(57)【要約】【課題】基準クロックを生成する水晶発振器の出力周波数に誤差があっても、精度の良い電力制御ができる高周波電源装置を提供する。【解決手段】複数の基準クロック信号を発生させる基準クロック発生部１１６と、第１及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部１０１及び１０２と、両高周波発生部に周波数指令を与える周波数指令部１０４と、第１の高周波信号を増幅する電力増幅部１０５と、進行波電力の検出信号と第２の高周波信号とを乗算して両高周波信号の周波数の差の周波数成分を含む信号を得る乗算部１０７と、乗算部の出力から上記差の周波数成分を有する差周波数信号を抽出するフィルタ１０９と、フィルタにより抽出された差周波数信号のレベルと設定レベルとの比較演算の結果に基づいて進行波電力を設定値に保つように第１の高周波発生部１０５に振幅指令を与えるレベル制御部１１２とを備えた。【選択図】    図１
2011216369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させる基準クロック発生部と、
前記基準クロック発生部で発生させた基準クロック信号を用いて、周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第１の高周波信号及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部と、
前記第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第１及び第２の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数指令部と、
前記第１の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号を検出する高周波検出部と、
前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る乗算部と、
前記乗算部の出力から前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する差周波数信号を抽出するフィルタと、
前記フィルタにより抽出された差周波数信号のレベルを検出する差周波数信号レベル検出部と、
前記差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように前記第１の高周波発生部に前記振幅レベル指令を与えるレベル制御部と、
を備えた高周波電源装置。
【請求項２】
前記第２の高周波発生部の出力レベルを検出する出力レベル検出部と、
前記出力レベル検出部により検出されたレベルを第２の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記第２の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように前記第２の高周波発生部に振幅指令を与える第２のレベル制御部と、
をさらに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】
前記フィルタ、前記差周波数信号レベル検出部の少なくとも１つがデジタル回路で構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の高周波電源装置。
【請求項４】
単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させる基準クロック発生部と、
前記基準クロック発生部で発生させた基準クロック信号を用いて、周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第１の高周波信号及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部と、
前記第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第１及び第２の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数指令部と、
前記第１の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号と前記負荷側から前記電力増幅部に向かう反射波電力の情報を含む反射波検出信号とを検出する高周波検出部と、
前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第１の乗算部と、
前記第１の乗算部の出力から前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第１の差周波数信号を抽出する第１のフィルタと、
前記第１のフィルタにより抽出された第１の差周波数信号のレベルを検出する第１の差周波数信号レベル検出部と、
前記高周波検出部により得られた反射波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第２の乗算部と、
前記第２の乗算部の出力から前記第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第２の差周波数信号を抽出する第２のフィルタと、
前記第２のフィルタにより抽出された第２の差周波数信号のレベルを検出する第２の差周波数レベル検出部と、
前記第１の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルから前記第２の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを減算したレベルを設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に与えられる電力を設定値に保つように前記第１の高周波発生部に前記振幅指令を与えるレベル制御部と、
を備えた高周波電源装置。
【請求項５】
前記第２の高周波発生部の出力レベルを検出する出力レベル検出部と、
前記出力レベル検出部により検出されたレベルを第２の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記第２の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように前記第２の高周波発生部に振幅指令を与える第２のレベル制御部と、
をさらに備えたことを特徴とする、請求項４に記載の高周波電源装置。
【請求項６】
前記第１のフィルタ、前記第１の差周波数信号レベル検出部、前記第２のフィルタ、前記第２の差周波数信号レベル検出部の少なくとも１つがデジタル回路で構成されていることを特徴とする、請求項４又は５に記載の高周波電源装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の高周波発生部は、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）方式の高周波発生部であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の高周波電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置等の負荷に供給する高周波電力を発生する高周波電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体への微細加工を行なうプラズマ処理装置などの負荷に電力を供給するために、高周波電源装置が用いられている。図５は高周波電源装置の基本的な構成を示したもので、同図において、１は高周波信号を発生する高周波発生部、２は高周波発生部１から得られる高周波信号を増幅する電力増幅部、３は電力増幅部の出力の一部を分波して進行波電力の情報を含む進行波検出信号を出力する高周波検出部である。また４は高周波検出部から得られる進行波検出信号から不要な周波数成分を除去するフィルタ、５はフィルタ４の出力を検波して進行波検出信号のレベルを検出するレベル検出部、６はレベル検出部４により検出された進行波検出信号のレベルとレベル設定部７により設定された設定レベルとの比較演算を行って、その演算結果に基づいて、電力増幅部２から出力される進行波電力を設定値に保つように、高周波発生部１の出力レベルを制御するレベル制御部である。
【０００３】
この高周波電源装置においては、高周波検出部３、レベル検出部５、レベル設定部７及びレベル制御部６により、電力増幅部２から負荷に与えられる進行波電力を設定値に保つように高周波発生部１の出力レベルを制御するＡＬＣ制御（Auto Level Control)を行う制御部が構成されている。この種の電源装置は、例えば、特許文献１ないし３に示されている。
【０００４】
この種の高周波電源装置においては、高周波電力が高い純度を有している（不要な周波数成分を含まない）ことが要求される。そのため、高周波発生部１から電力増幅部２の出力段に至るまでの各ステージに各種の高周波フィルタを配置して、電力増幅部で発生する不要な周波数成分（スプリアス成分）を除去している。電力増幅部２の出力側には、該増幅部から負荷に与える電力から高調波成分を除去するためのローパスフィルタが設けられている。また高周波電源装置の出力と負荷との間にインピーダンス整合装置を設けて、定常状態にある負荷に対してインピーダンスの整合をとることにより、負荷で反射波電力が発生するのを防いでいる。従って、負荷が定常状態にあるときには、電力増幅部２から負荷に与えられる進行波電力のレベルが安定に保たれ、負荷で反射されて高周波電力増幅部に戻る反射波電力は最小となっている。
