JP7482879B2 - 変調プラズマシステムのためのプラズマ送達システム - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、概して、プラズマ処理システムに関し、より具体的には、変調プラズマを伴うプラズマ処理システムに関する。

エッチングおよび堆積のためのプラズマ処理システムが、数十年にわたって利用されているが、処理技法ならびに機器技術の進歩が、ますますより複雑なシステムを創出し続けている。これらのますます複雑なシステムは、同一のプラズマシステムを駆動する複数の発生器間におけるより問題となる相互作用につながる。

ある側面は、高周波数発生器と低周波数発生器とを含むプラズマ処理システムとして特徴付けられ得、高周波数発生器と低周波数発生器との両方が、プラズマチャンバに電力を送達する。システムのフィルタが、プラズマチャンバと高周波数発生器との間に結合され、フィルタは、高周波数発生器の周波数の周囲の帯域幅の外側における電力を抑制する。高周波数発生器の周波数における電力の抑制は、最大２ｄＢであり、高周波数発生器の周波数からの、低周波数発生器の周波数よりも高い周波数における電力の抑制は、高周波数発生器の周波数における電力の抑制より少なくとも２ｄＢ高い。

別の側面は、プラズマチャンバに電力を送達するように構成される高周波数発生器とプラズマチャンバに電力を送達するように構成される低周波数発生器とを含むプラズマ処理システムとして特徴付けられ得る。フィルタが、プラズマチャンバと高周波数発生器との間に結合され、フィルタは、並列に接続される２つ以上のヘリカル共振器を含む。

さらに別の側面は、プラズマ処理システム内の電力をフィルタリングするための方法として特徴付けられ得る。方法は、高周波数発生器を用いてプラズマチャンバに電力を供給し、プラズマを点火し、それを維持することと、プラズマに接続される低周波数発生器を用いてプラズマチャンバに電力を供給することとを含む。混合生成物の電力が、フィルタを用いて抑制され、高周波数発生器にもたらされる時変負荷反射係数の変動を限定する。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
プラズマ処理システムであって、
プラズマチャンバに電力を送達するように構成される高周波数発生器と、
前記プラズマチャンバに電力を送達するように構成される低周波数発生器と、
前記プラズマチャンバと前記高周波数発生器との間に結合されるフィルタであって、前記フィルタは、前記高周波数発生器の周波数の周囲の帯域幅の外側における電力を抑制するように構成される、フィルタと
を備え、
前記高周波数発生器の周波数における前記電力の抑制は、最大２ｄＢであり、
前記高周波数発生器の周波数からの、前記低周波数発生器の周波数よりも高い周波数における前記電力の抑制は、前記高周波数発生器の周波数における前記電力の抑制より少なくとも２ｄＢ高い、プラズマ処理システム。
（項目２）
前記フィルタは、接地接続水冷のために構成される、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記フィルタの帯域幅は、前記高周波数発生器の周波数の２％以下である、項目１に記載のシステム。
（項目４）
前記フィルタの帯域幅は、１．２ＭＨｚ以下である、項目１に記載のシステム。
（項目５）
前記フィルタは、１ｋＷ～３０ｋＷの電力範囲内で動作するように構成される、項目１に記載のシステム。
（項目６）
前記フィルタは、少なくとも７５％の効率であるように構成される、項目１に記載のシステム。
（項目７）
固定または可変の時間遅延が、前記フィルタと前記プラズマチャンバとの間に挿入される、項目１に記載のシステム。
（項目８）
前記高周波数発生器は、６０ＭＨｚにおける電力を供給するように構成される、項目１に記載のシステム。
（項目９）
前記低周波数発生器は、４００ｋＨｚにおける電力を供給するように構成される、項目１に記載のシステム。
（項目１０）
前記フィルタは、製造公差を補償するように調整可能である、項目１に記載のシステム。
（項目１１）
前記フィルタは、前記フィルタの自己加熱に起因するドリフトを補償するように調整可能である、項目１に記載のシステム。
（項目１２）
前記フィルタの前記プラズマチャンバの側において広帯域電力測定システムをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目１３）
プラズマ処理システムであって、
プラズマチャンバに電力を送達するように構成される高周波数発生器と、
前記プラズマチャンバに電力を送達するように構成される低周波数発生器と、
前記プラズマチャンバと前記高周波数発生器との間に結合されるフィルタであって、前記フィルタは、並列に接続される２つ以上のヘリカル共振器を含む、フィルタと
を備える、プラズマ処理システム。
（項目１４）
前記フィルタは、接地接続水冷のために構成される、項目１３に記載のシステム。
（項目１５）
前記ヘリカル共振器が注封されている、項目１３に記載のシステム。
（項目１６）
前記ヘリカル共振器は、前記フィルタの残部に容量結合するように構成される、項目１３に記載のシステム。
（項目１７）
固定または可変の時間遅延が、前記フィルタと前記プラズマチャンバとの間に挿入される、項目１３に記載のシステム。
（項目１８）
プラズマ処理システム内の電力をフィルタリングするための方法であって、
高周波数発生器を用いてプラズマチャンバに電力を供給し、プラズマを点火し、前記プラズマを維持することと、
前記プラズマに接続される低周波数発生器を用いてプラズマチャンバに電力を供給することと、
フィルタを用いて電力混合生成物を抑制し、前記高周波数発生器にもたらされる時変負荷反射係数の変動を限定することと
を含む、方法。
（項目１９）
接地接続水冷を使用して前記フィルタを冷却することを含む、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
前記フィルタと前記プラズマチャンバとの間の電力信号を遅延させ、前記フィルタにもたらされるインピーダンスが、前記高周波数発生器を周波数調整することによって整合させられることを可能にすることを含む、項目１８に記載の方法。
（項目２１）
インピーダンス整合のために前記高周波数発生器の周波数を調整することを含む、項目１８に記載の方法。
（項目２２）
前記プラズマチャンバによって前記フィルタにもたらされる前記インピーダンスを調節し、前記高周波数発生器から前記プラズマチャンバへの電力伝達の効率を最適化することを含む、項目１８に記載の方法。
（項目２３）
前記フィルタにもたらされる負荷反射係数の絶対値の時間平均を最小化することを含み、前記負荷反射係数は、少なくとも前記低周波数発生器の周波数に等しい帯域幅を有する測定システムを用いて測定される、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
負荷反射係数の時間平均が、０＋ｊ０から離れて最適化される、項目２２に記載の方法。

