JP6586424B2 - 高周波発生器ソースインピーダンスの制御のためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
本願は、米国仮出願第61/969,538号(2014年3月24日出願、名称「SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL OF HIGH EFFICIENCY GENERATOR SOURCE IMPEDANCE」、これに関し譲受人に譲渡)に対する優先権を主張し、上記出願は、参照により本明細書に明示的に引用される。
本発明は、概して、プラズマ処理システムに関し、より具体的には、電源とプラズマとの間の相互作用に関する。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
直接またはインピーダンス整合ネットワークを通してのいずれかにおいて、電力をプラズマ負荷に送達する発生器のソースインピーダンスを調節する方法であって、前記方法は、
第1の信号を発生させ、前記第1の信号をコンバイナの第1の入力に印加することと、
第2の信号を発生させ、前記第2の信号を前記コンバイナの第2の入力に印加することと、
前記コンバイナを用いて、前記コンバイナの出力において前記第1の信号と第2の信号とを組み合わせ、前記プラズマ負荷に送達される電力を生成することと、
制御可能可変インピーダンスを前記コンバイナのアイソレーションポートに提供することと、
前記制御可能可変インピーダンスを調節し、前記発生器のソースインピーダンスを調節することと
を含む、方法。
(項目2)
前記プラズマ負荷が前記コンバイナの設計された負荷インピーダンスと整合させられており、前記アイソレーションポートが終端されているインピーダンスが設計された終端インピーダンスに等しく、前記第1および第2の信号が設計された振幅および位相関係を有する場合、前記第1および第2の信号によって前記コンバイナに供給される総電力の80%を上回るものが、前記コンバイナの出力に接続されている整合させられた負荷に送達され、前記第1および第2の信号によって供給される総電力の20%未満のものが、前記アイソレーションポート終端に送達され、前記入力信号のうちの1つの位相が180度シフトされた場合、前記第1および第2の信号によって前記コンバイナに供給される総電力の80%を上回るものが、前記アイソレーションポート終端に送達され、前記第1および第2の信号によって前記コンバイナに供給される総電力の20%未満のものが、前記出力に接続されている整合させられた負荷に送達される、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記第2の信号は、前記第1の信号に対して60〜120度位相シフトされている、項目1に記載の方法。
(項目4)
前記電力供給源と前記プラズマ負荷との間の相互作用を示すパラメータ、プラズマ点火を示すパラメータ、およびパルス状電力印加におけるパルス形状を示すパラメータのうちの少なくとも1つが監視され、
前記ソースインピーダンスを調節することは、前記発生器のソースインピーダンスを調節し、前記プラズマ負荷の不安定性の減少、前記プラズマ負荷の点火、および前記プラズマ負荷に送達されるパルス状電力の改良されたパルス形状のうちの少なくとも1つを促進することを含む、項目1に記載の方法。
(項目5)
前記調節することは、
前記発生器のソースインピーダンスを前記プラズマ負荷のインピーダンスから不整合にすることと、
前記プラズマ負荷のインピーダンス軌道を前記電力供給源の開ループ電力プロファイルの輪郭に合わせることと
を含む、項目4に記載の方法。
(項目6)
前記監視することは、電圧、電流、順電力、反射電力、およびプラズマ負荷インピーダンスのうちの少なくとも1つを監視することを含む、項目4に記載の方法。
(項目7)
前記調節することは、
不安定性を減少させること、プラズマ点火を改良すること、およびパルス形状を調節することのうちの少なくとも1つのために、勾配および無勾配最適化方法論のうちの少なくとも1つを使用して、前記ソースインピーダンスを調節することを含む、項目4に記載の方法。
(項目8)
電力をプラズマ負荷に提供するための電力供給源システムであって、前記電力供給源システムは、
入力および第1の増幅器出力を含む第1の電力増幅器と、
入力および第2の増幅器出力を含む第2の電力増幅器と、
第1の信号を前記第1の増幅器出力から受信するように配置されている第1の入力ポート、第2の信号を前記第2の増幅器出力から受信するように配置されている第2の入力ポート、出力電力を提供するための出力ポート、および終端インピーダンスに結合するように配置されているアイソレーションポートを含む4ポートコンバイナであって、前記コンバイナは、前記第1の信号と前記第2の信号とを組み合わせ、電力信号を前記出力ポートに印加するように構成されている、4ポートコンバイナと、
前記終端インピーダンスとして前記アイソレーションポートに結合されている制御可能可変インピーダンス構成要素と、
