(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマにＲＦ電力を供給するためのＲＦ電源であって、
ＲＦ信号を受容する入力線と、前記ＲＦ信号から誘導される第１の出力信号を伝送する第１の出力線と、前記ＲＦ信号から誘導される第２の出力信号を伝送する第２の出力線と有するスプリッタと、
前記第１の出力信号を受容して、そこから第１の誘導信号を発生させる第１の分枝回路であって、前記第１の分枝回路は、第１の電力増幅器と第１の位相移動要素とを備え、前記第１の電力増幅器は出力線を有する、前記第１の分枝回路と、
前記第２の出力信号を受容して、そこから第２の誘導信号を発生させる第２の分枝回路であって、前記第２の分枝回路は、出力線を有する第２の電力増幅器を備える、前記第２の分枝回路と、
第１の入力と第２の入力とを備える結合器であって、前記第１の入力は前記第１の誘導信号を受容し、前記第２の入力は前記第２の誘導信号を受容し、前記結合器は前記第１の誘導信号と前記第２の誘導信号とを結合してそこから電力出力信号を作り出す、前記結合器と、
を備え、
前記第１の位相移動要素は、該第１の電力増幅器の該出力線と該結合器の該第１の入力との間に接続され、該第１の電力増幅器から該結合器へと通過する信号に対して、該第２の電力増幅器から該結合器へ通過する信号と相対的に、第１の位相移動をもたらし、
前記第１の分枝回路及び第２の分枝回路は、前記第２の誘導信号に対する前記第１の誘導信号の総位相移動であって、ｓ（３６０°）＋３６０°及びｓ（３６０°）＋１８０°のうちの一方に等しい該総位相移動を生成し、ここで、ｓは正の値又は０の整数であり、
前記総位相移動がｓ（３６０°）＋３６０°である場合に、前記結合器が０°結合器であり、前記総位相移動がｓ（３６０°）＋１８０°である場合に、前記結合器が１８０°結合器である、
ＲＦ電源。
【請求項２】
前記第１の位相移動が、プラズマへ電力を供給したときに、ＲＦ電力の供給における発振による不安定性を防止するに充分である請求項１に記載のＲＦ電源。
【請求項３】
前記第１の位相移動が、４５゜＋ｎ（１８０゜）であり、ｎは整数である請求項１に記載のＲＦ電源。
【請求項４】
前記第１の位相移動が、９０゜＋ｎ（１８０゜）であり、ｎは整数である請求項１に記載のＲＦ電源。
【請求項５】
前記第１の分枝回路が更に、該スプリッタの該第１の出力と該第１の電力増幅器との間に接続された第２の位相移動要素を備え、前記第２の位相移動要素は、前記第１の位相移動要素の前記第１の位相移動に加えられたときに、該第１の誘導信号は該第２の誘導信号に対して所定の位相関係を有するようになり、前記所定の位相関係は、該結合器の要求によって決定される、請求項１に記載のＲＦ電源。
【請求項６】
前記第１の位相移動と第２の位相移動とにより、該第１の誘導信号が該第２の誘導信号と同調する請求項５に記載のＲＦ電源。
【請求項７】
前記第１の位相移動が９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｍ（３６０゜）であり、ｎ及びｍは整数であり、また、前記第２の位相移動は２７０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｋ（３６０゜）であり、ｋは整数である、請求項６に記載のＲＦ電源。
【請求項８】
前記第１の位相移動と該第２の位相移動とにより、該第１の誘導信号が、該第２の誘導信号と１８０゜位相がずれる請求項５に記載のＲＦ電源。
【請求項９】
前記第１の位相移動が、９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｍ（３６０゜）であり、ｎ及びｍは整数であり、また、前記第２の位相移動は９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｋ（３６０゜）であり、ｋは整数である、請求項８に記載のＲＦ電源。
【請求項１０】
前記第１の位相移動要素が、所定の長さのケーブルのセグメントである請求項５に記載のＲＦ電源。
【請求項１１】
該第２の位相移動要素が、所定の長さのケーブルのセグメントである請求項１０に記載のＲＦ電源。
【請求項１２】
該結合器が０゜結合器である請求項５に記載のＲＦ電源。
【請求項１３】
該結合器が１８０゜結合器である請求項５に記載のＲＦ電源。
【請求項１４】
前記第２の分枝回路が更に、該スプリッタの該第２の出力と該第２の電力増幅器との間に接続された第２の位相移動要素を備え、前記第２の位相移動要素によって該第２の誘導信号は該第１の誘導信号に対して所定の位相関係を有するようになり、前記所定の位相関係は、該結合器の要求によって決定される、請求項１に記載のＲＦ電源。
【請求項１５】
プラズマ処理装置であって、
プラズマ処理チャンバと、
該プラズマ処理チャンバへ電力を供給するＲＦ電源と、
前記ＲＦ電源に接続されて周波数ｒＲＦを有するＲＦ信号を供給するＲＦ信号生成器と、
を備え、
前記ＲＦ電源が、
