JP3336689B2

JP3336689B2 - 高周波電力供給装置

Info

Publication number: JP3336689B2
Application number: JP19719593A
Authority: JP
Inventors: 勇藏森
Original assignee: 株式会社ユーハ味覚糖精密工学研究所; 森勇蔵
Priority date: 1993-08-09
Filing date: 1993-08-09
Publication date: 2002-10-21
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: JPH0757892A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高周波電力供給装置に
係わり、更に詳しくは加工電極に高周波電力を供給して
該電極近傍で反応ガスに基づく中性ラジカルを生成し、
該中性ラジカルとワークの加工面を構成する原子又は分
子とのラジカル反応によって生成した揮発性物質を気化
させて除去し、加工を進行させてなる無歪精密加工装置
に用いる高周波電力供給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、加工電極に高周波電力を供給して
該電極近傍で反応ガスに基づく中性ラジカルを生成し、
該中性ラジカルとワークの加工面を構成する原子又は分
子とのラジカル反応によって生成した揮発性物質を気化
させて除去し、加工を進行させてなる無歪精密加工装置
は、本出願人の先願に係る特願平２−２５１５２２号
（特開平４−１２８３９３号公報）にて既に提供されて
いる。この加工装置においても、高周波電源で発生した
高周波電力を半同軸型空洞共振器を介してワークと加工
電極及び反応容器からなる加工系に供給し、この半同軸
型空洞共振器に共振周波数チューナを内蔵したものを用
いていた。

【０００３】しかし、前述の共振周波数チューナは、空
洞共振器内に密装したリング状の短絡板を調節具にて軸
方向に移動させてインダクタ部の電流経路を変化させる
構造のものであり、そしてその調節具は、短絡板に固定
し円板壁から外部に導出した複数の操作杆と、各操作杆
を外部で連結する連結板と、該連結板に螺合するととも
に円板壁の外部に定位置回動可能に取付けた調節螺軸と
より構成したものであるため、共振器内部に可動部を有
し且つその駆動部も複雑であった。また、空洞共振器に
は高電圧を印加するため、駆動部を電動式にする場合に
は、その絶縁性に問題があった。

【０００４】また、前記公報には、半同軸型空洞共振器
のキャパシタ部を形成するギャップ内に、その容量を調
節するためにテフロンシートを挿入することも開示され
ているが、加工進行に伴う加工系の負荷インピーダンス
の変動に応じてその容量を連続的に変化させることは不
可能である。

【０００５】尚、平行平板コンデンサにおいて、そのギ
ャップ内に導体板の挿入量を調節して、容量を調節する
構造のもの、所謂バリコンは周知であるが、やはり導体
板の駆動部を必要とし、本発明において採用することは
できないのである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般的に高周波電力を
用いる場合、電源と負荷の間でインピーダンスマッチン
グがとれてなければ、電力は負荷に有効に与えられず電
源に反射波として戻ってしまう。種々のプラズマプロセ
スにおいてエネルギー源は高周波電源であり、エネルギ
ー消費の場はプラズマである。このプラズマプロセス中
にチャンバー内部で構造物を移動させる場合、チャンバ
ー内部の電気回路が変化し、その結果、負荷インピーダ
ンスの変動が生じると考えられる。また、プロセスによ
っては、プラズマそのもののインピーダンスが時間的に
変化し、その結果、負荷インピーダンスの変動が生じる
場合も考えられる。インピーダンスマッチングは、ある
負荷インピーダンスに対して一意的に決まるものである
から、負荷の変動はインピーダンスマッチング状態を少
なからず乱すことになる。通常は、エネルギー源の出力
インピーダンスは５０Ω、消費の場の入力インピーダン
スは一般的には５０Ωではない複素数であるので、この
両者間の間にインピーダンスマッチング回路を設ける必
要がある。

【０００７】そこで、負荷インピーダンスが変動する
際、その負荷に対してその都度マッチングをとり直すと
いう方法をとれば、負荷変動に完璧に対応できるが、こ
の場合、複雑な制御システムが必要となる可能性があ
る。実用機としてプラズマプロセス装置を世に送り出す
場合、制御システムはなるべく単純なものが望ましい。
また、シリコン単結晶を切断する実際の無歪精密加工装
置を考えた場合、切断加工プロセス中に、負荷の容量が
１６時間で５ｐＦ程度変動し、シリコン固有の容量２０
ｐＦを考慮すると実に２５％も変化するのであり、その
上プラズマそのものも変化するので、この負荷変動に対
するインピーダンスマッチングの不安定さを緩和する機
構が是非とも必要となる。

