JP4531133B2

JP4531133B2 - 整合ネットワークのリアクタンス性インピーダンス制御を用いた高周波フィールド供給方法および装置

Info

Publication number: JP4531133B2
Application number: JP54268797A
Authority: JP
Inventors: リチャードソン・ブレット; ゴ・テュアン; バーンズ・マイケル・エス
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 1996-05-23
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2017-05-23
Also published as: DE69723649D1; JP2009218213A; EP0840941B1; US5689215A; DE69723649T2; EP0840941A2; JP4435267B2; KR100513614B1; KR19990035781A; ES2202623T3; JPH11509976A; WO1997044812A1

Description

発明の属する技術分野
本発明は概して真空プラズマ処理方法および装置に関し、詳細にいえば、高周波源と、プラズマとプラズマを励起するリアクタンス性インピーダンス要素を含む負荷との間に接続されたインピーダンス整合ネットワークの第１および第２の可変リアクタンスを、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間で最良な局部整合が達成されるまで第１および第２のリアクタンスを変動させることによって決定される飛翔経路に沿って同時に変動させる方法および装置に関する。
背景技術
真空プラズマ処理装置は、通常半導体基板、誘電性基板および金属基板であるワークピースに材料を付着させたり、これをエッチングするために使用される。ワークピースが配置されている真空プラズマ処理室へガスが導入される。ガスは高周波電界または電磁界に応じて励起されて、プラズマにされる。高周波フィールドは、通常磁気および静電両方の高周波フィールドをガスに結合する電極アレイまたはコイルのいずれかであるリアクタンス性要素によって与えられる。リアクタンス性インピーダンス要素は高周波と、ガスをプラズマに励起するのに十分な電力を有している高周波源に接続されている。高周波源とコイルの間の接続は通常、高周波源に直接接続された比較的長い同軸ケーブルと、ケーブルとリアクタンス性インピーダンス要素の間に接続された共振整合ネットワークとによって行われる。整合ネットワークは高周波源のインピーダンスをこれが駆動する負荷に整合させるように調節された一対の可変リアクタンスを含んでいる。
高周波源に現れる負荷はかなりの変動を受ける。負荷はプラズマ状態へガスを励起する前に比較的高いインピーダンスを有する。プラズマの励起に応じて、負荷のインピーダンスは励起されたプラズマに電荷キャリア、すなわち電子とイオンが存在しているためかなり低下する。励起したプラズマのインピーダンスもプラズマ・フラックスの変動、すなわちプラズマ密度とプラズマ電荷粒子速度の積によりかなり変化する。それ故、高周波源から負荷への電力の効率のよい輸送をもたらす、高周波源と負荷の整合が若干困難となる。
従来は、高周波源と負荷の間で整合したインピーダンス状態を維持するために、両方の可変リアクタンスを同時に変動させていた。通常、（１）高周波源がケーブルに供給する電圧と電流の間で実質的な位相差が検出されなくなり、（２）高周波源からケーブルに現れる実インピーダンスが高周波源の出力端子に現れる実インピーダンスと実質的に等しいと検出されるまで、２つのリアクタンス値を同時に変動させる。
状況によっては、整合に達しない態様でリアクタンスが変動するため、この従来技術の手法がまったく満足できないものであることが判明している。他の状況においては、整合状態に確実に達することがない態様でリアクタンス値が同時に変動するため、かなりの時間が経ってからだけ整合状態が達成される。
この問題を解決する試みが、本願と同一の出願人に譲渡されたMichael S.BarnesおよびJohn Pattrick Hollandの１９９５年１２月２９日出願のAPPARATUS FOR CONTROLLING MATCHING NETWORK OF A VACUUM PLASMA PROCESSOR AND MEMORY FOR SAMEなる名称の係属特許願第０８／５８０７０６号に開示されている。この手法においては、考えられる最適な整合が達成されるまで、一方のリアクタンスの値を変動させるとともに、他方のリアクタンスの値を一定に維持する。次いで、考えられる最良な整合が達成されるまで、第２のリアクタンスの値を変動させるとともに、第１のリアクタンスの値を一定に維持する。考えられる最良な整合が達成されるまで、リアクタンスの値をこの態様で順次反復して変動させる。この従来技術の手法により、一時に一方のリアクタンスだけを順次変動させた結果として、整合状態を達成するのに必要な時間は実質的なものとなる。
発明の開示
本発明は改善された態様で変動させられ、かつ改善された装置によって変動させられる第１および第２の可変リアクタンスを含んでいる共振整合ネットワークを有していて、（ａ）高周波励起源のローディングおよび（ｂ）プラズマ励起リアクタンス性インピーダンス要素および高周波プラズマを含む負荷の高周波源に対する同調を制御する高周波プラズマ処理装置に関する。本発明の一態様によれば、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の整合を達成するために、第２の可変リアクタンスの各単位変化に対して第１の可変リアクタンスが変化する量についての決定が行われる。この決定は最良の「局部」整合を達成するために確立されている規則にしたがって、第１および第２の可変リアクタンスの値を変化させることによって行われる。次いで、第１および第２の可変リアクタンスの値を、この決定に基づいて変動させる。第１および第２の可変リアクタンスは、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の整合が達成されるまで、変動させられる。決定の結果として、第１および第２の可変リアクタンスの値を同時に変動させるのが好ましい。
