JP2003032064A - 伝送効率制御機能を有するインピーダンス整合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インピーダンス整合装置ごとのエネルギー通
過損失を、交換時に補正して一定の値に維持しようとす
る。 【解決手段】 プラズマチャンバーからなる高周波負荷
１への高周波エネルギー伝送路に挿入された固定インダ
クタンスコイルＬ1 と、その固定インダクタンスコイル
に接続された位相調整用可変コンデンサＣ1 及び振幅調
整用可変コンデンサＣ2 とを備えたインピーダンス整合
装置４において、固定インダクタンスコイルに誘導結合
された二次インダクタンスＬ2 とその短絡抵抗分とから
なる二次回路を増設し、インダクタンス間の結合係数又
は二次インダクタンスの短絡抵抗Ｒの値を、負荷電力測
定手段７の検出信号に応じて変更・制御８することによ
り、その固定インダクタンスコイル本来の通過電力損失
と当該伝送路における当該電力損失の設定値との差を、
二次インダクタンス回路による電力損失により補償し、
通過電力損失を設定値に維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波電源からプ
ラズマチャンバー等の能動的負荷に高周波電力を伝達す
る伝送路中に挿入すべきインピーダンス整合装置、特に
伝送効率制御機能を有するインピーダンス整合装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】高周波負荷、特にプラズマチャンバーの
ように起動時急激に変化する負荷インピーダンスに効率
よくエネルギーを伝送するためには、電源側と負荷側と
のインピーダンスを自動的に整合して損失を最小にする
必要がある。インピーダンス整合装置はこの目的で用い
られるもので、自身のインピーダンスを電力伝送状態に
合わせて自動調整する機能を有する。

【０００３】インピーダンス整合装置は、その本体要素
として伝送路中に挿入される固定インダクタンスと、そ
れに直列接続された位相調整用可変コンデンサ、及び固
定インダクタンスの電源側端子と接地電位との間に分路
接続された振幅調整用可変コンデンサを有し、電源イン
ピーダンスが、例えば５０Ωであれば、インピーダンス
整合回路の電源側から見た整合負荷インピーダンスも５
０Ωとなるように、これを自動的に整合調整する。

【０００４】この場合、インピーダンス整合回路の直列
インピーダンスには実抵抗分を含んでいるため、投入電
力の抵抗損失（通過損失）が発生する。そして、この損
失を決定する固定インダクタンスコイルの抵抗値は、コ
イル個々の物理特性及び電気特性、即ちコイル材料の太
さ、コイル径及び巻数等によって定まる。そこで、例え
ばプラズマチャンバー負荷のプロセス設定条件の変更等
に従って、インピーダンス整合装置を交換した場合、一
般に“極低”抵抗である固定インダクタンスコイルの抵
抗値が交換前のものと僅かに変化しただけでも、抵抗値
の変化率は無視しえず、電源側とのインピーダンス整合
は行えても（即ち、電源側から設定条件に従った電力を
供給しても）、その通過電力損失は大きな違いとなり、
高周波負荷への供給電力はその損失分だけ少なくなり、
必要量のエネルギー供給を維持できないことになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、高周波負
荷たるプラズマチャンバーへの実供給電力が設定値に対
して変化すると、プラズマプロセスの変化、更にはプロ
セス不良となり、これを防止するためには、インピーダ
ンス整合装置ごとのエネルギー通過損失を、交換時に補
正して一定の値に維持する必要がある。

【０００６】本発明は、同一の高周波負荷に対して交換
使用するインピーダンス整合装置ごとのエネルギー通過
損失を、交換時において自動的に補正して一定の値に維
持するための機構を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明のインピーダンス整合装置は、プラズマチャ
ンバー等の負荷に高周波エネルギーを伝送すべく、伝送
路に直列に挿入された固定インダクタンスコイルと、そ
の固定インダクタンスコイルに接続された位相調整用可
変コンデンサ及び振幅調整用可変コンデンサとを備えた
インピーダンス整合装置において、前記固定インダクタ
ンスコイルに誘導結合された二次インダクタンスと、前
記二次インダクタンスの短絡抵抗分とからなる二次イン
ダクタンス回路を増設し、この固定インダクタンスコイ
ルと二次インダクタンスとの結合係数又は前記二次イン
ダクタンスの短絡抵抗の値を、高周波負荷の直前に接続
された負荷電力測定手段の検出信号に応じて変更・制御
することにより、インピーダンス整合装置の交換時、そ
の固定インダクタンスコイル個々の物理特性及び電気特
性により定まる同コイル本来の通過電力損失と当該伝送
路における当該電力損失の設定値との差を、前記制御さ
れた二次インダクタンス回路による電力損失により補償
し、前記通過電力損失を設定値に維持するものである。

