JP5398058B2 - 高周波電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置等の負荷に供給する高周波電力を発生する高周波電源装置に関するものである。

半導体への微細加工を行なうプラズマ処理装置などの負荷に電力を供給するために、高周波電源装置が用いられている。図４は高周波電源装置の基本的な構成を示したもので、同図において、１は高周波信号を発生する高周波発生部、２は高周波発生部１から得られる高周波信号を増幅する電力増幅部、３は電力増幅部の出力の一部を分波して進行波電力の情報を含む進行波検出信号を出力する高周波検出部である。また４は高周波検出部から得られる進行波検出信号から不要な周波数成分を除去するフィルタ、５はフィルタ４の出力を検波して進行波検出信号のレベルを検出するレベル検出部、６はレベル検出部５により検出された進行波検出信号のレベルとレベル設定部７により設定された設定レベルとの比較演算を行って、その演算結果に基づいて、電力増幅部２から出力される進行波電力を設定値に保つように、高周波発生部１の出力レベルを制御するレベル制御部である。

この高周波電源装置においては、高周波検出部３、レベル検出部５、レベル設定部７及びレベル制御部６により、電力増幅部２から負荷に与えられる進行波電力を設定値に保つように高周波発生部１の出力レベルを制御するＡＬＣ制御（Auto Level Control)を行う制御部が構成されている。この種の電源装置は、例えば、特許文献１ないし３に示されている。

この種の高周波電源装置においては、高周波電力が高い純度を有している（不要な周波数成分を含まない）ことが要求される。そのため、高周波発生部１から電力増幅部２の出力段に至るまでの各ステージに各種の高周波フィルタを配置して、電力増幅部で発生する不要な周波数成分（スプリアス成分）を除去している。電力増幅部２の出力側には、該増幅部から負荷に与える電力から高調波成分を除去するためのローパスフィルタが設けられている。また高周波電源装置の出力と負荷との間にインピーダンス整合装置を設けて、定常状態にある負荷に対してインピーダンスの整合をとることにより、負荷で反射波電力が発生するのを防いでいる。従って、負荷が定常状態にあるときには、電力増幅部２から負荷に与えられる進行波電力のレベルが安定に保たれ、負荷で反射されて高周波電力増幅部に戻る反射波電力は最小となっている。

しかしながら、プラズマ処理装置などの負荷の起動時には、負荷のインピーダンスが非線形の状態にあって、高速で変動するため、整合装置の整合動作が追いつかず、不整合状態が生じて、負荷を節として反射波が発生する。更に負荷の内部では、その非線形性に起因して生じる周波数混合作用により、種々の新しい周波数成分がスプリアス成分として発生し、これらのスプリアス成分が反射波に重畳する。スプリアス成分が重畳した反射波電力は整合装置内を逆流し、該反射波電力のうち、高周波電力増幅部の出力側に設けられたローパスフィルタを通過し得る成分（主として基本周波数成分）が電力増幅部の出力段まで戻ってくる。この場合、電力増幅部から負荷に与えられる電力（負荷側電力）は、電力増幅部の出力側で検出した進行波電力から反射波電力を差し引いた電力となる。

また、プラズマ処理装置においては、図５に示すように、２つの高周波電源装置からプラズマ発生装置の電極に出力周波数が異なる２種類の高周波電力が同時に与えられることがある。図５において、１１は第１の高周波電源装置、１２は第１の高周波電源装置の出力周波数よりも周波数が低い高周波電力を出力する第２の高周波電源装置である。第１の高周波電源装置１１及び第２の高周波電源装置１２の出力はそれぞれ第１の整合装置１３及び第２の整合装置１４を通してプラズマ処理装置等の負荷１５に供給されている。

第１の高周波電源装置１１から負荷５に与えられる高周波電力は、プラズマ発生用の高周波電力であり、第２の高周波電源装置１２から負荷１５に与えられる高周波電力は、プラズマ中のイオンを引き込むためのバイアス用の高周波電力である。通常、プラズマ発生用の高周波電力の周波数は十数ＭＨｚないし数十ＭＨｚ程度の高い周波数を有し、バイアス用の高周波電力の周波数は数百ＫＨｚないし数ＭＨｚ程度の比較的低い周波数を有している。

このようなシステムでは、負荷のインピーダンスが複雑に変化するため、インピーダンス整合器によってインピーダンスの整合を完全にとることができず、負荷で反射波が発生するのを避けることができない。この場合、負荷から第１の高周波電源装置１１の増幅部側に戻ってくる反射波には、第２の高周波電源装置１２の基本周波数成分とその近辺のスプリアス周波数成分とが含まれている。第２の高周波電源装置１２の基本周波数は、第１の高周波電源装置１１の基本周波数よりも低いため、負荷１５から第１の高周波電源装置１１側に向かう反射波中のスプリアス成分は、第１の高周波電源装置１１の出力側に設けられているローパスフィルタを通過して、第１の高周波電源装置の増幅部に到達してしまう。また第２の高周波電源装置１２から第１の高周波電源装置１１の電力増幅部に到達するスプリアス成分と第１の高周波電源装置１１の出力とが混合されるため、第１の高周波電源装置１１から負荷に向かう進行波電力にもスプリアス成分が含まれることになる。

一例として、プラズマ発生用の第１の高周波電源装置１の出力周波数が50MHz、バイアス用の第２の高周波電源装置２の出力周波数が2MHzである場合について、第１の高周波電源装置１から負荷に向かう進行波電力の基本周波数成分（50MHz）付近の周波数スペクトラム及び反射波電力の基本周波数成分（50MHz）付近の周波数スペクトラムを模式的に示すとそれぞれ図６及び図７のようになる。なお図７においては、便宜上縦軸のスケールを図６の縦軸のスケールと同じにしているが、実際には反射波電力のレベルの方が進行波電力のレベルよりも低くなる。

上記のように、電力増幅部２の出力側にスプリアス成分が重畳した反射波電力が戻ってくる状態では、高周波検出部３から得られる検出信号にもスプリアス成分が含まれる。検出信号にスプリアス成分が含まれていると、レベル検出部で進行波検出信号のレベル検出を正確に行うことができず、高周波発生部１の出力のＡＬＣ制御を正確に行うことができない。そのため、レベル検出部５の前段にフィルタ４を挿入して、レベル検出部５に入力する信号からスプリアス成分を除去する必要がある。

