JP5231068B2 - 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。

従来の高周波電源装置としては、例えば特許文献１に記載のものが提案されている。
図６は、特許文献１に記載された従来技術の高周波電源装置６の構成図である。この高周波電源装置６は、直流電力出力部５０および高周波電力出力部２０によって構成されている。

まず、高周波電力出力部２０について説明する。
高周波電力出力部２０は、出力電力設定部２１、高周波出力制御部２２、高周波増幅部２３、ローパスフィルタ２４、方向性結合器２５、進行波変換部２６および反射波変換部２７によって構成されている。

高周波増幅部２３は、図示しない発振器、増幅素子等を有し、直流電力出力部５０から出力される直流電力Ｐｄｃを用いて発振器から出力される高周波信号を増幅し、無線周波数帯域の出力周波数を有する高周波電力（進行波電力）を出力するものである。なお、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（例えば、１３ＭＨｚ，４０ＭＨｚ等の周波数）を有する高周波電力を出力している。
また、高周波増幅部２３は、後述する高周波出力制御部２２によって出力が制御される。高周波増幅部２３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２４、方向性結合器２５を介して図略の負荷５に供給される。なお、高周波増幅部２３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。
また、ローパスフィルタ２４の代わりにバンドパスフィルタを用いることがある。また、ローパスフィルタ２４を省略することが可能な場合もある。したがって、ローパスフィルタ２４は、必須の構成要件ではない。

ここで、高周波増幅部２３の回路構成を説明する。
図７は、高周波増幅部２３の一例であるＦＥＴを用いたプッシュプル方式の増幅回路構成及び高周波増幅部２３とローパスフィルタ２４、方向性結合器２５等との接続関係を示す図である。なお、出力電力設定部２１、高周波出力制御部２２等は、ここでは省略している。

図７に示した高周波増幅部２３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Ｔ１２ａ及び他方巻線Ｔ１２ｂ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Ｔ２１ａ及び他方巻線Ｔ２２ｂ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。

プッシュプル回路については公知であるため、その動作を簡単に説明する。
第１トランスＴ１の１次巻線Ｔ１１側に発振器から出力される発振信号Ｖｉｎ（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Ｔ１２ａ及び他方巻線Ｔ１２ｂにおいて互いに逆相の電圧が生じる。これらの電圧により、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Ｔ２１ａと他方巻線Ｔ２１ｂとの間には、後述する直流電源部５３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の出力電圧Ｖｄｓ１（ドレイン、ソース間電圧）は、この直流電源電圧Ｖｄｃをその振幅波形の中心とした電圧として第２トランスＴ２の１次巻線側に誘起する。

第２トランスＴ２の２次巻線側には、高周波電力に相当する交流電力が誘起する。この高周波電力は、ローパスフィルタ２４、方向性結合器２５を介して負荷５に供給される。この際、ローパスフィルタ２４によって、高調波が除去されて、波形歪が改善される。

図８は、複数の増幅回路を用いて高周波増幅部２３を構成する一例である。
図７では、一組の増幅回路により高周波増幅部２３を構成するとしたが、図８に示すように、高周波増幅部２３を複数の増幅回路により構成する場合もある。

この例では、図示しない直流電源部５３の直流電源電圧Ｖｄｃを電源電圧として動作する複数の増幅回路２３ａ１〜２３ａ４と、図示しない発振器から与えられる高周波信号Ｖｉｎを増幅回路２３ａ１〜２３ａ４に分配して入力するパワー分配器２３ｂと、高周波増幅部２３ａ１〜２３ａ４の出力を合成して負荷５に与えるパワー合成器２３ｃとにより高周波増幅部２３が構成されている。

なお、この図８では、ローパスフィルタ２４および方向性結合器２５の図示を省略している。また、パワー合成器２３ｃにインダクタやコンデンサを用いる回路の場合は、パワー合成器２３ｃに高調波を減衰する機能を持たせることが可能であるので、高周波増幅部２３の中にフィルタ部の機能を持たすことができる。

図６に戻り説明を続ける。
方向性結合器２５は、高周波増幅部２３と負荷との間に挿入されて、高周波増幅部２３から出力される進行波電力の情報を含む進行波側信号及び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ものである。

進行波変換部２６は、進行波側信号を進行波電力の電力値を示す進行波電力信号Ｐｆに変換して出力する。すなわち、方向性結合器２５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。

