DE102017206132B3

DE102017206132B3 - A method for generating a high frequency power with a predetermined frequency and power converter

Info

Publication number: DE102017206132B3
Application number: DE102017206132.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Winterhalter; Christoph Hofstetter; Christian Bock; Florian Maier
Original assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2037-04-11
Also published as: WO2018188946A1

Abstract

Ein Verfahren zur Erzeugung einer Hochfrequenzleistung, mit einer vorgegebenen Frequenz, insbesondere zwischen 3 und 180 MHz, die einer Plasmalast (49) zuführbar ist, umfasst die Verfahrensschritte:
a. Erzeugen eines Analogsignals durch Zuführen von digitalen, eine Frequenzinformation enthaltenden Daten von einer Logikschaltung (22) an einen ersten Digital-Analog Wandler (DAC) (29-32);
b. Erzeugen eines analogen Amplitudenwerts durch Zuführen von digitalen Daten an einen zweiten DAC (41);
c. Multiplizieren des Analogsignals mit dem Amplitudenwert durch einen analogen Multiplizierer (37-39) zur Erzeugung eines amplitudenmodulierten Ausgangssignals;
d. Zuführen des amplitudenmodulierten Ausgangssignals an einen ersten Verstärker(42, 43) zur Erzeugung der Hochfrequenzleistung bei der vorgegebenen Frequenz.

A method for generating a high-frequency power, with a predetermined frequency, in particular between 3 and 180 MHz, which can be supplied to a plasma load (49), comprises the method steps:
a. Generating an analog signal by supplying digital frequency information-containing data from a logic circuit (22) to a first digital-to-analog converter (DAC) (29-32);
b. Generating an analog amplitude value by supplying digital data to a second DAC (41);
c. Multiplying the analog signal by the amplitude value by an analog multiplier (37-39) to produce an amplitude modulated output signal;
d. Supplying the amplitude modulated output signal to a first amplifier (42, 43) for generating the high frequency power at the predetermined frequency.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Hochfrequenzleistung mit einer vorgegebenen Frequenz, insbesondere zwischen 3 und 180 MHz, die einer Plasmalast zuführbar ist.The invention relates to a method for generating a high-frequency power with a predetermined frequency, in particular between 3 and 180 MHz, which can be supplied to a plasma load.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen Leistungswandler, der zur Versorgung einer Plasmalast mit einer amplitudenmodulierten Hochfrequenzleistung einer vorgegebenen Frequenz, insbesondere zwischen 3 und 180 MHz, mit der Plasmalast verbindbar ist.Furthermore, the invention relates to a power converter which can be connected to the plasma load for supplying a plasma load with an amplitude-modulated high-frequency power of a predetermined frequency, in particular between 3 and 180 MHz.

Leistungsversorgungssysteme, insbesondere Systeme, die Leistung bei Frequenzen größer 1 MHz erzeugen, werden beispielsweise zur Laseranregung, in Plasmabeschichtungsanlagen oder auch für Induktionsanwendungen verwendet. In derartigen Leistungsversorgungssystemen werden häufig mehrere Verstärker verwendet, um daraus eine Gesamtleistung des Leistungsversorgungssystems zu erzeugen. Die von den einzelnen Verstärkern erzeugten Leistungssignale sind häufig nicht phasensynchron. Auch können Leistungssignale unterschiedliche Amplituden aufweisen. Die Ausgangsleistungen der einzelnen Verstärker, d.h. Leistungssignale, müssen häufig zu einer Gesamtleistung kombiniert werden, zum Beispiel mittels Kombinierern oder direkt an einer Last, zum Beispiel einer Plasmaelektrode oder einer Gaslaserelektrode. Zum Kombinieren der Ausgangsleistungen sind häufig feste Phasenbeziehungen der Ausgangsleistungen erforderlich. Außerdem sollte die Ausgangsleistung der Verstärker bezüglich ihrer Amplitude zueinander abgestimmt werden.Power supply systems, in particular systems that generate power at frequencies greater than 1 MHz, are used for example for laser excitation, in plasma coating systems or for induction applications. In such power supply systems, multiple amplifiers are often used to generate a total power from the power supply system. The power signals generated by the individual amplifiers are often not phase synchronous. Also, power signals may have different amplitudes. The output powers of the individual amplifiers, i. Power signals often need to be combined into a total power, for example, by combiners or directly on a load, for example a plasma electrode or a gas laser electrode. For combining the output powers, fixed phase relationships of the output powers are often required. In addition, the output power of the amplifiers should be matched in amplitude to each other.

Bei einem Verfahren zur Erzeugung eine Hochfrequenzleistung die einer Last zuführbar ist, indem ein Analogsignal durch einen DAC (Digital-Analog-Wandler) erzeugt und in einem Verstärkerpfad verstärkt wird, kann die Amplitude des Analogsignals moduliert werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2012 223 662 A1 bekannt. Diese Art der Amplitudeneinstellung ist jedoch häufig zu langsam für die Anwendung in VHF Applikationen.In a method for generating a high-frequency power that can be supplied to a load by generating an analog signal through a DAC (Digital-to-Analog Converter) and amplifying it in an amplifier path, the amplitude of the analog signal can be modulated. Such a method is for example from the DE 10 2012 223 662 A1 known. However, this type of amplitude adjustment is often too slow for use in VHF applications.