【０００８】上記の基本構成において、二次インダクタ
ンス回路の一態様は、前記固定インダクタンスコイルに
近接した位置関係で、ショートリング状の二次インダク
タンスコイルを、同軸又は偏心・軸平行状態から両コイ
ル軸が直角になるまで角度変化できるようにし、これに
よって両者の結合係数を変更・制御するものである。両
コイルの相互インダクタンスは結合係数に比例して変化
し、これによって増減する二次電流の２乗に比例して二
次回路の電力損失、従って固定インダクタンスコイルで
のエネルギー通過損失が制御されることになる。

【０００９】上記の基本構成において、二次インダクタ
ンス回路の別の一態様は、前記固定インダクタンスコイ
ル中又は同コイルの外側に、ショートリング状の二次イ
ンダクタンスコイルを、同軸或いは偏心・軸平行状態に
おいて挿入又は嵌合可能とし、且つその挿入又は嵌合深
さを変えることにより、両者の結合係数を変更・制御す
るようにしたものであり、これによって上記と同様にエ
ネルギー通過損失が制御される。

【００１０】上記の基本構成において、二次インダクタ
ンス回路の更に別の一態様は、前記固定インダクタンス
コイルに近接し且つ同軸又は偏心・軸平行状態において
配置した二次インダクタンスコイルの両端を、可変抵抗
器に接続して閉回路とし、その可変抵抗器の抵抗値を変
えることにより、二次閉回路の抵抗熱損失を変更・制御
するように構成したものである。これにより、固定イン
ダクタンス回路のインダクタンス成分に影響を与えるこ
となく、直接的に有効電力損失を補正することができ
る。

【００１１】本発明は更に、別の課題解決手段として、
プラズマチャンバー等の能動的負荷に高周波エネルギー
を伝送すべく、伝送路に直列に挿入された固定インダク
タンスコイルと、その固定インダクタンスコイルに接続
された位相調整用可変コンデンサ及び振幅調整用可変コ
ンデンサとを備えたインピーダンス整合装置において、
前記固定インダクタンスコイルにより励磁される磁気回
路を、可変量的に遮断する可動金属板を設け、この可動
金属板による磁気回路の遮断量を、高周波負荷の直前に
接続された負荷電力測定手段の検出信号に応じて変更・
制御することにより、インピーダンス整合装置の交換
時、その固定インダクタンスコイル個々の物理特性及び
電気特性により定まる同コイル本来の通過電力損失と当
該伝送路における当該電力損失の設定値との差を、前記
可動金属板中に発生したうず電流損により補償し、前記
通過電力損失を設定値に維持するようにしたものであ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を説明する前に、
まず図１に従来のインピーダンス整合装置の簡単な等価
回路を示し、そのエネルギー通過損失が当該整合装置固
有の値であることを確認しておく。図１において、右端
のプラズマ負荷１は設定条件に応じた定常インピーダン
スを構成するＣＲ直列回路で表され、インピーダンス整
合装置２の本体を成すインダクタンスＬ0 と、位相調整
用コンデンサＣ1 は伝送路中に直列に挿入され、振幅調
整用コンデンサＣ2 はインダクタンスＬ0 の電源側と接
地電位との間に接続され、電源側と負荷側とのインピー
ダンス整合は、当該整合装置を含む伝送路の状態を検出
する（その態様は図示しないが）整合制御部３がＣ1 及
びＣ2 を制御して行うようになっている。

【００１３】従って、固定インダクタンスＬ0 は不変で
あり、そのインダクタンスコイルの直流抵抗分Ｒ’も不
変である。そのため、インピーダンス整合装置を交換す
れば、その交換した装置固有のエネルギー通過損失を生
ずることが明らかである。それに対し、本発明は、図２
以下に示す構成例において、インピーダンス整合装置の
固定インダクタンスに調整可能な二次回路を設けるか、
又はうず電流調整機構を設けることによりエネルギー通
過損失を制御するものである。

