Messverfahren und Messeinrichtung für eine Plasmaversorgungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen von Hochfrequenz- Betriebsparametern, die sich zwischen einer Plasmalast und einer Plasmaversorgungseinrichtung einstellen, wobei die

Plasmaversorgungseinrichtung zwei Hochfrequenzquellen und einen Hybridkoppler beinhaltet und die Ausgänge der beiden Hochfrequenzquellen an zwei Tore des Hybridkopplers angeschlossen sind, an dessen drittes Tor eine Plasmalast angeschlossen ist, sowie ein Verfahren dazu.

BESTATIGUNGSKOPIE

Bei einem Plasma handelt es sich um einen besonderen Aggregatzustand, der aus einem Gas erzeugt wird. Jedes Gas besteht grundsätzlich aus Atomen und/oder Molekülen. Bei einem Plasma ist dieses Gas zu einem Großteil 5 ionisiert. Dies bedeutet, dass durch Zufuhr von Energie die Atome bzw. Moleküle in positive und negative Ladungsträger, also in Ionen und Elektronen, aufgespaltet werden. Ein Plasma eignet sich zur Bearbeitung von Werkstücken, da die elektrisch geladenen Teilchen chemisch hochgradig reaktiv und zudem durch elektrische Felder beeinflussbar sind. Die geladenen lo Teilchen können mittels eines elektrischen Feldes auf ein Werkstück beschleunigt werden, wo sie beim Aufprall einzelne Atome aus dem Werkstück herauslösen können. Die herausgelösten Atome können über Gasfluss abtransportiert werden (ätzen) oder auf anderen Werkstücken als Beschichtung abgelagert werden (Herstellung von Dünnfilmen). Anwendung i5 findet eine solche Bearbeitung mittels eines Plasmas vor allem dann, wenn extrem dünne Schichten, insbesondere im Bereich weniger Atomlagen, bearbeitet werden sollen. Typische Anwendungen sind Halbleitertechnik (Beschichten, ätzen, etc.), Flachbildschirme (ähnlich Halbleitertechnik), Solarzellen (ähnlich Halbleitertechnik), Architekturglasbeschichtung

2o (Wärmeschutz, Blendschutz, etc.), Speichermedien (CD, DVD, Festplatten), dekorative Schichten (farbige Gläser, etc.) und Werkzeughärtung. Diese Anwendungen haben hohe Anforderungen an Genauigkeit und Prozessstabilität. Weiterhin kann ein Plasma auch zur Anregung von Lasern, insbesondere Gaslasern, dienen.

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Um aus einem Gas ein Plasma zu generieren, muss ihm Energie zugeführt werden. Das kann auf unterschiedliche Weise, beispielsweise über Licht, Wärme, elektrische Energie, erfolgen. Ein Plasma zur Bearbeitung von Werkstücken wird typischerweise in einer Plasmakammer gezündet und 30 aufrecht erhalten. Dazu wird in der Regel ein Edelgas, z. B. Argon, mit niedrigem Druck in die Plasmakammer geleitet. über Elektroden und/oder Antennen wird das Gas einem elektrischen Feld ausgesetzt. Ein Plasma

entsteht bzw. wird gezündet, wenn mehrere Bedingungen erfüllt sind. Zunächst muss eine geringe Anzahl von freien Ladungsträgern vorhanden sein, wobei zumeist die stets in sehr geringem Maß vorhandenen freien Elektronen genutzt werden. Die freien Ladungsträger werden durch das elektrische Feld so stark beschleunigt, dass sie beim Aufprall auf Atome oder Moleküle des Edelgases weitere Elektronen herauslösen, wodurch positiv geladene Ionen und weitere negativ geladene Elektronen entstehen. Die weiteren freien Ladungsträger werden wiederum beschleunigt und erzeugen beim Aufprall weitere Ionen und Elektronen. Es setzt ein Lawineneffekt ein. Der ständigen Erzeugung von Ionen und Elektronen wirken die Entladungen bei der Kollision dieser Teilchen mit der Wand der Plasmakammer oder anderen Gegenständen sowie die natürliche Rekombination entgegen, d. h., Elektronen werden von Ionen angezogen und rekombinieren zu elektrisch neutralen Atomen bzw. Molekülen. Deshalb muss einem gezündeten Plasma beständig Energie zugeführt werden, um dieses aufrecht zu erhalten.

Die Energiezufuhr kann über eine Gleichstrom-Versorgungseinrichtung oder eine Wechselstrom-Versorgungseinrichtung erfolgen. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf Wechselstrom-Versorgungseinrichtungen für Hochfrequenz (HF) mit einer Ausgangsfrequenz von > 3 MHz.

Plasmen haben eine sehr dynamische Impedanz, die die gewünschte gleichmäßige HF-Leistungsversorgung schwierig macht. So wechselt während des Zündvorgangs die Impedanz von einem hohen Wert sehr schnell zu einem niedrigen Wert, während des Betriebes können negative

Wirkwiderstände vorkommen, die bei steigender Spannung den Stromfluss vermindern, und es kann zu unerwünschten lokalen Entladungen (Ares) kommen, die das zu bearbeitende Gut, die Plasmakammer oder die Elektroden schädigen können.

