JP3960808B2 - インピーダンス整合器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造のプラズマドライプロセスなどにおいて、高周波電源とプラズマチャンバーなどの負荷との間の高周波電力の伝送路中に介在されて、伝送路のインピーダンスを負荷側のインピーダンスにマッチングさせることにより負荷側からの電力の反射をなくし、高周波電源側からの入射電力を負荷側において最大限に利用するようにするためのインピーダンス整合器にかかわり、特には、負荷インピーダンスの変動に対する応答性を改善する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造のプラズマドライプロセスにおいて、近年、半導体素子の基板パターンの微細化のため、使用する高周波電力の周波数がＲＦ帯（〜３０ＭＨｚ）からＶＨＦ帯（３０〜３００ＭＨｚ）を経てＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）へと高周波化している。このような高周波電力を効率良くプラズマチャンバーなどの負荷に供給するのがインピーダンス整合器である。
【０００３】
導波管、同軸管などの高周波電力の伝送路の途中に介在されるインピーダンス整合器は、管軸方向に隔設されたそれぞれの位置に複数のスタブを備えている。隣接するスタブの距離は、印加する高周波電力の周波数における同軸管での管内波長λgの４分の１（λg／４）である。管内波長λgは、自由空間波長λよりも大きいものとなっている。
【０００４】
伝送路が例えば同軸管では、スタブは、主同軸管の内導体（主同軸管内導体）に接合された芯線部と主同軸管の外導体（主同軸管外導体）に接合された外筒部とが同心状に配されてなる可変長同軸管と、この可変長同軸管内を軸方向に沿って摺動する先端短絡用電極とを備えている。この先端短絡用電極をプランジャと呼ぶこともある。
【０００５】
インピーダンスマッチングをスミスチャートの全域にわたって実行できるようにするために、先端短絡用電極の摺動範囲をλg／４にするのが一般的である。ところで、従来技術においては、先端短絡用電極がプランジャ構成となっているため、プランジャ（ロッド）の移動範囲を含めると、スタブの全長はλg／２以上としなければならない。例えば、管内波長λgが４５０ＭＨｚの場合には、スタブの全長は、理論上では３３３ｍｍ以上は必要となり、実際上ではさらに長いものとなる。しかし、これでは、インピーダンス整合器の大型化と重量化とを免れない。
【０００６】
この不都合を解消することを目的として提案されたものとして、特開平１０−１５０３０６号公報に開示された技術がある。これは、プランジャ（ロッド）の突出動作をなくし、ワイヤやモータを備えた巻取機構を用いて先端短絡用電極を往復摺動させるように構成したものである。すなわち、スタブの軸方向の両端部に互いに対向させて配置した正逆転駆動切り換え可能な巻き取りリールと反転リール、これら両リール間にわたって巻回させたワイヤ（電気絶縁性紐状体）、駆動用モータ、駆動用モータと巻き取りリールとを連結する減速機構のギア列などを備えている。巻き取りによって移動するワイヤに先端短絡用電極が連結されている。
【０００７】
この公報に開示の技術によれば、スタブの全長をほぼλg／４程度に短くすることができるとされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の従来技術のインピーダンス整合器にあっては、インピーダンスマッチングのために、先端短絡用電極の変位をもってスタブ内における管路長を調整するように構成してあるため、先端短絡用電極はスタブにおける芯線部にも外筒部にも密接させている必要があり、芯線部および外筒部に対する先端短絡用電極の摺動の摩擦抵抗が大きなものとなっている。
【０００９】
また、先端短絡用電極の変位による管路長の調整でインピーダンスマッチングを行うものであるため、スタブとしては、短くなったとはいえ、それ相当の長いものとならざるを得ない。つまり、スタブが軸方向に比較的に長いものであるため、その軸心精度が低いものになりがちである。
【００１０】
上記のような摺動抵抗が大きいことと軸心精度が低いことから、先端短絡用電極を含むショートプランジャの移動速度が遅いものとなり、負荷インピーダンスの変動に対応してのインピーダンスマッチングの応答性が悪いものとなっている。
【００１１】
そして、摺動の摩擦抵抗が大きいことから、長期間使用において、先端短絡用電極やスタブの外筒部、芯線部の摩耗・劣化が進みやすく、寿命が短くなっている。
【００１２】
さらに、ショートプランジャが移動するスタブは、短くなったとはいえ、未だ比較的に長いものであるため、スタブを横寝かせ姿勢で使用することがむずかしく、整合器の据え付け条件に制約をもたらしている。すなわち、スタブを縦姿勢にしてインピーダンス整合器を据え付ける必要があるが、この場合、室内での占有空間につき、高さ方向での占有が大きく、据え付けに支障がでる。
【００１３】
本発明は上記した課題の解決を図るべく創作したものであって、さらなるコンパクト化と、プラズマ負荷の挙動などの負荷インピーダンスの変動に対応するインピーダンスマッチングの応答性を向上するとともに、寿命を長くし、さらに据え付けの自由度を広げることを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
インピーダンス整合器についての本発明は、次のような手段を講じることにより、上記の課題を解決するものである。
【００１５】
本発明のインピーダンス整合器は、主同軸管に管軸方向に所定間隔を隔てて少なくとも２つのスタブが連設されてなるインピーダンス整合器であって、前記各スタブを、前記主同軸管の内導体に一端が接合された可変容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサの他端に電気的に接続されるとともに、この可変容量コンデンサの周囲を覆う状態で、前記主同軸管の外導体に接合される導電性のコンデンサカバーと、前記コンデンサカバーの外側に配されて前記可変容量コンデンサの可動側電極を駆動する駆動用モータとを備えたものとして構成してあることを特徴とする。
【００１６】
本発明にかかわるインピーダンス整合器は、その前提的構成として、主同軸管と複数のスタブとを備えている。主同軸管は、管軸方向の一端の開口部が高周波電源側に連通接続され、管軸方向の他端の開口部がプラズマチャンバーなどの負荷側に連通接続されるように構成されている。その主同軸管の管軸方向に所定間隔を隔てた少なくとも２箇所においてスタブが分岐的に連設されている。この前提的構成において、主同軸管の一端開口部は高周波電源に直接に連通接続してもよいし、高周波電源から延出された同軸管に連通接続してもよい。また、主同軸管の他端開口部は負荷に直接に連通接続してもよいし、負荷から延出された同軸管に連通接続してもよい。スタブの連設個数は一般的には３個とするのが好ましいが、２個であってもよいし、４個以上であってもよい。スタブの方向性については、通常は主同軸管の管軸方向に対して垂直とするが、必ずしもそれにとらわれる必要性はない。斜めに延出していても、本質は変わらない。複数のスタブの配設間隔については、一般的には管内波長λｇの４分の１とするのが好ましいが、本発明においては、そのこと自体に特徴があるわけではないので、特には限定することを要しない。
【００１７】
本発明は、以上のような構成を前提としてもっているインピーダンス整合器において、次のような要件を備えたことを特徴としている。すなわち、前記複数のスタブのそれぞれについて、各スタブを、前記主同軸管の内導体に一端が接合される可変容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサの他端に電気的に接続されるとともに、前記可変容量コンデンサの周囲を覆う状態で、前記主同軸管の外導体に接合される導電性のコンデンサカバーと、前記コンデンサカバーの外側に配されて前記可変容量コンデンサの可動側電極を駆動する駆動用モータとを備えたものとして構成してある。
【００１８】
