高周波電源装置
【課題】 出力周波数とは異なる他の高周波電源装置の出力周波数成分が反射波に含まれるような場合に、内部にある増幅素子等を反射波から保護するために、反射波のレベルを低減させる。
【解決手段】 高周波電力の供給源となる高周波出力手段を備え、負荷にプラズマ発生用の高周波電力を供給する高周波電源装置において、高周波電源装置の出力端における進行波電圧および反射波電圧を検出する方向性結合器１４と、第１発振信号を出力する第１発振部１９と、第２発振信号を出力する第２発振部２１と、反射波電力値を演算する反射波電力演算部１６と、第２発振信号の位相を調整する位相調整部２２と、第２発振信号の変調指数を調整する変調指数調整部２３と、前記第１発振信号を位相及び変調指数が調整された前記第２発振信号で周波数変調した被変調信号を出力する変調部２４とを備えた。
【解決手段】 高周波電力の供給源となる高周波出力手段を備え、負荷にプラズマ発生用の高周波電力を供給する高周波電源装置において、高周波電源装置の出力端における進行波電圧および反射波電圧を検出する方向性結合器１４と、第１発振信号を出力する第１発振部１９と、第２発振信号を出力する第２発振部２１と、反射波電力値を演算する反射波電力演算部１６と、第２発振信号の位相を調整する位相調整部２２と、第２発振信号の変調指数を調整する変調指数調整部２３と、前記第１発振信号を位相及び変調指数が調整された前記第２発振信号で周波数変調した被変調信号を出力する変調部２４とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばプラズマエッチング、プラズマＣＶＤを行うプラズマ処理装置等の負荷に電力を供給する高周波電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波電力を用いて発生させたプラズマを利用してウエハ、液晶基板等の被加工物に加工（プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等）を行うプラズマ処理システムとして、図６に示すように、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムがある。
【０００３】
図６は、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムの接続関係を示すブロック図である。
【０００４】
図６において、従来の第１の高周波電源装置５０は、伝送線路２及び第１の整合器３及び接続部４を介して、負荷５に第１の高周波電力（以下、第１高周波という）を供給するための電源装置である。この第１の高周波電源装置５０の出力周波数を第１周波数ｆ１とし、第１周波数の周期をｔ１とする。また、第２の高周波電源装置６は、伝送線路２及び整合器３及び負荷５接続部４を介して、負荷５に第２の高周波電力（以下、第２高周波という）を供給するための電源装置である。この第２の高周波電源装置６の出力周波数を第２周波数ｆ２とし、第２周波数の周期をｔ２とする。なお、第１周波数は、第２周波数よりも周波数が高い。例えば、第１周波数は、１３．５６ＭＨｚ，２７．１２ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚ等の周波数が用いられる。また、第２周波数は、４００ｋＨｚ，２ＭＨｚ等の周波数が用いられる。このように、一般にこの種の高周波電源装置では、数百ｋＨｚ以上の周波数の高周波電力を出力している。
【０００５】
第１の高周波電源装置５０から出力する第１高周波は、負荷５においてプラズマを発生させるための主となるものである。また、第２の高周波電源装置６から出力される第２高周波は、負荷５における加工（プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等）を効率よく行うためのバイアス用として用いられる。これら２つの高周波電源装置から出力される２種類の高周波が重畳されて負荷５内の電極に印加される。
【０００６】
高周波電源装置の出力制御は、夫々が出力する進行波電力を一定に制御する方法あるいは進行波電力から反射波電力を減じた負荷側電力を一定に制御する方法が用いられる。
【０００７】
以下、高周波電源装置５０、整合器３、負荷５を中心にして説明する。
整合器３は、整合器３の入力端３０１から伝送線路２を経由し高周波電源装置５０側を見た電源側インピーダンスＺｏ（通常は５０Ω）と、整合器３の入力端から負荷５側を見た負荷側インピーダンスＺＬ（整合器３及び負荷５接続部４及び負荷５のインピーダンス）とを整合させることによって、高周波電源装置と負荷５との間をインピーダンス整合させる目的で用いられる装置である。
【０００８】
この整合器３は、内部に図示しない可変インピーダンス素子（例えば、可変コンデンサ、可変インダクタ等）を備えていて、高周波電源装置５０と負荷５との間がインピーダンス整合するように、上記の可変インピーダンス素子のインピーダンスを変化させる機能を有する。より具体的には、例えば高周波電源装置５０の出力端５０１から高周波電源装置５０側を見たインピーダンス（出力インピーダンス）が、例えば５０Ωに設計され、高周波電源装置が、特性インピーダンス５０Ωの伝送線路２でインピーダンス整合器３の入力端に接続されているとすると、インピーダンス整合器３は、当該インピーダンス整合器３の入力端３０１から負荷５側を見た負荷側インピーダンスＺＬを５０Ωに変換するように可変インピーダンス素子のインピーダンスを変化させる。
【０００９】
負荷５は、一般的にプラズマ処理装置と呼ばれるものであり、内部に電極を有するチャンバーを備え、このチャンバーの内部に搬入したウエハ、液晶基板等の被加工物を加工（エッチング、ＣＶＤ等）するための装置である。この負荷５は、被加工物を加工するために、チャンバー内にプラズマ放電用ガスを導入し、内部の電極に２つの高周波電源装置から供給される高周波電力（電圧）を印加することによって、電極間に高周波電界を生じさせて、上記のプラズマ放電用ガスを放電させてプラズマ状態にしている。そして、このプラズマを利用して被加工物を加工している。
【００１０】
次に高周波電源装置５０の構成について説明する。
図７は、一般的な高周波電源装置の構成例を示すブロック図である。増幅部５２は、直流電源部５１から供給される直流電力を利用して、発振部５９から出力する発振信号Ｖｉｎを増幅し、無線周波数帯域の出力周波数を有する高周波電力を出力するものである。増幅部５２において増幅された高周波電力は、主に高調波を除去するためのフィルタ部５３、方向性結合器５４を介して負荷５に供給される。また、方向性結合器５４で検出した進行波電圧に基づいて、進行波電力演算部５５において進行波電力値ＰＦが演算される。出力電力制御部５８は、出力電力設定部５７において設定された高周波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔと、進行波電力演算部において演算された進行波電力値Ｐｆとを比較し、両者が等しくなるように、発振部の発振信号Ｖｉｎの出力レベルを制御するものである。つまり、出力電力制御部は、発振部の発振信号Ｖｉｎの出力レベルを制御することにより、高周波電力の出力が一定になるように制御するものである。なお、方向性結合器５４で検出する反射波電圧から反射波電力値Ｐｒを演算し、進行波電力演算値Ｐｆから反射波電力演算値Ｐｒを減じた負荷側電力演算値を一定に制御するように高周波電源装置を構成してもよい。このような高周波電源装置としては、特許文献１に記載のようなものがある。
【特許文献１】特開２００３−１４３８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図８は、負荷５のチャンバー内にプラズマが生じたときのイメージ図である。この図７に示すように、チャンバー内の電極に２つの高周波電源装置から高周波電力（電圧）を印加してプラズマを生じさせた場合、電極間には導電性のプラズマとともに絶縁性のシースが生じる。なお、図８では、プラズマの周囲を取り囲む長方形の図形をアース側電極としている。
【００１２】
図９は、チャンバー内にプラズマが生じたときの負荷５の電気的等価回路である。上述したように、プラズマは導電性であり、シースは絶縁性であるので、図８に示すように、プラズマでの損失分を抵抗として表し、シースをコンデンサとして表すことができる。
【００１３】
以下、この図９の電気的等価回路を用いて、出力周波数の異なる複数（例えば２つ）の高周波電源装置５０，６が、１つの負荷５に高周波電力を供給した場合の状態について説明する。
【００１４】
通常、２つの高周波電源装置を用いる場合、バイアス用の第２高周波の周波数（第２周波数）は、第１高周波の周波数（第２周波数）よりも低い周波数となる。このような場合、２つの高周波電源装置の出力周波数に大きな差異があると、第２高周波が原因となって、第１の高周波電源装置５０側に大きな反射波が生じてしまう。
