JP2005020231A

JP2005020231A - スタブ素子およびそれを用いたインピーダンス整合器

Info

Publication number: JP2005020231A
Application number: JP2003180622A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Maeda; 浩延前田; Kazuyoshi Kondo; 一喜近藤
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】ＶＨＦ帯において容易な構成で適切なインピーダンス整合を行うことのできるスタブ素子を提供する。
【解決手段】所定間隔を隔てて離間しながら相対移動自在に備えられた固定側電極２５および可動側電極２６と、固定側電極２５および可動側電極２６を覆うコンデンサカバー１６と、可動側電極２６を移動させるための駆動用モータ１７とを備えたスタブ素子であって、一端が可動側電極２６に導通接続されるとともに他端が固定側電極２５に導通接続されるリアクトル４０が巻回されている。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、たとえば高周波電力を用いてプラズマを発生させてエッチングや薄膜形成などを行う半導体製造装置に用いられ、負荷側のインピーダンスと高周波電源側の特性インピーダンスとを整合させるためのインピーダンス整合器およびそのインピーダンス整合器に用いられるスタブ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述したような半導体製造装置は、通常、高周波電源と負荷とが同軸管によって接続され、同軸管の途中にインピーダンス整合器が介在された構成とされている（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３３０００７号公報
【０００４】
このインピーダンス整合器は、伝送路のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとをマッチングさせることにより、高周波電源において発生した高周波電力が負荷側において反射することを抑制または防止して、高周波電源側からの高周波電力が負荷側において最大限に利用されるようにしたものである。
【０００５】
上記特許文献１に記載されるインピーダンス整合器は、ＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ）やＳＨＦ帯（１ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ）の周波数で用いられるもので、図１０に示すように、同軸管５０に所定の間隔（λｇ／４，λｇ：管内波長）を隔てて連設された３つのスタブ素子１Ａ，２Ａ，３Ａを備え、各スタブ素子は、同軸管５０の内導体５０Ａに接続された固定電極５１、およびこの固定電極５１に対して所定間隔を隔てて移動自在に設けられた可動電極５２からなる可変容量コンデンサ５３と、この可変容量コンデンサ５３を絶縁保護するための絶縁部材５４と、可変容量コンデンサ５３の可動電極５２をコンデンサカバー５６に電気的に接続するための伸縮自在に張設された導電性のベローズ５５と、可変容量コンデンサ５３および絶縁部材５４の周囲を覆い、同軸管５０の外導体５０Ｂに接続された導電性のコンデンサカバー５６と、可変容量コンデンサ５３の可動電極５２を駆動する駆動用モータ５７とを備えている。
【０００６】
このインピーダンス整合器に用いられるスタブ素子１Ａ〜３Ａは、ＵＨＦ帯もしくはＳＨＦ帯では、その構造上、可変容量コンデンサ５３の可動電極５２を同軸管５０の外導体５０Ｂに接続するためのコンデンサカバー５６や可動電極５２の可動時にも安定して当該可動電極５２を電気的にコンデンサカバー５６に接続するためのベローズ５５がインダクタとして機能するため、これらのインダクタと可変容量コンデンサ５３の容量との直列共振回路として動作するようになっている。実際に整合素子として機能するときは、各スタブ素子１Ａ〜３Ａは直列共振回路の直列共振周波数を通り過ぎたインダクタの部分で動作し、可変容量コンデンサ５３の容量を変化させることにより直列共振周波数が変化してそのインダクタが変化するようになっている。すなわち、各スタブ素子１Ａ〜３Ａは可変インダクタ素子として機能するようになっている。
