JP6386531B2 - 整合器及び整合方法 - Google Patents

Description

本発明は、高周波電源装置の出力を負荷に整合させる整合器に関するものである。

エッチングや薄膜形成を行う半導体製造工程では、プラズマ処理装置が用いられる。このプラズマ処理装置の電力供給源として、高周波電源装置が用いられる。高周波電源装置からプラズマ処理装置に対し、効率良く電力を供給するには、高周波電源装置とプラズマ処理装置（負荷）との間でインピーダンスを整合させる必要がある。インピーダンスを整合させる手段として、例えば特許文献１に示されるように、高周波電源装置とプラズマ処理装置との間に整合器を挿入する方法が一般的である。

図７は、背景技術の整合器１００の機能ブロック図である。図７では、高周波電源装置２とプラズマ処理装置３との間に、整合器１００が挿入されている。高周波電源装置２から出力した高周波電力を、整合器１００を介してプラズマ処理装置３に供給することで、プラズマ処理装置３でプラズマを発生させる。高周波電源装置２からプラズマ処理装置３に効率よく電力を供給するためには、高周波電源装置２とプラズマ処理装置３との間でインピーダンスを整合させる必要がある。高周波電源装置２の出力インピーダンスは通常５０Ωであるため、プラズマ処理装置３の入力インピーダンスを、整合器１００によって変換し、整合器１００の入力インピーダンスを５０Ωにすればよい。

プラズマ処理装置３の入力インピーダンスは、プラズマ処理装置３に入力されるガスの種類や流量、圧力、温度等によって変化する。よって、整合器１００は、時間的に変化するプラズマ処理装置３の入力インピーダンスに合わせて、適応的に整合する必要がある。

図７の整合器１００は、進行波と反射波とを検出する方向性結合器１１と、高周波電源装置２とプラズマ処理装置３との間でインピーダンスを整合させる整合素子を有する整合回路３０と、整合回路３０の整合素子の回路定数を制御するための制御部１２０とで構成される。

方向性結合器１１の動作を説明する。
ＲＦin端子からＲＦout端子に向かって進む高周波電力（進行波：Ｐｆ）は、方向性結合器１１で検出され、ＦＯＲＷＡＲＤ端子に出力される。ＲＦout端子からＲＦin端子に向かって進む高周波電力（反射波：Ｐｒ）は、方向性結合器１１で検出され、ＲＥＦＬＥＣＴ端子に出力される。また、ＲＦin端子からＲＦout端子に向かって進む高周波電力Ｐｆは、ＲＥＦＬＥＣT端子では検出されず、もし検出されても僅かである。同様に、ＲＦo ut端子からＲＦin端子に向かって進む高周波電力Ｐｒは、ＦＯＲＷＡＲＤ端子では検出されず、もし検出されても僅かである。

方向性結合器１１で検出された進行波Ｐｆと反射波Ｐｒは、制御部１２０の反射係数演算部２１に入力される。反射係数Γは、進行波Ｐｆに対する反射波Ｐｒの振幅比ｒと位相差θから、（数１）のように定義される。
Γ＝ｒ・exp（ｊ・θ） (ｊ：虚数単位)・・・（数１）

よって、進行波Ｐｆに対する反射波Ｐｒの振幅比ｒと位相差θが分かれば、反射係数Γを求めることが出来る。反射係数演算部２１では、進行波Ｐｆと反射波Ｐｒとに基づき、上記振幅比ｒと位相差θを計算し、反射係数Γを算出する。具体的な方法としては、進行波Ｐｆと反射波ＰｒをＦＦＴ（高速フーリエ変換）によって周波数領域に変換し、高周波電源装置２が出力している高周波電力と同じ周波数について、進行波Ｐｆと反射波Ｐｒの振幅と位相を比較し、振幅比ｒと位相差θを計算すればよい。

容量演算部１２２は、反射係数演算部２１で計算された反射係数Γに基づき、反射係数Γをゼロに近づけるためのコンデンサ容量を計算する。コンデンサ容量の計算方法については後述する。容量設定部２３は、容量演算部１２２で算出したコンデンサの容量に基づき、整合回路３０内の可変容量コンデンサの容量を設定、変更する。

