JP4490142B2 - 高周波電源の出力電力制御方法および高周波電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばプラズマエッチング、プラズマＣＶＤを行うプラズマ処理装置等の負荷に電力を供給する高周波電源装置に関するものである。

負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置として、従来は高周波電源装置が出力する進行波電力を一定に制御する方法（以下、進行波電力一定制御という）あるいは進行波電力から反射波電力を減じた負荷側電力を一定に制御する方法（以下、負荷側電力一定制御という）が用いられてきた。

図３は、進行波電力一定制御を用いた従来の高周波電源装置５０の構成及び高周波電源装置５０と負荷５との接続関係を示す図である。

従来の高周波電源装置５０は、伝送線路２及び整合器３及び伝送線路４を介して、負荷５に高周波電力を供給するための電源装置であり、下記のように出力電力が制御される。
電圧制御可変減衰器１３において、後述する誤差増幅器２３の出力信号を指示値として、水晶発振器１２から出力される所定の周波数の高周波信号の出力レベルが可変される。増幅部１５では、ＡＣ／ＤＣ変換部１４から供給される直流電力を用いて、電圧制御可変減衰器１３から出力する高周波信号を増幅して高周波電力を出力する。なお、高周波電源装置５０の増幅部１５から出力されて負荷５に向かう高周波電力を進行波電力という。反対に負荷側から高周波電源装置に向かう高周波電力を反射波電力ＰＲという。電力検出部１６では、増幅部１５から出力される進行波電力ＰＦを減衰させて取り出し、レベル変換器１７にて、電力検出部１６の出力を直流信号に変換した後規格化して出力する。誤差増幅器２３では、レベル変換器１７の出力信号の大きさが、電力設定信号の大きさと等しくなるように電圧制御可変減衰器１３に指示値となる信号を出力する。このようにすることで進行波電力を一定に制御することができる。

整合器３は、整合器３の入力端３０１から伝送線路２を経由し高周波電源装置側を見た電源側インピーダンスＺｏ（通常は５０Ω）と、整合器３の入力端から負荷側を見た負荷側インピーダンスＺＬ（整合器３及び伝送線路４及び負荷５のインピーダンス）とを整合させることによって、高周波電源装置と負荷５との間をインピーダンス整合させる目的で用いられる装置である。
この整合器３は、内部に図示しない可変インピーダンス素子（例えば、可変コンデンサ、可変インダクタ等）を備えていて、高周波電源装置と負荷５との間がインピーダンス整合するように、上記の可変インピーダンス素子のインピーダンスを変化させる機能を有する。

負荷５は、加工部を備え、その加工部の内部に搬入したウエハ、液晶基板等の被加工物を加工（エッチング、ＣＶＤ等）するための装置である。この負荷５は、被加工物を加工するために、加工部にプラズマ放電用ガスを導入し、そのプラズマ放電用ガスに高周波電源装置から供給された高周波電力（電圧）を印加することによって、上記のプラズマ放電用ガスを放電（以下、プラズマ放電という）させて非プラズマ状態からプラズマ状態にしている。そして、プラズマ状態になったガスを利用して被加工物を加工している。なお、このような放電を伴う負荷を放電負荷という。

図４は、負荷側電力一定制御を用いた従来の高周波電源装置５１の構成及び高周波電源装置５１と負荷５との接続関係を示す図である。
従来の高周波電源装置５１は、伝送線路２及び整合器３及び伝送線路４を介して、負荷５に高周波電力を供給するための電源装置であり、下記のように出力電力が制御される。なお、整合器３および負荷５は、図３と同様なので、説明を省略する。

電圧制御可変減衰器１３において、後述する誤差増幅器２３の出力信号を指示値として、水晶発振器１２から出力される所定の周波数の高周波信号の出力レベルが可変される。増幅部１５では、ＡＣ／ＤＣ変換部１４から供給される直流電力を用いて、電圧制御可変減衰器１３から出力する高周波信号を増幅して高周波電力を出力する。なお、高周波電源装置５０の増幅部１５から出力されて負荷５に向かう高周波電力を進行波電力という。反対に負荷側から高周波電源装置に向かう高周波電力を反射波電力ＰＲという。電力検出部１６では、増幅部１５から出力される進行波電力ＰＦおよび反射波電力ＰＲを減衰させて取り出し、レベル変換器１７にて、電力検出部１６の出力を直流信号に変換した後規格化して出力する。その後、負荷側電力演算部１８にて、負荷側電力（進行波電力−反射波電力）に対応した信号を求めて出力する。誤差増幅器２３では、負荷側電力演算部１８の出力信号の大きさが、電力設定信号の大きさと等しくなるように電圧制御可変減衰器１３に指示値となる信号を出力する。このようにすることで負荷側電力を一定に制御することができる。

