(57)【要約】【課題】負荷で生じた反射波電力に含まれる各スプリアス周波数成分のレベルを個別に検出して、きめの細かい保護制御を行なうことができる高周波電源装置を提供する。【解決手段】高周波電力増幅部１と負荷５との間に挿入した方向性結合器３から得た反射波電力検出信号を局部発振部１６から時系列的に発生させた種々の周波数の局部発振信号と混合することにより、反射波電力検出信号に含まれる各検出対象周波数成分を一定の差周波数を有する反射波差周波数信号に変換し、この反射波差周波数信号を検波部２０により検波することにより、種々の検出対象周波数成分のレベルに対応するレベルを有する電圧信号を時系列的に発生させ、これらの電圧信号から得た種々の検出対象周波数成分の情報を用いて、進行波電力と反射波電力との合計値が過大にならないように増幅部１の出力を制御する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号を増幅する高周波電力増幅部と、前記増幅部と負荷との間に挿入されて前記増幅部から負荷に与えられる進行波電力の情報を含む第１の信号及び前記負荷で反射された反射波電力の情報を含む第２の信号を出力する方向性結合器と、前記第１の信号から前記進行波電力を検出する進行波検出部と、前記第２の信号から前記負荷で反射されて前記増幅部に戻る反射波電力を検出する反射波検出部と、前記負荷に与えられる進行波電力を設定値に保ち、前記進行波電力と前記負荷で反射されて前記増幅部に戻る反射波電力との合計値を制限値以下に保つように前記進行波検出部及び反射波検出部から得られる情報を用いて前記増幅部を制御する制御部とを備えた高周波電源装置であって、
前記反射波検出部は、
出力周波数指令により指令された通りの周波数を有する局部発振信号を出力するように構成された局部発振部と、
前記反射波電力の基本周波数と少なくとも一つのスプリアス周波数とを検出対象周波数として、各検出対象周波数に対応する発振周波数を有する局部発振信号を、各検出対象周波数と対応する局部発振信号の周波数との差周波数を常に一定として時系列的に発生させるように前記局部発振部に出力周波数指令を与える指令発生部と、
前記方向性結合器が出力する前記第２の信号と前記局部発振部が順次出力する局部発振信号とを混合して、前記第２の信号に含まれる各検出対象周波数成分を前記差周波数を有する反射波差周波数信号に変換する周波数変換部と、
前記反射波差周波数信号を検波して各検出対象周波数成分のレベルに対応するレベルを有する電圧信号を時系列的に出力する検波部と、
前記検波部が時系列的に出力する各電圧信号のレベルをサンプリングして保持するサンプルホールド部と、
前記サンプルホールド部に保持された一連の電圧信号のレベルの中から選択した電圧信号のレベルから前記制御部で用いる反射波電力の情報を得て前記制御部に与える反射波情報抽出部と、
を具備してなる高周波電源装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記進行波検出部により検出された進行波電力と前記反射波検出部により検出された反射波電力との合計値が制限値以下のときに前記進行波電力の大きさを設定値に保つように前記増幅部を制御し、前記合計値が制限値を超えたときに該合計値が制限値以下になるまで前記増幅部の出力を低減させる制御を行なうように構成されている請求項１に記載の高周波電源装置。
【請求項３】
前記進行波検出部は、前記方向性結合器から得られた第１の信号から基本周波数成分を取り出すフィルタと、該フィルタの出力を検波する検波器と、該検波器の出力のレベルを調整するレベル調整部とにより構成されている請求項１または２に記載の高周波電源装置。
【請求項４】
前記局部発振部は、前記出力周波数指令により指令された周波数を有する高周波信号を前記局部発振信号として出力するように構成されたダイレクト・デジタル・シンセサイザー（ＤＤＳ）方式の発振器からなっている請求項１ないし３のいずれか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項５】
前記局部発振部は、発振周波数が異なる複数の発振器を備えて、前記出力周波数指令に応じて選択した発振器の出力を前記周波数変換部に与えるように構成されている請求項１ないし３のいずれか一つ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、高周波信号を増幅して、負荷に供給する高周波電力を出力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。一般に高周波電源装置は、高周波信号を発生する信号発生源（発振器）と、信号発生源の出力を増幅する高周波電力増幅部と、高周波電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力の情報を含む進行波検出信号と負荷で反射されて増幅部側に戻る反射波電力の情報を含む反射波検出信号とを得る検出部と、進行波検出信号及び反射波検出信号に応じて高周波電力増幅部を制御する制御部とを備えている。
【０００３】
検出部は、高周波電力増幅部と負荷との間に挿入された方向性結合器を備えていて、高周波電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力の情報を含む信号と、負荷で反射された反射波電力の情報を含む信号とを出力する。
【０００４】