【００１５】
具体的には、図９の等価回路に示すように、シースをコンデンサと見なすと、双方の高周波電源装置５０，６から出力される高周波の影響を受けて、コンデンサの両端電圧が変化するが、第１周波数の方が第２周波数よりも周波数が高いので、コンデンサの両端電圧は、あたかも第２周波数で変調したような変化をする。また、この影響で、シースの厚みが第２周波数と同じ周期で変動する。この現象は、図９の等価回路で考えると、コンデンサの電極間距離が変動することに相当するので、コンデンサの容量が変化することになる。
【００１６】
また、シースの状態変動とともに、プラズマの状態も変動するので、負荷５のインピーダンスが第２周波数で変調したように変化する。そのために、第１の高周波電源装置５０から出力された進行波の一部は、上記第２周波数と同じ周期の変調の影響により反射されるので、反射波が生じる。
【００１７】
このとき、第１の整合器３が、第２周波数の変調に追従してインピーダンス整合できればよいが、上述したように、可変インピーダンス素子（例えば、可変コンデンサ、可変インダクタ等）を駆動させてインピーダンス整合を行うために、第２周波数の変調のような高速な変化には追従できず、反射波を低減させることができない。よって、発生した反射波が第１の高周波電源装置５０側に戻ってしまう。
【００１８】
また、この反射波は、第１高周波を第２高周波で変調したような現象によって生じているので、反射波の周波数成分をみると、第１周波数を主成分とし、スプリアスとして第２周波数の成分が乗っている状態となる。そのため、反射波の周波数成分は、第１周波数および第１周波数周辺の周波数で大部分を占めることになる。
【００１９】
図１０は、出力周波数の異なる２つの高周波電源装置が、１つの負荷５に高周波電力を供給した場合に、出力周波数の高い第１の高周波電源装置５０側の出力端で検出する進行波と反射波とをシミュレーションした一例である。なお、第１の高周波電源装置５０から出力する進行波電力の設定値は、３０００［Ｗ］である。
【００２０】
この図１０において、同図（ａ）は、第１の高周波電源装置５０の出力端における進行波電圧を示すものであり、同図（ｂ）は、第１の高周波電源装置５０の出力端における反射波電圧を示すものであり、同図（ｃ）は、同図（ａ）で示した進行波電圧の周波数成分の内、第１周波数付近のものを示したものであり、同図（ｄ）は、同図（ｂ）で示した反射波電圧の周波数成分の内、第１周波数付近のものを示したものである。
【００２１】
上述したように、出力周波数の異なる複数の高周波電源装置が、１つの負荷５に高周波電力を供給すると、出力周波数の高い高周波電源装置側に、例えば、図１０（ｂ）に示すような反射波電圧が生じる。このときの反射波電力は、あるモデルによると、約９５０［Ｗ］であり、出力電力の約３０％という非常に大きな割合になる。
【００２２】
また、この際、進行波にも影響が生じて、図１０（ａ）に示すような進行波電圧となる。
【００２３】
また、このような場合、進行波電圧および反射波電圧の周波数成分は、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）のようになる。すなわち、この図１０の例の場合、進行波電圧の周波数成分は、第１周波数が大部分を占めていることが分かる。一方、反射波電圧の周波数成分は、上述したように、第１周波数を主成分とし、スプリアスとして第２周波数の成分が乗っている状態であることが分かる。その結果、図１０（ｂ）に示すように、反射波電圧は、第２周波数の周期ｔ２で変動することになる。
【００２４】
ところで、高周波電源装置には、通常、図７に示すように、出力側にフィルタ部５３が設けられている。しかし、このフィルタ部５３は、主となる第１周波数に対する高調波成分を除去するローパスフィルタであるので、第１周波数周辺の周波数成分は除去できない。そのために、主成分である第１周波数に、スプリアスとして乗っている第２周波数の成分を除去することができない。
【００２５】
したがって、発生した反射波が、第１の高周波電源装置５０のフィルタを通過して高周波電源装置５０の内部に浸入してしまうので、高周波電源装置内の増幅素子に悪影響を及ぼす。しかも、発生する反射波電力は、上述したように、出力の３０％程度になることもあるので、その影響は大きく、場合によっては、高周波電源装置内の増幅素子等を破壊しまうことがある。
【００２６】
一方、第２の高周波電源装置６から見ると、第１周波数の周波数成分を有する反射波が高周波電源装置側に戻る。しかし、高周波電源装置に設けられたフィルタは、主となる第２周波数に対する高調波成分を除去するローパスフィルタであるので、第１周波数の周波数成分を除去できる。そのために、第２の高周波電源装置６側は、第１の高周波電源装置５０から出力する第１高周波の影響を殆ど受けない。
【００２７】
このように、出力周波数の異なる複数の高周波電源装置が１つの負荷５に高周波電力を供給しているときには、高い出力周波数の方の高周波電源装置が低い出力周波数の高周波電源装置の影響による反射波のために、内部の増幅素子に悪影響を受けるという問題があった。
【００２８】
本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、出力周波数とは異なる他の高周波電源装置の出力周波数成分が反射波に含まれるような場合に、内部にある増幅素子等を反射波から保護するために、反射波のレベルを低減させる高周波電源装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
第１の発明によって提供される高周波電源装置は、
高周波電力の供給源となる高周波出力手段を備え、負荷にプラズマ発生用の高周波電力を供給する高周波電源装置において、
高周波電源装置の出力端における進行波電圧および反射波電圧を検出して、進行波電圧に対応する進行波信号および反射波電圧に対応する反射波信号を出力する高周波検出手段と、
予め定められた第１周波数で発振させた信号を第１発振信号として出力する第１発振手段と、
予め定められた第２周波数帯域内の周波数で発振させた信号を第２発振信号として出力する第２発振手段と、
前記高周波検出手段から出力された反射波信号に基づいて反射波電力値を演算する反射波電力演算手段と、
前記第２発振手段から出力された第２発振信号の位相を調整する位相調整手段と、
前記第２発振手段から出力された第２発振信号の変調指数を調整する変調指数調整手段と、
前記第１発振信号を位相及び変調指数が調整された前記第２発振信号で周波数変調した被変調信号を出力する変調手段と、
前記変調手段から出力する被変調信号または被変調信号の出力レベルを制御した信号を増幅して出力する高周波出力手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００３０】
第２の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記位相調整手段が、手動により前記第２発振信号の位相を調整する操作部を備え、前記変調指数調整手段が、手動により前記第２発振信号の変調指数を調整する操作部を備えたことを特徴としている。
【００３１】
第３の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記第２発振手段は、前記高周波検出手段から出力された進行波信号のうち予め定められた第２周波数帯域の成分を入力信号とする電圧制御型発振部を備えたことを特徴としている。
【００３２】
第４の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記電圧制御型発振部は、入力信号の状態を保持する機能を有し、入力信号の振幅レベルが予め定められたレベル未満になると、その状態を入力信号の振幅レベルが予め定められたレベル以上になるまで保持する機能を有することを特徴としている。
【００３３】
第５の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記第２発振手段は、予め定められた第２周波数で発振する発振器を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００３４】
第１の発明によれば、第１発振信号を第２発振信号で周波数変調させて出力するので、出力波形を変動させることができる。この変動の度合いは、第２発振信号の位相および変調指数の少なくとも一方を調整可能とすることで変更できる。そのために、反射波が生じた場合、その反射波を打ち消すように調整することによって、反射波電力を低減させることができる。そのため、高周波出力手段を構成する増幅素子等の損傷の危険性を低減することができる。また、反射波を考慮して、耐圧や耐温度等の大きい素子を選定する必要がなくなるので、素子の小型化とコスト低減を図ることができる。
