JP2023098299A - 高周波電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】整合動作と周波数変調制御とをそれぞれ適切に行う。【解決手段】本開示に係る高周波電源装置において、第１の電源は、第１の基本周波数を有する第１の高周波電圧を出力する。第２の電源は、第２の基本周波数を有する第２の高周波電圧を出力する。第２の基本周波数は、第１の基本周波数より低い。第１の整合部は、第１の電源と負荷との間に接続される。第１の整合部は、相互変調歪が発生している状態で第１の整合動作を行う。相互変調歪は、第１の高周波電力と第２の高周波電力とが同時に負荷に供給されることによって生じる。第１の整合動作は、第１の電源のインピーダンスと負荷のインピーダンスとを整合させる動作である。第１の電源は、第１の整合動作が完了した後に周波数変調制御を行う。周波数変調制御は、第１の高周波電圧を変調信号で周波数変調させ変調波として出力する制御である。変調信号は、第２の基本周波数と同じ周波数を有する。【選択図】図２

Description

本開示は、高周波電源装置に関する。

プラズマ処理装置に用いられる高周波電源装置は、２台の高周波電源（第１の電源と第２の電源）を有しており、それぞれの電源から負荷に向けて基本周波数（基本波の周波数）が異なる高周波電圧を出力している。例えば、第１の電源は、プラズマの生成に適した第１の基本周波数Ｆ１を有する第１の高周波電圧を出力することにより第１の高周波電力を負荷に供給する。第２の電源は、イオンの加速に適した第２の基本周波数Ｆ２（第１の基本周波数Ｆ１＞第２の基本周波数Ｆ２）を有する第２の高周波電圧を出力することにより第２の高周波電力を負荷に供給する。（特許文献１～３参照）。

特表２０１８－５３６２９５号公報 特開２０１７－１８８４３４号公報 米国特許第１０３０４６６９号明細書

このような場合、相互変調歪（ＩＭＤ：ＩｎｔｅｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）が発生し、第１の電源側において、反射波電力が第２の基本周波数Ｆ２の周期に応じて変動する現象が発生する。この相互変調歪に起因する反射波電力を低減させるために、第１の電源に対して周波数変調制御を行う技術が知られている。この際、高周波電源装置において、第１の電源のインピーダンスと負荷のインピーダンスとを整合させる整合動作と周波数変調制御とが同時に行われると、整合動作と周波数変調制御とが互いに干渉し適切に行われない可能性がある。

本開示は、整合動作と周波数変調制御とをそれぞれ適切に行うことができる高周波電源装置を提供する。

本開示に係る高周波電源装置は、第１の電源と第２の電源と第１の整合部と第２の整合部とを有する。第１の電源は、第１の高周波電圧を出力することにより第１の高周波電力を負荷に供給する。第１の高周波電圧は、第１の基本周波数を有する。第２の電源は、第２の高周波電圧を出力することにより第２の高周波電力を前記負荷に供給する。第２の高周波電圧は、第２の基本周波数を有する。第２の基本周波数は、第１の基本周波数より低い。第１の整合部は、第１の電源と負荷との間に接続される。第２の整合部は、第２の電源と負荷との間に接続される。第１の整合部は、相互変調歪が発生している状態で第１の整合動作を行う。相互変調歪は、第１の高周波電力と第２の高周波電力とが同時に負荷に供給されることによって生じる。第１の整合動作は、第１の電源のインピーダンスと負荷のインピーダンスとを整合させる動作である。第１の電源は、第１の整合動作が完了した後に周波数変調制御を行う。周波数変調制御は、第１の高周波電圧を変調信号で周波数変調させ変調波として出力する制御である。変調信号は、第２の基本周波数と同じ周波数を有する。

本開示に係る高周波電源装置によれば、整合動作と周波数変調制御とをそれぞれ適切に行うことができる。

実施形態に係る高周波電源装置の構成を示すブロック図。 実施形態に係る高周波電源装置の概略動作を示すシーケンス図。 実施形態に係る高周波電源装置の詳細動作を示すシーケンス図。

以下、図面を参照しながら、本開示に係る高周波電源装置の実施形態について説明する。

（実施形態）
実施形態にかかる高周波電源装置は、ＲＦ帯（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の周波数の高周波電圧を出力することにより高周波電力を負荷（例えばプラズマ処理装置）に供給する装置である。このような高周波電源装置は、２台の高周波電源（第１の電源と第２の電源）を有しており、それぞれの電源から負荷に向けて基本周波数（基本波の周波数）（出力周波数ともいう）が異なる高周波電圧を出力している。例えば、第１の電源は、プラズマの生成に適した第１の基本周波数Ｆ１を有する第１の高周波電圧を出力することにより第１の高周波電力を負荷に供給する。第２の電源は、イオンの加速に適した第２の基本周波数Ｆ２（第１の基本周波数Ｆ１＞第２の基本周波数Ｆ２）を有する第２の高周波電圧を出力することにより第２の高周波電力を負荷に供給する。

