CN109659215A - 等离子体处理装置和检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种等离子体处理装置和检测电路。等离子体处理装置(10)包括腔室(17)、高频电源(14)、匹配电路(15)、信号同步处理部(20)和控制量计算部(12)。匹配电路(15)使腔室(17)内的等离子体与高频电源(14)之间的阻抗相匹配。信号同步处理部(20)计算腔室(17)内的等离子体的阻抗。控制量计算部(12)基于由信号同步处理部(20)计算出的阻抗，控制要供给到腔室(17)内的高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路(15)的阻抗。而且，信号同步处理部(20)和控制量计算部(12)设置在一个基板(11)上。由此，能够迅速地进行稳定的等离子体点火。

Description

等离子体处理装置和检测电路
技术领域
本发明的各个方面和实施方式涉及等离子体处理装置和检测电路。
背景技术
在使用了等离子体的半导体晶片的蚀刻处理中，将利用蚀刻形成的孔或槽控制为所期望的形状这一点是重要的。利用蚀刻形成的孔或者槽的形状受到等离子体中的自由基与离子之比等的影响。等离子体中的自由基与离子之比等由例如向等离子体供给的高频电力的大小和频率等控制。另外，通过对要供给到等离子体的高频电力进行脉冲调制，也能够精度良好地控制等离子体中的自由基与离子之比等。
当对等离子体施加脉冲调制后的高频电力时，要求跟随由脉冲调制引起的急速上升和下降而高速地进行高频电源与等离子体的阻抗匹配。作为阻抗匹配的高速化的方案，考虑通过调整高频电源的频率来高速地进行高频电源与等离子体的阻抗匹配。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-64696号公报
专利文献2：日本特开2017-73247号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，根据处理条件和腔室的状态的不同，存在等离子体灭火或者不稳定的情况。在现有的等离子体处理装置中，高频电源执行电力控制和匹配频率的控制，匹配器执行阻抗控制，高频电源与匹配器不协同而各自独立地执行处理。因此，有时由高频电源和匹配器进行的各控制彼此发生干涉。由此，认为会引起控制振荡，等离子体灭火或者不稳定。
作为用于解决该问题的一个方案，例如考虑对各控制中使用的检测量进行滤波，使控制平稳。然而，该方案根据条件的不同，有时不能防止控制振荡。而且，在现有的等离子体处理装置中，由于匹配处理需要花费时间，因此若利用周期较短的脉冲对高频电力进行调制，那么在脉冲打开的期间内可能无法结束匹配处理，残留有反射波。因此，当在多个等离子体处理装置中进行脉冲调制时，有时不能控制到反射波的程度，而产生偏差。
因此，要求一种等离子体处理装置，即使在使用由周期短的脉冲调制而得的高频电力的情况下，也能够在短时间内完成阻抗的匹配处理，迅速地进行稳定的等离子体点火。
解决问题的技术手段
本发明的一个方面为等离子体处理装置，其包括腔室、电力供给部、匹配电路、第一计算部和控制电路。腔室在内部具有空间，通过生成于空间内的等离子体来处理送入到空间内的被处理体。电力供给部向腔室内供给用于生成等离子体的高频电力。匹配电路使腔室内的等离子体与电力供给部之间的阻抗相匹配。第一计算部计算腔室内的等离子体的阻抗。控制电路基于由第一计算部计算的阻抗，控制要供给到腔室内的高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路的阻抗。而且，第一计算部和控制电路设置于一个基板上。
发明效果
根据本发明的各方面和实施方式，即使在使用由周期短的脉冲调制后的高频电力的情况下，也能够在短时间内完成阻抗的匹配处理，能够迅速地进行稳定的等离子体点火。
附图说明
图1是表示实施例1的等离子体处理装置的一个例子的框图。
图2是表示信号同步处理部的一个例子的框图。
图3是表示实施例1的等离子体处理装置的等效电路的一个例子的图。
图4是表示比较例1的等离子体处理装置的等效电路的一个例子的图。
图5是表示阻抗的匹配处理的一个例子的流程图。
图6是表示比较例2的匹配处理的一个例子的图。
图7是表示比较例2的匹配电路的输入阻抗的变化的一个例子的图。
图8是表示实施例1的匹配处理的一个例子的图。
图9是表示匹配电路的输入阻抗的变化的一个例子的图。
图10是表示实施例2的等离子体处理装置的一个例子的框图。
图11是表示实施例2的等离子体处理装置的等效电路的一个例子的图。
图12是表示实现信号同步处理部、控制量计算部和控制信号生成部的功能的计算机的硬件的一个例子的图。
附图标记说明
10 等离子体处理装置
11 基板
12 控制量计算部
13 控制信号生成部
14 高频电源
140 振荡器
141 放大器
15 匹配电路
16 电力传感器
17 腔室
18 电力传感器
20 信号同步处理部
21 振幅相位计算部
210 放大器
211 ADC
212 移位部
213 移相器
214 乘法器
215 乘法器
216 LPF
217 LPF
218 振幅计算部
219 相位计算部
22 振幅相位计算部
220 放大器
221 ADC
222 移位部
223 移相器
224 乘法器
225 乘法器