Die DE 10 2011 055 624 A1 offenbart ein System, umfassend eine HF-Einrichtung, eine HF-Zündkerze oder dergleichen HF-Plasmaanwendung, sowie eine HF-Signaleinkoppelungsvorrichtung zum Betrieb der HF-Einrichtung. Das HF-System weist einen Oszillator zur Erzeugung eines HF-Signals zum Betrieb der HF-Einrichtung auf. Das System zeichnet sich durch Mittel zur Erzeugung eines zum Anpassungsgrad der HF-Einrichtung proportionalen Spannungssignals auf der Grundlage des durch den Oszillator erzeugten HF-Signals von eines von der HF-Einrichtung reflektierten Signals aus.The DE 10 2011 055 624 A1 discloses a system comprising an RF device, an RF spark plug or the like RF plasma application, and an RF signal injection device for operating the RF device. The RF system includes an oscillator for generating an RF signal for operating the RF device. The system is characterized by means for generating a voltage signal proportional to the degree of adaptation of the RF device based on the RF signal generated by the oscillator from a signal reflected from the RF device.

Die EP 1 783 904 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln der Ausgangsleistung einer HF-Plasmaversorgungseinrichtung, umfassend die Verfahrensschritte:

a) Erzeugen zumindest eines ersten und eines zweiten HF-Leistungssignals mittels jeweils eines HF-Generators;
b) Kopplung zumindest zweier HF-Leistungssignale in Abhängigkeit der Phasenlage und/oder der Pegel der HF-Leistungssignale zu einer gekoppelten HF-Leistung;
c) Aufteilen der gekoppelten HF-Leistung auf eine einer Plasmalast zuzuführende Plasmaleistung und eine einer Ausgleichslast zuzuführenden Ausgleichsleistung;
d) Steuerung und/oder Regelung der Pegel und/oder der Phasenlage der HF-Leistungssignale derart, dass für Plasmaleistungen im Bereich zwischen einer vorgegebenen unteren Leistungsgrenze und einer vorgegebenen Nennleistung ein unwesentlicher Teil der gekoppelten HF-Leistung die Ausgleichsleistung darstellt und für Plasmaleistungen unterhalb der vorgegebenen unteren Leistungsgrenze ein wesentlicher Teil der gekoppelten HF-Leistung die Ausgleichsleistung darstellt.

The EP 1 783 904 A1 discloses a method for controlling and / or regulating the output power of an RF plasma supply device, comprising the method steps:

a) generating at least a first and a second RF power signal by means of a respective RF generator;
b) coupling at least two RF power signals as a function of the phase position and / or the level of the RF power signals to a coupled RF power;
c) dividing the coupled RF power to a plasma power to be supplied to a plasma load and a balancing power to be supplied to a balancing load;
d) control and / or regulation of the levels and / or the phase position of the RF power signals such that for plasma power in the range between a predetermined lower power limit and a predetermined nominal power an insignificant part of the coupled RF power represents the balancing power and for plasma power below the predetermined lower power limit represents a substantial part of the coupled RF power balancing power.

Die EP 1 976 347 A2 offenbart eine Plasmabearbeitungsvorrichtung, die einen HF-Generator umfasst, der in der Lage ist, einen Zielausgangsleistungspegel basierend auf dem eingestellten Leistungspegel und dem Offsetpegel einzustellen, um eine Hochfrequenzleistung auszugeben. Weiterhin umfasst die Plasmabearbeitungsvorrichtung eine Kammer, in der ein Plasmaprozess durchgeführt wird und eine Leistungsdetektionseinheit zum Messen des HF-Leistungspegels, der einer Anpassungseinheit zugeführt wird.The EP 1 976 347 A2 discloses a plasma processing apparatus including an RF generator capable of setting a target output power level based on the set power level and the offset level to output a high-frequency power. Furthermore, the plasma processing apparatus includes a chamber in which a plasma process is performed and a power detection unit for measuring the RF power level supplied to a matching unit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und einen Leistungswandler bereit zu stellen, mit denen eine schnellere Amplitudeneinstellung erfolgen kann.The object of the present invention is to provide a method and a power converter with which a faster amplitude adjustment can take place.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erzeugung einer Hochfrequenzleistung mit einer vorgegebenen Frequenz, insbesondere zwischen 3 und 180 MHz, die einer Plasmalast zuführbar ist, mit den Verfahrensschritten:

a. Erzeugen eines Analogsignals durch Zuführen von digitalen, eine Frequenzinformation enthaltenden Daten von einer Logikschaltung an einen ersten Digital-Analog-Wandler (DAC);
b. Erzeugen eines analogen Amplitudenwerts durch Zuführen von digitalen Daten an einen zweiten DAC;
c. Multiplizieren des Analogsignals mit dem Amplitudenwert durch einen analogen Multiplizierer zur Erzeugung eines amplitudenmodulierten Ausgangssignals;
d. Zuführen des amplitudenmodulierten Ausgangssignals an einen ersten Verstärker zur Erzeugung der Hochfrequenzleistung bei der vorgegebenen Frequenz.

This object is achieved according to the invention by a method for generating a high-frequency power with a predetermined frequency, in particular between 3 and 180 MHz, which can be supplied to a plasma load, with the method steps:

a. Generating an analog signal by supplying digital frequency information-containing data from a logic circuit to a first digital-to-analog converter (DAC);
b. Generating an analog amplitude value by supplying digital data to a second DAC;
c. Multiplying the analog signal by the amplitude value by an analog multiplier to produce an amplitude modulated output signal;
d. Supplying the amplitude modulated output signal to a first amplifier for generating the high frequency power at the predetermined frequency.

