PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3586761T2 19.05.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0155562
Titel Impedanzanpassungssystem.
Anmelder The Perkin-Elmer Corp., Norwalk, Conn., US
Erfinder Theall, Jr., Earle C., Weston Connecticut 06883, US;
Ludwig, Hans G., Norwalk Connecticut 06850, US;
Gustin, Michael J., Bredford Hills New York 10507, US
Vertreter Grünecker, A., Dipl.-Ing.; Kinkeldey, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Stockmair, W., Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Ae.E. Cal Tech; Schumann, K., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Jakob, P., Dipl.-Ing.; Bezold, G., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Meister, W., Dipl.-Ing.; Hilgers, H., Dipl.-Ing.; Meyer-Plath, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Ehnold, A., Dipl.-Ing.; Schuster, T., Dipl.-Phys.; Langhoff, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Goldbach, K., Dipl.-Ing.Dr.-Ing.; Aufenanger, M., Dipl.-Ing.; Klitzsch, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Aktenzeichen 3586761
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 28.02.1985
EP-Aktenzeichen 851022517
EP-Offenlegungsdatum 25.09.1985
EP date of grant 21.10.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.1993
IPC-Hauptklasse H03H 11/30
IPC-Nebenklasse H01J 37/32   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein automatisches Impedanzanpassungssystem, wie es in der Präambel von Anspruch 1 beschrieben ist. Ein derartiges System ist bereits aus dem Dokument US-A-3 601 717 bekannt. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Hochfrequenz-Impedanzanpassungssystem, das ideal für den Einsatz in Plasmaätzsystemen geeignet ist, wo die Fehlanpassungserfassung und -korrektur in zeitgesteuerten Sequenzen ausgeführt wird.

Auf dem Gebiet der Energieübertragung erfordert die wirkungsvolle Übertragung von Energie von einer Energiequelle zu einer Last eine geeignete Abstimmung der Impedanz bei der Last auf die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung, die die Energiequelle mit der Last verbindet. Eine solche Abstimmung ist nicht nur unter dem Aspekt des Wirkungsgrades wünschenswert, sondern dient auch der Verhinderung von Schäden an der Energiequelle aufgrund der durch eine Fehlanpassung reflektierten Energie.

Das Problem der Fehlanpassung ist seit langem bekannt und ist auf verschiedene Weise gelöst worden. So erfaßt beispielsweise ein System die Fehlanpassung und verändert die Verstärkung der Energiequelle entsprechend. Ein anderes System verändert die Impedanz der Last bis die Fehlanpassung korrigiert ist. Die meisten dieser Systeme arbeiten innerhalb ihres Bereiches, beispielsweise der Zufuhr von Hochfrequenzenergie zu einer Sendeantenne, gut.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein automatisches Impedanzanpassungssystem geschaffen, das die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale umfaßt.

In seiner einfachsten Form koppelt das erfindungsgemäße Impedanzanpassungssystem einen Hochfrequenzgenerator über einen bidirektionalen Koppler, der Ausgangsspannungen erzeugt, die Vorwärts- und reflektierten Spannungen proportional sind, an eine Last. Eine Teilereinrichtung erzeugt den Reflexionskoeffizienten des Systems, der dann mit einer vorgegebenen Schwellenwertspannung verglichen wird, um zu ermitteln, ob eine Fehlanpassung vorliegt. Wenn eine Fehlanpassung vorliegt, wird das Windungsverhältnis eines Autotransformators verändert, bis die Fehlanpassung korrigiert ist.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Impedanzanpassungssystem, bei dem eine Fehlanpassung in zeitgesteuerten Sequenzen ermittelt und korrigiert wird, wodurch die Fehlanpassung während eines ersten Zeitabschnittes ermittelt und während eines zweiten Zeitabschnittes korrigiert wird. Der erste Zeitabschnitt ist um einen vorgegebenen Betrag nach Anschalten der Hochfrequenzenergie zeitverzögert, wodurch sich Einschwingvorgänge stabilisieren können. Während des zweiten Zeitabschnittes, wenn die Korrektur der Fehlanpassung vorgenommen wird, wird die Energie abgeschaltet.

Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung wird die für eine Fehlanpassung stehende Spannung an einen Flip-Flop angelegt, der durch einen Taktimpuls am Ende eines Taktimpulses gesetzt wird, wenn eine Fehlanpassung vorliegt. Beim Zurücksetzen nach einer vorgegebenen Zeit stellt der Flip-Flop einen Anpassungszähler weiter und ändert seinen binären Ausgang. Durch diese Veränderung wird das Windungsverhältnis des Autotransformators verändert, wodurch eine Veränderung in der Last von der Hochfrequenzenergiequelle gesehen verursacht wird. Während dieser Veränderung ist die Hochfrequenzenergie abgeschaltet. Nach der Veränderung der Impedanz wird die Energie angeschaltet, und der Zyklus wird wiederholt bis eine Anpassung erreicht ist.

