JP2008505447A - ダイナミックインピーダンスのリアルタイム推定を用いたｄｃ電力供給装置 - Google Patents

Abstract

本発明によって、プラズマに対して出力電力を制御するために、負荷のダイナミックインピーダンスに基づいて、電力供給装置に対する制御信号を自動的に調節するｄｃマグネトロンプラズマ処理システムのための装置および方法が提供される。電力をプラズマに供給する電力供給装置の出力電圧および出力電流は、スイッチング周波数よりも少なくとも４倍から５倍高いサンプリング周波数を介してサンプリングされる。また、プラズマのダイナミックインピーダンスは、Ｒ_{ｐｌａｓｍａ}＝ΔＶ_ｎ／ΔＩ_ｎのアルゴリズムから、サンプリングされた電圧および電流に基づいて計算される。ここで、ΔＶ_ｎおよびΔＩ_ｎは、一つのスイッチングサイクルにおける複数のサンプル間の最大ΔＩ_ｎ差である。得られたダイナミックインピーダンスが本質的に負である場合、その制御信号はその結果に従い、補償される。

Description

本発明は一般に、外部からの妨害に対して、制御ループの応答を形成するための補償器を用いる電力供給装置の任意の制御器に関し、より詳細には、ＤＣマグネトロンベース処理のダイナミックインピーダンスを計算するための制御手段に関する。

集積回路、フラットパネルディスプレイ、ガラスコーティングなどに対する薄膜の製造のためのプラズマ処理において、迅速な制御器は、広範なプラズマ処理に供給される電力を効果的に制御するために必要とされる。制御器は、電力供給装置の出力伝達関数に対する制御のために設計されている。電力供給装置の伝達関数は、負荷のダイナミックインピーダンスに依存する。電力供給装置に対する制御器の主たる機能は、任意のコマンドされた制御信号を達成および維持することである。制御器は、電力供給装置の出力伝達関数に対する制御のため、および、電力供給装置の出力伝達関数に対するラインのために設計されている。負荷インピーダンスへの制御器の依存は、ＤＣゲインの形をとり得、あるいは、電力供給装置の伝達関数における極またはゼロの位置であり得る。出力インピーダンスにおける任意の変化は、制御ループの性能に相当に影響を与え得、以前には安定していたシステムを不安定にさせることによって、ときには深刻に影響を与え得る。図１に示されるように、ダイナミックインピーダンスは、曲線Ａおよび曲線Ｂに対しては正であり、曲線Ｃに対しては負である。電圧および抵抗は動作点の関数であり、時間と共に変化し得る。図２は、その処理およびプラズマ特性に依存して、どのようにしてそのプラズマ負荷が、抵抗と直列にある電圧源としてモデル化され得るかを示す。ダイナミックインピーダンスにおける変化のために、伝達関数における変動が、ＤＣゲインに対して制限され得、およびアナログ回路網またはデジタルゲインブロックを容易に補償され得る場合、それは伝達関数の演繹的な分析によって実行され、異なる負荷状況の対するルックアップテーブルをインプリメントする。

一部の制御器は、プラズマのＤＣインピーダンスを計算するために、ＤＣ電流およびＤＣ電圧を利用する。しかしながら、この方法は不利な点を有する。なぜならば、プラズマは、本質的には、インピーダンスのみである負荷を表すと仮定する。図２に示されるような模範的なプラズマの場合において、アプローチは、プラズマ電圧の経験的な値を用い、この経験的な値をＤＣ電圧から減じ、次いで、この減じた値をプラズマの実際のダイナミックインピーダンス計算に用いることである。このアプローチは不利な点を有する。なぜならば、同一のプラズマが現れ得るほどの広範な内部電圧が存在するからである。

例えば、Ｒｙｕｓｕｋｅ Ｏｈｔａらによる特許文献１は、高周波数電源を開示しており、そこで、制御器は、初期プラズマ特性データおよびプラズマゲインを保存するためのメモリ、および、初期プラズマ特性データおよび検出された電力データから、制御ターゲットデータを計算し、および、その制御ターゲットデータと電力制御信号データとの間における差から制御ゲインデータを計算するための比較可能な作業部を有する。制御ターゲットデータは、検出されたプラズマデータから初期プラズマデータを減ずることによって引き出される。しかしながら、その記載されるプロセスは、制御信号の手動での調整に対するアラームに依存している。そのようなシステムは、緩慢な応答時間を有し、補正がなされ得る前に、そのプロセスをシャットダウンさせ得る。

これらのタイプの制御スキームは所望されない。なぜならば、１）プラズマ抵抗の推定は極端に困難である、２）補償のインプリメンテーションはＤＣゲインに制限されている、３）それらは継続的ではなく、その依存は、負荷インピーダンスに関して単調ではあり得ず、４）負荷インピーダンスを有する伝達関数の極、および、ゼロにおける変動は、やはりシステムの性能を低下し得、一部の場合においては、システムを不安定にもさせ得る。また、より迅速なループ速度は、負荷に対して補償する能力を必要とし、相当な広帯域システムを作成するために、伝達関数を生成する。

