JP6441604B2 - 高周波測定装置、および、高周波測定装置の校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、高周波電圧および高周波電流を検出してインピーダンス等の高周波パラメータを算出することで測定する高周波測定装置、および、高周波測定装置の校正方法に関する。

プラズマ処理中のプラズマ処理装置の状態を監視するためなどに用いられる高周波測定装置が開発されている。高周波測定装置は、いわゆるＲＦセンサであり、高周波電圧と高周波電流を検出し、その検出値から電圧と電流の位相差θを求めるとともに、電圧実効値Ｖ、電流実効値Ｉ、インピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸ、反射係数Γ、進行波電力Ｐｆ、反射波電力Ｐｒなどの高周波パラメータを算出する。

一般に、センサの感度はばらつくので、当該センサで検出される検出値から算出された測定値は、正しい値と異なる。したがって、計測装置や測定装置は、予め基準となる被測定物を測定して、検出値から算出された測定値を正しい値に換算する校正パラメータを取得しておき、実際の測定では測定値を当該校正パラメータで正しい値に換算して出力する構成となっている。校正パラメータは、３つの基準負荷に基づいて算出されて、高周波測定装置のメモリに記憶されている。３つの基準負荷について、それぞれ高周波測定装置でインピーダンスを測定し、これらのインピーダンス測定値と３つの基準負荷のインピーダンスの真値とから校正パラメータが算出される。

例えば、特許文献１には、高周波測定装置の校正パラメータを生成するためのシステムが記載されている。当該システムは、まず、高周波電源装置から基準負荷に電力を供給した状態で、高周波測定装置によって基準負荷のインピーダンスを測定する。次に、インピーダンスアナライザによって基準負荷のインピーダンスの真値を測定する。３つの基準負荷のインピーダンスを高周波測定装置で測定したものと、インピーダンスアナライザで測定したものとから校正パラメータを算出する。

特開２０１３−１９０３２４号公報

高周波測定装置で、周波数の異なる高周波の高周波パラメータを測定する場合、周波数毎に校正パラメータを用意する必要がある。例えば高調波の高周波パラメータを測定するのであれば、基本波周波数以外の複数の周波数に対する校正パラメータをあらかじめ算出してメモリに記憶しておく必要がある。基準負荷はキャパシタやインダクタを備えているので、周波数が異なるとインピーダンスが異なってくる。したがって、周波数毎に校正パラメータを算出するためには、周波数毎に基準負荷を用意する必要がある。基準負荷をダミーロードで再現する場合でも、周波数毎にダミーロードの調整が必要になる。高周波測定装置の入力側に接続する高周波電源装置や、高周波電源装置と高周波測定装置との間に配置するインピーダンス整合装置も同様であり、周波数毎に変更する必要がある。したがって、複数の周波数に対応できる高周波測定装置の校正パラメータを算出するためには、手間と時間とコストがかかるという問題があった。

本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、高周波測定装置の校正を容易に行う方法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、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面によって提供される校正方法は、高周波電流および高周波電圧を検出して、電流信号および電圧信号として出力するセンサヘッドと、前記センサヘッドより入力される電流信号および電圧信号に基づいてインピーダンスを算出する演算装置とを備える高周波測定装置の校正方法であって、前記センサヘッドの入力端に入射信号を入力して、出力端に基準負荷を再現する第１の工程と、前記センサヘッドの電流信号の出力ポートから出力される伝送信号と、電圧信号の出力ポートから出力される伝送信号とを検出する第２の工程と、前記２つの伝送信号に基づく２つの再現信号を生成して、前記演算装置に入力する第３の工程と、前記演算装置にインピーダンスを算出させる第４の工程と、前記第１の工程で再現した基準負荷のインピーダンスの真値と、前記第４の工程で算出したインピーダンスとに基づいて、校正パラメータを算出し、前記高周波測定装置に設定する第５の工程とを備えていることを特徴とする。

