WO2013140853A1

WO2013140853A1 - 高周波電源装置

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Publication number: WO2013140853A1
Application number: PCT/JP2013/051742
Authority: WO
Inventors: 規一加藤; 藤本　直也
Original assignee: 株式会社日立国際電気
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2013-09-26
Also published as: JP2013197080A

Abstract

　負荷の実効電力を一定にする高周波電源装置を提供する。高周波電力の出力が開始される（ｔ１）時点から、周波数を大きく変化させるＳＷＥＥＰモードが開始され、ＦＷＤ値とＲＥＦ値の比である電圧定在波比（ＶＳＷＲ値）を求め、ＶＳＷＲ値が予め決められたＶＳＷＲの閾値以下になると（反射波が所定のレベルまで低下すると）、ＶＳＷＲ値に応じて周波数を細かく変化させるＡＤＪＵＳＴモードを開始する（ｔ２）。また、ＲＥＦ値とＦＷＤ値から算出するＲＥＦ値割合について、前回と今回のＲＥＦ値割合の差分であるＲＥＦ値割合差分を求め、予め決められたＲＥＦ値割合差分閾値以下の状態が所定時間継続すると（ｔ3からｔ4）、周波数制御によるマッチングが飽和したと判断し、反射波電力（Ｗ）に相当する電力を進行波電力（Ｗ）に加算することで、実行電力を目標出力に一致させる実効電力一定制御を行う。

Description

高周波電源装置

　本発明は、高周波（ＲＦ：Radio Frequency）電力を負荷に供給する高周波電源装置に係り、特に負荷に一定の実効電力を供給するための高周波電源装置に関するものである。

　高周波電源装置が負荷（電力供給先となる装置）に一定の電力を効率よく出力するためには、負荷のインピーダンス変動に応じて整合（マッチング）を取る必要がある。例えば、特許文献１に開示の技術では、高周波電源の出力調整手段がプラズマの発生に伴って反応容器側からの反射波電力を検出し、高周波電源から外部電極に供給される電力に反射波電力と同等の電力を加算して出力させ、反射波電力による実効負荷電力の低下を補完するプラズマリアクターを提供している。

特開平１１－１４９９９６

　特許文献１は、高周波電源から外部電極に供給される電力に反射波電力と同等の電力を加算して出力することで反射波電力による実効電力の低下を補完している。しかし、単にこのような補完を行うだけでは、反射波電力が大きかった場合に出力が過大になるおそれがある。

　本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、上記課題を解決できる高周波電源装置を提供することを目的とする。

　本発明の高周波電源装置は、負荷に対して電力を出力する高周波電源装置において、周波数を制御して反射波を低減させた後、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴としている。
　また、本発明の高周波電源装置は、前記反射波が所定のレベルまで低減した後、前記周波数の制御によって前記反射波が低減されなくなったときに、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴としている。
　本発明の高周波電源装置は、負荷に対して電力を出力する高周波電源装置において、インピーダンス整合器を制御して反射波を低減させた後、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴としている。
　また、本発明の高周波電源装置は、前記反射波が所定のレベルまで低減した後、前記インピーダンス整合器の制御によって前記反射波が低減されなくなったときに、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴としている。

　本発明の高周波電源装置は、周波数を調整しながら反射波電力に相当する電力を進行波電力に補填するため、出力が過大になることを防止できる。

本発明の実施形態に係る高周波電源装置の機能構成を示す図である。本発明の実施形態に係る高周波電力制御処理における進行波電力、反射波電力、及び周波数の変化を示すグラフである。本発明の実施形態に係る高周波電源装置における高周波電力制御処理のフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る高周波電源装置の機能構成を示す図である。

　以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という）について、図面を参照して説明する。実施形態は、高周波電源装置が周波数マッチング処理により周期数を制御することで負荷とのインピーダンスマッチングを行うと共に、実効電力一定制御処理により反射波電力に相当する電力を進行波電力に加算することで、負荷に一定の電力を供給するものである。

　本発明の実施形態に係る高周波電源装置１００の機能構成について、図１を用いて説明する。図１に示すように、高周波電源装置１００は、制御部１１０、高周波電力出力部１２０、方向性結合器１３０、反射波検出部１４０、及び進行波検出部１５０から構成されている。高周波電源装置１００は、同軸ケーブル３００により負荷（例えばプラズマ処理を行う半導体製造装置）２００に接続されている。

