JP2011187503A - 自動整合方法、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、自動整合装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】整合速度低下を招く事なくハンチングを効果的に抑制できるプラズマ処理装置用自動整合装置を提供する。
【解決手段】コントローラ９０は、インピーダンス測定部８４より得られる負荷側インピーダンスの絶対値測定値ＺＭ_mおよび位相測定値Ｚθ_mをそれぞれ所定の絶対値基準値ＺＭ_S及び位相基準値Ｚθ_Sに可及的に近づける様に、第１及び第２ステッピングモータ８６，８８を介して第１及び第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量をそれぞれ可変制御する第１及び第２整合調節部１００，１０２と、第１及び第２静電容量モニタ部１０８，１１０と、ゲイン制御部１１２とを有している。ゲイン制御部１１２は、第１及び第２静電容量モニタ部１０８，１１０よりそれぞれ得られる第１及び第２の可変コンデンサ８０，８２の静電容量現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂に基づいて、第１及び第２の整合調節部１００，１０２における比例ゲインの少なくとも一方を可変制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、高周波電源と負荷との間で自動的にインピーダンスの整合をとるための自動整合方法、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、自動整合装置およびこれを用いるプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスには、プラズマを利用してエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理を行うプラズマ処理装置が多く使われている。プラズマ処理装置において、プラズマの生成に高周波を用いる場合は、チャンバの中または外に高周波電極（またはアンテナ）を配置して、高周波給電部より該高周波電極に一定周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以上）の高周波を給電するようにしている。また、プラズマから被処理基板に入射するイオンのエネルギーを自在に制御する場合は、基板を支持する載置台に高周波電極を使用し、高周波給電部より該高周波電極に一定周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）の高周波を給電するようにしている。

この種の高周波給電部には、高周波を出力する高周波電源だけでなく、高周波電源側のインピーダンスと負荷側（電極、プラズマ、チャンバ）のインピーダンスとの間で整合（マッチング）をとるための整合装置も用いられる。高周波電源および伝送ケーブルは通常５０Ωの純抵抗出力になるように設計されるため、整合回路も含めた負荷側のインピーダンスが５０Ωになるように、つまり反射波の電力が最小となるように、整合装置内のインピーダンスが設定または調節される。

一般に、プラズマ処理装置に用いられる整合装置は、複数の可変リアクタンス素子を含み、ステッピングモータ等により可変リアクタンス素子のリアクタンスまたは調整ポジションを選択することにより、負荷側インピーダンスを可変制御できる自動整合装置として構成されている。

この種の自動整合装置は、プラズマ処理中に圧力変動などによってプラズマ負荷のインピーダンスが変わると、それら可変リアクタンス素子のリアクタンスを可変して自動的に負荷側インピーダンスを調整して整合ポイント（５０Ω）に合わせるようになっている。このオートマッチングを行うため、自動整合装置は、負荷側インピーダンスを測定する回路や、負荷側インピーダンスの測定値を整合ポイント（５０Ω）に一致させるようにステッピングモータを通じて各可変リアクタンス素子のリアクタンスを可変制御するコントローラ等を備えている。

一般的に、この種の自動整合装置は、整合回路内に、可変リアクタンス素子として、高周波電源に対して負荷と並列および直列にそれぞれ接続される２つの可変コンデンサを備える。ここで、負荷と並列に接続される第１可変コンデンサの静電容量は、主として負荷側インピーダンスの絶対値を調整するために可変される。一方、負荷と直列に接続される第２可変コンデンサの静電容量は、主として負荷側インピーダンスの位相（ＲＦ電圧とＲＦ電流の位相差）を調整するために可変される。

典型的な従来の自動整合装置は、インピーダンス測定回路より得られる負荷側インピーダンスの絶対値および位相の測定値を整合ポイントの値つまり絶対値基準値および位相基準値に可及的に近づけるように第１可変コンデンサの静電容量（容量ポジション）をステップ的に可変し、位相誤差を零に近づけるように第２可変コンデンサの静電容量（容量ポジション）をステップ的に可変するようにしている（たとえば特許文献１）。

特開平１０−２０９７８９号公報

プラズマ処理装置においては、チャンバ内の圧力変動などによってプラズマ負荷のインピーダンスが動的かつ不定に変化しやすい。このため、自動整合装置は、負荷側インピーダンスの変化に迅速かつ正確に追従できるオートマッチング動作を求められている。

その点、上記のような従来の自動整合装置においては、インピーダンス測定回路より得られる負荷側インピーダンスの測定値に応じて第１および第２可変コンデンサの静電容量（容量ポジション）をそれぞれ可変する第１および第２フィードバック制御系が常に一定の比例ゲイン（比例感度）で動作するようになっている。

ところが、負荷側インピーダンスが整合ポイント付近において第２フィードバック制御系における１ステップ当たりの負荷側インピーダンスの変化量、特に位相の変化量が著しく大きくなる方向に変動し、ハンチングが起こりやすくなることがある。このため、第１フィードバック制御系の比例ゲインに比して相対的に第２フィードバック制御系の比例ゲインを予め下げておく調整も行われている。しかしながら、そのことによって、不必要な整合速度の低下を招いており、本質的な解決法にはなっていない。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、不必要な整合速度の低下を招くことなく、ハンチングを確実かつ効果的に抑制するようにした自動整合方法、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体および自動整合装置を提供する。

さらに、本発明は、オートマッチング機能の改善により、高周波を利用するプラズマ生成あるいはイオン引き込み制御の機能を向上させ、ひいてはプラズマプロセスの再現性および信頼性を向上させるプラズマ処理装置を提供する。

本発明の自動整合方法は、一定周波数の高周波を出力する高周波電源と前記高周波の供給を受ける負荷との間で自動的にインピーダンスの整合をとる自動整合方法であって、前記高周波電源の出力端子から見た負荷側のインピーダンスについてその絶対値および位相を一定サイクル毎に測定する工程と、前記インピーダンス測定部より得られる前記負荷側インピーダンスの絶対値および位相の測定値に応答して、前記絶対値測定値および前記位相測定値をそれぞれ所定の絶対値基準値および位相基準値に可及的に近づけるように、主として前記負荷側インピーダンスの絶対値を調節するために、高周波伝送路上で前記高周波電源から見て前記インピーダンス測定部の後段に設けられる第１可変リアクタンス素子のリアクタンスをステップ的に可変するとともに、主として前記負荷側インピーダンスの位相を調節するために、高周波伝送路上で前記高周波電源から見て前記インピーダンス測定部の後段に設けられる第２可変リアクタンス素子のリアクタンスをステップ的に可変する工程と、前記第１および第２の可変リアクタンス素子のリアクタンスを直接または間接的にモニタする工程と、前記第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスの現在値に応じて、前記第１可変リアクタンス素子のリアクタンスを可変する第１フィードバック制御系および前記第２可変リアクタンス素子のリアクタンスを可変する第２フィードバック制御系の少なくとも一方の比例ゲインを可変制御する工程とを有する。

また、本発明におけるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に、請求項１に記載の自動整合方法が行われるように自動整合装置を制御する。

上記自動整合方法または上記コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスに応じて、第１フィードバック制御系における１ステップ当たりの負荷側インピーダンスの変化量と、第２フィードバック制御系における１ステップ当たりの負荷側インピーダンスの変化量との間に大きなアンバランスを生じて、ハンチングを起こしやすい場合に有効である。すなわち、第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスの現在値に基づいて、第１フィードバック制御系および第２フィードバック制御系の少なくとも一方の比例ゲインを可変制御することにより、上記のような負荷側インピーダンス変化率のアンバランスを補償することが可能であり、それによってオートマッチングにおけるハンチングを効果的に抑制することができる。また、適応制御によって比例ゲインを条件的に可変するので、不必要な整合速度の低下を招かずに済む。

