(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接またはインピーダンス整合ネットワークを通してのいずれかにおいて、電力をプラズマ負荷に送達する発生器のソースインピーダンスを調節する方法であって、前記方法は、
第１の信号を発生させ、前記第１の信号をコンバイナの第１の入力に印加することと、
第２の信号を発生させ、前記第２の信号を前記コンバイナの第２の入力に印加することと、
前記コンバイナを用いて、前記コンバイナの出力において前記第１の信号と第２の信号とを組み合わせ、前記プラズマ負荷に送達される電力を生成することと、
前記発生器の前記ソースインピーダンスと前記プラズマ負荷のインピーダンスとの間の不整合をもたらすインピーダンスを前記コンバイナのアイソレーションポートに提供することによって、前記発生器の前記ソースインピーダンスを前記プラズマ負荷の前記インピーダンスから不整合にすることと
を含む、方法。
【請求項２】
前記プラズマ負荷が前記コンバイナの設計された負荷インピーダンスと整合させられており、かつ、前記アイソレーションポートが終端されているインピーダンスが設計された終端インピーダンスに等しく、かつ、前記第１および第２の信号が設計された振幅および位相関係を有する場合、前記第１および第２の信号によって前記コンバイナに供給される総電力の８０％を上回るものが、前記コンバイナの出力に接続されている整合させられた負荷に送達され、前記第１および第２の信号によって供給される総電力の２０％未満のものが、前記アイソレーションポート終端に送達され、前記入力信号のうちの１つの位相が１８０度シフトされた場合、前記第１および第２の信号によって前記コンバイナに供給される総電力の８０％を上回るものが、前記アイソレーションポート終端に送達され、前記第１および第２の信号によって前記コンバイナに供給される総電力の２０％未満のものが、前記出力に接続されている前記整合させられた負荷に送達される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の信号は、前記第１の信号に対して６０〜１２０度位相シフトされている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
監視されるパラメータに基づいて前記不整合を引き起こすように、制御可能可変インピーダンスを調節することを含み、前記監視されるパラメータは、
電力供給源と前記プラズマ負荷との間の相互作用を示すパラメータ、プラズマ点火を示すパラメータ、およびパルス状電力印加におけるパルス形状を示すパラメータのうちの少なくとも１つであり、
前記制御可能可変インピーダンスを調節することは、前記プラズマ負荷の不安定性の減少、前記プラズマ負荷の点火、および前記プラズマ負荷に送達されるパルス状電力の改良されたパルス形状のうちの少なくとも１つを促進するように前記発生器のソースインピーダンスを調節する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記プラズマ負荷は、感度ベクトル（ＳＬ）を有し、前記発生器は、感度ベクトル（ＳＧ）を有し、
前記調節することは、
前記感度ベクトル（ＳＬ）と前記感度ベクトル（ＳＧ）との間の角度が所定の閾値の間にあるように、前記感度ベクトル（ＳＬ）および前記感度ベクトル（ＳＧ）を整列させること
を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記監視されるパラメータは、電圧、電流、順電力、反射電力、およびプラズマ負荷インピーダンスのうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
電力をプラズマ負荷に提供するための電力供給源システムであって、前記電力供給源システムは、
入力および第１の増幅器出力を含む第１の電力増幅器と、
入力および第２の増幅器出力を含む第２の電力増幅器と、
第１の信号を前記第１の増幅器出力から受信するように配置されている第１の入力ポート、第２の信号を前記第２の増幅器出力から受信するように配置されている第２の入力ポート、出力電力を提供するための出力ポート、および終端インピーダンスに結合するように配置されているアイソレーションポートを含む４ポートコンバイナであって、前記コンバイナは、前記第１の信号と前記第２の信号とを組み合わせ、電力信号を前記出力ポートに印加するように構成されている、４ポートコンバイナと、
前記電力供給源システムの前記ソースインピーダンスと前記プラズマ負荷のインピーダンスとの間の不整合をもたらす、前記終端インピーダンスとして前記アイソレーションポートに結合されているインピーダンス構成要素と
を備えている、電力供給源システム。
【請求項８】
入力信号を発生させるように構成されている信号発生器と、
前記入力信号に応答して、前記第１の電力増幅器への信号と前記第２の増幅器への信号とを提供するための直交スプリッタと
を備え、
前記第２の増幅器への信号は、前記第１の電力増幅器に提供される信号に対して６０〜１２０度位相シフトされている、請求項７に記載の電力供給源システム。
【請求項９】
前記インピーダンス構成要素は、制御可能であり、個別的に切り替えられるコンデンサの集合および継続的に可変のコンデンサのうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の電力供給源システム。
【請求項１０】
コントローラをさらに備え、
前記コントローラは、
プロセッサと、
前記制御可能なインピーダンス構成要素を調節するために前記プロセッサによって実行可能である非一過性命令を含む非一過性メモリと
を含み、
前記命令は、前記電力供給源システムのソースインピーダンスを調節するための命令を含む、請求項９に記載の電力供給源システム。
【請求項１１】
コントローラをさらに備え、
前記コントローラは、
フィールドプログラマブルゲートアレイと、
前記フィールドプログラマブルゲートアレイによってアクセスされ、前記電力供給源システムのソースインピーダンスを調節するように前記フィールドプログラマブルゲートアレイを構成する非一過性命令を含む非一過性メモリと
を含む、請求項９に記載の電力供給源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（米国特許法§１１９に基づく優先権の主張）
本願は、米国仮出願第６１／９６９，５３８号（２０１４年３月２４日出願、名称「ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＯＦ  ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ  ＳＯＵＲＣＥ  ＩＭＰＥＤＡＮＣＥ」、これに関し譲受人に譲渡）に対する優先権を主張し、上記出願は、参照により本明細書に明示的に引用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、概して、プラズマ処理システムに関し、より具体的には、電源とプラズマとの間の相互作用に関する。
【背景技術】
【０００３】
プラズマ処理システムは、材料の表面特性を修正するために種々の産業において広く使用されている。例えば、現代の集積回路の製造は、概して、サブマイクロメートル特徴をエッチングするために、または材料の薄層を原子的に堆積させるためにプラズマを使用する、多くの処理ステップを伴う。
【０００４】
典型的プラズマ処理システムは、処理チャンバと、チャンバ内側にプラズマを生成し、それを維持する電力送達システムとを備えている。電気的に、プラズマは、電力発生器によって駆動される特性インピーダンスを伴う負荷である。しかしながら、処理プラズマのインピーダンスは、概して、一定ではなく、プロセス条件または他の変数に応じて、変動し得る。プラズマインピーダンスにおける変動は、典型的には、特定の負荷インピーダンスのためだけに最適電力送達を提供する発生器からの電力送達に悪影響を及ぼし得る。これらの変動はまた、異なる電力レベルにおけるプラズマの物理的特性の変化に起因して、エッチング率または堆積率等のプロセス変数に望ましくないドリフトもしくは摂動ももたらし得る。その結果、プラズマ処理システムは、多くの場合、プラズマインピーダンスの変化に応答し、プラズマへの所望のレベルの電力送達を維持するインピーダンス整合および制御機構または回路を具備する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下は、本明細書に開示される１つ以上の側面および／または実施形態に関連する、簡略化された概要を提示する。したがって、以下の概要は、全ての検討される側面および／または実施形態に関連する、広範な概要であると考えられるべきではなく、また、以下の概要は、全ての検討される側面および／または実施形態に関連する重要または必須要素を識別するもの、もしくは任意の特定の側面および／または実施形態に関連付けられた範囲を境界するものと見なされるべきでもない。故に、以下の概要は、以下に提示される発明を実施するための形態の前置きとして、本明細書に開示される機構に関連する１つ以上の側面および／または実施形態に関して、ある概念を簡略化された形態で提示することのみを目的とする。
