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無線周波数プラズマ処理において不安定性を防止する方法および装置
説明

無線周波数プラズマ処理において不安定性を防止する方法および装置

1MHzから1MHz以上およびそれよりも高い周波数で動作するRFプラズマ処理システムにおける動的負荷による不安定性を防止するために、電力供給装置を制御する方法および装置。本装置は、電源(32)と、電源(32)から電力を受電する電力変換器(72)であって、入力電圧またはスイッチング周波数の少なくとも1つを変化させることによって制御する一定出力電力を供給する、電力変換器(72)と、電力変換器から一定電力を受電するRF発電機(75)とを含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般的には、制御システムおよび方法に関し、更に特定すれば、プラズマ負荷に供給する無線周波数電力の制御方法およびシステムに関する。
【従来技術】
【0002】
無線周波数またはマイクロ波(以後「RF」)プラズマ発生機器は、半導体および工業用プラズマ処理において広く用いられている。プラズマ処理は、多種多様の用途を支援し、その中には、基板からの材料のエッチング、材料の基板上への堆積、基板表面の洗浄、および基板表面の修正が含まれる。用いられる周波数および電力レベルは、約10kHzから10GHzまで、そして数ワットから大きい方では100kW以上と、広範に変化する。半導体処理の用途では、プラズマ処理機器に現在用いられている周波数および電力の範囲は、いくらか狭めであり、それぞれ、約10kHzから2.45GHzまで、そして10Wから30kWまでとなっている。
【0003】
プラズマ処理機器は、通例、精密RF信号発生器、整合ネットワーク(matching network)、配線、および測定機器を必要とする。加えて、大抵の場合、プラズマに到達する実際の電力を制御するためには精密計装が必要となる。プラズマに伴う負荷のインピーダンスは、多様な気体配合、種々の気体供給パラメータ、プラズマ密度、配電するRF電力、圧力、およびその他の変数に応答して、かなり変動する可能性がある。プラズマ負荷のインピーダンス変動、およびこれらのその他の変数によってもたらされる動的電気負荷は、プラズマ発生機器に対して重大な安定性制御の問題を生ずる可能性がある。
【0004】
半導体ツールのような今日のプラズマ処理機器では、プロセスが不安定となり、プラズマ密度における発振および/またはプラズマ全体の損失を呈することが観察される場合が多い。したがって、RF電力を抑制する方法を変更することによって、これらの不安定性を防止する必要性が現存する。
【0005】
既知のプラズマ発生システムの1つは、当業者には見慣れた典型的なプラズマ処理ツールおよびRF電源を含む。これを図1に示す。RF電源10は、フィルタ12を通じて、そしてケーブル13および負荷整合回路14を経由してプロセス真空チェンバ15にRF電力を供給する。RF電力は、順方向電力および反射電力双方が、出力電力測定点18において測定され、測定点18の近くで電力はプロセス真空チェンバ15に入る。出力電力測定18からのフィードバックは、電源10に送り返されて、制御ループが完成する。
【0006】
電力抑制制御回路は、一般に、制御安定性を最大化するために、できるだけ速く動作するように設計されている。典型的な電源制御ループは、数百マイクロ秒という速さで動作することができ、通常は固定負荷に関して、またはおそらくはある範囲の可能な固定負荷を念頭に入れて設計され、最適化されている。例えば、プラズマ発生システムにおける制御ループの速度は、フィルタおよび整合ネットワークの遅延、電力測定時間、および電源の内部反応速度によって抑えられる。前述のように、プラズマは、余分な遅延を制御ループに混入し、最終的にシステムの挙動が不安定となる虞れがある。これらの遅延は、容易には予測できず、プロセスに依存し、一貫性がない。
【0007】
しかしながら、多くの電力抑制制御の不安定性は、プラズマを電力抑制制御ループの一部として有することに起因する可能性がある。何故なら、プラズマのインピーダンスは一定ではないからである。更に具体的には、プラズマのインピーダンスは、配電する電力量、プラズマ気体圧力、およびプラズマ気体混合物の化学的組成の関数である。更に、反応の化学的性質および気体圧力変数は、プラズマ密度および温度に依存し、更にそれら自体の慣性(潜伏時間依存性)も有する。これら潜伏時間は、マイクロ秒からミリ秒までの範囲となる可能性があり、拡散率、ポンプの堆積流量、イオン化および化学反応速度等のような、種々のプロセスによって決定される。
【0008】
気体供給システム20によって、別の複雑化要因が持ち込まれる。多くの場合、気体供給システム20は、それ自体の制御ループを有する。この気体供給制御ループ22は、チェンバ圧力測定23に基づいて、チェンバ15への気体供給を制御するのが慣例である。この別個の制御ループ22は、電力制御システムの特定的なシステム慣性(遅延)時間を、数百および千ミリ秒単位まで引き延ばす可能性がある。つまり、いずれの電源であっても、フィードバック制御ループ25のみを用い、その応答時間間隔がシステムのスイッチング周波数(switching frequency) またはプラズマの潜伏時間、即ち、電気負荷(プラズマのような)の応答時間以上であるならば、潜在的に不安定となり易い傾向がある。
