DE202012007227U1

DE202012007227U1 - Symmetrische Anregung einer induktiven Koppelspule zur Plasmaerzeugung

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Publication number: DE202012007227U1
Application number: DE202012007227U
Authority: DE
Original assignee: Aurion Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Aurion Anlagentechnik GmbH
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2012-09-17
Anticipated expiration: 2022-07-27

Abstract

Anordnung zur Anregung einer induktiven Koppelspule zur Plasmaerzeugung mit Hochfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren parallel zur Koppelspule geschaltet und an ihrem Verbindungspunkt geerdet werden.

Description

Zusammenfassung
Es wird eine Anordnung zur symmetrischen Anregung einer induktiven Koppelspule zur Plasmaerzeugung beschrieben, wie sie für die induktiv gekoppelte Plasmaprozesstechnik (ICP) verwendet wird. Die Versorgung erfolgt dabei aus einem unsymmetrischen Hochfrequenzgenerator. Erfindungsgemäß wird eine ausreichende Symmetrierung dadurch erreicht, dass zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren parallel zur induktiven Plasmaantenne geschaltet und an ihrem Verbindungspunkt geerdet werden. Weiterhin kann eine Impedanzanpassung realisiert werden, indem parallel zur induktiven Plasmaantenne ein variabler Kondensator geschaltet wird und ein weitere variablen Kondensator zwischen einem Anschluss der Plasmaantenne und dem versorgenden Generator geschaltet wird.
Beschreibung
Induktiv gekoppelte Plasmaquellen (ICP) finden vielfältige Anwendung bei der Behandlung von Oberflächen, zum Beispiel in der Mikroelektronik, der Displaytechnik oder bei der Herstellung von Photovoltaik-Elementen. Mit solchen Plasmaquellen können Oberflächen geätzt werden oder Beschichtungen mit der plasmagestützen Chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) durchgeführt werden. Die Anregungsfrequenzen reichen dabei von kHz bis GHz.
Häufig werden als Antennen Koppelstrukturen für den MHz-Bereich verwendet, gängige Frequenzen sind zum Beispiel die Industriefrequenzen bei 13.56 MHz und 27.12 MHz. Dabei ist grundsätzlich eine Impedanzanpassung der Plasma-Lastimpedanz an die charakteristische Impedanz des Generators erforderlich. Die üblicherweise verwendeten Generatoren haben gegen Masse bezogene, unsymmetrische Ausgänge, kommerzielle Anpassungsnetzwerke (Matchboxen) sind ebenfalls für unsymmetrische Lasten ausgelegt, also gegen Masse bezogen.
Häufig soll jedoch aus prozesstechnischen Gründen kein Anschluss der Plasma-Koppelspule an Masse gelegt werden, vielmehr soll diese symmetrisch angeregt werden. Die Anforderungen an die Symmetrie sind nicht besonders hoch, da es hierbei im wesentlichen um die Vermeidung von prozesstechnischen Inhomogenitäten durch unsymmetrische Potentialverhältnisse geht, die bei einer unsymmetrischen Anregung insbesondere durch die Streukapazitäten zu Masseflächen entstehen. Es wird also ein Symmetrierglied (Balun) notwendig. Hierfür finden sich in der Literatur (siehe z. B. Meinke/Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springer Verlag 1956) verschiedene Lösungen. Diese sind für die vorliegende Aufgabenstellung bei Frequenzen im MHz-Bereich und Leistungen im kW-Bereich durch Anforderungen an die Baugröße und die Problematik der nichtlinearen und variierenden Plasmaimpedanz nicht unbedingt technisch und wirtschaftlich effizient einsetzbar. Eine Lösung stellt dabei die Verwendung eines luftkgekoppelten Übertragers dar, dieser ist jedoch aufwendig und hat eine störende Baugröße. Weiterhin ist die Impedanzanpassung in solch einem System kritisch. Andere Vorschläge verwenden Leitungen ( DE 199 00 179 C1 ) oder auch diskrete Leitungsnachbildungen, auch hier ist die Baugröße und die Impedanzanpassung kritisch.
Erfindungsgemäß wir dieses Problem gelöst, indem zur Symmetrierung zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet werden und der Verbindungspunkt an Masse gelegt wird. Diese beiden Kondensatoren werden parallel zur Koppelspule geschaltet. Die Einspeisung erfolgt an einem Anschluss der Koppelspule gegen Masse, durch die Kondensatorbeschaltung kann diese nahezu symmetrisiert werden. Bei der Wahl von zwei etwa gleich großen Kapazitäten ergibt sich durch die einseitige Einspeisung ein unsymmetrischer Anteil, der für die Prozessanforderungen jedoch meist akzeptiert werden kann. Durch eine Optimierung der Kondensatoren mit zwei verschiedenen Kapazitäten kann die Symmetrie nochmals verbessert werden. Hierzu können auch variable Kondensatoren vorgesehen werden.