　制御部１１０は、高周波電源装置１００のＣＰＵ（Central Processing Unit）によりソフトウェア的に実現される。あるいはＤＳＰ（Digital Signal Processing）などにより専用回路として構成することもできる。制御部１１０は、出力電力の周波数を制御することで負荷２００とのマッチングを取る周波数マッチング処理を行うと共に、進行波電力に反射波電力分の電力を加算することで負荷２００に供給される電力を目標値に制御する実効電力一定制御処理を行う。制御部１１０が行う処理の詳細については、後述する。高周波電力出力部１２０は、制御部１１０により周波数と電力が制御された高周波電力を方向性結合器１３０、同軸ケーブル３００を介して負荷２００に出力する。方向性結合器１３０は、高周波電力出力部１２０から出力された進行波と、負荷２００から反射した反射波の一部を進行波検出部１５０および反射波検出部１４０に出力する。反射波検出部１４０は、方向性結合器１３０の出力に基づき、反射波の電力を示す値（以下、ＲＥＦ値という）を制御部１１０に出力する。進行波検出部１５０は、方向性結合器１３０の出力に基づき、進行波の電力を示す値（以下、ＦＷＤ値という）を制御部１１０に出力する。

　次に、高周波電源装置１００を起動してから損失分である反射波電力に相当する分を補填するまでの高周波電力制御処理における進行波電力（Ｗ）、実効電力（Ｗ）、反射波電力（Ｗ）、及び周波数（Ｈｚ）の変化について、図２を用いて説明する。
　高周波電源装置１００が高周波電力の出力を開始すると（ｔ１）、進行波電力（高周波電力出力部１２０の出力）が立ち上がる。この時点では、まだマッチングが取れていないため、反射波電力も一時的に上昇する。進行波電力から反射波電力分を差し引いた電力が、実効電力となる（ここでは他の損失は無いものとする）。制御部１１０は、反射波電力に沿いながら、高周波電力出力部１２０の出力を目標出力に向けて増加させる。具体的には、ある一定の電力に到達した後は、反射波電力が小さくなるほど出力を大きくしていく。ここで、目標出力とは、負荷２００に供給すべき目標電力と同じ値である。
　制御部１１０は、高周波電力の出力が開始されるｔ１時点から、周波数を大きく変化させる制御（以下、粗調制御、あるいはＳＷＥＥＰモードという）を開始する。本実施例では、粗調制御において、周波数を初期値から低下させていくことでマッチング周波数を探る。
　制御部１１０は、ＦＷＤ値とＲＥＦ値の比である電圧定在波比（以下、ＶＳＷＲ値という）を求め、粗調制御の結果、ＶＳＷＲ値が予め決められたＶＳＷＲの閾値以下になると（反射波が所定のレベルまで低下すると）、ＶＳＷＲ値に応じて周波数を細かく変化させる制御（以下、微調制御、あるいはＡＤＪＵＳＴモードという）を開始する（ｔ２）。
　その後、制御部１１０は、ＲＥＦ値とＦＷＤ値から算出するＲＥＦ値割合について、前回と今回のＲＥＦ値割合の差分であるＲＥＦ値割合差分を求め、予め決められたＲＥＦ値割合差分閾値以下の状態が所定時間（所定回数）継続すると（ｔ3からｔ4）、周波数制御によるマッチングが飽和した（周波数制御ではこれ以上反射波が低減されない）と判断し、反射波電力（Ｗ）に相当する電力を進行波電力（Ｗ）に加算することで、実行電力を目標出力（負荷２００に供給すべき目標電力）に一致させる実効電力一定制御を行う。
　図示のように、ＡＤＪＵＳＴモード移行後は、周波数制御（微調制御）と電力制御（実効電力一定制御）が同時に（並行して）実行される。

　次に、制御部１１０が実行する高周波電力制御処理について図３を用いて説明する。なお、図３の高周波電力制御処理は、制御部１１０が実行する。

（ステップＳ１０１）　まず、高周波電源装置１００に電源が投入されると、制御部１１０は、モードにＳＷＥＥＰモード、前回ＲＥＦ値割合に「０」、及び検出カウンタに「０」を設定する。

（ステップＳ１０２）　次いで、制御部１１０は、ＲＦフラグをチェックし、ＲＦフラグ＝１（ＲＦ－ＯＮ）であるかを判定する。ＲＦフラグ＝１（ＲＦ－ＯＮ）であるとき（ステップＳ１０２のＹｅｓ）は、制御部１１０はステップＳ１０３に進む。ＲＦフラグ＝０（ＲＦ-ＯＦＦ）であるとき（ステップＳ１０２のＮｏ）は、制御部１１０は高周波電力制御処理を終了する。
　なお、ＲＦフラグは初期値が「０」であり、外部から指示があったときに「１」に設定される。外部からの指示とは、例えば運転開始ボタン（図示せず）がＯＮ操作された場合や、負荷２００側から運転指示が入力された場合である。