【0009】
図2は、図1に示したプラズマ処理システムのようなシステムと共に用いることができる、既知の電力供給技術の電力部を示す。電力供給装置30(例えば、DCまたはRFスイッチング電力供給装置)は、当該電力供給装置の出力において、一定電力出力値を負荷40に配電する。例えば、整流バスまたはDC電源からのDC電力32がスイッチング・トランジスタ、ならびにインダクタおよびキャパシタのようなリアクタ性エレメントに給電する。これは、当業者には周知の通りである。電力供給装置30は、一般に、その制御ループ33の応答時間よりも速く、一定電流または一定電圧をある時間尺度で(即ち、ある時間間隔で)で配電する。制御回路35は、フィードバック制御ループ33から受信する情報に基づいて、電力供給装置30への制御信号を調節する。勿論、電力供給装置30は、制御ループが凍結している(開放)ときにも、一定電流または電圧を配電することができる。参考のために、このような電力供給装置のことを以下では「定電流」または「定電圧」型と呼ぶことにする。制御回路35は、プラズマ測定回路18からのフィードバック33を用いて、電力供給装置30の出力電圧または電流を修正し、所望の電力出力を維持する。状況によっては、これによって負荷40(例えば、プラズマ負荷)の安定的な制御を得ることができる。
【0010】
実際には、既知の技術の一例に「定電流」DC電力供給装置があり、これはアーク型プラズマ負荷に給電するために用いられている。プラズマの抵抗は温度が高い程低下する(多くの場合「負抵抗」と呼ばれている)ので、定電流をこのようなシステムに供給すると、安定したプラズマが維持できることが知られている。このようなシステムでは、電力供給装置は、いくらか仮想バラスト抵抗器として機能する。
【0011】
更に慣例的なのは、多くのDCスイッチング電力供給装置が、パルス幅変調(「PWM」)制御方法を用いていることである。これらは、電圧源として振る舞い、そのため、フィードバック制御ループがないと、負抵抗プラズマを効果的に維持することができない。更に、プラズマ・システムにRF電力供給装置を用いて給電すると、制御問題が悪化する。何故なら、電力供給装置から見て、正または負いずれの見かけ上のプラズマ抵抗を確保するのも困難または不可能となる程に、反射電力の位相がケーブル(例えば、13)およびフィルタ(例えば、12)によってずれるためである。このような問題は、特に、高周波、例えば、RF領域(即ち、1MHz以上の範囲)で動作するシステムでは顕著となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
これらの問題を克服するために、定電力または定電流を単に供給する電力供給装置ではなく、代わりに、開ループ・システムにおいて本質的に一定の電力を配電することができ、これによって、反射位相やプラズマのインピーダンスには関係なく安定したプラズマの動作を維持することができる電力供給装置が求められている。
【0013】
更に具体的には、プラズマおよび/またはその他のシステム構成要素によって生ずる変動負荷インピーダンスおよび抵抗にも拘わらず、プラズマ負荷のような動的負荷に供給する電力量を制御するために用いることができる方法および装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明は、実質的に一定の電源(power source)と、任意に、プラズマ発生器におけるプラズマのような電気的負荷に一定電源を供給する低速フィードバック・ループとを備えている電力供給装置(power supply)を用いて、これらの問題を克服する。
【0015】
本発明の一態様は、プラズマのような動的負荷に電力を供給するRF電力供給装置であって、入力電力を出力RF電力に変換する電力回路を備えていることを特徴とする。電力回路の蓄積エネルギは低く、概略的に数ミリ秒程度であり、回路に蓄積されるエネルギ量が制御の安定性に干渉しないようにしている。制御回路は、例えば、RF発生器に給電する電力変換器のDC部によって、制御信号を電力回路に供給して、入力電力消費を抑制する。また、入力電力の測定値を供給する第1回路も含み、電力回路への制御信号を第1比率(rate)に調節するために用いられる。RF電力供給装置への入力電力は、こうして一定に、または実質的に一定量に維持される。
【0016】
実施形態は、RF電力供給装置の出力において出力電力を測定する第2回路を含み、電力制御信号を第2比率に補償するために用いられる。第1比率は、第2比率よりも大きい。第1比率は、DC電流をRF電力供給装置に供給するスイッチング電力供給装置の周波数に対応することができる。更に、重み係数を用いて、第1比率を第2比率よりも大きくすることができる。RF電力供給装置の出力は、プラズマ負荷を付勢するために用いることができる。
【0017】
実施形態は、共振インバータ、降圧型スイッチング・レギュレータ、昇圧レギュレータ、DCスイッチング電力供給装置、およびインバータまたはスイッチング電力供給装置のゲート駆動回路の内少なくとも1つを含むことができる。入力電力は、スイッチング電力供給装置の各サイクルに対応する頻度で測定することができる。出力電力信号は、異なる比率で、例えば、スイッチング電力供給装置のサイクル毎とはせずに測定することができる。実施形態によっては、制御信号をスイッチング電力供給装置のサイクル毎に更新するが、他の実施形態ではそうしない。
