JP5284971B2 - Ｒｆプラズマ発生器および一定電力をプラズマ負荷に配電する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、制御システムおよび方法に関し、更に特定すれば、プラズマ負荷に供給する無線周波数電力の制御方法およびシステムに関する。

従来技術

無線周波数またはマイクロ波（以後「ＲＦ」）プラズマ発生機器は、半導体および工業用プラズマ処理において広く用いられている。プラズマ処理は、多種多様の用途を支援し、その中には、基板からの材料のエッチング、材料の基板上への堆積、基板表面の洗浄、および基板表面の修正が含まれる。用いられる周波数および電力レベルは、約１０ｋＨｚから１０ＧＨｚまで、そして数ワットから大きい方では１００ｋＷ以上と、広範に変化する。半導体処理の用途では、プラズマ処理機器に現在用いられている周波数および電力の範囲は、いくらか狭めであり、それぞれ、約１０ｋＨｚから２．４５ＧＨｚまで、そして１０Ｗから３０ｋＷまでとなっている。

プラズマ処理機器は、通例、精密ＲＦ信号発生器、整合ネットワーク(matching network)、配線、および測定機器を必要とする。加えて、大抵の場合、プラズマに到達する実際の電力を制御するためには精密計装が必要となる。プラズマに伴う負荷のインピーダンスは、多様な気体配合、種々の気体供給パラメータ、プラズマ密度、配電するＲＦ電力、圧力、およびその他の変数に応答して、かなり変動する可能性がある。プラズマ負荷のインピーダンス変動、およびこれらのその他の変数によってもたらされる動的電気負荷は、プラズマ発生機器に対して重大な安定性制御の問題を生ずる可能性がある。

半導体ツールのような今日のプラズマ処理機器では、プロセスが不安定となり、プラズマ密度における発振および／またはプラズマ全体の損失を呈することが観察される場合が多い。したがって、ＲＦ電力を抑制する方法を変更することによって、これらの不安定性を防止する必要性が現存する。

既知のプラズマ発生システムの１つは、当業者には見慣れた典型的なプラズマ処理ツールおよびＲＦ電源を含む。これを図１に示す。ＲＦ電源１０は、フィルタ１２を通じて、そしてケーブル１３および負荷整合回路１４を経由してプロセス真空チェンバ１５にＲＦ電力を供給する。ＲＦ電力は、順方向電力および反射電力双方が、出力電力測定点１８において測定され、測定点１８の近くで電力はプロセス真空チェンバ１５に入る。出力電力測定１８からのフィードバックは、電源１０に送り返されて、制御ループが完成する。

電力抑制制御回路は、一般に、制御安定性を最大化するために、できるだけ速く動作するように設計されている。典型的な電源制御ループは、数百マイクロ秒という速さで動作することができ、通常は固定負荷に関して、またはおそらくはある範囲の可能な固定負荷を念頭に入れて設計され、最適化されている。例えば、プラズマ発生システムにおける制御ループの速度は、フィルタおよび整合ネットワークの遅延、電力測定時間、および電源の内部反応速度によって抑えられる。前述のように、プラズマは、余分な遅延を制御ループに混入し、最終的にシステムの挙動が不安定となる虞れがある。これらの遅延は、容易には予測できず、プロセスに依存し、一貫性がない。

しかしながら、多くの電力抑制制御の不安定性は、プラズマを電力抑制制御ループの一部として有することに起因する可能性がある。何故なら、プラズマのインピーダンスは一定ではないからである。更に具体的には、プラズマのインピーダンスは、配電する電力量、プラズマ気体圧力、およびプラズマ気体混合物の化学的組成の関数である。更に、反応の化学的性質および気体圧力変数は、プラズマ密度および温度に依存し、更にそれら自体の慣性（潜伏時間依存性）も有する。これら潜伏時間は、マイクロ秒からミリ秒までの範囲となる可能性があり、拡散率、ポンプの堆積流量、イオン化および化学反応速度等のような、種々のプロセスによって決定される。

気体供給システム２０によって、別の複雑化要因が持ち込まれる。多くの場合、気体供給システム２０は、それ自体の制御ループを有する。この気体供給制御ループ２２は、チェンバ圧力測定２３に基づいて、チェンバ１５への気体供給を制御するのが慣例である。この別個の制御ループ２２は、電力制御システムの特定的なシステム慣性（遅延）時間を、数百および千ミリ秒単位まで引き延ばす可能性がある。つまり、いずれの電源であっても、フィードバック制御ループ２５のみを用い、その応答時間間隔がシステムのスイッチング周波数(switching frequency) またはプラズマの潜伏時間、即ち、電気負荷（プラズマのような）の応答時間以上であるならば、潜在的に不安定となり易い傾向がある。

