EP4673964A1 - Impedanzanpassungsbaustein, impedanzanpassungsschaltung, plasmaprozessversorgungssystem und plasmaprozesssystem - Google Patents

Impedanzanpassungsbaustein, impedanzanpassungsschaltung, plasmaprozessversorgungssystem und plasmaprozesssystem

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Publication number
EP4673964A1
EP4673964A1 EP24708394.2A EP24708394A EP4673964A1 EP 4673964 A1 EP4673964 A1 EP 4673964A1 EP 24708394 A EP24708394 A EP 24708394A EP 4673964 A1 EP4673964 A1 EP 4673964A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
impedance matching
circuit board
plasma process
substrate
matching module
Prior art date
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Pending
Application number
EP24708394.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Birger NORDMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Original Assignee
Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Huettinger GmbH and Co KG filed Critical Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Publication of EP4673964A1 publication Critical patent/EP4673964A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32174—Circuits specially adapted for controlling the RF discharge
    • H01J37/32183—Matching circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/38—Impedance-matching networks
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0213—Electrical arrangements not otherwise provided for
    • H05K1/0237—High frequency adaptations
    • H05K1/025—Impedance arrangements, e.g. impedance matching, reduction of parasitic impedance
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/20—Arrangements for cooling
    • H10W40/25—Arrangements for cooling characterised by their materials
    • H10W40/255—Arrangements for cooling characterised by their materials having a laminate or multilayered structure, e.g. direct bond copper [DBC] ceramic substrates

Definitions

  • Impedance matching module impedance matching module, impedance matching circuit, plasma process supply system and plasma process system
  • the present invention relates to an impedance matching module for an impedance matching circuit, a plasma process supply system and a plasma process system for mounting on a, in particular metallic, heat sink, designed for powers > 500 W, preferably > 2 kW and frequencies in the range from 2 MHz to 100 MHz, in particular in the range from 10 MHz to 50 MHz, an impedance matching circuit, a plasma process supply system and a plasma process system.
  • Such an impedance matching module can be used in an impedance matching circuit in a system in which a load is supplied with electrical power, in particular high-frequency power.
  • 'High frequency' is also abbreviated to 'HF' below.
  • HF here means frequencies in the range from 2 MHz to 100 MHz, in particular in the range from 10 MHz to 50 MHz.
  • the impedance of the load should be matched to the impedance of the power supply, otherwise power reflection may occur.
  • Power reflection has a direct impact on the efficiency of a system; it reduces the efficiency of a system.
  • An example system in which an impedance matching circuit may be used may be a plasma processing system.
  • Such a plasma processing system may, for example, be a system in which a load, e.g. a plasma processing arrangement, is supplied with electrical power.
  • Such a plasma processing arrangement can, for example, be a plasma processing chamber, which is used for industrial plasma processes such as the surface treatment of workpieces, semiconductor manufacturing with plasma or the processing of workpieces with gas lasers.
  • the plasma processing arrangement serves to generate plasma.
  • a plasma processing arrangement can have an electrode which is fed with a high-frequency power signal for generating the plasma, hereinafter referred to as the RF power signal.
  • RF power supply typically, a high power and especially high voltage supply is required, for which the plasma process arrangement can be connected to a high frequency power supply, hereinafter referred to as RF power supply.
  • the plasma process taking place in the plasma process arrangement has the problem that the electrical load impedance of the plasma process arrangement, which occurs during the process, depends on the conditions in the plasma process arrangement and can vary greatly. In particular, the properties of the workpiece, electrode and gas conditions are taken into account.
  • an impedance matching circuit is usually required that transforms the impedance of the load to a nominal impedance of the RF power supply.
  • Such an impedance matching circuit is usually placed between an RF power supply and the plasma processing arrangement, usually in the immediate vicinity of the plasma processing arrangement.
  • An impedance matching circuit is typically an arrangement that may contain inductances and/or capacitances.
  • Semiconductor-switched impedance matching circuits are often used for complex problems in which it is important to be able to change the impedance quickly. Inductances and/or capacitances in impedance matching circuits can be switched on and off via these semiconductor switching elements. Control circuits can be used to control the switching on and off of the semiconductor switching elements.
  • An example of such a semiconductor-switched impedance matching circuit is disclosed and described in DE 20 2020 102 084 Ul. With ever higher performance requirements in this area, the circuits in which the actual semiconductor switching elements are arranged are becoming increasingly complex. These complex circuits are generally intended to implement universal switching elements that function in both parallel and series configurations. DE 20 2020 103 539 Ul discloses and describes with Fig. 3 an example of such a more complex circuit, referred to there as a switchable reactance unit. This circuit contains semiconductor switching elements in both parallel and series configurations.
  • parasitic capacitances arise due to the necessary cooling of the semiconductor switching elements. These parasitic capacitances have a negative effect on the electrical performance of such a circuit.
  • a compact design i.e. one that is designed to save as much space as possible, is very desirable.
  • the present invention is therefore based on the object of providing an impedance matching module for powers > 500 W and frequencies in the range of 2 to 100 MHz, which allows complex structures for the arrangement of semiconductor switching elements in parallel and series configuration in a compact design and can be realized with high-performance cooling and reduced parasitic capacitance.
  • an impedance matching module for an impedance matching circuit, a plasma process supply system and a plasma process system for mounting on a, in particular metallic, heat sink, designed for powers > 500 W and frequencies in the range from 2 MHz to 100 MHz, comprising a) an insulating circuit board, b) planar conductor tracks arranged on the top and/or bottom of the insulating circuit board, c) several semiconductor switching elements, in particular transistors or PIN diodes, d) a substrate, in particular a ceramic plate, e) wherein the planar conductor tracks are designed to connect the semiconductor switching element connections to one another and to other components, f) wherein the semiconductor switching elements are arranged on the upper side of the insulating circuit board and are designed to switch reactances, e.g.
  • the substrate is thicker than the insulating circuit board and is firmly connected to the insulating circuit board over most of the underside of the circuit board, and h) wherein the substrate is designed such that the planar conductor tracks can be spaced apart from a heat sink, in particular a metallic heat sink, by this substrate in order to be electrically insulated from it, and i) wherein the substrate and the connection of the circuit board to the substrate are designed to dissipate the heat of the planar conductor tracks and semiconductor switching elements to a heat sink.
  • a plate made of aluminum oxide or aluminum nitride ceramic can be used for the substrate.
  • the insulating circuit board can be made of conventional circuit board material, e.g. FR-4, or in particular polytetrafluoroethylene-based material, also known as PTFE material. This material is particularly suitable due to its low dielectric constant and low losses.
  • FR-4 stands for a class of flame-retardant composite materials consisting of epoxy resin and glass fiber fabric.
  • the abbreviation FR stands for "Flame Retardant”.
  • Polytetrafluoroethylene-based material also abbreviated to PTFE material, is many times more expensive than FR.-4, but it can be used for circuit boards in the HF range because it has particularly low losses in this frequency range.
