(57)【要約】【課題】高周波電源装置の周波数掃引によってインピーダンス整合を行う周波数制御において、反射係数や反射電力が極小に向かう周波数の掃引方向を特定することによって、反射係数や反射電力が極小となる周波数を検出するまでに要する時間を短縮する。【解決手段】高周波電源装置のインピーダンス整合を行う周波数制御を、（Ａ）反射係数や反射電力が極小に向かう周波数の掃引方向を発振周波数の位相状態に基づいて特定し、特定した掃引方向で周波数の増減を開始する位相制御、（Ｂ）反射係数又は反射量を周波数制御の制御を完了する制御完了条件とする反射電力制御の二段階の制御によって行う。【選択図】図１
2018006294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電を伴う負荷に対して高周波電力を供給する高周波電源装置において、
周波数を可変とする高周波発生回路と、
前記高周波発生回路の周波数変更を制御する制御信号を出力する周波数制御回路と、
前記高周波発生回路の位相状態を検出する位相検出回路、及び前記高周波発生回路の出力端における反射係数値、及び／又は反射量を演算する反射演算回路を含む反射状態検出回路と、
前記位相検出回路が出力する位相状態に基づいて、周波数変更において周波数を増加又は減少させる制御方向を指令する方向指令信号を出力する制御方向指令回路と、
を備え、
前記周波数制御回路は、前記高周波発生回路に対して、
制御開始時において、前記制御方向指令回路が出力する方向指令信号に基づいて、周波数変更における周波数の増減を制御する位相制御、
及び
制御完了時において、前記反射演算回路が出力する反射係数値、及び／又は反射量を制御完了条件として周波数変更の継続／停止を制御する反射電力制御、
を含む制御により周波数を可変とする高周波電源装置。
【請求項２】
前記周波数変更を再度指令する再制御信号を前記周波数制御回路に出力する再制御回路を備え、
前記周波数制御回路は、前記再制御信号に基づいて前記高周波発生回路に制御信号を出力する請求項１に記載の高周波電源装置。
【請求項３】
前記再制御回路は、
前記周波数変更により定まる周波数における反射係数値、及び／又は反射量を中心値とし、当該中心値の上下に所定幅を有する反射係数値範囲、及び／又は反射量範囲を、再制御を決定するしきい値範囲として有し、
前記反射係数演算回路で検出した反射係数値が前記反射係数範囲外、又は前記反射係数演算回路で検出した反射量が前記反射量範囲外の少なくともいずれか一方であるとき、再制御信号を出力する請求項２に記載の高周波電源装置。
【請求項４】
前記再制御回路は、反射係数及び／又は反射量が設定値を超えた状態が一定時間継続した場合に再制御出力を出力する請求項２に記載の高周波電源装置。
【請求項５】
前記再制御回路は、所定時間間隔で再制御信号を出力し、
前記周波数制御回路は、前記再制御信号に基づいて、反射電力制御を再度行う請求項２又は３に記載の高周波電源装置。
【請求項６】
前記位相検出回路は、高周波発生回路の出力端の電圧及び電流に基づいて位相状態を検出する、請求項１から５の何れか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項７】
前記位相検出回路は、高周波発生回路の出力端の電圧及び電流に基づいて求めた位相、及び伝送路の位相ずれに基づいて位相状態を検出する、請求項１から５の何れか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項８】
前記高周波発生回路の出力端に電圧検出部及び電流検出部を備え、
前記位相検出回路は、前記電圧検出部の検出電圧及び前記電流検出部の検出電流に基づいて前記位相状態を検出する、請求項１から７の何れか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項９】
前記高周波発生回路の出力端に方向性検出器を備え、
前記位相検出回路は、前記方向性検出器で分離した進行波及び反射波の分離波について、各分離波の電圧及び電流基づく位相の位相差から前記位相状態を検出する、請求項１から７の何れか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項１０】
前記位相検出回路は、伝送線路による位相ずれ分を加算した位相を高周波発生回路の出力端の位相状態として出力する、請求項１から９の何れか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項１１】
放電を伴う負荷に対して高周波電力を供給する高周波電源装置の制御方法において、
前記高周波電源装置の周波数変更によるインピーダンス整合によって、反射電力を制御する周波数制御において、
制御開始時において、高周波電源装置の位相状態に基づいて、周波数変更の周波数を増加又は減少させる周波数の掃引方向を定める位相制御工程と、
前記位相制御工程で定めた周波数の増減による周波数変更において、高周波電源装置の反射係数値、及び／又は反射量を制御完了条件として周波数変更の継続／停止を制御する反射電力制御工程と、
を備えることを特徴とする、高周波電源装置の制御方法。
【請求項１２】
前記周波数変更により定まる周波数における、極小に制御された反射係数値、及び／又は反射量を中心値とし、当該中心値の上下に所定幅を有する反射係数値範囲、及び／又は反射量範囲を、再制御を決定するしきい値範囲とし、
前記反射係数値が前記反射係数範囲外、又は前記反射量が前記反射量範囲外の少なくともいずれか一方であるとき、再度周波数制御を行う請求項１１に記載の高周波電源装置の制御方法。
【請求項１３】
前記負荷状態に応じた制御完了条件を備え、
負荷状態の変化に基づいて前記制御完了条件を読み出し、読み出した制御完了条件に基づいて反射電力制御を再度行う請求項１１に記載の高周波電源装置の制御方法。
【請求項１４】
反射係数及び／又は反射量が設定値を超えた状態が一定時間継続した場合に再度周波数制御を行う請求項１２に記載の高周波電源装置の制御方法。
【請求項１５】
高周波電源装置の出力端での電圧及び電流、又は、高周波電源装置の出力端での進行波の位相、及び反射波の位相差に基づいて位相状態を検出する、請求項１１から１４の何れか一つに記載の高周波電源装置の制御方法。
【請求項１６】
前記位相状態はさらに伝送路の位相ずれ分を含む、請求項１５に記載の高周波電源装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、高周波電源装置、及び高周波電源装置の制御方法に関し、例えば、プラズマエッチング、プラズマＣ Ｖ Ｄ 等の放電を伴う用途に用いられる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、及び高周波電源装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
負荷は放電状態の変化に伴ってインピーダンスが変動する。例えば、プラズマ負荷における放電開始前と放電開始後との間でインピーダンスが変動する。また、放電中であってもプラズマに供給するガスの状態や、プラズマ室内での生成物や環境変化によっても、インピーダンス変動が生じる。
【０００３】
高周波電源装置から負荷に対して電力を効率良く供給するために、高周波電源装置と負荷との間に設けた整合回路の調整によってインピーダンス整合を行うことが知られている。この整合回路によるインピーダンス整合は、急激なインピーダンス変動への対応が困難であるという問題が指摘されている。
【０００４】
この問題に対して、高周波電源装置の出力周波数は瞬時に可変可能であることを利用して、出力周波数を変化させて負荷側インピーダンスを変化させることで瞬時にインピーダンス整合をさせる高周波電源装置が提案されている（特許文献１）。出力周波数の周波数制御は、反射係数絶対値を指標として周波数を変化させることが提案されている（特許文献１，２）。
【０００５】
特許文献１では、基準周波数を含む予め定められた周波数範囲内で発振周波数を変化させながら反射係数絶対値が極小となる発振周波数を特定する処理を繰り返すことによって、反射係数絶対値が小さくなるように発振周波数を制御することが提案されている。
【０００６】
特許文献２では、定められた周波数範囲内を一定周期毎に周波数掃引を行って、反射電力が極小となる周波数を検出することが提案されている。
【０００７】