【０００７】
また、各スタブ素子１Ａ〜３Ａが実際の整合素子として機能するときは、直列共振周波数よりも高い周波数領域の高周波電力が使用される。なお、直列共振回路の場合、直列共振周波数よりも高い周波数領域になると、回路がインダクタとして機能する。しかし、各スタブ素子１Ａ〜３Ａは、同軸管管内波長の１／４の長さの間隔で同軸管５０に接続されているので、スタブ素子１Ａ〜３Ａの位置によって特性が異なる。そのために、スタブ素子１Ａがインダクタとして機能する場合は、スタブ素子２Ａがキャパシタ（コンデンサ）として機能し、スタブ素子３Ａがインダクタとして機能するようになる。また、インダクタやキャパシタとして機能する各スタブ素子１Ａ〜３Ａは、可変容量コンデンサ５３の容量を変化させることによって可変インダクタ素子や可変容量素子として機能するようになる。
【０００８】
したがって、図１０に示すインピーダンス整合器では、各スタブ素子１Ａ〜３Ａにおいて可変容量コンデンサ５３における静電容量を調整することにより実質的に各スタブのインダクタを調整してインピーダンスの整合が行なわれる。すなわち、駆動用モータ５７によって固定電極５１に対して可動電極５２を移動させることにより、可変容量コンデンサ５３の静電容量が変化され、これにより直列共振回路のリアクタンス値（インダクタンス値）が変化してインピーダンスの整合が行なわれる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の可変容量コンデンサからなるスタブ素子を用いたインピーダンス整合器をＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）にも適用すれば、外観上はＵＨＦ帯やＳＨＦ帯のインピーダンス整合器と同等のサイズで構成でき、この周波数帯域におけるインピーダンス整合器の大幅な小型化が可能となる。特に、短絡板をプランジャーによって可変とし、ある周波数で任意のリアクタンス値が得られるようにした先端ショートの伝送線路（可変ショート）からなるスタブ素子を用いたインピーダンス整合器では長手方向の素子寸法（短絡板が移動する線路長方向の寸法）が使用周波数の波長に依存し、ＶＨＦ帯ではインピーダンス整合器が極めて大型化することから、可変容量コンデンサからなるスタブ素子を用いたインピーダンス整合器は、可変ショートからなるスタブ素子を用いたインピーダンス整合器に比して大幅な小型化が可能で、使い勝手の良いインピーダンス整合器を実現することができる。
【００１０】
しかしながら、図１０に示す従来のインピーダンス整合器の構造をそのままＶＨＦ帯に適用すると、ＶＨＦ帯は、ＵＨＦ帯やＳＨＦ帯に比べて周波数が低いのでベローズ５５やコンデンサカバー５６の部分がインダクタとして有効に機能しない。そのため、スタブ素子１Ａ〜３Ａが、インダクタと可変容量コンデンサ５３の容量との直列共振回路として有効に機能しない。よって、図１０に示す構成では、インピーダンス整合器として十分に機能しないといった問題がある。
【００１１】
すなわち、図１０に示す構成では、スタブ素子１Ａ〜３Ａは、個々のスタブ素子単体として見たときに、ＶＨＦ帯では可変容量素子としてしか機能せず、可変インダクタとしては機能しないため、インピーダンスを整合させるためにスタブ素子１Ａ〜３Ａにインダクタンス成分が必要な場合には十分なインピーダンス整合ができなくなる。このことは、スミスチャート上の広範囲に負荷のインピーダンスが変化してもインピーダンス整合を可能にするというインピーダンス整合器に要求される基本的な特性を満足し得ないという点で特に問題となる。
【００１２】
図１１は、図１０に示すインピーダンス整合器をたとえば１５０ＭＨｚの周波数で使用した場合の整合範囲をスミスチャートを用いて示した図である。同図において、黒い影の部分Ｓは整合可能な点をプロットしたものである。同図に示すように、従来のインピーダンス整合器では、ごく一部の領域でしか負荷に対するインピーダンスの整合範囲とすることができなかった。
【００１３】
【発明の開示】
本願発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、ＶＨＦ帯において容易な構成で適切にインピーダンス整合を行うことのできるインピーダンス整合器を提供することを、その課題とする。
【００１４】