このように複数の電源から高低差のある複数の高周波電力を負荷に供給すると、相互変調歪の影響で、第１の電源側において、反射波電力が第２の電源側の基本周期（基本波の周期）に応じて変動する現象が発生し、高い反射電力が発生する可能性がある。反射電力を低減させるため、第１の電源で第１の高周波電圧に周波数変調制御を行うことがあるとともに、第１の電源と負荷との間の重畳整合器でインピーダンスの整合動作を行うことがある。周波数変調制御とインピーダンスの整合動作とが同時に行われると、各々の動作が干渉し合い適切に行えない可能性がある。そこで、本実施形態では、以下のようにして整合動作と周波数変調制御とを協調させ、反射波電力を効果的に低減させる。

なお、第１の電源から出力されて負荷に向かう高周波電圧を第１の進行波電圧、負荷側から反射されて第１の電源に戻ってくる高周波電圧を第１の反射波電圧という。第２の電源から出力されて負荷に向かう高周波電圧を第２の進行波電圧、負荷側から反射されて第２の電源に戻ってくる高周波電圧を第２の反射波電圧という。

図１は、高周波電源装置１の構成を示す図である。高周波電源装置１は、プラズマ処理装置ＰＡに適用される。プラズマ処理装置ＰＡは、例えば平行平板型であり、チャンバーＣＨ内で下部電極ＥＬ１及び上部電極ＥＬ２が互いに対向する。下部電極ＥＬ１上には、処理対象となる基板ＳＢが載置され得る。高周波電源装置１は、下部電極ＥＬ１に電気的に接続される。上部電極ＥＬ２は、グランド電位に電気的に接続される。チャンバーＣＨは、給気管を介してガス供給装置（図示せず）に接続され、排気管を介して真空装置（図示せず）に接続される。

高周波電源装置１は、ＨＦ電源（第１の電源）１０、ＬＦ電源（第２の電源）２０及び重畳整合器３０を有する。ＨＦ電源１０は、第１の基本周波数Ｆ１を有する第１の高周波電圧（第１の進行波電圧）を出力することにより第１の高周波電力（第１の進行波電力）を負荷に供給する。第１の高周波電圧は、主として、プラズマの生成に適した比較的高い第１の基本周波数Ｆ１を有する。第１の基本周波数Ｆ１は、例えば、４０．６８ＭＨｚである。ＨＦ電源１０は、ソース電源とも呼ばれる。なお、基本周波数Ｆ１は、４０．６８ＭＨｚに限定されるものではなく、例えば１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ等の工業用のＲＦ帯（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の周波数であってもよい。

ＬＦ電源２０は、第１の基本周波数Ｆ１より低い第２の基本周波数Ｆ２を有する第２の高周波電圧（第２の進行波電圧）を出力することにより第２の高周波電力（第２の進行波電力）を負荷に供給する。第２の高周波電圧は、イオンの加速に適した比較的低い第２の基本周波数Ｆ２を有する。第２の基本周波数Ｆ２は、例えば４００ｋＨｚである。ＬＦ電源２０は、バイアス電源とも呼ばれる。なお、第２の基本周波数Ｆ２は、４００ｋＨｚに限定されるものではなく、他の周波数であってもよい。

重畳整合器３０は、ＨＦ電源１０及びＬＦ電源２０にそれぞれ電気的に接続される。重畳整合器３０は、ＨＦ電源１０及びＬＦ電源２０と下部電極ＥＬ１との間に電気的に接続される。重畳整合器３０は、ＨＦ電源１０側のインピーダンスと下部電極ＥＬ１側のインピーダンスとを整合させるＨＦ整合動作を行うとともに、ＬＦ電源２０側のインピーダンスと下部電極ＥＬ１側のインピーダンスとを整合させるＬＦ整合動作を行う。重畳整合器３０は、ＨＦ整合動作及びＬＦ整合動作が行われた状態で、第１の高周波電力をＨＦ電源１０から受け、第２の高周波電力をＬＦ電源２０から受け、第１の高周波電力及び第２の高周波電力を重畳させて下部電極ＥＬ１に供給する。

なお、高周波電源装置１及びプラズマ処理装置ＰＡは、図１の構成に限定されない。例えば、ＨＦ電源１０から出力される第１の高周波電力が重畳整合器３０を介して上部電極ＥＬ２に供給され、ＬＦ電源２０から出力される第２の高周波電力が重畳整合器３０を介して下部電極ＥＬ１に供給されるような構成等、様々な構成がある。このような他の構成にも高周波電源装置１を用いることが可能である。

重畳整合器３０は、ＨＦ整合部（第１の整合部）３１、ＬＦ整合部（第２の整合部）３２及び出力センサ３３を有する。ＨＦ整合部３１は、ＨＦ電源１０と下部電極ＥＬ１との間に電気的に接続される。ＬＦ整合部３２は、ＬＦ電源２０と下部電極ＥＬ１との間に電気的に接続される。ＨＦ整合部３１は、ＨＦ整合動作を行い、ＬＦ整合部３２は、ＬＦ整合動作を行う。

