WO2010091696A1 - Modul für eine plasmaversorgungseinrichtung und plasmaversorgungseinrichtung - Google Patents

Modul für eine plasmaversorgungseinrichtung und plasmaversorgungseinrichtung Download PDF

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WO2010091696A1 PCT/EP2009/001005 EP2009001005W WO2010091696A1 WO 2010091696 A1 WO2010091696 A1 WO 2010091696A1 EP 2009001005 W EP2009001005 W EP 2009001005W WO 2010091696 A1 WO2010091696 A1 WO 2010091696A1
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Hüttinger Elektronik Gmbh + Co. Kg
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Abstract

Bei einem Modul (11, 12, 61 - 76) für eine Plasmaversorgungseinrichtung (10, 40, 60) zur Versorgung eines Plasmas für eine Plasmabearbeitung oder einen Gaslaser mit einer Leistung > 500 W bei einer Frequenz im Bereich 1 - 1000 MHz, mit einem Substrat (21, 22), auf dem eine oder mehrere Leiterbahnen (23, 24) angeordnet sind, ist zumindest ein mit zumindest einer Leiterbahn (23, 24) verbundenes GaN- Halbleiterschaltelement (13 - 16) sowie ein zugeordneter Treiber (17 - 20) angeordnet.

Description

Modul für eine Plasmaversorgungseinrichtung und Plasmaversorgungseinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Modul für eine Plasmaversorgungseinrichtung und eine Plasmaversorgungseinrichtung zur Versorgung eines Plasmas für eine Plasmabearbeitung oder einen Gaslaser mit einer Leistung > 500 W bei einer Frequenz im Bereich 1 bis 1000 MHz.
Bei einem Plasma handelt es sich um einen besonderen Aggregatzustand, der aus einem Gas erzeugt wird. Jedes Gas besteht grundsätzlich aus Atomen und/oder Molekülen. Bei einem Plasma ist dieses Gas zu einem Großteil ionisiert. Dies bedeutet, dass durch Zufuhr von Energie die Atome bzw. Moleküle in positive und negative Ladungsträger, also in Ionen und Elektronen, aufgespaltet werden. Ein Plasma eignet sich zur Bearbeitung von Werkstücken, da die elektrisch geladenen Teilchen chemisch hochgradig reaktiv und zudem durch elektrische Felder beeinflussbar sind. Die geladenen Teilchen können mittels eines elektrischen Feldes auf ein Objekt beschleunigt werden, wo sie beim Aufprall einzelne Atome daraus herauslösen können. Die herausgelösten Atome können über Gasfluss abtransportiert werden (Ätzen) oder auf anderen Objekten als Beschichtung abgelagert werden (Herstellung von Dünnfilmen). Anwendung findet eine solche Bearbeitung mittels eines Plasmas vor allem dann, wenn extrem dünne Schichten, insbesondere im Bereich weniger Atomlagen, bearbeitet werden sollen. Typische Anwendungen sind Halbleitertechnik (Beschichten, Ätzen, etc.), Flachbildschirme (ähnlich Halbleitertechnik), Solarzellen (ähnlich Halbleitertechnik), Architekturglasbeschichtung (Wärmeschutz, Blendschutz, etc.), Speichermedien (CD, DVD, Festplatten), dekorative Schichten (farbige Gläser, etc.) und Werkzeughärtung. Diese Anwendungen haben hohe Anforderungen an Genauigkeit und Prozessstabilität. Weiterhin kann ein Plasma auch zur Anregung von Lasern, insbesondere Gaslasern, dienen.
