JP6922069B2 - 高周波電源装置 - Google Patents

Description

本開示は高周波電源装置に関し、特に、負荷の状況を把握することが可能な高周波電源装置に適用可能である。

高周波電源装置は半導体製造装置やレーザー加工機において、プラズマやレーザーを発生させるために使用されている。この種の高周波電源装置として、例えば、特開２０１６―１７８４４６号公報（特許文献１）の提案がある。

特開２０１６―１７８４４６号公報

本願発明者らが本開示に先立って検討した高周波電源装置は、高周波電源回路と、高周波電源回路の出力側に設けた検出器（高周波電源側）と、高周波経路と、整合器と、整合器の入出力に接続された検出器（整合器側）と、負荷と、を備えている。この高周波電源装置では、負荷のインピーダンスをモニタするために整合器の入力もしくは出力にも検出器（整合器側）を挿入する必要があり、コスト的にもサイズ的にも不利となる虞がある。

本開示の課題は、小型化・低コスト化を実現しつつ、負荷の状況を把握可能な高周波電源装置を提供する。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本開示のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。

すなわち、高周波電源装置は、高周波電源回路と、前記高周波電源回路の出力に設けた検出器と、前記検出器の出力に接続された高周波経路と、前記高周波経路に接続され、負荷の入力へ高周波電源を供給する整合器と、を備える。前記検出器は進行波、反射波の情報を取得することが可能である。前記高周波電源回路は、前記取得された進行波、反射波の情報から算出される前記検出器の前記出力から前記高周波経路以降を見た場合のインピーダンス情報に、前記高周波経路および前記整合器でのインピーダンス変化分を付加することで、負荷インピーダンスを算出する。

上記高周波電源装置によれば、小型化およびコストの低減を図りつつ、負荷の状況を把握可能である。

比較例に係る高周波電源装置の構成を示す概略構成図である。 実施例に係る高周波電源装置の構成を示す概略構成図である。 実施例に係るインピーダンスの補正についての概略図である。 実施例に係るインピーダンス補正の演算の概略図である。

以下、比較例、および実施例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

まず、本願発明者らが本開示に先立って検討した技術（以下、比較例という。）に係る高周波電源装置について、図１を用いて説明する。

高周波電源装置１００は、高周波電源回路１と、高周波電源回路１の出力側に設けた検出器２と、高周波経路３と、２つの検出器４と、整合器５と、負荷６と、を備えている。検出器４は、整合器５の入力側と、整合器５の出力側と、に設けられる。

高周波電源回路１は、発振回路で発生した高周波を増幅して高周波電力を出力する高周波電源ソースである。

検出器２は、高周波電源回路１の出力に接続され、整合器５の制御や出力電力制御に用いる進行波、反射波の情報を検出可能な回路ブロックである。

高周波経路３は、高周波電源回路１の出力を負荷６に供給するための高周波ケーブルやコネクタといったブロックである。

検出器４は、整合器５の入出力に接続され、進行波、反射波の情報から負荷６のインピーダンスをモニタするための回路ブロックである。なお、検出器４は、整合器５の入力もしくは出力の一方に設けても良い。

整合器５は、高周波電源回路１の出力インピーダンスと、負荷６の入力インピーダンスとを合わせるためのインピーダンス整合回路であり、可変容量コンデンサと固定コイルによって構成され、可変容量コンデンサの容量を調整することで、インピーダンス整合を行う回路ブロックである。

整合器４を備えない場合、負荷６からの反射波が発生し、出力した電力の一部しか負荷６に供給することができず、電力効率が低下する。反射波を抑えるためには、高周波電源回路１と負荷６との間に整合器５が必要となる。

図１に示される高周波電源装置１００では、電力効率の低下を防ぐため、高周波電源回路１からの制御により、反射波を抑える自動整合機能を備えている。自動整合機能について簡単に説明する。

高周波電源回路１は、出力ＯＮの指示により高周波電力の出力を開始すると共に、高周波出力電力の進行波と反射波とを検出器２によって検出する。高周波電源回路１は、検出された反射波のレベルから反射係数を算出し、反射波のレベルが小さくなるように、整合器５の可変容量コンデンサの容量値を制御する。

（図１の高周波電源装置１００におけるインピーダンスモニタ機能）
高周波電源装置１００では、整合器５の入力もしくは出力に検出器４が設けられ、検出器４により検出した進行波と反射波から負荷インピーダンスを算出し表示する。