本発明のインピーダンス整合器は、先端短絡用電極（ショートプランジャ）の変位によってスタブ内の管路長を調整することを通じてインピーダンスマッチングを行う従来技術とは異なり、可変容量コンデンサの静電容量の調整をもってインピーダンスマッチングを行う。静電容量の調整は管路長の調整とは異なり、空間的な自由度が大きい。管路長の調整は軸方向での変位において１対１の関係に制約されてしまうが、すなわち、管路長の調整量と軸方向での先端短絡用電極の変位量とはまったく同じとなってしまうが、静電容量の調整の場合には、例えば、可動側電極と固定側電極とを多層に内外嵌合することにより、可動側電極の変位を増幅したかたちで静電容量の増減を行うことが可能である。つまり、比較的に小さい変位で相対的に大きな静電容量変化をもたらすことが可能である。したがって、負荷インピーダンスの変動に対するインピーダンスマッチングのために可動側電極を移動させる移動量が少なくてすみ、その所定量を移動させるのに要する時間を従来技術に比べて短縮化すること、ひいてはインピーダンスマッチングの高速応答性を実現することが可能となる。
【００１９】
管路長の調整の場合には先端短絡用電極がスタブの芯線部と外筒部に密接して摺動する必要があるが、静電容量の調整の場合には、そのような密接摺動は必ずしも必要ではなくて、可動側電極の変位における抵抗が大幅に軽減されることになり、これもインピーダンスマッチングの高速応答性に有利となる。
【００２０】
そして、コンデンサカバーの外側に配した駆動用モータによって可変容量コンデンサの可動側電極を直接的に駆動するので、すなわち減速機構を介在していないので、さらに高速応答性を有利にしている。
【００２１】
また、可動側電極の変位が抵抗少なくスムーズに行えることは、摩耗を軽減して寿命を長くするうえでも有利となる。
【００２２】
可変容量コンデンサの可動側電極のストロークを短くできるので、スタブそのものの長さも短いものですみ、その軸心精度を高いものにすることが可能となっている。この軸心精度が高いことも、可動側電極のスムーズな動き、ひいては高速応答性の向上に有利となる。
【００２３】
スタブとしては短くて軸心精度が高いので、スタブの姿勢としては必ずしも縦姿勢に限る必要性はなく、例えばスタブを横寝かせの姿勢でインピーダンス整合器を据え付けることが可能となる。つまり、据え付けの自由度が高くなる。
【００２４】
本発明は、さらに、上記の構成のインピーダンス整合器において、前記導電性のコンデンサカバーを含めて前記可変容量コンデンサを有する前記スタブのサセプタンスを、
【００２５】
【数２】
（ただし、Ｂxはサセプタンス、Ｌxはインダクタンス、Ｃxは可変容量コンデンサの静電容量、ωは使用角周波数）を基準として設計してあることを特徴とする。
【００２６】
可変容量コンデンサは、高周波領域になると、その内部の構成エレメント特にベローズや配線がもつ寄生インダクタンスの大きさが無視できなくなるために、実は、可変容量素子としての機能を充分に発揮できない状況に陥ってしまうことが分かった。
【００２７】
複素インダクタンスＺを抵抗分Ｒとリアクタンス分Ｘとで表現すると、
Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ
複素アドミッタンスＹをコンダクタンス分Ｇとサセプタンス分Ｂとで表現すると、
Ｙ＝Ｇ＋ｊＢ
ただし、
【００２８】
【数３】
【００２９】
【数４】
である。ここで、抵抗分Ｒが、Ｒ＝０のときは、
【００３０】
【数５】
可変容量コンデンサの基準点からの変位量ｘに対する静電容量をＣxとする。そのリアクタンスＸは、
【００３１】
【数６】
したがって、サセプタンスＢは、
Ｂ＝ωＣx
静電容量Ｃxは基準点からの変位量ｘに比例する。その比例定数をｋcとすると、
Ｃx＝ｋc・ｘ
したがって、サセプタンスＢは、これを変位量ｘに応じたものとして、記号Ｂxを用いることとして、
Ｂx＝ωｋc・ｘ
この特性曲線はリニアなものとなる。
【００３２】
以上は、使用する高周波電力の周波数が相対的に低い場合である。ところが、高周波電力の周波数が高くなるにつれて、次のような問題が発生することが分かった。
【００３３】
高周波領域になると、可変容量コンデンサ（真空コンデンサ）内のベローズや配線がもつ寄生インダクタンスの大きさが無視できなくなる。それに加えて、この可変容量コンデンサを収納しているコンデンサカバーや配線も一定のインダクタンスになる。
【００３４】
特にＵＨＦ帯の周波数になると、一度、ＬＣの直列共振点を通りすぎ、可変容量コンデンサとしての働きがなくなり、その性質として可変インダクタとして機能するようになる。この高周波領域での可変容量コンデンサを、基準点からの変位量ｘに応じて値が変化する静電容量ＣxとインダクタンスＬxとの直列共振回路とするモデルで考える。この直列共振回路のリアクタンスＸxは、
【００３５】
【数７】
サセプタンスＢxについては、Ｒ＝０として、
【００３６】
【数８】
となる。ただし、ω＝２πｆである。
【００３７】
ここで、ＵＨＦ帯であるため、ωＬxが非常に大きくなり、
１≪ω2ＬxＣx
となるため、サセプタンスＢxはマイナス値となる。
【００３８】
ここで、あらためて、Ｂxは常に負のため、スタブは可変インダクタンス素子と言い換えできる。したがって、
【００３９】
【数９】
ここで、Ｌ′は、スタブを可変インダクタンス素子としたときのインダクタンスとおくと、Ｌ′＞０のため、Ｂｘ＜０となり、（数８）とから、
【００４０】
【数１０】
となり、インダクタンスＬｘを可変容量コンデンサの静電容量Ｃｘが減じている。高周波領域においては、スタブの共振を防ぐために、インダクタンスＬｘの大きさを、
【００４１】
【数１１】
になるように決める。そして、高周波領域において、トータルとしてインダクタンスＬｘが可変容量コンデンサの可変範囲内で常に正になるように、可変容量コンデンサやコンデンサカバーを設計することが重要になってくる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のインピーダンス整合器の具体的な実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００４３】
図１は本発明の実施の形態にかかわるインピーダンス整合器の構造を示す断面図である。図１では、主同軸管１０の管軸方向であるＸ方向に対して直角な方向をＹ方向としているが、このＹ方向は実は水平方向であると想定している。ただし、Ｙ方向は上下方向でもよいし、他の任意の方向でもよい。
【００４４】
主同軸管１０は主同軸管内導体１１と主同軸管外導体１２からなる。主同軸管内導体１１の外周に所定の間隔を隔てて主同軸管外導体１２が同心状に外套されている。印加する電力の周波数の同軸管管内波長をλgとして、主同軸管１０の管軸方向にλg／４だけ隔てた３箇所において、スタブ１００，２００，３００が主同軸管外導体１２に取り付けられている。３つのスタブ１００，２００，３００の構造は同じである。ここでは、スタブ１００についてのみ説明する。図２はスタブ１００を拡大して示す断面図である。
【００４５】
スタブ１００は、可変容量コンデンサ２０と導電性のコンデンサカバー４０と駆動用モータ５０とを備えて構成されている。分岐内導体１３が主同軸管内導体１１に対して直角に接合され、主同軸管外導体１２に形成した貫通孔１２ａを通して分岐内導体１３が外側まで延出しており、その延出端部に可変容量コンデンサ２０が固定されている。可変容量コンデンサ２０の外周に所定の間隔を隔ててコンデンサカバー４０が外嵌され、そのコンデンサカバー４０が主同軸管外導体１２の外周面に接合されている。コンデンサカバー４０の端板部にモータ支持フランジ６０を介して駆動用モータ５０が取り付けられている。なお、導電性のコンデンサカバー４０は、例えば銅、アルミニウム、真鍮等の材質からなる。また、分岐内導体１３と主同軸管内導体１１との接合およびコンデンサカバー４０と主同軸管外導体１２との接合については、溶接、接着等の手段で一連一体化するのでもよいし、あるいはボルトなどの締結手段により分離可能な状態で連結するのでもよい。
【００４６】
