JP6450072B2

JP6450072B2 - インピーダンス整合装置

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Publication number: JP6450072B2
Application number: JP2014005060A
Authority: JP
Inventors: 賢太前川; 小谷　弘幸; 弘幸小谷
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2034-01-15
Also published as: JP2015133291A

Description

本発明は、高周波電源と負荷とのインピーダンス整合を行うインピーダンス整合装置に関するものである。

高周波電源からプラズマ処理装置に高周波電力を供給してプラズマ処理装置内にプラズマを発生させ、そのプラズマによって半導体ウェハの薄膜形成やエッチング処理などを行うプラズマ処理システムが知られている。プラズマ処理システムでは、プラズマ処理中に高周波電源からプラズマ処理装置に効率良く高周波電力を供給するため、高周波電源とプラズマ処理装置との間に高周波電源とプラズマ処理装置とのインピーダンス整合を行うインピーダンス整合装置が設けられている。

図９は、特許文献１に開示されるインピーダンス整合装置の基本構成を示す図である。

プラズマ処理システム１００に用いられる従来のインピーダンス整合装置１０２は、ＲＦ検出器１０２ａによって入力端Ａにおける高周波電圧（以下、「ＲＦ電圧」という。）ｖ_in、高周波電流（以下、「ＲＦ電流」という。）ｉ_in及びＲＦ電圧ｖ_inとＲＦ電流ｉ_inの位相差θを検出し、制御部１０２ｄでそれらの検出値を用いて入力端Ａからプラズマ処理装置（負荷）１０３側を見たインピーダンスＺ_inを算出し、そのインピーダンスＺ_inが入力端Ａから高周波電源１０１側を見たインピーダンスＺ_gに最も近くなるように、２つの可変キャパシタＶＣ₁と可変キャパシタＶＣ₂の各キャパシタンス値を変化させる制御を行う。

高周波電源１０１は、一般に５０［Ω］の負荷に対して定格出力電力が出力できるように設計されているため、特性インピーダンスＺ_o＝５０［Ω］の伝送ケーブル１０４（例えば、特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブル）でインピーダンス整合装置１０２の入力端Ａに接続される。従って、インピーダンスＺ_gは、特性インピーダンスＺ_oに近似した値になるので、制御部１０２ｄは、実質的に算出したインピーダンスＺ_inが特性インピーダンスＺ_oに最も近くなるように、２つの可変キャパシタＶＣ₁と可変キャパシタＶＣ₂の各キャパシタンス値を変化させる制御を行う。

プラズマ処理システム１００では、プラズマ処理装置１０３の入力ポートにおける高周波電圧のピークトゥピーク値（peak to peak value）（以下、「ｐ-ｐ値」という。）Ｖ_PPが半導体製造プロセスの指標の一つとして使用される。プラズマ処理装置１０３の入力ポートはインピーダンス整合装置の出力端Ｂに直結されるため、インピーダンス整合装置１０２の出力端Ｂには当該出力端Ｂからプラズマ処理装置１０３に出力されるＲＦ電圧ｖ_outを検出するＲＦ電圧検出器１０２ｃが設けられている。

ＲＦ電圧検出器１０２ｃにより検出されるＲＦ電圧ｖ_outは、制御部１０２ｄに入力される。制御部１０２ｄは、例えば、プラズマ処理装置１０３における異常電圧の発生等の異常検出をしたり、プラズマ処理装置１０３で放電が開始される時の着火補助動作をしたりする。着火補助動作とは、制御部１０２ｄがＲＦ電圧検出器１０２ｃから入力されるＲＦ電圧ｖ_outのｐ-ｐ値Ｖ_ppを算出し、そのｐ-ｐ値Ｖ_ppをモニタしながら可変キャパシタＶＣ₁，ＶＣ₂の各キャパシタンス値を増減させる制御である。

特許４０８８４９９号公報

従来のインピーダンス整合装置１０２は、入力端ＡにおけるインピーダンスＺ_inを入力端Ａから高周波電源１０１側を見たインピーダンスＺ_gに整合させるために、入力端ＡにＲＦ検出器１０２ａを設け、プラズマ処理装置１０３のインピーダンスの変動状態を監視するために、入力端ＢにもＲＦ電圧検出器１０２ｃを設けている。

このため、インピーダンス整合装置１０２の内部構成が複雑になる、インピーダンス整合装置１０２の小型化を阻害する、などの問題がある。また、入力端Ａ側のＲＦ検出器１０２ａと出力端側のＲＦ電圧検出器１０２ｃの検出精度の調整や、ＲＦ検出器１０２ａ及びＲＦ検出器１０２ｃをそれぞれ検査する必要があるという問題もある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、入力側と出力側のいずれか一方にＲＦ検出器を設け、その検出値を用いてインピーダンス整合動作と負荷（プラズマ処理装置）のインピーダンス変動の監視動作の制御を行うことができるインピーダンス整合装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面によって提供されるインピーダンス整合装置は、高周波電源と負荷との間に設けられ、インピーダンス可変回路のインピーダンス値を変化させることにより、前記高周波電源と前記負荷とのインピーダンス整合を行うインピーダンス整合装置であって、前記インピーダンス整合装置のＺパラメータに関する情報が予め前記インピーダンス可変回路の可変値毎に取得され、各Ｚパラメータに関する情報が前記インピーダンス可変回路の可変値に関する情報に対応付けて記憶されたＺパラメータ記憶手段と、前記インピーダンス整合装置の出力ポートにおける高周波電圧及び高周波電流を含むＲＦ信号を検出するＲＦ検出手段と、前記ＲＦ検出手段で検出されたＲＦ信号と前記Ｚパラメータ記憶手段に記憶されている全てのＺパラメータに関する情報とを用いて、前記インピーダンス可変回路を各Ｚパラメータに関する情報に対応する可変値に調整したと仮定した場合の前記インピーダンス整合装置の入力ポートから負荷側をみた入力側インピーダンスを算出する入力側インピーダンス算出手段と、前記入力側インピーダンス算出手段で算出された複数の入力側インピーダンスのうち、予め設定された目標インピーダンスに最も近い入力側インピーダンスを抽出し、その入力側インピーダンスに対応する前記インピーダンス可変回路の可変値に関する情報をインピーダンス整合の調整値として特定するインピーダンス調整値特定手段と、前記インピーダンス調整値特定手段で特定された前記インピーダンス可変回路の可変値に関する情報に基づいて、前記インピーダンス可変回路のインピーダンス値を調整するインピーダンス調整手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。

