-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung der an eifern Bauelement
in einem Hochfrequenz-Pfad (HF-Pfad) einer Hochfrequenzanregungsanordnung
eines Plasma-Systems aufgrund von Störungen anliegenden Spannung,
Strom oder Leistung und eine Hochfrequenzanregungsanordnung eines
Plasma-Systems zur Durchführung
des Verfahrens.
-
Hochfrequenzanregungsanordnungen
bestehen häufig
aus einem Hochfrequenzgenerator (HF-Generator) mit internem Reaktanznetzwerk
und einem Anpassungsnetzwerk. An dieses kann eine Last angeschlossen
werden. Die Last kann beispielsweise eine Gasentladung in einer
Plasmakammer sein. Während
des Ablaufs von Plasmaprozessen in der Plasmakammer zur Beschichtung
und Bearbeitung von Materialien kommt es immer wieder zu Überschlägen, den
so genannten Arcs, in der Plasmakammer. Diese Vorgänge können dazu
führen, dass
sich Energie, die in Blindelementen des Anpassungsnetzwerks, des
Reaktanznetzwerks oder anderen Teilen der Hochfrequenzanregungsanordnung gespeichert
ist, sehr schnell entlädt.
Die Blindanteile von Strom, Spannung und Leistung können in
Abhängigkeit
der Güte
der Netzwerke ein Vielfaches der Realanteile betragen und somit
die Belastungsgrenze des Gesamtsystems bei weitem überschreiten. Die
Energieentladungen, insbesondere die damit verbundenen hohen Spannungen,
sind in der Lage, Baugruppen und Bauelemente dauerhaft zu schädigen oder
eine Vorschädigung
der Baugruppen und Bauelemente zu bewirken, die dann sofort oder
zu einem späteren
Zeitpunkt zum Ausfall des HF-Generators oder des Anpassungsnetzwerks
führen
kann.
-
In
transistorisierten HF-Verstärkern,
die Bestandteil des HF-Generators
sind, werden häufig MOSFETs
eingesetzt. Diese zeigen eine besondere Empfindlichkeit gegenüber Überspannung.
So kann eine Überspannung
(Spannung oberhalb der zulässigen
Spannung) von Drain nach Source zu einem so genannten Avalancheffekt
führen,
der einen MOSFET in sehr kurzer Zeit zerstören kann. Dabei werden Elektronen
durch die hohe Spannung derart beschleunigt, dass sie weitere Elektronen
aus dem Gitter des Halbleiters, aus dem die MOSFETs hergestellt
sind, freisetzen. Diese werden ebenfalls beschleunigt und eine Kettenreaktion
setzt ein, die zu örtlichen
Durchschlägen,
und zu einer Degeneration der Gitterstrukturen führen kann. Dadurch können so genannten "hot spots" entstehen. Innerhalb
relativ kurzer Zeit, die von der Bauart des MOSFET und der angelegten
Spannung sowie der Temperatur abhängt und von μs bis hin
zu einigen Tagen dauern kann, wird der MOSFET zerstört.
-
Um
dieses Problem zu umgehen, wurden bisher auf unterschiedliche Weise
die an die Last abgegebene und reflektierte Leistung in einer HF-Anlage
gemessen und durch Leistungsregelung versucht, die Spannung an den
empfindlichen Bauteilen, also insbesondere an den MOSFETs, innerhalb
der erlaubten Grenzen zu halten. Diese Regelung ist aber für kurzzeitige
Impulse viel zu langsam.
-
Es
gibt auch Versuche, Störungen
von der Last, also insbesondere einer Plasmaquelle, durch geeignete
Filteranordnungen von den empfindlichen Bauteilen fern zu halten.
Aus der
US 5,747,935 ist eine
Schaltung bekannt, in der unerwünschte
Störungen
von Plasmaquellen mittels eines Filters unterdrückt werden, der Energie bei
allen Frequenzen außer
bei der Grundfrequenz absorbiert. Sehr schnelle Impulse, wie sie
bei Arcs in der Plasmakammer auftreten, vor allem solche, die Anstiegsgeschwindigkeiten
im Bereich der Anstiegsgeschwindigkeiten der Grundfrequenz besitzen,
können
damit aber nicht oder nur unzu reichend absorbiert werden. Zudem kann
eine solche Schaltungsvorrichtung nur für HF-Generatoren mit einer
sehr geringen Frequenzvariation der Grundfrequenz realisiert werden.
Weiterhin stellt eine solche Schaltungsvorrichtung einen zusätzlichen
unerwünschten
Energiespeicher dar.
