JP7208702B2 - 高周波電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばプラズマエッチング、プラズマＣＶＤを行うプラズマ処理装置等の負荷に電力を供給する高周波電源装置に関するものである。

従来、高周波電源装置では、例えば特許文献１に記載のものが提案されている。図１０は、特許文献１に記載された従来技術の高周波電源装置５０の構成図である。

特許文献１の高周波電源装置５０は、出力する高周波電力の電力値を設定するための高周波電力設定部５１、後述する高周波電力制御部５２から出力される制御信号に応じて発振信号の振幅を可変させる発振部５３、発振部５３から出力される発振信号を増幅して高周波電力を出力する増幅部５４、増幅部５４から出力された高周波電力を測定する高周波電力測定部５５、及び高周波電力設定部５１によって設定された高周波電力設定値Ｐｓｅｔと高周波電力測定部５５によって測定された高周波電力の測定値ＭＰｒｆ（以下、高周波電力測定値ＭＰｒｆ）とを比較し、両者の誤差情報に基づいて増幅部５４から出力された高周波電力測定値ＭＰｒｆが一定になるように発振部５３から出力される発振信号の振幅を制御する高周波電力制御部５２を備えている。なお、上記のような発振部５３から出力される発振信号の振幅を制御する制御系を第１の制御系とする。

また、この高周波電源装置は、後述する直流電圧制御部５７の指令値ＣＶｄｃに応じた出力電圧を有する直流電力を増幅部５４に供給する直流電力供給部５８と、直流電力供給部５８の出力電圧Ｖｄｃの電圧値を測定して直流電圧測定値ＭＶｄｃとして出力する直流電圧測定部５９と、増幅部５４の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形を歪ませることなく、且つ、出力電圧波形の振幅が最大となるように、予め定めた特性グラフ又は特性関数等に基づいて、高周波電力設定部５１において設定された高周波電力設定値Ｐｓｅｔに対する出力電圧Ｖｄｃの設定値である直流電圧設定値Ｖｓｅｔを演算する直流電圧演算部５６と、直流電圧測定部５９から出力される直流電圧測定値ＭＶｄｃが直流電圧設定値Ｖｓｅｔに等しくなるように直流電力供給部５８を制御するための制御信号を出力する直流電圧制御部５７とを備えている。なお、増幅部５４の一部を構成する増幅素子の出力は、通常、増幅素子の後段にあるトランスを介して出力される。また、上記のような直流電力供給部５８の出力電圧の電圧値を制御する制御系を第２の制御系とする。

上記構成によれば、負荷に供給する高周波電力の電力値が高周波電力設定値Ｐｓｅｔと等しくなるように制御されつつ、増幅部５４から出力される高周波電力の電圧成分（以下、高周波電圧という）の波形に波形歪が生じない範囲で、増幅部５４における損失を低減させて直流電力から高周波電力への変換効率を高めることができる。

上記従来技術（特許文献１）の技術内容を図１１を参照して説明する。
図１１は、従来技術（特許文献１）の高周波電源装置５０を使用したときの出力電圧Ｖｄｃおよび増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１を示す図であって、同図（ａ）は、増幅部５４から出力される高周波電力値が小レベルの場合、同図（ｂ）は、増幅部５４から出力される高周波電力値が中レベルの場合、同図（ｃ）は、増幅部５４から出力される高周波電力値が大レベルの場合の一例を示したものである。なお、図１１では増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の正の半波波形を出力電圧Ｖｄｃのラインから負側に折り返し、その折り返し波形が破線で示されている。

この図１１に示すように、従来技術では、増幅部５４から出力される高周波電力値の大きさに合わせて、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅を変化させるとともに、出力電圧Ｖｄｃの電圧値を増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅の略０．５倍とすることで、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の最小値が略０Ｖになるようにしている。そのために、Ｖｄｓ１に波形歪を生じさせることなく、且つ増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅を最大にすることができる。また、前述したように、増幅部５４の一部を構成する増幅素子の出力は、通常、増幅素子の後段にあるトランスを介して出力されるため、増幅部５４の出力電圧としては、出力電圧Ｖｄｃの成分が無くなって、０Ｖを中心とした波形歪のない交流波形となる。

なお、図中のハッチング部分は損失の度合いを示しており、この部分が小さい程、増幅部での損失電力が少なく変換効率が高いことを示す。図１１は、出力電圧Ｖｄｃの波形図であるために、図中のハッチング部分が損失電力を直接示すものではないが、ハッチング部分が多いほど、損失電力が多いことを示す。すなわち、増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形に波形歪が生じない範囲では、出力電圧Ｖｄｃの大きさを増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅の略０．５倍とした場合に、変換効率が最も高くなる。

ちなみに、特許文献１の高周波電源装置では、直流電力供給部５８から増幅部５４に供給する直流電力に対する増幅部５４から出力された高周波電力の割合（＝高周波電力／直流電力）で表される変換効率は、増幅部５４がプッシュプル方式の増幅回路構成である場合、約７８％でほぼ一定である。

上記の特許文献１のような高周波電源装置では、特定の変換効率にするために、高周波電力設定値Ｐｓｅｔに対する直流電力供給手段から出力する直流電圧の関係を予め求めるために膨大な作業量が必要であった。

