KR20130035887A

KR20130035887A - 고주파 전력 공급 장치

Info

Publication number: KR20130035887A
Application number: KR1020120104513A
Authority: KR
Inventors: 유야 나카모리; 다츠야 이케나리; 다이스케 마에하라; 마사오 우메하라; 사토루 하마이시
Original assignee: 가부시키가이샤 다이헨
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2013-04-09
Also published as: KR101964470B1; JP5839921B2; JP2013077505A; US8674619B2; US20130082620A1

Abstract

본 발명은 부하에 공급될 고주파 전력을 출력하도록 구성되는 고주파 전력 생성부와 상기 고주파 전력 생성부를 제어하기 위해 상기 고주파 전력의 평균값을 검출하도록 구성되는 제어부를 포함하는 고주파 전력 공급 장치에 관한 것이다. 전력 변화기간 검출부는 전력 변화기간(Tz)으로서, 다른 고주파 전력 공급장치로부터 부하에 주어지는 고주파 전력의 레벨의 주기적 변화로 인해 고주파 전력 생성부의 출력 측에서 검출되는 고주파 전력의 레벨 변화의 기간을 검출한다. 제어기간 설정부는 상기 전력 변화기간 검출부에 의해 검출되는 상기 전력 변화기간(Tz)에 따라 제어기간(Tc)을 적정값에 설정한다.

Description

고주파 전력 공급 장치{HIGH FREQUENCY POWER SUPPLY DEVICE}

2011년 9월 30일자 일본 특허 출원 제 2011-217628의 명세서, 도면 및 청구 범위를 포함하는 본 공개는 그 전체가 참조에 의해 여기에 통합된다.

본 발명은 반도체 또는 액정에 있어서 플라즈마를 이용하여 박막 형성, 표면 재형성 또는 박막 제거(에칭 또는 에싱(ashing)) 처리를 수행하는 플라즈마 처리 장치 등의 플라즈마 부하에 고주파 전력을 공급하기에 적절한 고주파 전력 공급 장치에 관한 것이다.

예컨대 특허 문헌 1에 개시된 것과 같이 플라즈마 부하 등에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전력 공급 장치는, 미리 결정된 동작량(예컨대, DC/DC 컨버터에 의해 수행되는 PWM 제어의 듀티비)에 의해 출력을 제어할 수 있는 DC 전력 공급부, 전력 공급 전압으로서 DC 전력 공급부의 출력 전압을 사용하여 부하에 공급되는 고주파 전력을 생성하는 고주파 전력 증폭부를 가지는 고주파 전력 생성부 및 고주파 전력 생성부를 제어하는 제어부를 포함한다.

DC 전력 공급부는, 예컨대, 상용 전력 공급의 출력을 DC 출력으로 변환하는 정류 회로(컨버터), 정류 회로의 출력을 AC 전압으로 변환하는 인버터 및 인버터의 출력을 정류하고 평활하는 정류 및 평활 회로를 가지는 DC/DC 컨버터를 포함한다.

고주파 전력 증폭부는 전력 공급 전압으로서 DC 전력 공급부의 출력 전압을 사용하여 고주파 신호를 증폭하는 전력 증폭기 및 DC 전력 공급부의 출력을 고주파 출력으로 변환하는 인버터를 포함한다. DC 전력 공급부 및 고주파 전력 증폭부로 구성되는 고주파 전력 생성부에서 얻은 고주파 전력은, 임피던스 정합부를 통해 플라즈마 부하와 같은 부하에 필요에 따라 공급된다.

고주파 전력 생성부를 제어하는 제어부는, 각 제어기간 동안 제어의 대상이 되는 고주파 전력을 얻기 위하여 각각의 설정제어기간 동안 오는 타이밍인 각 검출 타이밍에 고주파 전력 생성부의 출력 측에서 고주파 전력의 레벨을 검출하고 대상이 되는 고주파 전력의 평균값으로서 최근 n(n은 2이상의 정수) 검출 타이밍에서 검출된 n 검출 데이터로부터 계산된 이동 평균값을 검출하는 고주파 전력 검출부; 고주파 전력 생성부의 동작량으로서 고주파 전력 생성부에서 출력된 고주파 전력의 레벨을 결정하기 위한 변수의 크기를 설정하고 고주파 전력 검출부에 의해 검출되고 제어의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값을 설정값으로 유지하기 위해 필요한 동작량을 계산하는 동작량 계산부; 및 동작량 계산부에 의해 계산된 동작량으로서 고주파 전력 생성부의 동작량을 취하기 위해 고주파 전력 생성부에 주어진 제어 신호를 각 제어기간 동안 출력하는 제어 신호 출력부를 포함한다.

고주파 전력 생성부의 동작량은, DC 전력 공급부의 출력 또는 고주파 전력 증폭부(3)를 구성하는 전력 증폭기의 이득을 결정하는 변수이다. 예컨대, DC 전력 공급부가 상기 기재된 구성을 가지는 DC/DC 컨버터로 구성되는 경우, 정류 회로의 출력을 AC 전압으로 변환하는 인버터의 PWM 제어의 듀티비는 동작량이 될 수 있다.

고주파 전력 공급 장치의 출력을 설정값으로 유지하기 위한 제어를 수행하는 경우, 제어기간에 검출되고 제어의 대상이 되는 고주파 전력의 레벨(순시값)을 설정값으로 유지하기 위한 제어는 수행되지 않지만 고주파 전력 공급 장치의 출력 레벨의 평균값을 검출하고 이 평균값을 설정값으로 유지하기 위한 제어는 수행된다. 이를 위한 방법으로, 고주파 전력 생성부를 제어하는 방법이 각 제어기간 동안 제어의 대상이 되는 고주파 전력의 레벨을 검출하고, 고주파 전력의 평균값으로서 최근 검출 데이터로부터 얻은 고주파 전력의 레벨의 이동 평균값을 고려하며, 이 평균값을 설정값으로 유지하기 위해 사용된다.

반도체 또는 액정과 같은 작업물(work piece)에 있어서 플라즈마를 사용하여 다양한 종류의 처리를 수행하는 플라즈마 처리 장치에서, 플라즈마는 처리실에 설치된 전극들 간에 고주파 전력을 적용하여 생성되고, 플라즈마에 바이어스 전력을 주기 위한 고주파 전력 공급 장치가, 처리의 소형화 및 증속(speedup)을 계획할 필요성으로 인해 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전력 외에 이온 에너지 제어 등의 제어와 같은 다양한 종류의 제어를 수행할 필요가 있다. 플라즈마를 생성하는 고주파 전력을 공급하기 위한 고주파 전력 공급 장치 및 바이어스를 위한 고주파 전력을 공급하는 고주파 전력 공급 장치는 상이한 주파수를 갖는다. 예컨대, 플라즈마를 생성하는 고주파 전력을 생성하기 위한 고주파 전력의 출력 주파수는 수십 내지 수백 MHz에 인접한 주파수 범위에 있으며, 바이어스를 위한 고주파 전력을 생성하기 위한 고주파 전력의 출력 주파수는 수십 kHz 내지 수 MHz의 비교적 낮은 주파수 범위에 있다. 도 7에 도시된 대로, 특허문헌 1에서, 상이한 출력 주파수를 가지는 제 1 및 제 2 고주파 전력 공급 장치(A, B)로부터의 전력을 플라즈마 부하(C)에 공급받기 위한 전력 공급 시스템이 도시된다.

플라즈마 부하(C)와 같은 부하에 고주파 전력을 공급하기 위한 전력 공급 시스템은, 비변조 연속 전압 파형을 갖는 고주파 전력을 부하(C)에 공급할 수 있거나 부하 측의 수요에 의해 펄스 파형을 통해 변조 전압 파형을 가지는 고주파 전력을 공급할 수 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 출원 공개 번호 2009-238516A

도 7에 도시된 바에 따라 제 1 고주파 전력 공급 장치(A) 및 제 2 고주파 전력 공급 장치(B)가 플라즈마 부하(C)에 전력을 동시에 공급하기 위해 설치되는 시스템에서, 출력 주파수가 f1(예컨대, f1=3.2MHz)이며 전압 V1이 연속 파형(비변조 파형)을 형성하는 대략 일정한 레벨의 고주파 전력은 도 8a에 도시된 바에 따라 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)에서 플라즈마 부하(C)로 공급될 수 있으며, 출력 주파수가 f2(예컨대, f2=60MHz)이며 고주파 전력이 주파수 f3(예컨대, f3은 10kHz 내지 90kHz)를 가지는 펄스 파형으로 변조되기 때문에 전압 V1의 레벨이 각 기간 T3(f는 1/f3)마다 변하는 고주파 전력은 도 8b에 도시된 바에 따라 제 2 고주파 전력 공급 장치(B)에서 플라즈마 부하(C)로 공급될 수 있다. 이 경우, 변동(저 주파수의 낮은 레벨 변화)이 연속 파형의 고주파 전력을 출력하는 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)의 출력의 평균값에서 일어날 수 있다.

도 7에 도시된 전력 공급 시스템에서, 연속 파형(비변조 파형)의 고주파 전력은 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)에서 플라즈마 부하(C)로 공급될 수 있으며, 펄스 변조된 고주파 전력은 제 2 고주파 전력 공급 장치(B)에서 플라즈마 부하(C)로 공급될 수 있다. 이 경우, 제 2 고주파 전력 공급 장치(B)에서 플라즈마 부하(C)에 주어진 고주파 전력의 변조된 주파수가 변할 경우, 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)의 출력을 설정값으로 유지하기 위한 출력제어의 정확도(accuracy)가 악화될 수 있다.

높은 정확도에서 반도체 등의 미세 처리를 수행하기 위해, 플라즈마 부하에 공급되는 고주파 전력의 평균값을 설정 값으로 유지하기 위한 제어를 높은 정확도에서 수행할 필요가 있으므로, 부하에 공급되는 고주파 전력(평균값)의 변화 또는 출력 제어의 정확도의 악화를 되도록 피할 필요가 있다.

도 7에 도시된 바에 따라, 본 발명에 따른 고주파 전력 공급 장치는, 고주파 전력을 부하(C)에 동시에 공급하는 복수의 고주파 전력 공급 장치들 사이에 연속 파형(비변조 파형)의 고주파 전력을 생성하는 고주파 전력 공급 장치이다.

본 발명의 목적은, 일정한 평균값을 가지는 연속 파형의 고주파 전력을 부하에 공급하는 고주파 전력 공급 장치에서 펄스 파형 등에 의해 변조되는 고주파 전력이 다른 고주파 전력 공급 장치에서 부하로 공급되는 경우, 제어의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값에서 변동이 발생되는 것을 방지하고, 출력 측으로부터 탐지되고 제어의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값을 일정하게 유지하기 위한 출력 제어의 수행을 통해 출력 제어의 정확도가 악화되는 것을 방지하는 것이다.

