WO2012143001A1 - Verfahren und vorrichtung zur impedanzanpassung - Google Patents

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WO2012143001A1
WO2012143001A1 PCT/DE2012/000402 DE2012000402W WO2012143001A1 WO 2012143001 A1 WO2012143001 A1 WO 2012143001A1 DE 2012000402 W DE2012000402 W DE 2012000402W WO 2012143001 A1 WO2012143001 A1 WO 2012143001A1
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WO
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signal
impedance matching
modulation signal
matching network
modulation
Prior art date
Application number
PCT/DE2012/000402
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Bock
Original Assignee
Hüttinger Elektronik Gmbh + Co. Kg
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    • 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
    • H03H7/40—Automatic matching of load impedance to source impedance
    • 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
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2242/00—Auxiliary systems
    • H05H2242/20—Power circuits
    • H05H2242/26—Matching networks

Definitions

  • the invention relates to a method for impedance matching a
  • An impedance matching network having at least one element by which the impedance of the impedance matching network is changeable, wherein a signal related to a power reflected by the load is detected.
  • the invention further relates to an impedance matching network having at least one element by which the impedance of the
  • Impedance matching network is changeable, as well as with a
  • Modulation signal generator or a modulation signal input connected to the element.
  • the surface treatment of workpieces by means of plasma and gas lasers are industrial processes, in particular in a Plasma plasma with a DC or with a high-frequency alternating signal with an operating frequency in the range of some 10 kHz to the GHz range is generated.
  • the plasma chamber is connected via other electronic components, such as coils, capacitors, cables or transformers to a
  • High frequency generator (HF generator, HF source) connected.
  • HF generator High frequency generator
  • HF source High frequency generator
  • filters filters
  • the plasma process has the problem that the electrical load impedance of the plasma chamber (the plasma) that occurs during the process depends on the conditions in the plasma chamber and can vary widely. In particular, the properties of workpiece, electrodes and gas conditions are a factor.
  • High frequency generators have a limited operating range with respect to the impedance of the connected electrical load.
  • the high-frequency generator may be damaged or even destroyed.
  • impedance matching network impedance matching network, matchbox
  • a nominal impedance of the generator output often 50 ⁇ .
  • the full generator power can not be delivered to the load. Instead, part of the performance is reflected.
  • the range of the nominal impedance there is an impedance range, ie a range of transformed load impedances, in which the generator operates stably and is not damaged. Is that transformed
  • impedance matching circuits are fixed and have a predetermined transformation effect, ie consist of electrical components, in particular coils and capacitors, which are not changed during operation. This is especially true with always consistent operation, such as in a gas laser, useful.
  • impedance matching circuits are known in which at least part of the components of the impedance matching circuits are mechanically variable.
  • motor-driven rotary capacitors are known whose capacity value can be changed by changing the arrangement of the capacitor plates relative to each other.
  • the object of the present invention is to provide a method for impedance matching and an impedance matching network, with which an impedance matching can take place quickly and reliably, in particular global minima of the reflected power can be set.
  • This object is achieved by a method for impedance matching of a power supply to a load by means of a
  • An impedance matching network having at least one element by which the impedance of the impedance matching network is changeable, wherein a signal related to a power reflected by the load is detected.
  • the element is determined by means of a
  • Modulation signal influenced, the detected signal or a related signal with a demodulation signal
  • demodulated and from the demodulated signal is a
  • Impedance adjustment signal generated. Because the element is influenced by means of a modulation signal, an amplitude modulation results on the reflected power. Now, when the reflected power or a related signal, e.g. a current or a voltage is detected, a signal can be generated by demodulation of the detected signal, with which an impedance matching can be controlled. For example, a voltage can be determined which directly as a control signal the
  • Impedance matching network can be supplied.
  • Modulation ie suitable choice of the modulation signal, can be prevented that inadvertently local minima are interpreted as global minima.
  • the modulation stroke can progress adapted to the load adjustment. In other words, this means that the snagging in local minimums of the adaptation can be avoided by an initially higher modulation stroke, which passes over the minima. As the adjustment becomes better, the modulation stroke can be reduced.
  • the signal related to the power reflected by the load may be a signal generated by a directional coupler. It may also be a signal applied to a port of a coupler, in particular a hybrid coupler, as it is used to combine several
  • High frequency generators used is measured.
  • This can in particular be a port of a 3dB hybrid coupler, on which a
  • Compensation resistance is connected. It can be used in the most diverse places of high frequency generators or in
  • Impedance matching circuits are obtained. For example, from a DC power supply of one or more high-frequency generators or a bias voltage measurement of an impedance matching circuit.
  • a DC power supply of one or more high-frequency generators or a bias voltage measurement of an impedance matching circuit For example, from a DC power supply of one or more high-frequency generators or a bias voltage measurement of an impedance matching circuit.
  • two high-frequency generators with different Be operated phase relationship and the coupler, which combines the services, the performance phase-dependent combined there are many possibilities of simple current or Spnnungsunk without a directional coupler with a reflected power from the load in
  • the modulation frequency may be smaller, in particular significantly smaller, for example more than 10 or 100 times smaller than the frequency of the high-frequency power signal.
  • the modulation signal can be used. Thus, no separate demodulation signal needs to be generated.
  • phase relationship between the demodulation signal and the modulation signal is known in this case.
  • a frequency change of the modulation signal in this case automatically leads to a
  • the detected signal or the signal obtained from the detected signal can be homodyne or heterodyne demodulated.
  • a Local Oscillator (LO) frequency is preferably used for demodulation, which may differ from the frequency of the high-frequency power signal by a few 100 kHz.
  • the amplitude modulated detected signal is converted directly to a low frequency range.
  • the signal with the local oscillator frequency can be the modulation signal.
  • a heterodyne demodulation of an amplitude-modulated signal with the modulation signal as a locus oscillator yields a signal whose sign and amplitude are directly the control variable for the frequency in the direction of a better adaptation.
  • the local oscillator and the RF signal have the same frequency. If on the homodyne
  • Demodulation is omitted, it is important not only to determine the amplitude but also at least the sign of the phase relationship to the modulation signal.
  • the detected signal can be demodulated in the correct phase. This provides information in which direction the adaptation needs to be changed in order to minimize the reflected power. This is not possible with the method of the prior art. There, it has to be determined by experiments in which direction the adaptation has to be changed.
  • the demodulated signal is filtered, in particular low-pass filtered.
  • the low-pass filtering of the demodulated signal results
  • the capacity or inductance of the element can be determined by the
  • Modulation signal to be changed.
  • Impedance matching network switched or disconnected.
  • the connection or disconnection can be done for example by PIN diodes, which are controlled by the modulation signal.
  • the modulation signal may be formed as a rectangular signal.
  • Impedance of the impedance matching network This in turn causes an amplitude modulation of the reflected power.
  • a reflected signal For this reflected signal, which can be detected, a
  • demodulated signal are generated, from which in turn the impedance matching signal can be generated.
  • Modulation signal to be switched on or off.
  • This connection or disconnection can be done for example by means of PIN diodes, which are controlled by the modulation signal.
  • the switching on or off of inductors leads to a change in the impedance of the
  • Modulation signal is changed.
  • the rotor of a variable capacitor as an element depending on
  • the modulation signal may be the signal with which the motor is driven.
  • the frequency of the modulation signal and its phase position can be replaced by a
  • Angle encoder (in the simplest case, a light barrier) are queried. If the capacitor is driven by a stepper motor, angles of rotation as well as the variation can be directly indicated by a
  • the capacitor may be arranged in parallel with a reactance. If the capacity of the
  • the parallel connection ⁇ can also be understood as an "element" in the sense of the invention.
