JP4067876B2 - 位相差検出方法、インピーダンス検出方法、測定装置および同軸型インピーダンス整合装置 - Google Patents
位相差検出方法、インピーダンス検出方法、測定装置および同軸型インピーダンス整合装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに周波数が同一で位相が異なる第１入力信号および第２入力信号の位相差を検出する位相差検出方法、その位相差検出方法を用いて接続対象体の入力インピーダンスを検出するインピーダンス検出方法、互いに周波数が同一で位相が異なる第１入力信号および第２入力信号の位相差を少なくとも検出する測定装置、およびその測定装置を備えた同軸型インピーダンス整合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のインピーダンス整合装置は、一例として、高周波やマイクロ波電力に基づいて発生させたプラズマ放電を用いて薄膜形成やドライエッチングなどの処理を行うプラズマ装置において、安定した処理を行うためにプラズマを安定させる目的で使用されている。このインピーダンス整合装置を用いたプラズマ装置について図６を参照して説明する。同図に示すプラズマ装置５１は、高周波信号Ｓを生成する高周波発生部２、方向性結合器３、複数の整合要素（スラグやスラブ等の誘電体）を有して高周波発生部２と処理室５との間のインピーダンスを整合する整合器本体５４、高周波信号Ｓに基づいてプラズマを発生させて薄膜形成等の処理を行う処理室５、整合器本体５４における各整合要素の位置を変更する機能を有して整合器本体５４と共にインピーダンス整合装置を構成する移動機構５６、および各構成要素に対する制御を実施する演算制御部５７を備えている。この場合、方向性結合器３は、整合器本体５４の入力端における高周波信号Ｓの進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとを検出して出力する。
【０００３】
次いで、このプラズマ装置５１の動作について説明すると、高周波発生部２が高周波信号Ｓを生成し、生成された高周波信号Ｓは、方向性結合器３および整合器本体５４を介して処理室５に供給される。演算制御部５７は、方向性結合器３によって検出された高周波信号Ｓの進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとに基づいて進行波Ｓｆに対する反射波Ｓｒの割合（反射率）を繰り返し算出する。また、演算制御部５７は、算出した反射率が予め設定された基準値以下になるように移動機構５６を制御して整合器本体５４の各整合要素の位置を変更し、高周波発生部２と処理室５との間のインピーダンスを整合する。インピーダンスの整合が進むと、それに伴い反射波Ｓｒが次第に減少して反射率も低下する。このため、演算制御部５７は、この反射率が基準値以下になるように整合器本体５４の整合要素の位置を変更することにより、高周波発生部２と処理室５との間のインピーダンスを最適な状態に整合させる。これにより、処理室５内で発生するプラズマを安定させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、プラズマ装置５１におけるインピーダンス整合動作には、以下の問題点がある。すなわち、このプラズマ装置５１では、整合器本体５４内の整合要素の位置を変えることによってインピーダンスが整合される。しかしながら、プラズマ装置５１では、高周波信号Ｓの反射率という一つのパラメータに基づいて整合器本体５４の２以上の整合要素の各位置をそれぞれ制御する必要がある。このため、このプラズマ装置５１では、整合状態となる各整合要素の各整合位置を一義的に決定することができない結果、フィードバック制御を繰り返しながら各整合要素の位置をそれぞれ制御しつつ反射率を基準値に近づけることによって、各整合要素を整合位置に移動させなければならない。したがって、この従来のプラズマ装置５１には、インピーダンスを整合させるまでに長時間を要するという問題がある。また、反射率が基準値に達した時点でインピーダンス整合動作を終了しているため、より一層完全な整合位置が各整合要素に存在するにも拘わらず、その完全な整合位置に各整合要素を移動させることが困難であるという問題点も存在する。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、位相差、例えばインピーダンス整合装置における各整合要素の整合位置の決定に必要な進行波と反射波との間の位相差を高速に検出し得る位相差検出方法および測定装置を提供することを主目的とする。また、インピーダンス、例えば方向性結合器に接続されたインピーダンス整合装置における整合位置の決定に必要なインピーダンス整合装置の入力インピーダンスを高速に検出し得るインピーダンス検出方法および測定装置を提供することを他の目的とする。また、整合対象体に対するインピーダンス整合の高速化およびより完全なインピーダンス整合を図り得る同軸型インピーダンス整合装置を提供することを他の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る位相差検出方法は、互いに周波数が同一で位相が異なる第１入力信号および第２入力信号を入力し、前記第１入力信号に基づいて当該第１入力信号と同一周波数でかつ第１基準位相差分だけ互いに異なる第１生成信号および第２生成信号を生成すると共に前記第２入力信号に基づいて当該第２入力信号と同一周波数でかつ第２基準位相差分だけ互いに異なるかまたは同一位相の第３生成信号および第４生成信号を生成する信号生成ステップを実行し、前記第１生成信号と前記第３生成信号とを混合して当該第１および第３生成信号の相対位相差を第１相対位相差として検出すると共に前記第２生成信号と前記第４生成信号とを混合して当該第２および第４生成信号の相対位相差を第２相対位相差として検出する相対位相差検出ステップを実行し、前記両入力信号の位相差を変化させて前記信号生成ステップおよび前記相対位相差検出ステップを実行したときに検出される前記両相対位相差が当該各位相差にそれぞれ対応させて予め記憶されているデータテーブル内の当該両相対位相差の各々と前記相対位相差検出ステップで検出した前記両相対位相差とを比較して一致またはほぼ一致する当該データテーブル内の前記両相対位相差に対応する当該データテーブル内の前記位相差を前記入力した両入力信号の位相差として検出する。
【０００７】
この場合、前記信号生成ステップにおいて、前記第１基準位相差を９０゜とし、かつ各位相を同一にして前記第３生成信号および前記第４生成信号を生成するのが好ましい。
【０００８】
また、上記目的を達成すべく本発明に係るインピーダンス検出方法は、接続対象体に接続された方向性結合器によって出力された進行波および反射波をそれぞれ前記第１入力信号および前記第２入力信号として上記の位相差検出方法に従って当該両入力信号の位相差を検出し、前記第１生成信号と前記第３生成信号とを混合して当該両生成信号の振幅比を検出するステップ、または前記第２生成信号と前記第４生成信号とを混合して当該両生成信号の振幅比を検出するステップのいずれか一方を振幅比検出ステップとして実行し、前記位相差検出方法によって検出された前記両入力信号の位相差と前記振幅比検出ステップによって検出した前記振幅比とに基づいて前記接続対象体の入力インピーダンスを検出する。
【０００９】
また、上記目的を達成すべく本発明に係る測定装置は、入力した第１入力信号に基づいて当該第１入力信号と同一周波数でかつ第１基準位相差分だけ互いに異なる第１生成信号および第２生成信号を生成して分配する第１信号分配器と、前記第１入力信号と周波数が同一で位相が異なる第２入力信号を入力して当該第２入力信号に基づいて当該第２入力信号と同一周波数でかつ第２基準位相差分だけ互いに異なるかまたは同一位相の第３生成信号および第４生成信号を生成して分配する第２信号分配器と、前記第１生成信号と前記第３生成信号とを混合して当該両生成信号の相対位相差を第１相対位相差として検出する第１混合器と、前記第２生成信号と前記第４生成信号とを混合して当該両生成信号の相対位相差を第２相対位相差として検出する第２混合器と、前記両入力信号の位相差を変化させたときに検出される前記両相対位相差が当該各位相差にそれぞれ対応させて予め記憶されているデータテーブル内の当該両相対位相差の各々と前記第１混合器および前記第２混合器で検出された前記両相対位相差とを比較して一致またはほぼ一致する当該データテーブル内の前記両相対位相差に対応する当該データテーブル内の前記位相差を前記入力した両入力信号の位相差として検出する検出部とを備えている。
【００１０】
この場合、前記第１信号分配器が、前記第１基準位相差を９０゜として前記両生成信号を生成して分配し、前記第２信号分配器が、各位相を同一にして前記第３生成信号および前記第４生成信号を生成して分配するのが好ましい。
【００１１】
