JP5534365B2 - 高周波電力供給装置、及び反射波電力制御方法 - Google Patents

高周波電力供給装置、及び反射波電力制御方法 Download PDF

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本発明は、高周波電源から負荷に高周波電力を供給する際に、負荷側から電源側に向かう反射波電力を制御する反射波電力制御方法、および高周波電力供給装置に関する。
スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換する高周波電源が知られている。この高周波電源として、Ｄ級増幅回路（Class D：IEC国際基準IEC60268-3 4 classes of operation）によるＤ級高周波電源が知られている。
Ｄ級高周波電源は、ＲＦ電力増幅素子を一定のデューティー（Duty）のＲＦゲート信号でスイッチング動作することによって直流電源の直流を高周波交流に変換し、得られた高周波交流を高周波進行波電力として負荷に供給する。Ｄ級高周波電源は、パルス運転によって出力調整を行う。パルス運転は、ＲＦゲート信号によってＲＦ電力増幅素子をスイッチング動作させ、ＲＦ出力を出力するＯＮ区間と、スイッチング動作を行わずにＲＦ出力を出力しないＯＦＦ区間の両区間を交互に有する駆動態様であり、ＯＮ区間とＯＦＦ区間の時間比率であるデューティー（Duty）を変えることによって、ＲＦ出力の出力電力を調整する。ＯＮ区間とＯＦＦ区間のデューティーは、パルス制御信号のＯＮ区間とＯＦＦ区間のデューティー（Duty）によって制御することができる。なお、ＲＦは高周波を意味している。
高周波電源から負荷への高周波電力の供給において、プラズマ処理装置等の負荷に高周波電力を供給する場合には、プラズマ放電の状態によって負荷インピーダンスが変動する。負荷インピーダンスが変動すると、負荷側から電源側に戻る反射波電力が変動する。
反射波電力は、Ｄ級高周波電源に影響を与える場合がある。例えば、Ｄ級高周波電源を構成するＲＦ電力増幅素子は、反射波電力による内部損失で発生した発熱によって熱的破損が生じたり、反射波電力のサージ電圧によって絶縁破損が生じる。反射波電力の大きさが更に大きい場合には、Ｄ級高周波電源を構成する直流電源が破損する場合がある。
特に、Ｄ級高周波電源がパルス運転によって高周波電力をプラズマ負荷に電力供給する場合、プラズマが着火するまでの未着火状態では、進行波電力は全て反射波電力として電源側に戻る。そのため、Ｄ級高周波電源は全反射波電力に耐え得ることが求められる。以下、このような進行波電力が全て電源側に戻る際の反射波電力を全反射波電力と云い、高周波の電力供給において全反射波電力に耐える対応を全反射波対応化と云う。
なお、ここでは、全反射波対応化は、全反射波電力によるＲＦ電力増幅素子の損傷を防ぐだけでなく、着火動作を開始した後において、着火が失敗したと判定して高周波電力の供給を遮断するまでの間は、高周波電力の供給を遮断することなく継続して電力供給を行い、プラズマの着火動作を継続することを含むものとする。
従来、このような全反射波対応化を目的として、本出願人はプラズマ発生用電源を提案している（特許文献１参照）。特許文献１には、ＲＦ電力増幅素子のボディダイオードの蓄積キャリアを抑制するために、ＲＦ電力増幅素子から見た負荷インピーダンスを遅れ状態で使用し、これによって回路のスイッチング損失を減少させることが記載されている。全反射波対応化を行うには、さらに、プラズマ着火時のイグニッション動作に必要な着火時間を予め制限し、これによって、この着火時間内の反射波電力を進行波電力の定格電力と同じに制限することが求められる。
Ｄ級高周波電源の他、通常使用される高周波電源としてＣ級高周波電源が知られている。Ｃ級高周波電源等の通常使用される高周波電源装置では、反射波電力が発生した場合に反射波電力の供給を定格出力以下に抑えるように供給側の進行波電力を抑え、これによって高周波電源側の素子の損傷を防ぐ技術が知られている（特許文献２〜特許文献７）。
特許文献２，３には電源供給を停止する技術が開示され、特許文献４〜７には進行波電力を抑制する技術が開示さている。
特許文献２には、反射波電力値が定格出力の１０〜２０％以下になるように、高周波プラズマ電源の進行波電力値を制御するシャットダウン方法が記載され、特許文献３には、反射波電力検出器から出力される信号を用いて、反射マイクロ波電力に相当する信号の大きさと充放電基準値との差を時間的に積算し、積分値に相当する大きさを有する積分信号の大きさが許容基準値を超えた場合に、電源供給を遮断するマイクロ波電力供給システムが記載されている。
また、特許文献４には、反射波電力が限界値を超えたときに、ミキサによって出力電力を削減することが記載され、特許文献５には、反射波電力検出信号から出力した電力抑制信号と進行波電力とによって電力制御信号を生成することが記載され、特許文献６には、検出され帰還される反射波電力と設定反射波電力との差分を求め、差分に基づいて進行波電力を垂下させることが記載され、特許文献７には、反射波電力に基づいて反射波係数を演算し、演算した反射波係数に応じてアッテネータの利得の大きさを補正し、負荷に要求される電力を供給することが記載されている。
また、特許文献８には、反射波電力の測定するセンサ出力を微分し、微分出力による高周波電力の反射波の時間的な変動の程度に基づいて異常放電の発生を判別することが記載されている。
特許第３６４１７８５号（段落［0046］，段落［0047］） 特公平７−３２０７８号（段落［0003］，段落［0005］） 特開２００４−７１２６９（段落［0017］，段落［0018］） 特開平１０−２５７７７４（段落［0028］〜段落［0031］） 特許第３９９８９８６号（段落［0028］） 特開２００４−８８９３（段落［0019］） 特開２００５−１３６９３３号（段落［0013］） 特許３８９３２７６号段落（［0008］，段落［0025］）
Ｄ級高周波電源がパルス運転によって高周波電力をプラズマ負荷に電力供給する場合、プラズマが着火するまでの未着火状態において、進行波電力が全て反射波電力として電源側に戻る全反射波電力に対して、パルス運転時における全反射波電力によってＲＦ電力増幅素子が破損することなく、負荷に対して大きな負荷端電力を供給し、パルス運転時におけるプラズマの着火性能を向上させることが求められる。
特許文献１の負荷インピーダンスを遅れ状態で使用することによって回路のスイッチング損失を減少させる場合、全反射波対応化のためにプラズマの着火時間を制限すると、プラズマ着火に至るまでに長い時間を要する場合に未着火のままとなるおそれがある。
また、特許文献２，３は電源供給を停止するものであり、特許文献２は反射波電力値が定格出力の１０〜２０％以下になるように制御し、また特許文献３は充放電回路の出力によって遮断制御を行うものであるため、全反射波電力に耐えた状態で高周波電力の供給を維持することができず、全反射波対応化に対応することができない。
高周波電源において、スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換し、高周波電力進行波電力をプラズマ負荷に供給する際、高周波電源とプラズマ負荷との間のマッチングが正常に整合されている場合であっても、プラズマが立ち上がる時にはプラズマ負荷の負荷インピーダンスが大きく変動し、この負荷インピーダンス変動によってプラズマ負荷側から電源側に戻る反射波電力が発生する。このプラズマ立ち上がり時に生じる反射波電力は短期間に大きく変動する。
特許文献４〜特許文献７の電力制御は反射波電力の瞬時値に基づいて電力抑制を行うものであるため、プラズマ立ち上がり時において反射波電力が先鋭的に上昇するピーク値が設定値を超えると電力制御による電力抑制が開始することになる。電力制御によってプラズマ負荷に供給される電力が制限されると、プラズマが着火に至る前に供給電力が絞られ着火が不成功となる他、着火した場合であっても供給電力の抑制によってプラズマの維持が困難となり、正常なプラズマ生成が困難であるという問題がある。
つまり、従来の電力制御は反射波電力の瞬時値に基づいて電力抑制を行うものであるため、プラズマ立ち上がり時の反射波電力のピークを、より長い期間にわたるプラズマ状態変動による反射波電力の増加として誤って判定してしまう。この誤判定によって電力供給を遮断したり抑制すると、プラズマ着火やプラズマ維持が困難となる。
そこで、本発明は、パルス運転によって高周波電力をプラズマ負荷に電力供給する高周波電源において、プラズマが着火するまでの未着火状態において、進行波電力が全て反射波電力として電源側に戻る全反射波電力に対して耐え得る全反射波対応化において、前記した従来の問題点を解決し、Ｄ級高周波電源がパルス運転によって高周波電力をプラズマ負荷に電力供給する場合、プラズマが着火するまでの未着火状態において、進行波電力が全て反射波電力として電源側に戻る全反射波電力に対して耐え得る全反射波対応化を行い、パルス運転時における全反射波電力によるＲＦ電力増幅素子の破損を防ぐと共に、高周波電力の供給を遮断することなく電力供給を継続して行ってプラズマの着火動作を継続し、パルス運転時におけるプラズマの着火性能を向上させることを目的とする。
本発明は、プラズマ負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給において、高周波電源の反射波電力を検出し、検出した反射波電力を用いて高周波電源を制御する反射波電力制御に関し、反射波電力の短時間変動に対しては、反射波電力の検出値のピーク値の変動に基づいて反射波電力を制御し、反射波電力の長時間変動に対しては、反射波電力の検出値を平滑して得られる平滑値の変動に基づいて反射波電力を制御する。
本発明は、反射波電力制御ループ系として、反射波電力のピーク変動に基づいて制御を行う反射波電力ピーク値垂下ループ系およびアーク遮断系と、反射波電力の電力平滑量に基づいて制御を行う反射波電力平滑量垂下ループ系とを備える。
本発明の反射波電力ピーク値垂下ループ系は、反射波電力のピーク値に基づいて高周波電源部の直流電源の直流電圧を制御し、直流電源の電圧制御によって反射波電力のピーク値を垂下制御する。反射波電力ピーク値垂下ループ系は、反射波電力のピーク値が設定値（反射波電力ピークリミット値）を越えたときに反射波電力のピーク値を垂下（低下）する制御系であり、反射波電力のピーク値の振幅を垂下（低下）させることによって、過負荷やサージ電圧によってＲＦ電力増幅素子が破壊されることを防ぐ。
また、反射波電力ピーク値垂下ループ系は、高周波電源部の直流電源の直流電圧を制御する構成とし、この直流電源に反射波電力のピーク値を帰還制御して直流電圧を垂下させることによって、反射波電力のピーク値の垂下動作を高速で行うことができる。
