Hintergrund der Erfindung:
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Diese Erfindung betrifft regelbare Hochfrequenz-Stromgeneratoren, und
zwar insbesondere Regelschaltungen, die die Erzeugung der HF-Energie bei
einer vorbestimmten Frequenz über einen Bereich unterschiedlicher
Leistungspegel ermöglichen.
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HF-Stromgeneratoren werden häufig in Industrie- und Herstellungsverfahren
verwendet, beispielsweise zur Lieferung von HF-Energie für die Erzeugung
eines Plasmas für Sputter-Beschichtungs- oder Sputter-Ätz-Anwendungen in
der Halbleiterindustrie. In vielen Fällen muß die angelegte Leistung
ziemlich präzise geregelt werden zur genauen Regelung der Beschichtungsrate.
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Bei der Beschichtungs- oder Sputtertechnik zum Beispiel wird das
Verfahren mit Hochfrequenzenergie betrieben, welche typischerweise bei einer
Frequenz von 13,56 MHz bei Pegeln von mehreren Watt bis zu mehreren
Kilowatt geliefert wird. Typischerweise ist ein HF-Generator vorhanden,
der an die Plasma-Kammer über ein Anpassungsnetzwerk angeschlossen ist.
Ein typischer HF-Stromgenerator verwendet eine Analog-Regelschleife, um
in einem wesentlichen Teil des Ausgangsleistungsbereichs ein schnelles
Ansprechen mit angemessener Genauigkeit zu erreichen. Meistens wird die
Ausgangsleistung (vorwärts und reflektiert) unter Verwendung einer
Stehwellen-Verhältnis-Brückenschaltung (VSWR bridge) oder eines
Richtungskopplers gemessen, um eine Rückkopplungsspannung zu erzeugen, welche
dann durch eine Schaltung zur Umwandlung in Rechteckwellen (squaring
circuit) gespeist wird, um ein Signal zu liefern, das zu der
Ausgangsleistung proportional ist. Dieses wird dann mit einer Regelspannung
abgeglichen, die einem Bedarfsleistungspegel entspricht. Der Verstärkungsgrad des
Stromgenerators wird reguliert, bis der gemessene Leistungspegel und der
Leistungsbedarfspegel ausgeglichen sind. Jedoch kann aufgrund von
Ungenauigkeiten in der Stehwellen-Verhältnis-Brückenschaltung zur Messung
der Ausgangsleistung, insbesondere bei geringeren Leistungspegeln, die
Genauigkeit unzulässig gering sein. Daher wird seit langem ein verbessertes
Rückkoppelsystem angestrebt, bei dem die HF-Ausgangsleistung derart
geregelt wird, daß sie linear dem Gleichstrom-Leistungsbedarf oder der
Regelspannung folgt.
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Es wurde die Anwendung digitaler Techniken zur Erzielung hoher
Genauigkeitsgrade vorgeschlagen. Mit einem digitalen System ist es möglich, die
Nichtlinearität der Meßschaltung auszugleichen. Jedoch neigt ein digitales
System dazu, ziemlich langsam zu sein, und erfordert mehrere
Arbeitsschritte, um einer bedeutenden Änderung der Regelspannung zu folgen.
Andererseits ist ein Hochgeschwindigkeits-Digitalsystem ziemlich
kostspielig und komplex und schwierig zu konstruieren. Somit würde ein
digitales Rückkoppelsystem, auch wenn es ideal erscheint, durch seine hohen
Kosten und Komplexität eher nicht als passende Alternative in Frage
kommen.
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Es war auf diesem Gebiet nicht möglich, einen höheren Genauigkeitsgrad
mit Analog-Rückkopplung zu erzielen und eine hohe Genauigkeit bei
angemessenen Kosten und ohne Verzicht auf die
Hochgeschwindigkeits-Korrektureigenschaften der Analog-Regelung zu erreichen.
Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung:
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Dementsprechend besteht die Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung
einer verbesserten Regelung der Ausgangsleistung eines
HF-Stromgenerators unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik.
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Konkreter besteht die Aufgabe in der Schaffung einer Analog-Regelschleife,
die von einer sehr präzisen digitalen Korrekturschaltung unterstützt wird,
um sowohl a) den Vorteil der hohen Geschwindigkeit einer
Analog-Regelschleife als auch b) den Vorteil der hohen Genauigkeit der digitalen
Regelung zu erreichen.
