(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つのキャパシタンスと少なくとも１つのインダクタンスを有しており、かつ互いに９０°だけ位相のずれた同じ周波数の２つのＺＦ電力信号を結合する少なくとも１つの直交結合器を有するプラズマ負荷に電力を供給するプラズマ供給装置に関する。直交結合器の第１有用信号端子と第２有用信号端子には、有用信号としてそれぞれ１つのＨＦ電力信号が供給され、当該ＨＦ電力信号は第３有用信号端子において有用信号として出力されるべき結合されたＨＦ電力に適合されており、少なくとも１つの有用信号端子は第１インピーダンス用に設計されている。直交結合器（１５０）は第１インピーダンスよりも高い第２インピーダンス用に設計された第４有用信号端子を有するか、または、３つの有用信号端子（１、２、３）だけを有する。
2013527642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ負荷に電力を供給するプラズマ供給装置であって、
前記プラズマ供給装置は少なくとも１つの直交結合器を有しており、当該少なくとも１つの直交結合器は少なくとも１つのキャパシタンスと少なくとも１つのインダクタンスを有しており、かつ互いに９０°だけ位相のずれた同じ周波数の２つのＨＦ電力信号を結合し、
前記直交結合器の第１有用信号端子と第２有用信号端子には、有用信号としてそれぞれ１つのＨＦ電力信号が供給され、当該ＨＦ電力信号は第３有用信号端子において有用信号として出力されるべき結合されたＨＦ電力に適合されており、
少なくとも１つの有用信号端子は第１インピーダンス用に設計されている、
プラズマ供給装置において、
前記少なくとも１つの直交結合器が前記第１インピーダンスよりも高い第２インピーダンス用に設計された第４有用信号端子を有するか、または、前記少なくとも１つの直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）が３つの有用信号端子（１、２、３、２５１〜２５３、２６１〜２６３、２９１〜２９３、６１１〜６１３、６２１〜６２３、７１１〜７１３）だけを有する、ことを特徴とするプラズマ供給装置。
【請求項２】
前記第２インピーダンスは前記第１インピーダンスの少なくとも４倍、好ましくは少なくとも１０倍である、請求項１に記載のプラズマ供給装置。
【請求項３】
前記直交結合器の第４有用信号端子は、ゼロに向かうアドミッタンス用に設計されている、請求項１に記載のプラズマ供給装置。
【請求項４】
前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）は１つのキャパシタンス（Ｃ）と１つのインダクタンス（Ｌ）だけを有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項５】
前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）の少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ）はプレーナコイルを含んでいる、請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項６】
前記インダクタンス（Ｌ）はプリント基板（１５１）上の少なくとも１つの導体路（１５２）を含んでいる、請求項５に記載のプラズマ供給装置。
【請求項７】
少なくとも１つのインダクタンスに磁界強化素子が割り当てられている、請求項１から６のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項８】
前記直交結合器（１５０）の少なくとも１つのキャパシタンス（Ｃ）はプレーナ構造を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項９】
前記キャパシタンス（Ｃ）はプリント基板（１５１）上のプレーナ構造を含んでいる、請求項８に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１０】
少なくとも１つのキャパシタンス（Ｃ）と少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ）は、共通のプリント基板（１５１）上に配置されたプレーナ構造を含んでいる、請求項１から９のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１１】
前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）のキャパシタンス（Ｃ）のリアクタンスは、前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）のインダクタンス（Ｌ）の負のリアクタンスに等しい、請求項１から１０のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１２】
前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）のインダクタンス（Ｌ）のリアクタンスが
2013527642.tif 000010
であり、前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）のキャパシタンス（Ｃ）のリアクタンスが
2013527642.tif 000011
である、請求項１から１１のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１３】
２つの有用信号端子（６１１、６１２、６２１、６２２）のそれぞれに、１つのインピーダンス整合した高周波源（８１０〜８４０）が接続されている、請求項１から１２のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１４】