この問題を改善するために、特許文献２では、増幅部５４における直流から高周波（交流）への変換効率（「高周波電力測定値／（直流電力供給部５８から増幅部５４に供給される直流電力の測定値（以下、直流電力測定値））」によって演算できる）が設定値になるように直流電力供給部５８の出力電圧Ｖｄｃの電圧値を制御することにより、発振部５３の振幅及び直流電力供給部５８の出力電圧Ｖｄｃの電圧値が自動的に定まるようにしている。

この特許文献２のような制御を行うことによって、特許文献１のような高周波電力設定値Ｐｓｅｔに対する直流電力供給手段から出力する直流電圧の関係を予め求めるための膨大な作業量が不要になるので、使い勝手のよい高周波電源装置とすることができる。
なお、特許文献２でも、高周波電力設定値Ｐｓｅｔに応じて発振部５３の振幅を制御する第１の制御系と、直流電力供給部５８の出力電圧Ｖｄｃの電圧値を制御する第２の制御系が存在する。

特開２００１－１９７７４９号公報 特開２００７－０６６７７８号公報

特許文献２において、第１の制御系の制御速度よりも第２の制御系の制御速度の方が遅いと想定して説明する。
高周波電力設定値Ｐｓｅｔを低い値から急激に高い値に変更すると、第１の制御系が、発振部５３の発振信号の振幅を大きくすることによって出力する高周波電力の電力値を高めようと制御する。そうなると、第２の制御系が、変換効率を設定値に保つために、直流電力供給部５８の出力電圧Ｖｄｃの電圧値を高めようと制御する。

しかし、第１の制御系の制御速度よりも第２の制御系の制御速度が遅いと、発振部５３の発振信号の振幅が大きくなっているにも関わらず、それに見合った出力電圧Ｖｄｃの電圧値になるまでに追従遅れが生じてしまう。
追従遅れの時間は、「第１の制御系の制御速度と第２の制御系の制御速度との差異」と「高周波電力設定値Ｐｓｅｔの変化度合い」とによって異なるので一概に言えないが、第１の制御系の制御速度と第２の制御系の制御速度との差異が大きい程、また高周波電力設定値Ｐｓｅｔの変化度合いが大きい程、追従遅れの時間が長くなる。

このような発振部５３の発振信号の振幅の変化に対する出力電圧Ｖｄｃの電圧値の追従遅れが生じると、図１２に示すように、発振部５３の発振信号の振幅に対して出力電圧Ｖｄｃの電圧値が低すぎる状態が生じうる。発振部５３の発振信号の振幅に対して出力電圧Ｖｄｃの電圧値が低すぎると、発振部１３の発振信号の振幅が飽和してしまう。そうなると、高周波電源装置から出力される高周波電力の電力値が高周波電力設定値Ｐｓｅｔで設定される所望の電力値よりも低い電力値になる恐れがある。そうなると、高周波電力の出力値を高めるために、高周波電力制御部５２が発振部５３の発振信号の振幅を大きくしようと制御する。しかし、追従が遅れていた出力電圧Ｖｄｃが大きくなってくるので、今度は高周波電力の出力電力が所望の電力値よりも大きくなる恐れがある。更にその状態を抑制しようと制御するので、出力が不安定になる恐れがある。その結果、負荷における加工に影響を及ぼす可能性が生じうる。すなわち、上記の出力電圧Ｖｄｃの電圧値の追従遅れによって負荷における加工に影響を及ぼす可能性が生じうる。

上記の追従遅れ時間は、短い時間であると推測されるが、より精度のよい電力値の制御が必要になってきているので、高周波電力設定値Ｐｓｅｔが変化した場合に上記のような発振部５３の発振信号の振幅の変化に対する出力電圧Ｖｄｃの電圧値の追従遅れの影響を小さくすることが望ましい。

本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、高周波電力設定値Ｐｓｅｔが低い値から急激に高い値に変更されたときに生じる発振部の発振信号の振幅の変化に対する出力電圧の電圧値の追従遅れの影響を小さくできる高周波電源装置を提供することを目的としている。

第１の発明によって提供される高周波電源装置は、
負荷に供給する高周波電力の電力値が高周波電力設定値と等しくなるように制御する高周波電源装置において、
発振信号の振幅が可変可能である発振手段と、
出力電圧の電圧値が可変可能である直流電力を出力する直流電力供給手段と、
前記発振信号の半周期ごとに交互にオン・オフするとともに前記発振信号の振幅に応じて出力電圧が変化するように構成された複数の増幅素子と、一方巻線と他方巻線で分巻された１次巻線および高周波電力に相当する交流電力が誘起する２次巻線を有するトランスとを含み、前記トランスの１次巻線側の一方巻線と他方巻線との間に前記直流電力供給手段で生成した出力電圧を供給することによって、前記複数の増幅素子の出力電圧が、前記直流電力供給手段の出力電圧をその振幅波形の中心とした電圧として前記トランスの１次巻線側に誘起し、前記高周波電力に相当する交流電力が、前記トランスの２次巻線側に誘起される増幅手段と、
高周波電源装置の出力端において前記増幅手段から前記負荷に供給する高周波電力の電力値を測定し、測定した電力値を高周波電力測定値として出力する高周波電力測定手段と、
前記直流電力供給手段の出力電力の電力値を測定し、測定した電力値を直流電力測定値として出力する直流電力測定手段と、
前記直流電力供給手段の出力電圧の電圧値を測定し、測定した電圧値を直流電圧測定値として出力する直流電圧測定手段と、
前記高周波電力測定値が前記高周波電力設定値に等しくなるように前記発振手段の振幅を制御する高周波電力制御手段と、
前記高周波電力測定値を前記直流電力測定値で除した効率演算値を演算し、前記直流電圧測定値が予め定めた直流電圧下限値以上のときは、前記効率演算値が予め定めた効率設定値に等しくなるように前記直流電力供給手段の出力電圧の電圧値を変化させるための制御信号を前記直流電力供給手段に対して出力するとともに、前記直流電圧測定値が予め定めた直流電圧下限値未満のときは、前記直流電力供給手段の出力電圧の電圧値が前記直流電圧下限値以上になるように前記直流電力供給手段の出力電圧の電圧値を変化させるための制御信号を前記直流電力供給手段に対して出力する直流電力制御手段と
を備えたことを特徴としている。