【０００６】
ある側面によると、発生器のソースインピーダンスを調節する方法は、第１の信号を発生させ、第１の信号をコンバイナの第１の入力に印加することと、第２の信号を発生させ、第２の信号をコンバイナの第２の入力に印加することとを含む。第１および第２の信号は、コンバイナを用いて、コンバイナの出力において組み合わせられ、プラズマ負荷に送達される電力を生成し、制御可能可変インピーダンスが、コンバイナのアイソレーションポートに提供される。制御可能可変インピーダンスは、発生器のソースインピーダンスを変動させるように調節される。
【０００７】
別の側面によると、電力供給源システムは、入力および第１の増幅器出力を含む第１の電力増幅器と、入力および第２の増幅器出力を含む第２の電力増幅器とを含む。電力供給源システムは、第１の信号を第１の増幅器出力から受信するように配置されている第１の入力ポートと、第２の信号を第２の増幅器出力から受信するように配置されている第２の入力ポートと、出力電力を提供するための出力ポートと、終端インピーダンスに結合するように配置されているアイソレーションポートとを含む４ポートコンバイナも含む。コンバイナは、第１の信号および第２の信号を組み合わせ、電力信号を出力ポートに印加するように構成される。制御可能可変インピーダンス構成要素が、終端インピーダンスとして、アイソレーションポートに結合され、コントローラが、電力供給源システムのソースインピーダンスを修正するために、制御可能可変インピーダンス構成要素を調節するように構成される。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
直接またはインピーダンス整合ネットワークを通してのいずれかにおいて、電力をプラズマ負荷に送達する発生器のソースインピーダンスを調節する方法であって、前記方法は、
第１の信号を発生させ、前記第１の信号をコンバイナの第１の入力に印加することと、
第２の信号を発生させ、前記第２の信号を前記コンバイナの第２の入力に印加することと、
前記コンバイナを用いて、前記コンバイナの出力において前記第１の信号と第２の信号とを組み合わせ、前記プラズマ負荷に送達される電力を生成することと、
制御可能可変インピーダンスを前記コンバイナのアイソレーションポートに提供することと、
前記制御可能可変インピーダンスを調節し、前記発生器のソースインピーダンスを調節することと
を含む、方法。
（項目２）
前記プラズマ負荷が前記コンバイナの設計された負荷インピーダンスと整合させられており、前記アイソレーションポートが終端されているインピーダンスが設計された終端インピーダンスに等しく、前記第１および第２の信号が設計された振幅および位相関係を有する場合、前記第１および第２の信号によって前記コンバイナに供給される総電力の８０％を上回るものが、前記コンバイナの出力に接続されている整合させられた負荷に送達され、前記第１および第２の信号によって供給される総電力の２０％未満のものが、前記アイソレーションポート終端に送達され、前記入力信号のうちの１つの位相が１８０度シフトされた場合、前記第１および第２の信号によって前記コンバイナに供給される総電力の８０％を上回るものが、前記アイソレーションポート終端に送達され、前記第１および第２の信号によって前記コンバイナに供給される総電力の２０％未満のものが、前記出力に接続されている整合させられた負荷に送達される、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記第２の信号は、前記第１の信号に対して６０〜１２０度位相シフトされている、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記電力供給源と前記プラズマ負荷との間の相互作用を示すパラメータ、プラズマ点火を示すパラメータ、およびパルス状電力印加におけるパルス形状を示すパラメータのうちの少なくとも１つが監視され、
前記ソースインピーダンスを調節することは、前記発生器のソースインピーダンスを調節し、前記プラズマ負荷の不安定性の減少、前記プラズマ負荷の点火、および前記プラズマ負荷に送達されるパルス状電力の改良されたパルス形状のうちの少なくとも１つを促進することを含む、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記調節することは、
前記発生器のソースインピーダンスを前記プラズマ負荷のインピーダンスから不整合にすることと、
前記プラズマ負荷のインピーダンス軌道を前記電力供給源の開ループ電力プロファイルの輪郭に合わせることと
を含む、項目４に記載の方法。
（項目６）
前記監視することは、電圧、電流、順電力、反射電力、およびプラズマ負荷インピーダンスのうちの少なくとも１つを監視することを含む、項目４に記載の方法。
（項目７）
前記調節することは、
不安定性を減少させること、プラズマ点火を改良すること、およびパルス形状を調節することのうちの少なくとも１つのために、勾配および無勾配最適化方法論のうちの少なくとも１つを使用して、前記ソースインピーダンスを調節することを含む、項目４に記載の方法。
（項目８）
電力をプラズマ負荷に提供するための電力供給源システムであって、前記電力供給源システムは、
入力および第１の増幅器出力を含む第１の電力増幅器と、
入力および第２の増幅器出力を含む第２の電力増幅器と、
第１の信号を前記第１の増幅器出力から受信するように配置されている第１の入力ポート、第２の信号を前記第２の増幅器出力から受信するように配置されている第２の入力ポート、出力電力を提供するための出力ポート、および終端インピーダンスに結合するように配置されているアイソレーションポートを含む４ポートコンバイナであって、前記コンバイナは、前記第１の信号と前記第２の信号とを組み合わせ、電力信号を前記出力ポートに印加するように構成されている、４ポートコンバイナと、
前記終端インピーダンスとして前記アイソレーションポートに結合されている制御可能可変インピーダンス構成要素と、
前記制御可能可変インピーダンス構成要素を調節し、前記電力供給源システムのソースインピーダンスを修正するように構成されているコントローラと
を備えている、電力供給源システム。
（項目９）
入力信号を発生させるように構成されている信号発生器と、
前記入力信号に応答して、前記第１の電力増幅器への信号と前記第２の増幅器への信号とを提供するための直交スプリッタと
を備え、
前記第２の増幅器への信号は、前記第１の電力増幅器に提供される信号に対して６０〜１２０度位相シフトされている、項目８に記載の電力供給源。
（項目１０）
前記制御可能可変インピーダンス構成要素は、個別的に切り替えられるコンデンサおよび継続的に可変のコンデンサの集合のうちの少なくとも１つを含む、項目８に記載の電力供給源。
（項目１１）
前記コントローラは、
プロセッサと、
前記制御可能可変インピーダンスを調節するために前記プロセッサによって実行可能である非一過性命令を含む非一過性メモリでと
を含み、
前記命令は、前記電力供給源のソースインピーダンスを調節するための命令を含む、項目８に記載の電力供給源。
（項目１２）
前記コントローラは、
フィールドプログラマブルゲートアレイと、
前記フィールドプログラマブルゲートアレイによってアクセスされ、前記発生器のソースインピーダンスを調節するように前記フィールドプログラマブルゲートアレイを構成する非一過性命令を含む非一過性メモリと
を含む、項目８に記載の電力供給源。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、プラズマとの発生器インターフェースを示す、システム略図である。
【図２】図２は、固定制御入力を用いてスミス図表上にプロットされた、負荷インピーダンスの関数としての送達電力のプロットである。
【図３】図３は、特定の非線形負荷に対する、１０〜１０００Ｗの送達電力の関数としての負荷インピーダンスのプロットである。
