JP2010045664A - マッチング装置、マッチング方法、プラズマ処理装置、及び記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷に、予想し得ない局部放電などの異常な放電が起きる可能性を低減できるマッチング装置を提供すること。
【解決手段】 負荷のインピーダンスを、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動させる第１の回路１０１と、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動した負荷のインピーダンスを、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるままで整合ポジションに移動させる第２の回路１０２と、を具備する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、負荷と高周波電源との間でインピーダンス整合を行うマッチング装置及びそのマッチング方法、並びにそのマッチング装置を用いたプラズマ処理装置及びそのマッチング方法が行われるように、コンピュータにプラズマ処理装置を制御させる記憶媒体に関する。

半導体デバイスの製造プロセスにおいて、プラズマの応用は低温化等のための必須技術である。プラズマを用いた処理としては、半導体ウエハ等の基板に形成された所定の層を加工して所定のパターンを形成するプラズマエッチングが多用されている。

プラズマエッチング装置としては、容量結合型平行平板プラズマエッチング装置が主流となっている（例えば、特許文献１）。

この種の装置では、チャンバ内に一対の平行平板電極（上部および下部電極）を配置して処理ガスをチャンバ内に導入しつつ、これら電極の間に高周波電界を形成して処理ガスをプラズマ化して基板をエッチングする。エッチングに際しては、プラズマ生成（電離）のための相対的に高周波の第１の高周波電力と、プラズマ中のイオンを加速して基板に引き込むための相対的に低周波の第２の高周波電力とを基板を載置する下部電極に印加して、プラズマの密度と電子温度とを制御する。

ところで、高周波電力のソースである高周波電源のインピーダンスは、通常、５０Ωで一定である。対して、チャンバのインピーダンスは、プラズマの状態により変化するので一定ではない。そこで、マッチング装置をチャンバと高周波電源との間に接続し、チャンバと高周波電源との間でインピーダンス整合を行う。

マッチング装置は、線路インピーダンス（５０Ω）を含んだマッチング装置のインピーダンスとチャンバを含んだマッチング装置よりも下流のインピーダンスとが複素共役になるように回路定数が調節される。回路定数を、複素共役になるように調節することで、高周波電力は、チャンバに対して、低損失、かつ、大きなパワーで供給することができる。プラズマ処理装置、例えば、プラズマエッチング装置が高パワー、高周波の時、マッチング装置は、可変コンデンサのみを用いた逆Γ回路で構成される（図１６Ａ、図１６Ｂ参照）。インピーダンスは、チャンバに直列に接続された可変コンデンサＣａ、及び並列に接続された可変コンデンサＣｂを用いて、整合ポジションまで移動される。

逆Γ回路を含んで構成されたマッチング装置の整合範囲は、図１７Ａのイミッタンスチャートに示す領域Ａである（図中の目盛りはスミスチャート上の目盛り、かっこ書きの目盛りはアドミタンスチャート上の目盛りである）。しかしながら、チャンバのインピーダンスは、通常、容量的になる。このため、上記領域Ａにはない。

そこで、チャンバのインピーダンスが低いとき（容量が大きいとき）には、図１６Ａに示すように、コイルＬａをチャンバに並列に接続し、図１７Ｂに示すように、インピーダンスを、定コンダクタンス円Ｇａに沿って反時計回りに、上記領域Ａまで移動させる。

また、チャンバのインピーダンスが高いとき（容量が小さいとき）には、図１６Ｂに示すように、コイルＬｂをチャンバに直列に接続し、図１７Ｃに示すように、インピーダンスを、定抵抗円Ｒａに沿って時計回りに、上記領域Ａまで移動させる。

チャンバのインピーダンスを、上記領域Ａまで移動させた後、プラズマ着火する。プラズマ着火後、図１７Ｂ、又は図１７Ｃに示すように、チャンバに直列に接続された可変コンデンサＣａを用いて、インピーダンスを定抵抗円Ｒｂに沿って反時計回りに、整合ポジション（正規化インピーダンスが“１”）を通る定コンダクタンス円Ｇｂとの交点まで移動させる。この後、チャンバに並列に接続された可変コンデンサＣｂを用いて、インピーダンスを定コンダクタンス円Ｇｂに沿って時計回りに、整合ポジション（正規化インピーダンスが“１”のポイント）まで移動させる。
特開２００５−５６９９７号公報

しかし、プラズマ着火が行われる上記領域Ａは誘導域である。上記領域Ａにあるインピーダンスは、抵抗成分（実部）だけでなく、リアクタンス成分（虚部）を含む。

電流値はチャンバの抵抗成分で制限されるが、電圧値は“抵抗成分×電流”と“リアクタンス成分×電流”とのベクトル和となる。このため、場合によっては大きな電圧となり、電界強度が増大する。また、プラズマ着火には適当な電界が必要であるが、リアクタンス成分があると、印加電界の制御が難しい。