図２は、図１に示したプラズマ処理システムのようなシステムと共に用いることができる、既知の電力供給技術の電力部を示す。電力供給装置３０（例えば、ＤＣまたはＲＦスイッチング電力供給装置）は、当該電力供給装置の出力において、一定電力出力値を負荷４０に配電する。例えば、整流バスまたはＤＣ電源からのＤＣ電力３２がスイッチング・トランジスタ、ならびにインダクタおよびキャパシタのようなリアクタ性エレメントに給電する。これは、当業者には周知の通りである。電力供給装置３０は、一般に、その制御ループ３３の応答時間よりも速く、一定電流または一定電圧をある時間尺度で（即ち、ある時間間隔で）で配電する。制御回路３５は、フィードバック制御ループ３３から受信する情報に基づいて、電力供給装置３０への制御信号を調節する。勿論、電力供給装置３０は、制御ループが凍結している（開放）ときにも、一定電流または電圧を配電することができる。参考のために、このような電力供給装置のことを以下では「定電流」または「定電圧」型と呼ぶことにする。制御回路３５は、プラズマ測定回路１８からのフィードバック３３を用いて、電力供給装置３０の出力電圧または電流を修正し、所望の電力出力を維持する。状況によっては、これによって負荷４０（例えば、プラズマ負荷）の安定的な制御を得ることができる。

実際には、既知の技術の一例に「定電流」ＤＣ電力供給装置があり、これはアーク型プラズマ負荷に給電するために用いられている。プラズマの抵抗は温度が高い程低下する（多くの場合「負抵抗」と呼ばれている）ので、定電流をこのようなシステムに供給すると、安定したプラズマが維持できることが知られている。このようなシステムでは、電力供給装置は、いくらか仮想バラスト抵抗器として機能する。

更に慣例的なのは、多くのＤＣスイッチング電力供給装置が、パルス幅変調（「ＰＷＭ」）制御方法を用いていることである。これらは、電圧源として振る舞い、そのため、フィードバック制御ループがないと、負抵抗プラズマを効果的に維持することができない。更に、プラズマ・システムにＲＦ電力供給装置を用いて給電すると、制御問題が悪化する。何故なら、電力供給装置から見て、正または負いずれの見かけ上のプラズマ抵抗を確保するのも困難または不可能となる程に、反射電力の位相がケーブル（例えば、１３）およびフィルタ（例えば、１２）によってずれるためである。このような問題は、特に、高周波、例えば、ＲＦ領域（即ち、１ＭＨｚ以上の範囲）で動作するシステムでは顕著となる。

これらの問題を克服するために、定電力または定電流を単に供給する電力供給装置ではなく、代わりに、開ループ・システムにおいて本質的に一定の電力を配電することができ、これによって、反射位相やプラズマのインピーダンスには関係なく安定したプラズマの動作を維持することができる電力供給装置が求められている。

更に具体的には、プラズマおよび／またはその他のシステム構成要素によって生ずる変動負荷インピーダンスおよび抵抗にも拘わらず、プラズマ負荷のような動的負荷に供給する電力量を制御するために用いることができる方法および装置が求められている。

本発明は、実質的に一定の電源(power source)と、任意に、プラズマ発生器におけるプラズマのような電気的負荷に一定電源を供給する低速フィードバック・ループとを備えている電力供給装置(power supply)を用いて、これらの問題を克服する。

本発明の一態様は、プラズマのような動的負荷に電力を供給するＲＦ電力供給装置であって、入力電力を出力ＲＦ電力に変換する電力回路を備えていることを特徴とする。電力回路の蓄積エネルギは低く、概略的に数ミリ秒程度であり、回路に蓄積されるエネルギ量が制御の安定性に干渉しないようにしている。制御回路は、例えば、ＲＦ発生器に給電する電力変換器のＤＣ部によって、制御信号を電力回路に供給して、入力電力消費を抑制する。また、入力電力の測定値を供給する第１回路も含み、電力回路への制御信号を第１比率(rate)に調節するために用いられる。ＲＦ電力供給装置への入力電力は、こうして一定に、または実質的に一定量に維持される。

実施形態は、ＲＦ電力供給装置の出力において出力電力を測定する第２回路を含み、電力制御信号を第２比率に補償するために用いられる。第１比率は、第２比率よりも大きい。第１比率は、ＤＣ電流をＲＦ電力供給装置に供給するスイッチング電力供給装置の周波数に対応することができる。更に、重み係数を用いて、第１比率を第２比率よりも大きくすることができる。ＲＦ電力供給装置の出力は、プラズマ負荷を付勢するために用いることができる。

実施形態は、共振インバータ、降圧型スイッチング・レギュレータ、昇圧レギュレータ、ＤＣスイッチング電力供給装置、およびインバータまたはスイッチング電力供給装置のゲート駆動回路の内少なくとも１つを含むことができる。入力電力は、スイッチング電力供給装置の各サイクルに対応する頻度で測定することができる。出力電力信号は、異なる比率で、例えば、スイッチング電力供給装置のサイクル毎とはせずに測定することができる。実施形態によっては、制御信号をスイッチング電力供給装置のサイクル毎に更新するが、他の実施形態ではそうしない。