-
Eine
weitere Möglichkeit,
dieses Problem zu umgehen besteht darin, die entsprechenden Bauteile überzudimensionieren.
Das heißt,
man setzt beispielsweise MOSFETs mit einer Spannungsbelastbarkeit
von 600V ein, obwohl im Normalbetrieb nur Spannungen bis zu 300V
anliegen. Solche MOSFETs sind um ein Vielfaches teurer und besitzen
andere negative Eigenschaften, wie beispielsweise einen hohen Durchlasswiderstand,
die sich negativ auf den Wirkungsgrad des HF-Generators auswirken können.
-
Es
ist weiter bekannt, zur Spannungsbegrenzung an empfindlichen Bauteilen
sogenannte Clipper-Schaltungen einzusetzen. Dies sind z.B. Supresserdioden,
Zenerdioden oder ähnliche
Bauteile oder Schaltungsanordnungen bestehend aus mehreren Bauteilen.
Diese Clipper-Schaltungen ändern
ihren Sperrwiderstand bei einer definierten Spannung, der so genannten
Durchbruchspannung. Wenn diese Bauteile ausreichend dimensioniert
sind, können
sie empfindliche Bauteile in der HF-Anregungsanordnung schützen. Allerdings
lassen sich solche Clipper-Schaltungen nicht exakt auf die maximal
am zu schützenden
Bauteil zulässige
Durchbruchspannung einstellen. Kommt die Spannung in die Nähe der Durchbruchspannung,
so kommt es zu einzelnen kleinen Durchbrüchen, zum Rauschen und zur
Erzeugung von Oberwellen. Zudem besitzen solche Clipper-Schaltungen
eine Kapazität,
die bei der vorgesehenen HF-Leistung erhebliche Verluste erzeugt. Die
HF-Anregungsanordnung wird durch Rauschen, Oberwellen und die Kapazität verändert und
meist negativ beeinflusst. Zudem besitzen solche Clipper-Schaltungen
eine lange und nicht steuerbare Erholzeit, was zu Instabilitäten im HF-Generator
führen kann.
-
Aus
der
EP 1 272 014 A1 ist
es bekannt, ein Hochfrequenzsignal eines Hochfrequenzpfades abzugreifen,
dieses Signal mit einem Referenzwert zu vergleichen und bei Überschreiten
des Referenzwertes Energie zu entziehen, indem entweder Energie
in den Stromversorgungskreis zurückgeführt wird
oder die Energie in Wärme
umgewandelt wird.
-
Aus
der
DE 198 45 281
C2 ist eine Verstärkerschaltung
mit Überspannungsschutzeinrichtung, welche
in Übertragungsrichtung
zwischen einem eingangsseitigen Übertrager
und einem ausgangsseitigen Übertrager
vorgesehen ist, bekannt. Die Überspannungsschutzeinrichtung
umfasst als erste Schutzmaßnahme
einen Überspannungsableiter,
der in Überspannungs-Störsignalübertragungsrichtung der
zu schützenden
Verstärkerschaltung
vorgeschaltet ist.
-
In
der
DE 101 27 561
A1 ist ein eigensicheres Feldbussystem beschrieben, mit
einem Feldbus, einer Leistungsquelle, einem Abschlusswiderstand und
mindestens einem an den Feldbus angeschlossenen Feldbusgerät, wobei
die Leistungsquelle an ein erstes Ende des Feldbusses angeschlossen
ist und der Abschlusswiderstand den Feldbus an dem anderen Ende
abschließt.
Die Leistungsquelle generiert ein periodisches Wechselsignal. Das
Feldbussystem hat eine Recktanz als Abschlusswiderstand und eine
Steuer- und Regelungseinheit für
die Leistungsquelle in Abhängigkeit
von der Eingangsimpedanz des Feldbusses, wobei der Feldbus-Eingangsstrom
konstant gehalten wird, wenn in einem ersten Betriebsbereich die
Eingangsimpedanz kleiner als der Wellenwiderstand der Feldbusleitung
ist, und die Feldbus-Eingangsspannung
auf eine konstante Maximalspannung eingestellt und der Feldbus-Eingangsstrom
in Abhängigkeit
von der Eingangsimpedanz abgeregelt wird, wenn in einem zweiten
Betriebsbereich die Eingangsimpedanz den Wert des Wellenwiderstandes überschreitet.
