DE69304522T2

DE69304522T2 - Stabilisator fuer schalt-mode geleistet radio-frequenz plasma einrichtung

Info

Publication number: DE69304522T2
Application number: DE69304522T
Authority: DE
Inventors: Michael Mueller; Robert Porter
Original assignee: Advanced Energy Industries Inc
Current assignee: Advanced Energy Industries Inc
Priority date: 1992-04-16
Filing date: 1993-04-15
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2013-04-16
Also published as: DE69304522D1; JPH07505974A; US6046546A; WO1993021685A1; JP2710467B2; US5747935A; EP0636285B1; EP0636285A1

Description

1. TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Lieferung von Leistung mittels eines Wechselstroms an ein Bearbeitungsplasma, wie es etwa in der Dünnfilmverarbeitung verwendet wird. Insbesondere konzentriert sich die Erfindung auf die Beseitigung des Auftretens von Oszillationen und Instabilitäten, die oftmals angetroffen werden, wenn von einer Schaltstromversorgung Leistung geliefert wird.

II. TECHNISCHER HINTERGRUND

Die Technik der Werkstoffbearbeitung durch die Verwendung von Plasma ist seit vielen Jahren bekannt. In einer Anwendung kann sie die Herstellung von Dünnfilmen auf einer Oberfläche durch die Wirkung des Plasmas umfassen, während sie in einer anderen Anwendung das Ätzen dersel ben Filme ebenfalls durch die Wirkung des Plasmas umfaßt. In den letzten Jahren ist die Anforderung des Handels an die zugehörige Anlage deutlich angestiegen, da seine Anwendung auf die Erzeugung von Mikrochips und anderer Halbleiterelemente verfeinert worden ist. Grundsätzlich enthält die Technik das Zünden und Aufrechterhalten des Bearbeitungsplasmas durch Zuführen von elektrischer Leistung an das Plasma. Dann tritt das Plasma mit den eingeleiteten Gasen und den betroffenen Oberflächen in Wechselwirkung, um die gewünschte Bearbeitung vorzunehmen.
Eine potentiell wichtige Eigenschaft des zugehörigen Feldes besteht darinw daß dieses Feld mit hauptsächlicher Konzentration auf das Plasma selbst und nicht auf die zugehörige Schaltungsanordnung entwickelt worden ist. Obwohl die Fachleute seit langem bestimmte Verfeinerungen in der elektrischen Schaltungsanordnung und deren Fähigkeiten wünschen, haben die Zulieferer von Wechselstromerzeugungsanlagen und von Plasmabearbeitungsanlagen im allgemeinen im Gebiet der Kommunikationstechnik seit langem bekannte Techniken verwendet, ohne jeweils die Unterschiede zwischen der nichtlinearen Plasmalast und der linearen Antenne (die gewöhnliche Last für Kommunikationsanlagen) zu erkennen. Die Plasmaphysiker und -chemiker haben das Verständnis der betreffenden Prozesse stark erweitert, Fortschritte in bezug auf die gelieferte Wechselleistung und die betroffenen Schaltungen sind jedoch nicht im selben Ausmaß erzielt worden.
Wie die Fachleute nun verstanden haben, eignet sich die Natur der verwendeten Bearbeitungsplasmen nicht ohne weiteres selbst für ein einfaches Schaltungselement in einer Wechselschaltung. Statt dessen ist selbst bei genauer Schaltungskenntnis der Einschluß eines Plasmas in einer Wechselschaltung inhärent schwierig. Der Grund hierfür besteht darin, daß in den meisten Bearbeitungsumgebungen das Plasma nicht direkt als aktives Element wirkt - d. h. als Element, dessen Eigenschaften von anderen Systemparametern wie etwa dem Gasdruck und der Gastemperatur abhängen -, sondern es wirkt als hochgradig nichtlineares und dynamisches Element. Als nichtlineares Element verändert das Plasma seine elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der an es angelegten Leistung in diskreter Weise über den gesamten Eetriebsbereich und in sämtlichen Umgebungen Wenn das Plasma gelöscht wird, kann die Kammer selbstverständlich eine hohe Impedanz besitzen; wenn es gezündet wird, kann es eine niedrige Impedanz besitzen. Das Plasma verändert sich jedoch selbst dann in hohem Maß, wenn es gezündet ist. Diese Wirkung tritt besonders unter Umständen auf, unter denen eine Wechselleistung verwendet wird, weil schnelle Veränderungen des Charakters des Plasmas selbst in einem Zyklus der Wechselleistung, der Wechselspannung oder des Wechselstroms auftreten. Der nichtlineare Charakter des Plasmas hat die herkömmliche Schaltungsanalyse äußerst schwierig gemacht und das Verständnis von Instabilitäten und Oszillationen erschwert. Als dynamisches Element kann das Plasma seinen Charakter selbst innerhalb eines Zyklus der Leistung verändern. Dies macht das Verständnis der angetroffenen Probleme wiederum schwieriger. Diese Schwierigkeiten werden noch erhöht, wenn Schaltstromversorgungen verwendet werden. Während seit vielen Jahren Wechselleistungsgeneratoren verwendet worden sind, um ein Plasma zu erregen, hat der Wunsch nach einer Verwendung von Festkörper-Schaltgeneratoren im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und die geringeren Abmesssungen bestimmte neue Probleme nach sich gezogen.
Die hochgradig veränderliche Natur des Plasmas kann oftmals zu Eigenschaften führen, die einem stabilen, ununterbrochenen Betrieb nicht förderlich sind. Dieses Problem ist besonders akut in Situationen, in denen Schaltstromversorgungen verwendet werden. Unter solchen Umständen ist es für die Zufuhr von Wechselleistung nicht unüblich, daß sie plötzlich und erklärlich unterbrochen wird oder in irgendeiner Weise geändert wird. Diese Bedingungen können bis zum Eingriff einer Bedienungsperson andauern oder aber plötzlich und unerklärlich verschwinden. Bis zur vorliegenden Erfindung war die genaue Ursache dieser Umstände nicht verstanden worden. Statt dessen haben die Fachleute lediglich angenommen, daß es durch die Kompliziertheit des Plasmas aufgrund seiner hochgradig veränderlichen Natur bedingt ist. Die Fachleute konnten jedoch feststellen, daß die Wirkungen in zwei verschiedenen Weisen aufzutreten schienen. Zunächst tritt die Oszillation der Zufuhr durch die Schaltstromversorgung auf. Ferner wird die Signalform der Stromversorgung in der Weise beeinflußt, daß der Wirkungsgrad abfällt. Dies konnte bis zu einem Ausmaß auftreten, das eine andere Klasse von Operationen zur Folge hat. Vielleicht war die Antwort der Fachleute auf das Ergebnis der letzteren dieser zwei Manifestationen, dieses Problem durch Vermeiden von Schaltstromversorgungen überhaupt zu beseitigen. Durch die Verwendung von Stromversorgungen, die in einer Nichtschaltbetriebsart-Klasse (typischerweise Klasse-B-Betrieb) arbeiten, wurde deutlich, daß diese Wirkungen in großem Ausmaß vermieden wurden. Dies galt insbesondere für verhältnismäßig ineffiziente Leistungsverstärker, weil Impedanzänderungen im Plasma somit eine relativ niedrige Prozentsatzänderung für das Gesamtsystem darstellen.
Vor der vorliegenden Erfindung gab es jedoch für Systeme, die Schaltstromversorgungen verwenden, keine Lösung, die diese Instabil itätswirkungen zuverlässig beseitigte. Obwohl in der Technik der Stabilisierung von Stromversorgungen umfassende Theorien, die ursprünglich von Linvill und Stern vorangetrieben wurden, wohlbekannt sind, finden diese Versuche keine geeignete Anwendung an Plasmasysteme, die Schaltverstärker verwenden. Diese Versuche nehmen von vornherein lineare Elemente an und werden im allgemeinen auf Breitbandverstärker angewendet. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung umfaßt nicht nur nichtlineare Elemente, sondern sie stellt ein Schmalbandsystem dar, wo Versuche zur Lösung der Probleme, die bei der Verwendung herkömmlicher Stabilitätstheorien angetroffen werden, nicht erfolgreich gewesen sind. Obwohl die Fachleute seit langem einen Bedarf an der Beseitigung dieser Probleme für Schaltstromversorgungs-Anwendungen vorgebracht haben, haben die tatsächlich implementierten Lösungen von der gewünschten Richtung weggeführt, weil sie die Verwendung der verhältnismäßig hocheffizienten Schaltstromversorgungen zunächst vermieden. Wie die vorliegende Erfindung offenbart, waren die Versuche der Fachleute unangemessen, weil sie das Problem nicht weitgehend genug verstanden haben, um eine Lösung zu schaffen. Diese wird deutlich durch die verhältnismäßig einfache Natur der vorliegenden Erfindung und die unerwartet einfache Implementierung, die bewiesen hat, daß sie die Probleme beseitigt. Bis zur vorliegenden Erfindung waren diese einfachen Lösungen jedoch für die Fachleute nicht verfügbar.
In der EP-A-421 430 werden ein Plasmabearbeitungsverfahren sowie eine Plasmabearbeitungsvorrichtung offenbart, die oberhalb von 13,56 MHz arbeiten können, wobei eine reduzierte Selbstvorspannung der mit Leistung versorgten Elektrode geschaffen wird, um sanftere Bearbeitungen zu ermöglichen, die Dünnschichten nicht beschädigen. Es wird ein Anpassungsnetzwerk verwendet, um Reflexionen von Hochfrequenzleistung am Übergang von der charakteristischen 50-Ohm-Impedanz der Hochfrequenz-Übertragungsleitung zur niedrigen Impedanz der Plasmakammer zu vermeiden.

III. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Daher schafft die vorliegende Erfindung eine Technik, in der Instabilitäten in einem Bearbeitungsplasmasystem in großem Umfang vermieden werden können, wobei dennoch eine Schaltstromversorgung verwendet wird. Das System enthält Schaltungselemente, die bei von der Grundbetriebsfrequenz verschiedenen Frequenzen Energie absorbieren, um jegliche Wirkungen durch diese Frequenzen auf das primäre Schaltelement der Schaltstromversorgung zu vermeiden. Es werden verschiedene Ausführungsformen offenbart, die diese Absorption an verschiedenen Punkten im System erzielen.
Zusätzlich werden mehrere Elemente offenbart, um eine Anpassung an besonders schwierige Anwendungen vorzunehmen. Die Verwendung dieser Schaltungselemente und Techniken werden in Kombination mit einer Anzahl von Betriebs- Schaltklassen, insbesondere dem Klasse-D-Betrieb und dem Klasse-E-Betrieb und sogar mit dem verhältnismäßig neuen Betrieb, der im US-Patent Nr. 5187580 offenbart und als Klasse-AE-Betrieb bezeichnet wird, offenbart.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Instabilitäten bei der Zufuhr von Wechselleistung an ein Bearbeitungsplasma zu vermeiden, wenn Schaltstromversorgungen verwendet werden. Ein Ziel dieser allgemeinen Aufgabe ist, Wirkungen zu beseitigen, die Oszillationen in der Stromzufuhr hervorrufen. Ebenso ist es ein Ziel, jegliche Wirkungen zu vermeiden, die Unzulänglichkeiten oder irgendwelche Änderungen der Betriebsklasse des verwendeten Leistungsverstärkers hervorrufen. So ist es ein Ziel der vorgeschlagenen Lösungen, nur diejenigen Energien zu absorbieren, die im Bearbeitungssystem unerwünschte wirkungen verursachen.
Es ist eine weitere allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine praktische Lösung der angetroffenen Probleme zu schaffen. Ein Ziel dieser allgemeinen Aufgabe ist, einfache Lösungen zu offenbaren, die einfach in jeder der angetroffenen Stromversorgungen oder in vorhandenen Systemen implementiert werden können.
Eine nochmals weitere Aufgabe ist auf einen Problembereich gerichtet, der so breit wie möglich ist. So ist es ein Ziel, viele verschiedene Variationen von Implementierungen zu offenbaren, so daß diese Variationen auf der Grundlage der besonderen Bearbeitungsumgebungen gewählt werden können. Ein Ziel besteht darin, verschiedene Entwürfe zu ermöglichen, so daß die Absorption und Lösungen lediglich bei jenen Frequenzen ausgeführt werden können, die in einer besonderen Anwendung angetroffen werden, falls dies gewünscht ist. In dieser Weise wird auch das Ziel des Aufrechterhaltens des höchsten Wirkungsgrades erreicht. Ebenso ist es ein Ziel, die Möglichkeit vieler verschiedener Absorptionen für besonders schwierige Anwendungen zu schaffen. Ein weiteres Ziel besteht darin, den höchsten Grad an Variabilität zu erreichen, indem Phasenänderungen zwischen den absorbierten Elementen geschaffen werden, um die Erzielung von Lösungen in vielen verschiedenen Anwendungen sicherzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung von Elementen, die in vielen verschiedenen Betriebsklassen implementiert werden können. Auf diese Weise wird die Lösung erreicht, die auf Leistungsverstärker der Klasse D, der Klasse E und der Klasse AE anwendbar ist.
Selbstverständlich werden in anderen Abschnitten der Beschreibung und in den Ansprüchen weitere Aufgaben der Erfindung offenbart.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren für eine stabile Lieferung von Leistung an ein Bearbeitungsplasma (2) mittels eines Wechselsignals die folgenden Schritte:
Erzeugen eines Wechselsignals mit einer Grundfrequenz durch eine Schaltstromversorgung (1) und
Senden des Wechselsignals an das Bearbeitungsplasma (2), und ist gekennzeichnet durch
Ableiten von elektrischer Energie bei anderen als der Grundfrequenz mittels einer elektrischen Schaltung (6), die einen Widerstand (8) in Verbindung mit einem Filterelement (9, 10; 15, 16) enthält.
Ferner enthält gemäß der Erfindung eine Schaltung zum Liefern von Leistung an ein Bearbeitungsplasma (2) mittels eines Wechselsignals:
eine Schaltstromversorgung (1), die ein Wechselleistungssignal bei einer Grundfrequenz erzeugen kann, und
eine Einrichtung zum Senden des Wechselleistungssignals in das Bearbeitungsplasma (2), und ist gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zum Ableiten von elektrischer Energie bei anderen als der Grundfrequenz mittels einer elektrischen Schaltung (6), die einen Widerstand (8) in Verbindung mit einem Filterelement (9, 10; 15, 16) enthält.

