CN1426671A - 高频匹配网络 - Google Patents

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Abstract

1高频匹配网络包括一个初级电路(1)、其具有一个任意的电容(7)和一个可变电容(8)和一个高频线圈(9)、以及包括一个次级电路(2)、其具有一个任意的电容(5、17)、一个高频空心线圈(6)和至少一个激发电极(3)，其中电路(1、2)通过高频空心线圈(6、9)的感应通量彼此耦合，并且初级回路(1)和次级回路(2)附加电容耦合。

Description

高频匹配网络
本发明涉及在同时使负载电阻匹配商业通用的高频发生器的内电阻的情况下、在下面也叫做高频匹配网络、把高频电交变场馈入低压气体放电中的装置、在下面也称作等离子体。
高频激发等离子体，其目前在许多技术领域的到应用，特别是在固体表面处理中。如此高频等离子体用于薄层的依赖等离子体的离析或表面的净化和腐蚀。在高频等离子体工作时必须应用阻抗匹配网络，以便使负载阻抗调整到所应用的高频发生器的内电阻。如果负载阻抗与发生器的内电阻一致，则发生器的功率能够最佳传输到负载。通常在负载和发生器之间连接一个阻抗匹配网络，其实施二个阻抗的匹配。
用于等离子体激发的匹配网络按照现技术标准仅仅允许负载阻抗电感匹配于发生器的内电阻，以便使反射的功率最小并且因此使馈入等离子体的功率最佳化。对此通过与等立体接触的电极或通过磁场经过电解质的入射实现电交变场耦合到等离子体上。对于等离子体的激发效率来说在激发等离子体时不管电容还是电感的激发部分占优势都是特别重要的。如果电磁波经过等离子体的外层输入并且在其传播到等离子体中央时承受指数衰减，则当然存在电容激发。在电感激发的情况下实现经过在等离子体中感应的交变磁场耦合电交变场。激发通常包括具有电容和电感部分的混合激发。在保持外部高频功率的情况下通过电压幅度确定等离子体耦合的电容部分并且通过在处于电极商的电交变场的电流幅度确定电感部分。
Rayner、Cheetham和French已经在J.Vac.Sci.Technol.A14(4)(Jul/Aug 1996)，2048-2055页中已经描述了一个高频匹配网络，该网络包括二个电路，其中这二个电路通过高频空心线圈的感应通量彼此耦合。
本发明基于这个任务，提供一个损耗很小的高频匹配网络用于等离子体激发，该网络在同时把负载阻抗匹配于高频发生器的内电阻时能够自由选择电流幅度和电压幅度。并且因此允许在电容和电感激发等离子体的情况下的连续调整。
根据本发明高频匹配网络包括一个初级电路、在该电路中馈入高频发生器的功率、该电路具有一个任意和一个可变电容和高频空心线圈、以及包括一个次级电路、该电路具有一个固定或可变电容、一个高频空心线圈和至少一个用于产生等离子体的激发电极，其中这些电路经过高频空心线圈的感应通量彼此耦合并且附加电容地彼此耦合。当在次级回路中应用可变电容的情况下可以在电容和电感等离子体之间连续选择。
可以通过一个或多个固定电容或一个可变电容调整在初级和次级回路之间的电容耦合度。例如一个由具有较低电阻的不贵重的金属形成的高频空气电容器用作电容器，该电容在表面上具备由金或铂金属、例如铂形成的层，这例如在官方卷号为100 08 483.4、CCR镀膜技术有限公司的德国专利申请“高频空气电容器”中描述。高频空气电容器可以形成为平板电容器、圆柱形电容器或球形电容器。电容器主要形成为微调电容器、例如形成为差动空气平板电容器，特别具有多线性特性曲线、这例如在官方卷号100 08 486.9、CCR镀膜技术有限公司的德国专利申请“具有多线性的差动空气平板微调电容器”中描述。
