KR102048231B1 - 정합기 및 정합 방법 - Google Patents

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노리까즈 가또
요시유끼 오시다
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가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키
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Abstract

진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기와, 제1 가변 용량 콘덴서와 제2 가변 용량 콘덴서와 인덕턴스를 갖는 정합 회로와, 진행파와 반사파에 기초하여 반사 계수를 산출하여 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값 VC1과 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값 VC2를 제어하는 제어부를 구비하는 정합기에 있어서, 제어부는, 스미스 차트 상에서 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 정합원과, 산출된 반사 계수 간의 거리가 소정값보다 큰 경우에는, VC2를 변경하고, 상기 거리를 상기 소정값 이내로 하고, 상기 거리가 상기 소정값 이내로 되면, VC1을 변경하여 반사 계수를 작게 한다.

Description

정합기 및 정합 방법
본 발명은 고주파 전원 장치의 출력을 부하에 정합시키는 정합기에 관한 것이다.
에칭이나 박막 형성을 행하는 반도체 제조 공정에서는, 플라스마 처리 장치가 사용된다. 이 플라스마 처리 장치의 전력 공급원으로서, 고주파 전원 장치가 사용된다. 고주파 전원 장치로부터 플라스마 처리 장치에 대하여 효율적으로 전력을 공급하기 위해서는, 고주파 전원 장치와 플라스마 처리 장치(부하) 사이에서 임피던스를 정합시킬 필요가 있다. 임피던스를 정합시키는 수단으로서, 예를 들어 특허문헌 1에 개시되는 바와 같이, 고주파 전원 장치와 플라스마 처리 장치 사이에 정합기를 삽입하는 방법이 일반적이다.
도 7은, 배경기술의 정합기(100)의 기능 블록도이다. 도 7에서는, 고주파 전원 장치(2)와 플라스마 처리 장치(3) 사이에 정합기(100)가 삽입되어 있다. 고주파 전원 장치(2)로부터 출력한 고주파 전력을, 정합기(100)를 통하여 플라스마 처리 장치(3)에 공급함으로써, 플라스마 처리 장치(3)에서 플라스마를 발생시킨다. 고주파 전원 장치(2)로부터 플라스마 처리 장치(3)에 효율적으로 전력을 공급하기 위해서는, 고주파 전원 장치(2)와 플라스마 처리 장치(3) 사이에서 임피던스를 정합시킬 필요가 있다. 고주파 전원 장치(2)의 출력 임피던스는 통상 50Ω이기 때문에, 플라스마 처리 장치(3)의 입력 임피던스를, 정합기(100)에 의해 변환하고, 정합기(100)의 입력 임피던스를 50Ω으로 하면 된다.
플라스마 처리 장치(3)의 입력 임피던스는, 플라스마 처리 장치(3)에 입력되는 가스의 종류나 유량, 압력, 온도 등에 따라 변화한다. 따라서, 정합기(100)는 시간적으로 변화하는 플라스마 처리 장치(3)의 입력 임피던스에 맞춰서, 적응적으로 정합할 필요가 있다.
도 7의 정합기(100)는 진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기(11)와, 고주파 전원 장치(2)와 플라스마 처리 장치(3) 사이에서 임피던스를 정합시키는 정합 소자를 갖는 정합 회로(30)와, 정합 회로(30)의 정합 소자의 회로 상수를 제어하기 위한 제어부(120)를 포함한다.
방향성 결합기(11)의 동작을 설명한다.
RFin 단자로부터 RFout 단자를 향하여 진행하는 고주파 전력(진행파: Pf)은 방향성 결합기(11)로 검출되고, FORWARD 단자로 출력된다. RFout 단자로부터 RFin 단자를 향하여 진행하는 고주파 전력(반사파: Pr)은 방향성 결합기(11)로 검출되고, REFLECT 단자로 출력된다. 또한, RFin 단자로부터 RFout 단자를 향하여 진행하는 고주파 전력 Pf는, REFLECT 단자에서는 검출되지 않고, 만약 검출되더라도 약간이다. 마찬가지로, RFout 단자로부터 RFin 단자를 향하여 진행하는 고주파 전력 Pr은, FORWARD 단자에서는 검출되지 않고, 만약 검출되더라도 약간이다.
방향성 결합기(11)로 검출된 진행파 Pf와 반사파 Pr은, 제어부(120)의 반사 계수 연산부(21)에 입력된다. 반사 계수 Γ는, 진행파 Pf에 대한 반사파 Pr의 진폭비 r과 위상차 θ로부터, (수 1)과 같이 정의된다.
Γ=r·exp(j·θ) (j: 허수 단위) …(수 1)
따라서, 진행파 Pf에 대한 반사파 Pr의 진폭비 r과 위상차 θ를 알면, 반사 계수 Γ를 구할 수 있다. 반사 계수 연산부(21)에서는, 진행파 Pf와 반사파 Pr에 기초하여, 상기 진폭비 r과 위상차 θ를 계산하고, 반사 계수 Γ를 산출한다. 구체적인 방법으로서는, 진행파 Pf와 반사파 Pr을 FFT(고속 푸리에 변환)에 의해 주파수 영역으로 변환하고, 고주파 전원 장치(2)가 출력하고 있는 고주파 전력과 동일한 주파수에 대해서, 진행파 Pf와 반사파 Pr의 진폭과 위상을 비교하고, 진폭비 r과 위상차 θ를 계산하면 된다.
용량 연산부(122)는 반사 계수 연산부(21)로 계산된 반사 계수 Γ에 기초하여, 반사 계수 Γ를 제로에 근접시키기 위한 콘덴서 용량을 계산한다. 콘덴서 용량의 계산 방법에 대해서는 후술한다. 용량 설정부(23)는 용량 연산부(122)로 산출한 콘덴서의 용량에 기초하여, 정합 회로(30) 내의 가변 용량 콘덴서의 용량을 설정, 변경한다.
도 2는, 정합 회로(30)의 구성도이다.
정합 회로(30)는 부하가 되는 플라스마 처리 장치(3)의 입력 임피던스가 변동하는 범위에 따라 회로 구성이 결정되는데, 여기에서는, π형의 정합 회로를 예로 하여 설명한다. 이 정합 회로(30)는 가변 용량 콘덴서(31), 가변 용량 콘덴서(32), 인덕턴스(33), 전송 선로(35), 전송 선로(36)를 포함하도록 구성되어 있다. 이 전송 선로(35)와 전송 선로(36)는 동축 케이블이나 금속판 등으로 구성할 수 있고, 또한, 인덕터나 콘덴서의 집중 상수 회로를 포함하도록 구성할 수도 있다.
전송 선로(35)는 정합 회로(30)의 입력 단자(30a)와 가변 용량 콘덴서(31)의 일단부를 접속한다. 가변 용량 콘덴서(31)의 타단부는 접지되어 있다. 전송 선로(36)는 정합 회로(30)의 출력 단자(30b)와 가변 용량 콘덴서(32)의 일단부를 접속한다. 가변 용량 콘덴서(32)의 타단부는 접지되어 있다.
가변 용량 콘덴서(31), 가변 용량 콘덴서(32), 인덕턴스(33)는 고주파 전원 장치(2)와 플라스마 처리 장치(3) 간의 임피던스 정합을 행하기 위한 정합 소자이다. 또한, 정합 회로(30)는 가변 용량 콘덴서(31)의 용량을 제어하기 위한 가변 용량 콘덴서 제어 단자(31a)와, 가변 용량 콘덴서(32)의 용량을 제어하기 위한 가변 용량 콘덴서 제어 단자(32a)를 구비한다.
정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서의 제어는, 방향성 결합기(11)로 검파한 진행파 Pf와 반사파 Pr로부터 계산되는 반사 계수 Γ의 크기가 제로에 근접하도록제어된다. 이때의 가변 용량의 계산식을, (수 2)와 (수 3)에 나타내었다. VC1은 가변 용량 콘덴서(31)의 용량, VC2는 가변 용량 콘덴서(32)의 용량이다.
VC1(n)=VC1(n-1)+real(Γ(n))*S1 …(수 2)
VC2(n)=VC2(n-1)-imag(Γ(n))*S2 …(수 3)
여기서 real( )은 ( ) 내의 복소수 실부를 나타내고, imag( )은 ( ) 내의 복소수 허부를 나타낸다. S1과 S2는 계수이며, 콘덴서 용량을 갱신하는 양을 정한다.
(수 2)는 VC1을 갱신하는 식이며, (수 3)은 VC2를 갱신하는 식이다. VC1(n)은 전 회에 갱신한 VC1(n-1)에 대하여 반사 계수 Γ의 실부에 계수 S1을 곱한 것을 더함으로써 산출된다. VC2(n)은 전회에 갱신한 VC2(n-1)에 대하여 반사 계수 Γ의 허부에 계수 S2를 곱한 것을 뺌으로써 산출된다. 여기서, VC1과 VC2에 있어서, 갱신하는 양(real(Γ)*S1, 또는, imag(Γ)*S2)을 더할지 뺄지의 차이는, 정합 회로(30)의 회로 방식과, 정합하는 부하의 입력 임피던스에 의한 것이다.
이 배경기술의 알고리즘의 약점은, 부하 임피던스가 변화했을 때에, VC1과 VC2가 정합점에 수렴하지 않는 조건이 있다고 하는 것이다. 전술한 바와 같이, 플라스마 부하의 임피던스는 변화한다. 플라스마가 착화하기 전후에 급격하게 변화하고, 플라스마 처리 장치에 입력되는 가스의 종류나 유량, 압력, 온도 등에 따라서도 변화한다.
정합 회로(30)의 입력 임피던스가 50Ω에 정합(즉, 반사 계수가 0)하기 위한 VC1과 VC2는, 정합기(100)의 출력에 접속되는 부하 임피던스에 따라 결정되는데, 플라스마 부하가 변화하기 때문에, 정합할 때의 VC1과 VC2의 값도 변화한다. 그 때문에, (수 2)와 (수 3)에 의한 알고리즘을 사용하면, VC1과 VC2가 수렴하지 않는 경우가 있다. 그 이유는, VC1은 (수 2)로 계산, 즉 반사 계수의 실부에서 계산되고, VC2는 (수 3)으로 계산, 즉 반사 계수의 허부에서 계산되는데, 플라스마 부하의 임피던스나 가변 용량 콘덴서의 용량에 따라서는, (수 2)와 (수 3)의 관계가 성립되지 않는 경우가 있고, 이때 VC1과 VC2는, 정합하는 상수에 수렴하지 않는다.
WO2013/132591호 공보
상술한 바와 같이, 배경기술의 정합 알고리즘에서는, 부하 임피던스가 변화하면 정합점에 수렴하기 어렵다고 하는 과제가 있었다. 본 발명의 목적은, 부하 임피던스가 변화해도 정합점에 수렴하기 쉬운 정합 알고리즘을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한, 본원 발명의 정합기의 대표적인 구성은, 다음과 같다.
즉,
진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기와,
입력 단자와, 출력 단자와, 일단부가 제1 전송 선로를 통하여 상기 입력 단자에 접속되고 타단부가 접지된 제1 가변 용량 콘덴서와, 일단부가 제2 전송 선로를 통하여 상기 출력 단자에 접속되고 타단부가 접지된 제2 가변 용량 콘덴서와, 일단부가 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 상기 일단부에 접속되고 타단부가 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 상기 일단부에 접속된 인덕턴스를 갖는 정합 회로와,
상기 방향성 결합기로 검출한 진행파와 반사파에 기초하여, 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값과 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 제어하는 제어부를 구비하는 정합기이며,
상기 제어부는,
상기 방향성 결합기로 검출한 진행파와 반사파에 기초하여 반사 계수를 산출하고,
스미스 차트 상에서 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 원인 정합원과, 상기 산출된 반사 계수 간의 거리가 미리 정한 제1 값보다 큰 경우에는, 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경함으로써, 상기 거리를 상기 제1 값 이내로 하고,
상기 거리가 상기 제1 값 이내로 되면, 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하여, 상기 산출되는 반사 계수를 미리 정한 제2 값보다 작게 하는
정합기.
상기 구성에 의하면, 정합점에 수렴하는 것이 용이해진다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 정합기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 정합 회로의 구성도이다.
도 3은 가변 용량 콘덴서의 용량을 바꾸었을 때의 반사 계수의 궤적의 일례를 설명하는 도면이다.
도 4는 가변 용량 콘덴서의 용량을 바꾸었을 때의 반사 계수의 궤적의 다른 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 반사 계수의 궤적을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 임피던스 정합의 처리 흐름도이다.
도 7은 배경기술에 관한 정합기의 구성도이다.
도 8은 VC1을 고정하고 VC2를 바꾸었을 때의 반사 계수 궤적을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태 2에 관한 임피던스 정합의 처리 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태 2에 관한 반사 계수의 궤적을 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태 3에 관한 임피던스 정합의 처리 흐름도이다.
도 12는 실시 형태 2의 제1 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 실시 형태 2의 제2 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 실시 형태 2의 제2 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 실시 형태 2의 제2 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 형태 4에 관한 임피던스 정합의 처리 흐름도이다.
도 17은 본 발명의 실시 형태 4에 관한 VC2 예측 제어에 있어서의 원주 통과 예측점의 선택을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 형태 4에 관한 제1 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시 형태 4에 관한 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
<실시 형태 1>
이하, 본 발명의 제1 실시 형태(실시 형태1)에 대하여 도면을 사용하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 정합기(10)의 구성도이다. 도 1의 구성 중, 배경기술의 도 7과 동일 구성에는, 동일한 부호를 부여하고 있어, 적절히 설명을 생략한다.
정합기(10)는 진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기(11)와, 고주파 전원 장치(2)와 플라스마 처리 장치(3) 사이에서 임피던스를 정합시키는 정합 소자를 갖는 정합 회로(30)와, 정합기(10)의 정합 소자의 회로 상수를 제어하기 위한 제어부(20)와, 기억부(25)를 포함하도록 구성된다.