IV. KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Plasmabearbeitungssystems, das die vorliegende Erfindung in der Übertragungsleitung enthält.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform, das die vorliegende Erfindung eingebaut in eine Schaltstromversorgung der Klasse AE zeigt.
Fig. 3 ein Schaltbild einer Parallelelement- Ausführungsform, das das Element in der Übertragungsleitung zeigt.
Fig. 4 ist ein Schaltbild einer Reihenelement-Ausführungsform, das das Element in der Übertragungsleitung zeigt.
Fig. 5 ist ein Schaltbild einer Parallelelement-Ausführungsform, das die Verwendung einer spezifischen Länge einer Übertragungsleitung zeigt.
Fig. 6 ist ein Schaltbild einer Reihenelement-Ausführungsform, das die Verwendung einer spezifischen Länge einer Übertragungsleitung zeigt.
Fig. 7 ist ein Schaltbild einer Schaltelement-Ausführungsform, das ein Element ähnlich demjenigen von Fig. 4 über zwei Verbindungspunkten des Schalters zeigt.
Fig. 8 ist ein Schaltbild einer Schaltelement-Ausführungsform, das ein Element ähnlich demjenigen von Fig. 3 über zwei verschiedenen Verbindungspunkten des Schalters zeigt.
Fig 9 ist eine schematische Darstellung eines Bearbeitungssystems, die die Verwendung von zwei Stabilisierungselementen sowie eines Filter zeigt, welches als Phasenänderungsmittel dient, das zwischen die zwei Elemente geschaltet ist.

