetes Plasma hat als weitere Eigenschaft, dass sich die Impedanz sehr schnell und oftmals unvorhersehbar ändern kann, man sagt die Impedanz ist dynamisch. Die Dynamik des Plasmas ist oftmals deutlich schneller als die Änderung der das Plasma aufrechterhaltene Wechselspannung. Das hat zur Folge, dass die Impedanz des Plasmas im hohen Grad nichtlinear ist. Das bedeutet, dass eine Änderung der Spannung am Plasma nicht die analoge Änderung des Stroms hervorruft. Beispielsweise kann der Strom bei steigender Spannung sehr viel schneller ansteigen, hervorgerufen beispielsweise durch einen Lawineneffekt, oder der Strom kann auch bei so genannter negativer Impedanz mit steigender Spannung absinken. Damit erzeugt das Plasma nicht nur Reflektionen bei der anregenden Grundfrequenz, sondern auch bei anderen Frequenzen insbesondere bei Oberwellen der Grundfrequenz
Wenn eine Stromversorgung eine Leistung in Richtung Last, wie einer Plasmalast, abgibt, die mit endlicher Geschwindigkeit zur Last fließt, dort aber nicht aufgenommen werden kann, weil sich bei der vorhandenen Spannung an der Last auf Grund der unterschiedlichen Impedanz nicht derselbe Strom einstellt, so wird nur der Teil der Leistung absorbiert, der sich aus Spannung und Strom in die Last berechnet, der restliche Anteil der Leistung wird reflektiert. Dies erfolgt zwar auch bei Stromversorgungen mit niedrigen Frequenzen und auch bei Gleichstrom, nur bei diesen erfolgt das so schnell, dass sich die Spannung am Ausgang der Stromversorgung praktisch noch nicht verändert hat, wenn die reflektierte Energie zurück kommt. Es passiert für den Beobachter also zeitgleich. Bei Hochfrequenztechnik mit Frequenzen oberhalb ca. 1 MHz haben sich die Spannung und der Strom am Ausgang der Stromversorgung aber in der Regel schon verändert, wenn die reflektierte Leistung zurückkommt. Die reflektierte Leistung hat einen beachtlichen Einfluss auf die Stromversorgungen in der Hochfrequenztechnik. Sie kann Stromversorgungen destabilisieren und deren bestimmungsgemäßen Betrieb verhindern. Die reflektierte Leistung auf Grund von Fehlanpassungen hat bei konstanten Impedanzen nur Anteile bei der Grundfrequenz. Diese lassen sich mit Filtern nicht blockieren und nicht absorbieren, weil Filter nicht zwischen vorwärts (zur Last) laufender Welle und rückwärts (von der Last) laufender Welle unterscheiden können und demzufolge auch die vorwärts laufende Welle blockieren oder absorbieren würden. Um die reflektierte Leistung zu minimieren, werden so genannte Impedanzanpassungsglieder bzw. -netzwerke eingesetzt, die sich in der Hochfrequenztechnik einfach durch Kombinationen von Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen realisieren lassen, wobei Widerstände nicht zwingend erforderlich sind. Wenn die Last aber keine konstante Impedanz ist, sondern eine dynamische und nichtlineare, so kommt es zu mindestens zwei zusätzlichen problematischen Phänomenen. Erstens werden von der nichtlinearen, dynamischen Impedanz Energien bei Frequenzen erzeugt, die ungleich der Grundfrequenz sind, und Teile dieser Frequenzen werden in Richtung der Stromversorgung geleitet. Diese werden mit Filtern blockiert bzw. absorbiert. Zweitens können die Impedanzanpassungsglieder den schnellen dynamischen Impedanzänderungen nicht schnell genug folgen, wodurch vermehrt Reflexionen bei der Grundfrequenz entstehen, die von der dynamischen Impedanz zu der Stromversorgung geleitet werden.
Anders als bei allen anderen Stromversorgungen müssen Plasmastromversorgungen mit jedem beliebigen Fehlabschluss belastbar sein, von Leerlauf über Kurzschluss, von unendlich hoher kapazitiver Belastung bis zu unendlich hoher induktiver Belastung. In jedem Punkt des Smith-Diagramms muss eine Plasmastromversorgung zumindest kurzfristig Leistung liefern können und darf dabei keinen dauerhaften Schaden nehmen. Das hängt mit der hohen Dynamik und mit den oftmals chaotischen Verhältnissen in einem Plasmaprozess zusammen. Zusätzlich können auch noch Frequenzen ungleich der Grundfrequenz auftreten, die in einem weiten Bereich auftreten und zu keinem dauerhaften Schaden der Plasmastromversorgung führen dürfen. Das Erkennen und schnelle Abschalten eines fehlerhaften Abschlusses ist dabei erlaubt, aber die Plasmastromversorgung sollte möglichst keinen Schaden nehmen.
