KR101829563B1 - 정합기 및 정합 방법 - Google Patents

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KR101829563B1
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노리카즈 가토
요시유키 오시다
나오토 다카하시
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가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키
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Abstract

어떠한 부하 임피던스에 있어서도 정합점에 수속하는 정합 알고리즘을 제공한다. 진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기와, 제 1 가변 용량 콘덴서와 제 2 가변 용량 콘덴서와 인덕턴스를 갖는 정합 회로와, 진행파와 반사파에 근거하여 반사 계수를 산출하고 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값 VC1과 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값 VC2를 제어하는 제어부를 구비하는 정합기에 있어서, 제어부는, 스미스 차트상에서 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 원과, 산출된 반사 계수의 사이의 거리가 소정값보다 큰 경우는, VC2를 변경하여, 상기 거리를 상기 소정값 이내로 하고, 상기 거리가 상기 소정값 이내가 되면, VC1을 변경하여 반사 계수를 작게 한다.

Description

정합기 및 정합 방법{MATCHER AND MATCHING METHOD}
본 발명은 고주파 전원 장치의 출력을 부하에 정합시키는 정합기에 관한 것이다.
에칭이나 박막 형성을 행하는 반도체 제조 공정에서는, 플라즈마 처리 장치가 이용된다. 이 플라즈마 처리 장치의 전력 공급원으로서, 고주파 전원 장치가 이용된다. 고주파 전원 장치로부터 플라즈마 처리 장치에 대하여, 효율적으로 전력을 공급하려면, 고주파 전원 장치와 플라즈마 처리 장치(부하)의 사이에서 임피던스를 정합시킬 필요가 있다. 임피던스를 정합시키는 수단으로서, 예컨대 특허 문헌 1에 나타나는 바와 같이, 고주파 전원 장치와 플라즈마 처리 장치의 사이에 정합기를 삽입하는 방법이 일반적이다.
도 7은 배경 기술의 정합기(100)의 기능 블록도이다. 도 7에서는, 고주파 전원 장치(2)와 플라즈마 처리 장치(3)의 사이에, 정합기(100)가 삽입되어 있다. 고주파 전원 장치(2)로부터 출력한 고주파 전력을, 정합기(100)를 통해서 플라즈마 처리 장치(3)에 공급하는 것에 의해, 플라즈마 처리 장치(3)에서 플라즈마를 발생시킨다. 고주파 전원 장치(2)로부터 플라즈마 처리 장치(3)에 효율적으로 전력을 공급하기 위해서는, 고주파 전원 장치(2)와 플라즈마 처리 장치(3)의 사이에서 임피던스를 정합시킬 필요가 있다. 고주파 전원 장치(2)의 출력 임피던스는 통상 50Ω이기 때문에, 플라즈마 처리 장치(3)의 입력 임피던스를, 정합기(100)에 의해 변환하여, 정합기(100)의 입력 임피던스를 50Ω으로 하면 된다.
플라즈마 처리 장치(3)의 입력 임피던스는, 플라즈마 처리 장치(3)에 입력되는 가스의 종류나 유량, 압력, 온도 등에 따라 변화한다. 따라서, 정합기(100)는, 시간적으로 변화하는 플라즈마 처리 장치(3)의 입력 임피던스에 맞추어, 적응적으로 정합할 필요가 있다.
도 7의 정합기(100)는, 진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기(11)와, 고주파 전원 장치(2)와 플라즈마 처리 장치(3)의 사이에서 임피던스를 정합시키는 정합 소자를 갖는 정합 회로(30)와, 정합 회로(30)의 정합 소자의 회로 상수를 제어하기 위한 제어부(120)로 구성된다.
방향성 결합기(11)의 동작을 설명한다.
RFin 단자로부터 RFout 단자를 향해 진행하는 고주파 전력(진행파 : Pf)은, 방향성 결합기(11)에서 검출되어, FORWARD 단자에 출력된다. RFout 단자로부터 RFin 단자를 향해 진행하는 고주파 전력(반사파 : Pr)은, 방향성 결합기(11)에서 검출되어, REFLECT 단자에 출력된다. 또한, RFin 단자로부터 RFout 단자를 향해 진행하는 고주파 전력 Pf는, REFLECT 단자에서는 검출되지 않고, 만약 검출되더라도 약간이다. 마찬가지로, RFout 단자로부터 RFin 단자를 향해 진행하는 고주파 전력 Pr은, FORWARD 단자에서는 검출되지 않고, 만약 검출되더라도 약간이다.
방향성 결합기(11)에서 검출된 진행파 Pf와 반사파 Pr은, 제어부(120)의 반사 계수 연산부(21)에 입력된다. 반사 계수 Γ는, 진행파 Pf에 대한 반사파 Pr의 진폭비 r과 위상차 θ로부터, 수학식 1과 같이 정의된다.