ところで、図３、図４に示した高周波電源装置５０、５１と負荷５との間がインピーダンス整合しているときは、高周波電源装置５０、５１から出力された高周波電力が効率よく負荷５に供給される。しかし、負荷５の内部インピーダンスがプラズマ放電の状態によって変動するために、負荷のインピーダンスは整合時に比べて、高インピーダンス又は低インピーダンスに変動する。
そうなると、高周波電源装置５０、５１と負荷５との間がインピーダンス整合していない状態になって、整合器の入力端３０１での反射係数が増加するために、高周波電源装置５０、５１から出力されて負荷５に向かう進行波電力の一部又は全部が反射して整合器３から高周波電源装置に向かう反射波電力ＰＲが発生するので、高周波電力が効率よく負荷５に供給されない。

通常は、整合器３によってインピーダンス整合をさせるために、整合状態に戻るが、非整合状態から整合状態になるまでの間は、反射波電力が発生することになる。上記のような理由で発生した反射波電力ＰＲは、高周波電源装置内に戻る。

次に、前述した高周波電源装置を含むシステムにおいて、高周波電源装置から高周波電力が出力されてからの動作について説明する。
（１）前述した高周波電源装置を含むシステムにおいて、高周波電源装置から負荷５に高周波電力が供給されて放電可能な状態になると、放電が開始される。このときの負荷のインピーダンスは、ほぼ全反射（反射係数Γ≒１）の領域にある。なお、反射係数Γとは、進行波電力ＰＦに対する反射波電力ＰＲの割合（Γ＝ＰＲ／ＰＦ）である。
（２）整合器が反射波電力を減少させるように整合動作を行う。その結果、最終的には、整合目標点に到達する。なお、整合目標点とは、インピーダンス整合して反射波が０（Γ＝０）または、反射係数が設定した許容範囲内（例えば、Γ≦０．１）になった状態をいう。
（３）負荷の条件（電力供給量など）が変化すると、負荷のインピーダンスが変化して反射が増える場合がある。その場合は、再度、整合器によって整合動作が行われて整合目標点に到達する。以降はこの繰り返しである。
特開２００１−１９７７４９号公報 特開２００３−１４３８６１号公報

前述したように、進行波電力一定制御または負荷側電力一定制御に関わらず、出力電力の制御は、電力検出部１６の検出信号に基づいて行っている。そのために、精度良く制御を行うためには、電力検出部１６の検出精度が良い必要があるが、電力検出部１６の検出精度には下記（１）に示すような特性があるので、（２）および（３）に示すように各制御方法に特有の問題が生じる。

（１）電力検出部１６の検出精度
高周波電源装置の電力検出部１６の検出感度は、結合度と方向性の２つの仕様で決定される。結合度は、高周波電力の減衰量を表す。方向性は、電力検出部１６自身の入出力特性インピーダンス（主に構造によって決まる）と電力検出部１６単体に負荷５０Ωを繋いだときに、ＰＦ、ＰＲの漏れの大きさで決まる値であり、この方向性によって電力検出部１６の検出精度が決定される。

図５は、進行波電力一定制御を行う場合に、「理想電力検出部」（検出値に全く誤差のない電力検出部）を使用した場合に得られる理想上の反射係数演算値（真円になる）と、「実電力検出部」の反射波電力検出値から演算した反射係数演算値とをポーラーチャート上に表して比較した図である。なお、図５の円の中心がΓ＝０（整合）であり、円の最も外側がΓ＝１（全反射）を表している。
（I）で示される軌跡は、反射係数Γ＝ａ（０＜ａ＜ｂ＜１）となる反射波電力の場合に、「理想電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値を示す。
（II）で示される軌跡は、反射係数Γ＝ｂ（０＜ａ＜ｂ＜１）となる反射波電力の場合に、「理想電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値を示す。
（III）で示される軌跡は、反射係数Γ＝ａ（０＜ａ＜ｂ＜１）となる反射波電力の場合に、「実電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値を示す。
（IV）で示される軌跡は、反射係数Γ＝ｂ（０＜ａ＜ｂ＜１）となる反射波電力の場合に、「実電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値を示す。