본 발명은 부하에 공급될 고주파 전력을 출력하도록 구성되는 고주파 전력 생성부, 및 고주파 전력 생성부의 출력 측에서의 제어의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값을 검출하고 고주파 전력의 검출된 평균값을 설정값에 유지하기 위해 고주파 전력 생성부를 제어하도록 구성되는 제어부를 포함하는 고주파 전력 공급 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 고주파 전력 공급 장치에서, 제어부는, 검출 타이밍으로서의 각 제어기간(Tc)에 오는 타이밍에서 제어의 대상이 되는 고주파 전력을 얻기 위해 검출의 대상이 될 필요가 있는 고주파 전력의 레벨의 검출 데이터를 얻고, 최근 n 검출 타이밍에서 얻어진 n 검출 데이터(n은 2 이상의 정수)로부터 검출의 대상이 되는 고주파 전력의 이동 평균값을 얻으며, 검출의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값으로서 이동 평균값을 설정하여 제어의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값을 검출하도록 구성되는 고주파 전력 검출부; 고주파 전력 생성부의 동작량으로서 고주파 전력 생성부로부터 출력된 고주파 전력의 레벨을 결정하기 위한 변수의 크기를 설정하고 고주파 전력 검출부에 의해 검출되고 제어의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값을 설정값에 유지할 필요가 있는 동작량을 계산하도록 구성되는 동작량 계산부; 및 각 제어기간에 동작량 계산부에 의해 계산되는 동작량에 고주파 전력 생성부에 주어질 제어 신호를 출력하도록 구성되는 제어 신호 출력부를 포함한다.

본 발명에 따라, 전력 변화기간 검출부는, 전력 변화기간(Tz)으로서 다른 고주파 전력 공급 장치로부터 부하에 주어지는 고주파 전력의 레벨의 주기적 변화로 인한 고주파 전력 생성부의 출력 측에서 검출되는 고주파 전력의 레벨 변화기간을 검출하도록 구성되며, 제어기간 설정부는 전력 변화기간 검출부에 의해 검출되는 전력 변화기간(Tz)에 따라 적정값에 제어기간(Tc)을 설정하도록 구성된다.

본 발명에 따라, 제어의 대상이 되는 고주파 전력은 진행파 전력 또는 진행파 전력으로부터 반사파 전력을 빼서 얻은 유효 전력이 될 수 있다. 검출의 대상이 되는 고주파 전력은 제어의 대상이 되는 고주파 전력에 의존하여 결정된다. 유효 전력이 제어의 대상이 되는 경우, 진행파 전력 및 반사파 전력은 검출의 대상이 되지만, 반면에 진행파 전력이 제어의 대상이 되는 경우 오직 진행파 전력만이 검출의 대상이 된다.

연속 파형을 가지는 고주파 전력이 고주파 전력 공급 장치에서 부하로 공급되는 경우에, 펄스 파형 등을 통해 고주파 전력의 변조로 인해 레벨이 주기적으로 변화되는 고주파 전력이 다른 고주파 전력 공급 장치로부터 부하에 적용된다면, 연속 파형을 갖는 고주파 전력을 출력하는 고주파 전력 공급 장치의 출력 측에서 검출되는 고주파 전력에서 주기적 레벨 변화가 일어난다. 상기 기재된 대로, 고주파 전력 공급 장치의 출력 측에서 검출되는 고주파 전력에서 주기적 레벨 변화가 일어나는 경우에, 제어기간이 레벨 변화기간(전력 변화기간)에 따른 적정 값을 가지지 않는다면, 변동은, 연속 파형(비변조 파형)을 가지는 고주파 전력을 출력하는 고주파 전력 생성장치의 출력에서 일어날 수 있다. 이러한 상태는 제어기간 및 전력 변화기간 사이의 차이가 간소한 차이일 때 발생한다. 해당 기술에서의 고주파 전력 공급 장치에 있어서, 제어기간이 일정하도록 설정되기 때문에, 다른 고주파 전력 공급 장치에서 부하로 공급되는 고주파 전력의 변조 주파수가 변화되어서 고주파 전력 생성부의 출력 측으로부터 검출되는 고주파 전력에서 일어나는 레벨 변화의 기간(Tz)이 변할 때 제어기간(Tc)의 값은 때때로 전력 변화기간(Tz)의 값에 접근한다면, 변동은 고주파 전력 생성부의 출력에서 일어날 수 있다.

본 발명에 따라, 전력 변화기간 검출부는, 전력 변화기간(Tz)으로서 다른 고주파 전력 공급 장치로부터 부하에 주어지는 고주파 전력의 레벨의 주기적 변화로 인한 고주파 전력 생성부의 출력 측에서 검출되는 고주파 전력의 레벨 변화기간을 검출하도록 구성되며, 제어기간 설정부는 검출된 전력 변화기간(Tz)에 따라 적정값에 제어기간(Tc)을 설정하도록 구성되므로, 제어기간(Tc)은 전력 변화기간(Tz)에 대한 적정값으로 설정될 수 있으며 제어기간과 전력 변화기간이 서로 근접해 지는 것이 방지된다. 따라서, 연속 파형을 가지는 고주파 전력을 출력하는 고주파 전력 생성장치의 출력에서 변동이 일어나는 것이 방지된다. 게다가, 제어기간은 고주파 전력 검출부에 의해 검출되는 고주파 전력의 이동 평균값과 참 평균값 간 오류를 줄이기 위해 설정될 수 있으므로, 출력제어의 정확도의 악화는 방지될 수 있다. 본 기재에서, 제어기간의 "적정값"은 단일값(sole value)을 의미하기보다는, 고주파 전력의 이동 평균값과 참 평균값 간의 오류가 허용가능한 범위 내에서 유지될 수 있는 적정 범위 내에 포함되는 평균값을 의미한다.

제어기간(Tc)의 적정값은, 산술평균을 계산하기 위해 필요한 데이터의 수(ns; 필수 데이터의 수)와 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 검출 데이터의 수(n) 사이의 관계에 주의하거나 산술 평균값을 계산하기 위해 필요한 데이터의 수(ns)와 동일한 수의 검출 데이터를 얻기 위해 필요한 시간(ns×Tc)과 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 n 검출 데이터를 얻기 위해 필요한 시간(n×Tc) 사이의 관계에 주의함으로써 정확하게 설정될 수 있다.

각 제어기간(Tc)에 전력 변화기간(Tz)에서 변화되는 고주파 전력의 레벨을 검출하고 고주파 전력의 레벨 변화의 k 사이클에 걸친 산술 평균값을 계산할 필요가 있는 데이터의 수(ns; 필수 데이터의 수)는 등식 ns=k×{Tz/｜m·Tz-Tc｜}(여기서, m은 1 이상의 정수이며 mTz≠Tc)에 의해 얻어질 수 있다.

출력 제어를 정확하게 수행하기 위해, 고주파 검출부에 의해 검출되는 고주파 전력의 이동 평균값과 참 평균값(산술 평균값) 간의 차이를 되도록 줄일 필요가 있다. 레벨이 전력 변화기간(Tz)에서 변화되는 고주파 레벨의 검출을 통해 n 검출 데이터로부터 고주파 전력의 이동 평균값을 계산하는 경우, 상기 기재된 등식에 의해 계산되는 필수 데이터의 수(ns)가 이동 평균값(n=ns)을 계산하기 위해 사용되는 검출 데이터의 수(n)와 일치하거나 이동 평균값 및 참 평균값 사이의 오류를 줄이기 위해 n과 ns 사이의 차이는 작은 것이 바람직하다. 게다가, 이동 평균값과 참 평균값 사이의 오류를 줄이기 위해, 이동 평균값을 계산하기 위해 필요한 시간(n×Tc)과 ns 검출 데이터를 얻기 위해 필요한 시간(ns×Tc) 사이의 차이는 바람직하다.

상기 기재된 등식에서 명백히 나타나듯이, 고주파 전력의 k 사이클의 레벨 변화의 산술 평균값을 정확하게 계산하기 위하여, 고주파 전력의 레벨 변화(전압 변화기간(Tz))의 k 사이클의 파형에 관하여 획득될 필요가 있는 검출 데이터의 수(ns)는 제어기간(Tc)과 전력 변화기간(Tz)의 함수가 되므로, 등식 n×Tc=ns×Tc를 충족시키는 제어기간의 값은 전력 변화기간(Tz)의 값의 변화에 따라 변화된다. 따라서, 이동 평균값과 참 평균값 사이의 오류를 줄이기 위해, 제어기간(Tc)의 값을 전력 변화기간(Tz)의 값에 따른 적정값에 설정할 필요가 있다. 게다가, 제어기간(Tc)은 고주파 전력 생성부의 출력의 평균값을 설정값에 유지하기 위한 출력 제어의 제어 특성에 영향을 미쳐서, 제어기간(Tc)의 값을 출력 제어의 허용가능한 범위 내의 값에 설정할 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 선호되는 양상에서, 제어기간 설정 수단은, n 검출 데이터를 사용하여 계산되는 고주파 전력의 이동 평균값과 고주파 전력의 참 평균값 사이에서 일어나는 오류가 허용가능한 범위 내에서 유지될 수 있는 범위 내의 값인 적정값으로 설정하여, n 검출 데이터를 얻기 위해 필요한 시간은 고주파 전력 생성부를 제어하는데 있어서 허용되는 상한 시간보다 낮거나 동일하게 유지될 수 있다.

본 발명의 다른 양상에서, 제어기간 설정수단이 전력 변화기간 검출부에 의해 검출되는 전력 변화기간에 따라 제어기간의 적정값을 설정하여, 고주파 전력 검출부는, 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 최근 n 검출 데이터를 얻기 위해 요구되는 시간(n×Tc)을 n 검출 데이터를 사용하여 계산되는 고주파 전력의 이동 평균값과 고주파 전력의 참 평균값 사이에서 발생하는 오류가 허용가능한 범위 내에서 유지될 수 있는 시간에 설정한다.

본 발명의 다른 양상에서, 제어기간 설정수단이 제어기간의 적정값을 설정하여, 고주파 전력 검출부가, 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 최근 n 검출 데이터를 얻기 위해 요구되는 시간(n×Tc)과 각 제어기간(Tc)에서 전력 변화기간(Tz)(여기서, m·Tz≠Tc, m은 1 이상의 정수)에 레벨이 변화하는 고주파 전력의 레벨을 검출하여 얻어지는 검출 데이터를 사용하는 고주파 전력의 k사이클(k는 1 이상의 정수)의 레벨 변화의 산술 평균값을 계산하기 위해 필요한 ns 검출 데이터를 얻기 위해 요구되는 시간(ns×Tc) 사이의 시간차

T(=Tc×｜n-ns｜)를 n 검출 데이터를 사용하여 계산된 고주파 전력의 이동 중간값과 고주파 전력의 참 중간값 사이에서 발생하는 오류가 허용가능한 범위 내에 유지될 수 있는 범위에서의 시간차로 설정한다.

본 발명의 다른 양상에서, 제어기간 설정수단이 제어기간의 적정값을 설정하여, 고주파 전력 검출부가, 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 최근 n 검출 데이터를 얻기 위해 요구되는 시간(n×Tc)과 각 제어기간(Tc)에서 전력 변화기간(Tz)(여기서, Tz≠Tc)에 레벨이 변화하는 고주파 전력의 레벨을 검출하여 얻어지는 검출 데이터를 사용하는 고주파 전력의 k사이클(k는 1 이상의 정수)의 레벨 변화의 산술 평균값을 계산하기 위해 필요한 ns 검출 데이터를 얻기 위해 요구되는 시간(ns×Tc) 사이의 시간차

T(=Tc×｜n-ns｜)를 허용가능한 범위 내에서 유지한다.

T(=Tc×｜n-ns｜)를 최소화한다.

