DE3942560A1 - Hochfrequenz-generator fuer einen plasma erzeugenden verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Generator für einen Plasma erzeugenden Verbraucher, mit einer Energiequelle für den Verbraucher.

Für die Spannungsversorgung von Plasma erzeugenden Ver­ brauchern, z. B. Plasmakammern zum Ätzen, Sputtern o. dgl. oder CO₂-Leistungslasern, aber auch zur Spannungsversorgung von Spulen industrieller Heizungs­ systeme werden Hochfrequenz-Generatoren eingesetzt, die eine Ausgangsspannung mit einer Frequenz zwischen 50 kHz und 50 MHz liefern. Bei diesen Spannungsquellen handelt es sich um Leistungsgeneratoren mit einer Aus­ gangsleistung zwischen 0,5 und einigen kW, deren Aus­ gangsspannungen unter anderem eine der sogenannten ISM- Frequenzen (Industrial, Scientific, Medical Frequencies, 13,56 MHz, 27,12 MHz und 40,68 MHz) auf­ weisen. Um eine optimale Leistungsübertragung vom Hoch­ frequenz-Generator zum Verbraucher zu erzielen, muß die Impedanz des Verbrauchers konjugiert komplex zum Innen­ widerstand des Generators sein. Typischerweise beträgt der Innenwiderstand eines Hochfrequenz-Generators 50 Ω. Die von 50 Ω abweichende Lastimpedanz des Verbrauchers wird über ein Anpassungsnetzwerk (sogenannte Matchbox) transformiert (Leistungsanpassung). Das Anpassungsnetz­ werk besteht aus passiven reaktiven Bauelementen, er­ zeugt also keine Verlustleistung (im Idealfall). Mit diesen Anpassungsnetzwerken ist jedoch eine Leistungs­ anpassung stets nur für eine einzige Frequenz möglich; ändert sich also die Frequenz, muß die Matchbox neu eingestellt werden. Ferner ist die Impedanz-Transfor­ mation mit den Anpassungsnetzwerken nicht linear. Da der Verbraucher (das Plasma) bezüglich seiner Impedanz nicht konstant ist, ist optimale Leistungsübertragung nicht möglich. Die Nachstellung der Matchbox an die jeweilige Lastimpedanz ist schaltungstechnisch kom­ pliziert und aufwendig. Hierzu ist nämlich ein Sensor bzw. Richtkoppler erforderlich, der die vom Verbraucher reflektierte Welle erfaßt und über ein dieser Welle entsprechendes Signal die passiven Bauelemente der Matchbox nachstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hoch­ frequenz-Generator für einen Plasma erzeugenden Ver­ braucher zu schaffen, bei dem ohne Zwischenschaltung eines Anpassungsnetzwerks nahezu die volle elektrische Leistung zum Verbraucher übertragen wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorge­ sehen, zwischen die Energiequelle und den Verbraucher mindestens einen durch ein hochfrequentes Steuersignal gesteuerten elektronischen Schalter mit dualem Schalt­ verhalten zu schalten, an den der Verbraucher leitungs­ frei angeschlossen ist.

Die Endstufe des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Genera­ tors ist mit einem elektronischen Schalter mit dualem Schaltverhalten versehen, der von einem Hochfrequenz- Steuersignal getaktet ist, also mit Hochfrequenz ein- und ausgeschaltet wird. Das Steuersignal ist dabei der­ art bemessen, daß der elektronische Schalter sich ent­ weder im EIN- oder im AUS-Zustand befindet. Dieser elektronische Schalter ist leitungsfrei an den Ver­ braucher angeschlossen. Leitungsfrei im Sinne der Er­ findung bedeutet, daß die Hochfrequenzleitung zwischen dem Schalter und dem Verbraucher eine ein- oder beid­ endige Anpassung nicht aufweist. Bei der Verbindung zwischen dem Schalter und dem Verbraucher kann es sich also auch um einen einfachen elektrischen Leiter handeln. Der Verbraucher ist also direkt, d. h. ohne Zwischenschaltung eines Anpassungsnetzwerkes mit dem Schalter verbunden. Vorteilhafterweise ist der Schalter im Verbraucher integriert.

