JP2007087908A - 高周波電源装置および高周波電源の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来の高周波電源装置では、負荷側電力を一定にする制御(PL制御)を行うと、反射係数の絶対値|Γ|が大きい領域で、プラズマの消滅現象や整合過程でハンチング現象が生じる場合があり、進行波電力を一定にする制御(PF制御)を用いると、反射係数の絶対値|Γ|が小さい領域でプラズマの消滅現象や整合過程でハンチング現象が生じる場合があった。
【解決手段】 反射係数演算部22によって演算された反射係数が、領域設定部23で設定された複数の内側領域のうち、いずれかの内側領域内に入った場合には、PL制御を行い、複数の外側領域のうち、いずれかの外側領域内から外側領域外に出た場合には、PF制御を行う。
【選択図】 図1
Description
従来の高周波電源装置50は、伝送線路2及び整合器3及び負荷接続部4を介して、負荷5に高周波電力を供給するための電源装置であり、下記のように出力電力が制御される。
従来の高周波電源装置51は、伝送線路2及び整合器3及び負荷接続部4を介して、負荷5に高周波電力を供給するための電源装置であり、下記のように出力電力が制御される。なお、整合器3および負荷5は、図7と同様なので、説明を省略する。
そうなると、高周波電源装置50、51と負荷5との間がインピーダンス整合していない状態になって、整合器の入力端301での反射係数が増加するために、高周波電源装置50、51から出力されて負荷5に向かう進行波電力の一部又は全部が反射して整合器3から高周波電源装置に向かう反射波電力PRが発生するので、高周波電力が効率よく負荷5に供給されない。
反射係数Γ=RFpr/RFpf ・・・・(1)
反射係数Γ=|Γ|・exp(jθ) ・・・・(2)
反射係数Γ=|Γ|・((cosθ)+j(sinθ)) ・・・・(3)
高周波電源装置の電力検出部16の検出感度は、結合度と方向性の2つの仕様で決定される。結合度は、高周波電力の減衰量を表す。方向性は、電力検出部16自身の入出力特性インピーダンス(主に構造によって決まる)と電力検出部16単体に負荷50Ωを繋いだときに、進行波電力PF、反射波電力PRの漏れの大きさで決まる値であり、この方向性によって電力検出部16の検出精度が決定される。
(I)で示される軌跡は、反射係数の絶対値|Γ|=a(0<a<b<1)となる反射波電力の場合に、「理想電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値を示す。
(II)で示される軌跡は、反射係数の絶対値|Γ|=b(0<a<b<1)となる反射波電力の場合に、「理想電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値を示す。
(III)で示される軌跡は、反射係数の絶対値|Γ|=a(0<a<b<1)となる反射波電力の場合に、「実電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値を示す。
(IV)で示される軌跡は、反射係数の絶対値|Γ|=b(0<a<b<1)となる反射波電力の場合に、「実電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値を示す。
前述のPF制御方式の高周波電源装置の場合は、|Γ|が0から大きくなるに連れて反射波電力の検出信号に誤差が大きくなっても進行波電力PFを一定にする制御を行っているだけのため、反射波電力表示値に誤差が生じる程度の影響で済む。しかし、前述のPL制御方式の高周波電源装置の場合は、|Γ|が0から大きくなるに連れて反射波電力の検出信号の誤差が大きくなるので、ポーラーチャートの外周付近ではPL=PF−PRで表される式のPR分の量が変動し高周波電源装置はPL制御を行っているにもかかわらず、負荷への供給電力量が不安定となるので、負荷ヘの供給電力量が変動する。そのために、プラズマの状態が変化して負荷側インピーダンスZLが変動する。その結果、プラズマを維持できる状態でなくなることによって、プラズマの消滅現象が生じることがある。