特許文献１では、周波数を特定した後の周波数制御において、そのときの反射係数絶対値に対応する反射係数上限値を定め、反射係数絶対値が反射係数上限値を越えた場合に、反射係数絶対値が極小となる発振周波数を検出する周波数制御を再度繰り返すことが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３１０２４５号
【特許文献２】特開２０１０−２７５８７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来提案されている周波数制御では、反射係数や反射電力が小さくなるように周波数を変化させる処理において、基準周波数を含む予め定められた周波数範囲内、あるいは定められた周波数範囲内において周波数掃引を行っている。
【００１０】
周波数範囲内で周波数を掃引する際において、周波数の掃引方向によっては反射係数や反射電力が増加する場合がある。そのため、周波数範囲の全領域について周波数掃引を行う必要があり、反射係数や反射電力が極小となる周波数を検出するまでに要する検出時間が長引くという問題がある。
【００１１】
本発明は前記した従来の問題点を解決し、高周波電源装置の周波数掃引によってインピーダンス整合を行う周波数制御において、反射係数や反射電力が極小に向かう周波数の掃引方向を特定することによって、反射係数や反射電力が極小となる周波数を検出するまでに要する時間を短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明の発明者は、高周波電源装置における周波数制御において、
（ａ）高周波電源装置の出力周波数において、反射係数の位相特性と、反射係数や反射電力が極小に向かう周波数の掃引方向との間には対応関係があること
上記対応関係において、
（ｂ）位相状態が遅れ負荷の場合には、反射係数は正位相であり、反射係数や反射電力が極小に向かう周波数の掃引方向は、周波数を増加させる方向である
（ｃ）位相状態が進み負荷の場合には、反射係数は負位相であり、反射係数や反射電力が極小に向かう周波数の掃引方向は、周波数を減少させる方向である
の点を見出した。
【００１３】
本願発明は、上記の対応関係に基づいて、位相状態が遅れ負荷であるか、又は進み負荷であるかに基づいて、制御開始時の周波数の掃引方向を決定するものであり、
高周波電源装置のインピーダンス整合を行う周波数制御を、
（Ａ）反射係数や反射電力が極小に向かう周波数の掃引方向を発振周波数の位相状態に基づいて特定し、特定した掃引方向で周波数の増減を開始する位相制御
及び
（Ｂ）反射係数又は反射量を周波数制御の制御を完了する制御完了条件とする反射電力制御
の二段階の制御によって行う。
【００１４】
本願発明では、位相制御によって周波数制御を開始することによって、反射係数や反射電力が極小に向かう周波数の掃引方向を特定し、反射係数や反射電力が極小となる周波数を検出するまでに要する時間を短縮する。
【００１５】
また、本願発明の発明者は、高周波電源装置から負荷側を見たときの入力インピーダンスと反射係数とは同様の位相特性を備えることを見出し、反射係数の位相特性に代えて、高周波電源装置から負荷側を見たときの入力インピーダンスの位相特性に基づいて位相状態を判定することができる。反射係数の位相状態から判定する場合には、反射波の電圧電流に基づく位相と、進行波の電圧電流に基づく位相との位相差から位相状態を検出することができる。また、入力インピーダンスの位相状態から判定する場合には、高周波電源装置の出力端の電圧と電流との間に位相差の位相状態を検出することができる。
【００１６】
［高周波電源装置］
本願発明の高周波電源装置は、放電を伴う負荷に対して高周波電力を供給する高周波電源装置において、
（ａ）周波数を可変とする高周波発生回路
（ｂ）高周波発生回路の周波数変更を制御する制御信号を出力する周波数制御回路
（ｃ）高周波発生回路の位相状態を検出する位相検出回路、及び高周波発生回路の出力端における反射係数値、及び／又は反射量を演算する反射演算回路を含む反射状態検出回路
（ｄ）位相検出回路が出力する位相状態に基づいて、周波数変更において周波数を増加又は減少させる制御方向を指令する方向指令信号を出力する制御方向指令回路
の各回路構成を備える。
【００１７】
なお、各回路構成の内、周波数制御回路、位相検出回路、反射演算回路、制御方法指令回路は、ハードによって構成する他、ＣＰＵ及びメモリ等の付随する素子によってソフトで構成することができる。
【００１８】
周波数制御回路は、高周波発生回路に対して、位相制御と反射電力制御の二段階の制御を含み、周波数を可変とする。
（Ａ）位相制御は、制御開始時における周波数制御であり、制御方向指令回路が出力する方向指令信号に基づいて、周波数変更における周波数の増減を制御する。
（Ｂ）反射電力制御は、制御完了時において、反射演算回路が出力する反射係数値、及び／又は反射量を制御完了条件として周波数変更の継続／停止を制御する。
【００１９】
（再制御）
特許文献１では、周波数制御において、反射係数絶対値が反射係数上限値を越えた場合に周波数制御を再度繰り返す再制御を行っている。この再制御では、再制御を行う条件として反射係数の上限値を用いているため、反射係数が上昇した場合には再制御を行うことによって負荷インピーダンスに整合する周波数を定めることができるが、反射係数が下降した場合には再制御が行われないため、変動した負荷インピーダンスを整合する周波数を定めることができない。
【００２０】
これに対して、本願発明は、前回の周波数制御で定められた反射係数値あるいは反射量について、この値を中心値とし上下に所定幅を有する反射係数値範囲あるいは反射量範囲を設定し、この設定範囲をしきい値範囲として、新たに求めた反射係数や反射量の変動を判定する。この判定において、反射係数や反射量が増加、あるいは減少した場合には、周波数制御を再度行い、変動した負荷インピーダンスを整合する新たな周波数を求める。この再制御では、反射係数や反射量が増加した場合に限らず、減少した場合においても変動した負荷インピーダンスを整合する周波数を定めることができる。
【００２１】
本願発明の高周波電源装置は、周波数変更を再度指令する再制御信号を周波数制御回路に出力する再制御回路を備える。周波数制御回路は、再制御信号に基づいて高周波発生回路に制御信号を出力する。高周波発生回路は、制御信号に基づいて周波数を可変とする。
【００２２】
再制御において、今回の周波数制御で得られた反射係数値、及び／又は反射量が前回の周波数制御で得られた反射係数値、及び／又は反射量から決定されるしきい値を超える場合には、周波数制御回路に周波数制御を実施させ、周波数制御で得られた周波数の高周波電力を高周波発生回路から発生させる。一方、今回の周波数制御で得られた反射係数値、及び／又は反射量が前回の周波数制御で得られた反射係数値、及び／又は反射量未満である場合には、周波数制御回路から前回の周波数制御完了時に得られた周波数の高周波電力を高周波発生回路から発生させる。
【００２３】
再制御回路は、周波数変更により定まる周波数における反射係数値、及び／又は反射量を中心値とし、この中心値の上下に所定幅を有する反射係数値範囲、及び／又は反射量範囲を、再制御を決定するしきい値範囲として有し、反射係数演算回路で検出した反射係数値が反射係数範囲外、又は反射係数演算回路で検出した反射量が反射量範囲外の少なくともいずれか一方であるとき、再制御信号を出力する。
【００２４】
（再制御の実施態様）
再制御回路は、再制御の実施を複数の態様で行うことができる。
再制御を行う第１の態様は、負荷状態の変化に基づいて再制御信号を出力する。負荷状態は、例えばプラズマチャンバ内を発生させる駆動パワーやガス圧等の駆動条件や、プラズマチャンバ内の構造物の移動等の運転条件である。
【００２５】
再制御回路は、負荷状態の変化に基づいて再制御信号を出力する。周波数制御回路は、負荷状態に対応した制御完了条件を予め備えておき、再制御信号に基づいて、負荷状態に応じて予め設定された制御完了条件に基づいて反射電力制御を再度行う。
【００２６】
再制御を行う第２の態様は、反射係数及び／又は反射量がある設定値を超えた状態が一定時間継続した場合に再制御信号を出力する。周波数制御回路は、反射係数及び／又は反射量がある設定値を超えた状態が一定時間継続した場合に出力される再制御出力に基づいて反射電力制御を再度行う。
【００２７】
（位相検出の態様）