次に、可変容量コンデンサ２０の構造について説明する。本実施の形態の場合、可変容量コンデンサ２０は、その代表例として大電力を許容するために真空コンデンサをもって構成されている。この可変容量コンデンサ２０は、軸方向一端の固定側電極端板部２１と、軸方向他端の可動側電極端板部２２と、これら軸方向で対向する固定側電極端板部２１と可動側電極端板部２２とをつなぐ例えばセラミックス製の絶縁筒２３をもって外殻２４を形成している。外殻２４の内部において、固定側電極端板部２１に固定側電極２５が固定され、この固定側電極２５に対して可動側電極２６が軸方向に沿って摺動自在に内外嵌合されている。
【００４７】
固定側電極２５は複数の円筒体を同心状に配置したものであり、可動側電極２６は固定側電極２５を構成する複数の円筒体に対して内外嵌合する複数の円筒体を同心状に配置したものである。この多層の内外嵌合においては、固定側電極２５の複数の円筒体と可動側電極２６の複数の円筒体とは半径方向に所定の間隔を隔てて対向している。固定側電極２５と可動側電極２６とのこのような多層の内外嵌合の構造が静電容量を形成しており、固定側電極２５に対して可動側電極２６の軸方向に沿った摺動によって、静電容量が可変されるようになっている。
【００４８】
固定側電極端板部２１の軸心部に設けたガイド筒２１ａと可動側電極２６の軸心部に設けた可動リード２６ａとの間にわたって例えばセラミックス製のセンターピン２７が摺動自在に差し渡し嵌合されている。この構造をもって軸心精度を高いものとし、固定側電極２５に対する可動側電極２６の軸方向に沿った摺動をスムーズ、正確なものにしている。
【００４９】
可動側電極２６に一体接合された可動リード２６ａには調整ボルト２８が一体的に設けられている。可動側電極端板部２２の軸心部に凹入部２２ａが形成されており、その凹入部２２ａの軸心部に形成された貫通孔に前記の調整ボルト２８が軸方向で内外に貫通されている。調整ボルト２８の外周部には雄ネジが切ってあり、この雄ネジに静電容量調整筒軸２９の雌ネジが螺合されている。静電容量調整筒軸２９と可動側電極端板部２２の凹入部２２ａとの間にはスラストベアリング（図示せず）が介挿されている。外殻２４の内部において、可動側電極端板部２２と可動側電極２６との間に調整ボルト２８を取り巻く状態でベローズ３０が軸方向に伸縮自在に張設されている。ベローズ３０は導体製であり、可動側電極２６を可動側電極端板部２２に対して電気的に接続している。また、このベローズ３０は可動側電極２６や調整ボルト２８の回り止めを兼ねている。
【００５０】
以上のように構成された可変容量コンデンサ２０は、その固定側電極端板部２１がコンデンサ取付板３１を介して分岐内導体１３に接合されている。また、コンデンサカバー４０の端板の軸心部の貫通孔に対して静電容量調整筒軸２９を貫通させた状態で、コンデンサカバー４０が可変容量コンデンサ２０に外套され、コンデンサカバー４０の端板内面と可変容量コンデンサ２０の可動側電極端板部２２とが接合されている。そして、コンデンサカバー４０の基部のフランジ４０ａが主同軸管外導体１２の外周面に固定されている。コンデンサカバー４０は可動側電極端板部２２を主同軸管外導体１２に対して導通状態に接続している。なお、コンデンサ取付板３１については、分岐内導体１３とコンデンサ２０とを電気的に導通させるため、金属製とする。また、分岐内導体１３と固定側電極端板部２１との接合および可動側電極端板部２２とコンデンサカバー４０との接合については、溶接、接着等の手段で一連一体化するのでもよいし、あるいはボルトなどの締結手段により分離可能な状態で連結するのでもよい。
【００５１】
コンデンサカバー４０から突出した可変容量コンデンサ２０の静電容量調整筒軸２９と駆動用モータ５０の駆動軸５１とが同軸状に対向された状態で、駆動軸５１と静電容量調整筒軸２９とがカップリング５２を介して減速機構の介在なしに直接的に連結されている。駆動軸５１、カップリング５２および静電容量調整筒軸２９の周囲を覆う状態でモータ支持フランジ６０が駆動用モータ５０とコンデンサカバー４０との間に介装されている。駆動用モータ５０にはエンコーダ（図示せず）が付属されており、そのエンコーダをもって駆動用モータ５０の駆動状態を監視するようになっている。
【００５２】
以上でスタブ１００の構造の説明を終わるが、スタブ２００，３００についても同じ構造となっている。
【００５３】
図３は当該のインピーダンス整合器が半導体製造のプラズマドライプロセスなどにおいて使用されている様子を示す。高周波電源Ａ１と負荷Ａ２とをつなぐ同軸管（導波管）Ａ３の途中に負荷Ａ２側から順に当該のインピーダンス整合器ＩＭとアンテナ装置Ａ４とが介装されている。負荷Ａ２の代表例として半導体製造装置におけるプロセスチャンバーを挙げることができる。アンテナ装置Ａ４は同軸管Ａ３においてその管軸方向の３箇所に設けた３つのアンテナ７１，７２，７３からなり、同軸管Ａ３内の電圧定在波振幅（Ｖoltage Ｓtanding Ｗave Ａmplitude ）を検出して、その検出信号をマイクロコンピュータＡ５に送出するようになっている。マイクロコンピュータＡ５は、受け取った３つの検出信号に基づいて、同軸管Ａ３内における反射係数の大きさと位相を計算し、スタブ１００，２００，３００の各位置から見た値に変換し、インピーダンスマッチングに必要なスタブとその調整量を算出する。データの取り込みは約１ｍｓｅｃに１回の割合で実行され、最新のデータに基づいてスタブの調整量を補正する。
【００５４】
マイクロコンピュータＡ５からの指令によりスタブ１００，２００，３００それぞれにおける駆動用モータ５０を駆動回転させる。駆動用モータ５０と可変容量コンデンサ２０とがカップリング５２によって減速機構なしに直接に連結されているので、駆動用モータ５０の駆動回転による可変容量コンデンサ２０における可動側電極２６の動作が高速となる。すなわち、インピーダンスマッチングにおける高速駆動が可能となっている。なお、駆動用モータ５０のエンコーダ（図示せず）をマイクロコンピュータＡ５が監視することにより、駆動用モータ５０の制御を行う。
【００５５】
可変容量コンデンサ２０を覆っている導電性のコンデンサカバー４０については、ＵＨＦ帯の周波数（例えば４５０ＭＨｚ）で駆動するときには、このコンデンサカバー４０がインダクタの役割をもつことになり、可変容量コンデンサ２０と合わせて、ＬＣ直列回路となる。
【００５６】
ＵＨＦ帯の周波数になると、一度、ＬＣの直列共振点を通りすぎ、可変容量コンデンサ２０としての働きがなくなり、その性質として可変インダクタとして機能するようになる。つまり、直列共振回路においては、インダクタを固定側電極２５と可動側電極２６とで構成されているコンデンサＣの静電容量によってキャンセルしている状態となる。
【００５７】
図４は可変容量コンデンサ２０の回転数（Ｎ）を横軸にとり静電容量（Ｃ）を縦軸にとったときの静電容量テーブルである。この回転数は、可動側電極２６が固定側電極２５に対してより深く差し込まれる側の回転数となっている。つまり、可変容量コンデンサ２０の静電容量が増加する側の回転数となっている。なお、この例では、回転数の最大値が４．５回転となっている。
【００５８】
図４は測定時の高周波電力の周波数が１ｋＨｚの場合のものである。可動側電極２６を固定側電極２５から最大に引き出した状態での可変容量コンデンサ２０の容量は５．０Ｅ−１２（＝５．０×１０-12）ファラドとなっており、駆動用モータ５０の４．５回転で３．２１Ｅ−１１（＝３２．１×１０-12）ファラドまで急激な増加を認めている。すなわち、４．５回転で約６．４倍の静電容量増となっている。
【００５９】
図４は高周波電力が１ｋＨｚのときのものであったが、高周波領域になると、可変容量コンデンサ（真空コンデンサ）２０内のベローズ３０や配線がもつ寄生インダクタンスの大きさが無視できなくなる。それに加えて、この可変容量コンデンサ２０を収納しているコンデンサカバー４０や配線も一定のインダクタンスになる。
【００６０】
図５は可変容量コンデンサ２０の回転数（Ｎ）を横軸にとりサセプタンス（Ｂ）を縦軸にとったときのサセプタンステーブルである。この回転数は、可変容量コンデンサ２０の静電容量が増加する側の回転数となっている。つまり、可動側電極２６が固定側電極２５に対してより深く差し込まれる側の回転数となっている。なお、この例では、回転数の最大値が４．５回転となっている。このときの高周波電力の周波数は４５０ＭＨｚである。
