阻抗匹配电路和等离子体供给系统和用于运行的方法与流程 专利技术说明

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明涉及一种具有附接到高频接头(hf接头)上的串联电路的阻抗匹配电路，其中，该串联电路包括至少一个电抗、尤其是电容和至少一个切换元件，该切换元件具有操控输入端，操控电路附接到该操控输入端上。2.本发明还包括一种等离子体供给系统，该等离子体供给系统具有这种阻抗匹配电路。3.本发明还包括一种用于尤其是在前述等离子体供给系统中运行前述阻抗匹配电路的方法。背景技术：4.高频(hf)在此指的是1mhz或者更大的频率。尤其指的是10mhz或者更大的频率。5.电抗可以是电感或者电容或者二者的组合。6.这种阻抗匹配电路通常在hf激励的等离子体工艺中使用。hf激励的等离子体工艺例如用于在生产建筑玻璃、半导体、光伏元件、平面屏幕、显示器等时对衬底进行涂覆(溅射)和/或蚀刻。在这种工艺中的阻抗通常非常快速地发生变化，因此，通常应非常快速地(在几ms或者更短时间内)对阻抗匹配进行匹配。这种工艺的功率为几百w(例如300w及以上)，但也不乏几kw或者几十kw。在这种功率的情况下，阻抗匹配电路内的电压通常为几百v(例如300v及以上)，也不乏1000v及以上。这种电路中的电流可以是几安培、通常是几十a，有时也可以是100a及以上。在这种电压和电流的情况下实现阻抗匹配电路，就已经一直是一种巨大的挑战。这种阻抗匹配电路中的电抗的快速可改变性是附加的、非常高的挑战。7.这种阻抗匹配电路例如在de 10 2015 220 847 a1中示出并且在那里被称为阻抗匹配网络。在那里示出的电抗18、20、22能够以可变的方式调设，以便能够调设阻抗匹配。可变的调设的一种可能性在于，借助电子操控的半导体开关接入和断开不同值的电抗。参考de 10 2015 220 847 a1的公开内容，并且使其成为本公开内容的主题。8.在这种阻抗匹配电路中存在以下要求：将已连接的阻抗匹配电路中的电抗、尤其是电容动态地接入到hf路径。这应尽可能快速地实现。然而，在切换过程中，在切换元件中出现增加的损耗，所述增加的损耗可能导致该切换元件的热超负荷和损坏。必须实现短的切换时间，以便将损耗和损坏的危险最小化。技术实现要素：9.本发明的任务在于，扩展开篇所提及的阻抗匹配电路，使得在接入电抗、尤其是电容时减少上述问题。10.根据本发明，该任务通过一种阻抗匹配电路来解决，该阻抗匹配电路具有附接到高频接头上的串联电路，其中，该串联电路包括至少一个电抗、尤其是电容和至少一个切换元件，所述切换元件具有操控输入端，操控电路附接到所述操控输入端上，其中，该操控电路通过耦合器附接到使能信号输入端上。如此，可以在一个或者多个切换元件中的低损耗的情况下实现少的切换时间。该操控电路优选构造用于可以如此操控至少一个切换元件的操控输入端，使得可以改变至少一个切换元件的状态、尤其是可以接通和关断该切换元件。耦合器用于在两个分离的电位之间、尤其是在两个电镀(galvanisch)分离的电位之间传输电信号或信号信息。即，在耦合器的输入端和输出端上可能存在有不同的电位。耦合器尤其用于向操控电路传输切换信息。在本发明的意义上，使能信号输入端是以下信号输入端：可以通过该信号输入端改变至少一个切换元件的状态、尤其是可以接通和关断该切换元件。11.耦合器可以例如构造为光耦合器、磁耦合器、电磁耦合器或者电耦合器。磁耦合器也被称为感应耦合器。耦合通过发生变化的磁场实现。例如可以构建具有或者不具有铁氧体作为提高感应的元件的变换器或者变压器。电耦合器也被称为电容耦合器。耦合通过电场实现。用于电耦合器的典型例子是电容器。机电耦合器可以是例如继电器或者基于压电的耦合器。12.电耦合器可以设计用于跨接高电压，所述高电压相对于接地大于在阻抗匹配电路中出现的hf电压，尤其大于在串联电路中出现的hf电压，尤其大于在至少一个电抗、尤其是电容上出现的hf电压和/或在至少一个切换元件上出现的hf电压。该高电压尤其可以是300v或者以上，尤其也可以是1000v或者以上。13.电耦合器可以设计用于将高频去耦(entkoppeln)，所述高频相应于以下高频：在运行时以该高频在高频接头上加载阻抗匹配电路。hf尤其可以是1mhz或者以上，尤其可以是10mhz或者以上。14.阻抗匹配电路可以设计用于，在运行时、即在hf接头上施加电压的情况下，接通和关断一个切换元件或者多个切换元件，并且尤其在hf电流流过一个或者多个切换元件的情况下关断一个或者多个切换元件。