反射波変換部２７は、反射波側信号を反射波電力の電力値を示す反射波電力信号Ｐｒに変換して出力する。すなわち、方向性結合器２５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２２は、進行波電力信号Ｐｆが示す電力値が、出力電力設定部２１によって予め設定された出力電力設定値Ｐｓｅｔと等しくなるように、高周波増幅部の出力を制御する。これにより、高周波増幅部から出力される進行波電力が一定になるように制御される。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し、変更も可能である。
また、高周波出力制御部２２は、検出した反射波のレベルに応じて高周波増幅部２３の出力電力を抑制する制御（反射保護制御）を行う。

次に、直流電力出力部５０について説明する。
直流電力出力部５０は、直流電圧演算部５１、直流電源制御部５２、直流電源部５３および直流検出部５４によって構成されている。

直流電源部５３は、出力電圧値が可変可能であり、その出力電圧値を可変することによって出力する直流電力を調整できるものである。直流電源部５３から出力された直流電力Ｐｄｃは、直流検出部５４を介して高周波増幅部２３に供給される。

直流検出部５４は、直流電源部５３の出力電圧（以下、直流電源電圧Ｖｄｃという）の電圧値（出力電圧値）を検出し、検出した出力電圧値に対応する直流電圧検出信号Ｖｄｃ（便宜上、直流電源電圧Ｖｄｃと同一符号を用いる）を出力する。

直流電圧演算部５１は、高周波増幅部２３の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形を歪ませることなく、且つ出力電圧波形の振幅が最大となるように、予め定められた特性グラフ又は特性関数等に基づいて、出力電力設定部２１において設定された出力電力設定値Ｐｓｅｔに対応する直流電源電圧Ｖｄｃの設定値Ｖｓｅｔ（以下、直流電圧設定値Ｖｓｅｔという）を演算する。すなわち、出力電力設定値Ｐｓｅｔによって直流電源電圧Ｖｄｃの設定値Ｖｓｅｔが定まる。

直流電源制御部５２は、直流電圧検出信号Ｖｄｃに対応する電圧値が直流電圧演算部５１から出力される直流電圧設定値Ｖｓｅｔに等しくなるように直流電源部５３を制御する。

上記構成によれば、負荷に供給する進行波電力が出力電力設定値Ｐｓｅｔと等しくなるように制御されつつ、高周波増幅部２３から出力される高周波電力の電圧成分の波形に波形歪が生じない範囲で、高周波増幅部２３における損失を低減させて直流電力から高周波電力への変換効率を高めることができる。

なお、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、式（１）を使用することが多い）。なお、式（１）または式（２）において、「Ｐｄｃ」は直流電源部５３から出力された直流電力値、「Ｐｆ」は進行波電力の電力値、「Ｐｒ」は反射波電力の電力値を示す。これらは、便宜上、上述した信号名等と同一符号を用いている。
Ｐｌｏｓｓ＝Ｐｄｃ−（Ｐｆ−Ｐｒ） ・・・・・（１）
Ｐｌｏｓｓ＝Ｐｄｃ−Ｐｆ ・・・・・（２）

上記技術内容を図９を参照して説明する。
図９は、従来技術の高周波電源装置６を使用したときの直流電源電圧Ｖｄｃおよび増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１を示す図であって、同図（ａ）は、高周波増幅部２３から出力される高周波電力値が小レベルの場合、同図（ｂ）は、高周波増幅部２３から出力される高周波電力値が中レベルの場合、同図（ｃ）は、高周波増幅部２３から出力される高周波電力値が大レベルの場合の一例を示したものである。なお、図９では増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の正の半波波形を直流電源電圧Ｖｄｃのラインから負側に折り返し、その折り返し波形が破線で示されている。

この図９に示すように、従来技術では、高周波増幅部２３から出力される高周波電力値の大きさに合わせて、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅を変化させるとともに、直流電源電圧Ｖｄｃの大きさを増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅の略０．５倍とすることで、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の最小値が略０Ｖになるようにしている。そのために、Ｖｄｓ１に波形歪を生じさせることなく、且つ増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅を最大にすることができる。
また、高周波増幅部２３の一部を構成する増幅素子の出力は、通常、増幅素子の後段にあるトランスを介して出力されるため、高周波増幅部２３の出力電圧としては、直流電源電圧Ｖｄｃの成分がなくなって、０Ｖを中心とした波形歪のない交流波形となる。

なお、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、増幅部での損失電力が少なく変換効率が高いことを示す。図９は、直流電源電圧Ｖｄｃの波形図であるために、図中のハッチング部分が損失電力を直接示すものではないが、ハッチング部分が多いほど、損失電力が多いことを示す。すなわち、高周波増幅部２３の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形に波形歪が生じない範囲では、直流電源電圧Ｖｄｃの大きさを増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅の略０．５倍とした場合に、変換効率が最も高くなる。