Figure 112016073847044-pct00001
따라서, 진행파 Pf에 대한 반사파 Pr의 진폭비 r과 위상차 θ를 알 수 있으면, 반사 계수 Γ를 구할 수 있다. 반사 계수 연산부(21)에서는, 진행파 Pf와 반사파 Pr에 근거하여, 상기 진폭비 r과 위상차 θ를 계산하여, 반사 계수 Γ를 산출한다. 구체적인 방법으로서는, 진행파 Pf와 반사파 Pr을 FFT(고속 푸리에 변환)에 의해 주파수 영역으로 변환하고, 고주파 전원 장치(2)가 출력하고 있는 고주파 전력과 동일한 주파수에 대하여, 진행파 Pf와 반사파 Pr의 진폭과 위상을 비교하여, 진폭비 r과 위상차 θ를 계산하면 된다.
용량 연산부(122)는, 반사 계수 연산부(21)에서 계산된 반사 계수 Γ에 근거하여, 반사 계수 Γ를 제로에 가까이 하기 위한 콘덴서 용량을 계산한다. 콘덴서 용량의 계산 방법에 대해서는 후술한다. 용량 설정부(23)는, 용량 연산부(122)에서 산출한 콘덴서의 용량에 근거하여, 정합 회로(30) 내의 가변 용량 콘덴서의 용량을 설정, 변경한다.
도 2는 정합 회로(30)의 구성도이다.
정합 회로(30)는, 부하가 되는 플라즈마 처리 장치(3)의 입력 임피던스가 변동하는 범위에 따라 회로 구성이 정해지지만, 여기서는, π형의 정합 회로를 예로 하여 설명한다. 이 정합 회로(30)는, 가변 용량 콘덴서(31), 가변 용량 콘덴서(32), 인덕턴스(33), 전송 선로(35), 전송 선로(36)를 포함하도록 구성되어 있다. 이 전송 선로(35)와 전송 선로(36)는, 동축 케이블이나 금속판 등으로 구성할 수 있고, 또한, 인덕터나 콘덴서의 집중 상수 회로를 포함하도록 구성할 수도 있다.
전송 선로(35)는, 정합 회로(30)의 입력 단자(30a)와 가변 용량 콘덴서(31)의 일단을 접속한다. 가변 용량 콘덴서(31)의 타단은 접지되어 있다. 전송 선로(36)는, 정합 회로(30)의 출력 단자(30b)와 가변 용량 콘덴서(32)의 일단을 접속한다. 가변 용량 콘덴서(32)의 타단은 접지되어 있다.
가변 용량 콘덴서(31), 가변 용량 콘덴서(32), 인덕턴스(33)는, 고주파 전원 장치(2)와 플라즈마 처리 장치(3)의 사이의 임피던스 정합을 행하기 위한 정합 소자이다. 또한, 정합 회로(30)는, 가변 용량 콘덴서(31)의 용량을 제어하기 위한 가변 용량 콘덴서 제어 단자(31a)와, 가변 용량 콘덴서(32)의 용량을 제어하기 위한 가변 용량 콘덴서 제어 단자(32a)를 구비한다.
정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서의 제어는, 방향성 결합기(11)에서 검파한 진행파 Pf와 반사파 Pr로부터 계산되는 반사 계수 Γ의 크기가 제로에 가까워지도록 제어된다. 이때의 가변 용량의 계산식을, 수학식 2와 수학식 3에 나타낸다. VC1은 가변 용량 콘덴서(31)의 용량, VC2는 가변 용량 콘덴서(32)의 용량이다.
Figure 112016073847044-pct00002
여기서 real()는 () 내의 복소수의 실부를 나타내고, imag()는 () 내의 복소수의 허부를 나타낸다. S1과 S2는 계수이고, 콘덴서 용량을 갱신하는 양을 결정한다.
수학식 2는 VC1을 갱신하는 식이고, 수학식 3은 VC2를 갱신하는 식이다. VC1(n)은, 전회에 갱신한 VC1(n-1)에 대하여, 반사 계수 Γ의 실부에 계수 S1을 곱한 것을 더하는 것에 의해 산출된다. VC2(n)은, 전회에 갱신한 VC2(n-1)에 대하여, 반사 계수 Γ의 허부에 계수 S2를 곱한 것을 빼는 것에 의해 산출된다. 여기서, VC1과 VC2에 있어서, 갱신하는 양(real(Γ)*S1, 또는, imag(Γ)*S2)을 더하는지 빼는지의 차이는, 정합 회로(30)의 회로 방식과, 정합하는 부하의 입력 임피던스에 따른 것이다.
이 배경 기술의 알고리즘의 약점은, 부하 임피던스가 변화했을 때에, VC1과 VC2가 정합점에 수속하지 않는 조건이 있다고 하는 것이다. 전술한 바와 같이, 플라즈마 부하의 임피던스는 변화한다. 플라즈마가 착화하기 전후에 급격하게 변화하고, 플라즈마 처리 장치에 입력되는 가스의 종류나 유량, 압력, 온도 등에 따라서도 변화한다.