制御部は、検出部で検出された進行波電力を設定値に保つように高周波電力増幅部を制御するとともに、進行波電力と反射波電力との合計値が制限値を超えたときに、両電力の合計値が制限値を超えないように増幅部の出力を抑制する制御を行なって、増幅部を構成する半導体増幅素子の保護を図る。
【０００５】
この種の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、信号発生源から増幅部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、増幅段で発生するスプリアス周波数成分を除去している。高周波電力増幅部の出力側には、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。また高周波電源の出力と負荷との間にインピーダンス整合器を設けて、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、高周波電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力（実質的に基本周波数成分のみを含む。）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。
【０００６】
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り、高速で変動するため、整合器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周波数成分として発生し、これらのスプリアス周波数成分が反射波に重畳する。スプリアス周波数成分が重畳した反射波電力は整合器内を逆流し、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）が高周波電力増幅部の出力段まで戻ってくる。
【０００７】
また、エッチングなどを行なうプラズマ処理装置においては、２つの高周波電源装置からプラズマ処理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。この場合、２つの高周波電源装置の一方から負荷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、２つの高周波電源装置の他方から負荷に与えられる高周波電力は、例えば、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。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、負荷からプラズマ発生用高周波電源装置の増幅部側に戻ってくる反射波には、バイアス用高周波電源装置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が、バイアス用高周波電源装置の基本周波数は、プラズマ発生用高周波電源装置の基本周波数よりも低いため、負荷からプラズマ発生用高周波電源装置側に向かう反射波中のスプリアス周波数成分は、プラズマ発生用高周波電源装置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、該電源装置の増幅部に到達してしまう。
【０００９】
例えば、プラズマ発生用高周波電力の周波数が４０ＭＨｚ、バイアス用高周波電力の周波数が２ＭＨｚである場合、周波数が高いプラズマ発生用高周波電源装置側で生じる反射波電力の基本周波数成分及び第２高調波成分とそれぞれの前後に生じるスプリアス周波数成分とを模式的に示すと図２のようになる。同図において、ｆ1は基本周波数、ｆ11〜ｆ16は基本周波数成分の前後に２ＭＨｚ間隔で発生するスプリアス周波数成分、ｆ2は第２高調波成分、ｆ21〜ｆ26は第２高調波成分の前後に２ＭＨｚ間隔で発生するスプリアス周波数成分である。
【００１０】
上記のようなシステムのバイアス用高周波電源装置側では、バイアス用高周波電力の基本周波数成分にプラズマ発生用高周波電力の基本周波数成分が重畳された反射波が生じるが、この反射波に含まれているプラズマ発生用高周波電力の基本周波数成分は、バイアス用高周波電源装置の増幅部の出力側に設けられているローパスフィルタにより除去することができる。
【００１１】
負荷で生じた反射波電力は、高周波電力増幅部と負荷との間を接続する伝送路上で進行波電力と合成されるため、伝送路上に定在波が発生する。反射波電力が大きく、高いレベルの定在波（電力、電圧及び電流）が発生すると、高周波電力増幅部の半導体増幅素子に印加される電圧が過大になって、該半導体増幅素子が劣化したり破損したりするおそれがある。
【００１２】
このような問題が生じるのを防ぐため、特許文献１に示されているように、高周波電力増幅部と負荷との間に挿入した方向性結合器により進行波電力と反射波電力とを検出して、検出された進行波電力と反射波電力との合計値（合計電力値）が制限値を超えたときに、高周波電力増幅部の出力を抑制する制御を行なって、増幅部の半導体素子を保護することが行われている。
【００１３】
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もあるが、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周波数成分と呼ぶことにする。
