KR20190119539A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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나오유키 우메하라
마사키 니시카와
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

변조 고주파 전력의 반사를 저감하는 것을 가능하게 하는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
일실시형태의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 고주파 전원은 제1 기간에서의 전력 레벨이 제1 기간과 교대의 제2 기간에서의 전력 레벨보다 높아지도록 생성된 변조 고주파 전력을 출력하도록 구성되어 있다. 정합기는 제1 기간 내의 모니터 기간에서의 고주파 전원의 부하측의 임피던스를, 고주파 전원의 출력 임피던스와는 상이한 임피던스로 설정하도록 구성되어 있다. 모니터 기간은 제1 기간의 개시 시점부터 미리 정해진 시간 길이의 경과 후에 개시하는 기간이다. 고주파 전원은 진행파의 전력 레벨과 반사파의 전력 레벨의 차인 로드 파워 레벨이 지정된 전력 레벨이 되도록, 변조 고주파 전력의 전력 레벨을 조정하도록 구성되어 있다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 개시의 실시형태는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
전자 디바이스의 제조에 있어서는, 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다. 플라즈마 처리 장치는 챔버, 전극, 고주파 전원 및 정합기를 포함한다. 챔버 내의 가스를 여기시켜 플라즈마를 생성하기 위해, 고주파 전력이 고주파 전원으로부터 전극에 부여된다. 정합기는 고주파 전원의 출력 임피던스에 고주파 전원의 부하측의 임피던스를 정합시키도록 구성되어 있다.
플라즈마 처리 장치에 있어서, 그 전력 레벨이 교대로 증감하도록 변조된 고주파 전력(이하, 「변조 고주파 전력」이라고 함)을 이용하는 것이 제안되어 있다. 보다 상세하게는, 변조 고주파 전력은 제1 기간에서의 그 전력 레벨이 제1 기간과 교대의 제2 기간에서의 그 전력 레벨보다 높아지도록, 생성되고 있다. 변조 고주파 전력의 이용에 대해서는 특허문헌 1에 기재되어 있다.
변조 고주파 전력이 이용되는 경우에는, 정합기는 제1 기간 내의 모니터 기간에 있어서 측정된 부하측의 임피던스를, 고주파 전원의 출력 임피던스(예컨대, 50+j0[Ω]의 정합 포인트)에 정합시키도록 동작한다. 모니터 기간은 제1 기간의 개시 시점부터 미리 정해진 시간 길이의 경과 후에 개시하는 기간이다. 모니터 기간이 이와 같이 설정되는 것은, 제1 기간의 개시 직후에는 반사파 전력이 크기 때문이다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2013-125892호 공보
변조 고주파 전력이 이용되는 경우에는, 정합 포인트에 부하측의 임피던스를 조정하여도, 그 반사에 기인하여 고주파 전력이 플라즈마에 결합되지 않는 기간이 길게 계속되는 경우가 있다. 따라서, 변조 고주파 전력의 반사를 저감하는 것을 가능하게 하는 것이 요구되고 있다.
일양태에 있어서는 플라즈마 처리 장치가 제공된다. 플라즈마 처리 장치는 챔버, 고주파 전원, 전극 및 정합기를 포함한다. 전극은 챔버 내에서 플라즈마를 생성하기 위해 상기 고주파 전원에 전기적으로 접속되어 있다. 정합기는 고주파 전원과 전극 사이에서 접속되어 있다. 고주파 전원은 제1 기간에서의 전력 레벨이 제1 기간과 교대의 제2 기간에서의 전력 레벨보다 높아지도록 생성된 고주파 전력(이하, 「변조 고주파 전력」이라고 함)을 출력하도록 구성되어 있다. 정합기는 제1 기간 내의 모니터 기간에서의 고주파 전원의 부하측의 임피던스를, 고주파 전원의 출력 임피던스와는 상이한 임피던스로 설정하도록 구성되어 있다. 모니터 기간은 제1 기간의 개시 시점부터 미리 정해진 시간 길이의 경과 후에 개시하는 기간이다. 고주파 전원은 진행파의 전력 레벨과 반사파의 전력 레벨의 차인 로드 파워 레벨이 지정된 전력 레벨이 되도록, 고주파 전력의 전력 레벨을 조정하도록 구성되어 있다.
일양태에 있어서는 플라즈마 처리 장치에서는, 변조 고주파 전력이 이용되는 경우에, 모니터 기간에서의 부하측의 임피던스가 고주파 전원의 출력 임피던스(정합 포인트)와는 상이한 임피던스로 설정된다. 그 결과, 변조 고주파 전력의 반사가 저감된다. 부하측의 임피던스가 정합 포인트와 상이한 경우에는, 반사를 완전히 없앨 수는 없지만, 로드 파워 레벨이 지정된 전력 레벨이 되도록, 고주파 전력의 전력 레벨이 조정되기 때문에, 플라즈마에 지정된 전력 레벨의 변조 고주파 전력이 결합된다.
일실시형태에 있어서, 정합기는 고주파 전력의 반사 계수의 절대값이 지정된 값이 되도록, 부하측의 임피던스를 설정한다. 일실시형태에 있어서, 지정된 값은 0.3 이상, 0.5 이하의 범위 내의 값이다.
이상 설명한 바와 같이, 변조 고주파 전력의 반사를 저감하는 것이 가능해진다.
도 1은 일실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 제1 모드의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 제2 모드의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 제3 모드의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)의 고주파 전원(36) 및 정합기(40)의 구성의 일례를 예시하는 도면이다.
도 6은 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)의 정합기(40)의 센서의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)의 고주파 전원(38) 및 정합기(42)의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)의 고주파 전원(38)의 센서의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9의 (a)는 실험에 있어서 측정한 값을 설명하는 도면이고, 도 9의 (b)는 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 여러 가지의 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일 또는 상당하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이는 것으로 한다.
도 1은 일실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치이다. 플라즈마 처리 장치(1)는 챔버(10)를 포함하고 있다. 챔버(10)는 내부 공간을 제공하고 있다.
챔버(10)는 챔버 본체(12)를 포함하고 있다. 챔버 본체(12)는 대략 원통 형상을 가지고 있다. 챔버(10)의 내부 공간은 챔버 본체(12)의 내측에 제공되어 있다. 챔버 본체(12)는 알루미늄이라고 하는 재료로 형성되어 있다. 챔버 본체(12)의 내벽면에는 양극 산화 처리가 실시되어 있다. 챔버 본체(12)는 접지되어 있다. 챔버 본체(12)의 측벽에는 개구(12p)가 형성되어 있다. 기판(W)은 챔버(10)의 내부 공간과 챔버(10)의 외부 사이에서 반송될 때에, 개구(12p)를 통과한다. 개구(12p)는 게이트 밸브(12g)에 의해 개폐 가능하다. 게이트 밸브(12g)는 챔버 본체(12)의 측벽을 따라 마련되어 있다.
챔버 본체(12)의 바닥부 상에는 절연판(13)이 마련되어 있다. 절연판(13)은 예컨대 세라믹으로 형성되어 있다. 절연판(13) 상에는 지지대(14)가 마련되어 있다. 지지대(14)는 대략 원기둥 형상을 가지고 있다. 지지대(14) 상에는 서셉터(16)가 마련되어 있다. 서셉터(16)는 알루미늄이라고 하는 도전성의 재료로 형성되어 있다. 서셉터(16)는 하부 전극을 구성하고 있다. 서셉터(16)는 챔버(10) 내에서의 플라즈마의 생성을 위해, 후술하는 고주파 전원에 전기적으로 접속될 수 있다.
서셉터(16) 상에는 정전 척(18)이 마련되어 있다. 정전 척(18)은 그 위에 배치되는 기판(W)을 유지하도록 구성되어 있다. 정전 척(18)은 본체 및 전극(20)을 가지고 있다. 정전 척(18)의 본체는 절연체로 형성되어 있고, 대략 원반 형상을 가지고 있다. 전극(20)은 도전막이고, 정전 척(18)의 본체 내에 마련되어 있다. 전극(20)에는 스위치(22)를 통해 직류 전원(24)이 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(24)으로부터의 직류 전압이 전극(20)에 인가되면, 기판(W)과 정전 척(18) 사이에서 정전 인력이 발생한다. 발생한 정전 인력에 의해, 기판(W)은 정전 척(18)에 끌어당겨져, 정전 척(18)에 의해 유지된다.