これらのことから、上記領域Ａにおいてプラズマ着火を行うことは、負荷、例えば、プラズマ処理装置のチャンバ等に、予想し得ない局部放電などの異常な放電を発生させる原因になり得る。

この発明は、負荷に、予想し得ない局部放電などの異常な放電が起きる可能性を低減できるマッチング装置とそのマッチング方法、並びにそのマッチング装置を用いたプラズマ処理装置とそのマッチング方法が行われるように、コンピュータにマッチング装置を制御させる記憶媒体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明の第１の態様に係るマッチング装置は、負荷のインピーダンスを、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動させる第１の回路と、前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動した負荷のインピーダンスを、前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるままで整合ポジションに移動させる第２の回路と、を具備する。

この発明の第２の態様に係るプラズマ処理装置は、上記第１の態様に係るマッチング装置を、チャンバと高周波電源とをインピーダンス整合させるマッチング装置に用いる。

この発明の第３の態様に係るマッチング方法は、負荷のインピーダンスを、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動させる工程と、前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動した前記負荷のインピーダンスを、前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるままに、整合ポジションに移動させる工程と、を具備する。

この発明の第４の態様に係る記憶媒体は、コンピュータ上で動作し、マッチング装置を制御するプログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、前記プログラムが、実行時に、上記第３の態様に係るマッチング方法が行われるように、コンピュータに前記マッチング装置を制御させる。

この発明によれば、負荷に、予想し得ない局部放電などの異常な放電が起きる可能性を低減できるマッチング装置とそのマッチング方法、並びにそのマッチング装置を用いたプラズマ処理装置とそのマッチング方法が行われるように、コンピュータにマッチング装置を制御させる記憶媒体を提供できる。

以下、添付図面を参照しながらこの発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１はこの発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。このプラズマ処理装置は、被処理基板である半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）上の所定の膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング装置として構成されている。

図１に示すように、本例に係るプラズマ処理装置は、気密に構成され、ウエハＷが搬入される略円筒状のチャンバ１を有している。チャンバ１内の底部には、セラミックス等からなる誘電体板２を介して下部電極として機能するウエハＷを載置するためのステージ３が設けられている。ステージ３は、アルミニウム等の金属製であり、上面にウエハＷを静電吸着するための静電チャック（図示せず）が設けられており、また内部に冷却媒体を通流してウエハＷを冷却するための冷却媒体流路（図示せず）が設けられている。

チャンバ１内の上部には、ステージ３に対向して上部電極として機能するシャワーヘッド５が設けられている。すなわち、下部電極として機能するステージ３と上部電極として機能するシャワーヘッド５とで平行平板電極を構成している。シャワーヘッド５は、上部にガス導入口６を有し、内部にガス拡散空間７を有し、底部に複数のガス吐出孔８を有している。ガス導入口６にはガス供給配管９が接続されており、このガス供給配管９の他端にはエッチングのための処理ガスを供給する処理ガス供給系１０が接続されている。そして、処理ガス供給系１０からガス供給配管９およびシャワーヘッド５を介してエッチングのための処理ガスがチャンバ１内に供給される。エッチングのための処理ガスとしては、例えば、Ｃ_４Ｆ_８ガスのようなフロロカーボンガス（Ｃ_ｘＦ_ｙ）を用いることができる。

チャンバ１の底部には排気管１１が接続されており、排気管１１には、真空ポンプや圧力調整バルブ等を含む排気機構１２が接続されており、この排気機構１２によりチャンバ１内が排気されてチャンバ１内が所定の真空度に維持されるようになっている。

下部電極として機能するステージ３には、高周波電源２２が、マッチング装置２３を介して接続されている。

プラズマ処理装置の各構成部は、図１に示すように、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、オペレータがプラズマ処理装置を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース５１が接続されている。さらに、プロセスコントローラ５０には、プラズマ処理装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマ処理装置５０の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわち処理レシピを格納することが可能な記憶部５２が接続されている。処理レシピはハードディスクのような固定的な記憶媒体に記憶されていてもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性の記憶媒体に収容された状態で記憶部５２の所定位置にセットするようになっていてもよい。さらに、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５１からの指示等にて任意の処理レシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマ処理装置での所望の処理が行われる。

次に、第１の実施形態に係るプラズマ処理装置が備えるマッチング装置について説明する。

図２は、マッチング装置２３の一回路例を示す回路図である。

図２に示すように、マッチング装置２３は、第１の回路（着火ポジション移動回路）１０１と、第２の回路（整合ポジション移動回路）１０２とを備える。

第１の回路１０１は、チャンバ（負荷）１のインピーダンスを、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動させる回路である。本例では、プラズマ着火を、チャンバ１のインピーダンスが、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるときに行う。以下、第１の回路１０１によって移動されたインピーダンスのポジションを、着火ポジションと呼ぶ。本例の着火ポジションは、一例として、特性インピーダンスで正規化された正規化インピーダンスが“１”を超え（高インピーダンス状態）、かつ、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲（実軸付近の範囲）に設定する。