【図４】図４は、図３の特性を伴う非線形負荷に対して動作する図２のものに対応する特性を伴う発生器に対する、送達電力伝達関数に対する制御入力を描写するグラフである。
【図５】図５は、発生器と負荷との間に挿入される電気長４５°を伴う追加の５０Ωケーブルを用いた、図３のプロットに対応する１０〜１０００Ｗの送達電力の関数としての負荷インピーダンスのプロットである。
【図６】図６は、図５の特性を伴う非線形負荷に対して動作する図２のものに対応する特性を伴う発生器に対する、送達電力伝達関数に対する制御入力を描写するグラフである。
【図７】図７は、予測される不安定性につながる、ＳＧに対するＳＬの角度とともに、発生器および非線形負荷感度ベクトルＳＧおよびＳＬを描写するグラフである。
【図８】図８は、より詳細な分析を図示するための閉ループ制御システムを描写する制御図である。
【図９】図９は、内積
【０００９】
【数１】
0006586424.tif 000002
【００１０】
のＤＣ値がゼロであるとき、２ｋＨｚにおいて１ループ利得を伴う、単一積分器閉ループ制御を仮定して、
【００１１】
【数２】
0006586424.tif 000003
【００１２】
のＤＣ値の関数としての閉ループ極位置を示す。
【図１０】図１０は、
【００１３】
【数３】
0006586424.tif 000004
【００１４】
のＤＣ値がゼロであるとき、２ｋＨｚにおいて１ループ利得を伴う、単一積分器閉ループ制御を仮定して、内積
【００１５】
【数４】
0006586424.tif 000005
【００１６】
のＤＣ値の関数としての閉ループ極位置を示す。
【図１１】図１１は、プラズマ時の発生器とインピーダンス整合ネットワークとの間の２つの異なるケーブル長に対する、プラズマインピーダンス対プラズマ電力の軌道とともに、５０Ωソースインピーダンス発生器の開ループ電力プロファイルを示す。
【図１２】図１２は、プラズマ時の発生器とインピーダンス整合ネットワークとの間の２つの異なるケーブル長に対する、プラズマインピーダンス対プラズマ電力の軌道とともに、非５０Ωソースインピーダンス発生器の開ループ電力プロファイルを示す。
【図１３】図１３は、スミス図表上にプロットされた負荷インピーダンスの関数としての代表的産業用電力増幅器の測定される送達電力を描写する。
【図１４】図１４は、４３７ボルトおよび２９−ｊ１１４Ωのテブナン等価電源を使用する、スミス図表上にプロットされた負荷インピーダンスの関数としての図１３の代表的産業用電力増幅器の予測される送達電力を示す。
【図１５】図１５は、代表的電力増幅器に対する、５０Ω負荷に送達される電力の関数としてのテブナン等価電源インピーダンスである。
【図１６】図１６は、平衡増幅器を描写する概略図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、４ポートコンバイナの実装を描写する概略図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、４ポートコンバイナの別の実装を描写する概略図である。
【図１８】図１８は、複合増幅器を構成する個々の電力増幅器のソースインピーダンスがゼロである場合のアイソレーションポート（一般に、隔離ポートとも称される）終端インピーダンスの関数としての複合増幅器のソースインピーダンスを示す。
【図１９】図１９は、複合増幅器を構成する個々の電力増幅器のソースインピーダンスがｊ２０Ωである場合のアイソレーションポート終端インピーダンスの関数としての複合増幅器のソースインピーダンスを示す。
【図２０】図２０は、複合増幅器を構成する個々の電力増幅器のソースインピーダンスが４９Ωである場合のアイソレーションポート終端インピーダンスの関数としての複合増幅器のソースインピーダンスを示す。
【図２１】図２１は、複合増幅器を構成する個々の電力増幅器のソースインピーダンスが３０−ｊ１２０Ωである場合のアイソレーションポート終端インピーダンスの関数としての複合増幅器のソースインピーダンスを示す。
【図２２】図２２は、プラズマ処理システムを描写するブロック図である。
【図２３】図２３は、発生器の例示的実施形態を描写するブロック図である。
【図２４】図２４は、図２２および２３のコントローラを実現するために使用され得る、物理的構成要素を描写するブロック図である。
【図２５】図２５は、本明細書に説明される実施形態に関連して詳説され得る例示的方法を描写するフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の種々の実施形態の理解は、電気発生器の出力電力における不安定性が、どのようにして発生器とそれが接続されている非線形負荷のインピーダンスとの間の相互作用の結果として生じ得るかの分析によって補助される。プラズマ発生器相互作用は、プラズマシステムの安定性における重要な役割を果たす。この相互作用は、図１を参照して理解され得る。一般に、システムは、以下の３つの方程式によって説明され得る。
【００１８】
【数１１】
0006586424.tif 000006
【００１９】
式中、Ｐは、発生器によって送達される電力であり、
【００２０】
【数１１−１】
0006586424.tif 000007
【００２１】
および
【００２２】
【数１１−２】
0006586424.tif 000008
【００２３】
は、それぞれ、整合およびケーブルを通してプラズマによって発生器にもたらされる負荷反射係数の実数部および虚数部であり、Ｃは、発生器電力増幅器に提供される制御入力（典型的には、駆動信号振幅、ゲートバイアス、または供給電圧）であり、ｔは、時間である。
【００２４】
初期分析は、プラズマシステムからのインピーダンスの変化に応答して、発生器電力の変化が瞬時に発生し、同様に、発生器にもたらされるインピーダンスの変化が、プラズマ中への電力が変化させられると瞬時に発生すると仮定して、簡略化されることができる。さらに、システムは時間依存性ではないと仮定して、以下に至る。
【００２５】
【数１２】
0006586424.tif 000009
【００２６】
関数は、微分可能であると仮定し、一次導関数のみを伴うテイラー級数展開を使用して、動作点の周囲において３つの方程式を線形化し、以下を求めることができる。
【００２７】
【数１３】
0006586424.tif 000010
【００２８】
【数１４】
0006586424.tif 000011
【００２９】
これは、発生器電力増幅器の電力出力に対する制御入力が以下によって修正されることを意味する。
【００３０】
【数１５】
0006586424.tif 000012
【００３１】
この乗数の分母は、以下である。
【００３２】
【数１６】
0006586424.tif 000013
【００３３】
これは、１−（ベクトルの内積）である。
【００３４】
【数１７】
0006586424.tif 000014
【００３５】
第１のベクトルＳＧは、負荷インピーダンスの変化に対する発生器の感度（反射係数として表される）であり、第２のベクトルＳＬは、発生器電力の変化に対する非線形負荷インピーダンスの感度を説明する。
【００３６】
制御入力に対する発生器電力増幅器の利得は、内積が１に近づくにつれて、無限に近づくため、内積の増加は、発生器制御ループ内の利得および位相余裕の侵食に起因して、発生器制御システムの不安定性につながり得る。内積が１未満である限り、制御ループ利得の降下は、電力増幅器の電力出力に対する制御入力の増加を補償することができる。しかしながら、内積が１より大きくなるとすぐに、電力出力に対する制御入力の符号は、逆転し、制御ループ利得のいかなる修正も、安定性を回復することができない。米国特許第７，５７０，０２８号に開示されるように、負荷インピーダンスについての情報をも使用する、制御システムは、これらの条件下、安定方式で動作することができる。さらに、ＤＣにおける利得が反転され得る場合でも、続くより詳細な分析において検討される適切な高周波数応答を用いて、システムは、ループ内の単純積分器を使用して、制御可能かつ安定し得ることは興味深い。
【００３７】
特定のインピーダンスおよび電力レベルにおける発生器感度ベクトルＳＧは、その特定の電力がその特定のインピーダンスに対して生成されるように、制御入力Ｃを調節し、次いで、固定された制御入力を用いて負荷インピーダンスを変動させ、負荷インピーダンスの関数として送達電力を記録することによって、見出されることができる。特定の負荷に対する特定の電力レベルにおけるベクトルＳＧは、したがって、特定の負荷インピーダンスに対応する負荷反射係数における、負荷反射係数の関数としての送達電力のこのプロットの勾配となる。図２は、５０Ωに対する５００ＷにおけるＳＧを見出すためのそのようなプロットを示す。より具体的には、図２は、固定制御入力を用いて、スミス図表上にプロットされた負荷インピーダンスの関数としての送達電力のプロットである（横座標および縦座標軸が、それぞれ、負荷反射係数の実数部および虚数部に対応する）。原点で評価されるこのプロットの勾配は、５００Ｗにおける５０Ωに対する発生器感度ベクトルＳＧである。