  • an inductance-influencing part is influenced by the modulation signal. For example, depending on the modulation signal mechanically
  • inductance-influencing parts such as dia-, para- or
  • Impedance matching network may be implemented using any suitable technique. Alternatively or
  • a ferrite attached in the vicinity of the inductance or the like can be changed in permeability by the modulation signal. It is important, as in the cases mentioned above, that the
  • Frequency and phase of the modulation signal are known. Based on this information, it can then be determined from the detected signals what influence the modulation signal has on the impedance of the impedance matching network and thus on the reflected power. In turn, conclusions can be drawn as to how the impedance of the impedance matching network must be changed in order to achieve the best possible matching point.
  • the modulation signal can be rectangular.
  • any type of signal form for the modulation signal is conceivable.
  • a particularly easy to demodulate signal results when the modulation signal is sinusoidal.
  • a first element of the impedance matching network is provided by a first
  • Impedance matching network is changed by a second modulation signal.
  • Impedance matching network and adjusted to provide an optimal adjustment point. It can the
  • the frequency of the first and second modulation signal is the same and the signals are phase-shifted.
  • two impedance matching signals in particular a signal for each element can be obtained.
  • the ideal case is phase-orthogonal modulation (e.g., sine and cosine, ie, 90 ° out of phase modulation signals of the same frequency) which produces independent impedance matching signals.
  • Impedance matching signal, the element or other component of the impedance matching network or the RF source can be controlled.
  • Signal generator for two modulation and demodulation signals provides.
  • demodulated signals are independent of each other. This allows multiple RF sources to be connected to a common plasma chamber
  • Process-relevant influences are modulated independently and demodulated orthogonally.
  • the scope of the invention also includes
  • An impedance matching network comprising at least one element by which the impedance of the impedance matching network is variable and a modulation signal generator or a modulation signal input connected to the element, wherein a demodulator is supplied with a detection signal related to load-reflected power and a demodulation signal.
  • the diode or the rectifier can be determined from this amplitude-modulated high-frequency signal of the curve, ie the envelope of the high-frequency signal having the frequency of the modulation signal.
  • the diode or the rectifier may be arranged downstream of a filter. Subsequently, ie after the diode or the rectifier or the filter, this signal can be demodulated with the demodulation signal.
  • a filter downstream of the demodulator may be provided. Accordingly, the demodulated signal can be fed to the filter, resulting in an unsigned
  • Impedanzanpassungssignal in particular a voltage results.
  • the element can be directly influenced again to improve the adaptation.
  • an element designed as a capacitor can be provided which can be switched or disconnected in series or in parallel with a reactance as a function of the modulation signal.
  • the connection and Disconnection can be done in particular via PIN diode switch, which are controlled by the modulation signal.
  • the modulation signals can directly control the elements. This can be done mechanically by a motor for driving, for example, a variable capacitor or variometer, electrically, for example, by adding or removing partial reactances or indirectly by influencing the permeability of di-, para- or ferromagnetic substances, which can lead to a change in the inductance value of an inductance , respectively.
  • an element designed as an inductance may be provided, which at least partially depends on the
  • Modulation signal is switched on or off.
  • variable capacitor can be provided, the rotor of which can be driven as a function of the modulation signal.
  • At least one inductance-influencing part can be provided, which can be influenced by the modulation signal.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a plasma supply system
  • FIG. 2 shows a first embodiment of an impedance matching network
  • FIG. 3 shows a second embodiment of an impedance matching network; a diagram in which the measure of the reflected energy over the change of two elements of the impedance matching network is plotted; a diagram corresponding to Figure 4, showing how the impedance matching is improved; a diagram in which the change in the reflected energy in response to sinusoidal modulation signals is shown; a diagram showing how rectangular modulation signals affect the reflected energy.
  • FIG. 1 shows in highly schematic form a plasma supply system 10.
  • an RF source 11 via a Impedanzanpassungsnetztechnik 12 connected to a plasma chamber 13 in which a plasma is generated by the RF source 11.
  • the output resistance at the output 14 of the RF source 11 to the load impedance, in particular the impedance of the plasma in the plasma chamber 13, to be adjusted.
  • a power P 1 is supplied to the plasma chamber 13 by the HF source 11. If the impedance of the plasma 13 is not on the
  • Output resistance is adapted to the terminal 14, a part of the power Pj is reflected and runs as a reflected energy P r back to the RF source 11.
  • the reflected power P r can be detected by a measuring device 15, which may be formed, for example, as a directional coupler.
  • a modulation signal generator 16 supplies a modulation signal to the impedance matching network 12 and thereby changes an element of the impedance matching network 12. Through a change of an element of the
  • Impedance matching network 12 changes the impedance matching and thus the reflected energy P r .
  • P r the reflected energy
  • This amplitude-modulated signal or a signal related thereto can be coupled out by the measuring device 15 and fed to a demodulator 17.
  • the demodulator 17 may also be supplied, for example, with the modulation signal as a demodulation signal, and with the aid of the modulation signal the detected signal may be demodulated.
  • the demodulation signal can also be generated optionally by a demodulation signal generator 19.
  • demodulated signal can be fed to a low-pass filter 18, at whose output an impedance adjustment signal is located.
  • Impedance adjustment signal may be supplied to the impedance matching network 12 to the modulated with the modulation signal element adjust accordingly so that a better impedance matching is achieved.
  • Components 16, 17, 18, 19 are arranged in a power supply, in particular in the RF source 11. Furthermore, it is conceivable that only a part of the components 16, 17, 18, 19 are arranged in the impedance matching network 12 and a part in the HF source 11.
  • FIG 2 is a first embodiment of a
  • Impedance matching network 22 is disposed between a high frequency source 11 and a plasma chamber 13.
  • a power P i is supplied from the high frequency source 11 to the plasma chamber 13 via the impedance matching network 22.
  • a measure of the reflected power P r is detected by a measuring device 15 designed as a directional coupler and fed to the impedance matching network 22.
  • the impedance matching network 22 includes first and second elements 20, 21.
  • the first element 21 has a capacitor Ci whose capacitor plates are adjustable relative to each other.
  • Adjustment can be done via a motor Mi. Parallel to the capacitor Ci a capacitance d 'is connected, which is electronically variable.
  • the capacitance Ci ' is designed as a PIN diode.
  • PIN diodes are electronic components that are similar to a pn diode.
  • the p-doped layer is not in direct contact with the n-doped layer, but it is a
  • the PIN diode works similar to a normal semiconductor diode. For PIN diodes, however, the lifetime of the charge carriers in the undoped i-layer is particularly high. If charge carriers are introduced into the i-layer by a forward current, the PIN diode also remains permanently conductive even if a high-frequency is superimposed on the forward current and, as a result, periodically short voltage pulses are present in the reverse direction. In this state, a PIN diode behaves like a resistor.
  • Reverse direction results in the p and the i-zone a different width space charge zone. Due to the wide space charge zone in the i-zone, these diodes are suitable for high reverse voltages.
  • Capacitance Ci 'can thus be influenced by applying a DC voltage in the reverse direction. This is done by a
  • Modulation signal from a modulation signal generator 24 of the capacitance Ci ' is supplied.
  • the capacitance Ci ' by means of the modulation signal, the total capacitance of the element 20, formed by the parallel connection of the capacitors Ci, Ci', can therefore be determined.
  • the capacitance Ci ' can be switched on and off by the modulation signal and thus also in isolation (without the capacitance Ci) an influenceable element in the context of the invention.
  • the element 21 is analogous to the element 20 and has the variable capacitor C 2 , which is driven by a motor M 2 and the capacitance C 2 ', which is also designed as a PIN diode on.
  • the capacity cy becomes a second modulation signal of one
  • Modulation signal generator 25 supplied.
  • a coil 26 is arranged between the elements 20, 21, a coil 26 is arranged. If one or both of the elements 20, 21 is influenced by a modulation signal, then not only the impedance of the respective element 20, 21, but also the impedance of the impedance matching network 22 and thus the matching behavior changes. This leads to that of the
  • the detected signal is fed to a diode 27. This removes the high-frequency component from this signal and, as a result, obtains the envelope of the amplitude-modulated signal.
