JP6497724B1 - 高周波電源システムに設けられるインピーダンス整合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷のインピーダンスが連続的に変化した場合においても、高周波電源と負荷との間のインピーダンス不整合を早期に改善することができるインピーダンス整合装置を提供する。【解決手段】本発明に係るインピーダンス整合装置は、機械的に定数が変更される整合器を介して高周波電源の出力を負荷に供給するよう構成された高周波電源システムに設けられ、高周波電源と負荷との間における整合状態を示す整合状態値を取得する整合状態値取得部と、整合状態値に基づいて高周波電源の発振周波数を制御する制御部とを備えている。制御部は、整合状態値が整合状態の悪化を示すと、整合状態が改善する方向に第１の傾きで発振周波数を変化させていった後、第１の傾きよりも緩やかな第２の傾きで発振周波数を元に戻していく。【選択図】図４

Description

本発明は、機械的に定数が変更される整合器を介して高周波電源の出力を負荷に供給するよう構成された高周波電源システムに設けられるインピーダンス整合装置に関する。

エッチングや薄膜形成といった半導体製造工程では、プラズマ処理装置と該プラズマ処理装置に必要な電力を供給する高周波電源システムとが用いられる。高周波電源システムは、通常、プラズマ処理装置への電力の供給を安定的かつ効率的に行うために、プラズマ処理装置とのインピーダンス整合を図る機能を有している。

特許文献１には、高周波電源１０１と、インピーダンス整合装置１０２と、整合器１０３とを備えた、インピーダンス整合機能を有する高周波電源システム１００が開示されている（図１１参照）。インピーダンス整合装置１０２は、高周波電源１０１と負荷２０（プラズマ処理装置）との間におけるインピーダンスの整合状態に応じて、高周波電源１０１の発振周波数を変更するように構成されている。また、整合器１０３は、機械的に定数が変更される受動素子から構成されている。

この高周波電源システム１００によれば、整合可能な範囲は狭いが整合速度が速い発振周波数の変更によるインピーダンス整合と、整合可能な範囲は広いが整合速度が遅い整合器１０３によるインピーダンス整合とを協働させることにより、従来よりも広い範囲での整合が可能になる、とのことである。

国際公開第２０１３／１３２５９１号

しかしながら、上記従来の高周波電源システム１００は、プラズマが着火した後に負荷２０のインピーダンスが連続的に変化すると、これにより生じたインピーダンス不整合を改善することができず、その結果、プラズマが不安定になったり失火したりすることがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、負荷のインピーダンスが連続的に変化した場合においても、高周波電源と負荷との間のインピーダンス不整合を早期に改善する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。

上記課題を解決するために、本発明に係るインピーダンス整合装置は、機械的に定数が変更される整合器を介して高周波電源の出力を負荷に供給するよう構成された高周波電源システムに設けられるものであって、高周波電源と負荷との間における整合状態を示す整合状態値を取得する整合状態値取得部と、整合状態値に基づいて高周波電源の発振周波数を制御する制御部とを備え、制御部は、整合状態値の変化量が予め定められた閾値を上回ると、整合状態が悪化したと判定し、整合状態が改善する方向に第１の傾きで発振周波数を変化させていき、その後、第１の傾きよりも緩やかな第２の傾きで発振周波数を元に戻していく、との構成を有している。

上記インピーダンス整合装置の制御部は、予め定められた不整合抑制期間の間、第１の傾きで発振周波数を変化させていく、との構成を有していてもよい。この場合、制御部は、不整合抑制期間が終了すると、整合状態値が示す整合状態の如何にかかわらず、第２の傾きで発振周波数を元に戻し始める、との構成をさらに有していてもよい。

あるいは、上記インピーダンス整合装置の制御部は、整合状態が予め定められた程度にまで改善したことを整合状態値が示すまでの間、第１の傾きで発振周波数を変化させていく、との構成を有していてもよい。