Durch den ersten DAC kann ein Analogsignal erzeugt werden und dadurch der Leistungsbereich bzw. eine Skalierung eingestellt werden. Dieses Analogsignal wird durch den Multiplizierer mit dem analogen Amplitudenwert des zweiten DAC multipliziert. Dadurch entsteht am Ausgang des Multiplizierers ein VHF Signal mit veränderbarer Amplitudenform (Hüllkurve), die dem Amplitudenwert des zweiten DAC entspricht. Der zweite DAC kann sehr schnell über eine parallele Schnittstelle beschrieben werden. Dadurch sind extrem schnelle Änderungen der Hüllkurve möglich.An analog signal can be generated by the first DAC, thereby setting the power range or scaling. This analog signal is multiplied by the multiplier with the analog amplitude value of the second DAC. This results in the output of the multiplier a VHF signal with variable amplitude shape (envelope), which corresponds to the amplitude value of the second DAC. The second DAC can be described very quickly via a parallel interface. As a result, extremely fast changes of the envelope are possible.

Das Analogsignal kann gefiltert werden, je nachdem wie es dem Multiplizierer zugeführt wird. Insbesondere kann das Analogsignal tiefpassgefiltert werden. Dadurch können Oberwellen reduziert werden.The analog signal can be filtered, depending on how it is fed to the multiplier. In particular, the analog signal can be low-pass filtered. As a result, harmonics can be reduced.

Das Ausgangssignal des ersten Verstärkers kann einem oder mehreren weiteren Verstärkern zur Erzeugung einer weiter erhöhten Hochfrequenzleistung bei der vorgegebenen Frequenz zugeführt werden. Das Ausgangssignal des ersten Verstärkers kann in mehrere Signale gesplittet werden und mehreren parallel geschalteten weiteren Verstärkern zugeführt werden, deren Ausgangssignale dann wieder kombiniert werden können. So können noch größere Leistungen mit einer schnellen Amplitudenmodulation erzeugt werden.The output signal of the first amplifier can be supplied to one or more further amplifiers for generating a further increased high-frequency power at the predetermined frequency. The output signal of the first amplifier can be split into a plurality of signals and fed to a plurality of further amplifiers connected in parallel, the output signals of which can then be recombined. Thus, even larger power can be generated with a fast amplitude modulation.

Das Analogsignal kann mit einer vorgegebenen Amplitude und Phasenlage erzeugt werden. Durch den ersten DAC kann somit ein Analogsignal mit einer vorgegebenen Frequenz, Phase und festen Amplitude erzeugt werden. Mit der Amplitudeneinstellung des Signals des ersten DAC kann eine Kalibrierung erfolgen und der Leistungsbereich/Skalierung eingestellt werden, so dass die Auflösung des zweiten DAC's voll ausgenutzt werden kann.The analog signal can be generated with a predetermined amplitude and phase angle. The first DAC can thus generate an analog signal with a given frequency, phase and fixed amplitude. With the amplitude adjustment of the signal of the first DAC, a calibration can be made and the power range / scaling adjusted so that the resolution of the second DAC can be fully utilized.

Mehrere Analogsignale können erzeugt und mit einem analogen Amplitudenwert multipliziert werden. Die Ausgänge der Multiplizierer können in unterschiedlichen Verstärkern verstärkt werden. Dabei können mehrere Analogsignale mit denselben analogen Amplitudenwerten oder mit unterschiedlichen analogen Amplitudenwerten multipliziert werden. Somit können mehrere parallele Verstärkerstufen realisiert werden. Die Ausgänge der Verstärkerstufen können unterschiedlichen Lasten zugeführt werden oder sie können beispielsweise durch einen Kombinierer zu einer höheren Gesamtleistung kombiniert werden.Several analog signals can be generated and multiplied by an analog amplitude value. The outputs of the multipliers can be amplified in different amplifiers. In this case, several analog signals can be multiplied by the same analog amplitude values or by different analog amplitude values. Thus, multiple parallel amplifier stages can be realized. The outputs of the amplifier stages can be supplied to different loads or they can be combined, for example, by a combiner to a higher overall performance.

In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Leistungswandler, der zur Versorgung einer Plasmalast mit einer amplitudenmodulierten Hochfrequenzleistung einer vorgegebenen Frequenz, insbesondere zwischen 3 und 180 MHz, mit der Plasmalast verbindbar ist, wobei der Leistungswandler aufweist:

einen ersten Verstärker;
einen ersten und einen zweiten Digital-Analog-Wandler (DAC);
eine Logikschaltung;
wobei die Logikschaltung dem ersten und dem zweiten DAC digitale Daten derart zuführt, dass der erste DAC aus diesen Daten ein Analogsignal mit der vorgegebenen Frequenz erzeugen kann, und der zweite DAC einen analogen Amplitudenwert erzeugen kann, und wobei weiter ein Multiplizierer vorgesehen ist, der das Analogsignal mit dem Amplitudenwert multiplizieren kann, wobei das amplitudenmodulierte Ausgangssignal dem Verstärker zuführbar ist, so dass dieser die amplitudenmodulierte Hochfrequenzleistung bei der vorgegebenen Frequenz erzeugen kann.

The scope of the invention also includes a power converter which can be connected to the plasma load for supplying a plasma load with an amplitude-modulated high-frequency power of a predetermined frequency, in particular between 3 and 180 MHz, the power converter comprising:

a first amplifier;
a first and a second digital-to-analog converter (DAC);
a logic circuit;
wherein the logic circuit supplies digital data to the first and second DACs such that the first DAC can generate from the data an analog signal having the predetermined frequency, and the second DAC can generate an analog amplitude value, and further comprising a multiplier comprising the Multiplying analog signal with the amplitude value, wherein the amplitude modulated output signal is supplied to the amplifier, so that it can generate the amplitude-modulated high-frequency power at the predetermined frequency.

