JP5038095B2 - 高周波電源装置およびその制御方法 - 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および高周波電源装置の制御方法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では、進行波電力値から反射波電力値を減じた負荷電力値（進行波電力値−反射波電力値）を演算し、演算した負荷電力値を一定に制御する方法（以下、ＰＬ制御という）を用いる場合がある。

このようなＰＬ制御においては、反射波電力値が大きくなるに従い、出力する進行波電力値を大きくする必要がある。

特開２００５−１０９１８３号公報

ＰＬ制御を行う高周波電源装置では、全反射に近い場合、すなわち、演算された負荷電力値が０に近くなると、出力する進行波電力の目標値が非常に大きくなりすぎて、制御が不安定となる場合がある。

本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、全反射に近い場合でも、制御が不安定とならない高周波電源装置およびその制御方法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電源装置は、
負荷に供給する高周波電力の電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように制御する高周波電源装置において、
高周波電力の供給源となる高周波出力手段と、
前記高周波出力手段から負荷側に進行する進行波に関する情報および前記負荷から高周波出力手段側に進行する反射波に関する情報を検出する進行波／反射波検出手段と、
前記進行波／反射波検出手段によって検出した進行波に関する情報を、進行波電力に対応する進行波電力信号に変換して出力する進行波電力信号出力手段と、
前記進行波／反射波検出手段によって検出した反射波に関する情報を、反射波電力に対応する反射波電力信号に変換して出力する反射波電力信号出力手段と、
前記反射波電力信号の大きさが、予め定められた反射波電力の基準値よりも大きいときは、前記反射波電力信号の大きさと前記反射波電力の基準値との差分に相当する電力値を補正電力値とし、この補正電力値に対応する補正電力信号を出力する第１補正手段と、
前記反射波電力信号の大きさが前記反射波電力の基準値以下のときは、前記進行波電力信号−前記反射波電力信号によって表される負荷電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように前記高周波出力手段の出力制御を行い、前記反射波電力信号の大きさが前記反射波電力の基準値よりも大きいときは、前記進行波電力信号−前記反射波電力信号＋前記補正電力信号によって表される負荷電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように前記高周波出力手段の出力制御を行う制御手段と、
を備えた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電源装置は、
前記反射波電力の基準値は、前記進行波電力信号に、予め定められた反射係数の絶対値の基準値の二乗を乗じた値である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電源装置は、
負荷に供給する高周波電力の電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように制御する高周波電源装置において、
高周波電力の供給源となる高周波出力手段と、
前記高周波出力手段から負荷側に進行する進行波に関する情報および前記負荷から高周波出力手段側に進行する反射波に関する情報を検出する進行波／反射波検出手段と、
前記進行波／反射波検出手段によって検出した進行波に関する情報を、進行波電力に対応する進行波電力信号に変換して出力する進行波電力信号出力手段と、
前記進行波／反射波検出手段によって検出した反射波に関する情報を、反射波電力に対応する反射波電力信号に変換して出力する反射波電力信号出力手段と、
反射係数の絶対値を演算する反射係数演算手段と、
前記反射係数演算手段によって演算された反射係数の絶対値が、予め定められた反射係数の基準値よりも大きいときは、前記反射係数の絶対値と前記反射係数の基準値との差分に相当する電力値を補正電力値とし、この補正電力値に対応する補正電力信号を出力する第２補正手段と、
前記反射係数の絶対値が前記反射係数の基準値以下のときは、前記進行波電力信号−前記反射波電力信号によって表される負荷電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように前記高周波出力手段の出力制御を行い、前記反射係数の絶対値が前記反射係数の基準値よりも大きいときは、前記進行波電力信号−前記反射波電力信号＋前記補正電力信号によって表される負荷電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように前記高周波出力手段の出力制御を行う制御手段と、
を備えた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電源装置は、
前記反射係数の絶対値が、前記進行波に関する情報および前記反射波に関する情報に基づいて演算されることを特徴としている。

