JP2021106077A

JP2021106077A - 高周波電源装置

Info

Publication number: JP2021106077A
Application number: JP2019235659A
Authority: JP
Inventors: 真吾河野; Shingo Kawano
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2021-07-26

Abstract

【課題】進行波又は反射波の電圧（瞬時値）から、進行波又は反射波の電力の実効値を少ない計算量により短時間で演算することができ、これにより制御性を向上させる。【解決手段】高周波電源装置は、高周波を生成する高周波生成部と、前記高周波の進行波又は反射波を検出する方向性結合器と、前記進行波の電圧又は前記反射波の電圧をサンプリングして第１サンプリング信号を取得するサンプリング回路と、前記サンプリング信号を前記進行波又は前記反射波の周波数の１／４の周期に相当する期間だけサンプルホールドして第２サンプリング信号を取得するサンプルホールド回路と、前記第１サンプリング信号の２乗及び前記第２サンプリング信号の２乗の和に基づき前記進行波又は前記反射波の電力の実効値を演算する電力演算部と、前記実効値の演算結果に従い、前記高周波生成部を制御する制御部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は高周波電源装置に関する。

高周波電源装置は、例えばプラズマ処理装置においてチャンバ内のガスを励起させるための高周波電力を発生させるために用いられている（例えば、特許文献１参照）。高周波電源装置は、その出力部から出力される高周波電力を制御するため方向性結合器を備える。方向性結合器は、高周波電源装置から出力される進行波、及び、出力部に戻る反射波の電圧を検出する。検出された電圧値に基づき、進行波の電力Ｐ_Ｆ及び反射波の電力Ｐ_Ｒの値が演算され、この演算値に基づき、例えば反射波の電力が小さくなるよう、高周波電源装置において生成される高周波の周波数や位相が制御される。

高周波電源装置では、方向性結合器で計測された進行波又は反射波の電圧（瞬時値）から、進行波又は反射波の電力の実効値を算出する。しかし、瞬時値から実効値への変換は一般に計算量が多く、信号処理に時間が掛かるという問題がある。加えて、高周波電源装置に含まれるローパスフィルタやＦＩＲフィルタにおいて位相遅延が発生するため、信号処理に時間が掛かると、高周波電源装置の制御性が悪化するという問題が生ずる。

特開２０１７−２０１６３０号公報

本発明は、進行波又は反射波の電圧（瞬時値）から、進行波又は反射波の電力の実効値を少ない計算量により短時間で演算することができ、これにより制御性を向上させた高周波電源装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る高周波電源装置は、高周波を生成する高周波生成部と、前記高周波の進行波又は反射波を検出する方向性結合器と、前記進行波の電圧又は前記反射波の電圧をサンプリングして第１サンプリング信号を取得するサンプリング回路と、前記サンプリング信号を前記進行波又は前記反射波の周波数の１／４の周期に相当する期間だけサンプルホールドして第２サンプリング信号を取得するサンプルホールド回路と、前記第１サンプリング信号の２乗及び前記第２サンプリング信号の２乗の和に基づき前記進行波又は前記反射波の電力の実効値を演算する電力演算部と、前記実効値の演算結果に従い、前記高周波生成部を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

この高周波電源装置において、前記電力演算部は、前記２乗の和を、前記高周波電源装置の特性インピーダンスの２倍の数値により除算した数値を前記実効値として演算するよう構成することができる。また、この高周波電源装置において、好適には、前記電力演算部の出力信号に含まれる、前記進行波又は前記反射波の周波数の２倍の周波数の成分を除去又は減衰させるフィルタ回路を更に備えることができる。これによれば、進行波又は反射波の周波数に変動が生じた場合でも、正確に進行波又は反射波の電力の実効値を演算することができる。

本発明によれば、進行波又は反射波の電圧（瞬時値）から、進行波又は反射波の電力の実効値を少ない計算量により短時間で演算することができ、これにより制御性を向上させた高周波電源装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る高周波電源装置を含む、プラズマ処理システムの全体構成を示すブロック図である。第２の実施の形態の高周波電源１００の詳細な構造を説明するブロック図である。方向性結合器１０５の構成例を示す回路図である。サンプルホールド回路１０８、２乗回路１０９、１１０、及び電力演算部１１１の動作を説明するグラフである。第２の実施の形態の高周波電源１００の詳細な構造を説明するブロック図である。