Zur Realisierung der Impedanzanpassung kann zum Beispiel ein weiterer, vorteilhafterweise variabler Kondensator parallel zur Einkoppelspule geschaltet werden. Ein zweiter weiterer variabler Kondensator kann zwischen einen Anschluss der Koppelspule und die vom Generator kommende Einspeisung geschaltet werden. Zur Anpassung auf eine charakteristische Impedanz, z. B.
wird nun der parallel geschaltete Kondensator verwendet, um den Kreis der Koppelspule und der Kondensatoren in die Nähe der Resonanz einzustellen um zusammen mit dem zweiten variablen Kondensator die gewünschte Anpassung zu realisieren. Erfindungsgemäß ist ist jedoch auch eine Vielzahl von andere Beschaltungen zur Impedanzanpassung möglich.
Das Grundprinzip ist in 1 dargestellt. Die induktive Koppelspule 1 speist die elektrische Energie in das Plasma 2 ein. Die Kondensatoren 4 und 5 bewirken durch die Erdung am Verbindungspunkt 6 die gewünschte Symmetrierung des vom Generator 3 unsymmetrisch gelieferten Signals. In 2 ist das Grundprinzip beispielhaft um zwei variable Kondensatoren zur Impedanzanpassung erweitert. Der variable Kondensator 7 erlaubt es, das System 1-4-5-7 in die Nähe der Resonanzfrequenz zu bringen. Zusammen mit dem variablen Kondensator 8 kann die Impedanzanpassung realisiert werden.
Eine beispielhafte Auslegung und Berechnung ist in 3 dargestellt. Die Koppelspule 1 (L1) wird mit 500 nH angenommen. Die Verluste der Koppelspule und die Plasmalast werden mit
in Reihe (R1) angenommen. Für die beiden Symmetrierkondensatoren 3 (C3) und 4 (C4) werden je 250 pF gewählt. Die Impedanzanpassung wird durch 7 (C2) mit 80 pF und 8 (C1) mit 450 pF realisiert. Man erkennt im Smith-Chars eine gute Anpassung. Die beiden Spannungen an den Spulenanschlüssen ergeben sich zu 791 V und 1188 V bei einer Phasenlage von 24,36 – (–125,8°) = 150,16°. Man erkennt in dem Diagramm ein akzeptable Symmetrierung.
In 4 ist eine optimierte Symmetrierung dargestellt Für den Symmetrierkondensator 4 (C4) wurden 384 pF ermittelt, die Anpassung verschiebt sich zu 250 pF für 8 (C1). Die Spannungen an den Anschlüssen der Koppelspule sind jetzt mit 976 V und 968 V fast gleich groß, die Phasenlage ist mit 41,95° – (–119,2°) = 161,15° ebenfalls verbessert, im Diagramm zeigt sich eine gute Symmetrierung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19900179 C1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Meinke/Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springer Verlag 1956 [0004]

Claims

Anordnung zur Anregung einer induktiven Koppelspule zur Plasmaerzeugung mit Hochfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren parallel zur Koppelspule geschaltet und an ihrem Verbindungspunkt geerdet werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kondensatoren annähend gleich groß gewählt werden und dadurch eine ungefähr symmetrische Anregung der induktiven Koppelspule erzielt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kondensatoren so dimensioniert werden, dass eine möglichst symmetrische Anregung der induktiven Koppelspule erzielt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder beide Kondensatoren als variable Kondensatoren ausgeführt werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass etwa in der Mitte der Koppelspule eine weitere Masseverbindung vorgesehen wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Impedanzanpassung zusätzlich ein variabler Kondensator parallel zur Koppelspule geschaltet und ein weiterer variabler Kondensator zwischen einen Anschluss der Koppelspule und dem versorgenden Generator geschaltet wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Anordnung für eine induktive Plasmaerzeugung (ICP) verwendet wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niederdruck-Plasma angeregt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Plasma eine Oberfläche geätzt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mir dem Plasma eine Beschichtung durchgeführt wird.