DE202012102880U1

DE202012102880U1 - Apparatus for non-linear control of a plasma process

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Publication number: DE202012102880U1
Application number: DE201220102880
Authority: DE
Original assignee: Leibniz-Institut fur Plasmaforschung und Technologie Ev; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2022-08-01

Abstract

Vorrichtung zur nichtlinearen Steuerung eines Plasmaprozesses in einer Plasmaanlage, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, – mehrere Prozessgrößen Gi des Plasmaprozesses zu erfassen, – aus den erfassten mehreren Prozessgrößen Gi gemäß einem nichtlinearen Modell mindestens eine Plasmakenngröße Pj zu berechnen und eine Abweichung der Plasmakenngröße Pj von einem vorgegebenen Sollwert Pj,soll zu bestimmen, – in Abhängigkeit von der berechneten Abweichung Steuersignale zur Regelung der Prozessgrößen Gi zu erzeugen, und – das Erfassen der Prozessgrößen Gi, das Berechnen der Plasmakenngröße Pj und das Erzeugen der Steuersignale zu wiederholen, bis die Plasmakenngröße Pj innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs ΔPj mit dem Sollwert Pj,soll übereinstimmt.Device for the non-linear control of a plasma process in a plasma system, the device being set up to - acquire several process variables Gi of the plasma process, - calculate at least one plasma parameter Pj from the acquired multiple process variables Gi according to a non-linear model and a deviation of the plasma parameter Pj from a predetermined target value Pj, should be determined, - to generate control signals for regulating the process variables Gi as a function of the calculated deviation, and - to repeat the detection of the process variables Gi, the calculation of the plasma parameter Pj and the generation of the control signals until the plasma parameter Pj within a predetermined tolerance range ΔPj with the target value Pj, should.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nichtlinearen Steuerung eines Plasmaprozesses in einer Plasmaanlage, wobei die Plasmaanlage insbesondere eine Plasmabeschichtungsanlage oder eine Plasmaätzanlage sein kann. The invention relates to a device for non-linear control of a plasma process in a plasma system, wherein the plasma system may be in particular a plasma coating system or a plasma etching.

Eine Plasmabeschichtungsanlage ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 40 20 158 A1 bekannt. A plasma coating plant is for example from the document DE 40 20 158 A1 known.

In einer Plasmaanlage durchgeführte Plasmaprozesse, wie beispielsweise eine Plasmabeschichtung oder ein Plasmaätzprozess, werden in der Regel durch eine Vielzahl physikalisch-technischer Größen beeinflusst. Dies sind zum einen Prozessgrößen wie zum Beispiel Ströme, Spannungen, Gasflüsse, Drücke oder Temperaturen bestimmter Anlagenkomponenten, die ohne Beeinflussung des Plasmaprozesses gemessen werden können. Das Resultat eines Plasmaprozesses, beispielsweise die Schichteigenschaften bei einem Beschichtungsprozess, wird aber nur mittelbar durch die ohne Beeinflussung des Plasmazustandes messbaren Prozessgrößen beeinflusst. Entscheidend sind vielmehr bestimmte Plasmakenngrößen, wie zum Beispiel die Elektronendichte oder Ionenflussdichte, die aber nur mit erheblichem Aufwand und/oder unter einer Störung des Plasmaprozesses messbar sind. Die Plasmakenngrößen sind oftmals auch von Parametern abhängig, die messtechnisch nur schwer zugänglich sind und daher routinemäßig nicht berücksichtigt werden, wie zum Beispiel eine Belegung der Anlagenwände mit Beschichtungsmaterial oder das Alter und der Zustand der Kathode bei einer Gleichspannungs-Entladung. Plasma processes performed in a plasma system, such as, for example, a plasma coating or a plasma etching process, are generally influenced by a large number of physical-technical parameters. On the one hand, these are process variables such as currents, voltages, gas flows, pressures or temperatures of certain plant components, which can be measured without influencing the plasma process. However, the result of a plasma process, for example the layer properties during a coating process, is only indirectly influenced by the process variables which can be measured without influencing the plasma state. On the contrary, decisive plasma parameters, such as, for example, the electron density or ion flux density, are decisive, but they can only be measured with considerable effort and / or with disruption of the plasma process. The plasma parameters are often also dependent on parameters that are difficult to access by measurement and are therefore routinely not taken into account, such as an occupancy of the plant walls with coating material or the age and the state of the cathode in a DC discharge.

Bisherige Steuerungen von Plasmaverfahren beruhen in der Regel auf der Regelung einzelner Prozessgrößen, wobei angenommen wird, dass dadurch der gewünschte Plasmazustand gewährleistet wird. Previous controls of plasma processes are generally based on the control of individual process variables, it being assumed that this ensures the desired plasma state.

