JP6910320B2 - マイクロ波出力装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
[プラズマ処理装置]
図1は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。図1に示されるように、プラズマ処理装置1は、チャンバ本体12、及び、マイクロ波出力装置16を備える。プラズマ処理装置1は、ステージ14、アンテナ18、及び、誘電体窓20を更に備え得る。
マイクロ波出力装置16から出力されるマイクロ波パワーは、HighレベルのパワーとLowレベルのパワーとを繰り返すようにパルス状に変調された波形となる。図2は、パワーがパルス変調されたマイクロ波の一例である。図2に示されるように、マイクロ波は、Highパワー時においては、制御器100から指示された設定周波数及び設定帯域幅にそれぞれ応じた中央周波数及び帯域幅を有し、制御器100から指示された設定パルス周波数、設定デューティ比、Highレベルの設定パワーにそれぞれ応じたパルス周波数、デューティ比、Highレベルのパワーを有する。マイクロ波は、Lowパワー時においては、制御器100から指示された設定周波数に応じた中央周波数において単一周波数ピークを有し、制御器100から指示された設定パルス周波数、設定デューティ比、Lowレベルの設定パワーにそれぞれ応じたパルス周波数、デューティ比、Lowレベルのパワーを有する。Lowレベルのパワーは、Highレベルのパワーよりも低いパワーである。
図3は、マイクロ波出力装置の一例を示す図である。図3に示されるように、マイクロ波出力装置16は、演算装置100aに接続されている。演算装置100aは、制御器100、波形発生器101、第1パルス生成器102、第2パルス生成器103、第3パルス生成器104、及び、第4パルス生成器105を有する。
図4は、波形発生器におけるマイクロ波の生成原理を説明する図である。図4に示されるように、波形発生器101は、例えば、基準周波数と位相を同期させたマイクロ波を発振することが可能なPLL(Phase Locked Loop)発振器と、PLL発振器に接続されたIQデジタル変調器とを有する。波形発生器101は、PLL発振器において発振されるマイクロ波の周波数を制御器100により指定された設定周波数に設定する。そして、波形発生器101は、PLL発振器からのマイクロ波と、当該PLL発振器からのマイクロ波とは90°の位相差を有するマイクロ波とを、IQデジタル変調器を用いて変調する。これにより、波形発生器101は、帯域内において複数の周波数成分を有するマイクロ波、又は、単一周波数のマイクロ波を生成する。
波形発生器101は、同期信号PSS−Mに基づいて、一の周波数成分を有するマイクロ波と、複数の周波数成分を有するマイクロ波とを交互に生成することもできる。以下、同期信号、及び、波形発生器により生成されるマイクロ波の波形の一例を示す。図5は、同期信号及びマイクロ波の波形の一例である。図5の(A)に示されるように、同期信号PSS−Mは、ON状態(High状態)とOFF状態(Low状態)とが交互に出現するパルス信号となる。同期信号PSS−Mのパルス周期PTは、Highレベルとなるタイミングの間隔で定義する。パルス周期PTに対するHigh時間HTの比がデューティ比である。第1パルス生成器102は、制御器100により指定されたパルス周波数(1/PT)及びデューティ比(HT/PT×100[%])に基づいて、図5の(A)に示されるような同期信号を生成する。
波形発生器により生成された波形は、パワーが変調及び増幅されて出力される。図6は、マイクロ波のパワー制御に関する構成の一例を示す図である。図6に示されるように、パワー制御は、測定制御部167及び制御部162aによって実現する。
