JP5050062B2 - インピーダンス整合特性を制御するために発生器の出力とプラズマ容器の入力との間に結合された制御されたインピーダンス・ネットワーク - Google Patents

インピーダンス整合特性を制御するために発生器の出力とプラズマ容器の入力との間に結合された制御されたインピーダンス・ネットワーク Download PDF

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Description

本発明は全体的に言えば、プラズマ容器のチューナに関する。さらに詳細に言えば、本発明はRF発生器のインピーダンスをプラズマ容器またはそれと同等の非線形負荷に整合させるのに用いられる固体(solid-state)チューナに関する。
プラズマ容器は、RFスパッタリング、プラズマ沈着、および反応性イオン・エッチングのような処理工程に用いられる低圧のガスが充填された容器である。これらの処理工程は主として、集積回路およびコンパクト・ディスクの製造に用いられる。RFパワー信号を必要とするこれらの処理工程に対して、プラズマ容器はRF発生器によって励振される。このRF発生器の励振は、通常、 13.56MHz、 27.12MHz、および 40.68MHzのISM周波数帯域で行われる。プラズマ容器の入力インピーダンスは高度に非線形であり、容器の動作モードが異なると変化する。プラズマ処理システムにおいてさらに低い周波数およびさらに高い周波数を用いることができるが、RF発生器の市場において支配的に用いられているのは 13.56MHzである。
典型的な場合には、RF発生器は 13.56MHzのような予め定められた周波数でRF波を発生する。この発生器は、パワー管路を通してプラズマ容器に結合される。RF発生器の出力は、典型的には、50オームのような固定されたよく知られたインピーダンスを有するように設計される。RF発生器とプラズマ容器との間のインピーダンスの不整合があるのが普通であるから、発生器と容器との間に通常は、自動インピーダンス整合用チューナが結合される。
インピーダンス整合用チューナは、電気機械チューナから固体チューナに発展してきている。電気機械チューナは典型的には電動機で駆動のデバイスであって、発生器の出力インピーダンスをプラズマ容器に整合させるために可変コンデンサが電動機で制御される。電気機械チューナはRF発生器をプラズマ容器の広い範囲の入力インピーダンスに整合させることができるけれども、しかしこれらチューナは応答が遅く、および信頼性が低く、および大きなパワー損失および予測できないパワー損失があり、およびコストが高いなどの多くの固有の欠点を有している。
電気機械チューナの前記欠点を解決するために、固体チューナが最近開発されてきており、それは米国特許第 5,473,291号に開示されている。この特許の全内容は言及によって本発明の中に取り込む。固体チューナの出現により電気機械チューナが有する多くの前記欠点が解決され、そしてその出現により高速応答と、低いパワー・レベルにおける信頼性の増大と、予測可能なパワー損失と、低いコストとが得られている。けれども、従来の固体チューナは、インピーダンスが調整されている間に供給することができるRFパワー・レベルに限定される。RFパワーが加えられている間のチューナのインピーダンスの調整は、ホット・スイッチングと呼ばれる。約 300ワットを越えるRFパワー・レベルでホット・スイッチングを行おうとする時、従来の固体チューナは例外なく信頼性が低下する。
本発明のホット・スイッチング法およびインピーダンス整合回路は、増大したパワー・レベルをも含むように整合回路の同調範囲が拡大される。ホット・スイッチング法および回路は、インピーダンス整合するためにRF発生器の出力とプラズマ容器の入力との間に制御されたインピーダンス・ネットワークを結合させることを有する。この制御されたインピーダンス・ネットワークは、予め定められたインピーダンスをスイッチングするためのRFスイッチを有する。このRFスイッチのデバイス動作特性が決定される。RFパワーが、RF発生器から制御されたインピーダンス・ネットワークを通してプラズマ容器に供給される。インピーダンス整合の信号特性が計測される。このRFスイッチは、このインピーダンス整合が予め定められた整合範囲に向かって駆動されるように、計測された信号特性に基づいて制御される。このRFスイッチは、デバイス動作特性に基づいて任意のスピードでスイッチされる。
