KR20230100650A

KR20230100650A - 고주파 전원 장치

Info

Publication number: KR20230100650A
Application number: KR1020220182108A
Authority: KR
Inventors: 유이치 하세가와; 유야 우에노
Original assignee: 가부시키가이샤 다이헨
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2023-07-05
Also published as: JP2023098299A; US20230207270A1

Abstract

[과제] 정합 동작과 주파수 변조 제어를 각각 적절하게 행한다.
[해결 수단]본 개시와 관련된 고주파 전원 장치에 있어서, 제1 전원은, 제1 고주파 전압을 출력함으로써 제1 고주파 전력을 부하에 공급한다. 제1 고주파 전압은, 제1 기본 주파수를 가진다. 제2 전원은, 제2 고주파 전압을 출력함으로써 제2 고주파 전력을 상기 부하에 공급한다. 제2 고주파 전압은, 제2 기본 주파수를 가진다. 제2 기본 주파수는, 제1 기본 주파수보다 낮다. 제1 정합부는, 제1 전원과 부하와의 사이에 접속된다. 제2 정합부는, 제2 전원과 부하와의 사이에 접속된다. 제1 정합부는, 상호 변조 왜곡이 발생하고 있는 상태에서 제1 정합 동작을 행한다. 상호 변조 왜곡은, 제1 고주파 전력과 제2 고주파 전력이 동시에 부하에 공급됨으로써 발생한다. 제1 정합 동작은, 제1 전원의 임피던스와 부하의 임피던스를 정합시키는 동작이다. 제1 전원은, 제1 정합 동작이 완료된 후에 주파수 변조 제어를 행한다. 주파수 변조 제어는, 제1 고주파 전압을 변조 신호로 주파수 변조시켜 변조파로서 출력하는 제어이다. 변조 신호는, 제2 기본 주파수와 동일한 주파수를 가진다.

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 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. (특허 문헌 1~3 참조).

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

이와 같은 경우, 상호 변조 왜곡(IMD: InterModulation Distortion)이 발생하고, 제1 전원측에 있어서, 반사파 전력이 제2 기본 주파수 F2의 주기에 따라 변동되는 현상이 발생한다. 이 상호 변조 왜곡에 기인하는 반사파 전력을 저감시키기 위해, 제1 전원에 대하여 주파수 변조 제어를 행하는 기술이 알려져 있다. 이 때, 고주파 전원 장치에 있어서, 제1 전원의 임피던스와 부하의 임피던스를 정합시키는 정합 동작과 주파수 변조 제어가 동시에 행해지면, 정합 동작과 주파수 변조 제어가 서로 간섭하여 적절하게 행해지지 않을 가능성이 있다.

본 개시는, 정합 동작과 주파수 변조 제어를 각각 적절하게 행할 수 있는 고주파 전원 장치를 제공한다.

본 개시와 관련된 고주파 전원 장치는, 제1 전원과 제2 전원과 제1 정합부와 제2 정합부를 가진다. 제1 전원은, 제1 고주파 전압을 출력함으로써 제1 고주파 전력을 부하에 공급한다. 제1 고주파 전압은, 제1 기본 주파수를 가진다. 제2 전원은, 제2 고주파 전압을 출력함으로써 제2 고주파 전력을 상기 부하에 공급한다. 제2 고주파 전압은, 제2 기본 주파수를 가진다. 제2 기본 주파수는, 제1 기본 주파수보다 낮다. 제1 정합부는, 제1 전원과 부하와의 사이에 접속된다. 제2 정합부는, 제2 전원과 부하와의 사이에 접속된다. 제1 정합부는, 상호 변조 왜곡이 발생하고 있는 상태에서 제1 정합 동작을 행한다. 상호 변조 왜곡은, 제1 고주파 전력과 제2 고주파 전력이 동시에 부하에 공급됨으로써 발생한다. 제1 정합 동작은, 제1 전원의 임피던스와 부하의 임피던스를 정합시키는 동작이다. 제1 전원은, 제1 정합 동작이 완료된 후에 주파수 변조 제어를 행한다. 주파수 변조 제어는, 제1 고주파 전압을 변조 신호로 주파수 변조시켜 변조파로서 출력하는 제어이다. 변조 신호는, 제2 기본 주파수와 동일한 주파수를 가진다.

본 개시와 관련된 고주파 전원 장치에 의하면, 정합 동작과 주파수 변조 제어를 각각 적절하게 행할 수 있다.

도 1은 실시 형태와 관련된 고주파 전원 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 실시 형태와 관련된 고주파 전원 장치의 개략 동작을 나타내는 시퀀스도.
도 3은 실시 형태와 관련된 고주파 전원 장치의 상세 동작을 나타내는 시퀀스도.

