JP2521399B2 - 発電機のインピ―ダンスを未知の負荷インピ―ダンスに整合する方法及び装置 - Google Patents

発電機のインピ―ダンスを未知の負荷インピ―ダンスに整合する方法及び装置

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JP2521399B2 JP5009078A JP907893A JP2521399B2 JP 2521399 B2 JP2521399 B2 JP 2521399B2 JP 5009078 A JP5009078 A JP 5009078A JP 907893 A JP907893 A JP 907893A JP 2521399 B2 JP2521399 B2 JP 2521399B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、概括的には、電源イン
ピーダンスと負荷インピーダンスを整合させるためのイ
ンピーダンス整合ネットワークに関し、更に詳細には、
負荷インピーダンスが未知の場合、最初は解に収束する
ように動的にネットワーク値を調整し、次いで、負荷イ
ンピーダンスが変わるように調整する、インピーダンス
整合ネットワークに関するものである。電源を電気的負
荷に接続したのは、電源から負荷への電力転送を最大に
するためである。KNO目的は、電源または発電機の出
力インピーダンスが、負荷の入力インピーダンスの共役
複素数に等しい場合に、満たされる。
【0002】
【従来の技術】発明背景を簡単に述べる。交流電流(a
c)回路の場合、インピーダンスは、実成分と呼ばれる
抵抗成分と、虚成分と呼ばれる誘導または容量成分を有
している。従来の複雑な数表記法では、インピーダンス
Zは、次式により求まる。 Z=R+jX ここで、R; 実成分、X; 虚成分、j: マイナス
のもの平方根に等しい演算子である。インピーダンス
は、抵抗成分が等しく、且つ、虚成分は大きさが等しく
符号が逆である場合、共役複素数であると言われる。発
電機のインピーダンスがZG =RG +jXG であれば、
負荷インピーダンスがZL =RG −jXG で表されると
きに最大電力が転送れる。共役複素数を考える別の方法
は、ベクトル量の観点から考える方法である。単純な抵
抗インピーダンスは、位相角度ゼロのベクトルと考えら
れる。複雑なインピーダンスの場合は、大きさと位相角
度を備えている。互いに複素共役なインピーダンスは、
位相角度の大きさは等しいが符号が逆である。
【0003】数多の回路応用技術において、電源または
発電機のインピーダンスは負荷インピーダンスとは一致
せず、インピーダンス整合ネットワークは電源と負荷の
間に結合されていた。インピーダンス整合ネットワーク
の働きは、基本的には、発電機のインピーダンスの共役
複素数に等しいインピーダンスを発電機に提供し、負荷
インピーダンスの共役複素数に等しいインピーダンスを
負荷に提供することである。整合ネットワークは、数多
の相互接続されたインダクタおよび導体を備えており、
そのいくつかは、所望の結果が得られるように値を調整
することが可能である。インピーダンス成功ネットワー
クの形態の中には、特定のネットワーク値を調整するこ
とによってネットワーク入力インピーダンスの大きさを
変えられる、および、別のネットワーク値を調整するこ
とによってネットワーク入力インピーダンスの位相角度
を独立に変えられる、という想定のもとに動作するもの
もある。残念なことに、この想定は狭い調整範囲におい
てでさえ、いつも正しいというわけではなく、また、こ
のようなネットワークは間違った解に容易に収束するこ
とがあり、その場合、大きさまたは位相角度は適当に整
合されるが、両方は整合されない。
【0004】コーリンズ(Collins)他による米国特許第
第4,951,009 号「自動整合ネットワークのための同調方
法および制御システム(Tuning Method and Control Sy
stemfor Automatic Network) 」では、インピーダンス
整合ネットワークを制御するための優れた技術を開示お
よび請求している。2つの可変インピーダンスは循環的
に変えられるか、または、定常値については「ディザリ
ング」され、整合ネットワークから反射された電力へ
の、ディザリングされたインピーダンス値の影響が観察
される。インピーダンスの定常値は、インピーダンス整
合が得られた度合を表す反射電力を最小にするように連
続的に調整される。ネットワーク値をディザリングする
ことによって、例えば、各ネットワーク値に対する反射
電力の変化の割合といった、部分導関数を決定できる。
次いで、両方の部分導関数が実質的にゼロになるまで各
々のネットワーク値を変えることができる。この方法は
狭い範囲については満足に作用するが、可変ネットワー
ク値への反射電力に関する特性曲面における誤った局所
最小解への収束は疑わしい。特性の形は、両方向への部
分導関数がゼロとなる一定最小値のときに、ほぼ放物面
体である。しかし、部分導関数がゼロでだが、真の絶対
最小反射電力が達成されなかった、誤った解もある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】以上のことから、動的
調整可能インピーダンス整合ネットワークの分野には、
まだ改善の必要があることが明らかである。この必要
は、半導体回路の組立に使用されているようなプラズマ
処理の分野では特に強い。電気的負荷がプラズマである
場、負荷のインピーダンスは動的で非直線型であり、よ
り大きな電源が結合された場合、また、気体の圧力およ
び組成といった他の変数が変更された場合に変わってく
る。従って、負荷インピーダンスを測定または推定する
ことは可能であるが、整合ネットワークを調整して電力
伝送を最適化しようという目的のためにネットワーク値
を調整すると、必ず負荷インピーダンスが変わってしま
う。それ故、動的に調整可能なネットワークは、電力を
プラズマに効率的に結合することが必要不可欠である。
本発明は、上述の問題に対する解を下記の通りに提供す
るものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、ネットワーク
の性能を正確に予想および推定するネットワークモデル
によって動的に調整されるインピーダンス整合ネットワ
ークに関するものである。前記ネットワークは、適当な
制御信号を賦与することによってインピーダンス値が選
択される可変インピーダンスを2つ以上備えている。本
発明は、適合ネットワークの数学的モデルを含み、前記
