JP5090986B2 - 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。

高周波電力を用いて発生させたプラズマを利用してウエハ、液晶基板等の被加工物に加工（プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等）を行うプラズマ処理システムとして、図３に示すように、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムがある。

図３は、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムの接続関係を示すブロック図である。
図３において、第１の高周波電源装置１’は、伝送線路２及び第１の整合器３及び負荷接続部４を介して、負荷５に第１の高周波電力（以下、第１高周波電力という）を供給するための電源装置である。この第１の高周波電源装置１’の出力周波数を第１周波数ｆ１とし、第１周波数の周期をｔ１とする。また、第２の高周波電源装置６は、伝送線路７及び整合器８及び負荷接続部９を介して、負荷５に第２の高周波電力（以下、第２高周波電力という）を供給するための電源装置である。この第２の高周波電源装置６の出力周波数を第２周波数ｆ２とし、第２周波数の周期をｔ２とする。なお、第１周波数は、第２周波数よりも周波数が高い。例えば、第１周波数は、１３ＭＨｚ，４０ＭＨｚ等の周波数が用いられる。また、第２周波数は、２ＭＨｚ等の周波数が用いられる。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（所謂、無線周波数帯域の周波数）の高周波電力を出力している。なお、第１の高周波電源装置１’から見た場合、第１周波数のことを基本周波数といい、第２の高周波電源装置６から見た場合、第２周波数のことを基本周波数という。

第１の高周波電源装置１’から出力する第１高周波電力は、負荷５においてプラズマを発生させるための主となるものである。また、第２の高周波電源装置６から出力される第２高周波電力は、負荷５における加工（プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等）を効率よく行うためのバイアス用として用いられる。これら２つの高周波電源装置から出力される２種類の高周波が重畳されて負荷５内の電極に印加される。

高周波電源装置の出力制御は、夫々が出力する進行波電力を一定に制御する方法（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（負荷側電力一定制御という）が用いられる。

以下、第１の高周波電源装置１’、整合器３、負荷５を中心にして説明する。また、以下の説明では、説明を簡略化するために、進行波電力一定制御の場合を例にして説明する。

第１の整合器３は、第１の高周波電源装置１’と負荷５とのインピーダンス整合を行なうための装置である。具体的には、第１の整合器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１’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５側を見た負荷側インピーダンスＺＬ（整合器３及び負荷接続部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。

負荷５は、一般的にプラズマ処理装置と呼ばれるものであり、内部に電極を有するチャンバーを備え、このチャンバー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、チャンバー内にプラズマ放電用ガスを導入し、内部の電極に２つの高周波電源装置から供給される高周波電力（電圧）を印加することによって、電極間に高周波電界を生じさせて、上記のプラズマ放電用ガスを放電させてプラズマ状態にしている。そして、このプラズマを利用して被加工物を加工している。

次に、従来の高周波電源装置１’の構成について説明する。
図４は、従来の高周波電源装置１’の構成例を示すブロック図である。
高周波増幅部１６は、図示しない発振器、増幅素子等を有し、直流電力出力部１０を電力供給源として電力増幅を行い、無線周波数帯域の出力周波数を有する高周波電力を出力するものである。また、高周波増幅部１６は、後述する高周波出力制御部１５によって出力が制御される。高周波増幅部１６において増幅された高周波電力は、主に高調波を除去するためのローパスフィルタ１７、方向性結合器１８を介して負荷５に供給される。この高周波増幅部１６は、各種の方式があるが、周知技術であるので説明は省略する。なお、高周波増幅部１６の増幅素子としては、例えば、ＦＥＴやトランジスタ等が用いられる。

直流電力出力部１０は、直流電源制御部１１、直流電源部１２および直流電力測定部１３によって構成されている。

直流電源部１２は、出力電圧レベルが可変可能である直流電力を出力するものであり、出力される直流出力電力Ｐｄｃは、直流電力測定部１３によって測定される。なお、直流電力測定部１３によって測定された測定値は、直流出力電力Ｐｄｃに対応する信号に変換されて出力されるが、本明細書では便宜上、符号を「Ｐｄｃ」とする。