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 발생하여, 높은 반사 전력이 발생할 가능성이 있다. 반사 전력을 저감시키기 위해, 제1 전원으로 제1 고주파 전압에 주파수 변조 제어를 행하는 경우가 있음과 함께, 제1 전원과 부하와의 사이의 중첩 정합기로 임피던스의 정합 동작을 행하는 경우가 있다. 주파수 변조 제어와 임피던스의 정합 동작이 동시에 행해지면, 각각의 동작이 서로 간섭하여 적절하게 행할 수 없을 가능성이 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 아래와 같이 하여 정합 동작과 주파수 변조 제어를 협조시켜, 반사파 전력을 효과적으로 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)의 사이에 전기적으로 접속된다. 중첩 정합기(30)는, HF 전원(10)측의 임피던스와 하부 전극(EL1)측의 임피던스를 정합시키는 HF 정합 동작을 행함과 함께, LF 전원(20)측의 임피던스와 하부 전극(EL1)측의 임피던스를 정합시키는 LF 정합 동작을 행한다. 중첩 정합기(30)는, HF 정합 동작 및 LF 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)에 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), LF 정합부(제2 정합부)(32) 및 출력 센서(33)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, HF 정합 동작을 행하고, LF 정합부(32)는, LF 정합 동작을 행한다.

출력 센서(33)는, 중첩 정합기(30)의 출력단에 있어서의 제3 진행파 전압을 검출하고, 검출 신호로서 진행파 전압 검출 신호 SG3f를 출력함과 함께, 중첩 정합기(30)의 출력단에 있어서의 제3 반사파 전압을 검출하고, 검출 신호로서 반사파 전압 검출 신호 SG3r을 출력한다. 진행파 전압 검출 신호 SG3f 및 반사파 전압 검출 신호 SG3r은, 예를 들면, 도시하지 않은 외부 장치로 출력된다.

HF 정합부(31)는, HF 정합 동작을 행할 때에, HF 정합부(31)에 있어서 검출한 정보에 의거하여 반사 계수(Γ)의 크기 또는 반사 전력의 크기를 연산하는 기능을 가지고 있다.

HF 정합부(31)는, 센서(311), 임피던스 연산부(312), 정합 연산부(313), 및 HF 정합 네트워크(314), 통신부(315)를 가진다.

센서(311)는, HF 전원(10)으로부터 출력되는 제1 진행파 전압을 검출하고, 검출 신호로서 진행파 전압 검출 신호 SG1f를 출력함과 함께, HF 정합 네트워크(314)측으로부터 반사되는 제1 반사파 전압을 검출하고, 검출 신호로서 반사파 전압 검출 신호 SG1r을 출력한다. 진행파 전압 검출 신호 SG1f 및 반사파 전압 검출 신호 SG1r은, 임피던스 연산부(312)에 공급된다.

임피던스 연산부(312)는, 진행파 전압 검출 신호 SG1f 및 반사파 전압 검출 신호 SG1r에 의거하여, HF 전원(10)측의 임피던스를 구한다. 임피던스 연산부(312)는, 제1 진행파 전압에 대한 제1 반사파 전압의 비율인 반사 계수(Γ)를 구한다. 임피던스 연산부(312)는, 반사 계수(Γ)를 정합 연산부(313)에 공급한다.

정합 연산부(313)는, 반사 계수(Γ)를 받으면, 반사 계수(Γ)가 작아지는 임피던스 변경량을 구한다. 정합 연산부(313)는, 임피던스 변경량에 따라 HF 정합 네트워크(314)를 제어하고, HF 정합 네트워크(314)의 임피던스값을 변경한다. 또한, 임피던스 연산부(312)는 반사 계수(Γ) 대신에 반사 전력을 구해도 되고, 정합 연산부(313)는 반사 계수(Γ) 대신에 반사 전력이 작아지는 임피던스 변경량을 구해도 된다.

이에 따라, HF 정합부(31)는, 연산한 반사 계수(Γ)의 크기 또는 반사파 전력의 크기가 미리 정한 임계값 이하가 되었을 때에, HF 정합 동작이 완료되었다고 간주할 수 있다. 이에 따라, HF 정합 동작의 완료 시기를 명확화할 수 있다. 이에 따라, 통신부(315)는, HF 정합 동작이 완료된 취지의 완료 통지를 HF 전원(10)에 송신할 수 있다.

LF 정합부(32)는, LF 정합 동작을 행할 때에, LF 정합부(32)에 있어서 검출한 정보에 의거하여 반사 계수(Γ)의 크기 또는 반사 전력의 크기를 연산하는 기능을 가지고 있다.

LF 정합부(32)는, 센서(321), 임피던스 연산부(322), 정합 연산부(323), 및 LF 정합 네트워크(324), 통신부(325)를 가진다.