Darüber hinaus existieren technische Lösungen, bei denen eine Messgröße aus der Entladung gewonnen wird, zum Beispiel die optische Emission eines Plasmas. Deren Messwert wird in diesem Fall als hinreichende Referenz zur Kontrolle des Plasmas angesehen. Zudem werden bei der Herstellung dünner Schichten in einer Plasmabeschichtungsanlage auch in-situ-Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke, beispielsweise mittels Schwingquarzen, sowie optische Verfahren zur Messung der optischen Kenngrößen der Schichten eingesetzt. In addition, there are technical solutions in which a measured variable is obtained from the discharge, for example the optical emission of a plasma. Its reading is considered in this case as a sufficient reference for the control of the plasma. In addition, in-situ methods for determining the layer thickness, for example by means of quartz crystals, as well as optical methods for measuring the optical characteristics of the layers are used in the production of thin layers in a plasma coating system.

Die vorhandenen Regel-Algorithmen basieren zumeist auf der Annahme, dass eine lineare Beziehung zwischen den erfassbaren Prozessgrößen und dem gewünschten Plasmazustand besteht. Bei der Prozesssteuerung wird in der Regel eine Einschränkung auf einzelne Parameter und/oder enge Intervalle vorgenommen, oder die Konstanz einzelner Parameter gefordert. Abhängig vom jeweiligen Prozess können allerdings weitere relevante Größen zeitlich variabel sein und werden von der Regelung nicht berücksichtigt. The existing rule algorithms are usually based on the assumption that there is a linear relationship between the detectable process variables and the desired plasma state. In process control, a limitation to individual parameters and / or narrow intervals is usually made, or the constancy of individual parameters required. Depending on the respective process, however, other relevant variables may be variable in time and are not taken into account by the regulation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Steuerung eines Plasmaprozesses in einer Plasmaanlage anzugeben, mit der eine verbesserte Stabilität und Reproduzierbarkeit des Plasmaprozesses erzielt wird. The invention has for its object to provide an improved apparatus for controlling a plasma process in a plasma system, with the improved stability and reproducibility of the plasma process is achieved.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur nichtlinearen Steuerung eines Plasmaprozesses in einer Plasmaanlage gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a device for non-linear control of a plasma process in a plasma system according to independent claim 1. Advantageous embodiments and modifications of the invention are the subject of the dependent claims.

Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung zur nichtlinearen Steuerung eines Plasmaprozesses in einer Plasmaanlage dazu geeignet, mehrere Prozessgrößen G_i des Plasmaprozesses zu erfassen. Die Prozessgrößen G_i des Plasmaprozesses sind vorteilhaft solche physikalisch-technische Größen des Plasmaprozesses, die erfasst werden können, ohne den Plasmaprozess zu stören. According to at least one embodiment, the device for nonlinear control of a plasma process in a plasma system is suitable for detecting a plurality of process variables G _{i of} the plasma process. The process variables G _{i of} the plasma process are advantageously such physical-technical parameters of the plasma process that can be detected without disturbing the plasma process.

Bei dem Verfahren wird vorteilhaft aus den erfassten mehreren Prozessgrößen G_i gemäß einem nichtlinearen Modell eine Plasmakenngröße P_j berechnet. Bei der Plasmakenngröße P_j kann es sich insbesondere um eine Größe handeln, welche den internen Zustand des Plasmas beschreibt, wie zum Beispiel die Elektronendichte oder die Ionenflussdichte. Eine solche Plasmakenngröße ist in der Regel nur mit erheblichem Aufwand mittels diagnostischer Verfahren zu bestimmen. In der Vorrichtung wird die Plasmakenngröße P_j daher vorteilhaft aus den erfassten Prozessgrößen G_i mittels des nichtlinearen Modells berechnet. In the method, a plasma parameter P _j is advantageously calculated from the acquired plurality of process variables G _i according to a nonlinear model. In particular, the plasma parameter P _j may be a quantity which describes the internal state of the plasma, such as, for example, the electron density or the ion flux density. Such a plasma parameter can usually only be determined with considerable effort by means of diagnostic methods. In the apparatus, the plasma parameter P _{j is} therefore advantageously calculated from the acquired process variables G _i by means of the nonlinear model.

Die Vorrichtung ist insbesondere dazu geeignet, eine Abweichung der Plasmakenngröße P_j von einem vorgegebenen Sollwert P_j,soll zu bestimmen. The device is in particular suitable for determining a deviation of the plasma parameter P _j from a predetermined desired value P _{j, soll} .

Die Vorrichtung ist vorteilhaft dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der berechneten Abweichung der berechneten Plasmakenngröße P_j von dem Sollwert P_j,soll Steuersignale zur Regelung der Prozessgrößen G_i zu erzeugen. The device is advantageously set up to generate control signals for regulating the process variables G _i as a function of the calculated deviation of the calculated plasma parameter P _j from the desired value P _j .

