JP2007208990A - 負荷を整合するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、プラズマ負荷の整合を改善して点灯を容易にすることができる方法および装置を提供することである。
【解決手段】可変の負荷のインピーダンスをＨＦ発生器の出力抵抗に整合する方法において、第１の周波数で第１の負荷インピーダンスに対して第１の整合を行い、第２の周波数で第２の負荷インピーダンスに対して第２の整合を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変の負荷のインピーダンスをＨＦ発生器の出力抵抗に整合するための次のような方法および装置に関する。すなわち、第１の負荷インピーダンスでは第１の整合を行い、第２の負荷インピーダンスでは第２の整合を行う方法および装置に関する。

ＨＦ源をプラズマ負荷に整合する際には基本的に、負荷インピーダンスが多数のパラメータによって影響される問題が生じる。表面処理のためのプラズマ薄膜技術ではしばしば、自動調整式の整合回路が使用される。このような整合回路は工程時に、連続的に負荷インピーダンスのすべての変化に従う。しかしこのような整合回路では、所期のように次のような点灯位置を事前設定することができる。すなわち、燃焼中のプラズマでの位置から格段にずれ、所要の高い点灯電圧を、なお高抵抗である未点灯の放電区間に変換する点灯位置を事前設定することができる。

レーザ励起プラズマの燃焼インピーダンスの変動は比較的小さいので、頑強かつ低コストのいわゆる固定マッチング（Fixmatch）回路が使用される。この固定マッチング回路は、標準的な燃焼条件で許容可能な負荷整合に対して固定的に設定される。しかし、未点灯の放電区間のインピーダンスは格段に高い問題が残っており、これによって大幅な誤整合が引き起こされる。

ＨＦ電力がパルス波形で入力され、該ＨＦ電力がキーイング比の影響によって制御される場合、この問題は深刻になる。というのも、キーイング周波数およびキーイング比に応じて異なるパターンで、オン状態でも燃焼インピーダンスと点灯インピーダンスとが周期的に切り換えられるからである。

したがって整合として、負荷整合の最適化と点灯特性との間での妥協線がしばしば調整される。さらに付加的に、通常は点灯補助回路も使用される。

ＵＳ５２８８９７１から、整合装置と制御装置とを接続することが公知になっている。該制御装置は整合装置の可変コンデンサを制御することにより、燃焼モードと点灯モードとを切り換える。

ＵＳ６８１５８９９Ｂ２にも、制御装置によって制御される整合装置が記載されている。制御装置はさらに、点灯補助部をスイッチオンするためのスイッチを制御することにより、プラズマの点灯が行われる。
ＵＳ５２８８９７１ ＵＳ６８１５８９９Ｂ２

本発明の課題は、プラズマ負荷の整合を改善して点灯を容易にすることができる方法および装置を提供することである。

前記課題は本発明では、可変の負荷のインピーダンスをＨＦ発生器の出力抵抗に整合する次のような方法によって、驚くほどにかつ簡単に解決される。すなわち、第１の周波数で第１の負荷インピーダンスに対して第１の整合を行い、第２の周波数で第２の負荷インピーダンスに対して第２の整合を行うことを特徴とする方法によって解決される。

このような構成により、負荷インピーダンスに応じて、両整合から（自動的に）選択することができる。とりわけ、両整合を切り換えるために、従来技術で必要とされるような制御される別個の構成要素は必要ない。このようにして、基本周波数より高い周波数でＨＦ発生器によって出力される電力を使用して、プラズマを点灯することができる。このことにより、付加的な点灯補助部を省略できる。

有利には、２つの周波数で２つの異なる負荷インピーダンスに対して構成され固定的に設定され可変でない整合装置を使用して、両負荷インピーダンスに対してインピーダンス整合を行う。従来の技術では、変化する負荷インピーダンスに応じて追従制御される可変の構成要素を使用することにより、最適な整合を行わなければならなかったのに対し、本発明では、可変でない２つの固定的な整合を使用することを提案する。ここでは、高抵抗の負荷インピーダンスに対する整合と、低抵抗の負荷インピーダンスに対する整合とを行うことができる。

特に有利なのは、第１の周波数および第２の周波数をＨＦ発生器の周波数スペクトルから選択することである。たとえば、第１の周波数として基本周波数を選択し、第２の周波数として高調波を選択する。基本周波数で供給された電力をプラズマ燃焼に使用し、高調波で供給された電力をプラズマの点灯に使用することができる。いずれの場合にも、固定的なインピーダンス整合によって最適な整合が実現される。ここでは、周波数が上昇するほど、プラズマの点灯しやすさが上昇するという事実が利用される。たとえば、基本周波数として工業周波数１３．５６ＭＨｚを使用し、高調波として、４０．６８ＭＨｚにある第２高調波を使用する。