【００１４】

【実施例】図２は、本発明のインピーダンス整合装置に
おける基本構成の等価回路を示している。この基本構成
の等価回路によれば、インピーダンス整合装置４の本体
要素はプラズマチャンバー負荷１に高周波エネルギーを
伝送すべく、伝送路に直列に挿入された固定インダクタ
ンスコイルＬ1 と、その固定インダクタンスコイルＬ1
に接続された位相調整用可変コンデンサＣ1 及び振幅調
整用可変コンデンサＣ2 とからなっている。この構成例
によれば、固定インダクタンスコイルＬ1 には、好まし
くはショートリングからなる二次インダクタンスコイル
Ｌ2 が誘導結合され、ショートリングの場合にはそれを
可動型として一次コイルＬ1 との結合度を可変とし且つ
それ自身の直流抵抗分よりなる二次回路の短絡抵抗Ｒを
有する。またコイル両端が開放しているときは比較的低
い値の可変抵抗器からなる短絡抵抗ＲをこのＬ2 に接続
することにより、短絡抵抗分Ｒを有する調整用二次イン
ダクタンス回路が増設される。

【００１５】このインピーダンス整合装置においても、
整合制御部３がＣ1 及びＣ2 を制御して高周波入力端５
側と、負荷側とのインピーダンスを整合させる。負荷１
の直前の伝送路終端６には、電力検出部７が接続され、
負荷１が直接消費する電力を測定する。この電力は、上
記のインピーダンス整合後においても入力端５からの供
給入力（有効電力）から、二次インダクタンス回路の短
絡抵抗分Ｒに比例した通過損失を差し引いた値となり、
その値がインピーダンス整合装置交換前の設定値と異な
る場合には、前記電力検出部７の測定値は予測された値
とは異なることになる。

【００１６】従って、二次インダクタンス回路の消費電
力を調整するため、一次インダクタンスとの結合係数
（相互インダタンスＭ）又は短絡抵抗分Ｒを電力検出部
７の測定値に応じて制御するための制御装置８が設けら
れる。そして、これにより相互インダタンスＭ又は短絡
抵抗分Ｒが変えられると、インピーダンス整合状態も多
少変化するため、整合制御部３が位相調整用及び振幅調
整用コンデンサＣ1 及びＣ2 を更に微調整するようにな
っている。これにより、インピーダンス整合状態におい
て高周波エネルギーの通過損失を設定値に維持し、高周
波負荷（プラズマチャンバー）のプロセス状態を設定条
件に維持することができる。

【００１７】図３は二次インダクタンス回路の第１の実
施例を示している。ここに二次インダクタンス（Ｌ2 ）
コイル９はショートリングであり、一次インダクタンス
（Ｌ1）コイル１０中の任意の挿入深さにおいて、同軸
関係（角度０）の最大結合位置と直角関係の最小結合位
置の間で角度調整されるようになっている。制御装置８
（図２）により制御されたショートリングコイル９は、
一次コイル１０との角度余弦に応じた結合係数でこのコ
イル１０（Ｌ1 ）と誘導結合し、その結合に応じて理想
コイルであれば（無抵抗であれば）自己インダクタンス
Ｌ2 によるリアクタンス成分のみに電流が流れるが、こ
れは無効電力であるため通過損失とはならない。

【００１８】しかしながら、ショートリングコイル９
は、その物理的又は電気的特徴に応じた抵抗値Ｒを有す
ることは前述したとおりであり、結局ショートリングコ
イル９からなる二次回路には、その抵抗値Ｒに制御され
た一次コイル１０との結合度に応じた電流が流れ、制御
された熱損失（通過損失）が発生することになる。

【００１９】図４は二次インダクタンス回路の第２の実
施例を示している。この場合、二次インダクタンス（Ｌ
2 ）コイル９’はショートリングであるが、一次インダ
クタンス（Ｌ1 ）コイル１０と同軸関係（角度０）にお
いて、そのコイル中への挿入深さ（又は退出距離）を制
御装置８（図２）により制御されるようになっている。
かくして一次コイル１０との結合係数を調整されたコイ
ル９’には、その結合度に応じた電流が流れ、その抵抗
Ｒ分に制御された熱損失（通過損失）が発生することに
なる。