本例の第１の回路１０１は、チャンバ１に対して並列に接続されたコイルＬ１と、チャンバ１に対して直列に接続されたコイルＬ２とを含んで構成されている。並列接続されたコイルＬ１は、チャンバ１のインピーダンスをアドミタンスチャート上に描かれる定コンダクタンス円に沿って反時計回りに移動させることができる。また、直列接続されたコイルＬ２は、チャンバ１のインピーダンスをスミスチャート上に描かれる定抵抗円に沿って時計回りに移動させることができる。

第２の回路１０２は、着火ポジションに移動したインピーダンスを、整合ポジションに移動させる回路である。本例では、着火ポジションから整合ポジションへの移動を、チャンバ１のインピーダンスが、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるままで行う。このためには、例えば、インピーダンスを、実軸上、又は実軸付近を、実軸に沿って移動させればよい。

本例の第２の回路１０２は、インダクタンスを変化させることが可能な可変インダクタ回路２０１と、キャパシタンスを変化させることが可能な可変コンデンサ回路２０２とを含んで構成されている。本例では、一回路例として、可変インダクタ回路２０１をチャンバ１に対して直列に接続し、可変コンデンサ回路２０２をチャンバ１に対して並列に接続している。

可変インダクタ回路２０１は、本例では一回路例として、コイルＬ３と、並列可変コンデンサ回路２０３とを含んで構成されている。並列可変コンデンサ回路２０３は、コイルＬ３に直列に接続されたコンデンサＣ１、及びこのコンデンサＣ１に並列に接続され、キャパシタンスを変化させることが可能な可変コンデンサＣ２を含む
一回路例に係る可変インダクタ回路２０１は、コイルＬ３に、並列可変コンデンサ回路２０３を直列接続する。この構成により、コイルＬ３のインダクタンスを変化させずに、並列可変コンデンサ回路２０３のキャパシタンスを変化させることで、インダクタンスを変化させることができる。このような可変インダクタ回路２０１は、コイルＬ３のインダクタンスを直接に変化させる回路に比較して、インダクタンスをより広範囲に変化させることが可能、という利点を得ることができる。

可変インダクタ回路２０１において、例えば、周波数ｆ＝１４ＭＨｚで、インダクタンスが０〜０．７μＨの間で変化するように構成したい場合には、例えば、コイルＬ３のインダクタンスＬｓを１μＨ、コンデンサＣ１のキャパシタンスＣｓを１２０ｐＦ、可変コンデンサＣ２のキャパシタンスを、ＶＣｍｉｎ＝１０ｐＦからＶＣｍａｘ＝３００ｐＦに設定する。

ｆ＝１４ＭＨｚ、Ｌｓ＝１μＨであるから、コイルＬ３の誘導性リアクタンス成分Ｘ_Ｌは、Ｘ_Ｌ＝２πｆＬより、＋ｊ８８Ωとなる。

また、Ｃｓ＋ＶＣｍｉｎ＝１３０ｐＦであるから、並列コンデンサ回路２０３の容量性リアクタンス成分Ｘ_Ｃは、＝−１／（２πｆ（Ｃｓ＋ＶＣｍｉｎ））より、おおよそ−ｊ８８Ωとなる。

可変コンデンサＣ２のキャパシタンスは、１０〜３００ｐＦの間で可変であるから、可変インダクタ回路２０１のインダクタンスは、０〜０．７μＦの間で変化させることができる。

さらに、可変インダクタ回路２０１は、チャンバ１に対して直列に接続されている。このため、チャンバ１のインピーダンスをスミスチャート上に描かれる定抵抗円に沿って時計回りに移動させることができる。

また、可変コンデンサ回路２０２は、キャパシタンスを調整可能なコンデンサＣ３を含んで構成されている。

可変コンデンサ回路２０２は、チャンバ１に対して並列に接続されている。このため、チャンバ１のインピーダンスをアドミタンスチャート上に描かれる定コンダクタンス円に沿って時計回りに移動させることができる。

次に、上記マッチング装置２３の動作を説明する。

図３Ａ乃至図３Ｄは、マッチング装置２３の動作を示すイミッタンスチャートである（図中の目盛りはスミスチャート上の目盛り、かっこ書きの目盛りはアドミタンスチャート上の目盛りである）。図３Ａ乃至図３Ｄにおいて、インピーダンスの正規化に利用される特性インピーダンスは５０Ωとする。