ＲＦ信号を受容する入力線と、前記ＲＦ信号から与えられる第１の出力信号を伝送する第１の出力線と、前記ＲＦ信号から与えられる第２の出力信号を伝送する第２の出力線と有するスプリッタと、
前記第１の出力信号を受容して、そこから第１の誘導信号を発生させる第１の分枝回路であって、前記第１の分枝回路は、第１の電力増幅器と第１の位相移動要素とを備え、前記第１の電力増幅器は出力線を有する、前記第１の分枝回路と、
前記第２の出力信号を受容して、そこから第２の誘導信号を発生させる第２の分枝回路であって、前記第２の分枝回路は、出力線を有する第２の電力増幅器を備える、前記第２の分枝回路と、
第１の入力と第２の入力とを備える結合器であって、前記第１の入力は前記第１の誘導信号を受容し、前記第２の入力は前記第２の誘導信号を受容し、前記結合器は前記第１の誘導信号と前記第２の誘導信号とを結合してそこから電力出力信号を作り出す、前記結合器と、
を備え、
前記第１の位相移動要素は、該第１の電力増幅器の該出力線と該結合器の該第１の入力との間に接続され、該第１の電力増幅器から該結合器へと通過する信号に対して、該第２の電力増幅器から該結合器へ通過する信号と相対的に、第１の位相移動をもたらし、
前記第１の分枝回路及び第２の分枝回路は、周波数ｒＲＦで、前記第２の誘導信号に対する前記第１の誘導信号の総位相移動であって、ｓ（３６０°）＋３６０°及びｓ（３６０°）＋１８０°のうちの一方に等しい該総位相移動を生成し、ここで、ｓは正の値又は０の整数であり、
前記総位相移動がｓ（３６０°）＋３６０°である場合に、前記結合器が０°結合器であり、前記総位相移動がｓ（３６０°）＋１８０°である場合に、前記結合器が１８０°結合器である、
ＲＦ電源である、
プラズマ処理装置。
【請求項１６】
前記第１の位相移動が、４５゜＋ｎ（１８０゜）であり、ｎは整数である請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１７】
前記第１の位相移動が、９０゜＋ｎ（１８０゜）であり、ｎは整数である請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１８】
前記第１の分枝回路が更に、該スプリッタの該第１の出力と該第１の電力増幅器との間に接続された第２の位相移動要素を備え、前記第２の位相移動要素は、前記第１の位相移動要素の前記第１の位相移動に加えられたときに、該第１の誘導信号が該第２の誘導信号に対して所定の位相関係を有するようにする第２の位相移動を生成し、前記所定の位相関係は、該結合器の要求によって決定される、請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１９】
前記第１の位相移動と前記第２の位相移動とにより、該第１の誘導信号が該第２の誘導信号と同調する請求項１８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２０】
前記第１の位相移動が９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｍ（３６０゜）であり、ｎ及びｍは整数であり、また、前記第２の位相移動は２７０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｋ（３６０゜）であり、ｋは整数である、請求項１８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２１】
前記第１の位相移動と該第２の位相移動とにより、該第１の誘導信号が、該第２の誘導信号と１８０゜位相がずれる請求項１８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２２】
前記第１の位相移動が、９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｍ（３６０゜）であり、ｎ及びｍは整数であり、また、前記第２の位相移動は９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｋ（３６０゜）であり、ｋは整数である、請求項２１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２３】
前記第１の位相移動要素が、所定の長さのケーブルのセグメントである請求項１８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２４】
該第２の位相移動要素が、所定の長さのケーブルのセグメントである請求項２３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２５】
該結合器が０゜結合器である請求項１８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２６】
該結合器が１８０゜結合器である請求項１８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２７】
