(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ励起用に１ＭＨｚ以上の周波数において１ｋＷ以上の出力電力を発生させるために適した非線形高周波増幅器装置（１）であって、
ａ．２つのＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）であって、前記２つのＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）のソース端子は、それぞれアース接続点（５）と接続されており、前記ＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）は同じ形態で形成されていて、１つのモジュール（パッケージ）（３）内に配置されている、２つのＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）と、
ｂ．電力トランス（７）であって、前記電力トランス（７）の１次巻線（６）は、前記ＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）のドレイン端子と接続されている、電力トランス（７）と、
ｃ．信号トランス（１０）であって、前記信号トランス（１０）の２次巻線（１３）の第１の端部は、前記ＬＤＭＯＳトランジスタのうち一方のＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１）のゲート端子（１５）と、第２の端部は、前記ＬＤＭＯＳトランジスタのうち他方のＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ２）のゲート端子（１７）と接続されている、信号トランス（１０）と、
を含む、非線形高周波増幅器装置（１）において、
ｄ．各ＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）の前記ドレイン端子から前記ゲート端子（１５，１７）へのフィードバック経路（３４，３５）をそれぞれ含む、ことを特徴とする、
非線形高周波増幅器装置（１）。
【請求項２】
各フィードバック経路（３４，３５）は、抵抗（３６，３７）とコンデンサ（３８，３９）とを含む直列接続体を有する、
請求項１記載の非線形高周波増幅器装置。
【請求項３】
前記抵抗（３６，３７）は、２００乃至６００Ωの範囲の抵抗値を有し、前記コンデンサ（３８，３９）は、０．５乃至５ｎＦの範囲の容量を有する、
請求項２記載の非線形高周波増幅器装置。
【請求項４】
前記信号トランス（１０）の２次巻線（１３）の第１の端部は、１つまたは複数の抵抗性素子（１４）を介して、前記一方のＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１）のゲート端子（１５）と接続されており、第２の端部は、１つまたは複数の抵抗性素子（１６）を介して、前記他方のＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ２）のゲート端子（１７）と接続されており、これによって損失を伴うゲートスイッチングが生じる、
請求項１から３までのいずれか１項記載の非線形高周波増幅器装置。
【請求項５】
前記抵抗性素子（１４，１６）は、１乃至１００Ωの範囲の抵抗値を有する抵抗として形成されている、
請求項４記載の非線形高周波増幅器装置。
【請求項６】
前記ＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）のドレイン端子はそれぞれ、少なくとも１つのコンデンサ（３２，３３）を介してアースと接続されている、
請求項１から５までのいずれか１項記載の非線形高周波増幅器装置。
【請求項７】
前記コンデンサ（３２，３３）は、前記ＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）のヒートスプレッダ内への複数の並列ビアまたは１つのスルーホールを介して、アースと接続されている、
請求項６記載の非線形高周波増幅器装置。
【請求項８】
配線板（２）が設けられており、前記配線板（２）は、面全体にわたり金属製冷却板（２５）に当接しており、複数のアース接続部（８，２７）を介して、アース（２６）と接続可能な前記冷却板（２５）と接続されている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の非線形高周波増幅器装置。
【請求項９】
前記モジュール（３）は、前記配線板（２）上に配置されている、
請求項８記載の非線形高周波増幅器装置。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項記載の非線形高周波増幅器装置を保護する方法において、