前記インピーダンス整合した高周波源（８１０〜８４０）はそれぞれ、４つの有用信号端子（５１１〜５１４、５２１〜５２４、５３１〜５３４、５４１〜５４４）を有する第２直交結合器（５１０、５２０、５３０、５４０）と、別の２つの高周波源（４１０〜４８０）と、成端抵抗（８１１、８２１、８３１、８４１）とを含んでおり、
前記第２直交結合器（５１０、５２０、５３０、５４０）の２つの有用信号端子（５１１、５１２、５２１、５２２、５３１、５３２、５４１、５４２）にはそれぞれ前記別の高周波源（４１０〜４８０）の一方が接続されており、前記第２直交結合器（５１０、５２０、５３０、５４０）の第３有用信号端子（５１３、５２３、５３３、５４３）にはそれぞれ前記第１直交結合器（６１０、６２０）の１つの有用信号端子（５１１、６１２、６２１、６２２）が接続されており、前記第２直交結合器（５１０、５２０、５３０、５４０）の第４有用信号端子（５１４、５２４、５３４、５４４）には前記成端抵抗（８１１、８２１、８３１、８４１）が接続されている、請求項１３に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１５】
複数の直交結合器（２５０、２６０、２９０、５１０、５２０、５３０、５４０、６１０、７１０）がカスケード配置されている、請求項１から１４のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１６】
３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの範囲の周波数において５００Ｗを超える高周波電力を発生させる複数の高周波源（２１０、２２０、２３０、２４０、４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０、４８０、８１０、８２０、８３０、８４０）が設けられている、請求項１から１５のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１７】
少なくとも１つのキャパシタンスと少なくとも１つのインダクタンスを有しており、かつ互いに９０°だけ位相のずれた同じ周波数の２つのＨＦ電力信号を結合する、直交結合器であって、
該直交結合器の第１有用信号端子と第２有用信号端子には、有用信号としてそれぞれ１つのＨＦ電力信号が供給され、当該ＨＦ電力信号は第３有用信号端子において有用信号として出力されるべき結合されたＨＦ電力に適合されており、
少なくとも１つの有用信号端子は第１インピーダンス用に設計されている、
直交結合器において、
前記少なくとも１つの直交結合器が前記第１インピーダンスよりも高い第２インピーダンス用に設計された第４有用信号端子を有するか、または、前記少なくとも１つの直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）が３つの有用信号端子（１、２、３、２５１〜２５３、２６１〜２６３、２９１、２９３、６１１〜６１３、６２１〜６２３、７１１〜７１３）だけを有する、ことを特徴とする直行結合器。
【請求項１８】
前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）はただ１つのプリント基板（１５１）上に形成されている、請求項１７に記載の直交結合器。
【請求項１９】
前記プリント基板（１５１）は多層プリント基板である、請求項１８に記載の直交結合器。
【請求項２０】
前記プリント基板（１５１）は多層プリント基板である、請求項１８または１９に記載の直交結合器。
【請求項２１】
前記少なくとも１つのキャパシタンスおよび／または少なくとも１つのインダクタンスはプレーナ技術によって形成されている、請求項１７から２０のいずれか１項に記載の直交結合器。
【請求項２２】
前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）の寸法は前記ＨＦ電力信号の周波数の波長の１／５よりも小さい、請求項１７から２２のいずれか１項に記載の直交結合器。
【請求項２３】
直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）のカスケードにおいて、
前記直交結合器の少なくとも１つが請求項１７から２２のいずれか１項に記載の直交結合器であることを特徴とする、直交結合器のカスケード。
【請求項２４】
少なくとも１つの直交結合器が有用信号として出力されるべき最大の結合されたＨＦ電力で動作可能である、請求項２３に記載の直交結合器のカスケード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマ負荷への電力供給のためのプラズマ供給装置に関する。このプラズマ供給装置は少なくとも１つの直交結合器を有しており、これらの直交結合器は少なくとも１つのキャパシタンスと少なくとも１つのインダクタンスを有しており、互いに９０°だけ位相がずれた２つのＨＦ電力信号を結合する。各１つのＨＦ電力信号が直交結合器の第１有用信号端子と第２有用信号端子に有用信号として供給され、第３有用信号端子において、結合されたＨＦ電力が有用信号として出力される。なお、少なくとも１つの有用信号端子は第１インピーダンス用に設計されている。
【０００２】
工業用プラズマプロセスは、材料加工（例えば表面のコーティングまたはエッチング）やガスレーザの作動に使用される。工業用プラズマプロセスは、とりわけ点弧、消弧またはアーク放電の際に急激にインピーダンスが変化することを特徴としている。プラズマプロセスに特有のこのようなインピーダンス変化は不整合に、ひいては高周波電力の反射につながる。多くの場合、プラズマプロセスに必要なキロワット範囲の高い高周波電力を発生させるために、複数のＨＦ電力源のＨＦ電力信号が結合される。
【０００３】