【特許文献１】特開２００３−１４３８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記のように、従来の高周波電源装置では、高周波電力増幅部と負荷との間に挿入した方向性結合器を通して進行波電力と反射波電力とを検出し、検出された進行波電力と反射波電力との合計値（合計電力値）が制限値を超えたときに、高周波電力増幅部の出力を抑制する制御を行うようにしていた。
【００１５】
この場合、方向性結合器では、反射波電力に含まれる基本周波数成分とすべてのスプリアス周波数成分とが一括して検出される。これに対し、高周波電力増幅部の出力側にはローパスフィルタが設けられているため、高周波電力増幅部側に到達する反射波電力からは、基本周波数成分よりも高いスプリアス周波数成分が除去される。従って、方向性結合器により検出される反射波電力には、高周波電力増幅部に到達する反射波電力に含まれるスプリアス周波数成分よりも多くのスプリアス周波数成分が含まれることになる。
【００１６】
そのため、方向性結合器により検出された反射波電力と進行波電力との合計値が制限値を超えたときに、反射波電力と進行波電力との合計値を制限値以下に低減させるように高周波電力増幅部の出力を抑制する制御を行うと、反射波電力に基本周波数よりも高いスプリアス周波数成分が多く含まれている場合に、本来であれば、高周波電力増幅部の出力を抑制する必要がないにもかかわらず、抑制する制御が行なわれることがあり、過剰な保護動作が行われて、増幅部の出力が不足する状態が生じるという問題があった。
【００１７】
そこで、方向性結合器の出力側にローパスフィルタを設けて、方向性結合器を通して得られる反射波電力の検出信号から基本周波数よりも高いスプリアス周波数成分を除去してしまうことが考えられる。しかしながらこのように構成した場合には、以下に示すような問題が生じる。即ち、高周波電力増幅部の出力側に設けられるローパスフィルタの特性によっては、該フィルタが基本周波数よりも高いスプリアス周波数成分の一部を除去しきれずに（減衰しきれずに）、通過させてしまうことがある。このように、高周波電力増幅部の出力側に設けられるローパスフィルタが、特定のスプリアス周波数成分の通過を阻止できない特性を有している場合に、方向性結合器の出力側にローパスフィルタを設けて、反射波電力の検出信号から基本周波数より高いスプリアス周波数成分をすべて除去してしまうと、負荷で生じた反射波電力に高周波電力増幅部の出力側のローパスフィルタでは阻止できないスプリアス周波数成分が含まれている場合に、増幅部の保護を的確に図ることができないという問題が生じる。
【００１８】
上記のような問題が生じないようにするためには、反射波に含まれる各スプリアス周波数成分のレベルを個別に検出して、無視できないレベルを有する特定のスプリアス周波数成分の検出値のみを高周波電力増幅部の保護のための制御に用いることができるようにしておくことが好ましい。
【００１９】
また、高周波電源装置から負荷に電力を供給して負荷を運転している状態で、何らかの問題が生じた場合、例えばプラズマエッチング処理を行っている際に不良箇所が生じた場合には、その原因を究明するために、負荷で生じた反射波に含まれるスプリアス周波数成分を解析することが有意義である。このようなことを可能にするためには、反射波に含まれる各スプリアス周波数成分のレベルを個別に検出してその検出結果を記憶させておき、後で必要に応じて記憶内容を読み出して、解析し得るようにしておくことが望ましい。
【００２０】
また、高周波電源装置から負荷に電力を供給して負荷を運転している状態で、負荷における処理が正常に行われているか否かを監視するために、負荷の状態が反映される反射波のスペクトラムをモニタすることが必要になることがあるが、従来の高周波電源装置では、反射波のスペクトラムをモニタしようとすると高価なスペクトルアナライザを用意する必要があり、面倒であった。
【００２１】
本発明の目的は、負荷で生じた反射波電力に含まれる種々のスプリアス周波数成分のレベルを個別に検出して、増幅部の保護を図るための制御をきめ細かく行ったり、負荷の情報を得るために反射波電力に含まれるスプリアス周波数成分のレベルを個別に検出したりすることができるようにした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】
【００２２】
本発明は、高周波信号を増幅する高周波電力増幅部と、前記増幅部と負荷との間に挿入されて増幅部から負荷に与えられる進行波電力の情報を含む第１の信号及び負荷で反射された反射波電力の情報を含む第２の信号を出力する方向性結合器と、第１の信号から進行波電力を検出する進行波検出部と、第２の信号から負荷で反射されて増幅部に戻る反射波電力を検出する反射波検出部と、負荷に与えられる進行波電力を設定値に保ち、進行波電力と負荷で反射されて増幅部に戻る反射波電力との合計値を制限値以下に保つように進行波検出部及び反射波検出部から得られる情報を用いて前記増幅部を制御する制御部とを備えた高周波電源装置に係わるものである。
【００２３】