【００６１】
回転数を増やして静電容量を増加させるにつれてサセプタンスは単調に増加する傾向となっている。つまり、極大値や極小値をもたない単調増加の特性曲線となっている。
【００６２】
スタブが共振を起こすと、スタブに損傷や異常な温度上昇をもたらす。したがって、スタブが共振を起こさないようにする必要がある。そのためには、上記の単調増加が必要である。
【００６３】
３つのスタブ１００，２００，３００を用いてインピーダンスマッチングを行うと、整合可能領域は、伝送路上の電圧定在波比であるＶＳＷＲ（Ｖoltage Ｓtanding Ｗave Ｒatio）が１０以下の領域をほぼカバーする良い結果を得た。
【００６４】
試作した４５０ＭＨｚのインピーダンス整合器ＩＭの場合、コンデンサカバー４０のインダクタンスの値は次のようになる。使用した真空コンデンサの可変範囲は５．５〜３２．１ｐＦである（図４参照）。インピーダンス整合器の一般的な仕様であるＶＳＷＲが１０以下の負荷インピーダンスに整合をとるために必要な正規化（規格化）サセプタンスは、反射係数Γの大きさを｜Γ｜とすると、
【００６５】
【数１２】
において、仮に、ＶＳＷＲ＝１０を代入すると、
【００６６】
【数１３】
となる。したがって、正規化アドミッタンスｙ＝ｇ＋ｊｂにおけるコンダクタンスｇとサセプタンスｂは、
【００６７】
【数１４】
【００６８】
【数１５】
となる。ただし、ここで、θは反射係数Γの位相である。
【００６９】
ここで、コンダクタンスｇについて、ｇ＝１とすると、
cosθ≒−０．８１８
sinθ＝±０．５７５
となって、サセプタンスｂは、
ｂ＝−２．８４３
つまり、サセプタンスｂの最大値として、２．８４３以上が必要となる。なお、最小値については、小さい方がよいが、共振点に近づくので、耐電圧、耐電流の許容できる範囲内にする必要がある。
【００７０】
したがって、コンデンサカバー４０は、真空コンデンサの最小静電容量時（５．５ｐＦ）にコンデンサ内部の内部配線特にベローズ３０の寄生インダクタンスと合わせて、前述した
【００７１】
【数１６】
に代入すると、
Ｌx＝０．０１６５〔μＨ〕
となる。ただし、実際は、インピーダンス整合器ＩＭの性能の関係上、この値以上のインダクタンスが必要であり、具体的には、０．０２μＨ〜０．０６μＨに設計する必要がある。すなわち、図６に示すように、実際のインダクタンスＬ xは回転数によって変化するので、上記の大きい側に修正した値を採用することになる。
【００７２】
可変容量コンデンサ２０は、固定側電極２５と可動側電極２６との多層の内外嵌合方式のものであるので、その軸方向での比較的に小さい相対変位で静電容量の大きな変化をもたらすことができ、したがって、インピーダンスマッチングにつき、駆動用モータ５０の駆動回転による高速応答性を発揮することができる。駆動用モータ５０と可変容量コンデンサ２０の静電容量調整筒軸２９とをカップリング５２によって減速することなく直接に連結してあることも、高速応答性をもたらす要因である。
【００７３】
また、多層の内外嵌合方式の可変容量コンデンサ２０の場合には、スタブ１００，２００，３００として、その軸方向長さが、特開平１０−１５０３０６号公報のような従来技術の場合の通常の筒状に比べて数分の１程度に縮小することが可能となっている。したがって、スタブ１００，２００，３００の軸方向長さを充分に短くすることができ、軸心精度が高いものとなる。このことも高速応答性に有利となっている。また、コンパクトなインピーダンス整合器ＩＭを現出することができる。
【００７４】
また、その軸心精度が高いことがあるので、その軸方向を必ずしも鉛直方向に限定する必要性がなく、水平方向にした状態での使用も可能となる。スタブ１００，２００，３００を水平方向にした状態でのインピーダンス整合器ＩＭの設置は、同軸管の配管を含めて半導体製造装置の全体の丈を低くすることができる。その据え付けを有利に展開することが可能である。つまり、据え付けの自由度が高いものとなる。
【００７５】
駆動用モータ５０の駆動回転によってカップリング５２を介して静電容量調整筒軸２９が回転し、この静電容量調整筒軸２９に螺合されている調整ボルト２８が軸方向に沿って摺動する。可変容量コンデンサ２０において相対的に摺接するのは、静電容量調整筒軸２９と調整ボルト２８との螺合部分のみであり、それは螺合での摺動であるので、摩耗は本質的に少ないものである。長期間使用においても摩耗・劣化の進行が遅く、寿命が長いものとなる。また、そのような螺合摺動が高速応答性のひとつの要因となっている。
【００７６】
以上のように本実施の形態のインピーダンス整合器によれば、プラズマ負荷の挙動に高速に追従し、プラズマドライプロセスの信頼性向上を可能にし、加えてこのインピーダンス整合器の小型化も達成している。
【００７７】
なお、上記の実施の形態においては、スタブについて、３つのスタブ１００，２００，３００を有する構造にしたが、スタブの本数は２本としてもよい。そうすれば、一層のコンパクト化を達成することができる。軽量化も果たせる。また、必要に応じてスタブの数を４以上にすることもあり得る。
【００７８】
また、上記の実施の形態においては、可変容量コンデンサ２０として真空コンデンサを用いたが、その代わりに、サセプタンスを可変できるものを用いるのでもよい。そのようなものとして、例えば、最適化されたエアギャップコンデンサやバリアブルインダクタなどがあり、一層のコンパクト化と軽量化を達成することができる。
【００７９】
さらに、上記の実施の形態においては、コンデンサカバー４０を、銅、アルミニウム、真鍮等の材料からなる構成にしたが、絶縁体にこれらの材料をコーティングした構成でもよい。
【００８０】
【発明の効果】
インピーダンス整合器についての本発明によれば、負荷インピーダンスの変動に対するインピーダンスマッチングを行うのに可変容量コンデンサの静電容量の調整をもって行うので、可変容量コンデンサでの可動側電極の移動量が少なくてすみ、摩擦抵抗も大幅に軽減され、駆動用モータからの直接駆動であるとともに、軸心精度が高いことから、インピーダンスマッチングの高速応答性を実現することができる。また、スタブが短く軸心精度が良いので、スタブの姿勢として必ずしも縦姿勢に制限されることはなく、横寝かせ等の据え付けの自由度を広げることができる。また、インピーダンス整合器の全体をコンパクトにまとめることができる。さらに、摩耗が少なく、長い寿命を確保することができる。さらにまた、可変容量コンデンサやコンデンサカバーを、インダクタンスＬxと静電容量Ｃｘとの関係が
【数３１】
に示すように設計すれば、高周波領域においてスタブの共振を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態にかかわるインピーダンス整合器の構造を示す断面図
【図２】 図１における１つのスタブを拡大して示す断面図
【図３】 本発明の実施の形態のインピーダンス整合器が半導体製造のプラズマドライプロセスにおいて使用されている様子を示す概略図
【図４】 本実施の形態のインピーダンス整合器において、高周波電力の周波数が１ｋＨｚの場合の可変容量コンデンサの回転数と静電容量との関係を示す静電容量テーブル
【図５】 本実施の形態のインピーダンス整合器において、高周波電力の周波数が４５０ＭＨｚの場合の可変容量コンデンサの回転数とサセプタンスとの関係を示すサセプタンステーブル
【図６】 本実施の形態のインピーダンス整合器において、高周波電力の周波数が４５０ＭＨｚの場合の可変容量コンデンサの回転数とインダクタンスとの関係を示すインダクタンステーブル
【符号の説明】
ＩＭ…インピーダンス整合器
Ａ１…高周波電源
Ａ２…負荷
Ａ３…同軸管
Ａ４…アンテナ装置
１０…主同軸管
１１…主同軸管内導体
１２…主同軸管外導体
１３…分岐内導体
２０…可変容量コンデンサ
２１…固定側電極端板部
２２…可動側電極端板部
２３…絶縁筒
２４…外殻
２５…固定側電極
２６…可動側電極
２７…センターピン