図１は、プラズマ処理システムのブロック図である。

図２は、電力が異なる測定システムフィルタ帯域幅を使用して電力を測定することによって知覚され得る様子を描写するグラフである。

図３Ａおよび３Ｂは、負荷反射係数の変調を描写するグラフであり、図３Ｃは、図１に描写されるフィルタが利用されていないときに高周波数発生器によって被られ得る結果的な反射電力を描写するグラフである。 図３Ａおよび３Ｂは、負荷反射係数の変調を描写するグラフであり、図３Ｃは、図１に描写されるフィルタが利用されていないときに高周波数発生器によって被られ得る結果的な反射電力を描写するグラフである。 図３Ａおよび３Ｂは、負荷反射係数の変調を描写するグラフであり、図３Ｃは、図１に描写されるフィルタが利用されていないときに高周波数発生器によって被られ得る結果的な反射電力を描写するグラフである。

図４Ａは、図１に描写されるフィルタの例示的設計に関する性能的側面を描写する２つのグラフを含み、図４Ｂは、図１に描写されるフィルタが利用されていないときに基本周波数および混合生成物周波数において高周波数発生器によってプラズマ負荷に送達され得る正味電力を描写するグラフである。 図４Ａは、図１に描写されるフィルタの例示的設計に関する性能的側面を描写する２つのグラフを含み、図４Ｂは、図１に描写されるフィルタが利用されていないときに基本周波数および混合生成物周波数において高周波数発生器によってプラズマ負荷に送達され得る、正味電力を描写するグラフである。

図５Ａおよび５Ｂは、負荷反射係数の変調を描写するグラフであり、図５Ｃは、図１に描写されるフィルタが利用されているときに高周波数発生器によって被られ得る結果的な反射電力を描写するグラフである。 図５Ａおよび５Ｂは、負荷反射係数の変調を描写するグラフであり、図５Ｃは、図１に描写されるフィルタが利用されているときに高周波数発生器によって被られ得る結果的な反射電力を描写するグラフである。 図５Ａおよび５Ｂは、負荷反射係数の変調を描写するグラフであり、図５Ｃは、図１に描写されるフィルタが利用されているときに高周波数発生器によって被られ得る結果的な反射電力を描写するグラフである。

図６Ａおよび６Ｂは、負荷反射係数の変調を描写するグラフであり、図６Ｃは、図１に描写されるフィルタによって被られ得る結果的な反射電力を描写するグラフである。 図６Ａおよび６Ｂは、負荷反射係数の変調を描写するグラフであり、図６Ｃは、図１に描写されるフィルタによって被られ得る結果的な反射電力を描写するグラフである。 図６Ａおよび６Ｂは、負荷反射係数の変調を描写するグラフであり、図６Ｃは、図１に描写されるフィルタによって被られ得る結果的な反射電力を描写するグラフである。

図７は、本明細書に開示される実施形態に関連して進められ得る方法を描写するフローチャートである。

図８Ａおよび８Ｂは、図１を参照して説明されるフィルタの実施形態の等価回路を描写する略図である。 図８Ａおよび８Ｂは、図１を参照して説明されるフィルタの実施形態の等価回路を描写する略図である。

図９は、２つの並列なヘリカル共振器を有する例示的な水冷フィルタ設計の斜視図である。

図１０は、２つの並列なヘリカル共振器を有する水冷フィルタ設計の内部の図である。

図１１は、２つの並列なヘリカル共振器を有する水冷フィルタ設計の切取図である。

図１２は、２つの並列なヘリカル共振器を有する水冷フィルタ設計のコンデンサブロックの詳細図である。

図１３は、２つの並列なヘリカル共振器を有する水冷フィルタ設計の分解図である。

図１４は、フィルタを調整するための設備を含むフィルタの図である。

図１５は、本明細書に開示される実施形態に関連して進められ得る方法を描写するフローチャートである。

図１６は、本明細書に開示される実施形態に関連して利用され得るコンピューティングデバイスを描写するブロック図である。

発生器のうちの１つが別の発生器によって被られる負荷を変調させる同一のプラズマを駆動する発生器間の相互作用は、電力レベルが増大されるにつれて、ますます問題になりつつあり、したがって、この問題に対処するための新しい向上させられた方法およびシステムの必要性が存在する。

単語「例示的な」は、「ある例、事例、または例証としての役割を果たす」を意味するために本明細書において使用される。「例示的」であるものとして本明細書に説明されるいかなる実施形態も、必ずしも、他の実施形態より好ましい、または有利であるものとして解釈されるべきではない。

図１を参照すると、実施形態が実装され得るある例示的環境を描写するブロック図が示されている。示されるように、プラズマチャンバ１００のプラズマ負荷が、フィルタ１０４および整合ネットワーク１０６を介して高周波数発生器１０２に結合される。加えて、低周波数発生器１０８もまた、整合部１１０を介してプラズマ負荷に結合される。多くの用途において、整合部１０６は、整合部１１０と組み合わせられ得る。また、随意の広帯域測定構成要素１１４、１１６、１１８、および１２０、ならびに随意の遅延構成要素１１２も示されている。随意の遅延要素１１２は、ある長さの同軸ケーブル、または固定もしくは可変ＲＬＣＭ回路（すなわち、レジスタと、インダクタと、コンデンサと、結合インダクタとを含有する回路）、または分散型回路要素を含有する回路（すなわち、伝送ライン回路）を使用して実現されることができる。また、随意の接続１２２および１２４も示されており、随意の接続１２２および１２４は、随意の遅延要素１１２が適切に特徴付けられる場合、随意の広帯域測定システム１１６、１２０のうちの一方が他方の機能性を引き継ぐことを可能にする。

