JP2006517335A

JP2006517335A - 変圧器結合プラズマソースにおける電力の測定方法

Info

Publication number: JP2006517335A
Application number: JP2006503158A
Authority: JP
Inventors: ジュアンジョセゴンザレズ，; スティーブンジェイ．ゲイスラー，; フェルナンドガスタボトマセル，
Original assignee: アドバンスドエナジーインダストリーズ，インコーポレイテッド
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2006-07-20
Also published as: US7005845B1; KR20050099611A; WO2004070741A3; TW200420888A; US6819096B2; WO2004070741A2; US20040150386A1

Abstract

本発明は、ＴＣＰソース中のプラズマに伝送される電力の直接的な評価を提供するための方法に関する。ＴＣＰソース内のプラズマに伝送される電源の直接的な評価を提供するための装置は、真空チャンバ（４１０）、電気変圧器（３３０）を有し、真空チャンバ内（４１０）に電磁場を誘導する。変圧器（３１０）が、一次巻線（３００）、プラズマループ（３２０）により形成される二次巻線を有する。この装置はさらに、該プラズマループ（３２０）を通して電流を計測するために、変流器（３３０）を有する。

Description

本発明は、プラズマソースの分野に関し、さらに詳しくは、本発明は変圧器結合プラズマソースに関する。

誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）は、材料加工、活性ガスの生産、汚染物質切除などを含む様々な形式の応用分野において日常的に使用される。このような装置では、コイルが真空チャンバ付近、真空チャンバまわり、または真空チャンバ内に配置される。このコイルが、無線周波数（ＲＦ）により励起される場合、コイル周りに誘導される電磁場により、ガスプラズマ放電が真空装置内に生成および維持される。このプラズマは、空気または磁心のどちらか一方を通してコイルに接続される。後者の場合、このソースは変圧器結合プラズマ（ＴＣＰ）ソースと呼ばれる。コイル励起に使用されるこの電源は大抵、ＲＦセクションより前にある直流電流（ＤＣ）セクションから構成される。

しばしば、プラズマ放電のために伝送されるＲＦ電力の総量を把握することが望まれる。伝送電力の総量を計算するために、電圧値および電流値が、電圧および電流間の位相角と同様に測定され得る。これらの測定は、プラズマ負荷（ｐｌａｓｍａｌｏａｄ）により直接的に影響されることが典型的である。

それにもかかわらず、一定のＴＣＰ適用の電圧および電流の計測は、電源のＤＣセクションの出力でなされる。この方法論によって、この計測および計算はより容易になるけれども、ここで得られる電源値は、ＲＦセクションのスイッチ損失、およびＤＣセクションの出力およびプラズマ負荷の両方に配置される回路中の他の損失要素により、プラズマに伝送される電力の正確な評価ではない。

もしくは、いくつかの適用では、電源出力とＴＣＰ反応炉の間にある点において、ＲＦ計測を実施する。信号の時間的変化のために、これらの計測は一般的に、電源のＤＣセクションの入力に影響される計測と同様、正確ではない。この種の計測の利点は、この計測が、ＲＦ電力発生器の構成要素に起因する損失を除外することである。しかしながら、他の損失は存在し続ける。このように、プラズマに伝送された電力の正確な値は、ＲＦ電源の出力点における電流および電圧の計測によっては得難い。

それゆえ、プラズマ放電のために伝送される電力を直接的に評価するためのメカニズムが望まれる。

（発明の要旨）
本発明は、ＴＣＰソース中のプラズマに伝送される電力の直接的な評価を提供するための方法に関する。一実施形態により、一装置を説明する。この装置は、真空チャンバおよび電気変圧器を有し、真空チャンバ内に電磁場を誘導する。この変圧器は、プラズマループにより形成される一次巻線、二次巻線、およびプラズマループに沿って電圧測定が実施される分離二次巻線を有する。

本発明は、以下に与えられる詳細な説明および本発明の様々な実施形態が記載された添付図面によりさらに完全に理解され得るが、この実施形態が、特定の実施形態の発明に制限されることを意図せず、これらは本発明の説明および理解のためのものである。

