JP2021516412A - パルス型可変周波数ｒｆ発生器の駆動周波数制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明の一実施例による周波数チューニングインピーダンスマッチング方法は、ユーザが設定した開始駆動周波数（Ｓｔａｒｔ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）とＲＦ出力信号を分析して駆動周波数を変更する。具体的には、ｎ番目のパルス内で測定されたアシスタントの虚数部であるサセプタンスを用いて次の周波数を予測する。これに応じて、インピーダンスマッチングが高速で行われるか、又は高速で最適周波数に到達する。

Description

本発明は、パルス型可変周波数ＲＦ発生器に関するものとして、より詳細には、高速で周波数チューニングインピーダンスマッチングのためのパルス型可変周波数ＲＦ発生器の周波数制御方法に関する。

プラズマはエッチング工程又は蒸着工程のような半導体製造工程に使用される。ＲＦ電源（ＲＦ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）は、高出力ＲＦ信号をチャンバの負荷に印加してプラズマを生成する。このように生成されたプラズマは、基板表面を望む形で加工し、又は基板に薄膜を蒸着する。

この時、プラズマを生成するために高い出力のＲＦ信号はチャンバの負荷に伝達される。このためにはＲＦ電源（ＲＦ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）とチャンバの負荷との間にインピーダンスが同じであれば、信号の電力が反射せずに伝達される。インピーダンスを早くマッチングさせる技術として、ＲＦ電源（ＲＦ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）でＲＦ信号の駆動周波数を調整することによってインピーダンスをマッチングさせる方法がある。周波数可変インピーダンスマッチング方法は、通常に数ｍｓｅｃ水準でインピーダンスマッチングを行う。

半導体製造工程が進化するにつれて、チャンバの負荷に印加するＲＦ信号は一定の周期で強度変造するパルス型ＲＦ信号（ｐｕｌｓｅｄ ＲＦ ｓｉｇｎａｌ）である。パルス型ＲＦ信号は通常、数ＭＨｚないし数十ＭＨｚの駆動周波数より低い数百Ｈｚないし数ｋＨｚのパルス周波数でオン／オフされる。パルス周波数が増加してオンタイム区間が数ｍｓｅｃ以下に短くなるにつれて、パルスインピーダンスマッチングのために早いＲＦ信号の駆動周波数の制御が求められる。結局、パルス周波数が数ｋＨｚ以上に高くなった場合、タイム区間は１ｍｓｅｃ以下に減少して、ＲＦ信号の駆動周波数を調整する時間が不足してインピーダンスマッチングが難しい。このため、プラズマは不安定である。

本発明の解決しようとする技術的課題は、パルス型ＲＦ発生器の駆動周波数の調整方法又はインピーダンスマッチング方法を提供することである。

本発明の一実施例によるパルス型可変周波数ＲＦ発生器は、交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦのパルスでＲＦ電力を負荷に提供し、前記オンタイム区間Ｔ＿ＯＮ内で駆動周波数を変更する制御ループを含む。パルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数制御方法は、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で駆動周波数ｆ（ｎ、ｍ）を変更する段階と、前記ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）のアドミタンスを用いてｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の駆動周波数を予測する段階と、ｎ＋１番目のパルスのオンタイムＴ＿ＯＮ（ｎ＋１）で前記予測された駆動周波数ｆ（ｎ＋１、１）によって前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器のＲＦ出力を提供する段階と、を含む。ここで、 f（ｎ、ｍ）はｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）内でｍ番目の処理回収で駆動周波数であり、ｎはパルスの順番を示し、ｍは１ないしｑの間の正の整数であり、ｍはオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ内で駆動周波数の変更のための前記制御ループの処理回収を示すインデックスを示す。

本発明の一実施例において、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で駆動周波数ｆ（ｎ、ｍ）を変更する段階は、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端でＲＦ電流信号Ｉ及びＲＦ電圧信号Ｖを測定する第１段階と、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記ＲＦ電流信号Ｉ及び前記ＲＦ電圧信号Ｖを用いて、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端でインピーダンスＺｉ、反射係数Γｉ、及び伝送線による位相を反映した位相移動された反射係数Γ’、位相移動されたアドミタンスｙ’を算出する第２段階と、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）の符号に従って前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数の増減方向を選択して前記駆動周波数を変更する第３段階と、を含み、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）の終了時まで、前記第１段階、前記第２段階、及び前記第３段階は繰り返される。

本発明の一実施例において、前記ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）のアドミタンスを用いてｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の駆動周波数を予測する段階は、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部を駆動周波数に従って直線フィッティングする段階と、前記位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部がゼロである地点に対応する周波数をｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の予測された駆動周波数ｆ（ｎ＋１、１）に設定する段階と、を含む。

本発明の一実施例において、前記ｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の前記予測駆動周波数ｆ（ｎ＋１、ｍ＝１）は 、
f（ｎ＋１、ｍ＝１）＝f（ｎ、ｍ＝ｑ）−ｂ’（ｎ、ｍ＝ｑ）［ｄｆ／ｄｂ’］
ｄｆ／ｄｂ’= ［ｆ（ｎ、ｍ＝ｑ）−ｆ（ｎ、ｍ＝ｒ）］／［ｂ’（ｎ、ｍ＝ｑ）−ｂ’（ｎ、ｍ＝ｒ）］
で与えられる。ここで、ｆ（ｎ、ｍ＝ｒ）はｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で所定のｒ番目の処理回収で駆動周波数であり、ｂ’（ｎ、ｍ＝ｒ）はｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）の所定のｒ番目の処理回収で前記位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部であるサセプタンスであり、f（ｎ、ｍ＝ｑ）はｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で最後の処理回収で駆動周波数であり、ｂ’（ｎ、ｍ＝ｑ）はｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）の最後の処理回収のアドミタンスｙ’の虚数部であるサセプタンスである。

本発明の一実施例において、ｒは３ないしｑ−１の正の整数である。

本発明の一実施例において、前記位相移動された反射係数Γ’を用いてインピーダンスマッチングのための最適条件を判断する段階をさらに含む。前記最適条件は、前記位相移動された反射係数の絶対値｜Γ’｜又は前記位相移動された反射係数Γ’の虚数部Ｉｍ（Γ’）の大きさで判断する。前記最適条件である場合、駆動周波数の変更のための処理回収を示すインデックスｍを増加させた後、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端でＲＦ電流信号Ｉ及びＲＦ電圧信号Ｖを測定する第１段階を行う。前記最適条件でない場合、前記駆動周波数を変更する第３段階を行う。

