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Title:
METHOD FOR IGNITING A PLASMA IN A PLASMA CHAMBER AND IGNITION CIRCUIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/185423
Kind Code:
A1
Abstract:
Method and circuit (1) for igniting a plasma in a plasma chamber (2), wherein the plasma, in the ignited state, can be supplied by a high-frequency power supply (10) via an impedance matching network (7), in particular with an operating power of greater than or equal to 500 W and an operating frequency of greater than or equal to 2 MHz, having: c) an ignition power supply (3) for generating an ignition power, which is lower than an operating power, with an ignition frequency, and also d) a voltage converter (5) which is designed such that the ignition power can be supplied to it and to generate an ignition AC voltage, wherein - the ignition circuit (1) is designed to supply the ignition AC voltage to the output of the impedance matching network (7) and an excitation apparatus (6a, 6b) of the plasma chamber (2), and wherein - the ignition circuit (1) further has a frequency sweeper (4) for varying the ignition frequency.

Inventors:
MANN, Ekkehard (Wolfsgrubenweg 11, Gundelfingen, 79194, DE)
SEIFERT, Gerhard (Eichhof 18, Simonswald, 79263, DE)
Application Number:
EP2019/056993
Publication Date:
October 03, 2019
Filing Date:
March 20, 2019
Export Citation:
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Assignee:
TRUMPF HÜTTINGER GMBH + CO. KG (Bötzinger Strasse 80, Freiburg, 79111, DE)
International Classes:
H01J37/32
Domestic Patent References:
WO2012142998A12012-10-26
WO2012143001A12012-10-26
Foreign References:
US20170330764A12017-11-16
DE19927806A12001-01-04
DE102011076404A12012-11-29
US20140367043A12014-12-18
US7692389B22010-04-06
US8466622B22013-06-18
US8542076B22013-09-24
US20170069465A12017-03-09
US20180247795A12018-08-30
US20140367043A12014-12-18
DE102009046754A12011-05-19
DE202017103327U12017-08-09
EP1454389A22004-09-08
Attorney, Agent or Firm:
TRUMPF PATENTABTEILUNG (TRUMPF GmbH & Co. KG, TH501 Patente und LizenzenJohann-Maus-Strasse 2, Ditzingen, 71254, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Zündung eines Plasmas in einer Plasmakammer (2), das im gezündeten Zustand von einer Hochfrequenzleistungsversorgung (10) über ein Impedanzanpassungsnetzwerk (7) mit einer Betriebsleistung größer o- der gleich 500 W und einer Betriebsfrequenz größer oder gleich 2 MHz ver- sorgt wird, umfassend die Verfahrensschritte: a) mit einer Zündleistungsversorgung (3) Erzeugen einer Zündleis- tung, die kleiner ist als die Betriebsleistung, mit einer Zündfre- quenz;

b) Zuführen der Zündleistung zu einem Spannungswandler (5) und Erzeugen einer Zündwechselspannung;

c) Einspeisung der Zündwechselspannung an den Ausgang des Im- pedanzanpassungsnetzwerks (7)

d) Zuführen der Zündwechselspannung zu einer Anregungsvorrich- tung (6a, 6b) der Plasmakammer (2);

e) Variation der Zündfrequenz.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündfre- quenz in niedrigen Frequenzbereichen, insbesondere im Bereich 10 - 100 kHz, langsamer variiert wird als in höheren Frequenzbereichen, insbeson- dere im Bereich 100 kHz - 190 kHz, insbesondere logarithmisch variiert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass als Spannungswandler (5) ein Schwingkreis, insbesondere ein Serienschwingkreis, verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei durch den Schwingkreis eine Zündwech- selspannung bei einer Resonanzfrequenz erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine in eine Impedanzanpassungsanordnung (7a), die das Impedanzanpassungsnetzwerk (7) umfasst, integrierte Leistungsversor- gung als Zündleistungsversorgung (3) verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung (3) mit einer Schwingungsbreite kleiner oder gleich lOOVpp, insbesondere klei- ner oder gleich 50Vpp, bevorzugt kleiner oder gleich 30Vpp, ganz bevorzugt im Bereich 25Vpp - 20Vpp, erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass als Teil des Spannungswandlers (5) eine Reaktanz, insbeson- dere eine Induktivität (L2), verwendet wird, die Bestandteil einer DC-Span- nungsmessanordnung (8) ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung (3) als Rechteckspannung erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung (3) für eine vorgegebene Zeitspanne erzeugt wird, insbesondere bis das Plasma gezündet ist, und danach abgeschaltet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine DC- Bias-Spannungsmessung erfolgt, wenn die Span- nung am Ausgang der Zündleistungsversorgung (3) abgeschaltet ist. 11. Zündschaltung (1) zur Zündung eines Plasmas in einer Plasmakammer (2), wobei das Plasma im gezündeten Zustand von einer Hochfrequenzleistungs- versorgung (10) über ein Impedanzanpassungsnetzwerk (7), insbesondere mit einer Betriebsleistung größer oder gleich 500 W und einer Betriebsfre- quenz größer oder gleich 2 MHz, versorgt werden kann, aufweisend : a) eine Zündleistungsversorgung (3) zur Erzeugung einer Zündleistung, die kleiner ist als eine Betriebsleistung, mit einer Zündfrequenz, sowie b) einen Spannungswandler (5), der eingerichtet ist, dass ihm die Zündleis- tung zugeführt werden kann und eine Zündwechselspannung zu erzeu- gen, wobei

- die Zündschaltung (1) eingerichtet ist, die Zündwechselspannung dem Ausgang des Impedanzanpassungsnetzwerks (7) und einer Anregungs- Vorrichtung (6a, 6b) der Plasmakammer (2) zuzuführen, und wobei - die Zündschaltung (1) ferner einen Frequenzsweeper (4) zur Variation der

Zündfrequenz aufweist.

12. Zündschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Fre- quenzsweeper (4) eingerichtet ist, die Zündfrequenz logarithmisch über der

Zeit zu variieren.

13. Zündschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (5) als Schwingkreis, insbesondere Serienschwingkreis, ausgebildet ist.

14. Zündschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb mit Hilfe der Variation der Zündfrequenz durch den Schwingkreis eine Zünd- wechselspannung bei einer Resonanzfrequenz erzeugt werden kann.

15. Zündschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (5), insbesondere Schwingkreis, Reaktanzen eines Impedanzanpassungsnetzwerks (7) und/o- der einer Anregungsvorrichtung (6a, 6b), insbesondere einer Elektrode, auf- weist.

16. Zündschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (5), insbesondere Schwingkreis, ein filterndes Element (11), insbesondere eine Induktivität (L2), umfasst, die Bestandteil einer DC-Spannungsmessanordnung (8) ist.

17. Zündschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entkopplungselement (14) vorgesehen ist, das eine Self-Bias-Spannung von der Zündleistungsversorgung (3) ent- koppelt.

18. Verwendung der Zündschaltung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, zur Zündung eines Plasmas in einer Plasmakammer (2), insbesondere zur

Bearbeitung von Halbleitermaterial.

19. Verwendung der Zündschaltung (1) nach Anspruch 18, wobei das Plasma im Pulsbetrieb in vorgegebenen Taktzeiten zwischen mehreren Leistungsle- veln hin- und hergeschaltet wird.

20. Verwendung der Zündschaltung (1) nach Anspruch 19, wobei ein Leistungs- level bei einer Betriebsleistung größer 500 W liegt und das andere Leis- tungslevel bei 0 W liegt, bei dem das Plasma verlöscht.

Description:
Verfahren zur Zündung eines Plasmas in einer

Plasmakammer und Zündschaltung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zündung eines Plasmas in einer Plasmakam- mer, das im gezündeten Zustand von einer Hochfrequenzleistungsversorgung über ein Impedanzanpassungsnetzwerk mit einer Betriebsleistung größer oder gleich 500 W und einer Betriebsfrequenz größer oder gleich 2 MHz versorgt wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Zündschaltung zur Zündung eines Plasmas in einer Plasmakammer. Ein Plasma zum Bearbeiten von Werkstücken, also zum Beispiel zum Ätzen oder Beschichten von Werkstücken in einer industriellen Plasmaanlage wird häufig mit Hochfrequenzenergie angeregt. Oftmals wird eine Plasmaanlage mit gepulster Hoch- frequenzenergie angeregt. Das bedeutet, dass das Plasma in vorgegebenen Takt- zeiten zwischen mehreren Leistungsleveln hin- und hergeschaltet wird. Insbeson- dere kann ein Leistungslevel bei einer Betriebsleistung größer 500 W liegen und das andere Leistungslevel bei 0 W liegen, bei dem das Plasma verlöscht. Beim Wiederanlegen der Betriebsleistung muss das Plasma dann sicher gezündet werden. Dazu wurde bislang versucht, die volle Betriebsleistung mit einer erhöhten Span- nung an die Plasmaanlage anzulegen, um eine möglichst schnelle Zündung zu er- zielen. Bei Plasmaanlagen mit Hochfrequenzanregung werden zunehmend kürzere Taktzeiten verwendet. Bei immer kürzer werdenden Taktzeiten schon im Bereich von mehreren Sekunden, beispielsweise weniger als 10 s, insbesondere weniger als 5 s, wurde eine zunehmend ungleichmäßige Bearbeitung also zum Beispiel Ätztiefe oder Beschichtungshöhe durch das Plasma beobachtet. Das ist vom Plasmaanlagen- betreiber unerwünscht. Insbesondere bei der Beschichtung oder beim Ätzen von Substraten in der Halbleiterindustrie, in der ständig kleinere Abmessungen realisiert werden müssen, die heute bereits im Nanometerbereich liegen, ist eine schlecht regelbare Schichtdicke nicht akzeptabel. Gerade in diesem Anwendungsbereich wer- den aber aus unterschiedlichen technologischen Gründen gepulst betriebene Plas- maanlagen in verstärktem Maße eingesetzt.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Zündung eines Plas- mas in einer Plasmakammer sowie eine Zündschaltung bereitzustellen, mit denen ein Plasma gezündet werden kann, und der Beschichtungsprozess gleichmäßig und reproduzierbar läuft.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Zündung ei- nes Plasmas in einer Plasmakammer, das im gezündeten Zustand von einer Hoch- frequenzleistungsversorgung über ein Impedanzanpassungsnetzwerk mit einer Betriebsleistung größer oder gleich 500 W und einer Betriebsfrequenz größer oder gleich 2 MHz versorgt wird, umfassend die Verfahrensschritte: a) mit einer Zündleistungsversorgung Erzeugen einer Zündleistung, die klei- ner ist als die Betriebsleistung, mit einer Zündfrequenz; b) Zuführen der Zündleistung zu einem Spannungswandler und Erzeugen ei- ner Zündwechselspannung; c) Zuführen der Zündwechselspannung zu einer Anregungsvorrichtung der Plasmakammer; d) Variation der Zündfrequenz.