V. BESTE AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, können die Grundkonzepte der vorliegenden Erfindung in vielen verschiedenen Weisen ausgeführt werden. Obwohl besondere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden, ist offensichtlich, daß Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von den breiten Aspekten der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In Fig. 1 ist ersichtlich, wie die vorliegende Erfindung einfach in ein typisches Plasmabearbeitungssystem eingebaut werden kann. Fig. 1, eine schematische Ansicht eines Plasmabearbeitungssystems, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält, veranschaulicht sowohl Einzelheiten bezüglich der Plasmabearbeitung im allgemeinen als auch die vorliegende Erfindung.
Wie gezeigt, enthält ein die vorliegende Erfindung enthaltendes Plasmabearbeitungssystem eine Schaltstromversorgung (1) , die ein Wechselsignal (typischerweise mit sinusförmigen Spannungs- und Strom-Signalformen) erzeugt, um das Bearbeitungsplasma (2) mit Leistung zu versorgen. Dieses Wechselsignal ist so konditioniert, daß es bei einer einzigen Grundfrequenz arbeitet. In diesem Gebiet arbeitet eine gewöhnliche Schaltstromversorgung (1) aufgrund bestimmter Ausführungsanforderungen im hohen Frequenzband bei 13,56, 27,12 oder 40,68 Megahertz. Selbstverständlich hängen jedoch die von der Erfindung gelehrten Grundprinzipien nicht signifikant von der Grundfrequenz der Schaltstromversorgung (1) ab.
Bis heute ist hauptsächlich ein Typ eines Festkörpergenerators verwendet worden, um Plasmalasten anzusteuern. Er besitzt die Merkmale einer Gegentakt-Ausgangsverstärkerstufe der Klasse B. Sie ist aufgrund bestimmter Aspekte der Ausgangsstufe und ihrer relativen Unzulänglichkeit der zufriedenstellendste Typ einer Verstärkerstufe. Der maximale Ausgangswirkungsgrad eines solchen Verstärkers liegt bei ungefähr 60 %. Die in der Ausgangsstufe verlorene Leistung hat die vorteilhafte Wirkung, daß sie die Stabilisierung des Verstärkers ermöglicht, wenn er den zwei obenerwähnten Problemen unterliegt. Es sind viele Variablen vorhanden, im allgemeinen gilt jedoch, daß ein Verstärker bei unangepaßten Lasten oder bei einer hochgradig nichtlinearen Last um so instabiler ist, je effizienter er ist. Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Einschränkung. Dieser Stabilisierer ermöglicht, daß Schaltverstärker einen Wirkungsgrad von 90 % erreichen. Dieser Unterschied macht es möglich, daß wesentliche Größen-, Gewichts- und Kostenreduzierungen eines Hochfrequenzgenerators, der für die Plasmaerregung verwendet wird, vorgenommen werden können.
Wie erwähnt, erzeugt die Schaltstromversorgung (1) ein Wechselsignal, das durch irgendwelche Übertragungsmittel an ein Bearbeitungsplasma (2) geleitet wird. Dieses Mittel kann ein Koaxialkabel oder einfach eine zweiadrige Übertragungsleitung (5) sein. Um die für ein Bearbeitungsplasma (2) geeigneten Bedingungen aufrechtzuerhalten, ist das Bearbeitungsplasma (2) in einer Bearbeitungskammer (3) enthalten, in der der Druck, die Zusammensetzung und andere Parameter gesteuert werden können. Eine der Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung eines konstanten Leistungsübertragungspegels in das Bearbeitungsplasma (2) ist die große Impedanzveränderung im Bearbeitungsplasma (2). Typischerweise besitzt das Bearbeitungsplasma (2) vor seiner zündung charakteristisch eine sehr hohe Impedanz. Sobald das Bearbeitungsplasma (2) gezündet ist, neigt seine Impedanz zu einer diskreten Abnahme. Selbst während der Bearbeitung verändert sich die Impedanz des Bearbeitungsplasmas (2) auf der Grundlage der Leistung, der Spannung, des Stroms, des Drucks, des Gastyps und anderer Variablen. Diese inhärenten Veränderungen sowie die Tatsache, daß die Schaltstromversorgung (1) typischerweise so entworfen ist, daß sie für eine besondere Impedanzlast von 50 Ohm optimal arbeitet, haben die Fachleute dazu geführt, ein Anpassungsnetzwerk (4) einzubauen, das die Schaltung für die Schaltstromversorgung (1) und die von ihr erfaßte Last geeignet interaktiv koordiniert.
Wie schematisch in Fig. 1 gezeigt, kann die vorliegende Erfindung in einer Ausführungsform ein Stabilisierungselement (6) sein, das an irgendeinem Punkt in der Übertragungsleitung (5) eingefügt ist. Es ist leicht verständlich, daß sich das Stabilisierungselement (6) an vielen verschiedenen Stellen befinden kann, solange es das Ziel der Absorption der unerwünschten Energie erreicht, um zu vermeiden, daß sie die erwähnten Wirkungen herrufen kann. Für eine zusätzliche Stabilität kann vor und hinter einem harmonischen Filter ein Stabilisator angeordnet sein, wie später diskutiert wird. Diese Anordnung schafft eine zusätzliche Stabilität, da ein Stabihsator für irgendwelche nicht abgestimmten Lasten arbeitet und der andere Stabilisator für die anderen Lasten arbeitet. Die Phasenverschiebung des Filters und der Lastwinkel der nicht abgestimmten Last bestimmen, welcher Stabilisator die größte Wirkung hat.
Wie früher erwähnt, ist das Bearbeitungsplasma (2) hochgradig nichtlinear. Das bedeutet, daß sich die momentane Impedanz des Bearbeitungsplasmas (2) während jedes Wechselsignals kontinuierlich verändern kann. Es erzeugt daher Harmonische der Grundfrequenz. Diese Harmonischen können sich zur Schaltstromversorgung (1) ausbreiten, wo sie die momentane Lastimpedanz ändern können, die Betriebsklasse ändern können oder den Verstärker zu Oszillationen anregen können. Weiterhin kann die dynamische Natur des Bearbeitungsplasmas (2) Umstände hervorrufen, unter denen das Anpassungsnetzwerk (4) für die Schaltstromversorgung (1) keine geeignete Last schaffen kann. Diese Fehlanpassung tritt oftmals nach dem Einschalten der Schaltstromversorgung (1), jedoch vor dem Zünden des Bearbeitungsplasmas (2) auf. Es gibt außerdem in der Natur des Bearbeitungsplasmas (2) konstante Änderungen, die das Anpassungsnetzwerk nicht sofort übernehmen kann. Die resultierende Last für die Schaltstromversorgung (1) kann irgendwo auf der Smith-Karte liegen oder kann sogar VSWRs besitzen, die bis zu 30 zu 1 oder 50 zu 1 betragen. Dieser Lasttyp kann einen unerwünschten Betrieb der Schaltstromversorgung (1) hervorrufen. Obwohl es verschiedene Techniken zum Stabilisieren von Schaltstromversorgungen gibt, sind diese Techniken im allgemeinen nicht für Schaltstromversorgungen geeignet, die in Verbindung mit einem Bearbeitungsplasma arbeiten. Sie werden typischerweise auflineare Leistungsverstärker wie etwa Klasse-A- und Klasse-B-Verstärker angewendet. Klasse-D-, Klasse-E- und Klasse-AE-Verstärker sind nicht nur nichtlinear, sondern sie zeigen während eines typischen Zyklus keinerlei aktiven Bereich. Diese Verstärker verwenden Schaltelemente, die alternativ im Sättigungszustand (oder im leitenden Zustand) und im Unterbrechungszustand (oder nichtleitenden Zustand) vorgespannt sind. Wie erwähnt, ist die Stabilitätstheorie, wie sie vor der