(57)【要約】      （修正有）【課題】高周波電力の投入時に発生した反射電力を速やかに極小値に導いて高周波電力を再現性良く安定に供給できるようにする。【解決手段】高周波電力を負荷２に供給可能な高周波電源１１とマッチングボックス１２とをスイッチング稼働可能に設ける。高周波電源とマッチングボックスとの間に高周波反射電力検知器１３と制御信号発生器１４を設け、制御信号発生器１４から、高周波電源１１に対し基本制御信号を出力し、マッチングボックス１２と高周波反射電力検知器１３に所定時間の遅れをもって外部制御信号を出力する。それに同期して反射電力信号が制御信号発生器１４に帰還されるようにし、この反射電力信号が最小値となるように負荷の時間的変動に対する外部制御信号の制御信号パラメータを調節してマッチングを行う。【選択図】図１
2010288285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電力を負荷に供給可能な高周波電源と、電流電圧の位相のチューニング及びインピーダンスの整合を行うマッチングボックスとをスイッチング稼働可能に備え、この高周波電源とマッチングボックスとの間に高周波反射電力検知手段を設けると共に、高周波電源に対しパルス変調した基本制御信号を出力すると共にマッチングボックスに所定時間の遅れをもってパルス変調した外部制御信号を出力して高周波電源及びマッチングボックスをそれぞれ稼働させる制御信号発生器を設けた高周波装置であって、
前記制御信号発生器は、高周波反射電力検知器に対して外部制御信号を出力し、それに同期して反射電力信号が、高周波電源、マッチングボックス及び制御信号発生器のいずれかに帰還されるようにし、この反射電力信号が最小値となるように、負荷の時間的変動に対する外部制御信号の制御信号パラメータを調節してマッチングを行うようにしたことを特徴とする高周波装置。
【請求項２】
前記制御信号パラメータは、パルス変調した外部制御信号の繰返周波数、ｄｕｔｙ比、電流電圧の位相及びＯＮ時間のゲート幅を含むことを特徴とする請求項１記載の高周波装置。
【請求項３】
前記各外部制御信号の出力について、応答時間の遅れに応じた時間遅れ成分を予め補正することを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波装置。
【請求項４】
高周波電源、マッチングボックス及び制御信号発生器のいずれか１つにＣＰＵを設け、このＣＰＵによって高周波反射電力検知器で検知された反射電力信号を最小値に導くことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高周波装置。
【請求項５】
前記ＣＰＵによって、高周波反射電力検知器で検知された反射電力信号を最小値に導く場合、反射電力を順次または所定の判定基準によって段階的に行うことを特徴とする請求項４記載の高周波装置。
【請求項６】
前記反射電力信号が最小値となるように制御信号パラメータを調節する場合、高周波電源及びマッチングボックスの少なくとも一方の稼動をフィードバック制御することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の高周波装置。
【請求項７】
前記高周波反射電力検知器は、制御信号発生器内部で高周波反射電力検知器からの素信号の入力時間設定処理或いはこの素信号の入力後の加工処理を施すことができ、負荷の時間的変動に対して、任意の周期、 位相およびＯＮ時間のゲート幅におけるサンプリングに基づく反射電力の検知ができることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の高周波装置。
【請求項８】
高周波電源、マッチングボックス及び高周波反射電力から構成される高周波電力供給系を複数負荷に接続し、いずれか１台の高周波電源に基本制御信号を出力し、その他のものに外部制御信号を出力して１個の制御信号発生器で各高周波電力供給系を制御するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の高周波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電源からの高周波電力を再現性良く安定して供給できるようにしたエッチング、化学的気相堆積、物理的気相堆積や高周波加熱などの幅広いプロセスに使用される高周波装置であって、同期マッチングを行うものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の高周波装置では、高周波電源と、高周波出力（例えば、１３、５６ＭＨｚ）が供給される負荷との間に、マッチング可変コンデンサとチューニング可変コンデンサとを備えたマッチングボックスを設けると共に、このマッチングボックスと前記高周波電源との間に、入力インピーダンスと、入力高周波の電流電圧の位相とを検知する検知手段を設けている。そして、この検知手段で検知した入力インピーダンスに基づいてマッチング可変コンデンサの容量を調節し、電流電圧の位相に基づいてチューニング可変コンデンサの容量を調節してインピーダンスのマッチングを行う。この場合、負荷に対して高周波出力は連続波で供給され、負荷が一定であれば 高周波出力が比較的安定して供給される。
【０００３】
ところが、例えば負荷が一定の閾値を越えて時間変動が生じたとき、反射電力が発生し、その高周波装置のプロセス性能および再現性が損われ、場合によっては、高周波装置に動作不良が生じたり、故障したりする。このことから、高周波電源からの高周波電力を、変更信号発生回路からのパルスで変調をかけ、パルス的にＯＮ、ＯＦＦを繰り返すことが考えられている。そして、高周波電力投入時に生じる電力立上がりの過渡状態（反射電力の発生）を検知し、この過渡現象の生じる時間帯でのマッチングを停止することで、マッチングボックスの誤動作を回避している。このときのマッチングを停止するか否かの判定は、抵抗とコンデンサから決定される時定数で電力投入した直後の電力立上がり時間を考慮した回路素子からの信号に基づいて行われる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１５１３２９号公報（例えば、特許請求の範囲の記載）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、高周波電源の電力の立上がり時間は、高周波電力が供給される負荷の状態により大きく変化する。このため、上記のものでは、投入電力の立上がり時間の任意性、非線形に対するＲＣ回路の追従性や耐久性が問題となり、負荷に対して高周波電力を再現性良く安定に供給できない。また、このものでは、投入電力の立下りの際に生じる反射電力については考慮していないが、超ＬＳＩ製造などの今後の良質なプロセスにとっては、この立下りに起因するマッチング動作点の変移を考慮する必要がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記点に鑑み、高周波電力の投入時に発生した反射電力を速やかに極小値に導いて高周波電力を再現性良く安定に供給できるようにすることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の高周波装置は、高周波電力を負荷に供給可能な高周波電源と、電流電圧の位相のチューニング及びインピーダンスの整合を行うマッチングボックスとをスイッチング稼働可能に備え、この高周波電源とマッチングボックスとの間に高周波反射電力検知手段を設けると共に、高周波電源に対しパルス変調した基本制御信号を出力すると共にマッチングボックスに所定時間の遅れをもってパルス変調した外部制御信号を出力して高周波電源及びマッチングボックスをそれぞれ稼働させる制御信号発生器を設けた高周波装置であって、前記制御信号発生器は、高周波反射電力検知器に対して外部制御信号を出力し、それに同期して反射電力信号が、高周波電源、マッチングボックス及び制御信号発生器のいずれかに帰還されるようにし、この反射電力信号が最小値となるように、負荷の時間的変動に対する外部制御信号の制御信号パラメータを調節してマッチングを行うようにしたことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、高周波電力投入時に発生した反射電力信号に応じて、負荷の時間的変動に対する外部制御信号の制御信号パラメータを調節して、高周波電源及びマッチングボックスとの稼動を制御してマッチングを行うため、高周波電力を再現性良く安定に供給できる。