図２は、整合回路３０の構成図である。
整合回路３０は、負荷となるプラズマ処理装置３の入力インピーダンスが変動する範囲によって回路構成が決まるが、ここでは、π型の整合回路を例にして説明する。この整合回路３０は、可変容量コンデンサ３１、可変容量コンデンサ３２、インダクタンス３３、伝送線路３５、伝送線路３６を含むように構成されている。この伝送線路３５と伝送線路３６は、同軸ケーブルや金属板などで構成することができ、また、インダクタやコンデンサの集中定数回路を含むように構成することもできる。

伝送線路３５は、整合回路３０の入力端子３０ａと可変容量コンデンサ３１の一端を接続する。可変容量コンデンサ３１の他端は接地されている。伝送線路３６は、整合回路３０の出力端子３０ｂと可変容量コンデンサ３２の一端を接続する。可変容量コンデンサ３２の他端は接地されている。

可変容量コンデンサ３１、可変容量コンデンサ３２、インダクタンス３３は、高周波電源装置２とプラズマ処理装置３との間のインピーダンス整合を行うための整合素子である。また、整合回路３０は、可変容量コンデンサ３１の容量を制御するための可変容量コンデンサ制御端子３１ａと、可変容量コンデンサ３２の容量を制御するための可変容量コンデンサ制御端子３２ａとを備える。

整合回路３０の可変容量コンデンサの制御は、方向性結合器１１で検波した進行波Ｐｆと反射波Ｐｒから計算される反射係数Γの大きさがゼロに近づくように制御される。このときの可変容量の計算式を、（数２）と（数３）に示す。ＶＣ１は可変容量コンデンサ３１の容量、ＶＣ２は可変容量コンデンサ３２の容量である。
ＶＣ１(ｎ)＝ＶＣ１(n-1)＋real（Γ(n)）*Ｓ１・・・（数２） ＶＣ２(ｎ)＝ＶＣ２(n-1)−imag（Γ(n)）*Ｓ２・・・（数３） ここでreal（ ）は（ ）内の複素数の実部を示し、imag（ ）は（ ）内の複素数の虚部を示す。Ｓ１とＳ２は係数であり、コンデンサ容量を更新する量を決める。

（数２）はＶＣ１を更新する式であり、（数３）はＶＣ２を更新する式である。ＶＣ１(ｎ)は、前回に更新したＶＣ１(n-1)に対し、反射係数Γの実部に係数Ｓ１をかけたものを足すことで算出される。ＶＣ２(ｎ)は、前回に更新したＶＣ２(n-1)に対し、反射係数Γの虚部に係数Ｓ２をかけたものを引くことで算出される。ここで、ＶＣ１とＶＣ２において、更新する量（real（Γ）*Ｓ１、又は、imag（Γ）*Ｓ２)を足すか引くかの違いは、整合回路３０の回路方式と、整合する負荷の入力インピーダンスによるものである。

この背景技術のアルゴリズムの弱点は、負荷インピーダンスが変化したときに、ＶＣ１とＶＣ２が整合点に収束しない条件があるということである。前述したように、プラズマ負荷のインピーダンスは変化する。プラズマが着火する前後で急激に変化するし、プラズマ処理装置に入力されるガスの種類や流量、圧力、温度等によっても変化する。

整合回路３０の入力インピーダンスが５０Ωに整合（つまり、反射係数が０）するためのＶＣ１とＶＣ２は、整合器１００の出力に接続される負荷インピーダンスによってきまるが、プラズマ負荷が変化するため、整合するときのＶＣ１とＶＣ２の値も変化する。そのため、（数２）と（数３）によるアルゴリズムを使うと、ＶＣ１とＶＣ２が収束しない場合がある。その理由は、ＶＣ１は（数２）で計算、つまり反射係数の実部から計算され、ＶＣ２は（数３）で計算、つまり反射係数の虚部から計算されるが、プラズマ負荷のインピーダンスや可変容量コンデンサの容量によっては、（数２）と（数３）の関係が成り立たない場合があり、このときＶＣ１とＶＣ２は、整合する定数に収束しない。

ＷＯ２０１３／１３２５９１号公報

上述したように、背景技術の整合アルゴリズムでは、負荷インピーダンスによっては整合点に収束しないという課題があった。本発明の目的は、どのような負荷インピーダンスにおいても整合点に収束する整合アルゴリズムを提供することにある。