本発明の一態様によれば、第１の可変リアクタンスが変化させられるとともに、第２の可変リアクタンスを変化させず、また第２の可変リアクタンスを変化させるとともに、第１の可変リアクタンスを変化させないように、第１および第２の可変リアクタンスの値を順次変化させることによって、決定が行われる。他の態様によれば、第１および第２の可変リアクタンスの値を同時に変化させることによって、決定が行われる。
詳細にいえば、決定はまず次のようにして行われる。（１）高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の局部インピーダンス整合が達成されるまで、可変リアクタンスの第１のものの値だけを変化させ、（２）次いで、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の局部インピーダンス整合が達成されるまで、可変リアクタンスの第２のものの値だけを変化させ、（３）次いで、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の局部インピーダンス整合が達成されるまで、可変リアクタンスの第１のものの値だけを変化させる。この場合、ステップ（１）および（３）の完了時の第１および第２の可変リアクタンスの値の指示により、決定を行う。この決定により、第１の可変リアクタンスと第２の可変リアクタンスの値のプロットにおいて第１の直線飛翔経路がもたらされる。
第１の飛翔経路にしたがうと、考えられる最良のインピーダンス整合が最低限の基準を満たすかどうかに関する他の決定が行われる。最低限の基準が満たされたことに応じて、第１および第２の可変リアクタンスの値が一定に維持される。最低限の基準が満たされない場合、第１および第２の可変リアクタンスの値を再度変化させる。好ましい実施の形態において、第１の飛翔経路に沿った中間点に関して、変化値を決定するが、変化値が第１の飛翔経路の端部（最良のインピーダンス整合を有する第１の飛翔経路上の点）であってもよいことを理解すべきである。第１の飛翔経路に沿った中間点、または端部における変化値から、他の飛翔経路を選択的に計算して、最良の整合基準を満たすことを試みる。第１の飛翔経路に直角に第２の直線飛翔経路を確立することによって、他の飛翔経路を選択的に計算する。高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の新しい考えられる最良の局部整合が達成されるまで、第１および第２のリアクタンスの値を同時に変動させることによって、第２の飛翔経路に追随する。
他の飛翔経路が第１の飛翔経路に沿った中間点からのものである場合、他の飛翔経路は中間点と、新しい考えられる最良の局部整合の間の線として決定される。他の飛翔経路が第１の飛翔経路の端部からのものである場合、第１および第２の可変リアクタンスの値を同時に変動させて、第３の直線飛翔経路が第２の飛翔経路に直角になるようにする。高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間の最良の整合が達成されるまで、第３の飛翔経路に追随する。最良の整合が最低限の基準に達していない場合、他の飛翔経路を第１および第３の飛翔経路の端部における第１および第２のリアクタンスの値から決定する。他の飛翔経路を、第３の飛翔経路の端部における第１および第２のリアクタンスの値で追随する。
他の飛翔経路を決定する方法に関わりなく、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間で考えられる最良の整合が達成されるまで、他の飛翔経路に追随する。通常、他の飛翔経路の端部における考えられる最良の整合は、負荷に送出される高周波源から導かれる電力の少なくとも９６％となる。あるいは、最低限の最良の整合基準が第３の飛翔経路の端部で達成されたとしても、他の飛翔経路が確立される。
本発明の他の態様はワークピースを処理する真空プラズマ反応室内でプラズマに供給される高周波フィールドを制御するために、コンピュータとともに使用するメモリに関する。高周波フィールドは高周波源へ共振整合ネットワークを介して接続されたリアクタンス性インピーダンス要素によってプラズマへ供給される。高周波フィールドはガスをプラズマに励起し、プラズマを維持するのに十分な周波数と電力レベルを有している。整合ネットワークは高周波源のローディングおよびリアクタンス性インピーダンス要素およびプラズマを含む、高周波源への負荷の調整を制御する第１および第２の可変リアクタンスを含んでいる。メモリはコンピュータに次のことを行わせる信号を記憶している。（１）コンピュータにコマンドを与えて、第１および第２の可変リアクタンスの値を変動させることにより、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間で最良の整合を達成するために、可変リアクタンスの第２のものの各単位変化に合わせて可変リアクタンスの第１のものが変化する量を決定する（２）。次いで、高周波源の出力端子の内外に現れるインピーダンスの間で最良のインピーダンス整合が達成されたとコンピュータが判断するまで、（１）で行った決定に基づいて第１および第２の可変リアクタンスの値を変動させる。
