高周波電源装置
【課題】 高周波電源装置において、増幅部における直流電力から高周波電力への変換効率を高めると、出力電力設定値と直流電源電圧Ｖｄｃの出力レベルとの関係を予め求める作業が必要であった。
【解決手段】 発振部１３から出力される発振信号を増幅して高周波電力を出力する増幅部１４と、出力レベルが可変可能である直流電力を出力する直流電源部１９と、増幅部から出力する高周波電力を測定して高周波電力測定値を出力する出力電力測定部１６と、増幅部１４に供給される直流電力を測定して直流電力測定値を出力する直流電力測定部２０と、高周波電力測定値が出力電力設定値に等しくなるように制御する出力電力制御部１２と、高周波電力測定値／直流電力測定値が予め定められた効率設定値に等しくなるように直流電源部１９から出力する直流電力を制御する直流電源制御部１８とを備えた。
【解決手段】 発振部１３から出力される発振信号を増幅して高周波電力を出力する増幅部１４と、出力レベルが可変可能である直流電力を出力する直流電源部１９と、増幅部から出力する高周波電力を測定して高周波電力測定値を出力する出力電力測定部１６と、増幅部１４に供給される直流電力を測定して直流電力測定値を出力する直流電力測定部２０と、高周波電力測定値が出力電力設定値に等しくなるように制御する出力電力制御部１２と、高周波電力測定値／直流電力測定値が予め定められた効率設定値に等しくなるように直流電源部１９から出力する直流電力を制御する直流電源制御部１８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】
従来、高周波電源装置では、例えば特許文献１に記載のものが提案されている。図９は、特許文献１に記載された従来技術の高周波電源装置５０の構成図である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１９７７４９号公報
【０００４】
この高周波電源装置５０は、高周波電力の出力電力値を設定するための出力電力設定部５１、後述する出力電力制御部５２から出力される制御信号に応じて発振信号の出力レベルを可変させる発振部５３、発振部５３から出力される発振信号を増幅して高周波電力を出力する増幅部５４と、増幅部５４から出力された高周波電力を測定する出力電力測定部５５、及び出力電力設定部５１によって設定された出力電力設定値と出力電力測定部５５による測定値とを比較して両者の誤差情報を発振部５３に与えることにより高周波電力が一定になるように制御する出力電力制御部５２を備えている。
【０００５】
また、この高周波電源装置は、後述する直流電源制御部５７の指令値に応じた出力レベルの直流電力を増幅部５４に供給する直流電源部５８と、直流電源部５８から増幅部５４に供給する直流電力の電圧値Ｖｄｃ（以下、直流電源電圧Ｖｄｃという）を測定して直流電圧測定値Ｖｄｃ（便宜上、直流電源電圧Ｖｄｃと同一符号を用いる）として出力する直流電圧測定部５９と、増幅部５４の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形を歪ませることなく、且つ出力電圧波形の振幅が最大となるように、予め定められた特性グラフ又は特性関数等に基づいて、出力電力設定部５１において設定された出力電力設定値に対する直流電源電圧Ｖｄｃの設定値Ｖｓｅｔ（以下、直流電圧設定値Ｖｓｅｔという）を演算する直流電圧演算部５６と、直流電圧測定部５９から出力される直流電圧測定値Ｖｄｃが演算部５６から出力される直流電圧設定値Ｖｓｅｔに等しくなるように直流電源部５８を制御するための制御信号を出力する直流電源制御部５７とを備えている。
なお、増幅部５４の一部を構成する増幅素子の出力は、通常、増幅素子の後段にあるトランスを介して出力される。
【０００６】
上記構成によれば、負荷に供給する高周波電力の電力値が出力電力設定値と等しくなるように制御されつつ、増幅部５４から出力される高周波電力の電圧成分（以下、高周波電圧という）の波形に波形歪が生じない範囲で、増幅部５４における損失を低減させて直流電力から高周波電力への変換効率を高めることができる。
【０００７】
上記技術内容を図１０を参照して説明する。
図１０は、従来技術の高周波電源装置５０を使用したときの直流電源電圧Ｖｄｃおよび増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１を示す図であって、同図（ａ）は、増幅部５４から出力される高周波電力値が小レベルの場合、同図（ｂ）は、増幅部５４から出力される高周波電力値が中レベルの場合、同図（ｃ）は、増幅部５４から出力される高周波電力値が大レベルの場合の一例を示したものである。なお、図１０では増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の正の半波波形を直流電源電圧Ｖｄｃのラインから負側に折り返し、その折り返し波形が破線で示されている。
【０００８】
この図１０に示すように、従来技術では、増幅部５４から出力される高周波電力値の大きさに合わせて、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅を変化させるとともに、直流電源電圧Ｖｄｃの大きさを増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅の略０．５倍とすることで、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の最小値が略０Ｖになるようにしている。そのために、Ｖｄｓ１に波形歪を生じさせることなく、且つ増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅を最大にすることができる。
また、前述したように、増幅部５４の一部を構成する増幅素子の出力は、通常、増幅素子の後段にあるトランスを介して出力されるため、増幅部５４の出力電圧としては、直流電源電圧Ｖｄｃの成分がなくなって、０Ｖを中心とした波形歪のない交流波形となる。
【０００９】
なお、図中のハッチング部分は損失の度合いを示しており、この部分が小さい程、増幅部での損失電力が少なく変換効率が高いことを示す。図１０は、直流電源電圧Ｖｄｃの波形図であるために、図中のハッチング部分が損失電力を直接示すものではないが、ハッチング部分が多いほど、損失電力が多いことを示す。すなわち、増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形に波形歪が生じない範囲では、直流電源電圧Ｖｄｃの大きさを増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅の略０．５倍とした場合に、変換効率が最も高くなる。
【００１０】
また、従来技術の高周波電源装置では、直流電源部５８から増幅部５４に供給する直流電力に対する増幅部５４から出力された高周波電力の割合（＝高周波電力／直流電力）で表される変換効率は、増幅部５４がプッシュプル方式の増幅回路構成である場合、約７８％でほぼ一定である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記従来技術の高周波電源装置は、変換効率を高めることによって省エネルギー化を図ったものであるが、地球の温暖化防止等の理由から、近年、さらなる省エネルギー化が求められるようになってきた。
【００１２】
また、従来技術の高周波電源装置では、特定の変換効率にするために、出力電力設定値に対する直流電力供給手段の出力レベルの関係を予め求める作業が必要であった。しかし、この作業は、個々の高周波電源装置毎に行う必要があるので、膨大な作業量が必要であった。
【００１３】
本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、負荷に供給する高周波電力の電力値が出力電力設定値と等しくなるように制御しつつ、増幅部における直流電力から高周波電力への変換効率がさらに向上可能となる高周波電源装置を提供するとともに、出力電力設定値と直流電力供給手段の出力レベルとの関係を予め求める作業をなくして、従来技術の高周波電源装置よりも使い勝手のよい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】