제어기간 설정 수단이 구성되고 제어기간의 적정값이 개별 양상에 따라 상기 기재된 바에 따르는 전력 변화기간에 따라 설정될 경우, 고주파 전력 검출부에 의해 검출되는 고주파 전력의 이동 평균값과 참 평균값 사이의 오류는 줄어들 수 있다. 따라서, 고주파 전력의 이동 평균값은 참 평균값(true average value)의 위쪽 또는 아래쪽 측면으로 치우치도록 변하여, 출력 제어의 정확도는, 고주파 전력 생성부의 출력에서 발생하는 변동 또는 고주파 전력 검출부에 의해 검출되는 이동 평균값과 참 평균값 사이에서 발생하는 오류의 증가로 인해 악화되는 것이 방지된다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 제어기간 설정수단은, 검출 전력 변화기간과 제어기간 사이의 관계에 주어지는 맵을 사용하여 제어기간의 적정값을 계산하도록 구성된다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 제어기간 설정수단은, 고주파 전력 생성부의 출력 제어에서 제어기간에 의해 취해질 수 있는 값의 범위 내에 제어기간의 적정값을 설정하도록 구성된다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 제어기간 설정수단은, 제어기간의 적정값이 제어기간에 의해 취해질 수 있는 값의 범위에 존재하지 않을 경우, 시간의 경과에 따라 제어기간에 의해 취해질 수 있는 값의 범위 내에서 제어기간을 변경하도록 구성된다.

상기 기재된 대로, 시간의 경과에 따라 설정범위 내에서 제어기간을 변경하여 제어기간의 적정값이 설정범위에 존재하지 않을 경우, 고주파 검출부가 이동 중간값을 계산하기 위해 사용하는 n 검출 데이터가, 고주파 전력의 k 사이클의 레벨 변화 파형의 부분의 레벨들만 검출하여 얻어지는 데이터 그룹으로 구성되는 것이 방지될 수 있어서, 이 n 검출 데이터가 예외없이 k 사이클의 레벨 변화 파형의 각 부분의 레벨을 검출하여 얻어지는 검출 데이터가 될 수 있다. 따라서 고주파 전력 검출부에 의해 검출된 이동 평균값과 참 평균값 사이의 오류는 감소할 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따라, 고주파 전력의 k 사이클(k는 1 이상의 정수)의 레벨 변화의 산술 평균값을 계산하기 위해 필요한 데이터의 수(ns)는 등식ns=k×{Tz/｜m·Tz-Tc｜}(여기서, m은 1 이상의 정수이며 mTz≠Tc)에 의해 계산된다.

상기 기재된 대로, 본 발명에 따라, 연속 파형의 고주파 전력을 출력하는 고주파 전력 생성부의 출력단에서 검출되는 고주파 전력에서 발생하는 레벨 변화의 기간이, 다른 고주파 전력 공급 장치에서 부하로 주어지는 고주파 전력의 주기적 레벨 변화를 통해 전력 변화기간으로서 검출되므로, 제어기간의 적정값은 검출된 전력 변화기간에 따라 설정된다. 따라서, 출력 제어를 수행하는 고주파 전력 검출부에 의해 검출되는 이동 평균값이 참 평균값의 위쪽을 향해 치우치는 상태와 이동 평균값이 참 평균값의 낮은 측으로 치우치는 상태의 교호 반복의 발생을 방지하기 위해, 제어기간의 값이 설정되어서, 연속 파형을 갖는 고주파 전력을 출력하는 고주파 전력 생성 장치의 출력에서 변동이 발생되는 것이 방지될 수 있다. 게다가, 본 발명에 따라, 제어기간이, 고주파 전력 검출부에 의해 검출된 이동 평균값과 참 평균값 사이의 오류를 줄이도록 설정될 수 있으므로, 출력 제어의 정확도의 악화는 방지된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 고주파 전력 공급 장치의 구성을 도식적으로 도시하는 블록도이다.
도 2는 다른 고주파 전력 공급 장치가 도 1에 도시된 고주파 전력 공급장치에 영향을 주는 상태를 시뮬레이션하기 위해 시뮬레이트 된 신호가 입력되는 상태를 도시하는 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 고주파 전력 공급 장치의 고주파 전력 생성부에 설치된 DC 전력 공급부의 구성 예를 도시하는 회로도이다.
도 4는 다른 고주파 전력 공급 장치의 출력의 레벨 변화가 고주파 전력 공급 장치에 영향을 미치는 경우 출력의 평균값에서 발생하는 변동 현상을 설명하기 위해 사용되는 파형도이다.
도 5a 내지 도 5c는 관련 기술에서, 다른 전력 공급 장치로부터 부하에 주어지는 펄스 변조 고주파 전력의 레벨 변화가 고주파 전력 공급 장치에 영향을 미치는 상태를 시뮬레이션하기 위해 시간의 경과에 따라 고주파 전력 공급 장치의 출력 측에 상이한 주파수를 갖는 시뮬레이트된 신호가 입력되는 경우에 관찰되는 출력 레벨의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따라, 다른 전력 공급 장치로부터 부하에 주어지는 펄스 변조 고주파 전력의 레벨 변화가 고주파 전력 공급 장치에 영향을 미치는 상태를 시뮬레이션하기 위해 시간의 경과에 따라 고주파 전력 공급 장치의 출력 측에 상이한 주파수를 갖는 시뮬레이트된 신호가 입력되는 경우에 관찰되는 출력 레벨의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 7은 2개의 상이한 출력 주파수와 전압 파형을 갖는 2개의 고주파 전력 공급 장치가 고주파 전력을 플라즈마 부하에 공급하는 상태를 도시하는 블록도이다.
도 8a는 제어의 대상이 되는 고주파 전력 공급 장치로부터 출력되는 고주파 전력의 비변조 파형의 예를 도식적으로 도시한 파형도이며, 도 8b는 고주파 전력 공급 장치에서 부하로 주어지는 고주파 전력의 변조 파형의 예시를 도식적으로 도시한 파형도이다.

이제, 본 발명의 구체적인 실시예가 동반하는 도면에 따라 명확하게 기재될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 고주파 전력 공급 장치의 구성을 도식적으로 도시하는 블록도이다. 도면에서, 1은 상용 전력 공급을 나타내고, 2는 상용 전력 공급(1)의 출력 DC 출력으로 전환하고 출력 레벨이 가변적인 DC 전력 공급부를 나타내며, 3은 전력 공급 전압으로서 DC 전력 공급부(2)로부터 얻어지는 DC 전압을 사용하여 부하에 공급되는 고주파 전력의 주파수와 동일 주파수를 갖는 고주파 신호를 증폭하고, 고주파를 출력하는 고주파 전력 증폭부를 나타낸다. DC 전력 공급부(2)와 고주파 전력 증폭부(3)는 부하에 공급될 고주파 전력을 생성하는 고주파 전력 생성부(4)를 구성한다.

도시된 바에 따르면, DC 전력 공급부(2)는 상용 전력 공급(1)에서 얻어진 AC 전압을 정류하는 정류 회로(201), 정류 회로(201)의 출력을 AC 출력으로 변환하는 인버터(202) 및 인버터(202)의 출력을 정류하고 평활하는 정류 및 평활 회로(203)를 포함한다.

도 3에서 도시된 바에 따르면, 인버터(202)는, 각각 온/오프 제어되게 공통적으로 연결되는 한쪽 단부를 가지는 반도체 스위치 소자(Su, Sv)와 이 스위치 소자(Su, Sv)에 역병렬로 연결되는 리턴 다이오드(Du, Dv)로 구성되는 브리지의 상단(upper stage)과 스위치 소자(Su, Sv)의 다른 단부에 연결된 한쪽 단부와 공통적으로 연결된 다른 단부를 각각 가지는 스위치 소자(Sx, Sy)와 스위치 소자(Sx, Sy)에 역병렬로 연결되는 리턴 다이오드(Dx, Dy)로 구성된 브리지의 하단(lower state)을 가지는 풀 브리지 형 스위치 회로와, 스위치 소자(Su, Sx)의 연결점과 스위치 소자(Sv, Sy)의 연결점에서 유래한 스위치 회로의 AC 출력단(2u, 2v) 사이에 연결된 1차 코일을 가지는 출력 변환기(TR)를 포함한다. 도시된 인버터에서, 입력 단자(2a, 2b)는 스위치 소자(Su, Sv)의 공통 연결점과 스위치 소자(Sx, Sy)의 공통 연결점에서 유래하며, 정류 회로(201)에서 출력된 Dc 전압(Vdc)은 입력 단자 사이에 입력된다.

도 3에 도시된 인버터(202)는, 각각 사선 위치에 있는 스위치 소자(Su, Sy)와 스위치 소자(Sv, Sx)를 교호로 점등하여 DC 전압(Vdc)을 AC 전압으로 변환한다. 미리 결정된 듀티비로, 동일 인버터의 브릿지의 상단을 구성하는 스위치 소자(Su, Sv)와 브릿지의 하단을 구성하는 스위치 소자(Sx, Sy)의 온/오프를 수행하여 인버터(202)의 출력이 PWM 제어된다. 동작량으로서 이 PWM 제어의 듀티비를 변화시켜, 인버터(202)의 출력은 적절히 변화될 수 있다.

정류 및 평활 회로(203)는, 예컨대, 도 3에 도시된 대로, 변환기(TR)의 제 2 측으로부터 얻은 인버터의 AC 출력을 정류하는 정류기(Rec) 및 초크 코일(Lc)을 통해 정류기(Rec)의 출력 단말들 사이에 연결되는 평활 커패시터(smoothing capacitor; Cs)를 포함하고, 평활 커패시터(Cs)의 양 단부에 DC 전압(Vdc)을 출력한다.

고주파 전력 증폭부(3)는 증폭 소자로서 전력 MOSFET나 바이폴라 전력 트랜지스터를 가지는 증폭 회로로 구성된다. 고주파 전력 증폭부(3)는 부하에 공급되는 고주파 전력과 동일한 주파수를 가지는 고주파 신호를 생성하는 고주파 신호 공급원(도시 없음)으로부터 얻은 고주파 신호를 증폭하고, 미리 정해진 주파수를 가지는 고주파 전력을 출력한다. 이 실시예에서, 고주파 전력 증폭부(3)는, 동작량으로서 인버터(202)의 PWM 제어의 듀티비를 변화시키는 것을 통해 DC 전력 공급부(2)의 출력 전압(고주파 전력 증폭부(3)의 전력 공급 전압)을 조절함으로써 고주파 전력 생성부(4)에서 출력된 고주파 전력의 출력값을 변화시킨다.

고주파 전력 생성부(4)에서 출력된 고주파 전력은, 고주파 전력의 기본 주파수 성분만을 통과하는 저역 통과 필터(도시 없음), 방향성 결합기(5), 임피던스 정합부(6) 및 50인 특성 임피던스를 갖는 전송 선로(transmission line)를 통해 플라즈마 부하와 같은 부하(7)에 공급된다. 임피던스 정합부가 임피더스 정합을 완전히 취하지 못할 때, 방향성 결합기(5)는 고주파 전력 생성부(4)에서 부하(7)로 공급되는 진행파 전력의 한 부분(Pf')과 부하(7)에서 반사되고 되돌아오는 반사파 전력의 한 부분(Pr')을 분기하여 출력한다.

제어부(8)는 고주파 전력 생성부(4)의 출력을 제어하도록 설치된다. 도시된 제어부(8)는 고주파 전력 검출부(801), 듀티비 계산부(동작량 계산부; 802), 제어 신호 출력부(803) 및 고주파 전력 검출부(801)가 검출 동작을 수행하는 타이밍과 제어 신호 출력부(803)가 제어 신호를 출력하는 타이밍을 제어하는 타이밍 제어기(804)를 포함한다.

