JP7080359B2 - 高周波電源装置 - Google Patents

Description

本開示は高周波電源装置に関し、例えばプラズマ処理装置に用いられる高周波電源装置に適用可能である。

プラズマ処理装置やレーザ処理装置は、高周波電源から高周波（ＲＦ：Radio Frequency）の電力供給を受けてプラズマやレーザを発生し、発生したプラズマやレーザ等を利用して表面処理や加工を行う産業用機器として利用されている。例えば、プラズマ処理装置は、プラズマ反応炉に対して高周波エネルギーを供給するアンテナ（１つまたは複数）と、高周波エネルギーを供給する高周波電源装置（１つまたは複数）と、各アンテナと高周波電源装置間の伝送路の整合（マッチング）を行う整合器（１つまたは複数）を備える。高周波電源装置は進行波と反射波を検出し、検出した進行波および反射波のレベルおよび位相などから反射係数を算出し、反射波のレベルを小さくするよう制御する自動制御機構を備えている。
一方の高周波電源ソースには、他方の高周波電源ソースを源として他方のアンテナから出力された高周波電力が、プラズマ反応炉および一方のアンテナを介して到達するため、一方の高周波電源ソースが観測している進行波および反射波には、他方の高周波電源装置からの干渉波や、自装置の進行波と他方からの干渉波から生成する相互変調波が含まれることになる。

特開２０１３－１９７０８０号公報 特開２０１３－１２５８９２号公報

上述したように、複数の高周波電源ソースを備えている場合、別の高周波電源ソースからの高周波電力に起因する干渉波や相互変調波によって、進行波や反射波のレベルを正確に検出できず、安定した整合動作ができずに、電力効率が低下してしまう恐れがある。
本開示の課題は、干渉波等の影響を低減することが可能な高周波電源装置を提供することにある。

本開示のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、高周波電源装置は、お互いに周波数の異なる高周波を発生し、プラズマ反応炉内に設置される第一アンテナおよび第二アンテナに高周波電力をそれぞれ供給する第一高周波電源および第二高周波電源を備える。前記第一高周波電源は、前記第二高周波電源の発振周波数成分および干渉波成分を除去して第一進行波レベルおよび第一反射波レベルを検出する第一演算回路と、前記第一高周波電源の発振周波数と前記第二高周波電源の発振周波数成分および干渉波成分を含んだ第二進行波レベルおよび第二反射波レベルを検出する第二演算回路と、前記第二進行波レベルおよび前記第二反射波レベルと、前記第一進行波レベルおよび前記第一反射波レベルと、に基づいて前記第一高周波電源が検出する干渉波レベルを算出する干渉波演算回路と、を備える。

上記高周波電源装置によれば、干渉波等の影響を低減することが可能である。

図１は第一実施形態のプラズマ処理装置の概略構成図である。 図２は図１の高周波電源装置の構成を示す構成ブロック図である。 図３は図１の整合器の構成を示すブロック図である。 図４は図２の演算回路の概略構成図である。 図５は反射波の検出回路において干渉波が観測された場合の例を示す説明図である。 図６は図２の整合演算部１７における処理を示すフローチャートである。 図７は第二実施形態のプラズマ処理装置の構成を示す概略構成図である。 図８は図７の高周波電源装置の構成を示す構成ブロック図である。 図９は図８の演算回路、第二演算回路、第三演算回路の概略構成図である。 図１０は図８の演算回路、第二演算回路、第三演算回路が検出する波形の例を示す説明図である。

以下、実施形態について、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。

まず、上述した干渉波・相互変調波の影響について説明する。
進行波の検出回路に干渉波や相互変調波が観測される場合、その干渉波や相互変調波のレベルが小さく進行波の検出レベルに影響がなければ問題ないが、干渉波や相互変調波のレベルが無視できない場合は、進行波の検出レベルが実際よりも高めに検出される。そのため、高周波電源ソースは、進行波の検出レベルを設定値に収束させようとして高周波電源ソースの出力を低下させる制御を行う。
これにより、プラズマ反応炉に印加される電力が低下し、プラズマの着火の安定度が低下したり、着火したとしてもプラズマ反応炉内のプラズマ密度が低下したり、また、これらの影響によりプラズマ処理のレートが低下する等の影響を及ぼす恐れがある。

また、反射波の検出回路において干渉波や相互変調波が観測される場合、干渉波や相互変調波のレベルが無視できない場合には、反射波の検出レベルが実際よりも高めに検出される。そのため、高周波電源リソースは、反射波の検出レベルをゼロに収束させようとして、容量値を変更するなどの自動整合の制御を行う。しかしながら、高周波電源リソースに由来する干渉波が反射波として検出され続けるため、自動整合が完了せず、整合動作のリトライを継続しつづける動作となりうる。
これにより、プラズマ反応炉内のプラズマ密度が変動したり、プラズマ処理のレートが変動し不安定な動作となったり、といった影響を及ぼす恐れがある。

＜第一実施形態＞
そこで、第一実施形態の高周波電源装置およびプラズマ処理装置では、干渉波や相互変調波を除去して、さらに安定した整合動作を行って、電力効率を一層向上させる。

（プラズマ処理装置）
第一実施形態のプラズマ処理装置の構成について図１を用いて説明する。図１は第一実施形態のプラズマ処理装置の概略構成図である。
図１に示すように、第一実施形態のプラズマ処理装置６０１は、プラズマ反応炉６０と、ヒーター６７と、アンテナ６３、６６と、高周波電源１０，２０と、整合器６２，６５と、プラズマ処理装置に関わる制御を行う上位装置６８と、を備えている。
高周波電源１０，２０と、整合器６２，６５は、制御線６８ａ，６８ｂ，６８ｃ，６８ｄを介して上位装置６８に接続されている。また、図示は省略するが、ヒーター６７も上位装置６８に制御線を介して接続されている。
整合器６２，６５は、上位装置６８と接続せず、高周波電源１０,２０と制御線１０ｂ,２０ｂを介して接続され、高周波電源１０，２０から制御を受ける場合もある。

