JP6178594B2 - プラズマ生成用電源装置 - Google Patents
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Description
図1と図5を用いて、従来の高周波電源装置を説明する。図1は、後述する本発明の実施形態に係る高周波電源装置の機能構成を示す図であるが、制御部の機能以外は、従来の高周波電源装置と同様である。図5は、従来の高周波電源装置の信号波形を示す図である。
図5において、(a)は出力電力Pfの波形、(b)は変調信号16s1の波形、(c)はレベル調整信号13bsの波形である。出力電力Pfは、高周波信号であり、図5では、その高周波信号の包落線を示している。このように、発振部11からのRF信号11sが、変調信号16s1によりパルス変調されることにより、出力電力Pfの波形が形成される。
まず、従来の出力電力レベル調整方法の概略を説明する。
制御部16は、高周波の出力電力Pfを、変調信号16s1がONになった時点から、出力電力検出部15を介して検出する。図5に示す○印は、出力電力Pfの検出ポイントである。次に、検出された出力電力Pfの平均値と所定の設定電力とを比較し、その差が所定の範囲内になるようレベル調整値を計算し、変調信号16s1がOFFになるタイミングでレベル調整信号13bsの値を変更して出力し、次のパルス出力に反映させる。
このように、パルス変調された高周波電力を出力する高周波電源装置では、パルスの幅が数μsといった短い時間の場合もあるため、パルス間において出力電力レベルの制御を行うのが一般的である。
まず、初期設定を行い、設定電力と許容電力範囲を設定する(ステップS101)。許容電力範囲とは、許容できる出力電力Pfと設定電力との差分値である。
しかしながら、プラズマ負荷のインピーダンスは常に一定ではなく、変調パルスがON状態中にも、プラズマ負荷の動作状態によって変化する。プラズマ負荷のインピーダンスが変わると電力増幅器14の特性が変化し、出力電力Pfの値が設定電力値から乖離してしまう。
本発明の目的は、変調パルスON状態における出力電力の変動を抑制し、出力電力の値が設定電力値から乖離することを抑制することのできるプラズマ生成用電源装置を提供することにある。
外部に設けられプラズマを生成するプラズマ生成部へ、パルス状の高周波電力を供給するパルス変調方式のプラズマ生成用電源装置であって、
所定の周波数の高周波信号を出力する発振部と、
前記発振部から出力される高周波信号を、ON状態とOFF状態とを繰り返すパルス状に変調し、パルス状高周波信号として出力する変調部と、
前記変調部から出力されるパルス状高周波信号のレベルを調整して出力するレベル調整部と、
前記レベル調整部から出力されるパルス状高周波信号の電力を増幅してパルス状高周波電力を出力する電力増幅器と、
前記電力増幅器から出力されるパルス状高周波電力の出力電力値を検出する出力電力検出部と、
前記変調部から出力される前記パルス状高周波信号のON状態における複数の経過時間と、該複数の経過時間にそれぞれ対応する複数の補正係数と、予め出力電力の値として設定された設定電力値とを記憶する記憶部と、
前記出力電力検出部で検出した前記出力電力値が入力され、該入力された出力電力値と前記設定電力値とに基づき、前記レベル調整部で調整されるパルス状高周波信号のレベルを制御するレベル制御信号を、前記レベル調整部へ出力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記複数の経過時間のそれぞれにおいて、前記経過時間のそれぞれに対応する補正係数に基づき前記レベル制御信号を補正して出力することを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
本発明者等は、パルス状の変調信号16s1がONとなりプラズマ負荷20に電力が供給されてからの経過時間によって出力電力値が変動すること、そして、この出力電力値の変動は、プラズマ負荷20が同じ特性であれば、同じパターンで繰り返されることを見出した。例えば同一のプラズマ生成装置であれば、出力電力値の変動パターンは同一である。第1実施形態では、上述したパルス状の変調信号16s1がONとなってからの経過時間によって出力電力が同じパターンで変わることに着目し、各経過時間ごとにレベル調整信号13bsを補正することで、変調信号16s1がONの期間内の出力電力が一定になるよう制御するものである。
