JP2007273419A - インピーダンス整合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インピーダンス整合装置の整合部１０の素子の耐電圧値を超える電圧や、耐電流値を超える電流によって、整合部の素子が破損するおそれがある。従来は、整合部の出力端における電圧を演算して異常を監視していた。しかし、整合動作中の演算負荷が大きい等の課題があった。
【解決手段】 可変インピーダンス素子の可動部が取り得る複数の位置を対象とし、対象となる複数の可動部の位置のそれぞれに対応する許容電力値を予め記憶した記憶部７０と、位置検出部４１，４２から出力された可動部の現在位置と記憶部７０に記憶した許容電力値とに基づいて許容電力値を定め、この許容電力値と入力電力値とを比較して、前記許容電力値よりも入力電力値の方が大きい場合に異常であると判定する異常判定部８０とを備えた。これにより、整合動作中の演算負荷を少なくできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等の用途に用いられるプラズマ処理装置等の負荷に電力を供給する高周波電源と負荷との間に設けられ、高周波電源と負荷のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合装置３に関するものである。

図５は、インピーダンス整合器が用いられる高周波電力供給システムの一例を示す図である。

この高周波電力供給システムは、半導体ウエハや液晶基板等の被加工物に、例えばプラズマエッチング、プラズマＣＶＤといった加工処理を行うためのシステムであり、高周波電源装置１、伝送線路２、インピーダンス整合装置３、負荷接続部４及び負荷５（プラズマ処理装置５）で構成されている。

高周波電源装置１は、高周波電力を出力して負荷５となるプラズマ処理装置５に供給するための装置である。なお、高周波電源装置１から出力された高周波電力は、同軸ケーブルからなる伝送線路２及びインピーダンス整合装置３及び遮蔽された銅板からなる負荷接続部４を介して負荷５に供給される。また、一般にこの種の高周波電源装置１では、無線周波数帯域の周波数（例えば、数百ｋＨｚ以上の周波数）を有する高周波電力を出力している。

負荷５（プラズマ処理装置５）は、加工部を備え、その加工部の内部に搬入したウエハ、液晶基板等の被加工物を加工（エッチング、ＣＶＤ等）するための装置であり、被加工物を加工するために、加工部にプラズマ放電用ガスを導入し、そのプラズマ放電用ガスに高周波電源装置１から供給された高周波電力（電圧）を印加することによって、上記のプラズマ放電用ガスを放電させて非プラズマ状態からプラズマ状態にしている。そして、プラズマを利用して被加工物を加工している。

インピーダンス整合装置３は、高周波電源装置１と負荷５とのインピーダンスを整合させるものである。インピーダンス整合装置３には、例えば、可変コンデンサや可変インダクタといったインピーダンスを変更できる可変インピーダンス素子等を備えた整合部１０（図６参照）が設けられ、整合部１０の可変インピーダンス素子のインピーダンス（より詳細には、可変コンデンサの場合はキャパシタンス、可変インダクタの場合はインダクタンス）を変更させることによって、インピーダンス整合を行っている。

より具体的には、例えば、高周波電源装置１の出力端から高周波電源装置１側を見たインピーダンスが、例えば５０Ωに設計され、高周波電源装置１が、特性インピーダンス５０Ωの伝送線路２でインピーダンス整合装置３の入力端子３ａに接続されているとすると、インピーダンス整合装置３は、当該インピーダンス整合装置３の入力端３ａから負荷５側を見たインピーダンスＺｉｎ（以下、入力インピーダンスＺｉｎ）を５０Ωに変換させるものである。

この際、例えば、５０Ω±１Ωのような範囲を設定して、その範囲内になればインピーダンス整合したと見なしてもよい。また、目標とするインピーダンスを５０Ωにするのではなく、あえて、他のインピーダンス（例えば５１Ω）に設定することもある。

また、インピーダンス整合装置３の整合部１０には、少なくとも１つの可変インピーダンス素子が設けられるが、他にインピーダンス固定のコンデンサやインダクタ等の素子が設けられることもある。

図６は、整合部１０の回路構成例である。
整合部１０は、図６に示すように、例えば、第１の可変コンデンサＣ１、第２の可変コンデンサＣ２、およびインダクタＬ１によって構成される。

第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２は、キャパシタンスを変更できるコンデンサである。また、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２は、それぞれ図略の可動部を有しており、可動部の位置を変位させることで、そのキャパシタンスを変更させることができる。すなわち、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２は、可変インピーダンス素子の一種である。インダクタＬ１は、第２の可変コンデンサＣ２と出力端１０ｂとの間に設けられたインダクタンス固定のインダクタである。

なお、後述する図１に示すように、インピーダンス整合装置３の入力端３ａと整合部１０の入力端１０ａとの間には、入力端情報検出部２０が設けられている。しかし、本明細書では、インピーダンス整合装置３の入力端３ａにおける電気的特性と、整合部１０の入力端１０ａにおける電気的特性は、実質的に同じと見なす。そのために、インピーダンス整合装置３の入力端３ａから負荷５側を見たインピーダンスを入力インピーダンスＺｉｎとしたときに、整合部１０の入力端１０ａから負荷５側を見たインピーダンスも入力インピーダンスＺｉｎとする。

また、整合部１０の出力端１０ｂは、実質的にインピーダンス整合装置３の出力端３ｂと同じである。そのために、インピーダンス整合装置３の出力端３ｂから負荷５側を見たインピーダンスを出力インピーダンスＺｏｕｔとしたときに、整合部１０の出力端１０ｂから負荷５側を見たインピーダンスも出力インピーダンスＺｏｕｔとする。

このような整合部１０を備えたインピーダンス整合装置３の場合、整合部１０の入力端１０ａ（実質的に、インピーダンス整合装置３の入力端３ａと同じ）では、電圧、電流とも異常に上昇することはない。しかし、整合部１０の出力端１０ｂでは、入力端１０ａに比べて、電圧が異常上昇することがあり、放電事故が生じるおそれがある。また、整合部１０の出力端１０ｂでは、大きな電流が流れるので、発熱による破損が生じるおそれがある。

