JP2008243670A - 高周波電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 方向性結合器は、高い周波数領域での反射波検出レベルが、実際よりも大きくなる周波数振幅特性を有している。そのため、高調波等の高い周波数の反射波が発生したときに、高周波電源装置内の増幅素子を保護するために、必要以上に増幅部１１の出力を抑制してしまう課題があった。
【解決手段】 高周波電力の供給源となる増幅部１１を備え、負荷にプラズマ発生用の高周波電力を供給する高周波電源装置において、反射波検出信号を出力する方向性結合器１３と、反射波検出信号の周波数振幅特性と逆特性を有する振幅特性変換部２０と、周波数振幅特性を変換した反射波検出信号を利用して、前記高周波出力手段の出力制御を行う出力電力制御部１９とを備えた。高い周波数領域の反射波を検出する場合であっても、反射波の検出レベルを、実際のレベルに近づけることによって、適切なレベルで出力制御を行うことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばプラズマエッチング、プラズマＣＶＤを行うプラズマ処理装置等の負荷に電力を供給する高周波電源装置に関するものである。

高周波電力を用いて発生させたプラズマを利用してウエハ、液晶基板等の被加工物に加工（プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等）を行うプラズマ処理システムとして、図４に示すように、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムがある。

図４は、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムの接続関係を示すブロック図である。
図４において、従来の第１の高周波電源装置１０は、伝送線路２及び第１の整合器３及び接続部４を介して、負荷５に第１の高周波電力（以下、第１高周波電力という）を供給するための電源装置である。この第１の高周波電源装置１０の出力周波数を第１周波数ｆ１とし、第１周波数の周期をｔ１とする。また、第２の高周波電源装置６は、伝送線路７及び整合器８及び負荷接続部９を介して、負荷５に第２の高周波電力（以下、第２高周波電力という）を供給するための電源装置である。この第２の高周波電源装置６の出力周波数を第２周波数ｆ２とし、第２周波数の周期をｔ２とする。なお、第１周波数は、第２周波数よりも周波数が高い。例えば、第１周波数は、１３．５６ＭＨｚ，２７．１２ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚ等の周波数が用いられる。また、第２周波数は、４００ｋＨｚ，２ＭＨｚ等の周波数が用いられる。このように、一般にこの種の高周波電源装置では、数百ｋＨｚ以上の周波数の高周波電力を出力している。なお、第１の高周波電源装置１０から見た場合、第１周波数のことを基本周波数といい、第２の高周波電源装置６から見た場合、第２周波数のことを基本周波数という。

第１の高周波電源装置１０から出力する第１高周波電力は、負荷５においてプラズマを発生させるための主となるものである。また、第２の高周波電源装置６から出力される第２高周波電力は、負荷５における加工（プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等）を効率よく行うためのバイアス用として用いられる。これら２つの高周波電源装置から出力される２種類の高周波が重畳されて負荷５内の電極に印加される。

高周波電源装置の出力制御は、夫々が出力する進行波電力を一定に制御する方法（進行波電力一定制御という）あるいは進行波電力から反射波電力を減じた負荷側電力を一定に制御する方法（負荷側電力一定制御という）が用いられる。

以下、第１の高周波電源装置１０、整合器３、負荷５を中心にして説明する。なお、以下の説明では、進行波電力一定制御の場合を例にして説明する。
整合器３は、整合器３の入力端３０１から伝送線路２を経由し高周波電源装置１０側を見た電源側インピーダンスＺｏ（通常は５０Ω）と、整合器３の入力端から負荷５側を見た負荷側インピーダンスＺＬ（整合器３及び負荷接続部４及び負荷５のインピーダンス）とを整合させることによって、高周波電源装置と負荷５との間をインピーダンス整合させる目的で用いられる装置である。