出力センサ３３は、重畳整合器３０の出力端における第３の進行波電圧を検出し、検出信号として進行波電圧検出信号ＳＧ３ｆを出力するとともに、重畳整合器３０の出力端における第３の反射波電圧を検出し、検出信号として反射波電圧検出信号ＳＧ３ｆを出力する。進行波電圧検出信号ＳＧ３ｆおよび反射波電圧検出信号ＳＧ３ｆは、例えば、図示しない外部装置に出力される。

ＨＦ整合部３１は、ＨＦ整合動作を行う際に、ＨＦ整合部３１において検出した情報に基づいて反射係数Γの大きさ又は反射電力の大きさを演算する機能を有している。
ＨＦ整合部３１は、センサ３１１、インピーダンス演算部３１２、整合演算部３１３、及びＨＦ整合ネットワーク３１４、通信部３１５を有する。

センサ３１１は、ＨＦ電源１０から出力される第１の進行波電圧を検出し、検出信号として進行波電圧検出信号ＳＧ１ｆを出力するとともに、ＨＦ整合ネットワーク３１４側から反射される第１の反射波電圧を検出し、検出信号として反射波電圧検出信号ＳＧ１ｒを出力する。進行波電圧検出信号ＳＧ１ｆおよび反射波電圧検出信号ＳＧ１ｒは、インピーダンス演算部３１２に供給される。

インピーダンス演算部３１２は、進行波電圧検出信号ＳＧ１ｆ及び反射波電圧検出信号ＳＧ１ｒに基づいて、ＨＦ電源１０側のインピーダンスを求める。インピーダンス演算部３１２は、第１の進行波電圧に対する第１の反射波電圧の割合である反射係数Γを求める。インピーダンス演算部３１２は、反射係数Γを整合演算部３１３に供給する。

整合演算部３１３は、反射係数Γを受けると、反射係数Γが小さくなるようなインピーダンス変更量を求める。整合演算部３１３は、インピーダンス変更量に応じてＨＦ整合ネットワーク３１４を制御し、ＨＦ整合ネットワーク３１４のインピーダンス値を変更する。なお、インピーダンス演算部３１２は反射係数Γに代えて反射電力を求めてもよく、整合演算部３１３は反射係数Γに代えて反射電力が小さくなるようなインピーダンス変更量を求めてもよい。

これにより、ＨＦ整合部３１は、演算した反射係数Γの大きさ又は反射波電力の大きさが予め定めた閾値以下になったときに、ＨＦ整合動作が完了したと見なすことができる。これにより、ＨＦ整合動作の完了時期を明確化できる。これに応じて、通信部３１５は、ＨＦ整合動作が完了した旨の完了通知をＨＦ電源１０に送信できる。

ＬＦ整合部３２は、ＬＦ整合動作を行う際に、ＬＦ整合部３２において検出した情報に基づいて反射係数Γの大きさ又は反射電力の大きさを演算する機能を有している。
ＬＦ整合部３２は、センサ３２１、インピーダンス演算部３２２、整合演算部３２３、及びＬＦ整合ネットワーク３２４、通信部３２５を有する。

センサ３２１は、ＬＦ電源２０から出力される第２の進行波電圧を検出し、検出信号として進行波電圧検出信号ＳＧ２ｆを出力するとともに、ＨＦ整合ネットワーク３１４側から反射される第１の反射波電圧を検出し、検出信号として反射波電圧検出信号ＳＧ２ｒを出力する。進行波電圧検出信号ＳＧ２ｆおよび反射波電圧検出信号ＳＧ２ｒは、インピーダンス演算部３２２に供給される。

インピーダンス演算部３２２は、進行波電圧検出信号ＳＧ２ｆ及び反射波電圧検出信号ＳＧ２ｒに基づいて、ＬＦ電源２０側のインピーダンスを求める。インピーダンス演算部３２２は、第２の進行波電圧に対する第２の反射波電圧の割合である反射係数Γを求める。インピーダンス演算部３１２は、反射係数Γを整合演算部３１３に供給する。

整合演算部３２３は、反射係数Γを受けると、反射係数Γが小さくなるようなインピーダンス変更量を求める。整合演算部３２３は、インピーダンス変更量に応じてＬＦ整合ネットワーク３２４を制御し、ＬＦ整合ネットワーク３２４のインピーダンス値を変更する。なお、インピーダンス演算部３２２は反射係数Γに代えて反射電力を求めてもよく、整合演算部３２３は反射係数Γに代えて反射電力が小さくなるようなインピーダンス変更量を求めてもよい。

これにより、ＬＦ整合部３２は、演算した反射係数Γの大きさ又は反射波電力の大きさが予め定めた閾値以下になったときに、ＬＦ整合動作が完了したと見なすことができる。これにより、ＬＦ整合動作の完了時期を明確化できる。これに応じて、通信部３２５は、ＬＦ整合動作が完了した旨の完了通知をＨＦ電源１０に送信できる。