도 2에 있어서 전술한 바와 같이, 정합 회로(30)는 입력 단자(30a)와, 출력 단자(30b)와, 일단부가 전송 선로(35)를 통하여 입력 단자(30a)에 접속되고 타단부가 접지된 제1 가변 용량 콘덴서(31)와, 일단부가 전송 선로(36)를 통하여 출력 단자(30b)에 접속되고 타단부가 접지된 제2 가변 용량 콘덴서(32)와, 일단부가 제1 가변 용량 콘덴서(31)의 상기 일단부에 접속되고 타단부가 제2 가변 용량 콘덴서(32)의 상기 일단부에 접속된 인덕턴스(33)를 갖는다.
제어부(20)는 반사 계수 연산부(21)와, 용량 연산부(22)와, 용량 설정부(23)를 포함하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 제어부(20)는 방향성 결합기(11)로 검출한 진행파와 반사파에 기초하여 반사 계수를 산출하고, 그 반사 계수를 사용하여, 제1 가변 용량 콘덴서(31)의 용량값과 제2 가변 용량 콘덴서(32)의 용량값을 제어한다. 기억부(25)는 후술하는 정합원의 정보 등을 기억한다.
정합기(10)가 배경기술의 정합기(100)와 상이한 점은, 용량 연산부(22)의 처리 내용, 즉, 정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서(31)의 용량 VC1 및 가변 용량 콘덴서(32)의 용량 VC2의 제어 방법과, 원의 정보를 기억하는 기억부(25)가 추가된 점이다. 다른 구성은, 배경기술의 정합기(100)와 동일하다.
여기서, 정합원의 정보란, 스미스 차트 상에서 정합점(반사 계수 Γ의 실부와 허부가 제로인 점)을 통과하는 반사 계수 Γ의 궤적이 그리는 원인 정합원의 정보이며, 원의 위치나 크기에 관한 정보이다. 이 정합원의 정보는, 전송 선로(35)의 조건, 즉 전송 선로(35)의 특성 임피던스 ZL이나 선로 길이 L에 기초하여 결정되는 것이 알려져 있다.
용량 연산부(22)는 반사 계수 연산부(21)로 산출된 반사 계수 Γ와, 기억부(25)에 기억하고 있는 정합원의 정보에 기초하여, 산출된 반사 계수 Γ에 대응하는 정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서(31)의 용량 VC1 및 가변 용량 콘덴서(32)의 용량 VC2를 산출한다. 즉, 산출된 반사 계수 Γ를 작게 하는 VC1과 VC2를 산출한다.
상세하게는, 용량 연산부(22)는 반사 계수 연산부(21)로 산출되는 반사 계수 Γ가, 기억부(25)에 기억하고 있는 정합원에 접근하도록, 정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서(32)의 용량 VC2를 산출한다. 그리고, 용량 설정부(23)는 상기 산출한 용량이 되도록, 가변 용량 콘덴서(32)의 용량값 VC2를 변경한다. 이에 의해, 용량 설정부(23)는 반사 계수 Γ를, 상기 정합원 상에 위치시킨다.
그 후, 용량 연산부(22)는 반사 계수 연산부(21)로 산출되는 반사 계수 Γ가 작아지도록, 정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서(31)의 용량 VC1을 산출한다. 그리고, 용량 설정부(23)는 상기 산출한 용량이 되도록, 가변 용량 콘덴서(31)의 용량값 VC1을 변경한다. 이에 의해, 용량 설정부(23)는 반사 계수 Γ를, 정합점(반사 계수 Γ가 0인 점)에 위치시킨다.
기억부(25)에는, 전송 선로(35)에 따른 정합원의 정보가 미리 기억되어 있다. 이 원의 정보(위치와 크기)는 전술한 바와 같이, 전송 선로(35)의 조건, 즉 전송 선로(35)의 특성 임피던스 ZL이나 선로 길이 L에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 전송 선로(35)가 무시할 수 있을 만큼 짧은 경우에는, 정합원은, 후술하는 도 3에 도시하는 R1이 된다. 또한, 전송 선로(35)가 특성 임피던스가 50Ω이고, 선로장이 λ/4인 경우에는, 정합원은, 후술하는 도 4에 도시하는 R2나, 도 5에 도시하는 R3이 된다.
여기서, 본 실시 형태의 정합 알고리즘의 사고 방식을 설명한다.
어떤 플라스마 부하 시에, 고주파 전원 장치(2)와 플라스마 처리 장치(3) 사이의 임피던스가 정합할(즉 반사 계수 Γ가 0) 때의 VC1과 VC2의 값을, VC1=X, VC2=Y로 한다. 설명을 알기 쉽게 하기 위해서, 정합하는 조건인 VC1=X, VC2=Y의 상태로부터, VC1의 용량을 바꾸었을 때의, 정합 회로(30)의 입력 임피던스 궤적, 즉, 반사 계수 Γ의 궤적을 도 3의 스미스 차트에 나타내었다. 이 경우, 전송 선로(35)는 진행파나 반사파의 파장 λ에 비해, 무시할 수 있을 만큼 짧은 것으로 한다.
도 3에 있어서, VC1의 용량을 바꾸면, 반사 계수 Γ의 궤적은, 정합이 취해져 있는 상태인 F점과, G점을 연결하는 선분을 직경으로 하는 정합원 R1을 그린다. F점에 있어서의 반사 계수 Γ는, 그 허부(Γi)가 제로이며, 그 실부(Γr)가 제로이다(정합기(10)의 입력 임피던스는 50Ω). G점에 있어서의 반사 계수 Γ는, 그 허부가 제로이며, 그 실부가 -1이다.
상세하게는, 도 3에 있어서, 정합이 취해져 있는 상태(F점)에서 VC1의 용량을 증가시키면, 반사 계수 Γ는, 정합원 R1 상에서 F점으로부터 A점의 방향으로 움직인다. 또한, VC1의 용량을 저감시키면, 정합원 R1 상에서 F점으로부터 B점의 방향으로 움직인다. 이것은, 가변 용량 콘덴서(31, 32)와 인덕턴스(33)를 포함하는 도 2의 π형 정합 회로(30)에 있어서, 가변 용량 콘덴서(31, 32)가 접지에 접속(접지)되어 있을 때의 임피던스 궤적으로서 일반적으로 알려져 있기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
도 3에서는, 전송 선로(35)를 무시할 수 있는 경우를 나타냈지만, 현실적으로는 무시 가능하지 않은 경우도 있다. 도 4의 스미스 차트에, 전송 선로(35)의 특성 임피던스가 50Ω이고 선로 길이가 λ/4인 경우, 반사 계수 Γ의 궤적을 나타낸다. 도 4에 있어서, 반사 계수 Γ의 궤적은, 정합이 취해져 있는 상태인 F점과, H점을 연결하는 선분을 직경으로 하는 정합원 R2를 그리는 것이 알려져 있다. H점에 있어서의 반사 계수 Γ는, 그 허부가 제로이며, 그 실부가 1이다(정합기(10)의 입력 임피던스는 무한대).
도 2의 정합 회로(30)에 있어서, 전송 선로(35)의 우측 단부로부터 본 입력 임피던스를 Z1로 하고, 전송 선로(35)의 좌측 단부로부터 본 입력 임피던스를 Z2로 하면, Z2는, 다음 (수 4)에 의해 결정된다. (수 4)에 있어서, Z1은, 전송 선로(35)를 무시할 수 있는 경우(도 3)의 입력 임피던스이며, Z2는, 전송 선로(35)를 무시할 수 없는 경우(도 4)의 입력 임피던스이다. 전송 선로(35)를 무시할 수 없는 경우(도 4), 도 3의 원 R1은, 도 4의 정합원 R2로 된다.
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이와 같이, 도 4의 궤적은, 특성 임피던스가 50Ω이고 선로 길이가 λ/4인 전송 선로(35)를 삽입하고 있기 때문에, 도 3의 궤적에 있어서, 반사 계수 Γ의 실부와 허부가 제로인 점(F점)을 중심으로 하여, 180° 회전한 상태로 된다. 따라서, 도 4에 있어서, 정합이 취해져 있는 상태(F점)에서 VC1의 용량을 증가시키면, 반사 계수 Γ는, 정합원 R2 상에서 A'점의 방향(반사 계수 Γ의 허부가 정의 방향)으로 움직인다. 또한, VC1의 용량을 저감시키면, 반사 계수 Γ는, 정합원 R2 상에서 B'점의 방향(반사 계수 Γ의 허부가 부의 방향)으로 움직인다. 즉, 도 4의 정합원 R2 상에 있어서, 반사 계수 Γ의 허부가 정인 경우에는, VC1이 정합값 X보다도 크고, 반사 계수 Γ의 허부가 부인 경우에는, VC1이 정합값 X보다도 작다.
이와 같이, 도 4에서는, 정합점(F점)에 있어서, VC1을 증가, 또는 감소시시키면, 반사 계수 Γ는, 정합원 R2를 그리는 궤적을 좇는다. 이것은, VC2가 정합값에 있는 상태에서, VC1을 바꾸면, 반사 계수 Γ는, 도 4에서 도시된 정합원 R2 상에서 이동하는 것을 나타내고 있다. 따라서, 먼저, 반사 계수 Γ가 도 4의 정합원 R2 상의 궤도를 타도록 VC2를 제어하고, 그 후, 반사 계수 Γ가 0이 되도록, VC1을 제어하면 되는 것을 알 수 있다.
도 5는, 도 4와 동일한 정합 회로(30)의 경우, 즉, 전송 선로(35)의 특성 임피던스가 50Ω이고 선로 길이가 λ/4인 경우에 있어서, 본 발명의 실시 형태에 따른 임피던스 정합을 행할 때에 있어서의, 반사 계수 Γ의 궤적을 나타내는 스미스 차트이다. C점은, 플라스마 부하가 있는 입력 임피던스값에 있는 경우에 있어서, VC1과 VC2가 초기값(예를 들어, 가변 용량 콘덴서의 최솟값)인 때의, 반사 계수 Γ이다.
먼저, 제어부(20)는 반사 계수 Γ가, VC1과 VC2의 초기값 C점으로부터, 정합원 R3에 접하는 D점에 도달할 때까지, VC2만을 증가시킨다. 정합원 R3은, 도 4의 정합원 R2와 동일하다. 정합원 R3의 정보는, 기억부(25)에 기억되어 있다. 반사 계수 Γ가, 정합원 R3에 접하는 D점에 도달하면, VC2는, 정합 시의 용량인 Y로 된다. 이 상태에서는, VC2는, 정합값으로 제어되어 있지만, VC1은 초기값인채로 이다. 그래서, 제어부(20)는 다음으로 VC1을 증가시켜 간다. VC1을 증가시키면, 전술한 바와 같이, 반사 계수 Γ는, 정합원 R3 상에서 이동한다. 따라서, VC1을 증가시켜 가고, 반사 계수 Γ가 0으로 되는 곳에서, VC1의 증가를 멈추면 된다. 그때의 VC1은, 정합 시의 용량인 X가 된다.
도 5의 궤적은, 플라스마 부하의 입력 임피던스가 어떤 값에 있는 경우의 일례인데, 플라스마 부하의 입력 임피던스가 변하면, 당연, C점이나 D점의 위치는 변화한다. 단, VC2가 정합 시의 용량일 경우에, 반사 계수 Γ가 원 R3 상에 있는 것은 변함없다.
또한, 도 5의 C점의 경우에는, VC1과 VC2의 초기값으로서, 가변 용량 콘덴서의 최솟값을 선택하고 있지만, 가변 용량 콘덴서의 최댓값이어도 되고, 또한, 기타의 값이어도 된다. 그 경우, 당연, C점의 위치는 바뀐다. 그러나, VC1과 VC2의 초기값이 어느 값이든, VC2가 정합 시의 값이 되어 있기만 하면, VC1을 바꾸었을 때에, 반사 계수 Γ가 정합원 R3 상에서 이동한다는 현상은 변함없다.
따라서, 반사 계수 Γ가 정합원 R3에 접할 때까지, VC2만을 제어하고, 정합원 R3에 접한 후에는 VC1만을 제어한다는, 제어부(20)의 동작은 변함없다. VC2의 제어에 있어서, VC2가 정합값인 Y보다도 클 때는, 반사 계수 Γ가 정합원 R3의 밖에 있으므로, VC2를 저감시킴으로써, 반사 계수 Γ가 정합원 R3에 접하도록 제어한다. 반대로, VC2가 정합값인 Y보다도 작을 때는, 반사 계수 Γ가 정합원 R3의 내에 있으므로, VC2를 증가시킴으로써, 반사 계수 Γ가 정합원 R3에 접하도록 제어한다.
그리고, 반사 계수 Γ가 정합원 R3에 접하도록 VC2를 제어한 후, VC1을 다음과 같이 제어한다. 즉, 반사 계수 Γ의 허수부가 정인 경우에는, VC1이 정합값인 X보다도 큰 값의 경우이므로, VC1을 저감시킴으로써, 반사 계수 Γ가 0으로 되도록 제어한다. 반대로, 반사 계수 Γ의 허수부가 부인 경우에는, VC1이 X보다도 작은 경우이므로, VC1을 증가시킴으로써, 반사 계수 Γ가 0으로 되도록 제어한다.
또한, 플라스마 부하의 입력 임피던스가, VC1과 VC2를 제어하고 있는 도중에 변화한 경우에 있어서도, 상술한 바와 같이 VC2와 VC1을 제어한다. 즉, 반사 계수 Γ가 정합원 R3에 접하도록 VC2를 제어한 후, VC1을 제어한다.
또한, 도 4나 도 5의 설명에서는, 도 2의 정합 회로(30)에 있어서, 전송 선로(35)의 특성 임피던스가 50Ω이고, 선로 길이가 λ/4인 조건인 경우를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 이러한 조건일 경우에 한정되지 않는다. 전송 선로(35)의 조건이 상기 조건과 상이하면, VC2가 정합 시의 용량이라고 하는 조건 하에서 VC1을 바꾼 경우의 원의 궤적은, 도 4나 도 5에서 도시된 정합원 R3의 궤적과는 상이하므로, 전술한 (수 4)에 의해, 전송 선로(35)의 조건에 맞춘 원의 궤적을 설정하면 된다.
도 6은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 임피던스 정합의 처리 흐름도이다. 이 처리는, 제어부(20)에서 실행된다.