本発明の一実施例において、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）の符号に従って前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数の増減方向を選択し、前記駆動周波数を変更する第３段階は、前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）が正の値を有する場合、駆動周波数を増加させ、前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）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、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）内で前記駆動周波数の変化量は、前記位相移動された反射係数の絶対値又は前記位相移動された反射係数の虚数部の絶対値に依存する。

本発明の一実施例において、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器と前記負荷との間に配置されて少なくとも２つの可変リアクタンス素子を含むインピーダンスマッチングネットワークの可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変更して、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端で前記負荷方向の前記インピーダンスの実数部Ｒｅ（Ｚｉ）を伝送線の特性インピーダンスに設定する段階をさらに含む。

本発明の一実施例において、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数を変更せずに交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦを含むプラズマ安定化させる段階をさらに含む。

本発明の一実施例によるパルス型可変周波数ＲＦ電源システムは、交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦにＲＦ電力を負荷に提供するパルス型可変周波数ＲＦ発生器を含む。前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器は、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端に配置されてＲＦ電流信号及びＲＦ電圧信号を感知するインピーダンス感知部と、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ （ｎ）で前記ＲＦ電流信号及び前記ＲＦ電圧信号を用いて、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端でのインピーダンスＺｉ及び反射係数Γｉ、前記負荷とパルス型可変周波数ＲＦ発生器との間の伝送線による位相移動された反射係数Γ’、そして前記位相移動された反射係数Γ’で変換された位相移動されたアドミタンスｙ’を算出するインピーダンス処理部と、駆動周波数による前記位相移動されたアドミタンスｙ’を用いて、次のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の駆動周波数を予測する駆動周波数予測部と、前記予測された駆動周波数の提供を受けて、次のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の開始駆動周波数に設定し、前記位相移動された反射係数Γ’を用いて駆動周波数を制御する駆動周波数制御部と、パルス信号を生成してオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦを区分し、前記パルス信号を前記駆動周波数予測部及び前記駆動周波数制御部に提供するパルス発生器と、前記駆動周波数制御部の駆動周波数の正弦波を増幅させるＲＦ増幅器と、を含む。

本発明の一実施例において、前記駆動周波数予測部は、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で駆動周波数に従う位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部を直線フィッティングして位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部がゼロである地点に対応する周波数を予測駆動周波数に設定する。

本発明の一実施例によるパルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数制御方法は、従来の周波数制御方法よりも早い時間にインピーダンスマッチングを行い、インピーダンスマッチングが行われない状況でも反射波を最小化する最適周波数で動作することができる。

通常的な周波数チューニング（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｉｎｇ）又は周波数可変してインピーダンスマッチングを行う例を示す。 通常的な周波数チューニング（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｉｎｇ）又は周波数可変してインピーダンスマッチングを行う例を示す。 通常的な周波数チューニング（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｉｎｇ）又は周波数可変してインピーダンスマッチングを行う例を示す。 本発明の一実施例によるパルス型可変周波数ＲＦ発生器及び負荷を示す回路図である。 図４でパルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端で負荷を見たインピーダンスを表示するスミスチャート（Ｓｍｉｔｈ Ｃｈａｒｔ）である。 本発明の他の実施例によるパルス型可変周波数ＲＦ発生器及び負荷を示す回路図である。 図６のパルス型可変周波数ＲＦ発生器の動作を示す流れ図である。 図６のパルス型可変周波数ＲＦ発生器のパルス型ＲＦ信号、パルス発生器パルス状態信号、及び駆動周波数を示す。 スミスチャート上で駆動周波数によるアドミタンスを示す。 駆動周波数によるアドミタンスの虚数部を示す 。 制御ループの動作時間による駆動周波数の変化を示す。 本発明の他の実施例による駆動周波数によるアドミタンスの虚数部を示す。 図１２の制御ループの動作時間による駆動周波数の変化を示す。 本発明のもう一つの実施例による負荷及び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Ｚ’変化をスミスチャートに表示した絵である。 図１４のスミスチャートに表示されたサセプタンスを駆動周波数に従って表示したグラフである。 本発明のもう一つの実施例によるパルスシーケンスを示す図面である。

図１は、通常的な周波数チューニング（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｉｎｇ）又は周波数可変してインピーダンスマッチングを行う例を示す。
図１に示すように、可変周波数ＲＦ電源は、交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦにＲＦ電力を負荷に伝達する。オンタイム区間Ｔ＿ＯＮが数ｍｓｅｃ以上で十分である場合、前記可変周波数ＲＦ電源の駆動周波数は、オンタイム区間Ｔ＿ＯＮごとに開始駆動周波数ｆ＿ｓｔａｒｔで始まり、所定の時間内でマッチング周波数ｆ＿ｍａｔｃｈでインピーダンスマッチングを行う。一つのパルスのオンタイム区間内で周波数チューニング（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｔｕｎｉｎｇ）が正常に行われる。

図２は、通常的な周波数チューニング（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｉｎｇ）又は周波数可変してインピーダンスマッチングを行う例を示す。
図２に示すように、可変周波数ＲＦ電源は、交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦにＲＦ電力を負荷に伝達する。オンタイム区間Ｔ＿ＯＮが５０μｓｅｃ以下に時間が十分でない場合、前記可変周波数ＲＦ電源の駆動周波数はオンタイム区間Ｔ＿ＯＮごとに開始駆動周波数ｆ＿ｓｔａｒｔからスタートしてオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ内でマッチング周波数ｆ＿ｍａｔｃｈに到達しないため、インピーダンスマッチングを行わない。

図３は、通常的な周波数チューニング（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｉｎｇ）又は周波数可変してインピーダンスマッチングを行う例を示す。
図３に示すように、可変周波数ＲＦ電源は、交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦにＲＦ電力を負荷に伝達する。オンタイム区間Ｔ＿ＯＮが５０μｓｅｃ以下に十分でない場合、前記可変周波数ＲＦ電源の駆動周波数は第１オンタイム区間Ｔ＿ＯＮで第１開始駆動周波数ｆ＿ｓｔａｒｔからスタートしてオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ内でマッチング周波数ｆ＿ｍａｔｃｈに到達しないため、インピーダンスマッチングを行わない。しかし、第２オンタイム区間で第１オンタイム区間の最終周波数を第２開始駆動周波数に設定して、第２オンタイム区間で連続的に駆動周波数を可変しながらインピーダンスをマッチングする。結局、第１オンタイム区間で周波数を可変してマッチング周波数ｆ＿ｍａｔｃｈに到達してインピーダンスマッチングを行う。

