JP4041223B2 - プラズマ監視装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電源から電力が供給されているプラズマ負荷のプラズマの状態を監視するプラズマ監視装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の製造過程においては、エッチング、スパッタリング、薄膜成長等を行う際に、プラズマを用いるプロセス（プラズマプロセスという。）が行われる。プラズマプロセスにおいては、エッチング、スパッタリング、薄膜成長等の処理を行うチャンバ内に設けた２つの電極に高周波電力を供給して、この電極間にプラズマを発生させている。
【０００３】
このように、プラズマを生じさせるプラズマ負荷に高周波電力を供給する場合には、高周波電源とプラズマ負荷との間のインピーダンスの整合をとることが重要であり、両者間のインピーダンスの整合がとれていない場合には、高周波電源の出力端で電力の反射が生じてプラズマ負荷に高周波電力を効率良く供給することができないため、そのプロセスにおいて好結果を得ることができない。
【０００４】
そのため、高周波電源からプラズマ負荷に電力を供給する場合には、高周波電源とプラズマ負荷との間にＬ，Ｃ回路やトランス等からなるインピーダンス変換回路を挿入することが必要不可欠である。
【０００５】
図１１は、従来の高周波電力からプラズマ負荷に電力を供給する回路構成を概略的に示した回路図である。図示するように、高周波電源（以下、電源という。）１から同軸ケーブル２とインピーダンス変換回路３′と給電線４とを通してプラズマ負荷５に電力が供給される。インピーダンス変換回路３′は、例えば第１の可変コンデンサＣ11と、タップを選択することによりインダクタンスを調整できるようになっているコイルＬ11と、第２の可変コンデンサＣ22とにより構成され、第１の可変コンデンサＣ11と第２の可変コンデンサＣ22の容量を変えることによりインピーダンスの整合を行うようになっている。
【０００６】
第１及び第２の可変コンデンサＣ11及びＣ22の調整を自動的に行わせるため、図示しない検出器により、インピーダンス変換回路３′の電源側端の電圧及び電流と、この電圧と電流との位相差とを検出し、この電圧と電流との比から、インピーダンス変換回路３′の電源側端より負荷５側を見たインピーダンスを検出して、このインピーダンスを電源の出力インピーダンスに一致させ、かつ上記位相差を零にするようにコンデンサＣ11及びＣ22を調節する。
【０００７】
上記の調節の内、負荷側を見たインピーダンスを電源の出力インピーダンスに一致させるための調節は、主として第１のコンデンサＣ11の容量を調節することにより行われ、位相差を零にするための調節は、主として第２のコンデンサＣ22の容量を調節することにより行われる。
【０００８】
プラズマ負荷５は、図１２に示すようにチャンバ５ａと、２つの電極５ｂ1 ，５ｂ2 と、インピーダンス変換回路３′からチャンバ５ａに給電する給電部５ｃ1 ，５ｃ2 と、電極５ｂ1 ，５ｂ2 と給電部５ｃ1 ，５ｃ2 とをそれぞれ接続する給電線４とにより構成される。なお給電線４は、チャンバ５ａ内に設けられているものとしているが、インピーダンス変換回路３′の負荷側端と給電部５ｃ1 ，５ｃ2 とを接続する分が含まれる。
【０００９】
上記のプラズマプロセスにおいては、再現性よく行い、また半導体素子の歩留まりを向上するために、プラズマの状態を常に監視する必要がある。プラズマの状態を監視するには、例えばプラズマのインピーダンスまたはプラズマのピーク間電圧を計測すればよいことはよく知られている。
【００１０】
ところで、インピーダンス変換回路３′の負荷側端よりプラズマ負荷５側を見たインピーダンスには、プラズマが発生しているときの電極間に存在するインピーダンスとして、プラズマの内部抵抗と、プラズマと２つの電極５ｂ1 ，５ｂ2 との間にそれぞれ発生するシースの静電容量とがある。また、インピーダンス変換回路３′の負荷側端とプラズマ負荷５とを接続する給電線４のインダクタンスがある。なお、インピーダンス変換回路３′の負荷側端と給電部５ｃ1 ，５ｃ2 とは、直接接続できない場合が多く、この場合、所定長さの給電線４により接続する。
【００１１】
このようなインピーダンスが存在する場合、インピーダンス変換回路３′の負荷側端よりプラズマ負荷５側を見た等価回路は図１３に示すようになり、この等価回路の電圧ベクトルは図１４に示すようになる。ＶD はインピーダンス変換回路３′の負荷側端の電圧、ＶL は給電線４に発生する電圧、ＶR ，ＶC はそれぞれプラズマの内部抵抗に発生する電圧及びシースの合成静電容量に発生する電圧、ＶP は電極５ｂ1 ，５ｂ2 間の電圧である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本来、電極５ｂ1 ，５ｂ2 間に発生する電圧ＶP を検出しなければならないところ、このＶP を検出するためのリード線をチャンバ５ａ外に引き出すために、チャンバを改造する必要があるが、この改造が繁雑となるので、従来はインピーダンス変換回路３′の負荷側端の電圧ＶD を検出していた。ところが、図１４から明らかなように、ＶD は、ＶP に対し、給電線４の長さ、すなわち給電線に発生する電圧ＶL の影響を受けるために、ピーク間電圧も精度の欠いた値を検出するという問題があった。
【００１３】
例えば、プラズマプロセスで最も使用頻度の高い１３．５６（ＭＨｚ）の高周波電力を供給した場合のプラズマのリアクタンスは、真空の誘電率を８．８５４×１０−１２、シースの比誘電率を１、電極面積を０．０３２（ｍ２ ）、シース厚さを１（ｍｍ）とすると、１つのシースの静電容量は２８３（ｐＦ）となる。したがって、シースの合成静電容量は約１４２（ｐＦ）となり、１３．５６（ＭＨｚ）に対し、−ｊ８２．７（Ω）となる。
【００１４】
ここで、上記電圧ＶD のピーク間電圧ＶDPと、電圧ＶP のピーク間電圧ＶPPとを比較すると、プラズマに供給される電力を１（ＫＷ）、プラズマの内部抵抗を１０（Ω）とし、給電線のインダクタンスを１００（ｎＨ），５００（ｎＨ）及び１（μＨ）と変化させたときの精度を１００（ＶDP−ＶPP）／ＶDP（％）により求める。
【００１５】
その結果、１００（ｎＨ）のときは−１１（％）、５００（ｎＨ）のときは−１０２（％）、１（μＨ）のときは−７０７（％）となり、明らかにインダンスが大きくなる程、精度が悪くなっている。
【００１６】
本発明の目的は、プラズマ負荷のプラズマの状態の監視に際し、プラズマ負荷のインピーダンスまたはピーク間電圧の計測精度を向上させたプラズマ監視装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高周波電源からインピーダンス変換回路を介して電力が供給されているプラズマ負荷のプラズマの状態を監視するプラズマ監視装置に係わるものである。
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
請求項１に記載の発明は、インピーダンス変換回路の負荷側端での電圧を検出する電圧検出部と、インピーダンス変換回路の負荷側端での電流を検出する電流検出部と、電圧と電流との位相差を検出する位相差検出部と、電圧と電流と位相差とから、インピーダンス変換回路の負荷側端とプラズマ負荷との間をつなぐ給電線の負荷側端での電圧及び電流を演算する給電線負荷側端電圧・電流演算部と、給電線の負荷側端での電圧及び電流から、プラズマ負荷のインピーダンスを演算するプラズマインピーダンス演算部を備えたものである。
【００２２】
上記の請求項１の発明においては、給電線のインピーダンスを測定しなくてもよいので、プラズマ負荷のインピーダンスが効率よく計測される。また、プラズマ負荷に近い箇所で電圧、電流を検出しているので、演算誤差が小さくなる。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、インピーダンス変換回路の電源側端での電圧を検出する電圧検出部と、インピーダンス変換回路の電源側端での電流を検出する電流検出部と、電圧と電流との位相差を検出する位相差検出部と、電圧と電流と位相差とから、インピーダンス変換回路の電源側端よりプラズマ負荷側を見たインピーダンスを第１の入力インピーダンスとして演算する第１の入力インピーダンス演算部と、インピーダンス変換回路を構成する素子の定数及び第１の入力インピーダンスから、インピーダンス変換回路の負荷側端より負荷側を見たインピーダンスを第２の入力インピーダンスとして演算する第２の入力インピーダンス演算部と、インピーダンス変換回路の負荷側端とプラズマ負荷との間をつなぐ給電線のインピーダンス及び第２の入力インピーダンスから、プラズマ負荷のインピーダンスを演算するプラズマインピーダンス演算部と、電圧、電流及びインピーダンス変換回路を構成する素子の定数から、インピーダンス変換回路の負荷側端での電流を演算するインピーダンス変換回路負荷側端電流演算部と、プラズマ負荷のインピーダンス及びインピーダンス変換回路の負荷側端での電流から、プラズマ負荷のピーク間電圧を演算するプラズマピーク間電圧演算部とを備えたものである。
【００２４】
【００２５】
上記の請求項２の発明においては、プラズマ負荷のインピーダンスまたはピーク間電圧の計測精度に影響を及ぼす給電線のインピーダンスを考慮するようにしたので、上記の計測精度が向上する。また、検出精度の高い箇所で電圧、電流を検出しているので、プラズマ負荷のインピーダンスまたはピーク間電圧の計測精度がさらに向上する。
【００２６】
請求項３に記載の発明は、インピーダンス変換回路の電源側端での電圧を検出する電圧検出部と、インピーダンス変換回路の電源側端での電流を検出する電流検出部と、電圧と電流との位相差を検出する位相差検出部と、電圧と電流と位相差とから、インピーダンス変換回路の電源側端よりプラズマ負荷側を見たインピーダンスを第１の入力インピーダンスとして演算する第１の入力インピーダンス演算部と、インピーダンス変換回路を構成する素子の定数及び第１の入力インピーダンスから、インピーダンス変換回路の負荷側端よりプラズマ負荷側を見たインピーダンスを第２の入力インピーダンスとして演算する第２の入力インピーダンス演算部と、電圧と電流と位相差とから、高周波電源の有効電力を演算する実効電力演算部と、第２の入力インピーダンス及び有効電力から、インピーダンス変換回路の負荷側端での電圧及び電流を演算するインピーダンス変換回路負荷側端電圧・電流演算部と、インピーダンス変換回路の負荷側端での電圧及び電流から、インピーダンス変換回路の負荷側端とプラズマ負荷との間をつなぐ給電線の負荷側端での電圧及び電流を演算する給電線負荷側端電圧・電流演算部と、給電線の負荷側端での電圧及び電流から、プラズマ負荷のインピーダンスを演算するプラズマインピーダンス演算部を備えたものである。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、給電線の負荷側端での電圧から、プラズマ負荷のピーク間電圧を演算するプラズマピーク間電圧演算部をさらに備えたものである。
【００２８】
