Leistungsversorgungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz leistungssignals für ein Plasma und ein Plasmasystem mit einer solchen.

Die Erfindung betrifft eine Leistungsversorgungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen HF-Leistungssignals für ein Plasma, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Leistungsversorgungseinrichtung.

Impedanzanpassungsnetzwerke werden verwendet, um die Impedanz einer Last an die Impedanz eines Leistungsgenerators anzupassen.

Impedanzanpassungsnetzwerke werden häufig bei HF-angeregten Plasmaprozes sen verwendet. Die Frequenzen liegen typischerweise bei 1 MHz oder darüber. HF- angeregte Plasmaprozesse werden beispielsweise zum Beschichten (Sputtern) und/oder Ätzen von Substraten, in der Fertigung von Architekturglas, Halbleitern, Photovoltaikelementen, Flachbildschirmen, Displays, etc. eingesetzt. Die Impe- danzen in solchen Prozessen ändern sich häufig sehr schnell, weshalb die Impe danzanpassung oftmals sehr schnell (innerhalb weniger Millisekunden oder weni ger) angepasst werden sollte. Die elektrische Leistung, mit der solche Prozesse üblicherweise versorgt werden, liegt bei einigen 100 W, zum Beispiel 300 W und größer, nicht selten aber auch bei einem Kilowatt oder mehr, oftmals auch bei 10 kW und mehr. Bei solchen Leistungen beträgt die Spannung innerhalb der Impe danzanpassungsanordnungen oftmals mehrere 100 V, zum Beispiel 300 V und mehr, nicht selten auch 1000 V und mehr. Die Ströme in solchen Schaltungen können einige Ampere, häufig 10 A und mehr, mitunter auch 100 A und mehr betragen. Impedanzanpassungsnetzwerke bei solchen Spannungen und Strömen zu realisieren, stellte schon immer eine große Herausforderung dar. Die schnelle Veränderbarkeit von Reaktanzen in solchen Impedanzanpassungsnetzwerken stellt eine zusätzliche sehr hohe Herausforderung dar. Beispiele solcher Impedanzan passungsnetzwerke sind zum Beispiel in der DE 10 2015 220 847 Al oder in der DE 20 2020 103 539 Ul offenbart.

Üblicherweise werden Impedanzanpassungsnetzwerke verwendet, um die Impe danz der Last auf 50 Ohm zu transformieren. Um Aussagen über die Qualität der Impedanzanpassung zu erhalten, wird häufig der Betrag der mittleren reflektierten Leistung ermittelt und als Indikator für die Qualität des Anpassvorgangs herange zogen. Gleichzeitig dient der Betrag der mittleren reflektierten Leistung als Stabi litätskriterium für das Plasma. Bei gepulsten Anwendungen treten zu Beginn und Ende jedes Pulses Ein- und Ausschwingvorgänge auf, die trotz stabilem Plasma prozess und bestmögliche Anpassung zu reflektierter Leistung führen.

Aufgabe der vollen Erfindung ist es daher, eine Leistungsversorgungseinrichtung bereitzustellen, bei der eine zuverlässigere Aussage über die Qualität des Anpass vorgangs getroffen werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Leistungsversorgungsein richtung zur Erzeugung eines elektrischen HF-Leistungssignals für ein Plasma, mit einem Leistungsgenerator und einer mit dem Leistungsgenerator verbundenen Im- pedanzanpassungsanordnung, wobei die Leistungsversorgungseinrichtung einge richtet ist, eine Impedanzgröße, insbesondere am Eingang der Impedanzanpas sungsanordnung oder am Ausgang des Leistungsgenerators, zu bestimmen, eine impedanzbasierte Qualitätskennzahl in einem vorgegebenen Zeitraum zu ermitteln und insbesondere für eine weitere Verarbeitung und/oder Verwendung auszuge ben.

Eine Impedanzgröße kann dabei eine komplexe Impedanz, ein komplexer Reflek- tionsfaktor, Betrag und Phase einer Impedanz oder daraus abgeleitete Werte sein, beispielsweise eine Admittanz oder eine normierte Impedanz. Grundsätzlich ist es denkbar, als Impedanzgröße eine komplexe oder zweidimensionale reelle Größe zu erfassen. Insbesondere, wenn es sich um ein integriertes System handelt, in dem Impedanzanpassungsanordnung und Leistungsgenerator vereint sind, ist es vorteilhaft, wenn die Impedanzgröße am Ausgang des Leistungsgenerators erfasst wird.