上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１５】
本願発明の第１の側面によって提供されるスタブ素子は、所定間隔を隔てて離間しながら相対移動自在に設けられた第１の電極および第２の電極と、少なくとも前記第１の電極および第２の電極を覆うシールド部材と、前記第１の電極および第２の電極のうちいずれか一方を移動させるための駆動手段とを備えたスタブ素子であって、一端が前記第１の電極に導通接続されるとともに他端が前記第２の電極に導通接続される導電性ワイヤが巻回されていることを特徴としている。
【００１６】
本願発明の第２の側面によって提供されるスタブ素子は、静電容量を可変させるために相対移動自在に設けられた第１の電極および第２の電極を有するとともに、前記第１の電極および第２の電極を収容する外殻の一部が前記第１の電極および第２の電極との接続部材を電気的に絶縁するように絶縁部分で構成された可変容量コンデンサと、少なくとも前記可変容量コンデンサを覆うシールド部材と、前記第１の電極および第２の電極のうちいずれか一方を移動させるための駆動手段とを備えたスタブ素子であって、前記可変容量コンデンサの外殻の一部を構成する前記絶縁部材の周囲には、前記可変容量コンデンサに対して並列に接続された導電性ワイヤが巻回されていることを特徴としている。
【００１７】
好ましい実施形態によれば、前記導電性ワイヤは、複数本設けられていてもよい。また、前記導電性ワイヤは、単線によって構成されていてもよい。
【００１８】
また、他の好ましい実施形態によれば、前記可変容量コンデンサは、前記第１の電極と第２の電極との間の静電容量を形成するための空間が真空になっている真空可変容量コンデンサであってもよい。
【００１９】
この発明によれば、第１の電極および第２の電極が可変容量コンデンサを構成し、絶縁部材が可変容量コンデンサの外殻の一部を構成し、シールド部材がコンデンサカバーを構成している。そして、外殻の周囲に、一端が第１の電極に接続されるとともに他端が第２の電極に接続されるリアクトルとしての導電性ワイヤが巻回されることにより、可変容量コンデンサに対して並列にリアクトルが接続されることになり、これら可変容量コンデンサおよびリアクトルによってＬＣ並列共振回路が構成される。
【００２０】
スタブ素子は、並列共振回路なので、可変容量コンデンサの容量値を変化させることによって並列共振周波数を調整することができる。そのため、並列共振周波数を高周波電力の発振周波数よりも高くすると、個々のスタブ素子単体として見たときに、スタブ素子がインダクタとして機能し、並列共振周波数を高周波電源の発振周波数よりも低くすると、スタブ素子がコンデンサとして機能する。また、可変容量コンデンサの容量値を変化させることによってリアクタンス値（インダクタンス値または容量値）を調整することができる。
【００２１】
すなわち、従来の構成（図１０参照）に示すインピーダンス整合器では、ＶＨＦ帯で使用すると、各スタブ素子は、個々のスタブ素子単体として見たときに、コンデンサ単体としてしか機能しないため、その容量値を変化させてもインダクタンスが得られず、インピーダンスを整合させることができない場合が生じたが、本願発明にかかるインピーダンス整合器では、各スタブ素子が並列共振回路として機能し、その並列共振周波数を調整することにより各スタブ素子のリアクタンスを容量、インダクタンスのいずれにも調整可能で、負荷のインピーダンスがスミスチャート上の広範囲にわたって変化してもインピーダンスを整合させることができる。
【００２２】
また、上記発明によれば、可変容量コンデンサの周囲にワイヤを巻回するといった容易な構成により、ＶＨＦ帯においても適切にインピーダンス整合をとることができるので、装置の大型化を招いたり、設計変更による大幅なコスト増大を招くことはない。
【００２３】
本願発明の第３の側面によって提供されるインピーダンス整合器は、本願発明の第１の側面によって提供されるスタブ素子と、それを支持するための同軸管とを備え、前記同軸管の管軸方向に少なくとも２つの前記スタブ素子が所定間隔を隔てて連設されていることを特徴としている。
【００２４】
この発明によれば、同軸管に対して上記したスタブ素子を少なくとも２つ（好ましくは３つ）所定間隔を隔てて連設させることにより、ＶＨＦ帯においても負荷に対して適切なインピーダンス整合を行うことができる。
