JP4648179B2 - 高周波測定装置 - Google Patents

Description

本願発明は、高周波信号の電圧、電流、位相を計測する高周波測定装置に関する。

高周波電源装置から高周波電力をプラズマ処理装置に供給し、エッチング等の方法を用いて半導体ウェハや液晶基板等の被加工物を加工するプラズマ処理システムにおいては、プラズマ処理中にプラズマ処理装置のインピーダンスが大きく変動するため、一般に、図７に示すように、高周波電源装置１０とプラズマ処理装置３０との間にインピーダンス整合器２０を介在させ、このインピーダンス整合器２０によって高周波電源装置１０とプラズマ処理装置３０とのインピーダンス整合を行う構成が採用されている。

また、プラズマ処理中におけるプラズマ処理装置３０のインピーダンス変動を監視するため、インピーダンス整合器２０とプラズマ処理装置３０との間に高周波電圧又は高周波電流若しくは両方を検出するための高周波検出器が設けられる場合もある。

例えば、特開平１０−１８５９６０号公報には、プラズマ処理システムに適用される高周波信号検出用のプローブとして、ケース内に高周波電圧と高周波電流を検出するセンサを内蔵し、このケースに高周波信号を入出力させるための入出力端子とセンサの検出信号を出力させるための出力端子を同軸コネクタで構成した高周波信号検出プローブが記載されている。

上記の高周波信号検出プローブは、同軸コネクタによりインピーダンス整合器２０とプラズマ処理装置３０との間に接続される構成であるため、同軸線路によってプラズマ処理システムが構成される場合は適用可能であるが、インピーダンス整合器２０とプラズマ処理装置３０とが導波管によって結合される場合には適用できない。

プラズマ処理システムによっては、伝送ロスを可及的に抑制するためにインピーダンス整合器とプラズマ処理装置とを導波管で直結するものもあり、このようなインピーダンス整合器では、その出力端近傍に高周波電圧（実効値）Ｖ、高周波電流（実効値）Ｉ及び高周波電圧Ｖと高周波電流Ｉ間の位相θを検出するための高周波測定装置が設けられている場合もある。

この高周波測定装置によって検出される高周波電圧Ｖ、高周波電流Ｉ及び位相θは、Ｒ＝(Ｖ／Ｉ)・cos(θ)及びＸ＝(Ｖ／Ｉ)・sin(θ)の演算式によりインピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸ（測定点がプラズマ処理装置の入力端近傍となることから、プラズマ処理装置のインピーダンスに相当する）に変換され、このインピーダンスＺによってプラズマ処理装置３０のインピーダンス変動の監視に利用される。

また、近年は、プラズマ処理中の動的なインピーダンス整合動作をインピーダンス整合器２０では行わず、高周波電源装置１０の出力周波数を微小変動させて行うプラズマ処理システムも実用化されている。

特開平１０−１８５９６０号公報

一般に、計測装置や測定装置は、センサの感度がばらつき、当該センサで検出される検出値が正しい測定値と異なるため、検出値を正しい測定値に換算して出力する構成となっている。上述のプラズマ処理システムに適用される高周波測定装置においても、予め実測などによって検出値を正しい測定値に換算するための校正データを取得しておき、実際の測定では、検出値を校正データで正しい測定値に校正して出力する構成となっている。

例えば、高周波電圧の実効値Ｖを測定する場合は、予め同一の出力と周波数の高周波電圧を基準負荷（一般にプラズマ処理システムの特性インピーダンスで、例えば５０Ω）に供給して基準負荷に発生する高周波電圧を高周波測定装置で測定し、その測定値Ｖa’と正しい電圧値Ｖaとから校正データＣa（＝Ｖa／Ｖa’）が取得されており、実際の測定では、測定値に校正データを乗じて正しい測定値が出力されるようになっている。

ところで、従来のプラズマ処理システムに適用される高周波測定装置では、プラズマ処理に使用される周波数が、例えば２ＭＨｚや１３．５６ＭＨｚなどの固定周波数であるので、これらの周波数に対する校正データしか用意されていなかった。

しかし、上述のように、高周波電源装置から出力される高周波信号の周波数を微小変化させてインピーダンス整合を行うプラズマ処理システムでは、プラズマ処理中の周波数が上記の固定周波数を中心として所定の周波数範囲で変動するため、従来の高周波測定装置をそのまま利用すると、中心周波数では正しい測定値が得られるが、中心周波数を外れた周波数では校正データが不適切となるので、測定誤差が生じるという不具合が生じる。

このため、このようなプラズマ処理システムに適用される高周波測定装置では、高周波電源装置から出力される高周波信号の周波数変動範囲に対して予め校正データを測定し、装置内に保持しておく必要があるが、この方法を採用すると、周波数の変動範囲や校正データを取るべき周波数のサンプル数にもよるが多数の校正データが必要になり、高周波測定装置内の校正データを記憶するメモリの容量が増大するという問題が生じる。また、その校正データを予め取得するための作業負担も増加するという問題もある。

本願発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、所定の周波数範囲内の一部周波数に対してだけ校正データを保持しておき、他の周波数に対する校正データを保持している校正データから生成することにより、少ない校正データで所定の周波数範囲の高周波測定を正確に行うことのできる高周波測定装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