この整合器３は、内部に図示しない可変インピーダンス素子（例えば、可変コンデンサ、可変インダクタ等）を備えていて、高周波電源装置１０と負荷５との間がインピーダンス整合するように、上記の可変インピーダンス素子のインピーダンスを変化させる機能を有する。より具体的には、例えば高周波電源装置１０の出力端１０１から高周波電源装置１０側を見たインピーダンス（出力インピーダンス）が、例えば５０Ωに設計され、高周波電源装置が、特性インピーダンス５０Ωの伝送線路２でインピーダンス整合器３の入力端に接続されているとすると、インピーダンス整合器３は、当該インピーダンス整合器３の入力端３０１から負荷５側を見た負荷側インピーダンスＺＬを５０Ωに変換するように可変インピーダンス素子のインピーダンスを変化させる。

負荷５は、一般的にプラズマ処理装置と呼ばれるものであり、内部に電極を有するチャンバーを備え、このチャンバーの内部に搬入したウエハ、液晶基板等の被加工物を加工（エッチング、ＣＶＤ等）するための装置である。この負荷５は、被加工物を加工するために、チャンバー内にプラズマ放電用ガスを導入し、内部の電極に２つの高周波電源装置から供給される高周波電力（電圧）を印加することによって、電極間に高周波電界を生じさせて、上記のプラズマ放電用ガスを放電させてプラズマ状態にしている。そして、このプラズマを利用して被加工物を加工している。

次に、高周波電源装置１０の構成について説明する。
図５は、一般的な高周波電源装置の構成例を示すブロック図である。
増幅部１１は、無線周波数帯域の出力周波数を有する高周波電力を出力するものであり、後述する出力電力制御部１９によって出力が制御される。また、増幅部１１は、図示しない直流電源部、発振器、増幅素子等を有し、これらを用いて電力を増幅して出力する。この増幅部１１は、各種の方式があるが、ここでは省略する。なお、増幅部１１の増幅素子としては、例えば、ＦＥＴやトランジスタ等が用いられる。増幅部１１において増幅された高周波電力は、主に高調波を除去するためのローパスフィルタ１２、方向性結合器１３を介して負荷５に供給される。

また、方向性結合器１３では、進行波検出信号（進行波に関する信号）を出力するとともに、反射波検出信号（反射波に関する信号）を出力する。進行波側の検波部１４では進行波検出信号を検波して直流に変換し、進行波電圧Ｖｆとして出力する。また、反射波側の検波部１５では反射波検出信号を検波して直流に変換し、反射波電圧Ｖｒとして出力する。また、進行波電力演算部１６では、進行波電圧Ｖｆに基づいて進行波電力値Ｐｆを演算し、反射波電力演算部１７では、反射波電圧Ｖｒに基づいて反射波電力値Ｐｒを演算する。

出力電力制御部１９は、出力電力設定部１８において設定された高周波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔと、進行波電力演算部１６において演算された進行波電力値Ｐｆとを比較し、両者が等しくなるように、増幅部１１の出力電力を制御することにより、高周波電力の出力が一定になるように制御するものである。
また、出力電力制御部１９は、後述するように、検出した反射波のレベルに応じて、増幅部１１の出力電力を抑制する制御を行う。なお、出力電力設定値Ｐｓｅｔは、外部の装置から入力してもよい。このような高周波電源装置としては、特許文献１に記載のようなものがある。

次に、反射波について説明する。
（１）整合動作の完了までに発生する反射波について
上記のような構成においては、反射波が発生しても、整合器３によって、反射波が低減されるため、方向性結合器１３では、進行波電圧が安定して検出され、反射波が最小となるように制御される。しかし、整合器３による整合動作が完了するまでの間は、反射波が発生する。例えば、負荷のインピーダンスが瞬時に大きく変化した場合には、整合器３による整合動作が、負荷のインピーダンスの変化速度に追いつかないため、整合動作が完了するまでの間は、反射波が大きくなる。なお、このときの反射波は基本周波数によるものが主となるが、他の周波数による反射波の影響も受ける。

（２）高調波による反射波について
また、上記のプラズマ処理装置のような非線形の負荷では、高調波が発生し、この高調波が負荷側から高周波電源装置１０側に戻るため、第１周波数よりも高い周波数の反射波が発生する。

