WO2018062109A1 - インピーダンス整合装置 - Google Patents
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Definitions
- the matching operation unit 32A shown in the figure adjusts each capacitance adjustment provided in the matching circuit 31 in order to match the output impedance of the high-frequency power source 1 and the impedance (load-side impedance) of the circuit when the load 2 is viewed from the high-frequency power source. This is a part that performs a matching operation for obtaining a state to be taken by the switch as a target switch state at a set cycle.
- the matching calculation unit 32A is configured to sample a parameter reflecting the load side impedance at a sampling period set by the high frequency detection unit 4 and perform a matching calculation every time the parameter is sampled.
- the switch state determination unit 32B is a unit that determines whether or not at least one of the capacitance adjustment switches provided in the matching circuit 31 is in a state that requires suppression of temperature rise.
- the state in which the temperature rise of the capacitance adjustment switch needs to be suppressed is a state in which the temperature of the junction of the semiconductor elements constituting the capacitance adjustment switch exceeds the allowable limit.
- Parameters that have a correlation with the temperature of the junction of the capacitance adjustment switch include, for example, the frequency at which the load side impedance changes more than the set value, the frequency at which the switch state of the capacitance adjustment switch is changed, and the matching circuit.
- the temperature of a specific portion reflecting the temperature of the capacitance adjustment switch that is used can be used.
- the temperature reflecting the temperature of the capacitance adjustment switch provided in the matching circuit for example, the temperature of the substrate on which the capacitance adjustment switch is mounted, the temperature of the package of the semiconductor element constituting the capacitance adjustment switch, It is possible to use the temperature of a heat sink that radiates heat from the capacitance adjustment switch.
- a switch that has a high probability of being in a state that requires suppression of temperature rise because it is frequently turned on and off when a state in which the load impedance changes continues If it is known in advance, such a switch may be a protection target switch, but it can be said that there is a high probability that it will be necessary to suppress a temperature rise when the load impedance changes frequently. If it is not clear, it is preferable that all the capacitance adjustment switches provided in the matching circuit are switches to be protected.
