KR20230100649A

KR20230100649A - 고주파 전원 장치

Info

Publication number: KR20230100649A
Application number: KR1020220182068A
Authority: KR
Inventors: 유이치 하세가와; 유야 우에노; 다츠야 모리이
Original assignee: 가부시키가이샤 다이헨
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2023-07-05
Also published as: JP2023098298A; US20230207263A1

Abstract

[과제] 제1 전원에 있어서, 제2 전원으로부터 출력되는 고주파 전압의 주기와 동일한 주기의 변조 신호를 생성한다.
[해결 수단] 본 개시와 관련된 고주파 전원 장치는, 제1 기본 주파수를 가지는 제1 고주파 전압을 출력함으로써 제1 고주파 전력을 부하에 공급 가능한 제1 전원과, 제1 기본 주파수보다 낮은 제2 기본 주파수를 가지는 제2 고주파 전압을 출력함으로써 제2 고주파 전력을 부하에 공급하는 제2 전원과, 제1 전원과 부하와의 사이에 접속된 제1 정합부와, 제2 전원과 부하와의 사이에 접속된 제2 정합부를 가진다. 제2 정합부는, 제2 고주파 전압의 검출 정보에 의거하여 제2 기본 주파수보다 주파수가 낮은 타이밍 제어 신호를 생성하여 제1 전원으로 공급하고, 상기 제1 전원은, 상기 제2 기본 주파수와 동일한 주파수를 가지는 변조 기본파 신호에 대하여, 상기 타이밍 제어 신호의 입력 타이밍에 따라 개시 위상을 설정함과 함께 주파수 편이량을 설정함으로써, 변조 신호를 생성하고, 상기 변조 신호를 이용하여 제1 고주파 전압을 주파수 변조한다.

Description

고주파 전원 장치{HIGH-FREQUENCY POWER SUPPLY APPARATUS}

본 개시는, 고주파 전원 장치에 관한 것이다.

플라즈마 처리 장치에 이용되는 고주파 전원 장치는, 2대의 고주파 전원(제1 전원과 제2 전원)을 가지고 있으며, 각각의 전원으로부터 부하를 향해 기본 주파수(기본파의 주파수)가 상이한 고주파 전압을 출력하고 있다. 예를 들면, 제1 전원은, 플라즈마의 생성에 적합한 제1 기본 주파수(F1)를 가지는 제1 고주파 전압을 출력함으로써 제1 고주파 전력을 부하에 공급한다. 제2 전원은, 이온의 가속에 적합한 제2 기본 주파수 F2(제1 기본 주파수(F1)>제2 기본 주파수 F2)를 가지는 제2 고주파 전압을 출력함으로써 제2 고주파 전력을 부하에 공급한다. (특허 문헌 1~3 참조).

일본공표특허 특표2018-536295호 공보 일본공개특허 특개2017-188434호 공보 미국특허 제10304669호 명세서

이와 같은 경우, 상호 변조 왜곡(IMD: Inter Modulation Distortion)이 발생하고, 제1 전원측에 있어서, 반사파 전력이 제2 기본 주파수 F2의 주기에 따라 변동하는 현상이 발생한다. 이 상호 변조 왜곡에 기인하는 반사파 전력을 저감시키기 위해, 제1 고주파 전압에 대하여 주파수 변조 제어를 행하는 기술이 알려져 있다. 이 때, 미리 알고 있는 제2 전원의 제2 기본 주파수 F2의 정보(예를 들면 400kH라고 하는 정보를 알고 있음)에 의거하여, 제2 기본 주파수 F2과 동일한 주파수의 변조 신호를 생성하고, 생성한 변조 신호를 이용하여 제1 전원에 있어서 주파수 변조 제어를 행하는 것이 생각된다.

그러나, 유사적으로 생성한 변조 신호의 주기와 제2 전원으로부터 출력되는 고주파 전압의 주기는 상이하다. 이와 같이 양자의 주기가 상이하면, 주파수 변조 제어에 의해 상호 변조 왜곡에 기인하는 반사파 전력의 저감 효과가 저하된다.

본 개시는, 제1 전원에 있어서, 제2 전원으로부터 출력되는 고주파 전압의 주기와 동일한 주기의 변조 신호를 생성할 수 있는 고주파 전원 장치를 제공한다.