プラズマ処理チャンバにおけるプラズマにＲＦ電力を供給する方法であって、
該ＲＦ信号を第１の出力信号と第２の出力信号とにスプリットさせるステップと、
該第１の出力信号を電力増幅して第１の増幅信号を発生させるステップと、
該第２の出力信号を電力増幅して第２の増幅信号を発生させるステップと、
前記第２の出力信号を増幅する前に、該第２の出力信号を該第１の出力信号に対して位相移動させるステップと、
該第２の増幅信号を該第１の増幅信号に対して位相移動させて、位相移動信号を発生させるステップであって、９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｍ（３６０゜）の位相移動を導き、ｎ及びｍは整数であり、また、該第２の出力信号を該第１の出力信号に対して位相移動させる前記ステップが、２７０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｋ（３６０゜）の位相移動を導き、ｋは整数であり、前記第２の出力信号を該第１の出力信号に対して位相移動させる前記ステップと、該第２の増幅信号を該第１の増幅信号に対して位相移動させて位相移動信号を発生させる該ステップとが、前記位相移動信号を前記第１の増幅信号に同調させる、該ステップと、
該第１の増幅信号と該位相移動信号とを結合して、そこから電力出力信号を発生させるステップと、
前記プラズマ処理チャンバにおける前記プラズマに前記電力出力信号を供給するステップと、
を有する方法。
【請求項２８】
プラズマ処理チャンバにおけるプラズマにＲＦ電力を供給する方法であって、
該ＲＦ信号を第１の出力信号と第２の出力信号とにスプリットさせるステップと、
該第１の出力信号を電力増幅して第１の増幅信号を発生させるステップと、
該第２の出力信号を電力増幅して第２の増幅信号を発生させるステップと、
該第２の増幅信号を該第１の増幅信号に対して位相移動させて、位相移動信号を発生させるステップと、
前記第２の出力信号を増幅する前に、該第２の出力信号を該第１の出力信号に対して位相移動させるステップであって、該第２の出力信号を該第１の出力信号に対して位相移動させるステップと、該第２の増幅信号を該第１の増幅信号に対して位相移動させて位相移動信号を発生させるステップとにより、該位相移動信号が該第１の増幅信号に対して１８０゜位相がずれることになる該ステップと、
該第１の増幅信号と該位相移動信号とを結合して、そこから電力出力信号を発生させるステップであって、該結合することが、前記第１の増幅信号又は前記位相移動信号の一方の位相を１８０°移動する、該ステップと、
前記プラズマ処理チャンバにおける前記プラズマに前記電力出力信号を供給するステップと、
を有する方法。
【請求項２９】
該第２の増幅信号を該第１の増幅信号に対して位相移動させて、位相移動信号を発生させるステップが、９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｍ（３６０゜）の位相移動を導き、ｎ及びｍは整数であり、また、該第２の出力信号を該第１の出力信号に対して位相移動させるステップが、９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｋ（３６０゜）の位相移動を導き、ｋは整数である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
該第２の増幅信号を該第１の増幅信号に対して位相移動させて、位相移動信号を発生させるステップが、所定の長さを有するケーブルのセグメントを用いて前記位相移動を行う工程を有する請求項２７又は２８に記載の方法。
【請求項３１】
該第２の出力信号を該第１の出力信号に対して位相移動させるステップが、第２の所定の長さを有するケーブルの第２のセグメントを用いて前記位相移動を行う工程を有する請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
請求項１記載のＲＦ電源と、
プラズマチャンバであって、前記ＲＦ電源によって該プラズマチャンバに前記電力出力信号を供給することを可能とするように前記ＲＦ電源が接続された該プラズプラズマチャンバと、
を備える、ＲＦプラズマシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理チャンバに用いられる等のＲＦ電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＲＦ励起プラズマチャンバでは、ＲＦ電源とプラズマとの間に発振現象(oscillation phenomenon)を示すことがある。ＲＦ励起プラズマシステムでは、プラズマのインピーダンスは迅速に変化することがある。プラズマへ供給された電力が変化すれば、インピーダンスも変化する。同様に、負荷インピーダンスの変化が生じれば、ＲＦ電源の出力電力が変化するだろう。これらの変化が協同して、急速な「脱走」のシナリオあるいは発振を生じることとなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