【０００５】
しかしながら、プラズマ処理装置などの負荷の起動時には、負荷のインピーダンスが非線形の状態にあって、高速で変動するため、整合装置の整合動作が追いつかず、不整合状態が生じて、負荷を節として反射波が発生する。更に負荷の内部では、その非線形性に起因して生じる周波数混合作用により、種々の新しい周波数成分がスプリアス成分として発生し、これらのスプリアス成分が反射波に重畳する。スプリアス成分が重畳した反射波電力は整合装置内を逆流し、該反射波電力のうち、高周波電力増幅部の出力側に設けられたローパスフィルタを通過し得る成分（主として基本周波数成分）が電力増幅部の出力段まで戻ってくる。この場合、電力増幅部から負荷に与えられる電力（負荷側電力）は、電力増幅部の出力側で検出した進行波電力から反射波電力を差し引いた電力となる。
【０００６】
また、プラズマ処理装置においては、図６に示すように、２つの高周波電源装置からプラズマ発生装置の電極に出力周波数が異なる２種類の高周波電力が同時に与えられることがある。図６において、１１は第１の高周波電源装置、１２は第１の高周波電源装置の出力周波数よりも周波数が低い高周波電力を出力する第２の高周波電源装置である。第１の高周波電源装置１１及び第２の高周波電源装置１２の出力はそれぞれ第１の整合装置１３及び第２の整合装置１４を通してプラズマ処理装置等の負荷１５に供給されている。
【０００７】
第１の高周波電源装置１１から負荷５に与えられる高周波電力は、プラズマ発生用の高周波電力であり、第２の高周波電源装置１２から負荷１５に与えられる高周波電力は、プラズマ中のイオンを引き込むためのバイアス用の高周波電力である。通常、プラズマ発生用の高周波電力の周波数は十数ＭＨｚないし数十ＭＨｚ程度の高い周波数を有し、バイアス用の高周波電力の周波数は数百ＫＨｚないし数ＭＨｚ程度の比較的低い周波数を有している。
【０００８】
このようなシステムでは、負荷のインピーダンスが複雑に変化するため、インピーダンス整合器によってインピーダンスの整合を完全にとることができず、負荷で反射波が発生するのを避けることができない。この場合、負荷から第１の高周波電源装置１１の増幅部側に戻ってくる反射波には、第２の高周波電源装置１２の基本周波数成分とその近辺のスプリアス周波数成分とが含まれている。第２の高周波電源装置１２の基本周波数は、第１の高周波電源装置１１の基本周波数よりも低いため、負荷１５から第１の高周波電源装置１１側に向かう反射波中のスプリアス成分は、第１の高周波電源装置１１の出力側に設けられているローパスフィルタを通過して、第１の高周波電源装置の増幅部に到達してしまう。また第２の高周波電源装置１２から第１の高周波電源装置１１の電力増幅部に到達するスプリアス成分と第１の高周波電源装置１１の出力とが混合されるため、第１の高周波電源装置１１から負荷に向かう進行波電力にもスプリアス成分が含まれることになる。
【０００９】
一例として、プラズマ発生用の第１の高周波電源装置１の出力周波数が50MHz、バイアス用の第２の高周波電源装置２の出力周波数が2MHzである場合について、第１の高周波電源装置１から負荷に向かう進行波電力の基本周波数成分（50MHz）付近の周波数スペクトラム及び反射波電力の基本周波数成分（50MHz）付近の周波数スペクトラムを模式的に示すとそれぞれ図７及び図８のようになる。なお図８においては、便宜上縦軸のスケールを図７の縦軸のスケールと同じにしているが、実際には反射波電力のレベルの方が進行波電力のレベルよりも低くなる。
【００１０】
上記のように、電力増幅部２の出力側にスプリアス成分が重畳した反射波電力が戻ってくる状態では、高周波検出部３から得られる検出信号にもスプリアス成分が含まれる。検出信号にスプリアス成分が含まれていると、レベル検出部で進行波検出信号のレベル検出を正確に行うことができず、高周波発生部１の出力のＡＬＣ制御を正確に行うことができない。そのため、レベル検出部５の前段にフィルタ４を挿入して、レベル検出部５に入力する信号からスプリアス成分を除去する必要がある。
【００１１】
なお通常「スプリアス」という語は、基本周波数の前後に現れる不要周波数と、各高調波周波数の前後に現れる不要周波数とを指す意味で用いられることが多いが、本明細書においては、説明の便宜上、負荷に供給する周波数成分としては不要な周波数成分（通常は基本周波数成分以外の成分）のすべてをスプリアス成分と呼ぶ。
【００１２】
上記のように、検出信号にスプリアス成分が含まれていると、レベル検出部５で進行波検出信号のレベル検出を正確に行うことができず、高周波発生部１の出力のＡＬＣ制御を正確に行うことができない。このような場合、例えば特許文献４に開示されているような周波数変換方式のフィルタリングによって、スプリアス成分を除去すればよい。なお、特許文献４では、反射波電力に対するスプリアスを除去する方法が開示されているが、これを進行波電力に適用すればよい。
【００１３】
図９は、周波数変換方式のフィルタリングによって、進行波電力のスプリアス成分を除去する従来の高周波電源装置の構成例である。
この図９に示す高周波電源装置は、第１の高周波発生部２１、電力増幅部２２、高周波検出部２３、第２の高周波発生部２４、乗算部２５、フィルタ２６、差周波数信号レベル検出部２７、レベル設定部２８、レベル制御部２９、水晶発振器３１、３２、３３によって構成されている。
【００１４】
なお、水晶発振器は、内部に水晶振動子を備えており、所望の出力周波数を得るために、例えば周波数逓倍や周波数分周を行うように構成されたものである。そして、第１の高周波発生部２１及び第２の高周波発生部２４等では、この水晶発振器の出力信号を基準クロック信号としている。この例では、水晶発振器３１から出力される基準クロック信号の周波数が５０ＭＨｚであり、水晶発振器３２から出力される基準クロック信号の周波数が４９．５ＭＨｚである。
【００１５】
第１の高周波発生部２１は、水晶発振器３１から出力される基準クロック信号を増幅して出力するように構成されている。第１の高周波発生部２１の出力周波数は、５０ＭＨｚとなる。また、第２の高周波発生部２４は、水晶発振器３２から出力される基準クロック信号を増幅して出力するように構成されている。第２の高周波発生部２４の出力周波数は、４９．５ＭＨｚとなる。
【００１６】
第１の高周波発生部２１から出力された高周波信号（５０ＭＨｚ）は、電力増幅部２２で増幅され、高周波検出部２３によって進行波電力の情報を含む進行波検出信号が検出される。この進行波検出信号と、第２の高周波発生部２４から出力された高周波信号（４９．５ＭＨｚ）が、乗算部２５に入力される。すなわち、第１の高周波発生部２１の出力周波数と第２の高周波発生部２４の出力周波数とは、０．５ＭＨｚの差周波数を有する。
【００１７】
周知のように、乗算部で２つの信号を乗算すると、２つの信号の周波数の差の周波数成分だけでなく、２つの信号の周波数の和の周波数成分を含む信号が得られる。例えば図６に示したシステムにおいて、第１の高周波電源装置１１の基本周波数（第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1）を50MHz、第２の高周波電源装置１２の基本周波数を2MHzとした場合について見ると、高周波電源装置１１の出力端子には、出力伝送系を通して、基本周波数50MHzの近傍にスプリアス成分として46，48，52，54MHzなどの成分が流入してくる。この場合、第２の高周波発生部２４の出力周波数（第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2）を49.5MHzに設定して、基本周波数50MHzに対する差周波数は0.5MHz、和周波数は99.5MHzとなる。同様に上記のスプリアス成分に対する差周波数は3.5，1.5，2.5，4.5MHzになり、和周波数は95.5，97.5，101.5, 103.5MHzとなる。
【００１８】
したがって、基本周波数に対する差周波数0.5MHzの成分を通し、スプリアス成分の差周波数以上の周波数成分を除去するフィルタ２６（例えば、カットオフ周波数が１MHzの特性を有するもの）を用いれば、基本周波数に対する差周波数0.5MHzの成分を精度良く抽出できる。
【００１９】
その後、フィルタ２６により抽出された信号のレベルが差周波数信号レベル検出部２７によって検出される。そして、レベル制御部２９において、その検出レベルが、レベル設定部２８により設定された設定レベルと比較演算され、検出レベルが、設定レベルに近づくように第１の高周波発生部２１に振幅指令が与えられる。
【００２０】
すなわち、周波数変換方式のフィルタリングによって、スプリアス成分を除去できるので、検出信号にスプリアス成分が含まれていることに起因して発生する、出力のＡＬＣ制御を正確に行うことができないという問題を改善できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開平５−６３６２７号公報
【特許文献２】特開平６−６１４４号公報
【特許文献３】特開平１１−２３３２９４号公報