【００３８】
特定の非線形負荷（例えば、特定のガス混合物および圧力における特定のプラズマチャンバ内のプラズマ負荷）に関して、負荷感度ベクトルＳＬは、存在し得る任意の可変整合構成要素を固定し、送達電力を変動させ、送達電力の関数として発生器にもたらされるインピーダンスを記録することによって、見出されることができる。図３は、５００ＷにおけるＳＬを見出すためのそのようなプロットを示す（５００Ｗにおける発生器に５０Ωを提示するように調節される整合ネットワークを用いて）。より具体的には、図３は、特定の非線形負荷に関する、１０〜１０００Ｗの送達電力の関数としての負荷インピーダンスのプロットであり、○は、１０Ｗに対応し、ｘは、５００Ｗに対応する。原点における線に対する接線は、５００Ｗにおける負荷感度ベクトルＳＬに対応する。
【００３９】
負荷に送達される電力の関数としての負荷インピーダンスの軌道上の各点において特定された電力を達成するために要求される制御入力を解法することによって、特定の発生器を使用する特定の非線形負荷に関する制御入力の関数としての出力電力のプロットが、得られることができる。内積が、１より大きい場合、傾きｄＰ／ｄＣは、負となるであろうことが予期され得る。図４は、これが実際に当てはまることを示す。特に、図４は、図３の特性を伴う非線形負荷に対して動作する図２のそれに対応する特性を伴う発生器に関する、送達電力伝達関数に対する制御入力を描写するグラフである。図２は、１つのみの固定制御入力における発生器の応答を示すことに留意されたい。この伝達関数を構築するために、制御入力の連続体における応答が既知でなければならない。
【００４０】
負荷感度ベクトルＳＬは、発生器出力と負荷との間に追加の長さの伝送線を挿入することによって、容易に回転されることができる。負荷感度ベクトルを回転させ、安定動作を達成するためのケーブルの使用は、標準的実践である。例えば、図５は、発生器と負荷との間に挿入される４５°の電気長を伴う追加の長さの５０Ωケーブルを用いた、図３の負荷に対応する、送達電力の関数として発生器にもたらされる負荷を示す。より具体的には、図５は、発生器と負荷との間に挿入される４５°の電気長を伴う追加の５０Ωケーブルを用いた、図３のプロットに対応する、１０〜１０００Ｗの送達電力の関数としての負荷インピーダンスのプロットであり、○は、１０Ｗに対応し、ｘは、５００Ｗに対応する。送達電力出力伝達関数に対する対応する制御入力は、図５の特性を伴う非線形負荷に対して動作する図２のそれに対応する特性を伴う発生器に関する、送達電力伝達関数に対する制御入力を描写するグラフである図６に示される。
【００４１】
前述の単純理論に基づいて、負荷感度ベクトルＳＬに関する不安定方向が、ＳＬが発生器感度ベクトルＳＧと多かれ少なかれ整列させられ、大きい正の内積をもたらすときであることが分かるであろう。ＳＧとＳＬとの間の角度
【００４２】
【数１７−１】
0006586424.tif 000015
【００４３】
を用いると、したがって、システムは、以下である限り、安定であろうことが予期される。
【００４４】
【数１８】
0006586424.tif 000016
【００４５】
式中、Ｍは、利得余裕の侵食を通して不安定制御システムをもたらすであろう、送達電力出力に対する制御入力の利得の増加である。無限利得余裕を制限する場合、
【００４６】
【数１９】
0006586424.tif 000017
【００４７】
が、送達電力傾きに対する制御入力の反転を防止するために要求される。ベクトルＳＬの安定および不安定回転は、図７に図式的に図示される。特に、図７は、簡略化された理論によって予測される不安定性につながる、ＳＧに対するＳＬの角度とともに、発生器および非線形負荷の感度ベクトルＳＧおよびＳＬをそれぞれ描写するグラフである。
【００４８】
導関数を用いた簡略化された分析は、発生器およびプラズマサブシステムの両方に関する入力の変化に関連付けられた経時的応答が存在するという事実を無視する。例えば、導関数
【００４９】
【数１９−１】
0006586424.tif 000018
【００５０】
は、負荷インピーダンスが固定されたままであるとすると、発生器からの送達電力出力に対する制御入力の小信号伝達関数である（駆動レベル、ゲートバイアス、レール電圧等）。明らかに、この伝達関数に関連付けられた周波数応答が、存在する（簡略化された分析によって仮定される平坦周波数応答とは対照的に）。同様に、発生器とプラズマサブシステムとの間の相互作用が存在するとき、送達電力応答に対する制御を修正する項に現れる他の導関数の各々に関連付けられた周波数応答が存在する。
【００５１】
周波数ドメインにおける、制御入力から発生器電力増幅器の送達電力出力への総線形化伝達関数は、したがって、以下によってよりよく説明される。
【００５２】
【数２０】
0006586424.tif 000019
【００５３】
式中、ＰｄＲは、負荷抵抗の変化から発生器電力増幅器に対する送達電力の変化への線形化小信号伝達関数であり、ＲｄＰは、送達電力の変化からプラズマサブシステムに対する発生器にもたらされる抵抗の変化への線形化小信号伝達関数であり、ＰｄＸは、負荷リアクタンスの変化から発生器電力増幅器に対する送達電力の変化への線形化小信号伝達関数であり、ＸｄＰは、送達電力の変化からプラズマサブシステムに対する発生器にもたらされるリアクタンスの変化への線形化小信号伝達関数であり、ＰｄＣは、制御入力の変化から発生器電力増幅器に対する送達電力の変化への線形化小信号伝達関数であり、ＰｄＲ、ＲｄＰ、ＰｄＸ、ＸｄＰ、およびＰｄＣは、抵抗、リアクタンス、送達電力、送達電力、および制御入力を除く全ての変数が、それぞれ、一定のままであると仮定した線形化伝達関数である。
【００５４】
より完全な分析の効果を図示するために、ラプラスドメインにおける発生器の送達電力出力に対する制御入力が、以下であると仮定する。
【００５５】
【数２１】
0006586424.tif 000020
【００５６】
式中、ＰｄＣ（ｓ）は、ラプラスドメインにおける発生器電力増幅器に関する送達電力の変化に対する制御入力の変化からの線形化小信号伝達関数であり、ｋは、ＤＣにおける内積
【００５７】
【数２１−１】
0006586424.tif 000021
【００５８】
であり、
【００５９】
【数２１−２】
0006586424.tif 000022
【００６０】
は、発生器と非線形負荷との間の相互作用の動的応答を表す。分析をさらに簡略化するために、ＰｄＣ（ｓ）＝１と仮定し、図８に示されるように、電力増幅器が、ループ内に単一積分器を伴う閉ループ制御システム内で使用され、１ループ利得が、ｋ＝０のとき、２ｋＨｚである場合の送達電力伝達関数に対する設定点の閉ループ極を検討する。
【００６１】
図８から、閉ループ伝達関数は、以下であることが明白である。
【００６２】
【数２２】
0006586424.tif 000023
【００６３】
ｋがちょうどゼロである場合、伝達関数は、−４π×１０３における単一極を伴って、
【００６４】
【数２３】
0006586424.tif 000024
【００６５】
となり、そうでなければ、閉ループ伝達関数の極は、以下のゼロとなる。
【００６６】
【数２４】
0006586424.tif 000025
【００６７】
ｋが０に近づくにつれて、高周波数極の留数がゼロに近づき、したがって、｜ｋ｜が小さく、全ての極が複素平面の左半分にある場合、高周波数極は、閉ループ応答に著しく影響しないことに留意されたい。
【００６８】
特定の電力増幅器に対して、変調された負荷インピーダンスに対する増幅器送達電力の応答が、約２０ｋＨｚ
【００６９】
【数２５】
0006586424.tif 000026
【００７０】
における単一極によって近似され、変調された電力レベルに対するプラズマ応答が、
【００７１】
【数２６】
0006586424.tif 000027
【００７２】
における複素極対によって近似されると仮定すると、ｋの関数としての閉ループ極の位置である、内積
【００７３】
【数２７】
0006586424.tif 000028
【００７４】
のＤＣ値は、図９に示され、図９は、
【００７５】
【数２８】
0006586424.tif 000029
【００７６】