また、接続対象体に接続された方向性結合器によって出力された進行波および反射波をそれぞれ前記第１入力信号および前記第２入力信号として入力可能に前記各信号分配器を構成し、入力した前記両生成信号を混合して当該両生成信号の振幅比を検出可能に前記第１混合器および前記第２混合器のいずれか一方を構成し、前記検出部によって検出された前記両入力信号の位相差と前記検出された振幅比とに基づいて前記接続対象体の入力インピーダンスを演算する演算部を備えるのが好ましい。
【００１２】
さらに、上記目的を達成すべく本発明に係る同軸型インピーダンス整合装置は、管状の外部導体、当該外部導体内に配設された内部導体、および前記外部導体の内面と前記内部導体の外面との間の隙間内に移動可能に配設された複数の誘電体を有すると共に方向性結合器と整合対象体との間に配設された整合器本体を備え、その固有インピーダンスが前記外部導体内における前記各誘電体の位置に応じた値に制御される同軸型インピーダンス整合装置であって、前記各誘電体を移動させる移動機構と、前記整合器本体の固有インピーダンスと前記各誘電体の各位置とを対応させたデータテーブルを記憶する記憶部と、請求項６記載の測定装置と、前記移動機構を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記整合器本体における前記各誘電体の前記各位置および前記データテーブルから求まる整合動作開始時における当該整合器本体の固有インピーダンスと、その状態において前記測定装置の前記演算部によって演算された前記接続対象体としての当該整合器本体の前記入力インピーダンスとに基づいて前記整合対象体の入力インピーダンスを算出して、当該算出した整合対象体の入力インピーダンスに対する共役インピーダンスと前記固有インピーダンスとが一致する前記各誘電体の前記各位置を前記データテーブルを参照して目標位置として算出し、当該目標位置に前記各誘電体がそれぞれ位置するように前記移動機構を制御する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る同軸型インピーダンス整合装置の好適な実施の形態について説明する。なお、一例として同軸型インピーダンス整合装置をプラズマ装置１に適用した例を挙げて説明する。また、プラズマ装置５１と同一の構成要素については同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１に示すプラズマ装置１は、高周波発生部２、方向性結合器３、整合器本体１１を備えた同軸型インピーダンス整合装置（以下、「整合装置」ともいう）４、および処理室（本発明における整合対象体）５を備え、高周波発生部２によって生成された高周波信号（例えばマイクロ波）Ｓを方向性結合器３、整合器本体１１を介して処理室５に供給することによって処理室５内にプラズマを発生させて、処理室５内の被処理物に対する所定の処理を実行可能に構成されている。
【００１５】
高周波発生部２は、高周波信号（一例として、２．４５ＧＨｚ程度のマイクロ波）Ｓを生成し、生成した高周波信号Ｓを処理室５に供給する。方向性結合器３は、高周波信号Ｓの進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとを出力する。この場合、進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとは、互いの周波数が同一で、かつ位相が異なる関係となる。
【００１６】
整合装置４は、図１に示すように、整合器本体１１、移動機構２１および制御装置３１を備えている。この場合、整合器本体１１は、図２に示すように、管状（円筒状）の外部導体１２、外部導体１２内に互いの軸線同士が一致するように配設された円柱状の内部導体１３、および外部導体１２の内面と内部導体１３の外面との間の隙間内に配設された２組の誘電体（スラグ）１４，１５を備えたいわゆるスラグチューナとして構成され、方向性結合器３と処理室５との間に配設されている。また、整合器本体１１の入力端１１ａおよび出力端１１ｂには、整合器本体１１を方向性結合器３および処理室５にそれぞれ接続するためのコネクタ（図示せず）が取り付けられている。外部導体１２には、その長手方向に沿ってスリットＳＬが１つ形成されている。
【００１７】
入力端側のスラグ１４は、図２，３に示すように、誘電体材料で形成されたスラグ１４ａ，１４ｂと、スラグ１４ａ，１４ｂを連結すると共に移動機構２１によって移動される移動用ブラケット１４ｃとを備えている。この場合、スラグ１４ａ，１４ｂは、各厚みＬ１がλ／４（λは、整合器本体１１内における高周波信号Ｓの管内波長）と等しい（またはほぼ等しい）円筒状に構成されている。また、スラグ１４ａ，１４ｂは、互いの対向面間の距離Ｌ２がＮ×λ／４（Ｎは奇数）と等しく（またはほぼ等しく）なるように予め設定されている。この構成より、スラグ１４ａ，１４ｂで構成されるスラグ１４全体として入力端２ａ側に反射する反射量は、スラグ１４ａ，１４ｂの内の一方しか存在しない構成と比較して十分大きくなる。移動用ブラケット１４ｃは、スリットＳＬに挿入されてその端部（同図中の上端）がスリットＳＬから外部導体１２の外部に突出している。出力端側のスラグ１５は、スラグ１４と同一に構成され、図２，３に示すように、誘電体材料で形成されたスラグ１５ａ，１５ｂと、スラグ１５ａ，１５ｂを連結すると共に移動機構２１によって移動される移動用ブラケット１５ｃとを備えている。なお、本発明の実施の形態では、一例として、スラグ１４ａ，１４ｂ間の距離Ｌ２、およびスラグ１５ａ，１５ｂ間の距離Ｌ２をλ／４に規定したものとする。
【００１８】
この整合装置４を用いたインピーダンスの整合に際しては、スラグ１４，１５をスライド（移動）させる。この際に、スラグ１４，１５間の中心位置Ｏ（図３参照）と、整合器本体１１における出力端（信号出力側端部）１１ｂとの距離Ｌ３を調整することにより、両スラグ１４，１５によってそれぞれ反射される各反射信号の位相が調整される。この場合、両スラグ１４，１５間の中心位置Ｏと、整合器本体１１における入力端（信号入力側端部）１１ａとの距離を調整することによっても、両スラグ１４，１５によってそれぞれ反射される各反射信号の位相を同様にして調整することができる。また、スラグ１４におけるスラグ１４ｂの出力端１１ｂの端面と、スラグ１５におけるスラグ１５ａの入力端１１ａ側の端面との間の距離Ｌ４（本発明における対向面間の距離）を調整することにより、スラグ１５によって入力端１１ａ側に反射される反射信号の振幅が調整される。したがって、スラグ１４ａ，１４ｂ（スラグ１４）およびスラグ１５ａ，１５ｂ（スラグ１５）の整合器本体１１内における位置（つまり、外部導体内における各誘電体１４，１５の各位置）を適宜調整することにより、スラグ１４によって入力端１１ａ側に反射される信号の位相と、スラグ１５によって入力端１１ａ側に反射される信号の位相とを互いに反転させ、かつスラグ１４によって入力端１１ａ側に反射される信号の振幅と、スラグ１５によって入力端１１ａ側に反射される信号の振幅とを互いに等しくさせることで、入力端１１ａに接続される接続対象体（この例では高周波発生部２）および出力端１１ｂに接続される接続対象体（この例では処理室５）間のインピーダンスを完全に整合させることができる。
【００１９】
移動機構２１は、図２に示すように、スラグ１４を移動させる移動機構２１ａとスラグ１５を移動させる移動機構２１ｂとで構成されている。移動機構２１ａは、整合器本体１１における入力端１１ａと出力端１１ｂの各近傍に配置された一対のプーリー２３ａ，２４ａ間に掛け渡されたワイヤーロープ２２ａと、ワイヤーロープ２２ａを回転駆動するモータ２５ａとを備えて構成され、ワイヤーロープ２２ａにスラグ１４の移動用ブラケット１４ｃが連結されている。この構成により、モータ２５ａによってワイヤーロープ２２ａが回転駆動された際には、移動用ブラケット１４ｃと共にスラグ１４が外部導体１２内をスライドする。一方、移動機構２１ｂは、整合器本体１１における入力端１１ａと出力端１１ｂの各近傍に配置された一対のプーリー２３ｂ，２４ｂ間に掛け渡されたワイヤーロープ２２ｂと、ワイヤーロープ２２ｂを回転駆動するモータ２５ｂとを備えて構成され、ワイヤーロープ２２ｂにスラグ１５の移動用ブラケット１５ｃが連結されている。この構成により、モータ２５ｂによってワイヤーロープ２２ｂが回転駆動された際には、移動用ブラケット１５ｃと共にスラグ１５が外部導体１２内をスライドする。
【００２０】
制御装置３１は、図１に示すように、第１バンドパスフィルタ３２ａ、第２バンドパスフィルタ３２ｂ、第１移相分配器（第１信号分配器）３３ａ、第２移相分配器（第２信号分配器）３３ｂ、第１混合器３４ａ、第２混合器３４ｂ、メモリ（本発明における記憶部）３５および演算制御部（本発明おける演算部および制御部）３６を備えている。この場合、各バンドパスフィルタ３２ａ，３２ｂは、入力した進行波Ｓｆおよび反射波Ｓｒに含まれるノイズ成分をそれぞれ除去する。
【００２１】
