JP6309398B2 - 高周波電源 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理システムに用いられる高周波電源に関する。

プラズマ処理システムは、例えば、フッ素系のガスと半導体ウェハや液晶基板等の被加工物をプラズマ処理装置のチャンバー内に封入し、そのチャンバー内の一対の電極に高周波電源から高周波電力を供給して放電させ、その放電によりガスのプラズマを発生させて被加工物に薄膜形成処理やエッチング処理を行うシステムである。

従来、プラズマ処理システム用の高周波電源として、高周波の出力周波数よりも低周波のパルス変調制御信号により高周波電源の出力をパルス変調して高周波をパルス出力する高周波電源が知られている。

プラズマ処理装置では、高周波電源から高周波電力が供給されると、放電によりプラズマが発生するが、プラズマ発生前とプラズマ発生後で急激にインピーダンス（以下、「負荷インピーダンス」という。）が変化し、プラズマ発生後もプラズマの状態や被加工物の状態の変化により負荷インピーダンスは変動する。

プラズマ処理の開始時やプラズマ処理中に負荷インピーダンスが急変した時には高周波電源とプラズマ処理装置がインピーダンス不整合の状態になるので、プラズマ処理装置に供給される高周波のパルス出力の立ち上がりでオーバーシュートが発生したり、パルス出力の立ち下がりでアンダーシュートが発生したりすることがある。

パルス出力ではパルス変調制御信号の立ち上がりや立ち下がりで高周波の振幅が急激に変化することになるが、負荷がＬＣＲ負荷の場合は、高周波電源の出力段に設けられるローパスフィルタと負荷の抵抗成分、インダクタンス成分、キャパシタンス成分による過渡振動が発生し、これにより高周波が振動してオーバーシュートやアンダーシュートが発生すると考えられる。

プラズマ処理装置に供給される高周波パルスの立ち上がりや立ち下がりでオーバーシュートやアンダーシュートが発生すると、それによってプラズマ処理装置内のウェハや基板等が損傷する虞があるので、可及的にオーバーシュートやアンダーシュートの発生を抑制する制御が必要になる。

特開２０１３−００５５３８号公報 特開２０１３−１３５１５９号公報

従来、オーバーシュートやアンダーシュートの発生を抑制する方法として、フィードバック制御の応答性を遅くし、安定性を高くする方法が知られている。しかし、この方法では、応答性を犠牲にするため、パルス周期を短くして高速で高周波をパルス出力する制御が困難となる。

また、他の方法として、図９に示すように、高周波電源１００内のローパスフィルタ１０２の後段に残留高周波除去回路１０３を設け、パルス出力制御で高周波信号ｖの出力を停止させるときに残留高周波除去回路１０３を作動させてアンダーシュートやリンギングを抑制する構成が提案されている（特許文献２参照）。

この高周波電源１００では、パルス変調制御信号ＰＳのローレベル期間にスイッチング素子１０３ａをオン動作させる制御信号を主制御部１０１から残留高周波除去回路１０３に出力し、パルス変調制御信号ＰＳがローレベルになると、ローパスフィルタ１０２の出力端に流れている高周波ｖ（進行波と反射波の合成波）を、抵抗Ｒを介してグランドにバイパスさせ、負荷（プラズマ処理装置）側に出力させないようにする。

図９に示す高周波電源１００の構成では、高周波ｖのパルス出力の立ち下がり時のアンダーシュートやリンギングを抑制するために個別に残留高周波除去回路１０３を設けているので、回路構成が複雑になるとともに、パルス変調制御信号ＰＳのローレベルに同期して残留高周波除去回路１０３を高周波ｖのグランドへのバイパス回路として機能させる制御が必要であるので、主制御部１０１の制御も複雑である。また、高周波電源１００の残留高周波除去回路１０３では高周波ｖのパルス出力の立ち上がり時のオーバーシュートやリンギングを抑制することはできない。

また、他の方法として、図１０に示すように、パルス変調制御信号ＰＳの各パルスの波形を台形状にし、各パルスの立ち上がり時における高周波の包絡線のレベルを漸増させ、各パルスの立ち下がり時における高周波の包絡線のレベルを漸減させる方法が知られている。

この方法では、オーバーシュートとアンダーシュートの抑制効果を最良にするパルス変調制御信号ＰＳの各パルスの波形を決定するために、事前に実験を繰り返してパルス変調制御信号ＰＳの波形の条件（パルスの周期、デューティ、立ち上がり時間、立ち下がり時間等の条件）を設定する必要があり、その作業負担が大きいという問題があった。また、一度波形の条件を設定しても、プラズマ処理を繰り返すうちに負荷インピーダンスの変動条件が経時変化し、その条件が最適な条件とならない場合が生じ、その場合は再度、実験を繰り返してパルス変調制御信号ＰＳの波形の条件を修正する必要があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、高周波のパルス出力中にオーバーシュートやアンダーシュートの発生状況をモニタし、そのモニタ結果に基づいてパルス変調制御信号のパルス波形をオーバーシュートやアンダーシュートの抑制効果が最良となる波形に自動的に調整することができる高周波電源を提供することを目的とする。

本発明で提供される高周波電源は、高周波を生成する高周波生成手段と、前記高周波よりも低周波のパルス信号を生成するパルス信号生成手段と、前記パルス信号に基づいて、前記高周波生成手段が生成した高周波を負荷にパルス出力する高周波パルス出力手段と、を備えた高周波電源において、前記高周波のパルス出力の立ち上がり時にオーバーシュートが発生したことを検出するオーバーシュート検出手段と、前記オーバーシュート検出手段で前記オーバーシュートの発生が検出されると、前記パルス信号の立ち上がり時間を、前記高周波のパルス出力の立ち上がり時に前記オーバーシュートを抑制させる立ち上がり時間に調整する立ち上がり時間調整手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。

上記の高周波電源において、前記オーバーシュート検出手段は、前記高周波がパルス出力される毎に当該パルス出力で前記オーバーシュートが発生したか否かを判定する判定手段を含み、前記立ち上がり時間調整手段は、前記判定手段により前記オーバーシュートが発生したと判定される毎に、前記立ち上がり時間の調整処理を行うとよい（請求項２）。また、前記オーバーシュート検出手段は、前記高周波がパルス出力される毎に当該パルス出力で前記オーバーシュートが発生したか否かを判定する判定手段と、前記判定手段により前記オーバーシュートが発生したという判定が所定の回数以上連続したことを検出する検出手段とを含み、前記立ち上がり時間調整手段は、前記検出手段により前記オーバーシュートが連続して前記所定の回数以上検出されたときに、前記立ち上がり時間の調整処理を行うようにしてもよい（請求項３）。

更に、上記の高周波電源において、前記高周波の電力を検出する電力検出手段を備え、前記判定手段は、前記電力検出手段で検出される前記高周波の電力と予め設定された目標電力値との差分を演算する差分演算手段と、前記差分と予め設定された閾値とを比較する比較手段と、を含み、前記差分が前記閾値を超えている場合に前記オーバーシュートが発生したと判定するとよい（請求項４）。

また、上記の高周波電源において、前記立ち上がり時間調整手段は、前記高周波がパルス出力される毎に前記パルス信号の立ち上がり時間を予め設定された時間だけ増加させる処理を所定の回数だけ繰り返す立ち上がり時間変更手段と、前記立ち上がり時間変更手段による前記立ち上がり時間の変更処理中に、前記判定手段で前記オーバーシュートが発生しないと判定されると、前記パルス信号の立ち上がり時間をその判定時の立ち上がり時間に設定する立ち上がり時間変更制御手段とを含むとよい（請求項５）。

また、請求項５に記載の高周波電源において、前記立ち上がり変更制御手段は、前記差分演算手段で前記差分が演算される毎にその演算値をその時点での立ち上がり時間と対応させて記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶される複数の前記差分の演算値のうち、最小の演算値を抽出する抽出手段とを備え、前記立ち上がり時間変更手段により前記立ち上がり時間を最長の立ち上がり時間に変更しても前記判定手段で前記オーバーシュートが発生していると判定された場合、前記パルス信号の立ち上がり時間を前記最小の演算値を有する差分に対応する立ち上がり時間に設定するとよい（請求項６）。

上記の高周波電源において、前記高周波のパルス出力の立ち下がり時にアンダーシュートが発生したことを検出するアンダーシュート検出手段と、前記アンダーシュート検出手段で前記アンダーシュートの発生が検出されると、前記パルス信号の立ち下がり時間を、前記高周波のパルス出力の立ち下がり時に前記アンダーシュートを抑制させる立ち下がり時間に調整する立ち下がり時間調整手段と、を更に備えるとよい（請求項７）。