そのために、第２の可変コンデンサＣ２、およびインダクタＬ１のような整合部１０の出力側にある素子は、高電圧、高電流に耐えるように設計する必要がある。しかし、実際には、小型化、軽量化、製造コスト低減のために、顧客の要求仕様を満足する範囲で有限の耐電圧値、耐電流値を持つ素子が選定される。この理由は、考えられる最大値を想定して素子を選定すると、素子が大型化、重量化するだけでなく、製造コストも高くなってしまい、実用的でなくなるからである。

そのために、顧客の方で、要求仕様を超えないように高周波電源装置１から出力する出力電力値の設定等を行っている。この理由は、出力電力値を変化させることによって、出力端１０ｂでの電圧、電流を変化させることができるからである。しかし、万が一、誤って要求仕様を超える電力設定等を行った場合、整合部１０の素子の耐電圧値を超える電圧が生じたり、耐電流値を超える電流が流れることによって、整合部１０の素子が破損するおそれがある。

そのための対策として、特開平６−１１５２８号公報に示すように、出力端１０ｂでの電圧を演算して、その演算した電圧値を監視していた。この技術を用いれば、演算した電圧値が所定値以上になると、異常と判定することができる。そして、異常と判定された場合に、例えば、高周波電源装置１の出力を停止する等して、整合部１０の素子が破損するのを防止することができる。

特開平６−１１５２８号公報

整合部１０の素子の破損を防止するために、上記のように整合部１０の出力端１０ｂにおける電圧を演算して、異常か否かを判定する方式では、次の課題がある。

（１）出力端１０ｂにおける電圧が求まっても、電流が一義的に求まるわけではなく、電流は出力インピーダンスＺｏｕｔによっても変化する。そのために、この方式では、素子の耐電流値を超える電流が流れたか否かが判定できない。

（２）演算するのは、あくまでも整合部１０の出力端１０ｂにおける電圧であるので、整合部１０の入力端１０ａから出力端１０ｂまでの途中にある素子に対する異常判定ができない。例えば、図６に示した整合部１０の場合、可変コンデンサＣ１に対する異常判定ができない。また、可変コンデンサＣ２に関しても、素子の両端にかかる電圧が、耐電圧値を超えたか否かを判定できない。

（３）特開平６−１１５２８号公報に示すように、出力端１０ｂでの出力インピーダンスＺｏｕｔを演算することができる。その考え方を応用して、整合部１０の個々の素子に関して、個別に電圧や電流を演算することが可能である。しかし、整合部１０の可変インピーダンス素子のインピーダンスは一定ではなく、高周波電源装置の出力電力値等も一定ではないので、その時点での状態に応じて演算を行う必要がある。ところが、この演算は、多くの演算工数が必要であるので、整合動作中にこの演算を行うには、演算負荷が大きい。

本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、整合部１０の出力端１０ｂだけでなく、整合部１０の入力端１０ａから出力端１０ｂまでの途中にある素子も含めて、整合部１０の素子に耐電圧値を超える電圧が生じたり、耐電流値を超える電流が流れた場合に、異常であると判定させるとともに、その判定に要する演算負荷が小さいインピーダンス整合装置を提供することを目的としている。

第１の発明によって提供されるインピーダンス整合装置３は、
高周波電力を出力する高周波電源装置と負荷との間に設けられ、高周波電源装置と負荷のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合装置において、
可動部の位置を変位させることによって、インピーダンスを変更できる可変インピーダンス素子を少なくとも１つ設けた整合手段と、
前記可変インピーダンス素子毎に設けられ、前記可変インピーダンス素子の可動部の位置を可動範囲の中で複数段階に変位させる駆動手段と、
前記駆動手段を制御することによって、前記高周波電源装置と負荷のインピーダンスが整合するように、前記可変インピーダンス素子のインピーダンスを変更させる制御手段と、
前記整合手段の入力端における電力値を検出または演算して、入力電力値として出力する入力電力取得手段と、
前記整合手段の可変インピーダンス素子が１つの場合は、この可変インピーダンス素子の可動部が取り得る複数の位置を対象とし、前記整合手段の可変インピーダンス素子が複数の場合は、複数の可変インピーダンス素子の可動部がそれぞれ取り得る複数の位置を組み合わせた位置を対象とし、対象となる位置のそれぞれに対応する許容電力値を、可動部の位置に関連付けて予め記憶した記憶手段と、
可動部の現在位置と前記記憶手段に記憶した許容電力値とに基づいて、前記可動部の現在位置に対応する許容電力値を定め、この許容電力値と前記入力電力値とを比較して、前記許容電力値よりも前記入力電力値の方が大きい場合に異常であると判定し、異常信号を出力する異常判定手段と、
を備えたものである。

第２の発明によって提供されるインピーダンス整合装置３は、
前記記憶手段が、
前記整合手段の可変インピーダンス素子が１つの場合は、この可変インピーダンス素子の可動部が取り得る全ての位置を対象とし、前記整合手段の可変インピーダンス素子が複数の場合は、複数の可変インピーダンス素子の可動部がそれぞれ取り得る全ての位置を組み合わせた位置を対象とし、対象となる位置のそれぞれに対応する許容電力値を、可動部の位置に関連付けて予め記憶したものである。

第３の発明によって提供されるインピーダンス整合装置３は、
前記記憶手段が、
前記整合手段の可変インピーダンス素子が１つの場合は、この可変インピーダンス素子の可動部が取り得る一部の位置を対象とし、前記整合手段の可変インピーダンス素子が複数の場合は、複数の可変インピーダンス素子の可動部がそれぞれ取り得る一部の位置を組み合わせた位置を対象とし、対象となる位置のそれぞれに対応する許容電力値を、可動部の位置に関連付けて予め記憶したものである。