【０００９】
前記制御信号パラメータは、パルス変調した外部制御信号の繰返周波数、ｄｕｔｙ比、電流電圧の位相及びＯＮ時間のゲート幅を含むのがよい。
【００１０】
この場合、各配線の特性インピーダンス等に起因する遅れを考慮して、前記各外部制御信号の出力について、応答時間の遅れに応じた時間遅れ成分を予め補正するのがよい。
【００１１】
また、高周波電源、マッチングボックス及び制御信号発生器のいずれか１つにＣＰＵを設け、このＣＰＵによって高周波反射電力検知器で検知された反射電力信号を最小値に導くようにすればよい。
【００１２】
前記ＣＰＵによって、高周波反射電力検知器で検知された反射電力信号を最小値に導く場合、反射電力を順次または所定の判定基準によって段階的に行うようにすれば、高周波電力を再現性よく安定に供給できる。
【００１３】
前記反射電力信号が最小値となるように制御信号パラメータを調節する場合、高周波電源及びマッチングボックスの少なくとも一方の稼動をフィードバック制御すればよい。
【００１４】
尚、前記高周波反射電力検知器は、制御信号発生器内部で高周波反射電力検知器からの素信号の入力時間設定処理或いはこの素信号の入力後の加工処理を施すことができ、負荷の時間的変動に対して、任意の周期、 位相および時間幅におけるサンプリングに基づく反射電力の検知ができるのがよい。
【００１５】
高周波電源、マッチングボックス及び高周波反射電力から構成される高周波電力供給系を複数負荷に接続し、いずれか１台の高周波電源に基本制御信号を出力し、その他のものに外部制御信号を出力して１個の制御信号発生器で各高周波電力供給系を制御するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の高周波装置は、発生した反射電力を速やかに極小値に導いて負荷に対して高周波電力を再現性良く安定に供給できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】制御信号発生器を備えた本発明の高周波装置を概略的に示す図。
【図２】各外部制御信号の相互関係を説明する図。
【図３】（ａ）乃至（ｃ）は、高周波電力供給系のＯＮ時間のマッチング開始から反射電力の極小となるマッチング収束までの関係を説明する図。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、同期マッチングの収束した条件での約０．１ｓ毎にサンプリング測定された反射電力の時間変化を示すグラフ。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、繰返周波数１ＫＨｚでの同期、非同期状態でマッチングしたときの特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１には、例えば誘導結合型の放電を発生させる本発明の高周波装置１が示されている。この高周波装置１は、ケーブルを介して高周波電力を負荷２に供給する第１及び第２の各高周波電源１１ａ、１１ｂを有する。第１の高周波電源１１ａは主放電（アンテナ）用の電力を供給し（第１の高周波電力供給系Ｓ１）、 第２の高周波電源１１ｂはその主放電により生成されたイオン種を基板へ入射させるための基板バイアス用電力を供給する（第２の高周波電力供給系Ｓ２）。各高周波電源１１ａ、１１ｂと負荷２との間には、公知の構造を有するマッチングボックス１２ａ、１２ｂがそれぞれ設けられている。マッチングボックス１２ａ、１２ｂは、マッチング可変コンデンサとチューニング可変コンデンサとを有し、入力インピーダンスと、入力高周波の電流電圧の位相とからマッチング可変コンデンサ及びチューニング可変コンデンサの容量を調節してインピーダンスのマッチングを行う。
【００１９】
ところで、従来のマッチング時の不整合に起因する不安定な反射電力の発生の原因として、負荷２の時間的変動と高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２の動作タイミングとの間の不一致が考えられる。この不一致の要素として、（１）負荷２の時間変動の周期とマッチング稼働の時間変動の周期との相違、（２）高周波電源１１ａ、１１ｂの時間変調の１周期中の負荷２の変動によるマッチング稼働目標の設定負荷と実際の負荷２との間の位相のずれ、（３）負荷２の時間変動にともない目標に設定された負荷に対する実際の負荷２が時間的に変移するような長時間のマッチング稼動、そして、（４）反射電力の検知での高周波電源１１ａ、１１ｂの変調の周期、位相および高周波電力供給の時間幅や時間遅延に同期しない反射電力のモニタリングがあげられる。即ち、反射電力を抑えて、安定した再現性の良い高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２のためには、負荷２の時間的変動に対する周期・位相・時間幅(以下、「同期」という)を考慮したマッチング及び反射電力のモニタリングが重要である。
【００２０】
そこで、本実施の形態では、このマッチングボックス１２ａ、１２ｂと各高周波電源１１ａ、１１ｂとの間に高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂを設けた。この高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂは、公知の構造の電圧検出回路、電流検出回路を有し、マッチング可変コンデンサ及びチューニング可変コンデンサの容量を調節するため入力インピーダンスと、入力高周波の電流電圧の位相とを検知すると共に、負荷２の変動によって反射されてきた反射波の電圧電流の位相差から高周波電源投入時の反射電力を検知する。また、高周波装置１には、デジタル式反射電力信号入力の各端子を設けたＣＰＵ（図示せず）を有する制御信号発生器１４を設け、この制御信号発生器１４を介して、第１の高周波電源１１ａに対しパルス変調した基本制御信号（基本パルス）Ｃ１０を出力すると共に、この基本パルスＣ１０に対して負荷２の時間的変動に対する周期・位相・時間幅（ＯＮ時間のゲート幅）を最適にした５種類の外部制御信号（遅延パルス）Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２（Ｃｍｎ）を出力し、高周波電源１１ａ、１１ｂ及びマッチングボックス１２ａ、１２ｂを稼動させるようにした。高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂは、制御信号発生器１４からの制御信号にそれぞれ同期して反射電力信号を出力するように構成され、この反射電力信号は制御信号発生器１４へ帰還されるようになっている。この制御信号発生器１４によって、主放電用の電力を一方の高周波電源１１ａにより供給する場合、その電力をパルス変調したときの両高周波電源１１ａ、１１ｂでの反射電力を抑制するため同期マッチングが行われる。
【００２１】