정전 척(18)의 주위, 또한, 서셉터(16) 상에는 포커스 링(26)이 배치되어 있다. 포커스 링(26)은 기판(W)의 엣지를 둘러싸도록 배치된다. 서셉터(16) 및 지지대(14)의 외주면에는 원통형의 내벽 부재(28)가 부착되어 있다. 내벽 부재(28)는 예컨대 석영으로 형성되어 있다.
지지대(14)의 내부에는 유로(14f)가 형성되어 있다. 유로(14f)는 예컨대 연직 방향으로 연장되는 중심 축선에 대하여 스파이럴형으로 연장되어 있다. 유로(14f)에는 챔버(10)의 외부에 마련된 공급 장치(예컨대 칠러 유닛)로부터 배관(32a)을 통해 열 교환 매체(cw)(예컨대 냉각수라고 하는 냉매)가 공급된다. 유로(14f)에 공급된 열 교환 매체는 배관(32b)을 통해 공급 장치에 회수된다. 열 교환 매체의 온도가 공급 장치에 의해 조정됨으로써, 기판(W)의 온도가 조정된다. 또한, 플라즈마 처리 장치(1)에는 가스 공급 라인(34)이 마련되어 있다. 가스 공급 라인(34)은 전열 가스(예컨대, He 가스)를 정전 척(18)의 상면과 기판(W)의 이면 사이에 공급하기 위해 마련되어 있다.
서셉터(16)에는 도체(44)(예컨대, 급전봉)가 접속되어 있다. 도체(44)에는 고주파 전원(36)이 정합기(40)를 통해 접속되어 있다. 도체(44)에는 고주파 전원(38)이 정합기(42)를 통해 접속되어 있다. 즉, 고주파 전원(36)은 정합기(40) 및 도체(44)를 통해 하부 전극에 접속되어 있다. 고주파 전원(38)은 정합기(42) 및 도체(44)를 통해 하부 전극에 접속되어 있다. 고주파 전원(36)은 하부 전극이 아니라, 후술하는 상부 전극에 정합기(40)를 통해 접속되어 있어도 좋다. 또한, 플라즈마 처리 장치(1)는 고주파 전원(36)과 정합기(40)의 셋트 및 고주파 전원(38)과 정합기(42)의 셋트 중 한쪽을 포함하고 있지 않아도 좋다.
고주파 전원(36)은 플라즈마의 생성용의 고주파 전력(RF1)을 출력한다. 고주파 전력(RF1)의 기본 주파수(fB1)는 예컨대 100 ㎒이다. 고주파 전원(38)은 플라즈마로부터 기판(W)에 이온을 인입하기 위한 고주파 전력(RF2)을 출력한다. 고주파 전력(RF2)의 주파수는 고주파 전력(RF1)의 주파수보다 낮다. 고주파 전력(RF2)의 기본 주파수(fB2)는 예컨대 13.56 ㎒이다.
정합기(40)는 고주파 전원(36)의 부하측(예컨대 하부 전극측)의 임피던스를 고주파 전원(36)의 출력 임피던스에 정합시키기 위한 회로를 가지고 있다. 정합기(42)는 고주파 전원(38)의 부하측(하부 전극측)의 임피던스를 고주파 전원(38)의 출력 임피던스에 정합시키기 위한 회로를 가지고 있다. 정합기(40) 및 정합기(42)의 각각은 전자 제어식의 정합기이다. 정합기(40) 및 정합기(42)의 각각의 상세에 대해서는 후술한다.
정합기(40) 및 도체(44)는 급전 라인(43)의 일부를 구성하고 있다. 고주파 전력(RF1)은 급전 라인(43)을 통해 서셉터(16)에 공급된다. 정합기(42) 및 도체(44)는 급전 라인(45)의 일부를 구성하고 있다. 고주파 전력(RF2)은 급전 라인(45)을 통해 서셉터(16)에 공급된다.
챔버(10)의 천장부는 상부 전극(46)에 의해 구성되어 있다. 상부 전극(46)은 챔버 본체(12)의 상단의 개구를 폐쇄하도록 마련되어 있다. 챔버(10)의 내부 공간은 처리 영역(PS)을 포함한다. 처리 영역(PS)은 상부 전극(46)과 서셉터(16) 사이의 공간이다. 플라즈마 처리 장치(1)는 상부 전극(46)과 서셉터(16) 사이에서 발생하는 고주파 전계에 의해, 처리 영역(PS)에 있어서 플라즈마를 생성한다. 상부 전극(46)은 접지되어 있다. 또한, 고주파 전원(36)이 하부 전극이 아니라 상부 전극(46)에 정합기(40)를 통해 접속되어 있는 경우에는, 상부 전극(46)은 접지되지 않아, 상부 전극(46)과 챔버 본체(12)는 전기적으로 분리된다.
상부 전극(46)은 천장판(48) 및 지지체(50)를 가지고 있다. 천장판(48)에는 복수의 가스 분출 구멍(48a)이 형성되어 있다. 천장판(48)은 예컨대 Si, SiC라고 하는 실리콘계의 재료로 형성되어 있다. 지지체(50)는 천장판(48)을 착탈 가능하게 지지하는 부재이고, 알루미늄으로 형성되어 있고, 그 표면에는 양극 산화 처리가 실시되어 있다.
지지체(50)의 내부에는 가스 버퍼실(50b)이 형성되어 있다. 또한, 지지체(50)에는 복수의 가스 구멍(50a)이 형성되어 있다. 복수의 가스 구멍(50a)은 각각 가스 버퍼실(50b)로부터 연장되어, 복수의 가스 분출 구멍(48a)에 연통되어 있다. 가스 버퍼실(50b)에는 가스 공급관(54)이 접속되어 있다. 가스 공급관(54)에는 유량 제어기(58)(예컨대, 매스플로우 컨트롤러) 및 개폐 밸브(60)를 통해 가스 소스(56)가 접속되어 있다. 가스 소스(56)로부터의 가스는 유량 제어기(58), 개폐 밸브(60), 가스 공급관(54), 가스 버퍼실(50b) 및 복수의 가스 분출 구멍(48a)을 통해 챔버(10)의 내부 공간에 공급된다. 가스 소스(56)로부터 챔버(10)의 내부 공간에 공급되는 가스의 유량은 유량 제어기(58)에 의해 조정된다.
서셉터(16)와 챔버 본체(12)의 측벽 사이의 공간의 하방에서는, 챔버 본체(12)의 바닥부에 배기구(12e)가 마련되어 있다. 배기구(12e)에는 배기관(64)이 접속되어 있다. 배기관(64)은 배기 장치(66)에 접속되어 있다. 배기 장치(66)는 압력 조정 밸브 및 터보 분자 펌프라고 하는 진공 펌프를 가지고 있다. 배기 장치(66)는 챔버(10)의 내부 공간을 지정된 압력으로 감압한다.
플라즈마 처리 장치(1)는 주제어부(70)를 더 포함하고 있다. 주제어부(70)는 하나 이상의 마이크로 컴퓨터를 포함한다. 주제어부(70)는 프로세서, 메모리라고 하는 기억 장치, 키보드라고 하는 입력 장치, 표시 장치, 신호의 입출력 인터페이스 등을 가질 수 있다. 주제어부(70)의 프로세서는 기억 장치에 저장되어 있는 소프트웨어(프로그램)를 실행하여, 레시피 정보에 따라, 플라즈마 처리 장치(1)의 각 부, 예컨대, 고주파 전원(36), 고주파 전원(38), 정합기(40), 정합기(42), 유량 제어기(58), 개폐 밸브(60), 배기 장치(66) 등의 개개의 동작 및 플라즈마 처리 장치(1)의 장치 전체의 동작(시퀀스)을 제어한다.