図３Ａに示すように、プラズマ着火されていないチャンバ１の正規化インピーダンスを、Ｘ＝１−ｊ１５、とする。

次に、図３Ｂに示すように、チャンバ１に対して並列に接続されたコイルＬ１を用いて、ポイントＸにある正規化インピーダンスを定コンダクタンス円Ｇ１に沿って反時計回りに、定抵抗円Ｒ１との交点であるポイントＸ１まで移動させる。次いで、チャンバ１に対して直列に接続されたコイルＬ２を用いて、ポイントＸ１に移動した正規化インピーダンスを定抵抗円Ｒ１に沿って時計回りに、実軸との交点、又は交点付近にあるポイントＸ２まで移動させる。ポイントＸ２は、高インピーダンス状態、かつ、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるポイントである。本例では、ポイントＸ２が上述した着火ポジションとなる。ポイントＸ２において、プラズマ着火する。

プラズマ着火すると、図３Ｃに示すように、チャンバ１のインピーダンスが変化し、ポイントＸ２に移動していた正規化インピーダンスは、ポイントＸ３に移動する。

次に、図３Ｄに示すように、チャンバ１に対して直列に接続された可変インダクタ回路２０１、及びチャンバ１に対して並列に接続された可変コンデンサ２０２を用いて、ポイントＸ３に移動した正規化インピーダンスを、整合ポジションＸ０（正規化インピーダンスが“１”であるポジション）に移動させる。整合ポジションＸ０までの移動は、可変インダクタ回路２０１のインダクタンスと、可変コンデンサ回路２０２のキャパシタンスとを、例えば、交互に変化させながら行われる。これらインダクタンス、及びキャパシタンスの変化を交互に行うことで、プラズマ着火後におけるチャンバ１のインピーダンスを、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるままに、例えば、実軸に沿って整合ポジションＸ０まで移動させることができる。

また、可変コンデンサＣ２、Ｃ３の容量値はその位置により定まるので、整合ポジションＸ０までの移動は、可変インダクタ回路２０１のインダクタンスと、可変コンデンサ回路２０２のキャパシタンスとを同時に動かしながら行うことも可能である。

図４Ａ乃至図４Ｄは、可変インダクタ回路２０１、及び可変コンデンサ回路２０２の動作を示すイミッタンスチャートである。

可変インダクタ回路２０１は、チャンバ１に対して直列に接続され、かつ、インダクタンスを変化させることが可能である。このため、可変インダクタ回路２０１は、インダクタンスを変化させることで、正規化インピーダンスを、図４Ａに示すように、定抵抗円（図中Ｒ１１、Ｒ１２、…、Ｒ１５に示す円）に沿って時計回りに移動させることができる。

また、可変コンデンサ回路２０２は、チャンバ１に対して並列に接続され、かつ、キャパシタンスを変化させることが可能である。このため、可変コンデンサ回路２０２はキャパシタンスを変化させることで、正規化インピーダンスを、図４Ｂに示すように、定コンダクタンス円（図中Ｇ１１、Ｇ１２、…、Ｇ１５に示す円）に沿って時計回りに移動させることができる。

従って、可変インダクタ回路２０１のインダクタンスと、可変コンデンサ回路２０２のキャパシタンスとを交互に変化させると、例えば、図４Ｃに示すように、正規化インピーダンスを、実軸付近を、実軸に沿ってジグザグに整合ポジションＸ０まで移動させることができる。或いは可変インダクタ回路２０１のインダクタンスと、可変コンデンサ回路２０２のキャパシタンスとを同時に動かし、ほぼ直線状に整合ポジションＸ０まで移動させることができる。

また、可変インダクタ回路２０１のインダクタンスと、可変コンデンサ回路２０２のキャパシタンスとを交互に、より小刻みに変化させると、図４Ｄに示すように、正規化インピーダンスを、ほぼ実軸上をほぼまっすぐに整合ポジションＸ０まで移動させることも可能である。

このように、第１の実施形態に係るプラズマ処理装置が備えたマッチング装置２３によれば、負荷のインピーダンスを、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動させた後、この負荷のインピーダンスを、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるままで整合ポジションに移動させる。

この構成を備えることにより、例えば、プラズマ着火を、リアクタンス成分を実質的にゼロとして行うことができ、また、整合動作（着火ポジションＸ２（又はＸ３）から整合ポジションＸ０までの移動）についても、リアクタンス成分を実質的にゼロのままで行うことができる。

従って、プラズマ着火、及び整合動作を誘導域で行う場合に比較して、負荷、例えば、プラズマ処理装置のチャンバ１等に、予想し得ない局部放電などの異常な放電が起きる可能性を低減することができる。