本発明の上記およびその他の目的、特徴および利点は、特に添付図面に関して行う、本発明の特定の実施の形態についての以下の詳細な説明を考慮することにより明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の好ましい実施の形態のブロック図と配線図を組み合わせた図である。
第２図は第１図の装置がどのように動作するかを示すプロットである。
第３図は最終的な最高率の送出電力を達成するために、第１図の装置がどのように動作するかを示す詳細なプロットである。
第４図は最終的な最高率の送出電力を達成するために、第１図の装置が動作する他の態様の詳細なプロットである。
好ましい実施の形態の説明
図面の第１図を参照すると、従来のプラズマ処理室１０が共振整合ネットワーク１６によって定周波数（典型的には、１３．５６ＭＨｚ）の高周波源１４に接続された励起コイル１２を含むものとして示されている。コイル１２は高周波電磁界を誘導するリアクタンス性インピーダンス要素であり、高周波電磁界は室１０の外側から真空室の誘電性の窓（図示せず）を介して、室の内部へ結合される。真空プラズマ処理室１０には適切な高周波源（図示せず）からガスが供給される。ガスはコイル１２から誘導された高周波電磁界によりプラズマ状態（すなわち、プラズマ放電）に励起され、維持される。通常はガラス、半導体または金属の基板である室１０内に配置されたワークピース（図示せず）は電荷粒子、すなわちプラズマ内の電子およびイオン、ならびに中性粒子によって処理されて、ワークピースがエッチングされたり、もしくは材料がその上に付着されたりする。プラズマ放電およびコイル１２は高周波源１４および共振整合ネットワーク１６に対する負荷を形成する。高周波源１４は通常比較的長い、たとえば１３フィートのケーブル１５によってネットワーク１６に接続されている。ケーブル１５は高周波源１４の周波数において、高周波源の出力インピーダンスに等しい特性インピーダンスを有している。
室１０内のプラズマ放電は遷移および非線型変動を受け、この変動は整合ネットワーク１６およびケーブル１５によって高周波源１４の出力端子へ反射される。整合ネットワーク１６のインピーダンスは、これらの変動に関わりなく、高周波源１４の出力端子へ戻される電力を最小限とするように制御される。
好ましい実施の形態において、整合ネットワーク１６は、それぞれが直列コンデンサ１８および２０の形態の可変リアクタンスを含んでいる２つの直列アームを有する「Ｔ」として構成される。コンデンサ２０を含んでいるアームはコイル１２と直列であり、また固定接地コンデンサ２２と直列に接続されている。整合ネットワーク１６は固定分路コンデンサ２４も含んでおり、このコンデンサはコンデンサ１８および２０の共通端子と接地の間に接続されている。コンデンサ１８は高周波源１４の出力端子からケーブル１５へ現れる抵抗性インピーダンス構成要素の大きさを主に制御し、コンデンサ２０は高周波源１４の出力端子からケーブル１５に現れる抵抗性インピーダンスの大きさを主に制御する。しばしば、コンデンサ１８および２０はそれぞれ当分野において負荷コンデンサおよび同調コンデンサと呼ばれる。
コンデンサ１８および２０の値は通常、高周波源１４の出力インピーダンス、すなわち抵抗性が通常５０オームであり、リアクタンス性がゼロ・オーム（（５０＋ｊ０）オーム）の高周波源１４の出力端子に現れるインピーダンスが、高周波源の出力端子からケーブル１５の入力端子に現れるインピーダンスと整合するように変動させられる。コンデンサ１８および２０の値はそれぞれ、マイクロコンピュータ３２のマイクロプロセッサ３０に含まれているディジタル・アナログ変換機によりＤＣ制御電圧が供給されるＤＣモータ２６および２８によって変動させられる。マイクロコンピュータ３２はＥＰＲＯＭ３４およびＲＡＭ３６も含んでおり、これらはそれぞれマイクロプロセッサに対する制御プログラム信号、およびモータ２６および２８を制御するためにマイクロプロセッサによって操作されるデータ信号を格納する。
マイクロプロセッサ３０は順方向電圧および電流変換器３８からの信号および反射電圧および電流変換器４０からの信号に応答するアナログ・ディジタル変換器、ならびに整合ネットワーク１６からコイル１２へ流れる高周波電流を監視する電流変換器４２を含んでいる。変換器３８は高周波源１４からコイル１５へ供給される高周波電圧および電流の複製であるアナログ信号を誘導する。変換器４０はケーブル１５から高周波源１４へ反射された高周波電圧および電流の複製であるアナログ信号を誘導する。変換器３８および４０の各々は方向性結合器、電流の複製を誘導する変流器および電圧の複製を誘導する容量性分圧器を含んでいる。電流変換器４２は整合ネットワーク１６からコイル１２へ流れる高周波電流の複製である信号を誘導する変流器を含んでいる。
マイクロプロセッサ３０は変換器３８、４０および４２から誘導されるアナログ信号に応答して、（１）高周波源１４からケーブル１５へ供給される高周波電圧および電流の大きさと総体位相角、ならびに（２）ネットワーク１６からコイル１２へ流れる高周波電流の大きさを示すディジタル信号を誘導する。これらのディジタル信号はＲＡＭ３６に格納され、ＥＰＲＯＭ３４に格納されているプログラム信号の制御のもとでマイクロプロセッサ３０によって処理されて、モータ２６および２８に対する制御信号を誘導するために使用される他の信号を誘導する。
本発明によれば、コンデンサ１８および２０の値はマイクロプロセッサ３０から誘導される信号に応答してモータ２６および２８によって変動させられて、チャンバ１０内のガスを励起プラズマ状態に維持するための十分な電力をコイル１２へ供給する。コンデンサ１８および２０の値は高周波源１４からコイル１２へ結合される電力の関数を最大化する方向で変動させられる。関数は次のいずれかである。（１）順方向高周波電力に対する送出高周波電力の比、（２）パーセント送出高周波電力、または（３）整合ネットワーク１６がコイル１２へ供給する高周波電流。これらの関数が最大化されると、高周波源とこれが駆動する負荷の間で、高周波源１４の周波数において実質的なインピーダンスの整合が生じる。すなわち、高周波源１４の出力端子に現れる高周波源におけるインピーダンスが、高周波源からケーブル１５に現れるインピーダンスとほぼ等しくなる。