- the matching calculation unit 32A is configured to perform the temperature rise suppression control by stopping the matching calculation during the temperature rise suppression period t3. ing.
- the number of times that the matching operation unit 32A changes the target switch state is the same as the number of times that the switch state of the series of capacitance adjustment switches in the matching circuit is changed.
- the matching calculation unit is configured as described above.
- the matching calculation is performed so that the matching calculation is executed even during the temperature rise suppression period t3.
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Abstract
Description
高周波電源1は、例えば、負荷に供給する電力の周波数に等しい周波数の信号を発生する高周波信号発生部と、この高周波信号発生部の出力を増幅する電力増幅器とにより構成される。
本実施形態では、負荷2が半導体処理装置等に用いられるプラズマ負荷であるとする。プラズマ負荷は、例えば、被処理物が収容されるチャンバと、該チャンバ内に配置されたプラズマ発生用電極とを備えていて、プラズマ発生用電極に高周波電力が供給された際に、チャンバ内のガスをイオン化してプラズマを発生させる。プラズマ負荷は常時インピーダンスが変動するため、インピーダンス整合装置3には、インピーダンス整合動作を高速で行うことが要求される。
整合回路31は種々の形態をとり得るが、本実施形態では、高周波電源1の非接地側出力端子に高周波検出部4を通して一端が接続されるとともに他端が接地された第1の可変キャパシタVC1と、第1の可変キャパシタVC1の一端に一端が接続された第2の可変キャパシタVC2と、第2の可変キャパシタVC2の他端と負荷2との間に接続されたインダクタL1とにより整合回路31が構成されている。
Ck=Cmin ・2k-1 (1)
図1に示された高周波検出部4は、負荷側インピーダンスを演算するために用いるパラメータを検出する部分である。負荷側インピーダンスが反映されたパラメータとしては、例えば、高周波電源1から負荷2に供給される高周波電圧及び高周波電流とこれらの間の位相差とを用いてもよく、また高周波電源1の出力端で検出した進行波電力及び反射波電力を用いてもよい。高周波検出部4は、方向性結合器などを備えて、これらのパラメータを検出し得るように構成されている。本実施形態では、高周波電源1から負荷2に与えられる高周波電圧及び高周波電流と、これらの位相差とを負荷側インピーダンスが反映されたパラメータとして高周波検出部4から検出する。
図2を参照すると、本実施形態で用いる制御部32の構成例が示されている。図2に示した制御部32は、整合演算部32Aと、スイッチ状態判定部32Bと、スイッチ制御部32Cとにより構成されている。図2には図示されていないが、制御部32には、図12(A)に示されているように、一定のサンプル周期t1でサンプルパルスPsを発生するパルス発生器が設けられている。以下、制御部32を構成する整合演算部32A、スイッチ状態判定部32B及びスイッチ制御部32Cの構成について説明する。
図示の整合演算部32Aは、高周波電源1の出力インピーダンスと高周波電源から負荷2側を見た回路のインピーダンス(負荷側インピーダンス)との整合を図るために整合回路31に設けられている各キャパシタンス調整用スイッチがとるべき状態を目標スイッチ状態として求める整合演算を設定された周期で行う部分である。本実施形態では、負荷側インピーダンスが反映されたパラメータを高周波検出部4から設定されたサンプル周期でサンプリングして、パラメータをサンプリングする毎に整合演算を行うように整合演算部32Aが構成される。
スイッチ状態判定部32Bは、整合回路31に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定する手段である。キャパシタンス調整用スイッチの温度上昇を抑制する必要がある状態とは、キャパシタンス調整用スイッチを構成している半導体素子の接合部の温度が許容限度を超えている状態であり、そのままキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態のオンオフ動作を続けると、当該キャパシタンス調整用スイッチが破壊するおそれがある状態である。
インピーダンス整合装置において、整合回路に複数の可変キャパシタが設けられている場合、負荷側インピーダンスが変化した際にすべての可変キャパシタのキャパシタンスが高頻度で調節されるとは限らず、一部の可変キャパシタのキャパシタンスのみが高頻度で調節されることがある。