また、プラズマ着火には適当な電界が必要であるが、上記マッチング装置２３によれば、インピーダンスにリアクタンス成分がない、もしくはほとんどないので、プラズマ着火、及び整合動作を誘導域で行う場合に比較して、印加電界を正確に制御できる。

尚、着火ポジションＸ２は、本例のように、正規化インピーダンスが“１”以上の範囲に位置するように設定されることが好ましい。つまり、着火ポジションＸ２は、インピーダンスの抵抗成分が整合ポジションＸ０におけるインピーダンスの抵抗成分よりも高い値となるように設定する。このように着火ポジションＸ２を設定すると、チャンバ１のインピーダンスの抵抗成分の値が、整合ポジションＸ０に移動するにつれて、だんだんと小さくなるように構成することができる。このため、例えば、プラズマ着火後においては、プラズマ着火したときの電圧以下の電圧しかかからないようにできる、という利点を得ることができ、高周波電源２２はプラズマ着火時に最大の電圧を出力し、その後は徐々に出力電圧を下げてゆくように制御することができる。

また、マッチング装置２３を構成するコンデンサやコイルなどの回路素子は、マッチング装置２３内において、取り扱っている周波数の波長の１／１０以内の距離内に配置されることが好ましい。

例えば、取り扱う周波数の波長が４０ＭＨｚの場合には、周波数と波長との関係式、“波長＝光速／周波数”から、マッチング装置２３内の回路素子、例えば、コンデンサやコイルなどを７５ｃｍ以内に配置すると良い。同様に、取り扱う周波数の波長が１００ＭＨｚの場合には、上記関係式から、３０ｃｍ以内に、コンデンサやコイル等を配置すると良い。

このようにマッチング装置２３を構成する回路素子を、取り扱う周波数の波長の１／１０以内の距離内に配置すると、マッチング装置２３を集中定数回路として取り扱うことができる。このため、一つの回路として、何処の位置においても同じ信号として見え、例えば、インピーダンスを移動させる動作を精度良く行うことができる、という利点を得ることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態において説明したマッチング装置２３による動作を、自動的に行うことを可能とする例である。

図５は、第２の実施形態に係るプラズマ処理装置が備えるマッチング装置の一回路例を示す回路図である。

図５に示すように、第２の実施形態は、第１の実施形態において説明したマッチング装置２３に比較して、インピーダンス及び位相検知制御器２０４、をさらに備えていることが、異なる。それ以外は、第１の実施形態と同様である。インピーダンス及び位相検知制御器２０４は、高周波電源２２とマッチング装置２３の電源側入力との間に接続され、負荷のインピーダンス及び位相を検知し、検知したインピーダンス及び位相に基づいて、負荷のインピーダンスを整合ポジションに移動するように、第２の回路１０２を制御する。

インピーダンス及び位相検知制御器２０４は、例えば、電圧検知器２０５で検知した電圧と、電流検知器２０６で検知した電流とから、インピーダンスＺ、及び位相θを検知する。インピーダンス及び位相検知制御器２０４は、検知したインピーダンスＺ及び位相θを、下記（１）、（２）式を用いて、レジスタンス（実部）ｒ２とリアクタンス成分（虚部）ｘ２とに分解する。

ｒ２ ＝ Ｚ・ｃｏｓθ．．．．．．ｘ２ ＝ Ｚ・ｓｉｎθ … （１）
Ｚ ＝ ｒ２＋ｊｘ２ … （２）
以下、次のようにして、スミスチャート座標、及びアドミタンスチャート座標に座標変換をする。なお、以下の説明では、インピーダンスは、特性インピーダンス（例えば、５０Ω）を用いて正規化した正規化インピーダンスとする。

（スミスチャート座標への変換）
レジスタンスｒ２とリアクタンス成分ｘ２とに分解されたインピーダンスＺを、スミスチャート座標に変換する（正変換）。

スミスチャート上では、図６に示すように、中心座標が（ｒ２／（ｒ２＋１），０）、半径が１／（ｒ２＋１）の円（定抵抗円Ｒ２）となる。インピーダンスＺの大きさをＺ２、角度をα２とすると、大きさＺ２、及び角度α２は、下記（３）、（４）式で表される。

Ｚ２ ＝ １／（ｒ２＋１） … （３）
α２ ＝ ２・ａｔａｎ２（ｒ２＋１，ｘ２） … （４）
これで、検知されたインピーダンスＺ、及び位相θが、スミスチャート座標に変換される。

（アドミタンスチャート座標への変換）
レジスタンスｒ２及びリアクタンス成分ｘ２を、下記（５）、（６）式を用い、アドミタンスＹのコンダクタンス（実部）ｒ３及びサセプタンス（虚部）ｘ３に変換する。

