JP4805170B2 - 高周波電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体ウェハプロセスにおいてプラズマエッチング等を行う負荷としてのプラズマ処理装置等に、インピーダンス整合器を介して高周波電力を供給する高周波電源装置に関する。

従来、高周波電源装置では、例えば特許文献１に記載のものが提案されている。図１８は、特許文献１に記載の高周波電源装置の構成図である。

日本国特開２００１−１９７７４９号公報

この高周波電源装置は、負荷に供給する高周波電力の値を設定するための出力電力設定部４１、後述する制御部４２からの信号に基づいて発振出力のレベルを変化させる発振部４３、複数の増幅素子（図略）によって発振部４３の発振出力を増幅する増幅部４４、増幅部４４から出力された出力電力を検出する出力電力検出部４５、及び出力電力設定部４１による設定値と出力電力検出部４５による検出値とを比較し、両者の誤差情報を発振部４３に与えることにより高周波電力が一定になるように制御する制御部４２を備えている。

また、この高周波電源装置は、出力電力設定部４１において設定された値に対して所定の特性グラフ又は特性関数等に基づいて、増幅素子の増幅側端子間の電圧が飽和しない範囲で振幅が最大となるように、直流電源電圧Ｖｄｃを算出する演算部４７と、演算部４７によって算出された直流電源電圧Ｖｄｃの演算値と直流電圧検出部５２（後述）による直流電源電圧Ｖｄｃの検出値との誤差分を増幅して、それを直流電源部５１に出力する誤差増幅部５０と、直流電源電圧Ｖｄｃを生成するための直流電源部５１と、この直流電源部５１から出力される直流電源電圧Ｖｄｃの大きさを検出する直流電圧検出部５２とを備えている。

上記構成によれば、出力電力設定部４１において高周波電力の値が設定されると、この高周波電力の値に基づいて発振部４３において発振出力のレベルが変化され、増幅部４４においてその発振出力が増幅される。一方、演算部４７においては、高周波電力の値に応じて直流電源電圧Ｖｄｃの演算値が算出され、直流電源部５１において当該直流電源電圧Ｖｄｃが生成されて、増幅部４４に供給される。増幅部４４では、当該直流電源電圧Ｖｄｃを基準にして発振出力が増幅され、例えばインピーダンス整合器（図略）を介して負荷に対して供給されるようになっている。

一般に、高周波電源装置には、例えばＣＶＤやエッチング等の方法を用いて半導体ウェハ等を加工するプラズマ処理装置としての負荷がインピーダンス整合器を介して接続される。プラズマ処理装置では、プラズマが発生されるチャンバ内において用いられるガスの種類や圧力、供給される高周波電力の電力値や供給時間等によって、負荷におけるインピーダンスが変動することがある。

この場合、インピーダンス整合器では、それを構成する可変インピーダンス素子（図略）がそのリアクタンス（キャパシタンスやインダクタンス）を変化させ、入力インピーダンスが例えば５０Ωになるように、インピーダンス整合を行う。

図１９は、増幅部４４の一例を示す図である。増幅部４４は、いわゆるプッシュプル回路によって構成され、発振部４３に接続された第１トランス５３と、第１トランス５３の２次巻線側に接続された複数の抵抗からなる駆動電圧供給回路５４と、この駆動電圧供給回路５４に接続された、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなる第１増幅素子５５及び第２増幅素子５６と、第１及び第２増幅素子５５，５６の出力端に接続された第２トランス５６とを有している。第２トランス５６の２次巻線には負荷（図略）が接続されている。第２トランス５６の１次巻線の中点には、直流電源部５１で生成される直流電源電圧Ｖｄｃが供給される。

図２０は、直流電源電圧Ｖｄｃ及び第１増幅素子５５の出力端Ｐにおける電圧Ｖｐ（第１増幅素子５５のドレインとソースとの間の電圧）の波形図である。この図２０では、第１増幅素子５５の出力端Ｐにおける電圧Ｖｐが飽和しない範囲で振幅が最大となる場合に、増幅部４４で生じる損失が最小となることを示している。図中のハッチング部分は損失の度合いを示しており、この部分が小さい程、電力の損失が少なく効率が高いことを示す。なお、図２０は、直流電源電圧Ｖｄｃ及び第１増幅素子５５の出力端Ｐにおける電圧Ｖｐの波形図であるので、図中のハッチング部分が損失電力を直接的に示すものではない。

高周波電源装置では、負荷の変動が急激でなく、インピーダンス整合器により十分にインピーダンスマッチングがとれている場合は、効率への影響は少ないが、負荷変動が大きすぎたり急激であったりして十分にインピーダンスマッチングがとれない場合は、効率が低下する。インピーダンス整合器に例えばインピーダンス変換値が固定のものが用いられる場合には、例えば負荷におけるインピーダンスが低下するように変動すると、それにともなって負荷に対して供給される高周波電圧の振幅が小さくなる。すなわち、図２０に示した第１増幅素子５５の出力端Ｐにおける電圧Ｖｐの振幅が一点鎖線で示すように小となり、それにともなって損失（図２０のハッチング部参照）が大となり、効率が低下する。

図１８に示す高周波電源装置は、負荷の変動がほとんどない一定の場合や、変動してもインピーダンス整合器により十分にインピーダンスマッチングがとれる場合を前提としたものである。そのため、この高周波電源装置による直流電源電圧Ｖｄｃの制御は、専ら、負荷に供給すべき高周波電力の出力設定値によって行われ、負荷変動によるインピーダンス不整合による効率の低下は考慮されていなかった。

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものである。本発明は、負荷インピーダンスが変動した場合にも、高周波電力を高効率で負荷に供給することのできる高周波電源装置を提供することをその課題としている。

