JP2016031327A - High-frequency measuring device and high-frequency measuring device calibration method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高周波電圧および高周波電流を検出してインピーダンス等の高周波パラメータを算出することで測定する高周波測定装置、および、高周波測定装置の校正方法に関する。 The present invention relates to a high-frequency measurement apparatus that measures high-frequency parameters such as impedance by detecting a high-frequency voltage and a high-frequency current, and a calibration method for the high-frequency measurement apparatus.
プラズマ処理中のプラズマ処理装置の状態を監視するためなどに用いられる高周波測定装置が開発されている。高周波測定装置は、いわゆるRFセンサであり、高周波電圧と高周波電流を検出し、その検出値から電圧と電流の位相差θを求めるとともに、電圧実効値V、電流実効値I、インピーダンスZ=R+jX、反射係数Γ、進行波電力Pf、反射波電力Prなどの高周波パラメータを算出する。 A high-frequency measuring device used for monitoring the state of a plasma processing apparatus during plasma processing has been developed. The high-frequency measuring device is a so-called RF sensor, detects a high-frequency voltage and a high-frequency current, obtains a phase difference θ between the voltage and the current from the detected value, and also calculates a voltage effective value V, current effective value I, impedance Z = R + jX High frequency parameters such as reflection coefficient Γ, traveling wave power Pf, and reflected wave power Pr are calculated.
一般に、センサの感度はばらつくので、当該センサで検出される検出値から算出された測定値は、正しい値と異なる。したがって、計測装置や測定装置は、予め基準となる被測定物を測定して、検出値から算出された測定値を正しい値に換算する校正パラメータを取得しておき、実際の測定では測定値を当該校正パラメータで正しい値に換算して出力する構成となっている。校正パラメータは、3つの基準負荷に基づいて算出されて、高周波測定装置のメモリに記憶されている。3つの基準負荷について、それぞれ高周波測定装置でインピーダンスを測定し、これらのインピーダンス測定値と3つの基準負荷のインピーダンスの真値とから校正パラメータが算出される。 In general, since the sensitivity of a sensor varies, a measurement value calculated from a detection value detected by the sensor is different from a correct value. Therefore, the measurement device or the measurement device measures the measurement object serving as a reference in advance, obtains a calibration parameter for converting the measurement value calculated from the detection value into a correct value, and in actual measurement, obtains the measurement value. The calibration parameter is converted into a correct value and output. The calibration parameters are calculated based on the three reference loads and stored in the memory of the high frequency measurement device. With respect to the three reference loads, the impedance is measured by the high-frequency measuring device, and the calibration parameters are calculated from these measured impedance values and the true values of the impedances of the three reference loads.
例えば、特許文献1には、高周波測定装置の校正パラメータを生成するためのシステムが記載されている。当該システムは、まず、高周波電源装置から基準負荷に電力を供給した状態で、高周波測定装置によって基準負荷のインピーダンスを測定する。次に、インピーダンスアナライザによって基準負荷のインピーダンスの真値を測定する。3つの基準負荷のインピーダンスを高周波測定装置で測定したものと、インピーダンスアナライザで測定したものとから校正パラメータを算出する。
For example,
高周波測定装置で、周波数の異なる高周波の高周波パラメータを測定する場合、周波数毎に校正パラメータを用意する必要がある。例えば高調波の高周波パラメータを測定するのであれば、基本波周波数以外の複数の周波数に対する校正パラメータをあらかじめ算出してメモリに記憶しておく必要がある。基準負荷はキャパシタやインダクタを備えているので、周波数が異なるとインピーダンスが異なってくる。したがって、周波数毎に校正パラメータを算出するためには、周波数毎に基準負荷を用意する必要がある。基準負荷をダミーロードで再現する場合でも、周波数毎にダミーロードの調整が必要になる。高周波測定装置の入力側に接続する高周波電源装置や、高周波電源装置と高周波測定装置との間に配置するインピーダンス整合装置も同様であり、周波数毎に変更する必要がある。したがって、複数の周波数に対応できる高周波測定装置の校正パラメータを算出するためには、手間と時間とコストがかかるという問題があった。 When measuring a high-frequency parameter of a high frequency having a different frequency with a high-frequency measuring device, it is necessary to prepare a calibration parameter for each frequency. For example, when measuring a high-frequency parameter of a harmonic, it is necessary to calculate calibration parameters for a plurality of frequencies other than the fundamental frequency in advance and store them in a memory. Since the reference load includes a capacitor and an inductor, impedance varies with frequency. Therefore, in order to calculate a calibration parameter for each frequency, it is necessary to prepare a reference load for each frequency. Even when the reference load is reproduced with a dummy load, it is necessary to adjust the dummy load for each frequency. The same applies to the high-frequency power supply device connected to the input side of the high-frequency measurement device and the impedance matching device arranged between the high-frequency power supply device and the high-frequency measurement device, and must be changed for each frequency. Therefore, there is a problem that it takes time, cost and cost to calculate the calibration parameters of the high-frequency measuring device that can handle a plurality of frequencies.
本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、高周波測定装置の校正を容易に行う方法を提供することをその目的としている。 The present invention has been conceived under the circumstances described above, and an object thereof is to provide a method for easily calibrating a high-frequency measuring device.
上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。 In order to solve the above problems, the present invention takes the following technical means.