モデルの主機能は、ネットワーク入力インピーダンスの
最近の観測と、負荷インピーダンスの最近の推定に基づ
いて、負荷に対して最大電力転送を提供する最適ネット
ワーク値を求めることである。前記ネットワーク値は、
ネットワークモデルから得られた最適値に近くなるよう
に調整され、次いで、ネットワーク入力インピーダンス
の新測定値と、負荷インピーダンスの新推定値に基づい
て、改訂最適値が求められる。このプロセスは、電力転
送が最大になる解にネットワーク値が収束するまで継続
する。
【0007】梗概的、且つ、一般的に、本発明の方法
は、(a)電気的発電機と電気的負荷の間に、発電機に接
続された入力端子と負荷に接続された出力端子とを備え
た、少なくとも2つの可変インピーダンスを有するイン
ピーダンス整合ネットワークを接続する工程と、(b)負
荷インピーダンスを推定するために電気的測定を行う工
程と、(c)ネットワークのモデルにおいて、推定された
負荷インピーダンスが変わらなければ発電機と負荷の間
に好ましいインピーダンス整合が存在するような、可変
インピーダンスに対応する一組の最適ネットワーク値を
算出する工程と、(d)実際のネットワーク値を最適ネッ
トワーク値の方向に調整する工程と、(e)所望程度のイ
ンピーダンス整合が得られるまで、工程(b)、(c)、
(d)を繰り返す工程、とを備えてなる。
【0008】本発明の現好適実施例では、実ネットワー
ク値を調整する工程に、現ネットワークと最適ネットワ
ーク値の差を各ネットワーク値ごとに算出する工程と、
各ネットワーク値の差に選択桁移動子を乗じて補正値を
求める工程と、対応補正値によって各ネットワーク値を
調整する工程とを備えてなる。
【0009】選択桁移動子は、通常は1よりも小さい固
定定数と、ネットワークが所望のインピーダンス整合を
提供しない度合を表す測定量から成る。それ故、ネット
ワークが所望のインピーダンス整合に近づくと、補正値
が小さくなる。例えば、測定量が反射係数の絶対値であ
ることもあり得る。
【0010】この方法には、インピーダンスの整合状態
に関する収束の選択スレッショルドレベルが達せられて
いるかどうかを判定する工程と、達せられてるのであれ
ば、差分値の累算積と標本間の経過時間とに比例する補
足成分が含まれるように各補正値を修正する工程とを備
えることもできる。補足成分は増加補正値を提供して、
後半の各段階で収束を加速する。
【0011】本発明の別の態様は、ネットワークで測定
された実ネットワーク値を反映するようにネットワーク
モデルを補正する追加工程によって特徴付けられる。ネ
ットワークにて測定された電流および電圧値は、ネット
ワーク成分のインピーダンス値を算出するために用いら
れ、更にこれらはモデルを修正するのに利用される。モ
デルによって展開されたネットワーク値は、補正ネット
ワーク値を算出するために使用され、前記補正ネットワ
ーク値は電流制御インピーダンスに賦与される制御電流
の形でネットワークに出力される。定期的な補正がなけ
れば、モデルは、ネットワークの実インピーダンス値に
インピーダンス制御電流を関連づける、古い較正情報に
依存しなければならない。
【0012】装置の面では、本発明は、(a)少なくとも
2つの可変インピーダンスを有し、電気的発電機と電気
的負荷の間に結合され、発電機に接続された入力端子と
負荷に接続された出力端子とを備えたインピーダンス整
合ネットワークと、(b)ネットワークの可変インピーダ
ンスに対応させて、現ネットワーク値を初期設定する手
段と、(c)ネットワークの入力端子にて求められた測定
値からネットワーク入力インピーダンスを求める手段
と、(d)ネットワーク入力インピーダンスと現ネットワ
ーク値とから負荷インピーダンスを推定し、推定された
負荷インピーダンスと、必ずではないが、通常は発電機
インピーダンスの共役複素数である所望のネットワーク
入力インピーダンスとから最適ネットワーク値を推定す
るためのネットワークモデルと、(e)現ネットワーク値
と最適ネットワーク値から新しいネットワーク値を算出
し、現ネットワークを新ネットワーク値に合わせて調整
し、改訂最適構成を得るために最大電力転送状態で所望
程度の収束になるまでネットワークモデルのオペレーシ
ョンを繰り返し初期設定するためのシステムコントロー
ラ場合によっては、発電機から負荷への最大電力転送を
提供する、発電機インピーダンスの共役複素数以外の目
標入力インピーダンスが望まれることもある。例えば、
最大電力状態からのわずかに離調して、負荷または整合
ネットワーク、あるいはその両方の安定性を向上するこ
ともできる。
【0013】前記装置は、上述の本発明の方法形式の範
囲内で同様な他の変更が可能である。
【0014】本発明の重要適用例において、電気的負荷
はプラズマプロセスである。特定のプラズマプロセスに
おいて、2つの好適実施例となる手段によって電源はプ
ロセスに結合される。プラズマプロセスの電源はプロセ
スチャンバに誘導結合され、チャンバ内のバイアス電極
からバイアス電力が賦与される。本発明の一態様によれ
ば、この装置は整合ネットワークおよびこれら各負荷の
ネットワークモデルを備えてなり、第一誘導結合負荷が
所望程度にインピーダンス整合されるまではバイアス負
荷のインピーダンス整合は初期設定されない。
【0015】以上により、本発明がインピーダンス整合
ネットワーク分野における重大進歩を意味することがわ
かるであろう。詳細には、ネットワークモデルによって
得られた推定に基づいてネットワーク値が動的に推定さ
れ、ネットワークは、負荷への電力転送が最大となる解
に迅速に収束する。ネットワークインピーダンス値が定
期的に算出され、ネットワークで測定された電流および
電圧値に基づいてモデルが更新されるので、ネットワー
クの性能は一層向上する。本発明の他の態様および長所
は、添付図面と下記詳細説明によって明らかになるだろ
う。
【0016】
【実施例】説明のために図面に示されているように、本
発明は発電機と負荷の間に接続するためのインピーダン
ス整合に関するものである。図1において、参照番号1
0で示される交流(AC)発電機が電気的負荷12に接
続されている。14で示されているように、発電機の1
端子と負荷の1端子は接地されている。発電機10から
負荷12への最大電力転送は、参照番号16で示される
発電機の出力インピーダンスZG が、負荷12のインピ
ーダンスZL の共役複素数であるときである。
【0017】一般に、発電機のインピーダンスと負荷の
インピーダンスは正確には一致せず、図2で示されてい