プラズマ反応炉６０は、供給されるガスに高周波電圧を印加して、発生したプラズマによりウェハやガラス基板等の基板の処理を行う。高周波電源１０，２０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。アンテナ６３，６６は、負荷装置であるプラズマ反応炉６０に高周波電力を供給する。

整合器６２は、高周波電源１０の出力インピーダンスと、負荷側（アンテナ６３およびプラズマ反応炉６０）の入力インピーダンスと、を合わせるインピーダンス整合回路である。同様に、整合器６５は、高周波電源２０の出力インピーダンスと、負荷側（アンテナ６６およびプラズマ反応炉６０）の入力インピーダンスと、を合わせるインピーダンス整合回路である。インピーダンス整合回路を備えない場合、プラズマ反応炉６０等の負荷装置からの反射波が発生し、出力した電力の一部しか負荷装置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、高周波電源ソースと負荷装置との間にインピーダンス整合回路が必要となる。整合器６２，６５は、後述する可変容量コンデンサとコイルで構成される整合回路を備え、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。

プラズマ反応炉６０への電力供給について説明する。ここでは、第１の系統６１１である高周波電源１０からの電力供給について説明するが、第２の系統６１２についても同様である。
高周波電源１０から出力される高周波電力は、高周波同軸ケーブル１０ａを介して整合器６２に入力され、整合器６２内の整合回路によってインピーダンス調整されて、アンテナ６３を介してプラズマ反応炉６０に出力される。

プラズマ反応炉６０は、上位装置６８からヒーター６７を制御することにより温度管理され、また、ガス流量や圧力が制御されている。プラズマ反応炉６０内で生成するプラズマの分布は、アンテナの数や形状、配置によって制御することができ、基板へのダメージを抑えてプラズマ分布の均一性を確保するために、複数のアンテナを配置することが有効な手段となっている。なお、ここでは、１つの整合器に対して１つのアンテナのみが設けられているが、１つの整合器から複数のアンテナに高周波電力を分配して、プラズマ反応炉に出力する構成であってもよい。

高周波電源１０，２０は、上位装置６８からの制御で動作する。上位装置６８は、高周波電源１０，２０に対して、出力のオン／オフの指示や、高周波出力電力の設定、出力周波数設定等のプリセット（初期値設定）を行い、整合器６２，６５の後述する可変容量コンデンサの容量値設定等のプリセット（初期値設定）等を行う。

高周波電源装置６１０では、電力効率の低下を防ぐため、上位装置６８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。

第１の系統６１１において、高周波電源１０は、上位装置６８から出力ＯＮの指示が入力されると、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する。高周波電源１０は、検出された進行波と反射波のレベルと位相など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６２の可変容量コンデンサの容量値および高周波電源１０の出力周波数を制御する。

第２の系統６１２においても、高周波電源２０は、検出された進行波と反射波のレベルと位相など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６５の可変容量コンデンサの容量値および高周波電源２０の出力周波数を制御する。
このようにして、高周波電源装置における自動整合機能が実現されるものである。

高周波電源装置６１０では、干渉波および相互変調波による影響を避けるため、発振回路における発振周波数を、２台の高周波電源１０，２０が連動して決定するようにしている。そのため、図１では、２つ高周波電源１０，２０が互いに制御線１０ｃで接続されている。

（高周波電源装置の構成）
高周波電源装置の構成について図２、３を用いて説明する。図２は高周波電源装置の構成を示す構成ブロック図である。図３は図２の高周波電源装置の整合器の構成を示すブロック図である。
ここでは、第１の系統６１１の高周波電源１０と整合器６２について説明するが、第２の系統６１２の高周波電源２０と整合器６５も同じ構成および動作である。図２に示すように、高周波電源１０と高周波電源２０とは、基本的な構成は同等であるが、便宜的に、高周波電源１０を親機、高周波電源２０を子機とし、互いの高周波電力の出力周波数を連動して制御する周波数連動処理を、親機である高周波電源１０で行うものとする。

（高周波電源）
図２に示すように、高周波電源１０は発振回路１１と励振増幅回路１２と主増幅回路１３と検出回路１４とＡ／Ｄ変換回路１５と演算回路１６と整合演算部１７と周波数設定回路１８とを備えている。また、図３に示すように、整合器６２は整合回路８１と容量設定回路８２とを備えている。高周波電源１０の各部について以下説明する。

発振回路１１は、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）等で構成され、設定された周波数の高周波信号を生成する。
励振増幅回路１２および主増幅回路１３は、発振回路１１からの高周波信号を所定の出力レベルに増幅する。図２の例では、励振増幅回路１２および主増幅回路１３はそれぞれ１つずつ設けられているが、複数備えてもよく、途中で分配器や合成器を用いることも可能である。

検出回路１４は、方向性結合器等で構成され、進行波と反射波を検出して、それぞれのモニタ信号を出力する。
Ａ／Ｄ変換回路１５は、アナログ信号であるモニタ信号をデジタル信号に変換する。
演算回路１６は、入力された信号から進行波のレベルと反射波のレベルを算出する演算を行い、進行波のレベルと反射波のレベルと位相から反射係数を求める。

整合演算部１７は、反射係数に基づいて、反射波のレベルが小さくなるよう、整合回路８１の可変容量コンデンサ８３の容量値を決定すると共に、反射波のレベルが小さくなるよう、発振回路１１の周波数値を決定する。
周波数設定回路１８は、整合演算部１７から入力された周波数値を発振周波数として発振回路１１に設定する。

図３に示すように、整合器６２の整合回路８１は可変容量コンデンサ８３とコイル８４とを備えており、入力された高周波信号のインピーダンス調整を行ってアンテナ６３に出力する。容量設定回路８２は高周波電源１０の整合演算部１７から決定した容量値が入力されると、整合回路８１の可変容量コンデンサ８３に容量値を設定する。