測定制御部167は、パルス変調された進行波パワーを正確に測定するためにデータを平均化してもよい。図7は、移動平均の一例を説明する図である。図7において、aはサンプリング間隔[μs]、bは移動平均時間[μs]、cはサンプル数である。なお,サンプリング間隔は、0.1μs以下である。サンプル数cはb/aで表現される。測定制御部167は、時刻t=0のとき、Pf(1)〜Pf(c)までのc個のサンプルをサンプリング間隔aで取得し、平均化する。測定制御部167は、時刻t=1のとき、Pf(2)〜Pf(c+1)までのc個のサンプルをサンプリング間隔aで取得し、平均化する。測定制御部167は、時刻t=kのとき、Pf(k+1)〜Pf(c+k)までのc個のサンプルをサンプリング間隔aで取得し、平均化する。数式で表すと以下の通りである。
これにより、強弱を有するパワー波形が平均化される。なお、上記例では進行波の例を示したが、反射波も同一の手法で平均化することができる。
図8は、測定部によるサンプリングの一例を示す波形である。図8の(A)の波形は、第1の方向性結合器16fにより測定された、パルス変調されたSP波形である。図8の(B)の波形は、図8の(A)のSP波形を測定制御部167によってサンプリングした波形である。図8の(A)及び(B)に示されるように、パルス変調されたSP波形は、サンプリング後においてHigh及びLowの信号を明確に区別することができる。図8の(C)の波形は、第1の方向性結合器16fにより測定された、パルス変調されたBB波形である。図8の(D)の波形は、図8の(C)のBB波形を測定制御部167によってサンプリングした波形である。図8の(C)及び(D)に示されるように、パルス変調されたBB波形は、サンプリング後においてHigh及びLowの信号の境界が不明確となる。図8の(E)の波形は、第1の方向性結合器16fにより測定されたパルス変調された波形であり、SP波形とBB波形とが交互に出現する波形である。図8の(F)の波形は、図8の(E)の波形を測定制御部167によってサンプリングした波形である。図8の(E)及び(F)に示されるように、SP波形とBB波形とが交互に出現する波形は、サンプリング後においてHigh及びLowの信号を明確に区別することができる。
上述した、同期信号、SP波形とBB波形とが交互に出現する波形、パルス変調された波形、サンプリングされた波形を、それぞれの時間軸を一致させた状態で図9に示す。図9は、同期信号、SP波形とBB波形とが交互に出現する波形、パルス変調された波形、及び、サンプリングされた波形のタイムチャートである。図9の(A)は第1パルス生成器102により生成された同期信号PSS−M、図9の(B)は波形発生器101により生成された波形、図9の(C)は制御部162aによりパルス変調された波形、図9の(D)は測定制御部167によりサンプリングされた波形である。
マイクロ波発生部16aは、2つの出力モードを有してもよい。第1の出力モードでは、パルス変調されたBB波形及びSP波形を有するマイクロ波が出力される。第2の出力モードでは、パルス変調されたBB波形を有するマイクロ波が出力される。マイクロ波発生部16aは、Lowレベルの設定パワーと閾値パワーとに基づいて、出力モードの切り替えを決定する。閾値パワーは、出力モードの切り替えの決定のために予め定められたパワー値である。閾値パワーは、0〜500Wの間で設定され得る。一例として、閾値パワーは0Wである。閾値パワーは、一例として、制御器100の記憶部に記憶される。マイクロ波発生部16aは、Lowレベルの設定パワーが閾値パワーより大きい場合には第1の出力モードで動作し、Lowレベルの設定パワーが閾値パワー以下である場合には第2の出力モードで動作する。
測定制御部167は、パルス変調された進行波パワーのHigh及びLowを正確に判定するために、複数の閾値を用いてもよい。例えば、Highレベルの設定パワーよりも所定値だけ大きい第1上限閾値と、Highレベルの設定パワーよりも所定値だけ小さい第1下限閾値が設定される。例えば、Lowレベルの設定パワーよりも所定値だけ大きい第2上限閾値と、Lowレベルの設定パワーよりも所定値だけ小さい第2下限閾値が設定される。
測定制御部167は、測定誤差が小さくなる範囲で測定するように設定されていてもよい。測定誤差は、周波数精度及びデューティ比誤差を含む。周波数精度は、設定パルス周波数に対する検出パルス周波数の誤差である。具体的な一例として、周波数精度は、以下の数式(1)で表現される。