また、直流電源部１２の直流出力電圧をＶｄｃ、直流出力電流をＩｄｃ、直流出力電力ＰｄｃをＶｄｃ×Ｉｄｃで表したときに、電源制御部１１は、高周波増幅部１６における、直流出力電力Ｐｄｃから高周波の出力電力（高周波出力電力）への変換効率を高めるため、すなわち、損失Ｐｌｏｓｓを低減させるための制御（損失低減制御）を行う。なお、直流電源部１２の直流出力電圧Ｖｄｃは、直流電源制御部１１によって可変できるようになっており、この直流出力電圧Ｖｄｃを可変させて適切な電圧に調整することによって、損失低減制御を行うようになっている。
この場合、損失Ｐｌｏｓｓは式（１）または式（２）のようにして求めることができる（通常は（１）式を使用することが多い）。そして、この損失Ｐｌｏｓｓが基準値を超えた場合に、損失Ｐｌｏｓｓが基準値以下になるように直流出力電圧Ｖｄｃを調整する。なお、進行波電力信号Ｐｆは、後述する進行波電力側の変換部２１の出力、反射波電力信号Ｐｒは反射波電力側の変換部２２の出力である。
また、このように、損失Ｐｌｏｓｓを低減させるために直流出力電圧Ｖｄｃを調整する高周波電源装置としては、特許文献１に記載のようなものがある。
Ｐｌｏｓｓ＝Ｐｄｃ−（Ｐｆ−Ｐｒ） ・・・・・（１）
Ｐｌｏｓｓ＝Ｐｄｃ−Ｐｆ ・・・・・（２）

方向性結合器１８は、高周波増幅部１６と負荷５との間に挿入されて高周波増幅部１６から負荷５に与えられる進行波電力の情報を含む進行波側信号及び負荷５で反射された反射波電力の情報を含む反射波側信号を出力するものである。

進行波電力側の変換部２１は、方向性結合器１８から出力される進行波側信号を、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、方向性結合器１８によって検出した進行波を、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２２は、方向性結合器１８から出力される反射波側信号を、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、方向性結合器１８によって検出した反射波を、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。

高周波出力制御部１５は、出力電力設定部１４において設定された高周波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔ（基準値）と高周波増幅部１６から出力される進行波電力（進行波電力信号Ｐｆ）とを比較し、両者が等しくなるように、高周波増幅部１６の出力電力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、高周波出力制御部１５は、後述するように、検出した反射波のレベルに応じて高周波増幅部１６の出力電力を抑制する制御（反射保護制御）を行う。なお、出力電力設定値Ｐｓｅｔは、外部の装置から入力してもよい。このような高周波電源装置としては、特許文献２に記載のようなものがある。

また、高周波出力制御部１５においても、上記の式（１）または式（２）によって損失Ｐｌｏｓｓを演算し、損失Ｐｌｏｓｓが基準値を超えた場合に、損失Ｐｌｏｓｓが基準値以下になるように、高周波増幅部１６の出力電力を低下させるようにしてもよい。すなわち、高周波増幅部１６の出力電力を低下させると、反射係数が同じならば、反射波電力が低減するので、損失Ｐｌｏｓｓを低減させることができる。

このような異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムにおいては、整合動作が完了するまでの間に発生する反射波、高調波による反射以外にも、他方の高周波電源装置の影響によって反射波が生じることが知られている。この反射波について説明する。

図３に示すように、２つの高周波電源装置を用いる場合、通常、バイアス用の第２高周波電力の周波数（第２周波数）は、第１高周波電力の周波数（第１周波数）よりも低い周波数となる。このような場合、２つの高周波電源装置の出力周波数に大きな差異があると、第２高周波電力が原因となって、第１の高周波電源装置１’側に大きな反射波が生じてしまう。

この原因は、プラズマの状態が、あたかも第２周波数で変調したような変化をすることに起因する。すなわち、負荷５のインピーダンスが第２周波数で変調したように変化することに起因する。そのために、第１の高周波電源装置１’から出力された進行波の一部は、上記第２周波数と同じ周期の変調の影響により反射されるので、反射波が生じる。