請求項７に記載の高周波電源において、前記アンダーシュート検出手段は、前記高周波がパルス出力される毎に当該パルス出力で前記アンダーシュートが発生したか否かを判定する第２の判定手段を含み、前記立ち下がり時間調整手段は、前記第２の判定手段により前記アンダーシュートが発生したと判定される毎に、前記立ち下がり時間の調整処理を行うとよい（請求項８）。また、前記アンダーシュート検出手段は、前記高周波がパルス出力される毎に当該パルス出力で前記アンダーシュートが発生したか否かを判定する第２の判定手段と、前記第２の判定手段により前記アンダーシュートが発生したという判定が所定の回数以上連続したことを検出する第２の検出手段とを含み、前記立ち下がり時間調整手段は、前記第２の検出手段により前記アンダーシュートが連続して前記所定の回数以上検出されたときに、前記立ち下がり時間の調整処理を行うようにしてもよい（請求項９）。

また、請求項８又は９に記載の高周波電源において、前記高周波の電力を検出する電力検出手段を備え、前記第２の判定手段は、前記電力検出手段で検出される前記高周波の電力と予め設定された第２の目標電力値との第２の差分を演算する第２の差分演算手段と、前記第２の差分と予め設定された第２の閾値とを比較する第２の比較手段と、を含み、前記第２の差分が前記第２の閾値を超えている場合に前記アンダーシュートが発生したと判定するとよい（請求項１０）。

また、請求項７乃至９のいずれかに記載の高周波電源において、前記立ち下がり時間調整手段は、前記高周波がパルス出力される毎に前記パルス信号の立ち下がり時間を予め設定された時間だけ増加させる処理を所定の回数だけ繰り返す立ち下がり時間変更手段と、前記立ち下がり時間変更手段による前記立ち下がり時間の変更処理中に、前記第２の判定手段で前記アンダーシュートが発生しないと判定されると、前記パルス信号の立ち下がり時間をその判定時の立ち下がり時間に設定する立ち下がり時間変更制御手段とを含むとよい（請求項１１）。

また、請求項１１に記載の高周波電源において、前記立ち下がり変更制御手段は、前記第２の差分演算手段で前記第２の差分が演算される毎にその演算値をその時点での立ち下がり時間と対応させて記憶する第２の記憶手段と、前記第２の記憶手段に記憶される複数の前記第２の差分の演算値のうち、最小の演算値を抽出する第２の抽出手段とを備え、前記立ち下がり時間変更手段により前記立ち下がり時間を最長の立ち下がり時間に変更しても前記第２の判定手段で前記アンダーシュートが発生していると判定された場合、前記パルス信号の立ち下がり時間を前記最小の演算値を有する第２の差分に対応する立ち下がり時間に設定するとよい（請求項１２）。

また、請求項１乃至１２のいずれかに記載の高周波電源において、前記負荷は、前記高周波パルス出力手段からパルス出力される高周波によってプラズマを発生させ、そのプラズマを用いて所定の処理を行うプラズマ処理手段であるとよい（請求項１３）。

本発明によれば、高周波パルス出力手段で高周波をパルス出力すると、そのパルス出力でオーバーシュートが発生しているか否かをモニタし、オーバーシュートが発生している場合は、立ち上がり時間調整手段により高周波のパルス出力を制御するパルス信号の立ち上がり時間がオーバーシュートを抑制させる適正な立ち上がり時間に自動調整される。

具体的には、高周波がパルス出力される毎に当該パルス出力でオーバーシュートが発生しているか否かを判定し、オーバーシュートが発生している場合は直ちに、若しくはオーバーシュートが発生している場合はその発生が連続して所定の回数以上続いた場合に、パルス信号の立ち上がり時間が自動調整される。

この立ち上がり時間の調整処理では、高周波をパルス出力する毎にオーバーシュートが発生するか否かをモニタしながら、立ち上がり時間を所定の時間だけ増加させる処理が所定の回数だけ繰り返される。そして、この調整処理中にオーバーシュートが発生しなくなると、パルス信号の立ち上がり時間がオーバーシュートを発生しなくなった時の立ち上がり時間に変更される。

従って、本発明によれば、高周波パルス出力手段からパルス出力される高周波の波形をオーバーシュートが抑制された適切なパルス波形に自動的に制御することができる。

また、本発明によれば、オーバーシュートの場合と同様の方法によって高周波のパルス出力を制御するパルス信号の立ち下がり時間がアンダーシュートを抑制させる適正な立ち下がり時間に自動調整される。従って、本発明によれば、高周波パルス出力手段からパルス出力される高周波の波形をアンダーシュートが抑制された適切なパルス波形に自動的に制御することができる。

これにより、従来の事前に実験を繰り返してパルス波形の条件を設定する作業負担を大幅に低減することができる。また、経時変化によりパルス波形の条件が変化した場合でも自動的にパルス波形の条件を適正な条件に修正するので、パルス波形の条件を再設定するための作業負担もなくすことができる。

本発明に係る高周波電源が適用されるプラズマ処理システムの構成を示す図である。 本発明に係る高周波電源の内部構成を示すブロック図である。 ＤＣ−ＲＦ変換部の回路例を示す図である。 乗算部に入力される高周波信号及びパルス変調制御信号の波形と乗算部からパルス出力される高周波信号の波形を示す図である。 パルス変調制御信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間を最小した場合と最大にした場合のパルス波形の一例を示す図である。 ＲＦ電力制御部におけるパルス変調制御信号のパルス波形の制御手順の一例を示すフローチャートである。 ＲＦ電力制御部におけるパルス変調制御信号のパルス波形の制御手順の変形例を示すフローチャートである。 ＲＦ電力制御部におけるパルス変調制御信号のパルス波形の制御手順の他の変形例を示すフローチャートである。 従来のアンダーシュートを抑制することができる高周波電源の構成の一例を示す図である。 台形状のパルス変調制御信号で高周波のレベルを変調してパルス出力をする方法を説明するための波形図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。特に、プラズマ処理システムに適用される高周波電源を例に説明する。

図１は、プラズマ処理システムの構成を示す図である。図２は、本発明に係る高周波電源の内部構成を示すブロック図である。

プラズマ処理システムＡの基本構成は、高周波電源１、インピーダンス整合装置２、プラズマ処理装置３及びシステム制御部４を含む。本実施形態では、高周波電源１が、５０［Ω］の負荷が接続された場合に最適な電力伝送効率で高周波電力を出力するように設計されているので、高周波電源１の出力ポートは、特性インピーダンスＺ_oが５０［Ω］の同軸ケーブル５によってインピーダンス整合装置２の入力ポートに接続されている。プラズマ処理装置３はインピーダンス整合装置２の出力ポートに直結するように接続されている。

プラズマ処理装置３は、例えば、フッ素系のガスと半導体ウェハや液晶基板等の被加工物をチャンバー内に封入し、そのチャンバー内に高周波電力を供給してプラズマを発生させ、そのプラズマを用いて被加工物に薄膜形成処理やエッチング処理を行う装置である。図示は省略しているが、プラズマ処理装置３は、ガスや被加工物を封入する密閉可能なチャンバーと、チャンバー内のガス圧を調整する減圧ポンプと、高周波電源１から供給される高周波電力を放電させる一対の電極を備える。

プラズマ処理装置３は、一対の電極に高周波電源１から高周波電力が供給されると、その高周波電力が電極間で放電し、チャンバーに封入されたガスをプラズマの状態にし、そのプラズマを用いてエッチング等の処理を行う。プラズマ処理装置３は、プラズマ処理を開始してから終了するまでの間にプラズマ処理装置３の入力端からプラズマ処理装置３側を見たインピーダンスＺ_L＝Ｒ_L＋ｊ・Ｘ_L（以下、「負荷インピーダンスＺ_L」という。）が大きく変動する。プラズマ処理で高周波電源１から出力される高周波電力を最適な電力伝送効率でプラズマ処理装置３に供給するために、負荷インピーダンスＺ_Lの変動に応じて高周波電源１の出力端から負荷となるプラズマ処理装置３側を見たインピーダンスＺ₁（図１参照）を５０［Ω］に対する所定のインピーダンス範囲に自動的に変換するインピーダンス整合装置２が設けられている。

システム制御部４は、プラズマ処理システムＡ全体の動作を統括的に制御する制御部である。システム制御部４は、インピーダンス整合装置２内の制御部及び高周波電源１との間でプラズマ処理装置３の入力ポートにおける伝送特性のデータ（負荷インピーダンスＺ_Lや高周波電源1の出力電力等のデータ）を取得し、そのデータを用いて、プラズマ処理システムＡの運転状態の監視や異常発生の検出やプラズマ処理の結果予測等を行う。

高周波電源１は、高周波信号を生成し、その高周波信号をＤ級アンプからなるスイッチング・アンプで増幅して出力するスイッチング電源で構成される。高周波電源１は、図２に示されるように、ＡＣ−ＤＣ変換部１１、ＤＣ−ＤＣ変換部１２、ＤＣ−ＲＦ変換部１３、進行波電圧検出部１４及びＲＦ電力制御部１５を含む構成である。