高周波数発生器１０２および低周波数発生器１０８は各々、ある範囲の周波数にわたって動作し得るが、概して、高周波数発生器１０２は、低周波数発生器１０８より高い周波数で動作する。多くの実施形態では、高周波数発生器１０２は、１０ＭＨｚ～２００ＭＨｚの周波数範囲においてプラズマチャンバ１００内のプラズマ負荷にＲＦ電力を送達する発生器であり得、低周波数発生器１０８は、例えば、１００ｋＨｚ～２ＭＨｚの範囲内にあり得る。そのため、高周波数発生器１０２の周波数に対する低周波数発生器１０８の周波数の例示的周波数比は、０．０００５～０．２である。多くの実施形態では、例えば、高周波数発生器１０２の周波数に対する低周波数発生器１０８の周波数の周波数比は、０．０５未満であり、いくつかの実施形態では、高周波数発生器１０２に対する低周波数発生器１０８との周波数比は、０．０１未満である。例えば、比率は、１：１５０、すなわち、約０．００６７であってもよい。

用途の観点から、高周波数発生器１０２は、プラズマチャンバ１００内のプラズマ負荷を点火しそれを維持するために使用され得、低周波数発生器１０８は、プラズマチャンバ１００の基板支持部に周期的電圧関数を印加して、プラズマチャンバ１００内の基板の表面にイオンエネルギーの所望の分配を遂行するために利用され得る。

電力レベルに関して、低周波数発生器１０８は、プラズマチャンバ１００のプラズマ負荷に（例えば、１０ｋＷ～３０ｋＷの範囲における）比較的大量の電力を印加し得る。低周波数においてプラズマに印加される大量の電力は、高周波数発生器１０２にもたらされるプラズマインピーダンスを変調させる。

出願人は、プラズマ負荷を変調させる１つの発生器（例えば、低周波数発生器１０８）を有する既存のシステムでは、電力が、システムによって発生させられる十分な数の混合生成物において測定されないことを見出した。また、そうできないことは、電力測定における約１００％以上の誤差につながる問題である。（プラズマを摂動させる低周波数電力が存在するときに）これまでにとられた典型的なアプローチは、低周波数において変調される負荷に高周波数電力を印加することから結果として生じる混合周波数成分を単にフィルタ除去すること（例えば、低発生器周波数が４００ｋＨｚであり、高発生器周波数が６０ＭＨｚであるとき、５９．６ＭＨｚおよび６０．４ＭＨｚ成分をフィルタ除去すること）である。しかし、ローパスフィルタが利用されるとき、見かけの複素インピーダンス軌道は、ある点までで崩壊し、誤って導出されると、高周波数発生器１０２が５０オームまでの電力を送達しているかのように見える。

図２を参照すると、異なる測定システムフィルタ帯域幅を使用して電力を測定することによって電力が知覚され得る様子を描写するグラフが示されている。測定システムのフィルタリングは、測定される信号のダウンコンバージョンまたは復調の後に適用され、したがって、測定システムは、発生器出力周波数を中心とする周波数成分をフィルタリングする。例えば、６０ＭＨｚ出力を生み出す発生器に印加される１００ｋＨｚの測定システム帯域幅は、５９．９ＭＨｚを下回り６０．１ＭＨｚを上回る周波数成分を抑制する。示されるように、測定システムのフィルタ帯域幅が、プラズマの変調周波数未満になるように選択されると、実際に存在するよりもはるかに少ない反射電力が存在するかのように見え（そのため、順方向電力のみが、プラズマ負荷に向かって進行しているかのように見え）るが、実際は、それは、起こっているものではない。

対照的に、電力が、（例えば、広帯域測定システム１１６、１２０の一方または両方によって）十分な帯域幅を用いて測定されると、電力の一部のみ（例えば、電力の半分のみ）がプラズマ負荷に向かって進行していることが、明確となる。そのため、本開示のある側面は、そのフィルタ帯域幅が変調周波数を超過し、より高い周波数において混合生成物を捕捉するように、測定システムを調節することを含む。「Ｓｙｓｔｅｍ， Ｍｅｔｈｏｄ， ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ」と題された米国特許第７，９７０，５６２号（参照することによって本明細書に援用される）は、より高い周波数における混合生成物についての情報を捕捉することが可能であるフィルタ帯域幅を達成するために広帯域測定システム１１６、１２０によって利用され得るサンプリングおよび処理技法に加えて、センサ１１４、１１８を実現するために使用され得るセンサのタイプ（例えば、指向性結合器または電圧／電流（ＶＩ）センサ）を開示する。測定システム１１６、１２０が、フィルタ１０４と混同されるべきではない場合、フィルタ帯域幅に留意されたい。

別の問題は、高周波数発生器１０２が、時間平均負荷反射係数の大きさが大きい時変負荷（変調プラズマ負荷）に電力を送達する必要があることである。例えば、図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、低周波数発生器１０８の１サイクルの時間周期にわたって高周波数発生器１０２によって被られる負荷反射係数を描写するグラフが示されており、図３Ｃは、図１に描写されるフィルタ１０４が利用されていないときに高周波数発生器１０２によって被られ得る結果的な反射電力を描写するグラフである。示されるように、高周波数発生器１０２によって被られるピークの負荷反射係数の大きさが、１に近接し得（さらに１を超過し、正味電力が、プラズマ負荷から高周波数発生器１０２に流動していることを意味し得）る一方、高周波数発生器１０２によって被られる平均負荷反射係数の大きさは、０．７６であり得る。比較的大きい負荷反射係数の大きさは、概して、高周波数発生器１０２が、所望のレベルの電力を印加するために苦労し、より故障が生じやすくあり得ることを意味する。したがって、高周波数発生器１０２は、要求される電力量をプラズマチャンバ１００に送達するために通常要求され得るものより多くの電力デバイス（バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴＳ等）を要求し得る。

