WO2018061617A1 - 高周波電源装置 - Google Patents

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押田 善之
那須 健二
藤本 直也
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株式会社日立国際電気
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    • H03K5/00Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
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    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/46Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • the present disclosure relates to a high frequency power supply device, and can be applied to, for example, a pulse modulation type high frequency power supply device.
  • High-frequency power supply devices are used as industrial equipment that supplies high-frequency energy to a load device such as plasma or laser and performs surface treatment or processing using the generated plasma or laser or the like (for example, JP 2014-175218).
  • the output level of the high-frequency power supply device may fluctuate due to the load impedance, resulting in excessive output.
  • the subject of this indication is providing the high frequency power supply device which reduces the fluctuation
  • the high-frequency power supply device modulates the oscillation circuit that outputs a high-frequency signal having a predetermined frequency and the high-frequency signal output from the circuit into a pulse shape that repeats an ON state and an OFF state, and outputs the pulse-like high-frequency signal.
  • An output power detection unit that detects an output power value of pulsed high-frequency power output from the amplification circuit, and a maximum output power value of a leading portion of a pulse detected by the output power detection unit A corresponding first voltage value is input, and based on the input first voltage value and a preset voltage value set in advance as a voltage value corresponding to output power,
  • a first comparison operation circuit that outputs a first level control signal for controlling a level of a pulsed high-frequency signal adjusted by a variable attenuation circuit; and an average level of the latter half portion of the pulse detected by the output power detection unit
  • the second voltage value corresponding to the output power value is input, and the level of the pulsed high frequency signal adjusted by the variable attenuation
  • a second comparison operation circuit for outputting a two-level control signal; a switching circuit for switching the values of the first level control signal and the second level control signal according to a switching timing set value; and the first level control signal Or a time constant circuit for setting a transition time when the second level control signal is updated to a desired time constant.
  • FIG. 1 Schematic configuration diagram of a pulse modulation type high frequency power supply device according to a comparative example
  • FIG. 1 is a flowchart of the processing of the comparison operation circuit.
  • High-frequency output level and variable attenuation circuit control voltage timing diagram The figure which shows the example of the high frequency output waveform at the time of connecting a high frequency power supply device to load devices, such as a laser
  • FIG. 4 is a flowchart of the two-stage level control circuit. Waveform diagram of high-frequency output with dents High-frequency output waveform diagram showing an example where level control at the first stage is not possible
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a pulse modulation type high frequency power supply device according to a comparative example.
  • a pulse modulation type high frequency power supply device according to a comparative example includes an oscillation circuit (001), a high frequency switch (002), a variable attenuation circuit (003), an amplification circuit (004), and a directional coupler (005). And a level control circuit (000).
  • the level control circuit (000) includes a detection circuit (006), an AD conversion circuit (007), a comparison operation circuit (008), and a DA conversion circuit (009).
  • Oscillation circuit (001) is a circuit that outputs a sine wave at a fixed level for the source oscillation of the output frequency of the high frequency power supply device. That is, a high frequency signal having a predetermined frequency is output.
  • the high frequency switch (002) which is a modulation unit is a switch which is turned on / off in response to a pulse modulation signal from the outside or the inside, and the high frequency output signal from the oscillation circuit (001) is repeatedly turned on and off by this switch. Modulates in a pulse form and outputs it as a pulsed high frequency signal.
  • the ON state is a state where a high frequency signal is output
  • the OFF state is a state where a high frequency signal is not output. That is, the high frequency switch (002) outputs a high frequency signal only during the ON period of the pulse-shaped modulation signal as shown in FIG.
  • variable attenuation circuit (003) which is a level adjustment unit, is a circuit element that adjusts the level (magnitude) of the pulsed high-frequency signal output from the high-frequency switch (002) to vary the output level of the high-frequency power supply device.
  • the attenuation is supplied from the level control (000) as an analog signal.
  • the amplification circuit (004) is a circuit that amplifies (fixes and amplifies) the power of the pulsed high-frequency signal output from the variable attenuation circuit (003) at a predetermined amplification degree, and amplifies it to the device output level of the high-frequency power supply device. To do.
  • the amplifier circuit (004) does not have a variable level function.
  • the directional coupler (005) is located at the output stage of the high frequency power supply device, outputs pulsed high frequency power to the load device, and attenuates traveling wave power and reflected wave power (not shown in the figure) transmitted through the transmission line. Used to monitor the output level of the high-frequency power supply.
  • the traveling wave power output from the directional coupler (005) is input to the detection circuit (006) in the level control circuit (000), and the power of the high frequency signal is converted into a voltage signal and then to the AD conversion circuit (007). Input and convert to digital data.
  • the directional coupler (005), the detection circuit (006), and the AD conversion circuit (007) are also referred to as an output power detection unit.
  • the configurations of the detection circuit and the AD conversion circuit are not limited to these, and any circuit that can measure the output power level of the final stage may be used.
  • the level of the traveling wave converted into digital data is compared with the output level setting value (018) of the high frequency power supply device (digital value corresponding to 100W in the case of the high frequency power supply device set to 100W). To do.
  • the level control value for the next pulse is determined and updated according to the comparison result. Feedback that lowers the level control value if the detected traveling wave level is higher than the output level setting value (018), and raises the level control value if the detected traveling wave level is lower than the output level setting value (018) It has a control function to control and converge the traveling wave level to a desired set value.