Auf diese Art und Weise können Leistungen im Bereich von 100 Watt bis 100 Kilowatt erzeugt werden. Zudem kann die Amplitude des amplitudenmodulierten Hochfrequenzleistungssignals sehr schnell über den zweiten DAC verändert werden.In this way, power in the range of 100 watts to 100 kilowatts can be generated. In addition, the amplitude of the amplitude-modulated high-frequency power signal can be changed very quickly via the second DAC.

Es können ein oder mehrere weitere Verstärker vorgesehen sein. Dabei kann das Ausgangssignal des ersten Verstärkers zur Erzeugung einer weiter erhöhten Hochfrequenzleistung bei der vorgegebenen Frequenz diesem oder den weiteren Verstärkern zuführbar sein. Es kann weiter ein Splitter vorgesehen sein, um das Ausgangssignal des ersten Verstärkers in mehrere Signale zu splitten und mehreren parallel geschalteten weiteren Verstärkern zuzuführen, deren Ausgangssignale dann wieder kombiniert werden können. Dazu kann ein Kombinierer vorgesehen sein. So können noch größere Leistungen mit einer schnellen Amplitudenmodulation erzeugt werden.One or more further amplifiers may be provided. In this case, the output signal of the first amplifier for generating a further increased high-frequency power at the predetermined frequency this or the other amplifiers be fed. A splitter may further be provided in order to split the output signal of the first amplifier into a plurality of signals and to supply a plurality of further amplifiers connected in parallel, the output signals of which can then be recombined. For this purpose, a combiner can be provided. Thus, even larger power can be generated with a fast amplitude modulation.

Nach dem ersten DAC, insbesondere zwischen dem ersten DAC und dem Multiplizierer bzw. Verstärker, kann ein Filter, insbesondere Tiefpassfilter, zur Filterung des Analogsignals angeordnet sein. Dadurch kann ein besonders oberwellenarmes Signal am Eingang des Multiplizierer eingegeben werden. Dies steigert die Effizienz des Gesamtsystems.After the first DAC, in particular between the first DAC and the multiplier or amplifier, a filter, in particular a low-pass filter, can be arranged for filtering the analog signal. As a result, a particularly low-harmonic signal at the input of the multiplier can be entered. This increases the efficiency of the overall system.

Der zweite DAC kann an eine erste, insbesondere parallele, Schnittstelle der Logikschaltung angeschlossen sein. Dadurch ist es möglich, den zweiten DAC sehr schnell mit sich ändernden digitalen Daten zu versorgen und damit eine Änderung des Amplitudenwerts herbeizuführen.The second DAC can be connected to a first, in particular parallel, interface of the logic circuit be connected. This makes it possible to supply the second DAC very quickly with changing digital data and thus bring about a change in the amplitude value.

Der erste DAC kann an eine zweite, insbesondere serielle, Schnittstelle der Logikschaltung angeschlossen sein. Somit können dem ersten DAC von der Logikschaltung seriell Daten zugeführt werden, die die Amplitude, Frequenz und Phase des zu erzeugenden Analogsignals beschreiben.The first DAC may be connected to a second, in particular serial, interface of the logic circuit. Thus, data may be supplied serially to the first DAC from the logic circuit to describe the amplitude, frequency and phase of the analog signal to be generated.

Insbesondere kann der erste DAC über einen Datenbus, insbesondere SPI-Bus, mit der Logikschaltung verbunden sein.In particular, the first DAC can be connected to the logic circuit via a data bus, in particular SPI bus.

Die Logikschaltung kann mit dem Multiplizierer verbunden sein. Dadurch kann dem Multiplizierer ein Freigabesignal zugeführt werden. Es können somit die Zeitpunkte, zu denen der Amplitudenwert mit dem Analogsignal multipliziert wird, festgelegt werden. Parallele Verstärkerpfade, die jeweils einen Multiplizierer aufweisen, können so deaktiviert werden.The logic circuit may be connected to the multiplier. As a result, an enable signal can be supplied to the multiplier. Thus, the times at which the amplitude value is multiplied by the analog signal can be determined. Parallel amplifier paths, each having a multiplier, can thus be deactivated.

Der erste DAC kann in einer Logikschalteinheit angeordnet sein, die einen Amplitudendatenspeicher aufweist. Somit ist es auch möglich, ein Analogsignal dadurch zu generieren, dass ein Amplitudenwert aus dem Amplitudendatenspeicher ausgelesen wird und anhand dieses Amplitudenwerts ein Analogsignal generiert wird. Dies kann für spezielle Anwendungsfälle vorteilhaft sein, wenn eine langsamere Änderung des Analogsignals gewünscht oder erforderlich ist.The first DAC may be arranged in a logic switching unit having an amplitude data memory. Thus, it is also possible to generate an analog signal in that an amplitude value is read from the amplitude data memory and an analog signal is generated on the basis of this amplitude value. This may be advantageous for special applications where a slower change in the analog signal is desired or required.

