JP4704905B2

JP4704905B2 - インピーダンス整合装置

Info

Publication number: JP4704905B2
Application number: JP2005368108A
Authority: JP
Inventors: 善秋松田; 英樹藤本
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: JP2007174198A

Description

本発明は、高周波電源と負荷との間に設置されるインピーダンス整合装置に関するものである。

高周波電源を電源に用いる装置として、例えば、エッチング、スパッタリングあるいは薄膜形成等の半導体製造工程で用いられるプラズマ処理装置がある。このプラズマ処理装置に効率良く電力を供給するには、高周波電源と負荷に相当するプラズマ処理装置との間でインピーダンスの整合をとることが重要である。そこで、高周波電源と負荷との間にインピーダンス整合装置を設置している。

一般的なインピーダンス整合装置は、高周波電源と負荷との間に設置されるインピーダンス整合器と、高周波電源の出力インピーダンスや供給電力の電圧と電流との位相差を検出するセンサと、センサで検出した検出値に基づいて整合器を制御するコントローラとを備えている（特許文献１参照）。これらのうち整合器は、可変コンデンサや可変インダクタなどの可変インピーダンス素子が組み込まれた整合回路を備えている。そして、各可変インピーダンス素子は、コンデンサ容量値やインダクタンス値を調節するための調節機構を備えており、調節機構でこれらの値を調節することでインピーダンス整合を行うことができるようになっている。コントローラは、センサで検出した検出値に基づいて、可変インピーダンス素子の調節機構を制御し、インピーダンス整合を行うようになっている。
特許第３００７４３５号公報

ところで、近年の半導体製造では、プラズマ処理工程をこれまでに比べて短時間で行う場合がある。このようなことから、インピーダンス整合装置としては、より短時間でインピーダンス整合を行うことができるものが必要になってきている。また、従来のインピーダンス整合装置では、可変インピーダンス素子の調節機構を動作させてインピーダンス整合を行っているときに、インピーダンス整合を行おうとしているにもかかわらず、インピーダンス整合の状態を一時的に悪くしてしまうことがあった。具体的には、高周波電源からの入射波の電圧と負荷側からの反射波の電圧との比である反射係数が大きくなって給電効率が低下していくようなことが生じることがあった。一時的とはいえ、インピーダンス整合動作中に、インピーダンス整合の状態が悪化することは好ましくない。特に、インピーダンス整合の悪化がインピーダンス整合動作の初期段階で生ずると、反射係数が１（全反射）になって負荷側の装置に悪影響を及ぼすおそれがあり好ましくない。例えば、負荷側の装置がプラズマ処理装置である場合に、インピーダンス整合の状態が悪化して全反射の状態になると、プラズマ処理の途中でプラズマ処理装置が停止するという不具合が生ずる。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、より迅速にインピーダンス整合を行うことができるインピーダンス整合装置を提供することを課題とする。

以上のような目的を達成するために、本発明は、以下のようなものを提供する。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、高周波電源と負荷との間に設置されており、複数の可変インピーダンス素子を含む整合回路を備えたインピーダンス整合器と、前記高周波電源が接続される前記インピーダンス整合器の入力端の高周波電流および高周波電圧を検出する電流電圧検出手段と、検出された高周波電流および高周波電圧を低周波電流および低周波電圧に変換する低周波変換手段と、前記低周波変換手段により変換された低周波電流および低周波電圧を基づいて、前記高周波電流と高周波電圧との位相差を求める位相差演算手段と、前記低周波変換手段により変換された低周波電流および低周波電圧に基づいて、入力端から負荷側の回路の入力インピーダンスを求め、さらに当該入力インピーダンスと前記位相差演算手段により求めた位相差とに基づき、前記入力インピーダンスの抵抗成分の値およびリアクタンス成分の値とを求める入力インピーダンス演算手段と、前記可変インピーダンス素子のインピーダンスの調節に用いられる調節部の現在位置を検出する位置検出手段と、前記入力インピーダンスの抵抗成分の値およびリアクタンス成分の値と、前記複数の可変インピーダンス素子それぞれの前記調節部の現在位置とに基づいて、当該複数の調節部のそれぞれについて目標調節位置を演算する目標調節位置演算手段と、前記複数の調節部ごとに備えられており、前記調節部を現在位置から目標調節位置に到達させる調節動作を行う駆動手段と、を有することを特徴とするインピーダンス整合装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインピーダンス整合装置であって、各可変インピーダンス素子の調節部について行われる前記調節動作が同時に行われるように各駆動手段を動作させる駆動制御手段を備え、前記駆動制御手段は、各駆動手段による前記調節動作が全て同時に開始して同時に終了するように各駆動手段を動作させるものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のインピーダンス整合装置であって、前記低周波変換手段は、前記低周波電流および低周波電圧について２乗値を求める乗算手段を備えるものであり、前記入力インピーダンス演算手段は、得られた２乗値を用いて前記入力インピーダンスを求めるものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のインピーダンス整合装置であって、全ての可変インピーダンス素子の調節部について、現在位置から目標調節位置に到達させたときに各可変インピーダンス素子に印加される電流値および電圧値を、前記調節動作が行われる前にあらかじめ算出する電流電圧演算手段と、前記電流値および電圧値を用いて、各可変インピーダンス素子における電流および電圧が定格電流または定格電圧以下になるように前記高周波電源の出力を制御する電源出力制御手段と、を備えているものである。