  • the level control value for the next pulsed high-frequency signal determined by the comparison operation circuit (008) is converted to an analog voltage by the DA conversion circuit (009), and the output of the high-frequency power supply device is used as the control input of the variable attenuation circuit (003).
  • Update the control value to the variable attenuation circuit (003) multiple times for one pulsed high-frequency signal one waveform until the pulsed high-frequency signal goes high (HIGH) and low (LOW)).
  • the feedback may be performed a plurality of times within the pulsed high-frequency signal, in this comparative example, for the purpose of explanation, the level control value is updated once for one pulsed high-frequency signal.
  • the operation of the comparison operation circuit (008) is also performed once per pulse high frequency signal.
  • FIG. 2A is a flowchart of the processing of the comparison operation circuit of FIG. 1
  • FIG. 2B is a timing diagram of the high-frequency output level and the control voltage of the variable attenuation circuit.
  • the traveling wave of the portion where the level in the pulsed high-frequency signal (017) is stable The level is detected (step (011)).
  • the output level setting value (018) is compared with the detected traveling wave level (step (012)). If the traveling wave level is small, the control value is increased (step (013)). )) If the traveling wave level is high, the control value is decreased (step (014)). 2A and 2B, since the level control is performed once for one pulsed high-frequency signal, the control value is not updated at this timing.
  • step ( 015) the analog voltage of the control voltage (019) of the variable attenuation circuit (003) is updated (step ( 016)) and waits for the next high-frequency signal pulse to turn on. This flow is repeated, and level control is performed once for one pulsed high-frequency signal, and output stabilization control is performed.
  • step ( 016) since the progress level of the first pulsed high-frequency signal (017) is larger than the output level setting value (018), the control voltage (019) of the variable attenuation circuit (003) is lowered after the high-frequency signal pulse is turned off. is doing. Further, since the progress level of the second pulsed high frequency signal (017) is smaller than the output level setting value (018), the control voltage (019) of the variable attenuation circuit (003) is increased after the high frequency signal pulse is turned off. is doing.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a high-frequency output waveform when the high-frequency power supply device is connected to a load device such as a laser.
  • FIG. 3 shows the waveform after detection by the detection circuit (006) near the head of the output pulse of the pulsed high-frequency power, and the unit of the vertical axis is Watt.
  • the portion surrounded by the dotted line is larger than the output level setting value. This is because the output level fluctuates because the load impedance near the head of the pulse fluctuates.
  • the output when the level control value in one pulse-like high-frequency signal is fixed, the output also fluctuates according to the fluctuation of the load impedance. Depending on the phase condition of the load impedance, the output is surrounded by a dotted line in FIG. As shown in the part, there is a case where the output becomes excessive.
  • the traveling wave level detection (step (011)) in the pulsed high-frequency signal described in FIGS. 2A and 2B detects the level at a point where the load impedance is sufficiently stable in the waveform of FIG.
  • the output stabilization control functions in the stable part of.
  • the RF circuit Since the high-frequency power supply according to the comparative example has the same level control value in the pulsed high-frequency signal, the RF circuit should output the same level in the pulsed high-frequency signal as the RF circuit even at the beginning of the pulse where the load impedance varies And When the load impedance fluctuates, the output level may fluctuate depending on the load impedance, resulting in an excessive output.
  • This over output is in an overvoltage state for the circuits and components inside the device of the high frequency power supply, and depending on the degree of over output, the risk of withstand voltage of the circuit and components increases, and as a worst case, the components are damaged or discharged. there is a possibility.
  • the ignition timing of the laser load or the like varies depending on the degree of overpower.
  • the ignition timing tends to be earlier as the degree of overpower is higher, and the ignition timing tends to be later as the degree of overpower is lower. If the impedance varies depending on the device and the degree of overpower is different, the ignition timing may vary from device to device.
  • the high-frequency power supply according to the embodiment employs a method of switching the level control in two stages within a pulsed high-frequency signal.
  • A Level control for the part where the load impedance fluctuates near the beginning of the pulse in the first stage.
  • B Level control for the part where the load impedance is stable and the output is stabilized in the second stage. This is realized by switching the control voltage of the variable attenuation circuit.
  • the embodiment it is possible to suppress an excessive output due to a change in load impedance (laser or the like), stabilize the output, prevent a high-frequency power source from being damaged, and suppress aged deterioration.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a pulse modulation type high frequency power supply device according to the embodiment.
  • the pulse type high frequency power supply device according to the embodiment includes an oscillation circuit (001), a high frequency switch (002), a variable attenuation circuit (003), a time constant circuit (021), an amplification circuit (004), and directionality.
  • a coupler (005) and a two-stage level control circuit (020) are provided.
  • the two-stage level control circuit (020) includes a detection circuit (006), an AD conversion circuit (007), a comparison operation circuit 1 (022), a comparison operation circuit 2 (023), a switching unit (024), A DA conversion circuit (009).
  • Oscillation circuit (001) is a circuit that outputs a sine wave at a fixed level for the source oscillation of the output frequency of the high frequency power supply device. That is, a high frequency signal having a predetermined frequency, for example, about 30 MHz is output.
  • the high frequency switch (002) which is a modulation unit is a switch which is turned on / off in response to a pulse modulation signal from the outside or the inside, and the high frequency output signal from the oscillation circuit (001) is repeatedly turned on and off by this switch. Modulates in a pulse form and outputs it as a pulsed high frequency signal.