  • This signal is applied to a capacitor 28, by which a DC component of the signal is removed.
  • This signal which is related to the reflected power, is supplied to a demodulator 29, to which also the first modulation signal of the modulation signal generator 24 is supplied.
  • Modulation signal is therefore also used as a demodulation signal.
  • the demodulated signal is fed to a low-pass filter 30, at whose output a signed DC voltage is applied.
  • DC voltage is supplied to a driver or amplifier 31, which in turn drives the motor Mi for adjusting the capacitance of the capacitor Ci. It follows that from the amplitude modulated signal, which is related to the reflected power, a Impedanzanpassungssignal is generated, which the engine Mi
  • the signal at the output of the capacitor 28 is supplied to the second demodulator 32, which is also the second
  • Modulation signal of the second Modulationssighalgenerators 25 is supplied.
  • the output signal is fed to a low-pass filter 33, at whose output the impedance matching signal is applied, which is a
  • Amplifier or driver 34 is supplied, which drives according to the motor M 2 .
  • the first and second modulation signals may be the same
  • the first modulation signal may be a cosine signal and the second
  • Modulation signal to be a sine wave signal of the same frequency.
  • the first modulation signal may be a first square-wave signal and the second modulation signal may be a second square-wave signal.
  • the capacitances d ', C 2 ' can be switched on or off.
  • Demodulationssignal supply although having the same frequency as the first modulation signal, but has a different signal waveform and / or phase. Accordingly, a demodulation signal deviating from the second modulation signal a could be supplied to the demodulator 32.
  • Impedance matching network 42 Components that correspond to those of Figure 2 are denoted by the same reference numerals characterized.
  • the elements 40, 41 in turn have the capacitors Ci, C-2.
  • the capacitors Ci, C2 are in each case connected in parallel with capacitances Ci “and C2", in which case the capacitances Ci ', CV are likewise designed as capacitors with capacitor plates which can be adjusted via motors.
  • the capacitances Ci "and C2" are driven by a common motor M 3 . In this case that is
  • Modulation signal the drive signal of the motor M 3 .
  • the capacitances Ci “and C2" can also be characterized by a modulation signal
  • an RF demodulation is performed to obtain a signal having the frequency of the modulation signal. From this signal, the DC component is removed by the capacitor 28.
  • the capacitor 28 In the embodiment shown can be provided that as
  • Modulation signal which drives the motor M3 is supplied.
  • Modulation signal namely the drive signal of the motor M 3 are supplied.
  • the signals at the outputs of the demodulators 29, 32 indicate how much and in which direction the adjustment of
  • Capacitor plates of the capacitors Ci, C 2 must be made to improve the adaptation of the output resistance of the RF source 11 to the plasma load.
  • FIG. 4 shows a diagram in which a measure of the measured reflected energy is shown on the Z-axis.
  • the reflected energy changes in response to a change in the impedance of the elements 20, 21, wherein a change in the impedance of the element 20 on the Y-axis and a change in the impedance of the
  • Elements 21 is plotted on the X-axis. From this it can be seen that a global minimum of the reflected energy is in the range 50. If the impedances of the elements 20, 21 are set so that the reflected energy is in the region 50, then there is a good one
  • the region 51 is traversed by changing the impedances of the elements 20, 21 by means of the first and second modulation signals.
  • the modulation signals are not selected optimally. Therefore, only a local minimum in region 52 is determined and it is assumed that a good impedance match was found when this local minimum was reached.
  • the method or the impedance matching network according to the invention can travel across such local minima and to detect that only a local minimum has been reached, but not the global minimum. This is the essential difference to State of the art where one runs the risk of being arrested in local minima, such as a point 52.
  • the modulation stroke can be increased.
  • the suspicion exists, for example, when the regulation remains at a minimum and this minimum but not sufficient adjustment, ie the reflected power is greater than would be expected under given circumstances. If this suspicion does not exist, the modulation can be reduced to minimize the generation of the plasma as little as possible by varying the injected power.
  • FIG. 5 shows a trajectory 55 obtained by varying the modulation frequencies.
  • the adaptation has been improved step by step until a global minimum of the reflected power at point 56 has been reached.
  • FIG. 6 shows which reflected power is detected when the first and second modulation frequencies are the same for the circuit of FIG. 2, but the modulation signals are orthogonal phases
  • Capacities Ci 'and C 2 ' of the circuit of Figure 2 trigger four points 60 to 63 are obtained.
  • the square wave signals are shifted by 90 °. By changing the frequency of the square wave signals can receive four other points and be checked whether for one of these points better adaptation, ie lower reflected performance was achieved.
  • the four points 60 to 63 are therefore obtained because four different combinations of switched on and off due to the quadrature voltages quadrature-phase
  • Impedance matching network 22 four different

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Impedanzanpassung einer Leistungsversorgung an eine Last mittels eines Impedanzanpassungsnetzwerks (12, 22, 42), das zumindest ein Element (20, 21, 40, 41) aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks (12, 22, 42) veränderbar ist, wobei ein mit einer von der Last reflektierten Leistung (Pr) in Beziehung stehendes Signal detektiert wird, wird das Element (20, 21, 40, 41) mittels eines Modulationssignals beeinflusst, das detektierte Signal oder ein damit in Beziehung stehendes Signal mit einem Demodulationssignal demoduliert und aus dem demodulierten Signal ein Impedanzanpassungssignal erzeugt.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verfahren und Vorrichtung zur Impedanzanpassung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Impedanzanpassung einer
Leistungsversorgung an eine Last mittels eines
Impedanzanpassungsnetzwerks, das zumindest ein Element aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks veränderbar ist, wobei ein mit einer von der Last reflektierten Leistung in Beziehung stehendes Signal detektiert wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Impedanzanpassungsnetzwerk, das zumindest ein Element aufweist, durch das die Impedanz des
Impedanzanpassungsnetzwerks veränderbar ist, sowie mit einem
Modulationssignalgenerator oder einem Modulationssignaleingang, der mit dem Element verbunden ist.
Die Oberflächenbehandlung von Werkstücken mit Hilfe von Plasma sowie Gaslaser sind industrielle Verfahren, bei denen insbesondere in einer Plasmakammer ein Plasma mit Gleichstrom oder mit einem hochfrequenten Wechselsignal mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich von einigen 10 kHz bis in den GHz-Bereich erzeugt wird.
Die Plasmakammer wird über weitere elektronische Bauteile, wie Spulen, Kondensatoren, Leitungen oder Transformatoren an einen
Hochfrequenzgenerator (HF-Generator, HF-Quelle) angeschlossen. Diese weiteren Bauteile können Schwingkreise, Filter oder
Impedanzanpassungsschaltungen darstellen.
Der Plasmaprozess hat das Problem, dass die elektrische Lastimpedanz der Plasmakammer (des Plasmas), die während des Prozesses auftritt, von den Zuständen in der Plasmakammer abhängt und stark variieren kann. Insbesondere gehen die Eigenschaften von Werkstück, Elektroden und Gasverhältnisse ein.
Hochfrequenzgeneratoren weisen einen eingeschränkten Arbeitsbereich bezüglich der Impedanz der angeschlossenen elektrischen Last auf.
Verlässt die Lastimpedanz einen zulässigen Bereich, kann es zu einer Beschädigung oder gar Zerstörung des Hochfrequenzgenerators kommen.
Aus diesem Grund ist in der Regel eine Impedanzanpassungsschaltung (Impedanzanpassungsnetzwerk, Matchbox) erforderlich, die die Impedanz der Last auf eine Nennimpedanz des Generatorausgangs (häufig 50 Ω) transformiert. Bei Fehlanpassung kann nicht die volle Generatorleistung an die Last geliefert werden. Stattdessen wird ein Teil der Leistung reflektiert. Im Bereich der Nennimpedanz gibt es einen Impedanzbereich, also einen Bereich transformierter Lastimpedanzen, in dem der Generator stabil arbeitet und nicht beschädigt wird. Ist die transformierte
Lastimpedanz außerhalb dieses Nennimpedanzbereichs, so kann es aufgrund reflektierter Leistung zu Beschädigungen und Instabilitäten des Generators kommen.