第５の発明によって提供される高周波電源装置の制御方法は、
負荷に供給する高周波電力の電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように制御する高周波電源装置の制御方法において、
高周波電力の供給源となる高周波出力手段から負荷側に進行する進行波に関する情報および前記負荷から高周波出力手段側に進行する反射波に関する情報を検出する第1ステップと、
前記検出した進行波に関する情報を、進行波電力に対応する進行波電力信号に変換して出力する第２ステップと、
前記検出した反射波に関する情報を、反射波電力に対応する反射波電力信号に変換して出力する第３ステップと、
反射係数の絶対値を演算する第４ステップと、
前記反射係数の絶対値が前記反射係数の基準値よりも大きいか否かを判別する第５ステップと、
前記第５ステップで前記反射係数の絶対値が前記反射係数の基準値よりも大きいと判別されたときは、前記反射係数の絶対値と前記反射係数の基準値との差分に相当する電力値を補正電力値とする第６ステップと、
前記反射係数の絶対値が前記反射係数の基準値以下のときは、前記進行波電力信号−前記反射波電力信号によって表される負荷電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように前記高周波出力手段の出力制御を行い、前記反射係数の絶対値が前記反射係数の基準値よりも大きいときは、前記進行波電力信号−前記反射波電力信号＋前記補正電力信号によって表される負荷電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように前記高周波電源装置の出力制御を行う第７ステップと
を含む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電源装置の制御方法は、
前記反射係数の絶対値が、前記進行波に関する情報および前記反射波に関する情報に基づいて演算されることを特徴としている。

本発明によれば、高周波電源装置においてＰＬ制御を行う場合に、全反射に近くなり、進行波電力値と反射波電力値とが近い値となることがあっても、演算される負荷電力値が一定値以下にならないように、補正電力値を定め、負荷電力値を「進行波電力値−反射波電力値＋補正電力値」として演算するようにしている。そのため、ＰＬ制御に用いる負荷電力の演算値が０に近くなる状態が生じないので、出力する進行波電力の目標値が非常に大きくなりすぎて、制御が不安定となる現象を防止することができる。

以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る高周波電源装置１の構成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、高周波出力部１１、進行波／反射波検出部１２、進行波電力側の変換部１３、反射波電力側の変換部１４、補正電力演算部１５、負荷電力演算部１６、および制御部１７を備えた構成となっている。
なお、高周波電源装置１は、本発明の高周波出力手段の一例であり、進行波／反射波検出部１２は、本発明の進行波／反射波検出手段の一例であり、進行波電力側の変換部１３は、本発明の進行波電力信号出力手段の一例であり、反射波電力側の変換部１４は、本発明の反射波電力信号出力手段の一例であり、補正電力演算部１５は、本発明の第1の補正手段の一例であり、負荷電力演算部１６及び制御部１７は、本発明の制御手段の一例である。

高周波出力部１１は、図略の増幅素子等を含み、後述する制御部によって出力する高周波電力が制御される。高周波出力部１１から出力される高周波電力は、進行波／反射波検出部１２、出力コネクタ１０１を介して高周波電源装置１の外部に出力され、図略の負荷に供給される。
なお、一般にこの種の高周波電源装置１では、無線周波数帯域の周波数（例えば、数百ｋＨｚ以上の周波数、上限は厳密には定まっていないが、概ね１ＧＨｚ以下）を有する高周波電力を出力している。また、高周波出力部１１と出力コネクタ１０１との間には、ローパスフィルタ等のフィルタが設けられることがある。
また、高周波電源装置１と負荷との間に、インピーダンスを整合させるためのインピーダンス装置（図略）が設けられる場合があるが、本明細書では、インピーダンス装置も含めて、高周波電源装置１の出力端から負荷側を全て負荷と見なす。