如此的差动空气平板微调电容器、以该电容器根据多线性特性曲线可以更好匹配简单功能的依赖性、与线性空气平板微调电容器不同具有传统和分段式的定片组和/或动片组的组合。在传统的差动空气平板微调电容器中仅仅使用定片组和动片组，其类似于180°扇形或具有长宽比位2∶1的矩形，由此该微调电容器仅仅获得线性特性曲线。与此相反优选的差动空气平板电容器附加包括配备圆形或＜180°角的矩形弧段。该电容器由此获得多线性特性曲线，也就是说该特性曲线包括不同斜率的分直线。为了描述n线性的依赖关系附加于传统的微调电容器板需要n-1个不同分段的平板。各自分段类型所必须的平板数目必须匹配分别描述的依赖关系。一般越能准确近似所希望的依赖关系，不同分段类型的数目越高。优选的多线性差动空气平板电容器的特性曲线因此可以更好地匹配简单功能的依赖关系。有益的是分段的动片组仅仅在定片边的对面。分段的定片组在对面不需要定片边。定片组和/或动片组可以形成为传统的180°扇形。
在电容耦合的情况下可以通过改变高频幅度改变在等离子体外层上的电压降并因此改变关于地电位的等离子体电位。通过改变高频幅度因此可以调整离子能量，因为由等离子体电位确定离子能量。如果代替一般的微调电容器使用上述多线性差动空气平板微调电容器，则在改变等离子体电位的情况下不再需要通过改变电容耦合的谐振电路的附加匹配。因此可以非常简单地、通过仅仅一个唯一的微调电容器调整离子能量。如果不需要连续调整离子能量，则可以用固定电容代替差动微调电容器。
初级和次级回路的谐振频率通过初级微调电容器以及次级微调电容器可以匹配于发生器频率和/或通过改变在初级和次级回路之间的电感耦合、特别是通过改变线圈之间的轴向和径向间隔进行匹配。附加的固定电容器并联于微调电容器。理想地如此对初级回路定参数，即实现高的电压幅度(电压谐振)，并且如此对次级回路定参数，即实现高的电流幅度(电流谐振)。
可冷却的高频空心线圈特别以一个由不贵重的、具有较低电阻的金属形成的管的形式用作高频空心线圈，该线圈至少在其外表面上具备由金或铂金属、例如铂形成的层，这在官方卷号100 08 484.2、CCR镀膜技术有限公司的德国专利申报“可冷却的空心线圈”中描述。该管可以有任意的横截面。其不以电路形式确定，而是也可以得出正方形或矩形。为了冷却用液体媒质、主要是以水、清洗高频空心线圈。线圈可以卷成螺纹形或螺旋形以及在后者情况下同时可以***为球状。线圈的直径主要在10和100mm之间。
为了在次级回路中产生电流谐振该电路的总电感量应当尽可能低。因此次级线圈降低到最小匝数，主要降低到仅仅一匝。为了在初级线回路中产生电压谐振该电路的电感应当尽可能高。因此初级线圈包括多匝，主要包括2至10匝。线圈的直径在10和100mm之间。
用于等离子体激发的激发电极不仅可以布置在真空的内部而且也可以布置在外部。如果激发电极布置在真空内，则电极通过真空电流引线与次级回路的大气方面的部分连接。全部的、包括微调电容器、线圈、激发电极以及连接元件的次级回路也可以布置在真空内，其中通过机械的真空引线可以调整次级微调电容器。在二个耦合线圈之间一个由非磁性和磁性透光材料形成的介电窗用于真空与大气的分离。如此的窗可以包括塑料、例如聚四氟乙烯、包括玻璃或窗玻璃、以及包括陶瓷或氧化铝。
与所有可能并且任意用于等离子体激发的激发电极有关可以应用根据本发明的阻抗匹配网络。绝对不存在关于激发电极的形式、几何、材料、布置、数目等等的限制。
为了在固定保持高频功率的情况下达到尽可能高的电流幅度，此外必须如此连接匹配网络的所有元件，即产生尽可能地的欧姆功率损耗。匹配网络的单个或所有频率重要的元件、特别是连接元件、线路、高频空心线圈、电容、真空电流引线和激发线圈、通常包括具有较低电阻的金属。由于经济的原因通常选择不贵重的金属、例如铜、铁、锌、铝或其合金、比如黄铜。
