(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を発生するマグネトロン（磁電管）の出力をプラズマ負荷に供給する装置のマグネトロン出力制御方法において、マグネトロンからプラズマ負荷に向かう進行波電力に対応した信号及びプラズマ負荷から反射してくる反射波電力に対応した信号を検出又は演算して、前記反射波電力に対応した信号が、予め設定した反射波電力比較基準値以上になると、マグネトロンの出力制御を、進行波電力を一定値にする制御からアノード電流を一定値にする制御に切り換え、反射波電力に対応した信号が、予め設定した反射波電力比較基準値未満になると、マグネトロンの出力制御を、アノード電流を一定値にする制御から進行波電力を一定値にする制御に切り換えるマグネトロン出力制御方法。
【請求項２】
マイクロ波を発生するマグネトロン（磁電管）の出力をプラズマ負荷に供給する装置のマグネトロン出力制御方法において、マイクロ波の定在波をマグネトロンからプラズマ負荷に向かう進行波とプラズマ負荷から反射してくる反射波とに分離すると共に分離した進行波及び反射波を検波することによって進行波電力に対応した信号及び反射波電力に対応した信号を検出して、前記反射波電力に対応した信号が、予め設定した反射波電力比較基準値以上になると、マグネトロンの出力制御を、進行波電力を一定値にする制御からアノード電流を一定値にする制御に切り換え、反射波電力に対応した信号が、予め設定した反射波電力比較基準値未満になると、マグネトロンの出力制御を、アノード電流を一定値にする制御から進行波電力を一定値にする制御に切り換えるマグネトロン出力制御方法。
【請求項３】
マイクロ波を発生するマグネトロン（磁電管）の出力をプラズマ負荷に供給する装置のマグネトロン出力制御方法において、マイクロ波の電圧定在波の振幅を検出すると共に検出した電圧定在波の振幅を用いてマグネトロンからプラズマ負荷に向かう進行波電力に対応した信号及びプラズマ負荷から反射してくる反射波電力に対応した信号を演算して、前記反射波電力に対応した信号が、予め設定した反射波電力比較基準値以上になると、マグネトロンの出力制御を、進行波電力を一定値にする制御からアノード電流を一定値にする制御に切り換え、反射波電力に対応した信号が、予め設定した反射波電力比較基準値未満になると、マグネトロンの出力制御を、アノード電流を一定値にする制御から進行波電力を一定値にする制御に切り換えるマグネトロン出力制御方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の反射波電力比較基準値が、進行波電力を一定値にする制御からアノード電流を一定値にする制御に切り替える場合と、アノード電流を一定値にする制御から進行波電力を一定値にする制御に切り換える場合とで異なる値の反射波電力比較基準値であるマグネトロン出力制御方法。
【請求項５】
マイクロ波を発生するマグネトロン（磁電管）と、マグネトロンのフィラメントに電力を供給してフィラメントを加熱するためのフィラメント電源と、マグネトロンのアノードとカソードとの間に高電圧を印加するためのアノード電源と、進行波電力に対応した信号及び反射波電力に対応した信号を検出又は演算する電力検出器とから成るマグネトロン出力制御装置において、アノード電流を検出するアノード電流検出器と、進行波電力に対応した信号又はアノード電流検出信号を切り換えて出力する検出信号切換器と、反射波電力に対応した信号と予め設定した反射波電力比較基準値との差に対応した進行波・アノード切り換え信号を出力する検出信号切換ドライバとを備え、前記検出信号切換器は、検出信号切換ドライバの出力信号に応じて内部のスイッチを切り換え、内部のスイッチがアノード電流検出器側のときにアノード電流検出信号を出力し、内部のスイッチが電力検出器側のときに進行波電力に対応した信号を出力し、前記進行波電力に対応した信号又はアノード電流検出信号によってマグネトロンの出力電力を制御するマグネトロン出力制御装置。
【請求項６】
マイクロ波を発生するマグネトロン（磁電管）と、マグネトロンのフィラメントに電力を供給してフィラメントを加熱するためのフィラメント電源と、マグネトロンのアノードとカソードとの間に高電圧を印加するためのアノード電源と、進行波電力に対応した信号及び反射波電力に対応した信号を検出又は演算する電力検出器とから成るマグネトロン出力制御装置において、アノード電流を検出するアノード電流検出器と、反射波電力比較基準値を予め設定する検出信号切換設定器と、反射波電力に対応した信号と予め設定した反射波電力比較基準値との差の信号を出力するヒステリシス付き比較器と、進行波電力に対応した信号又はアノード電流検出信号を切り換えて出力する検出信号切換器と、ヒステリシス付き比較器の出力信号を入力して反射波電力に対応した信号が予め設定した反射波電力比較基準値以上のときは検出信号切換器内のスイッチをアノード電流検出器側に切り換える第１の進行波・アノード切り換え信号を出力し、反射波電力に対応した信号が予め設定した反射波電力比較基準値未満のときは検出信号切換器内のスイッチを電力検出器側に切り換える第２の進行波・アノード切り換え信号を出力する検出信号切換ドライバとを備え、前記検出信号切換器は、検出信号切換ドライバの出力信号に応じて内部のスイッチを切り換え、内部のスイッチがアノード電流検出器側のときにアノード電流検出信号を出力し、内部のスイッチが電力検出器側のときに進行波電力に対応した信号を出力し、前記進行波電力に対応した信号又はアノード電流検出信号によってマグネトロンの出力電力を制御するマグネトロン出力制御装置。
