DE4322608C2 - Einrichtung zur Leistungsmodulation bei einer Plasmaanregung, vorzugsweise beim Einsatz von Gaslasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Leistungsmo­ dulation bei einer Plasmaanregung, vorzugsweise beim Einsatz von Gaslasern, nach dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1.

Die Plasmaanregung mit einer schnellen Leistungsmodula­ tion ist insbesondere notwendig beim Einsatz von Gasla­ sern, wie CO₂-Lasern, um die Laserleistung zu pulsen und an die Erfordernisse der Bearbeitungsprozesse beim Schneiden oder Schweißen anzupassen. Andere Anwendungen zum Beispiel in der Dünnschichttechnik sind das Ab­ schneiden oder das Plasmaätzen.

Bei den Plasmen handelt es sich um Niederdruckglimment­ ladungen, die Brennspannungen von einigen Kilovolt er­ fordern. Die Leistungen liegen im Bereich von mehreren Kilowatt.

Zur Plasmaanregung für die genannten Anwendungen sind zwei Verfahren bekannt: Die direkte Leistungseinkoppe­ lung mit Gleichspannung oder niederfrequenter Wechsel­ spannung und die elektrodenlose Leistungseinkoppelung durch ein Dielektrikum mit hochfrequenter Spannung.

Die direkte Leistungskoppelung in das Plasma erfolgt über Metallelektroden, die mit einer Hochspannungsquelle verbunden sind. Sie kann ein einfaches Gleichspannungs- Netzteil oder ein getaktetes Schaltnetzteil sein. Für einen stabilen Betrieb der meisten Niederdruckplasmen ist wegen der negativen Spannungs-Strom-Kennlinie ein Vorwiderstand oder eine aktive Stromregelung bei Schalt­ netzteilen notwendig. Der Vorwiderstand verursacht al­ lerdings hohe Verluste. Bei getakteten Netzteilen er­ folgt die Erzeugung der Hochspannung über einen Übertra­ ger bei Schaltfrequenzen von 10 bis 50 kHz. Hierbei wer­ den Ausgangsleistungen von mehreren Kilowatt erreicht. Durch den notwendigen direkten Kontakt zwischen Elektro­ den und Plasma treten die sogenannten Sputtereffekte auf, welche die Lebensdauer der Elektroden verringern und ei­ ne Verunreinigung des Plasmas durch Elektrodenabbrand verursachen. Zusätzlich ist bei dieser Anregungstechnik die Pulsfähigkeit durch die geringe Taktfrequenz, die in der Größenordnung von 0,1 bis 10 ms liegt, stark einge­ schränkt.

Alternativ sind Hochfrequenz-Sender zur Plasmaanregung einsetzbar, die eine elektrodenlose Leistungseinkopplung ermöglichen, zum Beispiel bei einer Niederdruckglimment­ ladung vorzugsweise mit einer kapazitiven Einkoppelung bei Anregungsfrequenzen von 13 oder 27 MHz. Infolge der elektrodenlosen Einkoppelung tritt eine Verunreinigung des Plasmas nicht auf. Gleichzeitig wird beim Einsatz von Hochfrequenzsendern eine schnelle Steuerung der Lei­ stung durch Amplitudenmodulation der Hochfrequenzspan­ nung im Bereich von wenigen Mikrosekunden (τ = 3 bis 10 µs) möglich.

Die Erzeugung der Hochfrequenzleistung erfolgt mit Röh­ renendstufen oder auch mit transistorisierten Leistungs­ endstufen, die teure Bauteile erforderlich machen, wie eine Hochleistungssenderöhre mit zusätzlicher Hochspan­ nungsversorgung oder bei Transistorsendern teure Hoch­ frequenz-GaAs-Transistoren mit zusätzlicher Niedervolt­ versorgung. Darüberhinaus ist eine Anpassung des Genera­ torinnerwiderstandes an die Gasentladung durch ein An­ paßnetzwerk notwendig.

Wegen der hohen Kosten der Hochfrequenzsender werden weitere Plasmaanwendungen und insbesondere der Einsatz von CO₂-Lasern eingeschränkt, da für viele Einsatzberei­ che der Laser zwar als ein ideales, aber sehr teures Werkzeug gilt.

Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art (DE-OS 41 12 161) ist parallel zur elektrischen Last eine ver­ lustarme Induktivität geschaltet, die mit den kapaziti­ ven Anteilen dieser Last einen Parallelschwingkreis bil­ det. In diesen Parallelschwingkreis wird über die Hilfs­ induktivität zu geeigneten Zeiten jeweils Energie einge­ koppelt, die während der nachfolgenden Schwingungen ab­ gegeben wird. Die beiden Induktivitäten, die Zeitpunkte sowie die Zeitdauer der Energieeinkoppelung werden so gewählt, daß der Stromfluß durch die Hilfsinduktivität mit hohem Wirkungsgrad gesteuert wird. Mit der Hilfsspu­ le wird der Strom über die als Schalter ausgebildeten Schaltelemente gesteuert, wobei die Einschalt- und Aus­ schaltzeitpunkte so gewählt sind, daß während der Schaltvorgänge ein im Vergleich zum Spitzenwert nur ge­ ringer Strom geschaltet werden muß. Der Parallelschwing­ kreis wird mit einer seiner Resonanzfrequenz entspre­ chenden Frequenz angeregt.

Aus der DE-OS 39 42 560 ist ein Hochfrequenz-Generator mit einem MOSFET-Transistor bekannt, der sehr schnell geschaltet wird, um auftretende Verlustleistungen so klein wie möglich zu halten. Der Hochfrequenz-Generator hat zwei MOSFET-Transistoren, deren Gate-Elektroden mit der Steuerschaltung elektrisch verbunden sind. Sie er­ zeugt zwei um 180° phasenverschobene Rechteckausgangs­ signale zum Ansteuern der beiden MOSFET-Transistoren im Gegentaktbetrieb. Sie werden als Ein/Aus-Schalter be­ trieben, über welche die Last abwechselnd mit einer po­ sitiven und einer negativen Versorgungsspannung beauf­ schlagt wird.

Aus der DE-OS 33 37 811 ist die Anregung eines Plasmas unter Verwendung einzelner Hochspannungsimpulse be­ kannt. Die Hochspannungsimpulsfolge wird an den Plasma­ bedarf angepaßt. Eine pulsbreitengesteuerte Leistungsän­ derung ist über die Magnetisierung der Spulen möglich.

Aus der DE-OS 36 38 880 ist es bekannt, die Frequenz diskret zu verstellen, um die Lage des Resonanzpunktes festzustellen. Es sind drei feste Frequenzen angegeben, von denen die mittlere Frequenz die eigentliche Arbeits­ frequenz ist, während die beiden davon verschiedenen Frequenzen als Meßfrequenzen verwendet werden.

Die Literaturstelle "Vacuum" Bd. 29, Nr. 10 (1979) S. 341-350 befaßt sich mit der Plasmaerzeugung sowie den auftretenden Sputtereffekten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie eine schnelle Leistungsmodulation bei einem äußerst kosten­ günstigen Aufbau mit kostengünstigen Bauteilen er­ laubt.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Einrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung wird ein Se­ rienschwingkreis verwendet, der bei geringer Induktivi­ tät gleichzeitig zur Transformation der Spannung und zur Anpassung an die Entlastung dient. Wesentlich hierbei ist, daß eine Frequenzverstimmung der Anregung zur Lei­ stungssteuerung eingesetzt wird. Durch eine Variation der Schaltfrequenz wird, ausgehend von der Resonanzfre­ quenz des Schwingkreises, die Modulation der Leistungs­ einkoppelung erreicht. Aufgrund der unterschiedlichen Anregung des Schwingkreises mit der Anregungsfrequenz, die größer oder kleiner als die Resonanzfrequenz sein kann, besteht die Möglichkeit einer schnellen Leistungs­ modulation in der Entladung, da bei einer Variation der Anregungsfrequenz, von der Resonanzfrequenz ausgehend, die Spannungsüberhöhung und damit auch die in das Plasma eingekoppelte Leistung abnimmt. Wird die Schaltfrequenz höher gewählt als die Resonanzfrequenz, verringert sich die in das Plasma eingekoppelte Leistung bzw. die Laser­ leistung. Eine Variation der Schaltfrequenz von 100 KHz reicht aus, um die Entladungsleistung um 50% zu verrin­ gern. Wird die Schaltfrequenz kleiner als die Resonanz­ frequenz des Schwingkreises gewählt, wird entsprechend die in das Plasma eingekoppelte Leistung erhöht.

Die Erfindung wird anhand zweier in den Zeichnungen darge­ stellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsge­ mäßen Einrichtung zur Plasmaanregung,

Fig. 2 eine Halbbrückenendstufe mit Serienresonanz­ kreis der Einrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Schaltungseinrichtung zur Aufbereitung von Schaltsignalen für Transistoren der Halbbrücken­ endstufe gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsge­ mäßen Einrichtung.