Dabei ist die Betriebsleistung diejenige Leistung, mit der das Plasma versorgt und aufrechterhalten wird, wenn es gezündet ist. Sie kann insbesondere größer oder gleich 1 kW sein. Für viele Plasmabearbeitungsanwendungen z.B. bei der Verwen- düng in Plasmaprozessen mit erhöhten Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Bearbeitungsprozesse sind zunehmend noch größere Leistungen größer oder gleich 5 kW und insbesondere auch 10 kW möglich und erwünscht. Die Zündleis- tung ist die Leistung, die von der Zündleistungsversorgung zur Verfügung gestellt wird. Sie kann insbesondere deutlich kleiner als die Betriebsleistung sein, das be- deutet mehr als um den Faktor 10, insbesondere mehr als um den Faktor 100 kleiner sein als die Betriebsleistung.

Die Betriebsfrequenz ist die Frequenz, bei der das Plasma versorgt und aufrecht- erhalten wird, wenn es gezündet ist. Sie kann insbesondere bei der Verwendung in Plasmaprozessen mit erhöhten Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Bearbeitungsprozesse größer oder gleich 4 MHz sein. Bei manchen Anwendungen kann sie größer oder gleich 10 MHz sein. Insbesondere kann sie bei 13,56 MHz oder 27,12 MHz liegen. Für die beiden letztgenannten Frequenzen sind in vielen Ländern erhöhte Abstrahlungsgrenzwerte zugelassen. Sie werden deswegen bei Industrieanwendungen häufig eingesetzt. Die Betriebsfrequenz kann selbst auch variieren. Bei einer Frequenzvariation der Betriebsfrequenz von beispielsweise +/- 5% oder +/- 10% um einen Nominalwert kann die Ausgangsimpedanz der Hochfrequenzleistungsversorgung an die Eingangsimpedanz des Plasmas ange- passt werden.

Da diese Anpassungsmethode der Frequenzvariation der Betriebsfrequenz aber begrenzt ist und zudem den Nachteil aufweist, dass die Betriebsfrequenz im Plasma auch andere Nebeneffekte verursacht, kann das Impedanzanpassungsnetzwerk zusätzlich oder alternativ variierbare Reaktanzen aufweisen, insbesondere bei der Verwendung in Plasmaprozessen mit erhöhten Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Bearbeitungsprozesse. Eine Reak- tanz ist üblicherweise eine Induktivität oder eine Kapazität oder eine Kombination von einem oder mehrerer dieser Elemente. Häufig weist das Impedanzanpassungs- netzwerk eine oder mehrere Induktivitäten und eine oder mehrere Kapazitäten auf. Diese können in Serie zwischen Hochfrequenzleistungsversorgung und Plas- malast geschaltet sein. Es können auch eine oder mehrere Induktivitäten vorge- sehen sein, die zwischen Hochfrequenzleistungsversorgung und Masse angeschlos- sen sind. Die Kapazitäten und die Induktivitäten können ausgestaltet sein, dass ihre Werte variabel verändert werden können. Dies kann beispielweise mechanisch mit einem Stellantrieb, der insbesondere einen Drehkondensator verändert, oder elektronisch, beispielsweise durch Zuschalten von Induktivitäten oder und/oder Kapazitäten erfolgen. Eine Steuerung kann die Reaktanzen verändern, so dass die Ausgangsimpedanz der Hochfrequenzleistungsversorgung an die Eingangsimpe- danz des Plasmas bzw. der Plasmalast angepasst wird.

Bei Taktzeiten im Bereich von mehreren Sekunden hat der Abstimmvorgang der Impedanzanpassungsschaltung bereits merklichen Einfluss auf die erzielte Schicht- stärke der Plasmabeschichtung. Der Abstimmvorgang - das Verfahren von mecha- nisch veränderbarer Reaktanzen, insbesondere Vakuumkondensatoren, des Impe- danzanpassungsnetzwerks von einer Zünd- auf eine Brennposition - sowie die Ab- stimmzeit des Impedanzanpassungsnetzwerks kann größtenteils entfallen, wenn das Plasma bereits mit einer geringen Leistung gezündet wurde. Durch diese Maß- nähme kann zusätzlich die Gebrauchsdauer von variabel veränderbaren Kapazitä- ten, insbesondere von Vakuumkondensatoren erheblich verlängert werden und de- ren Verschleiß reduziert werden. Auch das hat Vorteile bei der Verwendung in Plas- maprozessen mit erhöhten Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Bearbei- tungsprozesse.

Eine weitere Steuerung kann die Spannung am Ausgang der Zündleistungsversor- gung, und insbesondere damit die Zündwechselspannung, ein- und ausschalten. Die weitere Steuerung kann die Variation der Frequenz der Spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung, und insbesondere damit die Zündfrequenz, steuern. Die weitere Steuerung kann Teil der Steuerung einer Impedanzanpassungsanord- nung sein. So kann das Plasma in der Plasmakammer, insbesondere im Halbleiter- bereich, mit erhöhten Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Bearbeitungs- prozesse beispielsweise auch mit gepulster Hochfrequenzenergie mit niedrigen Taktzeiten kleiner 10 s angeregt werden.