然而当在此频率力求在1和50MHz之间的情况下由于集肤效应电流仅仅在导体的表面流经具有几微米厚的外层。在传统导体材料的情况下、例如铜、导体表面通过接触点与空气中的氧气或氮气反应，并且在表面上形成氧化层或氮化层，其显著降低在导体表面上得到电能力并且因此显著提高高频的欧姆损耗。因此应当考虑，保持表面导电能力不变。这可以通过单个或所有高频重要元件至少在其外表面上具有由金或铂金属、例如铂、形成的层的描述实现。
如果稀有金属、例如金或铂、镀在不贵重的技术、例如铜或黄铜上，则存在这样的危险，即稀有金属扩散进入基体材料中或基体材料扩散进入稀有金属中。这引起，由于对于不轨重金属提到的原因在表面上的导电能力下降。可以借助于扩散截止、例如一层极薄的镍、防止扩散过程，该镍层在镀由金或铂金属形成的层之前镀在不贵重金属上。因此确保外部金属层的长期稳定性。可以等离子化学或电镀地并且主要作为10nm至10μm厚的封闭层镀这二层。
这二层、也就是说扩散截止和镀在其上面的由金或铂金属形成的层、同样在CCR镀膜技术有限公司的官方卷号100 08 484.4的德国专利申报“可冷却的高频空心线圈”和官方卷号100 08 483.4的专利申报“高频空气电容器”中描述。
可以用液态媒质、主要使用水冷却匹配网络的单个或所有高频重要的元件。
以根据本发明的匹配网络、该网络可以用于产生准中性的等离子体束或离子束、可以特别最佳化纯电感激发，这导致显著提高激发效率。此外由此使特殊的共振激发的利用成为可能、例如电子回旋波共振或无碰撞衰减共振。
根据本发明的高频匹配网络可以例如应用在高频等离子体源或离子源中、其比如在官方卷号为100 08 482.6、CCR镀膜技术有限公司的德国专利申报“高频等离子体源”中描述。
下面例如根据图说明本发明：
图1指出了阻抗匹配网络的一个可能错接
图2指出了阻抗匹配网络的一个变体
图3指出了在真空中传输电交变场的***
图4指出了阻抗匹配网络的另一个变体
图5指出了高频重要元件的层状结构
图6指出了分段式的定片组或动片组
图7指出了二线性差动微调电容器的示意结构
图8指出了线性和二线性特性曲线的比较
图9指出了螺旋形卷成的高频空心线圈
图10指出了螺旋形卷成的并且球状***的高频空心线圈。
图1中的匹配网络的电路包括二个耦合振荡回路、初级回路(1)以及次级回路(2)。高频发生器(11)馈入初级回路(1)中。在次级回路(2)中有一个处在帧空中的激发电极(3)用于产生等离子体。对此激发电极(3)与次级回路(2)经过二个真空电流引线(12)连接。不仅借助于包括二个高频真空线圈(9、6)的变换器电感实现而且也借助于差动微调电容器(10)电容实现二个电路(1、2)的耦合。初级回路(1)包括一个初级线圈(9)、一个任意电容器(7)和一个可变的电容(初级微调电容器)(8)。电容(7)并联于高频发生器的输出端，其中通常高频发生器(11)的一个极连接在地电位上。同样由初级微调电容器(8)和初级线圈(9)形成的串联电路并联于高频发生器(11)的输出端，其中初级微调电容器(8)与高频发生器(11)的地电极连接。次级回路包括次级线圈(6)、可变电容(次级微调电容)(5)和激发电极(3)的串联电路。对此差动微调电容器的中心极连接在初级线圈(9)和初级微调电容(8)之间。差动微调电容器(3)侧极置于地或者与激发电极(3)的中心极连接。在需要时附加的固定电容可以并联于所有微调电容器。
图2指出了一个在图1中描述的匹配网络的变体，在该变体中整个次级回路(2)布置在真空中。在初级或者次级回路(1、2)的二个经过感应通量耦合的空心线圈(6、9)之间实现在真空和大气之间的分离。为了真空与大气的分离应用(图3)一个介电窗，其不中断二个耦合线圈(6、9)的感应通量。在窗(13)和等离子体冗器(14)的底板之间布置一个真空密封。借助于机械真空引线(16)实现通过微调电容器(5)的次级回路调谐。