本発明のアーク遮断系は、反射波電力のピーク値に基づいて高周波電源部のＲＦ増幅部の出力の有無を制御することによって、プラズマ負荷への電力供給の有無を制御してプラズマ負荷におけるアークの遮断を制御する。アーク遮断系は、反射波電力のピーク値が設定値（アークリミット値）を越えたときに電力供給を停止する制御系であり、着火が失敗して大きな反射波電力が生じ、反射波電力がプラズマ負荷のアークを止めるアーク遮断レベルを超えた場合に、電力供給を停止してプラズマ負荷内のアークを消弧する。なお、アークを遮断した場合には、一定時間が経過した後に再度着火動作を行う着火リトライ機能によって再着火を行う構成としてもよい。
本発明の反射波電力ピーク値垂下ループ系とアーク遮断系は、反射波電力のピーク値が各制御系に設定された設定値を越えたときに、反射波電力のピーク値を垂下する制御、あるいは電力供給を停止する制御を行う。
本発明の反射波電力ピーク値垂下ループ系またはアーク遮断系の少なくとも何れかの系は、反射波電力の検出値から急峻変動分を除去する急峻変動除去部を備えることができる。急峻変動除去部は、反射波電力の検出値から急峻な変動による急峻変動部分を除去し、急峻変動によらない、急峻な変動よりも長い期間における反射波電力のピーク値の信号を帰還する。急峻変動部分を除去したピーク値を用いることによって、プラズマ立ち上がりに生じる急峻な変動によるピーク値によるフィードバック制御によって生じる誤判定を防ぐ。急峻変動除去部は、ローパスフィルタ等の一次遅れ回路で構成することができる。
本発明の反射波電力量垂下ループ系は、反射波電力の電力平滑量に基づいて高周波電源部のＲＦ増幅部の増幅を制御することによって、プラズマ負荷への電力供給量を制御して反射波電力の電力平滑量を垂下制御する。反射波電力量垂下ループ系は、反射波電力の電力量の平均値や実効値等の平滑化した平滑値が設定値（反射波電力平滑リミット値）を越えたときに反射波電力の電力量を垂下（低下）する制御系であり、出力電圧の振幅を維持した状態で反射波電力の電力量を垂下（低下）させることによって、ＲＦ電力増幅素子の熱的な破損を防ぐ。
本発明の反射波電力ピーク値垂下ループ系、アーク遮断系、および反射波電力量垂下ループ系の各制御系はそれぞれ独立して制御することができる。各制御系に用いられる設定値は、反射波電力ピークリミット値、アークリミット値、および反射波電力平滑リミット値であり、大きな順に、アークリミット値、反射波電力ピークリミット値、反射波電力平滑リミット値が設定される。
反射波電力ピークリミット値は、過負荷やサージ電圧等の反射波電力のピーク値の増加によるＲＦ電力増幅素子に対する影響の指標となるものであり、反射波電力のピーク値がこの設定値を超えたときに反射波電力のピーク値を垂下させて、反射波電力のピーク値が設定値以上とならないように制御を行うことによって、反射波電力発生時においてＲＦ電力増幅素子を過負荷やサージ電圧による破壊から保護する。
アークリミット値は、プラズマ負荷において着火の失敗による反射波電力の増加を検出するしきい値であり、アークを遮断するレベルとして設定される。反射波電力のピーク値がこのアーク遮断レベルを越えたときには着火が失敗したと判定し、アーク遮断動作を開始する。
反射波電力平滑リミット値は、反射波電力の電力量の増加によるＲＦ電力増幅素子への熱的影響の指標となる設定値であり、反射波電力の平均値や実効値等の平滑量がこの設定値を超えたときに、パルス制御信号のデューティーを制御することによって反射波電力の電力量を垂下（低下）する制御を行うことでＲＦ電力増幅素子の熱的な破損を防ぐ。デューティーによる垂下制御では、パルス制御信号のＯＮ区間とＯＦＦ区間の時間比率において、ＯＮ区間の比率を低下させることによって、反射波電力を低下させる。
本発明の反射波電力制御系は、上記した反射波電力ピーク垂下ループ系、アーク遮断系、および反射波電力量垂下ループ系の各系を用いることにより、プラズマが着火するまでの未着火状態において、進行波電力が全て反射波電力として電源側に戻る全反射波電力に耐える全反射波対応化によって、全反射波電力によるＲＦ電力増幅素子の損傷を防ぐと共に、着火が失敗して大きな反射波電力が発生し遮断せざるを得ない状態となるまでは、高周波電力の供給を遮断することなく電力供給を継続して行ってプラズマの着火動作を継続し、パルス運転時におけるプラズマの着火性能を向上させる。
本発明は高周波電力供給装置の形態と、反射波電力制御方法の形態とすることができる。
［高周波電力供給装置の形態］
本発明の高周波電力供給装置は、プラズマ負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給装置において、スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換し高周波電力を出力する高周波電源部と、高周波電源部の高周波出力の検出値を帰還してフィードバック制御を行う複数の帰還系とを備える。帰還系は、高周波電源部からプラズマ負荷に向かう進行波電力の検出値を帰還して進行波電力を制御する進行波電力制御ループ系と、プラズマ負荷から高周波電源部に向かう反射波電力の検出値を帰還して反射波電力を制御する複数の反射波電力制御ループ系とを備える。
なお、アーク遮断系は制御ループを形成していないが、遮断処理によって進行波電力を遮断した後において、再着火動作によるプラズマの着火動作を行うことから、ここでは一種のループ系を形成するものとして、反射波電力制御ループ系の一制御ループ系に含まれるものとする。
反射波電力制御ループ系の帰還系において、プラズマの立ち上がり時に生じるピーク値をプラズマ負荷の異常による反射波電力の上昇として誤判定した場合には、フィードバック制御は誤動作することになる。
このピーク値による誤動作を抑制するために、本発明の反射波電力ピーク値垂下ループ系およびアーク遮断系は、高周波電源部の出力端で検出した反射波電力の検出値から急峻変動分を除く急峻変動除去部を備える。
急峻変動除去部は一次遅れ回路によって構成することができ、反射波電力の検出値を一次遅れさせることによって検出値に含まれる急峻変動分を除去する。一次遅れ回路は、反射波電力の検出値を一次遅れさせることによって、プラズマ立ち上がりに生じる反射波電力に含まれる急激な変動分を低減させ、プラズマ負荷の変動によらない、プラズマ立ち上がり時の急峻な変動による誤判定を防ぎ、高周波電力の供給を低減させるという誤動作を防ぐことができる。
また、急峻変動除去部は、一次遅れ回路の構成に限らず、反射波電力の検出値が急峻に変動する時点を検出し、この時点における検出値を除く構成としてもよい。
本発明の反射波電力制御ループ系が備える反射波電力量垂下ループ系は、反射波電力の平滑値を求める構成として反射波電力の検出値の平均値又は実効値を出力する電力平滑部を備える。高周波電力の電力量を垂下する制御を行うか否かおよび垂下制御における垂下量を定める反射波電力平滑リミット値として、反射波電力平均リミット値又は反射波電力実効リミット値を備え、電力平滑部で得られる平滑値とこれらの反射波電力平滑リミット値（反射波電力平均リミット値又は反射波電力実効リミット値）との誤差量を求め、得られた誤差量に基づいて反射波電力量の垂下制御を行う。
以下、反射波電力ピーク値垂下ループ系、アーク遮断系、および反射波電力量垂下ループ系について説明する。
（反射波電力ピーク値垂下ループ系）
本発明の反射波電力制御ループ系は、反射波のピーク値を垂下（低下）させる反射波電力ピーク値垂下ループ系を備える。反射波電力ピーク値垂下ループ系は、反射波電力ピーク値を垂下する制御を行うか否かを定めるしきい値として反射波電力ピークリミット値を有する。
本発明の反射波電力ピーク値垂下ループ系は、反射波電力のピーク値と反射波電力ピークリミット値との差分をフィードバック信号として進行波電力制御ループ系に帰還する。進行波電力制御ループ系では、反射波電力ピーク値垂下ループ系から帰還したフィードバック信号に基づいて、高周波電源部が備えるＤＣ／ＤＣコンバータを駆動するＰＷＭ信号のパルス幅を制御し出力電圧を制御する。
反射波電力の検出値には、プラズマの立ち上がり時点における急峻変動によって生じるピークが含まれる場合がある。このピークはプラズマ異常に伴うものでないため、このピーク値に基づいて反射波電力ピーク値を垂下する制御を行うと、プラズマが正常状態であるにも係わらず、プラズマ異常として誤った制御を行うことになる。
このような誤判定を避けるために急峻変動除去部を設けることができる。急峻変動除去部は、反射波電力の検出値に含まれる急峻変動分を除いた信号を反射波電力のピーク値として出力する。急峻変動分を除いたピーク値と反射波電力ピークリミット値との差分をフィードバック信号として進行波電力制御ループ系に帰還することによって、急峻変動による誤動作を避けることができる。
（アーク遮断系）
本発明の反射波電力制御ループ系は、過大な反射波電力による損傷を防ぐアーク遮断系を備え、着火が失敗して過大な反射波電力が発生した際にプラズマ負荷への電力供給を停止してプラズマ負荷中のアークを遮断する。アーク遮断系は、高周波電力の出力を停止するか否かを定めるしきい値としてアークリミット値を有する。
本発明のアーク遮断系は、反射波電力のピーク値とアークリミット値との比較に基づいて高周波電源部が備えるＲＦ増幅部を駆動するためのＲＦゲート信号を生成するパルス制御信号を制御し、ＲＦ増幅部の高周波電力の出力の有無を制御する。ＲＦ増幅部は、例えばフルブリッジインバータにより直流電圧を交流の高周波電力に変換する。直流から交流への変換において、インバータのスイッチ素子を切り替えるＲＦゲート信号に同期して増幅変換を行い、ＲＦ増幅部のＲＦゲート信号を生成するパルス制御信号を制御することで高周波電力の出力を制御することができる。
アーク遮断系においても、反射波電力の検出値に含まれるプラズマの立ち上がり時の急峻変動によるピークをプラズマ異常として誤判定する場合がある。このような誤判定を避けるために急峻変動除去部を設けることができ、急峻変動除去部によって急峻変動分を除去した反射波電力のピーク値とアークリミット値との比較に基づいて遮断制御を行うことによって急峻変動による誤動作を避けることができる。
反射波電力ピーク値垂下ループ系およびアーク遮断系において、急峻変動除去部によって反射波電力から変動分を除去することによって、プラズマが立ち上がる際に発生するピーク値をプラズマ異常として誤判定することを防ぐ。
（反射波電力量垂下ループ系）
本発明の反射波電力制御ループ系は、反射波電力の電力量を垂下（低下）させる反射波電力量垂下ループ系を備える。
本発明の反射波電力量垂下ループ系は、電力平滑部で得られた電力平滑量と反射波電力平滑リミット値との比較に基づいて、高周波電源部が備えるＲＦ増幅部のＲＦゲート信号のＯＮ区間とＯＦＦ区間の時間比率を定めるパルス制御信号のデューティー（Duty）を定め、ＲＦ増幅部の高周波電力の電力量の垂下（低下）を制御する。電力平滑部は、電力の平均値を求める平均値回路あるいは電力の実効値を求める実効値回路とすることができる。反射波電力量垂下ループ系は、電力の平均値と反射波電力平均リミット値との比較、又は、電力の実効値と反射波電力実効リミット値との比較に基づいて、ＲＦ増幅部の高周波電力の電力量の垂下（低下）を制御する。