各高周波電源１１ａ、１１ｂ及び各マッチングボックス１２ａ、１２ｂは、必要に応じてクロック式の基本制御信号、外部制御信号（外部トリガーも含む）によってそれぞれスイッチング稼動するように構成している。この場合、外部制御信号Ｃｍｎによる高周波電源１１ａ、１１ｂ及びマッチングボックス１２ａ、１２ｂのスイッチング稼動とは、高周波電源１１ａ、１１ｂに対しては基本制御信号、外部制御信号の強度の時間変化に対応した高周波電力値の時間変調（パルス変調）のことをいう。また、マッチングボックス１２ａ、１２ｂについては、外部制御信号強度がある閾値レベル以下(またはある閾値レベル以上、或いはある信号波形またはあるクロック信号の組み合わせ)のとき電流電圧の位相チューニングおよびインピーダンスマッチングのオート稼動を停止または開始することなどをいう。
【００２２】
そして、制御信号発生器１４を備えた高周波装置１では、負荷２に対して、第１の高周波電力供給系Ｓ１によって主放電用の高周波電力を、第２の高周波電力供給系Ｓ２によってイオン入射促進用バイアス電力を供給する。この場合、制御信号発生器１４は、高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂに対して外部制御信号Ｃ１２、Ｃ２２を出力し、それに同期して反射電力信号Ｄ１２、Ｄ２２が制御信号発生器１４にそれぞれ帰還される。尚、外部制御信号Ｃｍｎを構成する基本要素信号の1クロック周期(tc)、一連の複数クロックの集合体よりなる制御信号発生器１４からのスイッチング用の外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２の最小ＯＮ時間幅(△ton@Rmn)、各高周波電源１１ａ、１１ｂのスイッチング応答時間(tτ@Rmn:）は、 tc＜tτ@Rmn≪△ton@Rmnである。
【００２３】
また、制御信号発生器１４からの外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２におけるＯＮ時間ton@Rmnの間はそれぞれ対応する各高周波電源１１ａ、１１ｂを稼動可能な閾値レベル以上のゲート信号が維持されており、ton@Rmnから外れたＯＦＦ時間(toff@Rmn)中、各高周波電源１１ａ、１１ｂをそれぞれ稼動停止するようにした。尚、高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂからの出力をフィードバック用制御信号として用いるとき、高周波装置１内での発振や誤動作などを避けるには、高周波電力変調に同期または適宜遅延などの処理を施したサンプリング(以下、「同期サンプリング」という)に基づき、マッチングに不要な信号の帰還処理を抑制するのがよい。
【００２４】
図２には、制御信号発生器１４より高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２へ出力される各外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２の初期値の関係を示す。各高周波電源１１ａ、１１ｂから負荷２に通じる各ケーブルの特性インピーダンス等に起因する遅れであって、各高周波電源１１ａ、１１ｂに対し制御信号発生器１４から出力された瞬間からの各外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２に対する応答時間(tL@Rmn)の遅れを考慮して、各外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２の出力について、時間遅れ成分を予め補正している。この場合、ＯＮ時間のゲート幅ton@R10=2ms(一定)、またＯＦＦ時間の幅toff@R10=2ms(一定)に設定した基準の方形波信号Ｃ１０(周期T=ton@R10+toff@R10=4ms, 繰返周波数ｆ＝２５０Ｈｚ及びｄｕｔｙ比D = ton@R10／Ｔ＝５０％)を基本波トリガーとした。
【００２５】
この場合、負荷２を０．６７ＰａのＡｒガス雰囲気とし、高周波電力供給系Ｓ１より主放電用の高周波電力を８００Ｗとし、これをパルス変調した。次いで、時間t=0より高周波電力供給系Ｓ１での高周波反射電力の帰還信号Ｄ１２が極小になるようにマッチングボックス１２ａをフィードバック制御し、この帰還信号Ｄ１２の極小値への収束(ton1: 収束時間)を受けて、t=ton1より基板バイアス用の高周波電力供給系Ｓ２での反射電力を極小とするようにマッチングボックス１２ｂのフィードバック制御を行う。このフィードバック制御による第１及び第２の各高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２に対するアルゴリズムは、基本的には同じ要素のフローチャートに沿う。以下に、 代表例として、各外部制御信号の初期条件およびt=0〜ton1の時間で主放電用の高周波電力供給系Ｓ１での反射電力の帰還信号Ｄ１２を極小にするアルゴリズムを説明する。
【００２６】
この場合、基本制御信号Ｃ１０、外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２におけるＯＮ時間の初期ゲート幅をそれぞれton@R10=2ms, ton@R11i=ton@R10−td, ton@R12i=ton@R11iとし、第１高周波電源１１ａ、マッチングボックス１２ａ及び高周波反射電力検知器１３ａの稼動開始時刻tをそれぞれt=t10+tL@R10=0, t=t11+tL@R11=td, t=t12+tL@R12=td とした。一般に、グロー放電をパルス変調した場合、パルス電圧印加時より数μs〜数10μsの過渡現象が見受けられる。この過渡期には負荷２の時間変化が大きく、高周波回路内では不安定な反射電力が発生し、これはフィードバック制御系においては発振などの要因になりやすい。このため、本実施の形態では、この過渡期を外す目的から基本制御信号Ｃ１０以外の全ての外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の出力にtd=0.1msの遅延時間を設けた。さらに、基本制御信号Ｃ１０のＯＦＦに伴ってグロー放電がアフターグローへ移行し、先のパルス電圧印加時の過渡期と同様に負荷２の時間的な変動が生じ始めることから、各外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２がＯＦＦされる時刻を、基本制御信号Ｃ１０に同期させた。尚、t＜ton1における第２の高周波電力供給系Ｓ２の外部制御信号Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２については、誘導結合型の放電に対する第１の高周波電力供給系Ｓ１におけるマッチングの過渡期を考慮して、第２の高周波電力供給系Ｓ２の稼動を停止させる目的で全停止することとした。この初期条件で同期マッチングを開始し、外部制御信号Ｃ１１及びＣ１２の各ＯＮ時間のゲート幅を順次調整して反射電力の抑制を図った。
【００２７】
次に、外部制御信号のＯＮ時間のゲート幅および同期サンプリングにより検知された反射電力などの変数定義を行い、反射電力を抑制する原理について説明する。図３（ａ）には、外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の初期条件としてＯＮ時間のゲート幅及びそのゲート幅の初期値をＮ分割したときの概略を示す。この分割数Ｎは大きいほど反射電力抑制の繊細な制御に有利であるが、高周波電源１１ａ、１１ｂ、マッチングボックス１２ａ、１２ｂ及び高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂの応答時間と帰還信号の収束時間ｔｄなどを考慮する必要がある。本実施の形態では、ｔｄ=０．１ｍｓに固定してＮ＝１９とした。この場合、外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の順次調整される各最小ＯＮ時間の幅は(ton@R10−td)/N=0.1ms(≡△)であり、それら時間幅の各要素に対し、 図３（ａ）に示すように連番で番号を付ける。また、外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の各要素からなる連続ＯＮ時間のゲート幅(i：ゲート信号の印加されたときの要素番号、k：ゲート信号の遮断されたときの要素番号)をそれぞれton@R11(i, k), ton@R12(i, k)とし、 そのＯＮ時間内での同期サンプリングにより平均反射電力Pr(i, k)を検知し、その信号Ｄ１２(i, k)を反射電力判定用演算子を内蔵した制御信号発生器１４へ帰還させた。