ＡＣ−ＤＣ変換部１１は、商用電源からＤＣ−ＤＣ変換部１２への入力電圧（直流電圧Ｖ_cc）を生成するブロックである。ＡＣ−ＤＣ変換部１１は、例えば、４個の半導体整流素子をブリッジ接続した整流回路で商用電源から入力される商用電圧（例えば、ＡＣ２００［Ｖ］）を全波整流し、整流後のレベルを平滑回路で平滑化して直流電圧Ｖ_ccを生成する周知の電源回路で構成される。

ＤＣ−ＤＣ変換部１２は、ＡＣ−ＤＣ変換部１１から入力される直流電圧Ｖ_ccを任意の電圧値の直流電圧Ｖ_dcに変換してＤＣ−ＲＦ変換部１３に入力するブロックである。ＤＣ−ＲＦ変換部１３の出力電力Ｐ_outはＤＣ−ＤＣ変換部１２の出力電圧Ｖ_dcの２乗に比例するので、ＲＦ電力制御部１５は、ＤＣ−ＤＣ変換部１２の出力電圧Ｖ_dcを制御することによりＤＣ−ＲＦ変換部１３から出力される出力電力Ｐ_outを制御する。なお、本実施形態では、ＤＣ−ＲＦ変換部１３から出力される電圧を後述するようにハイレベル期間とローレベル期間とを有する高周波電圧ｖ_outで表す。また、本実施形態では、ＲＦ電力制御部１５は、例えば、出力電力一定制御法によってＤＣ−ＲＦ変換部１３の出力電力Ｐ_outを制御する。

出力電力一定制御法は、ＤＣ−ＲＦ変換部１３から出力される出力電力Ｐ_outを出力電力設定部１５Ｂで設定される目標出力電力Ｐ_oに一致させる制御法である。目標出力電力Ｐ_oは、作業者による入力操作や予め設定されたプログラムによって予め出力電力設定部１５Ｂに設定されている。高周波電源１の出力ポートには、高周波電源１からプラズマ処理装置３に向かう進行波電力Ｐ_fと、プラズマ処理装置３で反射されて高周波電源１に戻ってくる反射波電力Ｐ_rが存在する。ＤＣ−ＲＦ変換部１３の出力電力Ｐ_outは、高周波電源１の出力ポートにおける進行波電力Ｐ_fに相当するので、以下では、混乱を避けるため、ＤＣ−ＲＦ変換部１３の出力電力の符号を「Ｐ_f」と表記する。なお、上記では出力電力一定制御法の例を示したが、進行波電力Ｐ_fから反射波電力Ｐ_r（図２では図示を省略）を減算した負荷供給電力Ｐ_load（＝Ｐ_f−Ｐ_r）を一定にする制御を採用してもよい。しかし、以下では、出力電力一定制御法を行うものとして説明する。

ＤＣ−ＤＣ変換部１２は、例えば、４個の半導体スイッチ素子をブリッジ接続したフル・ブリッジ回路からなるインバータに整流・平滑回路を組み合わせた周知のＤＣ−ＤＣコンバータで構成される。ＤＣ−ＤＣ変換部１２には、ＲＦ電力制御部１５から制御信号Ｓ_dが入力される。ＤＣ−ＤＣ変換部１２の出力電圧Ｖ_dcは、その制御信号Ｓ_dで４個の半導体スイッチ素子のオン・オフ動作が制御されることによって制御される。

ＤＣ−ＲＦ変換部１３は、ＤＣ−ＤＣ変換部１２から入力される直流電力Ｐ_dcを予め設定された周波数ｆの進行波電力Ｐ_fに変換して出力するブロックである。進行波電力Ｐ_fの周波数ｆ（基本波周波数）は、２．０ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚなどのプラズマ処理用に規定された周波数である。

ＤＣ−ＲＦ変換部１３は、例えば、図３に示すハーフ・ブリッジ型のスイッチング・アンプで構成される。同図に示すスイッチング・アンプは、一対の電源端子ｂ，ｂ’の間に２つの同一タイプの半導体スイッチ素子Ｑ_Bの直列回路を接続したスイッチング回路と、そのスイッチング回路に駆動信号を入力するドライブ回路と、そのスイッチング回路から出力される高周波信号を外部に出力する出力回路とで構成される。

ドライブ回路は、一次巻線に互いに逆方向に巻かれた２つの二次巻線を結合したトランスＴで構成される。トランスＴの一次巻線には、ＲＦ電力制御部１５からパルス出力される高周波信号ｖ（電圧信号）が入力され、トランスＴの一方の二次巻線（図３では上側の巻線）から高周波信号ｖと同相の高周波信号ｖ’が出力され、トランスＴの他方の二次巻線（図３では下側の巻線）から高周波信号ｖと逆相の高周波信号−ｖ’が出力される。高周波信号ｖは、ハイレベル期間とローレベル期間とを有するパルス状の波形として生成されたものである。

出力回路は、キャパシタＣ₁とインダクタが直列接続された共振回路と、インダクタとキャパシタＣ₂がＬ型接続されたインピーダンス変換回路とを接続したフィルタ回路１３１で構成される。図３のインダクタＬは、共振回路のインダクタとインピーダンス変換回路のインダクタを合成したものである。フィルタ回路１３１は、スイッチング回路からパルス出力される高周波信号から直流成分と不要な高周波成分（ノイズ成分）を除去する。フィルタ回路１３１からパルス出力されるた高周波信号ｖ_outが負荷に出力される。

一対の半導体スイッチ素子Ｑ_BにはＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴが用いられるが、バイポーラトランジスタ等の他の種類のトランジスタを用いることができる。また、一対の半導体スイッチ素子Ｑ_BをＮチャネル型とＰチャネル型を組み合わせたコンプリメンタリ型にしてもよい。この場合は、トランスＴの二次巻線は一つでよく、高周波電圧ｖ’のパルス出力をそれぞれＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴとＰチャネル型のＭＯＳＦＥＴのゲートに入力すればよい。

本実施形態では、ＤＣ−ＲＦ変換部１３をハーフ・ブリッジ型のスイッチング・アンプで構成しているが、フル・ブリッジ型やプッシュ・プル型のスイッチング・アンプで構成してもよい。

高周波信号ｖ（電圧信号。以下、必要に応じて「高周波電圧」と表記する。）をｖ＝Ｖ・sin(2πｆ・ｔ＋φ)（ｆ：基本周波数、φ：初期位相）とすると、トランスＴの一次巻線に高周波電圧ｖが入力されている期間では、トランスＴの一方の二次巻線から同相の高周波電圧ｖ’＝Ｖ’・sin(2πｆ・ｔ＋φ)が出力され、トランスＴの他方の二次巻線から逆相の高周波電圧−ｖ’＝−Ｖ’・sin(2πｆ・ｔ＋φ)が出力される。同相の高周波電圧ｖ’は、一方の半導体スイッチ素子Ｑ_B（図３では上側の半導体スイッチ素子Ｑ_B）に入力され、逆相の他方の高周波電圧−ｖ’は、他方の半導体スイッチ素子Ｑ_B（図３では下側の半導体スイッチ素子Ｑ_B）に入力される。２つの半導体スイッチ素子Ｑ_Bは、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであるから、一方の半導体スイッチ素子Ｑ_Bは、高周波電圧ｖ’のハイレベル期間にオン動作をし、他方の半導体スイッチ素子Ｑ_Bは、高周波電圧−ｖ’のハイレベル期間にオン動作をする。従って、２つの半導体スイッチ素子Ｑ_Bは、高周波電圧ｖ’の半周期毎に交互にオン・オフ動作を繰り返す。

２つの半導体スイッチ素子Ｑ_Bが交互にオン・オフ動作を繰り返すことによって接続点ａの電圧ｖ_aはｖ’＞０の期間に「Ｖ_dc」となり、ｖ’≦０の期間に接地レベルとなるように矩形波状に変化し、その矩形波出力がフィルタ回路１３１で直流分とスイッチングノイズが除去されて出力端子ｃ，ｃ’から高周波電圧ｖ_out＝Ｖ’・sin(2πｆ・ｔ＋φ)が出力される。この高周波電圧ｖ_outは正弦波の高周波電圧ｖを増幅した電圧である。

進行波電圧検出部１４は、ＤＣ−ＲＦ変換部１３から出力される高周波電圧ｖ_outを検出し、進行波電圧ｖ_fとして出力する。進行波電圧検出部１４は、例えば、ＤＣ−ＲＦ変換部１３で生成される高周波電力（進行波電力Ｐ_f）の基本周波数ｆを中心周波数とした所定の周波数帯域を有する方向性結合器で構成される。

ＲＦ電力制御部１５は、パルス変調制御信号ＰＳで高周波電圧ｖをパルス出力させた高周波電圧を生成してＤＣ−ＲＦ変換部１３に出力するとともに、フィードバック制御により上記した出力電力一定制御法で高周波電源１の出力電力Ｐ_fを制御する。