また、整合器５の入力もしくは出力に、検出器４を設けない場合、整合完了時の可変容量コンデンサの容量から、あらかじめテーブルに用意しておいた負荷のインピーダンス値と結びつけるといった方式がある。

しかしながら、高周波電源装置１００では、負荷６のインピーダンスをモニタするために整合器５の入力もしくは出力にも検出器４を挿入する必要があり、コスト的にもサイズ的にも不利となる虞がある。

また、可変容量コンデンサの容量から負荷インピーダンスを推測する方式であれば、あらかじめ可変容量コンデンサの容量とインピーダンスの関係を細かく測定しておく必要がある。また、可変容量コンデンサやコイル、高周波ケーブルの長さといった素子のパラメータが変更された場合、その都度インピーダンスを実測し、テーブル値への反映が必要となる。

本発明の実施例を図面に基づき説明する。図２は、本発明の高周波電源装置の構成を示す概略構成図である。

高周波電源装置１０は、高周波電源回路１、検出器２、高周波経路３、整合器５、電流検出器７、負荷６で構成される。高周波電源装置１０は、例えば、半導体製造装置やレーザー加工機において、プラズマやレーザーを発生させるために使用される。高周波電源装置１０と図１に示される高周波電源装置１００との違いは、高周波電源装置１０には、検出器４がなく、電流検出器７が追加されたことである。

高周波電源回路１は、発振回路で発生した高周波を増幅して高周波電力を出力する高周波電源ソースである。高周波電源回路１には、図４で説明される演算を行うための演算回路１ａが設けられる。高周波電源回路１には、表示装置（不図示）が設けられており、この表示装置には、演算回路１ａにより演算された演算結果を表示すること御可能である。

検出器２は、高周波電源回路１の出力に接続され、整合器５の制御や出力電力制御に用いる進行波、反射波の情報を検出可能な回路ブロックである。検出器２の検出した進行波、反射波の情報は、点線で示される配線ＬＮ１を介して、演算回路１ａへ供給される。

高周波経路３は、高周波電源回路１の出力を負荷６に供給するための高周波ケーブルやコネクタといったブロックであり、検出器２の出力と整合器５の入力との間に設けられる。

整合器５は、高周波電源回路１の出力インピーダンスと、負荷６の入力インピーダンスとを合わせるためのインピーダンス整合回路であり、可変容量コンデンサと固定コイルによって構成され、可変容量コンデンサの容量を調整することで、インピーダンス整合を行う回路ブロックである。整合器５内の可変容量コンデンサの容量の値は、点線で示される配線ＬＮ１を介して、演算回路１ａへ供給される。

新たに追加された電流検出器７は、整合器５の出力と負荷６の入力との間に接続され、負荷６へ入力される電流の値を検出またはモニタする回路ブロックである。電流検出器７は、負荷６へ高周波電源を供給する電源ケーブルまたは電源配線に、例えば、コイルの様な電流センサ７１を取り付けることにより、計測することが可能である。電流検出器７の検出した電流値は、点線で示される配線ＬＮ２を介して、高周波電源回路１へ供給される。

高周波電源装置１０は、電力効率の低下を防ぐため、高周波電源回路１からの制御により、反射波を抑える自動整合機能を備える。高周波電源回路１は、出力ＯＮの指示により高周波電力の出力を開始すると共に、高周波出力電力の進行波と反射波とを検出器２によって検出する。高周波電源回路１は、検出された反射波のレベルから反射係数を算出し、反射波のレベルが小さくなるように、整合器５の可変容量コンデンサの容量の値を制御する自動整合機能を備える。

高周波電源回路１で生成された高周波信号は、負荷６に供給される。負荷６は場合によって動的に変動し、その変動する負荷６に対して高周波電源回路１が供給する高周波電力が反射なく供給されるように整合器５が動作し、高周波電源回路１と負荷６の間のインピーダンス整合を行う。

高周波電源回路１と負荷６の間のインピーダンス整合には、検出器２が検出する進行波、反射波の情報を用い、反射波が小さくなるように、整合器５の可変容量コンデンサの容量を制御する。なお、検出器２で検出された進行波の情報は、高周波電源回路１の出力電力制御にも用いられる。

図３は、インピーダンスの補正についての概略図である。図４はインピーダンス補正の演算の概略図である。なお、図３および図４には、図２に示される配線ＬＮ１および配線ＬＮ２の図示は省略されている。