本発明においては、上記反射波検出部が、出力周波数指令により指令された通りの周波数を有する局部発振信号を出力するように構成された局部発振部と、反射波電力の基本周波数と少なくとも一つのスプリアス周波数とを検出対象周波数として、各検出対象周波数に対応する発振周波数を有する局部発振信号を、各検出対象周波数と対応する局部発振信号の周波数との差周波数を常に一定として時系列的に発生させるように局部発振部に出力周波数指令を与える指令発生部と、方向性結合器が出力する第２の信号と局部発振部が順次出力する局部発振信号とを混合して、第２の信号に含まれる各検出対象周波数成分を差周波数を有する反射波差周波数信号に変換する周波数変換部と、反射波差周波数信号を検波して各検出対象周波数成分のレベルに対応するレベルを有する電圧信号を時系列的に出力する検波部と、検波部が時系列的に出力する各電圧信号のレベルをサンプリングして保持するサンプルホールド部と、サンプルホールド部に保持された一連の電圧信号のレベルの中から選択した電圧信号のレベルから制御部で用いる反射波電力の情報（増幅部に到達する反射波電力の情報）を得て制御部に与える反射波情報抽出部とを備えている。
【００２４】
上記のように構成すると、反射波電力に含まれる各スプリアス周波数成分のレベルを個別に検出することができるため、反射波電力に含まれる基本周波数成分だけでなく、スプリアス周波数成分に対しても高周波電力増幅部の出力を抑制する制御を行うことができる。従って、負荷で生じた反射波電力に高周波電力増幅部の出力側のローパスフィルタでは阻止できないスプリアス周波数成分が含まれている場合でも、増幅部の保護を的確に図ることができる。
【００２５】
また上記のように構成すると、検出された多数のスプリアス周波数成分の中から無視できないレベルを有するもののみを選択して、高周波電力増幅部の保護を図るための制御（増幅部の出力を抑制する制御）に用いる反射波電力の情報を得ることができるため、反射波電力に含まれるすべてのスプリアス周波数成分を無差別に検出して高周波電力増幅部の保護を図るための制御を行う場合のように、増幅部の出力が不必要に制限される事態が生じるのを防ぐことができ、負荷に与える電力を犠牲にすることなく、高周波電力増幅部の保護を的確に図ることができる。
【００２６】
反射波に混入するスプリアス周波数成分は予め計算することができ、各周波数成分がどの程度のレベルを有しているかは、実験結果などから予測することができるので、増幅部の制御に用いる反射波電力の情報に含めるスプリアス周波数成分は、予め決めておくことができる。従って、制御部に与える反射波電力の情報を得る際には、サンプルホールド部に保持された種々の電圧信号の中から、基本周波数成分に対応する電圧信号と、予め決めておいたスプリアス周波数成分に対応する電圧信号とを選択して、選択した電圧信号から得られる情報を総合することにより、制御部で用いる反射波電力の情報を得るようにすることができる。
【００２７】
また、サンプルホールド部に保持された電圧信号のレベルの中から基本周波数成分に対応する電圧信号のレベルと、スプリアス周波数成分に対応する電圧信号のレベルのうち、設定値以上の大きさを有するレベルとを選択して、選択した電圧信号のレベルから得られる情報を総合することにより、制御部で用いる反射波電力の情報を得るようにすることもできる。
【００２８】
選択した電圧信号から得られる情報を総合して制御部で用いる反射波電力を得る際の情報の総合の仕方は、検波部の構成に応じて適宜変えることが好ましい。例えば、検波部で行なう検波がダイオード検波である場合には、選択した電圧信号のレベルを加算して得た値から制御部で用いる反射波電力の情報を得るようにすることができる。
【００２９】
また検波部で行なう検波が二乗検波である場合には、選択した電圧信号のレベルのそれぞれの平方根の和を二乗して得た値から制御部で用いる反射波電力の情報を得るようにすることができる。
【００３０】
また、上記のように構成すると、反射波電力に含まれる各種のスプリアス周波数成分の情報を個別に検出することができるため、各スプリアス周波数成分の情報を記憶させておくことにより、負荷の動作が反映されたスプリアス周波数成分の情報を得ることができ、この情報を用いて負荷の動作を解析することが期待できる。
【００３１】
また、上記のように構成すると、高周波電源装置から負荷に電力を供給して負荷を運転している際に、反射波電力に含まれる種々のスプリアス成分を個別に検出することができるため、高価なスペクトルアナライザを用いることなく、負荷の状態が反映された反射波のスペクトラムをモニタして、負荷の動作（または負荷における処理）が正常に行われているか否かを監視することができる。
【００３２】
本発明の好ましい態様では、上記制御部が、進行波検出部により検出された進行波電力と反射波検出部により検出された反射波電力との合計値が制限値以下のときに進行波電力の大きさを設定値に保つように増幅部を制御し、合計値が制限値を超えたときには、該合計値が制限値以下になるまで増幅部の出力を低減させる制御を行なうように構成される。
【００３３】
上記進行波検出部は、方向性結合器から得られた第１の信号から基本周波数成分を取り出すフィルタと、該フィルタの出力を検波する検波器と、該検波器の出力のレベルを調整するレベル調整部とにより構成することができる。
【００３４】
局部発振部は、出力周波数指令により指令された周波数を有する高周波信号を局部発振信号として出力するように構成されたダイレクト・デジタル・シンセサイザー（ＤＤＳ）方式の発振器により構成することもでき、発振周波数が異なる複数の発振器を備えて、出力周波数指令に応じて選択した発振器の出力を周波数変換部に与えるように構成することもできる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、反射波電力に含まれる各スプリアス周波数成分のレベルを個別に検出することができるため、反射波電力に含まれる基本周波数成分だけでなく、スプリアス周波数成分に対しても高周波電力増幅部の出力を抑制する制御を行うことができる。従って、負荷で生じた反射波電力に高周波電力増幅部の出力側のローパスフィルタでは阻止できないスプリアス周波数成分が含まれている場合でも、増幅部の保護を的確に図ることができる。
