设置于高频电源系统中的阻抗匹配装置的制作方法

本发明涉及一种设置于高频电源系统中的阻抗匹配装置，该高频电源系统构成为经由机械地变更常数的匹配器将高频电源的输出供给至负载。

背景技术：

在蚀刻、薄膜形成这样的半导体制造工序中，使用等离子体处理装置和向该等离子体处理装置供给所需电力的高频电源系统。高频电源系统通常为了稳定且有效地进行向等离子体处理装置供给功率，具有实现与等离子体处理装置的阻抗匹配的功能。

在专利文献1中公开了具备高频电源101、阻抗匹配装置102和匹配器103的具有阻抗匹配功能的高频电源系统100(参照图11)。阻抗匹配装置102构成为根据高频电源101与负载20(等离子体处理装置)之间的阻抗的匹配状态变更高频电源101的振荡频率。此外，匹配器103由机械地变更常数的无源元件构成。

根据该高频电源系统100，通过使基于可匹配的范围窄但匹配速度快的振荡频率的变更的阻抗匹配和基于可匹配的范围宽但匹配速度慢的匹配器103的阻抗匹配协同工作，能够在比现有技术更宽的范围内进行匹配。

专利文献1：国际公开第2013/132591号

然而，上述现有技术中的高频电源系统100若在等离子体点火后负载20的阻抗连续地发生变化，则无法改善由此产生的阻抗不匹配，其结果，存在等离子体变得不稳定或失火的情况。

技术实现要素：

本发明是鉴于上述课题而完成的，其课题在于提供一种即使在负载的阻抗连续地发生变化的情况下，也能够在早期改善高频电源与负载之间的阻抗不匹配的阻抗匹配装置。

为了解决上述课题，本发明所涉及的阻抗匹配装置设置在高频电源系统中，该高频电源系统构成为经由机械地变更常数的匹配器将高频电源的输出供给至负载，该阻抗匹配装置具备：匹配状态值取得部，取得表示高频电源与负载之间的匹配状态的匹配状态值；和控制部，基于匹配状态值控制高频电源的振荡频率，控制部具有如下结构，即，若匹配状态值表示匹配状态的恶化，则以第一斜率使振荡频率朝向匹配状态得以改善的方向发生变化后，以比第一斜率缓慢的第二斜率使振荡频率复原。

上述阻抗匹配装置的控制部也可以具有如下结构，即，在预先设定的不匹配抑制期间内，以第一斜率使振荡频率发生变化。在该情况下，控制部还可以具有如下结构，即，若不匹配抑制期间结束，则与匹配状态值所表示的匹配状态如何无关地，以第二斜率使振荡频率开始复原。

或者，上述阻抗匹配装置的控制部电可以具有如下结构，即，在匹配状态值表示匹配状态已改善到预先设定的程度的情况为止的期间，以第一斜率使振荡频率发生变化。

此外，上述阻抗匹配装置的控制部也可以具有如下结构，即，若匹配状态值的变化量超过预先设定的阈值，则以第一斜率开始改变振荡频率。

此外，在上述阻抗匹配装置中，作为匹配状态值，能够使用与反射波的大小相关的值。

另外，上述阻抗匹配装置的负载例如是等离子体处理装置。

发明效果

根据本发明，能够提供一种即使在负载的阻抗连续地发生变化的情况下，也能够在早期改善高频电源与负载之间的阻抗不匹配的阻抗匹配装置。

附图说明

图1是表示包含本发明所涉及的阻抗匹配装置的高频电源系统的示意结构的框图。

图2是表示匹配器的具体结构的电路图。

图3是表示本发明的第一实施例所涉及的阻抗匹配装置所具备的控制部的动作的流程图。

图4是表示第一实施例所涉及的高频电源系统的动作的图。

图5是表示第一实施例所涉及的高频电源系统的其他动作的图。

图6是表示第一实施例所涉及的高频电源系统的又一动作的图。

图7是表示比较例所涉及的高频电源系统的动作的图。

图8是表示比较例所涉及的高频电源系统的其他动作的图。

图9是表示本发明的第二实施例所涉及的阻抗匹配装置所具备的控制部的动作的流程图。

图10是表示第二实施例所涉及的高频电源系统的动作的图。

图11是表示现有技术中的高频电源系统的示意结构的框图。

符号说明：

10高频电源系统；11高频电源；12阻抗匹配装置；13匹配状态值取得部；14控制部；15设定存储部；16匹配器；20负载。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明所涉及的阻抗匹配装置的实施例进行说明。

[第一实施例]

图1表示包含本发明的第一实施例所涉及的阻抗匹配装置12的高频电源系统10。高频电源系统10用于向负载20供给所需的功率，如图1所示，还包括高频电源11以及匹配器16。

高频电源11经由匹配器16将高频电力输出至负载20。高频电源11构成为能够根据来自阻抗匹配装置12的指令，在某一程度范围(在本实施例中是以13.56mhz为中心的±1.00mhz的范围)内可调整振荡频率(即，高频电力的频率)。