-
Aus
der
US 5,584,974 ist
ein Gleichspannungs-Sputter-Process bekannt, bei dem jede Periode
einen negativen DC-Puls und einen positiven DC-Puls aufweist. Der
positive Puls reduziert oder eliminiert in den meisten Fällen Arc-Quellen.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereit zu stellen, um spannungs-, strom-, und leistungsempfindliche Bauteile
in einer Hochfrequenzanregungsanordnung eines Plasma-Systems wirkungsvoll
zu schützen.
-
Gegenstand der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dies
bedeutet, dass dem HF-Pfad
Energie entnommen wird und damit das zerstörend wirkende Energiepotenzial
im HF-Pfad begrenzt oder abgesenkt wird. Unter einem HF-Pfad im
Sinne der Erfindung wird die Strecke zwischen einem HF-Erzeuger im
HF-Generator einer Hochfrequenzanregungsanordnung und einem Lastanschluss
der Hochfrequenzanregungsanordnung verstanden. Das erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt es, auf kurzzeitige Spannungs-, Strom- oder Leistungsanstiege
wesentlich schneller zu reagieren als dies im Stand der Technik möglich ist.
Durch den Referenzwert kann sehr genau eingestellt werden, wann
und wie viel Energie der HF-Anlage entnommen wird. Das Verfahren
bewirkt, dass die Anstiegsgeschwindigkeit von schnellen Überspannungen,
Strömen
oder Leistungen, wie sie beispielsweise beim Arcen in HF Plasma
Systemen häufig
auftreten, verlangsamt wird. Dadurch verlangsamt sich der Spannungs-,
Strom oder Leistungsanstieg an dem zu schützenden Bauelement bzw. der
zu schützenden
Baugruppe im HF-Pfad. Wenn der Referenzwert klein genug gewählt wird, können längere Totzeiten
akzeptiert werden oder Bauelemente mit kürzeren Avalanchzeitverhalten eingesetzt
werden. Totzeit ist dabei die Zeit, die zwischen dem Erkennen einer Überspannung und
dem Beginn des Energieentzugs vergeht. Das Verfahren kann so realisiert
werden, dass im Normalbetrieb der Hochfrequenzanregungsanordnung
nahezu keine Verluste verursacht werden, und die Eigenschaften des
HF-Pfades nicht verändert
werden.
-
Bei
einer Verfahrensvariante kann das Entziehen von Energie durch Abgreifen
eines HF-Signals an einer zweiten Stelle des HF-Pfads erfolgen, wobei
das abgegriffene HF-Signal in ein Gleichspannungssignal gewandelt
wird und dieses begrenzt oder verringert wird. Dies bewirkt, dass
im Normalbetrieb der HF-Pfad
nicht belastet wird. Das Erzeugen eines Gleichspannungssignals entspricht
einer Gleichrichtung des HF-Signals. Durch die Gleichrichtung können Störgrößen mit
hohen Frequenzanteilen (>100kHz)
stärker
bedämpft
werden, was einen zusätzlichen
Schutz der Bauelemente im HF-Pfad darstellt. Eine Spannungsbegrenzungsschaltung,
mit der das Verfahren durchgeführt
wird, kann langsamer reagieren. Dabei können die erste und zweite Stelle des
HF-Pfads, an denen ein HF-Signal abgegriffen wird, identisch sein.
Grundsätzlich
können
durch das Verfahren Bauelemente oder Baugruppen an beliebiger Stelle
im HF-Pfad geschützt
werden und können die
erste und zweite (Abgriffs)Stelle beliebig gewählt werden.
-
Aus
dem an der ersten Stelle abgegriffenen HF-Signal wird ein gleichgerichteter
Spitzenwert und/oder eine dazu proportionale Größe generiert. Durch die Spitzenwertgleichrichtung
kann eine Größe erzeugt
werden, die zu dem gemessenen Spitzenwert des HF-Signals proportional
ist. Durch die Spitzenwertgleichrichtung ist es möglich, einen
Vergleich mit einem Referenzwert durchzuführen.
-
Bei
einer Weiterbildung der Verfahrensvariante wird der Spitzenwert
und/oder die proportionale Größe mit dem
Referenzwert verglichen. Die aus der Spitzenwertgleichrichtung erhaltene
Größe kann
einfach mit einem Gleichspannungsreferenzsignal verglichen werden.
Durch diese Maßnahme
kann das Verfahren ex akt abgestimmt werden. Der Referenzwert, insbesondere
eine Referenzspannung kann für sehr
schnelle Änderungen
der HF-Signale im HF-Pfad
geringer gewählt
werden, als für
das zu schützende
Bauelement unbedingt notwendig, um die Totzeit auszugleichen bzw.
mit längeren
Totzeiten arbeiten zu können.
