WO2010091697A1 - Verfahren zur leistungsversorgung eines plasmaprozesses und plasmaversorgungseinrichtung - Google Patents

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WO2010091697A1
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Thomas Rettich
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Hüttinger Elektronik Gmbh + Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to a method for power supply of a plasma process or a gas laser with a power> 500 W at a frequency in the range 1 to 1000 MHz.
  • a plasma is a special state of matter that is generated from a gas.
  • Each gas basically consists of atoms and / or molecules. In a plasma, this gas is largely ionized. This means that by supplying energy, the atoms or molecules are split into positive and negative charge carriers, ie ions and electrons.
  • a plasma is suitable for machining workpieces, as the electrically charged Particles are chemically highly reactive and also influenced by electric fields. The charged particles can be accelerated by means of an electric field to an object, where they can dissolve single atoms out of them on impact. The liberated atoms can be removed by gas flow (etching) or deposited on other objects as a coating (production of thin films).
  • Application is such a processing by means of a plasma, especially when extremely thin layers, especially in the range of less atomic layers to be processed.
  • Typical applications are semiconductor technology (coating, etching, etc.), flat screens (similar to semiconductor technology), solar cells (similar to semiconductor technology), architectural glass coating (heat protection, glare control, etc.), storage media (CD, DVD, hard disks), decorative layers (colored glass, etc.) and tool hardening. These applications have high demands on accuracy and process stability.
  • a plasma can also be used to excite lasers, in particular gas lasers.
  • a plasma for machining workpieces is typically ignited and maintained in a plasma chamber. This is usually a noble gas, eg. As argon, passed at low pressure in the plasma chamber. Via electrodes and / or antennas, the gas is exposed to an electric field. A plasma is created or ignited when several conditions are met. First of all, a small number of free charge carriers must be present, with the free electrons, which are always available to a very limited extent, usually being used.
  • a noble gas eg. As argon
  • the free charge carriers are accelerated so much by the electric field that they release further electrons upon impact with atoms or molecules of the noble gas, whereby positively charged ions and other negatively charged electrons are formed.
  • the other free charge carriers are in turn accelerated and generate more ions and electrons upon impact. It uses an avalanche effect.
  • the constant generation of ions and electrons counteract the discharges in the collision of these particles with the wall of the plasma chamber or other objects and the natural recombination, ie, electrons are attracted to ions and recombine to electrically neutral Atoms or molecules. Therefore, an ignited plasma must constantly be supplied with energy in order to maintain it.
  • tube generators continue to be used in the form of oscillator amplifier systems for generating RF power in the range> 10 kW at 13 MHz or even 27 MHz.
  • semiconductor amplifiers with switched-mode silicon LDMOS transistors (class E and D) are available on the market, achieving the power range up to 50 kW by cascading and combining modules.
  • the switching power of today's Si transistors is limited, so that a single transistor in a class E arrangement can deliver a power contribution of a maximum of 1 kW.
  • the overall topology results in the following through the interconnection of individual switching stages in the above-mentioned performance class via combiners and filters.
  • the number of transistors required and the combiners and filters required are an important parameter.
  • a high number of required components reduces the reliability and also increases the manufacturing costs of the system by the more complex connection technology.
  • MOSFETs based on silicon or GaAs have the disadvantage that they have a relatively high on-resistance between drain and source (R D S O ⁇ ) at a sufficient breakdown voltage for the application, resulting in high power loss and thus increased energy costs and risk of overheating.
  • the object of the present invention is to propose a method and a plasma supply device with which high powers in a high frequency range with low power loss can be realized.
  • This object is achieved according to the invention by a method for supplying power to a plasma process, in particular a plasma processing process or a gas laser, with a power> 500 W at a frequency in the range 1 to 1000 MHz, wherein the power signal supplying the plasma process using at least one gallium nitride (GaN) having semiconductor switching element, in particular transistor, is generated.
  • the power signal can be generated with a frequency in the range 1 to 200 MHz.
  • GaN semiconductor switching elements Due to their high band gap, GaN semiconductor switching elements are excellently suited for use as high-performance components, since the high band gap enables high operating voltages.