【００２８】
図３（ｂ）は、図３（ａ）からの反射電力抑制のための初回判定アルゴリズムにより決定された外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２に対するＯＮ時間の再設定状態を示す。そして、図３（ａ）から最終的に反射電力が極小となる制御信号の条件(i=9およびk=12, 図３（ｃ）参照)への収束を説明する。即ち、図３（ａ）に示す平均反射電力Pr(1, 19)に対する比較データとしてPr(2, 19)及びPr(1, 18)を調査すると、それらの中でPr(2, 19)が最小であった。このことから、次の同期マッチングのための外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の各ＯＮ時間をそれぞれton@R11(2, 19), ton@R12(2, 19)に変更した(図３（ｂ）参照)。そして、図３（ａ）における場合と同様に、図３（ｂ）におけるPr(2, 19)に対する参照データPr(3, 19)及びPr(2, 18)を比較して、それらの中で最小の反射電力を検知した。その結果、最小値はPr(3, 19)であったことから、続く同期マッチングのＯＮ時間をton@R12(3, 19), ton@R11(3, 19)に再設定した。
【００２９】
そして、ある時点での外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２のＯＮ時間ton@R11(i, k)、ton@R12(i, k)において、Pr(i, k)、Pr(i+1, k)及びPr(i, k−1)を計測し、これらの中で Pr(i+1, k)が最小値であった場合は次の同期マッチングのＯＮ時間としてton@R11(i+1, k)かつton@R12(i+1, k)、或いはPr(i, k−1)が最小の場合にはその直後の同期マッチングのＯＮ時間をton@R11(i, k−1)かつton@R12(i, k−1)へと変更する。同期マッチングのＯＮ時間の短縮される差分の組合わせへと変更を加えたことにより平均反射電力が抑制される限り、さらにその直後の判定もＯＮ時間を短縮した組み合わせの比較用反射電力をサンプリング検知する(或いは逆にＯＮ時間の増加するような差分に対して反射電力が抑制される場合、その直後ではＯＮ時間を増す組合わせの判定用反射電力のサンプリング測定を追加する)。
【００３０】
ところで、同期マッチングのＯＮ時間変更の前後で変更前の反射電力が最小となった場合、その後はＯＮ時間の差分の符号を入れ替えた組み合わせへと同期マッチングのゲート幅を再編成する。その結果、図３（ｂ）は、図３（ａ）のものから開始して一連の反射電力抑制の判定アルゴリズムによって最初に３回目の同期マッチングのための外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の各ＯＮ時間として決定された条件であり、図３（ｃ）は、同期マッチングの反射電力を最小にする外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の収束した時刻のものを示す。次いで、図３（ａ）の時刻から図３（ｃ）の３度目に現れた時刻の時間差を高周波電力供給系Ｓ１における同期マッチングの収束時間をton1とした。図３（ｃ）における同期マッチングを試みたときの主放電用の供給電力（Ａｒ放電の負荷２で消費される電力)及び負荷２からの反射電力の測定結果を図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す。これにより、平均反射電力が８Ｗ以下およびパルス変調に起因する反射電力の時間的な変動成分が±３Ｗ以下にそれぞれ抑制されることがわかる。
【００３１】
さらに、 繰返周波数ｆ=１ＫＨｚ、Ｎ＝４の条件で、 図４に示すものと同様に同期マッチングした例を図５に示す。このとき、マッチングボックス１２ａへの制御信号i=4およびk=4において、投入電力７００Ｗのとき反射電力は１８Ｗ±７Ｗまで抑制されることがわかった。尚、図４及び図５には、同期マッチングを行わずにマッチングボックスを作動させたときの検知結果をそれぞれ併記した。これにより、パルス変調における同期マッチングの効果が飛躍的に改善されることが確認された。
【００３２】
次に、第２の高周波電力供給系Ｓ２での同期マッチングのための各ゲート信号C2nに対するＯＮ時間の初期条件を図２中のton1≦t≦ton1+Tに示す。この場合、ＯＮ時間での電力PRF2=２０Ｗに初期設定した高周波電源１１ｂは、図中のゲート信号Ｃ２０により高周波電源１１ａの作動直後の過渡期を避けたtdの遅延時間後に立上がり、その後は一定のＯＮ時間ton@R20(=ton@R10−td)を経て、高周波電源１１ａに同期して立下がる条件とした。また、各高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂに対して、t＞ton1では、第１の高周波電力供給系Ｓ１内の高周波反射電力が抑制され、その同期マッチングが安定しているため、第２の高周波電力供給系Ｓ２の同期マッチング用の制御信号Ｃ２１、Ｃ２２の初期値としてton@R22i=ton@R21i=ton@R12に設定した。以降の第２の高周波電力供給系Ｓ２に対する同期マッチングのフローチャートは、上述した第１の高周波電力供給系Ｓ１のものとほぼ同様である。
【００３３】
これにより、第１の高周波電力供給系Ｓ１と比較して速やかに第２の高周波電力供給系Ｓ２での反射電力が極小値へ収束し、平均反射電力値は３Ｗ以下および反射電力の時間変動成分は±２Ｗ以下となることが確認された。
【００３４】
上記のものは、時間変調した高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２に対する同期マッチングの実施例である。比較例として、比較のための制御信号Ｃ１０及びＣ２０を、図２のt≧ton1と同様に設定し、かつ外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１及びＣ２２を全て連続波として作動させた。この場合、第１の高周波電力供給系Ｓ１(図４参照)と、第２の高周波電力供給系Ｓ２とでは、それぞれ不安定な反射電力が生じて、各マッチングボックスの作動に収束の兆候が見受けられず、例えば第１の高周波電力供給系Ｓ１による高周波電力の投入によって維持される主放電が頻繁に一時的停止し(この場合、第１及び第２の各高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２ではそれぞれ全反射となる)、マッチングは収束しなかった。
【００３５】
尚、上記実施の形態では、主放電を誘導結合型とした２系統の高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２に対する同期マッチングについて説明したが、これに限定されるものではなく、少なくとも本系統での繰返周波数をｆ＝１ＫＨｚまで高めた場合でも反射電力の抑制された安定動作が実現され、さらに１ＫＨｚを超える誘導結合型放電や誘導結合型に閉じない主放電を容量結合型とした組み合わせのもの、またはＲＦ周波数に限らないＶＨＦやマイクロ波周波数帯域などの多様な電力供給系に対して１系統はもとより２系統以上の任意に組み合わせられた複雑な高周波電力駆動系などへの本発明の適用が有効である。
【００３６】