（詳細な説明）
一実施形態では、ＴＣＰソース中のプラズマに伝送された電力を評価する方法が記載されている。次の詳細な説明中では、様々な詳細が記載される。しかしながら、これらの特定の説明なしに、本発明が実施され得ることは当業者にとって明らかである。他の実施形態では、既知構造および装置がブロック図形式で示され、これより、詳細に示すよりも本発明のあいまいさを避け得る。

「一実施形態」（「ｏｎｅｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ」または「ａｎｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ」）に対する明細書中の言及は、実施形態とともに記載される特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも一つの実施形態を有することを意味する。明細書中の様々な箇所にある「一実施形態における」という表現の出現は、同じ実施形態について言及することを必ずしも必要としているわけではない。

図１は、インピーダンスマッチングネットワーク１２０を通してＲＦ電力発生器１１０に接続されたリモートＴＣＰソース１４０の一実施形態を示す。ＲＦ電力発生器１１０はＤＣセクション１１５およびＲＦ出力セクション１１７を有する電源である。

インピーダンスマッチングネットワーク１２０はＲＦ電力発生器１１０に接続される。インピーダンスマッチングネットワーク１２０は、電力発生器１１０の出力インピーダンスにＴＣＰソース１４０のインピーダンス範囲を適合させる。

インピーダンスマッチングネットワークを実施する本実施形態が示されるが、当業者は、インピーダンスマッチングネットワークが、本発明の範囲に影響することなく、除かれ得ることを理解し得る。

プラズマソース１４０は、インピーダンスマッチング回路１２０に接続される。一実施形態では、プラズマソース１４０は変圧器結合（ＴＣＰ）ソースを介して動作し、プラズマソース１４０周りには、閉じられた経路をもつ電子ドリフト電流を誘導するために、少なくとも１つのフェライト変圧器（示されてない）を利用する。

図２は、例示のＴＣＰ装置の回路表現を示す。この装置は、変圧器の二次巻線に接続されたＲＦ電源、内部（または外部）インダクター、変圧器および抵抗を有する。この変圧器および抵抗の二次巻線はプラズマ負荷を示す。

様々な適用においては、プラズマに伝送される電力の総量を計算するために、プラズマソースユーザーが電流および電圧の計測を行うことが望まれる。ＴＣＰ装置において、電流または電圧は、ＲＦ電源のＤＣセクションの出力で計測され得る。この計算に使用される電圧信号および電流信号のＤＣ特性により、ＤＣ成分の出力における計測値は正確である。しかしながら、ＤＣの計測に基づいて計算された電力値は、電力計測点とプラズマ間の損失回路成分の存在（例えば、ＲＦセクションおよび変圧器コアなど）により、プラズマに伝送されるそれぞれの電力ではない。

もしくは、ある適用においては、電源の出力点でＲＦ計測を実施する。この計測点では、インピーダンス整合によりプラズマ負荷の複雑な値のインピーダンスを、電源のインピーダンス出力を整合する抵抗インピーダンスに変換するので、電圧信号および電流信号は同位相である。それゆえ、電力は電流および電圧の実効値（ＲＭＳ）から計算され得る。この計測は、時間依存の信号によるＤＣ計測と同様、正確ではない。このタイプの計測は、一定の損失（ＲＦ電源発生器中のＲＦスイッチに起因するもの）を除外するが、他の損失が存在し続ける。このように、プラズマに伝送された電力の正確な評価は、電源成分の出力において電流および電圧を計測することによっては得難い。

しかし、他の可能性としては、マッチングネットワークおよびプラズマ反応炉の両方の計測点において電圧値および電流値を計測することが挙げられる。この計測点においては、電圧信号および電流信号では互いに位相にずれが生じ、電流、電圧および位相のリアルタイム計測が電力計算に必要とされる。これらの計測は、時間依存の信号によるＤＣ計測と同様に正確ではない。さらに、励起変圧器に起因するような損失も依然存在する。このように、プラズマに伝送された電力の正確な評価は、電源成分の出力において電流および電圧を計測することによっては得難い。