hf电流在此在流动状态中可以是1a或者更大，尤其可以是10a或者更大，优选可以是100a或者更大。15.当操控电路集成到耦合器中时，产生特别的优点。由此可以得到节省空间的布置。16.耦合器可以由分立的结构元件构建。例如，该耦合器可以构造为与光耦合器结合的光波导，可以构造为变压器、变换器、电容器，可以构造为由单个的部件组成的组合，或者可以构造为结合多个特性的构件，例如可以构造为具有磁耦合和电容耦合的变换器。17.替代地，耦合器可以构造为集成电路。尤其是，耦合器可以构造在数字耦合器电路中。18.操控电路可以由分立的结构元件构建。替代地，该操控电路可以构造为集成电路。19.串联电路可以具有两个反串行连接的晶体管、尤其是场效应晶体管，所述晶体管在场效应晶体管的情况下在其源极接头上连接或者在双极晶体管的情况下在其发射极上连接，并且位于共同的源极电位或发射极电位上。位于共同的源极电位或发射极电位上的、与通过阻抗匹配电路待传输的信号的频率共振的操控电路能够实现栅极源极电容或基极发射极电容的快速的再充电(umladen)。20.操控电路可以通过至少一个扼流圈附接到供给电压上。由此可以实现操控电路的去耦。优选地，设置有两个扼流圈。尤其是，在供给电圧的接头与操控电路的接头之间设置各一个扼流圈。扼流圈构型用于提供操控电路的且可能耦合器的平均供给电流。扼流圈构型用于不传输快速的切换边沿。快速的切换边沿指的是1ms或者更小的边沿持续时间(10％至90％)，尤其是100μs或者更小的边沿持续时间，优选10μs或者更小的边沿持续时间。扼流圈尤其可以具有相同的电感。21.操控电路可以附接到、尤其是直接附接到源极电位或发射极电位上。尤其是，操控电路可以通过参考电路附接到串联电路的接头点上，尤其是附接到源极接头上，尤其是附接到源极电位上。参考电路可以构型为并且尤其也可以用于使供给电压vbias相对于源极电位双极地参考。因此，不需要通过另外的扼流圈将负供给电圧施加到操控电路上。参考电路可以与待传输的信号的频率共振。双极供给电压有助于栅极源极电容的更快速的再充电。另外，可以补偿耦合到栅极源极电压上的高频信号。22.接头点可以直接与参考电路连接。参考电路可以因此特别好地与待传输的信号的频率共振。23.参考电路可以具有分压器。由此可以参考经去耦的供给电压。分压器可以尤其具有两个串联连接的电阻。所述电阻尤其可以具有相同的值。24.两个串联连接的电阻的连接点可以与源极电位连接、尤其是直接连接。25.参考电路可以具有内部dc电压源、尤其是两个内部dc电压源，其中，所述内部dc电压源尤其具有各一个电容器。尤其是，一个或者多个内部dc电压源可以由各一个电容构成。每个电容可以由一个或者多个电容器形成。26.两个内部dc电压源可以串联连接并且尤其可以具有相同的电压。27.两个串联连接的内部dc电压源的共同的连接点可以与源极电位连接、尤其是直接连接。28.两个串联连接的内部dc电压源的共同的连接点可以尤其在分压器的两个电阻的连接点上与分压器连接。因此，两个电压源的电压可以保持恒定。29.参考电路可以通过至少一个扼流圈附接到供给电压上。所述扼流圈的电感可以如此确定尺寸，使得从操控电路或参考电路流向供给电压的hf电流是可忽略不计得小的。30.供给电压可以将电压源保持在固定的电位上，该固定的电位是为了切换晶体管而相应地调设的。31.该串联电路可以具有切换晶体管，该切换晶体管具有位于接地上的源极电位。32.该串联电路具有至少两个并联连接的切换元件。由此可以提高电流阻力(stromfestigkeit)。33.阻抗匹配电路可以具有多个并联连接的串联电路，所述串联电路具有各一个附接到所述串联电路上的操控电路。34.设置在串联电路中的电抗、尤其是电容可以具有不同的值。35.所述任务还通过一种等离子体供给系统来解决，该等离子体供给系统具有高频功率发生器、负载和前述阻抗匹配电路，所述负载呈以高频运行的、用于对衬底进行涂覆或者蚀刻的等离子体工艺的形式。36.所述任务还通过一种等离子体供给系统来解决，该等离子体供给系统具有高频功率发生器、负载和阻抗匹配组件，所述负载呈以hf运行的、用于对衬底进行涂覆或者蚀刻的等离子体工艺的形式，所述阻抗匹配组件具有多个前述阻抗匹配电路。37.