この反射波電力量垂下ループ系による平均値垂下動作又は実効値垂下動作は、ＲＦゲート信号のＯＮ区間とＯＦＦ区間の時間比率を定めるパルス制御信号のデューティー（Duty）を下げることによって、ＲＦ増幅部の高周波電圧の振幅を低減することなく反射波電力量を抑制して、ＲＦ電力増幅素子の熱的損失を減らし破壊を防ぐことができる。ＲＦ増幅部の高周波電圧の振幅を低減させないことによって、高い着火電圧を維持することができる。
（高周波電力供給装置の構成）
図１は、本発明の高周波電力供給装置の概略構成を説明するための図である。図１において、高周波電力供給装置１は、直流電源の直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１２で電圧変換し、ＲＦ増幅部１３で直流から交流に増幅変換し、得られた高周波電力をプラズマ負荷等の負荷１０３に供給する高周波電源部１０を備える。
高周波電源部１０は、出力端のＲＦセンサ１６で検出した進行波電力フィードバック値ＰＦに基づいてフィードバック制御を行う進行波電力制御ループ系２０と、出力端のＲＦセンサ１６で検出した反射波電力フィードバック値ＰＲに基づいてフィードバック制御を行う反射波電力制御ループ系１００（３０，４０，５０）を備える。反射波電力制御ループ系１００は、反射波電力ピーク値垂下ループ系３０とアーク遮断系４０と反射波電力量垂下ループ系５０とを備える。
反射波電力ピーク値垂下ループ系３０は反射波電力のピーク値を垂下（低下）させる制御を行い、アーク遮断系４０はプラズマ負荷中のアークを遮断する制御を行い、反射波電力量垂下ループ系５０は反射波電力の電力量を垂下（低下）させる制御を行う。
反射波電力制御ループ系１００の内、反射波電力ピーク値垂下ループ系３０とアーク遮断系４０は、検出した反射波電力フィードバック値ＰＲを急峻変動除去部３１で急峻変動分を除去して得られたピーク値の信号に基づいて制御を行う。また、反射波電力制御ループ系１００の内、反射波電力量垂下ループ系５０は、検出した反射波電力フィードバック値ＰＲを電力平滑部５１で平滑化して得られる平滑電力量に基づいて制御を行う。
急峻変動除去部３１は、反射波電力フィードバック値ＰＲからプラズマが立ち上がる際に発生するピーク値である急峻変動分を除去することによって、この急峻変動分をプラズマ異常として誤判定することを防ぐ。急峻変動除去部３１の出力は、反射波電力ピーク値垂下ループ系３０およびアーク遮断系４０の制御に用いる。急峻変動除去部３１は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）で構成される一次遅れ回路とすることができる。
電力平滑部５１は、反射波電力フィードバック値ＰＲの平均値又は実効値によって平滑化した電力値に相当する値を出力する。反射波電力量垂下ループ系５０は、電力平滑部５１の出力に基づいてＲＦ増幅部を制御するパルス制御信号のデューティー（Duty）を求める。
［反射波電力制御方法］
本発明の反射波電力制御方法は、プラズマ負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給において、スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換する高周波電源部の出力の検出値を帰還してフィードバック制御を行う帰還系を構成し、この帰還系において、進行波電力制御ループ系に進行波電力の検出値を帰還し、複数のループ系を備える反射波電力制御ループ系１００に反射波電力の検出値を帰還する。
反射波電力制御ループ系１００が備える系の内、反射波電力ピーク値垂下ループ系およびアーク遮断系は出力電圧を制御して反射波電力のピーク値を垂下あるいはアークを遮断する。この垂下制御あるいは遮断制御において、急峻変動除去部によって反射波電力の検出値に含まれる急峻な変動分を除去することによって、プラズマが立ち上がる際に生じるピーク値をプラズマ異常と誤判定し、垂下あるいは遮断の誤動作を防ぐことができる。
また、反射波電力制御ループ系１００が備える系の内、反射波電力量垂下ループ系は、電力平滑部によって反射波電力の検出値を平滑化し、平滑化した電力量に相当する信号を帰還することによって、反射波電力の電力量の垂下制御を行う。
（反射波電力ピーク値垂下制御）
反射波電力制御ループ系は反射波電力ピーク値垂下ループ系を備える。反射波電力ピーク値垂下ループ系は、反射波電力ピーク値を垂下する制御を行うか否かを定めるしきい値として反射波電力ピークリミット値を有し、反射波電力の検出値と反射波電力ピークリミット値との差分を進行波電力制御ループ系に帰還し、高周波電源部が備えるＤＣ／ＤＣコンバータを駆動するＰＷＭ信号のパルス幅を制御して出力電圧を制御する。
（アーク遮断制御）
反射波電力制御ループ系はアーク遮断系を備える。アーク遮断系は、高周波電力を出力する制御を行うか否かを定めるしきい値としてアークリミット値を有し、反射波電力の検出値とアークリミット値との比較に基づいて高周波電源部が備えるＲＦ増幅部のＲＦゲート信号を制御し、ＲＦ増幅部の高周波電力の出力の遮断制御を行う。
反射波電力ピーク値垂下制御およびアーク遮断制御において、反射波電力の検出値を急峻変動除去部に通すことによって、検出値に含まれるプラズマの立ち上がり時に生じる急峻な変動分を除去し、誤動作を防ぐことができる。
（反射波電力量垂下制御）
反射波電力制御ループ系は反射波電力量垂下ループ系を備える。反射波電力量垂下ループ系は、反射波電力の検出値を平滑して得られる平滑値と、高周波電力の電力量の垂下制御の有無および垂下量を定める反射波電力平滑リミット値との比較に基づいて、高周波電源部が備えるＲＦ増幅部のＲＦゲート信号のＯＮ区間とＯＦＦ区間の時間比率を定めるパルス制御信号のデューティー（Duty）を定め、ＲＦ増幅部の高周波電力の電力量の垂下制御を行う。平滑値は反射波電力の検出値の平均値又は実効値とすることができ、反射波電力平滑リミット値としてそれぞれ反射波電力平均リミット値又は反射波電力実効リミット値を有している。
図２は、本発明における電力制御の概略を説明するための説明図である。
本発明の高周波電力供給の反射波電力制御は、高周波電源部１０の出力端に設けたＲＦセンサ１６で負荷側から電源側に向かう反射波電力を検出する（S1）。
検出した反射波電力の検出値から急峻変動分を除去し（S2）、得られた反射波電力のピーク値に基づいて、反射波電力ピーク値垂下制御(S3)およびアーク遮断制御(S4)を行う。なお、急峻変動分の除去は、反射波電力の検出値を一次遅れさせることで行うことができる。
反射波電力ピーク値垂下制御(S3)は、反射波電力のピーク値に基づくＰＷＭ制御信号によって高周波電源部１０のＤＣ／ＤＣコンバータ１２を駆動して出力電圧を制御する。アーク遮断制御(S4)は、反射波電力のピーク値に基づいてプラズマの着火判定を行い、着火失敗による大きな反射波電力が発生した場合(S7)には、ＲＦゲート信号を停止してＲＦ増幅部からの出力を停止して進行波電力の電力を遮断する（S8）。進行波電力を遮断した後は、再着火動作によってプラズマの着火動作を再度繰り返す（S9）。
再着火動作は、着火失敗を判定してから所定の休止時間が経過した後、着火を試みる着火リトライ機能によって行うことができる。このリトライ機能では、着火動作を繰り返すリトライ回数や休止時間の時間幅を設定することができる。また、設定されたリトライ回数内の着火で成功しない場合には、リトライ動作を停止させたり、あるいは一定時間停止させた後にリトライ動作を復帰させるように設定してもよい。
また、反射波電力の検出値の平滑値は、平均値又は実効値によって求める(S5)。求めた平滑値に基づいて反射波電力量垂下制御を行う。反射波電力量垂下制御は、反射波電力の平滑値に基づいてパルス制御信号のデューティー（Duty）を設定し、このデューティー（Duty）に基づいてＲＦ増幅部を垂下制御する(S6)。
反射波電力ピーク値垂下制御(S3)、アーク遮断制御(S4)、および反射波電力量垂下制御(S6)は、これらの制御を開始するしきい値を個々に独立して設定し、それぞれ独立して制御動作させることができる。
一方、本発明の高周波電力供給の進行波電力制御は、ＲＦセンサ１６によって電源側から負荷側に向かう進行波電力を検出し(S101）、検出した進行波電力量に基づくＰＷＭ制御信号によって高周波電源部１０のＤＣ／ＤＣコンバータ１２を駆動して出力電圧を制御する(S102)。
図３は、反射波電力フィードバックと各リミット値およびアーク遮断レベルとの関係を説明するための図である。
図３（ａ）は進行波電力フィードバック値ＰＦを示している。図３（ｂ）において、反射波電力の一次遅れ出力２０２は反射波電力フィードバック値ＰＲを一次遅れさせて得られる出力を示し、平滑値２０３は反射波電力フィードバック値ＰＲの平均値あるいは実効値を示している。また、図３（ｂ）中には、リミット値（反射波電力平滑リミット値３０１、反射波電力ピークリミット値３０２）とアーク遮断レベルであるアークリミット値３０３を示している。なお、図３では、進行波電力フィードバック値２００および反射波電力フィードバック値２０１を包絡線で示しているが、ＲＦセンサ１６の出力は直流電圧出力に限らず、高周波の交流電圧出力とすることができる。
反射波電力の一次遅れ出力２０２は、反射波電力フィードバック値ＰＲを一次遅れさせることによって、プラズマ立ち上がり時に発生する急峻に変動する急峻変動分を抑制した信号が得られる。この反射波電力の一次遅れ出力２０２を反射波電力ピークリミット値３０２と比較し、反射波電力の一次遅れ出力２０２が反射波電力ピークリミット値３０２に達した際に、反射波電力ピーク値垂下制御を行うことによって反射波電力のピーク値を低減させる。
さらに、反射波電力の一次遅れ出力２０２が増加してアーク遮断レベルのアークリミット値３０３に達した際には、プラズマの着火が失敗したと判定してアーク遮断制御を行う。これにより、プラズマ負荷に供給する電力を停止してプラズマ負荷のアークを遮断する。
また、平滑値（平均値又は実効値）２０３が、反射波電力平滑リミット値（反射波電力平均リミット値又は反射波電力実効リミット値）３０１に達した際には、反射波電力量垂下動作を行って、高周波電源部の出力電圧の振幅を絞ることなく出力電力量を制限し、これによってＲＦ電力増幅素子の熱的損失を低減する。
なお、図３に示した進行波電力フィードバック値および反射波電力フィードバック値は説明のために模式的に示した一例であって、必ずしも実例を示すものではない。また、リミット値、およびアーク遮断レベルも実例を示すものではない。
以上説明したように、本発明によれば、パルス運転によって高周波電力をプラズマ負荷に電力供給する高周波電源において、プラズマが着火するまでの未着火状態において、進行波電力が全て反射波電力として電源側に戻る全反射波電力に対して耐え得る全反射波対応化を行うことができる。
また、プラズマの立ち上がり時に生じる反射波電力のピークによる誤判定を防ぎ、プラズマ負荷のより長い期間におけるプラズマ状態の変動による反射波電力の変動に基づいて電力制御を行い、全反射波電力によるＲＦ電力増幅素子の損傷を防ぐと共に、高周波電力の供給を遮断することなく継続してプラズマを着火させプラズマ状態を維持することができる。