本願発明によって提供される高周波測定装置は、予め設定された所定の周波数範囲の高周波電圧信号および高周波電流信号の測定が可能な高周波測定装置であって、前記高周波電圧信号を検出する電圧検出手段と、前記高周波電流信号を検出する電流検出手段と、前記電圧検出手段で検出される、前記周波数範囲の下限周波数ｆminにおける高周波電圧信号の検出値Ｖminと上限周波数ｆmaxにおける高周波電圧信号の検出値Ｖmaxをそれぞれ真の測定値ＶＳminと測定値ＶＳmaxに校正するための電圧校正データＣｖmin，Ｃｖmaxと、前記電流検出手段で検出される、前記下限周波数ｆminにおける高周波電流信号の検出値Ｉminと前記上限周波数ｆmaxにおける高周波電流信号の検出値Ｉmaxをそれぞれ真の測定値ＩＳminと測定値ＩＳmaxに校正するための電流校正データＣｉmin，Ｃｉmaxとが記憶された校正データ記憶手段と、前記電圧検出手段で検出された前記高周波電圧信号または前記電流検出手段で検出された前記高周波電流信号の周波数ｆｍを検出する周波数検出手段と、前記周波数範囲の下限周波数ｆmin及び上限周波数ｆmaxと、前記周波数検出手段で検出された周波数ｆｍと、前記校正データ記憶手段に記憶された電圧校正データＣｖmiｎ，Ｃｖmaxを用いて、前記周波数ｆｍに対する電圧校正データＣｖｍを演算するとともに、前記下限周波数ｆmin、前記上限周波数ｆmax及び前記周波数ｆｍと、前記校正データ記憶手段に記憶された電流校正データＣｉmin，Ｃｉmaxを用いて、前記周波数ｆｍに対する電流校正データＣｉｍを演算する校正データ演算手段と、前記校正データ演算手段で演算された電圧校正データＣｖｍを用いて前記電圧検出手段で検出された高周波電圧信号の検出値Ｖｍを真の電圧測定値ＶＳｍに校正するとともに、前記校正データ演算手段で演算された電流校正データＣｉｍを用いて前記電流検出手段で検出された高周波電流信号の検出値Ｉｍを真の電流測定値ＩＳｍに校正する測定値校正手段とを備えたことを特徴とする（請求項１）。

好ましい実施形態によれば、前記校正データ演算手段は、Ｃｖｍ＝Ｃｖmin＋（ｆｍ−ｆmin）・（Ｃｖmax−Ｃｖmin）／（ｆmax−ｆmin）、および、Ｃｉｍ＝Ｃｉmin＋（ｆｍ−ｆmin）・（Ｃｉmax−Ｃｉmin）／（ｆmax−ｆmin）の演算式により電圧校正データＣｖｍおよび電流校正データＣｉｍを演算する（請求項２）。

他の好ましい実施形態によれば、請求項１又は２に記載の高周波測定装置において、前記電圧検出手段で検出された高周波電圧信号と前記電流検出手段で検出された高周波電流信号を用いて前記高周波信号の位相を検出する位相検出手段を更に備えるとともに、前記校正データ記憶手段に、前記位相検出手段で検出される、前記下限周波数ｆminにおける位相θminと前記上限周波数ｆmaxにおける位相θmaxをそれぞれ真の位相θＳminと真の位相θＳmaxに校正するための位相校正データＣｄmin，Ｃｄmaxとが更に記憶され、前記校正データ演算手段は、更に前記周波数範囲の下限周波数ｆmin及び上限周波数ｆmaxと、前記周波数検出手段で検出された周波数ｆｍと、前記校正データ記憶手段に記憶された位相校正データＣｄmin，Ｃｄmaxを用いて、前記周波数ｆｍに対する位相校正データＣｄｍを演算し、前記測定値校正手段は、更に前記校正データ演算手段で演算された位相校正データＣｄｍを用いて前記位相検出手段で検出された位相θｍを真の位相θＳｍに校正する（請求項３）。更に他の好ましい実施形態によれば、請求項３に記載の高周波測定装置において、前記校正データ演算手段は、Ｃｄｍ＝Ｃｄmin＋（ｆｍ−ｆmin）・（Ｃｄmax−Ｃｄmin）／（ｆmax−ｆmin）の演算式により位相校正データＣｄｍを演算する（請求項４）。

なお、請求項３又は４に記載の高周波測定装置において、前記電圧校正データＣｖmin，Ｃｖmaxは、予め設定された所定の範囲で高周波信号の出力を変化させて得られる複数の電圧校正データの平均値であり、前記電流校正データＣｉmin，Ｃｉmaxは、前記所定の範囲で前記高周波信号の出力を変化させて得られる複数の電流校正データの平均値であり、前記位相校正データＣｄmin，Ｃｄmaxは、前記所定の範囲で高周波信号の出力を変化させて得られる複数の位相校正データの平均値とするとよい（請求項５）。

また、請求項１ないし５のいずれかに記載の高周波測定装置において、相互に周波数範囲が重複しない２以上の離散的な周波数範囲の高周波電圧信号および高周波電流信号に対して測定を可能にするとよい（請求項８）。

本願発明に係る高周波測定装置によれば、高周波信号の周波数ｆｍが所定の範囲で変動した場合にも、校正データ記憶手段に記憶された下限周波数ｆminに対応する電圧校正データＣｖminおよび電流校正データＣｉminと上限周波数ｆmaxに対応する電圧校正データＣｖmaxおよび電流校正データＣｉmaxとを用いて、例えば、直線補間の方法により測定周波数ｆｍに対応する電圧校正データＣｖｍおよび電流校正データＣｉｍを演算し、例えば、測定された高周波電圧信号の検出値Ｖｍおよび高周波電流信号の検出値Ｉｍがこの電圧校正データＣｖｍおよび電流校正データＣｉｍを用いて真の電圧測定値ＶＳｍおよび真の電流測定値ＩＳｍに校正されるので、少ない校正データで所定の周波数範囲の高周波測定を正確に行うことができる。

本願発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本願発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本願発明に係る高周波測定装置が適用されるプラズマ処理システムの一例を示す図である。このプラズマ処理システムは、半導体ウェハや液晶基板などの非加工物に対して高周波電力を供給して、例えばプラズマエッチングといった加工処理を行うものである。このプラズマ処理システムは、周波数可変の高周波電源装置１、伝送線路２、インピーダンス整合器３、負荷としてのプラズマ処理装置４で構成されている。

高周波電源装置１には、例えば同軸ケーブルからなる伝送線路２を介してインピーダンス整合器３が接続され、インピーダンス整合器３には、プラズマ処理装置４が接続されている。