【請求項７】
マイクロ波を発生するマグネトロン（磁電管）と、マグネトロンのフィラメントに電力を供給してフィラメントを加熱するためのフィラメント電源と、マグネトロンのアノードとカソードとの間に高電圧を印加するためのアノード電源と、進行波電力に対応した信号及び反射波電力に対応した信号を検出又は演算する電力検出器とから成るマグネトロン出力制御装置において、アノード電流を検出するアノード電流検出器と、反射波電力比較基準値を予め設定する検出信号切換設定器と、反射波電力に対応した信号と予め設定した反射波電力比較基準値との差の信号を出力するヒステリシス付き比較器と、進行波電力に対応した信号又はアノード電流検出信号を切り換えて出力する検出信号切換器と、ヒステリシス付き比較器の出力信号を入力して反射波電力に対応した信号が予め設定した反射波電力比較基準値以上のときは検出信号切換器内のスイッチをアノード電流検出器側に切り換える第１の進行波・アノード切り換え信号を出力し、反射波電力に対応した信号が予め設定した反射波電力比較基準値未満のときは検出信号切換器内のスイッチを電力検出器側に切り換える第２の進行波・アノード切り換え信号を出力する検出信号切換ドライバと、出力電力値を設定する出力電力設定器と、検出信号切換器の出力信号と出力電力設定器の設定値との誤差を増幅した出力電力増幅信号を出力する誤差増幅器と、誤差増幅器の出力電力増幅信号を入力して検出信号切換器の出力信号を出力電力設定器の設定値に制御する制御回路とを備え、前記検出信号切換器は、検出信号切換ドライバの出力信号に応じて内部のスイッチを切り換え、内部のスイッチがアノード電流検出器側のときにアノード電流検出信号を出力し、内部のスイッチが電力検出器側のときに進行波電力に対応した信号を出力し、前記進行波電力に対応した信号又はアノード電流検出信号によってマグネトロンの出力電力を制御するマグネトロン出力制御装置。
【請求項８】
請求項５又は請求項６又は請求項７に記載の電力検出器が、マイクロ波の定在波を進行波と反射波とに分離すると共に分離した進行波及び反射波を検波することによって進行波電力に対応した信号及び反射波電力に対応した信号を検出するマイクロ波電力検出器であるマグネトロン出力制御装置。
【請求項９】
請求項５又は請求項６又は請求項７に記載の電力検出器が、マイクロ波の電圧定在波の振幅を検出すると共に検出した電圧定在波の振幅を用いてマイクロ波の進行波電力に対応した信号及び反射波電力に対応した信号を演算するマイクロ波電力検出器であるマグネトロン出力制御装置。
【請求項１０】
請求項５又は請求項６又は請求項７に記載の電力検出器が、進行波電力に対応した信号を検出又は演算すると共に反射波電力の大きさによって変化する温度を検出して、前記変化する温度を検出した信号を反射波電力に対応した信号とする反射波電力対応検出器であるマグネトロン出力制御装置。
【請求項１１】
請求項５又は請求項６又は請求項７に記載の反射波電力比較基準値が、２つの反射波電力比較基準値であって、第１の反射波電力比較基準値は検出信号切換器の出力信号が進行波電力に対応した信号の場合の反射波電力比較基準値であり、第２の反射波電力比較基準値は検出信号切換器の出力信号がアノード電流検出信号の場合の反射波電力比較基準値であるマグネトロン出力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波電力を発生するマグネトロンの出力電力を制御するマグネトロン出力制御方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マグネトロンを用いたマグネトロン出力制御装置から出力されるマイクロ波電力によって発生させたプラズマを利用した装置には、薄膜を形成する装置の１つであるＣＶＤ装置及び半導体製造用のエッチング装置等のプラズマ処理装置がある。
【０００３】
（従来技術１）
図１は、従来技術１のマグネトロン出力制御装置及びその周辺装置の実施例を示す従来技術１のブロック図である。
従来技術１のマグネトロン出力制御装置は、マイクロ波電力を発生させるためのマグネトロン（磁電管）１７と、マグネトロン１７のフィラメントに電力を供給してフィラメントを加熱するための電源（以下、フィラメント電源という）１６と、マグネトロン１７のアノードとカソードとの間に高電圧を印加するための直流高圧電源（以下、アノード電源という）１２５とから成り、マグネトロン１７のアノード電流を検出し、検出したアノード電流検出信号が一定値になるように制御を行っていた。この制御方法をアノード電流一定制御という。
【０００４】