第４の発明によって提供されるインピーダンス整合装置３は、
前記異常判定手段が、
前記記憶手段に記憶された許容電力値の中に、可動部の現在位置に対応する許容電力値がある場合は、この許容電力値を前記入力電力値と比較する許容電力値とし、
前記記憶手段に記憶された許容電力値の中に、可動部の現在位置に対応する許容電力値がない場合は、前記記憶手段に記憶された可動部の位置の中で、可動部の現在位置に隣接する複数の位置を特定し、特定した位置に対応する許容電力値の中での最小値を前記入力電力値と比較する許容電力値とするものである。

第５の発明によって提供されるインピーダンス整合装置３は、
前記制御手段が、インピーダンス整合したとき、又は、インピーダンス整合したと見なされるときに、インピーダンス整合完了信号を出力する機能を有し、
前記異常判定手段が、前記制御手段からインピーダンス整合完了信号が出力されたときに機能するものである。

第６の発明によって提供されるインピーダンス整合装置３は、
前記異常判定手段が、異常であると判定したときに、前記異常信号と共に、そのときの許容電力値を外部に出力するものである。

第７の発明によって提供されるインピーダンス整合装置３は、
前記可変インピーダンス素子毎に設けられ、前記可変インピーダンス素子の可動部の位置情報を検出し、検出した位置情報に基づいて、前記可動部の現在位置を出力する位置検出手段をさらに備え、
前記異常判定手段が、前記位置検出手段から出力された可動部の現在位置を用いるものである。

第８の発明によって提供されるインピーダンス整合装置３は、
前記制御手段が、前記駆動手段を制御するために、可動部の目標位置を演算する機能と、演算した可動部の目標位置を前記可動部の現在位置として出力する機能とを有し、前記異常判定手段が、前記制御手段から出力された可動部の現在位置を用いるものである。

第１の発明によれば、可変インピーダンス素子等の素子にかかる電圧が耐電圧値を超えると考えられる場合、または流れる電流が耐電流値を超えると考えられる場合に、異常と判定することができる。そして、異常と判定された場合は、適切な処理を行わせることが可能となる。例えば、異常信号を高周波電源装置または上位制御装置に入力することによって、高周波電源装置の電力出力を停止させることができる。そのために、可変インピーダンス素子等の素子の破損を防止することができる。この際、記憶手段に記憶している電極閾値に基づいて異常か否かの判定を行うので、この異常判定に関してインピーダンス整合動作中に複雑な演算を必要としないという利点もある。

第２の発明のように、可変インピーダンス素子の可動部が取り得る全ての位置
、又は、複数の可変インピーダンス素子の可動部がそれぞれ取り得る全ての位置を組み合わせた位置を対象として記憶手段に許容電力値を記憶した場合は、記憶手段に記憶されている許容電力値を、異常判定手段において入力電力値と比較する許容電力値とすることができるので、簡単に異常判定を行うことができる。

その反面、上記の場合は、非常に多くの許容電力値が記憶手段に記憶されることになる。例えば、可変インピーダンス素子が２つあり、それぞれの可動部が１０１段階の位置を取り得るとすると、１０１×１０１＝１０，２０１通り（約１万通り）の許容電力値を記憶する必要がある。そうなると、記憶手段の容量も多く必要となってしまう。また、非常に多くの許容電力値を定める必要があるので作業工数が多くなってしまう。

そこで、第３の発明のように、可変インピーダンス素子の可動部が取り得る一部の位置、又は、複数の可変インピーダンス素子の可動部がそれぞれ取り得る一部の位置を組み合わせた位置を対象として記憶手段に許容電力値を記憶した場合は、記憶手段の容量を低減させるとともに、許容電力値を定める作業工数を低減させることができる。ただし、前記記憶手段に記憶された許容電力値の中に、前記位置検出手段から出力する可変インピーダンス素子の可動部の現在位置に対応する許容電力値がない場合がある。その場合、第４の発明のようにして、前記異常判定手段において入力電力値と比較する許容電力値を定めるようにしている。

また、一般的に、入力電力取得手段で検出する電力値は、インピーダンス整合したとき、又は、インピーダンス整合したと見なされるときに精度が高い。反対に、インピーダンス整合していないとき、又は、インピーダンス整合したと見なされないときは、精度が低い。その理由は、入力電力取得手段が、インピーダンス整合したとき、又は、インピーダンス整合したと見なされるときに、較正が行われているからである。したがって、インピーダンス整合していないとき、又は、インピーダンス整合したと見なされないときの入力電力値に基づいて、異常か否かの判定を行っても、あまり意味がない。そこで、第５の発明のようにすることで、異常判定の精度を高めることができる。

また、第６の発明のように、異常信号と共に、そのときの許容電力値を外部に出力すると、出力した許容電力値に基づいた制御を行わせることができる。例えば、異常判定手段が出力した許容電力値を高周波電源または上位制御装置に入力することによって、可変インピーダンス素子にかかる電圧が耐電圧値を超えず、かつ、流れる電流が耐電流値を超えないように、電力の設定値を低くさせることできる。そのために、可変インピーダンス素子の破損を防止することができる。

以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。

図１は、インピーダンス整合装置３の構成例である。
整合部１０は、図６に示したものと同じであるので、説明を省略する。なお、整合部１０は、本発明の整合手段の一例である。

入力端情報検出部２０は、インピーダンス整合装置３の入力端３ａ（整合部１０の入力端１０ａと実質的に同じ）において、インピーダンス整合に必要な情報である入力電圧Ｖｉｎ（例えば、実効値）、入力電流Ｉｉｎ（例えば、実効値）、および入力電圧Ｖｉｎと入力電流Ｉｉｎとの位相差θｉｎを検出するものである。より詳細には、入力端情報検出部２０は、電圧検出部２１、電流検出部２２、位相差検出部２３によって構成されている。

第１駆動部３１は、第１の可変コンデンサＣ１と連結されており、第１駆動部３１が駆動することによって可変コンデンサＣ１のキャパシタンスを変更させることができる。同様に、第２駆動部３２は、第２の可変コンデンサＣ２と連結されており、第２駆動部３２が駆動することによって可変コンデンサＣ２のキャパシタンスを変更させることができる。このような第１駆動部３１および第２駆動部３２には、例えば、ステッピングモータ、サーボモータ等のモータが用いられる。なお、第１駆動部３１および第２駆動部３２は、本発明の駆動手段の一例である。