高周波電源装置１は、高周波電力をプラズマ処理装置４に供給するものであって、例えば数百ｋＨｚ以上の出力周波数を有する高周波電力を出力することができる電源装置である。一般に、プラズマ処理装置４のプラズマ処理で使用される周波数は２ＭＨｚ若しくは１３．５６ＭＨｚであるので、高周波電源装置１は、プラズマ処理装置４に対しては、２ＭＨｚ若しくは１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給するようになっている。また、本プラズマ処理システムでは、プラズマ処理中におけるプラズマ処理装置４のインピーダンス変動に対して高周波電源装置１の出力周波数ｆを上記の周波数ｆｏを中心として所定の周波数範囲±δｆ（例えば、ｆｏ＝２ＭＨｚの場合、δｆ＝０．２ＭＨｚ，ｆｏ＝１３．５６ＭＨｚの場合、δｆ＝０．６８ＭＨｚ）で変化させてインピーダンス整合を行うようになっている。

より具体的には、例えば、プラズマ処理システムが５０Ω系で構成されているとすると、すなわち、高周波電源装置１の出力端１ａから高周波電源装置１側を見たインピーダンス（出力インピーダンス）が、例えば５０Ωに設計され、高周波電源装置１の出力端１ａが特性インピーダンス５０Ωの伝送線路２でインピーダンス整合器３の入力端３ａに接続されているとすると、高周波電源装置１は、出力周波数を変化させて当該高周波電源装置１の出力端１ａからプラズマ処理装置４側を見たインピーダンスを５０Ωに整合させる。

インピーダンス整合器３は、高周波電源装置１とプラズマ処理装置４とのインピーダンスを整合させるものであり、インピーダンス素子であるキャパシタＣ１，Ｃ２とインダクタＬ等を備えている。キャパシタＣ１，Ｃ２及びインダクタＬの各値は固定値であり、プラズマ処理装置４のインピーダンス変動に追従して高周波電源装置１とプラズマ処理装置４とのインピーダンス整合を行う機能は有していない。プラズマ処理中の動的なインピーダンス整合動作は、上述したように、高周波電源装置１の出力周波数を中心周波数ｆｏ±δｆで変化させて行われる。

インピーダンス整合器３は、上記の例でいうと、プラズマ処理中のインピーダンス整合器３の入力端からプラズマ処理装置４側を見たインピーダンスが略５０Ωになるように伝送線路２の先端に接続される負荷のインピーダンスを変換する。なお、プラズマ処理装置４でプラズマ処理が開始されると、プラズマ処理の進行に応じて被加工物やプラズマの状態が変化し、これによりプラズマ処理装置４のインピーダンスが変化することになるが、正常にプラズマ処理が行われた場合のプラズマ処理装置４のインピーダンスの変化範囲は予め知ることができるので、このインピーダンスの変化範囲内の代表値をプラズマ処理装置４のインピーダンスとし、インピーダンス整合器３内のキャパシタＣ１，Ｃ２及びインダクタＬの各値はこのインピーダンスの代表値に対してインピーダンス整合を行うように構成されている。

また、インピーダンス整合器３の出力端３ｂの近傍には本願発明に係る高周波測定装置５が設けられている。この高周波測定装置５は、インピーダンス整合器３の出力端３ｂにおける高周波信号の電圧（実効値）Ｖｍ、電流（実効値）Ｉｍ及び電圧と電流間の位相θｍを測定し、これらの測定値Ｖｍ，Ｉｍ，θｍを外部に出力するようになっている。なお、図１では、インピーダンス整合器３の出力端３ｂとプラズマ処理装置４の入力端４ａは、伝送線路で接続されているように描いているが、実際の構成ではインピーダンス整合器３の出力端３ｂはプラズマ処理装置４の入力端４ａに直結されており、高周波測定装置５はプラズマ処理装置４の入力端４ａの電圧Ｖｍ、電流Ｉｍ及び位相θｍ、すなわち、負荷端の電圧Ｖｍ、電流Ｉｍ及び位相θｍを測定するようになっている。

この高周波測定装置５は、高周波電源装置１の周波数変更によるインピーダンス整合動作に合わせて、２．０±０．２ＭＨｚの周波数範囲と１３．５６±０．６８ＭＨｚの周波数範囲について、測定点（図１のインピーダンス整合器３の出力端３ｂ参照）の電圧Ｖｍ、電流Ｉｍ及び位相θｍを測定できるようになっている。

通常、測定器は、検出素子で実際に検出される検出値を正しい測定値に変換して出力するために、検出値と測定値として出力される値との関係を基準の測定物を用いて校正するようになっている。すなわち、検出値を測定値に校正するための校正係数を基準測定物を用いて実測しておき、実際の測定では検出素子の検出値に校正係数を乗じて測定値に変換するようにしている。この場合、周波数特性が関係するものでは、測定対象となる周波数範囲について、測定周波数毎に校正係数を実測して予め用意しておくべきであるが、本実施形態に係る高周波測定装置５では、周波数範囲の下限周波数ｆminと上限周波数ｆmax（２．０±０．２ＭＨｚの周波数範囲においては、ｆmin＝１．８ＭＨｚ、ｆmax＝２．２ＭＨｚ、１３．５６±０．６８ＭＨｚの周波数範囲においては、ｆmin＝１２．８８ＭＨｚ、ｆmax＝１４．２４ＭＨｚ）の２点についてのみ校正係数Ｃmin，Ｃmaxを実測しておき、周波数範囲内の任意の周波数ｆｍに対する校正係数Ｃｍは、校正係数Ｃmin，Ｃmaxを直線補間して算出することにより、少ない校正係数で周波数範囲内の任意の周波数ｆｍに対して正確に測定ができるようにしている。

具体的には、高周波測定装置５には、周波数範囲の下限周波数ｆminに対する校正係数Ｃminと上限周波数ｆmaxに対する校正係数Ｃmaxとが記憶されているが、周波数範囲Δｆ＝（ｆmax−ｆmin）＝２δｆは非常に狭く、この周波数範囲Δｆにおける校正係数Ｃの特性は直線的に変化していると近似することができるので、図２に示すように、周波数範囲Δｆ内の任意の周波数ｆｍに対する校正係数Ｃｍを、