Im Gegensatz zu einer mittleren reflektierten Leistung wird die impedanzbasierte Qualitätskennzahl in einem vorgegebenen Zeitraum ermittelt. Der vorgegebene Zeitraum kann so gewählt werden, dass Ein - und Ausschwingvorgänge nicht in die Ermittlung der impedanzbasierten Qualitätskennzahl eingehen. Somit kann eine aussagekräftige Qualitätskennzahl für den Anpassvorgang ermittelt werden. Bei der impedanzbasierten Qualitätskennzahl kann es sich um eine dimensionslose Größe handeln. Die Leistungsversorgungseinrichtung kann eingerichtet sein, als impedanzbasierte Qualitätskennzahl einen Impedanzmittelwert, besondere einen geometrischen Mit telwert, einen geometrischen Schwerpunkt, arithmetischen Mittelwert oder Median der gemessenen Impedanzgrößen zu ermitteln. Insbesondere ein geometrischer Mittelwert kann auf besonders einfache Art und Weise ermittelt werden.

Die Leistungsversorgungseinrichtung kann eingerichtet sein, eine Stellgröße der Impedanzanpassungsanordnung so zu erzeugen, dass die Qualitätskennzahl einen vorgegebenen Wert einnimmt. Die Impedanzanpassungsanordnung kann somit auf Grundlage der Qualitätskennzahl eine Impedanzanpassung vornehmen. Bei spielsweise kann über eine Stellgröße eine veränderbare Reaktanz der Impe danzanpassungsanordnung so eingestellt werden, dass Impedanzanpassung er folgt.

Falls die Impedanzanpassungsanordnung nicht verstellbar ist, ist denkbar, auf grund der ermittelten Qualitätskennzahl, die vom Leistungsgenerator ausgege bene Leistung zu variieren, um zu einer besseren Qualitätskennzahl und somit besseren Impedanzanpassung zu gelangen. Beispielsweise kann die Frequenz des HF- Leistungssignals verändert werden.

Die Leistungsversorgungseinrichtung kann eingerichtet sein, aufgrund der Quali tätskennzahl eine bewertete reflektierte Leistung zu ermitteln. Bei einer bewerte ten reflektierten Leistung handelt es sich um eine Größe, die ein Benutzer beurtei- len und einordnen kann, da er daran gewöhnt ist. Die ermittelte bewertete reflek tierte Leistung, im Folgenden auch (virtuelle) reflektierte Leistung genannt, ent spricht nicht der tatsächlichen (messbaren) reflektierten Leistung. Die ermittelte bewertete reflektierte Leistung kann ebenfalls als Qualitätskennzahl aufgefasst werden.

Die Impedanzanpassungsanordnung kann eine Messeinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, die Qualitätskennzahl zu ermitteln. Somit kann eine direkte Er mittlung der Qualitätskennzahl erfolgen. Alternativ ist es denkbar, dass die Impedanzanpassungsanordnung einen Regler aufweist, der eingerichtet ist, die Qualitätskennzahl zu ermitteln. Insbesondere kann durch einen Integrationsteil eines Reglers die erfasste Impedanzgröße über einen Zeitraum implizit gemittelt werden. Der Regler dient dabei dazu, die Quali tätskennzahl möglichst auf einen Sollwert anzupassen bzw. zu regeln.

Die Qualitätskennzahl kann an den Leistungsgenerator ausgegeben werden. Es ist dadurch möglich, dass der Generator mit einer erfassten Vorwärtsleistung die be wertete (virtuelle) reflektierte Leistung ermitteln kann. Insbesondere, wenn ein Regelalgorithmus für die Anpassung nicht konvertiert, führt dies zu einer hohen reflektierten Leistung. Üblicherweise dient deshalb die reflektierte Leistung als Maß dafür, ob die Regelung bzw. Anpassung erfolgreich war. Bei transienten Impedan zen, insbesondere bei hohen Pulsfrequenzen, stimmt dies jedoch nicht. Es tritt auch reflektierte Leistung auf, wenn der Regel-Algorithmus die bestmögliche An passung erreicht hat. Die Qualitätskennzahl, insbesondere ein geometrischer Mit telwert der Impedanzgröße, dient erfindungsgemäß dazu, eine bewertete (virtu elle) reflektierte Leistung zu errechnen. Diese kann anstelle oder zusätzlich zu der tatsächlich reflektierten Leistung angezeigt werden und bietet somit eine gewohnte und bekannte Größe für den Benutzer.

Die Qualitätskennzahl kann beispielsweise als analoges Signal ausgegeben wer den. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn eine Anzeigevorrichtung zur Aus gabe der ermittelten bewerteten reflektierten Leistung vorgesehen ist.