【０００８】そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決
しようとするところは、加工系の負荷（プラズマ）にお
ける電力消費効率を明確に見積もれ、且つその効率が十
分実用性を有するとともに、ワークの加工進行に伴う加
工系の負荷インピーダンスの変動に追従できるインピー
ダンスマッチング機構を有し、そのマッチングを何ら機
械的な可動部を設けることなく連続的に行えて、負荷で
の電力消費効率を最大にすることが可能な高周波電力供
給装置を提供する点にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題解
決のために、高周波電源で発生した高周波電力を、導体
からなる半同軸型空洞共振器を介してワークと加工電極
とを含む加工系に供給する高周波電力供給装置であっ
て、外側円筒壁の軸方向両端を軸と直交する第一円板壁
と第二円板壁で閉塞するとともに、第一円板壁の中心か
ら第二円板壁に向けて同軸状に内側円筒壁を延設し、該
内側円筒壁の内端を閉塞する中心円板壁と前記第二円板
壁とで平行なギャップを形成して配し、前記ギャップを
キャパシタ部とするとともに、内外円筒壁と第一円板壁
と第二円板壁とで形成される電流経路をインダクタ部と
してなる半同軸型空洞共振器を用い、その軸を鉛直方向
に設定し且つ第二円板壁を下方に向けて設定し、ワーク
の加工進行に伴う加工系の負荷インピーダンスの変動に
応じて、加工系での電力消費効率を最大にすべく、当該
空洞共振器内に液体誘電体を注入し、キャパシタ部のギ
ャップにおける液体誘電体の液面を調整することによっ
て、キャパシタ部の実効誘電率を変化させて半同軸型空
洞共振器の共振条件を連続的に変化させてなる高周波電
力供給装置を構成した。

【００１０】ここで、前記中心円板壁の中心に第二円板
壁に開口した円孔を貫通し且つ該第二円板壁に導通する
ことなく電力供給用のロッドを延設するとともに、該第
二円板壁から突出したロッドにリング状の絶縁板及び固
定板を密閉状態で順次嵌挿し、絶縁ボルトで第二円板壁
の外面に締着している。

【００１１】更に、前記中心円板壁の上面からロッドの
内部を通り、前記第二円板壁の円孔内に連通した液路を
形成するとともに、該液路に絶縁性のパイプを接続し、
該液路を通って液体誘電体を円孔と絶縁板で形成された
液溜に注入し、該液溜から溢れ前記第二円板壁の上面に
均一に流れ出した液体誘電体の液面の高さを、パイプか
らの注入と排出とで調整する。

【００１２】また、本発明は、高周波電源で発生した高
周波電力を、導体からなる半同軸型空洞共振器を介して
ワークと加工電極とを含む加工系に供給する高周波電力
供給装置であって、外側円筒壁の軸方向両端を軸と直交
する第一円板壁と第二円板壁で閉塞するとともに、第一
円板壁の中心から第二円板壁に向けて同軸状に内側円筒
壁を延設し、該内側円筒壁の内端を閉塞する中心円板壁
と前記第二円板壁とで平行なギャップを形成して配し、
前記ギャップをキャパシタ部とするとともに、内外円筒
壁と第一円板壁と第二円板壁とで形成される電流経路を
インダクタ部としてなる半同軸型空洞共振器を用い、そ
の軸を鉛直方向に設定し且つ第一円板壁を下方に向けて
設定し、ワークの加工進行に伴う加工系の負荷インピー
ダンスの変動に応じて、加工系での電力消費効率を最大
にすべく、当該空洞共振器内に液体導電体を注入し、イ
ンダクタ部における液体導電体の液面を調整することに
よって、インダクタ部の実効電流経路を変化させて半同
軸型空洞共振器の共振条件を連続的に変化させてなる高
周波電力供給装置を構成した。

【００１３】ここで、前記半同軸型空洞共振器の下面と
なる第一円板壁の一部にシリンダを該共振器内と連通す
るように下設し、該シリンダ内に密閉状態で上下スライ
ド可能にピストンを内挿し、該ピストンの上方に充填し
た液体導電体を、該ピストンを上下移動させることで、
共振器内に注入する量を増加、減少させて、その液面の
高さを調整する。

【００１４】そして、前記液体導電体として、液体ガリ
ウム又は水銀等の液体金属若しくはシリコンオイルに金
属粉を混ぜた導電性の液体を用いる。

【００１５】

【作用】以上の如き内容からなる本発明の高周波電力供
給装置は、半同軸型空洞共振器内に外部から液体誘電体
若しくは液体導電体を注入、排出し、それらの液面の高
さを調整することによって空洞共振器のキャパシタンス
若しくはインダクタンスを調節し、ワークの加工進行に
伴う加工系の負荷インピーダンスの変動に応じて、加工
系での電力消費効率を最大にするように当該半同軸型空
洞共振器の共振条件を連続的に変化させることが可能で
ある。

【００１６】ここで、前記半同軸型空洞共振器のキャパ
シタ部に液体誘電体を注入した場合、該キャパシタ部を
構成するギャップ間の誘電率が、液体誘電体の誘電率と
真空の誘電率の合成として規定され、その液面の上昇に
よってキャパシタ部の実効誘電率が増大してキャパシタ
ンスが増加し、逆に液面の下降によってキャパシタ部の
実効誘電率が減少してキャパシタンスが減少するのであ
る。

【００１７】また、前記半同軸型空洞共振器のインダク
タ部に液体導電体を注入した場合、高周波電流はその液
面に沿って流れるので、該液面によって電流経路が短絡
されたことになり、その液面の上昇によってインダクタ
部の実効電流経路が短くなってインダクタンスが減少
し、逆に液面の下降によってインダクタ部の実効電流経
路が長くなってインダクタンスが増加するのである。