【００１４】
第１の発明によって提供される高周波電源装置は、
負荷に供給する高周波電力の電力値が出力電力設定値と等しくなるように制御する高周波電源装置において、
発振信号の出力レベルが可変可能である発振手段と、
前記発振手段から出力される発振信号を増幅した高周波電力を出力する増幅手段と、
出力レベルが可変可能である直流電力を前記増幅手段に供給する直流電力供給手段と、
高周波電源装置の出力端における高周波電力の電力値を測定し、測定した高周波電力測定値を出力する高周波電力測定手段と、
前記増幅手段に供給される直流電力の電力値を測定し、測定した直流電力測定値を出力する直流電力測定手段と、
前記高周波電力測定値が前記出力電力設定値に等しくなるように発振手段の出力レベルを制御する第１制御手段と、
前記高周波電力測定値を前記直流電力測定値で除した演算値（＝高周波電力測定値／直流電力測定値）が予め定められた効率設定値に等しくなるように直流電力供給手段から増幅手段に供給する直流電力を制御する第２制御手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００１５】
第２の発明によって提供される高周波電源装置は、
増幅手段と電力検出手段の間に、高調波を除去するフィルタ手段をさらに設けたことを特徴としている。
【００１６】
第３の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記直流電力供給手段は、出力電圧を可変させることによって、直流電力の出力レベルを可変させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明によれば、負荷に供給する高周波電力の電力値が出力電力設定値と等しくなるように制御しつつ、増幅部における直流電力から高周波電力への変換効率が一定になるように制御することができる。なお、変換効率とは、前記高周波電力測定値を前記直流電力測定値で除した演算値（＝高周波電力測定値／直流電力測定値）のことである。この変換効率が予め定められた効率設定値に等しくなるように直流電力供給手段から増幅手段に供給する直流電力を制御するために、従来技術のように、増幅手段の一部を構成する増幅素子の出力電圧が飽和しない範囲で振幅が最大となるように制御を行うという制限がない。そのために、従来技術の高周波電源装置よりも増幅部における変換効率を高めることができる。
【００１８】
また、本発明では、発振手段の出力レベル及び直流電力供給手段の出力レベルが、出力電力設定値と効率設定値との関係に基づいて自動的に定まる。すなわち、出力電力設定値に対して最適な直流電力供給手段の出力レベルが自動的に定まる。そのために、従来技術のように、出力電力設定値に対する直流電力供給手段の出力レベルの関係を予め求めておく必要がない。
【００１９】
したがって、増幅部における変換効率を従来技術と同程度にして、本発明の高周波電源装置を用いる場合であっても、出力電力設定値と直流電力供給手段の出力レベルとの関係を予め求めておく必要がない分、作業工数を低減できる。もちろん、それよりも低い変換効率から高い変換効率まで、直流電力供給手段の出力レベルが自動的に定まるので、従来技術の高周波電源装置よりも使い勝手のよい高周波電源装置とすることができる。
【００２０】
第２の発明によれば、フィルタ手段を設けることにより、増幅手段から出力される高周波電力に含まれる高調波成分を減衰させるとともに、高周波電力の波形歪を改善させることができる。特に、増幅手段における変換効率を従来技術の高周波電源装置の変換効率よりも高める場合は、直流電力供給手段から増幅手段に供給する直流電力の出力レベルを低くして、増幅手段の一部を構成する増幅素子の動作領域を飽和領域にまで拡大して、増幅素子の出力電圧を飽和させる必要があるので、変換効率を高めるほど高周波電力の出力波形に歪が生じる。波形歪が生じて高調波成分が多くなると、負荷におけるプロセスに悪影響が生じたり、高周波電源装置の負荷側に接続されるインピーダンス整合器の動作に悪影響が生じて、半導体ウエハや液晶基板といった製品に不具合が生じる場合があるので、フィルタ手段を用いる効果は大きい。なお、波形歪の度合いが小さく高調波成分が少ない場合は、フィルタ手段を設けない構成でも、製品に不具合が生じない場合がある。そのような場合は、製造コストを低減させることを目的として、フィルタ手段を設けない構成にすることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る高周波電源装置が適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。この高周波電力供給システムは、半導体ウエハや液晶基板等の被加工物に対して高周波電力を供給して、例えばプラズマエッチングといった加工処理を行うものである。この高周波電力供給システムは、高周波電源装置１、伝送線路２、インピーダンス整合器３、負荷接続部４及び負荷５で構成されている。なお、インピーダンス整合器３を用いない構成にしてもよい。
【００２３】
高周波電源装置１は、後述する発振部１３から出力される高周波信号を電力増幅器１４を用いて増幅させ、発生した高周波電力を出力して負荷５に供給するための装置である。なお、高周波電源装置１から出力された高周波電力は、同軸ケーブルからなる伝送線路２及びインピーダンス整合器３及び遮蔽された銅板からなる負荷接続部４を介して負荷５に供給される。また、一般にこの種の高周波電源装置１では、数百ｋＨｚ以上の周波数の高周波電力を出力している。
【００２４】
インピーダンス整合器３は、高周波電源装置１と負荷５とのインピーダンスを整合させるものである。より具体的には、例えば高周波電源装置１の出力端から高周波電源装置１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１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の入力端から負荷５側を見たインピーダンスを５０Ωに変換させるものである。
【００２５】
負荷５は、加工部を備え、その加工部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、加工部にプラズマ放電用ガスを導入し、そのプラズマ放電用ガスに高周波電源装置５０から供給された高周波電力（電圧）を印加することによって、上記のプラズマ放電用ガスを放電させて非プラズマ状態からプラズマ状態にしている。そして、プラズマを利用して被加工物を加工している。
【００２６】
図２は、本発明の第１実施形態に係る高周波電源装置１の構成を示す図である。高周波電源装置１は、図２に示すように、出力電力設定部１１と、出力電力制御部１２と、発振部１３と、増幅部１４と、フィルタ部１５、出力電力測定部１６と、効率設定部１７と、直流電源制御部１８と、直流電源部１９と、直流電力測定部２０とを備えている。
【００２７】
出力電力設定部１１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２では省略しているが、出力電力設定部１１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１１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１２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。
【００２８】
出力電力制御部１２は、出力電力設定部１１において設定された高周波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔと、出力電力測定部１６において測定された高周波電力測定値Ｐｏｕｔとを比較し、両者が等しくなるように、発振部１３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１２は、発振部１３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、出力電力制御部１２は、本発明の第１制御手段の一例である。