Die Einrichtung gemäß den Fig. 1 bis 3 dient zur Plasmaan­ regung mit einer schnellen Leistungsmodulation. Diese Ein­ richtung ist insbesondere beim Einsatz von Gaslasern, wie CO₂-Lasern, vorteilhaft einsetzbar, um die Laserleistung zu pulsen und an den jeweiligen Einsatzfall des Gaslasers an­ zupassen. Mit solchen Gaslasern werden beispielsweise Schneid- oder Schweißarbeiten durchgeführt. Andere Anwen­ dungen der Einrichtung zum Beispiel in der Dünnschicht­ technik sind das Abscheiden (PVD/CVD-Verfahren) oder das Plasmaätzen.

Die Einrichtung hat eine Leistungsendstufe 1, der ein Hochfrequenzschwingkreis 2 nachgeschaltet ist. An ihn sind zwei Elektroden 3 und 4 angeschlossen, die im dargestell­ ten Ausführungsbeispiel an der Außenwandung eines Entla­ dungsrohres 5 angebracht sind, in dem sich das jeweilige Medium, bei einem Gaslaser ein Gas, befindet. Die Span­ nungsversorgung der Endstufe 1 kann durch direkte Gleich­ richtung der Netzspannung erfolgen, so daß ein Netztrans­ formator nicht erforderlich ist.

Die Leistungsendstufe liefert eine rechteckförmige Aus­ gangsspannung U_S mit der Amplitude U_B. Beispielhaft kann die Amplitude im Bereich zwischen etwa 300 bis 600 V lie­ gen. Mit dem nachgeschalteten Schwingkreis wird eine hoch­ frequente Wechselspannung erzeugt, die in der Größenord­ nung von beispielsweise etwa 2 bis 5 kV liegt. In Fig. 1 ist die Entladungsspannung U_E in Abhängigkeit von der Zeit t angegeben. Die hochfrequente Wechselspannung wird mit einem Serienschwingkreis erzeugt, der mit der Resonanzfre­ quenz oder in deren Nähe mit der Rechteckspannung U_S aus der Leistungsendstufe angeregt wird.

Wie Fig. 2 zeigt, hat die Leistungsendstufe 1 eine Tran­ sistorhalbbrücke 7 mit zwei Transistoren T₁ und T₂. Beide Transistoren T₁ und T₂ sind im dargestellten Ausführungs­ beispiel MOSFET-Transistoren. An ihren Gate-Elektroden liegt die Spannung U_GS1 bzw. U_GS2 an, die durch eine Ver­ stärkerstufe 8 von der Eingangsspannung U_S1 bzw. U_S2 ver­ stärkt worden ist. Die Transistoren T₁ und T₂ werden ge­ genphasig angesteuert. Die Transistorhalbbrücke 7 erzeugt dadurch die rechteckförmige Ausgangsspannung U_S mit der Amplitude U_B. Diese Schaltspannung wird an den Serienreso­ nanzkreis 2 gelegt. Er besteht aus der Schwingkreisinduk­ tivität L_S und der Schwingkreiskapazität C_S. Parallel zur Kapazität C_S liegt die Gasentladung mit dem Entladungsrohr 5 und den Elektroden 3, 4. Diese Gasentladung stellt bei kapazitiver Kopplung neben dem Entladungswiderstand R_E ei­ ne Kapazität C_E dar. Wenn die Frequenz des Rechtecksignals U_S mit der Resonanzfrequenz ω₀² = 1/L_S·C_ges des Serien­ schwingkreises übereinstimmt, kompensieren sich gerade die Blindanteile der Induktivität L und der Kapazität C, so daß der Schwingkreis als rein reelle Last wirkt. Die Span­ nungsüberhöhung an der Gasentladung ist dann proportional zur Güte Q des Schwingkreises:

U_E = Q·U_B.

Der Strom durch den Schwingkreis ist sinusförmig. Auch die Spannung an der Entladung ist sinusförmig, nur in der Pha­ se um 90° (oder je nach Plasmawiderstand weniger) gegen­ über dem Strom verschoben.

Wird der Schwingkreis 2 mit einer Frequenz f größer als die Resonanzfrequenz f₀ angeregt, wird der Blindanteil in­ duktiv. In diesem Falle gilt die Bedingung

Im{Z} < 0.