また、上記インピーダンス整合装置では、整合状態値として、反射波の大きさに関する値を使用することができる。

なお、上記インピーダンス整合装置の負荷は、例えば、プラズマ処理装置である。

本発明によれば、負荷のインピーダンスが連続的に変化した場合においても、高周波電源と負荷との間のインピーダンス不整合を早期に改善することができるインピーダンス整合装置を提供することができる。

本発明に係るインピーダンス整合装置を含む高周波電源システムの概略的な構成を示すブロック図である。 整合器の具体的な構成を示す回路図である。 本発明の第１実施例に係るインピーダンス整合装置に備えられた制御部の動作を示すフロー図である。 第１実施例に係る高周波電源システムの動作を示す図である。 第１実施例に係る高周波電源システムの別の動作を示す図である。 第１実施例に係る高周波電源システムのさらに別の動作を示す図である。 比較例に係る高周波電源システムの動作を示す図である。 比較例に係る高周波電源システムの別の動作を示す図である。 本発明の第２実施例に係るインピーダンス整合装置に備えられた制御部の動作を示すフロー図である。 第２実施例に係る高周波電源システムの動作を示す図である。 従来の高周波電源システムの概略的な構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るインピーダンス整合装置の実施例について説明する。

［第１実施例］
図１に、本発明の第１実施例に係るインピーダンス整合装置１２を含む高周波電源システム１０を示す。高周波電源システム１０は、負荷２０に必要な電力を供給するためのものであり、同図に示すように、高周波電源１１および整合器１６をさらに含んでいる。

高周波電源１１は、整合器１６を介して負荷２０に高周波電力を出力する。高周波電源１１は、インピーダンス整合装置１２からの指令に応じて発振周波数（すなわち、高周波電力の周波数）がある程度の範囲（本実施例では、１３．５６ＭＨｚを中心とした±１．００ＭＨｚの範囲）で調整され得るよう構成されている。

整合器１６は、図２（Ａ）に示すように、定数（容量）が変更され得る２つのコンデンサと、１つのインダクタとを備えている。コンデンサの定数は、整合器１６に含まれる不図示の整合状態検知部および制御部によって、高周波電源１１と負荷２０との間のインピーダンス不整合が改善されるように変更される。ただし、この変更は、電動アクチュエータ等を用いて機械的に行われるので、非常に緩やかである。

なお、整合器１６の回路構成は、図２（Ａ）に示したものに限定されず、例えば、同図（Ｂ）〜（Ｄ）に示したようなものであってもよい。本発明では、整合器１６の回路構成を、負荷２０の構成等に応じて適宜選択することができる。

図１から明らかなように、整合器１６は、インピーダンス整合装置１２から独立している。したがって、インピーダンス整合装置１２から見れば、整合器１６における定数の変更は、自立的であると言える。

負荷２０は、エッチングや薄膜形成といった半導体製造工程において用いられるプラズマ処理装置（より詳しくは、プラズマ処理装置を構成するプラズマチャンバに巻かれたコイル）である。負荷２０のインピーダンスは、プラズマチャンバ内に導入されるガスの種別および量等に応じて、刻一刻と変動する。

インピーダンス整合装置１２は、整合状態値取得部１３と、制御部１４と、設定記憶部１５とを備えている。インピーダンス整合装置１２は、その全部が高周波電源１１または整合器１６の筐体に収容されていてもよいし、一部（例えば、制御部１４と設定記憶部１５）のみが高周波電源１１または整合器１６の筐体に収容されていてもよい。あるいは、高周波電源１１、インピーダンス整合装置１２および整合器１６の全部が、１つの筐体に収容されていてもよい。

整合状態値取得部１３は、高周波電源１１と整合器１６とを繋ぐ電力線に介装された方向性結合器からなる。整合状態値取得部１３は、高周波電源１１と負荷２０との間における整合状態を示す整合状態値として、反射波の大きさに関する値（反射電力値）を出力する。設定記憶部１５は、揮発性または不揮発性のメモリからなる。設定記憶部１５は、ユーザーによって入力された制御部１４の動作に関する設定情報を記憶している。制御部１４は、演算処理ユニットＭＰＵ（Micro-Processing Unit）等からなる。制御部１４は、整合状態値取得部１３から出力された整合状態値と、設定記憶部１５に記憶された設定情報とに基づいて、高周波電源１１の発振周波数を制御するための制御信号を出力する。