入力電力測定値は、各サイクル中にスイッチング電力供給装置の入力端子を通じて流れる総電荷を測定することによって決定することができる。第１比率ではサイクル毎に１回電力制御信号を調節し、第２比率は第１比率よりも遅く、更に電気的負荷の応答時間よりも遅くするとよい。また、第２比率では、電気的負荷に供給する気体供給システムの応答時間よりも遅くすることができる。

本発明の別の態様は、可変インピーダンス負荷に電力を供給するＲＦ電力供給装置であって、制御信号をＲＦ電力供給装置に供給しＲＦ電力供給装置からの電力出力レベルを抑制する制御回路と、入力電力の測定値をＲＦ電力供給装置に供給する第１回路とを含むことを特徴とする。第１回路は、ＲＦ電力供給装置への制御信号を第１比率に調節して、実質的に一定の入力電力を維持する。ＲＦ電力供給装置は、ＲＦ電力供給装置の出力における出力電力を測定する第２回路を含むことができ、電力制御信号を第２比率に補償するために用いられる。第１比率は、第２比率よりも大きい。実施形態によっては、入力電力は一定である。

重み係数を用いて、第１比率を第２比率よりも大きくすることができ、ＲＦ電力供給装置の出力を用いて、プラズマ負荷を付勢することができる。整合回路をＲＦ発生器と負荷（例えば、プラズマ負荷）との間に配置して用いることができる。電力供給装置は、共振インバータ、降圧型スイッチング・レギュレータ、昇圧レギュレータ、ＤＣスイッチング電力供給装置、およびインバータまたはスイッチング電力供給装置のゲート駆動回路を含むことができる。入力電力は、電力供給装置のサイクル毎に測定することができ、実施形態によっては、入力電力は、電力供給装置のサイクル毎には測定しない。制御信号は、電力供給装置のサイクル毎に更新することができるが、実施形態によってはそうしない場合もある。

ＲＦ電力供給装置は、電力をプラズマ負荷に配電することができる。更に、制御信号は、電力供給装置のパルス幅および／または周波数または位相変調を制御することができ、変調量は、サイクル毎に決定することができる。実施形態によっては、第１比率ではサイクル毎に１回制御信号を調節し、第２比率は第１比率よりも遅く、更に電気的負荷の応答時間よりも遅くするとよい。また、第２比率は、電気的負荷に供給する気体供給システムの応答時間よりも遅くすることができる。

本発明の別の態様は、電源と、ＡＣスイッチング電力供給装置とを備えているＲＦプラズマ発生器を特徴とする。スイッチング電力供給装置は、当該電力供給装置からの電力出力レベルを抑制するために制御信号を電力供給装置に供給する制御回路と、電力供給装置への入力電力の測定値を供給する第１回路とを含む。測定値は、電力供給装置への制御信号を第１比率に調節するために用いられ、これによって実質的に一定の入力電力を維持する。また、電力供給装置の出力における出力電力を測定する第２回路も含み、第１比率が第２比率よりも大きくなるように、電力供給装置への制御信号を第２比率に補償するために用いられる。スイッチング電力供給装置の出力は、ＲＦ発生部に供給する。第１比率は、スイッチング電力供給装置の比率に接近することができる。

重み係数を用いて、第１比率を第２比率よりも大きくすることができ、ＲＦ電力発生部の出力を用いて、プラズマ負荷を付勢することができる。整合回路をＲＦ発生部と負荷との間に配置して用いることができる。ＲＦ発生器は、共振インバータ、降圧型スイッチング・レギュレータ、昇圧レギュレータ、ＤＣスイッチング電力共有装置、および／またはインバータまたはスイッチング電力供給装置のゲート駆動回路を含むことができる。入力電力は、電力供給装置のサイクル毎に測定することができ、実施形態によっては、入力電力を電力供給装置のサイクル毎には測定しない場合もある。制御信号は、電力供給装置のサイクル毎に更新することができるが、実施形態によってはそうしないこともある。

ＲＦ発生器の入力電力は、各サイクル中にスイッチング電力供給装置の入力端子を通じて流れる総電荷を測定することによって決定することができ、ＲＦ発生器はプラズマ発生システムを含むことができる。制御信号は、電力供給装置のパルス幅および／または周波数または位相変調を制御することができ、変調量は、サイクル毎に決定することができる。実施形態によっては、第１比率ではサイクル毎に１回制御信号を調節し、第２比率は第１比率よりも遅く、更に電気的負荷の応答時間よりも遅くするとよい。また、第２比率は、電気的負荷に供給する気体供給システムの応答時間よりも遅くすることができる。

本発明の更に別の態様は、可変インピーダンス負荷への電力を抑制する方法を特徴とし、ＲＦ発生器からの電力出力レベルを抑制するために、スイッチング電力供給装置に制御信号を供給する制御回路を設けるステップを備えている。スイッチング電力供給装置の入力側において測定する第１電力に基づいて、スイッチング電力供給装置への制御信号を第１比率に調節する。また、ＲＦ発生器の出力側において測定する第２電力に基づいて、第２比率にも補償する。第１比率は第２比率よりも大きい（速い）。第１比率は、スイッチング電力供給装置の周波数に対応することができる。

