JP5606312B2 - プラズマ給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、３ＭＨｚを超える実質的に一定の基本周波数で５００Ｗを超える出力を生成してプラズマ処理の出力供給を行うためのプラズマ給電装置であって、生成された該出力はプラズマ処理に供給され、該プラズマ処理から反射された出力は少なくとも誤整合で該プラズマ給電装置に戻されるように構成されており、少なくとも１つのスイッチングエレメントを有し直流電流供給部に接続された少なくとも１つのインバータと、少なくとも１つの出力網とを有するプラズマ給電装置に関する。

このような形式のプラズマ給電装置は、プラズマ給電に使用される。すなわち、プラズマ処理の給電を行うために使用される。プラズマ給電部として使用される場合にプラズマ給電装置が動作する基本周波数は、目標値からわずかしか偏差してはならない。典型的な基本周波数は、３．３９ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、２７ＭＨ、４０ＭＨｚ、６２ＭＨｚである。少なくとも１つのスイッチングエレメントを有するインバータは直流電流供給部の直流信号から、基本周波数で周期的に正負符号を変化する交流信号を生成する。こうするためには、前記少なくとも１つのスイッチングエレメントは基本周波数のタイミングで、導通状態と非導通状態とに交互に切り換えられる。出力網は、インバータによって生成された交流信号から正弦波形の出力信号を、実質的に所定の基本周波数で生成する。

プラズマとは、気体から生成される特別な集合状態である。基本的にすべての各気体は、原子および／または分子から成る。プラズマの場合、この気体の大部分がイオン化されている。すなわち、エネルギーの供給によって原子ないしは分子が正の電荷担体と負の電荷担体とに分かれる。つまり、イオンと電子とに分かれる。プラズマは被加工品の処理に適している。というのも、荷電された粒子が高度に化学反応性になり、さらに電界によって影響されるようにもなるからである。荷電された粒子は電界によって被加工品へ加速化され、衝突時に個々の原子が被加工品から分離される。分離された原子は気体流を介して輸送されていくか（エッチング）、または別の被加工品にコーティングされる（薄膜形成）。プラズマによるこのような加工はとりわけ、極度に薄い層をとりわけ原子層が少ない領域において加工すべき場合に適用することができる。典型的な用途は、半導体技術（コーティング、エッチング等）、フラットパネルディスプレイ（半導体技術と同様）、ソーラーセル（半導体技術と同様）、建築ガラスコーティング（断熱、防眩等）、記憶媒体（ＣＤ、ＤＶＤ、ハードディスク）、装飾層（カラーガラス等）および工具硬化である。これらの用途では、精度および処理安定性に関する要求が大きい。

気体からプラズマを生成するためには、気体にエネルギーを供給しなければならない。このことを行うためには、種々の手段が存在し、たとえば光、熱、電気エネルギーがある。電気エネルギーによる生成とは、プラズマの点灯ということである。被加工品を処理するためのプラズマは典型的にはプラズマチャンバ内で点灯される。こうするためには通常、たとえばアルゴン等である希ガスを低圧でプラズマチャンバ内に導入する。電極および／またはアンテナを介して気体を電界にさらす。複数の条件が満たされた場合にプラズマは発生ないしは点灯される。まず、少数の自由電荷担体が存在していなければならない。その際にはたいてい、常に非常に少なく存在する自由電子が使用される。このような自由電荷担体は電界によって、希ガスの原子または分子との衝突時に別の電子が分離されて、正荷電イオンと負に荷電された別の原子とが発生するように大きく加速される。この別の自由電荷担体も加速され、衝突時に別のイオンと電子とを生成し、アバランシェ作用が発生する。イオンおよび電子のこのような持続的な生成に対して自発的な再結合が抗する。すなわち、電子はイオンによって引きつけられて再結合し、電気的に中性の原子ないしは分子が生成される。それゆえ、点灯されたプラズマを維持するためには、このプラズマに常にエネルギーを供給し続けなければならない。

プラズマを生成ないしは点灯して維持するためにはプラズマ給電部を使用するが、これは気体レーザを励起するためにも使用することができる。プラズマ給電部を使用する際にプラズマ放電の近傍に配置できるようにするためには、プラズマ給電部は可能な限り小さい寸法を有さなければならない。高効率を実現するためには、プラズマ給電部は可能な限り高い反復精度で正確に動作しなければならず、また、プラズマ給電部の損失は可能な限り小さくなければならない。さらに、製造コストは可能な限り低く、かつ保守容易性も高くなければならないという要件もある。可能であればプラズマ給電部は、機械的に駆動される部品なしで動作できるようにすべきであり、とりわけ、ファンの寿命は限られておりかつ汚染の可能性もあることから、ファンは望ましくない。それと同時に、さらにプラズマ給電部は、可能な限り高信頼性でなければならず、過熱されてはならず、長い動作時間を有さねばならない。