なお、図２の構成では、検出回路１４から整合演算部１７までのフィードバック系が高周波電源１０のみに設けられて、整合演算部１７において発振周波数と可変容量コンデンサ８３の容量値の両方を算出する構成としているが、同様の回路構成が整合器６２のみに設けられてもよいし、高周波電源１０と整合器６２の両方に設けられ、高周波電源１０では周波数の算出を行い、整合器６２では容量値の算出のみを行う構成としても構わない。

（演算回路）
演算回路１６は、検出回路１４で検出され、Ａ／Ｄ変換回路１５でデジタル信号に変換された進行波と反射波の検出信号（モニタ信号）を入力して、それぞれの信号レベルを検出するものである。

演算回路１６の構成について図４を用いて説明する。図４は、演算回路１６の概略構成図である。
図４に示すように、演算回路１６は、進行波について処理を行うＮＣＯ（Numerical Controlled Oscillator；数値制御型発振器）部５０とデジタルフィルタ５１とレベル演算回路５２と、反射波について処理を行うＮＣＯ部５３とデジタルフィルタ５４とレベル演算回路５５と、を備えている。

ＮＣＯ部５０は、sin波とcos波を生成するＮＣＯ及び乗算器を備え、入力された進行波信号にsin波とcos波をそれぞれ乗算して、進行波の同相（Ｉ）成分と直交（Ｑ）成分とを出力する。高周波の周波数に連動してＮＣＯ周波数を設定するので、希望波（入力された進行波信号）は、ＮＣＯ出力との演算によりベースバンド信号となる。ＮＣＯ部５０には、後述する周波数管理部１９から、高周波電源１０の出力周波数（発振回路１１の発振周波数）に合わせたＮＣＯ周波数が設定される。すなわち、高周波電源装置６１０では、発振回路１１に設定する周波数に連動して、ＮＣＯ周波数が変更されるものである。

デジタルフィルタ５１は、高周波電力の出力周波数を中心として、特定の帯域幅を通過させる帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）であり、動作サンプリング周波数で入力される進行波の同相成分および直交成分から干渉波や相互変調波（以下、干渉波成分とする。）を除去するものである。

具体的には、デジタルフィルタ５１は中心周波数から特定の周波数幅（例えば±１０ｋＨｚとする）の帯域を通過させ、それ以外の帯域は減衰させることで、高周波電源２０に起因する干渉波成分を除去する。つまり、デジタルフィルタ５１の通過帯域は、特定の帯域幅（ここでは１０ｋＨｚ）の２倍となっている。

ここで、デジタルフィルタ５１は、ＮＣＯ部５０のＮＣＯに設定される周波数が発振回路１１の周波数に相当する設定値に設定されることにより、当該周波数が通過帯域の中心周波数となる。これにより、発振回路１１の周波数が変動した場合でも、デジタルフィルタ５１は、高周波電力の周波数を中心として±１０ｋＨｚの帯域のみを通過させ、それ以上離れた干渉波成分を確実に除去することができるものである。

レベル演算回路５２は、干渉波成分が除去された進行波の同相成分および直交成分を入力して、進行波の電力レベル（進行波レベル、またはＰＦという。）を算出する。これにより、干渉波の影響を含まない正確な進行波レベルが算出され、整合演算部１７に出力される。

ＮＣＯ部５３、デジタルフィルタ５４、レベル演算回路５５は、それぞれ、ＮＣＯ部５０、デジタルフィルタ５１、レベル演算回路５２と同様の処理を反射波について行うものである。具体的には、ＮＣＯ部５３はＮＣＯと乗算器とを備え、入力された反射波にsin波とcos波を乗算して、反射波の同相成分と直交成分を出力する。デジタルフィルタ５４は、入力された反射波の同相成分と直交成分を帯域制限して、高周波電力の周波数を中心周波数として特定の帯域（ここでは±１０ｋＨｚ）のみを通過させ、干渉波成分を除去する。レベル演算回路５５は、干渉波の影響を含まない正確な反射波の電力レベル（反射波レベル、またはＰＲという。）を算出して、整合演算部１７に出力する。

なお、ここでは図示は省略するが、演算回路１６では、上述したように反射係数を算出して、整合演算部１７に出力している。

ここで、反射波の検出回路において干渉波が観測された例を図５に示す。図５は、反射波の検出回路において干渉波が観測された場合の例を示す説明図である。
図５に示すように、画面中央の反射波に対して、無視できないレベルの干渉波が観測されている。デジタルフィルタ５４は通過帯域Ａの反射波を通過させ、通過帯域Ａ以外の干渉波を除去する。

（整合演算部）
図２に戻って、整合演算部１７は、入力された進行波レベル、反射波レベル、反射係数に基づいて、反射波レベルが小さくなるよう、発振回路１１に設定したい発振周波数および整合器６２の可変容量コンデンサ８３の容量値を算出し、整合器６２に算出した容量値を出力する整合演算処理を行う。なお、整合演算部１７から制御線１０ｂを介して整合器６２の容量設定回路８２に容量値を設定する。

そして、高周波電源１０の整合演算部１７は、整合演算処理で算出された発振周波数の値を直ちに周波数設定回路１８に出力するのではなく、算出された発振周波数（候補周波数）の値と、もう一つの電源ソースである高周波電源２０の発振周波数とを比較して、干渉波成分を除去可能であるかどうかをチェックし、適切な周波数値を周波数設定回路１８に出力する周波数連動処理を行う。具体的には、高周波電源１０では、高周波電源２０からの高周波電力に基づく干渉波成分がデジタルフィルタ５１，５４で確実に除去できるよう、発振回路１１の周波数を高周波電源２０の発振周波数から特定周波数（ここでは１０ｋＨｚ）以上離して設定する。周波数連動処理については後述するが、これにより、高周波電源１０と高周波電源２０では、互いに演算回路１６，２６のデジタルフィルタにおいて、他方の電源ソースに起因する干渉波成分は中心周波数から１０ｋＨｚ以上離れるために十分に減衰され、確実に除去することができるものである。