본 개시와 관련된 고주파 전원 장치는, 제1 기본 주파수를 가지는 제1 고주파 전압을 출력함으로써 제1 고주파 전력을 부하에 공급 가능한 제1 전원과, 상기 제1 기본 주파수보다 낮은 제2 기본 주파수를 가지는 제2 고주파 전압을 출력함으로써 제2 고주파 전력을 상기 부하에 공급하는 제2 전원과, 상기 제1 전원과 상기 부하와의 사이에 접속된 제1 정합부와, 상기 제2 전원과 상기 부하와의 사이에 접속된 제2 정합부를 가진다. 상기 제2 정합부는, 상기 제2 고주파 전압의 검출 정보에 의거하여 상기 제2 기본 주파수보다 주파수가 낮은 타이밍 제어 신호를 생성하여 상기 제1 전원으로 공급하고, 상기 제1 전원은, 상기 제2 기본 주파수와 동일한 주파수를 가지는 변조 기본파 신호에 대하여, 상기 타이밍 제어 신호의 입력 타이밍에 따라 개시 위상을 설정함과 함께 주파수 편이량을 설정함으로써, 변조 신호를 생성하고, 상기 변조 신호를 이용하여 제1 고주파 전압을 주파수 변조한다.

본 개시와 관련된 고주파 전원 장치에 의하면, 제1 전원에 있어서, 제2 전원으로부터 출력되는 고주파 전압의 주기와 동일한 주기의 변조 신호를 생성할 수 있다.

도 1은 실시 형태와 관련된 고주파 전원 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 실시 형태와 관련된 고주파 전원 장치의 동작을 나타내는 시퀀스 차트.
도 3은 실시 형태와 관련된 고주파 전원 장치의 동작을 나타내는 파형도.
도 4는 실시 형태와 관련된 고주파 전원 장치의 동작을 나타내는 파형도.
도 5는 실시 형태와 관련된 고주파 전원 장치의 동작을 나타내는 파형도.

이하, 도면을 참조하면서, 본 개시와 관련된 고주파 전원 장치의 실시 형태에 대하여 설명한다.

(실시 형태)

실시 형태에 따른 고주파 전원 장치는, RF대(RF: Radio Frequency)의 주파수의 고주파 전압을 출력함으로써 고주파 전력을 부하(예를 들면 플라즈마 처리 장치)에 공급하는 장치이다. 이와 같은 고주파 전원 장치는, 2대의 고주파 전원(제1 전원과 제2 전원)을 가지고 있으며, 각각의 전원으로부터 부하를 향해 기본 주파수(기본파의 주파수)(출력 주파수라고도 함)가 상이한 고주파 전압을 출력하고 있다. 예를 들면, 제1 전원은, 플라즈마의 생성에 적합한 제1 기본 주파수 F1을 가지는 제1 고주파 전압을 출력함으로써 제1 고주파 전력을 부하에 공급한다. 제2 전원은, 이온의 가속에 적합한 제2 기본 주파수 F2(제1 기본 주파수 F1>제2 기본 주파수 F2)를 가지는 제2 고주파 전압을 출력함으로써 제2 고주파 전력을 부하에 공급한다.

이와 같이 복수의 전원으로부터 고저차가 있는 복수의 고주파 전력을 부하에 공급하면, 상호 변조 왜곡의 영향으로, 제1 전원측에 있어서, 반사파 전력이 제2 전원측의 기본 주기(기본파의 주기)에 따라 변동하는 현상이 발생한다. 이 때문에, 제1 전원으로부터 부하에 대하여 효율적으로 고주파 전력을 공급할 수 없다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 아래와 같이 하여 주파수 변조 제어를 행하여, 상호 변조 왜곡에 기인하는 반사파 전력을 저감시킨다.

또한, 제1 전원으로부터 출력되어 부하를 향하는 고주파 전압을 제1 진행파 전압, 부하측으로부터 반사되어 제1 전원으로 되돌아오는 고주파 전압을 제1 반사파 전압이라고 한다. 제2 전원으로부터 출력되어 부하를 향하는 고주파 전압을 제2 진행파 전압, 부하측으로부터 반사되어 제2 전원으로 되돌아오는 고주파 전압을 제2 반사파 전압이라고 한다.

도 1은, 고주파 전원 장치(1)의 구성을 나타내는 도이다. 고주파 전원 장치(1)는, 플라즈마 처리 장치(PA)에 적용된다. 플라즈마 처리 장치(PA)는, 예를 들면 평행 평판형이며, 챔버(CH) 내에서 하부 전극(EL1) 및 상부 전극(EL2)이 서로 대향한다. 하부 전극(EL1) 상에는, 처리 대상이 되는 기판(SB)이 재치될 수 있다. 고주파 전원 장치(1)는, 하부 전극(EL1)에 전기적으로 접속된다. 상부 전극(EL2)은, 그라운드 전위에 전기적으로 접속된다. 챔버(CH)는, 급기관을 개재하여 가스 공급 장치(도시 생략)에 접속되고, 배기관을 개재하여 진공 장치(도시 생략)에 접속된다.