図５から分かるように、「理想電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値と、「実電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値とでは差異が生じる。すなわち、「実電力検出部」では、反射波電力の検出値に誤差があることを示している。また、反射係数Γが０から大きくなるに連れて、「理想電力検出部」で検出される反射波電力と、「実電力検出部」で検出される反射波電力との誤差が大きくなる。生じる誤差量は位相によって増減し、増減の傾向はΓの値が増減しても同じ傾向を示す。

電力検出部１６の方向性は槻ね−４０ｄＢ以下であれば検出精度の誤差は、Γ＝０で±２％、Γ＝０．９８で±７．８％と少ない。しかし、周波数が高くなったり、電力検出部１６の通過電力量が大きくなると、方向性は−２０ｄＢ程度を確保するのが限界である。方向性が−２０ｄＢの場合の誤差は、Γ＝０で±２０％、Γ＝０．９８で±７８．１％と桁違いに大きくなる。

（２）反射係数Γが大きい領域での問題
前述の進行波電力一定制御方式の高周波電源装置の場合は、Γが０から大きくなるに連れて反射波電力の検出信号に誤差が大きくなっても進行波電力ＰＦを一定にする制御を行っているだけのため、反射波電力表示値に誤差が生じる程度の影響で済む。
しかし、前述の負荷側電力一定制御方式の高周波電源装置の場合は、Γが０から大きくなるに連れて反射波電力の検出信号の誤差が大きくなるので、ポーラーチャートの外周付近ではＰＬ＝ＰＦ−ＰＲで表される式のＰＲ分の量が変動し高周波電源装置は負荷側電力一定制御を行っているにもかかわらず、負荷への投入電力量が不安定となり、負荷ヘの投入電力量が変動するために、プラズマの消滅現象や整合過程でハンチング現象が生じる場合がある。
したがって、反射係数Γが大きい領域では、負荷側電力一定制御は不向きであるので、進行波電力一定制御の方が望ましい。

（３）反射係数Γが小さい領域での問題
図６は、電力検出部１６の整合目標点付近における反射波電力検出特性を表す図である。
（V）で示される軌跡は、反射係数Γ＝ｍ（ｍは整合目標点の許容範囲を示す反射係数）となる反射波電力の場合に、「理想電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値を示す。
（VI）で示される軌跡は、反射係数Γ＝ｍとなる反射波電力の場合に、「実電力検出部」を使用して得られる反射係数演算値を示す。
図６に示すように整合目標点付近では、進行波電力に比べ反射波電力の絶対量が少ないため、方向性による反射波電力検出値の誤差も小さい。そのために、負荷側電力一定制御方式の高周波電源装置において、ＰＬ＝ＰＦ−ＰＲで表される式のＰＲ分の誤差量が少ないので、負荷に供給される電力量への影響が少なく、安定した電力量を負荷に供給できる。

負荷のインピーダンスは高周波電源装置から投入される電力によって変化するために、供給される電力量が安定していれば、整合器の整合動作と相まって、高速に整合を取ることができる。そのために、整合目標点付近での高周波電源装置の出力電力制御方式としては、進行波電力一定制御よりも、負荷側電力一定制御の方が望ましい。

また、プラズマプロセスによっては整合目標点近傍にプラズマのインピーダンスが大きく変化する領域が存在する場合がある。
図７は、整合目標点近傍に存在するプラズマのインピーダンスが大きく変化する領域の一例を示す図である。
（VII）で示される領域は、整合目標点の許容範囲である反射係数Γ＝ｍの領域を示す。
（VIII）で示される領域は、整合目標点近傍に存在するプラズマのインピーダンスが大きく変化する領域の一例を示す。
図７の（VIII）に示すような領域が存在した場合、この領域では僅かな高周波電力の変動や、整合装置の微動が原因となって、プラズマ負荷インピーダンスが急激に変化する。この急激な変化に伴って高周波電源装置の反射波電力検出量も同時に増大する。その結果、負荷ヘの投入電力量が変動するために、プラズマの消滅現象や整合過程でハンチング現象が生じる場合がある。