（周波数管理部）
周波数管理部１９は、図２に示すように、整合演算部１７から入力された発振回路１１に設定する発振周波数（第１の発振周波数）の値を保持すると共に、それに合わせて演算回路１６にＮＣＯの周波数を設定する。また、周波数管理部１９は、高周波電源２０の周波数管理部２９から出力される発振周波数（第２の発振周波数）の値を受信して、内部に保持しておき、整合演算部１７からの要求に応じて、第２の発振周波数の値を整合演算部１７に出力するようになっている。

（高周波電源）
図２に示すように、高周波電源２０は、高周波電源１０と同様の構成であるが、ここでは子機として動作するため、周波数連動処理を行わず、算出した候補周波数をそのまま発振周波数として設定するものである。高周波電源２０において、発振回路２１、励振増幅回路２２、主増幅回路２３、検出回路２４、Ａ／Ｄ変換回路２５、演算回路２６、周波数設定回路２８は、それぞれ上述した高周波電源１０の構成要素の符号の1桁目が同一である回路と同一の構成および動作となっている（ｘｘ回路２ｎ＝ｘｘ回路１ｎ）。また、高周波電源１０と同様に、高周波電源２０の整合演算部２７と整合器６５とは制御線２０ｂにより接続されている。

子機として動作する高周波電源２０の整合演算部２７は、演算回路２６から入力された進行波レベルと反射波レベルと反射係数とを用いて、反射波レベルが小さくなるよう、発振回路２１の周波数（第２の発振周波数）を決定すると共に、整合器６５の可変容量コンデンサの容量値を決定する整合演算処理を行う。そして、決定した周波数を、周波数設定回路２８と周波数管理部２９に出力し、制御線２０ｂを介して容量値を整合器６５に出力する。

周波数管理部２９は、第２の発振周波数の値を内部に保持すると共に、高周波電源１０の周波数管理部１９に出力するものである。また、周波数管理部２９は、第２の発振周波数の値に合わせて、演算回路２６に、ＮＣＯの周波数を設定する。

（高周波電源装置の動作）
高周波電源装置６１０の動作について図２、３を用いて説明する。基本的には第１の系統６１１を中心として説明し、第２の系統６２２については、第１の系統６１１と異なる部分のみ説明する。
図２に示すように、高周波電源１０において、発振回路１１は設定された第１の発振周波数を発振して高周波電力が出力され、高周波電力は、励振増幅回路１２および主増幅回路１３で所定のレベルまで増幅され、検出回路１４および高周波同軸ケーブル１０ａを介して整合器６２に出力される。整合器６２において、高周波電力はインピーダンス整合がなされ、アンテナ６３を介してプラズマ反応炉６０に出力される。

検出回路１４では、進行波と反射波が検出されてモニタ信号としてＡ／Ｄ変換回路１５に入力され、デジタル信号に変換される。そして、演算回路１６では、進行波と反射波のそれぞれが直交検波されて同相成分と直交成分が取り出され、それぞれデジタルフィルタ５１，５４で帯域制限されて干渉波成分が除去され、レベル演算回路５２，５５で進行波レベルと反射波レベルと反射係数が算出される。

そして、整合演算部１７では、入力された反射波レベル等を用いて、反射波レベルが小さくなるよう、発振回路１１に設定したい候補周波数値が算出されると共に、整合器６２の可変容量コンデンサ８３に設定する容量値が算出され、容量値を整合器６２の容量設定回路８２に出力される。

また、整合演算部１７では、周波数連動処理として、周波数管理部１９から高周波電源２０の発振周波数（第２の発振周波数）を取得し、算出した候補周波数と第２の発振周波数とを比較して、候補周波数と第２の発振周波数とが特定の周波数差以上となるよう周波数連動処理が行われ、特定の周波数差以上となった場合に当該候補周波数を発振回路１１の発振周波数（第１の発振周波数）として決定する。第１の発振周波数は、周波数設定回路１８を介して発振回路１１に設定される。

また、高周波電源２０では、整合演算部２７で容量値と第２の発振周波数が算出され、容量値は整合器６５に設定され、第２の発振周波数は周波数設定回路２８を介して発振回路２１に設定される。また、第２の発振周波数は、周波数管理部２９に出力され、周波数管理部２９に保持されると共に、高周波電源１０の周波数管理部１９に出力され、整合演算部１７での周波数連動処理に用いられる。
このようにして高周波電源装置６１０の動作が行われるものである。

（整合演算部の処理）
次に、整合演算部１７における処理について図６を用いて説明する。図６は高周波電源１０の整合演算部１７における処理を示すフローチャートである。
図５に示すように、整合演算部１７は、反射波レベルおよび反射係数が入力される（処理Ｓ１）と、それらに基づいて整合演算を行って、反射波レベルが小さくなるよう、発振回路１１に設定する候補周波数（Freq_1）を算出する（処理Ｓ２）。なお、処理Ｓ２では、整合器６２の可変容量コンデンサ８３の容量値も算出して、整合器６２に出力するが、ここでは図示は省略している。

また、周波数管理部１９では、周波数管理機能により、他装置である高周波電源２０の周波数管理部２９から高周波電源２０の発振周波数（第２の発振周波数、Freq_2）を取得して、保持している（処理Ｓ１１）。そして、整合演算部１７は、周波数管理部１９から第２の発振周波数（Freq_2）を取得し、処理Ｓ２で算出した候補周波数（Freq_1）と、取得した第２の発振周波数（Freq_2）との差（｜Freq_1-Freq_2｜）を求める（処理Ｓ３）。