vorliegenden Erfindung angewendet worden ist, nur für die Stabilisierung linearer Verstärker nützlich gewesen. Diese Stabilitätstheorie ist nicht auf wirksamere Klasse-D-, Klasse-E- und Klasse-AE-Verstärker angewendet worden, da die Lösungsversuche im allgemeinen von der Steuerung eines Bauelements im aktiven Bereich gebraucht machen. Lineare Verstärker haben nach Definition eine Spannung über den aktiven Bauelementen, während der Strom durch sie fließt. Dies stellt einen Leistungsverlust im Bauelement dar. Die sogenannte Klasse-A-Konfiguration besitzt an jedem Punkt im Zyklus einen nahezu gleichmäßigen Leistungsverlust, während Klasse-D-Schaltungen während des Zyklus veränderliche Leistungsverlust-Beträge besitzen, beide weisen jedoch stets einen ausreichenden Verlust auf, um die Stabilisierung entweder unnötig oder einfach zu machen. Der kleine Abschnitt des Zyklus, in dem die Bauelemente mit an sie angelegter Spannung leiten, stellt einen ausreichenden Verlust dar, der sie wenigstens in einem bestimmten Bereich der Last und der Quellenimpedanzen stabil macht, eine Erweiterung dieses Verlusts ermöglicht jedoch eine weitere Stabilisierung mit geeigneter Rückkopplung.
Die neueren Klassen D, E und AE verwenden Schaltelemente, die den linearen Elementen entgegengesetzt sind. Die Schaltung ist so beschaffen, daß sie keine Spannung über dem Schalter zuläßt, wenn er leitet, und keinen Strom durch ihn zuläßt, wenn er nicht leitet. Das heißt, das Bauelement kann nur zwei Zustände annehmen: vollständig leitend und vollständig nichtleitend. Das bedeutet in erster Ordnung, daß im Schalter keine Leistung abgeführt wird. Die herkömmliche Stabilitätstheorie findet auf eine solche Schaltung keine Anwendung, da die herkömmlichen Lösungsversuche von der Steuerung der Bauelemente Gebrauch machen, wenn sie sich in einem linearen Betriebsbereich befinden. Ebenso können unter bestimmten Umständen Klasse-C-Schaltungen als Äquivalent der Klasse -E- oder Klasse-AE-Systeme angesehen werden und als Schaltverstärker betrachtet werden. Genauer, wenn die Klasse-C- Schaltung so betrieben wird, daß sie für das primäre Schaltelement einen verhältnismäßig kurzen aktiven Bereich besitzt, könnten diese Schaltungen so aufgefaßt werden, daß sie in einer Schaltbetriebsart wie in der vorliegenden Erfindung arbeiten. Somit könnten die Techniken der vorliegenden Erfindung unter diesen Umständen auch für Klasse-C-Schaltungen nützlich sein. Selbstverständlich sind ebenso andere Schaltungsvariationen möglich, solange die wesentliche Eigenschaft der Absorption unerwünschter Energie, die das primäre Schaltelement beeinflussen könnte, erhalten bleibt.
Wie früher erwähnt, kann der Charakter des Bearbeitungsplasmas (2) Harmonische der Grundfrequenz hervorrufen, die den Betrieb der Schaltstromversorgung (1) beeinflussen können. Diese einfache Ausführung hat die Erfinder zu der Lösung geführt, die lediglich ein Stabilisierungselement (6) an irgendeinem Punkt im Gesamtsystem enthält, so daß die in diesen harmonischen Frequenzen enthaltene Energie absorbiert oder anderweitig abgelenkt werden kann, um zu vermeiden, daß diese Energie den Betrieb der Schaltstromversorgung beeinflußt. Somit dient das Stabilisierungselement (6) als Mittel zum Absorbieren der Energien.
In Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform gezeigt, aus dem ersichtlich ist, daß das Stabilisierungselement (6) tatsächlich in der Schaltstromversorgung (1) (wie etwa der gezeigten Klasse-AE- Stromversorgung) in der Übertragungsleitung (5) angeordnet sein kann. Für den Fachmann ist verständlich, daß die Schaltstromversorgung (1) ein oder mehr primäre Schaltelemente (7) enthält. Dieses Element (oftmals ein Feldeffekttransistor oder ein Bipolartransistor) schaltet mit der Grundfrequenz, um das Wechselsignal zu erzeugen. Da der Schaltvorgang des primären Schaltelements (7) durch die Energie beeinflußt werden kann, die sich zu ihm rückwärts ausbreitet, wirkt das in der Schaltstromversorgung (1) gezeigte Stabilisierungselement (6) in der Weise, daß es diese Energie absorbiert und somit Wirkungen auf das primäre Schaltelement (7) vermeidet. Anhand dieses einfachen begrifflichen Verständnisses ist entdeckt worden, daß sämtliche unerwünschten Manifestationen von Instabilität in hohem Maß vermieden werden. Oszillationen im Betrieb der Schaltstromversorgung (1) treten nicht länger auf, ferner werden Wirkungen auf die Signalform, die durch die Schaltstromversorgung (1) erzeugt wird, in hohem Maß vermieden. Es ist wichtig, daß das Stabilisierungselement (6) positiv wirkt und die unerwünschte Energie im wesentlichen absorbiert. Obwohl daher im Prinzip jede Schaltung Elemente besitzt, die inhärent Energie bei vielen verschiedenen Frequenzen absorbieren, tut dies die vorliegende Erfindung absichtlich in einem Ausmaß, das ausreicht, um die unerwünschten Wirkungen auf die Schaltstromversorgung (1) zu vermeiden. Das Stabilisierungselement (6) kann außerdem positiv Energie ableiten, die absorbiert worden ist.
Bezugnehmend auf Fig. 3 ist die elektrische Schaltungsanordnung einer Parallelelement- Ausführungsform leicht verständlich. Wie gezeigt, ist in die Übertragungsleitung (5) ein Stabilisierungselement (6) eingefügt. Diese Parallelschaltung ist zwischen die zwei Leiterelemente der Übertragungsleitung (5) geschaltet. Das Stabilisierungselement (6) enthält einen Widerstand (8), einen Kondensator (9) und eine Induktivität (10), die wie gezeigt zwischen die zwei Adern der Übertragungsleitung (5) geschaltet sind. Auf diese Weise erzielt das Stabihsierungselement (6) die Absorption der unerwünschten Energie im Mittel zum Übertragen von Leistung an das Bearbeitungsplasma (2). Es ist wichtig, daß die Werte des Widerstands (8), des Kondensators (9) und der Induktivität (10) in der Weise gewählt sind, daß das Stabilisierungselement (6) als abgestimmtes Schaltungselement wirkt. Als solches tritt das Element bei der Grundfrequenz der Schaltstromversorgung (1) in Resonanz. Das heißt, daß der "Q-Faktor" des Stabilisierungselements (6) in der Weise gewählt wird, daß die Impedanz bei der Grundf requenz hoch genug ist (für eine parallele Ausführungsform, wie später diskutiert wird), um unerhebliche Verluste bei der Grundfrequenz hervorzurufen. Dagegen ist bei der parallelen Ausführungsform die Impedanz des Stabilisierungselements (6) bei den unerwünschten Frequenzen niedrig. Im Ergebnis stellt der Widerstand für diese Frequenzen eine Last dar und wirkt als ein Mittel zum Ableiten der Energie, um zu vermeiden, daß sie auf das primäre Schaltelement (7) eine deutliche Wirkung haben. Wiederum kann dies positiv durch den Schaltungsentwurf erfolgen. Ähnlich würde das gesamte Element eine Absorption der Energie bewirken, die durch einen Verstärker erzeugt wird, der bei einer Frequenz oszilliert, die von der Grundfrequenz verschieden ist, und würde somit der Dämpfung der erzeugten Leistung dienen, wodurch die unerwünschte Oszillation vermieden wird. Im Fall einer Plasmalast, die Harmonische hervorruft, die sich zum Generator ausbreiten, besitzt die parallele Resonanzschaltung bei diesen Frequenzen eine niedrige Impedanz. Daher stellt der Widerstand für diese Harmonischen eine Last dar und verhindert, daß sie sich stark auf den Verstärker auswirken.