226 LPF
227 LPF
228 振幅计算部
229 相位计算部
23 PLL
24 相位差计算部
25 阻抗计算部。
具体实施方式
公开的等离子体处理装置，在一个实施方式中包括腔室、电力供给部、匹配电路、第一计算部和控制电路。腔室在内部具有空间，通过生成于空间内的等离子体来处理送入到空间内的被处理体。电力供给部向腔室内供给用于生成等离子体的高频电力。匹配电路使腔室内的等离子体与电力供给部之间的阻抗相匹配。第一计算部计算腔室内的等离子体的阻抗。控制电路基于由第一计算部计算的阻抗，控制要供给到腔室内的高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路的阻抗。而且，第一计算部和控制电路设置于一个基板上。
另外，公开的等离子体处理装置，在一个实施方式中，还可以包括第一检测部，其连接于匹配电路与腔室之间的节点，检测要供给到腔室内的高频电力的电压和电流。第一计算部可以基于由第一检测部检测出的高频电力的电压和电流，来计算腔室内的等离子体的阻抗。
另外，在公开的等离子体处理装置的一个实施方式中，第一计算部可以包括第一ADC(Analog to Digital Converter，模数转换器)、第二ADC、第二计算部和第三计算部。第一ADC使要供给到腔室内的高频电力的电压转换为数字信号。第二ADC使要供给到腔室内的高频电力的电流转换为数字信号。第二计算部计算转换为数字信号后的电压和电流各自的相位和振幅。第三计算部基于转换为数字信号后的电压和电流的相位差和振幅比，来计算腔室内的等离子体的阻抗。
另外，在公开的等离子体处理装置的一个实施方式中，第一计算部可以包括信号发生器、第一相位调整部和第二相位调整部。信号发生器生成第一ADC和第二ADC各自使用的采样时钟。第一相位调整部基于相对于采样时钟的电压的相位，调整要输入到第一ADC的采样时钟的相位。第二相位调整部基于相对于采样时钟的电流的相位，调整要输入到第二ADC的采样时钟的相位。
另外，在公开的等离子体处理装置的一个实施方式中，第一计算部还可以包括第一放大器、第二放大器、第一增益调整部和第二增益调整部。第一放大器使要供给到腔室内的高频电力的电压放大后输入第一ADC。第二放大器使要供给到腔室内的高频电力的电流放大后输入第二ADC。第一增益调整部基于由第二计算部计算出的电压的振幅来调整第一放大器的增益。第二增益调整部基于由第二计算部计算出的电流的振幅来调整第二放大器的增益。
另外，关于公开的等离子体处理装置，在一个实施方式中，还可以包括第二检测部，其连接于电力供给部与匹配电路之间的节点，检测从电力供给部向匹配电路输出的高频电力的电压和电流。第一计算部还可以使用由第二检测部检测出的高频电力的电压和电流，来计算腔室内的等离子体的阻抗。
另外，关于公开的检测电路，在一个实施方式中，用于等离子体处理装置，该等离子体处理装置包括：腔室，其内部具有空间，通过生成于空间内的等离子体来处理送入到空间内的被处理体；电力供给部，其向腔室内供给用于生成等离子体的高频电力；匹配电路，其设置在腔室与电力供给部之间；和控制电路，其控制由电力供给部供给到腔室内的高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路的阻抗，检测电路检测腔室内的等离子体的阻抗。检测电路与控制电路一同设置在一个基板上。另外，检测电路包括第一ADC、第二ADC、振幅相位计算部和阻抗计算部。第一ADC使要供给到腔室内的高频电力的电压转换为数字信号。第二ADC使要供给到腔室内的高频电力的电流转换为数字信号。振幅相位计算部计算转换为数字信号后的电压和电流各自的振幅和相位。阻抗计算部基于转换为数字信号后的电压和电流的相位差和振幅比，计算腔室内的等离子体的阻抗。
下面，根据附图，对公开的等离子体处理装置和检测电路的实施例进行详细说明。此外，下面的各实施例并没有用来限定公开的等离子体处理装置和检测电路。
【实施例1】
[等离子体处理装置10的结构]
图1是表示实施例1的等离子体处理装置的一个例子的框图。等离子体处理装置10例如图1所示包括信号同步处理部20、控制量计算部12、控制信号生成部13、高频电源14、匹配电路15、电力传感器16和腔室17。在本实施例中，信号同步处理部20、控制量计算部12和控制信号生成部13安装在一个基板11上。
高频电源14具有振荡器140和放大器141。振荡器140产生与从控制信号生成部13输出的控制信号相应的高频。放大器141将振荡器140产生的高频的电力以与从控制信号生成部13输出的控制信号相应的增益进行放大。由放大器141放大后的高频电力经由匹配电路15供给到腔室17。高频电源14是电力供给部的一个例子。
腔室17在内部具有空间，在空间内收纳半导体晶片等的被处理体。腔室17内由未图示的排气装置设为规定的真空度，从未图示的气体供给源向腔室17内供给处理气体。然后，从高频电源14输出的高频电力经由匹配电路15供给到腔室17，由此在腔室17内生成处理气体的等离子体，用生成的等离子体对腔室17内的被处理体进行蚀刻等规定的处理。
匹配电路15使高频电源14的阻抗与包含等离子体的腔室17的阻抗相匹配。匹配电路15在内部具有电感器和多个可变电容器，根据从控制信号生成部13输出的控制信号，对各可变电容器的电容进行控制。此外，匹配电路15也可以具有电感可改变的可变电感器。匹配电路15的输入阻抗根据生成于腔室17内的等离子体的状态而变动。匹配电路15根据从控制信号生成部13输出的控制信号，对各可变电容器的电容进行控制，由此使高频电源14的输出阻抗与匹配电路15的输入阻抗相匹配。
