JP4887197B2 - 高周波装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等の用途に用いられるプラズマ処理装置のような負荷に電力を供給する高周波装置に関するものである。

プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等の用途に用いられるプラズマ処理装置のような負荷では、製造プロセスの進行に伴い、インピーダンスが時々刻々と変化していく。このような負荷に効率よく電極を供給するためには、負荷インピーダンスＺ１（負荷だけのインピーダンス）の変化に伴い、高周波電源装置の出力端から負荷側を見たインピーダンス（以下、負荷側インピーダンスＺＬ）を調整する必要がある。そのために、通常、高周波電力を供給する高周波電源装置だけでなく、負荷側インピーダンスＺＬを調整するためのインピーダンス調整器が組み合わされて用いられている。

なお、高周波電源装置の出力端から電源側を見たインピーダンスを電源側インピーダンスＺ０とすると、電源側インピーダンスＺ０と負荷側インピーダンスＺＬとが整合したときに、反射波電力が最小となる。また、反射係数絶対値Γも最小となる。すなわち、負荷側インピーダンスＺＬを調整することによって、反射波電力を小さくさせることが可能となる。

このインピーダンス調整器だけで、インピーダンスの調整をさせるものもあるが、特許文献１や特許文献２のように、高周波電源装置の出力周波数を可変させることによって、負荷側インピーダンスＺＬを調整できる可変周波数方式の高周波電源装置が用いられる場合がある。なお、高周波電源装置とインピーダンス調整器とを組み合わせて構成された装置を高周波装置とする。

図７は、従来の高周波装置の構成例と高周波装置と負荷５との接続関係を示す図である。
高周波電源装置５０は、インピーダンス調整器６を介して、高周波電力を負荷５に供給するものであり、出力周波数を可変できる機能を有している。

さらに詳細に説明すると、高周波電源装置５０は、電力増幅器５３を用いて高周波電力を出力するものであり、電力測定器５４によって測定された高周波電力出力値が、電力設定器５６で設定された目標値になるように出力制御される。また、高周波電源装置の出力周波数は、周波数制御回路５１によって発振周波数が制御される発振回路５２の発振周波数によって定まる。この高周波電源装置５０から出力された高周波電力は、同軸ケーブルからなる伝送線路２及びインピーダンス調整器６及び遮蔽された銅板からなる負荷接続部４を介して負荷５に供給される。なお、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路５７は、発振回路５２の出力ＯＮ／ＯＦＦを制御するものであり、発振回路５２は、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路５７からＯＮ信号が出力されているときに高周波信号を出力する。このＯＮ／ＯＦＦ制御回路５７は、高周波電源装置５０に設けられた図略の電力出力スイッチを操作することによって制御されるか、又は外部装置からの制御信号によって制御される。

インピーダンス調整器６は、内部にコンデンサやインダクタといったリアクタンス素子を有しており、このインピーダンス調整器がない場合に比べて、負荷側インピーダンスＺＬを変更させ、高周波電源装置によって反射波電力の調整ができるように、負荷側インピーダンスＺＬを調整するものである。
図７に示した例では、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２の２つのコンデンサと、インダクタＬ１が、インピーダンス調整器に設けられている。なお、リアクタンス素子のリアクタンス値（コンデンサの場合はキャパシタンス、インダクタの場合はインダクタンス）は、シミュレーションや実験によって得られたデータから、負荷の特性に応じて求められた固定値である。

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５０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、プラズマを利用して被加工物を加工している。

さて、前述した高周波電源装置５０で、出力周波数を変化させると、負荷側インピーダンスＺＬが変化するので、出力周波数を制御することによって、反射波電力を小さくさせることが可能となる。

しかし、高周波電源装置５０の出力周波数を制御するだけでは、反射波電力が十分に小さくならない場合がある。この理由は、負荷インピーダンスＺ１を式（１）で表した場合に、出力周波数を変化させても、負荷インピーダンスＺ１の内で変化するのは、主にリアクタンス成分Ｘであり、抵抗成分Ｒはあまり変化しないからである。なお、式（１）を見る限りにおいては、出力周波数の変化によって変化するのは、リアクタンス成分Ｘだけのように見える。しかし、詳細は省略するが、実際には、抵抗成分Ｒも少し変化する。また、式（１）において、「ｆ」は高周波電源装置５０の出力周波数、「Ｃ」は負荷の容量成分、「Ｌ」は負荷の誘導成分を示す。
Ｚ１＝Ｒ＋ｊＸ＝Ｒ＋ｊ（２πｆＬ−１／（２πｆＣ））・・ （１）

また、高周波電源装置５０の出力周波数を変化させることによって変化するリアクタンス成分Ｘの範囲にも限度があるので、高周波電源装置５０の出力周波数を制御するだけでは、全ての負荷インピーダンスＺ１に対応することができない。

そのために、高周波電源装置５０の出力周波数の制御だけで、反射波電力を小さくできるように、インピーダンス調整器６を用いて、負荷側インピーダンスＺＬを変化させている。

特開２００６−３１０２４５号公報 特開２００６−２８６２５４号公報

高周波電源装置５０とインピーダンス調整器６とを組み合わせた高周波装置によって、反射波電力が小さくなるように制御することができるが、前述したように、高周波電源装置の出力周波数を可変させることによって変化するのは、主にリアクタンス成分Ｘであり、抵抗成分Ｒはあまり変化しない。したがって、抵抗成分Ｒが規定値（例えば５０Ω）に近くなるように、予めインピーダンス調整器６内のリアクタンス素子のリアクタンス値を設定しておく。