Die Betriebsfrequenz kann insbesondere im Halbleiterbereich mit erhöhten Anfor- derungen an die Reproduzierbarkeit der Bearbeitungsprozesse auch ein Mischpro- dukt oder eine Überlagerung von mehreren Hochfrequenzen sein, bei der zumin- dest ein Frequenzanteil größer oder gleich 2 MHz, insbesondere größer oder gleich 4 MHz, insbesondere größer oder gleich 10 MHz ist, vorzugsweise bei 13,56 MHz oder 27,12 MHz liegt. Dazu können auch mehrere Hochfrequenzleistungsversor- gungen das Plasma mit Betriebsleistung versorgen. Diese können insbesondere mit unterschiedlicher Betriebsfrequenz betrieben werden. Zwischen den mehreren Hochfrequenzleistungsversorgungen und der Plasmalast können mehrere Impe- danzanpassungsnetzwerke vorgesehen sein. In solchen Plasmaanlagen ist die Re- produzierbarkeit der Bearbeitungsprozesse besonders schwierig mit herkömmli- chen Mitteln zu kontrollieren und wird deswegen die Zündung gemäß dem be- schriebenen Verfahren und Vorrichtung besonders vorteilhaft verwendet.

Die Zündwechselspannung ist die Spannung, die einer Anregungsvorrichtung der Plasmakammer zum Zünden des Plasmas zugeführt wird. Die Anregungsvorrich- tung kann eine Elektrode in der Plasmakammer sein. Die Anregungsvorrichtung kann auch eine Antenne an oder in der Plasmakammer sein. Die Antenne kann eine Vorrichtung sein, die induktiv wirkt oder kapazitiv wirkt, oder die in einer Kombination der beiden Effekte auf das Plasma einwirkt. Wenn die Plasmakammer einseitig geerdet, also mit Massepotential verbunden ist, kann die Zündwechsel- spannung zwischen der Anregungsvorrichtung und Erde bzw. Masse angelegt wer- den. Wenn die Plasmakammer zwei Anregungsvorrichtungen, insbesondere zwei Elektroden, aufweist, so kann die Zündwechselspannung auch zwischen diesen beiden Elektroden angelegt werden. Die Zündleistungsversorgung kann eine Wechselstromleistungsversorgung sein.

Der Spannungswandler kann ausgelegt sein, dass er die vergleichsweise geringe Spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung zu einer hohen Zündwech- selspannung transformiert. So kann die Gesamtleistung der Zündleistungsversor- gung gering gehalten werden, was eine hohe Reproduzierbarkeit der Bearbeitungs- prozesse zusätzlich verbessert.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Zünden eines Plasmas wird es mög- lieh, das Plasma mit einer deutlich geringeren Leistung als der Betriebsleistung zu zünden. Außerdem kann eine Impedanzanpassung, insbesondere im gezündeten Zustand, sehr viel schneller erfolgen als bisher.

Die Zündfrequenz kann in niedrigen Frequenzbereichen, insbesondere im Bereich 10 bis 100 kHz, langsamer variiert werden als in höheren Frequenzbereichen, ins- besondere im Bereich 100 kHz bis 190 kHz, insbesondere kann die Zündfrequenz logarithmisch variiert werden. Beispielsweise kann der Frequenzbereich 10 kHz bis 100 kHz im Wesentlichen gleichschnell durchlaufen werden wie der Frequenz- bereich 100 kHz bis 1 MHz. Die Frequenzen können unterschiedlich variiert wer- den, beispielsweise sägezahnförmig, zickzackförmig oder sinusförmig. Ein Durch- lauf durch alle Frequenzen zwischen einem unteren vorgegebenen Frequenzwert und einem oberen vorgegebenen Frequenzwert kann weniger als 10 ms, insbeson- dere weniger als 1 ms dauern. In manchen Prozessen, beispielsweise in ALD-Pro- zessen (Atomic Layer Deposition) wird das Plasma mit Zykluszeiten zwischen 0,2 und 5 s betrieben. Es ist erstrebenswert, dass das Plasma innerhalb einer Zeit- spanne, die deutlich kleiner ist als die Zykluszeit, sicher gezündet wird. Insbeson- dere sollte die Zeitspanne, innerhalb der das Plasma gezündet wird, weniger als 1/10 einer Zykluszeit sein. Die Zündung innerhalb von wenigen Millisekunden ist daher besonders vorteilhaft.

Als Spannungswandler kann ein Schwingkreis, insbesondere ein Serienschwing- kreis, verwendet werden. Die Kapazität der Plasmakammer, insbesondere die Ka- pazität im ungezündeten Zustand, kann Teil dieses Schwingkreises sein. Eine oder mehrere Kapazitäten in einem Anpassungsnetzwerk können zusätzlich Teil dieses Schwingkreises sein. Beispielsweise können eine oder mehrere Kapazitäten des Anpassungsnetzwerks parallel zur Kapazität der Plasmakammer geschaltet sein. Auf diese Art und Weise sind sehr hohe Zündspannungen aus sehr kleinen Span- nungen, die durch die Zündleistungsversorgung erzeugt werden, erzeugbar. Bei Plasmakammern mit einer Kapazität im ungezündetem Zustand zwischen 50 pF und 10 nF, insbesondere zwischen 100 pF und 5000 pF, ist es vorteilhaft, wenn die Serieninduktivität größer 5 pH ist, insbesondere größer 50 pH. Die Serienin- duktivität kann zugleich Teil des Spannungswandlers, insbesondere des Schwing- kreises, sein und kann auch Teil eines filternden Elements sein.