本発明の第２の側面によって提供されるインピーダンス整合装置は、高周波電源と負荷との間に設けられ、インピーダンス可変回路のインピーダンス値を変化させることにより、前記高周波電源と前記負荷とのインピーダンス整合を行うインピーダンス整合装置であって、前記インピーダンス整合装置のＺパラメータに関する情報が予め前記インピーダンス可変回路の可変値毎に取得され、各Ｚパラメータに関する情報が前記インピーダンス可変回路の可変値に関する情報に対応付けて記憶されたＺパラメータ記憶手段と、前記インピーダンス整合装置の入力ポートにおける高周波電圧及び高周波電流を含むＲＦ信号を検出するＲＦ検出手段と、前記ＲＦ検出手段で検出されたＲＦ信号と、前記Ｚパラメータ記憶手段に記憶されている、当該ＲＦ信号の検出時に設定されている前記インピーダンス可変回路の可変値に対応する前記Ｚパラメータに関する情報と用いて、前記インピーダンス整合装置の出力ポートにおける高周波電圧及び高周波電流を含むＲＦ信号を算出するＲＦ信号算出手段と、前記ＲＦ信号算出手段で算出されたＲＦ信号と前記Ｚパラメータ記憶手段に記憶された全てのＺパラメータに関する情報とを用いて、前記インピーダンス可変回路を各Ｚパラメータに関する情報に対応する可変値に調整したと仮定した場合の前記インピーダンス整合装置の入力ポートから負荷側をみた入力側インピーダンスを算出する入力側インピーダンス算出手段と、前記入力側インピーダンス演算手段で算出された複数の入力側インピーダンスのうち、予め設定された目標インピーダンスに最も近い入力側インピーダンスを抽出し、その入力側インピーダンスに対応する前記インピーダンス可変回路の可変値に関する情報をインピーダンス整合の調整値として特定するインピーダンス調整値特定手段と、前記インピーダンス調整値特定手段で特定された前記インピーダンス可変回路の可変値に関する情報に基づいて、前記インピーダンス可変回路のインピーダンス値を調整するインピーダンス調整手段と、を備えたことを特徴とする（請求項２）。

好ましい実施の形態によれば、前記ＲＦ検出手段で検出された高周波電圧若しくは前記ＲＦ信号算出手段で算出された高周波電圧のｐ-ｐ値を算出し、その高周波電圧のｐ-ｐ値に基づいて、前記負荷に異常が発生したことを検出する異常検出手段と、前記異常検出手段により前記異常の発生が検出されると、予め設定された安全処理を行う安全処理手段と、を更に備えるとよい（請求項３）。

更に好ましい実施の形態によれば、前記Ｚパラメータ記憶手段に記憶されたＺパラメータに関する情報は、実測した前記インピーダンス整合装置のＳパラメータを所定の変換式によりＺパラメータに変換したデータ、若しくは、実測した前記インピーダンス整合装置のＳパラメータのデータと、前記Ｓパラメータの実測値をＺパラメータに変換する変換プログラムのデータであるとよい（請求項４，５）。

更に好ましい実施の形態によれば、前記負荷は、前記インピーダンス整合装置の出力ポートに直結されるプラズマ処理装置であるとよい（請求項６）。

本発明によれば、インピーダンス整合装置の出力ポートと入力ポートのいずれか一方にだけＲＦ検出手段を設け、そのＲＦ検出手段で検出した高周波電圧及び高周波電流と、予めインピーダンス調整点毎に測定したインピーダンス整合装置のＺパラメータとを用いて、インピーダンス可変回路のインピーダンスダンス値を各インピーダンス調整点に調整したとした場合のインピーダンス整合装置の入力ポートにおける入力側インピーダンス（推定値）を算出し、インピーダンス可変回路のインピーダンスダンス値が算出された複数の入力側インピーダンスのうち所定の目標インピーダンスに最も近い入力側インピーダンスに対応するインピーダンス調整点に調整される（インピーダンス整合動作）が行われる。

また、本発明によれば、ＲＦ検出手段で検出された高周波電圧若しくはＲＦ信号算出手段で算出された高周波電圧のｐ-ｐ値を算出し、その高周波電圧のｐ-ｐ値に基づいて負荷に異常が発生したことを検出すると、所定の安全処理が行われる。

本発明によれば、インピーダンス整合装置の出力ポートと入力ポートのいずれか一方にだけＲＦ検出手段を設け、そのＲＦ検出手段で検出した高周波電圧及び高周波電流を用いてインピーダンス整合装置のインピーダンス整合動作と負荷の処理状態の監視制御を行うようにしたので、インピーダンス整合装置２の入力ポートと出力ポートの両方にＲＦ検出器を設ける必要がなく、インピーダンス整合装置の内部構成を簡単にすることができる。

また、ＲＦ検出手段が１個だけであるので、ＲＦ検出手段を２個設けた場合の両ＲＦ検出手段の検出精度の調整や各ＲＦ検出手段をそれぞれ検査する必要がなく、ＲＦ検出手段の管理が容易になる。