电力传感器16在从高频电源14输出并经由匹配电路15供给到腔室17的高频电力的传输通路中，与匹配电路15和腔室17之间的节点连接。电力传感器16检测经由匹配电路15供给到腔室17的高频电力的电压和电流，向信号同步处理部20输出电压和电流的检测结果。电力传感器16为第一检测部的一个例子。
信号同步处理部20基于从电力传感器16输出的高频电力的电压和电流的检测结果以及从控制信号生成部13输出的控制信号，计算包括生成于腔室17内的等离子体的阻抗的腔室17的阻抗。然后，信号同步处理部20向控制量计算部12输出计算出的腔室17的阻抗。信号同步处理部20为第一计算部的一个例子。
控制量计算部12基于由信号同步处理部20计算出的腔室17的阻抗，来计算匹配电路15当前的输入阻抗。然后，控制量计算部12计算用于使匹配电路15的输入阻抗接近作为目标的输入阻抗(例如50Ω)的高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路15内的各可变电容器的电容等的各参数的控制量。
在此，匹配电路15的输入阻抗Z1使用高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路15内的各可变电容器的电容等的参数xn，利用例如下述的模型式(1)进行计算。
Z1＝f(x1，x2，…，xn)…(1)
此外，在参数xn中也可以包括例如腔室17内的温度、压力，供给到腔室17内的气体的种类等，作为高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路15的各可变电容器的电容以外的参数。
控制量计算部12使用上述模型式(1)，计算用于使匹配电路15的输入阻抗接近作为目标的输入阻抗的各参数xn的控制量。在本实施例中，控制量计算部12分别计算高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路15的各可变电容器的电容的控制量。然后，控制量计算部12向控制信号生成部13输出计算的这些控制量。
控制信号生成部13对从控制量计算部12输出的高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路15的各可变电容器的电容的控制量分别生成控制信号。然后，控制信号生成部13将生成的控制信号分别输出到振荡器140、放大器141和匹配电路15。控制量计算部12和控制信号生成部13为控制电路的一个例子。
在此，在腔室17内，在从等离子体着火前直到着火后等离子体稳定之间，等离子体的阻抗根据等离子体的状态而变化。因此，使用上述模型式(1)，当使匹配电路15的输入阻抗向作为目标的输入阻抗持续变化时，存在会过度控制，引起控制振荡的情况。因此，在本实施例中，在史密斯圆图上定义匹配电路15的输入阻抗变化到作为目标的输入阻抗为止的规定的轨迹。然后，控制量计算部12在该轨迹上指定匹配电路15当前的输入阻抗接近作为目标的输入阻抗的阻抗。然后，控制量计算部12使用上述模型式(1)来计算用于使匹配电路15当前的输入阻抗成为特定的阻抗的各参数的控制量。由此，控制量计算部12能够抑制控制振荡，并且在短时间内使高频电源14的输出阻抗与匹配电路15的输入阻抗相匹配。
另外，控制量计算部12对匹配电路15的输入阻抗进行控制，使得通过在史密斯圆图上预先定义的轨迹，因此能够使匹配电路15的输入阻抗在不同的等离子体处理装置10中同样地变化。因此，在不同的等离子体处理装置10间，能够将匹配处理需要的时间的偏差抑制地较低。
另外，控制量计算部12共同使用由信号同步处理部20计算的腔室17的阻抗，来计算高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路15的各可变电容器的电容等的控制量。由此，控制量计算部12能够基于在相同时序下检测出的腔室17的阻抗来对匹配电路15的输入阻抗进行调整。因此，能够抑制控制振荡，能够稳定地生成等离子体。
另外，控制量计算部12使用上述的模型式(1)，计算高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路15的各可变电容器的电容等的参数的控制量。因此，与单个计算各参数的情况相比，能够抑制控制振荡。由此，能够在短时间内使匹配电路15的输入阻抗收敛为作为目标的输入阻抗。
另外，在本实施例中，由于信号同步处理部20、控制量计算部12和控制信号生成部13安装在一个基板11上，因此与信号同步处理部20、控制量计算部12和控制信号生成部13分别安装在不同的基板上的情况相比，不需要基板间的通信。由此，能够减少伴随基板间的通信所产生的控制信号的延迟，控制量计算部12和控制信号生成部13基于从信号同步处理部20输出的信号，能够进行更高速的控制。因此，能够使调整匹配电路15的输入阻抗的处理高速化。
[信号同步处理部20的结构]
图2是表示信号同步处理部20的一个例子的框图。信号同步处理部20具有振幅相位计算部21、振幅相位计算部22、PLL(Phase Locked Loop：锁相环路)23、相位差计算部24和阻抗计算部25。
