JP2022518119A - Ｒｆ電力増幅器、発電機、及びプラズマシステム - Google Patents

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Abstract

少なくとも１つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含む高周波電力増幅器であって、前記少なくとも１つのＦＥＴのソース端子がグラウンドに接続されていることを特徴とする。少なくとも１つのダイオードが含まれ、前記少なくとも１つのダイオードのカソードは、前記少なくとも１つのＦＥＴのドレイン端子に接続され、前記少なくとも１つのダイオードのアノードは、グラウンドに接続されている。出力ネットワークは、前記少なくとも１つのＦＥＴの前記ドレイン端子に接続されている。入力ネットワークは、前記少なくとも１つのＦＥＴのゲート端子に接続されている。【選択図】図１

Description

本開示は、一般的に、高周波（ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（ＲＦ）電力増幅器（ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、ＲＦ電力増幅器を含む発電機（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ ｔｈｅ ＲＦ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、およびＲＦ電力増幅器の出力に接続されるように構成されたプラズマシステムに関するものである。
ＲＦ電力増幅器は、プラズマ装置、半導体の製造（薄膜の蒸着、エッチング、改質）、医療機器（電気外科装置、磁気共鳴画像診断装置などの医療画像診断装置）、食品包装、商業用表面改質、コーティング（ｃｏａｔｉｎｇｓ）など、さまざまな用途で出力電力を供給するのに役立つ。ＲＦ電力増幅器は、適切に保護されていないと故障する可能性のある電力増幅器モジュールの一部としてトランジスタを含む。ここで、高周波エネルギーは、３００ヘルツから３００ギガヘルツの範囲である。
トランジスタには様々な故障メカニズムがある。トランジスタの故障は不可逆的であり、チップに付随的な損傷を与えるため、トランジスタがどのように故障したのかを特定することは困難である。例えば電界効果トランジスタの場合、ゲートとソースの間の電圧が臨界レベルを超えると、ゲートの絶縁層が破壊されることがある。この故障は非常に早く発生するが、ゲートの印加電圧を制限することで回避することができる。もう１つの故障メカニズムは、トランジスタが開いていて（ｏｐｅｎ）、電圧と電流が同時に存在し、それらの積が高すぎる場合、または、トランジスタが閉じていている（ｃｌｏｓｅｄ）場合に、過剰な電力損失によって引き起こされるトランジスタの過熱である可能性がある。しかし、過電圧によりパンチスルーまたはアバランシェ降伏が発生し、印加された電圧とアバランシェ電流の積がトランジスタを過熱するのに十分な高さになる。この故障は熱的で比較的遅いため、アンプの負荷を高速制御ループで監視し、過熱が起こるよりも早く電力を下げることで回避できる。もう１つの故障メカニズムは「スナップバック（ｓｎａｐ－ｂａｃｋ）」であり、ＦＥＴ構造内の寄生バイポーラ接合トランジスタ（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｂｉｐｏｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が引き起こすものである。スナップバックを起こす条件は複雑であり、ドレイン電圧、ドレイン電圧増加率（ｄＶ／ｄｔ）、および/またはドレイン電流を含む。この故障メカニズムは非常に高速で、ソフトウェアの制御ループでは回避できない。
負荷インピーダンスの瞬間的な不一致（プラズマ内のアーク放電）でさえ、ＲＦ電力の反射を引き起こし、トランジスタ、たとえば増幅器に含まれるＦＥＴのドレインのピーク電圧が、そのブレークダウン（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）電圧に達するか、それを超える可能性がある。電圧の増加率（ｄＶ／ｄｔ）は、負荷を一致させて動作させているときより、はるかに高くなることがある。増幅回路は、例えばブレークダウンを引き起こす過電圧に対して、エネルギーを熱に変換してヒートシンクに伝達することで耐えるように配置された１つ以上の高耐久性トランジスタを備えてもよい。特に低周波増幅器では、トランジスタのこの耐久性特性にもかかわらず、従来の増幅器回路の１つ以上の高耐久性トランジスタが破壊される場合がある。詳細な実験結果によると、例えば、プラズマ中のアーク放電中に、数ＲＦ期間内に１つ以上のトランジスタの故障を引き起こし、トランジスタのドレインの電圧がブレークダウン電圧を超え、および／または電圧増加率（ｄＶ／ｄｔ）が整合負荷での通常動作時より数倍高くなる。ＦＥＴを用いた高出力電力の増幅器の他の詳細な調査によると、ドレイン電圧とｄＶ／ｄｔが臨界値下回っている場合でも、スナップバックメカニズム（ｓｎａｐ－ｂａｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）が作動し、ＲＦ期間（ｐｅｒｉｏｄ）の半分で当該ＦＥＴが故障する可能性がある。