図10は、電力検出部16の整合目標点付近における反射波電力検出特性の一例を表す図である。
(V)で示される軌跡は、反射係数の絶対値|Γ|=m(mは整合目標点の許容範囲を示す反射係数)となる反射波電力の場合に、「理想電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値を示す。
(VI)で示される軌跡は、反射係数の絶対値|Γ|=mとなる反射波電力の場合に、「実電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値を示す。
図10に示すように整合目標点付近では、進行波電力に比べ反射波電力の絶対量が少ないため、方向性による反射波電力検出値の誤差も小さい。そのために、PL制御方式の高周波電源装置において、PL=PF−PRで表される式のPR分の誤差量が少ないので、負荷に供給される電力量への影響が少なく、安定した電力量を負荷に供給できる。
負荷に供給する高周波電力の電力値が一定になるように制御する高周波電源装置において、
高周波電力の供給源となる高周波出力手段と、
前記高周波出力手段から負荷に向かう進行波および前記負荷側から高周波出力手段側に向かう反射波を検出する検出手段と、
前記電力検出手段によって検出した進行波および反射波に基づいて、進行波電力に対応する信号および反射波電力に対応する信号を求める電力信号出力手段と、
前記進行波電力に対応する信号から前記反射波電力に対応する信号を減じることによって負荷側電力に対応した信号を演算する負荷側電力演算手段と、
高周波電源装置の出力端で検出した高周波情報に基づいて、反射係数を演算する反射係数演算手段と、
反射係数に関する座標上に関係式によって定義される少なくとも1つの内側領域および前記内側領域の夫々と対をなす少なくとも1つの外側領域を設定する領域設定手段と、
前記反射係数演算手段で演算された反射係数が前記内側領域のうち、いずれかの内側領域内に入った場合には、前記負荷側電力に対応した信号を電力信号として出力し、前記反射係数演算手段で演算された反射係数が予め設定した少なくとも1つの外側領域のうち、いずれかの外側領域内から外側領域外に出た場合には、前記進行波電力に対応する信号を電力信号として出力する制御対象切替手段と、
前記制御対象切替手段から出力される電力信号が、出力電力設定値に対応した信号と等しくなるように前記高周波出力手段の出力を制御する制御手段と
を備えたことを特徴としている。
前記対をなす内側領域と外側領域との関係において、前記外側領域が前記内側領域を含むことを特徴としている。
いずれかの前記外側領域といずれかの前記内側領域とが重なった場合、その重なった領域は、内側領域とすることを特徴としている。
前記内側領域の個数が1つの場合は、この1つの内側領域が反射係数に関する座標の座標原点を含むように設定され、前記内側領域の個数が複数個の場合は、1つの内側領域が反射係数に関する座標の座標原点を含むように設定され、他の内側領域は反射係数に関する座標の座標原点を含まないように設定されることを特徴としている。
前記反射係数に関する座標の座標原点を含むように設定された内側領域が、円形の領域であることを特徴としている。
前記内側領域の境界は、前記検出手段で検出する反射波の検出誤差量を考慮して設定されるものであり、検出誤差量が大きい部分ほど座標原点に近くなるように設定されることを特徴としている。
前記反射係数に関する座標の座標原点を含むように設定された内側領域が、楕円形の領域であることを特徴としている。
負荷に供給する高周波電力の電力値が一定になるように制御する高周波電源の制御方法において、
反射係数に関する座標上に関係式によって定義される少なくとも1つの内側領域および前記内側領域の夫々と対をなす少なくとも1つの外側領域を設定しておき、
出力する進行波電力および負荷側から反射される反射波電力を検出するとともに、高周波電源装置の出力端における反射係数を演算し、
前記演算した反射係数が、いずれかの前記内側領域内に入った場合には、進行波電力から反射波電力を減じた負荷側電力を一定にする制御を行い、いずれかの前記外側領域内から外側領域外に出た場合には、進行波電力を一定にする制御を行うことを特徴としている。