센서(321)는, LF 전원(20)으로부터 출력되는 제2 진행파 전압을 검출하고, 검출 신호로서 진행파 전압 검출 신호 SG2f를 출력함과 함께, HF 정합 네트워크(314)측으로부터 반사되는 제1 반사파 전압을 검출하고, 검출 신호로서 반사파 전압 검출 신호 SG2r을 출력한다. 진행파 전압 검출 신호 SG2f 및 반사파 전압 검출 신호 SG2r은, 임피던스 연산부(322)에 공급된다.

임피던스 연산부(322)는, 진행파 전압 검출 신호 SG2f 및 반사파 전압 검출 신호 SG2r에 의거하여, LF 전원(20)측의 임피던스를 구한다. 임피던스 연산부(322)는, 제2 진행파 전압에 대한 제2 반사파 전압의 비율인 반사 계수(Γ)를 구한다. 임피던스 연산부(312)는, 반사 계수(Γ)를 정합 연산부(313)에 공급한다.

정합 연산부(323)는, 반사 계수(Γ)를 받으면, 반사 계수(Γ)가 작아지는 임피던스 변경량을 구한다. 정합 연산부(323)는, 임피던스 변경량에 따라 LF 정합 네트워크(324)를 제어하고, LF 정합 네트워크(324)의 임피던스값을 변경한다. 또한, 임피던스 연산부(322)는 반사 계수(Γ) 대신에 반사 전력을 구해도 되고, 정합 연산부(323)는 반사 계수(Γ) 대신에 반사 전력이 작아지는 임피던스 변경량을 구해도 된다.

이에 따라, LF 정합부(32)는, 연산한 반사 계수(Γ)의 크기 또는 반사파 전력의 크기가 미리 정한 임계값 이하가 되었을 때에, LF 정합 동작이 완료되었다고 간주할 수 있다. 이에 따라, LF 정합 동작의 완료 시기를 명확화할 수 있다. 이에 따라, 통신부(325)는, LF 정합 동작이 완료된 취지의 완료 통지를 HF 전원(10)에 송신할 수 있다.

HF 전원(10)은, 제1 고주파 전압을 제2 기본 주파수와 동일한 주파수를 가지는 변조 신호로 주파수 변조시켜 변조파로서 출력하는 주파수 변조 제어를 행한다. HF 전원(10)은, HF 전원(10)에 있어서 검출한 정보에 의거하여 반사 계수(Γ)의 크기 또는 반사파 전력의 크기를 연산하는 기능을 가지고 있다.

HF 전원(10)은, 주파수 변조 제어 블록(11), 컨트롤러(12), 직접 디지털 합파기(DDS)(13), 증폭부(14), 센서(15), 광대역 검출부(16), 평균화부(17), 전력 설정부(18), 감산기(19), 통신부(21)를 가진다. 주파수 변조 제어 블록(11)은, 변조 기본파를 생성한다. 변조 기본파는, 주파수 F2를 가지고, 기준 진폭을 가진다. 주파수 변조 제어 블록(11)은, LF 전원(20)에 대응한 타이밍을 가지는 트리거 신호를 기준으로 하여, 변조 기본파에 변조를 개시해야 할 개시 위상과 변조의 정도를 나타내는 주파수 편이량을 설정하여 변조 신호를 생성한다. 변조 신호는, 개시 위상 및 주파수 편이량을 포함한다. 주파수 변조 제어 블록(11)은, 변조 신호를 주파수 변조 설정으로서 직접 디지털 합파기(13)에 공급한다. 직접 디지털 합파기(13)는, 주파수 변조 설정(즉, 변조 신호)과 진폭 설정을 이용하여, 주파수가 제2 기본 주파수 F2와 동일한 변조파를 생성하여 증폭부(14)에 공급한다. 증폭부(14)는, 변조파를 증폭하여 센서(15)에 공급한다.

센서(15)는, 증폭부(14)로부터 출력된 변조파(진행파)를 중첩 정합기(30)에 공급한다. 또한, 증폭부(14)로부터의 제1 진행파 전압을 검출하고, 검출 신호로서 진행파 전압 검출 신호 Vf1을 출력함과 함께, 중첩 정합기(30)를 개재하여 플라즈마 처리 장치(PA)측으로부터 반사된 제1 반사파 전압을 검출하고, 검출 신호로서 반사파 전압 검출 신호 Vr1을 출력한다. 센서(15)는, 검출한 진행파 전압 검출 신호 Vf1과 반사파 전압 검출 신호 Vr1을 광대역 검출부(16)에 공급한다.

광대역 검출부(16)는, 원하는 주파수 성분을 통과시키는 필터이며, 예를 들면 슈퍼헤테로다인 방식으로 연산하고, 필터링 처리를 행함으로써, 진행파 전압 검출 신호 Vf1의 소망 성분인 진행파 전압 검출 신호 Vf2와 반사파 전압 검출 신호 Vr1의 소망 성분인 반사파 전압 검출 신호 Vr2를 각각 통과시켜 평균화부(17)에 공급한다.