通常動作中は非線形増幅器装置として駆動される非線形高周波増幅器装置を、目標電力が５０％よりも大きく低減したときに線形動作で駆動することを特徴とする、
非線形高周波増幅器装置を保護する方法。
【請求項１１】
前記非線形高周波増幅器装置を、発生した高周波電力の少なくとも２つの周期にわたって線形動作で駆動する、
請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記非線形高周波増幅器装置を、少なくとも１００ｎｓにわたって線形動作で駆動する、
請求項１０または１１記載の方法。
【請求項１３】
前記ＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）のゲートに対し、通常動作中は駆動制御信号の電圧レベルを、前記ＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）がスイッチオンされた状態において少なくとも一時的に飽和動作で駆動されるように選定し、線形動作中は前記駆動制御信号の電圧レベルを、前記ＬＤＭＯＳトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）が非飽和動作で駆動されるように選定する、
請求項１０から１２までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ励起用に１ＭＨｚ以上の周波数において１ｋＷ以上の出力電力を発生させるために適した非線形高周波増幅器装置に関する。この非線形高周波増幅器装置は、
ａ．２つのＬＤＭＯＳトランジスタを含み、これらのソース端子はそれぞれアース接続点と接続されており、ＬＤＭＯＳトランジスタは同じ形態で形成されていて、１つのモジュール（パッケージ）内に配置されており、
ｂ．電力トランスを含み、その１次巻線はＬＤＭＯＳトランジスタのドレイン端子と接続されており、
ｃ．信号トランスを含み、その２次巻線の第１の端部は、一方のＬＤＭＯＳトランジスタのゲート端子と接続されており、第２の端部は、他方のＬＤＭＯＳトランジスタのゲート端子と接続されている。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、以下の文献：米国特許出願公開第２０１４／０１６７８５８号明細書（ＵＳ２０１４／０１６７８５８Ａ１）、米国特許出願公開第２００６／０１５８９１１号明細書（ＵＳ２００６／０１５８９１１Ａ１）、米国特許第６，１５７，２５８号明細書（ＵＳ６，１５７，２５８Ａ）、米国特許出願公開第２００２／０１４９４２５号明細書（ＵＳ２００２／０１４９４２５Ａ１）、米国特許第６，０４６，６４１号明細書（ＵＳ６，０４６，６４１Ａ）には、様々な増幅器装置が示されている。
【０００３】
ＬＤＭＯＳトランジスタは、たとえば、以下の文献：Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ技術データ、ＲＦ電力ＬＤＭＯＳトランジスタ、文献番号：ＭＲＦＥ６ＶＰ６１Ｋ２５Ｈ  Ｒｅｖ．４．１  ２０１４年３月、から公知である。
【０００４】
非線形高周波増幅器装置は、特に、プラズマプロセスを駆動するために適した電力を発生させる目的で用いられる。ＬＤＭＯＳトランジスタ特にいわゆる高耐久性ＬＤＭＯＳトランジスタは、逆給電されるエネルギーに対しこれらのトランジスタがロバストであるがゆえに、特に誤整合された負荷を伴う用途のために、この種の増幅器において適用するのに格別適している。ただし極端な誤整合の場合には、かかるトランジスタであっても発振してしまうおそれがあり、および／または、即座に破壊されてしまうおそれがある。この場合、特定の負荷のときに増幅が大きくなりすぎて、自励発振に至る可能性がある。しかも電圧が過度に速く上昇してしまうと、ＭＯＳＦＥＴ構造における寄生バイポーラトランジスタがスイッチオンしてしまい、それによってトランジスタが破壊されてしまうおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０１６７８５８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０１５８９１１号明細書
【特許文献３】米国特許第６，１５７，２５８号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００２／０１４９４２５号明細書
