JP2024509736A - 電力供給装置およびプラズマシステム - Google Patents

Abstract

発電機（２）と、発電機（２）に接続されたインピーダンス整合装置（６）とを備えた、プラズマ用に電気高周波電力信号を生成するための電力供給装置（１）であり、電力供給装置（１）は、特に、インピーダンス整合装置（６）の入力部（５）において、または発電機（２）の出力部（３）においてインピーダンス量を特定し、あらかじめ設定された期間におけるインピーダンスベースの品質スコア（１７）を算出して出力するように構成されている。

Description

本発明は、プラズマ用に電気高周波電力信号を生成するための電力供給装置と、このような電力供給装置を備えたプラズマシステムとに関する。

本発明は、プラズマ用に電気ＨＦ電力信号を生成するための電力供給装置と、電力供給装置を作動させる方法とに関する。

発電機のインピーダンスに負荷のインピーダンスを整合させるために、インピーダンス整合ネットワークが使用される。

インピーダンス整合ネットワークは、ＨＦ励起プラズマ処理においてしばしば使用される。周波数は一般的に１ＭＨｚまたはそれ以上である。ＨＦ励起プラズマ処理は例えば、建築用ガラス、半導体、太陽電池素子、フラットスクリーン、ディスプレイ等の製造において、基板のコーティング（スパッタリング）および／またはエッチングに使用される。このような処理におけるインピーダンスは、しばしば極めて急速に変化し、そのためにインピーダンス整合を極めて急速に（数ミリ秒以内に）行うべきであることも多い。このような処理に一般的に供給される電力は、数１００Ｗ、例えば３００Ｗ以上であるが、１キロワット以上であることもまれではなく、１０ｋＷ以上にもなることも多い。このような電力では、インピーダンス整合装置内の電圧はしばしば数１００Ｖ、例えば３００Ｖ以上であり、１０００Ｖ以上にもなることもまれではない。このような回路における電流は、数アンペア、しばしば１０Ａ以上、ときには１００Ａ以上にもなることがある。このような電圧および電流においてインピーダンス整合ネットワークを実現することは、以前からの大きな挑戦である。このようなインピーダンス整合ネットワークにおいてリアクタンスを急速に変更できるようにすることは、付加的な極めて大きな挑戦である。このようなインピーダンス整合ネットワークの例は、例えば独国特許出願公開第１０２０１５２２０８４７号明細書または独国実用新案第２０２０２０１０３５３９号明細書に開示されている。

一般的には、負荷のインピーダンスを５０オームに変換するためにインピーダンス整合ネットワークが使用される。インピーダンス整合の品質についての情報を得るためには、しばしば平均反射電力の値が算出されて、整合過程の品質についての指標として使用されることがある。同時に、平均反射電力の値は、プラズマについての安定性判定基準として使用される。パルス式の適用では、それぞれのパルスの開始および終了時に過渡過程および減衰過程が発生し、これらにより、安定したプラズマ処理および最善の整合にもかかわらず、反射電力が生じてしまう。

したがって、本発明全体の課題は、整合過程の品質について、より信頼性の高い情報を的確に表すことができる電力供給装置を提供することである。

この課題は、本発明により、発電機と、発電機に接続されたインピーダンス整合装置とを備えた、プラズマ用に電気ＨＦ電力信号を生成するための電力供給装置によって解決され、電力供給装置は、特にインピーダンス整合装置の入力部において、または発電機の出力部において、インピーダンス量を特定し、あらかじめ設定された期間におけるインピーダンスベースの品質スコアを算出し、特に後続の処理および／または使用のために出力するように構成されている。

インピーダンス量は、複素インピーダンス、複素反射係数、インピーダンスの絶対値および位相、またはこれらから導出される値、例えばアドミタンスまたは公称インピーダンスであってよい。基本的には、インピーダンス量として複素の、または２次元の実数の量を検出することも考えられる。特に、これが、インピーダンス整合装置と発電機とが統合されている統合型システムである場合に有利であるのは、インピーダンス量が発電機の出力部において検出される場合である。

平均反射電力とは異なり、インピーダンスベースの品質スコアは、あらかじめ設定された期間において算出される。あらかじめ設定された期間は、過渡過程および減衰過程が、インピーダンスベースの品質スコアの算出に含まれてないように選択可能である。これにより、整合過程についての説得力のある品質スコアが算出可能である。インピーダンスベースの品質スコアは、無次元量であってよい。

電力供給装置は、インピーダンスベースの品質スコアとして、測定したインピーダンス量のインピーダンス平均値、特に、幾何平均値、幾何学的重心、算術平均値または中央値を算出するように構成可能である。特に、幾何平均値は、特に容易な仕方で算出可能である。