２８…調整ボルト
２９…静電容量調整筒軸
３０…ベローズ
３１…コンデンサ取付板
４０…コンデンサカバー
５０…駆動用モータ
５１…駆動軸
５２…カップリング
６０…モータ支持フランジ
１００…スタブ
２００…スタブ
３００…スタブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造のプラズマドライプロセスなどにおいて、高周波電源とプラズマチャンバーなどの負荷との間の高周波電力の伝送路中に介在されて、伝送路のインピーダンスを負荷側のインピーダンスにマッチングさせることにより負荷側からの電力の反射をなくし、高周波電源側からの入射電力を負荷側において最大限に利用するようにするためのインピーダンス整合器にかかわり、特には、負荷インピーダンスの変動に対する応答性を改善する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造のプラズマドライプロセスにおいて、近年、半導体素子の基板パターンの微細化のため、使用する高周波電力の周波数がＲＦ帯（〜３０ＭＨｚ）からＶＨＦ帯（３０〜３００ＭＨｚ）を経てＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）へと高周波化している。このような高周波電力を効率良くプラズマチャンバーなどの負荷に供給するのがインピーダンス整合器である。
【０００３】
導波管、同軸管などの高周波電力の伝送路の途中に介在されるインピーダンス整合器は、管軸方向に隔設されたそれぞれの位置に複数のスタブを備えている。隣接するスタブの距離は、印加する高周波電力の周波数における同軸管での管内波長λgの４分の１（λg／４）である。管内波長λgは、自由空間波長λよりも大きいものとなっている。
【０００４】
伝送路が例えば同軸管では、スタブは、主同軸管の内導体（主同軸管内導体）に接合された芯線部と主同軸管の外導体（主同軸管外導体）に接合された外筒部とが同心状に配されてなる可変長同軸管と、この可変長同軸管内を軸方向に沿って摺動する先端短絡用電極とを備えている。この先端短絡用電極をプランジャと呼ぶこともある。
【０００５】
インピーダンスマッチングをスミスチャートの全域にわたって実行できるようにするために、先端短絡用電極の摺動範囲をλg／４にするのが一般的である。ところで、従来技術においては、先端短絡用電極がプランジャ構成となっているため、プランジャ（ロッド）の移動範囲を含めると、スタブの全長はλg／２以上としなければならない。例えば、管内波長λgが４５０ＭＨｚの場合には、スタブの全長は、理論上では３３３ｍｍ以上は必要となり、実際上ではさらに長いものとなる。しかし、これでは、インピーダンス整合器の大型化と重量化とを免れない。
【０００６】
この不都合を解消することを目的として提案されたものとして、特開平１０−１５０３０６号公報に開示された技術がある。これは、プランジャ（ロッド）の突出動作をなくし、ワイヤやモータを備えた巻取機構を用いて先端短絡用電極を往復摺動させるように構成したものである。すなわち、スタブの軸方向の両端部に互いに対向させて配置した正逆転駆動切り換え可能な巻き取りリールと反転リール、これら両リール間にわたって巻回させたワイヤ（電気絶縁性紐状体）、駆動用モータ、駆動用モータと巻き取りリールとを連結する減速機構のギア列などを備えている。巻き取りによって移動するワイヤに先端短絡用電極が連結されている。
【０００７】
この公報に開示の技術によれば、スタブの全長をほぼλg／４程度に短くすることができるとされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の従来技術のインピーダンス整合器にあっては、インピーダンスマッチングのために、先端短絡用電極の変位をもってスタブ内における管路長を調整するように構成してあるため、先端短絡用電極はスタブにおける芯線部にも外筒部にも密接させている必要があり、芯線部および外筒部に対する先端短絡用電極の摺動の摩擦抵抗が大きなものとなっている。
【０００９】
また、先端短絡用電極の変位による管路長の調整でインピーダンスマッチングを行うものであるため、スタブとしては、短くなったとはいえ、それ相当の長いものとならざるを得ない。つまり、スタブが軸方向に比較的に長いものであるため、その軸心精度が低いものになりがちである。
【００１０】
上記のような摺動抵抗が大きいことと軸心精度が低いことから、先端短絡用電極を含むショートプランジャの移動速度が遅いものとなり、負荷インピーダンスの変動に対応してのインピーダンスマッチングの応答性が悪いものとなっている。
【００１１】
そして、摺動の摩擦抵抗が大きいことから、長期間使用において、先端短絡用電極やスタブの外筒部、芯線部の摩耗・劣化が進みやすく、寿命が短くなっている。
【００１２】
さらに、ショートプランジャが移動するスタブは、短くなったとはいえ、未だ比較的に長いものであるため、スタブを横寝かせ姿勢で使用することがむずかしく、整合器の据え付け条件に制約をもたらしている。すなわち、スタブを縦姿勢にしてインピーダンス整合器を据え付ける必要があるが、この場合、室内での占有空間につき、高さ方向での占有が大きく、据え付けに支障がでる。
【００１３】
本発明は上記した課題の解決を図るべく創作したものであって、さらなるコンパクト化と、プラズマ負荷の挙動などの負荷インピーダンスの変動に対応するインピーダンスマッチングの応答性を向上するとともに、寿命を長くし、さらに据え付けの自由度を広げることを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
インピーダンス整合器についての本発明は、次のような手段を講じることにより、上記の課題を解決するものである。
【００１５】
本発明のインピーダンス整合器は、主同軸管に管軸方向に所定間隔を隔てて少なくとも２つのスタブが連設されてなるインピーダンス整合器であって、前記各スタブを、前記主同軸管の内導体に一端が接合された可変容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサの他端に電気的に接続されるとともに、この可変容量コンデンサの周囲を覆う状態で、前記主同軸管の外導体に接合される導電性のコンデンサカバーと、前記コンデンサカバーの外側に配されて前記可変容量コンデンサの可動側電極を駆動する駆動用モータとを備えたものとして構成してあることを特徴とする。
【００１６】
本発明にかかわるインピーダンス整合器は、その前提的構成として、主同軸管と複数のスタブとを備えている。主同軸管は、管軸方向の一端の開口部が高周波電源側に連通接続され、管軸方向の他端の開口部がプラズマチャンバーなどの負荷側に連通接続されるように構成されている。その主同軸管の管軸方向に所定間隔を隔てた少なくとも２箇所においてスタブが分岐的に連設されている。この前提的構成において、主同軸管の一端開口部は高周波電源に直接に連通接続してもよいし、高周波電源から延出された同軸管に連通接続してもよい。また、主同軸管の他端開口部は負荷に直接に連通接続してもよいし、負荷から延出された同軸管に連通接続してもよい。スタブの連設個数は一般的には３個とするのが好ましいが、２個であってもよいし、４個以上であってもよい。スタブの方向性については、通常は主同軸管の管軸方向に対して垂直とするが、必ずしもそれにとらわれる必要性はない。斜めに延出していても、本質は変わらない。複数のスタブの配設間隔については、一般的には管内波長λｇの４分の１とするのが好ましいが、本発明においては、そのこと自体に特徴があるわけではないので、特には限定することを要しない。
【００１７】
本発明は、以上のような構成を前提としてもっているインピーダンス整合器において、次のような要件を備えたことを特徴としている。すなわち、前記複数のスタブのそれぞれについて、各スタブを、前記主同軸管の内導体に一端が接合される可変容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサの他端に電気的に接続されるとともに、前記可変容量コンデンサの周囲を覆う状態で、前記主同軸管の外導体に接合される導電性のコンデンサカバーと、前記コンデンサカバーの外側に配されて前記可変容量コンデンサの可動側電極を駆動する駆動用モータとを備えたものとして構成してある。