請求項１に記載の発明では、インピーダンス整合を行うために、高周波電流および高周波電圧を変換して得られた低周波電流および低周波電圧に基づいて、入力端から負荷側の回路の入力インピーダンスと、高周波電流と高周波電圧との位相差とを求める。このように求めた入力インピーダンスと位相差とに基づき、入力インピーダンスの抵抗成分の値およびリアクタンス成分の値とを求める。そして、入力インピーダンスの抵抗成分の値およびリアクタンス成分の値と、複数の可変インピーダンス素子それぞれの調節部の現在位置とに基づいて、各可変インピーダンス素子の調節部の目標調節位置を予め目標調節位置演算手段で求め、求めた目標調節位置に各可変インピーダンス素子の調節部を移動させるようになっているので、迅速にインピーダンス整合を行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、各可変インピーダンス素子の調節部を目標調節位置に移動させるとき、各調節部の調節動作を同時に行うようになっている。このように、各調節部の調節動作を同時に行うと、調節動作中にインピーダンス整合の状態が悪化することを防止できる。インピーダンス整合の状態の悪化が防止されれば、負荷側の装置に悪影響が及ぶことが防止され、装置停止などが防止される。また、全ての調節部についての調節動作が同時に開始して同時に終了する。このように動作させると、調節動作中、インピーダンス整合の状態を、漸次、インピーダンス整合がとれた状態に近づけることができる。各調節部の調節動作が個別に行われる時間があっても、この時間が短ければ、負荷側の装置に悪影響が及ぶことは防止される。ただし、短時間であっても各調節部の調節動作を個別に行うと、一時的にインピーダンス整合の状態が悪くなって反射係数が大きくなることがある。この点、本発明のように、調節動作を同時に開始し同時に終了させるようにすれば、インピーダンス整合の状態が悪化することがより確実に防止される。また、全ての調節動作が同時に終了するので、調節動作終了と同時に、インピーダンス整合が行われた状態が得られる。

請求項３に記載の発明では、乗算手段によって低周波電流および低周波電圧の２乗値を求め、求めた２乗値を用いて入力インピーダンスを求める。このように、インピーダンス整合を行うための演算に用いられる電流信号や電圧信号として、２乗値信号を用いるようにすると、２乗値信号を求めるときに電流信号や電圧信号が増幅される。また、２乗値信号を用いると、絶対値を示す信号を用いる場合と比べて、信号のＳ／Ｎ比が高くなるという利点が得られる。したがって、このような信号の値を用いると、目標調節位置などを高い精度で求めることができ、高い精度で目標インピーダンス整合を行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、電流電圧演算手段によって、各可変インピーダンスにおける電流値および電圧値を予め求めることができる。そして、求めた電流値や電圧値が各可変インピーダンス素子の定格電流または定格電圧以下になるように、高周波電源の出力を制御できる。このような制御を行うと、各可変インピーダンス素子に過剰な電流が流れたり、過剰な電圧が印加されたりすることが防止され、インピーダンス整合装置に故障などの不具合が生ずることが防止される。

以下、本発明の実施形態であるインピーダンス整合装置について図面を用いて詳細に説明する。各図面に付した符号は、同一の機能を有するものは同一とした。

図１に示されるように、インピーダンス整合装置１０は、高周波電源Ａと負荷（本実施形態ではプラズマ処理装置）Ｂとの間に設置されるものであり、高周波電源Ａを接続する入力端１０ａと、負荷Ｂを接続する出力端１０ｂを備えている。そして、インピーダンス整合装置１０は、その入力端１０ａと出力端１０ｂとの間に位置するインピーダンス整合器１１と、高周波電源Ａの電流Ｉおよび電圧Ｖを検出する電流電圧センサ１２と、検出された高周波の電流Ｉや電圧Ｖを示す高周波信号を低周波信号に変換して出力すると共に位相差φ（°）を示す位相差検出信号φa，φbを出力するミキサ低周波変換器（低周波変換手段、以下、単にミキサ）１３ａ，１３ｂと、ミキサ１３ａ，１３ｂからの信号に基づいてインピーダンス整合器１１を制御するオートマッチングコントローラ（以下、コントローラ）１４とを備えている。

インピーダンス整合器１１は、高周波電源Ａの出力インピーダンスＺoutとインピーダンス整合器１１の入力インピーダンスＺinとのインピーダンス整合を行うものであり、インピーダンス整合回路２０と、整合回路２０に備わる各可変コンデンサ（可変インピーダンス素子）２１，２２の静電容量を調節する駆動部３０とを備えている。なお、入力インピーダンスＺinとは、図１を使って説明すると、インピーダンス整合回路２０の入力端１０ａより負荷側の回路全体のインピーダンスのことである。

インピーダンス整合回路２０は、いわゆる逆Ｌ型の回路であり、第１可変コンデンサ２１および第２可変コンデンサ２２と、所定のインダクタンスを有するコイル２３とを有している。両可変コンデンサ２１，２２は、それぞれ、静電容量調整用の調節軸２１ａ，２２ａを備えており、調節軸２１ａ，２２ａを回転させることによって各可変コンデンサ２１，２２の静電容量を調節できるようになっている。そして、静電容量を調節することでインピーダンス整合を行うようになっている。

駆動部３０は、２台のパルスモータ（以下、単にモータと称する）３１，３２を備えている。第１モータ３１は、第１可変コンデンサ２１の調整軸２１ａに接続されており、第２モータ３２は第２可変コンデンサ２２の調整軸２２ａに接続されている。各モータ３１，３２のドライバ３１ａ，３２ｂはコントローラ１４に接続されており、コントローラ１４からドライバ３１ａ，３２ａに制御信号を送って各モータ３１，３２を作動させるようになっている。そして、モータ３１，３２を作動させて調節軸２１ａ，２２ａの回転位置を所望位置に位置させることで、各可変コンデンサ２１，２２の静電容量を調整できるようになっている。また、各モータ３１，３２にはモータ３１，３２の回転位置を検出するエンコーダ３１ｂ，３２ｂが備えられており、このエンコーダ３１ｂ，３２ｂによって、各調節軸２１ａ，２２ａの現在位置を検出できるようになっている。なお、各調節軸２１ａ，２２ａに直接エンコーダを設置して各調節軸２１ａ，２２ａの現在位置を直接検出するようにしても良い。

電流電圧センサ１２は、インピーダンス整合装置１０の入力端１０ａにおいて高周波電源Ａから供給される高周波の電流ＩHおよび電圧ＶHを検出する。検出された高周波電流ＩHを示す信号および高周波電圧ＶHを示す信号は電流電圧センサ１２からミキサ１３ａ，１３ｂに入力される。

