高周波測定装置、および、高周波測定装置の校正方法
【課題】高周波測定装置によって検出された電圧と電流を高い精度で校正する方法、および、当該校正を行うことができる高周波測定装置を提供する。
【解決手段】低精度だが広いインピーダンスの範囲で校正可能な基本校正パラメータと、スミスチャート上の範囲を４つに分割した各象限でそれぞれ高精度に校正可能な各象限別校正パラメータとを、それぞれ、３つの基準負荷を測定した値とそれらの真値とに基づいて算出しておく。第１校正部３８２は、検出された電圧と電流とを基本校正パラメータで校正する。象限判定部３８５は、この校正された電圧と電流とから算出されたインピーダンスがどの象限に位置するかを判定する。第２校正部３８６は、象限判定部３８５から入力される判定結果に対応する象限別校正パラメータでさらに校正を行う。
【解決手段】低精度だが広いインピーダンスの範囲で校正可能な基本校正パラメータと、スミスチャート上の範囲を４つに分割した各象限でそれぞれ高精度に校正可能な各象限別校正パラメータとを、それぞれ、３つの基準負荷を測定した値とそれらの真値とに基づいて算出しておく。第１校正部３８２は、検出された電圧と電流とを基本校正パラメータで校正する。象限判定部３８５は、この校正された電圧と電流とから算出されたインピーダンスがどの象限に位置するかを判定する。第２校正部３８６は、象限判定部３８５から入力される判定結果に対応する象限別校正パラメータでさらに校正を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電圧および高周波電流を検出しインピーダンス等の高周波パラメータを算出することで測定する高周波測定装置、および、当該高周波測定装置の校正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高周波電源装置から出力される高周波電力をプラズマ処理装置に供給し、エッチング等の方法を用いて半導体ウェハや液晶基板等の被加工物を加工するプラズマ処理システムが開発されている。
【０００３】
図１１は、一般的なプラズマ処理システムの構成を示すブロック図である。
【０００４】
プラズマ処理中にプラズマ処理装置４００のインピーダンスは変動するので、当該プラズマ処理装置４００の入力端で反射した反射波電力が高周波電源装置１００を損傷する虞がある。したがって、プラズマ処理システムＡ１００においては、一般に、高周波電源装置１００とプラズマ処理装置４００との間にインピーダンス整合装置２００が設けられており、当該インピーダンス整合装置２００がプラズマ処理装置４００のインピーダンス変動に応じて整合動作を行っている。また、プラズマ処理中のプラズマ処理装置４００のインピーダンスやプラズマ処理装置４００の入力端における高周波電圧および高周波電流などの監視を行う必要がある。
【０００５】
プラズマ処理装置４００の監視は、プラズマ処理装置４００の入力端に設けられた高周波測定装置３００が測定する各種高周波パラメータを用いて行われる。また、インピーダンス整合装置２００の整合動作は、インピーダンス整合装置２００の内部に設けられた高周波測定装置（図示せず）が測定する各種高周波パラメータに基づく制御によって行われる。なお、以下では、高周波測定装置３００を例として説明を行う。
【０００６】
高周波測定装置３００は、高周波電圧（以下、単に「電圧」という。）と高周波電流（以下、単に「電流」という。）を検出し、その検出値から電圧と電流の位相差（以下、単に「位相差」という。）θを求めるとともに、電圧実効値Ｖ、電流実効値Ｉ、インピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸ（測定点がプラズマ処理装置４００の入力端近傍なので、プラズマ処理装置４００のインピーダンスに相当する。）、反射係数Γの大きさ、プラズマ処理装置４００に入力される進行波電力Ｐｆ、インピーダンス不整合によりプラズマ処理装置４００の入力端で反射される反射波電力Ｐｒなどの高周波パラメータを算出する。
【０００７】
高周波測定装置３００は、プラズマ処理装置４００に電力を伝送するための棒状の導電体に容量結合させたコンデンサと当該導電体に磁気結合させたコイルとを有し、コンデンサによって電圧ｖ＝√２・Ｖ・sin（ωt）を、また、コイルによって電流ｉ＝√２・Ｉ・sin（ωt＋θ）を検出する。また、高周波測定装置３００は、検出した電圧ｖおよび電流ｉから電圧実効値Ｖ、電流実効値Ｉ、位相差θを求め、これらを用いて下記（１）〜（５）式により上記の高周波パラメータを算出する。すなわち、高周波測定装置３００は、電圧ｖと電流ｉを検出するセンサとそのセンサの検出値から上記の高周波パラメータを算出する演算処理回路を備えた、いわゆるＲＦセンサと呼ばれるものである。
【０００８】
【数１】
【０００９】
一般に、計測装置や測定装置のセンサの感度にはばらつきがあるので、当該センサで検出される検出値は正しい値と異なる。したがって、予め基準となる被測定物を測定して検出値を正しい値に換算する校正パラメータを取得しておき、実際の測定ではセンサの検出値を当該校正パラメータで正しい値に校正して出力する構成としている。
【００１０】
高周波測定装置３００が検出した電圧ｖおよび電流ｉの校正では、例えば、ＳＯＬＴ（Short-Open-Load-Thru）校正が用いられる。ＳＯＬＴ校正では、まず、インピーダンスの真値があらかじめ特定された基準負荷に高周波測定装置３００を接続し、高周波測定装置３００によってインピーダンスを測定する。基準負荷としては、測定系の特性インピーダンス（測定のために高周波を伝送する伝送線路の特性インピーダンス。一般には５０Ω又は７５Ω）を有するダミーロード、開放状態のインピーダンス（無限大）、および、短絡状態のインピーダンス（ゼロ）にそれぞれ近いインピーダンスを有するダミーロードが用いられる。次に、高周波測定装置３００によって測定された各基準負荷のインピーダンスと各基準負荷のインピーダンスの真値とから、電圧ｖおよび電流ｉを校正するための校正パラメータを算出して、高周波測定装置３００のメモリ（図示せず）に記録する。実際の測定では、検出された電圧ｖおよび電流ｉを、メモリに記録されている校正パラメータで校正してから、各種高周波パラメータを算出する。
【００１１】
高周波測定装置３００のメモリに記録されている校正パラメータは、極限値である開放状態のインピーダンス（無限大）および短絡状態のインピーダンス（ゼロ）にそれぞれ近いインピーダンスと特性インピーダンスとに基づいて算出されているので、インピーダンスの極めて広い範囲で校正を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−１６３３０８号公報
【特許文献２】特開２００４−３０９１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記の校正パラメータはインピーダンスの極めて広い範囲で校正を行うことができるように求められたものなので、当該校正パラメータによる校正の精度は十分高いものではない。すなわち、上記校正パラメータは、インピーダンスの極めて広い範囲で低い精度で校正を行うことができるものとなっている。しかし、実際にプラズマ処理装置４００の監視に高周波測定装置３００の測定値を用いる場合、校正の精度が高いことが求められる。
【００１４】
例えば、プラズマ処理装置４００はプラズマ処理を行っているときに高熱を発するので、プラズマ処理装置４００の近くに配置される高周波測定装置３００の周囲の温度も高くなる。温度が異なると抵抗成分が変化するので、校正を行ったときの周囲の温度と実際に測定を行うときの周囲の温度とが異なると、校正の精度が低下する。このことを考慮すると、高い精度で校正を行っておく必要がある。
【００１５】
また、プラズマ処理中において、検出された電圧ｖと電流ｉの位相差θは、（１／２）πに近い値となることが多い。したがって、位相差θのわずかな誤差でもｃｏｓθの変化率は大きくなり、インピーダンスの抵抗成分Ｒや進行波電力Ｐｆの測定値に大きな影響を与える（上記(１)、(４)式参照）。したがって、位相差θの誤差を抑制するために、高い精度で校正を行う必要がある。
【００１６】
また、高周波測定装置３００の測定値を、Ｅチャックコントローラなどに用いる場合がある。Ｅチャックコントローラは、プラズマ処理装置４００のチャンバー内でウエハを固定するための静電チャックの強さを、測定された電流値および電圧値に基づいて制御する。したがって、測定された電流値および電圧値の誤差を極めて小さい範囲に抑える必要があり、機差特性も最小限におさえなければならない。そのため、高周波測定装置３００の検出値の校正は、精度を高くする必要がある。
【００１７】
本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、高周波測定装置によって検出された電圧および電流を高い精度で校正する方法、および、当該校正を行うことができる高周波測定装置を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１９】
本発明の第１の側面によって提供される高周波測定装置は、プラズマ処理装置を含む負荷とこの負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置との間に接続されて、当該接続点における高周波電圧および高周波電流を検出する高周波測定装置であって、前記接続点における高周波電圧を検出する電圧検出手段と、前記接続点における高周波電流を検出する電流検出手段と、前記電圧検出手段によって検出された電圧値と前記電流検出手段によって検出された電流値とを校正する校正手段と、前記校正手段によって校正された前記電圧値と電流値とに基づいて、前記接続点から負荷側を見たインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段とを備えており、前記校正手段は、基本の３つの基準負荷に前記高周波測定装置をそれぞれ接続した時の前記インピーダンス算出手段によって算出された３つのインピーダンスと前記基本の３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて算出された基本パラメータを用いて、前記検出された電圧値と電流値とを校正する第１校正手段と、前記第１校正手段によって校正された電圧値と電流値とから算出されるインピーダンスをスミスチャート上で表示した場合に、全インピーダンスの範囲が複数に分割された範囲のうちのいずれの範囲に位置するかを判定する判定手段と、前記判定手段によって前記インピーダンスが位置すると判定された範囲を囲む３つのインピーダンスをそれぞれ有する範囲別の３つの基準負荷に前記高周波測定装置をそれぞれ接続した時の前記インピーダンス算出手段によって算出された３つのインピーダンスと前記範囲別の３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて算出された範囲別パラメータを用いて、前記第１校正手段によって校正された前記電圧値と電流値とをさらに校正する第２校正手段とを備えている。
【００２０】
なお、高周波測定装置には、プラズマ処理装置に接続されて当該プラズマ処理装置を監視するために高周波パラメータを測定する高周波測定装置や、インピーダンス整合装置の内部に設けられて整合動作を制御するために高周波パラメータを測定する高周波測定装置などがある。また、検出された電圧値と電流値は、例えば、デジタル変換された電圧値と電流値や、電圧実効値と電流実効値、電圧最大値と電流最大値などである。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記複数に分割された範囲は、スミスチャート上の特性インピーダンスを示す点を中心として、当該中心を通る直線で分割されている。
【００２２】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記複数に分割された範囲は、開放状態のインピーダンスを示す点を通る直線と、これに直交する直線とによって、４つに分割されている。
【００２３】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記判定手段は、前記第１校正手段によって校正された電圧値と電流値とから算出される反射係数の位相角に基づいて、いずれの範囲に位置するかを判定する。
【００２４】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記判定手段は判定結果を切り替えるタイミングにヒステリシス特性を持たせている。
【００２５】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記基本の３つの基準負荷の内の１つの基準負荷、および、前記範囲別の３つの基準負荷の内の１つの基準負荷は、前記高周波測定装置の特性インピーダンスと同一のインピーダンスを有する負荷である。
【００２６】
本発明の第２の側面によって提供される校正方法は、プラズマ処理装置を含む測定対象負荷とこの負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置との間に接続されて、当該接続点における高周波電圧および高周波電流を検出し、検出された電圧値と電流値とに基づいて、当該接続点から負荷側を見たインピーダンスを算出する高周波測定装置の前記電圧値と電流値の校正方法であって、基本の３つの基準負荷に前記高周波測定装置をそれぞれ接続した時に算出された３つのインピーダンスと前記基本の３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて、前記電圧値と電流値とを校正するための基本パラメータを算出して、前記高周波測定装置に設定する第１の工程と、全インピーダンスの範囲を複数の範囲に分割した場合の各範囲を囲むそれぞれ３つのインピーダンスを有する３つの基準負荷にそれぞれ前記高周波測定装置を接続した時に算出された３つのインピーダンスと当該３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて、前記基本パラメータを用いて校正された電圧値と電流値とをさらに校正するための範囲別パラメータをそれぞれの範囲毎に算出して、前記高周波測定装置に設定する第２の工程と、前記高周波測定装置を前記測定対象負荷に接続して、検出された電圧値と電流値とを前記基本のパラメータおよび前記範囲別パラメータを用いて校正する第３の工程とを備えている。
【００２７】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第３の工程において用いられる前記範囲別パラメータは、前記基本のパラメータを用いて校正された電圧値と電流値とに基づいて算出されたインピーダンスが位置する範囲に対応する範囲別パラメータである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、校正された電圧値と電流値とに基づいて、接続点から負荷側を見たインピーダンスが算出される。まず、基本の３つの基準負荷に基づいて算出された基本パラメータによって、測定対象の負荷を接続して検出した電圧値と電流値とが校正され、インピーダンスが算出される。次に、当該算出されたインピーダンスがいずれの範囲に位置するかが判定され、判定された範囲に対応する範囲別パラメータによってさらに校正される。
【００２９】
範囲別パラメータは基本パラメータより狭いインピーダンスの範囲でのみ校正を行うためのものなので、インピーダンスが当該範囲に入っている場合は、範囲別パラメータによる校正の精度が十分高いものになる。したがって、検出された電圧値と電流値とを高い精度で校正することができる。
【００３０】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る校正方法の考え方を説明するための図である。