続いて、図３〜図５を参照しながら、第１実施例における制御部１４の動作例について説明する。なお、以下では、説明の簡単のために、プラズマの着火が既に完了し、高周波電源１１の発振周波数が中心周波数Ｆ０（＝１３．５６ＭＨｚ）であり、かつ反射波が生じていないときに負荷２０のインピーダンスが変動した場合について説明する。

まず、制御部１４は、設定記憶部１５に記憶されている設定情報を読み込む（ステップＳ１−１）。設定情報には、第１の傾きと、第２の傾きと、不整合抑制期間と、閾値とが含まれる。

次に、制御部１４は、整合状態値に基づいて整合状態が急激に悪化したか否かを判定する（ステップＳ１−２）。より詳しくは、制御部１４は、１００μｓおきに整合状態値を参照し、１つ前の整合状態値から最新の整合状態値への変化量が閾値ΔＲｔｈを上回れば、整合状態が急激に悪化したと判定する。制御部１４は、整合状態が急激に悪化するまで、１００μｓおきにステップＳ１−２を繰り返し実行する。

整合状態が急激に悪化すると、制御部１４は、不整合抑制期間Ｔ１の間、整合状態が改善する方向に第１の傾きで発振周波数を変化させていく（ステップＳ１−３）。より詳しくは、制御部１４は、１００μｓおきに第１の傾きに対応する量だけ発振周波数を変化（図４および図５に示す動作例では、低下）させていく。

本実施例では、不整合抑制期間Ｔ１が５００μｓに設定されている。このため、制御部１４は、不整合抑制期間Ｔ１の間に発振周波数を５回変化させる。また、本実施例では、第１の傾きが５Ｈｚ／μｓに設定されている。このため、制御部１４は、１００μｓおきに発振周波数を５００Ｈｚだけ低下（または上昇）させる。

不整合抑制期間Ｔ１が経過すると、制御部１４は、第２の傾きで発振周波数を中心周波数Ｆ０に戻していく（ステップＳ１−４）。より詳しくは、制御部１４は、１００μｓおきに第２の傾きに対応する量だけ発振周波数を中心周波数Ｆ０に近づく方向に変化（図４および図５に示す動作例では、上昇）させていく。

本実施例では、第２の傾きが２．５Ｈｚ／ｍｓに設定されている。すなわち、本実施例では、第２の傾きが第１の傾きの１／２０００に設定されている。このため、制御部１４は、１００μｓおきに発振周波数を０．２５Ｈｚだけ低下（または上昇）させる。

なお、制御部１４は、不整合抑制期間Ｔ１の間に不整合がかなり改善された場合（図４参照）だけでなく、不整合抑制期間Ｔ１の間に不整合があまり改善されなかった場合（図５参照）も、不整合抑制期間Ｔ１が経過すると、第１の傾きで発振周波数をさらに変化させることなくステップＳ１−４を実行する。

ステップＳ１−３で改善されなかった不整合は、整合器１６の定数が自立的に変更されることによりゆっくりと改善されていく。すなわち、高周波電源１１の発振周波数が第２の傾きで中心周波数Ｆ０に戻っていく期間Ｔ２では、定数の変更と発振周波数の変更とが並行して行われることになるが、上述した通り、第２の傾きは非常に緩やかなので、２つの変更が競合してハンチングが起こることはない。

このように、本実施例に係るインピーダンス整合装置１２は、高周波電源１１の発振周波数を変化させることにより不整合をある程度まで改善した後に、発振周波数を元の周波数に戻す。このため、本実施例に係るインピーダンス整合装置１２によれば、整合状態が連続的に悪化しても、発振周波数を上限周波数Ｆ１（本実施例では、１４．５６ＭＨｚ）および下限周波数Ｆ２（本実施例では、１２．５６ＭＨｚ）の範囲内で変化させることにより、整合状態を短期間で改善することができる（図６参照）。