図２に示されるように、ミキサ１３ａは、電流電圧センサ１２で検出された高周波の電流ＩHの信号が入力される低周波変換器（Wideband Multiplier）４１と、低周波変換器４１から出力された電流信号や電圧信号から低周波の電流ＩLの信号を取り出す第１ローパスフィルタ４２と、第１ローパスフィルタ４２から出力された低周波の電流ＩLの信号に基づいて位相差検出信号φaを生成して出力するゼロクロスディテクタ４３と、第１ローパスフィルタ４２から出力された低周波の電流ＩLの信号に基づいて、これらの２乗値ＩL^２を示す信号を生成し出力する乗算器（Multiplier）４４と、乗算器４４から出力された電流および電圧の２乗値ＩL^２を示す信号を平滑化する第２ローパスフィルタ４５と、を有する。

低周波変換器４１では、高周波電流ＩHの信号を低周波電流ＩLの信号に変換する。そして、最終的には、電流の２乗値ＩL^２を示す信号を平滑化した信号がミキサ１３ａからコントローラ１４に入力される。

低周波変換器４１には、高周波電流ＩHの信号や高周波電圧ＶHの信号の他に、低周波変換の際に用いられるローカル信号Ｌsがローカル信号発信器４０ａから入力される。低周波変換器４１は、高周波電流ＩHについて処理する場合は、電流電圧センサ１２で検出された電流ＩHを示す信号およびローカル信号Ｌsに基づいて、高周波電流ＩHの周波数（１３．５６ＭＨｚ）とローカル信号Ｌsの周波数（１３．５７ＭＨｚ）との差に等しい周波数（具体的には１０ｋＨｚ）の電流ＩLの信号を第１ローパスフィルタ４２に向けて出力する。また、高周波電圧ＶHについて処理する場合は、高周波電圧ＶHの信号およびローカル信号Ｌsとに基づいて、高周波電圧ＶHの周波数とローカル信号Ｌsの周波数との差に等しい周波数の電圧ＶLの信号を第１ローパスフィルタ４２に向けて出力する。

第１ローパスフィルタ４２は、入力された信号のうち、周波数の低い方の電流および電圧、すなわち低周波電流ＩLの信号と低周波電圧ＶLの信号を取り出してゼロクロスディテクタ４３に出力する。ゼロクロスディテクタ４３は、入力された低周波電流ＩLの信号および低周波電圧ＶLの信号を基に位相差φを検出するためのパルス信号すなわち位相差検出信号φaを生成しコントローラ１４に出力する。また、第１ローパスフィルタ４２は、取り出した低周波電流ＩLの信号を乗算器４４に向けて出力する。

乗算器４４は、第１ローパスフィルタ４２から低周波電流ＩLの信号が入力されると、低周波電流の２乗値ＩL^２を示す電流２乗値信号を求め、この信号を第２ローパスフィルタ４５に出力する。また、低周波電圧ＶLを示す信号が入力されると、低周波電圧の２乗値ＶL^２を示す電圧２乗値信号を求め、この信号を第２ローパスフィルタ４５に出力する。

第２ローパスフィルタ４５は、電流２乗値ＩL^２を示す信号を平滑化してコントローラ１４に出力する。

また、図２に示されるミキサ１３ｂは、電流電圧センサ１２で検出された高周波の電圧ＶHの信号が入力されるものである。ミキサ１３ｂの回路はミキサ１３ａの回路とは別個のものであるが、回路構成はミキサ１３ａと同様である。つまり図示していないが、ミキサ１３ｂは、ミキサ１３ａ同様、低周波変換器と、低周波変換器から出力された電圧信号から低周波の電圧ＶLの信号を取り出す第１ローパスフィルタと、低周波の電流ＶLの信号に基づいて位相差検出信号φｂを生成して出力するゼロクロスディテクタと、低周波の電流ＶLの信号に基づいて、これらの２乗値ＶL^２を示す信号を生成し出力する乗算器と、乗算器から出力された電流および電圧の２乗値ＶL^２を示す信号を平滑化する第２ローパスフィルタとを有するものである。なお、ミキサ１３ｂの動作については、ミキサ１３ａの動作と同様であるので、ここではその詳細な説明を省略する。

なお、各２乗値ＩL^２，ＶL^２を示す信号はいずれも常に０以上の値をとるものであり平滑化可能な信号である。電流信号や電圧信号について平滑化信号を求める方法としては、本実施形態のように２乗値信号を用いる方法以外に、たとえば、電流信号や電圧信号の値の絶対値を示す信号を用い、これを平滑化する方法が考えられる。ただし、この方法を用いるよりも、２乗値信号を用いる方法の方が、信号のＳ／Ｎ比が高くなるという利点が得られる。したがって、このような信号の値を用いると、目標調節位置などを高い精度で求めることができ、高い精度で目標インピーダンス整合を行うことができる。なお、これは２乗値信号を用いる場合だけでなく、偶数乗して得られる偶数乗値信号を用いる場合にもあてはまる。

図３に示されるように、コントローラ１４は、入力インピーダンスＺin（Ω）の抵抗成分Ｒin（Ω）およびリアクタンス成分Ｘin（Ω）を算出する入力インピーダンス演算部５０と、ゼロクロスディテクタ４３から入力された位相差検出信号φa，φbに基づいて求められる位相差φを算出する位相差演算部（位相差演算手段）５１と、抵抗成分Ｒinおよびリアクタンス成分Ｘinの値と、各調節軸２１ａ，２２ａの現在位置とに基づいて、各調節軸２１ａ，２２ａの目標調節位置Ｐt1，Ｐt2を求める目標調節位置演算部５２とを有する。そして、各可変コンデンサ２１，２２の調節軸２１ａ，２２ａの位置を、目標調節位置演算部５２で算出された目標調節位置Ｐt1，Ｐt2に位置させることでインピーダンス整合を行うようになっている。

まず、入力インピーダンス演算部５０について説明する。

入力インピーダンス演算部５０では、まず、ミキサ１３ａ，１３ｂから入力された電流の２乗値ＩL^２を示す信号および電圧の２乗値ＶL^２を示す信号を基に、次の式１を用いて入力インピーダンスＺinを求める。ここで、入力インピーダンスＺinは、インピーダンス整合回路２０の入力端１０ａより負荷側の回路全体についてのインピーダンスのことである。