特開２００１−１９７７４９号公報

図１０は、直流電圧設定値Ｖｓｅｔが一定の場合における、反射係数と損失との関係の一例を示す図である。図１１は、直流電圧設定値Ｖｓｅｔが一定の場合における、反射係数と出力できる進行波電力の最大値との関係の一例を示す図である。なお、図１０、図１１とも、定格の最大値が３０００Ｗの高周波電源装置を用い、進行波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔを３０００Ｗにした場合のものである。

また、図１０、図１１とも、円の中心点が、反射係数の絶対値｜Γ｜＝「０」であり、円の外周部分が、反射係数の絶対値｜Γ｜＝「１」となっている。そして、円の中心点から０．１間隔で円状に補助線が描かれている。また、反射係数の位相は、円の中心点から右方向に伸びる線上を０度として、図示するように、０〜１８０度、０〜−１８０度で表される。そして、３０度間隔で補助線が描かれている。
また、図１０に示す等高線は、損失の大きさを示すものであり、等高線上の数値は、電力値（単位：Ｗ）である。図１１に示す等高線は、出力できる進行波電力の最大値を示すものであり、等高線上の数値は、電力値（単位：Ｗ）である。すなわち、図１０、図１１は、負荷インピーダンスを反射係数の絶対値と位相とで表した図に、損失及び進行波電力の最大値の関係を図示したものである。

この図１０、図１１から分かるように、従来技術の高周波電源装置６では、直流電圧設定値Ｖｓｅｔが一定の場合、反射係数によって損失が異なる。そのため、反射係数によって出力できる最大電力が異なる。

この理由を説明する。
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２３に印加されると、高周波増幅部２３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２３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２２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２３の出力電力を抑制する「反射保護制御」を行っている。

そのために、出力電力（進行波電力）が大きくなるに従い、また、反射波が大きくなるに従い進行波と反射波との合成値が大きくなるが、仮に同じ出力電力（進行波電力）であれば、反射係数の絶対値が大きくなるほど、反射保護制御によって進行波電力を抑制する度合いが強くなる。

また、図１０に示すように、反射係数の絶対値が同じであっても、位相によって損失が異なるということは、たとえ反射係数の絶対値が同じであっても、位相によって反射波電力が異なるということである。すなわち、反射保護制御の関係上、反射係数によって出力できる進行波電力の最大値が異なることになる。

さて、近年ではより広い領域において、所望の進行波電力を出力できる能力が要望されている。例えば、これまでは、反射係数の絶対値が０．３以下の領域で所望の進行波電力を出力できればよいとされていたが、近年では、反射係数の絶対値が０．４以下の領域で所望の進行波電力を出力できる能力が要望されている。

ところが、従来技術の高周波電源装置６では、上述したように、予め定められた特性グラフ又は特性関数等に基づいて、出力電力設定部２１において設定された出力電力設定値Ｐｓｅｔに対する直流電圧設定値Ｖｓｅｔを演算している。そのため、たとえ反射係数が異なっても、出力電力設定値Ｐｓｅｔが同じであれば、直流電圧設定値Ｖｓｅｔは同じである。すなわち、図１０、図１１に示した関係になり、反射係数によって出力できる進行波電力の最大値が異なってしまう。このような状態において、所望の進行波電力を出力しようとした場合、定格よりも小さい出力であれば、当然ながら、広い領域（例えば、反射係数の絶対値が０．４以下）においても、所望の進行波電力を出力できる。

しかしながら、高周波電源装置６の定格の最大値、または定格の最大値付近の進行波電力を出力しようとすると、図１１のようになり、同じ反射係数の絶対値であっても、所望の進行波電力が出力できる領域と、所望の進行波電力が出力できず、電力が不足している領域が生じる。電力が不足している領域は、例えば、図１１の「Ａ」部分である。
この「Ａ」部分は、図１０を参照すると、損失が多い（損失が大きい）領域である。そのため、「Ａ」部分において電力が不足する原因は、高周波電源装置６の特性上やむを得ないという面もあるが、直流電圧設定値Ｖｓｅｔが適切でないからと考えられる。この場合、図９の関係を用いて説明すると、図１０、図１１の測定データを得たときの直流電圧設定値Ｖｓｅｔは、「Ａ」部分では大きすぎるということになる。
換言すれば、直流電圧設定値Ｖｓｅｔが一定であるので、「Ａ」部分では、高周波増幅部２３の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅が、損失の少ない領域よりも小さいことが考えられる。その結果、損失が大きくなり、ひいては、電力が不足することになると考えられる。そのため、このような領域では、直流電圧設定値Ｖｓｅｔを小さくして、損失を低減させる必要がある。