ｒ３ ＝ ｒ２／（ｒ２^２＋ｘ２^２） … （５）
ｘ３ ＝ −ｘ２／（ｒ２^２＋ｘ２^２） … （６）
コンダクタンスｒ３とサセプタンスｘ３とに分解されているアドミタンスＹを、アドミタンスチャート座標に変換する（正変換）。

アドミタンスチャート上では、図７に示すように、中心座標が（−ｒ３／（ｒ３＋１），０）、半径が１／（ｒ３＋１）の円（定コンダクタンス円Ｇ３）となる。アドミタンスＹの大きさをＺ３、角度をα３とすると、大きさＺ３、及び角度α３は、下記（７）、（８）式で表される。

Ｚ３ ＝ −１／（ｒ３＋１） … （７）
α３ ＝ ２・ａｔａｎ２（ｒ３＋１，ｘ３） … （８）
これで、検知されたインピーダンスＺ、及び位相θが、アドミタンスチャート座標に変換される。

図８に、図６に示すスミスチャートに、図７に示すアドミタンスチャートを重ねたイミッタンスチャートを示す。インピーダンス及び位相検知制御器２０４を用いて検知されたインピーダンスＺ、及び位相θは、図８に示すように、一つのイミッタンスチャートに変換することができる。

さらに、上述したように、可変インダクタ回路２０１はインダクタンスを変化させることで、インピーダンスを、定抵抗円（図中Ｒ２）に沿って時計回りに移動させることができる。同様に可変コンデンサ回路２０２はキャパシタンスを変化させることでインピーダンスを、定コンダクタンス円（図中Ｇ３）に沿って時計回りに移動させることができる。

インピーダンス及び位相検知制御器２０４は、これら可変インダクタ回路２０１、可変コンデンサ回路２０２を、検知したインピーダンス及び位相に基づいて、チャンバ１のインピーダンスを整合ポジションに移動するように制御する。

まず、図９に示すように、検知されたインピーダンスＺ２、及び位相θをスミスチャート座標に変換する。次いで、検知制御器２０４は、可変インダクタ回路２０１のインダクタンスを変化させ、インピーダンスを定抵抗円Ｒ２に沿ってポイントＸ３からＸ４へと時計回りに移動させる。

次に、インピーダンスをポイントＸ４へと移動させた後、図１０に示すように、インピーダンスＺ、及び位相θをアドミタンスチャート座標に変換する。次いで、検知制御器２０４は、可変コンデンサ回路２０２のキャパシタンスを変化させ、インピーダンスを定コンダクタンス円Ｇ３に沿ってポイントＸ４からＸ５へと時計回りに移動させる。

次に、インピーダンスをポイントＸ５へと移動させた後、図１１に示すように、再度、インピーダンスＺ、及び位相θをスミスチャート座標に変換し、検知制御器２０４は、可変インダクタ回路２０１のインダクタンスを変化させ、インピーダンスを定抵抗円Ｒ２に沿ってポイントＸ５からＸ６へと時計回りに移動させる。

次に、インピーダンスをポイントＸ６へと移動させた後、図１２に示すように、再度、インピーダンスＺ、及び位相θをアドミタンスチャート座標に変換し、検知制御器２０４は、可変コンデンサ回路２０２のキャパシタンスを変化させ、インピーダンスを定コンダクタンス円Ｇ３に沿ってポイントＸ６からＸ７へと時計回りに移動させる。

次に、図１３に示すように、再度、インピーダンスＺ、及び位相θをスミスチャート座標に変換し、検知制御器２０４は、可変インダクタ回路２０１のインダクタンスを変化させ、インピーダンスを定抵抗円Ｒ２に沿ってポイントＸ７からＸ８へと時計回りに移動させる。

このように、スミスチャート座標変換とアドミタンスチャート座標変換とを交互に繰り返し、かつ、インダクタンス及びキャパシタンスを交互に変化させながら、図１４に示すように、インピーダンスを整合ポジションＸ０に持って行く。

なお、上記一例においては、検知したインピーダンスＺ及び位相θを、スミスチャート座標、及びアドミタンスチャート座標に座標変換したが、反射係数座標に座標変換することも可能である。この場合には、例えば、以下のようにすればよい。

（反射係数座標への変換）
スミスチャート座標は、下記（９）、（１０）式を用いて反射係数座標に変換することができる。

υ ＝ （ｃｏｓ（α２）＋ｒ２）・Ｚ２ … （９）
ν ＝ ｓｉｎ（α２）・Ｚ２ … （１０）
同様に、アドミタンスチャート座標は、下記（１１）、（１２）式から反射係数座標に変換することができる。

υ ＝ （ｃｏｓ（α３）−ｒ３）・Ｚ３ … （１１）
ν ＝ ｓｉｎ（α３）・Ｚ３ … （１２）
反対に、反射係数座標は、下記（１３）、（１４）式からスミスチャート座標に変換することができる。