Mit Bezug auf Fig. 4 ist ersichtlich, daß das Stabilisierungselement (6) auch als Reihenelement-Ausführungsform ausgeführt werden kann. Wie in Fig. 4 gezeigt, enthält die Reihenelement-Ausführung in ähnlicher Weise einen Widerstand (8), einen Kondensator (9) und eine Induktivität (10), in diesem Fall sind sie jedoch wie gezeigt in einer Reihenschaltung angeschlossen. Für den Fachmann ist ohne weiteres verständlich, daß für eine Reihenausführungsform die Impedanz des Stabilisierungselements (6) grob derjenigen einer parallelen Ausführungsform entgegengesetzt ist. Genauer sollten die Werte des Widerstands (8), des Kondensators (9) und der Induktivität (10) in der Weise gewählt werden, daß das Stabilisierungselement (6) bei der Grundf requenz tatsächlich eine niedrige Impedanz besitzt, jedoch bei den unerwünschten Frequenzen eine hohe Impedanz besitzt. Wie leicht verständlich ist, können diese unerwünschten Frequenzen spezifische Frequenzen sein, etwa die zweite harmonische Frequenz (gewöhnlich die Frequenz, die den zweitgrößten Energiebetrag enthält), oder aber das Stabilisierungselement (6) weist bei sämtlichen Frequenzen, die von der Grundfrequenz verschieden sind, eine niedrige Impedanz auf. Um diese Ziele über einem großen Frequenzband zu erreichen, ist es sogar möglich, mehrere Stabilisierungselemente (6) einzuschließen, wie später beschrieben wird.
Bezugnehmend auf die Fig. 5 und 6 wird verständlich, daß das Stabilisierungselement (6) auch durch Verwendung eines Widerstands und irgendeiner spezifischen Länge (15) einer Übertragungsleitung erreicht werden kann. Wie in Fig. 5 gezeigt, könnte diese Übertragungsleitung einfach ein Widerstand sein, der mit einem zweiadrigen Kabel oder einem Koaxialkabel mit spezifischer Länge (15), die an einem Ende durch einen Endabschluß (16) zusammengeschaltet sind, in Serie geschaltet ist. Dies würde ein paralleles Element bilden, für das die Impedanz bei der Grundfrequenz verhältnismäßig hoch wäre. In ähnlicher Weise könnte, wie in Fig. 6 gezeigt ist, ein Reihenelement erhalten werden. Wie in Fig. 6 gezeigt, besitzt die spezifische Länge (15) einer Übertragungsleitung (erneut entweder ein zweiadriges Kabel oder ein Koaxialkabel) einen Widerstand, der über sie geschaltet ist, wobei die Übertragungsleitung an einem Ende nicht zusammengeschaltet ist. Dies würde ein Reihenelement bilden, für das die Impedanz bei der Grundfrequenz verhältnismäßig niedrig wäre. Wie der Fachmann ohne weiteres versteht, wird durch geeignete Wahl der Länge dieser Übertragungsleitungen, typischerweise eine Viertelwellenlänge der Frequenz, die nicht absorbiert werden soll, ein geeignetes Element erzeugt. In dieser Weise würden die in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen so arbeiten, daß sie die Energie bei allen Frequenzen mit Ausnahme derjenigen absorbieren, für die die spezifische Länge der Übertragungsleitung effektiv in etwa ein ungeradzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge ist.
Bezugnehmend auf die Fig. 7 und 8 wird leicht verständlich, daß das Stabilisierungselement (6) auch durch die Schaltung eines Schaltelementes über das primäre Schaltelement (7) in der Schaltstromversorgung (1) implementiert werden kann. Wie die Fachleute ohne weiteres verstehen, enthalten solche primären Schaltelemente einen Steuerverbindungspunkt (11), einen Ausgangsverbindungspunkt (12) und einen gemeinsamen Verbindungspunkt (13). Durch Anschließen des Stabilisierungselements (6) über dem Steuerverbindungspunkt (11) und dem Ausgangsverbindungspunkt (12), wie in Fig. 7 gezeigt ist, oder alternativ über den Steuerverbindungspunkt (11) und den gemeinsamen Verbindungspunkt (13) kann das Stabilisierungselement (6) sein Ziel, d. h. die Absorption unerwünschter Energie am primären Schaltelement (7), erreichen. Wie aus dem Vergleich der Fig. 7 und 8 hervorgeht, können die tatsächlich verwendeten Schaltungskomponenten und ihre Verbindungen für das Stabilisierungselement (6) viele verschiedene Formen annehmen. Wie in Fig. 7 gezeigt, sind die Verbindungspunkte ähnlich wie in der in Fig. 3 gezeigten Parallelelement-Ausführungsform beschaffen. Selbstverständlich könnten andere Verbindungen und andere Schaltungsentwürfe erzielt werden. Alles, was erforderlich ist, ist, daß sie die Energie bei den unerwünschten Frequenzen absorbieren.
Bezugnehmend auf Fig. 9 ist ersichtlich, daß auch mehr als ein Stabilisierungselement (6) verwendet werden kann. Selbstverständlich könnten diese Stabilisierungselemente (6) an irgendeinem Punkt im System angeschaltet sein, solange sie das Ziel der Absorption der Energie erreichen, ohne daß das primäre Schaltelement (7) beeinflußt wird. Unter Bedingungen, unter denen die unerwünschte Energie vom Plasma ausgeht, könnte die Absorption erfolgen, bevor die Energie das primäre Schaltelement (7) beeinflußt. Es könnten auch mehr als ein Stabilisierungselement (6) in Serie geschaltet sein, um Energien bei verschiedenen Frequenzen zu absorbieren. Außerdem könnte irgendeine Kombination aus Reihenelementen, parallelen Elementen oder über die primären Schaltelemente (7) geschalteten Schaltungselementen verwendet werden, wie den Fachleuten ohne weiteres verständlich ist. Wie in Fig. 9 gezeigt, können zwischen den zwei Stabilisierungselementen (6) Mittel zur Phasenänderung des Wechselsignals angeschaltet sein. Wie gezeigt, ist dieses Mittel tatsächlich ein Filter (14), wobei irgendeine Einrichtung zum Ändern der Phase oder im engeren Sinn zum Transformieren der Impedanz längs der Übertragungsleitung (5) vorgesehen ist, wobei zwei oder mehr Stabilisierungselemente (6) eine geeignete Absorption sämtlicher unerwünschter Energien in einen größeren Bereich von Bedingungen erzielen. Wie früher erwähnt, sollte das Stabihsierungselement (6) so abgestimmt sein, daß es bei der Grundf requenz in Abhängigkeit davon, ob das Stabilisierungselement (6) parallel oder in Serie angeschaltet ist, eine verhältnismäßig niedrige bzw. eine verhältnismäßig hohe Impedanz besitzt. Beispielsweise kann es für die parallele Ausführungsform auch so gewählt sein, daß es bei wenigstens einer anderen Frequenz nur eine verhältnismäßig hohe Impedanz besitzt. In einer solchen Anwendung würde die geringstmögliche Energie absorbiert, die problematische Frequenz (z. B. die zweite Harmonische) würde jedoch absorbiert, um die unerwünschten Wirkungen mit minimaler Auswirkung auf die Menge der absorbierten Energie zu beseitigen. Die gewählte Frequenz und die verschiedenen gewählten Parameter könnten selbstverständlich entsprechend der spezifischen Anwendung variiert werden.