  • the circuit boards can be designed thinner because this material has a lower dielectric constant and also a higher dielectric strength against high electric fields.
  • Permanently connected means a connection between the circuit board and the substrate that cannot slip during operation, cannot come loose, and in which no air pockets are or can form. Such air pockets often occur in components connected with thermal paste. These have the disadvantage that high electrical fields can arise at the edge of the air pockets, which in turn can lead to harmful partial discharges. In addition, the thermal conductivity is negatively affected.
  • the "permanent connection” is advantageously made by pressing and/or gluing, in particular under pressure combined with heat.
  • a “major part” means a surface area that makes up at least 60%, in particular at least 80%, of the total surface. If the underside of the circuit board is 100 cm 2 , for example, the "major part of the underside” should be at least 60 cm 2 , in particular at least 80 cm 2 .
  • the planar conductor tracks are made of an electrically conductive material, particularly copper.
  • An arrangement of the conductor tracks on the top and bottom of the insulating circuit board enables a very flexible and complex layout. In individual places, the conductor tracks on the top and bottom can be electrically connected by vias.
  • the top of the insulating circuit board can be covered with another coating.
  • MOSFETs Metal oxide semiconductor field effect transistors
  • the semiconductor switching elements can be attached by soldering them onto the planar conductor tracks on the top of the insulating circuit board.
  • reactances such as coils and/or capacitors can also be arranged on the top side of the insulating circuit board, which are designed to be switched on and off by the semiconductor switching elements. By arranging the reactances directly on the insulating circuit board, their heat can also be dissipated via the substrate.
  • resistors can be arranged on the top of the insulating circuit board, which are designed to prevent overloading of individual semiconductor switching elements. This makes the entire arrangement more robust and even in the event of a fault, the expensive semiconductor switching elements can remain undamaged. By arranging the resistors directly on the insulating circuit board, their heat can also be dissipated via the substrate.
  • circuit board connection options can be arranged on the top side of the insulating circuit board, via which several further circuit boards can be connected and in particular stacked on top of the first circuit board.
  • the circuit board connection options can be electrical circuit board connection options that electrically connect the individual circuit boards to one another and mechanical circuit board connection options that attach the circuit boards and ensure a distance between the circuit boards.
  • the additional circuit boards added can have additional reactances, referred to here as additional reactances, such as capacitors and/or coils, which can be switched on and off via the semiconductor switching elements.
  • the added circuit boards can have conventional circuit board material such as FR-4 or, for example, polytetrafluoroethylene-based material. The ability to add additional circuit boards with additional reactances makes the impedance matching module modularly expandable and thus more scalable.
  • Prepreg is a Common material name, which is an abbreviation of "preimpregnated”. This usually refers to pre-impregnated, mostly flat, flat textile semi-finished products with a thermoplastic or thermosetting matrix, such as unidirectional layers of threads, fabrics or scrims with threads often arranged at right angles.
  • Prepregs are cured under temperature and pressure to produce components. They are prefabricated in sheet form, for example, wound on rolls.
  • the term prepreg covers not only unidirectionally reinforced or flat semi-finished products, but also other preforms of basically any shape, which in the broadest sense consist of an uncured thermosetting matrix filled with fibers. The matrix is in a partially cross-linked state and is pasty to solid, but can be liquefied again by heating.
  • Prepregs can be processed by machine and are therefore often used in automated processes. They produce a uniform and high quality. The advantages are their low undulation and the high fiber volume fraction. Curing at high temperatures enables short cycle times in further processing. Processing requires a high level of investment, e.g. for autoclaves, laying robots, cooled storage. Such prepregs are generally used to join several circuit boards together to form a multilayer circuit board. To ensure a secure and long-lasting joining, the materials to be joined should have very similar properties in terms of their expansion when heated. However, this is not necessarily the case with the circuit board and the substrate, especially if the substrate is made of ceramic. This initially spoke against such a connection.
  • Ceramic has very good thermal conductivity and at the same time very good electrical insulating properties and also low dielectric losses when isolating high-frequency signals with high voltage. Contrary to expectations, tests have shown that small dimensions also allow for secure and long-lasting joining of materials with different properties, such as ceramic with FR-4 and/or ceramic with PTFE material. "Small dimensions” here means a bonding area of less than 400 cm 2 and/or with a maximum length of 20 cm.
  • the entire impedance matching component can be applied via the substrate to a heat sink, which dissipates the heat of the planar inductors.
  • a heat sink can preferably be metallic, in particular made of aluminum and/or copper.
  • the heat sink can also be a fluid heat sink, which has at least one cooling channel through which a fluid flows, via which the heat is dissipated.
  • a thermal paste can be applied between the heat sink and the substrate and the impedance matching component can be attached to the heat sink using brackets.
  • the impedance matching device can be used in an impedance matching circuit in a plasma process supply system or a plasma process system.
  • Such a plasma process supply system can have an RF power supply in addition to the impedance matching circuit.
  • Such an impedance matching circuit can have additional reactances, referred to here as additional impedances, such as coils and/or capacitors, as well as a control circuit in addition to the impedance matching module.
  • the additional reactances can be implemented as planar reactances and, like the existing reactances, can be switched on and off via the semiconductor switching elements. The switching on and off using the semiconductor switching elements can be controlled via the control circuit.
  • the entire impedance matching circuit can be connected to the RF power supply on the one hand and can be designed to be connected to a plasma processing arrangement on the other hand.
  • a plasma processing arrangement may be present and connected to the impedance matching circuit.
  • the plasma processing arrangement may be supplied with electrical power provided by the RF power supply via the impedance matching circuit.
  • Fig. 1 is a plan view of a first embodiment of a top side of an insulating circuit board of an impedance matching module according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic view of a first embodiment of an impedance matching module according to the invention arranged on a heat sink in cross section
  • Fig. 3 is a schematic view of an embodiment of a plasma processing system
  • Fig. 1 shows a plan view of a first embodiment of a top side of an insulating circuit board 3 of an impedance matching module 1 according to the invention. Also indicated are the substrate 4, which is arranged under the circuit board 3, and the heat sink 7, which is arranged under the substrate 4, which is shown again in Fig. 2.
  • the top side of the insulating circuit board 3 has semiconductor switching elements 5, reactances 6 in the form of capacitors, resistors 14 and various connection options 19a, 19b, 20, 21, 22.
  • the planar conductor tracks 2 (shown in Fig. 2) of the impedance matching module 1 are covered in this illustration by a coating on the top side 3a of the insulating circuit board 3 or attached to the bottom side 3b of the insulating circuit board 3 and are therefore not visible.
  • connection options 19a, 19b, 20, 21, 22 are divided into signal connection options 19a, 19b, mechanical circuit board connection options 20, electrical circuit board connection options 21 and heat sink connection options 22.
  • the signal connection options 19a, 19b can be divided again into integrated signal connection options 19a, which are integrated into the insulating circuit board 3, and into applied signal connection options 19b, which are applied to the insulating circuit board 3.