Die obige Anpassungsregelung kann in unmittelbarem Betrieb, wie eben beschrieben, erfolgen oder im verzögerten Betrieb, bei dem eine Fehlanpassung aufeinanderfolgend eine vorgegebene Anzahl von Malen ermittelt werden muß, bevor eine Anpassungskorrektur erfolgt. Damit wird das Ansprechen auffalsche Anzeigen einer Fehlanpassung verringert. Damit schließt der Einsatz des verzögerten Betriebes unnötige oder zu häufige Trennungen der Hochfrequenz-Energiequelle von der Last aus und ermöglicht das Auftreten eines Anpassungszyklus erst nachdem eine vorgegebene Anzahl von Fehlanpassungssignalen erfaßt worden ist.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Schaltung, die die Anzahl der Versuche zur Veränderung des Windungsverhältnisses des Autotransformators festhält. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Versuchen kann statistisch entschieden werden, daß die offensichtliche Fehlanpassung durch andere Schaltungsprobleme als eine Fehlanpassung hervorgerufen wurde, und die Hochfrequenzenergie wird als Maßnahme zum Schutz der Schaltung abgeschaltet.

Ein weiteres Merkmal nutzt die Phase des Reflexionskoeffizienten dazu, den Anpassungszähler in geeigneter Richtung zählen zu lassen, damit das Windungsverhältnis des Autotransformators auf wirkungsvollere Art geändert wird, anstatt in die gleiche Richtung durchzulaufen, ohne auf die wirkungsvollste Richtung zu achten, d. h. ein höheres oder niedrigeres Windungsverhältnis.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Impedanzanpassungssystems.

Fig. 2 ist eine detaillierte Darstellung der Anpassungs- und Zeitsteuerung der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm, das das Verständnis der Funktion der vorliegenden Erfindung ermöglicht.

Beschreibung

Insbesondere in Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Hochfrequenz- Impedanzanpassungssystem 10 dargestellt.

Das Impedanzanpassungssystem umfaßt einen Hochfrequenzgenerator 11, der mit einer Last verbunden ist, z. B. mit der Anode 12a in einer Plasmakammer 12. Die Plasmakammer 12 ist zusammen mit der Anode 12a und einer geerdeten Kathode 12b in der Lage, in Kammer 12 ein Plasma zum Trockenätzen von verschiedenen Arten von Wafer-Beschichtungen, z. B. Photoresist, Aluminium und verschiedenen Metallen, zu erzeugen, die normalerweise bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen verwendet werden. Die zum Ätzen der verschiedenen Beschichtungen auf der Oberfläche des Wafers erforderlichen Parameter, wie Energie, Frequenz, Ätzgase und Druck in einer Plasmakammer ähnlich der Plasmakammer 12 sind in der Technik bekannt und daher hier nicht beschrieben.

Es ist des weiteren bekannt, daß eine Last, die von einem Hochfrequenzgenerator mit Energie versorgt wird, oft Fehlanpassungen aufweist, die wegen des Wirkungsgrades und des Schutzes der Schaltung, insbesondere des Hochfrequenzgenerators, ausgeglichen werden müssen. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Autotransformator 13 zur Korrektur der Fehlanpassung eingesetzt. Der abgebildete Autotransformator 13 hat 4 Anzapfungen A-D, obwohl auf der Hand liegt, daß auch mehr genutzt werden können. Es hat sich jedoch auf einem bestimmten Einsatzgebiet herausgestellt, daß vier Anzapfungen, die vier verschiedene Verhältnisse erzeugen Fehlanpassungen ausreichend ausgleichen. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, erzeugt ein Anschluß von Energie an Anzapfung A die höchste Aufwärtstransformierung bei offensichtlicher Impedanz der Last, wohingegen eine Anschluß der Energie an Anzapfung D die geringste Aufwärtstransformierung bei Lastimpedanz erzeugt. Anzapfungen B und C erzeugen andere, dazwischenliegende Änderungen im Betrag der Lastimpedanz. Reaktanz 9 ist eine Induktivität, die die Kapazität von Kammer 12 parallel ausstimmt und die Kammer impedanzresistiv macht.

Die Anzapfungen werden durch eine Zweifach-Schalteranordnung 14 ausgewählt, die einen einzelnen Zweipolschalter 14a und doppelte Zweipolschalter 14b und 14c hat, die von Solenoiden 15 bzw. 16 betätigt werden. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, kann Schalter 14c, wenn sich Schalter 14a in der oberen Kontaktstellung befindet, Anzapfung D oder C wählen. Wenn sich Schalter 14a in der unteren Kontaktstellung befindet, kann Schalter 14b Anzapfung A oder B wählen. Schalter 14a wird durch Solenoid 15 betätigt, während Schalter 14b und 14c durch Solenoid 16 betätigt werden. Die Anordnung, die schließlich eine Fehlanpassung ermittelt und die Solenoide 15 und 16 betätigt, ist eine einmalige Verbindung, die über die grundlegenden Merkmale verfügt, die die vorliegende Erfindung ausmachen und im folgenden ausführlicher beschrieben werden.