プラズマ産業用のパワーＲＦ発電機は、少なくとも、アクティブおよびパッシブコンポーネントを過熱から保護するために、ディレーティング（ｄｅｒａｔｉｎｇ）曲線に従って電力を下げるのに必要な時間に対して、どんな不整合負荷に対しても全出力電力（ｆｕｌｌ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ）で動作できるだけの耐久性が必要である。２、３のＲＦ期間で入射電力よりも高い反射電力をもたらすことがよくある突発的な不整合（プラズマ中のアーク放電など）が発生した場合、発電機が耐えなければならない追加のストレスは、発電機に逆流するマッチングネットワークの蓄積エネルギーである。
このような発電機の固体増幅器（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）には、一般的にＶＤＭＯＳ（垂直拡散金属酸化膜半導体、Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ Ｄｉｆｆｕｓｅｄ Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）やＬＤＭＯＳ（横拡散金属酸化膜半導体、Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｄｉｆｆｕｓｅｄ Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電界効果トランジスタが搭載されている。ＬＤＭＯＳ－ＦＥＴは、寄生容量や熱抵抗が小さく、高い電力密度が得られる。パワーＬＤＭＯＳ－ＦＥＴはＸＲ（Ｅｘｔｒａ－Ｒｕｇｇｅｄ）として利用可能であり、ＲＦ電力のディレーティングやマッチングネットワークの調整に必要な時間に対して完全な不整合動作による過電圧や過電流にも、耐えられるようになっている。そのような増幅器のいくつかは、シングルエンド増幅器構成に比べてかなりの利点をもたらすプッシュプル増幅器として配置されている。同じ出力レベルを実現するために、例えば２つのトランジスタを用いたプッシュプル配列では、２つのトランジスタが並列に接続されたシングルエンド増幅器構成と比較して、４倍高い有利なインピーダンスが得られる。これにより、損失が少なく帯域幅の広い出力マッチングネットワークの実装が可能になる。さらに、プッシュプル配列では、本来、偶数高調波を適切に終端することができ、偶数高調波の終端のために複雑な回路を実装する必要はない。
ＭＯＳＦＥＴ、特にＬＤＭＯＳ ＦＥＴの重要な欠点は、ＭＯＳＦＥＴ構造の中に寄生バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）が存在することである。この寄生ＢＪＴは通常は閉じている。寄生ＢＪＴが動作すると、ＭＯＳＦＥＴはゲートによって制御できなくなり、電源電圧をすぐに落とさないと短時間で故障する。寄生ＢＪＴが動作すると、通常は電源電圧をオフにすることはできない。寄生ＢＪＴの動作には２つのメカニズムが公開されている。１つは、トランジスタの許容アバランシェエネルギーを超える重いアバランシェ降伏（ＸＲ ＬＤＭＯＳ ＦＥＴの場合、通常１ジュール以上）であり、または、非常に速いスイッチングオン（高いｄＶ／ｄｔ）により、寄生容量を介して寄生ＢＪＴのベースに電流が流れることである。
また、本発明者らは、接続されたＬＤＭＯＳ ＦＥＴ、特にプッシュプル増幅器配列のＬＤＭＯＳ ＦＥＴが、高すぎる電圧もｄＶ／ｄｔもＲＦ電力増幅器のトランジスタに印加されていない時間に、数回のＲＦサイクルの後、重いミスマッチ条件で故障することを確認した。
従って、ＲＦ電力増幅器は、そのトランジスタを故障や損傷から保護するための回路を含むことが好ましい。ＲＦ電力増幅器は、電力増幅器の回路の設置面積およびコストを過度に増加させることなく、そのような保護回路を含むことが好ましい。さらに、本発明の他の好ましい特徴および特性は、添付の図面および本発明の背景と併せて、本発明の後続の詳細な説明および添付の請求項から明らかになるであろう。
１つの態様では、高周波（ＲＦ）電力増幅器が提供され、少なくとも１つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、前記少なくとも１つのＦＥＴの各ドレインとグラウンドの間に接続された少なくとも１つのダイオードとを含む。
別の態様では、少なくとも１つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含み、少なくとも１つのＦＥＴのソース端子がグラウンドに接続されている、高周波（ＲＦ）電力増幅器が提供される。少なくとも１つのダイオードが含まれ、少なくとも１つのダイオードのカソードは、少なくとも１つのＦＥＴのドレイン端子に接続され、少なくとも１つのダイオードのアノードは、グラウンドに接続されている。出力ネットワークが、少なくとも１つのＦＥＴのドレイン端子に接続され、入力ネットワークが、少なくとも１つのＦＥＴのゲート端子に接続される。