【００３５】
異なる出力周波数の他の高周波電源装置の高周波によって反射波が生じても、本発明によれば、位相及び変調指数を調整することによって、反射波を低減させることができる。
通常、負荷のプラズマの状態が安定していれば、異なる出力周波数の他の高周波電源装置の高周波の影響によって反射波が生じても、その反射波の状態は、あまり変動しない。そのために、本発明によって、一旦、変調波となる発振信号の位相と変調指数を調整して反射波を低減させてしまえば、頻繁に位相及び変調指数の調整度合いを変更しなくても、反射波を低減させた状態を保つことができる。
そこで、第２の発明によれば、手動によって位相と変調指数とを調整可能な操作部を設けているので、複雑な制御を必要とせずに、簡易的に反射波を低減させることが可能となる。
【００３６】
第３の発明によれば、他の高周波電源装置の出力周波数と同期させた発振信号を被変調信号とすることができるので、発振周波数の調整をしなくてもよいという利点がある。
【００３７】
上記第３の発明では、発振周波数の調整を必要としない利点があるが、第２発振信号の振幅レベルが小さくなって、同期させるための信号して使用できない場合がある。このような場合にも、第４の発明のように、以前の状態を保持する機能を持たせることによって、上記第３の発明の効果を保持できるようになる。
【００３８】
第５の発明によれば、他の高周波電源装置の出力周波数と第２発振信号の周波数とを同期させることはできないが、その分、フィルタや保持する回路が不要となるので、構成を簡略化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。
【００４０】
図１は、本発明に係る高周波電源装置１の構成を示すブロック図である。
高周波電源装置１は、図１に示すように、直流電源部１１と、増幅部１２と、フィルタ部１３と、方向性結合器１４と、進行波電力演算部１５と、反射波電力演算部１６と、出力電力設定部１７と、出力電力制御部１８と、第１発振部１９と、第２周波数フィルタ２０と、第２発振部２１と、位相調整部２２と、変調指数調整部２３と、変調部２４とを備えている。なお、従来の高周波電源装置５０と同様に、第1の高周波電源装置１から出力する第１の高周波電力を第１高周波とし、第１の高周波電源装置の出力周波数を第１周波数ｆ１とし、第１周波数の周期をｔ１とする。
【００４１】
直流電源部１１は、後述する増幅部１２に直流電力を供給するものである。
【００４２】
増幅部１２は、直流電源部１１から供給された直流電力を利用して、後述する出力電力制御部１８から出力される発振信号Ｖｆｍ２を増幅し、高周波電源装置の出力端１０１を介して高周波電力を出力するものである。増幅部１２において増幅された高周波電力は、フィルタ部１３、方向性結合器１４を介して負荷５に供給される。この増幅部１２は、例えば、ＦＥＴを用いたプッシュプル方式の増幅回路で構成されている。なお、増幅部１２は、本発明の高周波出力手段の一例である。また、増幅部１２から出力されて負荷５に向かう電力を進行波電力といい、負荷５側から反射されてくる電力を反射波電力という。また、進行波電力の電圧成分を進行波電圧、電流成分を進行波電流という。同様に、反射波電力の電圧成分を反射波電圧、電流成分を反射波電流という。
【００４３】
フィルタ部１３は、高調波を除去するためのフィルタである。
【００４４】
方向性結合器１４は、高周波電源装置１の出力端において、高周波電力（進行波電力および反射波電力）の進行波電圧および反射波電圧を検出するものであり、
検出信号として、進行波電圧に対応した進行波電圧信号Ｖｆ、および反射波電圧に対応した反射波電圧信号Ｖｒを出力する。なお、方向性結合器１４は、本発明の高周波検出手段の一例である。
【００４５】
進行波電力演算部１５は、方向性結合器１４から出力された進行波電圧信号Ｖｆから進行波電力を演算するものであり、演算された進行波電力を進行波電力信号Ｐｆとして出力する。
【００４６】
反射波電力演算部１６は、方向性結合器１４から出力された反射波電圧信号Ｖｒから反射波電力を演算するものであり、演算された反射波電力を反射波電力信号Ｐｒとして出力する。この反射波電力信号Ｐｒは、高周波電源装置の外部にあるもモニタに送られる。なお、反射波電力演算部１６は、本発明の反射波電力演算手段の一例である。
【００４７】
出力電力設定部１７は、負荷５に供給する高周波電力の出力電力値を設定するためのものである。なお、図１では省略しているが、出力電力設定部１７には、高周波電力の出力電力設定値を設定するための出力電力設定スイッチや高周波電力の供給の開始を指示する出力開始スイッチを備えた操作部等が設けられている。出力電力設定部１７において設定された高周波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔは、出力電力制御部１８に送られる。なお、出力電力設定値等は、外部の装置から入力してもよい。
【００４８】
出力電力制御部１８は、出力電力設定部１７において設定された高周波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔと、進行波電力演算部１５において測定された進行波電力信号Ｐｆとを比較し、両者が等しくなるように、後述する変調部２４から出力される被変調信号Ｖｆｍ２の出力レベルを制御するものである。つまり、出力電力制御部１８は、被変調信号Ｖｆｍ２の出力レベルを制御することにより、高周波電力の出力が一定になるように制御するものである。変調部２４等については、後述する。
【００４９】
なお、本実施形態では、上述したように、高周波電源装置１の出力制御が、進行波電力を一定にする制御であるとして説明しているが、これに限定されるものではなく、負荷側電力を一定に制御する方法を採用してもよい。
【００５０】
第１発振部１９は、増幅部１２に対して第１周波数の交流の発振信号Ｖｉｎ１を出力するものである。なお、第１発振部１９は、本発明の第１発振手段の一例である。
【００５１】
第２周波数フィルタ２０は、方向性結合器１４から出力する進行波電圧信号Ｖｆを入力として、この進行波電圧信号Ｖｆに含まれる第２周波数の周波数成分を取り出すフィルタである。このフィルタの出力を第２進行波電圧信号Ｖｆ２とする。
【００５２】
第２発振部２１は、第２周波数フィルタ２０の出力を入力として、入力した第２進行波電圧信号Ｖｆ２の周波数に同期した周波数の第２発振信号Ｖｉｎ２を出力する電圧制御型の発振回路である。なお、この第２発振部２１は、入力信号の状態を保持する機能を有し、入力信号の振幅レベルが予め定められたレベル未満になると、その状態を入力信号の振幅レベルが予め定められたレベル以上になるまで保持する機能を有している。なお、第２発振部２１は、本発明の第２発振手段の一例である。
【００５３】
位相調整部２２は、第２発振部２１から出力された第２発振信号の位相を調整するものであり、位相指令値に対応する外部からの指令信号θｏｓによって、位相を調整する機能を有する。なお、位相調整部２２は、本発明の位相調整手段の一例である。
【００５４】
変調指数調整部２３は、第２発振部２１から出力された第２発振信号の変調指数を調整するものであり、変調指数指令値に対応する外部からの指令信号Ｇによって、変調指数を調整する機能を有する。なお、変調指数調整部２３は、本発明の変調指数調整手段の一例である。
【００５５】
なお、この実施形態では、位相調整部２２の後に変調指数調整部２３を設けているが、この順番を逆にしてもよい。また、本明細書では、位相調整部２２と変調指数調整部２３との順番に関わらず、位相調整部２２で調整する対象となる信号は、第２発振部２１から出力された第２発振信号であり、変調指数調整部２３で調整する対象となる信号は、第２発振部２１から出力された第２発振信号であるとしている。例えば、位相調整部２２の後に変調指数調整部２３を設けている場合、変調指数調整部２３で変調指数を調整する発振信号は、厳密には、位相調整部２２から出力された発振信号であるが、便宜上、第２発振信号の位相を調整するという表現を用いる。
【００５６】
変調部２４は、第１発振信号を位相及び変調指数が調整された第２発振信号で周波数変調した被変調信号Ｖｆｍ１を出力するものである。この被変調信号Ｖｆｍ１は式（１）で表すことができる。
ＶＳｆ１＝Ａ・ｃｏｓ（ω1t＋Ｇ・ｓｉｎ（ω2t＋θos）） ・・・（１）
ただし、「ω1t」は、第１発振信号の角周波数ω1を時間ｔ倍したものであり、「ｗ2t」は、第２発振信号の角周波数ω2を時間ｔ倍したものであり、「Ａ」は、第１発振信号の振幅レベルで定まる定数であり、「θos」は、位相調整部２２で位相を調整する際に用いられる位相オフセットであり、「Ｇ」は、変調指数調整部２３で変調指数を調整する際に用いられるゲインである。なお、変調部２４は、本発明の変調手段の一例である。
