JP2015012686A - 高周波電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス等の変調波により変調された高周波電力を得る高周波電源装置において、高周波電力のレベルがパルスの周波数より低い周波数で変動するのを防止すること。【解決手段】ＤＣ−ＤＣ変換部２と、ＤＣ−ＲＦ変換部３と、変調波で変調された高周波電力のレベルの設定値と高周波電力の検出値との偏差に基づいて発生させた制御指令信号を鋸歯状波形のキャリア信号と比較することにより得たＰＷＭ制御信号をＤＣ−ＤＣ変換部２に与えて、ＤＣ−ＲＦ変換部３から出力される変調された高周波電力の各瞬時のレベルを設定されたレベルに保つようにＤＣ−ＤＣ変換部２の出力を制御する高周波電力制御部６とを備えた高周波電源装置に、キャリア信号の周波数を、変調波の周波数の整数倍に等しい周波数として演算するキャリア周波数演算部６０５を設けて、演算された周波数を有するキャリア信号をキャリア信号発生部６０３から発生させるようにした。【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置等の負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置に関するものである。

種々の被処理物を処理する際に、高周波電力をプロセスチャンバ内のガスに輻射してプラズマ化する技術が用いられている。例えば、半導体の製造工程では、プロセスチャンバ内に配置した電極に高周波電力を供給してチャンバ内に高周波電力を輻射することによりチャンバ内のガスをプラズマ化し、プラズマ化したガスを被処理物に供給することによりエッチング処理を行なっている。

プラズマ負荷等に高周波電力を供給する高周波電源装置として、特許文献１に示されているように、商用電源の出力を整流して得た直流電圧を昇圧又は降圧するＤＣ−ＤＣ変換部と、このＤＣ−ＤＣ変換部のＤＣ出力を高周波出力（ＲＦ出力）に変換するＤＣ−ＲＦ変換部と、ＤＣ−ＲＦ変換部が出力する高周波出力を設定値に保つようにＤＣ−ＤＣ変換部の出力を制御する高周波出力制御部とを備えたものが知られている。

近年、半導体の製造工程では、微細なエッチング加工を可能にするために、パルス波形や階段状波形等の波形を有する変調波により変調された高周波電力をプロセスチャンバ内に輻射することが行なわれるようになっている。変調された高周波電力をプラズマ処理に用いる場合には、変調された高周波電力の各瞬時のレベル（大きさ）が正確に設定値に保たれるように管理されることが必要であり、加工の微細化に伴って、管理をより精密に行って安定な高周波電力をプロセスチャンバ内の電極に供給することが求められるようになっている。

上記のように、パルス波形等の波形を有する変調波により変調された高周波電力を得る高周波電源装置は、図１２に示したように構成することができる。図１２において、１は商用電源等から得た交流入力（ＡＣ入力）を直流電圧（ＤＣ電圧）に変換するＡＣ−ＤＣ変換部、２はＡＣ−ＤＣ変換部１から得られる直流電圧を所望のレベルを有する直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣ変換部（ＤＣ−ＤＣコンバータ）、３はＤＣ−ＤＣ変換部２の出力を高周波電力（ＲＦ電力）に変換するＤＣ−ＲＦ変換部、４はＤＣ−ＲＦ変換部３から負荷に与えられる高周波電力の少なくとも進行波成分を検出する高周波出力検出部である。また５はＤＣ−ＲＦ変換部から設定された変調波形で変調された高周波電力を出力させる際に変調された高周波電力が各瞬時にとるべきレベルの設定値を設定する高周波出力設定部、６はＤＣ−ＤＣ変換部２を制御する高周波電力制御部である。高周波電力制御部６は、高周波出力検出部４により検出される高周波電力の各瞬時のレベルを高周波出力設定部５により設定された各瞬時のレベルの設定値に等しくするようにＤＣ−ＤＣ変換部２を制御する。

図１２において、ＤＣ−ＲＦ変換部３は、ＤＣ−ＤＣ変換部２が出力する直流電圧を電源として高周波信号を増幅する回路により構成することができる。ＤＣ−ＤＣ変換部２の出力を制御する手法としては、特許文献２に示されているように、出力の設定値と検出値との偏差の情報を含む制御指令信号を、三角波又は鋸歯状の波形を有するキャリア信号と比較することにより得たＰＷＭ制御信号を用いてＤＣ−ＤＣコンバータを構成するスイッチ素子をオンオフ制御（ＰＷＭ制御）する手法が一般に用いられている。

上記のように、ＤＣ−ＤＣ変換部と該ＤＣ−ＤＣ変換部の出力を高周波電力に変換するＤＣ−ＲＦ変換部とを設けて、ＤＣ−ＤＣ変換部をＰＷＭ制御することにより、レベルが設定値に保たれた高周波電力を得る高周波電源装置において、高周波電力を所定の波形を有する変調波により変調するためには、高周波出力設定部５で設定された高周波電力の各瞬時のレベルの設定値と高周波電力検出部４で検出される変調された高周波電力の各瞬時のレベルの検出値との偏差の情報を含む制御指令信号をキャリア信号と比較することにより得たＰＷＭ制御信号をＤＣ−ＤＣ変換部２に与えて、各瞬時のレベルが高周波出力設定部５で設定された各瞬時のレベルに等しい変調された高周波電力をＤＣ−ＲＦ変換部３から出力させるべくＤＣ−ＤＣ変換部の出力を制御するようにすればよい。この場合高周波電力制御部６は、例えば図１３に示されているように構成することができる。