プラズマ処理においてダイナミクスが高いことと、状態がしばしばカオスであることとに起因して、プラズマ給電部には、他の給電部よりも高い要求が数多く課される。非常に僅かな数の自由電荷担体のみを有する未点灯の気体は、ほぼ無限に高いインピーダンスを有する。プラズマの自由電荷担体は非常に多いので、プラズマのインピーダンスは比較的低い。つまり、プラズマの点灯時には非常に迅速なインピーダンス変化が生じる。点灯されたプラズマは別の特性として、インピーダンスの変化が非常に迅速であり、かつしばしば予測不可能であるという特性も有する。いわば、インピーダンスは動的である。プラズマのインピーダンスはさらに、高い非線形性も有する。このことは、プラズマの電圧の変化は電流の同様の変化を引き起こさないことを意味する。たとえば電圧上昇時には、たとえばアバランシェ作用に起因して電流は非常に迅速に上昇し、また、いわゆる負のインピーダンスの場合に電圧が上昇した場合には電流は減少する。

給電部が負荷の方向に、たとえばプラズマ負荷の方向に出力を送出し、出力が有限の速度で負荷へ流れるが、負荷に電圧が存在する場合に異なるインピーダンスに起因して同じ電流が発生しないために出力が消費されない場合、電圧と負荷に流れる電流とから計算される出力の一部分のみが吸収され、該出力の残りの割合は反射される。このことは、低い周波数で給電が行われる場合でも、また直流電流でも発生するが、このような場合だけはこのことは、反射されたエネルギーが戻ったときに給電部の出力側の電圧が実際に未だ変化しないうちに迅速に行われる。すなわちこのことは、観察者には同時に行われるように見える。周波数が約１ＭＨｚを上回る高周波技術では、反射された出力が戻ったときには、給電部の出力側の電圧および電流は通常はすでに変化している。

高周波技術では、反射された出力が給電部に与える影響は著しく大きい。このような反射出力は給電部を不安定化し、定格通りの動作を阻止する可能性がある。インピーダンスが一定である場合、誤整合に起因して反射された出力は基本周波数の成分のみを有する。このような出力をフィルタによって阻止したり吸収したりすることはできない。というのも、フィルタは（負荷への）進行波と（負荷からの）逆進行波とを区別することができず、それゆえ、進行波も阻止または吸収してしまうからである。反射される出力を低減するためには、いわゆるインピーダンス整合エレメントないしはインピーダンス整合回路網を使用する。このインピーダンス整合エレメントないしはインピーダンス整合回路網は高周波技術では、インダクタンスと容量と抵抗との組み合わせで構成することができ、その際には、抵抗は必ずしも必要というわけではない。しかし、負荷が一定のインピーダンスでなく動的かつ非線形のインピーダンスである場合、付加的に少なくとも２つの問題的な現象が発生する。まず第１に、非線形の動的なインピーダンスによって、基本周波数に等しくない周波数のエネルギーが生成され、この周波数の一部は給電部の方向に導かれる。この周波数はフィルタによって阻止ないしは吸収される。第２に、インピーダンス整合エレメントは迅速かつ動的なインピーダンス変化に十分に迅速に追従できない。それゆえ、基本周波数で発生して動的なインピーダンスから給電部へ導かれる反射が増大してしまう。

他のすべての給電部と異なり、プラズマ給電部には、短絡を介しての無負荷動作や無限の高さの容量負荷から無限の高さの誘導負荷まで、すべての任意の誤終端による負荷をかけられるようにしなければならない。スミスチャートのどの点でも、プラズマ給電部は少なくとも短期間にわたって出力を給電できなければならず、持続的な損傷を蒙ってはならない。このことは、プラズマ処理中の高いダイナミクスと、しばしばカオスとなる状態とに関連する。さらに、幅広い領域で発生し基本周波数に等しくない周波数も生じることがある。このような周波数によって、プラズマ給電部が持続的に損傷を受けることがあってはならない。その際には、誤った終端を識別して迅速に遮断することができるが、プラズマ給電部は可能な限り損傷を受けてはならない。

本発明の課題は、プラズマ給電部に課された上記の要件を満たすプラズマ給電装置を提供することである。

前記課題は、冒頭に述べた形式のプラズマ給電装置であって、少なくとも１つの出力網がプリント配線基板に配置されたプラズマ給電装置によって解決される。このような構成によって、出力網を特に低コストで実現することができる。さらに出力網の素子を、目標値からの偏差が必ず僅かである精確なインダクタンスおよび容量で、すなわち精確なインダクタンス値および容量値で実装することができる。このことは高い反復精度で実施することができる。プリント配線基板上にはさらに、少なくとも１つのインバータを接続するための少なくとも１つの入力端子および／または少なくとも１つのインバータを配置することもできる。出力網は信頼性に大きな影響を及ぼし、ひいてはプラズマ給電部全体ないしはプラズマ給電装置の寿命に大きな影響を及ぼす。プラズマ処理から反射された基本周波数の出力を少なくとも部分的に吸収するように、プラズマ給電装置の少なくとも１つの部品を構成することができる。このようにすると、反射された出力を熱に変換することができる。この反射された出力は、インバータ、損失が生じるインダクタンス、トランス、容量または抵抗によって少なくとも部分的に吸収される。