Der Leistungsgenerator kann eingerichtet sein, eine erzeugte (Vorwärts-)Leistung zu messen. Diese gemessene erzeugte Leistung kann verwendet werden, um die bewertete (virtuelle) reflektierte Leistung zu ermitteln.

Der vorgegebene Zeitraum kann so bestimmt werden, dass ein maximaler Ener gietransfer in das Plasma erfolgt, ohne die ermittelte bewertete (virtuelle) reflek tierte Leistung zu beeinflussen. Insbesondere kann der Zeitraum kürzer sein als die Pulsdauer. Weiterhin kann der Zeitraum so gewählt werden, dass der Pulsbe ginn außerhalb des Zeitraums liegt.

In den Rahmen Erfindung fällt außerdem ein Verfahren zum Betrieb einer Leis tungsversorgungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz (HF-)Leistungssignals für ein Plasma, wobei eine Impedanzgröße, insbesondere am Eingang einer Impedanzanpassungsanordnung oder am Ausgang eines Leis tungsgenerators bestimmt wird, eine impedanzbasierte Qualitätskennzahl in ei nem vorgegebenen Zeitraum ermittelt wird und die impedanzbasierte Qualitäts kennzahl ausgegeben wird. Insbesondere kann die impedanzbasierte Qualitäts kennzahl für eine weitere Verwendung oder Verarbeitung ausgegeben werden. Die impedanzbasierte Qualitätskennzahl kann als digitales oder analoges Signal aus gegeben werden.

Als impedanzbasierte Qualitätskennzahl kann ein Impedanzmittelwert, insbeson- dere ein geometrischer Mittelwert, ein geometrischer Schwerpunkt, ein arithmeti scher Mittelwert oder Median der gemessenen Impedanzgrößen ermittelt werden.

Eine Stellgröße für die Impedanzanpassungsanordnung kann so erzeugt werden, dass die Qualitätskennzahl einen vorgegebenen Wert einnimmt.

Aufgrund der Qualitätskennzahl kann eine bewertete (virtuelle) reflektierte Leis tung ermittelt werden. Bei der bewerteten (virtuellen) reflektierten Leistung han delt es sich um eine anhand der Qualitätskennzahl berechnete Leistung im Unter schied zu einer gemessenen tatsächlichen reflektierten Leistung.

Die Qualitätskennzahl kann direkt in der Messeinrichtung ermittelt werden oder indirekt durch einen Regler der Impedanzanpassungsanordnung.

Die Qualitätskennzahl kann an den Leistungsgenerator ausgegeben werden. Auf- grund der Qualitätskennzahl kann im Leistungsgenerator die (virtuelle) reflektierte Leistung ermittelt werden. Die bewertete reflektierte Leistung kann an einer An zeigevorrichtung ausgegeben werden.

Der vorgegebene Zeitraum kann so bestimmt werden, dass ein maximaler Ener- gietransfer in das Plasma erfolgt, ohne die ermittelte bewertete (virtuelle) reflek tierte Leistung zu beeinflussen.

In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Plasmasystem mit einer Leis tungsversorgungseinrichtung wie zuvor beschreiben und einer Plasmaprozessvor- richtung, insbesondere HF-angeregten Plasmaprozessvorrichtung, also einer Vor richtung zum Durchführen von Plasmaprozessen. Die Plasmavorrichtung dient be- vorzugterweise zum Beschichten (Sputtern) und/oder Ätzen von Substraten. Sie ist vorzugsweise zur Verwendung in der Fertigung von Architekturglas, Halbleitern, Photovoltaikelementen, Flachbildschirmen oder Displays geeignet.

Die Hochfrequenz des Hochfrequenzleistungssignals kann bei 1 MHz oder darüber liegen.

Die elektrische Leistung, die zu Versorgung des Plasmaprozess notwendig ist, und für dessen Lieferung die Leistungsversorgungseinrichtung ausgelegt ist, kann bei 300 W und größer, insbesondere bei 1 Kilowatt und mehr liegen.

- Die Plasmaprozessvorrichtung kann zum Anschluss von weiteren Leistungs versorgungen ausgelegt sein, davon können beispielsweise eine oder meh rere der Folgenden eingesetzt werden: HF-Leistungsversorgung mit derglei chen oder anderen Hochfrequenz. - DC Leistungsversorgung, insbesondere gepulste DC Leistungsversorgung

- MF Leistungsversorgung mit Frequenzen unterhalb 1 MHz.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausfüh rungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Fig. 1 zeigt eine Leistungsversorgungseinrichtung,

