(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力発生器（４０）の出力インピーダンスへの負荷（２８）のインピーダンス整合方法であって、
ａ．電力発生器（４０）を用いて電力を生成するステップと、
ｂ．当該電力を、調整素子（１２，１４，１６）を介して変更可能な少なくとも１つのリアクタンス（１８，２０，２２）を備えるインピーダンス整合装置（１０）を介して負荷（２８）に供給するステップであって、前記インピーダンス整合装置（１０）は、前記負荷（２８）の入口での負荷インピーダンス（２７）を、前記インピーダンス整合装置（１０）の入口での被変換負荷インピーダンス（２９）に変換する、ステップと、
ｃ．前記負荷（２８）で反射される電力または当該負荷（２８）で反射される電力と関連している少なくとも１つの量を検出または特定するステップと、
ｄ．前記反射される電力または当該反射される電力と関連している前記少なくとも１つの量に基づいて、整合エラーが存在するか否かをチェックするステップと、
ｅ．前記反射される電力または当該反射される電力と関連している前記少なくとも１つの量および少なくとも１つの所定の判断基準としての前記反射される電力の低減速度または前記電力発生器（４０）の効率が判断基準として設定される所定の判断基準に従って、インピーダンス整合をもたらす経路曲線（５０）を、複素負荷平面、特にスミスチャート（６０）において特定するステップと、
ｆ．前記被変換負荷インピーダンスが当該経路曲線（５０）に追従するように、少なくとも１つの前記調整素子（１２，１４，１６）を制御するステップを有しており、
前記インピーダンス整合装置（１０）によって、各リアクタンス（１８，２０，２２）に対して、調整されるべき値を求め、各リアクタンス（１８，２０，２２）に対して、どのような調整速度で、前記調整されるべき値に達するべきかを特定し、かつ、割り当てられている前記調整素子（１２，１４，１６）を対応して駆動制御する、
電力発生器（４０）の出力インピーダンスへの負荷（２８）のインピーダンス整合方法。
【請求項２】
前記経路曲線は、複素負荷平面において、負荷のインピーダンスを表す平面における曲線経過を表し、前記平面は、当該平面において前記負荷がインピーダンスとして複素表示で表されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
全てのリアクタンス（１８，２０，２２）が同時に、前記調整されるべき各値を取るように、割り当てられている前記調整素子（１２，１４，１６）を駆動制御する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記インピーダンス整合装置（１０）によって、前記経路曲線が複素負荷平面、特にスミスチャートにおいて、反射される電力を低減するように、前記調整素子（１２，１４，１６）の駆動制御を調整する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記経路曲線（５０）の第１の部分を、反射率または反射される電力が所定の閾値を下回るように特定し、前記経路曲線（５０）の第２の部分を、前記経路曲線の終端位置が複素負荷平面、特にスミスチャートの中心に位置していないことを設定することによって特定する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記反射される電力に関連している量として、反射率を求める、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
インピーダンス整合装置（１０）であって、
当該インピーダンス整合装置（１０）は、調整素子（１２，１４，１６）を介して変更可能な少なくとも１つのリアクタンス（１８，２０，２２）と、負荷（２８）で反射される電力または当該負荷で反射される電力に関連している少なくとも１つの量を検出するための測定装置（２５）と、検出された前記反射される電力または当該検出された反射される電力に関連している前記量および少なくとも１つの所定の判断基準としての前記反射される電力の低減速度または電力発生器（４０）の効率が判断基準として設定される所定の判断基準に従って、インピーダンス整合をもたらす経路曲線（５０）を複素負荷平面、特にスミスチャート（６０）において特定する経路曲線特定ユニット（３０）と、特定された前記経路曲線（５０）に対応して、少なくとも１つの前記調整素子（１２，１４，１６）を駆動制御する制御部（３２）とを備え、
前記インピーダンス整合装置（１０）は、各リアクタンス（１８，２０，２２）に対して、調整されるべき値を求め、各リアクタンス（１８，２０，２２）に対して、どのような調整速度で、前記調整されるべき値に達するべきかを特定し、かつ、割り当てられている前記調整素子（１２，１４，１６）を対応して駆動制御する、