重み係数を用いて、第１比率を第２比率よりも大きくすることができ、ＲＦ電力発生部の出力を用いて、プラズマ負荷を付勢することができる。整合回路をＲＦ発生部と負荷との間に配置して用いることができる。本方法の電力供給装置は、共振インバータ、降圧型スイッチング・レギュレータ、昇圧レギュレータ、ＤＣスイッチング電力供給装置、および／またはゲート・ドライブを含むことができる。入力電力は、スイッチング電力供給装置のサイクル毎に測定することができ、実施形態によっては、入力電力を電力供給装置のサイクル毎には測定しない場合もある。制御信号は、電力供給装置のサイクル毎に更新することができるが、実施形態によってはそうしないこともある。

本方法は、プラズマ発生システムを備えている電気的負荷を有することを含むことができ、制御信号は、電力供給装置のパルス幅変調を制御することができる。パルス幅変調の量は、サイクル毎に決定することができる。実施形態によっては、第１比率ではサイクル毎に１回制御信号を調節し、第２比率は第１比率よりも遅く、更に電気的負荷の応答時間よりも遅くするとよい。また、第２比率は、電気的負荷に供給する気体供給システムの応答時間よりも遅くすることもできる。

本装置は、電源と、電源からの電力を受電する電力変換器であって、入力電圧またはスイッチング周波数の少なくとも１つを変化させることによって制御する一定出力電力を供給する、電力変換器と、電力変換器から一定電力を受電するＲＦ発生器とを含む。

電力変換器は、部分または完全共振変換器とすることができる。部分共振変換器は、電源からの電圧を所望の電圧に変換する第１回路と、所望の電圧を一定電力レベルに維持する第２回路とを含むことができる。

第１回路は、ＲＦプラズマ発生器電源からの電圧を所望の電圧に変換する複数のスイッチと複数のダイオードとを含むことができる。第２回路は、抵抗性負荷と、この抵抗性負荷に結合されているインダクタと、インダクタに結合されているキャパシタであって、抵抗性負荷をキャパシタ電流が通過するときに、周期的に入力電圧レベルに充電されそして放電することにより、所望の電圧を一定電力レベルに維持する、キャパシタとを含むことができる。インダクタは、キャパシタが完全に充電されそして放電することを確実にする。

以上の論述は、以下の本発明の詳細な説明を、添付図面と関連付けて検討することにより、一層容易に理解されよう。
図１は、既知のＲＦプラズマ処理ツールのブロック図である。 図２は、既知の電力供給装置のブロック図の例示である。 図３は、本発明の制御の特徴を組み込んだ電力供給装置を示す。 図４は、フィード・フォワード降圧レギュレータを含む、本発明の一実施形態である。 図５は、本発明の種々の特徴を示す電力供給システムを示す。 図６は、部分的共振インバータ型電力供給装置の一実施形態である。

図３は、前述の問題を克服するために用いることができる本発明の一実施形態を示す。プラズマのような電気的負荷に一定量の電力を供給すると、システムの動作を安定させる結果を得ることができる。生憎、前述したフィードバックのみのシステムは、プラズマ発生システムの動的動作条件に対して十分素早く応答しない。フィードバック・ループ３３の応答時間がインピーダンスの動揺および動的プラズマ負荷のその他の発生中の変動よりも速くても、このようなシステムは変動する入力信号を補償できない。

図３の電力供給装置３０は、これらの問題を克服するに当たり、出力電力の代わりに、入力電力を制御し、スイッチング電力供給装置の現在利用可能な技術によって達成可能な高効率および低蓄積エネルギを利用する。この技術を用いて、本発明は、プラズマ負荷の過渡変化には関係なく、供給電力で蓄積エネルギを除算して得た時間の尺度に基づいて一定電力を供給する。これは、数マイクロ秒程度とすることができる。これを遂行するために、図３の電力供給装置３０は、電力供給装置３０に給電する(feed)ＤＣ電力３０に対して高速入力測定部５２を用いる。この入力電力測定部５２は、情報を制御回路３５に提供する高速フィードフォワード制御ループ５３に接続する。制御回路は、実際の回路（例えば、回路ボード上にある）、アナログ・コントローラ、当業者には周知の種々のディジタル制御システムのいずれか、またはこれらの組み合わせとすることができる。この技術を用いて、本発明は電力供給装置３０に配電する電力量を厳しく制御することによって、電力供給装置とプラズマとの間における相互作用を制御する。この結果、負荷に送られる電力が厳しく制御されることとなる。何故なら、動的プラズマ・パラメータは、非常に短い時間間隔（例えば、数ミリ秒）で平均した配電電力量に感応する程には、電力供給装置が供給する電流波形にも電圧波形にも感応しないからである。

したがって、本発明は、数ミリ秒程度の時間間隔というような、超高速時間目盛り上において、ほぼ一定な電力をプラズマ負荷に配電することができる電力供給装置のトポロジ(topology)を含む。実施形態によっては、これらの時間間隔の持続期間を、プラズマまたは気体供給応答の動的応答時間に近づく程十分に長くすることもできる。しかしながら、全ての実施形態によって、電力供給装置の出力は、プラズマのインピーダンスまたはその他の負荷動力学の変化には関係なく、蓄積エネルギの電力に対する比によって設定された時間尺度で定常量に維持される。