なお、「校正パラメータ」とは、高周波測定装置の測定値を正しい値に換算するためのパラメータである。この校正パラメータを算出して、高周波測定装置に設定する行為を、本願では「校正」とする。つまり、校正パラメータを算出して設定する方法が「校正方法」である。高周波測定装置には、プラズマ処理装置に接続されて当該プラズマ処理装置を監視するために高周波パラメータを測定するものや、インピーダンス整合装置の内部に設けられて整合動作を制御するために高周波パラメータを測定するものなどがある。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１ないし第４の工程は３つの基準負荷に対して行われ、前記第５の工程は、３つの基準負荷のインピーダンスの真値と、演算装置で算出されたインピーダンスとに基づいて、校正パラメータを算出する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１および第２の工程は、４つのポートを有する高周波回路測定装置に、前記センサヘッドを接続した状態で行われ、前記第２の工程の次に、前記入射信号に対する、電流信号の出力ポートから出力される伝送信号の割合である第１のパラメータと、前記入射信号に対する、電圧信号の出力ポートから出力される伝送信号の割合である第２のパラメータとを算出する第６の工程をさらに備え、前記第３および第４の工程は、信号発生装置に前記演算装置を接続した状態で行われ、前記信号発生装置は、前記第１のパラメータおよび前記第２のパラメータに基づいて、前記２つの再現信号を生成する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１のパラメータをＳ₃₁、前記第２のパラメータをＳ₄₁、入射信号の周波数をｆ、Ａを所定の定数とし、ａｒｇ（）が偏角を表す場合、前記再現信号が下記式の信号ｉ’および信号ｖ’である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記基準負荷の内の１つは、前記高周波測定装置が測定を行うシステムの特性インピーダンスと同一のインピーダンスを有する負荷である。

本発明の第２の側面によって提供される高周波測定装置は、本発明の第１の側面によって提供される校正方法で校正を行うことを特徴とする。

本発明によれば、センサヘッドの入力端に入射信号を入力して、出力端に基準負荷を再現したときの、電流信号および電圧信号の出力ポートから出力される伝送信号を検出し、当該２つの伝送信号に基づく２つの再現信号を演算装置に入力してインピーダンスを算出させる。検出された２つの伝送信号の情報を記録しておけば、後で２つの再現信号を生成することができる。これにより、周波数を変更しながら第１および第２の工程を行って、検出された２つの伝送信号の情報を周波数毎に記録しておき、後で、第３および第４の工程を行って、周波数毎にインピーダンスを算出させることができる。例えば、高周波回路測定装置などを用いて、入射信号の周波数を変更して基準負荷を再現しながら、２つの伝送信号の情報を周波数毎に記録すれば、周波数毎にダミーロードの調整や、高周波電源装置などの変更を行う必要がない。また、信号生成装置などを用いれば、記録された情報から、周波数毎に２つの再現信号を生成することができる。したがって、従来の方法より手間と時間とコストを低減することができ、高周波測定装置の校正を容易に行うことができる。

本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。

第１実施形態に係る高周波測定装置を用いたプラズマ処理システムの構成を説明するためのブロック図である。 第１実施形態に係る高周波測定装置の内部構成を説明するための図である。 校正パラメータを説明するための図である。 従来の校正方法を説明するための図である。 第１実施形態に係る校正方法を説明するための図である。 第１実施形態に係る校正方法の手順を説明するためのフローチャートである。 第１実施形態に係る校正方法の他の実施例を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を、プラズマ処理装置の監視に用いられる高周波測定装置の場合を例として、添付図面を参照して具体的に説明する。

図１は、第１実施形態に係る高周波測定装置を用いたプラズマ処理システムの構成を説明するためのブロック図である。

プラズマ処理システムＡは、半導体ウェハや液晶基板などの被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。同図に示すようにプラズマ処理システムＡは、高周波電源装置１、インピーダンス整合装置２、高周波測定装置３、およびプラズマ処理装置４を備えている。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を介してインピーダンス整合装置２が接続され、インピーダンス整合装置２には、例えば棒状の銅などからなる伝送線路５を介してプラズマ処理装置４が接続されている。高周波測定装置３は伝送線路５上に設置されている。なお、プラズマ処理システムＡは、特性インピーダンスが５０Ω系として構成されている。

高周波電源装置１は、高周波電力を供給するものであって、例えば数百ｋＨｚ以上の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。

インピーダンス整合装置２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る。インピーダンス整合装置２は、図示しない可変リアクタンス素子（例えば、可変キャパシタ、可変インダクタ等）を備えており、可変リアクタンス素子のリアクタンスを変化させることでインピーダンスを変化させる。インピーダンス整合装置２は、インピーダンス整合装置２の入力端から負荷側を見たインピーダンスが特性インピーダンスとなるように、インピーダンス整合装置２の出力端から負荷側を見たインピーダンスを変換する。

なお、インピーダンス整合装置２内部の電源側には、図示しない高周波測定装置が設けられている。当該高周波測定装置はインピーダンス整合装置２の入力端から負荷側を見たインピーダンスを測定するものであり、インピーダンス整合装置２は測定されたインピーダンスが特性インピーダンスになるように、可変リアクタンス素子のリアクタンスを変化させる。