  • the impedance matching module 1 can be supplied with e.g. RF power signals or control signals of the control circuit 18 via the signal connection options 19a, 19b and can be integrated into the entire impedance matching circuit 11. Additional circuit boards 15 can be attached to the insulating circuit board 3 at a distance using the mechanical circuit board connection options 20 (shown in Fig. 2).
  • the mechanical circuit board connection options 20 can be implemented as cylindrical attachments with a height that corresponds to the desired distance between the circuit boards on the insulating circuit board 3. These cylindrical attachments can have a threaded hole in their center, over which the additional circuit boards 15 can be fixed with screws.
  • the individual circuit boards can be electrically connected to one another so that possible additional reactances 16 on possible further circuit boards 15 can be integrated into the circuit on the insulating circuit board 3.
  • the impedance matching module 1 can be attached to a possible heat sink 7 via the heat sink connection options 22.
  • the mechanical circuit board connection options 20 and the heat sink connection options 21 can be connected to a ground potential if required.
  • the semiconductor switching elements 5 can have semiconductor switching element connections 5a.
  • the semiconductor switching elements 5 can be contacted via these and connected to other semiconductor switching elements 5 and/or other components via the planar conductor tracks 2.
  • the semiconductor switching element connections 5a can, for example, comprise a gate, a drain and a source connection when using a MOSFET as the semiconductor switching element 5.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of an impedance matching module 1 according to the invention arranged on a heat sink 7.
  • the cross section shown also shows the insulating circuit board 3 and the substrate 4 of the impedance matching module 1.
  • the insulating circuit board 3 is arranged on the substrate 4 and firmly connected to it.
  • the insulating circuit board 3 has planar conductor tracks 2 on the top and bottom 3a, 3b of the insulating circuit board 3.
  • the planar conductor tracks 2 connect the semiconductor switching element connections 5a to each other and to other components, such as the reactances 6 and resistors 14.
  • the Substrate 4 is arranged on the heat sink 7 and connected to it. Due to the thickness of the substrate, the insulating circuit board 3 is spaced from the heat sink 7 and electrically insulated from it.
  • Two further circuit boards 15 are stacked on the insulating circuit board 3.
  • the other circuit boards can be connected to one another via several circuit board connection options 20, 21.
  • Additional reactances 16, such as capacitors and/or coils, can be arranged on the other circuit boards 15.
  • the heat sink 7 is shown as a fluid heat sink, which has several cooling channels 7a, which are designed to be flowed through by a fluid, e.g. water, through which heat can be dissipated.
  • a fluid e.g. water
  • Fig. 3 shows an embodiment of an exemplary plasma process system 9.
  • the plasma process system 9 has a plasma process supply system 8 and a plasma process arrangement 10.
  • the plasma process supply system 8 comprises an impedance matching circuit 11 as described above and an RF power supply 12.
  • the impedance matching module 1 according to the invention is integrated into the impedance matching circuit 11.
  • the impedance matching circuit 11 comprises further additional reactances 17, such as capacitors and/or coils, as well as a control circuit 18.
  • Such a typical additional reactance 17 is described, for example, in the patent application DE 10 2023 104 958.5 filed on February 28, 2023 with the title "Impedance matching module, impedance matching circuit, plasma process supply system and plasma process system", which is hereby fully integrated into the present application by reference.
  • the additional impedance matching module (1) described in the said application can further develop the additional reactance 17 with individual or all of its features.
  • Such a typical impedance matching circuit 11 is described, for example, in the patent application DE 10 2023 104 942.9 filed on February 28, 2023 with the title “Impedance matching circuit, plasma process supply system and plasma process system", which is hereby fully incorporated into the present application by reference.
  • the further impedance matching circuit (1) described in the said application can further develop the present impedance matching circuit 11 with individual or all of its features.
  • Such a typical plasma process system 9 is described, for example, in the patent application DE 10 2023 104 955.0 filed on February 28, 2023 with the title "Impedance matching circuit for a plasma process system and a plasma process system with such an impedance matching circuit", which is hereby fully integrated into the present application by reference.
  • the second impedance matching unit (7) described in the said application can be designed with the features of the impedance matching module 1 described here.
  • Such a typical plasma process system 9 is described, for example, in the patent application DE 10 2023 104 948.8 filed on February 28, 2023 with the title "Impedance matching circuit, plasma process supply system and plasma process system", which is hereby fully integrated into the present application by reference.
  • the second impedance matching unit (7, 7a - 7f) described in the said application can be designed with the features of the impedance matching module 1 described here.
  • the number of components for example semiconductor switching elements or reactances, e.g. coils and/or capacitors as well as capacitances and/or inductances, can be kept lower, which means an even more compact design can be achieved.

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Abstract

Impedanzanpassungsbaustein für Leistungen ≥500 W und Frequenzen im Bereich von 2 bis 100 MHz für eine Impedanzanpassungsschaltung, ein Plasmaprozessversorgungssystem sowie ein Plasmaprozesssystem, aufweisend a) eine isolierende Leiterplatte (3), b) planare Leiterbahnen (2), angeordnet auf Oberseite (3a) und Unterseite (3b) der isolierenden Leiterplatte (3), c) mehrere Halbleiterschaltelemente (5), insbesondere Transistoren oder PIN-Dioden, d) ein Substrat (4), insbesondere eine Keramikplatte, e) wobei die planaren Leiterbahnen (2) ausgelegt sind, die Halbleiterschaltelementanschlüsse (5a) untereinander und mit anderen Bauteilen zu verbinden, f) wobei die Halbleiterschaltelemente (5) auf der Oberseite (3a) der isolierenden Leiterplatte (3) angeordnet sind und ausgelegt sind, Reaktanzen (6), z B. Kondensatoren und/oder Spulen, zu- und wegzuschalten, um eine Impedanz vom Eingang zum Ausgang einer Impedanzanpassungsschaltung (11) zu verändern, g) wobei das Substrat (4) dicker als die isolierende Leiterplatte (3) und mit der isolierenden Leiterplatte (3) flächig über den Großteil der Unterseite (3b) der Leiterplatte (3) fest verbunden ist, und h) wobei das Substrat (4) so gestaltet ist, dass die planaren Leiterbahnen (2) durch dieses Substrat (4) von einem Kühlkörper (7) beabstandet werden können, um von diesem elektrisch isoliert zu sein, und i) wobei das Substrat (4) und die Verbindung der Leiterplatte (3) mit dem Substrat dazu eingerichtet sind, die Wärme der planaren Leiterbahnen (2) und Halbleiterschaltelemente (5) an einen Kühlkörper (7) abzuleiten.

Description

Impedanzanpassungsbaustein, Impedanzanpassungsschaltung, Plasmaprozessversorgungssystem und Plasmaprozesssystem
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Impedanzanpassungsbaustein für eine Impedanzanpassungsschaltung, ein Plasmaprozessversorgungssystem und ein Plasmaprozesssystem zur Montage an einen, insbesondere metallischen, Kühlkörper, ausgelegt für Leistungen > 500 W, bevorzugt > 2 kW und Frequenzen im Bereich von 2 MHz bis 100 MHz, insbesondere im Bereich von 10 MHz bis 50 MHz, eine Impedanzanpassungsschaltung, ein Plasmaprozessversorgungssystem sowie ein Plasmaprozesssystem.