  • a common production method for GaN semiconductor switching elements is the application of a GaN layer to a monocrystalline carrier substrate, which may be a non-conductor, for example sapphire, or a semiconductor, for example n-SiC.
  • a material with a high thermal conductivity is used for the carrier substrate.
  • the resulting good cooling can be realized high operating currents.
  • so-called GaN HEMTs can advantageously be used as GaN semiconductor switching elements. These have a much higher gain than silicon-based MOSFETs (about factor 2). Furthermore, they have a lower input, output and feedback capacity.
  • the GaN HEMTs High Electron Mobility Transistors
  • MESFETs metal-semiconductor FET, with Schottky barrier for the gate
  • MISFET metal-insulator-semiconductor FET
  • the control contact is an M IS contact.
  • At least one (high-frequency) amplifier (RF amplifier) which has at least one GaN semiconductor switching element can be used to generate the power signal.
  • the power signal can be generated by means of a switching amplifier as an RF amplifier.
  • a circuit variant of switching amplifiers in a plasma supply device for generating high RF powers is a class D amplifier with a switching bridge constructed from GaN semiconductor switching elements.
  • the midpoint of the bridge branch is alternately switched to the positive or negative pole of a DC power supply by the two switching elements (hereinafter also referred to as switching elements or switches).
  • An excusesignalgenerator which may include an oscillator which determines the frequency of the output signal, and further components such as inverter, phase shifter and signal conditioner. To free the output signal from a DC component, a capacitor may be provided.
  • a switching bridge with two switching elements is also called half bridge.
  • a full bridge circuit consists of two bridge branches (half bridges) whose centers are switched in opposite directions to the positive and negative poles of the DC voltage supply at the desired frequency. The AC load is placed between these two centers. An additional capacitor to free the output signal from a DC component is not necessary.
  • a full bridge (circuit) is therefore a switching bridge with four switching elements.
  • Another circuit variant may be a class E switching amplifier.
  • a transistor is driven with a rectangular input signal.
  • the resonant output network in conjunction with the output-side capacitance, provides zero-voltage switching (ZVS) switching to minimize switching losses for maximum efficiency.
  • ZVS zero-voltage switching
  • a modification of the class E topology can be done by arranging two stages in push-pull operation.
  • the circuit topologies for switching amplifier for example, class D, class E
  • the GaN transistors in particular transistors with high breakdown voltage, low RDS O ⁇ and low input capacitance and thereby only small driver power an advantageous realization of high frequency amplifiers for the aforementioned Applications that stand out from the existing concepts and systems in terms of small size and higher power density, lower complexity and lower number of components and thus increased reliability and not least by the potential for lower production costs.
  • GaN gallium-nitride-semiconductor
  • the existing amplifier technology can be significantly advanced.
  • GaN is currently only used in the gigahertz range, mainly in military radio systems, satellite communications and radar systems (10 to 50 GHz).
  • GaN transistors are commonly used in linear operation and at low operating voltages ( ⁇ 50V).
  • the semiconductor material GaN is advantageously used in quite different areas due to the material properties.
  • the special properties such as high breakdown voltage, very good thermal conductivity and high charge carrier mobility, can be used advantageously to realize transistors with high switching power at high operating voltage, which can work with only small losses in the MHz range due to their high switching speed and low on-resistance.
  • the load impedance of the plasma is determined.
  • the amplifier can be controlled or regulated in such a way that optimum power transfer into the plasma takes place.
  • an optimal adaptation to the load impedance can take place.
  • the forward power delivered to the plasma by means of the power signal and / or the reverse power reflected by the plasma or related variables, such as, for example, current and voltage, are determined.
  • further variables can be determined, such as, for example, the reflection factor of the plasma. This information can in turn be used to suitably drive the amplifier.
  • An even better decision basis for the drive of the amplifier is obtained when the phase between forward power and reverse power or between current and voltage is determined.
  • an individual control signal can be determined for each semiconductor switching element and this semiconductor switching element can be driven accordingly in order to avoid an overload on the semiconductor switching element and thus destruction of the amplifier.
  • a plasma supply device can be made safe from destruction of the switching elements even without absorbing filters. This is especially true at Plasma supply devices are important and advantageous, as plasma plague mismatch and chaotic conditions often occur.