图4指出了匹配网络的一个改进变体，在该变体中用固定电容(17)代替次级微调电容(5)，并且通过初级微调电容(8)以及通过改变在级线圈(9)和次级线圈(6)之间的电感耦合实现振荡回路调谐。为此，通过移动安放大气方面的匹配网络的元件改变在初级线圈(9)和次级线圈(6)之间的轴向和径向间隔。对此通过可弯曲的导线或高频电缆实现在初级回路的移动安放和固定元件之间的连接。
图5指出了匹配网络的高频主要的元件的层状结构。元件(26)的基本材料具备封闭的、用作扩散截止的镍层(25)。一个金层(24)镀在该镍层上。
图6指出了具有多线性特性曲线的差动空气平板微调电容器的分段微调电容器片的一种选择。为了实现多线性依赖性附加于传统的微调电容器片需要描述的135°部分段(18、19)、90°部分段(20、21)和45°部分段(22、23)。
图7指出了一个二线性差动微调电容器作为多线性差动空气平板微调电容器的实例。其包括可旋转的轴(28)、在该轴上布置动片。该动片由五个传统的180°扇形(27)以及由十个90°部分段(20)建立该动片。定片方面C1包括五个传统的、布置在定片底座(29)上的定片板。定片方面C2包括十五个传统的、安置在第二定片底座(30)上的定片板。如此布置90°动片部分段(20)，即其仅仅扫过定片方面C2的定片板。以类似方式定片板也可以形成为部分段，以便获得微调电容器的多线性。
在图8中描述了二线性差动空气平板微调电容器的特性曲线，也就是说定片方面C1依赖于定片方面C2。该特性曲线由不同斜率的二个分直线构成。与具有线性特性曲线的传统微调电容器相比，通过这个二线性差动微调电容器可以以提高的准确度近似描述的非线性依赖性。
图9和10指出了根据本发明的高频空心线圈的可能结构形式。主要包括螺旋形(图9)卷成的金属管。螺旋形卷成的线圈附加也可以***为球形(图10)。
参考符号：
1  阻抗匹配网络的初级电路
2  阻抗匹配网络的次级电路
3  激发电极
4  等离子体
5  可变电容器(微调电容器)
6  高频空心线圈
7  电容器
8  可变电容器(微调电容器)
9  高频空心线圈
10 差动电容器
11 高频发生器
12 真空电流引线
13 介电窗
14 等离子冗器的底板
15 真空密封
16 机械真空引线
17 固定电容器
18 分段式微调电容器片(135°扇形)
19 分段式微调电容器片(135°矩形部分)
20 分段式微调电容器片(90°扇形)
21 分段式微调电容器片(90°矩形部分)
22 分段式微调电容器片(45°扇形)
23 分段式微调电容器片(45°矩形部分)
24 金层
25 由镍形成的扩散截止
26 高频主要的元件的基本材料
27 传统的动片板(180°扇形)
28 可旋转的轴
29 定片底座
30 定片底座

Claims (28)

1.高频匹配网络，包括
-具有一个任意电容(7)和一个可变电容(8)和一个高频空心线圈(9)的初级电路(1)以及
-具有一个任意电容(5、17)、一个高频空心线圈(6)和至少一个激发电极(3)的次级电路(2)，
其中电路(1、2)通过高频空心线圈(6、9)的感应通量彼此耦合，
其特征在于，初级回路(1)和次级回路(2)进行附加的电容耦合。
2.按照权利要求1的高频匹配网络，其特征在于，可以在电容和电感的等离子体耦合之间进行选择。
3.按照权利要求1或2的高频匹配网络，其特征在于，可以连续在电容和电感的等离子体耦合之间进行选择。