【図２】第１実施形態に係る高周波測定装置を用いたプラズマ処理システムの構成を説明するためのブロック図である。
【図３】第１実施形態に係る高周波測定装置の内部構成を説明するためのブロック図である。
【図４】基本校正パラメータおよび象限別校正パラメータを説明するための図である。
【図５】基本校正パラメータの各要素を算出するために行う、基準負荷のインピーダンスの測定方法を説明するための図である。
【図６】スミスチャート上の点を反射係数の実数部分と虚数部分の座標として表した図である。
【図７】第１実施形態に係る高周波測定装置の校正の手順を説明するためのフローチャートである。
【図８】第２実施形態に係る高周波測定装置の校正方法の考え方を説明するための図である。
【図９】第２実施形態に係る高周波測定装置の象限判定部で行われる判定の処理を説明するためのフローチャートである。
【図１０】スミスチャート上の範囲を複数の範囲に分割する他の例を示している。
【図１１】一般的なプラズマ処理システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を、プラズマ処理装置の監視に用いられる高周波測定装置の場合を例として、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００３３】
図１は、本発明に係る校正方法の考え方を説明するための図であり、スミスチャート上での各インピーダンスの位置を示すための図である。
【００３４】
同図（ａ）の点Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ、特性インピーダンスである５０Ω、開放状態のインピーダンス（無限大）に近いインピーダンス、短絡状態のインピーダンス（ゼロ）に近いインピーダンスの位置を示している。点Ａ，Ｂ，Ｃのインピーダンスを基準として算出された校正パラメータは、点Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた範囲Ｄ、すなわち、スミスチャート上のほぼ全てのインピーダンスの範囲で校正を行うことができる。しかし、当該校正パラメータの精度は低く、特に抵抗成分が小さいインピーダンスに対する精度は低くなる。つまり、当該校正パラメータは、広いインピーダンスの範囲で精度の低い校正を行うためのものである。
【００３５】
校正パラメータを算出するための基準となる点で囲まれた範囲を狭くすれば、当該範囲のインピーダンスに対する精度が高く、その他の範囲のインピーダンスに対する精度が低い校正パラメータを算出することができる。
【００３６】
同図（ｂ）の点Ｅは、抵抗成分がゼロで誘導性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスに近いインピーダンスの位置を示している。なお、点Ａ，Ｂは、同図（ａ）における点Ａ，Ｂと同一である。点Ａ，Ｂ，Ｅのインピーダンスを基準として算出された校正パラメータは、点Ａ，Ｂ，Ｅで囲まれた範囲Ｄ1のインピーダンスの範囲で精度の高い校正を行うことができるが、その他の範囲のインピーダンスに対する精度は低い。同様に、点Ａ，Ｃ，Ｅのインピーダンスを基準として算出された校正パラメータは、点Ａ，Ｃ，Ｅで囲まれた範囲Ｄ2のインピーダンスの範囲で精度の高い校正を行うことができ、点Ａ，Ｃ，Ｆ（点Ｆは、抵抗成分がゼロで容量性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスに近いインピーダンスの位置を示す。）のインピーダンスを基準として算出された校正パラメータは、点Ａ，Ｃ，Ｆで囲まれた範囲Ｄ3のインピーダンスの範囲で精度の高い校正を行うことができ、点Ａ，Ｂ，Ｆのインピーダンスを基準として算出された校正パラメータは、点Ａ，Ｂ，Ｆで囲まれた範囲Ｄ4のインピーダンスの範囲で精度の高い校正を行うことができる。
【００３７】
本発明は、低精度だが広いインピーダンスの範囲で校正可能な校正パラメータで校正を行って、校正されたインピーダンスがスミスチャート上のどの範囲に位置するかを判断し、当該インピーダンスが位置する範囲で高精度に校正可能な校正パラメータを用いてさらに校正を行うという、多段階の校正を行うものである。
【００３８】
本実施形態では、スミスチャート上の範囲を、図１（ｂ）に示す４つの範囲Ｄ1、Ｄ2、Ｄ3、Ｄ4に分ける場合について説明する。以下では、範囲Ｄ1、Ｄ2、Ｄ3、Ｄ4をそれぞれ、スミスチャートの第１象限、第２象限、第３象限、第４象限と記載する。
【００３９】
図２は、第１実施形態に係る高周波測定装置を用いたプラズマ処理システムの構成を説明するためのブロック図である。
【００４０】
プラズマ処理システムＡは、半導体ウェハや液晶基板などの被加工物に対して高周波電力を供給して、例えばプラズマエッチングといった加工処理を行うものである。同図に示すようにプラズマ処理システムＡは、高周波電源装置１、インピーダンス整合装置２、高周波測定装置３、およびプラズマ処理装置４を備えている。高周波電源装置１には、例えば同軸ケーブルからなる伝送線路を介してインピーダンス整合装置２が接続され、インピーダンス整合装置２には、例えば棒状の銅などからなる伝送線路５を介してプラズマ処理装置４が接続されている。高周波測定装置３は伝送線路５上に設置されている。なお、プラズマ処理システムＡは、特性インピーダンスが５０Ω系として構成されている。
【００４１】
高周波電源装置１は、高周波電力を供給するものであって、例えば数百ｋＨｚ以上の周波数を有する高周波電力を出力することができる電源装置である。
【００４２】
インピーダンス整合装置２は、高周波電源装置１とプラズマ処理装置４とのインピーダンスを整合させるものである。インピーダンス整合装置２は、図示しない可変リアクタンス素子（例えば、可変キャパシタ、可変インダクタ等）を備えており、可変リアクタンス素子のリアクタンスを変化させることでインピーダンスを変化させる。インピーダンス整合装置２は、インピーダンス整合装置２の入力端ａから負荷側を見たインピーダンスが特性インピーダンスとなるように、インピーダンス整合装置２の出力端ｂから負荷側を見たインピーダンスを変換する。
【００４３】
なお、インピーダンス整合装置２内部の電源側には、図示しない高周波測定装置が設けられている。当該高周波測定装置はインピーダンス整合装置２の入力端ａから負荷側を見たインピーダンスを測定するものであり、インピーダンス整合装置２は測定されたインピーダンスが特性インピーダンスになるように、可変リアクタンス素子のリアクタンスを変化させる。
【００４４】
プラズマ処理装置４は、半導体ウェハや液晶基板等の被加工物をエッチングやＣＶＤ等の方法を用いて加工するための装置である。なお、図示しないが、プラズマ処理装置４は、プラズマを発生させるための窒素ガスやアルゴンガスなどの所定のガスを封入するための容器（チャンバー）と、高周波電源装置１からの高周波電力を容器内のガスに供給するための一対の電極を備えている。
【００４５】
高周波測定装置３は、プラズマ処理中のプラズマ処理装置４の状態を監視するために、プラズマ処理装置４のインピーダンスや、プラズマ処理装置４の入力端ｃにおける高周波電圧、高周波電流、反射係数、進行波電力、および反射波電力などの高周波パラメータを測定する、いわゆるＲＦセンサである。なお、測定されるインピーダンスは高周波電圧および高周波電流を検出する点（測定点）から負荷側を見たインピーダンスであるが、測定点がプラズマ処理装置４の入力端ｃ近傍なので、プラズマ処理装置４のインピーダンスに相当する。
【００４６】
図３は、高周波測定装置３の内部構成を説明するためのブロック図である。
【００４７】
同図に示すように、高周波測定装置３は、カレントトランス部３１、電流用変換回路３２、コンデンサ部３３、電圧用変換回路３４、実効値算出回路３５，３６、位相差検出回路３７、校正回路３８、およびインピーダンス算出回路３９を備えている。
【００４８】
カレントトランス部３１は、伝送線路５に流れる高周波電流に応じた電流を検出するものであり、検出した電流を電流用変換回路３２に出力する。電流用変換回路３２は、入力された電流をデジタル信号である電流信号ｉに変換して、実効値算出回路３５および位相差検出回路３７に出力する。コンデンサ部３３は、伝送線路５に生じる高周波電圧に応じた電圧を検出するものであり、検出した電圧を電圧用変換回路３４に出力する。電圧用変換回路３４は、入力された電圧をデジタル信号である電圧信号ｖに変換して、実効値算出回路３６および位相差検出回路３７に出力する。
【００４９】
実効値算出回路３５は、電流実効値を算出するものである。実効値算出回路３５は、電流用変換回路３２より入力される電流信号ｉから電流実効値Ｉを算出して、校正回路３８に出力する。実効値算出回路３６は、電圧実効値を算出するものである。実効値算出回路３６は、電圧用変換回路３４より入力される電圧信号ｖから電圧実効値Ｖを算出して、校正回路３８に出力する。位相差検出回路３７は、電流と電圧の位相差を検出するものである。位相差検出回路３７は、電流用変換回路３２より入力される電流信号ｉと電圧用変換回路３４より入力される電圧信号ｖとから位相差θを算出して、校正回路３８に出力する。
【００５０】
校正回路３８は、電流実効値Ｉ、電圧実効値Ｖ、および位相差θの校正を行うものである。校正回路３８は、実効値算出回路３５より入力される電流実効値Ｉ、実効値算出回路３６より入力される電圧実効値Ｖ、および位相差検出回路３７より入力される位相差θを校正して、校正後の電流実効値Ｉ’、電圧実効値Ｖ’、および位相差θ’をインピーダンス算出回路３９に出力する。
【００５１】
校正回路３８は、ベクトル変換部３８１、第１校正部３８２、ベクトル逆変換部３８３、反射係数位相角算出部３８４、象限判定部３８５、第２校正部３８６、およびベクトル逆変換部３８７を備えており、ベクトルである電流および電圧に対して２段階で校正を行う。
【００５２】
ベクトル変換部３８１は、入力される電流実効値Ｉ、電圧実効値Ｖ、および位相差θから、ベクトルである電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0を算出して第１校正部３８２に出力する。電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0は、電流信号Ｉ0の位相を基準（実数軸、虚数部０）として、Ｉ0＝Ｉ＋ｊ０、Ｖ0＝Ｖｃｏｓθ＋ｊＶｓｉｎθで算出される。
【００５３】
第１校正部３８２は、図示しないメモリに記録されている基本校正パラメータＸを用いて、ベクトル変換部３８１から入力される電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0に第１段階の校正（以下では、「基本校正」とする。）を行い、基本校正後の電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1をベクトル逆変換部３８３および第２校正部３８６に出力する。
【００５４】
基本校正パラメータＸは、精度は低いが広いインピーダンスの範囲で校正を行うことができる校正パラメータであり、３つの基準負荷に基づいて算出されて、メモリに記録されている。以下に、基本校正パラメータＸを算出する方法について説明する。
【００５５】
ベクトル変換部３８１から出力される電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0と、伝送線路５に流れる高周波電流および伝送線路５に生じる高周波電圧との関係を２端子対回路に置き換えると、電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0を電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1に校正する基本校正パラメータＸを、図４（ａ）に示す２次元のベクトル行列と考えることができる。
【００５６】
高周波測定装置３を３つの基準負荷に接続して、それぞれ高周波測定装置３でインピーダンスを測定し、これらのインピーダンス測定値と３つの基準負荷のインピーダンスの真値とから基本校正パラメータＸの各要素Ｘ11、Ｘ12、Ｘ21、Ｘ22を算出することができる。なお、当該算出を行うためには、基準となる電圧値と電流値の絶対値が必要となる。電圧値と電流値の絶対値を基準値として利用するには、精度の高い電力測定値が必要となる。精度の高い電力測定値を測定するには、反射電力が０となる負荷を接続して測定するのが最もよい。したがって、本実施形態では、反射電力０を実現するために、特性インピーダンスと同一のインピーダンス（すなわち、５０Ω）を有する負荷を基準負荷の１つに選定している。なお、上述したように、基準負荷の１つを特性インピーダンスを有する負荷としているのは精度の高い電力測定値を測定するためであるので、電力測定値を高い精度で測定できるのであれば、特性インピーダンス以外の負荷を用いるようにしてもよい。
【００５７】
実際に基準負荷に高周波測定装置３を接続して基準負荷のインピーダンスを測定した場合、高周波測定装置３は基準負荷の入力端でのインピーダンスを測定することができず、測定されたインピーダンスには高周波測定装置３自体のインピーダンスも含まれることになる。したがって、基準負荷のみのインピーダンスを真値として基本校正パラメータＸを算出することはできない。本実施形態では、接続された負荷に高周波測定装置３を含めた全体を基準負荷とみなして、当該基準負荷のインピーダンスをインピーダンスアナライザで測定し、当該測定値を基準負荷の真値として基本校正パラメータＸを算出する。
【００５８】
なお、基準負荷のうちの２つは、できるだけ広いインピーダンスの範囲を含めるために、開放状態のインピーダンスおよび短絡状態のインピーダンスにそれぞれ近いインピーダンスを有する負荷とすることが望ましい。一方、基準負荷として開放状態または短絡状態に近すぎるインピーダンスを有する負荷を用いた場合、高周波測定装置３によって検出される電圧値または電流値の一方が他方に比べ極めて小さい値の場合、それをデジタル変換するADコンバータの解像度によっては量子化誤差が大きく影響する場合がある。この場合、基本校正パラメータＸの各要素Ｘ11、Ｘ12、Ｘ21、Ｘ22を適切に算出することができない。したがって、本実施形態では、反射係数の大きさが例えば０．９以下である負荷を基準負荷としている。
【００５９】
図５は、基本校正パラメータＸの各要素Ｘ11、Ｘ12、Ｘ21、Ｘ22を算出するために行う、基準負荷のインピーダンスの測定方法を説明するための図である。
【００６０】
当該測定は、同図に示すように、高周波測定装置３の出力端ｃにダミーロード６を接続し、高周波測定装置３の入力端ｂにインピーダンスアナライザ７を接続して行われる。なお、処理中のプラズマ処理装置４を実際に測定する場合と測定環境をそろえるために、基準負荷のインピーダンスの測定は、高周波測定装置３内部の部品や周囲温度を所定の温度に保って行われる。
【００６１】
ダミーロード６は、所定の基準負荷を再現するための負荷装置であり、高周波測定装置３の入力端ｂから負荷側を見たインピーダンス、すなわちダミーロード６および高周波測定装置３全体のインピーダンスを所定の基準負荷のインピーダンスにする。ダミーロード６は、図示しない可変リアクタンス素子（例えば、可変キャパシタ、可変インダクタ等）のリアクタンスを変化させることでインピーダンスを変化させる。ダミーロード６は、特性インピーダンス（５０Ω）を有する基準負荷と、開放状態のインピーダンスおよび短絡状態のインピーダンスにそれぞれ近く反射係数が０．９以下である２つの基準負荷とを、所定の基準負荷として再現できるようにあらかじめ設定されている。なお、ダミーロード６を接続して設定を切り替えることで３つの所定の基準負荷を再現する代わりに、所定の基準負荷を再現するための３つの負荷を順に接続するようにしてもよい。
【００６２】