【００３６】
また本発明によれば、検出された多数のスプリアス周波数成分の中から無視できないレベルを有するもののみを選択して、高周波電力増幅部の保護を図るための制御に用いる反射波電力の情報を得ることができるため、反射波電力に含まれるすべてのスプリアス周波数成分を無差別に検出して高周波電力増幅部の保護を図るための制御を行う場合のように、増幅部の出力が不必要に制限される事態が生じるのを防ぐことができ、負荷に与える電力を犠牲にすることなく、高周波電力増幅部の保護を的確に図ることができる。
【００３７】
本発明によれば、反射波電力に含まれる各種のスプリアス周波数成分の情報を個別に検出することができるため、各スプリアス周波数成分の情報を記憶させておくことにより、負荷の動作が反映されたスプリアス周波数成分の情報を得ることができ、この情報を用いて負荷の動作を解析することができる。
【００３８】
また、本発明によれば、高周波電源装置から負荷に電力を供給して負荷を運転している際に、反射波電力に含まれる種々のスプリアス成分を個別に検出することができるため、高価なスペクトルアナライザを用いなくても、負荷の状態が反映された反射波のスペクトラムをモニタして、負荷の動作（または負荷における処理）が正常に行われているか否かを監視することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下図１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は本発明の好ましい実施形態の構成を示したブロック図で、同図において、１は図示しない発振器から得られる高周波信号を増幅する高周波電力増幅部である。高周波電力増幅器１の出力は、ローパスフィルタ２に与えられている。ローパスフィルタ２は、高周波電力増幅部１の出力から高調波成分を除去するために設けられたもので、ローパスフィルタ２の出力は、後記する検出部の一部をなす方向性結合器３と第１の整合器４とを通してプラズマ処理装置等の負荷５に与えられている。なおローパスフィルタ２に代えて、バンドパスフィルタを用いることもできる。
【００４０】
また６は高周波電力増幅部１から負荷に与えられる進行波電力と負荷５で反射された反射波電力を検出する検出部、７は検出部６により検出された情報を用いて増幅部１を制御する制御部であり、高周波電力増幅器１と、ローパスフィルタ２と、検出部６と、制御部７とにより、第１の周波数ｆ1の高周波電力を負荷４に供給する第１の高周波電源装置８が構成されている。
【００４１】
また本実施形態では、第１の周波数ｆ1よりも周波数が低い第２の周波数ｆ1′を有する高周波電力を出力する第２の高周波電源装置９が設けられ、この第２の高周波電源装置から第２の整合器１０を通して負荷５に高周波電力が供給されている。
【００４２】
方向性結合器３は、増幅部１の出力が入力される入力ポート３aと、第１の整合器４の入力端子に接続された出力ポート３bと、第１の信号出力ポート３c及び第２の信号出力ポート３dとを有していて、増幅部１から負荷５に与えられる進行波電力の情報を含む第１の信号Ｓaを第１の信号出力ポート３ｃから出力し、負荷５で反射された反射波電力の情報を含む第２の信号Ｓbを第２の信号出力ポート３ｄから出力する。
【００４３】
検出部６は、方向性結合器３が出力する第１の信号Ｓaから進行波電力を検出する進行波検出部１１と、第２の信号Ｓbから負荷５で反射されて増幅部１に戻る反射波電力を検出する反射波検出部１２とからなっている。
【００４４】
進行波検出部１１は、方向性結合器３が出力する第１の信号Ｓ1から高調波成分を除去して進行波の基本周波数成分のみを有する検出信号を出力するローパスフィルタ１３と、ローパスフィルタ１３から出力される信号を検波して進行波電力の情報を含む直流電圧信号を出力する検波部１４と、検波部１４から得られる電圧信号のレベルを制御部７に与えるのに適したレベルに調整するレベル調整部１５とからなっていて、レベル調整部１５によりレベルが調整された進行波検出信号Ｖaが制御部７に与えられている。なお、ローパスフィルタ１３に代えて、バンドパスフィルタを用いることもできる。
【００４５】
また本実施形態の反射波検出部１２は、出力周波数指令により指令された通りの周波数を有する局部発振信号ＳLを出力するように構成された局部発振部１６と、局部発振部１６に与える出力周波数指令を含む各種の指令を発生する指令発生部１７と、第２の信号Ｓbと局部発振信号ＳLとが入力された周波数変換部１８と、周波数変換部１８の出力から不要な周波数成分を除去する周波数選択性フィルタ（バンドパスフィルタ）１９と、不要な周波数成分が除去された周波数変換部１８の出力を検波する検波部２０と、検波部２０の出力をサンプリングして保持するサンプルホールド部２１と、サンプルホールド部２１に保持された電圧レベルを記憶するメモリ２２と、メモリ２２へのデータの書き込みと、メモリ２２からのデータの読み出しとを制御するメモリ制御部２３と、サンプルホールド部２１に保持されてメモリ２２に記憶された電圧信号のレベルから制御部７で用いる反射波電力の情報を得る反射波情報抽出部２４とからなっている。
【００４６】