-
Vorzugsweise
wird das HF-Signal an der ersten Stelle in unmittelbarer Nähe eines
vor einer Spannung zu schützenden
Bauelements abgegriffen, da dies eine exakte Messung des HF-Signals
ermöglicht.
Dadurch wird ein optimaler Schutz des Bauelements erreicht ohne
die HF-Anregungsanordnung an diese Stelle zu belasten oder deren
Eigenschaften zu verändern.
-
Besonders
bevorzugt ist es, wenn Änderungen
des HF-Signals an der ersten Stelle mit einer Reaktionsgeschwindigkeit ≤ 100μs, vorzugsweise ≤ 10μs, besonders
bevorzugt ≤ 1μs erfasst
werden. Durch diese Maßnahme
kann die Totzeit gering gehalten werden, d.h. die Zeit die zwischen
dem Erkennen einer Überspannung
und einer Reaktion darauf, insbesondere dem Energieentzug, vergeht.
Die Totzeit muss geringer sein, als die Zeit in der das zu schützende Bauelement
zerstört
wird.
-
Die
Aufgabe wird außerdem
gelöst
durch eine Hochfrequenzanregungsanordnung mit den Merkmalen des
Anspruchs 5. Das Entziehen von Energie bewirkt, dass Spannung und/oder
Strom im HF-Pfad
verlangsamt ansteigen und einen geringeren Maximalwert erreicht.
Dadurch werden Bauelemente im HF-Pfad geschützt. Der HF-Pfad kann dabei
Recktanz-, Impedanz-, und Anpassungsnetzwerke umfassen. Insbesondere
enthält
der HF-Pfad alle Bauteile zwischen einem HF-Erzeuger des HF-Generators
und dem Lastanschluss der Hochfrequenzanregungsanordnung. Es sind
die unterschiedlichsten Ansteuerschaltungen denkbar. In einer besonders
einfachen Ausführungsform
kann die Ansteuerschaltung eine Zener-Diode sein, die mit dem HF-Pfad
und dem Energiewandler verbunden ist. Die Zener-Diode ist bis zu
einer bestimmten Spannung, der Referenzspannung, hochohmig. Bei Überschreiten
der Referenzspannung wird sie niederohmig. Damit ändert sich
das Verhalten des Energiewandlers. Dies bewirkt, dass dem HF-Pfad durch den Energiewandler,
insbesondere in Form von Wärme,
Energie entzogen wird, so dass die Spannung im HF-Pfad reduziert
wird und Bauelemente geschützt
werden.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Energiewandler eine aus dem HF-Signal eine Gleichspannung
erzeugende Gleichrichterschaltung. Eine solche Gleichrichterschaltung
belastet im Normalbetrieb den HF-Pfad nicht, wirkt aber bei kurzfristigen
Spitzenspannungserhöhungen
im HF-Pfad als Last und verlangsamt den Spannungsanstieg.
-
Vorteilhafterweise
umfasst die Gleichrichterschaltung eine Diode und einen mit Masse
verbundenen Kondensator. Somit wird die Gleichrichterschaltung auf
einfache Art und Weise mit wenigen Bauelementen realisiert.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Energiewandler ein Einstellglied. Mit einem Einstellglied
kann die Spannungsbegrenzungsschaltung optimal auf die Erfordernisse, die
sich aus dem HF-Pfad und dem zu schützenden Element ergeben, eingestellt
werden. Beispielsweise kann der Energieentzug so eingestellt werden,
dass nicht nur das zu schützende
Bauelement vor zu höher
Spannung geschützt
wird, sondern auch weiter zusätzlich
Energie entzogen wird, um Ladung aus dem zu schützenden Element zu entfernen.
Dies kann beispielsweise erfolgen, indem Energie länger entzogen
wird als der erfasste Spitzenwert über dem Referenzwert liegt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Länge des Zeitraums, während dem
Energie entzogen wird, vorgebbar ist. Alternativ kann die Spannung
am Bauelement stärker
abgesenkt werden und demzufolge mehr Energie entzogen werden als
notwendig wäre,
um die Spannung am Bauelement unter dem Grenzwert für die Zerstörung des
Bauelements zu halten.
-
Bei
einer besonders einfachen Ausführungsform
kann das Einstellglied als einstellbarer Widerstand ausgebildet
sein. Mit einem einstellbaren Widerstand kann in Abhängigkeit
von dem abgegriffenen HF-Signal eingestellt werden, wie viel Energie abgeführt wird.