本方法の有利な変形形態では、インピーダンス整合を整合装置によって行い、該整合装置の構成を以下のようにして求める：
ａ．第１の周波数において第１の負荷インピーダンスの第１のインピーダンス整合を行うための第１の整合ネットワークを求める。

ｂ．第２の周波数において第２の負荷インピーダンスの第２のインピーダンス整合を行うための第２の整合ネットワークを求める。

ｃ．両整合ネットワークに含まれる最小構造を求める。

ｄ．前記最小構造の個々の構成要素を両周波数においてそれぞれ所望のＬ値またはＣ値を表す直列ＬＣ回路または並列ＬＣ回路に置き換える。

本方法の１つの変形形態では、第１の負荷インピーダンスと第２の負荷インピーダンスとが設定される。このような構成では、本発明による方法を実施するための回路を特に簡単に設計することができる。プラズマ処理の適用例で特に有利なのは、第１の負荷インピーダンスを、点灯されたプラズマのインピーダンスの領域内で選択し、第２の負荷インピーダンスを、未点灯の放電区間のインピーダンスの領域内で選択することである。

本発明の枠内ではさらに、可変の負荷のインピーダンスをＨＦ発生器の出力抵抗に整合するための整合装置も提供される。ここでは該整合装置は、第１の周波数において第１の負荷インピーダンスのインピーダンス整合を行い、かつ第２の周波数において第２の負荷インピーダンスのインピーダンス整合を行うために構成されている。第１の整合または第２の整合の選択は、負荷インピーダンスに依存して自動的に行われる。したがって、別個のスイッチまたは素子の調整は必要ない。

１つの発展形態では、第１の周波数は発生器の基本周波数であり、第２の周波数は該基本周波数の高調波である。ここでは、ＨＦ発生器の出力回路はしばしば低い品質を有するため、該出力回路のスペクトル純度は低いということが利用される。したがって基本周波数および１つまたは複数の高調波が、ＨＦ発生器によっても供給される。プラズマモードでは、ＨＦ発生器の基本的な電力は基本周波数より引き出される。しかし高調波に関連する電力は、プラズマに点灯するのに十分であることが多い。したがって、基本周波数より高い周波数において高いインピーダンス（未点灯の放電区間）にインピーダンス整合が行われる場合には、良好な整合を行う場合、プラズマ室内ないしは該プラズマ室の電極に必要な点灯電力が供給される。

有利には、第１の負荷インピーダンスおよび第２の負荷インピーダンスを整合するための整合装置は固定的に調整される。このような整合装置によって、プラズマ負荷の良好な整合も、プラズマの点灯時の良好な整合も実現され、かつこうするために、可変の負荷整合を実現するための次のようなスイッチまたは可変コンデンサ、すなわち場合によっては制御部によって制御しかつ／またはモータによって動かさなければならないスイッチまたは可変コンデンサは必要なくなる。さらに、点灯補助部も省略できる。それゆえ、本発明による整合装置は従来技術と比較して、特に低コストで構成することができる。

したがって特に有利な実施形態では、整合装置は可変の構成要素および／またはスイッチング素子を有さないように構成される。

特に有利な実施形態では、整合装置は複数の受動素子から成る直列回路および／または並列回路として構成され、２つの所定の周波数に対して整合特性が異なるように構成される。前記複数の受動素子は、とりわけコイルおよび／またはコンデンサである。それゆえ本発明では、１つの周波数において１つの負荷に対してのみ設計された従来の固定マッチング整合と比較して、個々のリアクタンス構成要素は、周波数に依存して異なるＬ値またはＣ値を表す直列または並列の組み合わせに置き換えることができる。このことによって、次のような付加的な自由度が得られる。すなわち、全体の整合を考慮して整合装置を構成することにより、該整合装置を２つの異なる周波数において２つの異なるインピーダンスに対して最適化できるように設計できる自由度が得られる。 .
本発明はさらに、ＨＦ発生器と、負荷と、該ＨＦ発生器と負荷との間に配置された前記の整合装置とを備えたプラズマ処理励起回路にも関する。