発振は、ＲＦ信号の振幅変調として認識することができ、これは、ＲＦ電源が急速インピーダンス（そして即ち急速出力電力）のエクスカーションに応答するような様式による動作周波数よりも低い周波数であれば、ほぼ、どの周波数においても生じ得る。進行電力又は反射保護制御ループ(reflected protection control loop)によって、「脱走」の環境が制限され妨げられれば、そのループ対応周波数で発振が生じるだろう。「脱走」の環境が、ＲＦ電源の電力増幅器の蓄積エネルギーの一時的な空乏を生じさせるだけであるならば、もっと高い周波数で発振を生じさせることができる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
ＲＦ電源の新しい構成は、急速に変化する非線形インピーダンスに対しての電源の対応の方法を変えている。この新たな構成の電源は、５０オーム実部(50 ohms real)の抵抗の完全整合点に近い単位から、最大進行電力を使用可能にする。このことが、プラズマインピーダンスが変化した際に、電源からの供給電力が高くなることを防止するため、相互作用による発振が開始することはない。
【０００５】
概説的に、１つの特徴としては、本発明は、スプリッタ(splitter)と、２つの分枝回路と、結合器(combiner)とを備えるＲＦ電源である。スプリッタは、ＲＦ信号を受容する入力線と、ＲＦ信号から誘導される第１の出力信号を伝送する第１の出力線と、ＲＦ信号から誘導される第２の出力信号を伝送する第２の出力線とを有している。第１の分枝回路は、第１の出力信号を受容して、そこから第１の誘導信号を発生させる。第２の分枝回路は、第２の出力信号を受容して、そこから第１の誘導信号を発生させる。第１の分枝回路は、第１の電力増幅器と、位相移動要素とを有している。第２の分枝回路は、第２の電力増幅器を有している。第１の誘導信号を受容する第１の入力と第２の誘導信号を受容する第２の入力とを有する結合器は、この第１の誘導信号と第２の誘導信号とを結合させて出力信号を発生させる。位相移動要素は、第１の電力増幅器の出力線と結合器の第１の出力との間に接続されて、第１の電力増幅器から結合器へと通過する信号における位相移動を第２の電力増幅器から結合器へと通過する信号と相対的に行う。
【０００６】
概説的に、１つの特徴としては、本発明は、上述の電源を用いて、電力をプラズマ処理チャンバへと供給している。
【０００７】
好ましい具体例では、以下の特徴を有している。電力がプラズマへと供給された際のＲＦ電源の発振による不安定性を防止するためには、第１の増幅器の出力において位相移動があれば充分である。更に具体的には、位相移動はおよそ９０゜＋ｎ（１８０゜）であり、ｎは整数で、０゜結合器が用いられると仮定する。第１の分枝回路は更に、スプリッタの第１の出力と第１の電力増幅器との間に接続された第２の位相移動要素を有している。この第２の位相移動要素は、第２の位相移動を生じさせるが、これが、第１番目に述べた位相移動要素の位相移動へ加えられた時に、第２の誘導信号に対して所定の位相関係を有するような第１の誘導信号を生じさせる。この所定の位相関係は、結合器の要求項目によって決定される。０゜電力結合器及びスプリッタを用いた場合は、第１番目に述べた位相移動及び第２番目の位相移動によって、第１の誘導信号が第２の誘導信号と同調するようになる。例えば、第１番目に述べた位相移動はおよそ９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｍ（３６０゜）であり、ｎ及びｍは整数、また、第２の位相移動はおよそ２７０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｋ（３６０゜）であり、ｋは整数である。１８０゜結合器と０゜スプリッタを用いた場合は、第１番目に述べた位相移動及び第２の位相移動により、第１の誘導信号は第２の誘導信号に対して１８０゜位相がずれるようになる。例えば、第１番目に述べた位相移動はおよそ９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｍ（３６０゜）であり、ｎ及びｍは整数、また、第２の位相移動はおよそ２７０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｋ（３６０゜）であり、ｋは整数である。
【０００８】
また、好ましい具体例では、位相移動要素は、所定の長さを有するケーブルのセグメントである。
【０００９】