플라즈마 처리 장치(1)에 있어서 플라즈마 처리가 행해지는 경우에는, 먼저, 게이트 밸브(12g)가 개방된다. 계속해서, 기판(W)이 개구(12p)를 경유하여 챔버(10) 내에 반입되어, 정전 척(18) 위에 배치된다. 그리고, 게이트 밸브(12g)가 폐쇄된다. 계속해서, 처리 가스가 가스 소스(56)로부터 챔버(10)의 내부 공간에 공급되고, 배기 장치(66)가 작동되어, 챔버(10)의 내부 공간에서의 압력이 지정된 압력으로 설정된다. 또한, 고주파 전력(RF1) 및/또는 고주파 전력(RF2)이 서셉터(16)에 공급된다. 또한, 직류 전원(24)으로부터의 직류 전압이 정전 척(18)의 전극(20)에 인가되어, 기판(W)이 정전 척(18)에 의해 유지된다. 그리고, 처리 가스가 서셉터(16)와 상부 전극(46) 사이에서 형성된 고주파 전계에 의해 여기된다. 그 결과, 처리 영역(PS) 내에서 플라즈마가 생성된다.
플라즈마 처리 장치(1)는 고주파 전원(36) 및 고주파 전원(38) 중 적어도 한쪽으로부터 변조 고주파 전력을 출력하는 것이 가능하도록 구성되어 있다. 보다 구체적으로는, 플라즈마 처리 장치(1)는 주제어부(70)로부터의 레시피에 기초한 제어에 의해, 제1∼제3 모드 중 어느 하나의 모드로 고주파 전원(36) 및 고주파 전원(38)을 제어한다. 제1 모드에 있어서는, 고주파 전원(36)은 고주파 전력(RF1)으로서 변조 고주파 전력(MRF1)을 출력하도록 제어되고, 고주파 전원(38)은 고주파 전력(RF2)으로서 연속 고주파 전력(CRF2)을 출력하도록 제어된다. 제2 모드에 있어서는, 고주파 전원(36)은 고주파 전력(RF1)으로서 연속 고주파 전력(CRF1)을 출력하도록 제어되고, 고주파 전원(38)은 고주파 전력(RF2)으로서 변조 고주파 전력(MRF2)을 출력하도록 제어된다. 제3 모드에 있어서는, 고주파 전원(36)은 고주파 전력(RF1)으로서 변조 고주파 전력(MRF1)을 출력하도록 제어되고, 고주파 전원(38)은 고주파 전력(RF2)으로서 변조 고주파 전력(MRF2)을 출력하도록 제어된다. 또한, 이하의 설명에서는, 변조 고주파 전력(MRF1) 및 연속 고주파 전력(CRF1)을 총칭하여 고주파 전력(RF1)이라고 부르고, 변조 고주파 전력(MRF2) 및 연속 고주파 전력(CRF2)을 총칭하여 고주파 전력(RF2)이라고 부르는 경우가 있다.
도 2는 제1 모드의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면이고, 도 3은 제2 모드의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면이고, 도 4는 제3 모드의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면이다. 이하, 도 2∼도 4를 적절하게 참조한다.
도 2 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 고주파 전원(36)은 제1 모드 및 제3 모드에 있어서, 변조 고주파 전력(MRF1)을 출력하도록 구성되어 있다. 변조 고주파 전력(MRF1)은 제1 기간(T1)에서의 그 전력 레벨이 제2 기간(T2)에서의 그 전력 레벨보다 높아지도록 변조되어 있다. 제2 기간(T2)은 제1 기간과 교대의 기간이다. 제1 기간(T1)과 이에 이어지는 제2 기간(T2)은 일주기(Tc)를 구성한다. 일주기(Tc)에 차지하는 제1 기간(T1)의 시간 길이의 비(듀티비)는 임의의 비로 제어 가능하다. 예컨대, 듀티비는 10％ 이상, 90％ 이하의 범위 내의 비로 제어 가능하다. 또한, 변조 고주파 전력(MRF1)의 변조 주파수, 즉, 일주기(Tc)의 역수는 임의의 변조 주파수로 제어 가능하다. 변조 고주파 전력(MRF1)의 변조 주파수는 예컨대 1 ㎑ 이상, 100 ㎑ 이하의 범위 내의 주파수로 제어 가능하다.
제1 모드 및 제3 모드에 있어서, 제2 기간(T2) 중의 변조 고주파 전력(MRF1)의 전력 레벨은 0[W]이어도 좋다. 즉, 제1 모드 및 제3 모드에 있어서, 제2 의 기간(T2) 중에, 변조 고주파 전력(MRF1)은 전극(예컨대 하부 전극)에 공급되고 있지 않아도 좋다. 또는, 제1 모드 및 제3 모드에 있어서, 제2 기간(T2) 중의 변조 고주파 전력(MRF1)의 전력 레벨은 0[W]보다 커도 좋다.
고주파 전원(36)은 제2 모드에 있어서, 연속 고주파 전력(CRF1)을 출력하도록 구성되어 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 연속 고주파 전력(CRF1)의 전력 레벨은 변조되어 있지 않다. 연속 고주파 전력(CRF1)에서는, 대략 일정한 전력 레벨이 연속한다.
도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 고주파 전원(38)은 제2 모드 및 제3 모드에 있어서, 변조 고주파 전력(MRF2)을 출력하도록 구성되어 있다. 변조 고주파 전력(MRF2)은 제1 기간(T1)에서의 그 전력 레벨이 제2 기간(T2)에서의 그 전력 레벨보다 높아지도록 변조되어 있다. 제2 모드 및 제3 모드에 있어서, 제2 기간(T2) 중의 변조 고주파 전력(MRF2)의 전력 레벨은 0[W]이어도 좋다. 즉, 제2 모드 및 제3 모드에 있어서, 제2 기간(T2) 중에 변조 고주파 전력(MRF2)은 전극(하부 전극)에 공급되고 있지 않아도 좋다. 또는, 제2 모드 및 제3 모드에 있어서, 제2 기간(T2) 중의 변조 고주파 전력(MRF2)의 전력 레벨은 0[W]보다 커도 좋다.
고주파 전원(38)은 제1 모드에 있어서, 연속 고주파 전력(CRF2)을 출력하도록 구성되어 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 연속 고주파 전력(CRF2)의 전력 레벨은 변조되어 있지 않다. 연속 고주파 전력(CRF2)에서는, 대략 일정한 전력 레벨이 연속한다.
이하, 도 5∼도 8을 참조하여, 고주파 전원(36), 정합기(40), 고주파 전원(38) 및 정합기(42)에 대해서 상세하게 설명한다. 도 5는 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)의 고주파 전원(36) 및 정합기(40)의 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 도 6은 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)의 정합기(40)의 센서의 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 도 7은 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)의 고주파 전원(38) 및 정합기(42)의 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 도 8은 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)의 정합기(42)의 센서의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 일실시형태에 있어서, 고주파 전원(36)은 발진기(36a), 파워 앰프(36b), 파워 센서(36c) 및 전원 제어부(36e)를 가지고 있다. 전원 제어부(36e)는 CPU라고 하는 프로세서로 구성되어 있고, 주제어부(70)로부터 부여되는 신호 및 파워 센서(36c)로부터 부여되는 신호를 이용하여, 발진기(36a), 파워 앰프(36b) 및 파워 센서(36c)의 각각에 제어 신호를 부여하여, 발진기(36a), 파워 앰프(36b) 및 파워 센서(36c)를 제어한다.