の演算式により算出できる。

なお、上記（１）式は、線形補間により校正係数Ｃを求める一般式であるから、例えば、電圧校正係数Ｃｖｍを求めるときは、ΔＣ、ＣminとしてΔＣｖ＝Ｃｖmax−ＣｖminとＣｖminが用いられ、電流校正係数Ｃｉｍを求めるときは、ΔＣ、ＣminとしてΔＣｉ＝Ｃｉmax−ＣｉminとＣｉminが用いられる。同様に、位相校正係数Ｃｄｍを求めるときは、ΔＣ、ＣminとしてΔＣｄ＝Ｃｄmax−ＣｄminとＣdminが用いられる。

高周波測定装置５は上述のように、電圧校正係数Ｃｖmin，Ｃｖmax、電流校正係数Ｃｉmin，Ｃｉmax及び位相校正係数Ｃｄmin，Ｃｄmaxを記憶している。なお、本実施形態では、２．０±０．２ＭＨｚの周波数範囲Ｗ１（以下、「第１周波数範囲Ｗ１」という。）と１３．５６±０．６８ＭＨｚの周波数範囲Ｗ２（以下、「第２周波数範囲Ｗ２」という。）について、高周波信号の測定を可能にしているので、第１周波数範囲Ｗ１と第２周波数範囲Ｗ２に対して、それぞれ電圧校正係数Ｃｖmin，Ｃｖmax、電流校正係数Ｃｉmin，Ｃｉmax及び位相校正係数Ｃｄmin，Ｃｄmaxが予め測定され、記憶されている。

なお、以下の説明では、校正係数Ｃｖ，Ｃｉ，Ｃｄの周波数帯を識別するために、第１周波数帯Ｗ１に対するものは、Ｃ１ｖ，Ｃ１ｉ，Ｃ１ｄのように、Ｃの後に「１」を付し、第２周波数帯Ｗ２に対するものは、Ｃ２ｖ，Ｃ２ｉ，Ｃ２ｄのように、Ｃの後に「２」を付するものとする。

ここで、高周波測定装置５に記憶される校正係数Ｃｖ，Ｃｉ，Ｃｄの取得方法について説明する。

図３は、校正係数Ｃｖ，Ｃｉ，Ｃｄを取得するための測定系の一例を示す図である。

同図に示す測定系は、ダミーロード６の入力端６ａに高周波測定装置５を接続し、更に高周波測定装置５の入力端５ａに電力計７を接続し、電力計７の入力端７ａと高周波電源装置１の出力端１ａを伝送線路２で接続した構成を有し、この測定系の動作を制御する、パーソナルコンピュータなどからなる校正係数測定装置８に高周波電源装置１、高周波測定装置５、ダミーロード６及び電力計７が接続されている。

校正係数Ｃｖ，Ｃｉ，Ｃｄを取得する段階では、高周波測定装置５には、校正係数Ｃｖ，Ｃｉの初期値として「１」、Ｃｄの初期値として「０」が設定されている。従って、検出された電圧実効値Ｖｍ’、電流実効値Ｉｍ’、位相θｍ’がそのまま校正係数測定装置８に出力される。

ダミーロード６は、擬似的にプラズマ処理システムの特性インピーダンスＲｏ（本実施形態では５０Ω）を生成するもので、実質的に高周波測定装置５の出力端５ｂを特性インピーダンスＲｏ（＝５０Ω）で終端するものである。ダミーロード６は、インダクタＬ２と可変リアクタンス素子である可変キャパシタＶＣ３，ＶＣ４をＴ型接続したもので、可変キャパシタＶＣ４は５０Ωの抵抗Ｒ１で終端されている。なお、終端抵抗Ｒ１を５０Ωにしているのは、測定系の特性インピーダンスが５０Ωであるからである。

可変キャパシタＶＣ３，ＶＣ４のキャパシタンスＣ３，Ｃ４はステップ状に変化可能になっている。キャパシタンスＣ３，Ｃ４を変化させることで、第１周波数範囲Ｗ１及び第２周波数範囲Ｗ２を含む広い周波数範囲において、ダミーロード６のインピーダンスを５０Ωに設定できるようになっている。

測定対象となる各周波数に対してダミーロード６を５０Ωに設定するための可変キャパシタＶＣ３，ＶＣ４の調整位置（すなわち、キャパシタンスＣ３，Ｃ４の値）は予め取得され、その周波数と可変キャパシタＶＣ３，ＶＣ４の調整位置との関係を示すテーブルは校正係数測定装置８に設定されている。校正係数測定装置８は高周波電源装置１の出力周波数を測定周波数に制御する一方、ダミーロード６に測定周波数に対応する可変キャパシタＶＣ３，ＶＣ４の調整位置のデータを出力し、ダミーロード６を５０Ωに調整する。

電力計７は、進行波と反射波を分離する方向性結合器とこの方向性結合器から出力される進行波と反射波の電力をそれぞれ検出する検波器を備え、高周波電源装置１からの進行波電力Ｐｆとダミーロード６からの反射波電力Ｐｒを計測する。この計測値Ｐｆ，Ｐｒは、校正係数測定装置８に入力される。

高周波電源装置１には校正係数測定装置８から出力周波数を制御するための信号（周波数制御信号）と出力電力を制御するための信号（出力制御信号）が入力される。高周波電源装置１ではこの周波数制御信号によって指定された周波数で、かつ、この出力制御信号で指定された出力電力の高周波信号を出力する。

校正係数測定装置８は、第１周波数範囲Ｗ１の下限周波数ｆ１minにおける電圧校正係数Ｃ１ｖmin、電流校正係数Ｃ１ｉmin及び位相校正係数Ｃ１ｄminと、上限周波数ｆ１maxにおける電圧校正係数Ｃ１ｖmax、電流校正係数Ｃ１ｉmax及び位相校正係数Ｃ１ｄmaxと、第２周波数範囲Ｗ２の下限周波数ｆ２minにおける電圧校正係数Ｃ２ｖmin、電流校正係数Ｃ２ｉmin及び位相校正係数Ｃ２ｄminと、上限周波数ｆ２maxにおける電圧校正係数Ｃ２ｖmax、電流校正係数Ｃ２ｉmax及び位相校正係数Ｃ２ｄmaxを自動測定する。