우선, 초기 설정으로서, 도 4나 도 5에서 도시된 정합원의 정보(스미스 차트 상의 위치와 크기)를 기억부(25)에 기억시켜서 보존한다(도 6의 스텝 S1). 상술한 바와 같이, 이 정합원의 정보는, 전송 선로(35)에 의해 정해지기 때문에, 정합 회로(30)에 따른 정보를 부여할 필요가 있다. 또한, 스텝 S1에서는, VC1과 VC2의 초기값도 설정한다.
이어서, 그때의 반사 계수 Γ를, 방향성 결합기(11)로부터 얻어진 진행파 Pf와 반사파 Pr로부터 연산한다(스텝 S2). 이어서, 반사 계수 Γ의 절댓값과 미리 정한 소정값 L을 비교한다(스텝 S3). 반사 계수 Γ의 절댓값이 L 이하인 경우에는(스텝 S3에서 "예"), 스텝 S2로 복귀되고, 방향성 결합기(11)로부터 진행파 Pf와 반사파 Pr을 취득하고, 다시, 그때의 반사 계수 Γ를 연산한다.
반사 계수 Γ의 절댓값이 L보다도 큰 경우에는(스텝 S3에서 "아니오"), 스텝 S4로 진행한다. 이 L은, 정합이 취해진 것을 판단하기 위한 역치이며, 이상적으로는 0이지만, 현실적으로는, 반사 계수 Γ를 0으로 하는 것은 곤란하기 때문에, 어떤 역치 L을 설정하여 판단한다. 이 L은, 고주파 전원 장치(2)의 내반사 전력이나, 고주파 전원 장치(2)를 사용하는 플라스마 처리 장치(3)의 요구 사양에 따라 결정되는 값이다.
스텝 S4에서는, 초기 설정(스텝 S1)에서 정의한 정합원 상에 반사 계수 Γ가 있는지 여부를 판정하기 위해서, 기억부(25)로부터 정합원의 정보를 취득하고, 반사 계수 Γ와 정합원의 거리의 최솟값 P를 연산한다. 이 값 P가 미리 정한 소정의 역치 M보다도 큰 경우에는(스텝 S5에서 "예"), VC2가 정합값이 아니므로, VC2를 변경하도록 제어한다. 구체적으로는, 반사 계수 Γ가 정합원 상에 없다고 판정하고, 스텝 S6으로 진행한다. 이 M도, 이상적으로는 0이지만, 현실적으로는 0으로 하는 것은 곤란하기 때문에, 소정의 값으로 설정한다.
이와 같이, 역치 M을 설정함으로써, 부하가 플라스마와 같은 요동을 갖는 경우에 있어서, VC2의 전환마다 정합원의 원주 상의 궤도를 타거나, 벗어나거나 하는 헌팅을 억제할 수 있다.
P가 소정의 역치 M 이하인 경우에는(스텝 S5에서 "아니오"), VC2가 정합값이므로, VC2를 변경할 필요는 없다. 그래서, VC1(즉 가변 용량 콘덴서(31))의 제어 동작으로 진행한다. 즉, 반사 계수 Γ가 정합원 상에 있다고 판정하고, 스텝 S10으로 진행한다.
스텝 S6에서는, VC2(즉 가변 용량 콘덴서(32))를 제어하는 방향을 판단하기 위해서, 반사 계수 Γ가 정합원보다도 내측에 있는지 여부를 판정한다. 반사 계수 Γ가 정합원의 내측에 있는 경우에는(스텝 S6에서 "예"), VC2가 Y보다도 작으므로, VC2를 증가시킨다(스텝 S7). 반사 계수 Γ가 정합원의 외측에 있는 경우에는(스텝 S6에서 "아니오"), VC2가 Y보다도 크므로, VC2를 저감시킨다(스텝 S8). 이때, 저감시키는 양, 증가시키는 양은 미리 설정해 두면 된다.
이렇게 해서, 스텝 S2부터 스텝 S7 또는 S8까지의 처리를 반복함으로써, P를 소정의 역치 M 이하로 할 수 있으며, 즉, 거의 정합원 상에 반사 계수 Γ를 궤도에 올릴 수 있다. 이렇게 해서, 스텝 S5에 있어서, P가 M 이하라고 판정되면, 스텝 S10으로 진행하고, VC1(즉 가변 용량 콘덴서(31))의 제어 동작을 행한다.
스텝 S10에서는, 반사 계수 Γ의 허부가 부인지 여부를 판정, 즉, VC1이 X보다 작은지 여부를 판정한다. 전술한 바와 같이, 반사 계수 Γ의 허부가 부인 경우에는, VC1이 X보다도 작고, 반사 계수 Γ의 허부가 정인 경우에는, VC1이 X보다도 크다. 따라서, 반사 계수 Γ의 허부가 부인 경우에는(스텝 S10에서 "예"), VC1을 증가시킨다. 반사 계수 Γ의 허부가 정인 경우에는(스텝 S10에서 "아니오"), VC1을 저감시킨다. 이렇게 해서, VC1을 변경함으로써, 반사 계수 Γ를 제로에 근접시킨다. 이때의 증감의 양도 미리 설정해 둔다.
또한, VC2가 소정값보다도 작은 경우, 예를 들어, 도 2의 정합 회로(30)에 있어서 VC2가 10pF 미만인 경우에는, 반사 계수 Γ가 정합원의 궤도를 탔을 때에 VC1 제어로 전환해도, 반사 계수 Γ는 정합점에 도달하지 않는 것을 경험적으로 알고 있다. 따라서, 이러한 경우에는, VC2를 소정값 이상으로 될 때까지 서서히 크게 해 가고, VC2가 상기 소정값 이상으로 된 후, 도 6의 정합 처리를 행한다. 또한, 상기 소정값은, 정합 회로(30)의 인덕턴스(33)의 값에 따라 바뀌지만, 미리 실험을 행함으로써 취득할 수 있다.
도 8은, 실시 형태 1의 정합 회로(30)에 있어서, VC1을 고정하고 VC2를 바꾸었을 때의 반사 계수 궤적을 도시하는 도면이다. 즉, VC1을 고정한 상태에서 VC2를 변화시킨 그래프를, VC1의 값을 바꿔서, 복수 작성한 것이다. 도 8의 예에서는, 먼저, VC1을 6pF로 고정하고, VC2를 6pF로부터 점차 증대시켜 간다. 이때, 반사 계수 Γ는, 도 8상의 초기값 Ps로부터 점차 이동하고, H점(실부가 1, 허부가 0) 부근에서 정합원 R4에 도달하는 궤적을 그린다. 이렇게 해서, VC1을 점차 큰 값으로 고정하면서, VC2를 6pF로부터 증대시켜 가는 처리를 반복하면, 반사 계수 Γ가 정합원 R4에 도달하는 점은, 정합원 R4의 원주 상에서 시계 방향 방향으로 이동한다.
예를 들어, VC1을 수십pF으로 고정하고, VC2를 6pF로부터 점차 증대시켜 가면, 반사 계수 Γ는, 도 8 상의 초기값 Ps로부터 점차 이동하고, P82에서 정합원 R4에 도달하는 원호상의 궤적을 그린다. 이때, 반사 계수 Γ의 궤적은, 초기값 Ps로부터 출발하여, P81에서 정합원 R4에 도달한 후, 정합원 R4를 통과하여, P82에 도달한다. P81에 있어서의 VC2는 10pF 미만이고, P82에 있어서의 VC2는 10pF 이상이다. 따라서, P81에 있어서는 VC1 제어로 이행하지 않고, P82에 있어서 VC1 제어로 이행한다.
이와 같이, 정합 처리 개시 시점의 VC2가 소정값보다도 작은 경우(도 2의 정합 회로(30)의 경우에는 10pF 미만인 경우)에는 상기 소정값 이상으로 될 때까지, VC2를 서서히 크게 해 가고, VC2가 상기 소정값 이상으로 된 후, 도 6의 정합 처리를 행할 필요가 있다. 또한, 정합 처리 개시 시점의 VC2를 일거에 상기 소정값 이상으로 하지 않고, VC2를 서서히 크게 해 가는 이유는, 이렇게 하지 않으면, 부하의 플라스마 착화가 능숙하게 되지 않기 때문이다.
이상 설명한 바와 같이, 제어부(20)는 방향성 결합기(11)로 검출한 진행파와 반사파에 기초하여 반사 계수를 산출하고, 스미스 차트 상에서 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 정합원과, 상기 산출된 반사 계수 간의 거리가 제1 값보다 큰 경우에는, 제2 가변 용량 콘덴서(32)의 용량값을 변경하고, 상기 산출되는 반사 계수를 변경함으로써, 상기 거리를 제1 값 이내로 하고, 상기 거리가 제1 값 이내로 되면, 제1 가변 용량 콘덴서(31)의 용량값을 변경하고, 상기 거리를 바꾸지 않고, 상기 산출되는 반사 계수를 제2 값보다 작게 한다.
실시 형태 1에 의하면, 적어도 다음 효과를 발휘한다.
(A1) 스미스 차트 상에서 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 정합원과, 산출된 반사 계수 간의 거리가 미리 정한 제1 값보다 큰 경우에는, 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하고, 산출되는 반사 계수를 변경함으로써, 상기 거리를 상기 제1 값 이내로 하고, 상기 거리가 상기 제1 값 이내로 되면, 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하고, 산출되는 반사 계수를 미리 정한 제2 값보다 작게 하게 구성했으므로, 정합 목표에 수렴하는 것이 용이하게 된다.
<원 정합의 특성>
실시 형태 1에 관한 임피던스 정합에서는, 정합점((U, V)=(0, 0))을 통과하는 VC1의 궤적(VC1을 제어할 때의 반사 계수 Γ의 궤적)과, 각 부하에 있어서의 VC2의 제어(동작)에 완전히 동일한 규칙성이 있다. 여기서, U는 반사 계수 Γ의 실수부이고, V는 허수부이다. 즉, 부하가 상이하더라도, VC2만 제어하고, 반사 계수 Γ를 정합원의 원주 상의 궤도에 올린 후, VC1의 제어로 전환하면, 반사 계수 Γ는 반드시 (U, V)=(0, 0)을 향한다(이 동작을 원 정합이라고 한다.) .
그러나, 실시 형태 1의 원 정합의 경우, 다음 (1) 내지 (2)와 같은 동작이 일어날 가능성이 있다.
(1) VC2 제어만으로 정합원의 원주 상의 궤도에 올리려고 하는 경우, 부하 임피던스에 따라서는, 정합점으로부터 멀어지는 곳까지 이동하여 원주 상의 궤도에 오르고, 다시 정합점을 향하여 복귀된다는 불필요한 동작이 되는 경우가 있다. 이 동작은, 동작적, 시간적으로 쓸데없을뿐만 아니라, 임피던스가 악화되기 때문에, 정합 동작 도중에 플라스마 착화가 일어난 경우 등에는, 이 동작에 의해 플라스마가 실화할 우려가 있다.
(2) VC1 제어에 의해 정합원의 원주 상에서 정합점을 향하는 동작에 있어서, 부하 조건에 따라서는, 정합원 R4가 진원으로 되지 않고, VC1 제어만의 동작으로는 원주 상으로부터 벗어나버리는 경우가 있다.
<실시 형태 2>
본 발명의 제2 실시 형태(실시 형태2)에 관한 정합기는, 상기 (1) 내지 (2)의 동작을 억제하여, 임피던스의 악화를 억제한다.
실시 형태 2에 관한 정합기(10A)는 실시 형태1(도 1)의 정합기(10)에 있어서, 용량 연산부(22)를 용량 연산부(22A)로 한 것이다. 즉, 정합기(10A)는 용량 연산부(22)의 처리 내용, 즉, 정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서(31)의 용량 VC1 및 가변 용량 콘덴서(32)의 용량 VC2의 제어 방법이 실시 형태 1과 상이하다. 실시 형태 2의 정합기(10A)의 다른 구성은, 실시 형태 1의 정합기(10)와 동일하다.
실시 형태 2의 정합기(10A)의 용량 연산부(22A)는 실시 형태 1의 용량 연산부(22)의 제어(반사 계수가 정합원의 원주에 근접하도록 VC2를 변경하는 원주 접근 제어와, 반사 계수가 제로에 근접하도록 VC1을 변경하는 정합점 접근 제어)를 포함하고, 또한, 실시 형태 1의 용량 연산부(22)에, 이하의 (1) 내지 (2)의 점을 부가한 것이다.
(1) VC2의 제어 시(반사 계수 Γ가 정합원의 원주를 향하여 이동해 가는 동작 시)에, VC1을 미세 조정함으로써, VC1을 미세 조정하지 않을 때보다도, 반사 계수 Γ가 정합점으로부터 멀어지는 것을 억제한다. 즉, VC2 제어를 단순한 방향 결정에 의한 동작이 아니고, 정합원(원주)과의 교점을 연산하여 예측하고, 그 교점에 반사 계수 Γ를 유도하는 예측 제어로 한다.
구체적으로는, 반사 계수 Γ의 예측 궤적과 정합원의 원주의 교점인 원주 통과 예측점의 위치에 기초하여, VC1의 미세 조정 방향을 판정하고, VC2와 VC1을 제어한다. 이와 같이 함으로써, 부하 조건에 상관없이, 정합 시의 과도 상태에 있어서, 임피던스의 악화를 억제하고, 또한 고속으로 정합할 수 있다.
(2) VC1의 제어 시(반사 계수 Γ가 정합원의 원주를 따라서 정합점에 근접하도록 이동해 가는 동작 시), 반사 계수 Γ가 원주 에어리어로부터 벗어났을 때는, VC2를 미세 조정하고, 반사 계수 Γ를 원주 에어리어 내로 복귀시킨다. 원주 에어리어란, 후술하는 바와 같이, 정합원의 내측과 외측의 동심원이며, 각각 정합원으로부터 미리 정한 소정의 거리만큼 이격되어 있는 2개의 동심원으로 둘러싸이는 에어리어이다. VC2 미세 조정의 방향은, 반사 계수 Γ가 원주 에어리어의 외측으로 벗어난 경우에는 감소 방향, 내측으로 벗어난 경우에는 증가 방향이다.
본 발명의 실시 형태 2에 관한 임피던스 정합의 처리에 대하여 도 9 및 도 10을 사용하여 설명한다. 도 9는, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 임피던스 정합의 처리 흐름도이다.