Es kann eine in eine Impedanzanpassungsanordnung, die das Impedanzanpas- sungsnetzwerk umfasst, integrierte Leistungsversorgung als Zündleistungsversor- gung verwendet werden. Dadurch ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau der Zündanordnung.

Die Spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung kann mit einer Schwin- gungsbreite kleiner oder gleich 100 Vpp, insbesondere kleiner oder gleich 50 Vpp, bevorzugt kleiner oder gleich 30 Vpp, ganz bevorzugt im Bereich 25 Vpp bis 20 Vpp, erzeugt werden. Mit Vpp ist die Spitzen-Spitzen-Spannung (peak-peak- voltage), also die Schwingungsbreite, gemeint. Mit 100 Vpp ist demnach eine Wechsel-Spannung gemeint, die zwischen ihrer obersten und untersten Spitze ei- nen Spannungsunterschied von 100 V aufweist. Eine aus dieser Spannung am Aus- gang der Zündleistungsversorgung erzeugte Zündwechselspannung ist besonders geeignet, ein Plasma schnell zu zünden und zusätzlich eine hohe Reproduzierbar- keit der Bearbeitungsprozesse zu ermöglichen.

Als Teil des Spannungswandlers kann eine Reaktanz, insbesondere eine Induktivi- tät, verwendet werden, die Bestandteil einer DC-Spannungsmessanordnung ist. Die DC-Spannungsmessanordnung kann ein DC-Spannungsmesselement aufwei- sen. Die DC-Spannungsmessanordnung kann einen Spannungsteiler aufweisen. Der Spannungsteiler kann zwei in Reihe geschaltete Widerstände aufweisen. Pa- ra Mel zu einem Widerstand kann eine Kapazität zur Kompensation von parasitären Kapazitäten vorgesehen sein. Die DC-Spannungsmessanordnung kann ein filtern- des Element aufweisen, das ausgelegt ist, die Zufuhr der Betriebsleistung bei Be- triebsfrequenzen von der Plasmakammer zu dem DC-Spannungsmesselement zu unterdrücken, insbesondere zu unterbinden.

Zwischen den Elektroden in der Plasmakammer kann sich aufgrund von physikali- schen Effekten, abhängig von der Geometrie der Plasmakammer, der Elektroden und der Plasmaanregungsfrequenz bzw. -frequenzen und Leistung eine DC-Span- nung ausbilden, die DC-Bias-Spannung oder Self-Bias-Spannung genannt wird Diese Spannung kann am Ausgang des Impedanzanpassungsnetzwerks, insbeson- dere zwischen Impedanzanpassungsnetzwerk und Anregungsvorrichtung, insbe- sondere einer Elektrode, der Plasmakammer gemessen werden. Dazu kann ein Filter vorgesehen sein, der die Frequenzanteile der Betriebsfrequenz dämpft, vor- zugsweise nur die DC-Spannung am Ausgang des Impedenzanpassungsnetzwerks zu dem DC-Spannungsmesselement durchlässt. Eine weitere Steuerung kann die Messung der DC-Bias-Spannung für ein Zeitintervall unterbrechen, indem es die Zündleistungsversorgung zur Abgabe einer Zündleistung ansteuert oder regelt. Das DC-Spannungsmesselement kann ausgelegt sein, insbesondere in Kombina- tion mit dem Spannungsteiler, dass die Spannung am Ausgang der Zündleistungs- Versorgung, und/oder die Zündwechselspannung das DC-Spannungsmesselement nicht zerstören kann. Auf einen aufwändigen Filter zwischen der Zündleistungsver- sorgung und dem DC-Spannungsmesselement zur Unterdrückung der Spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung, und/oder der Zündwechselspannung am Eingang des DC-Spannungsmesselements kann verzichtet werden.

Durch die Variation der Zündfrequenz kann durch den Schwingkreis eine Zünd- wechselspannung bei einer Resonanzfrequenz erzeugt werden. Die Zündfrequenz und damit die Resonanzfrequenz kann höchstens 1/10, vorzugsweise höchstens 1/20 der für den Betrieb des gezündeten Plasmas verwendeten Anregungsfrequenz betragen. Somit kann das Plasma bei einer niedrigen Frequenz gezündet werden.

Es kann vorgesehen sein, dass eine Self-Bias-Spannung von der Zündleistungs- versorgung entkoppelt wird. Dies kann vorteilhafterweise mit einem weiteren filternden Element erfolgen. Das weitere filternde Element kann insbesondere eine Kapazität aufweisen. Diese Kapazität kann so große Kapazitätswerte aufweisen, dass sie einen vernachlässigbaren oder keinen Einfluss auf den Spannungswand- ler, insbesondere den Schwingkreis, ausübt. Dazu kann sie Werte größer oder gleich 10 pH, insbesondere größer oder gleich 20 pH aufweisen.

Die Spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung kann als Rechteckspan- nung erzeugt werden. So können die Verluste gering gehalten werden und der Aufbau der Zündleistungsversorgung kann einfach und besonders kostengünstig erfolgen. Die dabei erzeugten hohen Frequenzen können von einem filternden Ele- ment von der Plasmakammer ferngehalten werden.