具体的には、校正係数測定装置８は、各周波数ｆ１min，ｆ１max，ｆ２min，ｆ１maxにおいて、ダミーロード６を５０Ωに調整した後、例えば、３００Ｗ〜２０００Ｗの範囲で１００Ｗピッチで変化させながら高周波電源装置１から高周波信号を出力させ、各出力における電圧校正係数Ｃｖ(1)，Ｃｖ(2)，Ｃｖ(3)…Ｃｖ(18)、電流校正係数Ｃｉ(1)，Ｃｉ(2)，Ｃｉ(3)…Ｃｉ(18)及び位相校正係数Ｃｄ(1)，Ｃｄ(2)，Ｃｄ(3)…Ｃｄ(18)を算出する。そして、電圧、電流及び位相毎に、１８個の校正係数の平均値を演算し、その平均値を各周波数ｆ１min，ｆ１max，ｆ２min，ｆ１maxの校正係数とする。

例えば、周波数ｆ１minにおける電圧校正係数Ｃ１ｖminの場合、校正係数測定装置８は、周波数ｆ１minで５０Ωとなるようにダミーロード６を調整した後、高周波信号の出力をＰmin＝３００ＷからＰmax＝２０００Ｗまで変化させて高周波測定装置５から出力される電圧実効値Ｖｍ’を検出する。また、校正係数測定装置８は、電力計７から出力される進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒから下記演算式（２）により電圧実効値Ｖｍを演算する。

なお、（２）式において、（Ｐｆ−Ｐｒ）はダミーロード６に入力された電力であり、Ｒｏはダミーロード６の抵抗値（５０Ω）である。

電力計７は、高周波測定装置５の近傍位置に設けているので、その測定点と高周波測定装置５の測定点との誤差は少なく、電力計７の測定値は高周波測定装置５の測定点５ａにおける測定値として扱うことができるものとすると、高周波測定装置５の測定点５ａにおいて、高周波測定装置５による電圧実効値Ｖｍ’と、電力計７による進行波電力Ｐｆ及び反射波電力Ｐｒから理論的に算出される電圧実効値Ｖｍとが得られることになる。

従って、電圧実効値Ｖｍと電圧実効値Ｖｍ’の出力特性を描くと、図４に示すようになる。図４において、（Ａ）は進行波電力Ｐｆ及び反射波電力Ｐｒから演算された電圧実効値Ｖｍの出力特性であり、（Ｂ）は電圧検出部によって直接検出された電圧実効値Ｖｍ’の出力特性である。例えば、図４の出力Ｐｍにおける進行波電力Ｐｆ及び反射波電力Ｐｒから演算された電圧実効値Ｖｍは、測定点５ａにおける真の電圧実効値と推定されるものである一方、電圧実効値Ｖｍ’は直接検出された値であるから、この電圧実効値の検出値Ｖｍ’と真の電圧実効値の推定値Ｖｍとのずれが検出バラツキと考えることができる。

従って、出力Ｐｍにおける高周波測定装置５の電圧実効値の検出値Ｖｍ’を正しい電圧実効値Ｖｍに校正するための電圧校正係数Ｃ１ｖminは、Ｖｍ/Ｖｍ’の演算により取得される。他の出力Ｐｍにおける電圧校正係数Ｃ１ｖminも、同様の方法によって取得され、上述の例では、出力３００Ｗ，４００Ｗ，…２０００Ｗの１８個の出力について、電圧校正係数Ｃ１ｖminが取得されるから、これらを平均して周波数ｆ１minに対する電圧校正係数Ｃ１ｖmin（＝（Ｃ１ｖ(1)＋Ｃ１ｖ(2)＋Ｃ１ｖ(3)…＋Ｃ１ｖ(18)）／１８）が設定される。

同様の方法によって、他の周波数ｆ１max，ｆ２min，ｆ２maxに対する電圧校正係数Ｃ１ｖmax，Ｃ２ｖmin，Ｃ２ｖmaxも設定される。

なお、高周波信号の出力Ｐが固定されるのであれば、その固定出力Ｐにおける電圧校正係数Ｃ１ｖmin，Ｃ１ｖmax，Ｃ２ｖmin，Ｃ２ｖmaxを取得すれば良いが、本実施形態のように、出力が可変の場合は、各出力毎に電圧校正係数Ｃ１ｖmin等を取得することが望ましい。しかしながら、出力間で電圧校正係数Ｃ１ｖmin等の誤差が比較的小さい場合にも電圧校正係数Ｃ１ｖmin等を出力毎に取得するのは、徒に電圧校正係数Ｃ１ｖmin等のデータを増加させるだけであるので、本実施形態では、各出力の電圧校正係数Ｃ１ｖminの平均値を演算し、その演算値を周波数ｆ１minの電圧校正係数Ｃ１ｖminとしている。

周波数ｆ１minにおける電流校正係数Ｃ１ｉminの場合は、校正係数測定装置８は、電力計７から出力される進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒから下記演算式（３）により電流実効値Ｉｍを演算する。

従って、電流実効値Ｉｍと電流実効値Ｉｍ’の出力特性を描くと、図５に示すようになる。図５において、（Ａ）は進行波電力Ｐｆ及び反射波電力Ｐｒから演算された電流実効値Ｉｍの出力特性であり、（Ｂ）は電流検出部によって直接検出された電流実効値Ｉｍ’の出力特性である。