Es sind unterschiedliche Impedanzanpassungsschaltungen bekannt.
Entweder sind die Impedanzanpassungsschaltungen fest eingestellt und haben eine vorgegebene Transformationswirkung, bestehen also aus elektrischen Bauelementen, insbesondere Spulen und Kondensatoren, die während des Betriebs nicht verändert werden. Dies ist insbesondere bei immer gleich bleibendem Betrieb, wie z.B. bei einem Gaslaser, sinnvoll. Weiterhin sind Impedanzanpassungsschaltungen bekannt, bei denen zumindest ein Teil der Bauelemente der Impedanzanpassungsschaltungen mechanisch veränderlich sind. Beispielsweise sind motorbetriebene Drehkondensatoren bekannt, deren Kapazitätswert verändert werden kann, indem die Anordnung der Kondensatorplatten relativ zueinander verändert wird.
Um feststellen zu können, wie die Bauelemente der
Impedanzanpassungsschaltung verändert werden müssen, um eine gute Impedanzanpassung zu erreichen, also die reflektierte Leistung zu minimieren, ist es bekannt, die von der Hochfrequenzquelle zu der Last gelieferte Leistung und die von der Last reflektierte Leistung zu erfassen. Eine Steuerung des Impedanzanpassungsnetzwerks versagt häufig dann, wenn die aktuelle Einstellung des Impedanzanpassungsnetzwerks weit vom Anpasspunkt entfernt ist. Außerdem besteht bei dieser
Vorgehensweise die Gefahr, dass die vermeintlich gute Anpassung lediglich bei einem lokalen Minimum der reflektierten Leistung liegt, dass tatsächlich noch eine bessere Anpassung bei einem globalen Minimum gefunden werden kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Impedanzanpassung und ein Impedanzanpassungsnetzwerk bereit zu stellen, mit denen eine Impedanzanpassung schnell und zuverlässig erfolgen kann, insbesondere globale Minima der reflektierten Leistung eingestellt werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Impedanzanpassung einer Leistungsversorgung an eine Last mittels eines
Impedanzanpassungsnetzwerks, das zumindest ein Element aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks veränderbar ist, wobei ein mit einer von der Last reflektierten Leistung in Beziehung stehendes Signal detektiert wird. Das Element wird mittels eines
Modulationssignals beeinflusst, das detektierte Signal oder ein damit in Beziehung stehendes Signal wird mit einem Demodulationssignal
demoduliert und aus dem demodulierten Signal wird ein
Impedanzanpassungssignal erzeugt. Dadurch, dass das Element mittels eines Modulationssignals beeinflusst wird, entsteht auf der reflektierten Leistung eine Amplitudenmodulation. Wird nun die reflektierte Leistung oder ein damit in Beziehung stehendes Signal, z.B. ein Strom oder eine Spannung, detektiert, so kann durch eine Demodulation des detektierten Signals ein Signal erzeugt werden, mit dem eine Impedanzanpassung gesteuert werden kann. Beispielsweise kann eine Spannung ermittelt werden, die unmittelbar als Regelsignal dem
Impedanzanpassungsnetzwerk zugeführt werden kann. Alternativ ist es denkbar, mit dem so gewonnenen Regelsignal eine Hochfrequenzquelle anzusteuern, um deren Frequenz so zu ändern, dass eine gute
Lastanpassung erfolgt. Durch eine genügend große Amplitude der
Modulation (Modulationshub), also geeignete Wahl des Modulationssignals, kann verhindert werden, dass versehentlich lokale Minima als globale Minima interpretiert werden. Der Modulationshub kann an den Fortschritt der Lastanpassung angepasst werden. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Hängenbleiben in lokalen Minima der Anpassung sich durch einen zunächst höheren Modulationshub vermeiden lässt, der die Minima überfährt. Bei besser werdender Anpassung kann der Modulationshub vermindert werden.
Um ein aussagekräftiges Impedanzanpassungssignal generieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn eine Phasenbeziehung und/oder
Frequenzbeziehung zwischen dem Modulationssignal und dem
Demodulationssignal bekannt ist. Dadurch ist es möglich, ein
vorzeichenbehaftetes Impedanzanpassungssignal zu generieren. Durch das Vorzeichen wird angegeben, in welche Richtung die Anpassung verändert werden muss.
Als Demodulationssignal kann ein Signal mit der Frequenz des
Modulatinssignal verwendet werden. Dann ist das
Impedanzanpassungssignal besonders einfach zu generieren.
Das mit der von der Last reflektierten Leistung in Beziehung stehende Signal kann ein von einem Richtkoppler generiertes Signal sein. Es kann auch ein Signal sein, das an einem Port eines Kopplers, insbesondere Hybridkopplers, wie er zum Kombinieren von Leistungen mehrerer
Hochfrequenzgeneratoren verwendet wird, gemessen wird. Dies kann insbesondere ein Port eines 3dB Hybridkopplers sein, an dem ein
Ausgleichswiderstand angeschlossen ist. Es kann an den verschiedensten Stellen von Hochfrequenzgeneratoren oder in
Impedanzanpassungsschaltungen gewonnen werden. Beispielsweise aus einer DC-Stromversorgung eines oder mehrerer Hochfrequenzgeneratoren oder einer Bias-Spannungsmessung einer Impedanzanpassungsschaltung. Insbesondere wenn zwei Hochfrequenzgeneratoren mit unterschiedlicher Phasenlage betrieben werden und der Koppler, der die Leistungen kombiniert, die Leistungen phasenabhängig kombiniert, ergeben sich viele Möglichkeiten der einfachen Strom oder Spnnungsmessung ohne einen Richtkoppler um ein mit der von der Last reflektierten Leistung in
Beziehung stehende Signal zu generieren.
Die Modulationsfrequenz kann kleiner, insbesondere deutlich kleiner, beispielsweise mehr als 10 oder 100 mal kleiner als die Frequenz des Hochfrequenzleistungssignals sein.
Als Demodulationssignal kann das Modulationssignal verwendet werden. Somit muss kein separates Demodulationssignal generiert werden.
Außerdem ist die Phasenbeziehung zwischen Demodulationssignal und Modulationssignal in diesem Fall bekannt. Eine Frequenzänderung des Modulationssignals führt in diesem Fall automatisch zu einer
phasenrichtigen Frequenzänderung des Demodulationssignals.
Das detektierte Signal oder das aus dem detektierten Signal gewonnene Signal kann homodyn oder heterodyn demoduliert werden. Bei der heterodynen Demodulation wird zur Demodulation vorzugsweise eine Local Oscillator (LO)-Frequenz benutzt, die sich um einige 100 kHz von der Frequenz des Hochfrequenz-Leistungssignals unterscheiden kann. Bei der heterodynen Demodulation wird das amplitudenmodulierte detektierte Signal direkt auf einen Niederfrequenzbereich umgesetzt. Bei dem Signal mit der Local Oscillator-Frequenz kann es sich um das Modulationssignal handeln. Eine heterodyne Demodulation eines amplitudenmodulierten Signals mit dem Modulationssignal als Locäl Oscillator ergibt ein Signal, dessen Vorzeichen und Amplitude unmittelbar die Regelgröße für die Frequenz in Richtung einer besseren Anpassung- ist. Bei der homodynen Demodulation hingegen haben Local Oscillator und das HF-Signal die gleiche Frequenz. Wenn auf die homodyne
Demodulation verzichtet wird, ist es wichtig, nicht nur die Amplitude sondern auch mindestens das Vorzeichen der Phasenbeziehung zum Modulationssignal festzustellen.
