JP6629071B2 - 高周波電力を発生させるための方法及び負荷に電力を供給するための電力変換器を備えた電力供給システム - Google Patents

高周波電力を発生させるための方法及び負荷に電力を供給するための電力変換器を備えた電力供給システム Download PDF

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Description

本発明は、負荷に供給可能な高周波電力を発生させるための方法に関する。この場合、ディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）によりアナログ信号が形成され、増幅器経路において増幅される。
本発明はさらに、負荷に電力を供給するために負荷と接続可能な電力変換器を備えた電力供給システムに関する。この場合、電力変換器は、第１増幅器経路を備えている。
本発明はさらに、高周波信号を発生する電力変換器を備えた電力供給システムに関する。この場合、電力変換器は、プラズマプロセス又はガスレーザプロセスに電力を供給する目的で負荷と接続可能であり、さらにこの電力変換器は、少なくとも１つの第１増幅器経路を備え、この少なくとも１つの第１増幅器経路へ、ディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）によりディジタル信号から形成されたアナログ信号が供給される。
例えばレーザの励起のために、又はプラズマコーディング装置において、或いは誘導の用途のためにも、電力供給システム特に１ＭＨｚよりも高い周波数で電力を発生するシステムが利用される。この種の電力供給システムの場合、複数の増幅器が利用されることが多く、それら複数の増幅器から電力供給システムの電力全体が形成されるように構成されている。その場合、個々の増幅器によって形成された電力信号の位相の同期がとれていない頻度が高い。さらに、それらの電力信号の振幅がそれぞれ異なっている可能性もある。
多くの場合、総電力を形成するために、個々の増幅器の出力電力即ち電力信号を合成しなければならず、例えば合成器（コンバイナCombiner）を利用して、或いは負荷例えばプラズマ電極又はガスレーザ電極のところで直接、合成しなければならない。出力電力を合成する場合には、各出力電力が一定の位相関係になければならないことが多い。しかも各増幅器の出力電力を、それらの振幅に関して互いに整合しなければならない。
さらに電力供給システムにおいて、要求される電力が突然変更される可能性もあり、例えばプラズマチャンバ内でアークが発生したため、供給される電力をそれに応じて急激に小さくしなければならない場合などである。
さらに問題となるのは、この種のシステムの場合、電力の調整が難しいことであり、特に負荷における電離度を調整するのが難しいことである。
したがって本発明の課題は、プラズマプロセス又はガスレーザプロセスに供給可能な電力を発生させるための方法及び電力供給システムにおいて、電力変換器の電力を速やかに高い信頼性を伴って調整できるようにすることである。さらに本発明の課題は、負荷における電力特にプラズマの電離度を調整可能な方法及び電力供給システムを提供することにある。
本発明によればこの課題は、高周波を発生する電力変換器を備え、以下の構成を有する電力供給システムによって解決される。即ち、電力変換器は、プラズマプロセス又はガスレーザプロセスに電力を供給する目的で負荷に接続可能であり、さらにこの電力変換器は、少なくとも１つの第１増幅器経路を備え、この少なくとも１つの第１増幅器経路へ、ディジタル／アナログ変換器ＤＡＣによりディジタル信号から形成されたアナログ信号が供給される。ディジタル／アナログ変換器の前段に、このディジタル／アナログ変換器へ供給されるディジタル信号を発生させるためのロジック回路ユニットが接続されており、このロジック回路ユニットには、
・アナログ信号波形を形成するための信号データ値が格納されている信号データメモリと、
・アナログ信号の振幅を制御するための振幅データ値が格納されている振幅データメモリと、
・信号データ値を振幅データ値と乗算するための乗算器と
が含まれている。
このようにすれば、ＤＡＣにおいて形成すべきアナログ信号の信号波形及び振幅に関する情報を含むディジタル信号を、簡単に形成することができる。例えば複数のディジタル値から成るシーケンスを、以下のようにして形成することができる。即ちこの場合、カウンタを利用して、信号データメモリに格納されている信号データ値シーケンスを読み出し、この信号データ値シーケンスを乗算器へ供給し、この乗算器によって、信号データ値シーケンスを振幅データメモリから読み出された振幅値と乗算するのである。複数のアナログ信号をパラレルに形成し、次いでそれらのアナログ信号を合成器によって合成する場合に、このことは特に有利であり、このようにすることで、合成すべき信号を著しく簡単かつ迅速に、相互に整合させることができるようになる。このようにして形成されたアナログ信号によって制御される増幅器経路は、複数の増幅器経路のパラレルな動作に格別良好に適している。このようにして形成された電力を、複数の増幅器経路の出力側で簡単に合成することができる。したがって電力変換器の総電力を、著しく高速かつ正確に調整できるようになる。この場合、負荷をプラズマプロセス又はガスレーザプロセスとすることができる。