Die Spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung, und insbesondere damit die Zündwechselspannung, kann nur für eine vorgegebene Zeitspanne erzeugt werden, insbesondere bis das Plasma gezündet ist, und danach abgeschaltet wer- den. Somit kann sichergestellt werden, dass das Erzeugen der Zündwechselspan- nung die DC-Bias-Messung nicht beeinflusst. Außerdem kann der Energiebedarf insgesamt gering gehalten werden. Eine DC-Bias-Spannungsmessung kann erfolgen, wenn die Spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung und damit die Zündwechselspannung abgeschaltet ist. Somit kann der Plasmaprozess ohne Störung durch die Spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung und/oder die Zündwechselspannung überwacht wer- den.

In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Zündschaltung zur Zündung eines Plasmas in einer Plasmakammer, wobei das Plasma im gezündeten Zustand von einer Hochfrequenzleistungsversorgung über ein Impedanzanpassungsnetz- werk, insbesondere mit einer Betriebsleistung größer oder gleich 500 W und einer Betriebsfrequenz größer oder gleich 2 MHz, versorgt werden kann, aufweisend, eine Zündleistungsversorgung zur Erzeugung einer Zündleistung, die kleiner ist als eine Betriebsleistung, mit einer Zündfrequenz, sowie einen Spannungswandler, insbesondere Schwingkreis, der eingerichtet ist, dass ihm die Zündleistung zugeführt werden kann und eine Zündwechselspannung zu erzeugen, wobei die Zündschaltung eingerichtet ist, die Zündwechselspannung dem Ausgang des Im- pedanzanpassungsnetzwerks und einer Anregungsvorrichtung der Plasmakammer zuzuführen, und wobei die Zündschaltung ferner einen Frequenzsweeper zur Vari- ation der Zündfrequenz aufweist.

Die Zündleistungsversorgung ist eine Wechselstromleistungsversorgung, die eine Ausgangsleistung zur Erzeugung einer Zündwechselspannung zur Verfügung stellt. Sie selbst kann ausgelegt sein, an ihrem Ausgang eine nur geringe Spannung klei- ner 100 Vpp, insbesondere kleiner 50 Vpp, insbesondere kleiner 25 Vpp zu erzeu- gen. Mit Vpp ist die Spitzen-Spitzen-Spannung (peak-peak-voltage), also die Schwingbreite, gemeint. Die Zündleistungsversorgung kann ausgelegt sein für eine Ausgangsleistung kleiner 100 W, insbesondere kleiner 30 W, insbesondere kleiner 10 W. Eine solche Zündleistungsversorgung kann sehr kompakt und kos- tengünstig aufgebaut werden. Sie kann so ausgelegt sein, dass sie die Leistung in wenigen Millisekunden, insbesondere in weniger als 1 ms zur Verfügung stellen kann. Eine weitere Steuerung kann die Spannung und/oder Leistung und/oder den Strom der Zündleistungsversorgung steuern und/oder regeln. Der Frequenzsweeper kann eingerichtet sein, die Zündfrequenz logarithmisch über der Zeit zu variieren. Dies bedeutet, dass durch den Frequenzsweeper die Fre- quenz nicht linear durchlaufen wird, sondern dass manche Frequenzbereiche schneller durchlaufen werden als andere. Somit kann eine optimale Plasmazün- dung erfolgen.

Der Spannungswandler kann als Schwingkreis, insbesondere Serienschwingkreis, ausgebildet sein oder einen solchen aufweisen. Der Spannungswandler kann auch eine Transformationsschaltung, insbesondere einen Transformator, aufweisen. Der Spannungswandler kann ein filterndes Element aufweisen, das ausgelegt ist, die Zufuhr der Betriebsleistung bei Betriebsfrequenzen von der Plasmakammer zur Zündleistungsversorgung zu unterdrücken, insbesondere zu unterbinden. Das fil- ternde Element kann eine Induktivität, insbesondere mit einem Wert größer 1 pH, insbesondere mit einem Wert größer 10 mH, insbesondere mit einem Wert grö- ßer 100 mH, aufweisen.

Der Spannungswandler, insbesondere Schwingkreis, kann Reaktanzen eines Im- pedanzanpassungsnetzwerks und/oder einer Anregungsvorrichtung, insbesondere einer Elektrode, aufweisen. Somit können bereits vorhandene Elemente für die Ausbildung des Spannungswandlers verwendet werden. Dadurch ergibt sich ein kostengünstiger Aufbau. Die Zündleistungsversorgung kann einen integrierten Leistungstreiber umfassen. Auch dadurch ergibt sich ein kompakter Aufbau der Zündschaltung.

Der Spannungswandler, insbesondere Schwingkreis, kann ein filterndes Element, insbesondere eine Induktivität umfassen, die Bestandteil einer DC-Spannungs- messanordnung ist. Damit ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile.

Ein Entkopplungselement kann vorgesehen sein, das eine Self-Bias-Spannung von der Zündleistungsversorgung entkoppelt. Das Entkopplungselement kann ein Kon- densator sein. Der Kondensator kann für Spannungen größer 200 V, insbesondere für Spannungen größer 500 V ausgelegt sein. Am Ausgang des Impedanzanpas- sungsnetzwerks können im Betrieb Spannungen größer 500 V, insbesondere Spannungen größer 1000 V, anliegen. Auch wenn große Teile dieser Spannungen durch das Filterelement unterdrückt werden, so können dennoch hohe Spannun- gen an einem Entstör-Kondensator auftreten. Diese Spannungen soll der Konden- sator unbeschadet überstehen. Es kann zusätzlich ein Überspannungsbegrenzer parallel zu dem Kondensator vorgesehen sein.