本明細書における開示の側面は、プラズマ変調の効果を除去または軽減するための解決策を対象とする。図１に描写される側面は、描写されるフィルタ１０４である。上記で議論されるように、描写されるフィルタ１０４がない状態では、変調プラズマ負荷は、高周波数発生器１０２に時変の非線形負荷をもたらし、これは、厄介な問題をもたらす。

多くの実施形態では、図１に描写されるフィルタ１０４は、高周波数発生器１０２とプラズマチャンバ１００との間に配置される極めて狭小な帯域幅の高電力フィルタとして実装され得る。フィルタ１０４は、高周波数発生器１０２の周波数において合理的に少ない損失を有し得、高電力の印加下で安定しながら、フィルタ１０４への入力において高周波数発生器１０２にもたらされる負荷反射係数の変動を限定するために十分に混合生成物を抑制し得る。実装されると、フィルタ１０４は、狭小な帯域幅を有し、側波帯周波数をフィルタリングし得る。本明細書で使用される場合、帯域幅は、より低いカットオフ周波数とより高いカットオフ周波数との間に存在する周波数範囲として定義され、カットオフ周波数の各々は、最大中心または共振ピークを３ｄＢ下回る一方、これらの２つの点の外側の他の周波数を３ｄＢ超減衰しもしくは弱める。

いくつかの実施形態では、例えば、低周波数発生器１０８は、４００ｋＨｚの発生器によって実現され、高周波数発生器１０２は、６０ＭＨｚのＲＦ発生器によって実現され、したがって、１対１５０の周波数比をもたらす。結果として、これらの実施形態では、フィルタ１０４は、中心周波数から１パーセント未満離れた周波数にある電力を抑制し得る。

また、多くの実施形態では、高周波数発生器１０２の周波数における電力の抑制は、最大２ｄＢであり、高周波数発生器１０２の周波数からの、低周波数発生器１０８の周波数より高い周波数における電力の抑制は、高周波数発生器１０２の周波数における電力の抑制より少なくとも２ｄＢ高い。いくつかの実装では、フィルタ１０４の帯域幅は、高周波数発生器１０２の周波数の２％（またはそれ未満）である。高周波数発生器１０２が、例えば、６０ＭＨｚのＲＦ発生器によって実現される場合、フィルタの帯域幅は、１．２ＭＨｚ以下であり得る。

図４Ａを参照すると、フィルタ１０４の例示的設計に関する性能的側面を描写するグラフが示されている。図４Ａでは、フィルタ１０４の帯域幅は、約６０ＭＨｚの中心周波数を有し、中心周波数から１メガヘルツ離れたところでは、電力が、８ｄＢ抑制される。図４Ｂは、図１に描写されるフィルタが利用されていないときに高周波数発生器によってプラズマ負荷に送達され得る正味電力を示している。図４Ｂは、図４Ａに示されるもの等の応答を伴うフィルタが、６０ＭＨｚの基本周波数においてプラズマ負荷に送達される電力が、比較的高効率で高周波数発生器１０２からプラズマ負荷に通過し、プラズマ負荷から高周波数発生器１０２に戻るように反射される電力を抑制することを可能にするであろうことを示す。

しかし、当業者は、図４Ａのフィルタ特性に類似する特性を有するフィルタ１０４を実装するように導かれていない。プラズマ変調の根本的問題の認識の欠如が、１つの理由である。しかし、加えて、図４Ａに描写される特性を有するフィルタを設計することも、（低電力レベルにおいてさえ）厄介である。しかし、多くの実施形態では、フィルタ１０４は、大量の電力（例えば、数ｋＷの電力）を取り扱い、高電力および狭小帯域の組み合わせは、当業者が試行する可能性が高い組み合わせではない。

上記で議論されるように、図３Ａおよび図３Ｂは、フィルタ１０４が利用されていないときに高周波数発生器によって被られるような負荷反射係数を描写する。また、図５Ａおよび図５Ｂは、例示的フィルタ１０４が実装されるときに高周波数発生器１０２によって被られるような負荷反射係数を描写する。図５Ａに示されるように、フィルタ１０４が展開されると、反射係数が、プラズマの変調のサイクルにわたって（図３Ａの負荷反射係数と比較して）グラフの中心にはるかにより近接して留まるように圧縮される。

図３Ｂを参照すると、フィルタ１０４が利用されていない場合の時間ドメインにおける反射係数の大きさの描写が示されている。図３Ｃに描写される対応するレベルの順方向電力（１００ワットに近接する）は、プラズマ処理の間に利用される電力よりはるかに低いが、図３Ｂに描写される反射係数、および、図３Ｃの順方向電力と反射電力との相対的な大きさは、教示的である。示されるように、順方向電力は、９９．８ワットであり、反射電力は、６３．４ワットである。対照的に、図５Ｃに示されるように、フィルタ１０４が定位置にある状態で、９９．９ワットの順方向電力および３．４ワットの反射電力が存在し、したがって、高周波数発生器１０２は、はるかに低い応力下に置かれる。また、フィルタ１０４の負荷側において、図６Ｃに示されるように、フィルタ１０４は、平均順方向電力を増加させ得る。