さらに、整合するまでに要する時間が低減されるので、非整合状態時に発生しやすい異常放電も減少する。そのために、異常放電によって発生するウエハへのダメージも低減することができる。
なお、高周波電源装置1の増幅部15から出力されて負荷5に向かう高周波電力を進行波電力PFという。反対に負荷側から高周波電源装置に向かう高周波電力を反射波電力PRという。また、一般にこの種の高周波電源装置では、数百kHz以上の周波数の高周波電力を出力している。
Vpl=Vpf−Vpr ・・・・・(4)
図2において、電流電圧検出部20は、電流を検出する電流検出部202と、電圧を検出する電圧検出部203とから構成されている。
負荷インピーダンス演算部21は、電流電圧検出部20から出力する高周波電流Iと高周波電圧Eを用いて電流電圧検出部20から負荷側を見た負荷側インピーダンスZL’を演算して、演算結果を出力するものである。具体的な演算方法としては、先ず高周波電流Iの絶対値|I|、高周波電圧Eの絶対値|E|、及び高周波電流Iと高周波電圧Eとの位相差θieを求め、その後、式(5)によって負荷側インピーダンスZL’の絶対値|ZL’|を演算する。なお、高周波電流I、高周波電圧Eは、電流電圧検出部20において分圧等がされているので、そのことを考慮して演算される。
|ZL’|=|ZL|=|V|/|I| ・・・・・(5)
Ri=|ZL’|・cos(θie)=|ZL|・cos(θie) ・・・(6)
Xi=|ZL’|・sin(θie)=|ZL|・sin(θie) ・・・(7)
Γ=(ZL’−Z0)/(ZL’+Z0)
=(ZL−Z0)/(ZL+Z0) ・・・・・(8)
Γ=u1+jv1 ・・・(9)
このように反射係数Γを「実数部+虚数部」の形式で表した場合、実数部をu軸(横軸)、虚数部をv軸(縦軸)としたuv座標上に反射係数Γを表すことができる。すなわち、uv座標の原点(u1=0,v1=0)をポーラーチャートの中心として、ポーラーチャート上にuv座標を重ねて表示させることができる。なお、式(8)を変形すると、式(10)のように、反射係数Γと特性インピーダンスZ0から負荷側インピーダンスZL’を求める式が得られる。また、反射係数演算部22は、本発明の反射係数演算手段の一例である。
ZL’=ZL=Z0・((1+Γ)/(1−Γ)) ・・・・・(10)
まず、ポーラーチャートの中心付近(uv座標の原点付近)の領域1について説明する。
図9および図10で説明したように、検出部で生じる誤差量の関係から、反射係数の絶対値が大きい場合はPF制御、小さい場合はPL制御が好ましい。そのために概略的には、基準反射係数絶対値を定め、基準反射係数絶対値よりも反射係数絶対値が小さい領域を内側領域とし、その外側に外側領域を設定すればよい。すなわち、内側領域および外側領域は、ポーラーチャートの中心を円の中心とする円形領域とすればよい。この場合、領域1は、円を表す関係式で設定すればよい。
すなわち、図9の場合は、位相角が約135度のときに誤差量が最大となっているので、図4に示すように、領域1の位相角が約135度の部分の境界は、誤差量の影響を受け難くするために、他の箇所に比べて反射係数の絶対値が小さくなる方向に変形されている。また、他の部分でも、生じる誤差量に応じて領域の境界を変形するとよいが、生じる誤差量は、位相角によって変化しているので均一ではない。そのために、領域1は歪んだ円形状になるが、制御を簡単にするために、形状が似ている楕円形の領域としているのである。
また、上記のように領域1を楕円形とした場合、誤差量の大小関係によって、楕円形の中心がポーラーチャートの中心からずれてしまう。そのために、図3および図4に示すように、領域1の楕円形の中心は、はuv座標の原点からずれている。もちろん、設定の簡易化、制御の簡易化を目的として、楕円形領域よりも円形領域を採用してもよい。
領域2の内側領域は、上述したように変動領域に相当する領域とする。このように設定することによって、上述したように、反射係数演算部22から出力された反射係数Γが内側領域に入った場合に、変動領域に入ったと見なすことができるので、PL制御に切り替えるか否かの判定が可能になる。ところが、変動領域というのは、明確に領域が定まっているものではなく、実際の稼動時や実験時の状況によっても異なる。そのために、変動領域の設定は、領域を大まかに推測して行わざるを得ない。換言すれば、変動領域の設定は、精度よく行うことができない。