Ｚ２ ＝ ν^２＋（１−υ）^２／（２・（１−υ）） … （１３）
α２ ＝ ａｔａｎ２（ν^２−（１−υ）^２，２・ν・（１−υ））… （１４）
同様に、反射係数座標は、下記（１５）、（１６）式からアドミタンスチャート座標に変換することができる。

Ｚ３ ＝ ν^２＋（υ＋１）^２／（２・（υ＋１）） … （１５）
α３ ＝ ａｔａｎ２（（υ＋１）^２−ν^２，２・ν・（υ＋１））… （１６）
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に関する例である。

チャンバのインピーダンスをマッチングするとき、マッチング装置２３は、チャンバ１のインピーダンスを複素共役となるように回路の定数を変化させる。このため、マッチング装置２３の中は共振を起こしている。共振状態を、取り扱う周波数の、例えば、１０倍の高調波まで継続できるようにするためには、回路の定数を以下のように決めれば良い。

回路のＱ値をＱ、取り扱う周波数をｆ０とし、回路のバンド幅をΔｆとする。ここで、
Ｑ＝ｆ０／Δｆ … （１７）
とおく。

さらに１０倍の高調波に対しても、回路を、リアクタンス成分がゼロの抵抗負荷と見せたいので、
Δｆ＝１０・ｆ０ … （１８）
即ち、
Ｑ＝０．１ … （１９）
となる。

Ｑ値には、Ｑ＝２πｆＬ／Ｒの関係があるから、図１５に示すように、一定Ｑ＝０．１の曲線を、スミスチャート上に描くことができる。

マッチング装置２３の整合動作（整合ポジションへの移動）が、スミスチャート上に描かれた一定Ｑ＝０．１以下の曲線の範囲内で行われれば、抵抗負荷と見なせる状態を、取り扱う周波数の、例えば、１０倍以上の高調波まで継続できる。これにより、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲内で整合動作を行わせることができる。

さらに、放射を抑制したいならば、マッチング装置２３の整合動作を、スミスチャート上に描かれた一定Ｑ＝０．０１以下の曲線の範囲内で行われると良い。

さらに、マッチング装置２３の整合動作を、図１５の斜線で示す範囲内、即ち、一定Ｑ＝０．１以下の曲線の範囲内、かつ、正規化インピーダンスが１以上の範囲で行うと、上述したように、プラズマ着火後においては、プラズマ着火したときの電圧以下の電圧しかかからないようにできる、という利点を併せて得ることができる。

以上、この発明を実施形態に従って説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能であるし、また、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせて実施することも可能である。

また、上記実施形態においては、可変インダクタ回路２０１を負荷（チャンバ）に対して直列に接続し、可変コンデンサ回路２０２を負荷（チャンバ）に対して並列に接続したが、反対に、可変インダクタ回路２０１を負荷（チャンバ）に対して並列に接続し、可変コンデンサ回路２０２を負荷（チャンバ）に対して直列に接続することも可能である。

また、上記実施形態では、プラズマ処理装置としてウエハをプラズマエッチングするプラズマエッチング装置を例示したが、プラズマ処理装置としてはプラズマエッチング装置に限られるものではない。例えば、プラズマＣＶＤ装置にも適用可能である。

さらに、プラズマ処理される被処理体としてウエハを例示したが、被処理体はウエハに限られるものではない。例えば、ＦＰＤ基板等を処理するプラズマ処理装置にも適用可能である。

また、上記実施形態では、マッチング装置をプラズマ処理装置のマッチング装置に適用した例を示したが、インピーダンス整合な必要な装置であれば、上記実施形態に係るマッチング装置は、如何なる装置にも適用することができる。

この発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図 第１の実施形態に係るプラズマ処理装置が備えるマッチング装置の一回路例を示す回路図 第１の実施形態に係るプラズマ処理装置が備えるマッチング装置の動作を示すイミッタンスチャート 可変インダクタ回路、及び可変コンデンサ回路の動作を示すイミッタンスチャート 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置が備えるマッチング装置の一回路例を示す回路図 座標変換されたインピーダンス及び位相を示すスミスチャート 座標変換されたインピーダンス及び位相を示すアドミタンスチャート 座標変換されたインピーダンス及び位相を示すイミッタンスチャート 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置が備えるマッチング装置の動作を示すイミッタンスチャート 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置が備えるマッチング装置の動作を示すイミッタンスチャート 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置が備えるマッチング装置の動作を示すイミッタンスチャート 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置が備えるマッチング装置の動作を示すイミッタンスチャート 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置が備えるマッチング装置の動作を示すイミッタンスチャート 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置が備えるマッチング装置の動作を示すイミッタンスチャート 一定Ｑ＝０．１を示すスミスチャート 典型的なマッチング装置の回路を示す回路図 典型的なマッチング動作を示すイミッタンスチャート