前記制御可能可変インピーダンス構成要素を調節し、前記電力供給源システムのソースインピーダンスを修正するように構成されているコントローラと
を備えている、電力供給源システム。
(項目9)
入力信号を発生させるように構成されている信号発生器と、
前記入力信号に応答して、前記第1の電力増幅器への信号と前記第2の増幅器への信号とを提供するための直交スプリッタと
を備え、
前記第2の増幅器への信号は、前記第1の電力増幅器に提供される信号に対して60〜120度位相シフトされている、項目8に記載の電力供給源。
(項目10)
前記制御可能可変インピーダンス構成要素は、個別的に切り替えられるコンデンサおよび継続的に可変のコンデンサの集合のうちの少なくとも1つを含む、項目8に記載の電力供給源。
(項目11)
前記コントローラは、
プロセッサと、
前記制御可能可変インピーダンスを調節するために前記プロセッサによって実行可能である非一過性命令を含む非一過性メモリでと
を含み、
前記命令は、前記電力供給源のソースインピーダンスを調節するための命令を含む、項目8に記載の電力供給源。
(項目12)
前記コントローラは、
フィールドプログラマブルゲートアレイと、
前記フィールドプログラマブルゲートアレイによってアクセスされ、前記発生器のソースインピーダンスを調節するように前記フィールドプログラマブルゲートアレイを構成する非一過性命令を含む非一過性メモリと
を含む、項目8に記載の電力供給源。
1.発生器感度ベクトル|SG|の大きさが小さい
2.プラズマ感度ベクトル|SL|の大きさが小さい
3.SGがSLと略垂直である
前述の3つの条件のうち、小|SG|のみ、完全に、発生器設計者の制御下にある。大部分のプラズマシステムでは、プラズマに近接して位置するインピーダンス整合ネットワークは、プラズマインピーダンスを、インピーダンス整合ネットワークを発生器に接続するケーブルまたは伝送線の特性インピーダンス、典型的には、50Ωに整合させられるインピーダンスに変換する。議論の残りに対して、有力な選択肢であるので、このインピーダンスは、50Ωであると仮定する。
発生器のソースインピーダンスが、プラズマシステムによって発生器にもたらされるインピーダンスに整合させられた場合、最大電力が、整合させられた状態で送達される。点火に先立って、発生器にもたらされるインピーダンスは、プラズマが点弧されると、発生器にもたらされるインピーダンスと異なる。ソースインピーダンスが整合させられた状態では、これは、発生器が、点弧されたプラズマより少ない電力を点弧されていないプラズマに送達し得、それがプラズマ点火を阻害し得ることを意味する。
パルス状電力が、典型的プラズマ負荷に印加される場合、発生器にもたらされるインピーダンスは、時間の関数として変動する。発生器ソースインピーダンスが50Ωである場合、50Ωに対して測定される順電力(50Ω方向性結合器を用いて測定されるであろう)は、負荷インピーダンスから独立し、この場合、順電力は、負荷インピーダンスが経時的に変動する場合でも、パルスの持続時間にわたって一定のままである(発生器制御システムによる変調を仮定しない)。このパルス形状は、視覚的に魅力的であり、多くの場合、良好であると考えられるが、典型的には、負荷インピーダンスが、典型的には、50Ωに整合させられる場合、パルスの開始時の送達電力は、低く、パルスの終了に向かって増加することを意味する。パルス開始時のそのような低送達電力は、ある場合には、問題となり得る。発生器ソースインピーダンスを50Ωから変化させることは、方形波順電力パルス形状を犠牲にして、パルスの開示の電力送達を改善することができ、それは、有益であり得る。発生器ソースインピーダンスの制御は、したがって、パルス状電力システムのためのパルス形状を制御する、限られるが、有用な手段を提供する。
いくつかの電力レベルでは、異なる開ループ電力プロファイルを伴う同一電力を生成するために、2つ以上の制御入力を用いて電力増幅器を操作することが可能である。これは、SGに対してある制御を与え、実際に、非常に効果的であり得る。そのような方法は、第US8,258,874号に開示されている。
Claims (11)
- 直接またはインピーダンス整合ネットワークを通してのいずれかにおいて、電力をプラズマ負荷に送達する発生器のソースインピーダンスを調節する方法であって、前記方法は、
第1の信号を発生させ、前記第1の信号をコンバイナの第1の入力に印加することと、
第2の信号を発生させ、前記第2の信号を前記コンバイナの第2の入力に印加することと、
前記コンバイナを用いて、前記コンバイナの出力において前記第1の信号と第2の信号とを組み合わせ、前記プラズマ負荷に送達される電力を生成することと、
前記発生器の前記ソースインピーダンスと前記プラズマ負荷のインピーダンスとの間の不整合をもたらすインピーダンスを前記コンバイナのアイソレーションポートに提供することによって、前記発生器の前記ソースインピーダンスを前記プラズマ負荷の前記インピーダンスから不整合にすることと