고주파 전력 검출부(801)는, 각 설정제어기간에 오는 타이밍인 검출 타이밍에서 고주파 전력 생성부(4)의 출력 측에 방향성 결합기(5)의 출력에서 검출의 대상이 되는 고주파 전력의 레벨을 검출하며, 검출의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값으로서 이렇게 오는 검출 타이밍을 포함하는 최근 n(n은 2 이상의 정수) 검출 타이밍에서 검출되는 n 검출 데이터에서 계산되는 이동 평균값을 얻고, 검출의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값으로부터 제어의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값을 검출한다. 이동 평균값을 계산하기 위해 고주파 전력 검출부(801)가 사용하는 검출 데이터의 수(n)는 2 이상의 정수이며, 이 수는 출력 제어의 제어특성을 먼저 고려하여 적정값으로서 설정된다. 각 제어기간(Tc)에서 검출 데이터를 얻는 경우, n×Tc의 시간은 미리 정해진 수(n)의 검출 데이터를 얻기 위해 필요하다.

듀티비 계산부(동작량 계산부; 802)는, 고주파 전력 생성부의 동작량으로서 고주파 전력 생성부로부터 출력된 고주파 전력의 레벨을 결정하기 위한 변수의 크기를 설정하고, 고주파 전력 검출부에 의해 검출되고 제어의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값을 설정값으로 유지하는데 필요한 동작량을 계산한다.

제어 신호 출력부(803)는, 고주파 전력생성부에 주어진 제어 신호를 각 설정제어기간에 출력하여, 동작량 계산부(802)에 의해 계산되는 동작량으로서 고주파 전력 생성부(4)의 동작량을 취한다.

고주파 전력 생성부(4)의 동작량은 가변적이거나 고주파 전력 생성부(4)에서 출력된 고주파 전력의 크기를 결정하는 가변율(variable rate)이 될 수 있다. 고주파 전력 생성부(4)가 DC 전력 공급부(2)와 고주파 전력 증폭부(3)로 구성되는 경우, 고주파 DC 전력 공급부의 출력이나 고주파 전력 증폭부(3)의 이득을 결정하는 가변율은 고주파 전력 생성부의 동작량으로 간주될 수 있다. 예컨대, 이 실시예에서, DC 전력 공급부(2)가 상용 전력 공급의 AC 출력을 DC 출력으로 정류하는 정류 회로(201), 정류 회로(201)의 출력을 AC 출력으로 변환하는 인버터(202), 인버터(202)의 출력을 정류하고 평활하는 정류 및 평활 회로(203)를 포함하며, 인버터(202)의 PWM 제어를 통해 DC 출력 전압을 조절하여 고주파 전력 증폭부(3)의 출력을 조절하도록 구성되는 경우, PWM 제어의 듀티비는 고주파 전력 생성부(4)의 동작량으로서 간주될 수 있다.

이러한 경우에, 동작량 계산부(802)는 고주파 전력 검출부(801)에 의해 검출되고 제어의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값을 동작량으로서 설정값에 유지시키는데 필요한 인버터의 PWM 제어의 듀티비를 계산하고, 제어 신호 출력부(803)는 계산된 듀티비로 인버터(202)의 PWM 제어를 수행하기 위해 인버터(202; 인버터를 구성하는 스위치 소자를 온/오프하는 신호)에 주어진 제어 신호를 각 설정제어기간에 출력한다.

이 실시예에서, DC 전력 공급부(2)의 출력 전압을 결정하는 인버터(202)의 PWM 제어의 듀티비는 고주파 전력 생성부의 동작량으로서 고려되며, 진행파 전력(Pf)으로부터 반사파 전력(Pr)을 빼서 얻어진 유효 전력이 제어의 대상이 되는 고주파 전력으로 간주된다. 따라서, 고주파 검출부(801)는 검출의 대상이 되는 반사파 전력(Pr)과 진행파 전력(Pf) 양쪽을 설정하고, 각 제어기간에 개별 전력의 이동 평균값을 검출하며, 진행파(Pf)의 이동 평균값으로부터 반사파 전력의 이동 평균값의 빼기를 통해 제어의 대상이 되는 유효전력의 이동 평균값을 얻는다.

계산된 듀티량으로 DC 전력 공급부(2)의 인버터(202)의 출력의 PWM 제어를 수행하기 위해, 제어 신호 출력부(803)는, 인버터(202)의 브리지 상단의 스위치 소자(Su, Sv)와 인버터의 브리지 하단의 스위치 소자(Sx, Sy)의 제어 단자에 계산된 듀티비로 인버터(202)의 출력을 단속하기 위한 제어 신호를 제공한다. 따라서, DC 전력 공급부(2)의 출력 전압의 조정을 통하여, 설정값의 동일 평균값을 가지는 고주파 전력은 고주파 전력 증폭부(3)에서 출력된다.

고주파 전력 생성부(4)로부터 부하에 주어지는 진행파 전력(Pf)이 제어의 대상이 되는 경우, 고주파 전력 검출부(801)가 반사파 전력(Pr)을 검출할 필요는 없다.

타이밍 제어기(804)는 고주파 전력 검출부(801)가 검출 동작을 수행하는 타이밍과 제어 신호 출력부(803)가 제어 신호를 출력하는 타이밍을 제어한다.

도 7에 도시된 대로, 인버터는 제 1 고주파 전력 공급 장치(A) 및 제 2 고주파 전력 공급 장치(B)를 설치하고, 고주파 전력 공급 장치에서 플라즈마 부하(C)로 동시에 전력을 공급하기 위한 전력 공급 시스템에 따라 다양한 분석을 수행하여 이하의 사항들을 명시한다.

(a) 대략 일정한 평균값을 가지는 연속 파형의 고주파 전력이 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)에서 부하(C)로 공급되는 경우, 펄스 파장 등을 통해 고주파 전력의 변조로 인해 레벨이 주기적으로 변하는 고주파 전력이 제 2 고주파 전력 공급 장치(B)에서 부하(C)로 공급된다면, 진행파 전력과, 제 2 고주파 전력 공급 장치(B)에서 부하(C)로 주어지는 고주파 전력의 레벨의 주기적 변화로 인해 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)의 고주파 전력 검출부에서 검출되는 반사파 전력에서 주기적 레벨 변화가 발생한다.

(b) 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)의 출력 제어의 제어기간과 레벨 변화의 기간 사이의 차이가 간소한 차이이고, 고주파 전력의 평균값이 전력 변화 기간(Tz)에서 레벨이 변하는 고주파 전력의 레벨을 각 제어기간(Tc)에 검출함으로써 얻어지는 검출 데이터로부터 계산되는 경우, 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)의 출력 측으로부터 검출되는 고주파 전력의 1 사이클의 레벨 변화의 산술 평균값(참 평균값)을 정확하게 계산하기 위해 필요한 검출 데이터의 수(ns)가 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)의 고주파 전력 검출부에서 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 검출 데이터의 수(n; n은 미리 결정됨)에 비해 훨씬 커져서, 고주파 전력의 레벨 변화의 1 기간의 파형의 일부에 대한 검출 데이터만이 대응하는 고주파 전력 검출부를 통해 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 n 검출 데이터에 포함될 수 있다. 각 제어기간에 고주파 전력 검출부에 의해 검출되는 고주파 전력의 이동 평균값이 참 평균값의 위쪽으로 치우치는 상태와 이동 평균값이 참 평균값의 아래쪽으로 치우치는 상태는 저 주파수에서 반복된다.

(c) 상기 기재된 대로, 각 제어기간에 제1 고주파 전력 공급부(A)의 고주파 전력 검출부에 의해 검출되는 고주파 전력의 이동 평균값이 참 평균값의 위쪽으로 치우치는 상태와 이동 평균값이 참 평균값의 아래쪽으로 치우치는 상태가 저 주파수에서 반복될 경우, 저 주파수의 레벨 변화(변동)가 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)의 고주파 전력 생성부의 출력의 평균값에서 발생한다.

(d) 상기 기재된 대로, 제 2 고주파 전력 공급 장치(B)가 부하(C)에 제공하는 고주파 전력의 변조된 주파수가 변하고 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)의 고주파 전력 생성부의 출력 측에서 검출되는 고주파 전력의 레벨 변화기간이 변하면, 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)의 고주파 전력 검출부에 의해 검출되는 고주파 전력의 이동 평균값 사이의 오류가 커져서, 출력 제어의 정확도가 악화될 수 있다.

상기 기재된 사항을 기초로 하여 다양한 실험을 수행한 결과, 발명자는, 제어기간이 전력 제어에 전혀 영향을 미치지 않는 범위에서 제어기간의 적절한 변화를 통해 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)의 제 1 고주파 전력 생성부의 출력 측으로부터 검출되는 고주파 전력의 주기적 레벨 변화(전력 변화기간)의 기간에 따른 적정값에 설정된다면, 제어기간과 전력 변화기간 사이의 차이가 적정 크기로 설정될 수 있어서, 고주파 전력 검출부에 의해 검출되는 고주파 전력의 이동 평균값이 참 평균값의 위쪽으로 또는 아래쪽으로 치우치도록 변화되는 현상으로 인해 출력에서 변동이 발생하는 것을 방지하고, 고주파 전력 검출부에 의해 검출되는 이동 평균값과 참 평균값 사이의 오류가 증가하여 출력 제어의 정확도가 악화되는 것을 방지한다는 것을 발견했다.

도 7에 도시된 전력 공급 시스템에서, 도 8a에 도시된 대로 그 평균값이 일정한 비변조 연속 전압 파형의 고주파 전력이, 제 2 고주파 전력 공급 장치(B)로부터 펄스 변조 전압 파형의 고주파 전력이 도 8b에 도시된 대로 공급되는 플라즈마 부하(c)로 동시에 공급된다고 가정된다. 이런 경우에, 도 8b에 도시된 대로, 제 2 고주파 전력 공급 장치(B)에서 부하(C)에 적용되는 고주파 전압은 "높은" 기간과 "낮은" 기간이 교호로 반복되는 파형을 가지며, "높은" 기간과 "낮은" 기간에서의 고주파 전력의 레벨은 서로 상이하다. 펄스 변조 고주파 전력을 플라즈마 부하와 같은 부하(C)에 공급하는 경우, 부하(C)의 임피던스는 변조 고주파 전력의 레벨 변화에 따라 주기적으로 변화된다. 이것으로 인해, 일정한 평균값을 가지는 비변조 고주파 전력을 생성하는 고주파 전력 공급 장치(A)의 출력단에서 나타나는 부하의 임피던스는 주기적으로 변하고, 고주파 전력 공급 장치(A)의 출력단에서 검출되는 진행파 전력(Pf)과 반사파 전력(Pr)의 레벨은 주기적으로 평균값 이상이나 이하로 변한다. 이런 경우에, 특히, 반사파 전력(Pr)은 상당한 레벨 변화를 보인다.

제 2 고주파 전력 공급 장치(B)로부터 플라즈마 부하(C)에 주어지는 고주파 전력이 펄스 파형에 의해 변조된다면, 도 8b에 도시되는 대로 제 2 고주파 전력 공급 장치(B)로부터 부하(C)에 적용되는 고주파 전압(V2)은 엔벨로프(envelope)가 직사각형을 형성하는 파형이 된다. 그러나 반응지연 등의 관계로 인하여 실제 고주파 전압의 엔벨로프의 파형은 완전한 직사각형이 되지는 않지만, 사인 파형(sine waveform)에 가까운 파형이 된다. 이러한 영향 하에서, 제 1 고주파 전력 공급 장치(A)의 고주파 전력 생성부(4)의 출력단에서 검출된 반사파 전력(Pr) 및 진행파 전력(Pf)의 전압 레벨(V1)의 변화된 파형은 사인 파형에 가까운 파형이 된다. 따라서, 이 실시예에서, 다른 고주파 전력 공급 장치(B)에서 부하(C)로 주어지는 변조 고주파 전력의 영향으로 인해, 고주파 전력 생성부(4)의 출력단에서 검출되는 반사파 전력(Pr) 및 진행파(Pf)의 레벨이 참 평균값(Po)을 오르내리는 사인 파형의 형태로 변화되는 파형을 형성한다.

