KR20190058457A - 임피던스 정합장치 - Google Patents

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타츠야 모리이
마사유키 나카하마
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가부시키가이샤 다이헨
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Abstract

고주파 전원과 부하 사이의 임피던스를 조정하는 임피던스 정합장치가 제공된다. 발명에 따른 임피던스 정합장치는, 복수의 스위치의 온 오프에 의해 커패시턴스가 조정되는 가변 커패시터를 갖는 정합 회로와, 가변 커패시터의 커패시턴스를 조정하기 위해서 가변 커패시터의 스위치의 상태를 목표로 하는 상태와 일치시키는 제어를 행하는 스위치 제어부와, 스위치가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부를 판정하는 스위치상태 판정부를 포함하고 있다. 스위치 제어부는, 스위치상태 판정부에 의해 가변 커패시터의 스위치가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정되었을 때에, 설정된 기간 동안만큼 스위치의 스위치 상태의 변경을 중지해서 스위치의 온도상승을 억제하는 제어를 행하도록 구성되어 있다.

Description

임피던스 정합장치
본 발명은, 고주파 전원과 부하 사이의 임피던스(impedance)의 정합(matching)을 도모하는 임피던스 정합장치에 관한 것이다.
고주파 전원으로부터 플라즈마 부하 등의 부하에 전력을 공급할 경우에는, 부하로부터의 전력의 반사를 없애서 부하에 효율적으로 전력을 공급하기 위해서, 고주파 전원과 부하 사이에 임피던스 정합장치를 설치하고, 고주파 전원의 출력 임피던스와, 고주파 전원으로부터 부하측을 본 회로의 임피던스를 정합시키도록 하고 있다. 본 명세서에서는, 고주파 전원으로부터 부하측을 본 회로의 임피던스를 부하측 임피던스라 칭한다.
종래부터 널리 이용되고 있는 이 종류의 임피던스 정합장치는, 예를 들면, 특허문헌 1에 나타나 있는 바와 같이, 커패시턴스(capacitance)를 조정하는 조작축을 구비한 기계조작식의 가변 커패시터와, 가변 커패시터와 함께 정합 회로를 구성하는 인덕터와, 가변 커패시터의 조작축을 조작하는 모터와, 가변 커패시터의 조작축의 위치를 목표위치와 일치시키도록 모터를 제어하는 제어부를 구비해서, 가변 커패시터의 조작축의 위치를, 임피던스의 정합을 도모하기 위해서 필요한 위치와 일치시키도록 모터를 제어함으로써 임피던스의 정합을 도모하도록 구성되어 있다.
그러나, 기계조작식의 가변 커패시터를 이용한 경우에는, 정합 속도를 빠르게 하는데 있어서 한계가 있으므로, 플라즈마 부하와 같이 임피던스가 빈번하게 변화되는 부하에 고주파 전력을 공급할 경우에, 조정 동작의 추종성이 나빠지고, 반사 전력이 늘어나고, 부하에의 전력의 공급을 효율적으로 행할 수 없어진다고 하는 문제가 있었다.
그래서, 특허문헌 2에 나타나 있는 바와 같이, 기계조작식의 가변 커패시터 대신에, 커패시터와, 해당 커패시터에 직렬로 접속한 반도체 소자로 이루어진 커패시턴스 조정용 스위치에 의해 구성된 커패시턴스 요소를 복수개 병렬로 접속한 구조를 갖는 전자적 제어가 가능한 가변 커패시터를 이용해서, 부하측 임피던스의 변화가 검출될 때마다 가변 커패시터에 설치된 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 하나의 상태(온 상태 또는 오프 상태)를 변경함으로써, 임피던스의 정합 동작을 신속하게 행하게 할 수 있도록 한 전자제어식의 임피던스 정합장치가 제안되었다.
JP 2010-198524 A JP 2012-142285 A
특허문헌 2에 나타낸 구성에 따르면, 부하측 임피던스가 변화되었을 때에, 가변 커패시터에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 하나의 상태를 변경하고, 가변 커패시터의 커패시턴스를 임피던스의 정합을 도모하기 위해서 필요한 값으로 조정함으로써, 임피던스의 정합을 도모할 수 있다. 반도체 소자로 이루어진 커패시턴스 조정용 스위치는 고속으로 온 오프시킬 수 있으므로, 특허문헌 2에 나타낸 임피던스 정합장치에 따르면, 고주파 전원과 부하 사이의 임피던스의 정합을 신속하게 행하게 할 수 있다.
플라즈마 부하와 같이 임피던스가 빈번하게 변화되는 부하에 고주파 전력을 공급할 경우에, 특허문헌 2에 나타낸 임피던스 정합장치를 적용해서, 임피던스의 정합 정밀도를 높이기 위해서는, 부하측 임피던스를 샘플링하는 주기를 짧게 해서, 가변 커패시터의 커패시턴스의 조정 동작을 섬세하고 치밀하게 행하게 할 필요가 있다. 그렇지만, 부하의 임피던스가 빈번하게 변화될 경우에, 부하측 임피던스의 샘플 주기를 짧게 해서, 부하측 임피던스의 변화가 검출될 때마다 정합 회로의 가변 커패시터의 커패시턴스를 조정하는 동작을 행하게 하도록 하면, 가변 커패시터에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 하나가 온 오프 동작을 높은 빈도로 행하는 것을 강요당하게 된다. 이 경우, 부하측 임피던스의 변화가 계속되면, 높은 빈도로 온 오프시켜진 커패시턴스 조정용 스위치를 구성하고 있는 반도체 소자에서 생기는 스위칭 로스의 증대에 의해, 해당 반도체 소자의 정션(junction) 온도가 상승하므로, 커패시턴스 조정용 스위치가 열파괴될 우려가 있다.
상기 문제를 회피하기 위해서, 부하측 임피던스를 샘플링하는 주기를 길게 해서, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태를 변경하는 주기를 길게 하는 것이 고려된다. 그러나, 부하측 임피던스를 샘플링하는 주기를 길게 하면, 부하측 임피던스의 실제의 변화에 추종시켜서 정합 회로의 각 가변 커패시터의 커패시턴스를 높은 정밀도로 조정할 수 없어져, 조정 동작을 부하측 임피던스의 변화에 추종시킬 수 없어지므로, 조정 정밀도가 저하하는 것을 피할 수 없다.
본 발명의 목적은, 반도체 소자로 이루어진 커패시턴스 조정용 스위치의 온 오프에 의해 커패시턴스를 조정하는 전자조작식의 가변 커패시터를 채용한 정합 회로를 이용해서, 고주파 전원의 출력 임피던스와 부하측 임피던스의 정합을 도모하는 임피던스 정합장치에 있어서, 부하측 임피던스가 높은 빈도로 변화될 경우에, 임피던스의 정합 정밀도를 크게 저하시키는 일 없이, 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 적확하게 도모할 수 있게 하는 것에 있다.
본 발명은 고주파 전원의 출력 임피던스와, 고주파 전원으로부터 부하 측의 회로를 본 임피던스인 부하측 임피던스의 정합을 도모하는 임피던스 정합 장치를 대상으로 한 것으로서, 본 발명에 있어서는, 상기 목적을 달성하기 위해, 커패시터 및 반도체 소자로 이루어진 캐패시턴스 조정용 스위치를 직렬로 접속해서 구성한 커패시턴스 요소를 복수개 병렬로 접속한 구조를 갖는 가변 커패시터를 적어도 1개 구비하고, 고주파 전원과 부하 사이에 배치된 정합 회로와, 고주파 전원의 출력 임피던스와 부하측 임피던스의 정합을 도모하기 위해 정합 회로에 설치되어 있는 각 커패시턴스 조정용 스위치가 취해야 상태를 목표 스위치 상태로서 구한 정합 연산을 설정된 주기로 행하는 정합 연산부와, 정합 회로에 설치되어 있는 각 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태를 목표 스위치 상태로 일치시키는 제어하는 스위치 제어부와, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 하나가 온도 상승 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부를 판정하는 스위치상태 판정부를 설치하고, 이 스위치상태 판정부에 의해 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도 상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정된 때에, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개를 보호 대상 스위치로 해서, 이 보호 대상 스위치의 스위칭 동작을 정지시키거나 또는 이 보호 대상 스위치가 스위칭 동작을 행하는 빈도를 적게 함으로써 보호 대상 스위치의 온도 상승을 억제하는 온도 상승 억제 제어를 설정된 온도상승 억제기간 동안에만 수행하도록 상기 스위치 제어부를 구성했다.
본 발명과 같이 구성하면, 온도상승 억제기간 동안 보호 대상 스위치로부터의 발열을 없게 하거나 또는 발열량을 적게 해서 그 온도상승을 억제하는 것이 가능하므로, 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 적확하게 도모할 수 있다. 또 온도상승 억제기간 이외의 기간은, 정합 회로에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태를 정합 연산부에 의해 구해지고 있는 목표 스위치 상태와 일치시키는 제어를 행하므로, 고주파 전원과 부하 사이의 임피던스의 정합 정밀도를 크게 저하시키는 일 없이, 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 도모할 수 있다.
본 발명의 일 양상에서는, 부하측 임피던스가 반영된 파라미터를 설정된 샘플 주기로 샘플링해서, 파라미터를 샘플링할 때마다 정합 연산을 행하도록 정합 연산부가 구성된다.
본 발명의 일 양상에서는, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개를 감시 대상 스위치로 해서, 이 감시 대상 스위치의 스위치 상태를 감시함으로써, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부를 판정한다. 이 경우, 스위치 상태 판정수단은, 설정된 판정 기준 시간 내에 감시 대상 스위치의 스위치 상태가 온 상태로부터 오프 상태로 또는 오프 상태로부터 온 상태로 변경되는 횟수를 스위치상태 변경빈도로 하고, 이 스위치상태 변경빈도가 설정된 판정기준값 이상인지의 여부를 판정하는 변경빈도 판정수단을 구비하고 있어서, 변경빈도 판정수단에 의해, 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도가 판정기준값 이상이라고 판정되었을 때에, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정하도록 구성된다.
본 발명의 다른 양상에서는, 정합 회로에 설치되어 있는 가변 커패시터 중 적어도 1개를 감시 대상 가변 커패시터로 하고, 이 감시 대상 가변 커패시터에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개를 감시 대상 스위치로 한다.
본 발명의 다른 양상에서는, 설정된 판정 기준 시간 내에 정합 연산부가 감시 대상 스위치의 목표 스위치 상태를 변경한 횟수를 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도로 한다.
상기 설명에서는, 감시 대상 스위치의 상태가 변경되는 빈도에 의거해서, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부를 판정하도록 스위치 상태 판정수단을 구성한다고 했지만, 본 발명은, 스위치 상태 판정수단을 이렇게 구성할 경우로 한정되지 않는다.
예를 들면, 스위치상태 판정부는, 설정된 판정 기준 시간 내에 부하측 임피던스가 설정된 크기 이상의 변화를 나타낸 횟수를 부하측 임피던스 변화 발생빈도로서 검출하는 부하측 임피던스 발생빈도 검출수단과, 검출된 부하측 임피던스 변화 발생빈도가 설정된 판정기준값 이상인지의 여부를 판정하는 부하측 임피던스 변화 발생빈도 판정수단을 구비하고, 부하측 임피던스 변화 발생빈도 판정수단에 의해 부하측 임피던스 변화 발생빈도가 설정된 판정기준값 이상이라고 판정되었을 때에, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정하도록 구성할 수도 있다.
또 스위치상태 판정부는, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도가 설정된 판정기준값 이상일 때에 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정하도록 구성할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 판정 기준시간 및 판정기준값은 일정할 필요는 없고, 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도 등의 적당한 파라미터에 따라서, 판정 기준시간 및 판정기준값 중 적어도 한쪽을 변경하도록 해도 된다. 예를 들면, 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도가 높을 경우일수록 판정기준값을 작게 해서, 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도가 높을 경우일수록 판정 기준시간을 짧게 하도록 해도 된다.
