JPH11509976A - Ｒｆ源とｒｆプラズマ・プロセッサの間に接続された整合ネットワークのリアクタンス性インピーダンスを制御する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高周波フィールドがリアクタンス性インピーダンス要素によって、真空プラズマ処理室内のプラズマに供給される。要素および高周波源が高周波源のローディングと、リアクタンス性インピーダンス要素およびプラズマを含む負荷の高周波源に対する同調とを制御する第１および第２の可変リアクタンスを含んでいる整合ネットワークを介して接続される。第１および第２の可変リアクタンスの値を変化させて、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の整合を達成するために第１の可変リアクタンスが第２の可変リアクタンスの各単位変化に対して変化する量を決定する。次いで、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の考えられる最良のインピーダンス整合が達成されるまで、上記の決定に基づいて第１および第２のリアクタンスの値を同時に変動させる。

Description

【発明の詳細な説明】 ＲＦ源とＲＦプラズマ・プロセッサの間に接続された 整合ネットワークのリアクタンス性インピーダンスを制御する方法および装置 発明の属する技術分野 本発明は概して真空プラズマ処理方法および装置に関し、詳細にいえば、高周 波源と、プラズマとプラズマを励起するリアクタンス性インピーダンス要素を含 む負荷との間に接続されたインピーダンス整合ネットワークの第１および第２の 可変リアクタンスを、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間で 最良な局部整合が達成されるまで第１および第２のリアクタンスを変動させるこ とによって決定される飛翔経路に沿って同時に変動させる方法および装置に関す る。背景技術 真空プラズマ処理装置は、通常半導体基板、誘電性基板および金属基板である ワークピースに材料を付着させたり、これをエッチングするために使用される。 ワークピースが配置されている真空プラズマ処理室へガスが導入される。ガスは 高周波電界または電磁界に応じて励起されて、プラズマにされる。高周波フィー ルドは、通常磁気および静電両方の高周波フィールドをガスに結合する電極アレ イまたはコイルのいずれかであるリアクタンス性要素によって与えられる。リア クタンス性インピーダンス要素は高周波と、ガスをプラズマに励起するのに十分 な電力を有している高周波源に接続されている。高周波源とコイルの間の接続は 通常、高周波源に直接接続された比較的長い同軸ケーブルと、ケーブルとリアク タンス性インピーダンス要素の間に接続された共振整合ネットワークとによって 行われる。整合ネットワークは高周波源のインピーダンスをこれが駆動する負荷 に整合させるように調節された一対の可変リアクタンスを含んでいる。 高周波源に現れる負荷はかなりの変動を受ける。負荷はプラズマ状態へガスを 励起する前に比較的高いインピーダンスを有する。プラズマの励起に応じて、負 荷のインピーダンスは励起されたプラズマに電荷キャリア、すなわち電子とイオ ンが存在しているためかなり低下する。励起したプラズマのインピーダンスもプ ラズマ・フラックスの変動、すなわちプラズマ密度とプラズマ電荷粒子速度の積 によりかなり変化する。それ故、高周波源から負荷への電力の効率のよい輸送を もたらす、高周波源と負荷の整合が若干困難となる。 従来は、高周波源と負荷の間で整合したインピーダンス状態を維持するために 、両方の可変リアクタンスを同時に変動させていた。通常、（１）高周波源がケ ーブルに供給する電圧と電流の間で実質的な位相差が検出されなくなり、（２） 高周波源からケーブルに現れる実インピーダンスが高周波源の出力端子に現れる 実インピーダンスと実質的に等しいと検出されるまで、２つのリアクタンス値を 同時に変動させる。 状況によっては、整合に達しない態様でリアクタンスが変動するため、この従 来技術の手法がまったく満足できないものであることが判明している。他の状況 においては、整合状態に確実に達することがない態様でリアクタンス値が同時に 変動するため、かなりの時間が経ってからだけ整合状態が達成される。 この問題を解決する試みが、本願と同一の出願人に譲渡されたMichael S.Barn esおよびJohn Pattrick Hollandの１９９５年１２月２９日出願のAPPARATUS FOR CONTROLLING MATCHING NETWORK OF A VACUUM PLASMA PROCESSOR AND MEMORY FO R SAMEなる名称の係属特許願第０８／５８０７０６号に開示されている。この手 法においては、考えられる最適な整合が達成されるまで、一方のリアクタンスの 値を変動させるとともに、他方のリアクタンスの値を一定に維持する。次いで、 考えられる最良な整合が達成されるまで、第２のリアクタンスの値を変動させる とともに、第１のリアクタンスの値を一定に維持する。考えられる最良な整合が 達成されるまで、リアクタンスの値をこの態様で順次反復して変動させる。この 従来技術の手法により、一時に一方のリアクタンスだけを順次変動させた結果と して、整合状態を達成するのに必要な時間は実質的なものとなる。発明の開示 本発明は改善された態様で変動させられ、かつ改善された装置によって変動さ せられる第１および第２の可変リアクタンスを含んでいる共振整合ネットワーク を有していて、（ａ）高周波励起源のローディングおよび（ｂ）プラズマ励起リ アクタンス性インピーダンス要素および高周波プラズマを含む負荷の高周波源に 対する同調を制御する高周波プラズマ処理装置に関する。本発明の一態様によれ ば、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の整合を達成 するために、第２の可変リアクタンスの各単位変化に対して第１の可変リアクタ ンスが変化する量についての決定が行われる。