本願発明の高周波電源装置の位相検出回路は、位相状態の検出を複数の態様で行うことができる。
【００２８】
位相検出回路が行う位相状態の第１の検出態様は、高周波発生回路の出力端の電圧及び電流に基づいて位相状態を検出する。
【００２９】
位相状態の第１の検出態様を行う構成例は、高周波発生回路の出力端に電圧検出部及び電流検出部を備える。位相検出回路は、電圧検出部の検出電圧及び電流検出部の検出電流に基づいて位相状態を検出する。
【００３０】
位相検出回路が行う位相状態の第２の検出態様は、高周波発生回路の出力端の電圧及び電流に基づいて求めた位相、及び伝送路の位相ずれに基づいて位相状態を検出する。
【００３１】
位相検出において、伝送線路による位相ずれ分を加算した位相を高周波発生回路の出力端の位相状態として出力する。伝送線路による位相ずれ分を加算することによって、伝送線路による位相ずれを補償することができる。
【００３２】
位相状態の第２の検出態様を行う構成例は、高周波発生回路の出力端に方向性検出器を備える。位相検出回路は、方向性検出器で分離した進行波及び反射波の分離波について、各分離波の電圧及び電流基づく位相の位相差から位相状態を検出する。
【００３３】
［高周波電源装置の制御方法］
本願発明の高周波電源装置の制御方法は、放電を伴う負荷に対して高周波電力を供給する高周波電源装置の制御方法であり、高周波電源装置の周波数変更によるインピーダンス整合によって、反射電力を制御する周波数制御において、
（Ａ）制御開始時において、高周波電源装置の位相状態に基づいて、周波数変更の周波数を増加又は減少させる制御方向を定める位相制御工程
（Ｂ）位相制御工程で定めた周波数の増減による周波数変更において、高周波電源装置の反射係数値、及び／又は反射量を制御完了条件として周波数変更の継続／停止を制御する反射電力制御工程
を備える。
【００３４】
（再制御）
再制御において、周波数変更により定まる周波数における反射係数値、及び／又は反射量を中心値とし、当該中心値の上下に所定幅を有する反射係数値範囲、及び／又は反射量範囲を、再制御を決定するしきい値範囲とし、反射係数値が前記反射係数範囲外、又は反射量が反射量範囲外の少なくともいずれか一方であるとき、再度周波数制御を行う。
【００３５】
（再制御の実施態様）
再制御の実施は複数の態様で行うことができる。
再制御を行う第１の態様は、負荷状態の変化に基づいて再制御信号を出力する。負荷状態は、例えばプラズマチャンバ内を発生させる駆動パワーやガス圧等の駆動条件や、プラズマチャンバ内の構造物の移動等の運転条件である。再制御は、負荷状態に対応した制御完了条件を予め備えておき、負荷状態に応じて予め設定された制御完了条件に基づいて反射電力制御を再度行う。
【００３６】
再制御を行う第２の態様は、反射係数及び／又は反射量がある設定値を超えた状態が一定時間継続した場合に再制御信号を出力する。反射係数及び／又は反射量がある設定値を超えた状態が一定時間継続した場合に出力される再制御出力に基づいて反射電力制御を再度行う。
【００３７】
（位相検出の態様）
本願発明の高周波電源装置の位相検出は、位相状態の検出を複数の態様で行うことができる。位相状態の第１の検出態様は、高周波発生回路の出力端の電圧及び電流に基づいて位相状態を検出する。
【００３８】
位相状態の第２の検出態様は、高周波発生回路の出力端の電圧及び電流に基づいて求めた位相、及び伝送路の位相ずれに基づいて位相状態を検出する。
【００３９】
以上説明したように、本願発明によれば、高周波電源装置の周波数掃引によってインピーダンス整合を行う周波数制御において、反射係数や反射電力が極小に向かう周波数の掃引方向を特定することができる。これによって、反射係数や反射電力が極小となる周波数を検出するまでに要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本願発明の高周波電源装置の概略構成図である。
【図２】本願発明の周波数制御のフローチャートである。
【図３】本願発明の周波数制御時の反射係数のスミスチャートである。
【図４】本願発明の高周波電源装置の概略構成を説明するための図である。
【図５】本願発明の位相制御工程及び反射電力制御工程S2の一工程例を説明するためのフローチャートである。
【図６】本願発明の周波数掃引を説明するための図である。
【図７】本願発明の入力インピーダンスＺｉｎの虚部の周波数特性と、反射係数Γの周波数特性の概略説明図である。
【図８】インピーダンス整合回路を説明するための図である。
【図９】本願発明の周波数を掃引したときの反射係数と位相を極座標表示したスミスチャートの一例を示す図である。
【図１０】本願発明の反射係数変動の周波数特性を示す図である。
【図１１】周波数制御を再度実施する再制御の態様を示すフローチャートである。
【図１２】本願発明の周波数制御を再度実施する再制御の態様を示す図である。
【図１３】本願発明の再制御判定を説明するためのフローチャートである。
【図１４】本願発明の再制御判定の判定範囲を説明するための図である。
【図１５】本願発明の再制御の判定の動作例を説明するための図である。
【図１６】本願発明の再制御を行う高周波電源装置の構成例である。
【図１７】本願発明の再制御判定回路の構成例である。
【図１８】本願発明の高周波電源装置と負荷との間に敷設するケーブルにより生じる位相差を補償する位相ずれ補償を説明するための図である。
【図１９】ケーブルの位相ずれ補償を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本願発明の高周波電源装置、及び高周波電源装置の制御方法について図１〜図１９を用いて説明する。
【００４２】
以下、図１〜３を用いて本願発明の高周波電源装置による周波数制御を説明し、図４を用いて本願発明の高周波電源装置の構成を説明し、図５〜図９及び図１０〜図１７を用いて本願発明の構成電源装置の制御方法について制御する。図１０〜図１７は本願発明の高周波電源装置による再制御を説明するための図である。また、図１８，１９を用いて本願発明の高周波電源装置と負荷との間に敷設するケーブルにより生じる位相差を補償する方法について説明する。
【００４３】
（本願発明の高周波電源装置の周波数制御の概略）
本願発明の高周波電源装置の構成、及び周波数制御の概略について、図１の高周波電源装置の概略構成図、図２の周波数制御のフローチャート、及び図３の周波数制御時の反射係数のスミスチャートを用いて説明する。
【００４４】
（高周波電源装置の概略構成）
本願発明の高周波電源装置１０は、放電を伴う負荷３０に対して高周波電力を供給する高周波電源装置であり、高周波電源装置１０の出力の周波数を周波数変更する周波数制御によって、負荷３０のインピーダンス変動に対してインピーダンス整合を行い、負荷３０から高周波電源装置１０に戻る反射電力が低減し、高周波電源装置１０から負荷３０への良好な電力供給を制御する。
【００４５】
高周波電源装置１０と負荷３０との間にはインピーダンス整合回路２０が設けられ、通常状態における負荷３０との間のインピーダンス整合が成されている。電源の出力インピーダンスをＺＯ、負荷３０のインピーダンスを含むインピーダンス整合回路２０の特性インピーダンスをＺＬ、高周波電源装置１０から見たときの負荷３０側の入力インピーダンスをＺｉｎとしたとき、反射係数ΓはΓ＝（ＺＬ−ＺＯ）／（ＺＬ＋ＺＯ）で表され、各インピーダンスＺＬ，ＺＯ，Ｚｉｎ、及びΓは周波数ωの関数である。
【００４６】
高周波電源装置１０は、負荷３０のインピーダンスＺＰの変動に対して、出力する高周波の周波数ωを可変とすることによって各インピーダンスを可変とし、反射係数Γを極小値に周波数制御する。
【００４７】
（周波数制御の概略）
本願発明の周波数制御は、出力する高周波の周波数ωを可変することによるインピーダンス整合において、制御開始時の位相制御工程(S1)と、制御開始後の反射電力制御工程(S2)の２つの制御工程によって反射電力を極小とする周波数の高周波を出力する。周波数制御によって得られた周波数を維持すると共に、そのときの反射係数Γ及び／又は反射量Ｗｒを極小値として記憶する(S3)。
【００４８】
さらに、再制御(S4)によって位相制御工程と反射電力制御工程の２つの制御工程を繰り返すことによって、反射電力を極小な状態に維持する。S1の位相制御工程及びS2の反射電力制御工程は、それぞれ以下の制御を行う。
【００４９】
（位相制御工程）