そして、算出したインピーダンスＺinおよび位相差演算部５１で算出される位相差φ（＝｜φａ―φｂ｜）に基づいて、次の式２および式３より、入力インピーダンスＺinの抵抗成分Ｒin（Ω）およびリアクタンス成分Ｘin（Ω）を求める。求められた抵抗成分Ｒinおよびリアクタンス成分Ｘinは目標調節位置演算部５２に入力される。

次に、目標調節位置演算部５２について説明する。

ここでは、インピーダンス整合回路２０の入力端１０ａから負荷Ｂ側の回路まで含んだ回路（以下、対象回路）と、その等価回路を考える。対象回路としては、図４（Ａ）に示されるように、第２コイル２４および第３コイル２５を有するものを考える。このように、回路中の寄生成分を考慮すると、インピーダンス整合精度をより高めることができる。

目標調節位置演算部５２は、各調節軸２１ａ，２２ａの現在位置Ｐr1，Ｐr2を示す信号をエンコーダ３１ｂ，３２ｂから受信する。そして、第１可変コンデンサ２１の調節軸２１ａの現在位置Ｐr1に基づいて、第３コイル２５の現在のリアクタンス成分ＸL3と、第１可変コンデンサ２１全体の現在のリアクタンス成分Ｘ(L1+C1)を求め、第２可変コンデンサ２２の調節軸２２ａの現在位置Ｐr2に基づいて、第２可変コンデンサ２２の現在の静電容量Ｃ2を求める。

調節軸２１ａの現在位置に基づいて第３コイル２５のリアクタンスＸL3を求める方法としては、種々の方法が考えられる。本実施形態では、予め作成しておいたＸL3テーブルを参照してリアクタンスＸL3を求める方法を用いた。ここでいう第３コイル２５のリアクタンスＸL3とは、インピーダンス整合回路２０の第２可変コンデンサ２２およびこれより負荷Ｂ側の回路を全て切り離した状態で測定されるインピーダンスのことである。なお、ＸL3テーブルは、コントローラ１４の図示されていないメモリに記憶されており随時参照できるようになっている。

ＸL3テーブルは例えば次のように作成される。まず、インピーダンス整合回路２０を用意し、この回路から第２可変コンデンサ２２およびこれより負荷Ｂ側の回路を全て切り離す。この状態で、第１可変コンデンサ２１の調節軸２１ａのポジションを全可動範囲について５％刻みで移動させ、ポジションごとに、インピーダンスアナライザなどを用いてインダクタンスなどの値を測定する。そして、測定した値を基にリアクタンスＸL3を算出してＸL3テーブルを作成する。調節軸２１ａのポジションの刻みは５％に限られるものではなく１０％以下であれば良い。５％以下にすることで、より正確にリアクタンスＸL3を求められるようにしても良い。

第１可変コンデンサ２１全体のリアクタンス成分Ｘ(L1+C1)についても、リアクタンスＸL3と同様、予め作成してメモリに記憶させておいたＸ(L1+C1)テーブルを参照してリアクタンスＸ(L1+C1)を求める方法を用いた。

Ｘ(L1+C1)テーブルは例えば次のように作成される。まず、インピーダンス整合回路２０において、第２可変コンデンサ２２およびこれより負荷Ｂ側の回路を全て切り離す。この状態で、第１可変コンデンサ２１の調節軸２１ａの位置だけを全可動範囲について５％刻みで移動させ、ポジションごとに、インピーダンスアナライザなどを用いてインダクタンスなどの値を測定する。そして、測定した値を基にリアクタンスＸL1およびＸC1を算出し、これらの値からリアクタンス成分Ｘ(L1+C1)を算出してＸ(L1+C1)テーブルを作成する。なお、リアクタンスＸC1は、第１可変コンデンサ２１のリアクタンス成分のことであり、リアクタンスＸL1は、第１可変コンデンサ２１に寄生するリアクタンス成分のことである。

第２可変コンデンサ２２の静電容量Ｃ2についても、リアクタンスＸL2と同様、予め作成してメモリに記憶させておいたＣ2テーブルを参照して静電容量Ｃ2を求める方法を用いた。

Ｃ2テーブルは例えば次のように作成する。まず、インピーダンス整合回路２０において、第２可変コンデンサ２２のみを残し、その他を切り離す。この状態で第２可変コンデンサ２２の調節軸２２ａのポジションのみを全可動範囲について５％刻みで移動させ、ポジションごとに、インピーダンスアナライザなどを用いてリアクタンスなどの値を測定する。そして、測定した値を基に静電容量Ｃ2を算出してＣ2テーブルを作成する。なお、各値を求めるときに用いられる上記各テーブルの作成方法は、上記方法に限られず、インピーダンス整合装置の制御に用いることができるテーブルを作成できる方法であればよい。また、各値を求める方法は、テーブルを用いる方法に限られず、計算による方法など、種々の方法を用いることができる。

そして、算出した第２可変コンデンサ２２の静電容量Ｃ2を基に、下記の式４を用いて、第２可変コンデンサ２２のリアクタンスＸC2を求める。

このようにして、第３コイル２５のリアクタンス成分ＸL3と、第１可変コンデンサ２１全体のリアクタンス成分Ｘ(L1+C1)と、第２可変コンデンサ２２の静電容量Ｃ2と、第２可変コンデンサ２２のリアクタンスＸC2とを求めると、図４（Ａ）の回路の等価回路として、図４（Ｂ）に示されるような等価回路を考える。図４（Ｂ）の等価回路のリアクタンス成分Ｘinは、コイル２３のリアクタンス成分ＸL3と、これ以外の部分に起因するリアクタンス成分Ｘ1との和である。これより次の式５が導かれる。

図４（Ｂ）の等価回路における抵抗成分Ｒinとリアクタンス成分Ｘ1について、シリアル・パラレル変換を行うと、パラレル変換後の等価回路は図４（Ｃ）に示されるようなものになる。図４（Ｃ）の等価回路における抵抗成分Ｒp、リアクタンス成分Ｘpは、次の式６および式７から求められる。