るように、インピーダンス整合ネットワーク18は、発
電機10と負荷12の間に設けられる。典型的には、発
電機のインピーダンス16は、最も実際的な目的のため
に純粋に抵抗性があるのもので、図2では値ZG を有し
ているものとして示されている。入力線路20について
ネットワークに入るように見える、負荷が接続された状
態のネットワーク18の入力インピーダンスは、Zin
あり、出力線路22についてネットワークに戻るように
見える、発電機が接続された状態のネットワークの出力
インピーダンスは、ZOUT である。発電機10から負荷
12への電力転送を最大にするために、ZinはZG の共
役複素数であり、ZOUT はZL のの共役複素数である。
【0018】図3に、入力線路20と出力線路22の間
に直列に接続されたインダクタ24と可変コンデンサ2
6を備え、入力線路20と大地の間に接続された第2可
変コンデンサ28を備えた、整合ネットワーク18の従
来仕様を示す。コンデンサ26、28のキャパシタンス
値は、ZG と大きさが等しく、(ZG が純粋に抵抗性で
ある場合)位相角度がゼロであるNIN値を生成するため
に変化させられる。整合ネットワークの作用は、インピ
ーダンスの大きさと位相角度は各々独立に調整できると
いう誤った仮定に基づいたものである。
【0019】インピーダンス整合ネットワークに関する
優れた技術は、合衆国特許第4,951,009 号に開示および
請求されており、同特許では、線路20で測定すると、
ネットワークから反射された電力は、ネットワーク値の
ディザリングと、それによる安定状態の調整の効果を観
測することによって最小化される。この技術は、数多の
状況において不足のないものであるが、誤った解に収束
することもある。
【0020】本発明によれば、可変ネットワーク値は、
ネットワークの数学的モデルで繰り返し予測される値に
基づいた解に収束するように、繰り返し調整される。冒
頭に述べた通り、インピーダンス整合に関わる典型的な
状況は、発電機または電源が固定され、負荷インピーダ
ンスが未知で可変である、という状況である。このよう
な状況において、インピーダンス整合の仕事は、入力イ
ンピーダンスZINが発電機インピーダンスZG の共役複
素数に一致するまでネットワーク値を調整することとさ
れる。便宜上、本発明はかかる状況において説明される
が、負荷インピーダンスの代わりなどで発電機インピー
ダンスが変わるような状況に対応できるように方法を変
更することも可能であることを理解されたい。
【0021】図4に示すように、本発明のインピーダン
ス整合技術は、インピーダンス整合ネットワーク18、
入力線路20に設けられたインピーダンス測定回路3
0、2つの論理成分32.1と32.2から成るように示さ
れているネットワークモデル32、および制御システム
34から成っている。下記にすぐ詳述するように、ネッ
トワークモデル32は、36で示される一連の現ネット
ワークパラメータを利用し、38で示される一連の予想
最高ネットワークパラメータを定期的に発生する。
【0022】本発明の作用を、図4と、ネットワークパ
ラメータを調整する際に実行される機能を示すフローチ
ャートである図5に照らして説明する。まず、システム
が最初に起動されるときに、現ネットワークパラメータ
36は、ブロック40(図5)に示されるように、予め
選択された初期値にプリセットされる。次に、ブロック
42(図5)に示されるように、入力インピーダンスN
INが回路30にて測定される。この回路では、NINを直
接測定しても、NINを単純に引き出せる他の数量を測定
してもよい。例えば、回路30では、線路20の順方向
および逆方向の電圧を測定することによって反射係数Γ
が決定される。この目的のために、従来の方向性結合器
を使用できる。
【0023】通常|Γ|で示される反射係数の大きさ
は、順方向電圧に対する反射電圧の割合で、0と1の間
の数値を取る。反射係数Γの位相角度は、位相検波機を
利用して求められる。NINの対応値は、Γと、分かって
いるZO (ZO は伝送路の特性インピーダンス、即ち、
順方向および反射入力電圧の測定に利用される方向性結
合器の特性インピーダンスであり、代表的にはZG の共
役複素数である。)から計算される。あるいは、回路3
0では、ネットワーク18の入力における電圧定在波比
(VSWR)を測定し、その測定値からNINを算出する
ことができる。完全に整合している場合は、ゼロという
反射係数に対応して、1.0というVSWRになる。いず
れにせよ、回路30は、線路44にてネットワークモデ
ル32.1へのNINを測定できる。
【0024】ネットワークモデル32は、電子的計算成
分を利用すると、整合ネットワーク18と数学的同値で
ある。つまり、モデル32は従来のAC回路理論から引
き出された回路方程式に基づいて、十分な数の他のパラ
メータが分かっている場合には未知の回路パラメータの
値を求めることができる。これらの機能を実行する前
に、モデル32は、ブロック46(図5)に示されてい
るように、自らの値を修正する。この機能に関する論述
は、機能の基本モードを説明した後に行う。更に詳しく
述べると、回路モデル32は、本発明の目的のため、2
つのモードにて機能する。ブロック32.1(図4)とブ
ロック48(図5)で示される第一モードにおいて、モ
デルは、回路30から、現ネットワークパラメータ36
とNINの測定値を用い、負荷インピーダンスZL の推定
値を計算する。これは、単純に、直接測定できない未知
の値ZL のために、ネットワークを定義する従来の方程
式を解く、ということである。
【0025】ZL の現在値を求めると、ネットワークモ
デルはブロック32.2(図4)とブロック50(図5)
で示される第2モードにて機能する。モデルは、計算さ
れたZL 値と所望の入力インピーダンス値ZIN(必ずで
はないが、通常は、発電機のインピーダンスの共益複素
数)を用いて、ZL およびZINから成る最適ネットワー
ク値を求める。繰り返すが、これは、他のネットワーク
パラメータが分かっているので、数学的には比較的簡単
な問題である。モデルが計算する最適値は、38(図
4)で示される。
【0026】負荷インピーダンスが「十分に作用」し
て、これに転送される電力量によって変化しなければ、
これらの最適ネットワーク値を単純にネットワークに出
力することができ、計算が正しく行われていれば、最適
化の作業は完璧である。しかしながら、一般的な事例お
よび数多の実際的な適用においては、負荷インピーダン
スは非直線的で、転送される電力量によって変化する。