Ein solcher Impedanzanpassungsbaustein kann in einer Impedanzanpassungsschaltung in einem System eingesetzt werden, in dem eine Last mit einer elektrischen Leistung, insbesondere einer Hochfrequenz-Leistung versorgt wird. , Hochfrequenz' wird im Folgenden auch mit , HF' abgekürzt. Mit HF sind hier Frequenzen im Bereich von 2 MHz bis 100 MHz, insbesondere im Bereich von 10 MHz bis 50 MHz gemeint.
In einem solchen System sollte die Impedanz der Last auf die Impedanz der Leistungsversorgung angepasst werden, da es sonst zur Reflexion von Leistung kommen kann. Die Reflexion von Leistung hat direkten Einfluss auf die Effizienz eines Systems; sie vermindert den Wirkungsgrad eines Systems.
Ein beispielhaftes System, in dem eine Impedanzanpassungsschaltung eingesetzt werden kann, kann ein Plasmaprozesssystem sein.
Ein solches Plasmaprozesssystem kann z. B ein System sein, in dem eine Last, z. B. eine Plasmaprozessanordnung, mit elektrischer Leistung versorgt wird.
Eine solche Plasmaprozessanordnung kann beispielsweise eine Plasmaprozesskammer sein, die für industrielle Plasmaverfahren wie z. B. die Oberflächenbehandlung von Werkstücken, die Halbleiterfertigung mit Plasma oder die Bearbeitung von Werkstücken mit Gaslaser zum Einsatz kommt.
In einer solchen Anwendung dient die Plasmaprozessanordnung der Erzeugung von Plasma. Dafür kann eine Plasmaprozessanordnung eine Elektrode aufweisen, die mit einem Hochfrequenz-Leistungssignal zur Erzeugung des Plasmas, im Folgenden als HF-Leistungssignal bezeichnet, gespeist wird.
Üblicherweise ist eine Speisung mit hoher Leistung und insbesondere hoher Spannung erforderlich, wofür die Plasmaprozessanordnung mit einer Hochfrequenz-Leistungsversorgung, im Folgenden als HF-Leistungsversorgung bezeichnet, verbunden werden kann.
Der in der Plasmaprozessanordnung ablaufende Plasmaprozess hat das Problem, dass die elektrische Lastimpedanz der Plasmaprozessanordnung, die während des Prozesses auftritt, von den Zuständen in der Plasmaprozessanordnung abhängt und stark variieren kann. Insbesondere gehen die Eigenschaften von Werkstück, Elektrode und Gasverhältnissen ein.
Aus diesem Grund ist in der Regel eine Impedanzanpassungsschaltung erforderlich, die die Impedanz der Last auf eine Nennimpedanz der HF- Leistungsversorgung transformiert. Eine solche Impedanzanpassungsschaltung wird üblicherweise zwischen eine HF-Leistungsversorgung und die Plasmaprozessanordnung, in der Regel in unmittelbarer Nähe der Plasmaprozessanordnung angeordnet.
Eine Impedanzanpassungsschaltung ist in der Regel eine Anordnung, die Induktivitäten und/oder Kapazitäten aufweisen kann.
Für komplexe Problemstellungen, in denen es darauf ankommt, schnell die Impedanz verändern zu können, kommen oftmals halbleitergeschaltete Impedanzanpassungsschaltungen zum Einsatz. Über diese Halbleiterschaltelemente können Induktivitäten und/oder Kapazitäten in Impedanzanpassungsschaltungen zu- und weggeschaltet werden. Für das Steuern des Zu- und Wegschaltens der Halbleiterschaltelemente können Ansteuerschaltungen eingesetzt werden. In DE 20 2020 102 084 Ul ist ein Beispiel für eine solche halbleitergeschaltete Impedanzanpassungsschaltung offenbart und beschrieben. Bei immer höheren Leistungsanforderungen in diesem Bereich werden die Schaltungen, in denen die eigentlichen Halbleiterschaltelemente angeordnet sind, immer komplexer. Diese komplexen Schaltungen sollen in der Regel universelle Schaltelemente realisieren, die sowohl in Parallel- als auch in Serienkonfiguration funktionieren. DE 20 2020 103 539 Ul offenbart und beschreibt mit Fig. 3 ein Beispiel für eine solche komplexere Schaltung, dort als Schaltbare-Reaktanz-Einheit bezeichnet. Diese Schaltung enthält Halbleiterschaltelemente sowohl in Parallel- als auch in Serien konfiguration.
Insbesondere in Serienkonfiguration entstehen durch eine notwendige Kühlung der Halbleiterschaltelemente parasitäre Kapazitäten. Diese parasitären Kapazitäten wirken sich negativ auf die elektrische Performance einer solchen Schaltung aus.
Eine kompakte Bauweise, also eine, die möglichst platzsparend ausgestaltet ist, ist sehr erwünscht.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Impedanzanpassungsbaustein für Leistungen > 500 W und Frequenzen im Bereich von 2 bis 100 MHz bereitzustellen, der komplexe Strukturen für die Anordnung von Halbleiterschaltelementen in Parallel- sowie Serienkonfiguration in kompakter Bauweise zulässt und sich dabei mit performanter Kühlung sowie verringerter parasitärer Kapazität realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch einen Impedanzanpassungsbaustein gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und/oder der Beschreibung.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird demnach ein Impedanzanpassungsbaustein für eine Impedanzanpassungsschaltung, ein Plasmaprozessversorgungssystem und ein Plasmaprozesssystem zur Montage an einen, insbesondere metallischen, Kühlkörper, ausgelegt für Leistungen > 500 W und Frequenzen im Bereich von 2 MHz bis 100 MHz vorgeschlagen, aufweisend a) eine isolierende Leiterplatte, b) planare Leiterbahnen, angeordnet auf Ober- und/oder Unterseite der isolierenden Leiterplatte, c) mehrere Halbleiterschaltelemente, insbesondere Transistoren oder PIN- Dioden, d) ein Substrat, insbesondere eine Keramikplatte, e) wobei die planaren Leiterbahnen ausgelegt sind, die Halbleiterschaltelementanschlüsse untereinander und mit anderen Bauteilen zu verbinden, f) wobei die Halbleiterschaltelemente auf der Oberseite der isolierenden Leiterplatte angeordnet sind und ausgelegt sind, Reaktanzen, z. B. Kondensatoren und/oder Spulen, zu- und wegzuschalten, um eine Impedanz vom Eingang zum Ausgang einer Impedanzanpassungsschaltung zu verändern, g) wobei das Substrat dicker als die isolierende Leiterplatte und mit der isolierenden Leiterplatte flächig über den Großteil der Unterseite der Leiterplatte fest verbunden ist, und h) wobei das Substrat so gestaltet ist, dass die planaren Leiterbahnen durch dieses Substrat von einem Kühlkörper, insbesondere metallischen Kühlkörper, beabstandet werden können, um von diesem elektrisch isoliert zu sein, und i) wobei das Substrat und die Verbindung der Leiterplatte mit dem Substrat dazu eingerichtet sind, die Wärme der planaren Leiterbahnen und Halbleiterschaltelemente an einen Kühlkörper abzuleiten.