【００５７】
すなわち、変調部２４の出力の振幅は、第１発振信号の振幅レベルを有するが、発振周波数は、第１発振信号の周波数ではなく、第２発振信号の周波数で変調されているので変動する。この被変調信号Ｖｆｍが、前述したように、出力電力制御部１８で出力レベルが制御されて増幅部１２に入力される。
【００５８】
次に、この高周波電源装置を用いた動作を説明する。
図２は、位相調整部２２において、位相を変化させたときの反射波電力を示すシミュレーションである。なお、変調指数を１としている。この図から、位相を調整することによって、反射波電力が低減できることが分かる。この例の場合、位相を１００度にしたときに、反射波電力が約２０［Ｗ］となって最小となる。また、位相を２８０度にしたときに、反射波電力が約２５９０［Ｗ］となって最大となる。図１０で示したシミュレーションの場合は、反射波電力が約９５０［Ｗ］であったので、位相の調整によって、大幅に反射波電力が低減できる。
【００５９】
この反射波電力が最小となる位相（１００度）と、最大となる位相（０度）とで、進行波、反射波の状態を見ると、図３、図４のようになる。
【００６０】
図３は、図２で反射波電力が最小となる位相（１００度）の場合における出力周波数の高い高周波電源装置側の出力端で検出する進行波と反射波とをシミュレーションした一例である。
図４は、図２で反射波電力が最大となる位相（０度）の場合における出力周波数の高い高周波電源装置側の出力端で検出する進行波と反射波とをシミュレーションした一例である。
【００６１】
なお、図３、図４ともに、図１０と同様に、高周波電源装置から出力する進行波電力の設定値は、３０００［Ｗ］である。また、この図３、図４ともに、図（ａ）は、高周波電源装置の出力端における進行波電圧を示すものであり、図（ｂ）は、高周波電源装置の出力端における反射波電圧を示すものであり、図（ｃ）は、図（ａ）で示した進行波電圧の周波数成分の内、第１周波数付近のものを示したものであり、図（ｄ）は、図（ｂ）で示した反射波電圧の周波数成分の内、第１周波数付近のものを示したものである。
【００６２】
このように、第２発振信号の位相を調整し、この第２発振信号で第１発振信号を周波数変調した場合、図３、図４の図（ｃ）に示すように、進行波には、第２発振信号の周波数成分がスプリアスとして乗ってくる。そのために、図（ｂ）、図（ｄ）に示すように、反射波の状態が変化する。このとき、図３に示すように、反射波を打ち消すように位相を調整できると、反射波のレベルを低減させることができる。
【００６３】
図５は、変調指数調整部２３において、変調指数を変化させたときの反射波電力を示すシミュレーションである。なお、位相＝１００度とし、変調指数＝０〜２としている。この図から、変調指数を調整することによって、反射波電力が低減できることが分かる。この例の場合、変調指数を１にしたときに、反射波電力が約１６［Ｗ］となって最小となる。また、変調指数を２にしたときに、反射波電力が１０３３［Ｗ］となって最大となる。図１０で示したシミュレーションの場合は、反射波電力が約９５０［Ｗ］であったので、変調指数の調整によっても、大幅に反射波電力が低減できる。
【００６４】
このように、位相、変調指数の調整によって、反射波電力を低減させることができる。なお、図２、図５では、位相または変調指数のどちらかを調整する例を示したが、双方を組み合わせて調整してもよい。
【００６５】
そこで、本実施形態では、２ＭＨｚ発振部の後段に位相調整部２２と変調指数調整部２３とを設けて、２ＭＨｚ発振部から出力された発振信号の位相と変調指数とを調整できるように構成している。これによって、他の高周波電源装置の影響によって反射波が生じた場合であっても、反射波のレベルを低減することができるので、高周波電源装置内の増幅素子を反射波から保護できるようになる。
【００６６】
なお、本実施形態では、第２周波数フィルタ２０によって、方向性結合器１４から出力する進行波電圧信号Ｖｆに含まれる第２周波数の周波数成分を取り出し、取り出した第２進行波電圧信号Ｖｆ２を第２発振部２１に入力していた。これによって、他の高周波電源装置の出力周波数と同期させた発振信号を被変調信号とすることができるので、発振周波数の調整をしなくてもよいという利点がある。
【００６７】
しかし、これに限定されるものではなく、例えば、予め定められた第２周波数で発振する発振器を備えた構成の第２発振部２１にしてもよい。この場合、他の高周波電源装置の出力周波数と第２発振信号の周波数とを同期させることはできないが、その分、フィルタや保持する回路が不要にできる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１は、本発明に係る高周波電源装置１の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、位相調整部２２において、位相を変化させたときの反射波電力を示すシミュレーションである。
【図３】図３は、図２で反射波電力が最小となる位相（１００度）の場合における出力周波数の高い高周波電源装置側の出力端で検出する進行波と反射波とをシミュレーションした一例である。
【図４】図４は、図２で反射波電力が最大となる位相（０度）の場合における出力周波数の高い高周波電源装置側の出力端で検出する進行波と反射波とをシミュレーションした一例である。
【図５】図５は、変調指数調整部２３において、変調指数を変化させたときの反射波電力を示すシミュレーションである。
【図６】図６は、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムの接続関係を示すブロック図である。
【図７】図７は、一般的な高周波電源装置の構成例を示すブロック図である。
【図８】図８は、負荷５のチャンバー内にプラズマが生じたときのイメージ図である。
【図９】図９は、チャンバー内にプラズマが生じたときの負荷５の電気的等価回路である。
【図１０】図１０は、出力周波数の異なる２つの高周波電源装置が、１つの負荷５に高周波電力を供給した場合に、出力周波数の高い第１の高周波電源装置５０側の出力端で検出する進行波と反射波とをシミュレーションした一例である。
【符号の説明】
【００６９】
１ 本発明に係る高周波電源装置
２ 伝送線路２
３ 第１の整合器
４ 負荷接続部
５ 負荷５
６ 第２の高周波電源装置
７ 伝送線路２
８ 第１の整合器
９ 負荷接続部
１１ 直流電源部
１２ 増幅部
１３ フィルタ部
１４ 方向性結合器
１５ 進行波電力演算部
１６ 反射波電力演算部
１７ 出力電力設定部
１８ 出力電力制御部
１９ 第１発振部
２０ 第２周波数フィルタ
２１ 第２発振部
２２ 位相調整部
２３ 変調指数調整部
２４ 変調部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばプラズマエッチング、プラズマＣＶＤを行うプラズマ処理装置等の負荷に電力を供給する高周波電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波電力を用いて発生させたプラズマを利用してウエハ、液晶基板等の被加工物に加工（プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等）を行うプラズマ処理システムとして、図６に示すように、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムがある。
【０００３】
図６は、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムの接続関係を示すブロック図である。
【０００４】
図６において、従来の第１の高周波電源装置５０は、伝送線路２及び第１の整合器３及び接続部４を介して、負荷５に第１の高周波電力（以下、第１高周波という）を供給するための電源装置である。この第１の高周波電源装置５０の出力周波数を第１周波数ｆ１とし、第１周波数の周期をｔ１とする。また、第２の高周波電源装置６は、伝送線路２及び整合器３及び負荷５接続部４を介して、負荷５に第２の高周波電力（以下、第２高周波という）を供給するための電源装置である。この第２の高周波電源装置６の出力周波数を第２周波数ｆ２とし、第２周波数の周期をｔ２とする。なお、第１周波数は、第２周波数よりも周波数が高い。例えば、第１周波数は、１３．５６ＭＨｚ，２７．１２ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚ等の周波数が用いられる。また、第２周波数は、４００ｋＨｚ，２ＭＨｚ等の周波数が用いられる。このように、一般にこの種の高周波電源装置では、数百ｋＨｚ以上の周波数の高周波電力を出力している。
【０００５】