直交結合器は基本的に公知である。直交結合器の寸法選定と成端が正しく行われれば、有用信号端子に例えば有用信号端子３に供給された位相角φだけ遅れた、または位相角−９０°＋φだけ進んだ高周波信号は、有用信号端子１および２に分割され、有用信号端子１および２において、互いに９０°だけ位相のずれた高周波部分信号が出力される。逆に、有用信号端子１および２に印加された９０°だけ位相のずれた同じ電力の２つの高周波信号は、有用信号端子３において重畳されて出力される。有用信号端子４には、供給された高周波信号の相互間の位相関係または電力関係が正確に維持されない場合にのみ、出力信号が印加される。多くの実施形態において、この有用信号端子は定格値のシステムインピーダンス（多くの場合５０Ω）を有する成端抵抗を備えている。
【０００４】
２つの高周波源の個々の電力（高周波電力信号）を直交結合器によって結合（組合せ、併合）することにより、より大きな総出力電力が達成される。結合器をカスケード接続すれば、さらに電力は増大する。このように高周波源を直交結合器または直交結合器のカスケード接続によって相互連結させることは、例えばＥＰ１７０１３７６Ｂ１に記載されている。
【０００５】
高い電力を達成するために複数の電力結合段をカスケード接続する場合、必要とされる部品（複数の離散素子）のコストや、直交結合器を実現するために素子を組み込む際のプリント基板のスペースまたは基板面積が重要となる。特に、１つの結合器が総電力を処理しなければならない最後の電力結合段では、必要とされる部品は高価である。
【０００６】
本発明の課題は、プラズマ供給装置の、特に電力結合器をカスケード接続した場合の、部品の所要コストを著しく低下させることである。
【０００７】
この課題は、本発明に従い、冒頭に述べたプラズマ供給装置において、このプラズマ供給装置の少なくとも１つの直交結合器の第４有用信号端子が、第１インピーダンスよりも高い第２インピーダンス用に設計されているか、または、このプラズマ供給装置の少なくとも１つの直交結合器が３つの有用信号端子しか有さないようにすることによって解決される。
【０００８】
通常の直交結合器の設計では、直交結合器の少なくとも１つの有用信号端子は、一般に外部回路に相当する、例えばシステムインピーダンスに相当する第１インピーダンス用に設計されている。本発明のプラズマ供給装置では、少なくとも１つの直交結合器において、第４有用信号端子が第１インピーダンスよりも高いインピーダンス用に設計されている。さらに、この有用信号端子へと通じる直交結合器の内部枝路またはこの有用信号端子における外部回路は、総高周波電力用に設計されていなくてよい。極端なケースでは、第４有用信号端子がそれ用に設計されているところのインピーダンスは無限になる、つまり、アドミッタンスがゼロになる。この場合、この有用信号端子に通じる内部枝路のリアクタンスは無限になり、電流はもはや流れず、そのため第４有用信号端子は脱落する。
【０００９】
本発明のプラズマ供給装置の少なくとも１つの直交結合器は有利には３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの周波数範囲向けに設計されており、一般に離散リアクタンスから形成されている。本発明の意味での離散リアクタンスとは、キャパシタンスおよびインダクタンスを意味している。キャパシタンスおよびインダクタンスは整相線として例えばＴ形またはπ形で使用することができる。「離散リアクタンス」という表現は、プレーナ技術によってプリント基板上に実現された離散素子およびリアクタンス、ならびにこれらの混合形を包摂している。インダクタンスの混合形は例えばプレーナコイルとプリント基板上に離散的に半田付けまたはボンディングされたコイルとを含む。また、回路全体を簡略化するために、並列または直列接続されたリアクタンスを電気工学の周知の規則に従って統合してもよい。さらなる回路簡略化は、使用されているインダクタンスをトランスに結合することによって可能である。
【００１０】
公知の直交結合器は、２つの巻線Ｎ1、Ｎ2を備えたトランスと、Ｖ＝Ｎ1／Ｎ2＝１の変換比と、ｋ＝１の結合と、１つの巻線に並列接続された少なくとも１つのインダクタンスＬと、２つのキャパシタンスＣ1、Ｃ2とから成っており、インダクタンスＬは陰にトランス内に、例えばＮ1に実現されていてもよく、キャパシタンスＣ1、Ｃ2は両側でトランスの巻線を相互に接続する。インダクタンスの値は
Ｌ＝Ｚ0／ω
であり、１３．５６ＭＨｚの通常の周波数とＺ0＝５０Ωのシステムインピーダンスの場合、Ｌ＝５８６．９ｎＨである。２つのキャパシタンスの値は
Ｃ1＝Ｃ2＝１／２・ω・Ｚ0
であり、ｆ＝ω／２π＝１３．５６ＭＨｚでＺ0＝５０Ωの場合、Ｃ１＝Ｃ２＝１１７．４ｐＦである。トランスの４つの端子とこれら端子に接続された上記部品は結合器の４つの有用信号端子を形成しており、これら４つの有用信号端子は今の例では５０Ωに合わせて設計されている。
【００１１】
有用信号端子１および２に印加された９０°だけ位相のずれた同じ大きさの２つの高周波信号は、有用信号端子３において重畳して出力される。有用信号端子４は絶縁されている。同様に、第３有用信号端子に供給された高周波信号は、９０°だけ位相のずれた２つの高周波部分信号に分割され、有用信号端子１および２において出力される。第４有用信号端子は、その間、供給された高周波信号から絶縁されている。
【００１２】
公知の直交結合器とは対照的に、本発明による直交結合器は著しく簡略化することができる。
【００１３】
第４有用信号端子においては信号が予想されないため、上記作動時に直交結合器の特性が変化することなく、第４有用信号端子の特性インピーダンスの大きさを変化させることができる。そのために、この有用信号端子に接続されているキャパシタンス（例えばＣ2）を相応に小さくし、その一方で、他の３つの有用信号端子における有効キャパシタンスを維持するために、代わりにもう一方のキャパシタンスＣ1を相応に大きくしてよい。トランスのインダクタンスおよび変換比は新しい特性インピーダンスに相応して大きくしてよい。インダクタンスが巻線に並列して実現されているか、または第４有用信号端子に接続されていない巻線（例えばＮ1）において陰に実現されている場合には、変換比Ｖを大きくするだけで十分である。なぜならば、Ｎ2において変換されたインダクタンスの値も同様に相応して大きくなるからである。この場合、素子の新しい値は下記の通りである。