また、本発明の応用例として、主放電に対して任意に設定された基板バイアス側のマッチング用外部制御信号群により、例えば主放電のアフターグロー領域のみに限定、または主放電の１周期中でのＯＮ時間の任意の時刻からアフターグローのある時刻まで、或いは主放電の繰返周波数と異なる低い繰返周波数にて主放電の動作タイミングを間引く、もしくは主放電の１周期中でのＯＮ時間内での高繰返し、さらにはこれらを含むその他多様なパターンとを複雑に組み合わせることにより従来技術では不可能であった新規の基板バイアス法が実現でき、反応性イオンエッチングやラジカルエッチング、化学的気相堆積または物理的気相堆積や高周波加熱などの幅広い分野において、これまで未開拓であった全く新しいプロセス法の提案が可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
１  高周波装置
１１ａ、１１ｂ  高周波電源
１２ａ、１２ｂ  マッチングボックス
１３ａ、１３ｂ  高周波反射電力検知器
１４  制御信号発生器
２  負荷
Ｓ１、Ｓ２  高周波電力供給系
【図１】
2010288285.tif 000003
【図２】
2010288285.tif 000004
【図３】
2010288285.tif 000005
【図４】
2010288285.tif 000006
【図５】
2010288285.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月1日(2010.7.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電力を負荷に供給可能な高周波電源と、該高周波電力の電流電圧の位相のチューニング及びインピーダンスの整合を行うマッチングボックスとをスイッチング稼働可能に備えた高周波装置において、
前記高周波電力を供給したときの反射電力を検知する高周波反射電力検知器と、
前記高周波電源を稼働させるパルス状の基本制御信号を出力すると共に該基本制御信号の出力から遅れて前記高周波反射電力検知器及びマッチングボックスを稼働させるパルス状の外部制御信号をそれぞれ出力する１つの制御信号発生器と、を備え、
前記制御信号発生器から前記高周波反射電力検知器への外部制御信号の出力と同期して前記高周波反射電力検知器から前記制御信号発生器に反射電力信号が帰還され、帰還した反射電力信号が最小値となるように、前記制御信号発生器は前記マッチングボックスへの外部制御信号の繰返周波数、ｄｕｔｙ比又はＯＮ時間を調節することを特徴とする高周波装置。
【請求項２】
前記高周波電源、マッチングボックス及び高周波反射電力検知器から構成される高周波電力供給系を複数備え、
前記１つの制御信号発生器は、一の高周波電力供給系の高周波電源に前記基本制御信号を出力すると共に、他の高周波電力供給系の高周波電源と各高周波電力供給系の高周波反射電力検知器及びマッチングボックスとに前記外部制御信号をそれぞれ出力し、各高周波反射電力検知器への前記外部制御信号の出力と同期して各高周波反射電力検知器から前記制御信号発生器に反射電力信号が帰還され、帰還した反射電力信号が最小値となるように各マッチングボックスへの前記外部制御信号の繰返周波数、ｄｕｔｙ比又はＯＮ時間を調節することを特徴とする請求項１記載の高周波装置。
【請求項３】
前記一の高周波電力供給系の高周波電源から前記負荷に放電用の高周波電力を供給し、前記他の高周波電力供給系の高周波電源から前記負荷にバイアス用の高周波電力を供給することを特徴とする請求項２記載の高周波装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電源からの高周波電力を再現性良く安定して供給できるようにしたエッチング、化学的気相堆積、物理的気相堆積や高周波加熱などの幅広いプロセスに使用される高周波装置であって、同期マッチングを行うものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の高周波装置では、高周波電源と、高周波出力（例えば、１３、５６ＭＨｚ）が供給される負荷との間に、マッチング可変コンデンサとチューニング可変コンデンサとを備えたマッチングボックスを設けると共に、このマッチングボックスと前記高周波電源との間に、入力インピーダンスと、入力高周波の電流電圧の位相とを検知する検知手段を設けている。そして、この検知手段で検知した入力インピーダンスに基づいてマッチング可変コンデンサの容量を調節し、電流電圧の位相に基づいてチューニング可変コンデンサの容量を調節してインピーダンスのマッチングを行う。この場合、負荷に対して高周波出力は連続波で供給され、負荷が一定であれば 高周波出力が比較的安定して供給される。
【０００３】
ところが、例えば負荷が一定の閾値を越えて時間変動が生じたとき、反射電力が発生し、その高周波装置のプロセス性能および再現性が損われ、場合によっては、高周波装置に動作不良が生じたり、故障したりする。このことから、高周波電源からの高周波電力を、変更信号発生回路からのパルスで変調をかけ、パルス的にＯＮ、ＯＦＦを繰り返すことが考えられている。そして、高周波電力投入時に生じる電力立上がりの過渡状態（反射電力の発生）を検知し、この過渡現象の生じる時間帯でのマッチングを停止することで、マッチングボックスの誤動作を回避している。このときのマッチングを停止するか否かの判定は、抵抗とコンデンサから決定される時定数で電力投入した直後の電力立上がり時間を考慮した回路素子からの信号に基づいて行われる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１５１３２９号公報（例えば、特許請求の範囲の記載）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、高周波電源の電力の立上がり時間は、高周波電力が供給される負荷の状態により大きく変化する。このため、上記のものでは、投入電力の立上がり時間の任意性、非線形に対するＲＣ回路の追従性や耐久性が問題となり、負荷に対して高周波電力を再現性良く安定に供給できない。また、このものでは、投入電力の立下りの際に生じる反射電力については考慮していないが、超ＬＳＩ製造などの今後の良質なプロセスにとっては、この立下りに起因するマッチング動作点の変移を考慮する必要がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記点に鑑み、高周波電力の投入時に発生した反射電力を速やかに極小値に導いて高周波電力を再現性良く安定に供給できるようにすることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、高周波電力を負荷に供給可能な高周波電源と、該高周波電力の電流電圧の位相のチューニング及びインピーダンスの整合を行うマッチングボックスとをスイッチング稼働可能に備えた高周波装置において、前記高周波電力を供給したときの反射電力を検知する高周波反射電力検知器と、前記高周波電源を稼働させるパルス状の基本制御信号を出力すると共に該基本制御信号の出力から遅れて前記高周波反射電力検知器及びマッチングボックスを稼働させるパルス状の外部制御信号をそれぞれ出力する１つの制御信号発生器と、を備え、前記制御信号発生器から前記高周波反射電力検知器への外部制御信号の出力と同期して前記高周波反射電力検知器から前記制御信号発生器に反射電力信号が帰還され、帰還した反射電力信号が最小値となるように、前記制御信号発生器は前記マッチングボックスへの外部制御信号の繰返周波数、ｄｕｔｙ比又はＯＮ時間を調節することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、高周波電力投入時に発生した反射電力信号に応じて、負荷の時間的変動に対する外部制御信号の繰返周波数、ｄｕｔｙ比又はＯＮ時間を調節して、高周波電源及びマッチングボックスとの稼動を制御してマッチングを行うため、高周波電力を再現性良く安定に供給できる。