そして、整合演算部１７は、処理Ｓ３で算出した差｜Freq_1-Freq_2｜が１０ｋＨｚ以上であるかどうかを判断する（処理Ｓ４）。ここでは、演算回路１６、２６のデジタルフィルタを中心周波数（発振周波数）±１０ｋＨｚの範囲を通過させる特性としているため、候補周波数と第２の発振周波数との差が１０ｋＨｚ以上となっているかどうかを確認する。

処理Ｓ４において、周波数の差が１０ｋＨｚ以上であれば（Ｙｅｓの場合）、整合演算部１７は処理Ｓ４で算出した候補周波数を第１の発振周波数として決定して、周波数設定回路１８に出力して発振回路１１に設定すると共に、当該第１の発振周波数を周波数管理部１９に出力する（処理Ｓ５）。そして、処理Ｓ１に戻って処理を繰り返す。

また、処理Ｓ４において、周波数の差が１０ｋＨｚ未満であった場合（Ｎｏの場合）、整合演算部１７は、周波数差を計算した回数（繰り返し回数）をカウント（インクリメント）し（処理Ｓ６）、回数が予め設定された閾値以上となったかどうかを判断する（処理Ｓ７）。

そして、処理Ｓ７で、繰り返し回数が閾値に達していない場合（Ｎｏの場合）には、整合演算部１７は、処理Ｓ２に戻って、演算回路１６から反射波レベルおよび反射係数を入力して再び整合演算を行って候補周波数を算出する。

周波数差が１０ｋＨｚ未満の場合、このまま候補周波数（Freq_1）を発振回路１１に設定すると、干渉波成分がデジタルフィルタの通過帯域内に発生してしまうため、干渉波を除去できず、現在の候補周波数（Freq_1）は適切な値ではない。そのため、整合演算部１７は新たに反射波レベル等を取得して、演算をやり直すようにしている。

また、処理Ｓ７で、回数が閾値に達した場合（Ｙｅｓの場合）には、整合演算部１７は、候補周波数（Freq_1）として、第２の発振周波数に１０ｋＨｚを加算した周波数（Freq_1＝Freq_2＋10kHz）または第２の発振周波数から１０ｋＨｚを減算した周波数（Freq_1＝Freq_2－10kHz）を第１の周波数として決定し（処理Ｓ８）、処理Ｓ５に移行して周波数設定回路１８を介して発振回路１１に設定する（処理Ｓ５）。

つまり、所定の回数だけ整合演算を繰り返しても、候補周波数が第２の発振周波数と１０ｋＨｚ以上離れない場合には、整合演算部１７は、第１の発振周波数を強制的に第２の発振周波数から１０ｋＨｚ以上離れた周波数に決定して、処理を収束させるものである。

処理Ｓ８において、第１の発振周波数として、第２の発振周波数（Freq_2）に対して高周波側の周波数を選択するか、低周波側を選択するかは、予め決めておいてもよいし、第２の発振周波数の値に応じて適宜決定してもよい。
処理Ｓ３～Ｓ８が周波数連動処理となっている。このようにして、整合演算部１７の処理が行われるものである。

これにより、本実施形態の高周波電源装置では、複数の高周波電源のそれぞれが、別の電源ソースからの高周波の影響による干渉波成分を、演算回路のデジタルフィルタで確実に減衰することができ、干渉波成分を含まない進行波および反射波を検出して、進行波レベルおよび反射波レベルを精度よく算出でき、さらに安定した整合動作を行って電力効率を向上させることができるものとなる。

なお、ここでは、周波数連動処理を親機である高周波電源１０において行うようにして、子機の高周波電源２０では自己が設定した発振周波数を親機に通知するのみとしたが、逆にしてもよい。すなわち、親機が子機に自己が設定した発振周波数を通知し、子機がその情報に基づいて周波数連動処理を行って発振周波数の差が１０ｋＨｚ以上となるように自己の発振周波数を設定するように構成してもよい。

さらにまた、上位装置６８において、２つの高周波電源１０，２０の周波数管理部１９，２９から候補となる周波数を取得して、両者の差が１０ｋＨｚ以上となるように制御を行うようにしてもよい。この場合、一方の高周波電源の発振周波数のみを調整してもよいし、両方の高周波電源の発振周波数を調整してもよい。この場合、周波数管理部１９，２９は、上位装置６８に候補となる周波数を送出し、上位装置６８から指定された発振周波数を整合演算部１７，２７および周波数設定回路１８，２８を介して発振回路１１，２１に設定する。

親機で制御する動作とするか、子機で制御する動作とするか、又は、上位装置６８で制御する動作とするかは、予め動作モードとして設定され、各装置は、設定された動作モードに応じた処理を行うようになっている。

（デジタルフィルタの別の構成）
上述した例では、演算回路１６のデジタルフィルタ５１，５４をバンドパスフィルタとして説明したが、ベースバンド信号に対して特定の周波数以下の帯域を通過させるローパスフィルタとして構成してもよい。この場合、ローパスフィルタのカットオフ周波数を高周波電源１０の出力周波数から、特定の帯域幅（例えば１０ｋＨｚ）だけ高い周波数に設定しておく。これにより、高周波電源１０の出力周波数＋１０ｋＨｚより低い周波数は通過し、高周波電力の出力周波数＋１０ｋＨｚ以上の干渉波成分は除去されることになる。

ローパスフィルタを用いた場合の整合演算部１７の動作について簡単に説明する。
整合演算部１７においては、バンドパスフィルタを用いた場合と同様に、反射波レベルが小さくなるよう、発振周波数の候補となる候補周波数を算出する。そして、当該候補周波数に基づいて、自己の発振周波数が、他方の高周波電源２０の発振周波数より特定周波数（例えば１０ｋＨｚ）以上低くなるように、発振周波数を決定する。