また、Ｚパラメータを用いてインピーダンス整合動作をするので、インピーダンス整合装置内部における寄生キャパシタや寄生インダクタの影響を受けることなく、高い精度でインピーダンス整合を行うことができる。

本発明に係るインピーダンス整合装置が適用されるプラズマ処理システムの構成とインピーダンス整合装置の回路ブロックを示す図である。ＶＩ検出器の構成を示すブロック図である。インピーダンス整合装置２のＳパラメータＳを測定するときの計測システムの構成図である。メモリに記憶されたＺパラメータに関する情報のイメージ図である。４端子回路網のＺパラメータを説明するための図である。インピーダンス整合装置のインピーダンス整合動作の手順を示すフローチャートである。本発明に係るインピーダンス整合装置の変形例を示す図である。図７に示すインピーダンス整合装置のインピーダンス整合動作の手順を示すフローチャートである。従来のインピーダンス整合装置の一例を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係るインピーダンス整合装置が適用されるプラズマ処理システムの構成を示す図である。

図１に示すプラズマ処理システム１は、本発明に係るインピーダンス整合装置２、高周波電源３、プラズマ処理装置４、伝送ケーブル５及びシステム制御部６を含む。高周波電源３は、伝送ケーブル５（例えば、特性インピーダンスＺ_oが５０［Ω］の同軸ケーブル等）によってインピーダンス整合装置２の入力ポートＰ₁に接続され、プラズマ処理装置４は、インピーダンス整合装置２の出力ポートＰ₂に直結されている。

プラズマ処理装置４は、例えば、フッ素系のガスと半導体ウェハや液晶基板等の被加工物をチャンバー内に封入し、そのチャンバー内に高周波電力を供給してプラズマを発生させ、そのプラズマを用いて被加工物に薄膜形成処理やエッチング処理を行う装置である。図示は省略しているが、プラズマ処理装置４は、ガスや被加工物を封入する密閉可能なチャンバーと、チャンバー内のガス圧を調整する減圧ポンプと、供給された高周波電力を放電させる一対の電極を備える。

高周波電源３は、プラズマ処理装置４に所定の高周波（プラズマ処理システムで規定されている２．００［ＭＨｚ］、１３．５６［ＭＨｚ］、４０．００［ＭＨｚ］等の高周波）の電力を供給する装置である。プラズマ処理システム１では、プラズマ処理における高周波電源３の出力電力のプロファイルが予め設定される。高周波電源３は、プラズマ処理を開始すると、予め設定されたプロファイルに基づいて生成した高周波電力をプラズマ処理装置４に出力する。

図示は省略しているが、高周波電源３は、高周波信号（電圧信号）を発生する高周波信号発生回路と、高周波信号発生回路で発生した高周波信号を増幅するパワーアンプと、このパワーアンプに直流の電源電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータとを備える。高周波電源３は、５０［Ω］の負荷に対して定格電力が出力できるように設計されている。従って、高周波電源３の出力端は、特性インピーダンス５０［Ω］の伝送ケーブル５によってインピーダンス整合装置２の入力ポートＰ₁に接続されている。高周波電源３は、予め設定されたプロファイルに基づきパワーアンプに供給する直流電圧又は高周波信号を制御することによってパワーアンプから出力される高周波電力を制御する。

プラズマ処理装置４は、プラズマ処理中に被加工物の状態が変化するのに応じて一対の電極間の通電状態が変化するため、インピーダンス整合装置２の出力ポートＰ₂からプラズマ処理装置４側を見たインピーダンスＺ_L＝Ｒ_L＋ｊ・Ｘ_L［Ω］（以下、「負荷インピーダンスＺ_L」という。）が変化する。後述するようにインピーダンス整合装置２には複数のインピーダンス調整点ｎ（ｎはインピーダンス調整点に付された番号。ｎ＝１，２，…Ｎ）が設けられている。インピーダンス整合装置２は、プラズマ処理中に所定の周期で、複数のインピーダンス調整点ｎのうち、インピーダンス整合装置２の入力ポートＰ₁における反射波電力Ｐ_rを最小にするインピーダンス調整点ｎ_s（以下、「インピーダンス整合点ｎ_s」という。）を算出し、インピーダンス整合装置２に設けられた２個の可変キャパシタＶＣ₁，ＶＣ₂の各キャパシタンス値を算出したインピーダンス整合点ｎ_sのキャパシタンス値に制御する。これにより、インピーダンス整合装置２は、高周波電源３から出力される高周波電力を効率良くプラズマ処理装置４に供給する。

インピーダンス整合装置２には、２個の可変キャパシタＶＣ₁，ＶＣ₂と１個のインダクタＬ₁を含むインピーダンス整合回路２０１と、出力ポートＰ₂におけるＲＦ電圧ｖ₂とＲＦ電流ｉ₂を検出するＶＩ検出器２０２と、可変キャパシタＶＣ₁，ＶＣ₂の各容量値を制御してインピーダンス整合動作を行う制御部２０３と、インピーダンス調整点毎の可変キャパシタＶＣ₁，ＶＣ₂の可変値若しくは可変位置等のデータやインピーダンス調整点ｎ毎のインピーダンス整合装置２のＺパラメータに関するデータを記憶するメモリ２０４と、が設けられている。

インピーダンス整合回路２０１は、可変キャパシタＶＣ₂とインダクタＬ₁を直列に接続した回路と可変キャパシタＶＣ₁とのＬ型回路である。インダクタＬ₁のインダクタンス値は固定である。可変キャパシタＶＣ₁，ＶＣ₂は、互いに対向している一対の電極の一方が可動電極で構成され、電動モータにより可動電極を回転させて電極対向面積を変化させるタイプのバリアブルコンデンサである。