정합 회로(30)의 입력 임피던스가 50Ω에 정합(다시 말해, 반사 계수가 0)하기 위한 VC1과 VC2는, 정합기(100)의 출력에 접속되는 부하 임피던스에 의해 결정되지만, 플라즈마 부하가 변화하기 때문에, 정합할 때의 VC1과 VC2의 값도 변화한다. 그 때문에, 수학식 2와 수학식 3에 의한 알고리즘을 사용하면, VC1과 VC2가 수속하지 않는 경우가 있다. 그 이유는, VC1은 수학식 2로 계산, 다시 말해 반사 계수의 실부로부터 계산되고, VC2는 수학식 3으로 계산, 다시 말해 반사 계수의 허부로부터 계산되지만, 플라즈마 부하의 임피던스나 가변 용량 콘덴서의 용량에 따라서는, 수학식 2와 수학식 3의 관계가 성립되지 않는 경우가 있고, 이 때 VC1과 VC2는, 정합하는 상수에 수속하지 않는다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) WO2013/132591호 공보
상술한 바와 같이, 배경 기술의 정합 알고리즘에서는, 부하 임피던스에 따라서는 정합점에 수속하지 않는다고 하는 과제가 있었다. 본 발명의 목적은, 어떠한 부하 임피던스에 있어서도 정합점에 수속하는 정합 알고리즘을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한, 본원 발명의 정합기의 대표적인 구성은, 다음과 같다. 즉,
진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기와,
입력 단자와, 출력 단자와, 일단이 제 1 전송 선로를 통해서 상기 입력 단자에 접속되고 타단이 접지된 제 1 가변 용량 콘덴서와, 일단이 제 2 전송 선로를 통해서 상기 출력 단자에 접속되고 타단이 접지된 제 2 가변 용량 콘덴서와, 일단이 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 상기 일단에 접속되고 타단이 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 상기 일단에 접속된 인덕턴스를 갖는 정합 회로와,
상기 방향성 결합기에서 검출한 진행파와 반사파에 근거하여, 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값과 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 제어하는 제어부
를 구비하고,
상기 제어부는,
상기 방향성 결합기에서 검출한 진행파와 반사파에 근거하여, 반사 계수를 산출하고,
스미스 차트상에서 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 원과, 상기 산출된 반사 계수의 사이의 거리가 소정값보다 큰 경우는, 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하고, 상기 산출되는 반사 계수를 변경하는 것에 의해, 상기 거리를 상기 소정값 이내로 하고,
상기 거리가 상기 소정값 이내가 되면, 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하고, 상기 산출되는 반사 계수를 작게 하는
것을 특징으로 하는 정합기.
상기 구성에 의하면, 어떠한 부하 임피던스에 있어서도 정합점에 수속할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태와 관련되는 정합기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태와 관련되는 정합 회로의 구성도이다.
도 3은 가변 용량 콘덴서의 용량을 바꾸었을 때의 반사 계수의 궤적의 일례를 설명하는 도면이다.
도 4는 가변 용량 콘덴서의 용량을 바꾸었을 때의 반사 계수의 궤적의 다른 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태와 관련되는 반사 계수의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태와 관련되는 임피던스 정합의 처리 플로차트이다.
도 7은 배경 기술과 관련되는 정합기의 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 이용하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 형태와 관련되는 정합기(10)의 구성도이다. 도 1의 구성 중, 배경 기술의 도 7과 동일한 구성에는, 동일한 부호를 붙이고 있고, 적당히 설명을 생략한다.
정합기(10)는, 진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기(11)와, 고주파 전원 장치(2)와 플라즈마 처리 장치(3)의 사이에서 임피던스를 정합시키는 정합 소자를 갖는 정합 회로(30)와, 정합기(10)의 정합 소자의 회로 상수를 제어하기 위한 제어부(20)와, 기억부(25)를 포함하도록 구성된다.
도 2에 있어서 전술한 바와 같이, 정합 회로(30)는, 입력 단자(30a)와, 출력 단자(30b)와, 일단이 전송 선로(35)를 통해서 입력 단자(30a)에 접속되고 타단이 접지된 제 1 가변 용량 콘덴서(31)와, 일단이 전송 선로(36)를 통해서 출력 단자(30b)에 접속되고 타단이 접지된 제 2 가변 용량 콘덴서(32)와, 일단이 제 1 가변 용량 콘덴서(31)의 상기 일단에 접속되고 타단이 제 2 가변 용량 콘덴서(32)의 상기 일단에 접속된 인덕턴스(33)를 갖는다.
제어부(20)는, 반사 계수 연산부(21)와, 용량 연산부(22)와, 용량 설정부(23)를 포함하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 제어부(20)는, 방향성 결합기(11)에서 검출한 진행파와 반사파에 근거하여, 반사 계수를 산출하고, 그 반사 계수를 이용하여, 제 1 가변 용량 콘덴서(31)의 용량값과 제 2 가변 용량 콘덴서(32)의 용량값을 제어한다. 기억부(25)는, 후술하는 원의 정보 등을 기억한다.
정합기(10)가 배경 기술의 정합기(100)와 상이한 점은, 용량 연산부(22)의 처리 내용, 다시 말해, 정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서(31)의 용량 VC1 및 가변 용량 콘덴서(32)의 용량 VC2의 제어 방법과, 원의 정보를 기억하는 기억부(25)가 추가된 점이다. 다른 구성은, 배경 기술의 정합기(100)와 동일하다.
여기서, 원의 정보란, 스미스 차트상에서 정합점(반사 계수 Γ의 실부와 허부가 제로인 점)을 통과하는 반사 계수 Γ의 궤적이 그리는 원의 정보로서, 원의 위치나 크기에 관한 정보이다. 이 원의 정보는, 전송 선로(35)의 조건, 다시 말해 전송 선로(35)의 특성 임피던스 ZL이나 선로 길이 L에 근거하여, 결정되는 것이 알려져 있다.