  • Multiple amplifiers can be used to generate the power signal and the signals generated by the amplifiers can be coupled by means of a 90 ° hybrid coupler (3 dB coupler). It is therefore a coupler, are coupled by the 90 ° out of phase input signals to a maximum output signal (if the input signals are not phase-shifted by 90 °, there is also a coupling, however, no maximum output signal can be achieved). In this way, increased output power can be generated. Furthermore, a cascading can be done by several hybrid couplers are in turn coupled by a hybrid coupler.
  • the amplifiers can be controlled individually depending on the determined load impedance. As mentioned above, this can prevent destruction of the amplifiers.
  • the GaN semiconductor switching elements can be controlled individually. Thus, the switching times of the semiconductor switching elements can be set exactly and independently. By suitable control of the semiconductor switching elements, the power loss can be reduced. In addition, the amplifier characteristics can be set more accurately. This is advantageous in particular if a half or full bridge is constructed from the GaN semiconductor switching elements.
  • the GaN semiconductor switching elements are driven via a resonant circuit having the gate capacitance.
  • a resonant circuit is formed whose component is the gate capacitance of the semiconductor switching element.
  • a sinusoidal gate voltage profile can be realized at the controlled semiconductor switching element.
  • a sinusoidal gate voltage has a favorable effect on the electromagnetic compatibility and saves, depending on the quality of the resonant circuit drive power.
  • the leakage inductance of a gate transformer can be provided.
  • the scope of the invention also includes a plasma supply device for powering a plasma process, in particular a plasma processing process with a power> 500W at a frequency in the range 1 to 1000 MHz with at least one RF amplifier having at least one GaN semiconductor switching element.
  • the amplifier is designed as a switching amplifier, in particular class D or class E amplifier.
  • the class D amplifier can be designed as a half bridge or full bridge.
  • At least one measuring device in particular a directional coupler or a current and / or voltage measuring device may be provided for determining the forward power delivered to the plasma by means of the power signal and / or the reverse power reflected by the plasma.
  • the measurement signals thus acquired can be fed to an evaluation device for determining the phase between forward power and reverse power or between current and voltage.
  • a drive device of the semiconductor switching elements can generate suitable drive signals for the semiconductor switching elements.
  • multiple amplifiers may be provided to generate the power signal, and the signals generated by the amplifiers may be coupled by means of a 90 ° hybrid coupler (3 dB coupler).
  • a 90 ° hybrid coupler (3 dB coupler).
  • a cascading of several hybrid couplers is conceivable in order to increase the power signal.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a plasma supply device with two half-bridges.
  • Fig. 2 is a schematic representation for illustrating the coupling by means of 3dB coupler and cascading by means of 3dB coupler.
  • FIG. 1 shows a plasma supply device 10 which has two half-bridges 11, 12. Each half-bridge 11, 12 has two GaN semiconductor switching elements 13-16, each with associated driver 17-20.
  • a gate transformer 43 which is connected to the driver 17, is shown for driving the semiconductor switching element 13.
  • the secondary winding 44 of the gate transformer 43 together with the input capacitance of the semiconductor switching element 13 forms a resonant circuit. Not illustrated in the drawing, but it is conceivable to use corresponding gate transformers 43 for the other semiconductor switching elements 14-16.
  • the semiconductor switching elements 13, 14 form a half-bridge 11, as well as the semiconductor switching elements 15, 16.
  • the midpoints M1, M2 of the half-bridges 11, 12 are connected via an output transformer 26 with a plasmalast 27 indicated only schematically.
  • the two half bridges 11, 12 together form a full bridge and thus a Class D amplifier for high frequency.
  • FIG. 2 shows part of a plasma supply device 60.
  • the plasma supply device 60 has a central control and / or regulating device 59.
  • To the control and / or regulating device 59 are four HF Amplifier 61 - 64 connected.
  • the RF amplifier 61 is shown in more detail.
  • each RF amplifier 61-64 has two half-bridges 65-72 with two GaN semiconductor switching elements 13-16.
  • Two RF amplifiers 61-64 are each connected to a hybrid coupler, in particular 3 dB couplers 73, 74.