Das detektierte Signal kann phasenrichtig demoduliert werden. Dadurch erhält man eine Information, in welche Richtung die Anpassung verändert werden muss, um die reflektierte Leistung zu minimieren. Dies ist mit dem Verfahren des Standes der Technik nicht möglich. Dort muss vielmehr durch Versuche ermittelt werden, in welche Richtung die Anpassung verändert werden muss.
Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass das demodulierte Signal gefiltert, insbesondere tiefpassgefiltert, wird. Durch die Tiefpassfilterung des demodulierten Signals ergibt sich
vorzeichenrichtig eine Regelspannung, z.B. für das Element, welches mittels des Modulationssignals beeinflusst wurde.
Die Kapazität oder Induktivität des Elements kann durch das
Modulationssignal verändert werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein insbesondere als Kondensator ausgebildetes Element in Abhängigkeit des Modulationssignals in Serie oder parallel zu einer Reaktanz des
Impedanzanpassungsnetzwerks geschaltet oder abgetrennt werden. Die Zuschaltung oder Abtrennung kann beispielsweise durch PIN-Dioden erfolgen, die durch das Modulationssignal angesteuert werden. Zu diesem Zweck kann das Modulationssignal als Rechtecksignal ausgebildet sein. Durch das Zu- oder Abschalten von Elementen verändert sich die
Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks. Dies wiederum verursacht eine Amplitudenmodulation der reflektierten Leistung. Aus diesem reflektierten Signal, welches detektiert werden kann, kann ein
demoduliertes Signal generiert werden, aus dem dann wiederum das Impedanzanpassungssignal erzeugt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann ein insbesondere als Induktivität
ausgebildetes Element zumindest teilweise in Abhängigkeit des
Modulationssignals zu- oder abgeschaltet werden. Auch diese Zu- oder Abschaltung kann beispielsweise mittels PIN-Dioden erfolgen, die durch das Modulationssignal angesteuert sind. Auch das Zu- oder Abschalten von Induktivitäten führt zu einer Veränderung der Impedanz des
Impedanzanpassungsnetzwerks und somit zu einer veränderten
reflektierten Leistung.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Kapazität eines als Kondensator ausgebildeten Elements in Abhängigkeit von dem
Modulationssignal verändert wird. Beispielsweise kann der Rotor eines variablen Kondensators als Element in Abhängigkeit des
Modulationssignals angetrieben werden. Das Modulationssignal kann dabei das Signal sein, mit dem der Motor angetrieben wird. Die Frequenz des Modulationssignals sowie seine Phasenlage kann dabei durch einen
Winkelgeber (im einfachsten Fall eine Lichtschranke) abgefragt werden. Wird der Kondensator durch einen Schrittmotor angetrieben, können Drehwinkel sowie die Variation direkt beispielsweise durch ein
digitalisiertes Modulationssignal eingestellt werden. Der Kondensator kann parallel zu einer Reaktanz angeordnet sein. Wenn die Kapazität des
Kondensators verändert wird, verändert sich in Folge auch die Impedanz der Parallelschaltung. Auch die Parallelschaltung^kann als„Element" im Sinne der Erfindung verstanden werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein induktivitätsbeeinflussendes Teil mit dem Modulationssignal beeinflusst wird. Beispielsweise können in Abhängigkeit des Modulationssignals mechanisch
induktivitätsbeeinflussende Teile beispielsweise dia-, para- oder
ferromagnetische Materialien zyklisch, pulsierend oder in einer anderen vorbestimmten Weise in die Nähe einer Induktivität des
Impedanzanpassungsnetzwerks gebracht werden. Alternativ oder
zusätzlich kann ein in der Nähe der Induktivität angebrachter Ferrit oder ähnliches durch das Modulationssignal in seiner Permeabilität verändert werden. Wichtig ist dabei, wie in den vorgenannten Fällen, dass die
Frequenz und Phasenlage des Modulationssignals bekannt sind. Anhand dieser Informationen kann dann aus den detektierten Signalen ermittelt werden, welchen Einfluss das Modulationssignal auf die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks und somit auf die reflektierte Leistung hat. Hieraus können wiederum Rückschlüsse darauf gezogen werden, wie die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks verändert werden muss, um einen möglichst guten Anpasspunkt zu erreichen.
Wie bereits erwähnt, kann das Modulationssignal rechteckförmig sein.
Grundsätzlich ist jegliche Art von Signalform für das Modulationssignal denkbar. Ein besonders einfach zu demodulierendes Signal ergibt sich jedoch, wenn das Modulationssignal sinusförmig ist.
Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass ein erstes Element des Impedanzanpassungsnetzwerks durch ein erstes
Modulationssignal und ein zweites Element des
Impedanzanpassungsnetzwerks durch ein zweites Modulationssignal verändert wird. Werden demnach zwei oder mehr Elemente mit
unterschiedlichen Modulationssignalen moduliert, so können durch
Demodulation voneinander unabhängige Regelspannungen erhalten werden. Somit können gleichzeitig zwei Elemente des
Impedanzanpassungsnetzwerks beeinflusst und so eingestellt werden, dass ein optimaler Anpassungspunkt entsteht. Dabei kann die
Demodulation des detektierten Signals mit den Frequenzen der jeweiligen Modulationssignale erfolgen.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Frequenz des ersten und zweiten Modulationssignals gleich ist und die Signale phasenverschoben sind. Durch jeweils phasenrichtige Demodulation können somit zwei Impedanzanpassungssignale, insbesondere ein Signal für jedes Element, gewonnen werden. Der ideale Fall liegt bei phasenmäßig orthogonaler Modulation (z.B. Sinus und Kosinus, also um 90° phasenverschobene Modulationssignale gleicher Frequenz) vor, was voneinander unabhängige Impedanzanpassungssignale erzeugt. Mit dem gewonnenen
Impedanzanpassungssignal kann das Element oder ein anderes Bauteil des Impedanzanpassungsnetzwerks oder die HF-Quelle angesteuert werden. Ein sparsamer Aufbau wird erreicht, wenn man nur einen
Signalgenerator für zwei Modulations- und Demodulationssignale vorsieht.
Sollen andere Parameter der Anordnung gleichzeitig moduliert werden, kann das durch weitere Modulationssignale erfolgen, wodurch die
demodulierten Signale voneinander unabhängig werden. Dadurch können mehrere HF-Quellen, die an eine gemeinsame Plasmakammer
angeschlossen sind, die Vollbrücken einer HF-Quelle oder weitere
prozessrelevante Einflüsse unabhängig voneinander moduliert und orthogonal demoduliert werden.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein
Impedanzanpassungsnetzwerk, das zumindest ein Element aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks veränderbar ist, sowie mit einem Modulationssignalgenerator oder einem Modulationssignaleingang, der mit dem Element verbunden ist, wobei einem Demodulator ein mit einem von einer Last reflektierten Leistung in Beziehung stehendes Detektionssignal und ein Demodulationssignal zugeführt sind. Mit einem solchen Impedanzanpassungsnetzwerk ist eine einfache, sehr schnelle und immer korrekte Steuerung der Elemente des Impedanzanpassungsnetzwerks möglich. Als Impedanzanpassungssignale können linear unabhängige Regelspannungen auf einfache Art und Weise erhalten werden. Das Hängenbleiben in lokalen Minima der reflektierten Leistung kann vermieden werden. Vor dem Demodulator kann eine Diode oder ein Gleichrichter angeordnet sein, der/dem die reflektierte Leistung zugeführt wird. Die reflektierte Leistung ist ein Hochfrequenzsignal. Durch die Diode oder den Gleichrichter kann aus diesem amplitudenmodulierten Hochfrequenzsignal der Kurvenzug ermittelt werden, d.h. die Einhüllende des hochfrequenten Signals, die die Frequenz des Modulationssignals aufweist. Der Diode bzw. dem Gleichrichter kann ein Filter nachgeordnet sein. Anschließend, also nach der Diode bzw. dem Gleichrichter oder dem Filter kann dieses Signal mit dem Demodulationssignal demoduliert werden.