のＤＣ値がゼロであるとき、２ｋＨｚにおいて１ループ利得を伴う単一積分器閉ループ制御を仮定して、内積
【００７７】
【数２９】
0006586424.tif 000030
【００７８】
のＤＣ値の関数としての閉ループ極位置を描写する。ここでは、発生器−プラズマ相互作用の動的応答は、−１２５×１０３における極、および、
【００７９】
【数３０】
0006586424.tif 000031
【００８０】
における複素極対を有すると仮定される。
【００８１】
内積
【００８２】
【数３１】
0006586424.tif 000032
【００８３】
のＤＣ値の関数としての図９における閉ループ極の挙動は、以下のように要約されることができる。
【００８４】
【表１】
0006586424.tif 000033
【００８５】
前述の分析における約２０ｋＨｚであると仮定される極が、８００Ｈｚのより低い周波数に変化させられる場合、安定性は、内積値のはるかに大きい範囲にわたって維持される。
【００８６】
図１０は、ｂ＝５０００であり、全ての他のパラメータが図９に検討されるものと同一であると仮定し、内積
【００８７】
【数３２】
0006586424.tif 000034
【００８８】
のＤＣ値の関数としての閉ループ極位置を示す。
【００８９】
内積
【００９０】
【数３３】
0006586424.tif 000035
【００９１】
のＤＣ値の関数としての図１０における閉ループ極の挙動は、以下のように要約されることができる。
【００９２】
【表２】
0006586424.tif 000036
【００９３】
システムは、内積
【００９４】
【数３４】
0006586424.tif 000037
【００９５】
のＤＣ値が１より大きく、ＤＣにおいて送達電力出力に対する制御入力の符号変化をもたらす場合でも、安定したままであるという反直感的結果に留意されたい。システムは、内積が３．５を超えた場合のみに不安定となる。
【００９６】
ここに提示される分析は、著しく簡略化されてはいるが、相互作用の動的挙動を含む分析の拡張は、プラズマシステム上のＲＦ発生器の観察される挙動により良好に対応する。具体的には、ＳＧに対するＳＬの安定角度は、約−９０°および＋９０°であると観察され、不安定挙動は、ＳＬおよびＳＧが整列させられた場合と、ＳＧとＳＬとの間の角度が約１８０°である場合との両方である。さらに、ＳＧとＳＬとが整列させられた場合の低周波数発振と、ＳＧｔＳＬとが対向する場合の高発振周波数との間の周波数のシフトが、明確に観察される。変調された負荷インピーダンスに対する典型的発生器の応答における高周波数極の存在は、回路分析を通して確認され、プラズマシステムの応答における複素極対の存在は、線形発生器を使用した電力の段階的変化を使用し、プラズマインピーダンスのアンダーダンピングされた応答を観察して確認されている。
【００９７】
（観察される挙動）上で提示される分析から、以下の３つの条件のうちの１つを満たすことが、安定性を確実にするために十分であると結論付けられ得る。
１．発生器感度ベクトル｜ＳＧ｜の大きさが小さい
２．プラズマ感度ベクトル｜ＳＬ｜の大きさが小さい
３．ＳＧがＳＬと略垂直である
前述の３つの条件のうち、小｜ＳＧ｜のみ、完全に、発生器設計者の制御下にある。大部分のプラズマシステムでは、プラズマに近接して位置するインピーダンス整合ネットワークは、プラズマインピーダンスを、インピーダンス整合ネットワークを発生器に接続するケーブルまたは伝送線の特性インピーダンス、典型的には、５０Ωに整合させられるインピーダンスに変換する。議論の残りに対して、有力な選択肢であるので、このインピーダンスは、５０Ωであると仮定する。
【００９８】
５０Ωに等しいソースインピーダンスを伴う発生器に対して、｜ＳＧ｜は、実際、５０Ω負荷に対してゼロである。５０Ωソースインピーダンスを伴う発生器を設定するために、いくつかの技法がある。クラスＡ／Ｂ発生器は、概して、効率を犠牲にして、５０Ωソースインピーダンスを有するように設計されることができる。平衡増幅器は、高効率（典型的には、クラスＤまたはＥ）増幅器を組み合わせる方法を提供し、負荷インピーダンスが５０Ωではなくなる場合、平衡増幅器を構成する２つの増幅器間で共有する電力を犠牲にして、依然として、５０Ωソースインピーダンスを有する。
【００９９】
５０Ωソースインピーダンスを伴う発生器は、整合ネットワークがプラズマインピーダンスを５０Ωに整合させるならば、安定性が保証されるであろうため、プラズマシステムに対して使用するための最良タイプの発生器であると仮定され、これは、長年、信じられている。しかしながら、実験結果は、プラズマインピーダンスが５０Ωに整合させられている場合でも、プラズマインピーダンス対電力軌道と適切に整合させられる不整合ソースインピーダンスを伴う発生器が、５０Ωソースインピーダンスを伴う発生器より安定することを示す。この観察を理解するために、図１１を参照し、同図は、同一プラズマに対する発生器とインピーダンス整合ネットワークとの間の２つの異なるケーブル長に対して、プラズマシステムのインピーダンス対電力軌道とともに、５０Ωソースインピーダンス発生器の開ループ電力プロファイルを示す。プラズマインピーダンスが５０Ωに到達するとすぐに、｜ＳＧ｜は、ゼロになるが、それ以外のどこでも、プラズマインピーダンスの軌道が開ループ電力プロファイル輪郭線を交差するので、内積
【０１００】
【数３５】
0006586424.tif 000038
【０１０１】
はゼロではないことに留意されたい。これが意味することは、システムが５０Ωにおいて安定方式で動作すると、不安定になる可能性は低いが、システムが摂動される場合、大信号不安定性に入り得ることである。さらに、プラズマ時の発生器と整合ネットワークとの間に挿入されるケーブル長の無変化は、電力プロファイルが円形であるため、プラズマ電力の関数として
【０１０２】
【数３６】
0006586424.tif 000039
【０１０３】
を変化させ得る。実際には、相互作用の前述の動的性質を含む副次的効果が、ケーブル長が変化させられるにつれて、挙動の変化をもたらし得ることに留意されたい。
【０１０４】
次に、図１２を参照すると、プラズマ時の発生器とインピーダンス整合ネットワークとの間の２つの異なるケーブル長に関して、プラズマインピーダンス対プラズマ電力の軌道とともに、非５０Ω（２０−ｊ２０Ω）ソースインピーダンス発生器の開ループ電力プロファイルを描写するスミス図表を含む。プラズマ時、非５０Ωソースインピーダンス発生器と、発生器と整合ネットワークとの間の適切なケーブル長とを使用することによって、５０Ωにおいて
【０１０５】
【数３７】
0006586424.tif 000040
【０１０６】
を得ることが可能であることに留意されたい。しかし、５０Ωソースインピーダンス発生器と異なり、プラズマインピーダンス軌道を発生器の開ループ電力プロファイルの輪郭線とほぼ整合させることも可能である。これは、システムを摂動の影響を受けにくくし、より安定したシステムをもたらす。このようなシステムの短所は、同一発生器、ケーブル、および整合ネットワークが、多くの場合、異なるプラズマ（例えば、異なるガス混合物および異なる圧力）を駆動するために使用され、固定ケーブル長を用いる場合、あらゆるプラズマに対してシステム安定を得ることが困難であることである。
【０１０７】
単純解決策は、単に、同調器を５０Ωと異なるインピーダンスに調整することである。このアプローチに関する問題は、多くの顧客が、別のインピーダンスへの調整から生じるであろうような発生器によって測定される任意の反射電力を被ることを所望しないことと、発生器が、必要電力を送達すること、または非５０Ω負荷に対する要求される送達電力正確度を維持することが可能ではないこともあることである。別の問題は、多くの高効率発生器（例えば、クラスＤまたはＥ）が、５０Ωに対して著しく不整合にされ、大｜ＳＧ｜をもたらし、システムが駆動しなければならないあらゆるプラズマに対してシステムを安定化させるための正しいケーブル長を見出すことを非常に困難にする、ソースインピーダンスを有することである。
【０１０８】
要求されるのは、発生器ソースインピーダンスの制御と、発生器開ループ電力プロファイル輪郭に合わせるようにプラズマインピーダンス軌道を容易に回転させる方法とである。両方とも、発生器ソースインピーダンスの恣意的制御を有する場合、達成されることができる。ほぼ恣意的制御を達成する方法は、以下に開示される。別の選択肢は、便宜な量だけ、発生器ソースインピーダンスを意図的にオフセットさせ、かつ、発生器によって被られるプラズマインピーダンス対電力軌道を電子的に回転させることである。
【０１０９】
（プラズマ点火）