  • two 3 dB couplers 73, 74 are each connected to a 3 dB coupler 75.
  • the RF power that can be supplied to the plasma load 77 at. This power is detected by a measuring device 93 and passed to the control and / or control device 59 or an evaluation device 58, which may be part of the control and / or control device.
  • the output powers of two RF amplifiers 61-64 can be coupled via a 3 dB coupler 73, 74 and that a plurality of 3 dB couplers 73, 74, 75 can be used in cascaded fashion to achieve an increase in the maximum power available to a plasma load 77.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses, insbesondere eines Plasmabearbeitungsprozesses oder eines Gaslasers, mit einer Leistung > 500 W bei einer Frequenz im Bereich 1 - 1000 MHz, wird das den Plasmaprozess speisende Leistungssignal unter Verwendung zumindest eines GaN aufweisenden Halbleiterschaltelements (13-16), insbesondere Transistors, erzeugt.

Description

Verfahren zur Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses und Plasmaversorgungseinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses oder eines Gaslasers 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.
Heute werden weiterhin Röhrengeneratoren in Form von Oszillator-Verstärker- Systemen zur Erzeugung von HF-Leistungen im Bereich > 10 kW bei 13 MHz oder auch 27 MHz eingesetzt. Zunehmend sind Halbleiterverstärker mit Silizium-LDMOS- Transistoren im geschalteten Betrieb (Klasse E und D) am Markt verfügbar, die durch Kaskadierung und Kombination von Modulen den Leistungsbereich bis 50 kW erreichen.
Die Schaltleistung heutiger Si-Transistoren ist allerdings begrenzt, so dass ein einzelner Transistor in einer Klasse-E-Anordnung einen Leistungsbeitrag von maximal 1 kW liefern kann. Die Gesamttopologie ergibt sich nachfolgend durch die Zusammenschaltung von Einzelschaltstufen in der genannten Leistungsklasse über Combiner und Filter.
Für ein HF-Hochleistungssystem mit der Zielrichtung 10 bis 100 kW sind die Anzahl der benötigten Transistoren und die ebenso notwendigen Combiner und Filter eine wesentliche Kenngröße. Insbesondere reduziert eine hohe Anzahl benötigter Bauelemente die Betriebssicherheit und erhöht die Herstellkosten des Systems zusätzlich durch die aufwändigere Verbindungstechnik.
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 Verfahren 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 Verfahren zur Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses, insbesondere eines Plasmabearbeitungsprozesses oder eines Gaslasers, mit einer Leistung > 500 W bei einer Frequenz im Bereich 1 bis 1000 MHz, wobei das den Plasmaprozess speisende Leistungssignal unter Verwendung zumindest eines Galliumnitrid (GaN) aufweisenden Halbleiterschaltelements, insbesondere Transistors, erzeugt wird. Insbesondere kann das Leistungssignal mit einer Frequenz im Bereich 1 bis 200 MHz erzeugt werden.
GaN-Halbleiterschaltelemente eignen sich aufgrund ihres hohen Bandabstands hervorragend für die Verwendung als Hochleistungsbauelemente, da der hohe Bandabstand hohe Betriebsspannungen ermöglicht. Eine übliche Herstellungsmethode für GaN-Halbleiterschaltelemente ist das Aufbringen einer GaN-Schicht auf ein monokristallines Trägersubstrat, 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. Durch die damit mögliche gute Kühlung lassen sich hohe Betriebsströme 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 Bandbreite (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 M IS-Kontakt.
Zur Erzeugung des Leistungssignals kann wenigstens ein (Hochfrequenz-) Verstärker (HF-Verstärker) verwendet werden, der wenigstens ein GaN- Halbleiterschaltelement aufweist. Insbesondere kann das Leistungssignal mit Hilfe eines Schaltverstärkers als HF-Verstärker erzeugt werden. Eine Schaltungsvariante von Schaltverstärkern in einer Plasmaversorgungseinrichtung zum Erzeugen hoher HF-Leistungen ist ein Klasse-D-Verstärker mit einer aus GaN- Halbleiterschaltelementen aufgebauten Schaltbrücke. Eine Schaltbrücke weist zumindest zwei schaltende Elemente (= Schaltelement) auf, die in Serie geschaltet sind; 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 kann ein Klasse-E-Schaltverstärker 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.