【００２９】
発振部１３は、増幅部１４に対して交流の発振信号Ｖｉｎを出力するものであり、出力電力制御部１２からの制御信号によってその発振信号Ｖｉｎの出力レベルが制御される。なお、高周波電源装置１の出力周波数は、発振部１３の発振周波数によって定まる。また、発振部１３は、本発明の発振手段の一例である。
【００３０】
増幅部１４は、発振部１３から出力される発振信号Ｖｉｎを増幅して高周波電力を出力するためのものである。増幅部１４において増幅された高周波電力は、出力電力測定部１６を介して負荷に供給される。増幅部１４の回路構成については、後述する。なお、増幅部１４は、本発明の増幅手段の一例である。
【００３１】
フィルタ部１５は、増幅部１４の出力に含まれる高調波を除去するためのフィルタである。図３は、フィルタ部１５の回路構成例である。この図３に示すように、フィルタ部１５は、インダクタＬ１〜Ｌ２、コンデンサＣ３〜Ｃ５を用いたローパスフィルタとして構成される。そして、発振部１３の発振信号Ｖｉｎの周波数によって定まる増幅部１４の基本出力周波数の高周波は通過させるが、基本出力周波数よりも周波数が高い高調波は除去するように回路定数を定める。なお、フィルタ部１５は、本発明のフィルタ手段の一例である。
【００３２】
出力電力測定部１６は、高周波電源装置１の出力端において、増幅部１４から出力される高周波電力の電力値を測定するものであり、例えば、方向性結合器等および方向性結合器の出力を電力値に換算するための変換回路によって構成されている。この例の出力電力測定部１６では、増幅部１４から負荷５側に進行する高周波（以下、進行波という）の電力値を測定して、進行波電力に対応する第１の高周波電力測定値Ｐｏｕｔとして出力する。なお、出力電力測定部１６は、本発明の高周波電力測定手段の一例である。
【００３３】
出力電力測定部１６において測定された第１の高周波電力測定値Ｐｏｕｔは、出力電力制御部１２に対して出力され、出力電力制御部１２において、上述したように第１の高周波電力測定値Ｐｏｕｔと出力電力設定値Ｐｓｅｔとが比較され、両者が等しくなるように発振部１３に対して制御信号を出力する。これにより、増幅部１４の出力が一定になるように制御することができる。
【００３４】
なお、第１の高周波電力測定値Ｐｏｕｔとともに、進行波電力から反射波電力を減じた負荷側電力に対応した第２の高周波電力測定値Ｐｏｕｔ２を測定して、この第２の高周波電力測定値Ｐｏｕｔ２を出力電力制御部１２に対して出力してもよい。この場合、出力電力制御部１２は、第２の高周波電力測定値Ｐｏｕｔ２と出力電力設定値Ｐｓｅｔとを比較して、両者が等しくなるように発振部１３に対して制御信号を出力する。ただし、この場合も、後述する直流電源制御部１８に対しては、第２の高周波電力測定値Ｐｏｕｔ２ではなく、第１の高周波電力測定値Ｐｏｕｔが出力される。
【００３５】
以降の説明では、第１の高周波電力測定値Ｐｏｕｔを出力電力制御部１２に対して出力するものとして説明をする。
【００３６】
直流電源部１９は、後述する直流電源制御部１８の制御信号に基づいて出力レベルを可変させた直流電力を出力して、直流電力測定部２０を介して増幅部１４に直流電力を供給する。なお、直流電源部１９は、本発明の直流電力供給手段の一例である。
【００３７】
直流電力測定部２０は、増幅部１４に供給される直流電力の電力値を測定し、測定した直流電力測定値Ｐｄｃを後述する直流電源制御部１８に対して出力する。なお、直流電力測定部２０は、本発明の直流電力測定手段の一例である。
【００３８】
直流電源制御部１８は、効率設定部１７で設定された効率設定値Ｅｓｅｔと出力電力測定部１６から出力される高周波電力測定値Ｐｏｕｔと直流電力測定部２０から出力される直流電力測定値Ｐｄｃとを入力し、高周波電力測定値Ｐｏｕｔを直流電力測定値Ｐｄｃで除した演算値（＝高周波電力測定値Ｐｏｕｔ／直流電力測定値Ｐｄｃ）が効率設定値Ｅｓｅｔに等しくなるように直流電源部１９の出力を制御するための制御信号を出力する。これにより、直流電源部１９は、増幅部１４における直流電力から高周波電力への変換効率を一定に制御することができる。なお、直流電源制御部１８は、本発明の第２制御手段の一例である。
【００３９】
ここで、増幅部１４の回路を参照しながら、本発明の動作を説明する。
図４は、増幅部１４の一例であるＦＥＴを用いたプッシュプル方式の増幅回路構成及び増幅部１４と発振部１３等との接続関係を示す図である。
図４に示した増幅部１４は、いわゆるプッシュプル回路として構成され、２次巻線側が一方巻線Ｔ１２ａ及び他方巻線Ｔ１２ｂで分巻された第１トランスＴ１と、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなる第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２と、１次巻線側が一方巻線Ｔ２１ａ及び他方巻線Ｔ２２ｂで分巻された第２トランスＴ２と、抵抗Ｒ１〜Ｒ４、コンデンサＣ１，Ｃ２、及び直流電圧源Ｖｂからなる駆動電圧供給回路とを有している。なお、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２は、ＦＥＴに代えてバイポーラトランジスタ等によって構成されていてもよい。
【００４０】
プッシュプル回路については公知であるため、その動作を簡単に説明する。
【００４１】
第１トランスＴ１の１次巻線Ｔ１１側に発振部１３から出力される発振信号Ｖｉｎ（交流電圧）が入力されると、第１トランスＴ１の２次巻線側では、一方巻線Ｔ１２ａ及び他方巻線Ｔ１２ｂにおいて互いに逆相の電圧が生じる。これらの電圧により、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２は、半周期ごとに交互にオン、オフし、これらオン、オフ動作が繰り返される。
【００４２】
第２トランスＴ２の１次巻線側の一方巻線Ｔ２１ａと他方巻線Ｔ２１ｂとの間には、直流電源部１９で生成される直流電源電圧Ｖｄｃが供給されるため、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２の出力電圧（ドレイン、ソース間電圧）は、この直流電源電圧Ｖｄｃをその振幅波形の中心とした電圧として第２トランスＴ２の１次巻線側に誘起する（後述する図７（ｂ）に示す電圧Ｖｄｓ１参照）。
【００４３】
第２トランスＴ２の２次巻線側には、高周波電力に相当する交流電力が誘起する。この高周波電力は、フィルタ部１５、出力電力測定部１６を介して負荷に供給される。この際、フィルタ部１５によって、高調波が除去されて、波形歪が改善される（後述する図７（ａ）に示す電圧Ｖｏｕｔ参照）。
【００４４】
図５は、複数の増幅回路を用いて増幅部を構成する一例である。
図４では、一組の増幅器により増幅部を構成するとしたが、図５に示すように、増幅部を複数の増幅器により構成する場合もある。
【００４５】
この例では、図示しない直流電源部１９の直流電源電圧Ｖｄｃを電源電圧として動作する複数の増幅器１４ａ１〜１４ａ４と、図示しない発振部１３から与えられる高周波信号Ｖｉｎを増幅器１４ａ１〜１４ａ４に分配して入力するパワー分配器１４ｂと、増幅器１４ａ１〜１４ａ４の出力を合成して負荷５に与えるパワー合成器１４ｃとにより増幅部１４が構成されている。
【００４６】
なお、この図５では、フィルタ部１５および出力電力測定部１６の図示を省略している。また、パワー合成器１４ｃにインダクタやコンデンサを用いる回路の場合は、パワー合成器１４ｃに高調波を減衰する機能を持たせることが可能であるので、増幅部１４の中にフィルタ部の機能を持たすことができる。
【００４７】
図６は、図４で示した増幅回路を用いた場合の高周波電力測定値Ｐｏｕｔに対する直流電源電圧Ｖｄｃの特性図の一例であり、効率設定値Ｅｓｅｔを８５％とした場合において、高周波電力測定値が変化したときに直流電源電圧Ｖｄｃがどのように変化するのかを示したものである。
【００４８】
