DE202013012810U1

DE202013012810U1 - Vorrichtung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas zur Plasmabearbeitung

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Publication number: DE202013012810U1
Application number: DE202013012810.0U
Authority: DE
Original assignee: Trumpf Huettinger Sp zoo
Current assignee: Trumpf Huettinger Sp zoo
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2023-07-25
Also published as: US20150206711A1; CN104641448B; US9368328B2; EP2878005B1; EP2878005A1; WO2014016335A1; CN104641448A

Abstract

Vorrichtung, umfassend:
a. einen Resonanzkreis (11) mit einer Resonanzkapazität und einer Resonanzi nd u ktivität;
b. einen Anregungskreis (36) zum Anregen des Resonanzkreises (11); und
c. ein Kopplungselement (16) zum Koppeln von HF-Leistung von der Induktivität in eine Plasmakammer (17), wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie Plasma erzeugt und aufrechterhält für die Plasmabearbeitung mittels induktiv gekoppelter HF-Leistung, wobei der Resonanzkreis (11) zwei Resonanzspulen (12, 13) aufweist, die zusammen die Resonanzinduktivität bilden und wobei jede Resonanzspule (12, 13) eine Verbindung zur Resonanzkapazität aufweist, wobei zumindest eine Zündkapazität (20) vorgesehen ist, die mit einem Verbindungspunkt (22) zwischen der Resonanzkapazität und einer der Resonanzspulen (12) und mit einer Platte (18) in der Plasmakammer (17) verbindbar ist.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas zur Plasmabearbeitung mittels induktiv gekoppelter HF-Leistung.
Zahlreiche Formen von induktiv gekoppelten Plasmaquellen wurden zusammen mit ihren Anwendungen in der Materialbearbeitung beschrieben. Bei diesen Vorrichtungen wird mindestens ein Induktionsspulenelement verwendet, das in unmittelbarer Nähe zu, um oder innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet ist, und mit HF-Leistung angeregt wird. Elektromagnetische Felder um die Induktionsspulen herum unterstützen eine Gasplasmaentladung innerhalb einer Plasmakammer.
HF-Plasma wird weitläufig in einer großen Vielfalt an Anwendungen zum Ausführen von Verfahrensschritten verwendet. Plasmen können z.B. verwendet werden, um chemische Reaktionen zu fördern. Während der Herstellung von Halbleiterbauelementen werden Ätzverfahren unter Miteinbeziehung von HF-Plasmen und Abscheidungsverfahren unter Miteinbeziehung von HF-Plasmen wiederholt während des Herstellungsverfahrens verwendet. HF-Plasmen werden ebenfalls in Reinigungsverfahren bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet. Plasmen können verwendet werden, um nach dem Ätzen Fotoresistmaterialien von Halbleiterwafern als Teil von Waferreinigungsverfahren abzulösen. Weiterhin werden HF-Plasmen zum Abbau von chemischen Komponenten verwendet, die gefährlich oder aus anderen Gründen unerwünscht sind.
Ein Problem, das bei üblichen, induktiv gekoppelten HF-Plasmasystemen oft angetroffen wird, ist die Schwierigkeit, das Plasma zu zünden und zu erhalten. Die Plasmazündung ist unzuverlässig, da das Koppeln einer Zündspannung, die hoch genug ist, um die zum Erzeugen des Plasmas erforderliche Energieart zu erzeugen, schwierig ist. Bei der induktiv gekoppelten Standard-Plasmatechnologie erschweren die Abwesenheit von starken elektrischen Feldern und die Abwesenheit von starker kapazitiver Kopplung das Lösen der Probleme der Plasmazündung.
Häufig werden bestimmte Zündkreise nur zum Zünden des Plasmas verwendet. Solche Zündkreise müssen abgeschaltet werden, sobald das Plasma gezündet wurde.
Die hier offenbarten Ausgestaltungen können eine Vorrichtung bereitstellen, die zum Zünden eines Plasmas in einer Plasmakammer verwendet werden kann, ohne eine spezifische Zündschaltung verwenden zu müssen. Ausgestaltungen können auch eine zuverlässige Vorrichtung zum Erzeugen und Erhalten eines Plasmas bereitstellen, die mit geringen Kosten hergestellt werden kann.
In einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung offenbart zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas zur Plasmabearbeitung mittels induktiv gekoppelter HF-Leistung, wobei die Vorrichtung umfasst:

a) einen Resonanzkreis mit einer Resonanzkapazität und einer Resonanzinduktivität,
b) einen Anregungskreis zum Anregen des Resonanzkreises,
c) ein Kopplungselement zum Koppeln von HF-Leistung von der Induktivität in eine Plasmakammer.

Der Resonanzkreis weist zwei Resonanzspulen auf, die zusammen die Resonanzinduktivität bilden. Jede Resonanzspule weist eine Verbindung zur Resonanzkapazität auf. Eine Zündkapazität ist zusätzlich vorgesehen, die mit einem Verbindungspunkt zwischen der Resonanzkapazität und einer der Resonanzspulen und mit einer Platte in der Plasmakammer verbindbar ist.