従って、本発明の重要部分は、現在地および最近の計算
最適値に基づいて、ブロック52(図5)に示されてい
るように、新しいネットワーク値を計算することを主要
機能とする、制御システム34である。この目的のため
に使用される制御方程式を以下に詳述する。この場合、
行過ぎまたは不安定なく、所望の解に迅速に収束させる
ために算出新値が選択される、ということが理解されて
いれば十分である。制御システム34の別の機能は、線
53で示されているように、ネットワークモデル32の
動作を起動することである。換言すると、制御システム
34は、図5のフローチャートに記載されている一連の
動作を制御するタイミング信号(図示略)を発生する。
【0027】算出されたネットワーク値は、ブロック5
4(図5)に示されるように、実ネットワーク18に出
力される。ネットワーク値は、線路56(図4)を通っ
てネットワーク18に伝送される出力信号によって制御
される。ネットワーク設計によっては、制御されるネッ
トワーク値が可変キャパシタンスまたは可変インダクタ
ンスの場合もある。一般的には、この種の装置は、上記
値の範囲を越えて、または、公称値未満で変化すること
がある。ネットワーク値の変更は、接触またはコンデン
サ極板をスライド移動させるといった電気機械的な手段
で実行される。移動構成部品を使用せずにネットワーク
値が変更されれば更に好ましい。合衆国特許第4,951,00
9 号では、直流(DC)制御巻線の電流を変えることに
よって制御できる可変インダクスを開示している。本発
明の現好適実施例では、整合ネットワーク18の可変イ
ンピーダンスは、上記特許が開示する一般タイプと同じ
電気的可変インダクタンスである。
【0028】新ネットワーク値がネットワーク18に出
力されると、これらはネットワークモデル32の「現」
値となる。それ故、線路56の新値は、36(図4)で
示される現値の更新にも用いられる。ブロック54(図
5)にて示される工程が完了すると、ネットワーク値
は、最大電力転送のための所望状態に近くなるように調
整される。ブロック58の次の工程では、その状態が、
所望収束程度に達せられたかどうかを判断する。判断の
一方法に、反射係数の大きさである|Γ|を審査する、
という方法がある。回路30で反射測定値からZINが求
められると、この数量を回路30から適宜利用すること
ができる。いずれにせよ、|Γ|が例えば0.1という所
望のスレッショルドより小さい場合、ネットワーク値を
調整する工程は、再びスレッショルドを越える大きさに
|Γ|値を増加できるほどに負荷インピーダンスZL
変わるときまて、中断される。このことは、収束が達せ
られた場合のブロック58のループバックとして、フロ
ーチャートに図示されている。収束が得られなかった場
合、あるいは、収束以降に負荷インピーダンスが十分に
変化した場合、ブロック42で始まる一連の工程が繰り
返される。つまり、再び入力インピーダンスZINが測定
され、ネットワークモデルにて負荷インピーダンスZL
が計算され、ネットワークモデルにて最適ネットワーク
値が計算され、制御システムにて新しいネットワーク値
が計算される。新ネットワーク値は、ネットワークに出
力され、現値として次の繰り返しで利用される。この繰
り返し工程は、所望収束程度が得られるまで継続する。
【0029】この段階まで、「ネットワーク値」という
用語は、ネットワーク18の可変成分および、ネットワ
ークに出力されて可変成分の変化をもたらす制御値の電
気的パラメータを総称するために漠然と使用されてい
た。モデル32では、制御値とその結果としてのネット
ワークの可変成分値との間には、一定の既知の関係があ
るという測定がなされている。例えば、可変成分が可変
インダクタンスである場合、モデル32は、それをアン
ペアまたはミリアンペア単位の電流のようなコマンド信
号と、ミリヘンリ単位の結果インダクタンス値との関係
に現ネットワーク値36と予測ネットワーク38は、制
御電流の形、あるいはインダクタンス値または公称イン
ダクタンス値に適用される係数の形にすることができ
る。ネットワーク値が制御電流であれば、これらは、モ
デルによってインダクタンスに変換され、ZL が計算さ
れ、次いで、最適インダクタンス値が計算され、制御シ
ステムによる操作のために即座に制御電流に変換され
る。あるいは、現ネットワーク値36および最適ネット
ワーク38をインダクタンスの形にすることもでき、こ
の場合、制御システム34は、線路56に新ネットワー
ク値を出力する前にこれらを制御電流に変換する必要が
ある。このとき、前者の代わりとなるものが利用され
る、即ち、制御システム34は専ら制御電流(または電
圧)について動作し、ネットワークモデル32はインダ
クタンス値に収束するに十分な情報があると、仮定され
る。
【0030】制御信号によってインピーダンスを変更す
るシステムに固有の難しさは、指令されたインピーダン
ス値と実際のインピーダンス値の較正が必ずしもいつも
完全ではない、という点である。たとえ成分が最初に完
全に較正されたとしても、実インピーダンス値は、ほと
んどいつも、時間の経過と温度の変化にともなって目的
の設定からのドリフトを被る。本発明の重要態様は、ブ
ロック60(図4)に示されるように、ネットワーク1
8の電圧と電流を測定することによって実インピーダン
ス値が監視され、線62(図4)に示されるように、こ
の情報はネットワークモデル32に帰還される。モデル
32では、ブロック46(図5)に示されているよう
に、制御電流(現ネットワークパラメータ)と現インピ
ーダンス値の間の、以前に記憶されている関係が、ネッ
トワーク内の実インピーダンス測定値の結果として調整
される。このように、モデル32は、実ネットワークイ
ンピーダンスを用いて負荷インピーダンスZL を計算
し、最適ネットワーク値を計算する。本発明は、測定イ
ンピーダンス値と矛盾しないようにネットワークモデル
を調整することなく、きわめて良好に作用するが、この
特性は、本発明を実用上さらに確かなものにする。イン
ピーダンスドリフトを補償するためにモデルを継続的に
補正しなければ、誤った解への収束する可能性が常に存
在する。下記に記載の2つのネットワークモデル例に、
測定された電流および電圧に基づいてモデルを補正する
のに必要な計算式を示す。
【0031】コントロールシステム34で使用されてい
る制御方程式は、主として従来の比例制御システムに基
づき、それを多少変えたものである。下記の例では、ネ
ットワークにおいて2つの可変インピーダンスを制御す
るネットワーク値を、各々、記号IとJで表す。現ネッ