商用電源１は、アノード電源１２５とフィラメント電源１６とに電力を供給するＡＣ電源である。フィラメント電源１６は、マグネトロン１７のフィラメント加熱用の電源である。アノード電源１２５に入力された電力は、ダイオードブリッジ２とコンデンサ３とによって整流平滑された後、スイッチング素子４，５及びコンデンサ６，７から成るハーフブリッジインバータに供給される。ハーフブリッジインバータによって高周波化された出力電力は、高周波トランス８を介してマグネトロン１７に印加される。高周波トランス８の二次側にはダイオード９，１０とコンデンサ１１，１２とから成る倍電圧整流平滑回路が接続されているので、マグネトロン１７に直流の高電圧が印加されて、マイクロ波電力が出力される。
【０００５】
アイソレータ２７は、マグネトロン１７からプラズマ負荷１８に向かう進行波電力を通過させるが、プラズマ負荷１８で発生した反射波電力を大きく減衰させるような非可逆回路であり、反射波電力を消費するためのダミーロードを含んでいる。このアイソレータ２７は、通常、プラズマ負荷１８で発生した反射波電力からマグネトロン出力制御装置を保護する目的で使用される。
【０００６】
マグネトロン１７から出力されたマイクロ波電力は、マグネトロン１７とアイソレータ２７との間のマイクロ波電力の伝送線路である導波管２６ａと、アイソレータ２７と、アイソレータ２７とプラズマ負荷１８との間のマイクロ波電力の伝送線路である導波管２６ｂとを介してプラズマ負荷１８に投入される。
【０００７】
このようなマグネトロン出力制御装置の出力電力制御方法としては、マグネトロン１７の出力が定電圧特性を有することから、マグネトロン１７のアノード電流が一定値になるようにフィードバック制御を行っている。
【０００８】
具体的には、アノード電流検出器２０によってアノード電流を検出し、検出したアノード電流検出信号を誤差増幅器１１４に入力する。誤差増幅器１１４は、入力されたアノード電流検出信号の検出値と出力電力設定器１１５の設定値との誤差を増幅して出力電力増幅信号を出力する。制御回路１１３は、誤差増幅器１１４の出力電力増幅信号を入力して、アノード電流検出器２０によって検出したアノード電流検出信号が出力電力設定器１１５の設定値になるように、スイッチング素子４，５のＯＮ時間を制御している。
【０００９】
（従来技術２）
図２は、従来技術２のマグネトロン出力制御装置及びその周辺装置の実施例を示す従来技術２のブロック図である。
従来技術２のマグネトロン出力制御装置は、マグネトロン１７と、フィラメント電源１６と、アノード電源２２５と、進行波電力に対応した信号を検出又は演算するマイクロ波電力検出器２１９とから成り、マイクロ波電力検出器２１９から進行波電力に対応した信号を出力し、この進行波電力に対応した信号が一定値になるように制御を行っていた。この制御方法を進行波電力一定制御という。
【００１０】
商用電源１は、アノード電源２２５とフィラメント電源１６とに電力を供給するＡＣ電源である。フィラメント電源１６は、マグネトロン１７のフィラメント加熱用の電源である。アノード電源２２５に入力された電力は、ダイオードブリッジ２とコンデンサ３とによって整流平滑された後、スイッチング素子４，５及びコンデンサ６，７から成るハーフブリッジインバータに供給される。ハーフブリッジインバータによって高周波化された出力電力は、高周波トランス８を介してマグネトロン１７に印加される。高周波トランス８の二次側にはダイオード９，１０とコンデンサ１１，１２とから成る倍電圧整流平滑回路が接続されているので、マグネトロン１７に直流の高電圧が印加されて、マイクロ波電力が出力される。
【００１１】
マグネトロン１７から出力されたマイクロ波電力は、マグネトロン１７とアイソレータ２７との間のマイクロ波電力の伝送線路である導波管２６ａと、アイソレータ２７と、アイソレータ２７とプラズマ負荷１８との間のマイクロ波電力の伝送線路である導波管２６ｂとを介してプラズマ負荷１８に投入される。
【００１２】
マイクロ波電力検出器２１９は、導波管２６ｂ上に設けられていて、方向性結合器，マイクロ波自動整合器等を使用して、進行波電力に対応した信号及び反射波電力に対応した信号を検出又は演算する機能を有している。
例えば、特開平４−１９６９０３に記載されているように、方向性結合器を使用する場合は、方向性結合器によってマイクロ波の定在波を進行波と反射波とに分離すると共に分離した進行波及び反射波をダイオード等を用いて検波することによって、進行波電力に対応した信号及び反射波電力に対応した信号を検出する機能を有している。
同じく特開平４−１９６９０３に記載されているように、マイクロ波自動整合器を使用する場合は、導波管２６ｂに３個の探針を備え、この３個の探針によって導波管２６ｂ内部のマイクロ波の電圧定在波の振幅を検出すると共に検出した電圧定在波の振幅を用いて特定の基準位置においてプラズマ負荷１８側を見たときのインピーダンス又は反射係数を演算し、上記で検出した電圧定在波の振幅と演算したインピーダンス又は反射係数とに基づいて、マイクロ波の進行波電力に対応した信号及び反射波電力に対応した信号を演算する機能を有している。
【００１３】
このようなマグネトロン出力制御装置の出力電力制御方法としては、マイクロ波電力検出器２１９から出力する進行波電力に対応した信号を用いて進行波電力が一定値になるようにフィードバック制御を行っている。
【００１４】