ＨＦ電源１０は、第１の高周波電圧を第２の基本周波数と同じ周波数を有する変調信号で周波数変調させ変調波として出力する周波数変調制御を行う。ＨＦ電源１０は、ＨＦ電源１０において検出した情報に基づいて反射係数Γの大きさ又は反射波電力の大きさを演算する機能を有している。

ＨＦ電源１０は、周波数変調制御ブロック１１、コントローラ１２、直接デジタル合波器（ＤＤＳ）１３、増幅部１４、センサ１５、広帯域検出部１６、平均化部１７、電力設定部１８、減算器１９、通信部２１を有する。周波数変調制御ブロック１１は、変調基本波を生成する。変調基本波は、周波数Ｆ２を有し、基準振幅を有する。周波数変調制御ブロック１１は、ＬＦ電源２０に対応したタイミングを有するトリガー信号を基準にして、変調基本波に変調を開始すべき開始位相と変調の度合いを示す周波数偏移量とを設定し変調信号を生成する。変調信号は、開始位相及び周波数偏移量を含む。周波数変調制御ブロック１１は、変調信号を周波数変調設定として直接デジタル合波器１３に供給する。直接デジタル合波器１３は、周波数変調設定（すなわち、変調信号）と振幅設定とを用いて、周波数が第２の基本周波数Ｆ２と同じ変調波を生成して増幅部１４に供給する。増幅部１４は、変調波を増幅してセンサ１５に供給する。

センサ１５は、増幅部１４から出力された変調波（進行波）を重畳整合器３０に供給する。また、増幅部１４からの第１の進行波電圧を検出し、検出信号として進行波電圧検出信号Ｖｆ１を出力すると共に、重畳整合器３０を介してプラズマ処理装置ＰＡ側から反射された第１の反射波電圧を検出し、検出信号として反射波電圧検出信号Ｖｒ１を出力する。センサ１５は、検出した進行波電圧検出信号Ｖｆ１と反射波電圧検出信号Ｖｒ１とを広帯域検出部１６に供給する。

広帯域検出部１６は、所望の周波数成分を通過させるフィルタであり、例えばスーパーヘテロダイン方式で演算し、フィルタリング処理を行うことで、進行波電圧検出信号Ｖｆ１の所望成分である進行波電圧検出信号Ｖｆ２と反射波電圧検出信号Ｖｒ１の所望成分である反射波電圧検出信号Ｖｒ２とをそれぞれ通過させ平均化部１７に供給する。

平均化部１７は、進行波電圧検出信号Ｖｆ２に基づいて進行波電力Ｐｆを算出するとともに、反射波電圧検出信号Ｖｒ２に基づいて反射波電力Ｐｒを算出する。例えば、Ｖｆ２＾２／Ｒ（Ｒ：抵抗値に相当するゲイン）によって進行波電力Ｐｆを算出することができる。反射波電力Ｐｒも同様にして算出することができる。なお、上記計算式では、Ｖｆ２は進行波電圧検出信号Ｖｆ２の大きさを表している。もちろん、実際の電力値に換算するためのゲインが乗算される。
また、平均化部１７は、算出した進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒとをそれぞれ所定期間において蓄積する。更に、平均化部１７は、進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒとをそれぞれ所定期間について平均化する。平均化部１７は、進行波電力Ｐｆの平均電力を減算器１９に供給する。また、平均化部１７は、進行波電力Ｐｆの平均電力および反射波電力Ｐｒの平均電力を周波数変調制御ブロック１１に供給する。なお、上記では、電圧に基づいて電力を算出した後に、平均化を行う例を示したが、電圧の平均化を行った後に、電力を算出してもよい。

電力設定部１８は、目標電力が予め設定される。電力設定部１８は、目標電力を減算器１９に供給する。減算器１９は、目標電力から進行波電力Ｐｆの平均電力を減算し、減算結果を誤差ΔＰとしてコントローラ１２にフィードバックする。コントローラ１２は、誤差ΔＰに応じて、変調波の振幅を制御する。すなわち、コントローラ１２は、誤差ΔＰに応じて（例えば、誤差ΔＰが小さくなるような）変調波の振幅を求め、求められた振幅に応じた振幅設定を直接デジタル合波器１３に供給する。
例えば、目標電力が１，０００［Ｗ］であり、進行波電力Ｐｆの平均電力が９５０［Ｗ］であれば、目標電力に対して５０［Ｗ］不足しているので、振幅設定コントローラ２４は、負荷に供給する進行波電力Ｐｆを大きくするように変調波の振幅を制御する。この変調波の振幅の制御には、例えば、ＰＩ制御やＰＩＤ制御等の公知の手法を用いることができる。