位相制御工程は、制御開始時において、高周波電源装置の位相状態に基づいて、周波数変更の周波数を増加又は減少させる周波数の掃引方向を定める。
【００５０】
周波数の掃引方向は、周波数制御において反射係数及び／又は反射量を低減させる周波数の増減方向である。位相制御工程では、制御開始時において周波数制御の掃引方向を定めることによって、反射電力を低減させる周波数制御の処理時間を短縮することができる。
【００５１】
位相制御工程は、反射係数Γの位相φが正位相であるか、あるいは負位相であるか位相状態によって、周波数の掃引方向を定める。正位相は遅れ負荷に相当し、負位相は進み負荷に相当する。
【００５２】
図３はスミスチャートで表した反射係数Γを示している。インピーダンス整合の状態では、Γ=Γminとなる。特に、特性インピーダンスＺ０と負荷インピーダンスＺｐとが一致している場合は反射係数Γは“０”となる。反射係数Γが“０”の点はスミスチャート上の中心点ＰＯに相当する。スミスチャートにおいて、中心点ＰＯを通る中心線に対して上方の領域は正位相であり、下方の領域は負位相である。正位相は電圧に対して電流が遅れる位相遅れであり、負位相は電圧に対して電流が進む位相進みである。
【００５３】
スミスチャート上の反射係数Γの軌跡は周波数ωの変化と共に移動する。インピーダンス整合時の周波数ωＯの近傍において、位相φが“０”となる周波数ωφ＝０に対して、周波数ωが周波数ωφ＝０より低いときには反射係数Γは正位相となり、周波数ωが周波数ωφ＝０より高いときには反射係数Γは負位相となる。
【００５４】
上記した周波数ωと位相φとの関係は、インピーダンス整合時にΓ=Γminとなる理想的な場合には以下の位相特性がある。特性インピーダンスＺＬ及び電源の出力インピーダンスＺ０が容量分Ｃと誘導分Ｌの並列接続で表されるとき、位相φ＝０となる周波数ω０においては、反射係数Γ＝（ＺＬ−Ｚ０）／（ＺＬ＋Ｚ０）中の位相φに関係する成分は、ｘ軸を周波数ωとしｙ軸を位相φとする座標で見たとき、座標の上方を正位相で表すと、位相φは周波数ωφ＝０で“０”となり、周波数ωφ＝０より低い周波数では正位相となり、周波数ωφ＝０より高い周波数では負位相となる。
【００５５】
上記した位相特性から、図３に示すスミスチャート中の反射係数Γの軌跡は、周波数ωが増加した場合には正位相から負位相に向かって移動し、周波数ωが減少した場合には負位相から正位相に向かって移動する。
【００５６】
したがって、位相制御工程では、検出した位相状態が遅れ位相である場合（例えば、Ｐ１の点）には周波数ωを増加させることによって反射係数Γの位相を０°（Ｐ３の点）に向かう方向に移動させる。一方、検出した位相状態が進み位相である場合（例えば、Ｐ２の点）には周波数ωを減少させることによって反射係数Γの位相を０°（Ｐ３の点）に向かう方向に移動させる。図３では、位相が０°の位置をＰ３の点の丸印で示している。
【００５７】
反射係数Γの位相と高周波電源装置側から負荷側を見たインピーダンスＺｉｎの位相とは同じ位相特性を有しているため、高周波電源装置の出力端での位相状態を検出することで、反射係数の位相状態を検出することができる。高周波電源装置路の出力端、すなわちインピーダンス整合回路の入力端での位相状態は、高周波電源装置の出力端における電圧と電流との位相関係、あるいは高周波電源装置の出力端における反射波の位相と進行波の位相との位相差から求めることができる。
【００５８】
（反射電力制御工程）
周波数制御の制御目標は反射係数Γの絶対値|Γ|を極小とすることであるが、反射係数Γの絶対値|Γ|は位相φが０°（図３中のＰ３の点）において必ずしも極小とはならない。
【００５９】
図３のスミスチャートにおいて、反射係数Γの絶対値|Γ|が極小となる位置Ｐ４は×印で示され、位相φが０°の位置Ｐ３と異なる位置にある。そこで、位相制御工程によって反射係数Γの位相φを０°（位置Ｐ３）に向かって周波数掃引を開始させた後、反射電力制御によって反射係数の絶対値|Γ|が極小となるように周波数を制御する。
【００６０】
反射電力制御工程S2は、位相制御工程S1で定めた掃引方向で周波数変更を開始した後、高周波電源装置の反射係数値、及び／又は反射量を制御完了条件として周波数変更の継続／停止を制御する。ここでは、制御完了条件として、周波数変更の制御により高周波電源装置の反射係数値、及び／又は反射量が極小となることを用い、これによって反射係数Γ／又は反射量が極小であるか否かを判定する。
【００６１】
図３において、周波数制御の開始点が正位相である場合には、位相制御工程によって周波数を増加させる周波数制御によって位相０°に向かわせた後、反射電力制御によって反射係数Γ又は反射量が極小となる周波数を求める。また、周波数制御の開始点が負位相である場合には、位相制御工程によって周波数を減少させる周波数制御によって位相０°に向かわせた後、反射電力制御によって反射係数Γ又は反射量が極小となる周波数を求める。
【００６２】
（再制御工程）
位相制御工程及び反射電力制御工程で求めた周波数を維持して出力を負荷に供給する(S3)。その後、負荷側等が変動するとインピーダンス整合が適正な状態から外れることになる。このような場合に、再制御工程S4によって位相制御工程S1と反射電力制御工程S2とを繰り返して、再度適切な周波数ωを求めて、インピーダンス整合を行う。再制御工程（S4）では、位相制御工程及び反射電力制御工程で得られた周波数における反射係数、反射量を極小値として記憶しておき、以後に得られる反射係数、反射量がしきい値を越えた場合には、再制御を行う。
【００６３】
（本願発明の高周波電源装置の構成）
図４は本願発明の高周波電源装置の概略構成を説明するための図であり、図４（ａ）と図４（ｂ）の構成は位相検出の構成において相違し、その他の構成は共通である。
【００６４】
高周波電源装置１０は、高周波を発生する高周波発生回路１１と、方向性結合器１２と、位相検出回路１３、反射演算回路１４，制御方向指令回路１５，周波数制御回路１６を備える。位相検出回路１３及び反射演算回路１４は反射状態検出回路１９を構成する。
【００６５】
高周波発生回路１１は、発生した高周波出力を方向性結合器１２からインピーダンス整合回路２０を介して負荷３０に供給する。方向性結合器１２は、高周波発生回路１１から負荷３０に向かう進行波電力Ｐｆと、負荷３０から高周波発生回路１１に戻る反射電力Ｐｒとを分離する。
【００６６】
位相検出回路１３は、方向性結合器１２で分離した進行電力Ｐｆと反射電力Ｐｒ、あるいは電圧検出部１７及び電流検出部１８で求めた電圧Ｖ及び電流Ｉに基づいて、反射係数及び位相状態を検出する。なお、図４（ｂ）は、電圧検出部１７で求めた電圧と電流検出部１８から求めた電流に基づいて反射係数及び位相状態を検出する構成を示している。
【００６７】
制御方向指令回路１５は、位相検出回路１３が検出した位相遅れかあるいは位相進みかの位相状態に基づいて、周波数の掃引方向を指令する方向指令信号を周波数制御回路１６に出力する。
【００６８】
反射演算回路１４は、方向性結合器１２で分離した進行電力Ｐｆと反射電力Ｐｒ、あるいは電圧検出部１７及び電流検出部１８で求めた電圧、電流に基づいて反射係数Γ又は反射量Ｗｒを求める。
【００６９】
周波数制御回路１６は、方向指令信号に基づいて周波数変更の掃引方向を定めると共に、反射演算回路１４からの反射係数Γ又は反射量Ｗｒが極小となる周波数を求める周波数制御を行い、高周波発生回路１１に制御信号を出力する。
【００７０】
（本願発明の高周波電源装置の周波数制御方法）
以下、図５〜図９を用いて周波数制御方法について説明する。図５は位相制御工程S1と反射電力制御工程S2の工程の一例を示している。
【００７１】
位相制御工程において、高周波電源装置の出力端における電圧と電流の位相、あるいは高周波電源装置の出力端における反射波の位相と進行波の位相との位相差から位相状態を検出し(S1a）、検出した位相状態について正位相であるか、あるいは負位相であるかを判定する（S1b）。
【００７２】
位相状態が正位相である場合には、遅れ負荷であると判断して周波数ωを増加させる周波数掃引を行い、初期周波数ω(0)に対して周波数ωを上昇させ周波数ω(1)を定める（S1c）。位相状態が負位相である場合には、進み負荷であると判断して周波数ωを減少させる周波数掃引を行い、初期周波数ω(0)に対して周波数ωを下降させ周波数ω(1)を定める（S1d）。
【００７３】
位相制御工程で定めた周波数の掃引方向に基づいて周波数を増加あるいは減少させ、反射電力制御(S2)を行う。なお、図５に示す反射電力制御工程では、反射電力係数について示している。