上記の請求項４の発明においては、給電線のインピーダンスを測定しなくてもよいので、プラズマ負荷のピーク間電圧が効率よく計測される。また、検出精度の高い箇所で電圧、電流を検出しているので、プラズマ負荷のピーク間電圧の計測精度がさらに向上する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るプラズマ監視装置の参考例の回路図である。同図において、１は電源、２は同軸ケーブル、３はインピーダンス変換回路（以下、変換回路という）、４は給電線、５はプラズマ負荷（以下、負荷という。）である。この変換回路３は、負荷５に高周波電力を供給する際に従来から用いられている自動インピーダンス整合器である。
【００３０】
変換回路３は、図１１に示したものと同様に、第１の可変コンデンサＣ11と、第２の可変コンデンサＣ22と、タップを選択することによりインダクタンスの調整が可能なコイルＬ11とを備えている。第１及び第２の可変コンデンサＣ11及びＣ22のそれぞれの容量を調節する調節部（操作軸）は、モータを駆動源とした図示しない操作機構に連結されている。また各可変コンデンサの操作子を駆動するモータを制御する図示しない制御部が設けられていて、該制御部により可変コンデンサＣ11及びＣ22の操作子の回転を制御することにより、それぞれの可変コンデンサの容量を調整するようになっている。
【００３１】
変換回路３の負荷側端には、それぞれ負荷側端の電圧Ｖ2 を検出する電圧検出部３Ｂ1 と、電流Ｉ2 を検出する電流検出部３Ｂ2 及び負荷側端の電圧と電流との位相差θ2 を検出する位相差検出部３Ｂ3 を有する負荷側検出器３Ｂが設けられている。
【００３２】
変換回路３を構成する素子の定数は、第１及び第２の可変コンデンサＣ11及びＣ22の容量Ｃ1 ，Ｃ2 と、コイルＬ11のインダクタンスＬ1 とである。これらの内、インダクタンスＬ1 は既知であるが、インピーダンス調節手段である第１及び第２の可変コンデンサＣ11及びＣ22の容量は随時変化する。そこで、可変コンデンサＣ11及びＣ22の容量を演算するため、可変抵抗器ＶＲ1 及びＶＲ2 を設け、これらの可変抵抗器の摺動子を可変コンデンサＣ11及びＣ22の操作子と連動するようにそれぞれの可変コンデンサの操作子の駆動機構に連結している。可変抵抗器ＶＲ1 及びＶＲ2 の両端には一定の直流電圧を印加してあり、可変抵抗器ＶＲ1 及びＶＲ2 の摺動子と接地間にそれぞれコンデンサＣ11及びＣ22の操作子の位置（回転角）に相応した位置検出信号Ｅp1及びＥp2を得るようにしており、この可変抵抗器ＶＲ1 及びＶＲ2 によりインピーダンス調節手段の調節部の位置を検出する調節位置検出器６が構成される。
【００３３】
検出電圧Ｖ2 、検出電流Ｉ2 、位相差θ2 及び位置検出信号Ｅp1，Ｅp2はアナログ／デジタルコンバータ（Ａ／Ｄコンバータ）２０に入力されてデジタル信号に変換され、それぞれのデジタル信号がコンピュータ２１に入力されている。
【００３４】
コンピュータ２１では、プラズマインピーダンス及びプラズマピーク間電圧を演算し、その結果をディスプレイ装置２５に表示する。
【００３５】
図２は本発明に係るプラズマ監視装置の参考例におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図であり、コンピュータ２１は、測定された給電線４のインピーダンスＺS ＊ を入力する給電線インピーダンス測定値入力部２１ａと、検出電圧Ｖ2 、検出電流Ｉ2 及び位相差θ2 から、給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ を演算する給電線入力インピーダンス演算部２１ｂとを有している。また、上記給電線のインピーダンスＺS ＊ 及び給電線入力インピーダンス（第２の入力インピーダンス）Ｚ2 ＊ から、プラズマ負荷５のインピーダンスＺP ＊ を演算するプラズマインピーダンス演算部２１ｃと、上記検出電流Ｉ2 及びプラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ から、プラズマ負荷のピーク間電圧ＶPPを演算するプラズマピーク間電圧演算部２１ｄと、上記プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ 及びピーク間電圧ＶPPを表示する表示指令部２１ｅとを有している。なお、“＊”は複素数であることを示している。
【００３６】
図３は参考例におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００３７】
給電線インピーダンス測定値入力部２１ａには、インピーダンスアナライザにより測定された給電線インピーダンスＺS ＊ が入力される（ステップＳ１）。なお、この給電線は、抵抗分が無視でき、リアクタンス分としてのインダクタンスＬS のみとなる。また、このインピーダンスは、電極５ｂ1 ，５ｂ2 間を短絡して測定される。
【００３８】
給電線入力インピーダンス演算部２１ｂでは、まず検出器３Ｂの出力である検出電圧Ｖ2 、検出電流Ｉ2 及び位相差θ2 を読込み（ステップＳ２）、つぎに変換回路３の負荷側端よりプラズマ負荷５側を見たインピーダンス、すなわち給電線４の電源側端より負荷側を見たインピーダンスを給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ とし、上記Ｖ2 ，Ｉ2 から、この入力インピーダンスの絶対値Ｚ2 を（１）式により求める（ステップ３）。
Ｚ2 ＝Ｖ2 ／Ｉ2 …（１）
【００３９】
ついで、上記インピーダンスの絶対値Ｚ2 及び位相差θ2 から、給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ を求める（ステップ４）。このインピーダンスＺ2 ＊ の抵抗分をＲ2 、リアクタンス分をＸ2 とし、Ｚ2 ＊ ＝Ｒ2 ＋ｊＸ2 とおくと、Ｒ2 及びＸ2 は（２），（３）式で与えられる。
Ｒ2 ＝Ｚ2 ・ｃｏｓθ2 …（２）
Ｘ2 ＝Ｚ2 ・ｓｉｎθ2 …（３）
【００４０】
プラズマインピーダンス演算部２１ｃでは、上記抵抗分Ｒ2 、リアクタンス分Ｘ2 及び給電線のリアクタンスωＬｓ（ω：角周波数）から、給電線４の負荷側端より負荷側を見たインピーダンスをプラズマインピーダンスＺP ＊ として求める（ステップＳ５）。このインピーダンスＺP ＊ の抵抗分をＲP 、リアクタンス分をＸP とし、ＺP ＊ ＝ＲP ＋ｊＸP とおくと、ＲP 及びＸP は（４），（５）式で与えられる。
ＲP ＝Ｒ2 …（４）
ＸP ＝Ｘ2 −ωＬｓ …（５）
【００４１】
プラズマピーク間電圧演算部２１ｄでは、まず（４），（５）式で得られたＲP ，ＸP から、プラズマインピーダンスの絶対値ＺP を（６）式により求める（ステップＳ６）。
ＺP ＝｛Ｒ2 ２ ＋（Ｘ2 −ωＬｓ）２ ｝１／２ …（６）
【００４２】
つぎに、上記検出電流Ｉ2 及びプラズマインピーダンスの絶対値ＺP から、プラズマピーク間電圧ＶPPを（７）式により求める（ステップＳ７）。なお、Ｉ2 は実効値としている。
ＶPP＝２・２１／２・Ｉ2 ・ＺP …（７）
【００４３】
表示指令部２１ｅでは、プラズマインピーダンスＺP ＊ 及びプラズマピーク間電圧ＶPPの表示指令を出し（ステップＳ８）、再度、ステップＳ２に戻る。
【００４４】
＜第１の実施形態＞
図４は本発明に係るプラズマ監視装置の第１の実施形態におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図である。なお、本実施形態を示す回路図は参考例と同じであるので省略する。
【００４５】
コンピュータ２２は、検出電圧Ｖ2 、検出電流Ｉ2 及び位相差θ2 から、インピーダンス変換回路３の負荷側端での電圧及び電流を演算し、この演算された負荷側端での電圧及び電流、すなわち給電線４の電源側端電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ から、給電線４の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ を演算する給電線負荷側端電圧・電流演算部２２ａを有している。また、上記給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ から、プラズマ負荷５のインピーダンスＺP ＊ を演算するプラズマインピーダンス演算部２２ｂと、上記給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ から、プラズマ負荷のピーク間電圧ＶPPを演算するプラズマピーク間電圧演算部２２ｃと、上記プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ 及びピーク間電圧ＶPPを表示する表示指令部２２ｄとを有している。
【００４６】
図５は第１の実施形態におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００４７】
給電線負荷側端電圧・電流演算部２２ａでは、まず検出器３Ｂの出力である検出電圧Ｖ2 、検出電流Ｉ2 及び位相差θ2 を読込み（ステップＳ１）、Ｖ2 ，Ｉ2 及びθ2 から、インピーダンス変換回路３の負荷側端での電圧及び電流を演算し、この演算された負荷側端での電圧及び電流から、給電線の電源側端電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ を求める（ステップＳ２）。このＶ2 ＊ ，Ｉ2 ＊ は、Ｖ2 ，Ｉ2 を実効値とすると、（８），（９）式で与えられる。
Ｖ2 ＊ ＝２１／２ ・Ｖ2 εｊωｔ …（８）
Ｉ2 ＊ ＝２１／２ ・Ｉ2 εｊ（ωｔ−θ２） …（９）
【００４８】
つぎに、給電線を４端子網として取扱い、この負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ を求める（ステップＳ３）。上記電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ は、４端子定数Ａ2 ，Ｂ2 ，Ｃ2 ，Ｄ2 と、負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び負荷側端電流Ｉ3 ＊ とを用いて、（１０）式で表わされる。
【００４９】
【数１】
【００５０】
（１０）式はＶ2 ＊ ，Ｉ2 ＊ に４端子定数の逆行列を乗じると、（１１）式で表わされる。
【００５１】
【数２】
【００５２】
給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ は、（１１）式から（１２），（１３）式により求められる。なお、Ａ2 ，Ｂ2 ，Ｃ2 ，Ｄ2 は下記に示すように、それぞれ（２１），（２２），（２３）及び（２４）式により求めたものである。
Ｖ3 ＊ ＝｛１／（Ａ2 Ｄ2 −Ｂ2 Ｃ2 ）｝（Ｄ2 Ｖ2 ＊ −Ｂ2 Ｉ2 ＊ ）
…（１２）
Ｉ3 ＊ ＝｛１／（Ａ2 Ｄ2 −Ｂ2 Ｃ2 ）｝（−Ｃ2 Ｖ2 ＊ ＋Ａ2 Ｉ2 ＊ ）
…（１３）
【００５３】
プラズマインピーダンス演算部２２ｂでは、（１２），（１３）式で得られた給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ から、プラズマインピーダンスＺP ＊ を（１４）式により求める（ステップＳ４）。
ＺP ＊ ＝Ｖ3 ＊ ／Ｉ3 ＊ …（１４）
【００５４】