PLL23生成与从控制信号生成部13输出的控制信号相应频率的时钟信号。从控制信号生成部13输出的控制信号是用于设定频率的数字值。然后，PLL23分别向振幅相位计算部21和振幅相位计算部22输出生成的时钟信号。PLL23为信号发生器的一个例子。
振幅相位计算部21计算从电力传感器16输出的电压的振幅和相位，向相位差计算部24输出计算的电压的相位的值，向阻抗计算部25输出计算的电压的振幅的值。振幅相位计算部21包括放大器210、ADC211、移位部212、移相器213、乘法器214、乘法器215、LPF(LowPass Filter：低通滤波器)216、LPF217、振幅计算部218和相位计算部219。
放大器210以从振幅计算部218指示的增益对从电力传感器16输出的电压的振幅进行放大。ADC211将由放大器210放大后的模拟信号的电压的波形按从移位部212输出的时钟信号的时序转换为数字信号。移位部212使从PLL23输出的时钟信号的相位根据从相位计算部219输出的控制值来移位。放大器210为第一放大器的一个例子，ADC211为第一ADC的一个例子，移位部212为第一相位调整部的一个例子。
乘法器214将从ADC211输出的信号与从移位部212输出的时钟信号的频率的1/2的频率的时钟信号相乘，向LPF216输出相乘结果。从乘法器214输出的相乘结果为从电力传感器16输出的电压的信号的I(In phase，同相)成分。LPF216除去从乘法器214输出的相乘结果的高频成分，分别向振幅计算部218和相位计算部219输出去除了高频成分的信号。
移相器213使从移位部212输出的时钟信号的相位发生90度位移。乘法器215将从ADC211输出的信号与从移相器213输出的时钟信号的频率的1/2的频率的时钟信号相乘，向LPF217输出相乘结果。从乘法器215输出的相乘结果为从电力传感器16输出的电压的信号的Q(Quadrature phase，正交相位)成分。LPF217除去从乘法器215输出的相乘结果的高频成分，分别向振幅计算部218和相位计算部219输出去除了高频成分的信号。
相位计算部219根据从LPF216输出的电压的I成分的信号的大小和从LPF217输出的电压的Q成分的信号的大小，来计算电压的相位。相位计算部219根据例如CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer，坐标旋转数字计算)算法，计算电压的相位。然后，相位计算部219保持计算的相位。
然后，相位计算部219对于从PLL23输出的时钟信号的相位，计算用于使计算出的相位成为规定值(例如0度)的相位的控制值。然后，相位计算部219向移位部212输出计算的控制值。由此，由移位部212向移相器213和乘法器214输出的时钟信号的相位发生移位，由从LPF216和LPF217输出的信号确定的电压的相位成为规定值。当电压的相位成为规定值时，相位计算部219向相位差计算部24输出保持的电压的相位的值，指示振幅计算部218输出电压的振幅。在此，电压的相位成为规定值是指：使相位被移位部212移位了的时钟信号的相位与电压的相位同步。通过使相位被移位部212移位了的时钟信号的相位与电压的相位同步，能够精度良好地计算电压的振幅。以下，将相位被移位部212移位了的时钟信号的相位与电压的相位同步这一情况，记载为电压的振幅计算结果与相位计算结果同步。
振幅计算部218监视从LPF216和LPF217输出的各信号的振幅，对向放大器210指示的增益进行调整，使得振幅较大的信号成为规定范围内的振幅。另外，当振幅计算部218被相位计算部219指示进行振幅输出时，从LPF216和LPF217输出的各信号中，将振幅较大的信号的振幅的值作为电压的振幅的值向阻抗计算部25输出。振幅计算部218和相位计算部219是第二计算部的一个例子。
振幅相位计算部22计算从电力传感器16输出的电流的振幅和相位，向相位差计算部24输出计算的电流的相位，向阻抗计算部25输出计算的电流的振幅。振幅相位计算部22包括放大器220、ADC221、移位部222、移相器223、乘法器224、乘法器225、LPF226、LPF227、振幅计算部228和相位计算部229。
放大器220以振幅计算部228指示的增益对从电力传感器16输出的电流的振幅进行放大。ADC221按从移位部222输出的时钟信号的时序，将由放大器220放大后的模拟信号的电流的波形转换为数字信号。移位部222根据从相位计算部229输出的控制值，对从PLL23输出的时钟信号的相位进行移位。放大器220为第二放大器的一个例子，ADC221为第二ADC的一个例子，移位部222为第二相位调整部的一个例子。
乘法器224将从ADC221输出的信号与从移位部222输出的时钟信号的频率的1/2的频率的时钟信号相乘，向LPF226输出相乘结果。从乘法器224输出的相乘结果为从电力传感器16输出的电流的信号的I成分。LPF226除去从乘法器224输出的相乘结果的高频成分，向振幅计算部228和相位计算部229分别输出除去了高频成分的信号。