さらに、ディジタルロジック回路を設けることができ、このディジタルロジック回路は、１つ又は複数のロジック回路ユニットと接続されている。ロジック回路ユニットによって、乗算すべきデータ値を選択することができる。
ディジタルロジック回路及び１つ又は複数のロジック回路ユニットを、１つのロジックデバイスとして統合することができる。このようにすることで、高度の統合化ないしは集積化が得られるようになる。この場合、僅かな部品しか使用せずにすみ、そのことでスペースが節約されるし、安価になる。
本発明によれば、部品及び／又は製造の際の反復精度の制約に起因して発生する、個々の増幅器経路の許容偏差を、較正して取り除くことができる。これによって、電力を簡単に合成できるようになる。したがって、すべての回路段を個別に調整する必要がないことから、製造時のコストも節約されるようになる。また、上述のような較正データをメモリに格納することができ、新たな電力値を設定したときに、ＦＰＧＡによりすべての増幅器経路に対しパラレルに、つまり同時に、それらの較正データを適用できることから、速度に関する利点が得られるようになる。
しかも、互いに独立した複数の電力変換器又は電力供給システムを、位相及び／又は振幅に関して相互間で同期合わせすることができる。
このようなコンセプトを機能させるための前提となるのは、増幅器経路に供給される信号の振幅を変化させることにより制御可能な増幅器のトポロジーである。正確を期するため、電力変換器は種々の動作モードで動かされ、特に種々の動作クラスで動かされる。つまり小電力例えば２００Ｗよりも小さい電力に対しては、線形動作モードが維持され、つまりＡＢ級動作が維持される。しかし大電力例えば８００Ｗを超える電力に対しては、スイッチング過程により定まる動作が維持され、例えばＥ級動作又はＦ級動作殊に有利には「逆Ｆ級」動作で動かされる。
本発明はさらに、負荷へ供給可能な高周波電力を発生させるための方法に関する。この方法によれば、少なくとも１つの増幅器経路へ、ディジタル／アナログ変換器ＤＡＣによりディジタル信号から形成されたアナログ信号が供給され、このアナログ信号が増幅器経路で増幅されて高周波電力信号が形成される。その際、ディジタル信号の形成は、信号データメモリに格納されている信号データ値を、振幅データメモリに格納されている振幅データ値と乗算することによって行われる。この場合、アナログ信号をアナログ電圧とすることができる。
これによって、電力供給システムについて述べた上述の利点が得られる。
有利には、ＤＡＣのディジタル信号入力端子に、複数のディジタル値から成るシーケンスが供給され、ＤＡＣはそれらのディジタル値からアナログ信号を形成する。このようにすることで、アナログ信号を極めて高速かつ正確に形成することができる。
高周波電力信号の振幅を、つまり各増幅器経路の出力信号の振幅を、個々の増幅器経路へ供給されるアナログ信号の予め定められた振幅によって制御することができる。
その際にアナログ信号を増幅器経路へダイレクトに供給し、アナログ信号の振幅を変化させることにより、増幅器経路の高周波電力信号の振幅をそのまま変えることができる。このようにすることで特に、ハードウェアに関してコストが削減される。しかもこのことによって、あとから再び形成しなければならないアナログ信号の振幅情報が失われてしまわないようにすることができる。
本発明はさらに、種々の増幅器経路において形成される高周波電力信号の振幅及び位相の許容偏差を補償するための方法にも関する。この方法によれば、各増幅器経路に、それぞれ１つのディジタル／アナログ変換器ＤＡＣにより形成された信号が供給され、この信号は、上位のディジタルメモリ制御ユニットによって、それぞれ振幅及び位相について調整される。このようにすることで、格別に良好な調整及び較正が行われるようになる。
各増幅器経路における高周波電力信号の振幅を、ＤＡＣにより形成されるアナログ信号の振幅によって制御することができる。
本発明によればさらに、以下のように構成することが可能である。即ち、第１出力電力を形成すべき場合に、第１増幅器経路に第１信号を供給し、第２出力電力を形成すべき場合に、第１増幅器経路に第２信号を供給し、さらに第１出力電力を形成すべき場合に、第２増幅器経路に第３信号を供給し、第２出力電力を形成すべき場合に、第２増幅器経路に第４信号を供給し、これら第１信号、第２信号、第３信号及び第４信号の振幅をメモリに格納しておくように、構成することが可能である。
さらに本発明によれば上述の課題は、ディジタル／アナログ変換器ＤＡＣによりアナログ信号を形成して、増幅器経路において増幅し、その際にアナログ信号の振幅を変調するようにした、負荷に供給可能な高周波電力を発生させるための方法によって解決される。この場合、負荷として例えば、プラズマプロセス又はガスレーザプロセスが対象となる。アナログ信号の振幅変調によって、負荷に供給される電力を調整することができ、したがって例えば、プラズマ負荷においてプラズマの電離度を著しく簡単に調整し制御することができる。プラズマ負荷を、エッチング又はコーティングのための加工処理用プラズマとしてもよいし、或いはガスレーザを励起するプラズマとしてもよい。
ＤＡＣのディジタル信号入力端子に、複数のディジタル値から成るシーケンスを供給し、それらのディジタル値からＤＡＣがアナログ信号を発生することによって、アナログ信号の振幅を変調することができる。このようにすることで、アナログ信号を著しく高速かつ正確に形成することができる。