第１の高周波電源装置５０から出力する第１高周波は、負荷５においてプラズマを発生させるための主となるものである。また、第２の高周波電源装置６から出力される第２高周波は、負荷５における加工（プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等）を効率よく行うためのバイアス用として用いられる。これら２つの高周波電源装置から出力される２種類の高周波が重畳されて負荷５内の電極に印加される。
【０００６】
高周波電源装置の出力制御は、夫々が出力する進行波電力を一定に制御する方法あるいは進行波電力から反射波電力を減じた負荷側電力を一定に制御する方法が用いられる。
【０００７】
以下、高周波電源装置５０、整合器３、負荷５を中心にして説明する。
整合器３は、整合器３の入力端３０１から伝送線路２を経由し高周波電源装置５０側を見た電源側インピーダンスＺｏ（通常は５０Ω）と、整合器３の入力端から負荷５側を見た負荷側インピーダンスＺＬ（整合器３及び負荷５接続部４及び負荷５のインピーダンス）とを整合させることによって、高周波電源装置と負荷５との間をインピーダンス整合させる目的で用いられる装置である。
【０００８】
この整合器３は、内部に図示しない可変インピーダンス素子（例えば、可変コンデンサ、可変インダクタ等）を備えていて、高周波電源装置５０と負荷５との間がインピーダンス整合するように、上記の可変インピーダンス素子のインピーダンスを変化させる機能を有する。より具体的には、例えば高周波電源装置５０の出力端５０１から高周波電源装置５０側を見たインピーダンス（出力インピーダンス）が、例えば５０Ωに設計され、高周波電源装置が、特性インピーダンス５０Ωの伝送線路２でインピーダンス整合器３の入力端に接続されているとすると、インピーダンス整合器３は、当該インピーダンス整合器３の入力端３０１から負荷５側を見た負荷側インピーダンスＺＬを５０Ωに変換するように可変インピーダンス素子のインピーダンスを変化させる。
【０００９】
負荷５は、一般的にプラズマ処理装置と呼ばれるものであり、内部に電極を有するチャンバーを備え、このチャンバーの内部に搬入したウエハ、液晶基板等の被加工物を加工（エッチング、ＣＶＤ等）するための装置である。この負荷５は、被加工物を加工するために、チャンバー内にプラズマ放電用ガスを導入し、内部の電極に２つの高周波電源装置から供給される高周波電力（電圧）を印加することによって、電極間に高周波電界を生じさせて、上記のプラズマ放電用ガスを放電させてプラズマ状態にしている。そして、このプラズマを利用して被加工物を加工している。
【００１０】
次に高周波電源装置５０の構成について説明する。
図７は、一般的な高周波電源装置の構成例を示すブロック図である。増幅部５２は、直流電源部５１から供給される直流電力を利用して、発振部５９から出力する発振信号Ｖｉｎを増幅し、無線周波数帯域の出力周波数を有する高周波電力を出力するものである。増幅部５２において増幅された高周波電力は、主に高調波を除去するためのフィルタ部５３、方向性結合器５４を介して負荷５に供給される。また、方向性結合器５４で検出した進行波電圧に基づいて、進行波電力演算部５５において進行波電力値ＰＦが演算される。出力電力制御部５８は、出力電力設定部５７において設定された高周波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔと、進行波電力演算部において演算された進行波電力値Ｐｆとを比較し、両者が等しくなるように、発振部の発振信号Ｖｉｎの出力レベルを制御するものである。つまり、出力電力制御部は、発振部の発振信号Ｖｉｎの出力レベルを制御することにより、高周波電力の出力が一定になるように制御するものである。なお、方向性結合器５４で検出する反射波電圧から反射波電力値Ｐｒを演算し、進行波電力演算値Ｐｆから反射波電力演算値Ｐｒを減じた負荷側電力演算値を一定に制御するように高周波電源装置を構成してもよい。このような高周波電源装置としては、特許文献１に記載のようなものがある。
【特許文献１】特開２００３−１４３８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図８は、負荷５のチャンバー内にプラズマが生じたときのイメージ図である。この図７に示すように、チャンバー内の電極に２つの高周波電源装置から高周波電力（電圧）を印加してプラズマを生じさせた場合、電極間には導電性のプラズマとともに絶縁性のシースが生じる。なお、図８では、プラズマの周囲を取り囲む長方形の図形をアース側電極としている。
【００１２】
図９は、チャンバー内にプラズマが生じたときの負荷５の電気的等価回路である。上述したように、プラズマは導電性であり、シースは絶縁性であるので、図８に示すように、プラズマでの損失分を抵抗として表し、シースをコンデンサとして表すことができる。
【００１３】
以下、この図９の電気的等価回路を用いて、出力周波数の異なる複数（例えば２つ）の高周波電源装置５０，６が、１つの負荷５に高周波電力を供給した場合の状態について説明する。
【００１４】
通常、２つの高周波電源装置を用いる場合、バイアス用の第２高周波の周波数（第２周波数）は、第１高周波の周波数（第２周波数）よりも低い周波数となる。このような場合、２つの高周波電源装置の出力周波数に大きな差異があると、第２高周波が原因となって、第１の高周波電源装置５０側に大きな反射波が生じてしまう。
【００１５】
具体的には、図９の等価回路に示すように、シースをコンデンサと見なすと、双方の高周波電源装置５０，６から出力される高周波の影響を受けて、コンデンサの両端電圧が変化するが、第１周波数の方が第２周波数よりも周波数が高いので、コンデンサの両端電圧は、あたかも第２周波数で変調したような変化をする。また、この影響で、シースの厚みが第２周波数と同じ周期で変動する。この現象は、図９の等価回路で考えると、コンデンサの電極間距離が変動することに相当するので、コンデンサの容量が変化することになる。
【００１６】
また、シースの状態変動とともに、プラズマの状態も変動するので、負荷５のインピーダンスが第２周波数で変調したように変化する。そのために、第１の高周波電源装置５０から出力された進行波の一部は、上記第２周波数と同じ周期の変調の影響により反射されるので、反射波が生じる。
【００１７】
このとき、第１の整合器３が、第２周波数の変調に追従してインピーダンス整合できればよいが、上述したように、可変インピーダンス素子（例えば、可変コンデンサ、可変インダクタ等）を駆動させてインピーダンス整合を行うために、第２周波数の変調のような高速な変化には追従できず、反射波を低減させることができない。よって、発生した反射波が第１の高周波電源装置５０側に戻ってしまう。
【００１８】
また、この反射波は、第１高周波を第２高周波で変調したような現象によって生じているので、反射波の周波数成分をみると、第１周波数を主成分とし、スプリアスとして第２周波数の成分が乗っている状態となる。そのため、反射波の周波数成分は、第１周波数および第１周波数周辺の周波数で大部分を占めることになる。
【００１９】
図１０は、出力周波数の異なる２つの高周波電源装置が、１つの負荷５に高周波電力を供給した場合に、出力周波数の高い第１の高周波電源装置５０側の出力端で検出する進行波と反射波とをシミュレーションした一例である。なお、第１の高周波電源装置５０から出力する進行波電力の設定値は、３０００［Ｗ］である。
【００２０】
この図１０において、同図（ａ）は、第１の高周波電源装置５０の出力端における進行波電圧を示すものであり、同図（ｂ）は、第１の高周波電源装置５０の出力端における反射波電圧を示すものであり、同図（ｃ）は、同図（ａ）で示した進行波電圧の周波数成分の内、第１周波数付近のものを示したものであり、同図（ｄ）は、同図（ｂ）で示した反射波電圧の周波数成分の内、第１周波数付近のものを示したものである。
【００２１】
上述したように、出力周波数の異なる複数の高周波電源装置が、１つの負荷５に高周波電力を供給すると、出力周波数の高い高周波電源装置側に、例えば、図１０（ｂ）に示すような反射波電圧が生じる。このときの反射波電力は、あるモデルによると、約９５０［Ｗ］であり、出力電力の約３０％という非常に大きな割合になる。
【００２２】
また、この際、進行波にも影響が生じて、図１０（ａ）に示すような進行波電圧となる。
【００２３】
また、このような場合、進行波電圧および反射波電圧の周波数成分は、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）のようになる。すなわち、この図１０の例の場合、進行波電圧の周波数成分は、第１周波数が大部分を占めていることが分かる。一方、反射波電圧の周波数成分は、上述したように、第１周波数を主成分とし、スプリアスとして第２周波数の成分が乗っている状態であることが分かる。その結果、図１０（ｂ）に示すように、反射波電圧は、第２周波数の周期ｔ２で変動することになる。
