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Leistungsversorgungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenzleistungssignals für ein Plasma und ein Plasmasystem mit einer solchen.
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Die Erfindung betrifft eine Leistungsversorgungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen HF-Leistungssignals für ein Plasma, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Leistungsversorgungseinrichtung.
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Impedanzanpassungsnetzwerke werden verwendet, um die Impedanz einer Last an die Impedanz eines Leistungsgenerators anzupassen.
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Impedanzanpassungsnetzwerke werden häufig bei HF-angeregten Plasmaprozessen verwendet. Die Frequenzen liegen typischerweise bei 1 MHz oder darüber. HFangeregte Plasmaprozesse werden beispielsweise zum Beschichten (Sputtern) und/oder Ätzen von Substraten, in der Fertigung von Architekturglas, Halbleitern, Photovoltaikelementen, Flachbildschirmen, Displays, etc. eingesetzt. Die Impedanzen in solchen Prozessen ändern sich häufig sehr schnell, weshalb die Impedanzanpassung oftmals sehr schnell (innerhalb weniger Millisekunden oder weniger) angepasst werden sollte. Die elektrische Leistung, mit der solche Prozesse üblicherweise versorgt werden, liegt bei einigen 100 W, zum Beispiel 300 W und größer, nicht selten aber auch bei einem Kilowatt oder mehr, oftmals auch bei 10 kW und mehr. Bei solchen Leistungen beträgt die Spannung innerhalb der Impedanzanpassungsanordnungen oftmals mehrere 100 V, zum Beispiel 300 V und mehr, nicht selten auch 1000 V und mehr. Die Ströme in solchen Schaltungen können einige Ampere, häufig 10 A und mehr, mitunter auch 100 A und mehr betragen. Impedanzanpassungsnetzwerke bei solchen Spannungen und Strömen zu realisieren, stellte schon immer eine große Herausforderung dar. Die schnelle Veränderbarkeit von Reaktanzen in solchen Impedanzanpassungsnetzwerken stellt eine zusätzliche sehr hohe Herausforderung dar. Beispiele solcher Impedanzanpassungsnetzwerke sind zum Beispiel in der
DE 10 2015 220 847 A1 oder in der
DE 20 2020 103 539 U1 offenbart.
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Üblicherweise werden Impedanzanpassungsnetzwerke verwendet, um die Impedanz der Last auf 50 Ohm zu transformieren. Um Aussagen über die Qualität der Impedanzanpassung zu erhalten, wird häufig der Betrag der mittleren reflektierten Leistung ermittelt und als Indikator für die Qualität des Anpassvorgangs herangezogen. Gleichzeitig dient der Betrag der mittleren reflektierten Leistung als Stabilitätskriterium für das Plasma. Bei gepulsten Anwendungen treten zu Beginn und Ende jedes Pulses Ein- und Ausschwingvorgänge auf, die trotz stabilem Plasmaprozess und bestmögliche Anpassung zu reflektierter Leistung führen.
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Aufgabe der vollen Erfindung ist es daher, eine Leistungsversorgungseinrichtung bereitzustellen, bei der eine zuverlässigere Aussage über die Qualität des Anpassvorgangs getroffen werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Leistungsversorgungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen HF-Leistungssignals für ein Plasma, mit einem Leistungsgenerator und einer mit dem Leistungsgenerator verbundenen Impedanzanpassungsanordnung, wobei die Leistungsversorgungseinrichtung eingerichtet ist, eine Impedanzgröße, insbesondere am Eingang der Impedanzanpassungsanordnung oder am Ausgang des Leistungsgenerators, zu bestimmen, eine impedanzbasierte Qualitätskennzahl in einem vorgegebenen Zeitraum zu ermitteln und insbesondere für eine weitere Verarbeitung und/oder Verwendung auszugeben.
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Eine Impedanzgröße kann dabei eine komplexe Impedanz, ein komplexer Reflektionsfaktor, Betrag und Phase einer Impedanz oder daraus abgeleitete Werte sein, beispielsweise eine Admittanz oder eine normierte Impedanz. Grundsätzlich ist es denkbar, als Impedanzgröße eine komplexe oder zweidimensionale reelle Größe zu erfassen. Insbesondere, wenn es sich um ein integriertes System handelt, in dem Impedanzanpassungsanordnung und Leistungsgenerator vereint sind, ist es vorteilhaft, wenn die Impedanzgröße am Ausgang des Leistungsgenerators erfasst wird.