インピーダンス整合装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力発生器の出力インピーダンスへの負荷のインピーダンス整合方法ならびに、調整素子を介して変更可能な少なくとも１つのリアクタンスを備えるインピーダンス整合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波用途、特に高周波プラズマ用途に対するインピーダンス整合装置は、要求されている有効電力を電力発生器が負荷に出力することができるように、負荷、特にプラズマ負荷のインピーダンスを変換するために用いられる。これは通常、２つ以上の可変のリアクタンスを備える、Ｔトポロジ、Ｌトポロジまたはｎ（ｐｉ）トポロジの共振回路によって実現される。ここでこれらのリアクタンスは、コンデンサおよび／またはインダクタンスとして形成されていてよい。負荷のインピーダンスの変化に応答することができる速度は、通常は機械的にモータによって駆動される可変のリアクタンスのダイナミクスによって制限されてしまう。
【０００３】
このようなまたはこれと類似した装置は、例えば、以下の文献、即ち、独国特許出願公開第１０２００９００１３５５号明細書（ＤＥ１０２００９００１３５５Ａ１），米国特許出願公開第２００６／００３２５８４号明細書（ＵＳ２００６／００３２５８４Ａ１），米国特許出願公開第２０１４／０１５５００８号明細書（ＵＳ２０１４／０１５５００８Ａ１）から公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００９００１３５５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／００３２５８４号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１４／０１５５００８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、より高速なインピーダンス整合を行うことができるインピーダンス整合方法およびインピーダンス整合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題は、本発明では、以下のステップを有する、電力発生器の出力インピーダンスへの負荷のインピーダンス整合方法によって解決される。
ａ．電力発生器を用いて電力を生成する。
ｂ．この電力を、調整素子を介して変更可能な少なくとも１つのリアクタンスを備えるインピーダンス整合装置を介して負荷に供給し、ここで、このインピーダンス整合装置は、負荷の入口での負荷インピーダンスを、インピーダンス整合装置の入口での被変換負荷インピーダンスに変換する。
ｃ．負荷で反射される電力または負荷で反射される電力と関連している少なくとも１つの量を検出または特定する。
ｄ．反射される電力または反射される電力と関連している少なくとも１つの量に基づいて、整合エラーが存在するか否かをチェックする。
ｅ．少なくとも１つの所定の判断基準にしたがって、複素負荷平面、特にスミスチャートにおける経路曲線を特定する。
ｆ．被変換負荷インピーダンスがこの経路曲線に追従するように、少なくとも１つの調整素子を制御する。
【０００７】
複素負荷平面における経路曲線によって、負荷のインピーダンスを表す平面における曲線経過が意図されている。この平面は、ここで、この平面において負荷がインピーダンスとして複素表示で表される、という特徴を有している。複素負荷平面は、例えば次のようなものであってよい。
・反射ファクタまたは負荷のインピーダンスまたはこれらの値に関連している値の実部と虚部とを備える直角座標系
・反射ファクタまたは負荷のインピーダンスまたはこれらの値に関連している値の位相と値を伴う極座標系
・スミスチャート、または
・複素負荷の、他の、比肩可能な平面的な表示形式
【０００８】
電力発生器、特に高周波電力発生器、インピーダンス整合装置およびプラズマを負荷として有するプラズマチャンバから成る通常のプラズマプロセストポロジでは、電力発生器に対する、被変換負荷インピーダンスは、複数の発振回路、特に２つの直列発振回路の調整を外すことによって、インピーダンス整合装置において整合される。構造様式および装備によって、これらの発振回路は、使用されているコンデンサおよびインダクタンスへの機械的な、電磁的なまたはその他の物理的な作用によって、動作周波数の変化によって、またはさらなる回路要素を付加的に接続することまたは引き続き接続することによって得られる。この際に、インピーダンス整合装置には通常、次のように作用が及ぼされる。すなわち、リアクタンスが可及的迅速に、良好なインピーダンス整合を表す値に達するように、調整素子がリアクタンスを駆動制御するように作用が及ぼされる。インピーダンス整合された値に達する様式および方法は通常、着目されない。これによって、電力発生器が整合過程の間に、悪い効率／不利な負荷条件のもとで、比較的長く動作されてしまうことがあり、ひいては比較的長く、要求されている有効電力を出力することができないことがある。