（ステップＳ１０３）　次いで、制御部１１０は、高周波電力制御処理が周波数及び電力を調整する周期であるサンプリング周期に到達したかを判定する。サンプリング周期に到達したとき（ステップＳ１０３のＹｅｓ）は、ステップＳ１０４に進む。サンプリング周期に到達していないとき（ステップＳ１０３のＮｏ）は、ステップＳ１０２に戻る。

（ステップＳ１０４）　次いで、制御部１１０は、進行波検出部１５０からＦＷＤ値を入力する。

（ステップＳ１０５）　次いで、制御部１１０は、反射波検出部１４０からＲＥＦ値を入力する。

（ステップＳ１０６）　次いで、制御部１１０は、ＦＷＤ値とＲＥＦ値からＶＳＷＲ値を算出する。

（ステップＳ１０７）　次いで、制御部１１０は、現在のモードがＳＷＥＥＰモードであるかを判定する。ＳＷＥＥＰモードであるとき（ステップＳ１０７のＹｅｓ）は、ステップＳ１０８に進む。ＳＷＥＥＰモードでないとき（ステップＳ１０７のＮｏ）は、ステップＳ１１１に進む。

（ステップＳ１０８）　ステップＳ１０７のＹｅｓであるとき、制御部１１０は、ステップＳ１０６で算出したＶＳＷＲ値が予め設定されたＶＳＷＲ閾値より小さいかを判定することで、ＡＤＪＵＳＴモードに遷移するかを判定する。ＶＳＷＲ値がＶＳＷＲ閾値より小さいとき、即ち、反射の割合が所定値より小さくなったとき（ステップＳ１０８のＹｅｓ）は、ステップＳ１０９に進む。ＶＳＷＲ値がＶＳＷＲ閾値より小さくないとき（ステップＳ１０８のＮｏ）は、ステップＳ１１０に進む。なお、ステップＳ１０８の判断は、ＶＳＷＲ値に代え、ＲＥＦ値等、反射波が所定のレベルまで低下したことがわかれば、他の指標を用いてもよい。

（ステップＳ１０９）　ステップＳ１０８のＹｅｓであるとき、制御部１１０は、モードにＡＤＪＵＳＴモードを設定することでＡＤＪＵＳＴモードに遷移し、ステップＳ１０２に戻る。

（ステップＳ１１０）　ステップＳ１０８のＮｏであるとき、即ち、反射の割合が所定値より小さくなっていないとき、制御部１１０は、高周波電力出力部１２０が出力する電力に対して周波数の粗調制御を行い、ステップＳ１０２に戻る。

（ステップＳ１１１）　ステップＳ１０７のＮｏであるとき、即ち、Ｓ１０９でＡＤＪＵＳＴモードに設定された後は、制御部１１０は、高周波電力出力部１２０が出力する電力に対して周波数の微調整制御を行う。この微調制御により、ＶＳＷＲ値を目標値（ＶＳＷＲ＝1）に精度良く調整すると共に、ＶＳＷＲ値に応じて周波数を細かく上下させることで負荷２００のインピーダンスの変動に精度良く追従させる。

（ステップＳ１１２）　次いで、制御部１１０は、ステップＳ１０４で入力したＦＷＤ値とステップＳ１０５で入力したＲＥＦ値から（式１）によりＲＥＦ値割合（％）を算出し、今回ＲＥＦ値割合に設定する。（式１）から明らかなように、ＲＥＦ値割合とは、進行波に対する反射波の割合である。
　　　ＲＥＦ値　／　ＦＷＤ値　＝ＲＥＦ値割合（％）・・・・・（式１）

（ステップＳ１１３）　次いで、制御部１１０は、ＲＥＦ値割合の前回値が無いか判定することで、前回ＲＥＦ値割合と今回ＲＥＦ値割合との差分であるＲＥＦ値割合差分の算出が不可であるかを判定する。ＲＥＦ値割合の前回値が無いとき（ステップＳ１１３のＹｅｓ）は、ステップＳ１０２に戻る。ＲＥＦ値割合の前回値があるとき（ステップＳ１１３のＮｏ）は、ステップＳ１１４に進む。