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る高周波電源装置を含む、プラズマ処理システムの全体構成を示すブロック図である。このプラズマ処理システムは、高周波電源１００、インピーダンス整合器２００、及びプラズマ処理装置３００を備えている。

高周波電源１００は、商用電源から供給される交流電力を高周波電力に変換する。インピーダンス整合器２００は、高周波電源１００とプラズマ処理装置３００の間のインピーダンス整合を行う回路である。プラズマ処理装置３００は、図示しない一対の電極と、該一対の電極を内部に含みエッチングガス等を封入されるチャンバを備えている。この一対の電極に対し、高周波電源１００で発生させた高周波電力が印加される。なお、インピーダンス整合器２００は、必ずしも必須の構成ではないので、インピーダンス整合器２００が備わっていない構成では、高周波電源１００で発生させた高周波電力が直接プラズマ処理装置３００に供給されて、内部の一対の電極に印加される。

図２は、高周波電源１００の詳細な構造を説明するブロック図である。この高周波電源１００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２、高周波生成部１０３、フィルタ回路１０４、方向性結合器１０５、サンプリング回路１０７、サンプルホールド回路１０８、２乗回路１０９、１１０、電力演算部１１１、及び制御部１１２を備えている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１は、商用電源の交流電力を直流電力に変換するための回路である。ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１は、具体的な図示は省略するが、例えば複数個の半導体素子をブリッジ接続してなる整流回路と、整流された電流（脈流）を平滑化する平滑化回路とを備えることができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１が出力した直流電圧を、更に異なる電圧値の直流電圧に変換する回路である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、具体的な図示は省略するが、一例として、インバータ、変圧器、及び整流回路を組み合わせた回路により構成することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、制御部１１２が出力する制御信号に基づいて、インバータのデューティ比を切り替えることができ、これにより出力される直流電圧の大きさを制御することができる。

高周波生成部１０３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２から出力される直流電力を高周波電力に変換する。高周波電力の基本波成分の周波数は、例えば４００ｋＨｚ、２ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚ、６０ＭＨｚ等のプラズマ処理装置３００で使用される周波数である。この基本波成分の周波数は、例えば、図示しない内蔵の発振部の発振信号の周波数によって定まる。

また、高周波生成部１０３は、制御部１１２から出力される制御信号φに基づいて、出力する高周波電力の電力値を調整する機能を有する。例えば、高周波生成部１０３には、複数の増幅部と少なくとも１つの合成部とが内蔵されており、各増幅部から出力する高周波電力の電圧波形の位相差を制御することによって、合成部における合成度合を調整することができる。このような調整機能は公知である（例えば、特開２０１５−１４４５０５号公報、特開２０１７−２０１６３０号公報を参照）。このような調整機能が不要であれば、制御部１１２から制御信号φを入力する必要は無い。

フィルタ回路１０４は、高周波生成部１０３から出力される高周波電力に含まれる高調波成分を除去し、基本波成分を含む低周波部分を抽出する機能を有する。フィルタ回路１０４としては、所謂ローパスフィルタが用いられる。バンドパスフィルタを用いることも可能である。

方向性結合器１０５は、高周波電源１００の出力端に設けられており、高周波電源１００が出力部から出力する高周波電力の進行波の電圧Ｖ_Ｆ又は反射波の電圧Ｖ_Ｒを検出する。方向性結合器１０５の構成例については後述する。

サンプリング回路１０７は、方向性結合器１０５が検出した電圧Ｖ_Ｆ、Ｖ_Ｒのアナログ信号を所定のサンプリング周期でサンプリングしてサンプリング信号Ｓ_ｘとして出力する。サンプリング回路１０７におけるサンプリング周期は、進行波又は反射波の周期の１／４未満に設定することが好ましい。