Zwischen Eingangsanschlüssen 20a, 20b des Ausgangsnetzwerks 15 für die Inverter 11, 12 und der primärseitigen Wicklung 18 des Ausgangsübertragers 17 sind erste Induktivitäten 21a, 21b angeordnet. Die ersten Induktivitäten 21a, 21b sind magnetisch aufgrund ihrer gegenseitigen räumlichen Anordnung auf einer Leiterplatte (in 1 nicht dargestellt) miteinander gekoppelt-, was durch die gestrichelte Linie 22 angedeutet ist.
Durch das Zusammenschalten der Ausgänge der beiden Inverter 11, 12 kann eine größere Ausgangsleistung mittels der Plasmaversorgungseinrichtung 10 erreicht werden. Über eine weitere Verbindungsleitung 23 ist eine Mittenanzapfung 24 an der primärseitigen Wicklung 18 realisiert, wobei in der weiteren Verbindungsleitung 23 eine weitere Induktivität 25 vorgesehen ist, die an einen Eingangsanschluss 20c, der mit dem Verbindungspunkt der Inverter 11, 12 verbunden ist, angeschlossen ist. Die primärseitige Wicklung 18 weist zwei primärseitige Windungen 26a, 26b auf, welche beidseits der Mittenanzapfung 24 angeordnet sind. Zwischen der sekundärseitigen Wicklung 19 und einem Ausgangsanschluss 27 für die Last 16 ist ein Impedanzanpassungsglied 28 angeordnet. Das Impedanzanpassungsglied 28 umfasst eine zweite Induktivität 29 und zwei Kondensatoren 30a, 30b. Das Impedanzanpassungsglied 28 kann mehrere zweite Induktivitäten 29 sowie in Serie und/oder parallel geschaltete Kondensatoren 30a, 30b aufweisen. Die sekundärseitige Wicklung 19 weist ebenfalls zwei sekundärseitige Windungen 31a, 31b auf. Mit Hilfe des Ausgangsnetzwerks 15 wird ein an den Eingangsanschlüssen 20a, 20b eingegebenes Wechselsignal in ein am Ausgangsanschluss 27 ausgegebenes sinusförmiges Ausgangssignal generiert. Weiter werden harmonische Frequenzen gefiltert und DC-Anteile abgetrennt. Der Ausgangsübertrager 17 ist in Planartechnologie realisiert, so dass die primär und sekundärseitigen Windungen 26a, 26b, 31a, 31b flach übereinander liegen. Zwischen den Windungen 26a, 26b, 31a, 31b des Ausgangsübertragers 17 bestehen Kapazitäten, die durch die weiteren Kondensatoren 32a, 32b, 32c angedeutet sind. Diese sind Bestandteile eines LC-Filters 33, der die sekundärseitige Wicklung 19 und die weiteren Kondensatoren 32a, 32b, 32c umfasst. Weiter ist ein mit der sekundärseitigen Wicklung 19 verbundener Masseanschluss 34 vorgesehen. Die weitere Induktivität 25 und die zweite Induktivität 29 weisen jeweils ein als Perminvarferrit ausgebildetes Magnetfeldverstärkungselement auf. Das Ausgangsnetzwerk 15 ist überwiegend in Planartechnologie realisiert und einschließlich der Eingangsanschlüsse 20a, 20b, 20c, des Masseanschlusses 34 und des Ausgangsanschlusses 27 auf einer mehrlagigen Leiterplatte angeordnet.
In 2 ist ein vertikaler Schnitt durch eine horizontal angeordnete, mehrlagige Leiterplatte 38 gezeigt. Die Leiterplatte 38 als so genannte Multi-Layer-Platine aufgebaut. Auf bzw. in der Leiterplatte 38 sind das Ausgangsnetzwerk 15 sowie die Eingangsanschlüsse 20a, 20b für die Inverter 11, 12 und der Ausgangsanschluss 27 für die Last 16 angeordnet. Ein Koppler 59 und/oder DC-Spannungsversorgung 13, 14 und/oder Inverter 11, 12 kann ebenfalls auf oder in der Leiterplatte 38 angeordnet sein. Im Bereich der ersten Induktivitäten 21a, 21b ist ein erstes Magnetfeldverstärkungselement 41, im Bereich des Ausgangsübertragers 17 ein zweites Magnetfeldverstärkungselement 42 angeordnet, wobei die Magnetfeldverstärkungselemente 41, 42 jeweils aus zwei beidseits der Leiterplatte 38 angeordneten Teilen zusammengesetzt sind. Die Kondensatoren 30a, 30b des Impedanzanpassungsglieds 28 sind als SMD-Bauteile ausgebildet.
