DE4112590A1 - Verfahren und einrichtung zur hochfrequenzversorgung zur verwendung in einer plasmavorrichtung - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur hochfrequenzversorgung zur verwendung in einer plasmavorrichtung

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    • H03H7/38Impedance-matching networks

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Hochfrequenzversorgung zur Verwendung in einer Plasmavorrich­ tung.

Bei einer Plasmavorrichtung ist allgemein eine Elektrode in einer Reaktionskammer angeordnet, und eine HF-Stromversorgung ist über eine Anpassungseinheit mit der Elektrode verbunden. Dabei soll die Anpassungseinheit die Impedanz der HF-Strom­ versorgung und die Impedanz des in der Reaktionskammer er­ zeugten Plasmas aneinander anpassen und besteht aus einem konzentrierten Konstantkreis.

Die Anpassungseinheit und die Elektrode in der Reaktionskam­ mer sind über ein Versorgungskabel miteinander verbunden. Wenn aber die elektrische Länge des Versorgungskabels ver­ nachlässigbar kurz ist, wenn das Kabel also beispielsweise kürzer als ca. 25 cm ist, kann die Elektrode im wesentlichen direkt an die Ausgangsseite der Anpassungseinheit angeschlossen werden, wobei eine wirksame Übertragung von elektrischer Energie weiterhin möglich ist. In Wirklichkeit ist es jedoch wegen der Innen- und Außenkonstruktion der Reaktionskammer schwierig, die Anpassungseinheit nahe der Elektrode anzuordnen, und in einem solchen Fall ist die elektrische Länge des Versorgungskabels nicht ausreichend kurz, um vernachlässigbar zu sein. Wenn also die Anpas­ sungseinheit nicht nahe genug an der Elektrode angeordnet sein kann, werden durch Reflexion im Versorgungskabel ste­ hende Wellen hervorgerufen, die Energieverluste im Versor­ gungskabel nehmen zu, und der Energieübertragungswirkungsgrad wird verringert.

Zur Verminderung des Stehwellenverhältnisses im Versorgungs­ kabel wird herkömmlicherweise eine Vielzahl von Koaxialkabeln 3, die als Versorgungskabel dienen, parallel so angeordnet, daß einer Elektrode 2 im einen Plasmaraum 1 elektrische Ener­ gie von einer Anpassungseinheit 4 zugeführt wird (Fig. 11).

Unter der Annahme, daß die Induktivität und die Kapazität des Koaxialkabels je Längeneinheit L0 bzw. C0 sind, kann die cha­ rakteristische Impedanz oder der Wellenwiderstand Zc des Ka­ bels durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Zc = (L₀/C₀)1/2 [1].

Wenn eine Anzahl N solcher Kabel parallel zueinander geschal­ tet sind, ist die Induktivität L0/N, die Kapazität ist NC0, und der Wellenwiderstand Zc1 ist gegeben durch:

Zc₁ = {(L₀/N)/NC₀}1/2 = Zc/N [2].

Wenn beispielsweise zwei Koaxialkabel mit dem Wellenwider­ stand von 50 Ω parallel zueinander geschaltet sind, ist der Wellenwiderstand 25 Ω. Durch Verbinden einer Vielzahl von Koaxialkabeln in Parallelschaltung ist es also möglich, den Wert des Wellenwiderstandes des Versorgungskabels nahe an den Wert der Plasma-Impedanz heranzubringen.

Da aber die Plasma-Impedanz eine kapazitive Last ist, ist die perfekte Durchführung der Anpassung mit dem obigen Verfahren schwierig, und es besteht das Problem, daß im Versorgungska­ bel stehende Wellen auftreten und den Energieübertragungswir­ kungsgrad verringern.

Aufgabe der Erfindung ist die Lösung der vorgenannten Pro­ bleme unter Angabe eines Verfahrens und einer Einrichtung zur Hochfrequenzversorgung zur Verwendung in einer Plasmavorrich­ tung, wobei eine wirksame Übertragung von elektrischer Ener­ gie von einer HF-Stromversorgung zu einer Elektrode in der Plasmavorrichtung erfolgen kann.

Das Verfahren nach der Erfindung zur Hochfrequenzversorgung umfaßt die Schrittte: Übertragen von Hochfrequenzenergie von einer HF-Stromversorgung zu einer Elektrode in einer Plasma­ vorrichtung durch ein Versorgungskabel, Beseitigen des kapa­ zitiven Anteils der Impedanz des in der Plasmavorrichtung er­ zeugten Plasmas, Angleichen des Widerstandsanteils der Plasma-Impedanz an den Wellenwiderstand des Versorgungska­ bels, und Anpassen des Wellenwiderstands des Versorgungska­ bels und der Plasma-Impedanz aneinander.