図１３に示された高周波出力検出部４は、例えばＤＣ−ＲＦ変換部３の出力から高周波電圧の進行波成分を検出する方向性結合器と、該方向性結合器により検出された高周波電圧の進行波成分の包絡線の波形の情報を抽出して高周波電圧検出信号を出力する検波回路と、該検波回路から得られる高周波電圧検出信号を負荷に与えられる電力を示す高周波電力検出信号Ｖrfに変換する変換手段とにより構成される。

また高周波出力設定部５は、所定の変調波形で高周波電力を変調する際に高周波電力が各瞬時においてとるべきレベルの設定値を与える高周波電力設定信号Ｖm を高周波電力検出信号Ｖrfと比較し得る形で（高周波電力検出信号Ｖrfと比較し得る波形を有する形で）発生する。高周波電力設定信号Ｖmは、変調波（今の例ではパルス）と同様の波形を有する信号であり、そのレベルは高周波電力が各瞬時にとるべきレベルに対応している。

図１３に示された高周波電力制御部６を構成する諸要素のうち、６０１は、ＤＣ−ＲＦ変換部３の出力周波数（高周波電源装置の出力周波数）に等しい高周波信号を発生する高周波信号発生部である。また６０２は、高周波出力検出部４が出力する高周波電力検出信号Ｖrfと、高周波出力設定部５が出力する高周波電力設定信号との偏差を演算すると共に、該偏差にＰＩＤ演算等の制御演算と増幅とを施すことにより、高周波出力設定部５により設定された高周波電力の各瞬時のレベルの設定値と、高周波電力検出部４により検出された高周波電力の各瞬時のレベルとの偏差の情報を含む制御指令信号Ｖeを出力する誤差増幅部、６０３′は、変調波の周波数（以下変調周波数という。）よりも高い一定の周波数を有するキャリア信号Ｖｃを発生するキャリア信号発生部、６０４は誤差増幅部から得られる制御指令信号Ｖｅをキャリア信号Ｖｃと比較して、ＤＣ−ＤＣ変換部２に与えるＰＷＭ制御信号Ｖpwmを発生するＰＷＭ制御信号発生部である。

図１３に示されたＡＣ−ＤＣ変換部１は、商用交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する回路により構成することができる。またＤＣ−ＤＣ変換部２は、例えば、上下のアームがスイッチ素子により構成された複数のレグを並列接続した構成を有して、スイッチ素子のオンオフによりＡＣ−ＤＣ変換部１から与えられる直流電圧を交流電圧に変換するフルブリッジ型のインバータ回路と、該インバータ回路から出力される交流電圧を整流する整流回路とを備えた周知のＤＣ−ＤＣコンバータにより構成することができる。このようなＤＣ−ＤＣコンバータによりＤＣ−ＤＣ変換部を構成する場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ内のインバータ回路を構成するスイッチ素子をＰＷＭ制御信号により所定のデューティ比でオンオフ制御する（ＰＷＭ制御する）ことにより、ＤＣ−ＤＣ変換部２からレベルが制御された、パルス状の直流電圧を出力させることができる。

ＤＣ−ＲＦ変換部３は、例えば、ＤＣ−ＤＣ変換部２から得られる直流出力を、高周波信号発生部６０１が出力する高周波信号の周波数に等しい周波数を有する高周波出力に変換するインバータ回路と、該インバータ回路から得られる高周波出力から高調波成分を除去する回路とを備えたＤ級アンプにより構成することができる。

図１４は、図１３に示された高周波電力制御部６の各部の信号波形を時間ｔに対して示したものである。図１４（Ａ）はキャリア信号Ｖcの波形を実線で、誤差増幅部から得られる制御指令信号Ｖeの波形を破線で示し、同図（Ｂ）は高周波電力設定信号Ｖm の波形を示している。また図１４（Ｃ）はＰＷＭ制御信号Ｖpwmの波形を示し、同図（Ｄ）及び（Ｅ）はそれぞれＤＣ−ＤＣ変換部２が出力する直流電圧Ｖdcの波形及びＤＣ−ＲＦ変換部３が出力する高周波電圧の包絡線の波形を示している。ＤＣ−ＲＦ変換部３が出力する高周波電圧の波形［図１４（Ｅ）］のうち、包絡線の内側の薄墨色で示された部分は、高周波信号発生部６０１が出力する高周波信号の波形に相応した高周波交流波形を呈している。

キャリア信号発生部６０３′は、変調周波数よりも十分に高く、高周波電源装置の出力周波数よりは低い周波数を有する鋸歯状の波形を有するキャリア信号Ｖcを発生し、ＰＷＭ制御信号発生部６０４は、制御指令信号Ｖeとキャリア信号Ｖcとを比較して、制御指令信号Ｖeのレベルがキャリア信号Ｖcのレベルを超えている期間ハイレベルを示し、制御指令信号Ｖeのレベルがキャリア信号Ｖcのレベル以下になっている期間ローレベルを示すパルス波形のＰＷＭ制御信号Ｖpwm（図１４Ｃ）をＤＣ−ＤＣ変換部２のスイッチ素子に与える。ＤＣ−ＤＣ変換部２は、変調波（今の例ではパルス）と同様の波形を有し、ＤＣ−ＲＦ変換部３が出力する高周波電力の値を設定値に等しくするために必要なレベルを有する直流電圧Ｖdc［図１４（Ｄ）］をＤＣ−ＲＦ変換部３に与える。この場合、キャリア信号Ｖcの周波数（ＰＷＭ制御信号の周波数）が、ＤＣ−ＤＣ変換部２をＰＷＭ制御する際のスイッチング周波数となる。