また、これらの第１駆動部３１および第２駆動部３２は、後述する制御部５０によって制御される。この際、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２のキャパシタンスが、それぞれ複数段階に変更可能となるように制御される。

より詳細には、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２には、それぞれ、キャパシタンスを変更させるための可動部があり、この可動部の位置を変位させることによって、キャパシタンスを変更できる仕組みになっている。そのために、第１駆動部３１および第２駆動部３２によって、それぞれの可動部を複数段階に変位させることで、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２のそれぞれのキャパシタンスを複数段階に変更させることができる。すなわち、可変インピーダンス素子のインピーダンスを複数段階に変更させることができる。

例えば、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２の可動部の位置が、それぞれ１０１段階に変位可能である場合、キャパシタンスは、１０１×１０１＝１０，２０１通りの組み合わせに変更可能となる。すなわち、整合部１０のインピーダンスは、１０，２０１通りの組み合わせに変更可能となる。

なお、可動部の位置に対するキャパシタンスは、可変インピーダンス素子の仕様または実験によって、既知となっている。そのため、可動部の位置が分かれば、キャパシタンスが分かるようになっている。

また、本実施形態では、可変インピーダンス素子として、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２のような可変コンデンサを例にして説明しているが、可変インピーダンス素子として可変インダクタを用いる場合でも、同様である。

第１位置検出部４１は、第１の可変コンデンサＣ１の可動部の位置情報を検出し、検出した位置情報に基づいて可動部の現在位置を出力するものである。なお、可動部の位置情報とは、可動部の位置を直接または間接的に示す情報のことである。例えば、本実施形態のように、第１駆動部３１がステッピングモータ等のモータの場合、第１の可変コンデンサＣ１の可動部の位置は、モータの回転によって変位する。そのために、モータの回転量を検出することによって、可動部の位置を求めることができる。そのために、モータの回転量を可動部の位置情報とすることができる。この場合、モータの回転量は、パルス信号で検出してもよいし、電圧等で検出してもよい。

また、前述したように、第１駆動部３１が、第１の可変コンデンサＣ１と連結されているので、第１の可変コンデンサＣ１の可動部の位置情報は、可変インピーダンス素子側で検出してもよいし、第１駆動部３１側で検出してもよい。本実施形態では、図１に示すように、第１駆動部３１側で検出する例を示している。

同様に、第２位置検出部４２は、第２の可変コンデンサＣ２の可動部の位置情報を検出し、検出した位置情報に基づいて可動部の現在位置を出力するものである。この第２位置検出部４２は、第１位置検出部４１と同様なので、説明を省略する。なお、第１位置検出部４１および第２位置検出部４２は、本発明の位置検出手段の一例である。

制御部５０は、入力端情報検出部２０で検出した情報に基づいて、入力インピーダンスＺｉｎが所定値になるように、インピーダンス整合を行うものである。そのために、制御部５０は、第１駆動部３１および第２駆動部３２に対して、インピーダンス整合するように指令信号を出力し、第１の可変コンデンサＣ１、第２の可変コンデンサＣ２のキャパシタンスを変更させている。このとき、第１位置検出部４１および第２位置検出部４２から出力した可動部の現在位置を入力して、フィードバック制御してもよい。

また、制御部５０は、可動部の目標位置を演算する機能を有しているので、この目標位置を可動部の現在位置として出力し、後述する異常判定部８０に入力させてもよい。

また、インピーダンス整合したとき、または、インピーダンス整合したと見なされるときに、後述する異常判定部８０に対して、整合完了信号を出力する。

なお、制御部５０は、本発明の制御手段の一例である。また、インピーダンス整合の方法に関しては公知であるため、説明を省略する。また、本実施例では、入力端情報検出部２０で検出するのは、電圧、電流、位相差であり、この情報に基づいてインピーダンス整合を行っているが、この方式に限定するものではない。例えば、進行波電圧と反射波電圧とを検出し、検出した進行波電圧と反射波電圧とに基づいてインピーダンス整合を行う方式でインピーダンス整合を行ってもよい。

電力演算部６０は、入力端情報検出部２０で検出された情報に基づいて、入力端１０ａにおける電力値を演算し、演算された電力値を入力電力値Ｐｉｎとして出力するものである。入力電力値Ｐｉｎは式（１）で表される。
Ｐｉｎ＝Ｖｉｎ・Ｉｉｎ・ｃｏｓ（θｉｎ） ・・・・・（１）

なお、インピーダンス整合装置３の入力端３ａに、入力端情報検出部２０とは別に電力検出器を設け、この電力検出器によって検出された入力電力値Ｐｉｎを出力するようにしてもよい。また、このような電力演算部６０や電力検出器は、本発明の入力電力取得手段の一例である。

記憶部７０は、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２の可動部の位置がそれぞれ取り得る複数の位置を組み合わせた位置を対象とし、対象となる位置のそれぞれに対応する許容電力値Ｐｐを、位置に関連付けて予め記憶したものである。この記憶部７０の詳細は後述する。なお、記憶部７０は、本発明の記憶手段の一例である。

異常判定部８０は、第１位置検出部４１および第２位置検出部４２から出力された可動部の現在位置と記憶部７０に記憶した許容電力値Ｐｐとに基づいて、可動部の現在位置に対応する許容電力値Ｐｐを定め、この許容電力値Ｐｐと電力演算部６０から出力された入力電力値Ｐｉｎとを比較して、許容電力値Ｐｐよりも入力電力値Ｐｉｎの方が大きい場合に異常であると判定し、異常信号を出力するものである。なお、異常判定部８０は、本発明の異常判定手段の一例である。

次に記憶部７０に記憶する許容電力値Ｐｐについて説明する。
記憶部７０に記憶されている許容電力値Ｐｐは、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２の可動部の位置がそれぞれ取り得る複数の位置を組み合わせた位置を対象とし、対象となる位置のそれぞれに対応して記憶されたものであり、高周波電源装置１から出力する電力の許容値を示すものである。すなわち、高周波電源装置１から出力する電力値が、記憶された許容電力値Ｐｐ以下であれば、整合部１０のいずれかの可変インピーダンス素子にかかる電圧が耐電圧値を超えず、かつ、流れる電流が耐電流値を超えないので、可変インピーダンス素子の破損を防止することができる。