信号データメモリに格納されている信号データ値を、振幅データメモリに格納されている振幅データ値と乗算することによって、複数のディジタル値から成るシーケンスを形成することができる。例えば複数のディジタル値から成るシーケンスを、以下のようにして形成することができる。即ちこの場合、カウンタを利用して、信号データメモリに格納されている信号データ値シーケンスを読み出し、この信号データ値シーケンスを乗算器へ供給し、この乗算器は信号データ値シーケンスを、振幅データメモリから読み出された振幅値と乗算するのである。この場合、アナログ信号をアナログ電圧とすることができる。このようにすれば、ＤＡＣにおいて形成すべきアナログ信号の信号波形及び振幅に関する情報を含むディジタル信号を、簡単に形成することができる。複数のアナログ信号をパラレルに形成し、次いでそれらのアナログ信号を合成器によって合成する場合に、このことは特に有利であり、このようにすることで、合成すべき信号を著しく簡単かつ迅速に、相互に整合することができるようになる。このようにして形成されたアナログ信号によって制御される増幅器経路は、複数の増幅器経路のパラレルな動作に格別良好に適している。このようにして形成された電力を、複数の増幅器経路の出力側で簡単に合成することができる。したがって電力変換器の総電力を、著しく高速かつ正確に調整できるようになる。
振幅データメモリに格納されている振幅データ値を変えることによって、アナログ信号の振幅を変調することができる。このようにすれば、振幅変調を著しく高速に行うことができる。しかも、複数の増幅器経路の出力電力を著しく高速に変化させることができ、それと同時に、各増幅器経路相互間の同期をそのまま維持することができる。
さらに、信号データメモリに格納されている信号データ値を変えることによって、アナログ信号の振幅を変調することができる。
このようにしても、振幅変調を著しく高速に行うことができる。しかもこの場合、複数の増幅器経路の出力電力を著しく高速に変えることができ、各増幅器のアナログ信号の振幅がそれぞれ異なる場合に、非線形の増幅及び位相のシフトも考慮することができる。
アナログ信号を制御するため、ＤＡＣの基準信号入力端子に基準信号を供給することができる。例えばこのようにすることによって、アナログ信号の振幅を変調することができる。したがってこの場合、アナログ信号を、複数のディジタル値から成るシーケンスによって制御できるだけでなく、基準信号入力端子に供給される基準信号によっても制御することができる。このため、アナログ信号を制御して正確に調整するための、特にその振幅を変調するための、複数のオプションが提供される。
複数のディジタル値から成るシーケンスによって、ディジタルランプ関数を実現することができる。ここでディジタルランプ関数とは、ディジタル値によって設定される傾斜及び目標値のことである。例えば、１００Ｗ／ｍｓの傾斜で１ｋＷまで電力を上昇させるように設定することができる。
さらに、２つの振幅で交互にパルスを発生させることができる。このことは著しく簡単に実現可能であり、その理由は、振幅と位相と周波数に関する情報だけをＤＡＣへ供給すればよいからである。このため、２つの振幅を有するパルスを実現するのは著しく簡単であり、これは極めて高速である。このようにして例えばシマー動作中、材料を加工処理するプラズマプロセスを継続させることなく、ごく僅かな電力で放電を維持することができる。このようにすれば、電力上昇によって、新たに点弧しなおさなければならない場合よりも、極めて著しく高速に高い電離度を実現することができる。
アナログ信号をフィルタリングすることができる。これにより、殊に高調波が少ない信号を、増幅器経路入力側から入力することができる。このことで、システム全体の効率が高められる。
複数のＤＡＣによって、それぞれ１つのアナログ信号を発生させて、そのアナログ信号をそれぞれ対応づけられた１つの増幅器経路で増幅することができる。したがって、パラレルな増幅器経路において、比較的小さい複数の電力を発生させることができ、次いでそれらの電力を合成して総電力を発生させることができる。個々の増幅器経路に関しては比較的小さい電力を発生させればよいことから、安価なデバイスを利用することができる。
増幅器経路の各出力信号を合成器によって合成して、総電力を得ることができる。このようにすることで、電力変換器の高い出力電力を簡単に実現することができる。
信号データメモリ及び振幅データメモリに対し、上位のメモリから書き込みを行うことができる。このため、上位のメモリによってＤＡＣに割り当てられたメモリの内容を決定し、制御することができる。
ＤＡＣを、個々の増幅器経路における信号伝播時間及び増幅率を考慮して制御することができる。このようにすることで、総電力を極めて正確に設定することができる。
形成された総電力及び／又は負荷から反射した電力を測定し、上位の制御装置へ供給することができる。このため、総電力を著しく正確に閉ループ及び開ループ制御することができる。
さらに本発明は、負荷に電力を供給するために負荷と接続可能な電力変換器を備えた電力供給システムに関する。この場合、電力変換器は第１増幅器経路を備えており、この第１増幅器経路へ、ディジタル／アナログ変換器ＤＡＣにより形成され振幅変調されたアナログ信号が供給される。殊に、プラズマ及びレーザの用途に利用可能な振幅変調を、著しく高速かつフレキシブルに実施することができる。本発明による電力供給システムによれば、電力変換器の振幅変調を、例えばプラズマの電離度の制御のために、任意の包絡線を用いて実施することができる。