ＤＣ−ＲＦ変換部３は、ＤＣ−ＤＣ変換部２から与えられたパルス波形の直流出力Ｖdcを、高周波信号発生部６０１が出力する高周波信号の周波数に等しい周波数を有する高周波電力に変換することにより、パルス（変調波）により変調され、かつレベルが高周波電力設定信号Ｖm により設定された設定値に等しくなるように制御された高周波電力を負荷（図示せず。）に与える。

特開２０１２−５０２９６号公報 特開２００６−２４６５９８号公報

上記のような構成を有する高周波電源装置においては、変調波とキャリア信号との間の同期ずれに起因して、図１４（Ｃ）に示すように、時間の経過に伴ってＰＷＭ制御信号Ｖpwmの位相が僅かずつずれていく状態が周期的に繰り返され、これにより、ＤＣ−ＲＦ変換部３が出力する高周波電圧の包絡線の波形が、変調周波数よりも低い周波数で変動し、特に、高周波電圧の包絡線の波形の立ち上がり付近で、負荷に与えられる高周波電力のレベルが変調周波数よりも低い周波数で変動することがあった。この変動を高周波電力の低周波変動と呼ぶことにする。この低周波変動は、変調波が、パルス波形や階段状波形のようにステップ状のレベル変化を示す波形を有する場合に特に顕著に現れる。

ここで、ＰＷＭ動作周期をＴpwm［図１４（Ａ）参照］、変調波の周期をＴp とすると、ＰＷＭ動作周期と変調波の周期とのズレＴdiffは下記の（１）式により与えられる。
Ｔdiff＝|ｎ・Ｔpwm−Ｔp| （１）
ここで、ｎは|ｎ・Ｔpwm−Ｔp|の最小値を与えるＰＷＭ動作周期の数（整数）であり、図１４に示した例ではｎ＝６である。ズレの繰り返し（積み重ね）によるズレ時間がＰＷＭ動作周期Ｔpwmと同じ時間になると、再び同じ動作を繰り返す。ずれ時間がＰＷＭ動作周期Ｔpwmと同じ時間になるまでの繰り返し回数をＮrep とすると、Ｎrep は下記の（２）式により与えられる。
Ｎrep ＝Ｔpwm／Ｔdiff
＝Ｔpwm／|ｎ・Ｔpwm−Ｔp| （２）
この繰り返し回数分の時間が、変調波の周波数よりも低い周波数で起る変動の周期であるから、その変動の周期Ｔm は下記の（３）式により与えられる。
Ｔm＝Ｎrep・Ｔp＝（Ｔpwm・Ｔp）／|ｎ・Ｔpwm−Ｔp| （３）
従って、キャリア信号と変調波との間の同期ズレに起因して起る低周波変動の周波数ｆm は下記の（４）式により与えられる。
ｆm＝１／Ｔm ＝|ｎ・Ｔpwm−Ｔp| ／（Ｔpwm・Ｔp） （４）

例えば、変調波であるパルスの周波数が８kHz（周期１２５μs）で、ＰＷＭ周波数（キャリア周波数）が２５０kHz（ＰＷＭ動作周期：４μs）の場合、パルス波形の１周期内にＰＷＭ制御信号を構成するパルス（ＰＷＭパルス）が３１回現れ、ｎ・Ｔpwm ＝１２４μs となる。従って、Ｔdiff＝１２５μｓ−１２４μｓ＝１μｓの周期のズレが起る。この場合、ズレ時間がＰＷＭ動作周期４μｓと同じになるのは、４μｓ／１μｓ＝４周期後となるので、キャリア信号と変調波との間の同期ズレに起因して起る高周波電力の低周波変動の周期は１２５μｓ×４＝５００μｓとなる。

上記のように、高周波電力が低い周波数で変動すると、ＤＣ−ＲＦ変換部から出力される高周波電圧の包絡線の波形に現れる変調波の各立ち上がりの波形が同じにならない現象が生じ、変調波の立ち上がり付近で高周波電力のレベルが変動する。半導体のエッチング処理に用いるプラズマを発生させるために高周波電力を用いる場合のように、高周波電力の波形が精密に管理されていることが必要とされる場合に、負荷に供給される高周波電力が低周波変動する状態が生じることは極力避ける必要がある。

本発明の目的は、負荷に与える高周波電力をパルス波形や階段状波形等の波形を有する変調波により変調する場合に、ＤＣ−ＤＣ変換部に与えるＰＷＭ制御信号を発生させる際に用いるキャリア信号と変調波との間に常に同期性を持たせることができるようにして、高周波電力のレベルが変調周波数よりも低い周波数で変動する現象が生じるのを防ぐことができるようにした高周波電源装置を提供することにある。