【０００９】
前記高周波電源、マッチングボックス及び高周波反射電力検知器から構成される高周波電力供給系を複数備える場合、前記１つの制御信号発生器は、一の高周波電力供給系の高周波電源に前記基本制御信号を出力すると共に、他の高周波電力供給系の高周波電源と各高周波電力供給系の高周波反射電力検知器及びマッチングボックスとに前記外部制御信号をそれぞれ出力し、各高周波反射電力検知器への前記外部制御信号の出力と同期して各高周波反射電力検知器から前記制御信号発生器に反射電力信号が帰還され、帰還した反射電力信号が最小値となるように各マッチングボックスへの前記外部制御信号の繰返周波数、ｄｕｔｙ比又はＯＮ時間を調節するのがよい。
【００１０】
前記一の高周波電力供給系の高周波電源から前記負荷に放電用の高周波電力を供給し、前記他の高周波電力供給系の高周波電源から前記負荷にバイアス用の高周波電力を供給してもよい。
【００１１】
高周波反射電力検知器で検知された反射電力信号を最小値に導く場合、反射電力を順次または所定の判定基準によって段階的に行うようにすれば、高周波電力を再現性よく安定に供給できる。
【００１２】
尚、前記高周波反射電力検知器は、制御信号発生器内部で高周波反射電力検知器からの素信号の入力時間設定処理或いはこの素信号の入力後の加工処理を施すことができ、負荷の時間的変動に対して、任意の周期、位相および時間幅におけるサンプリングに基づく反射電力の検知ができるのがよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明の高周波装置は、発生した反射電力を速やかに極小値に導いて負荷に対して高周波電力を再現性良く安定に供給できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】制御信号発生器を備えた本発明の高周波装置を概略的に示す図。
【図２】各外部制御信号の相互関係を説明する図。
【図３】（ａ）乃至（ｃ）は、高周波電力供給系のＯＮ時間のマッチング開始から反射電力の極小となるマッチング収束までの関係を説明する図。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、同期マッチングの収束した条件での約０．１ｓ毎にサンプリング測定された反射電力の時間変化を示すグラフ。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、繰返周波数１ＫＨｚでの同期、非同期状態でマッチングしたときの特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１には、例えば誘導結合型の放電を発生させる本発明の高周波装置１が示されている。この高周波装置１は、ケーブルを介して高周波電力を負荷２に供給する第１及び第２の各高周波電源１１ａ、１１ｂを有する。第１の高周波電源１１ａは主放電（アンテナ）用の電力を供給し（第１の高周波電力供給系Ｓ１）、 第２の高周波電源１１ｂはその主放電により生成されたイオン種を基板へ入射させるための基板バイアス用電力を供給する（第２の高周波電力供給系Ｓ２）。各高周波電源１１ａ、１１ｂと負荷２との間には、公知の構造を有するマッチングボックス１２ａ、１２ｂがそれぞれ設けられている。マッチングボックス１２ａ、１２ｂは、マッチング可変コンデンサとチューニング可変コンデンサとを有し、入力インピーダンスと、入力高周波の電流電圧の位相とからマッチング可変コンデンサ及びチューニング可変コンデンサの容量を調節してインピーダンスのマッチングを行う。
【００１６】
ところで、従来のマッチング時の不整合に起因する不安定な反射電力の発生の原因として、負荷２の時間的変動と高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２の動作タイミングとの間の不一致が考えられる。この不一致の要素として、（１）負荷２の時間変動の周期とマッチング稼働の時間変動の周期との相違、（２）高周波電源１１ａ、１１ｂの時間変調の１周期中の負荷２の変動によるマッチング稼働目標の設定負荷と実際の負荷２との間の位相のずれ、（３）負荷２の時間変動にともない目標に設定された負荷に対する実際の負荷２が時間的に変移するような長時間のマッチング稼動、そして、（４）反射電力の検知での高周波電源１１ａ、１１ｂの変調の周期、位相および高周波電力供給の時間幅や時間遅延に同期しない反射電力のモニタリングがあげられる。即ち、反射電力を抑えて、安定した再現性の良い高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２のためには、負荷２の時間的変動に対する周期・位相・時間幅(以下、「同期」という)を考慮したマッチング及び反射電力のモニタリングが重要である。
【００１７】
そこで、本実施の形態では、このマッチングボックス１２ａ、１２ｂと各高周波電源１１ａ、１１ｂとの間に高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂを設けた。この高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂは、公知の構造の電圧検出回路、電流検出回路を有し、マッチング可変コンデンサ及びチューニング可変コンデンサの容量を調節するため入力インピーダンスと、入力高周波の電流電圧の位相とを検知すると共に、負荷２の変動によって反射されてきた反射波の電圧電流の位相差から高周波電源投入時の反射電力を検知する。また、高周波装置１には、デジタル式反射電力信号入力の各端子を設けたＣＰＵ（図示せず）を有する制御信号発生器１４を設け、この制御信号発生器１４を介して、第１の高周波電源１１ａに対しパルス変調した基本制御信号（基本パルス）Ｃ１０を出力すると共に、この基本パルスＣ１０に対して負荷２の時間的変動に対する周期・位相・時間幅（ＯＮ時間のゲート幅）を最適にした５種類の外部制御信号（遅延パルス）Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２（Ｃｍｎ）を出力し、高周波電源１１ａ、１１ｂ及びマッチングボックス１２ａ、１２ｂを稼動させるようにした。高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂは、制御信号発生器１４からの制御信号にそれぞれ同期して反射電力信号を出力するように構成され、この反射電力信号は制御信号発生器１４へ帰還されるようになっている。この制御信号発生器１４によって、主放電用の電力を一方の高周波電源１１ａにより供給する場合、その電力をパルス変調したときの両高周波電源１１ａ、１１ｂでの反射電力を抑制するため同期マッチングが行われる。
【００１８】
各高周波電源１１ａ、１１ｂ及び各マッチングボックス１２ａ、１２ｂは、必要に応じてクロック式の基本制御信号、外部制御信号（外部トリガーも含む）によってそれぞれスイッチング稼動するように構成している。この場合、外部制御信号Ｃｍｎによる高周波電源１１ａ、１１ｂ及びマッチングボックス１２ａ、１２ｂのスイッチング稼動とは、高周波電源１１ａ、１１ｂに対しては基本制御信号、外部制御信号の強度の時間変化に対応した高周波電力値の時間変調（パルス変調）のことをいう。また、マッチングボックス１２ａ、１２ｂについては、外部制御信号強度がある閾値レベル以下(またはある閾値レベル以上、或いはある信号波形またはあるクロック信号の組み合わせ)のとき電流電圧の位相チューニングおよびインピーダンスマッチングのオート稼動を停止または開始することなどをいう。
【００１９】