図７を参照すると、変調プラズマシステムにおけるプラズマ処理のための方法を描写するフローチャート７００が示されている。示されるように、プラズマを点火しそれを維持するように、高周波数発生器１０２を用いて電力がプラズマチャンバ１００に供給される（ブロック７１０）。加えて、電力が、低周波数発生器１０８を用いてプラズマチャンバ１００に供給される（ブロック７２０）。高周波数発生器１０２とプラズマチャンバ１００との間の電力伝達は、プラズマチャンバ１００と高周波数発生器との間に配置されるフィルタ１０４を用いて、高周波数と低周波数との混合生成物に対応する周波数において抑制される（ブロック７３０）。整合ネットワーク１０６の調整が、高周波数発生器１０２に良好に整合されたインピーダンスを提供する要件とプラズマチャンバ１００への電力伝達の効率とを平衡させるように調節（例えば、最適化）され得る（ブロック７４０）。

少し図６Ａに戻って参照すると、負荷反射係数の軌道が、図３Ａの場合のように、起点の周囲で対称的ではないことに留意されたい。これは、ゼロに近い負荷反射係数にフィルタ１０４の入力を整合させて高周波数発生器１０２からプラズマ負荷への効率的な電力伝達を得るためにフィルタ１０４の負荷側において要求されるインピーダンスの特性である。フィルタ１０４の負荷側における平均負荷反射係数が、図６Ａにおいて「＋」で示されている。図６Ａに示されるようなフィルタ１０４の負荷側における負荷反射係数の平均値は、約－０．２３－ｊ０．００である。図５Ａに示されるようなフィルタ１０４の高周波数発生器１０２側における負荷反射係数の平均値は、約０．０４－ｊ０．０２である。これは、このフィルタ１０４を使用する側面、すなわち、フィルタ１０４の負荷側における負荷反射係数が、整合された負荷（大部分のシステムでは、５０オーム）に調整されないが、典型的に、広帯域測定システムによって測定されるような低い時間平均負荷反射係数の大きさを達成するように設定されることを例証している。結果として、多くの実装では、広帯域測定構成要素１１６または１２０が、少なくとも一次混合生成物を捕捉するために利用される。広帯域測定構成要素１１６または１２０は、整合ネットワーク１０６、高周波数発生器１０２の一体型構成要素として実装されることも、別個の構成要素として実装されることもある。したがって、ブロック７４０において整合ネットワークを調節するステップは、整合ネットワーク１０６の通常要求されるものと異なる。

多くの実装では、プラズマチャンバ１００によってフィルタ１０４にもたらされるインピーダンスは、高周波数発生器１０２からプラズマチャンバ１００への電力伝達の効率を最適化するように調節される。例えば、フィルタにもたらされる負荷反射係数の絶対値の時間平均が、最小化にされ得、負荷反射係数は、少なくとも低周波数発生器１０８の周波数に等しい帯域幅を使用して（例えば、広帯域測定構成要素１１６または１２０によって）測定され得る。負荷反射係数の時間平均が０＋ｊ０から離れて最適化されることもまた、想定される。

再び図７を参照すると、整合ネットワーク１０６とフィルタ１０４との間のケーブル長が、混合生成物が終端させられるインピーダンスを制御するように調節（例えば、最適化）され得る（ブロック７５０）。他のプラズマ処理システムでは、（整合ネットワークとプラズマ処理チャンバとの間の）ケーブル長が（例えば、安定性のために）調節されるが、フィルタ１０４が使用されると、このケーブル長を選定するときに、付加的な考慮点、すなわち、混合生成物の周波数においてフィルタ１０４によってプラズマシステムに提供される終端インピーダンス、フィルタ１０４を整合ネットワーク１０６に接続するケーブル、および整合ネットワーク１０６が、存在する。ケーブル長を変更することは、フィルタ１０４の負荷側における変調の性質を変化させる。このケーブル長はまた、多重状態用途における周波数調整に影響を及ぼし、したがって、このケーブル長の選定は、既存のプラズマ処理システムにおけるものよりも複雑であり得る。

図８Ａおよび図８Ｂは、図１を参照して説明されるフィルタ１０４の実施形態の等価回路である。図８Ａは、無損失型プロトタイプの等価回路を示し、図８Ｂは、実現可能な損失型構成要素を使用して実用化させたときのフィルタ１０４の等価回路を示す。（例えば、大きいリング共振器または空洞を使用して）そのような狭帯域の高電力フィルタを実現する他の方法が存在するが、全ての場合において、慎重な配慮が、そのようなフィルタにおいて存在する高電圧、高電流、および高電力の消散に払われなければならない。

次に図９を参照すると、２つの並列なヘリカル共振器を伴って設計された水冷フィルタ９０４の外部の斜視図が示されている。フィルタは、入力コネクタ９３０および出力コネクタ（この図では見えていない）を冷却するためにフィルタを通して水を通過させるための２つの水接続部９１０ならびに９２０を含有する。

図１０は、２つの並列なヘリカル共振器を伴うフィルタ９０４設計の内部の図である。示されるように、ヘリカル共振器の各々は、中空ヘリカルコイル１０２０を含み、各中空ヘリカルコイル１０２０は、銅ブロック１０２４に結合される。銅ブロック１０２４から延在しているものは、銅ストラップ１０２６であり、銅ブロック１０２４から銅ストラップ１０２６を絶縁しているものは、セラミック絶縁体１０２８である。この実装では、メタライゼーション１０３０が、セラミック１０２８上に配置され、入力コンデンサ８１０および出力コンデンサ８２０を形成する。加えて、各中空ヘリカルコイル１０２０は、接地端部１０２２を含む。フィルタ９０４はまた、中空ヘリカルコイル１０２０および銅ブロック１０２４を囲繞する注封された円筒形エンクロージャ１０３２（フィルタ１０４の内部構成要素を視認する目的のために、透明で表されている）を含む。

