JP2013065402A

JP2013065402A - 増幅システム

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Publication number: JP2013065402A
Application number: JP2011201925A
Authority: JP
Inventors: Toru Kijima; 徹来島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2013-04-11

Abstract

【課題】プラズマ生成時の負荷変動に高速に対応すると共に、自動インピーダンス制御回路の長寿命化を図ることが可能な増幅システムを提供する。
【解決手段】プラズマの生成によりインピーダンスが変動する負荷と接続する増幅システムは、入力線路、第１及び第２の増幅器、出力線路、接続線路及びインピーダンス制御回路を具備する。入力線路、出力線路及び接続線路の電気長は、駆動前調整により予め設定される。インピーダンス制御回路は、駆動前調整において、入力から前記負荷側を見たインピーダンスが第１のインピーダンスと等しくなるように制御する。駆動中には、第１の増幅器は、プラズマ生成前後において第１のインピーダンスを目標として信号を増幅する。第２の増幅器は、プラズマ生成前には増幅機能をオフとし、プラズマ生成後には第１のインピーダンスを目標として信号を増幅する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体製造装置に用いられる増幅システムに関する。

半導体製造装置等で用いられるプラズマチャンバに電力を供給する場合、チャンバの負荷インピーダンスは、プラズマの生成により大きく変動する。このため、従来では、増幅器と負荷インピーダンスとの間に自動インピーダンス制御回路を実装する。自動インピーダンス制御回路は、負荷インピーダンスが変動する度に、増幅器から見たインピーダンスが最適となるようにインピーダンスを制御する。

従来の自動インピーダンス制御回路は、モータ駆動の真空コンデンサを使用している。この種の自動インピーダンス制御回路は、機械的な構造を有するため、機械的寿命があると共に、高速制御に限界がある。

特開平６−２１５８９４号公報

以上のように、従来の自動インピーダンス制御回路は、プラズマが生成される度に、増幅器と負荷インピーダンスとの間のインピーダンスを制御するが、その機械的な構成のため、機械的寿命があると共に、高速制御に限界があるという問題がある。

そこで、目的は、プラズマ生成時の負荷変動に高速に対応すると共に、機械的寿命のある自動インピーダンス制御回路の動作回数を減らすことで、自動インピーダンス制御回路の長寿命化を図ることが可能な増幅システムを提供することにある。

実施形態によれば、プラズマの生成によりインピーダンスが変動する負荷と接続する増幅システムは、入力線路、第１及び第２の増幅器、出力線路、接続線路及びインピーダンス制御回路を具備する。入力線路は、予め設定された第１のインピーダンスが設定され、可変長の第１の電気長を有し、信号を伝送する。第１の増幅器は、前記第１のインピーダンスを目標インピーダンスとした増幅機能で、前記入力線路により伝送された信号を増幅する。第２の増幅器は、前記第１の増幅器と並列して設置され、前記プラズマ発生の前後に応じた増幅機能で、入力された信号を増幅する。出力線路は、前記第２の増幅器の出力側に位置し、前記第１のインピーダンスが設定され、前記第１の電気長を有する。接続線路は、前記第１のインピーダンスが設定され、可変長の第２の電気長を有し、前記第１の増幅器から出力される信号と前記出力線路から出力される信号とが合成された信号を伝送する。インピーダンス制御回路は、前記接続線路と接続し、入力から前記負荷側を見たインピーダンスを制御する。そして、前記インピーダンス制御回路は、駆動前調整において、前記プラズマ生成後を想定して、入力から前記負荷側を見たインピーダンスが前記第１のインピーダンスと等しくなるようにインピーダンスを制御する。前記入力線路及び出力線路の第１の電気長と、接続線路の第２の電気長とは、前記駆動前調整において、プラズマ生成前に、前記インピーダンス制御回路の入力から前記負荷側を見たインピーダンスと、前記インピーダンス制御回路の入力から前記接続線路側を見たインピーダンスとが複素共役となるように設定される。前記第２の増幅器は、前記プラズマ生成前には増幅機能をオフとし、前記出力線路をオープンスタブとして前記第１の増幅器の出力整合回路の一部として使用すると共に、前記プラズマ生成後には前記第１のインピーダンスを目標インピーダンスとした増幅機能で信号を増幅する。