インピーダンスアナライザ７は、インピーダンスを測定するものであり、高周波測定装置３の入力端ｂから負荷側を見たインピーダンス、すなわち基準負荷のインピーダンスを測定する。
【００６３】
基本校正パラメータＸの算出のための基準負荷のインピーダンスの測定は、各基準負荷を再現してインピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３とでそれぞれインピーダンスを測定することで行われる。なお、高周波測定装置３が測定するインピーダンスの真値を得る方法があれば、インピーダンスアナライザ７を用いなくてもよい。
【００６４】
高周波測定装置３によって測定される３つの基準負荷のインピーダンス測定値と、当該３つの基準負荷のインピーダンスの真値とから、基本校正パラメータＸの各要素Ｘ11、Ｘ12、Ｘ21、Ｘ22を算出することができる。算出された基本校正パラメータＸを用いて、図４（ａ）より、電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0を基本校正後の電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1に変換することができる。すなわち、図４（ａ）より導かれる下記（６）、（７）式より、基本校正後の電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1を算出することができる。
【００６５】
【数２】
【００６６】
図３に戻って、ベクトル逆変換部３８３は、第１校正部３８２から入力される基本校正後の電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1から、基本校正後の電流実効値Ｉ1’、電圧実効値Ｖ1’、および位相差θ1’を算出して、反射係数位相角算出部３８４に出力する。
【００６７】
反射係数位相角算出部３８４は、ベクトル逆変換部３８３から入力される基本校正後の電流実効値Ｉ1’、電圧実効値Ｖ1’、および位相差θ1’から、反射係数の位相角ψを算出して、象限判定部３８５に出力する。反射係数位相角算出部３８４は、電流実効値Ｉ1’、電圧実効値Ｖ1’、および位相差θ1’から、上記（１）式および（２）式に基づいて、インピーダンスＺ（＝Ｒ＋ｊ・Ｘ）の抵抗成分Ｒおよびリアクタンス成分Ｘを算出し、下記（８）式に基づいて、反射係数の位相角ψを算出する。なお、Γｒ、Γｉはそれぞれ反射係数Γ（＝Γｒ＋ｊ・Γｉ）の実数部分および虚数部分である。
【００６８】
【数３】
【００６９】
象限判定部３８５は、反射係数位相角算出部３８４から入力される反射係数の位相角ψに基づいて、プラズマ処理装置４のインピーダンスがスミスチャート上のどの象限に位置するかを判定し、判定結果を第２校正部３８６に出力する。スミスチャート上の点は、特性インピーダンスの位置を原点とすると、反射係数Γの実数部分Γｒと虚数部分Γｉの座標として表される。
【００７０】
図６は、スミスチャート上の点を反射係数Γの実数部分Γｒと虚数部分Γｉの座標として表した図であり、一般的に、ポーラチャートと呼ばれる場合がある。なお、以下では、この場合でもスミスチャートと記載している。同図において、ｕ軸は反射係数の実数軸であり、ｖ軸は反射係数の虚数軸である。反射係数Γ（＝Γｒ＋ｊ・Γｉ）の点Ｇは、ｕ軸（実数軸）の成分がΓｒで、ｖ軸（虚数軸）の成分がΓｉである点として表される。また、点Ｇと原点Ａとを結ぶ線分の長さが反射係数Γの大きさ｜Γ｜＝√（Γｒ2＋Γｉ2）を示し、点Ｇと原点Ａとを結ぶ線分がｕ軸の正の方向となす角度が反射係数の位相角ψ＝∠Γ＝ａｒｃＴａｎ（Γｉ／Γｒ）を示す。したがって、反射係数の位相角ψによって、インピーダンスがスミスチャートのいずれの象限に位置するか判定することができる。
【００７１】
象限判定部３８５は、反射係数位相角算出部３８４から入力される反射係数の位相角ψが０≦ψ＜（１／２）πの場合、インピーダンスがスミスチャートの第１象限に位置すると判定する。また、（１／２）π≦ψ＜πの場合、インピーダンスがスミスチャートの第２象限に位置し、π≦ψ＜（３／２）πの場合、インピーダンスがスミスチャートの第３象限に位置し（３／２）π≦ψ＜２πの場合、インピーダンスがスミスチャートの第４象限に位置すると判定する。なお、反射係数位相角算出部３８４から入力される反射係数の位相角ψは、基本校正後の電流実効値Ｉ1’、電圧実効値Ｖ1’、および位相差θ1’から算出されるので、精度はあまり高くない。しかし、インピーダンスがスミスチャート上のいずれの象限に位置するかを判定するために用いることができる程度の精度は備えている。
【００７２】
第２校正部３８６は、メモリに記録されている象限別校正パラメータＸ’を用いて、第１校正部３８２から入力される電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1に第２段階の校正（以下では、「象限別校正」とする。）を行い、象限別校正後の電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2をベクトル逆変換部３８７に出力する。メモリには象限別校正パラメータＸ’として、４つの校正パラメータ、すなわち、第１象限で精度の高い校正を行うことができる第１象限校正パラメータＸ1、第２象限で精度の高い校正を行うことができる第２象限校正パラメータＸ2、第３象限で精度の高い校正を行うことができる第３象限校正パラメータＸ3、第４象限で精度の高い校正を行うことができる第４象限校正パラメータＸ4が記録されている。第２校正部３８６は、象限判定部３８５から入力される判定結果に基づいて、象限別校正パラメータＸ’として使用する校正パラメータを決定する。すなわち、判定結果が第１象限の場合、第１象限校正パラメータＸ1が象限別校正パラメータＸ’として使用される。また、判定結果が第２象限の場合は第２象限校正パラメータＸ2が、判定結果が第３象限の場合は第３象限校正パラメータＸ3が、判定結果が第４象限の場合は第４象限校正パラメータＸ4が、象限別校正パラメータＸ’として使用される。
【００７３】
各象限校正パラメータＸ1〜Ｘ4は、それぞれ３つの基準負荷に基づいて算出されて、メモリに記録されている。各象限校正パラメータＸ1〜Ｘ4を算出する方法も、上記基本校正パラメータＸを算出する方法と同様である。
【００７４】
上記と同様に、第１校正部３８２から出力される電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1と、伝送線路５に流れる高周波電流および伝送線路５に生じる高周波電圧との関係を２端子対回路に置き換えると、電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1を電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2に校正する象限別校正パラメータＸ’を、図４（ｂ）に示す右側の２次元のベクトル行列と考えることができる。なお、図４（ｂ）全体としては、電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0を２次元のベクトル行列である基本校正パラメータＸおよび象限別校正パラメータＸ’によって変換して象限別校正後の電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2を出力する校正回路３８を示している。
【００７５】
象限別校正パラメータＸ'（各象限校正パラメータＸ1〜Ｘ4）の各要素Ｘ'11、Ｘ'12、Ｘ'21、Ｘ'22も、上記と同様に、３つの基準負荷を再現したときにそれぞれ高周波測定装置３によって測定される基準負荷のインピーダンス測定値と、当該３つの基準負荷のインピーダンスの真値とから算出される。
【００７６】
なお、３つの基準負荷の内の１つは、上記と同様に特性インピーダンス（５０Ω）を有する負荷とする必要がある。第１象限校正パラメータＸ1の場合、残り２つの基準負荷は、第１象限を囲むように、開放状態のインピーダンスに近いインピーダンスと、抵抗成分がゼロで誘導性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスに近いインピーダンスとが用いられる（図１（ｂ）参照）。第２象限校正パラメータＸ2の場合、第２象限を囲むように、短絡状態のインピーダンスに近いインピーダンスと、抵抗成分がゼロで誘導性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスに近いインピーダンスとが用いられる。第３象限校正パラメータＸ3の場合、第３象限を囲むように、短絡状態のインピーダンスに近いインピーダンスと、抵抗成分がゼロで容量性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスに近いインピーダンスとが用いられる。第４象限校正パラメータＸ4の場合、第４象限を囲むように、開放状態のインピーダンスに近いインピーダンスと、抵抗成分がゼロで容量性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスに近いインピーダンスとが用いられる。
【００７７】
象限別校正パラメータＸ'を用いて、図４（ｂ）より、電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1を象限別校正後の電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2に変換することができる。すなわち、図４（ｂ）より導かれる下記（９）、（１０）式より、象限別校正後の電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2を算出することができる。
【００７８】
【数４】
【００７９】
プラズマ処理装置４のインピーダンスが変動すると、反射係数位相角算出部３８４が算出する反射係数位相角ψも変動する。インピーダンスがスミスチャート上の他の象限に移動した場合、象限判定部３８５から入力される判定結果も切り替わり、第２校正部３８６で使用される象限別校正パラメータＸ’も切り替わる。すなわち、第２校正部３８６は、象限別校正パラメータＸ’として使用する校正パラメータを、測定しているインピーダンスに追従して、対応する象限で精度の高い校正を行うことができる校正パラメータに切り替える。
【００８０】
図３に戻って、ベクトル逆変換部３８７は、第２校正部３８６から入力される象限別校正後の電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2から、校正後の電流実効値Ｉ’、電圧実効値Ｖ’、および位相差θ’を算出して出力する。
【００８１】
インピーダンス算出回路３９は、インピーダンスを算出するものである。インピーダンス算出回路３９は、校正回路３８より入力される校正後の電流実効値Ｉ’、電圧実効値Ｖ’、および位相差θ’から、上記（１）〜（３）式により、インピーダンスＺを算出して出力する。なお、高周波測定装置３は、進行波電力Ｐｆや反射波電力Ｐｒなどの高周波パラメータも算出して出力するが、同図においてはこれらを算出する構成の記載を省略している。
【００８２】
次に、高周波測定装置３の校正を行う手順について、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００８３】
図７は、高周波測定装置３の校正の手順を説明するためのフローチャートである。当該フローチャートは、高周波測定装置３でプラズマ処理装置４のインピーダンスを測定する場合の、検出された電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0の校正を行う処理手順を示している。
【００８４】
まず、高周波測定装置３にダミーロード６とインピーダンスアナライザ７とを接続して（図５参照）、ダミーロード６によって基本校正パラメータＸ算出のための基準負荷の再現を行い、インピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３とでそれぞれインピーダンスを測定する(Ｓ１)。なお、当該基準負荷は３つ設定されているので、それぞれの基準負荷を再現して、それぞれインピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３とでインピーダンスを測定する。当該基準負荷は、特性インピーダンス（５０Ω）を有する基準負荷と、開放状態のインピーダンスおよび短絡状態のインピーダンスにそれぞれ近く反射係数が０．９以下である２つの基準負荷としている。
【００８５】
ステップＳ１でインピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３によって測定された、３つの基準負荷のそれぞれのインピーダンスから、基本校正パラメータＸを算出して、高周波測定装置３の図示しないメモリに記録する（Ｓ２）。本実施形態では、高周波測定装置３の図示しない演算回路が、インピーダンス算出回路３９で算出されるインピーダンスとインピーダンスアナライザ７から入力されるインピーダンスとをメモリに記録しておき、３つの基準負荷を測定した後に基本校正パラメータＸの各要素を算出してメモリに記録する。なお、基本校正パラメータＸの算出は高周波測定装置３の演算回路が行う場合に限定されず、例えば、作業者が別途行うようにしてもよい。この場合、作業者が高周波測定装置３の図示しない入力手段で基本校正パラメータＸを入力することで、メモリに記録すればよい。
【００８６】
次に、ダミーロード６によって第１象限校正パラメータＸ1算出のための基準負荷の再現を行い、インピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３とでそれぞれインピーダンスを測定する(Ｓ３)。なお、当該基準負荷は３つ設定されているので、それぞれの基準負荷を再現して、それぞれインピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３とでインピーダンスを測定する。当該準負荷は、特性インピーダンス（５０Ω）を有する基準負荷と、開放状態のインピーダンスおよび抵抗成分がゼロで誘導性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスにそれぞれ近く反射係数が０．９以下である２つの基準負荷としている。
【００８７】
ステップＳ３でインピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３によって測定された、３つの基準負荷のそれぞれのインピーダンスから、第１象限校正パラメータＸ1を算出して、高周波測定装置３のメモリに記録する（Ｓ４）。本実施形態では、高周波測定装置３の演算回路が、インピーダンス算出回路３９で算出されるインピーダンスとインピーダンスアナライザ７から入力されるインピーダンスとをメモリに記録しておき、３つの基準負荷を測定した後に第１象限校正パラメータＸ1の各要素を算出してメモリに記録する。なお、第１象限校正パラメータＸ1の算出は高周波測定装置３の演算回路が行う場合に限定されず、例えば、作業者が別途行うようにしてもよい。この場合、作業者が高周波測定装置３の図示しない入力手段で第１象限校正パラメータＸ1を入力することで、メモリに記録すればよい。
【００８８】
ステップＳ３およびＳ４と同様にして、ステップＳ５およびＳ６で第２象限校正パラメータＸ2を算出してメモリに記録し、ステップＳ７およびＳ８で第３象限校正パラメータＸ3を算出してメモリに記録し、ステップＳ９およびＳ１０で第４象限校正パラメータＸ4を算出してメモリに記録する。
【００８９】