更に詳細に説明すると、本実施形態で用いている局部発振部１６は、出力する高周波信号の周波数や波形の情報を含む出力周波数指令が与えられたときに、与えられた通りの周波数と波形とを有する高周波信号を出力するように構成されたダイレクト・デジタル・シンセサイザー（ＤＤＳ）方式の発振器からなっている。このＤＤＳ方式の発振器としては市販のものを用いることができる。
【００４７】
指令発生部１７は、負荷５で反射されて増幅部１側に伝達される反射波電力の基本周波数と少なくとも一つのスプリアス周波数とを検出対象周波数として、各検出対象周波数に対応する発振周波数を有する局部発振信号を、各検出対象周波数と対応する局部発振信号の周波数との差周波数を常に一定として時系列的に発生させるように局部発振部１６に出力周波数指令を与える。
【００４８】
例えば、図２に示すように、方向性結合器３から得られる反射波電力の検出信号に、基本周波数ｆ1の成分と、その前後に現れる周波数成分ｆ11〜ｆ16の成分と、第２高調波ｆ2の成分と、その前後に現れる不要周波数ｆ21〜ｆ26の成分とが含まれる場合には、レベルがきわめて低い不要周波数成分ｆ22及びｆ25は除外して、基本周波数ｆ1の成分と、不要周波数ｆ11〜ｆ16の成分と、第２高調波ｆ2の成分と、不要周波数成分ｆ21，ｆ23，ｆ24及びｆ26の成分とを検出対象周波数成分とし、これらの検出対象周波数成分と局部発振周波数との差周波数ｆdが、必ず一定の周波数（例えばｆd＝５００ＫＨｚ）となるように、検出対象周波数ｆ11，ｆ12，ｆ13,ｆ1，ｆ14，ｆ15，ｆ16，ｆ21，ｆ23，ｆ2，ｆ24及びｆ26にそれぞれ対応する周波数ｆL11（＝ｆ11±ｆd），ｆL１2（＝ｆ12±ｆd），ｆL13（＝ｆ13±ｆd），fL1（＝ｆ1±ｆd）,ｆL14（＝ｆ14±ｆd）,ｆL15（＝ｆ15±ｆd），ｆL16（＝ｆ16±ｆd），ｆL21（＝ｆ21±ｆd），ｆL23（＝ｆ23±ｆd），ｆL2（＝ｆ2±ｆd），ｆL24（＝ｆ24±ｆd）及びｆL26（＝ｆ26±ｆd）を有する局部発振信号を時系列的に（一定の時間間隔で）発生させる。この場合、周波数ｆL11，ｆL１2，ｆL13，fL1,ｆL14,ｆL15，ｆL16，ｆL21，ｆL23，ｆL2，ｆL24及びｆL26を有する局部発振信号を発生させる順序は任意である。
【００４９】
周波数変換部１８は、方向性結合器３が出力する第２の信号Ｓ2と局部発振部１６が順次出力する局部発振信号とを混合するミキサからなっていて、第２の信号Ｓ2に含まれる各検出対象周波数成分を差周波数ｆdを有する反射波差周波数信号に変換して、検出対象周波数成分にそれぞれ対応する一連の反射波差周波数信号を時系列的に出力する。
【００５０】
検波部２０は、周波数変換部１８から時系列的に与えられる反射波差周波数信号をそれぞれ検波して各検出対象周波数成分のレベルに対応するレベルを有する電圧信号を時系列的に出力する。検波部２０はダイオード検波を行なうものでも良く、二乗検波を行なうものでも良い。
【００５１】
本実施形態では、指令発生部１７が、局部発振部１６に各検出対象周波数に対応する出力周波数指令を与える毎にサンプルホールド部２１にサンプリング指令Ｓsを与えるとともに、サンプルホールド部２１に保持されたホールド値を、各検出対象周波数に対して割り当てられたメモリ２２の所定のアドレスに転送することを指令する転送指令Ｓtをメモリ制御部２３に与える手段と、一連の検出対象周波数成分に対応する局部発振信号を出力することを指令する出力周波数指令のすべてを局部発振部１６に与え終わったときに、サンプルホールド部２１に保持され、メモリ２２に記憶された一連の電圧信号のレベルをメモリから読み出すことを指令する反射波情報読み出し指令Ｓrを反射波情報抽出部２４に与える手段とを備えている。
【００５２】
サンプルホールド部２１は、サンプリング指令Ｓsが与えられる毎に検波部２０の出力電圧をサンプリングして保持することにより、検波部２０が時系列的に出力する各電圧信号のレベルを保持する。
【００５３】
サンプルホールド部２１に保持された各検出対象周波数の成分に対応する電圧信号のレベルは、各検出対象周波数に対して割り当てられたメモリ２２の所定のアドレスに直ちに転送される。
【００５４】
反射波情報抽出部２４は、一連の検出対象周波数成分にそれぞれ対応する電圧信号のレベルがメモリ２２に記憶された後、反射波情報読み出し指令Ｓrが与えられたときに、メモリに直前に記憶された一連の電圧信号（本実施形態では検出対象周波数ｆ11，ｆ12，ｆ13,ｆ1，ｆ14，ｆ15，ｆ16，ｆ21，ｆ23，ｆ2，ｆ24及びｆ26の成分に対応する電圧信号）のレベルを読み込んで、読み込んだ一連の電圧信号のレベルから、基本周波数成分に対応する電圧信号と、スプリアス周波数成分に対応する電圧信号のうち設定されたレベル以上のレベルを示す電圧信号とを選択して、選択した電圧信号のレベルから得られる情報を総合することにより、制御部７で増幅部１の出力を抑制する制御を行なう際に用いる反射波電力の情報を得る。
【００５５】
例えば、検出対象周波数ｆ11，ｆ12，ｆ13,ｆ1，ｆ14，ｆ15，ｆ16，ｆ21，ｆ23，ｆ2，ｆ24及びｆ26の成分が図２に示したようなレベルを示す場合には、検出対象周波数成分のうち、比較的レベルが低いｆ12，ｆ15，ｆ21及びｆ26の成分は制御に用いないものとして、検出対象周波数ｆ11，ｆ13,ｆ1，ｆ14，ｆ16，ｆ23，ｆ2及びｆ24の成分を与える電圧信号のレベルから得られる反射波の情報を総合する演算を行なうことにより、制御部７で増幅部１の出力を抑制する制御を行なう際に用いる反射波電力の情報を得る。
【００５６】
