CN108476583B - 高频电源装置及高频电源装置的控制方法 - Google Patents
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Abstract
在通过高频电源装置的扫频来进行阻抗匹配的频率控制中,确定反射系数或反射电力朝向极小的频率扫掠方向,由此缩短检测出反射系数或反射电力成为极小的频率为止所需的时间。通过以下两阶段的控制来进行高频电源装置的阻抗匹配的频率控制:(A)相位控制,基于振荡频率的相位状态来确定反射系数或反射电力朝向极小的频率扫掠方向,并以确定的扫掠方向来开始频率增减;(B)反射电力控制,以反射系数或反射量作为完成频率控制的控制的控制完毕条件。
Description
技术领域
本发明有关高频电源装置及高频电源装置的控制方法,例如有关对用于伴随电浆蚀刻、电浆CVD等的放电的用途的电浆处理装置等负载供给电力的高频电源装置及高频电源装置的控制方法。
背景技术
负载会随着放电状态的变化而阻抗会变动。例如,电浆负载中在放电开始前与放电开始后之间阻抗会变动。此外,即使是放电中,依照对电浆供给的气体的状态、或电浆室内的生成物或环境变化不同,也会发生阻抗变动。
为了从高频电源装置对负载效率良好地供给电力,已知会通过设于高频电源装置与负载之间的匹配电路的调整来进行阻抗匹配。该匹配电路所做的阻抗匹配,被指出存在难以应对急剧的阻抗变动这样的问题。
对于此问题,提出了一种高频电源装置,其利用高频电源装置的输出频率是可瞬时地可变这一点,使输出频率变化并使负载侧阻抗变化,由此瞬时地使其阻抗匹配(专利文献1)。并且提出了输出频率的频率控制是以反射系数绝对值作为指针来使频率变化(专利文献1、2)。
专利文献1中,提出重复进行下述处理:在包含基准频率的事先确定好的频率范围内,一边使振荡频率变化一边确定反射系数绝对值会成为极小的振荡频率,由此控制振荡频率而使反射系数绝对值变小。
专利文献2中,提出在确定好的频率范围内每隔一定周期进行扫频(frequencysweeping),由此检测反射电力会成为极小的频率。
专利文献1中,提出在确定频率之后的频率控制中,确定与此时的反射系数绝对值相对应的反射系数上限值,当反射系数绝对值超出反射系数上限值的情况下,再次重复进行频率控制来检测反射系数绝对值会成为极小的振荡频率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2006-310245号公报
专利文献2:日本特开2010-27587号公报
发明内容
发明要解决的问题
以往提议的频率控制中,在使频率变化而使反射系数或反射电力变小的处理中,在包含基准频率的事先确定好的频率范围内、或是确定好的频率范围内进行扫频。
当在频率范围内扫掠频率时,因频率扫掠方向不同,反射系数或反射电力可能会增加。因此,必须针对频率范围的全区域进行扫频,而有检测出反射系数或反射电力会成为极小的频率所需的检测时间拖长这样的问题。
本发明目的在于,解决上述以往的问题点,在通过高频电源装置的扫频来进行阻抗匹配的频率控制中,确定反射系数或反射电力朝向极小的频率扫掠方向,由此缩短检测出反射系数或反射电力会成为极小的频率所需的时间。
解决问题的技术手段
本发明的发明者,在高频电源装置的频率控制中,发现了以下内容:
(a)在高频电源装置的输出频率中,反射系数的相位特性与反射系数或反射电力朝向极小的频率扫掠方向之间有着对应关系
上述对应关系中,
(b)当相位状态为落后负载的情况下,反射系数为正相位,反射系数或反射电力朝向极小的频率扫掠方向是使频率增加的方向
(c)当相位状态为领先负载的情况下,反射系数为负相位,反射系数或反射电力朝向极小的频率扫掠方向是使频率减少的方向。
本发明,基于上述的对应关系,依据相位状态为落后负载或领先负载,来决定控制开始时的频率扫掠方向,
将进行高频电源装置的阻抗匹配的频率控制,通过
(A)相位控制,基于振荡频率的相位状态来确定反射系数或反射电力朝向极小的频率扫掠方向,而以确定的扫掠方向来开始频率增减,以及
(B)反射电力控制,以反射系数或反射量作为完成频率控制的控制的控制完毕条件
这二阶段的控制来进行。
本案发明中,通过相位控制来开始频率控制,由此确定反射系数或反射电力朝向极小的频率扫掠方向,缩短检测出反射系数或反射电力会成为极小的频率所需的时间。
此外,本发明的发明者,发现了从高频电源装置观看负载侧时的输入阻抗与反射系数具备同样的相位特性。本发明能够取代反射系数的相位特性,而基于从高频电源装置观看负载侧时的输入阻抗的相位特性来判定相位状态。当从反射系数的相位状态来判定的情况下,能够由基于反射波的电压电流的相位、与基于行进波的电压电流的相位的相位差,来检测相位状态。此外,当从输入阻抗的相位状态来判定的情况下,能够在高频电源装置的输出端的电压与电流之间检测相位差的相位状态。
[高频电源装置]
本发明的高频电源装置是对于伴随放电的负载供给高频电力的高频电源装置,其具备以下各电路结构:
(a)高频产生电路,其将频率设为可变
(b)频率控制电路,其输出控制高频产生电路的频率变更的控制信号
(c)反射状态检测电路,其包含检测高频产生电路的相位状态的相位检测电路、以及运算高频产生电路的输出端的反射系数值及/或反射量的反射运算电路
(d)控制方向指示电路,其基于相位检测电路输出的相位状态,在频率变更中输出指示使频率增加或减少的控制方向的方向指示信号。
另外,在各电路结构中,频率控制电路、相位检测电路、反射运算电路、控制方向指示电路除了通过硬件来构成外,还能够通过CPU及内存等随同的组件而以软件来构成。
频率控制电路相对于高频产生电路,包含相位控制及反射电力控制这二阶段的控制,并将频率设为可变。