本発明の第１の観点における自動整合装置は、一定周波数の高周波を出力する高周波電源と前記高周波の供給を受ける負荷との間で自動的にインピーダンスの整合をとる自動整合装置であって、前記高周波電源の出力端子から見た負荷側のインピーダンスについてその絶対値および位相を一定サイクル毎に測定するインピーダンス測定部と、主として前記負荷側インピーダンスの絶対値を調節するために、高周波伝送路上で前記高周波電源から見て前記インピーダンス測定部の後段に設けられる第１可変リアクタンス素子と、前記第１可変リアクタンス素子のリアクタンスをステップ的に可変するための第１ステップ型容量可変機構と、主として前記負荷側インピーダンスの位相を調節するために、高周波伝送路上で前記高周波電源から見て前記インピーダンス測定部の後段に設けられる第２可変リアクタンス素子と、前記第２可変リアクタンス素子のリアクタンスをステップ的に可変するための第２ステップ型容量可変機構と、前記インピーダンス測定部より得られる前記負荷側インピーダンスの絶対値および位相の測定値に応答して、前記絶対値測定値および前記位相測定値をそれぞれ所定の絶対値基準値および位相基準値に可及的に近づけるように、前記第１および第２ステップ型容量可変機構を介して前記第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスをそれぞれ可変制御する第１および第２整合調節部と、前記第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスを直接または間接的にモニタするリアクタンスモニタ部と、前記リアクタンスモニタより得られる前記第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスの現在値に応じて、前記第１および第２整合調節部の少なくとも一方の比例ゲインを可変制御するゲイン制御部とを有する。

上記第１の観点における自動整合装置は、第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスに応じて、第１整合調節部における１ステップ当たりの負荷側インピーダンスの変化量と、第２整合調節部における１ステップ当たりの負荷側インピーダンスの変化量との間に大きなアンバランスを生じて、ハンチングを起こしやすい場合に、適確に対処することができる。すなわち、第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスの現在値に基づいて、第１整合調節部および第２整合調節部の少なくとも一方の比例ゲインを可変制御することにより、上記のような負荷側インピーダンス変化率のアンバランスを補償することが可能であり、それによってオートマッチングにおけるハンチングを効果的に抑制することができる。また、適応制御によって比例ゲインを可変するので、不必要な整合速度の低下を招かずに済む。

本発明の第２の観点における自動整合装置は、一定周波数の高周波を出力する高周波電源と前記高周波の供給を受ける負荷との間で自動的にインピーダンスの整合をとる自動整合装置であって、前記高周波電源の出力端子から見た負荷側のインピーダンスについてその絶対値および位相を一定サイクル毎に測定するインピーダンス測定部と、主として前記負荷側インピーダンスの絶対値を調節するために、高周波伝送路上で前記高周波電源から見て前記インピーダンス測定部の後段に設けられる第１可変コンデンサと、前記第１可変コンデンサの静電容量をステップ的に可変するための第１ステップ型容量可変機構と、主として前記負荷側インピーダンスの位相を調節するために、高周波伝送路上で前記高周波電源から見て前記インピーダンス測定部の後段に設けられる第２の可変コンデンサと、前記第２可変コンデンサの静電容量をステップ的に可変するための第２ステップ型容量可変機構と、前記インピーダンス測定部より得られる前記負荷側インピーダンスの絶対値および位相の測定値に応答して、前記絶対値測定値および前記位相測定値をそれぞれ所定の絶対値基準値および位相基準値に可及的に近づけるように、前記第１および第２ステップ型容量可変機構を介して前記第１および第２可変コンデンサの静電容量をそれぞれ可変制御する第１および第２整合調節部と、前記第１および第２可変コンデンサのそれぞれの静電容量を直接または間接的にモニタする静電容量モニタ部と、前記静電容量モニタ部より得られる前記第１および第２の可変コンデンサの静電容量の現在値に応じて、前記第１および第２の整合調節部の少なくとも一方の比例ゲインを可変制御するゲイン制御部とを有する。

本発明の第３の観点における自動整合装置は、一定周波数の高周波を出力する高周波電源と前記高周波の供給を受ける負荷との間で自動的にインピーダンスの整合をとる自動整合装置であって、前記高周波電源に対して前記負荷と並列に接続される第１可変コンデンサと、前記第１可変コンデンサの静電容量をステップ的に可変するための第１ステップ型容量可変機構と、前記高周波電源に対して前記負荷と直列に接続される第２可変コンデンサと、前記第２可変コンデンサの静電容量をステップ的に可変するための第２ステップ型容量可変機構と、前記高周波電源の出力端子から見た負荷側のインピーダンスについてその絶対値および位相を一定サイクル毎に測定するインピーダンス測定部と、前記インピーダンス測定部より得られる前記負荷側インピーダンスの絶対値および位相の測定値に応答して、前記絶対値測定値および前記位相測定値をそれぞれ所定の絶対値基準値および位相基準値に可及的に近づけるように、前記第１および第２ステップ型容量可変機構を介して前記第１および第２可変コンデンサの静電容量をそれぞれ可変制御する第１および第２整合調節部と、前記第１および第２可変コンデンサのそれぞれの静電容量を直接または間接的にモニタする静電容量モニタ部と、前記静電容量モニタ部より得られる前記第１および第２可変コンデンサの静電容量の現在値に基づいて、前記第１および第２整合調節部の少なくとも一方の比例ゲインを可変制御するゲイン制御部とを有する。

上記第２または第３の観点における自動整合装置は、第１および第２可変コンデンサの静電容量に応じて、第１整合調節部における１ステップ当たりの負荷側インピーダンスの変化量と、第２整合調節部における１ステップ当たりの負荷側インピーダンスの変化量との間に大きなアンバランスを生じて、ハンチングを起こしやすい場合に、適確に対処することができる。すなわち、第１および第２可変コンデンサのリアクタンスの静電容量に基づいて、第１整合調節部および第２整合調節部の少なくとも一方の比例ゲインを可変制御することにより、上記のような負荷側インピーダンス変化率のアンバランスを補償することが可能であり、それによってオートマッチングにおけるハンチングを効果的に抑制することができる。また、適応制御によって比例ゲインを可変するので、不必要な整合速度の低下を招かずに済む。

本発明の第１の観点におけるプラズマ処理装置は、被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で高周波放電により前記処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記高周波放電に用いられる一定周波数の高周波を出力する高周波電源と、前記高周波電源と前記プラズマ生成部との間に接続される本発明の自動整合装置とを有する。

本発明の第２の観点におけるプラズマ処理装置は、被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で前記処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記処理容器内で前記基板を載置して保持する電極と、前記プラズマから前記電極上の前記基板に入射するイオンのエネルギーを制御するのに用いられる一定周波数の高周波を出力する高周波電源と、前記高周波電源と前記電極との間に接続される本発明の自動整合装置とを有する。

本発明の自動整合方法、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体または自動整合装置によれば、上記のような構成および作用により、整合速度の不必要な低下を招くことなく、ハンチングを確実かつ効果的に抑制することができる。

また、本発明のプラズマ処理装置によれば、本発明の自動整合装置を備えることにより、高周波を利用するプラズマ生成あるいはイオン引き込み制御の機能を向上させ、ひいてはプラズマプロセスの再現性および信頼性を向上させることができる。

本発明の一実施形態によるプラズマ処理装置の構成を示す縦断面図である。 上記プラズマ処理装置に適用した本発明の一実施形態における自動整合装置の要部の構成を示すブロック図である。 第１の実施例におけるコントローラの主要な機能を示すブロック図である。 上記自動整合装置における負荷側インピーダンス変化率特性（Ｃ₁可変、Ｃ₂固定）を示すグラフである。 上記自動整合装置における負荷側インピーダンス変化率特性（Ｃ₁可変、Ｃ₂固定）を示すグラフである。 上記自動整合装置における負荷側インピーダンス変化率特性（Ｃ₁固定、Ｃ₂可変）を示すグラフである。 上記自動整合装置における負荷側インピーダンス変化率特性（Ｃ₁固定、Ｃ₂可変）を示すグラフである。 上記自動整合装置における−Ｃ₁ ²／α＊Ｃ₂ ² 特性（Ｃ₁可変、Ｃ₂固定）を示すグラフである。 上記自動整合装置における−Ｃ₁ ²／α＊Ｃ₂ ² 特性（Ｃ₁固定、Ｃ₂可変）を示すグラフである。 第２の実施例の整合アルゴリズムにおいて、動作点を動かすために可能な１番目の基本移動パターンを示す図である。 上記整合アルゴリズムにおいて、動作点を動かすために可能な２番目の基本移動パターンを示す図である。 上記整合アルゴリズムにおいて、動作点を動かすために可能な３番目の基本移動パターンを示す図である。 上記整合アルゴリズムにおいて、動作点を動かすために可能な４番目の基本移動パターンを示す図である。 上記整合アルゴリズムの手法を模式的に示す図である。 上記整合アルゴリズムで用いる制御ロジックを図解で説明するための図である。 上記整合アルゴリズムで用いる制御ロジックを図解で説明するための図である。 第２の実施例によるコントローラの主要な機能を示すブロック図である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１に、本発明の自動整合装置を好適に適用できる一例としてのプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、ＲＦ下部２周波印加方式の容量結合型プラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。