進行波／反射波検出部１２は、高周波出力部１１の後段（図１の例では、高周波出力部１１と出力コネクタ１０１との間の伝送線路上）に設けられ、高周波出力部１１から負荷側に進行する進行波（本発明の進行波に関する情報）および負荷から高周波出力部１１側に進行する反射波（本発明の反射波に関する情報）を検出する。この進行波／反射波検出部１２には、例えば、方向性結合器等が用いられる。

進行波電力側の変換部１３は、進行波／反射波検出部１２によって検出した進行波を、進行波電力の電力値を示す信号になるように変換し、進行波電力信号Ｐｆとして出力する。すなわち、検出した進行波を、進行波電力に対応する進行波電力信号Ｐｆに変換して出力するものである。

反射波電力側の変換部１４は、進行波／反射波検出部１２によって検出した反射波を、反射波電力の電力値を示す信号になるように変換し、反射波電力信号Ｐｒとして出力する。すなわち、検出した反射波を、反射波電力に対応する反射波電力信号Ｐｒに変換して出力するものである。

補正電力演算部１５は、進行波電力信号Ｐｆ、反射波電力信号Ｐｒおよび予め定められた｜Γ｜基準値を入力とし、反射波電力信号Ｐｒの大きさが、反射波電力の基準値よりも大きいときは、その差分に相当する電力値を補正電力値とし、この補正電力値に対応する補正電力信号Ｐｃを出力する。反射波電力信号Ｐｒの大きさが、反射波電力の基準値以下のときは、補正電力信号Ｐｃは０となる、あるいは出力されない。上記の｜Γ｜基準値は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの記憶媒体に記憶させておいてもよいし、高周波電源装置１の外部から入力できるようにしてもよい。

なお、上記の反射波電力の基準値は、｜Γ｜基準値と進行波電力信号Ｐｆとに基づいて、式（１）で演算することができる。
反射波電力の基準値＝Ｐｆ×｜Γ｜基準値^２ ・・・・（１）

例えば、｜Γ｜基準値が０．９５であり、そのときの進行波電力信号Ｐｆが５００［Ｗ］を示している場合は、反射波電力の基準値は、５００［Ｗ」×０．９５^２＝４５１．２５［Ｗ」となる。もちろん、進行波電力信号Ｐｆおよび反射波電力信号Ｐｒと同様に、演算された反射波電力の基準値は、電力値を示す信号に変換されて扱われる。

このように、補正電力演算部１５では、入力したΓ基準値を反射波電力の基準値に変換し、この反射波電力の基準値と反射波電力信号Ｐｒとを比較している。そして、反射波電力信号Ｐｒの大きさが、反射波電力の基準値に対応する信号よりも大きいときは、その差分に相当する電力値を補正電力値とし、この補正電力値に対応する補正電力信号Ｐｃを出力するようになっている。すなわち、補正電力信号Ｐｃは、「反射波電力信号Ｐｒ−反射波電力の基準値に対応する信号」によって表される。

また、これは一例であって、上記の概念を満たしていれば、他の方法であってもよい。すなわち、上記では、反射波電力を比較対象としているが、本実施形態の趣旨としては、全反射に近い場合に補正電力信号Ｐｃを出力すればよいので、そのときの反射係数の絶対値｜Γ｜が、予め定めた基準値よりも大きいときは、両者の差分に相当する電力値を補正電力値とするように、補正電力演算部１５を構成すればよい。その一例を、第２の実施形態（図３参照）として後述する。

また、ＰＬ制御を精度よく行わせるためには、可能な限り｜Γ｜基準値を大きくして、本来のＰＬ制御を行う範囲を狭めないようにする必要がある。しかしながら、進行波／反射波検出部１２の検出精度や、変換部１３、変換部１４等の回路特性のバラツキが若干生じる場合があるので、｜Γ｜基準値を大きくしすぎることはできない。
例えば、｜Γ｜基準値＝０．９８とした場合で考えると、実際には、反射係数の絶対値｜Γ｜＞０．９８となっているにも関わらず、演算上は、反射係数の絶対値｜Γ｜＝０．９７と誤認識してしまう場合が考えられる。そのために、少し余裕をみて、上記の例のように、｜Γ｜基準値を０．９５程度にするのが好ましい。