（３）基本周波数周辺の反射波について
図４に示すように、２つの高周波電源装置を用いる場合、通常、バイアス用の第２高周波電力の周波数（第２周波数）は、第１高周波電力の周波数（第１周波数）よりも低い周波数となる。このような場合、２つの高周波電源装置の出力周波数に大きな差異があると、第２高周波電力が原因となって、第１の高周波電源装置１０側に大きな反射波が生じてしまう。

この原因は、プラズマの状態が、あたかも第２周波数で変調したような変化をすることに起因する。すなわち、負荷５のインピーダンスが第２周波数で変調したように変化することに起因する。そのために、第１の高周波電源装置１０から出力された進行波の一部は、上記第２周波数と同じ周期の変調の影響により反射されるので、反射波が生じる。

このとき、第１の整合器３が、第２周波数の変調に追従してインピーダンス整合できればよいが、上述したように、可変インピーダンス素子（例えば、可変コンデンサ、可変インダクタ等）を駆動させてインピーダンス整合を行うために、第２周波数の変調のような高速な変化には追従できず、反射波を低減させることができない。よって、発生した反射波が第１の高周波電源装置１０側に戻ってしまう。

また、この反射波は、第１高周波電力を第２高周波電力で変調したような現象によって生じているので、反射波の周波数成分をみると、第１周波数を主成分とし、スプリアスとして第２周波数の成分が重畳している状態となる。そのため、反射波の周波数成分は、第１周波数および第１周波数周辺の周波数で大部分を占めることになる。

ところで、高周波電源装置には、通常、図５に示すように、増幅部１１の出力側にローパスフィルタ１２が設けられている。しかし、このローパスフィルタ１２は、主となる第１周波数に対する高調波成分を除去するローパスフィルタであるので、第１周波数周辺の周波数成分は除去できない。そのために、主成分である第１周波数に、スプリアスとして重畳している第２周波数の成分を除去することができない。

したがって、発生した反射波が、第１の高周波電源装置１０のフィルタを通過して高周波電源装置１０の内部に浸入してしまうので、高周波電源装置内の増幅素子に悪影響を及ぼす。しかも、発生する反射波電力は、出力の３０％程度になることもあるので、その影響は大きい。

一方、第２の高周波電源装置６から見ると、第１周波数の周波数成分を有する反射波が高周波電源装置６側に戻る。しかし、高周波電源装置６に設けられたフィルタは、主となる第２周波数に対する高調波成分を除去するローパスフィルタであるので、第１周波数の周波数成分を除去できる。そのために、第２の高周波電源装置６側は、第１の高周波電源装置１０から出力する第１高周波電力の影響を殆ど受けない。

このように、出力周波数の異なる複数の高周波電源装置が、１つの負荷５に高周波電力を供給しているときには、高い出力周波数の方の高周波電源装置が低い出力周波数の高周波電源装置の影響を受けて反射波が発生する。

（４）周波数混合作用による反射波について
上述した各種の周波数が、周波数混合作用によって新しい周波数成分を同時発生させて、別の周波数の反射波が発生する。

（５）反射波に対する保護について
上述したように、各種の反射波が発生するが、反射波が発生すると、伝送線路上で進行波と反射波が合成されて定在波が発生する。このとき、反射波が大きく、定在波のレベルの高い状態で増幅部１１に印加されると、増幅部１１内の増幅素子（例えば、ＦＥＴ、トランジスタ）の最大定格（電力、電圧、電流のいずれか）を超えて、増幅素子が破損する恐れがある。

そのため、増幅部１１内の増幅素子を保護するために、反射波が発生した場合には、出力電力制御部１９において、反射波のレベルに応じた出力制御を高速で行い、進行波と反射波との合成値を低減させて、結果的に、増幅素子の最大定格を超えないように制御している。すなわち、反射波のレベルに応じて、増幅部１１の出力電力を抑制する制御を行う。
例えば、進行波電力演算部１６において演算された進行波電力値Ｐｆに、反射波電力演算部１７において演算された反射波電力値Ｐｒを加算した電力値が、所定値を超えた場合には、増幅部１１内の増幅素子を保護するために、所定値を超えた電力値に応じて、増幅部１１の出力を低下させる制御が行われる。すなわち、出力電力制御部１９において、増幅部１１の出力を抑制する制御が行なわれる。