如图2中(a)所示，匹配器16具备可变更常数(电容)的两个电容器和一个电感器。通过匹配器16所包含的未图示的匹配状态检测部以及控制部，变更电容器的常数，以便改善高频电源11与负载20之间的阻抗不匹配。但是，该变更是使用电动致动器等机械地进行的，因此非常缓慢。

另外，匹配器16的电路结构并不限于图2中(a)所示的结构，例如，也可以是图2中(b)～(d)所示的结构。在本发明中，能够根据负载20的结构等适当地选择匹配器16的电路结构。

从图1可知，匹配器16独立于阻抗匹配装置12。因此，从阻抗匹配装置12来看，可以说匹配器16中的常数的变更是独立的。

负载20是在蚀刻、薄膜形成这样的半导体制造工序中使用的等离子体处理装置(更详细而言，卷绕在构成等离子体处理装置的等离子体腔室的线圈)。负载20的阻抗会根据导入到等离子体腔室内的气体的种类以及量等，时时刻刻发生变动。

阻抗匹配装置12具备匹配状态值取得部13、控制部14和设定存储部15。对于阻抗匹配装置12而言，其全部可以被收纳在高频电源11或者匹配器16的壳体中，也可以只有一部分(例如，控制部14和设定存储部15)被收纳在高频电源11或者匹配器16的壳体中。或者，高频电源11、阻抗匹配装置12以及匹配器16的全部也可以被收纳在一个壳体中。

匹配状态值取得部13包括定向耦合器，该定向耦合器安装在连接高频电源11与匹配器16的电力线。匹配状态值取得部13输出与反射波的大小相关的值(反射功率值)作为表示高频电源11与负载20之间的匹配状态的匹配状态值。设定存储部15包括易失性或者非易失性的存储器。设定存储部15存储与用户输入的控制部14的动作相关的设定信息。控制部14包括运算处理单元mpu(micro-processingunit)等。控制部14基于从匹配状态值取得部13输出的匹配状态值和存储于设定存储部15的设定信息，输出用于控制高频电源11的振荡频率的控制信号。

接下来，参照图3～图5，对第一实施例中的控制部14的动作例进行说明。另外，以下，为了简化说明，对等离子体的点火已经完成、高频电源11的振荡频率为中心频率f0(＝13.56mhz)且在没有产生反射波时负载20的阻抗发生变动的情况进行说明。

首先，控制部14读取设定存储部15中存储的设定信息(步骤s1-1)。设定信息包括第一斜率、第二斜率、不匹配抑制期间和阈值。

接下来，控制部14基于匹配状态值来判断匹配状态是否急剧恶化(步骤s1-2)。更详细而言，控制部14每隔100μs参照匹配状态值，若从前一个匹配状态值向最新的匹配状态值的变化量超过阈值δrth，则判断为匹配状态急剧恶化。控制部14直到匹配状态急剧恶化为止，每隔100μs重复执行步骤s1-2。

若匹配状态急剧恶化，则控制部14在不匹配抑制期间t1内，以第一斜率使振荡频率朝向匹配状态得以改善的方向发生变化(步骤s1-3)。更详细而言，控制部14每隔100μs使振荡频率变化与第一斜率对应的量(在图4和图5所示的动作例中是降低)。

在本实施例中，将不匹配抑制期间t1设定为500μs。因此，控制部14在不匹配抑制期间t1内使振荡频率变化五次。此外，在本实施例中，第一斜率被设定为5hz/μs。因此，控制部14每隔100μs使振荡频率降低(或者上升)500hz。

若经过了不匹配抑制期间t1，则控制部14以第二斜率使振荡频率返回到中心频率f0(步骤s1-4)。更详细而言，控制部14每隔100μs使振荡频率朝向接近中心频率f0的方向变化与第二斜率对应的量(在图4以及图5所示的动作例中是上升)。

在本实施例中，第二斜率被设定为2，5hz/ms。即，在本实施例中，第二斜率被设定为第一斜率的1/2000。因此，控制部14每隔100μs使振荡频率降低(或者上升)0.25hz。

另外，控制部14不仅是在不匹配抑制期间t1内显著地改善了不匹配的情况下(参照图4)，在不匹配抑制期间t1内没怎么改善不匹配的情况下(参照图5)，若经过不匹配抑制期间t1，则不是使振荡频率进一步以第一斜率发生变化，而是还是执行步骤s1-4。

对于在步骤s1-3中未被改善的不匹配，通过独立地变更匹配器16的常数，缓慢地进行改善。即，在高频电源11的振荡频率以第二斜率返回到中心频率f0的期间t2内，并行地进行常数的变更和振荡频率的变更，但如上所述，第二斜率非常缓慢，因此不会因两个变更竞争而发生摆动(hunting)。

这样，本实施例所涉及的阻抗匹配装置12通过使高频电源11的振荡频率发生变化来将不匹配改善到某种程度，然后使振荡频率返回到原来的频率。因此，根据本实施例所涉及的阻抗匹配装置12，即使匹配状态连续地恶化，通过使振荡频率在上限频率f1(在本实施例中是14.56mhz)以及下限频率f2(在本实施例中是12.56mhz)的范围内发生变化，从而能够在短期间改善匹配状态(参照图6)。