本発明は、出力レベルのＰＷＭ制御が可能なＤＣ−ＤＣ変換部と、ＤＣ−ＤＣ変換部の出力を高周波出力に変換するＤＣ−ＲＦ変換部と、ＤＣ−ＲＦ変換部から設定された波形を有する変調波で変調された高周波電力を出力させる際に変調された高周波電力が各瞬時にとるべきレベルの設定値を設定する高周波出力設定部と、ＤＣ−ＲＦ変換部から出力された高周波電力の各瞬時のレベルを検出する高周波電力検出部と、高周波出力設定部で設定された高周波電力の各瞬時のレベルの設定値と高周波電力検出部で検出された高周波電力の各瞬時のレベルの検出値との偏差の情報を含む制御指令信号をキャリア信号と比較することにより得たＰＷＭ制御信号をＤＣ−ＤＣ変換部に与えて、各瞬時のレベルが高周波出力設定部で設定された各瞬時のレベルに等しい変調された高周波電力をＤＣ−ＲＦ変換部から出力させるべくＤＣ−ＤＣ変換部の出力を制御する高周波電力制御部とを備えた高周波電源装置を対象とする。

本発明においては、前記の目的を達成するため、キャリア信号の周波数を、変調波の周波数の整数倍に設定するようにした。

上記のように、ＰＷＭ制御信号を得る際に用いるキャリア信号の周波数を、変調波の周波数の整数倍に設定しておくと、キャリア信号と変調波とに同期性を持たせることができるため、ＤＣ−ＲＦ変換部から出力される高周波電力のレベルが変調波の周波数よりも低い周波数で変動するのを防ぐことができる。

本発明の好ましい態様では、高周波出力設定部が、変調波の周波数に等しい周波数を有し、変調された高周波電力が各瞬時にとるべきレベルに各瞬時のレベルが対応している高周波電力設定信号を発生するように構成される。この場合高周波電力制御部は、高周波電力設定信号と高周波電力検出部の出力とを入力として、高周波出力設定部で設定された高周波電力の各瞬時のレベルの設定値と高周波電力検出部で検出された高周波電力の各瞬時のレベルの検出値との偏差の情報を含む制御指令信号を発生する誤差増幅部と、高周波電力設定信号の周波数を整数倍することによりキャリア信号の周波数を演算するキャリア周波数演算部と、キャリア周波数演算部により演算された周波数を有するキャリア信号を発生するキャリア信号発生部と、キャリア信号と制御指令信号とを比較してＰＷＭ制御信号を出力するＰＷＭ制御信号発生部とを備えた構成とされる。

上記のように構成しておくと、ＤＣ−ＤＣ変換部に与えるＰＷＭ制御信号を得る際に用いるキャリア信号の周波数を常に変調波の周波数の整数倍に保って、キャリア信号と変調波とに同期性を持たせた状態を維持することができるため、ＤＣ−ＲＦ変換部から出力される高周波電力のレベルが変調波の周波数よりも低い周波数で変動するのを防ぐことができる。また高周波電力を変調する変調波の周波数が変更された場合にはＰＷＭ制御のスイッチング周波数を直ちに変更後の変調波の周波数の整数倍に調整することができるため、高周波電力を変調する変調波の周波数を適宜に変更する要求にも対応することができる。

本発明の他の好ましい態様においては、高周波電力制御部が、変調波の周波数に等しい周波数を有し、高周波出力設定部により設定された高周波電力の各瞬時のレベルに各瞬時のレベルが対応している高周波電力設定信号を発生する高周波電力設定信号発生部と、高周波電力設定信号と高周波出力検出部から得られる高周波電力検出信号との偏差の情報を含む制御指令信号を発生する誤差増幅部と、変調波の周波数である高周波電力設定信号の周波数を整数倍してキャリア信号の周波数を演算するキャリア周波数演算部と、キャリア周波数演算部により演算された周波数を有するキャリア信号を発生するキャリア信号発生部と、キャリア信号と制御指令信号とを比較してＰＷＭ制御信号を出力するＰＷＭ制御信号発生部とを備えている。

高周波電力の低周波変動により変調波の波形の立ち上がり付近で生じる高周波電力のレベル変動は、変調波の波形がステップ状の変化を示す波形である場合に特に顕著に現れる。従って本発明は、高周波出力設定部が設定する変調波の波形がパルス波形である場合や、階段状波形である場合に特に有用である。

本発明によれば、ＤＣ−ＤＣ変換部と、ＤＣ−ＤＣ変換部から得られる直流電圧を高周波電力に変換するＤＣ−ＲＦ変換部と、変調された高周波電力をそのレベルを設定値に保持した状態でＤＣ−ＲＦ変換部から出力させるようにＤＣ−ＤＣ変換部をＰＷＭ制御する高周波電力制御部とを備えた高周波電源装置において、ＤＣ−ＤＣ変換部に与えるＰＷＭ制御信号を得る際に制御指令信号と比較されるキャリア信号の周波数を、変調波の周波数の整数倍に設定するようにしたので、キャリア信号と変調波とに同期性を持たせた状態を維持して、ＤＣ−ＲＦ変換部から出力される高周波電力のレベルが変調波の周波数よりも低い周波数で変動するのを防ぐことができる。