プラズマ処理装置４は、半導体ウェハや液晶基板等の被加工物をエッチングやＣＶＤ等の方法を用いて加工するための装置である。なお、図示しないが、プラズマ処理装置４は、プラズマを発生させるための窒素ガスやアルゴンガスなどの所定のガスを封入するための容器（チャンバー）と、高周波電源装置１からの高周波電力を容器内のガスに供給するための一対の電極を備えている。

高周波測定装置３は、プラズマ処理中のプラズマ処理装置４の状態を監視するために、プラズマ処理装置４のインピーダンスおよび反射係数や、プラズマ処理装置４の入力端における高周波電圧、高周波電流、進行波電力、および反射波電力などの高周波パラメータを測定する、いわゆるＲＦセンサである。なお、測定されるインピーダンスは高周波電圧および高周波電流を検出する点（測定点）から負荷側を見たインピーダンスであるが、測定点がプラズマ処理装置４の入力端近傍なので、プラズマ処理装置４のインピーダンスに相当する。

図２は、高周波測定装置３の内部構成を説明するためのブロック図である。

同図に示すように、高周波測定装置３は、センサヘッド３１および演算装置３２からなる。

センサヘッド３１は、伝送線路５に配置されて、電流信号ｉおよび電圧信号ｖを検出して演算装置３２に出力するものであり、カレントトランス部３１１およびコンデンサ部３１２を備えている。

カレントトランス部３１１は、伝送線路５に磁気結合させたコイルを備えており、伝送線路５に流れる高周波電流に応じた電流を検出し、検出した電流信号ｉを演算装置３２に出力する。コンデンサ部３１２は、伝送線路５に容量結合させたコンデンサを備えており、伝送線路５に生じる高周波電圧に応じた電圧を検出し、検出した電圧信号ｖを演算装置３２に出力する。

演算装置３２は、センサヘッド３１より入力される電流信号ｉおよび電圧信号ｖに基づいて、各高周波パラメータを演算するものであり、Ａ／Ｄ変換部３２１，３２２、実効値算出部３２３，３２４、位相差検出部３２５、ベクトル変換部３２６、校正部３２７、ベクトル逆変換部３２８およびインピーダンス算出部３２９を備えている。

Ａ／Ｄ変換部３２１は、カレントトランス部３１１より入力された電流信号ｉをデジタル信号に変換して、実効値算出部３２３および位相差検出部３２５に出力する。Ａ／Ｄ変換部３２２は、コンデンサ部３１２より入力された電圧信号ｖをデジタル信号に変換して、実効値算出部３２４および位相差検出部３２５に出力する。

実効値算出部３２３は、電流実効値を算出するものである。実効値算出部３２３は、Ａ／Ｄ変換部３２１より入力される電流信号ｉから電流実効値Ｉを算出して、ベクトル変換部３２６に出力する。実効値算出部３２４は、電圧実効値を算出するものである。実効値算出部３２４は、Ａ／Ｄ変換部３２２より入力される電圧信号ｖから電圧実効値Ｖを算出して、ベクトル変換部３２６に出力する。位相差検出部３２５は、電流と電圧の位相差を検出するものである。位相差検出部３２５は、Ａ／Ｄ変換部３２１より入力される電流信号ｉとＡ／Ｄ変換部３２２より入力される電圧信号ｖとから位相差θを算出して、ベクトル変換部３２６に出力する。

ベクトル変換部３２６は、実効値算出部３２３より入力される電流実効値Ｉ、実効値算出部３２４より入力される電圧実効値Ｖ、および、位相差検出部３２５より入力される位相差θから、ベクトル（複素数）である電流信号Ｉ₀および電圧信号Ｖ₀を算出して校正部３２７に出力する。電流信号Ｉ₀および電圧信号Ｖ₀は、電流信号Ｉ₀の位相を基準（実数軸、虚数部０）として、Ｉ₀＝Ｉ＋ｊ０、Ｖ₀＝Ｖｃｏｓθ＋ｊＶｓｉｎθで算出される。

校正部３２７は、ベクトル変換部３２６から入力される電流信号Ｉ₀および電圧信号Ｖ₀に校正を行うものである。校正部３２７は、図示しないメモリに記録されている校正パラメータＸを用いて電流信号Ｉ₀および電圧信号Ｖ₀に校正を行い、校正後の電流信号Ｉ₁および電圧信号Ｖ₁をベクトル逆変換部３２８に出力する。なお、本願では、測定値を校正パラメータで正しい値に換算することも、「校正」としている。