Um aus einem Gas ein Plasma zu generieren, muss ihm Energie zugeführt werden. Das kann auf unterschiedliche Weise, beispielsweise über Licht, Wärme, elektrische Energie, erfolgen. Ein Plasma zur Bearbeitung von Werkstücken wird typischerweise in einer Plasmakammer gezündet und aufrecht erhalten. Dazu wird in der Regel ein Edelgas, z. B. Argon, mit niedrigem Druck in die Plasmakammer geleitet. Über Elektroden und/oder Antennen wird das Gas einem elektrischen Feld ausgesetzt. Ein Plasma entsteht bzw. wird gezündet, wenn mehrere Bedingungen erfüllt sind. Zunächst muss eine geringe Anzahl von freien Ladungsträgern vorhanden sein, wobei zumeist die stets in sehr geringem Maß vorhandenen freien Elektronen genutzt werden. Die freien Ladungsträger werden durch das elektrische Feld so stark beschleunigt, dass sie beim Aufprall auf Atome oder Moleküle des Edelgases weitere Elektronen herauslösen, wodurch positiv geladene Ionen und weitere negativ geladene Elektronen entstehen. Die weiteren freien Ladungsträger werden wiederum beschleunigt und erzeugen beim Aufprall weitere Ionen und Elektronen. Es setzt ein Lawineneffekt ein. Der ständigen Erzeugung von Ionen und Elektronen wirken die Entladungen bei der Kollision dieser Teilchen mit der Wand der Plasmakammer oder anderen Gegenständen sowie die natürliche Rekombination entgegen, d. h., Elektronen werden von Ionen angezogen und rekombinieren zu elektrisch neutralen Atomen bzw. Molekülen. Deshalb muss einem gezündeten Plasma beständig Energie zugeführt werden, um dieses aufrecht zu erhalten.
Die Energiezufuhr kann über eine Gleichstrom-Versorgungseinrichtung oder eine Wechselstrom-Versorgungseinrichtung erfolgen. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf Wechselstrom-Versorgungseinrichtungen für Hochfrequenz (HF) mit einer Ausgangsfrequenz von > 1 MHz.
Eine Schaltungsvariante von Hochfrequenzverstärkern (Leistungsverstärkern) in Plasmaversorgungseinrichtungen zum Erzeugen hoher HF-Leistungen kann ein Klasse-D-Verstärker mit einer Schaltbrücke sein. Eine Schaltbrücke weist zumindest zwei schaltende Elemente (= Schaltelement), wie z. B. MOSFETs, auf, die in Serie geschaltet sind, die im Gegentakt und vorzugsweise jeweils mit <50 % Duty Cycle betrieben werden; der Verbindungspunkt der schaltenden Elemente stellt den Mittelpunkt der Schaltbrücke dar. Der Mittelpunkt des Brückenzweiges wird durch die zwei Schaltelemente (im Folgenden auch als schaltende Elemente oder Schalter bezeichnet) abwechselnd an den positiven oder negativen Pol einer Leistungsgleichstromversorgung geschaltet. Die abwechselnde Steuerung der beiden Schaltelemente sowie der Schaltelemente eines eventuell vorhandenen zweiten Brückenzweigs erfolgt durch einen Ansteuersignalgenerator, der einen Oszillator, der die Frequenz des Ausgangssignals bestimmt, und weitere Bauelemente wie Inverter, Phasenschieber und Signalformer enthalten kann. Zur Befreiung des Ausgangssignals von einem Gleichspannungsanteil kann ein Kondensator vorgesehen sein. Eine Schaltbrücke mit zwei schaltenden Elementen wird auch Halbbrücke genannt.
Eine Vollbrückenschaltung besteht aus zwei Brückenzweigen (Halbbrücken), deren Mittelpunkte mit der gewünschten Frequenz jeweils gegensinnig an den positiven und negativen Pol der Gleichspannungsversorgung geschaltet werden. Die Wechselstromlast wird zwischen diesen beiden Mittelpunkten angeordnet. Ein zusätzlicher Kondensator zur Befreiung des Ausgangssignals von einem Gleichspannungsanteil ist nicht notwendig. Eine Vollbrücke(nschaltung) ist demnach eine Schaltbrücke mit vier schaltenden Elementen. Eine weitere Schaltungsvariante eines Hochfrequenzverstärkers bzw. Leistungsverstärkers kann ein Klasse-E-Verstärker sein. In diesem Fall wird ein Transistor mit einem rechteckförmigen Eingangssignal angesteuert. Das resonante Ausgangsnetzwerk bietet in Verbindung mit der ausgangsseitigen Kapazität die Möglichkeit, durch Null-Volt-Schalten (Zero Voltage Switching, ZVS) die Schaltverluste auf ein Minimum zu reduzieren und damit die Effizienz auf ein Maximum zu erhöhen. Eine Modifikation der Klasse-E-Topologie kann durch Anordnung zweier Stufen im Gegentaktbetrieb erfolgen.