本発明の第1の側面によって提供される校正方法は、高周波電流および高周波電圧を検出して、電流信号および電圧信号として出力するセンサヘッドと、前記センサヘッドより入力される電流信号および電圧信号に基づいてインピーダンスを算出する演算装置とを備える高周波測定装置の校正方法であって、前記センサヘッドの入力端に入射信号を入力して、出力端に基準負荷を再現する第1の工程と、前記センサヘッドの電流信号の出力ポートから出力される伝送信号と、電圧信号の出力ポートから出力される伝送信号とを検出する第2の工程と、前記2つの伝送信号に基づく2つの再現信号を生成して、前記演算装置に入力する第3の工程と、前記演算装置にインピーダンスを算出させる第4の工程と、前記第1の工程で再現した基準負荷のインピーダンスの真値と、前記第4の工程で算出したインピーダンスとに基づいて、校正パラメータを算出し、前記高周波測定装置に設定する第5の工程とを備えていることを特徴とする。 The calibration method provided by the first aspect of the present invention includes a sensor head that detects a high-frequency current and a high-frequency voltage and outputs the detected current signal and voltage signal, and a current signal and a voltage signal input from the sensor head. A calibration method for a high-frequency measurement device comprising an arithmetic device that calculates an impedance based on a first step of inputting an incident signal to an input end of the sensor head and reproducing a reference load at an output end; A second step of detecting a transmission signal output from the output port of the current signal of the sensor head and a transmission signal output from the output port of the voltage signal, and generating two reproduction signals based on the two transmission signals Then, a third step for inputting to the arithmetic device, a fourth step for causing the arithmetic device to calculate impedance, and a reference negative reproduced in the first step The true value of the impedance based on said fourth impedance calculated in step, to calculate the calibration parameters, characterized in that it comprises a fifth step of setting the high-frequency measuring device.
なお、「校正パラメータ」とは、高周波測定装置の測定値を正しい値に換算するためのパラメータである。この校正パラメータを算出して、高周波測定装置に設定する行為を、本願では「校正」とする。つまり、校正パラメータを算出して設定する方法が「校正方法」である。高周波測定装置には、プラズマ処理装置に接続されて当該プラズマ処理装置を監視するために高周波パラメータを測定するものや、インピーダンス整合装置の内部に設けられて整合動作を制御するために高周波パラメータを測定するものなどがある。 The “calibration parameter” is a parameter for converting the measured value of the high-frequency measuring device into a correct value. The action of calculating the calibration parameter and setting it in the high-frequency measuring device is referred to as “calibration” in the present application. That is, the method of calculating and setting the calibration parameter is the “calibration method”. The high-frequency measuring device is connected to the plasma processing apparatus and measures a high-frequency parameter to monitor the plasma processing apparatus, or is provided inside the impedance matching apparatus to measure the high-frequency parameter to control the matching operation. There are things to do.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第1ないし第4の工程は3つの基準負荷に対して行われ、前記第5の工程は、3つの基準負荷のインピーダンスの真値と、演算装置で算出されたインピーダンスとに基づいて、校正パラメータを算出する。 In a preferred embodiment of the present invention, the first to fourth steps are performed for three reference loads, and the fifth step includes a true value of impedances of the three reference loads and an arithmetic unit. A calibration parameter is calculated based on the calculated impedance.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第1および第2の工程は、4つのポートを有する高周波回路測定装置に、前記センサヘッドを接続した状態で行われ、前記第2の工程の次に、前記入射信号に対する、電流信号の出力ポートから出力される伝送信号の割合である第1のパラメータと、前記入射信号に対する、電圧信号の出力ポートから出力される伝送信号の割合である第2のパラメータとを算出する第6の工程をさらに備え、前記第3および第4の工程は、信号発生装置に前記演算装置を接続した状態で行われ、前記信号発生装置は、前記第1のパラメータおよび前記第2のパラメータに基づいて、前記2つの再現信号を生成する。 In a preferred embodiment of the present invention, the first and second steps are performed in a state where the sensor head is connected to a high-frequency circuit measuring device having four ports, and after the second step. A first parameter which is a ratio of the transmission signal output from the output port of the current signal to the incident signal, and a second parameter which is a ratio of the transmission signal output from the output port of the voltage signal to the incident signal. A sixth step of calculating a parameter, wherein the third and fourth steps are performed with the arithmetic unit connected to a signal generator, wherein the signal generator includes the first parameter and The two reproduction signals are generated based on the second parameter.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第1のパラメータをS31、前記第2のパラメータをS41、入射信号の周波数をf、Aを所定の定数とし、arg()が偏角を表す場合、前記再現信号が下記式の信号i’および信号v’である。
本発明の好ましい実施の形態においては、前記基準負荷の内の1つは、前記高周波測定装置が測定を行うシステムの特性インピーダンスと同一のインピーダンスを有する負荷である。 In a preferred embodiment of the present invention, one of the reference loads is a load having the same impedance as a characteristic impedance of a system in which the high-frequency measuring device performs measurement.
本発明の第2の側面によって提供される高周波測定装置は、本発明の第1の側面によって提供される校正方法で校正を行うことを特徴とする。 The high-frequency measuring device provided by the second aspect of the present invention is characterized in that calibration is performed by the calibration method provided by the first aspect of the present invention.