Durch das hochfrequente Ein- und Ausschalten des elek­ tronischen Schalters wird an den Anschlußklemmen des Hochfrequenz-Generators eine hochfrequente Wechsel­ spannung erzeugt. An dem niederohmigen elektronischen Schalter fällt im EIN-Zustand nahezu keine elektrische Verlustleistung an; die Höhe der Verlustleistung des Generators wird durch den Innenwiderstand der Energie­ quelle bestimmt, der ebenfalls sehr gering ist (deut­ lich unter 50 Ω liegt). Der erfindungsgemäße Hoch­ frequenz-Generator besitzt also einen äußerst geringen Innenwiderstand, verursacht also praktisch keine Ver­ lustleistung, weshalb eine sehr gute Leistungsübertra­ gung auch ohne Anpassungsnetzwerk erreicht wird. Diese gute Leistungsübertragung ist bei allen Frequenzen ge­ geben.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als elektronischer Schalter ein MOSFET-Transistor eingesetzt, der durch ein von einer Steuerschaltung erzeugtes Rechteck-Steuersignal gesteuert ist. Der MOSFET-Transistor zeichnet sich bei entsprechender Dimensionierung durch einen extrem niedrigen EIN- Widerstand in der Größenordnung von 0,2 bis 1 Ω aus, d. h. der Innenwiderstand des elektronischen Schalters des Hochfrequenz-Generators ist deutlich geringer als 50 und auch kleiner als derjenige industrieller Plasma- und Laserlasten, deren Impedanzen betragsmäßig 5 bis 100 betragen.

Vorteilhafterweise liegt die Frequenz des Rechteck-Aus­ gangssignals im Bereich zwischen 1 und 100 MHz bei An­ stiegs- bzw. Abfallzeiten unter 2 ns. Infolge der extrem kleinen Anstiegs- bzw. Abfallzeiten des Recht­ eck-Ausgangssignals befindet sich der MOSFET-Transistor nur für eine praktisch vernachlässigbare Zeitspanne in seinen (Transientenübergangs-) Teilleitzuständen, wird also nahezu wie ein idealer Schalter betrieben. Wird ein Rechteck-Steuersignal verwendet, dessen Frequenz zwischen 1 und 50 MHz und dessen Anstiegs- bzw. Abfall­ zeit zwischen 2 und 5 ns beträgt, sind die durch die internen MOSFET-Kapazitäten und die Teilleitzustände bedingten Verlustleistungen des MOSFET während der Schaltprozesse praktisch zu vernachlässigen.

Vorteilhafterweise wird als Energiequelle eine Gleich­ spannungsquelle eingesetzt. Die Gleichspannungsquelle hat den Vorteil eines relativ geringen Innenwider­ standes.

Vorzugsweise sind zwei oder vier MOSFET-Transistoren vorgesehen, die als Halb- oder Vollbrücken-Schaltung angeordnet und im Gegentaktbetrieb bzw. paarweise im Gegentaktbetrieb ansteuerbar sind.

Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbei­ spiele der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Hoch­ frequenz-Generators mit einem einzigen elektro­ nischen Schalter, der im Takt der Hochfrequenz einen Verbraucher mit der Versorgungsspannung beaufschlagt,

Fig. 2 schematisch die Verbindung eines Stripline- MOSFET-Transistors geringer Impedanz mit dem Verbraucher und