ところが、負荷インピーダンスＺ１は時々刻々と変化するので、製造プロセスの全ての時点において最適な設定はできない。そのために、例えば、製造プロセスの全てにおいて反射波電力が基準値以下になるように、リアクタンス素子のリアクタンス値が予め設定される。
すなわち、インピーダンス調整器６のリアクタンス素子は、固定のリアクタンス値を有するものとなる。このように固定のリアクタンス値にした方が、装置の小型化や価格の観点から見て望ましいので、可能である限り、固定のリアクタンス値のものが採用される。

しかし、製造プロセスの全体を通じて、負荷インピーダンスＺ１が大きく変動する特性の負荷の場合に、このような高周波装置を使用すると、反射波電力が十分に小さくできず、基準値を超える場合がある。

この問題を改善するために、可変コンデンサ、可変インダクタのような可変リアクタンス素子を用い、この可変リアクタンス素子を自動的に制御することによってインピーダンス整合を行うインピーダンス自動整合器を、インピーダンス調整器の代わりに用いることが考えられる。すなわち、可変周波数方式の高周波電源装置５０とインピーダンス自動整合器とが組み合わさった高周波装置となる場合である。

しかし、インピーダンス自動整合器は、抵抗成分Ｒおよびリアクタンス成分Ｘの両方を同時に調整する制御を行うので、制御が複雑である。しかも、インピーダンス自動整合器を用いると、装置が大型化すると共に、価格も高価になる。また、インピーダンス自動整合器を用いると、インピーダンス自動整合器による整合動作と高周波電源装置５０による出力周波数の調整動作とが、同時進行するので、制御が安定しない可能性もある。

また、可変周波数方式の高周波電源装置ではなく、出力周波数固定の高周波電源装置を用い、自動的にインピーダンス整合を行うインピーダンス自動整合器だけで反射波電力を小さくする方法もあるが、反射波電力を小さくする調整速度の面で、可変周波数方式の高周波電源装置を用いた方が早い。そのため、反射波電力を小さくする調整速度が求められる用途では、可変周波数方式の高周波電源装置を用いた高周波装置が望まれる。

本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、可変周波数方式の高周波電源装置を用い、且つ、インピーダンス自動整合器を用いない構成にも関わらず、製造プロセスの全体を通じて、負荷インピーダンスＺ１が大きく変動する特性の負荷の場合であっても、反射波電力を小さくすることのできる高周波装置を提供することを目的としている。

第１の発明によって提供される高周波装置は、
負荷に高周波電力を供給するための高周波装置であって、
発振周波数を可変できる発振手段と、
前記発振手段から出力される発振信号を増幅させて電力発生源となり、前記負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、
反射波電力に関係する反射波情報を演算して、演算した反射波情報を出力する反射波情報演算手段と、
前記反射波情報が小さくなるように、前記発振手段の発振周波数を制御する周波数制御手段と、
前記高周波電力供給手段と負荷との間に設けられ、且つ少なくとも１つの可変リアクタンス素子を有し、前記可変リアクタンス素子の１つが制御可能なインピーダンス調整手段と、
前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子を制御する素子制御手段と、
を備えたものである。

また、第１の発明によって提供される高周波装置は、前記前記素子制御手段に関するものであって、前記素子制御手段は、前記周波数制御手段において、前記反射波情報が小さくなるように、前記発振手段の発振周波数を制御したにも関わらず、前記反射波情報が基準値よりも小さくならなかったときに、前記制御可能な可変リアクタンス素子の制御を開始することを特徴としている。

第２の発明によって提供される高周波装置は、前記周波数制御手段に関するものであって、前記周波数制御手段は、前記素子制御手段が制御可能な可変リアクタンス素子の制御を行っている間は、前記発振手段の発振周波数の制御を行わないことを特徴としている。

第３の発明によって提供される高周波装置は、前記周波数制御手段に関するものであって、前記周波数制御手段は、前記素子制御手段において、前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子を制御して、前記反射波情報が基準値よりも小さくなった後に、再度、前記反射波情報が基準値よりも大きくなったときに、制御を再開することを特徴としている。

第４の発明によって提供される高周波装置は、前記周波数制御手段に関するものであって、前記周波数制御手段は、前記素子制御手段において、前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子を制御したにも関わらず、前記反射波情報が基準値よりも小さくならなかったときに、制御を再開することを特徴している。

第５の発明によって提供される高周波装置は、
負荷に高周波電力を供給するための高周波装置であって、
発振周波数を可変できる発振手段と、
前記発振手段から出力される発振信号を増幅させて電力発生源となり、前記負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、
反射波電力に関係する反射波情報を演算して、演算した反射波情報を出力する反射波情報演算手段と、
前記反射波情報が小さくなるように、前記発振手段の発振周波数を制御する周波数制御手段と、
前記高周波電力供給手段と負荷との間に設けられ、且つ複数の可変リアクタンス素子を有し、前記複数の可変リアクタンス素子のうちの２つが制御可能なインピーダンス調整手段と、
前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子のいずれか１つを制御する素子制御手段と、
を備えたものである。

また、第５の発明によって提供される高周波装置は、前記前記素子制御手段に関するものであって、前記素子制御手段は、前記周波数制御手段において、前記反射波情報が小さくなるように、前記発振手段の発振周波数を制御したにも関わらず、前記反射波情報が基準値よりも小さくならなかったときに、前記制御可能な２つの可変リアクタンス素子のうちの一方の制御を開始することを特徴としている。

第６の発明によって提供される高周波装置は、前記前記素子制御手段に関するものであって、前記素子制御手段は、前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な２つの可変リアクタンス素子のうちの一方を制御したにも関わらず、前記反射波情報が基準値よりも小さくならなかったときに、前記制御可能な２つの可変リアクタンス素子のうちの他方の制御を開始することを特徴としている。