Durch den Aufbau eines isolierenden, wärmeleitenden Substrats verbunden mit einer isolierenden Leiterplatte, auf der ein komplexes Layout aus planaren Leiterbahnen strukturiert werden kann, worauf Bauteile angeordnet werden können, kann die Problematik einer komplexen Schaltung, einer performanten Kühlung und einer minimalen parasitären Kapazität gelöst werden.
Für das Substrat kann z. B. eine Platte aus einer Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitrid-Keramik verwendet werden. Die isolierende Leiterplatte kann konventionelles Leiterplattenmaterial z. B. FR-4, oder insbesondere Polytetrafluorethylen-basiertes Material, auch PTFE-Material genannt, aufweisen. Dieses Material eignet sich besonders aufgrund seiner geringen Dielektrizitätskonstante und seiner geringen Verluste.
Die Bezeichnung FR-4 steht für eine Klasse von schwer entflammbaren und flammenhemmenden Verbundwerkstoffen, bestehend aus Epoxidharz und Glasfasergewebe. Die Abkürzung FR steht für englisch „Flame Retardant", zu deutsch: „flammenhemmend". Polytetrafluorethylen-basiertes Material, auch abgekürzt PTFE-Material, ist um ein Vielfaches teurer als FR.-4, aber es kann für Leiterplatten im HF-Bereich eingesetzt werden, da es in diesem Frequenzbereich besonders verlustarm ist. Die Leiterplatten können dafür dünner ausgelegt werden, da dieses Material einen niedrigere Dielektrizitätszahl und zudem eine höhere Durchschlagfestigkeit gegenüber hohen elektrischen Feldern aufweist.
Mit „fest verbunden" ist eine Verbindung der Leiterplatte mit dem Substrat gemeint, die im Betrieb nicht verrutschen kann, sich nicht lösen kann und in der sich auch keine Lufteinschlüsse befinden oder bilden können. Solche Lufteinschlüsse treten häufig bei mit Wärmeleitpaste verbundenen Bausteinen auf. Diese haben den Nachteil, dass am Rand der Lufteinschlüsse hohe elektrische Felder entstehen können, die wiederum zu schädlichen Teilentladungen führen können. Zudem wird die Wärmeleitfähigkeit negativ beeinflusst. Die , feste Verbindung' ist vorteilhafterweise hergestellt durch eine Pressung und/oder Verklebung, insbesondere unter Druck verbunden mit Hitze. Mit einem „Großteil" ist ein Flächenanteil gemeint, der mindestens 60%, insbesondere mindestens 80%, der Gesamtfläche ausmacht. Wenn die Unterseite der Leiterplatte beispielsweise 100 cm2 groß ist, so soll der „Großteil der Unterseite" mindestens 60 cm2, insbesondere mindestens 80 cm2 sein.
Die planaren Leiterbahnen sind aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Kupfer gefertigt. Eine Anordnung der Leiterbahnen auf Ober- und Unterseite der isolierenden Leiterplatte ermöglicht ein sehr flexibles und komplexes Layout. An einzelnen Stellen können die Leiterbahnen der Ober- und Unterseite durch Durchkontaktierungen elektrisch verbunden sein. Die Oberseite der isolierenden Leiterplatte kann nochmals mit einer Beschichtung überzogen sein.
Für die Halbleiterschaltelemente können z. B. Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistoren (MOSFETs) eingesetzt werden. Die Halbleiterschaltelemente können z. B. durch Auflöten auf die planaren Leiterbahnen auf der Oberseite der isolierenden Leiterplatte befestigt werden. Neben den Halbleiterschaltelementen können auf der Oberseite der isolierenden Leiterplatte zudem Reaktanzen wie z. B. Spulen und/oder Kondensatoren angeordnet sein, die dafür ausgelegt sind, von den Halbleiterschaltelementen zu- und weggeschaltet zu werden. Durch die Anordnung der Reaktanzen direkt auf der isolierenden Leiterplatte kann auch deren Wärme über das Substrat abgeführt werden.
Des Weiteren können auf der Oberseite der isolierenden Leiterplatte Widerstände angeordnet sein, die dafür ausgelegt sind, eine Überlastung einzelner Halbleiterschaltelemente zu verhindern. Damit wird die gesamte Anordnung robuster und auch im Fehlerfall können die teuren Halbleiterschaltelemente unbeschädigt bleiben. Durch die Anordnung der Widerstände direkt auf der isolierenden Leiterplatte kann auch deren Wärme über das Substrat abgeführt werden.
Weiterhin können auf der Oberseite der isolierenden Leiterplatte Leiterplatten- Anschlussmöglichkeiten angeordnet sein, über die mehrere weitere Leiterplatten angeschlossen und insbesondere dabei über die erste Leiterplatte gestapelt werden können. Bei den Leiterplatten-Anschlussmöglichkeiten kann es sich zum einen um elektrische Leiterplatten-Anschlussmöglichkeiten handeln, die die einzelnen Leiterplatten elektrisch miteinander verbinden und zum anderen um mechanische Leiterplatten-Anschlussmöglichkeiten, die die Leiterplatten befestigen und einen Abstand zwischen den Leiterplatten gewährleisten. Die weiteren hinzugefügten Leiterplatten können weitere Reaktanzen, hier als Zusatz-Reaktanzen benannt, wie z. B. Kondensatoren und/oder Spulen aufweisen, die über die Halbleiterschaltelemente zu- und weggeschaltet werden können. Die hinzugefügten Leiterplatten können konventionelles Leiterplattenmaterial wie z. B. FR-4 oder beispielsweise Polytetrafluorethylenbasiertes Material aufweisen. Durch die Möglichkeit weitere Leiterplatten mit Zusatz-Reaktanzen hinzuzufügen, wird der Impedanzanpassungsbaustein modular erweiterbar und damit besser skalierbar.
Des Weiteren können die isolierende Leiterplatte und das Substrat des Impedanzanpassungsbausteins über ein dazwischen gefügtes Prepreg durch Erhitzung und Zusammenpressen verbunden werden. „Prepreg" ist eine gebräuchliche Materialbezeichnung, die eine Verkürzung von „preimpregnated", zu deutsch: „vorimprägniert", darstellt. Gemeint sind üblicherweise mit einer thermoplastischen oder duroplastischen Matrix vorimprägnierte, meist ebene, flächige textile Halbzeuge wie unidirektionale Schichten aus Fäden, Gewebe oder Gelege mit häufig rechtwinklig angeordneten Fäden.