また、損失が少ない（損失が小さい）にも関わらず、所望の進行波電力が出力できず、電力が不足している領域がある。電力が不足している領域は、例えば、図１１の「Ｂ」部分である。
この「Ｂ」部分は、図１０を参照すると、損失が少ない領域である。そのため、「Ｂ」部分において電力が不足する原因は、高周波電源装置６の特性上やむを得ないという面もあるが、直流電圧設定値Ｖｓｅｔが適切でないからと考えられる。
この場合、図９の関係を用いて説明すると、図１０、図１１の測定データを得たときの直流電圧設定値Ｖｓｅｔは、「Ｂ」部分では小さするということになる。
換言すれば、直流電圧設定値Ｖｓｅｔが一定であるので、「Ｂ」部分では、高周波増幅部２３の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の（本来の）振幅が、損失の多い領域よりも大きいことになる。その結果、損失が少なくなっていると考えられる。
さらに詳述すると、直流電圧設定値Ｖｓｅｔを小さくしていくと、損失は小さくなっていく。ところが、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅の略０．５倍よりも直流電圧設定値Ｖｓｅｔが小さくなると、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形が歪んでくる。そうなると、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅が、本来の振幅よりも小さくなるので、所望の進行波電力が出力できない状態になってしまう。「Ｂ」部分では、このような状態になっていると考えられる。

したがって、直流電圧設定値Ｖｓｅｔは、出力電力設定値Ｐｓｅｔによって一律に決めればよいというものではなく、反射係数によって適正値が異なる。その結果、従来の高周波電源装置６では、所望の進行波電力を出力できる領域を広げることができない。

上述したように、従来の高周波電源装置６では、直流電圧設定値Ｖｓｅｔが適正でないために、所望の進行波電力を出力できる領域を広げることができない。

従来の高周波電源装置でも、定格の大きな高周波電源装置を用いれば、当然ながら、より広い領域（例えば、反射係数の絶対値が０．４以内）において、所望の進行波電力を出力できるが、大型化およびコストの増大を招く。これらの問題は、非常に重要であるため、実質上、単に定格の大きな高周波電源装置にするということはできない。

本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、大型化およびコストの増大を招くことなく、従来よりも広い領域において所望の進行波電力を出力できる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、
直流電力を出力する直流電力出力部と、
前記直流電力出力部から出力される直流電力を用いて高周波信号を増幅し、進行波電力と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出力さ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進行波電力信号に変換して出力する進行波変換部と、
前記進行波電力信号が示す電力値が、予め設定された出力電力設定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高周波出力制御部と、
を備え、
前記直流電力出力部が、
出力電圧値が可変可能であり、その出力電圧値を可変することによって出力する直流電力を調整できる直流電源部と、
前記直流電源部の出力電圧値を検出し、検出した出力電圧値に対応する直流電圧検出信号を出力する直流検出部と、
前記進行波側信号および前記反射波側信号に基づいて、反射係数の絶対値及び位相のうち、少なくとも位相を演算する反射係数演算部と、
反射係数を位相で分割した複数の分割領域において、所望の反射係数の絶対値内で、前記高周波増幅部から出力される進行波電力を所望の電力値まで出力できるように設定された前記直流電源部の目標電圧値が前記分割領域毎に記憶されており、前記反射係数演算部によって演算された反射係数に対応する前記分割領域に記憶されている目標電圧値に対応する目標電圧信号を出力する目標電圧設定部と、
前記直流電圧検出信号に対応する電圧値が、前記目標電圧信号に対応する目標電圧値に等しくなるように、前記直流電源部の出力電圧値を制御する直流電源制御部と、
によって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、
直流電力を出力する直流電力出力部と、
前記直流電力出力部から出力される直流電力を用いて高周波信号を増幅し、進行波電力と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出力さ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進行波電力信号に変換して出力する進行波変換部と、
前記進行波電力信号が示す電力値が、予め設定された出力電力設定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高周波出力制御部と、
を備え、
前記直流電力出力部が、
出力電圧値が可変可能であり、その出力電圧値を可変することによって出力する直流電力を調整できる直流電源部と、
前記直流電源部の出力電圧値を検出し、検出した出力電圧値に対応する直流電圧検出信号を出力する直流検出部と、
前記進行波側信号および前記反射波側信号に基づいて、反射係数の絶対値及び位相のうち、少なくとも位相を演算する反射係数演算部と、
反射係数を絶対値及び位相で分割した複数の分割領域において、所望の反射係数の絶対値内で、前記高周波増幅部から出力される進行波電力を所望の電力値まで出力できるように設定された前記直流電源部の目標電圧値が前記分割領域毎に記憶されており、前記反射係数演算部によって演算された反射係数に対応する前記分割領域に記憶されている目標電圧値に対応する目標電圧信号を出力する目標電圧設定部と、
前記直流電圧検出信号に対応する電圧値が、前記目標電圧信号に対応する目標電圧値に等しくなるように、前記直流電源部の出力電圧値を制御する直流電源制御部と、
によって構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、反射係数の相違を考慮し、反射係数に適した目標電圧値を設定することが可能となる。そのため、大型化およびコストの増大を招くことなく、従来技術よりも広い領域において所望の進行波電力を出力できるようになる。