【００７４】
位相制御S1において、負荷の状況によっては前記した位相状態と周波数の掃引方向との関係が逆の関係となる場合がある。このような場合には、S1e〜S1hの工程で掃引方向を反転させる。
【００７５】
S1cの工程又はS1dの工程で定めた掃引方向で周波数を変化させ、反射係数Γまたは反射量Ｗｒを検出して（S1e）、反射係数Γまたは反射量Ｗｒの増減を判定する(S1f)。反射係数Γまたは反射量Ｗｒが増加している場合には、掃引方向が逆方向であったと判定して周波数ωの掃引方向を反転させる逆制御を行う（S1g）。一方、反射係数Γまたは反射量Ｗｒが減少している場合には、掃引方向が正しい方向であったと判定して周波数ωの掃引方向を維持した状態で制御を行う（S1h）。
【００７６】
位相制御工程(S1)に続いて行う反射電力制御(S2)において、タイミング(サンプリング)ｋで周波数ω（ｋ）を変えながら周波数掃引を行い(S2a)、各サンプリングのタイミングｋの周波数ω（ｋ）において反射係数Γ（ｋ）を求める（S2b）。
【００７７】
タイミング（ｋ−１）で得た反射係数Γ（ｋ−１）と タイミング（ｋ）で得た反射係数Γ（ｋ）とを比較する。後のサンプリング（ｋ）で得られたΓ（ｋ）が一サンプリング前のサンプリング（ｋ−１）で得られたΓ（ｋ−１）よりも小さい場合（Γ（ｋ−１）≧Γ（ｋ））には、周波数掃引を続けることによってより小さな反射係数Γが得られると判断し、S2a,S2bの工程を繰り返す。
【００７８】
一方、後のサンプリング（ｋ）で得られたΓ（ｋ）が１サンプリング前のサンプリング（ｋ−１）で得られたΓ（ｋ−１）を越えた場合（Γ（ｋ−１）＜Γ（ｋ））には、周波数掃引を続けると反射係数Γは大きくなると判断し、次のサンプリング（ｋ＋１）でΓ（ｋ＋１）＝Γ（ｋ−１）として制御を完了する。
【００７９】
図６は反射電力制御における周波数掃引を説明するための図であり、図６（ａ），（ｂ）は周波数掃引を続行する場合を示し、図６（ｃ），（ｄ）は周波数掃引を停止して周波数制御を終了する場合を示している。なお、ここでは、周波数ωを増加させる場合について示しているが、周波数ωを減少させる場合についても同様である。
【００８０】
図６（ａ），（ｂ）に示す周波数掃引を続行する場合は、S2cにおいてΓ（ｋ−１）≧Γ（ｋ）の場合に相当する。この場合には、サンプリング（ｋ−１）での反射係数Γ（ｋ−１）とサンプリング（ｋ）での反射係数Γ（ｋ）との比較から、周波数掃引を続けることによって小さな反射係数Γが得られると判断され、周波数掃引を続行する。
【００８１】
図６（ｃ），（ｄ）に示す周波数掃引を続行する場合は、S2cにおいてΓ（ｋ−１）＜Γ（ｋ）の場合に相当する。この場合には、サンプリング（ｋ−１）での反射係数Γ（ｋ−１）とサンプリング（ｋ）での反射係数Γ（ｋ）との比較から、周波数掃引を続けることによって反射係数Γは大きくなると判断され、周波数掃引を停止する。
【００８２】
（反射係数Γが“０”近傍の位相特性）
次に、反射係数Γが“０”近傍の位相特性について説明する。位相制御において、位相状態が正位相で遅れ負荷である場合には周波数を増加させ、位相状態が負位相で進み負荷である場合には周波数を減少させる周波数の掃引方向を行っている。この位相状態と掃引方向との関係は、反射係数Γの位相の周波数特性に起因している。
【００８３】
反射係数Γの位相の周波数特性は反射係数Γの虚部（＝（ＺＬ−ＺＯ）／（ＺＬ＋ＺＯ））の周波数特性で表される。また、反射係数Γ（＝（ＺＬ−ＺＯ）／（ＺＬ＋ＺＯ））の虚部と高周波電源装置から負荷側を見たときの入力インピーダンスＺｉｎの虚部とを比較すると、容量分と誘導分との関係は同じ特性を有している。この関係から、反射係数Γの虚部の周波数特性によって反射係数Γの位相の周波数特性を求めることができる。
【００８４】
図７は入力インピーダンスＺｉｎの虚部の周波数特性（図７（ａ））と、反射係数Γの周波数特性（図７（ｂ））を概略的に示している。なお、ＺＯは一般的に特性インピーダンスの５０Ωである。
【００８５】
反射係数Γが“０”近傍の周波数範囲において、Ｚｉｎの虚部の位相は、位相が“０”となる周波数ωφ＝０を挟んで低周波数域では正位相であり、高周波数域では負位相である。図７（ａ），（ｂ）において、斜線を施した範囲Ａは、Γminが存在する領域で位相特性曲線上の周波数ωφ＝０を挟む周波数範囲であり、地模様を施した範囲Ｂは、位相特性曲線上の周波数ωφ＝０を挟む２つの位相が零となる２点で挟まれる周波数範囲である。これらの範囲Ａ，Ｂ内にある周波数を反射係数Γが“０”近傍の周波数としたとき、正位相にある周波数から周波数掃引を開始する場合には、周波数を増加させることによって位相は“０”の状態に向かって変化し、一方、負位相にある周波数から周波数掃引を開始する場合には、周波数を減少させることによって位相は“０”の状態に向かって変化する。
【００８６】
入力インピーダンスＺｉｎの虚部の位相の周波数特性は、複数の周波数で位相が“０”となる場合があるが、反射係数Γが“０”近傍となる周波数域では、位相状態が正位相で遅れ負荷である場合には周波数を増加させ、位相状態が負位相で進み負荷である場合には周波数を減少させる掃引方向とすることによって、反射係数Γが極小に変化する。なお、インピーダンス整合回路の位相の周波数特性は回路構成に依存するため、制御方向は位相の周波数特性に応じて定める。
【００８７】
以下、周波数の掃引方向において、位相状態が正位相で遅れ負荷である場合には周波数を増加させ、位相状態が負位相で進み負荷である場合には周波数を減少させる位相制御の例を、図８を用いて説明する。
【００８８】
図８はインピーダンス整合回路の例を示し、図８（ａ）〜図８（ｅ）は、逆Ｌ形インピーダンス整合回路、逆Ｌ形インピーダンス整合回路に容量ＣＭを直列接続した回路、Ｌ形インピーダンス整合回路、Ｔ形インピーダンス整合回路、及びπ形インピーダンス整合回路の一例を示している。
【００８９】
図８（ａ）に示す逆Ｌ形インピーダンス整合回路の回路例によれば、負荷インピーダンスＺｉｎ及び負荷インピーダンスの位相φは以下の式（１），（２）で表される。
【数１】
2018006294.tif 000003
【００９０】
位相φを零に向かわせる制御において、ωは正の実数であるため整合回路のＣ，Ｌ，及びＲが（Ｌ−ＣＲ２）＞０の整合条件を満たしている場合、式（２）において（−ω２ＣＬ２−ＣＲ２＋Ｌ）＞０である場合には電流に対して遅れ負荷であるため周波数を上昇させ、他方、（−ω２ＣＬ２−ＣＲ２＋Ｌ）＜０である場合には電流に対して進み負荷であるため周波数を下降させる。
【００９１】
図８（ｂ）に示す逆Ｌ形インピーダンス整合回路に容量ＣＭを直列接続した回路例によれば、負荷インピーダンスＺｉｎ及び負荷インピーダンスの位相φは以下の式（３）、（４）で表される。この回路例は、上記した図８（ａ）の逆Ｌ形インピーダンス整合回路よりも実際の回路に近い周波数特性を表している。
【００９２】
【数２】
2018006294.tif 000004
2018006294.tif 000005
【００９３】
上記式（４）において、Ｐ（ω）は式（３）で表されるＺinの分子の虚数部であり、ｐ（ω）はＰ（ω）をωで除算したＰ（ω）/ωを表している。位相φ中のｐ（ω）はω２に対して上に凸の関数であり、ω＞０の実数ではωに対しても上に凸の関数であり、ｐ（ω）の極大値は非負の値である。このことは、Ｚinは遅れ負荷であり、電流位相は負の位相であることを示している。
【００９４】
また、ｐ（ω）は１つの変曲点を有し、変曲点を境に位相動作モードが逆転するが、ωが正の実数の条件において、ｐ（ω）＞０である場合には電流に対して遅れ負荷であるため周波数を上昇させ、他方、ｐ（ω）＜０である場合には電流に対して進み負荷であるため周波数を下降させることによって、位相φを零に向けて制御する。
【００９５】
上記から、位相φが零となる周波数ωφ＝０で電流位相は零となり、周波数ωがω＞ωφ＝０である場合には、進み位相となり、周波数ωがω＜ωφ＝０である場合には、遅れ位相となる。
【００９６】
上記したように、位相制御の周波数の掃引方向において、位相状態が正位相で遅れ負荷である場合には周波数を増加させる方向とし、位相状態が負位相で進み負荷である場合には周波数を減少させる方向とする。
【００９７】
図８（ｃ）〜図８（ｅ）に示す他のインピーダンス整合回路は、具体的な式については略すが、それぞれ回路構成に応じたＺｉｎ及びφを有している。