可変キャパシタＶＣ₁には、可動電極を回転させるための電動モータＭ₁と可動電極の回転位置を検出する位置検出センサＰＳ₁が設けられている。位置検出センサＰＳ₁の検出信号は制御部２０３に入力され、電動モータＭ₁には制御部２０３から可動電極の回転駆動を行うための駆動信号（例えば、駆動電圧）が入力される。制御部２０３は、位置検出センサＰＳ₁の検出信号に基づいて可動電極の回転位置を検出しながら電動モータＭ₁の駆動を制御し、これにより可変キャパシタＶＣ₁の容量値を予め設定されたＮ₁個の可変容量値の中の任意の容量値に制御する。

可変キャパシタＶＣ₂にも可変キャパシタＶＣ₁と同様に、可動電極を回転させるための電動モータＭ₂と可動電極の回転位置を検出する位置検出センサＰＳ₂が設けられている。位置検出センサＰＳ₂の検出信号は制御部２０３に入力され、電動モータＭ₂には制御部２０３から可動電極の回転駆動を行うための駆動信号が入力される。制御部２０３は、位置検出センサＰＳ₂の検出信号に基づいて可動電極の回転位置を検出しながらモータＭ₂の駆動を制御し、これにより可変キャパシタＶＣ₂の容量値を予め設定されたＮ₂個の可変容量値の中の任意の容量値に制御する。

ＶＩ検出器２０２は、図２に示すように、ＲＦ電圧ｖを検出するＲＦ電圧センサ２０２Ａ−１とＲＦ電流ｉを検出するＲＦ電流センサ２０２Ａ−２を備えるセンサヘッド２０２Ａと、センサヘッド２０２Ａから出力される検出信号（ＲＦ電圧ｖとＲＦ電流ｉのアナログ検出信号）をディジタル信号（ＲＦ電圧データとＲＦ電流データ）に変換するＡ／Ｄコンバータ２０２Ｂを含むデバイスである。

センサヘッド２０２ＡのＲＦ電圧センサ２０２Ａ−１は、出力ポートＰ₂に接続された信号線に容量結合されるループ状の電極で構成され、ＲＦ電流センサ２０２Ａ−２は同信号線に磁気結合されるコイルで構成される。出力ポートＰ₂のＲＦ電圧ｖ₂とＲＦ電流ｉ₂をそれぞれｖ₂＝Ｖ₂・sin(ω・t)（Ｖ₂＝√２・Ｖ_2rms）、i₂＝Ｉ₂・sin(ω・t＋θ₂)（Ｉ₂＝√２・Ｉ_2rms）とすると、ＶＩ検出器２０２からＲＦ電圧ｖ₂とＲＦ電流ｉ₂の各瞬時値（デジタルデータ）が制御部２０３に出力される。

メモリ２０４には、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発メモリが用いられる。メモリ２０４は、ＥＥＰＲＯＭに限られるものではなく、フラッシュメモリ等の他の不揮発性メモリを用いてもよい。また、本実施形態では、制御部２０３内に不揮発メモリ２０４を設けた構成にしているが、不揮発メモリ２０４を制御部２０３の外部に設けた構成でもよい。

可変キャパシタＶＣ₁と可変キャパシタＶＣ₂の容量値の可変数はそれぞれＮ₁個とＮ₂個であるので、本実施形態のインピーダンス調整点ｎの数は（Ｎ₁×Ｎ₂）個である。なお、可変キャパシタＶＣ₁の容量値の可変数Ｎ₁と可変キャパシタＶＣ₂の容量値の可変数Ｎ₂は、同一でも良く、異なっていてもよい。

本実施形態では、全てのインピーダンス調整点ｎについて、インピーダンス整合装置２を各インピーダンス調整点ｎに調整したときのＳパラメータＳ₁₁(n)，Ｓ₁₂(n)，Ｓ₂₁(n)，Ｓ₂₂(n)（（n）は、インピーダンス整合装置２をインピーダンス調整点ｎに調整したときの値であることを示す。以下、同じ。）を予め測定し、各測定値ＳパラメータＳ₁₁(n)，Ｓ₁₂(n)，Ｓ₂₁(n)，Ｓ₂₂(n)をＺパラメータＺ₁₁(n)，Ｚ₁₂(n)，Ｚ₂₁(n)，Ｚ₂₂(n)に変換したデータがインピーダンス調整点ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ₁×Ｎ₂）に対応付けてメモリ２０４に記憶されている。

インピーダンス整合装置２のＳパラメータは、図３に示す測定系によって測定される。

同図に示すＳパラメータの測定系は、ベクトル・ネットワーク・アナライザー７を用いてインピーダンス整合装置２のＳパラメータＳ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₂₁，Ｓ₂₂を測定する測定システムである。測定システムの伝送系の特性インピーダンスＺ_oは５０［Ω］である。

ベクトル・ネットワーク・アナライザー７の第１の入出力ポートＰ_Aにインピーダンス整合装置２の入力ポートＰ₁がで接続され、第２の入出力ポートＰ_Bにインピーダンス整合装置２の出力ポートＰ₂が接続され、ベクトル・ネットワーク・アナライザー７の制御部（図示省略）とインピーダンス整合装置２の制御部２０３が制御信号を伝送する所定の信号線で接続されている。入力ポートＰ₁と出力ポートＰ₂は、特性インピーダンスＺ_oが５０［Ω］の伝送ケーブルでそれぞれ第１の入出力ポートＰ_Aと第２の入出力ポートＰ_Bに接続されている。