Daher müssen Versorgungseinrichtungen für Plasmen (Plasmaversorgungseinrichtungen) für eine hohe Ausgangsleistung und eine

hohe reflektierte Leistung ausgelegt sein. EP 1 701 376 A1 hat gezeigt, dass sich derartige Plasmaversorgungseinrichtungen vorteilhaft durch kleinere Hochfrequenzquellen realisieren lassen, deren Ausgangsleistungen durch einen 3-dB-Hybridkoppler (hybrid coupler) gekoppelt werden. Dazu werden die zwei Hochfrequenzquellen an zwei Tore (ports) des Kopplers, im Folgenden Tor 1 und Tor 2 genannt, angeschlossen. Die Hochfrequenzquellen werden so angesteuert, dass ihre Hochfrequenzquellsignale eine Phasenverschiebung von 90° zueinander haben. An einem dritten Tor des Hybridkopplers liegt das erste der beiden Hochfrequenzquellsignale um 45° nachlaufend und das zweite um 45° voreilend an. An einem vierten Tor des Hybridkopplers liegt das erste der beiden Hochfrequenzquellsignale um 45° voreilend und das zweite um 45° nachlaufend an. Durch die phasenverschobene Ansteuerung der Hochfrequenzquellen addieren sich ihre Hochfrequenzquellsignale am dritten Tor durch konstruktive überlagerung (constructive superposition), während sie sich am vierten Tor auslöschen (destructive superposition). Somit benötigen die Hochfrequenzquellen vor dem Koppler jeweils nur die halbe Leistung des erforderlichen Hochfrequenzausgangssignals. Eine Kaskadierung von derartigen Kopplerstufen ist möglich, um Hochfrequenzquellen mit noch weniger Ursprungsleistung einsetzen zu können oder eine noch höhere Leistung des Hochfrequenzausgangssignals zu erzielen.

Das vierte Tor des Hybridkopplers wird üblicherweise mit einem Abschlusswiderstand der Systemnennimpedanz (oftmals 50 ω) abgeschlossen. Wie in EP 1 701 376 A1 beschrieben, wird an diesem Tor nur dann ein Hochfrequenzsignal erwartet, wenn ein von der Plasmalast reflektiertes Hochfrequenzsignal wiederum an den Hochfrequenzquellen reflektiert wird.

Bei Fehlanpassung infolge unterschiedlicher Impedanzen von Plasmaversorgungseinrichtung und Plasmalast kommt es zur teilweisen oder vollständigen Reflexion der von der Plasmaversorgungseinrichtung gelieferten Leistung. Eine Impedanzanpassschaltung (matchbox) kann in bestimmten

Bereichen die Impedanz der Plasmalast transformieren und der Ausgangsimpedanz der Plasmaversorgungseinrichtung anpassen. Wird der Transformationsbereich der Anpassschaltung überschritten oder kann die Regelung der Impedanzanpassschaltung einer schnellen Impedanzänderung des Plasmas nicht folgen, so wird nicht die gesamte von der

Plasmaversorgungseinrichtung gelieferte Leistung in dem Plasma absorbiert, sondern es findet wieder Reflexion statt.

Ein besonderes Problem im Zusammenhang mit den beschriebenen unvermeidlichen Reflexionen der Plasmalast ist die mangelnde Absorption im Gesamtsystem. Da für einen hohen Wirkungsgrad alle Bestandteile der Plasmaversorgungseinrichtung und der Anpassschaltung auf niedrigste Verluste ausgelegt sind, läuft ein von der Plasmalast reflektiertes Hochfrequenzsignal über eine eventuell vorhandene Anpassschaltung zurück zum Tor 3 des Hybridkopplers, wird hier in zwei Teile aufgespalten und über die Tore 1 und 2 in Richtung der Hochfrequenzquellen der Plasmaversorgungseinrichtung zurückgesendet. Dabei erfahren die beiden Teile des reflektierten Hochfrequenzsignals im Hybridkoppler wieder eine gleiche Phasenverzögerung um 45° beim Weg von Tor 3 nach Tor 1 bzw. einen gleichen Phasenvorlauf um 45° beim Weg von Tor 3 nach Tor 2.

Die beiden Hochfrequenzquellen können beispielsweise zwei eigenständige Hochfrequenzgeneratoren sein, die durch einen gemeinsamen Steueroszillator angesteuert werden. Dieser Steueroszillator kann für die Hochfrequenz-Steuersignale an seinen beiden Ausgängen eine

Phasenverschiebung von 90° aufweisen. Die beiden Hochfrequenzquellen können aber auch Verstärkerstufen sein, die von einem gemeinsamen Hochfrequenztreibersender angesteuert werden, dessen Ausgangssignal beispielsweise über einen zweiten Hybridkoppler aufgespaltet wird. Weiter können die beiden Hochfrequenzquellen auch zwei Tore eines zweiten Hybridkopplers sein, an dessen drittes Tor ein Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist.