第７の発明によって提供される高周波装置は、前記周波数制御手段に関するものであって、前記周波数制御手段は、前記素子制御手段が制御可能な可変リアクタンス素子の制御を行っている間は、前記発振手段の発振周波数の制御を行わないことを特徴としている。

第８の発明によって提供される高周波装置は、前記周波数制御手段に関するものであって、前記周波数制御手段は、前記素子制御手段において、前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子を制御して、前記反射波情報が基準値よりも小さくなった後に、再度、前記反射波情報が基準値よりも大きくなったときに、制御を再開することを特徴としている。

第９の発明によって提供される高周波装置は、前記周波数制御手段に関するものであって、前記周波数制御手段は、前記素子制御手段において、前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子を制御したにも関わらず、前記反射波情報が基準値よりも小さくならなかったときに、制御を再開することを特徴としている。

第１０の発明によって提供される高周波装置は、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子に関するものであって、前記インピーダンス調整手段の制御可能な２つの可変リアクタンス素子の一方は、高周波電力供給手段よりも負荷側のインピーダンスの抵抗成分を変化させる機能を有しており、制御可能な２つの可変リアクタンス素子の他方は、高周波電力供給手段よりも負荷側のインピーダンスのリアクタンス成分を変化させる機能を有していることを特徴としている。

本発明によれば、可変周波数方式の高周波電源装置を用い、且つ、インピーダンス自動整合器を用いない構成にも関わらず、負荷側インピーダンスの抵抗成分Ｒおよびリアクタンス成分Ｘの両方を調整する制御を行えるので、反射波電力を小さくすることができる。しかも、抵抗成分Ｒの調整は簡単な制御で可能となる。その結果、例えば、製造プロセスの全体を通じて、負荷インピーダンスＺ１が大きく変動する特性の負荷の場合であっても、反射波電力を小さくすることができる。もちろん、反射係数絶対値を小さくするように制御してもよい。

また、制御可能な可変リアクタンス素子を２つ用いる場合であっても、高周波電力が負荷に供給されている間に、素子制御手段によって同時に制御される可変リアクタンス素子は１つである。そのため、比較的簡単に可変リアクタンス素子の制御を行うことができる。

以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る高周波装置の構成例と高周波装置と負荷５との接続関係を示す図である。なお、高周波電源装置１とインピーダンス調整器３とを組み合わせて構成された装置を高周波装置とする。

高周波電源装置１は、発振回路１２から出力される高周波信号を電力増幅器１３を用いて増幅させ、発生した高周波電力を負荷５に供給するための装置である。高周波電源装置１から出力された高周波電力は、同軸ケーブルからなる伝送線路２及びインピーダンス調整器３及び遮蔽された銅板からなる負荷接続部４を介して負荷５に供給される。また、一般にこの種の高周波電源装置１では、数百ｋＨｚ以上の周波数の高周波電力を出力している。なお、電力増幅器１３は、本発明に係る高周波電力供給手段の一例である。

ＯＮ／ＯＦＦ制御回路１７は、発振回路１２の出力ＯＮ／ＯＦＦを制御するものであり、発振回路１２は、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路１７からＯＮ信号が出力されているときに高周波信号を出力する。このＯＮ／ＯＦＦ制御回路１７は、高周波電源装置１に設けられた図略の電力出力スイッチを操作することによって制御されるか、又は外部装置からの制御信号によって制御される。なお、発振回路１２は、本発明に係る発振手段の一例である。

高周波電源装置１の電力制御は、電力増幅器１３の後段に設けられた電力測定器１４によって、電力増幅器１３から出力する高周波を電力値に換算して測定し、測定した電力測定値が電力設定器１６で設定された電力目標値に等しくなるように出力制御する。さらに詳細には、電力測定値と電力目標値とを電力制御回路１５に入力し、電力目標値に対する電力測定値の偏差がなくなるように電力増幅器１３に制御信号を出力することにより行われる。

なお、電力測定器１４は、電力増幅器１３から出力する高周波、すなわち進行波を電力値に換算して測定した進行波電力測定値を出力するだけでなく、反射されて負荷側から電力増幅器１３に向かう反射波を電力値に換算して測定した反射波電力測定値を出力する機能を有する。電力測定器１４は、例えば、方向性結合器および方向性結合器の出力を電力値に換算するための変換回路によって構成すればよい。

また、図１において、電力制御回路１５で制御される対象は、進行波電力測定値でもよいし、進行波電力測定値から反射波電力測定値を減算した負荷側電力測定値でもよい。また、図１では、負荷側電力測定値を制御対象とする場合であっても、図面を簡略化するために、電力測定器１４から電力制御回路１５に向かう接続線を１本で描いている。また、後述する反射係数演算回路１８には、電力測定器１４から出力された進行波電力測定値および反射波電力測定値が入力されるが、電力測定器１４から反射係数演算回路１８に向かう接続線を１本で描いている。

また、高周波電源装置１の出力周波数は、発振回路１２の発振周波数によって定まる。例えば、高周波電源装置１の出力周波数を１３．５６ＭＨｚ±αの範囲で可変させたい場合は、発振回路１２の発振周波数を１３．５６ＭＨｚ±αの範囲で可変させればよい。また、発振回路１２の発振周波数は、周波数制御回路１１によって、反射波電力が小さくなるように制御される。制御方法は、例えば、特許文献１や特許文献２に開示された方法を用いることができる。

また、高周波電源装置１の出力周波数を制御したにも関わらず、後述するように、反射係数絶対値Γが基準値よりも小さくならなかった場合（以上の場合）は、リアクタンス素子制御回路１９によって、インピーダンス調整器３の可変コンデンサＶＣ１の調整が必要となる。そのために、周波数制御回路１１は、リアクタンス素子制御回路１９に対して制御開始信号を出力する。なお、周波数制御回路１１は、本発明に係る周波数制御手段の一例である。