トワーク値は、各々、IPRESENT とJPRESENT で示す。
ブロック40(図5)で示されるように、システムが最
初に開始されると、現ネットワーク値が初期値にプリセ
ットされる。 IPRESENT =I0 、 JPRESENT =J0 ブロック50において、モデル32は、IOPTIMUM とJ
OPTEMUM で表される最適ネットワーク値を計算する。制
御システム34は、下記のように2つの差を計算する。 ΔI=IPRESENT −IOPTIMUM ΔJ=JPRESENT −JOPTIMUM 単純な比例制御技術によって、IとJの新値が下記の通
りに計算される。 INEW =IPRESENT −kp1ΔINEW =JPRESENT −kpJΔJ ここで、kp1とkpJは1未満の比例制御係数である。選
択された係数に応じて、ネットワーク値は、選択された
速度で所望の解に収束する。収束速度および解獲得の安
定性を更に効果的に制御するために、2つの補足係数を
下記のように制御方程式に使用することが好ましい。 INEW =IPRESENT −kp1ΔI |Γ|−KI ΣΔI ΔTNEW =JPRESENT −kp1ΔJ |Γ|−KJ ΣΔJ ΔT ここで、|Γ|は回路10で測定された反射係数の大き
さであり、KI とKJは定数であり、総和項ΣΔI ΔT
とΣΔJ ΔT は、|Γ|が選択された許可値を下回った
場合のみという条件付きで計算される。
【0032】各方程式の第一項に係数|Γ|を付加する
ことによって、自動利得制御特性が得られる。初めに、
ネットワークが収束から遠い場合、大きさ|Γ|は1に
近づきそうで、収束速度にはほとんど効果がない。制御
方程式に反射係数の大きさが存在することによって、収
束が近くなると、大きさ|Γ|は0に近づき、それによ
って収束速度が遅くなり、行過ぎの可能性が減ぜられ
る。各方程式の総和項は、現値と最適値の差が所定の時
限を大幅に上回る場合に収束がスピードアップする積分
制御関数である。総和項は、エラー項と経過時間(標本
間)項の積から算出される。このように、総和項は、時
間について統合された差を表す。しかしながら、総和項
が効果を奏するのは、反射係数の大きさ|Γ|の値が小
さいときだけである。それ故、総和項は、所望程度の収
束が達せられると、収束の完了をスピードアップする傾
向がある。制御システム34のオペレーションを支配す
る制御方程式のこれらの特性を利用することによって、
所望の最大電力解への収束が確実かつ迅速に達せられ
る。特定システムの制御定数を適当に調整すると、最大
電力解への収束はきわめて迅速に(例えば標本間時間
(ΔT )が0.1行であれば、わずか2秒で)発生する。
【0033】整合ネットワークと負荷をネットワークに
接続する方法の2大重要構成には、負荷インピーダンス
に容量成分を含むものと、負荷インピーダンスに誘導成
分を含むものがある。この2種類の構成は、各々、図6
と図7に示されている。図6では、ネットワークはpi
構成で、固定直巻インダクタ70と、各々固定インダク
タの両側に1つづ、計2つの分岐回路を備えている。発
電機(図6には図示せず)と並列な第一分岐回路は、並
列接続された固定コンデンサ72と可変インダクタ74
を備えている。他方の分岐回路は、負荷12と並列で、
並列接続された固定コンデンサ76と可変インダクタ7
8を備えている。可変インダクト74、78は、各々、
IとJで示されるDC制御電流の入力ための制御入力7
9を具備している。負荷12には、例えば、プラズマチ
ャンバのバイアス電極を含むこともできる。リターンパ
スは、このチャンバの壁、または、他の電極より提供さ
れ、インピーダンスの性質は、抵抗力分散成分がある、
卓越的容量性である。
【0034】72、74といった各分岐回路は、電気的
に可変コンデンサと同等である。可変インダクタ値は、
インダクタの公称値の約30〜40%の範囲に調整され
るように考案されている。例えば、公称インダクタン値
10μH(マイクロヘンリ)であるインダクタは、約6.
5μHという値に調整できる。
【0035】図中の記号Xは、インピーダンスが接続さ
れる各回路分枝にて電流を測定する変流器を示す。電圧
は、Yで示されるように、ネットワークの出力で測定さ
れ、ネットワーク入力電圧は入力で測定された順方向お
よび反射電圧値から既に分かっている。さらに詳しく
は、入力電圧は順方向電圧と反射電圧の代数的合計であ
る。これらの電圧および電圧測定値から、ネットワーク
の各インピーダンスについて、実インピーダンス値を計
算できる。これらの計算値は、制御プロセスの繰り返し
にてネットワークモデルを修正するために使用される。
【0036】図7の回路は、負荷12′が抵抗力分散成
分がある、卓越的誘導性であり、図4の構成の固定イン
ダクタンス12の位置に直列接続されてある、という点
が異なる。ネットワーク18′は、固定コンデンサ7
2′、76′および図6とほとんど同じ方法で接続され
ている可変インダクタ74′と78′を備えている。し
かしながら、回路18′は、線路22と大地の間てはな
く、線路20および線路22に接続された出力ノードを
有する。それにより、2つの構成は、外面的には類似し
ているが、各々、異なるネットワークモデルが必要であ
る。図6でそうであるように、記号XとYは、各々、電
流および電圧の測定箇所を示している。
【0037】図8は、本発明の現好適実施例の整合ネッ
トワークで使用されている可変インダクタの一つを図示
したものである。このインダクタは、整合ネットワーク
18または18′に接続するための端子84を有する誘
導コイル82が巻かれた、軟フェライト材あるいは強磁
性または反強磁性材の円筒形のコア80から成ってい
る。コイル82は、コア80の中央付近に配置されてい
る。コア80の両端付近には、2つの制御巻線86と8
8であり、これらの巻線よりDC制御電流が端子79に
賦与される。制御巻線86と88は、図示では並列接続
で示されているが、直列接続であるように考案すること
もできる。本質的要求事項は、2つのコイル86と88
に賦与される電流が、有用な磁場、即ち、コア80で同
一方向の磁場、を生成することである。制御巻線86と
88に賦与される直流電流を変えると、誘導コイル82
の端子82に見られるインダクタンス値が変化する。
【0038】図8に示された可変インダクタンス考案物
は、トロイダル構成のコイルよりも製造が容易であると
いう点という長所がある。また、真円筒のデザインは、
水などの液体を循環できる冷却ジャケットにコアを収容
するだけで液体冷却の効果が得られる。必要であれば、
巻線を形成している中空の導体の中に液体を通すことに