このとき、第１の整合器３が、第２周波数の変調に追従してインピーダンス整合できればよいが、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）を駆動させてインピーダンス整合を行うために、第２周波数の変調のような高速な変化には追従できず、反射波を低減させることができない。よって、発生した反射波が第１の高周波電源装置１’側に戻ってしまう。

また、この反射波は、第１高周波電力を第２高周波電力で変調したような現象によって生じているので、反射波の周波数成分をみると、第１周波数を主成分とし、スプリアスとして第２周波数の成分が重畳している状態となる。

また、これら各種の周波数が、周波数混合作用によって新しい周波数成分を同時発生させて、別の周波数の反射波が発生する。
例えば、第１周波数が４０ＭＨｚであり、第２周波数が２ＭＨｚである場合、４０±２ＭＨｚ、４０±４ＭＨｚ等の周波数の反射波が発生することになる。

ところで、高周波電源装置には、通常、図４に示すように、高周波増幅部１６の出力側にローパスフィルタ１７が設けられている。しかし、このローパスフィルタ１７は、主となる第１周波数に対する高調波成分を除去するローパスフィルタであるので、第１周波数周辺の周波数成分は除去できない。そのために、主成分である第１周波数に、スプリアスとして重畳している第２周波数の成分を除去することができない。

したがって、発生した反射波が、第１の高周波電源装置１’のフィルタを通過して高周波電源装置１’の内部に浸入してしまうので、高周波電源装置内の増幅素子に悪影響を及ぼす。しかも、発生する反射波電力は、場合によっては、出力の３０％程度になることもあるので、その影響は大きい。

一方、第２の高周波電源装置６から見ると、第１周波数の周波数成分を有する反射波が高周波電源装置６側に戻る。しかし、高周波電源装置６に設けられたフィルタは、主となる第２周波数に対する高調波成分を除去するローパスフィルタであるので、第１周波数の周波数成分を除去できる。そのために、第２の高周波電源装置６側は、第１の高周波電源装置１’から出力する第１高周波電力の影響を殆ど受けない。

このように、出力周波数の異なる複数の高周波電源装置が、１つの負荷５に高周波電力を供給しているときには、高い出力周波数の方の高周波電源装置が低い出力周波数の高周波電源装置の影響を受けて反射波が発生する。

次に、反射保護制御について説明する。
上述したように、各種の周波数の反射波が発生するが、反射波が発生すると、伝送線路上で進行波と反射波が合成されて定在波が発生する。このとき、反射波が大きく、定在波のレベルの高い状態で高周波増幅部１６に印加されると、高周波増幅部１６内の増幅素子（例えば、ＦＥＴ、トランジスタ）の最大定格（電力、電圧、電流のいずれか）を超えて、増幅素子が破損する恐れがある。

そのため、高周波増幅部１６内の増幅素子を保護するために、反射波が発生した場合には、高周波出力制御部１５において、反射波のレベルに応じた出力制御を高速で行い、進行波と反射波との合成値を低減させて、結果的に、増幅素子の最大定格を超えないように制御している。すなわち、反射波のレベルに応じて、高周波増幅部１６の出力電力を抑制する制御を行う。
例えば、進行波電力信号Ｐｆに反射波電力信号Ｐｒを加算した電力値が、予め定められた基準値を超えた場合には、高周波増幅部１６内の増幅素子を保護するために、予め定められた基準値を超えた電力値に応じて、高周波増幅部１６の出力を低下させる制御が行われる。すなわち、高周波出力制御部１５において、高周波増幅部１６の出力を抑制する制御が行なわれる。
なお、反射波電力信号Ｐｒが基準値を超えた場合に、基準値を超えた電力値に応じて、高周波増幅部１６の出力を低下させる制御を行うようにしてもよい。
特開２００１−１９７７４９号公報 特開２００３−２１８６５５号公報