これにより、周波数変調制御ブロック１１は、反射波電力Ｐｒの平均電力が最小になるように、変調信号の開始位相と変調波の周波数偏移量とをそれぞれ予め定めた調整範囲内で調整する。周波数変調制御ブロック１１は、反射波電力Ｐｒの平均電力が所定の閾値以下になったら、反射波電力Ｐｒの平均電力が最小となったと見なすことができる。周波数変調制御ブロック１１は、反射波電力Ｐｒの平均電力が最小となったと見なしたときに、周波数変調制御が完了したと見なすことができる。これにより、周波数変調制御の完了時期を明確化できる。これに応じて、通信部２１は、周波数変調制御が完了した旨の完了通知をＨＦ整合部３１へ送信できる。

次に、高周波電源装置１の概略動作について図２を用いて説明する。図２は、高周波電源装置１の概略動作を示すシーケンス図である。図２では、高周波電源装置１の動作状態と重畳整合器３０及びＨＦ電源１０の動作との対応が時系列的に示される。

ＳＴ１では、ＨＦ電源１０及びＬＦ電源２０がともに停止しており、ＨＦ電源１０による電力印加とＬＦ電源２０による電力印加とはともに行われていない。重畳整合器３０は、初期値にて待機し（ＳＱ１）、ＨＦ電源１０は、初期値にて待機する（ＳＱ７）。

ＳＴ２では、ＨＦ電源１０が第１の高周波電圧を生成して重畳整合器３０へ出力し始め（ＳＱ８）、ＨＦ電源１０による電力印加は行われる。これに応じて、重畳整合器３０は、ＨＦ電源１０側の整合動作の準備を行う（ＳＱ２）。このとき、ＬＦ電源２０は停止している。

ＳＴ３では、ＨＦ電源１０による電力印加とＬＦ電源２０による電力印加とがともに行われ、ＨＦ電源１０側でＩＭＤ（相互変調歪）が発生している。これに応じて、重畳整合器３０は、ＩＭＤ状態を検出するとともに、ＨＦ電源１０側の整合動作（第１の整合動作）とＬＦ電源２０側の整合動作（第３の整合動作）とを開始する（ＳＱ３）。重畳整合器３０は、ＨＦ電源１０側及びＬＦ電源２０側それぞれで、進行波の波形と反射波の波形とを検出し、検出結果に応じてインピーダンスを演算し、それに応じて、反射係数Γを求めながら可変インピーダンス素子を動作させ始める。

ＳＴ４では、ＨＦ電源１０による電力印加とＬＦ電源２０による電力印加とがともに行われ、ＨＦ電源１０側でＩＭＤ（相互変調歪）が発生しているが、重畳整合器３０による整合動作が行われる。このとき、ＨＦ電源１０による周波数変調制御が行われていないので、整合動作と周波数変調制御とが互いに干渉することなく、重畳整合器３０による整合動作を行うことができる。そして、ＨＦ電源１０側の整合動作とＬＦ電源２０側の整合動作とが実行中（ＳＱ４）の状態を経て、重畳整合器３０は、ＨＦ電源１０側及びＬＦ電源２０側それぞれについて、反射電力（又は反射係数Γ）が閾値以下になったら、整合動作が完了したとみなす（ＳＱ５）。このとき、ＨＦ電源１０側の整合動作に使用される可変インピーダンス素子の動作が停止している（ＳＱ６）。これに応じて、重畳整合器３０は、ＨＦ電源１０側の整合動作が完了した旨の完了通知をＨＦ電源１０へ送信する。ＨＦ電源１０は、完了通知を受信したことに応じて、ＨＦ電源１０側の整合後の動作が停止したことが確認されたと認識する（ＳＱ９）。

ＳＴ５では、ＨＦ電源１０による電力印加とＬＦ電源２０による電力印加とがともに行われ、ＨＦ電源１０側でＩＭＤ（相互変調歪）が発生しており、ＨＦ電源１０による周波数変調制御が行われる。ＨＦ電源１０は、周波数変調制御を開始すると（ＳＱ１０）、反射電力を取得し、反射電力が最小になる条件を探索しながら周波数変調制御を行う（ＳＱ１１）。このとき、ＳＴ４の整合動作によって、ある程度反射電力が抑制された状態になっている。また、ＳＴ４の終了時に重畳整合器３０における整合動作が完了しているので、整合動作と周波数変調制御とが互いに干渉することがない。そのため、周波数変調制御を効率的に行うことができる。
ＨＦ電源１０は、反射電力（又は反射係数Γ）が閾値以下になったら、周波数変調制御が完了したと見なす（ＳＱ１２）。これに応じて、ＨＦ電源１０は、周波数変調制御が完了した旨の完了通知を重畳整合器３０へ送信する。重畳整合器３０は、完了通知を受信したことに応じて、周波数変調制御が完了したことが確認されたと認識する（ＳＱ１３）。