용량 연산부(22)는, 반사 계수 연산부(21)에서 산출된 반사 계수 Γ와, 기억부(25)에 기억하고 있는 원의 정보에 근거하여, 산출된 반사 계수 Γ에 대응하는 정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서(31)의 용량 VC1 및 가변 용량 콘덴서(32)의 용량 VC2를 산출한다. 다시 말해, 산출된 반사 계수 Γ를 작게 하는 VC1과 VC2를 산출한다.
자세하게는, 용량 연산부(22)는, 반사 계수 연산부(21)에서 산출되는 반사 계수 Γ가, 기억부(25)에 기억하고 있는 원에 접근하도록, 정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서(32)의 용량 VC2를 산출한다. 그리고, 용량 설정부(23)는, 상기 산출한 용량이 되도록, 가변 용량 콘덴서(32)의 용량값 VC2를 변경한다. 이것에 의해, 용량 설정부(23)는, 반사 계수 Γ를, 상기 원 위에 위치시킨다.
그 후, 용량 연산부(22)는, 반사 계수 연산부(21)에서 산출되는 반사 계수 Γ가 작아지도록, 정합 회로(30)의 가변 용량 콘덴서(31)의 용량 VC1을 산출한다. 그리고, 용량 설정부(23)는, 상기 산출한 용량이 되도록, 가변 용량 콘덴서(31)의 용량값 VC1을 변경한다. 이것에 의해, 용량 설정부(23)는, 반사 계수 Γ를, 정합점(반사 계수 Γ가 0인 점)에 위치시킨다.
기억부(25)에는, 전송 선로(35)에 따른 원의 정보가, 미리 기억되어 있다. 이 원의 정보(위치와 크기)는, 전술한 바와 같이, 전송 선로(35)의 조건, 다시 말해 전송 선로(35)의 특성 임피던스 ZL이나 선로 길이 L에 근거하여 결정된다. 예컨대, 전송 선로(35)가, 무시할 수 있을 정도로 짧은 경우는, 원은, 후술하는 도 3에 나타내는 R1이 된다. 또한, 전송 선로(35)가, 특성 임피던스가 50Ω이고, 선로 길이가 λ/4인 경우는, 원은, 후술하는 도 4에 나타내는 R2나, 도 5에 나타내는 R3이 된다.
여기서, 본 실시 형태의 정합 알고리즘의 사고방식을 설명한다.
임의의 플라즈마 부하일 때에, 고주파 전원 장치(2)와 플라즈마 처리 장치(3)의 사이의 임피던스가 정합할(다시 말해 반사 계수 Γ가 0일) 때의 VC1과 VC2의 값을, VC1=X, VC2=Y로 한다. 설명을 알기 쉽게 하기 위해, 정합하는 조건인 VC1=X, VC2=Y의 상태로부터, VC1의 용량을 바꾸었을 때의, 정합 회로(30)의 입력 임피던스의 궤적, 다시 말해, 반사 계수 Γ의 궤적을 도 3의 스미스 차트에 나타낸다. 이 경우, 전송 선로(35)는, 진행파나 반사파의 파장 λ에 비하여, 무시할 수 있을 만큼 짧은 것으로 한다.
도 3에 있어서, VC1의 용량을 바꾸면, 반사 계수 Γ의 궤적은, 정합을 취하고 있는 상태인 F점과, G점을 잇는 선분을 직경으로 하는 원 R1을 그린다. F점에 있어서의 반사 계수 Γ는, 그 허부(Γi)가 제로이고, 그 실부(Γr)가 제로이다(정합기(10)의 입력 임피던스는 50Ω). G점에 있어서의 반사 계수 Γ는, 그 허부가 제로이고, 그 실부가 -1이다.
자세하게는, 도 3에 있어서, 정합을 취하고 있는 상태(F점)에서 VC1의 용량을 늘리면, 반사 계수 Γ는, 원 R1 위를 F점으로부터 A점의 방향으로 움직인다. 또한, VC1의 용량을 줄이면, 원 R1 위를 F점으로부터 B점의 방향으로 움직인다. 이것은, 가변 용량 콘덴서(31, 32)와 인덕턴스(33)를 포함하는 도 2의 π형 정합 회로(30)에 있어서, 가변 용량 콘덴서(31)가 그라운드에 접속(접지)되어 있을 때의 임피던스 궤적으로서, 일반적으로 알려져 있기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
도 3에서는, 전송 선로(35)를 무시할 수 있는 경우를 나타냈지만, 현실에는 무시할 수 없는 일도 있다. 도 4의 스미스 차트에, 전송 선로(35)의 특성 임피던스가 50Ω이고 선로 길이가 λ/4인 경우의, 반사 계수 Γ의 궤적을 나타낸다. 도 4에 있어서, 반사 계수 Γ의 궤적은, 정합을 취하고 있는 상태인 F점과, H점을 잇는 선분을 직경으로 하는 원 R2를 그리는 것이 알려져 있다. H점에 있어서의 반사 계수 Γ는, 그 허부가 제로이고, 그 실부가 1이다(정합기(10)의 입력 임피던스는 무한대).