プラズマピーク間電圧演算部２２ｃでは、（１２）式で得られたＶ3 ＊ からその最大値Ｖ3´＊を求め、プラズマピーク間電圧ＶPPを（１５）式により求める（ステップＳ５）。
ＶPP＝２・Ｖ3´＊ …（１５）
【００５５】
表示指令部２２ｄでは、プラズマインピーダンスＺP ＊ 及びプラズマピーク間電圧ＶPPの表示指令を出し（ステップＳ６）、再度、ステップＳ１に戻る。
【００５６】
上記４端子定数Ａ2 ，Ｂ2 ，Ｃ2 ，Ｄ2 は、例えば下記のように求めることができる。まず、抵抗値が既知の抵抗Ｒを電極５ｂ1 ，５ｂ2 間に接続し、給電線４の電源側端より負荷側を見たインピーダンスＺ22を、インピーダンスアナライザを用いて測定する。
【００５７】
つぎに、給電線の電源側端に所定の電圧を有する高周波信号源を接続し、入力電圧Ｖ22及び出力電圧（電極間電圧）Ｖ33を測定する。このときの入力電流をＩ22、出力電流をＩ33とすると、Ｖ22，Ｉ22は４端子定数Ａ2 ，Ｂ2 ，Ｃ2 ，Ｄ2 及びＶ33，Ｉ33を用いて、（１６）式で表わされる。
【００５８】
【数３】
【００５９】
上記（１６）式のＩ22，Ｉ33は、それぞれＩ22＝Ｖ22／Ｚ22，Ｉ33＝Ｖ33／Ｒであるので、（１７）式のように変形できる。
【００６０】
【数４】
【００６１】
上記（１７）式を展開すると、（１８），（１９）式になる。
Ｖ22＝（Ａ2 ＋Ｂ2 ／Ｒ）Ｖ33 …（１８）
Ｖ22／Ｚ22＝（Ｃ2 ＋Ｄ2 ／Ｒ）Ｖ33 …（１９）
【００６２】
上記（１８），（１９）式において、抵抗Ｒａを接続したときのインピーダンスをＺ2a、入力電圧をＶ2a、出力電圧をＶ3aとし、抵抗Ｒb を接続したときのインピーダンスをＺ2b、入力電圧をＶ2b、出力電圧をＶ3bとすると、以下の連立方程式（２０）が得られる。
【００６３】
【数５】
【００６４】
上記（２０）式からＡ2 ，Ｂ2 ，Ｃ2 ，Ｄ2 が求められる。
Ａ2 ＝｛１／（Ｒb −Ｒa ）｝（Ｖ2a／Ｖ3a）・Ｒa
＋（Ｖ2b／Ｖ3b）・Ｒb …（２１）
Ｂ2 ＝｛（Ｖ2a／Ｖ3a）−（Ｖ2b／Ｖ3b）｝・Ｒa ・
｛１／（Ｒb −Ｒa ）｝・Ｒb …（２２）
Ｃ2 ＝｛１／（Ｒb −Ｒa ）｝（−Ｖ2a／Ｖ3a・Ｚ2a）・Ｒa ＋
（Ｖ2b／Ｖ3b・Ｚ2b）・Ｒb …（２３）
Ｄ2 ＝［｛（Ｖ2a／Ｖ3a−Ｚ2a）｝−（Ｖ2b／Ｖ3b・Ｚ2b）］・Ｒa ・
｛１／（Ｒb −Ｒa ）｝・Ｒb …（２４）
【００６５】
＜第２の実施形態＞
図６は本発明に係るプラズマ監視装置の第２の実施形態を示す回路図であり、１は電源、２は同軸ケーブル、３は変換回路、４は給電線、５は負荷、２０はＡ／Ｄコンバータ、２３はコンピュータ、２５はディスプレイ装置である。
【００６６】
本実施形態では、変換回路３の電源側端に、それぞれ電源側端での電圧Ｖ1 を検出する電圧検出部３Ａ1 、電流Ｉ1 を検出する電流検出部３Ａ2 及び電源側端での電圧と電流との位相差θ1 を検出する位相差検出部３Ａ3 を有する電源側検出器３Ａを設けている。
【００６７】
図７は本発明に係るプラズマ監視装置の第２の実施形態におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図であり、コンピュータ２３は、変換回路３の構成素子の内、既知のインピーダンスＺL ＊ を入力する変換回路既知インピーダンス入力部２３ａと、測定された給電線４のインピーダンスＺS ＊ を入力する給電線インピーダンス測定値入力部２３ｂとを有している。また、検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び位相差θ1 から、変換回路の入力インピーダンスＺ1 ＊ を演算する変換回路入力インピーダンス演算回路２３ｃと、位置検出信号ＥP1，ＥP2から、変換回路の構成素子の内、調節用のインピーダンスＺC1＊ ，ＺC2＊ を演算する変換回路調節用インピーダンス演算部２３ｄとを有している。さらに、上記変換回路の既知のインピーダンスＺL ＊ 、入力インピーダンスＺ1 ＊ 及び調節用のインピーダンスＺC1＊ ，ＺC2＊ から、給電線入力インピーダンス（第２の入力インピーダンス）Ｚ2 ＊ を演算する給電線入力インピーダンス演算部２３ｅ、上記給電線のインピーダンスＺS ＊ と入力インピーダンスＺ2 ＊ とから、プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ を演算するプラズマインピーダンス演算部２３ｆと、上記検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び調節用のインピーダンスＺC1 ＊ から、変換回路の負荷側端電流Ｉ2 ′を演算する変換回路負荷側端電流演算部２３ｇと、上記プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ 及び変換回路の負荷側端電流Ｉ2 ′から、プラズマ負荷のピーク間電圧ＶPPを演算するプラズマピーク間電圧演算部２３ｈと、上記プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ 及びピーク間電圧ＶPPを表示する表示指令部２３ｉとを有している。
【００６８】
図８は第２の実施形態におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００６９】
変換回路既知インピーダンス値入力部２３ａには、タップ選択された既知のインダクタンスＬ1 によるインピーダンスＺL ＊ としてリアクタンスωＬ1 （ω：角周波数）が入力され（ステップＳ１）、給電線インピーダンス測定値入力部２３ｂには、測定された給電線のインピーダンスＺS ＊ としてリアクタンスωＬｓが入力される（ステップＳ１）。
【００７０】
変換回路入力インピーダンス演算部２３ｃでは、まず検出器３Ａの出力である検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び位相差θ1 を読込み（ステップＳ２）、つぎに変換回路の電源側端より負荷側を見たインピーダンスを変換回路入力インピーダンス（第１の入力インピーダンス）Ｚ1 ＊ とし、上記Ｖ1 ，Ｉ1 から、この入力インピーダンスの絶対値Ｚ1 を（２５）式により求める（ステップ３）。
Ｚ1 ＝Ｖ1 ／Ｉ1 …（２５）
【００７１】
ついで、上記インピーダンスの絶対値Ｚ1 及び位相差θ1 から、変換回路入力インピーダンスＺ1 ＊ を求める（ステップＳ４）。このインピーダンスＺ1 ＊ の抵抗分をＲ1 、リアクタンス分をＸ1 とし、Ｚ1 ＊ ＝Ｒ1 ＋ｊＸ1 とおくと、Ｒ1 及びＸ1 は（２６），（２７）式で与えられる。
Ｒ1 ＝Ｚ1 ・ｃｏｓθ1 …（２６）
Ｘ1 ＝Ｚ1 ・ｓｉｎθ1 …（２７）
【００７２】
変換回路調節用インピーダンス演算部２３ｄでは、まず調節位置検出器６の出力である位置検出信号ＥP1，ＥP2を読込み（ステップＳ５）、つぎに位置検出信号から調節用コンデンサＣ11，Ｃ22の容量Ｃ1 ，Ｃ2 を求め（ステップＳ６）、ついでその結果に基づいてコンデンサＣ11，Ｃ22のインピーダンスＺC1＊ ，ＺC2＊ として、それぞれのリアクタンスＸC1，ＸC2を求める（ステップＳ７）。
【００７３】
給電線入力インピーダンス演算部２３ｅでは、変換回路３の負荷側端よりプラズマ負荷５側を見たインピーダンス、すなわち給電線の電源側端より負荷側を見たインピーダンスを給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ として求める（ステップＳ８）。
【００７４】
このインピーダンスＺ2 ＊ をＺ2 ＊ ＝Ｒ2 ＋ｊＸ2 とおいて、Ｒ2 及びＸ2 を未知数とし、上記入力インピーダンスＺ1 ＊ の抵抗分Ｒ1 及びリアクタンス分Ｘ1 と、変換回路３の構成素子のリアクタンスＸC1，ＸC2及びＸL1とを既知数として、Ｒ2 及びＸ2 を求める。これらＲ2 及びＸ2 はそれぞれ（２８），（２９）式により与えられる。
Ｒ2 ＝Ｒ1 ・（ＸC1）２ ／Ｂ …（２８）
Ｘ2 ＝｛Ｒ1 ２ ・ＸC1＋（Ｘ1 ＋ＸC1）・ＸC1・Ｘ1 ｝／Ｂ＋（ＸC2−ＸL1）
…（２９）
但し、Ｂ＝Ｒ1 ２ ＋（Ｘ1 ＋ＸC1）２
【００７５】
プラズマインピーダンス演算部２３ｆでは、参考例と同様に、上記抵抗分Ｒ2 ，リアクタンス分Ｘ2 及び給電線のリアクタンスωＬｓから、給電線の負荷側端より負荷側を見たインピーダンスをプラズマインピーダンスＺP ＊ として（４），（５）式により求める（ステップＳ９）。
【００７６】
変換回路負荷側端電流演算部２３ｇでは、上記検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び調節用コンデンサＣ11のリアクタンスＸC1から、変換回路の負荷側端電流Ｉ2´ を（３０）式により求める（ステップＳ１０）。なお、Ｖ1 ，Ｉ1 は実効値としている。
Ｉ2´＝Ｉ1 −ＸC1・Ｖ1 …（３０）
【００７７】
プラズマピーク間電圧演算部２３ｈでは、まず上記ＲP ，ＸP からプラズマインピーダンスの絶対値ＺP を（６）式により求め（ステップＳ１１）、つぎに上記Ｉ２´及びＺP から、プラズマピーク間電圧ＶPPを（３１）式により求める（ステップＳ１２）。
ＶPP＝２・２１／２ ・Ｉ2´・ＺP …（３１）
【００７８】
表示指令部２３ｉでは、プラズマインピーダンスＺP ＊ 及びプラズマピーク間電圧ＶPPの表示指令を出し（ステップＳ１３）、再度、ステップＳ２に戻る。
【００７９】
＜第３の実施形態＞
図９は本発明に係るプラズマ監視装置の第３の実施形態におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図である。なお、本実施形態を示す回路図は第２の実施形態と同じであるので省略する。
【００８０】
コンピュータ２４は、変換回路３の構成素子の内、既知のインピーダンスＺL ＊ を入力する変換回路既知インピーダンス入力部２４ａと、検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び位相差θ1 から、変換回路の入力インピーダンスＺ1 ＊ を演算する変換回路入力インピーダンス演算回路２４ｂと、位置検出信号ＥP1，ＥP2から、変換回路の構成素子の内、調節用のインピーダンスＺC1＊ ，ＺC2＊ を演算する変換回路調節用インピーダンス演算部２４ｃとを有している。また、上記変換回路の既知のインピーダンスＺL ＊ 、入力インピーダンスＺ1 ＊ 及び調節用のインピーダンスＺC1＊ ，ＺC2＊ から、給電線入力インピーダンス（第２の入力インピーダンス）Ｚ2 ＊ を演算する給電線入力インピーダンス演算部２４ｄと、検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び位相差θ1 から、高周波電源１の有効電力Ｐを演算する実効電力演算部２４ｅとを有している。さらに、上記給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ 及び有効電力Ｐから、変換回路３の負荷側端電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ を演算する変換回路負荷側端電圧・電流演算部２４ｆと、上記負荷側端電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ から、給電線４の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ を演算する給電線負荷側端電圧・電流演算部２４ｇと、上記給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ から、プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ を演算するプラズマインピーダンス演算部２４ｈと、上記給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ から、プラズマ負荷のピーク間電圧ＶPPを演算するプラズマピーク間電圧演算部２４ｉと、上記プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ 及びピーク間電圧ＶPPを表示する表示指令部２４ｊとを有している。