【００２５】
本願発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００２７】
図１は、本願発明にかかるスタブ素子を含むインピーダンス整合器が適用された、たとえば高周波電力を用いてプラズマを発生させてエッチングや薄膜形成などを行う半導体製造装置の構成の一例を示す図である。
【００２８】
この半導体製造装置は、高周波電源Ｐ、アンテナ装置Ａ、インピーダンス整合器Ｍ、およびマイクロコンピュータＣによって構成され、この装置には、プラズマチャンバーとしての負荷Ｌが接続されている。高周波電源Ｐと負荷Ｌとは、同軸管（導波管）Ｔによって接続され、その途中にアンテナ装置Ａおよびインピーダンス整合器Ｍが介装されている。
【００２９】
高周波電源Ｐは、負荷Ｌに対して高周波電力を供給するためのものである。
【００３０】
アンテナ装置Ａは、同軸管Ｔ内における高周波電力の電圧定在波振幅を検出するためのものであり、同軸管Ｔにおいてその管軸方向の３箇所に配置された３つのアンテナＡ１，Ａ２，Ａ３を備えている。アンテナ装置Ａは、各アンテナＡ１，Ａ２，Ａ３で検出した電圧定在波振幅としての検出信号をマイクロコンピュータＣに送出する。
【００３１】
マイクロコンピュータＣは、アンテナ装置Ａから受け取った３つの検出信号に基づいて、同軸管Ｔ内における反射係数の大きさと位相とを計算し、インピーダンス整合器Ｍに備えられた第１ないし第３のスタブ素子１，２，３（後述）の各位置から負荷Ｌ側を見た値に変換し、インピーダンス整合に必要なスタブを選択するとともに、その調整量を算出するものである。マイクロコンピュータＣは、検出信号としてのデータの取り込みを約１ｍｓｅｃごとに実行し、最新のデータに基づいてスタブの調整量を補正する。
【００３２】
負荷Ｌは、たとえばプラズマ処理装置（プラズマチャンバー）とされ、このプラズマ処理装置は、内部に備えた真空容器にプラズマ発生用のガスが導入され、供給された高周波電力を用いて上記ガスを電離させて、プラズマを発生させるものである。発生されたプラズマは、半導体ウェハや液晶基板等の被工作物を加工するために利用される。
【００３３】
インピーダンス整合器Ｍは、伝送路のインピーダンスと負荷Ｌ側のインピーダンスとをマッチングさせるものであり、第１ないし第３のスタブ素子１，２，３を有している。第１ないし第３のスタブ素子１，２，３は、マイクロコンピュータＣからの指令により、それぞれに備えられた駆動用モータ１７（後述）を駆動回転させる。第１ないし第３のスタブ素子１，２，３では、駆動用モータ１７の駆動回転により、可変容量コンデンサ１５（後述）を上下動させて各スタブ素子１，２，３のリアクタンス値（またはサセプタンス値）を変化させ、適切なインピーダンスの整合を行う。
【００３４】
図２は、図１に示すインピーダンス整合器Ｍの概略構成を示す断面図である。このインピーダンス整合器Ｍには、同軸管Ｔに接続される主同軸管１０が設けられている。主同軸管１０は、主同軸管内導体１１と主同軸管外導体１２とからなり、主同軸管内導体１１の外周に所定の間隔を隔てて主同軸管外導体１２が同心状に外套されている。主同軸管１０には、第１ないし第３のスタブ素子１，２，３が設けられている。第１ないし第３のスタブ素子１，２，３は、印加する高周波電力の周波数の同軸管管内波長をλｇとすると、主同軸管１０に対してその管軸方向にλｇ／４だけ隔てた３ヶ所にそれぞれ取り付けられている。
【００３５】
なお、同軸管における高周波電力の流れは、同軸管の導体表面しか流れない（表皮効果）ために、管内波長λｇは自由空間における波長λと同じである。よって、隣り合うスタブ素子１，２，３間の距離λｇ／４は、次式で求められる。ただし、λは、高周波電源Ｐから出力される高周波電力の発振周波数における波長である。また、ｃは光の速度であり、ｆは高周波電源Ｐの発振周波数である。
【００３６】
【数１】

【００３７】
本実施形態のインピーダンス整合器は、ＶＨＦ帯用のインピーダンス整合器Ｍであるから、たとえば高周波電源Ｐの発振周波数ｆが１５０ＭＨｚの場合は、λｇ／４＝（３×１０^８）／（１５０×１０^６）×（１／４）＝０．５［ｍ］となる。なお、これら第１ないし第３のスタブ素子１，２，３の構造は、略同様とされているため、以下では、第１のスタブ素子１について説明する。
【００３８】