本発明の高周波電力供給装置の概略構成を説明するための図である。 本発明の反射波電力制御方法の概略を説明するための説明図である。 反射波電力フィードバック値と各リミット値およびアーク遮断レベルとの関係を説明するための図である。 本発明の高周波電力供給装置の構成例を説明するための図である。 ＲＦ増幅部の動作例を説明するための図である。 ＲＦ増幅部の動作例を説明するための図である。 本発明の高周波電力供給装置の一部回路構成を説明するための図である。 本発明の高周波電力供給装置の一部回路構成を説明するための図である。 本発明の高周波電力供給装置の進行波電力制御ループ系の動作を説明するための図である。 本発明の高周波電力供給装置の反射波電力ピーク値垂下ループ系の動作を説明するための図である。 本発明の高周波電力供給装置の反射波電力ピーク値垂下ループ系の動作を説明するためのフローチャートである。 進行波電力制御と反射波電力ピーク値垂下動作を説明するための図である。 プラズマ着火が成功した場合と失敗した場合の反射波電力ピーク値垂下動作を模式的に示す図である。 本発明のアーク遮断系の動作を説明するための図である。 本発明アーク遮断系の動作を説明するためのフローチャートである。 プラズマの着火が成功した場合と失敗した場合のアーク遮断動作を模式的に示す図である。 本発明の反射波電力量垂下ループ系の動作を模式的に示す図である。 本発明の反射波電力量垂下ループ系のを説明するためのフローチャートである。 進行波電力制御と反射波電力量垂下動作を説明するための図である。 本発明の反射波電力量垂下動作を説明するための図である。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下では、本発明の高周波電力供給装置および反射波電力制御方法について、図４を用いて高周波電力供給装置の構成例を説明し、図５，６を用いてＲＦ増幅部の動作例を説明し、図７，８を用いて高周波電力供給装置の一部回路構成について説明する。また、高周波電力供給装置の進行波電力制御ループ系の動作を図９を用いて説明し、高周波電力供給装置の反射波電力ピーク値垂下ループ系の動作を図１０〜図１３を用いて説明し、高周波電力供給装置のアーク遮断系の動作を図１４〜図１６を用いて説明し、高周波電力供給装置の反射波電力量垂下ループ系の動作を図１７〜図２０を用いて説明する。
[高周波電力供給装置の構成例]
はじめに、本発明の高周波電力供給装置の構成例について図４を用いて説明する。
図４において、本発明の高周波電力供給装置１は高周波電力を負荷１０３に供給する高周波電源部１０を備え、高周波電源部１０の電源出力端１０１と負荷１０３との間を例えば同軸ケーブル１０２によって接続する。なお、同軸ケーブル１０２は一例であって必須の構成ではなくその他の伝送線路によって電力を送っても良い。
高周波電源部１０の制御は、進行波電力制御ループ系２０、反射波電力量垂下ループ系５０、反射波電力ピーク値垂下ループ系３０、およびアーク遮断系４０の各帰還系によってフィードバック制御が行われる。
（高周波電源部）
高周波電源部１０は、直流電源１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、ＲＦ増幅部１３、合成器１４、ローパスフィルタ１５を備え、ローパスフィルタ１５と電源出力端１０１との間にＲＦセンサ１６を備える。
直流電源１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の入力供給源である。なお、直流電源１１に代えて交流電圧を整流して平滑化した直流電圧を用いても良い。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、直流電源１１の電圧Ｅdcを可変可能な直流電圧Ｖdcに変換する装置であり、コンバータはインバータ回路で構成する他、チョッパ回路で構成しても良い。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、進行波電力制御ループ系２０のドライブ回路２５から供給されるＰＷＭ信号のパルス幅によって半導体素子の通流率を変え、これによって出力の直流電圧Ｖdcを可変とする。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力の直流電圧ＶdcはＲＦ増幅部１３に入力される。
ＲＦ増幅部１３は直流電圧を交流電圧に変換する装置であり、Ｄ級ＲＦ増幅回路を用いることができる。Ｄ級ＲＦ増幅回路は、スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換する高周波増幅回路であり、出力段のスイッチング素子をＲＦゲート信号に基づいてオン／オフ動作させて出力電流を０から最大値まで増減させることによって直流／交流変換を行って増幅動作を行う。Ｄ級ＲＦ増幅回路は、スイッチング素子のオン時の抵抗が小さいため熱損失が小さく、高効率の変換を行うことができる。
Ｄ級ＲＦ増幅回路を用いたＲＦ増幅部１３はフルブリッジインバータによって構成することができ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２から入力した直流電圧Ｖdcを交流のＲＦ出力電力に変換する。ＲＦ増幅部１３のＲＦ出力電力の電圧振幅は、入力した直流電圧Ｖdcに比例する。ＲＦ増幅部１３の直流から交流への変換は、ゲート信号生成器１８により供給されるＲＦゲート信号に同期して増幅変換される。
図５は、高周波電源が備えるＲＦ増幅部の一構成例を示し、図６はＲＦ増幅部を駆動制御するＲＦゲート信号、ＲＦ出力、およびプラズマ負荷における進行波電力と反射波電力を説明するための図である。
図５に示すＲＦ増幅部１２０は、ＭＯＳＦＥＴ１２０ａ〜１２０ｄをブリッジ構成し、直列接続したＭＯＳＦＥＴ１２０ａとＭＯＳＦＥＴ１２０ｂの接続点と、直列接続したＭＯＳＦＥＴ１２０ｃとＭＯＳＦＥＴ１２０ｄの接続点をメイントランス１２０ｅで接続し、フィルタ１２０ｆを介して得られるメイントランス１２０ｅの出力をＲＦ出力としている。ＭＯＳＦＥＴ１２０ａ〜１２０ｄはＲＦゲート信号Ａ，Ａ＊，Ｂ，Ｂ＊（図５（ａ），（ｂ））によって駆動制御される。
ＲＦゲート信号Ａ，Ａ＊（図５ではＡに上部にインバース“−”の記号を付して示している）は、ＭＯＳＦＥＴ１２０ａとＭＯＳＦＥＴ１２０ｂの直列回路を駆動制御する信号であり、互いに逆相である。ＲＦゲート信号Ｂ，Ｂ＊（図５ではＢに上部にインバース“−”の記号を付して示している）は、ＭＯＳＦＥＴ１２０ｃとＭＯＳＦＥＴ１２０ｄの直列回路を駆動制御する信号であり、互いに逆相である。また、ＲＦゲート信号ＡとＲＦゲート信号Ｂとは逆相である。
ＲＦゲート信号Ａ，Ａ＊，Ｂ，Ｂ＊（図６（ａ），（ｂ））はパルス制御信号（図６（ｃ））によって制御され、ＲＦゲート信号Ａ，Ａ＊，Ｂ，Ｂ＊はパルス制御信号がオン状態の期間で出力され、この期間内においてＲＦ出力（図６（ｄ））が出力される。
図６（ｅ），（ｆ）は、プラズマ負荷における進行波電力と反射波電力を示している。図６（ｆ）において、整合器を取り付けたプラズマ負荷は、ＲＦゲート信号（図６（ａ），（ｂ））の立ち上がり時の過渡現象において反射波電力が発生し、整定時間の後に減衰する（図６（ｆ））。
複数のＲＦ増幅部を並列接続することによって、大きなＲＦ出力電力を得ることができる。複数のＲＦ増幅部を並列接続する構成では、各ＲＦ増幅部の位相を同期して増幅変換を行うことによって、高周波電源部１０の電源出力端１０１における交流電力の位相を合わせる。
合成器１４は、複数のＲＦ増幅部１３から出力される各ＲＦ出力電力を一つにまとめる装置であり、ＲＦ増幅部１３が単数の場合には省略することができる。
ＲＦ増幅部１３から出力されＲＦ出力電力、および合成器１４により一つにまとめられて出力されるＲＦ出力電力には高調波成分が多く含まれている。ローパスフィルタ１５はＲＦ出力電力を波形成形して高周波電力に含まれる高調波成分を除き、高調波成分の少ないＲＦ出力電力をＲＦセンサ１６に送る。
ＲＦセンサ１６は、ＲＦ出力電力に含まれる進行波電力と反射波電力とを分離して検出し、進行波電力フィードバック値ＰＦ、および反射波電力フィードバック値ＰＲとして出力する。ＲＦセンサ１６を通過したＲＦ出力電力は、電源出力端１０１まで伝送される。電源出力端１０１は同軸ケーブル１０２と高周波電源部１０を接続する。電源出力端１０１の特性インピーダンスを同軸ケーブル１０２の特性インピーダンスと一致させることによって不要な反射波電力の発生を抑える。
同軸ケーブル１０２は、電源出力端１０１から入力されたＲＦ出力電力を負荷１０３に供給する。
負荷１０３は、マッチングボックス（整合器）を介することによって、高周波電源側から見たインピーダンスを電源出力端１０１の特性インピーダンスおよび同軸ケーブル１０２の特性インピーダンスに整合することができる。特性インピーダンスおよび整合インピーダンスは例えば５０［ohm］とすることができる。
（進行波電力制御ループ系の構成）
進行波電力制御ループ系２０は、ＲＦセンサ１６で検出した進行波電力フィードバック値ＰＦをＤＣ／ＤＣコンバータ１２にフィードバックさせることによって、高周波電源部１０の進行波電力が進行波電力指令値の大きさとなるように制御する帰還系であり、ＲＦセンサ１６からＤＣ／ＤＣコンバータ１２に向かって、ホールド回路２２，進行波電力誤差増幅装置２３，ＰＷＭ信号生成回路２４，およびドライブ回路２５を直列接続して構成される。
進行波電力指令値２１は、進行波電力制御を行う場合に、ＲＦセンサ１６で検出した進行波電力フィードバック値ＰＦの大きさを制御するための基準値であり、進行波電力制御は、進行波電力フィードバック値ＰＦのピーク値が進行波電力指令値２１と同じ大きさとするパルス幅のＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号によってＤＣ／ＤＣコンバータ１２をパルス制御する。
ＲＦセンサ１６が出力する進行波電力フィードバック値ＰＦはTon区間の値とToff区間の値とを含み、Ton区間の値が進行波電力の大きさを表している。一方、Toff区間の値は進行波電力の大きさを表していない。ホールド回路２２は、進行波電力フィードバック値ＰＦのToff区間の値を除いてTon区間の値のみ保持することによって、進行波電力の大きさを取り出す。
ホールド回路２２は、進行波電力フィードバック値ＰＦのTon区間に連動してスイッチをONとしToff区間に連動してスイッチをOFFとして切り離すことによって、直前の状態を維持して進行波電力フィードバック値の振幅をホールドする。ホールドした進行波電力フィードバック値ＰＦの振幅を進行波電力誤差増幅装置２３に送る。
図７はホールド回路２２の構成例を説明するための回路図である。図７（ａ）に示す回路６０において、ホールド回路６１はスイッチ回路６５で構成され、スイッチ回路６５の入力端に抵抗６３および抵抗６４を接続して進行波電力指令値２１および進行波電力フィードバック値ＰＦを入力する。スイッチ回路６５は、進行波電力フィードバック値ＰＦのＯＮ／ＯＦＦに同期してスイッチングを行い、Ton区間の進行波電力フィードバック値ＰＦおよび進行波電力指令値を、スイッチ回路６５の出力端に接続した誤差増幅回路６２に入力する。