次に、高周波測定装置３を実際に使用されるプラズマ処理システムＡに設置して（図２参照）、実際にプラズマ処理を行っているときのプラズマ処理装置４のインピーダンスを測定する（Ｓ１１）。このとき、高周波測定装置３は、基本校正後の電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1に基づいて算出された反射係数の位相角ψによって象限別校正パラメータＸ’として用いる校正パラメータを決定する。そして、高周波測定装置３は、電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0をメモリに記録された基本校正パラメータＸおよび象限別校正パラメータＸ’で校正して、象限別校正後の電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2に基づく電流実効値Ｉ’、電圧実効値Ｖ’、および位相差θ’からインピーダンスＺを算出する。象限別校正パラメータＸ’による校正の精度は十分高いものなので、電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0を高い精度で校正することができる。したがって、高周波測定装置３によって測定された電流実効値Ｉ’、電圧実効値Ｖ’、およびインピーダンスＺは、精度が高く信用できるものである。
【００９０】
なお、上記校正の処理手順は、高周波測定装置３のメモリに基本校正パラメータＸおよび各象限校正パラメータＸ1〜Ｘ4が記録されていない場合の処理手順である。ステップＳ１〜Ｓ１０については毎回行なう必要はなく、１度行ってメモリに基本校正パラメータＸおよび各象限校正パラメータＸ1〜Ｘ4を記録しておけばよい。この処理は、高周波測定装置３の製造時に、製造メーカが行っておいてもよい。
【００９１】
上記のように、本発明においては、２段階の校正が行われる。すなわち、まず、低精度だが広いインピーダンスの範囲で校正可能な基本校正パラメータＸで校正が行われる。次に、高精度だが狭いインピーダンスの範囲で校正可能な象限別校正パラメータＸ’で校正が行われる。基本校正パラメータＸによる校正後の電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1に基づいて、測定対象のインピーダンスがスミスチャート上のどの象限に位置するかが判定され、該当する象限のみを高精度で校正することができる校正パラメータが、象限別校正パラメータＸ’として用いられる。したがって、検出された電圧および電流を高い精度で校正することができる。
【００９２】
なお、上記実施形態（以下、「第１実施形態」とする。）では、象限判定部３８５は、反射係数位相角算出部３８４が算出する反射係数位相角ψに応じて、測定対象のインピーダンスがどの象限に位置するかの判定を行うので、当該インピーダンスが２つの象限の境界線をまたいで頻繁に変動すると、第２校正部３８６で使用される象限別校正パラメータＸ’が頻繁に切り替えられることになる。これを改善するために、以下に説明する第２実施形態では、象限判定部３８５による判定にヒステリシス特性を持たせている。
【００９３】
以下、図８および図９を参照して、第２実施形態に係る高周波測定装置について説明する。
【００９４】
図８は、第２実施形態に係る高周波測定装置の校正方法の考え方を説明するための図であり、象限の切換を説明するための図である。
【００９５】
同図において、範囲Ｄ1は第１象限の範囲を示しており、点Ｇ1は測定対象のインピーダンスの位置を示している。このとき、測定対象の反射係数の位相角ψ1は、０≦ψ1＜（１／２）πなので、インピーダンスは第１象限である範囲Ｄ1に位置している。したがって、第１象限校正パラメータＸ1が象限別校正パラメータＸ’として使用されて象限別校正が行われる。次に、測定対象のインピーダンスの位置が点Ｇ2に移動した場合、測定対象の反射係数の位相角ψ2は（１／２）π≦ψ2＜πなので、インピーダンスは第２象限である範囲Ｄ2に位置している。しかし、本実施形態では、同図に示す範囲Ｄ1’を範囲Ｄ1に加えた範囲を拡大された第１象限とし、インピーダンスの位置がこの拡大された第１象限である範囲（Ｄ1＋Ｄ1’）に位置している間、すなわち、位相角ψが、−α≦ψ＜（１／２）π＋αを満たしている間は、象限別校正パラメータＸ’の切換を行わないようにしている。したがって、インピーダンスは第２象限に位置しているが、第１象限校正パラメータＸ1が象限別校正パラメータＸ’として使用されて象限別校正が行われる。次に、測定対象のインピーダンスの位置が点Ｇ3に移動した場合、測定対象の反射係数の位相角ψ3は（１／２）π＋α≦ψ3＜πなので、インピーダンスは拡大された第１象限である範囲（Ｄ1＋Ｄ1’）に位置せず、第２象限である範囲Ｄ2に位置している。したがって、第２象限校正パラメータＸ2が象限別校正パラメータＸ’として使用されて象限別校正が行われる。
【００９６】
第２実施形態に係る高周波測定装置３’の内部構成は、図３に示す高周波測定装置３と共通する。高周波測定装置３’は、象限判定部３８５で行われる判定の処理方法が、第１実施形態に係る高周波測定装置３と異なる。
【００９７】
図９は、第２実施形態における象限判定部３８５で行われる判定の処理を説明するためのフローチャートである。当該判定処理は、反射係数位相角算出部３８４から反射係数位相角ψが入力された時に開始される。
【００９８】
まず、反射係数位相角算出部３８４から入力される反射係数位相角ψが取得される（Ｓ２１）。次に、前回の判定でインピーダンスが位置していると判定された象限の拡大された象限の範囲内に測定対象のインピーダンスが位置しているか否かが判別される（Ｓ２）。当該判別は、反射係数位相角ψが拡大された象限の範囲を示す所定の角度範囲内か否かで判別される。すなわち、前回の判定で第１象限と判定された場合は−α≦ψ＜（１／２）π＋αであるか否か、前回の判定で第２象限と判定された場合は（１／２）π−α≦ψ＜π＋αであるか否か、前回の判定で第３象限と判定された場合はπ−α≦ψ＜（３／２）π＋αであるか否か、前回の判定で第４象限と判定された場合は（３／２）π−α≦ψ＜２π＋αであるか否かで判別される。αは０＜α＜（１／４）πの範囲で、測定対象に応じて予め設定されている。αを大きな値に設定した場合、拡大された象限が大きくなるので、象限別校正パラメータＸ’の頻繁な切り替えを抑制する効果が大きくなる。しかし、象限別校正パラメータＸ’を切り替えないことにより、校正の精度が低下する。一方、αを小さな値に設定した場合、より適切な象限別校正パラメータＸ’を用いることにより、校正の精度が高くなる。しかし、象限別校正パラメータＸ’の頻繁な切り替えを抑制する効果が小さくなる。なお、象限の判定が初めての場合、前回判定された象限がないので、ステップＳ２４に進んで象限の判定が行われる。
【００９９】
ステップＳ２２において、測定対象のインピーダンスが拡大された象限の範囲内に位置していると判別された場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、象限が変更されず、判定結果が当該象限であるとして第２校正部３８６に出力され（Ｓ２３）、判定処理が終了される。
【０１００】
一方、ステップＳ２２において、測定対象のインピーダンスが拡大された象限の範囲内に位置していないと判別された場合（Ｓ２２：ＮＯ）、測定対象のインピーダンスがどの象限に位置するかが判定されて、当該判定結果が第２校正部３８６に出力され（Ｓ２４）、判定処理が終了される。当該判定は、第１実施形態の象限判定部３８５で行われる判定と同様に、反射係数位相角ψに基づいて行われる。
【０１０１】
第２実施形態においては、測定対象のインピーダンスが変動して他の象限に移動した場合でも、当該インピーダンスが拡大された象限の範囲内にある間は、象限判定部３８５から出力される判定結果が変更されないので、第２校正部３８６で使用される象限別校正パラメータＸ’の切換えが行われない。したがって、測定対象のインピーダンスが２つの象限の境界線をまたいで頻繁に変動する場合でも、第２校正部３８６で使用される象限別校正パラメータＸ’が頻繁に切り替えられることを抑制することができる。
【０１０２】
なお、上記第１および第２実施形態では、反射係数の位相角ψが０〜（１／２）πの場合（第１象限）、（１／２）π〜πの場合（第２象限）、π〜（３／２）πの場合（第３象限）、（３／２）π〜２πの場合（第４象限）の４つの範囲に分けた場合について説明したが、これに限られない。各範囲の境界をどのように設定してもよいし、各範囲の大きさが等しくなくても構わない。また、４分割に限定されるわけでもない。例えば、各象限をさらに２つの範囲に分けて８つの範囲に分けてもよいし、第１象限と第２象限とをあわせた範囲と第３象限と第４象限とをあわせた範囲の２つの範囲に分けてもよい。範囲の数が多くなるほど各範囲の大きさが小さくなるので校正の精度が高くなるが、メモリに記録させる校正パラメータの数が多くなるので、校正パラメータの記録のための作業量も増加する。
【０１０３】
上記第１および第２実施形態では、反射係数の位相角ψで範囲を分割した場合について説明したが、これに限られない。例えば、反射係数の大きさ｜Γ｜で範囲を分割するようにしてもよい。
【０１０４】
図１０は、位相角ψで４つの範囲に分割した各範囲を、反射係数の大きさ｜Γ｜でさらに２つの範囲に分割した例を示している。この場合、反射係数位相角算出部３８４が反射係数の大きさ｜Γ｜も算出して出力し、象限判定部３８５が反射係数の位相角ψによる判定と、反射係数の大きさ｜Γ｜による判定（｜Γ｜≦Γ1か否かの判定）とで、インピーダンスがどの範囲に位置するかを判定するようにすればよい。なお、各範囲の校正パラメータを事前に算出してメモリに記録しておく必要がある。例えば、第１象限のうち｜Γ｜≦Γ1の範囲を範囲Ｄ11、｜Γ｜＞Γ1の範囲を範囲Ｄ12とすると、インピーダンスが範囲Ｄ11に位置する場合のための校正パラメータを点Ａ，Ｂ’，Ｅ’のインピーダンスを基準として算出し、インピーダンスが範囲Ｄ12に位置する場合のための校正パラメータを点Ａ，Ｂ，Ｅのインピーダンスを基準として算出して、それぞれ記録しておく必要がある。なお、範囲Ｄ12に位置する場合のための校正パラメータは第１象限の全範囲の場合の校正パラメータと共通するので、象限毎に分割した場合と校正の精度は変わらない。しかし、インピーダンスが範囲Ｄ11に位置する場合に、より高い精度で校正を行うことができる。
【０１０５】
なお、反射係数の位相角ψで範囲を分割するのではなく、例えば、抵抗値やリアクタンスで分割するようにしてもよいし、スミスチャートを水平線や垂直線で分割するようにしてもよい。
【０１０６】
本発明に係る高周波測定装置、および、高周波測定装置の校正方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。また、本発明に係る高周波測定装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【符号の説明】
【０１０７】
Ａ プラズマ処理システム
１ 高周波電源装置
２ インピーダンス整合装置
３ 高周波測定装置
３１ カレントトランス部（電流検出手段）
３２ 電流用変換回路（電流検出手段）
３３ コンデンサ部（電圧検出手段）
３４ 電圧用変換回路（電圧検出手段）
３５ 実効値算出回路
３６ 実効値算出回路
３７ 位相差検出回路
３８ 校正回路
３８１ ベクトル変換部
３８２ 第１校正部
３８３ ベクトル逆変換部
３８４ 反射係数位相角算出部
３８５ 象限判定部（判定手段）
３８６ 第２校正部
３８７ ベクトル逆変換部
３９ インピーダンス算出回路
４ プラズマ処理装置
５ 伝送線路
６ ダミーロード
７ インピーダンスアナライザ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電圧および高周波電流を検出しインピーダンス等の高周波パラメータを算出することで測定する高周波測定装置、および、当該高周波測定装置の校正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高周波電源装置から出力される高周波電力をプラズマ処理装置に供給し、エッチング等の方法を用いて半導体ウェハや液晶基板等の被加工物を加工するプラズマ処理システムが開発されている。
【０００３】
図１１は、一般的なプラズマ処理システムの構成を示すブロック図である。
【０００４】
プラズマ処理中にプラズマ処理装置４００のインピーダンスは変動するので、当該プラズマ処理装置４００の入力端で反射した反射波電力が高周波電源装置１００を損傷する虞がある。したがって、プラズマ処理システムＡ１００においては、一般に、高周波電源装置１００とプラズマ処理装置４００との間にインピーダンス整合装置２００が設けられており、当該インピーダンス整合装置２００がプラズマ処理装置４００のインピーダンス変動に応じて整合動作を行っている。また、プラズマ処理中のプラズマ処理装置４００のインピーダンスやプラズマ処理装置４００の入力端における高周波電圧および高周波電流などの監視を行う必要がある。
【０００５】
プラズマ処理装置４００の監視は、プラズマ処理装置４００の入力端に設けられた高周波測定装置３００が測定する各種高周波パラメータを用いて行われる。また、インピーダンス整合装置２００の整合動作は、インピーダンス整合装置２００の内部に設けられた高周波測定装置（図示せず）が測定する各種高周波パラメータに基づく制御によって行われる。なお、以下では、高周波測定装置３００を例として説明を行う。
【０００６】
高周波測定装置３００は、高周波電圧（以下、単に「電圧」という。）と高周波電流（以下、単に「電流」という。）を検出し、その検出値から電圧と電流の位相差（以下、単に「位相差」という。）θを求めるとともに、電圧実効値Ｖ、電流実効値Ｉ、インピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸ（測定点がプラズマ処理装置４００の入力端近傍なので、プラズマ処理装置４００のインピーダンスに相当する。）、反射係数Γの大きさ、プラズマ処理装置４００に入力される進行波電力Ｐｆ、インピーダンス不整合によりプラズマ処理装置４００の入力端で反射される反射波電力Ｐｒなどの高周波パラメータを算出する。
【０００７】
高周波測定装置３００は、プラズマ処理装置４００に電力を伝送するための棒状の導電体に容量結合させたコンデンサと当該導電体に磁気結合させたコイルとを有し、コンデンサによって電圧ｖ＝√２・Ｖ・sin（ωt）を、また、コイルによって電流ｉ＝√２・Ｉ・sin（ωt＋θ）を検出する。また、高周波測定装置３００は、検出した電圧ｖおよび電流ｉから電圧実効値Ｖ、電流実効値Ｉ、位相差θを求め、これらを用いて下記（１）〜（５）式により上記の高周波パラメータを算出する。すなわち、高周波測定装置３００は、電圧ｖと電流ｉを検出するセンサとそのセンサの検出値から上記の高周波パラメータを算出する演算処理回路を備えた、いわゆるＲＦセンサと呼ばれるものである。
【０００８】
【数１】
【０００９】
一般に、計測装置や測定装置のセンサの感度にはばらつきがあるので、当該センサで検出される検出値は正しい値と異なる。したがって、予め基準となる被測定物を測定して検出値を正しい値に換算する校正パラメータを取得しておき、実際の測定ではセンサの検出値を当該校正パラメータで正しい値に校正して出力する構成としている。
【００１０】
高周波測定装置３００が検出した電圧ｖおよび電流ｉの校正では、例えば、ＳＯＬＴ（Short-Open-Load-Thru）校正が用いられる。ＳＯＬＴ校正では、まず、インピーダンスの真値があらかじめ特定された基準負荷に高周波測定装置３００を接続し、高周波測定装置３００によってインピーダンスを測定する。基準負荷としては、測定系の特性インピーダンス（測定のために高周波を伝送する伝送線路の特性インピーダンス。一般には５０Ω又は７５Ω）を有するダミーロード、開放状態のインピーダンス（無限大）、および、短絡状態のインピーダンス（ゼロ）にそれぞれ近いインピーダンスを有するダミーロードが用いられる。次に、高周波測定装置３００によって測定された各基準負荷のインピーダンスと各基準負荷のインピーダンスの真値とから、電圧ｖおよび電流ｉを校正するための校正パラメータを算出して、高周波測定装置３００のメモリ（図示せず）に記録する。実際の測定では、検出された電圧ｖおよび電流ｉを、メモリに記録されている校正パラメータで校正してから、各種高周波パラメータを算出する。