  • the ON state is a state where a high frequency signal is output
  • the OFF state is a state where a high frequency signal is not output. That is, the high frequency switch (002) outputs a high frequency signal only during the ON period of the pulse-like modulation signal as shown in FIG.
  • the variable attenuation circuit (003) which is a level adjustment unit, is a circuit element that adjusts the level (magnitude) of the pulsed high-frequency signal output from the high-frequency switch (002) to vary the output level of the high-frequency power supply device.
  • the attenuation is an analog signal supplied from the two-stage level control circuit (020).
  • a time constant circuit (021) follows the variable attenuation circuit (003), and a transition time when the control voltage of the variable attenuation circuit (003) is updated is set to a desired time constant.
  • This circuit may be adjustable using variable elements.
  • the amplifier circuit (004) is a circuit that amplifies (fixes and amplifies) the power of the pulsed high-frequency signal output from the variable attenuation circuit (003) via the time constant circuit (021) with a predetermined amplification degree. Amplifies to the device output level of the high frequency power supply.
  • the amplifier circuit (004) does not have a variable level function.
  • the directional coupler (005) is located at the output stage of the high frequency power supply device, outputs pulsed high frequency power to the load device, and attenuates traveling wave power and reflected wave power (not shown in the figure) transmitted through the transmission line. Used to monitor the output level of the high-frequency power supply.
  • the traveling wave power output from the directional coupler (005) is input to the detection circuit (006) in the two-stage level control circuit (020), and after converting the power of the high frequency signal into a voltage signal, the AD conversion circuit (007 ) To convert to digital data.
  • the directional coupler (005), the detection circuit (006), and the AD conversion circuit (007) are also referred to as an output power detection unit.
  • the configurations of the detection circuit and the AD conversion circuit are not limited to these, and any circuit that can measure the output power level of the final stage may be used.
  • the comparison operation circuit 1 (022), the maximum level of the leading part of the pulse (until the load impedance fluctuates and stabilizes) of the traveling wave level converted into digital data and the output level setting value ( 018) (digital value corresponding to 100 W in the case of a high-frequency power supply set to 100 W) is compared.
  • the level control value (for the first stage) for the next pulse is determined and updated according to the comparison result. Feedback that lowers the level control value if the detected traveling wave level is higher than the output level setting value (018), and raises the level control value if the detected traveling wave level is lower than the output level setting value (018) It has a control function to control and converge the traveling wave level to a desired set value.
  • the comparison operation circuit 1 (022) has a restriction so that the operation result does not become smaller than the first stage lower limit value (026) so that the operation result does not become too small.
  • the comparison operation circuit 2 (023) compares the average level of the traveling wave level converted to digital data with the average level of the latter half of the pulse (the section where the load impedance is stabilized around 50 ⁇ ) and the high frequency power supply device.
  • the output level set value (018) (digital value corresponding to 100 W in the case of a high-frequency power source set to 100 W) is compared.
  • the level control value (for the second stage) for the next pulse is determined and updated according to the comparison result. Feedback that lowers the level control value if the detected traveling wave level is higher than the output level setting value (018), and raises the level control value if the detected traveling wave level is lower than the output level setting value (018) It has a control function to control and converge the traveling wave level to a desired set value.
  • the level control value for the next pulse determined by the comparison operation circuit 1 (022) and the comparison operation circuit 2 (023) is switched by the switching unit (024) and converted to an analog voltage by the DA conversion circuit (009).
  • the switching unit (024) switches the values of the comparison operation circuit 1 (022) and the comparison operation circuit 2 (023) according to the switching timing set value (025).
  • the comparison operation circuit 1 (022), the comparison operation circuit 2 (023), and the switching unit (024) may be configured by dedicated hardware or by a CPU and a storage unit that stores an operation program for the CPU. Also good.
  • FIG. 5 is a flowchart of the two-stage level control circuit (020) of FIG.
  • the detection of the traveling wave level in the pulse high frequency signal is divided into two processes. One is carried out for the output level control for the vicinity of the pulse head by detecting the level of the traveling wave near the head of the pulse (step (031)). The other is to detect the level of the traveling wave after stabilization (step (035)) for controlling the output level after the load impedance is stabilized.
  • step (032) After detecting the traveling wave level, compare with the output level setting value (step (032) (036)), and increase the control value if the traveling wave level is small (step (033)). (037)) If the level of the traveling wave is large, the control value is decreased (steps (034) (038)).
  • the determined control value is switched in accordance with the switching timing setting value (025) in the subsequent stage (step (039)). Specifically, when the high frequency signal pulse is turned OFF, the control value is switched to the control value of the first stage (for pulse head), and after the high frequency signal pulse is turned ON, the load impedance fluctuates to match the stable timing. Switch to the control value for the second stage (after pulse stabilization). This operation is performed every pulse.
  • two feedback circuits are provided, and each feedback circuit is switched to operate. Each feedback circuit is controlled independently.
  • FIG. 6 is a waveform diagram of a high-frequency output having a dent.
  • a in FIG. 6 is a waveform when the output of the head portion of the pulse is controlled, and B is a waveform of the comparative example.
  • the level of the pulse head portion can be controlled to a level equivalent to the level of the stabilized portion, but a waveform having a dent in the middle as shown in FIG.