도 10은, 스미스 차트이며, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 반사 계수의 궤적을 도시하는 도면이다. R은, 정합원(스미스 차트 상에서 정합점을 통과하는 반사 계수 Γ의 궤적이 그리는 원)이다. 원주 에어리어는, 정합원 R의 원주로부터 소정 거리 범위 내의 영역이며, 정합원 R의 내측의 원 Rin의 원주와 외측의 원 Rout의 원주 사이의 영역이다. 즉, 원주 에어리어는, 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 정합원 R의 원주와 반사 계수 Γ 사이의 거리 P가 역치 M 이하의 범위이다(도 6 참조).
Ps는, 어떤 시점(예를 들어, 임피던스 정합의 처리 개시 시점)의 반사 계수 Γ의 위치이다. F12는, 실시 형태 2의 VC2 제어 시에 있어서의 반사 계수 Γ의 궤적이다. F13은, 실시 형태 2의 VC1 제어 시에 있어서의 반사 계수 Γ의 궤적이다. P1은, 정합원 R과 F12의 교점이다. TA는, 후술하는 실시 형태 3에서 설명하는 타깃 에어리어이다.
실시 형태 2의 정합 처리에서는, 반사 계수 Γ는, VC2 제어에 의해 F12를 따라서 Ps로부터 P1에 도달하고, VC1 제어에 의해 F13을 따라서 P1로부터 정합 목표점에 도달한다. 정합 목표점이란, 반사 계수 Γ가, 실시 형태 1에서 설명한 소정값 L 이하가 되는 영역이다(도 6 참조). 또한, F11은, 실시 형태 1의 VC2 제어 시에 있어서의 반사 계수 Γ의 궤적이다. F12에서는, F11에 비하여, 반사 계수 Γ가 정합점으로부터 멀어지는 것이 억제, 즉, 임피던스 악화가 억제되는 것을 알 수 있다.
이하, 도 9의 각 스텝에 대하여 설명한다. 도 9에 도시하는 임피던스 정합의 처리는, 용량 연산부(22A)에서 실행된다.
(1) 원주 에어리어 내인지 여부의 판단(스텝 S21)
스텝 S21에서는, 그 시점의 반사 계수 Γ(위치 Ps에 있어서의 반사 계수 Γ: 제1 위치에 있어서의 반사 계수)가 원주 에어리어 내에 있는지 여부가 판단된다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 있는 경우(S21에서 "예")에는 스텝 S26으로 이행하고, VC1 제어를 행한다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 없을 경우(S21에서 "아니오")에는 스텝 S22로 이행한다.
(2) VC2 제어(스텝 S22)
스텝 S22에서는, 실시 형태 1과 마찬가지로, VC2 제어가 행해진다. 즉, 반사 계수 Γ가 위치 Ps로부터 정합원 R의 원주에 근접하도록, VC2를 변경하고, 변경 후의 반사 계수 Γ(제2 위치에 있어서의 반사 계수)를 취득한다. 도 10의 예에서는, 위치 Ps가 정합원 R의 내측에 있으므로, VC2를 증가시킨다(실시 형태 1의 도 6 참조).
(3) 목표점이 계산 가능한지 여부의 판단(스텝 S23)
이어서, 상술한 VC2 예측 제어가 가능한지 여부를 판단한다. 즉, VC2 예측 제어에 있어서의 목표점이, 계산 가능한지 여부를 판단한다. 목표점이란, 반사 계수 Γ의 예측 궤적과 정합원 R의 교점인 원주 통과 예측점이다. 목표점이 계산 가능한 경우에는(S23에서 "예"), 스텝 S24로 이행하고, 원주 통과 예측점을 취득한 후, VC2 예측 제어를 행한다. 목표점이 계산 가능하지 않은 경우에는(S23에서 "아니오"), 스텝 S22로 복귀된다.
목표점(원주 통과 예측점)을 얻기 위해서는, UV 좌표 상에서 반사 계수 Γ를 산출한 점(반사 계수 산출점)이 2개 이상 필요하다. 반사 계수 산출점이 2개인 경우에는, 2개의 반사 계수 산출점을 연결하는 직선을, 반사 계수 Γ의 예측 궤적으로 하고, 이 예측 궤적과 정합원 R의 교점이 원주 통과 예측점이 된다. 상기 스텝 S22를 1회 실시(즉, VC2를 1회 변경)하면, VC2 변경 전의 반사 계수 산출점(제1 위치)과 VC2 변경 후의 반사 계수 산출점(제2 위치)으로, 반사 계수 산출점이 2개 생긴다. VC2 변경 전의 반사 계수 산출점이란, VC2가 초기값인 때(즉, 반사 계수 Γ가 위치 Ps에 있을 때)의 반사 계수 산출점이다.
반사 계수 산출점이 3개인 경우에는, 3개의 반사 계수 산출점으로부터 산출되는 원(정합 동작 궤적 예측원 Cp)을 반사 계수 Γ의 예측 궤적으로 하고, 이 예측 궤적과 정합원 R의 교점을, 원주 통과 예측점으로 할 수 있다. 이 경우에는, 상기 스텝 S22를 적어도 2회 실시할 필요가 있다.
(4) VC2 예측 제어(스텝 S24)
원주 통과 예측점을 취득하는 원주 통과 예측점 취득 제어를 행한 후, 반사 계수 Γ가 원주 통과 예측점에 근접하도록 VC2를 변경하는, 즉, 원주 접근 제어를 행한다. 이때, 스미스 차트 상에 있어서의, 그 시점(VC2 변경 전)의 반사 계수 Γ의 위치와, 원주 통과 예측점의 위치에 기초하여, VC2의 변경량을 조정한다. 예를 들어, 그 시점의 반사 계수 Γ의 위치와 원주 통과 예측점의 사이 거리 Dv에 기초하여, VC2의 변경량을 조정한다. 구체적으로는, 거리 Dv가 긴 경우에는, VC2의 변경량을 많게 하고, 거리 Dv가 짧은 경우에는, VC2의 변경량을 적게 한다. 거리 Dv에 따른 VC2의 변경량은, 미리, 실험 등에 의해 취득해 둔다. 거리 Dv는, 그 시점의 반사 계수 Γ의 위치와 원주 통과 예측점 사이의 직선 거리여도 되고, 후술하는 실시예 22에서 나타내는 바와 같이 원호의 길이여도 된다.
또한, 스텝 S24의 VC2 예측 제어에 있어서는, 원주 통과 예측점에 기초하여VC1을 미세 조정한다. 구체적으로는, 예측한 원주 통과 예측점의 V 좌표(즉 허수부)가 부인 경우에는, VC1이 증가하도록 미세 조정하고, 예측한 원주 통과 예측점의 V 좌표가 정인 경우에는, VC1이 감소시키도록 미세 조정한다. 도 10의 예에서는, 원주 통과 예측점의 V 좌표가 정이므로, VC1을 감소시킨다.
(5) 원주 에어리어 내인지 여부의 판단(스텝 S25)
스텝 S24에서 VC2를 변경한 후, 변경 후의 반사 계수 Γ가, 원주 에어리어 내에 있는지 여부가 판단된다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 있는 경우(S25에서 "예"), 즉, 반사 계수 Γ와 정합원 R 간의 거리가 미리 정한 소정값 이내인 경우에는, 스텝 S26으로 이행하고, VC1 제어를 행한다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 없을 경우(S25에서 "아니오")에는 스텝 S24로 복귀된다.
(6) VC1 제어(스텝 S26)
실시 형태 1과 마찬가지로, VC1 변경에 의한 정합 동작(정합원 R의 원주를 따라서 정합 목표점에 가까워지는 동작), 즉, 정합점 접근 제어를 행한다. 도 10의 예에서는, 반사 계수 Γ가 제로에 근접하도록 VC1을 감소시킨다(도 4 참조).
(7) 정합 완료의 판단(스텝 S27)
반사 계수 Γ가 정합 목표점에 도달했는지 여부를 판단한다. 정합 목표점에 도달한 경우에는(S27에서 "예"), 임피던스 정합 처리를 종료한다. 정합 목표점에 도달해 있지 않은 경우에는(S27에서 "아니오"), 스텝 S25로 복귀된다. 이렇게 해서, VC1을 변경할 때, 반사 계수 Γ가 원주 에어리어로부터 벗어나는 것을 억제한다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어로부터 벗어난 경우에는(S25에서 "아니오"), VC2를 제어하여 원주 에어리어 내로 복귀시킨다(S24). 상세하게는, 반사 계수 Γ가 원주 에어리어의 외측으로 벗어난 경우에는, VC2를 감소시키고, 내측으로 벗어난 경우에는, VC2를 증가시킨다.
<실시예 21>
실시 형태 2의 VC2 예측 제어에 있어서, 원주 통과 예측점을 구하는 제1 실시예(실시예 21)에 대해서, 도 12를 사용하여 설명한다. 도 12는, VC2 예측 제어에 있어서, 원주 통과 예측점을 구하는 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 12에 있어서, 검정색 동그라미 ●은, VC2 변경에 의한 반사 계수 Γ의 궤적이다. 흰색 동그라미 ○는, 원주 통과 예측점이다.
도 12의 예에서는, 검정색 동그라미 ●의 Ps는, 임피던스 정합의 처리 개시 시점의 반사 계수 Γ의 위치이다. P121은, VC2 변경(도 9의 S22)을 1회 행했을 때의 반사 계수 Γ의 위치이다. 상술한 바와 같이, 원주 통과 예측점을 얻기 위해서는, UV 좌표 상에서 반사 계수 Γ를 산출한 점(반사 계수 산출점)이 2개 이상 필요하다. 반사 계수 산출점이 2개인 경우에는, 2개의 반사 계수 산출점을 연결하는 직선과 정합원 R의 교점이 원주 통과 예측점이 된다.
그러나, Ps와 P121을 연결하는 직선은, 정합원 R과 교차하지 않으므로, 원주 통과 예측점을 얻을 수 없다. 그래서, 2회째의 VC2 변경(도 9의 S22)을 행하고, 그때의 반사 계수 Γ의 위치 P122를 얻는다. 그러나, P121과 P122를 연결하는 직선은, 정합원 R과 교차하지 않으므로, 원주 통과 예측점을 얻을 수 없다. 이렇게 해서, 순차, VC2 변경(도 9의 S22)을 행하고, 원주 통과 예측점을 탐색한다.
예를 들어, 도 12의 파선 타원 A 내의 2점(P123과 P124)을 연결하는 직선 L1은, 교점 P128과 교점 CL1에 있어서, 정합원 R과 교차한다. 교점 P128에 있어서의 VC2는, 실시 형태 1에서 설명한 소정값(예를 들어 10pF)보다도 작으므로, 교점 P128에서 VC1 제어로 전환해도, 반사 계수 Γ는 정합 목표점에 도달하지 않는다. 따라서, 도 12의 예에서는, 교점 CL1을 원주 통과 예측점으로 설정하고, VC2를 변경한다(도 9의 S24). 이때, 교점 CL1의 V 좌표가 부이므로, VC2 변경과 함께 VC1을 증가시키도록 미세 조정한다.
이렇게 해서, 순차, VC2 예측 제어(도 9의 S24)를 실시해 가고, 예를 들어, 도 12의 타원 B 내의 P125에서 VC2 예측 제어를 행하여, P126을 얻는다. P125와 P126을 연결하는 직선 L2는, 교점 P129와 교점 CL2에 있어서, 정합원 R과 교차한다. 이 경우에는, VC2 변경 시의 반사 계수 Γ의 진행 방향에 가까운 교점 CL2를, 원주 통과 예측점으로 설정하고, VC2를 변경한다(도 9의 S24). 이때, 교점 CL2의 V 좌표가 부이므로, VC1을 증가시키도록 미세 조정한다.
이와 같이, 원주 통과 예측점을, VC2 변경 때마다 갱신하므로, 외부의 부하 변동에 대응하면서 정합 동작을 행하는 것이 가능하게 된다.
<실시예 22>
실시예 21에서는, 2점으로부터 구해지는 직선과 정합원의 교점을 원주 통과 예측점으로 하였다. 그러나, 실제의 반사 계수 Γ의 궤적은 호를 형성하기 때문에, 실시예 21의 원주 통과 예측점은, 반사 계수 Γ의 궤적과 정합원이 실제로 교차하는 점으로부터 이격된 위치가 된다. 실시 형태 2의 제2 실시예(실시예 22)에서는, VC2 예측 제어에 있어서, 반사 계수 Γ의 3점으로부터 구해지는 원과 정합원의 교점을 원주 통과 예측점으로 함으로써, 더 정밀도가 높은 예측을 행할 수 있도록 한다.
실시예 22에 대해서, 도 13과 도 14를 사용하여 설명한다.
원의 방정식은, 이하의 식 (수 5)로 나타난다.
(X-a)2+(Y-b)2=r2 …(수 5)
변수는, a, b, r의 3개이기 때문에, 3점이 있으면, 그것을 상기 식 (수 5)에 대입하고, 원의 방정식을 구하는 것이 가능하게 된다.
정합 동작중의 반사 계수 Γ의 3점으로부터 예측되는 동작의 궤적원(정합 동작 궤적 예측원 Cp)과 정합원의 교점은, 이하의 방법에 의해 산출할 수 있다.
도 13에 도시한 바와 같이, 원 C1(예를 들어 정합 동작 궤적 예측원 Cp)은 중심 좌표 O1(xc1, yc1)과 그 반경(r1)으로 표현한다. 원 C2(예를 들어 정합원)는 중심 좌표 O2(xc2, yc2)와 그 반경(r2)으로 표현한다.
중심 간의 거리(D)와 각도(θ)는
D=√((xc2-xc1)2+(yc2-yc1)2) …(수 6)
θ=tan-1((yc2-yc1)/(xc2-xc1)) …(수 7)
이 된다. 상기 식 (수 6)에 의해 D가 구해지고, 도 14에 도시하는 3각형의 전변(D, r1, r2)의 길이가 구해진다. 코사인 정리(하기 식 (수 8)(수 9)(수 10))를 사용하면, 3변(D, r1, r2)의 길이로부터 각도(α)가 구해진다.
cos(α)=(D2+r12-r22)/(2·D·r1) …(수 8)
c=cos(α) …(수 9)
로 하면,
α=cos-1(c)=acos(c) …(수 10)
이 된다.