第１移相分配器３３ａは、いわゆるハイブリッド回路であって、入力した第１入力信号としての進行波Ｓｆに基づいて進行波Ｓｆと同一周波数でかつ第１基準位相差分だけ互いに位相が異なる第１生成信号Ｓf1および第２生成信号Ｓf2を生成して分配する。第２移相分配器３３ｂは、入力した第２入力信号としての反射波Ｓｒに基づいて反射波Ｓｒと同一周波数でかつ第２基準位相差分だけ互いに位相が異なるかまたは同一位相の第３生成信号Ｓr1および第４生成信号Ｓr2を生成して分配する。なお、この制御装置３１では、一例として、第１移相分配器３３ａは、第１生成信号Ｓf1の位相を進行波Ｓｆの位相と同一にし、かつ第１基準位相差分として９０゜だけ第２生成信号Ｓf2の位相を第１生成信号Ｓf1の位相に対して遅らせて生成する。一方、第２移相分配器３３ｂは、同じくハイブリッド回路であって、第３生成信号Ｓr1の位相を反射波Ｓｒの位相と同一にし、かつ第３生成信号Ｓr1と第４生成信号Ｓr2とを同一の位相（第２基準位相差が０゜と等価）で生成する。つまり、本発明の実施の形態では、第２移相分配器３３ｂは、同相分配器として機能する。
【００２２】
第１混合器３４ａは、第１生成信号Ｓf1と第３生成信号Ｓr1とを混合して両生成信号Ｓf1，Ｓr1の相対位相差（両信号Ｓf1，Ｓr1の位相差の絶対値）を第１相対位相差Ｄθ１として検出すると共に、両生成信号Ｓf1，Ｓr1の振幅比（Ｓｒ／Ｓｆ）Ｄr/f を検出する。第２混合器３４ｂは、第２生成信号Ｓf2と第４生成信号Ｓr2とを混合して両生成信号Ｓf2，Ｓr2の相対位相差（両信号Ｓf2，Ｓr2の位相差の絶対値）を第２相対位相差Ｄθ２として検出する。なお、第２混合器３４ｂにおいて両生成信号Ｓf2，Ｓr2の振幅比（Ｓｒ／Ｓｆ）を検出し、この振幅比を上記Ｄr/f として出力させる構成を採用することもできる。
【００２３】
メモリ３５には、進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとの間の位相差θを−１８０゜から＋１８０°まで変化させたときに第１混合器３４ａと第２混合器３４ｂとによってそれぞれ検出される第１相対位相差Ｄθ１および第２相対位相差Ｄθ２の各値が、各位相差θに対応させてデータテーブルＤＴ１（図４参照）として予め記憶されている。また、メモリ３５には、整合器本体１１における各スラグ１４，１５の各位置（図３中の距離Ｌ３，Ｌ４）に対応する整合器本体１１の各固有インピーダンスがデータテーブルＤＴ２として予め記憶されている。
【００２４】
演算制御部３６は、第１混合器３４ａおよび第２混合器３４ｂによって検出された第１相対位相差Ｄθ１および第２相対位相差Ｄθ２に基づいてデータテーブルＤＴ１を参照することにより、進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとの間の位相差θを算出する。例えば、演算制御部３６は、検出された第１相対位相差Ｄθ１が１５０゜の場合、図４に示すように、第１相対位相差Ｄθ１に基づいて決定される位相差θとして−１２０゜と−６０゜の２つが考えられる。一方、第２相対位相差Ｄθ２が１２０゜として検出された場合、第２相対位相差Ｄθ２に基づいて決定される位相差θが−１２０゜と１２０゜となる。このため、共通する−１２０゜を進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとの間の位相差θとして算出する（この例では、反射波Ｓｒが進行波Ｓｆよりも１２０゜遅れることを意味する）。これにより、演算制御部３６は本発明における検出部として機能し、さらに第１バンドパスフィルタ３２ａ、第２バンドパスフィルタ３２ｂ、第１移相分配器３３ａ、第２移相分配器３３ｂ、第１混合器３４ａおよび第２混合器３４ｂと共に本発明における測定装置を構成する。
【００２５】
また、演算制御部３６は、算出した位相差θと、第１混合器３４ａによって検出された振幅比Ｄr/f とに基づいて整合器本体１１の入力端１１ａでのインピーダンスＺ１（＝Ｒ１＋ｊＸ１）を算出する。この場合、ｕ＝Ｄr/f ×ｃｏｓθ、ｖ＝Ｄr/f ×ｓｉｎθを求め、これらのｕ，ｖと、下記（１）式および（２）式に基づいて、Ｒ１とＸ１とを算出する。
（ｕ−Ｒ１／（Ｒ１＋１））２＋ｖ２＝１／（Ｒ１＋１）２ ・・・（１）式
（ｕ−１）２＋（ｖ−１／Ｘ１）２＝１／Ｘ１２ ・・・・・・・・（２）式
【００２６】
また、演算制御部３６は、移動機構２１に対する制御量Ｓｓに基づいて整合器本体１１内での各スラグ１４，１５の位置（図３中の距離Ｌ３，Ｌ４）を算出し、データテーブルＤＴ２を参照することによって、現在の整合器本体１１の固有インピーダンスを算出する機能を備えている。また、演算制御部３６は、整合器本体１１の入力端１１ａでのインピーダンスＺ１と、算出した現在の整合器本体１１の固有インピーダンスとに基づいて、整合器本体１１の出力端１１ｂから見た処理室５の入力インピーダンスＺ３（＝Ｒ３＋ｊＸ３）を算出する機能を備え、本発明における演算部（上記測定装置の一部を構成する）として機能する。また、演算制御部３６は、算出したインピーダンスＺ３に基づいて、インピーダンスＺ３に対する共役インピーダンス（Ｒ３−ｊＸ３）を算出し、整合器本体１１の出力インピーダンスＺ２（＝Ｒ２＋ｊＸ２）が共役インピーダンス（Ｒ３−ｊＸ３）に一致する各スラグ１４，１５の目標距離（整合位置）をデータテーブルＤＴ２を参照して算出すると共に、移動機構２１に対する制御量Ｓｓを制御して各スラグ１４，１５を整合位置に移動させ、方向性結合器３と処理室５との間のインピーダンスを整合させる機能を備えている。
【００２７】
次に、本発明に係る位相差検出方法およびインピーダンス検出方法を、整合装置４のインピーダンス整合動作と併せて図５を参照して説明する。
【００２８】
高周波発生部２によって高周波信号Ｓの生成が開始されると、整合装置４では、方向性結合器３が進行波Ｓｆおよび反射波Ｓｒを検出して出力する（ステップ１００）。この場合、進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとは、互いの周波数が同一で、かつ互いの位相がθだけ異なる関係になる。次いで、第１移相分配器３３ａが、この進行波Ｓｆを入力して第１生成信号Ｓf1および第２生成信号Ｓf2を生成し、第２移相分配器３３ｂが、反射波Ｓｒを入力して第３生成信号Ｓr1および第４生成信号Ｓr2を生成する（ステップ１０１：信号生成ステップ）。
【００２９】
次いで、第１混合器３４ａが、両生成信号Ｓf1，Ｓr1をミキシングして、そのミキシングした信号に含まれている第１相対位相差Ｄθ１および振幅比Ｄr/f に相当するアナログ量を検出してディジタルデータまたはアナログ信号（この例ではディジタルデータとする）として出力し、第２混合器３４ｂが、生成信号Ｓf2，Ｓr2をミキシングして、そのミキシングした信号に含まれている第２相対位相差Ｄθ２に相当するアナログ量を検出してディジタルデータまたはアナログ信号（この例ではディジタルデータとする）として出力する（ステップ１０２：相対位相差検出ステップ、振幅比検出ステップ）。次に、演算制御部３６が、第１相対位相差Ｄθ１および第２相対位相差Ｄθ２に基づいて、進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとの間の位相差θをデータテーブルＤＴ１を参照して算出する（ステップ１０３）。
【００３０】
次いで、演算制御部３６は、処理室５の入力インピーダンスＺ３を算出する（ステップ１０４）。具体的には、演算制御部３６は、算出した位相差θと振幅比Ｄr/f とに基づいて、整合器本体１１の入力端１１ａでのインピーダンスＺ１を算出する。また、演算制御部３６は、移動機構２１に対する現在の制御量Ｓｓに基づいて整合器本体１１内での各スラグ１４，１５の現在（整合動作開始時）の位置（図３中の距離Ｌ３，Ｌ４）を算出すると共に、データテーブルＤＴ２を参照することによって、整合動作開始時の整合器本体１１の固有インピーダンスを算出する。さらに、演算制御部３６は、算出した整合器本体１１の入力端１１ａでのインピーダンスＺ１および整合器本体１１の固有インピーダンスに基づいて、処理室（整合対象体）５の入力インピーダンスＺ３を算出する。
【００３１】
次に、演算制御部３６は、算出したインピーダンスＺ３に基づいて、高周波発生部２と処理室５との間のインピーダンスを整合させるための各スラグ１４，１５の整合位置を算出する（ステップ１０５）。具体的には、演算制御部３６は、算出したインピーダンスＺ３に対する共役インピーダンス（Ｒ３−ｊＸ３）を算出し、整合器本体１１の出力インピーダンスＺ２が共役インピーダンス（Ｒ３−ｊＸ３）に一致する各スラグ１４，１５の整合位置をデータテーブルＤＴ２を参照して算出する。
【００３２】
最後に、演算制御部３６は、移動機構２１に対する制御量Ｓｓを制御して各スラグ１４，１５を整合位置に移動させる（ステップ１０６）。これにより、高周波発生部２と処理室５との間のインピーダンス整合が完了し、高周波発生部２によって生成された高周波信号Ｓが効率よく処理室５に供給される。
【００３３】
このように、この整合装置４によれば、進行波Ｓｆおよび反射波Ｓｒに基づいて、高周波発生部２と処理室５との間のインピーダンスを整合させるための各スラグ１４，１５の整合器本体１１内での整合位置（目標距離）をそれぞれ算出し、算出したこれらの整合位置に各スラグ１４，１５を直接移動させることにより、フィードバック制御を繰り返しながら整合要素としての各スラグ１４，１５の整合位置を決定する従来技術とは異なり、フィードバック制御が不要となる結果、インピーダンス整合を極めて高速に行うことができる。また、インピーダンス整合が完全となる位置にスラグ１４，１５が位置するように移動制御することで、極めて完全な整合状態となるようにインピーダンス整合を行うことができる。