チャンバ１０内には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状の下部電極またはサセプタ１２が設けられている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、絶縁性の筒状保持部１４を介してチャンバ１０の底から垂直上方に延びる筒状支持部１６に支持されている。筒状保持部１４の上面には、サセプタ１２の上面を環状に囲むたとえば石英やシリコンからなるフォーカスリング１８が配置されている。

チャンバ１０の側壁と筒状支持部１６との間には排気路２０が形成され、この排気路２０の入口または途中に環状のバッフル板２２が取り付けられるとともに底部に排気口２４が設けられている。この排気口２４に排気管２６を介して排気装置２８が接続されている。排気装置２８は、真空ポンプを有しており、チャンバ１０内の処理空間を所定の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ３０が取り付けられている。

サセプタ１２には、プラズマ生成用の第１高周波電源３２が第１整合器３４および給電棒３６を介して電気的に接続されている。この第１高周波電源３２は、容量結合型プラズマの生成に適した所定の周波数たとえば４０ＭＨｚの第１高周波ＲＦ_Hを出力する。第１整合器３４は、第１高周波電源３２と負荷（主にサセプタ、プラズマ、チャンバ）との間でインピーダンスの整合をとる。なお、チャンバ１０の天井部には、後述するシャワーヘッド３８が接地電位の上部電極として設けられている。したがって、第１高周波電源３２からの第１の高周波はサセプタ１２とシャワーヘッド３８との間に容量的に印加される。

また、サセプタ１２には、イオン引き込み用の第２高周波電源７０が第２整合器７２および給電棒３６を介して電気的に接続されている。この第２高周波電源７０は、サセプタ１２上の半導体ウエハＷに引き込まれるイオンのエネルギーを制御するのに適した所定の周波数たとえば３．２ＭＨｚの第２高周波ＲＦ_Lを出力する。第２整合器７２は、第２高周波電源７０と負荷（主にサセプタ、プラズマ、チャンバ）との間でインピーダンスの整合をとる。

サセプタ１２の上面には半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック４０が設けられている。この静電チャック４０は導電膜からなる電極４０ａを一対の絶縁膜４０ｂ，４０ｃの間に挟み込んだものであり、電極４０ａには直流電源４２がスイッチ４３を介して電気的に接続されている。直流電源４２からの直流電圧により、静電気力で半導体ウエハＷをチャック上に吸着保持することができる。

サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延在する冷媒室４４が設けられている。この冷媒室４４には、チラーユニット４６より配管４８、５０を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック４０上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できる。さらに、伝熱ガス供給部５２からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給ライン５４を介して静電チャック４０の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。

天井部のシャワーヘッド３８は、多数のガス通気孔５６ａを有する下面の電極板５６と、この電極板５６を着脱可能に支持する電極支持体５８とを有する。電極支持体５８の内部にバッファ室６０が設けられ、このバッファ室６０のガス導入口６０ａには処理ガス供給部６２からのガス供給配管６４が接続されている。

主制御部６８は、このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置２８、第１高周波電源３２、第１整合器３４、静電チャック用のスイッチ４３、チラーユニット４６、伝熱ガス供給部５２、処理ガス供給部６２、第２高周波電源７０および第２整合器７２等の動作を統括して制御する。

このプラズマエッチング装置において、エッチングを行うには、先ずゲートバルブ３０を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック４０の上に載置する。そして、処理ガス供給部６２よりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置２８によりチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、第１高周波電源３２より所定のパワーで出力される第１高周波ＲＦ_Hを第１整合器３４を介してサセプタ１２に供給すると同時に、第２高周波電源７０より所定のパワーで出力される第２高周波ＲＦ_Lを第２整合器７２を介してサセプタ１２に供給する。また、伝熱ガス供給部５２より静電チャック４０と半導体ウエハＷとの間の接触界面に伝熱ガス（Ｈeガス）を供給するとともに、スイッチ４３をオンにして直流電源４２より高圧の直流電圧を静電チャック４０の電極４０ａに印加して、静電チャック４０の静電吸着力により伝熱ガスを上記接触界面に閉じ込める。シャワーヘッド３８より吐出されたエッチングガスは両電極１２，３８間の高周波放電によってプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの主面がエッチングされる。

このプラズマエッチング装置においては、プラズマ生成用の高周波給電部に含まれる第１整合器３４およびイオン引き込み用の高周波給電部に含まれる第２整合器７２のいずれにも本発明の自動整合装置を適用することができる。

したがって、この実施形態のプラズマエッチング装置は、第１整合器３４に本発明の自動整合装置を用いることにより高速かつ精確なオートマッチングでプラズマ生成を安定かつ効率的に行えるとともに、第２整合器７２に本発明の自動整合装置を用いることにより高速かつ精確なオートマッチングでイオン引き込み制御を安定かつ効率的に行うことができる。

以下、図２〜図１０を参照して、このプラズマエッチング装置の第１整合器３４または第２整合器７２に適用した本発明の自動整合装置を説明する。

図２に、本発明の一実施形態における自動整合装置３４（７２）の主要な構成を示す。この自動整合装置３４（７２）は、整合回路内の可変リアクタンス素子として２つの可変コンデンサ８０，８２を有する。ここで、第１および第２可変コンデンサ８０，８２は、高周波電源３２（７０）に対して、チャンバ１０側のプラズマ負荷とそれぞれ並列および直列に接続される。

なお、整合回路内には、両可変コンデンサ８０，８２以外のインピーダンス素子、たとえばインダクタンスコイル（図示せず）が含まれてもよい。また、このプラズマエッチング装置のように周波数の異なる２つの高周波ＲＦ_H，ＲＦ_Lをサセプタ１２に同時に印加する下部２周波重畳印加方式においては、負荷側から高周波電源３２（７０）に向かって高周波伝送路上を伝ってくる他方の高周波を手前で阻止するためのフィルタ回路（図示せず）が、整合回路の中または外に設けられることもある。

この自動整合装置３４（７２）は、オートマッチング動作を行えるように、インピーダンス測定部８４、第１および第２ステッピングモータ８６，８８およびコントローラ９０を備えている。

インピーダンス測定部８４は、整合回路の前段に設けられ、高周波電源３２（７０）からプラズマ負荷に給電されるＲＦ電圧およびＲＦ電流を測定し、ＲＦ電圧測定値とＲＦ電流測定値とから整合回路を含む負荷側のインピーダンスＺの絶対値ＺＭおよび位相（ＲＦ電圧とＲＦ電流の位相差）θの測定値ＺＭ_m，Ｚθ_mを一定のサイクル毎に演算する。

コントローラ９０は、インピーダンス測定部８４より一定サイクル毎に与えられる負荷側インピーダンスＺの絶対値測定値ＺＭ_mおよび位相測定値Ｚθ_mに応じて、絶対値測定値ＺＭ_mおよび位相測定値Ｚθ_mをそれぞれ所定の絶対値基準値ＺＭ_sおよび位相基準値Ｚθ_sに可及的または一定範囲内に近づけるように、ステップ型容量可変機構としての第１および第２ステッピングモータ８６，８８を介して第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂（容量ポジション）をステップ的に可変制御するようになっている。

第１および第２可変コンデンサ８０，８２は、所定数（たとえば４０００ステップ）の容量ポジションを一定範囲（たとえば２５ｐＦ〜３２５ｐＦ）の静電容量に対応させており、容量ポジションを０〜４０００の間でステップ的に移動または選択することにより、それぞれの静電容量Ｃ₁，Ｃ₂を２５ｐＦ〜３２５ｐＦの範囲内でステップ的に可変できるように構成されている。

この自動整合装置３４（７２）における整合ポイントＺ_sは高周波電源３２（７０）の出力インピーダンスに等しい純抵抗値の５０Ω（Ｚ_s＝５０＋ｊ０）に設定される。したがって、ＺＭ_s＝５０、Ｚθ_s＝０である。

コントローラ９０は、マイクロコンピュータからなり、オートマッチング動作の制御全般を司っており、主制御部６８（図１）とも所要の制御信号およびデータをやりとりするようになっている。この実施形態における自動整合装置３４（７２）の主たる特徴は、オートマッチング動作におけるコントローラ９０の機能にある。