【００１１】
高周波測定装置３００のメモリに記録されている校正パラメータは、極限値である開放状態のインピーダンス（無限大）および短絡状態のインピーダンス（ゼロ）にそれぞれ近いインピーダンスと特性インピーダンスとに基づいて算出されているので、インピーダンスの極めて広い範囲で校正を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−１６３３０８号公報
【特許文献２】特開２００４−３０９１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記の校正パラメータはインピーダンスの極めて広い範囲で校正を行うことができるように求められたものなので、当該校正パラメータによる校正の精度は十分高いものではない。すなわち、上記校正パラメータは、インピーダンスの極めて広い範囲で低い精度で校正を行うことができるものとなっている。しかし、実際にプラズマ処理装置４００の監視に高周波測定装置３００の測定値を用いる場合、校正の精度が高いことが求められる。
【００１４】
例えば、プラズマ処理装置４００はプラズマ処理を行っているときに高熱を発するので、プラズマ処理装置４００の近くに配置される高周波測定装置３００の周囲の温度も高くなる。温度が異なると抵抗成分が変化するので、校正を行ったときの周囲の温度と実際に測定を行うときの周囲の温度とが異なると、校正の精度が低下する。このことを考慮すると、高い精度で校正を行っておく必要がある。
【００１５】
また、プラズマ処理中において、検出された電圧ｖと電流ｉの位相差θは、（１／２）πに近い値となることが多い。したがって、位相差θのわずかな誤差でもｃｏｓθの変化率は大きくなり、インピーダンスの抵抗成分Ｒや進行波電力Ｐｆの測定値に大きな影響を与える（上記(１)、(４)式参照）。したがって、位相差θの誤差を抑制するために、高い精度で校正を行う必要がある。
【００１６】
また、高周波測定装置３００の測定値を、Ｅチャックコントローラなどに用いる場合がある。Ｅチャックコントローラは、プラズマ処理装置４００のチャンバー内でウエハを固定するための静電チャックの強さを、測定された電流値および電圧値に基づいて制御する。したがって、測定された電流値および電圧値の誤差を極めて小さい範囲に抑える必要があり、機差特性も最小限におさえなければならない。そのため、高周波測定装置３００の検出値の校正は、精度を高くする必要がある。
【００１７】
本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、高周波測定装置によって検出された電圧および電流を高い精度で校正する方法、および、当該校正を行うことができる高周波測定装置を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１９】
本発明の第１の側面によって提供される高周波測定装置は、プラズマ処理装置を含む負荷とこの負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置との間に接続されて、当該接続点における高周波電圧および高周波電流を検出する高周波測定装置であって、前記接続点における高周波電圧を検出する電圧検出手段と、前記接続点における高周波電流を検出する電流検出手段と、前記電圧検出手段によって検出された電圧値と前記電流検出手段によって検出された電流値とを校正する校正手段と、前記校正手段によって校正された前記電圧値と電流値とに基づいて、前記接続点から負荷側を見たインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段とを備えており、前記校正手段は、基本の３つの基準負荷に前記高周波測定装置をそれぞれ接続した時の前記インピーダンス算出手段によって算出された３つのインピーダンスと前記基本の３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて算出された基本パラメータを用いて、前記検出された電圧値と電流値とを校正する第１校正手段と、前記第１校正手段によって校正された電圧値と電流値とから算出されるインピーダンスをスミスチャート上で表示した場合に、全インピーダンスの範囲が複数に分割された範囲のうちのいずれの範囲に位置するかを判定する判定手段と、前記判定手段によって前記インピーダンスが位置すると判定された範囲を囲む３つのインピーダンスをそれぞれ有する範囲別の３つの基準負荷に前記高周波測定装置をそれぞれ接続した時の前記インピーダンス算出手段によって算出された３つのインピーダンスと前記範囲別の３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて算出された範囲別パラメータを用いて、前記第１校正手段によって校正された前記電圧値と電流値とをさらに校正する第２校正手段とを備えている。
【００２０】
なお、高周波測定装置には、プラズマ処理装置に接続されて当該プラズマ処理装置を監視するために高周波パラメータを測定する高周波測定装置や、インピーダンス整合装置の内部に設けられて整合動作を制御するために高周波パラメータを測定する高周波測定装置などがある。また、検出された電圧値と電流値は、例えば、デジタル変換された電圧値と電流値や、電圧実効値と電流実効値、電圧最大値と電流最大値などである。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記複数に分割された範囲は、スミスチャート上の特性インピーダンスを示す点を中心として、当該中心を通る直線で分割されている。
【００２２】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記複数に分割された範囲は、開放状態のインピーダンスを示す点を通る直線と、これに直交する直線とによって、４つに分割されている。
【００２３】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記判定手段は、前記第１校正手段によって校正された電圧値と電流値とから算出される反射係数の位相角に基づいて、いずれの範囲に位置するかを判定する。
【００２４】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記判定手段は判定結果を切り替えるタイミングにヒステリシス特性を持たせている。
【００２５】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記基本の３つの基準負荷の内の１つの基準負荷、および、前記範囲別の３つの基準負荷の内の１つの基準負荷は、前記高周波測定装置の特性インピーダンスと同一のインピーダンスを有する負荷である。
【００２６】
本発明の第２の側面によって提供される校正方法は、プラズマ処理装置を含む測定対象負荷とこの負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置との間に接続されて、当該接続点における高周波電圧および高周波電流を検出し、検出された電圧値と電流値とに基づいて、当該接続点から負荷側を見たインピーダンスを算出する高周波測定装置の前記電圧値と電流値の校正方法であって、基本の３つの基準負荷に前記高周波測定装置をそれぞれ接続した時に算出された３つのインピーダンスと前記基本の３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて、前記電圧値と電流値とを校正するための基本パラメータを算出して、前記高周波測定装置に設定する第１の工程と、全インピーダンスの範囲を複数の範囲に分割した場合の各範囲を囲むそれぞれ３つのインピーダンスを有する３つの基準負荷にそれぞれ前記高周波測定装置を接続した時に算出された３つのインピーダンスと当該３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて、前記基本パラメータを用いて校正された電圧値と電流値とをさらに校正するための範囲別パラメータをそれぞれの範囲毎に算出して、前記高周波測定装置に設定する第２の工程と、前記高周波測定装置を前記測定対象負荷に接続して、検出された電圧値と電流値とを前記基本のパラメータおよび前記範囲別パラメータを用いて校正する第３の工程とを備えている。
【００２７】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第３の工程において用いられる前記範囲別パラメータは、前記基本のパラメータを用いて校正された電圧値と電流値とに基づいて算出されたインピーダンスが位置する範囲に対応する範囲別パラメータである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、校正された電圧値と電流値とに基づいて、接続点から負荷側を見たインピーダンスが算出される。まず、基本の３つの基準負荷に基づいて算出された基本パラメータによって、測定対象の負荷を接続して検出した電圧値と電流値とが校正され、インピーダンスが算出される。次に、当該算出されたインピーダンスがいずれの範囲に位置するかが判定され、判定された範囲に対応する範囲別パラメータによってさらに校正される。
【００２９】
範囲別パラメータは基本パラメータより狭いインピーダンスの範囲でのみ校正を行うためのものなので、インピーダンスが当該範囲に入っている場合は、範囲別パラメータによる校正の精度が十分高いものになる。したがって、検出された電圧値と電流値とを高い精度で校正することができる。
【００３０】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る校正方法の考え方を説明するための図である。
【図２】第１実施形態に係る高周波測定装置を用いたプラズマ処理システムの構成を説明するためのブロック図である。
【図３】第１実施形態に係る高周波測定装置の内部構成を説明するためのブロック図である。
【図４】基本校正パラメータおよび象限別校正パラメータを説明するための図である。
【図５】基本校正パラメータの各要素を算出するために行う、基準負荷のインピーダンスの測定方法を説明するための図である。
【図６】スミスチャート上の点を反射係数の実数部分と虚数部分の座標として表した図である。
【図７】第１実施形態に係る高周波測定装置の校正の手順を説明するためのフローチャートである。
【図８】第２実施形態に係る高周波測定装置の校正方法の考え方を説明するための図である。
【図９】第２実施形態に係る高周波測定装置の象限判定部で行われる判定の処理を説明するためのフローチャートである。
【図１０】スミスチャート上の範囲を複数の範囲に分割する他の例を示している。
【図１１】一般的なプラズマ処理システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を、プラズマ処理装置の監視に用いられる高周波測定装置の場合を例として、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００３３】
図１は、本発明に係る校正方法の考え方を説明するための図であり、スミスチャート上での各インピーダンスの位置を示すための図である。
【００３４】
同図（ａ）の点Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ、特性インピーダンスである５０Ω、開放状態のインピーダンス（無限大）に近いインピーダンス、短絡状態のインピーダンス（ゼロ）に近いインピーダンスの位置を示している。点Ａ，Ｂ，Ｃのインピーダンスを基準として算出された校正パラメータは、点Ａ，Ｂ，Ｃで囲まれた範囲Ｄ、すなわち、スミスチャート上のほぼ全てのインピーダンスの範囲で校正を行うことができる。しかし、当該校正パラメータの精度は低く、特に抵抗成分が小さいインピーダンスに対する精度は低くなる。つまり、当該校正パラメータは、広いインピーダンスの範囲で精度の低い校正を行うためのものである。
【００３５】
校正パラメータを算出するための基準となる点で囲まれた範囲を狭くすれば、当該範囲のインピーダンスに対する精度が高く、その他の範囲のインピーダンスに対する精度が低い校正パラメータを算出することができる。
【００３６】
同図（ｂ）の点Ｅは、抵抗成分がゼロで誘導性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスに近いインピーダンスの位置を示している。なお、点Ａ，Ｂは、同図（ａ）における点Ａ，Ｂと同一である。点Ａ，Ｂ，Ｅのインピーダンスを基準として算出された校正パラメータは、点Ａ，Ｂ，Ｅで囲まれた範囲Ｄ1のインピーダンスの範囲で精度の高い校正を行うことができるが、その他の範囲のインピーダンスに対する精度は低い。同様に、点Ａ，Ｃ，Ｅのインピーダンスを基準として算出された校正パラメータは、点Ａ，Ｃ，Ｅで囲まれた範囲Ｄ2のインピーダンスの範囲で精度の高い校正を行うことができ、点Ａ，Ｃ，Ｆ（点Ｆは、抵抗成分がゼロで容量性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスに近いインピーダンスの位置を示す。）のインピーダンスを基準として算出された校正パラメータは、点Ａ，Ｃ，Ｆで囲まれた範囲Ｄ3のインピーダンスの範囲で精度の高い校正を行うことができ、点Ａ，Ｂ，Ｆのインピーダンスを基準として算出された校正パラメータは、点Ａ，Ｂ，Ｆで囲まれた範囲Ｄ4のインピーダンスの範囲で精度の高い校正を行うことができる。
【００３７】
本発明は、低精度だが広いインピーダンスの範囲で校正可能な校正パラメータで校正を行って、校正されたインピーダンスがスミスチャート上のどの範囲に位置するかを判断し、当該インピーダンスが位置する範囲で高精度に校正可能な校正パラメータを用いてさらに校正を行うという、多段階の校正を行うものである。
【００３８】
本実施形態では、スミスチャート上の範囲を、図１（ｂ）に示す４つの範囲Ｄ1、Ｄ2、Ｄ3、Ｄ4に分ける場合について説明する。以下では、範囲Ｄ1、Ｄ2、Ｄ3、Ｄ4をそれぞれ、スミスチャートの第１象限、第２象限、第３象限、第４象限と記載する。
【００３９】
図２は、第１実施形態に係る高周波測定装置を用いたプラズマ処理システムの構成を説明するためのブロック図である。
【００４０】
プラズマ処理システムＡは、半導体ウェハや液晶基板などの被加工物に対して高周波電力を供給して、例えばプラズマエッチングといった加工処理を行うものである。同図に示すようにプラズマ処理システムＡは、高周波電源装置１、インピーダンス整合装置２、高周波測定装置３、およびプラズマ処理装置４を備えている。高周波電源装置１には、例えば同軸ケーブルからなる伝送線路を介してインピーダンス整合装置２が接続され、インピーダンス整合装置２には、例えば棒状の銅などからなる伝送線路５を介してプラズマ処理装置４が接続されている。高周波測定装置３は伝送線路５上に設置されている。なお、プラズマ処理システムＡは、特性インピーダンスが５０Ω系として構成されている。
【００４１】
高周波電源装置１は、高周波電力を供給するものであって、例えば数百ｋＨｚ以上の周波数を有する高周波電力を出力することができる電源装置である。
【００４２】