移相器223使从移位部222输出的时钟信号的相位发生90度位移。乘法器225将从ADC221输出的信号与从移相器223输出的时钟信号的频率的1/2的频率的时钟信号相乘，向LPF227输出相乘结果。从乘法器225输出的相乘结果为从电力传感器16输出的电流的信号的Q成分。LPF227除去从乘法器225输出的相乘结果的高频成分，向振幅计算部228和相位计算部229分别输出除去了高频成分的信号。
相位计算部229根据从LPF226输出的电流的I成分的信号的大小和从LPF227输出的电流的Q成分的信号的大小，来计算电流的相位。相位计算部229根据例如CORDIC算法来计算电流的相位。然后，相位计算部229保持计算的相位。
然后，相位计算部229对于从PLL23输出的时钟信号的相位，计算用于使计算出的相位成为规定值(例如0度)的相位的控制值。然后，相位计算部229向移位部222输出计算的控制值。由此，利用移位部222对向移相器223和乘法器224输出的时钟信号的相位进行移位，由从LPF226和LPF227输出的信号指定的电流的相位成为规定值。当电流的相位成为规定值时，相位计算部229向相位差计算部24输出保持的电流的相位的值，指示振幅计算部228进行电流的振幅的输出。在此，电流的相位成为规定值是指：使相位被移位部222移位了的时钟信号的相位与电流的相位同步。通过使相位被移位部222移位了的时钟信号的相位与电流的相位同步，能够精度优良地计算电流的振幅。下面，将相位被移位部222移位了的时钟信号的相位与电流的相位同步这一情况，记载为电流的振幅计算结果与相位计算结果同步。
振幅计算部228监视从LPF226和LPF227输出的各个信号的振幅，对向放大器220指示的增益进行调整，使得振幅较大的信号成为规定范围内的振幅。另外，当振幅计算部228被相位计算部229指示进行振幅的输出时，从LPF226和LPF227输出的各信号中，将振幅较大的信号的振幅的值作为电流的振幅的值向阻抗计算部25输出。振幅计算部228和相位计算部229为第二计算部的一个例子。
相位差计算部24基于从振幅相位计算部21输出的电压的相位和从振幅相位计算部22输出的电流的相位，来计算电压与电流的相位差。然后，相位差计算部24向阻抗计算部25输出计算的相位差。
阻抗计算部25基于从振幅相位计算部21输出的电压的振幅和从振幅相位计算部22输出的电流的振幅，来计算电压与电流的振幅比。然后，阻抗计算部25基于计算出的振幅比和从相位差计算部24输出的相位差，来计算阻抗。然后，阻抗计算部25向控制量计算部12输出计算的阻抗。
在此，在本实施例的振幅相位计算部21中，相位计算部219向移位部212反馈控制值，使得计算出的电压的相位成为规定值(例如0度)。由此，能够使从LPF216和LPF217输出的电压的相位与规定值一致，能够提高在振幅计算部218中检测出的电压的振幅的精度。在振幅相位计算部22中也同样，能够提高在振幅计算部228中检测出的电流的振幅的精度。由此，能够提高由信号同步处理部20计算的阻抗的精度。
另外，振幅计算部218监视从LPF216和LPF217输出的各信号的振幅，对向放大器210指示的增益进行调整，使得振幅较大的信号成为规定范围内的振幅。由此，即使是在与50Ω等的规定的阻抗不同的阻抗中利用电力传感器16检测出的电压，也能够对电压的范围进行自动调整，因此能够更正确地计算电压的振幅。对振幅计算部228也同样，对向放大器220指示的增益进行调整，使得振幅较大的信号成为规定范围内的振幅。由此，即使是在与50Ω等的规定的阻抗不同的阻抗中利用电力传感器16检测出的电流，也能够对电流的范围进行自动调整，因此能够更正确地计算电流的振幅。
另外，在信号同步处理部20内的各部中共同使用由一个PLL23生成的时钟信号，因此能够减小信号同步处理部20内的各块的时序的偏差，能够精度良好地计算电压和电流的振幅和相位。由此，能够提高阻抗的计算精度。
另外，PLL23基于从控制信号生成部13输出的控制值来生成时钟信号，因此能够生成与从高频电源14输出的高频电力的频率的频率偏差较少的时钟信号。因此，能够精度良好地计算电压和电流的振幅和相位。由此，能够提高阻抗的计算精度。
图3是表示实施例1的等离子体处理装置10的等效电路的一个例子的图。在本实施例中，电力传感器16在从高频电源14输出并经由匹配电路15向腔室17供给的高频电力的传输通路中，与匹配电路15和腔室17之间的节点连接。因此，信号同步处理部20能够基于电力传感器16的检测值，检测包含等离子体的腔室17的阻抗。
在此，例如如图4所示，在电力传感器与高频电源14和匹配电路15之间的节点连接的情况下，基于电力传感器的检测值来检测的阻抗为匹配电路15的阻抗和包含等离子体的腔室17的阻抗的合成阻抗。图4是表示比较例1的等离子体处理装置10的等效电路的一个例子的图。
因此，在图4的例子中，根据检测的阻抗，分别推算匹配电路15的阻抗和包含等离子体的腔室17的阻抗。由于难以正确推算各个阻抗，在推定结果中含有一定程度的误差。在图4所示的比较例1的等离子体处理装置10中，误差要因为两个，即匹配电路15的阻抗和包含等离子体的腔室17的阻抗。
对此，在本实施例的等离子体处理装置10中，如图3所示，基于电力传感器16的检测值，来计算包含等离子体的腔室17的阻抗。然后，基于匹配电路15的电路模型，来推算匹配电路15当前的输入阻抗。虽然难以正确地推算匹配电路15当前的输入阻抗，但是误差要因为一个，即匹配电路15的阻抗。因此，与图4所示的比较例1的等离子体处理装置10相比，能够减少误差要因。