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Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung wird eine digitale
Ausgleichs-Hilfsschaltung in Verbindung mit einer
Analog-Rückkopplungsschaltung zur Regelung des HF-Ausgangsenergiepegels eines HF-Generators
vorgesehen. Die digitale Ausgleichs-Hilfsschaltung umfaßt Analog-Digital-
Wandler mit Eingängen, welche zur Aufnahme der gemessenen
Leistungsspannung (von der Meßschaltung abgegebene elektrische Spannung) und der
Leistungsbedarfsspannung (mit der Leistungsregelspannung
übereinstimmend) angeschlossen sind. Diese Wandler liefern digitale Darstellungen der
gemessenen Leistungsbedarfsspannung an ein digitales Regelelement, wel
ehes eine Mikroprozessoreinheit umfassen kann. Ein digitales Regelelement
ermittelt aufgrund der digitalen Darstellungen der gemessenen
Leistungsund der Leistungsbedarfsspannung einen digitalen Korrekturfaktor. Ein
Digital-Analog-Wandler ist an das digitale Regelelement angeschlossen und
liefert eine dem digitalen Korrekturfaktor entsprechende
Korrekturspannung. Diese Korrekturspannung wird dann in einer Summierschaltung mit
der Leistungsbedarfsspannung und der von der Analog-Regelschleife
gelieferten Regelspannung kombiniert. Das digitale Regelelement ermittelt den
digitalen Korrekturfaktor derart, daß die Nichtlinearitäten in der
Meßschaltung bei deren Messung der HF-Ausgangsenergie ausgeglichen werden. Auf
diese Weise wird die Genauigkeit bei der Regelung der
HF-Ausgangsleistung in bezug auf die Leistungsbedarfsspannung beträchtlich erhöht. In
einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das digitale Regelelement einen
Nurlese-Speicher (Read-Only-Memory = ROM), in welchem eine Anzahl
vorbestimmter abrufbarer Werte des digitalen Korrekturfaktors für minde
stens einige bestimmte Werte im Bereich der gemessenen Leistungsspannung
gespeichert sind. Für weitere, dazwischenliegende gemessene Werte umfaßt
das digitale Regelelement die Funktion, zwischen aufeinanderfolgenden
Werten unter diesen vorbestimmten abrufbaren Werten zu interpolieren.
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Die oben genannte und zahlreiche weitere Aufgaben, Eigenschaften und
Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
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Fig. 1 ist ein schematischer Schaltplan eines regelbaren
HF-Stromgenerators, welcher eine digitale Ausgleichs-Hilfsschaltung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt.
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Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der
digitalen Ausgleichs-Hilfsschaltung dieser Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Wie sich aus den Zeichnungen, und zwar zunächst aus Fig. 1, ergibt,
besteht ein HF-Stromgenerator 10 im wesentlichen aus einer Gruppe von
Elementen, welche eine HF-Kleinsignalquelle 12 zur Erzeugung einer
typischerweise bei 13,56 MHz liegenden Hochfrequenz umfassen. Mit
diesem HF-Signal wird ein Hochfrequenz-Leistungsverstärker 14 über eine
Dämpfungsschaltung 16 zur Regelung der Leistung des von dem Verstärker
14 ausgegebenen Ausgangssignals gespeist. Die Dämpfungsschaltung 16 hat
einen Regeleingang, an den eine Regeleinheit, hier ein Verstärker 18 mit
unbegrenztem Verstärkungsfaktor (infinite gain), angeschlossen ist. Ein an
den Eingangsanschluß des Verstärkers 18 angelegtes Rückkopplungssignal
reguliert die Ausgangsleistung der von dem Verstärker 14 abgegebenen HF-
Energie.
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In Fig. 1 wird ebenfalls eine Meßschaltung 20 gezeigt, welche eine
Spannung ermittelt, die proportional zu der Spannung oder Amplitude der von
dem HF-Stromgenerator 10 ausgegebenen Ausgangsenergiewelle ist. Diese
Ausgangsspannung wird einer Schaltung zur Umwandlung in Rechteckwellen
(squaring circuit) 22 zugeführt, deren Ausgangssignal dann proportional zu
der gemessenen von dem HF-Stromgenerator 10 erzeugten Spannung ist.
Eine Analog-Regelschleife 24 hat einen Eingang, der an die Schaltung zur
Umwandlung in Rechteckwellen 22 angeschlossen ist, und einen Ausgang,
der eine zu der gemessenen Ausgangsleistung proportionale
Rückkopplungsspannung an einen Eingang einer ersten Summierschaltung 26 liefert, deren
Ausgang an einen Eingang einer zweiten Summierschaltung 28
angeschlossen ist. Eine Leistungsregelspannung, d.h. eine ausgewählte Gleichstrom-
Spannung, wird über einen Leistungsregelungsanschluß 30 an einen
weiteren Eingang der Summierschaltung 28 angelegt. Eine vom Anschluß 30
abgegebene Leistungsbedarfsspannung und eine von der Regeleinrichtung 24
abgegebene Rückkopplungsspannung werden kombiniert und dem Verstärker
mit unbegrenztem Verstärkungsfaktor 18 gespeist. Die Stärke der HF
Ausgangsenergie wird dann reguliert, bis die Leistungsbedarfsspannung und
die rückgekoppelte Spannung einander entsprechen.
