JP2019078563A - 方向性結合器 - Google Patents

Abstract

【課題】進行波と反射波の測定を安定して行うことができる方向性結合器を提供する。【解決手段】湾曲した金属板から成る検出器２３ａと、プリント配線板２５に形成した金属膜の内部配線４３とによって巻線を形成し、導電線１５に流れる電流が形成する磁束によって巻線に起電力を発生させ、終端回路２４によって、進行波と反射波とを区別して検出する。検出器２３ａと内部配線４３とで構成された巻線の芯は空気なので、巻線の電気的特性は温度変化の影響を受けない。【選択図】図２

Description

本発明は進行波と反射波とを検出する方向性結合器に関する。

近年の半導体製造装置の処理技術高度化にともない、プラズマプロセスにおける高周波電力の高精度な測定、精緻な制御が必要とされている。

伝送線路上を通過する高周波電力を測定する方法としては、特許第3,299,273号公報に代表されるように、伝送線路に発生している電磁界を利用して、２つの高周波信号を検出し、処理する方法が主流である。

電磁界センサは、検出される信号の特徴により二つに大別され、方向性結合器、V・Iセンサと呼ばれる。方向性結合器は、伝送線路に存在する伝搬方向に進行する電磁波と、反射して戻ってくる電磁波に着目し、進行波信号・反射波信号を検出する。V・Iセンサは電界・磁界変動を個別に検出して、電圧信号・電流信号またはそれらの合わさった信号として検出する。いずれの方式においても、検出された信号は、加減算、乗除算、位相検出、A/D変換、デジタル信号処理などが行われ、周波数ごとの進行波電力や反射波電力、有効消費電力、負荷インピーダンスなどに変換される。

方向性結合器の性能の重要な要素の一つとして、有効消費電力の測定値の環境要因による変動が少ない事が挙げられる。しかしながら、方向性結合器を構成する部材の材質は、温度変化による影響を受けやすく、温度変化によってセンサ自体の検出電圧に変動が生じてしまう。

方向性結合器を構成する部材として抵抗やキャパシタ素子は、温度変化の少ない部品が従来から存在しているが、磁性体は透磁率の温度変化やBHカーブに起因する非線形性により結合度が変化して検出電圧に変化を与えるため、磁性体を使用した従来技術の磁界結合センサは温度変化による検出電圧変動が無視できない。

その対策として、プリント配線板上に形成したマイクロストリップ型方向性結合器や、パターンをスルーホールまたはブラインドビアで接続した電流・電圧センサのように、フォトリソグラフィ技術を用いて形状精度の高いセンサを作成する改善例がある。

図９は、基板１２５ａ上に、主線路１１５ａが配置され、主線路１１５ａの両側に、副線路１２３ａ、１２３ａが配置されたストリップライン型方向性結合器であり、副線路１２３ａ、１２３ａの一端には終端回路１２４が接続され、主線路１１５ａを流れる進行波の電流と反射波の電流とが、副線路１２３ａ、１２３ａによって個別に検出される。

図１０は、二個の筺体１１１，１１２間に挟まれたプリント配線板１１６に副線路１２３ｂが設けられたプリント配線板ビア・パターンコイル型方向性結合器であり、ケーブル孔１３６ｂに挿通された内部導体１１５ｂに流れる進行波の電流と反射波の電流とが副線路１２３ｂによって別々に検出される。符号１２４ｂは終端回路である。
しかしながら副線路１２３ａ、１２３ｂの周囲には誘電体となる基板材料があり特性を劣化させる原因の一つとなる。

基板材料で一般的に使われるＦＲ４は吸水率・湿度・温度に依存して寸法変化・誘電率変化を起こし、プリント配線板のセンサ回路のインピーダンス変化を生じさせる。また大電力用途では非常に大きな温度変化にさらされることから、測定結果を安定化させる為にはより高価な基板材料を使用せざるを得なかった。

なお、空芯の１ターン型コイル型電流センサ・方向性結合器は従来から存在するもの、例えば１ＭＨｚ前後の低周波では、結合度を上げる為にセンサ形状が伝搬方向へ長くなりセンサの体積が大きくなる。