本発明によれば、センサヘッドの入力端に入射信号を入力して、出力端に基準負荷を再現したときの、電流信号および電圧信号の出力ポートから出力される伝送信号を検出し、当該2つの伝送信号に基づく2つの再現信号を演算装置に入力してインピーダンスを算出させる。検出された2つの伝送信号の情報を記録しておけば、後で2つの再現信号を生成することができる。これにより、周波数を変更しながら第1および第2の工程を行って、検出された2つの伝送信号の情報を周波数毎に記録しておき、後で、第3および第4の工程を行って、周波数毎にインピーダンスを算出させることができる。例えば、高周波回路測定装置などを用いて、入射信号の周波数を変更して基準負荷を再現しながら、2つの伝送信号の情報を周波数毎に記録すれば、周波数毎にダミーロードの調整や、高周波電源装置などの変更を行う必要がない。また、信号生成装置などを用いれば、記録された情報から、周波数毎に2つの再現信号を生成することができる。したがって、従来の方法より手間と時間とコストを低減することができ、高周波測定装置の校正を容易に行うことができる。 According to the present invention, when the incident signal is input to the input end of the sensor head and the reference load is reproduced at the output end, the transmission signal output from the output port of the current signal and the voltage signal is detected. Two reproduction signals based on one transmission signal are input to the arithmetic unit to calculate the impedance. If information of two detected transmission signals is recorded, two reproduction signals can be generated later. Thus, the first and second steps are performed while changing the frequency, and the information of the two detected transmission signals is recorded for each frequency, and then the third and fourth steps are performed later. Impedance can be calculated for each frequency. For example, if the information of two transmission signals is recorded for each frequency while reproducing the reference load by changing the frequency of the incident signal using a high-frequency circuit measurement device or the like, the dummy load can be adjusted or the high frequency for each frequency. There is no need to change the power supply. Further, if a signal generation device or the like is used, two reproduction signals can be generated for each frequency from the recorded information. Therefore, labor, time and cost can be reduced as compared with the conventional method, and the high-frequency measuring apparatus can be easily calibrated.
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。 Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.
以下、本発明の実施の形態を、プラズマ処理装置の監視に用いられる高周波測定装置の場合を例として、添付図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings, taking as an example a case of a high-frequency measuring device used for monitoring a plasma processing apparatus.
図1は、第1実施形態に係る高周波測定装置を用いたプラズマ処理システムの構成を説明するためのブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram for explaining a configuration of a plasma processing system using the high-frequency measuring device according to the first embodiment.
プラズマ処理システムAは、半導体ウェハや液晶基板などの被加工物に対して高周波電力を供給して、例えばプラズマエッチングといった加工処理を行うものである。同図に示すようにプラズマ処理システムAは、高周波電源装置1、インピーダンス整合装置2、高周波測定装置3、およびプラズマ処理装置4を備えている。高周波電源装置1には、例えば同軸ケーブルからなる伝送線路を介してインピーダンス整合装置2が接続され、インピーダンス整合装置2には、例えば棒状の銅などからなる伝送線路5を介してプラズマ処理装置4が接続されている。高周波測定装置3は伝送線路5上に設置されている。なお、プラズマ処理システムAは、特性インピーダンスが50Ω系として構成されている。
The plasma processing system A supplies high-frequency power to a workpiece such as a semiconductor wafer or a liquid crystal substrate, and performs processing such as plasma etching. As shown in the figure, the plasma processing system A includes a high frequency
高周波電源装置1は、高周波電力を供給するものであって、例えば数百kHz以上の周波数を有する高周波電力を出力することができる電源装置である。
The high frequency
インピーダンス整合装置2は、高周波電源装置1とプラズマ処理装置4とのインピーダンスを整合させるものである。インピーダンス整合装置2は、図示しない可変リアクタンス素子(例えば、可変キャパシタ、可変インダクタ等)を備えており、可変リアクタンス素子のリアクタンスを変化させることでインピーダンスを変化させる。インピーダンス整合装置2は、インピーダンス整合装置2の入力端から負荷側を見たインピーダンスが特性インピーダンスとなるように、インピーダンス整合装置2の出力端から負荷側を見たインピーダンスを変換する。
The impedance matching
なお、インピーダンス整合装置2内部の電源側には、図示しない高周波測定装置が設けられている。当該高周波測定装置はインピーダンス整合装置2の入力端から負荷側を見たインピーダンスを測定するものであり、インピーダンス整合装置2は測定されたインピーダンスが特性インピーダンスになるように、可変リアクタンス素子のリアクタンスを変化させる。
A high-frequency measuring device (not shown) is provided on the power supply side inside the
プラズマ処理装置4は、半導体ウェハや液晶基板等の被加工物をエッチングやCVD等の方法を用いて加工するための装置である。なお、図示しないが、プラズマ処理装置4は、プラズマを発生させるための窒素ガスやアルゴンガスなどの所定のガスを封入するための容器(チャンバー)と、高周波電源装置1からの高周波電力を容器内のガスに供給するための一対の電極を備えている。
The plasma processing apparatus 4 is an apparatus for processing a workpiece such as a semiconductor wafer or a liquid crystal substrate using a method such as etching or CVD. Although not shown, the plasma processing apparatus 4 includes a container (chamber) for enclosing a predetermined gas such as nitrogen gas or argon gas for generating plasma, and high-frequency power from the high-frequency