Ｌ＝Ｚ0／ω
Ｃ2＝１／２・ω・Ｚ4
Ｃ1＝１／ω・Ｚ0−Ｃ2
Ｖ＝Ｚ0／Ｚ4
ここで、Ｚ4は第４有用信号端子の特性インピーダンス、すなわち、第４有用信号端子がそれ用に設計されているところのインピーダンスである。
【００１４】
第４有用信号端子がＺ4＝２００Ωの特性インピーダンス用に設計される場合には、Ｃ2＝２９．３ｐＦ、Ｃ1＝２０５．４ｐＦ、Ｖ＝１：４である。第４有用信号端子がＺ4＝５００Ωの特性インピーダンス用に設計される場合には、Ｃ2＝１１．７ｐＦ、Ｃ1＝２２３ｐＦ、Ｖ＝１：１０である。第４有用信号端子における部品（Ｃ2、Ｎ2）を流れる結合器内部の高周波電流も同様に小さくなるので、これらの部品はより小さな負荷向けに設計することができる。
【００１５】
アドミッタンス１／Ｚ4がゼロになると、すなわち、Ｚ4→∞（Ｖ→０）であると、特に有利である。この場合には、結合器内部の素子Ｃ2およびＮ2に電流が流れることは予想されないので、これらの素子はなくてよい。今や、直交結合器を実現するためには、キャパシタンスＣ1＝１／ω・Ｚ0＝ＣとインダクタンスＬ＝Ｚ0／ωだけで十分である。よって、直交結合器は１つのキャパシタンスと１つのインダクタンスしか有していない。
【００１６】
このように変更された直交結合器においても、主要機能は、つまり、正しい位相ずれをもって有用信号端子１および有用信号端子２に供給され、有用信号端子３において出力される電力の結合は、維持される。
【００１７】
このような直交結合器の構造において、この直交結合器のインダクタンスの少なくとも１つがプレーナコイルを含んでいる、すなわち、高価な巻線を用いずに製造できるプレーナコイルによって少なくとも部分的に形成されていると、有利である。これは例えばプリント基板上の導体路によって実現できる。このようなプレーナコイルについては、定評のある工業的製造プロセスが存在している。そのつどの使用場面の周波数範囲にとってそもそも必要となる所要の線路長または巻き数を小さくするために、インダクタンスにフェライトコアまたは類似の磁界強化素子を割り当ててもよい。これによって電気的損失も低減することができる。
【００１８】
同様に、直交結合器の少なくとも１つのキャパシタンスがプレーナ構造を有していると有利である。また、このプレーナ構造は好ましくは多層プリント基板上に実現してもよい。したがって、直交結合器のキャパシタンスがプレーナ構造として実現されていてもよいし、または、部分キャパシタンスがプレーナ構造によって実現されていてもよい。
【００１９】
少なくとも１つの共通プリント基板上の１つのキャパシタンスと１つのインダクタンスとに対して共通してプレーナ構造を実現ないし配置するということは、さらなる最適化を意味する。というのも、製造コストがさらに低減されるからである。
【００２０】
Ｖ＝０の場合、したがってまた有用信号端子４が不要である場合、キャパシタンスのための面平行な平面とインダクタンスのための渦巻形巻線とを有する完全な直交結合器は少なくとも二層の唯一のプリント基板上に実現することができ、また容易に工業生産することができる。
【００２１】
バイファイラ巻線を有する高周波トランスを備えた実施形態も可能である。この場合、バイファイラ巻線の端子は両側でキャパシタによって接続されている。
【００２２】
本発明によるプラズマ供給装置の少なくとも１つの直交結合器の有用信号端子１と有用信号端子２に供給される高周波電力が等しい限り、有利にはインダクタンスＸL＝Ｌ・ωまたはキャパシタンスＸC＝−１／（ω・Ｃ）のリアクタンスも同じ大きさである。しかし、異なる電力を結合する場合には、これはＶ＝０のときのリアクタンスの簡単な整合によって可能である。キャパシタンスのリアクタンスは、本発明によれば、ＰL（結合器内部でＬと接続されている有用信号端子における高周波源＝Ｐ2）とＰC（結合器内部でＣと接続されている有用信号端子における高周波源＝Ｐ1）の電力比の平方根に比例して整合させることができる。
2013527642.tif 000003
有用信号端子２と有用信号端子１の間のインダクタンスのリアクタンスは、ＰCとＰLの電力比の平方根に比例して整合させることができる。
【００２３】
2013527642.tif 000004
ある有用信号端子における高周波源の電力成分が大きければ大きいほど、この信号端子と有用信号端子３の間のリアクタンスは小さくなければならない。
【００２４】
出力電力Ｐ3を有する出力信号に対する、供給される高周波信号の位相ずれは次の通りである。
2013527642.tif 000005
【００２５】
最適な電力結合は、直交結合器の有用信号端子１および２に、各有用信号端子のインピーダンスに整合させられた高周波源がそれぞれ接続されている場合に行われる。この場合、結合された電力は有用信号端子３に供される。
【００２６】
有用信号端子４に成端抵抗が接続されている、４つの有用信号端子において同じ定格インピーダンスを有する１つの従来式の直交結合器（Ｖ＝１）とそれぞれ一緒に配置された２つの高周波源、例えば２つのインバータは、反射の少ない、インピーダンス整合した高周波源と考えられる。この場合、このような反射の少ない、インピーダンス整合した２つの高周波源は、Ｖ＜１またはＶ→０の直交結合器の有用信号端子１または２に接続することができる。
【００２７】
大きな電力を達成するために、電力結合段をＶ＜１またはＶ→０の直交結合器とカスケード接続してもよい。これは特に他の電力結合段において大きな電力が発生する場合に有利である。というのも、簡単な構造で高価な素子と貴重なスペースを節約することができるからである。
【００２８】