しかし、このような方式のインピーダンスマッチング方法は、周波数可変インピーダンスマッチングを行うために複数のパルスを求める。したがって、高速で効率的なパルス型可変周波数ＲＦ発生器のインピーダンスマッチング方法が求められる。

本発明の一実施例による周波数チューニングインピーダンスマッチング方法は、ユーザが設定した開始駆動周波数（Ｓｔａｒｔ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）とＲＦ出力信号を分析して駆動周波数を変更する。具体的には、ｎ番目のパルス内で測定されたアシスタントの虚数部であるサセプタンスを用いて、次の周波数を予測する。これによって、インピーダンマッチングが高速で行われるか、又は高速で最適周波数に到達する。

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細に説明する。しかし、本発明は、ここで説明する実施例に限らず、他の形態で具体化することも可能である。それどころか、ここで紹介される実施例は、開示された内容が徹底かつ完全になるように、当業者に本発明の思想が十分伝えるように提供されるものである。図面において、構成要素は明確性を期するために誇張されたものである。明細書全体に亘って、同一の参照番号は、同一の構成要素を指す。

図４は、本発明の一実施例によるパルス型可変周波数ＲＦ発生器及び負荷を示す回路図である。

図５は、図４でパルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端で負荷を見たインピーダンスを表示するスミスチャート（Ｓｍｉｔｈ Ｃｈａｒｔ）である。

図４及び図５に示すように、パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０は、伝送線１２０を通じてインピーダンスマッチングネットワーク１３０と負荷１４０でＲＦ電力を負荷１４０に伝達する。インピーダンスマッチングネットワーク１３０と負荷１４０を見たインピーダンスはＺ’である。パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０の出力端Ｎ１で伝送線１２０、インピーダンスマッチングネットワーク１３０と負荷１４０を見たインピーダンスはＺｉである。第１インピーダンスＺｉは第１アドミタンスＹｉ＝１／Ｚｉに変換され、第２インピーダンスＺ’は第２アドミタンスｙ’に変換される。また、第２アドミタンスｙ’は規格化されたアドミタンスｙ’＝Ｚ_Ｏ Ｙ’＝ｇ’＋ｉｂ’と表示される。ここで、Ｚ_Ｏは伝送線１２０の特性インピーダンスである。ここで、ｇ’はコンダクタンスであり、ｂ’はサセプタンスである。

インピーダンスマッチング地点は、スミスチャートの原点で、反射係数Γ’がゼロである地点である。インピーダンスマッチングネットワーク１３０の入力端Ｎ１で見た第２インピーダンスＺ’の実数部が５０オームと固定された場合、ｇ’＝１であるコンダクタンスサークル（ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｃｉｒｃｌｅ）は、原点とＰｓｃを直径とする円である。パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０の駆動周波数が増加する場合、スミスチャートのＰ３地点はｇ’＝１であるコンダクタンスサークル（ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｃｉｒｃｌｅ）に沿って時計回りに回転する。パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０の駆動周波数が減少する場合、スミスチャートのＰ２地点はｇ＝１であるコンダクタンスサークル（ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｃｉｒｃｌｅ）に沿って時計回りに回転する。

一方、第１インピーダンスＺｉは第２インピーダンスＺ’に比べて伝送線１３０による位相差φをさらに有する。第２インピーダンスＺ’に対して、ｇ’＝１であるコンダクタンスサークル（ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｃｉｒｃｌｅ）は、スミスチャート上に時計回りに回転する。位相差φは駆動角周波数ω及び伝送線１２０の長さｄに比例し、電磁波の速度ｃに反比例する。前記伝送線の特性インピーダンスはＺ_０である。
第２反射係数Γ’の虚数部が正の値を有する場合、駆動周波数を増加させれば、最小経路に沿ってスミスチャートの原点に移動して、インピーダンスマッチングを行う。一方、第２反射係数Γ’の虚数部が負の値を有する場合、駆動周波数を減少させて最小経路に沿ってスミスチャートの原点に移動してインピーダンスマッチングを行う。

第１インピーダンスＺｉに対して、ｇ＝１であるコンダクタンスサークル（ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｃｉｒｃｌｅ）上にあるＰ１地点は、駆動周波数が増加すると、時計回りに回転し、駆動周波数が減少すると、反時計回りに回転する。

したがって、周波数チューニングインピーダンスマッチングのために駆動周波数の増加又は減少を容易に判断するために、反射係数Γiは位相差φほど回転する。具体的には、Ａ地点は位相変換によってＢ地点に変換される。それに応じて、反射係数Γ’の虚数部の符号に従って駆動周波数の増加又は減少を決定する。

第１インピーダンスＺｉに対応するＰ１の位置で駆動周波数を増加させると、インピーダンス特性によってＰ１を貫通する円に沿って時計回りに動く。駆動周波数を減少させると、反時計回りに動く。このような原理で駆動周波数をチューニングしてスミスチャート上の原点から最も近いところまで移動すると、インピーダンスマッチングが行われる。
Ｐ１の位置で最短距離でインピーダンスをマッチングするためにはスミスチャート上の原点とＰ１の特性円の中心を通る線を基準に上の方にあれば、周波数を減少させ、下の方にあれば、周波数を増加させることが有利である。

最短軌跡を簡単に見出すためには、ｇ＝１であるコンダクタンスサークル（ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｃｉｒｃｌｅ）にφほど角度を提供すれば、円の中心とスミスチャートの中心を通る線がＸ軸（反射係数の実数部軸）と一致される。これに応じて、反射係数Γ’の虚数成分が正か負かによって最適な軌跡を決定する。Ｐ１地点の反射係数に位相はφであり、大きさは１の複素数を掛ける。したがって、反射係数Γ’の虚数成分が正であるＰ３位置は、駆動周波数を増加させることが有利である。また、反射係数Γ’の虚数成分が負であるＰ２位置は、駆動周波数を減少させることが有利である。