Die Vorrichtung ist insbesondere dazu geeignet, das Erfassen der Prozessgrößen G_i, das Berechnen der Plasmakenngröße P_j und das Erzeugen der Steuersignale zu wiederholen, bis die Plasmakenngröße P_j innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs ΔP_j mit dem Sollwert P_j,soll übereinstimmt. Insbesondere werden die Prozessgrößen G_i mit einem iterativen Verfahren variiert, bis die mittels des nichtlinearen Modells berechnete Plasmakenngröße P_j in dem Wertebereich P_j,soll ± ΔP_j liegt. Zur Änderung der Prozessgrößen G_i kann eine Schrittweite vorgegeben werden. Die Regelung der Plasmakenngröße P_j wird vorteilhaft entsprechend einer vorzugebenden Trajektorie vorgenommen.The device is particularly suitable to repeat the detection of the process variables G _i, calculating the plasma parameter P _j and generating the control signals to the plasma parameter P _j within a predetermined tolerance range .DELTA.P _j with the target value P _{j is to} coincide. In particular, the process variables G _i with a The iterative method varies until the plasma parameter P _j calculated using the nonlinear model lies in the value range P _{j, soll} ± ΔP _j . To change the process variables G _i , a step size can be specified. The control of the plasma characteristic P _j is advantageously carried out according to a predetermined trajectory.

Mittels der Vorrichtung erfolgt vorteilhaft eine mehrdimensionale, nichtlineare Steuerung der Plasmakenngröße, ohne dass die Plasmakenngröße P_j selbst messtechnisch erfasst wird. Vielmehr wird die Plasmakenngröße P_j mittels des nichtlinearen Modells aus mehreren Prozessgrößen G_i berechnet, die vorteilhaft ohne Störung des Plasmaprozesses gemessen werden können. Es hat sich herausgestellt, dass mittels einer derartigen Vorrichtung ein Plasmaprozess in der Plasmaanlage derart gesteuert werden kann, dass eine geringere Streuung der angestrebten Produkteigenschaften auftritt, als bei der herkömmlichen linearen Steuerung des Plasmaprozesses, bei dem einzelne Prozessgrößen in der Regel in engen Intervallen linear variiert werden, um einen gewünschten Plasmazustand zu erzielen. Mittels der Vorrichtung wird daher die Wirtschaftlichkeit von diffizilen Plasmaprozessen erhöht oder sogar erst ermöglicht. By means of the device advantageously takes place a multi-dimensional, non-linear control of the plasma parameter, without the plasma characteristic P _j itself is detected by measurement. Rather, the plasma parameter P _j is calculated using the non-linear model of a plurality of process variables G _i, which can be measured advantageously without disturbance of the plasma process. It has been found that by means of such a device, a plasma process in the plasma system can be controlled so that a lower dispersion of the desired product properties occurs, as in the conventional linear control of the plasma process, in which individual process variables usually varies linearly at narrow intervals to achieve a desired plasma state. By means of the device, therefore, the economic efficiency of difficult plasma processes is increased or even made possible.

Die Prozessgrößen G_i, die mittels der Vorrichtung erfasst werden können, können beispielsweise mindestens eine der physikalischen Größen Stromstärke, Spannung, Druck, Temperatur, Gasfluss, Emissions- oder Absorptionskoeffizienten für Strahlung, Elektronendichte, Elektronenenergie in mindestens einer Komponente der Plasmaanlage umfassen. Die Vorrichtung muss nicht selbst zur Messung der Prozessgrößen G_i geeignet sein, sondern kann vielmehr einen Dateneingang aufweisen, der mit geeigneten Messvorrichtungen verbunden ist und/oder mit einer zusätzlich vorhandenen Steuerung der Plasmaanlage verbunden ist, welche mit den Messvorrichtungen verbunden sein kann. The process variables G _i that can be detected by means of the device can comprise, for example, at least one of the physical quantities current, voltage, pressure, temperature, gas flow, emission or absorption coefficients for radiation, electron density, electron energy in at least one component of the plasma system. The device need not itself be suitable for measuring the process variables G _i , but may instead have a data input which is connected to suitable measuring devices and / or is connected to an additionally present control of the plasma system, which may be connected to the measuring devices.

Die Plasmakenngröße P_j, die mittels des nichtlinearen Modells aus den Prozessgrößen G_i bestimmt wird, kann insbesondere die Ionenflussdichte, die Ionenstrahlleistung oder die Elektronendichte des Plasmas sein. Alternativ kann die Plasmakenngröße P_j aber auch ein anderer Parameter, der den Plasmazustand beschreibt, sein.The plasma parameter P _j , which is determined by means of the non-linear model from the process variables G _i , may in particular be the ion flux density, the ion beam power or the electron density of the plasma. Alternatively, the plasma characteristic P _j can also be another parameter which describes the plasma state.