Der einstellbare Widerstand kann als Transistor, insbesondere als
MOSFET, ausgebildet sein oder aus einer Kombination von Widerständen und
Transistoren bestehen. Im Widerstand wird elektrische Energie in
Wärme umgewandelt.
Dies stellt die einfachste Möglichkeit
dar, Energie aus der HF-Anregungsanordnung
abzuziehen. Alternativ könnte
die elektrische Energie in einen Stromversorgungskreis zurück geführt werden.
-
Die
Ansteuerschaltung umfasst ein Spitzenwerterfassungsglied, dessen
Ausgang mit einem den Energiewandler ansteuernden Vergleicher verbunden
ist. Durch das Spitzenwerterfassungsglied können Spannungsspitzen der HF-Signale
erfasst werden und für
einen Vergleich mit einem Referenzwert aufbereitet werden. Mit einem
Vergleicher kann eine Spannungsabsenkung im HF-Pfad bewirkt werden, die
größer ist,
als notwendig, um das Bauteil zu schützen. Insbesondere kann zu
diesem Zweck der Ausgang des Vergleichers auf seinen mit dem Spitzenwerterfassungsglied
verbundenen Eingang rück gekoppelt
werden. Eine solche Rückkopplung
kann aus einer Kombination von Widerständen und Kondensatoren bestehen.
Damit lässt
sich auf einfache Art und weise ein PID-Regler aufbauen.
-
Bei
einer bevorzugten Weiterbildung weist das Spitzenwerterfassungsglied
einen Spannungsteiler und einen nachgeschalteten Spitzenwertgleichrichter
auf. Der Spannungsteiler ist hochohrig und belastet daher den HF-Pfad
praktisch nicht. Der Spannungsteiler kann frequenzkompensiert sein,
um Spannungen mit hohen Frequenzen erfassen zu können. Außerdem können Spannungen über einen
großen
Frequenzbereich erfasst werden. Bei Überkompensation des Spannungsteilers
kann auf schnelle Ände rungen
der Störungen
besonders stark reagiert werden. Der Spitzenwertgleichrichter erzeugt
ein zum erfassten Spitzenwert proportionales Ausgangssignal, das
schnell auf Änderungen
des HF-Signals reagiert. Er hält
quasi die gemessene Spannung an ihrem höchsten Wert fest. Das daraus
resultierende Signal kann einfach mit einem Referenzwert verglichen
werden.
-
Wenn
mehrere Ansteuerschaltungen vorgesehen sind, können mehrere Bauelemente im HF-Pfad
gezielt geschützt
werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mehrere Spitzenwerterfassungsglieder
vorgesehen sind, wobei jedes Spitzenwerterfassungsglied bei je einem
zu schützenden Bauelement
mit dem HF-Pfad
verbunden ist und alle Spitzenwerterfassungsglieder mit dem Energiewandler
verbunden sind, der insbesondere aus einem Gleichrichter und einem
einstellbaren Widerstand besteht.
-
Bei
einer bevorzugten Weiterbildung sind den Ansteuerschaltungen Prioritäten zugeordnet. Dabei
kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerschaltung, die das empfindlichste
Bauelement überwacht,
Vorrang vor den übrigen
hat. Alternativ kann vorgesehen sein, dass diejenige Ansteuerschaltung, die
zuerst ein Überschreiten
eines Referenzwerts detektiert, den Vergleicher und damit den Energiewandler
am stärksten
beeinflusst. Die Spitzenwerterfassungsglieder können zu diesem Zweck über Dioden in
geeigneter Weise zusammen geschaltet sein.
-
Wenn
die Gleichrichterschaltung eine Spannungsverdopplerschaltung umfasst,
kann der Energiefluss in die Spannungsbegrenzungsschaltung reduziert
werden. Damit werden die Bauelemente des Gleichrichters und das
Einstellglied vor Überlastung geschützt.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
sind die Ausgänge
des Spitzenwerterfassungsglieds und/oder des Vergleichers mit einer Steuereinheit
verbunden. Somit können
die am Ausgang des Spitzenwerterfassungsglieds und am Ausgang des Vergleichers
anliegenden Signale von einer externen Steuereinheit verarbeitet
werden, um den HF-Generator auszuregeln, wenn die Störung länger andauert,
als die Spannungsbegrenzungsschaltung verträgt. Alternativ kann die Spannungsbegrenzungsschaltung
umso kleiner ausgelegt werden, je schneller die Steuereinheit auf
Störungen
bzw. die Signale an den Ausgängen
des Spitzenwerterfassungsglieds und des Vergleichers reagiert. Da
die Ausgangssignale sehr schnell generiert werden, liegt es nur
noch an der Geschwindigkeit der Steuereinheit, wie lange benötigt wird,
um die Leistung der HF-Anregungsanordnung zu reduzieren.