Erfindungsgemäß entsteht durch die Verbindung der Schaltungstopologien für Schaltverstärker (zum Beispiel Klasse D, Klasse E) und den GaN Transistoren, insbesondere Transistoren mit hoher Durchbruchspannung, geringem RDSOΠ und geringer Eingangskapazität und der dadurch nur kleinen Treiberleistung eine vorteilhafte Realisierung von Hochfrequenzverstärkern für die eingangs genannten Anwendungen, die sich in Bezug auf geringe Baugröße und höhere Leistungsdichte, geringere Komplexität und geringere Bauteilanzahl und damit erhöhte Betriebssicherheit und nicht zuletzt durch das Potential für geringere Herstellkosten von den bestehenden Konzepten und Systemen abhebt.
Mit dem Halbleitermaterial GaN kann die bestehende Verstärkertechnologie erheblich weitergebracht werden. GaN wird bisher nur im Gigahertz Bereich eingesetzt, hauptsächlich in militärischen Funksystemen, der Satellitenkommunikation und in Radaranlagen (10 bis 50 GHz). In diesen Anwendungen werden GaN Transistoren üblicherweise im linearen Betrieb und bei kleinen Betriebsspannungen (< 50 V) verwendet.
Erfindungsgemäß wird das Halbleitermaterial GaN aufgrund der Materialeigenschaften vorteilhaft in ganz anderen Bereichen eingesetzt. Die besonderen Eigenschaften, wie hohe Durchbruchspannung, sehr gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Ladungsträgerbeweglichkeit, lassen sich vorteilhaft einsetzen, um Transistoren mit hoher Schaltleistung bei hoher Betriebsspannung zu realisieren, die aufgrund ihrer hohen Schaltgeschwindigkeit und geringem Einschaltwiderstand mit nur geringen Verlusten im MHz-Bereich arbeiten können.
Mit dem Material GaN lassen sich daher deutlich höhere Schaltleistungen für einen Einzeltransistor erzielen, bei gleichzeitig geringem technischen Aufwand zur Gate- Ansteuerung. Damit verringert sich insgesamt der Schaltungsaufwand und die Anzahl benötigter Komponenten, was widerum die Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems verringert.
Durch den Einsatz von GaN können erfindungsgemäß Hochfrequenzverstärker (im Folgenden oft nur als Verstärker bezeichnet) im Hochleistungsbereich realisiert werden, die deutliche Vorteile in Bezug auf Baugröße, Wirkungsgrad, Betriebssicherheit und Kosten erzielen.
Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die Lastimpedanz des Plasmas ermittelt wird. Mit Hilfe dieser Information kann der Verstärker so gesteuert oder geregelt werden, dass ein optimaler Leistungstransfer in das Plasma erfolgt. Insbesondere kann eine optimale Anpassung an die Lastimpedanz erfolgen. Weiterhin ist es möglich, die Leistung des Verstärkers zurückzufahren oder diesen gänzlich auszuschalten, wenn eine hohe Lastimpedanz erkannt wird, die auf ein ungezündetes Plasma hinweist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die mittels des Leistungssignals an das Plasma gelieferte Vorwärtsleistung und/oder die vom Plasma reflektierte Rückwärtsleistung oder damit in Beziehung stehende Größen, wie zum Beispiel Strom und Spannung, ermittelt werden. Anhand dieser Informationen können weitere Größen bestimmt werden, wie beispielweise der Reflektionsfaktor des Plasmas. Diese Information kann wiederum zur geeigneten Ansteuerung des Verstärkers verwendet werden.