【特許文献４】特開２００８−２７６９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上記の構成において、フィルタ２６、差周波数レベル検出部２７、第１のレベル制御部２９等をデジタル回路で構成することができる。デジタル回路は、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）のような、内部の論理回路を適宜に定義、変更し得るゲートアレイを用いることにより容易に構成することができる。この場合、デジタル回路（例えばＦＰＧＡ）にも外部の水晶発振器３３から基準クロック信号（例えば１００ＭＨｚの信号）が与えられ、デジタル回路では、この基準クロック信号の周波数を基準クロックとして各種処理を行う。多くの場合、基準クロック信号の周波数がデジタル回路におけるサンプリング周波数となる。
【００２３】
ところが、水晶発振器の出力周波数には、部品のばらつきや、電圧、温度の変化等に起因して個別の誤差がある。そのため、上述したように、各高周波発生部や信号処理を行うデジタル回路に個別の水晶発振器を用いていると、デジタル回路における信号処理結果に誤差が生じてしまう。
【００２４】
すなわち、デジタル回路では、「入力周波数／サンプリング周波数」で入力信号の正規化を行っているため、「入力周波数」及び「サンプリング周波数」に生じる誤差が同じ割合でないと誤差の有る／無しで「入力周波数／サンプリング周波数」の値が異なる。その結果、デジタル回路における信号処理結果に誤差が生じてしまう。なお、本明細書では、「入力周波数／サンプリング周波数」で表される数値を「正規化周波数」という。
【００２５】
例えば、水晶発振器３１の出力周波数に、α倍の誤差（誤差が＋１％のときは、α＝１．０１）があり、水晶発振器３２の出力周波数に、β倍の誤差（誤差が＋１％のときは、β＝１．０１）があり、水晶発振器３３の出力周波数に、γ倍の誤差（誤差が＋１％のときは、γ＝１．０１）があるとする。
【００２６】
この場合、第１の高周波発生部の出力周波数は、水晶発振器３１の出力周波数の誤差と同じだけ誤差が含まれるので、５０×αＭＨｚとなる。同様に、第２の高周波発生部の出力周波数は、水晶発振器３２の出力周波数の誤差と同じだけ誤差が含まれるので、４９．５×βＭＨｚとなる。そのため、乗算部２５を通過する差周波数は、５０×α−４９．５×β［ＭＨｚ］となる。この周波数が、フィルタ２６の入力周波数となる。
【００２７】
また、デジタル回路用の基準クロック信号の周波数は１００×γＭＨｚであるので、デジタル回路のサンプリング周波数も、１００×γＭＨｚである。
【００２８】
ここで、フィルタ２６をデジタルフィルタ（デジタル回路）として構成すると、フィルタ２６では、１００×γＭＨｚのサンプリング周波数で信号処理することになる。そのため、正規化周波数は、「入力周波数／サンプリング周波数」＝（５０×α−４９．５×β）／１００×γとなる。
【００２９】
これに対して、各水晶発振器の出力周波数に誤差が無い場合は、α＝β＝γ＝１であるので、正規化周波数は、０．００５となる。すなわち、各水晶発振器の出力周波数に誤差が生じると、正規化周波数は０．００５よりもずれた値になってしまう。
【００３０】
そのため、例えば、フィルタ２６が、フィルタ通過周波数帯域の非常に狭いバンドバスフィルタであれば、正規化周波数が０．００５のときに、信号レベルが減衰することなく（または殆ど減衰することなく）デジタルバンドパスフィルタを通過するように設計される。そうなると、正規化周波数が０．００５から少しずれてしまうだけで、信号レベルが大きく減衰してしまう。
【００３１】
差周波数レベル検出部２７では、フィルタ２６から出力される差周波数信号の出力信号のレベルを検出するが、差周波数レベル検出部２７においても、「入力周波数／サンプリング周波数」によって正規化された信号が処理される。そのため、フィルタ２６をデジタルフィルタ（デジタル回路）として構成した場合と同様に、正規化周波数のずれに起因する問題が生じる。
【００３２】
しかも、上述したように、水晶発振器の出力周波数には、部品のばらつきや、電圧、温度の変化等に起因して個別の誤差があるので、上記のα、β、γは、一定ではなく、個々の水晶発振器によって異なる。すなわち、デジタル回路における信号処理結果（演算結果）に誤差が生じてしまうだけでなく、その誤差にはばらつきがあるので、校正も難しい。
その結果、進行波電力の検出信号の検出精度が低下するので、進行波電力の制御精度が低下してしまう。
【００３３】
なお、図示していないが、反射波電力を検出する場合は、進行波電力と同様に、乗算部等を設けて、周波数変換方式のフィルタリングによって検出すればよい。しかし、その場合も進行波電力の場合と同様に、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題が生じる。
【００３４】
本発明の目的は、基準クロックを生成する水晶発振器の出力周波数に誤差があっても、精度の良い電力制御ができる高周波電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
第１の発明によって提供される高周波電源装置は、
単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させる基準クロック発生部と、
前記基準クロック発生部で発生させた基準クロック信号を用いて、周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第１の高周波信号及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部と、
前記第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第１及び第２の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数指令部と、
前記第１の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号を検出する高周波検出部と、
前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る乗算部と、
前記乗算部の出力から前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する差周波数信号を抽出するフィルタと、
前記フィルタにより抽出された差周波数信号のレベルを検出する差周波数信号レベル検出部と、
前記差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように前記第１の高周波発生部に前記振幅レベル指令を与えるレベル制御部と、
を備えたことを特徴としている。
【００３６】
第２の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記第２の高周波発生部の出力レベルを検出する出力レベル検出部と、
前記出力レベル検出部により検出されたレベルを第２の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記第２の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように前記第２の高周波発生部に振幅指令を与える第２のレベル制御部と、
をさらに備えたことを特徴としている。
【００３７】
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１及び第２の発明において、前記フィルタ、前記差周波数信号レベル検出部の少なくとも１つがデジタル回路で構成されていることを特徴としている。
【００３８】
第４の発明によって提供される高周波電源装置は、
単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させる基準クロック発生部と、
前記基準クロック発生部で発生させた基準クロック信号を用いて、周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第１の高周波信号及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部と、
前記第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第１及び第２の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数指令部と、
前記第１の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号と前記負荷側から前記電力増幅部に向かう反射波電力の情報を含む反射波検出信号とを検出する高周波検出部と、
前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第１の乗算部と、
前記第１の乗算部の出力から前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第１の差周波数信号を抽出する第１のフィルタと、
前記第１のフィルタにより抽出された第１の差周波数信号のレベルを検出する第１の差周波数信号レベル検出部と、
前記高周波検出部により得られた反射波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の高周波信号の周波数と前記第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第２の乗算部と、
前記第２の乗算部の出力から前記第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第２の差周波数信号を抽出する第２のフィルタと、