Der Resonanzkreis kann ein Serien-Resonanzkreis sein. Der Resonanzkreis kann eine erdfreie Schaltung sein. Dies soll bedeuten, dass es keine direkte Verbindung zwischen dem Resonanzkreis und Masse oder Erde gibt. Alle Kapazitäten von dem Resonanzkreis zu Masse oder Erde können symmetrisch sein. Der Resonanzkreis kann symmetrisch zur Masse vorgesehen sein. Dies ist ein Vorteil für den Anregungskreis, da der Betrieb des Anregungskreises schwierig ist, wenn die Last nicht symmetrisch zur Masse der Plasmakammer ist, selbst wenn der Anregungskreis am Ausgang keine Masseverbindung hat.
Ein weiterer Aspekt bezieht sich auf ein HF-Plasma-Leistungsversorgungssystem mit einem Anregungskreis und einem Resonanzkreis einschließlich einer Resonanzkapazität und einer Resonanzinduktivität, wo zumindest ein Teil der Resonanzinduktivität so angepasst oder konfiguriert ist, dass sie HF-Leistung induktiv mit der Plasmakammer über ein Kopplungselement koppelt, wo der Resonanzkreis erdfrei ist.
Der Resonanzkreis kann so angepasst oder konfiguriert sein, dass er in unmittelbarer Nähe zu einer Plasmakammer angeordnet werden kann.
Das HF-Plasma-Leistungsversorgungssystem kann so angepasst oder konfiguriert sein, dass es in unmittelbarer Nähe zu einer Plasmakammer angeordnet werden kann.
Der Resonanzkreis liefert eine Resonanzinduktivität, die zum Aufrechterhalten von Plasma verwendet werden kann, sobald das Plasma gezündet wurde. Der Resonanzkreis kann vor dem Zünden des Plasmas bei einer Resonanzfrequenz angeregt werden. Dies führt zu einer hohen Spannung über der Resonanzkapazität. Diese Spannung kann zum Zünden des Plasmas in der Vakuumkammer verwendet werden. Sobald das Plasma gezündet ist, kann der Resonanzkreis bei einer Frequenz, die sich von der Resonanzfrequenz unterscheidet, angesteuert werden, wodurch an der Resonanzkapazität eine geringere Spannung anliegt. Somit muss keine separate Schaltung verwendet und zum Zünden des Plasmas in der Kammer vorgesehen werden. Deaktivieren einer Zündschaltung nach Zünden des Plasmas ist nicht erforderlich. Die Zündkondensatoren können einen geringen Wert aufweisen. Vor der Zündung gibt es keinen oder nur einen sehr kleinen Strom, somit wird eine volle Spannung oder beinahe volle Spannung von dem Resonanzkondensator mit den Kammerwänden gekoppelt. Nach der Zündung begrenzen die niedrigen Kapazitätswerte der Zündkapazitäten natürlich den Strom auf ein unbedeutendes Niveau in Bezug auf die Resonanzkapazität. Sobald das Plasma gezündet ist, kann der Resonanzkreis bei einer Frequenz angesteuert werden, die sich von der Resonanzfrequenz unterscheidet bezogen auf die Verschiebung in der Resonanzfrequenz nach der Zündung.
Der Anregungskreis kann zum Anregen des Resonanzkreises bei unterschiedlichen Frequenzen verwendet werden, insbesondere bei den Resonanzfrequenzen und bei Frequenzen, die sich von der Resonanzfrequenz unterscheiden. Sobald das Plasma gezündet ist, kann der Resonanzkreis bei einer höheren Frequenz als der Resonanzfrequenz aktiviert werden.
Bei einem weiteren Aspekt ist ein Transformator zum Koppeln des Anregungskreises mit dem Serien-Resonanzkreis vorgesehen. Der Transformator ist vorgesehen, um das Verhältnis zwischen Spannung und Strom einzustellen: auf der Sekundärseite ist eine niedrige Spannung und ein hoher Strom erwünscht für eine bessere Anregung des Plasmas mittels eines elektromagnetischen Flusses. Ein zweiter Vorteil der Verwendung des Transformators ist es, eine galvanische Trennung zu erhalten. Es ist erwünscht, eine Symmetrie am Resonanzkreis zu erzielen, so dass eine Verbindung zur Masse auf der Seite des Resonanzkreises nicht erforderlich ist.