図２は、記憶部７０に記憶する許容電力値Ｐｐの一例を示すものである。
この図２に示す許容電力値Ｐｐ（単位：Ｗ）は、整合部１０に設けられる可変インピーダンス素子が、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２の場合のものである。また、図２において、Ｃ１の欄の０〜１００の数字は、第１の可変コンデンサＣ１の可動部の位置に割り付けられた番号である。この例では、Ｃ１の欄の数字が「０」のときに、第１の可変コンデンサＣ１の可動部の位置が、基準位置（例えば最小値）であることを示し、Ｃ１の欄の数字が「１」のときに、第１の可変コンデンサＣ１の可動部の位置が、基準位置に対して１段階変位したことを示し、「１００」のときに、第１の可変コンデンサＣ１の可動部の位置が、基準位置に対して１００段階変位したことを示している。同様に、Ｃ２の欄の０〜１００の数字は、第２の可変コンデンサＣ２の可動部の位置に割り付けられた番号である。この例では、これらの数字が、可動部の位置を示す。

すなわち、この例では、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２の可動部の位置が、それぞれ０〜１００段階に変位可能であることを示している。したがって、可動部がそれぞれ取り得る位置が１０１通りあるので、それらを組み合わせた数、すなわち、１０１×１０１＝１０，２０１通りの許容電力値Ｐｐを可動部の位置に関連付けて記憶できるようになっている。なお、図２では、図面を簡略化するために、一部を省略して図示している。

そのために、例えば、可変コンデンサＣ１の可動部の位置が「２」、可変コンデンサＣ２の可動部の位置が「３」の場合には、対応する許容電力値Ｐｐは、「９００Ｗ」となる。すなわち、可変コンデンサＣ１の可動部の位置「２」と、可変コンデンサＣ２の可動部の位置「３」とを組み合わせた位置「２，３」に対応する許容電力値が「９００Ｗ」ということになる。

次に、図１の整合部１０を例にして、許容電力値Ｐｐの定め方を説明する。

整合部１０の回路定数が定まり、入力電力値Ｐｉｎが分かれば、整合部１０の各部における電圧、電流は演算によって求めることができる。そのために、予め、各可動部の位置に対応する許容電力値Ｐｐを演算によって求めておくことができる。

例えば、現時点における、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２の可動部の現在位置が、（Ｃ１，Ｃ２）＝（０，０）であり、入力電力値Ｐｉｎが、高周波電源装置の定格出力値（例えば、１０００Ｗ）の場合を考える。前述したように、可動部の位置に対するキャパシタンスは、可変インピーダンス素子の仕様または実験によって既知である。そのために、整合部１０の各部における電圧、電流は演算によって求めることができる。

ここで、整合部１０の素子の耐電圧値、耐電流値は既知である。そのために、演算結果が、整合部１０の全ての素子の耐電圧値、耐電流値を超えていないか否かを判定することができる。このとき、整合部１０のいずれかの素子の耐電圧値、耐電流値を超えていれば、その入力電力値Ｐｉｎは許容できないことになる。
この場合は、入力電力値Ｐｉｎを所定の電力値だけ下げて、再度同様の演算を行う。例えば、１００Ｗ下げて９００Ｗで演算を行う。そして、最終的に整合部１０の全ての素子の耐電圧値、耐電流値を超えない電力値が、（Ｃ１，Ｃ２）＝（０，０）のときの許容電力値Ｐｐとなる。

このような演算を、（Ｃ１，Ｃ２）＝（０，１）の場合、（Ｃ１，Ｃ２）＝（０，２）の場合、・・・と順に行っていくことにより、複数の可変インピーダンス素子の可動部がそれぞれ取り得る全ての位置を組み合わせた位置に対応する許容電力値を求めることができる。

また、上記のように、整合部１０の全ての素子に対して耐電圧値、耐電流値を超えていないか否かを判定するのではなく、特定の素子に対して判定するようにしてもよい。例えば、図１の整合部１０を例にすると、可変コンデンサＣ１と、可変コンデンサＣ２に関しては、耐電圧値、耐電流値を超えていないか否かを判定するが、インダクタＬ１に関しては、判定しないようにしてもよい。

（電圧、電流の演算例）
整合部１０の各部における電圧、電流の演算は、下記のようにして行えばよい。

例えば、高周波電源装置１から出力する高周波電力の周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］、入力電力値Ｐｉｎが１［ｋＷ］で、整合部１０において電力損失がないと仮定した場合について説明する。

図１の入力インピーダンスＺｉｎは、式（２）のように表される。また、この入力端における電流は式（３）、電圧は式（４）で表される。
Ｚｉｎ＝Ｒｉｎ＋ｊＸｉｎ ・・・・・・・・・・（２）
Ｉｉｎ＝√（Ｐｉｎ／Ｒｉｎ） ・・・・・・・・・・（３）
Ｖｉｎ＝Ｉｉｎ×｜Ｚｉｎ｜ ・・・・・・・・・・（４）

例えば、入力インピーダンスＺｉｎが５０［Ω］とすると、入力端における電流は、約４．５［Ａ］となる。また、入力端での電圧は、約２２４［Ｖ］となる。

また、可変コンデンサＣ１のインピーダンスは、式（５）で表される。なお、式（５）において、「Ｃ１」は、キャパシタンスとして用いている。
−ｊＸｃ１＝−ｊ／（ω（Ｃ１））＝−ｊ／（２πｆ（Ｃ１）） ・・・（５）

例えば、入力インピーダンスＺｉｎが５０［Ω］のときに、第１の可変コンデンサＣ１のキャパシタンスが１０００［ｐＦ］であるとすると、可変コンデンサＣ１のインピーダンス（−ｊＸｃ１）は、−ｊ１１．７［Ω］となる。したがって、可変コンデンサＣ１には、１９．１［Ａ］の電流が流れることになる。