高周波電源装置の出力制御として、高周波増幅部１６の出力を高周波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔになるように制御する際には、進行波電力の基本周波数成分、反射波電力の基本周波数成分を用いて制御することが好ましいことが分かってきた。
ところが、上述したように、２つの高周波電源装置を用いる構成の場合は、高い方の周波数の高周波電源装置の方が、低い方の周波数の影響を受けて、基本周波数の周辺に、スプリアス成分の周波数が発生する。
例えば、第１高周波電源装置の出力周波数が、４０ＭＨｚで、第２の出力周波数が２ＭＨｚの場合には、基本周波数である４０ＭＨｚの周辺に、４０−４ＭＨｚ、４０−２ＭＨｚ、４０＋２ＭＨｚ、４０＋４ＭＨｚのような周波数成分が発生する。そのため、高周波電源装置の出力制御の精度に悪影響を及ぼしていた。

そのため、例えば、方向性結合器の出力側にバンドパスフィルタを設けて、可能な限り基本周波数成分（上記の例では、４０ＭＨｚの成分）だけを抽出して、高周波電源装置の出力制御を行うことが考えられえる。

しかし、増幅素子の保護という観点にたって考えると、実際に増幅素子に影響する周波数成分を考える必要がある。すなわち、高周波増幅部１６の出力側にローパスフィルタがあるといっても、基本周波数成分以外にローパスフィルタを通り抜けて、高周波増幅部１６側に戻ってくる周波数成分がある。
例えば、ローパスフィルタは、基本的には、周波数が高くなるほど減衰率が高くなるが、周波数が高くなる過程において減衰率が小さくなる場合があるので、周波数によっては、期待する減衰率が得られないことがある。そのため、高周波増幅部１６と方向性結合器１８との間にローパスフィルタが設けられていても、高調波による反射波が大きい場合は、高周波増幅部１６に影響を及ぼす可能性がある。

そのため、確実に増幅素子を保護するという目的から考えると、基本周波数成分以外の周波数成分を含めて反射波を検出する必要がある。
また、損失Ｐｌｏｓｓを低減させる制御という面でも、基本周波数成分以外の周波数成分を含めて考える必要がある。すなわち、高周波電源装置の出力制御の精度を向上させるためとはいえ、単に方向性結合器の出力側にバンドパスフィルタを設けるという構成にすることはできない。

したがって、本発明は、高周波電源装置の出力制御の精度を向上させるとともに、反射保護制御、損失低減制御にも適した高周波電源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電源装置は、
直流電力を供給する直流電力出力部と、前記直流電力出力部の出力を用いて高周波信号を増幅して出力する高周波増幅部と、前記高周波増幅部と負荷との間に挿入されて前記高周波増幅部から負荷に与えられる進行波電力の情報を含む進行波側信号及び前記負荷で反射された反射波電力の情報を含む反射波側信号を出力する方向性結合器と、前記進行波側信号を前記進行波電力の電力値を示す信号に変換して出力する進行波電力信号出力部と、前記反射波側信号を前記負荷で反射されて前記高周波増幅部に戻る反射波電力の電力値を示す信号に変換して出力する反射波電力信号出力部と、前記高周波増幅部の出力を制御する高周波出力制御部と、を備えた高周波電源装置であって、
前記進行波電力信号出力部は、
前記方向性結合器に接続され、前記進行波側信号のうち基本周波数成分を通過させる進行波側バンドパスフィルタと、
前記進行波側バンドパスフィルタに接続され、前記進行波側バンドパスフィルタの出力を、電力値を示す信号に変換し、第１進行波電力信号として出力する第１進行波電力信号変換部と、
前記方向性結合器に接続され、前記進行波側信号のうち基本周波数よりも周波数が高い高調波成分を除去する進行波側ローパスフィルタと、
前記進行波側ローパスフィルタに接続され、前記進行波側ローパスフィルタの出力を、電力値を示す信号に変換し、第２進行波電力信号として出力する第２進行波電力信号変換部と、
を備えるように構成され、
前記反射波電力信号出力部は、
前記方向性結合器に接続され、前記反射波側信号のうち基本周波数成分を通過させる反射波側バンドパスフィルタと、
前記反射波側バンドパスフィルタに接続され、前記反射波側バンドパスフィルタの出力を、電力値を示す信号に変換し、第１反射波電力信号として出力する第１反射波電力信号変換部と、
前記方向性結合器に接続され、前記反射波側信号のうち基本周波数よりも周波数が高い高調波成分を除去する反射波側ローパスフィルタと、
前記反射波側ローパスフィルタに接続され、前記反射波側ローパスフィルタの出力を、電力値を示す信号に変換し、第２反射波電力信号として出力する第２反射波電力信号変換部と、
を備えるように構成され、
前記高周波出力制御部は、
前記第１進行波電力信号が示す電力値または前記第１進行波電力信号から第１反射波電力信号を減算することによって求まる電力値が、予め定めた基準値と等しくなるように、前記高周波増幅部の出力を制御するとともに、
第２反射波電力信号が示す電力値または前記第２反射波電力信号に第２進行波電力信号を加算することによって求まる電力値が、予め定めた基準値を超えた場合に、前記高周波増幅部の出力を低下させる制御を行うように構成されてい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電源装置は、前記直流電力出力部に関するものであって、
前記直流電力出力部は、
出力電圧レベルが可変可能である直流電力を出力する直流電源部と、
前記直流電源部から出力される直流電力の電力値を測定し、測定した直流電力測定値を出力する直流電力測定部と、
前記直流電力測定値、前記第２進行波電力信号および前記第２反射波電力信号を用いて求められる前記高周波増幅部における損失が、予め定めた基準値を超えた場合に、前記高周波増幅部における損失が予め定めた基準値以下になるように、前記直流電源部から出力する直流電圧レベルを調整する直流電源制御部と、
を備えるように構成された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、前記高周波出力制御部に関するものであって、
前記高周波出力制御部は、
前記直流電力測定値、前記第２進行波電力信号、及び前記第２反射波電力信号を用いて求められる前記高周波増幅部における損失が、予め定めた基準値を超えた場合に、前記高周波増幅部における損失が予め定めた基準値以下になるように、前記高周波増幅部の出力を低下させる制御を行う機能を、更に有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電源装置は、
第１反射波電力信号出力部の出力を表示する表示手段を、さらに備えたことを特徴としている。