Prepregs werden zur Herstellung von Bauteilen unter Temperatur und Druck ausgehärtet. Sie werden beispielsweise bahnförmig, auf Rollen gewickelt, vorgefertigt. Unter den Begriff Prepreg fallen nicht nur unidirektional verstärkte oder flächige Halbzeuge, sondern auch sonstige Vorformlinge von prinzipiell beliebiger Gestalt, die im weitesten Sinne aus einer mit Fasern gefüllten, ungehärteten duroplastischen Matrix bestehen. Die Matrix befindet sich dabei im teilvernetzten Zustand, und ist pastös bis fest, kann aber durch Erwärmung wieder verflüssigt werden.
Prepregs sind maschinell verarbeitbar und werden daher häufig in automatisierten Prozessen eingesetzt. Sie ergeben eine gleichmäßige und hohe Qualität. Vorteile sind ihre niedrige Ondulation und der hohe Faservolumenanteil. Durch die Aushärtung unter hohen Temperaturen sind kurze Taktzeiten in der Weiterverarbeitung möglich. Die Verarbeitung erfordert einen hohen Investitionsaufwand z. B. für Autoklaven, Legeroboter, gekühlte Lagerhaltung. Solche Prepregs werden im Allgemeinen dafür eingesetzt, mehrere Leiterplatten zu einer Mehrschicht-Leiterplatte zusammenzufügen. Um ein sicheres und langanhaltendes Zusammenfügen zu gewährleiten, sollten die zusammenzufügenden Materialen sehr ähnliche Eigenschaften bezüglich ihrer Ausdehnung bei Erhitzung aufweisen. Das ist aber bei der Leiterplatte und dem Substrat nicht unbedingt der Fall, insbesondere, wenn das Substrat aus Keramik aufgebaut ist. Das sprach zunächst gegen eine solche Verbindung. Keramik weist aber eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig sehr gute elektrisch isolierende Eigenschaften auf und zusätzlich auch niedrige dielektrische Verluste bei der Isolierung von Hochfrequenzsignalen großer Spannung. Entgegen den Erwartungen wurde aber in Tests festgestellt, dass bei kleinen Abmessungen auch ein sicheres und langanhaltendes Zusammenfügen von Materialien mit verschiedenen Eigenschaften, wie z.B. Keramik mit FR-4 und/oder Keramik mit PTFE-Material möglich ist. Mit „kleinen Abmessungen" ist hier eine Verbundfläche kleiner 400 cm2 und/oder mit einer maximalen Länge von 20 cm gemeint. Der gesamte Impedanzanpassungsbaustein kann über das Substrat auf einen Kühlkörper aufgebracht werden, der die Wärme der planaren Induktivitäten abführt. Ein solcher Kühlkörper kann vorzugsweise metallisch, insbesondere aus Aluminium und/oder Kupfer sein. Der Kühlkörper kann weiter ein Fluidkühlkörper sein, der zumindest einen Kühlkanal aufweist, um von einem Fluid durchströmt zu werden, über das die Wärme abgeführt wird. Zwischen Kühlkörper und Substrat kann eine Wärmeleitpaste aufgetragen und der Impedanzanpassungsbaustein kann über Halterungen am Kühlkörper befestigt werden.
Weiterhin kann der Impedanzanpassungsbaustein in einer Impedanzanpassungsschaltung in einem Plasmaprozessversorgungssystem oder einem Plasmaprozesssystem eingesetzt werden.
Ein solches Plasmaprozessversorgungssystem kann neben der Impedanzanpassungsschaltung eine HF-Leistungsversorgung aufweisen. Eine solche Impedanzanpassungsschaltung kann neben dem Impedanzanpassungsbaustein zudem weitere Reaktanzen, hier als weitere Zusatz-Impedanzen bezeichnet, wie z. B. Spulen und/oder Kondensatoren sowie eine Ansteuerschaltung aufweisen. Die weiteren Zusatz-Reaktanzen können als planare Reaktanzen umgesetzt sein und wie die bereits vorhandenen Reaktanzen über die Halbleiterschaltelemente zu- und weggeschaltet werden. Das Zu- und Wegschalten mithilfe der Halbleiterschaltelemente kann über die Ansteuerschaltung gesteuert werden.
Die gesamte Impedanzanpassungsschaltung kann zum einen mit der HF- Leistungsversorgung verbunden sein und zum anderen dafür ausgelegt sein, mit einer Plasmaprozessanordnung verbunden zu werden.
In einem Plasmaprozesssystem kann eine solche Plasmaprozessanordnung vorhanden und mit der Impedanzanpassungsschaltung verbunden sein. Die Plasmaprozessanordnung kann über die Impedanzanpassungsschaltung mit elektrischer Leistung versorgt werden, die von der HF-Leistungsversorgung bereitgestellt wird. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform einer Oberseite einer isolierenden Leiterplatte eines erfindungsgemäßen Impedanzanpassungsbausteins
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Impedanzanpassungsbausteins angeordnet auf einem Kühlkörper im Querschnitt
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Plasmaprozesssystems
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform einer Oberseite einer isolierenden Leiterplatte 3 eines erfindungsgemäßen Impedanzanpassungsbausteins 1. Angedeutet sind auch das Substrat 4, das unter der Leiterplatte 3 angeordnet ist und der Kühlkörper 7, der unter dem Substrat 4 angeordnet ist, was in Fig. 2 noch einmal gezeigt ist. Die Oberseite der isolierenden Leiterplatte 3 weist Halbleiterschaltelemente 5, Reaktanzen 6 in Form von Kondensatoren, Widerstände 14 sowie verschiedene Anschlussmöglichkeiten 19a, 19b, 20, 21, 22 auf. Die planaren Leiterbahnen 2 (in Fig. 2 dargestellt) des Impedanzanpassungsbausteins 1 sind in dieser Abbildung von einer Beschichtung auf der Oberseite 3a der isolierenden Leiterplatte 3 bedeckt oder auf der Unterseite 3b der isolierenden Leiterplatte 3 angebracht und deshalb nicht sichtbar. Die Anschlussmöglichkeiten 19a, 19b, 20, 21, 22 gliedern sich in Signal-Anschlussmöglichkeiten 19a, 19b, mechanische Leiterkarten-Anschlussmöglichkeiten 20, elektrische Leiterkarten- Anschlussmöglichkeiten 21 sowie Kühlkörper-Anschlussmöglichkeiten 22. Die Signal-Anschlussmöglichkeiten 19a, 19b können nochmal in integrierte Signal- Anschlussmöglichkeiten 19a, die in die isolierende Leiterplatte 3 integriert sind und in aufgebrachte Signal-Anschlussmöglichkeiten 19b, die auf die isolierende Leiterplatte 3 aufgebracht werden, aufgeteilt werden. Über die Signal- Anschlussmöglichkeiten 19a, 19b kann der Impedanzanpassungsbaustein 1, z. B. mit HF-Leistungssignalen oder Ansteuersignalen der Ansteuerschaltung 18, versorgt werden und in die gesamte Impedanzanpassungsschaltung 11 integriert werden. Über die mechanischen Leiterkarten-Anschlussmöglichkeiten 20 können weitere Leiterkarten 15 beabstandet auf der isolierenden Leiterkarte 3 befestigt werden (in Fig. 2 dargestellt). Die mechanischen Leiterkarten-Anschlussmöglichkeiten 20 können als zylinderförmige Aufsätze mit einer Höhe, die dem gewünschten Abstand der Leiterkarten entspricht, auf der isolierenden Leiterplatte 3 umgesetzt sein. Diese zylinderförmigen Aufsätze können in ihrer Mitte eine Bohrung mit Gewinde aufweisen, worüber die weiteren Leiterplatten 15 mit Schrauben fixiert werden können.