また請求項２又は３に記載された発明によれば、変調波の周波数が変更された場合にもキャリア信号の周波数を直ちに変更後の変調波の周波数の整数倍に調整することができるため、変調波の周波数を変更する要求にも容易に適応することができる。

本発明の一実施形態の構成を概略的に示したブロック図である。 本発明の他の実施形態の構成を概略的に示したブロック図である。 本発明の実施形態で用いることができるＤＣ−ＤＣ変換部の構成例を示した回路図である。 （Ａ）ないし（Ｄ）は、図３に示したＤＣ−ＤＣ変換部の一制御方法において、同変換部を構成するインバータ回路の各スイッチ素子に与えられる駆動信号の波形を模式的に示した波形図である。 （Ａ）ないし（Ｅ）は、図３に示したＤＣ−ＤＣコ変換部の他の制御方法において、同変換部を構成するインバータ回路の各スイッチ素子に与えられる駆動信号の波形と、インバータ回路から出力される電圧の波形とを模式的に示した波形図である。 本発明の実施形態で用いることができるＤＣ−ＲＦ変換部の構成例を示した回路図である。 本発明の実施形態で用いることができるＤＣ−ＲＦ変換部の他の構成例を示した回路図である。 本発明の実施形態で用いることができるＤＣ−ＲＦ変換部の更に他の構成例を示した回路図である。 本発明の実施形態で用いることができるＤＣ−ＲＦ変換部の更に他の構成例を示した回路図である。 （Ａ）ないし（Ｅ）は、図１に示した実施形態の各部の信号波形を示した波形図である。 （Ａ）ないし（Ｅ）は、図１に示した実施形態の各部の他の信号波形を示した波形図である。 本発明が対象とする高周波電源装置の一般的な構成を示したブロック図である。 従来の高周波電源装置の高周波電力制御部の構成を示したブロック図である。 （Ａ）ないし（Ｅ）は、従来の高周波電源装置の各部の信号波形を示した波形図である。

以下図面を参照して本発明の実施形態につき詳細に説明する。本実施形態では、高周波電力を変調する変調波の波形がパルス波形であるとする。図１は本発明に係る高周波電源装置の一実施形態の構成を示したもので、同図において１は交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣ変換部、２はＡＣ−ＤＣ変換部１から得られる直流電圧を、所望のレベルを有するパルス波形（変調波の波形）の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣ変換部、３はＤＣ−ＤＣ変換部２の出力を高周波電力に変換するＤＣ−ＲＦ変換部、４はＤＣ−ＲＦ変換部３から負荷に与えられる高周波電力の少なくとも進行波成分を検出する高周波出力検出部、５はＤＣ−ＲＦ変換部３から設定された波形を有する変調波で変調された高周波電力を出力させる際に変調された高周波電力が各瞬時にとるべきレベルの設定値を設定する高周波出力設定部、６は高周波出力検出部５により検出される高周波電力のレベルを高周波出力設定部５により設定された設定値に等しくするようにＤＣ−ＤＣ変換部２を制御する高周波電力制御部である。

ＡＣ−ＤＣ変換部１は、商用交流電圧を整流する整流回路と、該整流回路の出力を平滑する平滑回路とにより構成される。

ＤＣ−ＤＣ変換部２としては、例えば、高速スイッチングが可能なＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ素子により上下の各アームが構成されたレグ（上側アームと下側アームとを直列に接続したもの）を２個並列に接続して構成したフルブリッジ型のインバータ回路又は単独のレグを備えたハーフブリッジ型のインバータ回路と、該インバータ回路の出力を変圧するトランスと、該トランスの二次側に得られるインバータ回路のＰＷＭ出力を整流する整流回路と、該整流回路の出力のリップルを低減するＬＣ平滑回路とを備えたものを用いることができる。

図３は、フルブリッジ型のインバータ回路を用いたＤＣ−ＤＣ変換部の構成例を示したものである。この例では、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１とＱ２の直列回路からなるレグと、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３とＱ４の直列回路からなるレグとを並列接続することによりインバータ回路が構成され、該インバータ回路の出力がトランスＴに入力されている。またトランスＴの出力がダイオードＤ１ないしＤ４のフルブリッジ回路からなる全波整流回路に入力され、この全波整流回路の出力がコイルＬ１とキャパシタＣ１とからなる平滑回路に入力されている。

図３に示されたＤＣ−ＤＣ変換部２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１ないしＱ４のゲートに、図４（Ａ）ないし（Ｄ）に示したような波形を有する駆動信号Ｖg1ないしＶg4を供給して、各駆動信号がハイレベルの期間各ＭＯＳＦＥＴをオン状態にすることにより駆動される。図４に示した例では、各ＭＯＳＦＥＴのオン期間Ｔonを変化させて各ＭＯＳＦＥＴのオンデューティ比を変化させることにより、ＤＣ−ＤＣ変換部２の出力電圧をＰＷＭ制御している。

また図５（Ａ）ないし（Ｄ）に示したように、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１ないしＱ４のゲートに供給する駆動信号Ｖg1ないしＶg4のデューティを５０％（一定）として、駆動信号Ｖg1と駆動信号Ｖg4との位相差θ及び駆動信号Ｖg2と駆動信号Ｖg3との位相差θを制御するフェーズシフトＰＷＭ制御により、ＤＣ−ＤＣ変換部２の出力電圧をＰＷＭ制御する場合もある。なお図５（Ｅ）は、インバータ回路からトランスＴに入力される電圧Ｖ1の波形を示している。