プラズマ給電装置では、プリント配線基板の面積が１５０ｃｍ^２未満に抑えられるように出力網は寸法決めされる。プリント配線基板の厚さは典型的には２〜５ｍｍである。プリント配線基板材料として、ガラスファイバ補強されたエポキシド樹脂を使用することができ、とりわけＦＲ４材料またはＦＲ５材料を使用することができる。このような材料は、損失が生じる誘電特性と、比較的非常に高価なセラミックまたはＰＴＦＥ材料より小さい熱伝導性および耐熱性を有するが、このような回路はこのような材料だけでも十分に動作する。面状に形成されたインダクタンスおよびＳＭＤ部品を有する多層プリント配線基板は、周波数領域および出力領域が比較的小さいことで知られている。公知のプリント配線基板に使用される材料の熱展開は高く、排熱は良好でないために、このような材料は、出力が５００Ｗを超え基本周波数が３ＭＨｚを超える高周波用途には不適であるという偏見に逆らい、ここでは、プレーナ形のインダクタンスおよび容量を有する出力網を上記の出力領域および高周波領域用のプリント配線基板上に実装することを提案する。このことによって所要スペースおよび経費が格段に削減され、プラズマ給電装置の製造時の精度および再生産性が改善される。

本願明細書ではインダクタンスまたは容量ないしはコンデンサという概念は、プリント配線基板上に配置された部品を表すのに使用され、また、該部品に所属する物理量を表すのにも使用される。これらの概念はそのつど、前後の文脈から適切に使用される。

プラズマ給電装置の１つの実施形態では少なくとも１つの出力網は、１次側巻線と２次側巻線とを有する少なくとも１つの出力トランスを有する。このような出力トランスによって、少なくとも１つの直流電流供給部に接続されたインバータと、プリント配線基板に接続されるとりわけプラズマ負荷である負荷とが直流分離される。このようにして、インバータの出力側に出力される低周波の信号、とりわけ直流成分が分離される。このような直流分離に対して択一的に、容量を使用することができる。十分な安全間隔を形成することによって、出力トランスの１次側と商用電源端子とをなお直流接続することができる。このことに付随して直流電流供給部において直流分離が省略されることにより、プラズマ給電装置のコストおよびサイズをさらに縮小することができる。

出力トランスをプレーナ技術で実現することができる。このように製造されプリント配線基板上に配置される出力トランスは、非常に精密に製造することができ、とりわけ、１次側巻線および２次側巻線の巻線を良好な再生産性で製造することができる。さらにこのことは、導線巻線による構成より低コストである。さらに出力トランスを大面積で形成することにより、簡単に冷却することもできる。

別の実施形態では、プリント配線基板は多層で構成され、とりわけ４層で構成され、該プリント配線基板の各層に出力トランスの巻線が形成されている。このことにより、通常は不所望の寄生容量と見なされる巻線間の容量結合を別の回路部品に、たとえばインピーダンス整合エレメントに使用できるという利点が得られる。さらに、出力トランスの漏れインダクタンスを別の回路部品に共用することもできる。

１つの実施形態では、出力トランスの１次側巻線および２次側巻線はそれぞれ２つの巻線を有する。このようにすると、プリント配線基板の４つすべての層を使用することができる。同時に得られる磁気結合と漏れインダクタンスとが、たとえばＬＣフィルタを構成することができる。

プラズマ給電装置の１つの実施形態では、出力網は少なくとも、入力端子と１次側巻線との間に配置された第１のインダクタンスのセットを有する。「第１のインダクタンスのセット」とは、各インバータが第１のインダクタンスを介して、該第１のインダクタンスに所属する出力トランスに接続されることを指す。第１のインダクタンスは、それぞれ１つの巻線を有するプレーナ形の導体路として形成することができる。第１のインダクタンスを磁気結合するのが好適である。このことにより、磁界増幅エレメントを省略することができる。また、付加的な磁界増幅エレメントを追加することにより、インダクタンスをさらに上昇させることもできる。５０〜３００ｎＨの領域のインダクタンスに達することができる。このインダクタンスは５０ｎＨを上回る値と、２００を上回る品質係数とを有することができる。１つの実施形態では、複数の層においてたとえば第１のインダクタンスに対する導体路を並列に案内することができる。電流がこれらの導体路に分配され、損失が低減される。このことにより、インダクタンスの品質係数は２００を上回る値にまで上昇する。このことは従来は、１つの層にのみ設けられた５０〜３００ｎＨの領域のプレーナ形のインダクタンスでは実現できなかった。