Mit den elektrischen Leiterkarten-Anschlussmöglichkeiten 21 können die einzelnen Leiterkarten elektrisch miteinander verbunden werden, so dass mögliche Zusatz-Reaktanzen 16 auf möglichen weiteren Leiterplatten 15 in die Schaltung auf der isolierenden Leiterplatte 3 integriert werden können.
Über die Kühlkörper-Anschlussmöglichkeiten 22 kann der Impedanzanpassungsbaustein 1 auf einem möglichen Kühlkörper 7 befestigt werden.
Die mechanischen Leiterkarten-Anschlussmöglichkeiten 20 und die Kühlkörper- Anschlussmöglichkeiten 21 können im angeschlossenen Zustand bei Bedarf auf ein Masse-Potential gelegt werden.
Zudem können die Halbleiterschaltelemente 5 Halbleiterschaltelement- Anschlüsse 5a aufweisen. Über diese können die Halbleiterschaltelemente 5 kontaktiert und über die planaren Leiterbahnen 2 mit anderen Halbleiterschaltelementen 5 und/oder anderen Bauteilen verbunden werden. Die Halbleiterschaltelement-Anschlüsse 5a können bei Verwendung eines MOSFET als Halbeleiterschaltelement 5 beispielsweise einen Gate-, einen Drain- und einen Source-Anschluss umfassen.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Impedanzanpassungsbausteins 1 angeordnet auf einem Kühlkörper 7. Dabei wird aus dem abgebildeten Querschnitt zudem die isolierende Leiterplatte 3 und das Substrat 4 des Impedanzanpassungsbausteins 1 sichtbar. Die isolierende Leiterplatte 3 ist auf dem Substrat 4 angeordnet und mit diesem fest verbunden. Die isolierende Leiterplatte 3 weist auf Ober- und Unterseite 3a, 3b der isolierenden Leiterplatte 3 planare Leiterbahnen 2 auf. Die planaren Leiterbahnen 2 verbinden die Halbleiterschaltelement-Anschlüsse 5a untereinander und mit anderen Bauteilen, wie z.B. den Reaktanzen 6 und Widerständen 14. Das Substrat 4 ist auf dem Kühlkörper 7 angeordnet und mit diesem verbunden. Durch die Dicke des Substrats ist die isolierende Leiterplatte 3 vom Kühlkörper 7 beabstandet und von diesem elektrisch isoliert. Auf die isolierende Leiterplatte 3 sind zwei weitere Leiterplatten 15 gestapelt. Die weiteren Leiterplatten können dabei über mehrere Leiterkarten-Anschlussmöglichkeiten 20, 21 miteinander verbunden werden. Zum einen gibt es mechanische Leiterplatten- Anschlussmöglichkeiten 20, die der mechanischen Befestigung und Beabstandung der einzelnen Leiterplatten 3, 15 dienen. Zum anderen gibt es elektrische Leiterplatten-Anschlussmöglichkeiten 21, über die die einzelnen Leiterplatten elektrisch miteinander verbunden werden. Eine genauere Beschreibung der Anschlussmöglichkeiten findet sich in Beschreibung von Fig. 1. Auf den weiteren Leiterplatten 15 können Zusatz-Reaktanzen 16, wie z. B. Kondensatoren und/oder Spulen, angeordnet sein.
Der Kühlkörper 7 ist als Fluidkühlkörper dargestellt, der mehrere Kühlkanäle 7a aufweist, die dafür ausgelegt sind von einem Fluid, z.B. Wasser, durchströmt zu werden, worüber auftretende Wärme abgeführt werden kann.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines beispielhaften Plasmaprozesssystems 9. Das Plasmaprozesssystem 9 weist ein Plasmaprozessversorgungssystem 8 und eine Plasmaprozessanordnung 10 auf. Das Plasmaprozessversorgungssystem 8 umfasst eine wie zuvor beschriebene Impedanzanpassungsschaltung 11 und eine HF-Leistungsversorgung 12. In die Impedanzanpassungsschaltung 11 ist der erfindungsgemäße Impedanzanpassungsbaustein 1 integriert. Zusätzlich umfasst die Impedanzanpassungsschaltung 11 weitere Zusatz-Reaktanzen 17, wie z. B. Kondensatoren und/oder Spulen sowie eine Ansteuerschaltung 18.
Eine solche typische weitere Zusatz- Reaktanz 17 ist beispielsweise in der Patentanmeldung DE 10 2023 104 958.5 angemeldet am 28.02.2023 mit dem Titel "Impedanzanpassungsbaustein, Impedanzanpassungsschaltung, Plasmaprozessversorgungssystem und Plasmaprozesssystem" beschrieben, die hiermit vollständig unter Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung integriert wird. Insbesondere kann der in der genannten Anmeldung beschriebene weitere Impedanzanpassungsbaustein (1) mit einzelnen oder all seinen Merkmalen die weitere Zusatz-Reaktanzen 17 weiterbilden. Eine solche typische Impedanzanpassungsschaltung 11 ist beispielsweise in der Patentanmeldung DE 10 2023 104 942.9 angemeldet am 28.02.2023 mit dem Titel "Impedanzanpassungsschaltung, Plasmaprozessversorgungssystem und Plasmaprozesssystem" beschrieben, die hiermit vollständig unter Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung integriert wird. Insbesondere kann der in der genannten Anmeldung beschriebene weitere Impedanzanpassungsschaltung (1) mit einzelnen oder all seinen Merkmalen die vorliegende Impedanzanpassungsschaltung 11 weiterbilden.
Ein solches typisches Plasmaprozesssystem 9 ist beispielsweise in der Patentanmeldung DE 10 2023 104 955.0 angemeldet am 28.02.2023 mit dem Titel "Impedanzanpassungsschaltung für ein Plasmaprozesssystem und ein Plasmaprozesssystem mit einer solchen Impedanzanpassungsschaltung" beschrieben, die hiermit vollständig unter Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung integriert wird. Insbesondere kann die in der genannten Anmeldung beschriebene zweite Impedanzanpassungseinheit (7) mit den Merkmalen des vorliegend beschriebenen Impedanzanpassungsbausteins 1 ausgestaltet sein.