図６は、本発明の他の実施例によるパルス型可変周波数ＲＦ発生器及び負荷を示す回路図である。

図７は、図６のパルス型可変周波数ＲＦ発生器の動作を示す流れ図である。

図８は、図６のパルス型可変周波数ＲＦ発生器のパルス型ＲＦ信号、パルス発生器パルス状態信号、及び駆動周波数を示す。

図９は、スミスチャート上で駆動周波数によるアドミタンスを示す。

図１０は、駆動周波数によるアドミタンスの虚数部を示す。

図１１は、制御ループの動作時間による駆動周波数の変化を示す。

図６ないし図１１に示すように、パルス型可変周波数ＲＦ電源システム１００は、パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０と負荷１４０との間に配置されたインピーダンスマッチングネットワーク１３０を含む。前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０は、交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦにＲＦ電力を負荷１４０に提供する。前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、少なくとも２つの可変リアクタンス素子Ｃ１、Ｃ２を含む。前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０の可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変更して前記負荷方向のインピーダンスを調整する。

前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０は、インピーダンス感知部１１５、インピーダンス処理部１１１、駆動周波数予測部１１７、駆動周波数制御部１１３、パルス発生器１１６、及びＲＦ増幅器１１４を含む。前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０は、駆動周波数を変更して高速でインピーダンスマッチング又は最適の周波数で動作する。

インピーダンス感知部１１５は、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０の出力端Ｎ１に配置されてＲＦ電流信号Ｉ及びＲＦ電圧信号Ｖを感知する。ｎはパルスの順番である。

インピーダンス処理部１１１は、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記のＲＦ電流信号Ｉ及び前記ＲＦ電圧信号Ｖを用いて、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０の出力端Ｎ１でのインピーダンスＺｉ及び反射係数Γｉ、前記負荷１４０とパルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０との間の伝送線１２０による位相移動された反射係数Γ’、そして前記位相移動された反射係数Γ’で変換された位相移動されたアドミタンスｙ’を算出する。

駆動周波数予測部１１７は、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で測定された駆動周波数による前記位相移動されたアドミタンスｙ’を用いて、次のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の駆動周波数を予測する。

駆動周波数制御部１１３は、前記予測された駆動周波数を次のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の開始駆動周波数に設定し、前記位相移動された反射係数Γ’を用いて駆動周波数を制御する。

パルス発生器１１６は、パルス信号を生成してオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦを区分し、前記パルス信号を前記駆動周波数予測部１１７及び前記駆動周波数制御部１１３に提供する。

ＲＦ増幅器１１４は、前記駆動周波数制御部の駆動周波数で正弦波を増幅させてＲＦ信号を出力する。

負荷１４０は、容量結合プラズマを形成する電極又は誘導結合プラズマを形成するアンテナである。前記負荷１４０は、半導体工程を処理するチャンバ内部又は外部に装着される。前記負荷１４０は、前記パルス信号に同期化されてパルスプラズマを形成する。駆動周波数は、数ＭＨｚないし数十ＭＨｚである。パルス周波数は、数ｋＨｚないし数十ｋＨｚである 。ＲＦパルスのオンデューティ比（Ｏｎ Ｄｕｔｙ Ｒａｔｉｏ）は、数パーセントないし数十パーセントである。オンタイム区間Ｔ＿ＯＮは、５０μｓｅｃ以下である。好ましくは、オンタイム区間Ｔ＿ＯＮは、１００ uｓｅｃ以下である。

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の連結方法によって様々な類型に分類される。例示的に、インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、負荷に直列連結された第１可変蓄電器Ｃ１と、前記直列連結された第１可変蓄電器Ｃ１と負荷１４０に並列連結された第２可変蓄電器Ｃ２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、Ｌ型、逆Ｌ型（ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｌ−ｔｙｐｅ）、Ｔ型、又はπ型である。前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０の駆動周波数のチューニングによるインピーダンスマッチングに失敗した場合に動作してインピーダンスマッチングを行う。

インピーダンス感知部１１５は、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０の出力端Ｎ１で負荷方向のＲＦ電流信号Ｉ及びＲＦ電圧信号Ｖを測定する。前記ＲＦ電流信号Ｉ及びＲＦ電圧信号Ｖは、前記駆動周波数の周期以上のサンプリング時間の間、前記駆動周波数より高いサンプリングレート（ｓａｍｐｌｉｎｇ ｒａｔｅ）でサンプリングされてデジタル信号に変換されて前記インピーダンス処理部１１１に提供される。

インピーダンス処理部１１１は、前記ＲＦ電流信号Ｉ及びＲＦ電圧信号Ｖを用いて前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０の出力端Ｎ１でのインピーダンスＺｉ及び／又は反射係数Γｉを算出する。また、前記インピーダンス処理部１１１は、伝送線１２０の長さｄによる位相差φを補償する。具体的に、反射係数Γｉは、インピーダンスマッチングネットワーク１３０の入力端Ｎ２で負荷１４０を見た位相移動された反射係数Γ’であり、次のように変換される。

ここで、φは位相差であり、ｄ は伝送線の長であり、ω は駆動角周波数であり、c は伝送線で電磁波の速度である。前記伝送線１２０は同軸ケーブルである。前記位相移動された反射係数Γ’は、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Ｎ２で負荷を見た反射係数である。

インピーダンス処理部１１１は、位相移動された反射係数Γ’を位相移動されたアドミタンスｙ’に変換する。位相移動されたアドミタンスは、以下のように与えられる。

ここで、ｇ’はコンダクタンスであり、ｂ’はサセプタンスである。

前記駆動周波数制御部１１３は、前記位相移動された反射係数Γ’の提供を受ける。前記駆動周波数制御部１１３は、オンタイム区間Ｔ＿ＯＮを複数の単位時間Δｔに分割して、単位時間Δｔごとに駆動周波数を変更する。単位時間Δｔは、制御ループの動作時間であり、約１ uｓｅｃ水準である。したがって、制御ループの総個数ｑはＴ＿ＯＮ／Δｔである。ここで、ｑは３以上の正の定数である。

前記駆動周波数制御部１１３は、前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）の符号に従って駆動周波数の増減の方向を選択する。具体的には、反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）が正の値を有する場合、前記駆動周波数を周波数変化量ｄｆほど増加させる。また、前記反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）が負の値を有する場合、前記駆動周波数を周波数変化量ｄｆほど減少させる。周波数変化量ｄｆは、反射係数の絶対値|Γ’|又は反射係数の虚数部Ｉｍ（ Γ’）の大きさに依存する。例えば、前記周波数変化量ｄｆは、反射係数の絶対値｜Γ’｜又は反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）の大きさに比例する。例えば、前記駆動周波数制御部１１３は、前記反射係数の絶対値|Γ’|がしきい値以下にインピーダンスマッチングが行われた場合には、駆動周波数を変更しない。前記駆動周波数制御部１１３は、インピーダンスマッチング程度によって周波数変化量ｄｆを調整する。