上記課題を解決するための、本願発明の整合器の代表的な構成は、次のとおりである。すなわち、
進行波と反射波とを検出する方向性結合器と、
入力端子と、出力端子と、一端が第１の伝送線路を介して前記入力端子に接続され他端が接地された第１の可変容量コンデンサと、一端が第２の伝送線路を介して前記出力端子に接続され他端が接地された第２の可変容量コンデンサと、一端が前記第１の可変容量コンデンサの前記一端に接続され他端が前記第２の可変容量コンデンサの前記一端に接続されたインダクタンスと、を有する整合回路と、
前記方向性結合器で検出した進行波と反射波とに基づき、前記第１の可変容量コンデンサの容量値と前記第２の可変容量コンデンサの容量値とを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記方向性結合器で検出した進行波と反射波とに基づき、反射係数を算出し、
スミスチャート上で整合点を通過する反射係数の軌跡が描く円と、前記算出された反射係数との間の距離が所定値より大きい場合は、前記第２の可変容量コンデンサの容量値を変更し、前記算出される反射係数を変更することにより、前記距離を前記所定値以内とし、
前記距離が前記所定値以内になると、前記第１の可変容量コンデンサの容量値を変更し、前記算出される反射係数を小さくする、
ことを特徴とする整合器。

上記構成によれば、どのような負荷インピーダンスにおいても整合点に収束することができる。

本発明の実施形態に係る整合器の構成図である。 本発明の実施形態に係る整合回路の構成図である。 可変容量コンデンサの容量を変えたときの反射係数の軌跡の一例を説明する図である。 可変容量コンデンサの容量を変えたときの反射係数の軌跡の他の例を説明する図である。 本発明の実施形態に係る反射係数の軌跡を示す図である。 本発明の実施形態に係るインピーダンス整合の処理フローチャートである。 背景技術に係る整合器の構成図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る整合器１０の構成図である。図１の構成のうち、背景技術の図７と同一構成には、同一の符号を付しており、適宜説明を省略する。

整合器１０は、進行波と反射波とを検出する方向性結合器１１と、高周波電源装置２とプラズマ処理装置３との間でインピーダンスを整合させる整合素子を有する整合回路３０と、整合器１０の整合素子の回路定数を制御するための制御部２０と、記憶部２５と、を含むように構成される。

図２において前述したように、整合回路３０は、入力端子３０ａと、出力端子３０ｂと、一端が伝送線路３５を介して入力端子３０ａに接続され他端が接地された第１の可変容量コンデンサ３１と、一端が伝送線路３６を介して出力端子３０ｂに接続され他端が接地された第２の可変容量コンデンサ３２と、一端が第１の可変容量コンデンサ３１の前記一端に接続され他端が第２の可変容量コンデンサ３２の前記一端に接続されたインダクタンス３３と、を有する。

制御部２０は、反射係数演算部２１と、容量演算部２２と、容量設定部２３とを含むように構成される。前述したように、制御部２０は、方向性結合器１１で検出した進行波と反射波とに基づき、反射係数を算出し、該反射係数を用いて、第１の可変容量コンデンサ３１の容量値と第２の可変容量コンデンサ３２の容量値とを制御する。記憶部２５は、後述する円の情報等を記憶する。

整合器１０が背景技術の整合器１００と異なる点は、容量演算部２２の処理内容、つまり、整合回路３０の可変容量コンデンサ３１の容量ＶＣ１および変容量コンデンサ３２の容量ＶＣ２の制御方法と、円の情報を記憶する記憶部２５が追加された点である。他の構成は、背景技術の整合器１００と同じである。

ここで、円の情報とは、スミスチャート上で整合点（反射係数Γの実部と虚部がゼロの点）を通過する反射係数Γの軌跡が描く円の情報であって、円の位置や大きさに関する情報である。この円の情報は、伝送線路３５の条件、つまり伝送線路３５の特性インピーダンスＺ_Ｌや線路長Ｌに基づき、決定されることが知られている。

容量演算部２２は、反射係数演算部２１で算出された反射係数Γと、記憶部２５に記憶している円の情報とに基づき、算出された反射係数Γに対応する整合回路３０の可変容量コンデンサ３１の容量ＶＣ１および変容量コンデンサ３２の容量ＶＣ２を算出する。つまり、算出された反射係数Γを小さくするようなＶＣ１とＶＣ２を算出する。