誤差増幅回路６２はオペレーションアンプ６６で構成され、進行波電力フィードバック値ＰＦと進行波電力指令値との差分を増幅する。ここでは、誤差増幅の機能を、オペレーションアンプ６６を備えた誤差増幅回路６２によるハードウエアによって構成する例を示しているが、ハードウエア構成に限らずソフトウエアによる構成とし、ＣＰＵをプログラム駆動して誤差増幅の演算処理を行う構成としてもよい。
図７（ｂ）に示す回路７０において、ホールド回路７１はスイッチ回路７５およびコンデンサで構成され、スイッチ回路７５の入力端に進行波電力フィードバック値ＰＦを入力する。スイッチ回路７５は、進行波電力フィードバック値ＰＦのＯＮ／ＯＦＦに同期してスイッチングを行い、Ton区間の進行波電力フィードバック値ＰＦをコンデンサに保持する。
コンデンサに保持された電圧値は、バッファ回路７７および抵抗７４を介して進行波電力フィードバック値ＰＦを誤差増幅回路６２に入力する。誤差増幅回路６２には抵抗７３を介して進行波電力指令値２１が入力される。誤差増幅回路７２はオペレーションアンプ７６で構成され、進行波電力フィードバック値ＰＦと進行波電力指令値との差分を増幅する。
進行波電力誤差増幅装置２３は、進行波電力指令値と進行波電力フィードバック値ＰＦとの誤差分を、予め定めておいたゲインで増幅して制御量として出力する。
ＰＷＭ信号生成回路２４は、進行波電力誤差増幅装置２３又は反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４が出力した制御量の大きさを比較し、大きいほうの制御量に従ってＰＷＭ信号を生成する。
反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４が出力する制御量は反射波電力ピーク値垂下制御を行う制御量であり、進行波電力誤差増幅装置２３の制御量が反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４の制御量よりも大きい場合には、進行波電力誤差増幅装置２３の制御量に従って進行波電力制御を行い、逆に、反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４の制御量が進行波電力誤差増幅装置２３の制御量よりも大きい場合には、反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４の制御量に従って反射波電力ピーク値垂下制御を行って、反射波電力の過大なピーク値を垂下させて抑制する。
ドライブ回路２５は、ＰＷＭ信号生成回路２４で生成したＰＷＭ信号に基づいて、ＤＣコンバータ１２内の半導体素子を駆動するに十分なパワーに増幅する駆動信号を生成し、生成した駆動信号をＤＣ／ＤＣコンバータ１２の半導体素子のゲートに入力してスイッチングさせ、直流電源１１の直流電圧Ｅdcを出力電圧Ｖdcに変換する。また、ドライブ回路２５は、ＰＷＭ信号生成回路２４とＤＣ／ＤＣコンバータ１２との基準電位間を絶縁し、ＰＷＭ信号の電位とＤＣ／ＤＣコンバータ１２の電位が相違した場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２からＰＷＭ信号生成回路２４側への電流によるＰＷＭ信号生成回路２４の破損や誤動作を防ぐ。
（反射波電力ピーク値垂下ループ系の構成）
反射波電力ピーク値垂下ループ系３０は、ＲＦセンサ１６で検出した反射波電力フィードバック値ＰＲを進行波電力制御ループ系２０を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１２にフィードバックさせることによって、高周波電源部１０の反射波電力のピーク値を垂下する制御を行う帰還系であり、急峻変動除去部３１，反射波電力ピークリミット値３２，ホールド回路３３，反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４を備え、反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４の出力を進行波電力制御ループ系２０のＰＷＭ信号生成回路２４に送り、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を駆動するＰＷＭ信号のパルス幅を制御することによって反射波電力のピーク値を垂下させて抑制する。
急峻変動除去部３１は、プラズマの立ち上がり時に生じる急峻な変動分を除去する回路である。プラズマ負荷において、着火成功時であっても、プラズマの立ち上り時には必ずピーク状の反射波電力が発生する。このプラズマ立ち上がり時に発生する反射波電力が設定値（反射波電力ピークリミット値）に達すると、この反射波電力の上昇をプラズマ負荷の異常による反射波電力の上昇として誤判定する場合がある。この誤判定に基づいて反射波電力ピークの垂下制御を行うと、着火したプラズマが不安定となるという問題が生じる。
急峻変動除去部３１は検出した反射波電力フィードバック値ＰＲに含まれる急峻な変動分を除き、プラズマ立ち上がり時に発生する反射波電力による誤判定を防ぐ。急峻変動除去部３１は抵抗とコンデンサで構成される一次遅れ回路で構成することができる。
図８は、急峻変動除去部３１の構成例を説明するための図である。図８（ａ）は急峻変動除去部３１を一次遅れ回路８０で構成した場合の回路例であり、抵抗８１とコンデンサ８２によるローパスフィルタ（ＬＰＦ）で構成することができる。
図８（ｂ）は急峻変動除去部３１の別の構成例を示している。急峻変動除去部３１は高周波成分を除去するフィルタ回路９０で構成することができる。スイッチング回路９５は、反射波電力の検出信号の出力を切り替え、検出信号に含まれる急峻な変動分を除いた信号のみを出力する。急峻な変動分の検出は、微分回路９１と比較回路９２およびリミット値９３によって行う。微分回路９１によって検出信号の変動を検出し、検出した微分値とリミット値９３とを比較することで急峻な変動分を検出する。スイッチング回路９５は、比較回路９２の出力に基づいて急峻な変動分はＯＦＦ状態として検出信号の出力を停止し、急峻な変動分を含まない信号分はＯＮ状態として検出信号を出力する。遅延回路９４は、微分回路９１と比較回路９２の処理に要する時間だけ検出信号を遅延させて、スイッチング回路９５における切り替えタイミングを合わせる。
図４において、反射波電力ピークリミット値３２は、反射波電力ピーク値垂下動作を行う場合に、急峻変動除去部３１の出力と比較する基準値であり、予め設定しておく値である。反射波電力ピーク値垂下の動作中は、反射波電力フィードバックのピーク値を反射波電力ピークリミット値３２以下となるように制限する。
ホールド回路３３は、進行波電力制御ループ系２０が備えるホールド回路２２と同様の構成とすることができ、反射波電力フィードバック値ＰＲのTon区間に連動してスイッチをＯＮとしToff区間に連動してスイッチをＯＦＦとして切り離することによって、直前の状態を維持して反射波電力フィードバック値の振幅をホールドする。ホールドした反射波電力フィードバック値ＰＲの振幅を反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４に送る。
反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４は、反射波電力ピークリミット値３２と急峻変動除去部３１の出力の差分を、予め設定したゲインで増幅し制御量として出力する。
反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４が出力する制御量は反射波電力ピーク値垂下制御を行う制御量であり、ＰＷＭ信号生成回路２４は反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４の出力と進行波電力誤差増幅装置２３の出力とを入力し、反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４の制御量が進行波電力誤差増幅装置２３の制御量よりも大きい場合には、反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４の制御量に従って反射波電力ピーク値垂下制御を行い、反射波電力の過大なピーク値を垂下させる。
（アーク遮断系の構成）
アーク遮断系４０は、ＲＦセンサ１６で検出した反射波電力フィードバック値ＰＲをＲＦ増幅部１３にフィードバックさせることによって、プラズマ負荷に供給する電力を停止してアークを遮断する制御を行う帰還系であり、反射波電力ピーク値垂下ループ系３０が備える急峻変動除去部３１を備える他、アークリミット値４１，比較器４２，ゲート遮断信号生成器４３を備え、ゲート遮断信号生成器４３の出力をゲート信号生成器１８に送り、ＲＦ増幅部１３を駆動するＲＦゲート信号のＯＮ／ＯＦＦを制御するパルス制御信号のデューティー（Duty）を制御することによってアークを遮断する。
急峻変動除去部３１は、反射波電力ピーク値垂下ループ系３０が備える急峻変動除去部３１を兼用する構成の他、アーク遮断系４０に個別に設ける構成、あるいは、急峻変動除去部を反射波電力ピーク値垂下ループ系３０およびアーク遮断系４０から独立して設けておき、急峻な動除分を除去した反射波電力の検出値を反射波電力ピーク値垂下ループ系３０とアーク遮断系４０の両帰還系に入力する構成としても良い。
アークリミット値４１は、プラズマ負荷の着火が成功したかあるいは失敗したかを判定するためのレベル値であり、反射波電力フィードバック値ＰＲから急峻な変動分を除去した検出値がアークリミット値４１に達したか否かによって、プラズマ負荷の着火の成功／失敗の判定を行う。プラズマ負荷の着火が失敗した場合には反射波電力フィードバック値ＰＲが増加するため、急峻変動除去部３１の出力がアークリミット値４１に達したことを検出することによって、プラズマ負荷の着火が失敗したことを検出することができる。
比較器４２は、アークリミット値４１と急峻変動除去部３１の出力とを比較してプラズマ負荷の着火状況を判定するコンパレータである。比較器４２は、急峻変動除去部３１の出力がアークリミット値４１以下あるいは未満であれば着火成功と判定し、急峻変動除去部３１の出力がアークリミット値４１を越えた場合あるいは以上の場合には着火失敗と判定する。
ゲート遮断信号生成器４３は、比較器４２が出力する着火判定信号に従ってゲート遮断信号をゲート信号生成器１８に送出する。着火成功時には、ゲート遮断信号の送出を行なわず、ゲート信号生成器１８に対してＲＦゲート信号の出力を許可する。着火失敗時は、ゲート遮断信号の送出を行って、ゲート信号生成器１８に対してＲＦゲート信号の出力を禁止する。
ゲート信号生成器１８は、ＲＦ増幅部１３のＲＦ電力増幅素子を駆動するために必要な高周波のゲートパワーを制御するＲＦゲート信号として供給する回路であり、生成したＲＦゲート信号を図５に示すＲＦ増幅部１３が備えるブリッジ構成のＭＯＳＦＥＴ１２０に印加して、ＭＯＳＦＥＴ１２０のＯＮおよびＯＦＦを交互に切り替えることによって、ＲＦ出力を生成する。