ＲＦ電力制御部１５には、パルス波形が台形状のパルス変調制御信号ＰＳで高周波電圧ｖのパルス出力を制御する処理において、図４に示すように、当該パルス変調制御信号ＰＳのレベルがローレベルからハイレベルに立ち上がる時間ｔ_u（以下、「立ち上がり時間ｔ_u」という。）とハイレベルからローレベルに立ち下がる時間ｔ_d（以下、「立ち下がり時間ｔ_d」という。）を所定の範囲で変化させる機能が設けられている。立ち上がり時間ｔ_uは、パルスのレベルがローレベルからハイレベルに単調に増加する時間であり、立ち下がり時間ｔ_dは、パルスのレベルがハイレベルからローレベルに単調に減少する時間である。

上記の機能は、パルス変調制御信号ＰＳの各パルスの立ち上がり時の傾きの具合（勾配）と立ち下がり時の傾きの具合（勾配）をそれぞれ変化させて、パルス変調制御信号ＰＳのパルス波形を、ＤＣ−ＲＦ変換部１３からパルス出力される高周波電圧ｖ_outのハイレベル出力開始時のオーバーシュートとローレベル出力への移行時のアンダーシュートを最も抑制することができるパルス波形（以下、「最適パルス波形」という。）に自動的に調整するための機能（以下、「パルス波形自動調整機能」という。）であり、本発明の特徴的な機能である。本実施形態では、立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dにおけるレベルの変化を直線的な変化にしているが、単調に変化するものであれば、変化波形は曲線であってもよい。

ＲＦ電力制御部１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたマイクロコンピュータやＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等の演算デバイスで構成される。

ＲＦ電力制御部１５は、処理機能のブロックとして進行波電力変換部１５Ａ、出力電力設定部１５Ｂ、差分演算部１５Ｃ、ＤＣ電圧制御部１５Ｄ、高周波条件設定部１５Ｅ、高周波信号生成部１５Ｆ、パルス条件設定部１５Ｇ、パルス波形制御部１５Ｈ、メモリ１５Ｉ、パルス信号生成部１５Ｊ、乗算部１５Ｋを含む。

進行波電力変換部１５Ａは、進行波電圧検出部１４から出力される進行波電圧ｖ_fを進行波電力Ｐ_fに変換する。方向性結合器の特性インピーダンスＺ_oを５０［Ω］とすると、進行波電力変換部１５Ａは、進行波電圧ｖ_fの実効値Ｖ_rms＝Ｖ_m／√(２)（Ｖ_m：ピーク値）を求め、Ｖ_rms ²／５０を演算することにより進行波電力Ｐ_fを算出する。

出力電力設定部１５Ｂは、差分演算部１５Ｃに目標出力電力Ｐ_oを設定する。出力電力設定部１５Ｂは、作業者による入力操作や予め設定されたプログラムによって設定される目標出力電力Ｐ_oを差分演算部１５Ｃに設定する。差分演算部１５Ｃは、進行波電力変換部１５Ａによって検出された進行波電力Ｐ_fの目標出力電力Ｐ_oに対する差分ΔＰ_f＝｜Ｐ_o−Ｐ_f｜を算出する。差分演算部１５Ｃで算出される差分ΔＰ_fは、ＤＣ電圧制御部１５Ｄとパルス波形制御部１５Ｈに入力される。

ＤＣ電圧制御部１５Ｄは、差分演算部１５Ｃから入力される差分ΔＰ_fに基づいてＤＣ−ＤＣ変換部１２の出力電圧Ｖ_dcを制御する制御信号Ｓ_dを生成する。例えば、ＤＣ−ＤＣ変換部１２内のインバータがパルス幅変調（ＰＷＭ）信号で駆動される場合、ＤＣ電圧制御部１５Ｄは、制御信号Ｓ_dとして、例えば、三角波比較法によりパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成する。

この場合は、ＤＣ電圧制御部１５Ｄは、差分ΔＰ_fに所定のＰＩ補償演算を行って制御値Ｃを生成するとともに、例えば、ダイレクト・ディジタル・シンセサイザー（Direct Digital Synthesizer）等で鋸波のキャリア信号Ｃ_cを生成し、制御値Ｃとキャリア信号Ｃ_cを比較してＣ_c≦Ｃの期間をパルス幅とする第１のパルス幅変調信号を生成する。また、ＤＣ電圧制御部１５Ｄは、第１のパルス幅変調信号のレベルを反転し、所定のデッドタイムで各パルスのパルス幅を調整した第２のパルス幅変調信号を生成し、第１，第２のパルス幅変調信号を制御信号Ｓ_dとしてＤＣ−ＤＣ変換部１２に出力する。

高周波条件設定部１５Ｅは、作業者による入力操作や予め設定されたプログラムによって設定される高周波電圧ｖ₀の周波数ｆ、初期位相φ等のパラメータを高周波信号生成部１５Ｆに設定する。高周波信号生成部１５Ｆは、高周波条件設定部１５Ｅから入力される周波数ｆ及び初期位相φに基づいて、例えば、ダイレクト・ディジタル・シンセサイザーにより図４（ａ）に示すＡ₁・sin(2πf・t＋φ)（Ａ₁：規定の振幅）で表わされる正弦波の高周波電圧ｖ₀を生成する。この高周波電圧ｖ₀は、乗算部１５Ｋに入力される。

パルス条件設定部１５Ｇは、作業者による入力操作や予め設定されたプログラムによって設定されるパルス変調制御信号ＰＳの周波数ｆ_p、デューティ比Ｄ等のパラメータをパルス波形制御部１５Ｈに設定する。周波数ｆ_pは、高周波電圧ｖ₀の周波数ｆに対して百分の１〜千分の１の低い周波数である。デューティ比Ｄは、本実施形態では５０％としているが、任意の値に設定することができる。

パルス波形制御部１５Ｈは、ＤＣ−ＲＦ変換部１３から高周波電圧ｖ_outがパルス出力される毎にオーバーシュートとアンダーシュートの発生をモニタする機能と、オーバーシュートとアンダーシュートが発生している場合は、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dをそれぞれ予め設定された時間ピッチΔｔ_u，Δｔ_dで所定の回数Ｎだけ変化させて、立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dをそれぞれオーバーシュートとアンダーシュートが発生しない立ち上がり時間ｔ_u’と立ち下がり時間ｔ_d’に調整する機能を有している。もちろん、完全にオーバーシュート及びアンダーシュートが発生しないようにするのは困難なので、オーバーシュート及びアンダーシュートを抑制（低減）できればよい。好ましくは、オーバーシュート及びアンダーシュートを予め定めた基準値以下にできればよい。パルス波形制御部１５Ｈ内の立ち上がり時間調整部１５Ｈ−１は、立ち上がり時間ｔ_uを初期立ち上がり時間ｔ_uoから最長立ち上がり時間（ｔ_uo＋Ｎ・Δｔ_u）の範囲内で調整する。パルス波形制御部１５Ｈ内の立ち下がり時間調整部１５Ｈ−２は、立ち下がり時間ｔ_dを初期立ち下がり時間ｔ_doから最長立ち下がり時間（ｔ_do＋Ｎ・Δｔ_d）の範囲内で調整する。なお、立ち上がり時間ｔ_uの初期立ち上がり時間ｔ_uoと立ち下がり時間ｔ_dの初期立ち下がり時間ｔ_doを同一にし、立ち上がり時間ｔ_uの時間ピッチΔｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dの時間ピッチΔｔ_dを同一にしてもよい。また、立ち上がり時間と立ち下がり時間とを同時に調整してもよいが、立ち上がり時間だけを調整してもよいし、立ち下がり時間だけを調整してもよい。

メモリ１５Ｉは、初期立ち上がり時間ｔ_uo、初期立ち下がり時間ｔ_do、時間ピッチΔｔ_u，Δｔ_d及び回数Ｎ等のパラメータのデータを記憶する。メモリ１５Ｉは、ＥＰＰＲＯＭやフラッシュメモリ等の不揮発メモリで構成される。初期立ち上がり時間ｔ_uo、初期立ち下がり時間ｔ_do、時間ピッチΔｔ_u，Δｔ_d及び回数Ｎのパラメータは、パルス条件によって異なり、メモリ１５Ｉにはパルス条件毎に作業者によって予め設定された各パラメータのデータが記憶されている。

パルス波形制御部１５Ｈは、パルス条件設定部１５Ｇからパルス条件が変更設定される毎にそのパルス条件に対応する初期立ち上がり時間ｔ_uo、初期立ち下がり時間ｔ_do、時間ピッチΔｔ_u，Δｔ_d及び回数Ｎのパラメータをメモリ１５Ｉから読み出し、立ち上がり時間ｔ_u及び立ち下がり時間ｔ_dを設定して、パルス信号生成部１５Ｊに出力する。また、パルス波形制御部１５Ｈは、差分演算部１５Ｃから入力される差分ΔＰ_fが予め設定された基準値Ｋ以下でない場合は、パルス変調制御信号ＰＳのパルス波形の立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dをそれぞれΔｔ_u，Δｔ_dの時間ピッチで増加させる制御を差分ΔＰ_fが基準値Ｋ以下となるまで回数Ｎを制御回数条件として繰り返す。

