JP2014195189A

JP2014195189A - 電力合成器および電力分配器

Info

Publication number: JP2014195189A
Application number: JP2013070842A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Takei; 宏卓武居
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-09
Also published as: US20140292441A1; US9461353B2

Abstract

【課題】従来の電力合成器では、入力端子に入力される高周波電力が大電力になる場合、各伝送回路に用いられるコンデンサには、耐電圧特性、耐電流特性に優れたコンデンサを用いる必要があり、製造コストが高くなるという課題があった。
【解決手段】本発明の電力合成器１０は、図２のように、入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎに接続された第１〜第ｎの伝送回路Ｔ１〜Ｔｎを経由して電力合成される。各伝送回路Ｔ１〜Ｔｎは、第１のインダクタ（Ｌ１１〜Ｌｎ１）と同軸ケーブル（Ｃｏ１〜Ｃｏｎ）と第２のインダクタ（Ｌ１２〜Ｌｎ２）とが直列接続された回路で構成されている。同軸ケーブルの等価回路は、図３のようになるため、高価なコンデンサを用いないにも関わらず、各伝送回路Ｔ１〜Ｔｎは、従来と同様の電気特性を得ることができる。同軸ケーブルは比較的安価に入手できるので、電力合成器の製造コストを低減させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の入力端子のそれぞれに入力された高周波電力を、前記各入力端子に接続された伝送回路を経由して１つの出力端子から出力するように電力合成する電力合成器及びその逆の機能を有する電力分配器に関するものである。

図４は、従来の電力合成器の構成例である。
従来の電力合成器１０’は、第１〜第ｎの入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎのそれぞれに入力された高周波電力Ｐ１〜Ｐｎを、第１〜第ｎの入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎのぞれぞれに接続された伝送回路Ｔ１’〜Ｔｎ’を経由して１つの出力端子ＯＵＴから出力するように電力合成される。

また、第１〜第ｎの入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎには、それぞれに対応する各伝送回路Ｔ１’〜Ｔｎ’とは並列に抵抗Ｒ１〜Ｒｎの一旦が接続されており、且つ、抵抗Ｒ１〜Ｒｎの他端が他の各入力端子に接続された抵抗と接続されることにより、入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎがそれぞれに接続された抵抗を介して、他の入力端子と相互接続するように構成されている。

また、各伝送回路Ｔ１’〜Ｔｎ’は、ぞれぞれ、第１のインダクタ（Ｌ１１〜Ｌｎ１）と第２のインダクタ（Ｌ１２〜Ｌｎ２）とが直列接続されるとともに、第１のインダクタと第２のインダクタとの接続点がコンデンサ（Ｃ１〜Ｃｎ）を介して接地されている。

図５は、従来の電力合成器の他の構成例である。
この図５は、図４と各伝送回路Ｔ１’’〜Ｔｎ’’の構成が異なるだけで、他は同じである。具体的には、各伝送回路Ｔ１’’〜Ｔｎ’’は、第１〜第ｎのインダクタＬ１〜Ｌｎと、第１〜第ｎのインダクタＬ１〜Ｌｎの入力端子側とアース間にそれぞれ設けられた第１のコンデンサ（Ｃ１１〜Ｃｎ１）と、第１〜第ｎのインダクタＬ１〜Ｌｎの出力端子側とアース間にそれぞれ設けられた第２のコンデンサ（Ｃ１２〜Ｃｎ２）とによって構成されている。

特開平７−２６３９９３

半導体ウエハや液晶基板等の被加工物に対して高周波電源装置から出力される高周波電力を利用して、例えばプラズマエッチングといった加工処理を行う高周波電力供給システムがある。このような用途に用いられる高周波電源装置では、内部に高周波電力を出力する複数の増幅回路と、複数の増幅回路から出力される高周波電力を合成して出力する電力合成器が用いられている。このような用途に用いられる高周波電源装置に、図４、図５のような電力合成器を用いた場合、電力合成器の入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎに入力される高周波電力が大電力になる場合がある。

図４、図５のような電力合成器において、入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎに入力される高周波電力が大電力になる場合、各伝送回路Ｔ１〜Ｔｎに用いられるコンデンサには、耐電圧特性、耐電流特性に優れたコンデンサを用いる必要がある。このような耐電圧特性、耐電流特性に優れたコンデンサは、非常に高価であるので、電力合成器の製造コストが高くなるという課題があった。電力合成器と逆の機能を有する電力分配器も同様である。