【００９８】
（反射係数と位相の極座標表示例）
図９は、周波数を掃引したときの反射係数と位相を極座標表示したスミスチャートの一例を示している。
【００９９】
図において、破線は位相φが０°を示している。位相φ＝０°の周波数をωφ＝０としたとき、破線よりも上方の領域の周波数ωはωφ＝０よりも低周波数であり、破線よりも下方の領域の周波数ωはωφ＝０よりも高周波数である。また、図中の円弧は周波数ωを変化させたときの反射係数Γの軌跡を示している。この反射係数Γの円弧軌跡は、ωφ＝０とよりも低周波数から周波数掃引を開始すると、破線よりも上方の領域にある軌跡上の点から移動を開始し、ωφ＝０で位相φ＝０°の破線を通過し、破線よりも下方の領域に移動する。
【０１００】
図示する例では、１３．８６ＭＨｚの周波数において位相φ＝０°となる。反射係数Γは、位相φが０°となる周波数ωφ＝０において極小となるわけではなく、図において、周波数ωφ＝０を過ぎたＭ９で示す周波数において反射係数Γは極小となる。
【０１０１】
（本願発明の高周波電源装置の再制御）
以下、図１０〜図１７を用いて、本願発明の高周波電源装置の再制御について説明する。
【０１０２】
反射係数は、周波数制御によって反射係数値を極小とした後、負荷状態等によって変動する場合がある。図１０は反射係数変動の周波数特性を示している。図１０において、実線は周波数制御時の反射係数Γの周波数特性を示し、破線は負荷状態変動後の反射係数Γの周波数特性を示している。また、×印は各周波数特性における負荷状態変動前の反射係数Γの極小値を示し、ωａ，ωａ＋，ωａ−は各負荷状態変動後の周波数特性における極小時の周波数ωの例を示している。丸印は変動後の反射係数の値を示している。
【０１０３】
図１０は反射係数値の変動状態を示し、図１１は周波数制御を再度実施する再制御の態様を示している。
【０１０４】
図１０（ａ）は、周波数制御後に反射係数値が上昇した場合を示している。反射係数値の上昇は、反射係数値の周波数特性が反射係数の正方向に移動する他、周波数の正負の方向に移動する場合に生じる。
【０１０５】
反射係数値が上昇した場合、再制御によって、周波数制御を再度実施して反射係数値を極小とする周波数ωを設定する。図１１（ａ）は従来の再制御の態様を示している。周波数制御によって反射係数値を極小とする周波数ω１を設定した後、反射係数値が上昇した場合には、再制御によって再度の周波数制御を行って反射係数値を極小とする周波数ω２を求め、求めた周波数ω２による高周波電力を供給する。
【０１０６】
反射係数値の変動は、上記したように反射係数値が上昇する他に、下降する場合がある。図１０（ｂ）は反射係数値が下降する場合の一例を示している。破線で示す変動後の反射係数の周波数特性は、実線で示す前回周波数制御で得られた反射係数の周波数特性よりも下方にあり、周波数ωａでの反射係数値は小さな値となる。
【０１０７】
従来の再制御は、図１０（ｂ）に示す様な周波数特性の変動に応答することができないため、再度の周波数制御によって反射係数を低減することができない。
【０１０８】
本願発明の周波数制御の再制御では、このような反射係数値の変動についても周波数制御を再度実施して、反射係数値を極小化する周波数を設定することができる。
【０１０９】
（再制御の形態）
以下、動作条件に基づいて行う再制御、及び所定時間で行う再制御の各形態について説明する。
【０１１０】
・動作条件に基づく再制御
図１１（ａ）は動作条件に基づく再制御を説明するためのフローチャートであり、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は動作条件に基づく再制御を説明するための図である。動作条件としては、例えば、負荷に供給する電力の変動や、放電を行うチャンパ内での構造物の移動、チャンバ内に供給するガス条件の変化等がある。
【０１１１】
周波数制御の制御完了時には、制御完了時における反射係数Γ、及び反射量Ｗｒが記憶されている。この反射係数Γ、及び反射量Ｗｒに対し、各値に対応するしきい値を予め設定しておき、制御完了時の反射係数Γ、及び反射量Ｗｒと、設定されたしきい値Δ（ΔΓ、ΔＷｒ）を読み出す(S11)。現時点の反射係数Γ、反射量Ｗｒと、読み出した制御完了時の反射係数Γ、反射量Ｗｒとの差分を求め(S12)、差分と読み出したしきい値Δとを比較して再制御を判定する(S13)。
【０１１２】
再制御判定において、差分がしきい値Δ未満である場合には（S13）、周波数を現在の周波数に維持し（S14）、差分がしきい値Δ以上である場合には（S14）、周波数制御を再度実行する（S15）。
【０１１３】
図１２（ａ），（ｂ）は動作条件に基づく再制御の例を示している。図１２（ａ）は動作条件の変化によって反射係数Γ及び反射量Ｗｒが増加した場合を示し、図１２（ｂ）は動作条件の変化によって反射係数Γ及び反射量Ｗｒが減少した場合を示している。
【０１１４】
周波数制御によって反射係数Γ及び反射量Ｗｒが極小となった時点で、周波数制御を完了した後、その周波数を維持する。周波数を維持した状態において動作条件が変化する。動作条件の変動によって反射係数Γ及び反射量Ｗｒが増加あるいは減少する。このときの差分がしきい値を越えた場合には、再制御を行って反射係数Γ及び反射量Ｗｒが低減する周波数を求める。
【０１１５】
・不変動が所定時間継続した状態に基づく再制御
図１１（ｂ）は、プラズマが着火しないなどの原因により反射係数及び／又は反射量が高い状態が所定時間継続した状態に基づく再制御を説明するためのフローチャートであり、図１２（ｃ）は再制御を説明するための図である。
【０１１６】
反射係数及び／又は反射量が高い状態が所定時間継続した場合に再制御を行う。周波数制御回路は、反射係数及び／又は反射量が高い状態が所定時間Ｔｏを越えるか否かを判定し、継続時間が所定時間Ｔｏを越えた場合には(S21)、再制御信号を出力し周波数制御を再度行う。
【０１１７】
図１２（ｃ）は反射係数及び／又は反射量が高い状態が所定時間継続した状態に基づく再制御の例を示している。周波数制御によって反射係数Γ及び反射量Ｗｒが極小となった時点で、周波数制御を完了した後、その周波数を維持する。周波数を維持した状態が所定時間だけ継続した場合には、再制御を行って反射係数Γ及び反射量Ｗｒが低減する周波数を求める。
【０１１８】
（再制御の判定）
次に、再制御を行うか否かの判定について、図１３のフローチャート、図１４の判定範囲を説明するための図、図１５の再制御の判定の動作例を説明する図を用いて説明する。
【０１１９】
再制御の判定は、反射係数Γの絶対値|Γ|によって判定する態様、及び反射量Ｗｒによって判定する態様によって行うことができる。
【０１２０】
・反射係数Γの絶対値|Γ|による判定
S11で変更した制御完了条件に基づく再制御の判定において、反射係数Γの絶対値|Γ|によって判定する場合には、図１３（ａ）のフローチャートにおいて、周波数制御完了時の周波数における反射係数値Γを読み出し(S31)、読み出した反射係数値Γの絶対値|Γ|に所定幅ΔΓを持たせることでしきい値の範囲（|Γ|±ΔΓ）を定め、再制御条件を設定し(S32)、反射係数Γの絶対値|Γ|をしきい値の範囲（|Γ|±ΔΓ）で判定する(S33)。
【０１２１】
反射係数Γの絶対値|Γ|がしきい値の範囲（|Γ|±ΔΓ）外である場合には再制御を実施し（S34）、反射係数Γの絶対値|Γ|がしきい値の範囲（|Γ|±ΔΓ）内である場合には現在の周波数による制御を維持する（S35）。
【０１２２】
図１４（ａ）は反射係数Γの絶対値|Γ|のしきい値範囲（|Γ|±ΔΓ）を示している。しきい値範囲として|Γ|の上下にΔΓ分の幅を持たせることによって、反射係数値が増加した場合に限らず、減少した場合についても再制御を行わせることができる。
【０１２３】
・反射量Ｗｒによる判定
S11で変更した制御完了条件に基づく再制御の判定において、反射量Ｗｒによって判定する場合には、図１３（ｂ）において、周波数制御完了時の周波数における反射量Ｗｒを読み出し(S41)、読み出した反射量Ｗｒに所定幅±Δｗを加えてしきい値の範囲（Ｗｒ±Δｗ）を定めて再制御条件を設定し(S42)、反射量Ｗｒをしきい値の範囲（Ｗｒ±Δｗ）で判定する(S43)。
【０１２４】
反射量Ｗｒがしきい値の範囲（Ｗｒ±Δｗ）外である場合には再制御を実施し（S44）、反射量Ｗｒがしきい値の範囲（Ｗｒ±Δｗ）内である場合には現在の周波数による制御を維持する（S45）。