広範なプラズマ処理において機能する迅速な制御ループを利用するＤＣ電力供給装置のための制御器が提供されることが所望される。また、負荷のダイナミックインピーダンスを推定することによって、適合的で非線形の制御を可能にする制御の方法が提供されることが所望される。
米国特許第５，５４３，６８９号明細書

本発明によって、プラズマのダイナミックインピーダンスを推定するために、デジタルマイクロプロセッサと組み合わせたアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を利用するＤＣマグネトロン処理システムのための電力供給装置などの、電力供給装置が提供される。自動制御ループは、出力と所定の制御信号との間における差を補正するために、電力供給装置の出力電圧および電流をサンプリングすることによって、電力供給装置のための制御信号を維持する。

図３を参照すると、本発明の原理を組み込むＤＣマグネトロン処理システムなどの、プラズマ処理システム１０が示される。プラズマチャンバ１２は、電極１４および１６を含む。電力供給装置１８は、反応ガス（図示されず）中においてプラズマ２０を点火するために、電圧を電極１４および１６に供給する。プラズマからの粒子は、チャンバ内の基板（図示されず）上において薄膜を堆積するように配置される。電力供給装置１８からの出力における変化を補償するために、制御器２２は、プラズマ２０のダイナミックインピーダンスの変化に基づいて、電力供給装置に対して制御信号２４を自動的に調節する。制御器は、通常、アナログ−デジタル変換器２６およびマイクロプロセッサ２８からなる。Ａ／Ｄ変換器は、電力供給装置からの出力電圧および電流をサンプリングし、その値は、マイクロプロセッサに入力され、プラズマのダイナミックインピーダンスのリアルタイム推定をし、必要に応じて、出力調節を行うために、電力供給装置に制御信号２４を送信する。

図４は、以下のアルゴリズムにて、プラズマ点火後の信号を制御するための、典型的な遷移を示す。
Ｒ_{ｐｌａｓｍａ}＝ΔＶ_ｎ−１／ΔＩ_ｎ−１
ここで、ΔＶ_ｎ−１は、サンプリング周波数に基づいた固定サンプル数を用いてプラズマ電圧におけるインクリメントの動きを表す。ΔＶ_ｎ−１は、プラズマ電流に対しても同じ値を表す。これは、電圧および電流におけるインクリメントの絶対値が閾値よりも低い場合に生じる。所定の閾値が選択され、プラズマが安定状態に達する時間を推定する。この閾値は、サンプリング周波数および電力システムダイナミックスを考慮して選択される。これにより、プラズマが設定点にちょうど達したときに、ダイナミックインピーダンスの計算が可能となる。注意すべきは、このアルゴリズムによって、制御器が、電力供給装置によって得られたダイナミックインピーダンスが本質的に負であると推定した場合、適切に、負のインピーダンスを補償することが可能となる。

図５は、プラズマのダイナミックインピーダンスを推定するために用いられるフローチャートを示す。第１のステップにおいて、サンプリング周波数に依存して、Ａ／Ｄ変換器は、電力供給装置の出力電圧および電流の両方をサンプリングする。この方法は、設定点に達するプラズマに先立ち、およびそのプラズマが設定点にある間ではない場合に、ダイナミックインピーダンスを計算する。設定点におけるインピーダンスを測定するために、別のデジタル測定システムは、プラズマ電流および電圧上に見られる電力供給スイッチング周波数リップルよりもより高い周波数においてサンプリングするＡ／Ｄ変換器を利用するが、リップルは、通常は、スイッチング周波数であるか、またはその倍数である。このデータは、プラズマのダイナミックインピーダンスを推定するために用いられ得る。特に、ダイナミックインピーダンスはこのアルゴリズムを用いて正または負のどちらであるかを判断することが可能である。

図６は、スイッチングリップルからダイナミックインピーダンスの推定を表す。このタスクを完遂するために、サンプリング周波数は、通常、電圧および電流におけるリップルの４倍から５倍程度である。スイッチング周期の整数内における電圧／電流の最大値および最小値が推定され、それらの間における差は、ΔＶ_ｎおよびΔＩ_ｎである。電圧または電流のいずれかにおける最大変化を探索することが可能であり、次いで、プラズマのダイナミックインピーダンスを計算するために、同じ時間間隔において、他のパラメータ（個々に、電流または電圧）における変化を用いることも可能である。
Ｒ_{ｐｌａｓｍａ}＝ΔＶ_ｎ／ΔＩ_ｎ
図７は、スイッチングリップルからダイナミックインピーダンスを計算するためのフローチャートを表す。Ａ／Ｄ変換器は、電圧および電流のｎ個のサンプルの新たなセットを入手する。マイクロプロセッサは、所定のサンプルの最大および最小、ならびに、それらの間の差を計算し、ΔＶおよびΔＩに割り当てられる。ダイナミックインピーダンスは次いで、これらの値から計算される。このアルゴリズムは、特に、ダイナミックインピーダンスが正または負のいずれかであるかを判断する。