Um die zur Plasmalast gelieferte Hochfrequenzleistung auch bei Reflexion genau messen und einstellen zu können, um die Möglichkeit zu haben, sich bildende Ares schon im Ansatz zu erkennen und durch geeignete Maßnahmen ihre volle Ausbildung möglichst zu verhindern und um die eventuell vorhandene Anpassschaltung mit der notwendigen Information über die Impedanz des Plasmas zu versorgen, ist es wünschenswert, alle relevanten Hochfrequenz-Betriebsparameter, die sich zwischen Hochfrequenzgenerator und Plasmalast bzw. Anpassschaltung einstellen, zu kennen. Dazu gehören beispielsweise die Leistung P ₇ des von der Plasmaversorgungseinrichtung gelieferten Hochfrequenzausgangssignals und auch die durch die komplexe Impedanz der Plasmalast und gegebenenfalls der Anpassschaltung beeinflussten Hochfrequenz-Betriebsparameter wie Leistung P _r und

Phasenwinkel φ des reflektierten Hochfrequenzsignals sowie die davon abhängigen Größen wie Reflexionsfaktor

oder die Gesamtleistung von Hochfrequenzausgangssignal und reflektiertem Hochfrequenzsignal

P _s = P _f +P _r = P _f 0 + rf)

sowie die Leistung des von den Hochfrequenzquellen zum zweiten Mal reflektierten Hochfrequenzsignals. Mit Kenntnis dieser Hochfrequenz- Betriebsparameter können die Anpassschaltung angesteuert, die Leistung des Hochfrequenzausgangssignals eingestellt und der Zustand des Plasmas sicher bestimmt werden.

Es ist bekannt, zur Messung der Leistungen des Hochfrequenzausgangssignal und des zurücklaufenden Hochfrequenzsignals Richtkoppler einzusetzen. Mit einem Richtkoppler wird ein teures Bauelement benötigt, das gerade dann, wenn auch bei hohen Anteilen von reflektierter Hochfrequenzleistung die Genauigkeit hoch sein soll, besonders enge Fertigungstoleranzen erfordert. Zudem ist für die Bestimmung der Phase eine Verknüpfung der beiden ausgekoppelten Signale vor ihrer Detektion notwendig. Das kann beispielsweise durch Vektoranalyse mit oder ohne vorheriges Heruntermischen in einen anderen Frequenzbereich oder in das Basisband oder durch Mischung ihrer normierten Schwingungen erfolgen. Beide Verfahren sind entsprechend aufwendig.

Aus US 4,489,271 ist eine Anordnung bekannt, mit der auch der Phasenwinkel des reflektierten Hochfrequenzsignals bestimmt werden kann. Allerdings erfordert diese Anordnung fünf verschiedene Koppler.

Eine andere Möglichkeit, die in die Last gelieferte Leistung zu messen, ist eine Messung des Stroms und der Spannung. Allerdings muss hierbei eine sehr gute Entkopplung des Spannungs- und des Stromsensors erreicht werden. Auch hier benötigt man zur Bestimmung des Phasenwinkels φ und des Reflexionsfaktors r beispielsweise einen Phasenvergleich der normierten hochfrequenten Messsignale von Strom und Spannung in einem Hochfrequenzmischer oder eine Vektoranalyse dieser beiden Messsignale.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und sichere Schaltung bereitzustellen, die in einer Plasmaversorgungseinrichtung, die einen Hybridkoppler enthält, die Hochfrequenz-Betriebsparameter, insbesondere die zur Plasmalast gelieferte Hochfrequenzleistung, die von der Plasmalast reflektierte Hochfrequenzleistung und deren Phasenlage ohne Verknüpfung von hochfrequenten Signalen zu bestimmen und so Werte für die

Impedanzanpassungsschaltung sowie zur Steuerung und Regelung der

Plasmaversorgungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, damit auf wechselnde Zustände der Plasmalast unmittelbar reagiert werden kann.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem Hochfrequenz- Betriebsparameter bestimmt werden, die sich beim Versorgen einer

Plasmalast durch eine Plasmaversorgungseinrichtung einstellen, wobei in der Plasmaversorgungseinrichtung zwei Hochfrequenzquellsignale gleicher Frequenz mit 90° Phasenverschiebung zueinander erzeugt und diese Hochfrequenzquellsignale in einem Hybridkoppler zu einem Hochfrequenzausgangssignal gekoppelt werden, das an die Plasmalast gesendet wird, wobei an mindestens zwei der vier Toren des Hybridkopplers jeweils zumindest ein Messsignal erfasst wird, das mit den Amplituden der an diesen Toren vorliegenden Hochfrequenzsignale in Beziehung steht, und daraus mindestens ein Hochfrequenz-Betriebsparameter erzeugt wird.

Für jedes Messsignal wird ein Anteil des Hochfrequenzsignals an dem jeweiligen Tor ausgekoppelt. Dabei kann der für das Messsignal ausgekoppelte Anteil des am Auskoppelpunkt vorliegenden Hochfrequenzsignals sehr gering sein.

Nach der Auskopplung kann eine Detektion erfolgen, beispielsweise durch eine Diode oder durch einen anderen Gleichrichter. Danach kann eine Tiefpassfilterung erfolgen, die das so gewonnene Messsignal von restlichen hochfrequenten Spektralanteilen befreit. Die änderungsgeschwindigkeit der Messsignale ist im Wesentlichen nur noch von der Dynamik der Impedanz der Plasmalast bestimmt.

Für die weitere Verarbeitung ist es vorteilhaft, wenn durch Normierung aus dem Messsignal ein solches Signal erzeugt wird, das der mittleren Hochfrequenzleistung am jeweiligen Auskoppelpunkt entspricht.