高周波測定装置3は、プラズマ処理中のプラズマ処理装置4の状態を監視するために、プラズマ処理装置4のインピーダンスおよび反射係数や、プラズマ処理装置4の入力端における高周波電圧、高周波電流、進行波電力、および反射波電力などの高周波パラメータを測定する、いわゆるRFセンサである。なお、測定されるインピーダンスは高周波電圧および高周波電流を検出する点(測定点)から負荷側を見たインピーダンスであるが、測定点がプラズマ処理装置4の入力端近傍なので、プラズマ処理装置4のインピーダンスに相当する。
In order to monitor the state of the plasma processing apparatus 4 during the plasma processing, the high-
図2は、高周波測定装置3の内部構成を説明するためのブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram for explaining the internal configuration of the high-
同図に示すように、高周波測定装置3は、センサヘッド31および演算装置32からなる。
As shown in the figure, the high-
センサヘッド31は、伝送線路5に配置されて、電流信号iおよび電圧信号vを検出して演算装置32に出力するものであり、カレントトランス部311およびコンデンサ部312を備えている。
The
カレントトランス部311は、伝送線路5に磁気結合させたコイルを備えており、伝送線路5に流れる高周波電流に応じた電流を検出し、検出した電流信号iを演算装置32に出力する。コンデンサ部312は、伝送線路5に容量結合させたコンデンサを備えており、伝送線路5に生じる高周波電圧に応じた電圧を検出し、検出した電圧信号vを演算装置32に出力する。
The
演算装置32は、センサヘッド31より入力される電流信号iおよび電圧信号vに基づいて、各高周波パラメータを演算するものであり、A/D変換部321,322、実効値算出部323,324、位相差検出部325、ベクトル変換部326、校正部327、ベクトル逆変換部328およびインピーダンス算出部329を備えている。
The
A/D変換部321は、カレントトランス部311より入力された電流信号iをデジタル信号に変換して、実効値算出部323および位相差検出部325に出力する。A/D変換部322は、コンデンサ部312より入力された電圧信号vをデジタル信号に変換して、実効値算出部324および位相差検出部325に出力する。
The A /
実効値算出部323は、電流実効値を算出するものである。実効値算出部323は、A/D変換部321より入力される電流信号iから電流実効値Iを算出して、ベクトル変換部326に出力する。実効値算出部324は、電圧実効値を算出するものである。実効値算出部324は、A/D変換部322より入力される電圧信号vから電圧実効値Vを算出して、ベクトル変換部326に出力する。位相差検出部325は、電流と電圧の位相差を検出するものである。位相差検出部325は、A/D変換部321より入力される電流信号iとA/D変換部322より入力される電圧信号vとから位相差θを算出して、ベクトル変換部326に出力する。
The effective value calculation unit 323 calculates the current effective value. The effective value calculation unit 323 calculates the current effective value I from the current signal i input from the A /
ベクトル変換部326は、実効値算出部323より入力される電流実効値I、実効値算出部324より入力される電圧実効値V、および、位相差検出部325より入力される位相差θから、ベクトル(複素数)である電流信号I0および電圧信号V0を算出して校正部327に出力する。電流信号I0および電圧信号V0は、電流信号I0の位相を基準(実数軸、虚数部0)として、I0=I+j0、V0=Vcosθ+jVsinθで算出される。
The
校正部327は、ベクトル変換部326から入力される電流信号I0および電圧信号V0に校正を行うものである。校正部327は、図示しないメモリに記録されている校正パラメータXを用いて電流信号I0および電圧信号V0に校正を行い、校正後の電流信号I1および電圧信号V1をベクトル逆変換部328に出力する。なお、本願では、測定値を校正パラメータで正しい値に換算することも、「校正」としている。
The calibration unit 327 performs calibration on the current signal I 0 and the voltage signal V 0 input from the
校正パラメータXは、3つの基準負荷に基づいて算出されて、メモリに記録されている。ベクトル変換部326から出力される電流信号I0および電圧信号V0と、伝送線路5に流れる高周波電流および伝送線路5に生じる高周波電圧との関係を2端子対回路に置き換えると、電流信号I0および電圧信号V0を電流信号I1および電圧信号V1に校正する校正パラメータXを、図3に示す2次元のベクトル行列と考えることができる。
The calibration parameter X is calculated based on the three reference loads and recorded in the memory. When the relationship between the current signal I 0 and the voltage signal V 0 output from the
校正パラメータXの各要素X11、X12、X21、X22は、高周波測定装置3で測定した3つの基準負荷のインピーダンスと、3つの基準負荷のインピーダンスの真値とから算出することができる。なお、当該算出を行うためには、基準となる電圧値と電流値の絶対値が必要となる。電圧値と電流値の絶対値を基準値として利用するには、精度の高い電力測定値が必要となる。精度の高い電力測定値を測定するには、反射電力が0となる負荷を接続して測定するのが最もよい。したがって、本実施形態では、反射電力0を実現するために、特性インピーダンスと同一のインピーダンス(すなわち、50Ω)を有する負荷を基準負荷の1つに選定している。なお、上述したように、基準負荷の1つを特性インピーダンスを有する負荷としているのは精度の高い電力測定値を測定するためであるので、電力測定値を高い精度で測定できるのであれば、特性インピーダンス以外の負荷を用いるようにしてもよい。
Each element X 11 , X 12 , X 21 , X 22 of the calibration parameter X can be calculated from the impedances of the three reference loads measured by the high-
なお、基準負荷のうちの2つは、できるだけ広いインピーダンスの範囲を含めるために、開放状態のインピーダンスおよび短絡状態のインピーダンスにそれぞれ近いインピーダンスを有する負荷とすることが望ましい。一方、基準負荷として開放状態または短絡状態に近すぎるインピーダンスを有する負荷を用いた場合、高周波測定装置3によって検出される電圧値または電流値の一方が他方に比べ極めて小さい値になる。この場合、第1の校正パラメータXの各要素X11、X12、X21、X22を適切に算出することができない。したがって、本実施形態では、反射係数の大きさが例えば0.9以下である負荷を基準負荷としている。なお、高周波測定装置3のインピーダンスの測定範囲が限定される場合は、測定範囲のインピーダンスに対して高い精度で校正を行うことができるように、3つの基準負荷のインピーダンスを、狭いインピーダンス範囲になるように設定してもよい。
Note that two of the reference loads are preferably loads having impedances close to the impedance in the open state and the impedance in the short-circuit state in order to include the widest possible impedance range. On the other hand, when a load having an impedance that is too close to an open state or a short-circuit state is used as the reference load, one of the voltage value or the current value detected by the high-
従来の校正方法では、基準負荷を高周波測定装置3に接続して、高周波電源装置1から基準負荷に電力を供給した状態で、高周波測定装置3で基準負荷のインピーダンスを測定し、インピーダンスアナライザで基準負荷のインピーダンスの真値を測定していた。
In the conventional calibration method, the reference load is connected to the high
図4は、従来の一般的な校正方法における、基準負荷のインピーダンスの測定方法を説明するための図である。 FIG. 4 is a diagram for explaining a method of measuring the impedance of a reference load in a conventional general calibration method.