この決定は最良の「局部」整合を 達成するために確立されている規則にしたがって、第１および第２の可変リアク タンスの値を変化させることによって行われる。次いで、第１および第２の可変 リアクタンスの値を、この決定に基づいて変動させる。第１および第２の可変リ アクタンスは、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の 整合が達成されるまで、変動させられる。決定の結果として、第１および第２の 可変リアクタンスの値を同時に変動させるのが好ましい。 本発明の一態様によれば、第１の可変リアクタンスが変化させられるとともに 、第２の可変リアクタンスを変化させず、また第２の可変リアクタンスを変化さ せるとともに、第１の可変リアクタンスを変化させないように、第１および第２ の可変リアクタンスの値を順次変化させることによって、決定が行われる。他の 態様によれば、第１および第２の可変リアクタンスの値を同時に変化させること によって、決定が行われる。 詳細にいえば、決定はまず次のようにして行われる。（１）高周波源の出力端 子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の局部インピーダンス整合が達成さ れるまで、可変リアクタンスの第１のものの値だけを変化させ、（２）次いで、 高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の局部インピーダ ンス整合が達成されるまで、可変リアクタンスの第２のものの値だけを変化させ 、（３）次いで、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良 の局部インピーダンス整合が達成されるまで、可変リアクタンスの第１のものの 値だけを変化させる。この場合、ステップ（１）および（３）の完了時の第１お よび第２の可変リアクタンスの値の指示により、決定を行う。この決定により、 第１の可変リアクタンスと第２の可変リアクタンスの値のプロットにおいて第１ の直線飛翔経路がもたらされる。 第１の飛翔経路にしたがうと、考えられる最良のインピーダンス整合が最低限 の基準を満たすかどうかに関する他の決定が行われる。最低限の基準が満たされ たことに応じて、第１および第２の可変リアクタンスの値が一定に維持される。 最低限の基準が満たされない場合、第１および第２の可変リアクタンスの値を再 度変化させる。好ましい実施の形態において、第１の飛翔経路に沿った中間点に 関して、変化値を決定するが、変化値が第１の飛翔経路の端部（最良のインピー ダンス整合を有する第１の飛翔経路上の点）であってもよいことを理解すべきで ある。第１の飛翔経路に沿った中間点、または端部における変化値から、他の飛 翔経路を選択的に計算して、最良の整合基準を満たすことを試みる。第１の飛翔 経路に直角に第２の直線飛翔経路を確立することによって、他の飛翔経路を選択 的に計算する。高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の新しい 考えられる最良の局部整合が達成されるまで、第１および第２のリアクタンスの 値を同時に変動させることによって、第２の飛翔経路に追随する。 他の飛翔経路が第１の飛翔経路に沿った中間点からのものである場合、他の飛 翔経路は中間点と、新しい考えられる最良の局部整合の間の線として決定される 。他の飛翔経路が第１の飛翔経路の端部からのものである場合、第１および第２ の可変リアクタンスの値を同時に変動させて、第３の直線飛翔経路が第２の飛翔 経路に直角になるようにする。高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダン スの間の最良の整合が達成されるまで、第３の飛翔経路に追随する。最良の整合 が最低限の基準に達していない場合、他の飛翔経路を第１および第３の飛翔経路 の端部における第１および第２のリアクタンスの値から決定する。他の飛翔経路 を、第３の飛翔経路の端部における第１および第２のリアクタンスの値で追随す る。 他の飛翔経路を決定する方法に関わりなく、高周波源の出力端子の内外に現れ るインピーダンスの間で考えられる最良の整合が達成されるまで、他の飛翔経路 に追随する。通常、他の飛翔経路の端部における考えられる最良の整合は、負荷 に送出される高周波源から導かれる電力の少なくとも９６％となる。あるいは、 最低限の最良の整合基準が第３の飛翔経路の端部で達成されたとしても、他の飛 翔経路が確立される。 本発明の他の態様はワークピースを処理する真空プラズマ反応室内でプラズマ に供給される高周波フィールドを制御するために、コンピュータとともに使用す るメモリに関する。高周波フィールドは高周波源へ共振整合ネットワークを介し て接続されたリアクタンス性インピーダンス要素によってプラズマへ供給される 。高周波フィールドはガスをプラズマに励起し、プラズマを維持するのに十分な 周波数と電力レベルを有している。整合ネットワークは高周波源のローディング およびリアクタンス性インピーダンス要素およびプラズマを含む、高周波源への 負荷の調整を制御する第１および第２の可変リアクタンスを含んでいる。メモリ はコンピュータに次のことを行わせる信号を記憶している。（１）コンピュータ にコマンドを与えて、第１および第２の可変リアクタンスの値を変動させること により、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間で最良の整合を 達成するために、可変リアクタンスの第２のものの各単位変化に合わせて可変リ アクタンスの第１のものが変化する量を決定する（２）。次いで、高周波源の出 力端子の内外に現れるインピーダンスの間で最良のインピーダンス整合が達成さ れたとコンピュータが判断するまで、（１）で行った決定に基づいて第１および 第２の可変リアクタンスの値を変動させる。 本発明の上記およびその他の目的、特徴および利点は、特に添付図面に関して 行う、本発明の特定の実施の形態についての以下の詳細な説明を考慮することに より明らかとなろう。