マイクロプロセッサ３０は変換器３８および４０の出力信号に応じて、順方向高周波電力、すなわち高周波源１４がケーブル１５に供給する高周波電力と、送出電力、すなわち整合ネットワーク１６がコイル１２へ実際に供給する電力を決定する。整合ネットワーク１６がコイル１２へ実際に供給する電力を決定する。このため、マイクロプロセッサ３０は変換器３８の高周波電圧および電流出力を表す信号を次式にしたがって乗算することによって高周波順方向電力を決定する。
Ｐ_f＝Ｖ_oＩ_oｃｏｓθ_o
ここで、
Ｖ_oは高周波源１４の高周波出力電圧の大きさであり、
Ｉ_oは高周波源１４の高周波出力電流の大きさであり、
θ_oは高周波源１４から誘導された電圧および電流の間の位相角である。
送出高周波電力を決定するために、マイクロプロセッサ３０は反射高周波電力を決定する。マイクロプロセッサ３０は変換器４０の高周波電圧および電流出力に応じて反射高周波電力を次式にしたがって決定する。
Ｐ_r＝Ｖ_rＩ_rｃｏｓθ_r
ここで、
Ｖ_rはケーブル１５から高周波源１４へ反射される高周波電圧の大きさであり、
Ｉ_rはケーブル１５から高周波源１４へ反射される高周波電流の大きさであり、
θ_rは反射電圧と電流の間の位相角である。
マイクロプロセッサ３０は送出高周波電力（Ｐ_d）を（Ｐ_f−Ｐ_r）として決定する。パーセント送出電力（％Ｐ_d）は高周波順方向電力に対する高周波送出電力の比と類似しているが、マイクロプロセッサ３０により（Ｐ_f−Ｐ_r）／Ｐ_f×１００として計算される。整合が存在する場合、高周波反射電力がないため、（ａ）Ｐ_d＝Ｐ_f、（ｂ）順方向電力に対する送出高周波電力の比Ｐ_d／Ｐ_fは１、（ｃ）％Ｐ_d＝１００である。マイクロプロセッサ３０は電流変換器４２の出力信号のみに応じて、整合ネットワーク１６がコイル１２へ供給する高周波電力（Ｉ_o）を決定する。
本発明によれば、負荷コンデンサ１８および同調コンデンサ２０の値は、高周波源１４の出力端子とこれが駆動する負荷との間できわめて近いインピーダンス整合を必ず得るような量だけ同時に変動させられる。コンデンサ１８および２０が変動する相対量は、適正な方向から必ず整合に達するように決定される。好ましい実施の形態において、インピーダンス整合の範囲は高周波源１４によりこれが駆動する負荷へ供給されるパーセント送出電力を最大化することによって示される。パーセント送出電力を最大化した場合、反射電力は最小化される。ただし、高周波電源１４とこれが駆動する負荷の間のインピーダンス整合に関連する他のパラメータを用いることができ、インピーダンス整合を示すために最大化できる他の例示的な好ましいパラメータは、コイル１２へ供給される順方向電力と電流に対する送出電力の比であることを理解されたい。
さらに、マイクロプロセッサ３０が（１）高周波源１４がケーブル１５へ供給する電圧と電流の間の位相角を比較し、（２）高周波源１４からケーブル１５に現れる実インピーダンスと高周波源１４の出力端子に現れる既知の実インピーダンスを比較することにより、インピーダンス整合の度合いを決定することができる。整合状態において、マイクロプロセッサ３０は位相角がゼロであり、実インピーダンスが等しいと判定する。しかしながら、比較（１）および（２）に依存することは、比較の結果を組み合わせなければならないため、他の関数に依存するよりも困難である。
第２図は上述の結果を達成するために、マイクロプロセッサ３０がどのようにコンデンサ１８および２０の値を変動させるかを記述するのに役立つものである。第２図は複数のパーセント送出電力形状５１−５５に対する同調コンデンサ２０の値（Ｘ軸方向に沿った）と負荷コンデンサ１８の値（Ｙ軸方向に沿った）のプロットである。形状５１−５５の各々はほぼ楕円形であり、形状５１、５２、５３、５４および５５はそれぞれ１０％、３０％、５０％、７０％および９０％の送出電力の形状を表している。１０％形状５１外のコンデンサ１８および２０のすべての値に対して、パーセント送出電力は１０％未満であり、９０％形状５５内のコンデンサ１８および２０のすべての値に対して、パーセント送出電力の値は９０％を超えている。第２図には５つの形状だけが示されているが、実際には、コンデンサ１８および２０の値の関数であるこのような形状が無数にある。これらの形状は処理装置１０内のプラズマのパラメータに応じて、ある程度動的なものである。
まず、マイクロプロセッサ３０はコンデンサ１８および２０の相対変化速度を判定して、第２図の形状を通過する飛翔経路を計算する。この判定の第１のステップとして、マクロプロセッサ３０はマイクロプロセッサが「局部」最大パーセント送出電力値を検出するまで同調コンデンサ２０の値を変化させるとともに、負荷コンデンサ１８の値を一定に維持する。次いで、この判定の第２のステップの間に、マクロプロセッサ３０はマイクロプロセッサが他の局部最大パーセント送出電力値を検出するまで負荷コンデンサ１８の値を変化させるとともに、同調コンデンサ２０の値を一定に維持する。次いで、第３のステップの間に、マクロプロセッサ３０はマイクロプロセッサが他の局部最大パーセント送出電力値を検出するまで同調コンデンサ２０の値を変化させるとともに、負荷コンデンサ１８の値を一定に維持する。
第１および第３のステップの終了時のコンデンサ１８および２０の値から、マイクロプロセッサ３０はパーセント送出電力のほぼ最大化をもたらす第２図の第１の直線飛翔経路の傾斜を決定する。第１の直線の傾斜はマイクロプロセッサ３０がコンデンサ１８または２０の一方を、他方のコンデンサの値の各単位変化に合わせて変化させなければならない量を示す。次いで、コンデンサ１８および２０の値は、マイクロプロセッサ３０が最大パーセント送出電力を再度検出するまで、マイクロプロセッサ３０により第１の飛翔経路に沿って同時に変動させられる。通常、第１の飛翔経路の端部において、最大パーセント送出電力は９０％を超える値を有する。