Es kann eine Messeinrichtung zur Erfassung eines Analogsignals vorgesehen sein. Dies kann insbesondere der Synchroniserung der Messung dienen. Die Messung kann mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) erfolgen, der eine niedrigere Abtastrate als die doppelte Frequenz der vorgegebenen Frequenz aufweist. Das hat den Vorteil, dass auch mit einer synchronen oder asynchronen Abtastrate kleiner der doppelten Frequenz der vorgegebenen Frequenz abgetastet werden kann. Das Analogsignal für die Messung kann dazu auf eine gewünschte sich von der vorgegebenen Frequenz unterscheidende Frequenz eingestellt werden.It may be provided a measuring device for detecting an analog signal. This can serve in particular the synchronization of the measurement. The measurement can be done with an analog-to-digital converter (ADC), which has a lower sampling rate than twice the frequency of the given frequency. This has the advantage that even with a synchronous or asynchronous sampling rate less than twice the frequency of the given frequency can be sampled. The analog signal for the measurement can be set to a desired frequency different from the given frequency.

Der zweite DAC kann außerhalb der Logikschaltung und außerhalb der Logikschalteinheit angeordnet sein. Durch das Vorsehen eines separaten, externen DACs außerhalb der Logikschaltung kann ein sehr schneller und kostengünstiger DAC eingesetzt werden. Die Logikschalteinheit kann in der Logikschaltung angeordnet sein.The second DAC may be located outside the logic circuit and outside the logic switch unit. By providing a separate, external DAC outside the logic circuit, a very fast and inexpensive DAC can be used. The logic switching unit may be arranged in the logic circuit.

Es können mehrere Verstärkerpfade vorgesehen sein, die jeweils einen ersten DAC, Multiplizierer und Verstärker aufweisen. Somit können in parallelen Verstärkerpfaden jeweils relativ geringe Leistungen erzeugt werden, die anschließend zu einer Gesamtleistung zusammengeführt werden können. Für die einzelnen Verstärkerpfade können wegen der relativ geringen erzeugten Leistungen kostengünstige Bauelemente eingesetzt werden.Several amplifier paths may be provided, each having a first DAC, multiplier and amplifier. Thus, in parallel amplifier paths each relatively low power can be generated, which can then be combined to form a total power. For the individual amplifier paths inexpensive components can be used because of the relatively low power generated.

Dem Verstärker kann eine Messeinrichtung nachgeordnet sein, zur Bestimmung von Amplitude und/oder Phase der amplitudenmodulierten Hochfrequenzleistung, wobei die Messeinrichtung mit der Logikschaltung verbunden ist. Anhand der gemessenen Amplitude und/oder Phase können neue digitale Werte sowohl für den ersten DAC als auch für den zweiten DAC generiert werden. Insbesondere kann das digitale Signal für den ersten DAC geändert werden, um Phase und Amplitude des durch den ersten DAC generierten Analogsignals anhand der Messwerte zu korrigieren.The amplifier may be followed by a measuring device for determining the amplitude and / or phase of the amplitude-modulated high-frequency power, wherein the measuring device is connected to the logic circuit. Based on the measured amplitude and / or phase, new digital values can be generated for both the first DAC and the second DAC. In particular, the digital signal for the first DAC may be changed to correct the phase and amplitude of the analog signal generated by the first DAC based on the measurements.

In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Leistungsversorgungssystem mit einem erfindungsgemäßen Leistungswandler, wobei eine Systemsteuerung vorgesehen ist, die mit der Logikschaltung verbunden ist. Die Systemsteuerung kann die Logikschaltung beeinflussen. Die Systemsteuerung ist insbesondere ausgelegt zur Konfiguration und zur Bedienung der Schnittstellen zu externen Geräten. Vorzugsweise findet die komplette Regelung in der Logikschaltung statt.The scope of the invention also includes a power supply system with a power converter according to the invention, wherein a system control is provided which is connected to the logic circuit. The system controller may affect the logic circuitry. The system control is especially designed to configure and operate the interfaces to external devices. Preferably, the complete control takes place in the logic circuit.

Die erzeugte Gesamtleistung und/oder eine von einer Last, insbesondere Plasmalast, reflektierte Leistung kann erfasst und einer übergeordneten Steuerung und/oder der Logikschaltung zugeführt werden. Auf diese Art und Weise kann die Ausgangsleistung des Leistungswandlers gesteuert oder geregelt werden.The total power generated and / or a power reflected by a load, in particular plasma load, can be detected and supplied to a higher-level control and / or the logic circuit. In this way, the output power of the power converter can be controlled or regulated.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment of the invention, with reference to the figures of the drawing, the invention essential details show, and from the claims. The individual features may be realized individually for themselves or for a plurality of combinations in a variant of the invention.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend mit Bezugs- und Figurenbezeichnungen näher erläutert.A preferred embodiment of the invention is illustrated in the drawing and is explained in more detail below with reference and figure designations.

Es zeigen:

1 in stark schematisierter Darstellung ein Plasmasystem mit einem Leistungsversorgungssystem;
2 in einer Blockdarstellung ein Leistungsversorgungssystem;
3 Ein Flussdiagramm der Verfahrensschritte zur Erzeugung der Hochfrequenzleistung.

Show it:

1 in a highly schematic representation of a plasma system with a power supply system;
2 in a block diagram, a power supply system;
3 A flowchart of the method steps for generating the high frequency power.

Die 1 zeigt ein Plasmasystem 1, welches ein Leistungsversorgungssystem 2 umfasst. Das Leistungsversorgungssystem 2 weist wiederum einen Leistungswandler 3 auf, der an ein Spannungsversorgungsnetz 4 angeschlossen sein kann. Die am Ausgang des Leistungswandlers 3 erzeugte Leistung wird über ein Impedanzanpassungsnetzwerk 5 an eine Plasmalast 6 gegeben. Mit Hilfe des Plasmas kann eine Plasmabearbeitung in einer Plasmakammer durchgeführt werden. Insbesondere kann ein Werkstück geätzt werden oder kann eine Materialschicht auf ein Substrat aufgebracht werden.The 1 shows a plasma system 1 which is a power supply system 2 includes. The power supply system 2 again has a power converter 3 on, connected to a power supply network 4 can be connected. The at the output of the power converter 3 Power generated is via an impedance matching network 5 to a plasmalast 6 given. With the help of the plasma, a plasma treatment can be carried out in a plasma chamber. In particular, a workpiece can be etched or a layer of material can be applied to a substrate.