結局のところ明らかなのは、プラズマに伝送された電力の正確な評価を得るためには、電気的計測がプラズマ負荷の出来るだけ近くでなければならないということである。

一実施形態に従い、本発明は、プラズマに伝送された電力の正確な評価を提供する。図３は、インピーダンスマッチングネットワーク１２０を介して電力発生器１１０に接続されたソース１４０の一実施形態の回路表現を示す。

図３を参照すると、ＲＦ発生器１１０は、インピーダンスマッチングネットワーク１２０に接続され、これはプラズマソース１４０内の変圧器３１０の一次巻線３００に接続状態である。プラズマソース１４０はさらに、プラズマループ３２０および１：Ｍの巻数比をもつ変流器３３０を有する。プラズマループ３２０は二次巻線３４０、変流器３３０の一次側、およびプラズマ抵抗Ｒ_ｐにより示される。多くのプラズマ分野の関係者にとっては、抵抗Ｒ_ｐがプラズマループ３２０のインピーダンス値を決定付ける。一次巻線３００および二次巻線３４０の間の巻数比はＮ：１である。

一実施形態においては、変流器３３０のコアがプラズマ３２０を囲み、この変流器に対する一次の単一巻として作用する。さらに、抵抗器（Ｒ）は、プラズマ電流（Ｉ_ｐ）に比例する計測電圧（Ｖ_Ｉ）（例えば、Ｖ_Ｉ＝Ｒ＊Ｉｐ／Ｍ；ここでＭは変流器３３０の二次巻数）を提供するために、変流器３３０の二次側に接続される。

他の実施形態によれば、プラズマソース１４０内の変圧器３１０は、Ｎ：Ｌの巻数比をもつ二次巻線３５０をさらに有する。二次巻線３５０は、プラズマ３２０において適用された閉ループの電圧を計測するために誘導される。

一実施形態では、巻線３５０は、変圧器３１０のコア３６０周りにワイヤを一回巻いたものであり、プラズマループ３２０と同様に、磁束を囲むように配置される。このような構成では、閉ループプラズマ電圧、Ｖ_{ｐｌａｓｍａ}は、二次巻線３５０を横切って計測された電圧Ｖ_ｐと同じであり、つまり、Ｖ_ｐ＝Ｖ_{ｐｌａｓｍａ}である。他の実施形態では、電圧減少成分（示されてない）は、電圧を電力計測回路（示されてない）に接続するために、規定量だけ電圧を減少させる巻線３５０に接続され得る。

図４は、プラズマチャンバ４１０まわりの様々な構成要素の典型的な配列を示すＴＣＰソース１４０の一実施形態を示す。上述のように、電力は、磁心３６０および一次巻線３００をもつ変圧器を通してプラズマ３２０に接続される。二次巻線３５０は、プラズマ電圧を評価するために使用される。変流器３３０は、プラズマ電流Ｉｐを計測する。

図５は、電力計測回路５００の一実施形態を示す。電力計測回路５００は、変流器３３０からリアルタイムの電流値および二次巻線３３０からリアルタイムの電圧値を受け取る。電力計測回路５００は、乗算器５１０および平均値算出モジュール５２０を有する。乗算器５１０は、リアルタイムの電圧値および電流値を受け取り、瞬間電力値を得るために、それぞれ受け取った値の積をとる。各時刻で計算された電力値は平均値算出モジュール５２０に伝送される。平均値算出モジュール５２０は、プラズマループ３２０に伝送された電力の平均値を計算する。