상기 기재된 대로, 고주파 전력 검출부(801)는 매 설정제어기간(Tc)에 오는 각 검출 타이밍에 검출의 대상이 되는 고주파 전력의 레벨을 검출하고, 최근 n 검출 타이밍에서의 n(n은 2 이상의 정수) 검출 데이터로부터 이동 평균값을 얻고, 검출의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값으로서 이동 평균값을 검출한다.

또한, 이 실시예에서 사용되는 고주파 전력 검출부(801)는 위에서 기재된 대로 검출된 진행파 전력(Pf)의 검출된 값으로부터 반사파 전력(Pr)의 평균값을 빼는 것을 통해 제어의 대상이 되는 고주파 전력의 유효 전력의 평균값을 계산하고, 듀티비 계산부(802)에 대한 유효전력의 계산된 평균값을 제공한다.

듀티비 계산부(802)는 고주파 전력 생성부(4)의 인버터(202)의 PWM 제어의 듀티비를 동작량으로서 계산하여, 제어의 대상이 되고 각 제어 기간(Tc)에 고주파 전력 검출부(801)에 의해 검출되는 고주파 전력의 평균값과 전력 설정값 사이의 편차(deviation)는 제로가 된다. 제어 신호 출력부(803)는 각 제어기간(Tc)에서 고주파 전력 생성부(4)에 제어 신호를 제공하여, 고주파 전력 생성부(4)의 동작량은 듀티비 계산부(802)에 의해 계산되는 동작량이 된다. 따라서, 듀티량 계산부(802)는 제어의 대상이 되는 고주파 전력(이 예시에서, 진행파 전력(Pf)에서 반사파 전력(Pr)을 빼서 얻어지는 유효 전력)의 출력값(개별 제어 기간(Tc) 사이에서 검출되는 복수의 순시값의 평균값)을 유지하기 위한 제어를 수행한다.

발명자는, 방향성 결합기(5)의 진행파 전력(Pf')을 출력하는 출력 포트 및 반사파 전력(Pr')을 출력하는 포트에 의사 신호 생성기(30)를 연결하고, 방향성 결합기(5)에 의해 검출되는 진행파 전력(Pf') 및 반사파 전력(Pr')에, 다른 고주파 전력 공급 장치(B)로부터 부하(C)에 주어지는 고주파 전력의 펄스 변조 파형의 주파수와 동일한 주파수를 가지는 사인 파형의 의사 신호를 중첩(superimposing)하여, 다른 고주파 전력 공급 장치(B)로부터 부하에 펄스 변조 고주파 전력이 공급되는 상태를 시뮬레이션하는 실험을 수행했다. 이러한 실험에서, 제어기간의 미세 변화를 통한 다양한 시험의 결과, 제어기간(Tc) 및 전력 레벨 변화 기간(Tz) 간에 약간의 차이가 있는 경우 고주파 전력 생성부(4)의 출력의 평균값에 변동이 발생했음이 명확해졌다. 이하에서, 검사 결과가 자세히 개시될 것이다.

도 4에서, 검출의 대상이 되는 고주파 전력(이 실시예에서, 진행파 전력(Pf') 및 반사파 전력(Pr')) 의 레벨은 제어기간(Tc)이 경과할 때마다 오는 각 검출 타이밍에서 검출되고, 가장 최근 검출 데이터를 포함하는 최근 n(n은 2 이상의 정수) 검출 타이밍의 평균값(이동 평균값)은 검출의 대상이 되는 고주파 전력의 평균값으로서 검출된다. 게다가, 일반적으로, 개별 검출 타이밍에 검출된 검출 데이터는 가장 최근 검출 데이터가 되며, 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 검출 데이터의 수(n)와 이동 값의 계산을 수행하는 사이클의 수(k)가 충분히 크게 설정되는 경우, 바로 전의 검출 타이밍에 검출된 검출 데이터는, 예컨대, 가장 최근 검출 데이터가 될 수 있다.

여기서, 도 4에 도시된 대로, 제어기간(Tc)이 전력 레벨(Tc와 Tz의 차이는 근소한 차이다)의 변화기간(Tz; 상기 기재된 주파수(f3)의 변조 신호의 기간(T3)과 동일한 기간)보다 약간 더 길게 설정된다고 가정하면, 검출 타이밍은 도 4에 도시된 대로 검출 수가 반복될 때마다 오른쪽으로 조금씩 옮겨져서 각 검출 타이밍에서 고주파 전력 검출부(801)가 검출하는 고주파 전력의 레벨(Px)과 평균값(Po) 간의 차이

Px(=Px-Po, x=1, 2, 3,..., 및 n)는 검출 수가 반복될 때마다 평균값의 위쪽을 향해 치우치도록 조금씩 변한다. 이러한 경우에, 1 사이클의 레벨 변화를 감지하기 위해 필요한 검출 데이터의 수(ns)가 상당히 커지므로, 즉, ns>>n이므로, 레벨 변화된 고주파 전력의 평균값을 정확하게 계산하는데 필요한 검출 데이터는 고주파 전력의 이동 평균값을 계산하는데 사용되는 n 검출 데이터에 포함되지 않는다.

도 4에 도시된 예시에서, 고주파 전력의 이동 평균값이 (P1+P2+...+Pn)로서 주어지고, 검출 데이터(P1, P2....)가 참 평균값(Po)의 위쪽으로 치우치므로, 계산된 이동 평균값(Po')은 평균값(Po)보다 큰 값을 나타낸다. 이동 평균값을 계산하는데 사용되는 n 검출 데이터를 얻기 위한 단계가 시간의 경과에 따라 도 4에서 오른쪽 방향으로 서서히 이동되기 때문에, 이동 평균값(Po')의 값이 또한 시간의 경과에 따라 변할 수 있다. 값이 특정 포인트로 변경되면, 이동 평균값(Po')은 참 평균값(Po)의 낮은 측을 항해 치우치는 값을 나타낸다.

그에 반해서, 제어기간(Tc)이 전력 레벨의 변화기간(Tz)보다 다소 짧은 경우, 각 검출 타이밍에서 고주파 전력 검출부(801)가 검출하는 고주파 전력의 레벨(Px)과 평균값(Po) 간 차이는 검출 수가 반복될 때마다 평균값(Po)의 낮은 측으로 치우치도록 변한다. 이러한 경우에, 고주파 전력의 검출된 평균값(Po')은 참 평균값(Po)보다 적은 값을 나타낸다. 이러한 경우에도, 실제로 검출된 평균값(Po')은 검출의 대상이 되는 고주파 전력의 페이즈 관계의 변화와 검출 타이밍에 따라 서서히 증가하거나 감소한다.

상기 기재된 대로, 제어기간(Tc)와 전력 변화기간(Tz) 간의 차이가 근소하다면, 이동 평균값(Po')의 계산된 값이 참 평균값(Po) 주변에서 서서히 오르내리며 변화되어서, 이동 평균값(Po')을 기초로 하여 제어되는 고주파 전력 생성부(4)의 출력은 출력에서 변동이 일어나게 유도하도록 서서히 변화된다.

게다가, 이동 평균값을 계산하는데 사용되는 검출 데이터의 수(n)와 각 제어기간에서의 전력 변화기간(Tz)에서 레벨이 변경되는 고주파 전력의 레벨을 검출하는 경우, 고주파 전력의 산술 평균값을 얻기 위해 사용되는 데이터의 수(ns)와의 차이가 커진다면, 이동 평균값과 참 평균값(Po) 사이의 오류는 커지고, 고주파 전력 생성부(4)의 출력의 평균값을 설정값에 유지하기 위한 출력 제어의 정확도는 악화된다. 일반적으로, 제어기간(Tc)과 m·Tz(m은 1 이상의 정수)사이의 차이가 근소할 경우, 동일한 문제가 발생한다. 따라서, 제어기간(Tc)과 전력 변화기간(m·Tz)간 차이가 근소한 상태를 초래하는 것을 피할 필요가 있다.

제어기간(Tc)이 변화기간(Tz) 또는 Tc=m·Tz와 동일하다면, 각 제어기간(Tc)에서 고주파 전력 검출부(801)가 검출하는 고주파 전력의 레벨의 이동 평균값(Po')은 대략 일정한 값을 나타내고, 고주파 전력 생성부(4)의 출력에서 어떠한 변동도 발생하지 않는다. 그러나 이러한 경우에, 임의의 검출 타이밍에서 검출되는 레벨이 참 평균값(Po)과 관련한 오류를 가진다면, 다음 검출 타이밍에서 동일한 오류를 포함하는 검출 데이터가 얻어진다. 따라서, 계산된 이동 평균값 또한 오류를 포함하고, 만약 이 오류가 크다면, 고주파 전력 생성부(4)의 출력의 제어 정확도가 떨어진다. 따라서, Tc=m·Tz의 설정을 피할 필요가 있다.

본 발명에 따르면, 상기 기재된 문제 발생을 막기 위하여, 제어기간(Tc)은 제어에 영향을 미치지 않는 범위(제어의 안정도를 해치지 않는 범위)에서 적절하게 변경되며, 제어기간(Tc)이 고주파 전력 생성부(4)의 출력 측에서 검출되는 고주파 전력의 레벨 변화기간(전력 변화기간; Tz)에 관해 적정값에 설정된다. 고주파 전력 생성부(4)의 출력단에서 검출되는 고주파 전력의 참 평균값(Po)이 일정함에도 불구하고, 각 제어기간에서 고주파 전력 검출부(801)가 검출하는 고주파 전력의 이동 평균값(Po')이 참 평균값(Po)의 위쪽 또는 아래쪽으로 치우치는 변화를 나타내는 현상이 방지될 수 있어서, 고주파 전력 생성기(801)가 출력에서 변동이 일어나는 것이 방지된다.

이것으로 인해, 이러한 실시예에서, 전력 변화기간(Tz)으로서 고주파 전력 생성부(4)의 출력 측에서 검출된 반사파 전력(Pr') 및(또는) 진행파 전력(Pf')으로부터 다른 고주파 전력 공급 장치(B)에서 부하(C)로 주어지는 고주파 전력의 레벨의 주기적 변화로 인하여 고주파 전력 생성부(4)의 출력 측에서 검출되는 반사파 전력 및(또는) 진행파 전력의 레벨 변화의 기간을 검출하는 전력 변화기간 검출부(10)와, 전력 변화기간 검출부(10)에 의해 검출된 전력 변화기간(Tz)에 따라 적정값에 제어기간(Tc)을 설정하는 제어기간 설정수단(11)이 설치된다. 타이밍 제어기(804)는, 제어기간 설정 수단(11)에 의해 설정된 기간에 제어 기간(Tc)을 설정하기 위해 고주파 전력 검출부(801)가 고주파 전력을 검출하는 타이밍과 제어 신호 출력부(803)에서 고주파 전력 생성부(4)로 제어 신호가 주어지는 타이밍을 제어한다.

게다가, 고주파 전력 공급장치(A)의 출력단에서 검출되는 반사파 전력(Pr) 및 진행파 전력(Pf) 중 하나는, 부하의 임피던스의 변화에 의해 상당히 영향을 받는, 반사파 전력(Pr)이다. 이것으로 인하여, 전력 변화기간 검출부(10)가 방향성 결합기(5)를 통해 주로 검출되는 반사파 전력(Pr')을 기초로 한 레벨 변화의 기간(Tz)를 검출하기 위해 구성되는 것이 바람직하다.