所述任务还通过一种用于尤其是在前述等离子体供给系统中运行前述阻抗匹配电路的方法来解决，该方法具有下述方法步骤中的一个或者多个：38.a)尤其通过一个操控接头与一个源极接头之间的或者多个操控接头与多个源极接头之间的足够大的正电压接通一个切换元件或者多个切换元件，39.b)尤其通过一个操控接头与一个源极接头之间的或者多个操控接头与多个源极接头之间的足够的负电压关断一个切换元件或者多个切换元件，40.c)将高电压接入到一个切换元件的漏极接头上或者多个切换元件的漏极接头上，其中，所述高电压在数值方面大于漏极接头与源极接头之间的在数值方面最大的电压。41.d)将高电压与一个切换元件的漏极接头的漏极接头或者与多个切换元件的漏极接头断开。42.优选地，可以同时进行上述方法步骤b)和c)。43.优选地，可以同时进行上述方法步骤a)和d)。44.本发明的其他优点从说明书和附图中得出。同样地，根据本发明，上文提到的和更进一步阐释的特征能够分别本身单独地或以多个任意组合地予以应用。所示出并且所描述的实施方式不应理解为详尽的列举，而是具有用于本发明的叙述的示例性特征。附图说明45.图1示出具有阻抗匹配电路的等离子体供给系统；46.图2示出阻抗匹配电路的一部分；47.图3示出参考电路。具体实施方式48.图1示出等离子体供给系统1，该等离子体供给系统具有高频功率生成器40，该高频功率发生器经由阻抗匹配电路11附接到负载28、尤其是等离子体负载上。阻抗匹配电路11是阻抗匹配组件9的组成部分。在示出的实施例中，阻抗匹配电路11包括电抗18、20、22，所述电抗分别通过操控电路12、14、16操控，以改变所述电抗的电抗值。操控电路12、14、16通过控制装置32操控。通过测量装置25附接到控制装置32上，该测量装置可以具有例如用于检测电流和电压、正向功率和反射功率和/或阻抗值(impedanzbetrag)和相位角的测量元件24、26。基于通过测量装置25求取的参量可以求取例如在负载28上反射的功率或者求取反射因子。当存在不匹配、即当负载28的阻抗不与功率发生器40的输出端阻抗相匹配时，出现反射功率。替代地或者附加地，相应的测量装置也可以布置在输入端上或者布置在阻抗匹配组件9内部。阻抗匹配组件10适合于将在负载28的输入端上的负载阻抗27转变为在阻抗匹配电路10的输入端上的、即发生器侧的经转换的负载阻抗29。49.图2示出阻抗匹配电路11的一部分。串联电路10在此包括两个切换元件t1、t2，所述切换元件构造为场效应晶体管。切换元件t1、t2在其源极接头s上相互连接、即反串联连接。另外，串联电路10在此包括电容c1、c2。在一种更一般的形式中，串联电路10包括至少一个电抗、尤其是电容c1、c2和至少一个切换元件t1、t2。这种串联电路10可以是图1的电抗18、20、22中的一个电抗的一部分。电抗可以是电感或者电容c1、c2。尤其是，可变的电抗18、20、22可以具有多个并联连接的串联电路，所述串联电路像前述串联电路10那样构建。50.在图2中示出的布置适合于将电容c1、c2动态地接入到hf路径。到hf路径的接头通过rfin来标示，并且相应于到功率发生器40的接头。51.图2的电路的运行可以以如下方式描述：52.如果应接入阻抗匹配电路10中的电容c1、c2，则接通切换元件t1、t2，即将切换元件t1、t2切换为导电。在当前情况下，这可以通过两个操控接头g与两个源极接头s之间的足够大的正电压来实现。53.如果应断开阻抗匹配电路10中的电容c1、c2，则关断切换元件t1、t2，即将切换元件t1、t2切换为不导电。在当前情况下，这可以通过两个操控接头g与两个源极接头s之间的足够的负电压来实现。在关断状态中，在切换元件t1、t2的确定的构型中，即在商业上通用的mosfet中，切换元件t1、t2的源极接头s与漏极接头d1、d2之间的电压不能是正的，因为否则切换元件t1、t2可能通过内部寄生二极管变得导电并且切换元件t1、t2可能被损坏。但是由于在非导电状态中通过接头rfin或rfout在切换元件t1、t2上施加hf电压，该hf电压可能变得非常高，更确切地说可能变成正电压或者负电压，因此该要求应通过外部布线来保证。在当前情况下，外部布线可以通过附接高电压hv来实现。该高电压hv可以是直流电压。该高电压hv在数值方面应大于在漏极接头d1、d2之一上出现的最大负电压。该高电压hv可以通过另外的切换元件t3接入，即当操控电路12将切换元件t1、t2关断、即切换为不导电时，该另外的切换元件t3在运行时被接通、即切换为导电。54.