また上記の反射波電力を無視できない場合には、電力増幅部の出力側で検出した進行波電力を設定値に保つ制御を行うだけでなく、負荷側から電力増幅部側に戻ってくる反射波電力をも検出して、進行波電力から反射波電力を差し引いた電力を設定値に保つ制御を行う必要がある。

この場合には、図４に示された高周波検出部３で、電力増幅部２から負荷に供給される進行波電力の情報を含む進行波検出信号の他に、負荷側から電力増幅部２に戻ってくる反射波電力の情報を含む反射波検出信号を得て、図４に示されたレベル検出部５とは別に設けたレベル検出部で反射波検出信号を検波することにより、反射波検出信号のレベルを検出する。この場合レベル制御部６は、検出された進行波検出信号のレベルから反射波検出信号のレベルを差し引くことにより求めたレベルを設定レベルと比較演算し、その演算結果に基づいて、進行波電力から反射波電力を差し引いた電力を設定値に保つように、高周波発生部１の出力をＡＬＣ制御する。

なお通常「スプリアス」という語は、基本周波数の前後に現れる不要周波数と、各高調波周波数の前後に現れる不要周波数とを指す意味で用いられることが多いが、本明細書においては、説明の便宜上、負荷に供給する周波数成分としては不要な周波数成分（通常は基本周波数成分以外の成分）のすべてをスプリアス成分と呼ぶ。
特開平５−６３６２７号公報 特開平６−６１４４号公報 特開平１１−２３３２９４号公報

従来の高周波電源装置は、単一の周波数の高周波電力を発生するように構成されていたが、近年プラズマ処理装置により行うエッチング等の処理をより精密に行うことが必要とされるようになり、それに伴って、負荷に供給する高周波電力の周波数及び大きさを任意に変化させることができる高周波電源装置が求められるようになった。このような要求に応えるためには、図４に示された高周波発生部１の出力周波数を任意に変化させることが必要であり、また高周波発生部１の出力周波数を変化させた場合でも、負荷に与える高周波電力の電力値を設定値に保つ制御を正確に行わせることができるようにしておく必要がある。

また負荷で反射されて電力増幅部の出力側に戻ってくる反射波電力の量は、高周波電力の周波数により異なり、高周波電力の周波数を調整することにより、反射波電力の量を最小とするように制御することが可能である。そのため、高周波検出部３で反射波電力を検出して、検出した反射波電力を最小とするように、高周波発生部１の出力周波数を変化させる制御を行うことがある。このような制御を行う場合も、高周波発生部１の出力周波数を任意に変化させ得るようにしておくことが必要である。

ところが、図４に示された高周波電源装置において、高周波発生部１の出力周波数を変化させた場合には、以下に示すような問題が生じる。

即ち、高周波検出部３から得られる検出信号のレベルを検出するレベル検出部５の前段に設けるフィルタ４は、周波数の変化に伴って減衰率が異なる特性を有するため、フィルタ４への入力信号のレベルが同じであっても、周波数が変化すると、その出力レベルが変わってしまう。周波数の変化に伴ってフィルタの出力レベルが変化すると、レベル検出部５が検出するレベルも変わってしまい、電力増幅部２の出力の電力値と、レベル検出部５により検出される信号レベルとの対応関係が変化してしまうため、レベル検出部５により検出された信号レベルと設定レベルとの比較演算に基づいて高周波発生部１の出力レベルを制御しても、電力増幅部２から負荷に与えられる高周波電力の電力値を設定値に保つことができなくなる。高周波電力の設定値からのずれ（偏差）は、周波数の変化幅を広げれば広げるほど大きくなる。このような問題は、フィルタ４としてアナログフィルタを用いた場合及びデジタルフィルタを用いた場合のいずれの場合にも生じる。

上記のように、従来の高周波電源装置においては、高周波発部１の出力周波数を変化させた場合に、電力増幅部２の出力とレベル検出部５で検出される信号レベルとの対応関係が変化し、周波数の可変範囲を広げると、電力増幅部２の出力の偏差が許容範囲を超えるという問題があった。特に半導体のエッチングなどを行うプラズマ処理装置に高周波電力を供給する場合には、供給する高周波電力の電力値を設定値に保つ制御を精密に行うことが必要である。プラズマ処理装置において、高周波電力を制御する際に許容される偏差は小さいため、高周波電力の周波数を変化させた場合にその電力値が変動する事態は避けなければならないが、従来の技術では、このような要求に応えることができる、周波数が可変の高周波電源装置を得ることができなかった。

本発明の目的は、負荷に供給する高周波電力の周波数を変化させても、該高周波電力の電力値を設定値に保つ制御を精密に行うことができる高周波電源装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載された発明に係わる高周波電源装置は、以下の要素を備えることにより構成される。
（ａ）周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第１の高周波信号及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部。
（ｂ）第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように第１及び第２の高周波発生部に周波数指令を与える周波数制御部。
（ｃ）第１の高周波信号を増幅する電力増幅部。
（ｄ）電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号を検出する高周波検出部。
（ｅ）高周波検出部により得られた進行波検出信号と第２の高周波信号とを乗算して、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る乗算部。
（ｆ）乗算部の出力から第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する差周波数信号を抽出するフィルタ。
（ｇ）フィルタにより抽出された差周波数信号のレベルを検出する差周波数信号レベル検出部。
（ｈ）差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように第１の高周波発生部に前記振幅指令を与えるレベル制御部。

上記のように、周波数指令により指令された通りの出力周波数と振幅レベル指令により指令された通りの出力振幅レベルとを有する第１及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第1及び第２の高周波発生部を設けて、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように第１及び第２の高周波発生部に周波数指令を与えるようにすると、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させるために第１の高周波信号の周波数（第１の高周波発生部の出力周波数）をどのように変化させても、その変化に応じて、両高周波信号の周波数の差が一定に保たれるように、第２の高周波信号の周波数（第２の高周波発生部の出力周波数）が変化する。

また、高周波検出部で得られる進行波検出信号の周波数成分は、第１の高周波信号の周波数を主成分とするが、それ以外にスプリアスの周波数成分が含まれる。そして、スプリアスの周波数も、第１の高周波信号の周波数の変化に応じて変化する。

したがって、高周波検出部で得られる進行波検出信号と第２の高周波信号とを乗算部で乗算すると、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分、スプリアスの周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分等が含まれた信号が得られるが、それぞれの差の周波数成分は一定の周波数を有する。なお、スプリアスは単一の周波数ではないので、スプリアスの周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分は複数存在する。