(A)相位控制为控制开始时的频率控制,基于控制方向指示电路输出的方向指示信号,来控制频率变更中的频率增减。
(B)反射电力控制在控制完毕时,以反射运算电路输出的反射系数值及/或反射量作为控制完毕条件,来控制频率变更的持续/停止。
(再控制)
专利文献1中,在频率控制中,在反射系数绝对值超出反射系数上限值的情况下,对频率控制再次重复进行再控制。在该再控制中,作为进行再控制的条件是使用反射系数的上限值,因此当反射系数上升了的情况下通过进行再控制能够决定与负载阻抗匹配的频率,但当反射系数下降了的情况下则不会进行再控制,因此无法决定匹配变动了的负载阻抗的频率。
相对于此,本发明针对以前一次的频率控制决定的反射系数值或是反射量,设定以该值作为中心值而在上下具有规定宽幅的反射系数值范围或是反射量范围,而以该设定范围作为阈值范围,来判定新求出的反射系数或反射量的变动。在该判定中,当反射系数或反射量增加了或是减少了的情况下,再次进行频率控制,求出匹配变动了的负载阻抗的新频率。在该再控制中,不限于反射系数或反射量增加了的情况,即使当减少了的情况下仍能决定匹配变动了的负载阻抗的频率。
本发明的高频电源装置具备将再次指示频率变更的再控制信号输出至频率控制电路的再控制电路。频率控制电路基于再控制信号对高频产生电路输出控制信号。高频产生电路基于控制信号将频率设为可变。
在再控制中,当以本次的频率控制得到的反射系数值及/或反射量超出由以前一次的频率控制得到的反射系数值及/或反射量所决定的阈值的情况下,使频率控制电路实施频率控制,从高频产生电路使以频率控制得到的频率的高频电力产生。另一方面,当以本次的频率控制得到的反射系数值及/或反射量未达到以前一次的频率控制得到的反射系数值及/或反射量的情况下,从高频产生电路产生由频率控制电路在前一次的频率控制完毕时得到的频率的高频电力。
再控制电路以通过频率变更而决定的频率中的反射系数值及/或反射量作为中心值,并具有将在该中心值的上下具有规定宽幅的反射系数值范围及/或反射量范围作为决定再控制的阈值范围,当处于以反射运算电路检测出的反射系数值为反射系数范围外、或以反射运算电路检测出的反射量为反射量范围外的至少一方时,输出再控制信号。
(再控制的实施方式)
再控制电路能够以多种方式进行再控制的实施。
进行再控制的第1方式是基于负载状态的变化来输出再控制信号。负载状态例如是使电浆腔室内产生的驱动功率或气体压力等驱动条件、或电浆腔室内的构造物的移动等运转条件。
再控制电路基于负载状态的变化来输出再控制信号。频率控制电路事先具备与负载状态相对应的控制完毕条件,基于再控制信号,依据因应负载状态而事先设定好的控制完毕条件来再次进行反射电力控制。
进行再控制的第2方式是当反射系数及/或反射量超出某一设定值的状态持续了一定时间的情况下输出再控制信号。频率控制电路基于当反射系数及/或反射量超出某一设定值的状态持续了一定时间的情况下被输出的再控制输出,来再次进行反射电力控制。
(相位检测的方式)
本发明的高频电源装置的相位检测电路,能够以多种方式来进行相位状态的检测。
相位检测电路所进行的相位状态的第1检测方式是基于高频产生电路的输出端的电压及电流来检测相位状态。
进行相位状态的第1检测方式的结构例是在高频产生电路的输出端具备电压检测部及电流检测部。相位检测电路基于电压检测部的检测电压及电流检测部的检测电流来检测相位状态。
相位检测电路所进行的相位状态的第2检测方式是基于依据高频产生电路的输出端的电压及电流而求出的相位、以及传送路径的相位偏差来检测相位状态。
在相位检测中,将对由传送线路所造成的相位偏差量进行加法运算而得到的相位作为高频产生电路的输出端的相位状态进行输出。通过对由传送线路所造成的相位偏差量进行加法运算,能够补偿传送线路所造成的相位偏差。
进行相位状态的第2检测方式的结构例是在高频产生电路的输出端具备方向性检测器。相位检测电路针对以方向性检测器分离出的行进波及反射波的分离波,由基于各分离波的电压及电流的相位的相位差来检测相位状态。
[高频电源装置的控制方法]
本发明的高频电源装置的控制方法是对于伴随放电的负载供给高频电力的高频电源装置的控制方法,在通过高频电源装置的频率变更所达成的阻抗匹配,来控制反射电力的频率控制中,具备:
(A)相位控制工序,在控制开始时,基于高频电源装置的相位状态,来决定使频率变更的频率增加或减少的控制方向
(B)反射电力控制工序,在以相位控制工序决定的频率增减所致的频率变更中,以高频电源装置的反射系数值及/或反射量作为控制完毕条件,来控制频率变更的持续/停止。
(再控制)
在再控制中,以通过频率变更而决定的频率中的反射系数值及/或反射量作为中心值,并具有将在该中心值的上下具有规定宽幅的反射系数值范围及/或反射量范围作为决定做再控制的阈值范围,当处于反射系数值为上述反射系数范围外、或反射量为反射量范围外的至少一方时,再次进行频率控制。
(再控制的实施方式)
再控制的实施能够以多种方式进行。
进行再控制的第1方式是基于负载状态的变化来输出再控制信号。负载状态例如是使电浆腔室内产生的驱动功率或气体压力等驱动条件、或电浆腔室内的构造物的移动等运转条件。再控制是事先具备和负载状态相对应的控制完毕条件,依据因应负载状态而事先设定好的控制完毕条件来再次进行反射电力控制。
进行再控制的第2方式是当反射系数及/或反射量超出某一设定值的状态持续了一定时间的情况下输出再控制信号。基于当反射系数及/或反射量超出某一设定值的状态持续了一定时间的情况下被输出的再控制输出,来再次进行反射电力控制。
(相位检测的方式)
本发明的高频电源装置的相位检测,能够以多种方式来进行相位状态的检测。相位状态的第1检测方式是基于高频产生电路的输出端的电压及电流来检测相位状态。
相位状态的第2检测方式是基于依据高频产生电路的输出端的电压及电流而求出的相位、以及传送路径的相位偏差来检测相位状态。