こうして、３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの範囲の周波数に対してそれぞれ高周波電力＞５００Ｗを発生させ、複数の電力結合段上でカスケード状に分割された電力結合装置を有する複数の高周波源を備えた、本発明によるプラズマ供給装置が実現される。高周波源は、インピーダンス整合しているか、または、それ自体さらに２つの高周波源を含んでおり、これらの高周波源の電力が、すべての有用信号端子において同じインピーダンス用に設計されており、１つの有用信号端子において成端抵抗と接続されている公知の直交結合器によって結合されるかのいずれかでなければならない。
【００２９】
さらには、少なくとも１つのキャパシタンスと少なくとも１つのインダクタンスを有し、互いに９０だけ位相のずれた同じ周波数の２つのＨＦ電力信号を結合する直交結合器も、本発明の範囲内に入る。ここで、各ＨＦ電力信号は、直交結合器の第１有用信号端子と第２有用信号端子とに有用信号として供給され、第３有用信号端子において有用信号として出力されるべき結合されたＨＦ電力に適合している。なお、少なくとも１つの有用信号端子は第１インピーダンス用に設計されている。少なくとも１つの直交結合器は、第１インピーダンスよりも高い第２インピーダンス用に設計された第４有用信号端子を有している。代替的には、すくなくとも１つの直交結合器は３つの有用信号端子しか有さない。
【００３０】
直交結合器をただ１つのプリント基板上に形成すると、特に有利である。これによって、少数の部品を用いたコンパクトな構造が得られる。直交結合器をただ１つのプリント基板上に形成することによって、高い再現可能性が保証される。さらに、製造コストも低く抑えられる。
【００３１】
プリント基板は多層プリント基板であると、特に有利である。これによって、直交結合器のさらにコンパクトな構造が可能となる。
【００３２】
低いコストは、プリント基板を二層プリント基板とすることで実現することができる。これはつまり、プリント基板の上面および下面に構造を形成することができることを意味する。
【００３３】
本発明の１つの実施形態では、少なくとも１つのキャパシタンスおよび／または少なくとも１つのインダクタンスがプレーナ技術によって形成されている。また、このような直交結合器はコンパクトな構造を特徴としている。少数の部品を使用するだけでよい。このような直交結合器は正確な再現可能性をもって製造することが可能である。製造コストは低く抑えることができる。
【００３４】
これらの利点は、直交結合器の寸法をＨＦ電力信号の周波数の波長の１／５よりも小さくすることによっても達成することができる。
【００３５】
さらに、本発明による直交結合器のカスケードも本発明の範囲内に入る。この場合、カスケードは、有用信号として出力されるべき結合された最大のＨＦ電力で動作可能な少なくとも１つの直交結合器を有していてよい。このようにして、補償抵抗を不要にすることができる。そうでなければ、補償抵抗は非常に大きな電力向けに設計されなければならない。以上のことによって、大幅にコストが節約される。
【００３６】
本発明のさらなる利点および特徴は、本発明に必要な詳細を示した図面に基づく以下の実施例の説明と、特許請求の範囲の記載とから明らかになる。個々の特徴は、それ自体単独で実現してもよいし、本発明の実施形態において複数の任意の組合せにおいて実現してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】直交結合器の使用を非常に簡略化して示す。
【図２】直交結合器の作用を説明する概略図を示す。
【図３】離散リアクタンスで形成された公知の直交結合器を示す。
【図４】２つのキャパシタンスが統合された直交結合器を示す。
【図５】本発明の直交結合器を示す。
【図６】様々な強さのＨＦ電力信号に対する本発明の直交結合器の作用を説明するベクトル図を示す。
【図７】複数の電力結合段を有するプラズマ供給装置を示す。
【図８】プラズマ供給装置の別の実施形態を示す。
【図９】３つの有用信号端子を有する直交結合器の実現可能性を示す。
【００３８】
図１には、例として、４つの有用信号端子を有する直交結合器５０が示されている。有用信号端子１、２にはそれぞれ高周波源１０、２０が接続されている。高周波源１０、２０の高周波源信号が９０°の位相ずれを有していれば、これらの信号は有用信号端子３においてポジティブに重畳し、有用信号端子４においては消滅する。それゆえ、有用信号端子３には、シンク３０で消費される２つの個別電力の和が現れる。シンク３０はプラズマ負荷、例えばプラズマチャンバまたはガスレーザであってよい。有用信号端子３とシンク３０の間には、インピーダンス整合回路６０を配置してよい。
【００３９】
高周波源信号の位相ずれが−９０°ならば、高周波源信号は有用信号端子４においてポジティブに重畳し、有用信号端子３においては消滅する。
【００４０】
直交結合器５０は可逆素子であるから、不整合のせいで例えばプラズマチャンバのシンク３０から反射して戻ってきた高周波電力は、２つの有用信号端子１および２に分割される。これら２つの信号は互いに直交する（９０°の位相ずれ）。差し当たり、成端抵抗４０に接続されている有用信号端子４には信号は到来しない。反射され分割された信号は高周波源１０、２０に行き、そこで再び反射され、有用信号端子１および２に戻る。ただし、位相はＨＦ源１０、２０での反射によって変化しており、この位相の変化の結果、信号は、有用信号端子４においてポジティブに重畳し、成端抵抗４０へと導かれる。これによって、反射された電力が再びシンク３０へと導かれることが防止される。
【００４１】
直交結合器５０の作用は図２で説明される。９０°の位相ずれを得るには、信号を有用信号端子１から有用信号端子３に向けては４５°だけ位相を遅らせ、有用信号端子１から有用信号端子４に向けては４５°だけ進ませる。対向する有用信号端子対についても同様である。整相線５〜８に対しては、例えばＴ形またはΠ形に配置されたリアクタンスを使用することができる。最も簡単には、＋４５°の位相ずれを有する２つの枝路はそれぞれ１つのインダクタンスによって、−４５°の位相ずれを有する２つの枝路はそれぞれ１つのキャパシタンスによって実現される。それゆえこの場合、直交結合器は２つのインダクタンスと２つのキャパシタンスを有する。