  • the waveform at the time of switching of the variable attenuation circuit (003) and the transition waveform from the over-output state to the stable state cancel each other, the waveform has a few dents. Thereby, the high frequency electric power supplied to load is stabilized. The dent can be suppressed by adjusting the switching timing and the time constant of the variable attenuation circuit (003).
  • the switching timing is given to the switching unit (024) as in the switching timing setting value (025) of FIG. 4 to switch between the two control values.
  • time constant circuit at the latter stage of the variable attenuation circuit (003) may be arranged as the time constant circuit (021) in FIG. 4 and may be created with a fixed constant to a time constant so as to cancel the operation of the load impedance.
  • a mechanism that can be adjusted using a variable element may be prepared.
  • FIG. 7 is a waveform diagram of a high frequency output showing an example in which the first level control is not possible.
  • a limit (lower limit value) is provided so as not to decrease too much with respect to the first-stage level control value so that the portion where the load impedance fluctuates falls within the first-stage level control section.
  • This is implemented as the first stage lower limit (026) in FIG. (Effect) 2
  • Level control in two stages enables level control so that overload does not occur in the section where the load impedance near the beginning of the pulse fluctuates. As a result, there is a risk that an overvoltage state may occur for the circuits and components inside the device. It can be removed and the occurrence of component damage and discharge can be suppressed.
  • the ignition timing and characteristics of the laser load and the like can be stabilized.
  • the above effect of the present embodiment can be obtained by performing two adjustments (switching timing, determination of the lower limit value of the first stage) by initial adjustment when connected to a load device such as a laser.
  • the present invention is applicable to a high frequency power supply device or a semiconductor manufacturing apparatus using the high frequency power supply device.
  • This application claims the benefit of priority based on Japanese Patent Application No. 2016-189689 filed on Sep. 28, 2016, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.

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Abstract

出力電力の変動を低減する高周波電源装置を提供することにある。高周波電源装置は、高周波信号をパルス状高周波信号として出力する変調回路(002)と、前記変調回路から出力されるパルス状高周波信号のレベルを調整する可変減衰回路(003)と、該装置から出力される電力の出力電力値を検出する出力電力検出部(005)(006)(007)と、前記出力電力検出部で検出した第一電圧値と予め出力電力に対応する電圧値として設定された設定電圧値(018)とに基づき、前記可変減衰回路で調整されるパルス状高周波信号のレベルを制御する第一レベル制御信号を出力する第一比較演算回路(002)と、前記出力電力検出部で検出した第二電圧値と前記設定電圧値とに基づき、前記可変減衰回路で調整されるパルス状高周波信号のレベルを制御する第二レベル制御信号を出力する第二比較演算回路(023)と、切替えタイミング設定値に応じて、前記第一レベル制御信号と前記第二レベル制御信号の値を切替る切替え回路(024)と、を備える。