発生器のソースインピーダンスが、プラズマシステムによって発生器にもたらされるインピーダンスに整合させられた場合、最大電力が、整合させられた状態で送達される。点火に先立って、発生器にもたらされるインピーダンスは、プラズマが点弧されると、発生器にもたらされるインピーダンスと異なる。ソースインピーダンスが整合させられた状態では、これは、発生器が、点弧されたプラズマより少ない電力を点弧されていないプラズマに送達し得、それがプラズマ点火を阻害し得ることを意味する。
【０１１０】
発生器ソースインピーダンスを意図的にオフセットすることは、発生器が、点火の間、より多くの電力を送達することを可能にすることができる。このオフセットソースインピーダンスは、プラズマシステムの安定性のための所望のソースインピーダンスではない場合があり、したがって、プラズマが点弧されると、異なるソースインピーダンスに切り替わることが望ましくあり得る。これは、連続方式でソースインピーダンスを変動させること、または異なるプリセットソースインピーダンス間で切り替えることによって、行われることができる。
【０１１１】
（パルス形状制御）
パルス状電力が、典型的プラズマ負荷に印加される場合、発生器にもたらされるインピーダンスは、時間の関数として変動する。発生器ソースインピーダンスが５０Ωである場合、５０Ωに対して測定される順電力（５０Ω方向性結合器を用いて測定されるであろう）は、負荷インピーダンスから独立し、この場合、順電力は、負荷インピーダンスが経時的に変動する場合でも、パルスの持続時間にわたって一定のままである（発生器制御システムによる変調を仮定しない）。このパルス形状は、視覚的に魅力的であり、多くの場合、良好であると考えられるが、典型的には、負荷インピーダンスが、典型的には、５０Ωに整合させられる場合、パルスの開始時の送達電力は、低く、パルスの終了に向かって増加することを意味する。パルス開始時のそのような低送達電力は、ある場合には、問題となり得る。発生器ソースインピーダンスを５０Ωから変化させることは、方形波順電力パルス形状を犠牲にして、パルスの開示の電力送達を改善することができ、それは、有益であり得る。発生器ソースインピーダンスの制御は、したがって、パルス状電力システムのためのパルス形状を制御する、限られるが、有用な手段を提供する。
【０１１２】
（ソースインピーダンス高効率発生器を制御する方法）
いくつかの電力レベルでは、異なる開ループ電力プロファイルを伴う同一電力を生成するために、２つ以上の制御入力を用いて電力増幅器を操作することが可能である。これは、ＳＧに対してある制御を与え、実際に、非常に効果的であり得る。そのような方法は、第ＵＳ８，２５８，８７４号に開示されている。
【０１１３】
本明細書に開示されるのは、種々の電力レベルで使用され得る発生器のソースインピーダンスを制御する異なる方法である。
【０１１４】
最初に、高効率増幅器の開ループ性能がテブナン等価電源の簡単な表現で説明され得るということが明らかではないことに留意されたい。実験結果は、これが、実際、図１３−１５に図示されるような場合に当てはまることを示す。図１３は、例えば、スミス図表上にプロットされた負荷インピーダンスの関数としての代表的産業用電力増幅器の測定される送達電力を描写し、図１４は、４３７ボルトおよび２９−ｊ１１４Ωのテブナン等価電源を使用する、スミス図表上にプロットされた負荷インピーダンスの関数としての図１３の代表的産業用電力増幅器の予測される送達電力を示す。図１５は、代表的電力増幅器のための５０Ω負荷に対する送達電力の関数としてのテブナン等価電源インピーダンスである。
【０１１５】
図１６に描写される平衡増幅器は、直交スプリッタとコンバイナとの間に配置される２つの同じ電力増幅器を使用して整合させられた（通常、５０Ω）ソースインピーダンスを伴う、複合増幅器を構築する方法の１つである。そのような平衡増幅器が、５０Ω負荷に対して動作する場合（平衡増幅器は、５０Ωに対して動作するように設計されると仮定する）、電力は、直交コンバイナのアイソレーションレジスタ内で消失されない。アイソレーションレジスタは、回路から完全に除去されることができないが（それは、典型的には、通常、損失を著しく増加させる共振回路をもたらす）、共鳴が回避される限り、異なるインピーダンスと置換され得る。電力は、平衡増幅器が５０Ωに対して動作する場合、レジスタ内で消失されないので、異なるインピーダンスと置き換えることは、５０Ωに対する動作に何の影響も及ぼさない。
【０１１６】
図１７Ａおよび図１７Ｂは、平衡増幅器の構築において使用され得る、４ポートコンバイナの２つの実施例を示す。図１７Ａのコンバイナは、同相コンバイナである。９０度位相シフタと併せた同相コンバイナは、図１６に描写されるような平衡増幅器の構築において使用されることができる。図１７Ａでは、ポート電圧ｖ１およびポート電流ｉ１に関連付けられたポートは、入力ポートであり、ｖ２およびｉ２に関連付けられたポートは、別の入力ポートであり、ｖ３およびｉ３に関連付けられたポートは、出力ポートであり、ｖ４およびｉ４に関連付けられたポートは、アイソレーションポートであることができる。
【０１１７】
図１７Ｂのコンバイナは、直交コンバイナである。図１７Ｂでは、ｖ１およびｉ１に関連付けられたポートは、入力ポートであり、ｖ２およびｉ２に関連付けられたポートは、別の入力ポートであり、ｖ３およびｉ３に関連付けられたポートは、出力ポートであり、ｖ４およびｉ４に関連付けられたポートは、アイソレーションポートであることができる。図１７Ｂのコンバイナポートが、このように使用されるとき、電圧ｖ１は、９０度だけ電圧ｖ２をリードする。対称性のため、ｖ２がｖ１をリードすべき場合、アイソレーションおよび出力ポートの役割は、入れ替えられることに留意されたい。通常条件下、２つの入力ポートにおいてコンバイナに送達される総電力のほぼ全ては、出力ポートに送達され、電力はほぼ全く、アイソレーションポートに向かわせられない。
【０１１８】
個々の増幅器が、不整合にされる場合（高効率増幅器の場合のように）、アイソレーションレジスタを異なるインピーダンスと置き換えることは、組み合わせられる増幅器の有効ソースインピーダンスを変化させる。実際、個々の増幅器が、ゼロソースインピーダンス（電圧ソース）または無限ソースインピーダンス（電流ソース）を有する場合、アイソレーションポート終端（図１６では、アイソレーションレジスタに取って代わる）のインピーダンスは、複合増幅器のソースインピーダンスとなる。すなわち、個々の増幅器が、純粋に、反応性ソースインピーダンスを有する場合、減衰ポート終端に対応する反射係数は、複合増幅器のソースインピーダンスに対応する反射係数の回転である。
【０１１９】
個々の増幅器のソースインピーダンスが、システムインピーダンス（典型的には、５０Ω）に整合させられる場合、電力は、コンバイナのアイソレーションポートに向かわせられず、アイソレーションポート終端インピーダンスを変化させることは、システムインピーダンスに等しいであろう複合増幅器のソースインピーダンスに影響を及ぼさない。
【０１２０】
いくつかの実施形態では、コンバイナは、プラズマ負荷がコンバイナの設計された負荷インピーダンスに整合させられ、アイソレーションポートが終端されているインピーダンスが、設計された終端インピーダンスに等しく、個別の増幅器からの第１および第２の信号が、設計された振幅および位相関係を有する場合、第１および第２の信号によってコンバイナに供給される総電力の８０％を上回るものが、コンバイナの出力に接続されている整合させられた負荷に送達され、第１および第２の信号によって供給される総電力の２０％未満が、アイソレーションポート終端に送達され、入力信号のうちの１つの位相が、１８０度シフトされ、残りは、そのままである場合、第１および第２の信号によってコンバイナに供給される総電力の８０％を上回るものが、アイソレーションポート終端に送達され、第１および第２の信号によってコンバイナに供給される総電力の２０％未満が、出力に接続されている整合させられた負荷に送達されるという特性を有する。
【０１２１】
個々の増幅器のソースインピーダンスがシステムインピーダンスに対して部分的に不整合にされる、実践的高効率増幅器に対して、アイソレーションポート終端インピーダンスの変化を通した複合増幅器のソースインピーダンスの何らかの制御が、可能である。当然ながら、通常の平衡増幅器の場合のように、常時、ソースインピーダンスをシステムインピーダンスと等しくすることも可能であるが、加えて、ソースインピーダンスは、ある境界内で改変されることもできる。
【０１２２】
