JP2016540455A - インピーダンスマッチング方法及びインピーダンスマッチングシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、インピーダンスマッチング装置及びインピーダンスマッチング方法を提供する。可変リアクタンスインピーダンスマッチングネットワークは、駆動周波数ｆを変更する周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に配置される。前記可変リアクタンスインピーダンスマッチングネットワークのインピーダンスマッチング方法は、前記インピーダンスマッチングネットワークの可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量を目標駆動周波数ｆｔと前記駆動周波数ｆの違いの関数で制御することを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦ電力システムに関するものとして、より詳細には、周波数可変ＲＦ電源を含むＲＦ電力システムに関する。

半導体又は平板ディスプレイの製造のようなプラズマ処理分野において、ＲＦ電力発生器（ＲＦ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）は、ＲＦ電力を負荷に提供してプラズマチャンバの内部に容量結合又は誘導結合されたプラズマを放電させる。

前記負荷は、プラズマを含む時間に応じて変化する動的負荷である。したがって、前記動的負荷に起因して、前記ＲＦ電力発生器と負荷との間に負荷から反射する反射波を最小化して、最大の電力を前記負荷に伝達するための方法が必要である。

ＲＦ電力発生器と前記負荷との間にインピーダンス整合（ｍａｔｃｈｉｎｇ）のために、通常２つの方法が使用される。１つは、可変素子を含む別途のインピーダンスマッチングネットワークを前記ＲＦ電力発生器と前記負荷との間に配置することである。もう１つは、前記ＲＦ電力発生器の周波数を変更して、インピーダンスマッチングを行うことである。

可変素子インピーダンスマッチングネットワークを有する場合、前記インピーダンスマッチングネットワークは、少なくとも２つの可変リアクティブ素子を用いる。前記可変リアクティブ素子は、可変コンデンサ又は可変インダクタである。前記可変リアクティブ素子は、通常にモータによって駆動される。通常、前記可変リアクティブ素子は、可変値の最大／最低比率が１０以上でとても広いため、前記可変素子インピーダンスマッチングネットワークは、広い範囲の負荷インピーダンスに対してインピーダンスマッチングを行うことができる。したがって、プラズマの状態が大いに変更された場合にも、前記可変素子インピーダンスマッチングネットワークは、インピーダンスマッチングを行うことができる。しかし、可変素子インピーダンスマッチングネットワークは、モータの駆動速度によって、数百ミリ秒ないし数秒のマッチング時間を要求する。

一方、周波数同調（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｉｎｇ）して、又は周波数可変して、インピーダンスマッチングを行う場合、通常の周波数可変範囲は１０％前後で、インピーダンスマッチングが可能な負荷のインピーダンス範囲は非常に狭い。したがって、プラズマの状態が大いに変更される場合は、周波数同調（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｉｎｇ）マッチング方法は、インピーダンスマッチングを行うことができない。反面、インピーダンスマッチングに到達するマッチング時間は、数マイクロ秒（ｍｉｃｒｏｓｅｃ）ないし数ミリ秒（ｍｉｌｉｓｅｃ）程度と非常に短い。

プラズマ処理工程の中の１つである原子層蒸着（ＡＬＤ）は、短い工程段階の繰り返しを要求する。また、ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）工程は、蒸着工程とエッチング工程の繰り返しを要求する。また、最近の蒸着工程又はエッチング工程は、ＲＦ電力を維持すると同時に、工程条件を変えるマルチステップレシピ（ｍｕｌｔｉ−ｓｔｅｐ ｒｅｃｉｐｅ）を使用する。このような新しい工程条件を満足するために、ＲＦ電力発生器とインピーダンスマッチングネットワークは、数十ミリ秒（ｍｉｌｌｉ−ｓｅｃ）以下でインピーダンスマッチングを遂行し行わなければならない。特に、パルスプラズマ工程を行う場合、インピーダンスマッチングは、数マイクロ秒ないし数十マイクロ秒以下で行わなければならない。したがって、広い範囲のプラズマ負荷で数マイクロ秒ないし数十マイクロ秒以下でインピーダンスマッチング又は所定の範囲内に反射電力を減少させ、駆動周波数は、固定された新しいインピーダンスマッチング方法が要求される。

本発明の解決しようとする課題は、高速インピーダンスマッチングを行うインピーダンスマッチングシステムを提供することにある。

本発明の一実施例による可変リアクタンスインピーダンスマッチングネットワークは、駆動周波数ｆを変更する周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に配置される。前記可変リアクタンスインピーダンスマッチングネットワークのインピーダンスマッチング方法において、前記インピーダンスマッチングネットワークの可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量を目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの違いの関数で制御することを含む 。

本発明の一実施例において、前記可変リアクティブ素子は、第１蓄電器及び第２蓄電器を含み、前記第１蓄電器の第１キャパシタンスＣ_１及び前記第２蓄電器の第２キャパシタンスＣ_２の変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、

の条件を満たし、ここで、ｄωは、目標駆動角周波数ω_ｔ=２πｆ_ｔと駆動周波数ω=２πfの違いである。

本発明の一実施例において、前記可変リアクティブ素子は、第１蓄電器及び第２蓄電器を含み、前記第１蓄電器の第１キャパシタンスＣ_１及び前記第２蓄電器の第２キャパシタンスＣ_２の変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、

の条件を満たし、ここで、Ｋ１は定数であり、Ｋ２は定数であり、ｄωは目標駆動角周波数ω_ｔ=２πｆ_ｔと駆動周波数ω=２πfの違いである。

本発明の一実施例において、前記インピーダンスマッチングネットワークは、Ｌ-型（Ｌ−ｔｙｐｅ）、逆Ｌ型（ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｌ−ｔｙｐｅ）、Ｔ型（Ｔ−ｔｙｐｅ）、及びπ型（π−ｔｙｐｅ）の中で少なくとも１つを含む。

本発明の一実施例において、目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの違いが正の値を有する場合に、可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、負の値を有するように制御される。目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの差が負の値を有する場合に、可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、正の値を有するように制御される。

本発明の一実施例において、前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、インピーダンスマッチングのための反射係数又はインピーダンスの関数に追加的に依存する。

本発明の一実施例において、前記可変リアクティブ素子は、第１蓄電器及び第２蓄電器を含み、前記第１蓄電器の第１キャパシタンスＣ_１及び前記第２蓄電器の第２キャパシタンスＣ_２の変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、

の条件を満たし、ここで、Ａ及びＢは、反射係数又はインピーダンスに依存する変数であり、ｄωは、目標駆動角周波数ω_ｔ=２πｆ_ｔと駆動周波数ω=２πfの違いである。
本発明の一実施例において、

の条件を満たし、ここで、ｇ_１は第１加重関数であり、ｇ_２は第２加重関数であり、前記第１加重関数は、反射係数が大きい場合大きな値を有し、反射係数が小さい場合小さな値を有し、前記第２加重関数は、反射係数が大きい場合小さな値を有し、反射係数が小さい場合大きな値を有する。

本発明の一実施例において、前記周波数可変ＲＦ電源は、駆動周波数を変更してインピーダンスマッチングを行う。

本発明の一実施例において、前記周波数可変ＲＦ電源は、反射係数の虚数部が正の値を有する場合、駆動周波数を増加させ、反射係数の虚数部が負の値を有する場合、駆動周波数を減少させる。

本発明の一実施例において、前記周波数可変ＲＦ電源は、駆動周波数をスキャンしてインピーダンスマッチングを行う。

本発明の一実施例において、前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、インピーダンスマッチングのための反射係数又はインピーダンスの関数に依存することは：特性ベクトルを抽出する段階と、可変リアクティブ素子のリアクタンスを示す素子ベクトルを所定の変換マトリックスを用いて分析ベクトルに変換し、前記分析ベクトルを座標軸とする分析座標系で特性ベクトルを表示する段階と、前記分析座標系で前記特性ベクトルを分析してインピーダンスマッチングのための変位ベクトルを抽出する段階と、前記変位ベクトルを前記変換メトリックスを用いて換算素子ベクトル（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｖｅｃｔｏｒ）に変換する段階と、前記換算素子ベクトルを用いてキャパシタンス又はインダクタンスの変化量を抽出する段階と、を含む。

本発明の一実施例によるインピーダンスマッチング方法は、周波数可変ＲＦ電源の出力で電気的特性を測定し、測定された電気的特性を用いて駆動周波数を変更して第１インピーダンスマッチングを行う段階と、前記周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に可変リアクティブ素子を含むインピーダンスマッチングネットワークを配置して、前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスを変更する段階と、を含む。前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの違いの関数に与えられる。

本発明の一実施例において、前記インピーダンスマッチングネットワークは、Ｌ-型（Ｌ−ｔｙｐｅ）、逆Ｌ型（ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｌ−ｔｙｐｅ）、Ｔ型（Ｔ−ｔｙｐｅ）、及びπ型（π−ｔｙｐｅ）の中で少なくとも１つを含む。
本発明の一実施例において、前記可変リアクティブ素子は、第１蓄電器及び第２蓄電器を含み、前記第１蓄電器の第１キャパシタンスＣ_１及び前記第２蓄電器の第２キャパシタンスＣ_２の変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、

に与えられ、ここで、ｄωは、目標駆動角周波数ω_ｔ=２πｆ_ｔと駆動周波数ω=２πfの違いである。

本発明の一実施例において、予測駆動周波数ｆ_ｐを算出して、前記周波数可変ＲＦ電源に提供する段階をさらに含む。

本発明の一実施例において、前記可変リアクティブ素子は、第１蓄電器及び第２蓄電器を含み、前記予測駆動角周波数ω_ｐは、

に与えられ、ω_ｐは予測駆動角周波数ω_ｐ=２πｆ_ｐであり、ωは駆動角周波数ω=２πfであり、Ｃ_１は前記第１蓄電器の第１キャパシタンスであり、Ｃ_２は前記第２蓄電器の第２キャパシタンスである。

本発明の一実施例において、前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、インピーダンスマッチングのための反射係数又はインピーダンスの関数に依存する。

本発明の一実施例において、前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、インピーダンスマッチングのための反射係数又はインピーダンスの関数に依存することは：特性ベクトルを抽出する段階と、可変リアクティブ素子のリアクタンスを示す素子ベクトルを所定の変換マトリックスを用いて分析ベクトルに変換し、前記分析ベクトルを座標軸とする分析座標系で特性ベクトルを表示する段階と、前記分析座標系で前記特性ベクトルを分析してインピーダンスマッチングのための変位ベクトルを抽出する段階と、前記変位ベクトルを前記変換メトリックスを用いて換算素子ベクトルに変換する段階と、前記換算素子ベクトルを用いてキャパシタンス又はインダクタンスの変化量を抽出する段階と、を含む。

本発明の一実施例において、前記可変リアクティブ素子は、第１蓄電器及び第２蓄電器を含み、前記第１蓄電器の第１キャパシタンスＣ_１及び前記第２蓄電器の第２キャパシタンスＣ_２の変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、

の条件を満たし、ここで、Ａ及びＢは、反射係数又はインピーダンスに依存する変数であり、ｄωは、目標駆動角周波数ω_ｔ=２πｆ_ｔと駆動周波数ω=２πfの違いである。
本発明の一実施例において、

の条件を満たし、ここで、ｇ_１は第１加重関数であり、ｇ_２は第２加重関数であり、前記第１加重関数は、反射係数が大きい場合大きな値を有し、反射係数が小さい場合小さな値を有し、前記第２加重関数は、反射係数が大きい場合小さな値を有し、反射係数が小さい場合大きな値を有する。