［コントローラに関する実施例１］

図３に示すように、第１の一実施例によるコントローラ９０は、機能的には、フィードバック制御系の第１および第２整合調節部１００，１０２、整合基準値設定部１０４、整合判定部１０６、第１および第２静電容量モニタ部１０８，１１０およびゲイン制御部１１２を有している。

第１整合調節部１００は、絶対値誤差演算部１１４、第１操作量演算部１１６および第１指令パルス出力部１１８を含んでいる。

この第１整合調節部１００において、絶対値誤差演算部１１４は、インピーダンス測定部８４からの負荷側インピーダンス絶対値測定値ＺＭ_mと整合基準値設定部１０４からの絶対値基準値ＺＭ_sとを入力し、それらの差分（ＺＭ_s−ＺＭ_m）に相当または比例する絶対値誤差δ_ZMを演算して出力する。第１操作量演算部１１６は、絶対値誤差演算部１１４より出力された絶対値誤差δ_ZMに対応する操作量ΔＣ₁を演算する。

ここで、操作量ΔＣ₁は、第１整合調節部１００における比例ゲイン（比例感度）をＫ₁とすると次の式（１）によって表わされる。
ΔＣ₁＝−Ｋ₁＊δ_ZM ・・・・・（１）

第１指令パルス出力部１１８は、第１操作量演算部１１６より出力された操作量ΔＣ₁を指令パルスΔＰ₁に変換して出力する。第１ステッピングモータ８６は，指令パルスΔＰ₁によって指定される回転角だけ回転し、それによって第１可変コンデンサ８０の静電容量Ｃ₁（Ｃ₁ポジション）をステップ的に所望の値だけ変化させる。コントローラ９０と第１ステッピングモータ８６との間には、第１指令パルス出力部１１８からの指令パルスΔＰ₁に応答して第１ステッピングモータ８６を回転駆動するための駆動回路（図示せず）が設けられている。

第２整合調節部１０２は、位相誤差演算部１２０、第２操作量演算部１２２および第２指令パルス出力部１２４を含んでいる。

この第２整合調節部１０２において、位相誤差演算部１２０は、インピーダンス測定部８４からの負荷側インピーダンス位相測定値Ｚθ_mと整合基準値設定部１０４からの位相基準値Ｚθ_sとを入力し、それらの差分（Ｚθ_s−Ｚθ_m）に相当または比例する位相誤差δ_ZΘを演算して出力する。第２操作量演算部１２２は、位相誤差演算部１２０より出力された位相誤差δ_ZΘに対応する操作量ΔＣ₂を演算する。

ここで、操作量ΔＣ₂は、第２整合調節部１０２における比例ゲインをＫ₂とすると次の式（２）によって表わされる。
ΔＣ₂＝−Ｋ₂＊δ_Zθ ・・・・・（２）

第２指令パルス出力部１２４は、第２操作量演算部１２２より出力された操作量ΔＣ₂を指令パルスΔＰ₂に変換して出力する。第２ステッピングモータ８８は，指令パルスΔＰ₂によって指定される回転角だけ回転し、それによって第２可変コンデンサ８２の静電容量Ｃ₂（Ｃ₂ポジション）をステップ的に所望の値だけ変化させる。コントローラ９０と第２ステッピングモータ８８との間には、第２指令パルス出力部１２４からの指令パルスΔＰ₂に応答して第２ステッピングモータ８８を回転駆動するための駆動回路（図示せず）が設けられている。

整合判定部１０６は、この自動整合装置３４（７２）におけるオートマッチング動作の開始および停止を制御する。すなわち、整合判定部１０６は、第１整合調節部１００の絶対値誤差演算部１１４より出力される絶対値誤差δ_ZMと第２整合調節部１０２の位相誤差演算部１２０より出力される位相誤差δ_Zθとを入力し、絶対値誤差δ_ZMおよび位相誤差δ_ZΘがそれぞれ零またはそれに近い所定の整合範囲内に入っているか否かを監視する。そして、δ_ZM，δ_Zθが整合範囲内に入っていなければ、第１および第２整合調節部１００，１０２の動作を開始または継続させ、δ_ZM，δ_Zθが整合範囲内に入ったときは、第１および第２整合調節部の動作を停止させる。

第１および第２静電容量モニタ部１０８，１１０は、第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂の現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂をそれぞれモニタする。この実施例では、第１および第２指令パルス出力部１１８，１２４より第１および第２ステッピングモータ８６，８８に向けて出力された指令パルスΔＰ₁，ΔＰ₂をカウント（カウントアップまたはカウントダウン）することによって、第１および第２ステッピングモータ８６，８８の現在の容量ポジションを割り出し、現在の容量ポジションからそれらと対応する静電容量現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂を割り出すようにしている。別の実施例として、エンコーダ（図示せず）を介して第１および第２ステッピングモータ８６，８８の回転角をモニタし、モータ回転角から第１および第２可変コンデンサ８０，８２の現在の容量ポジションひいては静電容量現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂をモニタする方式も可能である。

ゲイン制御部１１２は、第１および第２静電容量モニタ部１０８，１１０よりそれぞれ得られる第１および第２の可変コンデンサ８０，８２の静電容量現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂に基づいて、第１および第２の整合調節部１００，１０２における比例ゲインＫ₁，Ｋ₂の少なくとも一方を可変制御する。

本実施例の場合、この自動整合装置３４（７２）において、ゲイン制御部１１２は、第１の整合調節部１００における比例ゲインに対して第２の整合調節部１０２における比例ゲインを相対的に下げる方向でのゲイン可変制御を行う。通常は、第１の整合調節部１００における比例ゲインＫ₁を固定し、専ら第２の整合調節部１０２における比例ゲインＫ₂を適宜下げる適応制御を行うようにしている。

なお、コントローラ９０およびインピーダンス測定部８４は、クロック回路（図示せず）より所定のクロック信号ＣＫ_a，ＣＫ_bをそれぞれ入力し、それらのクロック信号ＣＫ_a，ＣＫ_bに基づいて各部が所定のサイクルで動作するようになっている。

ここで、図４Ａ〜図５Ｂに、整合ポイント付近における第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂と負荷側インピーダンスＺの変化率との関係をグラフで示す。これらのグラフは、ゲイン制御部１１２によるゲイン可変制御の基になるもので、シミュレーションによって得られる。図中、ｄＺＭ／ｄＣ₁およびｄＺθ／ｄＣ₁は、Ｃ₁を１ステップ分だけ変化させたときの負荷インピーダンス絶対値変化量および位相変化量をそれぞれ示す。また、ｄＺＭ／ｄＣ₂およびｄＺθ／ｄＣ₂は、Ｃ₂を１ステップ分だけ変化させたときの負荷インピーダンス絶対値変化量および位相変化量をそれぞれ示す。

図４Ａおよび図４Ｂに示すグラフ（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、第２可変コンデンサ８２の容量ポジション（Ｃ₂ポジション）を０、１０００、２０００、３０００、４０００にそれぞれ固定し、第１可変コンデンサ８０の容量ポジション（Ｃ₁ポジション）を０〜４０００の範囲で振った場合の負荷インピーダンス変化率特性を示す。

一方、図５Ａおよび図５Ｂに示すグラフ（ｆ），（ｇ），（ｈ），（ｉ），（ｊ）は、第１可変コンデンサ８０の容量ポジション（Ｃ₁ポジション）を４０００、３０００、２０００、１０００、０にそれぞれ固定し、第２可変コンデンサ８２の容量ポジション（Ｃ₂ポジション）を０〜４０００の範囲で振った場合の負荷インピーダンス変化率特性を示す。

これらのグラフから分かることは、少なくとも整合ポイント付近では、つまり整合動作において負荷側インピーダンスＺが整合ポイントＺ_sに近くなってくると、第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂のその時の値つまり現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂に応じて、負荷側インピーダンスＺの変化率（ｄＺＭ／ｄＣ₁，ｄＺθ／ｄＣ₁，ｄＺＭ／ｄＣ₂，ｄＺθ／ｄＣ₂）が大きくばらつくということである。