そして、制御信号発生器１４を備えた高周波装置１では、負荷２に対して、第１の高周波電力供給系Ｓ１によって主放電用の高周波電力を、第２の高周波電力供給系Ｓ２によってイオン入射促進用バイアス電力を供給する。この場合、制御信号発生器１４は、高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂに対して外部制御信号Ｃ１２、Ｃ２２を出力し、それに同期して反射電力信号Ｄ１２、Ｄ２２が制御信号発生器１４にそれぞれ帰還される。尚、外部制御信号Ｃｍｎを構成する基本要素信号の1クロック周期(tc)、一連の複数クロックの集合体よりなる制御信号発生器１４からのスイッチング用の外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２の最小ＯＮ時間幅(△ton@Rmn)、各高周波電源１１ａ、１１ｂのスイッチング応答時間(tτ@Rmn:）は、 tc＜tτ@Rmn≪△ton@Rmnである。
【００２０】
また、制御信号発生器１４からの外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２におけるＯＮ時間ton@Rmnの間はそれぞれ対応する各高周波電源１１ａ、１１ｂを稼動可能な閾値レベル以上のゲート信号が維持されており、ton@Rmnから外れたＯＦＦ時間(toff@Rmn)中、各高周波電源１１ａ、１１ｂをそれぞれ稼動停止するようにした。尚、高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂからの出力をフィードバック用制御信号として用いるとき、高周波装置１内での発振や誤動作などを避けるには、高周波電力変調に同期または適宜遅延などの処理を施したサンプリング(以下、「同期サンプリング」という)に基づき、マッチングに不要な信号の帰還処理を抑制するのがよい。
【００２１】
図２には、制御信号発生器１４より高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２へ出力される各外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２の初期値の関係を示す。各高周波電源１１ａ、１１ｂから負荷２に通じる各ケーブルの特性インピーダンス等に起因する遅れであって、各高周波電源１１ａ、１１ｂに対し制御信号発生器１４から出力された瞬間からの各外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２に対する応答時間(tL@Rmn)の遅れを考慮して、各外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２の出力について、時間遅れ成分を予め補正している。この場合、ＯＮ時間のゲート幅ton@R10=2ms(一定)、またＯＦＦ時間の幅toff@R10=2ms(一定)に設定した基準の方形波信号Ｃ１０(周期T=ton@R10+toff@R10=4ms, 繰返周波数ｆ＝２５０Ｈｚ及びｄｕｔｙ比D = ton@R10／Ｔ＝５０％)を基本波トリガーとした。
【００２２】
この場合、負荷２を０．６７ＰａのＡｒガス雰囲気とし、高周波電力供給系Ｓ１より主放電用の高周波電力を８００Ｗとし、これをパルス変調した。次いで、時間t=0より高周波電力供給系Ｓ１での高周波反射電力の帰還信号Ｄ１２が極小になるようにマッチングボックス１２ａをフィードバック制御し、この帰還信号Ｄ１２の極小値への収束(ton1: 収束時間)を受けて、t=ton1より基板バイアス用の高周波電力供給系Ｓ２での反射電力を極小とするようにマッチングボックス１２ｂのフィードバック制御を行う。このフィードバック制御による第１及び第２の各高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２に対するアルゴリズムは、基本的には同じ要素のフローチャートに沿う。以下に、 代表例として、各外部制御信号の初期条件およびt=0〜ton1の時間で主放電用の高周波電力供給系Ｓ１での反射電力の帰還信号Ｄ１２を極小にするアルゴリズムを説明する。
【００２３】
この場合、基本制御信号Ｃ１０、外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２におけるＯＮ時間の初期ゲート幅をそれぞれton@R10=2ms, ton@R11i=ton@R10−td, ton@R12i=ton@R11iとし、第１高周波電源１１ａ、マッチングボックス１２ａ及び高周波反射電力検知器１３ａの稼動開始時刻tをそれぞれt=t10+tL@R10=0, t=t11+tL@R11=td, t=t12+tL@R12=td とした。一般に、グロー放電をパルス変調した場合、パルス電圧印加時より数μs〜数10μsの過渡現象が見受けられる。この過渡期には負荷２の時間変化が大きく、高周波回路内では不安定な反射電力が発生し、これはフィードバック制御系においては発振などの要因になりやすい。このため、本実施の形態では、この過渡期を外す目的から基本制御信号Ｃ１０以外の全ての外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の出力にtd=0.1msの遅延時間を設けた。さらに、基本制御信号Ｃ１０のＯＦＦに伴ってグロー放電がアフターグローへ移行し、先のパルス電圧印加時の過渡期と同様に負荷２の時間的な変動が生じ始めることから、各外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２がＯＦＦされる時刻を、基本制御信号Ｃ１０に同期させた。尚、t＜ton1における第２の高周波電力供給系Ｓ２の外部制御信号Ｃ２０、Ｃ２１、Ｃ２２については、誘導結合型の放電に対する第１の高周波電力供給系Ｓ１におけるマッチングの過渡期を考慮して、第２の高周波電力供給系Ｓ２の稼動を停止させる目的で全停止することとした。この初期条件で同期マッチングを開始し、外部制御信号Ｃ１１及びＣ１２の各ＯＮ時間のゲート幅を順次調整して反射電力の抑制を図った。
【００２４】
次に、外部制御信号のＯＮ時間のゲート幅および同期サンプリングにより検知された反射電力などの変数定義を行い、反射電力を抑制する原理について説明する。図３（ａ）には、外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の初期条件としてＯＮ時間のゲート幅及びそのゲート幅の初期値をＮ分割したときの概略を示す。この分割数Ｎは大きいほど反射電力抑制の繊細な制御に有利であるが、高周波電源１１ａ、１１ｂ、マッチングボックス１２ａ、１２ｂ及び高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂの応答時間と帰還信号の収束時間ｔｄなどを考慮する必要がある。本実施の形態では、ｔｄ=０．１ｍｓに固定してＮ＝１９とした。この場合、外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の順次調整される各最小ＯＮ時間の幅は(ton@R10−td)/N=0.1ms(≡△)であり、それら時間幅の各要素に対し、 図３（ａ）に示すように連番で番号を付ける。また、外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の各要素からなる連続ＯＮ時間のゲート幅(i：ゲート信号の印加されたときの要素番号、k：ゲート信号の遮断されたときの要素番号)をそれぞれton@R11(i, k), ton@R12(i, k)とし、そのＯＮ時間内での同期サンプリングにより平均反射電力Pr(i, k)を検知し、その信号Ｄ１２(i, k)を反射電力判定用演算子を内蔵した制御信号発生器１４へ帰還させた。
【００２５】