本発明は、従来よりも製造コストを安くできる電力合成器及び電力分配器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電力合成器は、
複数の入力端子のそれぞれに入力された高周波電力を、前記各入力端子に接続された伝送回路を経由して１つの出力端子から出力するように電力合成する電力合成器において、
前記各入力端子には、前記各伝送回路とは並列に抵抗の一旦が接続されており、且つ、この抵抗の他端が他の各入力端子に接続された抵抗と接続されることにより、前記各入力端子がそれぞれに接続された抵抗を介して、他の入力端子と相互接続するように構成されているとともに、
前記各伝送回路は、第１のインダクタと特性インピーダンスが一定の伝送手段と第２のインダクタとが直列接続された回路で構成されていることを特徴としている。

第２の発明によって提供される電力分配器は、
１つの入力端子に入力された高周波電力を、前記入力端子に接続された伝送回路を経由して複数の出力端子から出力するように電力分配する電力分配器において、
前記各出力端子には、前記各伝送回路とは並列に抵抗の一旦が接続されており、且つ、この抵抗の他端が他の各出力端子に接続された抵抗と接続されることにより、前記各出力端子がそれぞれに接続された抵抗を介して、他の出力端子と相互接続するように構成されているとともに、
前記各伝送回路は、第１のインダクタと特性インピーダンスが一定の伝送手段と第２のインダクタとが直列接続された回路で構成されていることを特徴としている。

前記第１の発明又は第２の発明における前記特性インピーダンスが一定の伝送手段が、同軸ケーブルであることを特徴としている。

また、前記同軸ケーブルは、軸心にある内部導体と、前記内部導体を覆う絶縁体と、前記絶縁体を覆う外部導体とを備えており、前記外部導体が接地されていることを特徴としている。

本発明では、従来よりも製造コストを安くできる電力合成器及び電力分配器を提供することができる。

高周波電源装置が適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。本発明にかかる電力合成器１０の構成例である。同軸ケーブルの等価回路を示す図である。従来の電力合成器の構成例である。従来の電力合成器の他の構成例である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、従来と同一又は同様の構成には、同一符号を付している。

図１は、高周波電源装置が適用さ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対して進行波電力を供給して、例えばプラズマエッチングといった加工処理を行うものである。この高周波電力供給システムは、高周波電源装置１、伝送線路２、インピーダンス整合器３、負荷接続部４及び負荷５で構成されている。なお、インピーダンス整合器３を用いない構成にしてもよい。

高周波電源装置１は、発振部（発振器）から出力される高周波信号を、図示しない複数の増幅回路で増幅し、後述する電力合成器１０によって電力合成後、無線周波数帯域の出力周波数を有する進行波電力として出力する。高周波電源装置１から出力された進行波電力は、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器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。なお、高周波電源装置から負荷に向かう高周波電力を進行波電力といい、負荷で反射されて高周波電源装置側に戻ってくる高周波電力を反射波電力という。また、一般にこの種の高周波電源装置では、数百ｋＨｚ以上の周波数（例えば、１３ＭＨｚ，４０ＭＨｚ等の周波数）を有する進行波電力を出力している。

インピーダンス整合器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。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（出力インピーダンス）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器３の入力端に接続されているとすると、インピーダンス整合器３は、当該インピーダンス整合器３の入力端から負荷５側を見たインピーダンスを５０Ωに変換させるものである。

負荷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る。この負荷５は、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から供給された進行波電力（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。

図２は、本発明にかかる電力合成器１０の構成例である。
電力合成器１０は、第１〜第ｎの入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎのそれぞれに入力された高周波電力Ｐ１〜Ｐｎを、第１〜第ｎの入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎのぞれぞれに接続された第１〜第ｎの伝送回路Ｔ１〜Ｔｎを経由して１つの出力端子ＯＵＴから出力するように電力合成される。なお、ｎは２以上の整数である。

また、第１〜第ｎの入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎには、それぞれに対応する各伝送回路Ｔ１〜Ｔｎとは並列に抵抗Ｒ１〜Ｒｎの一旦が接続されており、且つ、抵抗Ｒ１〜Ｒｎの他端が他の各入力端子に接続された抵抗と接続されることにより、入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎがそれぞれに接続された抵抗を介して、他の入力端子と相互接続するように構成されている。