本発明によって提供される高周波電源装置は、増幅手段で増幅された高周波電圧を負荷に供給する高周波電源装置において、出力する直流電圧の出力レベルを変化可能な直流電圧出力手段と、前記直流電圧出力手段から出力された直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記直流電圧検出手段によって検出した直流電圧が目標電圧に等しくなるように前記直流電圧出力手段の出力レベルを制御する直流電圧制御手段と、出力する高周波電圧信号の出力レベルを変化可能な発振手段と、複数の増幅素子を有し、増幅するためのエネルギー源として前記直流電圧出力手段から出力される直流電圧を用いて、前記発振手段から出力される高周波電圧信号を増幅して出力する増幅手段と、前記負荷に供給する高周波電力の出力電力設定値を定める出力電力設定手段と、前記増幅手段の出力を電力値で検出する電力検出手段と、前記電力検出手段で検出した電力値が前記出力電力設定値と等しくなるように前記発振手段の出力レベルを制御する高周波信号制御手段と、前記増幅手段の増幅素子の１つの増幅側端子間の電圧の振幅、又は、この増幅側端子間の電圧の振幅に比例した大きさを有する電圧の振幅を検出する振幅検出手段と、前記振幅検出手段によって検出された電圧の振幅に基づいて、前記直流電圧の目標電圧を定める目標電圧設定手段と、を備えている。

従来では、負荷のインピーダンスが変動した場合、その変動に応じて増幅手段で増幅される高周波電圧の振幅が変動しても、直流電圧出力手段から増幅手段に供給される直流電圧は変化しないようになっていた。そのために、図２０の実線で示されたように、増幅手段の増幅素子の１つの増幅側端子間の電圧（図２０の場合は、出力端Ｐにおける電圧Ｖｐ）が飽和しない範囲で振幅が最大となる状態にはならず、負荷のインピーダンスが変動した場合、損失電力が増大するようになっていた。

本発明の構成によれば、増幅手段の増幅素子の１つの増幅側端子間の電圧の振幅、又は、この増幅側端子間の電圧の振幅に比例した大きさを有する電圧の振幅が検出され、検出された電圧の振幅に基づいて、直流電圧の目標電圧が定められる。そのために、負荷のインピーダンスが変動しても、直流電圧出力手段の出力レベルが目標電圧に等しくなるように制御されて、増幅手段に供給される。例えば、負荷インピーダンスの変動に応じて、増幅手段で増幅される高周波電圧の振幅が小さくなるように変動した場合、直流電圧の目標電圧は、増幅手段の増幅素子の１つの増幅側端子間の電圧が飽和しない範囲で振幅が最大となる状態となるように下げられるので、損失電力を可及的に低減することができる。

好ましくは、前記振幅検出手段で検出する電圧の振幅は、前記増幅手段の１つの増幅素子の増幅側端子間の電圧の振幅、又は、その電圧の振幅に比例した大きさを有する電圧の振幅である。

また、好ましくは、前記振幅検出手段で検出する電圧の振幅は、前記増幅手段の複数の増幅素子の増幅側端子間の電圧の振幅、又は、それらの電圧の振幅にそれぞれ比例した大きさを有する電圧の振幅である。

より好ましくは、前記目標電圧設定手段は、前記振幅検出手段で検出する電圧の振幅のうち、一番大きい電圧の振幅に基づいて、前記直流電圧の目標電圧を定める。

また、好ましくは、前記出力電力設定手段によって定められた出力電力設定値に基づいて前記直流電圧を定める直流電圧設定手段と、特定状態になったときに、一時的に前記直流電圧設定手段の出力を前記目標電圧とする切替手段と、をさらに備えている。

より好ましくは、前記特定状態は、前記増幅手段による出力が開始されたとき、又は前記出力電力設定手段によって前記出力電力設定値が変更されたときである。

より好ましくは、前記特定状態は、さらに、前記電力検出手段によって検出された電力検出値が、前記出力電力設定値を基準とした予め定めた割合に達したときも含む。

また、好ましくは、前記切替手段は、前記特定状態になってから予め定めた時間が経過するまで、前記直流電圧設定手段の出力を前記目標電圧値とする。

また、好ましくは、前記目標電圧設定手段は、下限値を有する前記直流電圧の目標電圧値を定めるものである。

また、好ましくは、前記振幅検出手段で検出する電圧の振幅は、電圧のピーク・トゥ・ピーク値である。

また、好ましくは、前記振幅検出手段で検出する電圧の振幅は、電圧の平均値である。

また、好ましくは、前記振幅検出手段で検出する電圧の振幅は、電圧の実効値である。

また、好ましくは、前記増幅手段の増幅素子は電界効果トランジスタで構成され、増幅側端子間の電圧の振幅は、前記電界効果トランジスタのドレインとソースとの間の電圧である。

また、好ましくは、前記増幅手段の増幅素子はバイポーラトランジスタで構成され、増幅側端子間の電圧の振幅は、前記バイポーラトランジスタのコレクタとエミッタとの間の電圧である。

以下、本発明の実施例につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る高周波電源装置が適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。この高周波電力供給システムは、半導体ウェハや液晶基板等の被加工物に対して高周波電力を供給して、例えばプラズマエッチングといった加工処理を行うものである。この高周波電力供給システムは、高周波電源装置１、伝送線路２、インピーダンス整合器３、負荷接続部４及び負荷Ｌで構成されている。

高周波電源装置１には、例えば同軸ケーブルからなる伝送線路２を介してインピーダンス整合器３が接続されている。インピーダンス整合器３には、例えば電磁波が漏れないように遮蔽された銅板からなる負荷接続部４を介して負荷Ｌ（例えばプラズマ処理装置）が接続されている。なお、高周波電源装置１は、インピーダンス整合器３を含む構成としてもよい。

高周波電源装置１は、負荷Ｌに対して例えば３００ｋＨｚ〜５００ＭＨｚの周波数を有する高周波電力を供給するための装置である。高周波電源装置１については後述する。

インピーダンス整合器３は、高周波電源装置１と負荷Ｌとのインピーダンスを整合させるものである。より具体的には、例えば高周波電源装置１の出力端から高周波電源装置１側を見たインピーダンス（出力インピーダンス）が例えば５０Ωに設計され、高周波電源装置１が、特性インピーダンス５０Ωの伝送線路２でインピーダンス整合器３の入力端に接続されているとすると、インピーダンス整合器３は、当該インピーダンス整合器３の入力端から負荷Ｌ側を見たインピーダンスを５０Ωに変換する。