まず、図4(a)に示すように、ダミーロード6にインピーダンスアナライザ7を接続して、ダミーロード6を基準負荷のインピーダンス(例えば、50Ω)に設定する。ダミーロード6は、所定の基準負荷を再現するための負荷装置であり、図示しない可変リアクタンス素子(例えば、可変キャパシタ、可変インダクタ等)のリアクタンスを変化させることでインピーダンスを変化させる。インピーダンスアナライザ7は、インピーダンスを測定するものである。インピーダンスアナライザ7でダミーロード6のインピーダンスを測定しながら、ダミーロード6の可変リアクタンス素子のリアクタンスを調整することで、ダミーロード6を基準負荷のインピーダンスに設定する。
First, as shown in FIG. 4A, the
次に、図4(b)に示すように、基準負荷が再現されたダミーロード6を高周波測定装置3のセンサヘッド31の出力端に接続し、センサヘッド31の入力端に、インピーダンス整合装置2を介して、高周波電源装置1を接続する。そして、高周波電源装置1から電力を供給して、高周波測定装置3でダミーロード6のインピーダンスを測定する。
Next, as shown in FIG. 4B, the
以上を3つの基準負荷に対して行い、それぞれのインピーダンスの真値と、高周波測定装置3で測定したインピーダンスとを取得する。これらの値を用いて校正パラメータXが算出され、高周波測定装置3の演算装置32のメモリに記録される。
The above is performed for three reference loads, and the true value of each impedance and the impedance measured by the high-
高周波測定装置3は、高調波の高周波パラメータの測定もできるように、複数の周波数の高周波の測定に対応しているので、校正パラメータXも周波数毎に用意する必要がある。ダミーロード6のインピーダンスは、周波数によって異なるので、周波数が変わると調整し直す必要がある。また、周波数によっては基準負荷のインピーダンスを再現できない場合があり、その場合は別のダミーロード6を用意する必要がある。また、高周波電源装置1やインピーダンス整合装置2も同様であり、周波数毎に変更する必要がある。このように、従来の方法では、複数の周波数に対応できる高周波測定装置3の校正は、手間と時間とコストがかかるという問題があった。
Since the high-
次に、第1実施形態に係る校正方法について、図5および図6を参照して説明する。 Next, the calibration method according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
図5は、第1実施形態に係る校正方法における、基準負荷のインピーダンスの測定方法を説明するための図である。図6は、第1実施形態に係る校正方法の処理手順を説明するためのフローチャートである。当該フローチャートは、高周波測定装置3の校正パラメータXを算出するための処理手順を示している。
FIG. 5 is a diagram for explaining a method of measuring the impedance of the reference load in the calibration method according to the first embodiment. FIG. 6 is a flowchart for explaining the processing procedure of the calibration method according to the first embodiment. The flowchart shows a processing procedure for calculating the calibration parameter X of the high-
まず、図5(a)に示すように、センサヘッド31にネットワークアナライザ8を接続する(S1)。ネットワークアナライザ8は、高周波回路網に高周波信号(入射信号)を入力し、反射信号および伝送信号を測定して、高周波回路網の高周波特性を測定する高周波回路測定装置である。ネットワークアナライザ8は、4つのポートを有しており、各ポートからの入射信号に対する反射信号および伝送信号を測定することができ、下記(1)式に示す4行4列のSパラメータを算出することができる。例えば、ポートP1から入射信号を測定対象に入力したときの、入射信号に対する反射信号の割合がS11であり、入射信号に対する各ポートP2〜P4の伝送信号の割合がそれぞれS21、S31、S41である。ネットワークアナライザ8はベクトルネットワークアナライザなので、Sパラメータの各要素はベクトルであり、複素数で表され、信号の大きさの割合と位相差の情報を含んでいる。
First, as shown in FIG. 5A, the
ネットワークアナライザ8のポートP1は、センサヘッド31の入力端であるポートP1’に接続されており、ネットワークアナライザ8のポートP2は、センサヘッド31の出力端であるポートP2’に接続されている。また、ネットワークアナライザ8のポートP3は、センサヘッド31が電流信号iを出力するポートP3’に接続されており、ネットワークアナライザ8のポートP4は、センサヘッド31が電圧信号vを出力するポートP4’に接続されている。
The
ネットワークアナライザ8は、図示しない内部の信号源からポートP1に、周波数f1の高周波信号を出力し(S4)、ポートP2に基準負荷(例えば50Ω)を再現する(S5)。ポートP1から出力された高周波信号は、入射信号として、ポートP1’からセンサヘッド31に入力される。ネットワークアナライザ8は、ポートP1’で反射されてポートP1に入力される反射信号を検出する。また、ネットワークアナライザ8は、ポートP2’,P3’,P4’から出力されて、それぞれポートP2,P3,P4に入力される伝送信号を検出する。ネットワークアナライザ8は、入射信号、反射信号、伝送信号から、SパラメータS11,S21,S31,S41を算出する(S6)。つまり、図4(b)に示す高周波電源装置1、インピーダンス整合装置2およびダミーロード6の代わりに、ネットワークアナライザ8を用いる。そして、センサヘッド31から電流信号iおよび電圧信号vを出力する代わりに、Sパラメータを算出する。なお、必要なのはS31およびS41なので、その他のSパラメータは算出しなくてもよい。
The