（ステップＳ１１４）　ステップＳ１１３のＮｏであるとき、制御部１１０は、（式２）によりＲＥＦ値割合差分値を算出する。
　前回ＲＥＦ値割合　－　今回ＲＥＦ値割合　＝　ＲＥＦ値割合差分値・・・・・（式２）

（ステップＳ１１５）　次いで、制御部１１０は、ステップＳ１１４で算出したＲＥＦ値割合差分値が予め設定されたＲＥＦ値割合差分閾値より小さいかを判定する。ＲＥＦ値割合差分値がＲＥＦ値割合差分閾値より小さいとき、即ち、進行波に対する反射波の割合の変化量が所定値より小さいとき（ステップＳ１１５のＹｅｓ）は、ステップＳ１１６に進む。ＲＥＦ値割合差分値がＲＥＦ値割合差分閾値より小さくないとき（ステップＳ１１５のＮｏ）は、ステップＳ１２１に進む。

（ステップＳ１１６）　次いで、ステップＳ１１５のＹｅｓであるとき、制御部１１０は、検出カウンタに「１」を加算する。

（ステップＳ１１７）　次いで、制御部１１０は、検出カウンタが予め決められた規定回数となったかを判定することで、ＲＥＦ値割合差分値がＲＥＦ値割合差分閾値より規定回数連続して小さい状態であるか、即ち、周波数制御によるＶＳＷＲの変動が収束し、周波数制御によるＶＳＷＲの改善が見込まれなくなったか（周波数マッチングが飽和したか）を判定する。検出カウンタが規定回数となったとき（ステップＳ１１７のＹｅｓ）は、ステップＳ１１８に進む。検出カウンタが規定回数でないとき（ステップＳ１１７のＮｏ）は、ステップＳ１０２に戻る。

（ステップＳ１１８）　ステップＳ１１７のＹｅｓであるとき、制御部１１０は、（式３）により電力制御値を算出する。進行波電力（高周波出力部１２０の出力）が目標出力に達していれば、（式３）は、進行波電力に反射波電力を加算することに相当する。
　電力制御値　＝　ＦＷＤ値　＋（目標出力　－（ＦＷＤ値－ＲＥＦ値））・・・（式３）

（ステップＳ１１９）　次いで、制御部１１０は、ステップＳ１１８で算出した電力制御値が予め決められている電力制御上限値以下であるかを判定する。電力制御値が電力制御上限値以下であるとき（ステップＳ１１９のＹｅｓ）は、ステップＳ１２０に進む。電力制御値が電力制御上限値をオーバーしているとき（ステップＳ１１７のＮｏ）は、ステップＳ１０２に戻る。

（ステップＳ１２０）　ステップＳ１１９のＹｅｓであるとき、制御部１１０は、ステップＳ１１８で算出した電力制御値となるように高周波電力出力部１２０の出力を制御する電力制御を行い、ステップＳ１０２に戻る。なお、（式３）から明らかなように、目標出力と実効電力（ＦＷＤ値－ＲＥＦ値）が一致していれば、現状の出力が維持される。
　また、高周波電力出力部１２０の出力は、電力制御値まで一度に上昇させてもよいし、変化量に上限値を設け、電力制御値の今回値と前回値の差分が当該上限値を超えた場合には、当該上限値ずつ複数回にわけて上昇させるようにしてもよい。

（ステップＳ１２１）　ステップＳ１１５のＮｏであるとき、制御部１１０は、検出カウンタに「０」を設定して初期化し、ステップＳ１０２に戻る。

　以上により、本発明の高周波電源装置１００は、まず負荷２００に出力する電力に対して周波数を制御することでマッチングを取り、反射波が残っている場合はさらに反射波電力に相当する電力を進行波電力に加算する電力制御を行うことで、出力が過大になることを防止しつつ、実行電力を目標電力に一致させることができる。さらに、最初に周波数制御でマッチングを取ることで、電力制御による電力の変化量を抑制でき、負荷２００に与える影響を低減することができると共に、目標とする実効電力に安定させるまでの時間を短くすることができる。また、電力制御に並行して周波数制御も実行することで、電力制御を実行した後の負荷２００のインピーダンスの変動にも精度良く追従することができる。

