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Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-(HF-)Plasmastromversorgung, eine Plasmaerzeugungsvorrichtung zum Zünden und zur Versorgung eines Plasmas in einer Plasmaentladungsvorrichtung mit Hochfrequenzenergie.
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Eine Plasmastromversorgung arbeitet häufig bei einer Grundfrequenz, die nur geringfügig von einem Sollwert abweichen soll. Häufig ist eine steuerbare Frequenzagilität von +/–10 % von einer Grundfrequenz erwünscht. Typische Grundfrequenzen sind 3,39 MHz, 13,56 MHz, 27 MHz, 40 MHz, 62 und 80 MHz. Häufig weist eine solche Plasmastromversorgung mehrere HF-Leistungserzeuger auf. Diese generiert aus einem DC-Signal einer DC-Stromversorgung ein Wechselsignal, welches periodisch mit der Grundfrequenz sein Vorzeichen ändert. 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 Teil 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, Solarzellen, Architekturglasbeschichtung, Speichermedien, dekorative Schichten und Werkzeughärtung. Diese Anwendungen haben hohe Anforderungen an Genauigkeit und Prozessstabilität. Um aus einem Gas ein Plasma zu generieren, muss ihm Energie zugeführt werden. 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. Eine Plasmastromversorgung wird zur Erzeugung bzw. Zündung und zur Aufrechterhaltung eines Plasmas eingesetzt. Das Plasma kann auch zur Anregung von Gaslasern eingesetzt werden.
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Es ist oft vorteilhaft, Bearbeitungsplasmen durch HF-Pulse statt stetiger Hochfrequenzleistung anzuregen. Da die Ionisation während der Pulspausen stark abnimmt, muss das Plasma mit jedem Puls neu aufgebaut oder sogar neu gezündet werden. Eine Plasmastromversorgung hoher Leistung muss gleichzeitig vor Überspannung geschützt werden. Überspannungen können auftreten, wenn ein hoher Anteil der in Richtung der Plasmaentladungsvorrichtung gelieferten Leistung von dieser zurückreflektiert wird, z.B. weil das Plasma in dieser Plasmaentladungsvorrichtung noch nicht gezündet ist. Auf der anderen Seite benötigen Plasmaentladungsvorrichtungen zum Zünden eine hohe Spannung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein Plasma in einer Plasmaentladungsvorrichtung zünden kann und zugleich im Zustand einer kontinuierlichen Plasmaentladung halten kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine HF-Plasmastromversorgung nach Anspruch 1 und einer Plasmaerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 24.
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Die HF-Plasmastromversorgung zum Zünden und zur Versorgung eines Plasmas in einer Plasmaentladungsvorrichtung mit Hochfrequenzenergie weist dabei auf:
- – zwei HF-Leistungserzeuger, ausgelegt jeweils ein HF-Leistungssignal zu erzeugen,
- – einen Leistungskoppler, dem die HF-Leistungssignale zugeführt sind und der ausgelegt ist die HF-Leistungssignale zu koppeln und auf zumindest zwei Leistungsports zu verteilen,
- – einen an den ersten dieser Leistungsports angeschlossenen Leistungsanschluss, der ausgelegt ist zur Verbindung mit einer Plasmaentladungsvorrichtung;
- – eine Steuerung, die ausgelegt ist, die HF-Leistungserzeuger und/oder den Leistungskoppler derart anzusteuern, dass die Leistung, die dem Leistungskoppler zugeführt wird, von diesem derart auf die LesitungspPorts verteilt wird, dass die Leistung, die an den einen Leistungsport geführt wird, während eines ersten Zeitintervalls größer ist als in einem zweiten Zeitintervall.
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Dabei folgt das zweite Zeitintervall dem ersten, insbesondere unmittelbar.
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Dabei folgt ferner das erste Zeitintervall auf ein Zeitintervall ohne Leistungsabgabe an den Leistungsanschluss, insbesondere unmittelbar.
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Dies kann insbesondere so erfolgen, dass ein Zünden des Plasmas in der Plasmaentladungsvorrichtung im ersten Zeitintervall erfolgen kann.
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Dies kann insbesondere ferner so erfolgen, dass im zweiten Zeitintervall das Plasma in der Plasmaentladungsvorrichtung im Zustand einer kontinuierlichen Plasmaentladung gehalten werden kann.