Wird der Schwingkreis 2 hingegen mit einer Frequenz f an­ geregt, die kleiner als die Resonanzfrequenz f₀ ist, dann wird der Blindanteil kapazitiv. In diesem Falle gilt die Beziehung

Im{Z} < 0.

Aufgrund der unterschiedlichen Anregung des Schwingkreises 2 mit der Frequenz f, die größer oder kleiner als die Re­ sonanzfrequenz f₀ sein kann, besteht die Möglichkeit einer schnellen Leistungsmodulation in der Entladung, da bei ei­ ner Variation der Anregungsfrequenz f, von der Resonanz­ frequenz f₀ ausgehend, die Spannungsüberhöhung U_E und da­ mit auch die in das Plasma eingekoppelte Leistung abnimmt.

Durch den reinen Schaltbetrieb der Endstufe 1 und beim Einsatz von schnellen Hochleistungs-Schalttransistoren T₁, T₂ mit hoher Betriebsspannung und geringen Durchlaßverlu­ sten ist ein verlustarmer Betrieb der Endstufe 2 gewähr­ leistet. Für solche Schalttransistoren sind bevorzugt MOSFET-Transistoren geeignet, deren Durchlaßspannung U_DS etwa zwischen 500 und 1000 V und deren Durchlaßstrom I_D zwischen etwa 5 und 15 A liegt. Für das schnelle Umschal­ ten der Transistoren T₁, T₂ werden leistungsstarke Treiber 8 herangezogen, welche die Gate-Kapazität der MOSFET- Transistoren innerhalb weniger Nanosekunden umladen kön­ nen. Sind die Umschaltzeiten größer, nimmt die Verlustlei­ stung stark zu.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Lei­ stungseinkopplung in das im Entladungsrohr 5 befindliche Plasma durch die flächig ausgebildeten Elektroden 3 und 4, die auf dem Entladungsrohr 5 aufliegen oder einen geringen Abstand von ihm aufweisen. Das Entladungsrohr kann bei­ spielsweise aus Quarz mit einer Wandstärke von etwa 0,5 bis 2 mm bestehen. Bei dieser transversalen, kapazitiven Anregung sind bei einem CO₂-Laser mit einer Entladungslei­ stung von 1 bis 2 kW und einer Anregungsfrequenz von 2 bis 3 MHz Spannungen von 2 bis 5 kV an den Elektroden notwen­ dig. Selbstverständlich kann die Leistungseinkopplung in das Plasma auch auf jede andere geeignete Weise erfolgen.

Im Resonanzfall entspricht die Schaltfrequenz der Reso­ nanzfrequenz des Schwingkreises 2. Wird die Schaltfrequenz erhöht, verringert sich die in das Plasma eingekoppelte Leistung bzw. die Laserleistung. Eine Variation der Schaltfrequenz von 100 kHz reicht hier aus, um die Entla­ dungsleistung um 50% zu verringern. Die dynamische Varia­ tion der Entladungsleistung ist innerhalb von 2 bis 4 µs über die Veränderung der Schaltfrequenz möglich.

Eine Verringerung der Schaltfrequenz unterhalb der Reso­ nanzfrequenz des Schwingkreises 2 ist nur bedingt möglich, weil dann der Serienschwingkreis eine kapazitive Last dar­ stellt und das Verhalten der Endstufe 1 instabil werden kann.

Wesentlich für den sicheren Betrieb der Einrichtung ist die Erzeugung von präzisen Steuersignalen für die Schalt­ transistoren T₁ und T₂ die die Ein- und Ausschaltverzöge­ rungen der Endstufentransistoren berücksichtigen und so Querströme verhindern. Um ein gleichzeitiges Schalten der beiden Transistoren T₁, T₂ der Halbbrücke 7 zu verhindern, wird zwischen den Schaltzeiten eine bestimmte Totzeit ein­ gehalten, die von einer Steuerung gemäß Fig. 3 erzeugt wird. Diese Steuerung bereitet die Transistorschaltsignale auf. Sie erzeugt die Spannungen U_S1 und U_S2, die der Ver­ stärkerstufe 8 (Fig. 2) zugeführt werden. Die beiden Steu­ erspannungen U_S1 und U_S2 sind zeitlich versetzt, wie durch die Rechteckimpulse in Fig. 3 angedeutet ist. Der Steuer­ baustein 9 erhält ein Taktsignal 10, das in Verbindung mit der in den Steuerbaustein eingebbaren gewünschten Totzeit T₀ die entsprechenden, um diese Totzeit gegeneinander ver­ setzten Impulse erzeugt. Die an die Verstärkerstufe 8 an­ gelegten Spannungen U_S1 und U_S2 sind somit um diese Tot­ zeit T₀ gegeneinander versetzt. Dadurch werden die Tran­ sistoren T₁ und T₂ der Halbbrücke 7 im gewünschten Maße ge­ genphasig angesteuert.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Aus­ gangsleistung im Vergleich zur Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 wesentlich erhöht ist. Hierbei ist die Halb­ brückenschaltung 7 zu einer Vollbrückenschaltung 11 erwei­ tert worden. Sie besteht aus zwei Halbbrücken 11a und 11b, die jeweils gegenphasig angesteuert werden. Auf diese Wei­ se kann die Ausgangsleistung der Einrichtung bis zum Vier­ fachen der Leistung einer einzigen Halbbrücke erhöht wer­ den. Die Möglichkeit der schnellen Leistungsmodulation ist bei der Vollbrücke 11 in gleicher Weise vorhanden wie bei der Transistorhalbbrücke 7 gemäß dem vorigen Ausführungs­ beispiel.