Die Primärwicklung des Transformators kann Teil des Anregungskreises sein und die Sekundärwicklung des Transformators kann Teil des Resonanzkreises sein. Die Kopplung eines Transformators, insbesondere eines Leistungstransformators mit einem Resonanzkreis kann hohe Ströme in dem Resonanzkreis bewirken. Dies erfordert wiederum eine gute Kühlung, gute magnetische Kopplung und kurze elektrische Verbindungen. Wenn die Induktivität des Resonanzkreises und mindestens ein Teil eines Resonanzstromleiters als elektrisch leitendendes Kühlrohr ausgebildet sind, können eine gute magnetische Kopplung, gute Kühlung und kurze Verbindungen realisiert werden. Insbesondere kann das Kühlrohr ein Fluid oder insbesondere ein wassergekühltes Kupferrohr sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein Resonanzkreisleiter die Sekundärwicklung des Transformators bilden. Ein Transformator der Art eines Ringkerntransformators kann verwendet werden. Diese Sekundärwicklung kann einfach ein Leiter sein, der durch den Ringkern hindurchgeht. Der Sekundärleiter kann ein flüssigkeitsgekühltes Rohr sein, das auch ohne jegliche Wicklung eine gute Kühlung für die Primärseite und den Magnetkern des Transformators erzielt. Bei dem Resonanzkreis sind die Resonanzkapazität und Resonanzinduktivität durch Resonanzkreisleiter verbunden. Ein Teil eines solchen Leiters kann als Sekundärwicklung des Transformators verwendet werden. Somit muss kein separates Element bereitgestellt werden, um die Sekundärwicklung des Transformators zu realisieren. Der Resonanzkreisleiter kann Teil des elektrisch leitenden Kühlrohrs sein.
Das Kopplungselement kann ein Ferritkernelement sein, das sich in eine Plasmakammer erstreckt und mit der Resonanzkreis-Induktivität gekoppelt ist. Somit kann der Ferritkern zum Koppeln der HF-Leistung in die Plasmakammer verwendet werden. Eine oder mehrere Windungen der Resonanzinduktivität können um das Ferritkernelement gewickelt werden, um eine gute induktive Kopplung bereitzustellen.
Die Resonanzinduktivität kann zwei Teile beinhalten, wobei jeder Teil um ein Ende des Ferritkernelements auf jeder Seite der Plasmakammer gewickelt ist. Somit kann sich das Ferritkernelement nicht nur in die Plasmakammer sondern auch durch die Plasmakammer hindurch erstrecken.
Die Vorrichtung kann eine Plasmakammer beinhalten, die mindestens eine Platte umfasst, die über eine Zündkapazität mit dem Resonanzkreis verbunden ist. Die mindestens eine Platte kann den Raum begrenzen, in dem das Plasma innerhalb der Plasmakammer gezündet wird. Wenn zwei einander gegenüberliegende Platten innerhalb oder außerhalb der Plasmakammer vorgesehen sind, kann eine Spannung zwischen den beiden Platten angelegt werden, die zum Zünden des Plasmas ausreicht. Um die Spannung über den zwei Platten zu erzeugen, kann der Resonanzkreis so angesteuert werden, dass eine hohe Spannung über der Resonanzkapazität vorhanden ist. Wenn die Zündkapazitäten auf jeder Seite der Resonanzkapazität mit einer entsprechenden Platte verbunden sind, liegt ebenfalls eine hohe Spannung über den Platten an und somit kann das Plasma gezündet werden. Sobald das Plasma gezündet ist, gibt es eine leitende Verbindung zwischen den Platten. Dies hat eine geringe Spannung über den Platten und somit einen hohen Strom durch die Resonanzkapazität zur Folge. In diesem Fall sind die Zündkapazitäten und die Resonanzkapazität parallel. Wenn die Zündkapazitäten viel kleinere Kapazitätswerte als die Resonanzkapazitäten haben, fließen nur niedrige Ströme durch die Zündkapazität und somit werden die Zündkapazitäten das Plasma nicht beeinflussen. Deshalb müssen die Zündkapazitäten nach dem Zünden des Plasmas nicht deaktiviert werden.
In der Plasmakammer kann eine weitere Platte vorgesehen sein, die mit Masse verbunden ist. Das Plasma kann zwischen den mit der Zündkapazität verbundenen Platten und der mit Masse verbundenen Platte gezündet werden.
Der Resonanzkreis kann eine verteilte Resonanzinduktivität und eine verteilte Resonanzkapazität haben. Eine solche Anordnung ermöglicht die Zündung eines Plasmas, ohne eine zusätzliche Hilfsschaltung zum Zünden des Plasmas verwenden zu müssen.
Der Resonanzkreis kann eine symmetrische Konfiguration mit zwei identischen Resonanzkondensatoren, die jeweils eine Hälfte der Resonanzkapazität bilden, und zwei identischen Resonanzspulen, die jeweils eine Hälfte der Resonanzinduktivität bilden, aufweisen. Die Resonanzspulen können jeweils mit einem Ende des Kopplungselements gekoppelt werden.
Wie oben erwähnt wurde, können zwei Zündkapazitäten vorgesehen sein, die jeweils mit einem Verbindungspunkt zwischen einem der Resonanzkondensatoren und einer der Resonanzspulen und jeweils mit einer Zündplatte verbunden sind.
Einer der Resonanzkondensatoren kann an einem Kühlflüssigkeitseinlass und einer der Resonanzkondensatoren kann an einem Kühlflüssigkeitsauslass des Kühlrohres angeordnet sein. Somit ist es möglich, das Potential des Kühlflüssigkeitseinlasses und Kühlflüssigkeitsauslasses auf ein ähnliches Potential, insbesondere Massepotential, zu bringen. Dies hilft, die Anforderungen bezüglich der Kontamination der Kühlflüssigkeit zu reduzieren.