負荷電力演算部１６は、負荷電力値を、「進行波電力信号Ｐｆ−反射波電力信号Ｐｒ＋補正電力信号Ｐｃ」によって演算する。そして、演算結果を負荷電力値を示す負荷電力信号Ｐｌとして出力する。なお、補正電力演算部１５から補正電力信号Ｐｃが出力されない場合は、上記の演算式における補正電力信号Ｐｃは０として演算される。この場合、負荷電力値は、「進行波電力信号Ｐｆ−反射波電力信号Ｐｒ」によって演算される。

制御部１７は、負荷電力演算部１６から出力される負荷電力信号Ｐｌと、予め定められたＰＬ設定値とを入力し、負荷電力信号Ｐｌが、ＰＬ設定値と等しくなるように、高周波出力部１１の出力制御を行う。すなわち、負荷に供給される高周波電力の電力値が、予め定められたＰＬ設定値と等しくなるように制御される。
なお、ＰＬ設定値は、他の信号と同様に、電力値を示す信号に変換されて扱われる。また、ＰＬ設定値は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの記憶媒体に記憶させておいてもよいし、高周波電源装置１の外部から入力できるようにしてもよい。

図２は、高周波電源装置１の制御方法を示すフローチャートである。このフローチャートを参照して、高周波電源装置１の制御方法を説明する。

ステップ１：高周波出力部１１から高周波電力が出力されて負荷に供給されたときの反射係数の絶対値｜Γ｜が、予め定めた基準値よりも大きいか否かを判別する。（上述したように、図１に示した実施形態も含まれる。）

ステップ２：ステップ１で、反射係数の絶対値が、予め定めた基準値よりも大きいと判別されたとき（ＹＥＳ）は、両者の差分に相当する電力値を補正電力値とする。

ステップ３：「進行波電力値−反射波電力値＋補正電力値」によって表される負荷電力値が、予め定められた出力電力設定値と等しくなるように、高周波電源装置の出力制御を行う。すなわち、補正電力値を考慮して負荷電力値を演算し、演算した負荷電力値が、予め定められた出力電力設定値と等しくなるように、高周波電源装置の出力制御を行う。この際、ステップ１で、反射係数の絶対値｜Γ｜が、予め定めた基準値よりも大きくないと判別されたときは、補正電力値が０となるので、「進行波電力値−反射波電力値」によって表される負荷電力値が、予め定められた出力電力設定値と等しくなるように、高周波電源装置１の出力制御を行う。

上記のように制御されると、高周波電源装置１においてＰＬ制御を行う場合に、全反射に近くなり、進行波電力値と反射波電力値とが近い値となることがあっても、演算される負荷電力値が一定値以下にならないように、補正電力値を定め、負荷電力値を「進行波電力値−反射波電力値＋補正電力値」として演算するようにしている。そのため、ＰＬ制御に用いる負荷電力の演算値が０に近くなる状態が生じないので、出力する進行波電力の目標値が非常に大きくなりすぎて、制御が不安定となる現象を防止することができるようになる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明に係る高周波電源装置１の他の構成を示すブロック図である。
この図３に示す高周波電源装置１は、図１に示した補正電力演算部１５に相当する部分が、｜Γ｜演算部１８および補正電力演算部１９で構成されるようになっている。他の部分に関しては、図１と同様であるので、以下、｜Γ｜演算部１８と補正電力演算部１９を中心に、図３に示した高周波電源装置１の説明を行う。なお、｜Γ｜演算部１８は、本発明の反射係数演算手段の一例であり、補正電力演算部１９は、本発明の第２の補正手段の一例である。