도 2의 정합 회로(30)에 있어서, 전송 선로(35)의 우단으로부터 본 입력 임피던스를 Z1로 하고, 전송 선로(35)의 좌단으로부터 본 입력 임피던스를 Z2로 하면, Z2는, 다음의 수학식 4에 의해 정해진다. 수학식 4에 있어서, Z1은, 전송 선로(35)를 무시할 수 있는 경우(도 3)의 입력 임피던스이고, Z2는, 전송 선로(35)를 무시할 수 없는 경우(도 4)의 입력 임피던스이다. 전송 선로(35)를 무시할 수 없는 경우(도 4), 도 3의 원 R1은, 도 4의 원 R2가 된다.
Figure 112016073847044-pct00003
이와 같이, 도 4의 궤적은, 특성 임피던스가 50Ω이고 선로 길이가 λ/4인 전송 선로(35)를 삽입하고 있기 때문에, 도 3의 궤적에 있어서, 반사 계수 Γ의 실부와 허부가 제로인 점(F점)을 중심으로 하여, 180° 회전한 상태가 된다. 따라서, 도 4에 있어서, 정합을 취하고 있는 상태(F점)에서 VC1의 용량을 늘리면, 반사 계수 Γ는, 원 R2 위를 A′점의 방향(반사 계수 Γ의 허부가 양인 방향)으로 움직인다. 또한, VC1의 용량을 줄이면, 반사 계수 Γ는, 원 R2 위를 B′점의 방향(반사 계수 Γ의 허부가 음인 방향)으로 움직인다. 즉, 도 4의 원 R2 위에 있어서, 반사 계수 Γ의 허부가 양인 경우는, VC1이 정합값 X보다 크고, 반사 계수 Γ의 허부가 음인 경우는, VC1이 정합값 X보다 작다.
이와 같이, 도 4에서는, 정합점(F점)에 있어서, VC1을 증가, 또는 감소시키면, 반사 계수 Γ는, 원 R2를 그리는 궤적을 지나간다. 이것은, VC2가 정합값에 있는 상태에서, VC1을 바꾸면, 반사 계수 Γ는, 도 4에서 나타낸 원 R2 위를 이동하는 것을 나타내고 있다. 따라서, 우선, 반사 계수 Γ가 도 4의 원 R2 위에 놓이도록 VC2를 제어하고, 그 후, 반사 계수 Γ가 0이 되도록, VC1을 제어하면 되는 것을 알 수 있다.
도 5는 도 4와 마찬가지의 정합 회로(30)의 경우, 다시 말해, 전송 선로(35)의 특성 임피던스가 50Ω이고 선로 길이가 λ/4인 경우에 있어서, 본 발명의 실시 형태와 관련되는 임피던스 정합을 행할 때에 있어서의, 반사 계수 Γ의 궤적을 나타내는 스미스 차트이다. C점은, 플라즈마 부하가 임의의 입력 임피던스값에 있는 경우에 있어서, VC1과 VC2가 초기값(예컨대, 가변 용량 콘덴서의 최소값)일 때의, 반사 계수 Γ, 다시 말해, 정합기(10)의 입력 임피던스이다.
우선, 제어부(20)는, 반사 계수 Γ가, VC1과 VC2의 초기값의 C점으로부터, 원 R3에 접하는 D점에 도달할 때까지, VC2만을 늘린다. 원 R3은, 도 4의 원 R2와 동일하다. 원 R3의 정보는, 기억부(25)에 기억되어 있다. 반사 계수 Γ가, 원 R3에 접하는 D점에 도달하면, VC2는, 정합시의 용량인 Y가 된다. 이 상태에서는, VC2는, 정합값으로 제어되고 있지만, VC1은 초기값 그대로이다. 그래서, 제어부(20)는, 다음으로 VC1을 늘려 간다. VC1을 늘리면, 전술한 바와 같이, 반사 계수 Γ는, 원 R3 위를 이동한다. 따라서, VC1을 늘려 가고, 반사 계수 Γ가 0이 되는 곳에서, VC1의 증가를 멈추면 된다. 그때의 VC1은, 정합시의 용량인 X가 된다.
도 5의 궤적은, 플라즈마 부하의 입력 임피던스가 임의의 값에 있는 경우의 일례이지만, 플라즈마 부하의 입력 임피던스가 바뀌면, 당연히, C점이나 D점의 위치는 변화한다. 단, VC2가 정합시의 용량인 경우에, 반사 계수 Γ가 원 R3 위에 있는 것은 변함없다.
또한, 도 5의 C점의 경우는, VC1과 VC2의 초기값으로서, 가변 용량 콘덴서의 최소값을 선택하고 있지만, 가변 용량 콘덴서의 최대값이더라도 좋고, 또한, 그 외의 값이더라도 좋다. 그 경우, 당연히, C점의 위치는 바뀐다. 그러나, VC1과 VC2의 초기값이 어느 값이더라도, VC2가 정합시의 값이 되어 있으면, VC1을 바꾸었을 때에, 반사 계수 Γ가 원 R3 위를 이동한다고 하는 현상은 변함없다.