ベクトル・ネットワーク・アナライザー７は、所定の周波数の高周波信号を発生し、その高周波信号を第１の入出力ポートＰ_Aから出力して入力ポートＰ₁からインピーダンス整合装置２に入力し、インピーダンス整合装置２の出力ポートＰ₂から出力される高周波信号を入出力ポートＰ_Bから入力して、インピーダンス整合装置２の入力ポートＰ₁に入力される高周波信号ａ₁と、入力ポートＰ₁から出力される高周波信号ｂ₁と、インピーダンス整合装置２の出力ポートＰ₂から出力される高周波信号ｂ₂を測定する。その後、ベクトル・ネットワーク・アナライザー７は、高周波信号を第２の入出力ポートＰ_Bから出力して出力ポートＰ₂からインピーダンス整合装置２に入力し、インピーダンス整合装置２の入力ポートＰ₁から出力される高周波信号を入出力ポートＰ_Aから入力して、インピーダンス整合装置２の出力ポートＰ₂に入力される高周波信号ａ₂と、出力ポートＰ₂から出力される高周波信号ｂ₂と、インピーダンス整合装置２の入力ポートＰ₁から出力される高周波信号ｂ₁を測定する。

そして、ベクトル・ネットワーク・アナライザー７は、ｂ₁／ａ₁＝Ｓ₁₁、Ｓ₂₁＝ｂ₂／ａ₁、Ｓ₁₂＝ｂ₁／ａ₂、Ｓ₂₂＝ｂ₂／ａ₂の演算を行うことにより、Ｓパラメータの４つの要素Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₂₁，Ｓ₂₂を算出する。

インピーダンス整合装置２のＳパラメータの測定では、制御部２０３は、所定の周期でインピーダンス調整点ｎを所定の順番（例えば、調整番号ｎを１からＮ₁×Ｎ₂まで増加させる順番）で変化させ、インピーダンス調整点ｎを変化させる毎にベクトル・ネットワーク・アナライザー７にＳパラメータＳ₁₁(n)，Ｓ₁₂(n)，Ｓ₂₁(n)，Ｓ₂₂(n)を測定させる。制御部２０３は、ベクトル・ネットワーク・アナライザー７から出力されるＳパラメータの測定値Ｓ₁₁(n)，Ｓ₁₂(n)，Ｓ₂₁(n)，Ｓ₂₂(n)をＲＡＭに一時保存し、下記の（１）式〜（４）式によりＳパラメータの測定値Ｓ₁₁(n)，Ｓ₁₂(n)，Ｓ₂₁(n)，Ｓ₂₂(n)をＺパラメータＺ₁₁(n)，Ｚ₁₂(n)，Ｚ₂₁(n)，Ｚ₂₂(n)に変換した後、メモリ２０４のインピーダンス調整点ｎに対応する記憶領域に記憶する。

図４は、メモリ２０４に記憶されたＺパラメータに関する情報のイメージ図である。

可変キャパシタＶＣ₁の容量値の調整点をｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ₁）、可変キャパシタＶＣ₂の容量値の調整点をｊ（ｊ＝１，２，…，Ｎ₂）とすると、調整点ｉと調整点ｊの全ての組み合わせ（ｉ，ｊ）に対して（Ｎ₁×Ｎ₂）個のインピーダンス調整点ｎが割り当てられている。インピーダンス調整点ｎは、(１，１)、（１，２）、…（１，Ｎ₂）、(２，１)、（２，２）、…（２，Ｎ₂）、…(Ｎ₁，１)、(Ｎ₁，２)，… （Ｎ₁，Ｎ₂)の順に調整点の番号１，２，…Ｎ₁×Ｎ₂が割り当てられ、メモリ２０４の記憶領域には、インピーダンス調整点ｎに対応してアドレスが設定されている。従って、可変キャパシタＶＣ₁を調整点ｉに調整し、可変キャパシタＶＣ₂を調整点ｊに調整して測定されたＺパラメータＺ₁₁，Ｚ₁₂，Ｚ₂₁，Ｚ₂₂は、調整点ｉと調整点ｊの組み合わせに対応するインピーダンス調整点ｎのアドレスの記憶領域に調整点ｉ，ｊのデータと共に記憶されている。

本実施形態では、メモリ２０４にＺパラメータＺ₁₁(n)，Ｚ₁₂(n)，Ｚ₂₁(n)，Ｚ₂₂(n)をインピーダンス調整点ｎに対応付けて記憶しているが、メモリ２０４にＳパラメータＳ₁₁(n)，Ｓ₁₂(n)，Ｓ₂₁(n)，Ｓ₂₂(n)のデータをインピーダンス調整点ｎに対応付けて記憶するとともに、上記の変換式（１）〜（４）のデータを記憶しておき、制御部２０３がインピーダンス整合の制御動作をするときにメモリ２０４から読み出したＳパラメータＳ₁₁(n)，Ｓ₁₂(n)，Ｓ₂₁(n)，Ｓ₂₂(n)を、変換式（１）〜（４）を用いてＺパラメータＺ₁₁(n)，Ｚ₁₂(n)，Ｚ₂₁(n)，Ｚ₂₂(n)に変換するようにしてもよい。

制御部２０３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を備えるマイクロコンピュータやＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等で構成される。制御部２０３は、下記の（Ａ１）〜（Ａ４）の手順を所定の周期で繰り返してインピーダンス整合制御を行う。

（Ａ１）ＶＩ検出器２０２から出力されるＲＦ電圧ｖ₂及びＲＦ電流ｉ₂を入力する。

（Ａ２）メモリ２０４から全てのインピーダンス調整点ｎのＺパラメータＺ₁₁(n)，Ｚ₁₂(n)，Ｚ₂₁(n)，Ｚ₂₂(n)を順番に読み出して、入力したＲＦ電圧ｖ₂、ＲＦ電流ｉ₂とＺパラメータＺ₁₁(n)，Ｚ₁₂(n)，Ｚ₂₁(n)，Ｚ₂₂(n)を用いて、下記の（５）式を演算することにより、インピーダンス整合装置２をインピーダンス調整点ｎに調整したと仮定した場合に推定される入力ポートＰ₁のインピーダンスＺ₁(n)（以下、「入力側インピーダンスＺ₁(n)という。」を算出する。