前記第２のフィルタにより抽出された第２の差周波数信号のレベルを検出する第２の差周波数レベル検出部と、
前記第１の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルから前記第２の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを減算したレベルを設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に与えられる電力を設定値に保つように前記第１の高周波発生部に前記振幅指令を与えるレベル制御部と、
を備えたことを特徴としている。
【００３９】
第５の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記出力レベル検出部により検出されたレベルを第２の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記第２の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように前記第２の高周波発生部に振幅指令を与える第２のレベル制御部と、
をさらに備えたことを特徴としている。
【００４０】
第６の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記第４及び第５の発明において、前記第１のフィルタ、前記第１の差周波数信号レベル検出部、前記第２のフィルタ、前記第２の差周波数信号レベル検出部の少なくとも１つがデジタル回路で構成されていることを特徴としている。
【００４１】
第７の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記第１〜第６の発明おいて、前記第１及び第２の高周波発生部が、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）方式の高周波発生部であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、周波数変換方式のフィルタリングによってスプリアス成分を除去するようにした場合に、基本周波数の成分を精度良く抽出できるだけでなく、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題も改善できる。ひいては、基準クロックを生成する水晶発振器の出力周波数に誤差があっても、精度の良い電力制御ができる高周波電源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成を示したブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の構成を示したブロック図である。
【図３】フィルタ１０９の構成例を示すブロック図である。
【図４】デジタルバンドパスフィルタの周波数特性の一例を示す図である。
【図５】従来の高周波電源装置の構成を示したブロック図である。
【図６】プラズマ処理装置等の負荷に出力周波数が異なる２つの高周波電源装置から電力を供給するシステムの構成を示したブロック図である。
【図７】図６に示したシステムにおいて、電力増幅部の出力側で検出される進行波電力の周波数分布の一例を示した周波数スペクトラムである。
【図８】図６に示したシステムにおいて、電力増幅部の出力側で検出される反射波電力の周波数分布の一例を示した周波数スペクトラムである。
【図９】周波数変換方式のフィルタリングによって、進行波電力のスプリアス成分を除去する従来の高周波電源装置の構成例である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
［第１の実施形態］
以下図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明に係わる高周波電源装置の第１の実施形態の構成を示したものである。同図において、１０１は、第１の周波数指令Ｃf1により指令された出力周波数と第１の振幅レベル指令Ｃa1により指令された出力振幅レベルとを有する第１の高周波信号Ｓ1を発生する第１の高周波発生部、１０２は第２の周波数指令Ｃf2により指令された出力周波数と第２の振幅レベル指令Ｃa2により指令された出力振幅レベルとを有する第２の高周波信号Ｓ2を発生する第２の高周波発生部である。本実施形態では、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２が、公知のＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）により構成されている。
【００４５】
また、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２は、後述する基準クロック信号発生部から出力される基準クロック信号を用いて第１の高周波信号Ｓ1及び第２の高周波信号Ｓ2を発生させる。
【００４６】
なお、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２がＤＤＳ方式の高周波発生部であれば、入力される基準クロック信号と同じ周波数の第１の高周波信号Ｓ1及び第２の高周波信号Ｓ2を発生させるだけでなく、基準クロック信号を用いて所望の周波数を合成することができる。例えば、第１の高周波発生部１０１に入力される基準クロック信号の周波数が５０ＭＨｚや１００ＭＨｚであっても、第１の周波数指令Ｃf1により指令された出力周波数が５０．５ＭＨｚであれば、第１の高周波発生部１０１は、５０．５ＭＨｚの周波数を有する第１の高周波信号Ｓ1を発生させることができる。第２の高周波発生部１０２でも同様である。
もちろん、基準クロック信号を用いて所望の周波数を合成することができる機能を有するものであれば、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２は、ＤＤＳ方式の高周波発生部でなくてもよい。
【００４７】
１０４は第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差デルタｆを一定に保つように第１及び第２の高周波発生部１０１及び１０２に周波数指令Ｃf1及びＣf2をそれぞれ与える周波数指令部である。
【００４８】
本実施形態で用いる周波数指令部１０４は、予め定められた周波数または上位制御装置等から入力された周波数を第１の周波数ｆ1とし、第１の周波数ｆ1に対して一定の差デルタｆを有する周波数を第２の周波数ｆ2として、第１の周波数ｆ1を有する第１の高周波信号Ｓ1を発生させることを指令する第１の周波数指令Ｃf1及び第２の周波数ｆ2を有する第２の高周波信号Ｓ2を発生することを指令する第２の周波数指令Ｃf2をそれぞれ第1の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２に同時に与えることにより、第１の高周波信号の周波数ｆ1と第２の高周波信号の周波数ｆ2との差を常に一定値デルタｆ（＝｜ｆ1−ｆ2｜）に保つように、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２を制御する。第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2は第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1よりも低くても、高くてもよい。なお、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1（第１の高周波発生部１０１の出力周波数）は、第１の高周波電源装置１１の基本周波数と一致する。
【００４９】
なお、後述する基準クロック発生部１１６において、第１の周波数指令Ｃf1及び第２の周波数指令Ｃf2を用いる場合がある。この場合は、第１の周波数指令Ｃf1及び第２の周波数指令Ｃf2を基準クロック発生部１１６に向けて出力する。
【００５０】
また１０５は公知の電力増幅回路からなる電力増幅部で、第１の高周波信号Ｓ1を増幅
して負荷に与える高周波電力を出力する。電力増幅部１０５の出力は図示しないインピーダンス整合装置を通してプラズマ処理装置等の負荷に供給される。なお、インピーダンス整合装置が用いられない場合もある。
【００５１】
１０６は、電力増幅部１０５の出力端と図示しないインピーダンス整合装置との間に挿入された高周波検出部である。この高周波検出部は、例えば方向性結合器からなっていて、電力増幅部１０５から負荷に向かう進行波電力の一部を分波して、該進行波電力の情報を含む進行波検出信号Ｓpを出力する。
【００５２】
なお、高周波検出部１０６で得られる進行波検出信号の周波数成分は、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1を主成分とするが、それ以外にスプリアスの周波数成分が含まれる。そして、スプリアスの周波数も、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1の変化に応じて変化する。
【００５３】
また１０７は、高周波検出部により得られた進行波検出信号Ｓpと第２の高周波発生部１０２が出力する第２の高周波信号Ｓ2とが入力された乗算部で、この乗算部は、進行波検出信号Ｓpと第２の高周波信号Ｓ2とを乗算することにより、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差の周波数成分を含む信号Ｓfp’を出力する。