特許第３２９９２７３号公報 米国特許第６，４４９，５６８号公報 米国特許第６，５０１，２８５号公報 特許第３３１７６８４号公報 特許第５５９９６０７号公報 米国特許第８，４１４，３２６号公報 特開平１１−８０９５号公報 特開平８−３３５８０９号公報 特開２０００−４９５１０号公報 特開２００３−３２０１３号公報 特開２００６−１９１２２１号公報 特開２００９−１０５８６３号公報 米国特許第７，７５５，４５１号公報 米国特許第８，２０３，３９８号公報 米国特許第７，８８５，７７４号公報

本発明は上記温度変化があっても検出精度は低下しない技術を提供することにあり、検出レベル・検出位相が安定する小型方向性結合器を比較的安価に提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、プリント配線板と、前記プリント配線板に形成され、測定対象の導電線が挿通されるべきケーブル孔と、前記プリント配線板に設けられ、前記ケーブル孔に挿通された前記導電線に流れる進行波と反射波のいずれか一方を検出する第一の検出部と、他方を検出する第二の検出部とを有する方向性結合器であって、前記第一、第二の検出部は、中央に測定孔が位置する湾曲形状にされた複数の検出器と、前記検出器と検出器とを接続する複数の内部配線と、を有し、前記検出器の両端部のうち、一方の端部は前記測定孔の縁の近くに配置され他方の端部は前記一方の端部よりも前記縁から遠くに配置されて前記検出器同士は前記プリント配線板上に対面して立設され、前記第一、第二の検出部は、複数の前記検出器と複数の前記内部配線とによって形成された巻線を有し、前記第一の検出部の前記巻線を形成する前記検出器の前記測定孔と、前記第二の検出部の前記巻線を形成する前記検出器の前記測定孔とには、前記ケーブル孔に挿通された前記導電線に電流が流れたときに形成される磁束の少なくとも一部がそれぞれ貫通するように配置された方向性結合器である。
本発明は、前記内部配線は前記プリント配線板に形成された金属膜である方向性結合器である。
本発明は、前記ケーブル孔の中心を中心とする時計回りの方向と反時計回りの方向のいずれか一方を第一の配置方向としたときに、前記第一の検出部は、前記縁の近くに配置された前記端部が、前記第一の配置方向に隣接配置された前記検出器の前記縁から遠くに配置された前記端部に接続された前記検出器を有し、前記第一の配置方向と同じ方向又は逆の方向を第二の配置方向としたときに、前記第二の検出部は、前記縁の近くに配置された前記端部が、前記第二の配置方向に隣接配置された前記検出器の前記縁から遠くに配置された前記端部に接続された前記検出器を有する方向性結合器である。
本発明は、前記第一の検出部の前記検出器と前記第二の検出部の前記検出器とは、前記プリント配線板の同じ面に配置された方向性結合器である。
本発明は、前記第一の検出部の前記検出器と前記第二の検出部の前記検出器とは、前記プリント配線板の異なる面に配置された方向性結合器である。
本発明は、前記ケーブル孔に挿通された前記導電線を有する方向性結合器である。
本発明は、前記導電線には同軸ケーブルの内部導体が用いられた方向性結合器である。

温度の影響を受けない検出結果が得られる。

本発明の一例の方向性検出器の外観を示す図 本発明の検出器本体を示す図 (ａ)、(ｂ)：本発明の検出器を示す図 (ａ)：連結用電極部を説明するための図 (ｂ)：立設された検出器を説明するための図 本発明の他の例の方向性検出器の外観を示す図 その方向性検出器の断面図 温度とゲイン変動の関係を示すグラフ 温度とフェーズ変動の関係を示すグラフ 従来技術のストリップライン型方向性結合器 従来技術のプリント配線板ビア・パターンコイル型方向性結合器

図１、図２を参照し、符号１０ａは本発明の第一例の方向性結合器であり、第一の筺体１１と、第二の筺体１２と、検出器本体１６とを有している。
検出器本体１６はプリント配線板２５を有しており、プリント配線板２５の中央位置にはプリント配線板２５を貫通するケーブル孔３６が設けられている。符号２９は、方向性結合器１０ａを取りつけるための穴である。図１のプリント配線板２５は、図２のプリント配線板２５のＡ−Ａ線截断断面図に相当する。