パーセント送出電力を最大化するために、第１の直線飛翔経路に沿った最大パーセント送出電力が９６％などの所定の目標値よりも小さいと検出された場合、マイクロプロセッサ３０はコンデンサ１８および２０の値を同時に変化させて、第１の飛翔経路に対して直角に第２の直線飛翔経路があるようにする。第２の直線飛翔経路は局部最大パーセント送出電力をもたらす第１の飛翔経路に沿った点から始まる。このため、マイクロプロセッサ３０はコンデンサ１８および２０の値を、第１の直線飛翔経路をもたらす比とは異なる比で同時に変化させる。換言すれば、第１の飛翔経路の傾きがΔｙ₁／Δｘ₁である場合、第２の飛翔経路の傾きはΔｘ₁／Δｙ₁である。第２の飛翔経路の端点はパーセント送出電力の極大値である。
好ましい実施の形態において、必要な場合には、第１の飛翔経路に沿った中間点から第２の飛翔経路の端点までの他の飛翔経路がマイクロプロセッサ３０によって決定される。第１の飛翔経路に沿った中間点は、同調コンデンサ２０を変動させるとともに、負荷コンデンサ１８を一定に維持して２度目に検出された局部最大点であることが好ましい。他の飛翔経路に沿った始点は第２の飛翔経路の端部にあるが、第２の飛翔経路の投影は第１の飛翔経路の中間点を通っている。マイクロプロセッサ３０は他の飛翔経路を決定した後、モータ２６および２８を制御して、マイクロプロセッサが新しい局部最大パーセント送出電力を検出するまで、他の飛翔経路に沿ってコンデンサ１８および２０の値を同時に変化させる。通常、新しい局部最大値は最大パーセント送出電力の最小希望値を超えており、コンデンサ１８および２０の値は安定する。パーセント送出電力が目標値以下に低下したとマイクロプロセッサ３０が検出すると、マイクロプロセッサはコンデンサ１８および２０の値を再度変動させる。
第２の飛翔経路の端点を求めた後、他の飛翔経路を何らかの他のステップを実行して決定することができる。このため、マイクロプロセッサ３０は第２の直線飛翔経路に直角の、すなわち第１の直線飛翔経路に平行な第３の直線飛翔経路に沿ってコンデンサ１８および２０の値を同時に変化させる。第３の飛翔経路は第２の飛翔経路の端点から始まり、パーセント送出電力の局部最大値で終わる。第３の飛翔経路の端点におけるパーセント送出電力が所定の目標値よりもまだ低いとマイクロプロセッサ３０が検出した場合、マイクロプロセッサは第１および第３の飛翔経路の端点におけるコンデンサ１８および２０の値を使用して、新しい他の飛翔経路の新しい傾きを計算する。
次いで、マイクロプロセッサ３０はマイクロプロセッサが新しい局部最大値を検出するまで、コンデンサ１８および２０の値を他の飛翔経路に沿った第３の飛翔経路の端点における値から同時に変動させる。通常、新しい局部最大値は最大パーセント送出電力の最小希望値を超えており、コンデンサ１８および２０の値は安定する。パーセント送出電力が目標値以下に低下したとマイクロプロセッサ３０が検出すると、マイクロプロセッサはコンデンサ１８および２０の値を再度変動させる。
第２図に示した特定の状況の場合、負荷コンデンサ１８と同調コンデンサ２０の値は当初、パーセント送出電力が１０％未満であるようなものであり、これによりコンデンサ１８および２０の値の同時制御プロセスにおける始点６０は１０％送出電力形状５１の外部のものとなる。まず、マイクロプロセッサ３０はＥＰＲＯＭ３４内のコマンドに応答して、同調コンデンサ２０の値を下げて、Ｘ軸に平行の第１の直線飛翔経路６２をもたらす。このため、マイクロプロセッサ３０はモータ２８にコンデンサ２０の値を下げる信号を供給する。コンデンサ２０の値が下がると、マイクロプロセッサ３０は変換器３８および４０の出力信号に応答して、パーセント送出電力を計算する。マイクロプロセッサ３０が計算したパーセント送出電力値はマイクロプロセッサ内で継続的に比較される。コンデンサ２０の値の変化の結果として、マイクロプロセッサ３０は点６４における局部最大パーセント送出電力を計算する。しかしながら、マイクロプロセッサ３０はコンデンサ２０を点６４で停止させることができず、コンデンサ２０の値は減少を続けるので、コンデンサ２０の値が点６６によって示される値まで下がるまで、パーセント送出電力の最大値は減少する。マイクロプロセッサ３０はコンデンサ２０の異なる値に対する局部最大パーセント送出電力の、ＲＡＭ３８に格納されている値およびＥＰＲＯＭ３４内の信号に応答して、コンデンサ２０をこれが点６４において有していた値に戻す。次いで、ＥＰＲＯＭ３４はマイクロプロセッサ３０にマイクロプロセッサにコマンドを送る信号を供給して、モータ２６を負荷コンデンサ１８の値を増加させる方向へ駆動するとともに、モータ２８を静止状態に維持する。これにより、負荷コンデンサ１８の値は直線飛翔経路６８に沿って増加するとともに、マイクロプロセッサ３０はパーセント送出電力を繰り返し計算する。それ故、ＥＰＲＯＭ３４内のプログラムはコンデンサ１８の値をまず増加させ、コンデンサ２０の値をまず減少させる。コンデンサ２０の値の最初の減少と、コンデンサ１８の値の増加の後、マイクロプロセッサ３０はパーセント送出電力が増加したのか、減少したのかを検出する。パーセント送出電力が増加したとマイクロプロセッサ３０が判断した場合（第２図の例で想定したように）、コンデンサの値はＥＰＲＯＭ３４内の信号によって当初命令された方向で変化を継続する。しかしながら、パーセント送出電力が減少したとマイクロプロセッサ３０が判断した場合には、マイクロプロセッサはモータ２６または２８の方向を逆転させて、コンデンサ１８または２０の変化の最初の方向を逆にする。この手順により、コンデンサ１８および２０の値が常に、飛翔経路の判断において正しい方向へ変化することが可能となる。