プラズマ給電装置のインバータ回路は２つのハーフブリッジを有することができ、これらのハーフブリッジはそれぞれ直流電流供給部に接続されている。第１のインダクタンスを介してハーフブリッジ回路の中性点を出力トランスの１次側巻線に接続することにより、幅広い領域の負荷インピーダンスにわたって低損失の０Ｖスイッチオンを実現することができる。プラズマ給電装置によって、インバータに有利なスイッチング条件を保証することができる。有利なのはたとえば、インバータに設けられるスイッチがＭＯＳＦＥＴである場合にはとりわけ比較的高い周波数で０Ｖスイッチオンが実施されるか、または、インバータに設けられるスイッチがＩＧＢＴである場合にはとりわけ低い周波数で０電流スイッチオフが実施されることである。このことは、出力網ないしは出力網の回路部品を適切に構成することによって実現される。

プリント配線基板の少なくとも２層間の間隔は、耐電圧性に必要な間隔より格段に大きくすることができる。

プラズマ給電装置の１つの実施形態では、少なくとも１つの出力トランスの２次側巻線の巻線間に導体路によって形成された容量が、該少なくとも１つの出力トランスの２次側巻線のインダクタンスとともにＬＣフィルタを構成する。少なくとも１つの出力トランスの１次側巻線と２次側巻線との間に導体路によって形成された容量が、ＬＣフィルタの別の構成要素となることができる。

１つの実施形態では出力網は、２次側巻線と負荷を接続するための出力端子との間に配置されたインピーダンス整合エレメントであって、１つまたは複数の第２のインダクタンスおよび／または１つまたは複数のコンデンサを有するインピーダンス整合エレメントを有することができる。このような構成により、インバータから出力網の出力側までの負荷インピーダンスの整合が実現される。出力網のリアクタンス素子すなわちインダクタンスおよび容量によって、プラズマ負荷によって反射および／または生成された出力成分がフィルタリングされる。

さらに、出力網はＬＣフィルタを有することができる。インバータの出力端には通常、比較的多くの割合の高調波ないしはハーモニック周波数を有する信号が出力され、このような高調波ないしは周波数は、プラズマ給電部の出力側すなわち出力端子では望ましくない。プラズマ給電装置はこのような高調波ないしはハーモニック周波数をＬＣフィルタによってフィルタリングする。好適には、漏れインダクタンスと、出力トランスの２つの巻線間の容量とがＬＣフィルタを構成する。これによって、付加的な素子を削減することができる。ＬＣフィルタは上記のように構成されるか、インピーダンス整合エレメントの一部として構成される。別の実施形態では出力網は、２次側巻線に対して並列であるＳＭＤコンデンサを有する。このようにすると、２次側巻線間の容量がコンデンサの容量を増幅することができる。

さらに、第２のインダクタンスをプレーナ技術で形成することもできる。コンデンサはたとえば、プレーナ技術で、および／またはＳＭＤ部品として形成することができる。このようにして、プラズマ給電装置の製造時の精度および再生産性が向上されるという利点が得られる。

プリント配線基板は、層に配置された導体路を接続するためのスルーコンタクトを有することができる。これによって、プリント配線基板の耐性が確実に高くなり、該プリント配線基板に配置された回路部品間が良好にコンタクトされることが保証される。直流電流供給部またはインバータを接続するための入力端子も、出力網によって生成された正弦波形の出力信号が引き渡されるプラズマ負荷接続用の出力端子も、スルーコンタクトに接続することができる。熱伝導の理由から冷却ボードに直接実装されていた従来技術によるプリント配線板カードにはこのようなスルーコンタクトを設けることができなかった。というのもこのようなスルーコンタクトにより、接地電位にある冷却ボードとスルーコンタクトの電位との間で短絡が発生するおそれがあったからだ。

プラズマ給電装置の１つの実施形態では、プリント配線基板に、１つまたは複数のインダクタンスおよび／または出力トランスの巻線に所属する少なくとも１つの磁界増幅エレメントが設けられる。このようにして、個々のインダクタンスの巻数を低減することができる。このことにより、短い導体路で高いインダクタンスを実現することができる。このような短い導体路によってさらに、抵抗が低くなり、それに付随して損失がより低くなるという利点も得られる。

磁界Ｂは磁界強度Ｈによって発生する。これは、インダクタンスを形成する線路を流れる電流Ｉによって発生する。ＢとＨとの間には、関係式Ｂ＝μ＊Ｈが成り立つ。この関係式のμは透磁率である。透磁率μは、真空の透磁率μ_０＝４π＊１０^−７ Ｖｓ／Ａｍと、材料に依存する透磁率μ_ｒとを組み合わせたものであり、μ＝μ_０＊μ_ｒが成り立つ。磁界増幅エレメントは、１を格段に上回るμ_ｒを有する。典型的には、上記の周波数の場合にはフェライトを磁界増幅エレメントとして使用する。インダクタンスの場合、磁界増幅エレメントは透磁率μ_ｒに相応してインダクタンスの値を上昇させる。

１つの実施形態では、前記少なくとも１つの磁界増幅エレメントはフェライトであり、とりわけパーミンバーフェライトである。典型的には磁界増幅エレメントまたはフェライトは、プレーナ形のインダクタンスの導体路を環状に包囲する。インダクタンスないしは巻線の巻線を環状ないしはシェル状に包囲するフェライトは、好適には、対向する部品の形態でプリント配線基板に配置される２つの部分から構成される。