図面の簡単な説明 第１図は本発明の好ましい実施の形態のブロック図と配線図を組み合わせた図 である。 第２図は第１図の装置がどのように動作するかを示すプロットである。 第３図は最終的な最高率の送出電力を達成するために、第１図の装置がどのよ うに動作するかを示す詳細なプロットである。 第４図は最終的な最高率の送出電力を達成するために、第１図の装置が動作す る他の態様の詳細なプロットである。好ましい実施の形態の説明 図面の第１図を参照すると、従来のプラズマ処理室１０が共振整合ネットワー ク１６によって定周波数（典型的には、１３．５６ＭＨｚ）の高周波源１４に接 続された励起コイル１２を含むものとして示されている。コイル１２は高周波電 磁界を誘導するリアクタンス性インピーダンス要素であり、高周波電磁界は室１ ０の外側から真空室の誘電性の窓（図示せず）を介して、室の内部へ結合される 。真空プラズマ処理室１０には適切な高周波源（図示せず）からガスが供給され る。ガスはコイル１２から誘導された高周波電磁界によりプラズマ状態（すなわ ち、プラズマ放電）に励起され、維持される。通常はガラス、半導体または金属 の基板である室１０内に配置されたワークピース（図示せず）は電荷粒子、すな わちプラズマ内の電子およびイオン、ならびに中性粒子によって処理されて、ワ ークピースがエッチングされたり、もしくは材料がその上に付着されたりする。 プラズマ放電およびコイル１２は高周波源１４および共振整合ネットワーク１６ に対する負荷を形成する。高周波源１４は通常比較的長い、たとえば１３フィー トのケーブル１５によってネットワーク１６に接続されている。ケーブル１５は 高周波源１４の周波数において、高周波源の出力インピーダンスに等しい特性イ ンピーダンスを有している。 室１０内のプラズマ放電は遷移および非線型変動を受け、この変動は整合ネッ トワーク１６およびケーブル１５によって高周波源１４の出力端子へ反射される 。整合ネットワーク１６のインピーダンスは、これらの変動に関わりなく、高周 波源１４の出力端子へ戻される電力を最小限とするように制御される。 好ましい実施の形態において、整合ネットワーク１６は、それぞれが直列コン デンサ１８および２０の形態の可変リアクタンスを含んでいる２つの直列アーム を有する「Ｔ」として構成される。コンデンサ２０を含んでいるアームはコイル １２と直列であり、また固定接地コンデンサ２２と直列に接続されている。整合 ネットワーク１６は固定分路コンデンサ２４も含んでおり、このコンデンサはコ ンデンサ１８および２０の共通端子と接地の間に接続されている。コンデンサ１ ８は高周波源１４の出力端子からケーブル１５へ現れる抵抗性インピーダンス構 成要素の大きさを主に制御し、コンデンサ２０は高周波源１４の出力端子から ケーブル１５に現れる抵抗性インピーダンスの大きさを主に制御する。しばしば 、コンデンサ１８および２０はそれぞれ当分野において負荷コンデンサおよび同 調コンデンサと呼ばれる。 コンデンサ１８および２０の値は通常、高周波源１４の出力インピーダンス、 すなわち抵抗性が通常５０オームであり、リアクタンス性がゼロ・オーム（（５ ０＋ｊ０）オーム）の高周波源１４の出力端子に現れるインピーダンスが、高周 波源の出力端子からケーブル１５の入力端子に現れるインピーダンスと整合する ように変動させられる。コンデンサ１８および２０の値はそれぞれ、マイクロコ ンピュータ３２のマイクロプロセッサ３０に含まれているディジタル・アナログ 変換機によりＤＣ制御電圧が供給されるＤＣモータ２６および２８によって変動 させられる。マイクロコンピュータ３２はＥＰＲＯＭ３４およびＲＡＭ３６も含 んでおり、これらはそれぞれマイクロプロセッサに対する制御プログラム信号、 およびモータ２６および２８を制御するためにマイクロプロセッサによって操作 されるデータ信号を格納する。 マイクロプロセッサ３０は順方向電圧および電流変換器３８からの信号および 反射電圧および電流変換器４０からの信号に応答するアナログ・ディジタル変換 器、ならびに整合ネットワーク１６からコイル１２へ流れる高周波電流を監視す る電流変換器４２を含んでいる。変換器３８は高周波源１４からコイル１５へ供 給される高周波電圧および電流の複製であるアナログ信号を誘導する。変換器４ ０はケーブル１５から高周波源１４へ反射された高周波電圧および電流の複製で あるアナログ信号を誘導する。変換器３８および４０の各々は方向性結合器、電 流の複製を誘導する変流器および電圧の複製を誘導する容量性分圧器を含んでい る。電流変換器４２は整合ネットワーク１６からコイル１２へ流れる高周波電流 の複製である信号を誘導する変流器を含んでいる。 マイクロプロセッサ３０は変換器３８、４０および４２から誘導されるアナロ グ信号に応答して、（１）高周波源１４からケーブル１５へ供給される高周波電 圧および電流の大きさと総体位相角、ならびに（２）ネットワーク１６からコイ ル１２へ流れる高周波電流の大きさを示すディジタル信号を誘導する。これらの ディジタル信号はＲＡＭ３６に格納され、ＥＰＲＯＭ３４に格納されているプロ グラム信号の制御のもとでマイクロプロセッサ３０によって処理されて、モータ ２６および２８に対する制御信号を誘導するために使用される他の信号を誘導す る。 本発明によれば、コンデンサ１８および２０の値はマイクロプロセッサ３０か ら誘導される信号に応答してモータ２６および２８によって変動させられて、チ ャンバ１０内のガスを励起プラズマ状態に維持するための十分な電力をコイル１ ２へ供給する。コンデンサ１８および２０の値は高周波源１４からコイル１２へ 結合される電力の関数を最大化する方向で変動させられる。関数は次のいずれか である。（１）順方向高周波電力に対する送出高周波電力の比、（２）パーセン ト送出高周波電力、または（３）整合ネットワーク１６がコイル１２へ供給する 高周波電流。これらの関数が最大化されると、高周波源とこれが駆動する負荷の 間で、高周波源１４の周波数において実質的なインピーダンスの整合が生じる。 