이러한 실시예에서, 고주파 전력 생성부(4), 방향성 결합기(5), 제어부(8), 전력 변화기간 검출부(10) 및 제어기간 설정수단(11)이 고주파 전력 공급 장치를 구성한다.

상기 기재된 대로, 제어기간(Tc)의 값이 전력 변화기간(Tz)에 대한 적정 값에 설정된다면, 참 평균값의 높은 측으로 치우치는 값을 검출된 이동 평균값이 나타내는 상태와 이동 평균값이 참 평균값의 낮은 측으로 치우치는 상태의 반복이 발생하는 것을 막기 위해 제어기간의 값이 설정될 수 있으며, 연속 파형(비변조 파형)을 가지는 고주파 전력을 출력하는 고주파 전력 생성 장치(4)의 출력에서 변동이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 게다가, 제어기간(Tc)이 이동 평균값(Po')과 참 평균값(Po) 사이의 오류를 줄이도록 설정될 수 있으므로, 출력 제어의 정확도의 악화는 방지될 수 있다.

상기 기재된 대로, 제어기간(Tc)과 전력 변화기간(Tz) 간 차이가 근소하다면, 고주파 전력 검출부(801)에 의해 검출된 이동 평균값과 참 평균값 사이의 차이가 커져서, 이동 평균값은 참 평균값 주변을 서서히 오르내리며 변화되어 출력에 일어나는 변동이 유발된다. 그러나 제어기간(Tc)과 전력 변화기간(Tx) 사이의 차이가 다소 크게 설정된다면, 이동 평균값은 참 평균값 근처의 형태로 계산될 수 있다.

예시로서, 전력 변화기간(Tz)의 1 기간이 0 내지 100%로 표현되고 제어기간(Tc)이 전력 변화기간(Tz)에 대해 10%씩 연장되는 경우가 고려될 수 있다. 이러한 경우에, 제 1 제어기간에 검출되는 레벨(P1)이 특정 전력 변화기간(Tz)이 10%만큼 초과될 때(제 1 제어기간(Tc)의 종료시간) 검출되는 레벨이다. 게다가, 제 2 제어기간에 검출되는 레벨(P1)은 다음 전력 변화기간(Tz)이 20%만큼 초과 될 때 검출되는 레벨이다. 그러므로 동일한 방식으로, 레벨(P3, ..., P8, P9 및 P10)은 전력 변화기간(Tz)이 30%, ..., 80%, 90% 및 100%만큼 초과 될 때 각각 검출된다. 이러한 경우에, 각 검출 타이밍에 계산되는 전력의 이동 평균값이 참 평균값(Po)에 대한 위쪽 또는 아래쪽의 값을 취할 수 있으므로, 검출된 이동 평균값이 참 평균값(Po) 주변으로 서서히 변하는 상태는 일어나지 않는다. 이러한 경우에, 고주파 전력의 레벨(Px)이 10번 검출된다면, 레벨(Px)이 전력 변화기간(Tz)의 전체 영역에 걸쳐 검출되므로, 각 검출 타이밍에 계산된 고주파 전력의 이동 평균값이 참 평균값(Po)에 접근한다.

반대로, 제어기간(Tc)이 전력 변화기간(Tz)에 대해 10%만큼 짧아지는 경우, 제 1 제어기간에 검출되는 레벨(P1)은 특정 전력 변화기간(Tz)이 90%만큼 초과할 때 검출되는 레벨이다. 게다가, 제 2 제어기간에 검출되는 레벨(P2)은 다음 전력 변화기간(Tz)이 80%만큼 초과될 때 검출되는 레벨이다. 이후에, 동일한 방식으로, 레벨(Px)은 전력 변화기간(Tz)이 70%, ..., 30%, 10% 및 0%만큼 초과 될 때 각각 검출된다. 이러한 경우에, 제어기간(Tc)이 전력 변화기간(Tz)에 대해 10%만큼 연장되는 경우와 동일한 방식으로, 검출된 레벨이 참 평균값(Po) 주위를 오르내리며 변경되는 경우는 발생하지 않는다. 심지어 이러한 경우에도, 검출의 대상이 되는 고주파 전력의 레벨(Px)이 10번 검출된다면, 레벨(Px)은 전력 변화기간(Tz)의 전체 영역을 통해 검출되므로, 고주파 전력의 이동 평균값은 참 평균값(Po)에 접근한다.

상기 기재된 대로, 고주파 전력에서 주기적 레벨 변화가 발생하는 경우에도, 제어기간(Tc)과 전력 변화기간(Tz) 간 차이가 다소 증가하는 것을 통해 고주파 전력의 이동 평균값은 참 평균값에 가까워질 수 있다. 따라서, 고주파 전력 생성부(4)의 출력 제어를 수행하는데 있어서 허용가능한 범위 내에서 제어기간(Tc)과 전력 변화기간(Tz) 간의 차이를 증가시키기 위하여 전력 변화기간(Tz)에 따라 제어기간(Tc)의 값을 설정하여, 고주파 전력 생성부(4)의 출력에서 변동이 일어나는 것이 방지되며, 출력 제어의 정확도의 악화가 방지된다. 제어기간(Tc)의 적정값은, 제어기간(Tc)의 적정값과 전력 변화기간(Tz) 간 관계를 주는 제어기간을 계산하는데 사용되는 맵을 사용하여 계산될 수 있다. 이 맵은 실험의 결과에 기반하여 제공될 수 있다.

게다가, 이후 기재되는 바에 따르면, 제어기간(Tc)의 적정값은 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 검출 데이터의 수(n; 미리 결정된 수)와 산술 평균값을 정확히 계산하기 위해 필요한 검출 데이터의 수(ns; 필요 데이터의 수) 간의 관계에 집중하거나, 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 n 검출 데이터를 얻기 위해 필요한 시간(n×Tc)과 필요 데이터의 수(ns)와 동일한 수의 검출 데이터를 얻기 위해 필요한 시간(ns×Tc)간의 관계에 집중하여 설정될 수 있다.

고주파 전력의 레벨이 주기적으로 검출될 때, 고주파 전력의 평균값이 미리 결정된 시간 간격에서 고주파 전력의 레벨의 검출을 통해 검출되는 값으로부터 얻어지는 경우에 산출 평균을 통해 참 평균값을 계산하기 위해, 불규칙성 없이 레벨 변화의 k(k는 1 이상의 정수) 사이클의 전체 변화 파형을 검출하여 얻어지는 검출 데이터의 평균을 취할 필요가 있다. 고주파 전력의 이동 평균값을 계산하는 경우에도, 참 평균값에 가까운 값으로서 이동 평균값을 계산하기 위해, 계산을 위해 사용되는 n 검출 데이터는 불규칙성 없이 검출될 고주파 전력의 레벨 변화의 k 사이클의 파형의 개별 부분의 레벨을 검출하여 얻어지는 데이터일 필요가 있다. 이동 평균값을 계산하는데 사용되는 n 검출 데이터가 레벨 변화 파형의 한 사이클의 파형의 부분의 검출 데이터만을 포함하는 경우, 임의의 오류가 이동 평균값과 참 평균값 사이에서 발생한다.

각 제어기간(Tc)에서 고주파 전력의 레벨의 검출을 통해 고주파 전력의 평균값을 계산하고 이 레벨이 전력변화기간(Tz)에서의 변화인 경우, 산술 평균을 통해 평균값을 계산하는 레벨 변화 파형의 k 사이클의 파형에 대해 얻을 필요가 있는 검출데이터의 수(ns; 필요 데이터의 수)가 이하의 등식에 의해 계산될 수 있다.

Ns={Tz/｜m·Tz-Tc｜}......(1)

여기서, m은 1 이상의 정수이고, 이하의 관계는 Tz과 Tc 사이에서 성립된다고 가정된다.

mTz≠Tc......(2)

게다가, 만약 등식(1)의 계산 결과가 정수가 아니라면, 반올림, 클로즈 및 컷오프와 같은 적절한 분수 처리가 수행된다.

등식(1)에서, Tc 및 m·Tz사이의 차이가 간소한 차이라면, 분모인 전력 변화기간(Tz)이 m 만큼 곱해지는 이유는 동일한 문제가 일반적으로 일어날 수 있다는 것이다.

각 제어 기간(Tc)에서 전력 변화기간(Tz)에서 변화되는 고주파 전력의 레벨의 검출을 통해 고주파 전력의 이동 평균값을 계산하는 경우 이동 평균값과 참 평균값 사이의 오류를 줄이기 위해, 등식(1)에 의해 계산되는 필수 데이터의 수(ns)가 이동 평균값을 계산하는데 사용되는 검출 데이터의 수(n)와 일치하거나(n=ns), n과 ns사이의 차이가 되도록 작은 것이 바람직하다. 게다가, 이동 평균값을 계산하는데 필요한 시간이 n×Tc이고, ns 검출 데이터를 얻는데 필요한 시간이 ns×Tc이기 때문에, 제어기간이 설정되어서 n×Tc=ns×Tc의 등식이 충족되거나, n×Tc과 ns×Tc 사이의 차이가 되도록 작아져서 이동 평균값과 참 평균값 사이의 오류가 감소하는 것이 바람직하다.

ns>n(ns×Tc>n×Tc)가 충족된다면, 불규칙성 없이 고주파 전력의 레벨 변화의 한 사이클에서 파형의 레벨 정보를 검출하여 얻어지는 데이터가 이동 평균값에 사용되는 n 검출 데이터에 포함될 수 있으므로, 이동 평균값과 참 평균값 사이의 오류가 커진다. 게다가, ns<n(ns×Tc<n×Tc)가 충족된다면, 고주파 전력의 평균값을 정확하게 계산하는데 불필요한 데이터는 이동 평균값에 사용되는 n 검출 데이터에 포함된 데이터이다. 따라서, 동일한 방식으로, 이동 평균값과 참 평균값 사이의 오류는 커진다.

등식(1)에서 명백히 드러나는 대로, 고주파 전력의 평균값을 정확하게 계산하기 위해, (전압 변화기간(Tz)에서의) 고주파 전력의 레벨 변화의 한 사이클의 파형에 대해 얻을 필요가 있는 필수 데이터의 수(ns)는 제어기간(Tc)과 전력 변화기간(Tz)의 함수가 되므로, 등식 n×Tc=ns×Tc을 충족하는 제어기간의 값이 전력 화기간(Tz)의 값의 변화에 따라 변한다. 따라서, 이동 평균값과 참 평균값 사이의 오류를 줄이기 위해, 전력 변화기간(Tz)의 값에 따라 제어기간(Tc)의 값을 적정값에 설정할 필요가 있다. 게다가, 제어기간(Tc)은 출력 제어의 제어특징에 영향을 미쳐서 고주파 전력 생성부의 출력의 평균값이 설정값에 유지되도록 하므로, 제어기간(Tc)의 값이 출력 제어의 허용가능한 범위 내의 값에 설정될 필요가 있다.

위에서 기재된 사항에서, 제어기간 설정수단(11)은 이하의 사고방식에 의해 제어기간(Tc)을 설정하도록 구성될 수 있다.

(A) 제어기간 설정수단은, 제어기간의 값을, n 검출 데이터를 사용하여 계산되는 고주파 전력의 이동 평균값과 고주파 전력의 참 평균값 사이에서 일어나는 오류가 허용가능한 범위에서 유지될 수 있고, n 검출 데이터가 얻어질 필요가 있는 시간이 고주파 전력 생성부를 제어하는 데 있어 허용되는 상한 시간보다 낮거나 같게 유지될 수 있는 범위에서의 값인 적정값에 설정한다.