さらにプリント配線基板に、少なくとも１つの磁界増幅エレメントを収容するための少なくとも１つの切欠部を形成することができる。典型的にはプリント配線基板には、同一または少なくとも類似する２つの部品から成る磁界増幅エレメントを収容するための切欠部が形成される。このようにして磁界増幅エレメントをプリント配線基板に確実かつ省スペースで配置することができる。

１つの実施形態ではプラズマ給電装置は、プリント配線基板に接続された冷却ボードを有する。１つの実施形態では、前記冷却ボードは冷媒通流方式である。このことによって、プラズマ給電部を強制的な空気流動なしで、すなわちファンなしで実現することができる。１つの実施形態では、冷却ボードは接地電位に接続される。このことによって、出力網は良好に電気的に遮蔽される。

プリント配線基板の２つの層の導体路間に発生する最大電圧に依存して十分な耐電圧性を実現するためには、通常は１μｍ／Ｖの間隔が必要である。プラズマ給電装置の動作時に極度に大きな熱展開が発生するのを回避するため、２つの層間の導体路の最小間隔をより大きくすることを提案する。というのも、このような拡大された最小間隔によって誘電損失が低減されるからである。このように拡大された最小間隔は、典型的には１０μｍ／Ｖである。１つの実施形態では、プリント配線基板は冷却ボードから離隔され、とりわけ５ｍｍ〜２０ｍｍの間隔で離隔されて配置される。このようにすると、インダクタンスをより高い品質係数で、低損失で実現することができる。

１つの実施形態では、出力網は冷却ボードから、出力トランスのインダクタンスおよび／または巻線を包囲する磁界増幅エレメントの厚さに対して何らかの関係を有する間隔で配置される。磁界増幅エレメントはインダクタンスを方形環状に包囲し、該磁界増幅エレメントを冷却ボード上に平坦に載置することができる。このことによって場合によっては、冷却ボードと磁界増幅エレメントとの間で弾性の熱伝達エレメントによって機械的な負荷低減が実現される。このことによって、磁界増幅エレメントにおいて展開する熱が良好に排熱される。ごく低コストの多層のＦＲ４材料またはＦＲ材料とスルーコンタクトとによって出力網を構成することは、プレーナ形のインダクタンスが設けられたプリント配線基板全体を冷却ボードに面接触させて設けなければならないという優勢な意見に逆らって初めて可能となる。

１つの実施形態では、プリント配線基板と冷却ボードとの間に１つまたは複数の電気絶縁性の熱伝達エレメントが配置される。こうするために熱伝達エレメントは、弾性に形成されるのが好適であり、このような熱伝達エレメントによってプリント配線基板から冷却ボードに熱が排出される。強い熱展開が発生するプリント配線基板上の場所から、たとえば出力トランスの領域におけるこのような場所から、熱は面状の銅導体路によって、熱展開がより小さい場所へ排出される。熱伝達エレメントを出力トランスの近傍に配置し、該出力トランスに所属する磁界増幅エレメントに導体路を貫通させて該熱伝達エレメントまで案内することができる。たとえばフェライト等の周囲の磁界増幅エレメントの領域、すなわち電流が大きい領域において、面状に形成された電気絶縁性の熱伝達エレメントを配置するのは、どうしても面倒になってしまう。このような銅導体路によって、磁界増幅エレメントの領域から熱を可能な限り遠くに排出し、ここからさらに冷却ボードへ排出することができる。

プリント配線基板に接地端子を設けることができる。この接地端子は、コンタクトビアとして形成することができる。プリント配線基板と冷却ボードとの間にスペーサボルトを設け、このスペーサボルトに接地接続部を形成することができる。

プラズマ給電装置の出力上限はとりわけ、排出すべき損失電力によって決定される。プラズマ給電装置が少なくとも２つの出力網をプリント配線基板上に有し、これらの出力網はともに、直流電流供給部に接続された少なくとも１つのインバータによって給電されるか、または各個別にそれぞれ、直流電流供給部に接続された少なくとも１つのインバータによって給電され、少なくとも１つの結合器を介してこれらの出力網の出力を結合して全出力を形成するように構成することにより、出力上限を上昇させることができる。この結合器とは、電力を結合するかまたは分割するように構成された電子部品である。このような結合器は、反射された出力を少なくとも部分的に吸収する部品を有することができる。

また、プラズマ給電装置の少なくとも１つの出力網が第１のインダクタンスの少なくとも２つのセットおよび／または少なくとも２つの出力トランスおよび／または少なくとも２つのインピーダンス整合エレメントを有し、これらの入力電力および出力をそれぞれ少なくとも１つの結合器によって分割するか、ないしは結合して全出力を形成することにより、出力上限をさらに上昇させることができる。