또 온도상승 억제기간도 일정할 필요는 없고, 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도 등의 파라미터의 크기에 따라서 온도상승 억제기간의 길이를 변경하도록 해도 된다. 예를 들면, 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도가 높을 경우일수록 온도상승 억제기간을 길게 하도록 해도 된다.
본 발명의 또 다른 양상은, 이하에 기재되는 발명을 실시하기 위한 형태에 관한 설명 중에서 명확하게 된다.
본 발명에 따르면, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부를 판정하는 스위치상태 판정부를 설치하고, 이 판정부에 의해, 정합 회로 내에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정되었을 때에, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개를 보호 대상 스위치로 해서, 보호 대상 스위치의 스위칭 동작을 정지시키거나 또는 보호 대상 스위치가 스위칭 동작을 행하는 빈도를 낮게 함으로써 보호 대상 스위치의 온도상승을 억제하는 온도상승 억제제어를 설정된 온도상승 억제기간 동안 행하도록 했으므로, 온도상승 억제기간 동안 보호 대상 스위치로부터의 발열을 없애거나 또는 발열량을 적게 해서 그 온도상승을 억제할 수 있고, 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 적확하게 도모할 수 있다. 또 온도상승 억제기간 이외의 기간은, 정합 회로에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태를 정합 연산부에 의해 구해지고 있는 목표 스위치 상태와 일치시키는 제어를 행하므로, 고주파 전원과 부하 사이의 임피던스의 정합 정밀도를 크게 저하시키는 일 없이, 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 임피던스 정합장치의 일 실시형태의 회로 구성을 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에서 이용되는 제어부의 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에서 이용되는 제어부의 다른 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에서 이용되는 제어부의 또 다른 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에서 이용되는 제어부의 또 다른 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에서 이용되는 제어부의 또 다른 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에서 이용되는 제어부의 또 다른 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에서 이용되는 제어부의 또 다른 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태에서 이용되는 제어부의 또 다른 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 10은 도 2의 실시형태에서 이용되는 제어부를 구성하기 위해서 마이크로프로세서에 실행시키는 프로그램의 알고리즘의 일례를 나타낸 플로우 챠트이다.
도 11은 도 2의 실시형태에서 이용되는 제어부를 구성하기 위해서 마이크로프로세서에 실행시키는 프로그램의 알고리즘의 다른 예를 나타낸 플로우 챠트이다.
도 12는 본 발명의 실시형태의 동작을 설명하기 위한 타임 차트이다.
도 13은 본 발명의 실시형태의 동작을 설명하기 위한 다른 타임 차트이다.
이하 도면을 참조해서 본 발명에 따른 임피던스 정합장치의 실시형태를 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 임피던스 정합장치의 일 실시형태의 회로 구성을 나타낸다. 동 도면에 있어서, (1)은 고주파 전력을 출력하는 고주파 전원, (2)는 고주파 전원(1)으로부터 고주파 전력이 공급되는 부하, (3)은 고주파 전원(1)과 부하(2) 사이에 설치되어서, 고주파 전원(1)으로부터 부하측을 본 임피던스인 부하측 임피던스를 고주파 전원(1)의 출력 임피던스에 정합시키는 동작을 행하는 임피던스 정합장치, (4)는 고주파 전원(1)으로부터 부하측을 본 임피던스를 연산하기 위해서 이용되는 파라미터를 검출하는 고주파 검출부이다. 이하 각 부의 구성에 대해서 설명한다.
<고주파 전원>
고주파 전원(1)은, 예를 들면, 부하에 공급하는 전력의 주파수와 동등한 주파수의 신호를 발생하는 고주파신호 발생부와, 이 고주파신호 발생부의 출력을 증폭하는 전력증폭기에 의해 구성된다.
<부하>
본 실시형태에서는, 부하(2)가 반도체처리 장치 등에 이용되는 플라즈마 부하인 것으로 한다. 플라즈마 부하는, 예를 들면, 피처리물이 수용되는 챔버와, 해당 챔버 내에 배치된 플라즈마 발생용 전극을 구비하고 있어서, 플라즈마 발생용 전극에 고주파 전력이 공급되었을 때에, 챔버 내의 가스를 이온화시켜 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마 부하는 상시 임피던스가 변동하므로, 임피던스 정합장치(3)에는, 임피던스 정합 동작을 고속으로 행하는 것이 요구된다.
<정합 회로>
정합 회로(31)는 각종 형태를 취할 수 있지만, 본 실시형태에서는, 고주파 전원(1)의 비접지측 출력 단자에 고주파 검출부(4)를 통해서 일단부가 접속되는 동시에 타단부가 접지된 제1 가변 커패시터(VC1)와, 제1 가변 커패시터(VC1)의 일단부에 일단부가 접속된 제2 가변 커패시터(VC2)와, 제2 가변 커패시터(VC2)의 타단부와 부하(2) 사이에 접속된 인덕터(L1)에 의해 정합 회로(31)가 구성되어 있다.
각 가변 커패시터의 커패시턴스의 조정을 용이하게 하기 위하여, 각 가변 커패시터는, 커패시터와 반도체 소자로 이루어진 커패시턴스 조정용 스위치를 직렬로 접속해서 구성한 커패시턴스 요소를 복수개 갖고, 이들 복수개의 커패시턴스 요소를 서로 병렬로 접속한 구조를 갖는 전자조작식의 가변 커패시터인 것이 바람직하다. 이러한 구조를 갖는 가변 커패시터를 이용하면, 서로 병렬로 접속된 복수의 커패시턴스 요소에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온 오프의 상태의 조합을 변화시킴으로써, 가변 커패시터의 커패시턴스를 적절하게 조정할 수 있다.
본 실시형태에서 이용되는 가변 커패시터(VC1 및 VC2)의 각각은, 제1 내지 제n(n은 2 이상의 정수)의 커패시터(C1 ~ Cn)가 각각 반도체 소자로 이루어진 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)를 직렬로 접속해서 구성한 제1 내지 제n 커패시턴스 요소(Ce1 ~ Cen)를 서로 병렬로 접속한 구조를 갖는다. 이와 같이 가변 커패시터(VC1 및 VC2)를 구성한 경우, 각 가변 커패시터의 커패시턴스는, 온 상태에 있는 커패시턴스 조정용 스위치에 직렬로 접속되어 있는 커패시터의 커패시턴스의 합계값과 동등해진다. 예를 들면, 제1 커패시턴스 조정용 스위치(S1)와 제3 커패시턴스 조정용 스위치(S3)가 온 상태에 있고, 다른 커패시턴스 조정용 스위치가 오프 상태에 있을 때의 가변 커패시터의 커패시턴스는, 커패시터(C1)의 커패시턴스와 커패시터(C3)의 커패시턴스의 합계값과 동등해진다.
본 실시형태에서는, 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)가, 고속으로 온 오프 제어를 행할 수 있는 PIN 다이오드로 이루어지고 있다. 각 PIN 다이오드는, 도시하지 않은 드라이버 회로로부터 그 애노드·캐소드 간에 역방향의 직류 전압이 인가되는 것에 의해 오프 상태로 되고, 애노드·캐소드 간에 일정한 순방향의 직류 전압이 인가되는 것에 의해 온 상태로 된다. PIN 다이오드는, 순방향에 일정한 DC전류가 흐르고 있을 때에 저임피던스를 나타내는 상태(온 상태)가 된다. PIN 다이오드가 온 상태에 있을 때에는, 해당 다이오드를 통해서 고주파 전류를 쌍방향으로 흘려보낼 수 있다.
도시된 바와 같이 가변 커패시터를 구성하면, 제1 내지 제n 커패시터(C1 ~ Cn)의 커패시턴스를 다르게 해두고, 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 각각의 상태(온 상태 또는 오프 상태)를 적절하게 선택함으로써, 가변 커패시터(VC1 및 VC2)의 커패시턴스를 2의 n승 스텝으로 조정할 수 있다.
제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태와 가변 커패시터(VC1 및 VC2)의 커패시턴스의 관계를 이해하기 용이하게 하기 위해서는, 예를 들면, n비트의 2진수의 최하위의 자릿수 및 최상위의 자릿수를 각각 제1 자릿수 및 제n 자릿수로 해서, 해당 2진수의 제1 자릿수 또는 제n 자릿수에 각각 제1 내지 제n 커패시터(C1 ~ Cn)를 대응시켜, 제1 내지 제n 커패시터(C1 ~ Cn)의 커패시턴스 중 최소의 커패시턴스인 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스를 Cmin으로 했을 때에, k번째(k=1 내지 n)의 커패시터(2진수의 최하위의 자릿수로부터 k자릿수째에 대응시킨 커패시터)의 커패시턴스(Ck)가, 하기 (1)식에 의해 결정되는 값을 취하도록, 제1 내지 제n 커패시터(C1 ~ Cn)의 각각의 커패시턴스를 설정한다.
Cｋ= Cmin · 2k-1 (1)
상기 식에 있어서, k-1은, k번째의 커패시터가 대응하는 2진수의 최하위의 자릿수로부터 k자릿수째의 비트의 비트 위치를 나타내는 비트 번호이다. 전술한 바와 같이 제1 내지 제n 커패시터의 커패시턴스를 정해두면, 제1 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태(온 상태 또는 오프 상태)의 조합을 변화시킴으로써, Cmin씩 값이 다른 2n과 같은 커패시턴스(C1 ~ Cn 의 합성 커패시터 용량)를 얻을 수 있다.
예를 들면, n=4, Cmax=1pF로 해서, 4자리의 2진수의 제1 자릿수 ~ 제4 자릿수에 각각 제1 커패시턴스 조정용 스위치(S1) ~ 제4 커패시턴스 조정용 스위치(S4)를 대응시켜, (1)식에 따라서, 커패시터(C1 내지 C4)의 커패시턴스를 각각 1, 2, 4, 8[pF]이라고 하면, 하기의 표 1에 나타낸 바와 같이, 커패시턴스가 Cmin[pF](본 예에서는 1[pF])씩 다른 24가지(본 예에서는 16가지)의 값(본 예에서는 0 내지 15[pF])을 취할 수 있는 가변 커패시터를 얻을 수 있다.
Figure pct00001
또한 예를 들면, 커패시터를 10개 설치해서(n=10으로 해서), 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스를 1 "pF"로 하고, 커패시터(C1, C2, …)의 커패시턴스를 1pF, 2pF, 4pF, 8pF, …와 같이 순차 2배로 해서 10번째의 커패시터의 커패시턴스를 512pF로 했을 경우에는, 0pF로부터 1023pF까지, 1pF단위로 가변 커패시터의 커패시턴스를 조정할 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, 각 가변 커패시터의 커패시턴스를, 고주파 전원과 부하 사이의 임피던스의 정합을 도모하기 위해서 필요한 커패시턴스로 하기 위해서, 각 가변 커패시터에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치가 취해야 할 상태(온 상태 또는 오프 상태)를 "목표 스위치 상태"라 칭한다. 전술한 바와 같이 2진수와 커패시터의 관계가 정해져 있을 경우, 목표 스위치 상태는, 가변 커패시터에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 수와 동등한 자릿수를 가진 2진수에 의해 지정된다.