Die Vorrichtung nach der Erfindung zur Hochfrequenzversorgung einer Elektrode in einer Plasmavorrichtung umfaßt eine HF- Stromversorgung zur Erzeugung von Hochfrequenzenergie; ein Versorgungskabel, das die HF-Stromversorgung mit der Elek­ trode in der Plasmavorrichtung verbindet; und eine Anpas­ sungseinrichtung zur Anpassung des Wellenwiderstands des Ver­ sorgungskabels und der Plasma-Impedanz aneinander durch Be­ seitigen des kapazitiven Anteils der Impedanz des in der Plasmavorrichtung erzeugten Plasmas und zum Angleichen des Widerstandsanteils der Plasma-Impedanz an den Wellenwider­ stand des Versorgungskabels.

Dabei kann die Anpassungseinrichtung aus wenigstens einem mit dem Versorgungskabel verbundenen Abzweigkabel oder aus einem Phasenschieberkreis mit drei an das Versorgungskabel ange­ schlossenen Abzweigungen bestehen.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbei­ spiels der Hochfrequenz-Versorgungseinrichtung ge­ mäß der Erfindung für eine Plasmavorrichtung;

Fig. 2 eine Erläuterung des Prinzips des ersten Ausfüh­ rungsbeispiels,

Fig. 3 ein Smithsches Leitungsdiagramm zur Erläuterung des Betriebs des ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 eine Erläuterung des Prinzips einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbei­ spiels der Erfindung;

Fig. 6 ein Schaltbild eines Phasenschieberkreises im zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 7 ein Schaltbild eines 90°-Phasenschiebers in dem Phasenschieberkreis von Fig. 6;

Fig. 8 ein Vektordiagramm des 90°-Phasenschiebers von Fig. 7;

Fig. 9 und 10 Schaltbilder, die das Prinzip eines verstellbaren Phasenschiebers in dem Phasenschieberkreis von Fig. 6 zeigen; und

Fig. 11 ein Blockschaltbild eines Hauptteils einer her­ kömmlichen Einrichtung zur Hochfrequenzversorgung.

Nach Fig. 1 ist ein Paar von Entladungselektroden 12 in einem Plasmaraum 11 einer Plasmavorrichtung 10 angeordnet, und ein Ende P eines Versorgungskabels 13, das ein Koaxialkabel ist, ist an die Elektroden 12 angeschlossen. An das andere Ende Q des Versorgungskabels 13 ist eine HF-Stromversorgung 15 über eine Anpassungseinheit 14 angeschlossen, die aus einem kon­ zentrierten Konstantkreis besteht. Ein aus einem Koaxialkabel bestehendes Abzweigkabel 16 mit einer Länge l2, dessen Vor­ derende kurzgeschlossen ist, ist mit einem Abschnitt des Ver­ sorgungskabels 13 verbunden, der von dem einen Ende P des Koaxialkabels um eine Länge l1 beabstandet ist. Das Abzweig­ kabel 16 bildet eine Anpassungseinrichtung.

Fig. 2 erläutert das Prinzip dieses Ausführungsbeispiels. Da­ bei ist eine Plasma-Impedanz Zp als Last an ein Ende eines Versorgungskabels 23 angeschlossen, und ein Kabel 26, dessen Vorderende kurzgeschlossen ist und das die Länge l2 hat, ist mit einem Teil des Versorgungskabels 23 verbunden, der vom Lastende einen Abstand l1 aufweist. Z0 ist der Wellenwider­ stand des Versorgungskabels 23.

Wenn in einem HF-Versorgungskabel eine Reflexion auftritt, ändert sich die Impedanz Zl des Versorgungskabels im allge­ meinen in Abhängigkeit von der elektrischen Länge des Kabels und wird wie folgt ausgedrückt:

Zl = Z₀(Zp+jZ₀ tan βl)/(Z₀+jZp tan βl)

= Z₀(Zp+j tan βl)/(1+jZp tan βl) (3).

Dabei ist jedoch zp die normierte Plasma-Impedanz, und βl ist die aus der Kabellänge l vom Lastende des Versorgungska­ bels 23 umgerechnete elektrische Länge und bezeichnet einen phasenwert.