なお、インピーダンス整合装置２を図５に示す４端子回路網として扱うと、入力ポートＰ₁における電圧v₁及び電流ｉ₁（入力ポートＰ₁から４端子回路網側に流れ込む電流）と出力ポートＰ₂における電圧ｖ₂及び電流ｉ₂（出力ポートＰ₂から４端子回路網側に流れ込む電流）との間には、ＺパラメータＺ₁₁，Ｚ₁₂，Ｚ₂₁，Ｚ₂₂を用いて、下記の（６）式の関係がある。（５）式は、（６）の関係式から（７）式，（８）式により入力ポートＰ₁における電圧v₁と電流ｉ₁を求め、それらを（９）式に代入することにより導出される。

（Ａ３）算出した（Ｎ₁×Ｎ₂）個の入力側インピーダンスＺ₁(n)（ｎ＝１，２，…，Ｎ₁×Ｎ₂）のうち、高周波電源３が最適な電力伝送効率で電力を出力することができる負荷インピーダンスとして設計されているインピーダンス値Ｚ_t（このインピーダンス値はインピーダンス整合の目標となるインピーダンス値であるので、以下、「目標インピーダンスＺ_t」という。）に最も近い入力側インピーダンスＺ₁(t)を求め、その入力側インピーダンスＺ₁(t)に対応するインピーダンス調整点ｔをインピーダンス整合点ｎ_sに設定する。

（Ａ４）インピーダンス整合装置２の２個の可変キャパシタＶＣ₁，ＶＣ₂の調整点ｉ，ｊをインピーダンス整合点ｎ_sに対応する調整点にそれぞれ制御する。

制御部２０３は、ＶＩ検出器２０２から出力されるＲＦ電圧ｖ₂とＲＦ電流ｉ₂を用いて位相差θ₂を算出し、ＲＦ電圧ｖ₂及びＲＦ電流ｉ₂の検出値と位相差θ₂の算出値を用いて下記の（１０）式〜（１５）式を演算することにより負荷インピーダンスＺ_L、ＲＦ電圧ｖ₂のｐ-ｐ値Ｖ_pp等の高周波特性を算出し、その算出結果をシステム制御部６に出力する。

システム制御部６は、プラズマ処理システム１全体の動作を統括的に制御する制御部である。システム制御部６は、インピーダンス制御装置２内の制御部２０３から入力される負荷インピーダンスＺ_L、ＲＦ電圧ｖ₂のｐ-ｐ値Ｖ_pp、反射係数Γ₂、進行波電力Ｐ_f2、反射波電力Ｐ_r2等のデータを用いて、プラズマ処理システム１の運転状態の監視や異常発生の検出やプラズマ処理の結果予測等を行う。システム制御部６は、例えば、ｐ-ｐ値Ｖ_ppを予め設定された閾値と比較し、ｐ-ｐ値Ｖ_ppが閾値を超える値に上昇すると、異常発生と判断し、メッセージ表示やアラーム音等による異常報知をしたり、高周波電源３に停止信号を出力して高周波電力の出力を停止させたりする。

次に、プラズマ処理中のインピーダンス整合装置２のインピーダンス整合動作について図６のフローチャートを用いて説明する。

高周波電源３から高周波を出力してプラズマ処理が開始されると、制御部２０３は、図６に示すフローチャートの処理手順を所定の周期で繰り返し、高周波電源３とプラズマ処理装置４をインピーダンス整合状態に制御する。

制御部２０３は、処理を開始すると、先ず、ＶＩ検出器２０２から出力されるＲＦ電圧ｖ₂とＲＦ電流ｉ₂を読み込む（Ｓ１）。

続いて、制御部２０３は、メモリ２０４から調整番号ｎの順にＺパラメータＺ₁₁(n)，Ｚ₁₂(n)，Ｚ₂₁(n)，Ｚ₂₂(n)を読み出し、各調整番号ｎについて、そのＺパラメータＺ₁₁(n)，Ｚ₁₂(n)，Ｚ₂₁(n)，Ｚ₂₂(n)とＲＦ電圧ｖ₂及びＲＦ電流ｉ₂とを用いて、（５）式を演算することにより、インピーダンス整合装置２をインピーダンス調整点ｎに調整したと仮定した場合の入力側インピーダンスＺ₁(n)の推定値を算出する（Ｓ２〜Ｓ６のループ）。

制御部２０３は、全てのインピーダンス調整点ｎについて、入力側インピーダンスＺ₁(n)を算出すると（Ｓ５：ＹＥＳ）、算出した全ての入力側インピーダンスＺ₁(n)＝Ｒ₁(n)＋ｊ・Ｘ₁(n)の中から予め設定された目標インピーダンスＺ_t（本実施形態では、Ｚ_t＝５０Ω。）に最も近い入力側インピーダンスＺ₁(t)を抽出する（Ｓ７）。制御部２０３は、例えば、全てのインピーダンス調整点ｎについて、Ｚ₁(n)'＝［Ｚ₁(n)−Ｚ_t］＝［Ｒ₁(n)−５０］＋ｊ・Ｘ₁(n)を演算し、その演算値Ｚ₁(n)'の絶対値［Ｒ₁(n)−５０］²＋Ｘ₁(n)²が最も小さい入力側インピーダンスＺ₁(t)を抽出する。

そして、制御部２０３は入力側インピーダンスＺ₁(t)に対応するインピーダンス調整点ｔの情報を用いて、モータＭ₁とモータＭ₂の駆動を制御し、可変キャパシタＶＣ₁と可変キャパシタＶＣ₂の各容量値をインピーダンス調整点ｔの各容量値に変更して（Ｓ８）、ステップＳ１に戻る。