進行波電力一定制御方式の高周波電源装置の場合は、前述のように進行波電力ＰＦを一定に制御しているため、反射波電力が増加すると負荷への供給電力量が減少し、プラズマのインピーダンス変化を増長する結果となる。
負荷側電力一定制御方式の高周波電源装置の場合は、前述のように負荷電力ＰＬを一定に制御しているため、整合目標点付近で反射波電力が増加しても、負荷へ供給される電力量への影響は軽微でプラズマのインピーダンス変化を最小にとどめることが可能である。
したがって、この現象から考えても、整合目標点付近での高周波電源装置の出力電力制御方式としては、進行波電力一定制御よりも、負荷側電力一定制御の方が望ましい。

これまで説明したように、従来の高周波電源装置では、負荷側電力一定制御を用いると、反射係数Γが大きい領域で、プラズマの消滅現象や整合過程でハンチング現象が生じる場合があり問題であった。また、進行波電力一定制御を用いると、反射係数Γが小さい領域でプラズマの消滅現象や整合過程でハンチング現象が生じる場合があり問題であった。
本発明は、上記問題を鑑みなされたもので、反射係数Γの広い領域に亘って、プラズマの消滅現象や整合過程でハンチング現象を生じさせない高周波電源装置を提供することを目的としている。

本願発明によって提供される高周波電源の出力電力制御方法は、
増幅部から出力する進行波電力を負荷に供給する高周波電源の出力制御方法において、
前記増幅部から負荷に向かう進行波電力および負荷側から反射される反射波電力を検出し、検出した進行波電力および反射波電力を用いて求められる反射係数が予め設定した第１の反射係数基準値未満になった場合に進行波電力から反射波電力を減じた負荷側電力を一定値にする制御に切り替え、前記反射係数が予め設定した第２の反射係数基準値未満の状態から第２の反射係数基準値以上になった場合に進行波電力を一定値にする制御に切り替えることを特徴としている。

本願発明によって提供される他の高周波電源の出力電力制御方法は、
前記第２の反射係数基準値が、第１の反射係数基準値よりも大きいことを特徴としている。

本願発明によって提供される高周波電源装置は、
増幅部から出力する進行波電力を負荷に供給する高周波電源装置において、
前記増幅部から負荷に向かう進行波電力および負荷側から反射される反射波電力を検出し、進行波電力に対応する信号および反射波電力に対応する信号を出力する電力検出手段と、
前記進行波電力に対応する信号から前記反射波電力に対応する信号を減じることによって負荷側電力に対応した信号を求める負荷側電力演算手段と、
前記進行波電力に対応する信号および前記反射波電力に対応する信号を用いて反射係数を求める反射係数演算手段と、
前記反射係数が予め設定した第１の反射係数基準値未満になった場合には、前記負荷側電力に対応した信号を電力信号として出力し、前記反射係数が予め設定した第２の反射係数基準値未満の状態から第２の反射係数基準値以上になった場合には、前記進行波電力に対応する信号を電力信号として出力する制御対象切替手段と、
前記制御対象切替手段から出力される電力信号が、進行波電力の出力設定値に対応した信号と等しくなるように前記増幅部の出力を制御する制御手段と
を備えたことを特徴としている。

本願発明によって提供される他の高周波電源装置は、
前記第２の反射係数基準値が、第１の反射係数基準値よりも大きいことを特徴としている。

従来では、整合目標点付近に適した負荷側電力一定制御あるいは反射係数が大きい場合に適した進行波電力一定制御のどちらか一方によって電力制御を行っていた。そのために、反射係数Γの広範囲に亘って適切な電力制御を行うことができないという問題があった。
しかし、本発明では、反射係数が大きい場合には、進行波電力一定制御を行うことによって、ポーラーチャートの外周付近で発生する整合過程でのハンチングを回避する。また、整合目標点付近の場合には、負荷側電力一定制御を行うことによって、プラズマの消滅の解決を図ることができるので、ポーラーチャートの広範囲に亘って適切な電力制御を行うことができる。
さらに、両制御方式の切り替えのパラメータとして用いられる第２の反射係数基準値を第１の反射係数基準値よりも大きく設定し、反射係数の閾値にヒステリシス特性を設けると、制御切り替え時のハンチング現象を防止することができるので、より安定した電力制御を行うことができる。
さらに、ハンチングの回避やプラズマの消滅の解決は、整合するまでに要する時間の低減に繋がる。整合するまでに要する時間が低減されると、整合過程における整合器の駆動部分の動作量が従来に比べて低減する。そのために、整合器の駆動部分の消耗が低減し長寿命化を図ることができる。例えば、整合器に設けられた可変コンデンサや可変インダクタの軸と軸受けとの摺動部分の磨耗が従来に比べて低減するので、可変コンデンサや可変インダクタの長寿命化を図ることができる。
さらに、整合するまでに要する時間が低減されるので、ウエハ、液晶基板等の被加工物の処理時間を短縮することができる。したがって、生産性の向上が図れるだけでなく、電力の消費量も低減することができる。
さらに、整合するまでに要する時間が低減されるので、非整合状態時に発生しやすい異常放電も減少する。そのために、異常放電によって発生するウエハへのダメージも低減することができる。