ただし、数式(1)の右辺の計算値が100%以上となった場合は、周波数精度は100%とする。デューティ比誤差は、設定デューティ比に対する検出デューティ比の誤差である。具体的な一例として、デューティ比誤差は、以下の数式(2)で表現される。
マイクロ波出力装置10では、BB波形(帯域幅を有するマイクロ波)とSP波形(単一周波数ピークを有するマイクロ波)とがHighレベル及びLowレベルと同期して交互に出力される。BB波形は、時間的に上下する波形であり、SP波形は時間的に大きく上下しない波形である。このため、マイクロ波出力装置10は、BB波形をパルス変調する場合と比べて、Highレベルのパワー区間とLowレベルのパワー区間との境界をわかりやすくすることができる。よって、マイクロ波出力装置10は、パルス変調されたマイクロ波のパルス周波数及びデューティ比をモニタしやすいマイクロ波を出力することができる。
第2実施形態に係るプラズマ処理装置1Aは、第1実施形態に係るプラズマ処理装置1と比べて、チューナ26の制御部がマイクロ波のモニタ装置として機能する点が相違し、その他は同一である。以下では、プラズマ処理装置1とプラズマ処理装置1Aとの相違点を中心に説明し、重複する説明は繰り返さない。
第3実施形態に係るプラズマ処理装置1Bは、第1実施形態に係るプラズマ処理装置1と比べて、復調部80及び復調制御部81を備える点が相違し、その他は同一である。以下では、プラズマ処理装置1とプラズマ処理装置1Bとの相違点を中心に説明し、重複する説明は繰り返さない。
[進行波パワーの波形]
マイクロ波のパワーがパルス変調された場合の波形をシミュレーションにより確認した。
(比較例1)
比較例1は、単一周波数ピークを有するマイクロ波がパルス変調された波形である。シミュレーションの条件は以下のとおりである。
Highレベルの設定パワー:2500W
Highレベルの波形 :SP波形
Lowレベルの設定パワー :1000W
Lowレベルの波形 :SP波形
設定周波数 :2460MHz
設定パルス周波数 :20kHz
設定デューティ比 :10%,50%,90%
結果を図13に示す。
比較例2は、広帯域周波数を有するマイクロ波がパルス変調された波形である。シミュレーションの条件は以下のとおりである。
Highレベルの設定パワー:2500W
Highレベルの波形 :BB波形
Lowレベルの設定パワー :500W,1000W,2000W
Lowレベルの波形 :BB波形
設定周波数 :2460MHz
設定帯域幅 :10Mz
設定パルス周波数 :20kHz
設定デューティ比 :50%
結果を図14に示す。
比較例3は、広帯域周波数を有するマイクロ波がパルス変調された波形である。シミュレーションの条件は以下のとおりである。
Highレベルの設定パワー:2500W
Highレベルの波形 :BB波形
Lowレベルの設定パワー :1000W
Lowレベルの波形 :BB波形
設定周波数 :2460MHz
設定帯域幅 :10Mz
設定パルス周波数 :20kHz
設定デューティ比 :10%,50%,90%
結果を図15に示す。
実施例1は、広帯域周波数を有するマイクロ波と単一周波数ピークを有するマイクロ波とが交互に出現し、かつ、パルス変調された波形である。シミュレーションの条件は以下のとおりである。
Lowレベルの波形 :SP波形
その他の条件は、比較例2と同一である。結果を図16に示す。
実施例2は、広帯域周波数を有するマイクロ波と単一周波数ピークを有するマイクロ波とが交互に出現し、かつ、パルス変調された波形である。シミュレーションの条件は以下のとおりである。
Lowレベルの波形 :SP波形
その他の条件は、比較例3と同一である。結果を図17に示す。
実施例3は、広帯域周波数を有するマイクロ波と単一周波数ピークを有するマイクロ波とが交互に出現し、かつ、パルス変調された波形である。シミュレーションの条件は、以下のとおりである。
Highレベルの波形 :SP波形
Lowレベルの波形 :BB波形
その他の条件は、比較例2と同一である。結果を図18に示す。
実施例4は、広帯域周波数を有するマイクロ波と単一周波数ピークを有するマイクロ波とが交互に出現し、かつ、パルス変調された波形である。シミュレーションの条件は以下のとおりである。
Highレベルの波形 :SP波形
Lowレベルの波形 :BB波形