【００１８】
本発明のインピーダンス整合器は、先端短絡用電極（ショートプランジャ）の変位によってスタブ内の管路長を調整することを通じてインピーダンスマッチングを行う従来技術とは異なり、可変容量コンデンサの静電容量の調整をもってインピーダンスマッチングを行う。静電容量の調整は管路長の調整とは異なり、空間的な自由度が大きい。管路長の調整は軸方向での変位において１対１の関係に制約されてしまうが、すなわち、管路長の調整量と軸方向での先端短絡用電極の変位量とはまったく同じとなってしまうが、静電容量の調整の場合には、例えば、可動側電極と固定側電極とを多層に内外嵌合することにより、可動側電極の変位を増幅したかたちで静電容量の増減を行うことが可能である。つまり、比較的に小さい変位で相対的に大きな静電容量変化をもたらすことが可能である。したがって、負荷インピーダンスの変動に対するインピーダンスマッチングのために可動側電極を移動させる移動量が少なくてすみ、その所定量を移動させるのに要する時間を従来技術に比べて短縮化すること、ひいてはインピーダンスマッチングの高速応答性を実現することが可能となる。
【００１９】
管路長の調整の場合には先端短絡用電極がスタブの芯線部と外筒部に密接して摺動する必要があるが、静電容量の調整の場合には、そのような密接摺動は必ずしも必要ではなくて、可動側電極の変位における抵抗が大幅に軽減されることになり、これもインピーダンスマッチングの高速応答性に有利となる。
【００２０】
そして、コンデンサカバーの外側に配した駆動用モータによって可変容量コンデンサの可動側電極を直接的に駆動するので、すなわち減速機構を介在していないので、さらに高速応答性を有利にしている。
【００２１】
また、可動側電極の変位が抵抗少なくスムーズに行えることは、摩耗を軽減して寿命を長くするうえでも有利となる。
【００２２】
可変容量コンデンサの可動側電極のストロークを短くできるので、スタブそのものの長さも短いものですみ、その軸心精度を高いものにすることが可能となっている。この軸心精度が高いことも、可動側電極のスムーズな動き、ひいては高速応答性の向上に有利となる。
【００２３】
スタブとしては短くて軸心精度が高いので、スタブの姿勢としては必ずしも縦姿勢に限る必要性はなく、例えばスタブを横寝かせの姿勢でインピーダンス整合器を据え付けることが可能となる。つまり、据え付けの自由度が高くなる。
【００２４】
本発明は、さらに、上記の構成のインピーダンス整合器において、前記導電性のコンデンサカバーを含めて前記可変容量コンデンサを有する前記スタブのサセプタンスを、
【００２５】
【数２】
【００２６】
可変容量コンデンサは、高周波領域になると、その内部の構成エレメント特にベローズや配線がもつ寄生インダクタンスの大きさが無視できなくなるために、実は、可変容量素子としての機能を充分に発揮できない状況に陥ってしまうことが分かった。
【００２７】
複素インダクタンスＺを抵抗分Ｒとリアクタンス分Ｘとで表現すると、
Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ
複素アドミッタンスＹをコンダクタンス分Ｇとサセプタンス分Ｂとで表現すると、
Ｙ＝Ｇ＋ｊＢ
ただし、
【００２８】
【数３】
【数４】
【００３０】
【数５】
【００３１】
【数６】
Ｂ＝ωＣx
静電容量Ｃxは基準点からの変位量ｘに比例する。その比例定数をｋcとすると、
Ｃx＝ｋc・ｘ
したがって、サセプタンスＢは、これを変位量ｘに応じたものとして、記号Ｂxを用いることとして、
Ｂx＝ωｋc・ｘ
この特性曲線はリニアなものとなる。
【００３２】
以上は、使用する高周波電力の周波数が相対的に低い場合である。ところが、高周波電力の周波数が高くなるにつれて、次のような問題が発生することが分かった。
【００３３】
高周波領域になると、可変容量コンデンサ（真空コンデンサ）内のベローズや配線がもつ寄生インダクタンスの大きさが無視できなくなる。それに加えて、この可変容量コンデンサを収納しているコンデンサカバーや配線も一定のインダクタンスになる。
【００３４】
特にＵＨＦ帯の周波数になると、一度、ＬＣの直列共振点を通りすぎ、可変容量コンデンサとしての働きがなくなり、その性質として可変インダクタとして機能するようになる。この高周波領域での可変容量コンデンサを、基準点からの変位量ｘに応じて値が変化する静電容量ＣxとインダクタンスＬxとの直列共振回路とするモデルで考える。この直列共振回路のリアクタンスＸxは、
【００３５】
【数７】
【００３６】
【数８】
【００３７】
ここで、ＵＨＦ帯であるため、ωＬxが非常に大きくなり、
１≪ω2ＬxＣx
となるため、サセプタンスＢxはマイナス値となる。
【００３８】
ここで、あらためて、Ｂxは常に負のため、スタブは可変インダクタンス素子と言い換えできる。したがって、
【００３９】
【数９】
【００４０】
【数１０】
【００４１】
【数１１】
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のインピーダンス整合器の具体的な実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００４３】
図１は本発明の実施の形態にかかわるインピーダンス整合器の構造を示す断面図である。図１では、主同軸管１０の管軸方向であるＸ方向に対して直角な方向をＹ方向としているが、このＹ方向は実は水平方向であると想定している。ただし、Ｙ方向は上下方向でもよいし、他の任意の方向でもよい。
【００４４】
主同軸管１０は主同軸管内導体１１と主同軸管外導体１２からなる。主同軸管内導体１１の外周に所定の間隔を隔てて主同軸管外導体１２が同心状に外套されている。印加する電力の周波数の同軸管管内波長をλgとして、主同軸管１０の管軸方向にλg／４だけ隔てた３箇所において、スタブ１００，２００，３００が主同軸管外導体１２に取り付けられている。３つのスタブ１００，２００，３００の構造は同じである。ここでは、スタブ１００についてのみ説明する。図２はスタブ１００を拡大して示す断面図である。
【００４５】
スタブ１００は、可変容量コンデンサ２０と導電性のコンデンサカバー４０と駆動用モータ５０とを備えて構成されている。分岐内導体１３が主同軸管内導体１１に対して直角に接合され、主同軸管外導体１２に形成した貫通孔１２ａを通して分岐内導体１３が外側まで延出しており、その延出端部に可変容量コンデンサ２０が固定されている。可変容量コンデンサ２０の外周に所定の間隔を隔ててコンデンサカバー４０が外嵌され、そのコンデンサカバー４０が主同軸管外導体１２の外周面に接合されている。コンデンサカバー４０の端板部にモータ支持フランジ６０を介して駆動用モータ５０が取り付けられている。なお、導電性のコンデンサカバー４０は、例えば銅、アルミニウム、真鍮等の材質からなる。また、分岐内導体１３と主同軸管内導体１１との接合およびコンデンサカバー４０と主同軸管外導体１２との接合については、溶接、接着等の手段で一連一体化するのでもよいし、あるいはボルトなどの締結手段により分離可能な状態で連結するのでもよい。
【００４６】
次に、可変容量コンデンサ２０の構造について説明する。本実施の形態の場合、可変容量コンデンサ２０は、その代表例として大電力を許容するために真空コンデンサをもって構成されている。この可変容量コンデンサ２０は、軸方向一端の固定側電極端板部２１と、軸方向他端の可動側電極端板部２２と、これら軸方向で対向する固定側電極端板部２１と可動側電極端板部２２とをつなぐ例えばセラミックス製の絶縁筒２３をもって外殻２４を形成している。外殻２４の内部において、固定側電極端板部２１に固定側電極２５が固定され、この固定側電極２５に対して可動側電極２６が軸方向に沿って摺動自在に内外嵌合されている。
【００４７】