第２の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記増幅手段と前記高周波電力測定手段の間に、高調波成分を除去するフィルタ手段をさらに設けたことを特徴としている。

本発明では、高周波電源装置が、発振手段から出力される発振信号の振幅を制御する第１の制御系と、直流電力供給手段の出力電圧の電圧値を制御する第２の制御系とを備える。このような構成において、第１の制御系の制御速度よりも第２の制御系の制御速度の方が遅い場合に、高周波電力設定値を低い値から急激に高い値に変更することによって、発振手段の発振信号の振幅が大きくなった場合でも、直流電力供給手段の出力電圧の電圧値が、発振信号の振幅に見合った出力電圧の電圧値になるまでの追従遅れの時間が従来よりも短縮される。そのため、出力電圧の電圧値の追従遅れが生じることによって、仮に瞬時的に高周波電力の出力が不安定になる場合であっても、その度合いを低減できる。

図１は、本発明に係る高周波電源装置が適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る高周波電源装置１の構成を示す図である。 図３は、フィルタ部１５の回路構成例である。 図４は、直流電力制御部１８の機能ブロック図である。 図５は、増幅部１４の一例であるＦＥＴを用いたプッシュプル方式の増幅回路構成及び増幅部１４と発振部１３等との接続関係を示す図である。 図６は、複数の増幅回路を用いて増幅部を構成する一例である。 図７は、図５で示した増幅回路を用いた場合の進行波電力Ｐｆの電力値（第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１を用いて図示）に対する直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃの電圧値（直流電圧測定値ＭＶｄｃを用いて図示）の特性図の一例である。 図８は、図５で示した増幅回路を用いた場合の各部のシミュレーション結果である。 図９は、本発明の第２実施形態に係る高周波電源装置１ａが適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。 図１０は、特許文献１に記載された従来技術の高周波電源装置５０の構成図である。 図１１は、従来技術（特許文献１）の高周波電源装置５０を使用したときの出力電圧Ｖｄｃおよび増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１を示す図である。 図１２は、発振部１３の発振信号の振幅に対して出力電圧Ｖｄｃの電圧値が低すぎる状態の一例を示す図である。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明に係る高周波電源装置が適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。この高周波電力供給システムは、半導体ウエハや液晶基板等の被加工物に対して高周波電力を供給して、例えばプラズマエッチングといった加工処理を行うものである。この高周波電力供給システムは、高周波電源装置１、伝送線路２、インピーダンス整合器３、負荷接続部４及び負荷５で構成されている。なお、インピーダンス整合器３を用いない構成にしてもよい。

高周波電源装置１は、後述する発振部１３から出力される高周波信号（発振信号Ｖｉｎ）を、電力増幅器１４を用いて増幅させ、発生した高周波電力を出力して負荷５に供給するための装置である。なお、高周波電源装置１から出力された高周波電力は、同軸ケーブルからなる伝送線路２及びインピーダンス整合器３及び遮蔽された銅板からなる負荷接続部４を介して負荷５に供給される。また、一般にこの種の高周波電源装置１では、数百ｋＨｚ以上の周波数の高周波電力を出力している。例えば、４００ｋＨｚ、２ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ等の周波数の高周波電力を出力している。なお、上記の周波数は、高周波電力の電圧成分の周波数である。

インピーダンス整合器３は、高周波電源装置１と負荷５とのインピーダンスを整合させるものである。より具体的には、例えば高周波電源装置１の出力端から高周波電源装置１側を見たインピーダンス（出力インピーダンス）が例えば５０Ωに設計され、高周波電源装置１が、特性インピーダンス５０Ωの伝送線路２でインピーダンス整合器３の入力端に接続されているとすると、インピーダンス整合器３は、当該インピーダンス整合器３の入力端から負荷５側を見たインピーダンスを５０Ωに変換させるものである。

負荷５は、加工部を備え、その加工部の内部に搬入したウエハ、液晶基板等の被加工物を加工（エッチング、ＣＶＤ等）するための装置である。この負荷５は、被加工物を加工するために、加工部にプラズマ放電用ガスを導入し、そのプラズマ放電用ガスに高周波電源装置１から供給された高周波電力（電圧）を印加することによって、上記のプラズマ放電用ガスを放電させて非プラズマ状態からプラズマ状態にしている。そして、プラズマを利用して被加工物を加工している。