따라서, 반사 계수 Γ가 원 R3에 접할 때까지, VC2만을 제어하고, 원 R3에 접한 후는, VC1만을 제어한다고 하는 제어부(20)의 동작은 변함없다. VC2의 제어에 있어서, VC2가 정합값인 Y보다 클 때는, 반사 계수 Γ가 원 R3의 밖에 있으므로, VC2를 줄이는 것에 의해, 반사 계수 Γ가 원 R3에 접하도록 제어한다. 반대로, VC2가 정합값인 Y보다 작을 때는, 반사 계수 Γ가 원 R3 내에 있으므로, VC2를 늘리는 것에 의해, 반사 계수 Γ가 원 R3에 접하도록 제어한다.
그리고, 반사 계수 Γ가 원 R3에 접하도록 VC2를 제어한 후, VC1을 다음과 같이 제어한다. 즉, 반사 계수 Γ의 허수부가 양인 경우는, VC1이 정합값인 X보다 큰 값인 경우이므로, VC1을 줄이는 것에 의해, 반사 계수 Γ가 0이 되도록 제어한다. 반대로, 반사 계수 Γ의 허수부가 음인 경우는, VC1이 X보다 작은 경우이므로, VC1을 늘리는 것에 의해, 반사 계수 Γ가 0이 되도록 제어한다.
또한, 플라즈마 부하의 입력 임피던스가, VC1과 VC2를 제어하고 있는 도중에 변화한 경우에 있어서도, 상술한 바와 같이 VC2와 VC1을 제어한다. 즉, 반사 계수 Γ가 원 R3에 접하도록 VC2를 제어한 후, VC1을 제어한다.
또, 도 4나 도 5의 설명에서는, 도 2의 정합 회로(30)에 있어서, 전송 선로(35)의 특성 임피던스가 50Ω이고, 선로 길이가 λ/4인 조건인 경우를 예로서 설명했지만, 본 발명은, 이들의 조건인 경우로 한정되지 않는다. 전송 선로(35)의 조건이 상기의 조건과 상이하면, VC2가 정합시의 용량이라고 하는 조건 하에 있어서 VC1을 바꾼 경우의 원의 궤적은, 도 4나 도 5에서 나타낸 원 R3의 궤적과는 상이하므로, 전술한 수학식 4에 의해, 전송 선로(35)의 조건에 맞춘 원의 궤적을 설정하면 된다.
도 6은 본 발명의 실시 형태와 관련되는 임피던스 정합의 처리 플로차트이다. 이 처리는, 제어부(20)에 있어서 실행된다.
우선, 초기 설정으로서, 도 4나 도 5에서 나타낸 원의 정보(스미스 차트상의 위치와 크기)를, 기억부(25)에 기억하여 보존한다(도 6의 스텝 S1). 상술한 바와 같이, 이 원의 정보는, 전송 선로(35)에 의해 정해지기 때문에, 정합 회로(30)에 따른 정보를 줄 필요가 있다. 또한, 스텝 S1에서는, VC1과 VC2의 초기값도 설정한다.
다음으로, 그때의 반사 계수 Γ를, 방향성 결합기(11)로부터 얻어진 진행파 Pf와 반사파 Pr로부터 연산한다(스텝 S2). 다음으로, 반사 계수 Γ의 절대값과 소정값 L을 비교한다(스텝 S3). 반사 계수 Γ의 절대값이 L 이하인 경우는(스텝 S3에서 Yes), 스텝 S2로 돌아와, 방향성 결합기(11)로부터 진행파 Pf와 반사파 Pr을 취득하여, 재차, 그때의 반사 계수 Γ를 연산한다.
반사 계수 Γ의 절대값이 L보다 큰 경우는(스텝 S3에서 No), 스텝 S4로 진행한다. 이 L은, 정합이 취해졌는지를 판단하기 위한 임계치이고, 이상적으로는 0이지만, 현실적으로는, 반사 계수 Γ를 0으로 하는 것은 곤란하기 때문에, 임의의 임계치 L을 마련하여 판단한다. 이 L은, 고주파 전원 장치(2)의 내 반사 전력이나, 고주파 전원 장치(2)를 사용하는 플라즈마 처리 장치(3)의 요구 사양에 따라 결정되는 값이다.
스텝 S4에서는, 초기 설정(스텝 S1)에서 정의한 원 위에 반사 계수 Γ가 있는지 여부를 판정하기 위해, 기억부(25)로부터 원의 정보를 취득하고, 반사 계수 Γ와 원의 거리의 최소값 P를 연산한다. 이 값 P가 소정의 임계치 M보다 큰 경우는(스텝 S5에서 Yes), VC2가 정합값이 아니므로, VC2를 변경하도록 제어한다. 구체적으로는, 반사 계수 Γ가 원 위에 없다고 판정하고, 스텝 S6으로 진행한다. 이 M도, 이상적으로는 0이지만, 현실적으로는 0으로 하는 것은 곤란하기 때문에, 소정의 값으로 설정한다.
P가 소정의 임계치 M 이하인 경우는(스텝 S5에서 No), VC2가 정합값이므로, VC2를 변경할 필요는 없다. 그래서, VC1(다시 말해 가변 용량 콘덴서(31))의 제어 동작으로 진행한다. 즉, 반사 계수 Γ가 원 위에 있다고 판정하고, 스텝 S10으로 진행한다.