フィードバック制御３３のみでは、本発明の精密で一貫性のある電力出力を達成できる程速く負荷および電力入力変化に応答することはできない。一般に、安定性を維持するためには、フィードバック制御応答は、全ての可能なプラズマ応答および気体供給応答よりもはるかに速いかまたははるかに遅くなければならない。本発明の精密な電力出力制御を達成するためには、システムの安定化を高速時間軸上で設けるだけでなく、制御回路３５の制御信号３８に出力電力測定値に弱く（即ち、ゆっくりと）依存させるのみとすることができる。つまり、本発明は、電力供給装置への制御信号３８を補償するときは、遅い応答フィードバック制御ループのみを用いる。このような電力供給装置の別の効果は、プラズマの点火および積み上げがやり易くしかも安定することである。

本発明の結果を得るために、ＤＣ電源３２を電力供給装置３０の電力部に接続する。好ましくは、本システムは、電力をできるだけ消散しないように設計し、このため主としてリアクタ性デバイスまたはスイッチング・デバイスを組み込む。尚、システムにおける蓄積エネルギを極力抑えて、制御システムのいずれの遅延時間または時定数を短縮することまたは事実上解消することが望ましい。この設計原理は、スイッチング・モード（例えば、等級Ｄまたは等級Ｆ）で動作することができる、本発明の原理を組み込んだＤＣスイッチング電力供給装置、および低周波数ＲＦ発生器双方に好ましい。周波数が高くなる程、この設計の特徴は重要性が低くなる。これは、ＲＦトランジスタが殆ど線形領域で動作するからである。しかしながら、電力供給装置３０の電力部においては、エネルギ損失を極力減らすことは常に望ましい。

図３に示す実施形態では、電力モジュールへの入力電力を、入力測定部５２を通じて測定する。入力電力測定部５２は、電力供給装置の前に位置することができるが、入力フィルタのキャパシタ（図示せず）の下流に位置付けるとよい。あるいは、入力電流、電圧、および／または電力の測定値が供給されるであれば、入力電力測定部５２は、電力供給装置３０内部のある点に位置付けることもできる。これは、当業者には周知である。入力電力測定手段５２はこの情報を制御回路３５に送る。制御回路３５は、次に、電力制御信号３８を調節して、入力電力測定値３２を実質的に一定値に維持する。電力モジュールの効率が高くなるように設計されているので、この抑制方法によって、ほぼ一定の電力が負荷４０に出力されることになる。

電力供給装置３０は、出力フィルタおよび電力部のリアクタ性構成部品に少量の蓄積エネルギを含む可能性があるが、これらを瞬時に変化させることはできない。先に論じたように、本システムの設計では、これらの構成部品に蓄積されるエネルギ量を極力抑えるので、これらの構成部品の中にあるエネルギ量は、数マイクロ秒以下に相当する間システムに給電できる程度である。このように蓄積エネルギを少なくすると、システムの遅延時間を短縮する、即ち、時定数を小さくすることができるという効果があり、更に安定なプラズマ制御を維持するという効果がある。蓄積エネルギ量は、プラズマに蓄積されるエネルギ量と比較すると小さいので、システムの制御に対して重大な悪影響はなく、プラズマが失われたり、不安定になったり、著しく変化する原因にもならない。つまり、ＲＦ電力が入力電力に追従する際、遅延時間は殆どない。蓄積電力量が増大するに連れて、プラズマの安定性制御の問題が生ずる可能性は高くなる。

また、実施形態はフィードバック制御ループ３３も含む。負荷４０に対する精密な電力出力制御を維持するためには、フィードバック制御ループ３３が制御回路３５の制御式に対してゆっくりした効果のみを有するように、これをチューニングしなければならない。フィードバック制御ループ３３の低速応答によって、負荷インピーダンスの変化が制御ループを不安定にしないことを確保する。

図４は、本発明の一実施形態を表す電力供給装置の部分図である。ＲＦ発生器７５に給電するために、降圧型スイッチング・レギュレータ(buck-type switching regulator)７２を用いることができる。ＲＦ発生器への入力電力を、入力測定部５２、積分器７３、および比較器７４を用いて測定し、誤差信号を制御回路３５に供給する。上位スイッチ７６は能動駆動トランジスタである。下位スイッチ７７は受動型、例えば、ダイオードとすることができ、あるいはこれもトランジスタとすることもできる。降圧変換器７２の動作周波数が固定である場合、電力入力は、サイクル毎に上位スイッチ７６を通過する電荷の量に比例する。したがって、電流変換器（例えば、５２）および積分器７３は、サイクル毎に供給される作業（エネルギ）量を判定するために用いることができる。次いで、作業量が所望の値に達したときに、スイッチング・サイクルの終了を誘起することができる。固定周波数動作の間、これは単位時間毎に供給される作業量、即ち、供給電力量を示す。この測定値は、電力供給装置への急速入力電力測定値５２として便利に用いることができ、フィードフォワード制御ループ５３はこの測定値を基準にすることができる。