【0018】
入力電力測定値は、各サイクル中にスイッチング電力供給装置の入力端子を通じて流れる総電荷を測定することによって決定することができる。第1比率ではサイクル毎に1回電力制御信号を調節し、第2比率は第1比率よりも遅く、更に電気的負荷の応答時間よりも遅くするとよい。また、第2比率では、電気的負荷に供給する気体供給システムの応答時間よりも遅くすることができる。
【0019】
本発明の別の態様は、可変インピーダンス負荷に電力を供給するRF電力供給装置であって、制御信号をRF電力供給装置に供給しRF電力供給装置からの電力出力レベルを抑制する制御回路と、入力電力の測定値をRF電力供給装置に供給する第1回路とを含むことを特徴とする。第1回路は、RF電力供給装置への制御信号を第1比率に調節して、実質的に一定の入力電力を維持する。RF電力供給装置は、RF電力供給装置の出力における出力電力を測定する第2回路を含むことができ、電力制御信号を第2比率に補償するために用いられる。第1比率は、第2比率よりも大きい。実施形態によっては、入力電力は一定である。
【0020】
重み係数を用いて、第1比率を第2比率よりも大きくすることができ、RF電力供給装置の出力を用いて、プラズマ負荷を付勢することができる。整合回路をRF発生器と負荷(例えば、プラズマ負荷)との間に配置して用いることができる。電力供給装置は、共振インバータ、降圧型スイッチング・レギュレータ、昇圧レギュレータ、DCスイッチング電力供給装置、およびインバータまたはスイッチング電力供給装置のゲート駆動回路を含むことができる。入力電力は、電力供給装置のサイクル毎に測定することができ、実施形態によっては、入力電力は、電力供給装置のサイクル毎には測定しない。制御信号は、電力供給装置のサイクル毎に更新することができるが、実施形態によってはそうしない場合もある。
【0021】
RF電力供給装置は、電力をプラズマ負荷に配電することができる。更に、制御信号は、電力供給装置のパルス幅および/または周波数または位相変調を制御することができ、変調量は、サイクル毎に決定することができる。実施形態によっては、第1比率ではサイクル毎に1回制御信号を調節し、第2比率は第1比率よりも遅く、更に電気的負荷の応答時間よりも遅くするとよい。また、第2比率は、電気的負荷に供給する気体供給システムの応答時間よりも遅くすることができる。
【0022】
本発明の別の態様は、電源と、ACスイッチング電力供給装置とを備えているRFプラズマ発生器を特徴とする。スイッチング電力供給装置は、当該電力供給装置からの電力出力レベルを抑制するために制御信号を電力供給装置に供給する制御回路と、電力供給装置への入力電力の測定値を供給する第1回路とを含む。測定値は、電力供給装置への制御信号を第1比率に調節するために用いられ、これによって実質的に一定の入力電力を維持する。また、電力供給装置の出力における出力電力を測定する第2回路も含み、第1比率が第2比率よりも大きくなるように、電力供給装置への制御信号を第2比率に補償するために用いられる。スイッチング電力供給装置の出力は、RF発生部に供給する。第1比率は、スイッチング電力供給装置の比率に接近することができる。
【0023】
重み係数を用いて、第1比率を第2比率よりも大きくすることができ、RF電力発生部の出力を用いて、プラズマ負荷を付勢することができる。整合回路をRF発生部と負荷との間に配置して用いることができる。RF発生器は、共振インバータ、降圧型スイッチング・レギュレータ、昇圧レギュレータ、DCスイッチング電力共有装置、および/またはインバータまたはスイッチング電力供給装置のゲート駆動回路を含むことができる。入力電力は、電力供給装置のサイクル毎に測定することができ、実施形態によっては、入力電力を電力供給装置のサイクル毎には測定しない場合もある。制御信号は、電力供給装置のサイクル毎に更新することができるが、実施形態によってはそうしないこともある。
【0024】
RF発生器の入力電力は、各サイクル中にスイッチング電力供給装置の入力端子を通じて流れる総電荷を測定することによって決定することができ、RF発生器はプラズマ発生システムを含むことができる。制御信号は、電力供給装置のパルス幅および/または周波数または位相変調を制御することができ、変調量は、サイクル毎に決定することができる。実施形態によっては、第1比率ではサイクル毎に1回制御信号を調節し、第2比率は第1比率よりも遅く、更に電気的負荷の応答時間よりも遅くするとよい。また、第2比率は、電気的負荷に供給する気体供給システムの応答時間よりも遅くすることができる。
【0025】
本発明の更に別の態様は、可変インピーダンス負荷への電力を抑制する方法を特徴とし、RF発生器からの電力出力レベルを抑制するために、スイッチング電力供給装置に制御信号を供給する制御回路を設けるステップを備えている。スイッチング電力供給装置の入力側において測定する第1電力に基づいて、スイッチング電力供給装置への制御信号を第1比率に調節する。また、RF発生器の出力側において測定する第2電力に基づいて、第2比率にも補償する。第1比率は第2比率よりも大きい(速い)。第1比率は、スイッチング電力供給装置の周波数に対応することができる。
【0026】