고주파 전원 장치(1)는, HF 전원(제1 전원)(10), LF 전원(제2 전원)(20) 및 중첩 정합기(30)를 가진다. HF 전원(10)은, 제1 기본 주파수 F1을 가지는 제1 고주파 전압(제1 진행파 전압)을 출력함으로써 제1 고주파 전력(제1 진행파 전력)을 부하에 공급한다. 제1 고주파 전압은, 주로, 플라즈마의 생성에 적합한 비교적 높은 제1 기본 주파수 F1을 가진다. 제1 기본 주파수 F1은, 예를 들면, 40.68MHz이다. HF 전원(10)은, 소스 전원이라고도 불린다. 또한, 기본 주파수 F1은, 40.68MHz에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 13.56MHz, 27.12MHz 등의 공업용의 RF대(Radio Frequency)의 주파수여도 된다.

LF 전원(20)은, 제1 기본 주파수 F1보다 낮은 제2 기본 주파수 F2를 가지는 제2 고주파 전압(제2 진행파 전압)을 출력함으로써 제2 고주파 전력(제2 진행파 전력)을 부하에 공급한다. 제2 고주파 전압은, 이온의 가속에 적합한 비교적 낮은 제2 기본 주파수 F2를 가진다. 제2 기본 주파수 F2는, 예를 들면 400kHz이다. LF 전원(20)은, 바이어스 전원이라고도 불린다. 또한, 제2 기본 주파수 F2는, 400kHz에 한정되는 것은 아니고, 다른 주파수여도 된다.

중첩 정합기(30)는, HF 전원(10) 및 LF 전원(20)에 각각 전기적으로 접속된다. 중첩 정합기(30)는, HF 전원(10) 및 LF 전원(20)과 하부 전극(EL1)과의 사이에 전기적으로 접속된다. 중첩 정합기(30)는, HF 전원(10)측의 임피던스와 하부 전극(EL1)측의 임피던스를 정합시키는 제1 정합 동작을 행함과 함께, LF 전원(20)측의 임피던스와 하부 전극(EL1)측의 임피던스를 정합시키는 제2 정합 동작을 행한다. 중첩 정합기(30)는, 제1 정합 동작 및 제2 정합 동작이 행해진 상태에서, 제1 고주파 전력을 HF 전원(10)으로부터 받고, 제2 고주파 전력을 LF 전원(20)으로부터 받고, 제1 고주파 전력 및 제2 고주파 전력을 중첩시켜 하부 전극(EL1)으로 공급한다.

또한, 고주파 전원 장치(1) 및 플라즈마 처리 장치(PA)는, 도 1의 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, HF 전원(10)으로부터 출력되는 제1 고주파 전력이 중첩 정합기(30)를 개재하여 상부 전극(EL2)에 공급되고, LF 전원(20)으로부터 출력되는 제2 고주파 전력이 중첩 정합기(30)를 개재하여 하부 전극(EL1)에 공급되는 구성 등, 다양한 구성이 있다. 이와 같은 다른 구성에도 고주파 전원 장치(1)를 이용하는 것이 가능하다.

중첩 정합기(30)는, HF 정합부(제1 정합부)(31) 및 LF 정합부(제2 정합부)(32)를 가진다. HF 정합부(31)는, HF 전원(10)과 하부 전극(EL1)과의 사이에 전기적으로 접속된다. LF 정합부(32)는, LF 전원(20)과 하부 전극(EL1)과의 사이에 전기적으로 접속된다. HF 정합부(31)는, 제1 정합 동작을 행하고, LF 정합부(32)는, 제2 정합 동작을 행한다.