電力供給装置は、インピーダンス整合装置の操作量を生成して、品質スコアが、あらかじめ設定された値を取るように構成可能である。これにより、インピーダンス整合装置は、品質スコアに基づいてインピーダンス整合を行うことができる。例えば、インピーダンス整合が行われるように、操作量を介し、インピーダンス整合装置の変更可能なリアクタンスを設定することができる。

インピーダンス整合装置が調整可能でない場合に考えられるのは、算出された品質スコアに基づいて、発電機によって出力される電力を変化させ、これにより、より良好な品質スコアが得られ、ひいてはより良好なインピーダンス整合が得られるようにすることである。例えば、ＨＦ電力信号の周波数を変化させることができる。

電力供給装置は、品質スコアに基づいて、評価反射電力を算出するように構成可能である。評価反射電力とは、ユーザが慣れているため、ユーザが判定しかつ分類することができる量のことである。算出される評価反射電力は、以下では（仮想）反射電力とも称され、実際の（測定可能な）反射電力には対応しない。算出される評価反射電力はまた、品質スコアとも理解することができる。

インピーダンス整合装置は、品質スコアを算出するように構成されている測定装置を有していてよい。これにより、品質スコアを直接的に算出することができる。

択一的には、インピーダンス整合装置が、品質スコアを算出するように構成された制御器を有することが考えられる。特に、制御器の積分部分により、期間にわたって、検出したインピーダンス量を暗黙的に平均化することができる。この際に制御器は、品質スコアを可能な限りに目標値に整合させるか、もしくは制御するために使用される。

品質スコアは、発電機に出力可能である。これによって可能であるのは、発電機が、検出した進行波電力により、評価（仮想）反射電力を算出できることである。特に、整合化のための制御アルゴリズムが変換されない場合、このことにより、大きな反射電力が生じる。したがって一般に、反射電力は、制御もしくは整合化が成功したか否かについての尺度として使用される。しかしながら、過渡インピーダンスでは、特にパルス周波数が高い場合、このことは当てはまらない。制御アルゴリズムにより、最善の整合化が実現されている場合でも反射電力が発生する。品質スコア、特にインピーダンス量の幾何平均値は、本発明では、評価（仮想）反射電力を計算するために使用される。これは、実際の反射電力の代わりに、またはこれに付加的に示すことができ、したがってユーザにとって慣れかつ既知の量が提供される。

品質スコアは、例えば、アナログ信号として出力可能である。しかしながら特に有利であるのは、算出される評価反射電力を出力するために表示装置が設けられている場合である。

発電機は、生成した（進行波）電力を測定するように構成可能である。測定され生成されるこの電力は、評価（仮想）反射電力を算出するために使用可能である。

あらかじめ設定された期間は、算出される評価（仮想）反射電力に影響を与えることなく、プラズマに最大のエネルギ転送が行われるように決定可能である。特に、期間はパルス持続時間よりも短くてよい。さらに、期間は、パルス開始が期間の外にあるように選択可能である。

本発明の枠内にはさらに、プラズマ用に電気高周波（ＨＦ）電力信号を生成するための電力供給装置を作動させる方法が含まれ、インピーダンス量、特にインピーダンス整合装置の入力部における、または発電機の出力部におけるインピーダンス量を特定し、あらかじめ設定された期間においてインピーダンスベース品質スコアを算出し、インピーダンスベースの品質スコアを出力する。特に、後続の使用または処理のためにインピーダンスベースの品質スコアを出力することができる。インピーダンスベースの品質スコアは、デジタル信号またはアナログ信号として出力可能である。

インピーダンスベースの品質スコアとして、測定したインピーダンス量のインピーダンス平均値、特に幾何平均値、幾何学的重心、算術平均値または中央値を算出することができる。

インピーダンス整合装置に対する操作量は、品質スコアが、あらかじめ設定された値を取るように生成可能である。

品質スコアに基づき、評価（仮想）反射電力を算出可能である。評価（仮想）反射電力は、測定した実際の反射電力とは異なる、品質スコアに基づいて計算した出力である。

品質スコアは、測定装置において直接的に、またはインピーダンス整合装置の制御器によって間接的に算出可能である。

品質スコアは、発電機に出力可能である。品質スコアに基づき、発電機において（仮想）反射電力を算出可能である。評価反射電力は、表示装置において出力可能である。

あらかじめ設定された期間は、算出される評価（仮想）反射電力に影響を与えることなく、プラズマに最大のエネルギ転送が行われるように決定可能である。

本発明の枠内にはさらに、前に説明したような電力供給装置と、プラズマ処理装置、特にＨＦ励起プラズマ処理装置、すなわちプラズマ処理を実行するための装置とを備えたプラズマシステムが含まれている。プラズマ装置は好ましくは、例えば、基板のコーティング（スパッタリング）および／またはエッチングに使用される。プラズマ装置は好適には、建築用ガラス、半導体、太陽電池素子、フラットスクリーンまたはディスプレイの製造において使用するのに適している。