重み係数を用いて、第1比率を第2比率よりも大きくすることができ、RF電力発生部の出力を用いて、プラズマ負荷を付勢することができる。整合回路をRF発生部と負荷との間に配置して用いることができる。本方法の電力供給装置は、共振インバータ、降圧型スイッチング・レギュレータ、昇圧レギュレータ、DCスイッチング電力供給装置、および/またはゲート・ドライブを含むことができる。入力電力は、スイッチング電力供給装置のサイクル毎に測定することができ、実施形態によっては、入力電力を電力供給装置のサイクル毎には測定しない場合もある。制御信号は、電力供給装置のサイクル毎に更新することができるが、実施形態によってはそうしないこともある。
【0027】
本方法は、プラズマ発生システムを備えている電気的負荷を有することを含むことができ、制御信号は、電力供給装置のパルス幅変調を制御することができる。パルス幅変調の量は、サイクル毎に決定することができる。実施形態によっては、第1比率ではサイクル毎に1回制御信号を調節し、第2比率は第1比率よりも遅く、更に電気的負荷の応答時間よりも遅くするとよい。また、第2比率は、電気的負荷に供給する気体供給システムの応答時間よりも遅くすることもできる。
【0028】
本装置は、電源と、電源からの電力を受電する電力変換器であって、入力電圧またはスイッチング周波数の少なくとも1つを変化させることによって制御する一定出力電力を供給する、電力変換器と、電力変換器から一定電力を受電するRF発生器とを含む。
【0029】
電力変換器は、部分または完全共振変換器とすることができる。部分共振変換器は、電源からの電圧を所望の電圧に変換する第1回路と、所望の電圧を一定電力レベルに維持する第2回路とを含むことができる。
【0030】
第1回路は、RFプラズマ発生器電源からの電圧を所望の電圧に変換する複数のスイッチと複数のダイオードとを含むことができる。第2回路は、抵抗性負荷と、この抵抗性負荷に結合されているインダクタと、インダクタに結合されているキャパシタであって、抵抗性負荷をキャパシタ電流が通過するときに、周期的に入力電圧レベルに充電されそして放電することにより、所望の電圧を一定電力レベルに維持する、キャパシタとを含むことができる。インダクタは、キャパシタが完全に充電されそして放電することを確実にする。
【図面の簡単な説明】
【0031】
以上の論述は、以下の本発明の詳細な説明を、添付図面と関連付けて検討することにより、一層容易に理解されよう。
【図1】図1は、既知のRFプラズマ処理ツールのブロック図である。
【図2】図2は、既知の電力供給装置のブロック図の例示である。
【図3】図3は、本発明の制御の特徴を組み込んだ電力供給装置を示す。
【図4】図4は、フィード・フォワード降圧レギュレータを含む、本発明の一実施形態である。
【図5】図5は、本発明の種々の特徴を示す電力供給システムを示す。
【図6】図6は、部分的共振インバータ型電力供給装置の一実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
図3は、前述の問題を克服するために用いることができる本発明の一実施形態を示す。プラズマのような電気的負荷に一定量の電力を供給すると、システムの動作を安定させる結果を得ることができる。生憎、前述したフィードバックのみのシステムは、プラズマ発生システムの動的動作条件に対して十分素早く応答しない。フィードバック・ループ33の応答時間がインピーダンスの動揺および動的プラズマ負荷のその他の発生中の変動よりも速くても、このようなシステムは変動する入力信号を補償できない。
【0033】
図3の電力供給装置30は、これらの問題を克服するに当たり、出力電力の代わりに、入力電力を制御し、スイッチング電力供給装置の現在利用可能な技術によって達成可能な高効率および低蓄積エネルギを利用する。この技術を用いて、本発明は、プラズマ負荷の過渡変化には関係なく、供給電力で蓄積エネルギを除算して得た時間の尺度に基づいて一定電力を供給する。これは、数マイクロ秒程度とすることができる。これを遂行するために、図3の電力供給装置30は、電力供給装置30に給電する(feed)DC電力30に対して高速入力測定部52を用いる。この入力電力測定部52は、情報を制御回路35に提供する高速フィードフォワード制御ループ53に接続する。制御回路は、実際の回路(例えば、回路ボード上にある)、アナログ・コントローラ、当業者には周知の種々のディジタル制御システムのいずれか、またはこれらの組み合わせとすることができる。この技術を用いて、本発明は電力供給装置30に配電する電力量を厳しく制御することによって、電力供給装置とプラズマとの間における相互作用を制御する。この結果、負荷に送られる電力が厳しく制御されることとなる。何故なら、動的プラズマ・パラメータは、非常に短い時間間隔(例えば、数ミリ秒)で平均した配電電力量に感応する程には、電力供給装置が供給する電流波形にも電圧波形にも感応しないからである。
【0034】
したがって、本発明は、数ミリ秒程度の時間間隔というような、超高速時間目盛り上において、ほぼ一定な電力をプラズマ負荷に配電することができる電力供給装置のトポロジ(topology)を含む。実施形態によっては、これらの時間間隔の持続期間を、プラズマまたは気体供給応答の動的応答時間に近づく程十分に長くすることもできる。しかしながら、全ての実施形態によって、電力供給装置の出力は、プラズマのインピーダンスまたはその他の負荷動力学の変化には関係なく、蓄積エネルギの電力に対する比によって設定された時間尺度で定常量に維持される。