ＳＴ６では、ＨＦ電源１０による電力印加とＬＦ電源２０による電力印加とがともに行われ、ＨＦ電源１０側でＩＭＤ（相互変調歪）が抑制されており、重畳整合器３０による整合動作が行われる。周波数変調制御により整合状態が変化し得るので、重畳整合器３０は、再び整合動作を行う。このとき、周波数変調制御によりＩＭＤによる反射波電力が低減されるので、整合動作により、インピーダンス不整合による反射波電力を効率的に低減できる。重畳整合器３０は、ＨＦ電源１０側のインピーダンスを演算し（ＳＱ１４）、それに応じてＨＦ電源１０側の整合動作（第２の整合動作）を開始し（ＳＱ１５）、反射電力（又は反射係数Γ）が閾値以下になったら整合動作が完了したとみなす（ＳＱ１６）。

次に、高周波電源装置１の詳細動作について図３を用いて説明する。図３は、高周波電源装置１の詳細動作を示すシーケンス図である。図３では、ＬＦ電源２０、ＬＦ整合部３２、ＨＦ整合部３１、ＨＦ電源１０の動作がそれぞれ時系列的に示される。

高周波電源装置１の起動前において、ＬＦ電源２０、ＬＦ整合部３２、ＨＦ整合部３１、ＨＦ電源１０は、それぞれ、初期値にて待機している（Ｓ１，Ｓ４，Ｓ１１，Ｓ８）。

高周波電源装置１の起動指令に応じて、ＬＦ電源２０は、第２の進行波電圧を発生してＬＦ整合部３２へ出力し始める（Ｓ２）。これ以降、ＬＦ電源２０は、継続的に、第２の進行波電圧を発生してＬＦ整合部３２へ出力する（Ｓ３）。

ＬＦ整合部３２は、ＬＦ電源２０から出力される進行波電圧検出信号ＳＧ２ｆを検出し始めると、ＬＦ整合動作（第３の整合動作）を開始する（Ｓ５）。ＬＦ整合部３２は、第２の進行波電圧の波形信号と第２の反射波電圧の波形信号とを検出し、第２の進行波電圧の波形信号と第２の反射波電圧の波形信号とに応じてＬＦ電源２０側のインピーダンスを演算する。ＬＦ整合部３２は、ＬＦ電源２０側のインピーダンスに応じて、反射電力（又は反射係数Γ）を求める。ＬＦ整合部３２は、反射電力（又は反射係数Γ）が小さくなるようなインピーダンス変更量を求め、そのインピーダンス変更量で可変インピーダンス素子を動作させる。これにより、ＬＦ整合部３２は、ＬＦ整合動作を行う（Ｓ６）。ＬＦ整合部３２は、ＬＦ整合動作を行いながら、反射電力（又は反射係数Γ）と予め定めた閾値とを比較する。ＬＦ整合部３２は、反射電力（又は反射係数Γ）の大きさが予め定めた閾値以下になったときに、ＬＦ整合動作が完了したと見なす（Ｓ７）。これに応じて、ＬＦ整合部３２は、ＬＦ整合動作が完了した旨の完了通知をＨＦ電源１０へ送信する。

一方、高周波電源装置１では、Ｓ２～Ｓ７の動作と並行して、Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１２～Ｓ２２の動作が行われる。

高周波電源装置１の起動指令に応じて、ＨＦ電源１０は、第１の進行波電圧を発生してＨＦ整合部３１へ出力し始める（Ｓ９）。これ以降、ＬＦ電源２０は、継続的に、第１の進行波電圧を発生してＨＦ整合部３１へ出力する（Ｓ１０）。

ＨＦ整合部３１は、ＨＦ電源１０から出力される進行波電圧検出信号ＳＧ１ｆを検出し始めると、ＨＦ整合動作（第１の整合動作）を開始する（Ｓ１２）。ＨＦ整合部３１は、第１の進行波電圧の波形信号と第１の反射波電圧の波形信号とを検出し、第１の進行波電圧の波形信号と第１の反射波電圧の波形信号とに応じてＨＦ電源１０側のインピーダンスを演算する。ＨＦ整合部３１は、ＨＦ電源１０側のインピーダンスに応じて、反射電力（又は反射係数Γ）を求める。ＨＦ整合部３１は、反射電力（又は反射係数Γ）が小さくなるようなインピーダンス変更量を求め、そのインピーダンス変更量で可変インピーダンス素子を動作させる。これにより、ＨＦ整合部３１は、ＨＦ整合動作を行う（Ｓ１３）。ＨＦ整合部３１は、ＨＦ整合動作を行いながら、反射電力（又は反射係数Γ）と予め定めた閾値とを比較する。ＨＦ整合部３１は、反射電力（又は反射係数Γ）の大きさが予め定めた閾値以下になったときに、ＨＦ整合動作が完了したと見なす（Ｓ１４）。これに応じて、ＨＦ整合部３１は、ＨＦ整合動作が完了した旨の完了通知をＨＦ電源１０へ送信する。