HF 정합부(31)는, 센서(311), 제어 회로(312), 정합 회로(313)를 가진다. 센서(311)는, HF 전원(10)으로부터 출력되는 제1 진행파 전압의 파형 신호 SG1f를 검출함과 함께, 정합 회로(313)측으로부터 반사되는 제1 반사파 전압의 파형 신호 SG1r을 검출한다. 정합 회로(313)는, 가변 임피던스 회로를 가진다. 이 가변 임피던스 회로의 임피던스값은, 센서(311)에 의해 검출되는 파형 신호 SG1f 및 파형 신호 SG1r에 따라(예를 들면 파형 신호 SG1f 및 파형 신호 SG1r로부터 계산되는 반사 계수가 작아지도록), 제어 회로(312)에 의해 변경된다. 물론, 반사 계수가 아니라, 반사파 전력이 작아지도록 가변 임피던스 회로의 임피던스값을 변경해도 된다. 또한, 가변 임피던스 회로는, 예를 들면, 도시 생략의 가변 콘덴서나 인덕터를 구비하고 있으며, 가변 콘덴서의 용량을 변화시킴으로써 임피던스값을 변경할 수 있도록 되어 있다(LF 정합부(32)에서도 동일). 또한, 상기에서는 일례로서, 제1 진행파 전압의 파형 신호 SG1f와 제1 반사파 전압의 파형 신호 SG1r을 이용하여 반사 계수를 산출하였지만, 전압 파형 신호와 전류 파형 신호를 검출하고, 그들에 의거하여 반사 계수를 산출하는 것도 가능하다(LF 정합부(32)에서도 동일).

LF 정합부(32)는, 센서(321)(검출부(321)), 제어 회로(322), 정합 회로(323)를 가진다. 제어 회로(322)는, 펄스 변환 회로(3221)(변환부(3221)) 및 분주(分周) 처리부(3222)(분주부(3222))를 가진다. 센서(321)는, LF 전원(20)으로부터 출력되는 제2 진행파 전압의 파형 신호 SG2f를 검출함과 함께, 정합 회로(323)측으로부터 반사되는 제2 반사파 전압의 파형 신호 SG2r을 검출한다. 정합 회로(323)는, 가변 임피던스 회로를 가진다. 이 가변 임피던스 회로의 임피던스값은, 센서(321)에 의해 검출되는 파형 신호 SG2f 및 파형 신호 SG2r에 따라(예를 들면 파형 신호 SG2f 및 파형 신호 SG2r로부터 계산되는 반사 계수가 작아지도록), 제어 회로(322)에 의해 변경된다. 물론, 반사 계수가 아니라, 반사파 전력이 작아지도록 가변 임피던스 회로의 임피던스값을 변경해도 된다.

펄스 변환 회로(3221)는, 센서(321)에 의해 검출된 제2 진행파 전압의 파형 신호 SG2f를 펄스 신호로 변환한다. 펄스 신호는, 제2 기본 주파수 F2를 가지는 직사각형 신호로서 변환된다. 펄스 변환 회로(3221)는, 컨퍼레이터를 가지고, 컨퍼레이터를 이용하여 정현파 신호를 직사각형 신호로 변환한다. 분주 처리부(3222)는, 제2 기본 주파수 F2를 가지는 펄스 신호를 N 분주하여, 주파수 F3의 타이밍 제어 신호 TC를 생성한다. N은, 2 이상의 정수이다. 주파수 F3은, 기본 주파수 F1의 적어도 1/N배 이하의 주파수이다. 이에 따라, 타이밍 제어 신호 TC의 에지 타이밍을 제2 고주파 전압에 있어서의 소정의 위상 타이밍에 일치시킬 수 있다.

F2=400kHz, N=10의 경우, F3=F2×1/N=400kHz×1/10=40kHz가 된다. 타이밍 제어 신호 TC는, 제2 진행파 전압에 따라 생성된 신호이기 때문에, 제2 진행파 전압에 동기한 신호가 될 수 있다. 분주 처리부(3222)는, 주파수 F3의 타이밍 제어 신호 TC를 HF 전원(10)으로 공급한다.

HF 전원(10)은, LF 정합부(32)에서 생성된 타이밍 제어 신호 TC를 받는다. HF 전원(10)은, 타이밍 제어 신호 TC에 따라, 제2 진행파 전압에 대응하는 변조 기본파 신호를 생성한다. HF 전원(10)은, 변조 기본파 신호를 이용하여 LF 전원(20)으로부터 출력되는 제2 진행파 전압(제2 고주파 전압)의 주기와 동일한 주기의 변조 신호를 생성한다. 이 변조 신호를 이용하여 HF 전원(10)으로부터 출력되는 제1 진행파 전압(제1 고주파 전압)을 주파수 변조 제어한다.

HF 전원(10)은, 위상 설정부(11), 직접 디지털 합성부(DDS)(12)(DDS: Direct Digital Synthesizer), 승산기(13), HF 기본파 주파수 설정부(14), 가산기(15), 직접 디지털 합성부(DDS)(16), 처리부(17), 기본 클럭 생성부(18), LF 기본파 주파수 설정부(19), 주파수 편이량 설정부(131)를 가진다.