【００２４】
ところで、高周波電源装置には、通常、図７に示すように、出力側にフィルタ部５３が設けられている。しかし、このフィルタ部５３は、主となる第１周波数に対する高調波成分を除去するローパスフィルタであるので、第１周波数周辺の周波数成分は除去できない。そのために、主成分である第１周波数に、スプリアスとして乗っている第２周波数の成分を除去することができない。
【００２５】
したがって、発生した反射波が、第１の高周波電源装置５０のフィルタを通過して高周波電源装置５０の内部に浸入してしまうので、高周波電源装置内の増幅素子に悪影響を及ぼす。しかも、発生する反射波電力は、上述したように、出力の３０％程度になることもあるので、その影響は大きく、場合によっては、高周波電源装置内の増幅素子等を破壊しまうことがある。
【００２６】
一方、第２の高周波電源装置６から見ると、第１周波数の周波数成分を有する反射波が高周波電源装置側に戻る。しかし、高周波電源装置に設けられたフィルタは、主となる第２周波数に対する高調波成分を除去するローパスフィルタであるので、第１周波数の周波数成分を除去できる。そのために、第２の高周波電源装置６側は、第１の高周波電源装置５０から出力する第１高周波の影響を殆ど受けない。
【００２７】
このように、出力周波数の異なる複数の高周波電源装置が１つの負荷５に高周波電力を供給しているときには、高い出力周波数の方の高周波電源装置が低い出力周波数の高周波電源装置の影響による反射波のために、内部の増幅素子に悪影響を受けるという問題があった。
【００２８】
本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、出力周波数とは異なる他の高周波電源装置の出力周波数成分が反射波に含まれるような場合に、内部にある増幅素子等を反射波から保護するために、反射波のレベルを低減させる高周波電源装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
第１の発明によって提供される高周波電源装置は、
高周波電力の供給源となる高周波出力手段を備え、負荷にプラズマ発生用の高周波電力を供給する高周波電源装置において、
高周波電源装置の出力端における進行波電圧および反射波電圧を検出して、進行波電圧に対応する進行波信号および反射波電圧に対応する反射波信号を出力する高周波検出手段と、
予め定められた第１周波数で発振させた信号を第１発振信号として出力する第１発振手段と、
予め定められた第２周波数帯域内の周波数で発振させた信号を第２発振信号として出力する第２発振手段と、
前記高周波検出手段から出力された反射波信号に基づいて反射波電力値を演算する反射波電力演算手段と、
前記第２発振手段から出力された第２発振信号の位相を調整する位相調整手段と、
前記第２発振手段から出力された第２発振信号の変調指数を調整する変調指数調整手段と、
前記第１発振信号を位相及び変調指数が調整された前記第２発振信号で周波数変調した被変調信号を出力する変調手段と、
前記変調手段から出力する被変調信号または被変調信号の出力レベルを制御した信号を増幅して出力する高周波出力手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００３０】
第２の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記位相調整手段が、手動により前記第２発振信号の位相を調整する操作部を備え、前記変調指数調整手段が、手動により前記第２発振信号の変調指数を調整する操作部を備えたことを特徴としている。
【００３１】
第３の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記第２発振手段は、前記高周波検出手段から出力された進行波信号のうち予め定められた第２周波数帯域の成分を入力信号とする電圧制御型発振部を備えたことを特徴としている。
【００３２】
第４の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記電圧制御型発振部は、入力信号の状態を保持する機能を有し、入力信号の振幅レベルが予め定められたレベル未満になると、その状態を入力信号の振幅レベルが予め定められたレベル以上になるまで保持する機能を有することを特徴としている。
【００３３】
第５の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記第２発振手段は、予め定められた第２周波数で発振する発振器を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００３４】
第１の発明によれば、第１発振信号を第２発振信号で周波数変調させて出力するので、出力波形を変動させることができる。この変動の度合いは、第２発振信号の位相および変調指数の少なくとも一方を調整可能とすることで変更できる。そのために、反射波が生じた場合、その反射波を打ち消すように調整することによって、反射波電力を低減させることができる。そのため、高周波出力手段を構成する増幅素子等の損傷の危険性を低減することができる。また、反射波を考慮して、耐圧や耐温度等の大きい素子を選定する必要がなくなるので、素子の小型化とコスト低減を図ることができる。
【００３５】
異なる出力周波数の他の高周波電源装置の高周波によって反射波が生じても、本発明によれば、位相及び変調指数を調整することによって、反射波を低減させることができる。
通常、負荷のプラズマの状態が安定していれば、異なる出力周波数の他の高周波電源装置の高周波の影響によって反射波が生じても、その反射波の状態は、あまり変動しない。そのために、本発明によって、一旦、変調波となる発振信号の位相と変調指数を調整して反射波を低減させてしまえば、頻繁に位相及び変調指数の調整度合いを変更しなくても、反射波を低減させた状態を保つことができる。
そこで、第２の発明によれば、手動によって位相と変調指数とを調整可能な操作部を設けているので、複雑な制御を必要とせずに、簡易的に反射波を低減させることが可能となる。
【００３６】
第３の発明によれば、他の高周波電源装置の出力周波数と同期させた発振信号を被変調信号とすることができるので、発振周波数の調整をしなくてもよいという利点がある。
【００３７】
上記第３の発明では、発振周波数の調整を必要としない利点があるが、第２発振信号の振幅レベルが小さくなって、同期させるための信号して使用できない場合がある。このような場合にも、第４の発明のように、以前の状態を保持する機能を持たせることによって、上記第３の発明の効果を保持できるようになる。
【００３８】
第５の発明によれば、他の高周波電源装置の出力周波数と第２発振信号の周波数とを同期させることはできないが、その分、フィルタや保持する回路が不要となるので、構成を簡略化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。
【００４０】
図１は、本発明に係る高周波電源装置１の構成を示すブロック図である。
高周波電源装置１は、図１に示すように、直流電源部１１と、増幅部１２と、フィルタ部１３と、方向性結合器１４と、進行波電力演算部１５と、反射波電力演算部１６と、出力電力設定部１７と、出力電力制御部１８と、第１発振部１９と、第２周波数フィルタ２０と、第２発振部２１と、位相調整部２２と、変調指数調整部２３と、変調部２４とを備えている。なお、従来の高周波電源装置５０と同様に、第1の高周波電源装置１から出力する第１の高周波電力を第１高周波とし、第１の高周波電源装置の出力周波数を第１周波数ｆ１とし、第１周波数の周期をｔ１とする。
【００４１】
直流電源部１１は、後述する増幅部１２に直流電力を供給するものである。
【００４２】
増幅部１２は、直流電源部１１から供給された直流電力を利用して、後述する出力電力制御部１８から出力される発振信号Ｖｆｍ２を増幅し、高周波電源装置の出力端１０１を介して高周波電力を出力するものである。増幅部１２において増幅された高周波電力は、フィルタ部１３、方向性結合器１４を介して負荷５に供給される。この増幅部１２は、例えば、ＦＥＴを用いたプッシュプル方式の増幅回路で構成されている。なお、増幅部１２は、本発明の高周波出力手段の一例である。また、増幅部１２から出力されて負荷５に向かう電力を進行波電力といい、負荷５側から反射されてくる電力を反射波電力という。また、進行波電力の電圧成分を進行波電圧、電流成分を進行波電流という。同様に、反射波電力の電圧成分を反射波電圧、電流成分を反射波電流という。
【００４３】
フィルタ部１３は、高調波を除去するためのフィルタである。
【００４４】
方向性結合器１４は、高周波電源装置１の出力端において、高周波電力（進行波電力および反射波電力）の進行波電圧および反射波電圧を検出するものであり、