【００８１】
図１０は第３の実施形態におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。なお、ステップＳ１からステップＳ８までは図８と同様である。ただし、ステップＳ１では変換回路既知インピーダンスＺL ＊ の入力のみである。
【００８２】
変換回路既知インピーダンス値入力部２４ａには、タップ選択された既知のインダクタンスＬ1 によるインピーダンスＺL ＊ が入力され（ステップＳ１）、変換回路入力インピーダンス演算部２４ｂでは、まず検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び位相差θ1 を読込み（ステップＳ２）、つぎに変換回路入力インピーダンスの絶対値Ｚ1 を求め（ステップ３）、ついで変換回路入力インピーダンスＺ1 ＊ を求める（ステップＳ４）。変換回路調節用インピーダンス演算部２４ｃでは、まず位置検出信号ＥP1，ＥP2を読込み（ステップＳ５）、つぎに位置検出信号から調節用コンデンサＣ11，Ｃ22の容量Ｃ1 ，Ｃ2 を求め（ステップＳ６）、ついでその結果に基づいてコンデンサＣ11，Ｃ22のそれぞれのリアクタンスＸC1，ＸC2を求める（ステップＳ７）。給電線入力インピーダンス演算部２４ｄでは、給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ を求める（ステップＳ８）。
【００８３】
有効電力演算部２４ｅでは、ステップＳ２で読込まれた検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び位相差θ1 から、高周波電源１の有効電力Ｐを（３２）式により求める（ステップＳ９）。
Ｐ＝Ｖ1 ・Ｉ1 ・ｃｏｓθ1 …（３２）
【００８４】
変換回路負荷側端電圧・電流演算部２４ｆでは、変換回路３のロスを零とすると、変換回路３の負荷側端電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ は、給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ ＝Ｒ2 ＋ｊＸ2 を用いて、（３３），（３４）式により求める（ステップＳ１０）。
Ｉ2 ＊ ＝（Ｐ／Ｒ2 ）１／２ …（３３）
Ｖ2 ＊ ＝（Ｐ／Ｒ2 ）１／２・Ｚ2 ＊ …（３４）
【００８５】
給電線負荷側端電圧・電流演算部２４ｇでは、第１の実施形態と同様に、給電線４を４端子網として取扱い、上記変換回路の負荷側端電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ から、給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ を求める（ステップＳ１１）。
【００８６】
プラズマインピーダンス演算部２４ｈでは、給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ から、プラズマインピーダンスＺP ＊ を（１４）式により求める（ステップＳ１２）。
【００８７】
プラズマピーク間電圧演算部２４ｉでは、給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ から、プラズマピーク間電圧ＶPPを（１５）式により求める（ステップＳ１３）。
【００８８】
表示指令部２４ｉでは、プラズマインピーダンスＺP ＊ 及びプラズマピーク間電圧ＶPPの表示指令を出し（ステップＳ１４）、再度、ステップＳ２に戻る。
【００８９】
上記の実施形態に用いた変換回路は、入出力のインピーダンスを変換するものであって、その構成素子の定数が既知のもの、またその定数を知得るものであればよく、この変換回路として種々の回路を用いることができる。
【００９０】
また、給電線４のインピーダンスＺS ＊ は、インピーダンスアナライザにより得ているが、例えば電磁界シミュレータにより算出することができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、プラズマ負荷のインピーダンスまたはピーク間電圧の計測精度を向上させたので、半導体プロセスにおける再現性のモニタリングツールとして使用できる。また、エッチング、アッシング等のプロセスのエンドポイントモニタとして使用できる。さらに、チャンバ内の不安定放電、異常放電等の異常を検出することができる。
【００９２】
また請求項１の発明によれば、プラズマ負荷に近い箇所で電圧、電流を検出しているので、演算誤差を小さくすることができる。
【００９３】
さらに請求項２，３の発明によれば、検出精度の高い箇所で電圧、電流を検出しているので、プラズマのインピーダンスまたはピーク間電圧の計測精度をさらに向上させることができる。
【００９４】
また請求項１，３及び請求項４の発明によれば、インピーダンスアナライザを用いることなく、プラズマのインピーダンスまたはピーク間電圧を効率よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るプラズマ監視装置の参考例の回路図である。
【図２】 本発明に係るプラズマ監視装置の参考例におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図である。
【図３】 参考例におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図４】 本発明に係るプラズマ監視装置の第１の実施形態におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図である。
【図５】 第１の実施形態におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図６】 本発明に係るプラズマ監視装置の第２の実施形態を示す回路図である。
【図７】 本発明に係るプラズマ監視装置の第２の実施形態におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図である。
【図８】 第２の実施形態におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図９】 本発明に係るプラズマ監視装置の第３の実施形態におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図である。
【図１０】 第３の実施形態におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１１】 従来の高周波電力から負荷に電力を供給する回路構成を概略的に示した回路図である。
【図１２】 負荷を模式的に示した図である。
【図１３】 インピーダンス変換回路の負荷側端より負荷側を見た等価回路を示す図である。
【図１４】 図１３における等価回路の電圧ベクトルを示す図である。
【符号の説明】
１ 高周波電源
３ インピーダンス変換回路
３Ａ1 ，３Ｂ1 電圧検出部
３Ａ2 ，３Ｂ2 電流検出部
３Ａ3 ，３Ｂ3 位相差検出部
４ 給電線
５ 負荷
２１a 給電線インピーダンス測定値入力部
２１b 給電線入力インピーダンス（第２の入力インピーダンス）演算部
２１c プラズマインピーダンス演算部
２１d プラズマピーク間電圧演算部
２１e 表示指令部
２２a 給電線負荷側端電圧・電流演算部
２２b プラズマインピーダンス演算部
２２c プラズマピーク間電圧演算部
２２d 表示指令部
２３a インピーダンス変換回路既知インピーダンス入力部
２３b 給電線インピーダンス測定値入力部
２３c インピーダンス変換回路入力インピーダンス（第１の入力インピーダ ンス）演算部
２３d インピーダンス変換回路調節用インピーダンス演算部
２３e 給電線入力インピーダンス（第２の入力インピーダンス）演算部
２３f プラズマインピーダンス演算部
２３g インピーダンス変換回路負荷側端電流演算部
２３h プラズマピーク間電圧演算部
２３i 表示指令部
２４a インピーダンス変換回路既知インピーダンス入力部
２４b インピーダンス変換回路入力インピーダンス（第１の入力インピーダ ンス）演算部
２４c インピーダンス変換回路調節用インピーダンス演算部
２４d 給電線入力インピーダンス（第２の入力インピーダンス）演算部
２４e 有効電力演算部
２４f インピーダンス変換回路負荷側端電圧・電流演算部
２４g 給電線負荷側端電圧・電流演算部
２４h プラズマインピーダンス演算部
２４i プラズマピーク間電圧演算部
２４j 表示指令部
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電源から電力が供給されているプラズマ負荷のプラズマの状態を監視するプラズマ監視装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の製造過程においては、エッチング、スパッタリング、薄膜成長等を行う際に、プラズマを用いるプロセス（プラズマプロセスという。）が行われる。プラズマプロセスにおいては、エッチング、スパッタリング、薄膜成長等の処理を行うチャンバ内に設けた２つの電極に高周波電力を供給して、この電極間にプラズマを発生させている。
【０００３】
このように、プラズマを生じさせるプラズマ負荷に高周波電力を供給する場合には、高周波電源とプラズマ負荷との間のインピーダンスの整合をとることが重要であり、両者間のインピーダンスの整合がとれていない場合には、高周波電源の出力端で電力の反射が生じてプラズマ負荷に高周波電力を効率良く供給することができないため、そのプロセスにおいて好結果を得ることができない。
【０００４】
そのため、高周波電源からプラズマ負荷に電力を供給する場合には、高周波電源とプラズマ負荷との間にＬ，Ｃ回路やトランス等からなるインピーダンス変換回路を挿入することが必要不可欠である。
【０００５】
図１１は、従来の高周波電力からプラズマ負荷に電力を供給する回路構成を概略的に示した回路図である。図示するように、高周波電源（以下、電源という。）１から同軸ケーブル２とインピーダンス変換回路３′と給電線４とを通してプラズマ負荷５に電力が供給される。インピーダンス変換回路３′は、例えば第１の可変コンデンサＣ11と、タップを選択することによりインダクタンスを調整できるようになっているコイルＬ11と、第２の可変コンデンサＣ22とにより構成され、第１の可変コンデンサＣ11と第２の可変コンデンサＣ22の容量を変えることによりインピーダンスの整合を行うようになっている。