【００３４】
なお、本発明は、上記した実施の形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明の実施の形態では、第１移相分配器３３ａの出力信号としての第１生成信号Ｓf1，Ｓf2間の位相差（第１基準位相差）を９０゜とし、かつ第２移相分配器３３ｂの出力信号としての両生成信号Ｓr1，Ｓr2の各位相を同一にする構成を採用したが、第１基準位相差は既知であれば任意の角度に規定することができ、また、第２移相分配器３３ｂにおいても両生成信号Ｓr1，Ｓr2の位相を既知の角度だけ異なるようにして生成させる構成を採用することもできる。また、本発明の実施の形態では、２つの入力信号間の位相差を検出する測定装置を同軸型インピーダンス整合装置４に適用した例を挙げて説明したが、これに限定されるものではない。また、一例として方向性結合器３によって検出された２つの進行波Ｓｆ，Ｓｒ間の位相差θを検出する例を挙げて説明したが、同軸ケーブル等の伝送線路における位相差や、さらには導波管における信号の位相差の検出にも適用することができる。また、導波管に使用されるスタブチューナに本発明に係る測定装置を適用することもできる。
【００３５】
また、本発明における移動機構は、ワイヤーロープ２２ａ，２２ｂに代えて、タイミングベルト、スチールベルト、Ｖベルト、平ベルトおよびギヤ（ラックとピニオン）などを使用して構成することもできる。また、ベルト類を使用することなくボールねじを使用して移動機構を構成することもできる。加えて、本発明の実施の形態では、同軸型インピーダンス整合装置をプラズマ装置１に適用した例を挙げて説明したが、送信機におけるアンプとアンテナとの間のインピーダンス整合等、各種装置間のインピーダンス整合に利用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る位相差検出方法および測定装置によれば、互いに周波数が同一で位相が異なる第１入力信号および第２入力信号のうちの第１入力信号に基づいて第１入力信号と同一周波数でかつ第１基準位相差分だけ互いに異なる第１生成信号および第２生成信号を生成すると共に第２入力信号に基づいて第２入力信号と同一周波数でかつ第２基準位相差分だけ互いに異なるかまたは同一位相の第３生成信号および第４生成信号を生成し、第１生成信号と第３生成信号とを混合して第１および第３生成信号間の第１相対位相差を検出すると共に第２生成信号と第４生成信号とを混合して第２および第４生成信号間の第２相対位相差を検出し、この検出した両相対位相差を、両入力信号の位相差を変化させたときに検出される両相対位相差が各位相差にそれぞれ対応させて予め記憶されているデータテーブル内のこの両相対位相差と比較して、一致またはほぼ一致するデータテーブル内の両相対位相差に対応する位相差を、入力した第１入力信号および第２入力信号間の位相差として検出することにより、一方の入力信号に対する他方の入力信号の進みまたは遅れ情報を含む両入力信号の位相差を正確に検出することができる。
【００３７】
また、本発明に係る位相差検出方法および測定装置によれば、信号生成ステップにおいて、第１基準位相差を９０゜とし、かつ各位相を同一にして第３生成信号および第４生成信号を生成することで、両入力信号の位相差を最も簡易に検出することができる。
【００３８】
また、本発明に係るインピーダンス検出方法および測定装置によれば、接続対象体に接続された方向性結合器によって出力された進行波および反射波をそれぞれ第１入力信号および第２入力信号として上記の位相差検出方法に従って両入力信号の位相差を検出し、第１生成信号と第３生成信号とを混合して両生成信号の振幅比を検出するステップ、または第２生成信号と第４生成信号とを混合して両生成信号の振幅比を検出するステップのいずれか一方を振幅比検出ステップとして実行し、位相差検出方法によって検出された位相差と振幅比とに基づいて接続対象体の入力インピーダンスを検出することにより、接続対象体の入力インピーダンスを確実かつ正確に検出することができる。
【００３９】
また、本発明に係る同軸型インピーダンス整合装置によれば、制御部が、整合器本体における各誘電体の各位置およびデータテーブルから求まる整合動作開始時における整合器本体の固有インピーダンスと、その状態において測定装置の演算部によって演算された接続対象体としての整合器本体の入力インピーダンスとに基づいて整合対象体の入力インピーダンスを算出して、算出した整合対象体の入力インピーダンスに対する共役インピーダンスと固有インピーダンスとが一致する各誘電体の各位置をデータテーブルを参照して目標位置として算出し、目標位置に各誘電体がそれぞれ位置するように移動機構を制御することにより、フィードバック制御を繰り返しながら整合要素の整合位置を決定する従来技術とは異なり、フィードバック制御が不要となる結果、インピーダンス整合を極めて高速に行うことができる。また、インピーダンス整合が完全となる位置に誘電体が位置するように移動制御することで、極めて完全な整合状態となるようにインピーダンス整合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る同軸型インピーダンス整合装置４を用いたプラズマ装置１の構成図である。
【図２】 整合器本体１１の側面断面図および移動機構２１の側面図である。
【図３】 整合器本体１１の概念図である。
【図４】 メモリ３５に記憶されたデータテーブルＤＴ１の内容を説明するための説明図である。
【図５】 整合装置４によるインピーダンス整合動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】 従来のスラグチューナ５１の構成図である。
【符号の説明】
１ プラズマ装置
２ 高周波発生部
３ 方向性結合器
４ 整合装置（同軸型インピーダンス整合装置）
５ 処理室
１１ 整合器本体
１２ 外部導体
１３ 内部導体
１４，１５ スラグ
２１ 移動機構
３２ａ，３２ｂ バンドパスフィルタ
３３ａ，３３ｂ 移相分配器
３４ａ，３４ｂ 混合器
３５ メモリ
３６ 演算制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに周波数が同一で位相が異なる第１入力信号および第２入力信号の位相差を検出する位相差検出方法、その位相差検出方法を用いて接続対象体の入力インピーダンスを検出するインピーダンス検出方法、互いに周波数が同一で位相が異なる第１入力信号および第２入力信号の位相差を少なくとも検出する測定装置、およびその測定装置を備えた同軸型インピーダンス整合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のインピーダンス整合装置は、一例として、高周波やマイクロ波電力に基づいて発生させたプラズマ放電を用いて薄膜形成やドライエッチングなどの処理を行うプラズマ装置において、安定した処理を行うためにプラズマを安定させる目的で使用されている。このインピーダンス整合装置を用いたプラズマ装置について図６を参照して説明する。同図に示すプラズマ装置５１は、高周波信号Ｓを生成する高周波発生部２、方向性結合器３、複数の整合要素（スラグやスラブ等の誘電体）を有して高周波発生部２と処理室５との間のインピーダンスを整合する整合器本体５４、高周波信号Ｓに基づいてプラズマを発生させて薄膜形成等の処理を行う処理室５、整合器本体５４における各整合要素の位置を変更する機能を有して整合器本体５４と共にインピーダンス整合装置を構成する移動機構５６、および各構成要素に対する制御を実施する演算制御部５７を備えている。この場合、方向性結合器３は、整合器本体５４の入力端における高周波信号Ｓの進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとを検出して出力する。
【０００３】