幾つかの実施形態では、第１のダイオードが第１のＦＥＴのドレインとグラウンドの間に接続され、第２のダイオードが第２のＦＥＴのドレインとグラウンドの間に接続される。幾つかの実施形態では、第１および第２のＦＥＴは、プッシュプル配列で接続されている。
幾つかの実施形態では、第１のＦＥＴと第２のＦＥＴのドレインは、パッシブマッチングネットワーク（出力マッチングネットワーク）によって接続されている。
本発明者らは、特定の動作条件において、ＲＦ電力増幅器のＦＥＴのドレインに逆電流が流れることを発見した。不整合負荷の場合、シングルエンドまたはプッシュプルのＦＥＴ ＲＦ電力増幅器では、誘導性のドレイン負荷が原因である可能性がある。２つのＦＥＴを用いたプッシュプル配列では、第１のＦＥＴのドレインでの逆電流が、容量性負荷での第２のＦＥＴによって引き起こされることがある。このような逆電流は、ＦＥＴに過大な電圧や過度なｄＶ／ｄｔが印加されていなくても、ボディ領域に電荷キャリアが注入され、寄生ＢＪＴの動作を可能にする。ダイオードは、ドレインとグラウンドの間に配置され、逆電流の有効な部分（またはすべて）を流す役割を果たす。これにより、寄生ＢＪＴが動作される可能性は低くなり、少なくとも１つのＦＥＴを故障や損傷から保護することができる。
幾つかの実施形態では、ＲＦ電力増幅器は、１００ｋＨｚ以上２００ＭＨｚ以下の動作周波数範囲を有する。幾つかの実施形態では、ＲＦ電力増幅器は、最大１００ＭＨｚの動作周波数範囲を有する。追加または代替の実施形態では、ＲＦ電力増幅器は、少なくとも４００ｋＨｚの動作周波数範囲を有する。
幾つかの実施形態では、ＲＦ電力増幅器は、少なくとも１００Ｗの出力電力を有し、幾つかの実施形態では、ＲＦ電力増幅器は、少なくとも２００Ｗの出力電力を有し、幾つかの実施形態では、ＲＦ電力増幅器は、少なくとも２５０Ｗの出力電力を有している。
幾つかの実施形態では、プッシュプル配列の複数の並列ペアのＦＥＴがＲＦ電力増幅器に含まれる。
幾つかの実施形態では、ＦＥＴはＬＤＭＯＳ（Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｄｉｆｆｕｓｅｄ Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ＦＥＴである。
幾つかの実施形態では、ダイオードはシリコンショットキーバリアダイオードである。他の実施形態では、ＰＮ接合シリコンダイオードまたはＧａＡｓまたはＳｉＣまたはＧａＮショットキーダイオードが使用される。
幾つかの実施形態では、各ＦＥＴのドレインとグラウンドの間に少なくとも２つの並列ダイオードが接続される。
幾つかの実施形態では、ダイオードまたは各ダイオードのカソードは、ＦＥＴのドレインに接続され、ダイオードまたは各ダイオードのアノードは、直接または正の電圧源を介して、グラウンドに接続される。幾つかの実施形態では、保護ダイオードのアノードは、直接グラウンドに接続されておらず、正の電圧源に接続されており、正の電圧源の負端子がグラウンドに接続される。
幾つかの実施形態では、少なくとも２つのＦＥＴは、不均等な位相のゲート（入力）信号で駆動される。幾つかの実施形態では、少なくとも２つのＦＥＴは、１８０°位相のずれたゲート（入力）信号で駆動される。
少なくとも２つの接続されたＦＥＴを含む幾つかの実施形態では、少なくとも２つのＦＥＴのソース端子はグラウンドに接続される。
少なくとも２つの接続されたＦＥＴを含む幾つかの実施形態では、変圧器は少なくとも２つのＦＥＴのドレインに接続され、ダイオードは変圧器と少なくとも２つのＦＥＴのドレインの間でグラウンドに接続される。すなわち、第１のダイオードの一方の端子は、ＦＥＴの１つのドレインと変圧器の第１の端子との間の導体に接続され、第１のダイオードの他方の端子はグラウンドに接続される。第２のダイオードの一方の端子は、ＦＥＴの他方のドレインと変圧器の第２の端子との間の導体に接続され、第２のダイオードの他方の端子は、グラウンドに接続される。
幾つかの実施形態では、変圧器は平面変圧器（ｐｌａｎａｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）である。幾つかの実施形態では、変圧器の一次巻線および二次巻線は、平面的であり、その間に少なくとも１つの絶縁層を有して互いに相対的に積層されている。
幾つかの実施形態では、少なくとも２つのＦＥＴのドレイン間に、少なくとも１つのコンデンサが接続される。
幾つかの実施形態では、コンデンサは、少なくとも１つのＦＥＴの各ドレインとグラウンドとの間にそれぞれ接続される。各コンデンサは、ダイオードのグラウンドへの接続と並行してグラウンドに接続される。