如以上说明的那样,按照本发明,在通过高频电源装置的扫频来进行阻抗匹配的频率控制中,能够确定反射系数或反射电力朝向极小的频率扫掠方向。由此,能够缩短检测出反射系数或反射电力会成为极小的频率所需的时间。
附图说明
图1是本发明的高频电源装置的概略结构图。
图2是本发明的频率控制的流程图。
图3是本发明的频率控制时的反射系数的史密斯图。
图4是本发明的高频电源装置的概略结构说明用图。
图5是本发明的相位控制工序及反射电力控制工序S2的一工序例说明用流程图。
图6是本案发明的扫频说明用图。
图7是本案发明的输入阻抗Zin的虚部的频率特性、与反射系数Γ的频率特性的概略说明图。
图8是阻抗匹配电路说明用图。
图9是对扫掠本发明的频率时的反射系数与相位进行极坐标显示的史密斯图的一例示意图。
图10是本发明的反射系数变动的频率特性示意图。
图11是再次实施频率控制的再控制的方式示意流程图。
图12是再次实施本案发明的频率控制的再控制的方式示意图。
图13是本发明的再控制判定说明用流程图。
图14是本发明的再控制判定的判定范围说明用图。
图15是本发明的再控制判定的动作例说明用图。
图16是进行本发明的再控制的高频电源装置的结构例。
图17是本发明的再控制判定电路的结构例。
图18是补偿因铺设于本案发明的高频电源装置与负载之间的缆线而产生的相位差的相位偏差补偿说明用图。
图19是缆线的相位偏差补偿说明用图。
具体实施方式
利用图1~图19,说明本发明的高频电源装置及高频电源装置的控制方法。
以下,利用图1~3说明本案发明的高频电源装置所做的频率控制,利用图4说明本发明的高频电源装置的结构,利用图5~图9及图10~图17说明本发明的构成电源装置的控制方法。图10~图17为本发明的高频电源装置所做的再控制说明用图。此外,利用图18、19说明补偿因铺设于本发明的高频电源装置与负载之间的缆线而产生的相位差的方法。
(本发明的高频电源装置的频率控制的概略)
针对本发明的高频电源装置的结构、以及频率控制的概略,利用图1的高频电源装置的概略结构图、图2的频率控制的流程图、以及图3的频率控制时的反射系数的史密斯图来说明。
(高频电源装置的概略结构)
本发明的高频电源装置10是对于伴随放电的负载30供给高频电力的高频电源装置,通过将高频电源装置10的输出的频率做频率变更的频率控制,来进行负载30的对于阻抗变动的阻抗匹配,使得从负载30回到高频电源装置10的反射电力减低,以控制从高频电源装置10对负载30的良好电力供给。
在高频电源装置10与负载30之间设有阻抗匹配电路20,来达成与通常状态下的负载30之间的阻抗匹配。当将电源的输出阻抗设为ZO、将包含负载30的阻抗的阻抗匹配电路20的特性阻抗设为ZL、将从高频电源装置10观看时的负载30侧的输入阻抗设为Zin时,反射系数Γ是以Γ=(ZL-ZO)/(ZL+ZO)来表示,各阻抗ZL,ZO,Zin、及Γ为频率ω的函数。
高频电源装置10对于负载30的阻抗ZP的变动,将输出的高频的频率ω设为可变,由此将各阻抗设为可变,而将反射系数Γ频率控制成极小值。
(频率控制的概略)
本发明的频率控制是在基于将输出的高频的频率ω设为可变的阻抗匹配中,通过控制开始时的相位控制工序(S1)、及控制开始后的反射电力控制工序(S2)这2个控制工序,来输出将反射电力设为极小的频率的高频。对通过频率控制得到的频率进行维持,并且将此时的反射系数Γ及/或反射量Wr作为极小值进行存储(S3)。
并且,通过再控制(S4)来重复做相位控制工序及反射电力控制工序这2个控制工序,由此将反射电力维持在极小的状态。S1的相位控制工序及S2的反射电力控制工序,各自进行以下的控制。
(相位控制工序)
相位控制工序在控制开始时,基于高频电源装置的相位状态,来决定使频率变更的频率增加或减少的频率扫掠方向。
频率扫掠方向是频率控制中使反射系数及/或反射量减低的频率增减方向。相位控制工序中,在控制开始时决定频率控制的扫掠方向,由此能够缩短使反射电力减低的频率控制的处理时间。
相位控制工序是通过反射系数Γ的相位φ为正相位或是负相位的相位状态,来决定频率扫掠方向。正相位相当于落后负载,负相位相当于领先负载。
图3示出了以史密斯图来表示的反射系数Γ。阻抗匹配的状态中,成为Γ=Γmin。特别是,当特性阻抗Z0与负载阻抗Zp一致的情况下反射系数Γ成为“0”。反射系数Γ为“0”这方面相当于史密斯图上的中心点PO。史密斯图中,对于通过中心点PO的中心线而言上方的区域为正相位,下方的区域为负相位。正相位为相对于电压而言电流呈落后的相位落后,负相位为相对于电压而言电流呈领先的相位领先。
史密斯图上的反射系数Γ的轨迹会和频率ω的变化一起移动。在阻抗匹配时的频率ωO的附近,相对于相位φ会成为“0”的频率ωφ=0而言,当频率ω比频率ωφ=0还低时反射系数Γ成为正相位,当频率ω比频率ωφ=0还高时反射系数Γ成为负相位。
上述频率ω与相位φ的关系,当阻抗匹配时会成为Γ=Γmin的理想的情况下具有以下的相位特性。当特性阻抗ZL及电源的输出阻抗Z0是以电容量C与电感量L的并联连接来表示时,在成为相位φ=0的频率ω0中,与反射系数Γ=(ZL-Z0)/(ZL+Z0)中的相位φ相关的成分,当在将x轴设为频率ω将y轴设为相位φ的坐标中观看时,若将坐标的上方以正相位表示,则相位φ在频率ωφ=0会成为“0”,在比频率ωφ=0还低的频率会成为正相位,在比频率ωφ=0还高的频率会成为负相位。
由上述的相位特性,图3所示史密斯图中的反射系数Γ的轨迹,当频率ω增加了的情况下会从正相位朝向负相位移动,当频率ω减少了的情况下会从负相位朝向正相位移动。