検出信号として、進行波電圧に対応した進行波電圧信号Ｖｆ、および反射波電圧に対応した反射波電圧信号Ｖｒを出力する。なお、方向性結合器１４は、本発明の高周波検出手段の一例である。
【００４５】
進行波電力演算部１５は、方向性結合器１４から出力された進行波電圧信号Ｖｆから進行波電力を演算するものであり、演算された進行波電力を進行波電力信号Ｐｆとして出力する。
【００４６】
反射波電力演算部１６は、方向性結合器１４から出力された反射波電圧信号Ｖｒから反射波電力を演算するものであり、演算された反射波電力を反射波電力信号Ｐｒとして出力する。この反射波電力信号Ｐｒは、高周波電源装置の外部にあるもモニタに送られる。なお、反射波電力演算部１６は、本発明の反射波電力演算手段の一例である。
【００４７】
出力電力設定部１７は、負荷５に供給する高周波電力の出力電力値を設定するためのものである。なお、図１では省略しているが、出力電力設定部１７には、高周波電力の出力電力設定値を設定するための出力電力設定スイッチや高周波電力の供給の開始を指示する出力開始スイッチを備えた操作部等が設けられている。出力電力設定部１７において設定された高周波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔは、出力電力制御部１８に送られる。なお、出力電力設定値等は、外部の装置から入力してもよい。
【００４８】
出力電力制御部１８は、出力電力設定部１７において設定された高周波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔと、進行波電力演算部１５において測定された進行波電力信号Ｐｆとを比較し、両者が等しくなるように、後述する変調部２４から出力される被変調信号Ｖｆｍ２の出力レベルを制御するものである。つまり、出力電力制御部１８は、被変調信号Ｖｆｍ２の出力レベルを制御することにより、高周波電力の出力が一定になるように制御するものである。変調部２４等については、後述する。
【００４９】
なお、本実施形態では、上述したように、高周波電源装置１の出力制御が、進行波電力を一定にする制御であるとして説明しているが、これに限定されるものではなく、負荷側電力を一定に制御する方法を採用してもよい。
【００５０】
第１発振部１９は、増幅部１２に対して第１周波数の交流の発振信号Ｖｉｎ１を出力するものである。なお、第１発振部１９は、本発明の第１発振手段の一例である。
【００５１】
第２周波数フィルタ２０は、方向性結合器１４から出力する進行波電圧信号Ｖｆを入力として、この進行波電圧信号Ｖｆに含まれる第２周波数の周波数成分を取り出すフィルタである。このフィルタの出力を第２進行波電圧信号Ｖｆ２とする。
【００５２】
第２発振部２１は、第２周波数フィルタ２０の出力を入力として、入力した第２進行波電圧信号Ｖｆ２の周波数に同期した周波数の第２発振信号Ｖｉｎ２を出力する電圧制御型の発振回路である。なお、この第２発振部２１は、入力信号の状態を保持する機能を有し、入力信号の振幅レベルが予め定められたレベル未満になると、その状態を入力信号の振幅レベルが予め定められたレベル以上になるまで保持する機能を有している。なお、第２発振部２１は、本発明の第２発振手段の一例である。
【００５３】
位相調整部２２は、第２発振部２１から出力された第２発振信号の位相を調整するものであり、位相指令値に対応する外部からの指令信号θｏｓによって、位相を調整する機能を有する。なお、位相調整部２２は、本発明の位相調整手段の一例である。
【００５４】
変調指数調整部２３は、第２発振部２１から出力された第２発振信号の変調指数を調整するものであり、変調指数指令値に対応する外部からの指令信号Ｇによって、変調指数を調整する機能を有する。なお、変調指数調整部２３は、本発明の変調指数調整手段の一例である。
【００５５】
なお、この実施形態では、位相調整部２２の後に変調指数調整部２３を設けているが、この順番を逆にしてもよい。また、本明細書では、位相調整部２２と変調指数調整部２３との順番に関わらず、位相調整部２２で調整する対象となる信号は、第２発振部２１から出力された第２発振信号であり、変調指数調整部２３で調整する対象となる信号は、第２発振部２１から出力された第２発振信号であるとしている。例えば、位相調整部２２の後に変調指数調整部２３を設けている場合、変調指数調整部２３で変調指数を調整する発振信号は、厳密には、位相調整部２２から出力された発振信号であるが、便宜上、第２発振信号の位相を調整するという表現を用いる。
【００５６】
変調部２４は、第１発振信号を位相及び変調指数が調整された第２発振信号で周波数変調した被変調信号Ｖｆｍ１を出力するものである。この被変調信号Ｖｆｍ１は式（１）で表すことができる。
ＶＳｆ１＝Ａ・ｃｏｓ（ω1t＋Ｇ・ｓｉｎ（ω2t＋θos）） ・・・（１）
ただし、「ω1t」は、第１発振信号の角周波数ω1を時間ｔ倍したものであり、「ｗ2t」は、第２発振信号の角周波数ω2を時間ｔ倍したものであり、「Ａ」は、第１発振信号の振幅レベルで定まる定数であり、「θos」は、位相調整部２２で位相を調整する際に用いられる位相オフセットであり、「Ｇ」は、変調指数調整部２３で変調指数を調整する際に用いられるゲインである。なお、変調部２４は、本発明の変調手段の一例である。
【００５７】
すなわち、変調部２４の出力の振幅は、第１発振信号の振幅レベルを有するが、発振周波数は、第１発振信号の周波数ではなく、第２発振信号の周波数で変調されているので変動する。この被変調信号Ｖｆｍが、前述したように、出力電力制御部１８で出力レベルが制御されて増幅部１２に入力される。
【００５８】
次に、この高周波電源装置を用いた動作を説明する。
図２は、位相調整部２２において、位相を変化させたときの反射波電力を示すシミュレーションである。なお、変調指数を１としている。この図から、位相を調整することによって、反射波電力が低減できることが分かる。この例の場合、位相を１００度にしたときに、反射波電力が約２０［Ｗ］となって最小となる。また、位相を２８０度にしたときに、反射波電力が約２５９０［Ｗ］となって最大となる。図１０で示したシミュレーションの場合は、反射波電力が約９５０［Ｗ］であったので、位相の調整によって、大幅に反射波電力が低減できる。
【００５９】
この反射波電力が最小となる位相（１００度）と、最大となる位相（０度）とで、進行波、反射波の状態を見ると、図３、図４のようになる。
【００６０】
図３は、図２で反射波電力が最小となる位相（１００度）の場合における出力周波数の高い高周波電源装置側の出力端で検出する進行波と反射波とをシミュレーションした一例である。
図４は、図２で反射波電力が最大となる位相（０度）の場合における出力周波数の高い高周波電源装置側の出力端で検出する進行波と反射波とをシミュレーションした一例である。
【００６１】
なお、図３、図４ともに、図１０と同様に、高周波電源装置から出力する進行波電力の設定値は、３０００［Ｗ］である。また、この図３、図４ともに、図（ａ）は、高周波電源装置の出力端における進行波電圧を示すものであり、図（ｂ）は、高周波電源装置の出力端における反射波電圧を示すものであり、図（ｃ）は、図（ａ）で示した進行波電圧の周波数成分の内、第１周波数付近のものを示したものであり、図（ｄ）は、図（ｂ）で示した反射波電圧の周波数成分の内、第１周波数付近のものを示したものである。
【００６２】
このように、第２発振信号の位相を調整し、この第２発振信号で第１発振信号を周波数変調した場合、図３、図４の図（ｃ）に示すように、進行波には、第２発振信号の周波数成分がスプリアスとして乗ってくる。そのために、図（ｂ）、図（ｄ）に示すように、反射波の状態が変化する。このとき、図３に示すように、反射波を打ち消すように位相を調整できると、反射波のレベルを低減させることができる。
【００６３】
図５は、変調指数調整部２３において、変調指数を変化させたときの反射波電力を示すシミュレーションである。なお、位相＝１００度とし、変調指数＝０〜２としている。この図から、変調指数を調整することによって、反射波電力が低減できることが分かる。この例の場合、変調指数を１にしたときに、反射波電力が約１６［Ｗ］となって最小となる。また、変調指数を２にしたときに、反射波電力が１０３３［Ｗ］となって最大となる。図１０で示したシミュレーションの場合は、反射波電力が約９５０［Ｗ］であったので、変調指数の調整によっても、大幅に反射波電力が低減できる。
【００６４】
このように、位相、変調指数の調整によって、反射波電力を低減させることができる。なお、図２、図５では、位相または変調指数のどちらかを調整する例を示したが、双方を組み合わせて調整してもよい。
【００６５】