Der Hochfrequenzgenerator 11 ist an die Last 12 gekoppelt, oder genauer gesagt, an die Übertragungsleitung, die über einen bidirektionalen Koppler 17 mit der Last verbunden ist. Der bidirektionale Koppler 17 ist ein herkömmlicher, handelsüblicher Artikel, dessen Schaltungsparameter von der Frequenz des eingesetzten Hochfrequenzgenerators abhängig sind. Bei einer praktischen Ausführung beträgt eine solche Frequenz 13,56 MHz. Bei einer solchen Frequenz ist ein geeigneter bidirektionaler Koppler der ANZAC CH-130-4. Wenn wie bei anderen Ausführungen eine Frequenz von 100 KHz eingesetzt wird, ist ein geeigneter bidirektionaler Koppler der MERRIMAC CRN-30-.345/27151.

Die Anschlüsse 18 und 19 schließen die Spannungen, die der Vorwärts- bzw. reflektierten Spannung proportional sind, an Amplitudendetektoren 20 und 21 an. Amplitudendetektoren 20 und 21 wandeln die Vorwärts- und die reflektierten Hochfrequenzspannungen in Gleichspannungen um, deren Pegel der Hochfrequenzamplitude proportional sind. Die Ausgänge der Amplitudendetektoren werden an Teiler 22 angeschlossen, der die Spannung, die für die reflektierte Spannung steht, durch die Spannung, die für die Vorwärtsspannung steht, teilt und eine Ausgangsspannung erzeugt, die dem Reflexionskoeffizienten proportional ist.

Die dem Reflexionskoeffizienten proportionale Spannung wird an einen Komparator 23 angelegt, der eine zweite Eingangs-Schwellenwertspannung hat, die für eine annehmbare Anpassung steht. Wenn die für den Reflexionskoeffizienten stehende Spannung geringer ist als die Schwellenwertspannung liegt Anpassung vor und keine Korrektur ist erforderlich.

Wenn andererseits die Reflexionskoeffizient-Spannung höher ist als die Schwellenwertspannung, liegt eine Fehlanpassung vor und ein H erscheint als Ausgang von Komparator 23 und wird an den Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 angelegt. Wenn ein H am Eingang von Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 anliegt, wird das Flip-Flop durch Zeitsteuerungslogik gesetzt und dann zurückgesetzt. Der Ausgangsanschluß von Flip-Flop 24 ist mit Suchzähler 25 verbunden, der durch das Rücksetzen von Flip-Flop 24 um einen Zählschritt weitergestellt wird. Der Suchzähler 25 erzeugt einen Zweibit- Binärausgang, der über Multiplexer 26 an Relaistreiber 27 und 28 angelegt wird, die das eine oder das andere oder beide Solenoide 15 und 16 erregen, um das Windungsverhältnis des Autotransformators 13 um einen Schritt zu ändern. Wenn diese Veränderung zur Anpassung führt, geht das H am Ausgang von Komparator 23 auf L und es wird nichts mehr unternommen, bis eine weitere Fehlanpassung auftritt. Wenn jedoch die Veränderung des Windungsverhältnisses des Autotransformators 13 nicht zu einer Anpassung führt, wird der Zyklus wiederholt, der binäre Ausgang von Suchzähler 25 wird um eins geändert, und das Windungsverhältnis von Autotransformator 13 wird weitergeschaltet. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis eine Anpassung erreicht ist.

Bei der obenstehenden Beschreibung zählt Suchzähler 25 nur in eine Richtung, d. h. nur in die Aufwärtsrichtung. Wenn also die Anpassung bei einem niedrigeren Zählschritt erreicht werden könnte, muß der Zähler 25 dennoch seinen Zyklus durchzählen, bis die Anpassung erreicht ist. Das kann zu mehreren Zählschritten von Zähler 25 führen, was vermieden werden könnte, wenn der Zähler 25 in die entgegengesetzte Richtung zählen würde. Da Zähler 25 ein Aufwärts-/Abwärtszähler ist, kann die Phase des Reflexionskoeffizienten genutzt werden, um dadurch Zähler 25 in die geeignete Richtung zählen zu lassen, d. h. in die Richtung der wenigsten Zählschritte zum Erreichen einer Anpassung.

Dieses wird durch den Einsatz eines Phasendetektors 29 und eines Komparators 30 erreicht, dessen Ausgang über Schalter 31 an Suchzähler 25 angeschlossen werden kann. Der Phasendetektor 29 empfängt Eingänge der Spannungen, die für Vorwärts- und reflektierte Spannung stehen, über die Leiter 18 und 19 vom bidirektionalen Koppler 17. Phasendetektor 29 mißt die relative Phase zwischen der reflektierten und der Vorwärtsspannung, die die Phase des Reflexionskoeffizienten bestimmt. Eine Gleichphasigkeit zeigt an, daß der transformierte Lastwiderstand größer ist als die charakteristische Impedanz des Systems. Eine Phasenverschiebung zeigt an, daß die transformierte Last geringer ist als die charakteristische Lastimpedanz. Diese Information erscheint am Ausgang von Phasendetektor 29 und wird an Komparator 30 angelegt, wo sie mit einer geeigneten Vorspannung verglichen wird. Diese Vorspannung wird so gewählt, daß sie dem Median der beiden Extremspannungen entspricht, die für 180º-Phasendifferenz stehen, so daß der Komparator einen ersten Ausgangswert für Phasendifferenzen bei oder nahe der Gleichphasigkeit und einen zweiten Ausgangswert für Phasendifferenzen, die sich 180º nähern, erzeugt. Der Ausgang von Komparator 30 wird an Zähler 25 angelegt, wenn Schalter 31 geschlossen ist. Zähler 25 zählt in Reaktion auf eine Phasenverschiebung aufwärts oder in Reaktion auf eine Gleichphasigkeit der Vorwärts- und der reflektierten Spannung abwärts. Damit wird gewährleistet, daß Zähler 25 immer in die Richtung zählt, in der die Fehlanpassung auf schnellste Weise behoben wird.