평균화부(17)는, 진행파 전압 검출 신호 Vf2에 의거하여 진행파 전력(Pf)을 산출함과 함께, 반사파 전압 검출 신호 Vr2에 의거하여 반사파 전력(Pr)을 산출한다. 예를 들면, Vf2^2/R(R: 저항값에 상당하는 게인)에 의해 진행파 전력(Pf)을 산출할 수 있다. 반사파 전력(Pr)도 마찬가지로 하여 산출할 수 있다. 또한, 상기 계산식에서는, Vf2는 진행파 전압 검출 신호 Vf2의 크기를 나타내고 있다. 물론, 실제의 전력값으로 환산하기 위한 게인이 승산된다.

또한, 평균화부(17)는, 산출한 진행파 전력(Pf)과 반사파 전력(Pr)을 각각 소정 기간에 있어서 축적한다. 또한, 평균화부(17)는, 진행파 전력(Pf)과 반사파 전력(Pr)을 각각 소정 기간에 대하여 평균화한다. 평균화부(17)는, 진행파 전력(Pf)의 평균 전력을 감산기(19)에 공급한다. 또한, 평균화부(17)는, 진행파 전력(Pf)의 평균 전력 및 반사파 전력(Pr)의 평균 전력을 주파수 변조 제어 블록(11)에 공급한다. 또한, 상기에서는, 전압에 의거하여 전력을 산출한 후에, 평균화를 행하는 예를 나타냈지만, 전압의 평균화를 행한 후에, 전력을 산출해도 된다.

전력 설정부(18)는, 목표 전력이 미리 설정된다. 전력 설정부(18)는, 목표 전력을 감산기(19)에 공급한다. 감산기(19)는, 목표 전력으로부터 진행파 전력(Pf)의 평균 전력을 감산하고, 감산 결과를 오차(ΔP)로서 컨트롤러(12)에 피드백한다. 컨트롤러(12)는, 오차(ΔP)에 따라, 변조파의 진폭을 제어한다. 즉, 컨트롤러(12)는, 오차(ΔP)에 따라(예를 들면, 오차(ΔP)가 작아지는) 변조파의 진폭을 구하고, 구해진 진폭에 따른 진폭 설정을 직접 디지털 합파기(13)에 공급한다.

예를 들면, 목표 전력이 1,000[W]이며, 진행파 전력(Pf)의 평균 전력이 950[W]이면, 목표 전력에 대하여 50[W] 부족하므로, 진폭 설정 컨트롤러(24)는, 부하에 공급하는 진행파 전력(Pf)을 크게 하도록 변조파의 진폭을 제어한다. 이 변조파의 진폭의 제어에는, 예를 들면, PI 제어나 PID 제어 등의 공지의 방법을 이용할 수 있다.

이에 따라, 주파수 변조 제어 블록(11)은, 반사파 전력(Pr)의 평균 전력이 최소가 되도록, 변조 신호의 개시 위상과 변조파의 주파수 편이량을 각각 미리 정한 조정 범위 내에서 조정한다. 주파수 변조 제어 블록(11)은, 반사파 전력(Pr)의 평균 전력이 소정의 임계값 이하가 되면, 반사파 전력(Pr)의 평균 전력이 최소가 되었다고 간주할 수 있다. 주파수 변조 제어 블록(11)은, 반사파 전력(Pr)의 평균 전력이 최소가 되었다고 간주하였을 때에, 주파수 변조 제어가 완료되었다고 간주할 수 있다. 이에 따라, 주파수 변조 제어의 완료 시기를 명확화할 수 있다. 이에 따라, 통신부(21)는, 주파수 변조 제어가 완료된 취지의 완료 통지를 HF 정합부(31)로 송신할 수 있다.

이어서, 고주파 전원 장치(1)의 개략 동작에 대하여 도 2를 이용하여 설명한다. 도 2는, 고주파 전원 장치(1)의 개략 동작을 나타내는 시퀀스도이다. 도 2에서는, 고주파 전원 장치(1)의 동작 상태와 중첩 정합기(30) 및 HF 전원(10)의 동작과의 대응이 시계열적으로 나타난다.

ST1에서는, HF 전원(10) 및 LF 전원(20)이 함께 정지하고 있으며, HF 전원(10)에 의한 전력 인가와 LF 전원(20)에 의한 전력 인가는 함께 행해지고 있지 않다. 중첩 정합기(30)는, 초기값으로 대기하고(SQ1), HF 전원(10)은, 초기값으로 대기한다(SQ7).