パルス制御信号は、ＲＦゲート信号の出力を制御する制御信号であり、ＯＮ区間ではＲＦゲート信号を出力させ、ＯＦＦ区間ではＲＦゲート信号を停止する。ＯＮ区間とＯＦＦ区間の時間幅の比で定まるデューティー（Duty）（＝ＯＮ区間／（ＯＮ区間＋ＯＦＦ区間））を制御することによって、ＲＦ増幅部１３が出力する電力量を制御する。
ＲＦ増幅部１３は、通常のパルス運転時には、ゲート信号生成器１８に予め設定されているパルス制御信号のデューティー（Duty）と同じデューティー（Duty）で駆動してＲＦ電力を出力する。
ゲート信号生成器１８は、ゲート遮断信号生成器４３からゲート遮断信号を入力した場合には、パルス制御信号の出力を停止あるいはデューティー（Duty）を小さくして、ＲＦ増幅部１３が出力するＲＦ電力を低減したり、あるいＲＦ電力を停止する。
分岐器１７は、ＲＦ増幅部１３が複数ある場合にゲート信号生成器１８の出力したパルス制御信号を各々のＲＦ増幅部に分岐して供給する回路である。ＲＦ増幅部が単数である場合には分岐器１７は不要である。
（反射波電力量垂下ループ系の構成）
反射波電力量垂下ループ系５０は、ＲＦセンサ１６で検出した反射波電力フィードバック値ＰＲをＲＦ増幅部１３にフィードバックさせることによって、高周波電源部１０の反射波電力の電力量を垂下する制御を行う帰還系であり、反射波電力フィードバック値の電力を平滑化する平滑部として電力平滑部５１を備える他、平滑化した反射波電力平滑値のしきい値として用いる反射波電力平滑リミット値５２，反射波電力平滑値と反射波電力平滑リミット値との差分に基づいて電力増幅を行う反射波電力平滑値電力誤差増幅装置５３，反射波電力平滑値電力誤差増幅装置５３の出力に基づいてパルス制御信号のデューティー（Duty）を定めるデューティー垂下信号生成器５４を備え、デューティー垂下信号生成器５４の出力をゲート信号生成器１８に送る。反射波電力量垂下ループ系５０は、パルス制御信号のデューティー（Duty）を制御することによって反射波電力の電力量を垂下させて抑制する。
反射波電力量垂下ループ系５０は、反射波電力の電圧振幅を変化させることなく電力量を制御する必要性から、反射波電力フィードバック値ＰＲを平滑化する手段として平均値や実効値を求める電力平滑部５１を備え、得られた制御量をＲＦ増幅部１３に帰還して電力量を制御する。
反射波電力量垂下ループ系５０は、反射波電力の平均値あるいは実効値を反射波電力平滑値とし、この反射波電力平滑値が基準値以下となるように反射波電力を垂下させる動作を行う。以下、反射波電力の平均値に基づいて行う垂下動作を反射波電力平均値垂下動作とし、反射波電力の実効値に基づいて行う垂下動作を反射波電力実効値垂下動作とする。
電力平滑部５１は、反射波電力フィードバック値ＰＲを平滑化して反射波電力平滑値を出力する回路であり、平均値回路あるいは実効値回路で構成することができる。平均値回路および実効値回路は、高周波電源部１０のパルス運転時における反射波電力フィードバック値ＰＲの平均値、実効値を求める回路であり、ハードウエア回路で構成する他に、ソフトウエアによる演算処理で構成することができる。また、平均値回路をハードウエアで構成する場合には、抵抗とコンデンサによる一次遅れ回路によって構成しても良い。
反射波電力フィードバック値ＰＲから平滑化した反射波電力平滑値を求めることによって、ＲＦ出力電力の振幅を絞ること無く、パルス制御信号のデューティー（Duty）を絞ることでＲＦ電力増幅素子の熱的損失を減らし、破壊を防ぐことができる。
反射波電力平滑リミット値（反射波電力平均リミット値、反射波電力実効リミット値）は、反射波電力平滑値垂下動作（反射波電力平均値垂下動作、反射波電力実効値垂下動作）を行う場合に、電力平滑部（平均値回路、実効値回路）５１の出力と比較する基準値である。反射波電力平滑値垂下動作（反射波電力平均値垂下動作、反射波電力実効値垂下動作）動作中は、反射波電力フィードバック値ＰＲの平滑値（平均値、実効値）が反射波電力平滑リミット値（反射波電力平均リミット値、反射波電力実効リミット値）以下となるようにパルス制御信号のデューティー（Duty）を調整し、ゲート信号生成器１８が生成するＲＦゲート信号のＯＮ区間を制限し、反射波電力の電力量を垂下（低下）させる。
反射波電力平滑値電力誤差増幅器（反射波電力平均値電力誤差増幅装置、反射波電力実効値電力誤差増幅装置）５３は、反射波電力平滑リミット値（反射波電力平均リミット値、反射波電力実効リミット値）５２と電力平滑部（平均値回路、実効値回路）５１の出力との差分である誤差分を予め定めておいたゲインで増幅し、制御量として出力する。
デューティー垂下信号生成器５４は、反射波電力平滑値電力誤差増幅器（反射波電力平均値電力誤差増幅装置、反射波電力実効値電力誤差増幅装置）５３が出力する制御量に応じてパルス運転時のＯＮ区間とＯＦＦ区間のデューティー（Duty）を決定する回路である。
反射波電力平滑値垂下動作中において、ゲート信号生成器１８はデューティー垂下信号生成器５４からパルス制御信号を受け取って、パルス制御信号のデューティー（Duty）に基づいたＯＮ区間およびＯＦＦ区間のＲＦゲート信号を生成する。なお、ゲート信号生成器１８にはアーク遮断系４０のゲート遮断信号生成器４３からゲート遮断信号が入力されており、このゲート遮断信号はデューティー（Duty）信号に優先してＲＦゲート信号を停止する動作を行う。
また、反射波電力平均値垂下動作に移行せずに通常の進行波制御を行う場合は、デューティー垂下信号生成器５４はデューティー（Duty）垂下信号の生成を行なわず、予め設定された固定のデューティー（Duty）のパルス制御信号でゲート信号を生成してパルス運転を行う。
以下、本発明の高周波電力供給装置の制御例について説明する。
［高周波電力供給装置の制御例］
（進行波電力制御）
はじめに、進行波電力制御ループ系による進行波電力制御について図９を用いて説明する。
負荷１０３が５０［ohm］にマッチングされており反射波電力がない場合には、図９中の進行波電力制御ループ系２０（太い矢印で示している）によって進行波電力制御が行われる。
進行波電力制御中は、絶えず進行波電力指令値２１と進行波電力フィードバック値ＰＦのピーク値が一致するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力Ｖdcを可変とし、ＲＦ出力電力の振幅が制御される。
（切り替え制御）
進行波電力制御中に、負荷１０３のマッチングが５０［ohm］から逸脱し、下記の各条件（1），（2），（3）を満たした場合は、制御ループは進行波電力制御ループ系２０から垂下動作又は遮断動作を行う反射波電力制御ループ系１００（反射波電力ピーク値垂下ループ系３０，アーク遮断系４０，反射波電力量垂下ループ系５０）に移行する。
（1）図３（ｂ）に示すように、反射波電力の急峻変動分を除去した一次遅れ出力２０２が反射波電力ピークリミット値３０２に到達した場合は、反射波電力ピーク値垂下ループ系３０によって反射波電力ピーク値垂下動作に移行する。
（2）図３（ｂ）に示すように、反射波電力の急峻変動分を除去した一次遅れ出力２０２がアークリミット値３０３に到達した場合は、アーク遮断系４０によってアーク遮断動作に移行する。
（3）図３（ｂ）に示すように、電力平滑部（平均値回路、実効値回路）５１の反射波電力の平滑値２０３が、反射波電力平滑値リミット値（反射波電力平均リミット値、反射波電力実効値リミット値）３０１に到達した場合は、反射波電力量垂下動作に移行する。上記した垂下動作と遮断動作はそれぞれ独立して動作する。
（反射波電力ピーク値垂下制御）
次に、反射波電力ピーク値の垂下制御について、図１０〜図１３を用いて説明する。図１０は反射波電力ピーク値垂下制御のループ系を示している。
負荷のマッチングが５０［ohm］から逸脱してインピーダンス整合がとれなくなると、反射波電力が発生する。この反射波電力を検出して得られた反射波電力フィードバック値ＰＲの反射波電力の急峻変動分を除去した出力（例えば、一次遅れ出力）が反射波電力ピークリミット値３２を超えた場合には、図１０中において示す反射波電力ピーク値垂下ループ系３０（太い矢印で示している）によって反射波電力ピーク値垂下動作が行われる。
急峻変動除去部３１の出力が反射波電力ピークリミット値３２を超えないようにＤＣ／ＤＣコンバータ１２を制御することによって、ＲＦ出力電力の振幅は一定値以上出力されない様に制限される。この反射波電力ピーク値垂下動作により、反射波電力発生時におけるＲＦ電力増幅素子は過負荷やサージ電圧から保護されて破壊には至らなくなる。
反射波電力が下がり、急峻変動除去部３１の出力が反射波電力ピークリミット値３２を下回った場合には、進行波電力制御に再度戻る。
図１１に示すフローチャートにおいて、ＲＦセンサ１６によって反射波電力を検出し（S11）、検出した反射波電力を急峻変動除去部３１に入力して急峻変動分を除去した出力（例えば、一次遅れ出力）を得る（S12）。反射波電力の急峻変動分を除去した出力（例えば、一次遅れ出力）が、反射波電力ピーク値の検出レベルである反射波電力ピークリミット値３２を超えた場合には（S13）、反射波電力の急峻変動分を除去した出力（例えば、一次遅れ出力）と反射波電力ピークリミット値３２との差分を求め(S14)、この差分に基づいて制御値を求め（S15）、制御値に基づいてＰＷＭ信号生成回路２４においてＰＷＭ信号を生成する（S17）。差分および制御値の生成は、反射波電力ピーク値電力誤差増幅器３４で行うことができる。
一方、反射波電力の急峻変動分を除去した出力（例えば、一次遅れ出力）が反射波電力ピークリミット値３２を超えない場合には（S13）、予め定めておいた設定パルス幅(S16)に基づいてＰＷＭ信号生成回路２４においてＰＷＭ信号を生成する（S17）。生成したＰＷＭ信号によりＤＣ／ＤＣコンバータ１２を駆動して出力電圧値を制御する(S18)。
図１２は進行波電力制御と反射波電力ピーク値垂下動作を説明するための図である。図１２の横軸は時間を示し、縦軸は反射波電力を示している。
進行波電力制御において、予め定められたパルス幅のＰＷＭ信号によってＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する。この駆動によって進行波電力が増加する（図示していない）と共に、反射波電力が増加する。反射波電力のピーク値が反射波電力ピークリミット値に達すると、反射波電力ピーク値垂下動作が開始する。反射波電力ピーク値垂下動作は、ＰＷＭ信号のパルス幅を狭めることによって反射波電力のピーク値が反射波電力ピークリミット値を超えないように抑制する。
図１３は、プラズマの着火が成功した場合と失敗した場合の反射波電力ピーク値垂下動作を模式的に示している。なお、図１３に示す波形は説明のために簡略化して示しており、実際の波形を示すものではない。図１３（ａ）は進行波電力フィードバック値を示し、図１３（ｂ），（ｅ）中の濃い実線は反射波電力フィードバック値ＰＲを示し、薄い実線は反射波電力フィードバック値の一次遅れ出力を示し、一点鎖線はピーク垂下検出レベルを示している。
図１３（ａ）〜（ｄ）は着火が成功した場合の波形を示し、図１３（ｅ）〜（ｇ）は着火が失敗した場合の波形を示している。