Der Kühlflüssigkeitseinlass und der Kühlflüssigkeitsauslass können nebeneinander angeordnet sein.
Der Kühlflüssigkeitseinlass und der Kühlflüssigkeitsauslass können auf einem ähnlichen elektrischen Potential sein, insbesondere können beide auf Massepotential oder zumindest beinahe auf Massepotential sein. Somit sind die Kontaminationsanforderungen an die Kühlflüssigkeit geringer, da keine direkte Stromkomponente in der Kühlflüssigkeit fließt, was eine Elektrolyse verursachen könnte. Dies ist auch von Vorteil, wenn die Stromversorgung nicht vollkommen symmetrisch ist, z.B. aufgrund einer asymmetrischen aktiven Blindstromkompensationsschaltung (power factor correction circuitry) oder aufgrund eines unsymmetrischen Stromversorgungsnetzes (geerdetes Dreieckversorgungsnetz). Ein symmetrischer Resonanzkreis kann auch vorteilhaft sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Kapazitätswert der Resonanzkapazität höher als der Kapazitätswert der Zündkapazität sein. Somit kann sichergestellt werden, dass die Zündkapazität keine oder nur eine sehr geringe Auswirkung auf das Plasma hat, sobald das Plasma gezündet wurde. Dadurch, dass für den Kapazitätswert der Zündkapazität ein viel kleinerer Wert gewählt wird als für den Kapazitätswert der Resonanzkapazität, kann normalerweise sichergestellt werden, dass der größte Teil des Resonanzstroms über die Resonanzkapazitäten fließt, sobald das Plasma gezündet wurde. Es wäre gut, einen Kapazitätswert der Resonanzkapazität zu wählen, der mindestens zehn Mal so groß ist wie der Kapazitätswert der Zündkapazität. Bei einer Plasmakammer mit Isolierwänden und einer Zündplatte außerhalb der Plasmakammer sind die Zündplatten mit dem Plasma elektrostatisch gekoppelt, so dass die Zündplatten mit der Isolierwand als Kondensator betrachtet werden können, der einen praktisch sehr geringen Kapazitätswert von ca. 10..100pF hat. Die Zündkondensatoren können mit viel größeren Kapazitätswerten als diesen ausgelegt werden, damit die Spannung nicht zu stark abfällt. Kondensatoren im Bereich von 1nF (2 x 2nF in Serie) können verwendet werden. Dieser ist geringer als bei den Resonanzkondensatoren, die im Bereich von 85nF (2 x 170 nF in Serie) liegen, so dass der restliche Strom nach dem Zünden als unbedeutend angesehen werden kann.
Der Anregungskreis kann einen Vollbrücken-Oszillator aufweisen. Ein Vollbrücken-Oszillator kann verwendet werden, um den Resonanzkreis bei unterschiedlichen Frequenzen anzuregen. Insbesondere kann der Vollbrücken-Oszillator verwendet werden, um ein HF-Signal (HF-Leistung) bei der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises zu erzeugen, um das Plasma zu zünden und nachdem das Plasma gezündet wurde, kann der Vollbrücken-Oszillator ein HF-Signal erzeugen mit einer Frequenz, die sich von der Resonanzfrequenz unterscheidet, insbesondere höher ist als die Resonanzfrequenz. Weiterhin kann ein Vollbrücken-Oszillator verwendet werden, um die HF-Leistung einzustellen, die dem Resonanzkreis und somit der Plasmakammer geliefert wird.
Wenn eine symmetrische Anordnung für den Resonanzkreis verwendet wird, insbesondere eine Anordnung, die symmetrisch zu einer Mittelebene zum Resonanzkreis ist, kann ein Vollbrücken-Oszillator verwendet werden, der bei einer unsymmetrischen Resonanzkreisanordnung schwierig zu verwenden ist.
Wie oben erwähnt wurde, kann es vorteilhaft sein, wenn der Vollbrücken-Oszillator HF-Leistung bei unterschiedlichen Frequenzen bereitstellen kann.
Bei einem Aspekt kann der Anregungskreis einen Wandler beinhalten, beispielsweise einen Brücken- oder Vollbrücken-Wandler, der eine schnelle Frequenzsteuerung und schnelle Spannungssteuerung aufweist. Dies bedeutet, dass dem Wandler ein Abwärtswandler oder ein Aufwärtswandler vorgeschaltet ist. Die Steuereinrichtung überwacht die Spannung und den Strom der Primärseite des Transformators. Sie erkennt aus der Phase zwischen Strom und Spannung, ob das Plasma gezündet wurde oder nicht. Sie reguliert die Frequenz sehr schnell nach Erkennung der Zündung. Sehr schnell in diesem Zusammenhang sollte bedeuten innerhalb weniger als 10µs oder weniger als 20 HF-Frequenzzyklen. Die Steuerung reguliert auch die Zwischenkreisspannung an dem dem Transformator vorgeschalteten Kondensator. Dies kann auch schnell erfolgen, jedoch vielleicht nicht so schnell wie die Frequenzvariation. Sie kann in Form einer Rampe erfolgen, die die Gleichspannung reduziert oder steigert. Dies wird im Folgenden detaillierter beschrieben.