【０００６】
第１及び第２の可変コンデンサＣ11及びＣ22の調整を自動的に行わせるため、図示しない検出器により、インピーダンス変換回路３′の電源側端の電圧及び電流と、この電圧と電流との位相差とを検出し、この電圧と電流との比から、インピーダンス変換回路３′の電源側端より負荷５側を見たインピーダンスを検出して、このインピーダンスを電源の出力インピーダンスに一致させ、かつ上記位相差を零にするようにコンデンサＣ11及びＣ22を調節する。
【０００７】
上記の調節の内、負荷側を見たインピーダンスを電源の出力インピーダンスに一致させるための調節は、主として第１のコンデンサＣ11の容量を調節することにより行われ、位相差を零にするための調節は、主として第２のコンデンサＣ22の容量を調節することにより行われる。
【０００８】
プラズマ負荷５は、図１２に示すようにチャンバ５ａと、２つの電極５ｂ1 ，５ｂ2 と、インピーダンス変換回路３′からチャンバ５ａに給電する給電部５ｃ1 ，５ｃ2 と、電極５ｂ1 ，５ｂ2 と給電部５ｃ1 ，５ｃ2 とをそれぞれ接続する給電線４とにより構成される。なお給電線４は、チャンバ５ａ内に設けられているものとしているが、インピーダンス変換回路３′の負荷側端と給電部５ｃ1 ，５ｃ2 とを接続する分が含まれる。
【０００９】
上記のプラズマプロセスにおいては、再現性よく行い、また半導体素子の歩留まりを向上するために、プラズマの状態を常に監視する必要がある。プラズマの状態を監視するには、例えばプラズマのインピーダンスまたはプラズマのピーク間電圧を計測すればよいことはよく知られている。
【００１０】
ところで、インピーダンス変換回路３′の負荷側端よりプラズマ負荷５側を見たインピーダンスには、プラズマが発生しているときの電極間に存在するインピーダンスとして、プラズマの内部抵抗と、プラズマと２つの電極５ｂ1 ，５ｂ2 との間にそれぞれ発生するシースの静電容量とがある。また、インピーダンス変換回路３′の負荷側端とプラズマ負荷５とを接続する給電線４のインダクタンスがある。なお、インピーダンス変換回路３′の負荷側端と給電部５ｃ1 ，５ｃ2 とは、直接接続できない場合が多く、この場合、所定長さの給電線４により接続する。
【００１１】
このようなインピーダンスが存在する場合、インピーダンス変換回路３′の負荷側端よりプラズマ負荷５側を見た等価回路は図１３に示すようになり、この等価回路の電圧ベクトルは図１４に示すようになる。ＶD はインピーダンス変換回路３′の負荷側端の電圧、ＶL は給電線４に発生する電圧、ＶR ，ＶC はそれぞれプラズマの内部抵抗に発生する電圧及びシースの合成静電容量に発生する電圧、ＶP は電極５ｂ1 ，５ｂ2 間の電圧である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本来、電極５ｂ1 ，５ｂ2 間に発生する電圧ＶP を検出しなければならないところ、このＶP を検出するためのリード線をチャンバ５ａ外に引き出すために、チャンバを改造する必要があるが、この改造が繁雑となるので、従来はインピーダンス変換回路３′の負荷側端の電圧ＶD を検出していた。ところが、図１４から明らかなように、ＶD は、ＶP に対し、給電線４の長さ、すなわち給電線に発生する電圧ＶL の影響を受けるために、ピーク間電圧も精度の欠いた値を検出するという問題があった。
【００１３】
例えば、プラズマプロセスで最も使用頻度の高い１３．５６（ＭＨｚ）の高周波電力を供給した場合のプラズマのリアクタンスは、真空の誘電率を８．８５４×１０−１２、シースの比誘電率を１、電極面積を０．０３２（ｍ２ ）、シース厚さを１（ｍｍ）とすると、１つのシースの静電容量は２８３（ｐＦ）となる。したがって、シースの合成静電容量は約１４２（ｐＦ）となり、１３．５６（ＭＨｚ）に対し、−ｊ８２．７（Ω）となる。
【００１４】
ここで、上記電圧ＶD のピーク間電圧ＶDPと、電圧ＶP のピーク間電圧ＶPPとを比較すると、プラズマに供給される電力を１（ＫＷ）、プラズマの内部抵抗を１０（Ω）とし、給電線のインダクタンスを１００（ｎＨ），５００（ｎＨ）及び１（μＨ）と変化させたときの精度を１００（ＶDP−ＶPP）／ＶDP（％）により求める。
【００１５】
その結果、１００（ｎＨ）のときは−１１（％）、５００（ｎＨ）のときは−１０２（％）、１（μＨ）のときは−７０７（％）となり、明らかにインダンスが大きくなる程、精度が悪くなっている。
【００１６】
本発明の目的は、プラズマ負荷のプラズマの状態の監視に際し、プラズマ負荷のインピーダンスまたはピーク間電圧の計測精度を向上させたプラズマ監視装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高周波電源からインピーダンス変換回路を介して電力が供給されているプラズマ負荷のプラズマの状態を監視するプラズマ監視装置に係わるものである。
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
請求項１に記載の発明は、インピーダンス変換回路の負荷側端での電圧を検出する電圧検出部と、インピーダンス変換回路の負荷側端での電流を検出する電流検出部と、電圧と電流との位相差を検出する位相差検出部と、電圧と電流と位相差とから、インピーダンス変換回路の負荷側端とプラズマ負荷との間をつなぐ給電線の負荷側端での電圧及び電流を演算する給電線負荷側端電圧・電流演算部と、給電線の負荷側端での電圧及び電流から、プラズマ負荷のインピーダンスを演算するプラズマインピーダンス演算部を備えたものである。
【００２２】
上記の請求項１の発明においては、給電線のインピーダンスを測定しなくてもよいので、プラズマ負荷のインピーダンスが効率よく計測される。また、プラズマ負荷に近い箇所で電圧、電流を検出しているので、演算誤差が小さくなる。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、インピーダンス変換回路の電源側端での電圧を検出する電圧検出部と、インピーダンス変換回路の電源側端での電流を検出する電流検出部と、電圧と電流との位相差を検出する位相差検出部と、電圧と電流と位相差とから、インピーダンス変換回路の電源側端よりプラズマ負荷側を見たインピーダンスを第１の入力インピーダンスとして演算する第１の入力インピーダンス演算部と、インピーダンス変換回路を構成する素子の定数及び第１の入力インピーダンスから、インピーダンス変換回路の負荷側端より負荷側を見たインピーダンスを第２の入力インピーダンスとして演算する第２の入力インピーダンス演算部と、インピーダンス変換回路の負荷側端とプラズマ負荷との間をつなぐ給電線のインピーダンス及び第２の入力インピーダンスから、プラズマ負荷のインピーダンスを演算するプラズマインピーダンス演算部と、電圧、電流及びインピーダンス変換回路を構成する素子の定数から、インピーダンス変換回路の負荷側端での電流を演算するインピーダンス変換回路負荷側端電流演算部と、プラズマ負荷のインピーダンス及びインピーダンス変換回路の負荷側端での電流から、プラズマ負荷のピーク間電圧を演算するプラズマピーク間電圧演算部とを備えたものである。
【００２４】
【００２５】
上記の請求項２の発明においては、プラズマ負荷のインピーダンスまたはピーク間電圧の計測精度に影響を及ぼす給電線のインピーダンスを考慮するようにしたので、上記の計測精度が向上する。また、検出精度の高い箇所で電圧、電流を検出しているので、プラズマ負荷のインピーダンスまたはピーク間電圧の計測精度がさらに向上する。
【００２６】
請求項３に記載の発明は、インピーダンス変換回路の電源側端での電圧を検出する電圧検出部と、インピーダンス変換回路の電源側端での電流を検出する電流検出部と、電圧と電流との位相差を検出する位相差検出部と、電圧と電流と位相差とから、インピーダンス変換回路の電源側端よりプラズマ負荷側を見たインピーダンスを第１の入力インピーダンスとして演算する第１の入力インピーダンス演算部と、インピーダンス変換回路を構成する素子の定数及び第１の入力インピーダンスから、インピーダンス変換回路の負荷側端よりプラズマ負荷側を見たインピーダンスを第２の入力インピーダンスとして演算する第２の入力インピーダンス演算部と、電圧と電流と位相差とから、高周波電源の有効電力を演算する実効電力演算部と、第２の入力インピーダンス及び有効電力から、インピーダンス変換回路の負荷側端での電圧及び電流を演算するインピーダンス変換回路負荷側端電圧・電流演算部と、インピーダンス変換回路の負荷側端での電圧及び電流から、インピーダンス変換回路の負荷側端とプラズマ負荷との間をつなぐ給電線の負荷側端での電圧及び電流を演算する給電線負荷側端電圧・電流演算部と、給電線の負荷側端での電圧及び電流から、プラズマ負荷のインピーダンスを演算するプラズマインピーダンス演算部を備えたものである。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、給電線の負荷側端での電圧から、プラズマ負荷のピーク間電圧を演算するプラズマピーク間電圧演算部をさらに備えたものである。
【００２８】
上記の請求項４の発明においては、給電線のインピーダンスを測定しなくてもよいので、プラズマ負荷のピーク間電圧が効率よく計測される。また、検出精度の高い箇所で電圧、電流を検出しているので、プラズマ負荷のピーク間電圧の計測精度がさらに向上する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るプラズマ監視装置の参考例の回路図である。同図において、１は電源、２は同軸ケーブル、３はインピーダンス変換回路（以下、変換回路という）、４は給電線、５はプラズマ負荷（以下、負荷という。）である。この変換回路３は、負荷５に高周波電力を供給する際に従来から用いられている自動インピーダンス整合器である。
【００３０】
変換回路３は、図１１に示したものと同様に、第１の可変コンデンサＣ11と、第２の可変コンデンサＣ22と、タップを選択することによりインダクタンスの調整が可能なコイルＬ11とを備えている。第１及び第２の可変コンデンサＣ11及びＣ22のそれぞれの容量を調節する調節部（操作軸）は、モータを駆動源とした図示しない操作機構に連結されている。また各可変コンデンサの操作子を駆動するモータを制御する図示しない制御部が設けられていて、該制御部により可変コンデンサＣ11及びＣ22の操作子の回転を制御することにより、それぞれの可変コンデンサの容量を調整するようになっている。
【００３１】
変換回路３の負荷側端には、それぞれ負荷側端の電圧Ｖ2 を検出する電圧検出部３Ｂ1 と、電流Ｉ2 を検出する電流検出部３Ｂ2 及び負荷側端の電圧と電流との位相差θ2 を検出する位相差検出部３Ｂ3 を有する負荷側検出器３Ｂが設けられている。
【００３２】