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Im Gegensatz zu einer mittleren reflektierten Leistung wird die impedanzbasierte Qualitätskennzahl in einem vorgegebenen Zeitraum ermittelt. Der vorgegebene Zeitraum kann so gewählt werden, dass Ein - und Ausschwingvorgänge nicht in die Ermittlung der impedanzbasierten Qualitätskennzahl eingehen. Somit kann eine aussagekräftige Qualitätskennzahl für den Anpassvorgang ermittelt werden. Bei der impedanzbasierten Qualitätskennzahl kann es sich um eine dimensionslose Größe handeln.
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Die Leistungsversorgungseinrichtung kann eingerichtet sein, als impedanzbasierte Qualitätskennzahl einen Impedanzmittelwert, besondere einen geometrischen Mittelwert, einen geometrischen Schwerpunkt, arithmetischen Mittelwert oder Median der gemessenen Impedanzgrößen zu ermitteln. Insbesondere ein geometrischer Mittelwert kann auf besonders einfache Art und Weise ermittelt werden.
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Die Leistungsversorgungseinrichtung kann eingerichtet sein, eine Stellgröße der Impedanzanpassungsanordnung so zu erzeugen, dass die Qualitätskennzahl einen vorgegebenen Wert einnimmt. Die Impedanzanpassungsanordnung kann somit auf Grundlage der Qualitätskennzahl eine Impedanzanpassung vornehmen. Beispielsweise kann über eine Stellgröße eine veränderbare Reaktanz der Impedanzanpassungsanordnung so eingestellt werden, dass Impedanzanpassung erfolgt.
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Falls die Impedanzanpassungsanordnung nicht verstellbar ist, ist denkbar, aufgrund der ermittelten Qualitätskennzahl, die vom Leistungsgenerator ausgegebene Leistung zu variieren, um zu einer besseren Qualitätskennzahl und somit besseren Impedanzanpassung zu gelangen. Beispielsweise kann die Frequenz des HF-Leistungssignals verändert werden.
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Die Leistungsversorgungseinrichtung kann eingerichtet sein, aufgrund der Qualitätskennzahl eine bewertete reflektierte Leistung zu ermitteln. Bei einer bewerteten reflektierten Leistung handelt es sich um eine Größe, die ein Benutzer beurteilen und einordnen kann, da er daran gewöhnt ist. Die ermittelte bewertete reflektierte Leistung, im Folgenden auch (virtuelle) reflektierte Leistung genannt, entspricht nicht der tatsächlichen (messbaren) reflektierten Leistung. Die ermittelte bewertete reflektierte Leistung kann ebenfalls als Qualitätskennzahl aufgefasst werden.
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Die Impedanzanpassungsanordnung kann eine Messeinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, die Qualitätskennzahl zu ermitteln. Somit kann eine direkte Ermittlung der Qualitätskennzahl erfolgen.
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Alternativ ist es denkbar, dass die Impedanzanpassungsanordnung einen Regler aufweist, der eingerichtet ist, die Qualitätskennzahl zu ermitteln. Insbesondere kann durch einen Integrationsteil eines Reglers die erfasste Impedanzgröße über einen Zeitraum implizit gemittelt werden. Der Regler dient dabei dazu, die Qualitätskennzahl möglichst auf einen Sollwert anzupassen bzw. zu regeln.
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Die Qualitätskennzahl kann an den Leistungsgenerator ausgegeben werden. Es ist dadurch möglich, dass der Generator mit einer erfassten Vorwärtsleistung die bewertete (virtuelle) reflektierte Leistung ermitteln kann. Insbesondere, wenn ein Regelalgorithmus für die Anpassung nicht konvertiert, führt dies zu einer hohen reflektierten Leistung. Üblicherweise dient deshalb die reflektierte Leistung als Maß dafür, ob die Regelung bzw. Anpassung erfolgreich war. Bei transienten Impedanzen, insbesondere bei hohen Pulsfrequenzen, stimmt dies jedoch nicht. Es tritt auch reflektierte Leistung auf, wenn der Regel-Algorithmus die bestmögliche Anpassung erreicht hat. Die Qualitätskennzahl, insbesondere ein geometrischer Mittelwert der Impedanzgröße, dient erfindungsgemäß dazu, eine bewertete (virtuelle) reflektierte Leistung zu errechnen. Diese kann anstelle oder zusätzlich zu der tatsächlich reflektierten Leistung angezeigt werden und bietet somit eine gewohnte und bekannte Größe für den Benutzer.
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Die Qualitätskennzahl kann beispielsweise als analoges Signal ausgegeben werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn eine Anzeigevorrichtung zur Ausgabe der ermittelten bewerteten reflektierten Leistung vorgesehen ist.