可以通过hf滤波组件、尤其是rl元件来保护另外的切换元件t3和高电压hv以免受到高频的影响。在当前情况下，rl元件具有各一个电阻r1、r2和各一个电感l1、l2，所述电阻和所述电感分别串联连接。55.当切换元件再次接通、即切换为导电时，应将高电压hv与切换元件t1、t2分离，即将另外的切换元件t3关断、即切换为不导电，以便随后不通过高电压给串联电路10加负荷。56.图2的布置可以在电路板(pcb)上实现。57.切换元件t1、t2通过操控电路12在其操控接头g上被操控。该操控电路从耦合器13获得切换信号，该耦合器附接到使能信号输入端(enable)上。在切换过程中，在切换元件t1、t2中出现增加的损耗，所述增加的损耗可能导致切换元件t1、t2的热超负荷和损坏。必须实现短的切换时间，以便将损耗和损坏的危险最小化。58.切换元件t1、t2处在共同的源极电位上。位于共同的源极电位上的、与由功率发生器40产生的高频信号的频率共振的操控电路12能够实现切换元件t1、t2的栅极源极电容的快速再充电。59.操控电路12、14、16可以构造得相同。耦合器13可以集成到操控电路12、14、16中或者在控制装置32中实现。耦合器13可以由分立的结构元件构造。耦合器13可以实现为光耦合器、磁耦合器、电耦合器、电磁耦合器或者任意的用于信息传输的组件，尤其可以实现为数字耦合器，尤其可以实现为集成电路。操控电路12可以由分立的结构元件实现或者以与耦合器13集成的方式实现。60.通过hf扼流圈l3、l4向操控电路12提供供给电压vbias。通过扼流圈l3、l4将操控电路12去耦。扼流圈l3、l4仅提供操控电路12的且可能耦合器13的平均供给电流。不再需要通过扼流圈l3、l4传输快速的切换边沿(schaltflanken)。为了使操控电路12的供给输入端上的、例如在切换边沿处的电压不下降，可以附加地在操控电路12的供给输入端上设置参考电路17。该参考电路一方面构型用于使操控电路12的输入端上的电压稳定。参考电路17的另外的功能结合图3来描述。61.在图2中用gnd/rfout表示的电位可以用作hf输出端。电容c2可以由具有位于gnd上的源极电位的另外的切换晶体管来代替。62.在图3中详细示出的参考电路17可以构型为并且尤其也可以用于使供给电压vbias相对于源极电位双极地参考。因此，不需要通过另外的扼流圈将负供给电圧施加到操控电路12上。参考电路17可以附接到串联电路的电位上、尤其是附接到源极接头s上。然后，该参考电路同样以由功率发生器40产生的信号的频率振动。这样的双极供给电压有助于栅极源极电容的更快速的再充电。另外，可以补偿耦合到栅极源极电压上的hf信号。参考电路17不必一定产生双极电压。通过扼流圈14与gnd连接的电位与源极电位(s)的连接同样是可能的。63.图3示出参考电路17。该参考电路包括电阻r3、r4和电容c3、c4。参考电路17具有分压器r3、r4和两个内部dc电压源v1、v2，其中，所述内部dc电压源具有各一个电容器c3、c4。64.两个电阻r3、r4串联连接。65.两个串联连接的两个电阻r3、r4的共同的连接点与源极接头s连接。66.两个串联连接的两个电阻r3、r4的共同的连接点尤其还与两个串联连接的内部dc电压源v1、v2的共同的连接点连接。67.两个内部dc电压源v1、v2串联连接。每个dc电压源v1、v2分别由电容c3、c4构成。每个电容c3、c4可以由一个或者多个电容器实现。68.两个串联连接的内部dc电压源v1、v2的共同的连接点与源极接头s连接。69.供给电压vbias可以构造为具有固定输出端电压的电流供给装置，该电流供给装置通过扼流圈l3、l4给两个电容器c3、c4充电，即借助通过扼流圈l3、l4滤波的电流补充提供电荷，操控电路12消耗该电荷用以操控串联电路10。70.这种阻抗匹配电路11例如也在de 20 2020 103 539 u1中示出并且在那里被称为阻抗匹配组件11。在那里示出的电抗18、20、22同样能够以可变的方式调设，以便能够调设阻抗匹配。可变的调设的一种可能性在于，借助电子操控的半导体开关接入和断开不同值的电抗。还参考de 20 2020 103 539 u1的公开内容，并且使其成为本公开内容的主题。尤其是，在此描述的串联电路10可以像在那里描述的电路组件116那样构型。









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