図３は、第１のスタブ素子１を拡大して示す断面図である。第１のスタブ素子１は、可変容量コンデンサ１５と、導電性のコンデンサカバー１６と、駆動用モータ（ステッピングモータ）１７とを備えて大略構成されている。
【００３９】
上記主同軸管内導体１１には、それに対して鉛直方向に延びて接合された分岐内導体１８が設けられ、分岐内導体１８は、主同軸管外導体１２に形成された貫通孔１２ａを通して主同軸管外導体１２の外側まで延出している。可変容量コンデンサ１５は、この分岐内導体１８の延出端部に固定されている。可変容量コンデンサ１５の外周には、所定の間隔を隔ててたとえば銅、アルミニウム、または真鍮からなるコンデンサカバー１６が外嵌され、このコンデンサカバー１６は、主同軸管外導体１２の外周面に接合されている。コンデンサカバー１６は、可変容量コンデンサ１５を電気的に覆うことにより外部導体の電気的影響を遮蔽するシールド部材である。コンデンサカバー１６の上端部には、モータ支持フランジ２０を介して駆動用モータ１７が取り付けられている。
【００４０】
なお、分岐内導体１８と主同軸管内導体１１とは、溶接、接着などで一体化されていてもよく、あるいはボルトなどの締結手段により分離可能な状態で連結されていてもよい。また、コンデンサカバー１６と主同軸管外導体１２とは、同様な接合構造とされていてもよい。
【００４１】
可変容量コンデンサ１５は、たとえば大電力を許容するための真空コンデンサによって構成されており、分岐内導体１８に固着されたコンデンサ取付板１９を介して分岐内導体１８に取り付けられている。コンデンサ取付板１９は、分岐内導体１８と可変容量コンデンサ１５とを電気的に導通させるため、金属製とされている。
【００４２】
可変容量コンデンサ１５は、軸方向一端にある板状の固定側電極板２２と、軸方向他端にある板状の可動側電極板２３と、これら軸方向で対向する固定側電極板２２および可動側電極板２３をつなぐ、たとえばセラミックス製の絶縁筒からなる外殻２４とによって形成されている。この外殻２４は、可変容量コンデンサ１５を絶縁部材で密閉することにより電気的に保護するものである。外殻２４の内部では、固定側電極板２２に固定側電極２５が固定され、この固定側電極２５に対して可動側電極２６が軸方向に沿って移動自在に内外嵌合されている。
【００４３】
固定側電極２５は、複数の円筒体を同心状に配置したものであり、可動側電極２６は、固定側電極２５を構成する複数の円筒体に対して内外嵌合する複数の円筒体を同心状に配置したものである。固定側電極２５の複数の円筒体と、可動側電極２６の複数の円筒体とは、半径方向に所定の間隔を隔てて対向している。この固定側電極２５と可動側電極２６とにおける多層構造によって静電容量が形成され、固定側電極２５に対する可動側電極２６の軸方向に沿った移動によって、静電容量が可変されるようになっている。
【００４４】
なお、分岐内導体１８と可変容量コンデンサ１５とは、溶接、接着などで一体化されていてもよく、あるいはボルトなどの締結手段により分離可能な状態で連結されていてもよい。また、可動側電極板２３とコンデンサカバー１６とは、同様な接合構造とされていてもよい。
【００４５】
固定側電極板２２の軸心部には、ガイド筒２９が設けられ、可動側電極２６の軸心部には、可動リード３０が設けられており、これらガイド筒２９と可動リード３０との間にわたって、たとえばセラミックス製のセンターピン３１が摺動自在に差し渡し嵌合されている。この構造により軸心精度が高められ、固定側電極２５に対する可動側電極２６の軸方向に沿った相対移動をスムーズかつ正確なものにされている。
【００４６】
可動側電極２６に一体接合された可動リード３０には、調整ボルト３２が一体的に設けられている。可動側電極板２３の軸心部には、凹入部３３が形成されており、その凹入部３３の軸心部に形成された貫通孔に上記調整ボルト３２が軸方向で内外に貫通されている。調整ボルト３２の外周部には雄ネジが螺刻されており、この雄ネジに後述する静電容量調整筒軸２７の雌ネジが螺合されている。
【００４７】
外殻２４の内部において、可動側電極板２３と可動側電極２６との間には、調整ボルト３２を取り巻く状態でベローズ３６が軸方向に伸縮自在に張設されている。ベローズ３６は、導体製であり、可動側電極２６を可動側電極板２３に対して電気的に接続している。このベローズ３６は、可動側電極２６が上下動するため、当該可動側電極２６を可動側電極板２３に伸縮可能に電気的に接続するものである。可動側電極板２３は、コンデンサカバー１６を介して主同軸管外導体１２に電気的に接続されているから、結果的にベローズ３６は可動側電極２６を主同軸管外導体１２に電気的に接続する機能を果たしている。また、このベローズ３６は、可動側電極２６や調整ボルト３２の回り止めをも兼ねている。