本発明の一実施例によるインピーダンスマッチングネットワークは、駆動周波数ｆを変更する周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に配置される。前記可変リアクタンスインピーダンスマッチングネットワークのインピーダンスマッチング方法において、前記インピーダンスマッチングネットワークの可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスを変更して、周波数可変ＲＦ電源を目標駆動周波数で動作するように誘導する。

本発明の一実施例において、前記インピーダンスマッチングネットワークの可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの違いの関数で制御される。

本発明の一実施例において、前記インピーダンスマッチングネットワークは、予測駆動周波数ｆ_ｐを算出して前記周波数可変ＲＦ電源に提供する段階をさらに含む。

本発明の一実施例による電力システムは、周波数可変ＲＦ電源及び周波数可変ＲＦ電源の出力を負荷に伝達するインピーダンスマッチングネットワークを含む。前記ＲＦ電力システムのインピーダンスマッチング方法において、周波数可変ＲＦ電源の出力端の第１電気的特性を測定する段階と、前記周波数可変ＲＦ電源で前記第１電気的特性を用いてインピーダンスマッチングの状態を検査する段階と、前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数を変更する段階と、前記インピーダンスマッチングネットワークで第２電気的特性を測定する段階と、前記インピーダンスマッチングネットワークで、前記第２電気的特性を用いてインピーダンスマッチングの状態を検査し、駆動周波数が目標駆動周波数であるか否かを検査する段階と、前記インピーダンスマッチングネットワークでインピーダンスマッチングが行われない場合、インピーダンスマッチングのための可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの第１変化量を算出する段階と、前記インピーダンスマッチングネットワークで駆動周波数が目標駆動周波数と一致しない場合、駆動周波数変更のための可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの第２変化量を算出する段階と、前記第１変化量と前記第２変化量に因る総変化量を算出し、前記総変化量を用いて可変リアクティブ素子を制御する段階と、を含む。

本発明の一実施例において、前記第１変化量は、駆動周波数と目標駆動周波数の違いの関数に与えられる。

本発明の一実施例において、前記第２変化量は、インピーダンス又は反射係数に依存する関数である。

本発明の一実施例において、前記可変リアクティブ素子を制御する駆動ベクトル又は総変化量は、前記第１変化量と第１加重関数の積と、前記第２変化量と第２加重関数の積と、を含み、前記第１加重関数は反射係数が大きい場合大きな値を有し、反射係数が小さい場合小さな値を有し、前記第２加重関数は反射係数が大きい場合小さな値を有し、反射係数が小さい場合大きな値を有する。

本発明の一実施例において、前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数を変更する段階は：前記第１電気的特性を用いて第１反射係数を算出する段階と、前記第１反射係数の虚数部が正の値を有する場合、周波数を増加させ、前記第１反射係数の虚数部が負の値を有する場合、周波数を減少させる段階と、を含む。

本発明の一実施例において、前記第１変化量を算出する段階は：特性ベクトルを抽出する段階と、可変リアクティブ素子のリアクタンスを示す素子ベクトルを所定の変換マトリックスを用いて分析ベクトルに変換し、前記分析ベクトルを座標軸とする分析座標系で特性ベクトルを表示する段階と、前記分析座標系で前記特性ベクトルを分析してインピーダンスマッチングのための変位ベクトルを抽出する段階と、前記変位ベクトルを前記変換メトリックスを用いて換算素子ベクトルに変換する段階と、前記換算素子ベクトルを用いてキャパシタンス又はインダクタンスの変化量を抽出する段階と、を含む。

本発明の一実施例によるＲＦ電力システムは、周波数可変ＲＦ電源及び周波数可変ＲＦ電源の出力を負荷に伝達するインピーダンスマッチングネットワークを含む。前記ＲＦ電力システムのインピーダンスマッチング方法において、周波数可変ＲＦ電源の出力端の第１電気的特性を測定する段階と、前記周波数可変ＲＦ電源で前記第１電気的特性を用いてインピーダンスマッチングの状態を検査する段階と、前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数を変更する段階と、前記駆動周波数が目標駆動周波数であるか否かを検査する段階と、インピーダンスマッチングが行われない場合、インピーダンスマッチングのための可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの第１変化量を算出する段階と、駆動周波数が目標駆動周波数と一致しない場合、駆動周波数変更のための可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの第２変化量を算出する段階と、前記第１変化量と前記第２変化量に因る総変化量を算出し、前記総変化量を用いて可変リアクティブ素子を制御する段階と、を含む。

本発明の一実施例において、前記第１変化量は、駆動周波数と目標駆動周波数の違いの関数に与えられる。

本発明の一実施例において、前記第２変化量は、インピーダンス又は反射係数に依存する関数である。

本発明の一実施例において、前記可変リアクティブ素子を制御する駆動ベクトルは、前記第１変化量と第１加重関数の積と、前記第２変化量と第２加重関数の積と、を含み、前記第１加重関数は反射係数が大きい場合大きな値を有し、反射係数が小さい場合小さな値を有し、前記第２加重関数は反射係数が大きい場合小さな値を有し、反射係数が小さい場合大きな値を有する。

本発明の一実施例において、前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数を変更する段階は：前記第１電気的特性を用いて第１反射係数を算出する段階と、前記第１反射係数の虚数部が正の値を有する場合、周波数を増加させ、前記第１反射係数の虚数部が負の値を有する場合、周波数を減少させる段階と、を含む。

本発明の一実施例において、前記第１変化量を算出する段階は：特性ベクトルを抽出する段階と、可変リアクティブ素子のリアクタンスを示す素子ベクトルを所定の変換マトリックスを用いて分析ベクトルに変換し、前記分析ベクトルを座標軸とする分析座標系で特性ベクトルを表示する段階と、前記分析座標系で前記特性ベクトルを分析してインピーダンスマッチングのための変位ベクトルを抽出する段階と、前記変位ベクトルを前記変換メトリックスを用いて換算素子ベクトルに変換する段階と、前記換算素子ベクトルを用いてキャパシタンス又はインダクタンスの変化量を抽出する段階と、を含む。

本発明の一実施例において、予測駆動周波数ｆ_ｐを算出して、前記周波数可変ＲＦ電源に提供する段階をさらに含む。

本発明の一実施例によるインピーダンスマッチングネットワークは、所定の周波数可変範囲を有してＲＦ電力を出力する周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に配置される。前記インピーダンスマッチングネットワークにおいて、前記インピーダンスマッチングネットワークは、少なくとも２つの可変リアクティブ素子を含み、前記可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの変化量は、駆動周波数と目標駆動周波数の違いの関数に与えられる。

本発明の一実施例において、前記インピーダンスマッチングネットワークと前記周波数可変ＲＦ電源との間に配置されて、前記インピーダンスマッチングネットワークで前記負荷方向の電気的特性を測定するマッチングセンサ部をさらに含み、前記マッチングセンサ部は、前記電気的特性を用いてインピーダンス又は反射係数を算出し、前記マッチングセンサ部は、前記負荷に伝達される駆動周波数を測定する。

本発明の一実施例において、前記インピーダンスマッチングネットワークと前記周波数可変ＲＦ電源との間に配置されて、前記インピーダンスマッチングネットワークで前記負荷方向の電気的特性を測定する電源センサ部をさらに含み、前記電源センサ部は、前記電気的特性を用いてインピーダンス又は反射係数を算出し、前記インピーダンスマッチングネットワークは、前記周波数可変ＲＦ電源から駆動周波数を受け取る。

本発明の一実施例において、前記インピーダンスマッチングネットワークは、前記周波数可変ＲＦ電源から前記周波数可変ＲＦ電源の出力端で、前記負荷を見る方向の電気的特性を受け取る。

本発明の一実施例において、前記インピーダンスマッチングネットワークは、前記周波数可変ＲＦ電源にインピーダンスマッチングのための予想駆動周波数を受け取る。

本発明の一実施例によるＲＦ電力システムは、所定の周波数可変範囲を有してインピーダンスマッチングのために駆動周波数を変更する周波数可変ＲＦ電源と、前記周波数可変ＲＦ電源から出力を受け取って、負荷に伝達するインピーダンスマッチングネットワークを含む。前記インピーダンスマッチングネットワークの可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスを変更して、前記インピーダンスマッチングネットワークは、前記周波数可変ＲＦ電源が目標駆動周波数で動作するように誘導する。

本発明の一実施例において、前記インピーダンスマッチングネットワークは、前記インピーダンスマッチングネットワークと前記周波数可変ＲＦ電源との間に配置されて、前記インピーダンスマッチングネットワークで前記負荷方向の電気的特性を測定するマッチングセンサ部をさらに含み、前記マッチングセンサ部は、前記電気的特性を用いてインピーダンス又は反射係数を算出し、前記マッチングセンサ部は、前記負荷に伝達される駆動周波数を測定する。

本発明の一実施例において、前記周波数可変ＲＦ電源は、前記インピーダンスマッチングネットワークと前記周波数可変ＲＦ電源との間に配置されて、前記インピーダンスマッチングネットワークで前記負荷方向の電気的特性を測定する電源センサ部をさらに含み、前記電源センサ部は、前記電気的特性を用いてインピーダンス又は反射係数を算出し、前記インピーダンスマッチングネットワークは、前記周波数可変ＲＦ電源から駆動周波数を受け取る。

本発明の一実施例において、前記インピーダンスマッチングネットワークは、前記周波数可変ＲＦ電源から前記周波数可変ＲＦ電源の出力端で、前記負荷を見る方向の前記インピーダンス又は反射係数を受け取る。

本発明の一実施例において、前記インピーダンスマッチングネットワークは、前記周波数可変ＲＦ電源にインピーダンスマッチングのための予想駆動周波数を提供する。

本発明の一実施例による電気装置は、周波数可変ＲＦ電源の出力を負荷に伝達する２つ以上の可変リアクティブ素子を含む。前記可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの変化量は、前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数と目標駆動周波数の違いの関数を含み、前記目標周波数は、前記周波数可変ＲＦ電力発生器の前記周波数可変範囲内に存在する。

本発明の一実施例によるＲＦ電力システムは、周波数可変ＲＦ電源及び周波数可変ＲＦ電源の出力を負荷に伝達するインピーダンスマッチングネットワークを含む。前記ＲＦ電力システムのインピーダンスマッチング方法は、周波数可変ＲＦ電源の出力端の第１電気的特性を測定する段階と、前記周波数可変ＲＦ電源で前記第１電気的特性を用いてインピーダンスマッチングの状態を検査する段階と、前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数を変更する段階と、前記インピーダンスマッチングネットワークで第２電気的特性を測定する段階と、前記インピーダンスマッチングネットワークで、前記第２電気的特性を用いてインピーダンスマッチングの状態を検査する段階と、インピーダンスマッチングのための可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの第１変化量を算出する段階と、前記第１変化量を用いて可変リアクティブ素子を制御する段階と、を含む。

本発明の一実施例によるインピーダンスマッチングシステムは、高速インピーダンスマッチングを提供し、駆動周波数を一定の値に固定して、プラズマ工程安定性及びプラズマ工程再現性を向上させることができる。