本発明の特に有利な構成ではプラズマ処理励起回路は、電力制御によって設定可能なキーイング比で、パルス波形で電力供給を行うように構成されている。キーイング比によって行われるこのような電力制御では、出力回路の立ち上がり振動ないしは立ち下がり振動が迅速に行われるようにして、電力信号のエッジが急峻になるようにしなければならない。このことは、出力回路の低い品質Ｑによって、とりわけＱ＜３の品質によって実現される。低い品質の回路は特に低コストで実現でき、このような回路のスペクトル純度は低い。本発明による整合装置では、このことが利用される。

本発明で重要な詳細を示す図面に基づいて記載した本発明の実施例の以下の説明と、特許請求の範囲とに、本発明の別の構成および利点が記載されている。個々の特徴は各々それ自体単独で実現してもよいし、あるいは本発明の変形実施例において複数の特徴を任意に組み合わせて実現してもよい。

図面に本発明の有利な実施例が描かれており、以下でそれらの図面を参照しながら本発明の実施例について詳しく説明する。

図１に、ＨＦ発生器２を備えたプラズマ処理励起回路１が示されている。ＨＦ発生器２はドライバ段３を有し、このドライバ段３はケーブル４を介して管出力段５に接続されている。管出力段５は出力回路６に接続されており、この出力回路６を介してＨＦ電力が出力端７に供給される。出力端７は通常、５０Ω出力端である。ＨＦ発生器もまた、５０Ωの出力抵抗を有する。ＨＦ発生器２によって発生されたＨＦ電力は、可変の負荷インピーダンスを有する負荷８へ供給される。とりわけ負荷８は、点灯された低抵抗のプラズマであるか、または未点灯の高抵抗の放電区間である。負荷８の２つの状態において、出力端７に対して最適な整合を実現するためには、整合装置９を中間接続し、ケーブル１０を介して出力端７に接続する。整合装置９は次のように構成される。すなわち、第１の周波数において、低いインピーダンス値で負荷８と出力端７ひいてはＨＦ発生器２の出力抵抗との整合が行われ、第２の周波数において、高いインピーダンス値でここでもＨＦ発生器２の出力抵抗に対する整合が行われるように構成される。

ＨＦ発生器２は、パルス波形で電力を負荷８へ供給するように構成される。供給される電力は、電力制御部１５を使用してキーイング比を調整することによって調整される。急峻なエッジを保証するためには、出力回路６は低い品質Ｑを有する。このことにより、出力回路６を低コストかつ簡単に構成することができる。しかし品質が低いことにより、出力回路のスペクトル純度が低くなり、電力は基本周波数の高調波で、すなわち、とりわけ基本周波数の整数倍で出力される。基本周波数を上回る周波数で出力された電力は、基本周波数での電力出力より低い。しかし放電区間が点灯されていない場合には、比較的高い周波数で出力される電力は、プラズマを点灯するのに十分である。整合装置９はこの場合、負荷８を出力端７に整合する。このことにより、付加的な点灯補助部は必要なくなる。プラズマが点灯されると直ちに、負荷８の負荷インピーダンスの値は低い抵抗値にまで降下する。この場合でも、整合装置９が出力端７に対して整合を行う。というのも、基本周波数で電力出力に対して整合が行われるからである。このようにして、異なる負荷インピーダンスに対して行われる整合は、もっぱら周波数に依存せずに自動的に行われる。整合装置９において可変の構成要素またはスイッチング素子は必要ない。

整合装置９の構成を突き止めることを、図２ａ〜２ｃに基づいて説明する。まず、第１の周波数で行われる高抵抗の負荷インピーダンス８ａと端子７とのインピーダンス整合に関して、整合ネットワーク１１が求められる。この実施例では、整合ネットワーク１１は構成要素Ｌ１およびＣ１である。第２のステップにおいて、第２の周波数で行われる低抵抗の負荷インピーダンス８ｂと端子７とのインピーダンス整合に関して、第２の整合ネットワーク１２を求める。この実施例では、整合ネットワーク１２は構成要素Ｌ２およびＣ２である。

これに基づいて、両整合ネットワーク１１，１２を含む最小構造１３を求める（図２ｂ）。この実施例では、コイルＬ１，Ｌ２をコイルＬ３にまとめた。

次に個々の構成要素Ｃ１，Ｃ２，Ｌ３を、両周波数においてそれぞれ所望のＬ値またはＣ値を表すＬＣ回路に置き換える。このようにしてこの実施例では、コンデンサＣ１が直列ＬＣ回路１４に置き換えられ、コイルＬ３は直列ＬＣ回路１５に置き換えられ、コンデンサＣ２はコンデンサ１６に置き換えられる。回路１４，１５，１６はともに、２つの異なる周波数で２つの負荷インピーダンス８ａ，８ｂの負荷インピーダンス整合を行うように設計された整合装置９を表す。