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Hoch­ frequenz-Generators mit zwei als Halbbrücken­ schaltung angeordneten im Gegentaktbetrieb an­ gesteuerten elektronischen Schaltern, die im Takt der Hochfrequenz den Verbraucher mit der positiven bzw. negativen Versorgungsspannung beaufschlagen.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Hoch­ frequenz-Generators 10 dargestellt. Der Hochfrequenz- Generator weist eine innenwiderstandsbehaftete Gleich­ spannungsquelle 12 auf, deren Innenwiderstand mit der Bezugsziffer 14 gekennzeichnet ist. Die Gleichspannungs­ quelle 12, deren einer Anschluß mit Masse verbunden ist, liefert hinter dem Innenwiderstand 14 die positive Versorgungsspannung (Klemmenspannung) +U_B. Zwischen dem Innenwiderstand 14 und Masse sind der Plasma erzeugende Verbraucher 16, beispielsweise ein CO₂-Laser oder eine Sputter-Anlage, und ein sogenannter Power-MOSFET-Tran­ sistor 18 geschaltet. Der eine Anschluß des Ver­ brauchers 16 ist mit dem Innenwiderstand 14 verbunden, während der andere Anschluß über einen elektrischen Leiter 20 mit der Drain-Elektrode 22 des MOSFET-Tran­ sistors 18 verbunden ist. Der Verbraucher 16 ist also zwischen das Spannungspotential +U_B und dem MOSFET- Transistor 18 geschaltet. Bei dem elektrischen Leiter 20 handelt es sich um eine gewöhnliche Leitung, die weder ein- noch beidseitig angepaßt ist. Die Source- Elektrode 24 des MOSFET-Transistors 18 ist an Masse gelegt, während die Gate-Elektrode 26 mit dem Ausgang einer (in Fig. 1 schematisch als Block dargestellten) Steuerschaltung 28 elektrisch verbunden ist. Parallel zu der Reihenschaltung aus Verbraucher 16 und MOSFET- Transistor 18 ist ein Kondensator 30 geschaltet, der die Spannungsquelle hinter dem Innenwiderstand gegen Masse abblockt. Die Steuerschaltung 28 liefert an ihrem Ausgang ein hochfrequentes Rechteck-Steuersignal zum Steuern des MOSFET-Transistors 16. Die Frequenz des Rechteck-Signals beträgt 13,56, 27,12 oder 40,68 MHz (ISM-Frequenz), wobei die Anstiegs- und Abfallzeiten des Rechteck-Signals etwas 2 bis 5 ns betragen. Die Steuerschaltung 28 hat einen extrem niedrigen Innen­ widerstand (0,2 bis 1 Ω), um die hohe Gate-Kapazität des MOSFET-Transistors 18 in wenigen ns umladen zu können. Infolge der Anordnung des Verbrauchers 16 zwischen dem positiven Spannugnspotential +U_B und dem MOSFET-Transistor 18 liegt dessen Source-Elektrode 24 direkt an Masse. Die Steuerspannung für die Gate- Elektrode 26 des MOSFET-Transistors 18 muß um ca. 15 V größer sein als die Spannung an der Source-Elektrode 24. Bei an Masse liegender Source-Elektrode 24 braucht die Gate-Spannung also lediglich etwa 15 V zu betragen, damit der MOSFET-Transistor 18 durchschaltet. Damit muß die Gate-Spannung wesentlich niedriger sein, als in dem Fall, in dem der Verbraucher 16 zwischen Masse und MOSFET-Transistor 18 geschaltet ist.

Der Hochfrequenz-Generator 10 liefert eine Ausgangs­ leistung, die zwischen 0,5 und einigen kW liegt. Die Versorgungsspannung +U_B beträgt einige 100 Volt, so daß der MOSFET-Transistor 18 Ströme in der Größenordnung von 10 Ampere und mehr ein- und ausschalten muß. Zu diesem Zweck muß der MOSFET-Transistor 18 als Leistungstransistor ausgebildet sein. Die für diese Zwecke erforderlichen Transistoren sind am Markt er­ hältlich. Diese Leistungstransistoren weisen eine extrem geringe Eigeninduktivität auf, die jedoch noch zu groß ist, um Ströme von etlichen Ampere im ns- Bereich zu schalten. Um die Eigeninduktivität weiter herabzusetzen, sind die Drain-, Source- und Gate- Elektroden des MOSFET-Transistors 18 über jeweils mehrere Bonddrähte mit den entsprechenden Transistor­ gehäuse-Anschlüssen verbunden. Ferner sind an der Source-Elektrode 24 der Steuer- und Laststromkreis auf­ geteilt, d. h. der MOSFET-Transistor 18 weist eine dem Steuerstromkreis zugeordnete Source-Elektrode und eine dem Verbraucherstromkreis zugeordnete Source-Elektrode auf. Ferner weist der MOSFET-Transistor 18 eine soge­ nannte Stripline-Low-Impedanz-Struktur und eine induk­ tionsverhindernde interne Leitungsführung auf.