サンプルホールド回路１０８は、サンプリング回路１０７から上記サンプリング周期で出力されるサンプリング信号を進行波又は反射波の周期の１／４に相当する期間だけサンプルホールドし、そのサンプルホールド期間の分遅延させたサンプリング信号Ｓ_ｙとして出力する機能を有する。換言すれば、サンプリング信号Ｓ_ｙは、サンプリング信号Ｓ_ｘに対し、進行波又は反射波の周期の１／４に相当する期間だけ遅延した信号として生成される。

２乗回路１０９は、サンプルホールド回路１０８が出力するサンプリング信号Ｓ_ｙを２乗した信号（デジタル値）Ｓ_ｙ ^２を生成して出力する回路である。また、２乗回路１１０は、サンプリング回路１０７が（サンプルホールド回路１０８を介さず）直接出力するサンプリング信号Ｓ_ｘを２乗した信号（デジタル値）Ｓ_ｘ ^２を生成して出力する回路である。

電力演算部１１１は、２乗回路１０９及び１１０が出力したデジタル信号に基づき、進行波又は反射波の電力を演算する。演算の具体的な方法については後述する。制御部１１２は、電力演算部１１１で演算された電力に従い、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２及び高周波生成部１０３を制御する制御信号を生成する。

次に、図３の回路図を参照して、方向性結合器１０５の構成の一例を説明する。この方向性結合器１０５は、前述の通り、高周波生成部１０３から出力されフィルタ回路１０４を通過した進行波、及び／又は高周波生成部１０３に戻る反射波の電圧を検出することが可能に構成されている。

方向性結合器１０５は、コンデンサ２０１（容量値Ｃ_１）、抵抗器２０２（抵抗値Ｒ_１）、コンデンサ２０３（容量値Ｃ_２）、抵抗器２０４（抵抗値Ｒ_２）、及びリアクトル２０５とから構成される。コンデンサ２０１及び抵抗器２０２は、フィルタ回路１０４の出力端子と接地端子との間に直接接続され、コンデンサ２０３及び抵抗器２０４は、フィルタ回路１０４の出力端子と接地端子との間に直接接続されている。また、リアクトル２０５は、コンデンサ２０１及び抵抗器２０２の接続ノードと、コンデンサ２０３及び抵抗器２０４の接続ノードとの間に接続されている。コンデンサ２０１と抵抗器２０２の接続ノードが第１の出力端子を構成し、コンデンサ２０３と抵抗器２０４の接続ノードが第２の出力端子を構成する。

次に、この方向性結合器１０５の動作について説明する。進行波及び反射波が発生すると、コンデンサ２０１及び抵抗器２０２には電流Ｉ_ｃ１が流れ、コンデンサ２０３及び抵抗器２０４には電流Ｉ_ｃ２が流れる。また、リアクトル２０５には、進行波の電圧に比例する電流Ｉ_ｍＦが生じ、また、この電流Ｉ_ｍＦに重畳して、反射波の電圧に比例する電流Ｉ_ｍＲが逆方向に生じる。このとき、抵抗器２０２の両端には進行波の電圧Ｖ_Ｆが発生し、抵抗器２０４の両端には反射波の電圧Ｖ_Ｒが生じる。電圧Ｖ_Ｆ、電圧Ｖ_Ｒは、以下の式で表される。

［式１］
Ｖ_Ｆ＝Ｒ_１（Ｉ_ｃ１＋Ｉ_ｍＦ−Ｉ_ｍＲ）
Ｖ_Ｒ＝Ｒ_２（Ｉ_ｃ２＋Ｉ_ｍＲ−Ｉ_ｍＦ）

ここで、ＶＳＷＲ＝１で反射波が無い（Ｉ_ｍＲ＝０）とすると、進行波のみに着目し、［式１］は以下の式で表される。

［式２］
Ｖ_Ｆ＝Ｒ_１（Ｉ_ｃ１＋Ｉ_ｍＦ）
Ｖ_Ｒ＝Ｒ_２（Ｉ_ｃ２−Ｉ_ｍＦ）

Ｉ_ｃ２＝Ｉ_ｍＦとなるように回路の部品定数を選べば、［式２］の第２式はゼロになり、抵抗器２０２の両端には進行波の電圧Ｖ_Ｆが発生するとともに、抵抗器２０４の両端には反射波の電圧は発生しない。こうして、進行波の電圧Ｖ_Ｆが特定される。この方向性結合器１０５は、左右対称の回路構造を有しているため、上記の手法を実行することにより、反射波の電圧Ｖ_Ｒも特定することが可能である。サンプリング回路１０７は、このようにして方向性結合器１０５から出力されたアナログ信号としての電圧Ｖ_Ｆ、及び電圧Ｖ_Ｒを所定のサンプリング周期でサンプリングする。