これらの場合に少なくとも１つ必要とされる結合器をプリント配線基板上に配置することができ、有利には、少なくとも部分的にプレーナ技術で実現することができる。

プラズマ給電回路では、少なくとも２つのプラズマ給電装置からの出力が少なくとも１つの結合器を介して結合される。

本発明に重要な詳細を示す図面の各図を参照して本発明の実施例を読むと、また特許請求の範囲も読むと、本発明の別の特徴および利点が理解できる。個々の特徴は各々それ自体単独で実現してもよいし、あるいは本発明の変形実施例において複数の特徴を任意に組み合わせて実現してもよい。

図面には本発明の有利な実施例が描かれており、以下ではそれらの図面を参照しながら本発明の実施例について詳しく説明する。

本発明によるプラズマ給電装置の簡単な回路図である。 出力網が配置されたプリント配線基板と、該プリント配線基板に接続された冷却ボードとの断面図である。 図２に示されたプリント配線基板の状態をそれぞれ示す。 本発明によるプラズマ給電装置の別の簡単な回路図である。 ２つの出力網を有する一例のプラズマ給電装置の簡単な回路図をそれぞれ示す。

図１に、第１のインバータ１１および第２のインバータ１２を有するプラズマ給電装置１０が示されている。インバータ１１，１２は、直列接続されたスイッチング素子１１．１，１１．２，１２．１，１２．２をそれぞれ２つ有するハーフブリッジとして構成されている。両インバータ１１，１２はそれぞれ、直流電流供給部（図示されていない）の正の給電電圧端子１３と負の給電電圧端子１４とに接続されている。プラズマ給電装置１０はさらに出力網１５を有し、該出力網１５には一方ではインバータ１１，１２が接続されており、他方では負荷１６が接続されており、とりわけプラズマ負荷が接続されている。出力網１５は中心的な回路部分として出力トランス１７を有し、該出力トランス１７は１次側巻線１８と２次側巻線１９とを有する。

インバータ１１，１２に対する出力網１５の入力端子２０ａ，２０ｂと出力トランス１７の１次側巻線１８との間に第１のインダクタンス２１ａ，２１ｂが配置されている。第１のインダクタンス２１ａ，２１ｂはプリント配線基板上で（図１には示されていない）空間的に対向して配置されているため、相互に磁気結合されている。このことは破線２２によって示されている。両インバータ１１，１２の出力端をまとめて接続することにより、プラズマ給電装置１０による出力が大きくなる。別の接続線路２３を介して中間タップ２４が１次側巻線１８に形成されており、この別の接続線路２３に別のインダクタンス２５が設けられており、この別のインダクタンス２５は、インバータ１１，１２の接続点に接続された入力端子２０ｃに接続されている。１次側巻線１８は２つの１次側巻線２６ａ，２６ｂを有し、これらの１次側巻線２６ａ，２６ｂは中間タップ２４の両側に配置されている。

２次側巻線１９と負荷１６に対する出力端子２７との間にインピーダンス整合エレメント２８が配置されている。インピーダンス整合エレメント２８は第２のインダクタンス２９と２つのコンデンサ３０ａ，３０ｂとを有する。インピーダンス整合エレメント２８は複数の第２のインダクタンス２９と、直列接続および／または並列接続されたコンデンサ３０ａ，３０ｂとを有することができる。２次側巻線１９も２つの２次側巻線３１ａ，３１ｂを有することができる。このような出力網１５によって、入力端子２０ａ，２０ｂに入力された交流信号が、出力端子２７で出力される正弦波形の出力信号となる。さらに、高調波周波数はフィルタリングされ、直流成分が分離される。

出力トランス１７はプレーナ技術で構成され、１次側巻線２６ａ，２６ｂおよび２次側巻線３１ａ，３１ｂは平坦に相互に積層される。出力トランス１７の巻線２６ａ，２６ｂ，３１ａ，３１ｂ間には容量が発生し、これらの容量は別のコンデンサ３２ａ，３２ｂ，３２ｃによって示されている。これらはＬＣフィルタ３３の構成部分となり、このＬＣフィルタ３３は２次側巻線１９と前記別のコンデンサ３２ａ，３２ｂ，３２ｃとを含む。さらに、２次側巻線１９に接続された接地端子３４が設けられている。前記別のインダクタンス２５および第２のインダクタンス２９はそれぞれ、パーミンバーフェライトとして形成された磁界増幅エレメントを有する。出力網１５は主にプレーナ技術で構成され、入力端子２０ａ，２０ｂ，２０ｃと接地端子３４と出力端子２７とも一緒に多層プリント配線基板上に配置される。

図２に、水平配置される多層プリント配線基板３８の垂直断面図が示されている。このプリント配線基板３８はいわゆるマルチレイヤボードとして形成されている。プリント配線基板３８はスペーサボルト３９ａ，３９ｂ，３９ｃによって冷却ボード４０から離隔され、該冷却ボード４０に接続されている。このプリント配線基板３８上ないしはプリント配線基板３８内に、出力網１５と、インバータ１１，１２に対する入力端子２０ａ，２０ｂと、負荷１６に対する出力端子２７とが配置されている。第１のインダクタンス２１ａ，２１ｂの領域に第１の磁界増幅エレメント４１が配置されており、出力トランス１７の領域に第２の磁界増幅エレメント４２が配置されている。これらの磁界増幅エレメント４１，４２はそれぞれ、プリント配線基板３８の両面に配置された２つの部品から構成される。インピーダンス整合エレメント２８のコンデンサ３０ａ，３０ｂはＳＭＤ部品として構成されている。