したがって、出力電力制御部１９は、増幅部１１の出力を高周波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔにしようとする機能、および、増幅部１１内の増幅素子を保護するために、反射波のレベルに応じて、増幅部１１の出力を抑制する機能の２つの機能を有する。
特開２００３−１４３８６１号公報 特開２００２−２５２２０７号公報

従来技術のように、増幅部１１と方向性結合器１３との間にローパスフィルタを設けると、高調波による反射波を除去できる。そのため、増幅部１１を反射波から保護するためには、ローパスフィルタ１２を通り抜けて増幅部１１に到達する反射波に対して保護をすればよいと考えることもできる。そこで、方向性結合器１３の反射波側の出力段に、ローパスフィルタ１２と同様のローパスフィルタを設け、そのローパスフィルタの出力レベルに応じて、増幅部１１の保護をすればよいと考えることもできる。なお、方向性結合器１３の反射波側の出力段に、同様のローパスフィルタを設けた文献としては、例えば、特許文献２がある。

しかし、上述したように、反射波は、第１周波数および第１周波数の周辺だけでなく、高調波の周波数を含めた広い範囲の周波数の反射波が発生する。そのため、もし、増幅部１１の出力側にあるローパスフィルタ１２に異常が生じて、フィルタの機能が失われた場合、高調波による反射波が増幅部１１に影響を及ぼしてしまう。

また、ローパスフィルタは、基本的には、周波数が高くなるほど減衰率が高くなるが、図６に示すように、周波数が高くなる過程において減衰率が一旦高くなる場合があるので、周波数によっては、期待する減衰率が得られないことがある。そのため、増幅部１１と方向性結合器１３との間にローパスフィルタが設けられていても、高調波による反射波が大きい場合は、増幅部１１に影響を及ぼす可能性がある。

したがって、増幅部１１の保護としては、高調波の周波数を含めた広い範囲の周波数の反射波を対象とした方が好ましい。そこで、方向性結合器１３の反射波側の出力段に、同様のローパスフィルタを設けない構成において、方向性結合器１３の出力に応じた保護を行う場合について、以下に示す。

方向性結合器１３は、周波数振幅特性に応じて、進行波検出信号および反射波検出信号を出力する。基本周波数周辺では、方向性が確保されているため、基本周波数の反射波は、進行波側での検出は抑えられる。また、基本周波数の進行波は、反射波側での検出は抑えられる。

ところが、方向性結合器１３（例えば、Ｃ−Ｍ方向性結合器１３）は、一般に、一定の周波数を超えたあたりから方向性信号分離度、結合度は劣化する。そのため、高調波のような基本周波数よりも高い周波数成分では、進行波、反射波とも、実際のレベルよりも大きなレベルで検出されてしまう。例えば、基本周波数に比べて２０ｄＢ結合度が劣化した周波数では、実際のレベルよりも電力換算で１００倍大きなレベルで検出されてしまう。また、結合度が劣化すると、同時に方向性も急激に劣化するため、反射波が進行波側で検出される度合いが増し、同様に、進行波が反射波側で検出される度合いが増して、検出精度が劣化する。

図７は、方向性結合器１３の反射波側出力の周波数振幅特性の一例を示す図である。図７において、「Ａ」で示した波形は、反射波側の出力の反射波検出特性を示すものであり、「Ｂ」で示した波形は、方向性結合器１３の反射波側の出力の進行波検出特性を示すものである。なお、縦軸の振幅は対数表現にしている。
このように、基本周波数付近では、方向性結合器１３の反射波側で検出される進行波成分が少ないので、反射波が精度良く検出できる。しかし、基本周波数よりも周波数が高くなると、結合度が劣化していき、反射波側の出力にも関わらず、進行波成分が検出されるようになる。そして、さらに周波数が高くなると、反射波、進行波とも、実際のレベルよりも大きなレベルで検出されてしまうようになる。そのため、方向性結合器１３の反射波側出力は、「Ａ」と「Ｂ」とが合成された「Ｃ」で示した波形のようになる。なお、「Ｃ」で示した波形は、図面を簡略化するために、多少スムージングして図示している。