ＤＡＣの前段に、このＤＡＣへ供給されるディジタル信号を発生させるためのロジック回路ユニットを接続することができ、このロジック回路ユニットには、アナログ信号波形を形成するための信号データ値が格納されている信号データメモリと、アナログ信号の振幅を制御するための振幅データ値が格納されている振幅データメモリと、信号データ値を振幅データ値と乗算するための乗算器とが含まれている。
このようにすれば、ＤＡＣにおいて形成すべきアナログ信号の信号波形及び振幅に関する情報を含むディジタル信号を、簡単に形成することができる。この場合、既述の方法に関する利点が得られるようになる。
信号データ値が例えば、形成すべきアナログ信号に関する位相情報及び／又は周波数情報を含むようにすることができる。
さらに、少なくとも２つの増幅器経路を設けることができ、その場合、各増幅器経路に、それぞれ１つのＤＡＣによりディジタル信号から形成されたアナログ信号が供給され、各ＤＡＣの前段に１つのロジック回路ユニットが接続されている。このように構成することによって、高い出力電力のために著しくコンパクトな構成が得られる。これにより、製造の手間及びコストを節約することができる。しかも、この種の構造の信頼性が高まる。この種の電力変換器は、格別良好に較正可能であり調整可能である。
さらに、ディジタルロジック回路を設けることができ、このディジタルロジック回路は、１つ又は複数のロジック回路ユニットと接続されている。ロジック回路ユニットによって、乗算すべきデータ値を選択することができる。
ディジタルロジック回路及び１つ又は複数のロジック回路ユニットを、１つのロジックデバイスとして統合することができる。このようにすることで、高度の統合化ないしは集積化が得られるようになる。この場合、僅かな部品しか使用せずにすみ、そのことでスペースが節約されるし、安価になる。
振幅変調されるアナログ信号を、電圧、電流又は電力とすることができる。なお、信号の「振幅」という用語がここで意図するのは、周期的に推移する変量の最大の振れ、ということである。
信号データ値及び／又は振幅データ値をルックアップテーブル（Look-Up-Table, LUT）に格納しておくことができ、信号波形及び振幅を調整するために、もしくは振幅変調のために、信号データ値及び／又は振幅データ値を、このテーブルにおいて極めて容易に選択することができる。
信号データメモリ及び振幅データメモリを、ルックアップテーブル（Look-Up-Table, LUT）として構成することができる。これによって、記憶スペースを節約することができる。なぜならば、（多数のエントリを含む）本来のデータ格納スペースに、短いコードを保持しておけばよく、それに対応する長い表現を、テーブルから取り出して利用すればよいからである。特定の構成のために予め計算された結果又はその他の情報を、ルックアップテーブル内で定義することができる。このようにすれば値の計算を省くことができ、したがってアナログ信号つまりは電力を、極めて高速に整合できるようになる。
ＤＡＣに、基準信号入力端子を設けることができる。この基準信号入力端子を使用して、アナログ信号の形成を制御することができる。このようにすれば、アナログ信号の変更を極めて迅速に生じさせることができる。
基準信号入力端子の手前に、コントローラ回路を接続することができる。この種のコントローラ回路を用いることにより、基準信号入力端子の入力信号を著しく高速に変更することができ、これによって、形成されるアナログ信号の変更特にアナログ信号の振幅の変更を、著しく高速に実行できるようになる。
ＤＡＣ及びそれに対応するロジック回路ユニットを、１つのダイレクトディジタル合成デバイス（ＤＤＳデバイス）として統合すると、著しくコンパクトな構造が得られるようになる。
ＤＡＣと増幅器経路との間に、アナログ信号をフィルタリングするためのフィルタ装置を設ければ、増幅器経路の入力側に特に高調波が僅かな信号を入力することができる。これによって、妨害を及ぼす増幅器経路内の高調波を減少させることができる。このことで、システム全体の効率が高められる。
電力変換器に３つ以上の増幅器経路を設けることができ、その場合、それらの増幅器経路に対応してそれぞれ１つのＤＡＣが設けられ、それらのＤＡＣは、個々の増幅器経路へ１つのアナログ信号を供給する。このように構成することによって、高い出力電力のための著しくコンパクトな構成が得られる。この種の電力変換器は、格別良好に調整可能である。
複数の増幅器経路を、それらの増幅器経路において形成された電力を合成して総電力を発生させるために、１つの合成器と接続することができる。この場合、比較的簡単な合成器を使用することができる。この種の合成器は、製造に手間がかからないけれども、入力信号の位相関係、振幅及び周波数に対し高い要求が課される。これによって電力変換器を、著しくコンパクトな構造及び低コストで構成することができる。
さらに、複数の増幅器経路において形成された電力を合成する合成器を、強度及び／又は位相が等しくない入力信号に対する補償用インピーダンスを含まずに設計することができる。このような合成器は、特にエネルギーを節約するものとなり、かつ低コストである。しかもこの種の合成器は、著しくコンパクトであり、僅かな部品で構築することができる。