図３（ｂ）は、図３（ａ）からの反射電力抑制のための初回判定アルゴリズムにより決定された外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２に対するＯＮ時間の再設定状態を示す。そして、図３（ａ）から最終的に反射電力が極小となる制御信号の条件(i=9およびk=12, 図３（ｃ）参照)への収束を説明する。即ち、図３（ａ）に示す平均反射電力Pr(1, 19)に対する比較データとしてPr(2, 19)及びPr(1, 18)を調査すると、それらの中でPr(2, 19)が最小であった。このことから、次の同期マッチングのための外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の各ＯＮ時間をそれぞれton@R11(2, 19), ton@R12(2, 19)に変更した(図３（ｂ）参照)。そして、図３（ａ）における場合と同様に、図３（ｂ）におけるPr(2, 19)に対する参照データPr(3, 19)及びPr(2, 18)を比較して、それらの中で最小の反射電力を検知した。その結果、最小値はPr(3, 19)であったことから、続く同期マッチングのＯＮ時間をton@R12(3, 19), ton@R11(3, 19)に再設定した。
【００２６】
そして、ある時点での外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２のＯＮ時間ton@R11(i, k)、ton@R12(i, k)において、Pr(i, k)、Pr(i+1, k)及びPr(i, k−1)を計測し、これらの中で Pr(i+1, k)が最小値であった場合は次の同期マッチングのＯＮ時間としてton@R11(i+1, k)かつton@R12(i+1, k)、或いはPr(i, k−1)が最小の場合にはその直後の同期マッチングのＯＮ時間をton@R11(i, k−1)かつton@R12(i, k−1)へと変更する。同期マッチングのＯＮ時間の短縮される差分の組合わせへと変更を加えたことにより平均反射電力が抑制される限り、さらにその直後の判定もＯＮ時間を短縮した組み合わせの比較用反射電力をサンプリング検知する(或いは逆にＯＮ時間の増加するような差分に対して反射電力が抑制される場合、その直後ではＯＮ時間を増す組合わせの判定用反射電力のサンプリング測定を追加する)。
【００２７】
ところで、同期マッチングのＯＮ時間変更の前後で変更前の反射電力が最小となった場合、その後はＯＮ時間の差分の符号を入れ替えた組み合わせへと同期マッチングのゲート幅を再編成する。その結果、図３（ｂ）は、図３（ａ）のものから開始して一連の反射電力抑制の判定アルゴリズムによって最初に３回目の同期マッチングのための外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の各ＯＮ時間として決定された条件であり、図３（ｃ）は、同期マッチングの反射電力を最小にする外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２の収束した時刻のものを示す。次いで、図３（ａ）の時刻から図３（ｃ）の３度目に現れた時刻の時間差を高周波電力供給系Ｓ１における同期マッチングの収束時間をton1とした。図３（ｃ）における同期マッチングを試みたときの主放電用の供給電力（Ａｒ放電の負荷２で消費される電力)及び負荷２からの反射電力の測定結果を図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す。これにより、平均反射電力が８Ｗ以下およびパルス変調に起因する反射電力の時間的な変動成分が±３Ｗ以下にそれぞれ抑制されることがわかる。
【００２８】
さらに、繰返周波数ｆ=１ＫＨｚ、Ｎ＝４の条件で、図４に示すものと同様に同期マッチングした例を図５に示す。このとき、マッチングボックス１２ａへの制御信号i=4およびk=4において、投入電力７００Ｗのとき反射電力は１８Ｗ±７Ｗまで抑制されることがわかった。尚、図４及び図５には、同期マッチングを行わずにマッチングボックスを作動させたときの検知結果をそれぞれ併記した。これにより、パルス変調における同期マッチングの効果が飛躍的に改善されることが確認された。
【００２９】
次に、第２の高周波電力供給系Ｓ２での同期マッチングのための各ゲート信号C2nに対するＯＮ時間の初期条件を図２中のton1≦t≦ton1+Tに示す。この場合、ＯＮ時間での電力PRF2=２０Ｗに初期設定した高周波電源１１ｂは、図中のゲート信号Ｃ２０により高周波電源１１ａの作動直後の過渡期を避けたtdの遅延時間後に立上がり、その後は一定のＯＮ時間ton@R20(=ton@R10−td)を経て、高周波電源１１ａに同期して立下がる条件とした。また、各高周波反射電力検知器１３ａ、１３ｂに対して、t＞ton1では、第１の高周波電力供給系Ｓ１内の高周波反射電力が抑制され、その同期マッチングが安定しているため、第２の高周波電力供給系Ｓ２の同期マッチング用の制御信号Ｃ２１、Ｃ２２の初期値としてton@R22i=ton@R21i=ton@R12に設定した。以降の第２の高周波電力供給系Ｓ２に対する同期マッチングのフローチャートは、上述した第１の高周波電力供給系Ｓ１のものとほぼ同様である。
【００３０】
これにより、第１の高周波電力供給系Ｓ１と比較して速やかに第２の高周波電力供給系Ｓ２での反射電力が極小値へ収束し、平均反射電力値は３Ｗ以下および反射電力の時間変動成分は±２Ｗ以下となることが確認された。
【００３１】
上記のものは、時間変調した高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２に対する同期マッチングの実施例である。比較例として、比較のための制御信号Ｃ１０及びＣ２０を、図２のt≧ton1と同様に設定し、かつ外部制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１及びＣ２２を全て連続波として作動させた。この場合、第１の高周波電力供給系Ｓ１(図４参照)と、第２の高周波電力供給系Ｓ２とでは、それぞれ不安定な反射電力が生じて、各マッチングボックスの作動に収束の兆候が見受けられず、例えば第１の高周波電力供給系Ｓ１による高周波電力の投入によって維持される主放電が頻繁に一時的停止し(この場合、第１及び第２の各高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２ではそれぞれ全反射となる)、マッチングは収束しなかった。
【００３２】
尚、上記実施の形態では、主放電を誘導結合型とした２系統の高周波電力供給系Ｓ１、Ｓ２に対する同期マッチングについて説明したが、これに限定されるものではなく、少なくとも本系統での繰返周波数をｆ＝１ＫＨｚまで高めた場合でも反射電力の抑制された安定動作が実現され、さらに１ＫＨｚを超える誘導結合型放電や誘導結合型に閉じない主放電を容量結合型とした組み合わせのもの、またはＲＦ周波数に限らないＶＨＦやマイクロ波周波数帯域などの多様な電力供給系に対して１系統はもとより２系統以上の任意に組み合わせられた複雑な高周波電力駆動系などへの本発明の適用が有効である。
【００３３】
また、本発明の応用例として、主放電に対して任意に設定された基板バイアス側のマッチング用外部制御信号群により、例えば主放電のアフターグロー領域のみに限定、または主放電の１周期中でのＯＮ時間の任意の時刻からアフターグローのある時刻まで、或いは主放電の繰返周波数と異なる低い繰返周波数にて主放電の動作タイミングを間引く、もしくは主放電の１周期中でのＯＮ時間内での高繰返し、さらにはこれらを含むその他多様なパターンとを複雑に組み合わせることにより従来技術では不可能であった新規の基板バイアス法が実現でき、反応性イオンエッチングやラジカルエッチング、化学的気相堆積または物理的気相堆積や高周波加熱などの幅広い分野において、これまで未開拓であった全く新しいプロセス法の提案が可能となる。
【符号の説明】
【００３４】
１  高周波装置
１１ａ、１１ｂ  高周波電源
１２ａ、１２ｂ  マッチングボックス
１３ａ、１３ｂ  高周波反射電力検知器
１４  制御信号発生器
２  負荷
Ｓ１、Ｓ２  高周波電力供給系