Claims

1. Verfahren zum stabilen Liefern von Leistung an ein Bearbeitungsplasma (2) mittels eines Wechselsignals, mit den Schritten:

Erzeugen eines Wechselsignals bei einer Grundfrequenz mittels einer Schaltstromversorgung (1),

Senden des Wechselsignals in das Bearbeitungsplasma (2)

gekennzeichnet durch Ableiten von elektrischer Energie bei einer anderen als der Grundfrequenz mittels einer elektrischen Schaltung (6), die einen Widerstand (8) in Verbindung mit einem Filterelement (9, 10; 15, 16) enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Schaltstromversorgung (1) wenigstens ein primäres Schaltelement (7) besitzt und in dem der Schritt des Ableitens von elektrischer Energie erfolgt, bevor diese Energie das primäre Schaltelement (7) beeinflussen kann.

3. Verfahren nach Anspruch 2, in dem der Schritt des Ableitens von elektrischer Energie bei dem primären Schaltelement (7) ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 31 in dem das primäre Schaltelement (7) einen gemeinsamen Verbindungspunkt (13), einen Ausgangsverbindungspunkt (12) und einen Steuerverbindungspunkt (11) besitzt, und in dem der Schritt des Ableitens von elektrischer Energie, die von der Schaltstromversorgung bei einer von der Grundfrequenz verschiedenen Frequenz zurückreflektiert wird, ausgeführt wird entweder durch

a) ein Schaltelement (6), das über den Steuerverbindungspunkt (11) und den gemeinsamen Verbindungspunkt (13) geschaltet ist;

oder durch

b) ein Schaltelement (6), das über den Ausgangsverbindungspunkt (12) und den gemeinsamen Verbindungspunkt (13) geschaltet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, in dem der Schritt des Ableitens von elektrischer Energie am Element (7) ausgeführt wird entweder durch:

a) einen Widerstand (8), der mit einem Kondensator (9) und einer Induktivität (10) in Serie geschaltet ist, wobei der Kondensator (9) und die Induktivität (10) parallelgeschaltet sind;