点７０において、変換器３８および４０の出力信号に応じてマイクロプロセッサ３０が計算したパーセント送出電力は局部最大値を通過する。マイクロプロセッサ３０は点７０においてコンデンサ１８を停止することができず、コンデンサ１８の値が増加を続けるので、パーセント送出電力は点７０における局部最大値未満に減少する。次いで、マイクロプロセッサ３０はモータ２６の駆動方向を逆転させて、コンデンサ１８の値を点７０における局部最大値が到達させられる値に戻す。
次いで、ＥＰＲＯＭ３４およびＲＡＭ３０はマイクロプロセッサ３０に、ＤＣモータ２８に同調コンデンサ２０の値を増加させ、ＤＣモータ２６が負荷コンデンサ１８を一定値に維持する信号を供給する。これにより、飛翔経路７４を横切る。飛翔経路７４を横切って、パーセント送出電力の減少が再度検出されるまで、局部最大値７６を通るようにする。次いで、マイクロプロセッサ３０はモータ２８の駆動方向を逆転させ、同調コンデンサ２０の値を減少させて、点７６における局部最大値に再度到達するようにする。
第１および第３の飛翔経路６２および７４の端点におけるコンデンサ１８および２０の値は、この時点で、ＲＡＭ３６に格納される。マイクロプロセッサ３０はこれらの値をＲＡＭ３６から取り出し、これらの点を接続する直線飛翔経路７８の傾きを計算する。直線飛翔経路７８の傾きは同調コンデンサ２０の値の各単位変化に対して負荷コンデンサ１８が変化すべき量を示す。これらの相対値はマイクロプロセッサ３０によって、ＲＡＭ３６に格納される。
ＥＰＲＯＭ３４は次いで、マイクロプロセッサ３０にコマンドを送って、同調コンデンサ２０の値の各単位変化に対して負荷コンデンサ１８が変化すべき量に対する値を取り出す。マイクロプロセッサ３０はＤＣモータ２６および２８が負荷コンデンサ１８および同調コンデンサ２０の値を飛翔経路７８の整合延長部である直線飛翔経路８２に沿って同時に変化させるような態様で、これらの値をＤＣモータ２６および２８に供給する。飛翔経路７８および８２が整合しており、したがって両者が点６４および７６を含んでいるため、点７６は、飛翔経路７８を横切ることがなくても、コンデンサ１８および２０の値に対する飛翔経路の中間点である。
マイクロプロセッサ３０は局部最大パーセント送出電力を検出するまで、飛翔経路８２を横切る場合のパーセント送出電力の値を継続的に計算する。第２図に示した例示的な状況において、パーセント送出電力は飛翔経路８２を横切ったときに、５０％よりも若干下の値から９０％を超える値まで増加する。飛翔経路８２に沿ったパーセント送出電力の最大値は９０％を超えている。マイクロプロセッサ３０が計算したパーセント送出電力の値が９０％超に増加した場合、マイクロプロセッサはＥＰＲＯＭ３４内のサブルーチンに応答して、モータ２６および２８の速度を、したがってコンデンサ１８および２０の値の変化の絶対速度を減少させて、オーバシュートを最小限とする。コンデンサ１８および２０の値の変化の絶対速度が変化しても、これらの相対速度が変化しないので、飛翔経路８２は継続する。
飛翔経路８２がパーセント送出電力の最大値を通過した後、マイクロプロセッサ３０はパーセント送出電力の最大値を再度検出するまで、モータ２６および２８の方向を逆にして、コンデンサ１８および２０の値を逆にする。マイクロプロセッサ３０はパーセント送出電力の現時点で検出された値を、パーセント送出電力の目標値（典型的には、９６％）を示すＥＰＲＯＭ３４に格納されている信号と比較する。パーセント送出電力の目標値に達したことをマイクロプロセッサ３０が検出した場合、マイクロプロセッサはモータ２６および２８にそれ以上の信号を供給せず、コンデンサ１８および２０の値は最大送出電力が目標値未満に低下するまで、安定する。最大送出電力の検出された実際の値が目標値を超えられることを理解されたい。マイクロプロセッサ３０は最大パーセント送出電力を、パーセント送出電力の目標値と比較して、パーセント送出電力の目標値を達成するために、これ以上の変化がコンデンサ１８および２０の値に必要か否かを判定する。
飛翔経路８２が目標値内で最大パーセント送出電力をもたらさないとマイクロプロセッサ３０が判定した場合、マイクロプロセッサは負荷コンデンサ１８と同調コンデンサ２０の値に対する新しい他の飛翔経路を決定する。通常、他の飛翔経路は９０％の範囲内から少なくとも９６％まで最大パーセント送出電力を増加させる。
他の飛翔経路を決定するために、マイクロプロセッサ３０は飛翔経路８２に沿って最大送出電力をもたらした負荷コンデンサ１８と同調コンデンサ２０の値をＲＡＭ３６にロードする。すなわち、飛翔経路８２の端点におけるコンデンサの値をＲＡＭに供給する。次いで、マイクロプロセッサ３０はこれらの値に応答して、飛翔経路８２に直角な飛翔経路８８（第３図）を計算する。飛翔経路８８は飛翔経路８２上の最大送出電力の端点８６と交差する。
第３図は第２図の一部の拡大図であり、同調コンデンサ２０と負荷コンデンサ１８の値がそれぞれＸ軸およびＹ軸に沿って示されており、９０％を超えるパーセント送出電力の形状と組み合わされている。第３図はマイクロプロセッサ３０がどのようにコンデンサ１８および２０の値を制御して、目標パーセント送出電力ないし目標値を超えるパーセント送出電力を達成するかを記述するのに役立つものである。
飛翔経路８２と直角な飛翔経路８８は飛翔経路８２に対するコンデンサ１８および２０の相対変化速度を逆転することによって決定される。それ故、マイクロプロセッサ３０は信号をモータ２６および２８に供給して、飛翔経路８８に沿ったモータの相対速度とコンデンサ１８および２０の相対変化速度が、飛翔経路８２に沿ったものと正反対になるようにする。マイクロプロセッサ３０が変換器３８および４０からの信号に応じて局部最大パーセント送出電力を検出するまで、飛翔経路８８を横切る。マイクロプロセッサ３０は飛翔経路８８に沿った局部最大パーセント送出電力を検出した直後に、モータ２６および２８の方向を逆転して、コンデンサ１８および２０の値が飛翔経路８８に沿った端点９０にあるようにする。