另一方面，在步骤s1-3之后不执行步骤s1-4的比较例(参照图7以及图8)中，若匹配状态连续地恶化，则振荡频率达到上限频率f1以及下限频率f2中的任一个(在图8中是下限频率f2)，之后无法通过改变振荡频率来改善匹配状态。即，在比较例中，在匹配状态连续地恶化时，无法在短期间改善匹配状态。另外，上述专利文献1所记载的高频电源系统100在不进行与步骤s1-4相当的动作这一点上与上述比较例相同。

[第二实施例]

本发明的第二实施例所涉及的阻抗匹配装置12与第一实施例同样地具备匹配状态值取得部13、控制部14和设定存储部15。但是，本实施例中的控制部14进行与第一实施例中的控制部不同的动作。以下，参照图9以及图10，对第二实施例的控制部14的动作例进行说明。

首先，控制部14读取设定存储部15中存储的设定信息(步骤s2-1)。设定信息包括第一斜率、第二斜率、不匹配抑制期间和阈值。

接下来，控制部14与第一实施例的步骤s1-2同样地判断匹配状态是否急剧恶化(步骤s2-2)。控制部14在直到匹配状态急剧恶化为止，每隔100μs重复执行步骤s2-2。

若匹配状态急剧恶化，则控制部14开始以第一斜率使振荡频率朝向匹配状态得以改善的方向发生变化(步骤s2-3)。更详细而言，控制部14每隔100μs开始使振荡频率变化与第一斜率对应的量(在图10所示的动作例中是降低)。第一斜率与第一实施例同样地被设定为5hz/μs。

接下来，控制部14判断从开始使振荡频率发生变化起的累积期间是否达到了不匹配抑制期间t1，换言之，判断是否经过了不匹配抑制期间t1(步骤s2-4)。

在判断为经过了不匹配抑制期间t1的情况下，控制部14与第一实施例的步骤s1-4同样地以第二斜率使振荡频率返回到中心频率f0(步骤s2-7)。第二斜率与第一实施例同样地被设定为2.5hz/ms。即，在本实施例中，第二斜率是第一斜率的1/2000。

另一方面，在判断为未经过不匹配抑制期间t1的情况下，控制部14与步骤s2-2同样地判断匹配状态是否再次急剧恶化(步骤s2-5)。

在判断为匹配状态再次急剧恶化的情况下，控制部14将开始使振荡频率发生变化起的累积期间复位(步骤s2-6)，并且使振荡频率开始以第一斜率朝向匹配状态得以改善的方向发生变化(步骤s2-3)。

控制部14重复执行步骤s2-4以及步骤s2-5，直到经过了不匹配抑制期间t1或者在不匹配抑制期间t1内匹配状态急剧恶化为止。

这样，若在不匹配抑制期间t1内匹配状态再次急剧恶化，则本实施例的阻抗匹配装置12在以该恶化为起点的不匹配抑制期间t1内使振荡频率继续以第一斜率发生变化。因此，根据本实施例所涉及的阻抗匹配装置12，即使匹配状态以非常短的间隔连续地恶化，也能够在短期间改善匹配状态。

[变形例]

另外，在本发明的阻抗匹配装置中，有以下例示的变形例。

作为在判断匹配状态是否急剧恶化时参照的匹配状态值，控制部14也可以使用根据反射波的功率和行波的功率求出的电压驻波比vswr(voltagestandingwaveratio)。

设定存储部15也可以存储使振荡频率发生变化的间隔以及每一次变化的量的组合作为“第一斜率”以及“第二斜率”。在这种情况下，设定存储部15也可以存储使振荡频率以第一斜率发生变化的次数作为“不匹配抑制期间”。

设定存储部15也可以存储使振荡频率发生变化的间隔和用于基于匹配状态值(反射波的大小或者vswr)确定每一次变化的量的规则，作为“第一斜率”。在这种情况下，控制部14使振荡频率变化与最新的匹配状态值对应的量。此外，在这种情况下，“第一斜率”有可能在不匹配抑制期间的中途发生变化。根据该结构，在产生了大的不匹配的情况下，通过使振荡频率突变，能够在早期改善该不匹配。

设定存储部15也可以存储“目标匹配状态”来代替“不匹配抑制期间”。在这种情况下，控制部14在匹配状态值表示匹配状态已改善到“目标匹配状态”的情况的期间，以第一斜率使振荡频率发生变化，然后以第二斜率使振荡频率发生变化即可。

负载20也可以是等离子体处理装置以外的装置。

第一实施例以及第二实施例中的具体数值只是一例，也可以适当变更。另外，从防止摆动的观点出发，优选第二斜率越小越好。但是，若第二斜率过小，在期间t2内(即，振荡频率返回中心频率f0前)会产生下一个匹配状态的恶化，有可能会对在上限频率f1以及下限频率f2的范围内使振荡频率发生变化来进行的匹配状态的改善带来障碍。因此，在确定第二斜率时，需要考虑相反的这些情况。