詳しくは、容量演算部２２は、反射係数演算部２１で算出される反射係数Γが、記憶部２５に記憶している円に接近するように、整合回路３０の可変容量コンデンサ３２の容量ＶＣ２を算出する。そして、容量設定部２３は、上記算出した容量になるよう、可変容量コンデンサ３２の容量値ＶＣ２を変更する。これにより、容量設定部２３は、反射係数Γを、前記円上に位置させる。

その後、容量演算部２２は、反射係数演算部２１で算出される反射係数Γが小さくなるように、整合回路３０の可変容量コンデンサ３１の容量ＶＣ１を算出する。そして、容量設定部２３は、上記算出した容量になるよう、可変容量コンデンサ３１の容量値ＶＣ１を変更する。これにより、容量設定部２３は、反射係数Γを、整合点（反射係数Γが０の点）に位置させる。

記憶部２５には、伝送線路３５に応じた円の情報が、予め記憶されている。この円の情報（位置と大きさ）は、前述したように、伝送線路３５の条件、つまり伝送線路３５の特性インピーダンスＺ_Ｌや線路長Ｌに基づき決定される。例えば、伝送線路３５が、無視できるほどに短い場合は、円は、後述する図３に示すＲ１となる。また、伝送線路３５が、特性インピーダンスが５０Ωで、線路長がλ／４である場合は、円は、後述する図４に示すＲ２や、図５に示すＲ３となる。

ここで、本実施形態の整合アルゴリズムの考え方を説明する。
あるプラズマ負荷のときに、高周波電源装置２とプラズマ処理装置３との間のインピーダンスが整合する（つまり反射係数Γが０）ときのＶＣ１とＶＣ２の値を、ＶＣ１＝Ｘ、ＶＣ２＝Ｙとする。説明を解り易くするために、整合する条件であるＶＣ１＝Ｘ、ＶＣ２＝Ｙの状態から、ＶＣ１の容量を変えたときの、整合回路３０の入力インピーダンスの軌跡、つまり、反射係数Γの軌跡を図３のスミスチャートに示す。この場合、伝送線路３５は、進行波や反射波の波長λに比べ、無視できるほど短いものとする。

図３において、ＶＣ１の容量を変えると、反射係数Γの軌跡は、整合がとれている状態であるＦ点と、Ｇ点とを結ぶ線分を直径とする円Ｒ１を描く。Ｆ点における反射係数Γは、その虚部（Γｉ）がゼロであり、その実部（Γｒ）がゼロである（整合器１０の入力インピーダンスは５０Ω）。Ｇ点における反射係数Γは、その虚部がゼロであり、その実部が−１である。

詳しくは、図３において、整合がとれている状態（Ｆ点）でＶＣ１の容量を増やすと、反射係数Γは、円Ｒ１上をＦ点からＡ点の方向に動く。また、ＶＣ１の容量を減らすと、円Ｒ１上をＦ点からＢ点の方向に動く。このことは、可変容量コンデンサ３１，３２とインダクタンス３３とを含む図２のπ型整合回路３０において、可変容量コンデンサ３１がグランドに接続（接地）されているときのインピーダンス軌跡として、一般的に知られているため、詳細な説明は割愛する。

図３では、伝送線路３５が無視できる場合を示したが、現実には無視できないこともある。図４のスミスチャートに、伝送線路３５の特性インピーダンスが５０Ωで線路長がλ／４の場合の、反射係数Γの軌跡を示す。図４において、反射係数Γの軌跡は、整合がとれている状態であるＦ点と、Ｈ点とを結ぶ線分を直径とする円Ｒ２を描くことが知られている。Ｈ点における反射係数Γは、その虚部がゼロであり、その実部が１である（整合器１０の入力インピーダンスは無限大）。

図２の整合回路３０において、伝送線路３５の右端から見た入力インピーダンスをＺ_１とし、伝送線路３５の左端から見た入力インピーダンスをＺ_２とすると、Ｚ_２は、次の（数４）により決まる。（数４）において、Ｚ_１は、伝送線路３５が無視できる場合（図３）の入力インピーダンスであり、Ｚ_２は、伝送線路３５が無視できない場合（図４）の入力インピーダンスである。伝送線路３５が無視できない場合（図４）、図３の円Ｒ１は、図４の円Ｒ２になる。