上記のような関係があるため、フィルタにおける抽出対象を第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分とし、スプリアスの周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分等を除去するような特性のフィルタにすれば、第１の高周波信号の周波数を変化させても、抽出対象の周波数が一定であるため、抽出対象はフィルタの周波数特性に影響されない。

従って、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させた際に電力増幅部の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防いで、負荷に供給する高周波電力の電力値の制御の精密性をなんら損なうことなく、高周波電力の周波数を任意に変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。

請求項２に記載された発明に係わる高周波電源装置は下記の要素を備えることにより構成される。
（ａ）周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第１の高周波信号及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部。
（ｂ）第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように第１及び第２の高周波発生部に周波数指令を与える周波数制御部。
（ｃ）第１の高周波信号を増幅する電力増幅部。
（ｄ）電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号を検出する高周波検出部。
（ｅ）高周波検出部により得られた進行波検出信号と第２の高周波信号とを乗算して、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る乗算部。
（ｆ）乗算部の出力から第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する差周波数信号を抽出するフィルタ。
（ｇ）フィルタにより抽出された差周波数信号のレベルを検出する差周波数信号レベル検出部。
（ｈ）差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを第１の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように第１の高周波発生部に振幅指令を与える第１のレベル制御部。
（ｉ）第２の高周波発生部の出力レベルを検出する出力レベル検出部。
（ｊ）出力レベル検出部により検出されたレベルを第２の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて第２の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように第２の高周波発生部に振幅指令を与える第２のレベル制御部。

上記の構成において、第１のレベル制御部は、請求項１に記載された発明におけるレベル制御部と同じものであり、第１の設定レベルは、請求項１の発明における設定レベルと同じである。本発明においては、差周波数信号レベル検出部と、第１のレベル制御部とを設けて、差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルと第１の設定レベルとの比較演算の結果に基づいて第１の高周波発生部に振幅指令を与えることにより、電力増幅部から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つ制御を行わせるだけでなく、第２の高周波発生部の出力レベルを検出する出力レベル検出部と、この出力レベル検出部により検出されたレベルを第２の設定レベルと比較演算した結果に基づいて第２の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように第２の高周波発生部に振幅指令を与える第２のレベル制御部とを設けて、第２の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つ制御を行わせる。

本発明に係わる高周波電源装置においては、高周波検出部から得られる検出信号を第２の高周波発生部の出力信号と共に乗算部に入力して、検出信号を両入力信号の周波数の差の周波数成分を含む信号を得るが、この乗算を行う際に第２の高周波発生部の出力レベルが変動すると、乗算部からフィルタに入力される信号のレベルが変化するため、電力増幅部の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化してしまい、周波数の変化に伴ってフィルタの出力レベルが変化した場合と同様の問題が生じる。

これに対し、上記のような制御を行わせると、第２の高周波発生部の出力レベルを常に一定のレベル（第２の設定レベル）に保つことができるため、第２の高周波発生部の出力レベルの変動により、乗算部の出力が変動して、電力増幅部の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐことができる。従って、本発明によれば、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させた際に、フィルタの周波数特性に起因して電力増幅部の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐとともに、第２の高周波発生部の出力レベルの変動により乗算部の出力が変動して電力増幅部の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防いで、高周波電力の電力値を設定値に保つ制御の精密性を何等損なうことなく、高周波電力の周波数を変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。

請求項３に記載された発明に係わる高周波電源装置は、下記の要素を備えることにより構成される。
（ａ）周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第１の高周波信号及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部。
（ｂ）第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように第１及び第２の高周波発生部に周波数指令を与える周波数制御部。
（ｃ）第１の高周波信号を増幅する電力増幅部。
（ｄ）′電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号と負荷側から電力増幅部に向かう反射波電力の情報を含む反射波検出信号とを検出する高周波検出部。
（ｅ）′高周波検出部により得られた進行波検出信号と第２の高周波信号とを乗算して、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第１の乗算部。
（ｆ）′第１の乗算部の出力から第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第１の差周波数信号を抽出する第１のフィルタ。
（ｇ）′第１のフィルタにより抽出された第１の差周波数信号のレベルを検出する第１の差周波数信号レベル検出部。
（ｉ）高周波検出部により得られた反射波検出信号と第２の高周波信号とを乗算して、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第２の乗算部。
（ｊ）第２の乗算部の出力から第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第２の差周波数信号を抽出する第２のフィルタ。
（ｋ）第２のフィルタにより抽出された第２の差周波数信号のレベルを検出する第２の差周波数レベル検出部。
（ｌ）第１の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルから第２の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを減算したレベルを設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて電力増幅部から負荷に与えられる電力を設定値に保つように第１の高周波発生部に振幅指令を与えるレベル制御部。

上記のように構成すると、第１のフィルタ及び第２のフィルタの抽出対象は、共に第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分となるが、これらの周波数成分は一定の周波数を有する。そのため、第１の高周波信号の周波数を変化させても、抽出対象の周波数が一定であるため、抽出対象はフィルタの周波数特性に影響されない。そのため、高周波電力の周波数の如何に関わりなく、進行波電力の電力値と第１の差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第２の差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が狂うのを防ぐことができるため、進行波電力と反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御を精密に行わせることができる。従って本発明によれば、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力と負荷から電力増幅部側に戻ってきた反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御の精密性を何等損なうことなく、高周波電力の周波数を変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。

請求項４に記載された発明に係わる高周波電源装置は、下記の要素を備えることにより構成される。
（ａ）周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第１の高周波信号及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部。
（ｂ）第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第１及び第２の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数制御部。
（ｃ）第１の高周波信号を増幅する電力増幅部。
（ｄ）′電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号と負荷側から電力増幅部に向かう反射波電力の情報を含む反射波検出信号とを検出する高周波検出部。
（ｅ）′高周波検出部により得られた進行波検出信号と第２の高周波信号とを乗算して、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第１の乗算部。
（ｆ）′第１の乗算部の出力から第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第１の差周波数信号を抽出する第１のフィルタ。
（ｇ）′第１のフィルタにより抽出された第１の差周波数信号のレベルを検出する第１の差周波数信号レベル検出部。
（ｉ）高周波検出部により得られた反射波検出信号と第２の高周波信号とを乗算して、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第２の乗算部。
（ｊ）第２の乗算部の出力から第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第２の差周波数信号を抽出する第２のフィルタ。
（ｋ）第２のフィルタにより抽出された第２の差周波数信号のレベルを検出する第２の差周波数レベル検出部。
（ｌ）′第１の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルから第２の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを減算したレベルを第１の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に与えられる電力を設定値に保つように第１の高周波発生部に振幅指令を与える第１のレベル制御部。
（ｍ）第２の高周波発生部の出力レベルを検出する出力レベル検出部。
（ｎ）出力レベル検出部により検出されたレベルを第２の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて第２の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように第２の高周波発生部に振幅指令を与える第２のレベル制御部。