次いで、このプラズマ装置５１の動作について説明すると、高周波発生部２が高周波信号Ｓを生成し、生成された高周波信号Ｓは、方向性結合器３および整合器本体５４を介して処理室５に供給される。演算制御部５７は、方向性結合器３によって検出された高周波信号Ｓの進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとに基づいて進行波Ｓｆに対する反射波Ｓｒの割合（反射率）を繰り返し算出する。また、演算制御部５７は、算出した反射率が予め設定された基準値以下になるように移動機構５６を制御して整合器本体５４の各整合要素の位置を変更し、高周波発生部２と処理室５との間のインピーダンスを整合する。インピーダンスの整合が進むと、それに伴い反射波Ｓｒが次第に減少して反射率も低下する。このため、演算制御部５７は、この反射率が基準値以下になるように整合器本体５４の整合要素の位置を変更することにより、高周波発生部２と処理室５との間のインピーダンスを最適な状態に整合させる。これにより、処理室５内で発生するプラズマを安定させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、プラズマ装置５１におけるインピーダンス整合動作には、以下の問題点がある。すなわち、このプラズマ装置５１では、整合器本体５４内の整合要素の位置を変えることによってインピーダンスが整合される。しかしながら、プラズマ装置５１では、高周波信号Ｓの反射率という一つのパラメータに基づいて整合器本体５４の２以上の整合要素の各位置をそれぞれ制御する必要がある。このため、このプラズマ装置５１では、整合状態となる各整合要素の各整合位置を一義的に決定することができない結果、フィードバック制御を繰り返しながら各整合要素の位置をそれぞれ制御しつつ反射率を基準値に近づけることによって、各整合要素を整合位置に移動させなければならない。したがって、この従来のプラズマ装置５１には、インピーダンスを整合させるまでに長時間を要するという問題がある。また、反射率が基準値に達した時点でインピーダンス整合動作を終了しているため、より一層完全な整合位置が各整合要素に存在するにも拘わらず、その完全な整合位置に各整合要素を移動させることが困難であるという問題点も存在する。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、位相差、例えばインピーダンス整合装置における各整合要素の整合位置の決定に必要な進行波と反射波との間の位相差を高速に検出し得る位相差検出方法および測定装置を提供することを主目的とする。また、インピーダンス、例えば方向性結合器に接続されたインピーダンス整合装置における整合位置の決定に必要なインピーダンス整合装置の入力インピーダンスを高速に検出し得るインピーダンス検出方法および測定装置を提供することを他の目的とする。また、整合対象体に対するインピーダンス整合の高速化およびより完全なインピーダンス整合を図り得る同軸型インピーダンス整合装置を提供することを他の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る位相差検出方法は、互いに周波数が同一で位相が異なる第１入力信号および第２入力信号を入力し、前記第１入力信号に基づいて当該第１入力信号と同一周波数でかつ第１基準位相差分だけ互いに異なる第１生成信号および第２生成信号を生成すると共に前記第２入力信号に基づいて当該第２入力信号と同一周波数でかつ第２基準位相差分だけ互いに異なるかまたは同一位相の第３生成信号および第４生成信号を生成する信号生成ステップを実行し、前記第１生成信号と前記第３生成信号とを混合して当該第１および第３生成信号の相対位相差を第１相対位相差として検出すると共に前記第２生成信号と前記第４生成信号とを混合して当該第２および第４生成信号の相対位相差を第２相対位相差として検出する相対位相差検出ステップを実行し、前記両入力信号の位相差を変化させて前記信号生成ステップおよび前記相対位相差検出ステップを実行したときに検出される前記両相対位相差が当該各位相差にそれぞれ対応させて予め記憶されているデータテーブル内の当該両相対位相差の各々と前記相対位相差検出ステップで検出した前記両相対位相差とを比較して一致またはほぼ一致する当該データテーブル内の前記両相対位相差に対応する当該データテーブル内の前記位相差を前記入力した両入力信号の位相差として検出する。
【０００７】
この場合、前記信号生成ステップにおいて、前記第１基準位相差を９０゜とし、かつ各位相を同一にして前記第３生成信号および前記第４生成信号を生成するのが好ましい。
【０００８】
また、上記目的を達成すべく本発明に係るインピーダンス検出方法は、接続対象体に接続された方向性結合器によって出力された進行波および反射波をそれぞれ前記第１入力信号および前記第２入力信号として上記の位相差検出方法に従って当該両入力信号の位相差を検出し、前記第１生成信号と前記第３生成信号とを混合して当該両生成信号の振幅比を検出するステップ、または前記第２生成信号と前記第４生成信号とを混合して当該両生成信号の振幅比を検出するステップのいずれか一方を振幅比検出ステップとして実行し、前記位相差検出方法によって検出された前記両入力信号の位相差と前記振幅比検出ステップによって検出した前記振幅比とに基づいて前記接続対象体の入力インピーダンスを検出する。
【０００９】
また、上記目的を達成すべく本発明に係る測定装置は、入力した第１入力信号に基づいて当該第１入力信号と同一周波数でかつ第１基準位相差分だけ互いに異なる第１生成信号および第２生成信号を生成して分配する第１信号分配器と、前記第１入力信号と周波数が同一で位相が異なる第２入力信号を入力して当該第２入力信号に基づいて当該第２入力信号と同一周波数でかつ第２基準位相差分だけ互いに異なるかまたは同一位相の第３生成信号および第４生成信号を生成して分配する第２信号分配器と、前記第１生成信号と前記第３生成信号とを混合して当該両生成信号の相対位相差を第１相対位相差として検出する第１混合器と、前記第２生成信号と前記第４生成信号とを混合して当該両生成信号の相対位相差を第２相対位相差として検出する第２混合器と、前記両入力信号の位相差を変化させたときに検出される前記両相対位相差が当該各位相差にそれぞれ対応させて予め記憶されているデータテーブル内の当該両相対位相差の各々と前記第１混合器および前記第２混合器で検出された前記両相対位相差とを比較して一致またはほぼ一致する当該データテーブル内の前記両相対位相差に対応する当該データテーブル内の前記位相差を前記入力した両入力信号の位相差として検出する検出部とを備えている。
【００１０】
この場合、前記第１信号分配器が、前記第１基準位相差を９０゜として前記両生成信号を生成して分配し、前記第２信号分配器が、各位相を同一にして前記第３生成信号および前記第４生成信号を生成して分配するのが好ましい。
【００１１】
また、接続対象体に接続された方向性結合器によって出力された進行波および反射波をそれぞれ前記第１入力信号および前記第２入力信号として入力可能に前記各信号分配器を構成し、入力した前記両生成信号を混合して当該両生成信号の振幅比を検出可能に前記第１混合器および前記第２混合器のいずれか一方を構成し、前記検出部によって検出された前記両入力信号の位相差と前記検出された振幅比とに基づいて前記接続対象体の入力インピーダンスを演算する演算部を備えるのが好ましい。
【００１２】
さらに、上記目的を達成すべく本発明に係る同軸型インピーダンス整合装置は、管状の外部導体、当該外部導体内に配設された内部導体、および前記外部導体の内面と前記内部導体の外面との間の隙間内に移動可能に配設された複数の誘電体を有すると共に方向性結合器と整合対象体との間に配設された整合器本体を備え、その固有インピーダンスが前記外部導体内における前記各誘電体の位置に応じた値に制御される同軸型インピーダンス整合装置であって、前記各誘電体を移動させる移動機構と、前記整合器本体の固有インピーダンスと前記各誘電体の各位置とを対応させたデータテーブルを記憶する記憶部と、請求項６記載の測定装置と、前記移動機構を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記整合器本体における前記各誘電体の前記各位置および前記データテーブルから求まる整合動作開始時における当該整合器本体の固有インピーダンスと、その状態において前記測定装置の前記演算部によって演算された前記接続対象体としての当該整合器本体の前記入力インピーダンスとに基づいて前記整合対象体の入力インピーダンスを算出して、当該算出した整合対象体の入力インピーダンスに対する共役インピーダンスと前記固有インピーダンスとが一致する前記各誘電体の前記各位置を前記データテーブルを参照して目標位置として算出し、当該目標位置に前記各誘電体がそれぞれ位置するように前記移動機構を制御する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る同軸型インピーダンス整合装置の好適な実施の形態について説明する。なお、一例として同軸型インピーダンス整合装置をプラズマ装置１に適用した例を挙げて説明する。また、プラズマ装置５１と同一の構成要素については同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１に示すプラズマ装置１は、高周波発生部２、方向性結合器３、整合器本体１１を備えた同軸型インピーダンス整合装置（以下、「整合装置」ともいう）４、および処理室（本発明における整合対象体）５を備え、高周波発生部２によって生成された高周波信号（例えばマイクロ波）Ｓを方向性結合器３、整合器本体１１を介して処理室５に供給することによって処理室５内にプラズマを発生させて、処理室５内の被処理物に対する所定の処理を実行可能に構成されている。
【００１５】