図６は、インピーダンスマッチングネットワーク１２０を介して電力発生器１１０に接続されたソース１４０の他の実施形態の回路表現を示す。この実施形態においては、電圧Ｖ_Ｔは、変圧器６１０の入力において計測される。巻数比Ｌ：Ｍをもつ変流器６２０は、変圧器６１０の一次側を通って流れる電流Ｉ_Ｔを計測する。この構成を使用して、プラズマ電圧は、Ｖ_Ｐ＝Ｖ_Ｔ／Ｎとして評価され、プラズマ電流は、Ｉ_ｐ＝Ｖ_ＩＴ＊Ｍ＊Ｎ／（Ｒ＊Ｌ）として評価される。

変流器６２０は、図３を参照して上述した変流器３３０と同様な方法で作動する。しかしながら、この実施形態では、チャンバに隣接して変圧器を配置する必要がないので、電流を計測するために変流器６２０を配置することにより、複雑さが緩和される。さらに、この実施形態では、電圧が、変圧器６１０の入力において計測される。それゆえ、さらなる二次巻線（例えば、図３中の巻線３５０）は必要とされない。

当業者は、図３または図６中に示された実施形態が組み合わされ得、および適合することを理解し得る。例えば、電圧計測は変圧器６１０の入力においてなされ得、電流計測は変流器３３０を使用してなされる。同様に、電流計測は変流器６２０を使用してなされ得、電圧は二次巻線３５０を使用して計測される。

上述したメカニズムは、真のプラズマ電流値および電圧値の正確な評価が得られることを可能にする。結果的に、プラズマに伝達された電力の正確な評価が計算され得る。

本発明の多くの代替例および修正例は、この先述の明細書を読んだ後、当業者に対して疑いなく明らかであるがゆえに、説明により示されおよび記載された特定の実施形態のいずれもが、制限を考慮されることがまったく意図されないことが理解される。それゆえ、様々な実施形態の詳細の参照は、本発明の主要部として考慮されるこれらの特徴のみをそれ自体で引用する特許請求の範囲を制限することを意図されない。

このようにして、プラズマ装置に接続される変圧器において電力を計測するためのメカニズムが記載された。

インピーダンスマッチングネットワークを通して無線周波数（ＲＦ）電力発生器に接続されたプラズマソースの一実施形態を示す。ＲＦ電力発生器に接続された例示のプラズマソースの回路表現を示す。インピーダンスマッチングネットワークを通してＲＦ電力発生器に接続されたプラズマソースの一実施形態の回路表現を示す。プラズマソースチャンバの一実施形態を示す。電力計測回路の一実施形態を示す。インピーダンスマッチングネットワークを通してＲＦ電力発生器に接続されたプラズマソースの他の実施形態の回路表現を示す。