すなわち、ｄＺＭ／ｄＣ₁およびｄＺθ／ｄＣ₁は、第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂が可変範囲内のいずれの値をとっても略１以下の値で常に安定している。ところが、第２可変コンデンサ８２の静電容量Ｃ₂が最小値（Ｃ₂ボジション＝０）に近くなるほど、かつ第１可変コンデンサ８０の静電容量Ｃ₁が最大値（Ｃ₂ボジション＝４０００）に近くなるほど、図４Ａの（ａ）および図５Ａの（ｆ）に示すように、ｄＺθ／ｄＣ₂は著しく（数１０倍以上に）増大する方向に変化し、ｄＺＭ／ｄＣ₂もｄＺθ／ｄＣ₂ほどではないが比較的（数倍以上に）増大する。もっとも、第２可変コンデンサ８２の静電容量Ｃ₂が最大値（Ｃ₂ボジション＝４０００）に近くなるほど、かつ第１可変コンデンサ８０の静電容量Ｃ₁が最小値（Ｃ₁ボジション＝０）に近くなるほど、ｄＺθ／ｄＣ₂およびｄＺＭ／ｄＣ₂のいずれも略１以下の値で安定する。

上記のように、ｄＺＭ／ｄＣ₁，ｄＺθ／ｄＣ₁に対してｄＺθ／ｄＣ₂，ｄＺＭ／ｄＣ₂が著しく大きい場合は、第１コンデンサ８０の静電容量Ｃ₁を微小変化させたときの負荷側インピーダンスＺの変化量に対して、第２コンデンサ８０の静電容量Ｃ₂を同じだけ微小変化させたときの負荷側インピーダンスＺの変化量が著しく大きくなる。すなわち、負荷側インピーダンスＺを整合ポイントＺ_sに可及的に近づける目的または制御目標は同じであっても、第１整合調節部１００のフィードバック制御動作によりＺをＺ_sに近づける歩幅と第２整合調節部１０２のフィードバック制御動作によりＺをＺ_sに近づける歩幅とが著しくアンバランスになって、ハンチングを起こしやすくなる。

この問題を解決するために、この実施形態では、静電容量モニタ部１０８，１１０が第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂をモニタしてそれらの現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂を取得し、ゲイン制御部１１２が静電容量現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂に基づいたゲイン補正を第２整合調節部１０２の比例ゲインＫ₂に対してかけるようにしている。

具体的には、ゲイン制御部１１２は、第２整合調節部１０２の比例ゲインＫ₂に対して次の式（３）で表わされるようなゲイン補正（可変制御）をかける。
Ｋ₂⇒Ｋ₂＊（α＊ＮＣ₂ ^x／ＮＣ₁ ^y） ・・・・・（３）
ただし、αは比例係数、０≦ｘ≦２、０≦ｙ≦２

たとえば、ｘ＝２、ｙ＝２の場合は、次の式（４）のようになる。
Ｋ₂⇒Ｋ₂＊（α＊ＮＣ₂ ²／ＮＣ₁ ²） ・・・・・（４）

図６Ａに、第２可変コンデンサ８２の容量ポジション（Ｃ₂ポジション）を０に固定し、第１可変コンデンサ８０の容量ポジション（Ｃ₁ポジション）を０〜４０００の範囲で振った場合の−Ｃ₁ ²／α＊Ｃ₂ ² 特性を示す。また、図６Ｂに、第１可変コンデンサ８０の容量ポジション（Ｃ₁ポジション）を４０００に固定し、第２可変コンデンサ８２の容量ポジション（Ｃ₂ポジション）を０〜４０００の範囲で振った場合の−Ｃ₁ ²／α＊Ｃ₂ ² 特性を示す。

一見してわかるように、図６Ａおよび図６Ｂの−Ｃ₁ ²／α＊Ｃ₂ ² 特性は、図４Ａおよび図４ＢのｄＺθ／ｄＣ₂特性と非常に近似している。したがって、第２の整合調節部１０２における比例ゲインＫ₂をゲイン補正係数ＮＣ₁ ²／α＊ＮＣ₂ ² で除する補正をかけることによって、図４Ａおよび図４ＢのｄＺθ／ｄＣ₂特性を図６Ａおよび図６Ｂの−Ｃ₁ ²／α＊Ｃ₂ ²特性によってキャンセルすることができる。

なお、第２整合調節部１０２に対して上記のようなゲイン補正（可変制御）をかけることにより、ｄＺＭ／ｄＣ₂特性も相当減少する方向に影響を受ける。しかし、ｄＺＭ／ｄＣ₂とｄＺθ／ｄＣ₂の絶対的な大きさが問題になるわけではなく、相対的な大きさの変化が問題となるので、この両関数の曲線が相似であればよい（実際、ほぼ相似の曲線となっている。）。

また、第２整合調節部１０２に対して上記のようなゲイン補正（可変制御）を常時かける場合、負荷側インピーダンス変化率のｄＺθ／ｄＣ₂やｄＺＭ／ｄＣ₂がさほど大きくない領域では、たとえば第１可変コンデンサ８０の静電容量Ｃ₁が最小値（Ｃ₁ボジション＝０）に近くて、第２可変コンデンサ８２の静電容量Ｃ₂が最大値（Ｃ₂ボジション＝４０００）に近いときは、比例ゲインＫ₂はむしろ増大する方向に変化するようにも考えられる。しかし、これは相対的なものであり、比例係数αの選定によって任意に調節可能である。たとえば、Ｃ₂ ²／Ｃ₁ ²の最大値は３２５²／２５²＝１３²であるから、たとえばα＝１／１３²とすることで、比例ゲインＫ₂に常時１以下の補正をかけることができる。

もっとも、第２整合調節部１０２に対してゲイン補正（可変制御）を条件的にかけることも可能である。たとえば、第１および第２の可変コンデンサ８０，８２の静電容量現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂に適当なしきい値を設定してもよく、たとえば図４Ａ〜図５ＢのグラフからＣ₁ポジション≧１０００、Ｃ₂ポジション≦１０００の領域に限って、ゲイン制御部１１２が第２整合調節部１０２に対して上記のようなゲイン補正（可変制御）をかけてもよい。

さらには、負荷側インピーダンスＺが整合ポイントＺ_sに対して一定の近接範囲内に近づいてから、上記のようなゲイン補正（可変制御）をかけてもよい。この場合は、整合判定部１０６が、上記近接範囲のしきい値を設定し、ゲイン可変制御の開始判定を行ってよい。

上記のように、この第１の実施例においては、静電容量モニタ部１０８，１１０およびゲイン制御部１１２により、第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂に基づいたゲイン補正（可変制御）が第２整合調節部１０２に対してかけられると、第２整合調節部１０２における比例ゲインＫ₂は下がる。そうすると、第２操作量演算部１２２より出力される操作量ΔＣ₂が減少して、第２指令パルス出力部１２４より出力される単位時間当たりの指令パルスの数が減少する。そうすると、第２の整合調節部１０２が負荷側インピーダンスＺを整合ポイントＺ_sに向けて可変させる単位時間当たりの変化量が減少する。しかし、それによって、第１の整合調節部１００が負荷側インピーダンスＺを整合ポイントＺ_sに向けて移動させる単位時間当たりの変化量とのバランスがとれ、結果的にはハンチングが起き難くなる。

また、この第１の実施例においては、第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂に基づいて、つまり適応制御によって第２整合調節部１０２の比例ゲインＫ₂を下げるので、不必要な整合速度の低下を招かずに済む。

［コントローラに関する実施例２］

以下、図７〜図１０につき、本発明の第２の実施例によるコントローラ９０の機能を説明する。

上述した第１の実施例では、負荷側インピーダンスＺの絶対値誤差δ_ZMおよび位相誤差δ_Zθを演算してそれらを零に近づけるように第１および第２可変コンデンサ８０，８２を直交的に役割分担させて可変制御するようにしている。しかし、このような直交型のオートマッチング方式は、負荷側インピーダンスの調整における両可変コンデンサの作用の実態に則していない面がある。

すなわち、実際には、図４Ａ〜図５Ｂにも示すように、第１可変コンデンサ８０は負荷側インピーダンスＺの絶対値ＺＭだけでなく位相Ｚθにも作用し、第２可変コンデンサ８２は負荷側インピーダンスＺの位相Ｚθだけでなく絶対値ＺＭにも作用する。したがって、絶対値誤差δ_ZMを零に近づけるように第１可変コンデンサ８０の静電容量Ｃ₁（Ｃ₁ポジション）を可変すると、負荷側インピーダンスＺの動作点は絶対値的には整合ポイントＺ_Sに近づくが、位相的には整合ポイントＺ_Sから離れることがある。一方で、位相誤差δ_Zθを零に近づけるように第２可変コンデンサ８２の静電容量Ｃ₂（Ｃ₂ポジション）を可変すると、負荷側インピーダンスＺの動作点は位相的には整合ポイントＺ_Sに近づくが、絶対値的には整合ポイントＺ_Sから離れることがある。このため、上記のような直交型のオートマッチング方式によると、負荷側インピーダンスＺの動作点を整合ポイントＺ_Sに近づけるまでに、あるいは整合がとれるまでに、比較的多くの時間を費やすことがある。