校正パラメータＸは、３つの基準負荷に基づいて算出されて、メモリに記録されている。ベクトル変換部３２６から出力される電流信号Ｉ₀および電圧信号Ｖ₀と、伝送線路５に流れる高周波電流および伝送線路５に生じる高周波電圧との関係を２端子対回路に置き換えると、電流信号Ｉ₀および電圧信号Ｖ₀を電流信号Ｉ₁および電圧信号Ｖ₁に校正する校正パラメータＸを、図３に示す２次元のベクトル行列と考えることができる。

校正パラメータＸの各要素Ｘ₁₁、Ｘ₁₂、Ｘ₂₁、Ｘ₂₂は、高周波測定装置３で測定した３つの基準負荷のインピーダンスと、３つの基準負荷のインピーダンスの真値とから算出することができる。なお、当該算出を行うためには、基準となる電圧値と電流値の絶対値が必要となる。電圧値と電流値の絶対値を基準値として利用するには、精度の高い電力測定値が必要となる。精度の高い電力測定値を測定するには、反射電力が０となる負荷を接続して測定するのが最もよい。したがって、本実施形態では、反射電力０を実現するために、特性インピーダンスと同一のインピーダンス（すなわち、５０Ω）を有する負荷を基準負荷の１つに選定している。なお、上述したように、基準負荷の１つを特性インピーダンスを有する負荷としているのは精度の高い電力測定値を測定するためであるので、電力測定値を高い精度で測定できるのであれば、特性インピーダンス以外の負荷を用いるようにしてもよい。

なお、基準負荷のうちの２つは、できるだけ広いインピーダンスの範囲を含めるために、開放状態のインピーダンスおよび短絡状態のインピーダンスにそれぞれ近いインピーダンスを有する負荷とすることが望ましい。一方、基準負荷として開放状態または短絡状態に近すぎるインピーダンスを有する負荷を用いた場合、高周波測定装置３によって検出される電圧値または電流値の一方が他方に比べ極めて小さい値になる。この場合、第１の校正パラメータＸの各要素Ｘ₁₁、Ｘ₁₂、Ｘ₂₁、Ｘ₂₂を適切に算出することができない。したがって、本実施形態では、反射係数の大きさが例えば０．９以下である負荷を基準負荷としている。なお、高周波測定装置３のインピーダンスの測定範囲が限定される場合は、測定範囲のインピーダンスに対して高い精度で校正を行うことができるように、３つの基準負荷のインピーダンスを、狭いインピーダンス範囲になるように設定してもよい。

従来の校正方法では、基準負荷を高周波測定装置３に接続して、高周波電源装置１から基準負荷に電力を供給した状態で、高周波測定装置３で基準負荷のインピーダンスを測定し、インピーダンスアナライザで基準負荷のインピーダンスの真値を測定していた。

図４は、従来の一般的な校正方法における、基準負荷のインピーダンスの測定方法を説明するための図である。

まず、図４(ａ)に示すように、ダミーロード６にインピーダンスアナライザ７を接続して、ダミーロード６を基準負荷のインピーダンス（例えば、５０Ω）に設定する。ダミーロード６は、所定の基準負荷を再現するための負荷装置であり、図示しない可変リアクタンス素子（例えば、可変キャパシタ、可変インダクタ等）のリアクタンスを変化させることでインピーダンスを変化させる。インピーダンスアナライザ７は、インピーダンスを測定するものである。インピーダンスアナライザ７でダミーロード６のインピーダンスを測定しながら、ダミーロード６の可変リアクタンス素子のリアクタンスを調整することで、ダミーロード６を基準負荷のインピーダンスに設定する。

次に、図４(ｂ)に示すように、基準負荷が再現されたダミーロード６を高周波測定装置３のセンサヘッド３１の出力端に接続し、センサヘッド３１の入力端に、インピーダンス整合装置２を介して、高周波電源装置１を接続する。そして、高周波電源装置１から電力を供給して、高周波測定装置３でダミーロード６のインピーダンスを測定する。

以上を３つの基準負荷に対して行い、それぞれのインピーダンスの真値と、高周波測定装置３で測定したインピーダンスとを取得する。これらの値を用いて校正パラメータＸが算出され、高周波測定装置３の演算装置３２のメモリに記録される。

高周波測定装置３は、高調波の高周波パラメータの測定もできるように、複数の周波数の高周波の測定に対応しているので、校正パラメータＸも周波数毎に用意する必要がある。ダミーロード６のインピーダンスは、周波数によって異なるので、周波数が変わると調整し直す必要がある。また、周波数によっては基準負荷のインピーダンスを再現できない場合があり、その場合は別のダミーロード６を用意する必要がある。また、高周波電源装置１やインピーダンス整合装置２も同様であり、周波数毎に変更する必要がある。このように、従来の方法では、複数の周波数に対応できる高周波測定装置３の校正は、手間と時間とコストがかかるという問題があった。