変換回路３を構成する素子の定数は、第１及び第２の可変コンデンサＣ11及びＣ22の容量Ｃ1 ，Ｃ2 と、コイルＬ11のインダクタンスＬ1 とである。これらの内、インダクタンスＬ1 は既知であるが、インピーダンス調節手段である第１及び第２の可変コンデンサＣ11及びＣ22の容量は随時変化する。そこで、可変コンデンサＣ11及びＣ22の容量を演算するため、可変抵抗器ＶＲ1 及びＶＲ2 を設け、これらの可変抵抗器の摺動子を可変コンデンサＣ11及びＣ22の操作子と連動するようにそれぞれの可変コンデンサの操作子の駆動機構に連結している。可変抵抗器ＶＲ1 及びＶＲ2 の両端には一定の直流電圧を印加してあり、可変抵抗器ＶＲ1 及びＶＲ2 の摺動子と接地間にそれぞれコンデンサＣ11及びＣ22の操作子の位置（回転角）に相応した位置検出信号Ｅp1及びＥp2を得るようにしており、この可変抵抗器ＶＲ1 及びＶＲ2 によりインピーダンス調節手段の調節部の位置を検出する調節位置検出器６が構成される。
【００３３】
検出電圧Ｖ2 、検出電流Ｉ2 、位相差θ2 及び位置検出信号Ｅp1，Ｅp2はアナログ／デジタルコンバータ（Ａ／Ｄコンバータ）２０に入力されてデジタル信号に変換され、それぞれのデジタル信号がコンピュータ２１に入力されている。
【００３４】
コンピュータ２１では、プラズマインピーダンス及びプラズマピーク間電圧を演算し、その結果をディスプレイ装置２５に表示する。
【００３５】
図２は本発明に係るプラズマ監視装置の参考例におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図であり、コンピュータ２１は、測定された給電線４のインピーダンスＺS ＊ を入力する給電線インピーダンス測定値入力部２１ａと、検出電圧Ｖ2 、検出電流Ｉ2 及び位相差θ2 から、給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ を演算する給電線入力インピーダンス演算部２１ｂとを有している。また、上記給電線のインピーダンスＺS ＊ 及び給電線入力インピーダンス（第２の入力インピーダンス）Ｚ2 ＊ から、プラズマ負荷５のインピーダンスＺP ＊ を演算するプラズマインピーダンス演算部２１ｃと、上記検出電流Ｉ2 及びプラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ から、プラズマ負荷のピーク間電圧ＶPPを演算するプラズマピーク間電圧演算部２１ｄと、上記プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ 及びピーク間電圧ＶPPを表示する表示指令部２１ｅとを有している。なお、“＊”は複素数であることを示している。
【００３６】
図３は参考例におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００３７】
給電線インピーダンス測定値入力部２１ａには、インピーダンスアナライザにより測定された給電線インピーダンスＺS ＊ が入力される（ステップＳ１）。なお、この給電線は、抵抗分が無視でき、リアクタンス分としてのインダクタンスＬS のみとなる。また、このインピーダンスは、電極５ｂ1 ，５ｂ2 間を短絡して測定される。
【００３８】
給電線入力インピーダンス演算部２１ｂでは、まず検出器３Ｂの出力である検出電圧Ｖ2 、検出電流Ｉ2 及び位相差θ2 を読込み（ステップＳ２）、つぎに変換回路３の負荷側端よりプラズマ負荷５側を見たインピーダンス、すなわち給電線４の電源側端より負荷側を見たインピーダンスを給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ とし、上記Ｖ2 ，Ｉ2 から、この入力インピーダンスの絶対値Ｚ2 を（１）式により求める（ステップ３）。
Ｚ2 ＝Ｖ2 ／Ｉ2 …（１）
【００３９】
ついで、上記インピーダンスの絶対値Ｚ2 及び位相差θ2 から、給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ を求める（ステップ４）。このインピーダンスＺ2 ＊ の抵抗分をＲ2 、リアクタンス分をＸ2 とし、Ｚ2 ＊ ＝Ｒ2 ＋ｊＸ2 とおくと、Ｒ2 及びＸ2 は（２），（３）式で与えられる。
Ｒ2 ＝Ｚ2 ・ｃｏｓθ2 …（２）
Ｘ2 ＝Ｚ2 ・ｓｉｎθ2 …（３）
【００４０】
プラズマインピーダンス演算部２１ｃでは、上記抵抗分Ｒ2 、リアクタンス分Ｘ2 及び給電線のリアクタンスωＬｓ（ω：角周波数）から、給電線４の負荷側端より負荷側を見たインピーダンスをプラズマインピーダンスＺP ＊ として求める（ステップＳ５）。このインピーダンスＺP ＊ の抵抗分をＲP 、リアクタンス分をＸP とし、ＺP ＊ ＝ＲP ＋ｊＸP とおくと、ＲP 及びＸP は（４），（５）式で与えられる。
ＲP ＝Ｒ2 …（４）
ＸP ＝Ｘ2 −ωＬｓ …（５）
【００４１】
プラズマピーク間電圧演算部２１ｄでは、まず（４），（５）式で得られたＲP ，ＸP から、プラズマインピーダンスの絶対値ＺP を（６）式により求める（ステップＳ６）。
ＺP ＝｛Ｒ2 ２ ＋（Ｘ2 −ωＬｓ）２ ｝１／２ …（６）
【００４２】
つぎに、上記検出電流Ｉ2 及びプラズマインピーダンスの絶対値ＺP から、プラズマピーク間電圧ＶPPを（７）式により求める（ステップＳ７）。なお、Ｉ2 は実効値としている。
ＶPP＝２・２１／２・Ｉ2 ・ＺP …（７）
【００４３】
表示指令部２１ｅでは、プラズマインピーダンスＺP ＊ 及びプラズマピーク間電圧ＶPPの表示指令を出し（ステップＳ８）、再度、ステップＳ２に戻る。
【００４４】
＜第１の実施形態＞
図４は本発明に係るプラズマ監視装置の第１の実施形態におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図である。なお、本実施形態を示す回路図は参考例と同じであるので省略する。
【００４５】
コンピュータ２２は、検出電圧Ｖ2 、検出電流Ｉ2 及び位相差θ2 から、インピーダンス変換回路３の負荷側端での電圧及び電流を演算し、この演算された負荷側端での電圧及び電流、すなわち給電線４の電源側端電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ から、給電線４の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ を演算する給電線負荷側端電圧・電流演算部２２ａを有している。また、上記給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ から、プラズマ負荷５のインピーダンスＺP ＊ を演算するプラズマインピーダンス演算部２２ｂと、上記給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ から、プラズマ負荷のピーク間電圧ＶPPを演算するプラズマピーク間電圧演算部２２ｃと、上記プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ 及びピーク間電圧ＶPPを表示する表示指令部２２ｄとを有している。
【００４６】
図５は第１の実施形態におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００４７】
給電線負荷側端電圧・電流演算部２２ａでは、まず検出器３Ｂの出力である検出電圧Ｖ2 、検出電流Ｉ2 及び位相差θ2 を読込み（ステップＳ１）、Ｖ2 ，Ｉ2 及びθ2 から、インピーダンス変換回路３の負荷側端での電圧及び電流を演算し、この演算された負荷側端での電圧及び電流から、給電線の電源側端電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ を求める（ステップＳ２）。このＶ2 ＊ ，Ｉ2 ＊ は、Ｖ2 ，Ｉ2 を実効値とすると、（８），（９）式で与えられる。
Ｖ2 ＊ ＝２１／２ ・Ｖ2 εｊωｔ …（８）
Ｉ2 ＊ ＝２１／２ ・Ｉ2 εｊ（ωｔ−θ２） …（９）
【００４８】
つぎに、給電線を４端子網として取扱い、この負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ を求める（ステップＳ３）。上記電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ は、４端子定数Ａ2 ，Ｂ2 ，Ｃ2 ，Ｄ2 と、負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び負荷側端電流Ｉ3 ＊ とを用いて、（１０）式で表わされる。
【００４９】
【数１】
（１０）式はＶ2 ＊ ，Ｉ2 ＊ に４端子定数の逆行列を乗じると、（１１）式で表わされる。
【００５１】
【数２】
給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ は、（１１）式から（１２），（１３）式により求められる。なお、Ａ2 ，Ｂ2 ，Ｃ2 ，Ｄ2 は下記に示すように、それぞれ（２１），（２２），（２３）及び（２４）式により求めたものである。
Ｖ3 ＊ ＝｛１／（Ａ2 Ｄ2 −Ｂ2 Ｃ2 ）｝（Ｄ2 Ｖ2 ＊ −Ｂ2 Ｉ2 ＊ ）
…（１２）
Ｉ3 ＊ ＝｛１／（Ａ2 Ｄ2 −Ｂ2 Ｃ2 ）｝（−Ｃ2 Ｖ2 ＊ ＋Ａ2 Ｉ2 ＊ ）
…（１３）
【００５３】
プラズマインピーダンス演算部２２ｂでは、（１２），（１３）式で得られた給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ から、プラズマインピーダンスＺP ＊ を（１４）式により求める（ステップＳ４）。
ＺP ＊ ＝Ｖ3 ＊ ／Ｉ3 ＊ …（１４）
【００５４】
プラズマピーク間電圧演算部２２ｃでは、（１２）式で得られたＶ3 ＊ からその最大値Ｖ3´＊を求め、プラズマピーク間電圧ＶPPを（１５）式により求める（ステップＳ５）。
ＶPP＝２・Ｖ3´＊ …（１５）
【００５５】
表示指令部２２ｄでは、プラズマインピーダンスＺP ＊ 及びプラズマピーク間電圧ＶPPの表示指令を出し（ステップＳ６）、再度、ステップＳ１に戻る。
【００５６】
上記４端子定数Ａ2 ，Ｂ2 ，Ｃ2 ，Ｄ2 は、例えば下記のように求めることができる。まず、抵抗値が既知の抵抗Ｒを電極５ｂ1 ，５ｂ2 間に接続し、給電線４の電源側端より負荷側を見たインピーダンスＺ22を、インピーダンスアナライザを用いて測定する。
【００５７】
つぎに、給電線の電源側端に所定の電圧を有する高周波信号源を接続し、入力電圧Ｖ22及び出力電圧（電極間電圧）Ｖ33を測定する。このときの入力電流をＩ22、出力電流をＩ33とすると、Ｖ22，Ｉ22は４端子定数Ａ2 ，Ｂ2 ，Ｃ2 ，Ｄ2 及びＶ33，Ｉ33を用いて、（１６）式で表わされる。
【００５８】
【数３】
上記（１６）式のＩ22，Ｉ33は、それぞれＩ22＝Ｖ22／Ｚ22，Ｉ33＝Ｖ33／Ｒであるので、（１７）式のように変形できる。
【００６０】
【数４】
上記（１７）式を展開すると、（１８），（１９）式になる。
Ｖ22＝（Ａ2 ＋Ｂ2 ／Ｒ）Ｖ33 …（１８）
Ｖ22／Ｚ22＝（Ｃ2 ＋Ｄ2 ／Ｒ）Ｖ33 …（１９）
【００６２】
上記（１８），（１９）式において、抵抗Ｒａを接続したときのインピーダンスをＺ2a、入力電圧をＶ2a、出力電圧をＶ3aとし、抵抗Ｒb を接続したときのインピーダンスをＺ2b、入力電圧をＶ2b、出力電圧をＶ3bとすると、以下の連立方程式（２０）が得られる。
【００６３】
【数５】
上記（２０）式からＡ2 ，Ｂ2 ，Ｃ2 ，Ｄ2 が求められる。