符号の説明

１０１…第１の回路（着火ポジション移動回路）、１０２…第２の回路（整合ポジション移動回路）、２０１…可変インダクタ回路、２０２…可変コンデンサ回路、２０３…並列可変コンデンサ回路、２０４…インピーダンス及び位相検知制御器。

Claims (17)

1. 負荷のインピーダンスを、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動させる第１の回路と、
   前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動した負荷のインピーダンスを、前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるままで整合ポジションに移動させる第２の回路と、
   を具備することを特徴とするマッチング装置。
2. 前記負荷のインピーダンス及び位相を検知するインピーダンス及び位相検知器と、
   前記インピーダンス及び位相検知器が検知した前記負荷のインピーダンス及び位相に基づいて、前記負荷のインピーダンスを前記整合ポジションに移動するように、前記第２の回路を制御する制御器と、
   をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のマッチング装置。
3. 前記第２の回路が、
   インダクタンスを変化させることが可能な可変インダクタ回路と、
   キャパシタンスを変化させることが可能な可変コンデンサ回路と、
   を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマッチング装置。
4. 前記可変インダクタ回路が負荷に対して直列に接続され、
   前記可変コンデンサ回路が前記負荷に対して並列に接続されていることを特徴とする請求項３に記載のマッチング装置。
5. 前記可変インダクタ回路が負荷に対して並列に接続され、
   前記可変コンデンサ回路が前記負荷に対して直列に接続されていることを特徴とする請求項３に記載のマッチング装置。
6. 前記可変インダクタ回路が、
   コイルと、
   前記コイルに直列に接続され、コンデンサと、このコンデンサに並列に接続され、キャパシタンスを変化させることが可能な可変コンデンサとを含む並列可変コンデンサ回路と、
   を含むことを特徴とする請求項３乃至請求項５いずれか一項に記載のマッチング装置。
7. 前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲が、スミスチャート上に描かれた一定Ｑ＝０．１以下の曲線の範囲内、かつ、正規化インピーダンスが１以上の範囲に設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項６いずれか一項に記載のマッチング装置。
8. 前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲が、スミスチャート上に描かれた一定Ｑ＝０．０１以下の曲線の範囲内に設定されることを特徴とする請求項７に記載のマッチング装置。
9. 前記第１の回路及び前記第２の回路を構成する回路素子が、取り扱う周波数の波長の１／１０以内の距離内に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項８に記載のマッチング装置。
10. 前記負荷が、チャンバを備えるプラズマ処理装置であり、
    前記プラズマ処理装置のプラズマ着火が、前記チャンバのインピーダンスを前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動させた後に行われ、
    前記プラズマ着火後における前記チャンバのインピーダンスが、前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるままに、前記整合ポジションに移動されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９いずれか一項に記載のマッチング装置。
11. 前記プラズマ着火時における前記チャンバのインピーダンスの抵抗成分の値が、前記整合ポジションにおける抵抗成分よりも高く、
    前記チャンバのインピーダンスの抵抗成分の値が、前記整合ポジションに移動するにつれて小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のマッチング装置。
12. 前記請求項１乃至請求項１１いずれか一項に記載のマッチング装置を、チャンバと高周波電源とをインピーダンス整合させるマッチング装置に用いたことを特徴とするプラズマ処理装置。
13. 前記プラズマ処理装置のプラズマ着火が、前記チャンバのインピーダンスを前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動させた後に行われ、
    前記プラズマ着火後における前記チャンバのインピーダンスが、前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるままに、前記整合ポジションに移動されるように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載のプラズマ処理装置。
14. 負荷のインピーダンスを、リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動させる工程と、
    前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動した前記負荷のインピーダンスを、前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるままに、整合ポジションに移動させる工程と、
    を具備することを特徴とするマッチング方法。
15. 前記負荷が、チャンバを備えるプラズマ処理装置であり、
    前記プラズマ処理装置のプラズマ着火が、前記チャンバのインピーダンスを前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲に移動させた後に行われ、
    前記プラズマ着火後における前記チャンバのインピーダンスが、前記リアクタンス成分がゼロ、又は実質的にゼロである範囲にあるままに、前記整合ポジションに移動されることを特徴とする請求項１４に記載のマッチング方法。
16. コンピュータ上で動作し、マッチング装置を制御するプログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
    前記プログラムが、実行時に、請求項１４に記載のマッチング方法が行われるように、コンピュータに前記マッチング装置を制御させることを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
17. 前記負荷が、チャンバを備えるプラズマ処理装置であり、
    前記プログラムが、実行時に、請求項１５に記載のマッチング方法が行われるように、コンピュータに前記プラズマ処理装置を制御させることを特徴とする請求項１６に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

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