上記のように構成すると、第１のフィルタ及び第２のフィルタの抽出対象は、共に第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分となるが、これらの周波数成分は一定の周波数を有する。そのため、第１の高周波信号の周波数を変化させても、抽出対象の周波数が一定であるため、抽出対象はフィルタの周波数特性に影響されない。そのため、高周波電力の周波数の如何に関わりなく、進行波電力の電力値と第１の差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第２の差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が狂うのを防ぐとともに、第２の高周波発生部の出力レベルの変動により、第１及び第２の乗算部の出力が変動して、進行波電力の電力値と第１の差周波数レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第２の差周波数レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐことができるため、進行波電力と反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御を精密に行わせることができる。従って本発明によれば、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力と負荷から電力増幅部側に戻ってくる反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御の精密性を何等損なうことなく、高周波電力の周波数を変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。

請求項５に記載された発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載された発明において、各フィルタが、アナログフィルタまたはデジタルフィルタにより構成されることを特徴とする。

請求項６に記載された発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載された発明において、各フィルタが、アナログフィルタと、該アナログフィルタの出力をデジタル処理して差周波数信号を抽出するデジタルフィルタとの組み合わせからなっていることを特徴とする。

上記のように、本発明に係わる高周波電源装置を構成するに際し、乗算部と差周波数信号レベル検出部との間に設けるフィルタとしては、アナログフィルタ及びデジタルフィルタのいずれを用いてもよく、アタログフィルタとデジタルフィルタとを組み合わせたものを用いてもよい。乗算部の出力をアナログフィルタに通して不要な周波数成分を除去したのちにデジタルフィルタによりフィルタリングを行うようにすれば、デジタルフィルタにおける信号処理がし易くなる。

本発明において、各差周波数信号レベル検出部にアナログ信号が入力される場合、各差周波数信号レベル検出部は、アナログ検波器により構成してもよい。また各差周波数信号レベル検出部は、差周波数信号をデジタル処理してその平均値や実効値を求めるように構成してもよい。各差周波数信号レベルの検出をデジタル的に行うようにすると、時定数が大きいアナログ検波器を用いる場合に比べて、時定数が小さいため、レベル検出の応答性を高め、ひいては、制御の応答性を高めることができる。

請求項１ないし６に記載された発明において、周波数制御部は、第１及び第２の高周波発生部に同時に周波数指令を与えるように構成されていることが好ましい。

上記のように、第１及び第２の高周波発生部に同時に周波数指令を与えるように周波数制御部を構成すると、高周波電力の周波数を変更する際に差周波数が変化するのを確実に防ぐことができ、高周波電力の電力値を設定値に保つ制御を乱すおそれを生じさせることなく、その周波数を変更することができる。

請求項１に記載された発明によれば、周波数指令により指令された通りの出力周波数と振幅レベル指令により指令された通りの出力振幅レベルとを有する第１及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第1及び第２の高周波発生部を設けて、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように第１及び第２の高周波発生部に周波数指令を与えるようにしたので、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させるために第１の高周波発生部の出力周波数をどのように変化させても、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させた際に電力増幅部の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防いで、負荷に供給する高周波電力の電力値の制御の精密性をなんら損なうことなく、高周波電力の周波数を任意に変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。

請求項２に記載された発明によれば、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させた際に、フィルタの周波数特性に起因して電力増幅部の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐとともに、第２の高周波発生部の出力レベルの変動により乗算部の出力が変動して電力増幅部の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防いで、高周波電力の電力値を設定値に保つ制御の精密性を何等損なうことなく、高周波電力の周波数を変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。

請求項３に記載された発明によれば、高周波電力の周波数の如何に関わりなく、進行波電力の電力値と第１の差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第２の差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が狂うのを防ぐことができるため、進行波電力と反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御を精密に行わせることができる。従って本発明によれば、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力と負荷から電力増幅部側に戻ってきた反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御の精密性を何等損なうことなく、高周波電力の周波数を変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。

請求項４に記載された発明によれば、高周波電力の周波数の如何に関わりなく、進行波電力の電力値と第１の差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第２の差周波数信号レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が狂うのを防ぐとともに、第２の高周波発生部の出力レベルの変動により、第１及び第２の乗算部の出力が変動して、進行波電力の電力値と第１の差周波数レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第２の差周波数レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐことができるため、進行波電力と反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御を精密に行わせることができる。従って本発明によれば、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力と負荷から電力増幅部側に戻ってくる反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御の精密性を何等損なうことなく、高周波電力の周波数を変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。

以下図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明に係わる高周波電源装置の第１の実施形態の構成を示したものである。同図において、１０１は、第１の周波数指令Ｃf1により指令された出力周波数と第１の振幅レベル指令Ｃa1により指令された出力振幅レベルとを有する第１の高周波信号Ｓ1を発生する第１の高周波発生部、１０２は第２の周波数指令Ｃf2により指令された出力周波数と第２の振幅レベル指令Ｃa2により指令された出力振幅レベルとを有する第２の高周波信号Ｓ2を発生する第２の高周波発生部である。本実施形態では、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２が、公知のＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）により構成されている。

１０３は負荷に供給する高周波電力の周波数を設定する周波数設定部、１０４は第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差Δｆを一定に保つように第１及び第２の高周波発生部１０１及び１０２に周波数指令Ｃf1及びＣf2をそれぞれ与える周波数制御部である。

本実施形態で用いる周波数制御部１０４は、周波数設定部１０３により設定された周波数を第１の周波数ｆ1とし、第１の周波数ｆ1に対して一定の差Δｆを有する周波数を第２の周波数ｆ2として、第１の周波数ｆ1を有する第１の高周波信号Ｓ1を発生させることを指令する第１の周波数指令Ｃf1及び第２の周波数ｆ2を有する第２の高周波信号Ｓ2を発生することを指令する第２の周波数指令Ｃf2をそれぞれ第1の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２に同時に与えることにより、第１の高周波信号の周波数ｆ1と第２の高周波信号の周波数ｆ2との差を常に一定値Δｆ（＝｜ｆ1−ｆ2｜）に保つように、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２を制御する。第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2は第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1よりも低くても、高くてもよい。なお、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1（第１の高周波発生部１０１の出力周波数）は、第１の高周波電源装置１１の基本周波数と一致する。