具体的には、マイクロ波電力検出器２１９から進行波電力に対応した信号を出力し、この進行波電力に対応した信号を誤差増幅器２１４に入力する。誤差増幅器２１４は、入力された進行波電力に対応した信号と出力電力設定器２１５の設定値との誤差を増幅して出力電力増幅信号を出力する。制御回路２１３は、誤差増幅器２１４の出力電力増幅信号を入力して、マイクロ波電力検出器２１９から出力する進行波電力に対応した信号が出力電力設定器２１５の設定値になるように、スイッチング素子４，５のＯＮ時間を制御している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来技術１のマグネトロン出力制御装置は、マグネトロン１７のアノード電流を検出し、検出したアノード電流検出信号が一定値になるように制御を行っている。このマグネトロン１７は、陰極から放出された電子の進行方向を変えるための磁界が必要である。マイクロ波出力電力が６ｋＷ以下であるマグネトロン１７は、予め磁化したフェライトコアをマグネトロン１７の内部に配置して、上記の磁界を得る場合が多い。
【００１６】
一般にマグネトロン１７は、（マイクロ波出力電力）／（マグネトロン入力電力）で表されるマイクロ波電力の出力効率が６０〜７０％程度である。（マグネトロン入力電力）−（マイクロ波出力電力）で表される損失は、熱となってマグネトロン１７本体を加熱するために、マグネトロン１７に内蔵されているフェライトコアも温度上昇することになる。フェライトコアは、温度が上昇すると磁力が低減する減磁特性が生じる。フェライトコアの磁力が低減すると、マイクロ波出力効率が低下する。
【００１７】
マグネトロン出力制御装置のマイクロ波出力電力の制御方法がアノード電流一定制御の場合、長時間マイクロ波電力を出力したり、大容量の出力を取り出すときは、フェライトコアの温度上昇に伴って減磁特性が生じて磁界が弱まり、マイクロ波電力の出力効率が低下する。そのために、アノード電流を一定値に制御していても、取り出せるマイクロ波出力電力値は、フェライトコアの温度上昇の時間に伴って低下する。ある空冷マグネトロンの例では、アノード電流一定制御でマイクロ波出力を行った場合、出力開始から６０秒で初期のマイクロ波出力電力値から１０％程度低下する。
【００１８】
以上のことから、アノード電流一定制御のマグネトロン出力制御装置は、マグネトロン１７の温度特性によって、マグネトロン１７から出力されるマイクロ波の実効電力が変動する。実効電力が変動すると、前述したプラズマを利用して形成する薄膜の膜厚が所定値にならない、膜厚にばらつきが生じる等の影響がある。
【００１９】
前述の従来技術２のマグネトロン出力制御装置は、マイクロ波電力検出器２１９から進行波電力に対応した信号を出力し、この進行波電力に対応した信号が一定値になるように制御を行っていた。
【００２０】
ここで、プラズマ負荷１８で反射波電力が発生した場合、導波管２６ｂ内部の定在波比（定在波の最大値と最小値との比）は、１．０を超過して定在波が生じる。このとき、プラズマ負荷１８の特性が非線形の場合が多いために、マイクロ波の出力波形に歪みによる高調波を含んだり、雑音周波数が重畳することが多い。しかし、マイクロ波電力検出器２１９は、定格周波数で歪みがない波形のときに、進行波電力に対応した信号及び反射波電力に対応した信号を正確に検出又は演算できるようになっている。そのために、前述のプラズマ負荷１８で反射波電力が発生すると、マイクロ波の出力波形は定格周波数で歪みがない波形ではなくなるために、進行波電力に対応した信号及び反射波電力に対応した信号は真値との間に誤差を生じることになる。
【００２１】
進行波電力に対応した信号に誤差が生じれば、制御系の利得がいくら高くても出力電力設定器２１５で設定した値とマイクロ波出力の実効電力との間に誤差が生じる。
【００２２】
以上のことから、進行波電力一定制御方法のマグネトロン出力制御装置は、反射波電力が発生していないときには、進行波電力を一定値に保つことができるが、プラズマ負荷１８のような非線形負荷に反射波電力が発生すると、マイクロ波電力検出器２１９から出力する進行波電力に対応した信号に誤差が生じるために、マグネトロン１７から出力される進行波電力に誤差が生じることになる。
【００２３】
ところで、導波管２６ｂに設けるマイクロ波電力検出器２１９は、前述のように方向性結合器、マイクロ波自動整合器等を使うことが多い。
方向性結合器及びマイクロ波自動整合器は、進行波電力に対応した信号及び反射波電力に対応した信号を検出又は演算できるが、マイクロ波自動整合器は、さらにマイクロ波電力を効率良くプラズマ負荷１８に投入できるように、導波管２６ｂとプラズマ負荷１８との間のインピーダンスを自動的に整合させる機能も有している。なお、手動でインピーダンスを変化させる手段を備えた装置であれば、自動ではなく手動でインピーダンスを整合させることも可能である。
【００２４】
このようにマイクロ波電力検出器２１９を使用して、プラズマ負荷１８に対して進行波電力一定制御を行うと、反射波電力の発生時には、進行波電力に対応した信号に誤差が生じ、ひいてはプラズマ負荷１８に投入される進行波電力の実効電力が変動することになる。その結果、負荷の状態が変化するために発生する反射波電力も変わるというハンチング状態になりやすい。ハンチング状態になると、整合がとれなくなったり、従来技術のマイクロ波自動整合器では、整合するまでの時間が長くかかる。
【００２５】