増幅器経路は、ＬＤＭＯＳテクノロジーのトランジスタを備えることができる。ＬＤＭＯＳとは、"laterally diffused metal oxide semiconductor"（横方向拡散金属酸化物半導体）のことである。ＬＤＭＯＳは、これまで特にＧＨｚ領域の用途で用いられてきたＭＯＳＦＥＴである。２００ＭＨｚよりも低い領域でこのトランジスタを使用することは、これまで知られていなかった。プラズマプロセス又はレーザプロセスに供給可能な電力を発生させるための増幅器において使用すると、意外なことに、それらＬＤＭＯＳテクノロジーのトランジスタは、同等の従来のＭＯＳＦＥＴよりも著しく高い信頼性を伴って動作することが判明した。その理由として挙げられるのは、従来のＭＯＳＦＥＴよりも電流耐性が著しく高い、ということである。複数の増幅器経路を使用し、３．４ＭＨｚ、１３ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚ及び１６２ＭＨｚの周波数で実験を行った結果、このタイプのトランジスタは極めて高い信頼性を有することが示された。従来のＭＯＳＦＥＴとは異なり、このタイプのトランジスタによって得られるさらに別の利点は、上述の周波数（３．４ＭＨｚ、１３ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚ及び１６２ＭＨｚ）のために、同じトランジスタを使用できることである。したがって、非常に類似したトポロジーを利用して、又は、同一のトポロジーを利用しても、１ＭＨｚ〜２００ＭＨｚの範囲内の数１０に及ぶ周波数において使用可能な複数の増幅器及び電力供給システムを構築することができる。それらの周波数は、プラズマプロセスにおいて、及びガスレーザ励起に利用されることが多い周波数である。この場合、ＤＡＣの制御動作を変えるだけで周波数を調整可能であり、ディジタルメモリもしくはルックアップテーブルの値を変更することで、或いはＤＡＣの基準信号入力端子を介して、振幅を調整可能である。従来のＭＯＳＦＥＴは、プラズマプロセスにおいてこれらの周波数で動作させたとき、プラズマプロセスに供給される電力が過度に多く反射した場合に、頻繁に問題が発生していた。このため、反射電力がクリティカルな限界を超えてしまわないよう、発生させた電力を頻繁に制限しなければならなかった。したがってプラズマプロセスを、必ずしも毎回、確実に点弧させることができていたわけではないし、或いは必ずしも毎回、要求された電力範囲で動作させることができていたわけではなかった。しかも、これらの欠点を取り除くために、煩雑な可制御型インピーダンス整合回路が設けられていた。そこで、例えばプラズマプロセスの給電の場合に該当するように、反射電力がかなりの度合いで見込まれる場合、ＬＤＭＯＳトランジスタを格別有利に使用することができる。上述の合成器と関連して、ＬＤＭＯＳトランジスタにより得られる利点とは、著しく多くのいっそう大きな反射電力をトランジスタが受けとめられることである。これにより、電力供給システムと負荷との間に接続される付加的なインピーダンス整合回路に課される要求が下がり、そのようなインピーダンス整合回路であれば、部品及び制御にかかるコストを節約することができる。
各増幅器経路に、対応するロジック回路ユニットを備えた固有のＤＡＣを割り当てて設けることができ、その場合、ＤＡＣに対応するロジック回路ユニットと接続された上位のメモリ例えばルックアップテーブルが設けられる。このような上位のメモリによって、ＤＡＣに割り当てられたメモリの書き込みを行うことができる。著しく大きい電力に適しており、かつ、コンパクトな構造で実現可能なシステムが全体として得られるようになる。このシステムは出力電力に関しても、極めて良好に設定可能であり調整可能である。
上位のメモリを、ロジック回路に組み入れることができる。さらに、少なくとも１つのＤＡＣの基準信号入力のためのコントローラ回路を、ロジックデバイスに組み入れることができる。このようなロジックデバイスを、プログラミング可能なロジックデバイス（ＰＬＤ）として構成することができ、例えばフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として構成することができる。さらにロジック回路を、ディジタル信号プロセッサにより制御することができる。
これに加え、例えばＤＡＣも、このようなＰＬＤもしくはＦＰＧＡに組み入れることができる。さらに、少なくとも１つのＤＡＣの基準信号入力のためのコントローラ回路を、ＰＬＤもしくはＦＰＧＡに組み入れることができる。ＰＬＤもしくはＦＰＧＡを、ディジタルプロセッサによって制御することができ、例えばディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）によって制御することができる。このような構成を採用した結果、大電力のためのコンパクトな構造を実現できるようになり、さらに電力変換器を著しく良好に調整できるようになる。
さらに測定装置を設けることができ、例えば方向性結合器を設けることができる。測定装置はシステムコントローラと接続されており、さらにシステムコントローラ自体は、ロジック回路を少なくとも間接的に、例えばディジタルプロセッサ又はＤＳＰを介して制御する。これによって、プラズマプロセスに供給される電力の極めて正確かつ高速な制御を実現することができる。