また１０５は公知の電力増幅回路からなる電力増幅部で、第１の高周波信号Ｓ1を増幅して負荷に与える高周波電力を出力する。電力増幅部１０５の出力は図示しないインピーダンス整合装置を通してプラズマ処理装置等の負荷に供給される。なお、インピーダンス整合装置が用いられない場合もある。

１０６は、電力増幅部１０５の出力端と図示しないインピーダンス整合装置との間に挿入された高周波検出部である。この高周波検出部は、例えば方向性結合器からなっていて、電力増幅部１０５から負荷に向かう進行波電力の一部を分波して、該進行波電力の情報を含む進行波検出信号Ｓpを出力する。

なお、高周波検出部１０６で得られる進行波検出信号の周波数成分は、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1を主成分とするが、それ以外にスプリアスの周波数成分が含まれる。そして、スプリアスの周波数も、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1の変化に応じて変化する。

また１０７は、高周波検出部により得られた進行波検出信号Ｓpと第２の高周波発生部１０２が出力する第２の高周波信号Ｓ2とが入力された乗算部で、この乗算部は、進行波検出信号Ｓpと第２の高周波信号Ｓ2とを乗算することにより、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差の周波数成分を含む信号Ｓfp′を出力する。

周知のように、乗算部で２つの信号を乗算すると、２つの信号の周波数の差の周波数成分だけでなく、２つの信号の周波数の和の周波数成分を含む信号が得られる。例えば図５に示したシステムにおいて、第１の高周波電源装置１１の基本周波数（第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1）を50MHz、第２の高周波電源装置１２の基本周波数を2MHzとした場合について見ると、高周波電源装置１１の出力端子には、出力伝送系を通して、基本周波数50MHzの近傍にスプリアス成分として46，48，52，54MHzなどの成分が流入してくる。この場合、第２の高周波発生部１０２の出力周波数（第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2）を49.5MHzに設定して、希望の差周波数を0.5MHzとした場合、基本周波数50MHzに対する差周波数は0.5MHz、和周波数は99.5MHzとなる。同様に上記のスプリアス成分に対する差周波数は3.5，1.5，2.5，4.5MHzになり、和周波数は95.5，97.5，101.5, 103.5MHzとなる。

上記のように、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差を常に一定値Δｆに保つように制御されているため、仮に第１の高周波電源装置１１の基本周波数（第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1）が50MHzから50.5MHzに変化した場合であっても、基本周波数50MHzに対する差周波数は0.5MHzで一定となる。また、スプリアスの周波数も、基本周波数（第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1）の変化に応じて変化するので、スプリアス成分に対する差周波数も上記に示した関係と変わらない。

したがって、基本周波数に対する差周波数0.5MHzの成分を通し、スプリアス成分の差周波数以上の周波数成分を除去するフィルタ１０９（例えば、カットオフ周波数が１MHzの特性を有するもの）を用いれば、基本周波数に対する差周波数0.5MHzの成分を精度良く抽出できる。

すなわち、フィルタ１０９における抽出対象を第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差の周波数成分とし、スプリアスの周波数と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差の周波数成分等を除去するような特性のフィルタにすれば、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1を変化させても、抽出対象の周波数が一定であるため、抽出対象はフィルタの周波数特性に影響されない。そのため、フィルタ１０９により抽出された信号を用いれば、高周波検出部１０６から出力された信号から基本周波数の成分を精度良く抽出できる。

なお、第１の高周波電源装置１１の基本周波数が50MHzから50.5MHzに変化した場合、基本周波数50MHzに対する和周波数は100.5MHzとなり、上記に示した関係と異なる。また、スプリアス成分に対する和周波数も上記に示した関係と異なってしまう。しかし、これらの周波数成分は、フィルタ１０９によって除去される対象であるので、影響を及ぼさない。

フィルタ１０９は、乗算部１０７の出力から希望する差周波数信号Ｓfpを抽出するフィルタである。このフィルタは、アナログフィルタ（パンドパスフィルタまたはローパスフィルタ）からなっていてもよく、デジタルフィルタからなっていてもよい。

フィルタ１０９により抽出された差周波数信号Ｓfpは、差周波数レベル検出部１１０に与えられる。差周波数レベル検出部１１０は、差周波数信号Ｓfpをアナログ処理またはデジタル処理することにより、該差周波数信号Ｓfpのレベルを検出する部分である。本実施形態では、差周波数レベル検出部１１０が検波回路からなっていて、差周波数信号Ｓpfを検波することにより、差周波数信号Ｓfpのレベルを示すレベル検出信号Ｓpaを出力する。

差周波数信号レベル検出部１１０から得られるレベル検出信号Ｓpaは、第１のレベル設定部１１１から出力される第１のレベル設定信号Ｓpasとともに第１のレベル制御部１１２に入力される。第１のレベル制御部１１２は、差周波数信号レベル検出部１１０により検出されたレベルを第１のレベル設定部１１１により設定された第１の設定レベルと比較演算して、その演算結果に基づいて電力増幅部１０５から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように第１の高周波発生部１０１に振幅指令Ｃa1を与える部分である。

なお第１のレベル設定信号Ｓpasにより設定される第１の設定レベルは、電力増幅部１０５から出力される進行波電力の電力値を設定値に等しくするために必要な第１の高周波発生部１０１の出力レベルを与えるものである。

第１のレベル制御部１１２はアナログ回路からなっていてもよく、デジタル回路からなっていてもよい。本実施形態では、第１の高周波発生部１０１がＤＤＳからなっていて、周波数制御部１０４から第１の高周波発生部１０１にデジタル信号からなる振幅指令を与える必要があるため、第１のレベル制御部１１２がアナログ回路により構成されている場合は、第１のレベル制御部１１２の出力側にＡＤコンバータ等を設けて、第１のレベル制御部１１２の出力信号をデジタル信号に変換する必要がある。

第１のレベル制御部１１２をデジタル回路により構成する場合には、差周波数信号レベル検出部１１０から得られるレベル検出信号ＳpaがＡ／Ｄ変換器を通して第１のレベル制御部１１２に与えられる。このとき第１のレベル制御部１１２は、差周波数信号Ｓfpのレベルを第１の設定レベルに等しくするために必要な第１の高周波信号Ｓ1のレベルを演算して、演算したレベルの第１の高周波信号Ｓ1を第１の高周波発生部１０１から発生させるように、第１の高周波発生部１０１に振幅指令Ｃa1を与える。