更に、共振インバータのトポロジの場合のように、ＤＣ部のスイッチング周波数が一定でない場合、電力供給装置３０の入力端子を通じて一定値で入力している入力電力を維持するために用いることができるように、周期毎の集積電荷の所望量は、入力電圧およびスイッチング周波数双方の関数として決定することができる。このようなフィード・フォワード抑制は、パルス毎に行うことができ、１周期しかレギュレータを遅延させない（即ち、電力供給装置の１サイクル）。このため、このような測定の時間間隔はできるだけ短く、例えば、１または２マイクロ秒とすることができる。周波数変化を補償する１つの方法は、定数の代わりに傾斜基準を用いてサイクル毎の集積電荷情報を比較器に送ることである。比較器の移行点に達するのは、集積電荷が、サイクルの開始以降に経過した時間に比例するときである。この技法は、サイクル毎に一定電力を維持するために用いることができる。

以上の説明に基づけば、当業者には代替実施形態が明白となろう。例えば、実施形態は昇圧レギュレータを含み、これに対して、入力電力を一定にするには、インダクタの電流を一定に維持することが必要となる。更に、別のＰＷＭスイッチング・トポロジや、共振インバータのような周波数制御トポロジも用いることができる。これらは、同様に制御する絶縁変圧器を含み、パルス毎に一定入力電力を維持することができる。

図５は、追加の詳細および任意の構成部品を含む、本発明の詳細な実施形態を示す。ＤＣ電源３２は、ＤＣスイッチング電力供給装置のような、ＤＣ電源部３０に電力を供給する。入力電流測定部５２は、電力供給装置３０の入力側に位置するように図示されているが、出力側、例えば、電源部３０と変換器９１との間に位置することもできる。図４に関して説明したように、５２からの入力測定信号は、積分器７３および設定点比較器７４を経由して導出することができる。

実施形態は、異なる比較器７４の機能性を含む。例えば、入力測定信号５２からの入力電力を、電力設定点と比較して、計算したフィードフォワード誤差を判定し、制御回路３５はこの誤差を用いることができる。この誤差は、電力供給装置への制御信号３８を調節するために用いることができる。別の実施形態では、入力信号５２を、例えば、アルゴリズムまたは所定の数値表と比較することができ、これによって、当業者には周知の制御原理および技術に応じて、比較器からの出力結果を所定の機能性によって判定する。この入力電力抑制は、非常に素早く動作することができ、電力供給装置のサイクル毎に１回の頻度を含む。

また、制御回路３５は、出力電力測定１８からフィードバック電力信号も受信することができる。このフィードバック信号を電力出力設定点と比較して、計算したフィードバック誤差を判定することができ、更にこのフィードバック誤差と、計算したフィードフォワード誤差とを制御回路３５によって加算して、制御信号３８を決定することができる。フィードバック誤差計算に対する電力出力設定点は、フィードフォワード誤差計算に対する電力出力設定点と同一とすることができ、あるいは別個とすることもできる。いずれの場合でも、フィードフォワードおよびフィードバック信号の重み付けは、種々の技法を用いて行うことができる。

多くの従来の制御システムとは異なり、フィードフォワード制御ループ５３がフィードバック制御ループ（例えば、フィードバック制御ループ３３）よりも多くの効果を出力信号（例えば、制御信号３８）に及ぼすように重み付けするとよい。この結果は、測定値をサンプリングし、次いでサンプリングしたフィードフォワード信号の結果の方を頻繁に（高い比率で）、例えば、電力供給装置のサイクル毎に用い、そしてフィードバック・ループの結果を、サイクル毎、１０サイクル毎、または１００サイクル毎というように、第２の遅い比率で用いることによって得ることができる。この技法を用いると、制御信号は、フィードバック・ループよりもフィードフォワード・ループの寄与を頻繁に反映し、こうしてフィードフォワード測定が制御結果３８において優勢となる。

フィードフォワード測定５２をフィードバック測定１８よりも優先する別の技法では、同じ頻度で各ループをサンプリングするが、フィードフォワード信号即ち誤差結果を増大させる重み乗数、および／またはフィードバック信号即ち誤差結果を減少させる重み乗数を組み込む。つまり、制御信号３８を決定するときに、双方のループが同じ頻度でサンプリングされていても、フィードバック・ループからの誤差結果は、常に、フィードフォワード・ループからの誤差よりも少ない効果を持たせることができる。このように、フィードフォワード測定信号５２およびフィードバック電力出力信号を同じ頻度でサンプリングしても、重み係数は、被調節側フィードフォワード・ループの比率を、補償側フィードバック制御ループの比率よりも大きくすることができる。実施形態によっては、フィードバック制御ループ１８が制御信号３８に対する影響が０になるような範囲まで重み付けすることができる。平均化、適時平均値の使用、種々のサンプリング技法、統計的技法、およびその他を含む、前述した異なる種類の重み付け結果を得る他の技法も当業者には明白であろう。これらの方法の結果、制御回路３５は、殆ど入力信号に基づくが、フィードバック電力信号１８にも基づいて、制御信号３８を電力供給装置に出力する。