本発明は、従来技術２で問題となっていたハンチング及び従来技術１で問題となっていたフェライトコアの減磁特性によるマイクロ波出力電力の低下を防止することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
出願時請求項１の発明は、マイクロ波を発生するマグネトロン（磁電管）１７の出力をプラズマ負荷１８に供給する装置のマグネトロン出力制御方法において、マグネトロン１７からプラズマ負荷１８に向かう進行波電力に対応した信号Ｅａ及びプラズマ負荷１８から反射してくる反射波電力に対応した信号Ｅｂを検出又は演算して、前述の反射波電力に対応した信号Ｅｂが、予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃ以上になると、マグネトロンの出力制御を、進行波電力を一定値にする制御からアノード電流を一定値にする制御に切り換え、反射波電力に対応した信号Ｅｂが、予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃ未満になると、マグネトロン１７の出力制御を、アノード電流を一定値にする制御から進行波電力を一定値にする制御に切り換えるマグネトロン出力制御方法である。
【００２７】
出願時請求項２の発明は、マイクロ波を発生するマグネトロン（磁電管）１７の出力をプラズマ負荷１８に供給する装置のマグネトロン出力制御方法において、マイクロ波の定在波をマグネトロン１７からプラズマ負荷１８に向かう進行波とプラズマ負荷１８から反射してくる反射波とに分離すると共に分離した進行波及び反射波を検波することによって進行波電力に対応した信号Ｅａ及び反射波電力に対応した信号Ｅｂを検出して、前述の反射波電力に対応した信号Ｅｂが、予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃ以上になると、マグネトロン１７の出力制御を、進行波電力を一定値にする制御からアノード電流を一定値にする制御に切り換え、反射波電力に対応した信号Ｅｂが、予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃ未満になると、マグネトロン１７の出力制御を、アノード電流を一定値にする制御から進行波電力を一定値にする制御に切り換えるマグネトロン出力制御方法である。
【００２８】
出願時請求項３の発明は、マイクロ波を発生するマグネトロン（磁電管）１７の出力をプラズマ負荷１８に供給する装置のマグネトロン出力制御方法において、マイクロ波の電圧定在波の振幅を検出すると共に検出した電圧定在波の振幅を用いてマグネトロン１７からプラズマ負荷１８に向かう進行波電力に対応した信号Ｅａ及びプラズマ負荷１８から反射してくる反射波電力に対応した信号Ｅｂを演算して、前述の反射波電力に対応した信号Ｅｂが、予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃ以上になると、マグネトロン１７の出力制御を、進行波電力を一定値にする制御からアノード電流を一定値にする制御に切り換え、反射波電力に対応した信号Ｅｂが、予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃ未満になると、マグネトロン１７の出力制御を、アノード電流を一定値にする制御から進行波電力を一定値にする制御に切り換えるマグネトロン出力制御方法である。
【００２９】
出願時請求項４の発明は、出願時請求項１又は出願時請求項２又は出願時請求項３に記載の反射波電力比較基準値Ｅｃが、進行波電力を一定値にする制御からアノード電流を一定値にする制御に切り替える場合と、アノード電流を一定値にする制御から進行波電力を一定値にする制御に切り換える場合とで異なる値の反射波電力比較基準値Ｓ１，Ｓ２であるマグネトロン出力制御方法である。
【００３０】
出願時請求項５の発明は、図３に示すように、マイクロ波を発生するマグネトロン（磁電管）１７と、マグネトロン１７のフィラメントに電力を供給してフィラメントを加熱するためのフィラメント電源１６と、マグネトロン１７のアノードとカソードとの間に高電圧を印加するためのアノード電源２５と、進行波電力に対応した信号Ｅａ及び反射波電力に対応した信号Ｅｂを検出又は演算する電力検出器１９とから成るマグネトロン出力制御装置において、アノード電流を検出するアノード電流検出器２０と、進行波電力に対応した信号Ｅａ又はアノード電流検出信号Ｅｄを切り換えて出力する検出信号切換器２１と、反射波電力に対応した信号Ｅｂと予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃとの差に対応した進行波・アノード切り換え信号Ｅｇを出力する検出信号切換ドライバ２２とを備え、前述の検出信号切換器２１は、検出信号切換ドライバ２２の出力信号Ｅｇに応じて内部のスイッチを切り換え、内部のスイッチがアノード電流検出器２０側のときにアノード電流検出信号Ｅｄを出力し、内部のスイッチが電力検出器１９側のときに進行波電力に対応した信号Ｅａを出力し、前述の進行波電力に対応した信号Ｅａ又はアノード電流検出信号Ｅｄによってマグネトロンの出力電力を制御するマグネトロン出力制御装置である。
【００３１】