概説的に、また１つの特徴においては、本発明は、ＲＦ信号を増幅する方法である。この方法は、以下のステップを有している：ＲＦ信号を第１の出力信号と第２の出力信号とに分割するステップと；第１の出力信号の電力を増幅して、第１の増幅電力を生じさせるステップと；第１の出力信号の電力を増幅して、第１の増幅電力を生じさせるステップと；第２の増幅信号を第１の増幅信号に対して位相移動させて、位相移動信号を生じさせるステップと；第１の増幅信号と位相移動信号とを結合させて電力出力信号を生じさせるステップと。
【００１０】
本発明は、実施が容易であり、また、特に、プラズマチャンバ内のプラズマへ電力を供給するＲＦ電力供給器においてしばしば生じる発振の問題を解決する。
【００１１】
その他の利点及び特徴は、下記の好ましい具体例によって更に明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に示されるように、半導体デバイスの製造に用いることもできる典型的なＲＦ処理システムの基本要素は、ＲＦ電源２と、プラズマチャンバ４と、ＲＦ整合回路６とを有している。ＲＦ電源は、同軸ケーブル８を介してプラズマチャンバへとＲＦ電力信号を供給して、プラズマを発生させる。このケーブルは、整合回路を介して、プラズマチャンバ内部のプラズマ発生要素（例えばコイル又は電極）に接続されるが、この整合回路は、プラズマ発生要素の近くのチャンバに適正に載置されていることが好ましい。整合回路はプラズマチャンバのインピーダンスを、ＲＦ電源の出力インピーダンスと典型的には５０オームである同軸ケーブルのインピーダンスとに整合させる。電源の出力に認められるインピーダンスが５０オーム(50 ohms real)と全く等しい（即ち、完全に抵抗的である）場合にチャンバ内のプラズマへ移動される電力が最大になる。同軸ケーブルを通じた電源に認められるインピーダンスがこのシステムの特性インピーダンス、例えば５０オーム、でない場合は、不整合が生じて、チャンバへと送られる電力の一部が電源へと反射し返される。
【００１３】
従来からのデザインの整合回路は、所望の整合の条件を実現するよう調整可能な、可変リアクティヴ要素(variable reactive element)を有している。整合回路を包含するユニットの内部に配置される検出回路１０が、整合回路における電圧及び電流をモニタし、整合回路が最適な整合条件を実現したかどうかを決定する。この事は、典型的には、整合回路の入力電流及び入力電圧をサンプリングしてこれらから入力インピーダンスを決定することによってなされる。検出回路は、整合が最適ではないことを検知したときには、整合回路内部のリアクティブ要素を変化させて回路を最適な整合状態に移すための信号を発生させる。
【００１４】
ＲＦ励起チャンバにおいて、ＲＦ電源とプラズマとの間に生じる発振現象については、まだ完全に解明されてはいないが、その一部はＲＦ電源の進行電力を変調する非線形プラズマインピーダンスによって生じることを、我々は示してきた。上記に指摘したように、ＲＦ励起プラズマシステムにおいては、プラズマのインピーダンスが急速に変化し、また、プラズマへ供給される電力が変化した載にもこれがプラズマのインピーダンスを変化させる。そして、電源の負荷インピーダンスにおけるこれら上記の変化によって、ＲＦ電源の出力電力を変化させることになる。電力の関数としてのプラズマインピーダンス非線形性の傾斜が、ＲＦ電源に固有な形にある場合は、プラズマインピーダンスが変化することにより、これに対応して電源の出力電力も上昇し、急速な「脱走」のシナリオを生じさせるだろう。この環境に対しての制御は、典型的なＲＦ電源の進行電力ループ又は不整合保護回路だけであり、これは最終的には、そのループ時間定数に従って応答し、電源出力に引き入れ返す。そして、プラズマインピーダンスは始点に戻り、プロセスが再度開始して、電力／インピーダンス発振を持続させる。また、この発振は、「脱走」状態を支持するために供給可能な瞬時エネルギーの量を制限する電源の要素に蓄積された、エネルギーの量によって決まる周波数で、生じ得ることとなる。
【００１５】
電源において認められるプラズマ非線形性の位相及び傾斜が重要な因子であるため、発振の存在は、プラズマ−電源間の同軸ケーブルの長さ（即ち、電気的長さ）の関数である。このことは、実験において、チャンバのためのＲＦシステムが特定のケーブル長さでだけ安定であるということで、繰り返し示されてきた。望ましくないことに、安定したＲＦ動作に必要なケーブル長さはＲＦ整合回路網の関数であり、プラズマインピーダンスの性質の関数であり、また、電源の性質の関数である。従って、最適な長さはシステム間で一定ではない。この事により、製造の環境において問題を引き起こす。
【００１６】
上述の発振の問題を解決する電源のデザインの内部構造を説明する前に、まず、本発明が排除する不安定性を、何が生じさせるのかを、更に詳しく理解することが有用である。この最後に、ＲＦ電源２０の基本構造を示す図２を参照することとする。電源２０は、ＲＦ信号を発生させるＲＦ信号ソース２２と、チャンバ内にプラズマを発生させるために要するレベルまでＲＦ信号を増幅する電力増幅器２４とを有している。この図及び残りの図においては、プラズマチャンバ内のプラズマは、負荷、ＺL 、としてモデル化されている。この最もシンプルな形態では、電力増幅器２４は、シングルステージのＲＦトランジスタ電力増幅器である。進行電力、ＰFWD 、は、負荷ＺL に入射する電力として定義される。このようなシステムに対しては、ＺL に対する進行電力の典型的な性質は、図３（ａ）のスミス図表に与えられる。