図４のグラフを参照して、サンプルホールド回路１０８、２乗回路１０９、１１０、及び電力演算部１１１の動作（進行波又は反射波の電力の演算の手順）を説明する。以下では、特定された進行波の電圧Ｖ_Ｆに基づき、進行波の電力Ｐ_Ｆ（実効値）を演算する場合について説明するが、反射波の電圧Ｖ_Ｒに基づき反射波の電力Ｐ_Ｒを演算する場合も、同様の手順が実行され得る。

サンプルホールド回路１０８は、サンプリング回路１０７から出力されたサンプリング信号Ｓ_ｘを、進行波の周期の１／４に相当する期間だけサンプルホールドした後、サンプリング信号Ｓ_ｙとして出力する。その後、２乗回路１０９、１１０は、このサンプリング信号Ｓ_ｙ及びＳ_ｘを２乗した信号Ｓ_ｙ ^２、Ｓ_ｘ ^２を生成する。電力演算部１１１は、信号Ｓ_ｙ ^２、Ｓ_ｘ ^２に基づき、以下の式により進行波の電力Ｐ_Ｆを演算する。具体的には、同一のタイミングで発生する信号Ｓｙ、及びＳｘの２乗の和を計算し（図４の矢印参照）、以下の式により進行波の電力Ｐ_Ｆを演算する。

［式３]
Ｐ_Ｆ＝（Ｓ_ｘ ^２＋Ｓ_ｙ ^２）／２Ｚ_０
ただし、Ｚ_０は、高周波電源１００の特性インピーダンスを示す。

ここで、上記［式３]の演算により進行波の電力Ｐ_Ｆが演算可能な理由を説明する。進行波の電圧Ｖ_Ｆが、Ｖ_ｆ＝√２Ａｓｉｎ（ωｔ＋Φ）と表すことができる場合（Ａは電圧Ｖ_ｆの実効値、ωは角周波数、Φは位相）、信号Ｓ_ｘもＳ_ｘ＝√２Ａｓｉｎ（ωｔ＋Φ）と表現することができ、同様に信号Ｓ_ｙもＳ_ｙ＝√２Ａｓｉｎ（ωｔ＋Φ−π／２）と表現することができる。従って、進行波の電力Ｐ_Ｆは、実効値Ａ及び特性インピーダンスＺ_０により、以下の式により表すことができる。

［式４]
Ｐ_Ｆ＝（Ｓ_ｘ ^２＋Ｓ_ｙ ^２）／２Ｚ_０
＝２Ａ^２ｓｉｎ^２（ωｔ＋Φ）＋２Ａ^２ｓｉｎ^２（ωｔ＋Φ−π／２）／２Ｚ_０
＝２Ａ^２（ｓｉｎ^２（ωｔ＋Φ）＋ｃｏｓ^２（ωｔ＋Φ）／２Ｚ_０
＝Ａ^２／Ｚ_０

このように、この第１の実施の形態の高周波電源装置では、進行波の電圧Ｖ_Ｆをサンプリングしてサンプリング信号Ｓ_ｘを取得するとともに、このサンプリング信号Ｓ_ｘを１／４周期サンプルホールドして得られたサンプリング信号Ｓ_ｙを取得し、両信号の２乗の和を特性インピーダンスの２倍の数値で除算した値を演算する。この値は、上記［式４]から分かるように、Ａ^２／Ｚ_０に等しい値となり、進行波の電力Ｐ_Ｆに相当する。［式４]の計算は、単純な加減乗除計算であり、計算負荷は非常に小さい。従って、この第１の実施の形態によれば、進行波又は反射波の電圧（瞬時値）から、進行波又は反射波の電力の実効値を少ない計算量で短時間で演算することができ、これにより制御性を向上させた高周波電源装置を提供することができる。