よって、または他の手段によって、巻線も冷却できる。
可変インダクタ考案物の重要側面は、誘導コイル82か
らの交流電流を直流制御巻線86と88に誘導するよう
な変流器作用を抑制するように注意を払わなくてはなら
ない、という点である。変流器作用は、制御巻線の静電
シールドと、制御巻線に供給する回路内での適当なフィ
ルタリングとを組み合わせ、制御巻線を誘導コイルから
物理的に分離することによって最小限に抑えることがで
きる。
【0039】本発明の重要適用例において、電気的負荷
はプラズマプロセスである。ある種のプラズマプロセス
では、2種類の手段で電源がプラズマプロセスに結合さ
れる。プラズマプロセスの電源電力は、図7に示された
ようなネットワーク構成を用いて、プロセスチャンバに
誘導結合される。同一プラズマプロセスに対するバイア
ス電力は、図6に示されたようなネットワーク構成を用
いて、チャンバ内のバイアス電極から賦与される。本発
明の一態様より、装置は、整合ネットワークおよび各負
荷ごとのネットワークモデルを備えている。バイアス負
荷のインピーダンス整合は、誘導結合された主負荷が所
望程度までインピーダンス整合されるまでは、開始され
ない。
【0040】本発明の別の重要態様は、プラズマ起動を
提供することである。プラズマ起動では、プラズマチャ
ンバのガスの中で十分な電場の大きさが生成される必要
がある。電流制御インダクタンスのプリセット値は、特
定の整合ネットワークおよびプラズマチャンバごとに、
計算または実験的に決定することができる。
【0041】好適方法において、最小rf電力でプラズ
マ起動が達せられる、電流制御インダクタンスの最適値
は制御システムによって自動的に求められる。最初に、
プリセット値が勝手に選択され、整合ネットワークとネ
ットワークモデルで使用される。次に、rf電力が整合
ネットワークに印加され、制御システムは、最大電力転
送、あるいは、他の選択状況が得られるように、ネット
ワーク値の自動調整を開始する。プラズマが起動されて
いなくとも、制御システムは、ネットワーク中の小さい
がゼロではない損失を所望のネットワーク入力インピー
ダンスに同調することによって、反射電力を最小にす
る。これによって、任意のrf電力入力のプラズマチャ
ンバ内のガス中の電場の大きさを最大にして、整合ネッ
トワークを負荷に共振させる。効果的には、電場の大き
さを任意のrf入力電力に対して最大にするか、rf入
力電力をガス中の任意の電場に対して最小する。次の工
程は、rf電力を所望のプロセス電力要求まで増大する
ことである。プラズマ起動は、最低可能rf電力にて可
能となる。プラズマ起動が発生すると、プログラムのイ
ンピーダンス(負荷インピーダンス)が変化し、整合ネ
ットワークは、上述のネットワーク入力インピーダンス
に同調しながら、これらの変化に追従する。このプラズ
マ起動法は、誘導結合負荷でも容量結合負荷でも適用で
きる。
【0042】ネットワークモデル32の特定細部がネッ
トワークの構成によって異なるのはもちろんである。モ
デルは、回路パラメータが変わったときにネットワーク
の対応のしかたを定義する方程式を備えた、ネットワー
ク類似物に過ぎない。説明のために、2つのネットワー
ク例、即ち、図6と図7のために、モデル32で用いる
方程式の詳細を示す。
【0043】第一ネットワークモデル例 ネットワーク構成は、図6に示されている。可変インダ
クタンス74と78は、各々、L1 およびL2 で表され
ている。固定インダクタンス70は、L3 で表される。
コンデンサ72と76は、各々、C1 とC2 で表され
る。ネットワーク値はα1 とα2 であり、これらの値
は、各々、可変インダクタンスL1 およびL 2 に適用さ
れる乗数の項に示されている。
【0044】下記の固定値は、このネットワークモデル
で使用されているものである。 角震動数 ω=2π・1.6・106 (ラジアン
/秒) s=jω キャパシタンス C1 =10,000・10-12 (ファ
ラッド) C2 =10,000・10-12 (ファラッド) インダクタンス L1 =1.2・10-6(ヘンリ) L2 =0.86・10-6(ヘンリ) L3 =3.65・10-6(ヘンリ)
【0045】伝送線路特性インピーダンス、即ち、順方
向および反射入力電圧を測定するために使用される方向
性結合器特性インピーダンスは、この例では、発電器の
インピーダンスの共役複素数と同じであり、Z0 で表さ
れる。この例では、Z0 =50Ω、ZT で表される目標
ネットワークインピーダンスも、50Ωである。初期ネ
ットワーク値は、α1 =0.9、α2 =0.884である。
【0046】また、ZT =RT +JXT である。接頭部
ReとImは、複素数の実成分と虚成分を表すのに利用
されることがある。このように、RT =Re(ZT )で
あり、XT =Im(ZT )である。例で用いられている
別の数量は、R2 である。ここで、 R2 =RT +XT 2 /RT
【0047】例では、電圧反射係数Γは次のように求め
られる。Γ=0.242−j0.178 または、
【数1】 これは、反射係数が0.3という大きさと持っており、位
相角度が−36.4度であることを示している。
【0048】整合ネットワークの入力端子で観察される
入力インピーダンスは、次式で与えられる。 ZIN=Z0 [(1+Γ)/(1−Γ)] Γの標本値として、ZIN=74.951−J29.326
【0049】この演算の第一位相において、ネットワー
クモデルは、下記の方程式を用いて、インピーダンスの
電流値から負荷インピーダンスZL を計算する。
【数2】 上記の標本値を用いると、ZL の値はこの方程式によ
り、ZL =10.669−J27.007となる。ZL の大
きさは29.038、位相角度は−68.445°である。
ネットワークモデルの第二位相は、計算値ZL を用いた
α1 およびα2 、目標インピーダンスZT 、固定インピ
ーダンス値に関わる。計算は、最初に下記の式により、
中間値を計算することによって実行される。
【数3】 次に、最適値α1 およびα2 が次のように計算される。
【数4】 dzcの式の平方根項が正と考えられるか、負と考えら
れるかによって、α1およびα2 について2つの均等有
効解が計算される。実際的な問題として、選択された解
は、可変インダクタにおいて物理的に達成可能なもので
ある。本例では、正根の解が選択された。
【0050】モデルの正確さに関する確認として、ZIN
に関する方程式を展開できる。
【数5】 α1 とα2 、およびこの式中の他の既知のパラメータの