스텝 S6에서는, VC2(다시 말해 가변 용량 콘덴서(32))를 제어하는 방향을 판단하기 위해, 반사 계수 Γ가 원보다 안쪽에 있는지 여부를 판정한다. 반사 계수 Γ가 원의 안쪽에 있는 경우는(스텝 S6에서 Yes), VC2가 Y보다 작으므로, VC2를 늘린다(스텝 S7). 반사 계수 Γ가 원의 바깥쪽에 있는 경우는(스텝 S6에서 No), VC2가 Y보다 크므로, VC2를 줄인다(스텝 S8). 이때, 줄이는 양, 늘리는 양은 미리 설정하여 두면 된다.
이렇게 하여, 스텝 S2로부터 스텝 S7 또는 S8까지의 처리를 반복하는 것에 의해, P를 소정의 임계치 M 이하로 할 수 있다, 다시 말해, 거의 원 위에 반사 계수 Γ를 얹을 수 있다. 이렇게 하여, 스텝 S5에 있어서, P가 M 이하라고 판정되면, 스텝 S10으로 진행하여, VC1(다시 말해 가변 용량 콘덴서(31))의 제어 동작을 행한다.
스텝 S10에서는, 반사 계수 Γ의 허부가 음인지 여부를 판정, 다시 말해, VC1이 X보다 작은지 여부를 판정한다. 전술한 바와 같이, 반사 계수 Γ의 허부가 음인 경우는, VC1이 X보다 작고, 반사 계수 Γ의 허부가 양인 경우는, VC1이 X보다 크다. 따라서, 반사 계수 Γ의 허부가 음인 경우는(스텝 S10에서 Yes), VC1을 늘린다. 반사 계수 Γ의 허부가 양인 경우는(스텝 S10에서 No), VC1을 줄인다. 이렇게 하여, VC1을 변경하는 것에 의해, 반사 계수 Γ를 제로에 가까이 한다. 이때의 증감의 양도 미리 설정하여 둔다.
이상 설명한 바와 같이, 제어부(20)는, 방향성 결합기(11)에서 검출한 진행파와 반사파에 근거하여, 반사 계수를 산출하고, 스미스 차트상에서 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 원과, 상기 산출된 반사 계수의 사이의 거리가 소정값보다 큰 경우는, 제 2 가변 용량 콘덴서(32)의 용량값을 변경하고, 상기 산출되는 반사 계수를 변경하는 것에 의해, 상기 거리를 상기 소정값 이내로 하고, 상기 거리가 상기 소정값 이내가 되면, 제 1 가변 용량 콘덴서(31)의 용량값을 변경하고, 상기 거리를 바꾸는 일 없이, 상기 산출되는 반사 계수를 작게 한다.
본 실시 형태에 의하면, 적어도 다음의 효과를 갖는다.
스미스 차트상에서 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 원과, 산출된 반사 계수의 사이의 거리가 소정값보다 큰 경우는, 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하고, 산출되는 반사 계수를 변경하는 것에 의해, 상기 거리를 상기 소정값 이내로 하고, 상기 거리가 상기 소정값 이내가 되면, 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하고, 산출되는 반사 계수를 작게 하도록 구성했으므로, 어떠한 부하 임피던스에 있어서도 정합점에 수속할 수 있다.
또, 본 발명은, 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경이 가능한 것은 말할 필요도 없다.
상기 실시 형태에서는, 전송 선로(35)에 대응하는 원의 정보를 기억부(25)에 미리 기억하도록 구성했지만, 기억부(25)에 미리 기억하는 것이 아니라, 원의 정보가 필요하게 될 때마다, 제어부(20)가 수학식 4를 이용하여 원의 정보를 연산하도록 구성하더라도 좋다.
본 명세서에는, 본 발명에 관한 적어도 다음의 구성이 포함된다.
제 1 구성은,
진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기와,
입력 단자와, 출력 단자와, 일단이 제 1 전송 선로를 통해서 상기 입력 단자에 접속되고 타단이 접지된 제 1 가변 용량 콘덴서와, 일단이 제 2 전송 선로를 통해서 상기 출력 단자에 접속되고 타단이 접지된 제 2 가변 용량 콘덴서와, 일단이 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 상기 일단에 접속되고 타단이 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 상기 일단에 접속된 인덕턴스를 갖는 정합 회로와,
상기 방향성 결합기에서 검출한 진행파와 반사파에 근거하여, 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값과 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 제어하는 자동 제어부
를 구비하고,
상기 자동 제어부는,
상기 방향성 결합기에서 검출한 진행파와 반사파에 근거하여, 반사 계수를 산출하고,
스미스 차트상에서 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 원과, 상기 산출된 반사 계수의 사이의 거리가 소정값보다 큰 경우는, 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하고, 상기 산출되는 반사 계수를 변경하는 것에 의해, 상기 거리를 상기 소정값 이내로 하고,
상기 거리가 상기 소정값 이내가 되면, 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하고, 상기 산출되는 반사 계수를 작게 하는
것을 특징으로 하는 정합 장치.
제 2 구성은, 제 1 구성의 정합기로서,
상기 자동 제어부는, 상기 산출된 반사 계수가 상기 원의 안쪽에 위치하는 경우는, 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 크게 하고, 상기 산출된 반사 계수가 상기 원의 바깥쪽에 위치하는 경우는, 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 작게 하는 것을 특징으로 하는 정합기.