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Zusätzlich kann die HF-Plasmastromversorgung insbesondere zusätzlich eine an den zweiten Leistungsport angeschlossene Leistungsabfuhrvorrichtung, die ausgelegt ist, die an ihr abgegebene Leistung abzuführen, aufweisen.
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Die Leistungsabfuhrvorrichtung kann einen Widerstand aufweisen, der die an ihr abgegebene Leistung zumindest teilweise in Wärme umwandelt.
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Die Leistungsabfuhrvorrichtung kann einen Anschluss an eine DC Versorgung zur Versorgung eines oder mehrerer HF-Leistungserzeuger aufweisen. Dann kann an ihr abgegebene Leistung einem oder mehreren HF-Leistungserzeugern wieder zur Verfügung gestellt werden und die HF-Plasmastromversorgung arbeitet mit weniger Verlustwärme.
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Der Begriff „Leistung abführen“ kann demnach mehrere Bedeutungen haben, wie z.B.: „Leistung in Wärme umwandeln“, „Leistung an eine andere Stelle umleiten, und insbesondere dem Plasmaprozess auf diesem Weg zumindest teilweise wieder zuführen“, oder eine Kombination aus beiden.
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Die HF-Leistungserzeuger können ausgelegt sein, die jeweils gleiche Frequenz zu erzeugen.
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Die HF-Leistungserzeuger können ausgelegt sein, die jeweils gleiche Leistung zu erzeugen.
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Die HF-Leistungserzeuger können ausgelegt sein, die jeweils gleiche Ausgangsimpedanz aufzuweisen.
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Der Leistungskoppler kann so ausgelegt sein, dass er die Leistung in Abhängigkeit der Phasenlage der ihm zugeführten HF-Leistungssignale zueinander auf die Leistungsports verteilt.
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Der Leistungskoppler kann so ausgelegt sein, dass er die HF-Leistungssignale zu einer Leistung koppelt und diese gekoppelte Leistung am Leistungsport ausgibt, wenn die Phasenbeziehung zwischen den HF-Leistungssignale 90° (π/2) beträgt.
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Der Leistungskoppler kann so ausgelegt sein, dass er die HF-Leistungssignale zu einer Leistung koppelt und diese gekoppelte Leistung am zweiten Leistungsport ausgibt, wenn die Phasenbeziehung zwischen den HF-Leistungssignale 0° oder 180° (0 oder π) beträgt.
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Die Steuerung kann ausgelegt sein, die HF-Leistungserzeuger und/oder den Leistungskoppler derart anzusteuern, dass eine Spannungsamplitude, die an den Leistungsport geführt wird, während des ersten Zeitintervalls größer ist als in dem zweiten Zeitintervall.
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Die Steuerung kann ausgelegt sein, dass ausschließlich der Leistungskoppler gesteuert wird, um die Leistung, die an den zweiten Leistungsport geführt wird, während des ersten Zeitintervalls geringer zu halten als in dem zweiten Zeitintervall.
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Die Steuerung kann so eingerichtet sein, dass ausschließlich die HF-Leistungserzeuger, insbesondere in ihrer Phasenlage, gesteuert werden, um die Leistung, die an den zweiten Leistungsport geführt wird, während des ersten Zeitintervalls geringer zu halten als in dem zweiten Zeitintervall.
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Die Steuerung kann so eingerichtet sein, dass während des Zeitintervalls ohne Leistungsabgabe an den Leistungsanschluss auch keine Leistung an die Leistungsabfuhrvorrichtung geliefert wird.
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Die Steuerung kann so eingerichtet sein, dass die mittlere Leistung, die an die Leistungsabfuhrvorrichtung geliefert wird, auf einen vorbestimmten Wert beschränkt ist.
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Die Steuerung kann auch eine Regelung sein.
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Es kann eine Kühlvorrichtung vorgesehen sein, die die Leistungsabfuhrvorrichtung kühlt. Die Kühlvorrichtung kann zusätzlich die HF-Leistungserzeuger kühlen.
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Die HF-Plasmastromversorgung kann ausgelegt sein, das Plasma mit einer pulsierenden Hochfrequenzenergie versorgen.
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Die Hochfrequenzenergie kann oberhalb 2 MHz liegen.
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Die Hochfrequenzenergie kann unter 100 MHz liegen.
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Die Pulsfrequenz kann im Bereich 1 Hz bis 200 kHz liegen.