反射波検出信号は、前述のように、主な役割の一つとして、増幅素子の最大定格を保護する制御のために用いられる。このため、方向性結合器１３が上述したような周波数振幅特性を有していると、負荷側で発生した多種の反射波に基づいて出力制御がされた場合に、適切な高周波電力の出力値よりも、出力を抑制する方向で制御されることになる。その結果、増幅素子の最大定格に対して、まだ十分に余裕があるにも関わらず、必要以上に出力を抑制してしまう現象が生じてしまうという問題があった。

例えば、上記で例示したような、実際のレベルよりも電力換算で１００倍大きなレベルで検出されてしまう場合で考えると、実際には、電力換算で１０［Ｗ］の反射波が発生している場合であっても、１，０００［Ｗ］の反射波として検出される場合がある。この場合は、１，０００［Ｗ］の反射波が発生しているとして、抑制方向に出力制御が行われるので、増幅部１１の出力は、適切な出力値よりも小さくなってしまう。

本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、基本周波数よりも高い周波数領域の反射波を検出する場合であっても、反射波の検出レベルを、実際のレベルに近づけることによって、反射波が発生しても、適切なレベルで出力制御を行う高周波電源装置を提供することを目的としている。

第１の発明によって提供される高周波電源装置は、
高周波電力の供給源となる高周波出力手段を備え、負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置において、
反射波に関する検出信号を出力する反射波検出手段と、
前記反射波検出手段によって検出された反射波に関する検出信号の周波数振幅特性と逆特性を有する特性変換手段と、
前記反射波検出手段から出力され前記特性変換手段で周波数振幅特性を変換した反射波に関する信号を検波する検波手段と、
前記検波手段の出力に基づいて反射波電力値を演算する反射波電力演算手段と、
前記反射波電力演算手段で演算された反射波電力値に応じて、前記高周波出力手段の出力を抑制する制御を行う出力制御手段と、
を備えたことを特徴としている。

第２の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記特性変換手段が、パッシブ型の高周波フィルタであることを特徴としている。

第３の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記反射波検出手段が、方向性結合器であることを特徴としている。

本発明によれば、高い周波数領域の反射波を検出する場合であっても、反射波の検出レベルを、実際のレベルに近づけることができる。それにより、反射波が発生しても、適切なレベルで高周波電力の出力制御を行うことが可能となる。

以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る高周波電源装置１の構成を示すブロック図である。
高周波電源装置１は、図１に示すように、増幅部１１、ローパスフィルタ１２、方向性結合器１３、進行波側の検波部１４、反射波側の検波部１５、進行波電力演算部１６、反射波電力演算部１７、出力電力設定部１８、出力電力制御部１９および振幅特性変換部２０を備えている。そして、増幅部１１において増幅された高周波電力は、ローパスフィルタ１２、方向性結合器１４を介して負荷５に供給される。この図１に示した構成のうち、振幅特性変換部２０以外は、図５に示した従来の高周波電源装置１０と同様であるので、説明を省略する。
また、従来の高周波電源装置１０と同様に、第1の高周波電源装置１から出力する第１の高周波電力を第１高周波電力とし、第１の高周波電源装置の出力周波数を第１周波数ｆ１とし、第１周波数の周期をｔ１とする。

なお、増幅部１１は、本発明の高周波出力手段の一例であり、方向性結合器１４は、本発明の反射波検出手段の一例であり、反射波側の検波部１５は、本発明の検波手段の一例であり、反射波電力演算部１７は、本発明の反射波電力演算手段の一例であり、出力電力制御部１９は、本発明の出力制御手段の一例であり、振幅特性変換部２０は、本発明の特性変換手段の一例である。

振幅特性変換部２０は、方向性結合器１３と反射波側の検波部１５との間に設けられた高周波フィルタであり、方向性結合器１３から出力される反射波検出信号の特性を変換するものである。振幅特性変換部２０の出力は、反射波側の検波部１５に入力される。