因此,在相位控制工序中,当检测出的相位状态为落后相位的情况下(例如P1的点),通过使频率ω增加来使反射系数Γ的相位往朝向0°(P3的点)的方向移动。另一方面,当检测出的相位状态为领先相位的情况下(例如P2的点),通过使频率ω减少来使反射系数Γ的相位往朝向0°(P3的点)的方向移动。图3中,将相位为0°的位置以P3的点的圆记号表示。
反射系数Γ的相位与从高频电源装置侧观看负载侧的阻抗Zin的相位具有相同的相位特性,因此通过检测高频电源装置的输出端的相位状态,能够检测反射系数的相位状态。高频电源装置的输出端,即阻抗匹配电路的输入端的相位状态,能够由高频电源装置的输出端中的电压与电流的相位关系、或是高频电源装置的输出端中的反射波的相位与行进波的相位的相位差来求出。
(反射电力控制工序)
频率控制的控制目标是将反射系数Γ的绝对值|Γ|设为极小,但反射系数Γ的绝对值|Γ|在相位φ为0°处(图3中的P3的点)未必会成为极小。
图3的史密斯图中,反射系数Γ的绝对值|Γ|会成为极小的位置P4并以×记号表示,且与相位φ为0°的位置P3位于不同位置。因此,通过相位控制工序使反射系数Γ的相位φ朝向0°(位置P3)开始扫频后,通过反射电力控制来控制频率而使反射系数的绝对值|Γ|成为极小。
反射电力控制工序S2在以相位控制工序S1中决定的扫掠方向开始频率变更后,以高频电源装置的反射系数值及/或反射量作为控制完毕条件,来控制频率变更的持续/停止。此处,作为控制完毕条件,利用通过频率变更的控制而高频电源装置的反射系数值及/或反射量会成为极小这一点,由此判定反射系数Γ/或反射量是否为极小。
图3中,当频率控制的开始点为正相位的情况下,在通过利用相位控制工序使频率增加的频率控制而使其朝向相位0°后,通过反射电力控制求出反射系数Γ或反射量会成为极小的频率。此外,当频率控制的开始点为负相位的情况下,在通过利用相位控制工序使频率减少的频率控制而使其朝向相位0°后,通过反射电力控制求出反射系数Γ或反射量会成为极小的频率。
(再控制工序)
对相位控制工序及反射电力控制工序中求出的频率进行维持并将输出供给至负载(S3)。其后,若负载侧等有变动则阻抗匹配会变得偏离恰当的状态。在这样的情况下,通过再控制工序S4重复进行相位控制工序S1及反射电力控制工序S2,再次求出适当的频率ω,进行阻抗匹配。再控制工序(S4)中,预先将相位控制工序及反射电力控制工序中得到的频率中的反射系数、反射量作为极小值进行存储,在以后得到的反射系数、反射量超出阈值的情况下,进行再控制。
(本发明的高频电源装置的结构)
图4为本发明的高频电源装置的概略结构说明用图,图4(a)与图4(b)的结构在相位检测的结构上存在差异,而其他的结构则共通。
高频电源装置10具备:产生高频的高频产生电路11、方向性耦合器12、相位检测电路13、反射运算电路14、控制方向指示电路15、频率控制电路16。相位检测电路13及反射运算电路14构成反射状态检测电路19。
高频产生电路11将产生的高频输出从方向性耦合器12透过阻抗匹配电路20供给至负载30。方向性耦合器12对从高频产生电路11朝向负载30的行进波电力Pf、与从负载30回到高频产生电路11的反射电力Pr进行分离。
相位检测电路13基于在方向性耦合器12分离出的行进电力Pf与反射电力Pr,或者在电压检测部17及电流检测部18求出的电压V及电流I,来检测反射系数及相位状态。另外,图4(b)示出了基于在电压检测部17求出的电压与从电流检测部18求出的电流来检测反射系数及相位状态的结构。
控制方向指示电路15基于相位检测电路13检测出的相位落后或是相位领先的相位状态,来将指示频率扫掠方向的方向指示信号输出至频率控制电路16。
反射运算电路14基于在方向性耦合器12分离出的行进电力Pf与反射电力Pr,或者在电压检测部17及电流检测部18求出的电压、电流,来求出反射系数Γ或反射量Wr。
频率控制电路16基于方向指示信号来决定频率变更的扫掠方向,并且进行频率控制来求出使得来自反射运算电路14的反射系数Γ或反射量Wr会成为极小的频率,而对高频产生电路11输出控制信号。
(本发明的高频电源装置的频率控制方法)
以下,利用图5~图9针对频率控制方法进行说明。图5示出了相位控制工序S1及反射电力控制工序S2的工序的一例。
在相位控制工序中,由高频电源装置的输出端中的电压与电流的相位、或是高频电源装置的输出端中的反射波的相位与行进波的相位的相位差来检测相位状态(S1a),针对检测出的相位状态判定其为正相位或是负相位(S1b)。
当相位状态为正相位的情况下,判断其为落后负载,进行使频率ω增加的扫频,相对于初始频率ω(0)而言使频率ω上升而决定频率ω(1)(S1c)。当相位状态为负相位的情况下,判断其为领先负载,进行使频率ω减少的扫频,相对于初始频率ω(0)而言使频率ω下降而决定频率ω(1)(S1d)。
基于相位控制工序中决定的频率扫掠方向来使频率增加或是减少,进行反射电力控制(S2)。另外,在图5所示反射电力控制工序中,示出了反射电力系数。
相位控制S1中,因负载的状况不同,上述相位状态与频率扫掠方向的关系可能会成为相反的关系。在这样的情况下,在S1e~S1h的工序中使扫掠方向反转。
以S1c的工序或S1d的工序中决定的扫掠方向使频率变化,检测反射系数Γ或反射量Wr(S1e),判定反射系数Γ或反射量Wr的增减(S1f)。当反射系数Γ或反射量Wr一直增加的情况下,判定扫掠方向为反方向而进行使频率ω的扫掠方向反转的逆控制(S1g)。另一方面,当反射系数Γ或反射量Wr一直减少的情况下,判定扫掠方向为正确方向而在维持频率ω的扫掠方向的状态下进行控制(S1h)。
在接着相位控制工序(S1)进行的反射电力控制(S2)中,在时刻(取样)k一边改变频率ω(k)一边进行扫频(S2a),在各取样的时刻k的频率ω(k)中求出反射系数Γ(k)(S2b)。