高周波発生部２は、高周波信号（一例として、２．４５ＧＨｚ程度のマイクロ波）Ｓを生成し、生成した高周波信号Ｓを処理室５に供給する。方向性結合器３は、高周波信号Ｓの進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとを出力する。この場合、進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとは、互いの周波数が同一で、かつ位相が異なる関係となる。
【００１６】
整合装置４は、図１に示すように、整合器本体１１、移動機構２１および制御装置３１を備えている。この場合、整合器本体１１は、図２に示すように、管状（円筒状）の外部導体１２、外部導体１２内に互いの軸線同士が一致するように配設された円柱状の内部導体１３、および外部導体１２の内面と内部導体１３の外面との間の隙間内に配設された２組の誘電体（スラグ）１４，１５を備えたいわゆるスラグチューナとして構成され、方向性結合器３と処理室５との間に配設されている。また、整合器本体１１の入力端１１ａおよび出力端１１ｂには、整合器本体１１を方向性結合器３および処理室５にそれぞれ接続するためのコネクタ（図示せず）が取り付けられている。外部導体１２には、その長手方向に沿ってスリットＳＬが１つ形成されている。
【００１７】
入力端側のスラグ１４は、図２，３に示すように、誘電体材料で形成されたスラグ１４ａ，１４ｂと、スラグ１４ａ，１４ｂを連結すると共に移動機構２１によって移動される移動用ブラケット１４ｃとを備えている。この場合、スラグ１４ａ，１４ｂは、各厚みＬ１がλ／４（λは、整合器本体１１内における高周波信号Ｓの管内波長）と等しい（またはほぼ等しい）円筒状に構成されている。また、スラグ１４ａ，１４ｂは、互いの対向面間の距離Ｌ２がＮ×λ／４（Ｎは奇数）と等しく（またはほぼ等しく）なるように予め設定されている。この構成より、スラグ１４ａ，１４ｂで構成されるスラグ１４全体として入力端２ａ側に反射する反射量は、スラグ１４ａ，１４ｂの内の一方しか存在しない構成と比較して十分大きくなる。移動用ブラケット１４ｃは、スリットＳＬに挿入されてその端部（同図中の上端）がスリットＳＬから外部導体１２の外部に突出している。出力端側のスラグ１５は、スラグ１４と同一に構成され、図２，３に示すように、誘電体材料で形成されたスラグ１５ａ，１５ｂと、スラグ１５ａ，１５ｂを連結すると共に移動機構２１によって移動される移動用ブラケット１５ｃとを備えている。なお、本発明の実施の形態では、一例として、スラグ１４ａ，１４ｂ間の距離Ｌ２、およびスラグ１５ａ，１５ｂ間の距離Ｌ２をλ／４に規定したものとする。
【００１８】
この整合装置４を用いたインピーダンスの整合に際しては、スラグ１４，１５をスライド（移動）させる。この際に、スラグ１４，１５間の中心位置Ｏ（図３参照）と、整合器本体１１における出力端（信号出力側端部）１１ｂとの距離Ｌ３を調整することにより、両スラグ１４，１５によってそれぞれ反射される各反射信号の位相が調整される。この場合、両スラグ１４，１５間の中心位置Ｏと、整合器本体１１における入力端（信号入力側端部）１１ａとの距離を調整することによっても、両スラグ１４，１５によってそれぞれ反射される各反射信号の位相を同様にして調整することができる。また、スラグ１４におけるスラグ１４ｂの出力端１１ｂの端面と、スラグ１５におけるスラグ１５ａの入力端１１ａ側の端面との間の距離Ｌ４（本発明における対向面間の距離）を調整することにより、スラグ１５によって入力端１１ａ側に反射される反射信号の振幅が調整される。したがって、スラグ１４ａ，１４ｂ（スラグ１４）およびスラグ１５ａ，１５ｂ（スラグ１５）の整合器本体１１内における位置（つまり、外部導体内における各誘電体１４，１５の各位置）を適宜調整することにより、スラグ１４によって入力端１１ａ側に反射される信号の位相と、スラグ１５によって入力端１１ａ側に反射される信号の位相とを互いに反転させ、かつスラグ１４によって入力端１１ａ側に反射される信号の振幅と、スラグ１５によって入力端１１ａ側に反射される信号の振幅とを互いに等しくさせることで、入力端１１ａに接続される接続対象体（この例では高周波発生部２）および出力端１１ｂに接続される接続対象体（この例では処理室５）間のインピーダンスを完全に整合させることができる。
【００１９】
移動機構２１は、図２に示すように、スラグ１４を移動させる移動機構２１ａとスラグ１５を移動させる移動機構２１ｂとで構成されている。移動機構２１ａは、整合器本体１１における入力端１１ａと出力端１１ｂの各近傍に配置された一対のプーリー２３ａ，２４ａ間に掛け渡されたワイヤーロープ２２ａと、ワイヤーロープ２２ａを回転駆動するモータ２５ａとを備えて構成され、ワイヤーロープ２２ａにスラグ１４の移動用ブラケット１４ｃが連結されている。この構成により、モータ２５ａによってワイヤーロープ２２ａが回転駆動された際には、移動用ブラケット１４ｃと共にスラグ１４が外部導体１２内をスライドする。一方、移動機構２１ｂは、整合器本体１１における入力端１１ａと出力端１１ｂの各近傍に配置された一対のプーリー２３ｂ，２４ｂ間に掛け渡されたワイヤーロープ２２ｂと、ワイヤーロープ２２ｂを回転駆動するモータ２５ｂとを備えて構成され、ワイヤーロープ２２ｂにスラグ１５の移動用ブラケット１５ｃが連結されている。この構成により、モータ２５ｂによってワイヤーロープ２２ｂが回転駆動された際には、移動用ブラケット１５ｃと共にスラグ１５が外部導体１２内をスライドする。
【００２０】
制御装置３１は、図１に示すように、第１バンドパスフィルタ３２ａ、第２バンドパスフィルタ３２ｂ、第１移相分配器（第１信号分配器）３３ａ、第２移相分配器（第２信号分配器）３３ｂ、第１混合器３４ａ、第２混合器３４ｂ、メモリ（本発明における記憶部）３５および演算制御部（本発明おける演算部および制御部）３６を備えている。この場合、各バンドパスフィルタ３２ａ，３２ｂは、入力した進行波Ｓｆおよび反射波Ｓｒに含まれるノイズ成分をそれぞれ除去する。
【００２１】
第１移相分配器３３ａは、いわゆるハイブリッド回路であって、入力した第１入力信号としての進行波Ｓｆに基づいて進行波Ｓｆと同一周波数でかつ第１基準位相差分だけ互いに位相が異なる第１生成信号Ｓf1および第２生成信号Ｓf2を生成して分配する。第２移相分配器３３ｂは、入力した第２入力信号としての反射波Ｓｒに基づいて反射波Ｓｒと同一周波数でかつ第２基準位相差分だけ互いに位相が異なるかまたは同一位相の第３生成信号Ｓr1および第４生成信号Ｓr2を生成して分配する。なお、この制御装置３１では、一例として、第１移相分配器３３ａは、第１生成信号Ｓf1の位相を進行波Ｓｆの位相と同一にし、かつ第１基準位相差分として９０゜だけ第２生成信号Ｓf2の位相を第１生成信号Ｓf1の位相に対して遅らせて生成する。一方、第２移相分配器３３ｂは、同じくハイブリッド回路であって、第３生成信号Ｓr1の位相を反射波Ｓｒの位相と同一にし、かつ第３生成信号Ｓr1と第４生成信号Ｓr2とを同一の位相（第２基準位相差が０゜と等価）で生成する。つまり、本発明の実施の形態では、第２移相分配器３３ｂは、同相分配器として機能する。
【００２２】
第１混合器３４ａは、第１生成信号Ｓf1と第３生成信号Ｓr1とを混合して両生成信号Ｓf1，Ｓr1の相対位相差（両信号Ｓf1，Ｓr1の位相差の絶対値）を第１相対位相差Ｄθ１として検出すると共に、両生成信号Ｓf1，Ｓr1の振幅比（Ｓｒ／Ｓｆ）Ｄr/f を検出する。第２混合器３４ｂは、第２生成信号Ｓf2と第４生成信号Ｓr2とを混合して両生成信号Ｓf2，Ｓr2の相対位相差（両信号Ｓf2，Ｓr2の位相差の絶対値）を第２相対位相差Ｄθ２として検出する。なお、第２混合器３４ｂにおいて両生成信号Ｓf2，Ｓr2の振幅比（Ｓｒ／Ｓｆ）を検出し、この振幅比を上記Ｄr/f として出力させる構成を採用することもできる。
【００２３】
メモリ３５には、進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとの間の位相差θを−１８０゜から＋１８０°まで変化させたときに第１混合器３４ａと第２混合器３４ｂとによってそれぞれ検出される第１相対位相差Ｄθ１および第２相対位相差Ｄθ２の各値が、各位相差θに対応させてデータテーブルＤＴ１（図４参照）として予め記憶されている。また、メモリ３５には、整合器本体１１における各スラグ１４，１５の各位置（図３中の距離Ｌ３，Ｌ４）に対応する整合器本体１１の各固有インピーダンスがデータテーブルＤＴ２として予め記憶されている。
【００２４】
演算制御部３６は、第１混合器３４ａおよび第２混合器３４ｂによって検出された第１相対位相差Ｄθ１および第２相対位相差Ｄθ２に基づいてデータテーブルＤＴ１を参照することにより、進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとの間の位相差θを算出する。例えば、演算制御部３６は、検出された第１相対位相差Ｄθ１が１５０゜の場合、図４に示すように、第１相対位相差Ｄθ１に基づいて決定される位相差θとして−１２０゜と−６０゜の２つが考えられる。一方、第２相対位相差Ｄθ２が１２０゜として検出された場合、第２相対位相差Ｄθ２に基づいて決定される位相差θが−１２０゜と１２０゜となる。このため、共通する−１２０゜を進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとの間の位相差θとして算出する（この例では、反射波Ｓｒが進行波Ｓｆよりも１２０゜遅れることを意味する）。これにより、演算制御部３６は本発明における検出部として機能し、さらに第１バンドパスフィルタ３２ａ、第２バンドパスフィルタ３２ｂ、第１移相分配器３３ａ、第２移相分配器３３ｂ、第１混合器３４ａおよび第２混合器３４ｂと共に本発明における測定装置を構成する。