このように、図４の軌跡は、特性インピーダンスが５０Ωで線路長がλ／４の伝送線路３５を挿入しているため、図３の軌跡において、反射係数Γの実部と虚部がゼロの点（Ｆ点）を中心にして、１８０°回転した状態になる。よって、図４において、整合がとれている状態（Ｆ点）でＶＣ１の容量を増やすと、反射係数Γは、円Ｒ２上をＡ´点の方向（反射係数Γの虚部が正の方向）に動く。また、ＶＣ１の容量を減らすと、反射係数Γは、円Ｒ２上をＢ´点の方向（反射係数Γの虚部が負の方向）に動く。すなわち、図４の円Ｒ２上において、反射係数Γの虚部が正の場合は、ＶＣ１が整合値Ｘよりも大きく、反射係数Γの虚部が負の場合は、ＶＣ１が整合値Ｘよりも小さい。

このように、図４では、整合点（Ｆ点）において、ＶＣ１を増加、又は減少させると、反射係数Γは、円Ｒ２を描くような軌跡をたどる。このことは、ＶＣ２が整合値にある状態で、ＶＣ１を変えると、反射係数Γは、図４で示した円Ｒ２上を移動することを示している。従って、まず、反射係数Γが図４の円Ｒ２上にのるようにＶＣ２を制御し、その後、反射係数Γが０になるように、ＶＣ１を制御すればよいことが解る。

図５は、図４と同様の整合回路３０の場合、つまり、伝送線路３５の特性インピーダンスが５０Ωで線路長がλ／４の場合において、本発明の実施形態に係るインピーダンス整合を行う際における、反射係数Γの軌跡を示すスミスチャートである。Ｃ点は、プラズマ負荷がある入力インピーダンス値にある場合において、ＶＣ１とＶＣ２が初期値（例えば、可変容量コンデンサの最小値）のときの、反射係数Γ、つまり、整合器１０の入力インピーダンスである。

まず、制御部２０は、反射係数Γが、ＶＣ１とＶＣ２の初期値のＣ点から、円Ｒ３に接するＤ点に達するまで、ＶＣ２のみを増やす。円Ｒ３は、図４の円Ｒ２と同じである。円Ｒ３の情報は、記憶部２５に記憶されている。反射係数Γが、円Ｒ３に接するＤ点に到達すると、ＶＣ２は、整合時の容量であるＹとなる。この状態では、ＶＣ２は、整合値に制御されているが、ＶＣ１は初期値のままである。そこで、制御部２０は、次にＶＣ１を増やしていく。ＶＣ１を増やすと、前述したように、反射係数Γは、円Ｒ３上を移動する。したがって、ＶＣ１を増やしていき、反射係数Γが０になるところで、ＶＣ１の増加を止めればよい。そのときのＶＣ１は、整合時の容量であるＸとなる。

図５の軌跡は、プラズマ負荷の入力インピーダンスがある値にある場合の一例であるが、プラズマ負荷の入力インピーダンスが変われば、当然、Ｃ点やＤ点の位置は変化する。ただし、ＶＣ２が整合時の容量である場合に、反射係数Γが円Ｒ３上にあることは変わらない。

また、図５のＣ点の場合は、ＶＣ１とＶＣ２の初期値として、可変容量コンデンサの最小値を選んでいるが、可変容量コンデンサの最大値でもよく、また、その他の値でもよい。その場合、当然、Ｃ点の位置は変わる。しかし、ＶＣ１とＶＣ２の初期値が何れの値であっても、ＶＣ２が整合時の値になっていれば、ＶＣ１を変えたときに、反射係数Γが円Ｒ３上を移動するという現象は変わらない。

よって、反射係数Γが円Ｒ３に接するまで、ＶＣ２のみを制御し、円Ｒ３に接した後は、ＶＣ１のみを制御するという、制御部２０の動作は変わらない。ＶＣ２の制御において、ＶＣ２が整合値であるＹよりも大きいときは、反射係数Γが円Ｒ３の外にあるので、ＶＣ２を減らすことにより、反射係数Γが円Ｒ３に接するように制御する。逆に、ＶＣ２が整合値であるＹよりも小さいときは、反射係数Γが円Ｒ３の内にあるので、ＶＣ２を増やすことにより、反射係数Γが円Ｒ３に接するように制御する。

そして、反射係数Γが円Ｒ３に接するようにＶＣ２を制御した後、ＶＣ１を次のように制御する。すなわち、反射係数Γの虚数部が正の場合は、ＶＣ１が整合値であるＸよりも大きい値の場合であるので、ＶＣ１を減らすことにより、反射係数Γが０になるよう制御する。逆に、反射係数Γの虚数部が負の場合は、ＶＣ１がＸよりも小さい場合なので、ＶＣ１を増やすことにより、反射係数Γが０になるよう制御する。