インピーダンス整合装置２は、高周波電源装置１とプラズマ処理装置４とのインピーダンスを整合させるものである。インピーダンス整合装置２は、図示しない可変リアクタンス素子（例えば、可変キャパシタ、可変インダクタ等）を備えており、可変リアクタンス素子のリアクタンスを変化させることでインピーダンスを変化させる。インピーダンス整合装置２は、インピーダンス整合装置２の入力端ａから負荷側を見たインピーダンスが特性インピーダンスとなるように、インピーダンス整合装置２の出力端ｂから負荷側を見たインピーダンスを変換する。
【００４３】
なお、インピーダンス整合装置２内部の電源側には、図示しない高周波測定装置が設けられている。当該高周波測定装置はインピーダンス整合装置２の入力端ａから負荷側を見たインピーダンスを測定するものであり、インピーダンス整合装置２は測定されたインピーダンスが特性インピーダンスになるように、可変リアクタンス素子のリアクタンスを変化させる。
【００４４】
プラズマ処理装置４は、半導体ウェハや液晶基板等の被加工物をエッチングやＣＶＤ等の方法を用いて加工するための装置である。なお、図示しないが、プラズマ処理装置４は、プラズマを発生させるための窒素ガスやアルゴンガスなどの所定のガスを封入するための容器（チャンバー）と、高周波電源装置１からの高周波電力を容器内のガスに供給するための一対の電極を備えている。
【００４５】
高周波測定装置３は、プラズマ処理中のプラズマ処理装置４の状態を監視するために、プラズマ処理装置４のインピーダンスや、プラズマ処理装置４の入力端ｃにおける高周波電圧、高周波電流、反射係数、進行波電力、および反射波電力などの高周波パラメータを測定する、いわゆるＲＦセンサである。なお、測定されるインピーダンスは高周波電圧および高周波電流を検出する点（測定点）から負荷側を見たインピーダンスであるが、測定点がプラズマ処理装置４の入力端ｃ近傍なので、プラズマ処理装置４のインピーダンスに相当する。
【００４６】
図３は、高周波測定装置３の内部構成を説明するためのブロック図である。
【００４７】
同図に示すように、高周波測定装置３は、カレントトランス部３１、電流用変換回路３２、コンデンサ部３３、電圧用変換回路３４、実効値算出回路３５，３６、位相差検出回路３７、校正回路３８、およびインピーダンス算出回路３９を備えている。
【００４８】
カレントトランス部３１は、伝送線路５に流れる高周波電流に応じた電流を検出するものであり、検出した電流を電流用変換回路３２に出力する。電流用変換回路３２は、入力された電流をデジタル信号である電流信号ｉに変換して、実効値算出回路３５および位相差検出回路３７に出力する。コンデンサ部３３は、伝送線路５に生じる高周波電圧に応じた電圧を検出するものであり、検出した電圧を電圧用変換回路３４に出力する。電圧用変換回路３４は、入力された電圧をデジタル信号である電圧信号ｖに変換して、実効値算出回路３６および位相差検出回路３７に出力する。
【００４９】
実効値算出回路３５は、電流実効値を算出するものである。実効値算出回路３５は、電流用変換回路３２より入力される電流信号ｉから電流実効値Ｉを算出して、校正回路３８に出力する。実効値算出回路３６は、電圧実効値を算出するものである。実効値算出回路３６は、電圧用変換回路３４より入力される電圧信号ｖから電圧実効値Ｖを算出して、校正回路３８に出力する。位相差検出回路３７は、電流と電圧の位相差を検出するものである。位相差検出回路３７は、電流用変換回路３２より入力される電流信号ｉと電圧用変換回路３４より入力される電圧信号ｖとから位相差θを算出して、校正回路３８に出力する。
【００５０】
校正回路３８は、電流実効値Ｉ、電圧実効値Ｖ、および位相差θの校正を行うものである。校正回路３８は、実効値算出回路３５より入力される電流実効値Ｉ、実効値算出回路３６より入力される電圧実効値Ｖ、および位相差検出回路３７より入力される位相差θを校正して、校正後の電流実効値Ｉ’、電圧実効値Ｖ’、および位相差θ’をインピーダンス算出回路３９に出力する。
【００５１】
校正回路３８は、ベクトル変換部３８１、第１校正部３８２、ベクトル逆変換部３８３、反射係数位相角算出部３８４、象限判定部３８５、第２校正部３８６、およびベクトル逆変換部３８７を備えており、ベクトルである電流および電圧に対して２段階で校正を行う。
【００５２】
ベクトル変換部３８１は、入力される電流実効値Ｉ、電圧実効値Ｖ、および位相差θから、ベクトルである電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0を算出して第１校正部３８２に出力する。電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0は、電流信号Ｉ0の位相を基準（実数軸、虚数部０）として、Ｉ0＝Ｉ＋ｊ０、Ｖ0＝Ｖｃｏｓθ＋ｊＶｓｉｎθで算出される。
【００５３】
第１校正部３８２は、図示しないメモリに記録されている基本校正パラメータＸを用いて、ベクトル変換部３８１から入力される電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0に第１段階の校正（以下では、「基本校正」とする。）を行い、基本校正後の電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1をベクトル逆変換部３８３および第２校正部３８６に出力する。
【００５４】
基本校正パラメータＸは、精度は低いが広いインピーダンスの範囲で校正を行うことができる校正パラメータであり、３つの基準負荷に基づいて算出されて、メモリに記録されている。以下に、基本校正パラメータＸを算出する方法について説明する。
【００５５】
ベクトル変換部３８１から出力される電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0と、伝送線路５に流れる高周波電流および伝送線路５に生じる高周波電圧との関係を２端子対回路に置き換えると、電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0を電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1に校正する基本校正パラメータＸを、図４（ａ）に示す２次元のベクトル行列と考えることができる。
【００５６】
高周波測定装置３を３つの基準負荷に接続して、それぞれ高周波測定装置３でインピーダンスを測定し、これらのインピーダンス測定値と３つの基準負荷のインピーダンスの真値とから基本校正パラメータＸの各要素Ｘ11、Ｘ12、Ｘ21、Ｘ22を算出することができる。なお、当該算出を行うためには、基準となる電圧値と電流値の絶対値が必要となる。電圧値と電流値の絶対値を基準値として利用するには、精度の高い電力測定値が必要となる。精度の高い電力測定値を測定するには、反射電力が０となる負荷を接続して測定するのが最もよい。したがって、本実施形態では、反射電力０を実現するために、特性インピーダンスと同一のインピーダンス（すなわち、５０Ω）を有する負荷を基準負荷の１つに選定している。なお、上述したように、基準負荷の１つを特性インピーダンスを有する負荷としているのは精度の高い電力測定値を測定するためであるので、電力測定値を高い精度で測定できるのであれば、特性インピーダンス以外の負荷を用いるようにしてもよい。
【００５７】
実際に基準負荷に高周波測定装置３を接続して基準負荷のインピーダンスを測定した場合、高周波測定装置３は基準負荷の入力端でのインピーダンスを測定することができず、測定されたインピーダンスには高周波測定装置３自体のインピーダンスも含まれることになる。したがって、基準負荷のみのインピーダンスを真値として基本校正パラメータＸを算出することはできない。本実施形態では、接続された負荷に高周波測定装置３を含めた全体を基準負荷とみなして、当該基準負荷のインピーダンスをインピーダンスアナライザで測定し、当該測定値を基準負荷の真値として基本校正パラメータＸを算出する。
【００５８】
なお、基準負荷のうちの２つは、できるだけ広いインピーダンスの範囲を含めるために、開放状態のインピーダンスおよび短絡状態のインピーダンスにそれぞれ近いインピーダンスを有する負荷とすることが望ましい。一方、基準負荷として開放状態または短絡状態に近すぎるインピーダンスを有する負荷を用いた場合、高周波測定装置３によって検出される電圧値または電流値の一方が他方に比べ極めて小さい値の場合、それをデジタル変換するADコンバータの解像度によっては量子化誤差が大きく影響する場合がある。この場合、基本校正パラメータＸの各要素Ｘ11、Ｘ12、Ｘ21、Ｘ22を適切に算出することができない。したがって、本実施形態では、反射係数の大きさが例えば０．９以下である負荷を基準負荷としている。
【００５９】
図５は、基本校正パラメータＸの各要素Ｘ11、Ｘ12、Ｘ21、Ｘ22を算出するために行う、基準負荷のインピーダンスの測定方法を説明するための図である。
【００６０】
当該測定は、同図に示すように、高周波測定装置３の出力端ｃにダミーロード６を接続し、高周波測定装置３の入力端ｂにインピーダンスアナライザ７を接続して行われる。なお、処理中のプラズマ処理装置４を実際に測定する場合と測定環境をそろえるために、基準負荷のインピーダンスの測定は、高周波測定装置３内部の部品や周囲温度を所定の温度に保って行われる。
【００６１】
ダミーロード６は、所定の基準負荷を再現するための負荷装置であり、高周波測定装置３の入力端ｂから負荷側を見たインピーダンス、すなわちダミーロード６および高周波測定装置３全体のインピーダンスを所定の基準負荷のインピーダンスにする。ダミーロード６は、図示しない可変リアクタンス素子（例えば、可変キャパシタ、可変インダクタ等）のリアクタンスを変化させることでインピーダンスを変化させる。ダミーロード６は、特性インピーダンス（５０Ω）を有する基準負荷と、開放状態のインピーダンスおよび短絡状態のインピーダンスにそれぞれ近く反射係数が０．９以下である２つの基準負荷とを、所定の基準負荷として再現できるようにあらかじめ設定されている。なお、ダミーロード６を接続して設定を切り替えることで３つの所定の基準負荷を再現する代わりに、所定の基準負荷を再現するための３つの負荷を順に接続するようにしてもよい。
【００６２】
インピーダンスアナライザ７は、インピーダンスを測定するものであり、高周波測定装置３の入力端ｂから負荷側を見たインピーダンス、すなわち基準負荷のインピーダンスを測定する。
【００６３】
基本校正パラメータＸの算出のための基準負荷のインピーダンスの測定は、各基準負荷を再現してインピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３とでそれぞれインピーダンスを測定することで行われる。なお、高周波測定装置３が測定するインピーダンスの真値を得る方法があれば、インピーダンスアナライザ７を用いなくてもよい。
【００６４】
高周波測定装置３によって測定される３つの基準負荷のインピーダンス測定値と、当該３つの基準負荷のインピーダンスの真値とから、基本校正パラメータＸの各要素Ｘ11、Ｘ12、Ｘ21、Ｘ22を算出することができる。算出された基本校正パラメータＸを用いて、図４（ａ）より、電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0を基本校正後の電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1に変換することができる。すなわち、図４（ａ）より導かれる下記（６）、（７）式より、基本校正後の電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1を算出することができる。
【００６５】
【数２】
【００６６】
図３に戻って、ベクトル逆変換部３８３は、第１校正部３８２から入力される基本校正後の電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1から、基本校正後の電流実効値Ｉ1’、電圧実効値Ｖ1’、および位相差θ1’を算出して、反射係数位相角算出部３８４に出力する。
【００６７】
反射係数位相角算出部３８４は、ベクトル逆変換部３８３から入力される基本校正後の電流実効値Ｉ1’、電圧実効値Ｖ1’、および位相差θ1’から、反射係数の位相角ψを算出して、象限判定部３８５に出力する。反射係数位相角算出部３８４は、電流実効値Ｉ1’、電圧実効値Ｖ1’、および位相差θ1’から、上記（１）式および（２）式に基づいて、インピーダンスＺ（＝Ｒ＋ｊ・Ｘ）の抵抗成分Ｒおよびリアクタンス成分Ｘを算出し、下記（８）式に基づいて、反射係数の位相角ψを算出する。なお、Γｒ、Γｉはそれぞれ反射係数Γ（＝Γｒ＋ｊ・Γｉ）の実数部分および虚数部分である。
【００６８】
【数３】
【００６９】
象限判定部３８５は、反射係数位相角算出部３８４から入力される反射係数の位相角ψに基づいて、プラズマ処理装置４のインピーダンスがスミスチャート上のどの象限に位置するかを判定し、判定結果を第２校正部３８６に出力する。スミスチャート上の点は、特性インピーダンスの位置を原点とすると、反射係数Γの実数部分Γｒと虚数部分Γｉの座標として表される。
【００７０】
図６は、スミスチャート上の点を反射係数Γの実数部分Γｒと虚数部分Γｉの座標として表した図であり、一般的に、ポーラチャートと呼ばれる場合がある。なお、以下では、この場合でもスミスチャートと記載している。同図において、ｕ軸は反射係数の実数軸であり、ｖ軸は反射係数の虚数軸である。反射係数Γ（＝Γｒ＋ｊ・Γｉ）の点Ｇは、ｕ軸（実数軸）の成分がΓｒで、ｖ軸（虚数軸）の成分がΓｉである点として表される。また、点Ｇと原点Ａとを結ぶ線分の長さが反射係数Γの大きさ｜Γ｜＝√（Γｒ2＋Γｉ2）を示し、点Ｇと原点Ａとを結ぶ線分がｕ軸の正の方向となす角度が反射係数の位相角ψ＝∠Γ＝ａｒｃＴａｎ（Γｉ／Γｒ）を示す。したがって、反射係数の位相角ψによって、インピーダンスがスミスチャートのいずれの象限に位置するか判定することができる。
【００７１】
象限判定部３８５は、反射係数位相角算出部３８４から入力される反射係数の位相角ψが０≦ψ＜（１／２）πの場合、インピーダンスがスミスチャートの第１象限に位置すると判定する。また、（１／２）π≦ψ＜πの場合、インピーダンスがスミスチャートの第２象限に位置し、π≦ψ＜（３／２）πの場合、インピーダンスがスミスチャートの第３象限に位置し（３／２）π≦ψ＜２πの場合、インピーダンスがスミスチャートの第４象限に位置すると判定する。なお、反射係数位相角算出部３８４から入力される反射係数の位相角ψは、基本校正後の電流実効値Ｉ1’、電圧実効値Ｖ1’、および位相差θ1’から算出されるので、精度はあまり高くない。しかし、インピーダンスがスミスチャート上のいずれの象限に位置するかを判定するために用いることができる程度の精度は備えている。
【００７２】
第２校正部３８６は、メモリに記録されている象限別校正パラメータＸ’を用いて、第１校正部３８２から入力される電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1に第２段階の校正（以下では、「象限別校正」とする。）を行い、象限別校正後の電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2をベクトル逆変換部３８７に出力する。メモリには象限別校正パラメータＸ’として、４つの校正パラメータ、すなわち、第１象限で精度の高い校正を行うことができる第１象限校正パラメータＸ1、第２象限で精度の高い校正を行うことができる第２象限校正パラメータＸ2、第３象限で精度の高い校正を行うことができる第３象限校正パラメータＸ3、第４象限で精度の高い校正を行うことができる第４象限校正パラメータＸ4が記録されている。第２校正部３８６は、象限判定部３８５から入力される判定結果に基づいて、象限別校正パラメータＸ’として使用する校正パラメータを決定する。すなわち、判定結果が第１象限の場合、第１象限校正パラメータＸ1が象限別校正パラメータＸ’として使用される。また、判定結果が第２象限の場合は第２象限校正パラメータＸ2が、判定結果が第３象限の場合は第３象限校正パラメータＸ3が、判定結果が第４象限の場合は第４象限校正パラメータＸ4が、象限別校正パラメータＸ’として使用される。