Eine noch bessere Entscheidungsgrundlage für die Ansteuerung des Verstärkers erhält man, wenn die Phase zwischen Vorwärtsleistung und Rückwärtsleistung oder zwischen Strom und Spannung ermittelt wird. Aufgrund der ermittelten Parameter kann ein individuelles Ansteuersignal für jedes Halbleiterschaltelement ermittelt werden und dieses Halbleiterschaltelement entsprechend angesteuert werden, um eine Überlast an dem Halbleiterschaltelement und damit eine Zerstörung des Verstärkers zu vermeiden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Plasmaversorgungseinrichtung auch ohne absorbierende Filter vor einer Zerstörung der schaltenden Elemente sicher gemacht werden. Dies ist insbesondere bei Plasmaversorgungseinrichtungen wichtig und vorteilhaft, da bei Plasmalasten Fehlanpassung und chaotische Zustände häufig auftreten.
Es können mehrere Verstärker zur Erzeugung des Leistungssignals eingesetzt werden, und die von den Verstärkern erzeugte Signale können mittels eines 90°- Hybridkopplers (3-dB-Koppler) gekoppelt werden. 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). Auf diese Art und Weise kann eine erhöhte Ausgangsleistung erzeugt werden. Weiterhin kann eine Kaskadierung erfolgen, indem mehrere Hybridkoppler wiederum durch einen Hybridkoppler gekoppelt werden.
Die Verstärker können in Abhängigkeit der ermittelten Lastimpedanz individuell angesteuert werden. Wie oben bereits erwähnt, kann dadurch eine Zerstörung der Verstärker verhindert werden.
Die GaN-Halbleiterschaltelemente können individuell angesteuert werden. 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.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die GaN-Halbleiterschaltelemente über einen Resonanzkreis, der die Gate-Kapazität aufweist, angesteuert werden. Es wird also ein Resonanzkreis gebildet, dessen Bestandteil die Gate-Kapazität des Halbleiterschaltelements 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 die Streuinduktivität eines Gate- Übertragers vorgesehen sein.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Plasmaversorgungseinrichtung zur Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses, insbesondere eines Plasmabearbeitungsprozesses mit einer Leistung > 500W bei einer Frequenz im Bereich 1 bis 1000 MHz mit zumindest einem HF-Verstärker, der wenigstens ein GaN-Halbleiterschaltelement aufweist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Verstärker als Schaltverstärker, insbesondere Klasse D oder Klasse E Verstärker, ausgebildet ist. Der Klasse-D-Verstärker kann wie bereits erwähnt als Halbbrücke oder Vollbrücke ausgebildet sein.
Es kann zumindest eine Messeinrichtung, insbesondere ein Richtkoppler oder eine Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung zur Ermittlung der mittels des Leistungssignals an das Plasma gelieferten Vorwärtsleistung und/oder der vom Plasma reflektierten Rückwärtsleistung vorgesehen sein. Die so erfassten Messsignale können einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Phase zwischen Vorwärtsleistung und Rückwärtsleistung oder zwischen Strom und Spannung zugeführt werden. Aufgrund der Auswertung kann eine Ansteuereinrichtung der Halbleiterschaltelemente geeignete Ansteuersignale für die Halbleiterschaltelemente generieren.
Um eine erhöhte Ausgangsleistung zu erreichen, können mehrere Verstärker zur Erzeugung des Leistungssignals vorgesehen sein und die von den Verstärkern erzeugten Signale können mittels eines 90°-Hybridkopplers (3-dB-Koppler) gekoppelt werden. Auch eine Kaskadierung mehrerer Hybridkoppler ist denkbar, um das Leistungssignal zu erhöhen.
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 Halbbrücken;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Kopplung mittels 3dB-Koppler und der Kaskadierung mittels 3dB-Koppler.
In der Figur 1 ist eine Plasmaversorgungseinrichtung 10 gezeigt, die zwei Halbbrücken 11 , 12 aufweist. Jede Halbbrücke 11 , 12 weist zwei GaN- Halbleiterschaltelemente 13 - 16 mit jeweils zugeordnetem Treiber 17 - 20 auf. 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. Zeichnerisch nicht dargestellt, jedoch denkbar ist es, entsprechende Gate-Übertrager 43 auch für die anderen Halbleiterschaltelemente 14 - 16 einzusetzen.