出力Ｐｍにおける高周波測定装置５の電流実効値の検出値Ｉｍ’を正しい電流実効値Ｉｍに校正するための電流校正係数Ｃ１ｉminは、Ｉｍ／Ｉｍ’の演算により取得される。他の出力Ｐｍにおける電流校正係数Ｃ１ｉminも、同様の方法によって取得され、上述の例では、出力３００Ｗ，４００Ｗ，…２０００Ｗの１８個の出力について、電流校正係数Ｃ１ｉminが取得されるから、これらを平均して周波数ｆ１minに対する電流校正係数Ｃ１ｉmin（＝（Ｃ１ｉ(1)＋Ｃ１ｉ(2)＋Ｃ１ｉ(3)…＋Ｃ１ｉ(18)）／１８）が設定される。

同様の方法によって、他の周波数ｆ１max，ｆ２min，ｆ２maxに対する電流校正係数Ｃ１ｉmax，Ｃ２ｉmin，Ｃ２ｉmaxも設定される。また、同様の方法によって、各周波数ｆ１min，ｆ１max，ｆ２min，ｆ２maxに対する位相校正係数Ｃ１ｄmin，Ｃ１ｄmax，Ｃ２ｄmin，Ｃ２ｄmaxも設定される。電流校正係数Ｃ１ｉmin等と位相校正係数Ｃ１ｄmin等を出力の異なる１８個の校正係数の平均値とするのは、電圧校正係数の場合と同様の理由による。

次に、校正係数を取得する処理手順について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。

なお、以下の説明では、第１周波数範囲Ｗ１の下限周波数ｆ１minと上限周波数f１maxに対する校正係数を取得する場合について説明する。また、高周波電源装置１から出力される電力Ｐの可変範囲の最小値をＰlow（上記の例では３００Ｗ）、最大値をＰhigh（上記の例では２０００Ｗ）とし、出力電圧Ｐの増加量をΔＰ（上記の例では１００Ｗ）とする。

まず、出力周波数ｆが第１周波数範囲Ｗ１の下限周波数ｆ１minに設定される（Ｓ１）。続いて、ダミーロード６が周波数ｆ１minで５０Ωとなるように調整され（Ｓ２）、出力Ｐが最小電力Ｐlowに設定される（Ｓ３）。

続いて、高周波電源装置１から周波数ｆ１min、出力Ｐlowの高周波電力が出力され（Ｓ４）、高周波測定装置５により電圧実効値Ｖｍ’、電流実効値Ｉｍ’及び位相θｍ’が計測され、電力計７により進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒとが計測される（Ｓ５）。

続いて、周波数ｆ１min、出力Plowの高周波電力に対する電圧校正係数Ｃｖ、電流校正係数Ｃｉ及び位相校正係数Ｃｄが算出され（Ｓ６）、その算出結果が校正係数測定装置８内のメモリに保存される（Ｓ７）。

なお、電圧校正係数Ｃｖは、

により算出され、電流校正係数Ｃｉは、

により演算される。また、位相校正係数Ｃｄは、

により演算される。

続いて、出力ＰがΔＰだけ増加され（Ｓ８）、増加後の出力Ｐが最大出力Ｐhighを超えたか否かが判別され（Ｓ９）、Ｐ≦Ｐhighであれば（Ｓ９：ＮＯ）、ステップＳ４に戻り、周波数ｆ１min、出力（Plow＋ΔＰ）の高周波電力に対する電圧校正係数Ｃｖ、電流校正係数Ｃｉ及び位相校正係数Ｃｄの算出処理が行われる（Ｓ４〜Ｓ７）。

以下、出力ＰをΔＰずつ増加させながら電圧校正係数Ｃｖ、電流校正係数Ｃｉ及び位相校正係数Ｃｄの算出処理が繰り返され（Ｓ４〜Ｓ９のループ）、Ｐ＞Ｐhighになると（Ｓ９：ＹＥＳ）、メモリに保存された出力Ｐlow，Ｐlow＋ΔＰ，Ｐlow＋２ΔＰ，…Ｐhighに対する電圧校正係数Ｃｖの平均値が演算され（Ｓ１０）、この平均値が下限周波数ｆ１minに対する電圧校正係数Ｃ１ｖminとしてメモリに保存される（Ｓ１１）。同様に、出力Ｐlow，Ｐlow＋ΔＰ，Ｐlow＋２ΔＰ，…Ｐhighに対する電流校正係数Ｃｉの平均値と位相校正係数Ｃｄの平均値が演算され（Ｓ１０）、これらの平均値が下限周波数ｆ１minに対する電流校正係数Ｃ１ｉminと位相校正係数Ｃ１ｄminとしてメモリに保存される（Ｓ１１）。

続いて、出力周波数ｆが第１周波数範囲Ｗ１の上限周波数ｆ１maxに設定されているか否かが判別され（Ｓ１２）、ｆ＝ｆ１maxでなければ（Ｓ１２：ＮＯ）、出力周波数ｆが上限周波数ｆ１maxに設定されて（Ｓ１３）、ステップＳ２に戻り、上述と同様の処理を繰り返して上限周波数ｆ１maxに対する電圧校正係数Ｃ１ｖmax、電流校正係数Ｃ１ｉmax及び位相校正係数Ｃ１ｄmaxが算出され、メモリに保存される（Ｓ２〜Ｓ１１）。

そして、以上の処理によって、第１周波数範囲Ｗ１の下限周波数ｆ１minと上限周波数f１maxに対する電圧校正係数Ｃ１ｖmin，Ｃ１ｖmax、電流校正係数Ｃ１ｉmin，Ｃ１ｉmax及び位相校正係数Ｃ１ｄmin，Ｃ１ｄmaxが取得されると、高周波測定装置５に記憶された校正係数（Ｃｖ＝Ｃｉ＝１、Ｃｄ＝０）を取得された校正係数に置換することにより、高周波測定装置５は正しい測定が可能な測定装置に完成される。

図１に戻り、プラズマ処理システムにおける高周波測定装置５の測定動作について説明する。

高周波電源装置１から高周波電力が伝送線路２、インピーダンス整合器３を介してプラズマ処理装置４に供給されてプラズマ処理が行われているときには、インピーダンス整合器３内の高周波測定装置５に負荷端３ｂにおける高周波信号が入力されることになる。