反射係数演算回路１８は、電力測定器１４から出力する進行波電力測定値と反射波電力測定値とから、反射係数の絶対値（以下、反射係数絶対値Γという）を演算して、演算した反射係数絶対値Γを出力するものである。進行波電力測定値をＰｆ、反射波電力測定値をＰｒで表すと、反射係数絶対値Γは次の式（２）で表される。なお、ここで示した方法と異なる方法で反射係数絶対値Γを求めてもよい。また、反射係数演算回路１８は、本発明に係る反射波情報演算手段の一例である。
反射係数絶対値Γ＝√Ｐｒ／√Ｐｆ ・・・・（２）

リアクタンス素子制御回路１９は、反射係数演算部１８から出力される反射係数絶対値Γに基づいて、後述するインピーダンス調整器３の内部の可変リアクタンス素子を制御するものである。この制御に関しては、図２を参照して後述する。なお、後述するように、インピーダンス調整器３の内部の可変リアクタンス素子を制御することによって、反射係数絶対値Γが基準値よりも小さくなった場合は、反射係数絶対値Γを小さくするという目的を達成したので、周波数制御回路１１による制御に戻る。そのために、リアクタンス素子制御回路１９は、周波数制御回路１１に対して制御開始信号を出力する。なお、リアクタンス素子制御回路１９は、本発明に係る素子制御手段の一例である。

なお、図１に示した高周波装置では、反射係数絶対値Γに基づいて、高周波電源装置１の出力周波数や、インピーダンス調整器３の可変リアクタンス素子のリアクタンスを制御する一例を示しているが、反射係数絶対値の代わりに、反射波電力測定値Ｐｒ等の反射波電力に関係する情報を用いて制御してもよい。これらの反射係数絶対値、反射波電力測定値Ｐｒ等の反射波電力に関係する情報を、本明細書では、反射波情報という。また、これらの反射波電力に関係する情報を求めるように、反射波情報演算手段を構成してもよい。

インピーダンス調整器３は、内部にコンデンサやインダクタといったリアクタンス素子を有しており、このインピーダンス調整器がない場合に比べて、負荷側インピーダンスＺＬを変更させ、高周波電源装置１によって反射波電力の調整ができるように、負荷側インピーダンスＺＬを調整するものである。なお、インピーダンス調整器３は、本発明に係るインピーダンス調整手段の一例である。

図１に示した例では、インピーダンス調整器３の内部には、可変コンデンサＶＣ１、固定コンデンサＣ２の２つのコンデンサと、インダクタＬ１がある。そして、これらのリアクタンス素子によって、負荷側インピーダンスＺＬが調整される。このうち、可変コンデンサＶＣ１は、リアクタンス素子制御回路１９によって制御される。この可変コンデンサＶＣ１の可変キャパシタンス範囲、固定コンデンサＣ２のキャパシタンスといったリアクタンス素子のリアクタンス値は、シミュレーションや実験によって得られたデータから、負荷の特性に応じて適切なものを選定すればよい。

また、可変コンデンサＶＣ１は、モータ（例えば、ステッピングモータ）によって、そのキャパシタンスが変更できる。すなわち、リアクタンス素子制御回路１９は、実際には、モータを制御することによって、可変コンデンサＶＣ１のキャパシタンスを変更させている。

より詳細には、可変コンデンサＶＣ１には、キャパシタンスを変更させるための可動部があり、この可動部の位置を変位させることによって、キャパシタンスを変更できる仕組みになっている。そのために、モータによって、可動部を変位させと、可変コンデンサＶＣ１のキャパシタンスを変更させることができる。すなわち、可変リアクタンス素子のインピーダンスを変更させることができる。

例えば、モータを時計周りに回転させるとキャパシタンスが大きくなり、反時計周りに回転させるとキャパシタンスが小さくなるようにすればよい。すなわち、モータの動作方向（回転方向）と動作量（回転量）を制御することによって、可変コンデンサＶＣ１のキャパシタンスを変更させることができる。

なお、可変コンデンサＶＣ１の方を可変タイプにしているのは、コンデンサＣ２の位置よりも、こちらの位置に配置されたコンデンサのキャパシタンスを変更した方が、より抵抗成分を大きく変化させることができるからである。すなわち、可変コンデンサＶＣ１は、負荷側インピーダンスの抵抗成分を変化させる機能を有している。さらに言えば、可変コンデンサＶＣ１のキャパシタンスを変更すると、リアクタンス成分よりも抵抗成分の方が大きく変化する。

ちなみに、コンデンサＣ２を可変コンデンサＶＣ２にして、キャパシタンスを変更した方が、よりリアクタンス成分を大きく変化させることができる。すなわち、コンデンサＣ２を可変コンデンサＶＣ２にした場合、可変コンデンサＶＣ２は、負荷側インピーダンスのリアクタンス成分を変化させる機能を有していることになる。さらに言えば、コンデンサＣ２を可変コンデンサＶＣ２にした場合、可変コンデンサＶＣ２のキャパシタンスを変更すると、抵抗成分よりもリアクタンス成分の方が大きく変化する。

また、本実施形態では、可変リアクタンス素子として、可変コンデンサＶＣ１を例にして説明しているが、可変リアクタンス素子として可変インダクタを用いる場合でも、同様にモータを用いて、インダクタンスを変更できる。

なお、図１では省略しているが、特許文献１のように、負荷５における放電の有無を検出する放電検出器１７を設けて、放電の有無によって高周波電源装置の周波数制御を変更するようにしてもよい。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る高周波装置によって反射係数絶対値Γを小さくするための制御方法を示すフローチャートの一例である。このフローチャートに沿って、反射係数絶対値Γを小さくさせる制御について説明する。なお、前述したように、反射係数絶対値の代わりに、反射波電力測定値Ｐｒ等の反射波情報を用いて制御してもよい。