上述したように、本発明の高周波電源装置では、出力電力制御部１２が発振部１３から出力する発振信号Ｖｉｎの出力レベルを変化させて、高周波電力測定値Ｐｏｕｔが出力電力設定値Ｐｓｅｔと等しくなるように制御するとともに、直流電源制御部１８によって変換効率（＝高周波電力測定値Ｐｏｕｔ／直流電力測定値Ｐｄｃ）が効率設定値Ｅｓｅｔになるように制御している。そのために、発振部１３の出力レベル及び直流電源電圧Ｖｄｃの出力レベルが、出力電力設定値Ｐｓｅｔと効率設定値Ｅｓｅｔとの関係に基づいて自動的に定まり、その結果、図６に示すような特性図になるのである。
【００４９】
したがって、従来技術のように、出力電力設定値Ｐｓｅｔに対する直流電源電圧Ｖｄｃの特性グラフ又は特性関数等を予め特性を求めておくことなく、自動的に最適な直流電源電圧Ｖｄｃが求まる。そのために、たとえ従来技術と同程度の変換効率で本発明の高周波電源装置を用いる場合であっても、予め特性グラフ又は特性関数等を求めておく必要がないので、作業工数を低減できる。もちろん、それよりも低い変換効率から高い変換効率まで、自動的に最適な直流電源電圧Ｖｄｃが求まるので、従来技術の高周波電源装置よりも使い勝手のよい高周波電源装置となる。
【００５０】
図７は、図４で示した増幅回路を用いた場合の各部のシミュレーション結果である。
シミュレーション条件は、増幅部１３の出力周波数１０ＭＨｚ、変換効率＝８５％、Ｐｏｕｔ＝１１１０Ｗであり、同図（ａ）は、出力電力測定部１６の出力端（図４の点Ｐ２）における電圧Ｖｏｕｔを示し、同図（ｂ）は、増幅回路に直流電力を供給する直流電源部１９の直流電源電圧Ｖｄｃと増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１（図４の点Ｐ１における電圧Ｖｄｓ１）を示し、同図（ｃ）は、出力電力測定部１６の出力端（図４の点Ｐ２）における電力Ｐｏｕｔと直流電力測定部２０で測定する直流電力測定値Ｐｄｃを示し、同図（ｄ）は、Ｐｏｕｔ／Ｐｄｃの演算値を示す。
【００５１】
効率設定値Ｅｓｅｔを８５％に設定すると、図６で説明したように、発振部１３から出力する発振信号Ｖｉｎの出力レベル及び直流電源電圧Ｖｄｃの出力レベルが、出力電力設定値Ｐｓｅｔと効率設定値Ｅｓｅｔとの関係に基づいて自動的に定まり、同図（ｃ）及び同図（ｄ）に示すように、（Ｐｏｕｔ／Ｐｄｃ）＊１００で表される変換効率が８５％になるように制御される。
【００５２】
このように、従来技術で最高変換効率であった約７８％を上回る変換効率にする場合は、増幅部１４の一部を構成する増幅素子（例えばＦＥＴ）が飽和領域で使用することになるため、同図（ｂ）に示すように、図４の点Ｐ１における増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形を正弦波状にすることができず、波形の上側と下側がカットされた状態となって波形歪が生じる。そのために、増幅部１４の出力電圧にも歪みが生じて高調波が多く含まれることになるが、増幅部１４の後段にフィルタ部１５が設けられているため、同図（ａ）に示すように、波形が改善されて略正弦波状の出力波形にすることができる。また、変換効率を８５％に設定した場合、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形が正弦波状ではなくなるが、損失が少なくなる。すなわち、従来技術の高周波電源装置に比べて変換効率を向上させることができる。
【００５３】
［第２施形態］
図８は、本発明の第２実施形態に係る高周波電源装置１ａが適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。
この図８は、図２で示した構成からフィルタ部を取り除いた構成であり、他の構成は図２と同じであるため、各構成部分についての説明は省略する。
【００５４】
第１実施形態で説明したように、変換効率を高く設定すると、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１が飽和するようになる。この状態では増幅部１４の出力波形に波形歪が生じるので、フィルタ部１５を用いて波形改善を行う必要が生じる。しかし、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１が飽和しない範囲で使用する場合は、増幅部１４の出力波形に波形歪が生じないので、波形改善のためにフィルタ部１５を用いる必要がなくなる。
具体的には、従来技術で説明したように、変換効率が約７８％以下の場合には、波形歪が生じないので、フィルタ部１５を用いない構成にすることが可能である。
しかし、変換効率が約７８％以下であっても、増幅部１４で発生する高調波（主にＦＥＴのスイッチングによって生じる）の影響が大きい場合には、高調波を除去する目的でフィルタ部１５を用いる必要がある。
【００５５】
もちろん、この発明の範囲は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、第１及び第２実施形態では、増幅部を構成する回路としてプッシュプル回路を用いたが、フルブリッジ方式の増幅回路やハーフブリッジ方式の増幅回路にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、本発明に係る高周波電源装置が適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態に係る高周波電源装置１の構成を示す図である。
【図３】図３は、フィルタ部１５の回路構成例である。
【図４】図４は、増幅部１４の一例であるＦＥＴを用いたプッシュプル方式の増幅回路構成及び増幅部１４と発振部１３等との接続関係を示す図である。
【図５】図５は、複数の増幅回路を用いて増幅部を構成する一例である。
【図６】図６は、図４で示した増幅回路を用いた場合の高周波電力測定値Ｐｏｕｔに対する直流電源電圧Ｖｄｃの特性図の一例である。
【図７】図７は、図４で示した増幅回路を用いた場合の各部のシミュレーション結果である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態に係る高周波電源装置１ａが適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。
【図９】図９は、特許文献１に記載された従来技術の高周波電源装置５０の構成図である。
【図１０】図１０は、従来技術の高周波電源装置５０を使用したときの直流電源電圧Ｖｄｃおよび増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 高周波電源装置
２ 伝送線路
３ インピーダンス整合器
４ 負荷接続部
５ 負荷
１１ 出力電力設定部
１２ 出力電力制御部
１３ 発振部
１４ 増幅部
１５ フィルタ部
１６ 出力電力測定部
１７ 効率設定部
１８ 直流電源制御部
１９ 直流電源部
２０ 直流電力測定部
Ｅｓｅｔ 効率設定値
Ｐｄｃ 直流電力測定値
Ｐｏｕｔ 高周波電力測定値
Ｐｓｅｔ 出力電力設定値
Ｖｉｎ 発振部１３の発振信号
【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】
従来、高周波電源装置では、例えば特許文献１に記載のものが提案されている。図９は、特許文献１に記載された従来技術の高周波電源装置５０の構成図である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１９７７４９号公報
【０００４】
この高周波電源装置５０は、高周波電力の出力電力値を設定するための出力電力設定部５１、後述する出力電力制御部５２から出力される制御信号に応じて発振信号の出力レベルを可変させる発振部５３、発振部５３から出力される発振信号を増幅して高周波電力を出力する増幅部５４と、増幅部５４から出力された高周波電力を測定する出力電力測定部５５、及び出力電力設定部５１によって設定された出力電力設定値と出力電力測定部５５による測定値とを比較して両者の誤差情報を発振部５３に与えることにより高周波電力が一定になるように制御する出力電力制御部５２を備えている。
【０００５】