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Der Leistungsgenerator kann eingerichtet sein, eine erzeugte (Vorwärts-)Leistung zu messen. Diese gemessene erzeugte Leistung kann verwendet werden, um die bewertete (virtuelle) reflektierte Leistung zu ermitteln.
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Der vorgegebene Zeitraum kann so bestimmt werden, dass ein maximaler Energietransfer in das Plasma erfolgt, ohne die ermittelte bewertete (virtuelle) reflektierte Leistung zu beeinflussen. Insbesondere kann der Zeitraum kürzer sein als die Pulsdauer. Weiterhin kann der Zeitraum so gewählt werden, dass der Pulsbeginn außerhalb des Zeitraums liegt.
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In den Rahmen Erfindung fällt außerdem ein Verfahren zum Betrieb einer Leistungsversorgungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz (HF-)Leistungssignals für ein Plasma, wobei eine Impedanzgröße, insbesondere am Eingang einer Impedanzanpassungsanordnung oder am Ausgang eines Leistungsgenerators bestimmt wird, eine impedanzbasierte Qualitätskennzahl in einem vorgegebenen Zeitraum ermittelt wird und die impedanzbasierte Qualitätskennzahl ausgegeben wird. Insbesondere kann die impedanzbasierte Qualitätskennzahl für eine weitere Verwendung oder Verarbeitung ausgegeben werden. Die impedanzbasierte Qualitätskennzahl kann als digitales oder analoges Signal ausgegeben werden.
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Als impedanzbasierte Qualitätskennzahl kann ein Impedanzmittelwert, insbesondere ein geometrischer Mittelwert, ein geometrischer Schwerpunkt, ein arithmetischer Mittelwert oder Median der gemessenen Impedanzgrößen ermittelt werden.
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Eine Stellgröße für die Impedanzanpassungsanordnung kann so erzeugt werden, dass die Qualitätskennzahl einen vorgegebenen Wert einnimmt.
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Aufgrund der Qualitätskennzahl kann eine bewertete (virtuelle) reflektierte Leistung ermittelt werden. Bei der bewerteten (virtuellen) reflektierten Leistung handelt es sich um eine anhand der Qualitätskennzahl berechnete Leistung im Unterschied zu einer gemessenen tatsächlichen reflektierten Leistung.
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Die Qualitätskennzahl kann direkt in der Messeinrichtung ermittelt werden oder indirekt durch einen Regler der Impedanzanpassungsanordnung.
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Die Qualitätskennzahl kann an den Leistungsgenerator ausgegeben werden. Aufgrund der Qualitätskennzahl kann im Leistungsgenerator die (virtuelle) reflektierte Leistung ermittelt werden. Die bewertete reflektierte Leistung kann an einer Anzeigevorrichtung ausgegeben werden.
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Der vorgegebene Zeitraum kann so bestimmt werden, dass ein maximaler Energietransfer in das Plasma erfolgt, ohne die ermittelte bewertete (virtuelle) reflektierte Leistung zu beeinflussen.
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In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Plasmasystem mit einer Leistungsversorgungseinrichtung wie zuvor beschreiben und einer Plasmaprozessvorrichtung, insbesondere HF-angeregten Plasmaprozessvorrichtung, also einer Vorrichtung zum Durchführen von Plasmaprozessen. Die Plasmavorrichtung dient bevorzugterweise zum Beschichten (Sputtern) und/oder Ätzen von Substraten. Sie ist vorzugsweise zur Verwendung in der Fertigung von Architekturglas, Halbleitern, Photovoltaikelementen, Flachbildschirmen oder Displays geeignet.
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Die Hochfrequenz des Hochfrequenzleistungssignals kann bei 1 MHz oder darüber liegen.
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Die elektrische Leistung, die zu Versorgung des Plasmaprozess notwendig ist, und für dessen Lieferung die Leistungsversorgungseinrichtung ausgelegt ist, kann bei 300 W und größer, insbesondere bei 1 Kilowatt und mehr liegen.
- - Die Plasmaprozessvorrichtung kann zum Anschluss von weiteren Leistungsversorgungen ausgelegt sein, davon können beispielsweise eine oder mehrere der Folgenden eingesetzt werden: HF-Leistungsversorgung mit der gleichen oder anderen Hochfrequenz.
- - DC Leistungsversorgung, insbesondere gepulste DC Leistungsversorgung
- - MF Leistungsversorgung mit Frequenzen unterhalb 1 MHz.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
- 1 zeigt eine Leistungsversorgungseinrichtung,
- 2a-2d zeigen anhand von Admittanzebenen die Vorgehensweise zur Ermittlung einer Qualitätskennzahl;
- 3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Ermittlung einer Qualitätskennzahl.