また、各伝送回路Ｔ１〜Ｔｎは、ぞれぞれ、第１のインダクタ（Ｌ１１〜Ｌｎ１）と同軸ケーブル（Ｃｏ１〜Ｃｏｎ）と第２のインダクタ（Ｌ１２〜Ｌｎ２）とが直列接続された回路で構成されている。

同軸ケーブル（Ｃｏ１〜Ｃｏｎ）は、軸心にある内部導体と、内部導体を覆う絶縁体と、絶縁体を覆う外部導体とを備えている。また、外部導体を覆う保護被覆を備えている場合もある。また、外部導体の両端が接地されている。

図３は同軸ケーブルの等価回路を示す図である。この図３に示すように、同軸ケーブルは、直列接続されたインダクタと、アースに接続されるコンデンサとによって構成されていると見なされる。すなわち、図４、図５の電力合成器と同様に、アースに接続されるコンデンサを実質的に備えていることになる。そのため、図４、図５で用いられていた高価なコンデンサを用いないにも関わらず、各伝送回路Ｔ１〜Ｔｎは、従来と同様の電気特性を得ることができる。そして、同軸ケーブルは比較的安価に入手できるので、電力合成器の製造コストを低減させることができる。

なお、図３に示す構成は、ローパスフィルタと同様の構成であるので、ローパスフィルタが必要な回路に適用すれば、ローパスフィルタの簡略化や省略が可能となる。

図２では、電力合成器として説明したが、出力端子ＯＵＴを入力端子とし、第１〜第ｎの入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎを第１〜第ｎの出力端子とすれば、電力分配器として機能させることができる。電力分配器として機能させた場合でも、同様の効果がある。

また、上記では、同軸ケーブルを用いて説明したが、同軸ケーブルと同様に、特性インピーダンスが一定のものであれば、同軸ケーブルの代わりに用いることができる。例えば、マイクロストリップラインは同軸ケーブルの代わりに用いることができる。

また上記では、電力合成器及び電力分配器が、図１に示した高周波電源装置１で用いられる例を示したが、これに限定されるものではなく、本発明は、高周波電力を対象とする電力合成器及び電力分配器に適用することができる。

１高周波電源装置
２伝送線路
３インピーダンス整合器
４負荷接続部
５負荷
１０電力合成器
Ｃｏ１〜Ｃｏｎ各伝送回路内の同軸ケーブル
ＩＮ１〜ＩＮｎ第１〜第ｎの入力端子
Ｌ１１〜Ｌｎ１各伝送回路内の第１のインダクタ
Ｌ１２〜Ｌｎ２各伝送回路内の第２のインダクタ
ＯＵＴ出力端子
Ｒ１〜Ｒｎ抵抗
Ｔ１〜Ｔｎ第１〜第ｎの伝送回路

Claims

複数の入力端子のそれぞれに入力された高周波電力を、前記各入力端子に接続された伝送回路を経由して１つの出力端子から出力するように電力合成する電力合成器において、
前記各入力端子には、前記各伝送回路とは並列に抵抗の一旦が接続されており、且つ、この抵抗の他端が他の各入力端子に接続された抵抗と接続されることにより、前記各入力端子がそれぞれに接続された抵抗を介して、他の入力端子と相互接続するように構成されているとともに、
前記各伝送回路は、第１のインダクタと特性インピーダンスが一定の伝送手段と第２のインダクタとが直列接続された回路で構成されていることを特徴とする電力合成器。
１つの入力端子に入力された高周波電力を、前記入力端子に接続された伝送回路を経由して複数の出力端子から出力するように電力分配する電力分配器において、
前記各出力端子には、前記各伝送回路とは並列に抵抗の一旦が接続されており、且つ、この抵抗の他端が他の各出力端子に接続された抵抗と接続されることにより、前記各出力端子がそれぞれに接続された抵抗を介して、他の出力端子と相互接続するように構成されているとともに、
前記各伝送回路は、第１のインダクタと特性インピーダンスが一定の伝送手段と第２のインダクタとが直列接続された回路で構成されていることを特徴とする電力分配器。
特性インピーダンスが一定の伝送手段が、同軸ケーブルである請求項１又は２に記載の電力合成器。
前記同軸ケーブルは、軸心にある内部導体と、前記内部導体を覆う絶縁体と、前記絶縁体を覆う外部導体とを備えており、前記外部導体が接地されている請求項３に記載の電力合成器。