次に、第１実施形態に係る校正方法について、図５および図６を参照して説明する。

図５は、第１実施形態に係る校正方法における、基準負荷のインピーダンスの測定方法を説明するための図である。図６は、第１実施形態に係る校正方法の処理手順を説明するためのフローチャートである。当該フローチャートは、高周波測定装置３の校正パラメータＸを算出するための処理手順を示している。

まず、図５(ａ)に示すように、センサヘッド３１にネットワークアナライザ８を接続する（Ｓ１）。ネットワークアナライザ８は、高周波回路網に高周波信号（入射信号）を入力し、反射信号および伝送信号を測定して、高周波回路網の高周波特性を測定する高周波回路測定装置である。ネットワークアナライザ８は、４つのポートを有しており、各ポートからの入射信号に対する反射信号および伝送信号を測定することができ、下記(１)式に示す４行４列のＳパラメータを算出することができる。例えば、ポートＰ１から入射信号を測定対象に入力したときの、入射信号に対する反射信号の割合がＳ₁₁であり、入射信号に対する各ポートＰ２〜Ｐ４の伝送信号の割合がそれぞれＳ₂₁、Ｓ₃₁、Ｓ₄₁である。ネットワークアナライザ８はベクトルネットワークアナライザなので、Ｓパラメータの各要素はベクトルであり、複素数で表され、信号の大きさの割合と位相差の情報を含んでいる。

ネットワークアナライザ８のポートＰ１は、センサヘッド３１の入力端であるポートＰ１’に接続されており、ネットワークアナライザ８のポートＰ２は、センサヘッド３１の出力端であるポートＰ２’に接続されている。また、ネットワークアナライザ８のポートＰ３は、センサヘッド３１が電流信号ｉを出力するポートＰ３’に接続されており、ネットワークアナライザ８のポートＰ４は、センサヘッド３１が電圧信号ｖを出力するポートＰ４’に接続されている。

ネットワークアナライザ８は、図示しない内部の信号源からポートＰ１に、周波数ｆ１の高周波信号を出力し（Ｓ４）、ポートＰ２に基準負荷（例えば５０Ω）を再現する（Ｓ５）。ポートＰ１から出力された高周波信号は、入射信号として、ポートＰ１’からセンサヘッド３１に入力される。ネットワークアナライザ８は、ポートＰ１’で反射されてポートＰ１に入力される反射信号を検出する。また、ネットワークアナライザ８は、ポートＰ２’,Ｐ３’,Ｐ４’から出力されて、それぞれポートＰ２,Ｐ３,Ｐ４に入力される伝送信号を検出する。ネットワークアナライザ８は、入射信号、反射信号、伝送信号から、ＳパラメータＳ₁₁,Ｓ₂₁,Ｓ₃₁,Ｓ₄₁を算出する（Ｓ６）。つまり、図４（ｂ）に示す高周波電源装置１、インピーダンス整合装置２およびダミーロード６の代わりに、ネットワークアナライザ８を用いる。そして、センサヘッド３１から電流信号ｉおよび電圧信号ｖを出力する代わりに、Ｓパラメータを算出する。なお、必要なのはＳ₃₁およびＳ₄₁なので、その他のＳパラメータは算出しなくてもよい。

次に、ネットワークアナライザ８は、内部の信号源からポートＰ１に、周波数ｆ２の高周波信号を出力して（Ｓ４）、ポートＰ２に基準負荷を再現し（Ｓ５）、入射信号、反射信号、伝送信号から、ＳパラメータＳ₃₁,Ｓ₄₁を算出する。同様に、内部の信号源の高周波信号の周波数を変更しながら基準負荷を再現し、必要な周波数（ｆ３、ｆ４、…）の場合のＳパラメータＳ₃₁,Ｓ₄₁を算出する（Ｓ３−Ｓ３’）。

以上を３つの基準負荷に対してそれぞれ行い（Ｓ２−Ｓ２’）、それぞれの基準負荷毎に、周波数毎のＳパラメータＳ₃₁,Ｓ₄₁を記録する。周波数の変更および基準負荷の変更は、ネットワークアナライザ８の設定変更で行うことができるので、センサヘッド３１とネットワークアナライザ８との接続を変更する必要がない。