本実施形態に係る増幅システムのプラズマ生成後の機能構成を示すブロック図である。本実施形態に係る増幅システムのプラズマ生成前の機能構成を示すブロック図である。図１の第１の入力線路、第２の出力線路及び接続線路の機能構成を示す図である。図３の機能構成のその他の例を示す図である。図３の機能構成のその他の例を示す図である。図２の第１の入力線路、第２の出力線路及び接続線路の電気長を変化させた場合のインピーダンスのシミュレーション結果を示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る増幅システムの機能構成を示すブロック図である。図１に示す増幅システムは、例えば、半導体製造装置等で用いられ、プラズマの生成によりインピーダンスが大きく変動するプラズマチャンバ等の負荷と接続する。増幅システムは、増幅した電力を負荷へ供給する。増幅システムは、プラズマの生成による負荷のインピーダンスの変化に合わせて、プラズマの生成前後で機能構成が変化する。図１はプラズマ生成後の増幅システムの機能構成であり、図２はプラズマ生成前の増幅システムの機能構成である。

増幅システムは、高周波増幅器１０、接続線路２０及び自動インピーダンス制御回路３０を具備する。

自動インピーダンス制御回路３０は、負荷と接続する。自動インピーダンス制御回路３０は、初期調整において、自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスを制御する。すなわち、自動インピーダンス制御回路３０は、プラズマ生成後において、負荷のインピーダンスが大きく変動した状態を想定し、図１に示す自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスが５０Ωになるようにインピーダンスを制御する。なお、本実施形態では、増幅システムを駆動させる前の調整を初期調整と称する。

高周波増幅器１０は、第１及び第２の増幅器１１，１２、第１及び第２の入力線路１３，１４、第１及び第２の出力線路１５，１６、インピーダンス変換線路１７及び制御部１８を備える。

第１の増幅器１１及び第２の増幅器１２は、例えば、ＦＥＴ（Field-Effect Transistor）を含む増幅器で、５０Ω負荷時に飽和電力が和最大となるように設計してある。

プラズマが生成される前において、第２の増幅器１２はオフとし、第１の増幅器１１のみ動作させる。第２の増幅器１２の出力インピーダンスはオープンとなり、第２の出力線路１６はオープンスタブとして動作し、伝送線路２０と組合せて第１の増幅器１１の出力整合回路の一部となる。

プラズマ生成後は、第１及び第２の増幅器１１，１２とも出力インピーダンスが５０Ωで最大の飽和電力が得られるようなバランス型の増幅器として動作する。

第１の入力線路１３は、前記第１の増幅器へ信号を伝送する。第１の入力線路１３の電気長θＢは、後述する第２の出力線路１６の電気長と同一である。

この電気長θＢと、後述する接続線路２０の電気長θＡとは、初期調整において設定される。すなわち、電気長θＡ，θＢは、プラズマ生成前において、図２に示す自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスと、自動インピーダンス制御回路３０の入力から高周波増幅器１０側を見たインピーダンスとが複素共役となるように設定される。なお、プラズマ生成前において、自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスは、プラズマ生成後における５０Ωとは異なる値となる。そのため、自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスによっては、インピーダンス同士が複素共役となるように電気長θＡ，θＢを設定することで、プラズマ生成前において、第１の増幅器１１の出力インピーダンスが５０Ωとは異なる値となることもある。

第１の出力線路１５は、５０Ωのインピーダンスが設定される。第１の出力線路１５の電気長は、伝送する信号の４分の１波長と同等である。第１の出力線路１５は、第１の増幅器１１で増幅された信号を伝送する。

第２の入力線路１４は、５０Ωのインピーダンスが設定される。第２の入力線路１４の電気長は、伝送する信号の４分の１波長と同等である。第２の入力線路１４は、第２の増幅器１２へ信号を伝送する。

第２の出力線路１６は、５０Ωのインピーダンスが設定される。第２の出力線路１６の電気長は、電気長θＢに設定される。プラズマが生成される前において、第２の出力線路１６は第１の増幅器１１の出力インピーダンスを制御するオープンスタブとして動作する。また、プラズマが生成された後においては、第２の出力線路１６は、第２の増幅器１２で増幅された信号を伝送する。第１及び第２の出力線路１４，１５により伝送された信号は、合成されてインピーダンス変換線路１７へ出力される。

インピーダンス変換線路１７は、図１に示すＡ地点でのインピーダンスと、接続線路２０との間のインピーダンス差を整合させる。インピーダンス変換線路１７の電気長は、伝送する信号の４分の１波長と同等である。インピーダンス変換線路１７のインピーダンスは、初期調整により設定される。すなわち、インピーダンス変換線路１７は、プラズマの発生後において、図１に示すＡ点から負荷側を見たインピーダンス２５Ωと、接続線路２０のインピーダンス５０Ωとを整合させるように、３５．４Ωに設定される。