주제어부(70)로부터 전원 제어부(36e)에 부여되는 신호는 모드 설정 신호 및 제1 주파수 설정 신호를 포함한다. 모드 설정 신호는 전술한 제1 모드, 제2 모드 및 제3 모드로부터 모드를 지정하는 신호이다. 제1 주파수 설정 신호는 고주파 전력(RF1)의 주파수를 지정하는 신호이다. 고주파 전원(36)이 제1 모드 및 제3 모드로 동작하는 경우에는, 주제어부(70)로부터 전원 제어부(36e)에 부여되는 신호는 제1 변조 설정 신호 및 제1 변조 전력 레벨 설정 신호를 포함한다. 제1 변조 설정 신호는 변조 고주파 전력(MRF1)의 변조 주파수 및 듀티비를 지정하는 신호이다. 제1 변조 전력 레벨 설정 신호는 제1 기간(T1)에서의 변조 고주파 전력(MRF1)의 전력 레벨 및 제2 기간(T2)에서의 변조 고주파 전력(MRF1)의 전력 레벨을 지정하는 신호이다. 고주파 전원(36)이 제2 모드로 동작하는 경우에는, 주제어부(70)로부터 전원 제어부(36e)에 부여되는 신호는 연속 고주파 전력(CRF1)의 파워를 지정하는 제1 전력 레벨 설정 신호를 포함한다.
전원 제어부(36e)는 제1 주파수 설정 신호에 의해 지정된 주파수[예컨대 기본 주파수(fB1)]를 갖는 고주파 신호를 출력시키도록, 발진기(36a)를 제어한다. 발진기(36a)의 출력은 파워 앰프(36b)의 입력에 접속되어 있다. 파워 앰프(36b)는 발진기(36a)로부터 출력된 고주파 신호를 증폭함으로써 고주파 전력(RF1)을 생성하고, 그 고주파 전력(RF1)을 출력한다. 파워 앰프(36b)는 전원 제어부(36e)에 의해 제어된다.
전원 제어부(36e)는 모드 설정 신호에 의해 특정되는 모드가 제1 모드 및 제3 모드 중 어느 하나인 경우에는, 주제어부(70)로부터의 제1 변조 설정 신호 및 제1 변조 전력 레벨 설정 신호에 따라 고주파 신호로부터 변조 고주파 전력(MRF1)을 생성하도록, 파워 앰프(36b)를 제어한다. 한편, 전원 제어부(36e)는 모드 설정 신호에 의해 특정되는 모드가 제2 모드인 경우에는, 주제어부(70)로부터의 제1 전력 레벨 설정 신호에 따라, 고주파 신호로부터 연속 고주파 전력(CRF1)을 생성하도록, 파워 앰프(36b)를 제어한다.
파워 앰프(36b)의 후단(後段)에는 파워 센서(36c)가 마련되어 있다. 파워 센서(36c)는 방향성 결합기, 진행파 검출기 및 반사파 검출기를 가지고 있다. 방향성 결합기는 고주파 전력(RF1)의 진행파의 일부를 진행파 검출기에 부여하고, 반사파를 반사파 검출기에 부여한다. 파워 센서(36c)에는 고주파 전력(RF1)의 설정 주파수를 특정하는 제1 주파수 특정 신호가 전원 제어부(36e)로부터 부여된다. 진행파 검출기는 진행파의 전체 주파수 성분 중 제1 주파수 특정 신호로부터 특정되는 설정 주파수와 동일한 주파수를 갖는 성분의 전력 레벨의 측정값, 즉, 진행파의 전력 레벨의 측정값(Pf11)을 생성한다. 측정값(Pf11)은 전원 제어부(36e)에 부여된다.
전원 제어부(36e)로부터는 제1 주파수 특정 신호가 반사파 검출기에도 부여된다. 반사파 검출기는 반사파의 전체 주파수 성분 중 제1 주파수 특정 신호로부터 특정되는 설정 주파수와 동일한 주파수를 갖는 성분의 전력 레벨의 측정값, 즉 반사파의 전력 레벨의 측정값(Pr11)을 생성한다. 측정값(Pr11)은 전원 제어부(36e)에 부여된다. 또한, 반사파 검출기는 반사파의 전체 주파수 성분의 토탈의 전력 레벨의 측정값, 즉 반사파의 전력 레벨의 측정값(Pr12)을 생성한다. 측정값(Pr12)은 파워 앰프(36b)의 보호용으로 전원 제어부(36e)에 부여된다.
전원 제어부(36e)는 제1 모드 및 제3 모드에 있어서는, 모니터 기간(MP1)에서의 로드 파워 레벨(P1)이 지정된 전력 레벨이 되도록, 파워 앰프(36b)를 제어하여 제1 기간(T1)에서의 변조 고주파 전력(MRF1)의 전력 레벨을 조정한다. 전원 제어부(36e)는 제2 모드에 있어서는, 모니터 기간(MP1)에서의 로드 파워 레벨(P1)이 지정된 전력 레벨이 되도록, 파워 앰프(36b)를 제어하여 연속 고주파 전력(CRF1)의 전력 레벨을 조정한다. 전력 레벨은 주제어부(70)로부터 지정된다. 로드 파워 레벨(P1)은 모니터 기간(MP1)에서의 진행파의 전력 레벨과 반사파의 전력 레벨의 차이다. 로드 파워 레벨(P1)은 모니터 기간(MP1)에서의 측정값(Pf11)과 측정값(Pr11)의 차로서 구해진다. 로드 파워 레벨(P1)은 모니터 기간(MP1)에서의 측정값(Pf11)의 평균값과 측정값(Pr11)의 평균값의 차로서 구해져도 좋다. 또는, 로드 파워 레벨(P1)은 복수의 모니터 기간(MP1)에서의 측정값(Pf11)의 이동 평균값과 측정값(Pr11)의 이동 평균값의 차로서 구해져도 좋다. 또한, 전원 제어부(36e)는 제2 모드에 있어서는, 모니터 기간(MP1)에서의 로드 파워 레벨(P1)과 모니터 기간(MP2)에서의 로드 파워 레벨(P1)의 평균값이 지정된 전력 레벨이 되도록, 파워 앰프(36b)를 제어하여 연속 고주파 전력(CRF1)의 전력 레벨을 조정하여도 좋다. 모니터 기간(MP1) 및 모니터 기간(MP2)에 대해서는 후술한다.
일실시형태에 있어서, 정합기(40)는 정합 회로(40a), 센서(40b), 컨트롤러(40c), 액츄에이터(40d) 및 액츄에이터(40e)를 가지고 있다. 정합 회로(40a) 는 가변 리액턴스 소자(40g) 및 가변 리액턴스 소자(40h)를 포함하고 있다. 가변 리액턴스 소자(40g) 및 가변 리액턴스 소자(40h)의 각각은 예컨대 가변 콘덴서이다. 또한, 정합 회로(40a)는 인덕터 등을 더 포함하고 있어도 좋다.
컨트롤러(40c)는 주제어부(70)의 제어 하에서 동작한다. 컨트롤러(40c)는 센서(40b)로부터 부여되는 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스의 측정값에 따라, 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스를 조정한다. 컨트롤러(40c)는 액츄에이터(40d) 및 액츄에이터(40e)를 제어하여, 가변 리액턴스 소자(40g) 및 가변 리액턴스 소자(40h) 각각의 리액턴스를 조정함으로써, 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스를 조정한다. 액츄에이터(40d) 및 액츄에이터(40e)는 예컨대 모터이다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 센서(40b)는 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스의 측정값을 취득하도록 구성되어 있다. 일실시형태에서는, 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스의 측정값은 이동 평균값으로서 취득된다. 일실시형태에 있어서, 센서(40b)는 전류 검출기(102A), 전압 검출기(104A), 필터(106A), 필터(108A), 평균값 연산기(110A), 평균값 연산기(112A), 이동 평균값 연산기(114A), 이동 평균값 연산기(116A) 및 임피던스 연산기(118A)를 가지고 있다.
전압 검출기(104A)는 급전 라인(43) 상에서 전송되는 고주파 전력(RF1)의 전압 파형을 검출하고, 그 전압 파형을 나타내는 전압 파형 아날로그 신호를 출력한다. 이 전압 파형 아날로그 신호는 필터(106A)에 입력된다. 필터(106A)는 입력된 전압 파형 아날로그 신호를 디지털화함으로써, 전압 파형 디지털 신호를 생성한다. 그리고, 필터(106A)는 전원 제어부(36e)로부터 상기 제1 주파수 특정 신호를 받아, 전압 파형 디지털 신호로부터, 제1 주파수 특정 신호에 의해 특정되는 주파수에 대응한 주파수 성분만을 추출함으로써, 여과 전압 파형 신호를 생성한다. 또한, 필터(106A)는 예컨대 FPGA(필드 프로그래머블·게이트 어레이)로 구성될 수 있다.