Als elektrische Verbindung zwischen dem MOSFET-Transis­ tor 18 und der Last 16 dient der elektrische Leiter 20, der, da ein Anpassungsnetzwerk nicht erforderlich ist, weder eine ein- noch eine beidendige Anpassung auf­ weist. Vorteilhafterweise ist der Schalter integraler Bestandteil des Verbrauchers.

Die Verbindung des in Stripline-Low-Impedanz-Struktur ausgebildeten MOSFET-Transistors 18 mit dem Verbraucher 16 einerseits und der Steuerschaltung 28 andererseits ist in Fig. 2 dargestellt. Das Gehäuse 17 des MOSFET- Transistors 18 weist einen Gate-Anschluß 26′ mit Strip­ line geringer Impedanz auf, der elektrisch mit der das Hochfrequenz-Ansteuersignal für den MOSFET-Transistor 18 liefernden Steuerschaltung verbunden ist. Ferner ist am Gehäuse 17 ein Drain-Anschluß 22′ mit Stripline ge­ ringer Impedanz vorgesehen, an dem über den elek­ trischen Leiter 20 der Verbraucher 16 angeschlossen ist. Der andere Anschluß des Verbrauchers 16 ist, wie auch in Fig. 1 gezeigt, mit dem positiven Spannungs­ potential +U_B verbunden, das über den Kondensator 30 gegen Masse abgeblockt ist. Die Source-Elektrode 24 des MOSFET-Transistors 18 ist in eine Steuerstromkreis- und eine Verbraucherstromkreis-Elektrode aufgeteilt. Am Gehäuse 17 sind zwei "gateseitige" Source-Anschlüsse 25, 25′ vorgesehen, die beide mit der dem Steuerstrom­ kreis zugeordneten gateseitigen Source-Elektrode ver­ bunden sind, und zwei "drainseitige" Source-Anschlüsse 23, 23′ vorgesehen, die mit der dem Verbraucherstrom­ kreis zugeordneten Source-Elektrode verbunden sind. Sämtliche Source-Anschlüsse 23, 23′,25, 25′ sind an Masse gelegt, wobei die gateseitigen Source-Anschlüsse 25, 25′ zusätzlich mit der Steuerschaltung 28 (genauer gesagt mit deren Massepotential) verbunden sind. Auf der den Drain-Anschluß 22′ mit dem Verbraucher 16 verbindenden Leitung 20 liegt die Hochleistungs- und Hochfrequenz- Rechteckversorgungsspannung an, was in Fig. 2 ent­ sprechend angedeutet ist.