【００１７】
背景としては、スミス図表は、ＲＦ伝送線回路を解析するために、いわゆる当業者間で広く用いられている便利な道具である。簡単に言えば、これは、反射係数面（即ちΓ−面）における規格化抵抗及びリアクタンスのグラフプロットである。反射係数、Γ、は、特性インピーダンスＺ0 を有するロスの小さな伝送線が終了するところにある負荷ＺL での反射電圧の複素振幅と入射電圧の複素振幅との比で定義される。
【００１８】
これは数学的に、以下のように表現される：
【数１】
0004124836.tif 000002
ここで、ｊ＝（−１）1/2 である。その例が図３（ｂ）に示されているスミス図表は、Γ−空間のプロットであり、水平軸がΓr を与え、垂直軸がΓj を与える。規格化負荷ＺL ／Ｚ0 と称されるもう一つの有用な量は、以下に等しく：
【数２】
0004124836.tif 000003
スミス図表にプロットされた場合のｒの異なる値は、Γr 軸に沿って配置される中心をそれぞれ有し、且つ全てがΓ＝１．０∠０゜を通過する、半径の異なる円の一群として示されている。スミス図表にプロットされた場合のｘの異なる値は、Γr ＝１の線に沿って配置される中心をそれぞれ有し、且つ全てがΓ＝１．０を通過する、半径の異なる円の別の一群として示されている。従って、スミス図表によれば、反射係数に対する負荷インピーダンスを図から非常に簡単に読み取ることができ、その逆も同様である。じきに明らかになることであろうが、電力増幅器に認められるインピーダンスに対して遅れ線や位相移動器が持つ効果を迅速に決定することも容易になる。
【００１９】
この背景をもって、図３（ａ）に示されている電力カーブに戻ることにする。スミス図表の中心は、伝送線特性インピーダンスと電力供給出力インピーダンスＺ0 に等しく、このケースでは５０オーム実部(50 ohms real)である。縦軸は、Γ−面（Ｚ−面とも称する）に垂直であるが、これはＰFWD 軸である。負荷インピーダンスＺL の関数としての進行電力ＰFWD のプロットは、図示されるように、略傾斜した、比較的平坦な面５０である。ＺL＝Ｚ0である整合点では、電力増幅器により与えられる進行電力は、５２で標識されるように示され、即ち、ＰFWD 軸は電力カーブ５０と交差する。実際、ＺL が５０オーム実部(50 ohm real)のインピーダンスの値から一定の方向に遠ざかる場合に、進行電力は著しく増加する。この特性は、前述したような不安定な状態を導き得る。
【００２０】
プラズマ処理チャンバに典型的に用いられるような高い電力レベルを実現させるためには、マルチステージのＲＦ増幅器を並列に結合させることがしばしば必要になる。図４には、２ステージに係る従来からの並列の構成の例を例示する。図示のように、２つの別々の増幅器６０ａ及び６０ｂが、電力スプリッタ６２及び電力結合器６４を用いて接続されている（電力スプリッタ及び電力結合器の設計及び動作の説明は、標準的なハンドブック、例えば、Single-Sideband Systems and circuit, Ed. Williams E. Sabin and Edger O. Scoenke, McGraw-Hill Book Company, ４２５〜４４７頁、等を参照）。
【００２１】
電力スプリッタ６２は、ＲＦソースからＲＦ信号ＰIN を受容して、そこから、電力の等しい２つの同一の信号を発生する。増幅器６０ａ及び６０ｂのそれぞれは、電力スプリッタ６２からの信号の対応する一方を増幅する。そして、これらの増幅器の出力は、電力結合器６４に接続されて、電力増幅器６０ａの出力電力及び６０ｂの出力電力の合計と等しい電力を有する出力信号を発生させる。
【００２２】
ここに説明される具体例では、電力結合器６４は、逆に動作される点を除いて、電力スプリッタ６２と同じタイプのデバイスである。即ち、電力結合器の入力線は電力スプリッタの出力線となり、また、電力結合器の出力線は電力スプリッタの入力線となる。また、これらのデバイスは、第３のポートに接続された電力抵抗器Ｒ1 を有している。電力結合器は、電力抵抗器Ｒ1 に吸収されるあらゆる増幅度又は位相不均衡で、２つの入力信号を等しく結合する。図４では、電力スプリッタ６２及び電力結合器６４は、０゜(degree)デバイスである。即ち、これら２つの線に現れている信号は、相互に同調している。また、１８０゜デバイスも商業的に入手可能である。しかし、用いるタイプに関係なく、電力増幅器６０ａの出力に認められるインピーダンスは、電力増幅器６０ｂに認められるインピーダンスと同一である。従って、０゜デバイス又は１８０゜デバイスを用いた場合は、増幅器６０ａと６０ｂの進行電力対ＺL 特性は、図３に示されるシングルステージと同じである。従って、プラズマインピーダンスの変化によって一方の増幅器の電力出力が増加するならば、他方の増幅器の電力も増加する。