【００７３】
各象限校正パラメータＸ1〜Ｘ4は、それぞれ３つの基準負荷に基づいて算出されて、メモリに記録されている。各象限校正パラメータＸ1〜Ｘ4を算出する方法も、上記基本校正パラメータＸを算出する方法と同様である。
【００７４】
上記と同様に、第１校正部３８２から出力される電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1と、伝送線路５に流れる高周波電流および伝送線路５に生じる高周波電圧との関係を２端子対回路に置き換えると、電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1を電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2に校正する象限別校正パラメータＸ’を、図４（ｂ）に示す右側の２次元のベクトル行列と考えることができる。なお、図４（ｂ）全体としては、電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0を２次元のベクトル行列である基本校正パラメータＸおよび象限別校正パラメータＸ’によって変換して象限別校正後の電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2を出力する校正回路３８を示している。
【００７５】
象限別校正パラメータＸ'（各象限校正パラメータＸ1〜Ｘ4）の各要素Ｘ'11、Ｘ'12、Ｘ'21、Ｘ'22も、上記と同様に、３つの基準負荷を再現したときにそれぞれ高周波測定装置３によって測定される基準負荷のインピーダンス測定値と、当該３つの基準負荷のインピーダンスの真値とから算出される。
【００７６】
なお、３つの基準負荷の内の１つは、上記と同様に特性インピーダンス（５０Ω）を有する負荷とする必要がある。第１象限校正パラメータＸ1の場合、残り２つの基準負荷は、第１象限を囲むように、開放状態のインピーダンスに近いインピーダンスと、抵抗成分がゼロで誘導性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスに近いインピーダンスとが用いられる（図１（ｂ）参照）。第２象限校正パラメータＸ2の場合、第２象限を囲むように、短絡状態のインピーダンスに近いインピーダンスと、抵抗成分がゼロで誘導性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスに近いインピーダンスとが用いられる。第３象限校正パラメータＸ3の場合、第３象限を囲むように、短絡状態のインピーダンスに近いインピーダンスと、抵抗成分がゼロで容量性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスに近いインピーダンスとが用いられる。第４象限校正パラメータＸ4の場合、第４象限を囲むように、開放状態のインピーダンスに近いインピーダンスと、抵抗成分がゼロで容量性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスに近いインピーダンスとが用いられる。
【００７７】
象限別校正パラメータＸ'を用いて、図４（ｂ）より、電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1を象限別校正後の電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2に変換することができる。すなわち、図４（ｂ）より導かれる下記（９）、（１０）式より、象限別校正後の電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2を算出することができる。
【００７８】
【数４】
【００７９】
プラズマ処理装置４のインピーダンスが変動すると、反射係数位相角算出部３８４が算出する反射係数位相角ψも変動する。インピーダンスがスミスチャート上の他の象限に移動した場合、象限判定部３８５から入力される判定結果も切り替わり、第２校正部３８６で使用される象限別校正パラメータＸ’も切り替わる。すなわち、第２校正部３８６は、象限別校正パラメータＸ’として使用する校正パラメータを、測定しているインピーダンスに追従して、対応する象限で精度の高い校正を行うことができる校正パラメータに切り替える。
【００８０】
図３に戻って、ベクトル逆変換部３８７は、第２校正部３８６から入力される象限別校正後の電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2から、校正後の電流実効値Ｉ’、電圧実効値Ｖ’、および位相差θ’を算出して出力する。
【００８１】
インピーダンス算出回路３９は、インピーダンスを算出するものである。インピーダンス算出回路３９は、校正回路３８より入力される校正後の電流実効値Ｉ’、電圧実効値Ｖ’、および位相差θ’から、上記（１）〜（３）式により、インピーダンスＺを算出して出力する。なお、高周波測定装置３は、進行波電力Ｐｆや反射波電力Ｐｒなどの高周波パラメータも算出して出力するが、同図においてはこれらを算出する構成の記載を省略している。
【００８２】
次に、高周波測定装置３の校正を行う手順について、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００８３】
図７は、高周波測定装置３の校正の手順を説明するためのフローチャートである。当該フローチャートは、高周波測定装置３でプラズマ処理装置４のインピーダンスを測定する場合の、検出された電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0の校正を行う処理手順を示している。
【００８４】
まず、高周波測定装置３にダミーロード６とインピーダンスアナライザ７とを接続して（図５参照）、ダミーロード６によって基本校正パラメータＸ算出のための基準負荷の再現を行い、インピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３とでそれぞれインピーダンスを測定する(Ｓ１)。なお、当該基準負荷は３つ設定されているので、それぞれの基準負荷を再現して、それぞれインピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３とでインピーダンスを測定する。当該基準負荷は、特性インピーダンス（５０Ω）を有する基準負荷と、開放状態のインピーダンスおよび短絡状態のインピーダンスにそれぞれ近く反射係数が０．９以下である２つの基準負荷としている。
【００８５】
ステップＳ１でインピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３によって測定された、３つの基準負荷のそれぞれのインピーダンスから、基本校正パラメータＸを算出して、高周波測定装置３の図示しないメモリに記録する（Ｓ２）。本実施形態では、高周波測定装置３の図示しない演算回路が、インピーダンス算出回路３９で算出されるインピーダンスとインピーダンスアナライザ７から入力されるインピーダンスとをメモリに記録しておき、３つの基準負荷を測定した後に基本校正パラメータＸの各要素を算出してメモリに記録する。なお、基本校正パラメータＸの算出は高周波測定装置３の演算回路が行う場合に限定されず、例えば、作業者が別途行うようにしてもよい。この場合、作業者が高周波測定装置３の図示しない入力手段で基本校正パラメータＸを入力することで、メモリに記録すればよい。
【００８６】
次に、ダミーロード６によって第１象限校正パラメータＸ1算出のための基準負荷の再現を行い、インピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３とでそれぞれインピーダンスを測定する(Ｓ３)。なお、当該基準負荷は３つ設定されているので、それぞれの基準負荷を再現して、それぞれインピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３とでインピーダンスを測定する。当該準負荷は、特性インピーダンス（５０Ω）を有する基準負荷と、開放状態のインピーダンスおよび抵抗成分がゼロで誘導性のリアクタンス成分が５０Ωのインピーダンスにそれぞれ近く反射係数が０．９以下である２つの基準負荷としている。
【００８７】
ステップＳ３でインピーダンスアナライザ７と高周波測定装置３によって測定された、３つの基準負荷のそれぞれのインピーダンスから、第１象限校正パラメータＸ1を算出して、高周波測定装置３のメモリに記録する（Ｓ４）。本実施形態では、高周波測定装置３の演算回路が、インピーダンス算出回路３９で算出されるインピーダンスとインピーダンスアナライザ７から入力されるインピーダンスとをメモリに記録しておき、３つの基準負荷を測定した後に第１象限校正パラメータＸ1の各要素を算出してメモリに記録する。なお、第１象限校正パラメータＸ1の算出は高周波測定装置３の演算回路が行う場合に限定されず、例えば、作業者が別途行うようにしてもよい。この場合、作業者が高周波測定装置３の図示しない入力手段で第１象限校正パラメータＸ1を入力することで、メモリに記録すればよい。
【００８８】
ステップＳ３およびＳ４と同様にして、ステップＳ５およびＳ６で第２象限校正パラメータＸ2を算出してメモリに記録し、ステップＳ７およびＳ８で第３象限校正パラメータＸ3を算出してメモリに記録し、ステップＳ９およびＳ１０で第４象限校正パラメータＸ4を算出してメモリに記録する。
【００８９】
次に、高周波測定装置３を実際に使用されるプラズマ処理システムＡに設置して（図２参照）、実際にプラズマ処理を行っているときのプラズマ処理装置４のインピーダンスを測定する（Ｓ１１）。このとき、高周波測定装置３は、基本校正後の電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1に基づいて算出された反射係数の位相角ψによって象限別校正パラメータＸ’として用いる校正パラメータを決定する。そして、高周波測定装置３は、電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0をメモリに記録された基本校正パラメータＸおよび象限別校正パラメータＸ’で校正して、象限別校正後の電流信号Ｉ2および電圧信号Ｖ2に基づく電流実効値Ｉ’、電圧実効値Ｖ’、および位相差θ’からインピーダンスＺを算出する。象限別校正パラメータＸ’による校正の精度は十分高いものなので、電流信号Ｉ0および電圧信号Ｖ0を高い精度で校正することができる。したがって、高周波測定装置３によって測定された電流実効値Ｉ’、電圧実効値Ｖ’、およびインピーダンスＺは、精度が高く信用できるものである。
【００９０】
なお、上記校正の処理手順は、高周波測定装置３のメモリに基本校正パラメータＸおよび各象限校正パラメータＸ1〜Ｘ4が記録されていない場合の処理手順である。ステップＳ１〜Ｓ１０については毎回行なう必要はなく、１度行ってメモリに基本校正パラメータＸおよび各象限校正パラメータＸ1〜Ｘ4を記録しておけばよい。この処理は、高周波測定装置３の製造時に、製造メーカが行っておいてもよい。
【００９１】
上記のように、本発明においては、２段階の校正が行われる。すなわち、まず、低精度だが広いインピーダンスの範囲で校正可能な基本校正パラメータＸで校正が行われる。次に、高精度だが狭いインピーダンスの範囲で校正可能な象限別校正パラメータＸ’で校正が行われる。基本校正パラメータＸによる校正後の電流信号Ｉ1および電圧信号Ｖ1に基づいて、測定対象のインピーダンスがスミスチャート上のどの象限に位置するかが判定され、該当する象限のみを高精度で校正することができる校正パラメータが、象限別校正パラメータＸ’として用いられる。したがって、検出された電圧および電流を高い精度で校正することができる。
【００９２】
なお、上記実施形態（以下、「第１実施形態」とする。）では、象限判定部３８５は、反射係数位相角算出部３８４が算出する反射係数位相角ψに応じて、測定対象のインピーダンスがどの象限に位置するかの判定を行うので、当該インピーダンスが２つの象限の境界線をまたいで頻繁に変動すると、第２校正部３８６で使用される象限別校正パラメータＸ’が頻繁に切り替えられることになる。これを改善するために、以下に説明する第２実施形態では、象限判定部３８５による判定にヒステリシス特性を持たせている。
【００９３】
以下、図８および図９を参照して、第２実施形態に係る高周波測定装置について説明する。
【００９４】
図８は、第２実施形態に係る高周波測定装置の校正方法の考え方を説明するための図であり、象限の切換を説明するための図である。
【００９５】
同図において、範囲Ｄ1は第１象限の範囲を示しており、点Ｇ1は測定対象のインピーダンスの位置を示している。このとき、測定対象の反射係数の位相角ψ1は、０≦ψ1＜（１／２）πなので、インピーダンスは第１象限である範囲Ｄ1に位置している。したがって、第１象限校正パラメータＸ1が象限別校正パラメータＸ’として使用されて象限別校正が行われる。次に、測定対象のインピーダンスの位置が点Ｇ2に移動した場合、測定対象の反射係数の位相角ψ2は（１／２）π≦ψ2＜πなので、インピーダンスは第２象限である範囲Ｄ2に位置している。しかし、本実施形態では、同図に示す範囲Ｄ1’を範囲Ｄ1に加えた範囲を拡大された第１象限とし、インピーダンスの位置がこの拡大された第１象限である範囲（Ｄ1＋Ｄ1’）に位置している間、すなわち、位相角ψが、−α≦ψ＜（１／２）π＋αを満たしている間は、象限別校正パラメータＸ’の切換を行わないようにしている。したがって、インピーダンスは第２象限に位置しているが、第１象限校正パラメータＸ1が象限別校正パラメータＸ’として使用されて象限別校正が行われる。次に、測定対象のインピーダンスの位置が点Ｇ3に移動した場合、測定対象の反射係数の位相角ψ3は（１／２）π＋α≦ψ3＜πなので、インピーダンスは拡大された第１象限である範囲（Ｄ1＋Ｄ1’）に位置せず、第２象限である範囲Ｄ2に位置している。したがって、第２象限校正パラメータＸ2が象限別校正パラメータＸ’として使用されて象限別校正が行われる。
【００９６】
第２実施形態に係る高周波測定装置３’の内部構成は、図３に示す高周波測定装置３と共通する。高周波測定装置３’は、象限判定部３８５で行われる判定の処理方法が、第１実施形態に係る高周波測定装置３と異なる。
【００９７】
図９は、第２実施形態における象限判定部３８５で行われる判定の処理を説明するためのフローチャートである。当該判定処理は、反射係数位相角算出部３８４から反射係数位相角ψが入力された時に開始される。
【００９８】
まず、反射係数位相角算出部３８４から入力される反射係数位相角ψが取得される（Ｓ２１）。次に、前回の判定でインピーダンスが位置していると判定された象限の拡大された象限の範囲内に測定対象のインピーダンスが位置しているか否かが判別される（Ｓ２）。当該判別は、反射係数位相角ψが拡大された象限の範囲を示す所定の角度範囲内か否かで判別される。すなわち、前回の判定で第１象限と判定された場合は−α≦ψ＜（１／２）π＋αであるか否か、前回の判定で第２象限と判定された場合は（１／２）π−α≦ψ＜π＋αであるか否か、前回の判定で第３象限と判定された場合はπ−α≦ψ＜（３／２）π＋αであるか否か、前回の判定で第４象限と判定された場合は（３／２）π−α≦ψ＜２π＋αであるか否かで判別される。αは０＜α＜（１／４）πの範囲で、測定対象に応じて予め設定されている。αを大きな値に設定した場合、拡大された象限が大きくなるので、象限別校正パラメータＸ’の頻繁な切り替えを抑制する効果が大きくなる。しかし、象限別校正パラメータＸ’を切り替えないことにより、校正の精度が低下する。一方、αを小さな値に設定した場合、より適切な象限別校正パラメータＸ’を用いることにより、校正の精度が高くなる。しかし、象限別校正パラメータＸ’の頻繁な切り替えを抑制する効果が小さくなる。なお、象限の判定が初めての場合、前回判定された象限がないので、ステップＳ２４に進んで象限の判定が行われる。