Ein weiterer Aspekt bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas zur Plasmabearbeitung mittels induktiv gekoppelter HF-Leistung mit einer Vorrichtung oder Stromversorgung, wie oben erwähnt wurde.
Das Verfahren kann das Messen der Spannung und des Stroms der Plasma-Stromversorgung beinhalten.
Das Verfahren kann das Schätzen der Phasendifferenz aus der Messung der Spannung und des Stroms der Plasmaleistung beinhalten.
Das Verfahren kann das Detektieren der Plasmazündung aus dem Phasenunterschied zwischen Spannung und Strom beinhalten.
Das Verfahren kann das kontinuierliche Reduzieren der Frequenz und Erhöhen der Spannung der Plasmaversorgung beinhalten, um das Plasma zu zünden.
Das Verfahren kann das schnelle Erhöhen der Frequenz in weniger als 20µs um mehr als 10% von 410 auf 490 kHz beinhalten, d.h. nach Detektieren der Zündung.
Die oben genannten und weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibungen von spezifischen Ausführungsformen, insbesondere in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.

1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform;
2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform mit weiteren zusätzlichen Merkmalen;
3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform mit weiteren zusätzlichen Merkmalen;
4 zeigt eine beispielhafte Plasma-Quellen-Kammer-Konfiguration;
5 zeigt eine beispielhafte Plasma-Quellen-Kammer-Konfiguration;
6 zeigt eine beispielhafte Plasma-Quellen-Kammer-Konfiguration;
7 ist eine kombinierte Zeichnung und schematische Darstellung einer Ausführungsform;
8 ist eine kombinierte Zeichnung und schematische Darstellung einer Ausführungsform;
9 ist eine kombinierte Zeichnung und schematische Darstellung einer Ausführungsform;
10 ist eine kombinierte Zeichnung und schematische Darstellung einer Ausführungsform; und
11 bis 16. zeigen Darstellungen des Zündvorgangs

1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas zur Plasmabearbeitung. Der Resonanzkreis 11 beinhaltet eine Resonanzinduktivität, die zwei Resonanzspulen 12, 13 beinhalten kann. Die beiden Spulen können identisch sein. Jede der zwei Spulen kann eine geringe Anzahl an Windungen haben (z.B. zwischen einer und fünf Windungen). Gute Ergebnisse kann man mit zwei Windungen pro Spule erhalten. Gute Induktivitätswerte liegen zwischen 0,5 und 5 µH für jede Spule. Weiterhin beinhaltet der Resonanzkreis 11 eine Resonanzkapazität, die zwei Resonanzkondensatoren 14, 15 enthalten kann. Wie der Fachmann verstehen wird, können die Kondensatoren 14, 15 jeweils durch eine geeignete Anordnung von mehreren einzelnen Kondensatoren realisiert werden. Gute Werte für jede Kapazität liegen zwischen 30 und 300 nF. Sehr gute Ergebnisse könnten mit Kapazitätswerten von zwischen 100 und 200 nF für jeden Kondensator erreicht werden.
Die Resonanzspulen 12, 13 sind mit einem Kopplungselement 16 gekoppelt, das ein Ferritelement ist. Das Kopplungselement 16 erstreckt sich in und durch eine Plasmakammer 17. Das Kopplungselement 16 kann ein offener oder geschlossener Ring sein.
2 zeigt eine Seitenplatte 18 in der Plasmakammer 17, die mit einer Zündkapazität 20 verbunden ist. Die Zündkapazität 20 ist mit dem Verbindungspunkt 22 zwischen der Resonanzspule 12 und dem Resonanzkondensator 14 verbunden.
In 3 sind zwei Seitenplaten 18, 19 vorgesehen, die jeweils mit einer Zündkapazität 20, 21 verbunden sind. Die Zündkapazität 21 ist mit dem Verbindungspunkt 23 verbunden, der zwischen dem Resonanzkondensator 15 und der Resonanzinduktivität 13 angeordnet ist.
In der Plasmakammer 17 ist eine weitere Platte 24 vorgesehen, die mit Masse verbunden ist, angedeutet bei 27.
Die zusätzlichen Zündkapazitäten 20 und 21 können mit geringer Kapazität gewählt werden. Insbesondere für die Zündkapazitäten 20 und 21 können Kapazitätswerte gewählt werden, die mehr als zehn Mal kleiner sind als die Resonanzkapazitäten. Sehr gute Werte liegen zwischen 1 und 5 nF für jede der Zündkapazitäten 20 und 21. Bei solch geringen Kapazitätswerten sind die Elemente sehr viel günstiger als die allgemein bekannten Zündkreise. Sie müssen nicht mit Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Ein zusätzlicher Vorteil von solch geringen Kapazitätswerten besteht darin, dass der Strom durch diese Kapazitäten beschränkt ist, wenn das Plasma gezündet wird, da der Hauptstrom durch die Resonanzkapazitäten mit viel höheren Kapazitätswerten fließen wird.