【００２３】
ＲＦ増幅器をこの方法で結合すれば上述したＲＦ電源−プラズマの相互作用による発振を生じさせることが、知られていた。プラズマインピーダンスがある方向に変化したときに双方の分枝において進行電力が増加し得るため、発振が開始してしまう。
【００２４】
図５の回路で示される変形を行うことにより、不安定となる可能性が完全に排除される。この変形回路は、位相移動要素７２及び７４が、増幅器６０ａの前後に付加されている点を除けば、図４の回路と同じである。更に具体的には、ここに説明される具体例では、２７０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｍ（３６０゜）の位相移動要素７２が電力増幅器６０ａの前に付加され、９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｋ（３６０゜）位相移動要素７４が電力増幅器６０ａに付加されている。ここで、ｎ、ｍ及びｋは整数であり、いかなる正の値又はゼロをとることができる。位相移動要素７４は、電力増幅器６０ａに認められるインピーダンスを、電力増幅器６０ｂに認められるインピーダンスに関して回転させる。位相移動要素７２は、下側の分枝からの入力信号と同調する信号を電力結合器６４の入力において発生させる（即ち、これら２つの入力の間の位相差が３６０゜の整数倍となる）に充分な位相移動を、上側の分枝に加える。
【００２５】
位相移動要素を、代りに、電力増幅器６０ｂの前に挿入することも可能であることに注意するべきである。そのケースでは、９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｍ（３６０゜）の位相移動を導入することが、電力結合器６４の入力における位相に求められることを満たす上で必要である。
【００２６】
位相移動要素６０ａ及び６０ｂは、適当な長さを有するケーブル（例えば、約３０”の長さを有するケーブルは１３．５６ＭＨｚの信号に対して９０゜の位相移動を生じさせる）の部分を用いることにより、簡単に実施可能である。
【００２７】
図５の構成では、ＺL が厳密に５０オーム実部(50 ohms real)である場合は、電力増幅器６０ａ及び６０ｂの双方は、５０オーム実部(50 ohms real)の負荷インピーダンスを与えるだろう。しかし、ＺL が５０オーム実部(50 ohms real)ではない場合は（即ち、システムが完全な整合状態から離れてしまったならば）、電力増幅器６０ａは、電力増幅器６０ｂに認められるインピーダンスと１／４波長（即ち９０゜）だけ位相がずれたインピーダンスを現すであろう。更に重要なことに、電力増幅器６０ａの電力カーブも、電力増幅器６０ｂの電力カーブに比べて１／４波長だけ位相がずれているだろう。換言すれば、図３に示されているような電力増幅器６０ｂの電力カーブを仮定すれば、電力増幅器６０ａの電力カーブは、電力軸の回りに１８０゜（即ち９０゜を２回）回転されたものであろう。ここで、インピーダンスが整合状態から遠ざかる変化があっても、これが２つの電力増幅器の電力出力を増加させないだろう。プラズマインピーダンスの変化によって電力増幅器６０ｂの出力電力が増加した場合は、電力増幅器６０ａの出力が減少するだろう。このことは、出力増幅器の出力が増幅器の電源の電流又は電圧の能力に制限されない限り、通常のクラスＡ、Ｂ及びＣの電力増幅器全ての特徴である。換言すれば、一方の電力増幅器が、他方の電力増幅器の不安定になる可能性のある応答を、補償する傾向を有するだろう。
【００２８】
電力結合器６４は、以下の方法で、電源の安定化を更に促進する。２つの電力増幅器６０ａ及び６０ｂが、等しい振幅を有する信号を発生させて、同調し、即ち等しい進行電力を有するときは、電力結合器６４はこれら２つの信号を結合して、２つの電力増幅器の進行電力の合計である全進行電力を有する出力信号を作り出す。電力結合器６４へ至る２つの入力信号が同調し且つ等しい振幅を有するので、電力抵抗器Ｒ1 は電力を損失させない。しかし、２つの電力増幅器がバランスしていない信号を発生している場合は、電力抵抗器Ｒ1 がこの振幅の不均衡を吸収するだろう。
【００２９】
位相移動要素７４及び電力結合器６４の正味の効果は、図６に示されているように、そこに現れている進行電力対ＺL 特性を作り出す。その結果得られた電源の電力カーブは、最適整合点のところ又はその近くで最大値８０を示している。しかし、用いられる電力増幅器の特性によっては、最大値は実際に整合点に配置されないこともある。それでも、得られる電力カーブは最適整合点の近傍に形状を有しているだろうことから、最適整合点から遠ざかるいかなる動きも電源の電力出力を著しく増加させることがない（即ち、前に見られたタイプの不安定さを生じさせるほど大きくは増加しない）。実に、この技術は、上述の電源−プラズマ相互作用発振の問題を完全に解決することが立証されている。