前記駆動周波数制御部１１３は、比例−積分−微分制御方式を使用する。前記駆動周波数制御部１１３は、オンタイム区間Ｔ＿ＯＮに駆動周波数を出力し、オフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦに駆動周波数を出力しない。

前記ＲＦ増幅器１１４は、前記駆動周波数でＲＦ出力を提供する。ＲＦ増幅器１１４は、ＲＦ電力増幅器である。前記ＲＦ増幅器１１４の出力は、数百ワットないし数十キロワットである。

パルス発生器１１６は、前記オンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦを識別するためのパルス信号を前記駆動周波数制御部１１３及び駆動周波数予測部１１７に提供する。前記パルス発生器１１６の周波数は、数ｋＨｚないし数十ｋＨｚである。前記駆動周波数が１３.５６ＭＨｚの範囲にある場合、前記オンタイム区間Ｔ＿ＯＮ及び前記オフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦはそれぞれ５０μｓｅｃ水準である。制御ループの動作時間又は単位時間Δｔは、約１ uｓｅｃ水準である。

駆動周波数予測部１１７は、最初のパルスの開始周波数ｆ＿ｓｔａｒｔの提供を受ける。また、最適条件を判断するためのしきい値の提供を受ける。また、周波数予測を行う制御ループの特定回収ｍ＝ｒ又はホールドオフタイムが提供される。駆動周波数予測部１１７は、位相移動されたアドミタンスｙ’又はサセプタンスｂ’及び駆動周波数ｆの提供を受ける。駆動周波数予測部１１７は、位相移動された反射係数Γ’の提供を受け、前記しきい値と比較し、インピーダンスマッチング条件を満たさない場合にのみ予測駆動周波数を算出する。

前記駆動周波数予測部１１７は、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で駆動周波数に従う位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部ｂ’を直線フィッティングして位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部ｂ’がゼロである地点に対応する周波数を予測駆動周波数に設定する。

前記次のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の前記予測された駆動周波数ｆ（ｎ＋１、１）は、次のように与えられる 。

で与えられる。

ここで、ｆ（ｎ、ｍ＝ｒ）は、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で所定のｒ番目の処理回収で駆動周波数である。ｂ’（ｎ、ｍ＝ｒ）は、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）の所定のｒ番目の処理回収で前記位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部であるサセプタンスである。f（ｎ、ｍ＝ｑ）は、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で最後の処理回収で駆動周波数である。ｂ’（ｎ、ｍ＝ｑ）は、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）の最後の処理回収ｑのアドミタンスｙ’の虚数部であるサセプタンスである。ｒは、３ないしｑ−１の正の定数である。制御ループの総個数ｑは、Ｔ＿ＯＮ／Δｔである。ｑは３以上の正の定数である。

又は、前記次のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の前記予測された駆動周波数ｆ（ｎ＋１、１）は、次のように与える 。

で与えられる。

駆動周波数予測部１１７は、予測された駆動周波数ｆ（ｎ＋１、ｍ＝１）を前記駆動周波数制御部１１３に提供して、ｎ＋１番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）の開始駆動周波数で動作する。それに応じて、高速周波数チューニングインピーダンスマッチングが行われる。

以下、パルス型可変周波数ＲＦ発生器のインピーダンスマッチング方法が説明される。

図７を再度参照すると、本発明の一実施例によるパルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０は、交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦのパルスでＲＦ電力を負荷１４０に提供し、前記オンタイム区間Ｔ＿ＯＮ内で駆動周波数を変更する制御ループを含む。

パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０のインピーダンスマッチング方法は、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で駆動周波数ｆ（ｎ、ｍ）を変更する段階（Ｓ１０１）と、前記ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）のアドミタンスを用いてｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の駆動周波数を予測している段階（Ｓ３０１）と、ｎ＋１番目のパルスのオンタイムＴ＿ＯＮ（ｎ＋１）で前記予測された駆動周波数ｆ（ｎ＋１、１）によって前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０のＲＦ出力を提供する段階（Ｓ１４１）と、を含む。ここで、f（ｎ、ｍ）はｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）内でｍ番目の処理回収（又は制御ループ）で駆動周波数である。ｎはパルスの順番を示す。ｍは１ないしｑの間の正の定数である。制御ループの総個数ｑはＴ＿ＯＮ／Δｔである。ここで、ｑは３以上の正の定数である。ｍはオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ内で駆動周波数の変更のための前記制御ループの処理回収を示すインデックスを示す。

まず、最初のパルスの開始駆動周波数ｆ＿ｓｔａｒｔ、パルスのデューティ比、パルスの周期、一つのパルス内で制御ループの総個数ｑ、制御ループの動作時間Δ及び制御ループの処理回収を示すインデックスｍの初期値が設定される（Ｓ１１０）。

ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で駆動周波数ｆ（ｎ、ｍ）を変更する段階（Ｓ１０１）は、第１段階（Ｓ１２１）、第２段階（Ｓ１２２、Ｓ１２３）、そして第３段階（Ｓ１２６）を含む。

Ｓ１２１段階において、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０の出力端でＲＦ電流信号Ｉ及びＲＦ電圧信号Ｖを測定する。前記ＲＦ電流信号Ｉ及びＲＦ電圧信号Ｖは、インピーダンス感知部１１５に感知される。

Ｓ１２２及びＳ１２３段階において、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記ＲＦ電流信号Ｉ及び前記ＲＦ電圧信号Ｖを用いて前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端でインピーダンスＺｉ、反射係数Γｉ、及び伝送線による位相を反映した位相移動された反射係数Γ’、位相移動されたアドミタンスｙ’を算出する。位相移動された反射係数Γ’は、（数１）によって演算される。インピーダンス処理部１１１は、インピーダンスＺｉ、反射係数Γｉ、及び伝送線による位相を反映した位相移動された反射係数Γ’、位相移動されたアドミタンスｙ’を算出する。

Ｓ１２４段階において、前記位相移動された反射係数Γ’を用いてインピーダンスマッチングのための最適条件を判断する。前記駆動周波数制御部は、前記位相移動された反射係数Γ’を用いてインピーダンスマッチングのための最適条件を判断する。前記最適条件は、前記位相移動された反射係数の絶対値｜Γ’｜又は前記位相移動された反射係数Γ’の虚数部Ｉｍ（Γ’）の大きさで判断される。前記最適条件である場合、駆動周波数の変更のための処理回収を示すインデックスｍを増加させた後、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端でＲＦ電流信号Ｉ及びＲＦ電圧信号Ｖを測定する第１段階（Ｓ１２１）を行う。前記最適条件でない場合、前記駆動周波数を変更する第３段階（Ｓ１２６）を行う。