【００９９】
ステップＳ２２において、測定対象のインピーダンスが拡大された象限の範囲内に位置していると判別された場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、象限が変更されず、判定結果が当該象限であるとして第２校正部３８６に出力され（Ｓ２３）、判定処理が終了される。
【０１００】
一方、ステップＳ２２において、測定対象のインピーダンスが拡大された象限の範囲内に位置していないと判別された場合（Ｓ２２：ＮＯ）、測定対象のインピーダンスがどの象限に位置するかが判定されて、当該判定結果が第２校正部３８６に出力され（Ｓ２４）、判定処理が終了される。当該判定は、第１実施形態の象限判定部３８５で行われる判定と同様に、反射係数位相角ψに基づいて行われる。
【０１０１】
第２実施形態においては、測定対象のインピーダンスが変動して他の象限に移動した場合でも、当該インピーダンスが拡大された象限の範囲内にある間は、象限判定部３８５から出力される判定結果が変更されないので、第２校正部３８６で使用される象限別校正パラメータＸ’の切換えが行われない。したがって、測定対象のインピーダンスが２つの象限の境界線をまたいで頻繁に変動する場合でも、第２校正部３８６で使用される象限別校正パラメータＸ’が頻繁に切り替えられることを抑制することができる。
【０１０２】
なお、上記第１および第２実施形態では、反射係数の位相角ψが０〜（１／２）πの場合（第１象限）、（１／２）π〜πの場合（第２象限）、π〜（３／２）πの場合（第３象限）、（３／２）π〜２πの場合（第４象限）の４つの範囲に分けた場合について説明したが、これに限られない。各範囲の境界をどのように設定してもよいし、各範囲の大きさが等しくなくても構わない。また、４分割に限定されるわけでもない。例えば、各象限をさらに２つの範囲に分けて８つの範囲に分けてもよいし、第１象限と第２象限とをあわせた範囲と第３象限と第４象限とをあわせた範囲の２つの範囲に分けてもよい。範囲の数が多くなるほど各範囲の大きさが小さくなるので校正の精度が高くなるが、メモリに記録させる校正パラメータの数が多くなるので、校正パラメータの記録のための作業量も増加する。
【０１０３】
上記第１および第２実施形態では、反射係数の位相角ψで範囲を分割した場合について説明したが、これに限られない。例えば、反射係数の大きさ｜Γ｜で範囲を分割するようにしてもよい。
【０１０４】
図１０は、位相角ψで４つの範囲に分割した各範囲を、反射係数の大きさ｜Γ｜でさらに２つの範囲に分割した例を示している。この場合、反射係数位相角算出部３８４が反射係数の大きさ｜Γ｜も算出して出力し、象限判定部３８５が反射係数の位相角ψによる判定と、反射係数の大きさ｜Γ｜による判定（｜Γ｜≦Γ1か否かの判定）とで、インピーダンスがどの範囲に位置するかを判定するようにすればよい。なお、各範囲の校正パラメータを事前に算出してメモリに記録しておく必要がある。例えば、第１象限のうち｜Γ｜≦Γ1の範囲を範囲Ｄ11、｜Γ｜＞Γ1の範囲を範囲Ｄ12とすると、インピーダンスが範囲Ｄ11に位置する場合のための校正パラメータを点Ａ，Ｂ’，Ｅ’のインピーダンスを基準として算出し、インピーダンスが範囲Ｄ12に位置する場合のための校正パラメータを点Ａ，Ｂ，Ｅのインピーダンスを基準として算出して、それぞれ記録しておく必要がある。なお、範囲Ｄ12に位置する場合のための校正パラメータは第１象限の全範囲の場合の校正パラメータと共通するので、象限毎に分割した場合と校正の精度は変わらない。しかし、インピーダンスが範囲Ｄ11に位置する場合に、より高い精度で校正を行うことができる。
【０１０５】
なお、反射係数の位相角ψで範囲を分割するのではなく、例えば、抵抗値やリアクタンスで分割するようにしてもよいし、スミスチャートを水平線や垂直線で分割するようにしてもよい。
【０１０６】
本発明に係る高周波測定装置、および、高周波測定装置の校正方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。また、本発明に係る高周波測定装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【符号の説明】
【０１０７】
Ａ プラズマ処理システム
１ 高周波電源装置
２ インピーダンス整合装置
３ 高周波測定装置
３１ カレントトランス部（電流検出手段）
３２ 電流用変換回路（電流検出手段）
３３ コンデンサ部（電圧検出手段）
３４ 電圧用変換回路（電圧検出手段）
３５ 実効値算出回路
３６ 実効値算出回路
３７ 位相差検出回路
３８ 校正回路
３８１ ベクトル変換部
３８２ 第１校正部
３８３ ベクトル逆変換部
３８４ 反射係数位相角算出部
３８５ 象限判定部（判定手段）
３８６ 第２校正部
３８７ ベクトル逆変換部
３９ インピーダンス算出回路
４ プラズマ処理装置
５ 伝送線路
６ ダミーロード
７ インピーダンスアナライザ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理装置を含む負荷とこの負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置との間に接続されて、当該接続点における高周波電圧および高周波電流を検出する高周波測定装置であって、
前記接続点における高周波電圧を検出する電圧検出手段と、
前記接続点における高周波電流を検出する電流検出手段と、
前記電圧検出手段によって検出された電圧値と前記電流検出手段によって検出された電流値とを校正する校正手段と、
前記校正手段によって校正された前記電圧値と電流値とに基づいて、前記接続点から負荷側を見たインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、
を備えており、
前記校正手段は、
基本の３つの基準負荷に前記高周波測定装置をそれぞれ接続した時の前記インピーダンス算出手段によって算出された３つのインピーダンスと前記基本の３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて算出された基本パラメータを用いて、前記検出された電圧値と電流値とを校正する第１校正手段と、
前記第１校正手段によって校正された電圧値と電流値とから算出されるインピーダンスをスミスチャート上で表示した場合に、全インピーダンスの範囲が複数に分割された範囲のうちのいずれの範囲に位置するかを判定する判定手段と、
前記判定手段によって前記インピーダンスが位置すると判定された範囲を囲む３つのインピーダンスをそれぞれ有する範囲別の３つの基準負荷に前記高周波測定装置をそれぞれ接続した時の前記インピーダンス算出手段によって算出された３つのインピーダンスと前記範囲別の３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて算出された範囲別パラメータを用いて、前記第１校正手段によって校正された前記電圧値と電流値とをさらに校正する第２校正手段と、
を備えている高周波測定装置。
【請求項２】
前記複数に分割された範囲は、スミスチャート上の特性インピーダンスを示す点を中心として、当該中心を通る直線で分割されている、請求項１に記載の高周波測定装置。
【請求項３】
前記複数に分割された範囲は、開放状態のインピーダンスを示す点を通る直線と、これに直交する直線とによって、４つに分割されている、請求項２に記載の高周波測定装置。
【請求項４】
前記判定手段は、前記第１校正手段によって校正された電圧値と電流値とから算出される反射係数の位相角に基づいて、いずれの範囲に位置するかを判定する、請求項２または３に記載の高周波測定装置。
【請求項５】
前記判定手段は判定結果を切り替えるタイミングにヒステリシス特性を持たせている、請求項１ないし４のいずれかに記載の高周波測定装置。
【請求項６】
前記基本の３つの基準負荷の内の１つの基準負荷、および、前記範囲別の３つの基準負荷の内の１つの基準負荷は、前記高周波測定装置の特性インピーダンスと同一のインピーダンスを有する負荷である、請求項１ないし５のいずれかに記載の高周波測定装置。
【請求項７】
プラズマ処理装置を含む測定対象負荷とこの負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置との間に接続されて、当該接続点における高周波電圧および高周波電流を検出し、検出された電圧値と電流値とに基づいて、当該接続点から負荷側を見たインピーダンスを算出する高周波測定装置の前記電圧値と電流値の校正方法であって、
基本の３つの基準負荷に前記高周波測定装置をそれぞれ接続した時に算出された３つのインピーダンスと前記基本の３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて、前記電圧値と電流値とを校正するための基本パラメータを算出して、前記高周波測定装置に設定する第１の工程と、
全インピーダンスの範囲を複数の範囲に分割した場合の各範囲を囲むそれぞれ３つのインピーダンスを有する３つの基準負荷にそれぞれ前記高周波測定装置を接続した時に算出された３つのインピーダンスと当該３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて、前記基本パラメータを用いて校正された電圧値と電流値とをさらに校正するための範囲別パラメータをそれぞれの範囲毎に算出して、前記高周波測定装置に設定する第２の工程と、
前記高周波測定装置を前記測定対象負荷に接続して、検出された電圧値と電流値とを前記基本のパラメータおよび前記範囲別パラメータを用いて校正する第３の工程と、
を備えている校正方法。
【請求項８】
前記第３の工程において用いられる前記範囲別パラメータは、前記基本のパラメータを用いて校正された電圧値と電流値とに基づいて算出されたインピーダンスが位置する範囲に対応する範囲別パラメータである、請求項７に記載の校正方法。
【請求項１】
プラズマ処理装置を含む負荷とこの負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置との間に接続されて、当該接続点における高周波電圧および高周波電流を検出する高周波測定装置であって、
前記接続点における高周波電圧を検出する電圧検出手段と、
前記接続点における高周波電流を検出する電流検出手段と、
前記電圧検出手段によって検出された電圧値と前記電流検出手段によって検出された電流値とを校正する校正手段と、
前記校正手段によって校正された前記電圧値と電流値とに基づいて、前記接続点から負荷側を見たインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、
を備えており、
前記校正手段は、
基本の３つの基準負荷に前記高周波測定装置をそれぞれ接続した時の前記インピーダンス算出手段によって算出された３つのインピーダンスと前記基本の３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて算出された基本パラメータを用いて、前記検出された電圧値と電流値とを校正する第１校正手段と、
前記第１校正手段によって校正された電圧値と電流値とから算出されるインピーダンスをスミスチャート上で表示した場合に、全インピーダンスの範囲が複数に分割された範囲のうちのいずれの範囲に位置するかを判定する判定手段と、
前記判定手段によって前記インピーダンスが位置すると判定された範囲を囲む３つのインピーダンスをそれぞれ有する範囲別の３つの基準負荷に前記高周波測定装置をそれぞれ接続した時の前記インピーダンス算出手段によって算出された３つのインピーダンスと前記範囲別の３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて算出された範囲別パラメータを用いて、前記第１校正手段によって校正された前記電圧値と電流値とをさらに校正する第２校正手段と、
を備えている高周波測定装置。
【請求項２】
前記複数に分割された範囲は、スミスチャート上の特性インピーダンスを示す点を中心として、当該中心を通る直線で分割されている、請求項１に記載の高周波測定装置。
【請求項３】
前記複数に分割された範囲は、開放状態のインピーダンスを示す点を通る直線と、これに直交する直線とによって、４つに分割されている、請求項２に記載の高周波測定装置。
【請求項４】
前記判定手段は、前記第１校正手段によって校正された電圧値と電流値とから算出される反射係数の位相角に基づいて、いずれの範囲に位置するかを判定する、請求項２または３に記載の高周波測定装置。
【請求項５】
前記判定手段は判定結果を切り替えるタイミングにヒステリシス特性を持たせている、請求項１ないし４のいずれかに記載の高周波測定装置。
【請求項６】
前記基本の３つの基準負荷の内の１つの基準負荷、および、前記範囲別の３つの基準負荷の内の１つの基準負荷は、前記高周波測定装置の特性インピーダンスと同一のインピーダンスを有する負荷である、請求項１ないし５のいずれかに記載の高周波測定装置。
【請求項７】
プラズマ処理装置を含む測定対象負荷とこの負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置との間に接続されて、当該接続点における高周波電圧および高周波電流を検出し、検出された電圧値と電流値とに基づいて、当該接続点から負荷側を見たインピーダンスを算出する高周波測定装置の前記電圧値と電流値の校正方法であって、
基本の３つの基準負荷に前記高周波測定装置をそれぞれ接続した時に算出された３つのインピーダンスと前記基本の３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて、前記電圧値と電流値とを校正するための基本パラメータを算出して、前記高周波測定装置に設定する第１の工程と、
全インピーダンスの範囲を複数の範囲に分割した場合の各範囲を囲むそれぞれ３つのインピーダンスを有する３つの基準負荷にそれぞれ前記高周波測定装置を接続した時に算出された３つのインピーダンスと当該３つの基準負荷のインピーダンスとに基づいて、前記基本パラメータを用いて校正された電圧値と電流値とをさらに校正するための範囲別パラメータをそれぞれの範囲毎に算出して、前記高周波測定装置に設定する第２の工程と、
前記高周波測定装置を前記測定対象負荷に接続して、検出された電圧値と電流値とを前記基本のパラメータおよび前記範囲別パラメータを用いて校正する第３の工程と、
を備えている校正方法。
【請求項８】
前記第３の工程において用いられる前記範囲別パラメータは、前記基本のパラメータを用いて校正された電圧値と電流値とに基づいて算出されたインピーダンスが位置する範囲に対応する範囲別パラメータである、請求項７に記載の校正方法。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１】
【図８】
【図１０】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１】
【図８】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−７８１３８（Ｐ２０１２−７８１３８Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２１８３６（Ｐ２０１０−２２１８３６）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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