예를 들면, 각 가변 커패시터를 4개의 커패시턴스 요소에 의해 구성해서, 각 가변 커패시터에 제1 내지 제4 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ S4)를 설치하고, 4자리의 2진수의 제1 자릿수 ~ 제4 자릿수에 각각 제1 커패시턴스 조정용 스위치(S1) ~ 제4 커패시턴스 조정용 스위치(S4)를 대응시켜, 4자리의 2진수와 가변 커패시터의 커패시턴스 사이에 표 1에 나타낸 관계를 갖게 한다. 이 경우, 고주파 전원(1)으로부터 부하측을 본 임피던스를 고주파 전원(1)의 출력 임피던스에 정합시키기 위해서 구해진 가변 커패시터(VC1)의 목표 커패시턴스를 10pF로 해서, 가변 커패시터(VC2)의 목표 커패시턴스를 5pF라 한다. 이 경우, 가변 커패시터(VC1)의 제4 커패시턴스 조정용 스위치(S4), 제3 커패시턴스 조정용 스위치(S3), 제2 커패시턴스 조정용 스위치(S2) 및 제1 커패시턴스 조정용 스위치(S1)가 취해야 할 목표 스위치 상태는, 4자리의 2진수 "1010"으로 지정되고, 가변 커패시터(VC2)의 제4 커패시턴스 조정용 스위치(S4), 제3 커패시턴스 조정용 스위치(S3), 제2 커패시턴스 조정용 스위치(S2) 및 제1 커패시턴스 조정용 스위치(S1)가 취해야 할 목표 스위치 상태는, 4자리의 2진수 "0101"로 지정된다.
<고주파 검출부>
도 1에 나타낸 고주파 검출부(4)는, 부하측 임피던스를 연산하기 위해서 이용하는 파라미터를 검출하는 부분이다. 부하측 임피던스가 반영된 파라미터로서는, 예를 들면, 고주파 전원(1)으로부터 부하(2)에 공급되는 고주파 전압 및 고주파 전류와 이들 사이의 위상차를 이용해도 되고, 또 고주파 전원(1)의 출력 단부에서 검출한 진행파 전력 및 반사파 전력을 이용해도 된다. 고주파 검출부(4)는, 방향성 결합기 등을 구비하고, 이들 파라미터를 검출할 수 있도록 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 고주파 전원(1)으로부터 부하(2)에 부여되는 고주파 전압 및 고주파 전류와, 이들의 위상차를 부하측 임피던스가 반영된 파라미터로서 고주파 검출부(4)로부터 검출한다.
<제어부>
도 2을 참조하면, 본 실시형태에서 이용되는 제어부(32)의 구성예가 도시되어 있다. 도 2에 나타낸 제어부(32)는, 정합 연산부(32A)와, 스위치상태 판정부(32B)와, 스위치 제어부(32C)에 의해 구성되어 있다. 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 제어부(32)에는, 도 12(A)에 나타나 있는 바와 같이, 일정한 샘플 주기(t1)로 샘플 펄스(Ps)를 발생하는 펄스 발생기가 설치되어 있다. 이하, 제어부(32)를 구성하는 정합 연산부(32A), 스위치상태 판정부(32B) 및 스위치 제어부(32C)의 구성에 대해서 설명한다.
<정합 연산부>
도시한 정합 연산부(32A)는, 고주파 전원(1)의 출력 임피던스와 고주파 전원으로부터 부하(2)측을 본 회로의 임피던스(부하측 임피던스)의 정합을 도모하기 위해서 정합 회로(31)에 설치되어 있는 각 커패시턴스 조정용 스위치가 취해야 할 상태를 목표 스위치 상태로 해서 구한 정합 연산을 설정된 주기로 행하는 부분이다. 본 실시형태에서는, 부하측 임피던스가 반영된 파라미터를 고주파 검출부(4)로부터 설정된 샘플 주기로 샘플링하고, 파라미터를 샘플링할 때마다 정합 연산을 행하도록 정합 연산부(32A)가 구성된다.
상기 고주파 전원으로부터 부하측을 본 임피던스가 반영된 파라미터로서는, 예를 들면, 고주파 전원(1)으로부터 부하(2)에 공급되는 고주파 전압 및 고주파 전류와 이들 사이의 위상차를 이용할 수 있다. 또 고주파 전원의 출력 단부에서 검출한 진행파 전력 및 반사파 전력이나 반사 계수를 상기 파라미터로서 이용하는 것도 가능하다.
본 실시형태에서는, 정합 연산부(32A)가, 부하측 임피던스 연산수단(32A1)과, 커패시턴스 연산수단(32A2)과, 목표 스위치 상태 결정수단(32A3)에 의해 구성되어 있다. 부하측 임피던스 연산수단(32A1)은, 도시하지 않은 펄스 발생기가 일정한 주기(t1)로 샘플 펄스(Ps)(도 12(A) 참조)를 발생할 때마다, 부하측 임피던스가 반영된 파라미터를 고주파 검출부(4)로부터 샘플링하고, 해당 파라미터를 샘플링할 때마다 부하측 임피던스를 연산한다.
또 커패시턴스 연산수단(32A2)은, 부하측 임피던스 연산수단(32A1)에 의해 연산된 부하측 임피던스를 고주파 전원(1)의 출력 임피던스에 정합시키기 위해서 정합 회로(31)의 가변 커패시터(VC1 및 VC2)가 각각 취해야 할 커패시턴스를 연산하는 수단이다.
목표 스위치 상태 결정수단(32A3)은, 가변 커패시터(VC1)의 커패시턴스를 커패시턴스 연산수단(32A2)에 의해 연산된 커패시턴스와 동등하게 하기 위해서(또는 한없이 가깝게 하기 위해서), 가변 커패시터(VC1)를 구성하는 제1 내지 제n 커패시터(C1 ~ Cn)에 각각 직렬로 접속된 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)가 취해야 할 상태(온 오프의 상태)를 가변 커패시터(VC1)의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 목표 스위치 상태로서 결정하고, 가변 커패시터(VC2)의 커패시턴스를 커패시턴스 연산수단(32A2)에 의해 연산된 커패시턴스로 하기 위해서 가변 커패시터(VC2)를 구성하는 제1 내지 제n 커패시터(C1 ~ Cn)에 각각 직렬로 접속된 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)가 취해야 할 상태를 가변 커패시터(VC2)의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 목표 스위치 상태로서 결정하는 수단이다.
<스위치상태 판정부>
스위치상태 판정부(32B)는, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부를 판정하는 수단이다. 커패시턴스 조정용 스위치의 온도상승을 억제할 필요가 있는 상태란, 커패시턴스 조정용 스위치를 구성하고 있는 반도체 소자의 접합부의 온도가 허용 한도를 초과하고 있는 상태이며, 그대로 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 온 오프 동작을 계속하면, 해당 커패시턴스 조정용 스위치가 파괴될 우려가 있는 상태이다.
본 실시형태에서는, 가변 커패시터(VC1)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn) 및 가변 커패시터(VC2)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn) 중 적어도 1개를 감시 대상 스위치로 해서, 적어도 하나의 감시 대상 스위치가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부를 판정하도록 스위치상태 판정부(32B)가 구성된다.
커패시턴스 조정용 스위치가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부의 판정은, 커패시턴스 조정용 스위치를 구성하는 반도체 소자의 접합부의 온도와 상관 관계를 갖는 파라미터를 감시함으로써 행할 수 있다. 따라서, 스위치상태 판정부(32B)는, 감시 대상 스위치의 접합부의 온도와 상관 관계를 갖는 파라미터를 감시해서, 해당 파라미터에 의거해서 적어도 하나의 감시 대상 스위치가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부를 판정하도록 구성할 수 있다.
커패시턴스 조정용 스위치의 접합부의 온도와 상관 관계를 갖는 파라미터로서는, 예를 들면, 부하측 임피던스가 설정값 이상의 변화를 나타내는 빈도, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태가 변경되는 빈도, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 특정 부분의 온도 등을 이용할 수 있다. 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도로서는 예를 들면, 커패시턴스 조정용 스위치가 실장되는 기판의 온도, 커패시턴스 조정용 스위치를 구성하고 있는 반도체 소자의 패키지의 온도, 커패시턴스 조정용 스위치로부터의 방열을 도모하는 히트 싱크의 온도 등을 이용할 수 있다.
도 2에 나타낸 실시형태에서는, 커패시턴스 조정용 스위치의 접합부의 온도와 상관 관계를 갖는 파라미터로서, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태가 온 상태로부터 오프 상태로 또는 오프 상태로부터 온 상태로 변경되는 빈도(스위치상태 변경빈도)가 이용되고 있다.
도 2에 나타낸 스위치상태 판정부(32B)는, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개를 감시 대상 스위치로 하고, 이 감시 대상 스위치의 스위치 상태가 온 상태로부터 오프 상태로 또는 오프 상태로부터 온 상태로 변경되는 빈도를 스위치상태 변경빈도로 하고, 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도가 설정된 판정기준값 이상인지의 여부를 판정하는 변경빈도 판정수단(32B1)을 구비하고 있어서, 이 변경빈도 판정수단(32B1)에 의해, 적어도 하나의 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도가 판정기준값 이상이라고 판정되었을 때에, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정하도록 구성되어 있다.
본 실시형태에서는, 설정된 판정 기준 시간 내에 감시 대상 스위치의 스위치 상태가 변경된 횟수를 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도로 하고 있다. 판정 기준 시간 내에 감시 대상 스위치의 스위치 상태가 변경된 횟수는, 설정된 판정 기준 시간 내에 감시 대상 스위치의 스위치 상태가 실제로 변경된 횟수를 계수하거나, 또는 설정된 판정 기준 시간 내에 정합 연산부(32A)가 감시 대상 스위치의 목표 스위치 상태를 변경한 횟수를 계수함으로써 검출할 수 있다.
커패시턴스 조정용 스위치의 스위치상태 변경빈도를 구할 때에 이용하는 "판정 기준시간" 및 커패시턴스 조정용 스위치가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부를 판정할 때에 이용하는 "판정기준값"은, 이들 파라미터를 여러 가지로 변화시키면서 임피던스의 정합 동작을 행하게 해서 커패시턴스 조정용 스위치의 온도를 계측하는 실험을 행하는 것에 의해 결정할 수 있다.
상기 설명에서는, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 모든 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개를 감시 대상 스위치로 한다고 했지만, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 가변 커패시터 중 적어도 1개를 "감시 대상 가변 커패시터"로서 선정해서, 이 감시 대상 가변 커패시터에 설치되어 있는 적어도 하나의 커패시턴스 조정용 스위치를 감시 대상 스위치로 하도록 해도 된다.
즉, 변경빈도 판정수단(32B1)은, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 가변 커패시터 중 적어도 1개를 감시 대상 가변 커패시터로 하고, 이 감시 대상 가변 커패시터에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개를 감시 대상 스위치로 하도록 구성할 수 있다. 이 경우에도, 스위치 상태 판정수단(32B)은, 변경빈도 판정수단에 의해, 적어도 하나의 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도가 판정기준값 이상이라고 판정되었을 때에, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정한다.
<감시 대상 가변 커패시터 및 감시 대상 스위치에 대해서>
임피던스 정합장치에 있어서, 정합 회로에 복수의 가변 커패시터가 설치되어 있을 경우, 부하측 임피던스가 변화되었을 때에 모든 가변 커패시터의 커패시턴스가 고빈도로 조절되는 것으로 한정되지 않고, 일부의 가변 커패시터의 커패시턴스만이 고빈도로 조절되는 경우가 있다.
또 각 가변 커패시터에 설치되어 있는 복수의 커패시턴스 조정용 스위치의 각각의 스위치 상태가 변경되는 빈도는 동일하지는 않고, 일반적으로는, 가변 커패시터의 커패시턴스의 하위의 자릿수의 값을 조정할 때에 스위치 상태가 변경되는(온 오프되는) 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치상태 변경빈도의 쪽이, 가변 커패시터의 커패시턴스의 상위의 자릿수의 수치를 조정할 때에 스위치 상태가 변경되는 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치상태 변경빈도보다도 높아진다.