本発明によれば、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムにおいて、高周波電源装置１の出力制御の精度を向上させることができるとともに、反射保護、損失制御にも適した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、本発明に係る高周波電源装置１の構成例を示すブロック図である。なお、この図１において、図４と同様のものには同符号を付している。
高周波電源装置１は、直流電力出力部１０、出力電力設定部１４、高周波出力制御部１５、高周波増幅部１６、ローパスフィルタ１７、方向性結合器１８、進行波電力信号出力部３０、反射波電力信号出力部４０および表示部５１、５２，６１、６２によって構成されている。なお、表示部５１、５２，６１、６２は、それぞれ、後述する第１進行波電力信号変換部３１、第２進行波電力信号変換部３３、第１反射波電力信号変換部４１、第２反射波電力信号変換部４３の出力をモニタするために設けられたものである。

また、直流電力出力部１０は、直流電源制御部１１、直流電源部１２および直流電力測定部１３によって構成されている。

また、進行波電力信号出力部３０は、方向性結合器１８に接続され、方向性結合器１８から出力される進行波側信号のうち基本周波数成分を通過させる進行波側バンドパスフィルタ３２と、進行波側バンドパスフィルタ３２に接続され、進行波側バンドパスフィルタ３２の出力を、電力値を示す信号に変換し、第１進行波電力信号Ｐｆ１として出力する第１進行波電力信号変換部３１と、方向性結合器１８に接続され、方向性結合器から出力される進行波側信号を、電力値を示す信号に変換し、第２進行波電力信号Ｐｆ２として出力する第２進行波電力信号変換部３３とによって構成されている。

また、反射波電力信号出力部４０は、方向性結合器１８に接続され、方向性結合器１８から出力される反射波側信号のうち基本周波数成分を通過させる反射波側バンドパスフィルタ４２と、反射波側バンドパスフィルタ４２に接続され、反射波側バンドパスフィルタ４２の出力を、電力値を示す信号に変換し、第１反射波電力信号Ｐｒ１として出力する第１反射波電力信号変換部４１と、方向性結合器１８に接続され、方向性結合器１８から出力される反射波側信号を、電力値を示す信号に変換し、第２反射波電力信号Ｐｒ２として出力する第２反射波電力信号変換部４３とによって構成されている。