上記のように、本発明においては、整合回路31に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの一部のみを監視対象スイッチとすることができるが、以下の説明では、整合回路31に設けられている2つの可変キャパシタVC1及びVC2の双方を監視対象可変キャパシタとし、各監視対象可変キャパシタに設けられているすべてのキャパシタンス調整用スイッチS1~Snを監視対象スイッチとして、設定された判定基準時間内に整合演算部32Aが監視対象スイッチS1~Snの目標スイッチ状態を変更した回数を計数することにより監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度を求めるものとする。
スイッチ制御部32Cは、整合回路に設けられている各キャパシタンス調整用スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御手段32C1と,温度上昇抑制制御を行う温度上昇抑制制御手段32C2とにより構成される。ここで、スイッチ制御手段32C1は、各可変キャパシタの第1ないし第nのキャパシタンス調整用スイッチS1~Snのオンオフを制御する手段で、定常時には、各キャパシタンス調整用スイッチの状態を整合演算部32Aにより求められた目標スイッチ状態に一致させるように各可変キャパシタの第1ないし第nのキャパシタンス調整用スイッチS1~Snを制御する。
温度上昇抑制制御は、保護対象スイッチのスイッチング動作を停止させるか、又は保護対象スイッチがスイッチング動作を行う頻度を低くすることにより行う。保護対象スイッチのスイッチング動作を停止させることにより温度上昇抑制制御を行う場合、保護対象スイッチのスイッチング動作の停止は、温度上昇抑制期間の間整合演算部32Aによる目標スイッチ状態の演算を停止させるか、又は、保護対象スイッチのスイッチ状態を温度上昇抑制制御開始直前の状態に固定することにより行うことができる。
保護対象スイッチは、整合回路31に設けられているキャパシタンス調整用スイッチのうち、過度の温度上昇により破壊するのを防ぐために、温度上昇抑制制御の対象とするスイッチである。保護対象イッチは、整合回路に設けられているすべてのキャパシタンス調整用スイッチであってもよく、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの一部であってもよい。本発明の好ましい態様では、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチのうち、負荷側インピーダンスが変化する状態が継続した際に温度上昇の抑制を必要とする状態になる蓋然性が高いキャパシタンス調整用スイッチを含む少なくとも一つのキャパシタンス調整用スイッチを保護対象スイッチとして選定する。
図12を参照して本実施形態に係るインピーダンス整合装置の動作を説明する。以下に示す動作説明では、可変キャパシタVC1及びVC2に設けられているキャパシタンス調整用スイッチのすべてを監視対象スイッチとし、これらの監視対象スイッチのすべてを保護対象スイッチとする。
上記の各実施形態では、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態変更頻度が判定基準値以上であるか否かにより、監視対象スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定するようにしたが、負荷側インピーダンスの変化の発生頻度が判定基準値以上であるか否かを判定することにより、監視対象スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定するようにスイッチ状態判定部32Bを構成することもできる。
図9を参照すると、本発明の実施形態で用いることができるスイッチ状態判定部32Bの更に他の変形例が示されている。図9に示した例においても、キャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサ5が設けられ、温度センサ5により検出された温度が設定された判定基準値以上であるときに、整合回路31に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するようスイッチ状態判定部32Bが構成されている。また図9に示した例においても、スイッチ制御部32Cで用いる温度上昇抑制機関を温度センサ5が検出した温度に応じて設定する温度上昇抑制期間設定手段6が設けられて、温度センサ5が検出した温度が高い場合程温度上昇抑制期間が長い時間に設定されるようになっている。
上記の実施形態では、高周波電源の出力インピーダンスと高周波電源から負荷側を見た回路のインピーダンス(負荷側インピーダンス)との整合を図るために可変キャパシタVC1及びVC2のキャパシタンスがとるべき値を目標キャパシタンスとして演算して、可変キャパシタVC1及びVC2のキャパシタンスを演算された目標キャパシタンスとするために、それぞれの可変キャパシタの一連のキャパシタンス調整用スイッチS1~Snがとるべき状態を目標スイッチ状態として求めるように整合演算部32Aを構成したが、整合演算部32Aは、最終的に各可変キャパシタのキャパシタンス調整用スイッチS1~Snがとるべき状態を決定することができればよく、その構成は上記の実施形態で示した例に限定されない。
2 負荷
3 インピーダンス整合装置
4 高周波検出部
31 整合回路
32 制御部
32A 整合演算部
32A1 負荷側インピーダンス演算手段
32A2 キャパシタンス演算手段
32A3 目標スイッチ状態決定手段
32B スイッチ状態判定部
32B1 変更頻度判定手段
32B2 負荷側インピーダンス変化発生頻度検出手段
32B3 負荷側インピーダンス変化発生頻度判定手段
32C スイッチ制御部
5 温度センサ
6 温度上昇抑制期間設定手段