정합 회로에 설치되어 있는 복수의 가변 커패시터의 커패시턴스가 조정되는 빈도에 차이가 있는 것을 알고 있을 경우에는, 모든 가변 커패시터에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치를 감시의 대상으로 할 필요는 없고, 커패시턴스가 조정되는 빈도가 높은 가변 커패시터를 감시 대상 가변 커패시터로 하고, 이 감시 대상 가변 커패시터에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치상태 변경빈도를 감시하도록 하면 된다.
마찬가지로, 감시 대상 가변 커패시터에 설치되어 있는 복수의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치상태 변경빈도에 차이가 있는 것을 알고 있을 경우에는, 감시 대상 가변 커패시터에 설치되어 있는 모든 커패시턴스 조정용 스위치를 감시 대상 스위치로 할 필요는 없고, 스위치상태 변경빈도가 높은 것을 알고 있는 커패시턴스 조정용 스위치만을 감시 대상 스위치로 하도록 해도 된다.
가장 빨리 보호가 필요한 상태가 되기 쉬운 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치상태 변경빈도를 감시하고, 그 스위치상태 변경빈도가 판정기준값 이상일 때에, 보호 대상 스위치로서 선정한 커패시턴스 조정용 스위치에 대하여 온도상승 억제제어를 행하도록 하면, 정합 회로를 구성하는 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 확실하게 도모할 수 있다. 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 일부의 스위치상태 변경빈도만을 감시하도록 하면, 스위치상태 변경빈도의 검출 및 스위치상태 변경빈도가 설정된 판정 기준 이상인지의 여부의 판정을 행하기 위한 처리를 간단히 할 수 있다.
또 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치상태 변경빈도는, 커패시턴스 조정용 스위치가 온 상태에 있는지 오프 상태에 있는지를 검출하는 스위치 상태 검출수단을 커패시턴스 조정용 스위치에 대하여 설치하고, 설정된 판정 기준 시간 내에 이 스위치 상태 검출수단에 의해 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태가 변경된 것이 검출된 횟수를 계수함으로써 검출할 수도 있지만, 이러한 방법으로 스위치상태 변경빈도를 검출할 경우, 일부의 커패시턴스 조정용 스위치만을 감시 대상 스위치로 하면, 감시 대상 스위치로 하는 일부의 커패시턴스 조정용 스위치에 대해서만 스위치 상태 검출수단을 설치하면 되므로, 정합 회로의 구성이 복잡해지는 것을 방지할 수 있다.
또 정합 회로(31)에 설치되어 있는 가변 커패시터 중 적어도 1개를 감시 대상 가변 커패시터로 하고, 이 감시 대상 가변 커패시터에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개를 감시 대상 스위치로 할 경우에도, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개를 감시 대상 스위치로 하고 있는 것에는 변함은 없다.
본 발명에 있어서는, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 모든 가변 커패시터를 감시 대상 가변 커패시터로 하고, 각 가변 커패시터에 설치되어 있는 모든 커패시턴스 조정용 스위치, 또는 각 가변 커패시터에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중, 스위치상태 변경빈도가 높은 것을 알고 있는 적어도 하나의 커패시턴스 조정용 스위치를 감시 대상 스위치로 하고, 적어도 하나의 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도가 판정기준값 이상이라고 판정되었을 때에, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다는 판정을 행하도록 스위치상태 판정부(32B)를 구성하는 것을 방해하지 않는다.
<본 실시형태에서 이용되는 스위치상태 판정부의 구성>
전술한 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치의 일부만을 감시 대상 스위치로 할 수 있지만, 이하의 설명에서는, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 2개의 가변 커패시터(VC1 및 VC2)의 쌍방을 감시 대상 가변 커패시터로 하고, 각 감시 대상 가변 커패시터에 설치되어 있는 모든 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)를 감시 대상 스위치로 해서, 설정된 판정 기준 시간 내에 정합 연산부(32A)가 감시 대상 스위치(S1 ~ Sn)의 목표 스위치 상태를 변경한 횟수를 계수함으로써 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도를 구하는 것으로 한다.
전술한 바와 같이, 본 실시형태에서 이용되는 정합 연산부(32A)는, 최하위의 자릿수 및 최상위의 자릿수를 각각 제1 자릿수 및 제n 자릿수로 한 n비트의 2진수의 제1 자릿수 또는 제n 자릿수를 각각 제1 내지 제n 커패시터(C1 ~ Cn)에 대응시켜서, 해당 n비트의 2진수의 제1 자릿수 또는 제n 자릿수의 각각이 1인지 0인지에 따라 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치가 취해야 할 목표 스위치 상태를 나타내도록 구성되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 상기 n비트의 2진수가 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 스위치 상태의 조합 패턴을 나타내고 있는 것에 착안해서, 설정된 판정 기준 시간 내에 n비트의 2진수가 변화된 횟수가 설정된 판정기준값 이상일 때에, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정하도록 스위치상태 판정부(32B)가 구성되어 있다.
<스위치 제어부>
스위치 제어부(32C)는, 정합 회로에 설치되어 있는 각 커패시턴스 조정용 스위치의 온 오프를 제어하는 스위치 제어수단(32C1)과, 온도상승 억제제어를 행하는 온도상승 억제제어수단(32C2)에 의해 구성된다. 여기서, 스위치 제어수단(32C1)은, 각 가변 커패시터의 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 온 오프를 제어하는 수단으로, 정상 시에는, 각 커패시턴스 조정용 스위치의 상태를 정합 연산부(32A)에 의해 구해진 목표 스위치 상태와 일치시키도록 각 가변 커패시터의 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)를 제어한다.
또 온도상승 억제제어수단(32C2)은, 스위치상태 판정부(32B)에 의해, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn) 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정되었을 때에, 스위치 제어수단(32C1)에 온도상승 억제제어 실행지령을 부여해서, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn) 중 적어도 1개를 보호 대상 스위치로 해서, 설정된 온도상승 억제기간의 동안에만, 보호 대상 스위치의 온도상승을 억제하기 위한 제어(온도상승 억제제어)를 스위치 제어수단(32C1)에 행하게 하는 수단이다. 정합 회로(31)에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn) 중 일부의 스위치만을 보호 대상 스위치로 할 경우, 스위치 제어수단(32C1)은, 온도상승 억제제어수단으로부터 온도상승 억제제어 실행지령이 부여되었을 때에, 보호 대상 스위치에 대해서는 온도상승 억제제어를 행하지만, 보호 대상 스위치 이외의 커패시턴스 조정용 스위치에 대해서는, 그 스위치 상태를 목표 스위치 상태와 일치시키는 스위치 제어를 행한다.
<온도상승 억제 제어에 대해서>
온도상승 억제 제어는, 보호 대상 스위치의 스위칭 동작을 정지시키거나, 또는 보호 대상 스위치가 스위칭 동작을 행하는 빈도를 낮게 하는 것에 의해 행한다. 보호 대상 스위치의 스위칭 동작을 정지시킴으로써 온도상승 억제제어를 행할 경우, 보호 대상 스위치의 스위칭 동작의 정지는, 온도상승 억제기간 동안 정합 연산부(32A)에 의한 목표 스위치 상태의 연산을 정지시키거나, 또는 보호 대상 스위치의 스위치 상태를 온도상승 억제제어 개시 직전의 상태로 고정시킴으로써 행할 수 있다.
또 보호 대상 스위치가 스위칭 동작을 행하는 빈도를 낮게 하는 것에 의해 온도상승 억제제어를 행하기 위해서는, 예를 들면, 정합 회로가 각 커패시턴스 조정용 스위치의 목표 스위치 상태를 변경할 때마다 보호 대상 스위치의 스위치 상태를 변경하는 것은 아니고, 보호 대상 스위치의 스위치 상태의 변경을 시간 간격을 두고서 간헐적으로 행하게 하도록 하면 된다.
또한 본 실시형태와 같이, 부하측 임피던스가 반영된 파라미터를 설정된 샘플 주기로 샘플링하고, 파라미터를 샘플링할 때마다 정합 연산을 행하도록 정합 연산부(32A)가 구성되어 있을 경우에는, 온도상승 억제제어를 행할 때에, 정합 연산부(32A)의 부하측 임피던스 연산수단(32A1)이 부하측 임피던스를 구하기 위해서 이용하는 파라미터를 고주파 검출부(4)로부터 샘플링하는 주기를, 설정된 정규의 샘플 주기보다도 긴 주기로 하도록 정합 연산부(32A)를 제어함으로써, 보호 대상 스위치가 스위칭 동작을 행하는 빈도를 낮게 하도록 스위치 제어부(32C)를 구성할 수도 있다.
커패시턴스 조정용 스위치의 온도상승을 억제하는 제어(온도상승 억제제어)를 행하는 "온도상승 억제기간"은, 예를 들면, 커패시턴스 조정용 스위치를 높은 빈도로 온 오프시켜서 그 온도를 허용 한도까지 상승시킨 후, 커패시터 조정용 스위치의 스위칭 동작을 정지시키거나, 또는 스위칭 동작을 행하는 빈도를 저하시키는 온도상승 억제제어를 개시시켜서, 이 온도상승 억제제어를 개시한 후, 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 스위칭 동작을 재개시켜도 무방한 온도까지 저하시키는데 필요한 시간을 구하는 실험을 행함으로써, 최적인 길이로 결정할 수 있다.
<보호 대상 스위치에 대해서>
보호 대상 스위치는, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중, 과도한 온도상승에 의해 파괴되는 것을 방지하기 위하여, 온도상승 억제 제어의 대상으로 하는 스위치이다. 보호 대상 스위치는, 정합 회로에 설치되어 있는 모든 커패시턴스 조정용 스위치이어도 되고, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치의 일부이어도 된다. 본 발명의 바람직한 양상에서는, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중, 부하측 임피던스가 변화되는 상태가 계속된 때에 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태가 될 개연성이 높은 커패시턴스 조정용 스위치를 포함하는 적어도 하나의 커패시턴스 조정용 스위치를 보호 대상 스위치로서 선정한다.
정합 회로(31)에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치 중, 부하 임피던스가 변화되는 상태가 계속되었을 때에 빈번하게 온 오프시켜지기 때문에 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태가 될 개연성이 높은 스위치를 미리 알고 있을 경우에는, 그러한 스위치를 보호 대상 스위치로 하면 되지만, 부하 임피던스가 높은 빈도로 변화되었을 때에 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태가 될 개연성이 높다고 할 수 있는 스위치가 명확하지 않을 경우에는, 정합 회로에 설치되어 있는 모든 커패시턴스 조정용 스위치를 보호 대상 스위치로 하는 것이 바람직하다.
부하 임피던스가 변화되는 상태가 계속되었을 때에 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태가 될 개연성이 높은 스위치란, 예를 들면, 각 가변 커패시터에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치 중, 각 가변 커패시터의 커패시턴스의 하위 부근의 자릿수의 값을 조정할 때에 온 오프시켜지는 스위치나, 감시 대상 스위치 중, 변경빈도 판정수단에 의해 스위치상태 변경빈도가 설정된 판정기준값 이상이라고 판정된 감시 대상 스위치 등이다.
또 정합 회로(31)에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치 중, 일부의 스위치만을 보호 대상 스위치로 해서 온도상승 억제제어를 행하는 것보다는, 정합 회로에 설치되어 있는 모든 커패시턴스 조정용 스위치를 보호 대상 스위치로 해서, 모든 커패시턴스 조정용 스위치에 대하여 일률적으로 온도상승 억제제어를 행하는 쪽이, 제어가 간단해질 경우가 있다. 이러한 경우에는, 온도상승을 억제할 필요가 있는 커패시턴스 조정용 스위치를 특별히 지정할 수 있을 경우이어도, 온도상승 억제제어를 간단히 행한다고 하는 관점에서, 정합 회로에 설치되어 있는 모든 커패시턴스 조정용 스위치를 보호 대상 스위치로 할 수 있다.