필터(106A)에 의해 생성된 여과 전압 파형 신호는 평균값 연산기(110A)에 출력된다. 평균값 연산기(110A)에는 모니터 기간(MP1)을 지정하는 모니터 기간 설정 신호가 주제어부(70)로부터 부여된다. 모니터 기간(MP1)은 도 2∼도 4에 나타내는 바와 같이, 제1 기간(T1) 내의 기간이다. 모니터 기간(MP1)은 제1 기간(T1)의 개시 시점으로부터 미리 정해진 시간 길이의 경과 후에 개시한다. 평균값 연산기(110A)는 여과 전압 파형 신호로부터 각 제1 기간(T1) 내의 모니터 기간(MP1)에서의 전압의 평균값(VA11)을 구한다.
제2 모드에 있어서는, 모니터 기간(MP2)을 지정하는 모니터 기간 설정 신호가 주제어부(70)로부터 평균값 연산기(110A)에 부여되어도 좋다. 모니터 기간(MP2)은 제2 기간(T2)에 일치하는 기간일 수 있다. 이 경우에 있어서, 평균값 연산기(110A)는 여과 전압 파형 신호로부터 모니터 기간(MP2)에서의 전압의 평균값(VA12)을 구하여도 좋다. 또한, 평균값 연산기(110A)는 예컨대 FPGA(필드 프로그래머블·게이트 어레이)로 구성될 수 있다.
평균값 연산기(110A)에 의해 구해진 평균값(VA11)은 이동 평균값 연산기(114A)에 출력된다. 이동 평균값 연산기(114A)는 이미 얻어져 있는 복수의 평균값(VA11) 중 최근 또한 미리 정해진 수의 모니터 기간(MP1)에서의 고주파 전력(RF1)의 전압으로부터 얻어진 평균값(VA11)의 이동 평균값(VMA11)을 구한다. 이동 평균값(VMA11)은 임피던스 연산기(118A)에 출력된다.
제2 모드에 있어서, 이동 평균값 연산기(114A)는 이미 얻어진 복수의 평균값(VA12) 중 최근에 또한 미리 정해진 수의 모니터 기간(MP2)에서의 고주파 전력(RF1)의 전압으로부터 얻어진 평균값(VA12)의 이동 평균값(VMA12)을 더 구하여도 좋다. 이 경우에, 이동 평균값(VMA12)이 임피던스 연산기(118A)에 출력된다.
전류 검출기(102A)는 급전 라인(43) 상에서 전송되는 고주파 전력(RF1)의 전류 파형을 검출하고, 그 전류 파형을 나타내는 전류 파형 아날로그 신호를 출력한다. 이 전류 파형 아날로그 신호는 필터(108A)에 입력된다. 필터(108A)는 입력된 전류 파형 아날로그 신호를 디지털화함으로써, 전류 파형 디지털 신호를 생성한다. 그리고, 필터(108A)는 전원 제어부(36e)로부터 제1 주파수 특정 신호를 받아, 전류 파형 디지털 신호로부터, 제1 주파수 특정 신호에 의해 특정되는 주파수에 대응한 주파수 성분만을 추출함으로써, 여과 전류 파형 신호를 생성한다. 또한, 필터(108A)는 예컨대 FPGA(필드 프로그래머블·게이트 어레이)로 구성될 수 있다.
필터(108A)에 의해 생성된 여과 전류 파형 신호는 평균값 연산기(112A)에 출력된다. 평균값 연산기(112A)에는 모니터 기간(MP1)을 지정하는 모니터 기간 설정 신호가 주제어부(70)로부터 부여된다. 평균값 연산기(112A)는 여과 전류 파형 신호로부터 각 제1 기간(T1) 내의 모니터 기간(MP1)에서의 전류의 평균값(IA11)을 구한다.
제2 모드에 있어서는, 모니터 기간(MP2)을 지정하는 모니터 기간 설정 신호가 주제어부(70)로부터 평균값 연산기(112A)에 부여되어도 좋다. 이 경우에 있어서, 평균값 연산기(112A)는 여과 전류 파형 신호로부터 모니터 기간(MP2)에서의 전류의 평균값(IA12)을 구하여도 좋다. 또한, 평균값 연산기(112A)는 예컨대, FPGA(필드 프로그래머블·게이트 어레이)로 구성될 수 있다.
평균값 연산기(112A)에 의해 구한 평균값(IA11)은 이동 평균값 연산기(116A)에 출력된다. 이동 평균값 연산기(116A)는 이미 얻어져 있는 복수의 평균값(IA11) 중 최근 또한 미리 정해진 수의 모니터 기간(MP1)에서의 고주파 전력(RF1)의 전류로부터 얻어진 평균값(IA11)의 이동 평균값(IMA11)을 구한다. 이동 평균값(IMA11)은 임피던스 연산기(118A)에 출력된다.
제2 모드에 있어서, 이동 평균값 연산기(116A)는 이미 얻어져 있는 복수의 평균값(IA12) 중 최근에 또한 미리 정해진 수의 모니터 기간(MP2)에서의 고주파 전력(RF1)의 전류로부터 얻어진 평균값(IA12)의 이동 평균값(IMA12)을 더 구하여도 좋다. 이 경우에는, 이동 평균값(IMA12)이 임피던스 연산기(118A)에 출력된다.
임피던스 연산기(118A)는 이동 평균값(IMA11) 및 이동 평균값(VMA11)으로부터, 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스의 이동 평균값(ZMA11)을 구한다. 임피던스 연산기(118A)에 의해 구해진 이동 평균값(ZMA11)은 컨트롤러(40c)에 출력된다. 컨트롤러(40c)는 이동 평균값(ZMA11)을 이용하여, 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스를 조정한다. 구체적으로, 컨트롤러(40c)는 이동 평균값(ZMA11)에 의해 특정되는 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스를, 고주파 전원(36)의 출력 임피던스와는 상이한 임피던스로 설정하도록, 액츄에이터(40d) 및 액츄에이터(40e)를 통하여, 가변 리액턴스 소자(40g) 및 가변 리액턴스 소자(40h) 각각의 리액턴스를 조정한다.
일실시형태에 있어서, 컨트롤러(40c)는 고주파 전력(RF1)의 반사 계수(Γ1)의 절대값(|Γ1|)이 지정된 값이 되도록, 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스를 설정한다. 일례에서는, 지정된 값은 0.3 이상, 0.5 이하의 범위 내의 값이다. 또한, 반사 계수(Γ1)는 이하의 (1) 식에 따라 정의된다
Γ1=(Z1-Z01)/(Z1+Z01)…(1)
(1) 식에 있어서, Z01은 급전 라인(43)의 특성 임피던스이고, 일반적으로는 50 Ω이다. (1) 식에 있어서, Z1은 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스이다. (1) 식의 Z1로서는, 이동 평균값(ZMA11)이 이용될 수 있다. 컨트롤러(40c)는 반사 계수(Γ1)의 절대값(|Γ1|)과 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스의 관계를 정한 함수 또는 테이블을 유지하고 있다. 컨트롤러(40c)는 상기 함수 또는 테이블을 이용하여, 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스를 조정하여도 좋다.