従って、パルス信号生成部１５Ｊから出力されるパルス変調制御信号ＰＳの各パルスの波形は、図５（ａ）に示す波形（立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dがそれぞれ初期立ち上がり時間ｔ_uo、初期立ち下がり時間ｔ_doのパルス波形）から図５（ｂ）に示す波形（立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dがそれぞれ最長立ち上がり時間（ｔ_uo＋Ｎ・Δｔ_u）と最長立ち下がり時間（ｔ_do＋Ｎ・Δｔ_d）のパルス波形）までの間で変化する。

パルス波形制御部１５Ｈは、制御回数がＮに達する前に差分ΔＰ_fが基準値Ｋ以下になれば、立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dをその時の立ち上がり時間（ｔ_uo＋ｎ・Δｔ_u）（０＜ｎ＜Ｎ）と立ち下がり時間（ｔ_do＋ｎ・Δｔ_d）に保持し、制御回数がＮに達しても差分ΔＰ_fが基準値Ｋ以下にならなければ、立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dを最長立ち上がり時間（ｔ_uo＋Ｎ・Δｔ_u）と最長立ち下がり時間（ｔ_do＋Ｎ・Δｔ_d）に保持する。

なお、パルス波形制御部１５Ｈにおいて立ち上がり時間と立ち下がり時間とを調整する間は、ＤＣ電圧制御部１５ＤがＤＣ−ＤＣ変換部１２から出力する出力電圧Ｖ_dcを変化させないように制御信号Ｓ_dを保持する必要がある。そのため、図２に示すように、パルス波形制御部１５ＨからＤＣ電圧制御部１５Ｄに対して保持指令Ｓ_hを出力する。そして、立ち上がり時間と立ち下がり時間との調整が終了した際に、保持指令Ｓ_hの出力を停止する。ＤＣ電圧制御部１５Ｄは、パルス波形制御部１５Ｈから保持指令Ｓ_hが入力されている間は、パルス波形制御部１５Ｈから保持指令Ｓ_hが入力される直前の制御信号Ｓ_dを保持する。

パルス信号生成部１５Ｊは、パルス波形制御部１５Ｈから入力される周波数ｆ_p、デューティ比Ｄ、立ち上がり時間ｔ_u及び立ち下がり時間ｔ_dのパルス波形の条件に基づいて、例えば、ダイレクト・ディジタル・シンセサイザーにより図４（ｂ）に示す台形状のパルス波形を有するパルス変調制御信号ＰＳを生成する。このパルス変調制御信号ＰＳは、乗算部１５Ｋに入力される。

乗算部１５Ｋは、高周波信号生成部１５Ｆから入力される高周波電圧ｖ₀とパルス信号生成部１５Ｊから入力されるパルス変調制御信号ＰＳとの乗算処理を行って図４（ｃ）に示すように、ハイレベル期間とローレベル期間とを有する高周波電圧ｖのパルス出力信号を生成する。なお、パルス変調制御信号ＰＳがハイレベルのときの高周波電圧ｖは、正弦波の高周波電圧ｖ₀と同様に、Ａ₁・sin(2πf・t＋φ)（Ａ₁：規定の振幅）で表わされる。また、パルス変調制御信号ＰＳがローレベルのときの高周波電圧ｖは、Ａ₂・sin(2πf・t＋φ)（Ａ₂：Ａ₁よりも小さい振幅）で表わされる。

乗算部１５Ｋには、アナログ乗算器やダブル・バランスド・ミキサが使用される。乗算部１５Ｋは、高周波信号生成部１５Ｆから出力される高周波電圧ｖ₀の瞬時値とパルス信号生成部１５Ｊから出力されるパルス変調制御信号ＰＳの瞬時値との乗算処理を行う。図４に示すように、乗算部１５Ｋには高周波電圧ｖ₀が連続的に入力されるが、乗算部１５Ｋによる高周波電圧ｖ₀とパルス変調制御信号ＰＳとの乗算処理により、乗算部１５Ｋから出力される高周波電圧ｖは、高周波電圧ｖ₀がパルス変調制御信号ＰＳ_Cの周期Ｔでパルス出力される信号となる。

また、高周波電圧ｖの包絡線レベルの波形がパルス変調制御信号ＰＳの台形波形に整形されるので、高周波電圧ｖの各パルス出力のハイレベル出力への移行時の包絡線レベルの波形は、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時のレベルの傾きと同一の傾きで上昇する波形となり、高周波電圧ｖの各パルス出力のローレベル出力への移行時の包絡線レベルの波形は、パルス変調制御信号ＰＳの立ち下がり時のレベルの傾きと同一の傾きで下降する波形となっている。

次に、ＲＦ電力制御部１５におけるパルス変調制御信号ＰＳのパルス波形の制御について説明する。

図４に示したように、高周波電圧ｖがハイレベル期間とローレベル期間とを有するパルス出力信号であるので、ＤＣ−ＲＦ変換部１３からは高周波電圧ｖの出力レベルに応じてハイレベル期間とローレベル期間とを有する高周波電圧ｖ_outが出力される。例えば、パルス変調制御信号ＰＳの周波数ｆ_pが１０ｋＨｚの場合、高周波電圧ｖのパルス周期Ｔは１００［μ秒］（立ち上がり時間及び立ち下がり時間を含む）となる。また、上記のように、本実施形態ではデューティ比Ｄが５０％であるので、約５０［μ秒］毎にハイレベル期間とローレベル期間とが入れ替わる。パルス変調制御信号ＰＳのパルス波形の立ち上がり時の傾きが適正値よりも大きい場合（立ち上がり時間ｔ_uが適正値より短い場合）、パルス出力開始直後に高周波電圧ｖのレベルがハイレベルに上昇した時（立ち上がり時間ｔ_uが終了した時）にオーバーシュートが生じる。パルス波形の立ち下がり時の傾きが適正値よりも大きい場合（立ち下がり時間ｔ_dが適正値より短い場合）も高周波電圧ｖのレベルがローレベルに下降した時（立ち下がり時間ｔ_dが終了した時）にアンダーシュートが生じる。

本実施形態では、高周波電圧ｖのパルス出力を開始したときやパルス出力開始後にパルス変調制御信号ＰＳのパルス波形の条件が変化したとき、パルス波形制御部１５Ｈは、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dにパルス条件設定部１５Ｇで設定されたパルス波形の条件に応じた初期立ち上がり時間ｔ_uoと初期立ち下がり時間ｔ_doを設定するが、その初期立ち上がり時間ｔ_uoと初期立ち下がり時間ｔ_doは、オーバーシュートとアンダーシュートが発生しない適正な時間であるとは限らないから、パルス波形制御部１５Ｈは、ＤＣ−ＲＦ変換部１３からパルス出力される高周波電圧ｖ_outのオーバーシュートとアンダーシュートの発生をモニタする。

オーバーシュートのモニタは、高周波電圧ｖがパルス出力されたときの立ち上がり開始時から立ち上がり時間ｔ_uが経過したときの進行波電力Ｐ_fの検出値と目標出力電力Ｐ_o1との差分ΔＰ_f(ｔ_u)＝｜Ｐ_o1−Ｐ_f｜（(ｔ_u)は、立ち上がり時間ｔ_uにおける差分であることを示す。）を予め設定された閾値Ｐ_TH1と比較することによって行われる。パルス波形制御部１５Ｈは、Ｐ_TH1＜ΔＰ_f(ｔ_u)であれば、オーバーシュートが発生していると判定し、ΔＰ_f(ｔ_u)≦Ｐ_TH1であれば、オーバーシュートは発生していないと判定する。

なお上記では、立ち上がり開始時から立ち上がり時間ｔ_uが経過したときの進行波電力Ｐ_fの検出値と目標出力電力Ｐ_o1との差分ΔＰ_f(ｔ_u)に基づいてオーバーシュートが発生しているか否かを判定しているが、立ち上がり開始時から立ち上がり時間ｔ_uが経過したときを立ち上がり指令終了時刻として、この立ち上がり指令終了時刻を含むように定めたオーバーシュートモニタ時間Ｍｕ内の進行波電力Ｐ_fの検出値（例えば平均値）と目標出力電力Ｐ_o1との差分ΔＰ_f(ｔ_u)に基づいてオーバーシュートが発生しているか否かを判定してもよい。オーバーシュートモニタ時間Ｍｕは、図４のように立ち上がり指令終了時刻から計時してもよいし、立ち上がり指令終了時刻よりも少し前の時刻や少し後の時刻から計時してもよい。ちなみに、後述するように立ち上がり時間の調整処理を行うと、調整中は立ち上がり指令終了時刻が変動することになる。そのため、立ち上がり指令終了時刻から計時する場合、計時開始時刻も変動することになる。そうなると制御が複雑になるので、オーバーシュートの抑制効果（低減効果）が見込める場合は、制御を簡略化するために、計時開始時刻を一定にしてもよい。例えば、立ち上がり開始時から初期立ち上がり時間ｔ_uoが経過したときから計時することが考えられる。上記のようにして、パルス波形制御部１５Ｈは、高周波のパルス出力の立ち上がり時に、オーバーシュートが発生したことを検出する。