[第２の実施の形態]
次に、第２の実施の形態に係る高周波電源装置について説明する。この第２の実施の形態の高周波電源１００の全体構成を図５を参照して説明する。図５において、第１の実施の形態（図２）と同一の構成要素については図２と同一の参照符号を付しているので、以下では重複する説明は省略する。この図５の高周波電源１００は、電力演算部１１１の出力信号の中から、進行波又は反射波の電圧の角周波数の２倍の周波数成分を除去又は減衰させるフィルタ回路１１３を備えており、この点が第１の実施の形態との相違点である。この構成により、第２の実施の形態の高周波電源装置は、進行波の電圧Ｖ_Ｆ又は反射波の電圧Ｖ_Ｒの角周波数ωに変動があった場合にも、正確に進行波又は反射波の電力の実効値を演算することができる。

進行波の電圧Ｖ_Ｆ又は反射波の電圧Ｖ_Ｒの角周波数がωからω’に変動することが生じた場合において、サンプルホールド回路１０８でのホールド期間が、この変動後の周波数ω’に対応しない場合、サンプルホールド回路１０８から出力されるサンプリング信号Ｓ_ｙは、サンプリング信号Ｓ_ｘからの位相のズレαが９０°（π／２）ではないことが生じ得る（α≠π／２）。すなわち、サンプリング信号Ｓ_ｘが以下の［式５]で表させる場合、サンプリング信号Ｓｙは以下の［式６]で表される。

［式５］
Ｓ_ｘ＝√２Ａｓｉｎ（ω’ｔ）
［式６］
Ｓ_ｙ＝√２Ａｓｉｎ（ω’ｔ＋α）（α≠π／２）

両信号の２乗の和であるｓｉｎ^２（ω’ｔ）＋ｓｉｎ^２（ω’ｔ＋α）は、以下の数式のように変形され得る。

この［数１］から分かるように、ｓｉｎ^２（ω’ｔ）＋ｓｉｎ^２（ω’ｔ＋α）の２倍周波数成分（２ω’）の振幅は、最大でも直流成分と同レベルであり、このような２倍周波数成分は、フィルタ回路１１３において除去し得る。従って、この第２の実施の形態によれば、進行波の電圧Ｖ_Ｆ又は反射波の電圧Ｖ_Ｒの角周波数ωに変動があった場合にも、正確に進行波又は反射波の電力の実効値を演算することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００…高周波電源
１０１…ＡＣ／ＤＣコンバータ
１０２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０３…高周波生成部
１０４…フィルタ回路
１０５…方向性結合器
１０６…制御部
１０７…サンプリング回路
１０８…サンプルホールド回路
１１１…電力演算部
１１２…制御部
２００…インピーダンス整合器
３００…プラズマ処理装置

Claims

高周波を生成する高周波生成部と、
前記高周波の進行波又は反射波を検出する方向性結合器と、
前記進行波の電圧又は前記反射波の電圧をサンプリングして第１サンプリング信号を取得するサンプリング回路と、
前記第１サンプリング信号を前記進行波又は前記反射波の周波数の１／４の周期に相当する期間だけサンプルホールドして第２サンプリング信号を取得するサンプルホールド回路と、
前記第１サンプリング信号の２乗及び前記第２サンプリング信号の２乗の和に基づき前記進行波又は前記反射波の電力の実効値を演算する電力演算部と、
前記実効値の演算結果に従い、前記高周波生成部を制御する制御部と
を備えたことを特徴とする高周波電源装置。
前記電力演算部は、前記２乗の和を、前記高周波電源装置の特性インピーダンスの２倍の数値により除算した数値を前記実効値として演算する、請求項１に記載の高周波電源装置。
前記電力演算部の出力信号に含まれる、前記進行波又は前記反射波の周波数の２倍の周波数の成分を除去又は減衰させるフィルタ回路を更に備えた、請求項１又は２に記載の高周波電源装置。