制御部１８は、第２の増幅器１２を制御する。すなわち、プラズマが生成される前においては、制御部１８は、第２の増幅器をオフとすることにより、第２の増幅機１２の出力インピーダンスがオープンとなるように第２の増幅器１２を制御する。また、プラズマが生成された後においては、制御部１８は、第２の増幅器をオンとすることにより、図１に示すように、第１の増幅器１１と第２の増幅器から見た出力インピーダンスが５０Ωとなるように、第２の増幅器を制御する。

接続線路２０は、自動インピーダンス制御回路３０と高周波増幅器１０とを接続する。接続線路２０は、５０Ωのインピーダンスが設定される。接続線路２０の電気長は、電気長θＡに設定される。

図３〜図５は、第１の入力線路１３、第２の出力線路１６及び接続線路２０の機能構成を示す模式図である。なお、第１の入力線路１３、第２の出力線路１６及び接続線路２０の構成はそれぞれ同様であるため、図３〜図５の説明では、第１の入力線路１３を例として説明する。

図３に示す第１の入力線路１３は、第１のスイッチ１９１、選択線路１９２−１〜１９２−Ｎ及び第２のスイッチ１９３を備える。第１の入力線路１３は、第１及び第２のスイッチ１９１，１９３が切り替えられることにより、選択線路１９２−１〜１９２−Ｎのうちいずれかが設定される。これにより、Ｎ通りの長さの線路が設定される。

図４に示す第１の入力線路１３は、第１のスイッチ１９１、選択線路１９２−１〜１９２−Ｎ、第２のスイッチ１９３、第３のスイッチ１９４、選択線路１９５−１〜１９５−Ｍ、第４のスイッチ１９６を備える。第１の入力線路１３は、第１及び第２のスイッチ１９１，１９３が切り替えられることにより、選択線路１９２−１〜１９２−Ｎのうちいずれかが設定され、第３及び第４のスイッチ１９４，１９６が切り替えられることにより、選択線路１９５−１〜１９５−Ｍのうちいずれかが設定される。これにより、Ｎ＋Ｍ通りの長さの線路が設定される。なお、図３及び図４において、選択線路１９２−１〜１９２−Ｎ，１９５−１〜１９５−Ｍのインピーダンスはそれぞれ５０Ωである。

図５に示す第１の入力線路１３は、３ｄＢハイブリッド回路１９７と、可変容量コンデンサ１９８，１９９とを備える。３ｄＢハイブリッド回路１９７は、選択線路１９７１−１〜１９７１−４を備える。選択線路１９７１−１，１９７１−３は、インピーダンスが５０Ωであり、電気長が４分の１波長である。選択線路１９７１−２，１９７１−４は、インピーダンスが３５Ωであり、電気長が４分の１波長である。第１の入力線路１３は、可変容量コンデンサ１９８，１９９の容量が変化されることにより、選択線路１９７１−１〜１９７１−４のうちいずれかを設定する。

次に、以上のように構成された増幅システムによるプラズマ生成前及びプラズマ生成後の動作を説明する。

図２に示すプラズマ生成前において、制御部１８は、増幅機能がオフとなるように第２の増幅器１２を制御する。

電気長θＡ，θＢは、自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスと自動インピーダンス制御回路３０の入力から高周波増幅器１０側を見たインピーダンスとが複素共役となるように初期調整で設定されているため、第１の増幅器１１で増幅された信号は、自動インピーダンス制御回路３０を介して負荷へ供給される。

図６は、接続線路２０の電気長θＡが０波長、８分の１波長、４分の１波長及び８分の３波長のときに、第１の入力線路１３及び第２の出力線路１６の電気長θＢを連続的に変化させた場合に、自動インピーダンス制御回路３０の入力から高周波増幅器１０側を見たインピーダンスのシミュレーション結果を示す。なお、図６では、第１の増幅器１１の出力インピーダンスが１００Ωである場合を例にシミュレーションを行っている。第１の増幅器１１の出力インピーダンスは５０Ωであることが望ましいが、プラズマ生成前後における負荷のインピーダンスの変化によっては、電気長θＡとθＢとを変化させても、自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスと、自動インピーダンス制御回路３０の入力から高周波増幅器１０側を見たインピーダンスとが複素共役とならない場合がある。