【0035】
フィードバック制御33のみでは、本発明の精密で一貫性のある電力出力を達成できる程速く負荷および電力入力変化に応答することはできない。一般に、安定性を維持するためには、フィードバック制御応答は、全ての可能なプラズマ応答および気体供給応答よりもはるかに速いかまたははるかに遅くなければならない。本発明の精密な電力出力制御を達成するためには、システムの安定化を高速時間軸上で設けるだけでなく、制御回路35の制御信号38に出力電力測定値に弱く(即ち、ゆっくりと)依存させるのみとすることができる。つまり、本発明は、電力供給装置への制御信号38を補償するときは、遅い応答フィードバック制御ループのみを用いる。このような電力供給装置の別の効果は、プラズマの点火および積み上げがやり易くしかも安定することである。
【0036】
本発明の結果を得るために、DC電源32を電力供給装置30の電力部に接続する。好ましくは、本システムは、電力をできるだけ消散しないように設計し、このため主としてリアクタ性デバイスまたはスイッチング・デバイスを組み込む。尚、システムにおける蓄積エネルギを極力抑えて、制御システムのいずれの遅延時間または時定数を短縮することまたは事実上解消することが望ましい。この設計原理は、スイッチング・モード(例えば、等級Dまたは等級F)で動作することができる、本発明の原理を組み込んだDCスイッチング電力供給装置、および低周波数RF発生器双方に好ましい。周波数が高くなる程、この設計の特徴は重要性が低くなる。これは、RFトランジスタが殆ど線形領域で動作するからである。しかしながら、電力供給装置30の電力部においては、エネルギ損失を極力減らすことは常に望ましい。
【0037】
図3に示す実施形態では、電力モジュールへの入力電力を、入力測定部52を通じて測定する。入力電力測定部52は、電力供給装置の前に位置することができるが、入力フィルタのキャパシタ(図示せず)の下流に位置付けるとよい。あるいは、入力電流、電圧、および/または電力の測定値が供給されるであれば、入力電力測定部52は、電力供給装置30内部のある点に位置付けることもできる。これは、当業者には周知である。入力電力測定手段52はこの情報を制御回路35に送る。制御回路35は、次に、電力制御信号38を調節して、入力電力測定値32を実質的に一定値に維持する。電力モジュールの効率が高くなるように設計されているので、この抑制方法によって、ほぼ一定の電力が負荷40に出力されることになる。
【0038】
電力供給装置30は、出力フィルタおよび電力部のリアクタ性構成部品に少量の蓄積エネルギを含む可能性があるが、これらを瞬時に変化させることはできない。先に論じたように、本システムの設計では、これらの構成部品に蓄積されるエネルギ量を極力抑えるので、これらの構成部品の中にあるエネルギ量は、数マイクロ秒以下に相当する間システムに給電できる程度である。このように蓄積エネルギを少なくすると、システムの遅延時間を短縮する、即ち、時定数を小さくすることができるという効果があり、更に安定なプラズマ制御を維持するという効果がある。蓄積エネルギ量は、プラズマに蓄積されるエネルギ量と比較すると小さいので、システムの制御に対して重大な悪影響はなく、プラズマが失われたり、不安定になったり、著しく変化する原因にもならない。つまり、RF電力が入力電力に追従する際、遅延時間は殆どない。蓄積電力量が増大するに連れて、プラズマの安定性制御の問題が生ずる可能性は高くなる。
【0039】
また、実施形態はフィードバック制御ループ33も含む。負荷40に対する精密な電力出力制御を維持するためには、フィードバック制御ループ33が制御回路35の制御式に対してゆっくりした効果のみを有するように、これをチューニングしなければならない。フィードバック制御ループ33の低速応答によって、負荷インピーダンスの変化が制御ループを不安定にしないことを確保する。
【0040】
図4は、本発明の一実施形態を表す電力供給装置の部分図である。RF発生器75に給電するために、降圧型スイッチング・レギュレータ(buck-type switching regulator)72を用いることができる。RF発生器への入力電力を、入力測定部52、積分器73、および比較器74を用いて測定し、誤差信号を制御回路35に供給する。上位スイッチ76は能動駆動トランジスタである。下位スイッチ77は受動型、例えば、ダイオードとすることができ、あるいはこれもトランジスタとすることもできる。降圧変換器72の動作周波数が固定である場合、電力入力は、サイクル毎に上位スイッチ76を通過する電荷の量に比例する。したがって、電流変換器(例えば、52)および積分器73は、サイクル毎に供給される作業(エネルギ)量を判定するために用いることができる。次いで、作業量が所望の値に達したときに、スイッチング・サイクルの終了を誘起することができる。固定周波数動作の間、これは単位時間毎に供給される作業量、即ち、供給電力量を示す。この測定値は、電力供給装置への急速入力電力測定値52として便利に用いることができ、フィードフォワード制御ループ53はこの測定値を基準にすることができる。
【0041】