図２は、本発明の第１実施形態に係る高周波電源装置１の構成を示す図である。高周波電源装置１は、図２に示すように、高周波電力設定部１１、高周波電力制御部１２、発振部１３、増幅部１４、フィルタ部１５、高周波電力測定部１６、効率設定部１７、直流電力制御部１８、直流電力供給部１９、直流電力測定部２０及び直流電圧下限値設定部２１を備えている。

なお、高周波電力設定部１１、高周波電力制御部１２、発振部１３、増幅部１４、フィルタ部１５及び高周波電力測定部１６によって、発振部１３から出力される発振信号の振幅を制御する第１の制御系が形成される。
また、効率設定部１７、直流電力制御部１８、直流電力供給部１９、直流電力測定部２０及び直流電圧下限値設定部２１によって、直流電力供給部１９の出力電圧の電圧値を制御する第２の制御系が形成される。なお、後述するように、増幅部１４には、直流電力供給部１９から出力された直流電力が入力される。また、直流電力制御部１８には、高周波電力測定部１６において測定された第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１が入力される。そのため、増幅部１４、フィルタ部１５及び高周波電力測定部１６も第２の制御系の一部と考えることができる。

高周波電力設定部１１は、負荷５に供給する高周波電力の設定値である高周波電力設定値Ｐｓｅｔを設定するためのものである。なお、図２では省略しているが、高周波電力設定部１１には、高周波電力設定値Ｐｓｅｔを設定するための設定スイッチや高周波電力の供給の開始を指示する出力開始スイッチを備えた操作部等が設けられている。高周波電力設定部１１において設定された高周波電力設定値Ｐｓｅｔは、高周波電力制御部１２に送られる。なお、高周波電力設定値Ｐｓｅｔ等は、外部の装置から入力してもよい。

高周波電力制御部１２は、高周波電力設定部１１において設定された高周波電力設定値Ｐｓｅｔと、高周波電力測定部１６において測定された第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１とを比較し、両者が等しくなるように、発振部１３の発振信号Ｖｉｎの振幅を制御するものである。そのため、高周波電力制御部１２は、発振部１３の発振信号Ｖｉｎの振幅を制御するための制御信号ＣＶｉｎを出力する。なお、高周波電力制御部１２は、本発明の高周波電力制御手段の一例である。

発振部１３は、増幅部１４に対して交流の発振信号Ｖｉｎを出力するものであり、高周波電力制御部１２から出力される制御信号ＣＶｉｎによって発振信号Ｖｉｎの振幅が制御される。なお、高周波電源装置１の出力周波数は、発振部１３の発振周波数によって定まる。また、発振部１３は、本発明の発振手段の一例である。

増幅部１４は、発振部１３から出力される発振信号Ｖｉｎを増幅した進行波電力Ｐｆを出力するためのものである。増幅部１４において増幅された進行波電力Ｐｆは、高周波電力測定部１６を介して負荷に供給される。増幅部１４の回路構成については、後述する。なお、増幅部１４は、本発明の増幅手段の一例である。

フィルタ部１５は、増幅部１４の出力に含まれる高調波成分を除去するためのフィルタである。このフィルタ部１５によって増幅部１４の出力波形が改善されて略正弦波状の出力波形にすることができる。そのため、増幅部１４から出力される進行波電力Ｐｆとフィルタ部１５から出力される進行波電力Ｐｆとは異なるが、本明細書では説明を簡略化するために、両者とも同じ符合を用いて進行波電力Ｐｆとして表す。後述する高周波電力測定部１６の出力も同様に進行波電力Ｐｆとして表す。

図３は、フィルタ部１５の回路構成例である。この図３に示すように、フィルタ部１５は、インダクタＬ１～Ｌ２、コンデンサＣ３～Ｃ５を用いたローパスフィルタとして構成される。そして、発振部１３の発振信号Ｖｉｎの周波数によって定まる増幅部１４の出力周波数の高周波成分は通過させるが、出力周波数よりも周波数が高い高調波成分は除去するように回路定数を定める。もちろん、バンドパスフィルタを用いることが可能な場合がある。なお、フィルタ部１５は、本発明のフィルタ手段の一例である。

再度、図２を参照して説明する。
高周波電力測定部１６は、高周波電源装置１の出力端において、増幅部１４から出力される進行波電力Ｐｆの電力値を測定するものであり、例えば、方向性結合器等および方向性結合器の出力を電力値に換算するための変換回路によって構成されている。この例の高周波電力測定部１６では、増幅部１４から負荷５側に進行する進行波電力Ｐｆの電力値を測定して、進行波電力Ｐｆに対応する第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１として出力する。なお、進行波電力Ｐｆの電圧成分を進行波電圧Ｖｆと表している。また、高周波電力測定部１６は、本発明の高周波電力測定手段の一例である。