ST2에서는, HF 전원(10)이 제1 고주파 전압을 생성하여 중첩 정합기(30)로 출력하기 시작하고(SQ8), HF 전원(10)에 의한 전력 인가는 행해진다. 이에 따라, 중첩 정합기(30)는, HF 전원(10)측의 정합 동작의 준비를 행한다(SQ2). 이 때, LF 전원(20)은 정지하고 있다.

ST3에서는, HF 전원(10)에 의한 전력 인가와 LF 전원(20)에 의한 전력 인가가 함께 행해지고, HF 전원(10)측에서 IMD(상호 변조 왜곡)가 발생하고 있다. 이에 따라, 중첩 정합기(30)는, IMD 상태를 검출함과 함께, HF 전원(10)측의 정합 동작(제1 정합 동작)과 LF 전원(20)측의 정합 동작(제3 정합 동작)을 개시한다(SQ3). 중첩 정합기(30)는, HF 전원(10)측 및 LF 전원(20)측 각각에서, 진행파의 파형과 반사파의 파형을 검출하고, 검출 결과에 따라 임피던스를 연산하고, 그에 따라, 반사 계수(Γ)를 구하면서 가변 임피던스 소자를 동작시키기 시작한다.

ST4에서는, HF 전원(10)에 의한 전력 인가와 LF 전원(20)에 의한 전력 인가가 함께 행해지고, HF 전원(10)측에서 IMD(상호 변조 왜곡)가 발생하고 있지만, 중첩 정합기(30)에 의한 정합 동작이 행해진다. 이 때, HF 전원(10)에 의한 주파수 변조 제어가 행해지고 있지 않으므로, 정합 동작과 주파수 변조 제어가 서로 간섭하지 않아, 중첩 정합기(30)에 의한 정합 동작을 행할 수 있다. 그리고, HF 전원(10)측의 정합 동작과 LF 전원(20)측의 정합 동작이 실행중(SQ4)인 상태를 거쳐, 중첩 정합기(30)는, HF 전원(10)측 및 LF 전원(20)측 각각에 대해, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))이 임계값 이하가 되면, 정합 동작이 완료되었다고 간주한다(SQ5). 이 때, HF 전원(10)측의 정합 동작에 사용되는 가변 임피던스 소자의 동작이 정지하고 있다(SQ6). 이에 따라, 중첩 정합기(30)는, HF 전원(10)측의 정합 동작이 완료된 취지의 완료 통지를 HF 전원(10)으로 송신한다. HF 전원(10)은, 완료 통지를 수신한 것에 따라, HF 전원(10)측의 정합 후의 동작이 정지된 것이 확인되었다고 인식한다(SQ9).

ST5에서는, HF 전원(10)에 의한 전력 인가와 LF 전원(20)에 의한 전력 인가가 함께 행해지고, HF 전원(10)측에서 IMD(상호 변조 왜곡)가 발생하고 있으며, HF 전원(10)에 의한 주파수 변조 제어가 행해진다. HF 전원(10)은, 주파수 변조 제어를 개시하면(SQ10), 반사 전력을 취득하고, 반사 전력이 최소가 되는 조건을 탐색하면서 주파수 변조 제어를 행한다(SQ11). 이 때, ST4의 정합 동작에 의해, 어느 정도 반사 전력이 억제된 상태로 되어 있다. 또한, ST4의 종료 시에 중첩 정합기(30)에 있어서의 정합 동작이 완료되고 있으므로, 정합 동작과 주파수 변조 제어가 서로 간섭하는 경우가 없다. 이 때문에, 주파수 변조 제어를 효율적으로 행할 수 있다.

HF 전원(10)은, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))이 임계값 이하가 되면, 주파수 변조 제어가 완료되었다고 간주한다(SQ12). 이에 따라, HF 전원(10)은, 주파수 변조 제어가 완료된 취지의 완료 통지를 중첩 정합기(30)로 송신한다. 중첩 정합기(30)는, 완료 통지를 수신한 것에 따라, 주파수 변조 제어가 완료된 것이 확인되었다고 인식한다(SQ13).

ST6에서는, HF 전원(10)에 의한 전력 인가와 LF 전원(20)에 의한 전력 인가가 함께 행해지고, HF 전원(10)측에서 IMD(상호 변조 왜곡)가 억제되고 있으며, 중첩 정합기(30)에 의한 정합 동작이 행해진다. 주파수 변조 제어에 의해 정합 상태가 변화될 수 있으므로, 중첩 정합기(30)는, 다시 정합 동작을 행한다. 이 때, 주파수 변조 제어에 의해 IMD에 의한 반사파 전력이 저감되므로, 정합 동작에 의해, 임피던스 부정합에 의한 반사파 전력을 효율적으로 저감할 수 있다. 중첩 정합기(30)는, HF 전원(10)측의 임피던스를 연산하고(SQ14), 그에 따라 HF 전원(10)측의 정합 동작(제2 정합 동작)을 개시하고(SQ15), 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))이 임계값 이하가 되면 정합 동작이 완료되었다고 간주한다(SQ16).