Die obige Gleichung (3) kann unter Anwendung der Admittanz in die folgende Gleichung (4) umgeschrieben werden:

yl = 1/Zl

= (1/Z₀)(Z₀+jZp tan βl)/(Zp+jZ₀ tan βl)

= Y₀{1+j(1/yp) tan βl}/{(1/yp)+j tan βl}

= Y₀(yp+j tan βl)/(1+jyp tan βl) [4].

Dabei ist jedoch yl die Admittanz für die elektrische Länge βl, Y0 ist die Admittanz des Versorgungskabels, und yp ist die normierte Admittanz der Plasma-Impedanz.

Die Gleichungen (3) und (4) sind durch das Smithsche Lei­ tungsdiagramm von Fig. 3 verdeutlicht. Dieses kann sowohl als Impedanz- als auch als Admittanz-Diagramm dienen. Wenn man gemäß Fig. 3 annimmt, daß die Impedanz zp, die durch Normie­ ren der Plasma-Impedanz Zp mit dem Wellenwiderstand Z0 des Versorgungskabels gebildet ist, der Punkt a1 ist, so ent­ spricht der Punkt a2, der am Punkt a1 um 180° gedreht wird, der normierten Admittanz yp. Dann wird der Punkt a2 weiter in Richtung zur Stromversorgung gedreht und erreicht den Punkt b1 auf einer Konduktanzlinie, wobei die Admittanz den Wert G = 1 hat.

Dann wird der Punkt b1 entlang der Konduktanzlinie zu einem Anpassungspunkt b2 verschoben, an dem die Admittanz G = 1 gilt. Unter der Annahme, daß der Imaginärteil +jx ist, wird, da die Admittanz des Punktes b1 durch 1+jx dargestellt ist, der Punkt b1 zum Punkt b2 verschoben, indem man die Admit­ tanz -jx mit entgegengesetztem Vorzeichen zum Punkt b1 in einer Reihe verschiebt, und dann kann die Anpassung durch­ geführt werden.

Im Smithschen Diagramm bewirkt eine Halbwelle eine Drehung um 360°. Daher sind die Länge l1 vom Lastende des Versorgungs­ kabels 23 in Fig. 2 und die Länge l2 des Kabels 26 mit kurz­ geschlossenem Vorderende so vorgegeben, daß der Phasenwin­ kel R1 der Bewegung vom Punkt a2 zum Punkt b1 bzw. der Pha­ senwinkel R2 der Bewegung vom Punkt b1 zum Punkt b2 wie folgt sind:

R₁ = 2βl₁ [5]

R₂ = 2βl₂ [6].

Infolgedessen wird der Punkt a1 zum Anpassungspunkt b2 ver­ schoben, der kapazitive Anteil der Plasma-Impedanz Zp wird entfernt, und der Widerstandsanteil der Plasma-Impedanz Zp wird an den Wellenwiderstand Z0 des Versorgungskabels ange­ glichen. Das heißt also, daß der Wellenwiderstand Z0 des Ver­ sorgungskabels 23 und die Plasma-Impedanz Zp vollständig an­ gepaßt sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist die in Fig. 2 ge­ zeigte Schaltung mit Koaxialkabeln gebildet. Die elektrische HF-Energie wird von der HF-Stromversorgung 15 zu den Elektro­ den 12 in der Plasmavorrichtung 10 durch die Anpassungsein­ heit 14 und das Versorgungskabel 13 übertragen. Vorher wird das Innere des Plasmaraums 11 bereits mit einem Reaktionsgas gefüllt, das einen vorbestimmten Druck hat. Infolgedessen wird in dem Plasmaraum 11 ein Plasma 17 erzeugt.

Zu diesem Zeitpunkt wird der kapazitive Anteil der Impedanz des Plasmas 17 durch das an das Versorgungskabel 13 ange­ schlossene Abzweigkabel 16 entfernt, und der Widerstandsan­ teil der Impedanz des Plasmas 17 wird an den Wellenwiderstand des Versorgungskabels 13 angeglichen. Somit sind der Wellen­ widerstand des Versorgungskabels 13 und die Impedanz des Plasmas 17 aneinander angepaßt. Daher wird der Übertragungs­ wirkungsgrad der HF-Energie erhöht, und die Intensität des Plasmas 17 kann gesteigert werden.

Als Versorgungskabel 13 kann anstelle des Koaxialkabels auch eine verkupferte Schaltbrücke dienen.