Anpassungsänderungslogik 32, die über Multiplexer 26 Eingänge empfängt, verzeichnet eine Veränderung im binären Ausgang von Suchzähler 25, was bedeutet, daß eine Veränderung im Windungsverhältnis des Autotransformators 13 stattfinden muß. In diesem Fall bewirkt Anpassungsänderungslogik 32, die einen Eingangsanschluß zum Hochfrequenzgenerator 11 darstellt, daß Hochfrequenzgenerator 11 abgeschaltet wird, wenn die Veränderung des Windungsverhältnisses vorgenommen wird, d. h. so lange, bis die Relaistreiber 27 und 28 und die Relais 15 und 16 eine Anpassungs-Windungsverhältnisveränderung vorgenommen haben.

Wenn die Hochfrequenzenergie wieder eingeschaltet wird, wird die oben beschriebene Fehlanpassungskorrektur wiederholt, wenn das neue Anpassungsverhältnis noch nicht annehmbar ist. Wenn jedoch eine annehmbare Anpassung erreicht worden ist, hat der Reflexionskoeffizient-Komparator 23 einen L-Ausgang, und es wird keine weitere Veränderung des Windungsverhältnisses vorgenommen.

Zeitsteuerungslogik 33 wird verwendet, um die wichtigen Zeitsteuerungsfunktionen der vorliegenden Erfindung auszuführen. Zeitsteuerungslogik 33 wie auch andere wichtige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.

Fig. 2 ist eine detailliertere Darstellung des Impedanzanpassungssystems 10 von Fig. 1 und veranschaulicht unter anderem die Einzelheiten der Zeitsteuerungslogik 33 und der Anpassungsveränderungslogik 32. In den Fällen, wo die Bauteile in Fig. 1 die gleichen sind wie in Fig. 2, werden gleiche Bezugszeichen verwendet.

In Fig. 2 ist ein Zeitsteuerungsimpulsgenerator 35 dargestellt. Der Ausgang des Zeitsteuerungsimpulsgenerators, der, wie in Zeile 2 des Zeitdiagramms in Fig. 3 dargestellt, Zeitsteuerungsimpulse erzeugt, ist an den monostabilen Multivibrator 36, den Rücksetzeingang von Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 und den Setzeingang von Anpassungs-Flip-Flop 37 angeschlossen.

Der Ausgang von Komparator 23 ist mit seinem Ausgang an die Dateneingänge von Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 und Anpassungs- Flip-Flop 37 angeschlossen. Der Komparator 23, der die Eingangsspannung, die für den Reflexionskoeffizienten steht, und die Schwellenwertspannung, mit der sie verglichen wird, empfängt, erzeugt nur dann einen H-Ausgang, wenn eine Fehlanpassung vorliegt, wie in Zeile 1 des Zeitdiagramms in Fig. 3 dargestellt ist.

Monostabiler Multivibrator 36 erzeugt einen Eingang zu den Takteingängen von Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 und Anpassungs-Flip- Flop 37. Der Eingang vom monostabilen Multivibrator ist der Taktimpuls, der in Zeile 3 des Zeitdiagramms in Fig. 3 dargestellt ist. Jede positive Impulsflanke vom Zeitsteuerungsimpulsgenerator triggert den monostabilen Multivibrator 36, der einen negativen Impuls oder einen L-Ausgang erzeugt. Da es ein monostabiler Multivibrator ist, hören die Impulse vom monostabilen Multivibrator 36 nach einer vorgegebenen Zeit auf, die im wesentlichen, wie in Fig. 3 dargestellt, kürzer ist als die Zeitsteuerungsimpulse.

Ausgang A des Fehlanpassungs-Flip-Flop ist über einen Schalter S&sub1; mit Suchzähler 25 verbunden, wenn sich Schalter S&sub1;, wie dargestellt, in einer ersten Stellung befindet, d. h. wenn sich das System im unmittelbaren Betrieb befindet. Ausgang A des Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 ist auch mit dem voreinstellbaren Zähler 38 verbunden. Wenn sich Schalter S&sub1; in seiner zweiten Stellung befindet, d. h. wenn das System im Verzögerungsbetrieb ist, ist der voreinstellbare Zähler 38 mit Suchzähler 25 verbunden, und Ausgang A des Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 ist nicht mit dem Suchzähler 25 verbunden.

Der Ausgang von Anpassungs-Flip-Flop 37 ist ebenfalls mit dem voreinstellbaren Zähler 38 verbunden.