形成された総電力及び／又は負荷特にプラズマチャンバから反射した電力を測定し、上位の制御装置へ供給することができる。このようにして、電力変換器の出力電力を開ループ制御又は閉ループ制御することができる。このような制御を、ＦＰＧＡ、ＤＤＳ及び場合によってはＤＳＰから成る配線基板に設けられたＦＰＧＡにおいて直接、行うこともできる。
本発明の重要な細部について示す図面を用いた本発明の実施例に関する以下の説明、及び特許請求の範囲から、本発明のその他の特徴及び利点を読み取ることができる。なお、個々の特徴をそれ自体単独で実施してもよいし、或いは本発明の１つの実施形態として複数の特徴を任意に組み合わせて実施してもよい。
図面には、本発明の１つの有利な実施例が概略的に示されており、次にこれについて図面を参照しながら詳しく説明する。
電力供給システムを備えたプラズマシステムをごく概略的に示す図 電力供給システムを示すブロック図 ＤＤＳデバイスを示すブロック図
図１には、電力供給システム２を含むプラズマシステム１が示されている。電力供給システム２自体は電力変換器３を備えており、これを電圧供給網４と接続することができる。電力変換器３の出力側に生じた電力は、インピーダンス整合回路５を介して、負荷であるプラズマチャンバ６へ供給される。そこにおいてプラズマが生成され、生成されたプラズマを利用して、プラズマチャンバ６内でプラズマ加工処理を実施することができる。例えば、被加工物をエッチングしたり、或いは、基板上に材料層をコーティングしたりすることができる。
図２には、電力供給システム２０がごく概略的に示されている。電力供給システム２０は電力変換器３０を備えており、これは負荷例えばプラズマプロセス又はレーザ励起に供給可能な出力電力を発生する。電力変換器３０には、複数の増幅器経路３１〜３６が設けられている。増幅器経路３１〜３６は、ほぼ同一に構成されている。したがって以下では、増幅器経路３１についてのみ説明する。増幅器経路３１〜３６は、アナログ信号の増幅器に適した複数の増幅器３７，３８を備えている。増幅器経路３１〜３６の終端には、少なくとも１つのＬＤＭＯＳトランジスタを備えたそれぞれ１つの増幅器３９が設けられており、この増幅器の出力端子は直接、又は例えばインピーダンス整合素子及び／又はフィルタなどを介して間接的に、合成器４０に接続されている。特に、すべての増幅器経路３１〜３６のすべての出力端子は、殊に同じ形態で合成器４０に接続されている。合成器４０により、増幅器経路３１〜３６の個々の電力が結合されて、総電力が形成される。
増幅器経路３１〜３６はほぼ同一に構成されている、ということが、それらの経路が等しい増幅度を有する、ということを必ずしも意味するわけではない。部品のばらつきや回路を組み立てる際の許容偏差などによって、入力信号が等しくても、増幅器経路３１〜３６において発生する高周波電力信号の位相及び／又は振幅に、著しい相違が生じる可能性がある。
増幅器経路３１〜３６の前段には、それぞれ１つのディジタル／アナログ変換器ＤＡＣ４１が接続されており、それらに対応してロジック回路ユニット４２が配置されている。例えばＤＡＣ４１には、ロジック回路ユニット４２により複数のディジタル信号値から成るシーケンスが供給され、ＤＡＣ４１はそれらのディジタル信号値から１つのアナログ信号を形成し、このアナログ信号は、オプションとして設けられるフィルタ５５を介して必要に応じてフィルタリングされた後、増幅器経路３１へ供給される。ＤＡＣ４１及びロジック回路ユニット４２を、いわゆるダイレクトディジタル合成デバイス（ＤＤＳデバイス）４３として統合することができ、これはダイレクトディジタルシンセサイザとも呼ばれる。増幅器経路３１〜３６各々に対応して、固有のＤＤＳデバイス４３が設けられており、したがって１つのＤＡＣ４１と１つのロジック回路ユニット４２が、対応して設けられている。一例として、図３に示したＤＤＳデバイス４３について説明する。
ロジック回路ユニット４２は、以下の構成を有する。即ち、
１．アナログ波形を形成するための信号データ値が格納されている信号データメモリ６１、
２．アナログ信号の振幅を制御するための振幅データ値が格納されている振幅データメモリ６２、
３．信号データ値と振幅データ値とを乗算するための乗算器６３、
４．予め定められたタイミングで信号データ値を信号データメモリ６１から読み出して乗算器へ供給するために用いられるカウンタ６４、
を有する。
信号データメモリ６１も振幅データメモリ６２も、いわゆるルックアップテーブル（ＬＵＴ）として構成することができる。
ＤＡＣ４１はさらに基準信号入力端子４４を備えており、基準信号を発生させるため、この端子の手前にコントローラ回路４５を前段として接続することができる。コントローラ回路４５を、後述のディジタルロジック回路（プログラマブルロジックデバイスＰＬＤ）４６として実現することができる。ディジタルロジック回路を、フィールドプログラマブル（ロジック）ゲートアレイ（Field Programmable Gate Array FPGA）として構成することができる。