Das nichtlineare Modell zur Berechnung der Plasmakenngröße P_j aus den Prozessgrößen ist vorzugweise in der Form P_j = a₀·Π_iG_i ^ai darstellbar.The non-linear model for calculating the plasma characteristic P _j from the process variables is preferably in the form P _j = a ₀ · Π _i G _i ^ai represented.

Die Skalierungskoeffizienten a₀, a_i des nichtlinearen Modells können für den jeweiligen Plasmaprozess beispielsweise aus einer Korrelationsanalyse abgeleitet werden, bei der die Prozessgrößen G_i variiert werden und die Plasmakenngröße P_j mittels eines diagnostischen Verfahrens bestimmt wird. The scaling coefficients a ₀ , a _{i of} the nonlinear model can be derived for the respective plasma process, for example, from a correlation analysis in which the process variables G _{i are} varied and the plasma parameter P _{j is determined} by means of a diagnostic method.

Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst das Erzeugen der Steuersignale die Berechnung geänderter Prozessgrößen G'_i. Mindestens eine der geänderten Prozessgrößen G'_i unterscheidet sich dabei von den zuvor erfassten Prozessgrößen G_i.According to one embodiment of the device, the generation of the control signals comprises the calculation of changed process variables G ' _i . At least one of the changed process variables G ' _i differs from the previously acquired process variables G _i .

Die geänderten Prozessgrößen G'_i werden vorzugsweise derart berechnet, dass sie gemäß dem nichtlinearen Modell zu dem Sollwert P_j,soll der Plasmakenngröße führen. The changed process variables G ' _i are preferably calculated in such a way that, according to the non-linear model, they lead to the desired value P _{j, soll of} the plasma parameter.

Bei einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, die Plasmaanlage derart zu regeln, dass die Prozessgrößen die berechneten geänderten Werte G'_i annehmen. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise an die Strom-, Spannungs- oder Gasversorgung einer oder mehrerer Komponenten der Plasmaanlage angeschlossen sein.In one embodiment, the device is set up to control the plasma system in such a way that the process variables assume the calculated changed values G ' _i . For this purpose, the device may be connected, for example, to the power, voltage or gas supply of one or more components of the plasma system.

Bei einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorrichtung nicht unmittelbar an eine oder mehrere Versorgungseinheiten der Plasmaanlage angeschlossen. Vielmehr ist die Vorrichtung bei dieser Ausgestaltung an eine vorhandene Regelungseinheit der Plasmaanlage angeschlossen. In diesem Fall ist die Regelungseinheit der Plasmaanlage zur Regelung der Prozessgrößen G_i vorgesehen und weist vorteilhaft Eingangskanäle für Messwerte der Prozessgrößen G_i auf. Ohne die hierin beschriebene Vorrichtung würde die Regelungseinheit der Plasmaanlage im Normalbetrieb die Prozessgrößen G_i in Abhängigkeit von den tatsächlich gemessenen Messwerten regeln. Beispielsweise würde die Regelungseinheit bei einer Abweichung des Messwerts einer der Prozessgrößen G_i nach unten die Prozessgröße G_i entsprechend erhöhen. In an alternative preferred embodiment, the device is not directly connected to one or more supply units of the plasma system. Rather, the device is connected in this embodiment to an existing control unit of the plasma system. In this case, the control unit of the plasma system is provided for controlling the process variables G _i and advantageously has input channels for measured values of the process variables G _i . Without the device described herein, the control unit of the plasma system would regulate the process variables G _i in normal operation as a function of the measured values actually measured. For example, if the measured value of one of the process variables G _i deviates downward, the control unit would increase the process variable G _i accordingly.