以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る高周波電源装置１の構成、整合器３の構成及び高周波電源装置１と整合器３と負荷５との接続関係を示すブロック図である。

本発明に係る高周波電源装置１は、内部の増幅部１５から出力する高周波電力（進行波電力）を伝送線路２（例えば、同軸ケーブル）及び整合器３及び伝送線路４（例えば、電磁波が漏れないように遮蔽された銅板）を介して負荷５に供給するための電源装置であり、出力する進行波電力あるいは負荷側電力をフィードバックして出力電力設定値に等しくなるように制御する。
なお、高周波電源装置１の増幅部１５から出力されて負荷５に向かう高周波電力を進行波電力という。反対に負荷側から高周波電源装置に向かう高周波電力を反射波電力ＰＲという。また、一般にこの種の高周波電源装置では、数百ｋＨｚ以上の周波数の高周波電力を出力している。

（高周波電源装置の内部構成についての説明）
ＯＮ／ＯＦＦ制御部１１は、ＯＮ信号またはＯＦＦ信号を入力とし、ＯＮ信号が入力された場合に、後述する水晶発振器１２から高周波信号が出力されるように制御する。

水晶発振器１２は、所定の周波数の高周波信号を出力する。なお、ここで言う高周波信号とは、正弦波信号に限らず、例えば、矩形波信号、三角波信号等も含む。

電圧制御可変減衰器１３は、後述する誤差増幅器２３の出力信号を指示値として、水晶発振器１２から出力する高周波信号の出力レベルを可変させることによって、増幅部１５から出力する進行波電力の出力レベルを可変させる。

ＡＣ／ＤＣ変換部１４は、商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換して、後述する増幅部１５に供給する。

増幅部１５は、ＡＣ／ＤＣ変換部１４から供給される直流電力を用いて、電圧制御可変減衰器１３から出力する高周波信号を増幅して進行波電力ＰＦを出力する。よって、後述する誤差増幅器２３の出力によって、増幅部１５の出力レベルが制御されることになる。
なお、増幅部１５から出力された進行波電力は、高周波電源装置の出力端としての高周波電力出力コネクタ１０１に接続された伝送線路２を介して、高周波電源装置の外部に出力される。

電力検出部１６は、増幅部１５から出力される進行波電力ＰＦ及び高周波電源装置の外部から戻ってくる反射波電力ＰＲを減衰させて取り出し、減衰進行波電力信号ＲＦｐｆ及び減衰反射波電力信号ＲＦｐｒを出力する。この電力検出部１６には、例えば、方向性結合器等が用いられる。

レベル変換器１７は、電力検出部１６から出力される減衰進行波電力信号ＲＦｐｆおよび減衰反射波電力信号ＲＦｐｒを直流信号に変換した後規格化して、進行波電力に対応する進行波電力信号Ｖｐｆおよび反射波電力に対応する反射波電力信号Ｖｐｒとして出力する。

負荷側電力演算部１８は、進行波電力信号Ｖｐｆから反射波電力信号Ｖｐｒを減じることによって、負荷側電力に対応した負荷側電力信号Ｖｐｌを求めて出力する。
上記の関係を演算式で表すと式（１）となる。
Ｖｐｌ＝Ｖｐｆ−Ｖｐｒ ・・・・・（１）

Γ演算部１９は、進行波電力信号Ｖｐｆおよび反射波電力信号Ｖｐｒを入力として、これらの進行波電力信号Ｖｐｆおよび反射波電力信号Ｖｐｒから反射係数Γを演算する。
上記の関係を演算式で表すと式（２）となる。
Γ＝Ｖｐｒ／Ｖｐｆ ・・・・・（２）