In einer Ausführungsform kann ein dem Demodulator nachgeordneter Filter vorgesehen sein. Dem Filter kann demnach das demodulierte Signal zugeführt werden, wodurch sich ein vorzeichenrichtiges
Impedanzanpassungssignal, insbesondere eine Spannung, ergibt. Mit diesem Signal kann unmittelbar das Element wieder beeinflusst werden, um die Anpassung zu verbessern.
Weiterhin kann ein als Kondensator ausgebildetes Element vorgesehen sein, welches in Abhängigkeit des Modulationssignals in Serie oder parallel zu einer Reaktanz schalt- oder abtrennbar ist. Das Zuschalten und Abtrennen kann insbesondere über PIN-Diodenschalter erfolgen, die durch das Modulationssignal angesteuert werden.
Die Modulationssignale können unmittelbar die Elemente steuern. Das kann mechanisch durch einen Motor zum Antrieb beispielsweise eines Drehkondensators oder Variometers, elektrisch, beispielsweise durch Zu- oder Wegschalten von Teilreaktanzen oder indirekt durch Beeinflussung der Permeabilität von dia-, para- oder ferromagnetischen Stoffen, was zu einer Änderung des Induktivitätswerts einer Induktivität führen kann, erfolgen.
Zu diesem Zweck kann ein als Induktivität ausgebildetes Element vorgesehen sein, das zumindest teilweise in Abhängigkeit des
Modulationssignals zu- oder abschaltbar ist.
Weiterhin kann ein variabler Kondensator vorgesehen sein, dessen Rotor in Abhängigkeit des Modulationssignals antreibbar ist.
Zusätzlich oder alternativ kann zumindest ein induktivitätsbeeinflussendes Teil vorgesehen sein, das durch das Modulationssignal beeinflussbar ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die aufgezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der
Erfindung verwirklicht sein. In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Plasmaversorgungssystems;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Impedanzanpassungsnetzwerks;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Impedanzanpassungsnetzwerks; ein Diagramm, bei dem das Maß für die reflektierte Energie über die Veränderung zweier Elemente des Impedanzanpassungsnetzwerks aufgetragen ist; ein der Figur 4 entsprechendes Diagramm, in dem gezeigt ist, wie die Impedanzanpassung verbessert wird; ein Diagramm, bei dem die Veränderung der reflektierten Energie in Abhängigkeit von sinusförmigen Modulationssignalen gezeigt ist; ein Diagramm, in dem gezeigt ist, wie sich rechteckförmige Modulationssignale auf die reflektierte Energie auswirken.
In der Figur 1 ist stark schematisiert ein Plasmaversorgungssystem 10 gezeigt. Hierbei ist eine HF-Quelle 11 über ein Impedanzanpassungsnetzwerk 12 an eine Plasmakammer 13 angeschlossen, in der durch die HF-Quelle 11 ein Plasma generiert wird. Durch das Impedanzanpassungsnetzwerk 12 soll der Ausgangswiderstand am Ausgang 14 der HF-Quelle 11 an die Lastimpedanz, insbesondere die Impedanz des Plasmas in der Plasmakammer 13, angepasst werden.
Durch die HF-Quelle 11 wird demnach eine Leistung P, zur Plasmakammer 13 geliefert. Wenn die Impedanz des Plasmas 13 nicht auf den
Ausgangswiderstand am Anschluss 14 angepasst ist, wird ein Teil der Leistung Pj reflektiert und läuft als reflektierte Energie Pr zurück zur HF- Quelle 11. Die reflektierte Leistung Pr kann durch eine Messeinrichtung 15, die beispielsweise als Richtkoppler ausgebildet sein kann, erfasst werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Modulationssignalgenerator 16 dem Impedanzanpassungsnetzwerk 12 ein Modulationssignal zuführt und dadurch ein Element des Impedanzanpassungsnetzwerks 12 verändert. Durch eine Veränderung eines Elements des
Impedanzanpassungsnetzwerks 12 verändert sich die Impedanzanpassung und somit die reflektierte Energie Pr. Insbesondere wird durch diese
Maßnahme die reflektierte Leistung Pr amplitudenmoduliert. Dieses amplitudenmodulierte Signal oder ein damit in Beziehung stehendes Signal kann durch die Messeinrichtung 15 ausgekoppelt werden und einem Demodulator 17 zugeführt werden. Auch dem Demodulator 17 kann beispielsweise das Modulationssignal als Demodulationssignal zugeführt sein und mit Hilfe des Modulationssignals kann das detektierte Signal demoduliert werden. Das Demodulationssignal kann aber auch optional durch ein Demodulationssignalgenerator 19 erzeugt werden. Das
demodulierte Signal kann einem Tiefpassfilter 18 zugeführt werden, an dessen Ausgang ein Impedanzanpassungssignal liegt. Das
Impedanzanpassungssignal kann dem Impedanzanpassungsnetzwerk 12 zugeführt werden, um das mit dem Modulationssignal veränderte Element entsprechend anzupassen, so dass eine bessere Impedanzanpassung erzielt wird.
In der gezeigten Darstellung sind der Modulator 16, der
Demodulationssignalgenerator 19 und der Demodulator 17 sowie der Tiefpassfilter 18 außerhalb des Impedanzanpassungsnetzwerks 12 gezeigt. Es kann sich dabei grundsätzlich um separate, externe
Komponenten handeln. Es ist sogar denkbar, dass alle vier Bauteile 16, 17, 18, 19 im Impedanzanpassungsnetzwerk, insbesondere einer
Matchbox, angeordnet sind. Weiterhin ist es denkbar, dass die
Komponenten 16, 17, 18, 19 in einer Leistungsversorgung, insbesondere in der HF-Quelle 11 angeordnet sind. Weiterhin ist es denkbar, dass nur ein Teil der Komponenten 16, 17, 18,19 im Impedanzanpassungsnetzwerk 12 und ein Teil in der HF-Quelle 11 angeordnet sind.
In der Figur 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Impedanzanpassungsnetzwerks 22 gezeigt. Das
Impedanzanpassungsnetzwerk 22 ist zwischen einer Hochfrequenzquelle 11 und einer Plasmakammer 13 angeordnet. Eine Leistung P, wird von der Hochfrequenzquelle 11 über das Impedanzanpassungsnetzwerk 22 zur Plasmakammer 13 geführt. Ein Maß für die reflektierte Leistung Pr wird durch eine als Richtkoppler ausgebildete Messeinrichtung 15 detektiert und dem Impedanzanpassungsnetzwerk 22 zugeführt.
Das Impedanzanpassungsnetzwerk 22 weist ein erstes und ein zweites Element 20, 21 auf. Das erste Element 21 weist einen Kondensator Ci auf, dessen Kondensatorplatten relativ zueinander verstellbar sind. Die
Verstellung kann über einen Motor Mi erfolgen. Parallel zum Kondensator Ci ist eine Kapazität d' geschaltet, die elektronisch variabel ist.
Insbesondere ist die Kapazität Ci' als PIN-Diode ausgebildet. PIN-Dioden sind elektronische Bauelemente, die ähnlich wie eine pn-Diode aufgebaut sind. Im Unterschied zu diesen befindet sich die p-dotierte Schicht nicht in direktem Kontakt zur n-dotierten Schicht, sondern es liegt eine
schwachdotierte oder undotierte i-Schicht dazwischen. Diese i-Schicht ist eigenleitend. Da sie aber nur wenige freie Leitungsträger enthält, ist sie hochohmig. In Durchlassrichtung funktioniert die PIN-Diode ähnlich wie eine normale Halbleiterdiode. Bei PIN-Dioden ist die Lebensdauer der Ladungsträger in der undotierten i-Schicht allerdings besonders hoch. Werden durch einen Vorwärtsstrom Ladungsträger in die i-Schicht eingebracht, bleibt die PIN-Diode auch dann dauernd leitend, wenn dem Vorwärtsstrom eine Hochfrequenz überlagert ist und dadurch periodisch kurze Spannungsimpulse in Sperrrichtung anliegen. In diesem Zustand verhält sich eine PIN-Diode wie ein Widerstand.