本発明の一実施例によるＲＦ電力システムを説明する概念図である。 図１のＲＦ電力システムを詳しく説明するブロック図である。 本発明の一実施例によるＲＦ電力システムの制御方法を説明する流れ図である。 本発明の一実施例によるインピーダンスマッチング方法を説明する流れ図である。 本発明の一実施例による周波数可変インピーダンスマッチング方法を説明する流れ図である。 本発明の一実施例による周波数可変インピーダンスマッチングを説明するスミスチャートである。 本発明の他の実施例によるインピーダンスマッチング方法を説明する流れ図である。 本発明のまた他の実施例によるインピーダンスマッチング方法を説明する流れ図である。 本発明のまた他の実施例によるＲＦ電力システムを示す。 本発明のまた他の実施例によるＲＦ電力システムを示す。 標準Ｌ型インピーダンスマッチングネットワークでインピーダンスマッチング領域を表示するスミスチャートである。 周波数可変ＲＦ電源だけでインピーダンスマッチングが可能な場合、周波数可変ＲＦ電源のみを用いてインピーダンスマッチングの条件を表示するグラフである。 本発明の一実施例によるインピーダンスマッチングの跡を表示するシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の一実施例によるインピーダンスマッチングの跡を表示するシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の一実施例によるインピーダンスマッチングの跡を表示するシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の一実施例によるインピーダンスマッチングの軌跡を表示するシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の一実施例によるインピーダンスマッチングの跡を表示するシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。以下の図面で同一の参照符号は、同一の構成要素を指し、図面上で各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜上誇張されるように図示している。

本発明の一実施例によるインピーダンスマッチングネットワークは、周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に配置されて、目標駆動周波数でインピーダンスマッチングを行うように誘導する。したがって、前記周波数可変ＲＦ電源は、駆動周波数を変更して高速インピーダンスマッチングを行い、又は反射電力を所定の範囲内に減少させる。仮に、前記周波数可変ＲＦ電源がインピーダンスマッチングを行なう場合にも、駆動周波数と前記目標駆動周波数が異なる場合、前記インピーダンスマッチングネットワークは、前記周波数可変ＲＦ電源が前記目標駆動周波数にインピーダンスマッチングを行うように誘導する。つまり、前記周波数可変ＲＦ電源がインピーダンスマッチングの条件を満足し、駆動周波数と前記目標駆動周波数が異なる場合、前記インピーダンスマッチングネットワークは継続動作して、意図的にインピーダンスマッチング条件を逸する。これによって、前記周波数可変ＲＦ電源は、変更された条件で駆動周波数を変更してインピーダンスマッチングを行う。結局、前記駆動周波数が前記目標駆動周波数に到達し、インピーダンスマッチングが行われた場合、前記インピーダンスマッチングネットワークの可変リアクティブ素子のリアクタンスは、一定の値に固定される。この過程は、負荷が時間に応じて変更された状態で繰り返される。

一方、前記周波数可変ＲＦ電源が独立的にインピーダンスマッチングを行うことができない場合、前記インピーダンスマッチングネットワークは、自らインピーダンスマッチングを行うと同時に、前記周波数可変ＲＦ電源が前記目標駆動周波数にインピーダンスマッチングを行われるように誘導する。

具体的に、まず、前記周波数可変ＲＦ電源は、反射電力を最小化させる。前記インピーダンスマッチングネットワークの入力端で負荷を見る方向の反射係数が大きい場合、前記インピーダンスマッチングネットワークは、可変リアクティブ素子を駆動してインピーダンスマッチングを行う。これによって、前記周波数可変ＲＦ電源は、可変リアクティブ素子に応じて変更されたインピーダンスに対して駆動周波数を変更してインピーダンスマッチングを行う。

また、前記インピーダンスマッチングネットワークの入力端で負荷を見る方向の反射係数が小さい場合（インピーダンスマッチングにほぼ到達した場合）、前記インピーダンスマッチングネットワークは、駆動周波数と目標周波数の違いの関数に大きく依存するように可変リアクティブ素子を制御する。したがって、前記周波数可変ＲＦ電源は、速いスピードでインピーダンスマッチングを行う。

図１は、本発明の一実施例によるＲＦ電力システムを説明する概念図である。
図２は、図１のＲＦ電力システムを詳しく説明するブロック図である。
図３は、本発明の一実施例によるＲＦ電力システムの制御方法を説明する流れ図である。
図４は、本発明の一実施例によるインピーダンスマッチング方法を説明する流れ図である。
図５は、本発明の一実施例による周波数可変インピーダンスマッチング方法を説明する流れ図である。

図１ないし図５に示すように、周波数可変ＲＦ電源１１０は、ＲＦ電力をインピーダンスマッチングネットワーク１３０を通じて負荷に伝達する。通常、前記負荷１４０は、プラズマ負荷のような動的負荷である。前記周波数可変ＲＦ電源１１０は、特性インピーダンスＺ_０を有する伝送線１２０を通じて前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０に連結され、前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、前記負荷に隣接して配置されてＲＦ電力を前記負荷１４０に伝える。

周波数可変ＲＦ電源１１０は、駆動周波数制御ループと電力制御ループを含む。前記周波数可変ＲＦ電源１１０は、設定された電力を入力して、電力制御ループを通じて設定された電力を前記負荷１４０に伝える。また、前記周波数可変ＲＦ電源１１０は、出力端Ｎ１、Ｎ２の電気的特性を測定して、インピーダンス又は反射係数を算出する。前記周波数可変ＲＦ電源１１０は、インピーダンスマッチングのために反射係数が零（ｚｅｒｏ）になるように駆動周波数ｆを変更する。

前記周波数可変ＲＦ電源１１０は、出力端Ｎ１、Ｎ２で電気的特性を高速に測定してインピーダンスマッチングの状態を判断するので、駆動周波数を変更して前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０に関係なく、インピーダンスマッチングを行う。前記周波数可変ＲＦ電源１１０は、出力端Ｎ１、Ｎ２のインピーダンスＺ_Ｔを算出する。前記周波数可変ＲＦ電源は、出力端Ｎ１、Ｎ２で電気的特性を測定する電源センサ部１１６、増幅部１１４及び制御部１１２を含む。前記電源センサ部１１６の測定信号又は処理された信号は、制御部に提供される。前記制御部１１２は、順方向電力制御アルゴリズム及び周波数可変インピーダンスマッチングアルゴリズムを行う。

また、前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、独立的にインピーダンスマッチングネットワークの入力端Ｎ３、Ｎ４の電気的特性を測定して、インピーダンスＺｉｎを算出する。前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０の入力端Ｎ３、Ｎ４の前記インピーダンスＺｉｎと前記周波数可変ＲＦ電源の出力端Ｎ１、Ｎ２のインピーダンスＺ_Ｔは、所定の関係を有する。

前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、２つの可変リアクティブ素子１３２、１３４を含む。２つの可変リアクティブ素子１３２、１３４のリアクタンスは、誘導性リアクタンス（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｒｅａｃｔａｎｃｅ）又は容量性リアクタンス（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｒｅａｃｔａｎｃｅ）である。可変リアクティブ素子１３２、１３４は、主に可変蓄電器（ｖａｒｉａｂｌｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）が使用される。前記図示したインピーダンスマッチングネットワークは、標準Ｌ型や他のタイプに変更される。インピーダンスマッチングのために、前記インピーダンスマッチングネットワークは、固定インダクタ又は固定蓄電器をさらに含む。可変リアクティブ素子１３２、１３４それぞれは、複数の固定蓄電器を並列連結してスイッチを通じてリアクタンスを調節する。

前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、インピーダンスマッチング制御アルゴリズムと周波数復元アルゴリズムを含む。前記インピーダンスマッチング制御アルゴリズムは、インピーダンスマッチングのために前記可変リアクティブ素子１３２、１３４のリアクタンスを変更する。また、前記周波数復元アルゴリズムは、特定の目標駆動周波数でインピーダンスマッチングが行われるように前記可変リアクティブ素子１３２、１３４のリアクタンスを変更する。前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、独立的に前記入力端Ｎ３、Ｎ４の電気的特性を測定してインピーダンスＺｉｎを算出する。

以下、本発明の一実施例によるＲＦ電力システムの動作原理を説明する。

ＲＦ電力システム１００は、周波数可変ＲＦ電源１１０及び周波数可変ＲＦ電源の出力を負荷１４０に伝えるインピーダンスマッチングネットワーク１３０を含む。このＲＦ電力システムのインピーダンスマッチング方法は、周波数可変ＲＦ電源１１０の出力端Ｎ１、Ｎ２の第１電気的特性Ｉ、Ｖを測定する段階（Ｓ１１２）、前記周波数可変ＲＦ電源１３０で前記第１電気的特性Ｉ、Ｖを用いてインピーダンスマッチングの状態を検査する段階（Ｓ１１６）、前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数ｆを変更する段階（Ｓ１１８）、前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０で第２電気的特性Ｉ’、Ｖ’を測定する段階（Ｓ２２２）、前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０で前記第２電気的特性を用いてインピーダンスマッチングの状態を検査し、駆動周波数が目標駆動周波数であるか否かを検査する段階（Ｓ２２６；Ｓ２２８）、前記インピーダンスマッチングネットワークでインピーダンスマッチングが行われない場合、インピーダンスマッチングのための可変リアクティブ素子１３２、１３４のインダクタンス又はキャパシタンスの第１変化量ｄＣ’_１；ｄＣ’_２を算出する段階（Ｓ２３２）、前記インピーダンスマッチングネットワークで駆動周波数が目標駆動周波数と一致しない場合、駆動周波数変更のための可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの第２変化量ｄＣ’’_１； ｄＣ’’_２を算出する段階（Ｓ２３４）、及び前記第１変化量と前記第２変化量に因る総変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２を算出し、前記総変化量を用いて可変リアクティブ素子を制御する段階（Ｓ２３６；Ｓ２３８）を含む。

前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、標準Ｌ型であり、第１可変蓄電器１３２と第２可変蓄電器１３４を含む。第１可変蓄電器１３２は負荷に直列接続され、前記第２可変蓄電器１３２は負荷に並列連結される。前記第１可変蓄電器及び第２可変蓄電器は、真空可変蓄電器である。前記第１可変蓄電器は第１駆動モータ１３２ａを含み、第２可変蓄電器は第２駆動モータ１３４ａを含む。前記第１駆動モータ１３２ａ及び前記第２駆動モータ１３４ａは、モータ駆動部１３７に連結される。インピーダンス制御部１３８は、駆動ベクトルＶ１、Ｖ２を通じて前記モータ駆動部１３７を制御する。また、前記インピーダンス制御部１３８は、第２電気的特性Ｉ、Ｖを直接又は演算された電気的特性Ｓ１１、Ｚを入力する。マッチングセンサ部１３６は、駆動周波数を測定して前記インピーダンス制御部１３８に提供する。前記インピーダンス制御部１３８は、インピーダンスマッチング制御アルゴリズム及び駆動周波数復元アルゴリズムのうち、少なくとも１つを行う。

前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０で、インピーダンスマッチング制御アルゴリズムは、インピーダンス分析を通じて、第１可変蓄電器１３２と第２可変蓄電器１３４の可変キャパシタンスＣ_１；Ｃ_２の変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２を次のように求める。

ここで、ｄＣ_１は、第１可変蓄電器のキャパシタンスＣ_１の変化量であり、ｄＣ_２は、第２可変蓄電器のキャパシタンスＣ_２の変化量である。Ａ及びＢは、所定の駆動周波数ｆでインピーダンスマッチングのために決定されるパラメータである。Ａ及びＢは、インピーダンスの関数又は反射係数の関数に与えられる。Ａ及びＢは、従来の方法で求められる。