高周波電力信号の高周波は、１ＭＨｚまたはそれ以上であってよい。

プラズマ処理の給電に必要でありかつその供給のために電力供給装置が設計されている電力は、３００Ｗ以上、特に１キロワット以上であってよい。
－プラズマ処理装置は、別の複数の電力供給部を接続するように設計されていてよく、これらの電力供給部のうち、例えば、次の１つまたは複数が使用可能である。すなわち、同じまたは別の高周波を有するＨＦ電力供給部。
－ＤＣ電力供給部、特にパルス式のＤＣ電力供給部
－１ＭＨｚを下回る周波数を有するＭＦ電力供給部が使用可能である。

本発明の別の利点は、説明および図面から得られる。同様に、上述しかつさらに引き続いて説明する特徴的構成は、本発明により、それぞれ個別にそれ自体で、または複数の任意の組み合わせで使用可能である。図示しかつ説明する複数の実施形態は、完全な列挙と理解するべきではなく、むしろ本発明を記述するための例示的な特徴を有する。

電力供給装置を示す図である。 アドミタンス平面に基づいて、品質スコアを算出するやり方を示す図である。 アドミタンス平面に基づいて、品質スコアを算出するやり方を示す別の図である。 アドミタンス平面に基づいて、品質スコアを算出するやり方を示すさらに別の図である。 アドミタンス平面に基づいて、品質スコアを算出するやり方を示すさらに別の図である。 品質スコアを算出する方法についての流れ図である。

図１には、例えば６０ＭＨｚで（パルス式の）電気ＨＦ電力信号を生成するための発電機２を備えた電力供給装置１が示されている。発電機２は、ＨＦケーブル４を介してインピーダンス整合装置６の入力部５に接続されている出力部３を有する。インピーダンス整合装置６は、負荷７に接続されている。発電機２とインピーダンス整合装置６とはさらに、信号接続部８を介して互いに接続されている。負荷７は、プラズマ処理の、特にＨＦ励起プラズマ処理のプラズマ、例えば、建築用ガラス、半導体、太陽電池素子、フラットスクリーン、ディスプレイの製造において、基板のコーティング（スパッタリング）および／またはエッチングのためのプラズマであってよい。

インピーダンス整合装置６は、負荷７のインピーダンスと、入力部３における発電機２のインピーダンスとを整合させるために使用される。発電機２は、パルス式のＨＦ電力を負荷７に供給するように構成されていてよい。負荷７のインピーダンスは、特に、これがプラズマである場合には、しばしばかつ急速に変化することがあるため、インピーダンス整合装置６には、負荷７のインピーダンスと発電機２のインピーダンスとを整合させるという特別な要求がある。

インピーダンス整合装置６の入力部５の領域には、インピーダンス量を検出するために測定装置１０を設けることができる。択一的または付加的には、インピーダンス量を検出するために、発電機２の出力部３の領域に測定装置１１を設けることができる。インピーダンス量とは、複素インピーダンス、複素反射係数、インピーダンスの絶対値および位相等であってよい。検出したこのインピーダンス量に基づいて、あらかじめ設定された期間に、インピーダンス整合がどの程度良好であるかの情報を示す、インピーダンスベースの品質スコアを算出することができる。

図２に基づいてこれを説明する。図２ａには、発電機２の高周波パルスの間の負荷７のインピーダンスの軌跡１５（時間経過）が示されている。ここから見て取れるのは、負荷７のインピーダンスが、パルスの間に大きく変化することである。

図２ｂによって識別することができるのは、パルス開始に対応する第１部分１５ａが、品質スコアの算出に考慮されない、すなわちほぼ無視されることである。軌跡１５の第２部分１５ｂだけが考慮される。

図２ｃにおいて識別できるのは、離散のインピーダンス点１６、すなわち、軌跡１５の部分１５ｂ上にある、異なる時点におけるインピーダンス量が、測定装置１０，１１の１つによって測定されることである。図２ｄによって識別できるのは、インピーダンスベースの品質スコア１７として幾何学的重心が算出されることである。

インピーダンス整合装置６の制御器１３には、品質スコア１７が最小化されひいてはより良好な整合が行われるように操作量が供給される。

さらに、評価（仮想）反射電力を計算するために品質スコア１７が使用可能である。このために、例えば信号接続部８を介して発電機２に品質スコアを出力することができ、これにより、発電機２では、算出装置１４により、評価（仮想）反射電力が算出可能である。

図３には、本発明による方法の流れ図が示されている。ステップ１００では、インピーダンス量を測定する。ステップ１０１では、あらかじめ設定された期間にわたって測定したインピーダンス量からインピーダンスベースの品質スコアを算出する。ステップ１０２では、インピーダンスベースの品質スコアを出力し、これにより、これを後続処理することができる。

Claims (22)