本発明に従う制御されたインピーダンス・ネットワークを有するRFパワー・システムを示した図。 本発明に従う制御されたインピーダンス・ネットワークの好ましい実施例のブロック線図。 本発明の好ましい実施例に従ういくつかのRFスイッチ・ネットワークの図。 本発明に従うドライバ回路の図。 本発明に従う電流調整器回路の図。 本発明に従うドライバ回路のまた別の実施例の図であって、Aは第2の実施例の図、Bは第3の実施例の図、Cは第4の実施例の図。 本発明に従うホット・スイッチングのための工程の流れ図。
添付図面を参照しての下記説明により、本発明の目的および利点をさらに完全に理解することができるであろう。
図1には、制御されたインピーダンス・ネットワーク10が示されている。制御されたインピーダンス・ネットワーク10は、RF発生器12の出力とプラズマ容器14の入力との間に結合されている。制御されたインピーダンス・ネットワーク10は同調可能なインピーダンスを有し、それにより、RF発生器12の出力とプラズマ容器14の入力との間のインピーダンスの不整合を小さくすることができる。RF発生器の出力インピーダンスは通常、ほぼ50オームに固定される。一方、プラズマ容器の入力インピーダンスは、典型的には1オーム〜10オームおよび -j5オーム〜-j20オームの範囲内で広く変化する複素インピーダンスである。
図2は、本発明の原理に従う制御されたインピーダンス・ネットワーク10の1つの好ましい実施例の図である。制御されたインピーダンス・ネットワーク10は、ブロッキング・コンデンサ20と結合用変圧器22を通して、RF出力18に結合されたRF入力16を有する。プラズマ容器14に生ずるDCバイアス電圧を監視するために、バイアス・センス回路26がRF線路に結合される。バイアス・センス回路26のDCバイアス出力27は、制御装置32に結合される。1次スイッチド(switched)素子回路24および2次スイッチド素子回路34は、それぞれ、容量性インピーダンスおよび誘導性インピーダンスを得るために、RF線路に結合される。1次スイッチド素子回路24は、ブロッキング・コンデンサ20と結合用変圧器22との間に接続される。2次スイッチド素子回路34は、結合用変圧器22の2次巻線36を通してRF線路に結合される。制御装置32は、1次スイッチド素子回路24および2次スイッチド素子回路34のスイッチングを制御する。
1次スイッチド素子回路24は、プラズマ容器負荷のリアル部分を同調からはずすために(for tuning out the real portion)用いられる。負荷の調整を得るために、リアクティブ成分が選択的にスイッチされて回路の中に入れられるおよび回路からはずされる。1次スイッチド素子回路24は、リアクティブ成分を選択的にスイッチするために、ドライバ回路28とRFスイッチド・ネットワーク30との多数個の対を有する。本発明の好ましい実施例では、これらのリアクティブ成分は2進加重配置(binary weighted arrangement)に構成される。けれども、本発明の範囲は、等分加重(equally weighted)リアクティブ成分のような他の配置をも含んでいる。
2次スイッチド素子回路34は、プラズマ容器の負荷のリアクティブ部分を同調からはずすために、変圧器22を通して制御されたインピーダンスと結合する。1次スイッチド素子回路24と同じように、ドライバ回路28とRFスイッチ・ネットワーク30との多数個の対が2次スイッチド素子回路34を構成する。2次スイッチド素子回路34の動作は、米国特許第 5,473,291号に以前に開示されておりそして請求されている。この特許の全内容は、言及によって本発明の中に取り込む。
図3は、RFスイッチ・ネットワーク30のまた別のいくつかの実施例を示した図である。本発明の好ましい実施例は、RFスイッチ・ネットワーク30aに示されているように、陰極がアースされたPINダイオード36aを有する。PINダイオード36aの陽極は、スイッチド・コンデンサ38およびRFチョーク40に接続される。スイッチド・コンデンサ38は、スイッチ可能なインピーダンスを得るために、それぞれのスイッチド素子回路の他の共通接続されたRFスイッチ・ネットワーク30のスイッチド・コンデンサに接続される。RFチョーク40は、RFスイッチ・ネットワーク30に結合された関連するPINドライバ回路28からスイッチド・コンデンサ38を通して流れるRF信号を分離する。本発明の範囲は、陽極保護構成を有するRFスイッチ・ネットワークをも含んでいる。