具体的に、前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）がしきい値以内である場合（又はインピーダンスマッチングが完了された場合）、駆動周波数の変更のための処理回収を示すインデックスｍを増加させた（Ｓ１２４ａ）後、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端でＲＦ電流信号Ｉ及びＲＦ電圧信号Ｖを測定する第１段階（Ｓ１２１）を行う。前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）がしきい値以外にある場合、前記駆動周波数を変更する第３段階（Ｓ１２６）を行う。

第３段階（Ｓ１２６）において、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）の符号に従って前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数の増減方向を選択し、前記駆動周波数を変更する。具体的には、前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）が正の値を有する場合、駆動周波数は増加し、前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）が負の値を有する場合、駆動周波数は減少する。前記駆動周波数の変化量ｄｆは、反射係数の絶対値|（Γ’）|又は反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）の大きさに依存する。

Ｓ１２５段階において、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）が終了するか否かを判断する。すなわち、ｍ＞ｑの場合、オンタイン区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）が終了される。オンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）が終了されない場合、Ｓ１２６段階で、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）の符号に従って前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数の増減方向を選択して前記駆動周波数を変更する。

ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）の終了時まで前記第１段階（Ｓ１２１）、前記第２段階（Ｓ１２２、Ｓ１２３）、及び前記第３段階（Ｓ１２６）は繰り返される。

オンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）が終了された場合（ｍ＞ｑ）、Ｓ１３１段階で、前記ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）のアドミタンスｙ’を用いてｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の駆動周波数を予測する。Ｓ１３１段階は、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部を駆動周波数に従って直線フィッティングする段階と、前記位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部がゼロである地点に対応する周波数をｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の予測された駆動周波数ｆ（ｎ＋１、１）に設定する段階と、を含む。Ｓ１３１段階は、インピーダンスがマッチングされていない場合にのみ選択的に行われる。

前記ｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の前記予測駆動周波数ｆ（ｎ＋１、ｍ＝１）は、（数３）又は（数４）で与えられる。ｍ＝１である場合、パルスの開始時間によって負荷であるプラズマの安定性が減少して、不安定なインピーダンスが測定される。したがって、ｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）で使用する予測された駆動周波数は、所定のｒ番目の処理回収で測定されたデータと最後のｑ番目の処理回収で測定されたデータを処理して使用する。つまり、ｒは３ないしｑ−１の正の定数である。

ｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の駆動周波数を予測した後、オフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦのために時間遅延が行われる（Ｓ１３２）。

次のパルスのために、ｎ＝ｎ＋１に設定し、制御回路の処理回収インデックスはｍ＝１に設定する（Ｓ１３３）。

ｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の予測駆動周波数ｆ（ｎ＋１、１）でＲＦ電力を出力する（Ｓ１４１）。

ｎ＋２番目のパルスが始まる前まで、ｎ＋１番目のパルスで制御ループがｑ回繰り返される。

図８に示すように、パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０は、交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦのパルスでＲＦ電力を負荷１４０に提供する。パルス発生器１１０は、交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦのパルス信号を生成する。前記パルス信号の周期は約１００ uｓｅｃ水準である。

前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０の駆動周波数は、最初のパルスの開始駆動周波数ｆ＿ｓｔａｒｔで初めてｎ番目のパルスのｍ＝１の制御ループで、f（n、ｍ＝１）の駆動周波数を有する。時間に応じて、前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）が負の値を有する場合、駆動周波数は減少する。ｍ＝ｒの制御ループ及びｍ＝ｑの制御ループで、駆動周波数とサセプタンスｂ’を使用して、ｎ＋１番目のパルスのｍ＝１の制御ループで使用する駆動周波数ｆ（ｎ＋１、ｍ＝１）が予測される。すなわち、次のパルスの開始駆動周波数は、以前のパルスの駆動周波数とサセプタンスｂ’を使用して予測される。これに応じて、高速の周波数チューニングインピーダンスマッチング又は最適周波数設定が可能である。本発明によると、１−３個のパルス内でインピーダンスマッチングが完了する。

図９に示すように、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０の駆動周波数の可変範囲は、１２.８８ＭＨｚ〜１４.２４ＭＨｚである。マッチングされた周波数は１３.５６ＭＨｚであり、インピーダンスマッチングネットワーク１３０と負荷１４０を含むインピーダンスの実数部Ｚ’は、５０オームに設定された。位相移動された反射係数Γ’又は位相移動されたアドミタンスｙ’は、スミスチャートに表示される。最適のインピーダンスマッチング位置は、反射係数Γ’の虚数成分が“０”である周波数である。スミスチャート上で、１２.８８ＭＨｚから駆動周波数が増加することによってサセプタンスｂ’が負の値からゼロに増加する。一方、１４.２４ＭＨｚから駆動周波数が減少することによってサセプタンスｂ’が正の値からゼロに減少する。

ｇ’＝１であるコントクトンスサークルで、駆動周波数が増加することによってサークルに沿って時計回りに回転し、サセプタンスｂ’の絶対値が漸進的にゼロに接近する。サセプタンスｂ’の絶対値がゼロに達すると、インピーダンスがマッチングされる。

図１０及び図１１に示すように、実線は、負荷１４０及びインピーダンスマッチングネットワーク１３０のインピーダンスＺ’の実数部が５０ｏｈｍである場合、駆動周波数によるサセプタンスｂ’を表示する。１２.８８ＭＨｚから駆動周波数が増加することによってサセプタンスｂ’が負の値からゼロに増加する。ｆ（ｎ、ｍ＝ｒ）は、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）でのｍ＝ｒ番目の制御ループの駆動周波数を示す。ｆ＿ｍａｔｃｈ は、インピーダンスがマッチングされた駆動周波数である。点線は、ｆ（ｎ、ｍ＝ｒ）でのサセプタンスとf（ｎ、ｍ＝ｑ）でサセプタンスを連結する直線である。前記直線がゼロである地点の周波数がｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間で予想される予測マッチング周波数である。ｒとｑを連結する直線のサセプタンスｂ’が“０”になる周波数f（ｎ＋１、ｍ＝１）が予測マッチング周波数であり、次のパルスの開始駆動周波数になる。

ｎ番目のパルスのオンタイム区間のデータ（又はサセプタンス）を使用して得られた予測駆動周波数をｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間の開始駆動周波数として使用すると、高速で周波数のチューニングインピーダンスマッチングが行われる。