ステップ１：高周波電源装置１から負荷５への高周波電力の供給を開始する。高周波電源装置１から高周波電力が出力されて負荷５に供給され、負荷５となるプラズマ処理装置内のガスに放電開始電圧以上の電圧が印加されると放電する。

ステップ２：放電後は、周波数制御回路１１によって、反射係数絶対値Γが小さくなるように、高周波電源装置１の出力周波数を制御する。
ここでは、高周波電源装置１の出力周波数の可変範囲の中で、反射係数絶対値Γが最小となる出力周波数にすればよい。もちろん他の基準によって、出力周波数を決めてもよい。例えば、反射係数絶対値Γが最小ではなく、２番目に小さいものであっても、その周辺の出力周波数における反射係数絶対値Γを考慮すると、より反射係数絶対値Γが安定していることがある。その場合には、この反射係数絶対値Γが２番目に小さい出力周波数を選定してもよい。

ステップ３：ステップ２で高周波電源装置１の出力周波数を制御した結果、反射係数絶対値Γが基準値よりも小さくなったか否かを判定する。
基準値よりも小さくなっている場合（Ｙｅｓ）は、高周波電源装置１の出力周波数の制御だけでよいので、ステップ４へ進む。基準値よりも小さくなっていない場合（Ｎｏ）は、インピーダンス調整器３での調整が必要であるので、ステップ５へ進む。

ステップ４：待機モードに移行し、反射係数絶対値Γを監視する。そして、反射係数絶対値Γが基準値よりも大きくなったか否かを判定する。
基準値よりも大きくなっている場合（Ｙｅｓ）は、反射係数絶対値Γを小さくさせるために、再度、高周波電源装置１の出力周波数の制御を行う必要があるので、ステップ２へ進む。基準値よりも大きくなっていない場合（Ｎｏ）は、再度、ステップ４を繰り返す。

ステップ５：高周波電源装置１の出力周波数を制御するだけでは、反射係数絶対値Γが基準値以下にならなかった場合は、インピーダンス調整器３による負荷側インピーダンスＺＬの調整が必要となるので、ステップ５〜ステップ８を実行する。
ステップ５では、可変コンデンサＶＣ１を定めた動作方向に、所定量だけ動作させる。なお、初期値は、キャパシタンスが小さくなる方向とする。もちろん、初期値をキャパシタンスが大きくなる方向としてもよい。
なお、リアクタンス素子制御回路１９によってインピーダンス調整器３の内部の可変リアクタンス素子を制御しているときは、周波数制御回路１１による発振回路１２の発振周波数の制御は行わない。すなわち、発振回路１２の発振周波数を、それまでの発振周波数に保持する。

ステップ６：ステップ５にて、可変コンデンサＶＣ１を動作させた結果、反射係数絶対値Γが基準値よりも小さくなったか否かを判定する。
基準値よりも小さくなっている場合（Ｙｅｓ）は、反射係数絶対値Γを小さくするという目的を達成したので、ステップ４へ進む。基準値よりも小さくなっていない場合（Ｎｏ）は、可変コンデンサＶＣ１の動作量が少ないのか否かを判定するために、ステップ７へ進む。

なお、ステップ６において、基準値よりも小さくなっていない場合（Ｎｏ）が所定回数だけ連続して続いたときは、一旦、高周波電源装置１の出力周波数の制御を行った方がよい場合がある。そのために、ステップ４に進んでもよい。このような処理の基準としては、所定回数だけ連続して続いたときだけでなく、例えば、所定時間内に基準値よりも小さくならないときとしてもよい。この場合は、内部にタイマーを設ければよい。すなわち、基準値よりも小さくなっていない場合（Ｎｏ）でも、所定の条件を満たした場合は、ステップ４に進んでもよい。なお、この場合は、ステップ４において、反射係数絶対値Γが基準値よりも大きくなっている場合（Ｙｅｓ）に該当するので、ステップ２へ進むことになる。そのため、ステップ６からステップ２へ進むようにしてもよい。

また、上述したステップ６において、反射係数絶対値Γが基準値よりも小さくなっていない場合（Ｎｏ）に所定の条件を満たしたとき（例えば、所定回数だけ連続して続いたとき）は、何らかの異常が発生している可能性があるので、異常信号を出力するようにしてもよい。この異常信号によって、高周波電源装置１の高周波電力の出力を停止するようにしてもよい。

ステップ７：可変コンデンサＶＣ１を動作させた結果、反射係数絶対値Γが減少したか否かを判定する。
反射係数絶対値Γが減少した場合（Ｙｅｓ）は、可変コンデンサＶＣ１の動作量が少ない可能性があるので、ステップ５へ進む。反射係数絶対値Γが減少していない場合（Ｎｏ）は、可変コンデンサＶＣ１の動作方向が正しくない可能性があるので、ステップ８へ進む。

ステップ８：ステップ７において、反射係数絶対値Γが減少していない場合（Ｎｏ）は、可変コンデンサＶＣ１の動作方向が正しくない可能性があるので、可変コンデンサＶＣ１の動作方向を反転させて、ステップ５へ進む。反転させた動作方向が、次回からの動作方向となる。
なお、反射係数絶対値Γは、時々刻々と変化するので、厳密にステップ８の処理を行うと、動作方向が、正転→反転→正転→反転・・・・という具合になり、制御が安定しない場合がある。そのため、制御の安定を図るために、例えば、所定回数だけＮｏが続くまで、同一の動作方向で動作させるようにしても良い。