Fig. 2a-2d zeigen anhand von Admittanzebenen die Vorgehensweise zur Ermitt lung einer Qualitätskennzahl; Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Ermittlung einer Qua litätskennzahl. Die Figur 1 zeigt eine Leistungsversorgungseinrichtung 1 mit einem Leistungsge nerator 2 zur Erzeugung eines (gepulsten) elektrischen HF- Leistungssignals, bei spielsweise bei 60 MHz. Der Leistungsgenerator 2 weist einen Ausgang 3 auf, der über ein HF-Kabel 4 mit einem Eingang 5 einer Impedanzanpassungsanordnung 6 verbunden ist. Die Impedanzanpassungsanordnung 6 ist mit einer Last 7 verbun den. Der Leistungsgenerator 2 und die Impedanzanpassungsanordnung 6 sind wei terhin über eine Signalverbindung 8 miteinander verbunden. Die Last 7 kann ein Plasma eines Plasmaprozesses, insbesondere eines HF-angeregten Plasmaprozes ses, beispielsweise zum Beschichten (Sputtern) und/oder Ätzen von Substraten, in der Fertigung von Architekturglas, Halbleitern, Photovoltaikelementen, Flach bildschirmen, Displays, sein.

Die Impedanzanpassungsanordnung 6 dient dazu, die Impedanz der Last 7 an die Impedanz des Leistungsgenerators 2 am Eingang 3 anzupassen. Der Leistungsge- nerator 2 kann dazu eingerichtet sein, die gepulste HF-Leistung an die Last 7 zu liefern. Da sich die Impedanz der Last 7, insbesondere, wenn es sich dabei um ein Plasma handelt, häufig und schnell ändern kann, bestehen besondere Anforderun gen an die Impedanzanpassungsanordnung 6, die Impedanz der Last 7 an die Im pedanz des Leistungsgenerators 2 anzupassen.

Im Bereich des Eingangs 5 der Impedanzanpassungsanordnung 6 kann eine Mes seinrichtung 10 vorgesehen sein, um eine Impedanzgröße zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann im Bereich des Ausgangs 3 des Leistungsgenerators 2 eine Messeinrichtung 11 vorgesehen sein, um eine Impedanzgröße zu erfassen. Bei der Impedanzgröße kann es sich um eine komplexe Impedanz, komplexen Reflexi onsfaktor, Betrag und Phase der Impedanz, etc. handeln. Aufgrund dieser erfass ten Impedanzgröße kann in einem vorgegebenen Zeitraum eine impedanzbasierte Qualitätskennzahl ermittelt werden, die eine Aussage darüber trifft, wie gut die Impedanzanpassung ist. Dies soll anhand der Figur 2 erläutert werden. Die Figur 2a zeigt die Trajektorie 15 (den zeitlichen Verlauf) der Impedanz der Last 7 während eines Hochfrequenzpul ses des Leistungsgenerators 2. Es ist zu sehen, dass sich die Impedanz der Last 7 während des Pulses stark ändert.

Anhand der Figur 2b ist zu erkennen, dass der erste Abschnitt 15a, der dem Puls anfang entspricht, für die Ermittlung der Qualitätskennzahl nicht berücksichtigt wird, also quasi ausgeblendet wird. Berücksichtigt wird nur der zweite Abschnitt 15b der Trajektorie 15.

In der Figur 2c ist zu erkennen, dass diskrete Impedanzpunkte 16, d.h. die Impe danzgröße zu unterschiedlichen Zeitpunkten, die auf dem Abschnitt 15b der Trajektorie 15 liegen, durch eine der Messeinrichtungen 10, 11 gemessen werden. Anhand der Figur 2d ist zu erkennen, dass als impedanzbasierte Qualitätskennzahl 17 ein geometrischer Schwerpunkt ermittelt wird.

Ein Regler 13 der Impedanzanpassungsanordnung 6 kann so mit einer Stellgröße versorgt werden, dass die Qualitätskennzahl 17 minimiert wird, und somit eine bessere Anpassung erfolgt.

Weiterhin kann die Qualitätskennzahl 17 verwendet werden, um eine bewertete (virtuelle) reflektierte Leistung zu berechnen. Dazu kann die Qualitätskennzahl beispielsweise über die Signalverbindung 8 an den Leistungsgenerator 2 ausgege ben werde, sodass dort eine bewertete (virtuelle) reflektierte Leistung durch die Ermittlungseinrichtung 14 ermittelt werden kann.

Die Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Schritt 100 werden Impedanzgrößen gemessen. Im Schritt 101 wird eine impe danzbasierte Qualitätskennzahl aus der über einen vorgegebenen Zeitraum ge- messenen Impedanzgröße ermittelt. Im Schritt 102 wird die impedanzbasierte Qualitätskennzahl ausgegeben, sodass diese weiter verarbeitet werden kann.