また、この高周波電源装置は、後述する直流電源制御部５７の指令値に応じた出力レベルの直流電力を増幅部５４に供給する直流電源部５８と、直流電源部５８から増幅部５４に供給する直流電力の電圧値Ｖｄｃ（以下、直流電源電圧Ｖｄｃという）を測定して直流電圧測定値Ｖｄｃ（便宜上、直流電源電圧Ｖｄｃと同一符号を用いる）として出力する直流電圧測定部５９と、増幅部５４の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形を歪ませることなく、且つ出力電圧波形の振幅が最大となるように、予め定められた特性グラフ又は特性関数等に基づいて、出力電力設定部５１において設定された出力電力設定値に対する直流電源電圧Ｖｄｃの設定値Ｖｓｅｔ（以下、直流電圧設定値Ｖｓｅｔという）を演算する直流電圧演算部５６と、直流電圧測定部５９から出力される直流電圧測定値Ｖｄｃが演算部５６から出力される直流電圧設定値Ｖｓｅｔに等しくなるように直流電源部５８を制御するための制御信号を出力する直流電源制御部５７とを備えている。
なお、増幅部５４の一部を構成する増幅素子の出力は、通常、増幅素子の後段にあるトランスを介して出力される。
【０００６】
上記構成によれば、負荷に供給する高周波電力の電力値が出力電力設定値と等しくなるように制御されつつ、増幅部５４から出力される高周波電力の電圧成分（以下、高周波電圧という）の波形に波形歪が生じない範囲で、増幅部５４における損失を低減させて直流電力から高周波電力への変換効率を高めることができる。
【０００７】
上記技術内容を図１０を参照して説明する。
図１０は、従来技術の高周波電源装置５０を使用したときの直流電源電圧Ｖｄｃおよび増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１を示す図であって、同図（ａ）は、増幅部５４から出力される高周波電力値が小レベルの場合、同図（ｂ）は、増幅部５４から出力される高周波電力値が中レベルの場合、同図（ｃ）は、増幅部５４から出力される高周波電力値が大レベルの場合の一例を示したものである。なお、図１０では増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の正の半波波形を直流電源電圧Ｖｄｃのラインから負側に折り返し、その折り返し波形が破線で示されている。
【０００８】
この図１０に示すように、従来技術では、増幅部５４から出力される高周波電力値の大きさに合わせて、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅を変化させるとともに、直流電源電圧Ｖｄｃの大きさを増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅の略０．５倍とすることで、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の最小値が略０Ｖになるようにしている。そのために、Ｖｄｓ１に波形歪を生じさせることなく、且つ増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅を最大にすることができる。
また、前述したように、増幅部５４の一部を構成する増幅素子の出力は、通常、増幅素子の後段にあるトランスを介して出力されるため、増幅部５４の出力電圧としては、直流電源電圧Ｖｄｃの成分がなくなって、０Ｖを中心とした波形歪のない交流波形となる。
【０００９】
なお、図中のハッチング部分は損失の度合いを示しており、この部分が小さい程、増幅部での損失電力が少なく変換効率が高いことを示す。図１０は、直流電源電圧Ｖｄｃの波形図であるために、図中のハッチング部分が損失電力を直接示すものではないが、ハッチング部分が多いほど、損失電力が多いことを示す。すなわち、増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形に波形歪が生じない範囲では、直流電源電圧Ｖｄｃの大きさを増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の振幅の略０．５倍とした場合に、変換効率が最も高くなる。
【００１０】
また、従来技術の高周波電源装置では、直流電源部５８から増幅部５４に供給する直流電力に対する増幅部５４から出力された高周波電力の割合（＝高周波電力／直流電力）で表される変換効率は、増幅部５４がプッシュプル方式の増幅回路構成である場合、約７８％でほぼ一定である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記従来技術の高周波電源装置は、変換効率を高めることによって省エネルギー化を図ったものであるが、地球の温暖化防止等の理由から、近年、さらなる省エネルギー化が求められるようになってきた。
【００１２】
また、従来技術の高周波電源装置では、特定の変換効率にするために、出力電力設定値に対する直流電力供給手段の出力レベルの関係を予め求める作業が必要であった。しかし、この作業は、個々の高周波電源装置毎に行う必要があるので、膨大な作業量が必要であった。
【００１３】
本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、負荷に供給する高周波電力の電力値が出力電力設定値と等しくなるように制御しつつ、増幅部における直流電力から高周波電力への変換効率がさらに向上可能となる高周波電源装置を提供するとともに、出力電力設定値と直流電力供給手段の出力レベルとの関係を予め求める作業をなくして、従来技術の高周波電源装置よりも使い勝手のよい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】
【００１４】
第１の発明によって提供される高周波電源装置は、
負荷に供給する高周波電力の電力値が出力電力設定値と等しくなるように制御する高周波電源装置において、
発振信号の出力レベルが可変可能である発振手段と、
前記発振手段から出力される発振信号を増幅した高周波電力を出力する増幅手段と、
出力レベルが可変可能である直流電力を前記増幅手段に供給する直流電力供給手段と、
高周波電源装置の出力端における高周波電力の電力値を測定し、測定した高周波電力測定値を出力する高周波電力測定手段と、
前記増幅手段に供給される直流電力の電力値を測定し、測定した直流電力測定値を出力する直流電力測定手段と、
前記高周波電力測定値が前記出力電力設定値に等しくなるように発振手段の出力レベルを制御する第１制御手段と、
前記高周波電力測定値を前記直流電力測定値で除した演算値（＝高周波電力測定値／直流電力測定値）が予め定められた効率設定値に等しくなるように直流電力供給手段から増幅手段に供給する直流電力を制御する第２制御手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００１５】
第２の発明によって提供される高周波電源装置は、
増幅手段と電力検出手段の間に、高調波を除去するフィルタ手段をさらに設けたことを特徴としている。
【００１６】
第３の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記直流電力供給手段は、出力電圧を可変させることによって、直流電力の出力レベルを可変させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明によれば、負荷に供給する高周波電力の電力値が出力電力設定値と等しくなるように制御しつつ、増幅部における直流電力から高周波電力への変換効率が一定になるように制御することができる。なお、変換効率とは、前記高周波電力測定値を前記直流電力測定値で除した演算値（＝高周波電力測定値／直流電力測定値）のことである。この変換効率が予め定められた効率設定値に等しくなるように直流電力供給手段から増幅手段に供給する直流電力を制御するために、従来技術のように、増幅手段の一部を構成する増幅素子の出力電圧が飽和しない範囲で振幅が最大となるように制御を行うという制限がない。そのために、従来技術の高周波電源装置よりも増幅部における変換効率を高めることができる。
【００１８】