前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、可変リアクティブ素子１３２、１３４のキャパシタンスを変化させてインピーダンスマッチングを行う。前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０がインピーダンスマッチングを行う場合、又は前記周波数可変ＲＦ電源が駆動周波数を変更してインピーダンスマッチングを行う場合を仮定すると、前記変化量ｄＣ_１、ｄＣ_２は、零（ｚｅｒｏ）になる。しかし、前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、前記周波数可変ＲＦ電源１１０から電力を供給される。したがって、前記インピーダンスマッチングが行う場合、又は反射係数が零である場合、前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数ｆは、負荷のインピーダンスＺ_Ｌ及び前記インピーダンスマッチングネットワークの条件Ｃ_１、Ｃ_２に依存する。

可変リアクティブ素子１３２、１３４のリアクタンス成分は、周波数とインダクタンスの積で表示されるか、又は周波数とキャパシタンスの積で表示される。したがって、負荷インピーダンスＺ_Ｌが固定された状態で、インピーダンスマッチングが行われると仮定する。この場合、同一のリアクタンスを維持すると同時に、駆動周波数を目標駆動周波数に変更しようとする場合、駆動角周波数の変化量ｄωとキャパシタンスの変化量ｄＣ又は駆動角周波数の変化量ｄωとインダクタンスの変化量ｄＬ次のような条件を満たす。

つまり、駆動角周波数ω又は駆動周波数ｆが増加すると、キャパシタンス又はインダクタンスは減少する。目標駆動周波数ｆ_ｔが設定される場合、駆動周波数ｆが前記目標駆動周波数ｆ_ｔと異なる場合、駆動角周波数の変化量ｄωはキャパシタンスの変化量ｄＣに依存する。

目標駆動周波数ｆ_ｔと、前記駆動周波数ｆの違いが正の値を有する場合に、可変リアクティブ素子１３２、１３４のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、負の値を有するように制御される。目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの違いが負の値を有する場合に、可変リアクティブ素子１３２、１３４のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、正の値を有するように制御される。

したがって、インピーダンスマッチング条件を満たす場合、駆動周波数を前記目標駆動周波数に一致させるために、前記リアクティブ素子の可変キャパシタンスの変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、次のように与えられる。

Ｃ_１は現在状態の第１蓄電器のキャパシタンスであり、Ｃ_２は現在状態の第２蓄電器のキャパシタンスである。ｄωは角周波数の変化量であり、ｄωの値が大きい場合、前記第１キャパシタンスの変化量ｄＣ_１及び前記第１キャパシタンスの変化量ｄＣ_２は、大きく変化する。また、第１キャパシタンスの変化量ｄＣ_１と前記第２キャパシタンスの変化量ｄＣ_２の比ｄＣ_１／ｄＣ_２は、一定の方向性Ｃ_１／Ｃ_２を有する。前記第１キャパシタンスの変化量ｄＣ_１と前記第２キャパシタンスの変化量ｄＣ_２は、その比ｄＣ_１／ｄＣ_２が維持されるように変更する。

具体的に、ｄω＝ω_ｔ−ω（ｔ＝０）で与えられる。また、ｄＣ_１=Ｃ_１（t＝０^＋）−Ｃ_１（ｔ＝０）で与えられる。ω_ｔは目標駆動角周波数であり、ω（ｔ＝０）は現在の駆動角周波数である。Ｃ_１（ｔ＝０）は現在のキャパシタンスであり、Ｃ_１（ｔ＝０^＋）は未来のキャパシタンスである。

数学式３を用いて、第１キャパシタンスＣ_１と第２キャパシタンスＣ_２を変更する場合、前記インピーダンスマッチングネットワーク及び前記周波数可変ＲＦ電源は、インピーダンスマッチング条件を充足しない。これによって、前記周波数可変ＲＦ電源は、インピーダンスマッチング条件を満たすように駆動周波数を変更する。

また、変更された駆動周波数が前記目標駆動周波数と異なると、数学式３を通じて、前記第１キャパシタンスの変化量ｄＣ_１及び前記第２キャパシタンスの変化量ｄＣ_２は再び変化する。結局、駆動周波数が目標駆動周波数に到達するまで、前記インピーダンスマッチングネットワークの第１キャパシタンスと第２キャパシタンスは変更し続ける 。

したがって、周波数可変ＲＦ電源１１０の駆動周波数変更アルゴリズムに関係なく、前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数を目標駆動周波数に到達するように誘導する。周波数可変ＲＦ電源１１０は、駆動周波数を変更してインピーダンスマッチングを行う場合、前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、インピーダンスマッチングアルゴリズムを動作しなく、周波数復元アルゴリズムのみ動作する。

一方、現在インピーダンスマッチングが達成される場合を仮定すると、周波数可変ＲＦ発生器１１０は、予測駆動角周波数ω_ｐでインピーダンスマッチングの条件を満たす。前記予測駆動角周波数は、次のように与えられる。

前記周波数可変ＲＦ電源１１０は、前記予測駆動角周波数の入力を受けて速いスピードに変更される駆動周波数を前記予測駆動角周波数に変更する。しかし、前記インピーダンスマッチングネットワークで、第１可変蓄電器の第１キャパシタンスの変化量と第２可変蓄電器の第２キャパシタンスイ変化量は、モータの駆動速度によって時間遅延を有する。一方、この場合、前記モータの駆動速度は、最大速度に変更されることが好ましい。しかし、速度を合わせるために、前記予測駆動角周波数は、目標駆動周波数と異なって設定される。

本発明の変形した実施例によると、ｄＣ_１とｄＣ_２は、同一の符号を有するため、前記予測駆動角周波数は、ｄＣ_１又はｄＣ_２の符号のみに依存する。

インピーダンスマッチングが達成された条件で、上記計算された予測駆動周波数ｆ_ｐは、周波数可変ＲＦ発生器１１０に提供される。これによって、前記周波数可変ＲＦ発生器は、別途のインピーダンスマッチングアルゴリズムを通じず、目標駆動周波数に到達する。これによって、インピーダンスマッチング条件を満たすと同時に、駆動周波数は目標駆動周波数に容易に早く到達する。したがって、インピーダンスマッチング条件を満たすと同時に、目標駆動周波数にＲＦ電力が負荷に伝達される。

本発明の変形した実施例によると、インピーダンスマッチングが達成されない条件においても、計算された予測駆動周波数は、前記周波数可変ＲＦ発生器１１０に提供される。

駆動周波数を変更して、インピーダンスマッチングを達成することができる負荷のインピーダンス領域は限定される。したがって、駆動周波数を変更してインピーダンスマッチングを達成することができない場合、インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、可変リアクティブ素子１３２、１３４を変更してインピーダンスマッチング条件を捜すアルゴリズムを含む。具体的に、プラズマ負荷の条件は、時間に応じて著しく変わる。例えば、第１時間区間には低電力が求められ、第２時間区間には高電力が求められる。この場合、第１時間の区間で駆動周波数を変更してインピーダンスマッチングが行われるが、第２時間の区間で駆動周波数を変更してインピーダンスマッチングが達成できない。したがって、広い範囲の負荷条件でインピーダンスマッチングを行うことができる可変リアクティブ素子が要求される。

インピーダンスマッチングネットワークは、インピーダンスマッチング条件を捜すアルゴリズムと駆動周波数を目標駆動周波数に到達するように誘導するアルゴリズムを有する。インピーダンスマッチング条件を捜すアルゴリズムと駆動周波数を目標駆動周波数に到達するように誘導するアルゴリズムは、第１可変キャパシタンスの変化量ｄＣ_１と第２可変キャパシタンスの変化量ｄＣ_２と表示される。

Ａ及びＢは任意の値である。Ａ及びＢは、インピーダンスマッチング条件を満たさない場合、インピーダンスマッチングを行うために、第１キャパシタンスの変化量ｄＣ_１及び第２キャパシタンスの変化量ｄＣ_２で、数学式４の右辺の第一項と第二項は競争する。第一項は、インピーダンスマッチングのために設定された項であり、第二項は、駆動周波数を目標駆動周波数に誘導するための項である。仮に第一項と第二項が両方とも動作する場合、出没問題（ｈａｕｎｔｉｎｇ ｉｓｓｕｅ）が発生する。

したがって、効率的な動作のために、数学式４は次のように変形される。

ここで、ｇ_１は第１加重関数であり、ｇ_２は第２加重関数である。第１加重関数ｇ_１は、反射係数が大きい場合大きな値を有し、反射係数が小さい場合小さな値を有する。一方、第２加重関数ｇ_２は、反射係数が大きい場合小さな値を有し、反射係数が小さい場合大きな値を有する。

数学式６に示すように、インピーダンスマッチング条件から大きく逸して反射係数が大きい場合、右辺の第一項が主に動作して、インピーダンスマッチングが行われる。第１可変キャパシタンスの変化量ｄＣ_１と第２可変キャパシタンスの変化量ｄＣ_２は、方向性Ａ／Ｂを維持すると同時に変更される。具体的に、ＡとＢの比が一定に維持すると同時に、第１可変キャパシタンスと第２キャパシタンスが変更される。

一方、数学式６に示すように、インピーダンスマッチング条件にほぼ到達して、反射係数が小さい場合、右辺の第二項が主に動作して、インピーダンスマッチングネットワークは、周波数可変ＲＦ電源１１０の駆動周波数が目標駆動周波数に収束するように誘導する。第１可変キャパシタンスの変化量ｄＣ_１と第２可変キャパシタンスの変化量ｄＣ_２は、方向性Ｃ_１／Ｃ_２を維持すると同時に変更される。

本発明の一実施例によると、周波数可変ＲＦ電源１１０が駆動周波数を変更してインピーダンスマッチングを行う場合、インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、主に駆動周波数変更アルゴリズムを動作させる。したがって、前記周波数可変ＲＦ電源１１０は、速いスピードのインピーダンスマッチングを行い、前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、インピーダンスマッチングを維持すると同時に、周波数可変ＲＦ電源１１０が駆動周波数を目標駆動周波数に変更するように誘導する。したがって、負荷がプラズマ負荷である場合、速いインピーダンスマッチングによって、ハードウェアの安定性が確保される。また、駆動周波数が目標駆動周波数に収束して、工程再現性が確保される。特に、パルスプラズマ工程又はマルチステップレシピを有するプラズマ工程で、工程安定性と工程再現性が確保される。

本発明の一実施例によるインピーダンスマッチング方法は、連続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ；ＣＷ）プラズマ又はパルス（ｐｕｌｓｅ）プラズマに適用される。

本発明の一実施例によると、周波数可変ＲＦ電源１１０のみにインピーダンスマッチングを行わなうことができない場合、インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、主にインピーダンスマッチングアルゴリズムを動作させる。前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０が可変リアクティブ素子のリアクタンスを変更してインピーダンスマッチングを行う。これによって、インピーダンスマッチングが行われる場合、前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、主に駆動周波数変更アルゴリズムを動作させる。これによって、インピーダンスマッチング条件を満たすと同時に、前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数を目標駆動周波数に変更するように誘導する。
本発明の変形した実施例によると、前記周波数可変ＲＦ電源は、駆動周波数を前記インピーダンスマッチングネットワークに提供する。また、前記周波数可変ＲＦ電源は、測定した電気的特性を前記インピーダンスマッチングネットワークに伝える。これによって、インピーダンスマッチングネットワークは、別途の駆動周波数測定段階及び電気的特性の測定段階を除去する。