また、プラズマ負荷の入力インピーダンスが、ＶＣ１とＶＣ２を制御している途中に変化した場合においても、上述したようにＶＣ２とＶＣ１を制御する。すなわち、反射係数Γが円Ｒ３に接するようにＶＣ２を制御した後、ＶＣ１を制御する。

なお、図４や図５の説明では、図２の整合回路３０において、伝送線路３５の特性インピーダンスが５０Ωで、線路長がλ／４の条件である場合を例として説明したが、本発明は、これらの条件である場合に限られない。伝送線路３５の条件が上記の条件と異なれば、ＶＣ２が整合時の容量であるという条件下においてＶＣ１を変えた場合の円の軌跡は、図４や図５で示した円Ｒ３の軌跡とは異なるので、前述した（数４）により、伝送線路３５の条件に合わせた円の軌跡を設定すればよい。

図６は、本発明の実施形態に係るインピーダンス整合の処理フローチャートである。この処理は、制御部２０において実行される。
先ず、初期設定として、図４や図５で示した円の情報（スミスチャート上の位置と大きさ）を、記憶部２５に記憶し保存する（図６のステップＳ１）。上述したように、この円の情報は、伝送線路３５によって決まるため、整合回路３０に応じた情報を与える必要がある。また、ステップＳ１では、ＶＣ１とＶＣ２の初期値も設定する。

次に、そのときの反射係数Γを、方向性結合器１１から得られた進行波Ｐｆと反射波Ｐｒから演算する（ステップＳ２）。次に、反射係数Γの絶対値と所定値Ｌとを比較する（ステップＳ３）。反射係数Γの絶対値がＬ以下である場合は（ステップＳ３でＹｅｓ）、ステップＳ２に戻り、方向性結合器１１から進行波Ｐｆと反射波Ｐｒを取得して、再度、そのときの反射係数Γを演算する。

反射係数Γの絶対値がＬよりも大きい場合は（ステップＳ３でＮｏ）、ステップＳ４に進む。このＬは、整合がとれたことを判断するための閾値であり、理想的には０であるが、現実的には、反射係数Γを０にするのは困難であるため、ある閾値Ｌを設けて判断する。このＬは、高周波電源装置２の耐反射電力や、高周波電源装置２を使うプラズマ処理装置３の要求仕様によって決定される値である。

ステップＳ４では、初期設定（ステップＳ１）で定義した円上に反射係数Γがあるか否かを判定するため、記憶部２５から円の情報を取得し、反射係数Γと円との距離の最小値Ｐを演算する。この値Ｐが所定の閾値Ｍよりも大きい場合は（ステップＳ５でＹｅｓ）、ＶＣ２が整合値でないので、ＶＣ２を変更するように制御する。具体的には、反射係数Γが円上にないと判定し、ステップＳ６に進む。このＭも、理想的には０であるが、現実には０にするのは困難であるため、所定の値に設定する。

Ｐが所定の閾値Ｍ以下の場合は（ステップＳ５でＮｏ）、ＶＣ２が整合値であるので、ＶＣ２を変更する必要はない。そこで、ＶＣ１（つまり可変容量コンデンサ３１）の制御動作へ進む。すなわち、反射係数Γが円上にあると判定し、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ６では、ＶＣ２（つまり可変容量コンデンサ３２）を制御する方向を判断するため、反射係数Γが円よりも内側にあるか否かを判定する。反射係数Γが円の内側にある場合は（ステップＳ６でＹｅｓ）、ＶＣ２がＹよりも小さいので、ＶＣ２を増やす（ステップＳ７）。反射係数Γが円の外側にある場合は（ステップＳ６でＮｏ）、ＶＣ２がＹよりも大きいので、ＶＣ２を減らす（ステップＳ８）。このとき、減らす量、増やす量は予め設定しておけばよい。

こうして、ステップＳ２からステップＳ７又はＳ８までの処理を繰り返すことにより、Ｐを所定の閾値Ｍ以下とすることができる、つまり、ほぼ円上に反射係数Γをのせることができる。こうして、ステップＳ５において、ＰがＭ以下であると判定されると、ステップＳ１０に進み、ＶＣ１（つまり可変容量コンデンサ３１）の制御動作を行う。