Eine Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung 43 ist vorgesehen die die Flüssigkeit 44 um die Baulelemnete und Baugruppen strömen lässt.
Das Ausgangsnetzwerk 15 ist in Planartechnologie mit Leiterbahnen in der mehrlagigen Leiterplatte 38 ausgebildet. Zur Verbindung der Leiterbahnen verschiedener Lagen sind Durchkontaktierungen in der Leiterplatte 38 ausgebildet, beispielhaft sind in 2 die Durchkontaktierungen 45 und 45' bezeichnet.
In den 3a bis 3d sind die unterschiedlichen Lagen der Leiterplatte 38, nämlich eine untere Lage 51 (3a), eine erste innere Lage 52 (3b), eine zweite innere Lage 53 (3c) und eine obere Lage 54 (3d), dargestellt. Die Magnetfeldverstärkungselemente 41, 41' und 42 sind im Bereich der ersten Induktivitäten 21a, 21b und im Bereich der Induktivitäten 18, 19 des Ausgangsübertragers 17 mit den Windungen 26a, 26b, 31a, 31b angeordnet. Zusätzlich ist ein drittes Magnetfeldverstärkungselement 55 im Bereich des Impedanzanpassungsglieds 28 vorgesehen. Neben Durchkontaktierungen 45, 45', 45'', 45''' sind Bohrungen 56, 56', 56'' zwischen den Lagen 51, 52, 53, 54 ausgebildet, wodurch gute Kontakte zwischen den Leiterbahnen und eine hohe Festigkeit der Leiterplatte 38 sichergestellt werden. Neben den Eingangsanschlüssen 20a, 20b und dem Ausgangsanschluss 27 ist der Masseanschluss 34 auf der Leiterplatte 38 angeordnet. Auf der oberen Lage 54 sind die als SMD-Bauteile ausgebildeten Kondensatoren 30a, 30b des Impedanzanpassungsglieds 28 angeordnet. Eine mögliche Lage der Wärmeübertragungselemente 43b, 43b' ist in 3a eingezeichnet. Im Ausgangsübertrager 17 fließt ein hoher Strom durch alle vier Lagen 51, 52, 53, 54 der Leiterplatte 38. Hier kommt es deswegen zur höchsten Wärmeentwicklung. Diese Wärme kann innerhalb des als Ferrit ausgebildeten Magnetfeldverstärkungselements 42 nicht ausreichend zur Kühlplatte 40 abgeführt werden. Deswegen wird die Wärme über die in Kupfer ausgebildeten Leiterbahnen aus dem Bereich des Magnetfeldverstärkungselements 42 herausgeführt und über die Wärmeübertragungselemente 43b, 43b' an die Kühlplatte 40 abgeführt.
In 4 ist die Plasmaversorgungseinrichtung 10 mit den an die Versorgungsspannungsanschlüsse 13, 14 einer DC-Stromversorgung angeschlossenen Invertern 11, 12 und dem Ausgangsnetzwerk 15 gezeigt. Das Ausgangsnetzwerk 15 weist Eingangsanschlüsse 20a, 20b für das von den Invertern 11, 12 erzeugte Eingangssignal und einen Eingangsanschluss 20c für die Mittenanzapfung sowie einen Ausgangsanschluss 27 zum Anschluss einer Last 16 auf. Die Inverter 11, 12 sind ebenso wie das Ausgangsnetzwerk 15, die Eingangsanschlüsse 20a, 20b, 20c und der Ausgangsanschluss 27 auf der Leiterplatte 38 angeordnet.
Die 5a und 5b zeigen jeweils eine Plasmaversorgungseinrichtung 10' mit dem Ausgangsnetzwerk 15 und einem weiteren Ausgangsnetzwerk 15'. Beide Ausgangsnetzwerke 15, 15' weisen jeweils drei Eingangsanschlüsse 20a, 20b, 20c bzw. 20a', 20b', 20c' auf. In 5a sind beide Ausgangsnetzwerke 15, 15 parallel an die Inverter 11, 12 bzw. an die DC-Stromversorgung 13, 14 angeschlossen. Die in der 5b dargestellte Plasmaversorgungseinrichtung 10' unterscheidet sich davon darin, dass das weitere Ausgangsnetzwerk 15' über weitere Inverter 11', 12' an weitere Versorgungsspannungsanschlüsse 13', 14' einer weiteren unabhängigen DC-Stromversorgung angeschlossen sind. Mittels eines Kopplers 59 werden die Ausgangssignale beider Ausgangsnetzwerke 15, 15' zusammengeführt und an eine Last 16 übergeben. Die Ausgangsnetzwerke 15, 15' einschliesslich des Kopplers 59 sind auf der Leiterplatte 38 angeordnet. Es ist zudem denkbar, dass die Inverter 11, 12, 11', 12' auf der Leiterplatte 38 angeordnet sind. Es ist auch denkbar, dass der Koppler 59 ausserhalb der Leiterplatte angeordnet ist, zudem ist es auch möglich, dass die Ausgangsnetzwerke mit oder ohne Inverter auf getrennten Leiterplatten realisiert sind.