高周波出力制御部１５は、出力電力設定値Ｐｓｅｔ（基準値）と高周波増幅部１６から出力される進行波電力（第１進行波電力信号Ｐｆ１）とを比較し、両者が等しくなるように、高周波増幅部１６の出力電力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を行う。
また、高周波出力制御部１５は、例えば、第２進行波電力信号Ｐｆ２に第２反射波電力信号Ｐｒ２を加算した電力値が、基準値を超えた場合には、高周波増幅部１６内の増幅素子を保護するために、基準値を超えた電力値に応じて、高周波増幅部１６の出力を低下させる制御を行う。または、第２反射波電力信号Ｐｒ２が基準値を超えた場合に、基準値を超えた電力値に応じて、高周波増幅部１６の出力を低下させる制御を行うようにしてもよい。
すなわち、高周波出力制御部１５において、高周波増幅部１６の出力を抑制する制御を行う。したがって、高周波出力制御部１５に入力される信号は、図４に示したものと異なるが、機能としては同様であるので、便宜上、図４と同一符号にしている。

このように、図１に示す高周波電源装置１は、図４に示した高周波電源装置１’と比べると、進行波電力信号出力部３０、反射波電力信号出力部４０が相違する構成となっている。そのため、以下では、図４に示した高周波電源装置１’と相違する進行波電力信号出力部３０、反射波電力信号出力部４０を中心に、高周波電源装置１の説明を行う。

（高周波電源装置１の出力制御について）
上述したように、進行波側バンドパスフィルタ３２が、方向性結合器１８と第１進行波電力信号変換部３１との間に設けられているので、第１進行波電力信号変換部３１は、基本周波数成分に基づいた電力値を求めることができる。
また、反射波側バンドパスフィルタ４２が、方向性結合器１８と第１反射波電力信号変換部４１との間に設けられているので、第１反射波電力信号変換部４１は、基本周波数成分に基づいた電力値を求めることができる。
そして、高周波出力制御部１５では、これらの出力に基づいて出力電力を制御する。そのため、進行波電力の基本周波数成分、反射波電力の基本周波数成分を用いて出力電力の制御を行うこと可能となり、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムにおいても、高周波電源装置１の出力制御の精度を向上させることができる。

（反射保護制御について）
また、第２進行波電力信号変換部３３は、従来の進行波電力側の変換部２１と同様に、方向性結合器１８に直接接続される。そのため、従来の進行波電力側の変換部２１と同様に、基本周波数成分だけでなく、その他の周波数成分も含んだ信号が出力される。
また、第２反射波電力信号変換部４３は、従来の反射波電力側の変換部２２と同様に、方向性結合器１８に直接接続される。そのため、従来の反射波電力側の変換部２２と同様に、基本周波数成分だけでなく、その他の周波数成分も含んだ信号が出力される。

そして、第２進行波電力信号変換部３３の出力（第２進行波電力信号Ｐｆ２）、および第２反射波電力信号変換部４３の出力（第２反射波電力信号Ｐｒ２）が高周波出力制御部１５に入力される。そのため、例えば、第２進行波電力信号Ｐｆ２に第２反射波電力信号Ｐｒ２を加算した電力値が、予め定められた基準値を超えた場合には、高周波増幅部１６内の増幅素子を保護するために、予め定められた基準値を超えた電力値に応じて、高周波増幅部１６の出力を低下させる制御が行われる。すなわち、高周波出力制御部１５において、高周波増幅部１６の出力を抑制する制御が行なわれる。
なお、第２反射波電力信号Ｐｒが基準値を超えた場合に、高周波増幅部１６の出力を低下させる制御が行うようにしてもよい。