更に、共振インバータのトポロジの場合のように、DC部のスイッチング周波数が一定でない場合、電力供給装置30の入力端子を通じて一定値で入力している入力電力を維持するために用いることができるように、周期毎の集積電荷の所望量は、入力電圧およびスイッチング周波数双方の関数として決定することができる。このようなフィード・フォワード抑制は、パルス毎に行うことができ、1周期しかレギュレータを遅延させない(即ち、電力供給装置の1サイクル)。このため、このような測定の時間間隔はできるだけ短く、例えば、1または2マイクロ秒とすることができる。周波数変化を補償する1つの方法は、定数の代わりに傾斜基準を用いてサイクル毎の集積電荷情報を比較器に送ることである。比較器の移行点に達するのは、集積電荷が、サイクルの開始以降に経過した時間に比例するときである。この技法は、サイクル毎に一定電力を維持するために用いることができる。
【0042】
以上の説明に基づけば、当業者には代替実施形態が明白となろう。例えば、実施形態は昇圧レギュレータを含み、これに対して、入力電力を一定にするには、インダクタの電流を一定に維持することが必要となる。更に、別のPWMスイッチング・トポロジや、共振インバータのような周波数制御トポロジも用いることができる。これらは、同様に制御する絶縁変圧器を含み、パルス毎に一定入力電力を維持することができる。
【0043】
図5は、追加の詳細および任意の構成部品を含む、本発明の詳細な実施形態を示す。DC電源32は、DCスイッチング電力供給装置のような、DC電源部30に電力を供給する。入力電流測定部52は、電力供給装置30の入力側に位置するように図示されているが、出力側、例えば、電源部30と変換器91との間に位置することもできる。図4に関して説明したように、52からの入力測定信号は、積分器73および設定点比較器74を経由して導出することができる。
【0044】
実施形態は、異なる比較器74の機能性を含む。例えば、入力測定信号52からの入力電力を、電力設定点と比較して、計算したフィードフォワード誤差を判定し、制御回路35はこの誤差を用いることができる。この誤差は、電力供給装置への制御信号38を調節するために用いることができる。別の実施形態では、入力信号52を、例えば、アルゴリズムまたは所定の数値表と比較することができ、これによって、当業者には周知の制御原理および技術に応じて、比較器からの出力結果を所定の機能性によって判定する。この入力電力抑制は、非常に素早く動作することができ、電力供給装置のサイクル毎に1回の頻度を含む。
【0045】
また、制御回路35は、出力電力測定18からフィードバック電力信号も受信することができる。このフィードバック信号を電力出力設定点と比較して、計算したフィードバック誤差を判定することができ、更にこのフィードバック誤差と、計算したフィードフォワード誤差とを制御回路35によって加算して、制御信号38を決定することができる。フィードバック誤差計算に対する電力出力設定点は、フィードフォワード誤差計算に対する電力出力設定点と同一とすることができ、あるいは別個とすることもできる。いずれの場合でも、フィードフォワードおよびフィードバック信号の重み付けは、種々の技法を用いて行うことができる。
【0046】
多くの従来の制御システムとは異なり、フィードフォワード制御ループ53がフィードバック制御ループ(例えば、フィードバック制御ループ33)よりも多くの効果を出力信号(例えば、制御信号38)に及ぼすように重み付けするとよい。この結果は、測定値をサンプリングし、次いでサンプリングしたフィードフォワード信号の結果の方を頻繁に(高い比率で)、例えば、電力供給装置のサイクル毎に用い、そしてフィードバック・ループの結果を、サイクル毎、10サイクル毎、または100サイクル毎というように、第2の遅い比率で用いることによって得ることができる。この技法を用いると、制御信号は、フィードバック・ループよりもフィードフォワード・ループの寄与を頻繁に反映し、こうしてフィードフォワード測定が制御結果38において優勢となる。
【0047】
フィードフォワード測定52をフィードバック測定18よりも優先する別の技法では、同じ頻度で各ループをサンプリングするが、フィードフォワード信号即ち誤差結果を増大させる重み乗数、および/またはフィードバック信号即ち誤差結果を減少させる重み乗数を組み込む。つまり、制御信号38を決定するときに、双方のループが同じ頻度でサンプリングされていても、フィードバック・ループからの誤差結果は、常に、フィードフォワード・ループからの誤差よりも少ない効果を持たせることができる。このように、フィードフォワード測定信号52およびフィードバック電力出力信号を同じ頻度でサンプリングしても、重み係数は、被調節側フィードフォワード・ループの比率を、補償側フィードバック制御ループの比率よりも大きくすることができる。実施形態によっては、フィードバック制御ループ18が制御信号38に対する影響が0になるような範囲まで重み付けすることができる。平均化、適時平均値の使用、種々のサンプリング技法、統計的技法、およびその他を含む、前述した異なる種類の重み付け結果を得る他の技法も当業者には明白であろう。これらの方法の結果、制御回路35は、殆ど入力信号に基づくが、フィードバック電力信号18にも基づいて、制御信号38を電力供給装置に出力する。
【0048】
電力供給装置30の制御信号38に対する応答は、フィードフォワードまたはフィードバック制御ループのいずれよりも速い。制御信号38は、パルス幅変調技術(定周波数電力供給装置に対して)を用いて、周波数変調を用いて、これらの組み合わせを用いて、あるいは他の周知のDCスイッチング電力供給装置制御技術を用いて、電力供給装置30を抑制することができる。