Ausgang B des Fehlanpassungs-Flip-Flop 24, dessen Ausgangsimpuls das Komplement des Ausgangsimpulses von Ausgang A ist, ist mit einem Versuchszähler 39 verbunden, dessen Ausgang an den Flip- Flop 40 angeschlossen ist, dessen Ausgang an Suchzähler 25 angeschlossen ist. Wie weiter unten erläutert wird, sperrt ein geeigneter Ausgang vom Flip-Flop 40 den Suchzähler 25 und unterbricht den Zyklus der Anpassungsermittlung und -korrektur des erfindungsgemäßen Impedanzanpassungssystems. Der Rücksetzeingang am Flip-Flop 40, der manuell betätigt werden kann, dient dazu, den Suchzähler 25 wieder freizugeben.

Die Flip-Flop 24 und 37 können vom Typ No. SN 7474 sein, der von Texas Instruments Corporation hergestellt wird.

Der Suchzähler 25 erzeugt binäre Ausgänge, d. h. 00, 01, 10 oder 11 zum Multiplexer 26, dessen Ausgänge über Verstärker 41 und 42 mit den Solenoiden 15 bzw. 16 verbunden sind. Solenoid 15 betätigt, wie bereits erläutert, wenn er erregt wird, Schalter 14a, und Solenoid 16 betätigt, wenn er erregt wird, Schalter 14b und 14c des Autotransformators 13, wie in Fig. 1 dargestellt. Die gleichen Ausgänge von Suchzähler 25 werden über Multiplexer 26 als Eingänge an Komparator 43 angelegt. Der Komparator speichert die vorherigen binären Eingänge vom Suchzähler 25 und vergleicht sie mit den angelegten.

Wenn die gespeicherte Binärzahl mit der angelegten übereinstimmt, liegt eine Anpassung vor. Wenn jedoch die gespeicherten und die angelegten Binärzahlen nicht übereinstimmen, ist eine Fehlanpassung ermittelt worden, und das Windungsverhältnis des Autotransformators 13 wird auf noch zu erläuternde Weise verändert. Da eine Fehlanpassung vorliegt, wenn die angelegte Binärzahl nicht die gleiche wie die gespeicherte ist, erzeugt Komparator 43 einen Impuls, der Hochfrequenzgenerator 11 so lang abschaltet, daß das Windungsverhältnis des Autotransformators 13 verändert werden kann. Dadurch werden die Schalter 14a, 14b und 14c geschützt, indem sie geschaltet werden können, wenn keine Energie anliegt. Die Hochfrequenzenergie ist nur abgeschaltet, wenn der Impuls vom Komparator 43 anliegt, der nur so lange existiert, daß die Veränderung des Windungsverhältnisse vorgenommen werden kann.

Der Schalter 31 kann verwendet werden, um Komparator 30 mit dem Suchzähler 25 zu verbinden, wenn gewünscht wird, den Suchzähler 25 im phasenabhängigen Betrieb zu betätigen, um zu gewährleisten, daß er, wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 bereits erläutert, in die geeignetere Richtung zählt.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Impedanzanpassungssystems wird im folgenden für den Fall erläutert, daß sich das System im unmittelbaren Betrieb befindet, d. h. wenn sich Schalter S&sub1; in der dargestellten Position befindet.

Zeitsteuerungsimpulsgenerator 35 erzeugt, wie in Zeile 2 von Fig. 3 dargestellt, die Zeitsteuerungsimpulse für den monostabilen Multivibrator 36, wodurch dieser die Taktimpulse erzeugt, die in Zeile 3 von Fig. 3 dargestellt sind. Durch die positiven Flanken dieser Impulse wird Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 nur gesetzt, wenn eine Fehlanpassung vorliegt, d. h. wenn, wie in Zeile 1 von Fig. 3 dargestellt, ein positiver Impuls oder eine positive Spannung am Dateneingang D des Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 anliegt.

Wenn keine Fehlanpassung vorliegt, dann liegt kein Impuls am Dateneingang von Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 an, und es ist keine Korrektur erforderlich.

Unter der Voraussetzung jedoch, daß eine Fehlanpassung vorliegt, wird ein Impuls oder eine Spannung am Dateneingang von Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 anliegen, und der Flip-Flop wird durch die positive Flanke des Taktimpulses vom monostabilen Multivibrator 36 gesetzt. Der Flip-Flop 24 wird dann durch die nächste negative Flanke des Zeitsteuerungsimpulses zurückgesetzt. Durch diesen Vorgang zählt der Suchzähler um eins aufwärts und erzeugt einen Zweibit-Binärzahlausgang an den Ausgängen A und B des Suchzählers. Diese Information in Form von Paaren von Impulsen oder Nullimpulsen wird den Solenoiden 15 und 16 zugeführt, um die Schalter 14a, 14b und 14c entsprechend zu betätigen und das Windungsverhältnis des Autotransformators 13 um einen Schritt zu verändern. Ausgänge A und B vom Suchzähler 25 an den entsprechenden Ausgängen vom Multiplexer 26 sind hohe oder niedrige Gleichspannungswerte, die in den vorgegebenen Gleichspannungszuständen bleiben, die der Binärzahl entsprechen, die im Suchzähler 25 gespeichert ist. Diese Gleichspannungszustände bewirken das An- oder Abschalten von Gleichspannungs-Solenoid-Strömen in Verstärker 41 und 42 und halten so die Solenoidzustände für die vorgegebenen Suchzähler- und Anpassungsrotorstellung. Der Hochfrequenzgenerator 11 wird, wie bereits erläutert, während der kurzen Zeit, in der die Veränderung des Windungsverhältnisses vorgenommen wird, abgeschaltet.