アンダーシュートのモニタは、高周波電圧ｖがパルス出力されたときの立ち下がり開始時から立ち下がり時間ｔ_dが経過したときの進行波電力Ｐ_fの検出値と目標出力電力Ｐ_o2との差分ΔＰ_f(ｔ_d)＝｜Ｐｏ₂−Ｐ_f｜((ｔ_d)は、立ち下がり時間ｔ_dにおける差分であることを示す。）を予め設定された閾値Ｐ_TH2と比較することによって行われる。パルス波形制御部１５Ｈは、Ｐ_TH2＜ΔＰ_f(ｔ_d)であれば、アンダーシュートが発生していると判定し、ΔＰ_f(ｔ_d)≦Ｐ_TH2であれば、アンダーシュートは発生していないと判定する。

なお上記では、立ち下がり開始時から立ち下がり時間ｔ_dが経過したときの進行波電力Ｐ_fの検出値と目標出力電力Ｐ_o2との差分ΔＰ_f(ｔ_d)に基づいてアンダーシュートが発生しているか否かを判定しているが、立ち下がり開始時から立ち下がり時間ｔ_dが経過したときを立ち下がり指令終了時刻として、この立ち下がり指令終了時刻を含むように定めたアンダーシュートモニタ時間Ｍｄ内の進行波電力Ｐ_fの検出値（例えば平均値）と目標出力電力Ｐ_o2との差分ΔＰ_f(ｔ_d)に基づいてアンダーシュートが発生しているか否かを判定してもよい。アンダーシュートモニタ時間Ｍｄは、図４のように立ち下がり指令終了時刻から計時してもよいし、立ち下がり指令終了時刻よりも少し前の時刻や少し後の時刻から計時してもよい。ちなみに、後述するように立ち下がり時間の調整処理を行うと、調整中は立ち下がり指令終了時刻が変動することになる。そのため、立ち下がり指令終了時刻から計時する場合、計時開始時刻も変動することになる。そうなると制御が複雑になるので、アンダーシュートの抑制効果（低減効果）が見込める場合は、制御を簡略化するために、計時開始時刻を一定にしてもよい。例えば、立ち下がり開始時から初期立ち下がり時間ｔ_doが経過したときから計時することが考えられる。上記のようにして、パルス波形制御部１５Ｈは、高周波のパルス出力の立ち下がり時に、アンダーシュートが発生したことを検出する。

そして、パルス波形制御部１５Ｈは、オーバーシュートとアンダーシュートが発生していると判定した場合は、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dを適正な時間（オーバーシュートとアンダーシュートが発生しない立ち上がり時間ｔ_u’（＝ｔ_uo＋ｎ・Δｔ_u）と立ち下がり時間ｔ_d’（＝ｔ_do＋ｎ・Δｔ_d））に調整する処理を行う。

この調整処理は、高周波電圧ｖがパルス出力される毎に当該高周波電圧ｖのオーバーシュートとアンダーシュートの発生をモニタし、オーバーシュートとアンダーシュートが発生している場合は、オーバーシュート及びアンダーシュートが発生しなくなるまで、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dをそれぞれ時間ピッチΔｔ_u，Δｔ_dで長くする処理である。

パルス波形制御部１５Ｈは、上記の調整処理を高周波電圧ｖがＮ回連続してパルス出力されるまで行い、この期間中にオーバーシュート及びアンダーシュートが発生しなくなれば、その時点で調整処理を終了し、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dをそれぞれ調整処理終了時の立ち上がり時間ｔ_u’と立ち下がり時間ｔ_d’に固定する。

一方、パルス波形制御部１５Ｈは、高周波電圧ｖがＮ回連続してパルス出力されるまでの期間が経過しても、すなわち、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dをそれぞれ最長立ち上がり時間（ｔ_uo＋Ｎ・Δｔ_u）と最長立ち下がり時間（ｔ_do＋Ｎ・Δｔ_d）に設定しても、オーバーシュート及びアンダーシュートが発生する場合は、調整処理を終了し、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dをそれぞれ最長立ち上がり時間（ｔ_uo＋Ｎ・Δｔ_u）と最長立ち下がり時間（ｔ_do＋Ｎ・Δｔ_d）に固定する。

そして、パルス波形制御部１５Ｈは、その後にパルス変調制御信号ＰＳのパルス波形の条件が変化すると、パルス波形制御部１５Ｈは、再度上述したオーバーシュート及びアンダーシュートのモニタとパルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_u及び立ち下がり時間ｔ_dの調整処理を行う。

次に、図６のフローチャートを用いて、ＲＦ電力制御部１５におけるパルス変調制御信号のパルス波形の制御手順について説明する。なお、図６及び後述する図７、図８においては、立ち上がり時間と立ち下がり時間とを同時に調整するように記載しているが、立ち上がり時間だけを調整してもよいし、立ち下がり時間だけを調整してもよい。

ＲＦ電力制御部１５は、高周波電源１が進行波電力Ｐ_fの出力を開始すると、その出力を停止するまでパルス変調制御信号ＰＳの周期Ｔで図６の制御手順を繰り返す。

ＲＦ電力制御部１５は、制御処理が開始され、パルス波形の条件が設定若しくは変更されると（Ｓ１：ＹＥＳ）、設定時若しくは変更後のパルス波形の条件に対応する初期立ち上がり時間ｔ_uoと初期立ち下がり時間ｔ_doをメモリ１５Ｉから読み出し（Ｓ２）、それぞれ立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dに設定する（Ｓ３）。そして、ＲＦ電力制御部１５は、パルス条件設定部１５Ｇで設定された周波数ｆ_p及びデューティ比Ｄに基づき、レベルの立ち上がり時と立ち下がり時にそれぞれ立ち上がり時間ｔ_uoと立ち下がり時間ｔ_doを設けた台形状の波形を有するパルス変調制御信号ＰＳを生成する（Ｓ４）。

続いて、ＲＦ電力制御部１５は、高周波信号生成部１５Ｆで生成した高周波電圧ｖ₀とパルス変調制御信号ＰＳとの乗算処理を行って高周波電圧ｖを生成し、ＤＣ-ＲＦ変換部１３に出力する（Ｓ５）。

続いて、ＲＦ電力制御部１５は、進行波電圧検出部１４から出力される進行波電圧ｖ_fを読み込み、その進行波電圧ｖ_fを進行波電力Ｐ_fに変換した後（Ｓ６）、目標出力電力Ｐ_oに対する差分ΔＰ_f＝｜Ｐ_o−Ｐ_f｜を算出し（Ｓ７）、その差分ΔＰ_fをＲＡＭに一時保存する（Ｓ８）。

続いて、ＲＦ電力制御部１５は、差分ΔＰ_fを基準値Ｋと比較し（Ｓ９）、ΔＰ_f≦Ｋであれば（Ｓ９：ＹＥＳ）、パルス変調制御信号ＰＳのパルス波形を変更することなくステップ１に戻る。一方、Ｋ＜ΔＰ_fであれば（Ｓ９：ＮＯ）、ＲＦ電力制御部１５は、所定の回数Ｎをカウントするカウンタｎ（ディフォルト値は０にリセットされている）を１だけ増加し（Ｓ１０）、そのカウンタｎの値がＮを超えていなければ（Ｓ１１：ＮＯ）、立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dをそれぞれ所定の時間ステップΔｔ_u，Δｔ_dだけ増加する（Ｓ１２）。

続いて、ＲＦ電力制御部１５は、パルス信号生成部１５Ｊで生成するパルス変調制御信号ＰＳのパルス波形を立ち上がり時間ｔ_u及び立ち下がり時間ｔ_dで修正したパルス波形に変更し、そのパルス波形を有するパルス変調制御信号ＰＳと高周波信号生成部１５Ｆで生成した高周波電圧ｖ₀との乗算処理を行って高周波電圧ｖを生成し、ＤＣ-ＲＦ変換部１３に出力して（Ｓ１３）、ステップＳ６に戻る。

一方、カウンタｎの値がＮを超えると（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ステップＳ１２，Ｓ１３の処理をすることなくステップＳ１に戻る。

図６の処理手順では、パルス波形の条件が設定若しくは変更されたときにだけパルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_u及び立ち下がり時間ｔ_dの調整処理をするようにしているが、高周波電圧ｖのパルス出力が開始されると、高周波電圧ｖがパルス出力される毎に当該高周波電圧ｖのオーバーシュート又はアンダーシュートの発生をモニタし、オーバーシュート又はアンダーシュートが発生すると、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_u及び立ち下がり時間ｔ_dの調整処理に移行するようにしてもよい。