Die 2 zeigt in stark schematisierter Darstellung ein Leistungsversorgungssystem 20. Das Leistungsversorgungssystem 20 umfasst einen Leistungswandler 21. Der Leistungswandler 21 weist eine Logikschaltung 22 auf, die eine Schnittstelle 23 aufweist, die insbesondere eine serielle Schnittstelle sein kann. Die Schnittstelle 23 ist über einen Datenbus 24, der als SPI-Bus ausgebildet sein kann, mit Logikschalteinheiten 25 bis 28 verbunden. Die Logikschalteinheiten 25 bis 28 weisen Digital-Analog-Wandler DACs 29 bis 32 auf. Die Ausgänge der Logikschalteinheiten 25 bis 28 führen jeweils zu einem Filter 33 bis 36. Durch die DACs 29 bis 32 können aus digitalen Daten, die über den Datenbus 24 von der Logikschaltung 22 übertragen werden, Analogsignale generiert werden, wobei die Amplitude, Frequenz und Phase der generierten Analogsignale durch die digitalen Daten bestimmt werden. Die Ausgänge der Filter 33 bis 35 führen zu Multiplizierern 37, 38.The 2 shows in a highly schematic representation of a power supply system 20 , The power supply system 20 includes a power converter 21 , The power converter 21 has a logic circuit 22 which is an interface 23 has, which may be in particular a serial interface. the interface 23 is via a data bus 24 , which may be formed as SPI bus, with logic switching units 25 to 28 connected. The logic switching units 25 to 28 have digital-to-analog converters DACs 29 to 32 on. The outputs of the logic switching units 25 to 28 each lead to a filter 33 to 36 , Through the DACs 29 to 32 can be made from digital data that goes through the data bus 24 from the logic circuit 22 be transmitted, analog signals are generated, wherein the amplitude, frequency and phase of the generated analog signals are determined by the digital data. The outputs of the filters 33 to 35 lead to multipliers 37 . 38 ,

Die Logikschaltung 22 weist eine zweite Schnittstelle 40 auf, die insbesondere als parallele Schnittstelle ausgebildet sein kann. An die Schnittstelle 40 ist ein zweiter DAC 41 angeschlossen, der einen analogen Amplitudenwert aus digitalen Daten generieren kann. Der DAC 41 kann insbesondere ein externer DAC sein. Dies bedeutet, dass er außerhalb der Logikschaltung 22 angeordnet ist. Durch ihn können analoge Amplitudenwerte generiert werden, die den Multiplizierern 37, 38 zugeführt werden können. Die analogen Amplitudenwerte können gleich sein oder als unterschiedliche Amplitudenwerte generiert werden. In den Multiplizierern 37, 38 können die durch den zweiten DAC 41 generierten analogen Amplitudenwerte mit den Analogsignalen der DACs 29 bis 31 multipliziert werden. Somit kann am Ausgang der Multiplizierer 37, 38 jeweils ein amplitudenmoduliertes Ausgangssignal entstehen. Die amplitudenmodulierten Ausgangssignale können den Verstärkern 42 bis 44 zugeführt werden. Die Verstärker 42 bis 43 können aus mehreren kaskadierten oder parallel geschalteten Verstärkerstufen oder aus Kombinationen dieser Schaltungen aufgebaut sein, um die gewünschte Leistung auch größer 1 kW zu generieren. Der Verstärker 44 kann als Signalverstärker ausgestaltet sein. Das Ausgangssignal des Verstärkers 44 wird in gezeigtem Ausführungsbeispiel einem Ausgang des Leistungswandlers 21 zugeführt. Hier steht dem Anwender ein externes Taktsignal 45 zur Verfügung. Dieses externe Taktsignal 45 weist eine feste Phasenbeziehung zu den Analogsignalen der DAC 29 und 30 auf und damit eine feste Phasenbeziehung zu dem der Plasmalast 49 zugeführten Ausgangssignal. Damit kann das Taktsignal 45 zur Synchronisierung anderer Prozessstromversorgungen oder anderer Prozesse genutzt werden. Der Verstärker 44 kann als deutlich kleinerer Signalverstärker ausgelegt sein gegenüber den Leistungsverstärkern 42, 43.The logic circuit 22 has a second interface 40 on, which can be designed in particular as a parallel interface. To the interface 40 is a second DAC 41 connected, which can generate an analog amplitude value from digital data. The DAC 41 may in particular be an external DAC. This means that he is outside the logic circuit 22 is arranged. Through it analog amplitude values can be generated, which can be supplied to the multipliers 37, 38. The analog amplitude values may be the same or generated as different amplitude values. In the multipliers 37 . 38 Can the second DAC 41 generated analog amplitude values with the analog signals of the DACs 29 to 31 be multiplied. Thus, at the output of the multiplier 37 . 38 each produce an amplitude modulated output signal. The amplitude modulated output signals may be the amplifiers 42 to 44 be supplied. The amplifiers 42 to 43 can be constructed of several cascaded or parallel amplifier stages or combinations of these circuits to generate the desired power also greater than 1 kW. The amplifier 44 can be configured as a signal amplifier. The output signal of the amplifier 44 In an embodiment shown, this is an output of the power converter 21 fed. Here the user has an external clock signal 45 to disposal. This external clock signal 45 has a fixed phase relationship with the analog signals of the DAC 29 and 30 on and thus a fixed phase relationship to that of the plasma load 49 supplied output signal. This can be the clock signal 45 used to synchronize other process power supplies or other processes. The amplifier 44 can be designed as a significantly smaller signal amplifier compared to the power amplifiers 42 . 43 ,