本実施形態ではまた、第２の高周波発生部１０２の出力レベルを検出する出力レベル検出部１１３が設けられて、その出力信号Ｓ2aが、第２のレベル設定部１１４から出力される第２のレベル設定信号Ｓ2asと共に第２のレベル制御部１１５に入力されている。第２のレベル制御部１１５は、出力レベル検出部１１３により検出された第２の高周波発生部１０２の出力レベルを第２のレベル設定部１１４により設定された第２の設定レベルと比較演算して、その演算結果に基づいて第２の高周波発生部１０２が出力する第２の高周波信号Ｓ2のレベルを第２の設定レベルに保つように第２の高周波発生部１０２に振幅指令Ｃa2を与える。本実施形態では、第２のレベル制御部１１５がデジタル回路からなっていて、出力レベル検出部１１３から得られるレベル検出信号Ｓ2aがＡ／Ｄ変換器を通して第２のレベル制御部１１５に与えられる。第２のレベル制御部１１５は、レベル検出信号Ｓ2aのレベルを第１の設定レベルに等しくするために必要な第２の高周波信号Ｓ2のレベルを演算して、演算したレベルの第２の高周波信号Ｓ2を第２の高周波発生部１０２から発生させるように、第２の高周波発生部１０２に振幅指令Ｃa2を与える。

本実施形態の高周波電源装置においては、周波数制御部１０４が、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように第１及び第２の高周波発生部に同時に周波数指令Ｃf1及びＣf2を与えるため、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差Δｆは常に一定である。電力増幅部１０５は、第１の高周波発生部１０１から得られる第１の高周波信号Ｓ1を増幅して負荷に供給する高周波電力を出力する。電力増幅部１０５から負荷に与えられる進行波電力は、高周波検出部１０６により検出される。高周波検出部１０６から得られる進行波検出信号Ｓpは、第２の高周波信号Ｓ2と共に乗算部１０７に入力される。乗算部１０７は、進行波検出信号と第２の高周波信号Ｓ2とを乗算して、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差Δｆ(＝ｆ1−ｆ2)の周波数成分を含む信号Ｓfp′を出力する。フィルタ１０９は、信号Ｓfp′からスプリアス成分を除去して第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する差周波数信号Ｓfpを抽出して、この差周波数信号Ｓfpを差周波数信号レベル検出部１１０に与える。差周波数信号レベル検出部１１０は、差周波数信号Ｓfpを検波してそのレベルを検出し、検出したレベルを第１のレベル制御部１１２に与える。第１のレベル制御部１１２は、差周波数信号レベル検出部１１０により検出されたレベルを第１のレベル設定部１１１により設定された第１の設定レベルと比較演算して、その演算結果に基づいて電力増幅部１０５から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように第１の高周波発生部１０１に振幅指令Ｃa1を与えるため、電力増幅部１０５から負荷に与えられる高周波電力が設定値に保たれる。

上記のように、本発明においては、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数との差を一定に保つように第１及び第２の高周波発生部１０１及び１０２に周波数指令を与えることにより、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つようにしたので、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させるために第１の高周波発生部１０１の出力周波数を変化させても、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させた際に電力増幅部１０５の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部１１０により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐことができ、負荷に供給する高周波電力の電力値の制御の精密性をなんら損なうことなく、高周波電力の周波数を任意に変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。

また本実施形態の高周波電源装置においては、第２のレベル制御部１１５が、出力レベル検出部１１３により検出された第２の高周波発生部１０２の出力レベルを第２の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて第２の高周波発生部１０２の出力レベル（第２の高周波信号Ｓ2の信号レベル）を設定された一定値に保つように第２の高周波発生部１０２に振幅指令を与えるため、第２の高周波発生部の出力レベルを常に一定のレベル（第２の設定レベル）に保つことができる。そのため、第２の高周波発生部の出力レベルの変動により、乗算部１０８の出力レベルが変動して、電力増幅部１０５の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部１１０により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐことができる。

従って、本実施形態によれば、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させた際に、フィルタの周波数特性に起因して電力増幅部１０５の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部１１０により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐとともに、第２の高周波発生部の出力レベルの変動により乗算部の出力が変動して電力増幅部１０５の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部１１０により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防いで、高周波電力の電力値を設定値に保つ制御をより精密性を高めることができる。

上記実施形態のように、第２の高周波電源発生部１０２の出力レベルを一定に制御することが望ましいが、第２の高周波電源発生部１０２の出力に予測される変動が僅かである場合には、第２の高周波電源発生部１０２の出力レベルを制御する制御系を省略することができる。従って、本発明に係わる高周波電源装置の基本的な構成では、図１に示した実施形態の出力レベル検出部１１３、第２のレベル制御部１１５及び第２のレベル設定部１１４を省略することができる。

上記の説明では、第１のレベル制御部１１２をデジタル回路により構成するとしたが、第１のレベル制御回路１１２をアナログ回路により構成することもできる。この場合には、第１のレベル制御部１１２に例えば比較回路が設けられて、該比較回路により、差周波数信号レベル検出部１１０から出力されるレベル検出信号Ｓpaのレベルと、第１のレベル設定部１１１から出力される第１のレベル設定信号Ｓpasのレベルとが比較される。第１のレベル制御部１１２は、この比較の結果、レベル検出信号Ｓpaのレベルが第１のレベル設定信号Ｓpasのレベルよりも高いときに、第１の高周波発生部１０１の出力レベルを低減させるように第１の高周波発生部１０１に振幅指令を与え、レベル検出信号Ｓpaのレベルが第１のレベル設定信号Ｓpasのレベルよりも低いときに、第１の高周波発生部１０１の出力レベルを増大させるように第１の高周波発生部１０１に振幅指令を与えることにより、第１の高周波発生部１０１の出力レベルを第１の設定レベルに等しくするように制御して、電力増幅部１０６から出力される進行波電力の電力値を設定値に収束させる。

上記の説明では、差周波数信号レベル検出部１１０を検波回路により構成するとしたが、差周波数信号をデジタル処理することにより、そのレベルを検出するように、差周波数信号レベル検出部１１０を構成することもできる。例えば、差周波数信号Ｓpaを一定のサンプリング周期でサンプリングして、サンプル値を平均したり、サンプル値を用いて実効値を演算したりすることにより、差周波数信号のレベルを検出するようにすることができる。このような差周波数レベル検出部１１０は、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）のような、内部の論理回路を適宜に定義、変更し得るゲートアレイを用いることにより容易に構成することができる。