次に、ネットワークアナライザ8は、内部の信号源からポートP1に、周波数f2の高周波信号を出力して(S4)、ポートP2に基準負荷を再現し(S5)、入射信号、反射信号、伝送信号から、SパラメータS31,S41を算出する。同様に、内部の信号源の高周波信号の周波数を変更しながら基準負荷を再現し、必要な周波数(f3、f4、…)の場合のSパラメータS31,S41を算出する(S3−S3’)。
Next, the
以上を3つの基準負荷に対してそれぞれ行い(S2−S2’)、それぞれの基準負荷毎に、周波数毎のSパラメータS31,S41を記録する。周波数の変更および基準負荷の変更は、ネットワークアナライザ8の設定変更で行うことができるので、センサヘッド31とネットワークアナライザ8との接続を変更する必要がない。
The above is performed for each of the three reference loads (S2-S2 ′), and the S parameters S 31 and S 41 for each frequency are recorded for each reference load. Since the change of the frequency and the change of the reference load can be performed by changing the setting of the
次に、算出されたSパラメータS31,S41を用いて、センサヘッド31から出力される電流信号iおよび電圧信号vを再現し、演算装置32に入力することで、高周波測定装置3で測定されるインピーダンスを演算装置32に算出させる。具体的には、図5(b)に示すように、信号発生装置9を高周波測定装置3の演算装置32に接続する(S7)。信号発生装置9は、信号を発生させる、いわゆるシグナルジェネレータであり、発生させる信号の周波数およびレベルを変更することができる。信号発生装置9は、2つの出力ポートを備えており、2種類の信号を発生させて、それぞれの出力ポートから出力することができる。信号発生装置9の2つの出力ポートは、演算装置32の電流信号iおよび電圧信号vが入力される各入力ポートに、それぞれ接続されている。
Next, using the calculated S parameters S 31 and S 41 , the current signal i and the voltage signal v output from the
次に、信号発生装置9は、下記(2)、(3)式に示す再現信号i’,v’を生成して、演算装置32に出力する(S10)。Aは所定の定数であり、fは周波数である。また、arg()は偏角を表し、入射信号に対する伝送信号の位相差を示している。再現信号i’,v’は、それぞれ電流信号iおよび電圧信号vを再現したものである。再現信号i’は演算装置32の電流信号iの入力ポートに入力され、再現信号v’は演算装置32の電圧信号vの入力ポートに入力される。
Next, the
S31は入射信号に対するポートP3’の伝送信号の割合であり、S41は入射信号に対するポートP4’の伝送信号の割合である。したがって、ポートP4’から出力される信号の振幅は、ポートP3’から出力される信号の振幅を(|S41|/|S31|)倍にしたものである。また、ポートP3’の伝送信号の位相は入射信号の位相よりarg(S31)だけ遅れており、ポートP4’の伝送信号の位相は入射信号の位相よりarg(S41)だけ遅れている。したがって、ポートP4’から出力される信号の位相は、ポートP3’から出力される信号の位相より、位相差θだけ遅れる。再現信号v’は、再現信号i’の振幅を(|S41|/|S31|)倍にして、位相をθだけ遅らせたものである。インピーダンスの算出において、電流信号iと電圧信号vの振幅の比は関係あるが、振幅自体は関係ないので、上記(2)、(3)式に示す再現信号i’,v’を電流信号iおよび電圧信号vの代わりに用いることができる。 S 31 is the ratio of the transmission signal of the port P3 ′ to the incident signal, and S 41 is the ratio of the transmission signal of the port P4 ′ to the incident signal. Therefore, the amplitude of the signal output from the port P4 ′ is (| S 41 | / | S 31 |) times the amplitude of the signal output from the port P3 ′. Further, the phase of the transmission signal at the port P3 ′ is delayed by arg (S 31 ) from the phase of the incident signal, and the phase of the transmission signal at the port P4 ′ is delayed by arg (S 41 ) from the phase of the incident signal. Therefore, the phase of the signal output from the port P4 ′ is delayed by the phase difference θ from the phase of the signal output from the port P3 ′. The reproduction signal v ′ is obtained by multiplying the amplitude of the reproduction signal i ′ by (| S 41 | / | S 31 |) times and delaying the phase by θ. In the calculation of the impedance, the ratio of the amplitude of the current signal i and the voltage signal v is related, but the amplitude itself is irrelevant. And can be used instead of the voltage signal v.