<임피던스 정합장치의 동작>
도 12를 참조해서 본 실시형태에 따른 임피던스 정합장치의 동작을 설명한다. 이하에 나타낸 동작 설명에서는, 가변 커패시터(VC1 및 VC2)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치의 모두를 감시 대상 스위치로 하고, 이들 감시 대상 스위치의 모두를 보호 대상 스위치로 한다.
도 12는 본 실시형태에 따른 임피던스 정합장치의 동작의 일례를 나타낸 타임 차트이며, 동 도면 (A)는 도시하지 않은 펄스 발생기가 발생하는 샘플 펄스(Ps)를 나타내고 있다. 펄스(Ps)는 일정한 샘플 주기(t1)로 발생한다. 도 12(B)는 정합 연산부(32A)의 동작을 나타내고, 동 도면 (C)는 정합 회로(31)에 설치되어 있는 가변 커패시터의 커패시턴스를 변화시키기 위해서 정합 회로에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태의 변화를 나타내고 있다. 또 도 12(D)는, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태가 변경된 횟수(온/오프 횟수)의 계수값을 나타내고 있다.
본 실시형태와 같이, 정합 회로(31)에 2개의 가변 커패시터(VC1 및 VC2)가 설치되어 있을 경우, 일반적으로는, 가변 커패시터(VC1)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태의 변화와, 가변 커패시터(VC2)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태의 변화와는 다르지만, 이하의 설명에서는, 설명의 편의상, 가변 커패시터(VC1)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태의 변화와, 가변 커패시터(VC2)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태의 변화가 같은 것으로 한다.
도 12(B)에 있어서 "실행"은 정합 연산이 행하여진 것을 의미하고, "정지"는 정합 연산이 정지하고 있는 것을 의미하고 있다. 또 도 12(C)에 있어서, "유지"는, 샘플 펄스가 발생했을 때에 연산된 부하측 임피던스가 전회 샘플 펄스가 발생했을 때에 연산된 부하측 임피던스와 변함이 없고, 정합 연산부(32A)가 목표 스위치 상태를 변경하지 않았기 때문에, 정합 회로에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온 오프의 상태가 유지된 것을 의미하고 있다. 또 도 12(C)에 있어서, "변경"은, 정합 회로의 각 가변 커패시터에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 하나의 온 오프의 상태를 변화시켰기 때문에 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 조합 패턴이 변화된 것을 의미한다.
또 도 12(D)의 "온/오프 횟수"는, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태가 변경된 횟수의 계수값을 나타내고 있고, Cs는 설정된 판정기준값(커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경 빈도가 설정된 허용 한도 이상인지의 여부를 판정하기 위해서 변경 횟수와 비교되는 기준값)을 나타내고 있다. 또 도 12의 최하부에 나타낸 t2는 판정 기준시간을 나타내고, t3은 온도상승 억제기간을 나타내고 있다.
본 실시형태에 있어서, 임피던스 정합장치의 조정 동작이 개시되면, 샘플 펄스(Ps)가 발생할 때마다 정합 연산이 실행된다. 그 결과, 목표 스위치 상태가 변경되면, 정합 회로의 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 조합 패턴이 변경된다. 목표 스위치 상태란, 고주파 전원(1)과 부하(2) 사이의 임피던스의 정합을 도모하기 위해서 가변 커패시터에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치가 취해야 할 상태이다. 고주파 검출부(4)로부터 부하측 임피던스가 반영된 파라미터를 샘플링해서 부하측 임피던스를 연산한 결과, 부하측 임피던스에 변화가 없고, 목표 스위치 상태가 변경되지 않았을 때에는, 정합 회로의 가변 커패시터의 커패시턴스를 정하기 위해서 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 조합 패턴이 전회의 샘플링 때와 같은 상태로 유지된다.
샘플 펄스(Ps)에 동기해서 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태가 변경될 때마다, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경 횟수의 계수값이 증분되고, 전회의 샘플링 때의 스위치 상태가 유지되었을 때에는, 전회의 샘플링 때의 계수값이 유지된다.
본 실시형태에서는, 조정 동작이 개시됨과 동시에 타이머가 기동되어서 경과 시간이 계측되고, 경과 시간이 설정된 판정 기준시간(t2)에 도달할 때마다 타이머가 리셋된다. 그리고, 타이머에 의해 판정 기준시간(t2)이 계측될 때마다, 변경빈도 판정수단(32B1)이 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경 횟수의 계수값(스위치상태 변경빈도)을 설정된 판정기준값(Cs)과 비교해서, 변경 횟수의 계수값이 판정기준값 이상으로 되어 있는지의 여부를 판정한다. 그 결과, 변경 횟수의 계수값이 판정기준값 미만이라고 판정되었을 때에는, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중에 온도상승의 억제를 필요로 하는 스위치는 없다고 판정하고, 변경 횟수의 계수값이 판정기준값 이상이 되었다고 판정되었을 때에, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정한다.
그래서, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정될 때마다, 설정된 온도상승 억제기간(t3)의 계측을 행하고, 이 온도상승 억제기간(t3)을 계측하고 있는 동안에만, 온도상승 억제제어를 행한다.
도 12에 나타낸 예에서는, 도 12(B)에 나타낸 바와 같이, 온도상승 억제기간(t3) 동안, 정합 연산을 정지시킴으로써 온도상승 억제제어를 행하도록 정합 연산부(32A)를 구성하고 있다. 이렇게 구성했을 경우에는, 정합 연산부(32A)가 목표 스위치 상태를 변경하는 횟수와, 정합 회로의 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태가 변경되는 횟수가 같아지므로, 단순히 정합 연산부가 목표 스위치 상태를 변경하는 횟수를 계수하는 것에 의해, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태가 변경된 횟수를 계수할 수 있다. 그렇지만, 본 발명은 이렇게 정합 연산부를 구성할 경우로 한정되는 것은 아니고, 도 13에 나타낸 예와 같이, 온도상승 억제기간(t3) 동안에도 정합 연산을 실행시키도록 정합 연산부(32A)를 구성해도 된다. 이렇게 구성했을 경우에는, 온도상승 억제기간(t3)이 경과한 후, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태를 목표 스위치 상태와 일치시키는 제어를 재개할 때에, 목표 스위치 상태를 그때의 부하측 임피던스에 적합한 상태로 할 수 있으므로, 임피던스 조정의 오차를 적게 할 수 있다.
도 13에 나타나 있는 바와 같이, 온도상승 억제기간 동안에도 샘플 펄스가 발생할 때마다 정합 연산을 실행시키는 구성을 취할 경우에도, 온도상승 억제기간(t3) 동안, 정합 연산부(32A)가 목표 스위치 상태를 변경한 횟수의 계수를 정지하고, 판정 기준시간(t2) 동안에만 정합 연산부(32A)가 목표 스위치 상태를 변경한 횟수를 계수하도록 변경빈도 판정수단(32B1)을 구성함으로써, 정합 연산부(32A)가 목표 스위치 상태를 변경한 횟수로부터 각 가변 커패시터의 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태가 변경된 횟수(스위치상태 변경빈도)를 구할 수 있다.
상기 판정기준값(Cs), 판정 기준시간(t2) 및 온도상승 억제기간(t3)은, 커패시턴스 조정용 스위치를 구성하는 반도체 소자의 정션 온도를 허용 범위에 포함시키는 것, 임피던스의 정합 오차를 부하의 동작을 보증하는 데 있어서 필요한 범위에 포함시키는 것, 반사 전력을 허용 범위에 포함시키는 것 등에 배려해서, 실험에 의거해서 적정한 값으로 설정한다. 커패시턴스 조정용 스위치의 정션 온도는, 예를 들면 커패시턴스 조정용 스위치의 표면 온도를 검출하는 것에 의해 추정할 수 있다.
본 실시형태와 같이, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn) 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부의 판정(온도상승 억제 필요와 불필요 판정)을 행하는 스위치상태 판정부(32B)를 설치하고, 이 판정부에 의해, 정합 회로(31)안에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn) 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정되었을 때에, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn) 중 적어도 1개를 보호 대상 스위치로 해서, 이 보호 대상 스위치의 스위칭 동작을 정지시키거나 또는 스위칭 동작을 행하는 빈도를 낮게 하는 것에 의해 보호 대상 스위치의 온도상승을 억제하는 온도상승 억제제어를 설정된 온도상승 억제기간 동안에만 행하도록 하면, 온도상승 억제기간 동안 보호 대상 스위치로부터의 발열을 없애거나 또는 발열을 제한해서 그 온도상승을 억제할 수 있으므로, 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 적확하게 도모할 수 있다. 또 온도상승 억제기간 이외의 기간은, 정합 회로에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태를 정합 연산부(32A)에 의해 구해지고 있는 목표 스위치 상태와 일치시키는 스위치 제어를 행하므로, 고주파 전원(1)과 부하(2) 사이의 임피던스의 정합 정밀도를 크게 저하시키는 일 없이, 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 도모할 수 있다.
도 2에 나타낸 제어부(32)의 정합 연산부(32A), 변경빈도 판정수단(32B1) 및 스위치 제어부(32C)의 각 부는, 마이크로프로세서에 소정의 프로그램을 실행시키는 것에 의해 실현할 수 있다. 도 10은, 정합 연산부(32A), 변경빈도 판정수단(32B1) 및 스위치 제어부(32C)를 구성하기 위해서 마이크로프로세서에 실행시키는 처리의 알고리즘의 일례를 나타낸 것으로, 샘플 펄스(Ps)가 발생할 때마다 실행되는 것이다.
도 10에 나타낸 알고리즘에 의한 경우에는, 임피던스의 정합 동작을 개시하는 지령이 부여되었을 때에 우선 스텝 S01에 있어서 각 부의 초기화를 행하고, 조정 동작이 개시(또는 재개)되고 나서의 경과 시간을 계측하는 제1 타이머의 계측값(ta), 온도상승 억제기간에 있어서의 경과 시간을 계측하는 타이머의 계측값(tb), 정합 회로의 적어도 1개의 가변 커패시터에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태가 변경된 횟수를 계수하는 카운터의 계측값(c) 및 온도상승 억제기간인 것을 나타내는 플래그(F)를 0에 리셋한다.
상기 카운터의 계수값(c)은, 가변 커패시터(VC1 및 VC2) 중 어느 한쪽에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태가 변경되었을 경우 및 정합 회로의 모든 가변 커패시터(VC1 및 VC2)에 각각 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태가 함께 변경되었을 경우 중 어느 경우에도 1만큼 증분된다.
스텝 S01에서 각 부의 초기화를 행한 후, 스텝 S02로 진행되어, 조정 동작을 종료시키는 것을 지령하는 지령이 부여되었는지의 여부를 판정하고, 해당 지령이 부여되어 있지 않을 경우에는 스텝 S03으로 진행되어서 샘플 펄스(Ps)가 발생하는 것을 대기한다. 스텝 S03에 있어서 샘플 펄스(Ps)가 발생했다고 판정했을 때에 스텝 S04로 진행되어, 플래그(F)가 1에 설정되어 있는지의 여부를 판정한다. 이 판정의 결과, 플래그(F)가 1에 설정되어 있지 않다고 판정되었을 때에는, 스텝 S05로 진행되어서 제1 타이머의 계측값(ta)을 1만큼 증분시킨다. 다음에 스텝 S06으로 진행되어, 고주파 전원(1)의 출력 단부에서 부하측을 본 임피던스의 연산을 행하는 과정과, 연산된 임피던스를 고주파 전원의 출력 임피던스에 정합시키기 위해서 가변 커패시터(VC1)에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)가 취해야 할 상태 및 가변 커패시터(VC2)에 설치되어 있는 일련의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)가 취해야 할 상태를 각각 가변 커패시터(VC1)의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 목표 스위치 상태 및 가변 커패시터(VC2)의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 목표 스위치 상태로서 결정하는 과정을 포함하는 정합 연산을 행한다.