この第２の実施例では、以下に説明するように、第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂（Ｃ₁，Ｃ₂ポジション）の各々を可変したときに負荷側インピーダンスＺの絶対値ＺＭおよび位相Ｚθの双方が変化する実際の現象を整合アルゴリズムにできるだけ忠実に盛り込むようにしている。

ここで、この第２の実施例における整合アルゴリズムを説明する。前提として、コントローラ９０は、ソフトウェア的に、負荷側インピーダンスＺの絶対値ＺＭおよび位相Ｚθを互いに直交する２つの座標軸とするインピーダンス座標系を構築することが可能であり、このインピーダンス座標上で、絶対値基準値ＺＭ_sおよび位相基準値Ｚθ_sの座標位置で表わされる整合点Ｚ_sと、絶対値測定値ＺＭ_mおよび位相測定値Ｚθ_mの座標位置で表わされる動作点Ｚ_pとを随時認識し把握することができる。ここで、動作点Ｚ_pは、第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂にも対応している。

先ず、インピーダンス座標上で動作点Ｚ_pを動かす基本操作を説明する。この第２の実施例では、第１可変コンデンサ８０の静電容量Ｃ₁（Ｃ₁ポジション）を１ステップ可変したときの負荷側インピーダンスＺの絶対値ＺＭおよび位相Ｚθの変化量δＺＭ₁，δＺθ₁を定義するとともに、第２可変コンデンサ８２の容量ポジションＣ₂を１ステップ可変したときの負荷側インピーダンスＺの絶対値ＺＭおよび位相Ｚθの変化量δＺＭ₂，δＺθ₂を定義する。

そうすると、インピーダンス座標上で、第１可変コンデンサ８０の静電容量Ｃ₁（Ｃ₁ポジション）を任意に可変すると、動作点Ｚ_pは第１の傾きＲ₁（Ｒ₁＝δＺθ₁／δＺＭ₁）の直線上を移動し、第２可変コンデンサ８２の静電容量Ｃ₂（Ｃ₂ポジション）を任意に可変すると、動作点Ｚ_pは第２の傾きＲ₂（Ｒ₂＝δＺθ₂／δＺＭ₂）の直線上を移動することになる。

ここで、第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂（Ｃ₁，Ｃ₂₁ポジション）をそれぞれ１ステップ可変する場合に、インピーダンス座標上で動作点Ｚ_pを動かす方向性のロジックとして、図７Ａ〜図７Ｂに示すような４通りのパターンが可能である。なお、Ｃ₁，Ｃ₂に対する負荷側インピーダンスＺの絶対値ＺＭおよび位相Ｚθの変化率は負であるとする。すなわち、Ｃ₁，Ｃ₂の各々を正方向に１ステップ（＋１）可変すると、絶対値測定値ＺＭ_mおよび位相測定値Ｚθ_mのいずれも減少する方向に動作点Ｚ_pが移動し、Ｃ₁，Ｃ₂の各々を負方向に１ステップ（−１）可変すると、絶対値測定値ＺＭ_mおよび位相測定値Ｚθ_mのいずれも増大する方向に動作点Ｚ_pが移動するものとする。また、Ｃ₁を先に１ステップ可変し、Ｃ₂を後に１ステップ可変するものとする。

図７Ａは、Ｃ₁を＋１可変し、Ｃ₂を＋１可変した場合である（ΔＣ₁＝＋１，ΔＣ₂＝＋１）。この場合、Ｃ₁の＋１可変によりＣ₂座標軸はＣ₂(j)から左上のＣ₂(j+1)へ１ピッチ移動するとともに、Ｃ₂の＋１可変によりＣ₁座標軸はＣ₁(i)から右下のＣ₁(i+1)へ１ピッチ移動し、動作点はＣ₁(i)とＣ₂(j)との交点Ｚ_p(k)からＣ₁(i+1)とＣ₂(j+1)との交点Ｚ_p(k+1)へ移動する。

図７Ｂは、Ｃ₁を＋１可変し、Ｃ₂を−１可変した場合である（ΔＣ₁＝＋１，ΔＣ₂＝−１）。この場合、Ｃ₁の＋１可変によりＣ₂座標軸はＣ₂(j)から左上のＣ₂(j+1)へ１ピッチ移動するとともに、Ｃ₂の−１可変によりＣ₁座標軸はＣ₁(i)から左上のＣ₁(i+1)へ１ピッチ移動し、動作点はＣ₁(i)とＣ₂(j)との交点Ｚ_p(k)からＣ₁(i+1)とＣ₂(j+1)との交点Ｚ_p(k+1)へ移動する。

図７Ｃは、Ｃ₁を−１可変し、Ｃ₂を＋１可変した場合である（ΔＣ₁＝−１，ΔＣ₂＝＋１）。この場合、Ｃ₁の−１可変によりＣ₂座標軸はＣ₂(j)から右下のＣ₂(j+1)へ１ピッチ移動するとともに、Ｃ₂の＋１可変によりＣ₁座標軸はＣ₁(i)から右下のＣ₁(i+1)へ１ピッチ移動し、動作点はＣ₁(i)とＣ₂(j)との交点Ｚ_p(k)からＣ₁(i+1)とＣ₂(j+1)との交点Ｚ_p(k+1)へ移動する。

図７Ｄは、Ｃ₁を−１可変し、Ｃ₂を−１可変した場合である（ΔＣ₁＝−１，ΔＣ₂＝−１）。この場合、Ｃ₁の−１可変によりＣ₂座標軸はＣ₂(j)から右下のＣ₂(j+1)へ１ピッチ移動するとともに、Ｃ₂の−１可変によりＣ₁座標軸はＣ₁(i)から左上のＣ₁(i+1)へ１ピッチ移動し、動作点はＣ₁(i)とＣ₂(j)との交点Ｚ_p(k)からＣ₁(i+1)とＣ₂(j+1)との交点Ｚ_p(k+1)へ移動する。

この第２の実施例における整合アルゴリズムは、上記のような動作点Ｚ_pを動かす４通りの基本移動パターン（図７Ａ〜図７Ｄ）の中で２番目（図７Ｂ）を用いる。すなわち、図８に示すように、理想的には、Ｃ₁座標軸およびＣ₂座標軸が共に原点Ｏ（整合点Ｚ_s）通るときに、動作点Ｚ_pが整合点Ｚ_sに一致し、完全に整合がとれた状態になる。この観点から、この整合アルゴリズムでは、原点Ｏ（整合点Ｚ_s）を通るＣ₁座標軸およびＣ₂座標軸をそれぞれ第１および第２基準線Ｃ_1S，Ｃ_2Sとし、一定のサイクル毎に現時のＣ₁座標軸Ｃ₁(i) （ひいては動作点Ｚ_p）を第１基準線Ｃ_1Sに近づける方向にＣ₂を１ピッチ可変し、一定のサイクル毎に現時のＣ₂座標軸Ｃ₂(j) ひいては動作点Ｚ_p）を第２基準線Ｃ_2Sに近づける方向にＣ₁を１ステップ可変するようにしており、そのためには２番目（図７Ｂ）の基本移動パターン（ΔＣ₁＝＋１，ΔＣ₂＝−１）を採択すればよい。

この基本移動パターン（ΔＣ₁＝＋１，ΔＣ₂＝−１）は、制御ロジックとして次の演算式（５），（６）を用いる。
ΔＣ₁＝［Ｒ₂・ＺＭ−Ｚθ］＝±１ ・・・（５）
ΔＣ₂＝［−Ｒ₁・ＺＭ＋Ｚθ］＝±１ ・・・（６）

ここで、上記の演算式（５）は、Ｒ₂・ＺＭ−Ｚθの値が正のときはΔＣ₁＝＋１となり、Ｒ₂・ＺＭ−Ｚθの値が負のときはΔＣ₁＝−１となることを意味する。つまり、図９Ａに示すように、インピーダンス座標上で第２基準線Ｃ_2Sにより分割される２つの領域（無地領域／斜線領域）のうち、動作点Ｚ_pが右側の無地領域内に位置しているときは、Ｒ₂・ＺＭ−Ｚθの値が正であり、ΔＣ₁＝＋１の１ステップ可変制御が選択され、動作点Ｚ_pが左側の斜線領域内に位置しているときは、Ｒ₂・ＺＭ−Ｚθの値が負であり、ΔＣ₁＝−１の１ステップ可変制御が選択される。どちらの場合でも、ΔＣ₁の１ステップ可変制御により、現時のＣ₂座標軸Ｃ₂(j)は第２基準線Ｃ_2Sに近づく方向に１ピッチ移動することになる。