ここで、図４（Ｃ）の等価回路中のリアクタンス成分Ｘpは、第１可変コンデンサ２１自体のリアクタンス成分ＸC1と、第１可変コンデンサ２１の寄生リアクタンス成分ＸL1と、これら以外の部分に起因するリアクタンス成分Ｘp’との和であると考えると、図４（Ｃ）の等価回路は図４（Ｄ）に示される等価回路になる。図４（Ｄ）の等価回路におけるリアクタンス成分Ｘp’は、次の式８から求められる。

そして、図４（Ｄ）の等価回路における抵抗成分Ｒpとリアクタンス成分Ｘp’について、パラレル・シリアル変換を行うと、シリアル変換後の等価回路は、図４（Ｅ）に示される等価回路になる。図４（Ｅ）の等価回路における抵抗成分Ｒs、リアクタンス成分Ｘs’は、次の式９および式１０から求められる。

ここで、図４（Ｅ）の等価回路中のリアクタンス成分Ｘs’は、第２可変コンデンサ２２のリアクタンス成分ＸC2と、これ以外の部分に起因するリアクタンス成分Ｘs’’との和であると考えると、図４（Ｅ）の等価回路は、図４（Ｆ）に示されるような等価回路になる。そして、図４（Ｆ）の等価回路におけるＸs’’は、次の式１１から求められる。

このように、目標調節位置演算部５２は、両可変コンデンサ２１，２２の調節軸２１ａ，２２ａの現在位置Ｐr1，Ｐr2に基づいて、現在の第３コイル２５のリアクタンス成分ＸL3、第１可変コンデンサ２１全体のリアクタンス成分Ｘ(L1+C1)および第２可変コンデンサ２２の静電容量Ｃ2を求めると共に、第２可変コンデンサ２２のリアクタンスＸC2や、各等価回路の所定部分のリアクタンス成分Ｘ1，Ｘp，Ｘp’，Ｘs’，Ｘs’’や抵抗成分Ｒp，Ｒsを求める。

これらの値を求めると、続いて以下に説明するように、目標調節位置演算部５２は、第２可変コンデンサ２２について目標静電容量Ｃ2[50]を求め、第１可変コンデンサ２１について目標リアクタンス成分Ｘ(L1+C1)[50]を求める。なお、高周波電源Ａから出力される電力など、高周波では一般に特性インピーダンス５０Ωが基準になっているので、ここでも５０Ωになるように整合を行う場合について説明する。また、符号「Ｘ(L1+C1)[50]」などに付されている「[50]」は、インピーダンス整合が行われた状態での値であることを示すものである。

インピーダンス整合が行われた状態では、図４（Ｂ）の等価回路に基づいて考えると、次の式１２および式１３が成り立つ。

そして、図４（Ｃ）に示される等価回路について、インピーダンス整合が行われている状態とは、図５（Ａ）に示される状態である。この図５（Ａ）の等価回路における抵抗成分Ｒp[50]およびリアクタンス成分Ｘp[50]は、次の式１４および式１５から求められる。

また、図４（Ｅ）の等価回路について、インピーダンス整合が行われている状態とは、図５（Ｂ）に示される状態である。そして、図５（Ｂ）の等価回路の抵抗成分Ｒsおよびリアクタンス成分Ｘs’[50]について、シリアル・パラレル変換を行うと、パラレル変換後の等価回路は、図５（Ｃ）に示される等価回路になる。そして、図５（Ｃ）の等価回路については、次の式１６が成り立つ。この式１６からＸs’[50]の値を求めることができる。

この式１６で求めたリアクタンス成分Ｘs’[50]の値を、式１１に適用する。式１１ではリアクタンス成分Ｘs’’の値が求められているので、次の式１７と式１８が得られる。そして、式１７から、インピーダンス整合条件として、第２可変コンデンサ２２のリアクタンス成分ＸC2[50]の値が求められる。他方、式１８からは、第２可変コンデンサ２２の目標静電容量C2[50]が求められる。

また、図５（Ｂ）の等価回路では、次の式１９および式２０が成り立つ。

そして、式１９から求められるリアクタンス成分Ｘp’[50]を式２０に適用することで、インピーダンス整合条件として、第１可変コンデンサ２１のリアクタンス成分Ｘ(L1+C1)[50]が求められる。

このようにして、インピーダンス整合条件を求めると、目標調節位置演算部５２は、リアクタンス成分Ｘ(L1+C1) [50]の値に関して、Ｘ(L1+C1)テーブルを参照することで、第１可変コンデンサ２１の調節軸２１ａの目標調節位置Ｐt1を求める。また、式１８で求めた目標静電容量Ｃ2[50]の値に関してＣ2テーブルを参照することで、第２可変コンデンサ２２の調節軸２２ａの目標調節位置Ｐt2を求める。

このように、本実施形態のインピーダンス整合装置１０では、各調節軸２１ａ，２２ａの目標調節位置Ｐt1，Ｐt2を予め求め、求めた目標調節位置Ｐt1，Ｐt2に調節軸２１ａ，２２ａを移動させるようになっているので迅速にインピーダンス整合を行うことができる。

また、本実施形態では、一方の可変コンデンサについて、まず目標静電容量を求め、これに基づいて調節軸の目標調節位置を求める。続いて、他方の可変コンデンサについて、目標となるリアクタンス成分に基づいて調節軸の目標調節位置が求める。具体的に説明すると、まず第２可変コンデンサ２２の調節軸２２ａの目標調節位置Ｐt2を、目標静電容量Ｃ2[50]に基づいて求め、続いて第１可変コンデンサ２１の調節軸２１ａの目標位置を、目標となるリアクタンス成分Ｘ(L1+C1)[50]の値に基づいて求めている。このようにすれば、正確な目標調節位置をより確実に求めることができる。

また、図３に示されるように、コントローラ１４は、各調節軸２１ａ，２２ａの目標調節位置Ｐt1，Ｐt2までの回転角度を算出する調節量演算部５３と、各調節軸２１ａ，２２ａの調節速度Ｓ1，Ｓ2を算出する調節速度演算部５４と、算出した調節速度Ｓ1，Ｓ2に基づいて各パルスモータ３１，３２のドライバ３１ａ，３２ａに向けて出力するパルス信号を生成するパルス信号生成部５５と、を有する。