【0049】
DC電源部30は、通常、降圧変換器または整流器と組み合わせた共振変換器のような変換部91に給電する(feed)。勿論、他の変換器トポロジを用いることもできる。本発明の実施形態は、中間にRF電力発生器(以下で説明する)を用いることなく、降圧変換器からプラズマ負荷を供給することを含む。再度図5を参照すると、変換器の出力は、任意に、出力フィルタ92を通過し、次いでRF発生器75に供給することができる。RF発生器75の出力は、出力電力測定デバイス18を通過し、次いで、プラズマ・チェンバ内のプラズマのような、電気的負荷40に達することができる。任意に、整合ネットワーク96をRF発生器75と負荷40との間に配置することができる。
【0050】
入力測定部52は、DC電源部30の供給側にあるように図示されているが、他の場所に配置することもできる。例えば、このフィードフォワード測定信号は、電力供給装置30と変換器91との間、または更に下流の、変換器91と出力フィルタ92との間(出力フィルタがある場合)で取り込むこともできる。
【0051】
同様に、フィードバック電力測定18も別の位置に配置することができる。例えば、最良の電力測定読み取り値が得られるのは、フィードバック電力測定デバイス18を負荷の直接上流に、例えば、整合ネットワーク(ある場合)と負荷との間に配置したときである。しかしながら、コストのために、RF発生器の出力、即ち、RF発生器75と整合ネットワーク96(ある場合)との間に配置することが多い。しかしながら、本発明の実施形態は、フィードバック信号測定を機能的に出力フィルタ92(ある場合)とRF発生器75との間、または変換部91と出力フィルタ92との間にでも位置付けることを含む。勿論、これら種々の入力および出力信号測定場所の異なる組み合わせを用いることもできる。
【0052】
適した電力出力測定技法には、入力測定部52に関して先に論じたような、電圧および/または電流測定を含むことができる。しかしながら、出力電力測定は、既知の技法および技術を用いて、順方向電力および反射電力を測定し、本発明の目的を達成することもできる。
【0053】
本発明の技法は、図5に図示した実施形態よりも広い適用可能性を有する。図5は、DCスイッチング電力供給装置30の入力側におけるフィードフォワード測定、およびRF発生器の出力における電力出力測定18を示すが、本発明は他の方法で用いることもできる。例えば、一実施形態では、DCスイッチング電力供給装置30の入口にフィードフォワード測定部52を含み、電力供給装置30の出口、例えば、変換器91の後ろに出力電力測定18を含む。用途によっては、変換器の出力を次に直接負荷に導出することもできる。別の実施形態では、RF発生器への給電は、DCスイッチング電力供給装置によって供給しなくてもよい場合もある。このような実施形態では、入力測定部52は、RF発生器の入力において取り込むことができ、電力出力測定18は、RF発生器75の出口に位置付けることができる。次いで、整合ネットワーク96を用いてまたは用いずに、RF発生器の出力を負荷、例えば、プラズマ・チェンバに接続することができる。
【0054】
図6は、部分的共振インバータ(partial resonant inverter)電力供給装置の図である。RF発生器/電力増幅器の一定DC電力は、開放ループで定電力を供給し電気的測定を全く必要としないトポロジを有するDC−DC変換器を用いて供給することもできる。このようなトポロジの1つに部分共振インバータ100があるが、他の既知のインバータを用いてもよい。
【0055】
部分共振インバータ100は、1対のスイッチ(MOSFET)102a、102bと、インダクタ(L)106と、キャパシタ(C)108と、4つのダイオード110a、110b、110c、および110dとを含む。動作において、部分共振インバータ100は、入力電圧を方形波またはその他の既知の形式のDC波形に変換する。方形波をインダクタ106およびキャパシタ108に通過させる。これらの組み合わせによってLCフィルタが形成されている。更に、方形波をダイオード110c、110dによってクランプし、変圧整流器104によって結合および整流し、濾波して所望のDC電圧を得る。部分共振インバータ100(DC−DC変換器)の出力は、RF電力発生器/増幅器75のDC入力に接続されている。RF電力発生器/増幅器75は、前述のように、プラズマ負荷40に結合されている。実施形態によっては、前述のように、整合ネットワーク96(図5)を、RF電力発生器/増幅器75とプラズマ負荷40との間に結合することができる。
【0056】
キャパシタ108を周期的に入力レール電圧(+Vin)に充電し、キャパシタ電流をプラズマ負荷40に通過させている間に放電する。実施形態によっては、プラズマ負荷40は変圧器とは隔離することができる。各充電および放電サイクル毎に、抵抗性負荷104において消散されるエネルギは負荷の抵抗とは無関係にCV/2に等しい。つまり、電力はFSW*CV/2に等しく、ここでFswはスイッチング周波数であり、Vは入力電圧である。インダクタ106は、有限時間内にキャパシタ108が最大限充電されそして放電することを確実にする。部分共振インバータ100の設計には、Vまたは/およびFSWを変化させることによって、出力電圧を制御することができるという利点がある。
【0057】