정합 연산을 행한 후, 스텝 S07로 진행되어서 목표 스위치 상태가 변경되었는지의 여부를 판정하고, 가변 커패시터(VC1)의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 목표 스위치 상태 및 가변 커패시터(VC2)의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 목표 스위치 상태의 쌍방이 변경되지 않았을 경우에는 스텝 S02로 되돌아간다. 스텝 S07에 있어서, 가변 커패시터(VC1)의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 목표 스위치 상태 및 가변 커패시터(VC2)의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 목표 스위치 상태 중 적어도 한쪽이 변경되었다고 판정되었을 때에는, 스텝 S08로 진행되고, 가변 커패시터(VC1)의 제1 ~ 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태 및 가변 커패시터(VC2)의 제1 ~ 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태를 각각의 목표 스위치 상태와 일치시키는 처리를 행한다. 그 다음에 스텝 S09로 진행되어, 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태가 변경된 횟수를 계수하는 카운터의 계수값(c)을 1만큼 증분시킨다.
스텝 S09를 실행한 후, 스텝 S10으로 진행되어서 카운터의 계수값(c)이 판정기준값(Cs) 이상인지의 여부를 판정한다. 그 결과 C≥Cs가 아닐 경우에는 스텝 S02로 되돌아가고, C≥Cs일 경우에는 스텝 S11로 진행되고, 조정 동작 개시 시부터의 경과 시간(ta)이 판정 기준시간(t2) 이상인지의 여부를 판정한다. 그 결과, 경과 시간(ta)이 판정 기준시간(t2) 이상이 아니라고 판정되었을 때에는 스텝 S02로 되돌아가고, 경과 시간(ta)이 판정 기준시간(t2) 이상이라고 판정되었을 때에는 스텝 S12로 진행되어서 각 가변 커패시터의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태의 변경을 정지(현상을 유지)시키는 동시에, 플래그(F)를 1에 설정하고, 더욱 스텝 S13에서 온도상승 억제기간에 있어서의 경과 시간을 계측하는 제2 타이머의 계측값(tb)을 설정된 온도상승 억제기간(t3)으로 설정한 후에 스텝 S02로 되돌아간다.
플래그(F)가 1에 설정된 상태에서 스텝 S02로 이행된 때에는, 스텝 S04에 있어서 플래그(F)가 1이라고 판정되므로, 이어서 스텝 S14로 이행되어 제2 타이머의 계측값(tb)이 온도상승 억제기간(t3)에 도달하고 있는지의 여부가 판정된다. 그 결과, 제2 타이머의 계측값(tb)이 온도상승 억제기간(t3)에 도달하고 있지 않다고 판정되었을 때에는 스텝 S15로 진행되어서 제2 타이머의 계측값(tb)을 1만큼 증분시키고 스텝 S02로 되돌아간다. 제2 타이머의 계측값(tb)이 설정된 온도상승 억제기간(t3)에 도달할 때까지의 사이에는, 각 가변 커패시터의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태의 변경이 정지된 상태에서 스텝 S02→S03→S04→S14→S15→S02의 과정이 반복되므로, 가변 커패시터(VC1)의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태 및 가변 커패시터(VC2)의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태가 변경되지 않고 유지된다. 이와 같이 해서, 설정된 온도상승 억제기간(t3) 동안 각 가변 커패시터의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태가, 온도상승 억제기간(t3)이 개시되기 직전의 상태로 유지된다.
스텝 S14에서 제2 타이머의 계측값(tb)이 온도상승 억제기간(t3)에 도달했다고 판정되었을 때에는, 스텝 S16으로 진행되어서 플래그(F)가 0으로 리셋된 후 스텝 S02로 되돌아간다. 다음에 스텝 S03으로 진행되고, 동일 스텝에서 펄스(Ps)가 발생하고 있다고 판정되면 스텝 S04가 실행되지만, 스텝 S04에서는 플래그(F)가 1이 아니라고 판정되므로, 스텝 S05 이후의 각 스텝이 실행되어, 정합 연산 및 각 가변 커패시터의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태의 변경이 재개된다.
전술한 바와 같이 해서, 판정 기준시간(t2) 내에 행해진 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태의 변경의 횟수가 설정된 판정기준값(cs) 미만이라고 판정되어 있을 때에, 정합 연산부가 목표 스위치 상태를 변경할 때마다 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태를 변경된 목표 스위치 상태와 일치시키는 제어가 행해지고, 판정 기준 시간 내에 행해진 변경의 횟수가 설정된 판정기준값 이상이라고 판정되었을 때에는, 설정된 온도상승 억제기간(t3) 동안 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 상태의 변경을 중지하는 변경 중지 과정이 행해진 후에 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태를 정합 연산부에 의해 변경된 목표 스위치 상태와 일치시키는 제어가 재개시켜진다.
도 10에 나타낸 알고리즘에 의한 경우에는, 스텝 S05 ~ S11에 의해 변경빈도 판정수단(32B1)이 구성되고, 스텝 S02 ~ S04 및 스텝 S12 ~ S16에 의해 스위치 제어부(32C)가 구성된다.
도 10에 나타낸 알고리즘에 따른 경우, 정합 연산부는, 온도상승 억제기간(t3) 동안 정합 연산을 정지하고, 온도상승 억제기간(t3)이 경과한 후에 정합 연산을 재개하지만, 정합 연산부는, 온도상승 억제기간 동안에도 파라미터를 샘플링할 때마다 정합 연산을 행하도록 구성해도 된다. 도 11은, 온도상승 억제기간 동안에도 파라미터를 샘플링할 때마다 정합 연산을 행하도록 제어부를 구성할 경우에, 마이크로프로세서에 실행시키는 프로그램의 알고리즘을 나타낸 플로우 챠트이다.
도 11에 나타낸 알고리즘에서는, 스텝 S03에서 펄스(Ps)가 인식되었을 때에, 스텝 S06으로 이행해서 정합 연산이 행해지고, 이어서 스텝 S04'에서 플래그(F)가 1에 설정된 후, 스텝 S05'에서, 제1 타이머의 계측값(ta)이 증분된다. 그 밖의 점은, 도 10에 나타낸 알고리즘과 마찬가지이다.
상기 판정기준값(Cs), 판정 기준시간(t2) 및 온도상승 억제기간(t3)은 고정 값으로 해도 되지만, 이들을 커패시턴스 조정용 스위치의 발열의 상황에 따라서 변화시키도록 해도 된다.
예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 각 가변 커패시터의 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서(5)와, 스위치 제어부(32C)에서 이용하는 온도상승 억제기간(t3)을 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도에 따라서 설정하는 온도상승 억제기간 설정수단(6)을 설치하고, 커패시턴스 조정용 스위치의 온도에 따라서 온도상승 억제기간(t3)을 변경하도록 해도 된다. 이 경우 온도상승 억제기간 설정수단(6)은, 예를 들면, 일정한 주기로 온도 센서(5)의 출력을 샘플링하는 샘플링수단과, 샘플링한 온도에 대하여 온도상승 억제기간을 연산하는 온도상승 억제기간 연산수단과, 연산된 온도상승 억제기간을 메모리에 기억하는 기억 수단에 의해 구성할 수 있다.
온도상승 억제기간의 연산은, 샘플링 수단이 샘플링한 온도에 대하여 온도상승 억제기간 연산용 맵을 검색하는 것에 의해 행할 수 있다. 온도상승 억제기간 연산용 맵은, 온도 센서에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 온도상승 억제기간(t3)을 길게 하도록 작성해둔다.
이 경우 온도상승 억제제어수단(32C2)은, 스위치 상태 판정수단(32B)에 의해, 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중에 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태가 되어 있는 스위치가 있다는 판정이 되었을 때에, 메모리에 기억된 최신의 온도상승 억제기간(t3)을 독출해서, 독출된 온도상승 억제기간(t3)을 타이머에 설정하고, 이 타이머가 설정된 온도상승 억제기간(t3)을 계측하고 있는 동안 온도상승 억제제어를 행하게 한다.
제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)의 온도가 반영된 온도는, 예를 들면 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)가 실장된 기판이나, 커패시턴스 조정용 스위치로의 방열을 도모하는 히트 싱크 등의 온도로 하는 것이 가능하다.
이와 같이 구성해두면, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경을 중지하는 온도상승 억제기간의 길이를 커패시턴스 조정용 스위치의 온도에 따라서 적정한 길이로 설정할 수 있으므로, 임피던스의 정합 정밀도의 저하를 억제하면서, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 적확하게 도모할 수 있다.
또 도 4에 나타낸 바와 같이, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서(5)와, 변경빈도 판정수단(32B1)에서 이용하는 판정기준값을 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도에 따라서 설정하는 판정기준값 설정수단(7)을 설치하고, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도에 따라서 판정기준값을 변경하도록 하는 것도 가능하다. 이 경우, 판정기준값 설정수단(7)은, 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 판정기준값을 작게 하도록 구성해둔다. 판정기준값 설정수단(7)은, 도 3에 나타낸 온도상승 억제기간 설정수단과 마찬가지로, 온도 센서(5)가 검출하고 있는 온도에 대하여 판정기준값을 수시로 연산하고, 연산한 판정기준값을 메모리에 기억시켜 두도록 구성할 수 있다.
이와 같이 구성해두면, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 높을 경우일수록, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경을 중지하는 빈도를 높게 할 수 있고, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 그다지 높지 않을 경우에는, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경을 중지하는 빈도를 낮게 할 수 있으므로, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도에 따라서 적정한 빈도로 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경을 중지시켜서, 임피던스의 정합 정밀도의 저하를 억제하면서 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 적확하게 도모할 수 있다.
또 도 5에 나타낸 바와 같이, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서(5)와, 변경빈도 판정수단(32B1)에서 이용하는 판정 기준시간을 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도에 따라서 설정하는 판정기준시간 설정수단(8)을 설치하고, 커패시턴스 조정용 스위치의 온도에 따라서 판정 기준시간을 변경하도록 하는 것도 가능하다. 이 경우, 판정기준시간 설정수단(8)은, 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 판정 기준시간을 짧게 하도록 구성해둔다.
이와 같이 구성한 경우에도, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도에 따라서 적정한 빈도로 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경을 중지시킬 수 있으므로, 임피던스의 정합 정밀도의 저하를 억제하면서 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 적확하게 도모할 수 있다.
또한, 도 6에 나타낸 바와 같이, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서(5)와, 스위치 제어부(32C)에서 이용하는 온도상승 억제기간을 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도에 따라서 설정하는 온도상승 억제기간 설정수단(6)과, 변경빈도 판정수단(32B1)에서 이용하는 판정기준값을 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도에 따라서 설정하는 판정기준값 설정수단(7)을 더 설치하고, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도에 따라서, 온도상승 억제기간 및 판정기준값을 변화시키도록 해도 된다. 이 경우, 온도상승 억제기간 설정수단(6)은, 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 온도상승 억제기간을 길게 하도록 구성하고, 판정기준값 설정수단(7)은, 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 판정기준값을 작게 하도록 구성해둔다.
전술한 바와 같이 구성하면, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경을 중지하는 기간의 길이를 커패시턴스 조정용 스위치의 온도에 따라서 적정한 길이로 설정하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도에 따라서 적정한 빈도로 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경을 중지시킬 수 있으므로, 임피던스의 정합 정밀도의 저하를 억제하면서 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 적확하게 도모할 수 있다.