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、半導体ウエ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５で構成されている。なお、インピーダンス整合器３を用いない構成にしてもよい。

高周波電源装置１は、発振器から出力される高周波信号を増幅し、無線周波数帯域の出力周波数を有する高周波電力（進行波電力）を出力して負荷５に供給するための装置である。なお、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整合器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。なお、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（例えば、１３ＭＨｚ，４０ＭＨｚ等の周波数）を有する高周波電力を出力している。

インピーダンス整合器３は、高周波電源装置１と負荷５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５側を見たインピーダンスを５０Ωに変換させるものである。

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６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。

図２は、本発明の高周波電源装置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、直流電力出力部１０および高周波電力出力部２０によって構成されている。なお、この図２において、図６と同様のものには同符号を付している。

まず、高周波電力出力部２０について説明する。
高周波電力出力部２０は、出力電力設定部２１、高周波出力制御部２２、高周波増幅部２３、ローパスフィルタ２４、方向性結合器２５、進行波変換部２６および反射波変換部２７によって構成されている。この高周波電力出力部２０は、図６に示した構成と同様であるので、説明を省略する。

次に、直流電力出力部１０について説明する。
直流電力出力部１０は、目標電圧設定部１１、直流電源制御部１２、直流電源部１３、直流検出部１４および反射係数演算部１５によって構成されている。

直流電源部１３は、出力電圧値が可変可能であり、その出力電圧値を可変することによって出力する直流電力を調整できるものである。直流電源部１３から出力された直流電力Ｐｄｃは、直流検出部１４を介して高周波増幅部２３に供給される。

直流検出部１４は、直流電源部１３の出力電圧（以下、直流電源電圧Ｖｄｃという）の電圧値（出力電圧値）を検出し、検出した出力電圧値に対応する直流電圧検出信号Ｖｄｃ（便宜上、直流電源電圧Ｖｄｃと同一符号を用いる）を出力する。

反射係数演算部１５は、方向性結合器２５から出力される進行波側信号および反射波側信号に基づいて、反射係数の絶対値及び位相のうち、少なくとも位相を演算する。

目標電圧設定部１１は、反射係数と電圧値との対応関係が記憶されているとともに、反射係数演算部によって演算された反射係数に対応する電圧値を目標電圧値として設定し、この目標電圧値Ｔｄｃに対応する目標電圧信号Ｔｄｃ（便宜上、目標電圧値Ｔｄｃと同一符号を用いる）を出力する。この目標電圧設定部１１については、後述する。

直流電源制御部１２は、直流電圧検出信号Ｖｄｃに対応する電圧値が、目標電圧信号Ｔｄｃに対応する電圧値に等しくなるように、直流電源部１３の出力電圧値を制御する。

上記構成によれば、負荷に供給する進行波電力が出力電力設定値Ｐｓｅｔと等しくなるように制御されつつ、直流電源部１３の出力電圧（直流電源電圧Ｖｄｃ）を、反射係数に適した目標電圧値Ｔｄｃになるように制御することが可能となる。そのため、大型化およびコストの増大を招くことなく、従来技術よりも広い領域において所望の進行波電力を出力できるようになる。