バンドパスフィルタの場合には、自己の発振周波数は、他方の高周波電源２０の発振周波数と比較して、特定の周波数以上離れていれば高くても低くてもよかったが、ローパスフィルタの場合には、他方の高周波電源２０の発振周波数より低い側に決定する。つまり、ローパスフィルタのカットオフ周波数は自己の発振周波数＋１０ｋＨｚとなる。これにより、高周波電源２０に起因する干渉波成分は、ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも高くなるため、デジタルフィルタ５１，５４で減衰され、進行波レベル、反射波レベルを正確に算出することができるものである。

バンドパスフィルタの場合と同様に、整合演算部１７が発振周波数に応じたＮＣＯ周波数を設定することにより、発振周波数が変動しても、カットオフ周波数を常に発振周波数＋特定周波数とすることができ、確実に干渉波成分を除去できる。

また、バンドパスフィルタの場合と同様に、整合演算を所定の回数行っても他の高周波電源装置の発振周波数から特定周波数以上離れた周波数を候補周波数として求められなかった場合には、強制的に特定周波数以上（ここでは１０ｋＨｚ以上）離れた周波数を発振回路に設定する。

（第一実施形態の効果）
第一実施形態の高周波電源装置は、複数の高周波電源１０，２０と整合器６２，６５を備え、一方の高周波電源１０が、演算回路１６に、進行波および反射波の周波数を中心周波数とし、中心周波数から特定周波数幅の通過帯域を備えたデジタルフィルタ５１を備える。周波数管理部１９が、他方の高周波電源２０の発振周波数を記憶しておき、整合演算部１７が、反射波レベルが小さくなるよう、発振周波数の候補となる候補周波数を算出し、当該候補周波数に基づいて、他方の高周波電源２０の発振周波数と自己の発振周波数との周波数差が特定周波数以上となるように、発振周波数を決定するよう構成されている。これにより、複数の高周波電源１０，２０における周波数が常に特定の周波数差以上は離れるよう制御することができ、互いに反射波の検出信号に含まれる干渉波成分をデジタルフィルタ５１，５４で確実に除去して正確な反射波レベルを算出でき、精度の高い整合を実現して、電力効率を向上させることができる。

また、第一実施形態の高周波電源装置は、整合演算部１７が発振周波数に応じたＮＣＯの周波数の情報を演算回路１６に設定するよう構成されている。これにより、デジタルフィルタ５１の中心周波数を発振周波数に一致させることができ、発振周波数が変動しても、デジタルフィルタ５１において確実に干渉波成分を除去することができる。

また、第一実施形態の高周波電源装置は、複数の高周波電源における周波数を連動して制御する周波数連動処理を、親機、子機、上位装置のいずれで行うか任意に選択するよう構成されている。これにより、システム設計上の自由度を大きくすることができる。

また、第一実施形態のプラズマ処理装置は、上述した本高周波電源装置から電力の供給を受けるよう構成されている。これにより、高周波電力のインピーダンス整合を精度よく行うことができ、安定してプラズマを発生させ、分布の特性を良好にして、良好なプラズマ処理を行うことができる。

上述したように、第一実施形態の高周波電源装置は、自装置の発振周波数以外の成分を除去することで、安定な整合動作および出力制御動作を行うものであるが、プラズマ反応炉内の状態の変化（干渉波のレベルの急激な変化や経年変化など）を検出して監視するものではない。

＜第二実施形態＞
そこで、第二実施形態では、プラズマ反応炉内の状態の変化（干渉波のレベルの急激な変化や経年変化など）を検出して監視し、プラズマ処置装置の歩留まりの改善（品質の向上）や、装置メンテナンスの適時対応による機会損失を低減する。

（プラズマ処理装置の構成）
第二実施形態のプラズマ処理装置の構成について図７を用いて説明する。図７は第二実施形態のプラズマ処理装置の概略構成図である。なお、上述した第一実施形態のプラズマ処理装置と同様の部分については同一の符号を付している。
図７に示すように、第二実施形態のプラズマ処理装置６０２は、プラズマ反応炉６０と、ヒーター６７と、アンテナ６３、６６と、高周波電源３０，４０と、整合器６２，６５と、プラズマ処理装置に関わる制御を行う上位装置６８と、を有している。第二実施形態のプラズマ処理装置６０２は第一実施形態のプラズマ処理装置６０１と高周波電源を除いて同じ構成、接続であり、高周波電源以外の説明は省略する。

（高周波電源装置の構成）
第二実施形態の高周波電源装置の構成について図８を用いて説明する。図８は、第二実施形態の高周波電源装置の構成を示す構成ブロック図である。ここでは、第１の系統６２１の高周波電源３０と整合器６２について説明するが、第２の系統６２２の高周波電源４０と整合器６５も同じ構成および動作である。
図８に示すように、高周波電源３０と高周波電源４０は、第一実施形態の高周波電源の構成における高周波電源１０と高周波電源２０と基本的な構成は同じであるが、演算回路（第一演算回路）１６の他に、ＡＤ変換回路１５の出力が分岐されて、進行波と反射波が入力される第二演算回路３１および第三演算回路３２と、干渉波演算回路３３と、を備える。なお、高周波電源３０，４０は第三演算回路３２を備えなくてもよいし、備えていても、その機能を使用しなくてもよい。また、高周波電源４０は第二演算回路３１と第三演算回路３２と干渉波演算回路３３を備えなくてもよいし、備えていても、その機能を使用しなくてもよい。

演算回路１６は、第一実施形態と同様に、自装置である高周波電源３０の発振周波数を通過帯域とし、他装置である高周波電源４０の発振周波数およびプラズマ反応炉６０で生成した干渉波を阻止するデジタルフィルタを備え、高周波電源３０の進行波レベル（ＰＦ）および反射波レベル（ＰＲ）を検出する。