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Aufgrund von Nichtlinearitätsproblemen der Meßschaltung 20 steht die HF--
Ausgangsleistung in keinem rein linearen Verhältnis zu der Leistungsregel
spannung oder dem Leistungsbedarfspegel. Dies trifft insbesondere bei
niedrigeren Leistungspegeln zu, bei denen die Meßschaltung ausgeprägtere
nichtlineare Eigenschaften aufweist. Aus diesem Grund beinhaltet die
vorliegende Erfindung eine digitale Ausgleichs-Hilfsschaltung 32. In der
Schaltung 32 ist ein digitales Regelelement 34 angeordnet, welches einen
geeignet programmierten Mikroprozessor umfaßt, oder eine Digitallogik mit
einem ersten Analog-Digital-Wandler 36, dessen Eingang mit der Schaltung
zur Umwandlung in Rechteckwellen 22 verbunden ist und der einen
Ausgang zur Zufuhr einer digitalen Darstellung des gemessenen Leistungspegels
an das digitale Regelelement 34 aufweist. Ein zweiter Analog-Digital-
Wandler 38 hat einen an den Leistungsregelungsanschluß 30
angeschlossenen Eingang und einen Ausgang zur Zufuhr einer digitalen Darstellung des
Leistungsbedarfspegels an das digitale Regelelement 34. Dem letzteren ist
eine Speichereinheit zugeordnet, typischerweise ein löschbarer elektrisch
programmierbarer Nurlese-Speicher (EEPROM) 40, welcher eine Tabelle
von Korrekturwerten enthält, die den Nichtlinearitäten der Meßschaltung 20
entsprechen. Falls gewünscht, kann die in dem EEPROM-Speicher 40
enthaltene Tabelle eine vollständige Tabelle sein, die sämtliche möglichen
Punkte enthält. Um jedoch Speicherplatz einzusparen und trotzdem
angemessene Ergebnisse zu erzielen, ist die Verwendung einer Tabelle mit
ausgewählten Punkten vorzuziehen, welche die nichtlineare Kurve der
Meßschaltung 20 darstellen. Für Leistungs-Zwischenwerte, d.h. zwischen
den vorbestimmten in dem EEPROM-Speicher 40 gespeicherten Punkten
liegende Werte, kann in dem digitalen Regelelement 34 eine Interpolation
mittels bekannter Verfahren ausgeführt werden. Das digitale Regelelement
34 ermittelt dann einen Korrekturfaktor aufgrund der digitalen
Darstellungen der gemessenen Leistung und des Leistungsbedarfs, d.h. aufgrund der
von den Wandlern 36 und 38 erzeugten digitalen Werte.
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Der digitale Korrekturwert wird dann als digitales Signal einem Digital-
Analog-Wandler 42 zugeführt, der den Korrekturfaktor in eine
Korrekturspannung umwandelt, welche einem Eingang der Summierschaltung 26
zugeleitet wird. So kompensiert die von der digitalen
Ausgleichs-Hilfsschaltung 32 gelieferte Korrekturspannung die Nichtlinearitäten in der
Meßschaltung 20 durch Hinzufügen der Korrekturspannung zu der von der
Analog-Regelschleife 24 gelieferten Regelspannung.
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Die analoge Rückkopplungs-Regelschleife, bestehend aus den Elementen 22,
24, 26 und 28, sorgt für ein schnelles Ansprechen auf Änderungen des
Leistungsbedarfspegels, kann jedoch, insbesondere bei niedrigen Werten
innerhalb des Leistungsbereichs, gewisse Ungenauigkeiten aufweisen
aufgrund der oben erwähnten Nichtlinearitäten der Meßschaltung. Die digitale
Ausgleichs-Hilfsschaltung 32 liefert eine geeignete Korrekturspannung zum
Ausgleich dieser Nichtlinearitäten und erhöht beträchtlich die Genauigkeit
bei der Regelung des HF-Stromgenerators. Die digitale Korrektur kann
mehrere Arbeitsschritte benötigen, z.B. einige Millisekunden, um den
Gleichgewichtszustand zu erreichen, je nach Ausmaß der Schwankungen der
Ausgangsleistung oder der Änderungen im Leistungsbedarf. Die
Kombination von Analog-Regelschleife und digitaler Ausgleichs-Hilfsschaltung
schafft eine ausgezeichnete Regelung für Langzeitanwendungen im stabilen
Zustand, d.h. für Vorrichtungen wie Plasma-Kammern, wo eine präzise
Regelung der HF-Leistung erforderlich ist und wo das Anlegen von Strom
mindestens einige Sekunden andauert.