次に、上述した目標電圧設定部１１について詳述する。
図３は、目標電圧設定部１１に記憶されている反射係数と電圧値との対応関係の一例を示す図である。この図３において、同図（ａ）は、反射係数の領域を、反射係数の位相で表した図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示された領域に対応した電圧値を記憶したテーブルを示す。
また、図３（ａ）は、円の中心点が、反射係数の絶対値｜Γ｜＝「０」であり、円の外周部分が、反射係数の絶対値｜Γ｜＝「１」となっている。そして、円の中心点から右方向に伸びる線上を０度として、図示するように、反射係数の位相が、０〜１８０度、０〜−１８０度で表される。そして、３０度間隔で領域を定める補助線が描かれている

そして、それぞれの領域に対して適した目標電圧値を設定することで、従来技術よりも広い領域において所望の進行波電力を出力できるようにしている。

なお、この図３では、反射係数の位相のみによって領域を設定している。これは、図１０、図１１から分かるように、概略的には、位相の違いによって特性が異なることを利用しようとしているからである。すなわち、所望の反射係数の絶対値内（例えば、反射係数の絶対値が０．４以下）において、所望の高周波電力（進行波電力）を出力させることを目的としているので、目標電圧値Ｔｄｃを適切に設定する必要性が高い領域は、所望の進行波電力を出力させたい領域の外側付近（反射係数の絶対値の大きい側。例えば、反射係数の絶対値が０．４の付近）となり、その付近に照準を合わせて、目標電圧値Ｔｄｃを設定すればよい。そのため、位相によって領域を設定するだけでも十分効果があるからである。また、反射係数の位相のみによって領域を設定しているので、目標電圧値Ｔｄｃを設定する作業工数が少なくて済む。

図４は、目標電圧設定部１１に記憶されている反射係数と電圧値との対応関係の他の一例を示す図である。この図４において、同図（ａ）は、反射係数の領域を、反射係数の絶対値と位相とで表した図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示された領域に対応した電圧値を記憶したテーブルを示す。
また、図４（ａ）は、円の中心点が、反射係数の絶対値｜Γ｜＝「０」であり、円の外周部分が、反射係数の絶対値｜Γ｜＝「１」となっている。そして、円の中心点から０．４までの領域において０．２間隔で円状に領域を定める補助線が描かれている。また、反射係数の位相は、円の中心点から右方向に伸びる線上を０度として、図示するように、０〜１８０度、０〜−１８０度で表される。そして、３０度間隔で領域を定める補助線が描かれている。

そして、それぞれの領域に対して適した目標電圧値Ｔｄｃを設定することで、従来技術よりも広い領域において所望の進行波電力を出力できるようにしている。
なお、図４（ｂ）に示した領域以外、すなわち、所望の進行波電力を出力させたい領域でない領域（例えば、反射係数の絶対値が０．４超）の目標電圧値Ｔｄｃは、例えば、従来技術と同様の方法によって定めればよい。または、同じ位相で、所望の進行波電力を出力させたい領域の外側付近と同じ目標電圧値Ｔｄｃを採用すればよい。例えば、反射係数の絶対値が０．６で、位相が４０度の場合は、反射係数の絶対値が０．４で、位相が４０度の場合と同じ目標電圧値Ｔｄｃを採用すればよい。この理由は、上述した図３で説明したように、目標電圧値Ｔｄｃを適切に設定する必要性が高い領域は、所望の進行波電力を出力させたい領域の外側付近だからである。

なお、図３、図４に示した反射係数と電圧値との対応関係に限定されるものではなく、他の反射係数と電圧値との対応関係を設定することも可能である。例えば、図３、図４では、位相を３０度間隔にして領域を設定する例を示したが、１０度間隔にしてもよい。このように、領域を細分化させることによって、制御の精度は向上するが、その分、目標電圧値Ｔｄｃを設定する作業工数が増加するので、実情に合わせて領域を設定すればよい。

次に、反射係数と電圧値との対応関係を定める方法について説明する。
図５は、反射係数と電圧値との対応関係を定める場合の高周波電源装置１ａの構成を示す図である。まず、この図５に示す高周波電源装置１ａと図２に示した高周波電源装置１との違いを説明する。