Für gewisse Plasmaprozesse ist es erstrebenswert, ein Leistungssignal bei einer sehr hohen Frequenz zu erzeugen. Beispielsweise haben hohe Frequenzen Vorteile in der Halbleiterfertigung. Herkömmliche MOSFETs die, auf Silizium oder GaAs basieren, haben den Nachteil, dass Sie bei einer für die Anwendung ausreichenden Durchbruchspannung einen verhältnismäßig hohen On-Widerstand zwischen Drain und Source (RDSOΠ) haben, der zu hoher Verlustleistung und damit zu erhöhten Energiekosten und Gefahr der Überhitzung führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Modul und eine Plasmaversorgungseinrichtung vorzuschlagen, mit denen hohe Leistungen in einem hohen Frequenzbereich bei geringer Verlustleistung realisiert werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Modul für eine Plasmaversorgungseinrichtung zur Versorgung eines Plasmas für eine Plasmabearbeitung oder einen Gaslaser mit einer Leistung > 500 W bei einer Frequenz im Bereich 1 bis 1000 MHz mit einem Modulsubstrat, auf dem eine oder mehrere Leiterbahnen angeordnet sind und mit mindestens einem auf dem Modul angeordneten, mit zumindest einer Leiterbahn verbundenen Galliumnitrid (GaN)- Halbleiterschaltelement. Das Modulsubstrat kann aus Keramik, z. B. Berylliumoxid (BeO), ausgebildet sein.
GaN-Halbleiterschaltelemente eignen sich aufgrund ihres hohen Bandabstands hervorragend für die Verwendung als Hochleistungsbauelemente, da der hohe Bandabstand hohe Betriebsspannungen ermöglicht. Eine übliche Herstellungsmethode ist das Aufbringen einer GaN-Schicht auf ein monokristallines Trägersubstrat (= Schaltelementsubstrat im Unterschied zum Modulsubstrat, auf dem die Halbleiterschaltelemente angeordnet werden), das ein Nichtleiter, beispielsweise Saphir, oder ein Halbleiter, beispielsweise n-SiC, sein kann. Vorzugsweise verwendet man für das Trägersubstrat ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, um eine höhere Verlustleistung der GaN- Halbleiterschaltelemente und damit hohe Betriebsströme zu realisieren. Insbesondere können vorteilhafterweise als GaN-Halbleiterschaltelemente sogenannte GaN-HEMTs zum Einsatz kommen. Diese haben eine wesentlich höhere Verstärkung als silizium-basierte MOSFETs (ca. Faktor 2). Weiterhin haben sie eine geringere Eingangs-, Ausgangs- und Rückwirkungskapazität. Diese Kapazitäten sind im Vergleich zu Silizium-basierten Bauelementen etwa um den Faktor 5 bis 10 geringer. Auch der Widerstand RDSOΠ ist um einen Faktor 5 bis 10 geringer als bei vergleichbaren Siliziumbauelementen. Die bisherigen Zuverlässigkeitsprobleme bei GaN, insbesondere Degradationseffekte, werden immer besser verstanden. Technologische Gegenmaßnahmen führen zu zuverlässigeren und betriebssicheren Bauelementen, so dass deren Einsatz jetzt auch in Plasmaversorgungseinrichtungen in Betracht gezogen werden kann.
Die GaN-HEMTs (High Electron Mobility Transistors), sind n-Kanal-MESFETs (Metall-Semiconductor FET, mit Schottky-Sperrschicht für das Gate) mit zwei Materialien unterschiedlicher Bandbreiten (Heterokontakt im Grenzbereich) für die Trennung von Donatoren und Kanal. Das Resultat ist eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit bei geringem On-Widerstand. Auch eine Ausführung als sogenannter MISFET (Metall-Isolator-Semiconductor FET) ist denkbar. In diesem Fall ist der Steuerkontakt ein MIS-Kontakt. Es können sowohl Depletion- (Ladungsträgerverarmung bei negativer Gate-Spannung) wie auch Enhancement- Typen (werden erst bei positiver Gate-Spannung leitend) zum Einsatz kommen.