［周波数可変インピーダンスマッチング］

以下、本発明の一実施例による周波数可変インピーダンスマッチング方法が説明される。

周波数可変ＲＦ電源１１０は、出力端Ｎ１、Ｎ２で電気的特性を測定して出力インピーダンスＺ_Ｔ、反射係数Ｓ１１、又は反射波電力を算出する。前記周波数可変ＲＦ電源１１０は、最低周波数と最大周波数の範囲で駆動周波数を可変する。通常、可変範囲は、基準周波数又は中心周波数の５パーセントである。最低周波数と最大周波数の範囲で反射係数が最も少ない駆動周波数を見つけるために、周波数スキャン（ｃｏａｒｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｃａｎ）は一定の間隔で行う。これによって、反射係数が最低である区間が見つかる。見つかれた区間で再び精密周波数スキャン（ｆｉｎｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｃａｎ）が行う。これによって、反射係数が最低である駆動周波数が選択される。

図６は、本発明の一実施例による周波数可変インピーダンスマッチングを説明するスミスチャートである。

図５及び図６に示すように、負荷が固定された場合、駆動周波数を変更すると、スミスチャート（Ｓｍｉｔｈ Ｃｈａｒｔ）上に反射係数は、定数コンダクタンスサークル（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｃｉｒｃｌｅ）に従う。したがって、反射係数の虚数部が正の値を有する場合に、駆動周波数は増加される。一方、反射係数の虚数部が負の値を有する場合に、駆動周波数は減少させる。これによって、駆動周波数は、反射係数が最小の地点又は反射係数が零である地点で停止される。周波数可変ＲＦ電源は、周波数可変インピーダンスマッチングを行う。

周波数可変ＲＦ電源は、周波数可変ＲＦ電源の出力で電気的特性を測定し、測定された電気的特性を用いて駆動周波数を変更してインピーダンスマッチングを行う（Ｓ１１８）。まず、周波数可変ＲＦ電源は、出力端の電気的特性を測定する（Ｓ１１２）。続いて、駆動周波数及び測定された電気的特性を用いて反射係数Ｓ１１又はインピーダンスＺ_Ｔを計算する（Ｓ１１４）。反射係数を用いるか、又は電圧定常波費（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ ｒａｔｉｏ；ＶＳＷＲ）を用いてマッチングの状態を検査する（Ｓ１１８ａ）。もし、反射係数が許容値以上である場合、インピーダンスマッチングのために駆動周波数が変更される（Ｓ１１８c）。また、駆動周波数が最大値又は最低値に到達した場合、駆動周波数は最大値又は最低値でそのまま維持される（Ｓ１１８ｂ）。駆動周波数が変更されるにつれて、負荷を見る方向のインピーダンスＺ_Ｔは変更される。

以下、本発明の一実施例による可変リアクタンスインピーダンスマッチング方法が説明される。

本発明によると、可変リアクティブ素子は、可変的なキャパシタンスを提供する可変キャパシタ又は可変的なインダクタンスを提供する可変インダクタのうち１つである。

［種々の形のマッチングシステム］

インピーダンスマッチングネットワークは、前記可変リアクティブ素子又は前記受動素子が前記伝送線に連結される方式によって、様々な類型に分類される。前記インピーダンスマッチングネットワークは、第１及び第２可変キャパシタを有するとすれば、前記第１及び第２可変キャパシタが前記伝送線１２０に連結される方式によって、Ｌ型（Ｌ−ｔｙｐｅ）、逆Ｌ型 （ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｌ−ｔｙｐｅ）、Ｔ型（Ｔ−ｔｙｐｅ）及びπ型（π−ｔｙｐｅ）などに区分される。

インピーダンスマッチングネットワークのインピーダンスマッチング、特性ベクトルを抽出する段階（Ｓ２３２ａ）、可変リアクティブ素子のリアクタンスを示す素子ベクトルを所定の変換マトリックスを用いて分析ベクトルに変換し、前記分析ベクトルを座標軸とする分析座標系で特性ベクトルを表示する段階（Ｓ２３２ｂ）、前記分析座標系で前記特性ベクトルを分析してインピーダンスマッチングのための変位ベクトルを抽出する段階（Ｓ２３２ｃ）、前記変位ベクトルを前記変換メトリックスを用いて換算素子ベクトルに変換している段階（Ｓ２３２ｄ）及び前記換算素子ベクトルを用いてキャパシタンス又はインダクタンスの変化量を抽出する段階（Ｓ２３２ｅ）を含む。

［特性ベクトルの選択］

本発明の一実施例によると、前記特性ベクトルは、前記インピーダンスマッチングネットワークの入力端又は周波数可変ＲＦ電源の出力端で測定された電気的特性に基づいて定義され、規格化された大きさを有する物理量である。

本発明の一実施例によると、前記特性ベクトルは、前記伝送線の反射係数Ｓ１１から定義される。前記伝送線の反射係数（Ｓ１１＝Γ）は、伝送線の特性インピーダンスＺ_０及び負荷を見る方向のインピーダンスＺによって定義される。

前記反射係数の大きさ（つまり、Ｓ＝｜Ｓ１１｜）は、０と１との間のいかなる値である。前記伝送線のインピーダンスＺは、インピーダンスマッチングネットワーク及び前記負荷を含むシステムのインピーダンスを示す。前記反射係数の位相は、伝送線の位置によって変わる。したがって、前記反射係数は、伝送線の位置によって互いに変換される。

前記インピーダンスマッチングネットワークは、少なくとも２つの可変リアクティブ素子を含む。この場合、各可変リアクティブ素子のリアクタンスを明確に（ｅｘｐｌｉｃｉｔｌｙ）決定するためには、前記特性ベクトルは少なくとも２つの成分を含む物理量でなければならない。例えば、前記特性ベクトルＱは、次のように前記反射係数の実数部Ｒｅ｛Ｓ１１｝及び虚数部Ｉｍ｛Ｓ１１｝を成分に有する二次元ベクトルで定義される。

［分析座標系の選択］

分析座標系は、前記インピーダンスマッチングネットワークの電気的特性Ｃ_１、Ｃ_２と前記伝送線の電気的特性Ｚ、Ｓ１１を定量的に関連づける所定の位相空間を表現するように選択される。このため、前記分析座標系の座標は、前記インピーダンスマッチングネットワークの電気的特性に関連された物理量の中で選択され、前記伝送線の電気的特性は、このように選択された分析座標系での一つの点として表現される。

本発明の一実施例によると、前記分析座標系の座標（以下、分析の座標）は、前記インピーダンスマッチングネットワークを構成する可変リアクティブ素子の電気的特性（例えば、リアクタンス）の関数で表現され、前記伝送線の測定された電気的特性を表現する前記特性ベクトルは、このような分析座標系上の一つの点として表現される。

一方、前記分析座標系は、前記マッチングシステムの電気的特性と前記伝送線の電気的特性との間の定量的関係を単射関数的（ｉｎｊｅｃｔｉｖｅｌｙ）にマッピング（ｍａｐｐｉｎｇ）するように選択されることが好ましい。“ 単射関数的マッピング（ｉｎｊｅｃｔｉｖｅ ｍａｐｐｉｎｇ）”という用語は、このように１つの分析座標に１つのマッチングされた点が対応される関係を意味する。

前記分析座標は、前記インピーダンスマッチングネットワークの測定可能な電気的特性（例えば、リアクタンス）を所定の変換行列Ｔを用いて変換することによって得られる物理量である。例えば、前記分析座標Ｇは、次のように表現されるように所定の変換行列Ｔと所定の素子ベクトル（ｄｅｖｉｃｅ ｖｅｃｔｏｒ）Ｘの内積（ｉｎｎｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔ）を通じて得られる。

前記素子ベクトルＸは、前記インピーダンスマッチングネットワークを構成する可変リアクティブ素子それぞれの電気的特性に関連された物理量を成分で有し、前記マッチングシステムの類型によって選択される。また、前記変換行列Ｔは、前記インピーダンスマッチングネットワークの類型及び前記素子ベクトルＸの物理量によって選択される。結果的に、前記分析座標Ｇも前記マッチングシステムの類型によって選択される。

より具体的に、前記インピーダンスマッチングネットワークは、２つの可変リアクティブ素子を備える。この場合、前記分析座標Ｇ１、Ｇ２は、前記可変リアクティブ素子それぞれの電気的特性に関連された物理量Ｘ１、Ｘ２と所定の２次正方行列Ｔの内積を通じて得られる。本発明によると、前記変換行列Ｔの要素（ｅｌｅｍｅｎｔｓ）（つまり、ａ１１、ａ１２、ａ２１、ａ２２）は、−１ないし１の間の値の中で選択される。

一方、前記変換行列Ｔは、種々の方法で準備される。例えば、前記変換行列は、理論的接近を通じた分析及びコンピュータを使用するシミュレーション分析、前記可変リアクティブ素子値に応じる前記インピーダンスマッチングネットワークのインピーダンス測定値及びマッチングの過程に対する経験的データに対する分析のうち、少なくとも１つの分析方法を通じて得られる。このような分析は、前記マッチングシステムの類型及び前記素子ベクトルＸの物理量に基づいて行われる。また、前記変換行列Ｔの形及び次数（ｒａｎｋ）は、前記マッチングシステムを構成する可変リアクティブ素子の個数によって決定される。つまり、前記マッチングシステムがより多くの可変リアクティブ素子を備える場合、前記変換行列の形及び次数は増加する。

上述のように、前記インピーダンスマッチングネットワークは、２つの可変キャパシタを備える。この場合、前記変換行列Ｔ及び前記素子ベクトルＸは、前記可変キャパシタの関数で表現すされる。

Ｌ型又はπ型の前記インピーダンスマッチングネットワークの場合、前記素子ベクトルＸは、次のように与えられる。

ここで、ωは角周波数であり、Ｃｉは、各々の可変キャパシタのキャパシタンスである。

逆Ｌ型又はＴ型のマッチングネットワークである場合、前記素子ベクトルＸは次のように与えられる。

［変位ベクトルの決定］

変位ベクトルは、前記分析座標系で前記伝送線の測定された状態に該当する特性ベクトル（以下、測定された特性ベクタ）の大きさ又は位置を分析して前記インピーダンスマッチングラインに移動させるために要求される座標移動の大きさを表現する。

Ｌ型又はπ型の前記インピーダンスマッチングネットワークの場合、変位ベクトルｄＧ_１；ｄＧ_２は、次のように選択される。

逆Ｌ型又はＴ型のマッチングネットワークである場合、変位ベクトルｄＧ_１；ｄＧ_２は、次のように選択される。

本発明の一実施例によると、前記変位ベクトルｄＧは、前記分析座標系でインピーダンスマッチング分析を行うために、反射係数又はインピーダンスを変換した物理量である。したがって、前記インピーダンスマッチングネットワークの制御のためには、前記変位ベクトルを前記インピーダンスマッチングネットワークを構成する素子の電気的特性の大きさ（つまり、前記可変リアクティブ素子のリアクタンス）又はこれに関連した物理量に変換する過程が必要である。