LF 기본파 주파수 설정부(19)는, 주파수가 제2 기본 주파수 F2의 변조 기본파의 주파수 정보를 생성한다. 주파수 정보는, 생성해야 할 변조 기본파 신호(예를 들면 정현파 신호)의 주파수에 따라 클럭 타이밍마다의 진폭을 순차로 포함하는 정보이다. LF 기본파 주파수 설정부(19)는, 변조 기본파 신호의 주파수 정보를 직접 디지털 합성부(12)로 공급한다.

위상 설정부(11)는, 타이밍 제어 신호 TC를 중첩 정합기(30)로부터 받고, 변조 기본파 신호에 있어서의 변조를 개시해야 할 변조 개시 위상을 설정한다. 이에 따라, 위상 설정부(11)는, LF 전원의 제2 고주파 전압과 동일한 타이밍에서 변조를 개시해야 할 변조 개시 위상을 설정할 수 있다. 위상 설정부(11)는, 변조 개시 위상의 정보를 직접 디지털 합성부(12)로 공급한다.

기본 클럭 생성부(18)는, 기본 클럭 신호를 생성한다. 기본 클럭 신호는, 제2 진행파 전압에 동기한 신호가 되도록 미리 조정되고 있으며, 제2 기본 주파수 F2의 정수배의 주파수를 가진다. F2=400kHz의 경우, 기본 클럭 신호의 주파수=F2×250=400kHz×250=100MHz여도 된다. 기본 클럭 생성부(18)는, 기본 클럭 신호를 직접 디지털 합성부(12) 및 직접 디지털 합성부(16)로 각각 공급한다. 또한, 기본 클럭 생성부(18)는, 예를 들면, 수정(水晶) 발진기 등에 의해 구성할 수 있다.

직접 디지털 합성부(12)는, 변조 개시 위상의 정보를 위상 설정부(11)로부터 받고, 클럭 신호를 기본 클럭 생성부(18)로부터 받고, 변조 기본파 신호의 주파수 정보를 LF 기본파 주파수 설정부(19)로부터 받는다. 직접 디지털 합성부(12)는, 클럭 신호를 이용하면서, 변조 개시 위상과 주파수 정보와 진폭 정보를 이용하여, 주파수가 제2 기본 주파수 F2와 동일한 변조 기본파 신호를 생성한다. 변조 기본파 신호는, 예를 들면 변조 개시 위상을 기준으로 하여 주파수 정보와 진폭 정보에 따른 정현파 신호로서 생성된다. 직접 디지털 합성부(12)는, 변조 기본파 신호를 승산기(13)로 공급한다. 또한, 변조 기본파 신호는, LF 전원(20)에 의해 생성된 제2 진행파 전압에 상당하는 신호이며, 변조 기본파 신호의 주기와 제2 진행파 전압의 주기는 동일하다.

주파수 편이량 설정부(131)는, 변조 기본파 신호에 있어서의 1주기 내의 복수의 위상의 각각에 대하여 실시해야 할 주파수 편이량(ΔF)을 설정하고, 주파수 편이량(ΔF)의 정보를 승산기(13)로 공급한다. 주파수 편이량(ΔF)은, 예를 들면, 변조를 가할 때의 위상에 따라, -ΔFmax~+ΔFmax의 범위로 변경할 수 있다. 예를 들면, ΔFmax=1.2MHz이다.

승산기(13)는, 변조 기본파 신호를 직접 디지털 합성부(12)로부터 받고, 주파수 편이량(ΔF)의 정보를 주파수 편이량 설정부(131)로부터 받는다. 승산기(13)는, 변조 기본파 신호에 주파수 편이량(ΔF)을 승산하여, 승산 결과를 변조 신호로서 가산기(15)로 공급한다.

HF 기본파 주파수 설정부(14)는, 주파수가 제1 기본 주파수 F1의 기본파 신호의 주파수 정보를 생성한다. 주파수 정보는, 생성해야 할 기본파 신호(예를 들면 정현파 신호)의 주파수에 따라 클럭 타이밍마다의 진폭을 순차로 포함하는 정보이다. HF 기본파 주파수 설정부(14)는, 기본파 신호의 주파수 정보를 가산기(15)로 공급한다.

가산기(15)는, 제1 기본 주파수 F1을 가지는 기본파 신호를 HF 기본파 주파수 설정부(14)로부터 받고, 변조 신호를 승산기(13)로부터 받는다. 가산기(15)는, 기본파 신호에 변조 신호를 가산하고, 제1 기본 주파수 F1+ΔF를 나타내는 주파수 정보를 생성한다. 가산기(15)는, 주파수 정보를 직접 디지털 합성부(16)로 공급한다.