对在时刻(k-1)得到的反射系数Γ(k-1)与在时刻(k)得到的反射系数Γ(k)进行比较。当在后来的取样(k)得到的Γ(k)比在前一取样的取样(k-1)得到的Γ(k-1)还小的情况下(Γ(k-1)≥Γ(k)),判断为可通过继续扫频来得到更小的反射系数Γ,并重复S2a,S2b的工序。
另一方面,当在后来的取样(k)得到的Γ(k)超出在前1取样的取样(k-1)得到的Γ(k-1)的情况下(Γ(k-1)<Γ(k)),判断为若继续扫频则反射系数Γ会变大,并在下一取样(k+1)作为Γ(k+1)=Γ(k-1)而完成控制。
图6为反射电力控制中的扫频说明用图,图6(a)、(b)示出了继续进行扫频的情况,图6(c)、(d)示出了停止扫频而结束频率控制的情况。另外,此处,虽揭示使频率ω增加的情况,但针对使频率ω减少的情况亦同。
图6(a)、(b)示出了继续进行扫频的情况,相当于S2c中Γ(k-1)≥Γ(k)的情况。在此情况下,由取样(k-1)下的反射系数Γ(k-1)与取样(k)下的反射系数Γ(k)的比较,判断为可通过继续扫频来得到更小的反射系数Γ,而继续进行扫频。
图6(c)、(d)示出了继续进行扫频的情况,相当于S2c中Γ(k-1)<Γ(k)的情况。在此情况下,由取样(k-1)下的反射系数Γ(k-1)与取样(k)下的反射系数Γ(k)的比较,判断为通过持续扫频而反射系数Γ会变大,停止进行扫频。
(反射系数Γ为“0”附近的相位特性)
接着,针对反射系数Γ为“0”附近的相位特性进行说明。在相位控制中,当相位状态为正相位且为落后负载的情况下使频率增加,当相位状态为负相位且为领先负载的情况下则进行使频率减少的频率扫掠方向。该相位状态与扫掠方向的关系是由反射系数Γ的相位的频率特性所引起。
反射系数Γ的相位的频率特性是由反射系数Γ的虚部(=(ZL-ZO)/(ZL+ZO))的频率特性来表示。此外,若对反射系数Γ(=(ZL-ZO)/(ZL+ZO))的虚部与从高频电源装置观看负载侧时的输入阻抗Zin的虚部进行比较,则电容量与电感量的关系具有相同特性。由此关系,能够通过反射系数Γ的虚部的频率特性来求出反射系数Γ的相位的频率特性。
图7概略性地示出了输入阻抗Zin的虚部的频率特性(图7(a))、及反射系数Γ的频率特性(图7(b))。另外,ZO一般为50Ω的特性阻抗。
在反射系数Γ为“0”附近的频率范围,Zin的虚部的相位,夹着相位会成为“0”的频率ωφ=0且在低频率域为正相位,在高频率域为负相位。图7(a)、(b)中,划上斜线的范围A,为Γmin存在的区域中夹着相位特性曲线上的频率ωφ=0的频率范围,划上底纹路的范围B为夹着相位特性曲线上的频率ωφ=0的由2个相位会成为零的2点所包夹的频率范围。当将落在该些范围A,B内的频率设为反射系数Γ为“0”附近的频率时,当从处于正相位的频率开始扫频的情况下,通过使频率增加,相位会朝向“0”的状态变化,另一方面,当从处于负相位的频率开始扫频的情况下,通过使频率减少,相位会朝向“0”的状态变化。
输入阻抗Zin的虚部的相位的频率特性,虽在多个频率会有相位成为“0”的情况,但在反射系数Γ成为“0”附近的频率域,由于作为扫掠方向其在相位状态为正相位且为落后负载的情况下使频率增加,在相位状态为负相位且为领先负载的情况下使频率减少的扫掠方向,因此反射系数Γ会变化至极小。另外,阻抗匹配电路的相位的频率特性依赖于电路结构,因此控制方向是根据应相位的频率特性来决定的。
以下,利用图8说明频率扫掠方向中,当相位状态为正相位且为落后负载的情况下使频率增加,当相位状态为负相位且为领先负载的情况下使频率减少的相位控制的例子。
图8揭示阻抗匹配电路的例子,图8(a)~图8(e)示出了在逆L形阻抗匹配电路、逆L形阻抗匹配电路中串联连接电容CM的电路、L形阻抗匹配电路、T形阻抗匹配电路、以及π形阻抗匹配电路的一例。
按照图8(a)所示的逆L形阻抗匹配电路的电路例,负载阻抗Zin及负载阻抗的相位φ由以下的式(1)、(2)来表示。
[数1]
在使相位φ朝向零的控制中,ω为正的实数,因此当匹配电路的C、L、及R满足(L-CR2)>0的匹配条件的情况下,式(2)中当(-ω2CL2-CR2+L)>0的情况下相对于电流为落后负载因此使频率上升,另一方面,当(-ω2CL2-CR2+L)<0的情况下相对于电流为领先负载因此使频率下降。
按照图8(b)所示的在逆L形阻抗匹配电路中串联连接电容CM的电路例,负载阻抗Zin及负载阻抗的相位φ由以下的式(3)、(4)表示。该电路例表现了比上述图8(a)的逆L形阻抗匹配电路更接近实际的电路的频率特性。
[数2]
上述式(4)中,P(ω)为由式(3)表示的Zin的分子的虚数部,p(ω)表示将P(ω)除以ω而得到的P(ω)/ω。相位φ中的p(ω)相对于ω2为上凸的函数,若是ω>0的实数则相对于ω也为上凸的函数,p(ω)的极大值为非负值。这表示了Zin为落后负载,电流相位为负相位。
此外,p(ω)具有1个反曲点,以反曲点为分界,相位动作模式会反转,但在ω为正实数的条件下,当p(ω)>0的情况下相对于电流为落后负载因此使频率上升,另一方面,当p(ω)<0的情况下相对于电流为领先负载因此使频率下降,由此将相位φ朝向零控制。
由上述可知,在相位φ会成为零之频率ωφ=0电流相位会成为零,当频率ω为ω>ωφ=0的情况下成为领先相位,当频率ω为ω<ωφ=0的情况下成为落后相位。
如上所述,在相位控制的频率扫掠方向中,当相位状态为正相位且为落后负载的情况下设为使频率增加的方向,当相位状态为负相位且为领先负载的情况下设为使频率减少的方向。
图8(c)~图8(e)所示的其他阻抗匹配电路针对具体的式子虽省略,但各自具有与电路结构相对应的Zin及φ。
(反射系数与相位的极坐标显示例)
图9示出了对扫掠频率时的反射系数和相位进行极坐标显示的史密斯图的一例。