（損失低減制御について）
また、第２進行波電力信号変換部３３の出力（第２進行波電力信号Ｐｆ２）、第２反射波電力信号変換部４３の出力（第２反射波電力信号Ｐｒ２）、および直流電力測定部１３から出力される直流出力電力Ｐｄｃの測定値が直流電源制御部１１に入力される。直流電源制御部１１では、これらに基づいて損失Ｐｌｏｓｓを演算する。すなわち、従来と同様に、損失Ｐｌｏｓｓを低減させる制御を行うことができる。
この場合、損失Ｐｌｏｓｓは式（３）または式（４）のようにして求めることができる（通常は（３）式を使用することが多い）。そして、この損失Ｐｌｏｓｓが基準値を超えた場合に、損失Ｐｌｏｓｓが基準値以下になるように直流出力電圧Ｖｄｃを調整する。
Ｐｌｏｓｓ＝Ｐｄｃ−（Ｐｆ２−Ｐｒ２） ・・・・・（３）
Ｐｌｏｓｓ＝Ｐｄｃ−Ｐｆ２ ・・・・・（４）

したがって、図１に示した高周波電源装置１によれば、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムにおいて、高周波電源装置１の出力制御の精度を向上させることができるとともに、反射保護制御、損失低減制御にも適した制御を行うことができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明に係る高周波電源装置１の他の構成例を示すブロック図である。
上述した図１の高周波電源装置１では、反射保護、損失Ｐｌｏｓｓを低減させる制御を行なうために、方向性結合器１８と第２進行波電力信号変換部３３の間、および方向性結合器１８と第２反射波電力信号変換部４３の間にフィルタを設けていなかった。

しかし、方向性結合器１８の検出精度の問題で、実際の反射波電力よりも大きな反射を検出してしまう場合がある。例えば、結合度の周波数特性に起因して、基本周波数よりも周波数が高い高調波成分を実際よりも大きく検出してしまう場合がある。このような現象が生じると、過度に反射保護を行うことになる。また、適切な損失Ｐｌｏｓｓを演算することができなくなる。
また進行波側でも、例えば、結合度の周波数特性に起因して、基本周波数よりも周波数が高い高調波成分を実際よりも大きく検出してしまう場合があるので、制御に悪影響を及ぼす。

そこで、このような現象が生じる場合は、図２に示すように、方向性結合器１８と第２進行波電力信号変換部３３との間に進行波側ローパスフィルタ３４を設け、さらに、方向性結合器１８と第２反射波電力信号変換部４３との間に反射波側ローパスフィルタ４４を設けて、問題となる周波数（基本周波数よりも高い周波数）を除去すればよい。もちろん、その状況によっては、進行波側、反射波側のいずれか一方のみにローパスフィルタを設けてもよい。

したがって、図２に示した高周波電源装置１によれば、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムにおいて、高周波電源装置１の出力制御の精度を向上させることができるとともに、方向性結合器１８の検出精度の問題で、実際の反射波電力よりも大きな反射を検出してしまう場合であっても、反射保護制御、損失低減制御にも適した制御を行うことができる。

また、図１、図２に示すように、方向性結合器１８から出力される信号の周波数成分を、制御種類によって適切に選択できるように、フィルタの有無、フィルタ特性を定めることを可能とし、出力制御、反射保護制御、損失低減制御の３つを適切に行わせることができる。
また、フィルタの有無、フィルタ特性による出力の違いを、表示部５１、５２，６１、６２によって確認することが可能となる。

図１は、本発明に係る高周波電源装置１の構成例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１の他の構成例を示すブロック図である。 図３は、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムの接続関係を示すブロック図である。 図４は、従来の高周波電源装置１’の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 高周波電源装置
２ 伝送線路
３ 第１の整合器
４ 負荷接続部
５ 負荷
６ 第２の高周波電源装置
７ 伝送線路
８ 整合器
９ 負荷接続部
１０ 直流電力出力部
１１ 直流電源制御部
１２ 直流電源部
１３ 直流電力測定部
１４ 出力電力設定部
１５ 高周波出力制御部
１６ 高周波増幅部
１７ ローパスフィルタ
１８ 方向性結合器
３０ 進行波電力信号出力部
３１ 第１進行波電力信号変換部
３２ 進行波側バンドパスフィルタ
３３ 第２進行波電力信号変換部
３４ 進行波側ローパスフィルタ
４０ 反射波電力信号出力部
４１ 第１反射波電力信号変換部
４２ 反射波側バンドパスフィルタ
４３ 第２反射波電力信号変換部
４４ 反射波側ローパスフィルタ
５１ 表示部
５２ 表示部
６１ 表示部
６２ 表示部