Wenn gemäß Fig. 4 ein paralleles Abzweigkabel durch das An­ schließen von drei Kabeln an das Versorgungskabel 23 gebildet ist, die jeweils ein kurzgeschlossenes Vorderende 26 1-26 3 in Abständen von 1/4 Wellenlänge (1/4λ) voneinander haben, kann eine Anpassung an jede Plasma-Impedanz Zp erfolgen, und zwar ungeachtet der Stelle, an der das Abzweigkabel mit dem Ver­ sorgungskabel 23 verbunden ist.

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild des zweiten Ausführungsbei­ spiels. Dabei ist anstelle des Abzweigkabels 16 von Fig. 1 ein Phasenschieberkreis 31 als Anpassungseinrichtung mit dem Versorgungskabel 13 verbunden. Der Phasenschieberkreis 31 um­ faßt zwei 90°-Phasenschieber 32, die jeweils Viertelwellenka­ beln entsprechen, sowie drei von 0-180° variabel verstellbare Phasenschieber 33, die jeweils Abzweigleitungen veränderli­ cher Länge entsprechen. Wie Fig. 6 zeigt, besteht dabei der 90°-Phasenschieber 32 aus einem Π-Kreis mit einer Induktivi­ tät und zwei Kapazitäten, und der verstellbare Phasenschie­ ber 33 besteht aus einem Phasenschieber mit Gleitverstellung der Induktivität und der Kapazität.

Der Aufbau eines Π-Kreises, der jeden der 90°-Phasenschie­ ber 32 bildet, ist in Fig. 7 gezeigt, wobei der Wellenwider­ stand RΩ ist. Kondensatoren 35 bzw. 36 mit der Kapazität C/2 sind an beide Enden einer Spule 34 mit der Induktivität L an­ geschlossen. Wenn man in diesem Π-Kreis annimmt, daß Ein­ gangsspannung und -strom V1 und I1, Spannung und Strom der Spule 34 VL und IL, Ausgangsspannung und -strom V2 und I2, die durch die Kondensatoren 35 und 36 fließenden Ströme IC1 und IC2 sind und der Phasenwinkel R ist, dann haben diese Komponenten zueinander die im Vektordiagramm von Fig. 8 ge­ zeigte Beziehung. Wenn man ferner die Winkelfrequenz mit ω annimmt, so erhält man die folgenden Gleichungen:

ωL = |VL | / | IL |

= 2 · | V₂ | · sin (R/2)/ | I₂ | · cos (R/2)

= 2 R · sin (R/2) cos (R/2)

= R · sin R [7]

ωC/2 = | IC2 | / | V₂ |

= | I₂ | · tan (R/2)/ | V₂ |

= (1/R) tan (R/2) [8].

Wenn die Frequenz 13,56 MHz, R = 90° und R = 50 Ω ist, so findet man L und C auf der Grundlage der Gleichungen (7) und (8) wie folgt:

L = 0,705 µH
C = 470 pF.

Wenn daher der Π-Kreis von Fig. 7 durch die Spule 34, deren Induktivität L den Wert 0,705 µH hat, und die Kondensatoren 35 und 36, deren Kapazität C/2 den Wert 235 pF hat, gebildet ist, wird ein 90°-Phasenschieber mit R = 50 Ω erhalten.

Dagegen kann bei jedem der verstellbaren Phasenschieber 33 ein kurzgeschlossener Schleifer 38 auf einer Spule 37 ver­ schoben werden, deren Vorderende offen ist, wie Fig. 9 zeigt; oder aber ein Schleifer 40 kann auf einer Spule 39 entlang­ schleifen, deren Vorderende kurzgeschlossen ist, wie Fig. 10 zeigt. Da bei verstellbaren Phasenschiebern 33 dieser Art die Induktivität und die Kapazität durch gleitende Verschiebung verstellt werden, sind die Induktivität und die Kapazität pro Längeneinheit aus den obigen Gleichungen [7] und [8] bei ei­ ner Auflösung von 1-2° des Phasendrehwinkels R gegeben. Fer­ ner kann als verstellbarer Phasenschieber 33 jeweils ein han­ delsüblicher Leistungsverzögerungskreis verwendet werden.