図１１は、フィルタ９０４の切取図を示す。この図は、銅ストラップ１０２６が入力コネクタ１１１０および出力コネクタ１１４０に接続し、セラミック絶縁体１１２０および１１５０上に形成されたコンデンサに接続している様子を示す。この図はまた、中空ヘリカルコイル１１３０および１１６０が銅ブロック１０２４に接続している様子も示す。

図１２は、銅ブロック１２４０（図１０の１０２４）のさらなる詳細を示す。このアセンブリは、入力および出力からヘリカル共振器への要求される容量結合を提供する。要求されるコンデンサのわずかな値、コンデンサが耐えなければならない高電圧、およびコンデンサが消散しなければならない電力に起因して、セラミック基板上にコンデンサを実装することが、フィルタの設計において使用される。銅ブロックは、中に中空ヘリカルコイルが（例えば、はんだ付けによって）取り付けられる水チャネル１２１０を含む。したがって、セラミック絶縁体１２２０および１２６０上に形成されたコンデンサが、水冷される。セラミック絶縁体は、それぞれ、表メタライゼーション１２８０および裏メタライゼーション１２５０を有する。表メタライゼーション１２８０のサイズは、アセンブリによって実現される静電容量を制御する。セラミック絶縁体は、導電性エポキシを使用して銅ブロック１２４０に取り付けられ得る。ストラップ１２７０および１２３０は、表メタライゼーションならびにコネクタ１１１０および１１４０にはんだ付けされ得る。

図１３は、フィルタ９０４の分解図を示す。絶縁ブラケット１３１０が、中空ヘリカルコイルを定位置に保持し、アセンブリに機械的安定性を提供する。ブラケットは、好適な低損失誘電材料、例えば、ＰＴＦＥプラスチックまたはセラミックから作製され、孔を含み、注封材料がそれを通って流動することを可能にする。この設計において遭遇され得る高電圧に起因して、フィルタの高電圧領域が、（例えば、シリコーン誘電ゲルを使用して）注封され、空気の分解に起因する破損のリスクを低減させる。代替として、アセンブリ全体が、高真空に真空化されることも、高品質の誘電性液体で充填されることもできる。

当業者が、本開示に照らしてヘリカルコイル１０２０の側面（例えば、コイルの巻数、半径、長さ、ピッチ、内側および外側コイル直径、ならびに外径）を設計し、所望の帯域幅および熱放散を達成することが可能であることを認識されたい。また、図９－図１３に描写されるフィルタ９０４の設計の変形例が確実に想定されることも認識されたい。

インダクタではなく共鳴の低周波数または誘導側における共鳴に近接するヘリカル共振器を使用することは、インダクタを使用した設計と比較して、類似の帯域幅を達成するが、インダクタを伴う設計と対照的に、ヘリカル共振器は、より低い実効インダクタンスを提供する。加えて、２つの並列の共振器を使用することは、水システムが接地されたままであり得るアセンブリ全体の接地接続水冷を可能にする。より具体的には、接地接続水システムから提供される水が、中空ヘリカルコイル１０２０を通して給送され、大量の熱が消散されることを可能にする。例えば、フィルタ９０４（およびフィルタ９０４の変形例）は、比較的高電力レベルにおいて（例えば、１ｋＷ～３０ｋＷの電力範囲内で）動作し得る。その設計によって、フィルタ９０４（およびその変形例）は、比較的高電力レベルにおいて動作しながら、少なくとも７５％の効率で動作し得る。

図１４は、調整スラグを有するフィルタ１４０４を示す。調整は、構成要素の製造公差に起因してフィルタの帯域周波数を設定するために要求され得るが、また、例えば、フィルタ１４０４の自己加熱に起因する構成要素値の変化を補償するように能動的に調節されることもある。調整スラグ１４２０および１４４０は、例えば、中空ヘリカルコイル１０２０内の描写されるＹ軸に沿って移動させられ得るフェライトロッドであり得るが、より典型的には、調整スラグは、銅から作製され得る。好適な絶縁体（例えば、ＰＴＦＥプラスチック）から作製されるカップ１４２０および１４３０は、中で調整スラグが移動させられ得る注封化合物のない領域を提供する。

フィルタ１０４、８０４Ｂ、９０４、１４０４の使用は、（インピーダンス整合のための）周波数調整が行われ得る周波数範囲を、非常に小さい周波数範囲に圧縮する。これは、複数の電力レベル間で（発生器の多重状態動作を取り扱うための異なるアプローチを要求する。多重状態動作の例は、各電力レベルがある状態を表し、高周波数発生器１０２がプラズマ負荷の非線形性質に起因して各状態において異なる負荷インピーダンスを被る）切り替えていることもあり、高周波数発生器１０２は、その状態のためのインピーダンス整合または安定性を向上させるために、各状態において異なる周波数で動作し得る。フィルタ１０４を使用してシステム内の多状態動作を促進するために、異なる状態のためにフィルタ１０４の負荷側にもたらされるインピーダンスは、高周波数発生器１０２の周波数を周波数調整することによって整合され得るインピーダンスのラインに沿って、またはそれに近接して存在することを確実にする必要があり得る。これは、フィルタの負荷側において、遅延１１２等の固定または可変の時間遅延を追加することによって行われ得る。

次に図１５を参照すると、本明細書に開示される実施形態に関連して実行され得る方法を描写するフローチャート１５００が示されている。示されるように、多状態波形を有する電力が、高周波数発生器１０２を用いてプラズマチャンバ１００に印加され（ブロック１５１０）、電力はまた、低周波数発生器１０８を用いてプラズマチャンバ１００に印加される（ブロック１５２０）。高周波数と低周波数との混合生成物が、フィルタ１０４を用いて抑制される（ブロック１５３０）。また、示されるように、フィルタ１０４とプラズマチャンバ１００との間の電力信号は、遅延させられ（ブロック１５４０）、高周波数発生器１０２の周波数は、高周波数発生器にもたらされるインピーダンスを調節するように状態の各々の間調節される（ブロック１５５０）。