固定側電極２５は複数の円筒体を同心状に配置したものであり、可動側電極２６は固定側電極２５を構成する複数の円筒体に対して内外嵌合する複数の円筒体を同心状に配置したものである。この多層の内外嵌合においては、固定側電極２５の複数の円筒体と可動側電極２６の複数の円筒体とは半径方向に所定の間隔を隔てて対向している。固定側電極２５と可動側電極２６とのこのような多層の内外嵌合の構造が静電容量を形成しており、固定側電極２５に対して可動側電極２６の軸方向に沿った摺動によって、静電容量が可変されるようになっている。
【００４８】
固定側電極端板部２１の軸心部に設けたガイド筒２１ａと可動側電極２６の軸心部に設けた可動リード２６ａとの間にわたって例えばセラミックス製のセンターピン２７が摺動自在に差し渡し嵌合されている。この構造をもって軸心精度を高いものとし、固定側電極２５に対する可動側電極２６の軸方向に沿った摺動をスムーズ、正確なものにしている。
【００４９】
可動側電極２６に一体接合された可動リード２６ａには調整ボルト２８が一体的に設けられている。可動側電極端板部２２の軸心部に凹入部２２ａが形成されており、その凹入部２２ａの軸心部に形成された貫通孔に前記の調整ボルト２８が軸方向で内外に貫通されている。調整ボルト２８の外周部には雄ネジが切ってあり、この雄ネジに静電容量調整筒軸２９の雌ネジが螺合されている。静電容量調整筒軸２９と可動側電極端板部２２の凹入部２２ａとの間にはスラストベアリング（図示せず）が介挿されている。外殻２４の内部において、可動側電極端板部２２と可動側電極２６との間に調整ボルト２８を取り巻く状態でベローズ３０が軸方向に伸縮自在に張設されている。ベローズ３０は導体製であり、可動側電極２６を可動側電極端板部２２に対して電気的に接続している。また、このベローズ３０は可動側電極２６や調整ボルト２８の回り止めを兼ねている。
【００５０】
以上のように構成された可変容量コンデンサ２０は、その固定側電極端板部２１がコンデンサ取付板３１を介して分岐内導体１３に接合されている。また、コンデンサカバー４０の端板の軸心部の貫通孔に対して静電容量調整筒軸２９を貫通させた状態で、コンデンサカバー４０が可変容量コンデンサ２０に外套され、コンデンサカバー４０の端板内面と可変容量コンデンサ２０の可動側電極端板部２２とが接合されている。そして、コンデンサカバー４０の基部のフランジ４０ａが主同軸管外導体１２の外周面に固定されている。コンデンサカバー４０は可動側電極端板部２２を主同軸管外導体１２に対して導通状態に接続している。なお、コンデンサ取付板３１については、分岐内導体１３とコンデンサ２０とを電気的に導通させるため、金属製とする。また、分岐内導体１３と固定側電極端板部２１との接合および可動側電極端板部２２とコンデンサカバー４０との接合については、溶接、接着等の手段で一連一体化するのでもよいし、あるいはボルトなどの締結手段により分離可能な状態で連結するのでもよい。
【００５１】
コンデンサカバー４０から突出した可変容量コンデンサ２０の静電容量調整筒軸２９と駆動用モータ５０の駆動軸５１とが同軸状に対向された状態で、駆動軸５１と静電容量調整筒軸２９とがカップリング５２を介して減速機構の介在なしに直接的に連結されている。駆動軸５１、カップリング５２および静電容量調整筒軸２９の周囲を覆う状態でモータ支持フランジ６０が駆動用モータ５０とコンデンサカバー４０との間に介装されている。駆動用モータ５０にはエンコーダ（図示せず）が付属されており、そのエンコーダをもって駆動用モータ５０の駆動状態を監視するようになっている。
【００５２】
以上でスタブ１００の構造の説明を終わるが、スタブ２００，３００についても同じ構造となっている。
【００５３】
図３は当該のインピーダンス整合器が半導体製造のプラズマドライプロセスなどにおいて使用されている様子を示す。高周波電源Ａ１と負荷Ａ２とをつなぐ同軸管（導波管）Ａ３の途中に負荷Ａ２側から順に当該のインピーダンス整合器ＩＭとアンテナ装置Ａ４とが介装されている。負荷Ａ２の代表例として半導体製造装置におけるプロセスチャンバーを挙げることができる。アンテナ装置Ａ４は同軸管Ａ３においてその管軸方向の３箇所に設けた３つのアンテナ７１，７２，７３からなり、同軸管Ａ３内の電圧定在波振幅（Ｖoltage Ｓtanding Ｗave Ａmplitude ）を検出して、その検出信号をマイクロコンピュータＡ５に送出するようになっている。マイクロコンピュータＡ５は、受け取った３つの検出信号に基づいて、同軸管Ａ３内における反射係数の大きさと位相を計算し、スタブ１００，２００，３００の各位置から見た値に変換し、インピーダンスマッチングに必要なスタブとその調整量を算出する。データの取り込みは約１ｍｓｅｃに１回の割合で実行され、最新のデータに基づいてスタブの調整量を補正する。
【００５４】
マイクロコンピュータＡ５からの指令によりスタブ１００，２００，３００それぞれにおける駆動用モータ５０を駆動回転させる。駆動用モータ５０と可変容量コンデンサ２０とがカップリング５２によって減速機構なしに直接に連結されているので、駆動用モータ５０の駆動回転による可変容量コンデンサ２０における可動側電極２６の動作が高速となる。すなわち、インピーダンスマッチングにおける高速駆動が可能となっている。なお、駆動用モータ５０のエンコーダ（図示せず）をマイクロコンピュータＡ５が監視することにより、駆動用モータ５０の制御を行う。
【００５５】
可変容量コンデンサ２０を覆っている導電性のコンデンサカバー４０については、ＵＨＦ帯の周波数（例えば４５０ＭＨｚ）で駆動するときには、このコンデンサカバー４０がインダクタの役割をもつことになり、可変容量コンデンサ２０と合わせて、ＬＣ直列回路となる。
【００５６】
ＵＨＦ帯の周波数になると、一度、ＬＣの直列共振点を通りすぎ、可変容量コンデンサ２０としての働きがなくなり、その性質として可変インダクタとして機能するようになる。つまり、直列共振回路においては、インダクタを固定側電極２５と可動側電極２６とで構成されているコンデンサＣの静電容量によってキャンセルしている状態となる。
【００５７】
図４は可変容量コンデンサ２０の回転数（Ｎ）を横軸にとり静電容量（Ｃ）を縦軸にとったときの静電容量テーブルである。この回転数は、可動側電極２６が固定側電極２５に対してより深く差し込まれる側の回転数となっている。つまり、可変容量コンデンサ２０の静電容量が増加する側の回転数となっている。なお、この例では、回転数の最大値が４．５回転となっている。
【００５８】
図４は測定時の高周波電力の周波数が１ｋＨｚの場合のものである。可動側電極２６を固定側電極２５から最大に引き出した状態での可変容量コンデンサ２０の容量は５．０Ｅ−１２（＝５．０×１０-12）ファラドとなっており、駆動用モータ５０の４．５回転で３．２１Ｅ−１１（＝３２．１×１０-12）ファラドまで急激な増加を認めている。すなわち、４．５回転で約６．４倍の静電容量増となっている。
【００５９】
図４は高周波電力が１ｋＨｚのときのものであったが、高周波領域になると、可変容量コンデンサ（真空コンデンサ）２０内のベローズ３０や配線がもつ寄生インダクタンスの大きさが無視できなくなる。それに加えて、この可変容量コンデンサ２０を収納しているコンデンサカバー４０や配線も一定のインダクタンスになる。
【００６０】
図５は可変容量コンデンサ２０の回転数（Ｎ）を横軸にとりサセプタンス（Ｂ）を縦軸にとったときのサセプタンステーブルである。この回転数は、可変容量コンデンサ２０の静電容量が増加する側の回転数となっている。つまり、可動側電極２６が固定側電極２５に対してより深く差し込まれる側の回転数となっている。なお、この例では、回転数の最大値が４．５回転となっている。このときの高周波電力の周波数は４５０ＭＨｚである。
【００６１】
回転数を増やして静電容量を増加させるにつれてサセプタンスは単調に増加する傾向となっている。つまり、極大値や極小値をもたない単調増加の特性曲線となっている。
【００６２】
スタブが共振を起こすと、スタブに損傷や異常な温度上昇をもたらす。したがって、スタブが共振を起こさないようにする必要がある。そのためには、上記の単調増加が必要である。
【００６３】
３つのスタブ１００，２００，３００を用いてインピーダンスマッチングを行うと、整合可能領域は、伝送路上の電圧定在波比であるＶＳＷＲ（Ｖoltage Ｓtanding Ｗave Ｒatio）が１０以下の領域をほぼカバーする良い結果を得た。