第１の増幅器１１の出力インピーダンスを１００Ωにした場合、図６に示すように、電気長θＡ，θＢを変化させることにより、インピーダンス平面の全てをカバーすることが可能となる。つまり、第１の増幅器１１の出力インピーダンスを１００Ωにした場合、自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスがいかなる値であっても、自動インピーダンス制御回路３０の入力から高周波増幅器１０側を見たインピーダンスとの整合をとることが可能となる。

また、第１の増幅器１１の出力インピーダンスを、プラズマ生成後の第１の増幅器１１の出力インピーダンス５０Ωよりも２倍高い１００Ωとする場合、一般的には３ｄＢ飽和出力が低下する。また、第２の増幅器１２をオフとしているので、プラズマ生成前においては、プラズマ生成後よりも合計６ｄＢ程度低い電力が負荷へ供給される。しかし、プラズマ生成前においては、負荷へ供給する必要のある電力は低いため、供給電力の低下は問題にはならない。

なお、第１の増幅器１１の出力インピーダンスを５０Ωとして、図６と同様なグラフを書いてみると、電気長θＡとθＢとを変化させることにより、インピーダンス平面を全てカバーすることはできないが、カバーできる領域もある。つまり、プラズマ発生前の自動インピーダンス制御回路３０の入力からみた負荷側のインピーダンスの値によっては、第１の増幅器１１からみたインピーダンスを５０Ωにすることも可能である。この場合はプラズマ生成前においては、負荷へ供給できる電力は生成後の電力と比較して３ｄＢ程度低い値となる。

自動インピーダンス制御回路３０は、初期調整により、プラズマ生成後において自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスが５０Ωになるように設定されている。そのため、プラズマ生成後には、第１及び第２の増幅器１１，１２の出力インピーダンスは共に、図１のＢ地点及びＣ地点で示すように、最大電力を出力可能な５０Ωとなることになる。

以上のように、上記実施形態では、初期調整において、自動インピーダンス制御回路３０は、プラズマ生成後の負荷のインピーダンスを想定し、自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスを制御する。また、初期調整において、電気長θＡ，θＢは、プラズマ生成前の状態で、自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスと、自動インピーダンス制御回路３０の入力から高周波増幅器１０側を見たインピーダンスとが複素共役となるように設定される。そして、増幅システムの駆動中においては、プラズマ生成前後で、第２の増幅器１２を電気的にオンオフ制御し、自動インピーダンス制御回路３０の制御は行わない。第２の増幅器１２に対する制御は、電気的なものであるため、高速な制御が可能であり、機械的寿命に関係することは無い。これにより、プラズマの生成時の負荷変動に高速に対応することが可能になると共に、自動インピーダンス制御回路３０による制御は初期調整時のみとすることが可能となる。

したがって、本実施形態に係る増幅システムによれば、プラズマ生成時の負荷変動に高速に対応すると共に、機械的寿命のある自動インピーダンス制御回路の動作回数を減らすことで、自動インピーダンス制御回路の長寿命化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、第１及び第２の増幅器１１，１２は同一の飽和出力である場合を例に説明したが、これに限定される訳ではない。例えば、第１及び第２の増幅器１１，１２は、飽和出力が異なっていても構わない。

また、上記実施形態では、第２の入力線路１４、第１の出力線路１５、インピーダンス変換線路１７の電気長が伝送する信号の４分の１波長に相当する場合を例に説明したが、これに限定される訳ではない。例えば、これらの線路の電気長は、伝送する信号の（２ｎ−１）／４波長に相当する場合であっても同様に実施可能である。

また、上記実施形態では、第１及び第２の入力線路１３，１４、第１及び第２の出力線路１５，１６、接続線路２０、及び、プラズマ生成後の自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスがそれぞれ５０Ωである場合を例に説明したが、これに限定される訳ではない。これらのインピーダンスは、５０Ω以外の値に設定されても構わない。

また、プラズマ発生前において、第１の増幅器１１が過入力になってしまう場合は、制御部１８により、プラズマ発生前後で、増幅器への入力レベルを制御してもよい。これも電気的に制御可能である。すなわち、制御部１８は、プラズマ発生後において第１及び第２の増幅器１１，１２へ供給される信号の入力レベルが、プラズマ発生前において第１の増幅器１１へ供給される信号の入力レベルよりも大きくなるように信号の入力レベルを制御する。