(B) 제어기간 설정수단은 전력 변화기간 검출부에 의해 검출된 전력 변화기간에 따라 제어기간의 적정값을 설정하여, 고주파 전력 검출부가 이동 평균값을 계산하는데 사용되는 최근 n 검출 데이터를 얻는데 필요한 시간(n×Tc)을, n 검출 데이터를 사용하여 계산되는 고주파 전력의 이동 평균값과 고주파 전력의 참 평균값 사이에서 발생하는 오류가 허용 가능한 범위 내에 유지될 수 있게 하는 시간으로 설정한다.

(C) 제어기간 설정 수단이 제어기간의 적정값을 설정하여, 고주파 전력 검출부가 이동 평균값을 계산하는데 사용되는 최근 n 검출 데이터를 얻는데 필요한 시간(n×Tc)과, 각 제어기간(Tc)에서, 전력 변화 기간(Tz)에서 레벨이 변하는(여기서, Tz≠Tc) 고주파 전력의 레벨을 검출하여 얻어지는 검출 데이터를 사용하여 고주파 전력의 k(k는 1 이상의 정수) 사이클의 레벨 변화의 산술 평균값을 계산하는데 필요한 ns 검출 테이터를 얻기 위해 필요한 시간(ns×Tc) 사이의 시간차

T(=Tc×｜n-ns｜)를 n 검출 데이터를 사용하여 계산되는 고주파 전력의 이동 평균값과 고주파 전력의 참 평균값 사이에서 일어나는 오류가 허용가능한 범위 내에 유지되는 범위의 시간차로 설정한다.

(D) 제어기간 설정수단이 제어기간의 적정값을 설정하여, 고주파 전력 검출부가 이동 평균값을 계산하는데 사용되는 최근 n 검출 데이터를 얻는데 필요한 시간(n×Tc)과, 각 제어기간(Tc)에서 전력 변화기간(Tz)에서 레벨이 변하는 (여기서, Tz≠Tc) 고주파 전력의 레벨을 검출하여 얻어지는 검출 데이터를 사용하여 고주파 전력의 k(k는 1 이상의 정수) 사이클의 레벨 변화의 산술 평균값을 계산하는데 필요한 ns 검출 테이터를 얻기 위해 필요한 시간(ns×Tc) 사이의 시간차

T(=Tc×｜n-ns｜)를 허용가능한 범위에 유지한다.

(E) 제어기간 설정수단이 제어기간의 적정값을 설정하여, 고주파 전력 검출부가 이동 평균값을 계산하는데 사용되는 최근 n 검출 데이터를 얻는데 필요한 시간(n×Tc)과, 각 제어기간(Tc)에서 전력 변화기간(Tz)에서 레벨이 변하는 (여기서, Tz≠Tc) 고주파 전력의 레벨을 검출하여 얻어지는 검출 데이터를 사용하여 고주파 전력의 k(k는 1 이상의 정수) 사이클의 레벨 변화의 산술 평균값을 계산하는데 필요한 ns 검출 테이터를 얻기 위해 필요한 시간(ns×Tc) 사이의 시간차

T(=Tc×｜n-ns｜)를 최소화한다.

상기 양상들에 따르면, 제어기간(Tc)의 적정값이 전력 변화기간(Tz)에 따라 설정될 경우, 고주파 전력 검출부(801)에 의해 검출되는 고주파 전력의 이동 평균값과 참 평균값 간의 오류가 줄어들 수 있다. 따라서, 검출된 고주파 전력의 이동 평균값이 참 평균값의 높거나 낮은 측에 치우치도록 변경되어서, 고주파 전력 생성부의 출력에서 발생하는 변동이나 고주파 전력 검출부에서 검출되는 이동 평균값과 참 평균값 사이에서 발생하는 오류의 증가로 인해 출력 제어의 정확도가 악화하는 것이 방지된다.

게다가, 제어기간(Tc)의 적정값이 각 검출 타이밍에서 고주파 전력 검출부(801)가 검출하는 고주파 전력의 레벨(Px)과 고주파 전력의 제어에 영향을 미치지 않도록 미리 결정된 범위에서의 고주파 전력의 참 평균값(Po) 간의 차이

(Px)의 시간 간격 값의 절대값을 최소화하는 값으로 설정될 수 있다. 여기서, 차이

Px의 시간 적분 값은 미리 결정된 시간(T) 동안 검출되는 일련의 검출 데이터(P1, P2, ... 및 Pn)와 고주파 전력의 참 평균값(Po) 간의 차이

P1,

P2, ...

Pn의 총 값이다. 고주파 전력의 검출된 레벨(Px)이 참 평균값(Po)보다 높은지, 낮은지의 여부는 차이의 포지티브 마크 또는 네거티브 마크에 의해 결정되는 방식으로 차이가 계산된다.

제어기간(Tc)이 위에서 기재된 대로 설정될 경우, 고주파 전력 검출부(801)에 의해 검출되는 고주파 전력의 이동 평균값은 다른 고주파 전력 공급 장치(B)에서 부하(C)로 공급되는 고주파 전력의 레벨 변화에 의해 거의 영향받지 않으며, 고주파 전력 생성부(4)의 출력단에서 검출되는 고주파 전력의 참 평균값(Po)과 대략 동일한 것이 된다. 따라서, 고주파 전력 검출부(801)에 의해 검출된 고주파 전력의 이동 평균값이 변동을 유발하기 위해 다른 고주파 전력 공급 장치(B)에서 부하(C)로 공급되는 고주파 전력의 레벨 변화에 의해 영향받는 것으로 제한된다.

제어기간을 계산하기 위해 맵을 사용하여 고주파 전력의 제어에서 문제를 유발하지 않기 위해, 제어기간 설정수단(11)이 미리 결정된 범위에서의 값을 취하는 제어기간의 적정값을 계산하도록 구성되는 것이 바람직하며, 이러한 맵은 전력 변화기간 검출부(10)에 의해 검출되는 부하 변화기간(Tz)과 제어기간(Tc)의 적정값 간에 관계를 부여한다. 이러한 경우에 사용되는 제어기간을 계산하는 맵은, 다른 고주파 전력 공급 장치에 의해 출력되는 고주파 전력의 개별 변조 주파수에 대해 출력 제어의 제어기간을 다양하게 변화시키면서, 고주파 전력 생성부의 출력의 변화량을 측정하기 위한 실험 결과를 기반으로 하여 제공될 수 있다.

펄스 변조된 고주파 전력이 다른 고주파 전력 공급 장치에서 부하로 공급되는 상태는, 고주파 전력을 가진 펄스 변조 파형과 동일한 주파수를 가지는 의사 신호를 고주파 전력 생성부(4)의 출력 측에 중첩함으로써 시뮬레이션 될 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 대로, 의사신호 생성기(30)는 방향성 결합기(5)의 진행파 전력(Pf')을 출력하는 출력 포트와 반사파 전력(Pr')을 출력하는 포트에 연결되고, 다른 고주파 전력 공급장치에서 부하로 주어지는 고주파 전력의 펄스 변조된 파형의 주파수와 동일한 주파수를 가지는 의사 신호는 방향성 결합기(5)에 의해 검출되는 반사파 전력(Pr')과 진행파 전력(Pf')과 중첩되어서 시뮬레이션을 수행한다.

예시로서, 3.2MHz의 연속 파형의 고주파 전력은 다른 고주파 전력 공급 장치(B)에서 주어진 60MHz의 펄스 변조 고주파 전력으로부터 플라즈마 부하(C)에 공급되는 것이 예로 주어진다. 양방향 결합기(5)에서 출력된 반사파 전력(Pr') 및 진행파 전력(Pf')으로 다른 고주파 전력 공급 장치에서 부하에 주어지는 고주파 전력의 펄스 변조 파형과 동일한 주파수를 가지는 사인 파형의 의사신호의 중첩을 통해 제어 특성을 점검하는 실험이 수행되었다.

플라즈마 부하(C)에 플라즈마를 생성하기 위해 다른 고주파 전력 공급장치(B)에서 부하(C)로 공급되는 60MHz의 고주파 전력의 펄스 변조를 수행하는 경우, 펄스 변조 파형의 주파수는, 예컨대, 10kHz 내지 90kHz의 범위에서 변경된다. 이 경우 수행되는 실험에서, 다른 고주파 전력 공급 장치에서 부하에 주어지는 60MHz의 고주파 전력의 펄스변조 파형의 주파수가 10kHz, 40kHz 및 70kHz로 설정된다는 가정하에, 이러한 주파수를 가지는 의사 신호는 의사신호 생성기(30)로부터 진행파 전력(Pf')을 출력하는 포트 및 반사파 전력(Pr')을 출력하는 포트에 주입되고, DC 전력 공급부(2)의 인버터(202)의 출력이 PWM 제어되었을 때 최대 50%만큼 듀티비를 변경함으로써 고주파 전력 생성부(4)에서 출력되는 고주파 전력의 레벨을 설정 값에 유지하도록 제어가 수행된다.

상기 기재된 실험에서, 의사 신호의 주파수가 10kHz, 40kHz 및 70kHz인 경우에 측정되는 고주파 전력 생성부(4)의 출력 레벨의 일시적 변화가 도 5a 내지 도 5b에서 도시된다. 도면에서, 수직축은 전력값[W]을, 수평축은 시간[msec]을 나타낸다. 도면에서 명확히 드러난 대로, 관련 기술에서의 고주파 전력 공급 장치에서, 펄스 변조 고주파 전력이 다른 고주파 전력 공급 장치에서 부하로 공급된다면, 이것은 펄스 변조 파형에 의해 영향받고 그것의 출력 레벨은 저 주파수에서 변동한다.

본 발명의 실시예에서, 허용가능한 범위의 전력 레벨의 전력 변화기간(Tz)에 따라 충분히 길게 제어기간(Tc)을 설정하여 상기와 동일한 실험이 수행되었고, 고주파 전력 생성부(4)의 출력 측에서 검출된 고주파 전력의 레벨 변화가 고주파 전력 검출부(801)에 의해 검출된 경우 각 제어기간(Tc)에서 검출되는 고주파 전력의 레벨(Px; 순시값)과 참 평균값(Po) 사이의 차이는 참 평균값(Po)의 위쪽 또는 아래쪽에 치우치지 않았다. 의사 신호의 주파수가 10kHz, 40kHz 및 70kHz로 설정된 경우에 보여지는 고주파 전력 생성부(4)의 출력 레벨의 일시적 변화는 도 6a 내지 도 6c에서 도시된다.

이러한 결과에서 명백히 드러나는 대로, 본 발명에 따르면, 펄스 파형 등에 의해 변조되는 고주파 전력은 다른 고주파 전력 공급 장치에서 부하로 공급되더라도, 고주파 전력 생성부(4)에서 출력되는 고주파 전력의 평균값은 변조 파형의 레벨 변화에 의해 영향받지 않고 일정하게 유지될 수 있으며, 다른 고주파 전력 공급 장치(B)로부터 부하(C)에 주어지는 고주파 전력의 레벨 변화의 영향하에, 출력의 평균값에서 저 주파수 변동이 일어나는 것이 방지된다.

제어기간(Tc)의 적정값이 제어를 위해 허용가능한 범위에 존재하지 않을 경우, 제어기간 설정수단(11)은 시간의 경과에 따라 설정범위 내에서 제어기간(Tc)을 변경하도록 구성되어서, 다른 고주파 전력 공급 장치(B)의 출력의 변화로 인한 출력변화는 제한될 수 있다.