직접 디지털 합성부(16)는, 주파수 정보를 가산기(15)로부터 받고, 진폭 정보를 HF 전원(10)으로부터 받는다. 직접 디지털 합성부(16)는, 주파수 정보와 진폭 정보를 이용하여, 제1 기본 주파수 F1을 가지는 기본파가 주파수 편이량(ΔF)에 의해 주파수 변조된 변조파를 생성한다. 직접 디지털 합성부(16)는, 변조파를 처리부(17)로 공급한다.

처리부(17)는, 직접 디지털 합성부(16)로부터 출력된 변조파에 대하여 소정의 처리를 행한다. 처리부(17)는, 증폭기, 필터, 합성기 등을 포함한다. 소정의 처리는, 변조파를 증폭하는 증폭 처리, 변조파에 있어서의 진행파·반사파를 슈퍼헤테로다인 방식 등으로 검출하기 위한 필터 처리, 진행파 전력의 목표 전력으로부터 차이를 합성하여 직접 디지털 합성부(16)로 피드백하는 합성 처리 등을 포함한다. 처리부(17)는, 처리 후의 변조파(제1 진행파 전압)를 중첩 정합기(30)로 출력한다.

이어서, 고주파 전원 장치(1)의 동작에 대하여 도 2~도 5를 이용하여 설명한다. 도 2는, 고주파 전원 장치(1)의 동작을 나타내는 시퀀스 차트이다. 도 3~도 5는, 고주파 전원 장치(1)의 동작을 나타내는 파형도이다.

LF 전원(20)은, 고주파 전원 장치(1)의 기동 지령에 따라, 제2 진행파 전압을 발생시켜 중첩 정합기(30)의 LF 정합부(32)로 출력한다(S1).

LF 정합부(32)는, LF 전원(20)으로부터 출력되는 제2 진행파 전압의 파형 신호 SG2f를 검출함과 함께, 정합 회로(323)측으로부터 반사되는 제2 반사파 전압의 파형 신호 SG2r을 검출한다(S2). LF 정합부(32)는, 예를 들면 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이, 제2 기본 주파수 F2를 가지는 정현파 형상의 파형 신호 SG2f를 검출한다. 파형 신호 SG2f는, 예를 들면, 타이밍 t1~t2의 기간, 타이밍 t2~t3의 기간, ···, 타이밍 t40~t41의 기간이, 각각, LF 전원(20)의 기본 주기에 대응하는 1주기이다.

LF 정합부(32)는, 파형 신호 SG2f를 펄스 신호로 변환한다(S3). LF 정합부(32)는, 예를 들면 정현파 신호의 진폭이 도 3의 (a)에 일점 쇄선으로 나타내는 진폭 중심을 넘으면 H 레벨로 하고 진폭 중심을 하회하면 L 레벨로 함으로써, 도 3의 (b)에 나타내는 바와 같은 펄스 신호를 생성해도 된다. 펄스 신호는, 예를 들면, 타이밍 t1~t2의 기간, 타이밍 t2~t3의 기간, ···, 타이밍 t40~t41의 기간이, 각각, LF 전원(20)의 기본 주기에 대응하는 1주기이다.

LF 정합부(32)는, 주파수가 제2 기본 주파수 F2의 펄스 신호를 N 분주하여, 주파수 F3의 타이밍 제어 신호 TC를 생성한다(S4). F3=F2×1/N의 관계에 있다. LF 정합부(32)는, 예를 들면 도 3의 (b)에 나타내는 펄스 신호를 20분주하여 도 3의 (c)에 나타내는 타이밍 제어 신호 TC를 생성한다. 도 3의 (c)에서는, N=20인 경우를 예시하고 있다. LF 정합부(32)는, 타이밍 제어 신호 TC를 HF 전원(10)으로 출력한다. 타이밍 제어 신호 TC는, 예를 들면, 타이밍 t1~t21의 기간, 타이밍 t21~t41의 기간이, 각각, LF 전원(20)의 기본 주기의 N배(예를 들면, 20배)에 대응하는 1주기이다.