【００２０】図５は二次インダクタンス回路の第３の実
施例を示している。この場合、二次インダクタンス（Ｌ
2 ）コイル１１はショートリングではなく、少なくとも
１回巻きのコイルであり、その両端に短絡用可変抵抗器
１２を接続して形成され、一次インダクタンス（Ｌ1 ）
コイル１０とは同軸上の定位置関係におかれている。可
変抵抗器１２は制御装置８（図２）により、その抵抗値
Ｒを制御され、その制御後の抵抗値Ｒに流れる電流は、
制御された熱損失（通過損失）を発生することは明らか
である。

【００２１】図６は、本発明のインピーダンス整合装置
における第２の構成例による熱損失（通過損失）制御部
の機構、及び等価回路をそれぞれ同図Ａ，Ｂ及びＣに区
分して示している。この構成例によれば、固定インダク
タンスコイル１０を含むインピーダンス整合装置の本体
要素は、図２に示した基本構成と同様に配置され、その
コイル１０には二次コイルを付設せず、所定のコイルピ
ッチ間隔中に少なくとも１枚（図の例では、３間隔のそ
れぞれに適用される３枚）の導電性セクターを構成する
可動金属板１３が、調整可能に挿入されるようになって
いる。可動金属板１３は支持環１４を介してシャフト１
５に固定され、シャフト１５が図２の“８”と同様な制
御装置により回転駆動されるのに伴って、任意のピッチ
間挿入位置を占めることができる。

【００２２】可動金属板１３には、前述したピッチ間挿
入（又は近接）位置に応じて固定インダクタンスコイル
１０により励磁された高周波磁束が貫通するため、ｄφ
／ｄｔに応じた誘導電流（うず電流）が発生し、従って
この例においても制御された熱損失（通過損失）を発生
する。このとき、コイル１０のインダクタンス決定要素
である磁気回路中の透磁率分布も変化するため、インダ
クタンス（可動金属板の影響がなければＬ1 ）もセクタ
ー板１３のピッチ間挿入（又は近接）位置に応じて変化
した値Ｌ1 ’（≦Ｌ1 ）となる。

【００２３】従って、通過損失制御部の等価回路は図６
Ｃに示す通り、可変インダクタンスＬ1 ’に、可動金属
板がなければ無限大となる可変高抵抗Ｒe が並列に接続
され、それらが制御装置８により同時に制御されるもの
からなる。整合装置のインダクタンスＬ1 ’が変化すれ
ば、インピーダンス整合状態も変化するため、整合制御
部３は位相調整用及び振幅調整用コンデンサＣ1 及びＣ
2 を更に調整する。これにより、最終的にインピーダン
ス整合状態において高周波エネルギーの通過損失が設定
値に維持され、高周波負荷（プラズマチャンバー）のプ
ロセス状態を設定条件に維持することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、プ
ラズマチャンバー等の高周波負荷と電源との間のインピ
ーダンス整合装置を交換した場合の、エネルギー通過損
失を設定値に維持する機構が提供されるため、高周波負
荷へのエネルギー実供給量が、設定供給量からずれるこ
とによるプロセス不良や、そのずれに従ったプロセス進
行を図るようにレシピを変更すること等を回避するもの
である。特に、レシピ変更を図る場合には、膨大な実験
によってそれを確定する必要があり、そのための手間及
び時間は無視しえないものがあり、その必要を無くした
意義はきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のインピーダンス整合装置の構成例を示す
等価回路図である。

【図２】本発明のインピーダンス整合装置の基本構成例
を示す等価回路図である。

【図３】図２のインピーダンス整合装置における固定イ
ンダクタンス回路に関連した二次インダクタンス回路の
第１の実施例の部分正面（Ａ）及び部分側面（Ｂ）を示
す図である。

【図４】図２のインピーダンス整合装置における固定イ
ンダクタンス回路に関連した二次インダクタンス回路の
第２の実施例の部分正面（Ａ）及び部分側面（Ｂ）を示
す図である。

【図５】図２のインピーダンス整合装置における固定イ
ンダクタンス回路に関連した二次インダクタンス回路の
第３の実施例の部分正面（Ａ）及び部分側面（Ｂ）を示
す図である。