【０１２５】
図１４（ｂ）は反射量Ｗｒのしきい値範囲（Ｗｒ±Δｗ）を示している。しきい値範囲としてＷｒの上下にΔｗ分の幅を持たせることによって、反射量Ｗｒが増加した場合に限らず、減少した場合についても再制御を行わせることができる。
【０１２６】
反射係数Γの絶対値|Γ|による判定の態様と反射量Ｗｒによる判定の態様は、何れか一方の態様によって再制御を判定する他、両態様によって再制御を判定することができる。
【０１２７】
図１３（ｃ）において、反射係数Γの絶対値|Γ|による再制御判定を行い（S51）、再制御の判定の結果（S52）、再制御を行う判定結果の場合には再制御を実施する（S53）。再制御の判定の結果（S52）、再制御を行わない判定結果の場合には反射量Ｗｒによる再制御判定を行う（S54）。
【０１２８】
反射量Ｗｒによる再制御の判定の結果（S55）、再制御を行う判定結果の場合には再制御を実施する（S56）。再制御の判定の結果（S55）、再制御を行わない判定結果の場合には、前回の周波数制御で得られた周波数による制御を維持する（S57）。
【０１２９】
（再制御の動作例）
再制御の動作例について図１５を用いて説明する。ここでは反射係数の絶対値|Γ|による再制御判定の場合について説明する。
【０１３０】
図１５（ａ）は再制御の判定の結果、再制御を行うことなく前回の周波数制御で得られた周波数による制御を維持する例を示している。反射係数の絶対値|Γ|がしきい値範囲（|Γ|±ΔΓ）にある場合には、再制御を行うことなく周波数を維持する。
【０１３１】
図１５（ｂ）、（ｃ）は再制御の判定の結果、再制御を行って周波数制御で得られた周波数による制御を行う例を示している。図１５（ｂ）において、反射係数の絶対値|Γ|がしきい値範囲（|Γ|±ΔΓ）よりも下方に外れた場合には、再制御を行って新たに得た周波数ω２の高周波を出力する。図１５（ｃ）において、反射係数の絶対値|Γ|がしきい値範囲（|Γ|±ΔΓ）よりも上方に外れた場合には、再制御を行って新たに得た周波数ω２の高周波を出力する。図１５（ａ）〜（ｃ）ではしきい値範囲（|Γ|±ΔΓ）を符号Ｄで示している。
【０１３２】
図１６は再制御を行う高周波電源装置の構成例を示し、図１７は再制御判定回路の構成例を示している。
【０１３３】
図１６に示す高周波電源装置１０は、図４（ａ）に示した高周波電源装置に再制御判定回路４０を備える構成である。再制御判定回路４０は、動作条件の変更や反射係数及び／又は反射量がある設定値を超えた状態が一定時間継続した場合に基づいて再制御の有無を判定し、再制御信号を周波数制御回路１６に出力する。
【０１３４】
図１７に示す再制御判定回路４０は一構成例である。再制御を判定するためのしきい値を更新するしきい値更新手段４１と、反射係数値あるいは反射量としきい値とを比較する比較手段４２を備える。
【０１３５】
しきい値更新手段４１は、動作条件に応じて定められたしきい値を記憶する記憶手段４１ａと、記憶手段４１ａから動作条件に応じてしきい値を読み出す読み出し手段４１ｂを備える。比較手段４２は、反射演算回路１４から入力した反射係数値あるいは反射量を読み出し手段４１ｂから読み出したしきい値と比較し、比較結果に基づいて周波数制御回路１６に再制御を指示する再制御信号を出力する。
【０１３６】
また、再制御判定回路４０は計時回路４３を備え、反射係数及び／又は反射量がある設定値を超えた状態が一定時間継続した場合に再制御信号を出力する。
【０１３７】
（位相ずれ補償）
以下、図１８，１９を用いて本願発明の高周波電源装置と負荷との間に敷設するケーブルにより生じる位相差を補償する位相ずれ補償について説明する。
【０１３８】
図１８において、高周波電源装置１０とインピーダンス整合回路２０との間をケーブル５０で接続する構成を示している。
【０１３９】
高周波電源装置１０とケーブル５０の接続点をＡ点とし、インピーダンス整合回路２０とケーブル５０との接続点をＢ点とし、Ａ点進行波の位相をβ、反射波の位相α、ケーブルによる位相をγ/2とすると、Ｂ点における進行波の位相は(β-γ/2)で表され、反射波の位相は(α+γ/2)で表される。
【０１４０】
これらの位相から、Ａ点及びＢ点において進行波に対する反射波の遅れは、それぞれ以下で表される。
Ａ点：(反射波)−(進行波)＝α-β＝θ
Ｂ点：(反射波)−(進行波)＝(α+γ/2)−(β-γ/2)＝α-β+γ＝θ+γ
【０１４１】
Ａ点における進行波の振幅Ｖｆ、反射波の振幅Ｖｒ、及び各位相(α、β)は高周波電源装置が備える方向性結合器で検出することができる。
【０１４２】
また、Ｂ点の振幅はＡ点と同様と見なすことができ、ケーブル長の位相は位相ずれ量γで補正することができるため、高周波電源装置側のＡ点における検出値に対してケーブル長による位相ずれ量γによる位相補正を行うことによって、整合回路側のＢ点でのインピーダンス軌跡を求めることができる。
【０１４３】
Ｂ点でのインピーダンス軌跡から反射係数の位相を求めることができ、前記した位相制御と同様にして周波数制御の掃引方向を決定することができ、ケーブル長に依存する位相ずれを補償することができる。
【０１４４】
反射係数と、Ａ点のインピーダンスＺＯとの関係は以下の式で表すことができる。
【数３】
2018006294.tif 000006
【０１４５】
方向性結合器は進行波と反射波の振幅と位相を検出できるので、進行波と反射波の振幅比から式(５)の反射係数のスカラΓzを求めることができる。また、進行波の位相をβ、反射波の位相αをおけば、(反射波)−(進行波)＝α-β＝θとなり、式(５)の進行波に対する反射波のsinθ、cosθを求めることができる。
【０１４６】
以上より、Ａ点の方向性結合器の検出から、Ａ点における位相、インピーダンスを算出できる。なお、式(５)において、位相の正負だけに着目する場合はsinθの符号のみで判断することができる。
【０１４７】
次に、Ｂ点の位相は、(反射波)−(進行波)＝(α+γ/2)−(β-γ/2)＝α-β+γ＝θ+γと表すことができるため、Ａ点のインピーダンスを示す式(５)に対して、Ｂ点のインピーダンスは、
【数４】
2018006294.tif 000007
で表される。
【０１４８】
位相差γを算出し、式（６）によるインピーダンス計算において補償することによって、整合回路側のＢ点のインピーダンスを算出することができる。
【０１４９】
なお、γの算出は既知の手法を適用することができる。γの算出の一形態は、高周波電源装置と整合回路を接続するケーブルのケーブル長、及び波長短縮率を記憶手段に記憶させておき、ケーブル長を波長短縮率で除算することでケーブルの電気長を算出し、得られた電気長を位相角に換算することで位相して位相ずれ量γを算出する。
【０１５０】
γの算出の他の形態は、実際に敷設した電源システムにおいて、整合回路側に接続されるケーブルを外し、実際に高周波電力を高周波電源装置側で発生させて、ケーブルの両端における電圧、電流の測定値から求めた位相差から位相ずれ量γを算出する。
【０１５１】
図１９はケーブルの位相ずれ補償を説明するための図である。図１９（ａ）はケーブルを介して高周波電源装置の出力端から見たインピーダンスＺｉｎの軌跡ＬＯ１を示している。軌跡ＬＯ１はケーブルによる位相ずれを示している。図１９（ｂ）は位相ずれを補償したインピーダンスＺｉｎの軌跡ＬＯ２を示している。位相ずれ補償することによって軌跡ＬＯ２は、整合回路に入力端から見たインピーダンスＺｉｎを示している。
【０１５２】
なお、上記実施の形態及び変形例における記述は、本発明に係る高周波電源装置の一例であり、本発明は各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明の高周波電源装置は、半導体や液晶パネル等の製造装置、真空蒸着装置、加熱・溶融装置等の高周波を使用する装置に対する高周波電力の供給に適用することができる。
【符号の説明】
【０１５４】
１０    高周波電源装置
１１    高周波発生回路
１２    方向性結合器
１３    位相検出回路
１４    反射演算回路
１５    制御方向指令回路
１６    周波数制御回路
１７    電圧検出部
１８    電流検出部
２０    インピーダンス整合回路
３０    負荷
４０    再制御判定回路
４１    しきい値更新手段
４１ａ  記憶手段
４１ｂ  読み出し手段
４２    比較手段