調節量演算部５３は、両可変コンデンサ２１，２２の調節軸２１ａ，２２ａの現在位置Ｐr1，Ｐr2を示す現在位置信号をエンコーダ３１ｂ，３２ｂから受信すると共に、両可変コンデンサ２１，２２の調節軸２１ａ，２２ａの目標調節位置Ｐt1，Ｐt2を示す目標調節位置信号を目標調節位置演算部５２から受信する。そして、各調節軸２１ａ，２２ａの現在位置Ｐr1，Ｐr2と目標調節位置Ｐt1，Ｐt2との差から各調節軸２１ａ，２２ａの調節量すなわち調節回転角度Ｄ1，Ｄ2を求め、求めた調節回転角度Ｄ1，Ｄ2を示す調節量信号を調節速度演算部５４に出力する。

調節速度演算部５４は、各可変コンデンサ２１，２２の調節軸２１ａ，２２ａの回転速度Ｓ1，Ｓ2を求めるものである。

調節速度演算部５４は、まず、各調節軸２１ａ，２２ａの調節回転角度Ｄ1，Ｄ2を示す調節量信号を調節量演算部５３から受信する。そして、各調節軸２１ａ，２２ａの調節回転角度Ｄ1，Ｄ2の大小を比較する。

ここで、両調節軸２１ａ，２２ａについて、調節回転角度Ｄ1，Ｄ2が等しい（Ｄ1＝Ｄ2）場合は、両調節軸２１ａ，２２ａの調節時の回転速度Ｓ1，Ｓ2を同じにする（Ｓ1＝Ｓ2）。なお、調節回転角度Ｄ1，Ｄ2を回転速度Ｓ1，Ｓ2で割った値が調節所要時間Ｔ1，Ｔ2であるので、この場合、調節所要時間Ｔ1，Ｔ2が同じになる（Ｔ1＝Ｔ2）。また、インピーダンス整合をより迅速に行うためには、できるだけ高速が好ましいので、本実施形態では、調節軸２１ａ，２２ａの回転に用いるモータ３１，３２の最高速度を利用できる回転角速度としている。

他方、調節回転角度Ｄ1，Ｄ2が異なる場合は、いずれか一方の調節軸の回転角速度を先に決定し、決定した一方の調節軸の回転角速度に基づいて、残る調節軸の回転角速度を決定する。

例えば、調節回転角度Ｄ1がＤ2より大きい場合であれば、まず、第１可変コンデンサ２１の調節軸２１ａについて調節時の回転角速度Ｓ1を決定する。回転角速度Ｓ1としては任意の速度を決定できるが、できるだけ高速が好ましいので、本実施形態では、モータ３１の最高速度を利用する回転角速度としている。

次に、調節回転角度Ｄ1および回転角速度Ｓ1に基づいて、回転角速度Ｓ1で調節軸２１ａを回転させた場合の調節所要時間Ｔ1を求める。そして、調節軸２１ａの調節所要時間Ｔ1と、他方の調節軸２２ａの調節所要時間Ｔ2が同じになるように、調節所要時間Ｔ1(＝Ｔ2)および調節回転角度Ｄ2に基づいて、調節軸２２ａにおける調節時の回転角速度Ｓ2を決定する。このようにすれば、両調節軸２１ａ，２２ａの調節動作を同時に開始させたとき、調節回転角度Ｄ1，Ｄ2が同じであると否とに拘わらず、常に両調節軸２１ａ，２２ａによる調節動作を同時に終了させることができる。

パルス信号生成部５５は、両調節軸２１ａ，２２ａについて求められた調節時の回転角速度Ｓ1，Ｓ2を示す回転角速度信号を、調節速度演算部５４から受信する。そして、各調節軸２１ａ，２２ａを先に求めた回転角速度Ｓ1，Ｓ2で回転できるように、各モータ３１，３２のドライバ３１ａ，３２ａに出力するためのパルス信号を生成し、このパルス信号を各モータ３１，３２のドライバ３１ａ，３２ａに出力する。このとき、両モータ３１，３２の動作開始時期が同時になるように、パルス信号の出力開始時期を同時にする。

さらに、コントローラ１４は、整合度を判定する整合度判定部５６と、電流電圧演算部５７と、高周波電源出力演算部５８とを有する。

整合度判定部５６では、高周波電源Ａからの出力インピーダンスＺoutと、インピーダンス整合装置１０の入力端１０ａにおける入力インピーダンスＺinとの整合の程度を判定する。整合度を判定する方法としては、種々の方法が考えられるが、本実施形態では、入力インピーダンスＺinの抵抗成分Ｒinおよびアクタンス成分Ｘinの値に基づいて、インピーダンス整合度を判定している。つまり、インピーダンス整合が行われた状態では「Ｒin＝５０（Ω）」および「Ｘin＝０（Ω）」が成り立つので、整合度判定部５６は、この条件を利用してインピーダンス整合度を判定している。判定をする場合、「Ｒin＝５０」および「Ｘin＝０」が成り立つ場合のみ、インピーダンス整合が行われていると判定しても良いが、所定の範囲内の値であればインピーダンス整合が行われていると判定してもよい。例えば、「４８＜Ｒin＜５２」および「−２＜Ｘin＜２」の条件を満たせばインピーダンス整合が行われていると判定することができる。

なお、反射波の電圧と高周波電源Ａからの入射波の電圧との比である反射係数を用いてインピーダンス整合度を判定してもよい。この場合、反射波を検出する機器を設置するか、高周波電源に備わるパワーディテクタなどの電力検出器で測定した反射波を検出することになるので装置構成が複雑化する。この点、上述したような判定方法を用いれば、反射波を検出する必要がなく、インピーダンス整合装置の装置構成の簡略化が可能である。

電流電圧演算部５７は、各可変コンデンサ２１，２２について、インピーダンス整合が行われた状態における整合時電流Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3および整合時電圧Ｖc1，Ｖc2を、次の式２１および式２２を用いて求める（図４（Ａ）参照）。

インピーダンス整合が行われた状態では、進行波電力Ｐfは高周波電源Ａの出力に一致する。したがって、式２１および式２２を用いることで、インピーダンス整合が行われた状態における両可変コンデンサ２１，２２の整合時電流Ｉ1，Ｉ2および整合時電圧Ｖc1，Ｖc2を求めることができる。