第二演算回路３１は、高周波電源３０と高周波電源４０の発振周波数およびプラズマ反応炉６０で生成した干渉波の全てを含んだ進行波レベル（ＰＦ２）および反射波レベル（ＰＲ２）を検出する。第二演算回路３１は、通過帯域が十分広いデジタルフィルタを備えている。なお、デジタルフィルタを備えず、進行波、反射波および干渉波等をスルーしてもよい。

第三演算回路３２は、高周波電源４０の発振周波数を通過帯域とし、高周波電源３０の発振周波数とプラズマ反応炉６０で生成された干渉波を阻止するデジタルフィルタを備え、高周波電源４０からプラズマ反応炉６０を介して入ってくる進行波レベル（ＰＦ３）および反射波レベル（ＰＲ３）を検出する。

干渉波演算回路３３では、干渉波のレベルを演算する。第二演算回路３１で演算したＰＦ２とＰＲ２には、高周波電源３０の発振周波数と高周波電源４０の発振周波数の成分およびプラズマ反応炉６０で生成した干渉波成分が含まれている。よって、第二演算回路３１の演算結果から、演算回路１６の高周波電源３０の発振周波数のレベルを差し引くと、高周波電源３０の発振周波数以外の周波数成分のレベルとなる。

また、第二演算回路３１の演算結果から、演算回路１６の高周波電源３０の発振周波数のレベルと、第三演算回路３２の高周波電源４０の発振周波数のレベルとを差し引くと、プラズマ反応炉６０内で生成した干渉波成分のレベルとなる。

干渉波演算回路３３で算出した、干渉波レベルを使用者に通知することで、使用者は新たなプラズマ反応炉６０の状態監視項目を得ることができ、プラズマ反応炉６０の状態変化（急激な干渉波レベルの変動、および干渉波レベルの経年的変化）を監視して、適時メンテナンスを実施することができる。また、干渉波レベルとプラズマ反応炉６０の品質に関連があれば、歩留まりおよび品質の向上に寄与することができる。

（演算回路の構成）
演算回路１６、第二演算回路３１、第三演算回路３２の構成について図９を用いて説明する。図９は図８の演算回路、第二演算回路、第三演算回路の概略構成図である。
図９に示すように、演算回路１６は、第一実施形態と同様に、進行波について処理を行うＮＣＯ（Numerical Controlled Oscillator；数値制御型発振器）部５０、デジタルフィルタ５１、レベル演算回路５２と、反射波について処理を行うＮＣＯ部５３、デジタルフィルタ５４、レベル演算回路５５とを備えている。

第二演算回路３１は演算回路１６と同様の回路構成であるが、デジタルフィルタの部分が異なる。第二演算回路３１は、デジタルフィルタ１０１，１０４をスルーするか、デジタルフィルタ１０１，１０４を十分広い通過帯域とすることで、高周波電源３０の発振周波数および高周波電源４０の発振周波数およびプラズマ反応炉６０で生成された干渉波成分を含むレベルを演算することができる。

第三演算回路３２は演算回路１６と同様な構成であるが、ＮＣＯ部に供給されるＮＣＯ周波数が異なる。第三演算回路３２は、高周波電源４０の発振周波数でＮＣＯ部を動作させ、その信号に対してデジタルフィルタ１１１，１１４を使用して、高周波電源４０の発振周波数成分のレベルを演算する。

ここで、干渉波演算回路３３で扱う信号について図１０を用いて説明する。図１０は図８の演算回路、第二演算回路、第三演算回路が検出する波形の例を示す説明図であり、反射波の検出回路において干渉波が観測された場合の例を示す図である。
干渉波演算回路３３で扱う信号は、図１０に示すように、例えば、演算回路１６のデジタルフィルタ５４の通過帯域Ａを通過した高周波電源３０の発振周波数レベルと、第三演算回路３２のデジタルフィルタ１１４の通過帯域Ｂを通過した高周波電源４０の発振周波数レベルと、第二演算回路３１のデジタルフィルタ１０４の通過帯域Ｃを通過した全体のレベルと、である。

干渉波演算回路３３は、第二演算回路３１のデジタルフィルタ１０４の通過帯域Ｃを通過した全体レベルから高周波電源３０のレベルを差し引くことにより、自装置である高周波電源３０以外の干渉波レベル、すなわち、自装置に入り込む干渉波レベル（プラズマ反応炉６０で生成する干渉波レベルと、プラズマ反応炉６０を介して到達した他の高周波電源４０の発振レベルを含む）を算出することが可能である。また、干渉波演算回路３３は、第二演算回路３１のデジタルフィルタ１０４の通過帯域Ｃを通過した全体レベルから高周波電源３０のレベルと高周波電源４０のレベルを差し引くことにより、自装置および他装置である高周波電源４０以外の干渉波レベル、すなわち、自装置に入り込む干渉波レベル（プラズマ反応炉６０で生成する干渉波レベル）を検出することが可能である。

（第二実施形態の効果）
第二実施形態の高周波電源装置は、自装置の発振周波数の進行波および反射波を検出し、他の高周波電源の発振周波数成分および干渉波成分を除去する演算回路１６と、自装置の発振周波数と他の高周波電源の発振周波数成分および干渉波成分を含んだレベルを検出する第二演算回路３１と、それらのレベルの差分を算出する干渉波演算回路３３と、を備える。これにより、自装置に入り込む干渉波レベル（プラズマ処理装置で生成する干渉波レベルと、プラズマ処理装置を介して到達した他の高周波電源の発振レベルを含む）を検出することが可能である。

また、第二実施形態の高周波電源装置は、自装置の発振周波数の進行波および反射波を検出し、他の高周波電源の発振周波数成分および干渉波成分を除去する演算回路１６と、プラズマ処理装置を介して到達した他の高周波電源の発振周波数の進行波および反射波レベルを検出し、自装置の発振周波数成分および干渉波成分を除去する第三演算回路３２と、自装置の発振周波数と他の高周波電源の発振周波数成分および干渉波成分を含んだレベルを検出する第二演算回路３１と、それらのレベルの差分を算出する干渉波演算回路３３と、を備える。これにより、自装置に入り込む干渉波レベル（プラズマ処理装置で生成する干渉波レベル）を検出することが可能である。