Wenn die hierin beschriebene Vorrichtung an die vorhandene Regelungseinheit der Plasmaquelle angeschlossen ist, ist sie vorteilhaft dazu eingerichtet, berechnete fiktive Messwerte der Prozessgrößen G_i an die Regelungseinheit zu senden, so dass die Regelungseinheit die Prozessgrößen G_i derart einstellt, dass die Prozessgrößen die berechneten geänderten Werte G'_i annehmen. Wenn beispielsweise eine berechnete geänderte Prozessgröße G'_i einen größeren Wert als die zuvor erfasste Prozessgröße G_i aufweist, wird mittels der Vorrichtung ein derartiger fiktiver Messwert an die Regelungseinheit gesendet, das die Regelungseinheit die Prozessgröße G_i erhöht. Im beschriebenen Fall würde also ein Messwert an die Regelungseinheit gesendet, der unterhalb des Wertes der Prozessgröße G_i liegt. Diese bevorzugte Ausgestaltung der Vorrichtung hat den Vorteil, dass eine vorhandene Regelungseinheit der Plasmaanlage nicht durch die Vorrichtung ersetzt werden muss, sondern die Vorrichtung als zusätzliche Komponente in eine bereits bestehende Plasmaanlage integriert werden kann.If the device described here is connected to the existing control unit of the plasma source, it is advantageously set up to send calculated fictitious measured values of the process variables G _i to the control unit, so that the control unit sets the process variables G _i such that the process variables change the calculated ones Assume values G ' _i . If, for example, a calculated changed process variable G ' _{i has} a greater value than the previously recorded process variable G _i , by means of the device such a fictitious measured value is sent to the control unit, which increases the control unit the process variable G _i . In the described case, therefore, a measured value would be sent to the control unit which is below the value of the process variable G _i . This preferred Configuration of the device has the advantage that an existing control unit of the plasma system does not have to be replaced by the device, but the device can be integrated as an additional component in an existing plasma system.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Plasmaanlage, welche die zuvor beschriebene Vorrichtung aufweist. Die Plasmaanlage kann insbesondere eine Plasmabeschichtungsanlage oder eine Plasmaätzanlage sein. Es ist auch möglich, dass die Plasmaanlage sowohl zur Plasmabeschichtung als auch zur Durchführung von Plasmaätzverfahren geeignet ist. Hierzu kann die Plasmaanlage beispielsweise eine Plasmaionenquelle aufweisen, die dazu eingerichtet ist, Proben während eines Beschichtungsvorgangs mit Ionen zu beaufschlagen, oder die Oberfläche einer Probe unabhängig von einem Beschichtungsprozess durch den Ionenbeschuss oder plasmachemische Einwirkung zu modifizieren. The invention furthermore relates to a plasma system which has the device described above. The plasma system may in particular be a plasma coating plant or a plasma etching plant. It is also possible that the plasma system is suitable both for plasma coating and for carrying out plasma etching. For this purpose, the plasma system can, for example, have a plasma ion source which is set up to apply ions to ions during a coating process, or to modify the surface of a sample independently of a coating process by ion bombardment or plasma chemical action.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 4 näher erläutert. The invention will be described below with reference to embodiments in connection with 1 to 4 explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

1 eine grafische Darstellung der Transmission T in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für mehrere TiO₂-Einzelschichten, die in einer Innenposition einer Plasmabeschichtungsanlage mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel hergestellt wurden, 1 a graphical representation of the transmission T as a function of the wavelength λ for a plurality of TiO ₂ single layers, which were prepared in an inner position of a plasma coating apparatus with a device according to an embodiment,

2 eine grafische Darstellung der Transmission T in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für mehrere TiO₂-Einzelschichten, die in einer Innenposition einer Plasmabeschichtungsanlage gemäß einem Vergleichsbeispiel ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellt wurden, 2 a graphical representation of the transmission T as a function of the wavelength λ for a plurality of TiO ₂ single layers, which were produced in an inner position of a plasma coating apparatus according to a comparative example without the device according to the invention,

3 eine grafische Darstellung der Transmission T in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für mehrere TiO₂-Einzelschichten, die in einer Außenposition einer Plasmabeschichtungsanlage mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel hergestellt wurden, und 3 a graphical representation of the transmission T as a function of the wavelength λ for a plurality of TiO ₂ single layers, which were prepared in an outer position of a plasma coating apparatus with a device according to an embodiment, and

4 eine grafische Darstellung der Transmission T in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für mehrere TiO₂-Einzelschichten, die in einer Außenposition einer Plasmabeschichtungsanlage gemäß einem Vergleichsbeispiel ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellt wurden. 4 a graphical representation of the transmission T as a function of the wavelength λ for several TiO ₂ single layers, which were prepared in an outer position of a plasma coating apparatus according to a comparative example without the inventive device.

Eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel wurde zur nichtlinearen Steuerung eines Plasmabeschichtungsprozesses in einer Beschichtungsanlage eingesetzt, die eine Plasmaquelle aufweist. Eine Plasmabeschichtungsanlage mit einer Plasmaquelle ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 40 20 158 A1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich hiermit vollumfänglich durch Rückbezug aufgenommen wird.An apparatus according to an embodiment has been used for nonlinear control of a plasma coating process in a coating plant having a plasma source. A plasma coating system with a plasma source is for example from the document DE 40 20 158 A1 the disclosure of which is hereby fully incorporated by reference.

Bei dem Ausführungsbeispiel wurde eine Plasmaquelle eingesetzt, die unter der Bezeichnung APSpro (Leybold Optics GmbH) erhältlich ist. In dieser Plasmaquelle wird mittels einer magnetfeldgestützten Glühkathoden-Gleichspannungsentladung ein Plasma erzeugt, welches in eine Hochvakuumkammer expandiert. In diesem Expansionsprozess wird ein Ionenstrahl erzeugt, der den Beschichtungsprozess wesentlich beeinflusst. Die charakteristischen Eigenschaften dieses Ionenstrahls, zum Beispiel die Flussdichte, die Energieflussdichte und damit die gesamte Strahlleistung, wurden vermessen. In the embodiment, a plasma source was used, which is available under the name APSpro (Leybold Optics GmbH). In this plasma source, a plasma is generated by means of a magnetic field-assisted hot cathode DC discharge, which expands into a high-vacuum chamber. In this expansion process, an ion beam is generated, which significantly influences the coating process. The characteristic properties of this ion beam, for example the flux density, the energy flux density and thus the total beam power, were measured.