图中,虚线揭示相位φ为0°。当将相位φ=0°的频率设为ωφ=0时,比虚线更上方的区域的频率ω为比ωφ=0还低的频率,比虚线更下方的区域的频率ω为比ωφ=0还高的频率。此外,图中的圆弧示出了当使频率ω变化时的反射系数Γ的轨迹。该反射系数Γ的圆弧轨迹若从比ωφ=0还低的频率开始扫频,则会从位于比虚线更上方的区域的轨迹上的点开始移动,在ωφ=0通过相位φ=0°的虚线,朝比虚线更下方的区域移动。
图示例子中,在13.85MHz的频率会成为相位φ=0°。反射系数Γ并不是在相位φ成为0°的频率ωφ=0成为极小,图中,在跨过了频率ωφ=0的M9所示的频率,反射系数Γ成为极小。
(本发明的高频电源装置的再控制)
以下,利用图10~图17,说明本发明的高频电源装置的再控制。
反射系数在通过频率控制将反射系数值设为极小后,可能因负载状态等而变动。图10示出了反射系数变动的频率特性。图10中,实线表示频率控制时的反射系数Γ的频率特性,虚线表示负载状态变动后的反射系数Γ的频率特性。此外,×记号表示各频率特性下的负载状态变动前的反射系数Γ的极小值,ωa、ωa+、ωa-表示各负载状态变动后的频率特性下的极小时的频率ω的例子。圆记号表示变动后的反射系数的值。
图10表示反射系数值的变动状态,图11表示再次实施频率控制的再控制的方式。
图10(a)表示频率控制后反射系数值上升的情况。反射系数值的上升,除了反射系数值的频率特性朝反射系数的正方向移动以外,还会在朝频率的正负方向移动的情况下发生。
当反射系数值上升了的情况下,通过再控制,再次实施频率控制以设定将反射系数值设为极小的频率ω。图11(a)示出了以往的再控制的方式。通过频率控制设定了将反射系数值设为极小的频率ω1后,当反射系数值上升了的情况下,通过再控制进行再次的频率控制,求出将反射系数值设为极小之频率ω2,并供给依求出的频率ω2所致的高频电力。
反射系数值的变动除了如上述般反射系数值上升以外,还有下降的情况。图10(b)示出了反射系数值下降的情况的一例。虚线所示变动后的反射系数的频率特性,比实线所示的以前次频率控制得到的反射系数的频率特性位于更下方,频率ωa下的反射系数值会成为较小的值。
以往的再控制,无法响应如图10(b)所示这样的频率特性的变动,因此无法通过再次的频率控制来减低反射系数。
本发明的频率控制的再控制中,针对这样的反射系数值的变动仍再次实施频率控制,从而能够设定将反射系数值设为极小化的频率。
(再控制的形态)
以下,说明基于动作条件进行的再控制、以及在规定时间进行的再控制的各形态。
·基於动作条件的再控制
图11(a)为基于动作条件的再控制说明用流程图,图12(a)及图12(b)为基于动作条件的再控制说明用图。就动作条件而言,例如有供给至负载的电力的变动、或进行放电的腔室内的构造物的移动、供给至腔室内的气体条件的变化等。
在频率控制的控制完毕时,存储控制完毕时的反射系数Γ、及反射量Wr会。对于该反射系数Γ、以及反射量Wr,事先设定与各值相对应的阈值,并读出控制完毕时的反射系数Γ、以及反射量Wr、设定好的阈值Δ(ΔΓ、ΔWr)(S11)。求出目前时刻的反射系数Γ、反射量Wr与读出的控制完毕时的反射系数Γ、反射量Wr的差分(S12),将差分与读出的阈值Δ比较,判定再控制(S13)。
在再控制判定中,当差分为未达到阈值Δ的情况下(S13),将频率维持在现在的频率(S14),当差分为阈值Δ以上的情况下(S14),再次执行频率控制(S15)。
图12(a)、(b)示出了基于动作条件的再控制的例子。图12(a)示出了因动作条件的变化而反射系数Γ及反射量Wr增加了的情况,图12(b)示出了由于动作条件的变化而反射系数Γ及反射量Wr减少了的情况。
在由于频率控制而使反射系数Γ及反射量Wr成为了极小的时刻,在结束频率控制后,维持该频率。在维持频率的状态下,动作条件变化。由于动作条件的变动,反射系数Γ及反射量Wr会增加或是减少。当此时的差分超出阈值的情况下,进行再控制而求出反射系数Γ及反射量Wr会减低的频率。
·基于不变动持续了规定时间的状态的再控制
图11(b)为用来说明基于因电浆未点火等原因而反射系数及/或反射量高的状态持续了规定时间的状态的再控制的流程图,图12(c)为再控制说明用图。
在反射系数及/或反射量高的状态持续了规定时间的情况下进行再控制。频率控制电路判定反射系数及/或反射量高的状态是否超出规定时间To,当持续时间超出规定时间To的情况下(S21),输出再控制信号而再次进行频率控制。
图12(c)示出了基于反射系数及/或反射量高的状态持续了规定时间的状态的再控制的例子。在由于频率控制而反射系数Γ及反射量Wr成为了极小的时刻,在结束频率控制后,维持该频率。当维持频率的状态仅持续了规定时间的情况下,进行再控制而求出反射系数Γ及反射量Wr会减低的频率。
(再控制的判定)
接着,针对是否进行再控制的判定,利用图13的流程图、图14的判定范围说明用图、图15的再控制的判定动作例说明图来进行说明。
再控制的判定能够通过由反射系数Γ的绝对值|Γ|来判定的方式、以及由反射量Wr来判定的方式来进行。
·基于反射系数Γ的绝对值|Γ|的判定
在基于S11中变更了的控制完毕条件的再控制的判定中,当由反射系数Γ的绝对值|Γ|来判定的情况下,在图13(a)的流程图中,读出频率控制完毕时的频率中的反射系数值Γ(S31),使读出的反射系数值Γ的绝对值|Γ|带有规定宽幅ΔΓ由此决定阈值的范围(|Γ|±ΔΓ),而设定再控制条件(S32),以阈值的范围(|Γ|±ΔΓ)来判定反射系数Γ的绝对值|Γ|(S33)。
当反射系数Γ的绝对值|Γ|为阈值的范围(|Γ|±ΔΓ)外的情况下实施再控制(S34),当反射系数Γ的绝对值|Γ|为阈值的范围(|Γ|±ΔΓ)内的情况下维持依现在的频率所致之控制(S35)。