このように制御することで、可変周波数方式の高周波電源装置を用い、且つ、インピーダンス自動整合器を用いない構成にも関わらず、負荷側インピーダンスの抵抗成分Ｒおよびリアクタンス成分Ｘの両方を調整する制御を行えるので、反射波電力を小さくすることができる。しかも、抵抗成分Ｒの調整は簡単な制御で可能となる。その結果、製造プロセスの全体を通じて、負荷インピーダンスＺ１が大きく変動する特性の負荷の場合であっても、反射波電力を小さくすることができる。もちろん、反射係数絶対値を小さくするように制御してもよい。

この様子を図３を参照して、さらに説明する。なお、これまでは、反射係数絶対値Γが小さくなるように制御する例を示したが、図３では、反射波電力を用いて説明を行う。

図３は、反射波電力の変化例を３次元的に示した図である。なお、図中の「Ｒ」は抵抗成分、「Ｘ」はリアクタンス成分を示し、縦軸に反射波電力を示す。よって、図の中央付近の窪んだ箇所が最も反射波電力が小さい箇所を示す。

さて、前述したように、高周波電源装置の出力周波数を制御することによって、負荷側インピーダンスＺＬが変化する。この際、前述したように、主にリアクタンス成分Ｘが変化する。この負荷側インピーダンスＺＬの変化の軌跡の一例を軌跡１００とする。

この軌跡１００で示した例のように、リアクタンス成分Ｘ分が変化する過程において、多少は反射波電力が減少するが、反射波電力が最小とはならない場合がある。これは、前述したように、高周波電源装置の出力周波数の制御だけでは、抵抗成分Ｒの調整があまりできないからである。

そのために、本発明の高周波装置は、例えば、軌跡１００の途中の反射波電力が最小となる出力周波数で高周波電力を供給するようにする。その後、インピーダンス調整器の可変リアクタンス素子（この例では可変コンデンサＶＣ１）を制御することによって、抵抗成分Ｒの調整を行い、反射係数絶対値Γを小さくする制御を行う。この際の負荷側インピーダンスＺＬの変化の軌跡の一例を軌跡２００とする。その結果、反射波電力を、高周波電源装置の出力周波数を制御するだけの場合に比べて小さくすることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る高周波装置の構成例と高周波装置と負荷５との接続関係を示す図である。なお、高周波電源装置１ａとインピーダンス調整器３ａとを組み合わせて構成された装置を高周波装置とする。

図４に示すインピーダンス調整器３ａは、図１に示したインピーダンス調整器３の固定コンデンサＣ２を可変コンデンサＶＣ２に変更したものである。この
可変コンデンサＶＣ２は、可変コンデンサＶＣ１と同様に、モータによって、そのキャパシタンスを変更できるように構成されている。また、モータは、可変コンデンサＶＣ１と同様に、リアクタンス素子制御回路１９によって制御されるように構成されている。

高周波電源装置１ａは、図１に示した高周波電源装置１と同様であるが、前述したように、可変コンデンサＶＣ２用のモータを制御することによって、可変コンデンサＶＣ２のキャパシタンスを変更させるように構成されている。なお、その他に関しては、図１で示した高周波電源装置１と同様なので説明を省略する。なお、リアクタンス素子制御回路１９は、便宜上、図１と同符号にしている。

さて、上述した第１の実施形態では、可変周波数方式の高周波電源装置とインピーダンス調整器に設けられた１つの可変コンデンサ（図１に示した例では、可変コンデンサＶＣ１）を用いて、反射波情報が小さくなるようにしていた。殆どの場合は、上述した第１の実施形態のようにすると、反射波情報を所定値以下にすることができる。しかし、稀に、反射波情報が小さくできない場合がある。この現象を、図５を用いて説明する。

図５は、反射波電力の他の変化例を３次元的に示した図である。なお、座標などに関しては、図３と同様なので説明を省略する。

図５に示すように、高周波電源装置の出力周波数を変更したときの負荷側インピーダンスＺＬの変化の軌跡の一例を軌跡１０１とし、インピーダンス調整器の可変コンデンサＶＣ１を制御したときの負荷側インピーダンスＺＬの変化の軌跡の一例を軌跡２０１とする。

この図５に示すように、高周波電源装置１の出力周波数の可変範囲の中で、反射波電力が最小となる出力周波数にし、その後、可変コンデンサＶＣ１を制御してキャパシタンスを変更しても、図の中央付近の窪んだ箇所に到達しない場合がある。なお、図５は、説明を容易にするために、軌跡１０１と軌跡２０１とを大きくずらして描いている。

上記のようになる原因は、高周波電源装置１の出力周波数の可変範囲の中で、反射波電力が最小となる出力周波数が、その後の可変コンデンサＶＣ１の動作に対して最適ではないからである。例えば、図５の場合は、図に示した軌跡２０１の始点よりも、軌跡１０１の矢印選択方向に少しずらしたところに、軌跡２０１の始点を移動させた方が、反射波電力を小さくすることができる。
すなわち、高周波電源装置１の出力周波数の制御と可変コンデンサＶＣ１の制御との組み合わせで考えた場合、両者を組み合わせても、反射波電力を最小にできない場合が存在する。