【００５４】
周知のように、乗算部で２つの信号を乗算すると、２つの信号の周波数の差の周波数成分だけでなく、２つの信号の周波数の和の周波数成分を含む信号が得られる。例えば図６に示したシステムにおいて、第１の高周波電源装置１１の基本周波数（第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1）を50MHz、第２の高周波電源装置１２の基本周波数を2MHzとした場合について見ると、高周波電源装置１１の出力端子には、出力伝送系を通して、基本周波数50MHzの近傍にスプリアス成分として46，48，52，54MHzなどの成分が流入してくる。この場合、第２の高周波発生部１０２の出力周波数（第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2）を49.5MHzに設定して、希望の差周波数を0.5MHzとした場合、基本周波数50MHzに対する差周波数は0.5MHz、和周波数は99.5MHzとなる。同様に上記のスプリアス成分に対する差周波数は3.5，1.5，2.5，4.5MHzになり、和周波数は95.5，97.5，101.5, 103.5MHzとなる。
【００５５】
上記のように、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差を常に一定値デルタｆに保つように制御されているため、仮に第１の高周波電源装置１１の基本周波数（第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1）が50MHzから50.5MHzに変化した場合であっても、基本周波数50MHzに対する差周波数は0.5MHzで一定となる。また、スプリアスの周波数も、基本周波数（第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1）の変化に応じて変化するので、スプリアス成分に対する差周波数も上記に示した関係と変わらない。
【００５６】
したがって、基本周波数に対する差周波数0.5MHzの成分を通し、スプリアス成分の差周波数以上の周波数成分を除去するフィルタ１０９（例えば、カットオフ周波数が１MHzの特性を有するもの）を用いれば、基本周波数に対する差周波数0.5MHzの成分を精度良く抽出できる。すなわち、高周波検出部１０６から出力された信号から基本周波数の成分を精度良く抽出できる。
【００５７】
なお、第１の高周波電源装置１１の基本周波数が50MHzから50.5MHzに変化した場合、基本周波数50MHzに対する和周波数は100.5MHzとなり、上記に示した関係と異なる。また、スプリアス成分に対する和周波数も上記に示した関係と異なってしまう。しかし、これらの周波数成分は、フィルタ１０９によって除去される対象であるので、影響を及ぼさない。
【００５８】
フィルタ１０９は、乗算部１０７の出力から希望する差周波数信号Ｓfpを抽出するフィルタである。このフィルタは、アナログフィルタ（パンドパスフィルタまたはローパスフィルタ）からなっていてもよく、デジタルフィルタ（デジタルフィルタはデジタル回路によって構成される。すなわちデジタルフィルタはデジタル回路の一種である）からなっていてもよい。
また、フィルタ１０９は、アナログフィルタと、アナログフィルタの出力をデジタル処理して差周波数信号を抽出するデジタルフィルタとの組み合わせからなっていてもよい。すなわち、乗算部の出力をアナログフィルタに通して不要な周波数成分を除去したのちにデジタルフィルタによりフィルタリングを行うようにすれば、デジタルフィルタにおける信号処理がし易くなるという利点がある。
【００５９】
なお、デジタル回路は、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）のような、内部の論理回路を適宜に定義、変更し得るゲートアレイを用いることにより容易に構成することができる。また、本実施形態では、フィルタ１０９だけでなく、後述する差周波数レベル検出部１１０、第１のレベル制御部１１２、基準クロック信号発生部１１６もデジタル回路（例えばＦＰＧＡ）で構成している。
【００６０】
フィルタ１０９により抽出された差周波数信号Ｓfpは、差周波数レベル検出部１１０に与えられる。差周波数レベル検出部１１０は、差周波数信号Ｓfpをアナログ処理またはデジタル処理することにより、該差周波数信号Ｓfpのレベルを検出する部分である。本実施形態では、差周波数レベル検出部１１０がデジタル回路からなっていて、差周波数信号Ｓpfをデジタル処理することにより、差周波数信号Ｓfpのレベルを示すレベル検出信号Ｓpaを出力する。
【００６１】
なお、本実施形態ではアナログ回路、デジタル回路が混在しているので、必要に応じて、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータが用いられるが、図１では図示を省略している。例えば、フィルタ１０９をアナログフィルタとし、差周波数レベル検出部１１０をデジタル回路とした場合は、両者の間にＡ／Ｄコンバータを挿入すればよい。
【００６２】
差周波数信号レベル検出部１１０から得られるレベル検出信号Ｓpaは、第１のレベル設定部１１１から出力される第１のレベル設定信号Ｓpasとともに第１のレベル制御部１１２に入力される。第１のレベル制御部１１２は、差周波数信号レベル検出部１１０により検出されたレベルを第１のレベル設定部１１１により設定された第１の設定レベルと比較演算して、その演算結果に基づいて電力増幅部１０５から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように第１の高周波発生部１０１に振幅指令Ｃa1を与える部分である。
【００６３】
なお第１のレベル設定信号Ｓpasにより設定される第１の設定レベルは、電力増幅部１０５から出力される進行波電力の電力値を設定値に等しくするために必要な第１の高周波発生部１０１の出力レベルを与えるものである。
【００６４】
第１のレベル制御部１１２はアナログ回路からなっていてもよく、デジタル回路からなっていてもよい。本実施形態では、デジタル回路（例えばＦＰＧＡ）からなっている。
【００６５】
１１６は、単一の水晶発振器１１７を用いて、複数の基準クロック信号を発生させる基準クロック発生部である。この基準クロック発生部１１６からデジタル回路で用いる基準クロック信号（例えば１００ＭＨｚの信号）が与えられ、デジタル回路では、その基準クロック信号を用いて各種処理が行われる。多くの場合、基準クロック信号の周波数がデジタル回路におけるサンプリング周波数となる。なお、上述したように、本実施形態では、フィルタ１０９、差周波数レベル検出部１１０がデジタル回路（例えばＦＰＧＡ）で構成されているので、基準クロック発生部１１６で発生させた基準クロック信号が、フィルタ１０９及び差周波数レベル検出部１１０に与えられる。
【００６６】
また、基準クロック発生部１１６は、第１の高周波発生部で用いる基準クロック信号として、周波数指令部１０４から第１の高周波発生部に与える周波数指令に対応する周波数（例えば５０ＭＨｚ）の基準クロック信号を発生させるとともに、第２の高周波発生部で用いる基準クロック信号として、周波数指令部から第２の高周波発生部に与える周波数指令に対応する周波数（例えば４９．５ＭＨｚ）の基準クロック信号を発生させる。
【００６７】
すなわち、周波数指令部１０４から第１の高周波発生部１０１に与える第１の周波数指令Ｃf1及び周波数指令部１０４から第２の高周波発生部１０２に与える第２の周波数指令Ｃf2に対応させる必要があるので、必要に応じて周波数指令部１０４から出力された第１の周波数指令Ｃf1及び第２の周波数指令Ｃf2を入力すればよい。
もちろん、周波数指令部１０４から第１の高周波発生部に与える第１の周波数指令Ｃf1に対応する周波数（例えば５０ＭＨｚ）、及び周波数指令部から第２の高周波発生部に与える第２の周波数指令Ｃf2に対応する周波数（例えば４９．５ＭＨｚ）が一定値（固定値）であれば、周波数指令部１０４から出力された第１の周波数指令Ｃf1及び第２の周波数指令Ｃf2を入力する必要はなく、例えばメモリ（図略）を設けて、その周波数を記憶させるようにすればよい。
【００６８】
なお、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２がＤＤＳ方式の高周波発生部のように、所望の周波数を合成できる機能があれば、基準クロック発生部１１６から第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２に与える基準クロック信号の周波数を、第１の周波数指令Ｃf1及び第２の周波数指令Ｃf2に対応させる必要がない。そのため、第１の高周波発生部１０１に与える基準クロック信号の周波数を一定値（例えば５０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ）にしてもよい。同様に、第２の高周波発生部１０２に与える基準クロック信号の周波数を一定値（例えば４９．５ＭＨｚ、１００ＭＨｚ）にしてもよい。また、上記例のように、第１の高周波発生部及び第２の高周波発生部に与える基準クロック信号の周波数を水晶発振器１１７の出力周波数と同一にすることもできる。この場合、基準クロック発生部１１６は、水晶発振器１１７の出力をそのまま第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２に与えればよい。