Ａ2 ＝｛１／（Ｒb −Ｒa ）｝（Ｖ2a／Ｖ3a）・Ｒa
＋（Ｖ2b／Ｖ3b）・Ｒb …（２１）
Ｂ2 ＝｛（Ｖ2a／Ｖ3a）−（Ｖ2b／Ｖ3b）｝・Ｒa ・
｛１／（Ｒb −Ｒa ）｝・Ｒb …（２２）
Ｃ2 ＝｛１／（Ｒb −Ｒa ）｝（−Ｖ2a／Ｖ3a・Ｚ2a）・Ｒa ＋
（Ｖ2b／Ｖ3b・Ｚ2b）・Ｒb …（２３）
Ｄ2 ＝［｛（Ｖ2a／Ｖ3a−Ｚ2a）｝−（Ｖ2b／Ｖ3b・Ｚ2b）］・Ｒa ・
｛１／（Ｒb −Ｒa ）｝・Ｒb …（２４）
【００６５】
＜第２の実施形態＞
図６は本発明に係るプラズマ監視装置の第２の実施形態を示す回路図であり、１は電源、２は同軸ケーブル、３は変換回路、４は給電線、５は負荷、２０はＡ／Ｄコンバータ、２３はコンピュータ、２５はディスプレイ装置である。
【００６６】
本実施形態では、変換回路３の電源側端に、それぞれ電源側端での電圧Ｖ1 を検出する電圧検出部３Ａ1 、電流Ｉ1 を検出する電流検出部３Ａ2 及び電源側端での電圧と電流との位相差θ1 を検出する位相差検出部３Ａ3 を有する電源側検出器３Ａを設けている。
【００６７】
図７は本発明に係るプラズマ監視装置の第２の実施形態におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図であり、コンピュータ２３は、変換回路３の構成素子の内、既知のインピーダンスＺL ＊ を入力する変換回路既知インピーダンス入力部２３ａと、測定された給電線４のインピーダンスＺS ＊ を入力する給電線インピーダンス測定値入力部２３ｂとを有している。また、検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び位相差θ1 から、変換回路の入力インピーダンスＺ1 ＊ を演算する変換回路入力インピーダンス演算回路２３ｃと、位置検出信号ＥP1，ＥP2から、変換回路の構成素子の内、調節用のインピーダンスＺC1＊ ，ＺC2＊ を演算する変換回路調節用インピーダンス演算部２３ｄとを有している。さらに、上記変換回路の既知のインピーダンスＺL ＊ 、入力インピーダンスＺ1 ＊ 及び調節用のインピーダンスＺC1＊ ，ＺC2＊ から、給電線入力インピーダンス（第２の入力インピーダンス）Ｚ2 ＊ を演算する給電線入力インピーダンス演算部２３ｅ、上記給電線のインピーダンスＺS ＊ と入力インピーダンスＺ2 ＊ とから、プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ を演算するプラズマインピーダンス演算部２３ｆと、上記検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び調節用のインピーダンスＺC1 ＊ から、変換回路の負荷側端電流Ｉ2 ′を演算する変換回路負荷側端電流演算部２３ｇと、上記プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ 及び変換回路の負荷側端電流Ｉ2 ′から、プラズマ負荷のピーク間電圧ＶPPを演算するプラズマピーク間電圧演算部２３ｈと、上記プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ 及びピーク間電圧ＶPPを表示する表示指令部２３ｉとを有している。
【００６８】
図８は第２の実施形態におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００６９】
変換回路既知インピーダンス値入力部２３ａには、タップ選択された既知のインダクタンスＬ1 によるインピーダンスＺL ＊ としてリアクタンスωＬ1 （ω：角周波数）が入力され（ステップＳ１）、給電線インピーダンス測定値入力部２３ｂには、測定された給電線のインピーダンスＺS ＊ としてリアクタンスωＬｓが入力される（ステップＳ１）。
【００７０】
変換回路入力インピーダンス演算部２３ｃでは、まず検出器３Ａの出力である検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び位相差θ1 を読込み（ステップＳ２）、つぎに変換回路の電源側端より負荷側を見たインピーダンスを変換回路入力インピーダンス（第１の入力インピーダンス）Ｚ1 ＊ とし、上記Ｖ1 ，Ｉ1 から、この入力インピーダンスの絶対値Ｚ1 を（２５）式により求める（ステップ３）。
Ｚ1 ＝Ｖ1 ／Ｉ1 …（２５）
【００７１】
ついで、上記インピーダンスの絶対値Ｚ1 及び位相差θ1 から、変換回路入力インピーダンスＺ1 ＊ を求める（ステップＳ４）。このインピーダンスＺ1 ＊ の抵抗分をＲ1 、リアクタンス分をＸ1 とし、Ｚ1 ＊ ＝Ｒ1 ＋ｊＸ1 とおくと、Ｒ1 及びＸ1 は（２６），（２７）式で与えられる。
Ｒ1 ＝Ｚ1 ・ｃｏｓθ1 …（２６）
Ｘ1 ＝Ｚ1 ・ｓｉｎθ1 …（２７）
【００７２】
変換回路調節用インピーダンス演算部２３ｄでは、まず調節位置検出器６の出力である位置検出信号ＥP1，ＥP2を読込み（ステップＳ５）、つぎに位置検出信号から調節用コンデンサＣ11，Ｃ22の容量Ｃ1 ，Ｃ2 を求め（ステップＳ６）、ついでその結果に基づいてコンデンサＣ11，Ｃ22のインピーダンスＺC1＊ ，ＺC2＊ として、それぞれのリアクタンスＸC1，ＸC2を求める（ステップＳ７）。
【００７３】
給電線入力インピーダンス演算部２３ｅでは、変換回路３の負荷側端よりプラズマ負荷５側を見たインピーダンス、すなわち給電線の電源側端より負荷側を見たインピーダンスを給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ として求める（ステップＳ８）。
【００７４】
このインピーダンスＺ2 ＊ をＺ2 ＊ ＝Ｒ2 ＋ｊＸ2 とおいて、Ｒ2 及びＸ2 を未知数とし、上記入力インピーダンスＺ1 ＊ の抵抗分Ｒ1 及びリアクタンス分Ｘ1 と、変換回路３の構成素子のリアクタンスＸC1，ＸC2及びＸL1とを既知数として、Ｒ2 及びＸ2 を求める。これらＲ2 及びＸ2 はそれぞれ（２８），（２９）式により与えられる。
Ｒ2 ＝Ｒ1 ・（ＸC1）２ ／Ｂ …（２８）
Ｘ2 ＝｛Ｒ1 ２ ・ＸC1＋（Ｘ1 ＋ＸC1）・ＸC1・Ｘ1 ｝／Ｂ＋（ＸC2−ＸL1）
…（２９）
但し、Ｂ＝Ｒ1 ２ ＋（Ｘ1 ＋ＸC1）２
【００７５】
プラズマインピーダンス演算部２３ｆでは、参考例と同様に、上記抵抗分Ｒ2 ，リアクタンス分Ｘ2 及び給電線のリアクタンスωＬｓから、給電線の負荷側端より負荷側を見たインピーダンスをプラズマインピーダンスＺP ＊ として（４），（５）式により求める（ステップＳ９）。
【００７６】
変換回路負荷側端電流演算部２３ｇでは、上記検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び調節用コンデンサＣ11のリアクタンスＸC1から、変換回路の負荷側端電流Ｉ2´ を（３０）式により求める（ステップＳ１０）。なお、Ｖ1 ，Ｉ1 は実効値としている。
Ｉ2´＝Ｉ1 −ＸC1・Ｖ1 …（３０）
【００７７】
プラズマピーク間電圧演算部２３ｈでは、まず上記ＲP ，ＸP からプラズマインピーダンスの絶対値ＺP を（６）式により求め（ステップＳ１１）、つぎに上記Ｉ２´及びＺP から、プラズマピーク間電圧ＶPPを（３１）式により求める（ステップＳ１２）。
ＶPP＝２・２１／２ ・Ｉ2´・ＺP …（３１）
【００７８】
表示指令部２３ｉでは、プラズマインピーダンスＺP ＊ 及びプラズマピーク間電圧ＶPPの表示指令を出し（ステップＳ１３）、再度、ステップＳ２に戻る。
【００７９】
＜第３の実施形態＞
図９は本発明に係るプラズマ監視装置の第３の実施形態におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図である。なお、本実施形態を示す回路図は第２の実施形態と同じであるので省略する。
【００８０】
コンピュータ２４は、変換回路３の構成素子の内、既知のインピーダンスＺL ＊ を入力する変換回路既知インピーダンス入力部２４ａと、検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び位相差θ1 から、変換回路の入力インピーダンスＺ1 ＊ を演算する変換回路入力インピーダンス演算回路２４ｂと、位置検出信号ＥP1，ＥP2から、変換回路の構成素子の内、調節用のインピーダンスＺC1＊ ，ＺC2＊ を演算する変換回路調節用インピーダンス演算部２４ｃとを有している。また、上記変換回路の既知のインピーダンスＺL ＊ 、入力インピーダンスＺ1 ＊ 及び調節用のインピーダンスＺC1＊ ，ＺC2＊ から、給電線入力インピーダンス（第２の入力インピーダンス）Ｚ2 ＊ を演算する給電線入力インピーダンス演算部２４ｄと、検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び位相差θ1 から、高周波電源１の有効電力Ｐを演算する実効電力演算部２４ｅとを有している。さらに、上記給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ 及び有効電力Ｐから、変換回路３の負荷側端電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ を演算する変換回路負荷側端電圧・電流演算部２４ｆと、上記負荷側端電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ から、給電線４の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ を演算する給電線負荷側端電圧・電流演算部２４ｇと、上記給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ から、プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ を演算するプラズマインピーダンス演算部２４ｈと、上記給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ から、プラズマ負荷のピーク間電圧ＶPPを演算するプラズマピーク間電圧演算部２４ｉと、上記プラズマ負荷のインピーダンスＺP ＊ 及びピーク間電圧ＶPPを表示する表示指令部２４ｊとを有している。
【００８１】
図１０は第３の実施形態におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。なお、ステップＳ１からステップＳ８までは図８と同様である。ただし、ステップＳ１では変換回路既知インピーダンスＺL ＊ の入力のみである。
【００８２】
変換回路既知インピーダンス値入力部２４ａには、タップ選択された既知のインダクタンスＬ1 によるインピーダンスＺL ＊ が入力され（ステップＳ１）、変換回路入力インピーダンス演算部２４ｂでは、まず検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び位相差θ1 を読込み（ステップＳ２）、つぎに変換回路入力インピーダンスの絶対値Ｚ1 を求め（ステップ３）、ついで変換回路入力インピーダンスＺ1 ＊ を求める（ステップＳ４）。変換回路調節用インピーダンス演算部２４ｃでは、まず位置検出信号ＥP1，ＥP2を読込み（ステップＳ５）、つぎに位置検出信号から調節用コンデンサＣ11，Ｃ22の容量Ｃ1 ，Ｃ2 を求め（ステップＳ６）、ついでその結果に基づいてコンデンサＣ11，Ｃ22のそれぞれのリアクタンスＸC1，ＸC2を求める（ステップＳ７）。給電線入力インピーダンス演算部２４ｄでは、給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ を求める（ステップＳ８）。