詳しくは、出力電力検出部15は、電力増幅器14からの出力を方向性結合器15aにより取り出し、該取り出した出力電力Pfを検波器15bで検波して出力電力Pfの大きさを検出する。そして、検波器15bからのアナログ出力信号をA/D変換器15cでディジタル信号に変換し、制御部16へ出力する。なお、A/D変換器15cは、制御部16内に制御部16の一部として設けてもよい。
記憶部16aには、予め、出力すべき目標電力値として設定された設定電力値Psと、変調部12から出力されるパルス状高周波信号のON状態における複数の経過時間tと、該複数の経過時間tにそれぞれ対応する複数の補正係数Bと、平均レベル調整値Nave(以降、Naと称す。)とが記憶されている。複数の補正係数Bは、それぞれ対応する複数の経過時間tと対応付けられて記憶されている。平均レベル調整値Naについては後述する。設定電力値Ps、平均レベル調整値Na、経過時間t、補正係数Bは、予め、高周波電源装置の操作部(不図示)から、操作者により入力され、記憶部16aに記憶される。
このように、制御部16は、レベル調整値、つまり、レベル調整部13に出力するレベル制御信号16s2を、補正係数Bに基づき補正することで、この高周波電源装置の出力電力がパルスON状態において一定値になるよう制御する。
図2において、(a)は出力電力Pfの波形、(b)は変調信号16s1の波形、(c)はレベル調整信号13bsの波形である。図2に示す○印は、出力電力Pfの検出ポイントであり、変調信号16bsがONとなる時間を起点とした経過時間t1〜t6を示す。例えば、t4の○印は、変調信号16bsがONとなる時間を起点とした経過時間t4を示す。出力電力Pfは、高周波信号であり、図2では、その高周波信号の包落線を示している。このように、発振部11からの高周波信号11sが、変調信号16s1によりパルス変調されることにより、出力電力Pfの波形が形成される。
記憶部16aでは、前述したように、予め、変調信号16s1のパルスON状態における経過時間tであって、変調信号16s1がパルスON状態になってからの複数の経過時間t(t1、t2、・・・tn)と、該複数の経過時間tのそれぞれに対応する複数の補正係数B(B1、B2、・・・Bn)と、平均レベル調整値Naとを記憶している。補正係数B1〜Bnは、それぞれ、経過時間t1〜tnに対応する補正係数であり、変調信号16s1がONになってからの経過時間tに応じて異なる出力電力Pfの値を補正するための係数である。ここでnは、2以上の自然数であり、図2の例ではn=6である。
また、制御部16では、変調信号16s1がON状態になってからの経過時間tに対応させて、出力電力検出部15から出力電力Pfの値を取得し、記憶部16aに記憶させる。
まず、初期設定を行い、設定電力値Psと許容電力範囲を設定し、記憶部16aに記憶させる(ステップS1)。許容電力範囲とは、許容できる出力電力Pfと設定電力値Psとの差分値である。
また、第1実施形態では、複数の経過時間を6ポイント設けているが、6ポイントに限られるものではない。
(A1)パルス状高周波信号のON状態において、複数の経過時間のそれぞれが経過すると、経過時間のそれぞれに対応する補正係数に基づき、パルス状高周波信号のレベルを補正し調整するようにしたので、パルス状高周波信号のON状態継続中において、出力電力値を補正することができる。これにより、パルス状高周波信号のON状態においてプラズマ負荷の状態が変わりインピーダンスが変化する場合においても、ON状態における出力電力のレベル変動を制御することができる。
(A2)パルス状高周波信号のON状態において、複数の経過時間のそれぞれが経過すると、経過時間のそれぞれに対応する補正係数と平均レベル調整値とに基づき、パルス状高周波信号のレベルを補正し調整するとともに出力電力値を取得し、パルス状高周波信号がOFF状態になると、複数の出力電力値と設定電力値との差が所定の範囲内でない場合は、平均レベル調整値を更新するようにしたので、平均レベル調整値を任意の値に設定したとしても、出力電力レベル調整処理を繰り返すことにより、平均レベル調整値を適切な値に収斂させることができる。
(A3)出力電力値が設定電力値と比べ所定値以上に大きい場合は、平均レベル調整値を小さくするようにし、出力電力値が設定電力値と比べ所定値以上に小さい場合は、平均レベル調整値を大きくするようにしたので、出力電力値を設定電力値から所定値を超えない範囲内とすることができる。
次に、本発明の第2実施形態を説明する。第2実施形態における高周波電源装置の機能構成は、制御部16以外の構成については、第1実施形態における高周波電源装置の機能構成(図1)と同様である。