以上の処理を制御部２０３が繰り返すことにより、入力側インピーダンスＺ₁は、目標インピーダンスＺ_tに最も近い値に制御されるので、インピーダンス整合装置２がインピーダンス整合動作を開始した後はプラズマ処理装置４の負荷インピーダンスＺ_Lが変動した場合にもその変動に好適に追従して高周波電源３からプラズマ処理装置４への電力伝送効率が最も良好な状態（入力ポートＰ₁での反射波電力が最小になる状態）に保持されることになる。

以上説明したように、本実施形態に係るインピーダンス整合装置２によれば、出力ポートＰ₂にだけＶＩ検出器２０２を設け、そのＶＩ検出器２０２で検出した出力ポートＰ₂におけるＲＦ電圧ｖ₂及びＲＦ電流ｉ₂を用いてインピーダンス整合装置２のインピーダンス整合動作とプラズマ処理システム１のプラズマ処理の監視制御を行うようにしたので、インピーダンス整合装置２の入力ポートＰ₁側にはＲＦ検出器を設ける必要がなく、インピーダンス整合装置２の内部構成を簡単にすることができる。

また、インピーダンス整合動作では、ＶＩ検出器２０２で検出したＲＦ電圧ｖ₂及びＲＦ電流ｉ₂とインピーダンス整合装置２の全てのインピーダンス調整点ｎ（ｎ＝１，２，…Ｎ₁×Ｎ₂）におけるＺパラメータＺ₁₁(n)，Ｚ₁₂(n)，Ｚ₂₁(n)，Ｚ₂₂(n)とを用いてインピーダンス整合点ｔを算出し、２つの可変キャパシタＶＣ₁，ＶＣ₂をインピーダンス整合点ｔの調整点にそれぞれ制御するようにしたので、可変キャパシタＶＣ₁、ＶＣ₂及びインダクタＬ₁などの素子のばらつきやインピーダンス整合装置２内の寄生キャパシタや寄生インダクタの影響を受けることなく高い精度でインピーダンス整合の制御をすることができる。

上記の実施形態では、ＶＩ検出器２０２を出力ポートＰ₂側に設けていたが、図７に示すように、ＶＩ検出器２０２を入力ポートＰ₁側に設け、インピーダンス整合装置２’の入力端ＡにおけるＲＦ電圧ｖ₁、ＲＦ電流ｉ₁及び位相差θ₁の検出値を用いてインピーダンス整合動作とプラズマ処理システム１’のプラズマ処理の監視制御をすることができる。

図７に示すインピーダンス整合装置２’では、制御部２０３は、下記の（Ｂ１）〜（Ｂ４）の手順を所定の周期で繰り返してインピーダンス整合制御を行う。

（Ｂ１）ＶＩ検出器２０２から出力されるＲＦ電圧ｖ₁及びＲＦ電流ｉ₁を入力する。

（Ｂ２）メモリ２０４からＲＦ電圧ｖ₁及びＲＦ電流ｉ₁の検出時のインピーダンス調整点ｉのＺパラメータＺ₁₁(i)，Ｚ₁₂(i)，Ｚ₂₁(i)，Ｚ₂₂(i)を読み出して、入力したＲＦ電圧ｖ₁、ＲＦ電流ｉ₁とＺパラメータＺ₁₁(i)，Ｚ₁₂(i)，Ｚ₂₁(i)，Ｚ₂₂(i)を用いて、下記の（１３）式及び（１４）式を演算することにより、インピーダンス整合装置２’の出力ポートＰ₂におけるＲＦ電圧ｖ₂（推定値）とＲＦ電流ｉ₂（推定値）を算出する。

なお、（１３）式と（１４）式は、（６）式と（７）式を変形することにより導出することができる。（６）式と（７）式を変形して導出されるＲＦ電流ｉ₂は、ｉ₂＝（Ｚ₁₁×ｉ₁−ｖ₁）／Ｚ₁₂となるが、ＲＦ電流ｉ₂の推定値の向きは図５に示す向きと逆になるので、（１４）式は、ｉ₂＝−（Ｚ₁₁×ｉ₁−ｖ₁）／Ｚ₁₂となっている。

（Ｂ３）メモリ２０４から全てのインピーダンス調整点ｎのＺパラメータＺ₁₁(n)，Ｚ₁₂(n)，Ｚ₂₁(n)，Ｚ₂₂(n)を順番に読み出して、算出したＲＦ電圧ｖ₂及びＲＦ電流ｉ₂の推定値とＺパラメータＺ₁₁(n)，Ｚ₁₂(n)，Ｚ₂₁(n)，Ｚ₂₂(n)を用いて、上記の（５）式を演算することにより入力側インピーダンスＺ₁(n)を算出する。

（Ｂ４）算出した（Ｎ₁×Ｎ₂）個の入力側インピーダンスＺ₁(n)（ｎ＝１，２，…，Ｎ₁×Ｎ₂）のうち、目標インピーダンスＺ_tに最も近い入力側インピーダンスＺ₁(t)を求め、その入力側インピーダンスＺ₁(t)に対応するインピーダンス調整点ｔをインピーダンス整合点ｎ_sに設定する。

上記のように、図７に示すインピーダンス整合装置２’は、図１に示すインピーダンス整合装置２に対してＲＦ電圧ｖ₂とＲＦ電圧ｉ₂の推定値を算出し、その推定値と全てのインピーダンス調整点ｎのＺパラメータＺ₁₁(n)，Ｚ₁₂(n)，Ｚ₂₁(n)，Ｚ₂₂(n)を用いて入力側インピーダンスＺ₁(n)を算出する点が異なるだけである。