In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Verwendung der Zündschaltung oder des Verfahrens für die beschriebenen Plasmabetriebszustände, insbesondere in der Halbleiterfertigung.

Die Verwendung der Zündschaltung oder des Verfahrens kann insbesondere im Pulsbetrieb erfolgen. Dabei kann die Plasmaanlage mit gepulster Hochfrequenzenergie angeregt werden. Das bedeutet, dass das Plasma in vorge- gebenen Taktzeiten zwischen mehreren Leistungsleveln hin- und hergeschaltet wird. Insbesondere kann ein Leistungslevel bei einer Betriebsleistung größer 500 W liegen und das andere Leistungslevel bei 0 W liegen, bei dem das Plasma ver- löscht.

Die Verwendung der Zündschaltung oder des Verfahrens kann insbesondere im Pulsbetrieb mit Taktzeiten kleiner 10s insbesondere deutlich kleiner als 10 s, bei- spielsweise kleiner 1 s erfolgen. Hier sind die Anforderungen an die Reproduzier- barkeit sehr schwierig mit herkömmlichen Mitteln kontrollierbar.

Anordnungen und Verfahren zur Plasmazündung und/oder Impedanzanpassung sind beispielsweise beschreiben in : US 7,692,389 B2, US 8,466,622 B2,

US 8,542,076 B2, US 2017/0069465 Al, US 2018/0247795 Al, US 2014/0367043 Al, DE 10 2009 046 754 Al, DE 20 2017 103 327 Ul, EP 1 454 389 Bl, WO 2012/142998 Al, W02012/143001 Al. Die vorliegende Er- findung zeichnet sich jedoch dadurch aus, dass sie bekannte Impedanzanpassungs- schaltungen um eine Zündschaltung erweitert, die geeignet ist, ein Plasma insbe- sondere auch im gepulsten Betrieb zu zünden, bei dem der Beschichtungsprozess gleichmäßiger und reproduzierbarer abläuft.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprü- chen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sicht- bar 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 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darge- stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Es zeigen :

Fig. 1 : Eine schematische Darstellung einer Zündschaltung;

Fig. 2: Frequenzverläufe zur Darstellung der Frequenzvariation der Zündwech- selspannung.

Die Fig. 1 zeigt eine Zündschaltung 1 zur Zündung eines Plasmas in einer Plas- makammer 2. Durch eine Zündleistungsversorgung 3, die mit einem Frequenz- sweeper 4 verbunden ist, wird eine Zündleistung mit einer Zündfrequenz generiert, wobei die Zündleistung geringer ist als eine Betriebsleistung. Diese wird einem Spannungswandler 5, der als Schwingkreis ausgebildet ist oder einen solchen um fasst, zugeführt. Durch den Spannungswandler 5 wird aus der Spannung am Aus- gang der Zündleistungsversorgung 3 eine Zündwechselspannung generiert. Die Zündwechselspannung wird einer Anregungsvorrichtung 6a, die im gezeigten Aus- führungsbeispiel als Elektrode ausgebildet ist, zugeführt, um das Plasma zu zün- den.

Im Normalbetrieb, d. h. wenn ein Plasma bereits gezündet ist, wird das Plasma mit einer Betriebsleistung versorgt. Die Betriebsleistung wird durch eine Hochfre- quenzleistungsversorgung 10 erzeugt, die über ein Impedanzanpassungsnetz- werk 7 einer Impedanzanpassungsanordnung 7a, mit der Plasmakammer 2 bzw. der Anregungsvorrichtung 6a verbunden ist.

Der Spannungswandler 5 kann ein filterndes Element 11 aufweisen, das ausgelegt ist, die Zufuhr der Betriebsleistung bei Betriebsfrequenzen von der Plasmakam- mer 2 zur Zündleistungsversorgung 3 zu unterdrücken. Das filternde Element 11 kann eine Induktivität L2 aufweisen. Eine oder mehrere Kapazitäten CI, C2 des Impedanzanpassungsnetzwerks 7 kön- nen Teil des Spannungswandlers 5 sein. Teil des Spannungswandlers 5 kann auch die Kapazität C5 der Plasmakammer 2 sein. Insbesondere kann der Kapazität C5 zwischen den Anregungsvorrichtungen 6a, 6b vorgesehen sein.

Das filternde Element 11 bzw. die Induktivität L2 kann auch Bestandteil einer DC- Spannungsmessanordnung 8 sein. Die DC-Spannungsmessanordnung 8 kann ein DC-Spannungsmesselement 12 aufweisen. Weiterhin kann die DC-Bias-Span- nungsmessanordnung 8 einen Spannungsteiler 13 aufweisen. Der Spannungstei- ler 13 kann zwei in Reihe geschaltete Widerstände RI, R2 aufweisen. Parallel zu einem Widerstand R2 kann eine Kapazität C4 zur Kompensation von parasitären Kapazitäten vorgesehen sein.

Das filternde Element 11 kann ausgelegt sein, die Zufuhr der Betriebsleistung bei Betriebsfrequenzen von der Plasmakammer 2 zu dem DC-Spannungsmessele- ment 12 zu unterdrücken. Zwischen der Anregungsvorrichtung 6a und der Plas- makammer 2 kann sich aufgrund von physikalischen Effekten eine DC-Spannung ausbilden, die DC-Bias-Spannung oder Self-Bias-Spannung genannt wird. Diese Spannung kann am Ausgang des Impedanzanpassungsnetzwerks 7, insbesondere zwischen Impedanzanpassungsnetzwerk 7 und Anregungsvorrichtung 6a, gemes- sen werden.