第2実施形態においては、制御部16は、補正係数Bを随時更新するように動作する。すなわち、パルスON時(変調信号16s1ON時)の各経過時間tにおいて設定電力値Psと出力電力Pfを比較し、その差Pdが、各経過時間tにおいて前回のパルスON時における差Pd´よりも小さくなるよう、補正係数Bを更新する。
まず、初期設定を行い、設定電力値Psと許容電力範囲を設定する(ステップS21)。許容電力範囲とは、許容できる出力電力Pfの値と設定電力値Psとの差分値である。
逆に、第1実施形態において、第2実施形態と同様に、複数の出力電力Pfと設定電力値Psとの差Pdを求め、差Pdの平均値Pdaに基づき、平均レベル調整値Naを更新するようにしてもよい。
また、前記第2実施形態では、平均レベル調整値Naと補正係数Bの両方を更新するようにしたが、平均レベル調整値Naを更新せず、補正係数Bのみを更新するように構成することも可能である。
(B1)パルス状高周波信号がON状態になったときに検出した出力電力値と設定電力値との差である第1の電力値差と、次にパルス状高周波信号がON状態になったときに検出した出力電力値と設定電力値との差である第2の電力値差とに基づき、補正係数を更新するようにしたので、パルス状高周波信号がON状態における経過時間のそれぞれに対応する補正係数を適切な値にすることができる。
(B2)出力電力値が設定電力値より大きい場合において、(a)第2の電力値差が第1の電力値差より大きい場合に、対応する補正係数を小さくするようにしたので、次にパルス状高周波信号がON状態になったときに出力電力値を小さくすることができる。また、(b)第2の電力値差が第1の電力値差より小さい場合に、対応する補正係数を小さくするようにしたので、次にパルス状高周波信号がON状態になったときに更に出力電力値を小さくすることができる。
(B3)出力電力値が設定電力値より小さい場合において、(c)第2の電力値差が第1の電力値差より大きい場合に、対応する補正係数を大きくするようにしたので、次にパルス状高周波信号がON状態になったときに出力電力値を大きくすることができる。また、(d)第2の電力値差が第1の電力値差より小さい場合に、対応する補正係数を大きくするようにしたので、次にパルス状高周波信号がON状態になったときに更に出力電力値を大きくすることができる。
(B4)出力電力値が設定電力値より大きい場合において、対応する補正係数を小さくするようにし、出力電力値が設定電力値より小さい場合において、対応する補正係数を大きくするようにしたので、補正係数を適切な値に収斂させることができる。
第1の構成は、
外部に設けられプラズマを生成するプラズマ生成部へ、パルス状の高周波電力を供給するパルス変調方式のプラズマ生成用電源装置であって、
所定の周波数の高周波信号を出力する発振部と、
前記発振部から出力される高周波信号を、ON状態とOFF状態とを繰り返すパルス状に変調し、パルス状高周波信号として出力する変調部と、
前記変調部から出力されるパルス状高周波信号のレベルを調整して出力するレベル調整部と、
前記レベル調整部から出力されるパルス状高周波信号の電力を増幅してパルス状高周波電力を出力する電力増幅器と、
前記電力増幅器から出力されるパルス状高周波電力の出力電力値を検出する出力電力検出部と、
前記変調部から出力される前記パルス状高周波信号のON状態における複数の経過時間と、該複数の経過時間にそれぞれ対応する複数の補正係数と、予め出力電力の値として設定された設定電力値とを記憶する記憶部と、
前記出力電力検出部で検出した前記出力電力値が入力され、該入力された出力電力値と前記設定電力値とに基づき、前記レベル調整部で調整されるパルス状高周波信号のレベルを制御するレベル制御信号を、前記レベル調整部へ出力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記複数の経過時間のそれぞれにおいて、前記経過時間のそれぞれに対応する補正係数に基づき前記レベル制御信号を補正して出力することを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
前記記憶部は、さらに、前記レベル調整部で前記パルス状高周波信号のレベルを調整するための平均レベル調整値を記憶し、