着火が成功した場合には、プラズマの立ち上がり時T1およびプラズマの立ち下がり時T2に反射波が増加する。このとき、反射波電力フィードバック値ＰＲ（濃い実線で示す）に基づいて反射波電力ピーク値垂下動作を行うと、正常な着火動作である場合であっても異常状態と誤判定され、進行波電力の振幅が抑制されてプラズマの維持が困難となる。
これに対して、反射波電力フィードバック値の急峻変動分を除去した出力（例えば、一次遅れ出力）（薄い実線で示す）は、ピーク垂下検出レベルに達しないため反射波電力ピーク値垂下動作は行われず、ＰＷＭ信号は変化することなく（図１３（ｄ））進行波電力制御が維持される。
また、着火が失敗した場合、反射波電力フィードバック値の急峻変動分を除去した出力（例えば、一次遅れ出力）（薄い実線で示す）は、着火失敗に時点T1から遅れたT3においてピーク垂下検出レベルに達し、反射波電力ピーク値垂下動作が開始される。ＰＷＭ信号のパルス幅は、反射波電力の一次遅れ出力とピーク垂下検出レベルとの差分（図１３（ｆ））に基づいて生成され（図１３（ｇ））、反射波電圧ピークの垂下が行われる。
反射波電力の急峻変動分を除去した出力（例えば、一次遅れ出力）が低下しピーク垂下検出レベルを下回ると、反射波電力ピーク値垂下動作は終了し、反射波電力ピーク値垂下制御から進行波電力制御に戻る。
（アーク遮断制御）
次に、アーク遮断制御について、図１４〜図１６を用いて説明する。図１４はアーク遮断制御のループ系を示している。
プラズマ負荷の着火に失敗して反射波電力が増加し、反射波電力フィードバック値ＰＲがアーク遮断レベルを超える場合には、図１４に示すアーク遮断系４０（図１４中の太い矢印で示す）でアーク遮断動作を行う。
急峻変動除去部３１で急峻変動分が除去されたピーク値がアークリミット値４１に達した段階で、ゲート遮断信号生成器４３は遮断信号を送出し、ＲＦ増幅部１３の動作を停止させてアークを遮断する。
アーク遮断動作中のＲＦ出力電力パルス幅は、予め設定しておいた通常のパルス運転時におけるデューティー（Duty）よりも非常に短くなりＲＦ電力増幅素子は破壊に至らない。
着火失敗時には、アーク遮断直前に大きな電力が供給されるが、この間に大きな電圧を負荷に印加することができるので保護と着火のリトライを同時に行うことができる。また、着火成功時は、急峻変動分を除去することにより正常なパルス立ち上がり時の反射波電力を抑制することができるため着火判定の誤検知を防止することができ、パルス運転を中断すること無く続行することができる。
図１５に示すフローチャートにおいて、ＲＦセンサ１６によって反射波電力を検出し（S21）、検出した反射波電力を急峻変動除去部３１に入力して急峻変動分を除去する。以下では、急峻変動除去部は一次遅れを出力する例について説明する。
反射波電力の一次遅れ出力によって急峻な変動分を除去し（S22）、得られた一次遅れ出力がアーク遮断の検出レベルであるアークリミット値４１を超えた場合には（S23）、ゲート遮断信号を生成する(S24)。
ゲート信号生成器１８は、ゲート遮断信号を受けてＲＦゲート信号の出力を停止し(S25)、ＲＦ増幅部の出力を停止する（S26）。
一方、一次遅れ出力がアークリミット値４１を超えない場合には（S23）、ゲート信号生成器１８は予め定めておいたパルス制御信号のデューティー(Duty)に基づいてＲＦゲート信号を生成してＲＦ増幅部の出力を維持、あるいはＲＦ増幅部の出力が停止していた場合には再開する（S27）。
着火が失敗した際、着火リトライ機能によって再着火動作を行うことができる。再着火動作は、着火失敗を判定してから所定の休止時間が経過した後、着火を試みる。このリトライ機能では、着火動作を繰り返すリトライ回数や休止時間の時間幅を設定することができる。また、設定されたリトライ回数内の着火が成功しない場合には、リトライ動作を停止させたり、あるいは一定時間停止させた後にリトライ動作を復帰させるように設定してもよい。
図１６は、プラズマの着火が成功した場合と失敗した場合のアーク遮断動作を模式的に示している。なお、図１６に示す波形は説明のために簡略化して示しており、実際の波形を示すものではない。図１６（ａ），（ｄ）は進行波電力フィードバック値を示し、図１６（ｂ），（ｅ）において、濃い実線は反射波電力フィードバック値ＰＲを示し、薄い実線は反射波電力フィードバック値の一次遅れ出力を示し、一点鎖線はアークリミット値を示している。
図１６（ａ）〜（ｃ）は着火が成功した場合の波形を示し、図１６（ｄ）〜（ｆ）は着火が失敗した場合の波形を示している。
着火が成功した場合には、プラズマの立ち上がり時t1およびプラズマの立ち下がり時t2に反射波が増加する（図１６（ｂ））。このとき、反射波電力フィードバック値ＰＲ（濃い実線で示す）に基づいてアーク遮断動作を行うと、正常な着火動作である場合であってもアーク発生等の異常状態と誤判定され、アーク遮断動作によってプラズマが消弧される。
これに対して、反射波電力フィードバック値から急峻変動分を除去した出力（一次遅れ出力（薄い実線で示す））は、アーク遮断レベルであるアークリミット値に達しないためアーク遮断動作は行われず、ゲート遮断信号は出力されず（図１６（ｃ））進行波電力制御が維持される。
また、着火が失敗した場合、反射波電力フィードバック値から急峻変動分を除去した出力（一次遅れ出力（薄い実線で示す））は、着火失敗に時点t1から遅れたt3においてアーク遮断検出レベルのアークリミット値に達し（図１６（ｅ））、ゲート遮断信号が生成され（図１６（ｆ））、アーク遮断動作が開始される。
アーク遮断動作の開始によってアークが消弧すると、進行波電力フィードバック値ＰＦおよび反射波電力フィードバック値ＰＲが低下し（図１６（ｄ），（ｅ））、反射波電圧の一次遅れ出力は一次遅れ回路の時定数に従って減衰する（図１６（ｅ））。
（反射波電力量垂下制御）
次に、反射波電力量垂下制御について、図１７〜図２０を用いて説明する。図１７は反射波電力量垂下動作を模式的に示している。
負荷のマッチングが５０［ohm］から逸脱してインピーダンス整合がとれなくなると、反射波電力が発生する。この反射波電力を検出して得られた反射波電力フィードバック値ＰＲを平滑化して得られた反射波電力平滑値が反射波電力平滑リミット値５２を超えた場合には、図１７中で示す反射波電力量垂下ループ系５０（太い矢印で示している）によって反射波電力量垂下動作が行われる。反射波電力平滑値は、反射波電力の平均値あるいは実効値とすることができる。
反射波電力量垂下制御による反射波電力垂下動作では、電力平滑部５１の出力が反射波電力平滑リミット値５２を超えないようにパルス制御信号のデューティー（Duty）を制御し、ＲＦゲート信号のＯＮ区間の幅を制限することによって、ＲＦ出力電力の電力量が一定値以上出力されない様に制限する。反射波電力量垂下動作は、パルス制御信号のデューティー（Duty）を絞ることによって、ＲＦ出力の電圧の振幅を絞ることなく出力電力を絞り、ＲＦ電力増幅素子の熱的損失を減らし破壊を防ぐことができる。
反射波電力量垂下動作によって反射波電力が下がり、電力平滑部５１の出力が反射波電力平滑リミット値５２を下回った場合には、進行波電力制御に再度戻る。
図１８に示すフローチャートにおいて、ＲＦセンサ１６によって反射波電力を検出し（S31）、検出した反射波電力を電力平滑部５１に入力して平滑化した反射波電力平滑値を求め（S32）、反射波電力平滑化値が、反射波電力の検出レベルである反射波電力平滑リミット値５２を超えた場合には（S33）、反射波電力平滑化値と反射波電力平滑リミット値５２との差分を求め(S34)、この差分に基づいて制御値を求め（S35）、デューティー変換によって制御値に対応するパルス制御信号のデューティー(Duty)を求める。なお、デューティー変換は、制御値とこの制御値に対応するデューティー(Duty)の関係を予め定めておき、この対応関係に基づいて制御値からデューティー(Duty)を求めることができる。
得られたデューティー(Duty)に基づいてデューティー垂下信号生成器５４においてデューティー垂下信号を生成する。ゲート信号生成器１８は、デューティー垂下信号に基づいて、ＯＮ区間が絞られたＲＦゲート信号を生成する。ここで、デューティー垂下信号はＲＦゲート信号のＯＮ区間とＯＦＦ区間のデューティー（Duty）を定めるパルス制御信号であり、ＯＮ区間を絞ることによって進行波電力の電力量を抑制し、これによって反射波電力の電力量を低減する（S38）。
一方、反射波電力平滑値が反射波電力平滑リミット値５２を超えない場合には（S33）、デューティー垂下信号生成器５４はデューティー垂下信号を生成せず、ゲート信号生成器１８は予め定めておいた設定デューティー(Duty)(S37)に基づいてパルス制御信号を生成し（S38）、パルス制御信号に基づいてＲＦゲート信号を生成し（S39）、生成したＲＦゲート信号によりＲＦ増幅部１３を駆動して出力電力を制御する(S40)。
図１９は進行波電力制御と反射波電力量垂下動作を説明するための図である。図１９の横軸は時間を示し、縦軸は電力（図１９（ａ））、および負荷電圧（図１９（ｂ））を示している。
進行波電力制御において、予め定められたデューティー（Duty）のＯＮ区間およびＯＦＦ区間を有するＲＦゲート信号によってＲＦ増幅部１３を駆動する。この駆動によって進行波電力の電力が増加する（図示していない）と共に、反射波電力の電力量が増加する。反射波電力を平滑化して得られる反射波電力平滑値（平均値あるいは実効値）が反射波電力平滑リミット値に達すると、反射波電力量垂下動作が開始する。
反射波電力量垂下動作は、パルス制御信号のデューティー（Duty）を小さくして、ＲＦゲート信号を出力するＯＮ区間の幅を縮小することによって反射波電力の電力量が反射波電力平滑リミット値を超えないように抑制する。
図１９（ａ）は平滑値として平均値を用いた例であり、反射波電力平均値垂下動作において、反射波電力平均値の上限を反射波電力平均リミット値に抑えることができる。
図１９（ｂ）は負荷電圧を示し、反射波電力平均値垂下動作中に負荷に印加される電圧を一定に保持され、パルス運転の一周期内で印加される高周波電圧のサイクル数を狭めることで供給電力を抑制している。
図２０は、反射波電力量垂下動作を模式的に示している。なお、図２０に示す波形は説明のために簡略化して示しており、実際の波形を示すものではない。
図２０（ａ）〜（ｃ）は、反射波電力平滑値が反射波電力平滑リミット値を超えない場合を示し、図２０（ｄ）〜（ｆ）は、反射波電力平滑値が反射波電力平滑リミット値を超える場合を示し、それぞれ反射波電力平滑値、パルス制御信号、およびＲＦゲート信号を示している。図中のパルス制御信号は、ゲート信号を出力するＯＮ区間とゲート信号を出力しないＯＦＦ区間を表している。なお、各信号波形は説明のために模式的に示すものであって、実際の信号波形を表すものではない。
図２０（ａ）〜（ｃ）において、反射波電力平滑値が反射波電力平滑リミット値を超えない場合には、反射波電力平滑リミット値を超える電力の差分がないため、予め設定されたデューティー(Duty)で定まるパルス制御信号（図２０（ｂ））が出力される。このパルス制御信号に基づいてＲＦゲート信号が生成される（図２０（ｃ））。