【０００９】
本発明に相応に、所定の判断基準を考慮して経路曲線が特定され、この経路曲線に対応して負荷のインピーダンスが調整されることによって、例えば、所定の最小の、反射された高周波電力がより迅速に得られる。さらにこの方法は、一定の、正確に調整可能な高周波プロセスエネルギーが確実に提供されるという、さらなる利点を有する。特にこれによって、既に、リアクタンスの値の変化の間に、反射低減速度が改善されている、ということが実現される。従来技術の場合のように、負荷変化の場合に、現下のインピーダンス値から、反射極小値が生じる値への直接的な経路が取られるのではなく、反射極小値が生じる値が後になってようやく得られようとも、所定の時点、有利には開始時での反射が、最も迅速に低減する経路が取られる。
【００１０】
例えば、判断基準として、反射される電力の低減速度、所定の反射ファクタへの到達または電力発生器の効率が設定されてよい。判断基準に応じて、適切な経路曲線が求められ、対応して、リアクタンスの値が整合される。
【００１１】
さらに、各リアクタンスに対して、調整されるべき値が求められてよく、各リアクタンスに対して、どのような調整速度で、この調整されるべき値に達するべきかが特定されてよく、かつ割り当てられている調整素子が対応して駆動制御されてよい。例えば、リアクタンスがそれぞれ最大調整速度で、この調整されるべき値を取るように、割り当てられている調整素子が駆動制御されてよい。選択的に、全てのリアクタンスが同時に、調整されるべき各値を取るように、割り当てられている調整素子が駆動制御されてよい。さらに、割り当てられているリアクタンスの値が所定の調整速度で変化するように少なくとも１つの調整素子が駆動制御され、割り当てられているリアクタンスの値が最大調整速度で変化するように少なくとも１つの調整素子が駆動制御されることが可能である。どのような速度でリアクタンスが自身の値を変化させるべきかを設定する際に特に、リアクタンスがどのような最大変化領域を有しているのか、かつ、どのような変化速度でリアクタンスが総じて変化可能であるのかが考慮されてもよい。個々の調整素子の特性も考慮されてよく、経路曲線が複素負荷平面、特にスミスチャートにおいて、可及的迅速に、反射される電力（複素負荷平面、特にスミスチャートの中心からの間隔）を低減するように駆動制御が改善されてよい。これは特に、複数の調整素子のダイナミクスが著しく異なっている場合に有利である。
【００１２】
複素負荷平面、特にスミスチャートにおいて、禁止領域が規定されてよく、この禁止領域が回避されるように経路曲線が特定されてよい。例えば、調整素子が低いダイナミクスを有している領域が回避されてよい。
【００１３】
さらに、経路曲線の第１の部分が第１の判断基準にしたがって特定され、経路曲線の第２の部分が第２の、別の判断基準にしたがって特定されることが可能である。例えば、反射ファクタまたは反射される電力が所定の閾値を下回るように、経路曲線の第１の部分が特定されてよい。第２の判断基準として、例えば、調整素子が高いダイナミクスを有している、または電力供給部が良好な効率を有している領域にインピーダンスが位置することが設定されてよい。さらに、経路曲線の終端位置が、複素負荷平面、特にスミスチャートの中心に位置していないことが設定されてよい。
【００１４】
反射される電力に関連している量として、例えば、反射ファクタが求められてよい。反射ファクタを求めるために、例えば、反射される電圧および／または電流が検出されてよい。
【００１５】
本発明には、さらに、調整素子を介して変更可能な少なくとも１つのリアクタンスと、負荷で反射される電力または負荷で反射される電力に関連している少なくとも１つの量を検出するための測定装置と、検出された、反射される電力または検出された、反射される電力に関連している量および少なくとも１つの所定の判断基準に基づいて、経路曲線を複素負荷平面、特にスミスチャートにおいて特定する経路曲線特定ユニットと、特定された経路曲線に対応して、少なくとも１つの調整素子を駆動制御する制御部とを備えるインピーダンス整合装置が含まれる。測定装置はここで、この測定装置が複素電圧および複素電流または複素波寸法を、電力の前進波または後退波に対して検出するように、構成されていてよい。これらの量は、反射される電力に関連している量として設定されていてよい。経路曲線が、複素負荷平面、特にスミスチャートにおいて、少なくとも１つの所定の判断基準に基づいて特定されることによって、有利な値が、複素負荷平面、特にスミスチャートにおいて、「迂回路」上で得られる。しかしこの迂回路は他の利点をもたらす。特に、設定された量は、複素負荷平面、特にスミスチャートにおいて、直接的な経路上で得られるのではなく、求められるべき経路曲線を介して得られる。