제 3 구성은, 제 1 구성 또는 제 2 구성의 정합기로서,
상기 자동 제어부는, 상기 산출된 반사 계수의 허부가 음인 경우는, 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 크게 하고, 상기 산출된 반사 계수의 허부가 양인 경우는, 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 작게 하는 것을 특징으로 하는 정합기.
제 4 구성은, 제 1 구성 내지 제 3 구성의 정합기로서,
상기 정합 회로의 상기 제 1 전송 선로는, 특성 임피던스가 50Ω이고, 선로 길이가 λ/4(λ는, 상기 진행파 및 반사파의 파장)이거나, 또는, 상기 진행파 및 반사파에 비하여 무시할 수 있는 정도의 길이인 것을 특징으로 하는 정합기.
(산업상 이용가능성)
플라즈마 발생용 마이크로파 전원 등에 적합하고, 13.56㎒, 915㎒, 2.45㎓, 5.8㎓ 등의 ISM 밴드를 포함하는 넓은 주파수에서 이용할 수 있다.
2 : 고주파 전원 장치
3 : 플라즈마 처리 장치
10 : 정합기
11 : 방향성 결합기
20 : 제어부
21 : 반사 계수 연산부
22 : 용량 연산부
23 : 용량 설정부
25 : 기억부
30 : 정합 회로
30a : 입력 단자
30b : 출력 단자
31, 32 : 가변 용량 콘덴서
31a : 제어 단자
32a : 제어 단자
33 : 인덕턴스
35, 36 : 전송 선로
100 : 정합기
120 : 제어부
122 : 용량 연산부

Claims (5)

  1. 진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기와,
    입력 단자와, 출력 단자와, 일단이 제 1 전송 선로를 통해서 상기 입력 단자에 접속되고 타단이 접지된 제 1 가변 용량 콘덴서와, 일단이 제 2 전송 선로를 통해서 상기 출력 단자에 접속되고 타단이 접지된 제 2 가변 용량 콘덴서와, 일단이 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 상기 일단에 접속되고 타단이 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 상기 일단에 접속된 인덕턴스를 갖는 정합 회로와,
    상기 방향성 결합기에서 검출한 진행파와 반사파에 근거하여, 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값과 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 제어하는 제어부
    를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 방향성 결합기에서 검출한 진행파와 반사파에 근거하여, 반사 계수를 산출하고,
    스미스 차트상에서 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 원과, 상기 산출된 반사 계수의 사이의 거리가 소정값보다 크되, 상기 산출된 반사 계수가 상기 원의 안쪽에 위치하는 경우는, 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 크게 하고, 상기 산출된 반사 계수가 상기 원의 바깥쪽에 위치하는 경우는, 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 작게 하여, 상기 산출되는 반사 계수를 변경하는 것에 의해, 상기 거리를 상기 소정값 이내로 하고,
    상기 거리가 상기 소정값 이내가 되면, 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하고, 상기 산출되는 반사 계수를 작게 하는
    것을 특징으로 하는 정합기.
  2. 진행파와 반사파를 검출하는 방향성 결합기와,
    입력 단자와, 출력 단자와, 일단이 제 1 전송 선로를 통해서 상기 입력 단자에 접속되고 타단이 접지된 제 1 가변 용량 콘덴서와, 일단이 제 2 전송 선로를 통해서 상기 출력 단자에 접속되고 타단이 접지된 제 2 가변 용량 콘덴서와, 일단이 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 상기 일단에 접속되고 타단이 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 상기 일단에 접속된 인덕턴스를 갖는 정합 회로
    를 구비하는 정합기에 있어서의 정합 방법으로서,
    상기 제 1 전송 선로에 따라서, 스미스 차트상에서 정합점을 통과하는 반사 계수의 궤적이 그리는 원을 설정하는 스텝과,
    상기 방향성 결합기에서 검출한 진행파와 반사파에 근거하여, 반사 계수를 산출하는 스텝과,
    상기 산출된 반사 계수와 상기 원의 사이의 거리가 소정값보다 크되, 상기 산출된 반사 계수가 상기 원의 안쪽에 위치하는 경우는, 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 크게 하고, 상기 산출된 반사 계수가 상기 원의 바깥쪽에 위치하는 경우는, 상기 제 2 가변 용량 콘덴서의 용량값을 작게 하여, 상기 산출되는 반사 계수를 변경하는 것에 의해, 상기 거리를 상기 소정값 이내로 하는 스텝과,
    상기 거리가 상기 소정값 이내가 되면, 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 변경하는 것에 의해, 상기 산출되는 반사 계수를 제로에 가까이 하는 스텝
    을 구비하는 정합 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 산출된 반사 계수의 허부가 음인 경우는, 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 크게 하고, 상기 산출된 반사 계수의 허부가 양인 경우는, 상기 제 1 가변 용량 콘덴서의 용량값을 작게 하는 것을 특징으로 하는 정합기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 정합 회로의 상기 제 1 전송 선로는, 특성 임피던스가 50Ω이고, 선로 길이가 λ/4(λ는, 상기 진행파 및 반사파의 파장)이거나, 또는, 상기 진행파 및 반사파에 비하여 무시할 수 있는 정도의 길이인 것을 특징으로 하는 정합기.
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