图14(a)示出了反射系数Γ的绝对值|Γ|的阈值范围(|Γ|±ΔΓ)。作为阈值范围,使|Γ|的上下带有ΔΓ量的宽幅,由此便不限于反射系数值增加了的情况,针对减少了的情况仍能够进行再控制。
·基于反射量Wr的判定
在基于S11中变更了的控制完毕条件的再控制的判定中,当由反射量Wr来判定的情况下,在图13(b)中,读出频率控制完毕时的频率中的反射量Wr(S41),对读出的反射量Wr加上规定宽幅±Δw来决定阈值的范围(Wr±Δw)而设定再控制条件(S42),以阈值的范围(Wr±Δw)来判定反射量Wr(S43)。
当反射量Wr为阈值的范围(Wr±Δw)外的情况下实施再控制(S44),当反射量Wr为阈值的范围(Wr±Δw)内的情况下维持依现在的频率所致的控制(S45)。
图14(b)示出了反射量Wr的阈值范围(Wr±Δw)。作为阈值范围,使Wr的上下带有Δw量的宽幅,由此便不限于反射量Wr增加了的情况,针对减少了的情况仍能够进行再控制。
基于反射系数Γ的绝对值|Γ|的判定的方式与基于反射量Wr的判定的方式,除了通过其中一方的方式来判定再控制以外,也能通过两方式来判定再控制。
图13(c)中,进行基于反射系数Γ的绝对值|Γ|的再控制判定(S51),再控制判定的结果(S52)是在进行再控制的判定结果的情况下实施再控制(S53)。再控制判定的结果(S52)是在不进行再控制的判定结果的情况下,进行基于反射量Wr的再控制判定(S54)。
基于反射量Wr的再控制判定的结果(S55)是在进行再控制的判定结果的情况下实施再控制(S56)。再控制判定的结果(S55)是在不进行再控制的判定结果的情况下,维持依照由前次的频率控制得到的频率所致的控制(S57)。
(再控制的动作例)
利用图15对再控制的动作例进行说明。此处针对基于反射系数的绝对值|Γ|的再控制判定的情况来说明。
图15(a)示出了再控制判定的结果为不进行再控制而是维持依照由前一次的频率控制得到的频率所致的控制的例子。当反射系数的绝对值|Γ|落在阈值范围(|Γ|±ΔΓ)的情况下,不进行再控制而维持频率。
图15(b)、(c)示出了再控制判定的结果为进行再控制而进行依照由频率控制得到的频率所做的控制的例子。图15(b)中,当反射系数的绝对值|Γ|比阈值范围(|Γ|±ΔΓ)朝更下方偏离的情况下,进行再控制而输出新得到的频率ω2的高频。图15(c)中,当反射系数的绝对值|Γ|比阈值范围(|Γ|±ΔΓ)朝更上方偏离的情况下,进行再控制而输出新得到的频率ω1的高频。图15(a)~(c)中将阈值范围(|Γ|±ΔΓ)以符号D表示。
图16示出了进行再控制的高频电源装置的结构例,图17示出了再控制判定电路的结构例。
图16所示的高频电源装置10是在图4(a)所示的高频电源装置中具备再控制判定电路40的结构。再控制判定电路40是基于动作条件的变更或当反射系数及/或反射量超出了某一设定值的状态持续了一定时间的情况来判定再控制的有无,并将再控制信号输出至频率控制电路16。
图17所示的再控制判定电路40为一结构例。具备对用来判定再控制的阈值进行更新的阈值更新单元41、以及对反射系数值或反射量和阈值进行比较的比较单元42。
阈值更新单元41,具备对因应动作条件而确定的阈值进行存储的存储单元41a、以及根据动作条件从存储单元41a读出阈值的读出单元41b。比较单元42,对从反射运算电路14输入的反射系数值或是反射量与从读出单元41b读出的阈值进行比较,基于比较结果输出对频率控制电路16指示再控制的再控制信号。
此外,再控制判定电路40具备计时电路43,当反射系数及/或反射量超出某一设定值的状态持续了一定时间的情况下输出再控制信号。
(相位偏差补偿)
以下,利用图18、19说明补偿因铺设于本发明的高频电源装置与负载之间的缆线而产生的相位差的相位偏差补偿。
图18中,示出了对高频电源装置10与阻抗匹配电路20之间以缆线50进行连接的结构。
若将高频电源装置10与缆线50的连接点设为A点,将阻抗匹配电路20与缆线50的连接点设为B点,将A点行进波的相位设为β、基于反射波的相位α、缆线的相位为γ/2,则B点中的行进波的相位以(β-γ/2)表示,反射波的相位以(α+γ/2)表示。
由该些相位,在A点及B点中相对于行进波而言反射波的落后,各自如下所示。
A点:(反射波)-(行进波)=α-β=θ
B点:(反射波)-(行进波)=(α+γ/2)-(β-γ/2)=α-β+γ=θ+γ
A点的行进波的振幅Vf、反射波的振幅Vr、以及各相位(α、β)能够通过高频电源装置所具备的方向性耦合器来检测。
此外,B点的振幅可以视为与A点相同,缆线长的相位能够以相位偏差量γ来修正,因此对于高频电源装置侧的A点的检测值进行通过基于缆线长的相位偏差量γ的相位修正,由此能够求出在匹配电路侧的B点的阻抗轨迹。
从在B点的阻抗轨迹能够求出反射系数的相位,可以与上述相位控制同样同样地决定频率控制的扫掠方向,从而能够补偿依赖于缆线长的相位偏差。
反射系数与A点的阻抗ZO的关系能够由以下式子表示。
[数3]
由于方向性耦合器能够检测行进波及反射波的振幅及相位,因此从行进波与反射波的振幅比能够求出式(5)的反射系数的纯量Γz。此外,若将行进波的相位设为β、将反射波的相位设为α,则成为(反射波)-(行进波)=α-β=θ,能够求出相对于式(5)的行进波的反射波的sinθ、cosθ。
由此,能够从A点的方向性耦合器的检测,算出A点中的相位、阻抗。另外,式(5)中,当仅着眼于相位的正负的情况下,能够仅由sinθ的符号来判断。
接着,B点的相位,能够表示成(反射波)-(行进波)=(α+γ/2)-(β-γ/2)=α-β+γ=θ+γ,因此相对于示意A点的阻抗的式(5)而言,B点的阻抗系以来表示。
[数4]
通过算出相位差γ,在式(6)所做的阻抗计算中予以补偿,便能算出匹配电路侧的B点的阻抗。