図６に示す処理手順によれば、高周波電源１からパルス出力される進行波電力Ｐ_fは目標出力電力Ｐ_oに対する差分ΔＰ_fが基準値Ｋ以上であれば、オーバーシュート若しくはアンダーシュートが発生していると判定して、差分ΔＰ_fが基準値Ｋよりも小さくなるまで、進行波電力Ｐ_fがパルス出力される毎にパルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dがそれぞれΔｔ_uとΔｔ_dの時間ステップで順次大きく変更される。すなわち、進行波電力Ｐ_fがパルス出力される毎に高周波電圧ｖの包絡線の立ち上がりと立ち下がりの各勾配が順次緩く変更され、差分ΔＰ_fが基準値Ｋよりも小さくなった時点でその時のパルス波形にパルス変調制御信号ＰＳのパルス波形が整定される。これによりパルス出力される進行波電力Ｐ_fの包絡線の波形は、オーバーシュート及びアンダーシュートを所定レベル以下に抑制することができる適正なパルス波形に自動調整される。

従って、本実施形態に係る高周波電源１によれば、パルス変調制御信号ＰＳの適正なパルス波形（特に立ち上がり部分の適正な勾配と立ち下がり部分の適正な勾配）を事前に実験等によって取得しておく必要がなく、その作業負担を軽減することができる。また、プラズマ処理中にプラズマ処理装置３の負荷インピーダンスＺ_Lが変動して適正なパルス波形の形が変動する場合でも進行波電力Ｐ_fの包絡線の波形を変動後の適正なパルス波形に自動的に追従させることができるので、プラズマ処理中のオーバーシュート及びアンダーシュートの抑制を安定して行うことができる。

ところで、図６の処理手順は、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり部分と立ち下がり部分の勾配を緩くするのに応じてオーバーシュート及びアンダーシュートの発生量が単調に減少することを前提に、立ち上がり時間ｔ_uを初期立ち上がり時間ｔ_uoから最長立ち上がり時間（ｔ_uo＋Ｎ・Δｔ_u）まで変化させるとともに、立ち下がり時間ｔ_dを初期立ち下がり時間ｔ_doから最長立ち下がり時間（ｔ_do＋Ｎ・Δｔ_d）まで変化させる制御を行い、これらの制御でも適正なパルス波形が見つからない場合は、立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dをそれぞれ最長立ち上がり時間（ｔ_uo＋Ｎ・Δｔ_u）と最長立ち下がり時間（ｔ_do＋Ｎ・Δｔ_d）に固定するようにしている。

もし、立ち上がり時間ｔ_u及び立ち下がり時間ｔ_dの変化範囲内でオーバーシュート及びアンダーシュートの発生量が単調に減少せず、途中で発生量が極小になる特性がある場合は、図７に示す処理手順に変更するとよい。

図７に示す処理手順は、図６に示す処理手順に対して、ステップＳ１４とステップＳ１５を追加したものである。図７に示す処理手順では、カウンタｎの値が所定の回数Ｎを超えると（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ＲＡＭに一時保存したＮ個の差分Ｐ_fの中から最小となる差分ΔＰ_fを抽出し（Ｓ１４）、その差分ΔＰ_fに対応する立ち上がり時間（ｔ_uo＋ｍ・Δｔ_u）（０＜ｍ＜Ｎ）と立ち下がり時間（ｔ_do＋ｍ・Δｔ_d）を有するパルス波形のパルス変調制御信号ＰＳで高周波電圧ｖをパルス出力させた高周波電圧ｖ’をＤＣ-ＲＦ変換部１３に出力して（Ｓ１５）、ステップＳ１に戻る。

図７に示す処理手順でも図６に示す処理手順と同様に、パルス変調制御信号ＰＳの適正なパルス波形が見つからない場合は、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dが、立ち上がり時間ｔ_uの変更範囲（ｔ_uo〜ｔ_uo＋Ｎ・Δｔ_u）と立ち下がり時間ｔ_dの変更範囲（ｔ_do〜ｔ_do＋Ｎ・Δｔ_d）の中で、オーバーシュート及びアンダーシュートの発生量を最も小さくできる立ち上がり時間（ｔ_u＋ｍ・Δｔ_u）と立ち下がり時間（ｔ_do＋ｍ・Δｔ_d）に制御されるので、オーバーシュート及びアンダーシュートの発生量を可能な限り抑制することができる。

図６，図７に示す処理手順では、立ち上がり時間ｔ_uを初期立ち上がり時間ｔ_uoから最長立ち上がり時間（ｔ_uo＋Ｎ・Δｔ_u）まで増加させる処理だけを行うとともに、立ち下がり時間ｔ_dを初期立ち下がり時間ｔ_doから最長立ち下がり時間（ｔ_do＋Ｎ・Δｔ_d）まで増加させる処理だけを行い、この処理で適正な立ち上がり時間ｔ_u’と適正な立ち下がり時間ｔ_d’が見つからない場合は、立ち上がり時間ｔ_uを最長立ち上がり時間（ｔ_uo＋Ｎ・Δｔ_u）若しくはオーバーシュートが極小となる立ち上がり時間（ｔ_uo＋ｍ・Δｔ_u）に設定するとともに、立ち下がり時間ｔ_dを最長立ち下がり時間（ｔ_do＋Ｎ・Δｔ_d）若しくはアンダーシュートが極小となる立ち上がり時間（ｔ_do＋ｍ・Δｔ_d）に設定するにしていたが、オーバーシュートとアンダーシュートが発生しなくなるまで、立ち上がり時間ｔ_uを初期立ち上がり時間ｔ_uoと最長立ち上がり時間（ｔ_uo＋Ｎ・Δｔ_u）との間で変化させるとともに、立ち下がり時間ｔ_dを初期立ち下がり時間ｔ_doと最長立ち下がり時間（ｔ_do＋Ｎ・Δｔ_d）との間で変化させるようにしてもよい。

また、図６，図７に示す処理手順では、高周波電圧ｖのパルス出力毎のオーバーシュート又はアンダーシュートのモニタで、オーバーシュート又はアンダーシュートが発生していると、直ちにパルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dの調整処理に移行していたが、オーバーシュート又はアンダーシュートの発生が連続して所定の回数Ｍ以上発生した場合に、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dの調整処理に移行するようにしてもよい。

図６の処理手順において、オーバーシュート又はアンダーシュートの発生が連続してＭ回発生したことを条件にパルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dの調整処理に移行する制御をする場合は、図８に示すように、ステップＳ５とステップＳ６との間にステップＳ２０〜ステップＳ２４の処理（オーバーシュート又はアンダーシュートの発生が連続してＭ回発生したか否かを判定する処理）を追加した処理手順にすればよい。図７の処理手順でも同様で、ステップＳ５とステップＳ６との間にステップＳ２０〜ステップＳ２４の処理を追加した処理手順にすればよい。

図８に示す処理手順では、ＲＦ電力制御部１５は、ステップＳ５で、高周波信号生成部１５Ｆで生成した高周波電圧ｖ₀とパルス変調制御信号ＰＳとの乗算処理を行って高周波電圧ｖを生成し、ＤＣ-ＲＦ変換部１３に出力すると、進行波電圧検出部１４から出力される進行波電圧ｖ_fを読み込み、その進行波電圧ｖ_fを進行波電力Ｐ_fに変換した後（Ｓ２０）、目標出力電力Ｐ_oに対する差分ΔＰ_f＝｜Ｐ_o−Ｐ_f｜を算出する（Ｓ２１）。

続いて、ＲＦ電力制御部１５は、差分ΔＰ_fを基準値Ｋと比較し（Ｓ２２）、ΔＰ_f≦Ｋであれば（Ｓ２２：ＹＥＳ）、ステップ１に戻る。一方、Ｋ＜ΔＰ_fであれば（Ｓ２２：ＮＯ）、ＲＦ電力制御部１５は、連続回数Ｍをカウントするカウンタｉ（ディフォルト値は０にリセットされている）を１だけ増加し（Ｓ２３）、そのカウンタｉの値がＭになっているか否かを判定する（Ｓ２４）。

ＲＦ電力制御部１５は、ｉ＜Ｍであれば（Ｓ２４：ＮＯ）、ステップＳ２０に戻り、ｉ＝Ｍになると（Ｓ２４：ＹＥＳ）、ステップＳ６に移行し、立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dの調整処理を行う（Ｓ６〜Ｓ１３）。

オーバーシュート又はアンダーシュートの発生が連続してＭ回発生したことを条件にパルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dの調整処理に行うようにした場合は、オーバーシュート又はアンダーシュートの誤検出によってパルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dの調整処理が行われるという不都合を防止することができ、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dを確実に適正な立ち上がり時間ｔ_u’と立ち下がり時間ｔ_d’に調整することができる。