（１）高周波電源装置１ａは、実際の負荷ではなく、任意のインピーダンスに設定できるダミーロード７に接続させている。
（２）直流検出部１４が、直流電源部１３の出力電圧（直流電源電圧Ｖｄｃ）を検出するだけでなく、直流電源部１３から出力される直流電力Ｐｄｃを検出し、検出した直流電力に対応する直流電力信号Ｐｄｃ（便宜上、直流電力Ｐｄｃと同一符号を用いる）を出力する機能が追加されている。
更に説明すると、この直流検出部１４は、直流電源部１３の出力電圧（直流電源電圧Ｖｄｃ）を検出する電圧検出部１４ａと、直流電源部１３の出力電流Ｉｄｃを検出する電流検出部１４ｂとを備え、両者の出力に基づいて直流電力Ｐｄｃを演算（Ｐｄｃ＝Ｖｄｃ×Ｉｄｃ）できるようになっている。
（３）損失演算部１６が追加されている。
損失演算部１６は、直流電力信号Ｐｄｃ、進行波電力信号Ｐｆおよび反射波電力信号Ｐｒを用いて高周波増幅部２３における損失Ｐｌｏｓｓを演算し、演算した損失Ｐｌｏｓｓに対応する損失演算信号Ｐｌｏｓｓ（便宜上、損失Ｐｌｏｓｓと同一符号を用いる）を出力する。なお、損失Ｐｌｏｓｓは、上述した式（１）または式（２）のようにして求めることができる（通常は、式（１）を使用することが多い）。
（４）目標電圧設定部１１の代わりに、任意の電圧値を直流電源制御部１２に入力できるようになっている。また、直流電源制御部１２は、直流電圧検出信号Ｖｄｃに対応する電圧値が、入力された電圧値に等しくなるように、直流電源部１３の出力電圧値を制御するように機能する。
（５）反射係数演算部１５の出力をモニタ３１で表示でき、損失演算部１６の出力をモニタ３２で表示でき、進行波変換部２６の出力Ｐｆをモニタ３３で表示できるようになっている。

上記のように構成した上で、以下のような手順で反射係数と電圧値との対応関係を定める。

ステップ１：図３、図４に示したような複数に分割された領域のうちの１つが示す反射係数になるように、ダミーロード７のインピーダンスを調整する。ただし、所望の反射係数の領域内（例えば、反射係数の絶対値が０．４以下）において、所望の高周波電力（進行波電力）を出力することを目的としているので、ここでは、所望の反射係数の絶対値内にする必要がある。

ステップ２：高周波増幅部から所望の進行波電力を出力させる。なお、このステップは、上記ステップ１で行なってもよい。また、直流電源制御部１２に入力する目標電圧値の初期値は、予め定めておく。

ステップ３：反射係数演算部１５の出力をモニタ３１で確認し、反射係数演算部１５で演算された反射係数が、設定しようとする反射係数の領域内に入っていない場合は、ステップ１に戻り、ダミーロード７のインピーダンスを調整し直す。そして、設定しようとする反射係数になれば、ステップ４に進む。

ステップ４：損失演算部１６の出力をモニタ３２で確認するとともに、進行波変換部２６の出力Ｐｆをモニタ３３で確認する。
このとき、損失が多く、且つ所望の進行波電力が出力されていない場合は、所望の進行波電力が出力されるまで、直流電源制御部１２に入力する電圧値を下げる。そして、所望の進行波電力が出力されたときの電圧値を、その領域での目標電圧値とする。
また、損失が少ないにも関わらず、且つ所望の進行波電力が出力されていない場合は、所望の進行波電力が出力されるまで、直流電源制御部１２に入力する電圧値を上げる。そして、所望の進行波電力が出力されたときの電圧値を、その領域での目標電圧値とする。

ステップ５：ステップ１〜ステップ４を繰り返して、複数に分割された領域の全てについて、目標電圧値Ｔｄｃを求める。これにより、図３、図４に示したような反射係数と電圧値との対応関係を定めることができる。

なお、上記ステップ３において、ダミーロード７のインピーダンスを調整することにより設定する反射係数は、複数に分割されたそれぞれの領域で、反射係数の絶対値の大きい側の境界付近に合わせるのが好ましい。この理由は、上述したように、目標電圧値Ｔｄｃを適切に設定する必要性が高い領域が、所望の進行波電力を出力させたい領域の外側付近（反射係数の絶対値の大きい側）であるからである。

また、図５に示す高周波電源装置１ａの構成は一例であり、他の構成で反射係数と電圧値との対応関係を定めてもよい。例えば、直流電力出力部１０の代わりに、直流電力を出力できる装置（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ）を用いればよい。

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。例えば、高周波増幅部２３を構成する回路としてプッシュプル回路を用いたが、フルブリッジ方式の増幅回路やハーフブリッジ方式の増幅回路にも適用できる。