4, 5 und 6 zeigen beispielhafte Plasma-Quellen-Kammer-Konfigurationen. Die Kammer 300 beinhaltet vier dielektrische Unterbrechungen, Anregungs-Transformatoren 130 und 135 und Zündeingänge 370 und 375. Abschnitte 300 und 310 der Plasmakammer sind mit Masse verbunden. Abschnitte 320 und 330, als Zündkerne bezeichnet, sind durch dielektrische Unterbrechungen von der Masse elektrisch isoliert.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Zündeingänge 370 und 375 mit Zündkernen 320 bzw. 330 verbunden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Zündeingänge 370 und 375 mit Elektroden verbunden werden, die elektrisch von der Kammer isoliert sind. In 4 fließt das Plasma 340 in einer Plasmaschleife, die innerhalb der Plasmakammer gebildet wird, nachdem der Zündkreis genügend freie Ladungen erzeugt hat, um die induktiv gekoppelte Entladung zu starten. Die Magnetkerne 316 sind vollkommen außerhalb des Plasmas. In 5 und 6 ist der Magnetkern teilweise innerhalb der Plasmakammer und teilweise außerhalb. Die Zündeingänge 370 und 375 erhalten eine hohe Spannung von einem Zündkreis, was im Stand der Technik als komplexer Kreis mit zusätzlichen Windungen an einem Transformator beschrieben wird.
7 bis 10 zeigen, wie hier beschriebene Ausgestaltungen für die Plasma-Quellen-Kammer-Konfiguration von 4 bis 6 bereitgestellt werden.
In der Plasmakammer 17 sind weitere Platten 24, 25 vorgesehen, die mit Masse verbunden sind, angedeutet bei 26, 27. Das Gas, bzw. nach der Zündung das Plasmagas 34, fließt in Richtung des Pfeils in die Plasmakammer 17.
Weiterhin beinhaltet die Vorrichtung 10 ein elektrisch leitendes Kühlrohr 30 mit einem Einlass 31 und einem Auslass 32. In der Ausführungsform sind die Resonanzspulen 12, 13 und ein Resonanzkreisleiter 33, der die Resonanzspulen 12, 13 verbindet, durch das elektrisch leitende Kühlrohr 30 gebildet.
Der Resonanzkreisleiter 33 bildet auch die Sekundärwicklung eines Transformators 35. Der Transformator 35 wird verwendet, um einen Anregungskreis 36 mit dem Resonanzkreis 11 zu koppeln, um den Resonanzkreis 11 anzuregen. Die Primärwicklung 37 des Transformators 35 ist mit einem Vollbrücken-Oszillator 38 gekoppelt. Der Vollbrücken-Oszillator 38 beinhaltet vier Schaltelemente 39, 40, 41, 42. Die Schaltelemente 39, 40 sind in Serie verbunden und bilden eine Halbbrücke, und die Schaltelemente 41, 42 sind ebenfalls in Serie verbunden und bilden ebenfalls eine Halbbrücke. Die Mittelpunkte 43, 44 der Halbbrücken sind mit der Primärwicklung 37 verbunden.
Der Transformator 35 kann die geometrische Form eines Ringkerntransformators haben. Die Sekundär„wicklung“ kann einfach ein einzelner gerader Leiter sein. Dieser Leiter kann auch ein Rohr aus Metall, vorzugsweise Kupfer, mit einer Kühlflüssigkeit darin sein. Der Transformator kann so aufgebaut sein, dass die Primär- und Sekundärwicklung nahe zueinander vorgesehen sind, so dass die Primärwicklung auch mit der Sekundär„wicklung“ gekühlt werden kann. Die Länge des Transformators in Richtung zur Sekundär„wicklung“ kann länger als die Breite sein, was in 9 gezeigt ist. Der Transformator kann eine Anzahl von drei bis zehn Ferritringen aufweisen, die in rohrförmiger Anordnung ausgebildet sind. Eine kapazitive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung, die bei anderen Anordnungen nachteilig sein kann, kann bei dieser speziellen symmetrischen Anordnung akzeptiert werden zumindest teilweise aufgrund der Kompensation durch den Resonanzkreis und seine beinahe symmetrische Konstruktion.
Eine Spannung für den Vollbrücken-Oszillator 38 wird durch eine Spannungssteuerung 45 bereitgestellt, die in diesem Fall durch einen Kondensator dargestellt ist.