1. 発電機（２）と、前記発電機（２）に接続されたインピーダンス整合装置（６）とを備えた、プラズマ用に電気高周波電力信号を生成するための電力供給装置（１）であって、前記電力供給装置（１）は、特に、前記インピーダンス整合装置（６）の入力部（５）において、または前記発電機（２）の出力部（３）においてインピーダンス量を特定し、あらかじめ設定された期間におけるインピーダンスベースの品質スコア（１７）を算出して出力するように構成されている、電力供給装置（１）。
2. 前記電力供給装置（１）は、インピーダンスベースの品質スコア（１７）として、測定したインピーダンス量のインピーダンス平均値、特に幾何平均値、幾何学的重心、算術平均値または中央値を算出するように構成されている、ことを特徴とする、請求項１記載の電力供給装置。
3. 前記電力供給装置（１）は、前記インピーダンス整合装置（６）の操作量を生成して、前記品質スコア（１７）が、あらかじめ設定された値を取るように構成されている、ことを特徴とする、請求項１または２記載の電力供給装置。
4. 前記電力供給装置（１）は、前記品質スコア（１７）に基づいて、評価反射電力を算出するように構成されている、ことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の電力供給装置。
5. 前記インピーダンス整合装置（６）または前記発電機（２）は、前記品質スコア（１７）を算出するように構成された測定装置（１０，１１）を有する、ことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の電力供給装置。
6. 前記インピーダンス整合装置（６）は、前記品質スコア（１７）を算出するように構成された制御器（１３）を有する、ことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の電力供給装置。
7. 前記品質スコア（１７）が前記発電機（２）に出力される、ことを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の電力供給装置。
8. 算出された前記評価反射電力を出力するために表示装置が設けられている、ことを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の電力供給装置。
9. 前記発電機（２）が、生成された出力を測定するように構成されている、ことを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の電力供給装置。
10. 算出された前記評価反射電力に影響を与えることなく、前記プラズマに最大のエネルギ転送が行われるように、あらかじめ設定された前記期間が決定される、ことを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の電力供給装置。
11. 前記インピーダンス整合装置（６）内の電圧は、作動時に３００Ｖ以上、特に１０００Ｖ以上である、ことを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電力供給装置。
12. 前記インピーダンス整合装置（６）内の電流は、作動時に１０Ａ以上、特に１００Ａ以上である、ことを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の電力供給装置。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項記載の電力供給装置と、プラズマ処理装置、特にＨＦ励起プラズマ処理装置、好ましくは、建築用ガラス、半導体、太陽電池素子、フラットスクリーン、ディスプレイの製造において使用するのに適した、基板のコーティング（スパッタリング）および／またはエッチングのためのＨＦ励起プラズマ装置とを備えたプラズマシステム。
14. プラズマ用に電気高周波電力信号を生成するための電力供給装置（１）を作動させる方法であって、インピーダンス量、特にインピーダンス整合装置（６）の入力部における、または発電機（２）の出力部におけるインピーダンス量を特定し、あらかじめ設定された期間においてインピーダンスベースの品質スコア（１７）を算出し、インピーダンスベースの前記品質スコア（１７）を出力し、ここでは特に、後続の使用または処理のためにインピーダンスベースの前記品質スコア（１７）を出力する、方法。
15. インピーダンスベースの品質スコア（１７）として、測定した前記インピーダンス量のインピーダンス平均値、特に幾何平均値、幾何学的重心、算術平均値または中央値を算出する、請求項１４記載の方法。
16. 前記品質スコア（１７）が、あらかじめ設定された値を取るように、前記インピーダンス整合装置（６）に対する操作量を生成する、請求項１４または１５記載の方法。
17. 前記品質スコア（１７）に基づいて、評価反射電力を算出し、特に、前記評価反射電力は、前記品質スコア（１７）に基づいて計算される出力である、請求項１４から１６までのいずれか１項記載の方法。
18. 測定装置（１０，１１）において直接的に、または前記インピーダンス整合装置（６）の制御器によって間接的に前記品質スコア（１７）を算出する、請求項１４から１７までのいずれか１項記載の方法。
19. 前記発電機（２）に前記品質スコア（１７）を出力する、請求項１４から１８までのいずれか１項記載の方法。
20. 算出された前記評価反射電力に影響を与えることなく、前記プラズマに最大のエネルギ転送が行われるように、あらかじめ設定された前記期間を決定する、請求項１７から１９までのいずれか１項記載の方法。
21. ３００Ｖ以上、特に１０００Ｖ以上の電圧において前記インピーダンス整合装置（６）を作動させる、請求項１４から２０までのいずれか１項記載の方法。
22. １０Ａ以上、特に１００Ａ以上の電流で前記インピーダンス整合装置（６）を作動させる、請求項１４から２１までのいずれか１項記載の方法。

Images