8 判定基準値設定手段
9 判定基準時間設定部
L1 インダクタ
VC1,VC2 可変キャパシタ
C1~Cn 第1ないし第nのキャパシタ
S1~Sn 第1ないし第nのキャパシタンス調整用スイッチ
Claims (21)
- 高周波電源の出力インピーダンスと該高周波電源から負荷側の回路を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスとの整合を図るインピーダンス整合装置であって、
キャパシタと半導体素子からなるキャパシタンス調整用スイッチとを直列に接続して構成したキャパシタンス要素を複数個並列に接続した構造を有する可変キャパシタを少なくとも一つ備えて、前記高周波電源と負荷との間に配置された整合回路と、
前記高周波電源の出力インピーダンスと前記負荷インピーダンスとの整合を図るために前記整合回路に設けられている各キャパシタンス調整用スイッチがとるべき状態を目標スイッチ状態として求める整合演算を設定された周期で行う整合演算部と、
前記整合回路に設けられている各キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態を前記目標スイッチ状態に一致させる制御を行うスイッチ制御部と、
前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定するスイッチ状態判定部と、
を具備し、
前記スイッチ制御部は、前記スイッチ状態判定部により、前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定されたときに、前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを保護対象スイッチとして、前記保護対象スイッチのスイッチング動作を停止させるか又は前記保護対象スイッチがスイッチング動作を行う頻度を低くすることにより前記保護対象スイッチの温度上昇を抑制する温度上昇抑制制御を設定された温度上昇抑制期間の間だけ行うように構成されていること、
を特徴とするインピーダンス整合装置。 - 前記保護対象スイッチは、前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチのうち、前記負荷側インピーダンスが変化する状態が継続した際に温度上昇の抑制を必要とする状態になる蓋然性が高いキャパシタンス調整用スイッチを含む少なくとも一つのスイッチである請求項1に記載のインピーダンス整合装置。
- 前記整合演算部は、前記高周波電源から負荷側を見たインピーダンスが反映されたパラメータを設定されたサンプル周期でサンプリングして、前記パラメータをサンプリングする毎に前記整合演算を行うように構成されている請求項1又は2に記載のインピーダンス整合装置。
- 前記スイッチ状態判定部は、前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを監視対象スイッチとし、設定された判定基準時間内に該監視対象スイッチのスイッチ状態がオン状態からオフ状態に又はオフ状態からオン状態に変更される回数をスイッチ状態変更頻度として、前記監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が設定された判定基準値以上であるか否かを判定する変更頻度判定手段を備えていて、前記変更頻度判定手段により、少なくとも一つの監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が前記判定基準値以上であると判定されたときに、前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成されている請求項1、2又は3に記載のインピーダンス整合装置。
- 前記スイッチ状態判定部は、前記整合回路に設けられている可変キャパシタの少なくとも一つを監視対象可変キャパシタとして、該監視対象可変キャパシタに設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを前記監視対象スイッチとするように構成されている請求項4に記載のインピーダンス整合装置。
- 前記監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度は、設定された判定基準時間内に監視対象スイッチのスイッチ状態が変更された回数である請求項4又は5に記載のインピーダンス整合装置。
- 前記監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度は、前記判定基準時間内に前記整合演算部が前記監視対象スイッチの目標スイッチ状態を変更した回数である請求項4又は5に記載のインピーダンス整合装置。
- 前記スイッチ状態判定部は、設定された判定基準時間内に前記負荷側インピーダンスが設定された大きさ以上の変化を示した回数を負荷側インピーダンス変化発生頻度として検出する負荷側インピーダンス発生頻度検出手段と、検出された負荷側インピーダンス変化発生頻度が設定された判定基準値以上であるか否かを判定する負荷側インピーダンス変化発生頻度判定手段とを備えて、前記負荷側インピーダンス変化発生頻度判定手段により前記負荷側インピーダンス変化発生頻度が設定された判定基準値以上であると判定されたときに前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成されている請求項3に記載のインピーダンス整合装置。
- 前記負荷側インピーダンス変化発生頻度検出手段は、前記高周波電源から負荷側を見たインピーダンスが反映されたパラメータを前記整合演算部がサンプリングする毎に、前回サンプリングしたパラメータと今回サンプリングしたパラメータとの差をパラメータ変化量として検出して、設定された大きさ以上のパラメータ変化量が前記判定基準時間内に検出された回数を前記負荷側インピーダンス変化発生頻度とするように構成されている請求項8に記載のインピーダンス整合装置。