ステップＳ１０では、反射係数Γの虚部が負であるか否かを判定、つまり、ＶＣ１がＸより小さいか否かを判定する。前述したように、反射係数Γの虚部が負の場合は、ＶＣ１がＸよりも小さく、反射係数Γの虚部が正の場合は、ＶＣ１がＸよりも大きい。したがって、反射係数Γの虚部が負である場合は（ステップＳ１０でＹｅｓ）、ＶＣ１を増やす。反射係数Γの虚部が正である場合は（ステップＳ１０でＮｏ）、ＶＣ１を減らす。こうして、ＶＣ１を変更することにより、反射係数Γをゼロに近づける。このときの増減の量も予め設定しておく。

以上説明したように、制御部２０は、方向性結合器１１で検出した進行波と反射波とに基づき、反射係数を算出し、スミスチャート上で整合点を通過する反射係数の軌跡が描く円と、前記算出された反射係数との間の距離が所定値より大きい場合は、第２の可変容量コンデンサ３２の容量値を変更し、前記算出される反射係数を変更することにより、前記距離を前記所定値以内とし、前記距離が前記所定値以内になると、第１の可変容量コンデンサ３１の容量値を変更し、前記距離を変えることなく、前記算出される反射係数を小さくする。

本実施形態によれば、少なくとも次の効果を奏する。
（ａ）スミスチャート上で整合点を通過する反射係数の軌跡が描く円と、算出された反射係数との間の距離が所定値より大きい場合は、第２の可変容量コンデンサの容量値を変更し、算出される反射係数を変更することにより、前記距離を前記所定値以内とし、前記距離が前記所定値以内になると、第１の可変容量コンデンサの容量値を変更し、算出される反射係数を小さくするように構成したので、どのような負荷インピーダンスにおいても整合点に収束することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
上記実施形態では、伝送線路３５に対応する円の情報を記憶部２５に予め記憶するように構成したが、記憶部２５に予め記憶するのではなく、円の情報が必要になる毎に、制御部２０が（数４）を用いて円の情報を演算するように構成してもよい。

本明細書には、本発明に関する少なくとも次の構成が含まれる。
第１の構成は、
進行波と反射波とを検出する方向性結合器と、
入力端子と、出力端子と、一端が第１の伝送線路を介して前記入力端子に接続され他端が接地された第１の可変容量コンデンサと、一端が第２の伝送線路を介して前記出力端子に接続され他端が接地された第２の可変容量コンデンサと、一端が前記第１の可変容量コンデンサの前記一端に接続され他端が前記第２の可変容量コンデンサの前記一端に接続されたインダクタンスと、を有する整合回路と、
前記方向性結合器で検出した進行波と反射波とに基づき、前記第１の可変容量コンデンサの容量値と前記第２の可変容量コンデンサの容量値とを制御する自動制御部と、を備え、
前記自動制御部は、
前記方向性結合器で検出した進行波と反射波とに基づき、反射係数を算出し、
スミスチャート上で整合点を通過する反射係数の軌跡が描く円と、前記算出された反射係数との間の距離が所定値より大きい場合は、前記第２の可変容量コンデンサの容量値を変更し、前記算出される反射係数を変更することにより、前記距離を前記所定値以内とし、
前記距離が前記所定値以内になると、前記第１の可変容量コンデンサの容量値を変更し、前記算出される反射係数を小さくする、
ことを特徴とする整合装置。

第２の構成は、第１の構成の整合器であって、
前記自動制御部は、前記算出された反射係数が前記円の内側に位置する場合は、前記第２の可変容量コンデンサの容量値を大きくし、前記算出された反射係数が前記円の外側に位置する場合は、前記第２の可変容量コンデンサの容量値を小さくすることを特徴とする整合器。

第３の構成は、第１の構成又は第２の構成の整合器であって、
前記自動制御部は、前記算出された反射係数の虚部が負である場合は、前記第１の可変容量コンデンサの容量値を大きくし、前記算出された反射係数の虚部が正である場合は、前記第１の可変容量コンデンサの容量値を小さくすることを特徴とする整合器。

第４の構成は、第１の構成ないし第３の構成の整合器であって、
前記整合回路の前記第１の伝送線路は、特性インピーダンスが５０Ωで、線路長がλ／４（λは、前記進行波及び反射波の波長）であるか、又は、前記進行波及び反射波に比べ無視できる程度の長さであることを特徴とする整合器。