Γ判定値設定部２０は、反射係数Γのしきい値として、第１の反射係数基準値Γ１および第２の反射係数基準値Γ２を設定して記憶する。

Γ判定部２１は、Γ判定値設定部２０に記憶された第１の反射係数基準値Γ１および第２の反射係数基準値Γ２を参照して、Γ演算部１９から出力する反射係数Γが、第１の反射係数基準値未満になった場合に、後述するスイッチ回路２２に対して負荷側電力信号Ｖｐｌを出力するように指令する。また、反射係数Γが第２の反射係数基準値未満の状態から第２の反射係数基準値以上になった場合に、スイッチ回路２２に対して進行波電力信号を出力するように指令する。
なお、初期状態である高周波電力の出力開始時には、例えば、次のようにすればよい。
（ａ）反射係数Γが、第１の反射係数基準値未満の場合は、スイッチ回路２２に対して負荷側電力信号Ｖｐｌを出力するように指令する。
（ｂ）反射係数Γが、第１の反射係数基準値以上の場合は、スイッチ回路２２に対して進行波電力信号Ｖｐｆを出力するように指令する。

スイッチ回路２２は、レベル変換器１７から出力される進行波電力信号Ｖｐｆと負荷側電力演算部１８から出力される負荷側電力信号Ｖｐｌとを入力とし、Γ判定部２１の指令に基づいて進行波電力信号Ｖｐｆと負荷側電力信号Ｖｐｌのどちらかを出力するように内部のスイッチを切り替える。
なお、図１に示す例では、Γ判定値設定部２０、Γ判定部２１およびスイッチ回路２２で構成される部分が、制御対象切替手段として機能する。

誤差増幅器２３は、レベル変換器１７から出力される進行波電力信号Ｖｐｆあるいは負荷側電力演算部１８から出力される負荷側電力信号Ｖｐｌと、電力設定値に対応した電力設定信号Ｖｓｅｔとを入力し、進行波電力信号Ｖｐｆあるいは負荷側電力信号Ｖｐｌの大きさが、電力設定信号Ｖｓｅｔの大きさと等しくなるように電圧制御可変減衰器１３に指示値となる電力制御信号Ｖｐｃを出力する。
上記の関係を演算式で表すと式（３）または式（４）となる。
Ｖｐｃ∝（Ｖｓｅｔ−Ｖｐｆ） ・・・・・（３）
Ｖｐｃ∝（Ｖｓｅｔ−Ｖｐｌ） ・・・・・（４）
前述したように、電圧制御可変減衰器１３は、誤差増幅器２３の出力信号を指示値として水晶発振器１２から出力する高周波信号の出力レベルを可変させるので、増幅部１５から出力する進行波電力の出力レベルを出力設定値と等しくなるように制御することができる。

次に、本発明に係る高周波電源装置を含むシステムにおいて、高周波電源装置から高周波電力が出力されてからの動作を図２を参照して説明する。

図２は、本発明に係る高周波電源装置を含むシステムの整合動作過程における負荷側インピーダンスＺＬの変化の一例をポーラーチャートで表した図である。
なお、図２において、第１の反射係数基準値はΓ１で示し、第２の反射係数基準値はΓ２で示している。また、図２におけるポーラーチャートは、目盛などを省略することにより簡略化してあらわしたものであるが、本来のポーラーチャートと同様に、円の中心がΓ＝０であり、円の最も外側がΓ＝１（全反射）を表している。

（１）図２のＡ点
前述した高周波電源装置を含むシステムにおいて、高周波電源装置から負荷５に高周波電力が供給されて放電可能な状態になると、放電が開始される。このときの負荷のインピーダンスは、ほぼ全反射（反射係数Γ≒１）の領域にある。そのために、反射係数が、予め設定した第１の反射係数基準値Γ１以上であるので、進行波電力一定制御にて制御される。
（２）図２のＢ点
整合器が、反射波電力を減少させるように整合動作を行う。その過程で、Ｂ点で示される位置に達して、反射係数が予め設定した第２の反射係数基準値Γ２未満の状態になるが、この時点では、進行波電力一定制御にて制御されたままである。
（３）図２のＣ点
整合器が、さらに反射波電力を減少させるように整合動作を行う。その結果、最終的には、整合目標点に到達する。
その過程において、Ｃ点で示される位置に達して、反射係数が予め設定した第１の反射係数基準値未満になると、負荷側電力一定制御に切り替える。
（４）図２のＤ点
整合状態の間は、負荷側電力を一定値にする制御を行うが、負荷の条件（電力供給量など）が変化すると、負荷のインピーダンスが変化して反射が増える場合がある。この場合に、Ｄ点で示される位置に達して、反射係数Γが第１の反射係数基準値Γ１以上の状態になるが、この時点では、負荷側電力一定制御にて制御されたままである。
（５）図２のＥ点
整合状態の間は、負荷側電力を一定値にする制御を行うが、負荷の条件（電力供給量など）が変化すると、負荷のインピーダンスが変化して反射が増える場合がある。この場合に、Ｄ点で示される位置に達して、反射係数Γが第２の反射係数基準値未満の状態から第２の反射係数基準値以上になると、進行波電力一定制御に切り替える。
（６）以降は、（２）〜（５）の繰り返しである。