代わりとなるのは、Z IN=50で、これは、モデルの正
確さを裏付ける。
【0051】下記の材料は、整合ネットワーク中の実電
流および実電圧の測定にもとづいたモデルの補正または
更新に関するものである。ネットワークモデルの入力パ
ラメータを入手するために、下記の数量を測定する。 |Vf | 順方向入力電圧rf信号の大きさ |Vr | 反射入力電圧rf信号の大きさ θ Vf とVr の間の相対位相 |V2 | 図6のY点における出力rf電圧の大きさ |IC1 |、|IL1 |、|IC2 |、|IL2 | ネットワークの同調エレメントを通る電流の大きさ
【0052】次に、下記の数量が、測定されたステップ
量から計算される。反射係数は、次のように計算され
る。
【数6】 入力電圧は、次のように計算される。 V1=|Vr |・|1+Γ| 次に、C1 、C2 、L1 、L2 が下記の通りに計算され
る。
【数7】 3 の値を計算するために、最初に中間値Zf が計算さ
れる。
【数8】
【0053】第二ネットワークモデル例 ネットワーク構成は、図7に示されている。可変インダ
クタンス74′と78′は、各々、L1 およびL2 で表
されている。コンデンサ72′と76′は、各々、C1
とC2 で表される。ネットワーク値はα1 とα2 であ
り、これらの値は、各々、可変インダクタンスL1 およ
びL2 に適用される乗数の項に示されている。
【0054】このネットワークモデルは、下記の固定値
が使用されている。 角震動数 ω=2π・2.5・106 (ラジアン
/秒) s=jω キャパシタンス C1 =4,100・10-12 (ファラ
ッド) C2 =967・10-12 (ファラッド) インダクタンス L1 =3.22・10-6(ヘンリ) L2 =8.74・10-6(ヘンリ)
【0055】伝送線路特性インピーダンス、即ち、順方
向および反射入力電圧を測定するために使用される方向
性結合器特性インピーダンスは、この例では、発電器の
インピーダンスの共役複素数と同じであり、Z0 で表さ
れる。この例では、Z0 =50Ω、ZT で表される目標
ネットワークインピーダンスも、50Ωである。初期ネ
ットワーク値は、α1 =0.8、α2 =0.8である。
【0056】また、ZT =RT +JXT である。接頭部
ReとImは、複素数の実成分と虚成分を表すのに利用
されることがある。このように、RT =Re(ZT )で
あり、XT =Im(ZT )である。例で用いられている
別の数量は、R2 である。ここで、 R2 =RT +XT 2 /RT
【0057】例では、電圧反射係数Γは次のように求め
られる。Γ=0.195+j0.045 または、
【数9】 これは、反射係数が0.2という大きさと持っており、位
相角度が167度であることを示している。
【0058】整合ネットワークの入力端子で観察される
入力インピーダンスは、次式で与えられる。 ZIN=Z0 [(1+Γ)/(1−Γ)] Γの標本値としては、ZIN=33.572−J3.147
【0059】この演算の第一位相において、ネットワー
クモデルは、下記の方程式を用いて、インピーダンスの
電流値から負荷インピーダンスZL を計算する。
【数10】 上記の標本値を用いると、ZL の値はこの方程式によ
り、ZL =11.041+J180.224となる。ZL
大きさは180.562、位相角度は86.494°であ
る。
【0060】ネットワークモデルの第二位相は、計算値
L を用いたα1 およびα2 、目標インピーダンス
T 、R2 とX2 を含む固定インピーダンス値に関わ
る。ここで、
【数11】 α1 およびα2 の最適値が次の式から計算される。
【数12】
【0061】dzcの式の平方根項が正と考えられる
か、負と考えられるかによって、α1およびα2 につい
て2つの均等有効解が計算される。実際的な問題とし
て、選択された解は、可変インダクタにおいて物理的に
達成可能なものである。本例では、正根の解が選択され
た。
【0062】モデルの正確さに関する確認として、ZIN
に関する方程式を展開できる。
【数13】 α1 とα2 、およびこの式中の他の既知のパラメータの
代わりとなるのは、Z IN=50で、これは、モデルの正
確さを裏付ける。
【0063】下記の材料は、整合ネットワーク中の実電
流および実電圧の測定にもとづいたモデルの補正または
更新に関するものである。ネットワークモデルの入力パ
ラメータを入手するために、下記の数量を測定する。 |Vf | 順方向入力電圧rf信号の大きさ |Vr | 反射入力電圧rf信号の大きさ θ Vf とVr の間の相対位相 |V2 | 図7のY点における出力rf電圧の大きさ |IC1 |、|IL1 |、|IC2 |、|IL2 | ネットワークの同調エレメントを通る電流の大きさ
【0064】次に、下記の数量が、測定されたステップ
量から計算される。反射係数は、次のように計算され
る。
【数14】 入力電圧は、次のように計算される。 V1=|Vr |・|1+Γ| 次に、C1 、C2 、L1 、L2 が下記の通りに計算され
る。
【数15】
【0065】以上のことから、本発明は、負荷に転送さ
れる電力を最大にするための、同適インピーダンス整合
ネットワークの分野における重大進歩であると言える。
特に、本発明は、最適ネットワークを推定するネットワ
ークモデルを使用し、最大電力解へ迅速に収束するよう
な方法でネットワーク値を繰り返し調整することによっ
て、電源インピーダンスを未知の可変負荷インピーダン
スに整合する確かな技術を提供するものである。説明の
ために、本発明の特定実施例が詳細に説明されたが、本
発明の精神と範囲に反することなく種々の変更ができる
ことを認められたい。それ故、本発明は添付のクレイム
以外によって制限されることはない。
【図面の簡単な説明】
【図1】負荷を励起する発電機のブロック図である。
【図2】発電機と負荷の間に結合される整合ネットワー
クのブロック図である。
【図3】従来の整合ネットワークの例である。
【図4】本発明の制御ネットワークと関連制御システム
のブロック図である。
【図5】本発明により整合ネットワークを動的に調整す
る際に実施される機能のブロック図である。
【図6】説明用のネットワーク構成のブロック図であ
る。
【図7】説明用のネットワーク構成のブロック図であ
る。
【図8】本発明の好適実施例で利用される電流制御イン
ダクタンスの負荷を励起する発電機を示す説明図であ
る。
【符号の説明】