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Die HF-Plasmastromversorgung kann mehr als zwei HF-Leistungserzeuger aufweisen. Die von diesen HF-Leistungserzeugern erzeugten HF-Leistungssignale können mit einem oder mehreren, insbesondere kaskadiert zusammengeschalteten, Leistungskopplern zusammengeführt werden.
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Die Aufgabe kann auch durch gelöst werden mittels einer Plasmaerzeugungsvorrichtung aufweisend eine Plasmaentladungsvorrichtung und eine HF-Plasmastromversorgung mit einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmalen. Die Plasmaerzeugungsvorrichtung kann insbesondere eine Impedanzanpassung aufweisen, die zwischen Plasmaentladungsvorrichtung und HF-Plasmastromversorgung geschaltet ist.
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Die Aufgabe kann auch durch gelöst werden durch eine Vorrichtung geeignet zur Durchführung eines Verfahrens zum Zünden und zur Versorgung eines Plasmas in einer Plasmaentladungsvorrichtung mit Hochfrequenzenergie aufweisend:
- – Erzeugung von HF-Leistungssignalen in zumindest zwei HF-Leistungserzeugern,
- – Zuführen der erzeugten HF-Leistungssignale an einen Leistungskoppler, der die ihm so zugeführte Leistung auf zwei Leistungsports verteilt,
- – wobei die Leistung, die an einen ersten dieser Leistungsport geleitet wird, zumindest teilweise der Plasmaentladungsvorrichtung zugeführt wird,
- – wobei die HF-Leistungserzeuger und/oder der Leistungskoppler derart angesteuert werden, dass die Leistung, die dem Leistungskoppler zugeführt wird, von diesem derart auf die Leistungsports verteilt wird, dass die Leistung, die an den Leistungsport geführt wird, während eines ersten Zeitintervalls größer ist als in einem zweiten Zeitintervall, das auf das erste Zeitintervall, insbesondere unmittelbar, folgt,
- – wobei während des ersten Zeitintervalls ein Zünden des Plasmas in der Plasmaentladungsvorrichtung erfolgt und während des zweiten Zeitintervalls das Plasma in der Plasmaentladungsvorrichtung im Zustand einer kontinuierlichen Plasmaentladung gehalten wird.
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Insbesondere kann die Leistung, die an den zweiten Leistungsport geleitet wird, abgeführt werden.
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In den schematischen Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild einer Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer HF-Plasmastromversorgung
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2 Drei Diagramme mit Signalverläufen von Leistung und Spannung
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In der 1 ist eine Plasmaerzeugungsvorrichtung 100 mit einer HF-Plasmaversorgung 1 dargestellt, in der eine Plasmaleistung zur Versorgung einer Plasmaentladungsvorrichtung 2 erzeugt wird. Zwischen einem Leistungsanschluss 19 der Plasmaversorgung 1 und der Plasmaentladungsvorrichtung 2 ist eine optionale Impedanzanpassung 18 angeordnet. Die gezeigte HF-Plasmaversorgung 1 ist über einen Netzanschluss 3 an ein Spannungsversorgungsnetz angeschlossen, das ein- oder mehrphasig sein kann. Der Netzanschluss 3 kann als Steckkontakt ausgebildet sein. Der Netzanschluss 3 ist mit Gleichstromversorgungen 4, 5 verbunden. Diese sind jeweils einem HF-Leistungserzeuger 6, 7 zugeordnet und versorgen diesen jeweils mit einem Gleichstrom oder einer Gleichspannung. Alternativ kann auch eine gemeinsame Gleichstromversorgung für beide HF-Leistungserzeuger 6, 7 vorgesehen sein. Durch die HF-Leistungserzeuger 6, 7 wird jeweils ein HF-Leistungssignal generiert, welches einem Leistungskoppler 8 zugeführt wird, der hier insbesondere als 90°-Hybrid ausgebildetes Koppelglied ausgebildet ist. Die HF-Leistungssignale werden in dem Leistungskoppler 8 zu einer gekoppelten HF-Leistung gekoppelt. Der Leistungskoppler 8 teilt die gekoppelte HF Leistung auf einen Leistungsport 9 und einen zweiten Leistungsport 11 auf. Eine der Plasmaentladungsvorrichtung 2 zuzuführende Plasmaleistung wird an den ersten Leistungsport 9 gegeben. Eine einer Leistungsabfuhrvorrichtung 10 zuzuführende Ausgleichsleistung wird an den zweiten Leistungsport 11 gegeben. Je nach Phasenlage der HF-Leistungssignale wird die gekoppelte HF-Leistung unterschiedlich auf die Leistungsports 9, 11 aufgeteilt. Eine nahezu vollständige Weitergabe der gekoppelten HF-Leistung an den ersten Leistungsport 9 erfolgt, wenn die HF-Leistungssignale der HF-Generatoren 6, 7 um 90° phasenversetzt sind. Der erste Leistungsport 9 ist mit dem Leistungsanschluss 19 verbunden.