高周波電力測定部１６において測定された第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１は、高周波電力制御部１２に対して出力され、高周波電力制御部１２において、上述したように第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１と高周波電力設定値Ｐｓｅｔとが比較され、両者が等しくなるように発振部１３に対して制御信号ＣＶｉｎを出力する。これにより、第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１と高周波電力設定値Ｐｓｅｔとが等しくなるように制御される。

なお、高周波電力測定部１６において、進行波電力Ｐｆの電力値と共に反射波電力Ｐｐｒの電力値を測定し、進行波電力Ｐｆの電力値から反射により負荷側から戻ってくる反射波電力Ｐｒの電力値を減じた負荷側電力Ｐ１ｏａｄ（＝Ｐｆ－Ｐｒ）の電力値を第２の高周波電力測定値ＭＰｒｆ２として高周波電力制御部１２に対して出力してもよい。
この場合、高周波電力制御部１２は、第２の高周波電力測定値ＭＰｒｆ２と高周波電力設定値Ｐｓｅｔとを比較して、両者が等しくなるように発振部１３に対して制御信号ＣＶｉｎを出力する。
ただし、この場合も、後述する直流電力制御部１８に対しては、第２の高周波電力測定値ＭＰｒｆ２ではなく、第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１が出力される。また、本明細書では、説明を簡潔にするために、進行波電力Ｐｆだけでなく負荷側電力Ｐｌｏａｄも負荷に供給する高周波電力としている。なお、反射波電力Ｐｒの電圧成分を反射波電圧Ｖｒとして表している。

第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆｌを高周波電力制御部１２に対して出力する場合と、第２の高周波電力測定値ＭＰｒｆ２を高周波電力制御部１２に対して出力する場合とは、高周波電力制御部１２における高周波電力設定値Ｐｓｅｔとの比較対象が異なるだけでその他は同様である。そのため、以降の説明では、進行波電力Ｐｆに対応する第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆｌを高周波電力制御部１２に対して出力するものとして説明を行い、第２の高周波電力測定値ＭＰｒｆ２を高周波電力制御部１２に対して出力する場合の説明は省略する。

直流電力供給部１９は、後述する直流電力制御部１８から出力される制御信号ＣＶｄｃに基づいて出力電圧Ｖｄｃの電圧値を可変させた直流電力を出力して、直流電力測定部２０を介して増幅部１４に直流電力を供給する。なお、直流電力供給部１９は、本発明の直流電力供給手段の一例である。

直流電力測定部２０は、直流電力供給部１９と増幅部１４との間に設けられており、直流電力供給部１９から増幅部１４に供給される直流電力Ｐｄｃの電力値を測定し、測定した電力値を直流電力測定値ＭＰｄｃとして後述する直流電力制御部１８に対して出力する。この直流電力測定部２０の機能は、本発明の直流電力測定手段の一例である。
また、直流電力測定部２０は、直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃの電圧値を測定し、測定した電圧値を直流電圧測定値ＭＶｄｃとして後述する直流電力制御部１８に対して出力する。この直流電力測定部２０の機能は、本発明の直流電圧測定手段の一例である。

直流電圧下限値設定部２１は、直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃの下限値である直流電圧下限値Ｌｓｅｔを設定する機能を有する。なお、図２では省略しているが、直流電圧下限値設定部２１には、直流電圧下限値Ｌｓｅｔを設定するための操作部等が設けられている。直流電圧下限値設定部２１において直流電圧下限値Ｌｓｅｔは、直流電力制御部１８に送られる。直流電圧下限値Ｌｓｅｔは、外部の装置から入力してもよい。

直流電力制御部１８は、直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃを以下のように制御する機能を有している。また、図４は、直流電力制御部１８の機能ブロック図である。この図４に示すように、直流電力制御部１８は、効率演算部１８１及び制御信号出力部１８２を備えている。
以下、図２及び図４を用いて、直流電力制御部１８の機能を説明する。なお、直流電力制御部１８は、本発明の直流電力制御手段の一例である。

直流電力制御部１８は、効率設定部１７で設定された効率設定値Ｅｓｅｔ、高周波電力測定部１６から出力される第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１、直流電力測定部２０から出力される直流電力測定値ＭＰｄｃと直流電圧測定値ＭＶｄｃ及び直流電圧下限値設定部２１で設定された直流電圧下限値Ｌｓｅｔを入力する。

効率演算部１８１は、第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１を直流電力測定値ＭＰｄｃで除した効率演算値Ｅｃａｌ（＝第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１／直流電力測定値ＭＰｄｃ）を演算する。

制御信号出力部１８２は、直流電圧測定値ＭＶｄｃが直流電圧下限値Ｌｓｅｔ以上のときは、効率演算値Ｅｃａｌが効率設定値Ｅｓｅｔに等しくなるように直流電力供給部１９
の出力電圧Ｖｄｃの電圧値を変化させるための制御信号ＣＶｄｃを直流電力供給部１９に対して出力する。この処理を「効率優先処理」とする。

また、制御信号出力部１８２は、直流電圧測定値ＭＶｄｃが直流電圧下限値Ｌｓｅｔ未満のときは、直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃの電圧値が直流電圧下限値Ｌｓｅｔ以上になるように直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃの電圧値を変化させるための制御信号ＣＶｄｃを直流電力供給部１９に対して出力する。この処理を「波形歪み改善優先処理」とする。
したがって、制御信号出力部１８２では、入力される直流電圧測定値Ｍｖｄｃに応じて、「効率優先処理」又は「波形歪み改善優先処理」を行う。