Die für die Steuerung der bei dem Ausführungsbeispiel verwendeten Plasmaquelle relevanten Prozessgrößen G_i sind insbesondere eine Entladespannung U_d, eine Anodenspannung U_a, ein Entladestrom I_d und ein Spulenstrom I_c, welcher das Magnetfeld der Plasmaquelle bestimmt. The process variables G _i relevant to the control of the plasma source used in the exemplary embodiment are in particular a discharge voltage U _d , an anode voltage U _a , a discharge current I _d and a coil current I _c , which determines the magnetic field of the plasma source.

Die Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel ist dazu geeignet, die vier genannten Prozessgrößen G_i zu erfassen. Aus den erfassten Prozessgrößen G_i berechnet die Vorrichtung die Ionenstrahlleistung J_E gemäß dem nichtlinearen Modell J_E = a₀·U_d ^a1U_a ^a2I_d ^a3I_c ^a4. The device according to the exemplary embodiment is suitable for detecting the four mentioned process variables G _i . From the detected process variables G _i , the device calculates the ion beam power J _E according to the nonlinear model J _E = a ₀ · U _d ^a1 U _a ^a2 I _d ^a3 I _c ^a4 .

Die Skalierungsfaktoren a₀, a₁, a₂, a₃, a₄ wurden für die Konfiguration der Plasmaquelle gemäß dem Ausführungsbeispiel bestimmt. The scaling factors a ₀ , a ₁ , a ₂ , a ₃ , a ₄ were determined for the configuration of the plasma source according to the embodiment.

Bei der Steuerung der Plasmaquelle werden typischerweise zeitlich konstante Werte für den Spulenstrom I_c, den Gasfluss diverser Gasarten und eine Heizleistung der Kathode vorgegeben. In diesem Fall arbeitet die Leistungsversorgung der Plasmaquelle als Stromquelle, welche einen Sollwert für den Entladestrom I_d einregelt. Die Prozessgrößen U_d und U_a können in diesem Zusammenhang als abhängige Variablen betrachtet werden. Wenn beispielsweise I_d und I_c vorgegeben sind, ist ein Arbeitspunkt der Plasmaquelle definiert. Die Ionenstrahlleistung J_E wird gemäß dem nichtlinearen Modell berechnet. Die Vorrichtung bestimmt eine Abweichung der Ionenstrahlleistung J_E von einem vorgegebenen Sollwert J_E,soll und erzeugt in Abhängigkeit von der bestimmten Abweichung Steuersignale zur Regelung der Prozessgrößen. In the control of the plasma source typically constant values for the coil current I _c , the gas flow of various types of gas and a heating power of the cathode are given. In this case, the power supply of the plasma source operates as a current source, which regulates a target value for the discharge current I _d . The process variables U _d and U _a can be considered as dependent variables in this context. For example, if I _d and I _{c are} given, an operating point of the plasma source is defined. The ion beam power J _E is calculated according to the nonlinear model. The device determines a deviation of the ion beam power J _E from a predetermined desired value J _{E, soll} and generates depending on the specific deviation control signals for controlling the process variables.

Insbesondere kann die Vorrichtung in einem iterativen Verfahren den Entladestrom I_d regeln, bis die Ionenstrahlleistung J_E im Bereich eines Sollwertes J_E,soll ± ΔJ_E liegt. Die Apparatur regelt mit anderen Worten über die Anpassung von I_d die für J_E vorgegebene Trajektorie. Üblicherweise wird bei dem Plasmabeschichtungsprozess eine konstante Ionenstrahlleistung J_E eingestellt. Die Vorrichtung ermöglicht aber auch die Einstellung eines vorgegebenen zeitlichen Verlaufs der Ionenstrahlleistung J_E. In particular, the device can regulate the discharge current I _d in an iterative process until the ion beam power J _E in the range of a target value J _{E should} ± Aj _E is located. The equipment regulates with In other words, on the adaptation of I _d, the trajectory given for J _E. Usually, in the plasma coating process, a constant ion beam power J _{E is} set. However, the device also makes it possible to set a predetermined time profile of the ion beam power J _E.