Besondere Vorteile ergeben sich durch die gemeinsame Verwendung der Indukti- vität L2 für die DC-Bias-Messung und als Resonanzelement zur Erzeugung der Zündwechselspannung. Die Induktivität L2 wird vorzugsweise so gewählt, dass sich eine Resonanzfrequenz ergibt, die ca. 20-mal tiefer liegt als die HF-Anre- gungsfrequenz im Normalbetrieb. Dadurch ergibt sich eine Filterwirkung bezüglich der HF-Anregungsfrequenz und gleichzeitig eine hohe Güte, so dass aus einer Ver- sorgungsspannung von beispielsweise 24 V die erforderliche Zündspannung er- reicht wird.

Es kann ein Entkopplungselement 14 vorgesehen sein, welches die Zündleistungs- versorgung 3 entkoppelt. Insbesondere kann das Entkopplungselement 14 einer Kapazität C3 aufweisen. Diese kann so große Kapazitätswerte aufweisen, dass sie einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Spannungswandler 5 ausübt. Insbeson- dere kann durch das Entkopplungselement 14 eine Entkopplung der Self-Bias- Spannung von der Zündleistungsversorgung 3 erfolgen. Parallel zu der Kapazi- tät C3 könnte ein Überspannungsbegrenzer vorgesehen sein.

Wie bereits erwähnt, ist die Zündleistungsvorrichtung 3 mit einem Frequenzswee- per 4 verbunden. Durch den Frequenzsweeper 4 kann die Zündfrequenz der Zünd- leistung und somit auch die Frequenz der Zündwechselspannung beeinflusst wer- den.

Die Impedanzanpassungsanordnung 7a weist eine Steuerung 15 auf, die die vari- ablen Kapazitäten CI, C2 des Impedanzanpassungsnetzwerks 7 ansteuert. Eine weitere Steuerung 16 ist mit der Zündleistungsversorgung, dem Frequenzsweeper 4 und dem DC-Spannungsmesselement verbunden. Die weitere Steuerung 16 kann die Spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung 3 und damit die Zündwechselspannung ein- und ausschalten. Die weitere Steuerung 16 kann die Variation der Zündfrequenz steuern. Die weitere Steuerung 16 kann Teil der Steu- erung 15 der Impedanzanpassungsanordnung 7a sein.

Anhand der Fig. 2 ist beispielhaft dargestellt, auf welche Art und Weise die Zünd- frequenz variiert werden kann.

Beispielsweise kann die Zündfrequenz mit der Zeit entsprechend der Kurve 41 sä- gezahnförmig verändert werden.

Alternativ ist es denkbar, dass die Zündfrequenz entsprechend der Kurve 42 si- nusförmig variiert wird. Weiterhin ist es denkbar, dass die Zündfrequenz entspre- chend der Kurve 43 zickzackförmig variiert wird.

Auch ist es denkbar, dass manche Frequenzbereiche schneller durchlaufen werden als andere oder dass ein kleiner Frequenzbereich mit der gleichen Geschwindigkeit durchlaufen wird wie ein größerer Frequenzbereich. So kann beispielsweise der Bereich 10 kHz bis 100 kHz im Wesentlichen gleichschnell durchlaufen werden wie der Bereich 100 kHz bis 1 MHz.

Die Zündwechselspannung kann am Ausgang des Impedanzanpassungsnetz- werks 7 eingespeist werden. Die erforderlichen Spannungswerte können erzeugt werden, indem ein Serienschwingkreis des Spannungswandlers 5 angeregt wird. Die Anregung des Serienschwingkreises kann mit einer relativ kleinen Anregungs- spannung am Ausgang der Zündleistungsversorgung von z. B 24 Vpp erfolgen, so dass eine Resonanzspannung als Zündwechselspannung von beispiels- weise 2000 Vpp erzielt wird. Vom Einspeisepunkt der Plasmazündung her gesehen kann nicht eindeutig gesagt werden, ob bezüglich der Anregungsvorrichtung 6a eine Resonanz mit hoher Elektrodenspannung vorliegt. Dadurch, dass die Zünd- frequenz variiert wird, ist jedoch davon auszugehen, dass immer eine Frequenz gefunden wird, bei der eine hohe Zündwechselspannung erzielt wird, die ausrei- chend ist, das Plasma zu zünden. Durch fortwährendes Variieren der Zündfrequenz wird sichergestellt, dass auch Resonanzfrequenzen durchlaufen werden, die keine hohen Wechselspannungen erzeugen. Durch logarithmisches Verändern der Zünd- frequenz wird erreicht, dass auch bei tiefen Resonanzfrequenzen genügend Zeit für das Aufschwingen einer zum Zünden geeigneten Zündwechselspannung ver- bleibt. Bei linear durchlaufener Frequenz würde beispielsweise der Bereich der tie- fen Frequenzen sehr schnell durchlaufen, wodurch eine dort gegebene Resonanz aufgrund ihrer Güte nicht genug Zeit hätte, um einzuschwingen und eine zum Zünden des Plasmas geeignete Zündspannung zu erreichen. Der Frequenzsweeper sollte so schnell wie möglich erfolgen, um möglichst schnell, d. h. innerhalb eines bestimmten Zeitfensters, das Plasma zu zünden.