另外，由于匹配电路15的结构比腔室17的结构简单，因此对匹配电路15的阻抗进行推算比对包含等离子体的腔室17的阻抗进行推算的误差小。因此，本实施例的等离子体处理装置10能够比比较例1的等离子体处理装置10精度更优良地计算匹配电路15的阻抗和包含等离子体的腔室17的阻抗。
[匹配处理]
图5是表示阻抗的匹配处理的一个例子的流程图。等离子体处理装置10在腔室17内生成等离子体时，执行本流程图所示的匹配处理。
首先，电力传感器16对经由匹配电路15向腔室17供给的高频电力的电压和电流进行检测(S10)。然后，电力传感器16向信号同步处理部20输出电压和电流的检测结果。
接着，信号同步处理部20基于从电力传感器16输出的高频电力的电压和电流的检测结果以及从控制信号生成部13输出的控制信号，对包含生成于腔室17内的等离子体的阻抗的腔室17的阻抗进行计算(S11)。然后，信号同步处理部20向控制量计算部12输出计算的腔室17的阻抗。
接着，控制量计算部12根据由信号同步处理部20计算出的腔室17的阻抗，计算匹配电路15当前的输入阻抗。然后，控制量计算部12判断匹配电路15当前的输入阻抗的值是否是从目标值到规定范围内的值(S12)。当匹配电路15当前的输入阻抗的值为从目标值到规定范围内的值时(S12：是)，本流程图所示的匹配处理结束。
另一方面，当匹配电路15当前的输入阻抗的值不为从目标值到规定范围内的值时(S12：否)，控制量计算部12计算用于使匹配电路15的输入阻抗接近作为目标的输入阻抗的高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路15内的各可变电容器的电容(S13)。然后，控制量计算部12向控制信号生成部13输出计算的这些控制量。
接着，控制信号生成部13对从控制量计算部12输出的高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路15的各可变电容器的电容的控制量，分别生成控制信号(S14)。然后，控制信号生成部13分别向振荡器140、放大器141和匹配电路15输出生成的控制信号(S15)。然后，在此执行步骤S10所示的处理。
在此，在与其他参数的控制量无关而分别独立地计算高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路15的各可变电容器的电容的控制量的情况下，若同时使用这些参数的控制量，存在引起控制振荡的可能性。因此，当使用任意参数的控制量时，使其他参数的控制固定。
具体而言，例如图6所示，在从时刻0至时刻t1的期间，使用高频电力的大小的控制量，固定高频电力的频率和匹配电路15的阻抗。在从时刻t1至时刻t2的期间和从时刻t3至时刻t4的期间，使用高频电力的频率的控制量，固定高频电力的大小和匹配电路15的阻抗。在从时刻t2至时刻t3的期间和从时刻t4至时刻t5的期间，使用匹配电路15的阻抗的控制量，固定高频电力的频率和大小。图6是表示比较例2的匹配处理的一个例子的图。在该情况的史密斯圆图上的匹配电路15的输入阻抗的轨迹如图7那样。图7是表示比较例2的匹配电路15的输入阻抗的变化的一个例子的图。
如此，在与其他参数的控制量无关而分别独立地计算各参数的控制量的情况下，由于难以同时使用各参数的控制量，因此阻抗的匹配处理需要的时间变长。另外，若参数的数量多，则阻抗的匹配处理需要的时间进一步变长。
对此，在本实施例的等离子体处理装置10中，根据上述模型式(1)，考虑与其他参数的平衡，来确定高频电力的频率、高频电力的大小和匹配电路15的各可变电容器的电容等的各参数的控制量。因此，即使同时使用各参数的控制量，引起控制振荡的可能性也较低。因此，例如图8所示，能够同时使用多个参数的控制量，能够远比比较例2的等离子体处理装置10缩短阻抗的匹配处理需要的时间。图8是表示实施例1的匹配处理的一个例子的图。该情况的史密斯圆图上的匹配电路15的输入阻抗的轨迹例如图9所示的实线那样。图9是表示匹配电路15的输入阻抗的变化的一个例子的图。
在此，在从相位移位部212输出的时钟信号的相位迟于由电力传感器16检测的电压的相位的情况下，振幅计算结果与相位计算结果不同步。因此，例如图9的虚线所示的那样，匹配电路15的输入阻抗按照偏离于所期望的轨迹(例如图9的以方形标记的实线的轨迹)的轨迹变化。在相位的延迟较小的情况下(对例如数MHz～数十MHz的高频电力为例如1μ秒左右的情况)，匹配电路15的输入阻抗按照例如图9的以三角形标记的虚线所示的轨迹变化。另外，在相位的延迟较大的情况下(对例如数MHz～数十MHz的高频电力为例如10μ秒左右的情况)，匹配电路15的输入阻抗按照例如图9的以圆形标记的虚线所示的轨迹变化。如此，从相位移位部212输出的时钟信号的相位相对由电力传感器16检测的电压的相位的延迟越大，由信号同步处理部20计算的阻抗的误差变得越大。由此，匹配电路15的输入阻抗的变化的轨迹与所望的轨迹的偏离变大。因此，难以稳定地控制等离子体。
而在本实施例的振幅相位计算部21中，相位计算部219向相位移位部212反馈计算的相位。由此，振幅相位计算部21能够调整从相位移位部212输出的时钟信号的相位相对由电力传感器16检测的电压的相位的延迟，能够使振幅计算结果与相位计算结果同步。对振幅相位计算部22而言也同样。由此，信号同步处理部20能够精度良好地计算由电力传感器16检测的电压和电流的振幅和相位。于是，等离子体处理装置10能够使匹配电路15的输入阻抗的变化与腔室17内的等离子体的阻抗的变化匹配，按照所望的轨迹那样对其进行精度良好的控制。