Der eine Teil des von der Plasmalast reflektierten Hochfrequenzsignals wird auf dem Weg von Tor 3 zu Tor 1 ebenso um 45° in der Phase verzögert wie das Hochfrequenzquellsignal auf dem Weg von Tor 1 zu Tor 3; daher liegt an Tor 1 eine überlagerung dieser beiden Hochfrequenzsignale an, so dass für die mittlere Hochfrequenzleistung an diesem Punkt gilt

Z = ^p , (l + |r| • cos(p - ^-)γ + ( N|r| I • sin(^ - ty

2 ^'

Dabei ist P _q die Leistung des Hochfrequenzquellsignals, |r| der

Reflexionsfaktor, φ der Phasenwinkel des reflektierten Hochfrequenzsignals, in den die Reflexionsphase der Plasmalast, die Leitungslänge vom Hybridkoppler bis zur Plasmalast sowie die Phasenverschiebungen in einer eventuell dazwischen vorhandenen Impedanzanpassungsschaltung eingehen.

Die Verzögerung von πll bei der Superposition von Hochfrequenzquellsignal U _q und dem mit |r| gewichteten reflektierten Hochfrequenzsignal rührt von dem zweifachen Durchgang der Strecke zwischen Tor 1 nach Tor 3 des Hybridkopplers her, die jedes Mal eine Phasenverschiebung von πlA = A5° verursacht.

Ebenso erfährt der andere Teil des von der Plasmalast reflektierten Hochfrequenzsignals auf dem Weg von Tor 3 zu Tor 2 um 45° einen Phasenvorlauf wie vorher das Hochfrequenzquellsignal auf dem Weg von Tor 2 zu Tor 3. Unter der Voraussetzung gleicher Hochfrequenzleistung P _q gilt an

Tor 2 dann

P ₂

Auf diese Weise überlagern sich die beiden Teile des reflektierten Hochfrequenzsignals mit den beiden Hochfrequenzquellsignalen auf den Leitungen zwischen den Hochfrequenzquellen und dem Hybridkoppler um 180° phasenverschoben. überlagern sich am Auskoppelpunkt an Tor 1 das Hochfrequenzquellsignal und der betreffende Teil des reflektierten Hochfrequenzsignals maximal konstruktiv, so wird die überlagerung am Auskoppelpunkt an Tor 2 maximal destruktiv sein und umgekehrt. Die Summe der beiden an den Toren 1 und 2 vorliegenden Hochfrequenzleistungen P _λ bzw. P ₂ ist konstant und stellt die Summe aus der zur Plasmalast laufenden Hochfrequenzleistung P _f (Vorwärtsleistung) und der von der Last reflektierten Hochfrequenzleistung P _r (Rückwärtsleistung) dar.

P _s = P _{] +} P ₂ = P _{f +} P _r

Die halbe Differenz zwischen der Hochfrequenzleistung P _x an Tor 1 und der Hochfrequenzleistung P ₂ an Tor 2 ist eine Sinus-Funktion, deren Amplitude durch den Reflexionsfaktor und deren Phase durch den Phasenwinkel des reflektierten Hochfrequenzsignals definiert ist.

P -P - = p _f -\r ^■ sm φ

Diese Größen können bestimmt werden, wenn mindestens an den Toren 1 und 2 des Hybridkopplers Messwerte erfasst werden.

Eine Phasenverschiebung des reflektierten Signals lässt sich anhand der exakt entgegengerichteten (antiparallelen) überlagerungen der vorwärts- und zurücklaufenden Hochfrequenzsignale an den Toren 1 und 2 nicht eindeutig bestimmen, die überlagerungen sind vielmehr linear abhängig voneinander. Es ist deshalb von Vorteil, auch an Tor 3 ein Messsignal zu gewinnen, da hier

die überlagerung des reflektierten Hochfrequenzsignals mit dem Hochfrequenzausgangssignal in einem orthogonalen Winkel relativ zu den überlagerungen an Tor 1 und 2 erfolgt. Da sich an Tor 3 sowohl das Hochfrequenzausgangssignal wie auch das von der Plasmalast reflektierte Hochfrequenzsignal überlagern, ergibt die Differenz der Hochfrequenzleistung an Tor 3 und der Summe der beiden an den Toren 1 und 2 vorliegenden Hochfrequenzleistungen eine Cosinus-Funktion, deren Amplitude durch den Reflexionsfaktor und deren Phase durch die Phase des reflektierten Hochfrequenzsignals definiert ist.

Die halbe Differenz zwischen der gemessenen Hochfrequenzleistung P ₃ an

Tor 3 und der Summe der Hochfrequenzleistungen gemessen an Tor 1 und Tor 2 P ₅ = P ₁ +P ₂ ist eine Cosinus-Funktion, deren Amplitude ebenfalls durch den Reflexionsfaktor und deren Phase ebenfalls durch den Phasenwinkel des reflektierten Hochfrequenzsignals definiert ist.

P ₃ -W ₊ P ₂ ) _ = p _f ^■ r - cos#>

Diese Cosinus-Funktion ist orthogonal zu der ausschließlich an Tor 1 oder Tor 2 gewonnenen Sinus-Funktion.