負荷Ｌは、半導体ウェハや液晶基板等の被加工物をエッチングやＣＶＤ等の方法を用いて加工するためのプラズマ処理装置である。プラズマ処理装置では、被加工物の加工目的に応じて各種の加工プロセスが実行される。例えば、被加工物に対してエッチングを行う場合には、そのエッチングに応じたガス種類、ガス圧力、高周波電力の供給電力値、及び高周波電力の供給時間等が適切に設定された加工プロセスが行われる。プラズマ処理装置では、被加工物が配置される容器（図略）内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を放電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用いて被加工物を加工している。

図２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、図２に示すように、出力電力設定部１１と、第１制御部１２と、発振部１３と、増幅部１４と、パワー検出部１５と、直流電圧設定部１６と、切替部１７と、第２制御部１８と、直流電源部１９と、直流電圧検出部２０と、出力電圧検出部２１と、目標電圧設定部２２とを備えている。

なお、出力電力設定部１１は、本発明の出力電力設定手段の一例であり、第１制御部１２は、本発明の高周波信号制御手段の一例であり、発振部１３は、本発明の発振手段の一例であり、増幅部１４は、本発明の増幅手段の一例であり、パワー検出部１５は、本発明の電力検出手段の一例であり、直流電圧設定部１６は、本発明の直流電圧設定手段の一例であり、第２制御部１８は、本発明の直流電圧制御手段の一例であり、直流電源部１９は、本発明の直流電圧出力手段の一例であり、直流電圧検出部２０は、本発明の直流電圧検出手段の一例であり、出力電圧検出部２１は、本発明の振幅検出手段の一例であり、目標電圧設定部２２は、本発明の目標電圧設定手段の一例である。また、第１制御部１２は切替部１７とともに、本発明の切替手段の一例としても機能する。

出力電力設定部１１は、負荷Ｌに供給する高周波電力の出力値を設定するためのものである。図２では省略しているが、出力電力設定部１１には、高周波電力の出力値を設定するための出力電力設定スイッチや高周波電力の供給の開始を指示する出力開始スイッチを備えた操作部等が設けられている。出力電力設定部１１において設定された高周波電力の出力値のデータ（出力電力設定値）は、第１制御部１２及び直流電圧設定部１６に出力される。

第１制御部１２は、出力電力設定部１１において設定された高周波電力の出力値と、パワー検出部１５において検出された高周波電力の検出値とを比較し、両者が一致するように、発振部１３の発振出力のレベルを制御するものである。つまり、第１制御部１２は、発振部１３の発振出力のレベルを制御することにより、高周波電力の出力が一定になるように制御するものである。

また、第１制御部１２は、特定状態になったときに、一時的に直流電圧設定部１６の出力を目標電圧とするように、切替部１７に対して切替信号を出力する。
そして、特定状態になってから予め定めた時間が経過した後は、再度、目標電圧設定部２２の出力を目標電圧とするように、切替部１７に対して切替信号を出力する。この直流電圧設定部１６、切替部１７、目標電圧設定部２２については後述する。

上記の特定状態とは、増幅部１４による出力が開始されたとき、又は出力電力設定部１１によって出力電力設定値が変更されたときである。また、特定状態とは、パワー検出部１５によって検出された電力検出値が、出力電力設定値を基準とした予め定めた割合に達したときを含む。

発振部１３は、発振によって高周波電圧信号を出力するものであり、第１制御部１２からの制御信号によってその高周波電圧信号のレベルが制御される。

増幅部１４は、複数の増幅素子を有し、増幅するためのエネルギー源として後述する直流電源部１９から出力される直流電圧を用いて、発振部１３から出力される高周波電圧信号を増幅して出力するものである。増幅部１４において増幅された出力電圧は、高周波電力としてパワー検出部１５を介してインピーダンス整合器３に出力される。なお、増幅部１４の詳細構成については後述する。

パワー検出部１５は、増幅部１４の出力を電力値で検出するものであり、例えば、方向性結合器によって構成されている。パワー検出部１５は、増幅部１４から負荷Ｌ側に進行する高周波（以下、進行波という。）と負荷Ｌ側から反射してくる高周波（以下、反射波という。）とを分離して、それらの値をそれぞれ検出するものである。

パワー検出部１５において検出された進行波の値は、上記第１制御部１２に戻される。第１制御部１２では、上述したように出力電力設定部１１において設定される高周波電力の設定値と比較され、両者が一致するように発振部１３に対して制御信号を出力する。すなわち、第１制御部１２、発振部１３、増幅部１４、及びパワー検出部１５において帰還ループが構成され、出力が一定になるように制御されている。

直流電圧設定部１６は、出力電力設定部１１から出力される高周波電力の設定値に基づいて、増幅部１４に供給する直流電源電圧Ｖｄｃの大きさを設定するものであり、設定された直流電源電圧Ｖｄｃの設定値は、切替部１７に出力される。ここで、直流電源電圧Ｖｄｃの設定値は、図２０に示したように、増幅部１４の増幅素子の１つの増幅側端子間の電圧が飽和しない範囲で振幅が最大となる状態となるように、換言すれば波形歪みが発生しない範囲で最大効率が得られるようにするために設定される。

切替部１７は、直流電圧設定部１６において設定された直流電源電圧Ｖｄｃの設定値と、目標電圧設定部２２において設定された直流電源電圧Ｖｄｃの設定値とを、第１制御部１２からの切替信号に基づいて切り替えて、第２制御部１８に出力するものである。