第1の代替RFスイッチ・ネットワーク30bは、スイッチド・コンデンサ38bおよびRFチョーク40bに接続された非分離(non-isolated)のPINダイオード36bを用いている。RFチョーク40bは再び、関連するPINドライバ回路28からRF信号を分離し、そしてこのスイッチド・コンデンサ38bによりスイッチ可能インピーダンスが得られる。この第1の代替RFスイッチ・ネットワーク30bは、変圧器22の1次巻線に結合されたDC電流路を有する。このDC電流路は、変圧器22の1次巻線からアースに結合されたRFチョークを有する。それに加えて、ブロッキング・コンデンサ20が、変圧器22とRF出力18との間に結合される。センス回路26が、RF出力18に接続される。第2の代替RFスイッチ・ネットワーク30cは、スイッチ可能インピーダンスを得るために、スイッチド・インダクタンス42を有する。スイッチド・インダクタ42と直列に接続されたPINダイオード36cは、インピーダンスの適用(application)を制御する。
図4は、ドライバ回路の1つの好ましい実施例の図である。ドライバ回路28は、関連するRFスイッチ・ネットワーク30を駆動するために、ドライバ出力に低インピーダンス信号を発生する。このドライバ回路は、+5ボルトの順方向バイアス電圧をスイッチングするために、それぞれ、順方向バイアス・スイッチ50および逆方向バイアス・スイッチ52を有する。それにより、 0.5アンペアの順方向バイアス電流および−1000ボルトの逆方向バイアス電圧が得られる。この好ましい実施例では、順方向バイアス・スイッチ50および逆方向バイアス・スイッチ52に対してMOSFETが用いられるが、しかし本発明の範囲内にはBJTおよびIGBTのような他のスイッチを用いることも含まれる。
電流調整器(current regulator)回路54が、RFスイッチに供給される順方向バイアス電流を調整するために、順方向バイアス電源55と順方向バイアス・スイッチ50とに直列に接続される。電流調整器回路54は、RFスイッチに対する順方向バイアス電流源の振幅を制限するために用いられる、R−C導線ネットワークと並列に1つの抵抗器を有する。本発明のこの好ましい実施例では抵抗器−コンデンサ・ネットワークが用いられているけれども、本発明の原理は、他の受動ネットワークおよび図5に示された調整器回路のような能動電流調整器回路に容易に拡張することができる。
クランプ・ネットワーク56が、順方向バイアス・スイッチ50のスイッチング時間を減少させるためにおよび交差伝導(cross conduction)電流を制限するために、順方向バイアス・スイッチ50と逆方向バイアス・スイッチ52との間に結合される。順方向バイアス・スイッチ50と逆方向バイアス・スイッチ52との間に結合された電流センシング・デバイス60はクランプ・スイッチ62をトリガし、それにより順方向バイアス・スイッチ50がオフになるのを加速する。この好ましい実施例では、抵抗器が電流センシング・デバイス60として用いられ、そしてスイッチング・トランジスタがクランプ・スイッチ62に対して用いられている。
ブートストラップ回路64により、順方向バイアス・スイッチ50をオンにするための低インピーダンスのエネルギ源が得られる。ブートストラップ回路64は、直列接続された抵抗器と、並列接続されたコンデンサ66およびツェナ・ダイオードとを有する。順方向バイアス・スイッチ50がオフである間にコンデンサ66に蓄えられたエネルギがオンになる時に順方向バイアス・スイッチ50に供給されて、順方向バイアス・スイッチ50のスイッチング速度が増大する。
分離されたカスコード・スイッチ58が、逆方向バイアス・スイッチ52から逆方向バイアス電圧源51に接続される。カスコード・スイッチ58は、ドライバ入力と逆方向バイアス電源との間の電圧の分離を得るのに加えて、逆方向バイアス・スイッチ52の動作を制御する。分離されたカスコード・スイッチ58として、光結合器が用いられるのが好ましい。この好ましい実施例では、HP4N37光結合器が用いられる。逆方向バイアス・スイッチ52と共に分離されたカスコード・スイッチを用いることにより、カスコード・スイッチ58の耐電圧性能が拡大し、そして比較的に高い逆方向バイアス電圧をスイッチングするための駆動入力からの電圧レベルの変換が得られる。
アイソレータ回路68により、ドライバ入力から順方向バイアス・スイッチ50に接続された回路への電圧レベルの変換が得られる。この好ましい実施例では、1対の光結合器(optocouplers)がアイソレータ回路68として用いられる。