Wenn die Veränderung des Windungsverhältnisses eine Anpassung bewirkt, endet der Impuls oder die Spannung vom Komparator 23, und da der Dateneingang von Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 kein H mehr hat, wird er nicht gesetzt und dann zurückgesetzt, Suchzähler 25 wird nicht weitergerückt, und es wird keine Änderung des Windungsverhältnisse vorgenommen.

Wenn jedoch die ausgeführte Änderung des Windungsverhältnisses nicht zu einer Anpassung führt, erscheint der Impuls oder die Spannung wieder am Dateneingang des Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 und er wird wieder gesetzt und zurückgesetzt, wodurch der Suchzähler um eins weiterrückt und eine weitere Änderung des Windungsverhältnisses bewirkt. Dieser Zyklus wiederholt sich, bis eine Anpassung erreicht ist oder der Autotransformator 13 seine Grenze erreicht. Wenn das Windungsverhältnis seine Grenze erreicht ohne eine Anpassung zu bewirken, wird das System abgeschaltet, da davon ausgegangen werden kann, daß ein Fehler im System vorliegt. Zähler 39 zählt zwei vollständige Vierstellungs-Anpassungsversuche. Wenn keine Anpassung eintritt, löst Zähler 39 Flip-Flop 40 aus, welcher Zähler 25 von weiteren Versuchen abhält. Der Ausgang von Flip-Flop 40 könnte auch einen akustischen Alarm auslösen oder das Abschalten anderer Einrichtungen bewirken.

Der Verzögerungsbetrieb wird durch die Veränderung der Stellung von Schalter S&sub1; ausgelöst, wodurch ein Ausgang des voreinstellbaren Zählers 38 mit dem Suchzähler 25 verbunden wird. Dieser Betrieb ist wünschenswert, wenn es nicht notwendig oder erwünscht ist, jedesmal, wenn eine Fehlanpassung ermittelt wird, das Windungsverhältnis zu ändern. Durch Einsatz des voreinstellbaren Zählers 38 wird eine Veränderung des Windungsverhältnisses nur dann vorgenommen, wenn eine Fehlanpassung in einer vorgegebenen Anzahl von Fällen ermittelt worden ist. Dadurch wird unter anderem das Ansprechen auffalsche Anzeichen einer Fehlanpassung ausgeschaltet, und eine Fehlanpassung muß mehrere Male ermittelt werden, z. B. fünf Mal, bevor der Hochfrequenzgenerator abgeschaltet (was den gerade ausgeführten Ätzvorgang erheblich beeinträchtigen kann) und ein Veränderung des Windungsverhältnisses vorgenommen wird, um die Fehlanpassung zu korrigieren.

Beim Verzögerungsbetrieb wird der voreinstellbare Zähler 38 auf einen vorgegebenen Zählwert eingestellt und erzeugt einen Impuls zum Suchzähler 25, wodurch Suchzähler 25 um eins weiterrückt und so seine Ausgänge an Ausgangsleitungen A und B ändert. Dies verändert, wie bereits erläutert, das Windungsverhältnis des Autotransformators 13.

So wird jedes Mal, wenn Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 eine Fehlanpassung ermittelt, der voreinstellbare Zähler 38 um eins weitergerückt. Wenn der voreinstellbare Zähler 38 seinen voreingestellten Zählwert erreicht, z. B. fünf, erzeugt er einen Impuls zum Suchzähler 25, der daraufhin um eins weitergerückt wird, was zu einer Veränderung des Windungsverhältnisses führt. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis die Fehlanpassung korrigiert ist, d. h. eine Veränderung des Windungsverhältnisses wird jedes fünfte Mal vorgenommen, wenn vom Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 eine Fehlanpassung ermittelt wird. Wenn die Fehlanpassung korrigiert ist, liegt die Spannung oder das H, das in Zeile 1 des Zeitdiagramms in Fig. 3 dargestellt ist, nicht mehr am Dateneingang von Anpassungs-Flip-Flop 37 an, dessen mit dem voreinstellbaren Zähler verbundener Ausgang den voreinstellbaren Zähler mit dem in Zeile 5 des Zeitdiagramms dargestellten Impuls auf 0 zurücksetzt. Der Anpassungs-Flip-Flop 37 wird nur gesetzt, wenn sein Dateneingang durch die positive Flanke des Taktimpulses, der in Zeile 3 dargestellt ist, L ist, und er wird von der negativen Flanke des Zeitsteuerungsimpulses in Zeile 3 des Zeitdiagramms in Fig. 3 zurückgesetzt.

Es ist einleuchtend, daß beim Auftreten der nächsten Fehlanpassung der voreingestellte Zähler fünf Mal weitergerückt werden muß, um jeweils die Veränderung des Windungsverhältnisses von Autotransformator 13 zu bewirken.