Um innerhalb der Plasmakammer 17 ein Plasma zu zünden, wird die Plasmakammer 17 evakuiert und ein Plasmagas wird der Plasmakammer 17 zugeführt. Der Vollbrücken-Oszillator 38 wird so betrieben, dass eine HF-Leistung bei einer bestimmten Frequenz geliefert wird, insbesondere bei der Resonanzfrequenz des Serien-Resonanzkreises 11. Die HF-Leistung ist mit dem Resonanzkreis 11 gekoppelt und somit wird der Resonanzkreis 11 angeregt. Wenn der Resonanzkreis 11 bei oder nahe bei seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, liegt über den Resonanzkondensatoren 14, 15 eine hohe Spannung an. Diese hohe Spannung wird mit den Platten 18, 19 über die Zündkapazitäten 20, 21 gekoppelt, wodurch eine große Spannung zwischen den Platten 18, 19 angelegt wird. Diese Spannung bewirkt ein Zünden des Plasmas innerhalb der Plasmakammer 17. Sobald das Plasma gezündet wurde, sind die Platten 18, 19 auf einem ähnlichen Potential, da das Plasma elektrisch leitend ist. Dies führt dazu, dass über den Zündkapazitäten 20, 21, dem Kondensator 14 und der Kapazität 21 sowie dem Kondensator 15 und der Kapazität 21, die nun parallel oder beinahe parallel (im Wesentlichen parallel) sind, eine hohe Spannung anliegt. Folglich fließt ein großer Resonanzstrom über die Kondensatoren 14, 15. Die Zündkapazitäten 20, 21 haben nur eine vernachlässigbare Auswirkung auf das Plasma innerhalb der Plasmakammer 17. Somit ist ein Deaktivieren des Zündkreises nach dem Anregen des Plasmas nicht erforderlich. Da die Resonanzkondensatoren 14, 15 in der Nähe des Kühlflüssigkeitseinlasses 31 und Kühlflüssigkeitsauslasses 32 vorgesehen sind, sind der Einlass 31 und der Auslass 32 auf einem ähnlichen elektrischen Potential. Insbesondere sind sie nahe des Massepotentials.
Nachdem das Plasma gezündet wurde, kann der Vollbrücken-Oszillator 38 so betrieben werden, dass er ein HF-Leistungssignal bei einer Frequenz liefert, die sich von der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises 11 unterscheidet. Insbesondere kann die Frequenz höher als die Resonanzfrequenz sein.
Aus der Beschreibung der Vorrichtung 10 ist es klar, dass der Resonanzkreis 11 eine symmetrische Anordnung hat, wobei die Spulen 12, 13 jeweils eine Hälfte der Resonanzinduktivität und die Kondensatoren 14, 15 jeweils eine Hälfte der Resonanzkapazität bereitstellen. Auch der Einlass 31 und der Auslass 32 sowie die Kapazitäten 20, 21 sind symmetrisch zu einer Mittelebene der Anordnung angeordnet.
9 zeigt eine zumindest teilweise perspektivische Darstellung der Vorrichtung 10. Für Elemente, die den bereits in Bezug auf 1 beschriebenen Elementen entsprechen, wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Aus 9 ist deutlich, dass die Spule 12 vier Windungen aufweist, die um ein Ende des Kopplungselements 16 herum vorgesehen sind. Eine ähnliche Anordnung ist auf der gegenüberliegenden Seite der Plasmakammer 17 vorgesehen, die in 9 nicht zu sehen ist. Gute Ergebnisse wurden mit zwei Windungen an jedem Ende und mit einem offenen Ferritkern erreicht.
Die Resonanzkondensatoren 14, 15 sind an einer Kühlplatte 50 vorgesehen. Die Kühlflüssigkeit kann durch die Kühlplatte 50 hindurch fließen. Aus 9 kann hergeleitet werden, dass der Resonanzkreis 11 auf einer Seite der Plasmakammer 17 vorgesehen sein kann. Somit kann eine sehr kompakte Anordnung mit wenigen Komponenten realisiert werden.
Der Anregungskreis 36 kann von dem Resonanzkreis 11 und der Plasmakammer 17 entfernt angeordnet werden. Der Transformator sollte in unmittelbarer Nähe zur Plasmakammer angeordnet werden, um die Verluste gering zu halten.
Der Anregungskreis 36 kann auch in direkter Nähe zu dem Resonanzkreis 11 und der Plasmakammer 17 angeordnet werden. Dadurch werden die Verluste noch geringer gehalten.
Die Resonanzkondensatoren 14, 15 und die Zündkapazitäten 20, 21 sind für eine hohe Spannung von mehr als 1000 Vrms ausgelegt.
Die Resonanzspulen 12, 13 müssen jeweils Strömen von mehr als 200 A standhalten.
Bei einigen Ausführungsformen hat der Transformator eine Windung an der Sekundärwicklung und sechs bis zehn Windungen an der Primärwicklung. Somit sind die Ströme an der Primärwicklung viel geringer aus an der Sekundärwicklung.
Der Anregungskreis wird zwischen 150 und 600 kHz betrieben. Die Spannung und die Frequenz können durch eine Steuerung vollständig gesteuert werden.