このため、前記変位ベクトルｄＧを前記可変リアクティブ素子の可変的な物理量の次元を有する換算された素子ベクトルｄＸ’（ｒｅｄｕｃｅｄ ｄｅｖｉｃｅ ｖｅｃｔｏｒ）に逆変換（ｉｎｖｅｒｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）する過程が要求される。また、前記換算された素子ベクトルｄＸ’を前記可変リアクティブ素子の駆動を制御する駆動ベクトルＶに変換する過程が要求される。

前記分析座標Ｇ１、Ｇ２が変換行列Ｔを通じて得られるという点を考慮する際、Ｌ型又はπ型の前記インピーダンスマッチングネットワーク（可変蓄電器）の場合、前記換算された素子ベクトルｄＸ’は、前記変換行列の逆行列Ｔ^−１と前記変位ベクトルｄＧの内積を通じて求められる。

逆Ｌ型又はＴ型のマッチングネットワーク（可変蓄電器）の場合、前記換算された素子ベクトルｄＸ’は、前記変換行列の逆行列Ｔ^−１と前記変位ベクトルｄＧとの内積を通じて求められる。

本発明の一実施例によると、前記可変リアクティブ素子のリアクタンスは、所定の駆動モータの回転、直線運動手段の直線運動、又は並列連結された固定蓄電器をスイッチングするスイッチング素子を制御して変更される。

例えば、前記可変リアクティブ素子が可変蓄電器である場合、Ｌ型又はπ型の前記インピーダンスマッチングネットワークのキャパシタンスの変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、次のように表示される。

例えば、前記可変リアクティブ素子が可変蓄電器である場合、Ｌ型又はπ型の前記インピーダンスマッチングネットワークのキャパシタンスの変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、次のように表示される。

［周波数復元アルゴリズムと可変リアクタンスインピーダンスマッチングアルゴリズムの結合］

周波数可変インピーダンスマッチングを考えると、前記可変リアクティブ素子が可変蓄電器である場合、Ｌ型又はπ型の前記インピーダンスマッチングネットワークのキャパシタンスの変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、次のように表示される。

上記の式で、右辺の第一項は、リアクタンスインピーダンスマッチングのためのキャパシタンスの変化量であり、右辺の第二項は、駆動周波数を目標駆動周波数に誘導するためのキャパシタンスの変化量である。ｇ_１は第１加重関数であり、ｇ_２は第２加重関数である。第１加重関数ｇ_１は、反射係数が大きい場合大きな値を有し、反射係数が小さい場合小さな値を有する。一方、第２加重関数ｇ_２は、反射係数が大きい場合小さな値を有し、反射係数が小さい場合大きな値を有する。

もし、反射係数が大きい場合、主に右辺の第一項が 動作して、遅い速度を有してインピーダンスマッチングを行う。一方、反射係数が小さい場合、主に右辺の第二項が動作して、相対的に速いスピードで駆動周波数を目標駆動周波数に誘導する。

本発明の変形した実施例によると、右辺の第一項で、計算速度を増加させるために、駆動角周波数、Ｃ_１及びＣ_２は定数として処理される。右辺の第二項で、計算速度を増加させるために、駆動角周波数、Ｃ_１及びＣ_２は定数として扱われる。

周波数可変インピーダンスマッチングを考えると、前記可変リアクティブ素子が可変蓄電器である場合、逆Ｌ型又はＴ型の前記インピーダンスマッチングネットワークのキャパシタンスの変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、次のように表示される。

上記の式で、右辺の第一項は、リアクタンスインピーダンスマッチングのためのキャパシタンスの変化量であり、右辺の第二項は、駆動周波数を目標駆動周波数に誘導するためのキャパシタンスの変化量である。ｇ_１は第１加重関数であり、ｇ_２は第２加重関数である。第１加重関数ｇ_１は、反射係数が大きい場合大きな値を有し、反射係数が小さい場合小さな値を有する。一方、第２加重関数ｇ_２は、反射係数が大きい場合小さな値を有し、反射係数が小さい場合大きな値を有する。

もし、反射係数が大きい場合、主に右辺の第一項が動作して、遅い速度を有してインピーダンスマッチングを行う。一方、反射係数が小さい場合、主に右辺の第二項が動作して相対的に速いスピードで駆動周波数を目標駆動周波数に誘導する。

本発明の変形した実施例によると、右辺の第一項で、計算速度を増加させるために、駆動角周波数は、定数として処理される。右辺の第二項で、計算速度を増加させるために、駆動角周波数Ｃ_１及びＣ_２は、定数として扱われる。

［駆動ベクトル］

駆動ベクトルＶは、駆動モータの数値的制御（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ）のための値を成分に有し、その大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）及び物理的次元（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）は、前記数値制御の方法及び駆動モータなどの種類によって多様に変形される。例えば、前記駆動ベクトルＶは、キャパシタンスの変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２と所定の数値制御因数Ｍのスカラー積（ｓｃａｌａｒ ｐｒｏｄｕｃｔ）で与えられる。

Ｖ１及びＶ２は、それぞれ前記第１及び第２可変キャパシタに連結された駆動モータの駆動のために入力される制御パラメータを示す。前記数値制御因数Ｍは、前記数値制御の基準大きさ（例えば、モータの基準駆動速力（ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｏｔｏｒ））であり、前記キャパシタンスの変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２が前記駆動ベクトルＶと同じ次元を有するように選択される。

本発明の変形した実施例によると、Ｖ１及びＶ２は、直線運動手段の直線運動のための制御パラメータ又は並列連結された固定蓄電器をスイッチングするスイッチング素子の制御パラメータである。

図７は、本発明の他の実施例によるインピーダンスマッチング方法を説明する流れ図である。

図７に示すように、可変リアクタンスインピーダンスマッチングネットワークは、駆動周波数ｆを変更する周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に配置された駆動周波数ｆを変更する周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に配置される。前記可変リアクタンスインピーダンスマッチングネットワークのインピーダンスマッチング方法は、前記インピーダンスマッチングネットワークの可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスを変更して周波数可変ＲＦ電源を目標駆動周波数で動作するよう誘導する（Ｓ２００）。前記インピーダンスマッチングネットワークの可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの違いの関数で制御される。

インピーダンスマッチング方法は、周波数可変ＲＦ電源の出力で電気的特性を測定し、測定された電気的特性を用いて駆動周波数を変更して第１インピーダンスマッチングを行う段階（Ｓ１１０）及び前記周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に可変リアクティブ素子を含むインピーダンスマッチングネットワークを配置して前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスを変更する段階（Ｓ２００）を含む。前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの違いの関数に与えられる。

第１インピーダンスマッチングを行う段階（Ｓ１１０）は、周波数可変ＲＦ電源の出力端の第１電気的特性を測定する段階（Ｓ１１２）、前記周波数可変ＲＦ電源で前記第１電気的特性を用いてインピーダンスマッチングの状態を検査する段階（Ｓ１１４、Ｓ１１６）及び前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数を変更する段階（Ｓ１１８）を含む。

前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスを変更する段階（Ｓ２００）は、インピーダンスマッチングネットワークの電気的特性を測定する段階（Ｓ２２２）、前記駆動周波数が目標駆動周波数であるか否かを検査する段階（Ｓ２２８）、駆動周波数が目標駆動周波数と一致しない場合、駆動周波数変更のための可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの変化量を算出する段階（Ｓ２３４）及び前記変化量を用いて可変リアクティブ素子を制御する段階（Ｓ２３６、Ｓ２３８）を含む。

図８は、本発明のまた他の実施例によるインピーダンスマッチング方法を説明する流れ図である。

図８に示すように、インピーダンスマッチングネットワークと周波数可変ＲＦ電源が一体型で動作する。これによって、周波数可変ＲＦ電源の出力端の電気的特性だけが測定される（Ｓ３２２）。これによって、可変リアクティブ素子で負荷を見る方向のインピーダンスＺｉｎ又は反射係数Ｓ１１は、演算を通じて算出される（Ｓ３２４）。インピーダンスマッチングの条件を満たす場合、駆動周波数が目標駆動周波数であるかを検査する（Ｓ３２６、Ｓ３２８）。インピーダンスマッチング条件を満たさなければ、駆動周波数を可変する（Ｓ３２９、Ｓ３３０）。また、インピーダンスマッチング条件を満たさなければ、インピーダンスマッチングのための可変リアクティブ素子のインダクタンス又は可変キャパシタンスの第１変化量が抽出される（Ｓ３３２）。また、駆動周波数が目標駆動周波数でない場合、駆動周波数変更のためのリアクティブの可変インダクタンス又は可変キャパシタンスの第２変化量が抽出される（Ｓ３３４）。続いて、第１変化量に第１加重関数を掛け、第２変化量に第２加重関数を掛けて、駆動ベクトルを算出する（Ｓ３３６）。前記駆動ベクトルは、可変インダクタンス又は可変キャパシタンスを駆動する（Ｓ３３８）。

図９は、本発明のまた他の実施例によるＲＦ電力システムを示す。

図９に示すように、可変リアクティブ素子は、並列連結された固定蓄電器を含む。キャパシタンスを変更するために、固定蓄電器はスイッチを含む。これによって、可変キャパシタンスは、駆動モータを使用しないため、インピーダンスマッチングの速度及び目標駆動周波数の復元速度が増加する。

図１０は、本発明のまた他の実施例によるＲＦ電力システムを示す。

図１０に示すように、可変リアクティブ素子は、並列連結された固定蓄電器と可変蓄電器を含む。キャパシタンスを変更するために固定蓄電器は、スイッチを含む。これによって、可変キャパシタンスは、固定蓄電器及びスイッチを使用して目標値の近くに速いスピードで移動し、駆動モータを使用する可変蓄電器は、微細なインピーダンスマッチング又は周波数復元を行う。

図１１は、標準Ｌ型インピーダンスマッチングネットワークでインピーダンスマッチング領域を表示するスミスチャートである。

図１及び図１１に示すように、第１固定インダクタＬ１は、１００ｎＨであり、第２固定インダクタＬ２は、５００ｎＨであり、第１可変蓄電器１３２の可変範囲は、１５０ｐＦないし１０００ｐＦであり、第２可変蓄電器１３４の可変範囲は、８５ｐＦないし５００ｐＦである 第１可変蓄電器と第２可変蓄電器を通じてインピーダンスマッチングする領域が表示される。

図１２は、周波数可変ＲＦ電源だけでインピーダンスマッチングが可能である場合、周波数可変ＲＦ電源のみを用いてインピーダンスマッチングの条件を表示するグラフである。

図１２に示すように、シミュレーションに使用された条件は、下記の通りである。第１固定インダクタは、１００ｎＨであり、第２固定インダクタは５００ｎＨであり、第１可変蓄電器の可変範囲は、１５０ｐＦないし１０００ｐＦであり、第２可変蓄電器の可変範囲は、８５ｐＦないし５００ｐＦである。周波数可変インピーダンスマッチングのために、第１可変蓄電器は、７２４.５ｐＦで固定されて使用され、第２可変蓄電器は、１５０ｐＦで固定されて使用された。制御ループの時間間隔は、１００マイクロ秒（μｓｅｃ）である。周波数可変アルゴリズムは、前記周波数可変ＲＦ電源は反射係数の虚数部が正の値を有する場合、駆動周波数を増加させ、反射係数の虚数部が負の値を有する場合、駆動周波数を減少させる。

シミュレーション結果によれば、約２ ｍｓｅｃで周波数可変インピーダンスマッチングが行われた。この場合、駆動周波数のｙ軸は５０＋（ｆ−ｆｏ）／（２Δｆ）で与えられる。したがって、２Δｆは、周波数可変領域である。