이어서, 고주파 전원 장치(1)의 상세 동작에 대하여 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3은, 고주파 전원 장치(1)의 상세 동작을 나타내는 시퀀스도이다. 도 3에서는, LF 전원(20), LF 정합부(32), HF 정합부(31), HF 전원(10)의 동작이 각각 시계열적으로 나타난다.

고주파 전원 장치(1)의 기동 전에 있어서, LF 전원(20), LF 정합부(32), HF 정합부(31), HF 전원(10)은, 각각, 초기값으로 대기하고 있다(S1, S4, S11, S8).

고주파 전원 장치(1)의 기동 지령에 따라, LF 전원(20)은, 제2 진행파 전압을 발생시켜 LF 정합부(32)로 출력하기 시작한다(S2). 이 이후, LF 전원(20)은, 계속적으로, 제2 진행파 전압을 발생시켜 LF 정합부(32)로 출력한다(S3).

LF 정합부(32)는, LF 전원(20)으로부터 출력되는 진행파 전압 검출 신호 SG2f를 검출하기 시작하면, LF 정합 동작(제3 정합 동작)을 개시한다(S5). LF 정합부(32)는, 제2 진행파 전압의 파형 신호와 제2 반사파 전압의 파형 신호를 검출하고, 제2 진행파 전압의 파형 신호와 제2 반사파 전압의 파형 신호에 따라 LF 전원(20)측의 임피던스를 연산한다. LF 정합부(32)는, LF 전원(20)측의 임피던스에 따라, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))을 구한다. LF 정합부(32)는, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))이 작아지는 임피던스 변경량을 구하고, 그 임피던스 변경량으로 가변 임피던스 소자를 동작시킨다. 이에 따라, LF 정합부(32)는, LF 정합 동작을 행한다(S6). LF 정합부(32)는, LF 정합 동작을 행하면서, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ)))과 미리 정한 임계값을 비교한다. LF 정합부(32)는, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))의 크기가 미리 정한 임계값 이하가 되었을 때에, LF 정합 동작이 완료되었다고 간주한다(S7). 이에 따라, LF 정합부(32)는, LF 정합 동작이 완료된 취지의 완료 통지를 HF 전원(10)으로 송신한다.

한편, 고주파 전원 장치(1)에서는, S2~S7의 동작과 병행하여, S9, S10, S12~S22의 동작이 행해진다.

고주파 전원 장치(1)의 기동 지령에 따라, HF 전원(10)은, 제1 진행파 전압을 발생시켜 HF 정합부(31)로 출력하기 시작한다(S9). 이 이후, LF 전원(20)은, 계속적으로, 제1 진행파 전압을 발생시켜 HF 정합부(31)로 출력한다(S10).

HF 정합부(31)는, HF 전원(10)으로부터 출력되는 진행파 전압 검출 신호 SG1f를 검출하기 시작하면, HF 정합 동작(제1 정합 동작)을 개시한다(S12). HF 정합부(31)는, 제1 진행파 전압의 파형 신호와 제1 반사파 전압의 파형 신호를 검출하고, 제1 진행파 전압의 파형 신호와 제1 반사파 전압의 파형 신호에 따라 HF 전원(10)측의 임피던스를 연산한다. HF 정합부(31)는, HF 전원(10)측의 임피던스에 따라, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))을 구한다. HF 정합부(31)는, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))이 작아지는 임피던스 변경량을 구하고, 그 임피던스 변경량으로 가변 임피던스 소자를 동작시킨다. 이에 따라, HF 정합부(31)는, HF 정합 동작을 행한다(S13). HF 정합부(31)는, HF 정합 동작을 행하면서, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))과 미리 정한 임계값을 비교한다. HF 정합부(31)는, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))의 크기가 미리 정한 임계값 이하가 되었을 때에, HF 정합 동작이 완료되었다고 간주한다(S14). 이에 따라, HF 정합부(31)는, HF 정합 동작이 완료된 취지의 완료 통지를 HF 전원(10)으로 송신한다.