出願時請求項６の発明は、図３に示すように、マイクロ波を発生するマグネトロン（磁電管）１７と、マグネトロン１７のフィラメントに電力を供給してフィラメントを加熱するためのフィラメント電源１６と、マグネトロン１７のアノードとカソードとの間に高電圧を印加するためのアノード電源２５と、進行波電力に対応した信号Ｅａ及び反射波電力に対応した信号Ｅｂを検出又は演算する電力検出器１９とから成るマグネトロン出力制御装置において、アノード電流を検出するアノード電流検出器２０と、反射波電力比較基準値Ｅｃを予め設定する検出信号切換設定器２４と、反射波電力に対応した信号Ｅｂと予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃとの差の信号Ｅｈを出力するヒステリシス付き比較器２３と、進行波電力に対応した信号Ｅａ又はアノード電流検出信号Ｅｄを切り換えて出力する検出信号切換器２１と、ヒステリシス付き比較器２３の出力信号Ｅｈを入力して反射波電力に対応した信号Ｅｂが予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃ以上のときは検出信号切換器２１内のスイッチをアノード電流検出器２０側に切り換える第１の進行波・アノード切り換え信号Ｅｇを出力し、反射波電力に対応した信号Ｅｂが予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃ未満のときは検出信号切換器２１内のスイッチを電力検出器１９側に切り換える第２の進行波・アノード切り換え信号Ｅｇを出力する検出信号切換ドライバ２２とを備え、前述の検出信号切換器２１は、検出信号切換ドライバ２２の出力信号に応じて内部のスイッチを切り換え、内部のスイッチがアノード電流検出器２０側のときにアノード電流検出信号Ｅｄを出力し、内部のスイッチが電力検出器１９側のときに進行波電力に対応した信号Ｅａを出力し、前述の進行波電力に対応した信号Ｅａ又はアノード電流検出信号Ｅｄによってマグネトロンの出力電力を制御するマグネトロン出力制御装置である。
【００３２】
出願時請求項７の発明は、図３に示すように、マイクロ波を発生するマグネトロン（磁電管）１７と、マグネトロン１７のフィラメントに電力を供給してフィラメントを加熱するためのフィラメント電源１６と、マグネトロン１７のアノードとカソードとの間に高電圧を印加するためのアノード電源２５と、進行波電力に対応した信号Ｅａ及び反射波電力に対応した信号Ｅｂを検出又は演算する電力検出器１９とから成るマグネトロン出力制御装置において、アノード電流を検出するアノード電流検出器２０と、反射波電力比較基準値Ｅｃを予め設定する検出信号切換設定器２４と、反射波電力に対応した信号Ｅｂと予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃとの差の信号Ｅｈを出力するヒステリシス付き比較器２３と、進行波電力に対応した信号Ｅａ又はアノード電流検出信号Ｅｄを切り換えて出力する検出信号切換器２１と、ヒステリシス付き比較器２３の出力信号Ｅｈを入力して反射波電力に対応した信号Ｅｂが予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃ以上のときは検出信号切換器２１内のスイッチをアノード電流検出器２０側に切り換える第１の進行波・アノード切り換え信号Ｅｇを出力し、反射波電力に対応した信号Ｅｂが予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃ未満のときは検出信号切換器２１内のスイッチを電力検出器１９側に切り換える第２の進行波・アノード切り換え信号Ｅｇを出力する検出信号切換ドライバ２２と、出力電力値を設定する出力電力設定器１５と、検出信号切換器２１の出力信号Ｅａ又はＥｄと出力電力設定器１５の設定値Ｅｅとの誤差を増幅した出力電力増幅信号Ｅｆを出力する誤差増幅器１４と、誤差増幅器１４の出力電力増幅信号Ｅｆを入力して検出信号切換器２１の出力信号Ｅａ又はＥｄを出力電力設定器１５の設定値に制御する制御回路１３とを備え、前述の検出信号切換器２１は、検出信号切換ドライバ２２の出力信号に応じて内部のスイッチを切り換え、内部のスイッチがアノード電流検出器２０側のときにアノード電流検出信号Ｅｄを出力し、内部のスイッチが電力検出器１９側のときに進行波電力に対応した信号Ｅａを出力し、前述の進行波電力に対応した信号Ｅａ又はアノード電流検出信号Ｅｄによってマグネトロンの出力電力を制御するマグネトロン出力制御装置である。
【００３３】
出願時請求項８の発明は、出願時請求項５又は出願時請求項６又は出願時請求項７に記載の電力検出器１９が、マイクロ波の定在波を進行波と反射波とに分離すると共に分離した進行波及び反射波を検波することによって進行波電力に対応した信号Ｅａ及び反射波電力に対応した信号Ｅｂを検出するマイクロ波電力検出器１９であるマグネトロン出力制御装置である。
【００３４】
出願時請求項９の発明は、出願時請求項５又は出願時請求項６又は出願時請求項７に記載の電力検出器１９が、マイクロ波の電圧定在波の振幅を検出すると共に検出した電圧定在波の振幅を用いてマイクロ波の進行波電力に対応した信号Ｅａ及び反射波電力に対応した信号Ｅｂを演算するマイクロ波電力検出器１９であるマグネトロン出力制御装置である。