另外，在本实施例中，由于能够同时使用各参数的控制量，因此能够缩短阻抗的匹配处理需要的时间。此外，由于能够同时使用各参数的控制量，即使在参数的数量多的情况下，阻抗的匹配处理需要的时间也基本不会变化。
以上，对实施例1进行了说明。根据上述说明可知，利用本实施例的等离子体处理装置10，能够在短时间内完成阻抗的匹配处理，能够迅速地进行稳定的等离子体点火。
【实施例2】
在实施例1中，根据连接在匹配电路15与腔室17之间的节点的电力传感器16所检测的高频电力的电压和电流，推算匹配电路15当前的阻抗。而在实施例2中，还使用连接在高频电源14与匹配电路15之间的节点的电力传感器18来推算匹配电路15当前的阻抗。由此，能够更加精度良好地推算匹配电路15当前的阻抗，能够进一步使阻抗的匹配处理高速化。
[等离子体处理装置10]
图10是表示实施例2的等离子体处理装置10的一个例子的框图。等离子体处理装置10例如如图10所示，包括信号同步处理部20－1、信号同步处理部20－2、控制量计算部12、控制信号生成部13、高频电源14、匹配电路15、电力传感器16、腔室17和电力传感器18。在本实施例中，信号同步处理部20－1、信号同步处理部20－2、控制量计算部12和控制信号生成部13安装在一个基板11上。此外，下面将信号同步处理部20－1和20－2各自无区別而进行总称的情况仅记载为信号同步处理部20。另外，在图10所示的等离子体处理装置10的各块中，对与图1所示的块标注相同附图标记的块而言，除下面说明的地方之外，与图1中说明的块具有相同的功能，因此省略重复的说明。
电力传感器16向信号同步处理部20－1输出电压和电流的检测结果。电力传感器18在高频电源14与匹配电路15之间的高频电力的传输通路中，与高频电源14和匹配电路15之间的节点连接。电力传感器18检测从高频电源14输出的高频电力的电压和电流，向信号同步处理部20－2输出电压和电流的检测结果。电力传感器18为第二检测部的一个例子。
信号同步处理部20－1基于从电力传感器16输出的高频电力的电压和电流的检测结果，以及从控制信号生成部13输出的控制信号，对包含生成于腔室17内的等离子体的阻抗的腔室17的阻抗进行计算。然后，信号同步处理部20－1向控制量计算部12输出计算的腔室17的阻抗。
信号同步处理部20－2基于从电力传感器18输出的高频电力的电压和电流的检测结果，以及从控制信号生成部13输出的控制信号，计算匹配电路15和腔室17的合成阻抗。然后，信号同步处理部20－2向控制量计算部12输出计算的合成阻抗。信号同步处理部20－1和20－2各自的内部结构与使用图2说明的实施例1的信号同步处理部20的结构相同，因此省略详细的说明。
控制量计算部12基于由信号同步处理部20－1计算的腔室17的阻抗和由信号同步处理部20－2计算的合成阻抗，计算匹配电路15当前的输入阻抗。
图11是表示实施例2的等离子体处理装置10的等效电路的一个例子的图。例如如图11所示，信号同步处理部20－1能够基于由电力传感器16检测出的电压和电流来计算腔室17的阻抗Z2。信号同步处理部20－2能够基于由电力传感器18检测出的电压和电流来计算匹配电路15的阻抗Z1和腔室17的阻抗Z2的合成阻抗。然后，控制量计算部12从匹配电路15的阻抗Z1和腔室17的阻抗Z2的合成阻抗中减去腔室17的阻抗Z2，由此能够计算匹配电路15的阻抗Z1。
在此，信号同步处理部20－1基于由电力传感器16检测出的电压和电流来计算腔室17的阻抗Z2，信号同步处理部20－2基于由电力传感器18检测出的电压和电流来计算匹配电路15和腔室17的合成阻抗。因此，与使用电路模型等来推算阻抗的情况相比，能够更加精度良好地计算阻抗Z2和合成阻抗。特别在本实施例中，由于使用具有用图2说明的内部结构的信号同步处理部20－1和20－2，因此能够高精度地计算阻抗Z2和合成阻抗。
另外，在本实施例中，由于能够高精度地计算阻抗Z2和合成阻抗，因此通过从合成阻抗中减去腔室17的阻抗Z2，能够高精度地计算匹配电路15的阻抗Z1。
[硬件]
上述的实施例1的信号同步处理部20、控制量计算部12和控制信号生成部13能够由构成于一个基板11上的例如图12所示的计算机30实现。图12是表示实现信号同步处理部20、控制量计算部12和控制信号生成部13的功能的计算机30的硬件的一个例子的图。
计算机30例如图12所示，具有存储器31、处理器32和输入输出接口33。输入输出接口33在高频电源14、匹配电路15、电力传感器16和电力传感器18之间进行信号的收发。在存储器31中存储用于实现例如信号同步处理部20、控制量计算部12和控制信号生成部13的功能的各种程序和数据等。处理器32从存储器31读取程序，通过执行读取的程序，实现例如信号同步处理部20、控制量计算部12和控制信号生成部13的各功能。
此外，存储器31内的程序和数据等也可以不必全部在最初就存储在存储器31内。例如也可以在插入计算机30的存储卡等的便携式存储介质中存储程序和数据等，计算机30从这样的便携式存储介质适当获取程序和数据等来执行。另外，计算机30也可以经由无线通信线路、公共线路、互联网、LAN、WAN等，从存储有程序和数据等的其他计算机或者服务器装置等适当获取程序来执行。
