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Differentieller Mikrowellen-Leistungsoszillator für die Realisierung ultrakompakter Plasmaquellen in Matrixanordnung
Bansleben, Christian
In der vorliegenden Arbeit werden neue Ansätze zur Realisierung besonders platzsparender und effizienter Mikrowellengeneratoren im Leistungsbereich bis 50 W auf Basis von Leistungsoszillatoren demonstriert. Mit einer substanziellen Einsparung an Schaltungsfläche gegenüber den konventionellen Generatorkonzepten lassen sich bislang unerreichbare Anwendungsfelder erschließen. Einen besonders innovativen Sektor stellt die Anregung von Mikrowellenplasma dar, dass verschiedene, günstige Eigenschaften für die Prozesstechnik aufweist. Dies ist besonders für die Behandlung großer Flächen interessant. Dafür ist es erforderlich, mehrere Plasmaquellen in Matrixform anzuordnen. Da derzeit kein tragfähiges Konzept zur Realisierung einer derartigen Matrixquelle existiert, wird hierzu eine Lösung erarbeitet. Sie fußt auf einer erheblichen Miniaturisierung des einzelnen Plasmaquellenmoduls, welche durch die Integration des Mikrowellengenerators in die Plasmaquelle ermöglicht wird.
Eingangs wird das bekannte Konzept des kreuzgekoppelten Oszillators auf seine Eignung hin untersucht, hohe Leistungen zu erzeugen. Es zeigt sich, dass durch den Einsatz von Leistungstransistoren die maximale Oszillationsfrequenz stark beschränkt wird. Ursache dafür sind die parasitären Transistorkapazitäten. In der Arbeit wird eine alternative Topologie des Rückkoppelnetzwerks vorgeschlagen, dass diesen Effekt kompensiert. Zur Dimensionierung dieses Netzwerks wird ein spezieller Designalgorithmus entwickelt. Die Tauglichkeit des neuen Schaltungskonzepts wird anhand mehrerer verschiedener Prototypen nachgewiesen, die bei 2,45 GHz eine Ausgangsleistung von 57 W auf nur 13 cm² Schaltungsfläche erzeugen können.
Bisherige Leistungsoszillatoren arbeiten bei festen, unveränderlichen Frequenzen. Dies ist für zahlreiche Anwendungen sehr nachteilig. Zur Überwindung dieser Einschränkung wird im Rahmen der Arbeit erstmals ein 30 W Leistungsoszillator demonstriert, der innerhalb des 2,45 GHz Frequenzbandes elektronisch abstimmbar ist. Dies ist wegen der hohen Spannungspegel nicht trivial. Besonders an die Varaktorbauelemente werden dabei sehr hohe Anforderungen gestellt. In einer eingehenden Analyse werden wesentliche Kenngrößen herausgearbeitet, anhand derer geeignete Varaktoren identifiziert werden können.
Zur Erzeugung des Plasmas muss eine günstige Anregungsstruktur (Plasmaresonator) gefunden werden. Sie wird zusammen mit dem Generator in ein kleines hochkomplexes Plasmaquellenmodul integriert. Hierbei sind zahlreiche HF-technische, hochspannungstechnische, mechanische sowie thermische Probleme zu überwinden. Vier solcher Einzelmodule werden aufgebaut und als Matrixanordnung in Betrieb gebracht.
Am Ende der Arbeiten steht eine Prozessversuchsreihe zur Abscheidung von Al2O3 im PEALD-Verfahren. Ein wesentliches Gütekriterium ist hier die Homogenität der Schichtabscheidungen. Es zeigt sich, dass mit Hilfe des Matrixansatzes beliebig große Flächen mit sehr hoher Präzision beschichtet werden können. Letztendlich wird auf diese Weise eine praxisrelevante Anwendung realisiert, die ohne das neue Generatorkonzept nicht möglich gewesen wäre.
In this thesis the reader is supplied with new approaches in realizing space saving microwave generators in the 50 W range based on power oscillators. New applications which have not been reached so far can be made accessible, if the required circuit area of the generator is substantially reduced. The generation of microwave plasma is among the applications which are of special interest, since it does possess advantageous properties valuable in process technology. This plasma is of particular concern for the treatment of large areas, which demands for an arrangement of several plasma sources in a matrix configuration. At present no sustainable concepts for this type of matrix plasma source exists and is thus developed here. The described solution is based on the significant miniaturization of the single plasma source module through integration of the generator.
In a first step the well-known cross-coupled oscillator topology is analyzed with regard to its capability to generate a high output power level. It is observed that the application of power transistors significantly restricts the maximal frequency of oscillation. This originates from the transistors parasitic capacitances. Thus a novel topology of the feedback network is proposed, featuring the ability to compensate this effect. A specific design algorithm is developed for dimensioning of the circuit elements. Several prototypes are designed, assembled and tested, providing proof of the previous considerations. Devices with 57 W output power at 2.45 GHz are presented, which demand for a circuit space of only 13 cm².
Previous power oscillators operate at a fixed frequency of oscillation. For numerous applications this represents a major disadvantage. In order to overcome this restriction the thesis, for the first time, demonstrates a power oscillator featuring an electronic frequency steering capability. The respective device stands out with a tuning range throughout the entire 2.4 GHz ISM frequency band proving more than 30 W of output power. Due to the high voltage levels involved this is not a trivial achievement. In particular the varactors are put high demands on. During an in-depth analysis essential parameters for identifying suitable varactors are acquired.
For plasma generation a convenient excitation structure (plasma resonator) must be found. Together with the generator it is integrated into a very complex plasma source module. Here many different aspects are to be considered dealing with RF- and high voltage electronics as well as mechanical and thermal issues. Four separate single modules are realized and put in operation in a joint matrix arrangement.
Finally the functional capability of the matrix plasma source is given proof of by a series of process tests, where thin Al2O3 layers are deposited by means of a PEALD procedure. As a major quality factor the homogeneity of the layer is considered. It turns out that the matrix concept facilitates the plasma process with high precision, to be scaled up on large surfaces. Eventually a new practical application can be realized, that builds up on the invention of the new microwave generator concept.