【００８３】
有効電力演算部２４ｅでは、ステップＳ２で読込まれた検出電圧Ｖ1 、検出電流Ｉ1 及び位相差θ1 から、高周波電源１の有効電力Ｐを（３２）式により求める（ステップＳ９）。
Ｐ＝Ｖ1 ・Ｉ1 ・ｃｏｓθ1 …（３２）
【００８４】
変換回路負荷側端電圧・電流演算部２４ｆでは、変換回路３のロスを零とすると、変換回路３の負荷側端電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ は、給電線入力インピーダンスＺ2 ＊ ＝Ｒ2 ＋ｊＸ2 を用いて、（３３），（３４）式により求める（ステップＳ１０）。
Ｉ2 ＊ ＝（Ｐ／Ｒ2 ）１／２ …（３３）
Ｖ2 ＊ ＝（Ｐ／Ｒ2 ）１／２・Ｚ2 ＊ …（３４）
【００８５】
給電線負荷側端電圧・電流演算部２４ｇでは、第１の実施形態と同様に、給電線４を４端子網として取扱い、上記変換回路の負荷側端電圧Ｖ2 ＊ 及び電流Ｉ2 ＊ から、給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ を求める（ステップＳ１１）。
【００８６】
プラズマインピーダンス演算部２４ｈでは、給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ 及び電流Ｉ3 ＊ から、プラズマインピーダンスＺP ＊ を（１４）式により求める（ステップＳ１２）。
【００８７】
プラズマピーク間電圧演算部２４ｉでは、給電線の負荷側端電圧Ｖ3 ＊ から、プラズマピーク間電圧ＶPPを（１５）式により求める（ステップＳ１３）。
【００８８】
表示指令部２４ｉでは、プラズマインピーダンスＺP ＊ 及びプラズマピーク間電圧ＶPPの表示指令を出し（ステップＳ１４）、再度、ステップＳ２に戻る。
【００８９】
上記の実施形態に用いた変換回路は、入出力のインピーダンスを変換するものであって、その構成素子の定数が既知のもの、またその定数を知得るものであればよく、この変換回路として種々の回路を用いることができる。
【００９０】
また、給電線４のインピーダンスＺS ＊ は、インピーダンスアナライザにより得ているが、例えば電磁界シミュレータにより算出することができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、プラズマ負荷のインピーダンスまたはピーク間電圧の計測精度を向上させたので、半導体プロセスにおける再現性のモニタリングツールとして使用できる。また、エッチング、アッシング等のプロセスのエンドポイントモニタとして使用できる。さらに、チャンバ内の不安定放電、異常放電等の異常を検出することができる。
【００９２】
また請求項１の発明によれば、プラズマ負荷に近い箇所で電圧、電流を検出しているので、演算誤差を小さくすることができる。
【００９３】
さらに請求項２，３の発明によれば、検出精度の高い箇所で電圧、電流を検出しているので、プラズマのインピーダンスまたはピーク間電圧の計測精度をさらに向上させることができる。
【００９４】
また請求項１，３及び請求項４の発明によれば、インピーダンスアナライザを用いることなく、プラズマのインピーダンスまたはピーク間電圧を効率よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るプラズマ監視装置の参考例の回路図である。
【図２】 本発明に係るプラズマ監視装置の参考例におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図である。
【図３】 参考例におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図４】 本発明に係るプラズマ監視装置の第１の実施形態におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図である。
【図５】 第１の実施形態におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図６】 本発明に係るプラズマ監視装置の第２の実施形態を示す回路図である。
【図７】 本発明に係るプラズマ監視装置の第２の実施形態におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図である。
【図８】 第２の実施形態におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図９】 本発明に係るプラズマ監視装置の第３の実施形態におけるコンピュータの内部機能を示すブロック図である。
【図１０】 第３の実施形態におけるコンピュータが実行するプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１１】 従来の高周波電力から負荷に電力を供給する回路構成を概略的に示した回路図である。
【図１２】 負荷を模式的に示した図である。
【図１３】 インピーダンス変換回路の負荷側端より負荷側を見た等価回路を示す図である。
【図１４】 図１３における等価回路の電圧ベクトルを示す図である。
【符号の説明】
１ 高周波電源
３ インピーダンス変換回路
３Ａ1 ，３Ｂ1 電圧検出部
３Ａ2 ，３Ｂ2 電流検出部
３Ａ3 ，３Ｂ3 位相差検出部
４ 給電線
５ 負荷
２１a 給電線インピーダンス測定値入力部
２１b 給電線入力インピーダンス（第２の入力インピーダンス）演算部
２１c プラズマインピーダンス演算部
２１d プラズマピーク間電圧演算部
２１e 表示指令部
２２a 給電線負荷側端電圧・電流演算部
２２b プラズマインピーダンス演算部
２２c プラズマピーク間電圧演算部
２２d 表示指令部
２３a インピーダンス変換回路既知インピーダンス入力部
２３b 給電線インピーダンス測定値入力部
２３c インピーダンス変換回路入力インピーダンス（第１の入力インピーダ ンス）演算部
２３d インピーダンス変換回路調節用インピーダンス演算部
２３e 給電線入力インピーダンス（第２の入力インピーダンス）演算部
２３f プラズマインピーダンス演算部
２３g インピーダンス変換回路負荷側端電流演算部
２３h プラズマピーク間電圧演算部
２３i 表示指令部
２４a インピーダンス変換回路既知インピーダンス入力部
２４b インピーダンス変換回路入力インピーダンス（第１の入力インピーダ ンス）演算部
２４c インピーダンス変換回路調節用インピーダンス演算部
２４d 給電線入力インピーダンス（第２の入力インピーダンス）演算部
２４e 有効電力演算部
２４f インピーダンス変換回路負荷側端電圧・電流演算部
２４g 給電線負荷側端電圧・電流演算部
２４h プラズマインピーダンス演算部
２４i プラズマピーク間電圧演算部
２４j 表示指令部
Claims (4)
- 高周波電源からインピーダンス変換回路を介して電力が供給されているプラズマ負荷のプラズマの状態を監視するプラズマ監視装置において、
前記インピーダンス変換回路の負荷側端での電圧を検出する電圧検出部と、
前記インピーダンス変換回路の負荷側端での電流を検出する電流検出部と、
前記電圧と電流との位相差を検出する位相差検出部と、
前記電圧と電流と前記位相差とから、前記インピーダンス変換回路の負荷側端と前記プラズマ負荷との間をつなぐ給電線の負荷側端での電圧及び電流を演算する給電線負荷側端電圧・電流演算部と、
前記給電線の負荷側端での電圧及び電流から、前記プラズマ負荷のインピーダンスを演算するプラズマインピーダンス演算部を備えたプラズマ監視装置。 - 高周波電源からインピーダンス変換回路を介して電力が供給されているプラズマ負荷のプラズマの状態を監視するプラズマ監視装置において、
前記インピーダンス変換回路の電源側端での電圧を検出する電圧検出部と、
前記インピーダンス変換回路の電源側端での電流を検出する電流検出部と、
前記電圧と電流との位相差を検出する位相差検出部と、
前記電圧と電流と前記位相差とから、前記インピーダンス変換回路の電源側端より前記プラズマ負荷側を見たインピーダンスを第１の入力インピーダンスとして演算する第１の入力インピーダンス演算部と、
前記インピーダンス変換回路を構成する素子の定数及び前記第１の入力インピーダンスから、前記インピーダンス変換回路の負荷側端より前記プラズマ負荷側を見たインピーダンスを第２の入力インピーダンスとして演算する第２の入力インピーダンス演算部と、
前記インピーダンス変換回路の負荷側端と前記プラズマ負荷との間をつなぐ給電線のインピーダンス及び前記第２の入力インピーダンスから、前記プラズマ負荷のインピーダンスを演算するプラズマインピーダンス演算部と、
前記電圧、電流及び前記インピーダンス変換回路を構成する素子の定数から、前記インピーダンス変換回路の負荷側端での電流を演算するインピーダンス変換回路負荷側端電流演算部と、
前記プラズマ負荷のインピーダンス及び前記インピーダンス変換回路の負荷側端での電流から、前記プラズマ負荷のピーク間電圧を演算するプラズマピーク間電圧演算部とを備えたプラズマ監視装置。 - 高周波電源からインピーダンス変換回路を介して電力が供給されているプラズマ負荷のプラズマの状態を監視するプラズマ監視装置において、
前記インピーダンス変換回路の電源側端での電圧を検出する電圧検出部と、
前記インピーダンス変換回路の電源側端での電流を検出する電流検出部と、
前記電圧と電流との位相差を検出する位相差検出部と、
前記電圧と電流と前記位相差とから、前記インピーダンス変換回路の電源側端より前記プラズマ負荷側を見たインピーダンスを第１の入力インピーダンスとして演算する第１の入力インピーダンス演算部と、
前記インピーダンス変換回路を構成する素子の定数及び前記第１の入力インピーダンスから、前記インピーダンス変換回路の負荷側端より前記プラズマ負荷側を見たインピーダンスを第２の入力インピーダンスとして演算する第２の入力インピーダンス演算部と、
前記電圧と電流と前記位相差とから、前記高周波電源の有効電力を演算する実効電力演算部と、
前記第２の入力インピーダンス及び前記有効電力から、前記インピーダンス変換回路の負荷側端での電圧及び電流を演算するインピーダンス変換回路負荷側端電圧・電流演算部と、
前記インピーダンス変換回路の負荷側端での電圧及び電流から、前記インピーダンス変 換回路の負荷側端と前記プラズマ負荷との間をつなぐ給電線の負荷側端での電圧及び電流を演算する給電線負荷側端電圧・電流演算部と、
前記給電線の負荷側端での電圧及び電流から、前記プラズマ負荷のインピーダンスを演算するプラズマインピーダンス演算部を備えたプラズマ監視装置。 - 前記給電線の負荷側端での電圧から、前記プラズマ負荷のピーク間電圧を演算するプラズマピーク間電圧演算部をさらに備えた請求項１または３に記載のプラズマ監視装置。
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