교점 IP1(xp1, yp1)은 중심 O1(xc1, yc1)로부터 각도(θ+α) 방향으로 반경(r1) 이격되어 있다. 따라서, 교점 IP1(xp1, yp1)은
xp1=xc1+r1·cos(θ+α) …(수 11)
yp1=yc1+r1·sin(θ+α) …(수 12)
가 된다.
교점 IP2(xp2, yp2)는 중심 C1(xc1, yc1)로부터 각도(θ-α) 방향으로 반경(r1) 이격되어 있다. 마찬가지로, 교점 IP2(xp2, yp2)는
xp2=xc1+r1·cos(θ-α) …(수 13)
yp2=yc1+r1·sin(θ-α) …(수 14)
가 된다.
상기 식 (수 11)(수 12)(수 13)(수 14)에 의해 구한 2개의 교점 IP1, IP2로부터, 적절한 하나를 선택하여 원주 통과 예측점으로 한다. 원주 통과 예측점의 선택 기준은, 실시예 21에서 설명한 대로이다.
이어서, 실시예 22에 있어서의 거리의 산출에 대해서, 도 15를 사용하여 설명한다.
상술한 바와 같이, VC2 예측 제어(도 9의 스텝 S24)에 있어서는, 반사 계수 Γ의 현재 위치와 원주 통과 예측점과의 거리에 기초하여, VC2의 변경량을 연산한다. 실시예 22에서는, 그 때, 반사 계수 Γ의 현재 위치와 원주 통과 예측점 간의 원호(정합 동작 궤적 예측원 Cp의 원호)의 길이를 구하고, 그 원호의 길이에 기초하여 VC2의 변경량을 연산한다. 이와 같이 함으로써, 실시예 22에서는, 실시예 21의 직선 시에 비해, 확실도가 높은 예측을 가능하게 한다.
도 15에 도시한 바와 같이, 원의 반경(r)과 중심각(β)이 부여되어 있으면, E점과 F점 간의 현의 길이(e) 및 호의 길이(f)는 이하의 식 (수 15)(수 16)에 의해 구해진다.
e=2·r·sin(β/2) …(수 15)
f=r·β …(수 16)
반사 계수 Γ의 현재 위치와 원주 통과 예측점 간의 직선 거리가, 상기 현의 길이(e)가 된다. 현의 식 (수 15)로부터 β를 구하고, 호를 구하는 식 (수 16)에 대입하여 원호의 길이(f)를 산출한다. 그리고, 원호의 길이(f)에 기초하여, VC2의 변경량을 연산한다.
<실시예 23>
이어서, 실시 형태 2의 제3 실시예(실시예 23)로서, 스텝 S26의 VC1 제어의 실시예에 대하여 설명한다.
VC1 제어에 있어서의 목표점은, 정합점이 되는 (U, V)=(0, 0)의 포인트이며, 목표점이 항상 불변이다. 정합원의 원주 상의 점과, (U, V)=(0, 0)의 점과의 거리는, U2+V2로 나타낼 수 있다. VC1 제어를 행했을 때의 반사 계수 Γ의 움직임은, 기본적으로는 정합원의 원주 상을 따라서 움직이기 때문에, U2+V2는, VC1의 증감에 대하여 단조 증가 또는 단조 감소가 되고, 목표점이 복수 존재한다는 경우도 없다. 그 때문에, U2+V2이 0에 근접하는 피드백 제어, 예를 들어, 공지된 PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 행하면 된다.
제어부(20A)에서는, PID 제어를 행할 때에, CPU로 디지털 제어를 행하기 위해서, 연속적인 제어를 행할 수 없고, 샘플링 방식의 이산 처리가 된다. 그로 인해, 계산을 간이화하는 데 있어서도, 이하의 식 (수 17)로 조작 설정하는 양(조작량)을 산출한다.
조작량=Kp×편차(비례)
+Ki×편차의 누적(적분)
+Kd×전회 편차와의 차(미분)
MVn=MVn-1+ΔMVn
ΔMVn(조작량)=Kp×(en-en-1)
+Ki×en
+Kd×((en-en-1)-(en-1-en-2))
……(수 17)
여기서,
MVn, MVn-1: 금회 조작 설정량, 전회 조작 설정량
ΔMVn: 금회 조작 설정량 차분
en, en-1, en-2: 금회, 전회, 전전회의 편차
Kp, Ki, Kd: 각 조작에 있어서의 게인
이다.
목표점과의 편차는, U2+V2의 차분인데, 실제의 제어는 VC1에 어떤 pF를 설정할지이다. U2+V2로 상기 식 (수 17)의 계산을 행하고, 계산 후에 그 설정 편차(ΔMVn)를 VC1의 편차(ΔVC1)로 변환하는 방식으로 연산한다.
실시 형태 2에 의하면, 실시 형태 1의 효과에 추가로, 적어도 다음 효과를 발휘한다.
(B1) 스미스 차트 상의 복수의 위치에 있어서의 반사 계수를 산출하는 반사 계수 취득 처리를 행하고, 반사 계수의 복수의 위치를 사용하여 예측 궤적을 취득하고, 예측 궤적과 정합원의 교점인 원주 통과 예측점을 취득하고, 반사 계수가 원주 통과 예측점에 근접하도록 VC2를 변경하는 원주 접근 제어를 행함과 함께, 원주 통과 예측점의 허수부가 부인 때는 VC1을 증가시키고, 원주 통과 예측점의 허수부가 정인 때는 VC1을 감소시켜서, 반사 계수와 정합원 간의 거리가 미리 정한 제1 값 이내로 되면, 반사 계수가 제로에 근접하도록 VC1을 변경하는 정합점 접근 제어를 행하도록 구성했으므로, 임피던스 악화를 억제하여 플라스마의 실화를 억제할 수 있고, 또한, 정합 시간을 고속화할 수 있다.
(B2) 정합점 접근 제어의 결과, 반사 계수와 정합원과의 거리가 제1 값보다 커진 경우에 있어서, 반사 계수가 정합원보다 외측에 있는 경우에는 VC2를 감소시키고, 반사 계수가 정합원보다 내측에 있는 경우에는 VC2를 증가시키도록 구성했으므로, 정합점 접근 제어에 있어서, 원주 에어리어로부터 벗어난 경우에도, 원주 에어리어 내로 복귀시킬 수 있다.
(B3) 원주 통과 예측점을, 상기 복수의 위치의 2점을 연결하는 직선과, 정합원의 교점이도록 구성했으므로, 원주 통과 예측점을 용이하게 구할 수 있다.
(B4) 원주 통과 예측점을, 상기 복수의 위치의 3점을 통과하는 정합 동작 궤적 예측원과, 정합원의 교점이도록 구성했으므로, 보다 확실도가 높은 원주 통과 예측점을 구할 수 있다.
(B5) 정합 동작 궤적 예측원에 있어서, 그때의 반사 계수 위치와 원주 통과 예측점을 연결하는 원호(정합 동작 궤적 예측원의 원호)의 길이에 따라, 원주 접근 제어를 행하도록 구성했으므로, 더 정밀도가 높은 원주 접근 제어를 행할 수 있다.
<실시 형태 3>
본 발명의 제3 실시 형태(실시 형태3)에서는, 실시 형태 2에 관한 임피던스 정합을 더욱 개선하고, 플라스마 착화 등에 의해 큰 부하 변동이 발생한 경우나, 반사 계수 Γ가 정합점에 근접한 경우에, 보다 적절한 정합 동작을 행한다.
실시 형태 3에 관한 정합기(10B)는 실시 형태1(도 1)의 정합기(10)에 있어서, 용량 연산부(22)를 용량 연산부(22B)로 한 것이다. 즉, 정합기(10B)는 용량 연산부(22)의 처리 내용, 즉, 정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서(31)의 용량 VC1 및 가변 용량 콘덴서(32)의 용량 VC2의 제어 방법이, 실시 형태 1이나 실시 형태 2와 상이하다. 실시 형태 3의 정합기(10B)의 다른 구성은, 실시 형태 1의 정합기(10)와 동일하다.
실시 형태 3의 정합기(10B)의 용량 연산부(22B)는 실시 형태 2의 용량 연산부(22A)의 제어를 포함하고, 또한, 실시 형태 2의 용량 연산부(22A)에, 이하의 (1) 내지 (2)점을 부가한 것이다.
(1) 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 밖에 있을 때에 VC2 예측 제어를 행한 후, 반사 계수 Γ가 원주 에어리어를 통과한 경우이며, 그 통과가 부하 변동에 의한 경우에는, 원주 통과 예측점을 재설정하고, 그 통과가 부하 변동에 의한 것이 아닌 경우에는, VC2를 미세 조정하여 원주 에어리어 내로 복귀시킨다. 이와 같이 함으로써, 큰 부하 변동이 있었을 경우에, 신속히 원주 통과 예측점을 재설정할 수 있으므로, 적절한 임피던스 정합을 행할 수 있다.
(2) VC2 예측 제어를 행한 후, 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 없지만 타깃 에어리어 내에 있는 경우에는, 반사 계수 Γ가 정합 목표점에 가까워지도록, VC2를 미세 조정하면서, VC1 제어를 행한다. 이와 같이 함으로써, 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 없지만 타깃 에어리어 내에 있는 경우, 더 빠르게 임피던스 정합을 행할 수 있다.
실시 형태 3에 관한 임피던스 정합의 처리에 대하여 도 11과 도 10을 사용하여 설명한다. 도 11은, 본 발명의 실시 형태 3에 관한 임피던스 정합의 처리 흐름도이다.
실시 형태 3에 관한 반사 계수의 궤적은, 실시 형태 2의 도 10에 있어서의 F12 및 F13과 대략 마찬가지이다. 실시 형태 3에서는, 반사 계수 Γ는, 대략적인 동작으로서는, VC2 제어에 의해 F12를 따라서 Ps로부터 P1에 도달하고, VC1 제어에 의해 F13을 따라서 P1로부터 정합 목표점에 도달한다. 단, 상술한 (1) 내지 (2)가 실시 형태 2와 상이하다.
이하, 도 11의 각 스텝에 대하여 설명한다. 도 11에 도시하는 임피던스 정합의 처리는, 용량 연산부(22B)에서 실행된다.
(1) 원주 에어리어 내인지 여부의 판단(스텝 S31)
스텝 S31에서는, 실시 형태 2의 스텝 S21과 마찬가지로, 그 시점의 반사 계수 Γ(위치 Ps에 있어서의 반사 계수 Γ)가 원주 에어리어 내에 있는지 여부가 판단된다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 있는 경우(S31에서 "예")에는 스텝 S36으로 이행하고, VC1 제어를 행한다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 없을 경우(S31에서 "아니오")에는 스텝 S32로 이행한다.
(2) VC2 제어(스텝 S32)
스텝 S32에서는, 실시 형태 2의 스텝 S22와 마찬가지로, VC2 제어가 행해진다. 즉, 반사 계수 Γ가 위치 Ps로부터 정합원 R의 원주를 향하도록, VC2를 변경한다.
(3) 목표점이 계산 가능한지 여부의 판단(스텝 S33)
이어서, 실시 형태 2의 스텝 S23과 마찬가지로, VC2 예측 제어에 있어서의 목표점(원주 통과 예측점)이 계산 가능한지 여부를 판단한다. 목표점이 계산 가능한 경우에는(S33에서 "예"), 스텝 S34로 이행하고, VC2 예측 제어를 행한다. 목표점이 계산 가능하지 않은 경우에는(S33에서 "아니오"), 스텝 S32로 복귀된다.
(4) VC2 예측 제어(스텝 S34)
실시 형태 2의 스텝 S24와 마찬가지로, VC2 예측 제어를 행한다. 즉, 원주 통과 예측점을 취득하는 원주 통과 예측점 취득 제어를 행한 후, 반사 계수 Γ가 원주 통과 예측점에 근접하도록 VC2를 변경하는 원주 접근 제어를 행한다.
(5) 원주 에어리어 통과의 판단(스텝 S41)
원주 에어리어 밖에 있었던 반사 계수 Γ가 원주 에어리어를 통과했는지 여부를 판단한다. 원주 에어리어를 통과하지 않은 경우에는(S41에서 "아니오"), 스텝 S35로 진행한다. 원주 에어리어를 통과한 경우(S41에서 "예")에는 스텝 S42로 진행한다.
(6) 부하 변동에 의한 원주 에어리어 통과의 판단(스텝 S42)
플라스마 착화 등에 의한 큰 부하 변동에 의해 반사 계수 Γ가 크게 변화하는 경우가 있다. 반사 계수 Γ가, VC2 예측 제어로 예측되는 예측 궤적과 크게 어긋나는 경우(즉, 원주 에어리어를 통과한 반사 계수의 위치(UV값)가 미리 정한 소정값 이상 예측 궤적으로부터 이격된 경우)에는 부하 변동에 의한 원주 에어리어 통과라고 판단한다(S42에서 "예"). 이 경우에는, 스텝 S31로 복귀되고, 원주 통과 예측점을 재취득한다. 부하 변동에 의한 원주 에어리어 통과가 아니라고 판단한 경우(S42에서 "아니오"), 즉, 원주 에어리어를 통과한 반사 계수의 위치가, 예측 궤적으로부터 상기 소정값 미만인 경우에는, 스텝 S43으로 진행한다.
(7) VC2 복귀 제어(스텝 S43)
VC2를 하나 전의 VC2의 방향으로 복귀시킨다. 이때, VC2의 변경량은, 원주 에어리어 내로 복귀되는 값으로 한다. 이 VC2의 변경량은, 하나 전의 VC2 및 반사 계수 Γ의 값과, 원주 에어리어 통과한 후의 VC2 및 반사 계수 Γ의 값에 기초하여 계산할 수 있다.
이와 같이, 실시 형태 3에서는, 원주 접근 제어를 행했을 때에, 반사 계수가 원주 에어리어를 통과한 경우, 원주 에어리어를 통과한 반사 계수의 위치가, 예측 궤적으로부터 소정값 이상 이격된 경우에는, 원주 통과 예측점 취득 제어를 다시 행하고, 원주 에어리어를 통과한 반사 계수의 위치가, 예측 궤적으로부터 소정값 미만인 경우에는, 반사 계수가 원주 에어리어 내로 이동하도록 VC2를 변경한다. 따라서, 큰 부하 변동이 있었을 경우에, 신속히 원주 통과 예측점을 재설정할 수 있으므로, 적절한 임피던스 정합을 행할 수 있다.