第２制御部１８は、直流電圧設定部１６によって設定された直流電源電圧Ｖｄｃの設定値又は目標電圧設定部２２によって設定された直流電源電圧Ｖｄｃの設定値と、直流電圧検出部２０において検出された直流電源電圧Ｖｄｃの検出値とを比較して、直流電源部１９によって生成される直流電源電圧Ｖｄｃの値が一定になるように制御するものである。これにより、直流電源部１９は、直流電源電圧Ｖｄｃを一定に制御して増幅部１４に対して安定した直流電源電圧Ｖｄｃを供給することができる。すなわち、第２制御部１８、直流電源部１９、及び直流電圧検出部２０において帰還ループが構成され、出力が一定になるように制御されている。

直流電源部１９は、第２制御部１８からの直流電源電圧Ｖｄｃの設定値に基づいてその値に応じた直流電源電圧Ｖｄｃを生成するものである。生成された直流電源電圧Ｖｄｃは、直流電圧検出部２０を介して増幅部１４に出力される。

直流電圧検出部２０は、直流電源部１９によって生成された直流電源電圧Ｖｄｃの大きさを検出するものであり、この直流電圧検出部２０における検出結果は、第２制御部１８にフィードバックされる。

出力電圧検出部２１は、増幅部１４の増幅素子の１つの増幅側端子間の電圧の振幅、又は、この増幅側端子間の電圧の振幅に比例した大きさを有する電圧の振幅を検出するものであり、その検出結果は、目標電圧設定部２２に出力される。なお、出力電圧検出部２１で検出する電圧の振幅は、例えば、電圧のピーク・トゥ・ピーク値、電圧の平均値、電圧の実効値である。

目標電圧設定部２２は、出力電圧検出部２１の検出結果に基づいて、直流電源部１９によって生成される直流電源電圧Ｖｄｃの値を新たに設定するものである。目標電圧設定部２２で設定された直流電源電圧Ｖｄｃの値は、切替部１７に出力される。

切替部１７では、上述したように、直流電圧設定部１６からの直流電源電圧Ｖｄｃの設定値と、目標電圧設定部２２からの直流電源電圧Ｖｄｃの設定値とが入力され、第１制御部１２からの切替信号に基づいて第２制御部１８に向けて出力する設定値を切替える。すなわち、第２制御部１８に向けて出力する目標電圧を切替える。

例えば切替部１７が上記切替信号に基づいて目標電圧設定部２２側に切り替えられたとすると、切替部１７は目標電圧設定部２２からの直流電源電圧Ｖｄｃの設定値を第２制御部１８に供給する。直流電源部１９では、切替部１７から出力された直流電源電圧Ｖｄｃの設定値に基づいて、直流電源電圧Ｖｄｃを生成する。

なお、この高周波電源装置１では、出力電力設定部１１によって高周波電力の供給の開始が指示されて増幅部１４から高周波電圧の出力が開始されたとき、切替部１７は、直流電圧設定部１６から直流電源電圧Ｖｄｃの設定値を入力して第２制御部１８に供給するようにする。増幅部１４から高周波電圧の出力が開始されたときにおいては、出力電圧検出部２１では増幅部１４から出力する高周波電圧を検出しておらず、そのため、目標電圧設定部２２においても直流電源電圧Ｖｄｃの値が設定されていない。したがって、この場合には、直流電圧設定部１６において設定された直流電源電圧Ｖｄｃの設定値を採用するようにしている。なお、採用される直流電源電圧Ｖｄｃの設定値は、予め定められた固定値でもよい。

また、出力電力設定部１１の操作部（図略）における操作によって高周波電力の設定値が変更され、変更された高周波電力の設定値に基づいて増幅部１４から高周波電圧が出力されるとき、切替部１７は、直流電圧設定部１６から直流電源電圧Ｖｄｃの設定値を入力して第２制御部１８に供給するようにする。高周波電力の設定値が変更されたときにおいては、例えば高周波電力の値が大きくなるように変更された場合、増幅部１４の増幅素子の１つの増幅側端子間の電圧が飽和してしまうことがある。したがって、この場合には、直流電圧設定部１６において出力電力設定部１１からの出力電力設定値に基づく直流電源電圧Ｖｄｃの設定値を採用するようにしている。なお、採用される直流電源電圧Ｖｄｃの設定値は、予め定められた固定値でもよい。

第１制御部１２は、増幅部１４から高周波電圧の出力が開始されたとき、又は出力電力設定部１１において出力電力設定値が変更されたとき、一旦、直流電圧設定部１６側に切替部１７を切り替えるのであるが、その後、所定時間経過後（例えば切り替えられてから１秒後）に、切替部１７を目標電圧設定部２２側に切り替える。

また、第１制御部１２は、パワー検出部１５によって検出された電力検出値が、出力電力設定値を基準とした予め定めた割合に達したと判断すると（例えば電力検出値が出力電力設定値の約７０％になったことを判断すると）、目標電圧設定部２２によって定められた直流電源電圧Ｖｄｃの値を、直流電圧設定部１６によって定められた直流電源電圧Ｖｄｃの値に切り替えるための切替信号を切替部１７に出力する。

この理由を説明する。負荷インピーダンスの変動に応じて、増幅部１４から出力される高周波電圧の振幅が小さくなるように変動した場合、直流電源電圧Ｖｄｃも小さくなる。その後、負荷インピーダンスが元の状態に戻る方向に変化すると、増幅部１４から出力される高周波電圧の振幅を大きくさせるために、発振部１３から出力する高周波電圧信号の出力レベルを大きくしようとする。しかし、直流電源電圧Ｖｄｃを変化させる前なので、発振部１３から出力する高周波電圧信号の出力レベルを大きくしても、増幅部１４の増幅素子の１つの増幅側端子間の電圧が飽和してしまう。したがって、出力電圧検出部２１で検出する電圧の振幅が殆ど変化しないため（検出方式によって異なる）、目標電圧設定部２２によって設定される直流電源電圧Ｖｄｃの設定値も殆ど変化しない。すなわち、直流電源電圧Ｖｄｃの設定値を大きくする方向への負荷インピーダンスの変動に対しては、適切な制御が難しい。そこで、このような場合には、直流電源電圧Ｖｄｃの値が小さくなりすぎないようにするために、パワー検出部１５によって検出された電力検出値が、出力電力設定値を基準とした予め定めた割合に達すると、目標電圧設定部２２によって定められた直流電源電圧Ｖｄｃの値を、直流電圧設定部１６によって定められた直流電源電圧Ｖｄｃの値に切り替えるようにしている。