　図４は、第２の実施の形態に係る高周波電源装置１００Ａの機能構成を示す図である。本実施例においては、高周波電源装置１００Ａと負荷２００の間にインピーダンス整合器４００を設け、制御部１１０Ａにおいて、周波数マッチング処理に代え、インピーダンス整合制御処理を行うようにした。インピーダンス整合器４００は、静電容量素子の静電容量値を変化させることでインピーダンスを変化させる装置である。
　この実施例では、図１～図３で示したＳＷＥＥＰモードをインピーダンス整合器４００の定数をＶＳＷＲ値に基づいて粗調整するインピーダンス粗調整モードに置き換え、ＡＤＪＵＳＴモードをインピーダンス整合器４００の定数をＶＳＷＲ値に基づいて微調整するインピーダンス微調整モードに置き換えることにより、図３の処理フローと同様な制御を行う。また、図３に示す高周波電力制御処理のステップＳ１１０では、制御部１１０Ａは、高周波電力出力部１２０が出力する電力に対してインピーダンス粗調整制御を行う制御指令をインピーダンス整合器４００に出力する。また、図３に示す高周波電力制御処理のステップＳ１１１では、制御部１１０Ａは、高周波電力出力部１２０が出力する電力に対してインピーダンス微調整制御を行う制御指令をインピーダンス整合器４００に出力する。
　このように制御部１１０Ａがインピーダンス整合器４００にインピーダンス粗調整制御またはインピーダンス微調整制御の制御指令を出力し、その指令に基づいてインピーダンス整合器４００がインピーダンスを制御すると共に、制御部１１０Ａで電力制御を行うことで、負荷２００が所望する一定の実効電力となるようにすることも可能である。

（１）本発明の高周波電源装置は、負荷に対して電力を出力する高周波電源装置において、周波数を制御して反射波を低減させた後、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴としている。（２）
（１）の本発明の高周波電源装置は、前記反射波が所定のレベルまで低減した後、前記周波数の制御によって前記反射波が低減されなくなったときに、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴としている。（３）
発明の高周波電源装置は、負荷に対して電力を出力する高周波電源装置において、インピーダンス整合器を制御して反射波を低減させた後、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴としている。（４）
（３）の本発明の高周波電源装置は、前記反射波が所定のレベルまで低減した後、前記インピーダンス整合器の制御によって前記反射波が低減されなくなったときに、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴としている。（５）
（１）から（４）のいずれかの本発明の高周波電源装置の前記負荷は、半導体製造装置であることを特徴としている。（６）　本発明の高周波電源装置の電力制御方法は、負荷に対して電力を出力する高周波電源装置において、周波数を制御して反射波を低減させた後、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴としている。（７）
（６）の本発明の高周波電源装置の電力制御方法は、前記反射波が所定のレベルまで低減した後、前記周波数の制御によって前記反射波が低減されなくなったときに、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴としている。（８）
本発明の高周波電源装置の電力制御方法は、負荷に対して電力を出力する高周波電源装置において、インピーダンス整合器を制御して反射波を低減させた後、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴としている。（９）
（８）の本発明の高周波電源装置の電力制御方法は、前記反射波が所定のレベルまで低減した後、前記インピーダンス整合器の制御によって前記反射波が低減されなくなったときに、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴としている。

　以上のような本発明の高周波電源装置によれば、反射波電力に相当する電力を進行波電力に加算して実効電力を目標電力に一致させる制御を行う場合であっても出力が過大になることを防止できる高周波電源装置を提供することができる。

　具体的な実施の形態により本発明を説明したが、上記実施の形態は本発明の例示であり、この実施の形態に限定されないことは言うまでもない。

　本発明は、高周波電源装置に適用することができる。

１００・・・・・・・・・高周波電源装置
１００Ａ・・・・・・・・高周波電源装置
１１０・・・・・・・・・制御部
１１０Ａ・・・・・・・・制御部
１２０・・・・・・・・・高周波電力出力部
１３０・・・・・・・・・方向性結合器
１４０・・・・・・・・・反射波検出部
１５０・・・・・・・・・進行波検出部
２００・・・・・・・・・負荷
３００・・・・・・・・・同軸ケーブル
４００・・・・・・・・・インピーダンス整合器

Claims

　負荷に対して電力を出力する高周波電源装置において、
　周波数を制御して反射波を低減させた後、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴とする高周波電源装置。
　前記反射波が所定のレベルまで低減した後、前記周波数の制御によって前記反射波が低減されなくなったときに、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴とする請求項１に記載の高周波電源装置。
　負荷に対して電力を出力する高周波電源装置において、
　インピーダンス整合器を制御して反射波を低減させた後、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴とする高周波電源装置。
　前記反射波が所定のレベルまで低減した後、前記インピーダンス整合器の制御によって前記反射波が低減されなくなったときに、前記反射波の電力に相当する電力を進行波に加算するように出力電力を制御することを特徴とする請求項３に記載の高周波電源装置。