前記制御部は、前記複数の経過時間のそれぞれにおいて、前記平均レベル調整値と前記経過時間のそれぞれに対応する補正係数とに基づき、前記レベル制御信号を補正して出力するとともに、前記出力電力検出部から前記出力電力値を取得し、前記パルス状高周波信号がOFF状態になると、前記取得した複数の前記出力電力値と前記設定電力値とに基づき、前記出力電力値と前記設定電力値との差が所定の範囲内でない場合は、前記平均レベル調整値を更新することを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
前記制御部は、前記出力電力値が前記設定電力値よりも所定値以上に大きい場合は、前記平均レベル調整値を小さくし、前記出力電力値が前記設定電力値よりも所定値以上に小さい場合は、前記平均レベル調整値を大きくすることを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
前記制御部は、前記経過時間のそれぞれにおいて、前記出力電力検出部で検出した前記出力電力値と前記設定電力値との差を、第1の電力値差として取得し、次に前記パルス状高周波信号がON状態になったときの前記経過時間のそれぞれにおける前記出力電力値と前記設定電力値との差を、第2の電力値差として取得し、前記経過時間のそれぞれにおいて、前記第1の電力値差と前記第2の電力値差とに基づき、前記経過時間のそれぞれに対応する補正係数を更新することを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
前記制御部は、前記出力電力値が前記設定電力値より大きい場合に、対応する補正係数を小さくし、前記出力電力値が前記設定電力値より小さい場合に、対応する補正係数を大きくすることを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
前記制御部は、前記出力電力値が前記設定電力値より大きく、かつ前記第2の電力値差が前記第1の電力値差より大きい場合に、対応する補正係数を小さくすることを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
前記制御部は、前記出力電力値が前記設定電力値より大きく、かつ前記第2の電力値差が前記第1の電力値差より小さい場合に、対応する補正係数を小さくすることを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
前記制御部は、前記出力電力値が前記設定電力値より小さく、かつ前記第2の電力値差が前記第1の電力値差より大きい場合に、対応する補正係数を大きくすることを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
前記制御部は、前記出力電力値が前記設定電力値より小さく、かつ前記第2の電力値差が前記第1の電力値差より小さい場合に、対応する補正係数を大きくすることを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
外部に設けられプラズマを生成するプラズマ生成部へ、パルス状の高周波電力を供給するパルス変調方式のプラズマ生成用電源装置であって、
所定の周波数の高周波信号を出力する発振部と、
前記発振部から出力される高周波信号を、ON状態とOFF状態とを繰り返すパルス状に変調し、パルス状高周波信号として出力する変調部と、
前記変調部から出力されるパルス状高周波信号のレベルを調整して出力するレベル調整部と、
前記レベル調整部から出力されるパルス状高周波信号の電力を増幅してパルス状高周波電力を出力する電力増幅器と、
前記電力増幅器から出力されるパルス状高周波電力の出力電力値を検出する出力電力検出部と、
前記変調部から出力される前記パルス状高周波信号のON状態における複数の経過時間と、該複数の経過時間にそれぞれ対応する複数の補正係数と、予め出力電力の値として設定された設定電力値とを記憶する記憶部と、
前記出力電力検出部で検出した前記出力電力値が入力され、該入力された出力電力値と前記設定電力値とに基づき、前記レベル調整部で調整されるパルス状高周波信号のレベルを制御するレベル制御信号を、前記レベル調整部へ出力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記複数の経過時間のそれぞれにおいて、前記経過時間のそれぞれに対応する補正係数に基づき前記レベル制御信号を補正して出力し、さらに、前記経過時間のそれぞれにおいて、前記出力電力検出部で検出した前記出力電力値と前記設定電力値との差を、第1の電力値差として取得し、次に前記パルス状高周波信号がON状態になったときの前記経過時間のそれぞれにおける前記出力電力値と前記設定電力値との差を、第2の電力値差として取得し、前記経過時間のそれぞれにおいて、前記第1の電力値差と前記第2の電力値差とに基づき、前記経過時間のそれぞれに対応する補正係数を更新することを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