Damit ergibt sich der Reflexionsfaktor zu

r =- R

2 * P _f

mit dem Radius R der beiden trigonometrischen Funktonen

R = J(P ₁ -P ₂ Y ₊ (P ₃ -W ₊ P ₂ )Y

Durch Einsetzen der Hilfsbeziehung

P _{1 +} P ₂ pf = l + r 2

lassen sich die Gleichungen nach der Vorwärtsleistung P _f auflösen. Damit wird

Somit kann auch der Reflexionsfaktor |r| bestimmt werden.

Aus dem Reflexionsfaktor und der Summe von Vorwärtsleistung und Rückwärtsleistung lassen sich weiter die Rückwärtsleistung sowie das Stehwellenverhältnis (VSWR, voltage Standing wave ratio) berechnen.

Die oben beschriebenen Berechnungen können durch Tabellen ersetzt werden, durch die den Messsignalen Hochfrequenz-Parameter zugeordnet werden.

Eine Erfassung eines Messsignals an Tor 4 ermöglicht darüber hinaus die überwachung von an den Hochfrequenzquellen reflektierten Hochfrequenzsignalen, welche durch vorherige Reflexion an der Plasmalast zurück zur Plasmaversorgungseinrichtung gelangt waren. Tor 4 führt die Summe der von den Hochfrequenzquellen reflektierten Leistungen.

Eine Erfassung von Messsignalen an den Toren des Hybridkopplers liefert so alle gewünschten Hochfrequenz-Betriebsparameter.

Die Normierung der Messsignale in Signale, die proportional zu den Hochfrequenzleistungen an den Auskoppelstellen sind, sowie weitere Berechnungen können besonders einfach mit einem digitalen Prozessor oder einer digitalen Schaltung ausgeführt werden. Dazu müssen die Messsignale 5 mit einem A/D-Wandler digitalisiert werden.

Die so gewonnenen Hochfrequenz-Betriebsparameter können zur Steuerung oder Regelung der erzeugten Hochfrequenzausgangsleistung verwendet werden. Dadurch kann eine konstante Einspeisung elektrischer Leistung in lo das Plasma gewährt werden, wie es insbesondere für Prozesse mit konstanten Abscheide- oder ätzraten oder für Laser mit konstanter Ausgangsleistung gefordert ist. Insbesondere können aus den Hochfrequenz- Betriebsparametern Fehlerzustände abgeleitet werden. Aus einer Tabelle von gespeicherten Zuständen kann eine Steuerung bzw. digitale i5 Signalverarbeitung auswählen, bei welchen Fehlerzuständen wie reagiert werden soll. Dabei können vorhergegangene Zustände mit berücksichtigt werden (Beachtung der Historie). Ein Expertensystem oder ein neuronal vernetztes System kann die Regelung stetig verbessern und neue Fehlersituationen erlernen und entsprechend auf Fehler reagieren, Die

20 Regelung der Hochfrequenzquelle kann auch durch Fuzzy-Logik erfolgen

Außerdem können die Hochfrequenz-Betriebsparameter dazu verwendet werden, eine Impedanztransformation zwischen der Plasmaversorgungseinrichtung und der Plasmalast zu steuern.

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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Bestimmen von Hochfrequenz-Betriebsparametern, die sich zwischen einer Plasmalast und einer Plasmaversorgungseinrichtung einstellen, wobei die Plasmaversorgungseinrichtung zwei Hochfrequenzquellen aufweist, deren 3o Ausgänge an je ein Tor eines Hybridkopplers angeschlossen sind, und an seinem dritten Tor, an dem sich die Hochfrequenzquellsignale konstruktiv überlagern, die Plasmalast angeschlossen ist, wobei an mindestens zwei

Toren des Hybridkopplers Auskoppelschaltungen angeschlossen sind, an jede Auskoppelschaltung ein Detektor angeschlossen ist, der ein Messsignal erzeugt, das mit der Amplitude des Hochfrequenzsignals an dem betreffenden Tor des Hybridkopplers in Beziehung steht, und die Detektoren an eine Auswerteeinrichtung angeschlossen sind, die ausgebildet ist, aus den Messsignalen mindestens einen Hochfrequenz-Betriebsparameter zu ermitteln.

Die Hochfrequenzquellen können auch durch entsprechend angesteuerte Generatoren oder Verstärker oder auch durch zwei Tore eines von einem Generator gespeisten zweiten Hybridkopplers dargestellt sein. Jede Hochfrequenzquelle kann auch ihrerseits wieder aus einer Anordnung von weiteren Hochfrequenzquellen bestehen, die über weitere Hybridkoppler zusammengekoppelt werden. Die Hochfrequenzquellen können schaltende Elemente aufweisen. Wenn den schaltenden Elemente aktive Treiber zugeordnet sind und jeder Treiber individuell angesteuert werden kann und somit Dauer und Zeitpunkt des Einschaltens der schaltenden Element für jedes schaltende Element individuell gesteuert werden können, kann dies unter Berücksichtigung der ermittelten Hochfrequenz-Parameter zuverlässig und exakt erfolgen.

Die zu speisende Plasmalast ist entweder direkt oder durch Zwischenschaltung weiterer Einheiten wie beispielsweise einer Impedanzanpassungsschaltung an das dritte Tor des Hybridkopplers angeschlossen.

An das vierte Tor des ersten Hybridkopplers kann ein Abschlusswiderstand angeschlossen sein.