10 発電機 12 負荷 16 発電機のインピーダンス 18 同適インピーダンス整合ネットワーク 30 測定回路 32 ネットワークモデル 34 制御システム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン アール トロー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95111 サン ホセ ナイツヘヴン ウ ェイ 162 (72)発明者 クレイグ エイ ローデリック アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95117 サン ホセ パインヴィュー ドライヴ 776 (72)発明者 ジェイ ディー ピンソン ザ セカン ド アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95120 サン ホセ クイーンズウッド ウェイ 6879 (72)発明者 ダグラス エイ ビュックバーガー ザ セカンド アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95376 トレイシー スウォートフォー グ コート 1653

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発電機のインピーダンスを未知の負荷イ
    ンピーダンスに整合する方法において、 (a)電気的発電機と電気的負荷の間に、発電機に接続さ
    れた入力端子と負荷に接続された出力端子とを備えた、
    少なくとも2つの可変インピーダンスを有するインピー
    ダンス整合ネットワークを接続する工程と、 (b)負荷インピーダンスを推定するために電気的測定を
    行う工程と、 (c)ネットワークのモデルにおいて、推定された負荷イ
    ンピーダンスが変わらなければ発電機と負荷の間に好ま
    しいインピーダンス整合が存在するような、可変インピ
    ーダンスに対応する一組の最適ネットワーク値を算出す
    る工程と、 (d)実際のネットワーク値を最適ネットワーク値の方向
    に調整する工程と、 (e)所望程度のインピーダンス整合が得られるまで、工
    程(b)、(c)、(d)を繰り返す工程とを備えてなること
    を特徴とする整合方法。
  2. 【請求項2】 発電機のインピーダンスを未知の負荷イ
    ンピーダンスに整合する方法において、 (a)電気的発電機と電気的負荷の間に、発電機に接続さ
    れた入力端子と負荷に接続された出力端子とを備えた、
    少なくとも2つの可変インピーダンスを有するインピー
    ダンス整合ネットワークを接続する工程と、 (b)初期値を選択先読みするために、ネットワーク内の
    可変インピーダンスに対応して、現ネットワークを初期
    設定する工程と、 (c)ネットワークの入力端子で得られた測定値からネッ
    トワーク入力インピーダンスを求める工程と、 (d)ネットワーク入力インピーダンスと現ネットワーク
    値の知識を有するネットワークモデルを用いて負荷イン
    ピーダンスを推定し、 (e)推定された負荷インピーダンスと所望のネットワー
    ク入力インピーダンスに基づいて、ネットワークモデル
    を利用して、最適ネットワーク値を推定する工程と、 (f)現在値と最適値とから新しいネットワーク値を算出
    する工程と、 ネットワークのモデルにおいて、評価された負荷インピ
    ーダンスが変わらなければ発電機と負荷の間に好ましい
    インピーダンス整合が存在するような、可変インピーダ
    ンスに対応する一組の最適ネットワーク値を算出する工
    程と、 (g)前記工程で算出された新しい値に合わせて現ネット
    ワーク値を調整する工程と、 (h)最大電力転送状態で所望程度の収束が得られるま
    で、工程(c)〜(g)を繰り返す工程と、を備えてなるこ
    とを特徴とする整合方法。
  3. 【請求項3】 電気的負荷がプラズマプロセスであり、
    電気的負荷がネットワークに誘導結合され、発電機がプ
    ラズマプロセスの主電源であり、且つ更に前記ステップ
    (a) 〜(h) と等しい一連のプロセスを有し、電源が同一
    のプラズマプロセスのバイアス電極を通して結合されて
    いる第2プラズマ負荷で実施されることを特徴とする請
    求項2に記載の方法。
  4. 【請求項4】 発電機のインピーダンスを未知の負荷イ
    ンピーダンスに整合する装置であって、 (a)少なくとも2つの可変インピーダンスを有し、電気
    的発電機と電気的負荷の間に結合され、発電機に接続さ
    れた入力端子と負荷に接続された出力端子とを備えたイ
    ンピーダンス整合ネットワークと、 (b)初期値を選択先読みするために、ネットワークの可
    変インピーダンスに対応させて、現ネットワーク値を初
    期設定する手段と、 (c)ネットワークの入力端子にて求められた測定値から
    ネットワーク入力インピーダンスを求める手段と、 (d)ネットワーク入力インピーダンスと現ネットワーク
    値とから負荷インピーダンスを推定し、推定された負荷
    インピーダンスと所望のネットワーク入力インピーダン
    スとから最適ネットワーク値を推定するためのネットワ
    ークモデルと、 (e)現ネットワーク値と最適ネットワーク値から新しい
    ネットワーク値を算出し、現ネットワークを新ネットワ
    ーク値に合わせて調整し、改訂最適構成を得るために最
    大電力転送状態で所望程度の収束になるまでネットワー
    クモデルのオペレーションを繰り返し初期設定するため
    の、システムコントローラと、 とを備えてなることを特徴とする整合装置。
  5. 【請求項5】 電気的負荷がプラズマプロセスであり、
    電気的負荷がネットワークに誘導結合され、発電機がプ
    ラズマプロセスの主電源であり、且つ更に前記(a) 〜
    (e) と等しいコンポーネントを有し、前記コンポーネン
    トは、電源が同一のプラズマプロセスのバイアス電極を
    通して結合されている第2プラズマ負荷に結合されてい
    ることを特徴とする請求項4に記載の装置。
JP5009078A 1992-01-23 1993-01-22 発電機のインピ―ダンスを未知の負荷インピ―ダンスに整合する方法及び装置 Expired - Lifetime JP2521399B2 (ja)

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