Claims (5)
- 外部に設けられプラズマを生成するプラズマ生成部へ、パルス状の高周波電力を供給するパルス変調方式のプラズマ生成用電源装置であって、
所定の周波数の高周波信号を出力する発振部と、
前記発振部から出力される高周波信号を、ON状態とOFF状態とを繰り返すパルス状に変調し、パルス状高周波信号として出力する変調部と、
前記変調部から出力されるパルス状高周波信号のレベルを調整して出力するレベル調整部と、
前記レベル調整部から出力されるパルス状高周波信号の電力を増幅してパルス状高周波電力を出力する電力増幅器と、
前記電力増幅器から出力されるパルス状高周波電力の出力電力値を検出する出力電力検出部と、
前記変調部から出力される前記パルス状高周波信号のON状態における複数の経過時間と、該複数の経過時間にそれぞれ対応する複数の補正係数と、予め出力電力の値として設定された設定電力値とを記憶する記憶部と、
前記出力電力検出部で検出した前記出力電力値が入力され、該入力された出力電力値と前記設定電力値とに基づき、前記レベル調整部で調整されるパルス状高周波信号のレベルを制御するレベル制御信号を、前記レベル調整部へ出力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記複数の経過時間のそれぞれにおいて、前記経過時間のそれぞれに対応する補正係数に基づき前記レベル制御信号を補正して出力し、
前記記憶部は、さらに、前記レベル調整部で前記パルス状高周波信号のレベルを調整するための平均レベル調整値を記憶し、
前記制御部は、前記複数の経過時間のそれぞれにおいて、前記平均レベル調整値と前記経過時間のそれぞれに対応する補正係数とに基づき、前記レベル制御信号を補正して出力するとともに、前記出力電力検出部から前記出力電力値を取得し、前記パルス状高周波信号がOFF状態になると、前記取得した複数の前記出力電力値と前記設定電力値とに基づき、前記出力電力値と前記設定電力値との差が所定の範囲内でない場合は、前記平均レベル調整値を更新し、
前記制御部は、前記出力電力値が前記設定電力値よりも所定値以上に大きい場合は、前記平均レベル調整値を小さくし、前記出力電力値が前記設定電力値よりも所定値以上に小さい場合は、前記平均レベル調整値を大きくし、
前記制御部は、前記経過時間のそれぞれにおいて、前記出力電力検出部で検出した前記出力電力値と前記設定電力値との差を、第1の電力値差として取得し、次に前記パルス状高周波信号がON状態になったときの前記経過時間のそれぞれにおける前記出力電力値と前記設定電力値との差を、第2の電力値差として取得し、前記経過時間のそれぞれにおいて、前記第1の電力値差と前記第2の電力値差とに基づき、前記経過時間のそれぞれに対応する補正係数を更新し、
前記制御部は、前記出力電力値が前記設定電力値より大きい場合に、対応する補正係数を小さくし、前記出力電力値が前記設定電力値より小さい場合に、対応する補正係数を大きくすることを特徴とするプラズマ生成用電源装置。 - 請求項1に記載されたプラズマ生成用電源装置であって、
前記制御部は、前記出力電力値が前記設定電力値より大きく、かつ前記第2の電力値差が前記第1の電力値差より大きい場合に、対応する補正係数を小さくすることを特徴とするプラズマ生成用電源装置。 - 請求項2に記載されたプラズマ生成用電源装置であって、
前記制御部は、前記出力電力値が前記設定電力値より大きく、かつ前記第2の電力値差が前記第1の電力値差より小さい場合に、対応する補正係数を小さくすることを特徴とするプラズマ生成用電源装置。 - 請求項1に記載されたプラズマ生成用電源装置であって、
前記制御部は、前記出力電力値が前記設定電力値より小さく、かつ前記第2の電力値差が前記第1の電力値差より大きい場合に、対応する補正係数を大きくすることを特徴とするプラズマ生成用電源装置。 - 請求項4に記載されたプラズマ生成用電源装置であって、
前記制御部は、前記出力電力値が前記設定電力値より小さく、かつ前記第2の電力値差が前記第1の電力値差より小さい場合に、対応する補正係数を大きくすることを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
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