を含む、方法。 - 前記プラズマ負荷が前記コンバイナの設計された負荷インピーダンスと整合させられており、かつ、前記アイソレーションポートが終端されているインピーダンスが設計された終端インピーダンスに等しく、かつ、前記第1および第2の信号が設計された振幅および位相関係を有する場合、前記第1および第2の信号によって前記コンバイナに供給される総電力の80%を上回るものが、前記コンバイナの出力に接続されている整合させられた負荷に送達され、前記第1および第2の信号によって供給される総電力の20%未満のものが、前記アイソレーションポート終端に送達され、前記入力信号のうちの1つの位相が180度シフトされた場合、前記第1および第2の信号によって前記コンバイナに供給される総電力の80%を上回るものが、前記アイソレーションポート終端に送達され、前記第1および第2の信号によって前記コンバイナに供給される総電力の20%未満のものが、前記出力に接続されている前記整合させられた負荷に送達される、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の信号は、前記第1の信号に対して60〜120度位相シフトされている、請求項1に記載の方法。
- 監視されるパラメータに基づいて前記不整合を引き起こすように、制御可能可変インピーダンスを調節することを含み、前記監視されるパラメータは、
電力供給源と前記プラズマ負荷との間の相互作用を示すパラメータ、プラズマ点火を示すパラメータ、およびパルス状電力印加におけるパルス形状を示すパラメータのうちの少なくとも1つであり、
前記制御可能可変インピーダンスを調節することは、前記プラズマ負荷の不安定性の減少、前記プラズマ負荷の点火、および前記プラズマ負荷に送達されるパルス状電力の改良されたパルス形状のうちの少なくとも1つを促進するように前記発生器のソースインピーダンスを調節する、請求項1に記載の方法。 - 前記プラズマ負荷は、感度ベクトル(S L )を有し、前記発生器は、感度ベクトル(S G )を有し、
前記調節することは、
前記感度ベクトル(S L )と前記感度ベクトル(S G )との間の角度が所定の閾値の間にあるように、前記感度ベクトル(S L )および前記感度ベクトル(S G )を整列させること
を含む、請求項4に記載の方法。 - 前記監視されるパラメータは、電圧、電流、順電力、反射電力、およびプラズマ負荷インピーダンスのうちの少なくとも1つを含む、請求項4に記載の方法。
- 電力をプラズマ負荷に提供するための電力供給源システムであって、前記電力供給源システムは、
入力および第1の増幅器出力を含む第1の電力増幅器と、
入力および第2の増幅器出力を含む第2の電力増幅器と、
第1の信号を前記第1の増幅器出力から受信するように配置されている第1の入力ポート、第2の信号を前記第2の増幅器出力から受信するように配置されている第2の入力ポート、出力電力を提供するための出力ポート、および終端インピーダンスに結合するように配置されているアイソレーションポートを含む4ポートコンバイナであって、前記コンバイナは、前記第1の信号と前記第2の信号とを組み合わせ、電力信号を前記出力ポートに印加するように構成されている、4ポートコンバイナと、
前記電力供給源システムの前記ソースインピーダンスと前記プラズマ負荷のインピーダンスとの間の不整合をもたらす、前記終端インピーダンスとして前記アイソレーションポートに結合されているインピーダンス構成要素と
を備えている、電力供給源システム。 - 入力信号を発生させるように構成されている信号発生器と、
前記入力信号に応答して、前記第1の電力増幅器への信号と前記第2の増幅器への信号とを提供するための直交スプリッタと
を備え、
前記第2の増幅器への信号は、前記第1の電力増幅器に提供される信号に対して60〜120度位相シフトされている、請求項7に記載の電力供給源システム。 - 前記インピーダンス構成要素は、制御可能であり、個別的に切り替えられるコンデンサの集合および継続的に可変のコンデンサのうちの少なくとも1つを含む、請求項7に記載の電力供給源システム。
- コントローラをさらに備え、
前記コントローラは、
プロセッサと、
前記制御可能なインピーダンス構成要素を調節するために前記プロセッサによって実行可能である非一過性命令を含む非一過性メモリと
を含み、
前記命令は、前記電力供給源システムのソースインピーダンスを調節するための命令を含む、請求項9に記載の電力供給源システム。 - コントローラをさらに備え、
前記コントローラは、
フィールドプログラマブルゲートアレイと、
前記フィールドプログラマブルゲートアレイによってアクセスされ、前記電力供給源システムのソースインピーダンスを調節するように前記フィールドプログラマブルゲートアレイを構成する非一過性命令を含む非一過性メモリと
を含む、請求項9に記載の電力供給源システム。
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