高周波信号が入力されると、高周波電圧の実効値Ｖｍ’、高周波電流の実効値Ｉｍ’、高周波電圧と高周波電流の位相θｍ’、高周波信号の周波数ｆｍが検出される。この周波数ｆｍに対する電圧校正係数Ｃｖｍ、電流校正係数Ｃｉｍ及び位相校正係数Ｃｄｍが上述した（１）式により算出される。

入力された高周波電圧の実効値Ｖｍ’と設定された電圧校正係数Ｃｖｍとの積が演算され、その演算結果Ｖｍ＝Ｃｖｍ・Ｖｍ’が電圧測定値として出力される。また、入力された高周波電流の実効値Ｉｍ’と設定された電流校正係数Ｃｉｍとの積が演算され、その演算結果Ｉｍ＝Ｃｉｍ・Ｉｍ’が電流測定値として出力される。また、入力された位相の実効値θｍ’と設定された位相校正係数Ｃｄｍとの積が演算され、その演算結果θｍ＝Ｃｄｍ・θｍ’が位相測定値として出力される。

上記のように、本実施形態に係る高周波測定装置５によれば、高周波信号の測定周波数範囲の下限周波数ｆminと上限周波数ｆmaxに対してだけ予め実測した校正係数Ｃmin、Ｃmaxを記憶しておき、測定周波数範囲内の任意の周波数ｆｍにおいては、下限周波数ｆminの校正係数Ｃminと上限周波数ｆmaxの校正係数Ｃmaxを線形補間することにより周波数ｆｍに対する校正係数Ｃmを設定するようにしているので、少ない校正係数で所定の周波数範囲内の任意の周波数における高周波測定を正確に行うことができる。また、予め校正係数を実測する作業の負担を増加させることなく、比較的迅速に校正係数を取得することができる。

なお、本実施形態に係る高周波測定装置５では、測定周波数範囲内の任意の周波数ｆｍについては、実測した校正係数Ｃmを有していないので、校正精度の問題が残るが、この問題に対しては、校正係数を実測する際に、実測した校正係数を高周波測定装置５に記憶させた後、例えば第１周波数範囲Ｗ１の中心周波数ｆｏで既知の負荷インピーダンスＺｍ＝Ｒｍ＋ｊＸｍを測定し、高周波測定装置５から出力される電圧実効値Ｖｍ、電流実効値Ｉｍ及び位相θｍからインピーダンスＺｍを演算し、この演算結果と既知のインピーダンス値との誤差を確認することにより、簡単に校正精度を確認することができる。

すなわち、図３の測定系において、ダミーロード６を第１周波数範囲Ｗ１の中心周波数ｆｏにおける負荷インピーダンスＺｍ＝Ｒｍ＋ｊＸｍに設定した後、高周波電源装置１から周波数ｆｏの高周波電力を出力して高周波測定装置５で電圧実効値Ｖｍ、電流実効値Ｉｍ及び位相θｍを測定する。これらの測定値から負荷インピーダンスの抵抗分Ｒｍ’とリアクタンス分Ｘｍ’は、

により算出することができるので、その算出値から得られる負荷インピーダンスＺｍ’＝Ｒｍ’＋ｊＸｍ’と既知の負荷インピーダンスＺｍ＝Ｒｍ＋ｊＸｍとの誤差を確認することにより、校正精度を確認することができる。

従って、所望の校正精度が得られる場合についてのみ、周波数範囲の上下周波数に対してだけ実測の校正係数を保持し、他の周波数については線形補間により算出する構成とすればよい。

なお、上記実施例では、第２周波数範囲Ｗ２は中心周波数ｆｏ＝１３．５６ＭＨｚに対して０．６８ＭＨｚ（０．０５％）の変動幅を有し、この変動幅の中心周波数ｆｏに対する割合は極めて小さいので、第２周波数範囲Ｗ２においては校正係数の線形性は十分に確保されるものと考えられる。従って、上記の校正方法が十分に適用可能である。

一方、第１周波数範囲Ｗ１は中心周波数ｆｏ＝２．０ＭＨｚに対して０．２ＭＨｚ（１０％）の変動幅を有し、この変動幅の中心周波数ｆｏに対する割合は比較的大きいので、第１周波数範囲Ｗ１や２．０ＭＨｚよりも低い中心周波数に対する周波数範囲においては、校正係数の線形性が十分に確保できず、上記の校正精度の確認を行うと、校正精度の問題が生じる場合も有り得る。この場合は、例えば、周波数範囲の中心周波数ｆｏについても実測の校正係数を用意し、中心周波数ｆｏと下限周波数ｆminの周波数範囲の周波数ｆｐについては中心周波数ｆｏに対する校正係数Ｃｏと下限周波数ｆminに対する校正係数Ｃminの線形補間により校正係数Ｃｐを算出し、中心周波数ｆｏと上限周波数ｆmaxの周波数範囲の周波数ｆｑについては中心周波数ｆｏに対する校正係数Ｃｏと上限周波数ｆmaxに対する校正係数Ｃmaxの線形補間により校正係数Ｃｑを算出するようにすればよい。すなわち、周波数範囲を複数の領域に分割し、各領域毎に線形補間により校正係数を算出するようにすると良い。

なお、上記実施形態では、高周波測定装置５がインピーダンス整合器３の出力端３ｂ側に内蔵した場合について説明したが、高周波測定装置５はインピーダンス整合器３の入力端３ａに内蔵してもよく、測定装置単体として使用してもよいことは言うまでもない。

また、上記実施形態では、高周波電圧、高周波電流及び位相の全てが測定可能な高周波測定装置について説明したが、高周波電圧のみ、若しくは高周波電流のみを測定する高周波測定装置に対しても本願発明に係る測定値の校正方法を適用できることは言うまでもない。

また、上記実施形態では、真の測定値を求めるにあたり検出値に校正係数を乗算する場合について説明したが、校正データで加算や他の演算を行う場合に対しても本願発明に係る測定値の校正方法を適用できることは言うまでもない。