整合装置を備えたプラズマ処理励起回路を示す概略図である。 整合装置を突き止めるための方法例である。

符号の説明

１ プラズマ処理励起回路
２ ＨＦ発生器
３ ドライバ段
４，１０ ケーブル
５ 管出力段
６ 出力回路
７ 出力端
８ 負荷
９ 整合装置
１１，１２ 整合ネットワーク
１３ 最小構造

Claims (15)

1. 可変の負荷（８）のインピーダンスをＨＦ発生器（２）の出力抵抗に整合する方法であって、
   第１の負荷インピーダンス（８ａ）に対して第１の整合を行い、第２の負荷インピーダンス（８ｂ）に対して第２の整合を行う形式の方法において、
   該第１の整合を第１の周波数において行い、該第２の整合を第２の周波数において行うことを特徴とする方法。
2. ２つの周波数において２つの異なる負荷インピーダンス（８ａ，８ｂ）に対して構成され固定的に調整された可変でない整合装置（９）を使用して、両負荷インピーダンス（８ａ，８ｂ）に対してインピーダンス整合を行う、請求項１記載の方法。
3. 前記第１の周波数および第２の周波数を、前記ＨＦ発生器（２）の周波数スペクトルから選択する、請求項１または２記載の方法。
4. 第１の周波数として基本周波数を選択し、第２の周波数として高調波を選択する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. インピーダンス整合を行うために整合装置（９）を使用し、
   該整合装置（９）の構成を求めるために、
   ａ．第１の周波数において第１の負荷インピーダンス（８ａ）の第１のインピーダンス整合を行うための第１の整合ネットワーク（１１）を求め、
   ｂ．第２の周波数において第２の負荷インピーダンス（８ｂ）の第２のインピーダンス整合を行うための第２の整合ネットワーク（１２）を求め、
   ｃ．両整合ネットワーク（１１，１２）を含む最小構造（１３）を求め、
   ｄ．該最小構造（１３）の個々の構成要素（Ｃ１，Ｃ２，Ｌ３）を、両周波数に関してそれぞれ所望のＬ値またはＣ値を表す直列ＬＣ回路および／または並列ＬＣ回路（１４，１５，１６）に置き換える、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記第１の負荷インピーダンス（８ａ）および第２の負荷インピーダンス（８ｂ）を設定する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記第１の負荷インピーダンス（８ａ）を、点灯されたプラズマのインピーダンスの領域内で選択する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記第２の負荷インピーダンス（８ｂ）を、未点灯の放電区間のインピーダンスの領域内で選択する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 可変の負荷（８）のインピーダンスをＨＦ発生器（２）の出力抵抗に整合するための整合装置（９）において、
   第１の周波数において第１の負荷インピーダンス（８ａ）のインピーダンス整合を行い、かつ第２の周波数において第２の負荷インピーダンス（８ｂ）のインピーダンス整合を行うために構成されていることを特徴とする整合装置。
10. 前記第１の周波数は前記ＨＦ発生器（２）の基本周波数であり、前記第２の周波数は該基本周波数の高調波である、請求項９記載の整合装置。
11. 第１の負荷インピーダンス（８ａ）および第２の負荷インピーダンス（８ｂ）を整合するために固定的に調整されている、請求項９または１０記載の整合装置。
12. 可変の構成要素および／またはスイッチング素子を有さない、請求項９から１１までのいずれか１項記載の整合装置。
13. 複数の受動素子から成る直列回路および／または並列回路として構成され、
    該整合装置（９）の整合特性が２つの所定の周波数に対して異なるように構成され、
    前記複数の受動素子は、たとえばコイルおよび／またはコンデンサである、請求項９から１２までのいずれか１項記載の整合装置。
14. プラズマ処理励起回路（１）において、
    ＨＦ発生器（２）と負荷（８）とを有し、
    該ＨＦ発生器（２）と負荷（８）との間に、請求項９から１３までのいずれか１項記載の整合装置（９）が配置されていることを特徴とする、プラズマ処理励起回路。
15. 電力制御部（１５）によって設定可能なキーイング比で、パルス波形で電力を供給するように構成されており、
    前記ＨＦ発生器（２）の出力回路（６）は低い品質Ｑを有し、たとえば品質Ｑ＜３を有する、請求項１４記載のプラズマ処理励起回路。

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