＜効率優先処理について＞
まず、「効率優先処理」の場合、すなわち、直流電圧測定値ＭＶｄｃが直流電圧下限値Ｌｓｅｔ以上の場合における直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃの電圧値について説明する。

波形歪の問題を考えなければ、出力電圧Ｖｄｃの電圧値が小さい程、効率が高まっていく。そのため、効率演算値Ｅｃａｌと効率設定値Ｅｓｅｔとを比較して、効率演算値Ｅｃａｌが効率設定値Ｅｓｅｔよりも大きければ、出力電圧Ｖｄｃを大きくする。反対に効率演算値Ｅｃａｌが効率設定値Ｅｓｅｔよりも小さければ、出力電圧Ｖｄｃを小さくする。このようにすれば、効率演算値Ｅｃａｌが効率設定値Ｅｓｅｔに近づいていく。そのため、増幅部１４における直流電力から高周波電力への変換効率を一定に制御することができる。

この動作を増幅部１４の回路を参照しながら、更に説明する。
図５は、増幅部１４の一例であるＦＥＴを用いたプッシュプル方式の増幅回路構成及び増幅部１４と発振部１３等との接続関係を示す図である。
図５に示した増幅部１４は、いわゆるプッシュプル回路として構成され、２次巻線側が一方巻線Ｔ１２ａ及び他方巻線Ｔ１２ｂで分巻された第１トランスＴ１と、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなる第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２と、１次巻線側が一方巻線Ｔ２１ａ及び他方巻線Ｔ２２ｂで分巻された第２トランスＴ２と、抵抗Ｒ１～Ｒ４、コンデンサＣ１，Ｃ２、及び直流電圧源Ｖｂからなる駆動電圧供給回路とを有している。なお、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２は、ＦＥＴに代えてバイポーラトランジスタ等によって構成されていてもよい。

プッシュプル回路については公知であるため、その動作を簡単に説明する。

第１トランスＴ１の１次巻線Ｔ１１側に発振部１３から出力される発振信号Ｖｉｎ（交流電圧）が入力されると、第１トランスＴ１の２次巻線側では、一方巻線Ｔ１２ａ及び他方巻線Ｔ１２ｂにおいて互いに逆相の電圧が生じる。これらの電圧により、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２は、半周期ごとに交互にオン、オフし、これらオン、オフ動作が繰り返される。

第２トランスＴ２の１次巻線側の一方巻線Ｔ２１ａと他方巻線Ｔ２１ｂとの間には、直流電力供給部１９で生成される出力電圧Ｖｄｃが供給されるため、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２の出力電圧（ドレイン、ソース間電圧）は、この直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃをその振幅波形の中心とした電圧として第２トランスＴ２の１次巻線側（図５の点Ｐ１）に誘起する（後述する図８（ｂ）に示す電圧Ｖｄｓ１参照）。

第２トランスＴ２の２次巻線側には、高周波電力に相当する交流電力が誘起する。この高周波電力は、フィルタ部１５、高周波電力測定部１６を介して負荷に供給される。この際、フィルタ部１５によって、高調波成分が除去されて、波形歪が改善される（後述する図８（ａ）に示す進行波電圧Ｖｆ参照）。

図６は、複数の増幅回路を用いて増幅部を構成する一例である。
図５では、一組の増幅器により増幅部を構成するとしたが、図６に示すように、増幅部を複数の増幅器により構成する場合もある。

この例では、図示しない直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃを電源電圧として動作する複数の増幅器１４ａ１～１４ａ４と、図示しない発振部１３から与えられる高周波信号Ｖｉｎを増幅器１４ａ１～１４ａ４に分配して入力するパワー分配器１４ｂと、増幅器１４ａ１～１４ａ４の出力を合成して負荷５に与えるパワー合成器１４ｃとにより増幅部１４が構成されている。

なお、この図６では、フィルタ部１５および高周波電力測定部１６の図示を省略している。また、パワー合成器１４ｃにインダクタやコンデンサを用いる回路の場合は、パワー合成器１４ｃに高調波成分を減衰する機能を持たせることが可能であるので、増幅部１４の中にフィルタ部の機能を持たすことも可能である。

図７は、図５で示した増幅回路を用いた場合の進行波電力Ｐｆの電力値（第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１を用いて図示）に対する直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃの電圧値（直流電圧測定値ＭＶｄｃを用いて図示）の特性図の一例であり、効率設定値Ｅｓｅｔを８５％とした場合において、第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１が変化したときに、直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃがどのように変化するのかを示したものである。

上述したように、本実施形態の高周波電源装置では、高周波電力制御部１２が発振部１３から出力する発振信号Ｖｉｎの振幅を変化させて、第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１が高周波電力設定値Ｐｓｅｔと等しくなるように制御するとともに、直流電力制御部１８によって変換効率（＝第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１／直流電力測定値ＭＰｄｃ）が効率設定値Ｅｓｅｔになるように制御している。そのために、発振部１３の振幅及び出力電圧Ｖｄｃの電圧値が、高周波電力設定値Ｐｓｅｔと効率設定値Ｅｓｅｔとの関係に基づいて自動的に定まり、その結果、図７に示すような特性図になるのである。