Jeder Halbbrücke 11a und 11b ist jeweils eine Verstärker­ stufe 8a und 8b vorgeschaltet, mit der die beiden Tran­ sistoren T₁, T₂ und T₃, T₄ der Halbbrücken 11a, 11b ange­ steuert werden. Die beiden Verstärkerstufen 8a, 8b sind Bestandteil der Leistungsendstufe 1a, die in Fig. 4 nur schematisch dargestellt ist.

Der Leistungsendstufe 1a mit den Verstärkerstufen 8a, 8b und den Transistoren T₁ bis T₄ ist ein symmetrisch zur Gas­ entladung angeordneter Serienschwingkreis nachgeschaltet. Er hat die beiden Induktivitäten L_S/2 sowie die Schwing­ kreiskapazität C_S. Parallel zu ihr liegt die Gasentladung mit dem Entladungsrohr 5, auf dem die Elektroden 3, 4 vor­ gesehen sind. Dieses Ausführungsbeispiel arbeitet in glei­ cher Weise wie die Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3, so daß auf die obigen Ausführungen hingewiesen werden kann.

Bei beiden Ausführungsbeispielen ist eine schnelle Lei­ stungsendstufe 1, 1a im Schaltbetrieb mit einem Hochfre­ quenzschwingkreis 2, 2a zur Erzeugung einer hochfrequenten Hochspannung gekoppelt. Die hochfrequente Wechselspannung wird mit dem Serienschwingkreis 2, 2a erzeugt, der mit der Resonanzfrequenz oder in deren Nähe mit der Rechteckspan­ nung aus der Leistungsendstufe 1, 1a angeregt wird.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Leistungsmodulation bei einer Plas­ maanregung, vorzugsweise beim Einsatz von Gaslasern, mit Elektroden zur Leistungseinkopplung in das Plas­ ma, die über mindestens einen Schwingkreis und min­ destens eine Endstufe an eine Spannungsquelle ange­ schlossen sind, von denen die Endstufe zwei Schalt­ elemente aufweist, die gegensinnig ansteuerbar und deren Schaltsignale dem Schwingkreis zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (2, 2a) ein Serienschwingkreis ist, und daß die Modulation der Leistungseinkopplung durch eine Variation der Schaltfrequenz (f), von der Resonanzfrequenz (f₀) des Schwingkreises (2, 2a) ausgehend, erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (T₁, T₂) Transistoren sind, die in einer Transistorhalb­ brücke (7) liegen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (T₁, T₂) MOSFET-Transistoren sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufe (1a) eine Transistorvollbrücke (11) aufweist, die aus zwei Halbbrücken (11a, 11b) besteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbbrücken (11a, 11b) jeweils gegenphasig ansteuerbar sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufe (1, 1a) we­ nigstens eine Verstärkerstufe (8, 8a, 8b) aufweist, der eine Steuerung (9) zur Aufbereitung der Tran­ sistorschaltsignale vorgeschaltet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (9) die Transistorschaltsignale zeitversetzt aufbereitet.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Steuerung (9) die Zeitversetzung (T₀) zwischen den Transistorschalt­ signalen eingebbar ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f) der rechteckförmigen Ausgangsspannung (U_S) der Endstufe (1, 1a) mit der Resonanzfrequenz (f₀) des Schwing­ kreises (2, 2a) übereinstimmt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (2a) symmetrisch zur Gasentladung angeordnet ist.