【００１８】

【実施例】次に添付図面に示した実施例に基づき更に本
発明の詳細を説明する。図１は本発明の高周波電力供給
装置を採用したプラズマプロセス装置の一例として無歪
精密切断装置の概念図を示している。この切断装置は、
反応ガスを含む雰囲気ガスが充填されたチャンバー１内
に、シリコン単結晶等のワーク２とワイヤー電極３が配
置し、高周波電源４で発生した高周波電力を、本発明を
構成するチューニング可能な半同軸型空洞共振器５を含
むマッチングユニットを介して前記ワイヤー電極３に供
給し、該ワイヤー電極３とワーク２間に反応ガスに基づ
く中性ラジカルを発生させ、この中性ラジカルとワーク
２の原子又は分子とのラジカル反応によって生成した揮
発性物質を気化させて除去し、ワーク２を送り装置によ
ってワイヤー電極３に接近する方向に連続的に送って加
工を進行させ、もってワーク２を切断する装置である。

【００１９】本発明の要旨とするところは、高周波電源
４で発生した高周波電力を、導体からなる半同軸型空洞
共振器５を介してワーク２と加工電極（ワイヤー電極
３）とを含む加工系に供給する高周波電力供給装置であ
って、ワーク２の加工進行に伴う加工系の負荷インピー
ダンスの変動に応じて、加工系での電力消費効率を最大
にすべく前記半同軸型空洞共振器５の共振条件を、該空
洞共振器内に可動部を設けることなく外部から液体誘電
体若しくは液体導電体を注入、排出するだけで連続的に
変化させてなることにある。従って、本発明を採用する
プラズマプロセス装置としては、前述したプラズマＣＶ
Ｍ（Chemical Vaporization Machining ）法を加工原理
とする無歪精密切断装置に限定されるものではなく、広
く一般的に応用できるものである。

【００２０】次に、図２に基づいて更に本発明の高周波
電力供給装置の具体的構成について説明する。前記半同
軸型空洞共振器５は、容量性負荷空洞共振器と呼ばれる
ものであり、外側円筒壁６の軸方向両端を軸と直交する
第一円板壁７と第二円板壁８で閉塞するとともに、第一
円板壁７の中心から第二円板壁８に向けて同軸状に内側
円筒壁９を延設し、該内側円筒壁９の内端を閉塞する中
心円板壁１０を前記第二円板壁８とで平行なギャップを
形成して配し、前記ギャップをキャパシタ部Ｃとすると
ともに、内外円筒壁６，９と両円板壁７，８で形成され
る電流経路をインダクタ部Ｌとしてなるものである。

【００２１】更に、前記中心円板壁１０の中心に第二円
板壁８に開口した円孔１１を貫通し且つ該第二円板壁８
に導通することなく加工電極に電力を供給するロッド１
２を延設し、そして第二円板壁２から突出した前記ロッ
ド１２にテフロン等のリング状の絶縁板１３及び固定板
１４を順次嵌挿し、絶縁ボルト１５，…で第二円板壁８
の外面に締着している。ここで、前記第二円板壁８と絶
縁板１３及び固定板１４とロッド１２との間にはＯリン
グ１６を介装して、第二円板壁８とロッド１２間を密閉
している。また、この第二円板壁８は、前記チャンバー
１の開放端に連結されており、チャンバー１を気密状態
に維持している。

【００２２】そこで、先ず前記半同軸型空洞共振器５の
キャパシタ部Ｃに液体誘電体Ｄを注入し、その液面を調
整することによってキャパシタ部Ｃの実効誘電率を変化
させて半同軸型空洞共振器の共振条件を変化させる方式
について説明する。

【００２３】図１及び図２に示すように、半同軸型空洞
共振器５の中心軸を鉛直方向に設定し且つ第二円板壁８
を下方に向けて設定し、即ち、前記キャパシタ部Ｃが下
方に位置するように配置する。そして、前記中心円板壁
１０の上面からロッド１２の内部を通り、前記第二円板
壁８の円孔１１内に連通した液路１７を形成し、該液路
１７には、第一円板壁７の中心に形成した開口１８から
内側円筒壁９内を通した絶縁性のパイプ１９が接続され
ている。図示しない液体誘電体Ｄの供給系からパイプ１
９及び液路１７を通って当該液体誘電体Ｄを円孔１１と
絶縁板１３で形成された液溜２０に注入し、該液溜２０
から溢れた液体誘電体Ｄは前記第二円板壁８の上面に均
一に流れ出し、第二円板壁８と中心円板壁１０とで形成
されるギャップ内に充填し、その液面の高さを調整する
ことで、キャパシタ部Ｃの実効誘電率を変化させ、もっ
てキャパシタンスを変化させるのである。この液体誘電
体Ｄの液面の高さを調整するには、前記パイプ１９から
の注入と、排出とで行うのである。