또한 도 7에 나타낸 바와 같이, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서(5)와, 스위치 제어부(32C)에서 이용하는 온도상승 억제기간을 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도에 따라서 설정하는 온도상승 억제기간 설정수단(6)과, 변경빈도 판정수단(32B1)에서 이용하는 판정 기준시간을 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도에 따라서 설정하는 판정기준시간 설정수단(9)을 설치하고, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도에 따라서, 온도상승 억제기간(t3) 및 판정 기준시간(t2)을 변경하도록 해도 된다. 이 경우, 온도상승 억제기간 설정수단(6)은, 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 온도상승 억제기간을 길게 하도록 구성하고, 판정기준시간 설정수단(9)은, 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 판정 기준시간을 짧게 하도록 구성해둔다.
전술한 바와 같이 구성한 경우에도, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 높을 경우일수록, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경을 중지하는 빈도를 높게 할 수 있고, 일련의 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 그다지 높지 않을 경우에는, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경을 중지하는 빈도를 낮게 할 수 있으므로, 커패시턴스 조정용 스위치의 온도에 따라서 적정한 빈도로 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태의 변경을 중지시켜서, 임피던스의 정합 정밀도의 저하를 억제하면서 커패시턴스 조정용 스위치의 보호를 적확하게 도모할 수 있다.
<스위치상태 판정부의 변형예>
상기 각 실시형태에서는, 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치상태 변경빈도가 판정기준값 이상인지의 여부에 의해, 감시 대상 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부를 판정하도록 했지만, 부하측 임피던스의 변화의 발생빈도가 판정기준값 이상인지의 여부를 판정하는 것에 의해, 감시 대상 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부를 판정하도록 스위치상태 판정부(32B)를 구성할 수도 있다.
도 8은 이와 같이 스위치상태 판정부(32B)를 구성한 실시형태를 나타낸 것이다. 도 8에 나타낸 예에서는, 스위치상태 판정부(32B)가, 부하측 임피던스 발생빈도 검출수단(32B2)과, 부하측 임피던스 변화 발생빈도 판정수단(32B3)에 의해 구성되어 있다. 여기서 부하측 임피던스 발생빈도 검출수단(32B2)은, 설정된 판정 기준 시간 내에 고주파 전원(1)으로부터 부하(2) 측을 본 임피던스가 설정된 크기 이상의 변화를 나타낸 횟수를 부하측 임피던스 변화 발생빈도로서 검출하는 수단이며, 부하측 임피던스 변화 발생빈도 판정수단(32B3)은, 부하측 임피던스 발생빈도 검출수단(32B2)에 의해 검출된 부하측 임피던스 변화 발생빈도가 설정된 판정기준값 이상인지의 여부를 판정하는 수단이다. 스위치상태 판정부(32B)는, 부하측 임피던스 변화 발생빈도 판정수단(32B3)에 의해 부하측 임피던스 변화 발생빈도가 설정된 판정기준값 이상이라고 판정되었을 때에, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정하도록 구성되어 있다.
도 8에 나타낸 부하측 임피던스 변화 발생빈도 검출수단(32B2)은, 고주파 전원(1)으로부터 부하측의 회로를 본 임피던스(부하측 임피던스)가 반영된 파라미터를 정합 연산부(32A)가 샘플링할 때마다, 전회 샘플링한 파라미터와 이번 샘플링한 파라미터의 차이를 파라미터 변화량으로서 검출하고, 설정된 크기 이상의 파라미터 변화량이 설정된 판정 기준 시간 내에 검출된 횟수를 부하측 임피던스 변화 발생빈도로 하도록 구성되어 있다. 상기 부하측 임피던스가 반영된 파라미터로서는, 예를 들면 반사 계수를 이용할 수 있다.
상기 판정기준값 및 판정 기준시간은 일정값이어도 되지만, 보호 대상용 스위치의 보호를 적확하게 도모하기 위해서, 적당한 파라미터에 대하여 변화시키도록 해도 된다. 예를 들면, 정합 회로에 설치된 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서를 설치하고, 이 온도 센서에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 상기 판정기준값을 작게 하도록 해도 되고, 온도 센서에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 판정 기준시간을 짧게 하도록 해도 된다.
도 8에 나타낸 예에서는, 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서(5)와, 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도에 대하여 온도상승 억제기간(t3)을 설정하는 온도상승 억제기간 설정수단(6)과, 부하측 임피던스 변화 발생빈도와 비교하는 판정기준값을 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도에 대하여 설정하는 판정기준값 설정수단(8)과, 부하측 임피던스 변화 발생빈도 검출수단(32B2)에서 이용하는 판정 기준시간을 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도에 따라서 설정하는 판정기준시간 설정수단(9)이 설치되어 있다.
온도상승 억제기간 설정수단(6)은, 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 온도상승 억제기간을 길게 하도록 구성되고, 판정기준값 설정수단(8)은, 부하측 임피던스 변화 발생빈도 검출수단(32B2)에서 이용하는 판정기준값을 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 짧게 하도록 구성되어 있다.
<스위치상태 판정부의 다른 변형예>
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시형태에서 이용하는 것이 가능한 스위치상태 판정부(32B)의 또 다른 변형예가 도시되어 있다. 도 9에 나타낸 예에 있어서도, 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서(5)가 설치되고, 온도 센서(5)에 의해 검출된 온도가 설정된 판정기준값 이상일 때에, 정합 회로(31)에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정하도록 스위치상태 판정부(32B)가 구성되어 있다. 또 도 9에 나타낸 예에 있어서도, 스위치 제어부(32C)에서 이용하는 온도상승 억제 기간을 온도 센서(5)가 검출한 온도에 따라서 설정하는 온도상승 억제기간 설정수단(6)이 설치되어서, 온도 센서(5)가 검출한 온도가 높을 경우일수록 온도상승 억제기간이 긴 시간으로 설정되도록 되어 있다.
<그 밖의 실시형태>
상기 실시형태에서는, 고주파 전원의 출력 임피던스와 고주파 전원으로부터 부하측을 본 회로의 임피던스(부하측 임피던스)의 정합을 도모하기 위해서 가변 커패시터(VC1 및 VC2)의 커패시턴스가 취해야 할 값을 목표 커패시턴스로서 연산하고, 가변 커패시터(VC1 및 VC2)의 커패시턴스를 연산된 목표 커패시턴스로 하기 위해서, 각각의 가변 커패시터의 일련의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)가 취해야 할 상태를 목표 스위치 상태로서 구하도록 정합 연산부(32A)를 구성했지만, 정합 연산부(32A)는, 최종적으로 각 가변 커패시터의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)가 취해야 할 상태를 결정할 수 있으면 되고, 그 구성은 상기 실시형태에 나타낸 예로 한정되지 않는다.
예를 들면, 부하측 임피던스와 각 가변 커패시터의 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)가 취해야 할 목표 스위치 상태 사이의 관계를 부여하는 맵을 준비해두고, 부하측 임피던스에 대하여 이 맵을 검색하는 것에 의해, 목표 스위치 상태를 구하도록 해도 된다.
또한 상기 설명에서는, 부하측 임피던스가 반영된 파라미터를 샘플링할 때마다 부하측 임피던스를 연산하고, 연산한 부하측 임피던스를 고주파 전원의 출력 임피던스에 정합시키기 위한 가변 커패시터의 커패시턴스를 연산한다고 했지만, 부하측 임피던스를 고주파 전원(1)의 출력 임피던스에 정합시키기 위해서 필요한 가변 커패시터의 커패시턴스를 정하는 방법은, 상기 실시형태에서 나타낸 예로 한정되지 않는다.
예를 들면, 고주파 검출부(4)로서, 진행파 전력 검출 신호와 반사파 전력 검출 신호를 출력하는 것(예를 들면 방향성 결합기)을 이용해서, 샘플링한 진행파 전력 검출 신호와 반사파 전력 검출 신호로부터 연산되는 반사 계수를 0으로 하도록 가변 커패시터의 커패시턴스를 결정하는 방법을 취할 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.
상기 설명에서는, 가변 커패시터에 설치하는 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)로서 PIN 다이오드를 이용했지만, 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치(S1 ~ Sn)는, 고속으로 온 오프 동작을 행하게 하는 것이 가능한 커패시턴스 조정용 스위치이면 되고, PIN 다이오드 대신에, 예를 들면 MOSFET를 사용할 수도 있다.
상기 실시형태에서는, 정합 회로(31)로서, 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 1개의 인덕터와, 2개의 가변 커패시터에 의해 구성된 L형의 회로를 이용했지만, 정합 회로(31)의 구성은 도 1에 나타낸 예로 한정되는 것은 아니고, 본 발명은, 가변 커패시터의 커패시턴스를 조절하는 것에 의해 임피던스의 정합을 도모하는 각종 정합 회로를 이용할 경우에 널리 적용할 수 있다. 정합 회로에 설치되는 가변 커패시터의 수는 임의이다.
상기 설명에서는, 부하(2)가 플라즈마 부하인 것으로 했지만, 본 발명에 있어서, 고주파 전원(1)으로부터 고주파 전력을 공급하는 부하(2)는 플라즈마 부하로 한정되지 않는다.
도 12 및 도 13에 나타낸 예에서는, 판정 기준시간(t2)이 경과하기 전에 스위치상태 변경빈도가 판정기준값에 도달한 경우에도, 판정 기준시간(t2)이 경과하고 나서 온도상승 억제기간(t3) 동안 온도상승 억제제어를 행하도록 스위치 제어부를 구성하고 있지만, 판정 기준시간(t2)이 경과하기 전에, 스위치상태 변경빈도가 판정기준값에 도달했을 때에는, 판정 기준시간(t2)이 경과하는 것을 기다리지 않고 즉시 온도상승 억제제어를 행하도록 스위치 제어부(32C)를 구성해도 된다.
이상, 본 발명에 따른 임피던스 정합장치의 각종 실시형태에 대해서 설명했지만, 상기 실시형태는, 어디까지나, 본 발명을 실시할 때에 각 부가 취할 수 있는 구성의 일례를 나타낸 것이며, 본 발명은 상기 실시형태와 같이 구성할 경우로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 설명에서는, 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서를 설치하고, 이 온도 센서가 검출한 온도에 따라서 온도상승 억제기간을 설정할 경우에, 온도 센서가 검출하고 있는 온도에 대하여 온도상승 억제기간이나 판정기준값 등을 수시로 연산해서 구해둔다고 했지만, 본 발명은 이렇게 구성할 경우로 한정되는 것은 아니고, 온도상승 억제제어를 행할 때에 온도 센서가 검출하고 있는 온도에 대하여 온도상승 억제기간을 구하도록 해도 된다. 마찬가지로, 온도 센서가 검출하고 있는 온도에 대하여 판정 기준시간이나 판정기준값을 수시로 구하는 것이 아니라, 감시 대상 스위치가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부의 판정을 행할 때에, 온도 센서가 검출하고 있는 온도에 대하여 판정 기준시간이나 판정기준값을 구하도록 해도 된다.
또한, 상기 설명에서는, 예를 들면 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 스위치 제어부(32C)를 스위치 제어수단(32C1)과 온도상승 억제제어수단(32C2)에 의해 구성하고, 스위치상태 판정부(32B)에 의해, 감시 대상 스위치의 상태가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태가 아니라고 판정되어 있는 정상 시에는, 각 커패시턴스 조정용 스위치의 상태를 목표 스위치 상태와 일치시키는 제어를 스위치상태 판정부(32B)에 행하게 하고, 스위치상태 판정부(32B)에 의해 적어도 하나의 감시 대상 스위치가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정되었을 때에, 온도상승 억제제어수단(32C2)으로부터 스위치 제어수단(32C)에 온도상승 억제제어 실행지령을 부여하고, 보호 대상 스위치의 온도상승을 억제하기 위한 제어를 스위치 제어부(32C1)에 실행시키는 것으로 했지만, 스위치 제어부(32C)는, 정상 시에는 각 커패시턴스 조정용 스위치의 상태를 목표 스위치 상태와 일치시키는 제어를 행하고, 적어도 하나의 감시 대상 스위치가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정되었을 때에 보호 대상 스위치에 대하여 온도상승 억제제어를 행하도록 구성되어 있으면 되고, 그 구성은 상기 설명에서 나타낸 구성으로 한정되지 않는다.