Die Auskoppelschaltung zur Erzeugung der Messsignale kann beispielsweise ein Widerstandsnetzwerk oder eine kapazitives oder induktives Netzwerk oder eine Kombination davon sein. Eine induktive Auskopplung kann auch durch

eine Hilfswicklung an den Induktivitäten des Hybridkopplers realisiert sein. Beim Aufbau des Hybridkopplers in Streifenleitungstechnik kann die Auskoppelschaltung durch entsprechende Streifenleitungen hergestellt sein.

Der Auskoppelpunkt braucht nicht unmittelbar am betreffenden Tor des ersten Hybridkopplers liegen, sondern kann bei den Toren 1 und 2 auch in Richtung der Hochfrequenzquellen, bei Tor 3 in Richtung der Impedanzanpassungsschaltung oder der Plasmalast und bei Tor 4 in Richtung des Abschlusswiderstandes verschoben sein.

Die Detektoren für die Messsignale können beispielsweise Dioden oder Brückengleichrichter sein. Zur Glättung jedes Messsignals kann dem jeweiligen Detektor ein Tiefpassfilter nachgeschaltet sein, das die restlichen hochfrequenten Spektralanteile blockiert. Das so gewonnene Messsignal steht mit der Amplitude des Hochfrequenzsignals an dem betreffenden Tor des Hybridkopplers in Beziehung.

Die Ausgänge der Detektoren für die Messsignale bzw. der nachgeschalteten Tiefpassfilter sind an eine Auswerteeinrichtung angeschlossen, die aus den Messsignalen die Hochfrequenz-Betriebsparameter ermitteln kann.

Da es für die Ermittlung der Hochfrequenz-Betriebsparameter von Vorteil ist, wenn die Messsignale die jeweilige Hochfrequenzleistung an der betreffenden Auskoppelstelle repräsentieren, können die Detektoren entsprechend ausgelegt oder geeicht sein. Alternativ kann eine Umrechnung der

Messsignale in Signale, die der jeweiligen Hochfrequenzleistung entsprechen, vor oder in der Auswerteeinrichtung erfolgen.

Für die Gewinnung linear unabhängiger überlagerungen von vorwärts- und zurücklaufenden Hochfrequenzsignalen ist es vorteilhaft, auch an Tor 3 des Hybridkopplers, an das die Plasmalast angeschlossen ist, eine

Auskoppelschaltung mit nachfolgendem Detektor zum Erzeugen eines Messsignal anzuschließen.

Da die Messsignale nur den änderungen der Impedanz der Plasmalast folgen und nicht dem Momentanwert des Hochfrequenzsignals, sind die zu verarbeitenden Frequenzanteile niedrig genug, um die Verarbeitung der Messignale und die Ermittlung der Hochfrequenz-Betriebsparameter auch von einer digitalen Schaltung ausführen zu lassen. Eine solche Schaltung kann auch ein digitaler Signalprozessor oder ein MikroController sein oder einen solchen aufweisen. Dazu muss das jeweilige Messsignal zuvor mit Hilfe eines A/D-Wandlers digitalisiert werden.

Sind an den Toren 1 , 2 und 3 des Hybridkopplers jeweils Auskoppelschaltungen und Detektoren angeschlossen, ist die Auswerteschaltung anhand der Messsignale in der Lage, Vorwärtsleistung, Rückwärtsleistung und Phasenwinkel sowie alle davon abgeleiteten Größen zu bestimmen. Ist an Tor 4 ein Detektor angeschlossen, kann zusätzlich die Leistung des von den Hochfrequenzquellen wiederum reflektierten, schon von der Plasmalast reflektierten Hochfrequenzsignals bestimmt werden.

Die Auswerteeinheit kann an mindestens eine der Hochfrequenzquellen angeschlossen sein, um diese zu steuern. Weiterhin kann die Auswerteeinheit an die Impedanzanpassungsschaltung angeschlossen sein, um die darin stattfindende Impedanztransformation zu steuern.

Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren erläutert werden, wobei die Figuren 1 und 2 je ein Ausführungsbeispiel zeigen. Für entsprechende Elemente oder Signale werden in den unterschiedlichen Figuren gleiche Bezugsziffern verwendet.

Es zeigen:

Figur 1 eine Plasmaversorgungseinrichtung mit schematischer Darstellung der Messsignalerfassung;

Figur 2 eine Plasmaversorgungseinrichtung mit Auskoppelschaltungen und Auswerteeinrichtung;

Figuren 3a und 3b die örtlichen Verhältnisse von vorwärts- und zurücklaufenden Wellen;

Figuren 4a, 4b und 4c die zeitlichen Verhältnisse von vorwärts- und zurücklaufenden Wellen;

Figur 5 verschiedene Messsignale und Hochfrequenz- Betriebsparameter bei einem konstanten Reflexionsfaktor über alle Phasenwinkel φ von 0° bis 360°.

Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Plasmaversorgungs- einrichtung 1 , die zwei Hochfrequenzquellen 10, 20, einen Hybridkoppler 30 mit vier Toren 31 , 32, 33, 34, einen Abschlusswiderstand 40 sowie Messeinrichtungen 110, 120, 130 und 140 aufweist. An den Ausgang der Plasmaversorgungseinrichtung 1 , der mit Tor 33 in Verbindung steht, ist eine Impedanzanpassungsschaltung 50 und an diese die hier nur als Impedanz dargestellte Plasmalast 60 angeschlossen.