方向性結合器１０ａの測定対象は、例えば高周波電圧を用いる装置に電力を供給するための同軸ケーブル等であり、同軸ケーブルは、一般に、接地電位に接続された筒状の外部導体と、外部導体とは絶縁された状態で外部導体の内部に挿通された太線状の内部導体とを有している。

図１の符号１５は、本発明の方向性結合器１０ａが測定対象とする導電線であり、ここでは同軸ケーブルの内部導体が導電線１５としてケーブル孔３６に挿通される。導電線は、同軸ケーブルの内部導体に限定されず、例えば平行な二本の電線のうち信号線を導電線として用いることができる。

ケーブル孔３６の周囲に位置するプリント配線板２５上には検出部２０が配置されている。
検出部２０には、導電線１５中を一方向に流れる進行波電流と反対方向に流れる反射波電流のうち、いずれか一方の電流を検出する第一の検出部２１ａと、他方の電流を検出する第二の検出部２２ａとが設けられている。第一、第二の検出部２１ａ、２２ａは、図４に示す複数の連結用電極部４０と、複数の検出器２３ａとをそれぞれ有している。

各検出器２３ａは同じ形状にされており、図３(ａ)は検出器２３ａの形状の一例である。この検出器２３ａは、後述する巻線の中の１ターンを構成する部品であり、一個の検出器２３ａは、両端が近接して離間した場所に位置するように湾曲した形状の一枚の金属板であり、その金属板の形状はＵ字形形状になっている。

各検出器２３ａの中央には、検出器２３ａの金属板で囲まれる測定孔３１がそれぞれ形成されている。検出器２３ａの中で湾曲された金属板の部分をループ部３２と呼ぶと、ループ部３２の一端と他端とには、ループ部３２の外側に向けられた接続部３３がそれぞれ設けられている。ここでは接続部３３は、ループ部３２の一端付近と他端付近とが折り曲げられて形成されている。

第一の検出部２１ａが有する複数の連結用電極部４０と、第二の検出部２２ａが有する複数の連結用電極部４０とは、ケーブル孔３６の縁３９に沿って配置されている。
連結用電極部４０は、図４(ａ)に示すように、内側電極４１と外側電極４２と内部配線４３とを有しており、内側電極４１は縁３９の近くに配置され、外側電極４２は内側電極４１よりも縁３９から遠い位置に配置され、一個の内側電極４１と一個の外側電極４２とは一個の内部配線４３によって接続されている。

ケーブル孔３６の中心を中心とした時計回りと反時計回りの方向うち、いずれか一方を配置方向とすると、一個の連結用電極部４０の外側電極４２は、内側電極４１に対して配置方向に離間しており、一個の連結用電極部４０の内側電極４１は、配置方向とは反対方向に隣接する連結用電極部４０の外側電極４２と縁３９との間に配置されている。第一の検出部２１ａの配置方向と第二の検出部２２ａの配置方向は同一方向であっても互いに逆の方向であってもよい。

ケーブル孔３６は円形であり、内側電極４１と外側電極４２とはケーブル孔３６の中心を中心とする円上に配置されており、一個の連結用電極部４０の外側電極４２と、配置方向に隣接する連結用電極部４０の内側電極４１とは、ケーブル孔３６の中心を通る同じ放射線４４上に位置している。

配置方向の始点となる連結用電極部４０の内側電極４１の外側には、第一の接続電極４６が配置されており、他方、配置方向の終点となる連結用電極部４０の外側電極４２の内側には、第二の接続電極４７が配置されている。従って、配置方向の始点となる連結用電極部４０の内側電極４１と第一の接続電極４６とが同じ放射線４４上に位置し、配置方向の終点となる連結用電極部４０の外側電極４２と第二の接続電極４７とが同じ放射線４４上に位置している。
第一の接続電極４６には第一の外部配線２７が接続され、第二の接続電極４７には第二の外部配線２８が接続されている。

内側電極４１と、外側電極４２と、内部配線４３と、第一、第二の外部配線２７、２８とは、数μｍ〜数百μｍの金属膜で形成され、プリント配線板２５に密着して固定されており、内側電極４１と外側電極４２との間に形成される寄生誘導性成分は小さくなるようにされている。
また、内側電極４１と外側電極４２との間は離間して配置されており、寄生容量性成分も小さくなるようにされている。