図１に示した実施形態において、周波数制御部１０４、差周波数信号レベル検出部１１０、第１のレベル制御部１１２、出力レベル検出部１１３及び第２のレベル制御部１１５をデジタル化する場合には、これらの部分をまとめてＦＰＧＡにより構成することができる。

図２は本発明の第２の実施形態を示したもので、この実施形態では、高周波検出部１０６が、電力増幅部１０５から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号Ｓpと負荷側から電力増幅部１０５に向かう反射波電力の情報を含む反射波検出信号Ｓrとを出力するように構成されている。

図２に示した実施形態では、図１に示した乗算部１０７、フィルタ１０９及び差周波数信号レベル検出部１１０をそれぞれ第１の乗算部１０７、第１のフィルタ１０９及び第１の差周波数信号レベル検出部１１０として、図１に示された構成に加えて、更に、反射波基準レベル設定部１２０と、第２の乗算部１２１と、第２のフィルタ１２３と、第２の差周波数信号レベル検出部１２４とが設けられている。

反射波基準レベル設定部１２０は、高周波検出部１０６により検出される電力に含まれる反射波電力の基準値を与える反射波基準レベルを設定する部分で、反射波基準レベル設定部１２０により設定された反射波基準レベルは、周波数制御部１０４に与えられている。

第２の乗算部１２１は、高周波検出部１０６により得られた反射波検出信号Ｓrと第２の高周波発生部１０２が出力する第２の高周波信号Ｓ2とを乗算して、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差の周波数成分を含む信号Ｓfr′を出力する。

第２のフィルタ１２３は、第２の乗算部１２２の出力からスプリアス成分を除去して、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第２の差周波数信号Ｓfrを抽出し、抽出した第２の差周波数信号Ｓfrを第２の差周波数信号レベル検出部１２４に与える。第２の差周波数信号レベル検出部１２４は、第２の差周波数信号Ｓfrのレベルを検出して、検出したレベルを示す第２のレベル検出信号Ｓraを周波数制御部１０４に与える。

本実施形態の周波数制御部１０４は、第２の差周波数信号レベル検出部１２４により検出された第２の差周波数信号のレベルを、反射波基準レベル設定部１２０により設定された反射波基準レベルと比較して、第２の差周波数信号のレベルが反射波基準レベルよりも高いとき（反射波電力の電力値が基準レベルよりも高いとき）に、反射波電力の電力値を低減するように第１の高周波発生部１０１の出力周波数を変化させる。

反射波電力の電力値を低減させる制御を行う際には、例えば、極狭い周波数範囲の中で第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1を変化させて、その周波数範囲で第２の差周波数信号レベル検出部１２４により検出されるレベルが最小になる（電力増幅部の出力側で検出される反射波電力が最小になる）周波数ｆ1を特定する。次いで、特定した周波数ｆ1を中心にして新たに狭い周波数範囲を設定して、その周波数範囲の中で第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1を変化させて、その周波数範囲で第２の差周波数信号レベル検出部１２４により検出されるレベルが最小になる周波数ｆ1を特定する。このような処理を繰り返す過程で、第２の差周波数信号レベル検出部１２４により検出されるレベルが反射波基準レベル設定部１２０により設定されたレベル以下になったときに、第１の高周波信号Ｓ1の周波数の変化を止める。第２の差周波数信号レベル検出部１２４により検出されるレベルが反射波基準レベル設定部１２０により設定されたレベルを超えたときに上記の処理を再開させる。

なお、上記の制御を行う場合、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1の変化を再開するときの反射波基準レベルは、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1の変化を止めるときの反射波基準レベルよりも大きく設定しておくことが望ましい。その理由は、周波数ｆ1の変化を止めるときの反射波基準レベルと周波数ｆ1の変化を再開するときの反射波基準レベルとを同一にしておくと、検出された第２の差周波数信号のレベルが反射波基準レベル付近で推移したときに、制御が頻繁に切り替わるハンチング状態となるからである。

上記のような制御を行うことにより、電力増幅部１０５の出力側で検出される反射波電力の電力値を許容範囲内に収めるように制御する。周波数制御部１０４は、反射波電力の最小値を求めるために第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1を変化させる過程で、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差周波数Δｆを一定に保つように、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２に同時に周波数指令を与える。その他の構成は図１に示した実施形態と同様である。

本実施形態に係わる高周波電源では、上記のように、反射波電力の電力値を許容範囲に収めるように高周波電力の周波数を変化させる場合にも、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差Δｆを常に一定に保つように第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２に同時に周波数指令を与えるので、第１のフィルタ１０９及び第２のフィルタ１２３の周波数特性により、差周波数信号のレベルが変動するのを防ぐことができ、進行波電力の電力値と第１の差周波数信号レベル検出部１１０により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第２の差周波数信号レベル検出部１２４により検出されるレベルとの対応関係が狂うのを防いで、進行波電力を設定値に保つ制御及び反射波電力を許容範囲内に収めるための制御を正確に行わせることができる。

図２に示した実施形態において、第２のフィルタ１２３はアナログフィルタでもよく、デジタルフィルタでもよい。第２のフィルタ１２３はまた、アナログフィルタとデジタルフィルタとを組み合わせたものでも良い。また第２の差周波数信号レベル検出部１２４は検波回路からなっていてもよく、デジタル回路からなっていてもよい。

図３は本発明に係わる高周波電源装置の第３の実施形態を示したものである。この実施形態では、第２の差周波数信号レベル検出部１２４から得られるレベル検出信号Ｓraが、第２の差周波数信号レベル検出部１１０から出力されるレベル検出信号Ｓpaと共に第１のレベル制御部１１２に与えられている。本実施形態の第１のレベル制御部１１２は、第１の差周波数信号レベル検出部１１０により検出されたレベルから第２の差周波数信号レベル検出部１２４により検出されたレベルを減算して求めたレベルを第１の設定レベル設定部１１１により設定された第１の設定レベルと比較演算して、その演算結果に基づいて電力増幅部１０５から負荷に与えられる電力（進行波電力から反射波電力を差し引いた電力）を設定値に保つように、第１の高周波発生部に振幅指令を与える。その他の構成は、図２に示した第２の実施形態と同様である。