Durch die Kombination aus zwei der oben beschriebenen 90°- Phasenschieber 32 und drei der oben beschriebenen verstellba­ ren Phasenschieber 33 gemäß Fig. 5 wird der Phasenschieber­ kreis 31 gebildet, der ebenso wie die Anpassungseinrichtung mit den drei Abzweigkabeln gemäß Fig. 4 wirkt. Wenn das parallele Abzweigkabel von Fig. 4 im Frequenzbereich von 13,56 MHz, der häufig zur Erzeugung von Plasma verwendet wird, gebildet ist, wird die jeweilige Länge der Kabel, die jeweils ein kurzgeschlossenes Vorderende 26 1-263 haben, grö­ ßer, und die Hochfrequenz-Versorgungseinrichtung muß größer gemacht werden. Allerdings kann der Phasenschieberkreis 31 beim zweiten Ausführungsbeispiel kleiner gemacht werden. Au­ ßerdem ist es möglich, den Phasenschieberkreis 31 in die HF- Stromversorgung 15 von Fig. 5 einzubauen und die außerhalb angeordnete Anpassungseinheit 14 wegzulassen. Dadurch kann die Hochfrequenz-Versorgungseinrichtung noch kleiner gemacht werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Hochfrequenzversorgung zur Verwendung in einer Plasmavorrichtung, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  • - Übertragen von Hochfrequenzenergie von einer HF-Strom­ versorgung durch ein Versorgungskabel zu einer Elek­ trode in der Plasmavorrichtung; und
  • - Anpassen des Wellenwiderstands des Versorgungskabels und der Impedanz des in der Flasmavorrichtung erzeugten Plasmas durch Entfernen des kapazitiven Anteils der Plasma-Impedanz und Angleichen des Widerstandsanteils der Plasma-Impedanz an den Wellenwiderstand des Versor­ gungskabels.
2. Einrichtung zur Hochfrequenzversorgung zur Verwendung in einer Plasmavorrichtung unter Zuführen von HF-Energie zu einer Elektrode (12) in der Plasmavorrichtung, gekennzeichnet durch
  • - eine HF-Stromversorgung (15) zur Erzeugung der Hochfre­ quenzenergie;
  • - ein Versorgungskabel (13) zum Verbinden der HF- Stromversorgung (15) mit der Elektrode (12) in der Plasmavorrichtung; und
  • - eine Anpassungseinrichtung (16) zur Anpassung des Wel­ lenwiderstands des Versorgungskabels (13) und der Impe­ danz des in der Plasmavorrichtung erzeugten Plasmas un­ ter Entfernen des kapazitiven Anteils der Plasma-Impe­ danz und Angleichen des Widerstandsanteils der Plasma- Impedanz an den Wellenwiderstand des Versorgungskabels.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungseinrichtung wenigstens ein mit dem Ver­ sorgungskabel (13) verbundenes Abzweigkabel (16) auf­ weist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungseinrichtung eine parallele Abzweiglei­ tung ist, die drei Kabel mit jeweils einem kurzgeschlos­ senen Vorderende (26 1-26 3) umfaßt, die an das Versor­ gungskabel (23) in Abständen von jeweils 1/4 Wellenlänge voneinander angeschlossen sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungseinrichtung ein Phasenschieberkreis (31) ist, der drei an das Versorgungskabel (13) ange­ schlossene Abzweigleitungen aufweist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieberkreis (31) folgendes aufweist: zwei 90°-Phasenschieber (32), die jeweils in Reihe an das Versorgungskabel (13) angeschlossen sind, einen ersten und einen zweiten verstellbaren Phasenschie­ ber (33), die an das Versorgungskabel angeschlossen sind und die beiden 90°-Phasenschieber (32) einschließen, und einen dritten verstellbaren Phasenschieber (33), der zwischen den beiden 90°-Phasenschiebern (32) an das Ver­ sorgungskabel angeschlossen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die 90°-Phasenschieber (32) jeweils aus einem Π-Kreis mit einer Induktivität und zwei Kapazitäten be­ stehen.
8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbaren Phasenschieber (33) jeweils eine Spule (37) mit offenem Vorderende und einen auf der Spule verschiebbaren Schleifer (38) aufweisen.
9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbaren Phasenschieber (33) jeweils eine Spule (39) mit kurzgeschlossenem Vorderende und einen auf der Spule verschiebbaren Schleifer (40) aufweisen.
10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbaren Phasenschieber jeweils aus einem Leistungsverzögerungskreis bestehen.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Versorgungskabel ein Koaxialkabel ist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Versorgungskabel eine verkupferte Schaltbrücke ist.
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