４３    計時回路
５０    ケーブル    
【図１】
2018006294.tif 000008
【図２】
2018006294.tif 000009
【図３】
2018006294.tif 000010
【図４】
2018006294.tif 000011
【図５】
2018006294.tif 000012
【図６】
2018006294.tif 000013
【図７】
2018006294.tif 000014
【図８】
2018006294.tif 000015
【図９】
2018006294.tif 000016
【図１０】
2018006294.tif 000017
【図１１】
2018006294.tif 000018
【図１２】
2018006294.tif 000019
【図１３】
2018006294.tif 000020
【図１４】
2018006294.tif 000021
【図１５】
2018006294.tif 000022
【図１６】
2018006294.tif 000023
【図１７】
2018006294.tif 000024
【図１８】
2018006294.tif 000025
【図１９】
2018006294.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月15日(2017.3.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電を伴う負荷に対して高周波電力を供給する高周波電源装置において、
周波数を可変とする高周波発生回路と、
前記高周波発生回路の周波数変更を制御する制御信号を出力する周波数制御回路と、
前記高周波発生回路の位相状態を検出する位相検出回路、及び前記高周波発生回路の出力端における反射係数値、及び／又は反射量を演算する反射演算回路を含む反射状態検出回路と、
前記位相検出回路が出力する位相状態に基づいて、周波数変更において周波数を増加又は減少させる制御方向を指令する方向指令信号を出力する制御方向指令回路と、
前記周波数変更を再度指令する再制御信号を前記周波数制御回路に出力する再制御回路と
を備え、
前記周波数制御回路は、前記高周波発生回路に対して、
制御開始時において、前記制御方向指令回路が出力する方向指令信号に基づいて、周波数変更における周波数の増減を制御する位相制御、
及び
制御完了時において、前記反射演算回路が出力する反射係数値、及び／又は反射量を制御完了条件として周波数変更の継続／停止を制御する反射電力制御を含む制御により周波数を可変とする周波数制御を行い、
並びに、前記再制御信号に基づいて行う前記高周波発生回路への制御信号の出力を行い、
前記再制御回路は、
前記周波数変更により定まる周波数における反射係数値、及び／又は反射量を中心値とし、当該中心値の上下に所定幅を有する反射係数値範囲、及び／又は反射量範囲を、再制御を決定するしきい値範囲として有し、
前記反射係数演算回路で検出した反射係数値が前記反射係数範囲外、又は前記反射係数演算回路で検出した反射量が前記反射量範囲外の少なくともいずれか一方であるとき、再制御信号を出力する高周波電源装置。
【請求項２】
前記再制御回路は、所定時間間隔で再制御信号を出力し、
前記周波数制御回路は、前記再制御信号に基づいて、反射電力制御を再度行う請求項１に記載の高周波電源装置。
【請求項３】
前記位相検出回路は、高周波発生回路の出力端の電圧及び電流に基づいて位相状態を検出する、請求項１又は２に記載の高周波電源装置。
【請求項４】
前記位相検出回路は、高周波発生回路の出力端の電圧及び電流に基づいて求めた位相、及び伝送路の位相ずれに基づいて位相状態を検出する、請求項１から３の何れか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項５】
前記高周波発生回路の出力端に電圧検出部及び電流検出部を備え、
前記位相検出回路は、前記電圧検出部の検出電圧及び前記電流検出部の検出電流に基づいて前記位相状態を検出する、請求項１から４の何れか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項６】
前記高周波発生回路の出力端に方向性検出器を備え、
前記位相検出回路は、前記方向性検出器で分離した進行波及び反射波の分離波について、各分離波の電圧及び電流基づく位相の位相差から前記位相状態を検出する、請求項１から５の何れか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項７】
前記位相検出回路は、伝送線路による位相ずれ分を加算した位相を高周波発生回路の出力端の位相状態として出力する、請求項１から６の何れか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項８】
放電を伴う負荷に対して高周波電力を供給する高周波電源装置の制御方法において、
前記高周波電源装置の周波数変更によるインピーダンス整合によって、反射電力を制御する周波数制御において、
制御開始時において、高周波電源装置の位相状態に基づいて、周波数変更の周波数を増加又は減少させる周波数の掃引方向を定める位相制御工程と、
前記位相制御工程で定めた周波数の増減による周波数変更において、高周波電源装置の反射係数値、及び／又は反射量を制御完了条件として周波数変更の継続／停止を制御する反射電力制御工程と、
を備え、
前記周波数変更により定まる周波数における、極小に制御された反射係数値、及び／又は反射量を中心値とし、当該中心値の上下に所定幅を有する反射係数値範囲、及び／又は反射量範囲を、再制御を決定するしきい値範囲とし、
前記反射係数値が前記反射係数範囲外、又は前記反射量が前記反射量範囲外の少なくともいずれか一方であるとき、再度周波数制御を行うことを特徴とする、高周波電源装置の制御方法。
【請求項９】
反射係数及び／又は反射量が設定値を超えた状態が一定時間継続した場合に再度周波数制御を行う請求項８に記載の高周波電源装置の制御方法。
再制御を行う
【請求項１０】
高周波電源装置の出力端での電圧及び電流、又は、高周波電源装置の出力端での進行波の位相、及び反射波の位相差に基づいて位相状態を検出する、請求項８又は９に記載の高周波電源装置。
【請求項１１】
前記位相状態はさらに伝送路の位相ずれ分を含む、請求項１０に記載の高周波電源装置の制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
また、本願発明の発明者は、高周波電源装置から負荷側を見たときの入力インピーダンスと反射係数とは同様の位相特性を備えることを見出した。本願発明は反射係数の位相特性に代えて、高周波電源装置から負荷側を見たときの入力インピーダンスの位相特性に基づいて位相状態を判定することができる。反射係数の位相状態から判定する場合には、反射波の電圧電流に基づく位相と、進行波の電圧電流に基づく位相との位相差から位相状態を検出することができる。また、入力インピーダンスの位相状態から判定する場合には、高周波電源装置の出力端の電圧と電流との間に位相差の位相状態を検出することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
なお、各回路構成の内、周波数制御回路、位相検出回路、反射演算回路、制御方向指令回路は、ハードによって構成する他、ＣＰＵ及びメモリ等の付随する素子によってソフトで構成することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
位相制御工程は、反射係数Γの位相φが正位相であるか、あるいは負位相であるかの位相状態によって、周波数の掃引方向を定める。正位相は遅れ負荷に相当し、負位相は進み負荷に相当する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９９】
図において、破線は位相φが０°を示している。位相φ＝０°の周波数をωφ＝０としたとき、破線よりも上方の領域の周波数ωはωφ＝０よりも低周波数であり、破線よりも下方の領域の周波数ωはωφ＝０よりも高周波数である。また、図中の円弧は周波数ωを変化させたときの反射係数Γの軌跡を示している。この反射係数Γの円弧軌跡は、ωφ＝０よりも低周波数から周波数掃引を開始すると、破線よりも上方の領域にある軌跡上の点から移動を開始し、ωφ＝０で位相φ＝０°の破線を通過し、破線よりも下方の領域に移動する。