【特許文献５】米国特許第６，０４６，６４１号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ技術データ、ＲＦ電力ＬＤＭＯＳトランジスタ、文献番号：ＭＲＦＥ６ＶＰ６１Ｋ２５Ｈ  Ｒｅｖ．４．１  ２０１４年３月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、ＬＤＭＯＳトランジスタを備えており、種々の負荷状態であってもできるかぎり大きな安定性を有する高周波増幅器装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によればこの課題は、プラズマ励起用に１ＭＨｚ以上の周波数において１ｋＷ以上の出力電力を発生させるために適した、以下のような非線形高周波増幅器装置によって解決される。すなわちこの非線形高周波増幅器装置は、
ａ．２つのＬＤＭＯＳトランジスタを含み、それらのソース端子はそれぞれアース接続点と接続されており、ＬＤＭＯＳトランジスタは同じ形態で形成されていて、１つのモジュール（パッケージ）内に配置されており、
ｂ．電力トランスを含み、その１次巻線はＬＤＭＯＳトランジスタのドレイン端子と接続されており、
ｃ．信号トランスを含み、その２次巻線の第１の端部は、一方のＬＤＭＯＳトランジスタのゲート端子と、第２の端部は、他方のＬＤＭＯＳトランジスタのゲート端子と、特に抵抗を介して、接続されており、
ｄ．各ＬＤＭＯＳトランジスタのドレイン端子からゲート端子へのフィードバック経路をそれぞれ含む。
【０００９】
この措置によって、正のフィードバックによるループが１よりも大きい結合係数で閉じられると、高周波増幅器装置が望ましくない発振器になってしまう、ということを回避できる。かかるループに含まれるものとして挙げられるのは、入力回路網、トランジスタ、負荷および／またはフィードバックを含む出力回路網である。小信号増幅器に関しては、安定度を決定するために様々な判定基準がある。非線形電力増幅器の場合にはそれらを適用することはできず、数値シミュレーションに頼らざるを得ないし（これは妥当なモデルが存在する場合である）、あるいは実験に頼らざるを得ない。非線形高周波増幅器の場合、２つの自励発振形態が発生する可能性がある。つまり駆動制御信号によらずに自励発振が生じる可能性がある（まったく自律的にトリガされるか、または、駆動制御信号によりトリガされ駆動制御信号の遮断後にも発振が存在する）（第１の自励発振形態）。さらに低周波信号が観測されていて、この低周波信号は、部分的に動作周波数すなわちトランジスタの駆動制御周波数の分数値だけしか有しておらず、これは駆動制御信号の特定の振幅のときのみ出現する（第２の自励発振形態）。第１の自励発振形態は、増幅器を危険に晒す大電力となる可能性がある。第２の自励発振形態の場合には、出力信号の劣化が引き起こされる。本発明によれば、広帯域のフィードバックを挿入することによって、安定化が達成される。これは、ＬＤＭＯＳトランジスタのドレイン端子からゲート端子までフィードバック経路を挿入することによって行われる。
【００１０】
広帯域のフィードバックを特に、各フィードバック経路が抵抗とコンデンサとを含む直列接続体を有することによって達成することができる。この場合、抵抗は２００乃至８００Ωの範囲の抵抗値を有することができ、コンデンサは０．０１乃至５ｎＦの範囲の容量を有することができる。
【００１１】
別の選択肢としてまたはこれに加えて、以下のように構成することができる。すなわち、信号トランスの２次巻線の第１の端部は、１つまたは複数の抵抗性素子を介して、一方のＬＤＭＯＳトランジスタのゲート端子と接続されており、第２の端部は、１つまたは複数の抵抗性素子を介して、他方のＬＤＭＯＳトランジスタのゲート端子と接続されている。抵抗性素子が存在することによって、「損失を伴うゲートスイッチング」が生じる。これによって、自励発振により引き起こされる不安定性を効果的に回避することができる。
【００１２】
特にこの場合、僅かな抵抗値を有する抵抗性素子を用いれば十分である。特に、１乃至１００Ωの範囲の抵抗値を有する抵抗を、抵抗性素子として用いることができる。
【００１３】
別の選択肢としてまたはこれに加えて、ＬＤＭＯＳトランジスタのドレイン端子がそれぞれ少なくとも１つのコンデンサを介してアースと接続されているように、構成することができる。この措置によって、高い周波数のとき、ドレインから見たインピーダンスが低減される。これにより不所望な共振が抑圧され、ｄＶ／ｄｔが大きすぎることに起因する故障のリスクが低減される。
【００１４】
ＬＤＭＯＳトランジスタは、アバランシェ動作に対し最適化されている。過電圧により引き起こされる過剰エネルギーは熱に変換される。これによってトランジスタが過熱されないかぎり、トランジスタは破壊されない。ゲート−ドレイン容量も著しく僅かであり、ゲートはドレインの電界によって遮蔽されている。これによって、寄生バイポーラトランジスタのスイッチングにより即座に故障してしまうリスクも、大幅に低減されている。ただし、大きいドレイン電流を伴う不所望な負荷条件であると、たとえば１３．５６ＭＨｚなどのように比較的低い周波数のための増幅器において、故障が観察された。これが発生したのは、３００乃至４００ＭＨｚの範囲の高調波がドレイン電圧において高い割合を有していたときである。１つの解決手段は、出力回路網がそれらの周波数に対し低インピーダンスであるようにし、高い高周波ドレイン電圧が発生しないように、出力回路網を設計することである。ただしこれがうまくいかない場合に役立つのは、安定化のためにドレインからアースへキャパシタンスを設けることである。この場合、ドレインからアースまでの接続を、極めて僅かな接続インダクタンスで実現するのが望ましい。