電力供給装置３０の制御信号３８に対する応答は、フィードフォワードまたはフィードバック制御ループのいずれよりも速い。制御信号３８は、パルス幅変調技術（定周波数電力供給装置に対して）を用いて、周波数変調を用いて、これらの組み合わせを用いて、あるいは他の周知のＤＣスイッチング電力供給装置制御技術を用いて、電力供給装置３０を抑制することができる。

ＤＣ電源部３０は、通常、降圧変換器または整流器と組み合わせた共振変換器のような変換部９１に給電する(feed)。勿論、他の変換器トポロジを用いることもできる。本発明の実施形態は、中間にＲＦ電力発生器（以下で説明する）を用いることなく、降圧変換器からプラズマ負荷を供給することを含む。再度図５を参照すると、変換器の出力は、任意に、出力フィルタ９２を通過し、次いでＲＦ発生器７５に供給することができる。ＲＦ発生器７５の出力は、出力電力測定デバイス１８を通過し、次いで、プラズマ・チェンバ内のプラズマのような、電気的負荷４０に達することができる。任意に、整合ネットワーク９６をＲＦ発生器７５と負荷４０との間に配置することができる。

入力測定部５２は、ＤＣ電源部３０の供給側にあるように図示されているが、他の場所に配置することもできる。例えば、このフィードフォワード測定信号は、電力供給装置３０と変換器９１との間、または更に下流の、変換器９１と出力フィルタ９２との間（出力フィルタがある場合）で取り込むこともできる。

同様に、フィードバック電力測定１８も別の位置に配置することができる。例えば、最良の電力測定読み取り値が得られるのは、フィードバック電力測定デバイス１８を負荷の直接上流に、例えば、整合ネットワーク（ある場合）と負荷との間に配置したときである。しかしながら、コストのために、ＲＦ発生器の出力、即ち、ＲＦ発生器７５と整合ネットワーク９６（ある場合）との間に配置することが多い。しかしながら、本発明の実施形態は、フィードバック信号測定を機能的に出力フィルタ９２（ある場合）とＲＦ発生器７５との間、または変換部９１と出力フィルタ９２との間にでも位置付けることを含む。勿論、これら種々の入力および出力信号測定場所の異なる組み合わせを用いることもできる。

適した電力出力測定技法には、入力測定部５２に関して先に論じたような、電圧および／または電流測定を含むことができる。しかしながら、出力電力測定は、既知の技法および技術を用いて、順方向電力および反射電力を測定し、本発明の目的を達成することもできる。

本発明の技法は、図５に図示した実施形態よりも広い適用可能性を有する。図５は、ＤＣスイッチング電力供給装置３０の入力側におけるフィードフォワード測定、およびＲＦ発生器の出力における電力出力測定１８を示すが、本発明は他の方法で用いることもできる。例えば、一実施形態では、ＤＣスイッチング電力供給装置３０の入口にフィードフォワード測定部５２を含み、電力供給装置３０の出口、例えば、変換器９１の後ろに出力電力測定１８を含む。用途によっては、変換器の出力を次に直接負荷に導出することもできる。別の実施形態では、ＲＦ発生器への給電は、ＤＣスイッチング電力供給装置によって供給しなくてもよい場合もある。このような実施形態では、入力測定部５２は、ＲＦ発生器の入力において取り込むことができ、電力出力測定１８は、ＲＦ発生器７５の出口に位置付けることができる。次いで、整合ネットワーク９６を用いてまたは用いずに、ＲＦ発生器の出力を負荷、例えば、プラズマ・チェンバに接続することができる。

図６は、部分的共振インバータ(partial resonant inverter)電力供給装置の図である。ＲＦ発生器／電力増幅器の一定ＤＣ電力は、開放ループで定電力を供給し電気的測定を全く必要としないトポロジを有するＤＣ−ＤＣ変換器を用いて供給することもできる。このようなトポロジの１つに部分共振インバータ１００があるが、他の既知のインバータを用いてもよい。

部分共振インバータ１００は、１対のスイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）１０２ａ、１０２ｂと、インダクタ（Ｌ）１０６と、キャパシタ（Ｃ）１０８と、４つのダイオード１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、および１１０ｄとを含む。動作において、部分共振インバータ１００は、入力電圧を方形波またはその他の既知の形式のＤＣ波形に変換する。方形波をインダクタ１０６およびキャパシタ１０８に通過させる。これらの組み合わせによってＬＣフィルタが形成されている。更に、方形波をダイオード１１０ｃ、１１０ｄによってクランプし、変圧整流器１０４によって結合および整流し、濾波して所望のＤＣ電圧を得る。部分共振インバータ１００（ＤＣ−ＤＣ変換器）の出力は、ＲＦ電力発生器／増幅器７５のＤＣ入力に接続されている。ＲＦ電力発生器／増幅器７５は、前述のように、プラズマ負荷４０に結合されている。実施形態によっては、前述のように、整合ネットワーク９６（図５）を、ＲＦ電力発生器／増幅器７５とプラズマ負荷４０との間に結合することができる。