【００４２】
図３には、３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの周波数範囲用の離散リアクタンスを有する先行技術による直交結合器５０の実施形態が示されている。４つの有用信号端子１〜４の間の整相線５〜８は、２つのキャパシタンスＣ1、Ｃ2と２つの結合されたインダクタンスＬ1、Ｌ2に統合されている。２つのインダクタンスＬ1、Ｌ2の間の結合がＫ＝１の場合、点ａとｃの間の電圧は点ｄとｂの間の電圧に等しく、点ａとｄの間の電圧Ｖadは点ｃとｂの間の電圧Ｖbcに等しい。
【００４３】
必要とされるインピーダンス値は
Ｃ1＝Ｃ2＝１／２ωＺ0
Ｌ1＝Ｌ2＝ωＺ0
Ｋ＝１
であり、ここで、Ｚ0はシステムインピーダンス（多くの場合、５０Ω）であり、ＫはＬ1とＬ2の間の結合係数である。
【００４４】
上記の前提では、どの時点においてもＶad＝Ｖbcであるから、直交結合器として形成された直交結合器５０の２つのキャパシタンスＣ1およびＣ2は、２倍のキャパシタンス値（１／ωＺ0）を有する、ただ１つのキャパシタンスＣ2’に統合することができる（図４参照）。
【００４５】
２つの高周波源１０、２０が整合されており、正しい位相ずれで動作していれば、結合された総高周波電力が有用信号端子３に供される。負荷３０の不整合で負荷３０から反射された信号は、直交結合器１５０によって均等に有用信号端子１および２に分割されるので、反射された部分電力が到達する２つの高周波源１０、２０がインピーダンス整合されている限り、反射は有用信号端子４に信号を生じさせない。したがって、この前提の下では、有用信号端子４と成端抵抗４０とを有する枝路全体を除去できる。この本発明による形式のＶ＝０の直交結合器は、図５から分かるように、半分の数の素子またはプリント基板上の明らかに小さなスペースしか必要としない。インダクタンスのリアクタンスは
2013527642.tif 000006
であり、キャパシタンスのリアクタンスは
2013527642.tif 000007
である。高周波源１０、２０の電力Ｐ1、Ｐ2が等しければ、ＸL＝Ｚ0およびＸC＝−Ｚ0である。
【００４６】
キャパシタンスはプリント基板上のプレーナキャパシタとして、インダクタンスはプリント基板上の導体路として形成されていてよい。フェライトや他の磁界強化材料は、インダクタンスと導体路結合を強くすることができる。
【００４７】
様々な強さのＨＦ電力信号用に設計された直交結合器１５０の作用は図６で説明される。図６には、入力電力Ｐ1、Ｐ2と出力電力Ｐ3のベクトル図が示されている。出力電力Ｐ3の位相は０°である。それに対して、入力電力Ｐ1はφ1だけ進んでおり、入力電力Ｐ2はφ2だけ遅れている。ここで、｜φ1｜：｜φ2｜≠４５°。Ｖ1、Ｖ2は有用信号端子１、２における電圧であり、ＩL、ＩCはＬ、Ｃを通る電流である。
【００４８】
本発明によるＶ＝０の直交結合器１５０の有用信号端子１および有用信号端子２に供給される高周波電力が等しくなければ、インダクタンスＬまたはキャパシタンスＣのリアクタンスは整合されねばならない。これらのリアクタンスはＰ1＝Ｖ1・ＩL（有用信号端子１における高周波源１０）とＰ2＝Ｖ2・ＩC（有用信号端子２における高周波源２０）の電力比の平方根に比例して整合されねばならない。ここで、有用信号端子１と有用信号端子３の間のキャパシタンスＣのリアクタンスは
2013527642.tif 000008
であり、有用信号端子２と有用信号端子３の間のインダクタンスのリアクタンスは
2013527642.tif 000009
である。
【００４９】
さらに、有用信号端子１および２に供給される２つのＨＦ電力信号Ｐ1、Ｐ2の間の位相ずれは９０°であるのに対し、直交結合器の有用信号端子３における出力信号に対するこれら２つのＨＦ電力信号の位相関係はもはや無条件に＋／−４５°なのではなく、電力比に依存する。
【００５０】
図７には、４つの高周波源２１０、２２０、２３０、２４０を有するプラズマ供給装置２００が示されている。高周波源２１０、２２０は３つの有用信号端子２５１、２５２、２５３を有する第１直交結合器２５０に接続されている。高周波源２１０、２２０から供給された高周波電力信号は９０°だけ位相がずれており、直交結合器２５０によって２倍の大きさの１つの高周波電力信号へと結合され、この２倍の大きさの高周波電力信号が有用信号端子２５３に印加される。高周波源２３０、２４０は３つの有用信号端子２６１、２６２、２６３を有する直交結合器２６０に接続されている。高周波源２３０、２４０から供給された高周波電力信号も９０°だけ位相がずれており、直交結合器２６０によって２倍の大きさの１つの高周波電力信号へと結合され、この２倍の大きさの高周波電力信号が有用信号端子２６３に印加される。
【００５１】
直交結合器２５０、２６０は第１電力結合段２７０内に配置されている。また、第２電力結合段２８０内には、３つの有用信号端子２９１、２９２、２９３を有する直交結合器２９０が配置されている。直交結合器２５０、２６０の出力信号も同様に９０°だけ位相がずれており、直交結合器２９０の有用信号端子２９１、２９２に供給される。これらの信号は直交結合器２９０によって１つの高周波電力信号へと結合され、この高周波電力信号が有用信号端子２９３に印加され、プラズマ負荷３０に供給される。図７に示されている実施例のすべての直交結合器２５０、２６０、２９０は２つの離散リアクタンス、すなわち１つのキャパシタンスＣと１つのインダクタンスＬしか有していない。
【００５２】
各高周波源２１０、２２０、２３０、２４０が１つの高周波電力Ｐを出力するものとすれば、有用信号端子２５３、２６３のそれぞれには電力２・Ｐが印加され、有用信号端子２９３には電力４・Ｐが印加される。