したがって、高周波電力設定値Ｐｓｅｔに対する出力電圧Ｖｄｃの特性グラフ又は特性関数等を予め特性を求めておくことなく、自動的に最適な出力電圧Ｖｄｃの電圧値が求まる。もちろん、それよりも低い変換効率から高い変換効率まで、自動的に最適な出力電圧Ｖｄｃの電圧値が求まるので使い勝手がよい。

図８は、図５で示した増幅回路を用いた場合の各部のシミュレーション結果である。
シミュレーション条件は、増幅部１３の出力周波数１０ＭＨｚ、変換効率＝８５％、Ｐｆ＝１１１０Ｗであり、同図（ａ）は、高周波電力測定部１６の出力端（図５の点Ｐ２）における進行波電圧Ｖｆの電圧値［Ｖ］を示し、同図（ｂ）は、直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃの電圧値［Ｖ］と増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１（図５の点Ｐ１における電圧Ｖｄｓ１）の電圧値［Ｖ］を示し、同図（ｃ）は、高周波電力測定部１６の出力端（図５の点Ｐ２）における進行波電力Ｐｆの電力値（第１の高周波電力測定値ＭＰｒｆ１）［Ｗ］と直流電力測定部２０で測定する直流電力Ｐｄｃの電力値（直流電力測定値ＭＰｄｃ）［Ｗ］を示し、同図（ｄ）は、直流電力Ｐｄｃの電力値に対する進行波電力Ｐｆの電力値の割合（ＭＰｒｆ１／ＭＰｄｃ）×１００［％］を示す。

効率設定値Ｅｓｅｔを８５％に設定すると、図７で説明したように、発振部１３から出力する発振信号Ｖｉｎの振幅及び出力電圧Ｖｄｃの電圧値が、高周波電力設定値Ｐｓｅｔと効率設定値Ｅｓｅｔとの関係に基づいて自動的に定まり、同図（ｃ）及び同図（ｄ）に示すように、（ＭＰｒｆ１／ＭＰｄｃ）×１００で表される変換効率が８５％になるように制御される。

このように、高い変換効率にする場合は、増幅部１４の一部を構成する増幅素子（例えばＦＥＴ）が飽和領域で使用することになるため、同図（ｂ）に示すように、図５の点Ｐ１における増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形を正弦波状にすることができず、波形の上側と下側がカットされた状態となって波形歪が生じる。そのために、増幅部１４の出力電圧にも歪みが生じて高調波成分が多く含まれることになるが、増幅部１４の後段にフィルタ部１５が設けられているため、同図（ａ）に示すように、波形が改善されて略正弦波状の出力波形にすることができる。

＜波形歪み改善優先処理について＞
次に、「波形歪み改善優先処理」の場合、すなわち、直流電圧測定値ＭＶｄｃが直流電圧下限値Ｌｓｅｔ未満の場合について説明する。

上記のように、増幅部１４の一部を構成する増幅素子（例えばＦＥＴ）を飽和領域で使用すると、波形歪みの観点では好ましくないが、効率という観点を考慮すると、多少の波形歪みを許容するのが現実的である。しかし、上述したように、高周波電力設定値Ｐｓｅｔを低い値から急激に高い値に変更すると、波形歪みが大きくなる。特に、既に波形歪みが生じている状況で更に波形歪みが拡大する方向に制御されると問題が生じかねない。

そのため、直流電圧測定値ＭＶｄｃが直流電圧下限値Ｌｓｅｔ未満の場合は、強制的に、直流電圧測定値ＭＶｄｃが直流電圧下限値Ｌｓｅｔ以上になるように制御する。
直流電圧下限値Ｌｓｅｔは、例えば、図７に示すように、６０［Ｖ］に設定する。この場合、直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃの電圧値（直流電圧測定値Ｍｖｄｃ）が６０［Ｖ］未満になると、制御信号出力部１８２は、強制的に制御信号ＣＶｄｃを大きくして、直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃを６０［Ｖ］以上になるように制御する。

その結果、従来のように直流電力供給部１９の出力電圧Ｖｄｃが小さくなりすぎないので、高周波電力設定値Ｐｓｅｔを低い値から急激に高い値に変更することによって、発振部１３の発振信号の振幅が大きくなった場合でも、それに見合った出力電圧Ｖｄｃの電圧値になるまでの追従遅れの時間が従来よりも短縮される。
そのため、出力電圧Ｖｄｃの電圧値の追従遅れが生じることによって、仮に瞬時的に高周波電力の出力が不安定になる場合であっても、その度合いを低減できる。

なお、直流電圧下限値Ｌｓｅｔの設定値を大きくしすぎると、高周波電力設定値Ｐｓｅｔが小さい領域において、効率が悪くなってしまう。そのため、使用する条件に応じて直流電圧下限値Ｌｓｅｔの設定値を定めればよい。
例えば、高周波電力設定値Ｐｓｅｔを低い値から急激に高い値に変更することを頻繁に行う条件では、直流電圧下限値Ｌｓｅｔの設定値を比較的大きくしてもよいと考えられる。しかし、高周波電力設定値Ｐｓｅｔを低い値から急激に高い値に変更することが殆ど無いのであれば、直流電圧下限値Ｌｓｅｔの設定値を比較的小さくする方がよいと考えられる。