増幅部１４は、図２に示すように、ドライバアンプ２４、パワーアンプ２５、及びフィルタ２６によって構成されている。ドライバアンプ２４は、発振部１３からの発振出力を増幅し、パワーアンプ２５に出力するものである。パワーアンプ２５は、例えば図４に示すプッシュプル回路からなり、直流電源部１９からの直流電源電圧Ｖｄｃを直流電圧検出部２０を介して入力し、増幅手段の増幅素子の１つの増幅側端子間の電圧が飽和しない範囲で振幅が最大となるように、ドライバアンプ２４から入力された信号を増幅し、フィルタ２６に出力するものである。図４のプッシュプル回路については後述する。フィルタ２６は、パワーアンプ２５で増幅された増幅信号の波形歪みを除去し、パワー検出部１５に出力するものである。

なお、増幅部１４の構成は、図２に示す構成に限らず、例えば図３に示すように、パワーアンプ２４が複数設けられた構成とされてもよい。すなわち、増幅部１４は、４つのパワーアンプ２５を備え、それらの前段にスプリッタ２７が設けられるとともに、それらの後段にコンバイナ２８が設けられている。

スプリッタ２７は、ドライバアンプ２４の出力を４つの出力に分配するものである。コンバイナ２８は、４つのパワーアンプ２５の各出力を合成するものである。各パワーアンプ２５は、同一の構成とされ、それぞれ直流電源部１９から直流電圧検出部２０を介して直流電源電圧Ｖｄｃが入力されている。ただし、パワーアンプ２５は同一構成とされているため、出力電圧検出部２１はいずれかのパワーアンプ２５から電圧を検出する構成とされればよい。

また、もちろん、出力電圧検出部２１は、複数のパワーアンプ２５から電圧を検出する構成としてもよい。この場合、目標電圧設定部２２は、出力電圧検出部２１で検出する電圧の振幅のうち、一番大きい電圧の振幅に基づいて、直流電圧の目標電圧を定める直流電源電圧Ｖｄｃの設定値（目標電圧）を定めればよい。

パワーアンプ２５の数は、上記４つに限定されるものではない。すなわち、高周波電源装置１が要求される高周波電力の最大出力と、パワーアンプ２５が出力できる高周波電力の最大出力との関係からパワーアンプ２５の数が決定されればよい。

図４は、パワーアンプ２５、出力電圧検出部２１及び直流電源部１９の一部の回路構成を示す図である。パワーアンプ２５は、いわゆるプッシュプル回路として構成され、２次巻線側が一方巻線Ｔ１ａ及び他方巻線Ｔ１ｂで分巻された第１トランスＴ１と、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなる第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２と、１次巻線側が一方巻線Ｔ２ａ及び他方巻線Ｔ２ｂで分巻された第２トランスＴ２と、抵抗Ｒ１〜Ｒ４、コンデンサＣ１，Ｃ２、及び直流電圧源Ｖｂからなる駆動電圧供給回路とを有している。なお、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２は、ＦＥＴに代えてバイポーラトランジスタ等によって構成されていてもよい。

出力電圧検出部２１は、第２トランスＴ２の１次巻線側に巻回された補助巻線Ｔ２ｃと、抵抗Ｒ５，Ｒ６によって第２トランスＴ２の１次巻線側に誘起する電圧を取得する電圧取得回路３１と、ピーク検知回路３２とによって構成されている。補助巻線Ｔ２ｃは、第２トランスＴ２の１次巻線との巻数比が例えば１：１０とされている。

プッシュプル回路については公知であるため、その詳細な説明については省略し、ここでは、図５及び図６に示すパワーアンプ２５及び出力電圧検出部２１の各点Ｐ１〜Ｐ４における電圧の波形図を参照して、パワーアンプ２５及び出力電圧検出部２１の動作について説明する。なお、図５及び図６に示す波形図は、例えば直流電源電圧Ｖｄｃが１００Ｖ、負荷のインピーダンスが５０Ω、高周波電力が３００Ｗの場合を示している。

第１トランスＴ１の１次巻線側にドライバアンプ２４からの交流電圧が入力されると、第１トランスＴ１の２次巻線側では、一方巻線Ｔ１ａ及び他方巻線Ｔ１ｂにおいて互いに逆相の電流が流れる（図５(a) に点Ｐ１における電圧Ｖｉｎ１の波形を示す）。これらの電流により、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２は、半周期ごとに交互にオン、オフし、これらオン、オフ動作が繰り返される。

第２トランスＴ２の１次巻線側の一方巻線Ｔ２ａと他方巻線Ｔ２ｂとの間には、直流電源部１９で生成される直流電源電圧Ｖｄｃが供給されるため、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２の増幅側端子間の電圧（ドレイン、ソース間電圧）は、この直流電源電圧Ｖｄｃの分だけオフセットされた電圧となる。すなわち、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２の動作に伴って、１次巻線側の一方巻線Ｔ２ａに流れる電流が変化するので、第１増幅素子Ｑ１の増幅側端子間の電圧は、直流電源電圧Ｖｄｃを基準とした電圧波形となる。そのために、点Ｐ２における電圧Ｖｄｓ１の波形は図５(b)のようになる。