일실시형태에서는, 제2 모드에 있어서, 임피던스 연산기(118A)는 이동 평균값(ZMA11)에 더하여, 이동 평균값(IMA12) 및 이동 평균값(VMA12)으로부터, 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스의 이동 평균값(ZMA12)을 구하여도 좋다. 이동 평균값(ZMA12)은 이동 평균값(ZMA11)과 함께, 컨트롤러(40c)에 출력된다. 이 경우에, 컨트롤러(40c)는 이동 평균값(ZMA11)과 이동 평균값(ZMA12)의 평균값에 의해 특정되는 고주파 전원(36)의 부하측의 임피던스를 고주파 전원(36)의 출력 임피던스(정합 포인트)에 일치시키거나 또는 근접시키도록, 액츄에이터(40d) 및 액츄에이터(40e)를 통하여, 가변 리액턴스 소자(40g) 및 가변 리액턴스 소자(40h) 각각의 리액턴스를 조정한다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 일실시형태에 있어서, 고주파 전원(38)은 발진기(38a), 파워 앰프(38b), 파워 센서(38c) 및 전원 제어부(38e)를 가지고 있다. 전원 제어부(38e)는 CPU라고 하는 프로세서로 구성되어 있고, 주제어부(70)로부터 부여되는 신호 및 파워 센서(38c)로부터 부여되는 신호를 이용하여, 발진기(38a), 파워 앰프(38b) 및 파워 센서(38c)의 각각에 제어 신호를 부여하여, 발진기(38a), 파워 앰프(38b) 및 파워 센서(38c)를 제어한다.
주제어부(70)로부터 전원 제어부(38e)에 부여되는 신호는 모드 설정 신호 및 제2 주파수 설정 신호를 포함한다. 모드 설정 신호는 전술한 제1 모드, 제2 모드 및 제3 모드로부터 모드를 지정하는 신호이다. 제2 주파수 설정 신호는 고주파 전력(RF2)의 주파수를 지정하는 신호이다. 고주파 전원(38)이 제2 모드 및 제3 모드로 동작하는 경우에는, 주제어부(70)로부터 전원 제어부(38e)에 부여되는 신호는 제2 변조 설정 신호 및 제2 변조 전력 레벨 설정 신호를 포함한다. 제2 변조 설정 신호는 변조 고주파 전력(MRF2)의 변조 주파수및 듀티비를 지정하는 신호이다. 제2 변조 전력 레벨 설정 신호는 제1 기간(T1)에서의 변조 고주파 전력(MRF2)의 전력 레벨 및 제2 기간(T2)에서의 변조 고주파 전력(MRF2)의 전력 레벨을 지정하는 신호이다. 고주파 전원(38)이 제1 모드로 동작하는 경우에는, 주제어부(70)로부터 전원 제어부(38e)에 부여되는 신호는 연속 고주파 전력(CRF2)의 파워를 지정하는 제2 전력 레벨 설정 신호를 포함한다.
전원 제어부(38e)는 제2 주파수 설정 신호에 의해 지정된 주파수[예컨대 기본 주파수(fB2)]를 갖는 고주파 신호를 출력시키도록, 발진기(38a)를 제어한다. 발진기(38a)의 출력은 파워 앰프(38b)의 입력에 접속되어 있다. 파워 앰프(38b)는 발진기(38a)로부터 출력된 고주파 신호를 증폭시킴으로써 고주파 전력(RF2)을 생성하고, 그 고주파 전력(RF2)을 출력한다. 파워 앰프(38b)는 전원 제어부(38e)에 의해 제어된다.
전원 제어부(38e)는 모드 설정 신호에 의해 특정되는 모드가 제2 모드 및 제3 모드 중 어느 하나인 경우에는, 주제어부(70)로부터의 제2 변조 설정 신호 및 제2 변조 전력 레벨 설정 신호에 따라 고주파 신호로부터 변조 고주파 전력(MRF2)을 생성하도록, 파워 앰프(38b)를 제어한다. 한편, 전원 제어부(38e)는 모드 설정 신호에 의해 특정되는 모드가 제1 모드인 경우에는, 주제어부(70)로부터의 제2 전력 레벨 설정 신호에 따라, 고주파 신호로부터 연속 고주파 전력(CRF2)을 생성하도록, 파워 앰프(38b)를 제어한다.
파워 앰프(38b)의 후단에는 파워 센서(38c)가 마련되어 있다. 파워 센서(38c)는 방향성 결합기, 진행파 검출기 및 반사파 검출기를 가지고 있다. 방향성 결합기는 고주파 전력(RF2)의 진행파의 일부를 진행파 검출기에 부여하고, 반사파를 반사파 검출기에 부여한다. 파워 센서(38c)에는 고주파 전력(RF2)의 설정 주파수를 특정하는 제2 주파수 특정 신호가 전원 제어부(38e)로부터 부여된다. 진행파 검출기는 진행파의 전체 주파수 성분 중 제2 주파수 특정 신호로부터 특정되는 설정 주파수와 동일한 주파수를 갖는 성분의 전력 레벨의 측정값, 즉, 진행파의 전력 레벨의 측정값(Pf21)을 생성한다. 측정값(Pf21)은 전원 제어부(38e)에 부여된다.
전원 제어부(38e)로부터는 제2 주파수 특정 신호가 반사파 검출기에도 부여된다. 반사파 검출기는 반사파의 전체 주파수 성분 중 제2 주파수 특정 신호로부터 특정되는 설정 주파수와 동일한 주파수를 갖는 성분의 전력 레벨의 측정값, 즉 반사파의 전력 레벨의 측정값(Pr21)을 생성한다. 측정값(Pr21)은 전원 제어부(38e)에 부여된다. 또한, 반사파 검출기는 반사파의 전체 주파수 성분의 토탈의 전력 레벨의 측정값, 즉 반사파의 전력 레벨의 측정값(Pr22)을 생성한다. 측정값(Pr22)은 파워 앰프(38b)의 보호용으로 전원 제어부(38e)에 부여된다.
전원 제어부(38e)는 제2 모드 및 제3 모드에 있어서는, 모니터 기간(MP1)에서의 로드 파워 레벨(P2)이 지정된 전력 레벨이 되도록, 파워 앰프(38b)를 제어하여 제1 기간(T1)에서의 변조 고주파 전력(MRF2)의 전력 레벨을 조정한다. 전원 제어부(38e)는 제1 모드에 있어서는, 모니터 기간(MP1)에서의 로드 파워 레벨(P2)이 지정된 전력 레벨이되도록, 파워 앰프(38b)를 제어하여 연속 고주파 전력(CRF2)의 전력 레벨을 조정한다. 전력 레벨은 주제어부(70)로부터 지정된다. 로드 파워 레벨(P2)은 모니터 기간(MP1)에서의 진행파의 전력 레벨과 반사파의 전력 레벨의 차이다. 로드 파워 레벨(P2)은 모니터 기간(MP1)에서의 측정값(Pf21)과 측정값(Pr21)의 차로서 구해진다. 로드 파워 레벨(P2)은 모니터 기간(MP1)에서의 측정값(Pf21)의 평균값과 측정값(Pr21)의 평균값의 차로서 구해져도 좋다. 또는, 로드 파워 레벨(P2)은 복수의 모니터 기간(MP1)에서의 측정값(Pf21)의 이동 평균값과 측정값(Pr21)의 이동 평균값의 차로서 구해져도 좋다. 또한, 전원 제어부(38e)는 제1 모드에 있어서는, 모니터 기간(MP1)에서의 로드 파워 레벨(P2)과 모니터 기간(MP2)에서의 로드 파워 레벨(P2)의 평균값이 지정된 전력 레벨이 되도록, 파워 앰프(38b)를 제어하여 연속 고주파 전력(CRF2)의 전력 레벨을 조정하여도 좋다.
일실시형태에 있어서, 정합기(42)는 정합 회로(42a), 센서(42b), 컨트롤러(42c), 액츄에이터(42d) 및 액츄에이터(42e)를 가지고 있다. 정합 회로(42a) 는 가변 리액턴스 소자(42g) 및 가변 리액턴스 소자(42h)를 포함하고 있다. 가변 리액턴스 소자(42g) 및 가변 리액턴스 소자(42h)의 각각은 예컨대 가변 콘덴서이다. 또한, 정합 회로(42a)는 인덕터 등을 더 포함하고 있어도 좋다.