【００５３】
図８には、プラズマ供給装置４００の別の実施例が示されている。プラズマ供給装置４００は８つの高周波源４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０、４８０を有している。（左から数えて最初の２つの破線の間にある）第１電力結合段５００内には、専ら公知の直交結合器５１０、５２０、５３０、５４０だけが設けられている。各直交結合器５１０、５２０、５３０、５４０はそれぞれ４つの有用信号端子５１１〜５１４、５２１〜５２４、５３１〜５３４および５４１〜５４４を有している。これらの有用信号端子はすべて同じ定格インピーダンス用に設計されている。第２電力結合段６００内には、それぞれ３つの有用信号端子６１１〜６１３、６２１〜６２３を有する直交結合器６１０、６２０が設けられている。第３電力結合段７００内には、３つの有用信号端子７１１〜７１３を有する直交結合器７１０が配置されている。有用信号端子７１３はプラズマ負荷３０に接続されている。
【００５４】
電力結合段５００、６００、７００によって、高周波源４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０、４８０から送出された電力が結合され、高周波電力の和がプラズマ負荷３０に供給される。一点鎖線で囲まれた装置８１０、８２０、８３０、８４０もそれ自体高周波源と見なすことができる。これらの高周波源８１０、８２０、８３０、８４０は、反射された電力を再び反射しないように、つまり出力部においてシステムインピーダンスに等しいインピーダンスを示すように形成されている。このために、各高周波源８１０、８２０、８３０、８４０は、それぞれ４つの有用信号端子を有する公知の直交結合器５１０、５２０、５３０、５４０から形成されている。第４有用信号端子５１４、５２４、５３４、５４４には、それぞれ１つの成端抵抗８１１、８２１、８３１、８４１が接続されている。それゆえ、負荷３０から高周波源８１０、８２０、８３０、８４０へと反射された信号と別の高周波源４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０、４８０から反射された信号は、有用信号端子５１４、５２４、５３４、５４４においてポジティブに重畳され、それぞれの成端抵抗８１１、８２１、８３１、８４１に吸収されるような位相関係を有している。したがって、高周波源８１０、８２０、８３０、８４０は反射なしであり、それぞれの出力部（有用信号端子５１３、５２３、５３３、５４３）に成端抵抗８１１、８２１、８３１、８４１のインピーダンスを再現する。なお、成端抵抗８１１、８２１、８３１、８４１はシステムインピーダンスに等しいインピーダンスを有することができる。
【００５５】
高周波源４１０〜４８０は例えば発電器、インバータ、増幅器またはこのようなユニットを複数個結合したものとして形成されていてよい。
【００５６】
図９には、図５に示されているような、３つの有用信号端子１、２、３を有する直交結合器１５０の実装の平面図が示されている。直交結合器１５０はただ１つのプリント基板１５１の上に形成されている。コイルＬとキャパシタＣはプレーナ技術によって実装されている。コイルＬは複数のターンで巻回されたただ１つの導体路１５２しか有していない。キャパシタＣは複数の平行な（導体）平面を有しているが、ここでは平面１５３しか見ることができない。その下には、平面１５３によって覆われた第２平面が配置されている。プリント基板１５１は第２平面を実現するために二層構造である。平面１５３はプレーナ構造を示している。
【図１】
2013527642.tif 000012
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年11月13日(2012.11.13)
【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】
少なくとも１つのキャパシタンスと少なくとも１つのインダクタンスを有しており、かつ互いに９０°だけ位相のずれた同じ周波数の２つのＨＦ電力信号を結合する、直交結合器であって、
該直交結合器の第１有用信号端子と第２有用信号端子には、有用信号としてそれぞれ１つのＨＦ電力信号が供給され、当該ＨＦ電力信号は第３有用信号端子において有用信号として出力されるべき結合されたＨＦ電力に適合されており、
少なくとも１つの有用信号端子は第１インピーダンス用に設計されている、
直交結合器において、
前記少なくとも１つの直交結合器が前記第１インピーダンスよりも高い第２インピーダンス用に設計された第４有用信号端子を有するか、または、前記少なくとも１つの直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）が３つの有用信号端子（１、２、３、２５１〜２５３、２６１〜２６３、２９１、２９３、６１１〜６１３、６２１〜６２３、７１１〜７１３）だけを有する、ことを特徴とする直行結合器。
【請求項２】
前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）はただ１つのプリント基板（１５１）上に形成されている、請求項１に記載の直交結合器。
【請求項３】
前記プリント基板（１５１）は多層プリント基板である、請求項２に記載の直交結合器。
【請求項４】
前記少なくとも１つのキャパシタンスおよび／または少なくとも１つのインダクタンスはプレーナ技術によって形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の直交結合器。
【請求項５】
前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）の寸法は前記ＨＦ電力信号の周波数の波長の１／５よりも小さい、請求項１から４のいずれか１項に記載の直交結合器。
【請求項６】