すなわち、高周波源１４の出力端子に現れる高周波源におけるインピーダンスが 、高周波源からケーブル１５に現れるインピーダンスとほぼ等しくなる。 マイクロプロセッサ３０は変換器３８および４０の出力信号に応じて、順方向 高周波電力、すなわち高周波源１４がケーブル１５に供給する高周波電力と、送 出電力、すなわち整合ネットワーク１６がコイル１２へ実際に供給する電力を決 定する。整合ネットワーク１６がコイル１２へ実際に供給する電力を決定する。 このため、マイクロプロセッサ３０は変換器３８の高周波電圧および電流出力を 表す信号を次式にしたがって乗算することによって高周波順方向電力を決定する 。 Ｐ_f＝Ｖ_oＩ_oｃｏｓθ_o ここで、 Ｖ_oは高周波源１４の高周波出力電圧の大きさであり、 Ｉ_oは高周波源１４の高周波出力電流の大きさであり、 θ_oは高周波源１４から誘導された電圧および電流の間の位相角である。 送出高周波電力を決定するために、マイクロプロセッサ３０は反射高周波電力を 決定する。マイクロプロセッサ３０は変換器４０の高周波電圧および電流出力に 応じて反射高周波電力を次式にしたがって決定する。 Ｐ_r＝Ｖ_rＩ_rｃｏｓθ_r ここで、 Ｖ_rはケーブル１５から高周波源１４へ反射される高周波電圧の大きさであり 、 Ｉ_rはケーブル１５から高周波源１４へ反射される高周波電流の大きさであり 、 θ_rは反射電圧と電流の間の位相角である。 マイクロプロセッサ３０は送出高周波電力（Ｐ_d）を（Ｐ_f−Ｐ_r）として決定す る。パーセント送出電力（％Ｐ_d）は高周波順方向電力に対する高周波送出電力 の比と類似しているが、マイクロプロセッサ３０により（Ｐ_f−Ｐ_r）／Ｐ_f×１ ００として計算される。整合が存在する場合、高周波反射電力がないため、（ａ ）Ｐ_d＝Ｐ_f、（ｂ）順方向電力に対する送出高周波電力の比Ｐ_d／Ｐ_fは１、（ｃ ）％Ｐ_d＝１００である。マイクロプロセッサ３０は電流変換器４２の出力信号 のみに応じて、整合ネットワーク１６がコイル１２へ供給する高周波電力（Ｉ_o ）を決定する。 本発明によれば、負荷コンデンサ１８および同調コンデンサ２０の値は、高周 波源１４の出力端子とこれが駆動する負荷との間できわめて近いインピーダンス 整合を必ず得るような量だけ同時に変動させられる。コンデンサ１８および２０ が変動する相対量は、適正な方向から必ず整合に達するように決定される。好ま しい実施の形態において、インピーダンス整合の範囲は高周波源１４によりこれ が駆動する負荷へ供給されるパーセント送出電力を最大化することによって示さ れる。パーセント送出電力を最大化した場合、反射電力は最小化される。ただし 、高周波電源１４とこれが駆動する負荷の間のインピーダンス整合に関連する他 のパラメータを用いることができ、インピーダンス整合を示すために最大化でき る他の例示的な好ましいパラメータは、コイル１２へ供給される順方向電力と電 流に対する送出電力の比であることを理解されたい。 さらに、マイクロプロセッサ３０が（１）高周波源１４がケーブル１５へ供給 する電圧と電流の間の位相角を比較し、（２）高周波源１４からケーブル１５に 現れる実インピーダンスと高周波源１４の出力端子に現れる既知の実インピーダ ンスを比較することにより、インピーダンス整合の度合いを決定することができ る。整合状態において、マイクロプロセッサ３０は位相角がゼロであり、実イン ピーダンスが等しいと判定する。しかしながら、比較（１）および（２）に依存 することは、比較の結果を組み合わせなければならないため、他の関数に依存す るよりも困難である。 第２図は上述の結果を達成するために、マイクロプロセッサ３０がどのように コンデンサ１８および２０の値を変動させるかを記述するのに役立つものである 。第２図は複数のパーセント送出電力形状５１−５５に対する同調コンデンサ２ ０の値（Ｘ軸方向に沿った）と負荷コンデンサ１８の値（Ｙ軸方向に沿った）の プロットである。形状５１−５５の各々はほぼ楕円形であり、形状５１、５２、 ５３、５４および５５はそれぞれ１０％、３０％、５０％、７０％および９０％ の送出電力の形状を表している。１０％形状５１外のコンデンサ１８および２０ のすべての値に対して、パーセント送出電力は１０％未満であり、９０％形状５ ５内のコンデンサ１８および２０のすべての値に対して、パーセント送出電力の 値は９０％を超えている。第２図には５つの形状だけが示されているが、実際に は、コンデンサ１８および２０の値の関数であるこのような形状が無数にある。 これらの形状は処理装置１０内のプラズマのパラメータに応じて、ある程度動的 なものである。 まず、マイクロプロセッサ３０はコンデンサ１８および２０の相対変化速度を 判定して、第２図の形状を通過する飛翔経路を計算する。この判定の第１のステ ップとして、マクロプロセッサ３０はマイクロプロセッサが「局部」最大パーセ ント送出電力値を検出するまで同調コンデンサ２０の値を変化させるとともに、 負荷コンデンサ１８の値を一定に維持する。次いで、この判定の第２のステップ の間に、マクロプロセッサ３０はマイクロプロセッサが他の局部最大パーセント 送出電力値を検出するまで負荷コンデンサ１８の値を変化させるとともに、同調 コンデンサ２０の値を一定に維持する。次いで、第３のステップの間に、マクロ プロセッサ３０はマイクロプロセッサが他の局部最大パーセント送出電力値を検 出するまで同調コンデンサ２０の値を変化させるとともに、負荷コンデンサ１８ の値を一定に維持する。 第１および第３のステップの終了時のコンデンサ１８および２０の値から、マ イクロプロセッサ３０はパーセント送出電力のほぼ最大化をもたらす第２図の第 １の直線飛翔経路の傾斜を決定する。第１の直線の傾斜はマイクロプロセッサ３ ０がコンデンサ１８または２０の一方を、他方のコンデンサの値の各単位変化に 合わせて変化させなければならない量を示す。次いで、コンデンサ１８および２ ０の値は、マイクロプロセッサ３０が最大パーセント送出電力を再度検出するま で、マイクロプロセッサ３０により第１の飛翔経路に沿って同時に変動させられ る。