次に、算出されたＳパラメータＳ₃₁,Ｓ₄₁を用いて、センサヘッド３１から出力される電流信号ｉおよび電圧信号ｖを再現し、演算装置３２に入力することで、高周波測定装置３で測定されるインピーダンスを演算装置３２に算出させる。具体的には、図５(ｂ)に示すように、信号発生装置９を高周波測定装置３の演算装置３２に接続する（Ｓ７）。信号発生装置９は、信号を発生させる、いわゆるシグナルジェネレータであり、発生させる信号の周波数およびレベルを変更することができる。信号発生装置９は、２つの出力ポートを備えており、２種類の信号を発生させて、それぞれの出力ポートから出力することができる。信号発生装置９の２つの出力ポートは、演算装置３２の電流信号ｉおよび電圧信号ｖが入力される各入力ポートに、それぞれ接続されている。

次に、信号発生装置９は、下記(２)、(３)式に示す再現信号ｉ’，ｖ’を生成して、演算装置３２に出力する（Ｓ１０）。Ａは所定の定数であり、ｆは周波数である。また、ａｒｇ（）は偏角を表し、入射信号に対する伝送信号の位相差を示している。再現信号ｉ’，ｖ’は、それぞれ電流信号ｉおよび電圧信号ｖを再現したものである。再現信号ｉ’は演算装置３２の電流信号ｉの入力ポートに入力され、再現信号ｖ’は演算装置３２の電圧信号ｖの入力ポートに入力される。

Ｓ₃₁は入射信号に対するポートＰ３’の伝送信号の割合であり、Ｓ₄₁は入射信号に対するポートＰ４’の伝送信号の割合である。したがって、ポートＰ４’から出力される信号の振幅は、ポートＰ３’から出力される信号の振幅を（｜Ｓ₄₁｜／｜Ｓ₃₁｜）倍にしたものである。また、ポートＰ３’の伝送信号の位相は入射信号の位相よりａｒｇ（Ｓ₃₁）だけ遅れており、ポートＰ４’の伝送信号の位相は入射信号の位相よりａｒｇ（Ｓ₄₁）だけ遅れている。したがって、ポートＰ４’から出力される信号の位相は、ポートＰ３’から出力される信号の位相より、位相差θだけ遅れる。再現信号ｖ’は、再現信号ｉ’の振幅を（｜Ｓ₄₁｜／｜Ｓ₃₁｜）倍にして、位相をθだけ遅らせたものである。インピーダンスの算出において、電流信号ｉと電圧信号ｖの振幅の比は関係あるが、振幅自体は関係ないので、上記(２)、(３)式に示す再現信号ｉ’，ｖ’を電流信号ｉおよび電圧信号ｖの代わりに用いることができる。

演算装置３２は、上記(２)、(３)式に示す再現信号ｉ’，ｖ’を、電流信号ｉおよび電圧信号ｖの代わりに入力されて、インピーダンスを算出する（Ｓ１１）。つまり、信号発生装置９が、図４（ｂ）に示す高周波電源装置１、インピーダンス整合装置２、センサヘッド３１およびダミーロード６の代わりになる。

これを、基準負荷毎、周波数毎に、対応するＳパラメータＳ₃₁,Ｓ₄₁を用いて行う。すなわち、１つめの基準負荷（例えば、５０Ω）で周波数ｆ１の場合に算出したＳパラメータＳ₃₁,Ｓ₄₁と、ｆ＝ｆ１とを上記(２)、(３)式に代入した再現信号ｉ’，ｖ’を、信号発生装置９が発生させて、演算装置３２に出力し（Ｓ１０）、１つめの基準負荷の周波数ｆ１の場合のインピーダンスを、演算装置３２が算出する（Ｓ１１）。そして、信号発生装置９が周波数ｆを変更して、再現信号ｉ’，ｖ’を出力し、演算装置３２が、各周波数の場合の１つめの基準負荷のインピーダンスを、それぞれ算出する（Ｓ９−Ｓ９’）。

以上を３つの基準負荷に対してそれぞれ行い（Ｓ８−Ｓ８’）、それぞれの基準負荷毎に、周波数毎のインピーダンスを記録する。周波数の変更および基準負荷の変更は、信号発生装置９の設定変更で行うことができるので、信号発生装置９と演算装置３２との接続を変更する必要がない。

次に、３つの基準負荷のインピーダンスの真値と、高周波測定装置３で測定したインピーダンスとから、校正パラメータＸを算出する（Ｓ１２）。周波数毎に校正パラメータＸが算出されて、高周波測定装置３の演算装置３２のメモリに記録される。