幾つかの実施形態では、ダイオードまたは複数のダイオードは、少なくとも１つのＦＥＴと同じパッケージに集積されているか、ＦＥＴと同じダイ上に集積されているか、または少なくとも１つのＦＥＴのパッケージまたはダイに外付けされている。
幾つかの実施形態では、ＲＦ増幅器は、例えば１つのパッケージ内の２つ以上のＦＥＴ、または、例えば２つのＦＥＴと２つの並列ＦＥＴのプッシュプル（例えば、１つのパッケージ内）を含む。
幾つかの実施形態では、ダイオードまたは複数のダイオードは、少なくとも１つのＦＥＴのボディダイオードではないという意味で、少なくとも１つのＦＥＴ構造の外部にある。しかし、ダイオードは、前述のように、少なくとも１つのＦＥＴと同じパッケージに含まれていてもよい。
別の態様では、少なくとも１つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、少なくとも１つのＦＥＴの各ドレインとグラウンドとの間に接続されたダイオードとを備えた高周波電力増幅器と、少なくとも１つのＦＥＴの入力信号を生成するように構成された制御回路と、ＲＦ電力増幅器にＤＣ電力を供給するように構成されたＤＣ電源（例えば、ＡＣ／ＤＣコンバータ）と、少なくとも１つのＲＦ電力増幅器の増幅された電力を出力するように構成された出力部とを備えた発電機が提供される。
別の態様では、少なくとも１つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、少なくとも１つのＦＥＴの各ドレインとグラウンドとの間に接続されたダイオードとを含む高周波（ＲＦ）電力増幅器を含む発電機と、少なくとも１つのＦＥＴのための入力信号を生成するように構成された制御回路と、電力増幅器にＤＣ電力を供給するように構成されたＤＣ電源（例えば、ＡＣ／ＤＣコンバータ）と、少なくとも１つのＲＦ電力増幅器の増幅された電力を出力するように構成された出力部と、を備えるプラズマシステムが提供される。プラズマシステムは、出力部に接続され、出力された増幅された電力を用いてプラズマを生成するように構成されたプラズマツールをさらに含む。
幾つかの実施形態では、プラズマツールは、プラズマチャンバを含む。幾つかの実施形態では、プラズマチャンバは、プラズマ生成に使用するための処理ガスなどの化学成分を供給するための供給装置を含む。このようなプラズマツールは、半導体の製造（例えば、薄膜の積層、エッチングおよび改質）、医療機器（例えば、電気外科装置および磁気共鳴イメージング、ＭＲＩ、機械などの医療画像処理装置）、食品包装、商業的な表面修正およびコーティングなどに有用である。
ＲＦ電力増幅器の態様に関する前述の実施形態は、発電機およびプラズマシステムの態様にも適用可能である。
以下、本発明の各実施形態を以下の図面と併せて説明するが、同様の数字は同様の要素を示す。
様々な実施形態に係るプッシュプル配列で接続されたＦＥＴと保護ダイオードを含むＲＦ電力増幅器の回路図である。 図３Ａとの比較のために、図１と同様のＲＦ電力増幅器のゲート電圧（Ｖｇｓ）、ドレイン電圧（Ｖｄｓ）、およびドレイン電流（Ｉｄｓ）を示すグラフであるが、保護ダイオードがない場合を示している。 様々な実施形態に係る図１の回路のプッシュプル配列の片側のゲート電圧（Ｖｇｓ）、ドレイン電圧（Ｖｄｓ）、およびドレイン電流（Ｉｄｓ）を示すグラフである。 様々な実施形態に係る図１の回路のダイオード電流（Ｉｄｉｏｄｅ）を示すグラフである。 様々な実施形態に係るプッシュプル配列で接続されたＦＥＴ、保護ダイオード、および保護ダイオードに並列に接続されたコンデンサを含む別のＲＦ電力増幅器の回路図である。 様々な実施形態に係るシングルエンドＦＥＴを含むさらに別のＲＦ電力増幅器の回路図である。 図７Ａとの比較のために、図５と同様のＲＦ電力増幅器のゲート電圧、ドレイン電圧、およびドレイン電流を示すグラフであるが、保護ダイオードがない場合を示している。 様々な実施形態に係る図５の回路のトランジスタのゲート電圧、ドレイン電圧、およびドレイン電流を示すグラフである。 様々な実施形態に係る図５の回路におけるダイオード電流を示すグラフである。 様々な実施形態に係る保護ダイオードを含むさらなるＲＦ電力増幅器の回路図である。 様々な実施形態に係る図８Ａの回路におけるダイオード電流を示すグラフである。
以下の詳細な説明は、本質的に単なる例示的なものであり、本発明または本発明の適用および使用を限定することを意図するものではない。さらに、上述の背景技術、または、後述の詳細な説明に示されるいかなる理論にも拘束される意図はない。
図１は、プッシュプル方式で接続された第１および第２のＦＥＴ１１１、１１３からなるＲＦ電力増幅器１０の回路の模式図である。入力ネットワーク１０６は、信号源１０２のインピーダンスとＦＥＴ１１１、１１３のゲートのインピーダンスを整合する。入力ネットワーク１０６は、増幅回路を安定化させるものであり、幾つか実施形態では、抵抗で構成されている。ゲートバイアス電圧は、ＦＥＴ１１１、１１３のバイアス電流を制御するために、入力ネットワーク１０６を介して、ゲートバイアス電圧源１０４から供給される。プッシュプル配列されているＦＥＴ１１１、１１３のドレインは、ＦＥＴ１１１、１１３のドレイン基準面において、負荷１３０のインピーダンス（例えば、動作中のプラズマチャンバのインピーダンス）を所望のインピーダンスに整合させる出力ネットワーク１２６と接続されている。上記の整合機能を実行するための様々な入力および出力ネットワーク１０６、１２６が、当技術分野で知られている。ＲＦ電力増幅器１０の出力１３２は、負荷１３０に接続可能である。