Betreibt man die Diode durch Anlegen einer Gleichspannung in
Sperrrichtung, ergibt sich in der p- und der i-Zone eine unterschiedlich breite Raumladungszone. Durch die breite Raumladungszone in der i-Zone sind diese Dioden für hohe Sperrspannungen geeignet. Für eine
überlagerte Hochfrequenz stellt eine gesperrte PIN-Diode im Wesentlichen eine durch die Sperrschicht gebildete Kapazität dar. Die Größe der
Kapazität Ci' kann demnach durch Anlegen einer Gleichspannung in Sperrrichtung beeinflusst werden. Dies geschieht, indem ein
Modulationssignal von einem Modulationssignalgenerator 24 der Kapazität Ci' zugeführt wird. Durch Ansteuerung der Kapazität Ci' mittels des Modulationssignals lässt sich demnach die Gesamtkapazität des Elements 20, gebildet durch die Parallelschaltung der Kapazitäten Ci, Ci',
beeinflussen. Die Kapazität Ci' kann durch das Modulationssignal zu- und weggeschaltet werden und stellt somit auch in Alleinstellung (ohne die Kapazität Ci) ein beeinflussbares Element im Sinne der Erfindung dar. Das Element 21 ist analog zum Element 20 ausgebildet und weist den variablen Kondensator C2, der von einem Motor M2 angesteuert wird und die Kapazität C2', die ebenfalls als PIN-Diode ausgebildet ist, auf. Der Kapazität cy wird ein zweites Modulationssignal von einem
Modulationssignalgenerator 25 zugeführt.
Zwischen den Elementen 20, 21 ist eine Spule 26 angeordnet. Wird eines oder beide der Elemente 20, 21 durch ein Modulationssignal beeinflusst, so ändert sich nicht nur die Impedanz des jeweiligen Elements 20, 21, sondern auch die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks 22 und somit das Anpassverhalten. Dies führt dazu, dass die von der
Plasmakammer 13 reflektierte Leistung eine Amplitudenmodulation erfährt. Das detektierte Signal wird einer Diode 27 zugeführt. Dadurch wird der Hochfrequenzanteil aus diesem Signal entfernt und als Resultat die Hüllkurve des amplitudenmodulierten Signals erhalten. Dieses Signal wird auf einen Kondensator 28 gegeben, durch den ein Gleichanteil des Signals entfernt wird.
Dieses Signal, das mit der reflektierten Leistung in Beziehung steht, wird einem Demodulator 29 zugeführt, dem auch das erste Modulationssignal des Modulationssignalgenerators 24 zugeführt wird. Das erste
Modulationssignal wird demnach ebenfalls als Demodulationssignal verwendet.
Das demodulierte Signal wird einem Tiefpassfilter 30 zugeführt, an dessen Ausgang eine vorzeichenbehaftete Gleichspannung anliegt. Diese
Gleichspannung wird einem Treiber oder Verstärker 31 zugeführt, der wiederum den Motor Mi zur Verstellung der Kapazität des Kondensators Ci ansteuert. Hieraus ergibt sich, dass aus dem amplitudenmodulierten Signal, welches mit der reflektierten Leistung in Zusammenhang steht, ein Impedanzanpassungssignal generiert wird, welches den Motor Mi
ansteuert. Dies geschieht ohne Zwischenschaltung einer Steuerung oder eines Mikroprozessors.
In analoger Weise wird das Signal am Ausgang des Kondensators 28 dem zweiten Demodulator 32 zugefü hrt, dem auch das zweite
Modulationssignal des zweiten Modulationssighalgenerators 25 zugeführt ist. Das Ausgangssignal wird einem Tiefpassfilter 33 zugeführt, an dessen Ausgang das Impedanzanpassungssignal anliegt, welches einem
Verstärker oder Treiber 34 zugeführt wird, der entsprechend den Motor M2 ansteuert. Das erste und zweite Modulationssignal können dieselbe
Frequenz aufweisen, aber phasenverschoben sein . Beispielsweise kann das erste Modulationssignal ein Kosinussignal und das zweite
Modulationssignal ein Sinussignal gleicher Frequenz sein . Alternativ kann das erste Modulationssignal ein erstes Rechtecksignal und das zweite Modulationssignal ein zweites Rechtecksignal sein. Durch ein
Rechtecksignal können die Kapazitäten d ', C2' zu- bzw. weggeschaltet werden.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, anstatt das erste Modulationssignal dem Demodulator 29 zuzuführen, dem Demodulator 29 ein
Demodulationssignal zuzuführen, welches zwar dieselbe Frequenz wie das erste Modulationssignal aufweist, jedoch eine andere Signalform und/oder Phase aufweist. Entsprechend könnte ein vom zweiten Modulationssignal a bweichendes Demodulationssignal dem Demodulator 32 zugeführt werden .
In der Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Impedanzanpassungsnetzwerks 42 dargestellt. Bauelemente, die denen der Figur 2 entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Die Elemente 40, 41 weisen wiederum die Kondensatoren Ci, C-2 auf. Den Kondensatoren Ci, C2 sind jeweils Kapazitäten Ci" und C2" parallel geschaltet, wobei in diesem Fall die Kapazitäten Ci', CV ebenfalls als Kondensatoren mit über Motoren verstellbaren Kondensatorplatten ausgebildet sind. Die Kapazitäten Ci" und C2" werden durch einen gemeinsamen Motor M3 angesteuert. In diesem Fall ist das
Modulationssignal das Ansteuersignal des Motors M3. Durch eine
entsprechende Ansteuerung des Motors M3 werden die Kapazitätswerte der Kapazitäten Ci" und C2" verändert, was wiederum zu einer
Veränderung der Impedanzen der Elemente 40, 41 und somit zu einer Veränderung der Anpassung führt. Wie bereits im letzten
Ausführungsbeispiel beschrieben, führt dies zu einer
Amplitudenmodulation des Signals der reflektierten Leistung. Auch die Kapazitäten Ci" und C2" können als durch ein Modulationssignal
beeinflussbare Elemente im Sinne der Erfindung aufgefasst werden.
Durch die Diode 27 wird eine HF-Demodulation durchgeführt, um ein Signal zu erhalten, das die Frequenz des Modulationssignals aufweist. Aus diesem Signal wird durch den Kondensator 28 der Gleichanteil entfernt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass als
Demodulationssignal dem Demodulator 29 der Kosinusanteil des
Modulationssignals, welches den Motor M3 ansteuert, zugeführt wird.
Dagegen kann dem Demodulator 32 der Sinusanteil des
Modulationssignals, nämlich des Ansteuersignais des Motors M3 zugeführt werden. Die Signale an den Ausgängen der Demodulatoren 29, 32 geben an, wie viel und in welche Richtung die Verstellung der
Kondensatorplatten der Kondensatoren Ci, C2 erfolgen muss, um die Anpassung des Ausgangswiderstands der HF-Quelle 11 an die Plasmalast zu verbessern. Nicht gezeigt, aber grundsätzlich denkbar ist es auch, die Induktivität der Spule 26 zu verändern. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine weitere Reaktanz parallel oder in Serie zu der Spule 26 geschaltet wird, wobei das Zu- bzw. Wegschalten über ein Modulationssignal erfolgt. Weiterhin ist es denkbar, induktivitätsverändernde Teile selbst durch Ansteuerung mit einem Modulationssignal zu verändern bzw. deren Lage relativ zur Spule 26 zu verändern, um dadurch die resultierende Impedanz der Spule 26 zu verändern.