ＤＣ−ＤＣ変換部２の出力を高周波電力に変換するＤＣ−ＲＦ変換３は、Ｄ級アンプやＥ級アンプ等のスイッチングアンプにより構成することができる。Ｄ級アンプとしては、図６に示されたように、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ11及びＱ12からなるハーフブリッジ型のインバータ回路と、キャパシタＣ11及びインダクタＬ11からなるフィルタ回路と、トランスＴ11とにより構成されたものや、図７に示したように、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ11ないしＱ14からなるフルブリッジ型のインバータ回路と、キャパシタＣ11及びインダクタＬ11からなるフィルタ回路と、トランスＴ11とにより構成されたもの等を用いることもできる。またプッシュプル構成のＤ級アンプを用いることもできる。

Ｅ級アンプとしては、例えば図８に示したように、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ31とチョークコイルＬ31と、キャパシタＣ31及びＣ32とインダクタＬ32と、トランスＴ3とにより構成される周知のシングル構成の増幅回路を用いたものや、図９に示したように、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ41及びＱ42と、チョークコイルＬ41及びＬ42と、キャパシタＣ41ないしＣ43と、インダクタＬ43と、トランスＴ4とにより構成されたプッシュプル構成の増幅回路を備えたもの等を用いることができる。

なお、大出力の高周波電源装置を構成する場合には、ＤＣ−ＲＦ変換部３に複数の増幅回路を設けて、該複数の増幅回路の出力をパワーコンバイナにより合成して負荷に供給する構成をとる場合もある。

図１に示された高周波出力検出部４は、ＤＣ−ＲＦ変換部３から出力されて負荷に供給されている高周波出力の少なくとも進行波成分を検出するもので、例えば、ＤＣ−ＲＦ変換部３の出力から高周波電圧の進行波成分を検出する方向性結合器と、該方向性結合器により検出された高周波電圧の進行波成分の包絡線の波形の情報を抽出する検波回路と、該検波回路から得られる高周波電圧検出信号を負荷に与えられる電力を示す信号に変換する変換手段とにより構成される。高周波電力をパルスにより変調する場合、高周波出力検出部４は、パルスにより変調された高周波電力のレベルを示すパルス波形の高周波電力検出信号Ｖrfを出力する。なお負荷側から戻ってくる反射波電力を無視できない場合には、反射波電力を考慮して高周波電源装置の出力を制御する必要があるため、高周波出力検出部４が進行波電力と反射波電力の双方を検出するように構成される。

高周波出力設定部５は、ＤＣ−ＲＦ変換部３から出力させる高周波電力を変調するパルスの波形と、パルスにより変調された高周波電力が各瞬時にとるべきレベルの設定値とを設定する部分で、キーボードやデジタルスイッチ等により設定すべき情報を入力するインターフェース部と、変調波の周波数に等しい周波数を有し、変調された高周波電力が各瞬時にとるべきレベルに各瞬時のレベルが対応している高周波電力設定信号を発生する信号発生手段とにより構成される。本実施形態では、高周波出力設定部５が高周波電力設定信号発生部を兼ねている。

高周波電力制御部６は、高周波出力設定部５から与えられる高周波電力設定信号Ｖm と高周波出力検出部４から与えられる高周波電力検出信号Ｖrfとの偏差にＰＩＤ演算などの制御演算と増幅とを施して、高周波出力設定部５で設定された高周波電力の各瞬時のレベルの設定値と高周波電力検出部４で検出された高周波電力の各瞬時のレベルの検出値との偏差の情報を含む制御指令信号Ｖｅを発生する誤差増幅部６０２と、高周波出力設定部５により設定された変調波の周波数に対してキャリア周波数を演算するキャリア周波数演算部６０５と、キャリア周波数演算部６０５により演算されたキャリア周波数を有するキャリア信号Ｖcを発生するキャリア信号発生部６０３と、制御指令信号をキャリア信号Ｖc と比較してＤＣ−ＤＣ変換部２に与えるＰＷＭ制御信号Ｖpwm を発生するＰＷＭ制御信号発生部６０４とを備えている。

本実施形態では、高周波出力設定部５からキャリア周波数演算部６０５に高周波電力設定信号Ｖｍと同じ波形（パルス波形）の信号が与えられる。この場合キャリア周波数演算部６０５は、高周波出力設定部５から与えられる信号の周波数を検出して、検出した周波数を整数倍することにより、キャリア周波数（キャリア信号の周波数）を演算する。

図１に示した実施形態では、高周波電力制御部６のすべての構成要素がＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array）内に構成され、高周波出力設定部５が出力する高周波電力設定信号ＶmがＦＰＧＡに送信される。

図１に示された高周波電力制御部６の構成は、変調波の周波数である高周波電力設定信号Ｖｍの周波数を整数倍してキャリア信号の周波数を演算するキャリア周波数演算部６０５が設けられている点、及びキャリア信号発生部６０３がキャリア周波数演算部６０５で演算された周波数を有するキャリア信号を発生するように構成されている点を除き、図１３に示した高周波電源装置で用いられていた高周波電力制御部の構成と同様である。