(8) 원주 에어리어 내인지 여부의 판단(스텝 S35)
실시 형태 2의 스텝 S25와 마찬가지로, 그 시점의 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 있는지 여부가 판단된다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 있는 경우(S35에서 "예")에는 스텝 S36으로 이행하고, VC1 제어를 행한다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 없을 경우(S35에서 "아니오")에는 스텝 S44로 이행한다.
(9) VC1 제어(스텝 S36)
실시 형태 2의 스텝 S26과 마찬가지로, VC1 변경에 의한 정합 동작(반사 계수 Γ를 정합원 R의 원주를 따라서 정합 목표점에 접근하는 동작)을 행하는데, 즉, 정합점 접근 제어를 행한다.
(10) 정합 완료의 판단(스텝 S37)
실시 형태 2의 스텝 S27과 마찬가지로, 반사 계수 Γ가 정합 목표점에 도달했는지 여부를 판단한다. 정합 목표점에 도달한 경우에는(S37에서 "예"), 임피던스 정합 처리를 종료한다. 정합 목표점에 도달해 있지 않은 경우에는(S37에서 "아니오"), 스텝 S35로 복귀된다. 이렇게 해서, 실시 형태 2와 마찬가지로, VC1을 변경할 때, 반사 계수 Γ가 원주 에어리어로부터 벗어나는 것을 억제한다.
(11) 타깃 에어리어 내의 판단(스텝 S44)
도 10에 도시한 바와 같이, 타깃 에어리어(TA)는 정합점 부근의 영역이며, U 방향이 원주 에어리어보다도 넓은 영역이다. 즉, 타깃 에어리어는, 반사 계수 Γ의 실수부가 원주 에어리어의 실수부보다도 크고, 정합점을 포함하는 에어리어이다. 예를 들어, 타깃 에어리어의 반경은, 0.21로 할 수 있다. 스텝 S44에서는, 반사 계수 Γ가 타깃 에어리어 내에 들어 있는지 여부를 판단한다. 타깃 에어리어 내에 들어 있는 경우(S44에서 "예")에는 스텝 S45로 진행한다. 타깃 에어리어 내에 들어 있지 않는 경우(S44에서 "아니오")에는 스텝 S34로 복귀된다.
(12) VC2 미세 조정(스텝 S45)
VC2를 미리 결정된 소정값만큼 변경하여 미세 조정한다. 이 미세 조정에 의해, 반사 계수 Γ를 원주 에어리어에 근접시킨다. 그리고, 스텝 S45 후, VC1 제어(S36)를 행한다.
이와 같이, 실시 형태 3에서는, 원주 접근 제어(S34)를 행한 후, 원주 에어리어의 밖에 반사 계수 Γ가 있는 경우에 있어서, 반사 계수 Γ가 타깃 에어리어 내에 있는 경우에는, VC2를 변경(S45)하고, 그 후, 정합점 접근 제어(S36)를 행하고, 반사 계수 Γ가 타깃 에어리어 내에 없는 경우에는, 원주 접근 제어(S34)를 행한다. 이와 같이 함으로써, 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 없지만 타깃 에어리어 내에 있는 경우(S44에서 "예"), 더 빠르게 임피던스 정합을 행할 수 있다.
실시 형태 3에 의하면, 실시 형태 1과 실시 형태 2의 효과에 추가로, 적어도 다음 효과를 발휘한다.
(C1) 원주 에어리어의 밖에 반사 계수가 있는 상태에서 원주 접근 제어를 행했을 때에, 반사 계수가 원주 에어리어를 통과한 경우, 원주 에어리어를 통과한 반사 계수의 위치가, 예측 궤적으로부터 미리 정한 제2 값 이상 이격된 경우에는, 반사 계수 산출 처리로 이행하고, 원주 에어리어를 통과한 반사 계수의 위치가, 예측 궤적으로부터 제2 값 미만인 경우에는, 반사 계수가 원주 에어리어 내로 이동하도록 VC2를 변경하고, 정합점 접근 제어로 이행하도록 구성했으므로, 큰 부하 변동이 발생한 경우에도, 신속히 원주 통과 예측점을 재설정할 수 있어, 적절한 임피던스 정합을 행할 수 있다.
(C2) 원주 접근 제어를 행한 후, 원주 에어리어의 밖에 반사 계수가 있는 경우에 있어서, 타깃 에어리어 내에 반사 계수가 있는 경우에는, VC2를 변경한 후, 정합점 접근 제어를 행하고, 타깃 에어리어 내에 반사 계수가 없는 경우에는, 원주 접근 제어를 행하도록 구성했으므로, 타깃 에어리어 내에 반사 계수가 있는 경우, 더 빠르게 임피던스 정합을 행할 수 있다.
<실시 형태 4>
실시 형태 2이나 실시 형태 3에서는, VC2 예측 제어에 있어서, VC2의 변경과 VC1의 미세 조정을 행함으로써, 정합기의 입력 임피던스 악화를 억제하면서, 반사 계수 Γ를 정합원의 원주 상으로 이동시키도록 하였다.
그러나, VC2의 변화량에 대한 정합기의 입력 임피던스 감도가 높은 경우(즉, VC2의 변화량에 대한 반사 계수 Γ의 감도가 높은 경우), 정합기의 입력 임피던스 악화를, VC1의 미세 조정으로는 전부 개선할 수는 없는 경우가 있다. 이 임피던스의 악화가, 플라스마 착화 시에 있어서의 정합 도중에 일어난 경우 등에는, 플라스마가 실화할 우려가 있다.
본 발명의 실시 형태 4에 관한 정합기는, 상기 과제를 해결하고, 실시 형태 2나 실시 형태 3의 정합 동작에서는 대응이 어려운 경우에도, 정합기의 입력 임피던스 악화를 억제할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
실시 형태 4에 관한 정합기(10C)는 실시 형태 2의 정합기(10A)의 용량 연산부(22A)의 처리 내용, 즉, 정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서(31)의 용량 VC1 및 가변 용량 콘덴서(32)의 용량 VC2의 제어 방법이 상이하다. 실시 형태 4의 정합기(10C)의 다른 구성은, 실시 형태 2의 정합기(10A)와 같다. 즉, 실시 형태 4의 정합기(10C)의 용량 연산부(22C)는 실시 형태 2의 용량 연산부(22A)의 제어를 포함하고, 또한, 실시 형태 2의 용량 연산부(22A)에, 주로, 이하의 (1) 내지 (3)의 점을 부가한 것이다. 이하의 (1) 내지 (3)은 실시 형태 4의 개요이다. 상세는, 도 16을 사용하여 후술한다.
(1) 실시 형태 4의 용량 연산부(22C)는 스미스 차트 상에 있어서의 반사 계수 Γ의 예측 궤적(VC2를 변경할 때의 예측 궤적)과, 정합원의 원주의 교점인 원주 통과 예측점을 계산에 의해 취득하고, 또한, 반사 계수 Γ의 예측 궤적과 V=0의 직선의 교점(V 제로 직선 통과 예측점)을 계산에 의해 취득한다. 그리고, 용량 연산부(22C)는 이들 교점의 계산 결과에 의해, VC2 예측 제어에 있어서, 원주 통과 예측점을 목표로 하는 원주 접근 제어를 행할지, V 제로 직선 통과 예측점을 목표로 하는 V 제로 직선 접근 제어를 행할지의 선택을 행한다. 즉, 상기 계산 결과로부터, 정합기(10C)의 입력 임피던스의 악화가 작은 경로를 선택한다.
(2) 스미스 차트 상에 있어서, 원주 통과 예측점이, 현재의 반사 계수 Γ의 위치에 비해, 정합점(스미스 차트의 중심)으로부터 먼 경우, 즉, 원주 통과 예측점의 U값이, 현재의 반사 계수 Γ의 U값보다도 큰 경우(예를 들어 U>0.4일 경우), V 제로 직선 통과 예측점을 도달 목표로 선택하고, 원주 접근 제어, 즉, 실시 형태 2에서 설명한 VC2 예측 제어(도 9의 S24)를 행한다.
(3) V 제로 직선 통과 예측점을 도달 목표로 하여 VC2 예측 제어를 행하고, 도달 목표에 도달하면, VC1을 변경함으로써 반사 계수 Γ를 V=0직선으로부터 이반시키는 V 제로 직선 이반 제어를 행한다. 이때, 반사 계수 Γ가 정합점에 근접하는 방향으로 VC1을 변경한다. 그리고, V 제로 직선 이반 제어에 의해, 반사 계수 Γ의 위치를 소정값, 예를 들어, 반사 계수 Γ의 V값이 V<-0.3 정도로 될 때까지, V 제로 직선으로부터 이반시킨 후, 다시, VC2 예측 제어로 이행한다.
이와 같이, 제어부(20C)가 원주 접근 제어(VC2의 제어)와 V 제로 직선 이반 제어(VC1의 제어)를 교대로 행함으로써, 정합기(10C)의 입력 임피던스의 변동이 크리티컬한 경우에 있어서도, 정합기(10C)의 입력 임피던스의 악화를 억제하여, 플라스마의 실화를 억제할 수 있다.
실시 형태 4에 관한 임피던스 정합의 처리에 대하여 도 16과 도 17을 사용하여 설명한다. 도 16은, 실시 형태 4에 관한 임피던스 정합의 처리 흐름도이다. 도 16에 도시하는 임피던스 정합의 처리는, 용량 연산부(22C)에서 실행된다.
도 17은, 스미스 차트이며, VC2 예측 제어에 있어서의 도달 목표의 선택을 설명하기 위한 도면이다. R은 정합원이다. Cp는 정합 동작 궤적 예측원이며, 스미스 차트 상에 있어서, 3개의 반사 계수 산출점으로부터 산출되는 원이다. 즉, Cp는, VC2의 예측 제어를 행할 때에, 스미스 차트 상의 반사 계수 Γ의 궤적으로서 예측되는 원이다.
P1과 P2는, 각각, 정합원 R과 정합 동작 궤적 예측원 Cp의 교점(원주 통과 예측점)이다. P3과 P4는, 각각, V=0의 직선과 정합 동작 궤적 예측원 Cp의 교점(V 제로 직선 통과 예측점)이다. Ps는, 어떤 시점(예를 들어, 임피던스 정합의 처리 개시 시점)의 반사 계수 Γ의 위치이다. 원주 에어리어는, 정합원 R의 원주로부터 소정 거리 범위 내의 영역이며, 정합원 R의 내측의 원 Rin의 원주와 외측의 원 Rout의 원주 사이의 영역이다.
이하, 도 16의 각 스텝에 대하여 설명한다.
(1) 원주 에어리어 내인지 여부의 판단(스텝 S51)
스텝 S51에서는, 실시 형태 2의 스텝 S21과 마찬가지로, 그 시점의 반사 계수 Γ(위치 Ps에 있어서의 반사 계수 Γ)가 원주 에어리어 내에 있는지 여부가 판단된다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 있는 경우(S51에서 "예")에는 스텝 S58로 이행하고, VC1 제어를 행한다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 없을 경우(S51에서 "아니오")에는 스텝 S52로 이행한다.
(2) VC2 제어(스텝 S52)
스텝 S52에서는, 실시 형태 2의 스텝 S22와 마찬가지로, VC2 제어가 행해진다. 즉, 반사 계수 Γ가 위치 Ps로부터 정합원 R의 원주에 근접하도록, VC2를 변경한다. 도 17의 예에서는, 위치 Ps가 정합원 R의 내측에 있으므로, VC2를 증가시킨다.
(3) 목표점이 계산 가능한지 여부의 판단(스텝 S53)
이어서, 실시 형태 2의 스텝 S23과 마찬가지로, VC2 예측 제어가 가능한지 여부를 판단한다. 즉, VC2 예측 제어에 있어서의 목표점(원주 통과 예측점)이 계산 가능한지 여부를 판단한다. 원주 통과 예측점이 계산 가능한 경우에는(S53에서 "예"), 스텝 S54로 이행하고, 원주 통과 예측점에 있어서의 U값(Ue)을 판단한다. 원주 통과 예측점이 계산 가능하지 않은 경우에는(S53에서 "아니오"), 스텝 S52로 복귀된다.
실시 형태 2에서 설명한 바와 같이, 원주 통과 예측점을 얻기 위해서는, UV 좌표 상에서 반사 계수 Γ를 산출한 점(반사 계수 산출점)이 2개 이상 필요하다. 반사 계수 산출점이 2개인 경우에는, 실시 형태 2의 실시예 21에서 설명한 바와 같이, 2개의 반사 계수 산출점을 연결하는 직선과 정합원 R의 교점이 원주 통과 예측점이 된다. 상기 스텝 S52를 1회 실시(즉, VC2를 1회 변경)하면, VC2 변경 전의 반사 계수 산출점과 VC2 변경 후의 반사 계수 산출점으로, 반사 계수 산출점이 2개 생긴다.
반사 계수 산출점이 3개인 경우에는, 실시 형태 2의 실시예 22에서 설명한 바와 같이, 3개의 반사 계수 산출점으로부터 산출되는 원(정합 동작 궤적 예측원 Cp)과 정합원 R의 교점을 원주 통과 예측점으로 할 수 있다. 이 경우에는, 상기 스텝 S52를 2회 실시하게 된다. 도 16의 처리에서는, 정합 동작 궤적 예측원 Cp와 정합원 R의 교점을, 원주 통과 예측점으로 하는 예를 설명한다.
(4) 원주 통과 예측점에 있어서의 U값의 판단(스텝 S54)
스텝 S54에서는, 원주 통과 예측점 P1에 있어서의 U값인 Ue(즉, 원주 통과 예측점 P1의 실수부인 원주 실수부)가 소정의 제1 값(예를 들어 U=0.4)보다도 작은지 여부를 판단한다. Ue가 제1 값보다도 작은 경우에는(S54에서 "예"), 스텝 S56으로 이행하고, 원주 통과 예측점 P1을 도달 목표로 하는 VC2 예측 제어(원주 접근 제어)를 행한다. Ue가 제1 값 이상인 경우에는(S54에서 "아니오"), 스텝 S55로 이행하고, Ue와 Uv를 비교한다. Uv는, V=0의 직선과 정합 동작 궤적 예측원 Cp의 교점(V 제로 직선 통과 예측점) P3에 있어서의 U값(즉, V 제로 직선 통과 예측점 P3의 실수부인 V 제로 실수부)이다.