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Die HF-Plasmaversorgungseinrichtung 1 weist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 12 auf, die die Gleichstromversorgungen 4, 5, die HF-Leistungserzeuger 6, 7 und/oder den Leistungskoppler 8 regeln und/oder steuern kann. Die Steuerung und/oder Regelung erfolgt dabei derart, dass beim Betrieb der HF-Plasmaversorgungseinrichtung für eine Plasmaleistung, die im Bereich zwischen einer unteren Leistungsgrenze und einer vorgegebenen Nennleistung liegt, der überwiegende Teil der gekoppelten HF-Leistung an den ersten Leistungsport 9 und somit die Plasmaentladungsvorrichtung 2 gegeben wird und nur ein unwesentlicher Teil der gekoppelten HF-Leistung an die Leistungsabfuhrvorrichtung 10 gegeben wird. In diesem Betriebsbereich werden auch die HF-Leistungserzeuger 6, 7 zwischen ihrer unteren Leistungsgrenze und ihrer Nennleistung betrieben. Zu diesem Zweck kann der Signalpegel an den Ausgängen der HF-Leistungserzeuger 6, 7 durch eine Steuerung beziehungsweise Regelung der Gleichstromversorgungen 4, 5 eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich können die HF-Leistungserzeuger 6, 7, die als im Schaltbetrieb arbeitende HF-Leistungserzeuger ausgebildet sind, im Wege eines Phase-Shift-Verfahrens angesteuert werden, um den Pegel der HF-Leistungssignale zu beeinflussen.
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Beim Betrieb der HF-Plasmaversorgungseinrichtung 1 in einem Leistungsbereich unterhalb der unteren Leistungsgrenze können die HF-Leistungserzeuger 6, 7 durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 12 derart angesteuert werden, dass die HF-Leistungssignale eine Phasenlage aufweisen, bei der ein überwiegender Teil der gekoppelten HF-Leistung an die Leistungsabfuhrvorrichtung 10 gegeben wird und nur ein geringerer Teil der gekoppelten HF-Leistung an die Plasmaentladungsvorrichtung 2 gegeben wird.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind Messeinrichtungen 13, 14, 15 zur Erfassung von eine HF-Leistung beschreibenden Größen vorgesehen, die die Größen an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 12 übergeben, so dass eine Regelung einer oder mehrerer HF-Leistungen ermöglicht wird. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 12 weist im Ausführungsbeispiel eine erste Steuerung 16 auf, die zur Steuerung der Plasmaleistung und der Ausgleichsleistung in einem Leistungsbereich zwischen der unteren Leistungsgrenze und der Nennleistung verwendet wird und eine zweite Steuerung 17, die für die Leistungsregelung in einem darunter liegenden Leistungsbereich verwendet wird. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 12 weist eine dritte optionale Steuerung 17a zur Steuerung des Leistungskopplers 8 auf. Alternativ oder zusätzlich zur Ansteuerung der HF-Leistungserzeuger 6, 7 kann auch der Leistungskoppler 8 angesteuert werden, um die HF-Leistungserzeuger 6, 7 und/oder den Leistungskoppler 8 derart anzusteuern, dass die Leistung, die an den zweiten Leistungsport 11 geführt wird, während eines ersten Zeitintervalls 21 geringer ist als in einem zweiten Zeitintervall 22, so dass ein Zünden des Plasmas in der Plasmaentladungsvorrichtung 2 im ersten Zeitintervall 21 erfolgen kann und im zweiten Zeitintervall 22 das Plasma in der Plasmaentladungsvorrichtung im Zustand einer kontinuierlichen Plasmaentladung gehalten werden kann.