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Die Funktionsweise der digitalen Ausgleichs-Hilfsschaltung 32 kann unter
Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in Fig. 2 erläutert werden. Für einen
vorgegebenen Arbeitsschritt beginnt der Prozeß beim Start [44], bei dem
die Analog-Digital-Wandler 36 und 38 die gemessene Leistung bzw. den
Leistungsbedarf abtasten. Dann wird, wie in Schritt [46] gezeigt, ein Feh
lerwert aufgrund der digitalen Darstellungen des Leistungsbedarfs und der
gemessenen Leistung berechnet. Falls ein großer Fehlerwert auftritt, der
aus einer großen Schwankung entweder des Leistungsbedarfs oder der
gemessenen Ausgangsleistung resultiert, so wird der Fehlerwert begrenzt,
damit der Betrag der digitalen Korrektur als vorbestimmter maximaler
Zunahmewert in jedem gegebenen Arbeitsschritt auftritt. Der Fehlerwert
wird geprüft (Entscheidungsblock [48]), um festzustellen, ob er einen
vorbestimmten Höchstwert, hier 255, überschreitet. Wenn der Fehlerwert
über diesem vorbestimmten Höchstwert liegt, dann wird der Fehlerwert auf
den vorbestimmten Höchstwert gesetzt (Block [50]). Der Fehler wird auch
geprüft, um festzustellen, ob er unter einem vorbestimmten maximalen
Negativwert, hier minus 255, liegt (Entscheidungsblock [52]). Ist dies der
Fall, dann wird der Fehler auf den vorbestimmten maximalen Negativwert
gesetzt [54]. Um Regelschwingungen (Hunting oder Ringing) zu vermeiden,
wird der Fehlerwert geprüft, um festzustellen, ob er wenigstens einen
gewissen Mindestbetrag erreicht. Hier wird der Fehler überprüft
(Entscheidungsblock [56]), und wenn der Fehlerwert gleich Null ist, dann wird eine
Sperrmarkierung (SPERR-FLAG) auf "1 gesetzt (Block [58]). Wenn der
absolute Wert des Fehlerwertes größer als "2" ist (Entscheidungsblock
[60]), dann wird die Sperrmarkierung auf "0" gesetzt (Block [62]. Danach
wird der Wert der Sperrmarkierung geprüft (Entscheidungsblock [64]), und
wenn die Sperrmarkierung gleich "1" ist, geht der Prozeß zum
nachfolgenden Schritt [72] über. Wenn jedoch die Sperrmarkierung gleich "0" ist,
wird ein Korrekturfaktor aufgrund des Fehlerwertes und eines
vorbestimmten, von dem EEPROM-Speicher 40 gelieferten Leistungsbedarfwertes
(LBW) bestimmt (Block [66]). Der Wert dieses digitalen Korrekturfaktors
wird dann geprüft, um festzustellen, ob er im Bereich des Digital-Analog-
Wandlers 42 liegt (Entscheidungsblock [68]). Ist dies nicht der Fall, geht
der Prozeß direkt zu dem nachfolgenden Schritt [72]. Wenn jedoch dieser
Korrekturfaktor innerhalb des Bereichs des Digital-Analog-Wandlers 42
liegt, wird dieser neue Korrekturfaktor an die Eingänge der Digital-Analog-
Schaltung 42 weitergegeben (Block [70], und dieser Korrekturwert wird
dem Wandler 42 zugeführt (Block [72]). Wenn die Sperrmarkierung gleich
"1" ist oder wenn der Korrekturwert außerhalb des Bereichs des Wandlers
42 liegt, dann wird ein vorheriger Korrekturwert von dem Digital-Analog-
Wandler 42 ausgegeben, wie in Block [72] gezeigt. In einem nachfolgenden
Schritt [74] springt das Programm zu dem Start [44] zurück, und die
Fehler- und Korrekturfaktoren werden auf die oben beschriebene Weise neu
berechnet in Abhängigkeit von den nachfolgenden Abtastwerten des
Leistungsbedarfs und der gemessenen Leistung.
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Auch wenn diese Erfindung ausführlich hinsichtlich einer bevorzugten
Ausführungsform beschrieben wurde, ist die Erfindung selbstverständlich
nicht auf diese eine Ausführungsform beschränkt. Vielmehr bieten sich
Fachleuten zahlreiche Abwandlungen und Variationen, ohne den Bereich der
Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.