Infolge der extrem geringen Anstiegs- und Abfallzeiten des Rechteck-Steuersignals der Steuerschaltung 28 be­ findet sich der MOSFET-Transistor 18 entweder im (lei­ tenden) EIN-Zustand oder im (sperrenden) AUS-Zustand. Die Zeiträume, in denen sich der MOSFET-Transistor 18 in seinen Übergangs- oder Teilleitzuständen befindet, sind derart gering, daß die in diesen Zuständen auf­ tretenden Verlustleistungen vernachlässigt werden können. Ebenso vernachlässigbar sind die durch die internen MOSFET-Kapazitäten bedingten Verlustleistungen beim Schaltprozeß selbst. Im EIN-Zustand erzeugt der MOSFET-Transistor 18 also die Verlustleistung I²R_DSON′ wobei I den Strom und R_DSON den Widerstand des MOSFET- Transistors 18 zwischen dessen Drain- und Source-Elek­ troden bezeichnet. Durch Verwendung eines genügend großflächigen Power-MOSFET-Transistors kann der Wider­ stand R_DSON bis auf Werte im Bereich von 0,2 bis 1 Ω reduziert werden. Damit ist der Innenwiderstand des MOSFET-Transistors 18 deutlich geringer als der Innen­ widerstand herkömmlicher Hochfrequenz-Generatoren, aber auch deutlich geringer als der Widerstand industrieller Plasma- und Laserverbraucher. Der Innenwiderstand des Hochfrequenz-Generators 10 gemäß Fig. 1 setzt sich zu­ sammen aus dem Innewiderstand 14 der Gleichspannungs­ quelle 12 und dem Widerstand R_DSON. Der Innenwiderstand 14 einer Gleichspannungsquelle ist aber relativ gering, so daß der Hochfrequenz-Generator 10 insgesamt einen nur geringen Innenwiderstand aufweist. Aufgrund des geringen Innenwiderstandes, insbesondere in Bezug auf den Widerstand bzw. die Impedanz der mit dem Hoch­ frequenz-Generator 10 betriebenen Verbraucher ist eine Leistungsanpassung nicht erforderlich. Denn auch ohne diese Leistungsanpassung ergibt sich bei dem Hoch­ frequenz-Generator 10 eine sehr gute Leistungsübertra­ gung zum Verbraucher 16, da praktisch keine Verlust­ leistung an dem MOSFET-Transistor 18 entsteht.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Hochfrequenz- Generators 31 ist in Fig. 3 dargestellt. Dieser Hoch­ frequenz-Generator 31 weist eine Gleichspannungsquelle 32 mit einem Innenwiderstand 34 auf. Die Gleichspan­ nungsquelle liefert an ihren beiden Klemmen gegenüber Masse die positive und die negative Versorgungsspannung +U_B bzw. -U_B. Beide Versorgungsspannungspotentiale sind über jeweils einen Kondensator 35 gegen Masse abge­ blockt. Zwischen den beiden Gleichspannungspotentialen der Gleichstromquelle 32 sind zwei elektronische Schal­ ter in Form der MOSFET-Transistoren 36 und 38 geschal­ tet. Die Verbindungsleitung 40 für die beiden MOSFET- Transistoren 36, 38 ist über den Verbraucher 42 mit Masse verbunden. Die positive Versorgungsspannung +U_B liegt an der Drain-Elektrode 44 des MOSFET-Transistors 36 an, dessen Source-Elektrode 46 über die Leitung 40 mit der Drain-Elektrode 48 des MOSFET-Transistors 38 verbunden ist. An der Source-Elektrode 50 des MOSFET- Transistors 38 liegt die negative Versorgungsspannung -U_B.

Die Gate-Elektroden 52, 54 der MOSFET-Transistoren 36, 38 sind mit einer Steuerschaltung 56 elektrisch verbunden, die zwei um 180° phasenverschobene Rechteck-Ausgangs­ signale zum Ansteuern der beiden MOSFET-Transistoren 36, 38 im Gegentaktbetrieb erzeugt. Über die beiden MOSFET-Transistoren 36, 38, die beide als EIN-/AUS- Schalter betrieben werden, wird die Last 42 abwechselnd mit der positiven und der negativen Versorgungsspannung +U_B bzw. -U_B beaufschlagt. Die Eigenschaften der MOSFET-Transistoren 36, 38 und der Steuerschaltung 56 entsprechen dem MOSFET-Transistor 18 und der Steuer­ schaltung 28 des im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebe­ nen Hochfrequenz-Generators 10.

Claims (7)

1. Hochfrequenz-Generator für einen Plasma erzeugen­ den Verbraucher (16; 42), mit einer Energiequelle für den Verbraucher (16; 42), dadurch gekennzeichnet, daß mit der Energiequelle (12; 32) mindestens ein durch ein hochfrequentes Steuersignal gesteuerter elektronischer Schalter (18; 36, 38) mit dualem Schaltverhalten verbunden ist und daß der Ver­ braucher (16; 42) leitungsfrei an den Schalter (18; 36, 38) anschließbar ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter ein MOSFET-Transis­ tor (18; 36, 38) ist, der durch ein von einer Steuerschaltung (28; 56) erzeugtes Rechteck-Steuer­ signal gesteuert ist.

3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechteck-Steuersignal eine Frequenz zwischen 1 und 100 MHz aufweist.

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz zwischen 1 MHz und 50 MHz bei Anstiegs- sowie Abfallzeiten zwischen 2 ns und 5 ns beträgt.

5. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Energiequelle eine Gleichspannungsquelle (12; 32) ist.

6. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Energiequelle (32) und Verbraucher (42) zwei in einer Halb­ brücken-Schaltung angeordnete im Gegentaktbetrieb ansteuerbare MOSFET-Transistoren (36, 38) geschal­ tet sind.

7. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Energiequelle und Verbraucher vier in Vollbrücken-Schaltung an­ geordnete, paarweise im Gegentaktbetrieb ansteuer­ bare MOSFET-Transistoren geschaltet sind.