また、本発明では、発振手段の出力レベル及び直流電力供給手段の出力レベルが、出力電力設定値と効率設定値との関係に基づいて自動的に定まる。すなわち、出力電力設定値に対して最適な直流電力供給手段の出力レベルが自動的に定まる。そのために、従来技術のように、出力電力設定値に対する直流電力供給手段の出力レベルの関係を予め求めておく必要がない。
【００１９】
したがって、増幅部における変換効率を従来技術と同程度にして、本発明の高周波電源装置を用いる場合であっても、出力電力設定値と直流電力供給手段の出力レベルとの関係を予め求めておく必要がない分、作業工数を低減できる。もちろん、それよりも低い変換効率から高い変換効率まで、直流電力供給手段の出力レベルが自動的に定まるので、従来技術の高周波電源装置よりも使い勝手のよい高周波電源装置とすることができる。
【００２０】
第２の発明によれば、フィルタ手段を設けることにより、増幅手段から出力される高周波電力に含まれる高調波成分を減衰させるとともに、高周波電力の波形歪を改善させることができる。特に、増幅手段における変換効率を従来技術の高周波電源装置の変換効率よりも高める場合は、直流電力供給手段から増幅手段に供給する直流電力の出力レベルを低くして、増幅手段の一部を構成する増幅素子の動作領域を飽和領域にまで拡大して、増幅素子の出力電圧を飽和させる必要があるので、変換効率を高めるほど高周波電力の出力波形に歪が生じる。波形歪が生じて高調波成分が多くなると、負荷におけるプロセスに悪影響が生じたり、高周波電源装置の負荷側に接続されるインピーダンス整合器の動作に悪影響が生じて、半導体ウエハや液晶基板といった製品に不具合が生じる場合があるので、フィルタ手段を用いる効果は大きい。なお、波形歪の度合いが小さく高調波成分が少ない場合は、フィルタ手段を設けない構成でも、製品に不具合が生じない場合がある。そのような場合は、製造コストを低減させることを目的として、フィルタ手段を設けない構成にすることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る高周波電源装置が適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。この高周波電力供給システムは、半導体ウエハや液晶基板等の被加工物に対して高周波電力を供給して、例えばプラズマエッチングといった加工処理を行うものである。この高周波電力供給システムは、高周波電源装置１、伝送線路２、インピーダンス整合器３、負荷接続部４及び負荷５で構成されている。なお、インピーダンス整合器３を用いない構成にしてもよい。
【００２３】
高周波電源装置１は、後述する発振部１３から出力される高周波信号を電力増幅器１４を用いて増幅させ、発生した高周波電力を出力して負荷５に供給するための装置である。なお、高周波電源装置１から出力された高周波電力は、同軸ケーブルからなる伝送線路２及びインピーダンス整合器３及び遮蔽された銅板からなる負荷接続部４を介して負荷５に供給される。また、一般にこの種の高周波電源装置１では、数百ｋＨｚ以上の周波数の高周波電力を出力している。
【００２４】
インピーダンス整合器３は、高周波電源装置１と負荷５とのインピーダンスを整合させるものである。より具体的には、例えば高周波電源装置１の出力端から高周波電源装置１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１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の入力端から負荷５側を見たインピーダンスを５０Ωに変換させるものである。
【００２５】
負荷５は、加工部を備え、その加工部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、加工部にプラズマ放電用ガスを導入し、そのプラズマ放電用ガスに高周波電源装置５０から供給された高周波電力（電圧）を印加することによって、上記のプラズマ放電用ガスを放電させて非プラズマ状態からプラズマ状態にしている。そして、プラズマを利用して被加工物を加工している。
【００２６】
図２は、本発明の第１実施形態に係る高周波電源装置１の構成を示す図である。高周波電源装置１は、図２に示すように、出力電力設定部１１と、出力電力制御部１２と、発振部１３と、増幅部１４と、フィルタ部１５、出力電力測定部１６と、効率設定部１７と、直流電源制御部１８と、直流電源部１９と、直流電力測定部２０とを備えている。
【００２７】
出力電力設定部１１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２では省略しているが、出力電力設定部１１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１１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１２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。
【００２８】
出力電力制御部１２は、出力電力設定部１１において設定された高周波電力の出力電力設定値Ｐｓｅｔと、出力電力測定部１６において測定された高周波電力測定値Ｐｏｕｔとを比較し、両者が等しくなるように、発振部１３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１２は、発振部１３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、出力電力制御部１２は、本発明の第１制御手段の一例である。
【００２９】
発振部１３は、増幅部１４に対して交流の発振信号Ｖｉｎを出力するものであり、出力電力制御部１２からの制御信号によってその発振信号Ｖｉｎの出力レベルが制御される。なお、高周波電源装置１の出力周波数は、発振部１３の発振周波数によって定まる。また、発振部１３は、本発明の発振手段の一例である。
【００３０】
増幅部１４は、発振部１３から出力される発振信号Ｖｉｎを増幅して高周波電力を出力するためのものである。増幅部１４において増幅された高周波電力は、出力電力測定部１６を介して負荷に供給される。増幅部１４の回路構成については、後述する。なお、増幅部１４は、本発明の増幅手段の一例である。
【００３１】
フィルタ部１５は、増幅部１４の出力に含まれる高調波を除去するためのフィルタである。図３は、フィルタ部１５の回路構成例である。この図３に示すように、フィルタ部１５は、インダクタＬ１〜Ｌ２、コンデンサＣ３〜Ｃ５を用いたローパスフィルタとして構成される。そして、発振部１３の発振信号Ｖｉｎの周波数によって定まる増幅部１４の基本出力周波数の高周波は通過させるが、基本出力周波数よりも周波数が高い高調波は除去するように回路定数を定める。なお、フィルタ部１５は、本発明のフィルタ手段の一例である。
【００３２】
出力電力測定部１６は、高周波電源装置１の出力端において、増幅部１４から出力される高周波電力の電力値を測定するものであり、例えば、方向性結合器等および方向性結合器の出力を電力値に換算するための変換回路によって構成されている。この例の出力電力測定部１６では、増幅部１４から負荷５側に進行する高周波（以下、進行波という）の電力値を測定して、進行波電力に対応する第１の高周波電力測定値Ｐｏｕｔとして出力する。なお、出力電力測定部１６は、本発明の高周波電力測定手段の一例である。
【００３３】
出力電力測定部１６において測定された第１の高周波電力測定値Ｐｏｕｔは、出力電力制御部１２に対して出力され、出力電力制御部１２において、上述したように第１の高周波電力測定値Ｐｏｕｔと出力電力設定値Ｐｓｅｔとが比較され、両者が等しくなるように発振部１３に対して制御信号を出力する。これにより、増幅部１４の出力が一定になるように制御することができる。
【００３４】
なお、第１の高周波電力測定値Ｐｏｕｔとともに、進行波電力から反射波電力を減じた負荷側電力に対応した第２の高周波電力測定値Ｐｏｕｔ２を測定して、この第２の高周波電力測定値Ｐｏｕｔ２を出力電力制御部１２に対して出力してもよい。この場合、出力電力制御部１２は、第２の高周波電力測定値Ｐｏｕｔ２と出力電力設定値Ｐｓｅｔとを比較して、両者が等しくなるように発振部１３に対して制御信号を出力する。ただし、この場合も、後述する直流電源制御部１８に対しては、第２の高周波電力測定値Ｐｏｕｔ２ではなく、第１の高周波電力測定値Ｐｏｕｔが出力される。