また、第二実施形態の高周波電源装置は、整合器に複数のアンテナが接続されているので、プラズマ分布の特性を調整することが可能である。干渉波レベルの監視により、各高周波電源の干渉波レベルを監視することで、干渉の発生しにくい配置となるようアンテナ設置箇所を決定する際にも有効である。

また、第二実施形態のプラズマ処理装置は、上記の高周波電源装置を用いているので、プラズマ反応炉内で発生する干渉波のレベルの大きさや、経年的な変化を使用者に通知すると共に、プラズマ処理の歩留まり改善や品質向上、および適時メンテナンスによる機会損失の低減に寄与させ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形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態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。

３０・・・高周波電源（第一高周波電源）
１６・・・演算回路（第一演算回路）
３１・・・第二演算回路
３３・・・干渉波演算回路
４０・・・高周波電源（第二高周波電源）

Claims (11)

1. お互いに周波数の異なる高周波を発生し、プラズマ反応炉内に設置される第一アンテナおよび第二アンテナに高周波電力をそれぞれ供給する第一高周波電源および第二高周波電源を備え、
   前記第一高周波電源は、
   前記第二高周波電源の発振周波数成分および干渉波成分を除去して第一進行波レベルおよび第一反射波レベルを検出する第一演算回路と、
   前記第一高周波電源の発振周波数と前記第二高周波電源の発振周波数成分および干渉波成分を含んだ第二進行波レベルおよび第二反射波レベルを検出する第二演算回路と、
   前記第二進行波レベルおよび前記第二反射波レベルと、前記第一進行波レベルおよび前記第一反射波レベルと、に基づいて前記第一高周波電源が検出する干渉波レベルを算出する干渉波演算回路と、
   を備える高周波電源装置。
2. 請求項１の高周波電源装置において、
   前記干渉波演算回路が算出する前記干渉波レベルは前記プラズマ反応炉で生成する干渉波レベルと前記プラズマ反応炉を介して到達した前記第二高周波電源の発振レベルとである高周波電源装置。
3. 請求項１の高周波電源装置において、
   さらに、前記プラズマ反応炉を介して到達した前記第二高周波電源の発振周波数の第三進行波レベルおよび第三反射波レベルを検出し、前記第一高周波電源の発振周波数成分および干渉波成分を除去するデジタルフィルタを備える第三演算回路を備え、
   前記干渉波演算回路は、前記第二演算回路が検出した前記第二進行波レベルおよび前記第二反射波レベルと前記第一演算回路が検出した前記第一進行波レベルおよび前記第一反射波レベルと前記第三演算回路が検出した前記第三進行波レベルおよび前記第三反射波レベルとに基づいて前記第一高周波電源が検出する干渉波レベルを算出するよう構成される高周波電源装置。
4. 請求項３の高周波電源装置において、
   前記干渉波演算回路が算出する前記干渉波レベルは前記プラズマ反応炉で生成する干渉波レベルある高周波電源装置。
5. 請求項１の高周波電源装置において、さらに、
   前記第一アンテナに接続され、前記第一高周波電源の出力を整合する第一整合器と、
   前記第二アンテナに接続され、前記第二高周波電源の出力を整合する第二整合器と、
   を備え、
   前記第一高周波電源は、さらに、
   設定された発振周波数の高周波を発振する第一発振回路と、
   第一整合演算部と、
   を備え、
   前記第一演算回路は、検出した前記第一進行波レベルと前記第一反射波レベルとから反射係数を算出し、
   前記第一整合演算部は、前記反射係数に基づいて、前記第一反射波レベルが小さくなるよう前記第一整合器での制御値を算出する演算を行うと共に、前記第一発振回路の発振周波数の候補値を算出する演算を行うよう構成される高周波電源装置。
6. 請求項５の高周波電源装置において、
   前記第一高周波電源は、さらに、前記第一整合演算部が前記第一発振回路に設定する発振周波数を保持すると共に前記第二高周波電源からの発振周波数を受信して保持する第一周波数管理部を備える高周波電源装置。
7. 請求項５の高周波電源装置において、
   前記第一整合演算部は、前記発振周波数の候補値に基づいて、発振周波数を前記第二高周波電源での発振周波数とは特定の周波数差を確保する値に決定して前記第一発振回路に設定するよう構成される高周波電源装置。
8. 請求項７の高周波電源装置において、
   前記第一整合演算部は、前記第二高周波電源での発振周波数と特定の周波数差を確保できない場合には、発振周波数の演算を繰り返し、当該演算を特定回数行ったら、強制的に特定の周波数差を確保する発振周波数に決定して前記第一発振回路に設定するよう構成される高周波電源装置。
9. 請求項７の高周波電源装置において、
   さらに、前記第一高周波電源および前記第二高周波電源に接続する上位装置を備え、
   前記上位装置は、前記発振周波数の候補値に基づいて、発振周波数を、前記第二高周波電源での発振周波数とは特定の周波数差を確保する値に決定して前記第一発振回路に設定するよう構成される高周波電源装置。
10. 請求項９の高周波電源装置において、
    前記上位装置は、前記第二高周波電源での発振周波数と特定の周波数差を確保できない場合には、前記第一整合演算部での発振周波数の演算を繰り返し行わせ、当該演算が特定回数行われたら、強制的に特定の周波数差を確保する発振周波数に決定して前記第一発振回路に設定するよう構成される高周波電源装置。
11. 請求項５の高周波電源装置において、
    前記第一整合器および前記第二整合器に複数のアンテナが接続されている高周波電源装置。

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