ＨＦ電源１０は、完了通知をＨＦ整合部３１から受信すると、ＨＦ整合部３１の完了通知に応じてＨＦ整合動作が完了したことを確認する。ＨＦ電源１０は、完了通知をＬＦ整合部３２から受信すると、ＬＦ整合部３２の完了通知に応じてＬＦ整合動作が完了したことを確認する（Ｓ１５）。ＨＦ電源１０は、ＨＦ整合動作及びＬＦ整合動作が完了したことに応じて、周波数変調制御を開始する（Ｓ１６）。ＨＦ電源１０は、第１の高周波電圧を第２の基本周波数と同じ周波数を有する変調信号で周波数変調させ変調波として出力する周波数変調制御を行う。ＨＦ電源１０は、周波数変調制御の際に、反射電力を取得し、反射電力が最小になる条件、すなわち変調信号の開始位相と変調波の周波数偏移量との組み合わせを探索する。ＨＦ電源１０は、変調信号の開始位相と変調波の周波数偏移量とをそれぞれ予め定めた調整範囲内で調整しながら周波数変調制御を行い、第１の進行波電圧の波形及び第１の反射波電圧Ｐｒの波形をそれぞれ検出して反射電力（又は反射係数Γ）を求める。これにより、ＨＦ電源１０は、反射電力（又は反射係数Γ）が最小となる条件を検索しながら、周波数変調制御（Ｓ１７）を行う。このとき、Ｓ１２～Ｓ１３の整合動作である程度ＨＦ側の反射電力が抑制されているので、周波数変調制御を効率的に行うことができる。ＨＦ電源１０は、反射電力（又は反射係数Γ）を閾値と比較し、反射電力（又は反射係数Γ）が閾値以下になった際に反射電力が最小となったと見なすことができる。ＨＦ電源１０は、反射電力が最小となったと見なすと、周波数変調制御が完了したと見なす（Ｓ１８）。これに応じて、ＨＦ電源１０は、周波数変調制御が完了した旨の完了通知をＨＦ整合部３１へ送信する。

ＨＦ整合部３１は、完了通知を受信すると、完了通知に応じて周波数変調制御が完了したことを確認する（Ｓ１９）。ＨＦ整合部３１は、周波数変調制御が完了したことに応じて、ＨＦ整合動作（第２の整合動作）を再び開始する（Ｓ２０）。このとき、周波数変調制御でＩＭＤによる反射波電力が低減されるので、ＨＦ整合動作により、インピーダンス不整合による反射波電力を効率的に低減できる。ＨＦ整合部３１は、第１の進行波電圧の波形信号と第１の反射波電圧の波形信号とを検出し、第１の進行波電圧の波形信号と第１の反射波電圧の波形信号とに応じてＨＦ電源１０側のインピーダンスを演算する。ＨＦ整合部３１は、ＨＦ電源１０側のインピーダンスに応じて、反射電力（又は反射係数Γ）を求める。ＨＦ整合部３１は、反射電力（又は反射係数Γ）が小さくなるようなインピーダンス変更量を求め、そのインピーダンス変更量で可変インピーダンス素子を動作させる。これにより、ＨＦ整合部３１は、ＨＦ整合動作を行う（Ｓ２１）。ＨＦ整合部３１は、ＨＦ整合動作を行いながら、反射電力（又は反射係数Γ）と予め定めた閾値とを比較する。ＨＦ整合部３１は、反射電力（又は反射係数Γ）の大きさが予め定めた閾値以下になったときに、ＨＦ整合動作が完了したと見なす（Ｓ２２）。重畳整合器３０は、ＨＦ整合動作及びＬＦ整合動作が行われた状態で、第１の進行波電圧をＨＦ電源１０からＨＦ整合部３１で受け、第２の進行波電圧をＬＦ電源２０からＬＦ整合部３２で受ける。重畳整合器３０は、ＨＦ整合部３１の第１の進行波電圧（第１の高周波電力）とＬＦ整合部３２の第２の進行波電圧（第２の高周波電力）を重畳させて下部電極ＥＬ１に供給する（Ｓ２３）。

以上のように、本実施形態では、高周波電源装置１において、ＨＦ電源１０は、ＨＦ整合部３１によるＨＦ整合動作が完了した後に、周波数変調制御を行う。これにより、ＨＦ整合動作と周波数変調制御とをそれぞれ適切に行うことができ、相互変調歪の影響で発生するＨＦ電源１０側の反射波電力を効率よく低減させることができる。

また、本実施形態では、高周波電源装置１において、ＨＦ整合部３１は、ＨＦ電源１０による周波数変調制御が完了した後に、ＨＦ整合動作を再び行う。例えば、周波数変調制御を行うことによって、ＨＦ整合部３１におけるＨＦ整合動作の最適値（最適な整合回路の状態）が異なる場合がある。そのため、ＨＦ整合動作を再び行うことにより、相互変調歪の影響で発生する反射波電力を更に低減させることができる。

また、本実施形態では、高周波電源装置１において、ＨＦ電源１０は、ＨＦ整合部３１によるＨＦ整合動作の完了に加えてＬＦ整合部３２によるＬＦ整合動作の完了した後に、周波数変調制御を行う。これにより、ＨＦ整合動作とＬＦ整合動作と周波数変調制御とをそれぞれ適切に行うことができ、相互変調歪の影響で発生するＨＦ電源１０側の反射波電力とＬＦ電源２０側の反射波電力とをそれぞれ効率よく低減させることができる。