また、第２増幅素子Ｑ２の動作は、第１増幅素子Ｑ１と半周期（１８０度）ずれているので、第２増幅素子Ｑ２の増幅側端子間の電圧は、第１増幅素子Ｑ１の増幅側端子間の電圧（電圧Ｖｄｓ１）と半周期（１８０度）ずれた電圧波形となる。そのために、第２トランスＴ２の１次巻線の両端にかかる電圧は、第１増幅素子Ｑ１の増幅側端子間の電圧と第２増幅素子Ｑ２の増幅側端子間の電圧との差分の電圧になる。したがって、第２トランスＴ２の１次巻線の両端にかかる電圧は、第１増幅素子Ｑ１の増幅側端子間の電圧の振幅に比例した大きさの振幅を有する電圧になる。

上記のように、第２トランスＴ２の１次巻線の両端にかかる電圧は、第１増幅素子Ｑ１の増幅側端子間の電圧の振幅に比例した大きさの振幅を有する電圧になるため、第２トランスＴ２の２次巻線側の両端にかかる電圧は、第１増幅素子Ｑ１の増幅側端子間の電圧の振幅に比例した大きさの振幅を有する電圧なる。（図５(c)に点Ｐ３における電圧Ｖｏｕｔの波形を示す）。その後、高周波電力は、パワー検出部１５を介してインピーダンス整合器３に出力される。

補助巻線Ｔ２ｃの両端にかかる電圧も、第１増幅素子Ｑ１の増幅側端子間の電圧の振幅に比例した大きさの振幅を有する電圧になるため、電圧取得回路３１によって、電圧Ｖｄｓ１の振幅に比例した大きさの振幅を有する電圧（図５(d) に点Ｐ４における電圧Ｖｄｅｔの波形を示す）として取得される。電圧取得回路３１によって取得された電圧Ｖｄｅｔは、ピーク検知回路３２においてそのピーク・トゥ・ピーク値（図５(d) のＰＰ参照）が検出され、目標電圧設定部２２に出力される。

なお、図５(b) の点Ｐ２における電圧Ｖｄｓ１を参照すると、直流電源電圧Ｖｄｃが１００Ｖに設定されているため、点Ｐ２における電圧Ｖｄｓ１の波形が飽和しない範囲で振幅が最大とはなっておらず、若干の損失を生じている（ハッチング部分参照）。これは、高周波電源装置１が最大の効率で動作できていないことを示すものである。このような場合には、図６に示すように、若干の損失を可及的に少なくするために、直流電源電圧Ｖｄｃを下げればよい（図６では、直流電源電圧Ｖｄｃが約８３．８Ｖに設定されている）。

ここで、負荷Ｌにインピーダンスの変動が生じた場合を考える。図７は、負荷インピーダンスが例えば５０Ωから５Ωに変化した場合の、パワーアンプ２５及び出力電圧検出部２１の各点Ｐ１〜Ｐ４における電圧の波形図である。

負荷Ｌのインピーダンスが、例えば低下するように変動すると、増幅部１４から出力される高周波電圧Ｖｏｕｔは低下し（図７(c) 参照）、パワーアンプ２５の第１及び第２増幅素子Ｑ１，Ｑ２の増幅側端子間の電圧Ｖｄｓ１の振幅も小さくなる（図７(b) 参照）。したがって、出力電圧検出部２１において検出される電圧Ｖｄｅｔ（図７(d) 参照）の振幅も小さくなる。

この場合、直流電源部１９からパワーアンプ２５に供給される直流電源電圧Ｖｄｃは一定であるため、図７(b) に示すように、第１及び第２増幅素子Ｑ１，Ｑ２における損失が大きくなり（図７(b) のハッチング部分参照）、パワーアンプ２５自体の効率も低下する。

本第１実施形態では、負荷Ｌのインピーダンスが変動した場合に、それにともなって変化する増幅部１４の増幅素子の１つの増幅側端子間の電圧の振幅、又は、この増幅側端子間の電圧の振幅に比例した大きさを有する電圧の振幅に基づいて、直流電源電圧Ｖｄｃを新たに設定する。そして、設定された直流電源電圧Ｖｄｃを目標電圧として、直流電源部１９の出力レベルが目標電圧に等しくなるように制御されて、増幅部１４に供給される。そのために、増幅部１４の増幅素子の１つの増幅側端子間の電圧が飽和しない範囲で振幅が最大となる状態となるように下げることができるので、損失電力を可及的に低減することができる。

具体的には、出力電圧検出部２１のピーク検知回路３２は、電圧取得回路３１で取得された電圧Ｖｄｅｔのピーク・トゥ・ピーク値を検出し、その検出値を目標電圧設定部２２に出力する。

目標電圧設定部２２では、直流電源部１９で生成される直流電源電圧Ｖｄｃが設定されるのであるが、電圧取得回路３１で取得された電圧Ｖｄｅｔの値は、実際の第２トランスＴ２の１次巻線側に誘起する電圧の値とは等しくない。すなわち、電圧取得回路３１で取得された電圧Ｖｄｅｔの値は、第２トランスＴ２の１次巻線側に誘起する電圧との関係において、１次巻線と補助巻線Ｔ２ｃとの巻数比に比例する。そのため、ピーク検知回路３２では、実際の検出値に巻数比の値が乗算される。

また、ピーク・トゥ・ピーク値は、電圧の波形の最小値と最大値との間の値であるため、電圧の波形が飽和しない範囲で振幅が最大となるような直流電源電圧Ｖｄｃを求めるには、ピーク・トゥ・ピーク値の１／２に設定する必要がある。なお、図４に示す回路では抵抗Ｒ５，Ｒ６が直列接続されているために、ピーク・トゥ・ピーク値の１／２の出力になっている。そのために、ピーク検知回路３２では、実際の検出値に１／２を乗算する必要はない。

具体的には、第２トランスＴ２の１次巻線と補助巻線Ｔ２ｃとの巻数比が１０：１であれば、切替部１７に出力される直流電源電圧Ｖｄｃの設定値は、Ｖｄｅｔ×１０×１／２によって算出される。

いま、負荷Ｌにインピーダンスの変動が生じているとすると、切替部１７では、直流電源電圧Ｖｄｃの設定値が、直流電圧設定部１６で設定された設定値から目標電圧設定部２２で設定された新たな設定値に切り替えられているため、切り替えられた設定値は、第２制御部１８に出力される。