【００２４】また、前記高周波電源４から半同軸型空洞
共振器５に高周波電力を導入するには、前記第一円板壁
７の上面に固定した接続具２１を利用する。この接続具
２１は、前記第一円板壁７に固定した円筒状の導電性ケ
ース２２内に結合コンデンサ２３を絶縁状態で内装し、
導電性ケース２２の上端を導電板２４で閉止し、該導電
板２４に取付けたコネクタ２５の中心同軸線２６を結合
コンデンサ２３の電極板２７，２７の一方に接続し、他
方の電極板２７から下方に延びた導入電極２８を前記第
一円板壁７に絶縁状態で貫通させて空洞共振器内に突出
させ、その先端と第一円板壁７の下面とを銅箔等で形成
した接続線２９で接続した構造を有する。ここで、前記
導電性ケース２２内では、前記結合コンデンサ２３がテ
フロン製の保持板３０，３０で上下から挟んで固定する
とともに、導入電極２８と第一円板壁７とはテフロン製
の封止部材３１で密閉している。尚、図中３２で示した
ものは、上下の電極板２７，２７間に介装したテフロン
シートであり、また３３で示したものは、第一円板壁７
に形成した通孔で、これは半同軸型空洞共振器５内の圧
力を調整して液体誘電体Ｄの注入、排出を容易にするた
めのものである。

【００２５】次に、半同軸型空洞共振器５の共振条件を
変化させて、加工系の負荷インピーダンスの変動に追従
してマッチングをとった場合の負荷での電力消費効率に
ついて理論的な解析と計算機シュミレーションの結果に
基づいて説明する。先ず、図３に基づいて前記半同軸型
空洞共振器５の電気的特性について説明する。

【００２６】図３(a) に示す如く半同軸型空洞共振器５
の中心軸から内側円筒壁９の外面までの半径をｒ₁、外
側円筒壁６の内面までの半径をｒ₂とし、第一円板壁７
と第二円板壁８の間隔をｂ₁とし、キャパシタ部Ｃのギ
ャップ間隔をｂとし、本実施例では２ｒ₂＝３６０ｍ
ｍ、２ｒ₁＝２００ｍｍ、ｂ₁＝８５．５ｍｍ、ｂ＝
３．５ｍｍに設定した。共振器内側は、表皮抵抗による
損失を小さくするために銅板、銅箔を用いて形成した。
図３(b) は半同軸型空洞共振器５の等価回路を示してい
る。

【００２７】前記高周波電源４から高周波電力が供給さ
れると、前記ギャップｂに電界Ｅが集中するため容量と
して働き、この容量Ｃ₀とそれを取巻く導体壁によるイ
ンダクタンスＬ₀とで決まる周波数で共振する。高周波
の伝搬方向を半径方向にとったラジアル伝送線路を対象
とすると、ラジアル伝送線路は、伝搬するに従ってその
形状が変わってくるため、同軸線路等の一般の伝送線路
とは異なった性質を持ち、特性インピーダンスＺ₀は半
径ｒの関数として次のように表される。

【００２８】

【数１】

【００２９】但し、ｈはラジアル伝送線路の高さであ
る。ここで、半径ｒにおけるアドミッタンスＹ(r) を、
伝送線路の特性アドミッタンスＹ₀(r)（＝１／Ｚ₀(r)）
で除した規格化アドミッタンス〈Ｙ(r) 〉を定義する。

【００３０】

【数２】

【００３１】ここで、Ｖ(r) 、Ｉ(r) は、ｒ＝ｒにおけ
る電圧、電流の値である。ラジアル伝送線路におけるイ
ンピーダンス変換は次のように表せる。

【００３２】

【数３】

【００３３】但し、

【数４】

【００３４】である。ここで、Ｊ_m(x) 、Ｎ_m(x) （ｍ
＝０，１）は、それぞれｍ次のベッセル関数、ノイマン
関数である。また、ｊ²＝−１（ｊは虚数単位）であ
る。そこで、ｒ＝ｒ₀で短絡終端しているラジアル伝送
線路をｒ＝ｒで見たときの規格化アドミッタンス〈Ｙ
(r) 〉を求めると、Ｙ(r₀)＝∞より、

【００３５】

【数５】

【００３６】となる。また、ｒ＝ｒから中心方向（ｒ₀
＝０）を見たときの規格化アドミッタンスは、

【００３７】

【数６】

【００３８】となる。次に、この半同軸型空洞共振器５
の共振周波数を求める。等価回路より、この共振器は異
なる特性アドミッタンスＹ₀(r)と、Ｙ₀'(r) を持つ開回
路と閉回路が結合した形となっている。また、結合部の
結合アドミッタンスｊＢ₁は次のように表される。

【００３９】

【数７】

【００４０】ここで、ｒ＝ｒ₁から見た開回路、閉回路
のそれぞれのサセプタンス成分と結合アドミッタンスの
和が零になれば、この回路は共振することから、Ｙ₀'(r
₁)に対するアドミッタンスの和としてこれを表すと、

【００４１】

【数８】

【００４２】となる。ｘ＝ｋｒ₁≪１の条件で近似を行
うと、

【００４３】

【数９】

【００４４】となり、更にギャップｂ（ｒ＝０〜ｒ₁）
に比誘電率ε_rの誘電体を挿入した場合、特性インピー
ダンスＺ₀(r)は√ε_r倍になる。また、ギャップｂ内の
容量をＣ₀とすると、前式（数８）の第２項は、

【００４５】

【数１０】

【００４６】となるので、ギャップｂ内に誘電体を挿入
するとε_r倍になることがわかる。以上から、ギャップ
ｂに誘電体が挿入された共振器の共振周波数は次式で求
められる。