駆動周波数は、初期値（５０％）で約２ ｍｓｅｃ後に７０％に増加した。駆動周波数を変更するアルゴリズムは、約２ ｍｓｅｃ程度の速いスピードでインピーダンスマッチングを行う。しかし、駆動周波数は、５０％から７０％に上昇した。プラズマ負荷のインピーダンスが時間に応じて変化する状況で、前記駆動周波数は、一定に維持できないため、プラズマ工程安定性と再現性は悪化される。

一方、制御ループの時間間隔は、１００マイクロ秒（μｓｅｃ）以下にすると、駆動周波数を変更するアルゴリズムは、２ ｍｓｅｃ未満でインピーダンスマッチングを行う。

図１３は、周波数可変ＲＦ電源だけでインピーダンスマッチングが可能な場合、固定された駆動周波数で可変リアクティブ素子のみを用いてインピーダンスマッチングの条件を表示するグラフである。

図１３に示すように、シミュレーションに使用された条件は、下記の通りである。第１固定インダクタは、１００ｎＨであり、第２固定インダクタは、５００ｎＨであり、第１可変蓄電器の可変範囲は、１５０ｐＦないし１０００ｐＦであり、第２可変蓄電器の可変範囲は、８５ｐＦないし５００ｐＦである。第１可変蓄電器の初期条件は、７２４.５ｐＦであり、第２可変蓄電器の初期条件は、１５０ｐＦである。インピーダンスマッチングのために数学式１６が使用された。

可変リアクティブ素子のマッチングのために、駆動周波数は、５０％に固定されて使用された。制御ループの時間間隔は、１００マイクロ秒（μｓｅｃ）である。

可変蓄電器のモータ駆動に必要な時間に因って、可変リアクティブ素子のリアクタンス変更アルゴリズムは、インピーダンスマッチングのために約２００ ｍｓｅｃ（ミリ秒）を要求する。したがって、反射電力が５０％に減少するために要求される時間は、約４０ ｍｓｅｃ程度要求される。

プラズマ負荷のインピーダンスが時間に応じて変化する状況で、反射電力が５０％に減少するために要求される時間は、約４０ ｍｓｅｃ程度である。したがって、プラズマ工程安定性と再現性は悪化される。

図１４は、周波数可変ＲＦ電源だけでインピーダンスマッチングが可能である場合、周波数可変ＲＦ電源と可変リアクティブ素子を同時に使用して駆動周波数を目標駆動周波数に復元するアルゴリズムを採用したインピーダンスマッチングの条件を表示するグラフである。

図１４に示すように、シミュレーションに使用された条件は、下記の通りである。第１固定インダクタは、１００ｎＨであり、第２固定インダクタは、５００ｎＨであり、第１可変蓄電器の可変範囲は、１５０ｐＦないし１０００ｐＦであり、第２可変蓄電器の可変範囲は、８５ｐＦないし５００ｐＦである。第１可変蓄電器の初期条件は、７２４.５ｐＦであり、第２可変蓄電器の初期条件は、１５０ｐＦである。駆動周波数の初期条件は、５０％である。制御ループの時間間隔は、１００マイクロ秒（μｓｅｃ）である。前記周波数可変ＲＦ電源の周波数可変アルゴリズムは、反射係数の虚数部が正の値を有する場合、駆動周波数を増加させ、反射係数の虚数部が負の値を有する場合、駆動周波数を減少させる。インピーダンスマッチングと周波数復元のために数学式１８が使用された。

駆動周波数変更を通じてインピーダンスマッチングは、２ ｍｓｅｃ程度で達成された。また、インピーダンスマッチング条件を満たすと同時に、駆動周波数は１００ ｍｓｅｃ程度で目標駆動周波数（５０％）に収束する。したがって、インピーダンスマッチング時間は、２ ｍｓｅｃ程度でとても速く、駆動周波数が目標駆動周波数に到達する時間は１００ ｍｓｅｃ程度で、可変リアクティブ素子を用いたインピーダンスマッチング時間より短い。

反射電力が５０％以下に落ちる時間は、０.６ ｍｓｅｃ程度である。したがって、反射電力に因る工程の不安定性が向上する。つまり、２ ｍｓｅｃ程度以内に速いインピーダンスマッチングが行われ、１００ ｍｓｅｃ程度以内に駆動周波数復元が行われる。

マルチステップレシピ（ｍｕｌｔｉ−ｓｔｅｐ）を有するプラズマ工程の場合、各ステップは、通常数秒以下のプラズマ状態を有する。したがって、２ ｍｓｅｃ以内にインピーダンスマッチングが行われ、１００ ｍｓｅｃ以内に周波数復元が行われるならば、工程安定性は著しく向上される。

パルスプラズマを使用するプラズマ工程の場合、通常、パルスの幅は数ｍｓｅｃ以内である。したがって、本発明の一実施例によると、インピーダンスマッチングは、パルスの幅以内にインピーダンスマッチングが行われる。また、複数のパルス列（ｐｕｌｓｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ）を通ると、駆動周波数復元が行われる。したがって、工程安定性及び工程再現性が向上する。

図１５は、周波数可変ＲＦ電源だけでインピーダンスマッチングが不可能な場合、周波数可変ＲＦ電源のみを用いてインピーダンスマッチングの条件を表示するグラフである。

図１５に示すように、シミュレーションに使用された条件は、下記の通りである。第１固定インダクタは、１００ｎＨであり、第２固定インダクタは、５００ｎＨであり、第１可変蓄電器の可変範囲は、１５０ｐＦないし１０００ｐＦであり、第２可変蓄電器の可変範囲は、８５ｐＦないし５００ｐＦである。周波数可変インピーダンスマッチングのために、第１可変蓄電器は、５００ｐＦで固定されて使用され、第２可変蓄電器は、１５０ｐＦで固定されて使用された。制御ループの時間間隔は、１００マイクロ秒（μｓｅｃ）である。周波数可変アルゴリズムは、前記周波数可変ＲＦ電源は反射係数の虚数部が正の値を有する場合、駆動周波数を増加させ、反射係数の虚数部が負の値を有する場合、駆動周波数を減少させる。

シミュレーション結果によると、インピーダンスマッチングは、周波数可変の範囲内で行うことができない。したがって、プラズマ負荷の範囲が広い場合、周波数可変ＲＦ電源は使用することができない。

図１６は、周波数可変ＲＦ電源だけでインピーダンスマッチングが不可能な場合、固定された駆動周波数で可変リアクティブ素子のみを用いてインピーダンスマッチングの条件を表示するグラフである。

図１６に示すようにシミュレーションに使用された条件は、下記の通りである。第１固定インダクタは、１００ｎＨであり、第２固定インダクタは、５００ｎＨであり、第１可変蓄電器の可変範囲は、１５０ｐＦないし１０００ｐＦであり、第２可変蓄電器の可変範囲は、８５ｐＦないし５００ｐＦである。第１可変蓄電器の初期条件は、５００ｐＦであり、第２可変蓄電器の初期条件は１５０ｐＦである。インピーダンスマッチングのために数学式１６が使用された。

反射電力を５０％以下にまで達成するための時間は、約１００ｍｅｃである。また、インピーダンスマッチングのために約４００ ｍｓｅｃが要求される。したがって、マルチステップレシピ（ｍｕｌｔｉ−ｓｔｅｐ）を有するプラズマ工程の場合、各ステップは、通常数秒以下のプラズマ状態を有する。したがって、工程安定性と工程再現性は、確保することが困難である。

図１７は、周波数可変ＲＦ電源だけでインピーダンスマッチングが不可能な場合、周波数可変ＲＦ電源と可変リアクティブ素子を同時に使用して駆動周波数を目標駆動周波数に復元するアルゴリズムを採用したインピーダンスマッチングの条件を表示するグラフである。

図１７に示すように、シミュレーションに使用された条件は、下記の通りである。第１固定インダクタは、１００ｎＨであり、第２固定インダクタは、５００ｎＨであり、第１可変蓄電器の可変範囲は、１５０ｐＦないし１０００ｐＦであり、第２可変蓄電器の可変範囲は、８５ｐＦないし５００ｐＦである。第１可変蓄電器の初期条件は、５００ｐＦであり、第２可変蓄電器の初期条件は、１５０ｐＦである。駆動周波数の初期条件は、５０％である。制御ループの時間間隔は、１００マイクロ秒（μｓｅｃ）である。前記周波数可変ＲＦ電源の周波数可変アルゴリズムは、反射係数の虚数部が正の値を有する場合、駆動周波数を増加させ、反射係数の虚数部が負の値を有する場合、駆動周波数を減少させる。インピーダンスマッチングと周波数復元のために数学式１８が使用された。

インピーダンスマッチングのために約３００ ｍｓｅｃが要求される。しかし、反射電力を５０％以下にまで減少させるための時間は、周波数可変アルゴリズムを通じて３ ｍｓｅｃ以内である。したがって、周波数可変アルゴリズムを使用し、反射電力を最小化した状態で、リアクティブ素子を用いてインピーダンスマッチングが行われる。また、同時に、駆動周波数が目標駆動周波数に収束する。

したがって、プラズマ負荷の範囲がとても広い場合にも、所定の範囲内で反射電力を維持しつつ、インピーダンスマッチング及び駆動周波数復元が行われる。したがって、リアクティブ素子だけでインピーダンスマッチングを行う場合より、速いスピードでインピーダンスマッチングが行われ、また、５０％未満の反射電力を達成するための時間は、著しく減少する。

本発明は、図面に図示した実施例を参考して説明したが、これは例示的なものに過ぎず、本技術分野の通常の知識を有する者であれば、このことから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるということが分かる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、添付した特許請求の範囲の技術的思想によって決定される。

１１０ 周波数可変ＲＦ電源
１２０ 伝送線
１３０ インピーダンスマッチングネットワーク
１４０ 負荷

Claims (27)

1. 駆動周波数ｆを変更する周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に配置される可変リアクタンスインピーダンスマッチングネットワークのインピーダンスマッチング方法において、
   前記インピーダンスマッチングネットワークの可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量を目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの違いの関数で制御することを含むことを特徴とするインピーダンスマッチング方法。
2. 前記可変リアクティブ素子は、第１蓄電器及び第２蓄電器を含み、
   前記第１蓄電器の第１キャパシタンスＣ_１及び前記第２蓄電器の第２キャパシタンスＣ_２の変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、
   

   

   の条件を満たし、
   ここで、ｄωは、目標駆動角周波数ω_ｔ=２πｆ_ｔと駆動周波数ω=２πfの違いであることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンスマッチング方法。
3. 前記可変リアクティブ素子は、第１蓄電器及び第２蓄電器を含み、
   前記第１蓄電器の第１キャパシタンスＣ_１及び前記第２蓄電器の第２キャパシタンスＣ_２の変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、
   

   

   の条件を満たし、
   ここで、Ｋ１は定数であり、Ｋ２は定数であり、ｄωは目標駆動角周波数ω_ｔ=２πｆ_ｔと駆動周波数ω=２πfの違いであることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンスマッチング方法。
4. 目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの違いが正の値を有する場合に、可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、負の値を有するように制御され、
   目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの差が負の値を有する場合に、可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、正の値を有するように制御されることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンスマッチング方法。
5. 前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、インピーダンスマッチングのための反射係数又はインピーダンスの関数に追加的に依存することを特徴とする請求項１に記載のインピーダンスマッチング方法。
6. 前記可変リアクティブ素子は、第１蓄電器及び第２蓄電器を含み、
   前記第１蓄電器の第１キャパシタンスＣ_１及び前記第２蓄電器の第２キャパシタンスＣ_２の変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、
   

   

   の条件を満たし、
   ここで、Ａ及びＢは、反射係数又はインピーダンスに依存する変数であり、
   ｄωは、目標駆動角周波数ω_ｔ=２πｆ_ｔと駆動周波数ω=２πfの違いであることを特徴とする請求項５に記載のインピーダンスマッチング方法。
7. 