4.按照权利要求1至3之一的高频匹配网络，其特征在于，通过一个或多个固定电容实现电容耦合。
5.按照权利要求1至4之一的高频匹配网络，其特征在于，通过一个可变电容实现电容耦合。
6.按照权利要求1至5之一的高频匹配网络，其特征在于，通过差动微调电容器(10)实现电容耦合。
7.按照权利要求6的高频匹配网络，其特征在于，一个差动空气平板电容器用作差动微调电容器(10)，该电容为了达到多线性特性曲线具有传统和分段式定片板和/或动片板的组合。
8.按照权利要求1至7之一的高频匹配网络，其特征在于，初级回路(1)和次级回路(2)的谐振频率通过初级微调电容器(8)和次级微调电容器(5)可以匹配于发生器频率。
9.按照权利要求1至8之一的高频匹配网络，其特征在于，附加固定电容器可以并联于微调电容器(5、8)。
10.按照权利要求1至9之一的高频匹配网络，其特征在于，如此对初级回路(1)定参数，即实现高的电压幅度，如此对次级回路(2)定参数，即实现高的电流幅度。
11.按照权利要求1至10之一的高频匹配网络，其特征在于，初级线圈(9)包括多匝，优选包括2至10匝。
12.按照权利要求1至11之一的高频匹配网络，其特征在于，次级线圈(6)少于2匝，优选是仅仅一匝。
13.按照权利要求1至12之一的高频匹配网络，其特征在于，线圈(6、9)的直径处于10和100mm之间。
14.按照权利要求1至13之一的高频匹配网络，其特征在于，激发电极(3)布置在真空中。
15.按照权利要求1至14之一的高频匹配网络，其特征在于，激发电极(3)与次级回路(2)的大气方面的部分经过真空电流引线(12)连接。
16.按照权利要求1至15之一的高频匹配网络，其特征在于，全部的、包括微调电容器(5)、线圈(6)和激发电极(3)以及连接元件的次级回路(2)布置在真空中。
17.按照权利要求16的高频匹配网络，其特征在于，在二个耦合线圈(6、9)之间布置一个介电窗(13)。
18.按照权利要求16或17的高频匹配网络，其特征在于，介电窗(13)包括一个非磁性和磁性透光材料。
19.按照权利要求16至18之一的高频匹配网络，其特征在于，介电窗(13)包括石英玻璃或氧化铝。
20.按照权利要求1至19之一的高频匹配网络，其特征在于，通过机械真空引线(16)可以调整次级微调电容器(5)。
21.按照权利要求1至20之一的高频匹配网络，其特征在于，次级回路(2)至少包括一个固定电容(17)、一个高频空心线圈(6)和一个激发电极(3)。
22.按照权利要求1至21之一的高频匹配网络，其特征在于，通过改变在初级线圈(9)和次级线圈(6)之间的电感耦合和/或通过调整初级微调电容器(8)可以调谐谐振回路。
23.按照权利要求1至22之一的高频匹配网络，其特征在于，通过改变初级线圈(9)和次级线圈(6)的轴向和径向间隔可以调整耦合。
24.按照权利要求1至23之一的高频匹配网络，其特征在于，匹配网络的单个或所有高频重要的元件，特别是连接元件、导线、高频空心线圈、电容、真空电流引线和激发电极，包括具有较低电阻的不贵重金属，并且至少在其外表面上具备由金或铂金属形成的层。
25.按照权利要求1至24之一的高频匹配网络，其特征在于，在高频重要元件的不贵重金属和由金或铂金属形成的层之间镀上一个扩散截止(30)作为封闭层。
26.按照权利要求1至25之一的高频匹配网络，其特征在于，以液态媒质，优选以水冷却阻抗匹配网络的单个或所有高频主要的元件。
27.按照权利要求1至26之一的高频匹配网络用于产生准中性的等离子体束。
28.按照权利要求1至26之一的高频匹配网络用于产生离子束。
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