一方、ステップＳ１−３の後にステップＳ１−４を実行しない比較例（図７および図８参照）では、整合状態が連続的に悪化すると、発振周波数が上限周波数Ｆ１および下限周波数Ｆ２のいずれか（図８では、下限周波数Ｆ２）に達し、それ以降は、発振周波数を変化させることによる整合状態の改善を行うことができなくなる。すなわち、比較例では、整合状態が連続的に悪化したときに、整合状態を短期間で改善することができない。なお、上述の特許文献１に記載の高周波電源システム１００は、ステップＳ１−４に相当する動作を行わないという点において、上記比較例と共通している。

［第２実施例］
本発明の第２実施例に係るインピーダンス整合装置１２は、第１実施例と同様、整合状態値取得部１３と、制御部１４と、設定記憶部１５とを備えている。ただし、本実施例における制御部１４は、第１実施例における制御部とは異なった動作をする。以下、図９および図１０を参照しながら、第２実施例における制御部１４の動作例について説明する。

まず、制御部１４は、設定記憶部１５に記憶されている設定情報を読み込む（ステップＳ２−１）。設定情報には、第１の傾きと、第２の傾きと、不整合抑制期間と、閾値とが含まれる。

次に、制御部１４は、第１実施例のステップＳ１−２と同様に、整合状態が急激に悪化したか否かを判定する（ステップＳ２−２）。制御部１４は、整合状態が急激に悪化するまで、１００μｓおきにステップＳ２−２を繰り返し実行する。

整合状態が急激に悪化すると、制御部１４は、整合状態が改善する方向に第１の傾きで発振周波数を変化させ始める（ステップＳ２−３）。より詳しくは、制御部１４は、１００μｓおきに第１の傾きに対応する量だけ発振周波数を変化（図１０に示す動作例では、低下）させ始める。第１の傾きは、第１実施例と同様、５Ｈｚ／μｓに設定されている。

次に、制御部１４は、発振周波数を変化させ始めてからの累積期間が不整合抑制期間Ｔ１に達したか否か、言い換えると、不整合抑制期間Ｔ１が経過したか否かを判定する（ステップＳ２−４）。

不整合抑制期間Ｔ１が経過したとの判定がなされた場合、制御部１４は、第１実施例のステップＳ１−４と同様に、第２の傾きで発振周波数を中心周波数Ｆ０に戻していく（ステップＳ２−７）。第２の傾きは、第１実施例と同様、２．５Ｈｚ／ｍｓに設定されている。すなわち、本実施例においても、第２の傾きは第１の傾きの１／２０００である。

一方、不整合抑制期間Ｔ１が経過していないとの判定がなされた場合、制御部１４は、ステップＳ２−２と同様にして、整合状態が再び急激に悪化したか否かを判定する（ステップＳ２−５）。

整合状態が再び急激に悪化したとの判定がなされた場合、制御部１４は、発振周波数を変化させ始めてからの累積期間をリセットするとともに（ステップＳ２−６）、整合状態が改善する方向に第１の傾きで発振周波数を変化させ始める（ステップＳ２−３）。

制御部１４は、不整合抑制期間Ｔ１が経過するか、不整合抑制期間Ｔ１中に整合状態が急激に悪化するまで、ステップＳ２−４およびステップＳ２−５を繰り返し実行する。

このように、本実施例に係るインピーダンス整合装置１２は、不整合抑制期間Ｔ１中に整合状態が再び急激に悪化すると、その悪化を始点とした不整合抑制期間Ｔ１の間は第１の傾きで発振周波数を変化させ続ける。したがって、本実施例に係るインピーダンス整合装置１２によれば、整合状態が非常に短い間隔で連続的に悪化しても、整合状態を短期間で改善することができる。