回路１０は、本実施形態では、安定化フィードバック回路１１２、１１４を含む。安定化フィードバック回路１１２、１１４は、ＦＥＴ１１１、１１３の不要な発振を避けるために、ＦＥＴ１１１，１１３の増幅を抑える。安定化フィードバック回路１１２、１１４は、本実施形態では直列に接続された抵抗とコンデンサを含み、ＦＥＴ１１１、１１３の各ドレインとゲートの間にそれぞれ接続されている。ＤＣ電圧供給装置１２４は、出力ネットワーク１２６を介してＦＥＴ１１１、１１３に直流電圧を供給する。デュアルＦＥＴが１つのパッケージに設けられる実施形態では、ＦＥＴ１１１、１１３のソースは、グラウンドに接続される。幾つか実施形態では、ＦＥＴ１１１、１１３は、ＶＤＭＯＳ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ－Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ＦＥＴまたはＬＤＭＯＳ（Ｌａｔｅｒａｌ－Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ＦＥＴ（Ｌａｔｅｒａｌ－Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒと呼ばれる場合もある）である。
幾つかの実施形態では、ＲＦ電力増幅器１０は、制御回路１４０およびＤＣ電圧供給装置１２４を含む発電機１００に含まれる。制御回路１４０は、ＲＦ電力増幅器１０が負荷１３０に出力する電力を感知したときのパラメータ（例えば、電圧および電流、または入射電力および反射電力）を受信し、例えば、目標とする出力周波数で設定された出力電力を達成するために、信号源１０２の制御信号および／またはＤＣ電圧供給装置１２４のＤＣ電圧を反応し易く調整するように構成される。発電機１００は、一部の実施形態では、ＤＣ電圧供給装置１２４を構成するＡＣ／ＤＣコンバータを含む。図１には示されていないが、ＦＥＴ１１１、１１３を含む複数の回路を発電機１００に含ませ、そこからの電力を合わせる（合算する、ｃｏｍｂｉｎｅｄ）ことができる。
様々な実施形態によれば、発電機１００のＲＦ電力増幅器１０は、０．１ＭＨｚ以上２００ＭＨｚ以下の周波数範囲で、少なくとも１００Ｗの電力範囲で電力出力を提供するように構成されている。
様々な実施形態によると、ＲＦ電力増幅器１０は、ＦＥＴのそれぞれのドレインに接続された一方の端子（カソード）と、グラウンドに接続された他方の端子（アノード）とを有する保護ダイオード１６０を含む。このようにして、ＦＥＴ１１１、１１３のスナップバック損傷（ｓｎａｐ－ｂａｃｋ ｄａｍａｇｅ）を促進する可能性のある過剰な逆電流は、ダイオード１６０のしきい値電圧を超えると、グラウンドに迂回される。ダイオード１６０は、ＦＥＴがそこから保護されるように、ＦＥＴ１１１、１１３のドレインに向かって流れる逆電流の十分な量、または全てが、グラウンドに流されるような特性を有するように選択される。本実施形態では、第１の対の保護ダイオード１６０が、グラウンドと、ＦＥＴ１１１、１１３の第１のドレインと出力ネットワーク１２６とを接続するラインとの間にそれぞれ接続され、第２の対の保護ダイオードが、グラウンドと、ＦＥＴ１１１、１１３の第２のドレインと出力ネットワーク１２６とを接続するラインとの間にそれぞれ接続されている。他の実施形態では、ダイオードのインピーダンスをさらに低減するために、および／または、散逸した電力を効果的に分配するために、ＦＥＴ１１１、１１３の各側に２つ以上の保護ダイオード１６０を設けることができる。さらに他の実施形態では、単一の保護ダイオードがＦＥＴ１１１、１１３のそれぞれに設けられる。
幾つかの実施形態では、保護ダイオードとしてパワーショットキーバリアダイオードが利用され、各ＦＥＴ１１１、１１３に並列に接続されて（カソードをドレインに、アノードをソース／グラウンドに）、ＦＥＴ１１１、１１３の周囲に負の電流を流す。例では、保護ダイオード１６０、例えばシリコンショットキーバリアダイオードは、ＦＥＴ１１１、１１３のボディダイオードよりも低い閾値電圧を有している。他の実施形態では、保護ダイオード１６０として、ＰＮ接合シリコンダイオードまたはＧａＡｓまたはＳｉＣまたはＧａＮショットキーダイオードなどの他のタイプのダイオードが使用される。