【００１５】
たとえば、コンデンサがＬＤＭＯＳトランジスタのヒートスプレッダ（Heatspreader）内への複数の並列ビアまたは１つのスルーホールを介してアースと接続されていることによって、僅かな接続インダクタンスを達成することができる。高周波増幅器が１つの薄い配線板上に形成されているならば、複数の並列ビアを介して、コンデンサとアース面との接続を低インダクタンスで実現することができる。ただし多層配線板の場合には、これは難しい。この場合、トランジスタのヒートスプレッダ内への１つのスルーホールの経路を介して、低インダクタンスの接続を行うことができる。ヒートスプレッダは、ＬＤＭＯＳトランジスタのモジュールに含まれる金属板である。これによって、トランジスタから発せられる熱を、広い面積にわたって分散させることができる。
【００１６】
配線板が設けられており、この配線板は面全体にわたり金属製冷却板に当接しており、複数のアース接続部を介して、アースと接続可能な冷却板と接続されていると、高周波増幅器装置が故障する確率をさらに低減することができる。特に、配線板上にモジュールを配置することができる。このようにすることで、ＬＤＭＯＳトランジスタを含むモジュールから、特に良好に熱を排出させることができる。これによって、トランジスタの過熱を十分に回避することができる。
【００１７】
本発明の範囲にはさらに、本発明による高周波増幅器装置を保護する方法が含まれている。これによれば通常動作中は非線形増幅器装置として駆動される高周波増幅器装置を、目標電力が５０％よりも大きく低減したときに線形動作で駆動する。
【００１８】
高いＱを有する負荷によって、高周波増幅器装置のスイッチオフ後、蓄積されていたエネルギーの一部分が増幅器に逆給電される。このケースではＬＤＭＯＳトランジスタは、まったく静止電流を流さないかまたはごく僅かな静止電流だけしか流さないので、ドレインキャパシタンスと出力回路網と負荷とから成る高いＱの発振回路が形成される。このとき、寄生バイポーラトランジスタがスイッチングされ、それによってＬＤＭＯＳトランジスタが破壊される、というリスクがある。本発明による対抗措置によれば、高周波電力の緩慢なスイッチオフが行われる。このことを、高周波増幅器装置を特定の時間にわたり線形動作で駆動することによって、達成することができる。
【００１９】
その際、高周波増幅器装置を、発生した高周波電力の少なくとも２つの周期にわたって線形動作で駆動することができる。ＬＤＭＯＳトランジスタはこの期間中、低効率で動作する。それによって、逆給電される電力を確実に熱に変換することができる。
【００２０】
高周波増幅器装置を少なくとも１００ｎｓ、線形動作で駆動することができる。これにより、高周波増幅器装置が損傷することなくスイッチオフを確実に行うことができる。
【００２１】
通常動作中はＬＤＭＯＳトランジスタのゲートに対する駆動制御信号の電圧レベルを、スイッチオン状態のトランジスタが少なくとも一時的に飽和動作で駆動されるように、選定することができる。線形動作中は駆動制御信号の電圧レベルを、トランジスタが飽和動作では駆動されないように、選定することができる。このようにすれば、ＬＤＭＯＳトランジスタが非線形増幅器動作で駆動されるのかまたは線形動作で駆動されるのかを、駆動制御信号の電圧レベルを介して設定することができる。たとえば高周波増幅器装置をスイッチオフすべきときに、つまり目標電力がゼロまで低下するときに、高周波増幅器装置を保護するために最初に線形動作に移行させることができる。
【００２２】
本発明の本質を成す細部について示す図面を参照した本発明の実施例に関する以下の説明および特許請求の範囲から、本発明のその他の特徴および利点を読み取ることができる。さらに、様々な特徴をそれ自体単独で実現してもよいし、または、本発明の変形実施形態において複数の特徴を任意に組み合わせて実現してもよい。
【００２３】
概略的に示された図面には本発明の実施例が示されており、以下の記載においてそれらの実施例について詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による高周波増幅器装置を示す図である。
【図２ａ】目標電力が急激に低減したときのＬＤＭＯＳトランジスタのゲート電圧とドレイン電圧の電圧推移を示す図である。