高周波電力検出信号Ｖrf及び高周波電力設定信号Ｖmは、誤差増幅部６０２に与えられる。誤差増幅部６０２は、高周波電力設定信号Ｖmと高周波電力検出信号Ｖrfとの偏差にＰＩＤ演算などの制御演算と増幅とを施して、高周波出力設定部５で設定された高周波電力の各瞬時のレベルの設定値と高周波電力検出部４で検出された高周波電力の各瞬時のレベルの検出値との偏差を零にするように偏差の情報を含む制御指令信号Ｖｅ［図１０（Ａ）参照］を発生する。制御指令信号Ｖe のレベルは、高周波出力設定部５により設定された高周波電力の設定値と高周波出力検出部４により検出された高周波電力のレベルとの偏差に応じて変化する。又、高周波出力設定部５により設定する高周波電力の設定値を大きくすると制御指令信号Ｖｅのレベルは大きくなり、高周波出力設定部５により設定する高周波電力の設定値を小さくすると制御指令信号Ｖｅのレベルは小さくなる。

キャリア周波数演算部６０５は、高周波出力設定部５が出力した高周波電力設定信号の周波数（変調波の周波数）を検出して、検出した周波数を整数倍することにより、キャリア周波数を演算する。キャリア周波数は、変調波の周波数のｎ（ｎは整数）倍で、かつ変調波の周波数とキャリア周波数と高周波電源の出力周波数との間に、下記の関係が成立するように演算される。
変調波の周波数＜＜キャリア周波数＜＜高周波電源装置の出力周波数
キャリア信号Ｖcは、一般には、図１０（Ａ）に示されたように、鋸歯状の波形又は三角波形を有する信号である。

ＰＷＭ制御信号発生部６０４は、誤差増幅部６０２から得られる制御指令信号Ｖeと、キャリア信号発生部６０３から得られるキャリア信号Ｖcとを比較して、図１０（Ｃ）に示すように、制御指令信号Ｖeのレベルがキャリア信号Ｖcのレベルを超えている期間ハイレベルを示し、制御指令信号Ｖeのレベルがキャリア信号Ｖcのレベル以下になっている期間ローレベルを示すＰＷＭ制御信号Ｖpwmを出力する。

ＰＷＭ制御信号発生部６０４が出力するＰＷＭ制御信号は，ＤＣ−ＤＣ変換部２のスイッチ素子の制御端子に与えられる。ＤＣ−ＤＣ変換部２は、ＤＣ−ＲＦ変換部３が出力する高周波電力のレベルを設定値に制御するために必要なレベルを有し、変調波の波形（今の例ではパルス波形）を有するように制御された直流電圧Ｖdc［（図１０（Ｄ）］をＤＣ−ＲＦ変換部３に与える。従って、ＤＣ−ＲＦ変換部３は、電圧波形の包絡線が図１０（Ｅ）に示したようにパルス状の波形を呈する高周波電力を出力する。

本実施形態では、高周波出力設定部により設定された変調波（パルス）の周波数の整数倍の周波数としてキャリア信号の周波数を演算するキャリア周波数演算部６０５を設けて、演算されたキャリア周波数を有するキャリア信号を発生させるようにしたので、変調波とキャリア信号との間に常に同期性を持たせることができ、図１０から明らかなように、変調波の各周期においてＰＷＭ制御信号の位相ずれが生じるのを防ぐことができ、ＤＣ−ＲＦ変換部３から出力される高周波電力が変調波の周波数よりも低い周波数で変動する現象が生じるのを防ぐことができる。

本実施形態では、キャリア周波数演算部６０５と、キャリア信号発生部６０３とにより、ＤＣ−ＤＣ変換部２をＰＷＭ制御する際のスイッチング周波数を、高周波出力設定部５により設定された変調波の周波数の整数倍に保持するスイッチング周波数制御手段が構成されている。

上記の説明では、高周波電力制御部６を一つのＦＰＧＡにより構成するとしたが、高周波電力制御部６の構成の仕方は任意であり、上記の実施形態に限定されない。例えば、高周波電力制御部６の構成要素の一部をＦＰＧＡにより構成し、他の部分を外部クロック入力を持つアナログＩＣや、マイクロコンピュータや、ＤＳＰ（Digital Signal Processor) 等により構成することもできる。

例えば、図１において、高周波信号発生部６０１と、キャリア周波数演算部６０５とをＦＰＧＡにより構成し、誤差増幅部６０２と、キャリア信号発生部６０３と、ＰＷＭ制御信号発生部６０４とをアナログＩＣにより構成することもできる。

上記の実施形態では、高周波出力設定部５が高周波電力設定信号Ｖmを出力するように構成されているが、高周波出力設定部５は、ＤＣ−ＲＦ変換部３から出力させる高周波電力のレベル情報と、高周波電力を変調する変調波を特定するためのデータ（波形及び周波数）とをデジタル情報として出力する機能を持つインターフェース（例えばキーボード）により構成し、図２に示したように、高周波出力設定部５から与えられるデジタル情報に基づいて高周波電力設定信号を出力する高周波電力設定信号発生部６００を、高周波電力制御部６内に設けるようにしてもよい。