通常、第１の飛翔経路の端部において、最大パーセント送出電力は９０％を 超える値を有する。 パーセント送出電力を最大化するために、第１の直線飛翔経路に沿った最大パ ーセント送出電力が９６％などの所定の目標値よりも小さいと検出された場合、 マイクロプロセッサ３０はコンデンサ１８および２０の値を同時に変化させて、 第１の飛翔経路に対して直角に第２の直線飛翔経路があるようにする。第２の直 線飛翔経路は局部最大パーセント送出電力をもたらす第１の飛翔経路に沿った点 から始まる。このため、マイクロプロセッサ３０はコンデンサ１８および２０の 値を、第１の直線飛翔経路をもたらす比とは異なる比で同時に変化させる。換言 すれば、第１の飛翔経路の傾きがΔｙ₁／Δｘ₁である場合、第２の飛翔経路の傾 きはΔｘ₁／Δｙ₁である。第２の飛翔経路の端点はパーセント送出電力の極大値 である。 好ましい実施の形態において、必要な場合には、第１の飛翔経路に沿った中間 点から第２の飛翔経路の端点までの他の飛翔経路がマイクロプロセッサ３０によ って決定される。第１の飛翔経路に沿った中間点は、同調コンデンサ２０を変動 させるとともに、負荷コンデンサ１８を一定に維持して２度目に検出された局部 最大点であることが好ましい。他の飛翔経路に沿った始点は第２の飛翔経路の端 部にあるが、第２の飛翔経路の投影は第１の飛翔経路の中間点を通っている。マ イクロプロセッサ３０は他の飛翔経路を決定した後、モータ２６および２８を制 御して、マイクロプロセッサが新しい局部最大パーセント送出電力を検出するま で、他の飛翔経路に沿ってコンデンサ１８および２０の値を同時に変化させる。 通常、新しい局部最大値は最大パーセント送出電力の最小希望値を超えており、 コンデンサ１８および２０の値は安定する。パーセント送出電力が目標値以下に 低下したとマイクロプロセッサ３０が検出すると、マイクロプロセッサはコンデ ンサ１８および２０の値を再度変動させる。 第２の飛翔経路の端点を求めた後、他の飛翔経路を何らかの他のステップを実 行して決定することができる。このため、マイクロプロセッサ３０は第２の直線 飛翔経路に直角の、すなわち第１の直線飛翔経路に平行な第３の直線飛翔経路に 沿ってコンデンサ１８および２０の値を同時に変化させる。第３の飛翔経路は第 ２の飛翔経路の端点から始まり、パーセント送出電力の局部最大値で終わる。第 ３の飛翔経路の端点におけるパーセント送出電力が所定の目標値よりもまだ低い とマイクロプロセッサ３０が検出した場合、マイクロプロセッサは第１および第 ３の飛翔経路の端点におけるコンデンサ１８および２０の値を使用して、新しい 他の飛翔経路の新しい傾きを計算する。 次いで、マイクロプロセッサ３０はマイクロプロセッサが新しい局部最大値を 検出するまで、コンデンサ１８および２０の値を他の飛翔経路に沿った第３の飛 翔経路の端点における値から同時に変動させる。通常、新しい局部最大値は最大 パーセント送出電力の最小希望値を超えており、コンデンサ１８および２０の値 は安定する。パーセント送出電力が目標値以下に低下したとマイクロプロセッサ ３０が検出すると、マイクロプロセッサはコンデンサ１８および２０の値を再度 変動させる。 第２図に示した特定の状況の場合、負荷コンデンサ１８と同調コンデンサ２０ の値は当初、パーセント送出電力が１０％未満であるようなものであり、これに よりコンデンサ１８および２０の値の同時制御プロセスにおける始点６０は１０ ％送出電力形状５１の外部のものとなる。まず、マイクロプロセッサ３０はＥＰ ＲＯＭ３４内のコマンドに応答して、同調コンデンサ２０の値を下げて、Ｘ軸に 平行の第１の直線飛翔経路６２をもたらす。このため、マイクロプロセッサ３０ はモータ２８にコンデンサ２０の値を下げる信号を供給する。コンデンサ２０の 値が下がると、マイクロプロセッサ３０は変換器３８および４０の出力信号に応 答して、パーセント送出電力を計算する。マイクロプロセッサ３０が計算したパ ーセント送出電力値はマイクロプロセッサ内で継続的に比較される。コンデンサ ２０の値の変化の結果として、マイクロプロセッサ３０は点６４における局部最 大パーセント送出電力を計算する。しかしながら、マイクロプロセッサ３０はコ ンデンサ２０を点６４で停止させることができず、コンデンサ２０の値は減少 を続けるので、コンデンサ２０の値が点６６によって示される値まで下がるまで 、パーセント送出電力の最大値は減少する。マイクロプロセッサ３０はコンデン サ２０の異なる値に対する局部最大パーセント送出電力の、ＲＡＭ３８に格納さ れている値およびＥＰＲＯＭ３４内の信号に応答して、コンデンサ２０をこれが 点６４において有していた値に戻す。次いで、ＥＰＲＯＭ３４はマイクロプロセ ッサ３０にマイクロプロセッサにコマンドを送る信号を供給して、モータ２６を 負荷コンデンサ１８の値を増加させる方向へ駆動するとともに、モータ２８を静 止状態に維持する。これにより、負荷コンデンサ１８の値は直線飛翔経路６８に 沿って増加するとともに、マイクロプロセッサ３０はパーセント送出電力を繰り 返し計算する。それ故、ＥＰＲＯＭ３４内のプログラムはコンデンサ１８の値を まず増加させ、コンデンサ２０の値をまず減少させる。コンデンサ２０の値の最 初の減少と、コンデンサ１８の値の増加の後、マイクロプロセッサ３０はパーセ ント送出電力が増加したのか、減少したのかを検出する。パーセント送出電力が 増加したとマイクロプロセッサ３０が判断した場合（第２図の例で想定したよう に）、コンデンサの値はＥＰＲＯＭ３４内の信号によって当初命令された方向で 変化を継続する。しかしながら、パーセント送出電力が減少したとマイクロプロ セッサ３０が判断した場合には、マイクロプロセッサはモータ２６または２８の 方向を逆転させて、コンデンサ１８または２０の変化の最初の方向を逆にする。 この手順により、コンデンサ１８および２０の値が常に、飛翔経路の判断におい て正しい方向へ変化することが可能となる。 点７０において、変換器３８および４０の出力信号に応じてマイクロプロセッ サ３０が計算したパーセント送出電力は局部最大値を通過する。