演算装置32は、上記(2)、(3)式に示す再現信号i’,v’を、電流信号iおよび電圧信号vの代わりに入力されて、インピーダンスを算出する(S11)。つまり、信号発生装置9が、図4(b)に示す高周波電源装置1、インピーダンス整合装置2、センサヘッド31およびダミーロード6の代わりになる。
The
これを、基準負荷毎、周波数毎に、対応するSパラメータS31,S41を用いて行う。すなわち、1つめの基準負荷(例えば、50Ω)で周波数f1の場合に算出したSパラメータS31,S41と、f=f1とを上記(2)、(3)式に代入した再現信号i’,v’を、信号発生装置9が発生させて、演算装置32に出力し(S10)、1つめの基準負荷の周波数f1の場合のインピーダンスを、演算装置32が算出する(S11)。そして、信号発生装置9が周波数fを変更して、再現信号i’,v’を出力し、演算装置32が、各周波数の場合の1つめの基準負荷のインピーダンスを、それぞれ算出する(S9−S9’)。
This is performed using the corresponding S parameters S 31 and S 41 for each reference load and each frequency. That is, the reproduced signal i ′ obtained by substituting the S parameters S 31 and S 41 and f = f1 calculated in the case of the first reference load (for example, 50Ω) at the frequency f1 into the above equations (2) and (3). , V ′ are generated by the
以上を3つの基準負荷に対してそれぞれ行い(S8−S8’)、それぞれの基準負荷毎に、周波数毎のインピーダンスを記録する。周波数の変更および基準負荷の変更は、信号発生装置9の設定変更で行うことができるので、信号発生装置9と演算装置32との接続を変更する必要がない。
The above is performed for each of the three reference loads (S8-S8 '), and the impedance for each frequency is recorded for each reference load. Since the change of the frequency and the change of the reference load can be performed by changing the setting of the
次に、3つの基準負荷のインピーダンスの真値と、高周波測定装置3で測定したインピーダンスとから、校正パラメータXを算出する(S12)。周波数毎に校正パラメータXが算出されて、高周波測定装置3の演算装置32のメモリに記録される。
Next, the calibration parameter X is calculated from the true values of the impedances of the three reference loads and the impedance measured by the high-frequency measuring device 3 (S12). The calibration parameter X is calculated for each frequency and recorded in the memory of the
ネットワークアナライザ8を用いたSパラメータS31,S41の算出のための処理(図5(a)および図6のステップS2−S2’参照)、信号発生装置9での再現信号i’,v’の生成と演算装置32でのインピーダンス算出のための処理(図5(b)および図6のステップS8−S8’参照)、および、校正パラメータXの算出のための処理(図6のステップS12参照)は、それぞれ、作業者が手作業で行うようにしてもよいし、制御装置で行うようにしてもよい。制御装置で行う場合は、図7(a)に示すように、制御装置10がネットワークアナライザ8の基準負荷および周波数の変更を行いながら、算出された各SパラメータS31,S41をメモリに記憶する。そして、制御装置10が、記憶された各SパラメータS31,S41に応じた再現信号i’,v’を生成するように信号発生装置9を設定し、演算装置32が算出したインピーダンスをメモリに記憶する。そして、制御装置10が、周波数毎に校正パラメータXを算出して、演算装置32のメモリに記録すればよい。
Processing for calculating the S parameters S 31 and S 41 using the network analyzer 8 (see FIG. 5A and steps
図2に戻って、校正部327は、記録された校正パラメータXを用いて、電流信号I0および電圧信号V0に校正を行う。このとき、高周波測定装置3が検出する高周波信号の周波数に対応した校正パラメータXを、メモリから読み出して用いる。周波数は、例えば、A/D変換部321より入力される電流信号i(または、A/D変換部322より入力される電圧信号v)から検出する。校正パラメータXを用いて、図3より、電流信号I0および電圧信号V0を校正後の電流信号I1および電圧信号V1に変換することができる。すなわち、図3より導かれる下記(4)、(5)式より、校正後の電流信号I1および電圧信号V1を算出することができる。
Returning to FIG. 2, the calibration unit 327 calibrates the current signal I 0 and the voltage signal V 0 using the recorded calibration parameter X. At this time, the calibration parameter X corresponding to the frequency of the high frequency signal detected by the high
ベクトル逆変換部328は、校正部327より入力される校正後の電流信号I1および電圧信号V1から、校正後の電流実効値I’、電圧実効値V’、および位相差θ’を算出して出力する。
The vector
インピーダンス算出部329は、インピーダンスを算出するものである。インピーダンス算出部329は、ベクトル逆変換部328より入力される校正後の電流実効値I’、電圧実効値V’、および位相差θ’から、下記(6)〜(8)式により、インピーダンスZを算出して出力する。なお、高周波測定装置3は、進行波電力Pfや反射波電力Prなどの高周波パラメータも算出して出力するが、同図においてはこれらを算出する構成の記載を省略している。
The impedance calculation unit 329 calculates impedance. The impedance calculation unit 329 calculates the impedance Z from the corrected current effective value I ′, voltage effective value V ′, and phase difference θ ′ input from the vector
次に、第1実施形態に係る校正方法の作用効果について説明する。 Next, the effect of the calibration method according to the first embodiment will be described.
第1実施形態においては、ネットワークアナライザ8が、センサヘッド31の入力端に入射信号を入力して、出力端に基準負荷を再現したときのSパラメータS31,S41を算出する処理を、基準負荷毎、周波数毎に行い、算出したパラメータS31,S41を記録する。周波数の変更および基準負荷の変更は、ネットワークアナライザ8の設定変更で行うことができるので、センサヘッド31とネットワークアナライザ8との接続を変更する必要がない。また、信号発生装置9が、基準負荷毎、周波数毎に対応するパラメータS31,S41に基づく再現信号i’,v’を演算装置32に出力し、演算装置32がそれぞれインピーダンスを算出する。周波数の変更および基準負荷の変更は、信号発生装置9の設定変更で行うことができるので、信号発生装置9と演算装置32との接続を変更する必要がない。また、ネットワークアナライザ8と信号発生装置9とがあれば校正でき、周波数毎にダミーロード6や高周波電源装置1などを用意する必要がない。したがって、従来の校正方法と比べて、手間と時間とコストを低減することができ、高周波測定装置3の校正を容易に行うことができる。
In the first embodiment, the
なお、本実施形態では、演算装置32が、ベクトルである電流信号I0および電圧信号V0を校正する場合について説明したが、これに限られない。例えば、電流実効値I、電圧実効値V、位相差θを校正するようにしてもよい。
In the present embodiment, the case has been described in which the
本実施形態では、3つの基準負荷に基づいて校正を行う場合について説明したが、4つ以上の基準負荷に基づいて校正を行うようにしてもよい。 In the present embodiment, the case where calibration is performed based on three reference loads has been described. However, calibration may be performed based on four or more reference loads.