【００１６】
ここで、インピーダンス整合装置は、負荷の入口での負荷インピーダンスが、インピーダンス整合装置の入口での被変換負荷インピーダンスに変換されるように構成されていてよい。
【００１７】
経路曲線特定ユニットが論理的な回路ユニット、特にＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）を有している場合に、経路曲線を特に迅速に求めることができる。
【００１８】
リアクタンスは、コンデンサまたはコイルとして形成されていてよい。特にインピーダンス整合装置は複数のコンデンサおよび／またはコイルを有していてよい。リアクタンスは種々の回路構造で、インピーダンス整合装置内に設けられていてよい。例えば、これらはＬ回路またはｎ回路として配置されていてよい。
【００１９】
調整素子は、リアクタンスをオンオフするモータとしてまたはスイッチング要素として構成されていてよい。スイッチング要素は、本発明では、特に半導体スイッチ、例えばバイポーラトランジスタまたはＭＯＳトランジスタ、Ｐｉｎダイオードおよびリレーと解される。基本的には別のスイッチング要素も可能である。さらに、リアクタンスが、電力発生器周波数の変化によって変えられてもよい。
【００２０】
割り当てられている調整素子を備える複数のリアクタンスが設けられている場合に、特に良好かつ迅速なインピーダンス整合が行われる。
【００２１】
本発明のさらなる特徴および利点は、発明にとって本質的な細部を示している図に基づく本発明の実施例の後続の説明ならびに特許請求の範囲から明らかになる。ここに示されている特徴は、必ずしも縮尺通りであると理解されるべきではなく、本発明の特徴が格段に明白になるように示されている。種々の特徴は、それ自体で個々にまたは本発明の変化形態において複数で、任意の組み合わせで実現されてよい。
【００２２】
本発明の実施例は、概略的な図に示されており、後続の説明において詳細に説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】プラズマ給電システムの概略図
【図２】複素インピーダンス平面にわたった電力発生器の効率
【図３】複素インピーダンス平面上の一定の効率の輪郭
【図４】リアクタンス値に対して示された一定の反射ファクタを伴う輪郭
【図５】２つのリアクタンスに対する速度プロファイル（５ａ〜５ｃ）
【図６】時間にわたった反射ファクタ
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、高周波電力発生器４０を備えるプラズマ給電システム１を示している。ここでこの高周波電力発生器は、インピーダンス整合網１１を介して負荷２８、特にプラズマ負荷に接続されている。インピーダンス整合網１１は、インピーダンス整合装置１０の一部である。インピーダンス整合網１１は、図示の実施例では、それぞれ調整素子１２，１４，１６を介して駆動制御されるリアクタンス１８，２０，２２を含んでいる。調整素子１２，１４，１６は、制御部３２によって駆動制御される。例えば電流および電圧、前進電力および反射される電力および／またはインピーダンス値および位相角度を検出する測定素子２４，２６を有していてよい測定装置２５を介して、制御部３２に接続されている。測定装置２５によって求められた量に基づいて、例えば、負荷２８で反射される電力または反射ファクタが求められてよい。反射される電力は、整合エラーが存在している場合に、すなわち負荷２８のインピーダンスが電力発生器４０の出力インピーダンスに整合されていない場合に発生する。選択的または付加的に、対応する測定装置が、インピーダンス整合装置１０の入口にまたはインピーダンス整合装置１０内に配置されていてよい。インピーダンス整合装置１０は、負荷２８の入口での負荷インピーダンス２７を、インピーダンス整合装置１０の入口での、すなわち電力発生器側での、被変換負荷インピーダンス２９に変換するのに適している。
【００２５】