ネットワークアナライザ８を用いたＳパラメータＳ₃₁，Ｓ₄₁の算出のための処理（図５（ａ）および図６のステップＳ２−Ｓ２’参照）、信号発生装置９での再現信号ｉ’，ｖ’の生成と演算装置３２でのインピーダンス算出のための処理（図５（ｂ）および図６のステップＳ８−Ｓ８’参照）、および、校正パラメータＸの算出のための処理（図６のステップＳ１２参照）は、それぞれ、作業者が手作業で行うようにしてもよいし、制御装置で行うようにしてもよい。制御装置で行う場合は、図７（ａ）に示すように、制御装置１０がネットワークアナライザ８の基準負荷および周波数の変更を行いながら、算出された各ＳパラメータＳ₃₁,Ｓ₄₁をメモリに記憶する。そして、制御装置１０が、記憶された各ＳパラメータＳ₃₁,Ｓ₄₁に応じた再現信号ｉ’，ｖ’を生成するように信号発生装置９を設定し、演算装置３２が算出したインピーダンスをメモリに記憶する。そして、制御装置１０が、周波数毎に校正パラメータＸを算出して、演算装置３２のメモリに記録すればよい。

図２に戻って、校正部３２７は、記録された校正パラメータＸを用いて、電流信号Ｉ₀および電圧信号Ｖ₀に校正を行う。このとき、高周波測定装置３が検出する高周波信号の周波数に対応した校正パラメータＸを、メモリから読み出して用いる。周波数は、例えば、Ａ／Ｄ変換部３２１より入力される電流信号ｉ（または、Ａ／Ｄ変換部３２２より入力される電圧信号ｖ）から検出する。校正パラメータＸを用いて、図３より、電流信号Ｉ₀および電圧信号Ｖ₀を校正後の電流信号Ｉ₁および電圧信号Ｖ₁に変換することができる。すなわち、図３より導かれる下記（４）、（５）式より、校正後の電流信号Ｉ₁および電圧信号Ｖ₁を算出することができる。

ベクトル逆変換部３２８は、校正部３２７より入力される校正後の電流信号Ｉ₁および電圧信号Ｖ₁から、校正後の電流実効値Ｉ’、電圧実効値Ｖ’、および位相差θ’を算出して出力する。

インピーダンス算出部３２９は、インピーダンスを算出するものである。インピーダンス算出部３２９は、ベクトル逆変換部３２８より入力される校正後の電流実効値Ｉ’、電圧実効値Ｖ’、および位相差θ’から、下記（６）〜（８）式により、インピーダンスＺを算出して出力する。なお、高周波測定装置３は、進行波電力Ｐｆや反射波電力Ｐｒなどの高周波パラメータも算出して出力するが、同図においてはこれらを算出する構成の記載を省略している。

次に、第１実施形態に係る校正方法の作用効果について説明する。

第１実施形態においては、ネットワークアナライザ８が、センサヘッド３１の入力端に入射信号を入力して、出力端に基準負荷を再現したときのＳパラメータＳ₃₁,Ｓ₄₁を算出する処理を、基準負荷毎、周波数毎に行い、算出したパラメータＳ₃₁,Ｓ₄₁を記録する。周波数の変更および基準負荷の変更は、ネットワークアナライザ８の設定変更で行うことができるので、センサヘッド３１とネットワークアナライザ８との接続を変更する必要がない。また、信号発生装置９が、基準負荷毎、周波数毎に対応するパラメータＳ₃₁,Ｓ₄₁に基づく再現信号ｉ’，ｖ’を演算装置３２に出力し、演算装置３２がそれぞれインピーダンスを算出する。周波数の変更および基準負荷の変更は、信号発生装置９の設定変更で行うことができるので、信号発生装置９と演算装置３２との接続を変更する必要がない。また、ネットワークアナライザ８と信号発生装置９とがあれば校正でき、周波数毎にダミーロード６や高周波電源装置１などを用意する必要がない。したがって、従来の校正方法と比べて、手間と時間とコストを低減することができ、高周波測定装置３の校正を容易に行うことができる。

なお、本実施形態では、演算装置３２が、ベクトルである電流信号Ｉ₀および電圧信号Ｖ₀を校正する場合について説明したが、これに限られない。例えば、電流実効値Ｉ、電圧実効値Ｖ、位相差θを校正するようにしてもよい。