【００４７】

【数１１】

【００４８】共振周波数は、液体誘電体Ｄの液面を変位
させて実効誘電率を変化させることによって変えること
ができる。しかし、加工系と一体となった全体の系を考
えると、共振条件を決定する容量Ｃは、共振器側の容量
Ｃ₀と加工系の容量Ｃ₁の合成容量となる。ここで、容
量Ｃ₁は加工の進行とともに変動する可能性があるた
め、共振器側の容量Ｃ₀が大きいほど合成容量Ｃの変化
が少なく、共振周波数が安定することになる。しかし、
逆に容量Ｃ₀が小さいほど投入電力に対して得られる電
圧は大きくなる。ここで、容量Ｃ₁の変化は数ｐＦと見
積もられるから、容量Ｃ₀を１００ｐＦと設定し、前述
の寸法が定められた。

【００４９】そこで、半同軸型空洞共振器５と加工系を
含めた全体の系について説明する。一般に高周波電源４
の出力インピーダンスは５０＋０ｊΩであり、そこから
特性インピーダンス５０Ωの伝送線路（同軸ケーブル）
で、前記半同軸型空洞共振器５からなるマッチング回路
に接続される。マッチング回路接続面から電源側を見た
インピーダンスは５０＋０ｊΩであるから、マッチング
回路接続面から負荷側を見たインピーダンスが５０＋０
ｊΩとなるようにマッチング回路を調整することで、イ
ンピーダンスマッチングは達成される。ここで、実部を
５０Ωに調整することは、電流電圧比を５０Ωに変圧す
ること、（言い換えれば、電源の電流電圧比５０Ωを負
荷インピーダンスにまで昇圧すること）、虚部を０Ωに
調整することは、位相のずれを無くすこと、に対応して
いる。

【００５０】図４は、共振器を用いた基本的なマッチン
グシステムの等価回路を示している。ここで、Ｃ₀は共
振器のキャパシタンス、Ｌ₀は共振器のインダクタン
ス、Ｒ ₀は共振器の内部抵抗、Ｚ_Lはチャンバー、ワー
ク、加工電極を含めた加工系の負荷インピーダンスを表
している。また、Ｃ₃は結合コンデンサ２３のキャパシ
タンスである。この回路では、共振条件をとることで負
荷インピーダンスＺ_Lの虚数成分を零に調整し、電源電
力の供給点を選ぶ（ｋを選ぶ）ことで昇圧比を決定でき
る。

【００５１】図４に示した等価回路を用い、いくつかの
負荷抵抗に対してインピーダンスマッチングを行った際
の負荷での電力消費効率を計算した結果を次の表１に示
す。計算は、投入電源周波数を１５０ＭＨｚ、Ｃ₀＝１
００ｐＦ、負荷は実抵抗として行った。これより、内部
抵抗Ｒ₀が大きくなるほど負荷での電力消費効率が下が
ってくること、また負荷抵抗が大きくなるほど負荷での
電力消費効率が下がってくることが分かる。

【００５２】

【表１】

【００５３】前者は自明であるが、後者については少し
説明を加える。負荷に対してインピーダンスマッチング
をとるということは、負荷に見合う電圧に昇圧（あるい
は減圧）することである。そのため、負荷抵抗が大きく
なるほど、大きな昇圧を行わなければならない。また、
Ｃ₀両端の電位を上げるためには、その電位に見合う電
荷が回路内を動きまわる必要がある。従って、大きな昇
圧を行うためには共振回路内を流れる電流量が増加し、
内部抵抗での消費が増加、結果として負荷での電力消費
効率が減少することとなる。

【００５４】表１では、Ｃ₀＝１００ｐＦとして計算を
行ったが、Ｃ₀を小さくすれば負荷での電力消費効率は
増加し、Ｃ₀を大きくすれば効率は減少する傾向が見ら
れる。これも先程の説明と同様で、Ｃ₀両端の電位を上
げるための電荷量は容量が小さいほどすくなくて済み、
回路内を流れる電流が少なくて済むためである。

【００５５】ここで注意すべきことは、負荷による電力
消費効率が小さくても、インピーダンスマッチングはと
れているのであるから、反射電力は零になっていること
である。一般に高周波における実質投入電力は、入射電
力マイナス反射電力で定義されているが、たとえ反射電
力が零で、有効に電力が使われているように見えても、
実はマッチング回路の内部抵抗で大半の電力が使われて
いる、ということもある。このことから、高周波電力供
給系の設計において、十分な電力消費効率が得られるよ
うな小さい内部抵抗を持った共振回路が必要であると言
える。

【００５６】高周波電流は導体の表面のみに流れるた
め、共振回路の内部抵抗を小さくするためには、電流の
流れる表面の表面積を大きくすることが効果的である。
そのために、本発明では半同軸型空洞共振器を用いてい
るのであって、その結果、周波数１５０ＭＨｚ、共振器
容量１００ｐＦの共振器を内部抵抗数ｍΩで製作できる
ことが計算でき、表１より、１０ｋΩ程度の負荷インピ
ーダンスに対して、十分実用的なインピーダンスマッチ
ング回路が作製できることが分かる。

【００５７】そこで、図４に示す如く、負荷インピーダ
ンスＺ_Lとして、実抵抗Ｒ₁に並列に容量Ｃ₁（チャン
バー内部の浮遊容量等）が入った場合と、実抵抗Ｒ₁に
直列に容量Ｃ₁が入った場合の二種類の場合を考える。