【００３５】
出願時請求項１０の発明は、出願時請求項５又は出願時請求項６又は出願時請求項７に記載の電力検出器１９が、進行波電力に対応した信号Ｅａを検出又は演算すると共に反射波電力の大きさによって変化する温度を検出して、前述の変化する温度を検出した信号を反射波電力に対応した信号Ｅｂとする反射波電力対応検出器であるマグネトロン出力制御装置である。
【００３６】
出願時請求項１１の発明は、出願時請求項５又は出願時請求項６又は出願時請求項７に記載の反射波電力比較基準値Ｅｃが、２つの反射波電力比較基準値Ｓ１，Ｓ２であって、第１の反射波電力比較基準値Ｓ１は検出信号切換器２１の出力信号が進行波電力に対応した信号Ｅａの場合の反射波電力比較基準値であり、第２の反射波電力比較基準値Ｓ２は検出信号切換器２１の出力信号がアノード電流検出信号Ｅｄの場合の反射波電力比較基準値であるマグネトロン出力制御装置である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明のマグネトロン出力制御装置及びその周辺装置の実施例を示す本発明のブロック図である。商用電源１は、アノード電源２５とフィラメント電源１６とに電力を供給するＡＣ電源である。フィラメント電源１６は、マグネトロン１７のフィラメント加熱用の電源である。アノード電源２５に入力された電力は、ダイオードブリッジ２とコンデンサ３とによって整流平滑された後、スイッチング素子４，５及びコンデンサ６，７から成るハーフブリッジインバータに供給される。ハーフブリッジインバータによって高周波化された出力電力は、高周波トランス８を介してマグネトロン１７に印加される。高周波トランス８の二次側にはダイオード９，１０とコンデンサ１１，１２とから成る倍電圧整流平滑回路が接続されているので、マグネトロン１７に直流の高電圧が印加されて、マイクロ波電力が出力される。
【００３８】
マグネトロン１７から出力されたマイクロ波電力は、マグネトロン１７とアイソレータ２７との間のマイクロ波電力の伝送線路である導波管２６ａと、アイソレータ２７と、アイソレータ２７とプラズマ負荷１８との間のマイクロ波電力の伝送線路である導波管２６ｂとを介してプラズマ負荷１８に投入される。
【００３９】
マイクロ波電力検出器１９は、前述した従来技術２のマイクロ波電力検出器２１９と同様に、導波管２６ｂ上に設けられていて、進行波電力に対応した信号Ｅａ及び反射波電力に対応した信号Ｅｂを検出又は演算する機能を有している。
【００４０】
このようなマグネトロン出力制御装置の出力電力制御方法としては、導波管２６ｂ上に設けたマイクロ波電力検出器１９から反射波電力に対応した信号Ｅｂを出力し、ヒステリシス付き比較器２３に入力する。
【００４１】
検出信号切換設定器２４は、反射波電力に対応した信号Ｅｂと比較するための反射波電力比較基準値Ｅｃを予め設定し、ヒステリシス付き比較器２３は、入力された反射波電力に対応した信号Ｅｂと検出信号切換設定器２４によって予め設定された反射波電力比較基準値Ｅｃとを比較する。
【００４２】
ヒステリシス付き比較器２３に入力された反射波電力に対応した信号Ｅｂが、検出信号切換設定器２４によって予め設定された反射波電力比較基準値Ｅｃ以上になると、検出信号切換ドライバ２２によって、検出信号切換器２１内のスイッチをアノード電流検出器２０側に切り換えて、アノード電流検出器２０によって検出したアノード電流検出信号Ｅｄを誤差増幅器１４に入力する。この場合は、アノード電流一定制御になる。
【００４３】
ヒステリシス付き比較器２３に入力された反射波電力に対応した信号Ｅｂが、検出信号切換設定器２４によって予め設定された反射波電力比較基準値Ｅｃ未満になると、検出信号切換ドライバ２２によって、検出信号切換器２１内のスイッチをマイクロ波電力検出器１９側に切り換えて、マイクロ波電力検出器１９から出力する進行波電力に対応した信号Ｅａを誤差増幅器１４に入力する。この場合は、進行波電力一定制御になる。
【００４４】
誤差増幅器１４は、選択されて入力された進行波電力に対応した信号Ｅａ又はアノード電流検出信号Ｅｄと出力電力設定器１５の設定値Ｅｅとの誤差を増幅して出力電力増幅信号Ｅｆを出力する。制御回路１３は、誤差増幅器１４の出力電力増幅信号Ｅｆを入力して、選択されて入力された進行波電力に対応した信号Ｅａ又はアノード電流検出信号Ｅｄが、出力電力設定器１５の設定値Ｅｅになるようにスイッチング素子４，５のＯＮ時間を制御する。
【００４５】
このように、ヒステリシス付き比較器２３に入力する反射波電力に対応した信号Ｅｂと検出信号切換設定器２４によって予め設定された反射波電力比較基準値Ｅｃとを比較することによって、マグネトロン出力制御方法を選択する。
【００４６】
図４は、ヒステリシス付き比較器２３の比較動作の一例を説明する比較動作説明図である。図４に示すように、ヒステリシス付き比較器２３は、進行波電力一定制御からアノード電流一定制御に切り換える反射波電力比較基準値Ｓ１と、アノード電流一定制御から進行波電力一定制御に切り換える反射波電力比較基準値Ｓ２との２つの反射波電力比較基準値を設定できる。この２つの反射波電力比較基準値によって、図４に示すように進行波電力一定制御とアノード電流一定制御とを切り換える。