出力網１５のインダクタンス１８，１９，２１ａ，２１ｂ，２９の領域において、面状に形成された弾性の熱伝達エレメント４３ａ，４３ｂ，４３ｃがプリント配線基板３８と冷却ボード４０との間に配置されており、インピーダンス整合エレメント２８の領域に付加的に、銅ブロックとして形成された別の熱伝達エレメント４４が設けられている。熱伝達エレメント４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４４によって、プラズマ給電装置１０の動作時にインダクタンス１８，１９，２１ａ，２１ｂ，２９の領域に発生した熱がプリント配線基板３８から冷却ボード４０に排出される。このような排熱を改善するために、磁界増幅エレメント４１，４２を局所的に熱伝導質量体によって包囲し、とりわけ熱伝導フォームによって包囲することができる。出力網１５は、多層プリント配線基板３８に導電路によってプレーナ技術で構成される。異なる層の導体路を接続するために、プリント配線基板３８にスルーコンタクトが形成され、たとえば図２にはスルーコンタクト４５および４５′が示されている。

図３ａ〜３ｄに、プリント配線基板３８の異なる層、すなわち下層５１（図３ａ）、第１の内側層５２（図３ｂ）、第２の内側層５３（図３ｃ）および上層５４（図３ｄ）が示されている。磁界増幅エレメント４１，４１′および４２は第１のインダクタンス２１ａ，２１ｂの領域と、巻線２６ａ，２６ｂ，３１ａ，３１ｂを有する出力トランス１７のインダクタンス１８，１９の領域とに配置されている。付加的に第３の磁界増幅エレメント５５がインピーダンス整合エレメント２８の領域に設けられている。スルーコンタクト４５，４５′，４５″，４５″′の他に層５１，５２，５３，５４間にはビア５６，５６′，５６″が形成されている。これによって、導体路間の良好なコンタクトと、プリント配線基板３８の高い強度とが保証される。入力端子２０ａ，２０ｂおよび出力端子２７の他に、接地端子３４がプリント配線基板３８上に配置されている。上層５４に、インピーダンス整合エレメント２８のコンデンサ３０ａ，３０ｂが配置されており、これらのコンデンサ３０ａ，３０ｂはＳＭＤ部品として構成されている。図３ａに熱伝達エレメント４３ｂ，４３ｂ′の可能な位置が示されている。出力トランス１７において、プリント配線基板３８の４つすべての層５１，５２，５３，５４を高電流が流れる。それゆえ、ここに最大の熱展開が発生する。この熱は、フェライトとして形成された磁界増幅エレメント４２では、冷却ボード４０へ十分に排出されない。それゆえこの熱は、銅で形成された導体路を介して磁界増幅エレメント４２の領域から排出され、熱伝達エレメント４３ｂ，４３ｂ′を介して冷却ボード４０へ排出される。

図４に、直流電流供給部の給電電圧端子１３，１４に接続されたインバータ１１，１２と出力網１５とを有するプラズマ給電装置１０が示されている。出力網１５は、インバータ１１，１２によって生成された入力信号を入力するための入力端子２０ａ，２０ｂと、中間タップに対する入力端子２０ｃと、負荷１６を接続するための出力端子２７とを有する。インバータ１１，１２は、出力網１５、入力端子２０ａ，２０ｂ，２０ｃおよび出力端子２７と同様にプリント配線基板３８上に配置されている。

図５ａおよび５ｂにそれぞれ、出力網１５および別の出力網１５′を有するプラズマ給電装置１０′が示されている。

両出力網１５，１５′はそれぞれ３つの入力端子２０ａ，２０ｂ，２０ｃないしは２０ａ′，２０ｂ′，２０ｃ′を有する。図５ａでは、両出力網１５，１５′がインバータ１１，１２ないしは直流電流供給部１３，１４に並列に接続されている。図５ｂに示されたプラズマ給電装置１０′が図５ａと異なる点は、別の出力網１５′は別のインバータ１１′，１２′を介して、別の独立した直流電流供給部の別の給電電圧端子１３′，１４′に接続されていることである。結合器５９によって両出力網１５，１５′の出力信号は結合され、負荷１６へ出力される。結合器５９を含めた出力網１５，１５′はプリント配線基板３８上に配置されている。また、インバータ１１，１２，１１′，１２′をプリント配線基板３８上に配置することも考えられる。また、結合器５９をプリント配線基板の外側に配置し、さらに、出力網をインバータとともに、またはインバータなしで別個のプリント配線基板上に実装することも考えられる。

Claims (13)