Die Leiterbahnen auf dem Modulsubstrat, vorzugsweise einem Keramiksubstrat, können im Dünn- oder Dickschichtverfahren hergestellt sein. Dünnschichtverfahren bedeutet, dass das komplette Modulsubstrat beispielsweise mit Ti-Cu besputtert, photolackiert, belichtet und anschließend geätzt wird. Im Dickschichtverfahren werden die Leiterbahnen mit Au- oder Ag-Paste im Siebdruckverfahren aufgebracht und bei etwa 8500C gebrannt. Sie können zusätzlich wie im Dünnschichtverfahren geätzt werden.
Die GaN-Halbleiterschaltelemente können direkt mit ihrem Trägersubstrat auf das Modulsubstrat oder auf eine Modulleiterbahn aufgeklebt oder aufgelötet werden, so dass ein guter thermischer Kontakt entsteht.
In oder auf dem Modul kann zumindest teilweise ein dem GaN-Halbleiter- schaltelement nachgeordnetes Anpassnetzwerk bzw. ein Schwingkreis angeordnet sein. Für den Einsatz in Leistungsverstärkern sollten die erfindungsgemäßen Module mittels zusätzlicher Komponenten transformiert und angepasst werden. Für lineare Verstärkerkonzepte (Klasse A, B, C) ist es von Vorteil, einen Teil dieser Anpassung bereits im Modul selbst vorzunehmen und so eine einfachere Integration in eine Hochfrequenzstufe zu ermöglichen. Für Schaltkonzepte (Klasse D, E) kann erfindungsgemäß ein Teil des notwendigen Resonanzkreises im Modul integriert werden und kann so ebenfalls eine einfachere Einbaumöglichkeit in den Leistungsverstärker realisiert werden. Der Schwingkreis bzw. der Resonanzkreis kann Bestandteil eines Ausgangsnetzwerkes sein, der somit ebenfalls zumindest teilweise in dem Modul angeordnet sein kann.
In oder auf den Modulen kann zumindest teilweise ein dem GaN- Halbleiterschaltelement vorgelagerter Schwingkreis angeordnet sein, wobei die Gate- Kapazität des GaN-Halbleiterschaltelements Bestandteil des Schwingkreises ist. Dadurch kann ein sinusähnlicher Gate-Spannungsverlauf am angesteuerten Halbleiterschaltelement realisiert werden. Eine sinusähnliche Gate-Spannung wirkt sich günstig auf die elektromagnetische Verträglichkeit aus und spart, je nach Güte des Schwingkreises, Ansteuerleistung ein. Als weiterer Bestandteil des Schwingkreises kann eine Induktivität, eine Kapazität oder ein Übertrager für die Gate-Spannung vorgesehen sein.
In oder auf den Modulen, insbesondere auf dem Modulsubstrat, kann zumindest ein einem GaN-Halbleiterschaltelement zugeordneter Treiber angeordnet sein. Ein oder mehrere Treiber können jedoch auch außerhalb des Moduls vorgesehen sein. In einer Ausgestaltung der Erfindung können mehrere GaN-Halbleiterschaltelemente, insbesondere GaN-HEMTs, vorgesehen sein, die parallel geschaltet sind. Durch die Parallelschaltung kann der Innenwiderstand der Transistoranordnung bzw. Schaltelementanordnung reduziert werden. Die nachfolgende Transformationsschaltung oder ein Teil davon kann ebenfalls auf dem Modul implementiert sein. Auch ein Ausgangsresonanzkreis oder Teile davon können auf dem Modul angeordnet sein. Durch die Parallelschaltung einzelner GaN- Halbleiterschaltelemente können sehr hohe Ausgangsleistungen erzielt werden. Die Parallelschaltung führt dazu, dass das Modul eine sehr niedrige Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanz aufweist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine aus GaN-Halbleiterschaltelementen aufgebaute Halbbrücke oder Vollbrücke auf dem Modul angeordnet ist. Dadurch können zum Beispiel Klasse-D oder Klasse-E-Verstärker auf dem Modul realisiert werden. Es kann auch jeweils eine Halbbrücke auf einem Modul vorgesehen sein und die Halbbrücken (auf unterschiedlichen Modulen) können zu einer Vollbrücke zusammengeschaltet werden. Den GaN-Halbleiterschaltelementen zugeordnete Treiber können ebenfalls auf dem Modul angeordnet sein.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die GaN-Halbleiterschaltelemente individuell angesteuert sind. Somit lassen sich die Schaltzeitpunkte der Halbleiterschaltelemente exakt und unabhängig voneinander einstellen. Durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente kann dadurch die Verlustleistung reduziert werden. Außerdem können die Verstärkereigenschaften genauer eingestellt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn aus den GaN-Halbleiterschaltelementen eine Halb- oder Vollbrücke aufgebaut ist.