次に、図１の第１の可変コンデンサＣ１と第２の可変コンデンサＣ２との間の箇所（ａ１点）から負荷５側を見たアドミタンスＹａ１は、式（６）で表される。そのために、ａ１点から負荷５側を見たインピーダンスＺａ１は、式（７）で表される。また、式（８）のように、インピーダンスＺａ１は、抵抗Ｒａ１とリアクタンスＸａ１とで表される。また、このａ１点におけるインピーダンスＺａ１の絶対値｜Ｚａ１｜は、式（９）で表される。
Ｙａ１＝１／Ｚｉｎ − １／（−ｊＸｃ１） ・・・・・（６）
Ｚａ１＝１／Ｙａ１ ・・・・・・・・・（７）
Ｚａ１＝Ｒａ１＋ｊＸａ１ ・・・・・・・・・（８）
｜Ｚａ１｜＝√（Ｒａ１^２＋Ｘａ１^２） ・・・・・・・・・（９）

例えば、入力インピーダンスＺｉｎが５０［Ω］のときに、第１の可変コンデンサＣ１のキャパシタンスが１０００［ｐＦ］であるとすると、インピーダンスＺａ１は、２．６＋ｊ１１．１［Ω］となる。また、インピーダンスＺａ１の絶対値｜Ｚａ１｜は、１１．４［Ω］となる。したがって、第２の可変コンデンサＣ２とインダクタＬ１には、約１９．６［Ａ］の電流が流れる。

また、可変コンデンサＣ２のインピーダンスは、式（１０）で表される。なお、式（１０）において、「Ｃ２」は、キャパシタンスとして用いている。
−ｊＸｃ２＝−ｊ／（ω（Ｃ２））＝−ｊ／（２πｆ（Ｃ２）） ・・（１０）

例えば、第２の可変コンデンサＣ２のキャパシタンスが１００［ｐＦ］であるとすると、可変コンデンサＣ２のインピーダンス（−ｊＸｃ２）は、約−ｊ１１７［Ω］になる。このときに、可変コンデンサＣ２に流れる電流が１９．６［Ａ］とすると、可変コンデンサＣ２の両端には、約２２９０［Ｖ］の電位差が生じることになる。

図１の第２の可変コンデンサＣ２とインダクタＬ１との間の箇所（ａ２点）から負荷５側を見たインピーダンスＺａ２は、式（１１）〜式（１３）のように表される。また、このａ２点におけるインピーダンスの絶対値｜Ｚａ２｜は、式（１４）で表される。
Ｚａ２＝Ｒａ２＋ｊＸａ２ ・・・・・・・・・（１１）
Ｒａ２＝Ｒａ１ ・・・・・・・・・（１２）
ｊＸａ２＝ｊＸａ１−（−ｊＸｃ２） ・・・・・・・・・（１３）
｜Ｚａ１｜＝√（Ｒａ１^２＋Ｘａ１^２） ・・・・・・・・・（１４）

例えば、上記の例の場合、インピーダンスＺａ２は、２．６＋ｊ１２８．１［Ω］となる。よって、このａ２点におけるインピーダンスの絶対値｜Ｚａ２｜は、１２８．１［Ω］となる。よって、このａ２点における電圧Ｖａ２は、約２５１０［Ｖ］となって、非常に高電圧になる。

また、インダクタＬ１のインピーダンスは、式（１５）で表される。なお、式（１５）において、「Ｌ１」は、インダクタンスとして用いている。
ｊＸＬ１＝ｊω（Ｌ１）＝ｊ２πｆ（Ｌ１） ・・・・・（１５）

例えば、インダクタＬ１のインダクタンスが１［μＨ］の場合、インダクタＬ１のインピーダンス（ｊＸＬ１）は、ｊ８５．２［Ω］となる。
したがって、インダクタＬ１の両端には、約１６７０［Ｖ］の電位差が生じることになる。

また、図１の出力インピーダンスＺｏｕｔは、式（１６）〜式（１８）のように表される。また、この出力端におけるインピーダンスの絶対値｜Ｚｏｕｔ｜は、式（１９）で表される。
Ｚｏｕｔ＝Ｒｏｕｔ＋ｊＸｏｕｔ ・・・・・・・・・（１６）
Ｒｏｕｔ＝Ｒａ１ ・・・・・・・・・（１７）
ｊＸｏｕｔ＝ｊＸａ２−（ｊＸＬ１） ・・・・・・・・・（１８）
｜Ｚｏｕｔ｜＝√（Ｒｏｕｔ^２＋Ｘｏｕｔ^２） ・・・・・・（１９）

例えば、上記の例の場合、出力インピーダンスＺｏｕｔは、２．６＋ｊ４２．９［Ω］となる。よって、この出力端におけるインピーダンスの絶対値｜Ｚｏｕｔ｜は、４３．０［Ω］となる。よって、この出力端における電圧Ｖｏｕｔは、約８４０［Ｖ］となる。

このように、整合部１０の回路定数が定まり、入力電力値Ｐｉｎが分かれば、整合部１０の各部における電圧、電流は演算によって求めることができる。そして、その演算結果が、それぞれの素子の耐電圧値、耐電流値を超えていないか否かを判定する。例えば、上記の演算例では、可変コンデンサＣ２の両端に、約２２９０［Ｖ］の電位差が生じる。この電位差が可変コンデンサＣ２の耐電圧値を越えているか否かを判定すればよい。判定した結果、もし、耐電圧値を超えていれば、演算に用いる入力電力値Ｐｉｎを下げて、再度同様の演算を行えばよい。例えば、上記では、仮想の電力値を１０００Ｗとしたが、これを９００Ｗにして演算を行えばよい。

電力値の下げ幅は、小さいほど、許容電力値Ｐｐをきめ細かく設定できるが、その分、演算回数が増える。反対に電力値の下げ幅が大きいほど、許容電力値Ｐｐの設定が粗くなるが、その分演算回数が少なくなるので、状況に応じて適度な下げ幅にすればよい。いずれにしても、この許容電力値Ｐｐは、予め定めて記憶しておくものなので、整合動作中の演算負荷は少ない。