【図６】本発明のインピーダンス整合装置の別の構成例
による部分正面（Ａ）、部分側面（Ｂ）及び等価回路
（Ｃ）をそれぞれ示す図である。

【符号の説明】

１ 負荷 ２ インピーダンス整合装置 ３ 整合制御部 ４ 本発明のインピーダンス整合装置 ５ 高周波入力端 ６ 伝送路終端 ７ 電力検出部 ８ 制御装置 ９ ショートリングコイル １０ 一次インダクタンスコイル １１ 二次インダクタンスコイル １２ 短絡用可変抵抗器 １３ 可動金属板 １４ 支持環 １５ シャフト Ｌ0 固定インダクタンス Ｌ1 固定インダクタンス（一次コイル） Ｌ2 二次インダクタンスコイル Ｍ 相互インダタンス Ｃ1 位相調整用コンデンサ Ｃ2 振幅調整用コンデンサ Ｒ 短絡抵抗分

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマチャンバー等の能動的負荷に高
   周波エネルギーを伝送すべく、伝送路に直列に挿入され
   た固定インダクタンスコイルと、その固定インダクタン
   スコイルに接続された位相調整用可変コンデンサ及び振
   幅調整用可変コンデンサとを備えたインピーダンス整合
   装置において、前記固定インダクタンスコイルに誘導結
   合された二次インダクタンスと、前記二次インダクタン
   スの短絡抵抗分とからなる二次インダクタンス回路を増
   設し、この固定インダクタンスコイルと二次インダクタ
   ンスとの結合係数又は前記二次インダクタンスの短絡抵
   抗の値を、高周波負荷の直前に接続された負荷電力測定
   手段の検出信号に応じて変更・制御することにより、イ
   ンピーダンス整合装置の交換時、その固定インダクタン
   スコイル個々の物理特性及び電気特性により定まる同コ
   イル本来の通過電力損失と当該伝送路における当該電力
   損失の設定値との差を、前記制御された二次インダクタ
   ンス回路による電力損失により補償し、前記通過電力損
   失を設定値に維持するものであることを特徴とするイン
   ピーダンス整合装置。
2. 【請求項２】 前記固定インダクタンスコイルに近接し
   た位置関係で、ショートリング状の二次インダクタンス
   コイルを、同軸又は偏心・軸平行状態から両コイル軸が
   直角になるまで角度変化可能としたことにより、両者の
   結合係数を変更・制御することを特徴とする請求項１記
   載のインピーダンス整合装置。
3. 【請求項３】 前記固定インダクタンスコイル中又は同
   コイルの外側に、ショートリング状の二次インダクタン
   スコイルを、同軸或いは偏心・軸平行状態において挿入
   又は嵌合可能とし、且つその挿入又は嵌合深さを変える
   ことにより、両者の結合係数を変更・制御することを特
   徴とする請求項１記載のインピーダンス整合装置。
4. 【請求項４】 前記固定インダクタンスコイルに近接し
   且つ同軸又は偏心・軸平行状態において配置した二次イ
   ンダクタンスコイルの両端を、可変抵抗器に接続して閉
   回路とし、その可変抵抗器の抵抗値を変えることによ
   り、二次閉回路の抵抗熱損失を変更・制御することを特
   徴とする請求項１記載のインピーダンス整合装置。
5. 【請求項５】 プラズマチャンバー等の能動的負荷に高
   周波エネルギーを伝送すべく、伝送路に直列に挿入され
   た固定インダクタンスコイルと、その固定インダクタン
   スコイルに接続された位相調整用可変コンデンサ及び振
   幅調整用可変コンデンサとを備えたインピーダンス整合
   装置において、前記固定インダクタンスコイルにより励
   磁される磁気回路を、可変量的に遮断する可動金属板を
   設け、この可動金属板による磁気回路の遮断量を、高周
   波負荷の直前に接続された負荷電力測定手段の検出信号
   に応じて変更・制御することにより、インピーダンス整
   合装置の交換時、その固定インダクタンスコイル個々の
   物理特性及び電気特性により定まる同コイル本来の通過
   電力損失と当該伝送路における当該電力損失の設定値と
   の差を、前記可動金属板中に発生したうず電流損により
   補償し、前記通過電力損失を設定値に維持するものであ
   ることを特徴とするインピーダンス整合装置。