【００５８】先ず、実抵抗Ｒ₁に並列に容量Ｃ₁が入っ
た場合は、容量Ｃ₁は共振器容量Ｃ ₀に並列に入るわけ
であるから、Ｃ₁の変化に対しては、例えばＣ₁の増加
分だけ共振器容量Ｃ₀あるいは共振器インダクタンスＬ
₀を減少させればよく、共振条件を調整することのみで
完全に加工系の負荷インピーダンスの変化を吸収でき
る。従って、負荷に並列に入る容量の変化に対しては、
反射電力が最小となるように共振条件を調整することで
完全に追従できる。

【００５９】次に、実抵抗Ｒ₁に直列に容量Ｃ₁が入っ
た場合は、負荷インピーダンスが変動した場合、反射電
力及び電力消費効率がどのように変化するか計算を行っ
た。図５は負荷インピーダンスの虚部成分（Ｃ₁）が変
動したときの反射率と負荷での電力消費効率を、図６は
負荷インピーダンスの実部成分（Ｒ₁）が変動したとき
の反射率と電力消費効率を、それぞれ計算したものであ
る。計算は周波数１５０ＭＨｚ、Ｃ₀＝１００ｐＦ、Ｒ
₀＝３ｍΩ、Ｃ₁＝２０ｐＦ（図５では変動）、Ｒ₁＝
２Ω（図６では変動）で行った。これらの図を見ると、
Ｒ₁の変動に関しては、インピーダンスマッチング時の
５０〜２００％の変動があっても、電力消費効率として
は８０％以上を保っているが、Ｃ₁の変動に関しては、
インピーダンスマッチング時の７５〜１５０％の変動が
あるだけで、電力消費効率が約５％にまで低下している
ことが分かる。尚、電力消費効率と反射率にいていのグ
ラフの対称性から、電力消費効率の低下は主に反射電力
の増加によるものと言える。

【００６０】図５及び図６を見れば、負荷変動に対する
インピーダンスマッチングのずれには主に虚部すなわち
位相項が利いていると考えられる。そこで、負荷変動後
に、反射が最小になるように共振条件（Ｃ₀）を調整し
たとして、反射率及び電力消費効率がどのように改善さ
れるかを計算したのが図７である。このグラフより、Ｃ
₀を調整することでＣ₁の変動による電力消費効率の低
下はかなり抑えられ、７５〜１５０％の負荷変動に対し
て８５％以上の電力消費効率が保てることが分かった。

【００６１】図５及び図６の計算条件の他にも、Ｃ₁＝
２ｐＦ、Ｒ₁＝２０Ω、２００Ω等の条件で何通りか計
算を行ってみたが、何れの場合も、負荷変動に対して敏
感に反射率が増加する場合に対しては、共振条件
（Ｃ₀）の調整によって、この不安定さを緩和できるこ
とが分かった。即ち、負荷抵抗に直列に入る容量の変化
も、共振条件の調整によって、その影響を緩和できるこ
とが分かった。

【００６２】上記のことを確かめるため、簡単な実験を
行った。その実験装置の概略を図８に示す。図８のよう
に実抵抗Ｒ₁（２Ω）と平行平板コンデンサＣ₁（２０
ｐＦ）とを直列に接続し、それらを共振器容量Ｃ₀と並
列に取付け、インピーダンスマッチングをとった後、平
行平板コンデンサＣ₁の容量を変化させたときに、どれ
だけの反射電力が生じるかを測定した。また、その時共
振条件を調整することでどこまで反射電力を減らすこと
ができるかを測定した。その実験結果を図９に示す。こ
の実験結果より、共振条件の調整のみによって負荷変動
に対する電力供給システムの不安定さは緩和できるとい
う、計算結果は妥当なものであると言える。

【００６３】前述の半同軸型空洞共振器５の場合、キャ
パシタ部Ｃは平行平板コンデンサで作られているため、
この容量を変化させるためには、極板面積、極板間距
離、あるいは極板間の誘電率の何れかを変化させれば良
いが、極板面積、極板間距離を変化させることは、空洞
共振器の構造そのものを変化させることとなり、複雑な
機構が必要となると容易に予想される。そこで、本発明
は、極板間に誘電損失の少ない液体誘電体Ｄを定量的に
出し入れして容量を変化させようとするのである。先
ず、一般に高周波特性が良いとされているいくつかの液
体誘電体に対して誘電損失の測定を行った。その結果を
次の表２に示す。

【００６４】

【表２】

【００６５】表２より、ＦＣ−７２、ＴＳＦ−４５１と
いった液体誘電体は、テフロンと同程度の誘電損失であ
ることが分かる。上記の誘電体の誘電損失による電力損
失を計算したところ、内部抵抗に換算して数ｍΩに相当
することが分かり、誘電損失は実用上の許容範囲内であ
ると言える。