Den Verstärkern 42, 43 kann zunächst eine Messeinrichtung nachgeordnet sein, die die Amplitude und Phase der Ausgangssignale der Verstärker 42, 43 erfassen. Die Messsignale der Messeinrichtungen können an die Logikschaltung 22 rückgeführt werden, wo unter Verwendung der Messwerte neue digitale Daten generiert werden, mit denen die DACs 29, 30, 41 angesteuert werden, um Abweichungen in der Amplitude und Phase zu korrigieren. Die Ausgangssignale der Verstärker 42, 43 werden in einem Kombinierer 48 zu einer Ausgangsleistung kombiniert, die einer Plasmalast 49 zugeführt wird. Alternativ zu den Messeinrichtungen zwischen den Verstärkern 42, 43 und dem Kombinierer 48 kann auch nur eine Messvorrichtung 46 am Ausgang des Kombinierers vorgesehen sein. Das Messsignal der Messeinrichtung 46 kann an die Logikschaltung 22 rückgeführt werden, wo unter Verwendung der Messwerte neue digitale Daten generiert werden, mit denen die DACs 29, 30, 41 angesteuert werden, um Abweichungen in der Amplitude und Phase zu korrigieren. Der Plasmalast 49 werden somit amplitudenmodulierte Hochfrequenzleistungen zugeführt. Vor der Plasmalast 49 kann ein hier nicht dargestelltes Impedenzanpassungsnetzwerk angeordnet sein.The amplifiers 42 . 43 can first be followed by a measuring device, which determines the amplitude and phase of the output signals of the amplifier 42 . 43 to capture. The measuring signals of the measuring devices can be sent to the logic circuit 22 where, using the measurements, new digital data is generated by which the DACs 29 . 30 . 41 be controlled to correct for variations in the amplitude and phase. The output signals of the amplifiers 42 . 43 be in a combiner 48 combined to an output power that is a plasma load 49 is supplied. Alternative to the measuring equipment between the amplifiers 42 . 43 and the combiner 48 may only be a measuring device 46 be provided at the output of the combiner. The measuring signal of the measuring device 46 can be connected to the logic circuit 22 where, using the measurements, new digital data is generated by which the DACs 29 . 30 . 41 be controlled to correct for variations in the amplitude and phase. The plasma load 49 Thus, amplitude-modulated high-frequency powers are supplied. In front of the plasmalast 49 For example, an impedance matching network (not shown here) can be arranged.

Das Leistungsversorgungssystem 20 kann weiterhin eine Systemsteuerung 50 aufweisen, die mit der Logikschaltung 22 in Verbindung steht.The power supply system 20 can still have a control panel 50 have that with the logic circuit 22 communicates.

An den Ausgang des Filters 36 kann eine Messumwandlereinrichtung 51 angeschlossen sein. Dies kann insbesondere der Synchronisierung der Messung dienen. Die Messung kann mit einem ADC erfolgen, der eine niedrigere Abtastrate als die doppelte Frequenz der vorgegebenen Frequenz aufweist. Das hat den Vorteil, dass auch mit einer synchronen oder asynchronen Abtastrate kleiner der doppelten Frequenz der vorgegebenen Frequenz abgetastet werden kann. Das Analogsignal für die Messung kann dazu auf eine gewünschte sich von der vorgegebenen Frequenz unterscheidende Frequenz eingestellt werden. Die Abtatstrate kann die Messumwandlereinrichtung 51 von dem DAC 32 geliefert bekommen. Das von der Messeinrichtung 46 erzeugte Messsignal kann dafür der Messumwandlereinrichtung 51 zugeführt werden. Die Messumwandlereinrichtung 51 kann einen ADC aufweisen. Der ADC kann von dem vom DAC 32 erzeugten Signal getaktet werden.To the output of the filter 36 may be a transducer device 51 be connected. This can serve in particular to synchronize the measurement. The measurement can be done with an ADC having a lower sampling rate than twice the frequency of the given frequency. This has the advantage that even with a synchronous or asynchronous sampling rate less than twice the frequency of the given frequency can be sampled. The analog signal for the measurement can be set to a desired frequency different from the given frequency. The Abtatstrate may the Meßumwandlereinrichtung 51 from the DAC 32 get delivered. That of the measuring device 46 generated measuring signal can for the Meßumwandlereinrichtung 51 be supplied. The measurement conversion device 51 may include an ADC. The ADC can from the DAC 32 be clocked signal generated.

In den Logikschalteinheiten 25 bis 28 können nicht dargestellte Amplitudendatenspeicher vorgesehen sein. Aus den darin gespeicherten Daten können die DACs 29 bis 32 ebenfalls analoge Ausgangssignale generieren.In the logic switching units 25 to 28 Amplitude data storage, not shown, may be provided. From the data stored therein, the DACs 29 to 32 also generate analog output signals.