このような場合、上述した図２のフローチャートの「ステップ６」で示した特殊例（「Ｎｏ」であっても条件を満たしたときには、ステップ４またはステップ２に進む）のように、一旦、高周波電源装置１ａによる出力周波数の制御に戻ってやり直すというのも１つの方法であるが、それでも、状況が改善されないことが起こり得る。そこで、このような場合は、図４のように、固定コンデンサＣ２を可変コンデンサＶＣ２に変更しておき、この可変コンデンサＶＣ２のキャパシタンスを変更させればよい。このようにすると、それまでとは状況が変化するので、高周波電源装置１ａの出力周波数の変更および可変コンデンサＶＣ１のキャパシタンスの変更を行なうだけでは、改善できなかった問題を改善できることがある。例えば、可変コンデンサＶＣ２のキャパシタンスを変更させると、軌跡３０１で示したように負荷側インピーダンスＺＬを変化させることが可能となる。そのため、図の中央付近の窪んだ箇所（反射波電力が小さい箇所）に到達できることがある。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る高周波装置によって反射係数絶対値Γを小さくするための制御方法を示すフローチャートの一例である。
このフローチャートに沿って、反射係数絶対値Γを小さくさせる制御について説明する。なお、このフローチャートは、可変コンデンサＶＣ２のキャパシタンスを変更させた制御を中心に説明したものである。また、この制御は、図２のフローチャートにおいて、ステップ６の特殊例（「Ｎｏ」であっても条件を満たしたときには、ステップ４またはステップ２に進む）からステップ４に進む間に挿入されるものであるので、この部分を抜き出して図示している。

ステップ９：図２のステップ６で示した特殊例（「Ｎｏ」であっても条件を満たしたときには、ステップ４またはステップ２に進む）の条件に当てはまると、このステップ６から、図６のステップ９に進み、可変コンデンサＶＣ２のキャパシタンスを調整するために、ステップ９〜ステップ１２を実行する。
ステップ９では、可変コンデンサＶＣ２を定めた動作方向に、所定量だけ動作させる。なお、初期値は、キャパシタンスが小さくなる方向とする。もちろん、初期値をキャパシタンスが大きくなる方向としてもよい。

ステップ１０：ステップ９にて、可変コンデンサＶＣ２を動作させた結果、反射係数絶対値Γが基準値よりも小さくなったか否かを判定する。
基準値よりも小さくなっている場合（Ｙｅｓ）は、反射係数絶対値Γを小さくするという目的を達成したので、図２のステップ４へ進む。基準値よりも小さくなっていない場合（Ｎｏ）は、可変コンデンサＶＣ１の動作量が少ないのか否かを判定するために、ステップ１１へ進む。

なお、ステップ１０において、基準値よりも小さくなっていない場合（Ｎｏ）が所定回数だけ連続して続いたときは、一旦、高周波電源装置１の出力周波数の制御を行った方がよい場合がある。そのために、ステップ４に進んでもよい。このような処理の基準としては、所定回数だけ連続して続いたときだけでなく、例えば、所定時間内に基準値よりも小さくならないときとしてもよい。この場合は、内部にタイマーを設ければよい。すなわち、基準値よりも小さくなっていない場合（Ｎｏ）でも、所定の条件を満たした場合は、ステップ４に進んでもよい。なお、この場合は、ステップ４において、反射係数絶対値Γが基準値よりも大きくなっている場合（Ｙｅｓ）に該当するので、ステップ２へ進むことになる。そのため、ステップ１０からステップ２へ進むようにしてもよい。

また、上述したステップ１０において、反射係数絶対値Γが基準値よりも小さくなっていない場合（Ｎｏ）に所定の条件を満たしたとき（例えば、所定回数だけ連続して続いたとき）は、何らかの異常が発生している可能性があるので、異常信号を出力するようにしてもよい。この異常信号によって、高周波電源装置１の高周波電力の出力を停止するようにしてもよい。

ステップ１１：可変コンデンサＶＣ２を動作させた結果、反射係数絶対値Γが減少したか否かを判定する。
反射係数絶対値Γが減少した場合（Ｙｅｓ）は、可変コンデンサＶＣ２の動作量が少ない可能性があるので、ステップ９へ進む。反射係数絶対値Γが減少していない場合（Ｎｏ）は、可変コンデンサＶＣ２の動作方向が正しくない可能性があるので、ステップ１２へ進む。

ステップ１２：ステップ７において、反射係数絶対値Γが減少していない場合（Ｎｏ）は、可変コンデンサＶＣ２の動作方向が正しくない可能性があるので、可変コンデンサＶＣ２の動作方向を反転させて、ステップ９へ進む。反転させた動作方向が、次回からの動作方向となる。
なお、反射係数絶対値Γは、時々刻々と変化するので、厳密にステップ１２の処理を行うと、動作方向が、正転→反転→正転→反転・・・・という具合になり、制御が安定しない場合がある。そのため、制御の安定を図るために、例えば、所定回数だけＮｏが続くまで、同一の動作方向で動作させるようにしても良い。

このように制御することで、可変周波数方式の高周波電源装置を用い、且つ、インピーダンス自動整合器を用いない構成にも関わらず、負荷側インピーダンスの抵抗成分Ｒおよびリアクタンス成分Ｘの両方を調整する制御を行えるので、反射波電力を小さくすることができる。

この第２の実施形態も、高周波電力が負荷に供給されている間に、リアクタンス素子制御回路１９によって同時に制御される可変リアクタンス素子は１つである。そのため、比較的簡単に可変リアクタンス素子の制御を行うことができる。しかも、抵抗成分Ｒの調整は簡単な制御で可能となる。その結果、製造プロセスの全体を通じて、負荷インピーダンスＺ１が大きく変動する特性の負荷の場合であっても、反射波電力を小さくすることができる。もちろん、反射係数絶対値を小さくするように制御してもよい。

なお、本発明は、図１に示したようなインピーダンス調整器３のリアクタンス素子の構成に限定されるものではなく、他の構成のインピーダンス調整器３を用いることができる。

また、図１に示したインピーダンス調整器３では、コンデンサＣ２やインダクタＬ１のリアクタンスは固定値であったが、リアクタンスを可変できるものであってもよい。ただし、いずれの場合にしても、高周波電力が負荷に供給されている間に、リアクタンス素子制御回路１９によって同時に制御されるリアクタンス素子は１つである。そのため、比較的簡単に可変リアクタンス素子の制御を行うことができる。