【００６６】次に、実際に半同軸型空洞共振器５のキャ
パシタ部Ｃに液体誘電体Ｄを注入することによってその
キャパシタンスＣ₀がどのように変化するかを実験で確
かめ、図１０にその結果を示している。図中の実線は計
算値であり、良く一致していると言える。以上の予備実
験により、１５０ＭＨｚ帯という高周波領域においても
誘電損失の小さい液体誘電体が存在し、その液体を半同
軸型空洞共振器のキャパシタ部に注入、排出することに
よって、その誘電率に見合う容量変化が起こることが確
かめられ、実際の高周波電力供給システムに適用可能で
あることが実証された。

【００６７】一方、半同軸型空洞共振器５の共振条件を
変化させるには、インダクタ部Ｌに液体導電体Ｍを注
入、排出することによってその液面を調整することによ
っても可能である。プラズマプロセスによっては、共振
器のキャパシタ部Ｃの極板間にプラズマを発生させる可
能性があるが、この場合、共振器容量を変化させること
は難しい。このような場合、共振条件を変化させるに
は、共振器のインダクタ部ＬのインダクタンスＬ₀を変
化させれば良い。これを実現する手段として、半同軸型
空洞共振器５の内面の電流経路の一部に液体金属等の液
体導電体Ｍを用い、その液面を上下させることによっ
て、構造物を動かすことなく、電流の経路を変化させる
ことができ、インダクタンスを変化させることができ
る。

【００６８】このインダクタンスを変化させることがで
きる半同軸型空洞共振器５を用いた高周波電力供給装置
の概念を図１１に示す。即ち、前記半同軸型空洞共振器
５の中心軸を鉛直方向に設定し且つ第一円板壁７を下方
に向けて設定し、当該空洞共振器内に液体導電体Ｍを注
入し、インダクタ部Ｌにおける液体導電体Ｍの液面を調
整し、その電流経路を変化させるのである。半同軸型空
洞共振器５に液体導電体Ｍを注入するには、図示したよ
うに共振器の下面となる第一円板壁７の一部にシリンダ
３４を共振器内と連通するように下設し、該シリンダ３
４内に密閉状態で上下スライド可能にピストン３５を内
挿し、該ピストン３５の上方に充填した液体導電体Ｍ
を、該ピストン３５を上下移動させることで、共振器内
に注入する量を増加、減少させて、その液面の高さを変
化させるのである。

【００６９】前記液体導電体Ｍとして、本実施例では液
体ガリウムを用いている。ガリウムは、融点が３０．１
５℃であるので、常温若しくは若干加熱するだけで液体
となり、本発明において使用可能である。このガリウム
の主な物性値を次の表３に示す。

【００７０】

【表３】

【００７１】前記液体導電体Ｍとしては、液体ガリウム
以外に水銀等の液体金属若しくはシリコンオイルに金属
粉を混ぜた導電性の液体を用いることも可能である。

【００７２】

【発明の効果】以上にしてなる本発明の高周波電力供給
装置によれば、高周波電源で発生した高周波電力を、導
体からなる半同軸型空洞共振器を介してワークと加工電
極とを含む加工系に供給する高周波電力供給装置であっ
て、ワークの加工進行に伴う加工系の負荷インピーダン
スの変動に応じて、加工系での電力消費効率を最大にす
べく前記半同軸型空洞共振器の共振条件を、該空洞共振
器内に可動部を設けることなく外部から液体誘電体若し
くは液体導電体を注入、排出するだけで連続的に変化さ
せてなるので、半同軸型空洞共振器内に外部から液体誘
電体若しくは液体導電体を注入、排出するといった簡単
な操作によって、それらの液面の高さを調整することに
よって空洞共振器のキャパシタンス若しくはインダクタ
ンスを調節し、ワークの加工進行に伴う加工系の負荷イ
ンピーダンスの変動に追従して、当該半同軸型空洞共振
器の共振条件を連続的に変化させて、反射電力を最小に
し、加工系での電力消費効率を最大にすることが可能で
ある。

【００７３】即ち、半同軸型空洞共振器を用いたインピ
ーダンスマッチング回路を構成することで、エネルギー
の内部消費が少ない高周波電力供給装置を作製すること
ができる。また、プロセス中の負荷変動に対して、反射
電力が極小となるように共振条件を制御することによ
り、インピーダンスマッチングの不安定さを緩和するこ
とができるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高周波電力供給装置を用いて構成した
無歪精密切断装置の概念図である。

【図２】本発明の要部の拡大断面図である。

【図３】半同軸型空洞共振器の(a) 簡略図とその(b) 等
価回路図である。

【図４】加工系を含むシステム全体の等価回路図であ
る。

【図５】負荷インピーダンスＺ_Lとして実抵抗Ｒ₁に直
列に容量Ｃ₁が入った場合において、容量Ｃ₁を変化さ
せた時の反射率と電力消費効率の変化を示すグラフであ
る。