Dadurch, dass der zweite DAC 41 außerhalb der Logikschaltung 22 angeordnet ist und durch die ersten DACs 29 bis 32 Ausgangssignale mit einer bestimmten Frequenz generiert werden können, können auf sehr schnelle Art und Weise an den Ausgängen der Multiplizierer 37, 38 sich sehr schnell ändernde amplitudenmodulierte Ausgangssignale generiert werden. Insbesondere kann ein kostengünstiger schneller DAC als DAC 41 eingesetzt werden.By doing that the second DAC 41 outside the logic circuit 22 is arranged and through the first DACs 29 to 32 Output signals with a specific frequency can be generated very quickly at the outputs of the multipliers 37 . 38 Very rapidly changing amplitude modulated output signals are generated. In particular, a cost effective faster DAC than DAC 41 be used.

Für die Logikschalteinheiten 25 - 28 kann auch teilweise oder vollständig ein gemeinsamer Baustein vorgesehen sein.For the logic switching units 25 - 28 can also be partially or completely provided a common component.

Die 3 zeigt ein Flussdiagramm der Verfahrensschritte zur Erzeugung der Hochfrequenzleistung. In einem ersten Schritt 101 wird ein Analogsignal durch Zuführen von digitalen, eine Frequenzinformation enthaltenden Daten von einer Logikschaltung 22 an einen ersten DAC 29-32 erzeugt.The 3 shows a flowchart of the process steps for generating the high frequency power. In a first step 101 An analog signal is obtained by supplying digital data containing frequency information from a logic circuit 22 to a first DAC 29 - 32 generated.

Gleichzeitig kann in einem weiteren Schritt 102 ein analoger Amplitudenwert durch Zuführen von digitalen Daten an einen zweiten DAC 41 erzeugt werden. Das erzeugte Ausgangssignal kann in einem weiteren Schritt 103 gefiltert werden.At the same time, in a further step 102 an analog amplitude value by supplying digital data to a second DAC 41 be generated. The generated output signal can in a further step 103 be filtered.

In einem weiteren Schritt 104 kann das gefilterte oder ungefilterte Analogsignal mit dem Amplitudenwert durch einen analogen Multiplizierer 37,38 zur Erzeugung eines amplitudenmodulierten Ausgangssignals multipliziert werden.In a further step 104 For example, the filtered or unfiltered analog signal may be multiplied by the amplitude value by an analog multiplier 37, 38 to produce an amplitude modulated output signal.

In einem weiteren Schritt 105 kann das amplitudenmodulierte Ausgangssignal an einen ersten Verstärker 42, 43 zur Erzeugung der Hochfrequenzleistung bei der vorgegebenen Frequenz zugeführt werden.In a further step 105 may output the amplitude modulated signal to a first amplifier 42 . 43 be supplied to generate the high-frequency power at the predetermined frequency.

Claims

Method for generating a high-frequency power, with a predetermined frequency, in particular between 3 and 180 MHz, which can be fed to a plasma load (49), with the method steps: a. Generating an analog signal by supplying digital frequency information-containing data from a logic circuit (22) to a first digital-to-analog converter (DAC) (29-32); b. Generating an analog amplitude value by supplying digital data to a second DAC (41); c. Multiplying the analog signal by the amplitude value by an analog multiplier (37, 38) to produce an amplitude modulated output signal; d. Supplying the amplitude modulated output signal to a first amplifier (42, 43) for generating the high frequency power at the predetermined frequency.

Method according to Claim 1 , characterized in that the analog signal is filtered before being supplied to the multiplier (37, 38).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of analog signals are generated and multiplied by an analog amplitude value and the output signals of the multipliers (37, 38) in different amplifiers (42, 43) are amplified.

A power converter (21) which is connectable to the plasma load (49) for supplying a plasma load (49) with an amplitude-modulated high-frequency power of a predetermined frequency, in particular between 3 and 180 MHz, the power converter (21) comprising: - a first amplifier ( 42, 43), - a first and a second digital-to-analog converter (DAC) (29-32, 41) - a logic circuit (22), characterized in that the logic circuit (22) the first and the second DAC (29-32, 41) 32, 41) supplies digital data such that the first DAC (29-32) can generate from said data an analog signal having the predetermined frequency, and said second DAC (41) can generate an analog amplitude value, and further wherein a multiplier (37 , 38) is provided, which can multiply the analog signal with the amplitude value, wherein the amplitude modulated output signal to the amplifier (42, 43) can be supplied, so that this the amplitude modulated high frequency power at the predetermined n can generate frequency.

Power converter after Claim 4 , characterized in that after the first DAC (29-32), in particular between the first DAC (29-32) and the multiplier (37, 38) or amplifier (42, 43, 44), a filter (33-35), in particular low-pass filter, arranged for filtering the analog signal.

Power converter according to one of the preceding Claims 4 or 5 , characterized in that the logic circuit (22) is connected to the multiplier (37, 38).

Power converter according to one of the preceding Claims 4 to 6 , characterized in that the first DAC (29-32) is arranged in a logic switching unit (25-28) having an amplitude data memory.

Power converter according to one of the preceding Claims 4 to 7 , characterized in that a measuring device (51) is provided for detecting an analog signal.

Power converter according to one of the preceding Claims 4 to 8th , characterized in that the second DAC (41) is located outside the logic circuit (22) and outside the logic switch unit (25-28).

Power converter according to one of the preceding Claims 4 to 9 , characterized in that a plurality of amplifier paths are provided, each having a first DAC (29-32), multipliers (37, 38) and amplifiers (42, 43).

Power converter according to one of the preceding Claims 4 to 10 , characterized in that the amplifier (42, 43) downstream of a measuring device (46) for determining the amplitude and / or phase of the amplitude-modulated high-frequency line, wherein the measuring device (46) is connected to the logic circuit (22).