-
Zeichnung
-
Ein
Ausführungsbeispiel
ist in der schematischen Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung erläutert.
Es zeigt:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Hochfrequenzanregungsanordnung;
-
2 eine
Spannungsverdopplerschaltung.
-
Die
in der 1 gezeigte HF-Anlage 1 umfasst einen
HF-Generator 2,
ein Anpassungsnetzwerk 3 und eine als Plasmakammer ausgebildete Last 4.
Der HF-Generator 2 weist einen HF-Erzeuger 5 niedriger Leistung,
einen Treiber 6 und einen Leistungstransistor 7,
der hier als MOSFET ausgebildet ist, auf. Er weist ferner eine Gleichspannungsquelle 8 und
eine Drosselspule 9 auf. Die Anordnung bestehend aus HF-Erzeuger 5,
Treiber 6, Leistungstransistor 7, Gleichspannungsquelle 8,
Drosselspule 9 und internem Reaktanznetzwerk 10 stellt
einen HF-Verstärker, insbesondere
einen Klasse E Verstärker,
dar. Der HF-Generator 2 besitzt in der Regel einen festen Ausgangswiderstand,
der üblicherweise
bei 50 Ohm liegt. Die als Plasmakammer ausgebildete Last 4 hat je
nach Gasdruck und Zustand des Plasmas stark wechselnde Eingangswiderstände. Das
Anpassungsnetzwerk 3 passt den Lastwiderstand des Plasmas
dynamisch an den Ausgangswiderstand des HF-Generators 2 an.
Dies geschieht in der Regel durch Verändern von Induktivitäten und
Kapazitäten im
Anpassungsnetzwerk 3. Da dies zumeist mechanisch erfolgt,
beispielsweise durch Verdrehen von Kondensatorplatten, ist die Reaktionszeit
auf Laständerungen
im Bereich von ms bis hin zu Sekunden relativ langsam. Schnellere
Laständerungen
führen dementsprechend
zu Reflektionen, die ebenso wie Arcs in der Plasmakammer zu Überspannungen
in einem HF-Pfad
zwischen dem HF-Erzeuger 5 und einem Lastanschluss 11 führen können. An
einer ersten Stelle 12 des HF-Pfads ist ein Spitzenwerterfassungsglied 13 angeschlossen.
Das Spitzenwerterfassungsglied 13 greift ein HF-Signal,
insbesondere einen Spannungs- oder Stromimpuls an der Stelle 12 ab
und führt
es einem Spannungsteiler 14 zu, der an die erste Stelle 12 angeschlossen
ist, in diesem Fall an den Drain-Anschluss des Leistungstransistors 7. Der
Spannungsteiler 14 ist hochohmig, um den HF-Pfad an der
ersten Stelle 12 nicht zu beeinflussen und besteht aus
mehreren in Reihe geschalteten Widerständen R mit jeweils parallel
geschalteten Kondensatoren C. Mit einer solchen Anordnung lassen sich
Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenzen mit einer großen Bandbreite
erfassen. Die Kondensatoren C dienen der Kompensation der Eingangskapazität des nachgeschalteten
Komparators 15. Durch geeignete Wahl der Werte der Kondensatoren
C lässt
sich die Empfindlichkeit über
der Bandbreite verstellen. Der Komparator 15, die Diode 16 und
die Kombination von Widerstand 17 und Kondensator 18 bilden
einen Spitzenwertgleichrichter 19, dessen Ausgangssignal
sehr schnell, insbesondere mit Reaktionsgeschwindigkeiten < 1μs auf Änderungen
des HF-Signals an der ersten Stelle 12 reagiert. Dem Ausgangssignal
des Spitzenwertgleichrichters entspricht die Hüllkurve des HF-Signals. Eine
schnelle Reaktionszeit an dieser Stelle ist wichtig, da die empfindlichen
Bauteile, hier der Leistungstransistor 7, bei Überspannung
extrem schnell Schaden erleiden können. Der Ausgang 20 des
Spitzenwerterfassungsglieds 13 ist auf einen Eingang eines
Vergleichers 21 geschaltet. Auf den zweiten Eingang des Vergleichers 21 ist
eine von einer einstellbaren Spannungsquelle 22 gelieferte
einstellbare Referenzspannung geschaltet. Der Ausgang des Vergleichers 21 steuert
ein Einstellglied 23 an. Das Einstellglied 23 kann
ein einstellbarer Widerstand, insbesondere ein Transistor sein.