高周波電源出力演算部５８は、各可変コンデンサ２１，２２に印加される整合時電圧Ｖc1，Ｖc2を示す信号を電流電圧演算部５７から受け取ると、まず、整合時電圧Ｖc1，Ｖc2が各可変コンデンサ２１，２２の耐圧以下であるか判断する。その結果、両整合時電圧Ｖc1，Ｖc2とも耐圧以下である場合は、高周波電源Ａの電圧は調整しない。他方、両整合時電圧Ｖc1，Ｖc2のうちの一方または両方が耐圧を超えている場合は、両整合時電圧Ｖc1，Ｖc2が耐圧以下になる電源出力を求める。なお、この電源出力は、上記式２１および式２２の関係を用いることで求められるので、ここではその説明を省略する。

そして、インピーダンスの整合動作を行う前または整合動作と同時に、求めた高周波電源出力を示す信号を高周波電源Ａのコントローラ（図示せず）に向けて出力する。高周波電源Ａでは、受信した信号に基づいて高周波電源Ａの出力を求めた高周波電源出力になるように調節する。なお、高周波電源Ａがこのような動作を可能にするコントローラを備えていない場合は、高周波電源Ａの出力を制御するためのコントローラを、インピーダンス整合に用いるコントローラ１４とは別に備えても良いし、このコントローラ１４で高周波電源Ａの出力を制御しても良い。

このようなインピーダンス整合装置１０では、次のようにしてインピーダンス整合が行われる。

電流電圧センサ１２において電流および電圧を検出すると、電流電圧センサ１２は、電流値および電圧値を示す電流信号Ｉおよび電圧信号Ｖをミキサ１３ａ，１３ｂに出力する（ステップ１）。

ミキサ１３ａ，１３ｂは、受信した電流信号Ｉおよび電圧信号Ｖを低周波信号に変換する。そして、電流および電圧の２乗値ＩL^２，ＶL^２と、位相差φを示す位相差検出信号φa，φbをコントローラ１４の入力インピーダンス演算部５０に出力する（ステップ２）。

コントローラ１４の入力インピーダンス演算部５０は、電流の２乗値ＩL^２および電圧の２乗値ＶL^２に基づいて入力インピーダンスＺinを求めると共に、位相差φと入力インピーダンスＺinに基づいて入力インピーダンスＺinの抵抗成分Ｒinおよびリアクタンス成分Ｘinを求め、求めた抵抗成分を示す信号Ｒinおよびリアクタンス成分を示す信号Ｘinを目標調節位置演算部５２に出力する（ステップ３）。

目標調節位置演算部５２には、各可変コンデンサ２１，２２の調節軸２１ａ，２２ａの現在位置を示す現在位置信号Ｐr1，Ｐr2がエンコーダ３１ｂ，３２ｂから入力されている。

この目標調節位置演算部５２は、まず、両可変コンデンサ２１，２２の調節軸２１ａ，２２ａの現在位置Ｐr1，Ｐr2に基づいて、ＸL3テーブル、Ｘ(L1+C1)テーブルおよびＣ2テーブルを参照して、第３コイル２５のリアクタンス成分ＸL3、第１可変コンデンサ２１全体のリアクタンス成分Ｘ(L1+C1)および第２可変コンデンサ２２の静電容量Ｃ2を求める。そして、これらの値に基づいて（式４〜式１１参照）、第２可変コンデンサ２２のリアクタンスＸC2や、各等価回路の所定部分のリアクタンス成分Ｘ1，Ｘp，Ｘp’，Ｘs’，Ｘs’’や抵抗成分Ｒp，Ｒsを求める。さらに、求めたこれらの値に基づいて（式１２〜式２０参照）、第２可変コンデンサ２２の目標静電容量Ｃ2[50]および第１可変コンデンサ２１の目標リアクタンス成分Ｘ(L1+C1)[50]を求める（ステップ４）。

そして、目標調節位置演算部５２は、求めたリアクタンス成分Ｘ(L1+C1)[50]の値に関して、Ｘ(L1+C1)テーブルを参照することで、第１可変コンデンサ２１の調節軸２１ａの目標調節位置Ｐt1を求め、目標静電容量Ｃ2[50]の値に関して、Ｃ2テーブルを参照することで、第２可変コンデンサ２２の調節軸２２ａの目標調節位置Ｐt2を求める（ステップ５）。

調節量演算部５３は、各調節軸２１ａ，２２ａの現在位置Ｐr1，Ｐr2と目標調節位置Ｐt1，Ｐt2とに基づいて、各調節軸２１ａ，２２ａの調節回転角度Ｄ1，Ｄ2を求める（ステップ６）。

調節速度演算部５４は、各調節軸２１ａ，２２ａの調節回転角度Ｄ1，Ｄ2に基づいて、両調節軸２１ａ，２２ａの調節所要時間Ｔ1，Ｔ2が同じになるように、各調節軸２１ａ，２２ａの調節時の回転角速度Ｓ1，Ｓ2を求める（ステップ７）。

また、電流電圧演算部５７は、調節動作開始前に、調節動作終了時に各可変コンデンサ２１，２２に印加される整合時電圧を予測する（ステップ８）。

高周波電源出力演算部５８は、調節動作開始前に、各可変コンデンサ２１，２２の整合時電圧が各可変コンデンサ２１，２２の耐圧を超える場合、各可変コンデンサ２１，２２に印加される整合時電圧が各可変コンデンサ２１，２２の耐圧（定格電圧）以下になる高周波電源出力を求める。そして、求めた高周波電源出力の値を示す信号を、調節動作開始前または調節動作開始時に高周波電源Ａに出力する（ステップ９）。これにより、各可変コンデンサ２１，２２それぞれにおける調節動作後の電流および電圧を定格電流または定格電圧以下に維持することができる。