컨트롤러(42c)는 주제어부(70)의 제어 하에서 동작한다. 컨트롤러(42c)는 센서(42b)로부터 부여되는 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스의 측정값에 따라, 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스를 조정한다. 컨트롤러(42c)는 액츄에이터(42d) 및 액츄에이터(42e)를 제어하여, 가변 리액턴스 소자(42g) 및 가변 리액턴스 소자(42h) 각각의 리액턴스를 조정함으로써, 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스를 조정한다. 액츄에이터(42d) 및 액츄에이터(42e)는 예컨대 모터이다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 센서(42b)는 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스의 측정값을 취득하도록 구성되어 있다. 일실시형태에서는, 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스의 측정값은 이동 평균값으로서 취득된다. 일실시형태에 있어서, 센서(42b)는 전류 검출기(102B), 전압 검출기(104B), 필터(106B), 필터(108B), 평균값 연산기(110B), 평균값 연산기(112B), 이동 평균값 연산기(114B), 이동 평균값 연산기(116B) 및 임피던스 연산기(118B)를 가지고 있다.
전압 검출기(104B)는 급전 라인(45) 상에서 전송되는 고주파 전력(RF2)의 전압 파형을 검출하고, 그 전압 파형을 나타내는 전압 파형 아날로그 신호를 출력한다. 이 전압 파형 아날로그 신호는 필터(106B)에 입력된다. 필터(106B)는 입력된 전압 파형 아날로그 신호를 디지털화함으로써, 전압 파형 디지털 신호를 생성한다. 그리고, 필터(106B)는 전원 제어부(38e)로부터 상기 제2 주파수 특정 신호를 받아, 전압 파형 디지털 신호로부터, 제2 주파수 특정 신호에 의해 특정되는 주파수에 대응한 주파수 성분만을 추출함으로써, 여과 전압 파형 신호를 생성한다. 또한, 필터(106B)는 예컨대 FPGA(필드 프로그래머블·게이트 어레이)로 구성될 수 있다.
필터(106B)에 의해 생성된 여과 전압 파형 신호는 평균값 연산기(110B)에 출력된다. 평균값 연산기(110B)에는 모니터 기간(MP1)을 지정하는 모니터 기간 설정 신호가 주제어부(70)로부터 부여된다. 평균값 연산기(110B)는 여과 전압 파형 신호로부터 각 제1 기간(T1) 내의 모니터 기간(MP1)에서의 전압의 평균값(VA21)을 구한다.
제1 모드에 있어서는, 모니터 기간(MP2)을 지정하는 모니터 기간 설정 신호가 주제어부(70)로부터 평균값 연산기(110B)에 부여되어도 좋다. 이 경우에 있어서, 평균값 연산기(110B)는 여과 전압 파형 신호로부터 모니터 기간(MP2)에서의 전압의 평균값(VA22)을 구하여도 좋다. 또한, 평균값 연산기(110B)는 예컨대 FPGA(필드 프로그래머블·게이트 어레이)로 구성될 수 있다.
평균값 연산기(110B)에 의해 구해진 평균값(VA21)은 이동 평균값 연산기(114B)에 출력된다. 이동 평균값 연산기(114B)는 이미 얻어져 있는 복수의 평균값(VA21) 중 최근 또한 미리 정해진 수의 모니터 기간(MP1)에서의 고주파 전력(RF2)의 전압으로부터 얻어진 평균값(VA21)의 이동 평균값(VMA21)을 구한다. 이동 평균값(VMA21)은 임피던스 연산기(118B)에 출력된다.
제1 모드에 있어서, 이동 평균값 연산기(114B)는 이미 얻어져 있는 복수의 평균값(VA22) 중 최근에 또한 미리 정해진 수의 모니터 기간(MP2)에서의 고주파 전력(RF2)의 전압으로부터 얻어진 평균값(VA22)의 이동 평균값(VMA22)을 더 구하여도 좋다. 이 경우에, 이동 평균값(VMA22)이 임피던스 연산기(118B)에 출력된다.
전류 검출기(102B)는 급전 라인(45) 상에서 전송되는 고주파 전력(RF2)의 전류 파형을 검출하고, 그 전류 파형을 나타내는 전류 파형 아날로그 신호를 출력한다. 이 전류 파형 아날로그 신호는 필터(108B)에 입력된다. 필터(108B)는 입력된 전류 파형 아날로그 신호를 디지털화함으로써, 전류 파형 디지털 신호를 생성한다. 그리고, 필터(108B)는 전원 제어부(38e)로부터 제2 주파수 특정 신호를 받아, 전류 파형 디지털 신호로부터, 제2 주파수 특정 신호에 의해 특정되는 주파수에 대응한 주파수 성분만을 추출함으로써, 여과 전류 파형 신호를 생성한다. 또한, 필터(108B)는 예컨대 FPGA(필드 프로그래머블·게이트 어레이)로 구성될 수 있다.
필터(108B)에 의해 생성된 여과 전류 파형 신호는 평균값 연산기(112B)에 출력된다. 평균값 연산기(112B)에는 모니터 기간(MP1)을 지정하는 모니터 기간 설정 신호가 주제어부(70)로부터 부여된다. 평균값 연산기(112B)는 여과 전류 파형 신호로부터 각 제1 기간(T1) 내의 모니터 기간(MP1)에서의 전류의 평균값(IA21)을 구한다.
제1 모드에 있어서는, 모니터 기간(MP2)을 지정하는 모니터 기간 설정 신호가 주제어부(70)로부터 평균값 연산기(112B)에 부여되어도 좋다. 이 경우에 있어서, 평균값 연산기(112B)는 여과 전류 파형 신호로부터 모니터 기간(MP2)에서의 전류의 평균값(IA22)을 구하여도 좋다. 또한, 평균값 연산기(112B)는 예컨대 FPGA(필드 프로그래머블·게이트 어레이)로 구성될 수 있다.
평균값 연산기(112B)에 의해 구해진 평균값(IA21)은 이동 평균값 연산기(116B)에 출력된다. 이동 평균값 연산기(116B)는 이미 얻어져 있는 복수의 평균값(IA21) 중 최근 또한 미리 정해진 수의 모니터 기간(MP1)에서의 고주파 전력(RF1)의 전류로부터 얻어진 평균값(IA21)의 이동 평균값(IMA21)을 구한다. 이동 평균값(IMA21)은 임피던스 연산기(118B)에 출력된다.
제1 모드에 있어서, 이동 평균값 연산기(116B)는 이미 얻어져 있는 복수의 평균값(IA22) 중 최근에 또한 미리 정해진 수의 모니터 기간(MP2)에서의 고주파 전력(RF2)의 전류로부터 얻어진 평균값(IA22)의 이동 평균값(IMA22)을 더 구하여도 좋다. 이 경우에는, 이동 평균값(IMA22)이 임피던스 연산기(118B)에 출력된다.
임피던스 연산기(118B)는 이동 평균값(IMA21) 및 이동 평균값(VMA21)으로부터, 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스의 이동 평균값(ZMA21)을 구한다. 임피던스 연산기(118B)에 의해 구해진 이동 평균값(ZMA21)은 컨트롤러(42c)에 출력된다. 컨트롤러(42c)는 이동 평균값(ZMA21)을 이용하여, 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스를 조정한다. 구체적으로, 컨트롤러(40c)는 이동 평균값(ZMA21)에 의해 특정되는 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스를, 고주파 전원(38)의 출력 임피던스와는 상이한 임피던스로 설정하도록, 액츄에이터(42d) 및 액츄에이터(42e)를 통하여, 가변 리액턴스 소자(42g) 및 가변 리액턴스 소자(42h) 각각의 리액턴스를 조정한다.
일실시형태에 있어서, 컨트롤러(42c)는 고주파 전력(RF2)의 반사 계수(Γ2)의 절대값(|Γ2|)이 지정된 값이 되도록, 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스를 설정한다. 일례에서는 지정된 값은 0.3 이상, 0.5 이하의 범위 내의 값이다. 또한, 반사 계수(Γ2)는 이하의 (2) 식에 따라 정의된다.
Γ2=(Z2-Z02)/(Z2+Z02)…(2)
(2) 식에 있어서, Z02는 급전 라인(45)의 특성 임피던스이고, 일반적으로는 50 Ω이다. (2) 식에 있어서, Z2는 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스이다. (2) 식의 Z2로서는, 이동 평균값(ZMA21)이 이용될 수 있다. 컨트롤러(42c)는 반사 계수(Γ2)의 절대값(|Γ2|)과 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스의 관계를 정한 함수 또는 테이블을 유지하고 있다. 컨트롤러(42c)는 상기 함수 또는 테이블을 이용하여, 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스를 조정하여도 좋다.