本実施形態では、ネットワークアナライザ8を用いる場合について説明したが、これに限られない。SパラメータS31,S41を算出することができる高周波回路測定装置であればよい。例えば、周波数変更可能な高周波電源装置と、周波数に応じてインピーダンスを自動調整するダミーロードを用いるようにしてもよい。
Although the case where the
本実施形態では、SパラメータS31,S41を算出し、これらに基づいて再現信号i’,v’を生成する場合について説明したが、これに限られない。SパラメータS31,S41を算出せずに、ポートP1から入射信号を出力したときの、ポートP3,P4で検出される伝送信号に基づいて、再現信号i’,v’を生成するようにしてもよい。ポートP3で検出される伝送信号b3およびポートP4で検出される伝送信号b4をそれぞれ下記(9)、(10)式とすると、再現信号i’,v’をそれぞれ下記(11)、(12)式とすればよい。 In the present embodiment, the case where the S parameters S 31 and S 41 are calculated and the reproduction signals i ′ and v ′ are generated based on them is described, but the present invention is not limited to this. The reproduction signals i ′ and v ′ are generated based on the transmission signals detected at the ports P3 and P4 when the incident signal is output from the port P1 without calculating the S parameters S 31 and S 41. May be. When the transmission signal b 3 detected at the port P3 and the transmission signal b 4 detected at the port P4 are respectively expressed by the following equations (9) and (10), the reproduction signals i ′ and v ′ are respectively expressed by the following (11) and ( 12).
本実施形態では、信号発生装置9が再現信号i’,v’をアナログ的に生成する場合について説明したが、これに限られない。例えば、ダイレクトデジタルシンセサイザ(DDS)でデジタル信号的に再現信号i’,v’を生成するようにしてもよい。
In the present embodiment, the case where the
本発明に係る高周波測定装置および高周波測定装置の校正方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。また、本発明に係る高周波測定装置および高周波測定装置の校正方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。 The high-frequency measurement device and the high-frequency measurement device calibration method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments. The specific configuration of each part of the high-frequency measuring device and the calibration method for the high-frequency measuring device according to the present invention can be varied in design in various ways.
A プラズマ処理システム
1 高周波電源装置
2 インピーダンス整合装置
3 高周波測定装置
31 センサヘッド
311 カレントトランス部
312 コンデンサ部
32 演算装置
321,322 A/D変換部
323,324 実効値算出部
325 位相差検出部
326 ベクトル変換部
327 校正部
328 ベクトル逆変換部
329 インピーダンス算出部
4 プラズマ処理装置
5 伝送線路
6 ダミーロード
7 インピーダンスアナライザ
8 ネットワークアナライザ(高周波回路測定装置)
9 信号発生装置
10 制御装置
A
9
Claims (6)
前記センサヘッドの入力端に入射信号を入力して、出力端に基準負荷を再現する第1の工程と、
前記センサヘッドの電流信号の出力ポートから出力される伝送信号と、電圧信号の出力ポートから出力される伝送信号とを検出する第2の工程と、
前記2つの伝送信号に基づく2つの再現信号を生成して、前記演算装置に入力する第3の工程と、
前記演算装置にインピーダンスを算出させる第4の工程と、
前記第1の工程で再現した基準負荷のインピーダンスの真値と、前記第4の工程で算出したインピーダンスとに基づいて、校正パラメータを算出し、前記高周波測定装置に設定する第5の工程と、
を備えていることを特徴とする校正方法。 A high-frequency measuring device comprising: a sensor head that detects a high-frequency current and a high-frequency voltage and outputs the current signal and a voltage signal; and an arithmetic unit that calculates an impedance based on a current signal and a voltage signal input from the sensor head. A calibration method,
A first step of inputting an incident signal to the input end of the sensor head and reproducing a reference load at the output end;
A second step of detecting a transmission signal output from the output port of the current signal of the sensor head and a transmission signal output from the output port of the voltage signal;
A third step of generating two reproduction signals based on the two transmission signals and inputting them to the arithmetic unit;
A fourth step of causing the arithmetic device to calculate impedance;
A fifth step of calculating a calibration parameter based on the true value of the impedance of the reference load reproduced in the first step and the impedance calculated in the fourth step, and setting the calibration parameter in the high-frequency measurement device;
A calibration method characterized by comprising:
前記第5の工程は、3つの基準負荷のインピーダンスの真値と、演算装置で算出されたインピーダンスとに基づいて、校正パラメータを算出する、
請求項1に記載の校正方法。 The first to fourth steps are performed for three reference loads,
The fifth step calculates calibration parameters based on the true values of the impedances of the three reference loads and the impedances calculated by the arithmetic unit.
The calibration method according to claim 1.
前記第2の工程の次に、前記入射信号に対する、電流信号の出力ポートから出力される伝送信号の割合である第1のパラメータと、前記入射信号に対する、電圧信号の出力ポートから出力される伝送信号の割合である第2のパラメータとを算出する第6の工程をさらに備え、
前記第3および第4の工程は、信号発生装置に前記演算装置を接続した状態で行われ、
前記信号発生装置は、前記第1のパラメータおよび前記第2のパラメータに基づいて、前記2つの再現信号を生成する、
請求項1または2に記載の校正方法。 The first and second steps are performed in a state where the sensor head is connected to a high-frequency circuit measuring device having four ports.
Following the second step, a first parameter that is a ratio of a transmission signal output from an output port of a current signal to the incident signal, and a transmission output from an output port of a voltage signal with respect to the incident signal A sixth step of calculating a second parameter that is a ratio of the signal;
The third and fourth steps are performed with the arithmetic unit connected to a signal generator,
The signal generator generates the two reproduction signals based on the first parameter and the second parameter;
The calibration method according to claim 1 or 2.
請求項3に記載の校正方法。
The calibration method according to claim 3.
請求項1ないし4のいずれかに記載の校正方法。 One of the reference loads is a load having the same impedance as a characteristic impedance of a system in which the high-frequency measuring device performs measurement.
The calibration method according to claim 1.
ことを特徴とする高周波測定装置。 Calibration is performed by the calibration method according to claim 1,
A high-frequency measuring device characterized by that.
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