Claims

真空チャンバと該真空チャンバ内に電磁場を誘導するために、該真空チャンバに接続された電気変圧器であって、該変圧器は一次巻線と、該真空チャンバに接続された二次巻線として機能するチャンバ内のプラズマループと、該プラズマループに沿って電圧を計測するために実装される二次巻線とを含む変圧器と、
該プラズマループを通って流れる電流を計測するための変流器と
を備える、装置。
前記変流器から各時刻で得られた電流計測値と、該二次巻線から各時刻で得られた電圧計測値とを受け取るための電力測定回路をさらに備える、請求項１に記載の装置。
前記プラズマループおよび二次巻線が、前記一次巻線に対して、同じ巻数比を有する、請求項２に記載の装置。
前記電圧が前記電力計測回路において受け取られる前に、前記二次巻線において計測された電圧を、所定量だけ減少させるために、電力計測回路に接続された電圧減少モジュールをさらに備える、請求項３に記載の装置。
前記電力計測回路が、
各時刻で得られた電力計測値を求めるために、各時刻で得られた電流計測値と、各時刻で得られた電圧計測値との積をとる乗算器と、
各時刻で得られた電力計測値の平均値を計算するための平均値計算モジュールと
を備える、請求項２に記載の装置。
前記プラズマループに電力を供給するために、前記変圧器の一次巻線に接続された電源をさらに備える、請求項１に記載の装置。
前記変圧器のインピーダンス範囲をＡＣ電源の出力インピーダンス範囲に整合させるために、前記電源と前記変圧器の一次巻線との間に接続されるインピーダンスマッチング回路をさらに備える、請求項６に記載の装置。
前記二次巻線が、前記プラズマループの周りをワイヤで一巻きすることによって実装される、請求項１に記載の装置。
電源と、
該電源に接続されたインピーダンスマッチング回路と、
真空チャンバ内に電磁場を誘導するために、該真空チャンバに接続された電気変圧器であって、該変圧器は、該インピーダンスマッチング回路に接続される一次巻線と、該真空チャンバに接続される二次巻線として機能する該チャンバ内におけるプラズマループと、該プラズマループに沿って電圧を計測するために実装される二次巻線とを含む変圧器と、
該真空チャンバのプラズマループを通して、各時刻で得られた電流を計測するために、該インピーダンスマッチング回路と該一次巻線との間に接続される変流器と、
を備える、装置。
前記インピーダンスマッチング回路の出力において、各時刻で得られた電圧値が計測される、請求項９に記載の装置。
前記変流器から各時刻で得られた電流計測値と、前記インピーダンスマッチング回路の出力から各時刻で得られた電圧計測値とを受け取るための電力計測回路をさらに備える、請求項１０に記載の装置。
前記電力計測回路が、
点から点までの電力計測値を得るために、点から点までのそれぞれの電流計測値と各時刻で得られた電圧計測値との積をとるための乗算器と、該点から点までの電力計測値の平均値を計算するための平均値計算モジュールとを備える、請求項１１に記載の装置。
真空チャンバと、
該真空チャンバ内に電磁場を誘導するために、該真空チャンバに接続される電気変圧器であって、該変圧器は、一次巻線と該真空チャンバに接続される二次巻線として機能する該チャンバ内のプラズマループと、プラズマループに沿って該電圧を計測するために実装される二次巻線とを含む変圧器と、
該電気変圧器の入力電流を計測するために、該電気変圧器の入力に接続された変流器と
を備える、装置。
前記変流器から各時刻で得られた電流計測値と、前記二次巻線から各時刻で得られた電圧計測値とを受け取るための電力計測回路をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
電力計測回路において前記電圧値が受け取られる前に、前記二次巻線において計測される前記電圧を、所定量だけ減少させるために、前記電力計測回路に接続される電圧減少モジュールをさらに備える、請求項１４に記載の装置。
前記プラズマループに電力を供給するために、前記変流器、および前記変圧器の一次巻線に接続される電源をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
前記変圧器のインピーダンス範囲を、前記ＡＣ電源の出力インピーダンスに整合させるために、前記電源、前記変流器と、前記変圧器の一次巻線との間に接続されたインピーダンスマッチング回路をさらに備える、請求項１６に記載の装置。
真空チャンバと、
該真空チャンバ内に電磁場を誘導するために、該真空チャンバに接続された電気変圧器であって、該変圧器が、一次巻線と、該真空チャンバに接続される二次巻線として機能する該真空チャンバ内にあるプラズマループとを含む変圧器と、
該プラズマループを介して該電流を計測するために、該プラズマループに接続された変流器と備えた装置であって、
該電気変圧器の入力において電圧が計測される、装置。
前記変流器から各時刻で得られる電流計測値と、前記電気変圧器の入力において計測される各時刻で得られる電圧とを受け取るための電力計測回路をさらに備える、請求項１８に記載の装置。
前記電圧が前記電力計測回路において受け取られる前に、前記電気変圧器の入力において計測される電圧を所定量だけ減少させるために、前記電力計測回路に接続される電圧減少モジュールをさらに有する、請求項１９に記載の装置。
前記プラズマループに電力を供給するために、前記変圧器の前記一次巻線に接続される電源をさらに有する、請求項１８に記載の装置。
前記変圧器のインピーダンス範囲を、ＡＣ電源の出力インピーダンス範囲に整合させるために、前記電源と前記変圧器の前記一次巻線との間で接続されるインピーダンスマッチング回路をさらに有する、請求項２１に記載の装置。