Das Modul kann kühlmittelgekühlt sein. Insbesondere kann die entstehende Wärme mit Hilfe einer aktiven Wasserkühlung des Moduls schnell abgeführt werden.
In dem Modul kann zudem eine geeignete Temperaturabschaltung realisiert werden, die die aktiven Bauteile vor zu hoher Wärmeeinwirkung schützt. Insbesondere können Mittel zur Temperaturüberwachung vorgesehen sein. Dies ist besonders bei GaN wegen des niedrigen Schmelzpunktes von Ga und einer dadurch verursachten niedrigen maximal zulässigen Betriebstemperatur vorteilhaft.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Plasmaversorgungseinrichtung zur Versorgung eines Plasmas mit einer Leistung > 500 W bei einer Frequenz im Bereich 1 bis 1000 MHz mit zumindest einem erfindungsgemäßen Modul.
Eine höhere Ausgangsleistung kann erreicht werden, wenn zwei Module mittels eines 3-dB-Kopplers gekoppelt sind. Insbesondere kann der 3-dB-Koppler als Hybridkoppler mit einer Phasenverschiebung von 90° ausgebildet sein. Die Verwendung von 3-dB-Kopplern bietet außerdem den Vorteil, sowohl Halb- als auch Vollbrückentopologien realisieren zu können.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Schaltverstärker, insbesondere Klasse D oder Klasse E Verstärker, vorgesehen ist, der zumindest ein Modul aufweist.
Weiterhin kann eine Halbbrücke oder Vollbrücke vorgesehen sein, die aus Modulen aufgebaut ist.
Eine höhere Ausgangsleistung kann erreicht werden, wenn zwei Module mittels eines 3-dB-Kopplers gekoppelt sind. Insbesondere kann der 3-dB-Koppler als Hybridkoppler mit einer Phasenverschiebung von 90° ausgebildet sein. Es handelt sich also um einen Koppler, durch den um 90° phasenverschobene Eingangssignale zu einem maximalen Ausgangssignal gekoppelt werden (sind die Eingangssignale nicht um 90° phasenverschoben, erfolgt ebenfalls eine Kopplung, allerdings kann kein maximales Ausgangssignal erreicht werden). Die Verwendung von 3-dB- Kopplern bietet außerdem den Vorteil, sowohl Halb- als auch Vollbrückentopologien realisieren zu können.
Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der Ausgangsleistung einer Verstärkeranordnung bzw. einer Plasmaversorgungseinrichtung besteht darin, mehrere 3dB-Koppler kaskadiert anzuordnen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung nachfolgend erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Plasmaversorgungseinrichtung mit zwei Modulen;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Plasmaversorgungseinrichtung mit zwei Modulen, wobei die Module jeweils einen Schwingkreis aufweisen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Kopplung mittels 3-dB-Koppler und der Kaskadierung mittels 3-dB-Koppler.
In der Figur 1 ist eine Plasmaversorgungseinrichtung 10 gezeigt, die zwei Module 11, 12 aufweist.
Jedes Modul 11 , 12 weist zwei GaN-Halbleiterschaltelemente 13 - 16 mit jeweils zugeordnetem Treiber 17 - 20 auf. Die GaN-Halbleiterschaltelemente 13 - 16 sind jeweils auf einem Modulsubstrat 21 , 22 angeordnet, welches wiederum Leiterbahnen 23, 24 aufweist. Im Ausführungsbeispiel sind die Module 11 , 12 so genannte DCB- Module (Direct Copper Bond). Das Substratmaterial ist im Ausführungsbeispiel Keramik. Die Leiterbahnen 23, 24 sind aus Kupfer im Dünnschichtverfahren oder Dickschichtverfahren aufgebracht. Die Halbleiterschaltelemente 13 - 16 sowie die Treiber 17 - 20 werden direkt aufmontiert und dann werden deren Anschlüsse mit den Leiterbahnen 23, 24 durch Bonddrähte verbunden. Andere Bauteile können direkt auf die Leiterbahnen 23, 24 aufgelötet werden.