従って、プラズマ処理中のインピーダンス整合装置２’のインピーダンス整合動作の手順を示すフローチャートは、図８に示すようになる。

図８に示すフローチャートは、図６に示すフローチャートに対して、ステップＳ１をＶＩ検出器２０２から出力される入力ポートＰ₁のＲＦ電圧ｖ₁とＲＦ電流ｉ₁を読み込むステップＳ１’の処理に変更し、そのステップＳ１’とステップＳ２の間に、メモリ２０４からＲＦ電圧ｖ₁及びＲＦ電流ｉ₁の検出時のインピーダンス整合装置２のインピーダンス調整点ｉのＺパラメータＺ₁₁(i)，Ｚ₁₂(i)，Ｚ₂₁(i)，Ｚ₂₂(i)を読み出すステップＳ１-Ａの処理と、ＲＦ電圧ｖ₁、ＲＦ電流ｉ₁とＺパラメータＺ₁₁(i)，Ｚ₁₂(i)，Ｚ₂₁(i)，Ｚ₂₂(i)を用いてインピーダンス整合装置２の出力ポートＰ₂におけるＲＦ電圧ｖ₂とＲＦ電流ｉ₂を算出するステップＳ１−Ｂの処理を追加したものである。

ステップＳ２〜Ｓ７の処理内容は、図６のフローチャートを用いて説明した内容と同一であるから、図８に示すフローチャートの詳細説明は省略する。

インピーダンス整合装置２’は、インピーダンス整合装置２に対してＶＩ検出器２０２の配設位置が異なるだけであるから、インピーダンス整合装置２’でも上述したインピーダンス整合装置２と同様の効果を奏することができる。

上記の実施形態では、インピーダンス可変回路２０１として２つの可変キャパシタＶＣ₁，ＶＣ₂と１個のインダクタＬ₁をＬ型に接続したＬ型回路の例を示したが、逆Ｌ回路やＴ型回路やπ型回路などの他の回路構成であってもよい。また、可変素子として可変コンデンサを用いた例を説明したが、バリアブルインダクタ等の他のタイプの可変素子であってもよい。

上記実施形態では、プラズマ処理システムに用いられるインピーダンス整合装置について説明したが、本発明に係るインピーダンス整合装置の用途はプラズマ処理システムに限定されるものではなく、インピーダンス整合装置を必要とする任意のシステムに広く適用することができる。

１，１’ プラズマ処理システム
２，２’ インピーダンス整合装置
２０１インピーダンス整合回路（インピーダンス可変回路）
２０２ＶＩ検出器（ＲＦ検出手段）
２０３制御部（入力側インピーダンス算出手段、ＲＦ信号算出手段、インピーダンス調整値特定手段、インピーダンス調整手段）
２０４メモリ（Ｚパラメータ記憶手段）
３高周波電源
４プラズマ処理装置（負荷）
５伝送ケーブル
６システム制御部（異常検出手段、安全処理手段）
７ベクトル・ネットラーク・アナライザー
Ｌ₁ インダクタ
Ｐ₁ 入力ポート
Ｐ₂ 出力ポート
ＶＣ₁，ＶＣ₂ 可変キャパシタ
Ｍ₁，Ｍ₂ 電動モータ（インピーダンス調整手段）
ＰＳ₁，ＰＳ₂ 位置検出センサ

Claims

高周波電源と負荷との間に設けられ、インピーダンス可変回路のインピーダンス値を変化させることにより、前記高周波電源と前記負荷とのインピーダンス整合を行うインピーダンス整合装置であって、
前記インピーダンス整合装置のＺパラメータに関する情報が予め前記インピーダンス可変回路の可変値毎に取得され、各Ｚパラメータに関する情報が前記インピーダンス可変回路の可変値に関する情報に対応付けて記憶されたＺパラメータ記憶手段と、
前記インピーダンス整合装置の出力ポートに設けられ、前記出力ポートにおける高周波電圧及び高周波電流を含むＲＦ信号を検出するＲＦ検出手段と、
前記ＲＦ検出手段で検出されたＲＦ信号と前記Ｚパラメータ記憶手段に記憶されている全てのＺパラメータに関する情報とを用いて、前記インピーダンス可変回路を各Ｚパラメータに関する情報に対応する可変値に調整したと仮定した場合の前記インピーダンス整合装置の入力ポートから負荷側をみた入力側インピーダンスを算出する入力側インピーダンス算出手段と、
前記入力側インピーダンス算出手段で算出された複数の入力側インピーダンスのうち、予め設定された目標インピーダンスに最も近い入力側インピーダンスを抽出し、その入力側インピーダンスに対応する前記インピーダンス可変回路の可変値に関する情報をインピーダンス整合の調整値として特定するインピーダンス調整値特定手段と、
前記インピーダンス調整値特定手段で特定された前記インピーダンス可変回路の可変値に関する情報に基づいて、前記インピーダンス可変回路のインピーダンス値を調整するインピーダンス調整手段と、
前記ＲＦ検出手段で検出された高周波電圧及び高周波電流に基づいて前記負荷のインピーダンスを算出する算出手段と、
前記ＲＦ検出手段で検出された高周波電圧のｐ-ｐ値を算出し、その高周波電圧のｐ-ｐ値に基づいて、前記負荷に異常が発生したことを検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段により前記異常の発生が検出されると、予め設定された安全処理を行う安全処理手段と、
を備えたことを特徴とする、インピーダンス整合装置。
前記Ｚパラメータ記憶手段に記憶されたＺパラメータに関する情報は、実測した前記インピーダンス整合装置のＳパラメータを所定の変換式によりＺパラメータに変換したデータである、請求項１に記載のインピーダンス整合装置。
前記Ｚパラメータ記憶手段に記憶されたＺパラメータに関する情報は、実測した前記インピーダンス整合装置のＳパラメータのデータと、前記Ｓパラメータの実測値をＺパラメータに変換する変換プログラムのデータである、請求項１に記載のインピーダンス整合装置。
前記負荷は、前記インピーダンス整合装置の出力ポートに直結されるプラズマ処理装置である、請求項１乃至３のいずれかに記載のインピーダンス整合装置。