様々な実施形態によれば、ＦＥＴ１１１、１１３はパッケージ（図示せず）に含まれ、保護ダイオード１６０はその外部に接続されている。パッケージとは、電子部品に組み込まれた保護機能と筐体のことである。パッケージは、機械的損傷からの保護、冷却、無線周波数ノイズの放出、および静電放電を考慮しなければならない。例示的なパッケージには、ＳＡＰ（ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｐａｃｋａｇｅ）、ＳＯＣ（ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｃｈｉｐ）、「オンダイ（ｏｎ ｄｉｅ）」、およびチップとワイヤのアセンブリ（Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ）が含まれる。他の実施形態では、保護ダイオード１６０は、パッケージに集積されている。様々な実施形態において、ＲＦ電力増幅器１０の回路は、ＦＥＴ１１１、１１３および保護ダイオード１６０が同じダイ上に含まれるように、回路基板上に設けられる。
図２は、プッシュプル配列されたＦＥＴ１１１、１１３の片側に保護ダイオード１６０がないことを除いて、図１に示したものと同様の強い不整合の下でのＲＦ増幅用回路におけるゲート電圧２０２、ドレイン電圧２０４、ドレイン電流２０６の時間（Ｔｉｍｅ）に対する変化を示すグラフ２００である。この不整合負荷の位相は、ＦＥＴが見ている容量性負荷を示している。プッシュプル配列されたＦＥＴ１１１、１１３の反対側は同一であるが、ＲＦ周期の半分だけ時間がずれている（すなわち１８０°位相がずれている）。マーカーｍ＿Ａの時点で、ＦＥＴ１１１、１１３の一方は、ドレインに約９０Ｖの電圧が残っている状態でスイッチオンされ（ｈａｒｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ、ハードスイッチング）、ドレイン電流がピークに達する。この電流は、マーカーｍ＿Ｂの時点で、プッシュプルマッチングネットワーク（ＦＥＴ１１１、１１３のドレインを接続するパッシブネットワーク）を介して、もう一方のＦＥＴ１１１、１１３に流れることが確認されている。この負または逆の電流は、他方のＦＥＴがスイッチングオフしているときに、他方のＦＥＴのチャネルによって伝導されている。この電流は、他方のＦＥＴのボディダイオードを流れ続け、ＦＥＴがスイッチオフする直前にボディ領域が電荷キャリアで溢れ、ドレイン電圧が上昇する（正のｄＶ／ｄｔ、ただし必ずしも高すぎる必要はない）。このような状態では、寄生ＢＪＴが動作され、少なくとも一方のＦＥＴが故障する可能性がある。
図３Ａは、図２と同様のグラフ２１０を示しており、プッシュプル配列されたＦＥＴ１１１、１１３の片側について、図１に示したものによるＲＦ増幅用回路におけるゲート電圧２１２、ドレイン電圧２１４、ドレイン電流２１６の時間（Ｔｉｍｅ）に対する変化を示している。各ＦＥＴのドレインとグラウンドの間に保護ダイオード１６０を接続することで、他方のＦＥＴに溢れる可能性のある負の電流をグラウンドに迂回させる。図３Ｂでは、ダイオード電流２２２が時間（Ｔｉｍｅ）に対して図示されている。図３Ｂによると、時間ｍ＿Ｂでの逆電流は保護ダイオード１６０を通過し、それによって寄生ＢＪＴが容易に動作可能となる条件からＦＥＴ１１１、１１３を保護し、結果として故障からＦＥＴ１１１、１１３を保護する。
図４は、ＲＦ増幅器３１０の別の実施形態を示す。ＲＦ増幅器３１０は、パッケージ３０４が配置された回路基板３０２を含む。パッケージ３０４は、第１および第２のＦＥＴ３１１、３１３を含み、第１および第２のＦＥＴ３１１、３１３は、同様に具現化され、それぞれのソース端子によってグラウンド接続点３０６に接続されている。回路基板３０２は概略図であり、説明のために図示されていることを理解されたい。
高周波増幅器配置３１０を安定化させるために、ＬＤＭＯＳ ＦＥＴなどのＦＥＴ３１１、３１３のドレイン端子からゲート端子に向けて、安定化フィードバック回路３１２、３１４が設けられている。安定化フィードバック回路３１２、３１４はそれぞれ、抵抗とコンデンサを有する直列回路を含む。
ＦＥＴは、それぞれ、そのドレイン端子によって、出力ネットワーク（ここではこれ以上説明は省略）の一部である出力変圧器３２０の一次巻線３０８の端部にそれぞれ接続されている。出力変圧器３２０の一次巻線３０８は、ＤＣ電圧供給装置３４８からＦＥＴにＤＣ電力を供給するためのセンタータップ３４６を含む。図１の回路の出力ネットワーク１２６は、同様に、このような変圧器を含む。出力変圧器３２０の二次巻線３２２は、グラウンド３２４に接続され、その他方の端子がＲＦ出力３２６に接続されている。ＲＦ電力は、ＲＦ出力３２６を介して、例えば、プラズマツールなどの負荷に直接、または、例えば、検出またはフィルタまたは整合ネットワークなどのさらなる回路に出力される。
ＦＥＴのドレイン端子は、それぞれの場合において、（出力マッチングネットワークの一部を形成する）コンデンサ３２８、３３０を介してグラウンドに接続されている。コンデンサ３２８、３３０は、増幅器の効率を高めるために、偶数高調波、特に第２高調波においてドレインが経験するインピーダンスを増加させるのに役立つ。さらに、コンデンサ３３２（または並列の複数のコンデンサ）は、ＦＥＴのドレイン基準面における基本動作周波数で所望の負荷インピーダンスを提供し、増幅器の効率を高めるために奇数、特に第３高調波でＦＥＴのドレインが経験するインピーダンスを低減するために、（出力整合ネットワークの一部として）２つのＦＥＴ３１１、３１３の２つのドレインの間に接続される。