上記の実施形態では、高周波電力を変調する変調波を矩形波状のパルスとしたが、他の任意の波形を有する変調波により高周波電力を変調する場合にも本発明を適用することができる。例えば図１１に示したように、ステップ状に変化する階段状波形を有する変調波により高周波電力を変調する場合にも本発明を適用することができる。図１１（Ａ）はキャリア信号Ｖcと制御指令信号Ｖeとを示している。また同図（Ｂ）は、図１に示された高周波出力設定部５が誤差増幅部６０２に与える高周波電力設定信号Ｖm1を示し、同図（Ｃ）は、図１に示されたキャリア周波数演算部６０５に変調波の繰り返し周期の情報を与えるために、高周波出力設定部５からキャリア周波数演算部６０５に与えられるパルス信号Ｖm2を示している。図１４（Ｄ）は、ＰＷＭ制御信号Ｖpwmを示し、同図（Ｅ）及び（Ｆ）はそれぞれＤＣ−ＤＣ変換部２が出力する直流電圧Ｖdcの波形及びＤＣ−ＲＦ変換部３が出力する高周波電圧の波形を示している。

上記の各実施形態において、高周波電力制御部６を構成する各要素は、ハードウェアにより構成してもよく、マイクロプロセッサに所定のプログラムを実行させることにより構成してもよい。

１ ＡＣ−ＤＣ変換部
２ ＤＣ−ＤＣ変換部
３ ＤＣ−ＲＦ変換部
４ 高周波出力検出部
５ 高周波出力設定部
６ 高周波電力制御部
６００ 高周波電力設定信号発生部
６０１ 高周波信号発生部
６０２ 誤差増幅部
６０３ キャリア信号発生部
６０４ ＰＷＭ制御信号発生部
６０５ キャリア周波数演算部

Claims (5)

1. 出力レベルのＰＷＭ制御が可能なＤＣ−ＤＣ変換部と、前記ＤＣ−ＤＣ変換部の出力を高周波出力に変換するＤＣ−ＲＦ変換部と、前記ＤＣ−ＲＦ変換部から設定された波形を有する変調波で変調された高周波電力を出力させる際に変調された高周波電力が各瞬時にとるべきレベルの設定値を設定する高周波出力設定部と、前記ＤＣ−ＲＦ変換部から出力された高周波電力の各瞬時のレベルを検出する高周波電力検出部と、前記高周波出力設定部で設定された高周波電力の各瞬時のレベルの設定値と前記高周波電力検出部で検出された高周波電力の各瞬時のレベルの検出値との偏差の情報を含む制御指令信号をキャリア信号と比較することにより得たＰＷＭ制御信号を前記ＤＣ−ＤＣ変換部に与えて、各瞬時のレベルが前記高周波出力設定部で設定された各瞬時のレベルに等しい変調された高周波電力を前記ＤＣ−ＲＦ変換部から出力させるべく前記ＤＣ−ＤＣ変換部の出力を制御する高周波電力制御部とを備えた高周波電源装置であって、
   前記キャリア信号の周波数は、前記変調波の周波数の整数倍に設定されていることを特徴とする高周波電源装置。
2. 前記高周波出力設定部は、前記変調波の周波数に等しい周波数を有し、前記変調された高周波電力が各瞬時にとるべきレベルに各瞬時のレベルが対応している高周波電力設定信号を発生するように構成され、
   前記高周波電力制御部は、
   前記高周波電力設定信号と前記高周波電力検出部の出力とを入力として、前記高周波出力設定部で設定された高周波電力の各瞬時のレベルの設定値と前記高周波電力検出部で検出された高周波電力の各瞬時のレベルの検出値との偏差の情報を含む制御指令信号を発生する誤差増幅部と、
   前記高周波電力設定信号の周波数を整数倍することにより前記キャリア信号の周波数を演算するキャリア周波数演算部と、
   前記キャリア周波数演算部により演算された周波数を有するキャリア信号を発生するキャリア信号発生部と、
   前記キャリア信号と前記制御指令信号とを比較して前記ＰＷＭ制御信号を出力するＰＷＭ制御信号発生部と、
   を備えている請求項１に記載の高周波電源装置。
3. 前記高周波電力制御部は、
   前記変調波の周波数に等しい周波数を有し、前記高周波出力設定部により設定された高周波電力の各瞬時のレベルに各瞬時のレベルが対応している高周波電力設定信号を発生する高周波電力設定信号発生部と、
   前記高周波電力設定信号と前記高周波出力検出部から得られる高周波電力検出信号との偏差の情報を含む制御指令信号を発生する誤差増幅部と、
   前記変調波の周波数である前記高周波電力設定信号の周波数を整数倍して前記キャリア信号の周波数を演算するキャリア周波数演算部と、
   前記キャリア周波数演算部により演算された周波数を有するキャリア信号を発生するキャリア信号発生部と、
   前記キャリア信号と前記制御指令信号とを比較して前記ＰＷＭ制御信号を出力するＰＷＭ制御信号発生部とを備えている請求項１に記載の高周波電源装置。
4. 前記高周波出力設定部が設定する変調波の波形はパルス波形である請求項１，２又は３に記載の高周波電源装置。
5. 前記高周波出力設定部が設定する変調波の波形は階段状波形である請求項１，２又は３に記載の高周波電源装置。

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