Die beiden Hochfrequenzquellen 10, 20 sind an die Tore 31 bzw. 32 angeschlossen und liefern je ein Hochfrequenzquellsignal an den Hybridkoppler 30, wobei die Hochfrequenzquelle 10 so angesteuert wird, dass ihr Signal gegenüber dem der Hochfrequenzquelle 20 in der Phase um 90° vorauseilt.

Die beiden Hochfrequenzquellen können beispielsweise um 90° phasenverschoben angesteuerte eigenständige Generatoren, entsprechend getriebene Verstärker oder auch nur die Ausgänge eines Hybridkopplers oder Leistungsteilers mit 90° Phasenverschiebung sein.

Der Hybridkoppler 30 verzögert das Hochfrequenzsignal der Hochfrequenzquelle 10 auf dem Weg von Tor 31 nach Tor 33 um einen Phasenwinkel von 45°, während er das Hochfrequenzsignal der Hochfrequenzquelle 20 auf dem Weg von Tor 32 nach Tor 33 um 45° voreilen lässt. Dadurch liegen an Tor 33 beide Hochfrequenzquellsignale konstruktiv überlagert an.

Beim Weg zum Tor 34 liegen umgekehrte Verhältnisse vor. Der Hybridkoppler 30 lässt das Hochfrequenzsignal der Hochfrequenzquelle 10 auf dem Weg von Tor 31 nach Tor 34 um 45° voreilen, während er das Hochfrequenzsignal der Hochfrequenzquelle 20 auf dem Weg von Tor 32 nach Tor 34 um 45° verzögert. Dadurch liegen an Tor 34 beide Hochfrequenzquellsignale destruktiv überlagert an und löschen sich damit aus.

Eventuell von der Plasmalast 60 bzw. der Impedanzanpassungsschaltung 50 reflektierte Hochfrequenzsignale kommen zum Tor 33 des Richtkopplers 30 zurück, werden aufgeteilt und über die beiden Tore 31 , 32 in Richtung der beiden Hochfrequenzquellen 10, 20 gesendet. Werden diese zurücklaufenden Hochfrequenzsignale an den beiden Hochfrequenzquellen 10, 20 wiederum reflektiert, haben diese beiden Teilsignale nach dem abermaligen Durchgang durch den Hybridkoppler eine solche Verzögerung bzw. Beschleunigung erfahren, dass sie sich an Tor 33 auslöschen und nur an Tor 34 konstruktiv überlagern, an dem der Abschlusswiderstand 40 angeschlossen ist.

Es sind vier Messeinrichtungen 110, 120, 130 und 140 an die vier Tore 31 , 32, 33 bzw. 34 des Hybridkopplers 30 angeschlossen, die in diesem exemplarischen Fall besonders einfach gehalten sind. Jede dieser

Messeinrichtungen weist die gleichen Teile auf, die anhand der Messeinrichtung 110 erläutert werden. Auf die in diesem Fall nur aus einem Widerstand ausgebildete Auskoppelschaltung 111 folgt ein Detektor 112 zur Gleichrichtung, der in dieser Ausführung als Diode ausgebildet ist, und ein Messinstrument 113, dessen zweiter Anschluss an Masse gelegt ist. Mit dem Messinstrument 113 lässt sich die mit dem Auskoppelschaltung 111 und der Detektor 112 gewonnene Spannung beobachten, die mit der Amplitude des Hochfrequenzsignals an Tor 31 des Kopplers 30 in Beziehung steht. Solche Messeinrichtungen sind in der Figur 1 an allen vier Toren 31-34 des Kopplers 30 angeschlossen.

Es ist so auch möglich, durch Betreiben der Schaltung nach Figur 1 , Ablesen der Messinstrumente in den Messeinrichtungen 110, 120, 130, 140 und externe Berechnung Hochfrequenz-Betriebsparameter zu bestimmen.

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Plasmaversorgungseinrichtung mit den Hauptteilen, die schon aus Figur 1 bekannt sind. Die Auskoppelschaltungen 111 , 121 , 131 und 141 sind wieder an die Tore 31 , 32, 33, 34 des Hybridkopplers 30 angeschlossen. Es folgen jeweils die Detektoren 112, 122, 132, 142 und Tiefpassfilter 114, 124, 134, 144. Anstelle der Messinstrumente ist eine Auswerteeinheit 150 vorgesehen, die an ihren vier Eingängen mit Analog-Digital-Wandlern 115, 125, 135 und 145 ausgestattet ist, welche die Messsignale digitalisieren. Die weitere Verarbeitung und Auswertung der Messsignale erfolgt in der Auswerteeinrichtung 150. Die Auswerteeinrichtung 150 kann auch ganz oder zum Teil die Steuerung der Hochfrequenzquellen 10 und 20 sowie die der Impedanzanpassungsschaltung 50 übernehmen, mit denen sie zu diesem Zweck jeweils mit Steuerleitungen verbunden ist. Auf diese Weise kann beispielsweise durch Steuerung der Hochfrequenzquellen 10, 20 die Leistung des Hochfrequenzausgangssignals am Tor 33 des Hybridkopplers 30 konstant gehalten werden, oder es kann die Impedanz der Plasmalast 60 durch die

Impedanzdanpassungsschaltung 50 der Ausgangsimpedanz der Plasmaversorgungseinrichtung 1 angepasst werden.