本実施形態では、３つの基準負荷に基づいて校正を行う場合について説明したが、４つ以上の基準負荷に基づいて校正を行うようにしてもよい。

本実施形態では、ネットワークアナライザ８を用いる場合について説明したが、これに限られない。ＳパラメータＳ₃₁，Ｓ₄₁を算出することができる高周波回路測定装置であればよい。例えば、周波数変更可能な高周波電源装置と、周波数に応じてインピーダンスを自動調整するダミーロードを用いるようにしてもよい。

本実施形態では、ＳパラメータＳ₃₁，Ｓ₄₁を算出し、これらに基づいて再現信号ｉ’，ｖ’を生成する場合について説明したが、これに限られない。ＳパラメータＳ₃₁，Ｓ₄₁を算出せずに、ポートＰ１から入射信号を出力したときの、ポートＰ３,Ｐ４で検出される伝送信号に基づいて、再現信号ｉ’，ｖ’を生成するようにしてもよい。ポートＰ３で検出される伝送信号ｂ₃およびポートＰ４で検出される伝送信号ｂ₄をそれぞれ下記（９）、（１０）式とすると、再現信号ｉ’，ｖ’をそれぞれ下記（１１）、（１２）式とすればよい。

本実施形態では、信号発生装置９が再現信号ｉ’，ｖ’をアナログ的に生成する場合について説明したが、これに限られない。例えば、ダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）でデジタル信号的に再現信号ｉ’，ｖ’を生成するようにしてもよい。

本発明に係る高周波測定装置および高周波測定装置の校正方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。また、本発明に係る高周波測定装置および高周波測定装置の校正方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ プラズマ処理システム
１ 高周波電源装置
２ インピーダンス整合装置
３ 高周波測定装置
３１ センサヘッド
３１１ カレントトランス部
３１２ コンデンサ部
３２ 演算装置
３２１，３２２ Ａ／Ｄ変換部
３２３，３２４ 実効値算出部
３２５ 位相差検出部
３２６ ベクトル変換部
３２７ 校正部
３２８ ベクトル逆変換部
３２９ インピーダンス算出部
４ プラズマ処理装置
５ 伝送線路
６ ダミーロード
７ インピーダンスアナライザ
８ ネットワークアナライザ（高周波回路測定装置）
９ 信号発生装置
１０ 制御装置

Claims (6)

1. 高周波電流および高周波電圧を検出して、電流信号および電圧信号として出力するセンサヘッドと、前記センサヘッドより入力される電流信号および電圧信号に基づいてインピーダンスを算出する演算装置とを備える高周波測定装置の校正方法であって、
   前記センサヘッドの入力端に入射信号を入力して、出力端に基準負荷を再現する第１の工程と、
   前記センサヘッドの電流信号の出力ポートから出力される伝送信号と、電圧信号の出力ポートから出力される伝送信号とを検出する第２の工程と、
   少なくとも前記２つの伝送信号に基づいてパラメータを算出する第３の工程と、
   信号発生装置に前記演算装置を接続した状態で、前記信号発生装置が前記パラメータに基づいて２つの再現信号を生成して、前記演算装置に入力する第４の工程と、
   前記演算装置にインピーダンスを算出させる第５の工程と、
   前記第１の工程で再現した基準負荷のインピーダンスの真値と、前記第５の工程で算出したインピーダンスとに基づいて、校正パラメータを算出し、前記高周波測定装置に設定する第６の工程と、
   を備えていることを特徴とする校正方法。
2. 前記第１ないし第５の工程は３つの基準負荷に対して行われ、
   前記第６の工程は、３つの基準負荷のインピーダンスの真値と、前記演算装置で算出されたインピーダンスとに基づいて、校正パラメータを算出する、
   請求項１に記載の校正方法。
3. 前記第１ないし第３の工程は、４つのポートを有する高周波回路測定装置に、前記センサヘッドを接続した状態で行われ、
   前記第３の工程では、前記パラメータとして、前記入射信号に対する、電流信号の出力ポートから出力される伝送信号の割合である第１のパラメータと、前記入射信号に対する、電圧信号の出力ポートから出力される伝送信号の割合である第２のパラメータとを算出する、
   請求項１または２に記載の校正方法。
4. 前記第１のパラメータをＳ₃₁、前記第２のパラメータをＳ₄₁、前記入射信号の周波数をｆ、Ａを所定の定数とし、ａｒｇ（）が偏角を表す場合、前記再現信号が下記式の信号ｉ’および信号ｖ’である、
   請求項３に記載の校正方法。
   

   
5. 前記基準負荷の内の１つは、前記高周波測定装置が測定を行うシステムの特性インピーダンスと同一のインピーダンスを有する負荷である、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の校正方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の校正方法で校正を行う、
   ことを特徴とする高周波測定装置。

Images