図6Aは、ドライバ回路28のまた別の実施例を示した図である。この実施例では、順方向バイアス・スイッチ50はヒステレテック入力(hysteretic input)を有するCMOSドライバ70によって駆動される。それに加えてアイソレータ回路68は、分離されたカスコード・スイッチ58と直列に駆動される単一の光結合器を有する。
図6Bは、ドライバ回路28の第3の実施例を示した図である。この第3の実施例は、ドライバ回路28が陽極接地RFスイッチを駆動するために構成されている点で、前のドライバ回路の実施例とは異なる。このように、順方向バイアス・スイッチ50と逆方向バイアス・スイッチ52との構成は逆転している。−5ボルトの順方向バイアスがRFスイッチにバイアス電流を供給する。このバイアス電流は、電流調整器54として用いられる抵抗器の値によって制限される。カスコード・スイッチ58は逆方向バイアス・スイッチ52を動作させるのに再び用いられ、RFスイッチを逆方向にバイアスするために+500 ボルトをスイッチングする。ドライバ入力は、カスコード・スイッチ58およびアイソレータ回路68に対して用いられる光結合器を通して、バイアス・スイッチ50および52に結合される。
図6Cは、ドライバ回路28の第4の実施例を示した図である。この第4の実施例は、分離されたRFスイッチに約−5ボルトの順方向バイアス電圧を供給するために、順方向バイアス・スイッチ50および調整器(regulator)回路54を有する。約+500 ボルトの逆方向バイアス電圧が、制限用抵抗器72を通して、RFスイッチに加えられる。ドライバ入力は、アイソレータ回路68として用いられる光結合器を通して結合される。NPNトランジスタはアイソレータ回路68の出力を緩衝(buffer)し、そして順方向バイアス・スイッチ50を駆動する。
PINダイオードに加えられる順方向バイアス電圧がPINダイオードのキャリアの寿命よりも短い遷移時間を有することを保証することにより、制御されたインピーダンス・ネットワークのホット・スイッチングが容易に行われることを本発明が知った。本発明がさらに知ったことは、PINダイオードに加えられる逆方向バイアス電圧がPINダイオードのキャリアの寿命よりも短い遷移時間を有することを保証することにより、ホット・スイッチングが増強されることである。
図1および図7は、ホット・スイッチング・システムの好ましい実施例の動作を示した図である。段階80において、PINダイオードのスイッチング特性が決定される。この好ましい実施例では、キャリアの寿命はスイッチング特性を表すとして用いられる。段階82において、RF発生器12が制御されたインピーダンス・ネットワーク10を通してプラズマ容器14に結合される。次に段階84において、RFパワーが発生される。段階86において、RF発生器12とプラズマ容器14との間の相互作用の整合特性が計測される。この好ましい実施例では、計測されたこの整合特性は電圧定在波比(VSWR)である。段階88において、制御装置32はこの計測された整合特性に基づいてPINダイオードに対する制御信号を決定する。段階90において、制御装置32はPINダイオードに関連するドライバ回路28を制御するためのドライバ入力信号を発生する。段階92において、高い側のスイッチを駆動することができるために、このドライバ入力信号がアースから浮遊される。段階94において、バイアス・スイッチの出力におけるバイアス電圧の遷移時間がPINダイオードのキャリアの寿命よりも短いように、バイアス・スイッチがドライバ入力信号によって駆動される。段階96において、PINダイオードの予想できるRF動作を保証するために、バイアス・スイッチを流れるバイアス電流が調整される。
本発明のホット・スイッチング法は、制御されたインピーダンス・ネットワークの動作の範囲を拡大する。この方法により、制御されたインピーダンス・ネットワークのスイッチングを、加えられた高レベルのRFパワーで行うことが可能である。
したがって、本発明の結果としてホット・スイッチング法およびドライバ回路が得られ、それによりとりわけ主要な目的が完全に満たされることが、前記の説明から分かるであろう。本発明の範囲内において、例示された実施例に対して変更および/または置換えの可能であることは、同様に理解されるであろうしおよび予想されるであろう。したがって、前記説明および添付図面は好ましい実施例を単に例示したものであって、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されることを意味するものではない。本発明の範囲および意図は、添付の請求項およびそれらと法的に等価なものによって定められるであろう。