正確な電力測定は、十分な数の混合生成物を捕捉するために十分な帯域幅を有するフィルタの負荷側において電力を測定することを要求し得る。これは、フィルタ１０４の効率が、フィルタ１０４にもたらされる負荷インピーダンスの軌道に依存するためである。フィルタ１０４の効率を考慮することは、不可能ではないにしても、困難であるため、フィルタ１０４の高周波数発生器１０２側における測定は、プラズマ負荷に送達される電力の正確な測度を提供しない場合がある。

当業者は、情報および信号が、種々の異なる技術および技法のいずれかを使用して表され得ることを理解するであろう。例えば、上記の説明の全体を通して言及され得る、データ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、記号、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場もしくは粒子、光学場もしくは粒子、またはそれらの任意の組み合わせによって表され得る。

当業者はさらに、本明細書に開示される実施形態に関連して説明される種々の例証的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップが、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組み合わせとして実装され得ることを理解するであろう。本明細書に開示される実施形態に関連して説明される種々の例証的な論理ブロック、モジュール、および回路は、本明細書に説明される機能を実施するように設計された汎用目的プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別のゲートもしくはトランジスタ論理、個別のハードウェア構成要素、またはそれらの任意の組み合わせを用いて実装または実施され得る。汎用目的プロセッサは、マイクロプロセッサであり得るが、代替として、プロセッサは、任意の従来型のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、またはステートマシンであり得る。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組み合わせ、例えば、ＤＳＰおよびマイクロプロセッサとの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサの組み合わせ、ＤＳＰコアと併せた１つ以上のマイクロプロセッサの組み合わせ、または任意の他のそのような構成の組み合わせとしても実装され得る。

本明細書に開示される実施形態に関連して説明される方法またはアルゴリズムのステップは、ハードウェアにおいて、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールにおいて、または２つのものの組み合わせにおいて直接具現化され得る。ソフトウェアモジュールは、当技術分野において公知である、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、または任意の他の形態の記憶媒体の中に常駐し得る。例示的記憶媒体が、プロセッサに結合され、そのようなプロセッサは、記憶媒体から情報を読み取り、かつそれに情報を書き込み得る。代替として、記憶媒体は、プロセッサに組み込まれ得る。プロセッサおよび記憶媒体は、ＡＳＩＣの中に常駐し得る。ＡＳＩＣは、ユーザ端末の中に常駐し得る。代替として、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末の中の個別の構成要素として常駐し得る。

図１６を参照すると、本明細書に開示される実施形態に関連して利用され得るコンピューティングシステム１６００のある例が示されている。示されるように、ディスプレイ部１６１２および不揮発性メモリ１６２０が、バス１６２２に結合され、バス１６２２はまた、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）１６２４、（Ｎ個の処理構成要素を含む）処理部１６２６、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）１６２７、およびＮ個の送受信機を含む送受信機構成要素６２８にも結合される。図１６に描写される構成要素は、物理的構成要素を表すが、図１６は、詳細なハードウェア図であることを意図しておらず、したがって、図１６に描写される構成要素のうちの多くのものが、一般的な構築物によって実現され、または付加的な物理的構成要素の間で分散され得る。そのうえ、他の既存および未開発の物理的構成要素およびアーキテクチャが図１６を参照して説明される機能的構成要素を実装するために利用され得ることが想定される。

このディスプレイ部１６１２は、概して、ユーザのためのユーザインターフェースを提供するように動作し、いくつかの実装では、ディスプレイは、タッチスクリーンディスプレイによって実現される。概して、不揮発性メモリ１６２０は、データおよび機械可読（例えば、プロセッサ実行可能）コード（本明細書に説明される方法を遂行することと関連付けられる実行可能コードを含む）を記憶する（例えば、持続的に記憶する）ように機能する非一過性メモリである。いくつかの実施形態では、例えば、不揮発性メモリ１６２０は、ブートローダコードと、オペレーティングシステムコードと、ファイルシステムコードと、図４および５を参照して本明細書にさらに説明される方法の実行を促進するための非一過性プロセッサ実行可能コードとを含む。

多くの実装では、不揮発性メモリ１６２０は、フラッシュメモリ（例えば、ＮＡＮＤメモリまたはＯＮＥＮＡＮＤメモリ）によって実現されるが、他のメモリタイプも同様に利用され得ることが、想定される。不揮発性メモリ１６２０からのコードを実行することが、可能性として考えられ得るが、不揮発性メモリの中の実行可能コードは、典型的に、ＲＡＭ１６２４の中にロードされ、処理部１６２６の中のＮ個の処理構成要素のうちの１つ以上のものによって実行される。

動作時、ＲＡＭ１６２４に関連するＮ個の処理構成要素が、概して、不揮発性メモリ１６２０の中に記憶されている命令を実行するように動作して、広帯域測定システム１１６、１２０の側面を実現し、高周波数発生器１０２の側面（例えば、周波数調整側面）および整合部１０６の側面を制御し得る。例えば、図７および図１５を参照して説明される方法の側面を遂行するための非一過性プロセッサ実行可能命令が、不揮発性メモリ１６２０の中に持続的に記憶され、ＲＡＭ１６２４に関連するＮ個の処理構成要素によって実行され得る。当業者が、理解するように、処理部１６２６は、ビデオプロセッサと、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）と、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）と、他の処理構成要素とを含み得る。

加えて、または代替として、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）１６２７が、本明細書に説明される方法論（例えば、図７および図１５を参照して説明される方法）のうちの１つ以上の側面を遂行するように構成され得る。例えば、非一過性ＦＰＧＡ構成命令が、不揮発性メモリ１６２０の中に持続的に記憶され、（例えば、ブートアップ中に）ＦＰＧＡ１６２７によってアクセスされ、ＦＰＧＡ６２７を構成し、広帯域測定システム１１６、１２０の側面を実現し、高周波数発生器１０２の側面（例えば、周波数調整側面）および整合部１０６の側面を制御し得る。