経路曲線特定ユニット３０を介して、複素負荷平面、特にスミスチャートにおいて経路曲線が特定される。この経路曲線は、インピーダンス整合が得られるように特定される。経路曲線特定ユニット３０は、例えば反射ファクタを可及的迅速に低減させるために、少なくとも１つの所定の判断基準を考慮して経路曲線を求めるように構成されている。経路曲線特定ユニットが論理的な回路ユニット３４、例えばＦＰＧＡを有している場合に、迅速な計算もしくは特定が行われる。求められた経路曲線に基づいて、負荷インピーダンスがこの経路曲線に追従するように、調整素子１２，１４，１６が駆動制御されてよい。
【００２６】
このようにして経路曲線が改善されてよい。特に、短い時間、反射が増大されるが、全体的な整合経過にわたって平均化して、より迅速に、より小さい反射値が得られる経路曲線が考慮されてもよい。
【００２７】
経路曲線を特定する際の判断基準は、例えば、電力発生器４０の効率であってよい。
【００２８】
図２には、複素負荷平面、この場合にはスミスチャート６０にわたって効率が示されている。ここで効率の極大値７０はこの例では、スミスチャート６０の中心にある。これは、図３の投影図に基づいても見て取れる。線７２に沿った箇所７１から箇所７０への示された負荷変更の場合、経路曲線５０に沿ったインピーダンス整合の際に、例えば図３において参照番号７３で示されている直接的な経路に沿ったインピーダンス整合の場合よりも高い電力発生器４０の効率上昇、ひいては高い電力出力が行われる。したがってここでは、経路曲線５０の特定のための判断基準として、電力発生器４０の効率が用いられている。より一般的には、経路曲線５０を求めるための判断基準として、電力発生器４０の選択された特性が使用される。
【００２９】
図４は、例示的なインピーダンス整合網の２つのリアクタンスの位置もしくは値にわたった一定の反射ファクタの輪郭８０を示している。横軸には第１のリアクタンスの正規化された量が示されており、縦軸には第２のリアクタンスの正規化された量が示されている。所与の負荷インピーダンス２７に対して、０．２未満の反射を伴う領域８４に向かう、３つの異なる経路曲線８１，８２，８３が示されている。したがって経路曲線８１〜８３によって、反射ファクタは、閾値、図示の実施例では０．２を下回るはずである。インピーダンス整合装置１０が０．９付近の反射ファクタを生じさせる点８７で始まり、リアクタンスは、インピーダンス整合装置１０において、被変換負荷インピーダンス２９が、反射ファクタの値が０．２を下回る領域に移動されるように、変化させられるはずである。これは種々の経路曲線上で行われてよい。ここでは３つの例示的な経路曲線８１，８２，８３が説明される。これら３つの経路曲線８１，８２，８３ではそれぞれインピーダンス整合網のリアクタンスが変化させられる調整速度が異なっている。これは図５ａ〜５ｃに基づいて説明されている。横軸には時間が示されており、縦軸には時間にわたった、リアクタンス、例えば容量の変化が示されている。
【００３０】
経路曲線８１は、図５ａに即して、２つのリアクタンス、例えばコンデンサが一定の調整速度で調整されることによって得られる。ここでは第１のリアクタンスが線８１．１に沿って、最大調整速度を下回る速度で変化させられる。他方で、第２のリアクタンスが線８１．２に沿って、自身の最大調整速度で変化させられる。選択された実施例では、２つのリアクタンスは、同じ最大調整速度を有している。
【００３１】
経路曲線８２は、図５ｂに即して、２つのリアクタンスが、自身の終端点（約５秒）に達するまで、すなわち目標値に達するまで、自身の最大調整速度で変化させられることによって得られる。経路曲線８１および８２に対してリアクタンスが異なって駆動制御されるのにもかかわらず、これらはほぼ同じ時点で目標値に達する。
【００３２】
経路曲線８３は、図５ｃに即して、はじめに第２のリアクタンスだけが、最大速度で変化させられることによって得られる。２秒の時点で、付加的に第１のリアクタンスが、最大速度で変化させられ、したがって３秒の時点で、２つのリアクタンスが同時に自身の目標値に達する。これは、図５ｃにおける線８３．１および８３．２によって示されている。
【００３３】
図６は、インピーダンス整合速度を説明するためのダイヤグラムを示している。横軸には時間が示されており、縦軸には反射ファクタの値が示されている。ここでは、経路曲線８３が最も短い時間の後、すなわち最も速いインピーダンス整合速度によって、０．２未満の反射ファクタに達することが見て取れる。経路曲線８１，８２では、より遅い時点で、０．２未満の反射ファクタが得られる。ここから、経路曲線８３に即したリアクタンスの駆動制御が、最も迅速に、小さい反射ファクタに導くことが明らかである。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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