そこで、本実施形態では、２ＭＨｚ発振部の後段に位相調整部２２と変調指数調整部２３とを設けて、２ＭＨｚ発振部から出力された発振信号の位相と変調指数とを調整できるように構成している。これによって、他の高周波電源装置の影響によって反射波が生じた場合であっても、反射波のレベルを低減することができるので、高周波電源装置内の増幅素子を反射波から保護できるようになる。
【００６６】
なお、本実施形態では、第２周波数フィルタ２０によって、方向性結合器１４から出力する進行波電圧信号Ｖｆに含まれる第２周波数の周波数成分を取り出し、取り出した第２進行波電圧信号Ｖｆ２を第２発振部２１に入力していた。これによって、他の高周波電源装置の出力周波数と同期させた発振信号を被変調信号とすることができるので、発振周波数の調整をしなくてもよいという利点がある。
【００６７】
しかし、これに限定されるものではなく、例えば、予め定められた第２周波数で発振する発振器を備えた構成の第２発振部２１にしてもよい。この場合、他の高周波電源装置の出力周波数と第２発振信号の周波数とを同期させることはできないが、その分、フィルタや保持する回路が不要にできる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１は、本発明に係る高周波電源装置１の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、位相調整部２２において、位相を変化させたときの反射波電力を示すシミュレーションである。
【図３】図３は、図２で反射波電力が最小となる位相（１００度）の場合における出力周波数の高い高周波電源装置側の出力端で検出する進行波と反射波とをシミュレーションした一例である。
【図４】図４は、図２で反射波電力が最大となる位相（０度）の場合における出力周波数の高い高周波電源装置側の出力端で検出する進行波と反射波とをシミュレーションした一例である。
【図５】図５は、変調指数調整部２３において、変調指数を変化させたときの反射波電力を示すシミュレーションである。
【図６】図６は、異なる周波数の高周波電力を用いるプラズマ処理システムの接続関係を示すブロック図である。
【図７】図７は、一般的な高周波電源装置の構成例を示すブロック図である。
【図８】図８は、負荷５のチャンバー内にプラズマが生じたときのイメージ図である。
【図９】図９は、チャンバー内にプラズマが生じたときの負荷５の電気的等価回路である。
【図１０】図１０は、出力周波数の異なる２つの高周波電源装置が、１つの負荷５に高周波電力を供給した場合に、出力周波数の高い第１の高周波電源装置５０側の出力端で検出する進行波と反射波とをシミュレーションした一例である。
【符号の説明】
【００６９】
１ 本発明に係る高周波電源装置
２ 伝送線路２
３ 第１の整合器
４ 負荷接続部
５ 負荷５
６ 第２の高周波電源装置
７ 伝送線路２
８ 第１の整合器
９ 負荷接続部
１１ 直流電源部
１２ 増幅部
１３ フィルタ部
１４ 方向性結合器
１５ 進行波電力演算部
１６ 反射波電力演算部
１７ 出力電力設定部
１８ 出力電力制御部
１９ 第１発振部
２０ 第２周波数フィルタ
２１ 第２発振部
２２ 位相調整部
２３ 変調指数調整部
２４ 変調部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電力の供給源となる高周波出力手段を備え、負荷にプラズマ発生用の高周波電力を供給する高周波電源装置において、
高周波電源装置の出力端における進行波電圧および反射波電圧を検出して、進行波電圧に対応する進行波信号および反射波電圧に対応する反射波信号を出力する高周波検出手段と、
予め定められた第１周波数で発振させた信号を第１発振信号として出力する第１発振手段と、
予め定められた第２周波数帯域内の周波数で発振させた信号を第２発振信号として出力する第２発振手段と、
前記高周波検出手段から出力された反射波信号に基づいて反射波電力値を演算する反射波電力演算手段と、
前記第２発振手段から出力された第２発振信号の位相を調整する位相調整手段と、
前記第２発振手段から出力された第２発振信号の変調指数を調整する変調指数調整手段と、
前記第１発振信号を位相及び変調指数が調整された前記第２発振信号で周波数変調した被変調信号を出力する変調手段と、
前記変調手段から出力する被変調信号または被変調信号の出力レベルを制御した信号を増幅して出力する高周波出力手段と、
を備えたことを特徴とする高周波電源装置。
【請求項２】
前記位相調整手段が、手動により前記第２発振信号の位相を調整する操作部を備え、前記変調指数調整手段が、手動により前記第２発振信号の変調指数を調整する操作部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の高周波電源装置。
【請求項３】
前記第２発振手段は、
前記高周波検出手段から出力された進行波信号のうち予め定められた第２周波数帯域の成分を入力信号とする電圧制御型発振部を備えたことを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の高周波電源装置。
【請求項４】
前記電圧制御型発振部は、入力信号の状態を保持する機能を有し、入力信号の振幅レベルが予め定められたレベル未満になると、その状態を入力信号の振幅レベルが予め定められたレベル以上になるまで保持する機能を有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。
【請求項５】
前記第２発振手段は、予め定められた第２周波数で発振する発振器を備えたことを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の高周波電源装置。
【請求項１】
高周波電力の供給源となる高周波出力手段を備え、負荷にプラズマ発生用の高周波電力を供給する高周波電源装置において、
高周波電源装置の出力端における進行波電圧および反射波電圧を検出して、進行波電圧に対応する進行波信号および反射波電圧に対応する反射波信号を出力する高周波検出手段と、
予め定められた第１周波数で発振させた信号を第１発振信号として出力する第１発振手段と、
予め定められた第２周波数帯域内の周波数で発振させた信号を第２発振信号として出力する第２発振手段と、
前記高周波検出手段から出力された反射波信号に基づいて反射波電力値を演算する反射波電力演算手段と、
前記第２発振手段から出力された第２発振信号の位相を調整する位相調整手段と、
前記第２発振手段から出力された第２発振信号の変調指数を調整する変調指数調整手段と、
前記第１発振信号を位相及び変調指数が調整された前記第２発振信号で周波数変調した被変調信号を出力する変調手段と、
前記変調手段から出力する被変調信号または被変調信号の出力レベルを制御した信号を増幅して出力する高周波出力手段と、
を備えたことを特徴とする高周波電源装置。
【請求項２】
前記位相調整手段が、手動により前記第２発振信号の位相を調整する操作部を備え、前記変調指数調整手段が、手動により前記第２発振信号の変調指数を調整する操作部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の高周波電源装置。
【請求項３】
前記第２発振手段は、
前記高周波検出手段から出力された進行波信号のうち予め定められた第２周波数帯域の成分を入力信号とする電圧制御型発振部を備えたことを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の高周波電源装置。
【請求項４】
前記電圧制御型発振部は、入力信号の状態を保持する機能を有し、入力信号の振幅レベルが予め定められたレベル未満になると、その状態を入力信号の振幅レベルが予め定められたレベル以上になるまで保持する機能を有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。
【請求項５】
前記第２発振手段は、予め定められた第２周波数で発振する発振器を備えたことを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の高周波電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−１０３１０２（Ｐ２００７−１０３１０２Ａ）
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２８９４３７（Ｐ２００５−２８９４３７）
【出願日】平成１７年９月３０日（２００５．９．３０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月３０日（２００５．９．３０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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