Ein solches typisches Plasmaprozesssystem 9 ist beispielsweise in der Patentanmeldung DE 10 2023 104 948.8 angemeldet am 28.02.2023 mit dem Titel "Impedanzanpassungsschaltung, Plasmaprozessversorgungssystem und Plasmaprozesssystem" beschrieben, die hiermit vollständig unter Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung integriert wird. Insbesondere kann die in der genannten Anmeldung beschriebene zweite Impedanzanpassungseinheit (7, 7a - 7f) mit den Merkmalen des vorliegend beschriebenen Impedanzanpassungsbausteins 1 ausgestaltet sein.
Mit den oben beschriebenen Merkmalen kann auch die Anzahl der Bauteile, also beispielsweise der Halbleiterschaltelemente oder der Reaktanzen, z. B. Spulen und/oder Kondensatoren sowie Kapazitäten und/oder Induktivitäten geringer gehalten werden, womit eine noch kompaktere Bauform erreicht werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Impedanzanpassungsbaustein (1) für eine Impedanzanpassungsschaltung (11), ein Plasmaprozessversorgungssystem (8) und ein Plasmaprozesssystem (9) zur Montage an einen, insbesondere metallischen, Kühlkörper (7), ausgelegt für Leistungen > 500 W und Frequenzen im Bereich von 2 MHz bis 100 MHz, aufweisend: a) eine isolierende Leiterplatte (3), b) planare Leiterbahnen (2), angeordnet auf Oberseite (3a) und Unterseite (3b) der isolierenden Leiterplatte (3), c) mehrere Halbleiterschaltelemente (5), insbesondere Transistoren oder PIN-Dioden, d) ein Substrat (4), insbesondere eine Keramikplatte, e) wobei die planaren Leiterbahnen (2) ausgelegt sind, die Halbleiterschaltelementanschlüsse (5a) untereinander und mit anderen Bauteilen zu verbinden, f) wobei die Halbleiterschaltelemente (5) auf der Oberseite (3a) der isolierenden Leiterplatte (3) angeordnet sind und ausgelegt sind, Reaktanzen (6), z. B. Kondensatoren und/oder Spulen, zu- und wegzuschalten, um eine Impedanz vom Eingang zum Ausgang einer Impedanzanpassungsschaltung (11) zu verändern, g) wobei das Substrat (4) dicker als die isolierende Leiterplatte (3) und mit der isolierenden Leiterplatte (3) flächig über den Großteil der Unterseite (3b) der Leiterplatte (3) fest verbunden ist, und h) wobei das Substrat (4) so gestaltet ist, dass die planaren Leiterbahnen (2) durch dieses Substrat (4) von einem Kühlkörper (7) beabstandet werden können, um von diesem elektrisch isoliert zu sein, und i) wobei das Substrat (4) und die Verbindung der Leiterplatte (3) mit dem Substrat (4) dazu eingerichtet sind, die Wärme der planaren Leiterbahnen (2) und Halbleiterschaltelemente (5) an einen Kühlkörper (7) abzuleiten.
2. Impedanzanpassungsbaustein (1) nach vorhergehendem Anspruch 1, wobei auf der Oberseite (3a) der isolierenden Leiterplatte (3) Reaktanzen (6), wie z. B. Kondensatoren und/oder Spulen, angeordnet sind und diese ausgelegt sind, von den Halbleiterschaltelementen (5) zu- oder weggeschaltet zu werden.
3. Impedanzanpassungsbaustein (1) nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 und 2, wobei auf der Oberseite (3a) der isolierenden Leiterplatte (3) Widerstände (14) angeordnet sind und diese ausgelegt sind, eine Überlastung einzelner Halbleiterschaltelemente (5) zu verhindern.
4. Impedanzanpassungsbaustein (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich auf der Oberseite (3a) der isolierenden Leiterplatte (3) mechanische und elektrische Leiterplatten-Anschlussmöglichkeiten (20, 21) befinden, über die eine oder mehrere weitere Leiterplatten (15) angeschlossen und insbesondere dabei über die erste isolierende Leiterplatte (4) gestapelt sind.
5. Impedanzanpassungsbaustein (1) nach vorhergehendem Anspruch 4, wobei hinzugefügte weitere Leiterplatten (15) Zusatz-Reaktanzen (16), wie z. B. Kondensatoren und/oder Spulen, aufweisen, die von den Halbleiterschaltelementen (5) zu- und weggeschaltet werden können.
6. Impedanzanpassungsbaustein (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die feste Verbindung der isolierenden Leiterplatte (3) mit dem Substrat (4) hergestellt ist durch eine Pressung und/oder Verklebung, insbesondere unter Druck verbunden mit Hitze.
7. Impedanzanpassungsbaustein (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (4) mit der isolierenden Leiterplatte (3) über ein dazwischen gefügtes Prepreg (13) durch Erhitzung und Zusammenpressen verbunden ist.
8. Impedanzanpassungsbaustein (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Impedanzanpassungsbaustein (1) über das Substrat (4) mit einem Kühlkörper (7), insbesondere einem metallischen Kühlkörper verbunden ist.
9. Impedanzanpassungsbaustein (1) nach Anspruch 8, wobei der Kühlkörper (7) ein Fluidkühlkörper ist, der zumindest einen Kühlkanal (7a) aufweist, um von einem Fluid durchströmt zu werden, über das die Wärme abgeführt werden kann.
10. Impedanzanpassungsbaustein (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberseite (3a) der isolierenden Leiterplatte (3) mit einer Beschichtung überzogen ist.
11. Impedanzanpassungsbaustein (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Impedanzanpassungsbaustein (1) modular erweiterbar ist.
12. Impedanzanpassungsschaltung (11), aufweisend: a) einen Impedanzanpassungsbaustein (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, b) weitere Zusatz- Reaktanzen (17), z. B. Kondensatoren und/oder Spulen, c) eine Ansteuerschaltung (18), d) wobei die Halbleiterschaltelemente (5) des Impedanzanpassungsbausteins (1) durch die Ansteuerschaltung (18) gesteuert werden können.
13. Impedanzanpassungsschaltung (11), nach Anspruch 12, wobei die weiteren Zusatz-Reaktanzen (17) über die Halbleiterschaltelemente (5) zu- und weggeschaltet werden können und insbesondere planar ausgeführt sind.
14. Plasmaprozessversorgungssystem (8) aufweisend eine HF- Leistungsversorgung (12) zur Bereitstellung eines HF-Leistungssignals und eine Impedanzanpassungsschaltung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, wobei die Impedanzanpassungsschaltung mit der HF- Leistungsversorgung (12) elektrisch verbunden ist und ausgelegt ist, mit einer Plasmaprozessanordnung (10) verbunden zu werden.
15. Plasmaprozesssystem (9) aufweisend ein Plasmaprozessversorgungsystem (8) nach vorhergehendem Anspruch 14 und eine Plasmaprozessanordnung (10), wobei die Plasmaprozessanordnung (10) mit dem Plasmaprozessversorgungssystem (8) verbunden ist und wobei das Plasmaprozessversorgungssystem (8) eingerichtet ist, die Plasmaprozessanordnung (10) mit Leistung eines HF-Leistungssignals zu versorgen.
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