Die Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, direkt eine oder mehrere Prozessgrößen des Plasmaprozesses wie beispielsweise den Entladestrom I_d zu regeln. Vorzugsweise ist die Vorrichtung aber an eine vorhandene Regelungseinheit der Plasmaanlage angeschlossen. Die bei dem Ausführungsbeispiel verwendete Plasmaquelle weist beispielsweise einen vom Hersteller bereitgestellten Steueralgorithmus auf, der das Einregeln eines definierten Wertes der Anodenspannung U_a über eine Variation des Entladestroms I_d ermöglicht, wobei der Spulenstrom I_c konstant gehalten wird. Die Regelung der Ionenstrahlleistung J_E mittels der Vorrichtung kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Vorrichtung einen Messwert der Anodenspannung U_a erfasst. Wenn die Berechnung der Ionenstrahlleistung J_E gemäß dem nichtlinearen Modell eine Abweichung vom Sollwert ergibt, wird zum Beispiel ein veränderter Wert U'_a errechnet, für den die Ionenstrahlleistung J_E den Sollwert J_E,soll annehmen würde. Die Vorrichtung steuert aber nicht unmittelbar die Anodenspannung U_a, sondern sendet derart einen fiktiven Messwert an den Eingang der Regeleinheit der Plasmaanlage, dass diese über ihren Steueralgorithmus den geänderten Wert U'_a einstellt. The device may be configured to directly control one or more process variables of the plasma process, such as the discharge current I _d . Preferably, however, the device is connected to an existing control unit of the plasma system. The plasma source used in the exemplary embodiment has, for example, a control algorithm provided by the manufacturer, which makes it possible to adjust a defined value of the anode voltage U _a via a variation of the discharge current I _d , the coil current I _{c being} kept constant. The regulation of the ion beam power J _E by means of the device can be carried out, for example, such that the device detects a measured value of the anode voltage U _a . If the calculation of the ion beam power J _E according to the non-linear model results in a deviation from the desired value, an altered value U ' _{a is} calculated, for example, for which the ion beam power J _E would assume the target value J _{E, soll} . However, the device does not directly control the anode voltage U _a , but in such a way sends a fictitious measured value to the input of the control unit of the plasma system that it sets the changed value U ' _a via its control algorithm.

Auf diese Weise wird vorteilhaft eine nichtlineare Steuerung über die Verwendung der vorhandenen linearen Steuerung erreicht. Die Vorrichtung kann daher vorteilhaft als Zusatzkomponente in eine bestehende Plasmaanlage integriert werden. Für einen Anwender der Plasmaanlage ist es vorteilhaft möglich, die Steuerung des Plasmaprozesses mit der hierin beschriebenen Vorrichtung unmittelbar mit der herkömmlichen linearen Steuerung zu vergleichen. In this way, nonlinear control over the use of the existing linear control is advantageously achieved. The device can therefore be advantageously integrated as an additional component in an existing plasma system. For a user of the plasma system, it is advantageously possible to compare the control of the plasma process with the device described herein directly with the conventional linear control.

Ein derartiger Vergleich wurde bei dem Ausführungsbeispiel durchgeführt. 1 zeigt die gemessene Transmission T in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für mehrere TiO₂-Einzelschichten, die mit einem Plasmabeschichtungsprozess in einer Plasmabeschichtungsanlage mit einer Vorrichtung zur nichtlinearen Steuerung gemäß dem Ausführungsbeispiel hergestellt wurden. Such a comparison was made in the embodiment. 1 FIG. 12 shows the measured transmission T as a function of the wavelength λ for a plurality of TiO ₂ monolayers prepared by a plasma coating process in a plasma coating apparatus having a non-linear control apparatus according to the embodiment.

Die bei dem Ausführungsbeispiel verwendete Plasmabeschichtungsanlage weist einen rotierbaren Probenhalter auf, der mit einer Vielzahl von Proben bestückbar ist und insbesondere die Form einer Kugelkalotte aufweist. Auf dem Probenhalter können Proben beispielsweise in einem geringen oder geringst möglichen Abstand zur Drehachse des Probenhalters, im Folgenden als Innenposition bezeichnet, oder in einem großen oder größtmöglichen Abstand zur Drehachse des Probenhalters, im Folgenden als Außenposition bezeichnet, angeordnet werden. Die Einzelschichten der 1 wurden an einer Innenposition in der Plasmabeschichtungsanlage hergestellt.The plasma coating apparatus used in the embodiment has a rotatable sample holder, which can be equipped with a plurality of samples and in particular has the shape of a spherical cap. For example, samples may be arranged on the specimen holder at a small or smallest possible distance from the rotation axis of the specimen holder, hereinafter referred to as inner position, or at a large or largest possible distance from the rotation axis of the specimen holder, hereinafter referred to as outer position. The individual layers of the 1 were produced at an internal position in the plasma coating plant.