キャパシタ１０８を周期的に入力レール電圧（＋Ｖｉｎ）に充電し、キャパシタ電流をプラズマ負荷４０に通過させている間に放電する。実施形態によっては、プラズマ負荷４０は変圧器とは隔離することができる。各充電および放電サイクル毎に、抵抗性負荷１０４において消散されるエネルギは負荷の抵抗とは無関係にＣＶ^２／２に等しい。つまり、電力はＦ_ＳＷ＊ＣＶ^２／２に等しく、ここでＦｓｗはスイッチング周波数であり、Ｖは入力電圧である。インダクタ１０６は、有限時間内にキャパシタ１０８が最大限充電されそして放電することを確実にする。部分共振インバータ１００の設計には、Ｖまたは／およびＦ_ＳＷを変化させることによって、出力電圧を制御することができるという利点がある。

このような実施形態は本発明の範囲に該当するが、先に注記したように、本発明は高周波電力供給装置を用いるシステムに対して、特にＲＦ電力供給装置（即ち、１ＭＨｚから１０ＧＨｚ）において、プラズマ安定性の問題を解決するのに特に有用である。

以上、特定的な好適実施形態を参照しながら本発明について特定的に示しそして説明したが、形態および詳細の様々な変更は、添付した特許請求の範囲が規定する発明の主旨および範囲から逸脱することなく、行うことができることは当業者にとっては言外であるはずである。

Claims (9)

1. ＲＦプラズマ発生器であって、
   電源と、
   前記電源から電力を受電する部分共振変換器であって、該部分共振変換器は、入力電圧またはスイッチング周波数の少なくとも１つを変化させることによって制御される一定出力電力を供給し、該部分共振変換器は、前記電源からの電圧を所望の電圧に変換する第１回路と、前記所望の電圧を一定電力レベルに維持する第２回路とを含む、部分共振変換器と、
   前記部分共振変換器から一定電力を受電するＲＦ発電機と、
   を備えている、ＲＦプラズマ発生器。
2. 請求項１記載のＲＦプラズマ発生器において、前記第１回路は、前記電源からの電圧を所望の電圧に変換する複数のスイッチと複数のダイオードとを含む、ＲＦプラズマ発生器。
3. 請求項１記載のＲＦプラズマ発生器において、前記第２回路は、
   抵抗性負荷と、
   前記抵抗性負荷に結合されているインダクタと、
   前記インダクタに結合されているキャパシタであって、前記抵抗性負荷をキャパシタ電流が通過するときに、周期的に入力電圧レベルに充電されそして放電することにより、前記所望の電圧を一定電力レベルに維持する、キャパシタと、
   を含む、ＲＦプラズマ発生器。
4. 請求項１記載のＲＦプラズマ発生器において、前記ＲＦ発電機はプラズマ負荷に電力を供給する、ＲＦプラズマ発生器。
5. 請求項１記載のＲＦプラズマ発生器であって、更に、前記ＲＦ発電機と前記プラズマ負荷との間に結合されている整合回路を備えている、ＲＦプラズマ発生器。
6. 一定電力をプラズマ負荷に配電する方法であって、
   電力供給装置から電力を受電するステップと、
   前記電力供給装置から受電した電力を、入力電圧またはスイッチング周波数の少なくとも１つを変化させることによって制御される所望の電力レベルに部分共振変換器により変換するステップであって、該変換するステップが、第１回路によって前記電源からの電圧を所望の電圧に変換し第２回路によって前記所望の電圧を一定電力レベルに維持するステップを含む、ステップと、
   前記プラズマ負荷に電力を供給するために前記一定電力を配電するステップと、
   を備えている、方法。
7. 請求項６記載の方法において、前記第１回路は、前記電源からの電圧を所望の電圧に変換する複数のスイッチと複数のダイオードとを含む、方法。
8. 請求項６記載の方法において、前記第２回路は、
   抵抗性負荷と、
   前記抵抗性負荷に結合されているインダクタと、
   前記インダクタに結合されているキャパシタであって、前記抵抗性負荷をキャパシタ電流が通過するときに、周期的に入力電圧レベルに充電されそして放電することにより、前記所望の電圧を一定電力レベルに維持する、キャパシタと、
   を含む、方法。
9. 一定電力をプラズマ負荷に配電する方法であって、
   電力供給装置から電力を受電する手段と、
   前記電力供給装置から受電した電力を、入力電圧またはスイッチング周波数の少なくとも１つを変化させることによって制御される所望の電力レベルに変換する手段であって、該電力を変換する手段が、第１回路によって前記電源からの電圧を所望の電圧に変換し第２回路によって前記所望の電圧を一定電力レベルに維持する手段を含む、電力を変換する手段と、
   前記電力を変換する手段から一定電力を受電し、前記プラズマ負荷に電力を供給するために前記一定電力を配電するＲＦ発電機と、
   を備えている、方法。

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