図１８は、複合増幅器を構成する個々の電力増幅器のソースインピーダンスがゼロである場合のアイソレーションポート終端インピーダンスの関数としての複合増幅器のソースインピーダンスを示す。ソースインピーダンスの実数部は、左であり、虚数部は、右である。各グラフにおいて、原点は、中心にあり、横座標は、アイソレーションポート終端インピーダンスの５０Ωに対する反射係数の実数部であり、縦座標は、虚数部である。輪郭マップが、スミス図表上に示されるインピーダンスに完全に適合するという事実は、この場合、アイソレーションポート終端インピーダンスが複合増幅器のソースインピーダンスとなることを意味する。
【０１２３】
図１９は、複合増幅器を構成する個々の電力増幅器のソースインピーダンスがｊ２０Ω
【０１２４】
【数３８】
0006586424.tif 000041
【０１２５】
である場合のアイソレーションポート終端インピーダンスの関数としての複合増幅器のソースインピーダンスを示す。ソースインピーダンスの実数部は、左であり、虚数部は、右である。各グラフにおいて、原点は、中心にあり、横座標は、アイソレーションポート終端インピーダンスの５０Ωに対する反射係数の実数部であり、縦座標は、虚数部である。この場合、複合増幅器のソースインピーダンスに対応する反射係数は、アイソレーションポート終端インピーダンスに対応する反射係数の回転である。複合増幅器を構成する個々の電力増幅器のソースインピーダンスがｊ５０Ωまたは−ｊ５０Ωである場合、この回転は、複合増幅器のソースインピーダンスが、２５００によってスケーリングされたアイソレーションポート終端のアドミッタンスとなるように、１８０°である。
【０１２６】
図２０は、複合増幅器を構成する個々の電力増幅器のソースインピーダンスが４９Ωである場合のアイソレーションポート終端インピーダンスの関数としての複合増幅器のソースインピーダンスを示す。ソースインピーダンスの実数部は、左であり、虚数部は、右である。各グラフにおいて、原点は、中心にあり、横座標は、アイソレーションポート終端インピーダンスの５０Ωに対する反射係数の実数部であり、縦座標は、虚数部である。この場合、アイソレーションポート終端インピーダンスは、複合増幅器のソースインピーダンスにほぼ影響を及ぼさない。複合増幅器を構成する個々の電力増幅器のソースインピーダンスがちょうど５０Ωである場合、アイソレーションポート終端インピーダンスは、複合増幅器のソースインピーダンスに影響を及ぼさない。
【０１２７】
図２１は、複合増幅器を構成する個々の電力増幅器のソースインピーダンスが３０−ｊ１２０Ωである場合のアイソレーションポート終端インピーダンスの関数としての複合増幅器のソースインピーダンスを示す。ソースインピーダンスの実数部は、左であり、虚数部は、右である。各グラフにおいて、原点は、中心にあり、横座標は、アイソレーションポート終端インピーダンスの５０Ωに対する反射係数の実数部であり、縦座標は、虚数部である。３０−ｊ１２０のソースインピーダンスは、典型的産業用増幅器を表す。複合増幅器のソースインピーダンスの有意な制御が可能であることが明白である。
【０１２８】
次に、図２２を参照すると、示されるのは、電力をプラズマ負荷２２００に提供するための例示的システムを描写するブロック図である。描写されるように、システムは、入力２２０４および第１の増幅器出力２２０６を含む第１の電力増幅器２２０２を備えている電力供給源システム２２０１（発生器２２０１とも称される）を含む。さらに、示されるのは、入力２２１０および第２の増幅器出力２２１２を含む第２の電力増幅器２２０８である。電力供給源システム２２０１は、第１の増幅器出力２２０６から第１の信号を受信するために配置されている第１の入力ポート２２１６と、第２の増幅器出力２２１２から第２の信号を受信するために配置されている第２の入力ポート２２２０と、出力電力を提供するための出力ポート２２２４と、終端インピーダンスに結合するために配置されているアイソレーションポート２２２６とを含む４ポートコンバイナ２２１４も含む。一般に、コンバイナ２２１４は、第１の増幅器出力２２０６からの第１の信号と、第２の増幅器出力２２１２からの第２の信号とを組み合わせ、電力信号２２２８を出力ポート２２２４に印加するように構成される。いくつかの実施形態では、第２の信号は、第１の信号に対して６０〜１２０度位相シフトされ、例示的実施形態では、第２の信号は、第１の信号に対して９０度位相シフトされる。
【０１２９】
示されるように、制御可能可変インピーダンス構成要素２２３０は、終端インピーダンスとしてアイソレーションポート２２２６に結合され、ソースインピーダンスコントローラ２２３２は、制御可能可変インピーダンス構成要素２２３０に結合される。ソースインピーダンスコントローラ２２３２は、概して、電力供給源システム２２０１のソースインピーダンスを修正するために、制御可能可変インピーダンス構成要素２２３０を調節するために動作する。示されるように、コンバイナ２２１４からの電力２２２８は、直接、プラズマ負荷に、または随意のインピーダンス整合ネットワークを通してのいずれかで印加され得る。
【０１３０】
本明細書にさらに論じられるように、いくつかの利点のうち、電力供給源システム２２０１のソースインピーダンスを調節することは、電力供給源システム２２０１の出力電力中の任意の不安定性が減少させられることを可能にし得る。前述のように、不安定性は、電力供給源システム２２０１とプラズマ負荷２２００の非線形インピーダンスとの間の相互作用の結果として生じ得る。加えて、多くの用途に対して、パルス状ＲＦ電力をプラズマ負荷２２００に印加することが望ましく、ソースインピーダンスの調節は、印加されるパルスの所望の形状を達成するのに役立つ。特に、印加される電力がパルス状であるとき、プラズマ負荷２２００のインピーダンスは、パルス自体の印加に応答して、パルスの持続時間にわたって変動し、電力供給源システム２２０１のソースインピーダンスの調節は、パルスの間の順および反射電力が、本明細書にさらに論じられるように修正されることを可能にする。
【０１３１】
次に、図２３を参照すると、これは、発生器の例示的実施形態（例えば、電力供給源システム２２０１の例示的実施形態）の構成要素を描写するブロック図である。示されるように、発生器は、ＡＣ電力を受信し、ＤＣ電力を生成し、無線周波数（ＲＦ）電力増幅器２３０４およびコントローラ２３０６に給電する１つ以上のＤＣ電力供給源２３０２を含む。一般に、電力増幅器２３０４は、信号発生器２３４２の出力を増幅し、特定の周波数において出力電力２３１８を発生させる。
【０１３２】
コントローラ２３０６は、本実施形態では、センサ２３１６からの出力信号２３１４に応答して、インピーダンス制御信号２３１０を制御可能可変インピーダンス２３３０に提供する可変インピーダンスコントローラ２３３２を含む。センサ２３１６は、例えば、方向性結合器またはＶＩセンサによって、実現され得、センサ２３１６は、プラズマ点火を示すパラメータおよびパルス状電力印加におけるパルス形状を示すパラメータ等、発生器とプラズマ負荷２２００との間の相互作用を示す、１つ以上のパラメータを監視し得る。例えば、出力信号２３１４は、電力増幅器２３０４にもたらされるインピーダンス、発生器によって生成される電圧、電流、および電力のうちの１つ以上のものを示し得る。それに応答して、制御可能可変インピーダンス２３３０は、インピーダンス制御信号２３１０に基づいて調節され、１つ以上の目的を達成するソースインピーダンスを達成する。
【０１３３】
例えば、発生器のソースインピーダンスは、発生器のソースインピーダンスとプラズマ負荷のインピーダンスとの間の不整合を達成し、次いで、プラズマ負荷のインピーダンス軌道を電力供給源の開ループプロファイルの輪郭に合わせることによって、プラズマ不安定性を低減させるように調節され得る。図２３に描写される実施形態では、例えば、コントローラ２３０６の周波数調整部分２３４０は、プラズマ負荷２２００の軌道を発生器の開ループプロファイルの輪郭に合わせるために、ＲＦ信号発生器２３４２の周波数を調節するために使用され得る。当業者は、発生器とプラズマ負荷２２００との間の整合（例えば、随意の整合２２０４）またはケーブル長が、プラズマ負荷の軌道を発生器の開ループプロファイルの輪郭に合わせるように調節され得ることを理解するであろう。
【０１３４】