【図２ｂ】目標電力が急激に低減したが、高周波増幅器装置はまだ線形動作で駆動されるときの、対応する電圧推移を示す図である。
【図３ａ】ドレインとアースとの間においてコンデンサが用いられないときに得られるダイアグラムである。
【図３ｂ】ドレインとアースとの間においてコンデンサが用いられるときに得られるダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１には、高周波増幅器装置１の第１の実施形態が示されている。高周波増幅器装置１は配線板２を含み、この配線板２上にモジュール３が配置されている。モジュール３は、２つのＬＤＭＯＳトランジスタＳ１，Ｓ２を有しており、これらのトランジスタは同じ形態で形成されていて、それらのソース端子がそれぞれアース接続点５と接続されている。
【００２６】
非線形で駆動可能な高周波増幅器装置を安定化させるために、ＬＤＭＯＳトランジスタＳ１，Ｓ２のドレイン端子からゲート端子１５，１７に向かって、フィードバック経路３４，３５が設けられている。フィードバック経路３４，３５は、抵抗３６，３７とコンデンサ３８，３９とを含むそれぞれ１つの直列接続体を有している。
【００２７】
ＬＤＭＯＳトランジスタＳ１，Ｓ２のドレイン端子はそれぞれ、出力回路網の一部である電力トランス７の１次巻線６の一方の端部と接続されている。電力トランス７の２次巻線４の一方の端部はアース８と接続されており、他方の端部は高周波出力端９と接続されている。
【００２８】
ＬＤＭＯＳトランジスタＳ１，Ｓ２のドレイン端子は、それぞれコンデンサ３２，３３を介してアースと接続されている。この接続は、ＬＤＭＯＳトランジスタＳ１，Ｓ２のヒートスプレッダ内へのスルーホールを介して行われる。
【００２９】
高周波増幅器装置１はさらに信号トランス１０を有しており、この信号トランス１０は、高周波入力端１２に接続された１次巻線１１を有している。信号トランス１０の２次巻線１３の一方の端部は、抵抗性素子１４特に抵抗を介して、ＬＤＭＯＳトランジスタＳ１のゲート端子１５と接続されている。２次巻線１３の他方の端部は、抵抗性素子１６特に抵抗を介して、ＬＤＭＯＳトランジスタＳ２のゲート端子１７と接続されている。したがって抵抗性素子１４，１６および２次巻線１３は、直列に接続されている。信号トランス１０も、電力トランス７と同様に配線板２上に配置することができる。
【００３０】
ゲート端子１５，１７は、抵抗２２，２３を介してコンデンサ３０と接続されており、このコンデンサ３０自体はアース２７と接続されている。接続端子３１には直流電圧源が接続されている。
【００３１】
配線板２は、面全体にわたり冷却板２５上に載置されており、この冷却板２５はアース２６とも接続可能である。特に配線板２は、複数のアース接続部８，２７を介して冷却板２５と接続されている。アース接続点５は、ＬＤＭＯＳトランジスタＳ１，Ｓ２から冷却板２５へ向かう熱伝導のためのアース接続点を成している。
【００３２】
図２ａには、第１のＬＤＭＯＳトランジスタＳ１のドレイン電圧推移１００と、第２のＬＤＭＯＳトランジスタＳ２のドレイン電圧推移１０１とが示されている。さらに参照符号１０２によって、ＬＤＭＯＳトランジスタを駆動制御するゲート電圧が示されている。マーキング１０３によって、目標電力が急激に低減したときにドレイン電圧に生じる電圧ピークがマークされており、この電圧ピークは特に、高周波増幅器装置がスイッチオフされ、このスイッチオフに続いて線形増幅器動作に切り替えられなかったときである。これらの電圧ピークを回避することが必要とされる。
【００３３】
図２ｂには、目標電力が急激に低減したときに非線形増幅器動作から線形増幅器動作へ移行させたときの、対応する電圧１００，１０１，１０２が示されている。この図からわかるのは、ドレイン電圧１００，１０１に電圧ピークが発生していないことであり、それによってＬＤＭＯＳトランジスタが保護される。
【００３４】
図３ａには、ドレインとアースとの間にコンデンサが設けられなかったときの、（ドレインから見た）整合回路網の「ディファレンシャルモード」インピーダンス１１０が左側に、「コモンモード」インピーダンス１１１が右側に示されている。
【００３５】
図３ｂには、相応のコンデンサ３２，３３が用いられたときの、（ドレインから見た）整合回路網の「ディファレンシャルモード」インピーダンス１１２が左側に、「コモンモード」インピーダンス１１３が右側に示されている。
【図１】
0006768720.tif 000002
【図２ａ】
0006768720.tif 000003
【図２ｂ】
0006768720.tif 000004
【図３ａ】
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【図３ｂ】
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