Description

高周波電源装置
 本開示は高周波電源装置に関し、例えばパルス変調型の高周波電源装置に適用可能である。
 高周波電源装置は、プラズマやレーザ等の負荷装置に対して高周波エネルギーを供給し、発生したプラズマやレーザ等を利用して表面処理や加工を行う産業用機器として利用されている(例えば、特開2014-175218号公報)。
特開2014-175218号公報
 高周波電源装置は、負荷のインピーダンスが変動する際、負荷のインピーダンスにより出力レベルが変動し、過出力となる場合がある。  本開示の課題は、出力電力の変動を低減する高周波電源装置を提供することにある。
 本開示のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。  すなわち、高周波電源装置は、所定の周波数の高周波信号を出力する発振回路と、前記回路から出力される高周波信号を、ON状態とOFF状態とを繰り返すパルス状に変調し、パルス状高周波信号として出力する変調回路と、前記変調回路から出力されるパルス状高周波信号のレベルを調整して出力する可変減衰回路と、前記変調回路から出力されるパルス状高周波信号の電力を増幅してパルス状高周波電力を出力する増幅回路と、前記増幅回路から出力されるパルス状高周波電力の出力電力値を検出する出力電力検出部と、前記出力電力検出部で検出したパルスの先頭部分の最大の出力電力値に対応する第一電圧値が入力され、該入力された第一電圧値と予め出力電力に対応する電圧値として設定された設定電圧値とに基づき、前記可変減衰回路で調整されるパルス状高周波信号のレベルを制御する第一レベル制御信号を出力する第一比較演算回路と、前記出力電力検出部で検出したパルスの前記先頭部分より後半部分の平均レベルの出力電力値に対応する第二電圧値が入力され、該入力された第二電圧値と前記設定電圧値とに基づき、前記可変減衰回路で調整されるパルス状高周波信号のレベルを制御する第二レベル制御信号を出力する第二比較演算回路と、切替えタイミング設定値に応じて、前記第一レベル制御信号と前記第二レベル制御信号の値を切替る切替え回路と、前記第一レベル制御信号または前記第二レベル制御信号が更新された際の遷移時間を所望の時定数に設定する時定数回路と、を備える。
 上記高周波電源装置によれば、出力電力の変動を低減することができる。
比較例に係るパルス変調型の高周波電源装置の概略構成図 図1の比較演算回路の処理のフロー図 高周波出力レベルおよび可変減衰回路の制御電圧のタイミング図 高周波電源装置をレーザ等の負荷装置に接続した際の高周波出力波形の例を示す図 実施形態に係るパルス変調型の高周波電源装置の概略構成図 図4の2段階レベル制御回路のフロー図 凹みのある高周波出力の波形図 1段目のレベル制御ができない例を示す高周波出力の波形図
 以下、比較例および実施例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。
 <比較例>  本願発明者らが検討した技術(以下、比較例という。)係るパルス変調型の高周波電源装置について図1を用いて説明する。図1は比較例に係るパルス変調型の高周波電源装置の概略構成図である。比較例に係るパルス変調型の高周波電源装置は、発振回路(001)と、高周波スイッチ(002)と、可変減衰回路(003)と、増幅回路(004)と、方向性結合器(005)と、レベル制御回路(000)と、を備える。レベル制御回路(000)は、検波回路(006)と、AD変換回路(007)と、比較演算回路(008)と、DA変換回路(009)と、を備える。
 発振回路(001)は高周波電源装置の出力周波数の源振にあたり固定レベルのサイン波を出力する回路である。すなわち、所定の周波数の高周波信号を出力する。
 変調部である高周波スイッチ(002)は、外部または内部からのパルス変調信号に応じてON/OFFするスイッチで、このスイッチにより発振回路(001)からの高周波出力信号をON状態とOFF状態を繰り返すパルス状に変調し、パルス状高周波信号として出力する。ON状態とは、高周波信号が出力される状態であり、OFF状態とは、高周波信号が出力されない状態である。すなわち、高周波スイッチ(002)は、図1に示すようなパルス状の変調信号のON期間にのみ、高周波信号を出力する。
 レベル調整部である可変減衰回路(003)は、高周波スイッチ(002)から出力されるパルス状高周波信号のレベル(大きさ)を調整して高周波電源装置の出力レベルを可変する回路素子であり、減衰量はアナログ信号でレベル制御(000)から供給される。
 増幅回路(004)は、可変減衰回路(003)から出力されるパルス状高周波信号の電力を所定の増幅度で増幅する(固定増幅する)回路であり、高周波電源装置の装置出力レベルにまで増幅する。増幅回路(004)にはレベルの可変機能はない。
 方向性結合器(005)は高周波電源装置の出力段に位置し、パルス状高周波電力を負荷装置に出力すると共に、伝送路を伝わる進行波電力および反射波電力(図では省略)を減衰して取り出すもので、高周波電源装置の出力レベルの監視のために使用する。方向性結合器(005)から出力した進行波電力はレベル制御回路(000)内の検波回路(006)に入力し、高周波信号の電力を電圧信号に変換した後、AD変換回路(007)に入力して、デジタルデータに変換する。方向性結合器(005)、検波回路(006)およびAD変換回路(007)は出力電力検出部ともいう。検波回路、AD変換回路の構成等については、これらに限定されるものではなく、最終段の出力電力レベルが測定できる回路であればよい。