Vorteilhaft ist auch eine Kombination aus Widerständen und
Transistoren, da dann die Leistung auf mehrere Bauteile verteilt
werden kann.
-
Das
Einstellglied 23 ist im Ausführungsbeispiel bei einer ersten
Steuerspannung des Vergleichers 21 hochohmig und bei einer
zweiten Steuerspannung niederohmig. Im Normalfall ist das Ausgangssignal
des Spitzenwerterfassungsglieds 13 kleiner als die Referenzspannung.
Dann liegt am Ausgang des Vergleichers 21 die erste Steuerspannung
an. Überschreitet
das Ausgangssignal des Spitzenwerterfassungsglieds 13 die
Referenzspannung, so wechselt der Ausgang des Vergleichers 21 seine Spannung
von der ersten Steuerspannung zu der zweiten Steuerspannung. Dies
führt dazu,
dass das Einstellglied 23 von einem hochohmigen in einen
niederohmigen Zustand wechselt. Zwischen dem Ausgang des Vergleichers 21 und
dem mit dem Ausgang 20 des Spitzenwerterfassungsglieds 13 verbundenen Signaleingang
des Vergleichers 21 können
Widerstände
und Kondensatoren auf eine solche Weise geschaltet werden, dass
ein so genannter PID Regler ausgebildet wird.
-
Vom
Erkennen der Überspannung
an der Stelle 12 bis zur Reaktion am Einstellglied 23 vergeht eine
so genannte Totzeit. Diese Totzeit muss kleiner sein als die Zeit,
in der der Leistungstransistor 7 durch Überspannung zerstört wird.
Um dies sicher zu stellen, kann die Referenzspannung am Vergleicher 21 kleiner
gewählt
werden als das der maximal zulässigen
Spannung am Leistungstransistor entsprechende Spitzenwertmesssignal
(Ausgangssignal des Spitzenwerterfassungsglieds 13).
-
An
der zweiten Stelle 24 ist eine Gleichrichterschaltung 25,
umfassend eine Diode 26 und einen Kondensator 27,
mit dem HF-Pfad
verbunden. Liegt an dem Einstellglied 23 die erste Steuerspannung
an, ist dieses hochohmig, so dass sich der Kondensator 27 nicht
entladen kann. Die Diode 26 ist an der zweiten Stelle 24 mit
dem HF-Pfad verbunden. Der Kondensator 27 lädt sich
auf die gleichgerichtete Spitzenspannung der zweiten Stelle 24 auf.
Dabei ist der Kondensator 27 so gewählt (erste Bedingung), dass der
HF-Pfad möglichst
nicht belastet wird, wenn die Leistung vom HF-Generator 2 hoch
geregelt wird, also die Spitzenspannung an der zweiten Stelle 24 langsam
steigt. Die Regelung der Leistung erfolgt mit Zeitkonstanten > 1 ms. Fällt die
Spitzenspannung an der zweiten Stelle 24, so bleibt die
Spannung an dem Kondensator 27 erhalten. Wird durch das
Spitzenwerterfassungsglied 13 und den Vergleicher 21 eine Spitzenspannungserhöhung an
der ersten Stelle 12 erkannt, wird das Einstellglied 23 niederohmig.
Dadurch wird der Kondensator 27 entladen. Der Kondensator 27 ist
dabei so dimensioniert (zweite Bedingung), dass für kurzzeitige
Spitzenspannungserhöhungen
im Bereich von wenigen μs
oder darunter an der zweiten Stelle 24 die Gleichrichterschaltung 25 als
Last wirkt und den Spannungsanstieg an der zweiten und damit auch
an der ersten Stelle 24, 12 verlangsamt. Die Gleichrichterschaltung
und das Einstellglied 23 stellen dabei einen Energiewandler
dar, der der Hochfrequenzanregungsanordnung Energie entzieht.
-
Zur
Bestimmung der Kapazitätswertes C_load
des Kondensators 27 wird der Blindwiderstand der Kapazität bestimmt:
Z
= 1/(jωC)
= 1/(j2πfC).
Das bedeutet, dass zur Erfüllung
der ersten Bedingung die Kapazität
nicht zu groß gewählt werden
darf. Die Regelung der Leistung erfolgt mit Anstiegsgeschwindigkeiten
die einer Frequenz von 200Hz und darunter entsprechen. Wenn man
die obere Grenze für
die Kapazität
C_load zu C_loadmax = 1μF legt, so beträgt Zmin bei fmax = 200Hz ungefähr 1kQ.