10 制御されたインピーダンス・ネットワーク
23、36 結合された変圧器
28、30 RFスイッチ・ネットワーク
28、30 ドライバ回路

Claims (16)

  1. インピーダンス整合特性を制御するために発生器の出力とプラズマ容器の入力との間に結合された制御されたインピーダンス・ネットワークであって、
    実効リアクタンスを有しおよび前記発生器の出力と前記プラズマ容器との間に結合された1次巻線と2次巻線とを有する結合された変圧器と、
    前記1次巻線の実効リアクタンスが変化するように少なくとも1つのリアクタンス性素子を前記変圧器2次巻線に選択的に結合するために動作することが可能なRFスイッチを有するRFスイッチ・ネットワークと、
    前記RFスイッチに順方向バイアス電圧および逆方向バイアス電圧を加えるために前記RFスイッチ・ネットワークに結合され、それにより前記RFスイッチ・ネットワークを導電状態と非導電状態との間でスイッチングし、前記逆方向バイアス電圧を加えるために直列カスコード・スイッチによって制御される逆方向バイアス・スイッチを有するドライバ回路と、
    を有し、前記直列カスコード・スイッチが分離されたカスコード・スイッチである制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  2. インピーダンス整合特性を制御するために発生器の出力とプラズマ容器の入力との間に結合された制御されたインピーダンス・ネットワークであって、
    実効リアクタンスを有しおよび前記発生器の出力と前記プラズマ容器との間に結合された1次巻線と2次巻線とを有する結合された変圧器と、
    前記1次巻線の実効リアクタンスが変化するように少なくとも1つのリアクタンス性素子を前記変圧器2次巻線に選択的に結合するために動作することが可能なRFスイッチを有するRFスイッチ・ネットワークと、
    前記RFスイッチに順方向バイアス電圧および逆方向バイアス電圧を加えるために前記RFスイッチ・ネットワークに結合され、それにより前記RFスイッチ・ネットワークを導電状態と非導電状態との間でスイッチングし、前記逆方向バイアス電圧を加えるために直列カスコード・スイッチによって制御される逆方向バイアス・スイッチを有するドライバ回路と、
    を有し、前記直列カスコード・スイッチが分離されたカスコード・スイッチであり、
    前記ドライバ回路が順方向バイアス電圧を加えるための順方向バイアス・スイッチをさらに有し、ここで前記順方向バイアス・スイッチがブートストラップ回路によって駆動される制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  3. 請求項2記載の制御されたインピーダンス・ネットワークであって、前記ドライバ回路を動作させるための駆動信号を発生するために前記ドライバ回路に結合された制御装置をさらに有する制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  4. インピーダンス整合特性を制御するために発生器の出力とプラズマ容器の入力との間に結合された制御されたインピーダンス・ネットワークであって、
    実効リアクタンスを有しおよび前記発生器の出力と前記プラズマ容器との間に結合された1次巻線と2次巻線とを有する結合された変圧器と、
    前記1次巻線の実効リアクタンスが変化するように少なくとも1つのリアクタンス性素子を前記変圧器2次巻線に選択的に結合するために動作することが可能なRFスイッチを有するRFスイッチ・ネットワークと、
    前記RFスイッチに順方向バイアス電圧および逆方向バイアス電圧を加えるために前記RFスイッチ・ネットワークに結合され、それにより前記RFスイッチ・ネットワークを導電状態と非導電状態との間でスイッチングし、前記逆方向バイアス電圧を加えるために直列カスコード・スイッチによって制御される逆方向バイアス・スイッチを有するドライバ回路と、
    を有し、前記ドライバ回路が前記順方向バイアス・スイッチのターン・オフ時間を減少させるためにクランプ・ネットワークをさらに有する制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  5. インピーダンス整合特性を制御するために発生器の出力とプラズマ容器の入力との間に結合された制御されたインピーダンス・ネットワークであって、
    前記発生器の出力と前記プラズマ容器との間に結合された1次巻線を有する変圧器と、