検出器２で検出された進行波、反射波の情報は、高周波電源回路１の演算回路１ａでインピーダンス情報に変換される。このインピーダンス情報は、図３に示されるように、検出器２の出力から先（高周波経路３以降）を見たインピーダンス情報（２０）である。

得たい情報は負荷６の入力インピーダンス（３０）であるが、検出器２の出力から先（高周波経路３以降）を見たインピーダンス情報（２０）と負荷６の入力インピーダンス（３０）の差分は、高周波電源回路１と負荷６との間に存在している高周波経路３、整合器５、電流検出器７のインピーダンス変化分（４０）である。

そのため、検出器２の出力から先（高周波経路３以降）を見たインピーダンス情報（２０）を、高周波経路３、整合器５、電流検出器７のインピーダンス変化分（４０）を用いて補正することにより、負荷６の入力インピーダンス（３０）を算出することが可能である。この演算は、高周波電源回路１の演算回路１ａに演算プログラムを実行させることにより行われる。

補正に用いる高周波経路３、整合器５、電流検出器７のインピーダンス変化分（３０）のうち、高周波経路３、電流検出器７のインピーダンス分は既知の値である。また、整合器５のうち可変容量コンデンサ以外の固定インダクタや寄生インダクタ成分等も既知の値である。

それら既知の値は、演算プログラムにおいて定数として用いるため、高周波電源回路１の系の変更などでその値が変わっても、一度インピーダンス変化分を実測し、実測された定数の値を用いて、定数の記載されているテーブル値を更新することで、負荷６の入力インピーダンスの演算は、問題なく、演算回路１ａにより行うことができる。

また、算出された負荷６の入力インピーダンスの値を、電流検出器７でモニタされた電流の値と照らし合わせることで、負荷状態モニタの正確さを担保することができる。

図４を用いて、演算回路１ａの演算の一例を説明する。整合器５の内部には、図４に示されるように、一例として、可変容量コンデンサＣ１、固定抵抗Ｌ２、加えて並列寄生インダクタＬ１、直列寄生インダクタＬ３が存在しているものとする。この場合、検出器２でモニタされた高周波電源回路１の進行波と反射波から変換したインピーダンス２０のＺｒ、Ｚiから、負荷６の入力インピーダンス３０のＺＬr、ＺＬiは、以下の１）から７）に記載する計算により算出できる。

ここで、Ｚｒは高周波電源回路１の出力インピーダンス２０の実部を示し、Ｚｉは高周波電源回路１の出力インピーダンス２０の虚部を示す。また、ＺＬｒは負荷６の入力インピーダンス３０の実部を示し、ＺＬｉ：負荷６の入力インピーダンス３０の虚部を示す。

１）ＺrとＺiのアドミタンス変換（Ｙr1とＹi１）の計算は、以下である。

Ｙr１＝Ｚr／（Ｚr×Ｚr＋Ｚi×Ｚi）
Ｙｉ1＝（−１×Ｚi）／（Ｚr×Ｚr＋Ｚi×Ｚi）
２）可変容量コンデンサＣ１＋寄生インダクタＬ１のアドミタンス（Ｙ（Ｃ＋Ｌ））の計算は、以下である。

ω＝２πf
Ｙ（Ｃ＋Ｌ）＝（（−１）×ω×Ｃ１）／（ω×ω×Ｌ１×Ｃ１））
３）アドミタンス（Ｙr２とＹi２）の計算は、以下である。

Ｙr２＝Ｙr１
Ｙi２＝Ｙi１−Ｙ（Ｃ＋Ｌ）
４）Ｙr２とＹi２のインピーダンス変換（Ｚr１とＺi２）の計算は、以下である。

Ｚr１＝Ｙr２／（Ｙr２×Ｙr２＋Ｙi２×Ｙi２）
Ｚi１＝（−１×Ｙi２）／（Ｙr２×Ｙr２＋Ｙi２×Ｙi２）
５）直列インダクタＬ２のインピーダンス（ＺｗＬ）の計算は、以下である。

ＺｗＬ＝ω×Ｌ２
６）寄生インダクタＬ３のインピーダンス（ＺｗＬ（寄生））の計算は、以下である。

ＺｗＬ（寄生）＝ω×Ｌ３
７）負荷６の入力インピーダンス３０（ＺＬrとＺＬi）の計算は、以下である。

ＺＬr＝Ｚr１
ＺＬi＝Ｚi１−ＺｗＬ−ＺｗＬ（寄生）
したがって、高周波電源回路１の出力に設けた検出器２によってモニタした高周波電源回路１の出力（ここでは、検出器２の出力）から先をみたインピーダンス情報（２０）に、高周波経路３の位相変化分やロス分、整合器５でのＣ成分やＬ成分によるインピーダンス変化分（３０）を足し合わせて、疑似的に負荷６の入力点でのインピーダンス（４０）を算出できる。算出されたインピーダンス（４０）は、例えば、高周波電源回路１に設けられた表示装置に表示することも可能である。