[其他]
此外，本发明不限于上述的实施方式，在其主旨的范围内可以进行各种变形。
例如，在上述的实施例1中，以向腔室17供给由一个高频电源14生成的高频电力的情况为例进行了说明，不过公开的技术不限于此，也可以向腔室17供给由多个高频电源14生成的不同频率的高频电力。此情况下，在等离子体处理装置10中，对每个用于生成各个频率的高频电力的高频电源14分别逐个设置信号同步处理部20、控制量计算部12、控制信号生成部13、匹配电路15和电力传感器16。
对于实施例2也同样，在向腔室17供给由多个高频电源14生成的不同频率的高频电力的情况下，在等离子体处理装置10中，对每个用于生成各个频率的高频电力的高频电源14，分别逐个设置信号同步处理部20－1、信号同步处理部20－2、控制量计算部12、控制信号生成部13、匹配电路15、电力传感器16和电力传感器18。
另外，在上述的各实施例中，为了便于理解实施例中的信号同步处理部20，信号同步处理部20具有的各个处理块根据主要的处理内容而按功能区分。因此，处理块的区分方法及其名称不会限制公开的技术。另外，上述的各实施例的信号同步处理部20各自具有的各处理块根据处理内容还能够细分为更多的处理块，也能够将多个处理块统合为一个处理块。另外，利用各个处理块执行的处理可以实现为由软件进行的处理，也可以利用ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)等的专用的硬件来实现。

Claims (7)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：
腔室，其内部具有空间，通过生成于所述空间内的等离子体来处理送入到所述空间内的被处理体；
电力供给部，其向所述腔室内供给用于生成等离子体的高频电力；
匹配电路，其使所述腔室内的等离子体与所述电力供给部之间的阻抗相匹配；
第一计算部，其计算所述腔室内的等离子体的阻抗；和
控制电路，其基于由所述第一计算部计算出的阻抗，控制要供给到所述腔室内的高频电力的频率、高频电力的大小和所述匹配电路的阻抗，
所述第一计算部和所述控制电路设置在一个基板上。
2.如权利要求1所述的离子体处理装置，其特征在于：
还包括第一检测部，其连接于所述匹配电路与所述腔室之间的节点，检测要供给到所述腔室内的所述高频电力的电压和电流，
所述第一计算部基于由所述第一检测部检测出的所述高频电力的电压和电流，计算所述腔室内的等离子体的阻抗。
3.如权利要求1或2所述的离子体处理装置，其特征在于，
所述第一计算部包括：
使要供给到所述腔室内的高频电力的电压转换为数字信号的第一ADC；
使要供给到所述腔室内的高频电力的电流转换为数字信号的第二ADC；
计算转换为数字信号后的所述电压和所述电流各自的相位和振幅的第二计算部；和
基于转换为数字信号后的所述电压和所述电流的相位差和振幅比，来计算所述腔室内的等离子体的阻抗的第三计算部。
4.如权利要求3所述的离子体处理装置，其特征在于，
所述第一计算部包括：
生成所述第一ADC和所述第二ADC各自使用的采样时钟的信号发生器；
基于相对于所述采样时钟的所述电压的相位，调整要输入到所述第一ADC的所述采样时钟的相位的第一相位调整部；和
基于相对于所述采样时钟的所述电流的相位，调整要输入到所述第二ADC的所述采样时钟的相位的第二相位调整部。
5.如权利要求3或4所述的离子体处理装置，其特征在于，
所述第一计算部包括：
使要供给到所述腔室内的所述高频电力的电压放大后输入所述第一ADC的第一放大器；
使要供给到所述腔室内的所述高频电力的电流放大后输入所述第二ADC的第二放大器；
基于由所述第二计算部计算出的所述电压的振幅来调整所述第一放大器的增益的第一增益调整部；和
基于由所述第二计算部计算出的所述电流的振幅来调整所述第二放大器的增益的第二增益调整部。
6.如权利要求1至5中任一项所述的离子体处理装置，其特征在于：
还包括第二检测部，其连接于所述电力供给部与所述匹配电路之间的节点，检测从所述电力供给部向所述匹配电路输出的高频电力的电压和电流，
所述第一计算部还使用由所述第二检测部检测出的高频电力的电压和电流，来计算所述腔室内的等离子体的阻抗。
7.一种检测电路，其用于等离子体处理装置，所述等离子体处理装置包括：
腔室，其内部具有空间，通过生成于所述空间内的等离子体来处理送入到所述空间内的被处理体；
电力供给部，其向所述腔室内供给用于生成等离子体的高频电力；
匹配电路，其设置在所述腔室与所述电力供给部之间；和
控制电路，其控制由所述电力供给部供给到所述腔室内的高频电力的频率、高频电力的大小和所述匹配电路的阻抗，
所述检测电路检测所述腔室内的等离子体的阻抗，
所述检测电路的特征在于，
与所述控制电路一同设置在一个基板上，且具有：
使要供给到所述腔室内的高频电力的电压转换为数字信号的第一ADC；
使要供给到所述腔室内的高频电力的电流转换为数字信号的第二ADC；
计算转换为数字信号后的所述电压和所述电流各自的振幅和相位的振幅相位计算部；和
基于转换为数字信号后的所述电压和所述电流的相位差和振幅比，计算所述腔室内的等离子体的阻抗的阻抗计算部。
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