【００２５】
また、演算制御部３６は、算出した位相差θと、第１混合器３４ａによって検出された振幅比Ｄr/f とに基づいて整合器本体１１の入力端１１ａでのインピーダンスＺ１（＝Ｒ１＋ｊＸ１）を算出する。この場合、ｕ＝Ｄr/f ×ｃｏｓθ、ｖ＝Ｄr/f ×ｓｉｎθを求め、これらのｕ，ｖと、下記（１）式および（２）式に基づいて、Ｒ１とＸ１とを算出する。
（ｕ−Ｒ１／（Ｒ１＋１））２＋ｖ２＝１／（Ｒ１＋１）２ ・・・（１）式
（ｕ−１）２＋（ｖ−１／Ｘ１）２＝１／Ｘ１２ ・・・・・・・・（２）式
【００２６】
また、演算制御部３６は、移動機構２１に対する制御量Ｓｓに基づいて整合器本体１１内での各スラグ１４，１５の位置（図３中の距離Ｌ３，Ｌ４）を算出し、データテーブルＤＴ２を参照することによって、現在の整合器本体１１の固有インピーダンスを算出する機能を備えている。また、演算制御部３６は、整合器本体１１の入力端１１ａでのインピーダンスＺ１と、算出した現在の整合器本体１１の固有インピーダンスとに基づいて、整合器本体１１の出力端１１ｂから見た処理室５の入力インピーダンスＺ３（＝Ｒ３＋ｊＸ３）を算出する機能を備え、本発明における演算部（上記測定装置の一部を構成する）として機能する。また、演算制御部３６は、算出したインピーダンスＺ３に基づいて、インピーダンスＺ３に対する共役インピーダンス（Ｒ３−ｊＸ３）を算出し、整合器本体１１の出力インピーダンスＺ２（＝Ｒ２＋ｊＸ２）が共役インピーダンス（Ｒ３−ｊＸ３）に一致する各スラグ１４，１５の目標距離（整合位置）をデータテーブルＤＴ２を参照して算出すると共に、移動機構２１に対する制御量Ｓｓを制御して各スラグ１４，１５を整合位置に移動させ、方向性結合器３と処理室５との間のインピーダンスを整合させる機能を備えている。
【００２７】
次に、本発明に係る位相差検出方法およびインピーダンス検出方法を、整合装置４のインピーダンス整合動作と併せて図５を参照して説明する。
【００２８】
高周波発生部２によって高周波信号Ｓの生成が開始されると、整合装置４では、方向性結合器３が進行波Ｓｆおよび反射波Ｓｒを検出して出力する（ステップ１００）。この場合、進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとは、互いの周波数が同一で、かつ互いの位相がθだけ異なる関係になる。次いで、第１移相分配器３３ａが、この進行波Ｓｆを入力して第１生成信号Ｓf1および第２生成信号Ｓf2を生成し、第２移相分配器３３ｂが、反射波Ｓｒを入力して第３生成信号Ｓr1および第４生成信号Ｓr2を生成する（ステップ１０１：信号生成ステップ）。
【００２９】
次いで、第１混合器３４ａが、両生成信号Ｓf1，Ｓr1をミキシングして、そのミキシングした信号に含まれている第１相対位相差Ｄθ１および振幅比Ｄr/f に相当するアナログ量を検出してディジタルデータまたはアナログ信号（この例ではディジタルデータとする）として出力し、第２混合器３４ｂが、生成信号Ｓf2，Ｓr2をミキシングして、そのミキシングした信号に含まれている第２相対位相差Ｄθ２に相当するアナログ量を検出してディジタルデータまたはアナログ信号（この例ではディジタルデータとする）として出力する（ステップ１０２：相対位相差検出ステップ、振幅比検出ステップ）。次に、演算制御部３６が、第１相対位相差Ｄθ１および第２相対位相差Ｄθ２に基づいて、進行波Ｓｆと反射波Ｓｒとの間の位相差θをデータテーブルＤＴ１を参照して算出する（ステップ１０３）。
【００３０】
次いで、演算制御部３６は、処理室５の入力インピーダンスＺ３を算出する（ステップ１０４）。具体的には、演算制御部３６は、算出した位相差θと振幅比Ｄr/f とに基づいて、整合器本体１１の入力端１１ａでのインピーダンスＺ１を算出する。また、演算制御部３６は、移動機構２１に対する現在の制御量Ｓｓに基づいて整合器本体１１内での各スラグ１４，１５の現在（整合動作開始時）の位置（図３中の距離Ｌ３，Ｌ４）を算出すると共に、データテーブルＤＴ２を参照することによって、整合動作開始時の整合器本体１１の固有インピーダンスを算出する。さらに、演算制御部３６は、算出した整合器本体１１の入力端１１ａでのインピーダンスＺ１および整合器本体１１の固有インピーダンスに基づいて、処理室（整合対象体）５の入力インピーダンスＺ３を算出する。
【００３１】
次に、演算制御部３６は、算出したインピーダンスＺ３に基づいて、高周波発生部２と処理室５との間のインピーダンスを整合させるための各スラグ１４，１５の整合位置を算出する（ステップ１０５）。具体的には、演算制御部３６は、算出したインピーダンスＺ３に対する共役インピーダンス（Ｒ３−ｊＸ３）を算出し、整合器本体１１の出力インピーダンスＺ２が共役インピーダンス（Ｒ３−ｊＸ３）に一致する各スラグ１４，１５の整合位置をデータテーブルＤＴ２を参照して算出する。
【００３２】
最後に、演算制御部３６は、移動機構２１に対する制御量Ｓｓを制御して各スラグ１４，１５を整合位置に移動させる（ステップ１０６）。これにより、高周波発生部２と処理室５との間のインピーダンス整合が完了し、高周波発生部２によって生成された高周波信号Ｓが効率よく処理室５に供給される。
【００３３】
このように、この整合装置４によれば、進行波Ｓｆおよび反射波Ｓｒに基づいて、高周波発生部２と処理室５との間のインピーダンスを整合させるための各スラグ１４，１５の整合器本体１１内での整合位置（目標距離）をそれぞれ算出し、算出したこれらの整合位置に各スラグ１４，１５を直接移動させることにより、フィードバック制御を繰り返しながら整合要素としての各スラグ１４，１５の整合位置を決定する従来技術とは異なり、フィードバック制御が不要となる結果、インピーダンス整合を極めて高速に行うことができる。また、インピーダンス整合が完全となる位置にスラグ１４，１５が位置するように移動制御することで、極めて完全な整合状態となるようにインピーダンス整合を行うことができる。
【００３４】
なお、本発明は、上記した実施の形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明の実施の形態では、第１移相分配器３３ａの出力信号としての第１生成信号Ｓf1，Ｓf2間の位相差（第１基準位相差）を９０゜とし、かつ第２移相分配器３３ｂの出力信号としての両生成信号Ｓr1，Ｓr2の各位相を同一にする構成を採用したが、第１基準位相差は既知であれば任意の角度に規定することができ、また、第２移相分配器３３ｂにおいても両生成信号Ｓr1，Ｓr2の位相を既知の角度だけ異なるようにして生成させる構成を採用することもできる。また、本発明の実施の形態では、２つの入力信号間の位相差を検出する測定装置を同軸型インピーダンス整合装置４に適用した例を挙げて説明したが、これに限定されるものではない。また、一例として方向性結合器３によって検出された２つの進行波Ｓｆ，Ｓｒ間の位相差θを検出する例を挙げて説明したが、同軸ケーブル等の伝送線路における位相差や、さらには導波管における信号の位相差の検出にも適用することができる。また、導波管に使用されるスタブチューナに本発明に係る測定装置を適用することもできる。
【００３５】
また、本発明における移動機構は、ワイヤーロープ２２ａ，２２ｂに代えて、タイミングベルト、スチールベルト、Ｖベルト、平ベルトおよびギヤ（ラックとピニオン）などを使用して構成することもできる。また、ベルト類を使用することなくボールねじを使用して移動機構を構成することもできる。加えて、本発明の実施の形態では、同軸型インピーダンス整合装置をプラズマ装置１に適用した例を挙げて説明したが、送信機におけるアンプとアンテナとの間のインピーダンス整合等、各種装置間のインピーダンス整合に利用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る位相差検出方法および測定装置によれば、互いに周波数が同一で位相が異なる第１入力信号および第２入力信号のうちの第１入力信号に基づいて第１入力信号と同一周波数でかつ第１基準位相差分だけ互いに異なる第１生成信号および第２生成信号を生成すると共に第２入力信号に基づいて第２入力信号と同一周波数でかつ第２基準位相差分だけ互いに異なるかまたは同一位相の第３生成信号および第４生成信号を生成し、第１生成信号と第３生成信号とを混合して第１および第３生成信号間の第１相対位相差を検出すると共に第２生成信号と第４生成信号とを混合して第２および第４生成信号間の第２相対位相差を検出し、この検出した両相対位相差を、両入力信号の位相差を変化させたときに検出される両相対位相差が各位相差にそれぞれ対応させて予め記憶されているデータテーブル内のこの両相対位相差と比較して、一致またはほぼ一致するデータテーブル内の両相対位相差に対応する位相差を、入力した第１入力信号および第２入力信号間の位相差として検出することにより、一方の入力信号に対する他方の入力信号の進みまたは遅れ情報を含む両入力信号の位相差を正確に検出することができる。