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In 2 sind drei Signalverläufe dargestellt. Im obersten Diagramm ist der Leistungssignalverlauf 24 am Leistungsport 9 dargestellt. Die Leistung am ersten Leistungsport 9 ist im ersten Zeitintervall 21 größer als im zweiten Zeitintervall 22. Im Zeitintervall 23 vor dem ersten Zeitintervall 21 wird keine Leistung am Leistungsport 9 abgegeben. Damit wird Zeitintervall 23 vor dem ersten Zeitintervall 21 auch keine Leistung am Leistungsanschluss 19 abgegeben.
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Im mittleren Diagramm ist der Leistungssignalverlauf 25 am zweiten Leistungsport 11 dargestellt. Die Leistung am zweiten Leistungsport 11 ist im ersten Zeitintervall 21 geringer als im zweiten Zeitintervall 22. Insbesondere ist die Leistung am zweiten Leistungsport 11 im ersten Zeitintervall 21 gleich Null. Damit wird im ersten Zeitintervall 21 auch keine Leistung an die Leistungsabfuhrvorrichtung 10 abgegeben. Im Zeitintervall 23 vor dem ersten Zeitintervall 21 wird keine Leistung am zweiten Leistungsport 11 abgegeben. Damit wird im Zeitintervall 23 vor dem ersten Zeitintervall 21 auch keine Leistung an die Leistungsabfuhrvorrichtung 10 abgegeben.
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Prinzipiell sind hier viele Abwandlungen möglich, von denen nur einige im Folgenden beispielhaft erläutert werden, ohne in Figuren dargestellt zu sein:
- – Die Leistung am zweiten Leistungsport 11 kann im ersten Zeitintervall 21 geringer als im zweiten Zeitintervall 22 aber größer als Null sein.
- – Die Leistung am ersten Leistungsport 9 kann im zweiten Zeitintervall 22 variieren gemäß einem gepulsten HF-Signal, das zwischen mehreren Leveln einer Ausgangsleistung pulsiert.
- – Die Leistung am zweiten Leistungsport 11 kann ebenfalls im zweiten Zeitintervall 21 variieren gemäß einem gepulsten HF-Signal das zwischen mehreren Leveln einer Ausgangsleistung pulsiert.
- – Die Leistung am ersten Leistungsport 9 kann im zweiten Zeitintervall 22 variieren gemäß einem Modulationssignal, das sein Level kontinuierlich mit und ohne Sprünge ändert.
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Im unteren Diagramm ist der Spannungssignalverlauf 26 am Leistungsport 9 dargestellt. Die Amplitude der Spannung am Leistungsport 9 ist im ersten Zeitintervall 21 geringer als im zweiten Zeitintervall 22. Insbesondere ist die Amplitude der Spannung am Leistungsport 9 im ersten Zeitintervall 21 groß genug, um das Plasma zünden zu können. Im Zeitintervall 23 vor dem ersten Zeitintervall 21 wird keine Spannung am Leistungsport 9 angelegt. Damit wird im Zeitintervall 23 vor dem ersten Zeitintervall 21 auch keine Spannung an die Leistungsabfuhrvorrichtung 10 abgelegt. Die Leistungsabfuhrvorrichtung 10 kann einen Widerstand aufweisen, der geeignet ist, die der Leistungsabfuhrvorrichtung 10 zugeführte Leistung zumindest teilweise in Wärme umzuwandeln. Der Widerstand kann so dimensioniert sein, dass keine Leistung von der Leistungsabfuhrvorrichtung 10 zurück zum Leistungskoppler 8 reflektiert wird.
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Leistungsabfuhrvorrichtung kann die ihr zugeführte Leistung zumindest teilweise auf einer Verbindungsleitung 31 den die HF-Leistungserzeugern 6, 7 zurückführen. Dazu kann die Leistungsabfuhrvorrichtung 10 weiter Bauteile aufweisen, wie beispielsweise Diode(n), Gleichrichter, Transformator(en), elektronische Schalter, z.B. Transistoren, DC/DC-Wandler, Impedanzanpassungsglied(er), Induktivität(en), Kapazität(en). Die der HF-Leistungsabfuhrvorrichtung 10 zugeführte Leistung ist eine HF Leistung. Sie kann in eine DC-Leistung umgewandelt werden und an die Verbindung der Gleichstromversorgung(en) 4, 5 mit den HF-Leistungserzeugern 6, 7 eingespeist werden. An dieser Stelle kann ein Kondensator angeordnet sein.