検波部２０がダイオード検波を行なうように構成されている場合には、検波部２０から時系列的に出力された検出対象周波数ｆ11，ｆ13,ｆ1，ｆ14，ｆ16，ｆ23，ｆ2及びｆ24の成分を与える電圧信号のレベルＶ11，Ｖ13，…，Ｖ24を加算する演算Ｖ11＋Ｖ13＋…＋Ｖ24＝Ｖbを行なうことにより、一連の検出対象周波数成分を与える電圧信号からそれぞれ得られる反射波電力の各周波数成分の情報を総合して、その演算値を与える信号Ｖbを反射波検出信号とし、この反射波検出信号Ｖbから制御部７で増幅部１の出力を抑制する制御を行なう際に用いる反射波電力の情報を得ることができる。
【００５７】
また検波部２０が二乗検波を行なうように構成されている場合には、検出対象周波数ｆ11，ｆ13,ｆ1，ｆ14，ｆ16，ｆ23，ｆ2及びｆ24の成分を与える電圧信号のレベルＶ11，Ｖ13，…，Ｖ24の平方根の和を二乗する演算（√Ｖ11＋√Ｖ13＋…＋√Ｖ24）２ ＝Ｖbを行なうことにより、一連の検出対象周波数成分を与える電圧信号からそれぞれ得られる反射波電力の各周波数成分の情報を総合して、その演算値を与える信号Ｖbを反射波検出信号とし、この反射波検出信号Ｖbから制御部７で増幅部１の出力を抑制する制御を行なう際に用いる反射波電力の情報を得ることができる。
【００５８】
なお、上記の例では、説明を簡易化するために、演算値Ｖbを演算する際に、各電圧信号のレベルをそのまま使用するとしたが、実際には、進行波検出部１１にレベル調整部１５を設けて進行波検出信号のレベルを適当な大きさに調整するようにしたのと同様に、演算値Ｖbのレベルを制御部７に与えるのに適したレベルに調整することが望ましい。例えば、上述した検波部２０がダイオード検波を行なうように構成されている場合を例にとると、「Ａ」を比例定数として、Ａ×（Ｖ11＋Ｖ13＋…＋Ｖ24）＝Ｖbとするのが好ましい。
【００５９】
また、各電圧信号のレベルの個々に対して、重み付けを持たせることもできる。例えば、上記の例で、さらに、「Ｂ11」，「Ｂ13」，・・・「Ｂ24」を比例定数として、Ａ×（Ｂ11×Ｖ11＋Ｂ13×Ｖ13＋…＋Ｂ24×Ｖ24）＝Ｖbとすることもできる。
【００６０】
このように重み付けをすると、特定の周波数成分を強調したり弱めたりすることができる。また、方向性結合器の特性として、周波数が高くなると、検出レベルが実際よりも大きくなることがある。この場合、上記のような重み付けをすると、検出レベルを実際のレベルに近づけるように調整することができる。
【００６１】
制御部７は、高周波電力増幅部１から負荷５に与えられる進行波電力を設定値に保ち、進行波電力と負荷５で反射されて増幅部１に戻る反射波電力との合計値を制限値以下に保つように進行波検出部１１及び反射波検出部１２から得られる情報を用いて増幅部１を制御する部分で、図示の制御部７は、解析用データ記憶部２５と、送受信手段２６と、初期設定部２７と、反射波保護用制御信号生成部２８と、出力制御部２９とを備えている。
【００６２】
解析用データ記憶部２５は、進行波検出部１１により検出された進行波電力の情報と、メモリ２２に記憶された各検出対象周波数成分の電圧レベルを示すデータと、反射波抽出部２４により抽出された反射波電力の情報を有する反射波検出信号Ｖbの値とを解析用のデータとして記憶する。
【００６３】
送受信手段２６は、図示しない制御盤に設けられたマイクロプロセッサ等との間で通信を行なう手段で、高周波電源装置を起動する際に初期設定部２７に起動指令を与える手段と、検出対象とする周波数についての新たな情報を指令発生部１７に与える手段と、負荷に与える進行波電力の設定値の情報と、進行波検出部１１により検出された進行波電力と反射波検出部１２により検出された反射波電力との合計値の制限値の情報とを出力制御部２８に与える手段と、制御盤から要求があったときに解析用データ記憶部２５に記憶されているデータを外部に送信する手段とを備えている。
【００６４】
初期設定部２７は、送受信手段２６を通して起動指令が与えられたときに各部の初期化を行なうとともに、検出対象とする一連の周波数の初期値を指令発生部１７に与えるように構成されている。
【００６５】
指令発生部１７は、送受信手段２６を通して検出対象周波数についての新たな情報が与えられるまでの間、初期設定部２７から与えられた検出対象周波数についての情報に基づいて、局部発振部１６に出力周波数指令を与え、送受信手段２６を通して検出対象周波数についての新たな情報が与えられた後は、その新たな情報に基づいて、局部発振部１６に出力周波数指令を与える。
【００６６】
反射波保護用制御信号生成部２８は、進行波検出部１１により検出された進行波電力と反射波検出部１２により検出された反射波電力との合計値に相当する信号を反射波保護用制御信号Ｖcとして出力制御部２９に与える。
【００６７】
出力制御部２９は、反射波保護用制御信号Ｖcにより与えられる進行波電力と反射波電力との合計値が制限値以下のときに、進行波検出部１１により検出される進行波電力を設定値に保つように（検出された進行波電力とその設定値との偏差を零にするように）増幅部１の出力を制御し、反射波保護用制御信号Ｖcにより与えられる進行波電力と反射波電力との合計値が制限値を超えたときに、該合計値が制限値以下になるまで増幅部１の出力を低減させる制御を行なう。
【００６８】