図２は、振幅特性変換部２０の周波数振幅特性の一例を示す図である。この図２に示すように、振幅特性変換部２０は、方向性結合器１３の周波数振幅特性とは逆の特性を有する。なお、図２も図７と同様に、縦軸の振幅は対数表現にしている。また、振幅特性変換部２０は、コンデンサやインダクタ等の受動素子で構成されており、いわゆる、パッシブ型の高周波フィルタとなっている。振幅特性変換部２０に用いられる素子の定数は、方向性結合器１３の周波数振幅特性を測定またはシミュレーションし、その特性と逆の特性になるように、回路定数を定めればよい。

前述したように、方向性結合器１３で検出される反射波は周波数が高くなると、実際よりも大きなレベルで検出されてしまう。そのため、方向性結合器１３の周波数振幅特性とは逆の周波数振幅特性を有する振幅特性変換部２０を介して、方向性結合器１３の反射波検出信号を出力させると、反射波検出信号を実際のレベルに近づけることができる。

図３は、振幅特性変換部２０の出力の一例を示す図である。なお、図３も図７と同様に、縦軸の振幅は対数表現にしている。
この図３に示すように、振幅特性変換部２０を介して、方向性結合器１３の反射波検出信号を出力させると、高い周波数領域において、反射波検出信号のレベルが平坦化されるので、高い周波数領域の反射波を検出する場合であっても、反射波の検出レベルを実際のレベルに近づけることができる。その後は、上述したように、反射波側の検波部１５で検波し、反射波電力演算部１７で反射波電力値Ｐｒを演算し、その出力を出力電力制御部１９が入力する。それにより、反射波が発生しても、適切なレベルで高周波電力の出力制御を行うことが可能となる。すなわち、出力電力制御部１９は、方向性結合器１３で検出され、振幅特性変換部２０で周波数振幅特性を変換した反射波検出信号に応じて、増幅部１１の出力を抑制する制御を行う機能を有する。

図１は、本発明に係る高周波電源装置１の構成を示すブロック図である。 図２は、振幅特性変換部２０の周波数振幅特性の一例を示す図である。 図３は、振幅特性変換部２０の出力の一例を示す図である。 図４は、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムの接続関係を示すブロック図である。 図５は、一般的な高周波電源装置の構成例を示すブロック図である。 図６は、ローパスフィルタの特性の一例である。 図７は、方向性結合器１３の反射波側出力の周波数振幅特性の一例を示す図である。

符号の説明

１ 本発明に係る高周波電源装置
２ 伝送線路２
３ 第１の整合器
４ 負荷接続部
５ 負荷５
６ 第２の高周波電源装置
７ 伝送線路２
８ 第１の整合器
９ 負荷接続部
１１ 直流電源部
１１ 増幅部
１２ ローパスフィルタ
１３ 方向性結合器
１４ 進行波側の検波部
１５ 反射波側の検波部
１６ 進行波電力演算部
１７ 反射波電力演算部
１８ 出力電力設定部
１９ 出力電力制御部
２０ 振幅特性変換部

Claims (3)

1. 高周波電力の供給源となる高周波出力手段を備え、負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置において、
   反射波に関する検出信号を出力する反射波検出手段と、
   前記反射波検出手段によって検出された反射波に関する検出信号の周波数振幅特性と逆特性を有する特性変換手段と、
   前記反射波検出手段から出力され前記特性変換手段で周波数振幅特性を変換した反射波に関する信号を検波する検波手段と、
   前記検波手段の出力に基づいて反射波電力値を演算する反射波電力演算手段と、
   前記反射波電力演算手段で演算された反射波電力値に応じて、前記高周波出力手段の出力を抑制する制御を行う出力制御手段と、
   を備えたことを特徴とする高周波電源装置。
2. 前記特性変換手段は、パッシブ型の高周波フィルタであることを特徴とする請求項１に記載の高周波電源装置。
3. 前記反射波検出手段は、方向性結合器であることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波電源装置。

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