また、上記の演算式（６）は、−Ｒ₁・ＺＭ＋Ｚθの値が正のときはΔＣ₂＝＋１となり、−Ｒ₁・ＺＭ＋Ｚθの値が負のときはΔＣ₂＝−１となることを意味する。つまり、図９Ｂに示すように、インピーダンス座標上で第１基準線Ｃ_1Sにより分割される２つの領域（無地領域／斜線領域）のうち、動作点Ｚ_pが右側の無地領域内に位置しているときは、−Ｒ₁・ＺＭ＋Ｚθの値が負で、ΔＣ₂＝−１の１ステップ可変制御が選択され、動作点Ｚ_pが左側の斜線領域内に位置しているときは、−Ｒ₁・ＺＭ＋Ｚθの値が正で、ΔＣ₂＝＋１の１ステップ可変制御が選択される。どちらの場合でも、ΔＣ₂の１ステップ可変制御によって、現時のＣ₁座標軸Ｃ₁(i)は第１基準線Ｃ_1Sに近づく方向に１ピッチ移動することになる。

この整合アルゴリズムにおいて重要なことは、演算式（５），（６）が非常に簡単であり、しかもテーブルを用いないため、演算処理ひいては動作点移動処理を短時間で高速に行えるということである。

また、上記の例（図７Ａ〜図７Ｄ）では、一見すると、図７Ｂの基本移動パターンを用いるよりは図７Ａの基本移動パターン（ΔＣ₁＝＋１，ΔＣ₂＝＋１）を用いた方が動作点Ｚ_pを原点Ｏ（整合点Ｚ_s）に近づけられるようにも思われる。しかし、局所的な場面ではそうであっても、図７Ａの基本移動パターンを使用すると、Ｃ₁座標軸Ｃ₁(i)が第１基準線Ｃ_1Sから離れる方向（右下）に移動するので、結果的に整合点への収束は望めない。

図１０に、この第２の実施例におけるコントローラ９０の機能的構成を示す。図中、上述した第１の実施例（図３）における構成要素と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を付している。

この第２の実施例におけるコントローラ９０は、機能的には、フィードバック制御系の第１および第２整合調節部１３０，１３２、整合基準値設定部１０４、整合判定部１０６、基準変化率設定部１３４、第１および第２静電容量モニタ部１０８，１１０およびゲイン制御部１１２を有している。

第１整合調節部１３０は、第１操作量演算部１３６および第１指令パルス出力部１３８を含んでいる。第１操作量演算部１３６は、インピーダンス測定部８４からの負荷側インピーダンス絶対値測定値ＺＭ_mおよび位相測定値Ｚθ_mと基準変化率設定部１３４からの第２の傾きＲ₂の値とを入力し、上記の演算式（５）を演算する。第１指令パルス出力部１３８は、第１操作量演算部１３６より出力された操作量ΔＣ₁を指令パルスΔＰ₁に変換して出力する。

第２整合調節部１３２は、第２操作量演算部１４０および第２指令パルス出力部１４２を含んでいる。第２操作量演算部１４０は、インピーダンス測定部８４からの負荷側インピーダンス絶対値測定値ＺＭ_mおよび位相測定値Ｚθ_mと基準変化率設定部１３４からの第１の傾きＲ₁の値とを入力し、上記の演算式（６）を演算する。第２指令パルス出力部１４２は、第２操作量演算部１４０より出力された操作量ΔＣ₂を指令パルスΔＰ₂に変換して出力する。

この第２の実施例において、静電容量モニタ部１０８，１１０およびゲイン制御部１１２により、第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂に基づいたゲイン補正（可変制御）が第２整合調節部１０２に対してかけられると、第２操作量演算部１４０より出力される操作量ΔＣ₂は次の式（７）のように補正される。
ΔＣ₂⇒±１＊（α＊ＮＣ₂ ^x／ＮＣ₁ ^y） ・・・（７）

この補正によって、第２整合調節部１３２における比例ゲインは下がる。すなわち、ΔＣ₂⇒±１の１ステップ可変制御を実行するために第２指令パルス出力部１４２より出力される指令パルスのパルスレートがα＊ＮＣ₂ ^x／ＮＣ₁ ^y倍（≦１）に低下する。これにより、第２整合調節部１３２が負荷側インピーダンスＺを整合ポイントＺ_sに向けて可変させる単位時間当たりの変化量が減少する。それによって、第１整合調節部１３０が負荷側インピーダンスＺを整合ポイントＺ_sに向けて移動させる単位時間当たりの変化量とのバランスがとれ、結果的にはハンチングが起き難くなる。

また、この第２の実施例においても、第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量現在値ＮＣ₁，ＮＣ₂に基づいて、つまり適応制御によって第２整合調節部１３２の比例ゲインを下げるので、不必要な整合速度の低下を招かずに済む。

この第２の実施例でも、第１整合調節部１３０における比例ゲインを固定し、専ら第２の整合調節部１３２における比例ゲインを適宜下げる適応制御を行うようにしている。しかし、ゲイン制御部１１２は、第１の整合調節部１３０における比例ゲインを適宜上げる適応制御を行うことも可能である。それによっても、第１整合調節部１３０における比例ゲインに対して第２整合調節部１３２における比例ゲインを相対的に下げる方向でのゲイン可変制御を行うことができる。このことは、上記第１の実施例にもあてはまる。

上記のように、本発明は、負荷側インピーダンスＺを整合ポイントＺ_Sに可及的に近づけるために第１および第２可変コンデンサ８０，８２の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂（Ｃ₁ポジション，Ｃ₂ポジション）を可変制御する任意の整合アルゴリズムに適用可能である。したがって、上記第１および第２実施例における基本演算式またはゲイン補正演算式（１）〜（７）は一例であり、使用する整合アルゴリズムに応じて種種の基本演算式あるいはゲイン補正演算式を用いることができる。

また、本発明は、上記実施形態における自動整合装置の構成に限定されるものではなく、自動整合装置内の各部について種種の変形が可能である。特に、整合回路は、主として負荷側インピーダンスの絶対値を調節するための第１可変コンデンサまたは第１可変リアクタンス素子と、主として負荷側インピーダンスの位相を調節するための第２可変コンデンサまたは第２可変リアクタンス素子とを備えるものであれば、本発明の適用範囲内である。

上記実施形態におけるプラズマ処理装置は、主としてプラズマ生成用の第１の高周波と主としてイオン引き込み用の第２の高周波とをサセプタ１２に印加するＲＦ下部二周波印加型であった。しかし、別の実施形態として、図示省略するが、下部電極にプラズマ生成用の高周波を１つ印加するタイプの装置であってもよい。また、図示省略するが、プラズマ生成用の高周波を上部電極に印加するタイプの装置であってもよい。その場合、イオン引き込み用の高周波を下部電極に印加してもよい。

また、上記実施形態は、チャンバ内で平行平板電極間の高周波放電によってプラズマを生成する容量結合型プラズマ処理装置に係るものであった。しかし、本発明は、チャンバの上面または周囲にアンテナを配置して誘電磁界の下でプラズマを生成する誘導結合型プラズマ処理装置や、マイクロ波のパワーを用いてプラズマを生成するマイクロ波プラズマ処理装置等にも適用可能である。

本発明は、プラズマエッチング装置に限定されず、プラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなどの他のプラズマ処理装置にも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。

１０ チャンバ
１２ サセプタ
３２，７０ 高周波電源
３４，７２ 整合器
６２ 処理ガス供給部
８０ 第１可変コンデンサ
８２ 第２可変コンデンサ
８４ インピーダンス測定部
８６ 第１ステッピングモータ
８８ 第２ステッピングモータ
９０ コントローラ
１００ 第１整合調節部
１０２ 第２整合調節部
１０８ 第１静電容量モニタ部
１１０ 第２静電容量モニタ部
１１２ ゲイン制御部
１３０ 第１整合調節部
１３２ 第２整合調節部

Claims (12)