Liegt die zweite Stelle 24 im HF-Pfad an einer Stelle,
in der die Impedanz bei l0Ω liegt,
so wäre
Zmin um den Faktor 100 größer und
würde die HF-Leistungsregelung
nur unwesentlich belasten. Fällt
die Spitzenspannung an der zweiten Stelle 24, so bleibt
die Spannung an dem Kondensator 27 erhalten. Es findet
dann kein Ladungstransport statt. Der HF-Pfad wird nicht belastet.
-
Zur
Erfüllung
der zweiten Bedingung muss ein Minimalwert für C_load festgelegt werden.
Besonders empfindlich reagieren Bauteile im HF-Pfad bei Störungen mit
Anstiegsgeschwindigkeiten, die einer Grenzfrequenz von über 100kHz
entsprechen. Es wird beispielsweise davon ausgegangen, dass die zweite
Stelle 24 im HF Pfad an einer Stelle liegt, in der die
Impedanz 10Ω beträgt. Weiterhin
wird beispielsweise vorausgesetzt, dass bei fmin =
100kHz die Impedanz des Kondensators 27 maximal Zmax = 50Ω betagen
soll. Damit ergibt sich ein minimaler Wert von C_load von ca 30nF.
Bei diesem Zahlenbeispiel ergibt sich also ein Wert für C_load
im Bereich 30nF-1μF.
-
Dies
bedeutet, dass die Spannungsbegrenzungsschaltung umfassend das Spitzenwerterfassungsglied 13,
den Vergleicher 21, das Einstellglied 23 und die
Gleichrichterschaltung 25 durch ihren vorgelagerten Abgriffpunkt
an der zweiten Stelle 24 mit der nachgeschalteten Gleichrichterschaltung 25 dafür sorgt,
dass die Anstiegsgeschwindigkeit von schnellen Spannungsimpulsen
(kleiner wenige μs), wie
sie bei HF Plasma Systemen häufig
beim Arcen auftauchen, an der ersten Stelle 12 verlangsamt,
indem es Energie abzieht. Damit verlangsamt sich dann auch der Spannungsanstieg
am Leistungstransistor 7 und es wird eine geringere Amplitude
der HF-Spannung erreicht.
-
Der
Ort des Abgriffpunkts der zweiten Stelle 24 kann innerhalb
des HF-Pfads günstig
gewählt werden.
Innerhalb des internen Reaktanznetzwerks 10 wird der Innenwiderstand ähnlich wie
in dem Anpassungsnetzwerk 3 transformiert. Damit ergeben sich
innerhalb des internen Reaktanznetzwerks 10 unterschiedliche
Werte für
den Innenwiderstand und damit für
die Spitzenspannung über
den HF-Pfad. Die zweite Stelle 24 kann wie im Beispiel
oben an einer Stelle gewählt
werden, an der der Innenwiderstand des HF-Pfades 10Ω beträgt, aber
auch an einer beliebigen anderen Stelle. Dabei können die maximal zulässige Spitzenspannung
an der Diode 26 und der maximal zulässige Spitzenstrom durch die Diode 26 sowie
die maximal zulässige
Spannung an dem Kondensator 27 und dem Einstellglied 23 berücksichtigt
werden.
-
Die
HF-Anlage 1 arbeitet bei einer Frequenz von 13,56 MHz.
Es sind jedoch auch höhere
Frequenzen, wie z.B. 27 MHz, denkbar. Die Leistung kann im Bereich
zwischen wenigen Watt bis hin zu einigen kW eingestellt werden.
Die erfindungsgemäße Spannungsbegrenzungsschaltung
ist aber auch bei HF-Anlagen 1 mit weitaus höheren Frequenzen
und weitaus größeren Leistungen
einsetzbar.
-
In
der 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Gleichrichterschaltung 30 dargestellt.
Zwischen der Diode 26 und der zweiten Stelle 24 ist
ein Kondensator 31 geschaltet und von der Anode der Diode 26 zu
Masse ist eine weitere Diode 32 geschaltet, wobei ihre
Anode mit Masse verbunden ist. Eine solche Schaltungsanordnung wirkt
als Spannungsverdoppler. Der Kondensator 31 begrenzt den
Energiefluss in die Spannungsbegrenzungsschaltung und sorgt für eine DC-Abkopplung.
Mit einer solchen Schaltung kann die Diode 26 und das Einstellglied 23 vor Überlastung
durch zu großen
Strom geschützt werden.