- 前記整合回路に設けられている各可変キャパシタには第1ないし第nのキャパシタと該第1ないし第nのキャパシタにそれぞれ直列に接続された第1ないし第nのキャパシタンス調整用スイッチとが設けられ、
前記整合演算部は、最下位の桁及び最上位の桁をそれぞれ第1の桁及び第nの桁としたnビットの二進数の第1の桁ないし第nの桁をそれぞれ前記第1ないし第nのキャパシタに対応させて、該nビットの二進数の第1の桁ないし第nの桁のそれぞれが1であるか0であるかにより前記第1ないし第nのキャパシタンス調整用スイッチがとるべき目標スイッチ状態を示すように構成され、
前記スイッチ状態判定部は、設定された判定基準時間内に前記nビットの二進数が変化した回数が設定された判定基準値以上であるときに前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成されている請求項1ないし9の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。 - 前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサと、前記スイッチ状態判定手段で用いる判定基準値を前記温度センサにより検出された温度に応じて設定する判定基準値設定手段とが更に設けられ、
前記判定基準値設定手段は、前記温度センサにより検出された温度が高い場合ほど前記判定基準値を小さくするように構成されている請求項4ないし10の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。 - 前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサと、前記スイッチ状態判定手段で用いる判定基準時間を前記温度センサにより検出された温度に応じて設定する判定基準時間設定手段とが更に設けられ、
前記判定基準時間設定手段は、前記温度センサにより検出された温度が高い場合ほど前記判定基準時間を短くするように構成されている請求項4ないし10の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。 - 前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサと、前記温度上昇抑制期間を前記温度センサにより検出された温度に応じて設定する温度上昇抑制期間設定手段とが更に設けられ、
前記温度上昇抑制期間設定手段は、前記温度センサにより検出された温度が高い場合ほど前記温度上昇抑制期間を長くするように構成されている請求項4ないし10の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。 - 前記温度上昇抑制期間を前記温度センサにより検出された温度に応じて設定する温度上昇抑制期間設定手段が更に設けられ、
前記温度上昇抑制期間設定手段は、前記温度センサにより検出された温度が高い場合ほど前記温度上昇抑制期間を長くするように構成されている請求項11又は12に記載のインピーダンス整合装置。 - 前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサが設けられ、
前記スイッチ状態判定部は、前記温度センサにより検出された温度が設定された判定基準値以上であるときに前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成されている請求項1に記載のインピーダンス整合装置。 - 前記スイッチ制御部は、前記温度上昇抑制制御を行う際に前記設定されたサンプル周期よりも長い周期で前記整合演算部に前記パラメータをサンプリングさせることにより前記保護対象スイッチがスイッチング動作を行う頻度を低くするように構成されている請求項3に記載のインピーダンス整合装置。
- 前記スイッチ制御部は、前記整合回路に設けられているすべてのキャパシタンス調整用スイッチを前記保護対象スイッチとするように構成されている請求項1ないし16の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。
- 前記スイッチ制御部は、前記監視対象スイッチのうち、前記変更頻度判定手段によりスイッチ状態変更頻度が設定された判定基準値以上であると判定された監視対象スイッチを前記保護対象スイッチとするように構成されている請求項4,5,6又は7に記載のインピーダンス整合装置。
- 前記変更頻度判定手段は、前記監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が設定された判定基準値以上であるか否かを判定する過程で、前記判定基準時間が経過する前にスイッチ状態変更頻度が判定基準値に達したとときに前記判定基準時間が経過するのを待たずに前記監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が設定された判定基準値以上であるとの判定を行うように構成されている請求項4,5,6又は7に記載のインピーダンス整合装置。
- 前記整合演算部は、前記温度上昇抑制期間の間前記整合演算を停止し、前記温度上昇抑制期間が経過した後に前記整合演算を再開するように構成されていることを特徴とする請求項1ないし19の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。
- 前記整合演算部は、前記温度上昇抑制期間の間も前記整合演算を行うように構成されていることを特徴とする請求項1ないし19の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。
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