端点９０に達した後、マイクロプロセッサ３０はコンデンサ１８および２０の相対変化速度を計算して、他の飛翔経路９１を作り出す。飛翔経路９１の始点は整合飛翔経路７８および８２に沿った中間点７６であることが好ましく、飛翔経路８８の端点９０は飛翔経路９１に沿った端点であることが好ましい。それ故、マイクロプロセッサ３０は点７６および９０におけるコンデンサ１８および２０の値から飛翔経路９１の傾きを計算する。異なるおそらくは若干正確でない他の飛翔経路を、点６４および９０におけるコンデンサ１８および２０の値に応じて、マイクロプロセッサ３０が作成できることも理解されたい。
マイクロプロセッサ３０は飛翔経路９１に沿ったコンデンサ１８および２０の相対変化速度を計算した後、コンデンサ１８および２０の値を点９０から始まる飛翔経路９１に沿って変化させる信号をモータ２６および２８に供給する。マイクロプロセッサ３０が検出したパーセント送出電力が点９３において最大値を通過するまで、コンデンサ１８および２０の値が変動し、飛翔経路９１を横切る。点９３に達した後、マイクロプロセッサ３０はモータ２６および２８の方向を逆転させて、コンデンサ１８および２０の値が点９３に関連付けられた値に戻るようにする。これらのコンデンサの値はマイクロプロセッサ３０によってＲＡＭ３６へ供給される。マイクロプロセッサ３０は次いで、パーセント送出電力を計算し、この計算した値を目標パーセント送出電力と比較する。目標パーセント送出電力を計算したパーセント送出電力が超えている場合、マイクロプロセッサ３０はコンデンサ１８および２０へ付加的な信号を供給せず、コンデンサの値は安定する。あるいは、もっと高い最大パーセント送出電力を望む場合、あるいは局部最大パーセント送出電力が閾値に達していない場合には、マイクロプロセッサ３０をプログラムして、新しい直線飛翔経路（図示せず）を計算するようにする。新しい直線飛翔経路はマイクロプロセッサ３０により、飛翔経路９１を計算したのと基本的に同じ態様であるが、始点を点９０にして計算される。
パーセント送出電力を最大化する他の方法を、第４図に示す。第４図において、マイクロプロセッサ３０は第３図に関連して上述したようにして、飛翔経路８８と端点９０を計算する。端点９０に達した後、マイクロプロセッサ３０はモータ２６および２８を制御して、コンデンサ１８および２０の値が飛翔経路９２を横切るようにする。飛翔経路９２は飛翔経路８８に直角に、したがって飛翔経路８２に平行に端点９０において最大送出電力と交差する。それ故、飛翔経路９２を横切る際に、コンデンサ１８および２０の値はこれらが飛翔経路８２に沿って変動するのと同じ相対速度で変動する。マイクロプロセッサ３０はＥＰＲＯＭ３４に格納されているコンデンサ１８および２０の値に対する当初の方向に応じて端点８６および９２から、また飛翔経路８６および９２を横切る際にマイクロプロセッサが計算するパーセント送出電力の連続した値を比較することによって、飛翔経路８８および９２の正しい方向を決定する。マイクロプロセッサ３０がコンデンサ１８および２０の値を変化させる方向は、パーセント送出電力が減少したとマイクロプロセッサが検出した場合に逆転される。
マイクロプロセッサ３０が検出したパーセント送出電力が点９４において最大値を通過するまで、飛翔経路９２を横切る。点９４に達した後、マイクロプロセッサ３０はモータ２６および２８の方向を逆転して、コンデンサ１８および２２の値を点９４に関連付けられた値に戻す。これらのコンデンサの値はマイクロプロセッサ３０によりＲＡＭ３６へ与えられる。マイクロプロセッサ３０は次いで、パーセント送出電力を計算し、この計算した値を目標パーセント送出電力と比較する。計算したパーセント送出電力が目標パーセント送出電力を超えている場合、マイクロプロセッサ３０はコンデンサ１８および２０へ付加的な信号を供給せず、コンデンサの値が安定する。あるいは、もっと高い最大パーセント送出電力を望む場合、あるいは極大パーセント送出電力が閾値に達していない場合には、マイクロプロセッサ３０をプログラムして、新しい直線飛翔経路９６を計算するようにする。
このため、マイクロプロセッサ３０は次いで、点８６および９４に対する負荷および同調コンデンサ１８および２０の値を示すＲＡＭ３６に格納されている値に応答して、点８６および９４を一緒に接続する他の直線飛翔経路９６の傾きを計算する。飛翔経路９６の傾きの計算から、マイクロプロセッサ３０はモータ２６および２８が変化して、飛翔経路９６に沿ってコンデンサ１８および２０の値を変動させる相対速度を決定する。マイクロプロセッサ３０は次いで信号を２６および２８へ供給して、コンデンサ１８および２２の値を線９６の整合延長部である直線飛翔経路９８に沿って点９４から同時に変化させる。マイクロプロセッサ３０は、コンデンサ１８および２０の値を変化させて、飛翔経路９８を横切るようにする。最大パーセント送出電力が９８％送出電力形状の内部にある点１００に到達したとマイクロプロセッサ３０が判断するまで、飛翔経路９８を横切る。
本発明の特定の実施の形態の１つを図示説明してきたが、詳細に図示説明の実施の形態の詳細の変形を、添付の請求の範囲に規定する本発明の真の精神および範囲を逸脱することなく作成できることが明らかであろう。整合ネットワーク１６をＴ型であると特に図示したが、整合ネットワークを、プラズマを励起するリアクタンス性インピーダンス要素に接続された分路可変負荷コンデンサおよび直列可変同調コンデンサを含む「Ｌ」型に構成することができる。このようなＬ型ネットワークは容量性タイプのインピーダンス・プラズマ励起リアクタンスとともにしばしば使用されるものであり、励起リアクタンスと直列に接続された固定インダクタを含んでいる。当分野で周知のとおり、「Ｌ」型整合ネットワークは通常整合状態に調整されているので、その負荷へ高周波源の周波数で最大電圧を送出する。これとは対照的に、「Ｔ」型整合ネットワークは通常整合状態に調節されているので、ネットワークの「スカート」部に沿って動作する。すなわち、Ｔ型ネットワークは整合状態において最大電圧を常に送出するとは限らない。