【００６９】
本実施形態では、デジタル回路（例えばＦＰＧＡ）を用いてデジタル処理を行っているので、単一の水晶発振器１１７の出力信号を用いて、複数の基準クロック信号を発生させることができる。また、デジタル回路では、「入力周波数／サンプリング周波数」で周波数の正規化を行っているため、本実施形態のように構成すると、「入力周波数」、「サンプリング周波数」ともに水晶発振器の出力周波数と同じ割合の誤差が含まれる。その結果、水晶発振器の出力周波数の誤差が相殺されるので、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題が生じない。本実施形態では、フィルタ１０９及び差周波数信号レベル検出部１１０において、上記のような効果がある。以下、この理由を説明する。
【００７０】
＜フィルタにおける効果＞
図３は、フィルタ１０９の構成例を示すブロック図である。上述したように、フィルタ１０９は、図３（ａ）に示すように、アナログフィルタからなっていてもよく、図３（ｂ）に示すように、デジタルフィルタからなっていてもよい。また、図３（ｃ）に示すように、アナログフィルタと、アナログフィルタの出力をデジタル処理して差周波数信号を抽出するデジタルフィルタとの組み合わせからなっていてもよい。
【００７１】
なお、近年では、信号処理のデジタル化が進み、上述したようなＦＰＧＡ等を用いて高度な信号処理がされるようになってきた。そのため、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、デジタルフィルタを含む構成にすることが多い。その中でも多いのが図３（ｃ）に示す構成である。また、このようなデジタルフィルタとしては、通過周波数帯域の非常に狭いバンドパスフィルタが用いられる傾向にある。
【００７２】
例えば、上述したように、第１の高周波発生部１０１から出力される第１の高周波信号Ｓ1の周波数が５０ＭＨｚ、第２の高周波発生部１０２から出力される第２の高周波信号Ｓ2の周波数が４９．５ＭＨｚであるとすれば、乗算部１０７を通過する差周波数は０．５ＭＨｚの周波数成分を含む信号となる。この０．５ＭＨｚが基準周波数となる。そして、フィルタ１０９は、基準周波数である０．５ＭＨｚの周波数成分は通過させるが、それ以外の周波数成分を除去する特性であることが望まれる。そのため、図４に示すような特性のデジタルバンドパスフィルタが用いられる。
【００７３】
図４は、デジタルバンドパスフィルタの周波数特性の一例を示す図である。この図４において、横軸は、「入力周波数／サンプリング周波数」で表される正規化周波数であり、縦軸は、デジタルバンドパスフィルタの出力レベル［ｄＢ］を示す。
【００７４】
上記の例では、乗算部１０７の出力信号Ｓｆｐ‘の周波数が入力周波数となり、デジタル回路で用いる基準クロック信号の周波数がサンプリング周波数となる。すなわち、水晶発振器１１７の出力周波数に誤差がなければ、入力周波数が０．５ＭＨｚとなり、デジタル回路で用いる基準クロック信号の周波数が１００ＭＨｚとなるので、正規化周波数は０．００５となる。
【００７５】
ここで図４を参照すると、正規化周波数が０．００５のときに、信号レベルが減衰することなく（または殆ど減衰することなく）デジタルバンドパスフィルタを通過するように設計されていることを示している。しかし、正規化周波数が０．００５から少しずれると、信号レベルが大きく減衰してしまうことが分かる。
【００７６】
本実施形態のように、基準クロック発生部１１６は、単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させているので、発生させる複数の基準クロック信号の周波数にも水晶発振器１１７の出力周波数と同じ割合の誤差が含まれる。その基準クロック発生部１１６で発生させた基準クロック信号を用いて、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２から第１の高周波信号Ｓ１及び第２の高周波信号Ｓ２を発生させているので、乗算部１０７に入力される２つの信号にも同じ割合の誤差が含まれる。そのため、乗算部１０７から出力される第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差の周波数成分を含む信号Ｓfp’にも同じ割合の誤差が含まれる。
【００７７】
ここで、水晶発振器１１７の出力周波数に、α倍の誤差（誤差が＋１％のときは、α＝１．０１）があると仮定すると、デジタル回路用の基準クロック信号の周波数は１００×αＭＨｚとなる。また、基準クロック発生部１１６は、単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させているので、第１の高周波発生部用の基準クロック信号の周波数及び第２の高周波発生部用の基準クロック信号の周波数にも、上記のα倍の誤差が生じる。すなわち、第１の高周波発生部用の基準クロック信号の周波数は５０×αＭＨｚ、第２の高周波発生部用の基準クロック信号の周波数は４９．５×αＭＨｚとなる。そのため、乗算部１０７を通過する差周波数は、５０×α−４９．５×α＝０．５×αＭＨｚとなる。また、デジタル回路用の基準クロック信号の周波数にも上記のα倍の誤差が生じるので、１００×αＭＨｚとなる。
【００７８】
そうなると、「入力周波数／サンプリング周波数」で表される正規化周波数は、０．５×α［ＭＨｚ］／１００×α［ＭＨｚ］＝０．００５となる。すなわち、たとえ水晶発振器１１７の出力周波数に、α倍の誤差があっても、水晶発振器の出力周波数に誤差がない場合と同じ結果となるので、見かけ上、誤差が含まれないことになる。したがって、従来の問題を改善することができる。
【００７９】
なお、フィルタ１０９としてアナログフィルタを用いた場合は、上記のような通過周波数帯域の非常に狭いバンドパスフィルタを設計することが困難である。反対に、水晶発振器１１７の出力周波数の誤差に起因して、乗算部１０７から出力される第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差の周波数成分を含む信号Ｓfp’に誤差が含まれたとしても、その影響は殆どない。
【００８０】
＜差周波数信号レベル検出部における効果＞
上述したように、差周波数信号レベル検出部１１０は、フィルタ１０９から出力される差周波数信号Ｓpfの出力信号のレベルを検出する。また、差周波数信号Ｓpfは、例えば０．５ＭＨｚの周波数成分を有する信号であるため、信号の振幅を演算によって求めることで、信号のレベルを検出することができる。
【００８１】
周知のように、正弦波信号は、式（１）で表すことができる。このように、正弦波信号も「入力周波数／サンプリング周波数」で周波数の正規化を行っている。また、後述する余弦波信号でも同様である。
Ａｓｉｎ （２π・ｆin／ｆsample・（t））            ・・・・・（１）
Ａ：振幅
ｆin：測定信号の周波数
ｆsample：サンプリング周波数
【００８２】
また、正弦波信号は、式（２）で表すことができる。
Ａｃｏｓ （２π・ｆin／ｆsample・（t））            ・・・・・（２）
【００８３】
ここで、正弦波を微分すると余弦波になることは周知であり、また、微分は２点間の傾きで表されるので、式（２）は、式（３）のように表すことができる。
Ａｃｏｓ （２π・ｆin／ｆsample・（t））
＝（Ａｓｉｎ（２π・ｆin／ｆsample・（t+1））−Ａｓｉｎ（２π・ｆin／ｆsample・（t-1）））／（２・ｓｉｎ（２π・ｆin／ｆsample））  ・・・・・（３）
【００８４】
なお、上記式（３）では、基準点におけるサンプリングデータの値を、Ａｓｉｎ(２π・ｆin／ｆsample・（ｔ））とし、基準点の１つ前のサンプリングデータの値を、Ａｓｉｎ(２π・ｆin／ｆsample・（ｔ−１））とし、基準点の１つ後のサンプリングデータの値を、Ａｓｉｎ(２π・ｆin／ｆsample・（ｔ＋１））としている。また、上記式（３）は、三角関数の公式（ｓｉｎα−ｓｉｎβ＝２ｃｏｓ（（α＋β）／２）・ｓｉｎ（（α−β）／２））から容易に求めることができる。
【００８５】
すなわち、デジタル信号波形を構成する複数点のサンプリングデータの中での基準点の前後各１点のサンプリングデータを用いて、基準点におけるデジタル信号波形の傾きを算出すれば、基準点における微分値に相当する値を求めることができる。
【００８６】
また、同時刻の正弦波の値と余弦波の値が分かれば、式（４）によって、デジタル信号波形の振幅を算出できる。
Ａ＝√（Ｓ２＋Ｃ２）                  ・・・・・・・・・・・・・・（４）
Ｓ：基準点におけるサンプリングデータの値（正弦波の値）
Ｃ：基準点におけるデジタル信号波形の微分値（余弦波の値）
【００８７】
したがって、デジタル信号波形を構成する複数点のサンプリングデータの中での基準点のデータおよびその前後各１点のサンプリングデータ（計３点のデータ）が分かれば、デジタル信号波形の振幅を算出できる。
【００８８】
すなわち、差周波数信号レベル検出部１１０でも「入力周波数／サンプリング周波数」で入力信号の正規化を行っているため、本実施形態のように構成すると、「入力周波数」、「サンプリング周波数」ともに水晶発振器の出力周波数と同じ割合の誤差が含まれる。しかし、上述したように水晶発振器の出力周波数の誤差が相殺されるので、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題が生じない。