oder durch

b) einen Widerstand (8), der mit einem Kondensator (9) und einer Induktivität (10) parallelgeschaltet ist, wobei der Kondensator (9) und die Induktivität (10) in Serie geschaltet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Schritt des Sendens des Signals an das Plasma mittels einer Einrichtung (5) zum Senden ausgeführt wird, und in dem der Schritt des Ableitens von elektrischer Energie bei der Sendeeinrichtung (5) ausgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, in dem der Schritt des Ableitens elektrischer Energie den Schritt enthält, in dem die Leistungsübertragung mehr als einer Einrichtung (6) zum Ableiten von Energie unterworfen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, in dem der Schritt des Ableitens von elektrischer Energie ferner den Schritt des Änderns der Phase des Wechselsignals zwischen wenigstens zwei der Einrichtungen (6) zum Ableiten von Energie enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 6, in dem die Einrichtung zum Ableiten von Energie versehen ist entweder mit:

a) einem Widerstand (8), der mit einem Kondensator (9) und einer Induktivität (10) in Serie geschaltet ist, wobei der Kondensator (9) und die Induktivität (10) parallelgeschaltet sind; oder

b) einem Widerstand (8), der mit einem Kondensator (9) und einer Induktivität (10) parallelgeschaltet ist, wobei der Kondensator (9) und die Induktivität (10) in Serie geschaltet sind; oder

c) einer spezifischen Länge einer Übertragungsleitung (15), wovon zwei Leiterelemente an einem Ende (16) zusammengeschaltet sind, sowie einem Widerstand (8), der mit einem der Leiterelemente in Serie geschaltet ist; oder

d) einer spezifischen Länge einer Übertragungsleitung (15) mit zwei Leiterelementen, die an einem Ende nicht zusammengeschaltet sind, sowie einem Widerstand (8), der über der spezifischen Länge der Übertragungsleitung an deren anderem Ende angeschaltet ist.

10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1, 3, 6, 8 und 9, in dem der Schritt des Ableitens von, elektrischer Energie den Schritt des Verwendens eines abgestimmten Schaltelementes (9, 10) enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 10, in dem das abgestimmte Schaltelement (9, 10) bei der Grundfrequenz eine hohe Impedanz besitzt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, in dem das abgestimmte Schaltelement (9, 10) bei wenigstens einer anderen Frequenz eine verhältnismäßig niedrige Impedanz besitzt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, in dem das abgestimmte Schaltelement (9, 10) bei der zweiten Harmonischen eine verhältnismäßig niedrige Impedanz besitzt.

14. Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Schritt des Ableitens von elektrischer Energie den Schritt enthält, in dem das Wechselsignal mehr als einer Einrichtung (6) zum Ableiten von Energie unterworfen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, in dem der Schritt des Ableitens von elektrischer Energie ferner den Schritt des Änderns der Phase des Wechselsignals zwischen wenigstens zwei der Einrichtungen (6) zum Ableiten von Energie enthält.

16. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1, 3, 6, 8 und 13, in dem der Schritt des Erzeugens des Wechselstromsignals verwendet:

a) einen Leistungsverstärker im Klasse-C-Betrieb mit einem verhältnismäßig kurzen aktiven Bereich; oder

b) einen Leistungsverstärker im Klasse-D-Betrieb; oder

c) einen Leistungsverstärker im Klasse-E-Betrieb; oder

d) einen Leistungsverstärker im Klasse-AE-Betrieb.

17. Schaltung zum Liefern von Leistung an ein Bearbeitungsplasma (2) mittels eines Wechselsignals, mit:

einer Schaltstromversorgung (1), die ein Wechselsignal bei einer Grundfrequenz erzeugen kann,

einer Einrichtung zum Senden des Wechselsignals in das Bearbeitungsplasma (2),

gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ableiten von elektrischer Energie bei einer anderen als der Grundfrequenz mittels einer elektrischen Schaltung (6), die einen Widerstand (8) in Verbindung mit einem Filterelement (9, 10; 15; 16) enthält.

18. Schaltung nach Anspruch 17, in der die Einrichtung zum Ableiten von Energie versehen ist mit entweder:

c) einer spezifischen Länge einer Übertragungsleitung (15) mit zwei Leiterelementen, die an einem Ende (16) zusammengeschaltet sind, sowie einem Widerstand (8) der mit einem der Leiterelemente in Serie geschaltet ist; oder

19. Schaltung nach Anspruch 17, in der die Schaltstromversorgung ein primäres Schaltelement (7) mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt (13), einem Ausgangsverbindungspunkt (12) und einem Steuerverbindungspunkt (11) besitzt, und in der die Einrichtung zum Ableiten von elektrischer Energie versehen ist mit entweder:

a) einem Schaltelement (6), das über den Steuerverbindungspunkt (11) und den gemeinsamen Verbindungspunkt (13) geschaltet ist; oder

b) einem Schaltelement (6), das über den Ausgangsverbindungspunkt (12) und den gemeinsamen Verbindungspunkt (13) geschaltet ist.

20. Schaltung nach Anspruch 17, in der die Einrichtung zum Ableiten von elektrischer Energie ein abgestimmtes Schaltelement (9, 10) enthält.

21. Schaltung nach Anspruch 20, in der das abgestimmte Schaltelement (9, 10) bei der Grundfrequenz eine hohe Impedanz besitzt.

22. Schaltung nach Anspruch 21, in der das abgestimmte Schaltelement (9, 10) bei wenigstens einer anderen Frequenz eine verhältnismäßig niedrige Impedanz besitzt.

23. Schaltung nach Anspruch 21, in der das abgestimmte Schaltelement bei der zweiten Harmonischen eine verhältnismäßig niedrige Impedanz besitzt.

24. Schaltung nach irgendeinem der Ansprüche 17, 20 und 21, ferner mit einer zweiten Einrichtung (6) zum Ableiten von elektrischer Energie bei einer anderen als der Grundfrequenz.

25. Schaltung nach Anspruch 24, ferner mit wenigstens einer Einrichtung (14) zum Ändern der Phase, die zwischen die Einrichtungen (6) zum Ableiten von elektrischer Energie geschaltet ist.

26. Schaltung nach irgendeinem der Ansprüche 17, 18 und 23, in der die Schaltstromversorgung (1) enthält:

b) einen Leistungsverstärker im Klasse-D-Betrieb; oder

c) einen Leistungsverstärker im Klasse-E-Betrieb; oder

d) einen Leistungsverstärker in Klasse-AE-Betrieb.