幾つかの実施形態では、ＲＦ増幅器３１０は、ＲＦ信号入力端子３４０に接続された一次巻線３３６を含む入力変圧器３３４をさらに含む。駆動用のＲＦ電力は、ＲＦ入力信号端子３４０を介してＲＦアンプ３１０に供給される。入力変圧器３３４の２次巻線３３８は、抵抗素子３４２、例えば、抵抗器によって、第１のＦＥＴ３１１のゲート端子に接続されている。また、２次巻線３３８は、抵抗素子３４４、例えば、抵抗器によって、第２のＦＥＴ３１３のゲート端子に接続されている。抵抗素子３４２、３４４および入力変圧器３３４は、入力ネットワークの一部である。図１の入力ネットワーク１０６は、図４に示したものと同様の入力変圧器と抵抗素子を含む。
図１に関して説明してきたように、発電機は、幾つかの実施形態において、図４のＲＦ電力増幅器３１０を構成する。複数のこのような電力増幅器３１０からの出力電力は、幾つかの実施形態では、合わされる（合算される）。このような発電機は、出力３２６上の感知された電力のパラメータに基づいて、所望の周波数で設定された電力を達成するように、ＤＣ電圧供給装置３４８および／またはＲＦ信号源３４０を調整するための制御回路を含む。
様々な実施形態によれば、図４のＲＦ電力増幅器３１０は、第１および第２の保護ダイオード３５０、３５２を含む。第１の保護ダイオード３５０は、第１のＦＥＴ３１１のドレイン端子と、電力変圧器３２０の一次巻線３０８の第１の端子との間に位置するタッピングポイントにおいて、第１のＦＥＴ３１１のドレイン端子とグラウンドとの間に接続されている。第２の保護ダイオード３５２は、第２のＦＥＴ３１３のドレイン端子と、第２のＦＥＴ３１３のドレイン端子と電力変圧器３２０の一次巻線３０８の第２の端子との間に位置するタッピングポイントにおいて、グラウンドとの間に接続されている。保護ダイオード３５０、３５２は、逆電流（または少なくともその有効な部分）をグラウンドに渡す役割を果たし、それによって、寄生ＢＪＴが、過度ではないｄＶ／ｄｔ電圧またはドレインピーク電圧によって容易に動作される潜在的に損傷を与える状態からＦＥＴ３１１、３１３を保護する。
図５は、ＲＦ電力増幅器１０のさらに別の実施形態を提供する。図１に関して使用されたものと同じ符号が、同様の要素を示すために使用される。図５の実施形態は、グラウンドに接続されたそのソース端子を有する単一のＦＥＴ１１１を含む点において、図１の実施形態とは異なる。図５の実施形態では、一対の保護ダイオード１６０が、ＦＥＴ１１１のドレイン端子とグラウンドとの間に互いに並列に接続されている。しかし、他の実施形態では、単一の保護ダイオード１６０または２つ以上の保護ダイオード１６０が含まれる。このような電力増幅器１０を複数個接続して、合わせた（合算した）出力電力を提供することができる。
図６は、保護ダイオード１６０を有していないこと以外は図５に示したものと同様のＲＦ増幅回路におけるゲート電圧４０２、ドレイン電圧４０４、およびドレイン電流４０６の時間（Ｔｉｍｅ）に対する変化を示すグラフ４００である。図５に示したようなシングルエンドのトランジスタ配置であっても、誘導性負荷がある場合には、ＦＥＴ１１１が故障することが分かっている。
図７Ａは、図５に示したものによるＲＦ増幅のための回路における時間（Ｔｉｍｅ）に対するゲート電圧４１２、ドレイン電圧４１４およびドレイン電流４１６を示す、図６と同様のグラフ４１０である。この場合、増幅器は、誘導性のドレイン負荷をもたらす位相との強い不整合負荷で動作する。図６に比べてドレイン電圧４１４の負の部分が抑制されていることから分かるように、ダイオード１６０は、プッシュプル型トポロジー以外の他の増幅器の配列においてＦＥＴ１１１を保護することができる。逆電流のこのような保護的な取込みは、時間（Ｔｉｍｅ）に対する保護ダイオード１６０のダイオード電流４２２を示す図７Ｂのグラフ４２０に示されている。
幾つかの実施形態では、および図８Ａを参照すると、保護ダイオード１６０のアノードは、グラウンドに直接接続されておらず、正の電圧源５００に接続されている。このような実施形態は、保護ダイオード１６０が、ボディダイオードのＰＮ接合部のビルトイン電圧（ｂｕｉｌｔ－ｉｎ ｖｏｌｔａｇｅ）よりも高いビルトイン電圧を有する１つ以上の並列接続された保護ダイオード１６０（例えば、ＳｉＣショットキーダイオード）を含む場合に、特に有用である（ただし、排他的ではない）。電圧源５００は、保護ダイオード１６０のビルトイン電圧を補償することができる。なお、電圧源の負端子はグラウンドに接続されている。図８Ｂは、図８Ａの回路における、保護ダイオード１６０のうち第１の保護ダイオードのダイオード電流５０２と、保護ダイオード１６０のうち第２の保護ダイオードのダイオード電流５０４と時間（Ｔｉｍｅ）との関係を示している。また、図８Ｂには、正の電圧源５００からの出力電圧５０６が示されている。