また、実際には、整合部１０の可変インピーダンス素子や配線に抵抗成分が多少あるため、整合部１０で電力損失が生じる。そのために、上記の例よりは、電圧、電流が小さくなる。そのために、この電力損失を考慮して、許容電力値Ｐｐを定めてもよい。

図３は、第１実施形態における異常判定動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを参照して動作を説明する。

ステップ１：高周波電源装置１から高周波電力を出力する。もし、上位制御装置等から、出力電力値の変更指令があれば、その都度、出力電力値の変更を行う。

ステップ２：インピーダンス整合装置３がインピーダンス整合を行う。

ステップ３：インピーダンス整合したとき、またはインピーダンス整合したと見なされるときに、制御部５０が整合完了信号を出力する。

ステップ４：制御部５０から整合完了信号が出力されると、異常判定部８０が、可変インピーダンス素子の可動部の現在位置を入力する。

ステップ５：異常判定部８０が、可変インピーダンス素子の可動部の現在位置に対応する許容電力値Ｐｐを記憶部７０から読み込む。

ステップ６：異常判定部８０が、読み込んだ許容電力値Ｐｐと電力演算部６０で演算した入力電力値Ｐｉｎとを比較する。ここで、許容電力値Ｐｐ＜入力電力値Ｐｉｎならば、異常であると判定し、ステップ６に進む。許容電力値Ｐｐ≧入力電力値Ｐｉｎならば、再度、ステップ２に戻り処理を繰り返す。

ステップ７：ステップ６にて、異常であると判定されたときに、異常信号を出力する。

このようにすることで、万が一、要求仕様を超える過大な電力が高周波電源装置１から出力された場合にでも、可変インピーダンス素子が破損するのを防止できるようになる。例えば、高周波電源装置１に異常信号を入力して、高周波電力の出力を停止することによって、破損を防止させることができる。

また、ステップ５において、異常信号と共に、そのときの許容電力値Ｐｐを外部に出力すると、出力した許容電力値Ｐｐに基づいた制御を行わせることができる。例えば、異常判定部８０が出力した許容電力値Ｐｐを高周波電源装置１または上位制御装置に入力することによって、可変インピーダンス素子にかかる電圧が耐電圧値を超えず、かつ、流れる電流が耐電流値を超えないように、電力の設定値を低くさせることできる。そのために、高周波電源装置１の出力を停止することなく、可変インピーダンス素子の破損を防止することができる。

（第２実施形態）
図２で説明した記憶部７０は、可変インピーダンス素子の可動部が取り得る全ての位置、又は、複数の可変インピーダンス素子の可動部がそれぞれ取り得る全ての位置を組み合わせた位置を対象とし、対象となる位置のそれぞれに対応する許容電力値Ｐｐを、可動部の位置に関連付けて予め記憶されたものであった。しかし、図４に示すように、可変インピーダンス素子の可動部が取り得る一部の位置、又は、複数の可変インピーダンス素子の可動部がそれぞれ取り得る一部の位置を組み合わせた位置を対象とするようにしてもよい。このような場合について、図４を参照して説明する。

図４は、記憶部７０に記憶する許容電力値Ｐｐの別の一例を示すものである。
図４に示すように、例えば、可変インピーダンス素子の可動部が取り得る位置が０〜１００段階であったとしても、１０段階毎に許容電力値Ｐｐを求めて記憶してもよい。このようにすると、記憶部７０にデータ（可動部の位置と許容電力値Ｐｐとを関連付けて記憶したもの）がある場合は、異常判定ができるが、データが無い場合は、異常判定ができないことになる。そこで、データがない空白部分に関しては、周りのデータから許容電力値Ｐｐを求めるようにすれば、第１実施形態と同様な機能をインピーダンス整合装置３に持たすことができる。

そのために、異常判定部８０では、現時点における可変インピーダンス素子の可動部の現在位置を入力した際に、記憶部７０に対応するデータがあるか否かを判別し、ある場合は、図１と同様に異常判定を行う。しかし、データが無い場合は、記憶部７０に記憶された位置の中で、可変インピーダンス素子の可動部の現在位置に隣接する複数の位置を特定し、特定した位置に対応する許容電力値Ｐｐの中での最小値を入力電力値Ｐｉｎと比較する許容電力値Ｐｐとするようにしている。

例えば、現時点における、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２の可動部の位置が、（Ｃ１，Ｃ２）＝（２５，２５）であった場合は、隣接するデータである（２０，２０），（２０，３０），（３０，２０），（３０，３０）のそれぞれに対応する許容電力値Ｐｐを入力し、この中での最小値を許容電力値Ｐｐとする。したがって、図４の場合では、許容電力値Ｐｐが９００［Ｗ］となる。そして、この許容電力値Ｐｐに基づいて異常判定を行う。

このようにすることによって、記憶部７０の容量を少なくすることができる。また、作業工数を低減させることができる。特に、可動部の分割数を多くする場合、すなわち、インピーダンスの可変段階が多い場合は、記憶部７０に記憶するデータ数が非常に多くなるので、このようにデータ数を減らす効果は大きい。

なお、これまでの説明では、インピーダンス整合装置３の整合部１０に可変インピーダンス素子を２つ備えた例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図１の整合部１０の第１の可変コンデンサＣ１に代えて、固定のキャパシタンスを有する固定コンデンサを設けた構成の整合部にも適用できる。この場合、記憶部７０には、第２の可変コンデンサＣ２の位置に対するデータのみが記憶されることになる。

また、インピーダンス整合装置３の整合部１０に可変インピーダンス素子を３つ以上設けた構成の整合部、可変インダクタを設けた構成の整合部のような、他の種類の整合部にも適用できる。これらの場合でも、同様に、可変インピーダンス素子にかかる電圧が耐電圧値を超えず、かつ、流れる電流が耐電流値を超えないように、許容電力値Ｐｐを求めることができる。そして、これらの許容電力値Ｐｐを用いることによって、可変インピーダンス素子の破損を防止することができる。