プラズマ発生用のマイクロ波電源などに好適であり、13.56MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等のISMバンドを含む広い周波数で利用できる。

２…高周波電源装置、３…プラズマ処理装置、１０…整合器、１１…方向性結合器、２０…制御部、２１…反射係数演算部、２２…容量演算部、２３…容量設定部、２５…記憶部、３０…整合回路、３０ａ…入力端子、３０ｂ…出力端子、３１，３２…可変容量コンデンサ、３１ａ…制御端子、３２ａ…制御端子、３３…インダクタンス、３５，３６…伝送線路、１００…整合器、１２０…制御部、１２２…容量演算部。

Claims (5)

1. 入力端子と、出力端子と、一端が第１の伝送線路を介して前記入力端子に接続され他端が接地された第１の可変容量コンデンサと、一端が第２の伝送線路を介して前記出力端子に接続され他端が接地された第２の可変容量コンデンサと、一端が前記第１の可変容量コンデンサの前記一端に接続され他端が前記第２の可変容量コンデンサの前記一端に接続されたインダクタンスと、を有する整合回路と、
   前記入力端子側で進行波と反射波とを検出する方向性結合器と、
   前記方向性結合器で検出した進行波と反射波とに基づき、前記第１の可変容量コンデンサの容量値と前記第２の可変容量コンデンサの容量値とを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記方向性結合器で検出した進行波と反射波とに基づき、反射係数を算出し、
   前記第１の可変容量コンデンサの容量値を変えた場合にスミスチャート上で整合点を通過する反射係数の軌跡が描く円と、
   前記算出された反射係数との間の距離が所定値より大きい場合は、前記第２の可変容量コンデンサの容量値を変更し、前記算出される反射係数を変更することにより、前記距離を前記所定値以内とする第１の制御と、
   前記距離が前記所定値以内になると、前記第１の可変容量コンデンサの容量値を変更し、前記算出される反射係数を小さくする第２の制御とし、
   前記第１と第２の制御を前記整合点に収束するまで繰り返すことを特徴とする整合器。
2. 入力端子と、出力端子と、一端が第１の伝送線路を介して前記入力端子に接続され他端が接地された第１の可変容量コンデンサと、一端が第２の伝送線路を介して前記出力端子に接続され他端が接地された第２の可変容量コンデンサと、一端が前記第１の可変容量コンデンサの前記一端に接続され他端が前記第２の可変容量コンデンサの前記一端に接続されたインダクタンスと、を有する整合回路と、
   前記入力端子側で進行波と反射波とを検出する方向性結合器と、
   を備える整合器における整合方法であって、
   前記第１の伝送線路に応じて、前記第１の可変容量コンデンサの容量値を変えた場合にスミスチャート上で整合点を通過する反射係数の軌跡が描く円を設定するステップと、
   前記方向性結合器で検出した進行波と反射波とに基づき、反射係数を算出するステップと、
   前記算出された反射係数と前記円との間の距離が所定値より大きいと、前記第２の可変容量コンデンサの容量値を変更することにより、
   前記算出される反射係数を変更して、前記距離を前記所定値以内とする第１のステップと、
   前記距離が前記所定値以内になると、前記第１の可変容量コンデンサの容量値を変更することにより、前記算出される反射係数をゼロに近づける第２のステップと、前記第１と第２のステップを前記整合点に収束するまで繰り返すことを特徴とする整合器における整合方法。
3. 前記第１の制御において、前記制御部は、前記算出された反射係数が前記円の内側に位置する場合は、前記第２の可変容量コンデンサの容量値を大きくし、前記算出された反射係数が前記円の外側に位置する場合は、前記第２の可変容量コンデンサの容量値を小さくすることを特徴とする請求項１記載の整合器。
4. 前記第２の制御において、前記制御部は、前記算出された反射係数の虚部が負である場合は、前記第１の可変容量コンデンサの容量値を大きくし、前記算出された反射係数の虚部が正である場合は、前記第１の可変容量コンデンサの容量値を小さくすることを特徴とする請求項３記載の整合器。
5. 前記整合回路の前記第１の伝送線路は、特性インピーダンスが５０Ωで、線路長がλ／４（λは、前記進行波及び反射波の波長）であるか、又は、前記進行波及び反射波に比べ無視できる程度の長さであることを特徴とする請求項３記載の整合器。
   

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