様々な実施形態によれば、本明細書に記載された発電機および電力増幅器は、プラズマツールに電力を供給するのに有用である。
上述の発明の詳細な説明では、少なくとも１つの例示的な態様が示されているが、膨大な数の変形例が存在することを理解すべきである。また、例示的な側面または例示的な態様は例示に過ぎず、本発明の範囲、適用性、または構成をいかなる形でも限定することを意図していないことを理解すべきである。むしろ、上述の詳細な説明は、本発明の例示的な態様を実施するための便利なロードマップを当業者に提供するものである。添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な側面に記載された要素の機能および配置に様々な変更を加えることができることを理解されたい。

Claims (15)

  1. 高周波数（ＲＦ）電力増幅器であって、
    少なくとも１つの電界効果トランジスタのソース端子がグラウンドに接続された前記少なくとも１つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、
    少なくとも１つのダイオードのカソードが前記少なくとも１つのＦＥＴのドレイン端子に接続され、前記少なくとも１つのダイオードのアノードが前記グラウンドに接続された前記少なくとも１つのダイオードと、
    前記少なくとも１つのＦＥＴの前記ドレイン端子に接続された出力ネットワークと、
    前記少なくとも１つのＦＥＴのゲート端子に接続された入力ネットワークと、
    を有する、
    ＲＦ電力増幅器。
  2. 少なくとも２つのＦＥＴは、不均等な位相の入力信号で駆動されるように構成され、
    前記出力ネットワークは、少なくとも１つの変圧器を含み、
    少なくとも１つのダイオードは、前記少なくとも２つのＦＥＴの各ドレイン端子と前記グラウンドとの間に接続される、
    請求項１に記載のＲＦ電力増幅器。
  3. 前記少なくとも２つのＦＥＴは、１８０°位相がずれた入力信号で駆動されるように構成されている、請求項２に記載のＲＦ電力増幅器。
  4. 前記変圧器は平面変圧器である、請求項２に記載のＲＦ電力増幅器。
  5. 前記少なくとも１つのダイオードが、正の電圧源を介して前記グラウンドに接続されている、請求項１または２に記載のＲＦ電力増幅器。
  6. 前記少なくとも１つのＦＥＴのドレインと前記グラウンドとの間に接続された少なくとも２つの並列ダイオードを備える、請求項１に記載のＲＦ電力増幅器。
  7. 前記出力ネットワークは、前記少なくとも２つのＦＥＴのドレイン端子間に接続された少なくとも１つのコンデンサを備える、請求項２に記載のＲＦ電力増幅器。
  8. 前記出力ネットワークは、前記少なくとも１つのＦＥＴの前記ドレイン端子と前記グラウンドとの間に接続された少なくとも１つのコンデンサを含む、請求項１または請求項２に記載のＲＦ電力増幅器。
  9. 動作周波数が１００ｋＨｚ以上２００ＭＨｚ以下の範囲内である、請求項１または請求項２に記載のＲＦ電力増幅器。
  10. 出力電力が少なくとも１００Ｗである、請求項１または請求項２に記載のＲＦ電力増幅器。
  11. 前記少なくとも１つのダイオードはショットキーバリアダイオードである、請求項１または請求項２に記載のＲＦ電力増幅器。
  12. 少なくとも１つのＦＥＴが横方向拡散金属酸化物半導体（ＬＤＭＯＳ）ＦＥＴである、請求項１または請求項２に記載のＲＦ電力増幅器。
  13. 少なくとも１つのダイオードは、少なくとも１つのＦＥＴの同じパッケージに集積されているか、または、少なくとも１つのＦＥＴと同じダイに集積されている、請求項１または請求項２に記載のＲＦ電力増幅器。
  14. 発電機であって、
    少なくとも１つのＦＥＴと、前記少なくとも１つのＦＥＴのドレイン端子とグラウンドとの間に接続された少なくとも１つのダイオードとを備える高周波、ＲＦ、電力増幅器と、
    前記少なくとも１つのＦＥＴに対する入力信号を生成するように構成された制御回路と、
    前記ＲＦ電力増幅器にＤＣ電力を供給するように構成されたＤＣ電源と、
    増幅されたＲＦ電力を出力するように構成された出力部と、
    を有する、発電機。
  15. プラズマシステムであって、
    発電機を有し、
    前記発電機は、
    少なくとも１つのＦＥＴと、前記少なくとも１つのＦＥＴのドレイン端子とグラウンドとの間に接続された少なくとも１つのダイオードとを備える高周波、ＲＦ、電力増幅器と、
    前記少なくとも１つのＦＥＴに対する入力信号を生成するように構成された制御回路と、
    前記ＲＦ電力増幅器にＤＣ電力を供給するように構成されたＤＣ電源と、
    増幅されたＲＦ電力を出力するように構成された出力部と、
    前記出力部に接続され、前記増幅されたＲＦ電力を用いてプラズマを生成するように構成されたプラズマツールと、
    を有する、
    プラズマシステム。
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