マイクロプロセ ッサ３０は点７０においてコンデンサ１８を停止することができず、コンデンサ １８の値が増加を続けるので、パーセント送出電力は点７０における局部最大値 未満に減少する。次いで、マイクロプロセッサ３０はモータ２６の駆動方向を逆 転させて、コンデンサ１８の値を点７０における局部最大値が到達させられる値 に戻す。 次いで、ＥＰＲＯＭ３４およびＲＡＭ３０はマイクロプロセッサ３０に、ＤＣ モータ２８に同調コンデンサ２０の値を増加させ、ＤＣモータ２６が負荷コンデ ンサ１８を一定値に維持する信号を供給する。これにより、飛翔経路７４を横切 る。飛翔経路７４を横切って、パーセント送出電力の減少が再度検出されるまで 、局部最大値７６を通るようにする。次いで、マイクロプロセッサ３０はモータ ２８の駆動方向を逆転させ、同調コンデンサ２０の値を減少させて、点７６にお ける局部最大値に再度到達するようにする。 第１および第３の飛翔経路６２および７４の端点におけるコンデンサ１８およ び２０の値は、この時点で、ＲＡＭ３６に格納される。マイクロプロセッサ３０ はこれらの値をＲＡＭ３６から取り出し、これらの点を接続する直線飛翔経路７ ８の傾きを計算する。直線飛翔経路７８の傾きは同調コンデンサ２０の値の各単 位変化に対して負荷コンデンサ１８が変化すべき量を示す。これらの相対値はマ イクロプロセッサ３０によって、ＲＡＭ３６に格納される。 ＥＰＲＯＭ３４は次いで、マイクロプロセッサ３０にコマンドを送って、同調 コンデンサ２０の値の各単位変化に対して負荷コンデンサ１８が変化すべき量に 対する値を取り出す。マイクロプロセッサ３０はＤＣモータ２６および２８が負 荷コンデンサ１８および同調コンデンサ２０の値を飛翔経路７８の整合延長部で ある直線飛翔経路８２に沿って同時に変化させるような態様で、これらの値をＤ Ｃモータ２６および２８に供給する。飛翔経路７８および８２が整合しており、 したがって両者が点６４および７６を含んでいるため、点７６は、飛翔経路７８ を横切ることがなくても、コンデンサ１８および２０の値に対する飛翔経路の中 間点である。 マイクロプロセッサ３０は局部最大パーセント送出電力を検出するまで、飛翔 経路８２を横切る場合のパーセント送出電力の値を継続的に計算する。第２図に 示した例示的な状況において、パーセント送出電力は飛翔経路８２を横切ったと きに、５０％よりも若干下の値から９０％を超える値まで増加する。飛翔経路８ ２に沿ったパーセント送出電力の最大値は９０％を超えている。マイクロプロセ ッサ３０が計算したパーセント送出電力の値が９０％超に増加した場合、マイク ロプロセッサはＥＰＲＯＭ３４内のサブルーチンに応答して、モータ２６および ２８の速度を、したがってコンデンサ１８および２０の値の変化の絶対速度を減 少させて、オーバシュートを最小限とする。コンデンサ１８および２０の値の 変化の絶対速度が変化しても、これらの相対速度が変化しないので、飛翔経路８ ２は継続する。 飛翔経路８２がパーセント送出電力の最大値を通過した後、マイクロプロセッ サ３０はパーセント送出電力の最大値を再度検出するまで、モータ２６および２ ８の方向を逆にして、コンデンサ１８および２０の値を逆にする。マイクロプロ セッサ３０はパーセント送出電力の現時点で検出された値を、パーセント送出電 力の目標値（典型的には、９６％）を示すＥＰＲＯＭ３４に格納されている信号 と比較する。パーセント送出電力の目標値に達したことをマイクロプロセッサ３ ０が検出した場合、マイクロプロセッサはモータ２６および２８にそれ以上の信 号を供給せず、コンデンサ１８および２０の値は最大送出電力が目標値未満に低 下するまで、安定する。最大送出電力の検出された実際の値が目標値を超えられ ることを理解されたい。マイクロプロセッサ３０は最大パーセント送出電力を、 パーセント送出電力の目標値と比較して、パーセント送出電力の目標値を達成す るために、これ以上の変化がコンデンサ１８および２０の値に必要か否かを判定 する。 飛翔経路８２が目標値内で最大パーセント送出電力をもたらさないとマイクロ プロセッサ３０が判定した場合、マイクロプロセッサは負荷コンデンサ１８と同 調コンデンサ２０の値に対する新しい他の飛翔経路を決定する。通常、他の飛翔 経路は９０％の範囲内から少なくとも９６％まで最大パーセント送出電力を増加 させる。 他の飛翔経路を決定するために、マイクロプロセッサ３０は飛翔経路８２に沿 って最大送出電力をもたらした負荷コンデンサ１８と同調コンデンサ２０の値を ＲＡＭ３６にロードする。すなわち、飛翔経路８２の端点におけるコンデンサの 値をＲＡＭに供給する。次いで、マイクロプロセッサ３０はこれらの値に応答し て、飛翔経路８２に直角な飛翔経路８８（第３図）を計算する。飛翔経路８８は 飛翔経路８２上の最大送出電力の端点８６と交差する。 第３図は第２図の一部の拡大図であり、同調コンデンサ２０と負荷コンデンサ １８の値がそれぞれＸ軸およびＹ軸に沿って示されており、９０％を超えるパー セント送出電力の形状と組み合わされている。第３図はマイクロプロセッサ３０ がどのようにコンデンサ１８および２０の値を制御して、目標パーセント送出電 力ないし目標値を超えるパーセント送出電力を達成するかを記述するのに役立つ ものである。 飛翔経路８２と直角な飛翔経路８８は飛翔経路８２に対するコンデンサ１８お よび２０の相対変化速度を逆転することによって決定される。それ故、マイクロ プロセッサ３０は信号をモータ２６および２８に供給して、飛翔経路８８に沿っ たモータの相対速度とコンデンサ１８および２０の相対変化速度が、飛翔経路８ ２に沿ったものと正反対になるようにする。マイクロプロセッサ３０が変換器３ ８および４０からの信号に応じて局部最大パーセント送出電力を検出するまで、 飛翔経路８８を横切る。マイクロプロセッサ３０は飛翔経路８８に沿った局部最 大パーセント送出電力を検出した直後に、モータ２６および２８の方向を逆転し て、コンデンサ１８および２０の値が飛翔経路８８に沿った端点９０にあるよう にする。 端点９０に達した後、マイクロプロセッサ３０はコンデンサ１８および２０の 相対変化速度を計算して、他の飛翔経路９１を作り出す。