入力構成要素は、電力の１つ以上の側面を示す（例えば、センサ１１４、１１８からの）信号を受信するように動作し得る。入力構成要素において受信される信号は、例えば、電圧、電流、順方向電力、反射電力、およびプラズマ負荷インピーダンスを含み得る。出力構成要素は、概して、発生器１０２、１０８、整合部１０６、および／または広帯域測定システム１１６、１２０の動作側面を遂行するための１つ以上のアナログ信号またはデジタル信号を提供するように動作する。例えば、出力部は、発生器１０２、１０８、整合部１０６、および／または広帯域測定システム１１６、１２０によって利用される制御信号を提供し得る。

描写される送受信機構成要素６２８は、無線ネットワークまたは有線ネットワークを介して外部デバイスと通信するために使用され得るＮ個の送受信機チェーンを含む。Ｎ個の送受信機チェーンの各々は、特定の通信スキーム（例えば、ＷｉＦｉ、イーサネット（登録商標）、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ等）と関連付けられる送受信機を表し得る。

開示される実施形態のこれまでの説明は、任意の当業者が本発明を作製または使用することを可能にするために提供される。これらの実施形態への種々の修正は、当業者に容易に明白であり、本明細書に定義される包括的原理は、本発明の意図または範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示される実施形態に限定されることを意図せず、本明細書に開示される原理および新規の特徴に一貫した最も幅広い範囲に一致するものとする。

Claims (19)

1. プラズマ処理システムであって、
   高い周波数でプラズマチャンバに電力を送達するように構成される高周波数発生器と、
   低い周波数で前記プラズマチャンバに電力を送達するように構成される低周波数発生器と、
   前記プラズマチャンバと前記高周波数発生器との間に結合される水冷フィルタであって、前記水冷フィルタは、前記高周波数発生器の周波数の周囲の帯域幅の外側における電力を抑制するように構成され、前記水冷フィルタは、並列に接続された２つ以上のヘリカル共振器を備え、前記ヘリカル共振器の各々は、冷却のために水に前記ヘリカル共振器を通過させるための中空ヘリカルコイルを備える、水冷フィルタと
   を備え、
   前記高周波数発生器の周波数における前記電力の抑制は、最大２ｄＢであり、
   前記高い周波数に前記低い周波数を加えた周波数よりも大きい周波数における前記電力の抑制は、前記高い周波数における前記電力の抑制より少なくとも２ｄＢ高い、プラズマ処理システム。
2. 前記フィルタの帯域幅は、前記高周波数発生器の周波数の２％以下である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記フィルタの帯域幅は、１．２ＭＨｚ以下である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記フィルタは、１ｋＷ～３０ｋＷの電力範囲内で動作するように構成される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記フィルタは、少なくとも７５％の効率であるように構成される、請求項１に記載のシステム。
6. 固定または可変の時間遅延が、前記フィルタと前記プラズマチャンバとの間に挿入される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記高周波数発生器は、６０ＭＨｚにおける電力を供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記低周波数発生器は、４００ｋＨｚにおける電力を供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記フィルタは、製造公差を補償するように調整可能である、請求項１に記載のシステム。
10. 前記フィルタは、前記フィルタの自己加熱に起因するドリフトを補償するように調整可能である、請求項１に記載のシステム。
11. 前記フィルタの前記プラズマチャンバの側において広帯域電力測定システムをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
12. プラズマ処理システムであって、
    プラズマチャンバに電力を送達するように構成される高周波数発生器と、
    前記プラズマチャンバに電力を送達するように構成される低周波数発生器と、
    前記プラズマチャンバと前記高周波数発生器との間に結合されるフィルタであって、前記フィルタは、並列に接続される２つ以上のヘリカル共振器を含む、フィルタと
    を備え、前記フィルタは、前記フィルタの自己加熱に起因するドリフトを補償するように調整可能である、プラズマ処理システム。
13. 前記ヘリカル共振器は、円筒形エンクロージャ内に注封されている、請求項１２に記載のシステム。
14. 固定または可変の時間遅延が、前記フィルタと前記プラズマチャンバとの間に挿入される、請求項１２に記載のシステム。
15. プラズマ処理システム内の電力をフィルタリングするための方法であって、
    高周波数発生器を用いてプラズマチャンバに電力を供給し、プラズマを点火し、前記プラズマを維持することと、
    前記プラズマに接続される低周波数発生器を用いてプラズマチャンバに電力を供給することと、
    フィルタを用いて電力混合生成物を抑制し、前記高周波数発生器にもたらされる時変負荷反射係数の変動を限定することと、
    前記プラズマチャンバによって前記フィルタにもたらされるインピーダンスを調節し、前記高周波数発生器から前記プラズマチャンバへの電力伝達の効率を最適化することと、
    前記フィルタにもたらされる負荷反射係数の絶対値の時間平均を最小化することであって、前記負荷反射係数は、前記低周波数発生器の周波数以上の帯域幅を有する測定システムを用いて測定される、ことと
    を含む、方法。
16. 接地接続水冷を使用して前記フィルタを冷却することを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記フィルタと前記プラズマチャンバとの間の電力信号を遅延させ、前記フィルタにもたらされるインピーダンスが、前記高周波数発生器を周波数調整することによって整合させられることを可能にすることを含む、請求項１５に記載の方法。
18. インピーダンス整合のために前記高周波数発生器の周波数を調整することを含む、請求項１５に記載の方法。
19. 負荷反射係数の時間平均が、０＋ｊ０から離れて最適化される、請求項１５に記載の方法。
    
    

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