1. ３ＭＨｚを上回る一定の基本周波数で５００Ｗを上回る出力を生成してプラズマ処理の出力供給を行うためのプラズマ給電装置（１０，１０′）であって、
   前記プラズマ処理に、生成された前記出力を供給し、前記プラズマ処理から反射された出力が少なくとも誤整合で前記プラズマ給電装置（１０，１０′）に戻され、
   直流電流供給部（１３，１４，１３′，１４′）に接続された少なくとも１つのインバータ（１１，１２，１１′，１２′）と、少なくとも１つの出力網（１５，１５′）と、が設けられており、
   前記少なくとも１つのインバータ（１１，１２，１１′，１２′）は、少なくとも１つのスイッチングエレメント（１１．１，１１．２，１２．１，１２．２）を有し、
   前記少なくとも１つの出力網（１５，１５′）は、前記インバータ（１１，１２，１１′，１２′）によって生成された交流信号から、正弦波形の出力信号を生成するプラズマ給電装置（１０，１０′）において、
   前記少なくとも１つの出力網（１５，１５′）は、プリント配線基板（３８）上に配置されており、
   前記プラズマ給電装置（１０）は、前記プリント配線基板（３８）に接続された冷却ボード（４０）を有し、
   前記プリント配線基板（３８）は、前記冷却ボード（４０）から、５ｍｍ〜２０ｍｍの間隔で離隔されて配置されており、
   前記プリント配線基板（３８）と前記冷却ボード（４０）との間に１つまたは複数の電気絶縁性の熱伝導エレメント（４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４４）および磁界増幅エレメント（４１，４２，５５）が配置されている、
   ことを特徴とするプラズマ給電装置（１０，１０′）。
2. 前記少なくとも１つの出力網（１５，１５′）は、プレーナ技術で形成された少なくとも１つのインダクタンス（２１ａ，２１ｂ，２９）を有する、
   請求項１記載のプラズマ給電装置（１０，１０′）。
3. 前記プリント配線基板（３８）は、ガラス補強されたエポキシド樹脂から形成されている、
   請求項１または２記載のプラズマ給電装置（１０，１０′）。
4. 前記少なくとも１つの出力網（１５，１５′）は、１次側巻線（１８）と２次側巻線（１９）とを有する少なくとも１つの出力トランス（１７）を有し、
   前記少なくとも１つの出力トランス（１７）は、プレーナ技術で形成されている、
   請求項１から３までのいずれか１項記載のプラズマ給電装置（１０，１０′）。
5. 前記少なくとも１つの出力トランス（１７）の２次側巻線（１９）の巻線（３１ａ，３１ｂ）間に導体路によって形成された容量は、前記少なくとも１つの出力トランス（１７）の２次側巻線（１９）のインダクタンスとともにＬＣフィルタ（３３）を構成する、
   請求項４記載のプラズマ給電装置（１０，１０′）。
6. 前記少なくとも１つの出力トランス（１７）の１次側巻線（１８）と２次側巻線（１９）との間に導体路によって形成された容量は、前記ＬＣフィルタ（３３）の別の部品である、
   請求項５記載のプラズマ給電装置（１０，１０′）。
7. 前記少なくとも１つの出力網（１５，１５′）は、負荷（１６）を接続するための少なくとも１つの出力端子（２７）と前記２次側巻線（１９）との間に配置された少なくとも１つのインピーダンス整合エレメント（２８）を有し、
   前記インピーダンス整合エレメント（２８）は、１つまたは複数の第２のインダクタンス（２９）および／または１つまたは複数のコンデンサ（３０ａ，３０ｂ）を有する、
   請求項５または６記載のプラズマ給電装置（１０，１０′）。
8. 前記コンデンサ（３０ａ，３０ｂ）は、プレーナ技術で、および／または、ＳＭＤ部品として形成されている、
   請求項７記載のプラズマ給電装置（１０，１０′）。
9. 前記プリント配線基板（３８）に、前記少なくとも１つの出力トランス（１７）の１つまたは複数のインダクタンス（２１ａ，２１ｂ，２９）および／または巻線（１８，１９）に所属する少なくとも１つの磁界増幅エレメント（４１，４２，５５）が設けられている、
   請求項２から８までのいずれか１項記載のプラズマ給電装置（１０，１０′）。
10. 前記少なくとも１つの磁界増幅エレメント（４１，４２，５５）は、パーミンバーフェライトである、
    請求項９記載のプラズマ給電装置（１０，１０′）。
11. 前記プリント配線基板（３８）に、前記少なくとも１つの磁界増幅エレメント（４１，４２，５５）を収容するための少なくとも１つの切欠部が形成されている、
    請求項９または１０記載のプラズマ給電装置（１０，１０′）。
12. 少なくとも２つの出力網（１５，１５′）が設けられており、前記少なくとも２つの出力網（１５，１５′）の出力が少なくとも１つの結合器（５９）によって結合されて全出力が形成される、
    請求項１から１１までのいずれか１項記載のプラズマ給電装置（１０，１０′）。
13. 前記少なくとも１つの結合器（５９）は、前記プリント配線基板（３８）に配置されており、少なくとも部分的にプレーナ技術で形成されている、
    請求項１２記載のプラズマ給電装置（１０，１０′）。

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