直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）のカスケードにおいて、
前記直交結合器の少なくとも１つが請求項１から５のいずれか１項に記載の直交結合器であることを特徴とする、直交結合器のカスケード。
【請求項７】
プラズマ負荷に電力を供給するプラズマ供給装置であって、
前記プラズマ供給装置は少なくとも１つの直交結合器を有しており、当該少なくとも１つの直交結合器は少なくとも１つのキャパシタンスと少なくとも１つのインダクタンスを有しており、かつ互いに９０°だけ位相のずれた同じ周波数の２つのＨＦ電力信号を結合し、
前記直交結合器の第１有用信号端子と第２有用信号端子には、有用信号としてそれぞれ１つのＨＦ電力信号が供給され、当該ＨＦ電力信号は第３有用信号端子において有用信号として出力されるべき結合されたＨＦ電力に適合されており、
少なくとも１つの有用信号端子は第１インピーダンス用に設計されている、
プラズマ供給装置において、
前記少なくとも１つの直交結合器が前記第１インピーダンスよりも高い第２インピーダンス用に設計された第４有用信号端子を有するか、または、前記少なくとも１つの直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）が３つの有用信号端子（１、２、３、２５１〜２５３、２６１〜２６３、２９１〜２９３、６１１〜６１３、６２１〜６２３、７１１〜７１３）だけを有する、ことを特徴とするプラズマ供給装置。
【請求項８】
前記第２インピーダンスは前記第１インピーダンスの少なくとも４倍、好ましくは少なくとも１０倍である、請求項７に記載のプラズマ供給装置。
【請求項９】
前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）は１つのキャパシタンス（Ｃ）と１つのインダクタンス（Ｌ）だけを有する、請求項７または８に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１０】
少なくとも１つのキャパシタンス（Ｃ）と少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ）は、共通のプリント基板（１５１）上に配置されたプレーナ構造を含んでいる、請求項７から９のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１１】
前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）のキャパシタンス（Ｃ）のリアクタンスは、前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）のインダクタンス（Ｌ）の負のリアクタンスに等しい、請求項７から１０のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１２】
前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）のインダクタンス（Ｌ）のリアクタンスが
2013527642.tif 000021
であり、前記直交結合器（１５０、２５０、２６０、２９０、６１０、６２０、７１０）のキャパシタンス（Ｃ）のリアクタンスが
2013527642.tif 000022
であり、ここでＺ0はシステムインピーダンスであり、Ｐ1は第１有用信号端子における電力であり、Ｐ2は第２有用信号端子における電力である、請求項７から１１のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１３】
２つの有用信号端子（６１１、６１２、６２１、６２２）のそれぞれに、１つのインピーダンス整合した高周波源（８１０〜８４０）が接続されている、請求項７から１２のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１４】
前記インピーダンス整合した高周波源（８１０〜８４０）はそれぞれ、４つの有用信号端子（５１１〜５１４、５２１〜５２４、５３１〜５３４、５４１〜５４４）を有する第２直交結合器（５１０、５２０、５３０、５４０）と、別の２つの高周波源（４１０〜４８０）と、成端抵抗（８１１、８２１、８３１、８４１）とを含んでおり、
前記第２直交結合器（５１０、５２０、５３０、５４０）の２つの有用信号端子（５１１、５１２、５２１、５２２、５３１、５３２、５４１、５４２）にはそれぞれ前記別の高周波源（４１０〜４８０）の一方が接続されており、前記第２直交結合器（５１０、５２０、５３０、５４０）の第３有用信号端子（５１３、５２３、５３３、５４３）にはそれぞれ前記第１直交結合器（６１０、６２０）の１つの有用信号端子（５１１、６１２、６２１、６２２）が接続されており、前記第２直交結合器（５１０、５２０、５３０、５４０）の第４有用信号端子（５１４、５２４、５３４、５４４）には前記成端抵抗（８１１、８２１、８３１、８４１）が接続されている、請求項１３に記載のプラズマ供給装置。
【請求項１５】
３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの範囲の周波数において５００Ｗを超える高周波電力を発生させる複数の高周波源（２１０、２２０、２３０、２４０、４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０、４８０、８１０、８２０、８３０、８４０）が設けられている、請求項７から１４のいずれか１項に記載のプラズマ供給装置。
【国際調査報告】
2013527642.tif 000023
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2013527642.tif 000029
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