【００４８】
コンデンサカバー１６は、その上端部に形成された貫通孔１６ａに対して静電容量調整筒軸２７を貫通させた状態で、可変容量コンデンサ１５に外套され、コンデンサカバー１６の端板内面と可変容量コンデンサ１５の可動側電極板２３とが接合されている。静電容量調整筒軸２７と可動側電極板２３の凹入部３３との間には、スラストベアリング（図示略）が介挿されている。
【００４９】
コンデンサカバー１６の基部のフランジ１６ｂは、主同軸管外導体１２の外周面に固定されている。コンデンサカバー１６は、可動側電極板２３を主同軸管外導体１２に対して導通状態に接続している。
【００５０】
コンデンサカバー１６から突出した可変容量コンデンサ１５の静電容量調整筒軸２７には、それと同軸状に対向された状態で、かつカップリング３７を介して駆動用モータ１７の駆動軸３８が減速機構の介在なしに直接的に連結されている。静電容量調整筒軸２７、カップリング３７および駆動軸３８は、モータ支持フランジ２０によってそれらの周囲が覆われており、モータ支持フランジ２０は、駆動用モータ１７とコンデンサカバー１６との間に介装されている。
【００５１】
駆動用モータ１７は、マイクロコンピュータＣからの制御信号に基づいて駆動される。駆動用モータ１７が駆動されると、駆動軸３８、カップリング３７および静電容量調整筒軸２７が回転し、静電容量調整筒軸２７に螺合された調整ボルト３２が上下動する。これに伴い、可動リード３０に一体的に設けられた可動側電極２６が上下動し、その結果、可変容量コンデンサ１５における静電容量が可変される。なお、駆動用モータ１７には、エンコーダ（図示略）が付属されており、そのエンコーダによって駆動用モータ１７の駆動状態がマイクロコンピュータＣに監視されるようになっている。なお、上記のように駆動用モータ１７によって可動電極２６が可動されることに代えて、手動で可動側電極２６が可動されてもよい。
【００５２】
本実施形態では、図３および図４に示すように、上記可変容量コンデンサ１５の外殻２４に、複数本のリアクトル４０が巻回されている。リアクトル４０は、本実施形態では２本構成とされ、外殻２４の周囲において交わることなく螺旋状にそれぞれ１巻き巻回されている。リアクトル４０を２本構成としているのは、リアクトル４０に大電流が流れた場合に当該リアクトル４０が焼損することを防止するため、リアクトル４０に流れる電流を分流し、各リアクトル４０に流れる電流を抑制するようにしたものである。
【００５３】
リアクトル４０は、たとえばアルミニウム、銅、銀、金または白金からなる単線によって構成されている。たとえばリアクトル４０に銅が用いられる場合には、金めっきまたは銀めっきされて用いられてもよい。リアクトル４０は、可変容量コンデンサ１５に対してセラミックス製の絶縁材である外殻２４によって絶縁されている。リアクトル４０の一端部は、コンデンサカバー１６の上端部に取り付けられ、それと導通接続されるリアクトル取付板４１にボルトなどの締結手段によって固着されている。また、リアクトル４０の他端部は、固定側電極板２２に導通接続されたコンデンサ取付板１９にボルトなどの締結手段によって固着されている。
【００５４】
なお、リアクトル４０の巻数や巻回形態は、上記に限るものではない。リアクトル４０の本数は３本以上でもよく、大容量のリアクトルで構成する場合は１本であってもよい。
【００５５】
また、リアクトル４０を流れる電流は、表皮効果によってその表面を流れるが、リアクトル４０の外側（可変容量コンデンサ１５に遠い面）よりもリアクトル４０の内側（可変容量コンデンサ１５に近い面）の方が長さが短いので、より流れやすい。そのため、リアクトル４０は、この実施形態ではその断面が略円形とされているが、たとえば略円形のものよりその断面積が大の略楕円形や略矩形状のものを採用してもよい。
【００５６】
図５は、本実施形態にかかる第１ないし第３のスタブ素子１，２，３を等価回路で表した図である。同図左側の等価回路のコンデンサＶＣは可変容量コンデンサ１５の容量に相当し、インダクタンスＬ１はベローズ３６や配線による寄生インダクタンスおよびコンデンサカバー１６による固定インダクタンスに相当し、インダクタンスＬ２はリアクトル４０のインダクタンスに相当している。