Claims

ワークピースを処理する真空プラズマ反応室内のプラズマに高周波フィールドを供給する方法であって、
高周波フィールドが整合ネットワークを介して高周波源に接続されたリアクタンス性インピーダンス要素によってプラズマに供給され、高周波フィールドがガスをプラズマに励起し、整合ネットワークが高周波源のローディングと、リアクタンス性インピーダンス要素およびプラズマを含む負荷の高周波源に対する同調とを制御する第１および第２の可変リアクタンスを含んでいる方法において、
（１）第１および第２の可変リアクタンスの値を変えることにより、高周波源の出力端子に対して出力及び入力の方向にそれぞれ現れるインピーダンスの間の最良の整合を得るために用いられる量であり、且つ、第２の可変リアクタンスの各単位変化に対して第１の可変リアクタンスが変化する量を決定し、
（２）高周波源の出力端子に対して出力及び入力の方向にそれぞれ現れるインピーダンスの間の最良のインピーダンス整合が達成されるまで、ステップ（１）で行われた決定に基づいて第１および第２の可変リアクタンスの値を変動させるようにし、
（ａ）高周波源の出力端子に対して出力及び入力の方向にそれぞれ現れるインピーダンスの間の可能な限りの最良の整合が達成されるまで、前記第１の可変リアクタンスの値だけを変化させ、（ｂ）次いで、高周波源の出力端子に対して出力及び入力の方向にそれぞれ現れるインピーダンスの間の可能な限りの最良の整合が達成されるまで、前記第２の可変リアクタンスの値だけを変化させ、（ｃ）次いで、高周波源の出力端子に対して出力及び入力の方向にそれぞれ現れるインピーダンスの間の可能な限りの最良の整合が達成されるまで、前記第１の可変リアクタンスの値だけを変化させ、（ｄ）ステップ（ａ）および（ｃ）の完了時の第１および第２の可変リアクタンスの値から、第１の可変リアクタンスが第２の可変リアクタンスの値の各単位変化に対して変化する量を決定することによって、ステップ（１）が行われる
ことを特徴とする方法。
高周波源の出力端子に対して出力及び入力の方向にそれぞれ現れるインピーダンスの間の最良の整合が、高周波源とリアクタンス性インピーダンス要素およびプラズマを含む負荷との間の電力に関係づけられた電力の関数に従って決定される請求項１に記載の方法。
前記関数がリアクタンス性インピーダンス要素へ流れる最大高周波電流に基づいている請求項２に記載の方法。
前記関数が高周波源出力電力と負荷に送出される最大電力との比に基づいている請求項２に記載の方法。
第１および第２の可変リアクタンスの値がステップ（２）の間に同時に変化する請求項１、２、３または４のいずれか一項に記載の方法。
第２の可変リアクタンスを変化させないで第１の可変リアクタンスを変化させ、また、第１の可変リアクタンスを変化させないで第２の可変リアクタンスを変化させることにより、第１および第２の可変リアクタンスの値をステップ（１）の間に順次変化させる請求項１、２、３、４または５のいずれか一項に記載の方法。
第１および第２の可変リアクタンスの値がステップ（１）の間に同時に変化する請求項１、２、３、４または５のいずれか一項に記載の方法。
ステップ（２）における値の変動が、第１及び第２の可変リアクタンスの値のＸ−Ｙ座標表示であり且つＸ軸が第１可変リアクタンスの値に対応するとともにＹ軸が第２可変リアクタンスの値に対応しているＸ−Ｙ座標表示に第１の直線飛翔経路（８２）をもたらす請求項１、２、３、４、５、６、または７のいずれか一項に記載の方法であって、
（ａ’）ステップ（２）の完了時における可能な限り最良のインピーダンス整合が所定の基準を満たしているかどうかを判定し、
（ｂ’）前記所定の基準を満たしているとステップ（ａ’）で判定された場合は、第１および第２の可変リアクタンスの値を一定に維持し、
（ｃ’）前記所定の基準を満たしていないとステップ（ａ’）で判定された場合は、高周波源の出力端子に対して出力及び入力の方向にそれぞれ現れるインピーダンスの間に可能な限り最良の整合が達成されるまで、第１の直線飛翔経路（８２）に対して直角の第２の直線飛翔経路（８８）上に第１及び第２の可変リアクタンスの値が存在するように、第１及び第２の可変リアクタンスの値を変化させ、
（ｄ’）第１の直線飛翔経路（８２）上の点（７６）と、高周波源の出力端子に対して出力及び入力の方向にそれぞれ現れるインピーダンスの間に可能な限り最良の整合が達成される第２の直線飛翔経路（８８）上の他の点（９０）とを含む他の直線飛翔経路（９１）に沿って、第１および第２の可変リアクタンスの値を同時に変化させることを含んでいる方法。
第１の直線飛翔経路（８２）および他の直線飛翔経路（９１）上の点が第１の直線飛翔経路（８２）に沿った中間点（７６）である請求項８に記載の方法。
他の直線飛翔経路（９１）上の前記他の点（９０）は、高周波源の出力端子に対して出力及び入力の方向にそれぞれ現れるインピーダンスの間に可能な限り最良の整合が達成される第２の直線飛翔経路（８８）上の点である請求項８または９に記載の方法。
ワークピースを処理する真空プラズマ反応室内のプラズマに高周波フィールドを供給する装置であって、
前記請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９または１０のいずれか一項に記載の方法を自動的に実行するコントローラを有する
ことを特徴とする装置。
前記コントローラが、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９または１０のいずれか一項に記載された方法の実行を命令する信号を格納するコンピュータ・メモリを有する
ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。