なお、直流電圧下限値Ｌｓｅｔの設定値を「０」又は「０」に近い値にすれば、実質的に「波形歪み改善優先処理」が無効になる。そのため、「波形歪み改善優先処理」が不要な場合は、直流電圧下限値Ｌｓｅｔの設定値を「０」又は「０」に近い値にすればよい。

［第２施形態］
図９は、本発明の第２実施形態に係る高周波電源装置１ａが適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。
この図９は、図２で示した構成からフィルタ部を取り除いた構成であり、他の構成は図２と同じであるため、各構成部分についての説明は省略する。

第１実施形態で説明したように、変換効率を高く設定すると、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１が飽和するようになる。この状態では増幅部１４の出力波形に波形歪が生じるので、フィルタ部１５を用いて波形改善を行う必要が生じる。しかし、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１が飽和しない範囲で使用する場合は、増幅部１４の出力波形に波形歪が生じないので、波形改善のためにフィルタ部１５を用いる必要がなくなる。
具体的には、従来技術で説明したように、変換効率が約７８％以下の場合には、波形歪が生じないので、フィルタ部１５を用いない構成にすることが可能である。
しかし、変換効率が約７８％以下であっても、増幅部１４で発生する高調波成分（主にＦＥＴのスイッチングによって生じる）の影響が大きい場合には、高調波成分を除去する目的でフィルタ部１５を用いる必要がある。

もちろん、この発明の範囲は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、第１及び第２実施形態では、増幅部を構成する回路としてプッシュプル回路を用いたが、フルブリッジ方式の増幅回路やハーフブリッジ方式の増幅回路にも適用できる。

１ 高周波電源装置
２ 伝送線路
３ インピーダンス整合器
４ 負荷接続部
５ 負荷
１１ 高周波電力設定部
１２ 高周波電力制御部
１３ 発振部
１４ 増幅部
１５ フィルタ部
１６ 高周波電力測定部
１７ 効率設定部
１８ 直流電力制御部
１９ 直流電力供給部
２０ 直流電力測定部
Ｅｓｅｔ 効率設定値
Ｍｐｒｆｌ 第１の高周波電力測定値
ＭＰｒｆ２ 第２の高周波電力測定値
ＭＰｄｃ 直流電力測定値
Ｐｓｅｔ 高周波電力設定値
Ｖｉｎ 発振部１３の発振信号

Claims (3)

1. 負荷に供給する高周波電力の電力値が高周波電力設定値と等しくなるように制御する高周波電源装置において、
   発振信号の振幅が可変可能である発振手段と、
   出力電圧の電圧値が可変可能である直流電力を出力する直流電力供給手段と、
   前記発振信号の半周期ごとに交互にオン・オフするとともに前記発振信号の振幅に応じて出力電圧が変化するように構成された複数の増幅素子と、一方巻線と他方巻線で分巻された１次巻線および高周波電力に相当する交流電力が誘起する２次巻線を有するトランスとを含み、前記トランスの１次巻線側の一方巻線と他方巻線との間に前記直流電力供給手段で生成した出力電圧を供給することによって、前記複数の増幅素子の出力電圧が、前記直流電力供給手段の出力電圧をその振幅波形の中心とした電圧として前記トランスの１次巻線側に誘起し、前記高周波電力に相当する交流電力が、前記トランスの２次巻線側に誘起される増幅手段と、
   高周波電源装置の出力端において前記増幅手段から前記負荷に供給する高周波電力の電力値を測定し、測定した電力値を高周波電力測定値として出力する高周波電力測定手段と、
   前記直流電力供給手段の出力電力の電力値を測定し、測定した電力値を直流電力測定値として出力する直流電力測定手段と、
   前記直流電力供給手段の出力電圧の電圧値を測定し、測定した電圧値を直流電圧測定値として出力する直流電圧測定手段と、
   前記高周波電力測定値が前記高周波電力設定値に等しくなるように前記発振手段の振幅を制御する高周波電力制御手段と、
   前記高周波電力測定値を前記直流電力測定値で除した効率演算値を演算し、前記直流電圧測定値が予め定めた直流電圧下限値以上のときは、前記効率演算値が予め定めた効率設定値に等しくなるように前記直流電力供給手段の出力電圧の電圧値を変化させるための制御信号を前記直流電力供給手段に対して出力するとともに、前記直流電圧測定値が予め定めた直流電圧下限値未満のときは、前記直流電力供給手段の出力電圧の電圧値が前記直流電圧下限値以上になるように前記直流電力供給手段の出力電圧の電圧値を変化させるための制御信号を前記直流電力供給手段に対して出力する直流電力制御手段と
   を備えている高周波電源装置。
2. 前記増幅手段と前記高周波電力測定手段の間に、高調波成分を除去するフィルタ手段をさらに設けた請求項１に記載の高周波電源装置。
3. 前記増幅手段は、プッシュプル方式の増幅回路であり、前記複数の増幅素子は、電界効果トランジスタからなる第１増幅素子及び第２増幅素子で構成されている請求項１又は２のいずれかに記載の高周波電源装置。

Images