一方、図２０（ｄ）〜（ｆ）において、反射波電力平滑値が反射波電力平滑リミット値を超える場合には、反射波電力平滑リミット値を超える電力の差分に応じてデューティー(Duty)が定まり、このデューティー（Duty）で定まるパルス制御信号（図２０（ｅ））が出力されて出力電力が抑制される。このパルス制御信号に基づいてＲＦゲート信号が生成され（図２０（ｆ））、反射波電力量が垂下される。
以下に本発明の反射波電力制御が含む反射波電力ピーク値垂下制御、アーク遮断制御、および反射波電力量垂下制御の関係を表に示す。
なお、上記実施の形態及び変形例における記述は、本発明に係る高周波電力供給装置および反射波電力制御方法の一例であり、本発明は各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明の高周波電力供給装置および反射波電力制御方法は、プラズマ発生装置に電力を供給する電力源に適用することができる。
１ 高周波電力供給装置
１０ 高周波電源部
１１ 直流電源
１２ コンバータ
１３ 増幅部
１４ 合成器
１５ ローパスフィルタ
１６ センサ
１７ 分岐器
１８ ゲート信号生成器
２０ 進行波電力制御ループ系
２１ 進行波電力指令値
２２ ホールド回路
２３ 進行波電力誤差増幅装置
２４ ＰＷＭ信号生成回路
２５ ドライブ回路
３０ 反射波電力ピーク値垂下ループ系
３１ 急峻変動除去部
３２ 反射波電力ピークリミット値
３３ ホールド回路
３４ 反射波電力ピーク値電力誤差増幅器
４０ アーク遮断系
４１ アークリミット値
４２ 比較器
４３ ゲート遮断信号生成器
５０ 反射波電力量垂下ループ系
５１ 電力平滑部
５２ 反射波電力平滑リミット値
５３ 反射波電力平滑値電力誤差増幅装置
５４ デューティー垂下信号生成器
６０ 回路
６１ ホールド回路
６２ 誤差増幅回路
６３ 抵抗
６４ 抵抗
６５ スイッチ回路
６６ オペレーションアンプ
７０ 回路
７１ ホールド回路
７２ 誤差増幅回路
７３ 抵抗
７４ 抵抗
７５ スイッチ回路
７６ オペレーションアンプ
７７ バッファ回路
８０ 一次遅延回路
８１ 抵抗
８２ コンデンサ
９０ フィルタ回路
９１ 微分回路
９２ 比較回路
９３ リミット値
９４ 遅延回路
９５ スイッチング回路
１００ 反射波電力制御ループ系
１０１ 電源出力端
１０２ 同軸ケーブル
１０３ 負荷
１２０ 増幅部
１２０ａ〜１２０ｄ ＭＯＳＦＥＴ
１２０ｅ メイントランス
１２０ｆ フィルタ
２０２ 一次遅延出力
２０３ 平滑値
３０１ リミット値
３０２ 反射波電力ピークリミット値
３０３ アークリミット値
Ｅdc 直流電圧
ＰＦ 進行波電力フィードバック値
ＰＲ 反射波電力フィードバック値
Ｖdc 直流電圧

Claims (12)

  1. プラズマ負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給装置において、
    スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換し高周波電力を出力する高周波電源部と、
    前記高周波電源部の高周波出力の検出値を帰還してフィードバック制御を行う帰還系とを備え、
    前記帰還系は、
    前記高周波電源部からプラズマ負荷に向かう進行波電力の検出値を帰還して進行波電力を制御する進行波電力制御ループ系と
    前記プラズマ負荷から前記高周波電源部に向かう反射波電力の検出値を帰還して反射波電力を制御する複数の反射波電力制御ループ系とを備え、
    前記反射波電力制御ループ系は、
    反射波電力のピーク変動を制御する反射波電力ピーク値垂下ループ系およびアーク遮断系と、反射波電力の電力平滑量を制御する反射波電力量垂下ループ系とを備え、
    前記反射波電力ピーク値垂下ループ系は、反射波電力のピーク値に基づいて前記高周波電源部の直流電源の直流電圧を制御し、当該直流電源の電圧制御によって反射波電力のピーク値を垂下制御し、
    前記アーク遮断系は、反射波電力のピーク値に基づいて前記高周波電源部のＲＦ増幅部の出力の有無を制御することによって、プラズマ負荷への電力供給の有無を制御してプラズマ負荷におけるアークの遮断を制御し、
    前記反射波電力量垂下ループ系は、反射波電力の電力平滑量に基づいて前記高周波電源部のＲＦ増幅部のＯＮ区間とＯＦＦ区間のデューティー（時間比率）を制御することによって、プラズマ負荷への電力供給量を制御して反射波電力の電力量を垂下制御することを特徴とする、高周波電力供給装置。
  2. 前記反射波電力ピーク値垂下ループ系は、
    反射波のピーク値の垂下制御を行うか否かを定めるしきい値として反射波電力ピークリミット値を有し、
    反射波電力の検出値と反射波電力ピークリミット値との差分を前記進行波電力制御ループ系に帰還し、前記高周波電源部が備えるＤＣ／ＤＣコンバータを駆動するＰＷＭ信号のパルス幅を制御して直流電源の直流電圧を制御することを特徴とする、請求項１に記載の高周波電力供給装置。
  3. 前記アーク遮断系は、
    高周波電力を出力するか否かを定めるしきい値としてアークリミット値を有し、
    反射波電力の検出値と前記アークリミット値との比較に基づいて前記高周波電源部が備えるＲＦ増幅部を制御するＲＦゲート信号を制御し、ＲＦ増幅部の高周波電力を出力するか否かを制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載の高周波電力供給装置。
  4. 前記反射波電力量垂下ループ系は、
    前記反射波電力の検出値の平均値又は実効値を出力する電力平滑部と、
    高周波電力の電力量の垂下制御の有無および垂下量を定める反射波垂下リミット値として反射波電力平均リミット値又は反射波電力実効リミット値と備え、
    前記電力平滑部の平均値の出力と前記反射波電力平均リミット値との比較、又は前記電力平滑部の実効値の出力と前記反射波電力実効リミット値との比較に基づいて、前記高周波電源部が備えるＲＦ増幅部を制御するパルス制御信号のデューティー（ＲＦ増幅部のＯＮ区間とＯＦＦ区間の時間比率）を定め、ＲＦ増幅部の高周波電力の電力量の垂下を制御することを特徴とする、請求項１から３の何れかに記載の高周波電力供給装置。
  5. 前記前記反射波電力ピーク値垂下ループ系または前記アーク遮断系の少なくとも何れか一方の系は、前記反射波電力の検出値から急峻変動分を除去する急峻変動除去部を備え、
    前記急峻変動除去部は、反射波電力の検出値から急峻な変動による急峻変動分を除去し、急峻変動によらない反射波電力のピーク値に相当する信号を帰還することを特徴とする、請求項１から３の何れかに記載の高周波電力供給装置。
  6. 前記急峻変動除去部は、反射波電力の検出値を一次遅れさせる一次遅れ回路であることを特徴とする、請求項５に記載の高周波電力供給装置。
  7. プラズマ負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給において、
    スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換し高周波電力を出力する高周波電源部と、
    前記高周波電源部の高周波出力の検出値を帰還してフィードバック制御を行う帰還系とを備え、
    前記帰還系は、
    前記高周波電源部からプラズマ負荷に向かう進行波電力の検出値を帰還して進行波電力を制御する進行波電力制御ループ系と
    前記プラズマ負荷から前記高周波電源部に向かう反射波電力の検出値を帰還して反射波電力を制御する複数の反射波電力制御ループ系とを備え、
    前記反射波電力制御ループ系は、
    反射波電力のピーク変動を制御する反射波電力ピーク値垂下ループ系およびアーク遮断系と、反射波電力の電力平滑量を制御する反射波電力量垂下ループ系とを備え、
    前記反射波電力ピーク値垂下ループ系は、反射波電力のピーク値に基づいて前記高周波電源部の直流電源の直流電圧を制御し、当該直流電源の電圧制御によって反射波電力のピーク値を垂下制御し、
    前記アーク遮断系は、反射波電力のピーク値に基づいて前記高周波電源部のＲＦ増幅部の出力の有無を制御することによって、プラズマ負荷への電力供給の有無を制御してプラズマ負荷におけるアークの遮断を制御し、
    前記反射波電力量垂下ループ系は、反射波電力の電力平滑量に基づいて前記高周波電源部のＲＦ増幅部のＯＮ区間とＯＦＦ区間のデューティー（時間比率）を制御することによって、プラズマ負荷への電力供給量を制御して反射波電力の電力量を垂下制御することを特徴とする、反射波電力制御方法。
  8. 前記反射波電力ピーク値垂下ループ系は、
    反射波のピーク値の垂下制御を行うか否かを定めるしきい値として反射波電力ピークリミット値を有し、
    反射波電力の検出値と反射波電力ピークリミット値との差分を前記進行波電力制御ループ系に帰還し、前記高周波電源部が備えるＤＣ／ＤＣコンバータを駆動するＰＷＭ信号のパルス幅を制御して直流電源の直流電圧を制御することを特徴とする、請求項７に記載の反射波電力制御方法。
  9. 前記アーク遮断系は、
    高周波電力を出力するか否かを定めるしきい値としてアークリミット値を有し、
    反射波電力の検出値と前記アークリミット値との比較に基づいて前記高周波電源部が備えるＲＦ増幅部を制御するＲＦゲート信号を制御し、ＲＦ増幅部の高周波電力を出力するか否かを制御することを特徴とする、請求項７又は８に記載の反射波電力制御方法。
  10. 前記反射波電力量垂下ループ系は、
    前記反射波電力の検出値の平均値又は実効値を出力する電力平滑部と、高周波電力の電力量の垂下制御の有無および垂下量を定める反射波垂下リミット値として反射波電力平均リミット値又は反射波電力実効リミット値と備え、
    前記電力平滑部の平均値の出力と前記反射波電力平均リミット値との比較、又は前記電力平滑部の実効値の出力と前記反射波電力実効リミット値との比較に基づいて、前記高周波電源部が備えるＲＦ増幅部を制御するパルス制御信号のデューティー（ＲＦ増幅部のＯＮ区間とＯＦＦ区間の時間比率）を定め、ＲＦ増幅部の高周波電力の電力量の垂下を制御することを特徴とする、請求項７から９の何れかに記載の反射波電力制御方法。
  11. 前記前記反射波電力ピーク値垂下ループ系または前記アーク遮断系の少なくとも何れか一方の系は、前記反射波電力の検出値から急峻変動分を除去する急峻変動除去部を備え、
    前記急峻変動除去部は、反射波電力の検出値から急峻な変動による急峻変動分を除去し、急峻変動によらない反射波電力のピーク値に相当する信号を帰還することを特徴とする、請求項７から９の何れかに記載の反射波電力制御方法。
  12. 前記急峻変動除去部は、反射波電力の検出値を一次遅れさせることによって、反射波電力の検出値から急峻な変動による急峻変動分を除去することを特徴とする、請求項１１に記載の反射波電力制御方法。
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