その他の条件は、比較例3と同一である。結果を図19に示す。
測定制御部の測定誤差と判定回数との関係をシミュレーションした。
(比較例4)
比較例4は、広帯域周波数を有するマイクロ波がパルス変調された波形である。マイクロ波を検出し、測定誤差を確認した。式(1)を用いて周波数精度を算出した。式(2)を用いてデューティ比誤差を算出した。周波数精度及びデューティ比誤差から最大誤差を算出した。シミュレーションの条件は以下のとおりである。
Highレベルの設定パワー:2500W
Highレベルの波形 :BB波形
Lowレベルの設定パワー :1000W
Lowレベルの波形 :BB波形
設定周波数 :2460MHz
設定パルス周波数 :20kHz
設定デューティ比 :50%
第1上限閾値,第1下限閾値:2500W+10W,2500W−10W
第2上限閾値,第2下限閾値:1000W+10W,1000W−10W
移動平均時間 :0〜7μs
判定回数 :1〜4回
結果を図20に示す。
以下、判定回数を用いたパワーのHighレベルとLowレベルの判定について説明する。図7における進行波パワーのデータPf(t)において、Pf(t)が第1上限閾値と第1下限閾値との間に判定回数だけ連続で滞在した場合、進行波パワーはHighレベルであると判定される。つまり、判定回数が1回の場合には、第1上限閾値≧Pf(t)≧第1下限閾値を満たすときに、進行波パワーはHighレベルであると判定される。判定回数が3回の場合には、第1上限閾値≧Pf(t),Pf(t−1),Pf(t−2)≧第1下限閾値を満たすときに、進行波パワーはHighレベルであると判定される。進行波パワーがひとたびHighレベルであると判定された場合、Pf(t)が第1上限閾値と第1下限閾値との間から外れたとしても、進行波パワーがLowレベルであると判定されるまでは、進行波パワーはHighレベルであるとの判定を継続する。また、図7における進行波パワーのデータPf(t)のデータにおいて、Pf(t)が第2上限閾値と第2下限閾値との間に判定回数だけ連続で滞在した場合、進行波パワーはLowレベルであると判定される。つまり、判定回数が1回の場合には、第2上限閾値≧Pf(t)≧第2下限閾値を満たすときに、進行波パワーはLowレベルであると判定される。判定回数が3回の場合には、第2上限閾値≧Pf(t),Pf(t−1),Pf(t−2)≧第2下限閾値を満たすときに、進行波パワーはLowレベルであると判定される。進行波パワーがひとたびLowレベルであると判定された場合、Pf(t)が第2上限閾値と第2下限閾値との間から外れてたとしても、進行波パワーがHighレベルであると判定されるまでは、進行波パワーはLowレベルであるとの判定を継続する。
実施例5は、広帯域周波数を有するマイクロ波と単一周波数ピークを有するマイクロ波とが交互に出現し、かつ、パルス変調された波形である。マイクロ波を検出し、測定誤差を確認した。式(1)を用いて周波数精度を算出した。式(2)を用いてデューティ比誤差を算出した。周波数精度及びデューティ比誤差から最大誤差を算出した。シミュレーションの条件は以下のとおりである。
Lowレベルの波形 :SP波形
その他の条件は、比較例4と同一である。結果を図21に示す。
実施例6は、広帯域周波数を有するマイクロ波と単一周波数ピークを有するマイクロ波とが交互に出現し、かつ、パルス変調された波形である。マイクロ波を検出し、測定誤差を確認した。式(1)を用いて周波数精度を算出した。式(2)を用いてデューティ比誤差を算出した。周波数精度及びデューティ比誤差から最大誤差を算出した。シミュレーションの条件は以下のとおりである。
Highレベルの波形 :SP波形
その他の条件は、比較例4と同一である。結果を図22に示す。
Claims (7)
- 制御器から指示された設定パルス周波数、設定デューティ比、Highレベルの設定パワー及びLowレベルの設定パワーにそれぞれ応じたパルス周波数、デューティ比、Highレベル及びLowレベルとなるようにパワーがパルス変調されたマイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波発生部から伝搬されたマイクロ波を出力する出力部と、