実施例によれば、高周波電源装置１０は、高周波を発生する高周波電源回路１と、負荷６に接続され、高周波電源回路１の出力を整合する整合器５と、を備え、高周波電源回路１は出力電力制御、自動整合用の検出器２と、整合器５の可変容量コンデンサの容量Ｃ１や既知の系の位相変化、ロス分を基に負荷６の入力インピーダンス（４０：Ｚｌｒ、Ｚｌｉ）を演算する演算回路１ａを有している。このため、図１に示される整合器５の入力もしくは出力に設けられる検出器４を削減しても、高周波電源回路１の出力（検出器２の出力）から見たインピーダンス（２０）を基に、負荷６の入力インピーダンス（４０：Ｚｌｒ、Ｚｌｉ）を算出可能である。したがって、高周波電源装置１０の小型化およびコストの低減を図ることができる効果がある。

また、実施例によれば、整合器５の出力に、簡易な電流検出器７を設けている。これは、負荷インピーダンス推定の補完に用いるための回路であり、高周波電源回路１の出力インピーダンス（２０）から算出した負荷６の入力インピーダンス（４０：Ｚｌｒ、Ｚｌｉ）と、検出器２でモニタした進行波電力から通過電流を計算し、電流検出器７で検出された電流値と照らし合わせることで、負荷モニタの正確さを担保することが可能である。なお、電流検出器７は、図１の検出器４に比べ、非常に小型、低コストである。

また、実施例によれば、高周波電源装置１の系の素子値に変更があった場合にも、簡単に補正することが可能である。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明によれば、半導体製造装置やレーザー加工機において、プラズマやレーザーを発生させるために高周波電源装置に適している。この出願は、２０１８年３月９日に出願された日本出願特願２０１８−０４２５６８を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。

１：高周波電源回路、１ａ：演算回路、２：検出器、３：高周波経路、５：整合器、６：負荷、７：電流検出器、１０：高周波電源装置

Claims (1)

1. 高周波電源回路と、
   前記高周波電源回路の出力に設けた検出器と、
   前記検出器の出力に接続された高周波経路と、
   前記高周波経路に接続され、負荷の入力へ高周波電源を供給する整合器と、
   前記整合器の出力に接続された電流検出器と、
   を備え、
   前記検出器は進行波、反射波の情報を取得することが可能であり、
   前記高周波電源回路は、前記取得された進行波、反射波の情報から算出される前記検出器の前記出力から前記高周波経路以降を見た場合のインピーダンス情報に、前記高周波経路および前記整合器でのインピーダンス変化分を付加することで、負荷インピーダンスを算出し、
   前記負荷インピーダンスは、前記検出器の前記出力から前記高周波経路以降を見たインピーダンス情報を、前記高周波経路、前記整合器、前記電流検出器のインピーダンス変化分を用いて補正することにより、負荷の入力インピーダンスを算出するものであり、
   前記電流検出器により検出された電流値と、前記負荷インピーダンスの情報と照らし合わせて負荷モニタの正確さを担保し、
   前記高周波電源回路は、前記負荷インピーダンスを算出する演算回路を備え、
   前記整合器は、可変容量コンデンサと、固定インダクタ成分と、寄生インダクタ成分と、を含み、
   前記補正に用いる前記高周波経路、前記整合器、前記電流検出器のインピーダンス変化分のうち、前記高周波経路のインピーダンス成分、前記電流検出器のインピーダンス成分、及び、前記整合器のうち前記可変容量コンデンサ以外の前記固定インダクタ成分および前記寄生インダクタ成分は既知の値であり、
   該既知の値は、前記負荷インピーダンスを算出する演算において定数として用い、
   前記高周波電源回路の系の変更により前記定数が変わる場合、インピーダンス変化分を実測し、実測された前記定数の値を用いて、前記定数の記載されているテーブル値を更新し、前記演算回路は更新され前記テーブル値を用いて前記負荷インピーダンスの演算を行う、高周波電源装置。

Images