【００５７】
ＶＨＦ帯ではインダクタンスＬ１は非常に小さくなるため、インダクタンスＬ１とコンデンサＶＣとの直列回路は、図５の右側に示すように実質的にコンデンサＶＣと見なすことができる。したがって、各スタブ素子１〜３は同図右側に示すコンデンサＶＣとインダクタンスＬ２との並列共振回路となり、本実施形態にかかるインピーダンス整合器の等価回路も図６に示すようになる。
【００５８】
各スタブ素子１〜３は、並列共振回路なので、可変容量コンデンサの容量値を変化させることによって並列共振周波数を調整することができる。そのため、並列共振周波数を高周波電力Ｐの発振周波数よりも高くすると、個々のスタブ素子単体として見たときに、各スタブ素子１〜３がインダクタとして機能し、並列共振周波数を高周波電源Ｐの発振周波数よりも低くすると、各スタブ素子１〜３がコンデンサとして機能する。また、可変容量コンデンサの容量値を変化させることによってリアクタンス値（インダクタンス値または容量値）を調整することができる。
【００５９】
図１０に示すインピーダンス整合器では、ＶＨＦ帯で使用すると、各スタブ素子は、個々のスタブ素子単体として見たときに、コンデンサ単体としてしか機能しないため、その容量値を変化させてもインダクタンスが得られず、インピーダンスを整合させることができない場合が生じたが、本実施形態にかかるインピーダンス整合器Ｍでは、各スタブ素子１〜３が並列共振回路として機能し、その並列共振周波数を調整することにより各スタブ素子１〜３のリアクタンスを容量、インダクタンスのいずれにも調整可能で、負荷のインピーダンスがスミスチャート上の広範囲にわたって変化してもインピーダンスを整合させることができる。
【００６０】
なお、各スタブ素子１〜３は、同軸管管内波長の１／４の長さの間隔で主同軸管１０に接続されているので、スタブ素子１〜３の位置によって特性が異なる。そのため、第１のスタブ素子１がインダクタとして機能する場合には、第２のスタブ素子２がキャパシタ（コンデンサ）として機能し、第３のスタブ素子３がインダクタとして機能するようになっている。また、本実施形態では、各スタブ素子１〜３が、主にコンデンサとして機能し、一部においてインダクタとして機能するように、並列共振周波数の変化範囲を設定している。
【００６１】
また、この実施形態によれば、可変容量コンデンサ１５の周囲にリアクトル４０を巻回するといった容易な構成により、ＶＨＦ帯においても適切にインピーダンス整合をとることができるので、装置の大型化を招いたり、設計変更による大幅なコスト増大を招いたりすることはない。
【００６２】
図７は、上記構成におけるインピーダンス整合器の整合範囲をスミスチャートにして示した図である。なお、インピーダンス整合器Ｍの各スタブ素子１〜３の可変容量コンデンサ１５の容量値はステップ状に可変になっており、たとえば６ｐＦ〜３０ｐＦの範囲で２０００段階に調整可能になっている。図７に示す整合範囲は、インピーダンス整合器Ｍの出力端に５０Ωの終端抵抗を接続し、各スタブ素子１〜３の容量値をそれぞれ１００ステップずつ変化させたときのインピーダンス整合器Ｍの入力端のインピーダンス値をプロットしたものである。スミスチャート上の複数個の黒丸の点はそのインピーダンス値を示している。
【００６３】
図７に示す測定値は、５０Ωの終端抵抗、すなわち、５０Ωの負荷がインピーダンス整合器Ｍの入力端ではどのようなインピーダンスに変更されるかを示すものである。インピーダンス整合器Ｍの入力端におけるインピーダンスがスミスチャート上の任意の点のインピーダンスに変換されるということは、インピーダンス整合器Ｍの入力端と出力端とを逆に見れば、スミスチャート上の任意の点の負荷Ｌのインピーダンスが５０Ωに変換されることを意味する。すなわち、図７において、負荷Ｌのインピーダンスが黒丸の点のインピーダンスである場合は、インピーダンス整合器Ｍにより５０Ωに整合させることができることを意味する。
【００６４】
図７に示すように、黒丸の点はスミスチャートの略全領域に分布していることから、本発明にかかるインピーダンス整合器Ｍによれば、ＶＨＦ帯で任意の負荷Ｌのインピーダンスを高周波電源Ｐの入力インピーダンス（たとえば５０Ω）に整合させることができることが分かる。なお、図７は１５０ＭＨｚについて確認したものであるが、ＶＨＦ帯の他の周波数、特に１００〜３００ＭＨｚの周波数に対し、上記構成により好適なインピーダンス整合器Ｍを作成することができる。