Der komplementäre Ausgang des Fehlanpassungs-Flip-Flop 24 ist, wie bereits erwähnt, an Versuchszähler 39 angeschlossen. Beim unmittelbaren Betrieb zählt der Versuchszähler, wie oft eine Fehlanpassungskorrektur auftritt, und nach einer vorgegebenen Anzahl von Versuchen setzt der Versuchszähler Flip-Flop 40, der seinerseits den Suchzähler sperrt. Dadurch wird der Fehlanpassungskorrekturvorgang unterbrochen. Dies ist insofern ein wünschenswertes Merkmal, als, wenn das System nicht in der Lage ist, eine Fehlanpassung nach einigen Versuchen zu korrigieren, dies wahrscheinlich ein Hinweis auf einen Fehler in der Ätz- Spannungsschaltung ist. Wenn dies der Fall ist, wird das automatische Erfassungs- und Korrektursystem am besten abgeschaltet, so daß die entsprechenden Reparaturen vorgenommen werden können.

Wenn gewünscht wird, das Erfassungs- und Korrektursystem wieder in Betrieb zu setzen, wird Flip-Flop 40 zurückgesetzt.


Anspruch[de]

1. System zum Zuführen von Hochfrequenzenergie zu einer Last mit einem automatischen Impedanzanpassungssystem, mit:

einer Hochfrequenzenergiequelleneinrichtung (11);

einer bidirektionalen Kopplungseinrichtung (17), die die Hochfrequenzenergiequelleneinrichtungen mit der Last (12) verbindet und Spannungen proportional zur einfallenden und reflektierten Leistung liefert;

einem Impedanzanpassungsnetzwerk, das zwischen der Last und der bidirektionalen Kopplungseinrichtung angeschlossen ist und welches eine erste Schaltereinrichtung (14a, 14b, 14c), die mit der bidirektionalen Kopplungseinrichtung zum Ändern ihrer Impedanz verbunden ist, und eine Solenoideinrichtung (15, 16), die mit der Schaltereinrichtung zum Antreiben der Schaltereinrichtung verbunden ist, umfaßt;

einer Teilungseinrichtung (22), die mit der bidrektionalen Kopplungseinrichtung verbunden ist und eine Ausgangsspannung proportional zu der reflektierten Leistung dividiert durch die einfallende Leistung liefert;

einer Quelle für eine Schwellenwertspannung;

einer Komparatoreinrichtung (23), die mit der Teilungseinrichtung und der Quelle für die Schwellenwertspannung verbunden ist und eine Ausgangsspannung liefert, wenn eine Nichtanpassung vorliegt; und

einer Impedanzänderungseinrichtung (24, 25, 26, 27, 28), die zwischen der Komparatoreinrichtung (23) und dem Impedanzanpassungsnetzwerk angeschlossen ist, zum Ändern der Impedanz, bis eine Impedanzanpassung zwischen dem Hochfrequenzgenerator (11) und der Last (12) erreicht ist;

dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzanpassungsnetzwerk einen Autotransformator (13) umfaßt, dessen Impedanz durch Änderung des Verhältnisses der Windungen des Autotransformators geändert wird; und

die Impedanzänderungseinrichtung (24, 25, 26, 27, 28) umfaßt:

eine erste Flip-Flop-Einrichtung (24), die mit dem Komparator verbunden ist und einen Ausgangsimpuls in Reaktion auf einen Nichtanpassungszustand liefert;

eine Suchzählereinrichtung (25) mit einem binären Ausgang;

eine zweite Schaltereinrichtung (S1) mit einer ersten Position, die die erste Flip-Flop-Einrichtung mit dem Suchzähler verbindet, um den Zählwert des Suchzählers bei Jedem Auftreten des Impulses aus der ersten FlipFlop-Einrichtung um 1 zu ändern; und

eine Schaltungseinrichtung (26, 41, 42), die zwischen der Suchzählereinrichtung und der Solenoideinrichtung angeschlossen ist und die Solenoideinrichtung aktiviert, um das Windungsverhältnis der Autotransformatoreinrichtung bei Auftreten von jedem Impuls aus der ersten Flip-Flop-Einrichtung zu verändern.

2. System nach Anspruch 1, welches ferner umfaßt:

eine voreinstellbare Zählereinrichtung (30) mit einen Eingang, der mit der ersten flip-Flop-Einrichtung (24) verbunden ist, und einem Ausgang, der mit der Suchzählereinrichtung verbunden ist, wobei die zweite Schaltereinrichtung (51) eine zweite Position aufweist, die den Suchzähler (25) mit dem voreinstellbaren Zähler (38) verbindet,

wobei der voreinstellbare Zähler (38) einen Ausgangsimpuls an den Suchzähler (25) abgibt, um den Zählwert der Suchzählereinrichtung nur bei Auftreten einer vorbestimmten Anzahl von Impulsen aus der ersten Flip-Flop-Einrichtung (24) verändert, um das Windungsverhältnis der Autotransformatoreinrichtung bei jedem Auftreten einer vorbestimmten Anzahl von Impulsen aus der ersten Flip-flop-Einrichtung zu verändern.