Modul 11 , 12 im Sinne der Erfindung sind solche DCBs mindestens einem GaN- Halbleiterschaltelement 13 - 16, gegebenenfalls mit mindestens einem Treiber 17 - 20, in höherer Integration mit Halbbrücke, in noch höherer Integration mit einer Vollbrücke und/oder noch mit Teilen eines Ausgangskreises. Außerdem können Gehäuse und Wasserkühlmöglichkeit vorgesehen sein. Im Ausführungsbeispiel ist für das Modul 11 ein Kühlmittelkanal 25 angedeutet.
Die Halbleiterschaltelemente 13, 14 bilden eine Halbbrücke, genauso wie die Halbleiterschaltelemente 15, 16. Die Mittelpunkte M1, M2 der Halbbrücken sind über einen Ausgangsübertrager 26 mit einer lediglich schematisch angedeuteten Plasmalast 27 verbunden. Zwischen Ausgangsübertrager 26 und Plasmalast 27 kann ein nicht dargestelltes Anpassungsnetzwerk vorgesehen sein. Die Module 11 , 12, insbesondere die darauf angeordneten Halbbrücken, bestehend aus den Halbleiterschaltelementen 13, 14 bzw. 15, 16, sind jeweils an den positiven Anschluss 28 und negativen Anschluss 29 einer DC-Leistungsversorgung angeschlossen. Die beiden Halbbrücken bilden zusammen eine Vollbrücke.
Die Ausführungsform einer Plasmaversorgungseinrichtung 40 gemäß Figur 2 unterscheidet sich von der gemäß Figur 1 geringfügig. Für übereinstimmende Elemente werden deshalb gleiche Bezugsziffern verwendet. Im Unterschied zur Plasmaversorgungseinrichtung 10 der Figur 1 weisen die Module 11 , 12 der Plasmaversorgungseinrichtung 40 Schwingkreise 41, 42 auf, die ebenfalls in oder auf den Modulen 11 , 12 bzw. auf den Substraten 21 , 22 angeordnet sind.
Die Schwingkreise 41 , 42, im Ausführungsbeispiel jeweils einen Kondensator C und eine Spule L umfassend, dienen dazu, einen sinusförmigen Ausgangsstrom zur Verfügung zu stellen sowie ein Nullstromschalten (Zero Current Switchung ZVS) bzw. Nullspannungschalten (Zero Voltage Switching ZVS) der Halbleiterschaltelemente der Halbbrücken zu ermöglichen. Die Schwingkreise 41 , 42 können als Bestandteile eines Ausgangskreises betrachtet werden, dessen weiterer Bestandteil der Ausgangsübertrager 26 ist. Beispielhaft ist für die Ansteuerung des Halbleiterschaltelements 13 ein Gate-Übertrager 43 dargestellt, der an den Treiber 17 angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung 44 des Gate-Übertragers 43 bildet zusammen mit der Eingangskapazität des Halbleiterschaltelements 13 einen Schwingkreis. Der somit gebildete Schwingkreis ist ebenfalls wie der Gate- Übertrager 43 auf bzw. in dem Modul 11 angeordnet. Zeichnerisch nicht dargestellt, jedoch denkbar ist es, entsprechende Gate-Übertrager 43 auch für die anderen Halbleiterschaltelemente 14 - 16 einzusetzen.