２つの反射波電力比較基準値を同じ値に設定することもできるが、反射波電力に対応した信号Ｅｂが反射波電力比較基準値付近で安定しない場合に、選択するマグネトロン出力制御方法も安定せず、進行波電力一定制御とアノード電流一定制御とが頻繁に切り換わるというハンチング状態になる。これら２つの反射波電力比較基準値を適正に設定することによって、このようなマグネトロン出力制御方法のハンチングが防止できる。
【００４７】
なお、アノード電流一定制御と進行波電力一定制御とを切り換えるための反射波電力に対応した信号Ｅｂを出力する電力検出器１９は、前述した導波管上に設けられたマイクロ波電力検出器１９によって検出又は演算した信号だけではなく、アイソレータ２７のダミーロードの温度、マグネトロン１７の温度等を検出して反射波電力に対応した信号とする反射波電力対応信号検出器を用いてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は、「発明が解決しようとする課題」の項で説明した従来技術１及び従来技術２の問題を解決し、プラズマ負荷１８で発生した反射波電力に対応した信号Ｅｂが予め設定した反射波電力比較基準値以上になった場合は、マグネトロン出力制御装置の出力電力制御方法を、進行波電力一定制御からアノード電流一定制御に切り換えることによって、ハンチング状態を防止して、整合がとれなくなる状態及び整合するまでの時間が長くかかる状態を解消することができる。
【００４９】
なお、マグネトロン出力制御装置の出力電力制御方法を、アノード電流一定制御に切り換えたときには、フェライトコアの減磁特性によってマイクロ波出力電力の効率が低下するが、アノード電流一定制御によって制御している時間は、反射波電力に対応した信号Ｅｂが予め設定した反射波電力比較基準値未満になるまでの時間であり、マイクロ波自動整合器を使用した場合、おおむね１〜１５秒（通常は２〜５秒）でプラズマ負荷１８からの反射波電力が小さくなるようにインピーダンスを整合する。そのために、減磁特性によるマイクロ波出力電力の低下はわずかである。
【００５０】
このように本発明を用いれば、従来技術での問題を解決して、プラズマ負荷１８で反射波電力が発生したときに速やかに整合をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来技術１のマグネトロン出力制御装置及びその周辺装置の実施例を示す従来技術１のブロック図である。
【図２】図２は、従来技術２のマグネトロン出力制御装置及びその周辺装置の実施例を示す従来技術２のブロック図である。
【図３】図３は、本発明のマグネトロン出力制御装置及びその周辺装置の実施例を示す本発明のブロック図である。
【図４】図４は、ヒステリシス付き比較器２３の比較動作の一例を説明する比較動作説明図である。
【符号の説明】
１        商用電源
２        ダイオードブリッジ
３        コンデンサ
４，５    スイッチング素子
６，７    コンデンサ
８        高周波トランス
９，１０  ダイオード
１１，１２  コンデンサ
１３      （本発明の）制御回路
１４      （本発明の）誤差増幅器
１５      （本発明の）出力電力設定器
１６      フィラメント電源
１７      マグネトロン
１８      プラズマ負荷
１９      （本発明の）マイクロ波電力検出器／電力検出器
２０      アノード電流検出器
２１      検出信号切換器
２２      検出信号切換ドライバ
２３      ヒステリシス付き比較器
２４      検出信号切換設定器
２５      （本発明の）アノード電源
２６ａ    マグネトロン１７とアイソレータ２７との間の導波管
２６ｂ    アイソレータ２７とプラズマ負荷１８との間の導波管
２７      アイソレータ
１１３    （従来技術１の）制御回路
１１４    （従来技術１の）誤差増幅器
１１５    （従来技術１の）出力電力設定器
１２５    （従来技術１の）アノード電源
２１３    （従来技術２の）制御回路
２１４    （従来技術２の）誤差増幅器
２１５    （従来技術２の）出力電力設定器
２１９    （従来技術２の）マイクロ波電力検出器
２２５    （従来技術２の）アノード電源
Ｅａ      進行波電力に対応した信号
Ｅｂ      反射波電力に対応した信号
Ｅｃ      反射波電力に対応した信号Ｅｂと比較するための反射波電力比較基準値
Ｅｄ      アノード電流検出信号
Ｅｅ      出力電力設定器１５の設定値
Ｅｆ      誤差増幅器１４の出力電力増幅信号
Ｅｇ      進行波・アノード切り換え信号
Ｅｈ      反射波電力に対応した信号Ｅｂと予め設定した反射波電力比較基準値Ｅｃとの差の信号
Ｓ１      進行波電力一定制御からアノード電流一定制御に切り換える反射波電力比較基準値
Ｓ２      アノード電流一定制御から進行波電力一定制御に切り換える反射波電力比較基準値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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