｜Γ｜演算部１８は、変換部１３から出力される進行波電力信号Ｐｆと、変換部１４から出力される反射波電力信号Ｐｒとに基づいて、反射係数の絶対値｜Γ｜を演算するものである。なお、反射係数の絶対値｜Γ｜は、式（２）で演算することができる。
反射係数の絶対値｜Γ｜＝√Ｐｒ／√Ｐｆ ・・・・・（２）

なお、この図３では、進行波電力信号Ｐｆと反射波電力信号Ｐｒとに基づいて、反射係数の絶対値｜Γ｜を演算する例を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、進行波／反射波検出部１２から出力される進行波と反射波とに基づいて、反射係数の絶対値｜Γ｜を演算してもよい。また、別途、高周波出力部１１の後段における電圧と電流とを検出する電圧／電流検出器を設け、この電圧／電流検出器によって検出した電圧と電流とに基づいて、反射係数の絶対値｜Γ｜を演算してもよい。これらの方法は周知であるため説明を省略する。

補正電力演算部１９は、｜Γ｜演算部１８から出力される反射係数の絶対値｜Γ｜と、進行波電力信号Ｐｆと、予め定められた｜Γ｜基準値を入力とし、反射係数の絶対値｜Γ｜が予め定められた｜Γ｜基準値よりも大きいときは、その差分に相当する電力値を補正電力値とし、この補正電力値に対応する補正電力信号Ｐｃを出力する。なお、反射係数の絶対値｜Γ｜が予め定められた｜Γ｜基準値以下のときは、補正電力信号Ｐｃは０となる、あるいは出力されない。

例えば、｜Γ｜基準値が０．９５であり、そのときの反射係数の絶対値｜Γ｜が０．９７、進行波電力信号Ｐｆが５００［Ｗ］を示している場合の補正電力値は、５００［Ｗ」×（０．９７^２−０．９５^２）＝１９．２［Ｗ」となる。補正電力信号Ｐｃは、この１９．２［Ｗ」を示す信号となる。

補正電力演算部１９から出力された補正電力信号Ｐｃは、負荷電力演算部１６に入力されて、負荷電力値が演算される。そして、制御部１７によって、負荷に供給される高周波電力が、予め定められたＰＬ設定値と等しくなるように制御される。従って、図１に示した高周波電源装置１と同様の制御を行うことができる。
なお、制御方法を示すフローチャートは、図２と同様となるため、説明を省略する。

図１は、本発明に係る高周波電源装置１の構成を示すブロック図である。 図２は、高周波電源装置１の制御方法を示すフローチャートである。 図３は、本発明に係る高周波電源装置１の他の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 高周波電源装置
１１ 高周波出力部
１２ 進行波／反射波検出部
１３ 進行波電力側の変換部
１４ 反射波電力側の変換部
１５ 補正電力演算部
１６ 負荷電力演算部
１７ 制御部
１８ ｜Γ｜演算部
１９ 補正電力演算部

Claims (6)