本実施形態のように構成すると、高周波電力の周波数の如何に関わりなく、進行波電力の電力値と第１の差周波数信号レベル検出部１１０により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第２の差周波数信号レベル検出部１２４により検出されるレベルとの対応関係が狂うのを防ぐとともに、第２の高周波発生部の出力レベルの変動により、第１及び第２の乗算部１０８及び１２２の出力が変動して、進行波電力の電力値と第１の差周波数レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第２の差周波数レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐことができるため、進行波電力と反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御を精密に行わせることができる。従って本実施形態によれば、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力と負荷から電力増幅部側に戻ってくる反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御の精密性を何等損なうことなく、高周波電力の周波数を変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。

図３に示した実施形態では、図２に示した実施形態と同様に、反射波電力を許容範囲に収めるように高周波電力の周波数を変化させるようにしているが、図１に示した実施形態と同様に、プラズマ負荷側の要求に応えるために高周波電力の周波数を変化させる場合にも、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力と負荷から電力増幅部側に戻ってくる反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御を行わせるように構成できることはもちろんである。その場合には、図３において、第２の差周波数信号レベル検出部１２４と周波数制御部１０４との間を切り離し、反射波基準レベル設定部１２０を図１に示した周波数設定部１０３で置き換える。

本発明の第１の実施形態の構成を示したブロック図である。 本発明の第２の実施形態の構成を示したブロック図である。 本発明の第３の実施形態の構成を示したブロック図である。 従来の高周波電源装置の構成を示したブロック図である。 プラズマ処理装置等の負荷に出力周波数が異なる２つの高周波電源装置から電力を供給するシステムの構成を示したブロック図である。 図５に示したシステムにおいて、電力増幅部の出力側で検出される進行波電力の周波数分布の一例を示した周波数スペクトラムである。 図５に示したシステムにおいて、電力増幅部の出力側で検出される反射波電力の周波数分布の一例を示した周波数スペクトラムである。

符号の説明

１０１ 第１の高周波発生部
１０２ 第２の高周波発生部
１０３ 周波数設定部
１０４ 周波数制御部
１０５ 電力増幅部
１０６ 高周波検出部
１０７ 乗算部（第１の乗算部）
１０９ フィルタ（第１のフィルタ）
１１０ 差周波数信号レベル検出部（第１の差周波数信号レベル検出部）
１１１ 第２のレベル設定部
１１２ 第１のレベル制御部
１１３ 出力レベル検出部
１１４ 第２のレベル設定部
１１５ 第２のレベル制御部
１２０ 反射波基準レベル設定部
１２１ 第２の乗算部
１２３ 第２のフィルタ
１２４ 第２の差周波数信号レベル検出部

Claims (6)

1. 周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第１の高周波信号及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部と、
   前記第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第１及び第２の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数制御部と、
   前記第１の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
   前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号を検出する高周波検出部と、
   前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る乗算部と、
   前記乗算部の出力から前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する差周波数信号を抽出するフィルタと、
   前記フィルタにより抽出された差周波数信号のレベルを検出する差周波数信号レベル検出部と、
   前記差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように前記第１の高周波発生部に前記振幅指令を与えるレベル制御部と、
   を備えた高周波電源装置。
2. 周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第１の高周波信号及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部と、
   前記第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第１及び第２の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数制御部と、
   前記第１の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
   前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号を検出する高周波検出部と、
   前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る乗算部と、
   前記乗算部の出力から前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する差周波数信号を抽出するフィルタと、
   前記フィルタにより抽出された差周波数信号のレベルを検出する差周波数信号レベル検出部と、
   前記差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを第１の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように前記第１の高周波発生部に前記振幅指令を与える第１のレベル制御部と、
   前記第２の高周波発生部の出力レベルを検出する出力レベル検出部と、
   前記出力レベル検出部により検出されたレベルを第２の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記第２の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように前記第２の高周波発生部に振幅指令を与える第２のレベル制御部と、
   を備えた高周波電源装置。
3. 周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第１の高周波信号及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部と、
   前記第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第１及び第２の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数制御部と、
   前記第１の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
   前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号と前記負荷側から前記電力増幅部に向かう反射波電力の情報を含む反射波検出信号とを検出する高周波検出部と、
   前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第１の乗算部と、
   前記第１の乗算部の出力から前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第１の差周波数信号を抽出する第１のフィルタと、
   前記第１のフィルタにより抽出された第１の差周波数信号のレベルを検出する第１の差周波数信号レベル検出部と、
   前記高周波検出部により得られた反射波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第２の乗算部と、
   前記第２の乗算部の出力から前記第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第２の差周波数信号を抽出する第２のフィルタと、
   前記第２のフィルタにより抽出された第２の差周波数信号のレベルを検出する第２の差周波数レベル検出部と、
   前記第１の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルから前記第２の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを減算したレベルを設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に与えられる電力を設定値に保つように前記第１の高周波発生部に前記振幅指令を与えるレベル制御部と、
   を備えた高周波電源装置。
4. 周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第１の高周波信号及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部と、
   前記第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第１及び第２の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数制御部と、
   前記第１の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
   前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号と前記負荷側から前記電力増幅部に向かう反射波電力の情報を含む反射波検出信号とを検出する高周波検出部と、
   前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第１の乗算部と、
   前記第１の乗算部の出力から前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第１の差周波数信号を抽出する第１のフィルタと、
   前記第１のフィルタにより抽出された第１の差周波数信号のレベルを検出する第１の差周波数信号レベル検出部と、
   前記高周波検出部により得られた反射波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第２の乗算部と、
   前記第２の乗算部の出力から前記第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第２の差周波数信号を抽出する第２のフィルタと、
   前記第２のフィルタにより抽出された第２の差周波数信号のレベルを検出する第２の差周波数レベル検出部と、
   前記第１の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルから前記第２の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを減算したレベルを第１の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に与えられる電力を設定値に保つように前記第１の高周波発生部に前記振幅指令を与える第１のレベル制御部と、
   前記第２の高周波発生部の出力レベルを検出する出力レベル検出部と、
   前記出力レベル検出部により検出されたレベルを第２の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記第２の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように前記第２の高周波発生部に振幅指令を与える第２のレベル制御部と、
   を備えた高周波電源装置。
5. 各フィルタは、アナログフィルタまたはデジタルフィルタからなっている請求項１ないし４のいずれか一つに記載の高周波電源装置。
6. 各フィルタは、アナログフィルタと、該アナログフィルタの出力をデジタル処理して前記差周波数信号を抽出するデジタルフィルタとの組み合わせからなっている請求項１ないし４のいずれか一つに記載の高周波電源装置。

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