上記の実施形態において、制御部７の各部と、サンプルホールド部２１と、メモリ制御部２３と、反射波情報抽出部２４とは、マイクロプロセッサに上述した一連の処理を実行させることにより実現することができる。メモリ２２としては、マイクロプロセッサに設けた書き換えが可能な不揮発性メモリを用いるのが好ましい。各種のフィルタ、方向性結合器、整合器、周波数変換部を構成するミキサ、検波部などは公知のものを用いることができる。
【００６９】
図示してないが、第２の高周波電源装置９側にも、上記と同様な進行波検出部と、反射波検出部と、制御部とが設けられている。
【００７０】
上記のように構成すると、反射波電力に含まれる各スプリアス周波数成分のレベルを個別に検出することができるため、反射波電力に含まれる基本周波数成分だけでなく、スプリアス周波数成分に対しても高周波電力増幅部１の出力を抑制する制御を行うことができる。従って、負荷５で生じた反射波電力に高周波電力増幅部の出力側のローパスフィルタ２では阻止できないスプリアス周波数成分が含まれている場合でも、増幅部１の保護を図ることができる。
【００７１】
また上記のように構成すると、検出された多数のスプリアス周波数成分の中から、高周波電力増幅部１の保護を図るためにその出力を抑制する制御を行なう際に無視できないレベルを有するもののみを選択して、高周波電力増幅部１の出力を抑制する制御に用いる反射波電力の情報を得ることができるため、反射波電力に含まれるすべてのスプリアス周波数成分を無差別に検出して高周波電力増幅部１の保護を図るための制御を行う場合のように、増幅部１の出力が不必要に制限されるのを防ぐことができ、負荷５に与える電力を犠牲にすることなく、高周波電力増幅部１の保護を図ることができる。
【００７２】
上記のように、解析用データ記憶部２５を設けて、進行波検出部１１により検出された進行波電力の情報と、反射波検出部１２のサンプルホールド部２１によりサンプリングされて保持されたスプリアス周波数成分の情報とを記憶させておくと、負荷の動作が反映されたスプリアス周波数成分の情報をモニタすることができるため、これらの情報を用いて負荷の動作を解析することが可能になる。
【００７３】
また、上記のように構成すると、高周波電源装置１から負荷５に電力を供給して負荷５を運転している際に、反射波電力に含まれる種々のスプリアス成分を個別に検出することができるため、高価なスペクトルアナライザを用いなくても、負荷の状態が反映された反射波のスペクトラムをモニタして、負荷の動作（または負荷における処理）が正常に行われているか否かを監視することができる。負荷の動作の監視をリアルタイムで行なうため、サンプルホールド部２１に保持された各検出対象周波数成分のレベル、またはメモリ２２に記憶された各検出対象周波数成分のレベルをディスプレイ装置に表示させる表示手段を設けておくのが好ましい。
【００７４】
上記の例では、サンプルホールド部２１に保持された電圧信号のレベルの中から基本周波数成分に対応する電圧信号のレベルと、スプリアス周波数成分に対応する電圧信号のレベルのうち、設定値以上の大きさを有するレベルとを選択して、選択した電圧信号のレベルから得られる情報を総合することにより、制御部７で用いる反射波電力の情報を得るようにしたが、増幅部１の制御に用いる反射波電力の情報に含めるスプリアス周波数成分は予め決めておくこともできる。即ち、反射波に混入するスプリアス周波数成分は予め計算することができ、各スプリアス周波数成分がどの程度のレベルを有しているかは、実験結果などから予測することができるので、増幅部の制御に用いる反射波電力の情報に含めるスプリアス周波数成分は、予め決めておくことができる。この場合、制御部に与える反射波電力の情報を得る際には、サンプルホールド部２１に保持された種々の電圧信号のレベルの中から、基本周波数成分に対応する電圧信号のレベルと、予め決めておいたスプリアス周波数成分に対応する電圧信号のレベルとを選択して、選択した電圧信号のレベルから得られる情報を総合することにより、制御部７で用いる反射波電力の情報を得るようにすることができる。
【００７５】
上記の実施形態のように、局部発振部１６をダイレクト・デジタル・シンセサイザー（ＤＤＳ）により構成すると、マイクロプロセッサから周波数出力指令を与えることにより正確に希望周波数の局部発振信号を発生させることができる。しかしながら、本発明は、局部発振部１６をダイレクト・デジタル・シンセサイザーにより構成する場合に限定されるものではない。例えば、発振周波数が異なる複数の発振器を備えて、出力周波数指令に応じて選択した発振器の出力を周波数変換部１８に与えるように局部発振部１６を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の一実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示したブロック図である。
【図２】反射波電力に含まれる周波数成分の一例を示した周波数分布図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  高周波電力増幅部
２  ローパスフィルタ
３  方向性結合器
４  第１の整合器
５  負荷
６  検出部
７  制御部
１１  進行波検出部
１２  反射波検出部
１６  局部発振部
１７  指令発生部
１８  周波数変換部（ミキサ）
１９  周波数選択性フィルタ
２０  検波部
２１  サンプルホールド部
２２  メモリ
２４  反射波情報抽出部
２８  反射波保護用制御信号生成部
２９  出力制御部
【図１】
2008276966.tif 000003
【図２】
2008276966.tif 000004