1. 負荷に供給する高周波電力の電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように制御する高周波電源装置において、
   高周波電力の供給源となる高周波出力手段と、
   前記高周波出力手段から負荷側に進行する進行波に関する情報および前記負荷から高周波出力手段側に進行する反射波に関する情報を検出する進行波／反射波検出手段と、
   前記進行波／反射波検出手段によって検出した進行波に関する情報を、進行波電力に対応する進行波電力信号に変換して出力する進行波電力信号出力手段と、
   前記進行波／反射波検出手段によって検出した反射波に関する情報を、反射波電力に対応する反射波電力信号に変換して出力する反射波電力信号出力手段と、
   前記反射波電力信号の大きさが、予め定められた反射波電力の基準値よりも大きいときは、前記反射波電力信号の大きさと前記反射波電力の基準値との差分に相当する電力値を補正電力値とし、この補正電力値に対応する補正電力信号を出力する第１補正手段と、
   前記反射波電力信号の大きさが前記反射波電力の基準値以下のときは、前記進行波電力信号−前記反射波電力信号によって表される負荷電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように前記高周波出力手段の出力制御を行い、前記反射波電力信号の大きさが前記反射波電力の基準値よりも大きいときは、前記進行波電力信号−前記反射波電力信号＋前記補正電力信号によって表される負荷電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように前記高周波出力手段の出力制御を行う制御手段と、
   を備えた高周波電源装置。
2. 前記反射波電力の基準値は、前記進行波電力信号に、予め定められた反射係数の絶対値の基準値の二乗を乗じた値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。
3. 負荷に供給する高周波電力の電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように制御する高周波電源装置において、
   高周波電力の供給源となる高周波出力手段と、
   前記高周波出力手段から負荷側に進行する進行波に関する情報および前記負荷から高周波出力手段側に進行する反射波に関する情報を検出する進行波／反射波検出手段と、
   前記進行波／反射波検出手段によって検出した進行波に関する情報を、進行波電力に対応する進行波電力信号に変換して出力する進行波電力信号出力手段と、
   前記進行波／反射波検出手段によって検出した反射波に関する情報を、反射波電力に対応する反射波電力信号に変換して出力する反射波電力信号出力手段と、
   反射係数の絶対値を演算する反射係数演算手段と、
   前記反射係数演算手段によって演算された反射係数の絶対値が、予め定められた反射係数の基準値よりも大きいときは、前記反射係数の絶対値と前記反射係数の基準値との差分に相当する電力値を補正電力値とし、この補正電力値に対応する補正電力信号を出力する第２補正手段と、
   前記反射係数の絶対値が前記反射係数の基準値以下のときは、前記進行波電力信号−前記反射波電力信号によって表される負荷電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように前記高周波出力手段の出力制御を行い、前記反射係数の絶対値が前記反射係数の基準値よりも大きいときは、前記進行波電力信号−前記反射波電力信号＋前記補正電力信号によって表される負荷電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように前記高周波出力手段の出力制御を行う制御手段と、
   を備えた高周波電源装置。
4. 前記反射係数の絶対値は、前記進行波に関する情報および前記反射波に関する情報に基づいて演算されることを特徴とする請求項３に記載の高周波電源装置。
5. 負荷に供給する高周波電力の電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように制御する高周波電源装置の制御方法において、
   高周波電力の供給源となる高周波出力手段から負荷側に進行する進行波に関する情報および前記負荷から高周波出力手段側に進行する反射波に関する情報を検出する第1ステップと、
   前記検出した進行波に関する情報を、進行波電力に対応する進行波電力信号に変換して出力する第２ステップと、
   前記検出した反射波に関する情報を、反射波電力に対応する反射波電力信号に変換して出力する第３ステップと、
   反射係数の絶対値を演算する第４ステップと、
   前記反射係数の絶対値が前記反射係数の基準値よりも大きいか否かを判別する第５ステップと、
   前記第５ステップで前記反射係数の絶対値が前記反射係数の基準値よりも大きいと判別されたときは、前記反射係数の絶対値と前記反射係数の基準値との差分に相当する電力値を補正電力値とする第６ステップと、
   前記反射係数の絶対値が前記反射係数の基準値以下のときは、前記進行波電力信号−前記反射波電力信号によって表される負荷電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように前記高周波出力手段の出力制御を行い、前記反射係数の絶対値が前記反射係数の基準値よりも大きいときは、前記進行波電力信号−前記反射波電力信号＋前記補正電力信号によって表される負荷電力値が予め定められた出力電力設定値と等しくなるように前記高周波電源装置の出力制御を行う第７ステップと
   を含む高周波電源装置の制御方法。
6. 前記反射係数の絶対値は、前記進行波に関する情報および前記反射波に関する情報に基づいて演算されることを特徴とする請求項５に記載の高周波電源装置。

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