飛翔経路９１の始点は 整合飛翔経路７８および８２に沿った中間点７６であることが好ましく、飛翔経 路８８の端点９０は飛翔経路９１に沿った端点であることが好ましい。それ故、 マイクロプロセッサ３０は点７６および９０におけるコンデンサ１８および２０ の値から飛翔経路９１の傾きを計算する。異なるおそらくは若干正確でない他の 飛翔経路を、点６４および９０におけるコンデンサ１８および２０の値に応じて 、マイクロプロセッサ３０が作成できることも理解されたい。 マイクロプロセッサ３０は飛翔経路９１に沿ったコンデンサ１８および２０の 相対変化速度を計算した後、コンデンサ１８および２０の値を点９０から始まる 飛翔経路９１に沿って変化させる信号をモータ２６および２８に供給する。マイ クロプロセッサ３０が検出したパーセント送出電力が点９３において最大値を通 過するまで、コンデンサ１８および２０の値が変動し、飛翔経路９１を横切る。 点９３に達した後、マイクロプロセッサ３０はモータ２６および２８の方向を逆 転させて、コンデンサ１８および２０の値が点９３に関連付けられた値に戻るよ うにする。これらのコンデンサの値はマイクロプロセッサ３０によってＲＡＭ３ ６へ供給される。マイクロプロセッサ３０は次いで、パーセント送出電力を計算 し、この計算した値を目標パーセント送出電力と比較する。目標パーセント送出 電力を計算したパーセント送出電力が超えている場合、マイクロプロセッサ３０ はコンデンサ１８および２０へ付加的な信号を供給せず、コンデンサの値は安定 する。あるいは、もっと高い最大パーセント送出電力を望む場合、あるいは局部 最大パーセント送出電力が閾値に達していない場合には、マイクロプロセッサ３ ０をプログラムして、新しい直線飛翔経路（図示せず）を計算するようにする。 新しい直線飛翔経路はマイクロプロセッサ３０により、飛翔経路９１を計算した のと基本的に同じ態様であるが、始点を点９０にして計算される。 パーセント送出電力を最大化する他の方法を、第４図に示す。第４図において 、マイクロプロセッサ３０は第３図に関連して上述したようにして、飛翔経路８ ８と端点９０を計算する。端点９０に達した後、マイクロプロセッサ３０はモー タ２６および２８を制御して、コンデンサ１８および２０の値が飛翔経路９２を 横切るようにする。飛翔経路９２は飛翔経路８８に直角に、したがって飛翔経路 ８２に平行に端点９０において最大送出電力と交差する。それ故、飛翔経路９２ を横切る際に、コンデンサ１８および２０の値はこれらが飛翔経路８２に沿って 変動するのと同じ相対速度で変動する。マイクロプロセッサ３０はＥＰＲＯＭ３ ４に格納されているコンデンサ１８および２０の値に対する当初の方向に応じて 端点８６および９２から、また飛翔経路８６および９２を横切る際にマイクロプ ロセッサが計算するパーセント送出電力の連続した値を比較することによって、 飛翔経路８８および９２の正しい方向を決定する。マイクロプロセッサ３０がコ ンデンサ１８および２０の値を変化させる方向は、パーセント送出電力が減少し たとマイクロプロセッサが検出した場合に逆転される。 マイクロプロセッサ３０が検出したパーセント送出電力が点９４において最大 値を通過するまで、飛翔経路９２を横切る。点９４に達した後、マイクロプロセ ッサ３０はモータ２６および２８の方向を逆転して、コンデンサ１８および２２ の値を点９４に関連付けられた値に戻す。これらのコンデンサの値はマイクロプ ロセッサ３０によりＲＡＭ３６へ与えられる。マイクロプロセッサ３０は次いで 、パーセント送出電力を計算し、この計算した値を目標パーセント送出電力と比 較 する。計算したパーセント送出電力が目標パーセント送出電力を超えている場合 、マイクロプロセッサ３０はコンデンサ１８および２０へ付加的な信号を供給せ ず、コンデンサの値が安定する。あるいは、もっと高い最大パーセント送出電力 を望む場合、あるいは極大パーセント送出電力が閾値に達していない場合には、 マイクロプロセッサ３０をプログラムして、新しい直線飛翔経路９６を計算する ようにする。 このため、マイクロプロセッサ３０は次いで、点８６および９４に対する負荷 および同調コンデンサ１８および２０の値を示すＲＡＭ３６に格納されている値 に応答して、点８６および９４を一緒に接続する他の直線飛翔経路９６の傾きを 計算する。飛翔経路９６の傾きの計算から、マイクロプロセッサ３０はモータ２ ６および２８が変化して、飛翔経路９６に沿ってコンデンサ１８および２０の値 を変動させる相対速度を決定する。マイクロプロセッサ３０は次いで信号を２６ および２８へ供給して、コンデンサ１８および２２の値を線９６の整合延長部で ある直線飛翔経路９８に沿って点９４から同時に変化させる。マイクロプロセッ サ３０は、コンデンサ１８および２０の値を変化させて、飛翔経路９８を横切る ようにする。最大パーセント送出電力が９８％送出電力形状の内部にある点１０ ０に到達したとマイクロプロセッサ３０が判断するまで、飛翔経路９８を横切る 。 本発明の特定の実施の形態の１つを図示説明してきたが、詳細に図示説明の実 施の形態の詳細の変形を、添付の請求の範囲に規定する本発明の真の精神および 範囲を逸脱することなく作成できることが明らかであろう。整合ネットワーク１ ６をＴ型であると特に図示したが、整合ネットワークを、プラズマを励起するリ アクタンス性インピーダンス要素に接続された分路可変負荷コンデンサおよび直 列可変同調コンデンサを含む「Ｌ」型に構成することができる。このようなＬ型 ネットワークは容量性タイプのインピーダンス・プラズマ励起リアクタンスとと もにしばしば使用されるものであり、励起リアクタンスと直列に接続された固定 インダクタを含んでいる。当分野で周知のとおり、「Ｌ」型整合ネットワークは 通常整合状態に調整されているので、その負荷へ高周波源の周波数で最大電圧を 送出する。これとは対照的に、「Ｔ」型整合ネットワークは通常整合状態に調節 されているので、ネットワークの「スカート」部に沿って動作する。すなわち、 Ｔ型ネットワークは整合状態において最大電圧を常に送出するとは限らない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バーンズ・マイケル・エス アメリカ合衆国、カリフォルニア州 94147、サンフランシスコ、私書箱第 471182号