領域判定部24は、反射係数演算部22から出力する反射係数Γの実数部u1および虚数部v1によって、適した制御方法を選択する。具体的には、反射係数演算部22から出力する反射係数Γが、領域設定部23で設定されたいずれかの領域の内側領域の外部から内部に入った場合に、後述するスイッチ回路25に対してPL制御に用いる負荷側電力信号Vplを出力するように指令する。また、反射係数Γが、領域設定部23で設定されたいずれかの領域の外側領域の内部から外部に出た場合に、スイッチ回路25に対してPF制御に用いる進行波電力信号Vpfを出力するように指令する。
(a)反射係数Γが、領域設定部23で設定されたいずれかの領域の内側領域の内部である場合は、スイッチ回路25に対して負荷側電力信号Vplを出力するように指令する。
(b)反射係数Γが、反射係数Γが、領域設定部23で設定されたいずれかの領域の内側領域の外部である場合に、スイッチ回路25に対して進行波電力信号Vpfを出力するように指令する。
Vpc∝(Vset−Vpf) ・・・・・(11)
Vpc∝(Vset−Vpl) ・・・・・(12)
前述した高周波電源装置を含むシステムにおいて、高周波電源装置から負荷5に高周波電力が供給されて放電可能な状態になると、放電が開始される。この段階では、整合していないために反射波電力が多く、ほぼ全反射の状態である。すなわち、反射係数Γの絶対値|Γ|≒1の状態である。このときの反射係数は、全ての領域の外にあるので、PF制御にて制御される。なお、図6は、ポーラーチャートの中心付近だけを拡大表示しているため、本来のP1の位置は、別の位置にある。その意味で、P1からP2に向かう線を点線で表している。
整合器3が、反射波電力を減少させるように整合動作を行う。その過程で、P2で示される位置に達するが、この時点での反射係数は、全ての領域の外にあるので、PF制御にて制御される。
整合器が、さらに反射波電力を減少させるように整合動作を行う。その過程で、P3で示される位置に達して、領域2の外側領域内に入るが、この時点では、PF制御にて制御されたままである。
整合器が、さらに反射波電力を減少させるように整合動作を行う。その過程で、P4で示される位置に達して、領域2の内側領域内に入ると、PL制御に切り替える。
整合器が、さらに反射波電力を減少させるように整合動作を行う。その過程で、P5で示される位置に達して、領域2の内側領域外に出るが、この時点では、PL制御にて制御されたままである。
整合器が、さらに反射波電力を減少させるように整合動作を行う。その過程で、P6で示される位置に達して、領域2の外側領域外に出ると、PF制御に切り替える。
整合器が、さらに反射波電力を減少させるように整合動作を行う。その過程で、P7で示される位置に達して、領域1の外側領域内に入るが、この時点では、PF制御にて制御されたままである。
整合器が、さらに反射波電力を減少させるように整合動作を行う。その過程で、P8で示される位置に達して、領域1の内側領域内に入ると、PL制御に切り替える。その後も整合器が、さらに反射波電力を減少させるように整合動作を行う。その結果、最終的には、整合目標点に到達し、整合状態になる。
整合状態の間は、PL制御を行うが、負荷の条件(電力供給量など)が変化すると、負荷のインピーダンスが変化して反射が増える場合がある。この場合に、P9で示される位置に達して、領域1の内側領域外に出るが、この時点では、PL制御にて制御されたままである。なお、このP9で示される位置では、図5で説明したように、領域1と領域3の2つの領域が合体して、1つの領域になったと見なしているので、実質的には、P9で示される位置は、領域3の内側領域から外側領域に出た位置である。
さらに反射波電力が増加し、P10で示される位置に達して、領域3の外側領域外に出ると、PF制御に切り替える。
さらに反射波電力が増加し、P11で示される位置に達する。この時点での反射係数は、全ての領域の外にあるので、PF制御にて制御されたままである。
2 伝送線路
3 整合器
4 負荷接続部
5 負荷