そして、直流電源部１９では、目標電圧設定部２２で設定された設定値に基づいて直流電源電圧Ｖｄｃが生成され、増幅部１４のパワーアンプ２５に供給される。

パワーアンプ２５では、直流電源部１９において新たに生成された直流電源電圧Ｖｄｃが基準となる。例えば、図８に示すように、直流電源電圧Ｖｄｃの値が下げられる。そのため、負荷のインピーダンスが変動した場合にも、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２における損失が低減される。

なお、目標電圧設定部２２では、電圧取得回路３１で取得された電圧Ｖｄｅｔに１／２を乗算して直流電源電圧Ｖｄｃの設定値としたが、第１及び第２増幅素子Ｑ１，Ｑ２のオン時に負荷のインピーダンスが急峻に変化しても所望の高周波電力が出力されるような直流電源電圧Ｖｄｃの設定値にしてもよい。例えば、多少のマージンを持たせるために、電圧取得回路３１で取得された電圧Ｖｄｅｔに、１／２より若干大きい値（例えば０．６５（１３０％大））を乗算するようにしてもよい。

また、目標電圧設定部２２では、直流電源電圧Ｖｄｃの下限値が予め決定されていてもよい。すなわち、図９に示すように、直流電源電圧Ｖｄｃの下限値Ｖｄｃ０が予め決められており、直流電源電圧Ｖｄｃは、下限値Ｖｄｃ０以下には設定されないようになっていてもよい。こうすることにより、直流電源電圧Ｖｄｃは、出力電圧の変化に対して下限値Ｖｄｃ０以下の値が採用されないため、回路の応答性がよくなるといった利点がある。なお、直流電源電圧Ｖｄｃの下限値Ｖｄｃ０は、例えば最大出力の約１０％とされている。

図１０は、本発明の第２実施形態に係るパワーアンプ２５及び出力電圧検出部２１の構成を示す図である。第１実施形態では、出力電圧検出部２１は、出力電圧のピーク値を検知する構成とされたが、この第２実施形態では、第１実施形態の構成に代えて、出力電圧の平均値を取得する構成とされている。すなわち、同図によると、この出力電圧検出部２１は、全波整流回路３３と、平均値演算回路３４とを備えている。その他の構成については、第１実施形態と略同様である。

全波整流回路３３は、図１１に示す電圧波形のように、電圧取得回路３１によって取得した出力電圧Ｖｄｅｔを全波整流するものであり、平均値演算回路３４は、図１１の線Ｂに示すように、全波整流された出力電圧Ｖｄｅｔに基づいて平均値を演算によって取得するものである。

目標電圧設定部２２では、平均値演算回路３４によって演算された平均値に（π／２）を乗算するとともに、上述したように、第２トランスＴ２の１次巻線と補助巻線Ｔ２ｃとの巻数比を考慮した値（例えば１０）を乗算する。目標電圧設定部２２は、Ｖｄｅｔ×（π／２）×１０を演算し、その値を直流電源電圧Ｖｄｃの設定値として切替部１７に出力する。ここで、平均値は、全波整流した後の電圧波形の振幅値の（２／π）によって求められるため、全波整流した後の電圧波形の振幅値を算出するためには、電圧取得回路３１によって取得した出力電圧Ｖｄｅｔに（２／π）の逆数を乗算する。

切替部１７では、負荷のインピーダンスが変動しているため、直流電圧設定部１６で設定された設定値から目標電圧設定部２２で設定された新たな設定値に切り替え、その切り替えられた設定値が第２制御部１８に出力される。直流電源部１９では、目標電圧設定部２２で設定された設定値に基づいて直流電源電圧Ｖｄｃが生成され、増幅部１４のパワーアンプ２５に供給される。したがって、パワーアンプ２５では、直流電源部１９において新たに生成された直流電源電圧Ｖｄｃを基準にするために、損失が低減される。

なお、この第２実施形態の目標電圧設定部２２においても、高周波電力の出力値に多少のマージンを持たせるために、（π／２）に代えて、（π／２）より若干大きい値（例えば「２（約１３０％大）」）を用いるようにしてもよい。

また、図１２に示すように、第１実施形態で示したピーク検知回路３２と、第２実施形態で示した全波整流回路３３及び平均値演算回路３４とを組み合わせて用いてもよい。

もちろん、この発明の範囲は上述した実施の形態に限定されるものではない。上記第１及び第２実施形態では、パワーアンプ２５の出力電圧検出部２１は、第２トランスＴ２の１次巻線側に巻回された補助巻線Ｔ２ｃによって高周波電圧を取得する構成とされたが、例えば、図１３に示すように、高周波電圧を、第１増幅素子Ｑ１のドレイン端子から直接的に取得するようにしてもよい。図１３における出力電圧検出部２１は、直流成分を除去するコンデンサＣ３と、複数の抵抗Ｒ７，Ｒ８と、ピーク検知回路３２とによって構成されている。

また、出力電圧の検出点は、第１及び第２増幅素子Ｑ１，Ｑ２の出力端に限定されない。要は、負荷Ｌの変動によって、増幅部１４の増幅素子の１つの増幅側端子間の電圧の振幅が変化した場合、その変化に応じて相似的に変化する他の検出点を任意に選ぶことができる。例えば、図１４に示すように、高周波電圧を、第２トランスＴ２の２次巻線側から直接的に取得するようにしてもよい。図１４における出力電圧検出部２１は、電圧を分圧するコンデンサＣ４，Ｃ５と、ピーク検知回路３２とによって構成されている。

また、第１及び第２実施形態では、パワーアンプ２５を構成する回路としてプッシュプル回路を用いたが、例えば、図１５に示すように、シングルエンドのプッシュプル回路が用いられてもよい。