【００３５】
以降の説明では、第１の高周波電力測定値Ｐｏｕｔを出力電力制御部１２に対して出力するものとして説明をする。
【００３６】
直流電源部１９は、後述する直流電源制御部１８の制御信号に基づいて出力レベルを可変させた直流電力を出力して、直流電力測定部２０を介して増幅部１４に直流電力を供給する。なお、直流電源部１９は、本発明の直流電力供給手段の一例である。
【００３７】
直流電力測定部２０は、増幅部１４に供給される直流電力の電力値を測定し、測定した直流電力測定値Ｐｄｃを後述する直流電源制御部１８に対して出力する。なお、直流電力測定部２０は、本発明の直流電力測定手段の一例である。
【００３８】
直流電源制御部１８は、効率設定部１７で設定された効率設定値Ｅｓｅｔと出力電力測定部１６から出力される高周波電力測定値Ｐｏｕｔと直流電力測定部２０から出力される直流電力測定値Ｐｄｃとを入力し、高周波電力測定値Ｐｏｕｔを直流電力測定値Ｐｄｃで除した演算値（＝高周波電力測定値Ｐｏｕｔ／直流電力測定値Ｐｄｃ）が効率設定値Ｅｓｅｔに等しくなるように直流電源部１９の出力を制御するための制御信号を出力する。これにより、直流電源部１９は、増幅部１４における直流電力から高周波電力への変換効率を一定に制御することができる。なお、直流電源制御部１８は、本発明の第２制御手段の一例である。
【００３９】
ここで、増幅部１４の回路を参照しながら、本発明の動作を説明する。
図４は、増幅部１４の一例であるＦＥＴを用いたプッシュプル方式の増幅回路構成及び増幅部１４と発振部１３等との接続関係を示す図である。
図４に示した増幅部１４は、いわゆるプッシュプル回路として構成され、２次巻線側が一方巻線Ｔ１２ａ及び他方巻線Ｔ１２ｂで分巻された第１トランスＴ１と、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなる第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２と、１次巻線側が一方巻線Ｔ２１ａ及び他方巻線Ｔ２２ｂで分巻された第２トランスＴ２と、抵抗Ｒ１〜Ｒ４、コンデンサＣ１，Ｃ２、及び直流電圧源Ｖｂからなる駆動電圧供給回路とを有している。なお、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２は、ＦＥＴに代えてバイポーラトランジスタ等によって構成されていてもよい。
【００４０】
プッシュプル回路については公知であるため、その動作を簡単に説明する。
【００４１】
第１トランスＴ１の１次巻線Ｔ１１側に発振部１３から出力される発振信号Ｖｉｎ（交流電圧）が入力されると、第１トランスＴ１の２次巻線側では、一方巻線Ｔ１２ａ及び他方巻線Ｔ１２ｂにおいて互いに逆相の電圧が生じる。これらの電圧により、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２は、半周期ごとに交互にオン、オフし、これらオン、オフ動作が繰り返される。
【００４２】
第２トランスＴ２の１次巻線側の一方巻線Ｔ２１ａと他方巻線Ｔ２１ｂとの間には、直流電源部１９で生成される直流電源電圧Ｖｄｃが供給されるため、第１増幅素子Ｑ１及び第２増幅素子Ｑ２の出力電圧（ドレイン、ソース間電圧）は、この直流電源電圧Ｖｄｃをその振幅波形の中心とした電圧として第２トランスＴ２の１次巻線側に誘起する（後述する図７（ｂ）に示す電圧Ｖｄｓ１参照）。
【００４３】
第２トランスＴ２の２次巻線側には、高周波電力に相当する交流電力が誘起する。この高周波電力は、フィルタ部１５、出力電力測定部１６を介して負荷に供給される。この際、フィルタ部１５によって、高調波が除去されて、波形歪が改善される（後述する図７（ａ）に示す電圧Ｖｏｕｔ参照）。
【００４４】
図５は、複数の増幅回路を用いて増幅部を構成する一例である。
図４では、一組の増幅器により増幅部を構成するとしたが、図５に示すように、増幅部を複数の増幅器により構成する場合もある。
【００４５】
この例では、図示しない直流電源部１９の直流電源電圧Ｖｄｃを電源電圧として動作する複数の増幅器１４ａ１〜１４ａ４と、図示しない発振部１３から与えられる高周波信号Ｖｉｎを増幅器１４ａ１〜１４ａ４に分配して入力するパワー分配器１４ｂと、増幅器１４ａ１〜１４ａ４の出力を合成して負荷５に与えるパワー合成器１４ｃとにより増幅部１４が構成されている。
【００４６】
なお、この図５では、フィルタ部１５および出力電力測定部１６の図示を省略している。また、パワー合成器１４ｃにインダクタやコンデンサを用いる回路の場合は、パワー合成器１４ｃに高調波を減衰する機能を持たせることが可能であるので、増幅部１４の中にフィルタ部の機能を持たすことができる。
【００４７】
図６は、図４で示した増幅回路を用いた場合の高周波電力測定値Ｐｏｕｔに対する直流電源電圧Ｖｄｃの特性図の一例であり、効率設定値Ｅｓｅｔを８５％とした場合において、高周波電力測定値が変化したときに直流電源電圧Ｖｄｃがどのように変化するのかを示したものである。
【００４８】
上述したように、本発明の高周波電源装置では、出力電力制御部１２が発振部１３から出力する発振信号Ｖｉｎの出力レベルを変化させて、高周波電力測定値Ｐｏｕｔが出力電力設定値Ｐｓｅｔと等しくなるように制御するとともに、直流電源制御部１８によって変換効率（＝高周波電力測定値Ｐｏｕｔ／直流電力測定値Ｐｄｃ）が効率設定値Ｅｓｅｔになるように制御している。そのために、発振部１３の出力レベル及び直流電源電圧Ｖｄｃの出力レベルが、出力電力設定値Ｐｓｅｔと効率設定値Ｅｓｅｔとの関係に基づいて自動的に定まり、その結果、図６に示すような特性図になるのである。
【００４９】
したがって、従来技術のように、出力電力設定値Ｐｓｅｔに対する直流電源電圧Ｖｄｃの特性グラフ又は特性関数等を予め特性を求めておくことなく、自動的に最適な直流電源電圧Ｖｄｃが求まる。そのために、たとえ従来技術と同程度の変換効率で本発明の高周波電源装置を用いる場合であっても、予め特性グラフ又は特性関数等を求めておく必要がないので、作業工数を低減できる。もちろん、それよりも低い変換効率から高い変換効率まで、自動的に最適な直流電源電圧Ｖｄｃが求まるので、従来技術の高周波電源装置よりも使い勝手のよい高周波電源装置となる。
【００５０】
図７は、図４で示した増幅回路を用いた場合の各部のシミュレーション結果である。
シミュレーション条件は、増幅部１３の出力周波数１０ＭＨｚ、変換効率＝８５％、Ｐｏｕｔ＝１１１０Ｗであり、同図（ａ）は、出力電力測定部１６の出力端（図４の点Ｐ２）における電圧Ｖｏｕｔを示し、同図（ｂ）は、増幅回路に直流電力を供給する直流電源部１９の直流電源電圧Ｖｄｃと増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１（図４の点Ｐ１における電圧Ｖｄｓ１）を示し、同図（ｃ）は、出力電力測定部１６の出力端（図４の点Ｐ２）における電力Ｐｏｕｔと直流電力測定部２０で測定する直流電力測定値Ｐｄｃを示し、同図（ｄ）は、Ｐｏｕｔ／Ｐｄｃの演算値を示す。
【００５１】
効率設定値Ｅｓｅｔを８５％に設定すると、図６で説明したように、発振部１３から出力する発振信号Ｖｉｎの出力レベル及び直流電源電圧Ｖｄｃの出力レベルが、出力電力設定値Ｐｓｅｔと効率設定値Ｅｓｅｔとの関係に基づいて自動的に定まり、同図（ｃ）及び同図（ｄ）に示すように、（Ｐｏｕｔ／Ｐｄｃ）＊１００で表される変換効率が８５％になるように制御される。
【００５２】