11 ON/OFF制御部
12 水晶発振器
13 電圧制御可変減衰器
14 AC/DC変換部
15 増幅部
16 電力検出部
17 電力レベル変換器
18 負荷側電力演算部
20 電流電圧検出部
202 電流検出部
203 電圧検出部
21 負荷インピーダンス演算部
22 反射係数演算部
23 領域設定部
24 領域判定部
25 スイッチ回路
26 誤差増幅器
Claims (8)
- 負荷に供給する高周波電力の電力値が一定になるように制御する高周波電源装置において、
高周波電力の供給源となる高周波出力手段と、
前記高周波出力手段から負荷に向かう進行波および前記負荷側から高周波出力手段側に向かう反射波を検出する検出手段と、
前記電力検出手段によって検出した進行波および反射波に基づいて、進行波電力に対応する信号および反射波電力に対応する信号を求める電力信号出力手段と、
前記進行波電力に対応する信号から前記反射波電力に対応する信号を減じることによって負荷側電力に対応した信号を演算する負荷側電力演算手段と、
高周波電源装置の出力端で検出した高周波情報に基づいて、反射係数を演算する反射係数演算手段と、
反射係数に関する座標上に関係式によって定義される少なくとも1つの内側領域および前記内側領域の夫々と対をなす少なくとも1つの外側領域を設定する領域設定手段と、
前記反射係数演算手段で演算された反射係数が前記内側領域のうち、いずれかの内側領域内に入った場合には、前記負荷側電力に対応した信号を電力信号として出力し、前記反射係数演算手段で演算された反射係数が予め設定した少なくとも1つの外側領域のうち、いずれかの外側領域内から外側領域外に出た場合には、前記進行波電力に対応する信号を電力信号として出力する制御対象切替手段と、
前記制御対象切替手段から出力される電力信号が、出力電力設定値に対応した信号と等しくなるように前記高周波出力手段の出力を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする高周波電源装置。 - 前記対をなす内側領域と外側領域との関係において、前記外側領域が前記内側領域を含むことを特徴とする請求項1に記載の高周波電源装置。
- いずれかの前記外側領域といずれかの前記内側領域とが重なった場合、その重なった領域は、内側領域とすることを特徴とする請求項1または2に記載の高周波電源装置。
- 前記内側領域の個数が1つの場合は、この1つの内側領域が反射係数に関する座標の座標原点を含むように設定され、前記内側領域の個数が複数個の場合は、1つの内側領域が反射係数に関する座標の座標原点を含むように設定され、他の内側領域は反射係数に関する座標の座標原点を含まないように設定されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高周波電源装置。
- 前記反射係数に関する座標の座標原点を含むように設定された内側領域が、円形の領域であることを特徴とする請求項4に記載の高周波電源装置。
- 前記内側領域の境界は、前記検出手段で検出する反射波の検出誤差量を考慮して設定されるものであり、検出誤差量が大きい部分ほど座標原点に近くなるように設定されることを特徴とする請求項4に記載の高周波電源装置。
- 前記反射係数に関する座標の座標原点を含むように設定された内側領域が、楕円形の領域であることを特徴とする請求項4に記載の高周波電源装置。
- 負荷に供給する高周波電力の電力値が一定になるように制御する高周波電源の制御方法において、
反射係数に関する座標上に関係式によって定義される少なくとも1つの内側領域および前記内側領域の夫々と対をなす少なくとも1つの外側領域を設定しておき、
出力する進行波電力および負荷側から反射される反射波電力を検出するとともに、高周波電源装置の出力端における反射係数を演算し、
前記演算した反射係数が、いずれかの前記内側領域内に入った場合には、進行波電力から反射波電力を減じた負荷側電力を一定にする制御を行い、いずれかの前記外側領域内から外側領域外に出た場合には、進行波電力を一定にする制御を行うことを特徴とする高周波電源の制御方法。
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