1. 一定周波数の高周波を出力する高周波電源と前記高周波の供給を受ける負荷との間で自動的にインピーダンスの整合をとる自動整合方法であって、
   前記高周波電源の出力端子から見た負荷側のインピーダンスについてその絶対値および位相を一定サイクル毎に測定する工程と、
   前記インピーダンス測定部より得られる前記負荷側インピーダンスの絶対値および位相の測定値に応答して、前記絶対値測定値および前記位相測定値をそれぞれ所定の絶対値基準値および位相基準値に可及的に近づけるように、主として前記負荷側インピーダンスの絶対値を調節するために、高周波伝送路上で前記高周波電源から見て前記インピーダンス測定部の後段に設けられる第１可変リアクタンス素子のリアクタンスをステップ的に可変するとともに、主として前記負荷側インピーダンスの位相を調節するために、高周波伝送路上で前記高周波電源から見て前記インピーダンス測定部の後段に設けられる第２可変リアクタンス素子のリアクタンスをステップ的に可変する工程と、
   前記第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスを直接または間接的にモニタする工程と、
   前記第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスの現在値に基づいて、前記第１可変リアクタンス素子のリアクタンスを可変する第１のフィードバック制御系および前記第２可変リアクタンス素子のリアクタンスを可変する第２フィードバック制御系の少なくとも一方の比例ゲインを可変制御する工程と
   を有する自動整合方法。
2. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
   前記制御プログラムは、実行時に、請求項１に記載の自動整合方法が行われるように自動整合装置を制御することを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
3. 一定周波数の高周波を出力する高周波電源と前記高周波の供給を受ける負荷との間で自動的にインピーダンスの整合をとる自動整合装置であって、
   前記高周波電源の出力端子から見た負荷側のインピーダンスについてその絶対値および位相を一定サイクル毎に測定するインピーダンス測定部と、
   主として前記負荷側インピーダンスの絶対値を調節するために、高周波伝送路上で前記高周波電源から見て前記インピーダンス測定部の後段に設けられる第１可変リアクタンス素子と、
   前記第１可変リアクタンス素子のリアクタンスをステップ的に可変するための第１ステップ型容量可変機構と、
   主として前記負荷側インピーダンスの位相を調節するために、高周波伝送路上で前記高周波電源から見て前記インピーダンス測定部の後段に設けられる第２可変リアクタンス素子と、
   前記第２可変リアクタンス素子のリアクタンスをステップ的に可変するための第２ステップ型容量可変機構と、
   前記インピーダンス測定部より得られる前記負荷側インピーダンスの絶対値および位相の測定値に応答して、前記絶対値測定値および前記位相測定値をそれぞれ所定の絶対値基準値および位相基準値に可及的に近づけるように、前記第１および第２ステップ型容量可変機構を介して前記第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスをそれぞれ可変制御する第１および第２整合調節部と、
   前記第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスを直接または間接的にモニタするリアクタンスモニタ部と、
   前記リアクタンスモニタ部より得られる前記第１および第２可変リアクタンス素子のリアクタンスの現在値に基づいて、前記第１および第２整合調節部の少なくとも一方の比例ゲインを可変制御するゲイン制御部と
   を有する自動整合装置。
4. 一定周波数の高周波を出力する高周波電源と前記高周波の供給を受ける負荷との間で自動的にインピーダンスの整合をとる自動整合装置であって、
   前記高周波電源の出力端子から見た負荷側のインピーダンスについてその絶対値および位相を一定サイクル毎に測定するインピーダンス測定部と、
   主として前記負荷側インピーダンスの絶対値を調節するために、高周波伝送路上で前記高周波電源から見て前記インピーダンス測定部の後段に設けられる第１の可変コンデンサと、
   前記第１可変コンデンサの静電容量をステップ的に可変するための第１ステップ型容量可変機構と、
   主として前記負荷側インピーダンスの位相を調節するために、高周波伝送路上で前記高周波電源から見て前記インピーダンス測定部の後段に設けられる第２可変コンデンサと、
   前記第２可変コンデンサの静電容量をステップ的に可変するための第２ステップ型容量可変機構と、
   前記インピーダンス測定部より得られる前記負荷側インピーダンスの絶対値および位相の測定値に応答して、前記絶対値測定値および前記位相測定値をそれぞれ所定の絶対値基準値および位相基準値に可及的に近づけるように、前記第１および第２ステップ型容量可変機構を介して前記第１および第２可変コンデンサの静電容量をそれぞれ可変制御する第１および第２整合調節部と、
   前記第１および第２可変コンデンサのそれぞれの静電容量を直接または間接的にモニタする静電容量モニタ部と、
   前記静電容量モニタ部より得られる前記第１および第２可変コンデンサの静電容量の現在値に基づいて、前記第１および第２整合調節部の少なくとも一方の比例ゲインを可変制御するゲイン制御部と
   を有する自動整合装置。
5. 前記第１可変コンデンサは、前記高周波電源に対して前記負荷と並列に接続され、
   前記第２可変コンデンサは、前記高周波電源に対して前記負荷と直列に接続される、
   請求項４に記載の自動整合装置。
6. 一定周波数の高周波を出力する高周波電源と前記高周波の供給を受ける負荷との間で自動的にインピーダンスの整合をとる自動整合装置であって、
   前記高周波電源に対して前記負荷と並列に接続される第１可変コンデンサと、
   前記第１可変コンデンサの静電容量をステップ的に可変するための第１ステップ型容量可変機構と、
   前記高周波電源に対して前記負荷と直列に接続される第２可変コンデンサと、
   前記第２可変コンデンサの静電容量をステップ的に可変するための第２ステップ型容量可変機構と、
   前記高周波電源の出力端子から見た負荷側のインピーダンスについてその絶対値および位相を一定サイクル毎に測定するインピーダンス測定部と、
   前記インピーダンス測定部より得られる前記負荷側インピーダンスの絶対値および位相の測定値に応答して、前記絶対値測定値および前記位相測定値をそれぞれ所定の絶対値基準値および位相基準値に可及的に近づけるように、前記第１および第２ステップ型容量可変機構を介して前記第１および第２可変コンデンサの静電容量をそれぞれ可変制御する第１および第２整合調節部と、
   前記第１および第２可変コンデンサのそれぞれの静電容量を直接または間接的にモニタする静電容量モニタ部と、
   前記静電容量モニタ部より得られる前記第１および第２可変コンデンサの静電容量の現在値に基づいて、前記第１および第２整合調節部の少なくとも一方の比例ゲインを可変制御するゲイン制御部と
   を有する自動整合装置。
7. 前記ゲイン制御部は、前記第２可変コンデンサの静電容量の現在値が予め設定したしきい値よりも小さくなっているときに限り、前記比例ゲインの可変制御を行う、請求項４〜６のいずれか一項に記載の自動整合装置。
8. 前記ゲイン制御部は、前記第１整合調節部における比例ゲインに対して前記第２整合調節部における比例ゲインを相対的に下げる方向で可変制御を行う、請求項４〜７のいずれか一項に記載の自動整合装置。
9. 前記ゲイン制御部は、専ら前記第２整合調節部に対して比例ゲインの可変制御を行う、請求項８に記載の自動整合装置。
10. 前記ゲイン制御部は、前記第２整合調節部における比例ゲインをＫ₂、前記第１および第２可変コンデンサの静電容量の現在値をそれぞれＮＣ₁，ＮＣ₂とすると、次の式（１）で表わされるようなゲインの可変制御を行う、請求項４〜９のいずれか一項に記載の自動整合装置。
    Ｋ₂⇒Ｋ₂＊（α＊ＮＣ₂ ^x／ＮＣ₁ ^y） ・・・・・（１）
    ただし、αは比例係数、０≦ｘ≦２、０≦ｙ≦２
11. 被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
    前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記処理容器内で高周波放電により前記処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、
    前記高周波放電に用いられる一定周波数の高周波を出力する高周波電源と、
    前記高周波電源と前記プラズマ生成部との間に接続される請求項３〜１０のいずれか一項に記載の自動整合装置と
    を有するプラズマ処理装置。
12. 被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
    前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記処理容器内で前記処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、
    前記処理容器内で前記基板を載置して保持する電極と、
    前記プラズマから前記電極上の前記基板に入射するイオンのエネルギーを制御するのに用いられる一定周波数の高周波を出力する高周波電源と、
    前記高周波電源と前記電極との間に接続される請求項３〜１０のいずれか一項に記載の自動整合装置と
    を有するプラズマ処理装置。

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