また、１つの駆動部で２つ以上の可変インピーダンス素子を駆動する場合が考えられる。例えば、第２の可変コンデンサＣ２の代わりに、２つの可変コンデンサを並列接続し、それを第２駆動部３２で駆動させることができる。この場合は、並列接続された２つの可変コンデンサを１つの可変インピーダンス素子と見なせば、上記と同様に異常判定を行うことができる。

インピーダンス整合装置３の構成例である。 記憶部７０に記憶する許容電力値Ｐｐの一例を示すものである。 第１実施形態における異常判定動作を示すフローチャートである。 記憶部７０に記憶する許容電力値Ｐｐの別の一例を示すものである。 インピーダンス整合器が用いられる高周波電力供給システムの一例を示す図である。 整合部１０の回路構成例である。

符号の説明

１ 高周波電源装置１
２ 伝送線路２
３ インピーダンス整合装置３
４ 負荷接続部４
５ 負荷（プラズマ処理装置）
１０ 整合部
２０ 入力端情報検出部
２１ 電圧検出部
２２ 電流検出部
２３ 位相差検出部
３１ 第１駆動部
３２ 第２駆動部
４１ 第１位置検出部
４２ 第２位置検出部
５０ 制御部
６０ 電力演算部
７０ 記憶部
８０ 異常判定部
Ｃ１ 第１の可変コンデンサ
Ｃ２ 第２の可変コンデンサ
Ｌ１ インダクタ
Ｐｐ 許容電力値
Ｐｉｎ 入力電力値
Ｃ１ 第１の可変コンデンサ
Ｃ２ 第２の可変コンデンサ
Ｌ１ インダクタ

Claims (8)

1. 高周波電力を出力する高周波電源装置と負荷との間に設けられ、高周波電源装置と負荷のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合装置において、
   可動部の位置を変位させることによって、インピーダンスを変更できる可変インピーダンス素子を少なくとも１つ設けた整合手段と、
   前記可変インピーダンス素子毎に設けられ、前記可変インピーダンス素子の可動部の位置を可動範囲の中で複数段階に変位させる駆動手段と、
   前記駆動手段を制御することによって、前記高周波電源装置と負荷のインピーダンスが整合するように、前記可変インピーダンス素子のインピーダンスを変更させる制御手段と、
   前記整合手段の入力端における電力値を検出または演算して、入力電力値として出力する入力電力取得手段と、
   前記整合手段の可変インピーダンス素子が１つの場合は、この可変インピーダンス素子の可動部が取り得る複数の位置を対象とし、前記整合手段の可変インピーダンス素子が複数の場合は、複数の可変インピーダンス素子の可動部がそれぞれ取り得る複数の位置を組み合わせた位置を対象とし、対象となる位置のそれぞれに対応する許容電力値を、可動部の位置に関連付けて予め記憶した記憶手段と、
   可動部の現在位置と前記記憶手段に記憶した許容電力値とに基づいて、前記可動部の現在位置に対応する許容電力値を定め、この許容電力値と前記入力電力値とを比較して、前記許容電力値よりも前記入力電力値の方が大きい場合に異常であると判定し、異常信号を出力する異常判定手段と、
   を備えたインピーダンス整合装置
2. 前記記憶手段は、
   前記整合手段の可変インピーダンス素子が１つの場合は、この可変インピーダンス素子の可動部が取り得る全ての位置を対象とし、前記整合手段の可変インピーダンス素子が複数の場合は、複数の可変インピーダンス素子の可動部がそれぞれ取り得る全ての位置を組み合わせた位置を対象とし、対象となる位置のそれぞれに対応する許容電力値を、可動部の位置に関連付けて予め記憶したものである請求項１に記載のインピーダンス整合装置。
3. 前記記憶手段は、
   前記整合手段の可変インピーダンス素子が１つの場合は、この可変インピーダンス素子の可動部が取り得る一部の位置を対象とし、前記整合手段の可変インピーダンス素子が複数の場合は、複数の可変インピーダンス素子の可動部がそれぞれ取り得る一部の位置を組み合わせた位置を対象とし、対象となる位置のそれぞれに対応する許容電力値を、可動部の位置に関連付けて予め記憶したものである請求項１に記載のインピーダンス整合装置。
4. 前記異常判定手段は、
   前記記憶手段に記憶された許容電力値の中に、可動部の現在位置に対応する許容電力値がある場合は、この許容電力値を前記入力電力値と比較する許容電力値とし、
   前記記憶手段に記憶された許容電力値の中に、可動部の現在位置に対応する許容電力値がない場合は、前記記憶手段に記憶された可動部の位置の中で、可動部の現在位置に隣接する複数の位置を特定し、特定した位置に対応する許容電力値の中での最小値を前記入力電力値と比較する許容電力値とする請求項３に記載のインピーダンス整合装置。
5. 前記制御手段は、インピーダンス整合したとき、又は、インピーダンス整合したと見なされるときに、インピーダンス整合完了信号を出力する機能を有し、
   前記異常判定手段は、前記制御手段からインピーダンス整合完了信号が出力されたときに機能する、請求項１〜４のいずれかに記載のインピーダンス整合装置。
6. 前記異常判定手段は、異常であると判定したときに、前記異常信号と共に、そのときの許容電力値を外部に出力する請求項１〜５のいずれかに記載のインピーダンス整合装置。
7. 前記可変インピーダンス素子毎に設けられ、前記可変インピーダンス素子の可動部の位置情報を検出し、検出した位置情報に基づいて、前記可動部の現在位置を出力する位置検出手段をさらに備え、
   前記異常判定手段は、前記位置検出手段から出力された可動部の現在位置を用いる請求項１〜６のいずれかに記載のインピーダンス整合装置。
8. 前記制御手段は、前記駆動手段を制御するために、可動部の目標位置を演算する機能と、演算した可動部の目標位置を前記可動部の現在位置として出力する機能とを有し、
   前記異常判定手段は、前記制御手段から出力された可動部の現在位置を用いる請求項１〜６のいずれかに記載のインピーダンス整合装置。
   
   

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