HF 전원(10)은, 타이밍 제어 신호 TC에 따라 변조를 개시해야 할 위상을 설정하고(S5), 변조 기본파 신호를 생성한다(S6). HF 전원(10)은, 예를 들면 도 4의 (a)에 나타내는 타이밍 제어 신호 TC를 받는다. HF 전원(10)은, 도 4의 (a)에 나타내는 타이밍 제어 신호 TC에 동기한 타이밍 t1로부터 변조 기본파 신호의 생성을 개시한다. 즉, HF 전원(10)은, 타이밍 t1로부터, 도 4의 (b)에 나타내는 기본 클럭 신호에 동기하여, 도 4의 (c)에 나타내는 바와 같은 주파수 정보를 참조하면서, 도 4의 (d)에 나타내는 바와 같은 계단 형상 신호를 생성한다. HF 전원(10)은, 타이밍 t1~t2에서 주파수 정보에 있어서의 1주기분의 진폭을 다 참조하면, 다음의 타이밍 t2에서 주파수 정보에 있어서의 1주기의 선두의 진폭으로 되돌아가 참조한다. 이것이 정현파의 1주기마다 반복된다. HF 전원(10)은, 도 4의 (d)에 나타내는 계단 형상 신호를 평활화하여, 도 4의 (e)에 나타내는 바와 같은 정현파 형상의 변조 기본파 신호를 생성한다. HF 전원(10)은, 변조 기본파 신호에 주파수 편이량(ΔF)을 승산하여 변조 신호를 구한다(S7). 변조 신호는, 주파수 편이량(ΔF)을 포함한다. HF 전원(10)은, 기본파 신호에 변조 신호를 가산하여, 주파수 F1+ΔF를 나타내는 주파수 정보를 생성한다. 이에 따라, HF 전원(10)은, 제1 기본 주파수 F1을 가지는 기본파를 주파수 변조량(ΔF)으로 주파수 변조하여 변조파를 생성한다(S8).

또한, HF 전원(10)은, 도 5의 (a)에 나타내는 바와 같이, 타이밍 제어 신호 TC의 에지 타이밍 t1, t21, t41마다, 변조를 개시해야 할 위상의 설정을 리셋하고, S5~S8의 처리를 반복해도 된다. HF 전원(10)은, 예를 들면 반사 계수 R(또는 반사파 전력)이 임계값 이하가 됨에 따라, 주파수 변조 제어를 완료했다고 간주할 수 있다. 이에 따라, 주파수 변조 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

주파수 변조 제어가 완료되면, HF 전원(10)은, 변조파를 이용하여 제1 고주파 전압(제1 진행파 전압)을 생성하여 중첩 정합기(30)의 HF 정합부(31)로 출력한다(S9).

HF 정합부(31)는, HF 전원(10)으로부터 출력되는 제1 진행파 전압의 파형 신호 SG1f를 검출함과 함께, 정합 회로(313)측으로부터 반사되는 반사파 전압의 파형 신호 SG1r을 검출한다(S10). 중첩 정합기(30)의 LF 정합부(32)는, S2에서 검출된 파형 신호 SG2f 및 파형 신호 SG2r에 따라, LF 전원(20)측 및 하부 전극(EL1)측에서 제2 정합 동작을 행한다(S11). 그것과 병행하여, HF 정합부(31)는, S10에서 검출된 파형 신호 SG1f 및 파형 신호 SG1r에 따라, HF 전원(10)측 및 하부 전극(EL1)측에서 제1 정합 동작을 행한다(S12). 중첩 정합기(30)는, 제1 정합 동작 및 제2 정합 동작이 행해진 상태에서, 제1 진행파 전압을 HF 전원(10)으로부터 HF 정합부(31)로 받고, 제2 진행파 전압을 LF 전원(20)로부터 LF 정합부(32)로 받는다. 중첩 정합기(30)는, HF 정합부(31)의 제1 진행파 전압(제1 고주파 전력)과 LF 정합부(32)의 제2 진행파 전압(제2 고주파 전력)을 중첩시켜, 중첩 후의 진행파 전압(중첩 후의 고주파 전력)을 하부 전극(EL1)으로 공급한다(S13).

이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 고주파 전원 장치(1)에 있어서, LF 정합부(32)가 제2 진행파 전압에 따라 타이밍 제어 신호 TC를 생성하여 HF 전원(10)으로 공급한다. HF 전원(10)은, 타이밍 제어 신호 TC에 따라 변조 신호의 개시 위상을 설정하고, 변조 신호의 개시 위상에 따라 변조 신호를 생성한다. HF 전원(10)은, 변조 신호를 이용하여 제1 진행파 전압(제1 고주파 전압)을 주파수 변조 제어한다. 이에 따라, 상호 변조 왜곡에 의한 영향을 고정밀도로 억제할 수 있다.