In der Fig. 3 ist ein Teil einer Plasmaversorgungseinrichtung 60 gezeigt. Die Plasmaversorgungseinrichtung 60 weist eine zentrale Steuer- und/oder Regeleinrichtung 59 auf. An die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 59 sind vier Vollbrücken 61 - 64 angeschlossen. Die Vollbrücke 61 ist detaillierter dargestellt. Daraus ergibt sich, dass jede Vollbrücke zwei Module 65 - 72 aufweist, die jeweils eine Halbbrücke mit zwei GaN-Halbleiterschaltelementen 13 - 16 aufweisen. Jeweils zwei Vollbrücken 61 - 64 sind auf einen Hybridkoppler, insbesondere 3-dB-Koppler, 73, 74 geschaltet. In einer nächsten Stufe sind jeweils zwei 3-dB-Koppler 73, 74 auf einen 3-dB-Koppler 75 geschaltet. Am Ausgang 76 des 3-dB-Kopplers 75 liegt die HF-Leistung, die der Plasmalast 77 zugeführt werden kann, an. Diese Leistung wird durch eine Messeinrichtung erfasst und an die Regel- und/oder Steuereinrichtung 59 übergeben.
Aus der Figur 3 ergibt sich somit, dass die Ausgangsleistungen zweier Vollbrücken 61 - 64 über einen 3-dB-Koppler 73, 74 gekoppelt werden können und dass mehrere 3dB-Koppler 73, 74, 75 kaskadiert eingesetzt werden können, um eine Vergrößerung der maximalen einer Plasmalast 77 zur Verfügung gestellten Leistung zu erreichen. Statt der Vollbrücken hätten auch Halbbrücken und damit Module über 3-dB-Koppler zusammengeschaltet werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Modul (11 , 12, 61 - 76) für eine Plasmaversorgungseinrichtung (10, 40, 60) zur Versorgung eines Plasmas für eine Plasmabearbeitung oder einen Gaslaser mit einer Leistung > 500 W bei einer Frequenz im Bereich
1 - 1000 MHz, mit einem Modulsubstrat (21 , 22), auf dem eine oder mehrere Leiterbahnen (23, 24) angeordnet sind und mit zumindest einem auf dem Modul (11 , 12, 61 - 76) angeordneten, mit zumindest einer Leiterbahn (23, 24) verbundenen Galliumnitrid (GaN)-Halbleiterschaltelement (13 - 16).
2. Modul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in oder auf dem Modul (11 , 12, 61 - 76) zumindest teilweise ein dem GaN- Halbleiterschaltelement (13 - 16) nachgeordnetes Anpassnetzwerk bzw. ein Schwingkreis (41 , 42) angeordnet ist.
3. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder auf dem Modul (11 , 12, 61 - 76) zumindest teilweise ein dem GaN-Halbleiterschaltelement (13 - 16) vorgelagerter Schwingkreis (43) angeordnet ist, wobei die Gate-Kapazität des GaN-Halbleiterschaltelements Bestandteil des Schwingkreises (43) ist.
4. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder auf dem Modul (11 , 12, 61 - 76) zumindest ein einem GaN- Halbleiterschaltelement (13 - 16) zugeordneter Treiber (17 - 20) angeordnet ist.
5. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere GaN-Halbleiterschaltelemente (13 - 16), insbesondere GaN- HEMTs, vorgesehen sind, die parallel geschaltet sind.
6. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus GaN-Halbleiterschaltelementen (13 - 16) aufgebaute Halbbrücke oder Vollbrücke auf dem Modul (11 , 12, 61 - 76) angeordnet ist.
7. Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN- Halbleiterschaltelemente (13 - 16) individuell angesteuert sind.
8. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses kühlmittelgekühlt ist.
9. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Temperaturüberwachung vorgesehen sind.
10. Plasmaversorgungseinrichtung (10, 40, 60) zur Versorgung eines Plasmas mit einer Leistung > 500 W bei einer Frequenz im Bereich 1 - 1000 MHz mit zumindest einem Modul (11 , 12, 61 - 76) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Plasmaversorgungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltverstärker, insbesondere Klasse D oder Klasse E-Verstärker, vorgesehen ist, der zumindest ein Modul (11 , 12, 61 - 76) aufweist.
12. Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Halbbrücke oder Vollbrücke vorgesehen ist, die aus Modulen (13 - 16) aufgebaut ist.
13. Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Module (11 , 12, 61 - 76) mittels eines 3-dB-Kopplers (77 - 84) gekoppelt sind.
14. Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden AnsprüchelO bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere 3-dB-Koppler (77 - 90) kaskadiert angeordnet sind.
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