基準信号入力端子４４に入力される基準信号によって、出力信号つまりＤＡＣ４１により形成されるアナログ信号を制御することができ、例えば振幅変調することができる。さらにＤＤＳデバイス４３の前段に、ディジタルロジック回路４６を接続することができ、この回路も、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）として構成されたメモリ４７を備えている。メモリ４７に振幅データ値を格納しておくことができ、これらの値をメモリ４７から振幅データメモリ６２へ書き込むことができる。振幅データ値の選択によっても、振幅変調を行わせることができる。これらの値に加え、位相補正用のデータを格納しておくこともできる。メモリ４７に格納されている値は、増幅器経路（３１〜３６）又はそれらの後段に接続された合成器４０における差異を補償するために用いられる。それらの値を、ロジック回路４２特に振幅データメモリ６２へ転送することができる。ディジタルロジック回路４６は、ディジタルプロセッサ例えばディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）４８により制御され、これはデータバス５０を介してシステムコントローラ４９と接続されている。
ディジタルプロセッサ例えばディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）４８と、メモリ４７と、ロジック回路ユニット４２とを、ロジックデバイス５８として実現することができる。ロジックデバイスを、ディジタルロジック回路ＰＬＤ特にＦＰＧＡ５８として構成することができる。さらにＤＡＣ４１も組み込めば、コンパクトなロジックデバイス５７が形成される。ディジタルプロセッサ例えばＤＳＰ４８、メモリ４７、ＤＤＳデバイス４３、さらにはＤＡＣ４１及びフィルタ５５、並びに第１増幅器３７を、１つの配線基板５６上で実現することができる。同じ配線基板５６を、電力、周波数及び負荷（レーザ、プラズマ等）がそれぞれ異なる多数の種々の電力供給システムのために使用することができる。
合成器４０の出力電力は、方向性結合器５１として構成された測定装置を介して負荷に供給され、例えばプラズマプロセスに供給される。送出された電力及び負荷から反射した電力を、方向性結合器５１によって捕捉することができる。方向性結合器５１と接続された測定手段５２によって、測定信号の準備処理が行われる。さらに測定手段５２は、システムコントローラ４９と接続されている。このようにしてシステムコントローラ４９を介して、捕捉された出力電力及び捕捉された反射電力に基づき、合成器４０がどのような出力電力を発生すべきであるかを求めることができる。この設定に従いシステムコントローラ４９はＤＳＰ４８を制御し、ＤＳＰ４８自体はディジタルロジック回路４６を制御する。
測定手段内に、アーク検出手段を実装することができる。アークに速やかに反応できるようにする目的で、アーク検出手段即ち測定手段を、ＤＡＣ４１例えばＤＡＣ４１の基準信号入力端子４４と、又はコントローラ回路４５と、ダイレクトに接続することができる。
メモリ４７内に、振幅情報も位相情報も含み、さらに必要に応じて周波数情報も含むディジタル値が格納されており、このようにしてＤＡＣ４１の出力端子から、予め定められた振幅、周波数及び位相関係を有するアナログ信号を発生させることができる。これにより、個々の増幅器経路３１〜３６の出力信号を相互間で整合させることができ、したがって特に、改善された出力電力を得るために、それらの出力信号を合成器４０において結合することができる。殊にこのようにすれば、損失を生じさせる補償用インピーダンスを含まない著しく簡単な合成器４０を使用することができ、損失電力を低く抑えることができる。
本発明に従ってアナログ信号を発生させることによって、合成器４０の出力側に生じる電力を制御し変更することができる。

Claims (19)

  1. 高周波信号を発生する電力変換器（３，３０）を備えた電力供給システム（２，２０）であって、
    前記電力変換器（３，３０）は、プラズマプロセス又はガスレーザプロセスに電力を供給するために負荷（６）に接続可能であり、
    前記電力変換器（３，３０）は、少なくとも１つの増幅器経路（３１〜３６）を備え、
    前記少なくとも１つの増幅器経路（３１〜３６）へ、ディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）（４１）によりディジタル信号から形成されたアナログ信号が供給される、
    電力供給システム（２，２０）において、
    前記ディジタル／アナログ変換器（４１）の前段に、該ディジタル／アナログ変換器へ供給されるディジタル信号を発生させるためのロジック回路ユニット（４２）が接続されており、
    前記ロジック回路ユニット（４２）は、
    ａ．アナログ信号波形を形成するための信号データ値が格納されている信号データメモリ（６１）と、
    ｂ．前記アナログ信号の振幅を制御するための振幅データ値が格納されている振幅データメモリ（６２）と、
    ｃ．前記信号データ値を前記振幅データ値と乗算するための乗算器（６３）と
    を含むことを特徴とする
    電力供給システム（２，２０）。
  2. 少なくとも２つの増幅器経路（３１〜３６）が設けられており、各増幅器経路（３１〜３６）に、それぞれ１つのディジタル／アナログ変換器（４１）によりディジタル信号から形成されたアナログ信号が供給され、各ディジタル／アナログ変換器（４１）の前段に１つのロジック回路ユニット（４２）が接続されている、
    請求項１に記載の電力供給システム。
  3. ディジタルロジック回路（４６）が設けられており、該ディジタルロジック回路（４６）は、１つ又は複数の前記ロジック回路ユニット（４２）と接続されている、