を備え、
前記マイクロ波発生部は、
制御器から指示された設定周波数及び設定帯域幅にそれぞれ応じた中央周波数及び帯域幅を有するマイクロ波と、制御器から指示された設定周波数に応じた中央周波数において単一周波数ピークを有するマイクロ波とを、前記マイクロ波の前記パワーのHighレベル及びLowレベルの切り替えと同期して交互に発生する、
マイクロ波出力装置。 - 前記マイクロ波発生部は、
Lowレベルの前記設定パワーが閾値パワーより大きい場合には、中央周波数及び帯域幅を有するマイクロ波と中央周波数において単一周波数ピークを有するマイクロ波とを、前記パワーのHighレベル及びLowレベルの切り替えと同期して交互に発生し、
Lowレベルの前記設定パワーが前記閾値パワー以下である場合には、中央周波数及び帯域幅を有するマイクロ波であって、パルス変調された該マイクロ波を発生する、
請求項1に記載のマイクロ波出力装置。 - Lowレベルの前記閾値パワーは0Wである請求項2に記載のマイクロ波出力装置。
- 前記マイクロ波発生部は、
パルス同期信号に基づいて、制御器から指示された設定周波数及び設定帯域幅にそれぞれ応じた中央周波数及び帯域幅を有する第1波形と、制御器から指示された設定周波数に応じた中央周波数において単一周波数ピークを有する第2波形とが交互に出現するマイクロ波の波形を生成し、
前記生成されたマイクロ波の波形と、前記パルス同期信号と、前記第1波形及び前記第2波形にそれぞれ対応した設定パワーとに基づいて、前記第1波形のパワー及び前記第2波形のパワーを制御する、
請求項1〜3の何れか一項に記載のマイクロ波出力装置。 - 前記マイクロ波発生部から前記出力部に伝搬される進行波の一部を出力する第1の方向性結合器と、
前記第1の方向性結合器から出力される前記進行波の前記一部に基づいて前記出力部における前記進行波のパワーのHighレベル及びLowレベルのそれぞれを示す第1のHigh測定値及び第1のLow測定値を決定する測定部と、
をさらに備え、
前記測定部は、
前記第1のHigh測定値及び前記第1のLow測定値を所定の移動平均時間及び所定のサンプリング間隔で平均化し、
前記マイクロ波発生部は、
平均化された前記第1のHigh測定値及び前記Highレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調された前記マイクロ波のHighレベルのパワーを制御し、
平均化された前記第1のLow測定値及び前記Lowレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調された前記マイクロ波のLowレベルのパワーを制御する、
請求項1〜4の何れか一項に記載のマイクロ波出力装置。 - 前記出力部に戻された反射波の一部を出力する第2の方向性結合器をさらに備え、
前記測定部は、前記第2の方向性結合器から出力される前記反射波の一部に基づいて前記出力部における前記反射波のパワーのHighレベル及びLowレベルのそれぞれを示す第2のHigh測定値及び第2のLow測定値をさらに決定するとともに、前記第2のHigh測定値及び前記第2のLow測定値を所定の移動平均時間及び所定のサンプリング間隔で平均化し、
前記マイクロ波発生部は、
平均化された前記第1のHigh測定値、平均化された前記第2のHigh測定値及び前記Highレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調された前記マイクロ波のHighレベルのパワーを制御し、
平均化された前記第1のLow測定値、平均化された前記第2のLow測定値及び前記Lowレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調された前記マイクロ波のLowレベルのパワーを制御する、
請求項5に記載のマイクロ波出力装置。 - チャンバ本体と、
請求項1〜6の何れか一項に記載のマイクロ波出力装置であり、前記チャンバ本体内に供給されるガスを励起させるためのマイクロ波を出力する該マイクロ波出力装置と、
を備えるプラズマ処理装置。
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