HF 전원(10)은, 완료 통지를 HF 정합부(31)로부터 수신하면, HF 정합부(31)의 완료 통지에 따라 HF 정합 동작이 완료된 것을 확인한다. HF 전원(10)은, 완료 통지를 LF 정합부(32)로부터 수신하면, LF 정합부(32)의 완료 통지에 따라 LF 정합 동작이 완료된 것을 확인한다(S15). HF 전원(10)은, HF 정합 동작 및 LF 정합 동작이 완료됨에 따라, 주파수 변조 제어를 개시한다(S16). HF 전원(10)은, 제1 고주파 전압을 제2 기본 주파수와 동일한 주파수를 가지는 변조 신호로 주파수 변조시켜 변조파로서 출력하는 주파수 변조 제어를 행한다. HF 전원(10)은, 주파수 변조 제어 시에, 반사 전력을 취득하고, 반사 전력이 최소가 되는 조건, 즉 변조 신호의 개시 위상과 변조파의 주파수 편이량의 조합을 탐색한다. HF 전원(10)은, 변조 신호의 개시 위상과 변조파의 주파수 편이량을 각각 미리 정한 조정 범위 내에서 조정하면서 주파수 변조 제어를 행하고, 제1 진행파 전압의 파형 및 제1 반사파 전압 Pr의 파형을 각각 검출하여 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))을 구한다. 이에 따라, HF 전원(10)은, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))이 최소가 되는 조건을 검색하면서, 주파수 변조 제어(S17)를 행한다. 이 때, S12~S13의 정합 동작으로 어느 정도 HF측의 반사 전력이 억제되고 있으므로, 주파수 변조 제어를 효율적으로 행할 수 있다. HF 전원(10)은, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))을 임계값과 비교하여, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))이 임계값 이하가 되었을 때에 반사 전력이 최소가 되었다고 간주할 수 있다. HF 전원(10)은, 반사 전력이 최소가 되었다고 간주하면, 주파수 변조 제어가 완료되었다고 간주한다(S18). 이에 따라, HF 전원(10)은, 주파수 변조 제어가 완료된 취지의 완료 통지를 HF 정합부(31)로 송신한다.

HF 정합부(31)는, 완료 통지를 수신하면, 완료 통지에 따라 주파수 변조 제어가 완료된 것을 확인한다(S19). HF 정합부(31)는, 주파수 변조 제어가 완료된 것에 따라, HF 정합 동작(제2 정합 동작)을 다시 개시한다(S20). 이 때, 주파수 변조 제어로 IMD에 의한 반사파 전력이 저감되므로, HF 정합 동작에 의해, 임피던스 부정합에 의한 반사파 전력을 효율적으로 저감할 수 있다. HF 정합부(31)는, 제1 진행파 전압의 파형 신호와 제1 반사파 전압의 파형 신호를 검출하고, 제1 진행파 전압의 파형 신호와 제1 반사파 전압의 파형 신호에 따라 HF 전원(10)측의 임피던스를 연산한다. HF 정합부(31)는, HF 전원(10)측의 임피던스에 따라, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))을 구한다. HF 정합부(31)는, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))이 작아지는 임피던스 변경량을 구하고, 그 임피던스 변경량으로 가변 임피던스 소자를 동작시킨다. 이에 따라, HF 정합부(31)는, HF 정합 동작을 행한다(S21). HF 정합부(31)는, HF 정합 동작을 행하면서, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))과 미리 정한 임계값을 비교한다. HF 정합부(31)는, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))의 크기가 미리 정한 임계값 이하가 되었을 때에, HF 정합 동작이 완료되었다고 간주한다(S22). 중첩 정합기(30)는, HF 정합 동작 및 LF 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 하부 전극(EL1)에 공급한다(S23).