Die Halbleiterschaltelemente 13, 14 bilden eine Halbbrücke 11, genauso wie die Halbleiterschaltelemente 15, 16. Die Mittelpunkte M1 , M2 der Halbbrücken 11 , 12 sind über einen Ausgangsübertrager 26 mit einer lediglich schematisch angedeuteten Plasmalast 27 verbunden. Die Halbbrücken 11 , 12, 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 11 , 12 bilden zusammen eine Vollbrücke und damit einen Klasse-D-Verstärker für Hochfrequenz.
In der Fig. 2 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 HF- Verstärker 61 - 64 angeschlossen. Der HF-Verstärker 61 ist detaillierter dargestellt. Daraus ergibt sich, dass jeder HF-Verstärker 61 - 64 zwei Halbbrücken 65 - 72 mit zwei GaN-Halbleiterschaltelementen 13 - 16 aufweisen. Jeweils zwei HF-Verstärker 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 93 erfasst und an die Regel- und/oder Steuereinrichtung 59 oder eine Auswerteeinrichtung 58, die Bestandteil der Regel- und/oder Steuereinrichtung sein kann, übergeben.
Aus der Figur 2 ergibt sich somit, dass die Ausgangsleistungen zweier HF-Verstärker 61 - 64 über einen 3-dB-Koppler 73, 74 gekoppelt werden können und dass mehrere 3-dB-Koppler 73, 74, 75 kaskadiert eingesetzt werden können, um eine Vergrößerung der maximalen einer Plasmalast 77 zur Verfügung gestellten Leistung zu erreichen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses, insbesondere eines Plasmabearbeitungsprozesses oder eines Gaslasers, mit einer Leistung > 500W bei einer Frequenz im Bereich 1 - 1000 MHz, wobei das den Plasmaprozess speisende Leistungssignal unter Verwendung zumindest eines Galliumnitrid (GaN) aufweisenden Halbleiterschaltelements (13-16), insbesondere Transistors, erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungssignal mit einer Frequenz im Bereich 1 - 200 MHz erzeugt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verstärker verwendet wird, der wenigstens ein GaN-Halbleiterschaltelement (13-16) aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungssignal mit Hilfe eines Schaltverstärkers erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungssignal mit Hilfe eines Klasse-D- oder Klasse-E-Verstärkers erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastimpedanz des Plasmas ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels des Leistungssignals an das Plasma gelieferte Vorwärtsleistung und/oder die vom Plasma reflektierte Rückwärtsleistung oder damit in Beziehung stehende Größen ermittelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase zwischen Vorwärtsleistung und Rückwärtsleistung oder zwischen Strom und Spannung ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verstärker (61-64) zur Erzeugung des Leistungssignals eingesetzt werden und die von den Verstärkern (61-64) erzeugten Signale mittels eines 90°-Hybridkopplers (73, 74) gekoppelt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärker (61-64) in Abhängigkeit der ermittelten Lastimpedanz individuell angesteuert werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-Halbleiterschaltelemente (13-16) individuell angesteuert werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-Halbleiterschaltelemente (13-16) über einen Resonanzkreis, der die Gate-Kapazität aufweist, angesteuert werden.
13. Plasmaversorgungseinrichtung (10, 60) zur Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses, insbesondere eines Plasmabearbeitungsprozesses oder eines Gaslasers, mit einer Leistung > 500 W bei einer Frequenz im Bereich 1 - 1000 MHz, mit zumindest einem HF-Verstärker (61-64), der wenigstens ein GaN-Halbleiterschaltelement (13-16) aufweist.
14. Plasmaversorgungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (61-64) als Schaltverstärker ausgebildet ist.
15. Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Messeinrichtung (93), insbesondere ein Richtkoppler oder eine Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung, zur Ermittlung der mittels des Leistungssignals an das Plasma gelieferten Vorwärtsleistung und/oder der vom Plasma reflektierten Rückwärtsleistung vorgesehen ist.
16. Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung (58) zur Bestimmung der Phase zwischen Vorwärtsleistung und Rückwärtsleistung oder zwischen Strom und Spannung vorgesehen ist.
17. Plasmaversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verstärker (61-64) zur Erzeugung des Leistungssignals vorgesehen sind und die von den Verstärkern (61-64) erzeugten Signale mittels eines 90°-Hybridkopplers (73- 75) gekoppelt werden.
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