【００８９】
そのため、本実施形態で説明したように、周波数変換方式のフィルタリングによってスプリアス成分を除去するようにした場合に、基本周波数の成分を精度良く抽出できるだけでなく、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題も改善できる。ひいては、基準クロックを生成する水晶発振器の出力周波数に誤差があっても、精度の良い電力制御ができる高周波電源装置を提供できる。
【００９０】
なお上述したように、フィルタ１０９、差周波数信号レベル検出部１１０の双方で効果があるので、フィルタ１０９、差周波数信号レベル検出部１１０の双方をデジタル回路で構成しなくても、どちらか一方だけをデジタル回路で構成しても水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題も改善できる。
【００９１】
＜その他の効果＞
本実施形態ではまた、第２の高周波発生部１０２の出力レベルを検出する出力レベル検出部１１３が設けられて、その出力信号Ｓ2aが、第２のレベル設定部１１４から出力される第２のレベル設定信号Ｓ2asと共に第２のレベル制御部１１５に入力されている。第２のレベル制御部１１５は、出力レベル検出部１１３により検出された第２の高周波発生部１０２の出力レベルを第２のレベル設定部１１４により設定された第２の設定レベルと比較演算して、その演算結果に基づいて第２の高周波発生部１０２が出力する第２の高周波信号Ｓ2のレベルを第２の設定レベルに保つように第２の高周波発生部１０２に振幅指令Ｃa2を与える。本実施形態では、第２のレベル制御部１１５がデジタル回路からなっていて、出力レベル検出部１１３から得られるレベル検出信号Ｓ2aがＡ／Ｄ変換器を通して第２のレベル制御部１１５に与えられる。第２のレベル制御部１１５は、レベル検出信号Ｓ2aのレベルを第１の設定レベルに等しくするために必要な第２の高周波信号Ｓ2のレベルを演算して、演算したレベルの第２の高周波信号Ｓ2を第２の高周波発生部１０２から発生させるように、第２の高周波発生部１０２に振幅指令Ｃa2を与える。
【００９２】
本実施形態の高周波電源装置においては、周波数指令部１０４が、第１の高周波信号の
周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つように第１及び第２の高周波発生
部に同時に周波数指令Ｃf1及びＣf2を与えるため、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差デルタｆは常に一定である。電力増幅部１０５は、第１の高周波発生部１０１から得られる第１の高周波信号Ｓ1を増幅して負荷に供給する高周波電力を出力する。電力増幅部１０５から負荷に与えられる進行波電力は、高周波検出部１０６により検出される。高周波検出部１０６から得られる進行波検出信号Ｓpは、第２の高周波信号Ｓ2と共に乗算部１０７に入力される。乗算部１０７は、進行波検出信号と第２の高周波信号Ｓ2とを乗算して、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差デルタｆ(＝ｆ1−ｆ2)の周波数成分を含む信号Ｓfp’を出力する。フィルタ１０９は、信号Ｓfp’からスプリアス成分を除去して第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する差周波数信号Ｓfpを抽出して、この差周波数信号Ｓfpを差周波数信号レベル検出部１１０に与える。差周波数信号レベル検出部１１０は、差周波数信号Ｓfpを検波してそのレベルを検出し、検出したレベルを第１のレベル制御部１１２に与える。第１のレベル制御部１１２は、差周波数信号レベル検出部１１０により検出されたレベルを第１のレベル設定部１１１により設定された第１の設定レベルと比較演算して、その演算結果に基づいて電力増幅部１０５から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように第１の高周波発生部１０１に振幅指令Ｃa1を与えるため、電力増幅部１０５から負荷に与えられる高周波電力が設定値に保たれる。
【００９３】
上記のように、本発明においては、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数との差を一定に保つように第１及び第２の高周波発生部１０１及び１０２に周波数指令を与えることにより、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差を一定に保つようにしたので、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させるために第１の高周波発生部１０１の出力周波数を変化させても、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させた際に電力増幅部１０５の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部１１０により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐことができ、負荷に供給する高周波電力の電力値の制御の精密性をなんら損なうことなく、高周波電力の周波数を任意に変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。
【００９４】
また本実施形態の高周波電源装置においては、第２のレベル制御部１１５が、出力レベル検出部１１３により検出された第２の高周波発生部１０２の出力レベルを第２の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて第２の高周波発生部１０２の出力レベル（第２の高周波信号Ｓ2の信号レベル）を設定された一定値に保つように第２の高周波発生部１０２に振幅指令を与えるため、第２の高周波発生部の出力レベルを常に一定のレベル（第２の設定レベル）に保つことができる。そのため、第２の高周波発生部の出力レベルの変動により、乗算部１０８の出力レベルが変動して、電力増幅部１０５の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部１１０により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐことができる。
【００９５】
従って、本実施形態によれば、周波数変換方式のフィルタリングによってスプリアス成分を除去するようにした場合に、基本周波数の成分を精度良く抽出できるだけでなく、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題も改善できる。さらに、第２の高周波発生部の出力レベルの変動により乗算部の出力が変動して電力増幅部１０５の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部１１０により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防いで、高周波電力の電力値を設定値に保つ制御をより精密性を高めて行うことができる。
【００９６】
上記実施形態のように、第２の高周波電源発生部１０２の出力レベルを一定に制御することが望ましいが、第２の高周波電源発生部１０２の出力に予測される変動が僅かである場合には、第２の高周波電源発生部１０２の出力レベルを制御する制御系を省略することができる。従って、本発明に係わる高周波電源装置の基本的な構成では、図１に示した実施形態の出力レベル検出部１１３、第２のレベル制御部１１５及び第２のレベル設定部１１４を省略することができる。
【００９７】
図１に示した実施形態においては、第１及び第２の高周波発生部１０１及び１０２を、独立したＤＤＳとしたが、これらも第１のレベル制御部１１２等とともに、デジタル回路（例えばＦＰＧＡ）で構成してもよい。
【００９８】
［第２の実施形態］
図２は本発明に係わる高周波電源装置の第２の実施形態の構成を示したものである。この実施形態では、高周波検出部１０６が、電力増幅部１０５から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号Ｓpと負荷側から電力増幅部１０５に向かう反射波電力の情報を含む反射波検出信号Ｓrとを出力するように構成されている。また、図１に示した第１の実施形態では、電力増幅部１０５から出力される進行波電力を設定値に保つように、第１の高周波発生部１０１に振幅指令を与えていたが、この第２の実施形態では、電力増幅部１０５から負荷に与えられる電力（進行波電力から反射波電力を差し引いた電力）を設定値に保つように、第１の高周波発生部１０１に振幅指令を与えるように構成されている。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００９９】
図２に示した実施形態では、図１に示した乗算部１０７、フィルタ１０９及び差周波数信号レベル検出部１１０をそれぞれ第１の乗算部１０７、第１のフィルタ１０９及び第１の差周波数信号レベル検出部１１０としている。また、図１に示された構成に加えて、更に、第２の乗算部１２１と、第２のフィルタ１２３と、第２の差周波数信号レベル検出部１２４とが設けられている。なお、第１のレベル設定部１１１及び第１のレベル制御部１１２は、後述するように、図１に示したものとは機能が異なるが、便宜上、同じ符号を用いている。