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Die 1 zeigt eine Leistungsversorgungseinrichtung 1 mit einem Leistungsgenerator 2 zur Erzeugung eines (gepulsten) elektrischen HF- Leistungssignals, beispielsweise bei 60 MHz. Der Leistungsgenerator 2 weist einen Ausgang 3 auf, der über ein HF-Kabel 4 mit einem Eingang 5 einer Impedanzanpassungsanordnung 6 verbunden ist. Die Impedanzanpassungsanordnung 6 ist mit einer Last 7 verbunden. Der Leistungsgenerator 2 und die Impedanzanpassungsanordnung 6 sind weiterhin über eine Signalverbindung 8 miteinander verbunden. Die Last 7 kann ein Plasma eines Plasmaprozesses, insbesondere eines HF-angeregten Plasmaprozesses, beispielsweise zum Beschichten (Sputtern) und/oder Ätzen von Substraten, in der Fertigung von Architekturglas, Halbleitern, Photovoltaikelementen, Flachbildschirmen, Displays, sein.
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Die Impedanzanpassungsanordnung 6 dient dazu, die Impedanz der Last 7 an die Impedanz des Leistungsgenerators 2 am Eingang 3 anzupassen. Der Leistungsgenerator 2 kann dazu eingerichtet sein, die gepulste HF- Leistung an die Last 7 zu liefern. Da sich die Impedanz der Last 7, insbesondere, wenn es sich dabei um ein Plasma handelt, häufig und schnell ändern kann, bestehen besondere Anforderungen an die Impedanzanpassungsanordnung 6, die Impedanz der Last 7 an die Impedanz des Leistungsgenerators 2 anzupassen.
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Im Bereich des Eingangs 5 der Impedanzanpassungsanordnung 6 kann eine Messeinrichtung 10 vorgesehen sein, um eine Impedanzgröße zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann im Bereich des Ausgangs 3 des Leistungsgenerators 2 eine Messeinrichtung 11 vorgesehen sein, um eine Impedanzgröße zu erfassen. Bei der Impedanzgröße kann es sich um eine komplexe Impedanz, komplexen Reflektionsfaktor, Betrag und Phase der Impedanz, etc. handeln. Aufgrund dieser erfassten Impedanzgröße kann in einem vorgegebenen Zeitraum eine impedanzbasierte Qualitätskennzahl ermittelt werden, die eine Aussage darüber trifft, wie gut die Impedanzanpassung ist.
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Dies soll anhand der 2 erläutert werden. Die 2a zeigt die Trajektorie 15 (den zeitlichen Verlauf) der Impedanz der Last 7 während eines Hochfrequenzpulses des Leistungsgenerators 2. Es ist zu sehen, dass sich die Impedanz der Last 7 während des Pulses stark ändert.
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Anhand der 2b ist zu erkennen, dass der erste Abschnitt 15a, der dem Pulsanfang entspricht, für die Ermittlung der Qualitätskennzahl nicht berücksichtigt wird, also quasi ausgeblendet wird. Berücksichtigt wird nur der zweite Abschnitt 15b der Trajektorie 15.
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In der 2c ist zu erkennen, dass diskrete Impedanzpunkte 16, d.h. die Impedanzgröße zu unterschiedlichen Zeitpunkten, die auf dem Abschnitt 15b der Trajektorie 15 liegen, durch eine der Messeinrichtungen 10, 11 gemessen werden. Anhand der 2d ist zu erkennen, dass als impedanzbasierte Qualitätskennzahl 17 ein geometrischer Schwerpunkt ermittelt wird.
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Ein Regler 13 der Impedanzanpassungsanordnung 6 kann so mit einer Stellgröße versorgt werden, dass die Qualitätskennzahl 17 minimiert wird, und somit eine bessere Anpassung erfolgt.
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Weiterhin kann die Qualitätskennzahl 17 verwendet werden, um eine bewertete (virtuelle) reflektierte Leistung zu berechnen. Dazu kann die Qualitätskennzahl beispielsweise über die Signalverbindung 8 an den Leistungsgenerator 2 ausgegeben werde, sodass dort eine bewertete (virtuelle) reflektierte Leistung durch die Ermittlungseinrichtung 14 ermittelt werden kann.
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Die 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Schritt 100 werden Impedanzgrößen gemessen. Im Schritt 101 wird eine impedanzbasierte Qualitätskennzahl aus der über einen vorgegebenen Zeitraum gemessenen Impedanzgröße ermittelt. Im Schritt 102 wird die impedanzbasierte Qualitätskennzahl ausgegeben, sodass diese weiter verarbeitet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015220847 A1 [0004]
- DE 202020103539 U1 [0004]