図１２は、本発明の他の実施例による駆動周波数によるアドミタンスの虚数部を示す。

図１３は、図１２の制御ループの動作時間による駆動周波数の変化を示す。

図１２及び図１３に示すように、実線は、負荷及び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Ｚ’の実数部が５０ｏｈｍである場合、駆動周波数によるサセプタンスｂ’が表示される。１２.８８ＭＨｚから駆動周波数が増加することによってサセプタンスｂ’が負の値からゼロに増加する。ｆ（ｎ、ｍ＝ｒ）は、ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）でのｍ＝ｒ番目の制御ループの駆動周波数を示す。ｆ＿ｍａｔｃｈ は、インピーダンスがマッチングされた駆動周波数である。点線は、ｆ（ｎ、ｍ＝ｒ）でのサセプタンスとf（ｎ、ｍ＝ｑ）でサーソプタンスを連結する直線である。ｒとｑを連結する直線がゼロである地点の駆動周波数がｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間で予想される予測駆動周波数である。ｒとｑを連結する直線のサセプタンスｂ’が“ゼロ”になる駆動周波数がｆ（ｎ＋１、１）である。ｆ（ｎ＋１、１）は、ｆ＿ｍａｔｃｈ（１３.５６ＭＨｚ）より大きい。

ｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間の前記予測駆動周波数で反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ'）が正の値を有する。したがって、ｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間で、駆動周波数は制御ループが動作することによって減少する。

ｎ番目のパルスのオンタイム区間のデータ（又はサセプタンス）を使用して得られた予測駆動周波数をｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間の開始駆動周波数として使用すると、高速で周波数チューニングインピーダンスマッチングが行われる。

図１４は、本発明のもう一つの実施例による負荷及び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Ｚ’変化をスミスチャートに表示した絵である。

図１５は、図１４のスミスチャートに表示されたサセプタンスを駆動周波数に従って表示したグラフである。

図１４及び図１５に示すように、ｇ’＝１であるコンダクタンスサークルは、インピーダンスＺ’の実数部Ｒｅ（Ｚ’）が５０オームの場合である。ｇ’＝０.５であるサークルは、インピーダンスの実数部Ｒｅ（Ｚ’）が１００オームの場合である。ｇ’＝２であるサークルは、インピーダンスの実数部Ｒｅ（Ｚ’）が２５オームの場合である。

インピーダンスの実数部Ｒｅ（Ｚ’）が５０オームでない場合にも、パルス型可変周波数ＲＦ発生器は動作する。すなわち、インピーダンスマッチングは行われないが、反射係数の絶対値| Γ’|を最小化する駆動周波数が存在する。ｇ’＝０.５であるサークルで、Ｋの位置は反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）がゼロになる地点で、インピーダンスマッチング条件の代わりに最適周波数の位置に使用される。ｇ’＝２であるサークルで、Ｌの位置は反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）がゼロになる地点で、インピーダンスマッチング条件の代わりに最適周波数の位置に使用される。

図７を再度参照すると、Ｓ１２４段階において、前記位相移動された反射係数Γ’を用いてインピーダンスマッチングのための最適条件を判断する。前記最適条件は、前記位相移動された反射係数の絶対値｜Γ’｜又は前記位相移動された反射係数Γ’の虚数部Ｉｍ（Γ’）の大きさで判断する。例えば、前記位相移動された反射係数Γ’の虚数部Ｉｍ（Γ’）の絶対値がしきい値以下である場合、最適条件を判断する。インピーダンスのマッチングは、反射係数の絶対値｜Γ’｜で判断されるが、インピーダンスマッチングが行われない場合には、反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）がゼロであるか否か（又は臨界値以下であるか否か）によって最適条件を判断する。

したがって、反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）がゼロである場合、現在の状況では最適駆動周波数である。したがって、駆動周波数は最適駆動周波数で維持される。

一方、インピーダンスの実数部が５０オームより大きい値を有する場合、予測駆動周波数の誤差は増加する。しかし、この誤差は一つのパルス内で制御ループアルゴリズムによって到達する。ｎ＋１番目のパルスでもｆ＿ｍａｔｃｈに達しない場合に、駆動周波数を予測するアルゴリズムがパルスごとに行われて、ｎ＋２番目のパルス内で最適の駆動周波数に到達する。

前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器は、駆動周波数を変更して最適駆動周波数で動作する。インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器１１０と前記負荷１４０との間に配置され、少なくとも２つの可変リアクタンス素子を含む。前記インピーダンスマッチングネットワーク１３０は、完璧なインピーダンスマッチングのために可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変更する。これによって、インピーダンスマッチングネットワークの入力端Ｎ２で前記負荷方向の前記インピーダンスの実数部Ｒｅ（Ｚ’）は伝送線の特性インピーダンスＺ_０に変更される。これによって、ｇ’＝１であるコンダクタンスサークル上にインピーダンスＺ’が存在して、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器はインピーダンスマッチングを行う。

図１６は、本発明のもう一つの実施例によるパルスシーケンスを示す図面である。

図１６に示すように、本発明の駆動周波数を予測するアルゴリズムが行われる前に、少なくとも一つの駆動周波数を予測するアルゴリズムが行われないパルスが負荷に伝達される。このようなパルスは、フラズマを初期放電してｚ安定化させる。プラズマ安定化区間の間、駆動周波数は既に設定された開始駆動周波数ｆ＿ｓｔａｒｔで動作する。前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数を変更せずに交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦを含むプラズマ安定化させる段階を含む。

以上では、本発明を特定の好ましい実施例に対して図示して説明したが、本発明はこのような実施例に限らず、当該発明の属する技術分野において通常の知識を有する者が特許請求の範囲で請求する本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で行うことができる様々な形態の実施例を全て含む。

Claims (12)