   の条件を満たし、
   ここで、ｇ_１は第１加重関数であり、ｇ_２は第２加重関数であり、
   前記第１加重関数は、反射係数が大きい場合大きな値を有し、反射係数が小さい場合小さな値を有し、
   前記第２加重関数は、反射係数が大きい場合小さな値を有し、反射係数が小さい場合大きな値を有することを特徴とする請求項６に記載のインピーダンスマッチング方法。
8. 前記周波数可変ＲＦ電源は、駆動周波数を変更してインピーダンスマッチングを行い、
   前記周波数可変ＲＦ電源は、反射係数の虚数部が正の値を有する場合、駆動周波数を増加させ、反射係数の虚数部が負の値を有する場合、駆動周波数を減少させることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンスマッチング方法。
9. 前記周波数可変ＲＦ電源は、駆動周波数を変更してインピーダンスマッチングを行い、
   前記周波数可変ＲＦ電源は、駆動周波数をスキャンしてインピーダンスマッチングを行うことを特徴とする請求項１に記載のインピーダンスマッチング方法。
10. 前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、インピーダンスマッチングのための反射係数又はインピーダンスの関数に依存することは：
    特性ベクトルを抽出する段階と、
    可変リアクティブ素子のリアクタンスを示す素子ベクトルを所定の変換マトリックスを用いて分析ベクトルに変換し、前記分析ベクトルを座標軸とする分析座標系で特性ベクトルを表示する段階と、
    前記分析座標系で前記特性ベクトルを分析してインピーダンスマッチングのための変位ベクトルを抽出する段階と、
    前記変位ベクトルを前記変換メトリックスを用いて換算素子ベクトル（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｖｅｃｔｏｒ）に変換する段階と、
    前記換算素子ベクトルを用いてキャパシタンス又はインダクタンスの変化量を抽出する段階と、を含むことを特徴とする請求項５に記載のインピーダンスマッチング方法。
11. 周波数可変ＲＦ電源の出力で電気的特性を測定し、測定された電気的特性を用いて駆動周波数を変更して第１インピーダンスマッチングを行う段階と、
    前記周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に可変リアクティブ素子を含むインピーダンスマッチングネットワークを配置して、前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスを変更する段階と、を含み、
    前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの違いの関数に与えられることを特徴とするＲＦシステム制御方法。
12. 前記可変リアクティブ素子は、第１蓄電器及び第２蓄電器を含み、
    前記第１蓄電器の第１キャパシタンスＣ_１及び前記第２蓄電器の第２キャパシタンスＣ_２の変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、
    

    

    に与えられ、
    ここで、ｄωは、目標駆動角周波数ω_ｔ=２πｆ_ｔと駆動周波数ω=２πfの違いであることを特徴とする請求項１１に記載のＲＦシステム制御方法。
13. 予測駆動周波数ｆ_ｐを算出して、前記周波数可変ＲＦ電源に提供する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のＲＦシステム制御方法。
14. 前記可変リアクティブ素子は、第１蓄電器及び第２蓄電器を含み、
    前記予測駆動角周波数ω_ｐは、
    

    

    に与えられ、
    ω_ｐは予測駆動角周波数ω_ｐ=２πｆ_ｐであり、ωは駆動角周波数ω=２πfであり、Ｃ_１は前記第１蓄電器の第１キャパシタンスであり、Ｃ_２は前記第２蓄電器の第２キャパシタンスであることを特徴とする請求項１３に記載のＲＦシステム制御方法。
15. 前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、インピーダンスマッチングのための反射係数又はインピーダンスの関数に依存することを特徴とする請求項１１に記載のＲＦシステム制御方法。
16. 前記可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、インピーダンスマッチングのための反射係数又はインピーダンスの関数に依存することは：
    特性ベクトルを抽出する段階と、
    可変リアクティブ素子のリアクタンスを示す素子ベクトルを所定の変換マトリックスを用いて分析ベクトルに変換し、前記分析ベクトルを座標軸とする分析座標系で特性ベクトルを表示する段階と、
    前記分析座標系で前記特性ベクトルを分析してインピーダンスマッチングのための変位ベクトルを抽出する段階と、
    前記変位ベクトルを前記変換メトリックスを用いて換算素子ベクトルに変換する段階と、
    前記換算素子ベクトルを用いてキャパシタンス又はインダクタンスの変化量を抽出する段階と、を含むことを特徴とする請求項１５に記載のインピーダンスマッチング方法。
17. 前記可変リアクティブ素子は、第１蓄電器及び第２蓄電器を含み、
    前記第１蓄電器の第１キャパシタンスＣ_１及び前記第２蓄電器の第２キャパシタンスＣ_２の変化量ｄＣ_１；ｄＣ_２は、
    

    

    の条件を満たし、
    ここで、Ａ及びＢは、反射係数又はインピーダンスに依存する変数であり、
    ｄωは、目標駆動角周波数ω_ｔ=２πｆ_ｔと駆動周波数ω=２πfの違いであることを特徴とする請求項１１に記載のＲＦシステム制御方法。
18. 

    の条件を満たし、
    ここで、ｇ_１は第１加重関数であり、ｇ_２は第２加重関数であり、
    前記第１加重関数は、反射係数が大きい場合大きな値を有し、反射係数が小さい場合小さな値を有し、
    前記第２加重関数は、反射係数が大きい場合小さな値を有し、反射係数が小さい場合大きな値を有することを特徴とする請求項１７に記載のインピーダンスマッチング方法。
19. 駆動周波数ｆを変更する周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に配置される可変リアクタンスインピーダンスマッチングネットワークのインピーダンスマッチング方法において、
    前記インピーダンスマッチングネットワークの可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスを変更して、周波数可変ＲＦ電源を目標駆動周波数で動作するよう誘導することを特徴とするインピーダンスマッチング方法。
20. 前記インピーダンスマッチングネットワークの可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスの変化量は、目標駆動周波数ｆ_ｔと前記駆動周波数ｆの違いの関数で制御されることを含むことを特徴とする請求項１９に記載のインピーダンスマッチング方法。
21. 前記インピーダンスマッチングネットワークは、予測駆動周波数ｆ_ｐを算出して前記周波数可変ＲＦ電源に提供する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載のインピーダンスマッチング方法。
22. 周波数可変ＲＦ電源及び周波数可変ＲＦ電源の出力を負荷に伝達するインピーダンスマッチングネットワークを含むＲＦ電力システムのインピーダンスマッチング方法において、
    周波数可変ＲＦ電源の出力端の第１電気的特性を測定する段階と、
    前記周波数可変ＲＦ電源で前記第１電気的特性を用いてインピーダンスマッチングの状態を検査する段階と、
    前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数を変更する段階と、
    前記インピーダンスマッチングネットワークで第２電気的特性を測定する段階と、
    前記インピーダンスマッチングネットワークで前記第２電気的特性を用いてインピーダンスマッチングの状態を検査し、駆動周波数が目標駆動周波数であるか否かを検査する段階と、
    前記インピーダンスマッチングネットワークでインピーダンスマッチングが行われない場合、インピーダンスマッチングのための可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの第１変化量を算出する段階と、
    前記インピーダンスマッチングネットワークで駆動周波数が目標駆動周波数と一致しない場合、駆動周波数変更のための可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの第２変化量を算出する段階と、
    前記第１変化量と前記第２変化量に因る総変化量を算出し、前記総変化量を用いて可変リアクティブ素子を制御する段階と、を含むＲＦ電力システムのインピーダンスマッチング方法。
23. 周波数可変ＲＦ電源及び周波数可変ＲＦ電源の出力を負荷に伝達するインピーダンスマッチングネットワークを含むＲＦ電力システムのインピーダンスマッチング方法において、
    周波数可変ＲＦ電源の出力端の第１電気的特性を測定する段階と、
    前記周波数可変ＲＦ電源で前記第１電気的特性を用いてインピーダンスマッチングの状態を検査する段階と、
    前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数を変更する段階と、
    前記駆動周波数が目標駆動周波数であるか否かを検査する段階と、
    インピーダンスマッチングが行われない場合、インピーダンスマッチングのための可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの第１変化量を算出する段階と、
    駆動周波数が目標駆動周波数と一致しない場合、駆動周波数変更のための可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの第２変化量を算出する段階と、
    前記第１変化量と前記第２変化量に因る総変化量を算出し、前記総変化量を用いて可変リアクティブ素子を制御する段階と、を含むＲＦ電力システムのインピーダンスマッチング方法。
24. 所定の周波数可変範囲を有してＲＦ電力を出力する周波数可変ＲＦ電源と負荷との間に配置されるインピーダンスマッチングネットワークにおいて、
    前記インピーダンスマッチングネットワークは、少なくとも２つの可変リアクティブ素子を含み、
    前記可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの変化量は、駆動周波数と目標駆動周波数の違いの関数に与えられることを特徴とするインピーダンスマッチングネットワーク。
25. 所定の周波数可変範囲を有してインピーダンスマッチングのために駆動周波数を変更する周波数可変ＲＦ電源と、
    前記周波数可変ＲＦ電源から出力を受け取って、負荷に伝達するインピーダンスマッチングネットワークを含み、
    前記インピーダンスマッチングネットワークの可変リアクティブ素子のキャパシタンス又はインダクタンスを変更して、前記インピーダンスマッチングネットワークは、前記周波数可変ＲＦ電源が目標駆動周波数で動作するよう誘導することを特徴とするＲＦ電力システム。
26. 周波数可変ＲＦ電源の出力を負荷に伝達する２つ以上の可変リアクティブ素子を含む電気装置において、
    前記可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの変化量は、前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数と目標駆動周波数の違いの関数を含み、
    前記目標周波数は、前記周波数可変ＲＦ電力発生器の前記周波数可変範囲内に存在することを特徴とする電気装置。
27. 周波数可変ＲＦ電源及び周波数可変ＲＦ電源の出力を負荷に伝達するインピーダンスマッチングネットワークを含むＲＦ電力システムのインピーダンスマッチング方法において、
    周波数可変ＲＦ電源の出力端の第１電気的特性を測定する段階と、
    前記周波数可変ＲＦ電源で前記第１電気的特性を用いてインピーダンスマッチングの状態を検査する段階と、
    前記周波数可変ＲＦ電源の駆動周波数を変更する段階と、
    前記インピーダンスマッチングネットワークで第２電気的特性を測定する段階と、
    前記インピーダンスマッチングネットワークで、前記第２電気的特性を用いてインピーダンスマッチングの状態を検査する段階と、
    インピーダンスマッチングのための可変リアクティブ素子のインダクタンス又はキャパシタンスの第１変化量を算出する段階と、
    前記第１変化量を用いて可変リアクティブ素子を制御する段階と、を含むＲＦ電力システムのインピーダンスマッチング方法。

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