In 6 ist ein prinzipieller Aufbau eines kühlmittelumströmten 3 dB Kopplers oder 90° Hybrid gezeigt. Er weist einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter 67, 67a, 68, 68a auf, die voneinander beabstandet sind und die kapazitiv und induktiv miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Leiter 68, 68a die Primärseite und der zweite Leiter 67, 67a die Sekundärseite eines Übertragers darstellt. Die Abmessungen des 3 dB Kopplers für Frequenzen bei 13,56 MHz sind kleiner als λ/10. Symbolhaft ist ein Magnetfeldverstärkungselement 65 gezeigt. Vorteilhafterweise werden mehrere eingesetzt. An den Enden 63 der Leiter 67, 67a, 68, 68a sind Anschlüsse für Ein- und Auskopplung der Leistung vorgesehen. Der Koppler wird von Kühlflüssigkeit 62 umströmt.

Claims

Plasmaversorgungseinrichtung zur Erzeugung einer Ausgangsleistung > 500 W bei einer im Wesentlichen konstanten Grundfrequenz > 3 MHz und zur Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses, an welchen die erzeugte Ausgangsleistung geliefert wird und von welchem reflektierte Leistung zumindest bei Fehlanpassung an die Plasmaversorgungseinrichtung zurückgeleitet wird, mit zumindest zwei an zumindest eine DC-Stromversorgung angeschlossene Inverter, die jeweils zumindest ein schaltendes Element aufweisen, und mindestens je einem den Invertern nachgeschalteten Ausgangsnetzwerk und zumindest einem den Ausgangsnetzwerken nachgeschalteten Koppler, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeitsumströmungsvorrichtung vorgesehen ist mit einer Flüssigkeit, die direkten Kontakt zu Bauteilen des Kopplers und/oder der Ausgangsnetzwerke und/oder der Inverter und/oder der DC Stromvorsorgung aufweist.
Plasmaversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaversorgungseinrichtung keine kühlflüssigkeitsdurchströhmte elektrisch leitfähige Kühlplatte aufweist.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit insbesondere größer als 10⁶ V/m aufweist.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit einen hohen elektrischen Widerstand insbesondere größer als 10¹³ Ohm cm aufweist.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit chemisch resistent ist.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit dielektrisch neutral ist
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit magnetisch neutral ist
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ihren Siedepunkt unter 125°C hat
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Ausgangsnetzwerk und/oder Koppler und/oder Inverter und/oder DC-Stromversorgung auf einer Leiterplatte angeordnet sind
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte aus glasfaserverstärktes Epoxydharz insbesondere mehrlagig aufgebaut ist.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Induktivitäten und oder Übertrager in Koppler und/oder Ausgangsnetzwerk in Planartechnologie realisiert sind
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass an einer oder mehreren in Planartechnologie realisierten Übertragern oder Induktivitäten Magnetfeldverstärkungselement insbesondere Perminvarferrite vorgesehen sind
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein kühlflüssigkeitsumströmter 3 dB Koppler vorgesehen ist.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der kühlflüssigkeitsumströmter 3 dB Koppler mindestens einem ersten und einem zweiten elektrischen Leiter aufweisen, die voneinander beabstandet sind und die kapazitiv und induktiv miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Leiter die Primärseite und der zweite Leiter die Sekundärseite eines Übertragers darstellt.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der kühlflüssigkeitsumströmter 3 dB Koppler als Combiner zwei Tore jeweils zum Anschluss von Hochfrequenz-Leistungsverstärkern mit jeweils gleichem Innenwiderstand, gleicher Ausgangsfrequenz und einem um 90 deg. phasenverschobenen Ausgangssignal aufweist.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der kühlflüssigkeitsumströmter 3 dB Koppler Abmessungen kleiner als λ/4, insbesondere kleiner als λ/8 und vorzugsweise sogar kleiner als λ/10 aufweist.
Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der kühlflüssigkeitsdurchströmter 3 dB Koppler Magnetfeldverstärkungselemente aufweist.