예를 들면, 스위치 제어부(32C)를 "정상 시 스위치 제어수단"과 "온도상승 억제 시 스위치 제어수단"에 의해 구성하고, 온도상승 억제제어를 행할 필요가 없는 정상 시에는, 각 커패시턴스 조정용 스위치의 상태를 목표 스위치 상태와 일치시키는 제어를 정상 시 스위치 제어수단에 행하게 하고, 스위치상태 판정부(32B)에 의해 적어도 하나의 감시 대상 스위치가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정되었을 때에, 보호 대상 스위치의 온도상승을 억제하는 제어를 온도상승 억제 시 스위치 제어수단에 행하게 하도록 해도 된다.
본 발명은, 정합 속도를 높이기 위해서 반도체 소자로 이루어진 스위치의 온 오프에 의해 커패시턴스가 조정되는 가변 커패시터를 구비한 정합 회로에 의해 고주파 전원의 출력 임피던스와 고주파 전원으로부터 부하측의 회로를 본 임피던스의 정합을 도모하는 전자제어식의 임피던스 정합장치에 있어서, 부하측 임피던스의 변화에 따라서 가변 커패시터에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치가 높은 빈도로 온 오프시켜졌을 때에, 스위치의 온도가 과도하게 상승해서 파손되는 것을 방지할 수 있게 한 것이다. 본 발명에 따르면, 가변 커패시터의 커패시턴스를 조정하는 스위치의 동작에 높은 신뢰성을 갖게 하면서 부하측 임피던스의 변화에 대한 조정 동작의 추종성을 향상시킬 수 있으므로, 부하의 임피던스가 높은 빈도로 변화될 경우에도, 높은 정밀도로 임피던스의 정합을 도모하고, 부하에의 전력의 공급을 효율적으로 행할 수 있다. 따라서 본 발명에 따르면, 플라즈마 부하와 같이, 임피던스가 빈번하게 변화되는 부하에 고주파 전력을 공급할 필요가 있는 산업분야에 있어서, 전자제어식의 임피던스 정합장치의 이용 가능성을 향상시킬 수 있다.
1: 고주파 전원 2: 부하
3: 임피던스 정합장치 4: 고주파 검출부
31: 정합 회로 32: 제어부
32A: 정합 연산부 32A1: 부하측 임피던스 연산수단
32A2: 커패시턴스 연산수단 32A3: 목표 스위치 상태 결정수단
32B: 스위치상태 판정부 32B1: 변경빈도 판정수단
32B2: 부하측 임피던스 변화 발생빈도 검출수단
32B3: 부하측 임피던스 변화 발생빈도 판정수단
32C: 스위치 제어부 5: 온도 센서
6: 온도상승 억제기간 설정수단 8: 판정기준값 설정수단
9: 판정 기준시간 설정부 L1: 인덕터
VC1, VC2: 가변 커패시터 C1 ~ Cn: 제1 내지 제n 커패시터
S1 ~ Sn: 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치

Claims (21)

  1. 고주파 전원의 출력 임피던스(impedance)와 해당 고주파 전원으로부터 부하측의 회로를 본 회로의 임피던스인 부하측 임피던스의 정합(matching)을 도모하는 임피던스 정합장치로서,
    커패시터와 반도체 소자로 이루어진 커패시턴스(capacitance) 조정용 스위치를 직렬로 접속해서 구성한 커패시턴스 요소를 복수개 병렬로 접속한 구조를 갖는 가변 커패시터를 적어도 1개 구비하고, 상기 고주파 전원과 부하 사이에 배치된 정합 회로와,
    상기 고주파 전원의 출력 임피던스와 상기 부하 임피던스의 정합을 도모하기 위해서 상기 정합 회로에 설치되어 있는 각 커패시턴스 조정용 스위치가 취해야 할 상태를 목표 스위치 상태로서 구하는 정합 연산을 설정된 주기로 행하는 정합 연산부와,
    상기 정합 회로에 설치되어 있는 각 커패시턴스 조정용 스위치의 스위치 상태를 상기 목표 스위치 상태와 일치시키는 제어를 행하는 스위치 제어부와,
    상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있는지의 여부를 판정하는 스위치상태 판정부를 포함하되,
    상기 스위치 제어부는, 상기 스위치상태 판정부에 의해, 상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정되었을 때에, 상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개를 보호 대상 스위치로 해서, 상기 보호 대상 스위치의 스위칭 동작을 정지시키거나 또는 상기 보호 대상 스위치가 스위칭 동작을 행하는 빈도를 낮게 하는 것에 의해 상기 보호 대상 스위치의 온도상승을 억제하는 온도상승 억제제어를 설정된 온도상승 억제기간 동안에만 행하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 임피던스 정합장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보호 대상 스위치는, 상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중, 상기 부하측 임피던스가 변화되는 상태가 계속되었을 때에 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태가 될 개연성이 높은 커패시턴스 조정용 스위치를 포함하는 적어도 하나의 스위치인, 임피던스 정합장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정합 연산부는, 상기 고주파 전원으로부터 부하측을 본 임피던스가 반영된 파라미터를 설정된 샘플 주기로 샘플링하고, 상기 파라미터를 샘플링할 때마다 상기 정합 연산을 행하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치상태 판정부는, 상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개를 감시 대상 스위치로 하고, 설정된 판정 기준 시간 내에 해당 감시 대상 스위치의 스위치 상태가 온 상태로부터 오프 상태로 또는 오프 상태로부터 온 상태로 변경되는 횟수를 스위치상태 변경빈도로 해서, 상기 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도가 설정된 판정기준값 이상인지의 여부를 판정하는 변경빈도 판정수단을 구비하고 있어서, 상기 변경빈도 판정수단에 의해, 적어도 하나의 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도가 상기 판정기준값 이상이라고 판정되었을 때에, 상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스위치상태 판정부는, 상기 정합 회로에 설치되어 있는 가변 커패시터 중 적어도 1개를 감시 대상 가변 커패시터로 하고, 해당 감시 대상 가변 커패시터에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개를 상기 감시 대상 스위치로 하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도는, 설정된 판정 기준 시간 내에 감시 대상 스위치의 스위치 상태가 변경된 횟수인, 임피던스 정합장치.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도는, 상기 판정 기준 시간 내에 상기 정합 연산부가 상기 감시 대상 스위치의 목표 스위치 상태를 변경한 횟수인, 임피던스 정합장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 스위치상태 판정부는, 설정된 판정 기준 시간 내에 상기 부하측 임피던스가 설정된 크기 이상의 변화를 나타낸 횟수를 부하측 임피던스 변화 발생빈도로서 검출하는 부하측 임피던스 발생빈도 검출수단과, 검출된 부하측 임피던스 변화 발생빈도가 설정된 판정기준값 이상인지의 여부를 판정하는 부하측 임피던스 변화 발생빈도 판정수단을 구비하고, 상기 부하측 임피던스 변화 발생빈도 판정수단에 의해 상기 부하측 임피던스 변화 발생빈도가 설정된 판정기준값 이상이라고 판정되었을 때에 상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 부하측 임피던스 변화 발생빈도 검출수단은, 상기 고주파 전원으로부터 부하측을 본 임피던스가 반영된 파라미터를 상기 정합 연산부가 샘플링할 때마다, 전회 샘플링한 파라미터와 이번 샘플링한 파라미터의 차이를 파라미터 변화량으로서 검출하고, 설정된 크기 이상의 파라미터 변화량이 상기 판정 기준 시간 내에 검출된 횟수를 상기 부하측 임피던스 변화 발생빈도로 하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정합 회로에 설치되어 있는 각 가변 커패시터에는 제1 내지 제n 커패시터와 해당 제1 내지 제n 커패시터에 각각 직렬로 접속된 제1 ~ 제n 커패시턴스 조정용 스위치가 설치되고,
    상기 정합 연산부는, 최하위의 자릿수 및 최상위의 자릿수를 각각 제1 자릿수 및 제n 자릿수로 한 n비트의 2진수의 제1 자릿수 또는 제n 자릿수를 각각 상기 제1 내지 제n 커패시터에 대응시켜서, 해당 n비트의 2진수의 제1 자릿수 또는 제n 자릿수의 각각이 1인지 0인지에 따라 상기 제1 내지 제n 커패시턴스 조정용 스위치가 취해야 할 목표 스위치 상태를 나타내도록 구성되며,
    상기 스위치상태 판정부는, 설정된 판정 기준 시간 내에 상기 n비트의 2진수가 변화된 횟수가 설정된 판정기준값 이상일 때에 상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  11. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 스위치 상태 판정수단에서 이용하는 판정기준값을 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도에 따라서 설정하는 판정기준값 설정수단이 더 설치되고,
    상기 판정기준값 설정수단은, 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 상기 판정기준값을 작게 하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  12. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 스위치 상태 판정수단에서 이용하는 판정 기준시간을 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도에 따라서 설정하는 판정기준시간 설정수단이 더 설치되고,
    상기 판정기준시간 설정수단은, 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 상기 판정 기준시간을 짧게 하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  13. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 온도상승 억제기간을 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도에 따라서 설정하는 온도상승 억제기간 설정수단이 더 설치되고,
    상기 온도상승 억제기간 설정수단은, 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 상기 온도상승 억제기간을 길게 하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 온도상승 억제기간을 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도에 따라서 설정하는 온도상승 억제기간 설정수단이 더 설치되고,
    상기 온도상승 억제기간 설정수단은, 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도가 높을 경우일수록 상기 온도상승 억제기간을 길게 하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치의 온도가 반영된 온도를 검출하는 온도 센서가 설치되고,
    상기 스위치상태 판정부는, 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도가 설정된 판정기준값 이상일 때에 상기 정합 회로에 설치되어 있는 커패시턴스 조정용 스위치 중 적어도 1개가 온도상승의 억제를 필요로 하는 상태에 있다고 판정하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  16. 제3항에 있어서, 상기 스위치 제어부는, 상기 온도상승 억제제어를 행할 때에 상기 설정된 샘플 주기보다도 긴 주기로 상기 정합 연산부에 상기 파라미터를 샘플링시킴으로써 상기 보호 대상 스위치가 스위칭 동작을 행하는 빈도를 낮게 하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치 제어부는, 상기 정합 회로에 설치되어 있는 모든 커패시턴스 조정용 스위치를 상기 보호 대상 스위치로 하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  18. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치 제어부는, 상기 감시 대상 스위치 중, 상기 변경빈도 판정수단에 의해 스위치상태 변경빈도가 설정된 판정기준값 이상이라고 판정된 감시 대상 스위치를 상기 보호 대상 스위치로 하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  19. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변경빈도 판정수단은, 상기 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도가 설정된 판정기준값 이상인지의 여부를 판정하는 과정에서, 상기 판정 기준시간이 경과하기 전에 스위치상태 변경빈도가 판정기준값에 도달한 때에 상기 판정 기준시간이 경과하는 것을 기다리지 않고 상기 감시 대상 스위치의 스위치상태 변경빈도가 설정된 판정기준값 이상이라는 판정을 행하도록 구성되어 있는, 임피던스 정합장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정합 연산부는, 상기 온도상승 억제기간 동안 상기 정합 연산을 정지하고, 상기 온도상승 억제기간이 경과한 후에 상기 정합 연산을 재개하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 임피던스 정합장치.
  21. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정합 연산부는, 상기 온도상승 억제기간 동안에도 상기 정합 연산을 행하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 임피던스 정합장치.
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