1. 交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦのパルスでＲＦ電力を負荷に提供し、前記オンタイム区間Ｔ＿ＯＮ内で駆動周波数を変更する制御ループを含むパルス型可変周波数ＲＦ発生器の 駆動周波数制御方法において、
   ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で駆動周波数ｆ（ｎ、ｍ）を変更する段階と、
   前記ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）のアドミタンスを用いてｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の駆動周波数を予測する段階と、
   ｎ＋１番目のパルスのオンタイムＴ＿ＯＮ（ｎ＋１）で前記予測された駆動周波数ｆ（ｎ＋１、１）によって前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器のＲＦ出力を提供する段階と、を含み、
   ここで、
   f（ｎ、ｍ）はｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）内でｍ番目の処理回収で駆動周波数であり、
   ｎはパルスの順番を示し、
   ｍは１ないしｑの間の正の整数であり、
   ｍはオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ内で駆動周波数の変更のための前記制御ループの処理回収を示すインデックスを示すことを特徴とするパルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数制御方法。
2. ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で駆動周波数ｆ（ｎ、ｍ）を変更する段階は、
   ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端でＲＦ電流信号Ｉ及びＲＦ電圧信号Ｖを測定する第１段階と、
   ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記ＲＦ電流信号Ｉ及び前記ＲＦ電圧信号Ｖを用いて、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端でインピーダンスＺｉ、反射係数Γｉ、及び伝送線による位相を反映した位相移動された反射係数Γ’、位相移動されたアドミタンスｙ’を算出する第２段階と、
   ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）の符号に従って前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数の増減方向を選択して前記駆動周波数を変更する第３段階と、を含み、
   ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）の終了時まで、前記第１段階、前記第２段階、及び前記第３段階は繰り返されることを特徴とする請求項１に記載のパルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数制御方法。
3. 前記ｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）のアドミタンスを用いてｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の駆動周波数を予測する段階は、
   ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部を駆動周波数に従って直線フィッティングする段階と、
   前記位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部がゼロである地点に対応する周波数をｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の予測された駆動周波数ｆ（ｎ＋１、１）に設定する段階と、を含むことを特徴とする請求項２に記載のパルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数制御方法。
4. 前記ｎ＋１番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の前記予測駆動周波数ｆ（ｎ＋１、ｍ＝１）は 、
   f（ｎ＋１、ｍ＝１）＝f（ｎ、ｍ＝ｑ）−ｂ’（ｎ、ｍ＝ｑ）［ｄｆ／ｄｂ’］
   ｄｆ／ｄｂ’= ［ｆ（ｎ、ｍ＝ｑ）−ｆ（ｎ、ｍ＝ｒ）］／［ｂ’（ｎ、ｍ＝ｑ）−ｂ’（ｎ、ｍ＝ｒ）］
   で与えられ、
   ここで、
   ｆ（ｎ、ｍ＝ｒ）はｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で所定のｒ番目の処理回収で駆動周波数であり、
   ｂ’（ｎ、ｍ＝ｒ）はｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）の所定のｒ番目の処理回収で前記位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部であるサセプタンスであり、
   f（ｎ、ｍ＝ｑ）はｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で最後の処理回収ｑで駆動周波数であり、
   ｂ’（ｎ、ｍ＝ｑ）はｎ番目のパルスのオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）の最後の処理回収ｑのアドミタンスｙ’の虚数部であるサセプタンスであることを特徴とする請求項３に記載のパルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数制御方法。
5. ｒは３ないしｑ−１の正の整数であることを特徴とする請求項４に記載のパルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数制御方法。
6. 前記位相移動された反射係数Γ’を用いてインピーダンスマッチングのための最適条件を判断する段階をさらに含み、
   前記最適条件は、前記位相移動された反射係数の絶対値｜Γ’｜又は前記位相移動された反射係数Γ’の虚数部Ｉｍ（Γ’）の大きさで判断し、
   前記最適条件である場合、駆動周波数の変更のための処理回収を示すインデックスｍを増加させた後、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端でＲＦ電流信号Ｉ及びＲＦ電圧信号Ｖを測定する第１段階を行い、
   前記最適条件でない場合、前記駆動周波数を変更する第３段階を行うことを特徴とする請求項２に記載のパルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数制御方法。
7. ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）の符号に従って前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数の増減方向を選択し、前記駆動周波数を変更する第３段階は、
   前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）が正の値を有する場合、駆動周波数を増加させ、
   前記位相移動された反射係数の虚数部Ｉｍ（Γ’）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２に記載のパルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数制御方法。
8. ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）内で前記駆動周波数の変化量は、前記位相移動された反射係数の絶対値又は前記位相移動された反射係数の虚数部の絶対値に依存することを特徴とする請求項７に記載のパルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数制御方法。
9. 前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器と前記負荷との間に配置されて少なくとも２つの可変リアクタンス素子を含むインピーダンスマッチングネットワークの可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変更して、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端で前記負荷方向の前記インピーダンスの実数部Ｒｅ（Ｚｉ）を伝送線の特性インピーダンスに設定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のパルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数制御方法。
10. 前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波数を変更せずに交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦを含むプラズマ安定化させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のパルス型可変周波数ＲＦ発生器の駆動周波制御方法。
11. 交番するオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦにＲＦ電力を負荷に提供するパルス型可変周波数ＲＦ発生器を含むパルス型可変周波数ＲＦ電源システムにおいて、
    前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器は、
    ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端に配置されてＲＦ電流信号及びＲＦ電圧信号を感知するインピーダンス感知部と、
    ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ （ｎ）で前記ＲＦ電流信号及び前記ＲＦ電圧信号を用いて、前記パルス型可変周波数ＲＦ発生器の出力端でのインピーダンスＺｉ及び反射係数Γｉ、前記負荷とパルス型可変周波数ＲＦ発生器との間の伝送線による位相移動された反射係数Γ’、そして前記位相移動された反射係数Γ’で変換された位相移動されたアドミタンスｙ’を算出するインピーダンス処理部と、
    駆動周波数による前記位相移動されたアドミタンスｙ’を用いて、次のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の駆動周波数を予測する駆動周波数予測部と、
    前記予測された駆動周波数の提供を受けて、次のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ＋１）の開始駆動周波数に設定し、前記位相移動された反射係数Γ’を用いて駆動周波数を制御する駆動周波数制御部と、
    パルス信号を生成してオンタイム区間Ｔ＿ＯＮとオフタイム区間Ｔ＿ＯＦＦを区分し、前記パルス信号を前記駆動周波数予測部及び前記駆動周波数制御部に提供するパルス発生器と、
    前記駆動周波数制御部の駆動周波数の正弦波を増幅させるＲＦ増幅器と、を含むことを特徴とするパルス型可変周波数ＲＦ電源システム。
12. 前記駆動周波数予測部は、ｎ番目のオンタイム区間Ｔ＿ＯＮ（ｎ）で駆動周波数に従う位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部を直線フィッティングして位相移動されたアドミタンスｙ’の虚数部がゼロである地点に対応する周波数を予測駆動周波数に設定することを特徴とする請求項１１に記載のパルス型可変周波数ＲＦ電源システム。

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