여기서, 원주 통과 예측점 P1을 도달 목표로 하는 VC2 예측 제어란, 원주 통과 예측점 P1 부근에 이르기까지 VC2를 변경함과 함께, 실시 형태 2에서 설명한 바와 같이, VC2를 변경할 때에, 원주 통과 예측점 P1의 V 좌표에 따라, VC1을 증가 또는 감소시키는 것이다. 도 17의 예에서는, 원주 통과 예측점 P1의 V 좌표가 정이므로, VC1을 감소시킨다(실시 형태 2의 스텝 S24의 설명 참조).
(5) Ue와 Uv의 비교(스텝 S55)
스텝 S55에서는, Ue가 Uv보다도 큰지 여부를 판단한다. Ue가 Uv보다도 큰 경우에는(S55에서 "예"), 스텝 S61로 이행하고, V 제로 직선 통과 예측점 P3을 도달 목표로 하는 VC2 예측 제어를 행한다. Ue가 Uv 이하인 경우에는(S55에서 "아니오"), 스텝 S56으로 이행하고, 원주 통과 예측점 P1을 도달 목표로 하는 VC2 예측 제어를 행한다.
여기서, V 제로 직선 통과 예측점 P3을 도달 목표로 하는 VC2 예측 제어란, V 제로 직선 통과 예측점 P3 부근에 이르기까지 VC2를 변경함과 함께, VC2를 변경할 때에, 원주 통과 예측점 P1의 V 좌표에 따라, VC1을 증가 또는 감소시키는 것이다. 도 17의 예에서는, 원주 통과 예측점 P1의 V 좌표가 정이므로, VC1을 감소시킨다.
이와 같이, Ue가 제1 값보다도 작은 경우(S54에서 "예")에는 VC2의 변경을 반복해도 반사 계수 Γ가 정합점으로부터 멀어질 가능성이 작으므로, 실시 형태 2와 마찬가지로, 원주 통과 예측점 P1을 도달 목표로 하는 VC2 예측 제어(S56)를 행한다.
또한, Ue가 제1 값 이상이지만 Uv 이하인 경우(S55에서 "아니오")에는 역시, VC2의 변경을 반복해도 반사 계수 Γ가 정합점으로부터 멀어질 가능성이 작으므로, 실시 형태 2와 마찬가지로, 원주 통과 예측점 P1을 도달 목표로 하는 VC2 예측 제어(S56)를 행한다.
또한, Ue가 제1값 이상이며 Uv보다도 큰 경우(S55에서 "예")에는 VC2의 변경을 반복하면 반사 계수 Γ가 정합점으로부터 멀어질 가능성이 크므로, V 제로 직선 통과 예측점 P3을 도달 목표로 하는 VC2 예측 제어(S61)를 행한다.
또한, 원주 통과 예측점(P1, P2)과 V 제로 직선 통과 예측점(P3, P4)은 각각 2개 산출되는데, 어느 쪽을 도달 목표로 설정할지의 선택에 대해서는, 그 시점에 있어서의 스미스 차트 상의 반사 계수 Γ의 위치에 기초하여, 정합기(10C)의 입력 임피던스의 악화를 억제할 수 있는 쪽이 선택된다. 즉, 그 시점에 있어서의 반사 계수 Γ와, 원주 통과 예측점(P1, P2)과, V 제로 직선 통과 예측점(P3, P4)의, 각각의 U값 및 V값에 기초하여, 한쪽 원주 통과 예측점 또는 V 제로 직선 통과 예측점이 도달 목표로 설정된다.
구체적으로는, 스미스 차트에 있어서, 그 시점에 있어서의 반사 계수 Γ의 위치에서 보아서, 정합 동작 시에 반사 계수 Γ의 궤적이 진행하는 방향의 교점이, 도달 목표로서 선택된다. 즉, 그 시점에 있어서의 반사 계수 Γ의 V값과 역의 극성을 갖는 원주 통과 예측점, 또는, 그 원주 통과 예측점에 이르는 정합 동작 궤적 예측원 Cp 상의 V 제로 직선 통과 예측점이, 도달 목표로서 선택된다.
예를 들어, 도 17의 경우에는, 그 시점에 있어서의 반사 계수 Γ의 위치 Ps의 U값 및 V값과, 원주 통과 예측점(P1, P2)의 U값 및 V값과, V 제로 직선 통과 예측점(P3, P4)의 U값 및 V값에 기초하여, 원주 통과 예측점 P1 또는 V 제로 직선 통과 예측점 P3이, 도달 목표로 설정된다.
구체적으로는, 도 17의 경우에는, 반사 계수 Γ의 위치 Ps의 V값이 부이므로, V값이 정인 원주 통과 예측점 P1이, 도달 목표로서 결정된다. 또는, 원주 통과 예측점 P1에 이르는 정합 동작 궤적 예측원 Cp 상의 V 제로 직선 통과 예측점 P3이 도달 목표로서 결정된다.
(6) 원주 통과 예측점을 도달 목표로 하는 VC2 예측 제어(스텝 S56)
실시 형태 2의 스텝 S24와 마찬가지로, 반사 계수 Γ가 원주 통과 예측점에 근접하도록 VC2를 변경하는 원주 접근 제어를 행한다. 이때, 실시 형태 2에서 설명한 바와 같이, 원주 통과 예측점을 취득하고, 그 원주 통과 예측점에 기초하여VC1을 미세 조정한다. 구체적으로는, 원주 통과 예측점의 V 좌표가 부인 경우에는, VC1이 증가시키도록 미세 조정하고, 원주 통과 예측점의 V 좌표가 정인 경우에는, VC1이 감소시키도록 미세 조정한다. 도 17의 예에서는, 원주 통과 예측점 P1의 V 좌표가 정이므로, VC1을 감소시킨다.
(7) 원주 에어리어 내인지 여부의 판단(스텝 S57)
스텝 S56에서 VC2를 변경한 후, 변경 후의 반사 계수 Γ가, 원주 에어리어 내에 있는지 여부가 판단된다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 있는 경우(S57에서 "예")에는 스텝 S58로 이행하고, VC1 제어를 행한다. 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 없을 경우(S57에서 "아니오")에는 스텝 S56로 복귀된다.
(8) VC1 제어(스텝 S58)
실시 형태 2의 스텝 S26과 마찬가지로, VC1 변경에 의한 정합 동작(반사 계수 Γ가 정합원 R의 원주를 따라서 정합 목표점에 근접하는 동작), 즉, 정합점 접근 제어를 행한다. 도 17의 예에서는, VC1을 감소시킨다.
(9) 정합 완료의 판단(스텝 S59)
반사 계수 Γ가 정합 목표점에 도달했는지 여부를 판단한다. 정합 목표점에 도달한 경우에는(S59에서 "예"), 임피던스 정합 처리를 종료한다. 정합 목표점에 도달해 있지 않은 경우에는(S59에서 "아니오"), 스텝 S57로 복귀된다. 이렇게 해서, VC1을 변경할 때, 반사 계수 Γ가 원주 에어리어로부터 벗어나는 것을 억제한다. 실시 형태 2와 마찬가지로, 반사 계수 Γ가 원주 에어리어의 외측으로 벗어난 경우에는, VC2를 감소시키고, 내측으로 벗어난 경우에는, VC2를 증가시킨다.
(10) V 제로 직선 통과 예측점을 도달 목표로 하는 VC2 예측 제어(스텝 S61)
반사 계수 Γ가 V 제로 직선 통과 예측점에 근접하도록 VC2를 변경하는 V 제로 직선 접근 제어를 행한다. 이때, VC1을 미세 조정한다. 도 17의 예에서는, 원주 통과 예측점 P1의 V 좌표가 정이므로, VC1을 감소시킨다.
(11) |V|가 소정값 이하인지 여부의 판단(스텝 S62)
스텝 S61을 행한 후, 그 시점의 반사 계수 Γ의 |V|(V의 절댓값)가 소정의 제2 값 이하인지 여부, 즉, V=0의 직선으로부터 소정 범위 내(예를 들어, 반사 계수 Γ의 V값이 V=0±0.05 이내)인지 여부를 판단한다. 반사 계수 Γ의 |V|가 제2 값 이하인 경우(S62에서 "예")에는 스텝 S63으로 이행하고, VC1 제어를 행한다. 반사 계수 Γ의 |V|가 제2 값보다 작은 경우(S62에서 "아니오")에는 스텝 S61로 복귀된다.
(12) VC1 제어(스텝 S63)
반사 계수 Γ의 |V|가, 소정의 제3 값보다 커지도록(예를 들어, 반사 계수 Γ의 V값이 V=-0.3보다도 작아지도록), 또한, 반사 계수 Γ가 정합점에 근접하도록, VC1을 변경한다. 즉, 반사 계수 Γ가 V 제로 직선으로부터 소정값보다 크게 이반하고, 또한, 정합점에 근접하도록 VC1을 변경하는 V 제로 직선 이반 제어를 행한다. 도 17의 예에서는, VC1을 감소시킨다(도 4 참조).
(13) |V|가 제3 값보다 큰지 여부의 판단(스텝 S64)
스텝 S63을 행한 후, 그 시점의 반사 계수 Γ의 |V|(V의 절댓값)가 제3 값보다 큰지 여부, 즉, 반사 계수 Γ가 V=0의 직선으로부터 소정 범위 밖(예를 들어, 반사 계수 Γ의 V값이 V=-0.3보다도 작다)인지 여부, 또는, 그 시점의 VC1이 변경의 한계치(예를 들어, VC1이 최솟값)인지 여부를 판단한다. 반사 계수 Γ의 |V|가 제3 값보다 크거나, 또는, VC1이 변경의 한계치일 경우(S64에서 "예")에는 스텝 S51로 복귀된다. 반사 계수 Γ의 |V|가 제3 값 이하이고, 또한, VC1이 변경의 한계치가 아닐 경우(S64에서 "아니오")에는 스텝 S63으로 복귀되고, VC1 제어를 행한다.
이렇게 해서, 실시 형태 4에서는, Ue가 제1 값 이상이며 Uv보다도 큰 경우(S55에서 "예")에는 V 제로 직선 통과 예측점을 도달 목표로 하는 V 제로 직선 접근 제어(S61)와 V 제로 직선 이반 제어(S63)를 행하므로, 실시 형태 2와 같이 VC2의 변경을 반복한 경우에, 반사 계수 Γ가 정합점으로부터 멀어져서, 정합기의 입력 임피던스를 악화시키는 것을 억제할 수 있다.
또한, 실시 형태 4에서는, Ue가 제1 값보다도 작은 경우(S54에서 "예")나, Ue가 제1 값 이상이지만 Uv 이하인 경우(S55에서 "아니오")에는 실시 형태 2와 마찬가지로, 원주 통과 예측점을 도달 목표로 하는 원주 접근 제어를 행하므로, 실시 형태 2와 동일한 효과를 발휘한다. 즉, 임피던스의 악화가 억제되는 것에 의한 플라스마의 실화를 억제할 수 있고, 정합 시간도 고속화할 수 있다.
또한, 도 16의 예에서는, 스텝 S54에서 Ue가 제1 값보다도 작은지 여부를 판단하여, 스텝 S55에서 Ue가 Uv보다도 큰지 여부를 판단했지만, 스텝 S54와 스텝 S55 중 어느 한쪽을 생략하는 구성으로 할 수도 있다. 이렇게 구성해도, 어느 정도, 실시 형태 4의 효과를 얻을 수 있다.
스텝 S54를 생략하는 경우에는, 스텝 S53의 다음으로 스텝 S55를 실시한다. 그리고, 스텝 S55에 있어서, Ue가 Uv보다도 큰 경우에는, 스텝 S61로 이행하고, Ue가 Uv 이하인 경우에는, 스텝 S56으로 이행한다.
스텝 S55를 생략하는 경우에는, 스텝 S54에 있어서, Ue가 제1 값보다도 작은 경우에는, 스텝 S56으로 이행하고, Ue가 제1 값 이상인 경우에는, 스텝 S61로 이행한다.
또한, 상술한 스텝 S56과 스텝 S61에서는, VC2 변경 시에 VC1을 미세 조정했지만, VC1을 미세 조정하지 않는 구성으로 해도 된다. 이렇게 구성해도, 실시 형태 4의 효과를 발휘할 수 있다.
<실시예 41>
실시 형태 4에 있어서의 임피던스 정합 처리의 제1 실시예(실시예 41)에 대해서, 도 18을 사용하여 설명한다. 도 18은, 스미스 차트이며, 실시예 41에 관한 임피던스 정합 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 18에 도시한 바와 같이, 먼저, 위치 Ps에 있어서, 도 16의 스텝 S51 내지 스텝 S55가 실시된다. 도 18의 예에서는, 스텝 S54에 있어서, 위치 Ps에 있어서의 Ue(원주 통과 예측점의 U값)가 소정값(예를 들어 U=0.4) 이상이라고 판단되므로(도 16의 스텝 S54에서 "아니오"), 스텝 S55로 이행한다. 그리고, 스텝 S55에 있어서, 위치 Ps에 있어서의 Ue(원주 통과 예측점의 U값)가 위치 Ps에 있어서의 Uv(V 제로 직선 통과 예측점 P3에 있어서의 U값)보다도 크다고 판단되므로, 스텝 S61로 이행하고, V 제로 직선 통과 예측점 P3을 도달 목표로 하는 V 제로 직선 접근 제어(도 18의 F1)를 행하고, VC2를 변경한다. 도 18의 예에서는, VC2를 증가시킨다.