さらに、パワーアンプ２５を構成する回路としては、プッシュプル回路に代えて、図１６及び図１７に示すように、いわゆるフルブリッジ回路が用いられてもよい。

また、上記第１及び第２実施形態では、パワーアンプ２５に出力電圧検出部２１を接続するようにして、パワーアンプ２５から高周波電圧を検出するようにしたが、これに限るものではない。例えば、図３に示した増幅部１４のコンバイナ２８から高周波電圧を検出するようにしてもよいし、フィルタ２６から高周波電圧を検出するようにしてもよい。あるいは、パワー検出部１５から高周波電力の出力電圧を検出するようにしてもよい。

本発明に係る高周波電源装置が適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る高周波電源装置の構成を示す図である。 他の高周波電源装置の構成を示す図である。 パワーアンプ、出力電圧検出部及び直流電源部の一部の回路構成を示す図である。 パワーアンプ及び出力電圧検出部の各点における電圧の波形図である。 パワーアンプの点Ｐ２における電圧の波形図である。 負荷のインピーダンスが変動したときの、パワーアンプ及び出力電圧検出部の各点における電圧の波形図である。 負荷のインピーダンスが変動したときの、出力電圧検出部の点Ｐ２における電圧の波形図である。 直流電源電圧の下限値と出力電圧との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る高周波電源装置の、パワーアンプ、出力電圧検出部及び直流電源部の一部の回路構成を示す図である。 出力電圧検出部の点Ｐ４における電圧の波形図である。 出力電圧検出部の他の回路構成を示す図である。 出力電圧検出部の他の回路構成を示す図である。 出力電圧検出部の他の回路構成を示す図である。 パワーアンプの他の回路構成を示す図である。 パワーアンプの他の回路構成を示す図である。 パワーアンプの他の回路構成を示す図である。 従来の高周波電源装置の構成を示す図である。 従来の高周波電源装置の増幅部の構成を示す図である。 直流電源電圧及び増幅素子の出力端における電圧の波形図である。

Claims (14)

1. 増幅手段で増幅された高周波電圧を負荷に供給する高周波電源装置において、
   出力する直流電圧の出力レベルを変化可能な直流電圧出力手段と、
   前記直流電圧出力手段から出力された直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記直流電圧検出手段によって検出した直流電圧が目標電圧に等しくなるように前記直流電圧出力手段の出力レベルを制御する直流電圧制御手段と、
   出力する高周波電圧信号の出力レベルを変化可能な発振手段と、
   複数の増幅素子を有し、増幅するためのエネルギー源として前記直流電圧出力手段から出力される直流電圧を用いて、前記発振手段から出力される高周波電圧信号を増幅して出力する増幅手段と、
   前記負荷に供給する高周波電力の出力電力設定値を定める出力電力設定手段と、
   前記増幅手段の出力を電力値で検出する電力検出手段と、
   前記電力検出手段で検出した電力値が前記出力電力設定値と等しくなるように前記発振手段の出力レベルを制御する高周波信号制御手段と、
   前記増幅手段の増幅素子の増幅側端子間の電圧の振幅、又は、増幅素子の増幅側端子間の電圧の振幅に比例した大きさを有する電圧の振幅を検出する振幅検出手段と、
   前記振幅検出手段によって検出された電圧の振幅に基づいて、前記直流電圧の目標電圧を定める目標電圧設定手段と、
   を備えた、高周波電源装置。
2. 前記振幅検出手段で検出する電圧の振幅は、前記増幅手段の１つの増幅素子の増幅側端子間の電圧の振幅、又は、その電圧の振幅に比例した大きさを有する電圧の振幅である、請求項１に記載の高周波電源装置。
3. 前記振幅検出手段で検出する電圧の振幅は、前記増幅手段の複数の増幅素子の増幅側端子間の電圧の振幅、又は、それらの電圧の振幅にそれぞれ比例した大きさを有する電圧の振幅である、請求項１に記載の高周波電源装置。
4. 前記目標電圧設定手段は、前記振幅検出手段で検出する電圧の振幅のうち、一番大きい電圧の振幅に基づいて、前記直流電圧の目標電圧を定める、請求項３に記載の高周波電源装置。
5. 前記出力電力設定手段によって定められた出力電力設定値に基づいて前記直流電圧を定める直流電圧設定手段と、
   特定状態になったときに、一時的に前記直流電圧設定手段の出力を前記目標電圧とする切替手段と、
   をさらに備えた、請求項１に記載の高周波電源装置。
6. 前記特定状態は、前記増幅手段による出力が開始されたとき、又は前記出力電力設定手段によって前記出力電力設定値が変更されたときである、請求項５に記載の高周波電源装置。
7. 前記特定状態は、さらに、前記電力検出手段によって検出された電力検出値が、前記出力電力設定値を基準とした予め定めた割合に達したときも含む、請求項６に記載の高周波電源装置。
8. 前記切替手段は、前記特定状態になってから予め定めた時間が経過するまで、前記直流電圧設定手段の出力を前記目標電圧値とする、請求項５ないし７のいずれかに記載の高周波電源装置。
9. 前記目標電圧設定手段は、下限値を有する前記直流電圧の目標電圧値を定める、請求項１に記載の高周波電源装置。
10. 前記振幅検出手段で検出する電圧の振幅は、電圧のピーク・トゥ・ピーク値である、請求項１に記載の高周波電源装置。
11. 前記振幅検出手段で検出する電圧の振幅は、電圧の平均値である、請求項１に記載の高周波電源装置。
12. 前記振幅検出手段で検出する電圧の振幅は、電圧の実効値である、請求項１に記載の高周波電源装置。
13. 前記増幅手段の増幅素子は電界効果トランジスタで構成され、
    増幅側端子間の電圧の振幅は、前記電界効果トランジスタのドレインとソースとの間の電圧であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波電源装置。
14. 前記増幅手段の増幅素子はバイポーラトランジスタで構成され、
    増幅側端子間の電圧の振幅は、前記バイポーラトランジスタのコレクタとエミッタとの間の電圧であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波電源装置。

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