ここで注意しなければならないことは、２つの方法を用いて計算されるインピーダンスは、２つの異なる周波数となる。過渡的な設定を用いて測定されたものは、制御ループ帯域幅と非常に接近する周波数となる。スイッチング周波数リップルを用いて計算されたものは、制御ループ帯域幅よりも、さらにより高い周波数となる。しかしながら、スイッチングリップルを用いて推定されたインピーダンスは、プラズマの高周波数性能に識見を与え、プラズマの迅速なダイナミクスを決定するのに有用である。

図示および記載された特定の構造および動作の詳細が存在するが、それらは単に例示の目的のためだけであり、変更および修正は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者によって容易になされ得ることは明瞭に理解される。

図１は、異なるプラズマ負荷に対するＶ−Ｉ曲線を示す。 図２は、プラズマ負荷のモデルを略図的に表す。 図３は、本発明の原理を組み込む制御器および電力供給装置のブロック図を表す。 図４は、過渡電圧および電流の波形からダイナミックインピーダンスのリアルタイム推定のための波形を表す。 図５は、ダイナミックインピーダンスの推定に用いられるアルゴリズムのためのフローチャートを表す。 図６は、スイッチングリップルからダイナミックインピーダンス推定するための波形を示す。 図７は、スイッチングリップルからダイナミックインピーダンス推定に用いられるアルゴリズムのフローチャートを示す。

Claims (5)

1. ｄｃマグネトロンプラズマ処理システムのための装置であって、
   ａ）チャンバ内に含まれる少なくとも２つの電極を有する基盤上に、薄膜を堆積させる、プラズマ処理のためのチャンバと、
   ｂ）プラズマを点火し、電力を供給するために、電圧を供給するための電力供給装置と、
   ｃ）該プラズマのダイナミックインピーダンスの変化に基づいて、該電力供給装置に対する信号制御を自動的に調節する該電力供給装置に接続されている制御器と
   を備える、装置。
2. 前記制御器は、通常、前記電力供給装置の出力電圧および出力電流をサンプリングするためのアナログ−デジタル変換器を備える、請求項１に記載のｄｃマグネトロンプラズマ処理システムのための装置。
3. 前記制御器は、前記アナログ−デジタル変換器から入力を受信するマイクロプロセッサをさらに備え、
   該マイクロプロセッサは、前記プラズマのダイナミックインピーダンスのリアルタイム推定を行い、該プラズマに対する出力電力を調節するために、制御信号を前記電力供給装置に送信する、請求項２に記載のｄｃマグネトロンプラズマ処理システムのための装置。
4. ａ）サンプリング周波数に基づいて、多数のサンプルにて、電力をプラズマに供給する電力供給装置の出力電圧および出力電流をサンプリングするステップと、
   ｂ）アルゴリズム、Ｒ_{ｐｌａｓｍａ}＝ΔＶ_ｎ−１／ΔＩ_ｎ−１からサンプリングされた電圧および電流に基づいて、プラズマのダイナミックインピーダンスを計算するステップであって、ここで、ΔＶ_ｎ−１およびΔＩ_ｎ−１は、プラズマが定常状態の状況になる直前のサンプルから計算される、ステップと、
   ｃ）見られた該ダイナミックインピーダンスが本質的に負であるかどうかを推定し、その結果、補償するステップと、
   ｄ）該プラズマのダイナミックインピーダンスに基づいて、該電力供給装置の制御信号を調節するために、該制御信号を送信するステップと
   を包含する、ｄｃマグネトロンプラズマ処理システムを制御する方法。
5. ａ）スイッチング周波数よりも少なくとも４倍から５倍高いサンプリング周波数において、電力をプラズマに供給する電力供給装置の出力電圧および出力電流をサンプリングするステップと、
   ｂ）アルゴリズム、Ｒ_{ｐｌａｓｍａ}＝ΔＶ_ｎ／ΔＩ_ｎからサンプリングされた電圧および電流に基づいて、プラズマのダイナミックインピーダンスを計算するステップであって、ここで、ΔＶ_ｎおよびΔＩ_ｎは、一つのスイッチングサイクルにおける複数のサンプル間の最大差である、ステップと、
   ｃ）この方法から、該ダイナミックインピーダンスが負であると推定された場合、それに従って補償するステップと、
   ｄ）該プラズマのダイナミックインピーダンスに基づいて、該電力供給装置の制御信号を調節するために、該制御信号を送信するステップと
   を包含する、ｄｃマグネトロンプラズマ処理システムを制御する方法。

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