제어기간의 적정값이 설정범위에 존재하지 않는 경우에 시간의 경과에 따라 설정범위 내에서 변경되는 제어기간을 형성함으로써, 고주파 전력을 검출하는 페이즈는 고주파 전력 검출부(801)에 의해 적절하게 변경되고, 고주파 전력 검출부(801)가 이동 평균값을 계산하기 위해 사용하는 n 검출 데이터가 고주파 전력의 k 사이클의 레벨 변화 파형의 특정 부분의 레벨만을 검출함으로써 얻어지는 데이터 그룹으로 구성되는 것이 방지된다. 따라서, 고주파 전력 검출부에 의해 검출되는 이동 평균값과 참 평균값 사이의 오류는 감소될 수 있다.

상기 기재된 실시예에서, 고주파 전력 생성부(9)로부터 출력된 고주파 전력의 레벨을 설정값으로 유지하기 위한 제어가 DC 전력 공급부(2)의 출력 전압의 제어를 통해 수행된다. 그러나 고주파 전력 생성부(9)로부터 출력된 고주파 전력의 레벨을 설정값으로 유지하기 위한 제어가 DC 전력 공급부(2)의 출력 전압을 일정하게 유지한 채 고주파 전력 증폭부(3)의 제어를 통해 수행되는 경우에도, 예컨대, 고주파 전력 생성부(9)로부터 출력된 고주파 전력의 레벨을 설정값으로 유지하기 위한 제어가 동작량 고주파 전력 증폭부(3)의 이익을 고려하여 수행되는 경우에도, 본 발명이 적용될 수 있다. 게다가, 주파수 커멘드 및 진폭 커멘드에 의해 커멘딩 되는 대로 동일한 주파수와 진폭을 가지는 고주파 신호를 생성하는 DDS(직접 디지털 합성기)와 DDS의 출력을 증폭시키는 증폭기를 가지는 고주파 전력 생성부(4)를 구성하는 경우, 고주파 전력 생성부(4)의 출력은 동작량으로서 DDS에 주어지는 진폭 커멘드를 고려하여 제어될 수 있다.

상기 기재된 설명에서, 주기적 레벨 변화를 가지는 고주파 전력이 다른 고주파 전력 공급 장치(B)에서 부하로 공급되는 상태를 시뮬레이션하기 위해, 방향성 결합기(5)의 진행파 전력(Pf')을 출력하는 출력 포트와 반사파 전력(Pr')을 출력하는 포트 양방에 의사 신호가 주어진다. 그러나 의사 신호는 방향성 결합기(5)의 진행파 전력(Pf')을 출력하는 출력 포트와 반사파 전력(Pr')을 출력하는 포트 중 임의의 하나에 주어질 수 있고, 예컨대, 반사파 전력(Pr')을 출력하는 포트에만 주어질 수 있다.

상기 기재된 실시예에서, 제어부(8)에 의해 제어될 고주파 전력(진행파 전력 또는 유효 전력)의 평균값을 설정값에 유지하기 위한 제어만이 수행된다. 그러나 본 발명은, 전력 증폭부를 구성하는 반도체 장치를 보호하기 위한 허용가능한 상한 값 아래로 진행파 전력 및 반사파 전력의 총 값을 제한하는 제어, 전력 증폭부(3)에서 발생하는 손실을 최소화하기 위해 DC 전력 공급부(2)의 출력에 대한 손실 축소 제어 등과 같은 다른 제어에 적용될 수 있다.

Claims

고주파 전력 공급 장치로서,
부하에 공급될 고주파 전력을 출력하도록 구성되는 고주파 전력 생성부; 및
상기 고주파 전력 생성부의 출력 측에서 제어의 대상이 되는 상기 고주파 전력의 평균값을 검출하고 상기 고주파 전력의 검출된 평균값을 설정값으로 유지하기 위해 상기 고주파 전력 생성부를 제어하도록 구성되는 제어부를 포함하며,
상기 제어부는,
검출 타이밍으로서 각 제어기간(Tc)에 오는 타이밍에서 제어의 대상이 되는 상기 고주파 전력을 얻기 위해, 검출의 대상이 될 필요가 있는 상기 고주파 전력의 레벨의 검출 데이터를 얻고, 최근 n(n은 2 이상의 정수) 검출 타이밍에서 얻어진 n 검출 데이터로부터 검출의 대상이 되는 상기 고주파 전력의 이동 평균값을 얻으며, 검출의 대상이 되는 상기 고주파 전력의 평균값으로서 상기 이동 평균값을 설정하여 제어의 대상이 되는 상기 고주파 전력의 평균값을 검출하도록 구성되는 고주파 전력 검출부;
상기 고주파 전력 생성부의 동작량으로서 상기 고주파 전력 생성부에서 출력된 상기 고주파 전력의 레벨을 결정하기 위한 변수의 크기를 설정하고 상기 고주파 전력 검출부에 의해 검출되고 제어의 대상이 되는 상기 고주파 전력의 평균값을 상기 설정값으로 유지하기 위해 필요한 상기 동작량을 계산하도록 구성되는 동작량 계산부; 및
상기 고주파 전력 생성부의 상기 동작량을 상기 동작량 계산부에 의해 계산된 상기 동작량으로 설정하기 위해 각 제어기간에 상기 고주파 전력 생성부에 주어지는 제어 신호를 출력하도록 구성되는 제어 신호 출력부를 포함하고,
상기 고주파 전력 공급 장치는,
전력 변화기간(Tz)으로서 다른 고주파 전력 공급 장치로부터 부하에 주어지는 고주파 전력 레벨의 주기적 변화로 인해 상기 고주파 전력 생성부의 출력 측에서 검출되는 상기 고주파 전력의 레벨 변화기간을 검출하도록 구성되는 전력 변화기간 검출부; 및
상기 전력 변화기간 검출부에 의해 검출되는 상기 전력 변화기간(Tz)에 따라 상기 제어기간(Tc)을 적정값으로 설정하도록 구성되는 제어기간 설정부를 더 포함하는, 고주파 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어기간 설정부는, n 검출 데이터를 사용하여 계산되는 상기 고주파 전력의 이동 평균값과 상기 고주파 전력의 참 평균값 사이에서 발생하는 오류가 허용가능한 범위 내에 유지될 수 있고, 상기 n 검출 데이터를 얻기 위해 필요한 시간이 상기 고주파 전력 생성부를 제어하는데 있어서 허용되는 상한 시간 이하로 유지될 수 있는 범위 내의 값으로 상기 제어기간의 적정값을 설정하는, 고주파 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어기간 설정부는, 상기 전력 변화기간 검출부에 의해 검출된 상기 전력 변화기간에 따라 상기 제어기간의 적정값을 설정하여, 상기 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 상기 최근 n 검출 데이터를 상기 고주파 전력 검출부가 얻기 위해 요구되는 시간(n×Tc)을, 상기 n 검출 데이터를 사용하여 계산되는 상기 고주파 전력의 이동 평균값과 상기 고주파 전력의 참 평균값 사이에서 발생되는 오류가 허용가능한 범위 내에서 유지될 수 있는 시간으로 설정하는, 고주파 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어기간 설정부는 상기 제어기간의 적정값을 설정하여, 상기 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 상기 최근 n 검출 데이터를 상기 고주파 전력 검출부가 얻기 위해 요구되는 시간(n×Tc)과 상기 전력 변화기간(Tz)에서 레벨이 변화하는 상기 고주파 전력의 레벨을 상기 각 제어기간(Tc)에 검출하여 얻어지는 상기 검출 데이터를 사용하여 상기 고주파 전력의 k 사이클의 레벨 변화의 산술 평균값을 계산하기 위해 필요한 ns 검출 데이터를 얻기 위해 요구되는 시간(ns×Tc) 사이의 시간차
T(=Tc×｜n-ns｜)를, 상기 n 검출 데이터를 사용하여 계산된 상기 고주파 전력의 이동 평균값과 상기 고주파 전력의 참 평균값 사이에서 발생하는 오류가 허용가능한 범위 내에 유지될 수 있는 범위에서의 시간차로 설정하며, 여기서 k는 1 이상의 정수이고, m·Tz≠Tc이며, m은 1 이상의 정수인, 고주파 전력 공급 장치.
청구항 4에 있어서, 상기 고주파 전력의 k 사이클의 레벨 변화의 산술 평균값을 계산하기 위해 필요한 상기 검출 데이터의 수(ns)는 등식 ns=k×{Tz/｜m·Tz-Tc｜}에 의해 계산되는, 고주파 전력 공급장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어기간 설정부는 상기 제어기간의 적정값을 설정하여, 상기 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 상기 최근 n 검출 데이터를 상기 고주파 전력 검출부가 얻기 위해 요구되는 시간(n×Tc)과 상기 전력 변화기간(Tz)에서 레벨이 변화하는 상기 고주파 전력의 레벨을 상기 각 제어기간(Tc)에 검출하여 얻어지는 상기 검출 데이터를 사용하여 상기 고주파 전력의 k 사이클의 레벨 변화의 산술 평균값을 계산하기 위해 필요한 ns 검출 데이터를 얻기 위해 요구되는 시간(ns×Tc) 사이의 시간차
T(=Tc×｜n-ns｜)를 허용가능한 범위 내에 유지하며, 여기서 k는 1 이상의 정수이고, m·Tz≠Tc이며, m은 1 이상의 정수인, 고주파 전력 공급 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 고주파 전력의 k 사이클의 레벨 변화의 산술 평균값을 계산하기 위해 필요한 상기 검출 데이터의 수(ns)는 등식 ns=k×{Tz/｜m·Tz-Tc｜}에 의해 계산되는, 고주파 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어기간 설정부는 상기 제어기간의 적정값을 설정하여, 상기 이동 평균값을 계산하기 위해 사용되는 상기 최근 n 검출 데이터를 상기 고주파 전력 검출부가 얻기 위해 요구되는 시간(n×Tc)과 상기 전력 변화기간(Tz)에서 레벨이 변화하는 상기 고주파 전력의 레벨을 상기 각 제어기간(Tc)에 검출하여 얻어지는 상기 검출 데이터를 사용하여 상기 고주파 전력의 k 사이클의 레벨 변화의 산술 평균값을 계산하기 위해 필요한 ns 검출 데이터를 얻기 위해 요구되는 시간(ns×Tc) 사이의 시간차
T(=Tc×｜n-ns｜)를 허용가능한 범위 내에서 최소화하며, 여기서 k는 1 이상의 정수이고, m·Tz≠Tc이며, m은 1 이상의 정수인, 고주파 전력 공급 장치.
청구항 8에 있어서, 상기 고주파 전력의 k 사이클의 레벨 변화의 산술 평균값을 계산하기 위해 필요한 상기 검출 데이터의 수(ns)는 등식 ns=k×{Tz/｜m·Tz-Tc｜}에 의해 계산되는, 고주파 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어기간 설정부는, 상기 검출된 전력 변화기간과 상기 제어기간 사이의 관계를 제공하는 맵을 사용하여 상기 제어기간의 적정값을 계산하도록 구성되는, 고주파 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어기간 설정부는, 상기 고주파 전력 생성부의 출력 제어 시에 제어기간에 의해 취해질 수 있는 값의 범위 내에서 상기 제어기간의 적정값을 설정하도록 구성되는, 고주파 전력 공급 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어기간 설정부는, 상기 제어기간의 적정값이 상기 제어기간에 의해 취해질 수 있는 값의 범위 내에 존재하지 않을 경우 시간의 경과에 따라 상기 제어기간에 의해 취해질 수 있는 값의 범위 내에서 상기 제어기간을 변화시키도록 구성되는, 고주파 전력 공급 장치.