【図６】同じく実抵抗Ｒ₁を変化させた時の反射率と電
力消費効率の変化を示すグラフである。

【図７】同じく負荷容量Ｃ₁を変化させた際に反射電力
が最小となるように共振器容量Ｃ₀を調整した時の反射
率と電力消費効率の変化を示すグラフである。

【図８】負荷容量Ｃ₁を変化させた場合の反射率におけ
るＣ₀の調整効果を確かめる実験の概念図である。

【図９】同じく負荷容量Ｃ₁の変化に対する反射率の変
化の実験結果を示すグラフである。

【図10】半同軸型空洞共振器のキャパシタ部に注入する
液体誘電体の注入量と共振器容量Ｃ₀との関係を示すグ
ラフである。

【図11】半同軸型空洞共振器のインダクタ部に液体導電
体を注入してそのインダクタンスを調整する構造を示す
概念図である。

【符号の説明】

１チャンバー２ワーク３ワイヤー電極４高周波電源５半同軸型空洞共振器６外側円筒壁７第一円板壁８第二円板壁９内側円筒壁１０中心円板壁１１円孔１２ロッド１３絶縁板１４固定板１５絶縁ボルト１６Ｏリング１７液路１８開口１９パイプ２０液溜２１接続具２２導電性ケース２３結合コンデンサ２４導電板２５コネクタ２６中心同軸線２７電極板２８導入電極２９接続線３０保持板３１封止部材３２テフロンシート３３通孔３４シリンダ３５ピストンＣキャパシタ部Ｌインダクタ部Ｃ₀ 共振器のキャパシタンスＬ₀ 共振器のインダクタンスＲ₀ 共振器の内部抵抗Ｚ_L 負荷インピーダンスＣ₁ 負荷のキャパシタンスＲ₁ 負荷の抵抗

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/46 B23K 10/00 503 C23F 4/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波電源で発生した高周波電力を、導
体からなる半同軸型空洞共振器を介してワークと加工電
極とを含む加工系に供給する高周波電力供給装置であっ
て、外側円筒壁の軸方向両端を軸と直交する第一円板壁
と第二円板壁で閉塞するとともに、第一円板壁の中心か
ら第二円板壁に向けて同軸状に内側円筒壁を延設し、該
内側円筒壁の内端を閉塞する中心円板壁と前記第二円板
壁とで平行なギャップを形成して配し、前記ギャップを
キャパシタ部とするとともに、内外円筒壁と第一円板壁
と第二円板壁とで形成される電流経路をインダクタ部と
してなる半同軸型空洞共振器を用い、その軸を鉛直方向
に設定し且つ第二円板壁を下方に向けて設定し、ワーク
の加工進行に伴う加工系の負荷インピーダンスの変動に
応じて、加工系での電力消費効率を最大にすべく、当該
空洞共振器内に液体誘電体を注入し、キャパシタ部のギ
ャップにおける液体誘電体の液面を調整することによっ
て、キャパシタ部の実効誘電率を変化させて半同軸型空
洞共振器の共振条件を連続的に変化させてなることを特
徴とする高周波電力供給装置。
【請求項２】前記中心円板壁の中心に第二円板壁に開
口した円孔を貫通し且つ該第二円板壁に導通することな
く電力供給用のロッドを延設するとともに、該第二円板
壁から突出したロッドにリング状の絶縁板及び固定板を
密閉状態で順次嵌挿し、絶縁ボルトで第二円板壁の外面
に締着してなる請求項１記載の高周波電力供給装置。
【請求項３】前記中心円板壁の上面からロッドの内部
を通り、前記第二円板壁の円孔内に連通した液路を形成
するとともに、該液路に絶縁性のパイプを接続し、該液
路を通って液体誘電体を円孔と絶縁板で形成された液溜
に注入し、該液溜から溢れ前記第二円板壁の上面に均一
に流れ出した液体誘電体の液面の高さを、パイプからの
注入と排出とで調整してなる請求項２記載の高周波電力
供給装置。
【請求項４】高周波電源で発生した高周波電力を、導
体からなる半同軸型空洞共振器を介してワークと加工電
極とを含む加工系に供給する高周波電力供給装置であっ
て、外側円筒壁の軸方向両端を軸と直交する第一円板壁
と第二円板壁で閉塞するとともに、第一円板壁の中心か
ら第二円板壁に向けて同軸状に内側円筒壁を延設し、該
内側円筒壁の内端を閉塞する中心円板壁と前記第二円板
壁とで平行なギャップを形成して配し、前記ギャップを
キャパシタ部とするとともに、内外円筒壁と第一円板壁
と第二円板壁とで形成される電流経路をインダクタ部と
してなる半同軸型空洞共振器を用い、その軸を鉛直方向
に設定し且つ第一円板壁を下方に向けて設定し、ワーク
の加工進行に伴う加工系の負荷インピーダンスの変動に
応じて、加工系での電力消費効率を最大にすべく、当該
空洞共振器内に液体導電体を注入し、インダクタ部にお
ける液体導電体の液面を調整することによって、インダ
クタ部の実効電流経路を変化させて半同軸型空洞共振器
の共振条件を連続的に変化させてなることを特徴とする
高周波電力供給装置。
【請求項５】前記半同軸型空洞共振器の下面となる第
一円板壁の一部にシリンダを該共振器内と連通するよう
に下設し、該シリンダ内に密閉状態で上下スライド可能
にピストンを内挿し、該ピストンの上方に充填した液体
導電体を、該ピストンを上下移動させることで、共振器
内に注入する量を増加、減少させて、その液面の高さを
調整してなる請求項４記載の高周波電力供給装置。
【請求項６】前記液体導電体として、液体ガリウム又
は水銀等の液体金属若しくはシリコンオイルに金属粉を
混ぜた導電性の液体を用いてなる請求項４又は５記載の
高周波電力供給装置。