 比較演算回路(008)では、デジタルデータに変換された進行波のレベルと高周波電源装置の出力レベル設定値(018)(100W設定の高周波電源装置の場合は100Wに相当するデジタル値)とを比較する。そして比較結果に応じて、次のパルスに対するレベル制御値を決定して更新する機能を有する。検出した進行波のレベルが出力レベル設定値(018)より高い場合はレベル制御値を下げ、検出した進行波のレベルが出力レベル設定値(018)より低い場合はレベル制御値を上げるようなフィードバック制御を行い、進行波のレベルを所望の設定値に収束させる制御機能を有する。
 比較演算回路(008)で決定した次のパルス状高周波信号に対するレベル制御値をDA変換回路(009)によりアナログ電圧に変換し、前述した可変減衰回路(003)の制御入力として高周波電源装置の出力制御を実施する。
 可変減衰回路(003)への制御値の更新は1つのパルス状高周波信号(パルス状高周波信号がハイ(HIGH)となりロー(LOW)となるまでの1波形)に対して、複数回実施してパルス状高周波信号内で複数回フィードバックしてもよいが本比較例では説明のために、1つのパルス状高周波信号に対してレベル制御値の更新は1回として説明をする。1つのパルス状高周波信号に対してレベル制御値の更新を1回とする際は、比較演算回路(008)の動作も1つのパルス状高周波信号に1回となる。
 次に、図1の比較演算回路(008)の動作について図2A、2Bを用いて説明する。図2Aは図1の比較演算回路の処理のフロー図であり、図2Bは高周波出力レベルおよび可変減衰回路の制御電圧のタイミング図である。図2Aのフロー図の符号(ステップ番号)と図2Bのタイミング図の符号(タイミング番号)は共通のものを示している。
 パルス変調信号がONになって高周波信号パルスがON(ステップ(010))となりパルス状高周波信号(017)の出力が開始すると、パルス状高周波信号(017)内のレベルが安定した部分の進行波レベルを検出(ステップ(011))する。進行波のレベルを検出した後は、出力レベル設定値(018)と検出した進行波のレベルを比較(ステップ(012))し、進行波のレベルが小さい場合は制御値を増加(ステップ(013))、進行波のレベルが大きい場合は制御値を減少(ステップ(014))する。この図2A、2Bでは、1つのパルス状高周波信号に1回のレベル制御であるので、このタイミングでは制御値を更新しない。その後、パルス変調信号がOFFになって高周波信号パルスがOFF(ステップ(015))となったことを確認した後に、可変減衰回路(003)の制御電圧(019)のアナログ電圧を更新(ステップ(016))し、次の高周波信号パルスがONするのを待つ。このフローを繰り返し、1つのパルス状高周波信号に1回のレベル制御を実施し、出力の安定化制御を行っている。図2Bでは、最初のパルス状高周波信号(017)の進行のレベルは出力レベル設定値(018)よりも大きいので、高周波信号パルスがOFF後に可変減衰回路(003)の制御電圧(019)を低くしている。また、2つ目のパルス状高周波信号(017)の進行のレベルは出力レベル設定値(018)よりも小さいので、高周波信号パルスがOFF後に可変減衰回路(003)の制御電圧(019)を高くしている。
 図3は高周波電源装置をレーザ等の負荷装置に接続した際の高周波出力波形の例を示す図である。
 図3はパルス状高周波電力の出力パルス先頭付近の検波回路(006)で検波後の波形であり、縦軸の単位はWattである。点線で囲った部分が出力レベル設定値に対して大きくなっている。これはパルス先頭付近の負荷インピーダンスが変動するため、出力レベルが変動するためである。前述のように1つのパルス状高周波信号内のレベル制御値が固定の場合は負荷インピーダンスの変動に応じて出力も変動してしまい、その負荷インピーダンスの位相条件によっては、図3の点線で囲った部分に示すように過出力となってしまう場合がある。図2A、2Bで説明したパルス状高周波信号内の進行波レベル検出(ステップ(011))は図3の波形で負荷インピーダンスが十分に安定したポイントでレベル検出をしているため、パルスの先頭以外の安定した部分においては出力の安定化制御が機能している。
 (課題)  比較例に係る高周波電源装置は、パルス状高周波信号内は同じレベル制御値のため、負荷インピーダンスが変動するパルスの先頭部分でもRF回路としてはパルス状高周波信号内で同じレベルで出力しようとする。負荷のインピーダンスが変動する際は、負荷のインピーダンスにより出力レベルが変動し、過出力となる場合がある。
 この過出力は、高周波電源の装置内部の回路および部品に対しては過電圧状態となり、過出力の程度によっては、回路や部品の耐電圧に対するリスクが高まり、ワーストケースとしては部品破損、放電が生じる可能性がある。
 また、同様に過出力が継続すると、高周波電源の装置内部の回路や部品に過電圧・過電力のストレスを与え続けることとなるため、経年劣化が加速するリスクがある。このため、過出力の程度により、レーザ負荷等の着火タイミングが変動する。過出力の程度が高いほど着火タイミングが早くなり、過出力の程度が低いほど着火タイミングが遅くなる傾向がある。装置によりインピーダンスが異なり過出力の程度が異なる場合は、装置毎に着火タイミングがバラつく可能性がある。
 <実施形態>  実施形態に係る高周波電源は、パルス状高周波信号内でレベル制御を2段階に切り替える方式を採用する。(a)1段階目はパルスの先頭付近で負荷インピーダンスが変動する部分に対するレベル制御(b)2段階目は負荷インピーダンスが安定し、出力が安定化した部分に対するレベル制御  上記2段階のレベル制御を可変減衰回路の制御電圧を切り替えることで実現する。
 実施形態によれば、負荷インピーダンス(レーザ等)の変化による過出力を抑制し、出力を安定化し、高周波電源の破損を防ぎ経年劣化を抑制することが可能である。
 本実施形態の実施例について図4を用いて説明する。図4は実施例に係るパルス変調型の高周波電源装置の概略構成図である。実施例に係るパルス型高周波電源装置は、発振回路(001)と、高周波スイッチ(002)と、可変減衰回路(003)と、時定数回路(021)と、増幅回路(004)と、方向性結合器(005)と、2段階レベル制御回路(020)と、を備える。2段階レベル制御回路(020)は、検波回路(006)と、AD変換回路(007)と、比較演算回路1(022)と、比較演算回路2(023)と、切替え部(024)と、DA変換回路(009)と、を備える。