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。 図２は、本発明の高周波電源装置１の構成を示す図である。 図３は、目標電圧設定部１１に記憶されている反射係数と電圧値との対応関係の一例を示す図である。 図４は、目標電圧設定部１１に記憶されている反射係数と電圧値との対応関係の他の一例を示す図である。 図５は、反射係数と電圧値との対応関係を定める場合の高周波電源装置１ａの構成を示す図である。 図６は、特許文献１に記載された従来技術の高周波電源装置６の構成図である。 図７は、高周波増幅部２３の一例であるＦＥＴを用いたプッシュプル方式の増幅回路構成及び高周波増幅部２３とローパスフィルタ２４、方向性結合器２５等との接続関係を示す図である。 図８は、複数の増幅回路を用いて高周波増幅部２３を構成する一例である。 図９は、従来技術の高周波電源装置６を使用したときの直流電源電圧Ｖｄｃおよび増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１を示す図である。 図１０は、直流電圧設定値Ｖｓｅｔが一定の場合における、反射係数と損失との関係の一例を示す図である。 図１１は、直流電圧設定値Ｖｓｅｔが一定の場合における、反射係数と出力できる進行波電力の最大値との関係の一例を示す図である。

符号の説明

１ 高周波電源装置
２ 伝送線路
３ インピーダンス整合器
４ 負荷接続部
５ 負荷
１０ 直流電力出力部
１１ 目標電圧設定部
１２ 直流電源制御部
１３ 直流電源部
１４ 直流検出部
１５ 反射係数演算部
２０ 高周波電力出力部
２１ 出力電力設定部
２２ 高周波出力制御部
２３ 高周波増幅部
２４ ローパスフィルタ
２５ 方向性結合器
２６ 進行波変換部
２７ 反射波変換部

Claims (2)

1. 直流電力を出力する直流電力出力部と、
   前記直流電力出力部から出力される直流電力を用いて高周波信号を増幅し、進行波電力と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出力さ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進行波電力信号に変換して出力する進行波変換部と、
   前記進行波電力信号が示す電力値が、予め設定された出力電力設定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高周波出力制御部と、
   を備え、
   前記直流電力出力部が、
   出力電圧値が可変可能であり、その出力電圧値を可変することによって出力する直流電力を調整できる直流電源部と、
   前記直流電源部の出力電圧値を検出し、検出した出力電圧値に対応する直流電圧検出信号を出力する直流検出部と、
   前記進行波側信号および前記反射波側信号に基づいて、反射係数の絶対値及び位相のうち、少なくとも位相を演算する反射係数演算部と、
   反射係数を位相で分割した複数の分割領域において、所望の反射係数の絶対値内で、前記高周波増幅部から出力される進行波電力を所望の電力値まで出力できるように設定された前記直流電源部の目標電圧値が前記分割領域毎に記憶されており、前記反射係数演算部によって演算された反射係数に対応する前記分割領域に記憶されている目標電圧値に対応する目標電圧信号を出力する目標電圧設定部と、
   前記直流電圧検出信号に対応する電圧値が、前記目標電圧信号に対応する目標電圧値に等しくなるように、前記直流電源部の出力電圧値を制御する直流電源制御部と、
   によって構成されていることを特徴とする高周波電源装置。
2. 直流電力を出力する直流電力出力部と、
   前記直流電力出力部から出力される直流電力を用いて高周波信号を増幅し、進行波電力と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出力さ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進行波電力信号に変換して出力する進行波変換部と、
   前記進行波電力信号が示す電力値が、予め設定された出力電力設定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高周波出力制御部と、
   を備え、
   前記直流電力出力部が、
   出力電圧値が可変可能であり、その出力電圧値を可変することによって出力する直流電力を調整できる直流電源部と、
   前記直流電源部の出力電圧値を検出し、検出した出力電圧値に対応する直流電圧検出信号を出力する直流検出部と、
   前記進行波側信号および前記反射波側信号に基づいて、反射係数の絶対値及び位相のうち、少なくとも位相を演算する反射係数演算部と、
   反射係数を絶対値及び位相で分割した複数の分割領域において、所望の反射係数の絶対値内で、前記高周波増幅部から出力される進行波電力を所望の電力値まで出力できるように設定された前記直流電源部の目標電圧値が前記分割領域毎に記憶されており、前記反射係数演算部によって演算された反射係数に対応する前記分割領域に記憶されている目標電圧値に対応する目標電圧信号を出力する目標電圧設定部と、
   前記直流電圧検出信号に対応する電圧値が、前記目標電圧信号に対応する目標電圧値に等しくなるように、前記直流電源部の出力電圧値を制御する直流電源制御部と、
   によって構成されていることを特徴とする高周波電源装置。

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