    RFパワーが前記前記プラズマ容器に加えられている間インピーダンス整合特性に基づいて前記1次巻線の実効リアクタンスが変化するように、少なくとも1つのリアクタンス性素子を前記変圧器に選択的に結合するように構成された少なくとも1つのRFスイッチと、
    アースから浮遊されたドライバ入力信号を用いて前記RFスイッチへのバイアス電圧をスイッチするように構成されたドライバ回路と、
    を有する制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  6. 請求項5記載の制御されたインピーダンス・ネットワークであって、前記ドライバ回路が、前記ドライバ入力信号からの電圧レベルの変換を提供するように構成された分離されたカスコード・スイッチを有する制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  7. 請求項5記載の制御されたインピーダンス・ネットワークであって、前記ドライバ回路が、
    前記バイアス電圧をスイッチするように構成された順方向バイアス・スイッチおよび逆方向バイアス・スイッチと、
    前記バイアス・スイッチ間に接続され前記順方向バイアス・スイッチのスイッチング時間を減少させるように構成されたクランプ・ネットワークと、
    を有する制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  8. 請求項7記載の制御されたインピーダンス・ネットワークであって、前記ドライバ回路が、前記順方向バイアス・スイッチのスイッチング速度を増加させるように構成されたブートストラップ回路をさらに有する制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  9. 請求項7記載の制御されたインピーダンス・ネットワークであって、前記順方向バイアス・スイッチおよび逆方向バイアス・スイッチが前記RFスイッチのキャリア寿命より短い時間で前記バイアス電圧をスイッチするようにさらに構成されている制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  10. 請求項5記載の制御されたインピーダンス・ネットワークであって、前記ドライバ回路が、前記ドライバ入力信号に直列に結合された第1と第2の光結合器を有する制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  11. 請求項5記載の制御されたインピーダンス・ネットワークであって、前記ドライバ回路が、逆方向バイアス・スイッチと該逆方向バイアス・スイッチを制御するように構成された分離されたカスコード・スイッチを有する制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  12. 請求項5記載の制御されたインピーダンス・ネットワークであって、前記ドライバ回路が、順方向バイアス電源と、順方向バイアス・スイッチと、該順方向バイアス電源と順方向バイアス・スイッチとの間に直列接続された電流調整器と、をさらに有する制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  13. 請求項12記載の制御されたインピーダンス・ネットワークであって、前記ドライバ回路が、前記順方向バイアス・スイッチのターン・オフ時間を減少させるためのクランプ・ネットワークをさらに有する制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  14. 請求項5記載の制御されたインピーダンス・ネットワークにおいて、前記インピーダンス整合特性が電圧定在波比を含む制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  15. 請求項5記載の制御されたインピーダンス・ネットワークであって、制御装置と、RFスイッチでプラズマ容器負荷のリアル部分を同調からはずすように構成されたバイアス・センス回路、さらに有する制御されたインピーダンス・ネットワーク。
  16. 請求項5記載の制御されたインピーダンス・ネットワークであって、前記少なくとも1つのRFスイッチは、複数の2進荷重リアクティブ成分を前記変圧器に選択的に接続するよう構成された複数のRFスイッチを有する制御されたインピーダンス・ネットワーク。
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