3. System nach Anspruch 1, welches ferner umfaßt:

eine Zeitsteuerungsimpulsgeneratoreinrichtung (35), welche kontinuierlich wiederkehrende Zeitsteuerimpulse einer ersten Periode liefert,

eine monostabile Multivibratoreinrichtung (36), die mit der Zeitsteuerungsimpulsgeneratoreinrichtung verbunden ist und auf die Zeitsteuerungsimpulse reagiert, um Taktimpulse einer zweiten Periode, die kürzer als die erste Periode ist, zu liefern,

wobei die erste Flip-Flop-Einrichtung (24) einen Dateneingang der mit der Komparatoreinrichtung (23) verbunden ist, einen Takteingang, der mit der monostabilen Multivibratoreinrichtung (36) verbunden ist und einen Rücksetzeingang, der mit dem Zeitsteuerungsimpulsgenerator (35) verbunden ist, derart aufweist, daß, wenn eine Ausgangsspannung an dem Dateneingang vorliegt, die erste Flip-Flop-Einrichtung durch die positive Flanke des Taktimpulses eingestellt wird und durch die negative Flanke des Zeitsteuerungsimpulses rückgesetzt wird,

wobei der Suchzähler (25) im seinem Zählwert durch die negative Flanke des Impuls aus der ersten Flip-Flop-Einrichtung verändert wird.

4. System nach Anspruch 2, welches ferner umfaßt:

eine Zeitsteuerungsimpulsgeneratoreinrichtung (35), welche kontinuierlich wiederkehrende Zeitsteuerungsimpulse einer ersten Periode liefert,

eine monostabile Multivibratoreinrichtung (36), die mit der Zeitsteuerungsimpulsgeneratoreinrichtung verbunden ist und auf die Zeitsteuerungsimpulse reagiert, um Taktimpulse einer zweiten Periode, die kürzer als die erste Periode ist, bereitzustellen,

wobei die erste FlipFlop-Einrichtung (24) einen Dateneingang, der mit der Komparatoreinrichtung (23) verbunden ist, einen Takteingang, der mit der monostabilen Multivibratoreinrichtung (36) verbunden ist, und einen Rücksetzeingang, der mit dem Zeitsteuerungsimpulsgenerator (35) verbunden ist, derart aufweist, daß, wenn eine Ausgangsspannung an dem Dateneingang anliegt, die erste Flip-Flop-Einrichtung durch die positive Flanke der Taktimpulse eingestellt und durch die negative Flanke der Zeitsteuerungsimpulse rückgesetzt wird,

wobei der Suchzähler (25) in seinem Zählwert durch die negative Flanke des Impulses aus der ersten Flip-Flop-Einrichtung verändert wird.

5. System nach Anspruch 3, welches ferner umfaßt:

eine zweite Flip-Flop-Einrichtung (37) mit einem Dateneingang, einem Takteingang, einem Einstellungseingang und einem Ausgang,

wobei der Dateneingang mit dem Komparator (23), der Takteingang mit dem monostabilen Multivibrator (36), der Einstellungseingang mit dem Zeitsteuerungsgenerator (35) und der Ausgang mit der voreinstellaren Zählereinrichtung (38) derart verbunden ist, daß, wenn die Komparatoreinrichtung keine Ausgangsspannung aufweist, die zweite Flip-Flop-Einrichtung durch die positive Flanke der Taktimpulse rückgesetzt und durch die negative Flanke der Zeitsteuerungsimpulse gesetzt wird, wobei der voreinstellbare Zähler (38) rückgesetzt wird, wenn die zweite FlipFlop-Einrichtung gesetzt wird.

6. System nach Anspruch 3 oder 5, welches ferner umfaßt:

eine Phasendetektoreinrichtung (29), die mit dem bidirektionalen Koppler (17) verbunden ist und die Phasenbeziehung der reflektierten und einfallenden Spannungen bestimmt,

eine dritte Schaltereinrichtung (31) zum Verbinden der Phasendetektoreinrichtung (29) mit der Suchzählereinrichtung (25), wodurch der Suchzähler seinen Zählwert in der Aufwärts- oder Abwärtsrichtung in Reaktion auf einen Außer-Phase-Zustand bzw. In-Phase-Zustand der sich vorwärts ausbreitenden und reflektierten Spannungen verändert.

7. System nach Anspruch 4, welches ferner umfaßt:

eine Phasendetektoreinrichtung (29), die mit dem bidirektionalen Koppler (17) verbunden ist und die Phasenbeziehung der reflektierten und einfallenden Spannungen bestimmt,

eine dritte Schaltereinrichtung (31) zum Verbinden der Phasendetektoreinrichtung (29) mit der Suchzählereinrichtung (25), wodurch der Suchzähler seinen Zählwert in der Aufwärts- oder Abwärtsrichtung in Reaktion auf einen Außer-Phase-Zustand bzw. einen In-Phase-Zustand vorwärts laufenden und reflektierten Spannungen ändert.

8. System nach Anspruch 3, welches ferner umfaßt:

eine Einrichtung (39, 40), die zwischen der ersten Flip-Flop-Einrichtung (24) und der Suchzählereinrichtung (25) zum Sperren der Suchzählereinrichtung nach einer vorbestimmten Anzahl von Anpassungsversuchen angeschlossen ist.

9. System nach Anspruch 4, welches ferner umfaßt:

eine Einrichtung (39, 40), die zwischen der ersten Flip-Flop-Einrichtung (24) und der Suchzählereinrichtung (25) zum Sperren der Suchzählereinrichtung nach einer vorbestimmten Anzahl von Anpassungsversuchen angeschlossen ist.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com