また、１つのモータで２つ以上の可変リアクタンス素子を駆動する場合が考えられる。例えば、可変コンデンサＶＣ２の代わりに、２つの可変コンデンサを並列接続し、それをモータで駆動させることができる。この場合は、並列接続された２つの可変コンデンサを１つの可変リアクタンス素子と見なせば、上記と同様に制御ができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る高周波装置の構成例と高周波装置と負荷５との接続関係を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る高周波装置によって反射係数絶対値Γを小さくするための制御方法を示すフローチャートの一例である。 図３は、反射波電力の変化例を３次元的に示した図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る高周波装置の構成例と高周波装置と負荷５との接続関係を示す図である。 図５は、反射波電力の他の変化例を３次元的に示した図である。 図６は、本発明の第２の実施形態に係る高周波装置によって反射係数絶対値Γを小さくするための制御方法を示すフローチャートの一例である。 図７は、従来の高周波装置の構成例と高周波装置と負荷５との接続関係を示す図である。

１ 高周波電源装置
１ａ 高周波電源装置
２ 伝送線路
３ インピーダンス調整器
３ａ インピーダンス調整器
４ 負荷接続部
５ 負荷
１１ 周波数制御回路
１２ 発振回路
１３ 電力増幅器
１４ 電力測定器
１５ 電力制御回路
１６ 電力設定器
１７ ＯＮ／ＯＦＦ制御回路
１８ 反射係数演算回路
１９ リアクタンス素子制御回路
Ｚ０ 電源側インピーダンス
Ｚ１ 負荷インピーダンス
ＺＬ 負荷側インピーダンス

Claims (10)

1. 負荷に高周波電力を供給するための高周波装置であって、
   発振周波数を可変できる発振手段と、
   前記発振手段から出力される発振信号を増幅させて電力発生源となり、前記負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、
   反射波電力に関係する反射波情報を演算して、演算した反射波情報を出力する反射波情報演算手段と、
   前記反射波情報が小さくなるように、前記発振手段の発振周波数を制御する周波数制御手段と、
   前記高周波電力供給手段と負荷との間に設けられ、且つ少なくとも１つの可変リアクタンス素子を有し、前記可変リアクタンス素子の１つが制御可能なインピーダンス調整手段と、
   前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子を制御する素子制御手段と、
   を備え、
   前記素子制御手段は、前記周波数制御手段において、前記反射波情報が小さくなるように、前記発振手段の発振周波数を制御したにも関わらず、前記反射波情報が基準値よりも小さくならなかったときに、前記制御可能な可変リアクタンス素子の制御を開始することを特徴とする高周波装置。
2. 前記周波数制御手段は、前記素子制御手段が制御可能な可変リアクタンス素子の制御を行っている間は、前記発振手段の発振周波数の制御を行わないことを特徴とする請求項１に記載の高周波装置。
3. 前記周波数制御手段は、前記素子制御手段において、前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子を制御して、前記反射波情報が基準値よりも小さくなった後に、再度、前記反射波情報が基準値よりも大きくなったときに、制御を再開することを特徴とする請求項２に記載の高周波装置。
4. 前記周波数制御手段は、前記素子制御手段において、前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子を制御したにも関わらず、前記反射波情報が基準値よりも小さくならなかったときに、制御を再開することを特徴とする請求項２に記載の高周波装置。
5. 負荷に高周波電力を供給するための高周波装置であって、
   発振周波数を可変できる発振手段と、
   前記発振手段から出力される発振信号を増幅させて電力発生源となり、前記負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、
   反射波電力に関係する反射波情報を演算して、演算した反射波情報を出力する反射波情報演算手段と、
   前記反射波情報が小さくなるように、前記発振手段の発振周波数を制御する周波数制御手段と、
   前記高周波電力供給手段と負荷との間に設けられ、且つ複数の可変リアクタンス素子を有し、前記複数の可変リアクタンス素子のうちの２つが制御可能なインピーダンス調整手段と、
   前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子のいずれか１つを制御する素子制御手段と、
   を備え、
   前記素子制御手段は、前記周波数制御手段において、前記反射波情報が小さくなるように、前記発振手段の発振周波数を制御したにも関わらず、前記反射波情報が基準値よりも小さくならなかったときに、前記制御可能な２つの可変リアクタンス素子のうちの一方の制御を開始することを特徴とする高周波装置。
6. 前記素子制御手段は、前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な２つの可変リアクタンス素子のうちの一方を制御したにも関わらず、前記反射波情報が基準値よりも小さくならなかったときに、前記制御可能な２つの可変リアクタンス素子のうちの他方の制御を開始することを特徴とする請求項５に記載の高周波装置。
7. 前記周波数制御手段は、前記素子制御手段が制御可能な可変リアクタンス素子の制御を行っている間は、前記発振手段の発振周波数の制御を行わないことを特徴とする請求項５または６に記載の高周波装置。
8. 前記周波数制御手段は、前記素子制御手段において、前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子を制御して、前記反射波情報が基準値よりも小さくなった後に、再度、前記反射波情報が基準値よりも大きくなったときに、制御を再開することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の高周波装置。
9. 前記周波数制御手段は、前記素子制御手段において、前記反射波情報が小さくなるように、前記インピーダンス調整手段の制御可能な可変リアクタンス素子を制御したにも関わらず、前記反射波情報が基準値よりも小さくならなかったときに、制御を再開することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の高周波装置。
10. 前記インピーダンス調整手段の制御可能な２つの可変リアクタンス素子の一方は、高周波電力供給手段よりも負荷側のインピーダンスの抵抗成分を変化させる機能を有しており、制御可能な２つの可変リアクタンス素子の他方は、高周波電力供給手段よりも負荷側のインピーダンスのリアクタンス成分を変化させる機能を有していることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の高周波装置。

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