このような実施形態は本発明の範囲に該当するが、先に注記したように、本発明は高周波電力供給装置を用いるシステムに対して、特にRF電力供給装置(即ち、1MHzから10GHz)において、プラズマ安定性の問題を解決するのに特に有用である。
【0058】
以上、特定的な好適実施形態を参照しながら本発明について特定的に示しそして説明したが、形態および詳細の様々な変更は、添付した特許請求の範囲が規定する発明の主旨および範囲から逸脱することなく、行うことができることは当業者にとっては言外であるはずである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
RFプラズマ発生器であって、
電源と、
前記電源から電力を受電する電力変換器であって、入力電圧またはスイッチング周波数の少なくとも1つを変化させることによって制御する一定出力電力を供給する、電力変換器と、
前記電力変換器から一定電力を受電するRF発電機と、
を備えている、RFプラズマ発生器。
【請求項2】
請求項1記載のRFプラズマ発生器において、前記電力変換器は部分または完全共振変換器である、RFプラズマ発生器。
【請求項3】
請求項2記載のRFプラズマ発生器において、前記部分共振変換器は、
前記電源からの電圧を所望の電圧に変換する第1回路と、
前記所望の電圧を一定電力レベルに維持する第2回路と、
を含む、RFプラズマ発生器。
【請求項4】
請求項3記載のRFプラズマ発生器において、前記第1回路は、前記電源からの電圧を所望の電圧に変換する複数のスイッチと複数のダイオードとを含む、RFプラズマ発生器。
【請求項5】
請求項3記載のRFプラズマ発生器において、前記第2回路は、
抵抗性負荷と、
前記抵抗性負荷に結合されているインダクタと、
前記インダクタに結合されているキャパシタであって、前記抵抗性負荷をキャパシタ電流が通過するときに、周期的に入力電圧レベルに充電されそして放電することにより、前記所望の電圧を一定電力レベルに維持する、キャパシタと、
を含む、RFプラズマ発生器。
【請求項6】
請求項5記載のRFプラズマ発生器において、前記インダクタは、前記キャパシタが完全に充電されそして放電することを確実にする、RFプラズマ発生器。
【請求項7】
請求項1記載のRFプラズマ発生器において、当該RF発生器はプラズマ負荷を付勢する、RFプラズマ発生器。
【請求項8】
請求項1記載のRFプラズマ発生器であって、更に、前記RF発生器と前記プラズマ負荷との間に結合されている整合回路を備えている、RFプラズマ発生器。
【請求項9】
一定電力をプラズマ負荷に配電する方法であって、
電力供給装置から電力を受電するステップと、
前記電力供給装置から受電した電力を所望の電力レベルに変換するステップであって、入力電圧またはスイッチング周波数の少なくとも1つを制御することにより、前記所望の電力レベルを制御する、ステップと、
前記プラズマ負荷を付勢するために前記電力を配電するステップと、
を備えている、方法。
【請求項10】
請求項9記載の方法において、部分または完全共振インバータによって、前記電力を変換する、方法。
【請求項11】
請求項10記載の方法において、前記部分共振インバータは、
第1回路によって前記電源からの電圧を所望の電圧に変換し、
第2回路によって前記所望の電圧を一定電力に維持する、方法。
【請求項12】
請求項11記載の方法において、前記第1回路は、前記電源からの電圧を所望の電圧に変換する複数のスイッチと複数のダイオードとを含む、方法。
【請求項13】
請求項11記載の方法において、前記第2回路は、
抵抗性負荷と、
前記抵抗性負荷に結合されているインダクタと、
前記インダクタに結合されているキャパシタであって、前記抵抗性負荷をキャパシタ電流が通過するときに、周期的に入力電圧レベルに充電されそして放電することにより、前記所望の電圧を一定電力レベルに維持する、キャパシタと、
を含む、方法。
【請求項14】
請求項13記載の方法において、前記インダクタは、前記キャパシタが完全に充電されそして放電することを確実にする、方法。
【請求項15】
一定電力をプラズマ負荷に配電する方法であって、
電力供給装置から電力を受電する手段と、
前記電力供給装置から受電した電力を所望の電力レベル1に変換する手段であって、入力電圧またはスイッチング周波数の少なくとも1つを制御することにより、前記所望の電力レベルを制御する、手段と、
前記プラズマ負荷を付勢するために前記電力を配電する手段と、
を備えている、方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公表番号】特表2010−508638(P2010−508638A)
【公表日】平成22年3月18日(2010.3.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−535244(P2009−535244)
【出願日】平成18年10月31日(2006.10.31)
【国際出願番号】PCT/US2006/042737
【国際公開番号】WO2008/054391
【国際公開日】平成20年5月8日(2008.5.8)
【出願人】(592053963)エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッド (114)
【氏名又は名称原語表記】MKS INSTRUMENTS,INCORPORATED
【Fターム(参考)】