本願発明に係る高周波測定装置が適用されるプラズマ処理システムの一例を示す図である。 直線補間により校正係数を算出する方法を説明するための図である。 校正係数Ｃｖ，Ｃｉ，Ｃｄを取得するための測定系の一例を示す図である。 電圧検出部で直接検出される電圧（実効値）と入射波電力及び反射波電力から演算される電圧（実効値）の周波数特性を示す図である。 電流検出部で直接検出される電流（実効値）と入射波電力及び反射波電力から演算される電流（実効値）の周波数特性を示す図である。 図３の測定系における校正係数Ｃｖ，Ｃｉ，Ｃｄを取得するための処理手順を示すフローチャートである。 一般的なプラズマ処理システムの構成を示す図である。

符号の説明

１ 高周波電源装置
２ 伝送線路
３ インピーダンス整合器
４ プラズマ処理装置
５ 高周波測定装置
６ ダミーロード
７ 電力計
８ 校正係数測定装置

Claims (6)

1. 予め設定された所定の周波数範囲の高周波電圧信号および高周波電流信号の測定が可能な高周波測定装置であって、
   前記高周波電圧信号を検出する電圧検出手段と、
   前記高周波電流信号を検出する電流検出手段と、
   前記電圧検出手段で検出される、前記周波数範囲の下限周波数ｆminにおける高周波電圧信号の検出値Ｖminと上限周波数ｆmaxにおける高周波電圧信号の検出値Ｖmaxをそれぞれ真の測定値ＶＳminと測定値ＶＳmaxに校正するための電圧校正データＣｖmin，Ｃｖmaxと、前記電流検出手段で検出される、前記下限周波数ｆminにおける高周波電流信号の検出値Ｉminと前記上限周波数ｆmaxにおける高周波電流信号の検出値Ｉmaxをそれぞれ真の測定値ＩＳminと測定値ＩＳmaxに校正するための電流校正データＣｉmin，Ｃｉmaxとが記憶された校正データ記憶手段と、
   前記電圧検出手段で検出された前記高周波電圧信号または前記電流検出手段で検出された前記高周波電流信号の周波数ｆｍを検出する周波数検出手段と、
   前記周波数範囲の下限周波数ｆmin及び上限周波数ｆmaxと、前記周波数検出手段で検出された周波数ｆｍと、前記校正データ記憶手段に記憶された電圧校正データＣｖmiｎ，Ｃｖmaxを用いて、前記周波数ｆｍに対する電圧校正データＣｖｍを演算するとともに、前記下限周波数ｆmin、前記上限周波数ｆmax及び前記周波数ｆｍと、前記校正データ記憶手段に記憶された電流校正データＣｉmin，Ｃｉmaxを用いて、前記周波数ｆｍに対する電流校正データＣｉｍを演算する校正データ演算手段と、
   前記校正データ演算手段で演算された電圧校正データＣｖｍを用いて前記電圧検出手段で検出された高周波電圧信号の検出値Ｖｍを真の電圧測定値ＶＳｍに校正するとともに、前記校正データ演算手段で演算された電流校正データＣｉｍを用いて前記電流検出手段で検出された高周波電流信号の検出値Ｉｍを真の電流測定値ＩＳｍに校正する測定値校正手段と、
   を備えたことを特徴とする高周波測定装置。
2. 前記校正データ演算手段は、下記演算式により電圧校正データＣｖｍおよび電流校正データＣｉｍを演算する、請求項１に記載の高周波測定装置。
   Ｃｖｍ＝Ｃｖmin＋（ｆｍ−ｆmin）・（Ｃｖmax−Ｃｖmin）／（ｆmax−ｆmin）
   Ｃｉｍ＝Ｃｉmin＋（ｆｍ−ｆmin）・（Ｃｉmax−Ｃｉmin）／（ｆmax−ｆmin）
3. 前記電圧検出手段で検出された高周波電圧信号と前記電流検出手段で検出された高周波電流信号を用いて前記高周波信号の位相を検出する位相検出手段を更に備えるとともに、
   前記校正データ記憶手段に、前記位相検出手段で検出される、前記下限周波数ｆminにおける位相θminと前記上限周波数ｆmaxにおける位相θmaxをそれぞれ真の位相θＳminと真の位相θＳmaxに校正するための位相校正データＣｄmin，Ｃｄmaxとが更に記憶され、
   前記校正データ演算手段は、更に前記周波数範囲の下限周波数ｆmin及び上限周波数ｆmaxと、前記周波数検出手段で検出された周波数ｆｍと、前記校正データ記憶手段に記憶された位相校正データＣｄmin，Ｃｄmaxを用いて、前記周波数ｆｍに対する位相校正データＣｄｍを演算し、
   前記測定値校正手段は、更に前記校正データ演算手段で演算された位相校正データＣｄｍを用いて前記位相検出手段で検出された位相θｍを真の位相θＳｍに校正する、請求項１又は２に記載の高周波測定装置。
4. 前記校正データ演算手段は、下記演算式により位相校正データＣｄｍを演算する、請求項３に記載の高周波測定装置。
   Ｃｄｍ＝Ｃｄmin＋（ｆｍ−ｆmin）・（Ｃｄmax−Ｃｄmin）／（ｆmax−ｆmin）
5. 前記電圧校正データＣｖmin，Ｃｖmaxは、予め設定された所定の範囲で高周波信号の出力を変化させて得られる複数の電圧校正データの平均値であり、前記電流校正データＣｉmin，Ｃｉmaxは、前記所定の範囲で前記高周波信号の出力を変化させて得られる複数の電流校正データの平均値であり、前記位相校正データＣｄmin，Ｃｄmaxは、前記所定の範囲で高周波信号の出力を変化させて得られる複数の位相校正データの平均値である、請求項３又は４に記載の高周波測定装置。
6. 相互に周波数範囲が重複しない２以上の離散的な周波数範囲の高周波電圧信号および高周波電流信号に対して測定が可能である、請求項１ないし５のいずれかに記載の高周波測定装置。

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