이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 고주파 전원 장치(1)에 있어서, HF 전원(10)은, HF 정합부(31)에 의한 HF 정합 동작이 완료된 후에, 주파수 변조 제어를 행한다. 이에 따라, HF 정합 동작과 주파수 변조 제어를 각각 적절히 행할 수 있고, 상호 변조 왜곡의 영향에 의해 발생하는 HF 전원(10)측의 반사파 전력을 효율적으로 저감시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 고주파 전원 장치(1)에 있어서, HF 정합부(31)는, HF 전원(10)에 의한 주파수 변조 제어가 완료된 후에, HF 정합 동작을 다시 행한다. 예를 들면, 주파수 변조 제어를 행함으로써, HF 정합부(31)에 있어서의 HF 정합 동작의 최적값(최적의 정합 회로의 상태)이 상이한 경우가 있다. 이 때문에, HF 정합 동작을 다시 행함으로써, 상호 변조 왜곡의 영향에 의해 발생하는 반사파 전력을 더 저감시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 고주파 전원 장치(1)에 있어서, HF 전원(10)은, HF 정합부(31)에 의한 HF 정합 동작의 완료에 더해 LF 정합부(32)에 의한 LF 정합 동작이 완료된 후에, 주파수 변조 제어를 행한다. 이에 따라, HF 정합 동작과 LF 정합 동작과 주파수 변조 제어를 각각 적절히 행할 수 있고, 상호 변조 왜곡의 영향으로 발생하는 HF 전원(10)측의 반사파 전력과 LF 전원(20)측의 반사파 전력을 각각 효율적으로 저감시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 고주파 전원 장치(1)에 있어서, HF 정합부(31)는, HF 정합 동작을 행하면서 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))을 취득하고, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))의 크기가 미리 정한 임계값 이하가 되었을 때에 HF 정합 동작이 완료되었다고 간주한다. LF 정합부(32)는, LF 정합 동작을 행하면서 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))을 취득하고, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))의 크기가 미리 정한 임계값 이하가 되었을 때에 LF 정합 동작이 완료되었다고 간주한다. 이에 따라, HF 정합 동작의 완료 시기와 LF 정합 동작의 완료 시기가 각각 명확해져, 타당한 범위(임계값은 실험 등에 의해 적절한 값을 설정하면 됨)에서 정합 동작을 행할 수 있다. 즉, 반사 전력이 0이 되는 것을 목표로 하고 있으면, 반사 전력이 작아진 단계에서도 제어가 반복하여 행해져, 제어가 불안정해지는 경우가 있지만, 상기한 바와 같이 하면 불안정성이 저감된다. 또한, 조기에 제어를 완료시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 고주파 전원 장치(1)에 있어서, HF 전원(10)은, 주파수 변조 제어 시에, 변조 신호의 개시 위상과 상기 변조파의 주파수 편이량을 각각 미리 정한 조정 범위 내에서 조정하여 주파수 변조 제어를 행하면서 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))을 취득하고, 반사 전력(또는 반사 계수(Γ))의 크기가 최소가 되었다고 간주하였을 때에, 주파수 변조 제어가 완료되었다고 간주한다. 이에 따라, 주파수 변조 제어의 완료 시기가 명확해져, 타당한 범위(임계값은 실험 등에 의해 적절한 값을 설정하면 됨)에서 주파수 변조 제어를 행할 수 있다. 즉, 반사파 전력이 0이 되는 것을 목표로 하고 있으면, 반사파 전력이 작아진 단계에서도 제어가 반복하여 행해져, 제어가 불안정해지는 경우가 있지만, 상기한 바와 같이 하면 불안정성이 저감된다. 또한, 조기에 제어를 완료시킬 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 공급하는 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 제1 정합부는, 상기 제1 고주파 전력과 상기 제2 고주파 전력이 동시에 상기 부하에 공급됨으로써 발생하는 상호 변조 왜곡이 발생하고 있는 상태에서, 상기 제1 전원의 임피던스와 상기 부하의 임피던스를 정합시키는 제1 정합 동작을 행하고,
상기 제1 전원은, 상기 제1 정합 동작이 완료된 후에, 상기 제1 고주파 전압을 상기 제2 기본 주파수와 동일한 주파수를 가지는 변조 신호로 주파수 변조시켜 변조파로서 출력하는 주파수 변조 제어를 행하는 고주파 전원 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 정합부는, 상기 주파수 변조 제어가 완료된 후에, 상기 제1 전원의 임피던스와 상기 부하의 임피던스를 정합시키는 제2 정합 동작을 행하는 고주파 전원 장치.
제2항에 있어서,
상기 제2 정합부는, 상기 제2 전원의 임피던스와 상기 부하의 임피던스를 정합시키는 제3 정합 동작을 행하고,
상기 제1 전원은, 상기 제1 정합 동작 및 상기 제3 정합 동작이 완료된 후에, 상기 주파수 변조 제어를 행하는 고주파 전원 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 정합부는, 상기 제2 전원의 임피던스와 상기 부하의 임피던스를 정합시키는 제3 정합 동작을 행하고,
상기 제1 정합부는, 상기 제1 정합부에 있어서 검출한 정보에 의거하여 반사 계수의 크기 또는 반사 전력의 크기를 연산하는 기능을 가지고 있으며, 상기 연산한 반사 계수의 크기 또는 반사파 전력의 크기가 미리 정한 임계값 이하가 되었을 때에, 상기 제1 정합 동작이 완료되었다고 간주하고,
상기 제2 정합부는, 상기 제2 정합부에 있어서 검출한 정보에 의거하여 반사 계수의 크기 또는 반사파 전력의 크기를 연산하는 기능을 가지고 있으며, 상기 연산한 반사 계수의 크기 또는 반사파 전력의 크기가 미리 정한 임계값 이하가 되었을 때에, 상기 제3 정합 동작이 완료되었다고 간주하는 고주파 전원 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전원은, 상기 제1 전원에 있어서 검출한 정보에 의거하여 반사 계수의 크기 또는 반사파 전력의 크기를 연산하는 기능을 가지고 있으며,
상기 주파수 변조 제어는, 상기 변조 신호의 개시 위상과 상기 변조파의 주파수 편이량을 각각 미리 정한 조정 범위 내에서 조정하고, 상기 연산한 반사 계수의 크기 또는 반사파 전력의 크기가 최소가 되었다고 간주하였을 때에, 상기 주파수 변조 제어가 완료되었다고 간주하는 고주파 전원 장치.