図１は、本発明に係る高周波電源装置１の構成、整合器３の構成及び高周波電源装置１と整合器３と負荷５との接続関係を示すブロック図である。 図２は、本発明に係る高周波電源装置を含むシステムの整合動作過程における負荷側インピーダンスＺＬの変化の一例をポーラーチャートで表した図である。 図３は、進行波電力一定制御を用いた従来の高周波電源装置５０の構成及び高周波電源装置５０と負荷５との接続関係を示す図である。 図４は、負荷側電力一定制御を用いた従来の高周波電源装置５１の構成及び高周波電源装置５１と負荷５との接続関係を示す図である。 図５は、進行波電力一定制御を行う場合に、「理想電力検出部」（検出値に全く誤差のない電力検出部）を使用した場合に得られる理想上の反射係数演算値（真円になる）と、「実電力検出部」の反射波電力検出値から演算した反射係数演算値とをポーラーチャート上に表して比較した図である。 図６は、電力検出部１６の整合目標点付近における反射波電力検出特性を表す図である。 図７は、整合目標点近傍に存在するプラズマのインピーダンスが大きく変化する領域の一例を示す図である。

符号の説明

１ 本発明に係る高周波電源装置
２ 伝送線路
３ 整合器
４ 伝送線路
５ 負荷
１１ ＯＮ／ＯＦＦ制御部
１２ 水晶発振器
１３ 電圧制御可変減衰器
１４ ＡＣ／ＤＣ変換部
１５ 増幅部
１６ 電力検出部
１７ レベル変換器
１８ 負荷側電力演算部
１９ Γ演算部
２０ Γ判定値設定部
２１ Γ判定部
２２ スイッチ回路
２３ 誤差増幅器
５０ 従来の高周波電源装置
５１ 従来の高周波電源装置

Claims (4)

1. 増幅部から出力する進行波電力を負荷に供給する高周波電源の出力制御方法において、
   前記増幅部から負荷に向かう進行波電力および負荷側から反射される反射波電力を検出し、検出した進行波電力および反射波電力を用いて求められる反射係数が予め設定した第１の反射係数基準値未満になった場合に進行波電力から反射波電力を減じた負荷側電力を一定値にする制御に切り替え、前記反射係数が予め設定した第２の反射係数基準値未満の状態から第２の反射係数基準値以上になった場合に進行波電力を一定値にする制御に切り替えることを特徴とする高周波電源の出力制御方法。
2. 前記第２の反射係数基準値が、第１の反射係数基準値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の高周波電源の出力制御方法。
3. 増幅部から出力する進行波電力を負荷に供給する高周波電源装置において、
   前記増幅部から負荷に向かう進行波電力および負荷側から反射される反射波電力を検出し、進行波電力に対応する信号および反射波電力に対応する信号を出力する電力検出手段と、
   前記進行波電力に対応する信号から前記反射波電力に対応する信号を減じることによって負荷側電力に対応した信号を求める負荷側電力演算手段と、
   前記進行波電力に対応する信号および前記反射波電力に対応する信号を用いて反射係数を求める反射係数演算手段と、
   前記反射係数が予め設定した第１の反射係数基準値未満になった場合には、前記負荷側電力に対応した信号を電力信号として出力し、前記反射係数が予め設定した第２の反射係数基準値未満の状態から第２の反射係数基準値以上になった場合には、前記進行波電力に対応する信号を電力信号として出力する制御対象切替手段と、
   前記制御対象切替手段から出力される電力信号が、進行波電力の出力設定値に対応した信号と等しくなるように前記増幅部の出力を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする高周波電源装置。
4. 前記第２の反射係数基準値が、第１の反射係数基準値よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の高周波電源装置。
   
   

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