このように、従来技術で最高変換効率であった約７８％を上回る変換効率にする場合は、増幅部１４の一部を構成する増幅素子（例えばＦＥＴ）が飽和領域で使用することになるため、同図（ｂ）に示すように、図４の点Ｐ１における増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形を正弦波状にすることができず、波形の上側と下側がカットされた状態となって波形歪が生じる。そのために、増幅部１４の出力電圧にも歪みが生じて高調波が多く含まれることになるが、増幅部１４の後段にフィルタ部１５が設けられているため、同図（ａ）に示すように、波形が改善されて略正弦波状の出力波形にすることができる。また、変換効率を８５％に設定した場合、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１の波形が正弦波状ではなくなるが、損失が少なくなる。すなわち、従来技術の高周波電源装置に比べて変換効率を向上させることができる。
【００５３】
［第２施形態］
図８は、本発明の第２実施形態に係る高周波電源装置１ａが適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。
この図８は、図２で示した構成からフィルタ部を取り除いた構成であり、他の構成は図２と同じであるため、各構成部分についての説明は省略する。
【００５４】
第１実施形態で説明したように、変換効率を高く設定すると、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１が飽和するようになる。この状態では増幅部１４の出力波形に波形歪が生じるので、フィルタ部１５を用いて波形改善を行う必要が生じる。しかし、増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１が飽和しない範囲で使用する場合は、増幅部１４の出力波形に波形歪が生じないので、波形改善のためにフィルタ部１５を用いる必要がなくなる。
具体的には、従来技術で説明したように、変換効率が約７８％以下の場合には、波形歪が生じないので、フィルタ部１５を用いない構成にすることが可能である。
しかし、変換効率が約７８％以下であっても、増幅部１４で発生する高調波（主にＦＥＴのスイッチングによって生じる）の影響が大きい場合には、高調波を除去する目的でフィルタ部１５を用いる必要がある。
【００５５】
もちろん、この発明の範囲は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、第１及び第２実施形態では、増幅部を構成する回路としてプッシュプル回路を用いたが、フルブリッジ方式の増幅回路やハーフブリッジ方式の増幅回路にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、本発明に係る高周波電源装置が適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態に係る高周波電源装置１の構成を示す図である。
【図３】図３は、フィルタ部１５の回路構成例である。
【図４】図４は、増幅部１４の一例であるＦＥＴを用いたプッシュプル方式の増幅回路構成及び増幅部１４と発振部１３等との接続関係を示す図である。
【図５】図５は、複数の増幅回路を用いて増幅部を構成する一例である。
【図６】図６は、図４で示した増幅回路を用いた場合の高周波電力測定値Ｐｏｕｔに対する直流電源電圧Ｖｄｃの特性図の一例である。
【図７】図７は、図４で示した増幅回路を用いた場合の各部のシミュレーション結果である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態に係る高周波電源装置１ａが適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。
【図９】図９は、特許文献１に記載された従来技術の高周波電源装置５０の構成図である。
【図１０】図１０は、従来技術の高周波電源装置５０を使用したときの直流電源電圧Ｖｄｃおよび増幅部の一部を構成する増幅素子の出力電圧Ｖｄｓ１を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 高周波電源装置
２ 伝送線路
３ インピーダンス整合器
４ 負荷接続部
５ 負荷
１１ 出力電力設定部
１２ 出力電力制御部
１３ 発振部
１４ 増幅部
１５ フィルタ部
１６ 出力電力測定部
１７ 効率設定部
１８ 直流電源制御部
１９ 直流電源部
２０ 直流電力測定部
Ｅｓｅｔ 効率設定値
Ｐｄｃ 直流電力測定値
Ｐｏｕｔ 高周波電力測定値
Ｐｓｅｔ 出力電力設定値
Ｖｉｎ 発振部１３の発振信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に供給する高周波電力の電力値が出力電力設定値と等しくなるように制御する高周波電源装置において、
発振信号の出力レベルが可変可能である発振手段と、
前記発振手段から出力される発振信号を増幅した高周波電力を出力する増幅手段と、
出力レベルが可変可能である直流電力を前記増幅手段に供給する直流電力供給手段と、
高周波電源装置の出力端における高周波電力の電力値を測定し、測定した高周波電力測定値を出力する高周波電力測定手段と、
前記増幅手段に供給される直流電力の電力値を測定し、測定した直流電力測定値を出力する直流電力測定手段と、
前記高周波電力測定値が前記出力電力設定値に等しくなるように発振手段の出力レベルを制御する第１制御手段と、
前記高周波電力測定値を前記直流電力測定値で除した演算値（＝高周波電力測定値／直流電力測定値）が予め定められた効率設定値に等しくなるように直流電力供給手段から増幅手段に供給する直流電力を制御する第２制御手段と、
を備えたことを特徴とする高周波電源装置。
【請求項２】
増幅手段と電力検出手段の間に、高調波を除去するフィルタ手段をさらに設け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】
前記直流電力供給手段は、出力電圧を可変させることによって、直流電力の出力レベルを可変させることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波電源装置。
【請求項１】
負荷に供給する高周波電力の電力値が出力電力設定値と等しくなるように制御する高周波電源装置において、
発振信号の出力レベルが可変可能である発振手段と、
前記発振手段から出力される発振信号を増幅した高周波電力を出力する増幅手段と、
出力レベルが可変可能である直流電力を前記増幅手段に供給する直流電力供給手段と、
高周波電源装置の出力端における高周波電力の電力値を測定し、測定した高周波電力測定値を出力する高周波電力測定手段と、
前記増幅手段に供給される直流電力の電力値を測定し、測定した直流電力測定値を出力する直流電力測定手段と、
前記高周波電力測定値が前記出力電力設定値に等しくなるように発振手段の出力レベルを制御する第１制御手段と、
前記高周波電力測定値を前記直流電力測定値で除した演算値（＝高周波電力測定値／直流電力測定値）が予め定められた効率設定値に等しくなるように直流電力供給手段から増幅手段に供給する直流電力を制御する第２制御手段と、
を備えたことを特徴とする高周波電源装置。
【請求項２】
増幅手段と電力検出手段の間に、高調波を除去するフィルタ手段をさらに設け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】
前記直流電力供給手段は、出力電圧を可変させることによって、直流電力の出力レベルを可変させることを特徴とする請求項１または２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２００７−６６７７８（Ｐ２００７−６６７７８Ａ）
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２５２８８０（Ｐ２００５−２５２８８０）
【出願日】平成１７年８月３１日（２００５．８．３１）
【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３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月３１日（２００５．８．３１）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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