【０１００】
第２の乗算部１２１は、高周波検出部１０６により得られた反射波検出信号Ｓrと第２の高周波発生部１０２が出力する第２の高周波信号Ｓ2とを乗算して、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差の周波数成分を含む信号Ｓfr’を出力する。
【０１０１】
第２のフィルタ１２３は、第２の乗算部１２２の出力からスプリアス成分を除去して、第１の高周波信号の周波数と第２の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第２の差周波数信号Ｓfrを抽出し、抽出した第２の差周波数信号Ｓfrを第２の差周波数信号レベル検出部１２４に与える。この第２のフィルタ１２３は、第１のフィルタ１０９と同様の構成である。
【０１０２】
図２に示した実施形態において、第２のフィルタ１２３はアナログフィルタでもよく、デジタルフィルタでもよい。第２のフィルタ１２３はまた、アナログフィルタとデジタルフィルタとを組み合わせたものでも良い。本実施形態では、第２のフィルタ１２３が、デジタルフィルタまたはアナログフィルタとデジタルフィルタとを組み合わせたもので構成されている。すなわち、本実施形態では、第２のフィルタ１２３は、少なくとも一部がデジタル回路で構成されている。
【０１０３】
第２の差周波数信号レベル検出部１２４は、第２の差周波数信号Ｓfrのレベルを検出して、検出したレベルを示す第２のレベル検出信号Ｓraを周波数制御部１０４に与える。この第２の差周波数信号レベル検出部１２４は、第１の差周波数信号レベル検出部１１０と同様の構成である。
【０１０４】
また、第２の差周波数信号レベル検出部１２４は、アナログ回路（例えば検波回路）からなっていてもよく、デジタル回路からなっていてもよい。本実施形態では、第２の差周波数信号レベル検出部１２４がデジタル回路からなっていて、差周波数信号Ｓprをデジタル処理することにより、差周波数信号Ｓfrのレベルを示すレベル検出信号Ｓraを出力する。
【０１０５】
また、本実施形態では、上述したように、第２のフィルタ１２３、第２の差周波数信号レベル検出部１２４がデジタル回路（例えばＦＰＧＡ）で構成されているだけでなく、第１の実施形態と同様に、第１のフィルタ１０９、第１の差周波数信号レベル検出部１１０、第１のレベル制御部１１２がデジタル回路（例えばＦＰＧＡ）で構成されている。
【０１０６】
第２の差周波数信号レベル検出部１２４から得られるレベル検出信号Ｓraは、第２の差周波数信号レベル検出部１１０から出力されるレベル検出信号Ｓpaと共に第１のレベル制御部１１２に与えられている。本実施形態の第１のレベル制御部１１２は、第１の差周波数信号レベル検出部１１０により検出されたレベルから第２の差周波数信号レベル検出部１２４により検出されたレベルを減算して求めたレベルを第１の設定レベル設定部１１１により設定された第１の設定レベルと比較演算して、その演算結果に基づいて電力増幅部１０５から負荷に与えられる電力（進行波電力から反射波電力を差し引いた電力）を設定値に保つように、第１の高周波発生部に振幅指令を与える。
【０１０７】
基準クロック発生部１１６は、単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させているので、発生させる複数の基準クロック信号の周波数にも水晶発振器１１７の出力周波数と同じ割合の誤差が含まれる。その基準クロック発生部１１６で発生させた基準クロック信号を用いて、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２から第１の高周波信号Ｓ１及び第２の高周波信号Ｓ２を発生させているので、第１の乗算部１０７及び第２の乗算部１２１にそれぞれ入力される２つの信号にも同じ割合の誤差が含まれる。そのため、第１の乗算部１０７から出力される第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差の周波数成分を含む信号Ｓfp’にも同じ割合の誤差が含まれる。また、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差の周波数成分を含む信号Ｓfr’にも同じ割合の誤差が含まれる。
【０１０８】
＜フィルタ及び差周波数信号レベル検出部における効果＞
また、上述したように、本実施形態では、第１のフィルタ１０９、第１の差周波数信号レベル検出部１１０、第２のフィルタ１２３、第２の差周波数信号レベル検出部１２４がデジタル回路（例えばＦＰＧＡ）で構成されているので、基準クロック発生部１１６で発生させた基準クロック信号が、第１のフィルタ１０９等に与えられる。
そのため、第１の実施形態で説明したように、第１のフィルタ１０９及び第１の差周波数信号レベル検出部１１０をデジタル回路で構成しても、水晶発振器の出力周波数の誤差が相殺されるので、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題が生じない。
また、第１のフィルタ１０９と同様の理由により、第２のフィルタ１２３をデジタル回路で構成しても、水晶発振器の出力周波数の誤差が相殺されるので、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題が生じない。
また、第１の差周波数信号レベル検出部１１０と同様の理由により、第２の差周波数信号レベル検出部１２４をデジタル回路で構成しても、水晶発振器の出力周波数の誤差が相殺されるので、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題が生じない。
【０１０９】
そのため、本実施形態で説明したように、周波数変換方式のフィルタリングによってスプリアス成分を除去するようにした場合に、基本周波数の成分を精度良く抽出できるだけでなく、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題も改善できる。ひいては、基準クロックを生成する水晶発振器の出力周波数に誤差があっても、精度の良い電力制御ができる高周波電源装置を提供できる。
【０１１０】
なお上述したように、フィルタ１０９、差周波数信号レベル検出部１１０、第２のフィルタ１２３、第２の差周波数信号レベル検出部１２４のそれぞれで効果があるので、フィルタ１０９、差周波数信号レベル検出部１１０、第２のフィルタ１２３、第２の差周波数信号レベル検出部１２４のそれぞれをデジタル回路で構成しなくても、少なくとも１つをデジタル回路で構成しても水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題も改善できる。
【０１１１】
＜その他の効果＞
また、本実施形態のように構成すると、高周波電力の周波数の如何に関わりなく、進行波電力の電力値と第１の差周波数信号レベル検出部１１０により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第２の差周波数信号レベル検出部１２４により検出されるレベルとの対応関係が狂うのを防ぐとともに、第２の高周波発生部の出力レベルの変動により、第１及び第２の乗算部１０８及び１２２の出力が変動して、進行波電力の電力値と第１の差周波数レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第２の差周波数レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐことができるため、進行波電力と反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御を精密に行わせることができる。従って本実施形態によれば、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力と負荷から電力増幅部側に戻ってくる反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御の精密性を何等損なうことなく、高周波電力の周波数を変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１０１  第１の高周波発生部
１０２  第２の高周波発生部
１０３  周波数設定部
１０４  周波数指令部
１０５  電力増幅部
１０６  高周波検出部
１０７  乗算部（第１の乗算部）
１０９  フィルタ（第１のフィルタ）
１１０  差周波数信号レベル検出部（第１の差周波数信号レベル検出部）
１１１  第２のレベル設定部
１１２  第１のレベル制御部
１１３  出力レベル検出部
１１４  第２のレベル設定部
１１５  第２のレベル制御部
１１６  基準クロック信号発生部
１１７  水晶発振器
１２０  反射波基準レベル設定部
１２１  第２の乗算部
１２３  第２のフィルタ
１２４  第２の差周波数信号レベル検出部
【図１】
2011216369.tif 000003
【図２】
2011216369.tif 000004
【図３】
2011216369.tif 000005
【図４】
2011216369.tif 000006
【図５】
2011216369.tif 000007
【図６】
2011216369.tif 000008
【図７】
2011216369.tif 000009
【図８】
2011216369.tif 000010
【図９】
2011216369.tif 000011