另外,γ的计算能够适用已知的手法。γ的计算的一个形态是预先使存储单元存储对高频电源装置与匹配电路进行连接的缆线的缆线长、以及波长缩短率,再使缆线长除以波长缩短率由此算出缆线的电长度(electrical length),将得到的电长度换算成相位角由此来定相位,并算出相位偏差量γ。
γ的算出的另一个形态是在实际铺设的电源系统中,将连接至匹配电路侧的缆线拆下,实际在高频电源装置侧使高频电力产生,而由从缆线的两端的电压、电流的测定值所求出的相位差来算出相位偏差量γ。
图19为缆线的相位偏差补偿说明用图。图19(a)示出了经由缆线而从高频电源装置的输出端观看时的阻抗Zin的轨迹LO1。轨迹LO1表示缆线所造成的相位偏差。图19(b)示出了补偿了相位偏差的阻抗Zin的轨迹LO2。通过进行相位偏差补偿,轨迹LO2表示对于匹配电路从输入端观看时的阻抗Zin。
另外,上述实施方式及变形例中的记述是本发明的高频电源装置的一例,本发明并不限定于各实施形态,可以基于本发明的主旨进行各种变形,且这些变形并不排除在本发明范围外。
产业利用性
本发明的高频电源装置可以适用于对于半导体或液晶面板等的制造装置、真空蒸镀装置、加热/熔融装置等使用高频的装置的高频电力的供给。
符号说明
10:高频电源装置
11:高频产生电路
12:方向性耦合器
13:相位检测电路
14:反射运算电路
15:控制方向指示电路
16:频率控制电路
17:电压检测部
18:电流检测部
20:阻抗匹配电路
30:负载
40:再控制判定电路
41:阈值更新单元
41a:存储单元
41b:读出单元
42:比较单元
43:计时电路
50:缆线
Claims (11)
1.一种高频电源装置,其是对于伴随放电的负载供给高频电力的高频电源装置,其中,该高频电源装置具备:
高频产生电路,其将频率设为可变;
频率控制电路,其输出控制上述高频产生电路的频率变更的控制信号;
反射状态检测电路,其包含检测上述高频产生电路的相位状态的相位检测电路、以及运算上述高频产生电路的输出端的反射系数值及/或反射量的反射运算电路;
控制方向指示电路,其基于上述相位检测电路输出的相位状态,在频率变更中输出指示使频率增加或减少的控制方向的方向指示信号;以及
再控制电路,其向上述频率控制电路输出对上述频率变更进行再次指示的再控制信号,
上述频率控制电路对上述高频产生电路进行通过包含相位控制以及反射电力控制的控制将频率设为可变的频率控制,并且进行基于上述再控制信号进行的对上述高频产生电路的控制信号的输出,其中,
上述相位控制为,在控制开始时,基于上述控制方向指示电路输出的方向指示信号,来控制频率变更中的频率增减,
上述反射电力控制为,在控制完毕时,将上述反射运算电路输出的反射系数值及/或反射量作为控制完毕条件来控制频率变更的持续/停止,
上述再控制电路以通过上述频率变更而决定的频率中的反射系数值及/或反射量作为中心值,并具有将在该中心值的上下具有规定宽幅的反射系数值范围及/或反射量范围作为决定再控制的阈值范围,
当处于以上述反射运算电路检测出的反射系数值为反射系数范围外以及以上述反射运算电路检测出的反射量为上述反射量范围外的至少一方时,输出再控制信号。
2.根据权利要求1所述的高频电源装置,其中,
上述再控制电路以规定时间间隔输出再控制信号,
上述频率控制电路基于上述再控制信号,再次进行反射电力控制。
3.根据权利要求1或2所述的高频电源装置,其中,上述相位检测电路基于高频产生电路的输出端的电压及电流来检测相位状态。
4.根据权利要求1或2所述的高频电源装置,其中,上述相位检测电路基于根据高频产生电路的输出端的电压及电流而求出的相位以及传送路径的相位偏差来检测相位状态。
5.根据权利要求1或2所述的高频电源装置,其中,
在上述高频产生电路的输出端具备电压检测部及电流检测部,
上述相位检测电路基于上述电压检测部的检测电压及上述电流检测部的检测电流来检测上述相位状态。
6.根据权利要求1或2所述的高频电源装置,其中,
在上述高频产生电路的输出端具备方向性检测器,
上述相位检测电路针对由上述方向性检测器分离出的行进波及反射波的分离波,由基于各分离波的电压及电流的相位的相位差来检测上述相位状态。
7.根据权利要求1或2所述的高频电源装置,其中,上述相位检测电路将对由传送线路所造成的相位偏差量进行加法运算而得到的相位作为高频产生电路的输出端的相位状态进行输出。
8.一种高频电源装置的控制方法,其为权利要求1的高频电源装置的控制方法,其特征在于,
在通过上述高频电源装置的频率变更所达成的阻抗匹配,来控制反射电力的频率控制中,具备:
相位控制工序,在控制开始时,基于高频电源装置的相位状态,来决定频率扫掠方向,该频率扫掠方向使频率变更的频率增加或减少;以及
反射电力控制工序,在由上述相位控制工序决定的频率增减所致的频率变更中,将高频电源装置的反射系数值及/或反射量作为控制完毕条件,来控制频率变更的持续/停止,
以通过上述频率变更而决定的频率中的被控制为极小的反射系数值及/或反射量作为中心值,并将在该中心值的上下具有规定宽幅的反射系数值范围及/或反射量范围作为决定再控制的阈值范围,
在上述反射系数值为反射系数范围外以及上述反射量为上述反射量范围外的至少任意一方时,再次进行频率控制。
9.根据权利要求8所述的高频电源装置的控制方法,其中,当反射系数及/或反射量超出设定值的状态持续了一定时间的情况下,再次进行频率控制。
10.根据权利要求8或9所述的高频电源装置的控制方法,其中,基于在高频电源装置的输出端的电压及电流,或者在高频电源装置的输出端的行进波的相位以及反射波的相位差,来检测相位状态。
11.根据权利要求10所述的高频电源装置的控制方法,其中,上述相位状态还包含传送路径的相位偏差量。
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