    請求項１又は２に記載の電力供給システム。
  4. 前記ディジタル／アナログ変換器（４１）及び対応する前記ロジック回路ユニット（４２）は、それぞれ１つのダイレクトディジタル合成（ＤＤＳ）デバイス（４３）として統合されている、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  5. 前記電力変換器（３０）は、３つ以上の増幅器経路（３１〜３６）を備えており、該増幅器経路（３１〜３６）に対応してそれぞれ１つのディジタル／アナログ変換器（４１）が設けられており、該ディジタル／アナログ変換器は、個々の増幅器経路（３１〜３６）へアナログ信号を供給する、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  6. 総電力を発生させるため、前記増幅器経路（３１〜３６）は、該増幅器経路（３１〜３６）において形成された電力を合成する合成器（４０）と接続されている、
    請求項１から５のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  7. 前記増幅器経路（３１〜３６）において形成された電力を合成する前記合成器（４０）は、強度及び／又は位相が異なる入力信号に対する補償用インピーダンスを含まずに設計されている、
    請求項６に記載の電力供給システム。
  8. 前記増幅器経路（３１〜３６）は、ＬＤＭＯＳテクノロジーのトランジスタ（３９）を含む、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  9. 各増幅器経路（３１〜３６）に、対応するロジック回路ユニット（４２）を備えた固有のディジタル／アナログ変換器（４１）が設けられており、
    該ディジタル／アナログ変換器（４１）に対応する前記ロジック回路ユニット（４２）と接続された上位のメモリ（４７）が設けられている、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  10. 前記増幅器経路（３１〜３６）に、ディジタル／アナログ変換器（４１）により形成された振幅変調されたアナログ信号が供給される、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  11. 前記ディジタル／アナログ変換器（４１）は基準信号入力端子（４４）を備えており、該基準信号入力端子（４４）の前段にコントローラ回路（４５）が接続されている、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の電力供給システム。
  12. プラズマプロセス又はガスレーザプロセスに電力を供給するために負荷（６）へ供給可能な高周波電力を発生させるための方法であって、
    少なくとも１つの増幅器経路（３１〜３６）へ、ディジタル／アナログ変換器（４１）によりディジタル信号から形成されたアナログ信号を供給し、該アナログ信号を前記増幅器経路（３１〜３６）において増幅して高周波電力信号を形成し、前記ディジタル信号は、前記ディジタル／アナログ変換器（４１）の前段に接続されたロジック回路ユニット（４２）によって形成され、前記ロジック回路ユニット（４２）は、ａ）アナログ信号波形を形成するため信号データ値が格納されている信号データメモリ（６１）と、ｂ）前記アナログ信号の振幅を制御するための振幅データ値が格納されている振幅データメモリ（６２）と、ｃ）乗算器（６３）とを含み、
    前記乗算器（６３）が、前記信号データ値を、前記振幅データ値と乗算することによって、前記ディジタル信号を形成し、
    前記少なくとも１つの増幅器経路（３１〜３６）は、ＬＤＭＯＳテクノロジーのトランジスタ（３９）を含む、
    高周波電力を発生させるための方法。
  13. 前記アナログ信号の振幅を変調する、
    請求項１２に記載の高周波電力を発生させるための方法。
  14. 前記ディジタル／アナログ変換器（４１）のディジタル信号入力端子に、複数のディジタル値から成るシーケンスを供給し、該複数のディジタル値から前記ディジタル／アナログ変換器（４１）がアナログ信号を発生することによって、前記アナログ信号の振幅を変調する、
    請求項１３に記載の方法。
  15. 前記信号データ値を、前記振幅データ値と乗算することによって、前記複数のディジタル値から成るシーケンスを形成する、
    請求項１４に記載の方法。
  16. 前記振幅データ値を変えることによって、前記アナログ信号の振幅を変調する、
    請求項１５に記載の方法。
  17. 前記信号データ値を変えることによって、前記アナログ信号の信号波形を変調する、
    請求項１５又は１６に記載の方法。
  18. 前記アナログ信号を制御するために、前記ディジタル／アナログ変換器（４１）の基準信号入力端子（４４）に基準信号を供給することによって、前記アナログ信号の振幅を変調する、
    請求項１２から１７のいずれか１項に記載の方法。
  19. 複数のディジタル／アナログ変換器（４１）によりそれぞれ１つのアナログ信号を発生させ、該アナログ信号をそれぞれ対応づけられた増幅器経路（３１〜３６）において増幅する、
    請求項１２から１８のいずれか１項に記載の方法。
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