2 zeigt die gemessene Transmission mehrerer weiterer TiO₂-Einzelschichten, die gemäß einem Vergleichsbeispiel in der Innenposition der Plasmabeschichtungsanlage ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung, das heißt mit einer herkömmlichen linearen Steuerung, hergestellt wurden. Der Vergleich der 1 und 2 zeigt, dass die Serienstreuung der Transmission T bei der Herstellung mittels der Vorrichtung zur nichtlinearen Steuerung gemäß dem Ausführungsbeispiel geringer ist als bei Verwendung der herkömmlichen linearen Steuerung. 2 FIG. 4 shows the measured transmission of a plurality of further TiO ₂ monolayers which, according to a comparative example, were produced in the inner position of the plasma coating apparatus without the device according to the invention, that is to say with conventional linear control. The comparison of 1 and 2 Fig. 14 shows that the series spread of the transmission T when manufactured by the non-linear control device according to the embodiment is lower than when using the conventional linear control.

In 3 ist die Transmission T mehrerer Proben dargestellt, die mittels der Vorrichtung zur nichtlinearen Steuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Außenposition der Plasmabeschichtungsanlage hergestellt wurden. 4 zeigt die Transmission T mehrerer TiO₂-Einzelshcichten, die gemäß einem Vergleichsbeispiel mit einer herkömmlichen linearen Steuerung in der Außenposition der Plasmabeschichtungsanlage hergestellt wurden. In 3 Fig. 12 shows the transmission T of a plurality of samples produced by the non-linear control device according to an embodiment in an outer position of the plasma coating machine. 4 FIG. 14 shows the transmission T of several TiO ₂ regions prepared according to a comparative example with a conventional linear control in the outer position of the plasma coating equipment.

Der Vergleich der 3 und 4 zeigt, dass bei der Herstellung der Schichten in der Außenposition die nichtlineare Steuerung mit der Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel eine signifikante Verminderung der Serienstreuung gegenüber der Herstellung mittels der herkömmlichen linearen Steuerung ermöglicht. The comparison of 3 and 4 shows that in the production of the layers in the outer position, the non-linear control with the device according to the embodiment enables a significant reduction of the series spread over the production by means of the conventional linear control.

Mittels der Vorrichtung kann daher vorteilhaft eine bessere Reproduzierbarkeit von Plasmaprozessen wie insbesondere Plasmabeschichtungsprozessen erreicht werden, durch die sich eine verminderte Serienstreuung ergibt. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von optischen Schichten vorteilhaft, die mit Dicken in geringen Toleranzbereichen hergestellt werden müssen. By means of the device can therefore be advantageously achieved a better reproducibility of plasma processes, in particular plasma coating processes, which results in a reduced mass dispersion. This is particularly advantageous in the production of optical layers which have to be produced with thicknesses in low tolerance ranges.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if that feature or combination itself is not explicitly stated in the claims or embodiments.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4020158 A1 [0002, 0031]

Claims

Device for nonlinear control of a plasma process in a plasma system, wherein the device is set up to detect a plurality of process variables G _{i of} the plasma process, to calculate at least one plasma parameter P _j from the acquired plurality of process variables G _i according to a nonlinear model and a deviation of the Plasma characteristic P _j of a predetermined setpoint P _{j, to} be determined to generate - in response to the calculated deviation control signals for controlling the process variables G _i , and - detecting the process variables G _i , calculating the plasma characteristic P _j and generating the Repeat control signals until the plasma characteristic P _j within a predetermined tolerance range .DELTA.P _j with the setpoint P _{j, soll} coincides.

The apparatus of claim 1, wherein the process quantities G _i include one or more of: current, voltage, gas flow, pressure, temperature, emission or absorption coefficient, electron density, electron energy.

Device according to one of the preceding claims, wherein the at least one plasma characteristic P _j comprises one or more of the following quantities: ion flux density, ion beam power, electron density.

Device according to one of the preceding claims, wherein the non-linear model for calculating the plasma characteristic P _j in the form P _j = a ₀ · Π _i G _i ^{ai is} representable, wherein a ₀ , a _i scaling coefficients.

Device according to one of the preceding claims, wherein generating the control signals comprises the calculation of changed process variables G ' _i .

Apparatus according to claim 5, wherein the changed process variables G ' _{i are} calculated such that they lead according to the non-linear model to the desired value of the plasma parameter P _{j, soll} .

Apparatus according to claim 5 or 6, wherein the device is adapted to control the plasma system such that the process variables take the calculated changed values G ' _i .

Apparatus according to claim 5 or 6, wherein - the device is connected to an existing control unit of the plasma system, - the control unit is provided for controlling the process variables G _i and has input channels for measured values of the process variables G _i , and - the device is set up, calculated send fictitious measured values of the process variables G _i to the input channels of the control unit, so that the control unit adjusts the process variables G _i such that the process variables assume the calculated changed values G ' _i .

Plasma system comprising a device according to one of the preceding claims.

Plasma system according to claim 9, wherein the plasma system is a plasma coating system and / or a plasma etching.