【００３７】
また、本発明に係る位相差検出方法および測定装置によれば、信号生成ステップにおいて、第１基準位相差を９０゜とし、かつ各位相を同一にして第３生成信号および第４生成信号を生成することで、両入力信号の位相差を最も簡易に検出することができる。
【００３８】
また、本発明に係るインピーダンス検出方法および測定装置によれば、接続対象体に接続された方向性結合器によって出力された進行波および反射波をそれぞれ第１入力信号および第２入力信号として上記の位相差検出方法に従って両入力信号の位相差を検出し、第１生成信号と第３生成信号とを混合して両生成信号の振幅比を検出するステップ、または第２生成信号と第４生成信号とを混合して両生成信号の振幅比を検出するステップのいずれか一方を振幅比検出ステップとして実行し、位相差検出方法によって検出された位相差と振幅比とに基づいて接続対象体の入力インピーダンスを検出することにより、接続対象体の入力インピーダンスを確実かつ正確に検出することができる。
【００３９】
また、本発明に係る同軸型インピーダンス整合装置によれば、制御部が、整合器本体における各誘電体の各位置およびデータテーブルから求まる整合動作開始時における整合器本体の固有インピーダンスと、その状態において測定装置の演算部によって演算された接続対象体としての整合器本体の入力インピーダンスとに基づいて整合対象体の入力インピーダンスを算出して、算出した整合対象体の入力インピーダンスに対する共役インピーダンスと固有インピーダンスとが一致する各誘電体の各位置をデータテーブルを参照して目標位置として算出し、目標位置に各誘電体がそれぞれ位置するように移動機構を制御することにより、フィードバック制御を繰り返しながら整合要素の整合位置を決定する従来技術とは異なり、フィードバック制御が不要となる結果、インピーダンス整合を極めて高速に行うことができる。また、インピーダンス整合が完全となる位置に誘電体が位置するように移動制御することで、極めて完全な整合状態となるようにインピーダンス整合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る同軸型インピーダンス整合装置４を用いたプラズマ装置１の構成図である。
【図２】 整合器本体１１の側面断面図および移動機構２１の側面図である。
【図３】 整合器本体１１の概念図である。
【図４】 メモリ３５に記憶されたデータテーブルＤＴ１の内容を説明するための説明図である。
【図５】 整合装置４によるインピーダンス整合動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】 従来のスラグチューナ５１の構成図である。
【符号の説明】
１ プラズマ装置
２ 高周波発生部
３ 方向性結合器
４ 整合装置（同軸型インピーダンス整合装置）
５ 処理室
１１ 整合器本体
１２ 外部導体
１３ 内部導体
１４，１５ スラグ
２１ 移動機構
３２ａ，３２ｂ バンドパスフィルタ
３３ａ，３３ｂ 移相分配器
３４ａ，３４ｂ 混合器
３５ メモリ
３６ 演算制御部
Claims (7)
- 互いに周波数が同一で位相が異なる第１入力信号および第２入力信号を入力し、
前記第１入力信号に基づいて当該第１入力信号と同一周波数でかつ第１基準位相差分だけ互いに異なる第１生成信号および第２生成信号を生成すると共に前記第２入力信号に基づいて当該第２入力信号と同一周波数でかつ第２基準位相差分だけ互いに異なるかまたは同一位相の第３生成信号および第４生成信号を生成する信号生成ステップを実行し、
前記第１生成信号と前記第３生成信号とを混合して当該第１および第３生成信号の相対位相差を第１相対位相差として検出すると共に前記第２生成信号と前記第４生成信号とを混合して当該第２および第４生成信号の相対位相差を第２相対位相差として検出する相対位相差検出ステップを実行し、
前記両入力信号の位相差を変化させて前記信号生成ステップおよび前記相対位相差検出ステップを実行したときに検出される前記両相対位相差が当該各位相差にそれぞれ対応させて予め記憶されているデータテーブル内の当該両相対位相差の各々と前記相対位相差検出ステップで検出した前記両相対位相差とを比較して一致またはほぼ一致する当該データテーブル内の前記両相対位相差に対応する当該データテーブル内の前記位相差を前記入力した両入力信号の位相差として検出する位相差検出方法。 - 前記信号生成ステップにおいて、前記第１基準位相差を９０゜とし、かつ各位相を同一にして前記第３生成信号および前記第４生成信号を生成する請求項１記載の位相差検出方法。
- 接続対象体に接続された方向性結合器によって出力された進行波および反射波をそれぞれ前記第１入力信号および前記第２入力信号として請求項１または２記載の位相差検出方法に従って当該両入力信号の位相差を検出し、
前記第１生成信号と前記第３生成信号とを混合して当該両生成信号の振幅比を検出するステップ、または前記第２生成信号と前記第４生成信号とを混合して当該両生成信号の振幅比を検出するステップのいずれか一方を振幅比検出ステップとして実行し、
前記位相差検出方法によって検出された前記両入力信号の位相差と前記振幅比検出ステップによって検出した前記振幅比とに基づいて前記接続対象体の入力インピーダンスを検出するインピーダンス検出方法。 - 入力した第１入力信号に基づいて当該第１入力信号と同一周波数でかつ第１基準位相差分だけ互いに異なる第１生成信号および第２生成信号を生成して分配する第１信号分配器と、
前記第１入力信号と周波数が同一で位相が異なる第２入力信号を入力して当該第２入力信号に基づいて当該第２入力信号と同一周波数でかつ第２基準位相差分だけ互いに異なるかまたは同一位相の第３生成信号および第４生成信号を生成して分配する第２信号分配器と、
前記第１生成信号と前記第３生成信号とを混合して当該両生成信号の相対位相差を第１相対位相差として検出する第１混合器と、
前記第２生成信号と前記第４生成信号とを混合して当該両生成信号の相対位相差を第２相対位相差として検出する第２混合器と、
前記両入力信号の位相差を変化させたときに検出される前記両相対位相差が当該各位相差にそれぞれ対応させて予め記憶されているデータテーブル内の当該両相対位相差の各々と前記第１混合器および前記第２混合器で検出された前記両相対位相差とを比較して一致またはほぼ一致する当該データテーブル内の前記両相対位相差に対応する当該データテーブル内の前記位相差を前記入力した両入力信号の位相差として検出する検出部とを備えている測定装置。 - 前記第１信号分配器は、前記第１基準位相差を９０゜として前記両生成信号を生成して分配し、前記第２信号分配器は、各位相を同一にして前記第３生成信号および前記第４生成信号を生成して分配する請求項４記載の測定装置。
- 前記各信号分配器は、接続対象体に接続された方向性結合器によって出力された進行波および反射波をそれぞれ前記第１入力信号および前記第２入力信号として入力可能に構成され、
前記第１混合器および前記第２混合器のいずれか一方は、入力した前記両生成信号を混合して当該両生成信号の振幅比を検出可能に構成され、
前記検出部によって検出された前記両入力信号の位相差と前記検出された振幅比とに基づいて前記接続対象体の入力インピーダンスを演算する演算部を備えている請求項４または５記載の測定装置。 - 管状の外部導体、当該外部導体内に配設された内部導体、および前記外部導体の内面と前記内部導体の外面との間の隙間内に移動可能に配設された複数の誘電体を有すると共に方向性結合器と整合対象体との間に配設された整合器本体を備え、その固有インピーダンスが前記外部導体内における前記各誘電体の位置に応じた値に制御される同軸型インピーダンス整合装置であって、
前記各誘電体を移動させる移動機構と、前記整合器本体の固有インピーダンスと前記各誘電体の各位置とを対応させたデータテーブルを記憶する記憶部と、請求項６記載の測定装置と、前記移動機構を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記整合器本体における前記各誘電体の前記各位置および前記データテーブルから求まる整合動作開始時における当該整合器本体の固有インピーダンスと、その状態において前記測定装置の前記演算部によって演算された前記接続対象体としての当該整合器本体の前記入力インピーダンスとに基づいて前記整合対象体の入力インピーダンスを算出して、当該算出した整合対象体の入力インピーダンスに対する共役インピーダンスと前記固有インピーダンスとが一致する前記各誘電体の前記各位置を前記データテーブルを参照して目標位置として算出し、当該目標位置に前記各誘電体がそれぞれ位置するように前記移動機構を制御する同軸型インピーダンス整合装置。
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