そして、パルス信号生成部５５は、各調節軸２１ａ，２２ａの回転角速度Ｓ1，Ｓ2に基づいて、各モータ３１，３２のドライバ３１ａ，３２ａに出力する制御用のパルス信号を生成し、生成したパルス信号を各モータ３１，３２のドライバ３１ａ，３２ａに出力する（ステップ１０）。このとき、両ドライバ３１ａ，３２ａへのパルス信号の出力開始時期を一致させる。

ドライバ３１ａ，３２ａは、パルス信号生成部５５からのパルス信号を受けると、各モータ３１，３２を動作させる。これにより、可変コンデンサ２１，２２についての調節動作が開始する（ステップ１１）。各モータ３１，３２は、調節動作中、調節速度演算部５４で求められた回転角速度Ｓ1，Ｓ2で回転する。調節所要時間は同じになるように設定されており、両モータ３１，３２は同時に停止する。つまり、モータ３１，３２による各可変コンデンサ２１，２２の調節動作が同時に終了する（ステップ１２）。

整合度判定部５６は、調節動作終了後、入力インピーダンスＺinの抵抗成分Ｒinおよびリアクタンス成分Ｘinの値に基づいて、インピーダンス整合度を判定する（ステップ１３）。ここでは、「４８Ω＜Ｒin＜５２Ω」および「−２Ω＜Ｘin＜２Ω」の条件を満たすとき、インピーダンス整合が行われていると判断する。そして、整合度を判定すると、インピーダンス整合動作を再び最初から実行する。

以上のように、本発明では、各調節軸２１ａ，２２ａの目標調節位置Ｐt1，Ｐt2を予め求めておき、求めた目標調節位置Ｐt1，Ｐt2に各調節軸２１ａ，２２ａを移動させるようにしているので迅速にインピーダンス整合を行うことができる。また、各調節軸２１ａ，２２ａを目標調節位置Ｐt1，Ｐt2に移動させる調節動作を全調節軸２１ａ，２２ａについて同時に行うと、調節動作中にインピーダンス整合の状態が悪化することを防止できる。インピーダンス整合の状態の悪化を防止できれば、全反射状態になるようなことが防止されるので、例えば負荷側の装置がプラズマ処理装置である場合、プラズマ処理装置による処理中にプラズマ処理装置を停止させてしまうようなことを防止できる。

本実施形態のインピーダンス整合装置を示す構成図である。図１のインピーダンス整合装置のミキサを示す構成図である。図１のインピーダンス整合装置のコントローラの機能を示すブロック図である。コントローラの目標調節位置演算部における処理の説明に用いる回路図である。コントローラの目標調節位置演算部における処理の説明に用いる回路図である。図１のインピーダンス整合装置の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

Ａ高周波電源
１０ａ入力端
Ｂ負荷
１０ｂ出力端
２１，２２可変コンデンサ（可変インピーダンス素子）
２０インピーダンス整合回路
１１インピーダンス整合器
１２電流電圧センサ（電流電圧検出手段）
１３ａ，１３ｂミキサ低周波変換器（低周波変換手段）
１４コントローラ（駆動制御手段）
５０入力インピーダンス演算部（入力インピーダンス演算手段）
４３ゼロクロスディテクタ（位相差演算手段）
２１ａ，２２ａ調節軸（調節部）
３１ｂ，３２ｂエンコーダ（位置検出手段）
５２目標調節位置演算部（目標調節位置演算手段）
３１，３２パルスモータ（駆動手段）
３１ａ，３２ａドライバ（駆動制御手段）
４４乗算器（乗算手段）
５７電流電圧演算部（電流電圧演算手段）
５８高周波電源出力演算部（電源出力制御手段）

Claims

高周波電源と負荷との間に設置されており、複数の可変インピーダンス素子を含む整合回路を備えたインピーダンス整合器と、
前記高周波電源が接続される前記インピーダンス整合器の入力端の高周波電流および高周波電圧を検出する電流電圧検出手段と、
検出された高周波電流および高周波電圧を低周波電流および低周波電圧に変換する低周波変換手段と、
前記低周波変換手段により変換された低周波電流および低周波電圧に基づいて、前記高周波電流と高周波電圧との位相差を求める位相差演算手段と、
前記低周波変換手段により変換された低周波電流および低周波電圧に基づいて、入力端から負荷側の回路の入力インピーダンスを求め、さらに当該入力インピーダンスと前記位相差演算手段により求めた位相差とに基づき、前記入力インピーダンスの抵抗成分の値およびリアクタンス成分の値とを求める入力インピーダンス演算手段と、
前記可変インピーダンス素子のインピーダンスの調節に用いられる調節部の現在位置を検出する位置検出手段と、
前記入力インピーダンスの抵抗成分の値およびリアクタンス成分の値と、前記複数の可変インピーダンス素子それぞれの前記調節部の現在位置とに基づいて、当該複数の調節部のそれぞれについて目標調節位置を演算する目標調節位置演算手段と、
前記複数の調節部ごとに備えられており、前記調節部を現在位置から目標調節位置に到達させる調節動作を行う駆動手段と、
を有することを特徴とするインピーダンス整合装置。
前記複数の調節部のそれぞれについて行われる前記調節動作が同時に行われるように、前記複数の調節部ごとに備えられている複数の前記駆動手段を動作させる駆動制御手段を備え、
前記駆動制御手段は、前記複数の駆動手段のそれぞれによって行われる前記調節動作の全てが同時に開始して同時に終了するように前記複数の駆動手段を動作させるものである、請求項１に記載のインピーダンス整合装置。
前記低周波変換手段は、前記低周波電流および低周波電圧について２乗値を求める乗算手段を備えるものであり、前記入力インピーダンス演算手段は、得られた２乗値を用いて前記入力インピーダンスを求めるものである、請求項１に記載のインピーダンス整合装置。
前記複数の調節部の全てを現在位置から目標調節位置に到達させたときに前記複数の可変インピーダンス素子のそれぞれに印加される電流値および電圧値を、前記調節動作が行われる前にあらかじめ算出する電流電圧演算手段と、
前記電流値および電圧値を用いて、前記複数の可変インピーダンス素子のそれぞれにおける電流および電圧が定格電流または定格電圧以下になるように前記高周波電源の出力を制御する電源出力制御手段と、を備えている請求項１に記載のインピーダンス整合装置。