上記実施形態では、パルス変調制御信号ＰＳの立ち上がり時間ｔ_uと立ち下がり時間ｔ_dの両方を同時に変化させる制御をしているが、アンダーシュートの発生量が余り大きくなく、オーバーシュートの発生量だけが問題となる場合や、逆にオーバーシュートの発生量が余り大きくなく、アンダーシュートの発生量だけが問題となる場合には、問題となる立ち上がり時間ｔ_u若しくは問題となる立ち下がり時間ｔ_dだけを変化させるようにしてもよい。

上記実施形態では、プラズマ処理システムＡに適用される高周波電源１について説明したが、本発明は、この分野に限定されるものではなく、高周波電圧ｖをパルス出力する高周波電源に広く適用することができる。

Ａ プラズマ処理システム
１ 高周波電源
１１ ＡＣ−ＤＣ変換部
１２ ＤＣ−ＤＣ変換部
１３ ＤＣ−ＲＦ変換部
１３１ フィルタ回路
１４ 進行波電圧検出部（高周波検出手段）
１５ ＲＦ電力制御部（記憶手段、第２の記憶手段、抽出手段、第２の抽出手段）
１５Ａ 進行波電力変換部（電力検出手段）
１５Ｂ 出力電力設定部
１５Ｃ 差分演算部（差分演算手段）
１５Ｄ ＤＣ電圧制御部
１５Ｅ 高周波条件設定部
１５Ｆ 高周波信号生成部（高周波生成手段）
１５Ｇ パルス条件設定部
１５Ｈ パルス波形制御部（オーバーシュート検出手段、アンダーシュート検出手段、判定手段、第２の判定手段、検出手段、第２の検出手段、比較手段、第２の比較手段）
１５Ｈ−１ 立ち上がり時間調整部（立ち上がり時間調整手段、立ち上がり時間変更手段、立ち上がり時間変更制御手段、）
１５Ｈ−２ 立ち下がり時間調整部（立ち下がり時間調整手段、立ち下がり時間変更手段、立ち下がり時間変更制御手段）
１５Ｉ メモリ
１５Ｊ パルス信号生成部（パルス信号生成手段）
１５Ｋ 乗算部（高周波パルス出力手段）
２ インピーダンス整合装置
３ プラズマ処理装置（プラズマ処理手段）
４ システム制御部
５ 同軸ケーブル

Claims (13)

1. 高周波を生成する高周波生成手段と、
   前記高周波よりも低周波のパルス信号を生成するパルス信号生成手段と、
   前記パルス信号に基づいて、前記高周波生成手段が生成した高周波を負荷にパルス出力する高周波パルス出力手段と、
   を備えた高周波電源において、
   前記高周波のパルス出力の立ち上がり時にオーバーシュートが発生したことを検出するオーバーシュート検出手段と、
   前記オーバーシュート検出手段で前記オーバーシュートの発生が検出されると、前記パルス信号の立ち上がり時間を、前記高周波のパルス出力の立ち上がり時に前記オーバーシュートを抑制させる立ち上がり時間に調整する立ち上がり時間調整手段と、
   を備えたことを特徴とする、高周波電源。
2. 前記オーバーシュート検出手段は、前記高周波がパルス出力される毎に当該パルス出力で前記オーバーシュートが発生したか否かを判定する判定手段を含み、
   前記立ち上がり時間調整手段は、前記判定手段により前記オーバーシュートが発生したと判定される毎に、前記立ち上がり時間の調整処理を行う、請求項１に記載の高周波電源。
3. 前記オーバーシュート検出手段は、前記高周波がパルス出力される毎に当該パルス出力で前記オーバーシュートが発生したか否かを判定する判定手段と、前記判定手段により前記オーバーシュートが発生したという判定が所定の回数以上連続したことを検出する検出手段とを含み、
   前記立ち上がり時間調整手段は、前記検出手段により前記オーバーシュートが連続して前記所定の回数以上検出されたときに、前記立ち上がり時間の調整処理を行う、請求項１に記載の高周波電源。
4. 前記高周波の電力を検出する電力検出手段を備え、
   前記判定手段は、前記電力検出手段で検出される前記高周波の電力と予め設定された目標電力値との差分を演算する差分演算手段と、前記差分と予め設定された閾値とを比較する比較手段と、を含み、前記差分が前記閾値を超えている場合に前記オーバーシュートが発生したと判定する、請求項２又は３に記載の高周波電源。
5. 前記立ち上がり時間調整手段は、前記高周波がパルス出力される毎に前記パルス信号の立ち上がり時間を予め設定された時間だけ増加させる処理を所定の回数だけ繰り返す立ち上がり時間変更手段と、前記立ち上がり時間変更手段による前記立ち上がり時間の変更処理中に、前記判定手段で前記オーバーシュートが発生しないと判定されると、前記パルス信号の立ち上がり時間をその判定時の立ち上がり時間に設定する立ち上がり時間変更制御手段とを含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の高周波電源。
6. 前記立ち上がり変更制御手段は、前記差分演算手段で前記差分が演算される毎にその演算値をその時点での立ち上がり時間と対応させて記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶される複数の前記差分の演算値のうち、最小の演算値を抽出する抽出手段とを備え、前記立ち上がり時間変更手段により前記立ち上がり時間を最長の立ち上がり時間に変更しても前記判定手段で前記オーバーシュートが発生していると判定された場合、前記パルス信号の立ち上がり時間を前記最小の演算値を有する差分に対応する立ち上がり時間に設定する、請求項５に記載の高周波電源。
7. 前記高周波のパルス出力の立ち下がり時にアンダーシュートが発生したことを検出するアンダーシュート検出手段と、
   前記アンダーシュート検出手段で前記アンダーシュートの発生が検出されると、前記パルス信号の立ち下がり時間を、前記高周波のパルス出力の立ち下がり時に前記アンダーシュートを抑制させる立ち下がり時間に調整する立ち下がり時間調整手段と、
   を更に備える、請求項１乃至６のいずれかに記載の高周波電源。
8. 前記アンダーシュート検出手段は、前記高周波がパルス出力される毎に当該パルス出力で前記アンダーシュートが発生したか否かを判定する第２の判定手段を含み、
   前記立ち下がり時間調整手段は、前記第２の判定手段により前記アンダーシュートが発生したと判定される毎に、前記立ち下がり時間の調整処理を行う、請求項７に記載の高周波電源。
9. 前記アンダーシュート検出手段は、前記高周波がパルス出力される毎に当該パルス出力で前記アンダーシュートが発生したか否かを判定する第２の判定手段と、前記第２の判定手段により前記アンダーシュートが発生したという判定が所定の回数以上連続したことを検出する第２の検出手段とを含み、
   前記立ち下がり時間調整手段は、前記第２の検出手段により前記アンダーシュートが連続して前記所定の回数以上検出されたときに、前記立ち下がり時間の調整処理を行う、請求項７に記載の高周波電源。
10. 前記高周波の電力を検出する電力検出手段を備え、
    前記第２の判定手段は、前記電力検出手段で検出される前記高周波の電力と予め設定された第２の目標電力値との第２の差分を演算する第２の差分演算手段と、前記第２の差分と予め設定された第２の閾値とを比較する第２の比較手段と、を含み、前記第２の差分が前記第２の閾値を超えている場合に前記アンダーシュートが発生したと判定する、請求項８又は９に記載の高周波電源。
11. 前記立ち下がり時間調整手段は、前記高周波がパルス出力される毎に前記パルス信号の立ち下がり時間を予め設定された時間だけ増加させる処理を所定の回数だけ繰り返す立ち下がり時間変更手段と、前記立ち下がり時間変更手段による前記立ち下がり時間の変更処理中に、前記第２の判定手段で前記アンダーシュートが発生しないと判定されると、前記パルス信号の立ち下がり時間をその判定時の立ち下がり時間に設定する立ち下がり時間変更制御手段とを含む、請求項７乃至９のいずれかに記載の高周波電源。
12. 前記立ち下がり変更制御手段は、前記第２の差分演算手段で前記第２の差分が演算される毎にその演算値をその時点での立ち下がり時間と対応させて記憶する第２の記憶手段と、前記第２の記憶手段に記憶される複数の前記第２の差分の演算値のうち、最小の演算値を抽出する第２の抽出手段とを備え、前記立ち下がり時間変更手段により前記立ち下がり時間を最長の立ち下がり時間に変更しても前記第２の判定手段で前記アンダーシュートが発生していると判定された場合、前記パルス信号の立ち下がり時間を前記最小の演算値を有する第２の差分に対応する立ち下がり時間に設定する、請求項１１に記載の高周波電源。
13. 前記負荷は、前記高周波パルス出力手段からパルス出力される高周波によってプラズマを発生させ、そのプラズマを用いて所定の処理を行うプラズマ処理手段である、請求項１乃至１２のいずれかに記載の高周波電源。

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