일실시형태에서는, 제1 모드에 있어서, 임피던스 연산기(118B)는 이동 평균값(ZMA21)에 더하여, 이동 평균값(IMA22) 및 이동 평균값(VMA22)으로부터, 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스의 이동 평균값(ZMA22)을 구하여도 좋다. 이동 평균값(ZMA22)은 이동 평균값(ZMA21)과 함께, 컨트롤러(42c)에 출력된다. 이 경우에, 컨트롤러(42c)는 이동 평균값(ZMA21)과 이동 평균값(ZMA22)의 평균값에 의해 특정되는 고주파 전원(38)의 부하측의 임피던스를 고주파 전원(38)의 출력 임피던스(정합 포인트)에 일치시키거나 또는 근접시키도록, 액츄에이터(42d) 및 액츄에이터(42e)를 통하여, 가변 리액턴스 소자(42g) 및 가변 리액턴스 소자(42h) 각각의 리액턴스를 조정한다.
플라즈마 처리 장치(1)에서는, 변조 고주파 전력이 이용되는 경우에, 모니터 기간(MP1)에서의 부하측의 임피던스가 고주파 전원의 출력 임피던스(정합 포인트)와는 상이한 임피던스로 설정된다. 그 결과, 변조 고주파 전력의 반사가 저감된다. 부하측의 임피던스가 정합 포인트와 상이한 경우에는, 반사를 완전히 없앨 수는 없지만, 로드 파워 레벨이 지정된 전력 레벨이 되도록, 고주파 전력의 전력 레벨이 조정되기 때문에, 플라즈마에 지정된 전력 레벨의 변조 고주파 전력이 결합된다.
이상, 여러 가지의 실시형태에 대해서 설명해 왔지만, 전술한 실시형태에 한정되는 일없이 여러 가지의 변형 양태를 구성 가능하다. 예컨대, 플라즈마 처리 장치(1)는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치이지만, 본 개시의 사상은 고주파 전원으로부터의 변조 고주파 전력을 전극에 공급하도록 구성된 임의의 플라즈마 처리 장치에 적용될 수 있다. 그와 같은 플라즈마 처리 장치로서는, 예컨대, 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치가 예시된다.
또한, 상기 설명에서는, 플라즈마 처리 장치(1)는 플라즈마 처리를 위해 고주파 전력(RF1) 및 고주파 전력(RF2)의 쌍방을 이용하도록 나타내고 있지만, 플라즈마 처리를 위해, 고주파 전력(RF1) 및 고주파 전력(RF2) 중 한쪽만을 이용하여도 좋다.
이하, 플라즈마 처리 장치(1)의 평가를 위해 행한 실험에 대해서 설명한다. 또한, 본 개시는 이하에 설명되는 실험에 의해 한정되는 것이 아니다.
실험에서는 플라즈마 처리 장치(1)를 이용하여, 연속 고주파 전력(CRF1) 및 변조 고주파 전력(MRF2)을 서셉터(16)에 공급함으로써, 챔버(10) 내에서 플라즈마를 생성하였다. 그리고, 제1 기간(T1)의 개시 시점(TS) 및 종료 시점(TE)의 각각에 있어서, 변조 고주파 전력(MRF2)의 진행파의 전력 레벨(Pf) 및 반사파의 전력 레벨(Pr)을 측정하였다[도 9의 (a)를 참조]. 실험에서는, 변조 고주파 전력(MRF2)의 반사 계수(Γ)의 절대값(|Γ|)을 여러 가지의 값으로 설정하였다. 이하, 실험의 다른 조건을 나타낸다.
<실험의 조건>
연속 고주파 전력(CRF1): 60 ㎒, 1200 W
변조 고주파 전력(MRF2)의 주파수: 40.68 ㎒
변조 고주파 전력(MRF2)의 변조 주파수: 10 ㎑
변조 고주파 전력(MRF2)의 듀티비: 50％
제1 기간(T1)에서의 변조 고주파 전력(MRF2)의 설정 전력 레벨: 1000 W
제2 기간(T2)에서의 변조 고주파 전력(MRF2)의 설정 전력 레벨: 0 W
챔버(10)내의 압력: 2.67 ㎩
챔버(10)의 내부 공간에 공급한 가스: CF4 가스(50 sccm), Ar 가스(600 sccm)
도 9의 (b)에 실험의 결과를 나타낸다. 도 9의 (b)의 그래프에 있어서, 횡축은 반사 계수(Γ)의 절대값(|Γ|)을 나타내고 있다. 도 9의 (b)의 그래프에 있어서, 종축은 제1 기간(T1)의 개시 시점(TS) 또는 제1 기간(T1)의 종료 시점(TE)에서의 진행파의 전력 레벨(Pf)에 대한 반사파의 전력 레벨(Pr)의 비율(이하, 단순히 「비율」이라고 함)을 나타내고 있다. 실험의 결과, 반사 계수(Γ)의 절대값(|Γ|)이 0, 0.1, 0.2의 각각으로 설정된 경우에는, 종료 시점(TE)에 있어서, 반사파의 전력 레벨(Pr)이 안정되지 않고, 경우에 따라서는, 비율은 약 100％였다. 한편, 반사 계수(Γ)의 절대값(|Γ|)이 0.3 이상, 0.5 이하의 값으로 설정된 경우에는, 비율이 상당히 작아져, 반사파가 저감되어 있는 것이 확인되었다. 또한, 반사 계수(Γ)의 절대값(|Γ|)이 0.5보다 큰 경우에는, 로드 파워 레벨을 확보하기 위해, 상당히 큰 정격 출력을 갖는 고주파 전원을 이용할 필요가 생긴다. 따라서, 반사 계수(Γ)의 절대값(|Γ|)이 0.3 이상, 0.5 이하로 설정됨으로써, 고주파 전력의 반사파가 저감되고, 또한, 비교적 작은 정격 출력을 갖는 고주파 전원을 이용하여도 필요한 로드 파워 레벨을 확보하는 것이 가능하다.
1…플라즈마 처리 장치, 10…챔버, 16…서셉터, 36…고주파 전원, 38…고주파 전원, 40…정합기, 42…정합기, MRF1, MRF2…변조 고주파 전력, T1…제1 기간, T2…제2 기간, MP1…모니터 기간.

Claims (3)

  1. 챔버와,
    고주파 전원과,
    상기 챔버 내에서 플라즈마를 생성하기 위해 상기 고주파 전원에 전기적으로 접속된 전극과,
    상기 고주파 전원과 상기 전극 사이에서 접속된 정합기
    를 포함하고,
    상기 고주파 전원은 제1 기간에서의 전력 레벨이 상기 제1 기간과 교대의 제2 기간에서의 전력 레벨보다 높아지도록 생성된 고주파 전력을 출력하도록 구성되고,
    상기 정합기는 상기 제1 기간 내의 모니터 기간에서의 상기 고주파 전원의 부하측의 임피던스를, 상기 고주파 전원의 출력 임피던스와는 상이한 임피던스로 설정하도록 구성되고, 상기 모니터 기간은 상기 제1 기간의 개시 시점부터 미리 정해진 시간 길이의 경과 후에 개시하는 기간이고,
    상기 고주파 전원은 진행파의 전력 레벨과 반사파의 전력 레벨의 차인 로드 파워 레벨이 지정된 전력 레벨이 되도록, 상기 고주파 전력의 전력 레벨을 조정하도록 구성된 것인, 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정합기는 상기 고주파 전력의 반사 계수의 절대값이 지정된 값이 되도록, 상기 부하측의 임피던스를 설정한 것인, 플라즈마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 지정된 값은 0.3 이상 0.5 이하의 범위 내의 값인 것인, 플라즈마 처리 장치.
KR1020190042574A 2018-04-12 2019-04-11 플라즈마 처리 장치 KR20190119539A (ko)

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