【００３０】
図５の構成は、この目的を達成する構成だけではない。重要なことは、一方の電力増幅器の出力のところで、充分な位相移動を加えていることである。２つの電力増幅器のステージの出力で認められるインピーダンスに限っては、この技術は、前述のタイプの不安定さを排除するように機能する。換言すれば、電力増幅器６０ｂの出力における位相移動は、９０゜である必要はない。この電力増幅器が、他方の電力増幅器に応じて生じ得る不安定さを補償するのであれば、どの量でもよい。この量は、用いられている特定の電力増幅器及び特定の構成に対して、実験的に決定できる。位相移動要素７２によって与えられる第２の位相移動は、０゜結合器の入力のところで存在する要求、即ち、相互に同調しなければならないことを、容易に満たしている。
【００３１】
更に、この技術は、２つ以上のステージを有する電源に用いられてもよい。２以上の電源が用いられた場合は、これらを２つのグループに分け、各グループを、上述のような２ステージの構成の単一の電力増幅器として取り扱うことが可能である。あるいは、電力増幅器は、別々に取り扱われてもよい。例えば、図７に示されるように４つの電力増幅器がある場合は、これらの電力増幅器のうちの３つの出力のところにはそれぞれ、４５゜、９０゜及び１３５゜の位相移動要素を用いることが可能である。これらの位相移動要素は、その隣に対して一方の電力増幅器から９０゜だけ、電力カーブを回転させるように動作する。
【００３２】
一般的には、ｘステージ（ｘは典型的には偶数の整数である）が用いられている場合は、ｒ（１８０゜／ｘ）の位相移動要素を用いる１つのアプローチがある。ここで、ｒはステージを特定し、ｒ＝１，２，・・・，ｘである。
【００３３】
図８に示される別の具体例では、１８０゜電力結合器６５が用いられている。このケースでは、前述の２７０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｋ（３６０゜）の位相移動要素の代りに、９０゜＋ｎ（１８０゜）＋ｋ（３６０゜）の位相移動要素が電力増幅器６０ａの前に用いられている。１８０゜電力結合器の入力に到達する信号が、位相が１８０゜ずれていなければならないため、これが必要である。
【００３４】
また、異なるデザインの、それぞれが他方の増幅器の電力カーブを補償する電力カーブを有している、２つの電力増幅器を用いることも可能である。
【００３５】
ここ説明されている具体例で用いられる典型的な電力レベルは、１３．５６ＭＨｚで１ｋＷである。しかし、この技術は、プラズマチャンバ内で用いられるだろうあらゆる周波数（例えばＲＦ）及び電力レベルで機能する。
【００３６】
上述の具体例に対して、電力スプリッタの出力と電力増幅器の入力の間、又は、電力増幅器の出力と結合器の入力との間に、何か接続があれば、それは典型的には信号に位相移動を導入するだろう。この導入された位相移動の量は、回路の長さによって小さくもなれば大きくもなるだろう。従って、図には、全ての分枝の全ての増幅器の入力及び出力の両方に位相移動要素があることが暗黙である。しかし、説明を簡単にし、且つ、重要な位相移動の相対差を強調するため、これらは示されない。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の電源では、プラズマインピーダンスが変化した際に、電源からの供給電力の増加が防止されるため、相互作用による発振が開始することはない。
【００３８】
従って、ＲＦ電力供給器においてしばしば生じる発振の問題を解決することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＲＦプラズマシステムのブロック線図である。
【図２】典型的なシングルステージＲＦトランジスタ電力増幅器及び負荷のブロック線図である。
【図３】（ａ）は典型的なＲＦトランジスタ増幅器の進行電力出力対負荷のインピーダンスのグラフであり、（ｂ）はスミス図表である。
【図４】従来から用いられる典型的な高出力ＲＦ電源のブロック線図である。
【図５】本発明に従って構成されるＲＦ電源のブロック線図である。
【図６】図４の電源に関する進行電力の出力の等高線図である
【図７】４つの電力増幅器を用いた、本発明の具体例のブロック線図である。
【図８】１８０゜電力結合器を用いた別の具体例のブロック線図である。
【符号の説明】
２…ＲＦ電源、４…プラズマチャンバ、６…ＲＦ整合回路、８…同軸ケーブル、１０…検出回路、２０…ＲＦ電源、２２…ＲＦ信号ソース、２４…電力増幅器、５０…電力カーブ、６０ａ，６０ｂ…増幅器、６２…電力スプリッタ、６４，６５…電力結合器、７２，７４…位相移動要素、８０…最大値。
【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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