【００６４】
試作した４５０ＭＨｚのインピーダンス整合器ＩＭの場合、コンデンサカバー４０のインダクタンスの値は次のようになる。使用した真空コンデンサの可変範囲は５．５〜３２．１ｐＦである（図４参照）。インピーダンス整合器の一般的な仕様であるＶＳＷＲが１０以下の負荷インピーダンスに整合をとるために必要な正規化（規格化）サセプタンスは、反射係数Γの大きさを｜Γ｜とすると、
【００６５】
【数１２】
【００６６】
【数１３】
【００６７】
【数１４】
【数１５】
【００６９】
ここで、コンダクタンスｇについて、ｇ＝１とすると、
cosθ≒−０．８１８
sinθ＝±０．５７５
となって、サセプタンスｂは、
ｂ＝−２．８４３
つまり、サセプタンスｂの最大値として、２．８４３以上が必要となる。なお、最小値については、小さい方がよいが、共振点に近づくので、耐電圧、耐電流の許容できる範囲内にする必要がある。
【００７０】
したがって、コンデンサカバー４０は、真空コンデンサの最小静電容量時（５．５ｐＦ）にコンデンサ内部の内部配線特にベローズ３０の寄生インダクタンスと合わせて、前述した
【００７１】
【数１６】
Ｌx＝０．０１６５〔μＨ〕
となる。ただし、実際は、インピーダンス整合器ＩＭの性能の関係上、この値以上のインダクタンスが必要であり、具体的には、０．０２μＨ〜０．０６μＨに設計する必要がある。すなわち、図６に示すように、実際のインダクタンスＬ xは回転数によって変化するので、上記の大きい側に修正した値を採用することになる。
【００７２】
可変容量コンデンサ２０は、固定側電極２５と可動側電極２６との多層の内外嵌合方式のものであるので、その軸方向での比較的に小さい相対変位で静電容量の大きな変化をもたらすことができ、したがって、インピーダンスマッチングにつき、駆動用モータ５０の駆動回転による高速応答性を発揮することができる。駆動用モータ５０と可変容量コンデンサ２０の静電容量調整筒軸２９とをカップリング５２によって減速することなく直接に連結してあることも、高速応答性をもたらす要因である。
【００７３】
また、多層の内外嵌合方式の可変容量コンデンサ２０の場合には、スタブ１００，２００，３００として、その軸方向長さが、特開平１０−１５０３０６号公報のような従来技術の場合の通常の筒状に比べて数分の１程度に縮小することが可能となっている。したがって、スタブ１００，２００，３００の軸方向長さを充分に短くすることができ、軸心精度が高いものとなる。このことも高速応答性に有利となっている。また、コンパクトなインピーダンス整合器ＩＭを現出することができる。
【００７４】
また、その軸心精度が高いことがあるので、その軸方向を必ずしも鉛直方向に限定する必要性がなく、水平方向にした状態での使用も可能となる。スタブ１００，２００，３００を水平方向にした状態でのインピーダンス整合器ＩＭの設置は、同軸管の配管を含めて半導体製造装置の全体の丈を低くすることができる。その据え付けを有利に展開することが可能である。つまり、据え付けの自由度が高いものとなる。
【００７５】
駆動用モータ５０の駆動回転によってカップリング５２を介して静電容量調整筒軸２９が回転し、この静電容量調整筒軸２９に螺合されている調整ボルト２８が軸方向に沿って摺動する。可変容量コンデンサ２０において相対的に摺接するのは、静電容量調整筒軸２９と調整ボルト２８との螺合部分のみであり、それは螺合での摺動であるので、摩耗は本質的に少ないものである。長期間使用においても摩耗・劣化の進行が遅く、寿命が長いものとなる。また、そのような螺合摺動が高速応答性のひとつの要因となっている。
【００７６】
以上のように本実施の形態のインピーダンス整合器によれば、プラズマ負荷の挙動に高速に追従し、プラズマドライプロセスの信頼性向上を可能にし、加えてこのインピーダンス整合器の小型化も達成している。
【００７７】
なお、上記の実施の形態においては、スタブについて、３つのスタブ１００，２００，３００を有する構造にしたが、スタブの本数は２本としてもよい。そうすれば、一層のコンパクト化を達成することができる。軽量化も果たせる。また、必要に応じてスタブの数を４以上にすることもあり得る。
【００７８】
また、上記の実施の形態においては、可変容量コンデンサ２０として真空コンデンサを用いたが、その代わりに、サセプタンスを可変できるものを用いるのでもよい。そのようなものとして、例えば、最適化されたエアギャップコンデンサやバリアブルインダクタなどがあり、一層のコンパクト化と軽量化を達成することができる。
【００７９】
さらに、上記の実施の形態においては、コンデンサカバー４０を、銅、アルミニウム、真鍮等の材料からなる構成にしたが、絶縁体にこれらの材料をコーティングした構成でもよい。
【００８０】
【発明の効果】
インピーダンス整合器についての本発明によれば、負荷インピーダンスの変動に対するインピーダンスマッチングを行うのに可変容量コンデンサの静電容量の調整をもって行うので、可変容量コンデンサでの可動側電極の移動量が少なくてすみ、摩擦抵抗も大幅に軽減され、駆動用モータからの直接駆動であるとともに、軸心精度が高いことから、インピーダンスマッチングの高速応答性を実現することができる。また、スタブが短く軸心精度が良いので、スタブの姿勢として必ずしも縦姿勢に制限されることはなく、横寝かせ等の据え付けの自由度を広げることができる。また、インピーダンス整合器の全体をコンパクトにまとめることができる。さらに、摩耗が少なく、長い寿命を確保することができる。さらにまた、可変容量コンデンサやコンデンサカバーを、インダクタンスＬxと静電容量Ｃｘとの関係が
【数３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態にかかわるインピーダンス整合器の構造を示す断面図
【図２】 図１における１つのスタブを拡大して示す断面図
【図３】 本発明の実施の形態のインピーダンス整合器が半導体製造のプラズマドライプロセスにおいて使用されている様子を示す概略図
【図４】 本実施の形態のインピーダンス整合器において、高周波電力の周波数が１ｋＨｚの場合の可変容量コンデンサの回転数と静電容量との関係を示す静電容量テーブル
【図５】 本実施の形態のインピーダンス整合器において、高周波電力の周波数が４５０ＭＨｚの場合の可変容量コンデンサの回転数とサセプタンスとの関係を示すサセプタンステーブル
【図６】 本実施の形態のインピーダンス整合器において、高周波電力の周波数が４５０ＭＨｚの場合の可変容量コンデンサの回転数とインダクタンスとの関係を示すインダクタンステーブル
【符号の説明】
ＩＭ…インピーダンス整合器
Ａ１…高周波電源
Ａ２…負荷
Ａ３…同軸管
Ａ４…アンテナ装置
１０…主同軸管
１１…主同軸管内導体
１２…主同軸管外導体
１３…分岐内導体
２０…可変容量コンデンサ
２１…固定側電極端板部
２２…可動側電極端板部
２３…絶縁筒
２４…外殻
２５…固定側電極
２６…可動側電極
２７…センターピン
２８…調整ボルト
２９…静電容量調整筒軸
３０…ベローズ
３１…コンデンサ取付板
４０…コンデンサカバー
５０…駆動用モータ
５１…駆動軸
５２…カップリング
６０…モータ支持フランジ
１００…スタブ
２００…スタブ
３００…スタブ
Claims (2)
- 主同軸管にその管軸方向に所定間隔を隔てて連設される少なくとも２つのスタブを有し、
前記各スタブは、
前記主同軸管の内導体に一端が接合される可変容量コンデンサと、
前記可変容量コンデンサの他端に電気的に接続されるとともに、前記可変容量コンデンサの周囲を覆う状態で、前記主同軸管の外導体に接合される導電性のコンデンサカバーと、
前記コンデンサカバーの外側に配されて前記可変容量コンデンサの可動側電極を駆動する駆動用モータとを含んで構成し、
前記可変容量コンデンサを有する前記スタブのサセプタンスを、前記コンデンサカバーを含めて、
- 前記可変容量コンデンサは、多層に内外嵌合された筒状の可動側電極と固定側電極とを備えている請求項１に記載のインピーダンス整合器。
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