11 bis 16 zeigen Darstellungen, die das Steuerungsverfahren beschreiben. Alle Darstellungen sind in einen oberen Teil mit einer Zeitskala von 400 µs und einen unteren Teil mit einer Zoom-Ansicht, die eine Zeitskala von 2µs hat, unterteilt. Die rechteckige Wellenform ist die Spannung und die eher sinusförmige Wellenform ist der Strom auf der Pimärseite des Transformators. Die Messeinrichtung berechnet und zeigt die gemessene Frequenz. Der obere Teil der Darstellungen in 11 bis 16 ist identisch mit Ausnahme der Position der Zeitleiste 11. Im oberen Teil der Darstellungen der 11 bis 16 ist jeweils eine Zeitleiste 111 gezeigt. Sie zeigt das Zeitintervall, in welchem der Zoom in der unteren Darstellung in der oberen Darstellung positioniert ist. Somit sind die sechs Darstellungen aufeinander folgende charakteristische Intervalle von Interesse.
11 zeigt ein Startzeitintervall mit ca. 440 kHz und ca. 100 V. Plasma wurde noch nicht gezündet.
12 zeigt ein Zeitintervall einige µs später. Die Spannung ist leicht auf ca. 400 V gestiegen und die Frequenz langsam auf ca. 420 kHz gesunken. Plasma wurde immer noch nicht gezündet.
13 zeigt ein Zeitintervall einige µs später. Die Spannung ist weiter auf nun 500 V gestiegen und die Frequenz langsam auf ca. 410 kHz gesunken. Plasma wurde immer noch nicht gezündet.
14 zeigt ein Zeitintervall nur wenige µs später. Plasma wurde nun gezündet. Die Spannung hat sich nicht merklich geändert, die Frequenz ist jedoch schnell auf ca. 480 kHz angestiegen.
15 zeigt ein Zeitintervall nur wenige µs später. Das Plasma ist immer noch gezündet. Die Spannung hat sich nicht merklich geändert, aber die Frequenz ist schnell auf ca. 490 kHz angestiegen.
16 zeigt ein Zeitintervall einige Hundert µs später. Das Plasma ist immer noch gezündet. Die Spannung ist nun gesunken und die Frequenz ist ebenfalls auf ca. 460 kHz gesunken.
Auf diese Weise kann der oben beschriebene Resonanzkreis stabil gesteuert werden.

Claims

Vorrichtung, umfassend: a. einen Resonanzkreis (11) mit einer Resonanzkapazität und einer Resonanzi nd u ktivität; b. einen Anregungskreis (36) zum Anregen des Resonanzkreises (11); und c. ein Kopplungselement (16) zum Koppeln von HF-Leistung von der Induktivität in eine Plasmakammer (17), wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie Plasma erzeugt und aufrechterhält für die Plasmabearbeitung mittels induktiv gekoppelter HF-Leistung, wobei der Resonanzkreis (11) zwei Resonanzspulen (12, 13) aufweist, die zusammen die Resonanzinduktivität bilden und wobei jede Resonanzspule (12, 13) eine Verbindung zur Resonanzkapazität aufweist, wobei zumindest eine Zündkapazität (20) vorgesehen ist, die mit einem Verbindungspunkt (22) zwischen der Resonanzkapazität und einer der Resonanzspulen (12) und mit einer Platte (18) in der Plasmakammer (17) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Transformator vorgesehen ist, um den Anregungskreis mit dem Resonanzkreis zu koppeln.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Primärwicklung des Transformators Teil des Anregungskreises ist und die Sekundärwicklung des Transformators Teil des Resonanzkreises ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktivität des Resonanzkreises und zumindest ein Teil eines Resonanzstromleiters ein elektrisch leitendes Kühlrohr aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Kühlrohr ein Kupferrohr ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Resonanzkreisleiter die Sekundärwicklung des Transformators bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kopplungselement ein Ferritkernelement ist, das sich in eine Plasmakammer erstreckt und mit der Resonanzinduktivität gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Plasmakammer aufweist, die mindestens eine Platte beinhaltet, die über eine Zündkapazität mit dem Resonanzkreis verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine zweite Platte in der Plasmakammer vorgesehen ist, wobei die zweite Platte mit Masse verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Resonanzkreis eine verteilte Resonanzinduktivität und eine verteilte Resonanzkapazität hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Resonanzkreis eine symmetrische Konfiguration aufweist mit zwei identischen Resonanzkondensatoren, die jeweils eine Hälfte der Resonanzkapazität bilden, und zwei identischen Resonanzspulen, die jeweils eine Hälfte der Resonanzinduktivität bilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei Zündkapazitäten vorgesehen sind, die jeweils mit einem Verbindungspunkt zwischen einem der Resonanzkondensatoren und einer der Resonanzspulen und jeweils mit einer Platte in der Plasmakammer verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einer der Resonanzkondensatoren an einem Kühlflüssigkeitseinlass und einer der Resonanzkondensatoren an einem Kühlflüssigkeitsauslass des Kühlrohrs vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlflüssigkeitseinlass und der Kühlflüssigkeitsauslass nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlflüssigkeitseinlass und der Kühlflüssigkeitsauslass auf einem ähnlichen elektrischen Potential sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kapazitätswert der Kapazität größer als der Kapazitätswert der Zündkapazität ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anregungskreis einen Vollbrücken-Oszillator aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vollbrücken-Oszillator eine HF-Leistung bei unterschiedlichen Frequenzen bereitstellen kann.