또한, 도 1에 나타내는 분주 처리부(3222)로부터 위상 설정부(11)로 공급되는 타이밍 제어 신호 TC는, 도 3의 (c)에 나타내는 바와 같이, 주파수가 비교적 낮다. 예를 들면, 타이밍 제어 신호 TC의 주파수가 100kHz 이하이면, LF 정합부(32)의 분주 처리부(3222)와 HF 전원(10)의 위상 설정부(11)를 접속하는 통신선은, 동축 케이블보다 저렴한 케이블을 사용 가능하다. 저렴한 케이블은, 예를 들면, 단면에서 볼 때에 있어서 내부 도체의 외측에 외부 도체를 가지지 않는, 즉 신호선의 외측에 실드선을 가지지 않는 케이블이다. 이에 따라, 고주파 전원 장치(1)의 비용을 저감할 수 있다.

본 발명의 몇 개의 실시 형태를 설명하였지만, 이들 실시 형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함되는 것과 마찬가지로, 특허청구의 범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함되는 것이다.

1 고주파 전원 장치
10 HF 전원
20 LF 전원
30 중첩 정합기
31 HF 정합부
32 LF 정합부

Claims

제1 기본 주파수를 가지는 제1 고주파 전압을 출력함으로써 제1 고주파 전력을 부하에 공급 가능한 제1 전원과,
상기 제1 기본 주파수보다 낮은 제2 기본 주파수를 가지는 제2 고주파 전압을 출력함으로써 제2 고주파 전력을 상기 부하에 공급하는 제2 전원과,
상기 제1 전원과 상기 부하와의 사이에 접속된 제1 정합부와,
상기 제2 전원과 상기 부하와의 사이에 접속된 제2 정합부를 구비하고,
상기 제2 정합부는, 상기 제2 고주파 전압의 검출 정보에 의거하여 상기 제2 기본 주파수보다 주파수가 낮은 타이밍 제어 신호를 생성하여 상기 제1 전원으로 공급하고,
상기 제1 전원은,
상기 제2 기본 주파수와 동일한 주파수를 가지는 변조 기본파 신호에 대하여, 상기 타이밍 제어 신호의 입력 타이밍에 따라 개시 위상을 설정함과 함께 주파수 편이량을 설정함으로써, 변조 신호를 생성하고,
상기 변조 신호를 이용하여 제1 고주파 전압을 주파수 변조하는, 고주파 전원 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 정합부는, 상기 제2 고주파 전압의 검출 정보로부터 상기 제2 기본 주파수와 동일한 주기를 가지는 펄스 신호를 추출하고, 상기 펄스 신호를 분주함으로써 상기 타이밍 제어 신호를 생성하는 고주파 전원 장치.
제2항에 있어서,
상기 제2 정합부는,
상기 제2 고주파 전압을 검출하고, 검출 파형 신호를 출력하는 검출부와,
상기 검출 파형 신호를 상기 펄스 신호로 변환하는 변환부와,
상기 펄스 신호를 분주하여 상기 타이밍 제어 신호를 생성하는 분주부를 가지는 고주파 전원 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
N을 2 이상의 정수라고 할 때, 상기 타이밍 제어 신호의 주파수는, 상기 제2 기본 주파수의 적어도 1/N배 이하의 주파수인 고주파 전원 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 전원은,
상기 타이밍 제어 신호를 이용하여 상기 제2 고주파 전압과 동일한 타이밍에서 변조를 개시해야 할 변조 개시 위상을 설정하는 위상 설정부와,
기본 클럭 신호를 생성하는 기본 클럭 생성부와,
상기 제2 기본 주파수와 동일한 주파수를 가지는 변조 기본파의 주파수 정보를 출력하는 LF 기본 주파수 설정부와,
상기 기본 클럭 신호, 상기 변조 개시 위상 및 상기 변조 기본파의 주파수 정보를 이용하여, 주파수가 제2 기본 주파수와 동일한 변조 기본파 신호를 출력하는 직접 디지털 합성부와,
상기 변조 기본파 신호의 주파수 편이량을 설정하는 주파수 편이량 설정부와,
상기 변조 기본파 신호와 상기 주파수 편이량을 승산함으로써, 상기 변조 기본파 신호의 진폭을 상기 주파수 편이량에 기초하여 편이시킨 상기 변조 신호를 출력하는 승산기와,
상기 제1 기본 주파수와 동일한 주파수를 가지는 기본파 신호의 주파수 정보를 출력하는 HF 기본파 주파수 설정부와,
상기 기본파 신호의 주파수 정보와 상기 변조 신호를 가산하여 얻어지는 주파수 정보를 출력하는 가산부와,
상기 기본 클럭 신호 및 상기 가산부로부터 출력된 주파수 정보를 이용하여, 상기 기본파 신호를 상기 변조 신호로 주파수 변조한 변조파를 출력하는 직접 디지털 합성부와,
상기 변조파를 증폭하여 출력하는 증폭기를 포함하는, 고주파 전원 장치.