V 제로 직선 접근 제어 F1 실시중에, 반사 계수 Γ가 교점 P3의 근방에 도달했다고 판단되면(도 16의 스텝 S62에서 "예"), 도 16의 스텝 S63으로 이행하고, V 제로 직선 이반 제어(도 18의 F2)를 행하고, VC1을 변경한다. 이때, 도 18의 예에서는, 반사 계수 Γ가 정합점에 근접하도록, VC1을 감소시킨다. 도 18의 예에서 VC1을 증가시키면, 반사 계수 Γ는, F2와 대략 역방향으로 이동하는, 즉, V=0 직선으로부터 이격되지만, 정합점으로부터도 멀어진다.
V 제로 직선 이반 제어 F2 실시중에, 반사 계수 Γ의 |V|가 소정값보다 크다고 판단되면(도 16의 스텝 S64에서 "예"), 도 16의 스텝 S51로 이행하고, 스텝 S51 내지 스텝 S54가 실시된다. 스텝 S54에 있어서, 위치 P5에 있어서의 Ue(원주 통과 예측점의 U값)가 소정값(예를 들어 U=0.4)보다도 작다고 판단되므로(도 16의 스텝 S54에서 "예"), 스텝 S56으로 이행하고, 위치 P5에 있어서의 원주 통과 예측점을 도달 목표로 하는 원주 접근 제어(도 18의 F3)를 행하고, VC2를 변경한다. 도 18의 예에서는, VC2를 증가시킨다.
원주 접근 제어 F3 실시중에, 반사 계수 Γ가 원주 에어리어 내에 있다고 판단되면(도 16의 스텝 S57에서 "예"), 도 16의 스텝 S58로 이행하고, 정합점 접근 제어(도 18의 F4)를 행하고, VC1을 변경한다. 도 18의 예에서는, VC1을 감소시킨다. 그리고, 정합점 접근 제어 F4 실시중에, 반사 계수 Γ가 정합 목표점에 도달하고, 정합 처리가 완료된다(도 16의 스텝 S59에서 "예").
상술한 실시예 41에서는, 정합 처리의 개시 위치 Ps가, 스미스 차트 상에서 V=0의 직선보다도 아래측에 있는 경우, 즉, 위치 Ps의 V값이 부인 경우에 대하여 설명했지만, 위치 Ps의 V값이 정인 경우에도, 실시예 41과 마찬가지로 정합 처리를할 수 있다. 이 경우, 도 19에 도시하는 정합 경로(F1 내지 F4)가 된다. 이 경우도, F2의 VC1 제어에 있어서는, 반사 계수 Γ가 정합점에 근접하도록, VC1을 감소시킨다.
실시 형태 4에 의하면, 실시 형태 1 내지 3의 효과에 추가로, 적어도 다음 효과를 발휘한다.
(D1) 반사 계수의 복수의 위치를 사용하여 예측 궤적을 취득하고, 예측 궤적과 정합원의 교점인 원주 통과 예측점을 취득하고, V 제로 직선과 예측 궤적의 교점인 V 제로 직선 통과 예측점을 취득하고, 원주 통과 예측점의 실수부(원주 실수부)의 값에 기초하여, V 제로 직선 접근 제어를 행할지 또는, 원주 접근 제어를 행할지의 선택을 행하고, V 제로 직선 접근 제어를 행하는 경우에는, 반사 계수가 V 제로 직선 통과 예측점에 근접하도록 VC2를 변경하고, 그 후, 반사 계수가 V 제로 직선으로부터 제1 값보다 크게 이반하도록, VC1을 변경하는 V 제로 직선 이반 제어를 행하고, 원주 접근 제어를 행하는 경우에는, 반사 계수가 원주 통과 예측점에 근접하도록 VC2를 변경하고, 반사 계수와 정합원 간의 거리가 제2 값 이내로 되면, 반사 계수가 제로에 근접하도록 VC1을 변경하는 정합점 접근 제어를 행하도록 구성했으므로, 정합기의 입력 임피던스 감도가 높은 경우에 있어서도, 정합기의 입력 임피던스 악화를 억제할 수 있다.
(D2) V 제로 직선 접근 제어를 행할지 또는, 원주 접근 제어를 행할지의 선택을 행할 때에, 상기 원주 실수부가 제3 값 이상인 경우에는, V 제로 직선 접근 제어를 행하고, 상기 원주 실수부가 제3 값보다 작은 경우에는, 원주 접근 제어를 행하도록 구성했으므로, 상기 선택을 적절하게 행할 수 있다.
(D3) 상기 선택을 행할 때에, 상기 원주 실수부가, V 제로 직선 통과 예측점의 실수부(V 제로 실수부)보다 큰 경우에는, V 제로 직선 접근 제어를 행하고, 상기 원주 실수부가 V 제로 실수부 이하인 경우에는, 원주 접근 제어를 행하도록 구성했으므로, 상기 선택을 적절하게 행할 수 있다.
(D4) 상기 선택을 행할 때에, 상기 원주 실수부가, 제3 값 이상이며, 또한 상기 V 제로 실수부보다 큰 경우에는, V 제로 직선 접근 제어를 행하고, 상기 원주 실수부가 제3 값보다 작거나, 또는, 상기 원주 실수부가 제3 값 이상이며, 또한 상기 V 제로 실수부 이하인 경우에는, 원주 접근 제어를 행하도록 구성했으므로, 상기 선택을 적절하게 행할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태 및 실시예에 한정되는 것은 아니라, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지로 변경이 가능한 것은 말할 필요도 없다.
상기 각 실시 형태의 구성은, 적절히, 다른 실시 형태에 적용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 실시 형태 3에 있어서의 부하 변동에 의한 원주 에어리어 통과의 판단과 처리(S41 내지 S43)나, 타깃 에어리어 내의 판단과 처리(S44 내지 S45)는 실시 형태 4에도 적용할 수 있다.
또한, 상기 각 실시 형태에서는, 전송 선로(35)에 대응하는 원의 정보를 기억부(25)에 미리 기억하도록 구성했지만, 기억부(25)에 미리 기억하는 것이 아니고, 원의 정보가 필요하게 될 때마다, 제어부가 (수 4)를 사용하여 원의 정보를 연산하도록 구성해도 된다.
2: 고주파 전원 장치
3: 플라스마 처리 장치
10, 10A, 10B, 10C: 정합기
11: 방향성 결합기
20, 20A, 20C: 제어부
21: 반사 계수 연산부
22, 22A, 22B, 22C: 용량 연산부
23: 용량 설정부
25: 기억부
30: 정합 회로
30a: 입력 단자
30b: 출력 단자
31, 32: 가변 용량 콘덴서
31a: 제어 단자
32a: 제어 단자
33: 인덕턴스
35, 36: 전송 선로
100: 정합기
120: 제어부
122: 용량 연산부
VC1: 가변 용량 콘덴서(31)의 용량
VC2: 가변 용량 콘덴서(32)의 용량

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기와,
    상기 방향성 결합기에 접속된 입력 단자와, 출력 단자와, 일단부가 제1 전송 선로를 통하여 상기 입력 단자에 접속되고 타단부가 접지된 제1 가변 용량 콘덴서와, 일단부가 제2 전송 선로를 통하여 상기 출력 단자에 접속되고 타단부가 접지된 제2 가변 용량 콘덴서와, 일단부가 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 상기 일단부에 접속되고 타단부가 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 상기 일단부에 접속된 인덕턴스를 갖는 정합 회로와,
    상기 방향성 결합기로 검출한 진행파와 반사파에 기초하여, 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값과 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 제어하는 제어부를 구비하는 정합기로서,
    상기 제어부는,
    스미스 차트 상의 반사 계수가, 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 원인 정합원에 근접하도록, 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 고정하고 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하여, 스미스 차트 상의 복수의 위치에 있어서의 반사 계수를 산출하는 반사 계수 취득 처리를 행하고, 상기 복수의 위치를 사용하여 반사 계수의 예측 궤적을 취득하고, 상기 예측 궤적과 상기 정합원의 교점인 원주 통과 예측점을 취득하고,
    반사 계수가 상기 원주 통과 예측점에 근접하도록 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 고정하고 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하는 원주 접근 제어를 행함과 함께, 상기 원주 통과 예측점의 허수부가 부인 때는 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 증가시키고, 상기 원주 통과 예측점의 허수부가 정인 때는 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 감소시키고,
    반사 계수와 상기 정합원 간의 거리가 미리 정한 제1 값 이내로 되면, 반사 계수가 제로에 근접하도록 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 고정하고 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하는 정합점 접근 제어를 행하는
    정합기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 정합점 접근 제어의 결과, 상기 거리가 상기 제1 값보다 커진 경우에 있어서, 반사 계수가 상기 정합원보다 외측에 있는 경우에는 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 감소시키고, 반사 계수가 상기 정합원보다 내측에 있는 경우에는 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 증가시키는
    정합기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 원주 통과 예측점은, 상기 복수의 위치의 2점을 연결하는 직선과, 상기 정합원의 교점인
    정합기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 원주 통과 예측점은, 상기 복수의 위치의 3점을 통과하는 정합 동작 궤적 예측원과, 상기 정합원의 교점인
    정합기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 원주 접근 제어에 있어서, 그때의 반사 계수 위치와 상기 원주 통과 예측점을 연결하는, 상기 정합 동작 궤적 예측원에 있어서의 원호의 길이에 따라, 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하는
    정합기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 정합원의 내측과 외측의 동심원이며, 각각 상기 정합원으로부터 상기 제1 값만큼 이격되어 있는 2개의 동심원으로 둘러싸이는 원주 에어리어의 밖에 반사 계수가 있는 상태에서, 상기 원주 접근 제어를 행했을 때에, 반사 계수가 상기 원주 에어리어를 통과한 경우, 상기 원주 에어리어를 통과한 반사 계수의 위치가, 상기 예측 궤적으로부터 미리 정한 제2 값 이상 이격된 경우에는, 상기 반사 계수 취득 처리로 이행하고, 상기 원주 에어리어를 통과한 반사 계수의 위치가, 상기 예측 궤적으로부터 제2 값 미만인 경우에는, 반사 계수가 상기 원주 에어리어 내로 이동하도록 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하고, 상기 정합점 접근 제어로 이행하는
    정합기.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 원주 접근 제어를 행한 후, 상기 정합원의 내측과 외측의 동심원이며, 각각 상기 정합원으로부터 상기 제1 값만큼 이격되어 있는 2개의 동심원으로 둘러싸이는 원주 에어리어의 밖에 반사 계수가 있는 경우에 있어서, 반사 계수의 실수부가 상기 원주 에어리어의 실수부보다도 크고 상기 정합점을 포함하는 타깃 에어리어의 내에 당해 반사 계수가 있는 경우에는, 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경한 후, 상기 정합점 접근 제어를 행하고, 상기 타깃 에어리어 내에 반사 계수가 없는 경우에는, 상기 원주 접근 제어를 행하는
    정합기.
  9. 진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기와,
    상기 방향성 결합기에 접속된 입력 단자와, 출력 단자와, 일단부가 제1 전송 선로를 통하여 상기 입력 단자에 접속되고 타단부가 접지된 제1 가변 용량 콘덴서와, 일단부가 제2 전송 선로를 통하여 상기 출력 단자에 접속되고 타단부가 접지된 제2 가변 용량 콘덴서와, 일단부가 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 상기 일단부에 접속되고 타단부가 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 상기 일단부에 접속된 인덕턴스를 갖는 정합 회로와,
    상기 방향성 결합기로 검출한 진행파와 반사파에 기초하여, 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값과 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 제어하는 제어부를 구비하는 정합기로서,
    상기 제어부는,
    스미스 차트 상의 반사 계수가, 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 원인 정합원에 근접하도록, 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 고정하고 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하여, 스미스 차트 상의 복수의 위치에 있어서의 반사 계수를 산출하고,
    상기 복수의 위치를 사용하여 반사 계수의 예측 궤적을 취득하고, 상기 예측 궤적과 상기 정합원의 교점인 원주 통과 예측점을 취득하고, 반사 계수의 허수부가 제로의 직선인 V 제로 직선과 상기 예측 궤적의 교점인 V 제로 직선 통과 예측점을 취득하고,
    상기 원주 통과 예측점의 실수부인 원주 실수부의 값에 기초하여, 반사 계수가 상기 V 제로 직선 통과 예측점에 근접하도록 하는 V 제로 직선 접근 제어를 행하거나 또는, 반사 계수가 상기 원주 통과 예측점에 근접하도록 하는 원주 접근 제어를 행할지의 선택을 행하고,
    상기 V 제로 직선 접근 제어를 행하는 경우에는, 반사 계수가 상기 V 제로 직선 통과 예측점에 근접하도록 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 고정하고 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하고, 그 V 제로 직선 접근 제어 후, 반사 계수가 상기 V 제로 직선으로부터 미리 정한 제1 값보다 크게 이반하도록, 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 고정하고 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하는 V 제로 직선 이반 제어를 행하고,
    상기 원주 접근 제어를 행하는 경우에는, 반사 계수가 상기 원주 통과 예측점에 근접하도록 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 고정하고 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하고,
    반사 계수와 상기 정합원 간의 거리가 미리 정한 제2 값 이내로 되면, 반사 계수가 제로에 근접하도록 상기 제2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 고정하고 상기 제1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하는 정합점 접근 제어를 행하는
    정합기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 선택을 행할 때에,
    상기 원주 실수부가 미리 정한 제3 값 이상인 경우에는, 상기 V 제로 직선 접근 제어를 행하고, 상기 원주 실수부가 상기 제3 값보다 작은 경우에는, 상기 원주 접근 제어를 행하는
    정합기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 선택을 행할 때에,
    상기 원주 실수부가, 상기 V 제로 직선 통과 예측점의 실수부인 V 제로 실수부보다 큰 경우에는, 상기 V 제로 직선 접근 제어를 행하고, 상기 원주 실수부가 상기 V 제로 실수부 이하인 경우에는, 상기 원주 접근 제어를 행하는
    정합기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 선택을 행할 때에,
    상기 원주 실수부가, 미리 정한 제3 값 이상이며, 또한 상기 V 제로 직선 통과 예측점의 실수부인 V 제로 실수부보다 큰 경우에는, 상기 V 제로 직선 접근 제어를 행하고,
    상기 원주 실수부가 상기 제3 값보다 작거나, 또는, 상기 원주 실수부가 상기 제3 값 이상이며, 또한 상기 V 제로 실수부 이하인 경우에는, 상기 원주 접근 제어를 행하는
    정합기.
  13. 삭제
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