Claims (4)

1. 直流電力を供給する直流電力出力部と、前記直流電力出力部の出力を用いて高周波信号を増幅して出力する高周波増幅部と、前記高周波増幅部と負荷との間に挿入されて前記高周波増幅部から負荷に与えられる進行波電力の情報を含む進行波側信号及び前記負荷で反射された反射波電力の情報を含む反射波側信号を出力する方向性結合器と、前記進行波側信号を前記進行波電力の電力値を示す信号に変換して出力する進行波電力信号出力部と、前記反射波側信号を前記負荷で反射されて前記高周波増幅部に戻る反射波電力の電力値を示す信号に変換して出力する反射波電力信号出力部と、前記高周波増幅部の出力を制御する高周波出力制御部と、を備えた高周波電源装置であって、
   前記進行波電力信号出力部は、
   前記方向性結合器に接続され、前記進行波側信号のうち基本周波数成分を通過させる進行波側バンドパスフィルタと、
   前記進行波側バンドパスフィルタに接続され、前記進行波側バンドパスフィルタの出力を、電力値を示す信号に変換し、第１進行波電力信号として出力する第１進行波電力信号変換部と、
   前記方向性結合器に接続され、前記進行波側信号のうち基本周波数よりも周波数が高い高調波成分を除去する進行波側ローパスフィルタと、
   前記進行波側ローパスフィルタに接続され、前記進行波側ローパスフィルタの出力を、電力値を示す信号に変換し、第２進行波電力信号として出力する第２進行波電力信号変換部と、
   を備えるように構成され、
   前記反射波電力信号出力部は、
   前記方向性結合器に接続され、前記反射波側信号のうち基本周波数成分を通過させる反射波側バンドパスフィルタと、
   前記反射波側バンドパスフィルタに接続され、前記反射波側バンドパスフィルタの出力を、電力値を示す信号に変換し、第１反射波電力信号として出力する第１反射波電力信号変換部と、
   前記方向性結合器に接続され、前記反射波側信号のうち基本周波数よりも周波数が高い高調波成分を除去する反射波側ローパスフィルタと、
   前記反射波側ローパスフィルタに接続され、前記反射波側ローパスフィルタの出力を、電力値を示す信号に変換し、第２反射波電力信号として出力する第２反射波電力信号変換部と、
   を備えるように構成され、
   前記高周波出力制御部は、
   前記第１進行波電力信号が示す電力値または前記第１進行波電力信号から第１反射波電力信号を減算することによって求まる電力値が、予め定めた基準値と等しくなるように、前記高周波増幅部の出力を制御するとともに、
   第２反射波電力信号が示す電力値または前記第２反射波電力信号に第２進行波電力信号を加算することによって求まる電力値が、予め定めた基準値を超えた場合に、前記高周波増幅部の出力を低下させる制御を行うように構成されていることを特徴とする高周波電源装置。
2. 前記直流電力出力部は、
   出力電圧レベルが可変可能である直流電力を出力する直流電源部と、
   前記直流電源部から出力される直流電力の電力値を測定し、測定した直流電力測定値を出力する直流電力測定部と、
   前記直流電力測定値、前記第２進行波電力信号および前記第２反射波電力信号を用いて求められる前記高周波増幅部における損失が、予め定めた基準値を超えた場合に、前記高周波増幅部における損失が予め定めた基準値以下になるように、前記直流電源部から出力する直流電圧レベルを調整する直流電源制御部と、
   を備えるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の高周波電源装置。
3. 前記高周波出力制御部は、
   前記直流電力測定値、前記第２進行波電力信号、及び前記第２反射波電力信号を用いて求められる前記高周波増幅部における損失が、予め定めた基準値を超えた場合に、前記高周波増幅部における損失が予め定めた基準値以下になるように、前記高周波増幅部の出力を低下させる制御を行う機能を、更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の高周波電源装置。
4. 第１反射波電力信号出力部の出力を表示する表示手段を、さらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高周波電源装置。

Images