【００６５】
もちろん、この発明の範囲は上述した実施の形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、３つのスタブ素子１，２，３を備えたインピーダンス整合器Ｍについて説明したが、この構成に代えて、３つのスタブ素子１，２，３のうちいずれか２つのスタブ素子のみを備えたインピーダンス整合器を用いてもよい。ただし、この場合の整合範囲は、図８および図９に示すように、限られた範囲とされるため、その整合範囲に対応した負荷Ｌに用いることができる。なお、図８は、図７に示す整合範囲の測定において、第３のスタブ素子３を最小容量値に固定し、第１および第２のスタブ素子１，２を動作させたときの整合範囲を示す図であり、図９は、同測定において、第１のスタブ素子１を最小容量値に固定し、第２および第３のスタブ素子２，３を動作させたときの整合範囲を示す図である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明にかかるスタブ素子を含むインピーダンス整合器が適用された半導体製造装置の構成の一例を示す図である。
【図２】図１に示すインピーダンス整合器の概略構成を示す断面図である。
【図３】図２に示すスタブ素子を拡大して示す断面図である。
【図４】スタブ素子の外観図である。
【図５】本願発明にかかるスタブ素子の等価回路を表した図である。
【図６】本願発明にかかるインピーダンス整合器の等価回路を表した図である。
【図７】本願発明のインピーダンス整合器における整合範囲をスミスチャートにして示す図である。
【図８】第１および第２のスタブ素子を動作させたときの整合範囲を示した図である。
【図９】第２および第３のスタブ素子を動作させたときの整合範囲を示した図である。
【図１０】従来のインピーダンス整合器の概略構成を示す断面図である。
【図１１】従来のインピーダンス整合器における整合範囲をスミスチャートにして示す図である。
【符号の説明】
１第１のスタブ素子
２第２のスタブ素子
３第３のスタブ素子
１０主同軸管
１５可変容量コンデンサ
１６コンデンサカバー
１７駆動用モータ
２４外殻
２５固定側電極
２６可動側電極
４０リアクトル
Ｌ負荷
Ｍインピーダンス整合器
Ｐ高周波電源
Ｔ同軸管

Claims

所定間隔を隔てて離間しながら相対移動自在に設けられた第１の電極および第２の電極と、
少なくとも前記第１の電極および第２の電極を覆うシールド部材と、
前記第１の電極および第２の電極のうちいずれか一方を移動させるための駆動手段とを備えたスタブ素子であって、
一端が前記第１の電極に導通接続されるとともに他端が前記第２の電極に導通接続される導電性ワイヤが巻回されていることを特徴とする、スタブ素子。
静電容量を可変させるために相対移動自在に設けられた第１の電極および第２の電極を有するとともに、前記第１の電極および第２の電極を収容する外殻の一部が前記第１の電極および第２の電極との接続部分を電気的に絶縁するように絶縁部材で構成された可変容量コンデンサと、
少なくとも前記可変容量コンデンサを覆うシールド部材と、
前記第１の電極および第２の電極のうちいずれか一方を移動させるための駆動手段とを備えたスタブ素子であって、
前記可変容量コンデンサの外殻の一部を構成する前記絶縁部材の周囲には、前記可変容量コンデンサに対して並列に接続された導電性ワイヤが巻回されていることを特徴とする、スタブ素子。
前記導電性ワイヤは、複数本設けられている、請求項１または請求項２に記載のスタブ素子。
前記導電性ワイヤは、単線によって構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載のスタブ素子。
前記可変容量コンデンサは、前記第１の電極と第２の電極との間の静電容量を形成するための空間が真空になっている真空可変容量コンデンサである、請求項２ないし４のいずれかに記載のスタブ素子。
請求項１ないし５のいずれかに記載のスタブ素子と、それを支持するための同軸管とを備え、
前記同軸管の管軸方向に少なくとも２つの前記スタブ素子が所定間隔を隔てて連設されていることを特徴とする、インピーダンス整合器。