In Figur 3 ist die räumliche Phasenverschiebung der Hochfrequenzsignale auf den Leitungen zu den Toren 31 , 32 und 33 des Hybridkopplers zu sehen. Die Darstellung der Wellenzüge 21 , 220 ist schematisch zu verstehen und spiegelt nicht notwendigerweise die tatsächlichen Wellenlängenverhältnisse wider. Figur 3a zeigt zwei Momentaufnahmen nach dem Einschalten der beiden Hochfrequenzquellen 10 und 20. Die Hochfrequenzquelle 10 startet mit ihrem Wellenzug 210 um einen Phasenwinkel von 90° früher als die

Hochfrequenzquelle 20 ihren Wellenzug 220, die beide in der ersten Momentaufnahme links vom Hybridkoppler 30 zu sehen sind. Die Anfänge der Wellenzüge sind jeweils mit Kreisen gekennzeichnet, die gestrichelte Linie deutet den früheren Beginn an, die Amplituden der beiden Wellenzüge und damit die Ausgangsleistungen der beiden Hochfrequenzquellen sind in dieser Figur gleich. In der zweiten Momentaufnahme rechts vom Hybridkoppler 30 verlässt der im Hybridkoppler 30 gekoppelte Wellenzug 230 den Hybridkoppler 30 aus Tor 33 in Richtung Plasmalast; die Amplitude des Wellenzuges 230 ist nun durch die Addition der Leistungen V2 mal so groß wie die jeweiligen Amplituden der Wellenzüge 210 und 220.

In Figur 3b ist in der ersten Momentaufnahme rechts vom Hybridkoppler 30 der ebenfalls durch einen Kreis gekennzeichnete Anfang eines von der Plasmalast reflektierten Wellenzuges 330 zu sehen. In diesem Beispiel ist eine vollständige Reflexion angenommen, so dass dessen Amplitude gleich der des Wellenzuges 230 ist. Der Wellenzug 330 läuft in Richtung des Hybridkopplers 30 und wird dort in die beiden Wellenzüge 310 und 320 aufgespalten, die in der zweiten Momentaufnahme links vom Hybridkoppler zu sehen sind, wie sie aus den Toren 31 bzw. 32 austreten, um sich dort mit den weiterhin in Vorwärtsrichtung laufenden Wellenzügen 210 bzw. 220 zu überlagern.

Figur 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Hochfrequenzsignale an den Toren 31 , 32, 33 des Hybridkopplers 30. In Figur 4c habe ein von der Plasmalast reflektiertes Hochfrequenzsignal 330 am Tor 33 einen Phasenwinkel φ von

30° gegenüber dem zur Plasmalast laufenden Hochfrequenzausgangssignal 230. Außerdem habe für die gesamte Figur 4 das von der Plasmalast reflektierte Hochfrequenzsignal 330 zur besseren Verdeutlichung nur die halbe Amplituden im Vergleich zu dem Hochfrequenzsignal 230.

Die zeitlichen Verläufe an den Toren 31 und 32 sind in den Figuren 4a bzw. 4b dargestellt. Das von der Plasmalast reflektierte Hochfrequenzsignal 330 wird durch den Hybridkoppler in die beiden Hochfrequenzsignale 310, das am Tor 31 erscheint, und 320, das am Tor 32 erscheint, aufgeteilt. Auf dem Weg von Tor 33 nach Tor 31 erfährt das Signal 310 gegenüber dem Signal 330 eine Verzögerung von 45°, demgegenüber erfährt das Signal 320 gegenüber dem Signal 330 eine Beschleunigung von 45°. Da aber das

Hochfrequenzquellsignal 210 um 45° vorauseilt, um die Phasenverzögerung auf dem Weg von Tor 31 nach Tor 33 wettzumachen, und das Hochfrequenzquellsignal 220 um 45° nacheilt, um den Phasenvorlauf auf dem Weg von Tor 32 nach Tor 33 wettzumachen, zeigt das Hochfrequenzsignal 310 gegenüber dem Hochfrequenzquellsignal 210 nun eine Verzögerung von 30° + 90° = 120°, während das Hochfrequenzsignal 320 gegenüber dem Hochfrequenzquellsignal 220 nun eine Verzögerung von 30° - 90° = -60°, das heißt ein Voreilen von 60° aufweist.

Figur 5 zeigt die mittleren Leistungen P ₁ , P ₂ und P ₃ der Hochfrequenzsignale an den Toren 31 , 32 und 33, wie sie sich jeweils aus der überlagerung der hinlaufenden und reflektierten Hochfrequenzsignale ergeben. Die Werte dieser mittleren Hochfrequenzleistungen können direkt aus den Messsignalen gewonnen werden. Die Kurven zeigen diese Größen in Abhängigkeit vom Reflexionswinkel φ über einen Bereich von 0° bis 360° bei einem konstanten

Reflexionsfaktor von [r] = 0,15 und einer Hochfrequenzausgangsleistung von

P _s = 2. Weiterhin sind in Figur 5 die daraus abgeleiteten Hochfrequenz- Betriebsparameter P _s = P ₁ + P ₂ , P ₁ - P ₂ , P ₃ -(P ₁ +P ₂ ) und die Vektorlänge R dargestellt, aus denen der Reflexionskoeffizient [r] und der Phasenwinkel φ berechnet werden können.