また、本実施形態では、高周波電源装置１において、ＨＦ整合部３１は、ＨＦ整合動作を行いながら反射電力（又は反射係数Γ）を取得し、反射電力（又は反射係数Γ）の大きさが予め定めた閾値以下になったときにＨＦ整合動作が完了したとみなす。ＬＦ整合部３２は、ＬＦ整合動作を行いながら反射電力（又は反射係数Γ）を取得し、反射電力（又は反射係数Γ）の大きさが予め定めた閾値以下になったときにＬＦ整合動作が完了したとみなす。これにより、ＨＦ整合動作の完了時期とＬＦ整合動作の完了時期とがそれぞれ明確になり、妥当な範囲（閾値は実験等によって適切な値を設定すればよい）で整合動作を行うことができる。すなわち、反射電力が０になることを目標としていると、反射電力が小さくなった段階でも制御が繰り返し行われ、制御が不安定になる場合があるが、上記のようにすれば不安定さが低減される。また、早期に制御を完了させることができる。

また、本実施形態では、高周波電源装置１において、ＨＦ電源１０は、周波数変調制御の際に、変調信号の開始位相と前記変調波の周波数偏移量とをそれぞれ予め定めた調整範囲内で調整して周波数変調制御を行いながら反射電力（又は反射係数Γ）を取得し、反射電力（又は反射係数Γ）の大きさが最小になったと見なしたときに、周波数変調制御が完了したと見なす。これにより、周波数変調制御の完了時期が明確になり、妥当な範囲（閾値は実験等によって適切な値を設定すればよい）で周波数変調制御を行うことができる。すなわち、反射波電力が０になることを目標としていると、反射波電力が小さくなった段階でも制御が繰り返し行われ、制御が不安定になる場合があるが、上記のようにすれば不安定さが低減される。また、早期に制御を完了させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 高周波電源装置
１０ ＨＦ電源
２０ ＬＦ電源
３０ 重畳整合器
３１ ＨＦ整合部
３２ ＬＦ整合部

Claims (5)

1. 第１の基本周波数を有する第１の高周波電圧を出力することにより第１の高周波電力を負荷に供給する第１の電源と、
   前記第１の基本周波数より低い第２の基本周波数を有する第２の高周波電圧を出力することにより第２の高周波電力を前記負荷に供給する第２の電源と、
   前記第１の電源と前記負荷との間に接続された第１の整合部と、
   前記第２の電源と前記負荷との間に接続された第２の整合部と、
   を備え、
   前記第１の整合部は、前記第１の高周波電力と前記第２の高周波電力とが同時に前記負荷に供給されることによって生じる相互変調歪が発生している状態で、前記第１の電源のインピーダンスと前記負荷のインピーダンスとを整合させる第１の整合動作を行い、
   前記第１の電源は、前記第１の整合動作が完了した後に、前記第１の高周波電圧を前記第２の基本周波数と同じ周波数を有する変調信号で周波数変調させ変調波として出力する周波数変調制御を行う
   高周波電源装置。
2. 前記第１の整合部は、前記周波数変調制御が完了した後に、前記第１の電源のインピーダンスと前記負荷のインピーダンスとを整合させる第２の整合動作を行う
   請求項１に記載の高周波電源装置。
3. 前記第２の整合部は、前記第２の電源のインピーダンスと前記負荷のインピーダンスとを整合させる第３の整合動作を行い、
   前記第１の電源は、前記第１の整合動作及び前記第３の整合動作が完了した後に、前記周波数変調制御を行う
   請求項２に記載の高周波電源装置。
4. 前記第２の整合部は、前記第２の電源のインピーダンスと前記負荷のインピーダンスとを整合させる第３の整合動作を行い、
   前記第１の整合部は、前記第１の整合部において検出した情報に基づいて反射係数の大きさ又は反射電力の大きさを演算する機能を有しており、前記演算した反射係数の大きさ又は反射波電力の大きさが予め定めた閾値以下になったときに、前記第１の整合動作が完了したと見なし、
   前記第２の整合部は、前記第２の整合部において検出した情報に基づいて反射係数の大きさ又は反射波電力の大きさを演算する機能を有しており、前記演算した反射係数の大きさ又は反射波電力の大きさが予め定めた閾値以下になったときに、前記第３の整合動作が完了したと見なす
   請求項１から３のいずれか１項に記載の高周波電源装置。
5. 前記第１の電源は、前記第１の電源において検出した情報に基づいて反射係数の大きさ又は反射波電力の大きさを演算する機能を有しており、
   前記周波数変調制御は、前記変調信号の開始位相と前記変調波の周波数偏移量とをそれぞれ予め定めた調整範囲内で調整し、前記演算した反射係数の大きさ又は反射波電力の大きさが最小となったと見なしたときに、前記周波数変調制御が完了したと見なす
   請求項１から４のいずれか１項に記載の高周波電源装置。

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