また、上記実施形態に係る図６では、電気長θＡが０波長、８分の１波長、４分の１波長及び８分の３波長のときに、電気長θＢを連続的に変化させた場合を例に説明しているが、電気長θＡを連続的に変化させることも可能である。

また、上記実施形態に係る図６では、第１の増幅器１１の出力インピーダンスが１００Ωである場合を例に説明したが、電気長θＡ，θＢを変化させることにより得られる出力インピーダンスは１００Ωに限定される訳ではない。例えば、自動インピーダンス制御回路３０の入力から負荷側を見たインピーダンスと、自動インピーダンス制御回路３０の入力から高周波増幅器１０側を見たインピーダンスとの整合を取れるならば、出力インピーダンスは５０Ωから１００Ωのその他の値をとっても構わない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…高周波増幅器、１１…第１の増幅器、１２…第２の増幅器、１３…第１の入力線路、１４…第２の入力線路、１５…第１の出力線路、１６…第２の出力線路、１７…インピーダンス変換線路、１８…制御部、２０…接続線路、３０…自動インピーダンス制御回路、１９１…第１のスイッチ、１９２−１〜１９２−Ｎ…選択線路、１９３…第２のスイッチ、１９４…第３のスイッチ、１９５−１〜１９５−Ｍ…選択線路、１９６…第４のスイッチ、１９７…３ｄＢハイブリッド回路、１９７１−１〜１９７１−４…選択線路、１９８，１９９…可変容量コンデンサ

Claims

プラズマの生成によりインピーダンスが変動する負荷と接続する増幅システムにおいて、
予め設定された第１のインピーダンスが設定され、可変長の第１の電気長を有し、信号を伝送する入力線路と、
前記第１のインピーダンスを目標インピーダンスとした増幅機能で、前記入力線路により伝送された信号を増幅する第１の増幅器と、
前記第１の増幅器と並列して設置され、前記プラズマ発生の前後に応じた増幅機能で、入力された信号を増幅する第２の増幅器と、
前記第２の増幅器の出力側に位置し、前記第１のインピーダンスが設定され、前記第１の電気長を有する出力線路と、
前記第１のインピーダンスが設定され、可変長の第２の電気長を有し、前記第１の増幅器から出力される信号と前記出力線路から出力される信号とが合成された信号を伝送する接続線路と、
前記接続線路と接続し、入力から前記負荷側を見たインピーダンスを制御するインピーダンス制御回路と
を具備し、
前記インピーダンス制御回路は、駆動前調整において、前記プラズマ生成後を想定して、入力から前記負荷側を見たインピーダンスが前記第１のインピーダンスと等しくなるようにインピーダンスを制御し、
前記入力線路及び出力線路の第１の電気長と、接続線路の第２の電気長とは、前記駆動前調整において、プラズマ生成前に、前記インピーダンス制御回路の入力から前記負荷側を見たインピーダンスと、前記インピーダンス制御回路の入力から前記接続線路側を見たインピーダンスとが複素共役となるように設定され、
前記第２の増幅器は、前記プラズマ生成前には増幅機能をオフとし、前記プラズマ生成後には前記第１のインピーダンスを目標インピーダンスとした増幅機能で信号を増幅することを特徴とする増幅システム。
前記第２の増幅器の増幅機能は、前記プラズマ生成前後で電気的に制御されることを特徴とする請求項１記載の増幅システム。
前記第１の増幅器の出力インピーダンスは、前記第１及び第２の電気長が設定されることで、前記第１のインピーダンスから前記第１のインピーダンスの２倍のインピーダンスのいずれかとなることを特徴とする請求項１又は２に記載の増幅システム。
プラズマ発生後において第１及び第２の増幅器へ供給される信号の入力レベルは、プラズマ発生前において第１の増幅器へ供給される信号の入力レベルよりも大きくなるように制御されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の増幅システム。
前記入力線路、出力線路及び接続線路のうち少なくともいずれかは、複数の選択線路及び切替スイッチを備え、前記切替スイッチにより、前記複数の選択線路のうちいずれかが選択されることで、前記第１又は第２の電気長が設定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の増幅システム。
前記入力線路、出力線路及び接続線路のうち少なくともいずれかは、ハイブリッド回路及び可変容量コンデンサを備え、前記可変容量コンデンサの容量を変化させることで、ハイブリッド回路を構成する選択線路のうちいずれかが選択され、前記第１又は第２の電気長が設定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の増幅システム。