In der Figur 4 ist ein Diagramm gezeigt, bei dem auf der Z-Achse ein Maß für die gemessene reflektierte Energie dargestellt ist. Die reflektierte Energie ändert sich dabei in Abhängigkeit von einer Veränderung der Impedanz der Elemente 20, 21, wobei eine Änderung der Impedanz des Elements 20 auf der Y-Achse und eine Änderung der Impedanz des
Elements 21 auf der X-Achse aufgetragen ist. Hieraus ist zu erkennen, dass ein globales Minimum der reflektierten Energie im Bereich 50 liegt. Wenn die Impedanzen der Elemente 20, 21 so eingestellt sind, dass die reflektierte Energie im Bereich 50 liegt, liegt eine gute
Impedanzanpassung durch das Impedanzanpassungsnetzwerk 22 vor.
Der Bereich 51 wird durchlaufen, indem die Impedanzen der Elemente 20, 21 mittels des ersten und zweiten Modulationssignals verändert wird. In der gezeigten Darstellung sind die Modulationssignale nicht optimal gewählt. Daher wird lediglich ein lokales Minimum im Bereich 52 ermittelt und angenommen, dass bei Erreichen dieses lokalen Minimums eine gute Impedanzanpassung gefunden wurde. Mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Impedanzanpassungsnetzwerk ist es jedoch möglich, über solche lokalen Minima hinweg zufahren und zu detektieren, dass lediglich ein lokales Minimum erreicht wurde, nicht jedoch das globale Minimum. Dies ist der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik wo man Gefahr läuft, in lokalen Minima, wie z.B. einer Stelle 52, zu verhaften.
Aus dem Bereich 51 kann man beispielsweise dadurch gelangen, dass die Amplitude der Modulationssignale (Modulationshub) vergrößert wird.
Dabei kann, wenn der Verdacht besteht in einem lokalen Minimum gefangen zu sein, der Modulationshub vergrößert werden. Der Verdacht besteht beispielsweise dann, wenn die Regelung in einem Minimum verharrt und dieses Minimum aber keine ausreichende Anpassung darstellt, also die reflektierte Leistung größer ist, als unter gegebenen Umständen zu erwarten wäre. Wenn dieser Verdacht nicht besteht, kann der Modulationshub verkleinert werden, um die Erzeugung des Plasmas möglichst wenig durch Variation der eingekoppelten Leistung zu stören.
Bei der Darstellung der Figur 5 ist eine Trajektorie 55 eingezeichnet, die erhalten wurde, indem die Modulationsfrequenzen variiert wurden. Es wurde demnach Schritt für Schritt die Anpassung verbessert, bis ein globales Minimum der reflektierten Leistung an der Stelle 56 erreicht wurde.
In der Figur 6 ist dargestellt, welche reflektierte Leistung ermittelt wird, wenn die erste und zweite Modulationsfrequenz für die Schaltung der Figur 2 gleich sind, die Modulationssignale jedoch orthogonale Phasen
aufweisen. Es entsteht eine Art Kreisfigur 57.
Aus der Darstellung der Figur 7 wird deutlich, dass bei Verwendung von Rechtecksignalen als erstes und zweites Modulationssignal, die die
Kapazitäten Ci' und C2' der Schaltung der Figur 2 ansteuern, vier Punkte 60 bis 63 erhalten werden. Die Rechtecksignale werden dabei um 90° verschoben. Durch Veränderung der Frequenz der Rechtecksignale können vier andere Punkte erhalten werden und überprüft werden, ob für einen dieser Punkte eine bessere Anpassung, also geringere reflektierte Leistung erzielt wurde. Die vier Punkte 60 bis 63 werden deshalb erhalten, da aufgrund der 90° phasenverschobenen Rechteckspannungen vier unterschiedliche Kombinationen von zu- bzw. weggeschalteten
Kapazitäten (V, C2' eingestellt werden und entsprechend das
Impedanzanpassungsnetzwerk 22 vier unterschiedliche
Impedanzanpassungen vornimmt und somit entsprechend vier
unterschiedliche reflektierte Leistungen erfasst werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Impedanzanpassung einer Leistungsversorgung an eine Last mittels eines Impedanzanpassungsnetzwerks (12, 22, 42), das zumindest ein Element (20, 21, 40, 41) aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks (12, 22, 42) veränderbar ist, wobei ein mit einer von der Last reflektierten Leistung (Pr) in Beziehung stehendes Signal detektiert wird, wobei das Element (20, 21, 40, 41) mittels eines Modulationssignals beeinflusst wird, das detektierte Signal oder ein damit in Beziehung stehendes Signal mit einem Demodulationssignal demoduliert wird und aus dem demodulierten Signal ein Impedanzanpassungssignal erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als
Demodulationssignal ein Signal mit der Frequenz des
Modulationssignals verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das detektierte Signal phasenrichtig
demoduliert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Demodulation mit dem Modulationssignal erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das demodulierte Signal gefiltert,
insbesondere tiefpassgefiltert, wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kapazität oder Induktivität des Elements durch das Modulationssignal verändert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein insbesondere als Kondensator
ausgebildetes Element (Ci', C2') in Abhängigkeit des
Modulationssignals in Serie oder parallel zu einer Reaktanz (Ci, C2) des Impedanzanpassungsnetzwerks (22) geschaltet oder abgetrennt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein insbesondere als Induktivität
ausgebildetes Element zumindest teilweise in Abhängigkeit des Modulationssignals zu- oder abgeschaltet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kapazität eines als Kondensator
ausgebildeten Elements (Ci", C2") in Abhängigkeit von dem
Modulationssignal verändert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein induktivitätsbeeinflussendes Teil mit dem Modulationssignal beeinflusst wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal sinus- oder rechteckförmig ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Element (20, 40) des Impedanzanpassungsnetzwerks (22, 42) durch ein erstes
Modulationssignal und ein zweites Element (21, 41) des
Impedanzanpassungsnetzwerks (22, 42) durch ein zweites
Modulationssignal verändert wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen des ersten und zweiten Modulationssignals verschieden sind.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des ersten und zweiten Modulationssignals gleich ist und die Signale phasenverschoben sind.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Element (20, 21, 40, 41) oder ein anderes Bauteil des Impedanzanpassungsnetzwerks (22, 42) mit dem Impedanzanpassungssignal angesteuert wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Modulationssignal, insbesondere die Amplitude wenigstens eines Modulationssignals, variiert wird, insbesondere bis ein globales Minimum der
reflektierten Leistung oder eines damit in Verbindung stehenden Signals erreicht ist.
17. Impedanzanpassungsnetzwerk (12, 22, 42), das zumindest ein Element ( 20, 21, 40, 41) aufweist, durch das die Impedanz des Impedanzanpassungsnetzwerks (12, 22, 42) veränderbar ist sowie mit einem Modulationssignalgenerator (24, 25) oder einem
Modulationssignaleingang, der mit dem Element (20, 21) verbunden ist, wobei ein Demodulator (17, 29, 32) vorgesehen ist, dem ein mit einem von einer Last reflektierten Leistung in Beziehung stehendes Detektionssignal und ein Demodulationssignal zugeführt sind.
18. Impedanzanpassungsnetzwerk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Demodulator (29, 32)
nachgeordneter Filter (30, 33) vorgesehen ist.
19. Impedanzanpassungsnetzwerk nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Kondensator ausgebildetes Element (Ci', CV) vorgesehen ist, das in Abhängigkeit des
Modulationssignals in Serie oder parallel zu einer Reaktanz (Cl C2) schalt- oder abtrennbar ist.
20. Impedanzanpassungsnetzwerk nach einem der
vorhergehenden Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Induktivität ausgebildetes Element vorgesehen ist, das zumindest teilweise in Abhängigkeit des Modulationssignals zu- oder abschaltbar ist.
21. Impedanzanpassungsnetzwerk nach einem der
vorhergehenden Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein variabler Kondensator (Ci", C2") vorgesehen ist, dessen Rotor in Abhängigkeit des Modulationssignals antreibbar ist.
22. Impedanzanpassungsnetzwerk nach einem der
vorhergehenden Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein induktivitätsbeeinflussendes Teil vorgesehen ist, das durch das Modulationssignal beeinflussbar ist.
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