 発振回路(001)は高周波電源装置の出力周波数の源振にあたり固定レベルのサイン波を出力する回路である。すなわち、所定の周波数、例えば30MHz程度の高周波信号を出力する。
 変調部である高周波スイッチ(002)は、外部または内部からのパルス変調信号に応じてON/OFFするスイッチで、このスイッチにより発振回路(001)からの高周波出力信号をON状態とOFF状態を繰り返すパルス状に変調し、パルス状高周波信号として出力する。ON状態とは、高周波信号が出力される状態であり、OFF状態とは、高周波信号が出力されない状態である。すなわち、高周波スイッチ(002)は、図4に示すようなパルス状の変調信号のON期間にのみ、高周波信号を出力する。
 レベル調整部である可変減衰回路(003)は、高周波スイッチ(002)から出力されるパルス状高周波信号のレベル(大きさ)を調整して高周波電源装置の出力レベルを可変する回路素子であり、減衰量はアナログ信号で2段階レベル制御回路(020)から供給される。可変減衰回路(003)の後段には時定数回路(021)があり、可変減衰回路(003)の制御電圧が更新された際の遷移時間を所望の時定数に設定している。この回路は可変素子を用いて調整ができてもよい。
 増幅回路(004)は、時定数回路(021)を介して可変減衰回路(003)から出力されるパルス状高周信号の電力を所定の増幅度で増幅する(固定増幅する)回路であり、高周波電源の装置出力レベルにまで増幅する。増幅回路(004)にはレベルの可変機能はない。
 方向性結合器(005)は高周波電源装置の出力段に位置し、パルス状高周波電力を負荷装置に出力すると共に、伝送路を伝わる進行波電力および反射波電力(図では省略)を減衰して取り出すもので、高周波電源装置の出力レベルの監視のために使用する。方向性結合器(005)から出力した進行波電力は2段階レベル制御回路(020)内の検波回路(006)に入力し、高周波信号の電力を電圧信号に変換した後、AD変換回路(007)に入力して、デジタルデータに変換する。方向性結合器(005)、検波回路(006)およびAD変換回路(007)は出力電力検出部ともいう。検波回路、AD変換回路の構成等については、これらに限定されるものではなく、最終段の出力電力レベルが測定できる回路であればよい。
 比較演算回路1(022)では、デジタルデータに変換された進行波のレベルのうち、パルスの先頭部分(負荷インピーダンスが変動し安定化するまで)の最大レベルと高周波電源装置の出力レベル設定値(018)(100W設定の高周波電源装置の場合は100Wに相当するデジタル値)とを比較する。そして比較結果に応じて、次のパルスに対するレベル制御値(1段目用)を決定して更新する機能を有する。検出した進行波のレベルが出力レベル設定値(018)より高い場合はレベル制御値を下げ、検出した進行波のレベルが出力レベル設定値(018)より低い場合はレベル制御値を上げるようなフィードバック制御を行い、進行波のレベルを所望の設定値に収束させる制御機能を有する。また、比較演算回路1(022)は、演算結果が小さくなりすぎないように1段目下限値(026)より演算結果が小さくならないように制限を設けている。
 比較演算回路2(023)では、デジタルデータに変換された進行波のレベルのうち、パルスの先頭部分より後半部分(負荷インピーダンスが50Ω付近に安定化している区間)の平均レベルと高周波電源装置の出力レベル設定値(018)(100W設定の高周波電源の場合は100Wに相当するデジタル値)とを比較する。そして比較結果に応じて、次のパルスに対するレベル制御値(2段目用)を決定して更新する機能を有する。検出した進行波のレベルが出力レベル設定値(018)より高い場合はレベル制御値を下げ、検出した進行波のレベルが出力レベル設定値(018)より低い場合はレベル制御値を上げるようなフィードバック制御を行い、進行波のレベルを所望の設定値に収束させる制御機能を有する。
 比較演算回路1(022)および比較演算回路2(023)で決定した次のパルスに対するレベル制御値は、切替え部(024)で切り替えてDA変換回路(009)によりアナログ電圧に変換し、前述した可変減衰回路(003)の制御入力として高周波電源装置の出力制御を実施する。切替え部(024)では切替えタイミング設定値(025)に応じて、比較演算回路1(022)と比較演算回路2(023)の値を切替る。比較演算回路1(022)、比較演算回路2(023)および切替え部(024)は、専用ハードウェアで構成してもよいし、CPUとCPUの動作プログラムを格納する記憶部とで構成してもよい。
 図5は図4の2段階レベル制御回路(020)のフロー図である。
 パルス変調信号がONになって高周波信号パルスがON(ステップ(030))となりパルス状高周波信号の出力が開始すると、パルス状高周波信号内の進行波レベルの検出が2つの処理に分かれる。1つは、パルス先頭付近の進行波のレベル検出(ステップ(031))でパルス先頭付近用の出力レベル制御のために実施する。もう1つは安定した後の進行波のレベル検出(ステップ(035))で負荷インピーダンスが安定した後の出力レベルの制御のために実施する。
 それぞれ進行波のレベルを検出したのち、出力レベル設定値と比較(ステップ(032)(036))し、比較例と同様に、進行波のレベルが小さい場合は制御値を増加(ステップ(033)(037))、進行波のレベルが大きい場合は制御値を減少(ステップ(034)(038))する。
 決定した制御値は後段で切替えタイミング設定値(025)に応じて切替えを実施する(ステップ(039))。具体的には、高周波信号パルスがOFFとなった時点で1段階目(パルス先頭用)の制御値に切り替えておき、高周波信号パルスがONした後に、負荷インピーダンスが変動し安定するタイミングに合わせて2段階目(パルス安定後用)の制御値に切り替える。この動作を毎パルス実施する。
 可変減衰回路(003)への制御値の更新は1つのパルス状高周波信号(パルス状高周波信号がハイ(HIGH)となりロー(LOW)となるまでの1波形)に対して、2回実施することになるが、フィードバック回路としても2つ有する形態となり、各フィードバック回路を切り替えて動作することとなる。各フィードバック回路は独立して制御動作することとなる。