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ワークピースを処理する真空プラズマ反応室内のプラズマに高周波フィール ドを供給する方法であって、高周波フィールドが整合ネットワークを介して高周 波源に接続されたリアクタンス性インピーダンス要素によってプラズマに供給さ れ、高周波フィールドがガスをプラズマに励起し、プラズマを維持するのに十分 な周波数および電力を有しており、整合ネットワークが高周波源のローディング と、リアクタンス性インピーダンス要素およびプラズマを含む負荷の高周波源に 対する同調とを制御する第１および第２の可変リアクタンスを含んでいる方法に おいて、（１）高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の 整合を達成するために、第１および第２の可変リアクタンスの値を変えることに より第２の可変リアクタンスの各単位変化に対して第１の可変リアクタンスが変 化する量を決定し、（２）高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの 間の最良のインピーダンス整合が達成されるまで、ステップ（１）で行われた決 定に基づいて第１および第２の可変リアクタンスの値を変動させることを特徴と する方法。 １３．高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の整合が高 周波源とリアクタンス性インピーダンス要素およびプラズマを含む負荷との間に 結合された電力の関数として決定される請求の範囲第１項に記載の方法。 １４．関数がリアクタンス性インピーダンス要素へ流れる最大高周波電流である 請求の範囲第１３項に記載の方法。 １５．関数が高周波源出力電力に関して負荷に送出される最大電力に基づいてい る請求の範囲第１３項に記載の方法。 １６．第１および第２の可変リアクタンスの値がステップ（２）の間に同時に変 化する請求の範囲第１項または第１３項ないし第１５項のいずれか一項に記載の 方法。 １７．第１および第２の可変リアクタンスの値をステップ（１）の間に順次変化 させて、第１の可変リアクタンスが変化させられるとともに、第２の可変リアク タンスを変化させず、また第２の可変リアクタンスを変化させるとともに、第１ の可変リアクタンスを変化させない請求の範囲第１項または第１３項ないし第１ ６項のいずれか一項に記載の方法。 １８．第１および第２の可変リアクタンスの値がステップ（１）の間に同時に変 化する請求の範囲第１項または第１３項ないし第１６項のいずれか一項に記載の 方法。 １９．ステップ（１）の間に達成される最良の整合が局部最良整合である請求の 範囲第１項または第１３項ないし第１８項のいずれか一項に記載の方法。 ２０．ステップ（２）の間に達成される最良の整合が局部最良整合である請求の 範囲第１項または第１３項ないし第１９項のいずれか一項に記載の方法。 ２１．ステップ（１）が（ａ）高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダン スの間の最良の整合が達成されるまで、前記可変リアクタンスの第１のものの値 だけを変化させ、（ｂ）次いで、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダ ンスの間の最良の整合が達成されるまで、前記可変リアクタンスの第２のものの 値だけを変化させ、（ｃ）次いで、高周波源の出力端子の内外に現れるインピー ダンスの間の最良のローカル整合が達成されるまで、前記可変リアクタンスの第 １のものの値だけを変化させ、（ｄ）ステップ（ａ）および（ｃ）の完了時の第 １および第２の可変リアクタンスの値の指示から、第１の可変リアクタンスが第 ２の可変リアクタンスの値の各単位変化に対して変化する量を決定することによ って行われる請求の範囲第１項または第１３項ないし第１７項、第１９項または 第２０項のいずれか一項に記載の方法。 ２２．ステップ（５）における変動が第１および第２の可変リアクタンスの値の プロットに第１の直線飛翔経路をもたらす請求の範囲第１項または第１３項ない し第２１項のいずれか一項に記載の方法であって、さらに （ａ’）ステップ（２）の完了時の考えられる最良のインピーダンス整合が最 低基準を満たしているかどうかを判定し、 （ｂ’）最低基準を満たしているとのステップ（ａ'）の判定に応じて、第１ および第２の可変リアクタンスの値を一定に維持し、 （ｃ’）最低基準を満たしていないとのステップ（ａ'）の判定に応じて、高 周波源の出力端子の内外に現れる考えられるインピーダンス間の最良の整合が達 成 されるまで第１および第２の可変リアクタンスの値を変化させて、第１の飛翔経 路に直角の第２の直線飛翔迂回路が存在するようにし、 （ｄ’）第１の飛翔経路上の点と、高周波源の出力端子の内外に現れる考えら れる最良のインピーダンス間の整合が達成される第２の飛翔経路上の点によって 決定される他の点とを含んでいる他の直線飛翔経路に沿って、第１および第２の 可変リアクタンスの値を同時に変化させることを含んでいる方法。 ２３．第１および他の飛翔経路上の点が第１の飛翔経路に沿った中間点である請 求の範囲第２２項に記載の方法。 ２４．他の飛翔経路上の他の点が高周波源の出力端子の内外に現れる考えられる 最良のインピーダンス間の整合が達成される第２の飛翔経路上の点である請求の 範囲第２２項または第２３項に記載の方法。 ２５．請求の範囲記載のステップを自動的に実行するコントローラを特徴とする 請求の範囲第１項または第１３項ないし第２４項のいずれか一項に記載の方法を 実行する装置。 ２６．コントローラが請求の範囲記載のステップの実行を命令する信号を格納す るコンピュータ・メモリを含んでいる請求の範囲第２５項に記載の装置。