ソースインピーダンスコントローラ２２３２、２３３２（概して、コントローラ２３０６）は、部分的に、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別のゲートもしくはトランジスタ論理、個別のハードウェア構成要素、または本明細書に説明される機能を果たすように設計された任意のそれらの組み合わせを用いて、実装または実施され得る。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであり得るが、代替として、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であり得る。プロセッサは、コンピューティングデバイスの組み合わせ、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと一体化した１つ以上のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成の組み合わせとしても実装され得る。
【０１３５】
本明細書に開示される実施形態に関連して説明される方法は、直接ハードウェアにおいて、非一過性プロセッサ読み取り可能な媒体内にエンコードされるプロセッサ実行可能命令において、またはその２つの組み合わせにおいて、具現化され得る。例えば、図２４を参照すると、示されるのは、例示的実施形態による、ソースインピーダンスコントローラ２２３２、２３３２（概して、コントローラ２３０６）を実現するために利用され得る、物理的構成要素を描写するブロック図である。示されるように、本実施形態では、ディスプレイ部分２４１２および不揮発性メモリ２４２０は、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）２４２４、処理部分（Ｎ個の処理構成要素を含む）２４２６、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２４２７、およびＮ個の送受信機を含む送受信機構成要素２４２８にもまた結合されるバス２４２２に結合される。図２４に描写される構成要素は、物理的構成要素を表すが、図２４は、詳細なハードウェア略図であるように意図されない。したがって、図２４に描写される構成要素の多くは、共通構造体によって実現されるか、または追加の物理的構成要素間に分散され得る。さらに、他の既存のおよびまだ開発されていない物理的構成要素ならびにアーキテクチャも、図２４を参照して説明される機能構成要素を実装するために利用され得ることが検討される。
【０１３６】
このディスプレイ部分２４１２は、概して、ユーザのためのユーザインターフェースを提供するように動作し、いくつかの実装では、ディスプレイは、タッチスクリーンディスプレイによって実現される。一般に、不揮発性メモリ２４２０は、データおよびプロセッサ実行可能コード（本明細書に説明される方法をもたらすことに関連付けられた実行可能コードを含む）を記憶する（例えば、持続的に記憶する）ように機能する非一過性メモリである。いくつかの実施形態では、例えば、不揮発性メモリ２４２０は、ブートローダコード、オペレーティングシステムコード、ファイルシステムコード、および非一過性プロセッサ実行可能コードを含み、本明細書にさらに説明される図２５を参照して説明される方法の実行を促進する。
【０１３７】
多くの実装では、不揮発性メモリ２４２０は、フラッシュメモリ（例えば、ＮＡＮＤまたはＯＮＥＮＡＮＤメモリ）によって実現されるが、他のメモリタイプも同様に利用され得ることが検討される。不揮発性メモリ２４２０からコードを実行することが可能であり得るが、不揮発性メモリ内の実行可能コードは、典型的には、ＲＡＭ２４２４の中にロードされ、処理部分２４２６内のＮ個の処理構成要素のうちの１つ以上のものによって実行される。
【０１３８】
ＲＡＭ２４２４と関連するＮ個の処理構成要素は、概して、不揮発性メモリ２４２０内に記憶された命令を実行するように動作し、発生器のソースインピーダンスが、１つ以上の目的を達成するために修正されることを可能にする。例えば、図２５を参照して説明される方法をもたらすための非一過性プロセッサ実行可能命令は、不揮発性メモリ２４２０内に持続的に記憶され、ＲＡＭ２４２４と関連するＮ個の処理構成要素によって実行され得る。当業者が理解するであろうように、処理部分２４２６は、ビデオプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、および他の処理構成要素を含み得る。
【０１３９】
加えて、または代替として、ＦＰＧＡ２４２７は、本明細書に説明される方法論（例えば、図２５を参照して説明される方法）の１つ以上の側面をもたらすように構成され得る。例えば、非一過性ＦＰＧＡ構成命令は、不揮発性メモリ２４２０内に持続的に記憶され、ＦＰＧＡ２４２７によってアクセスされ（例えば、ブートアップの際）、ソースインピーダンスコントローラ２２３２、２３３２の機能をもたらすようにＦＰＧＡ２４２７を構成し得る。
【０１４０】
入力構成要素は、出力電力２３１８および／またはプラズマ負荷２２００の１つ以上の側面を示す信号（例えば、センサ２３１６からの出力信号２３１４）を受信するように動作する。入力構成要素で受信された信号は、例えば、電圧、電流、順電力、反射電力、およびプラズマ負荷インピーダンスを含み得る。出力構成要素は、概して、１つ以上のアナログまたはデジタル信号を提供するように動作し、発生器の動作側面をもたらす。例えば、出力部分は、図２３を参照して説明されるインピーダンス制御信号２３１０を提供し得る。制御可能可変インピーダンス２３３０が、例えば、慎重に切り替えられるコンデンサの集合によって実現されるとき、インピーダンス制御信号２３１０は、特定のインピーダンスを選択するための特定の個別のコンデンサのアドレス（例えば、バイナリアドレス）でエンコードされたデジタル信号であり得る。また、制御可能可変インピーダンス２３３０が、継続的に可変コンデンサによって実現される場合、インピーダンス制御信号２３１０は、継続的に可変のコンデンサの特定の位置に基づいて大きさを変動させる、アナログ信号であり得る。
【０１４１】
描写される送受信機構成要素２４２８は、無線または有線ネットワークを介して外部デバイスと通信するために使用され得る、Ｎ個の送受信機チェーンを含む。Ｎ個の送受信機チェーンはそれぞれ、特定の通信スキーム（例えば、ＷｉＦｉ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ等）に関連付けられた送受信機を表し得る。
【０１４２】
次に、図２５を参照すると、本明細書に開示される実施形態のいくつかと関連して詳説され得る発生器のソースインピーダンスを調節する方法を描写するフロー図である。示されるように、第１の信号（例えば、第１の電力増幅器２２０２によって出力される）が、発生させられ、コンバイナの第１の入力（例えば、コンバイナ２２１４の第１の入力ポート２２１６）に印加され（ブロック２５０２）、第２の信号（例えば、第２の電力増幅器２２０８によって出力される）が、発生させられ、コンバイナの第２の入力（例えば、コンバイナ２２１４の第２の入力ポート２２２０）に印加される（ブロック２５０４）。
【０１４３】
第１および第２の信号は、次いで、コンバイナの出力においてコンバイナを用いて組み合わせられ、プラズマ負荷に送達される電力を生成する（ブロック２５０６）。示されるように、制御可能可変インピーダンス（例えば、制御可能可変インピーダンス２２３０、２３３０）が、コンバイナのアイソレーションポート（例えば、アイソレーションポート２２２６）に提供され（ブロック２５０８）、制御可能可変インピーダンスは、発生器のソースインピーダンスを変動させるように調節される（ブロック２５１０）。
【０１４４】
本明細書で使用されるように、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ」という言及は、「Ａ、Ｂ、ＣのいずれかまたはＡ、Ｂ、およびＣの任意の組み合わせ」を意味するように意図される。開示される実施形態の前述の説明は、任意の当業者が、本発明を作製または使用することを可能にするために提供される。これらの実施形態に対する種々の修正は、当業者に容易に明白であり、本明細書に定義される一般的原理は、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態にも適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示される実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原理および新規特徴と一貫した最広範囲と見なされるものとする。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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