 2段階でレベル制御すると、下記の2つが問題になる可能性があるが、実施例ではそれらを解決することができる。
 (1)凹みのある波形となる。図6は凹みのある高周波出力の波形図である。図6のAはパルス先頭部分の出力を制御した際の波形であり、Bは比較例の波形である。2段階制御をしたものは、パルス先頭部分のレベルを安定化した部分のレベルと同等のレベルに制御することができるが、図6のように途中で凹みのある波形となる。
 しかし、可変減衰回路(003)の切替え時の遷移波形と過出力状態から安定状態への遷移波形が相殺する関係となると、波形として凹みが少ない波形となる。これにより、負荷に供給する高周波電力が安定化する。切替えタイミングと可変減衰回路(003)の時定数を調整することで凹みを抑制することができる。切替えタイミングは図4の切替えタイミング設定値(025)のように切替え部(024)に与えられて2つの制御値を切り替える。
 また、可変減衰回路(003)の後段の時定数回路は図4の時定数回路(021)のように配置し、負荷インピーダンスの動作を相殺するようの時定数に固定定数で作成しもよいし、可変素子を用いて調整できる機構を用意してもよい。
 (2)上記(1)では切替えタイミングと可変減衰回路の時定数を調整するが、RF出力波形に遅延が発生し、1段目のレベル制御ができない状態となる可能性がある。図7は1段目のレベル制御ができない例を示す高周波出力の波形図である。
 図7に示すように、実線のような波形となるべきであったものが、1段目の出力レベル制御値が低下すると、点線で示すように立ち上がり時間が発生して波形としては遅延し、1段目の制御時間に対して遅延すると、図7のように負荷インピーダンスの変動が遅延し過出力が発生するようなことがある。
 1段目のレベル制御値が著しく低下しパルス状高周波信号の立ち上がりが遅延し、それに伴い負荷インピーダンスが変動する区間も遅延することが原因である。1段目のレベル制御値に対して低下しすぎないようにする制限(下限値)を設け、負荷インピーダンスが変動する部分が1段目のレベル制御の区間に入るようにする。これは図4の1段目下限値(026)として実施している。(効果)  2段階のレベル制御により、パルス先頭付近の負荷インピーダンスが変動する区間に対して過出力とならないようレベル制御が可能となり、その結果、装置内部の回路および部品に対する過電圧状態となりうるリスクを取り除くことができ、部品破損、放電の発生を抑制することができる。
 また、同様に過出力が継続することによる装置内部の回路や部品に過電圧・過電力のストレスが抑制されるので、経年劣化を遅く抑制することができる。
 また、負荷インピーダンスの変動の程度によらず、出力レベルが安定するので、レーザ負荷等の着火タイミング等と特性が安定化することができる。
 また、2つの調整(切替えタイミング、1段目の下限値の決定)をレーザ等の負荷装置と接続した際の初期調整で実施することで、本実施例の上記効果が得られる。
 以上、本発明者によってなされた発明を実施形態および実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。
本発明は、高周波電源装置、または、高周波電源装置を用いた半導体製造装置などに適用可能である。この出願は、2016年9月28日に出願された日本出願特願2016-189689を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。
001…発振回路002…高周波スイッチ003…可変減衰回路004…増幅回路005…方向性結合器006…検波回路007…AD変換回路009…DA変換回路020…2段階レベル制御回路021…時定数回路022…比較演算回路1023…比較演算回路2024…切替え回路025…切替えタイミング設定値026…1段目下限値

Claims (4)

  1.  所定の周波数の高周波信号を出力する発振回路と、
     前記回路から出力される高周波信号を、ON状態とOFF状態とを繰り返すパルス状に変調し、パルス状高周波信号として出力する変調回路と、
     前記変調回路から出力されるパルス状高周波信号のレベルを調整して出力する可変減衰回路と、
     前記変調回路から出力されるパルス状高周波信号の電力を増幅してパルス状高周波電力を出力する増幅回路と、
     前記増幅回路から出力されるパルス状高周波電力の出力電力値を検出する出力電力検出部と、
     前記出力電力検出部で検出したパルスの先頭部分の最大の出力電力値に対応する第一電圧値が入力され、該入力された第一電圧値と予め出力電力に対応する電圧値として設定された設定電圧値とに基づき、前記可変減衰回路で調整されるパルス状高周波信号のレベルを制御する第一レベル制御信号を出力する第一比較演算回路と、
     前記出力電力検出部で検出したパルスの前記先頭部分より後半部分の平均レベルの出力電力値に対応する第二電圧値が入力され、該入力された第二電圧値と前記設定電圧値とに基づき、前記可変減衰回路で調整されるパルス状高周波信号のレベルを制御する第二レベル制御信号を出力する第二比較演算回路と、
     切替えタイミング設定値に応じて、前記第一レベル制御信号と前記第二レベル制御信号の値を切替る切替え回路と、
     前記第一レベル制御信号または前記第二レベル制御信号が更新された際の遷移時間を所望の時定数に設定する時定数回路と、を備える  高周波電源装置。
  2.  請求項1において、
     前記第一比較演算回路は、下限値より演算結果が小さくならないように制限を設けている  高周波電源装置。
  3.  請求項2において、
     前記一比較演算回路は、前記第一電圧値が前記設定電圧値よりも大きい場合は、前記第一レベル制御信号を小さくし、前記第一電圧値が前記設定電圧値よりも小さい場合は、前記第一レベル制御信号を大きくする  高周波電源装置。
  4.  請求項2において、
     前記二比較演算回路は、前記第二電圧値が前記設定電圧値よりも大きい場合は、前記第二レベル制御信号を小さくし、前記第二電圧値が前記設定電圧値よりも小さい場合は、前記第二レベル制御信号を大きくする  高周波電源装置。
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