［変形例］
なお、本発明に係るインピーダンス整合装置には、以下に例示する変形例がある。

制御部１４は、整合状態が急激に悪化したか否かを判定する際に参照する整合状態値として、反射波の電力と進行波の電力とから求められる電圧定在波比ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）を使用してもよい。

設定記憶部１５は、「第１の傾き」および「第２の傾き」として、発振周波数を変化させる間隔および１回あたりに変化させる量の組み合わせを記憶していてもよい。この場合、設定記憶部１５は、「不整合抑制期間」として、第１の傾きで発振周波数を変化させる回数を記憶していてもよい。

設定記憶部１５は、「第１の傾き」として、発振周波数を変化させる間隔と、１回あたりに変化させる量を整合状態値（反射波の大きさ、またはＶＳＷＲ）に基づいて決定するためのルールとを記憶していてもよい。この場合、制御部１４は、最新の整合状態値に対応した量だけ発振周波数を変化させていく。また、この場合、「第１の傾き」は、不整合抑制期間の途中で変化する可能性がある。この構成によれば、大きな不整合が生じた場合に、発振周波数を急変させることにより該不整合を早期に改善することができる。

設定記憶部１５は、「不整合抑制期間」の代わりに、「目標整合状態」を記憶していてもよい。この場合、制御部１４は、整合状態が「目標整合状態」にまで改善したことを整合状態値が示すまでの間は第１の傾きで発振周波数を変化させ、その後、第２の傾きで発振周波数を変化させればよい。

負荷２０は、プラズマ処理装置以外のものであってもよい。

第１実施例および第２実施例における具体的な数値は、単なる一例であり、適宜変更されてもよい。なお、ハンチングを防ぐという観点からは、第２の傾きは小さければ小さいほど好ましい。ただし、第２の傾きを小さくし過ぎると、期間Ｔ２の間（すなわち、発振周波数が中心周波数Ｆ０に戻りきる前）に次の整合状態の悪化が起こり、上限周波数Ｆ１および下限周波数Ｆ２の範囲内で発振周波数を変化させることによる整合状態の改善に支障が生じるおそれがある。したがって、第２の傾きを定める際は、相反するこれらの事情を考慮する必要がある。

１０ 高周波電源システム
１１ 高周波電源
１２ インピーダンス整合装置
１３ 整合状態値取得部
１４ 制御部
１５ 設定記憶部
１６ 整合器
２０ 負荷

Claims (6)

1. 機械的に定数が変更される整合器を介して高周波電源の出力を負荷に供給するよう構成された高周波電源システムに設けられるインピーダンス整合装置であって、
   前記高周波電源と前記負荷との間における整合状態を示す整合状態値を取得する整合状態値取得部と、
   前記整合状態値に基づいて前記高周波電源の発振周波数を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記整合状態値の変化量が予め定められた閾値を上回ると、前記整合状態が悪化したと判定し、前記整合状態が改善する方向に第１の傾きで前記発振周波数を変化させていき、その後、前記第１の傾きよりも緩やかな第２の傾きで前記発振周波数を元に戻していく
   ことを特徴とするインピーダンス整合装置。
2. 前記制御部は、予め定められた不整合抑制期間の間、前記第１の傾きで前記発振周波数を変化させていく
   ことを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス整合装置。
3. 前記制御部は、前記不整合抑制期間が終了すると、前記整合状態値が示す前記整合状態の如何にかかわらず、前記第２の傾きで前記発振周波数を元に戻し始める
   ことを特徴とする請求項２に記載のインピーダンス整合装置。
4. 前記制御部は、前記整合状態が予め定められた程度にまで改善したことを前記整合状態値が示すまでの間、前記第１の傾きで前記発振周波数を変化させていく
   ことを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス整合装置。
5. 前記整合状態値は、反射波の大きさに関する値である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のインピーダンス整合装置。
6. 前記負荷は、プラズマ処理装置である
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のインピーダンス整合装置。

Images