各検出器２３ａはプリント配線板２５に対して垂直にされ、同一の放射線４４上に並んだ内側電極４１と第一の接続電極４６とには一個の検出器２３ａの二個の接続部３３がそれぞれ一個ずつ接続されて固定されており、また、同一の放射線４４上に並んだ第二の接続電極４７と外側電極４２とには、他の一個の検出器２３ａの二個の接続部３３がそれぞれ一個ずつ接続されて固定されており、また、同一の放射線４４上に並んだ内側電極４１と外側電極４２とには、他の一個の検出器２３ａの二個の接続部３３がそれぞれ一個ずつ接続されて固定されている。

この状態では、第一の検出部２１ａが有する検出器２３ａは、隣接する検出器２３ａの測定孔３１が対面されて測定孔３１が連通するように対面してプリント配線板２５の同一面上に立設され、また、第二の検出部２２ａが有する検出器２３ａも、隣接する検出器２３ａの測定孔３１が対面されて測定孔３１が連通するように対面してプリント配線板２５の同一面上に立設されており、各検出器２３ａは、プリント配線板２５に固定されている。

各検出器２３ａの内側電極４１に接続された部分を内側端、外側電極４２に接続された部分を外側端とすると、プリント配線板２５に設けられた内部配線４３により、検出器２３ａの内側端は隣接する検出器２３ａの外側端に接続されており、各検出器２３ａのループ部３２はプリント配線板２５に立設されていることから、検出器２３ａと内部配線４３とによって同じ方向に巻き回された螺旋状の巻線が形成されている。

各検出器２３ａは、同じ巻線を構成する検出器２３ａの測定孔３１が連通するように配置されており、連通する測定孔３１によって巻線の空芯が形成されている。ケーブル孔３６に挿入された内部導体から成る導電線１５に電流が流れ、導電線１５を中心とした円形の磁束が形成されると、その磁束の一部は空芯を構成する測定孔３１を貫通し、磁束が貫通した測定孔３１を有する各検出器２３ａに起電力が発生する。

同じ巻線の各検出器２３ａは、各検出器２３ａに発生した起電力が打ち消し合わずに加算されるように直列接続されており、増幅された各検出器２３ａの起電力を合計した合計起電力は第一の接続電極４６と第二の接続電極４７との間に現れる。

第一、第二の外部配線２７、２８はプリント配線板２５上で延設され、一方の外部配線が電圧出力端子に接続され、他方の外部配線は終端回路２４を介して接地電位に接続されている。第一の外部配線２７は電圧端子に接続され、第二の外部配線２８は終端回路２４を介して接地電位に接続されており、接続された終端回路２４の内部回路の構成によって、第一、第二の検出部２１ａ、２２ａの一方が導電線１５を流れる進行波を検出し、他方が導電線１５を流れる反射波を検出し、進行波の大きさを示す信号と、反射波の大きさを示す信号とを別々の電圧端子から取り出せるようになっている。電圧端子の電圧が電圧端子に接続されたアナログICや作動増幅器等の検出装置によって取り出されると、進行波や反射波の大きさが求められ、求めた大きさをディスプレイ等に表示することができる。
上記の検出器２３ａは剛性を有する金属板によって構成されていることから、変形による電気的特性の変化が無いようになっている。

従来技術では、プリント配線板の表面と裏面に形成した金属配線とスルーホールに充填した金属充填物とで、巻線を形成することができるが、その巻線の芯はプリント配線板を構成する樹脂になる。樹脂の誘電率は温度によって大きく変動するため、プリント配線板を芯にした巻線は電気特性が温度によって大きく変動する。
本発明の方向性結合器１０ａでは、検出器２３ａと内部配線４３とで構成された巻線の芯は空気なので、巻線の電気特性は温度変化の影響を受けないで済む。

図７は、常温を基準としたときの、温度と検出信号ゲイン変動との関係を示すグラフであり、図８は、常温を基準としたときの、温度と検出信号フェーズ変動との関係を示すグラフである。

図７、８から、検出信号ゲイン変動と検出信号フェーズ変動について、従来技術の方向性結合器の特性は温度の影響が大きいのに対し、本願発明の方向性結合器の特性は、温度変化による影響が無いと言える。

以上説明した方向性結合器１０ａでは、第一の検出部２１ａと第二の検出部２２ａとがプリント配線板２５の同じ面に配置されていたが、第一の検出部２１ａと第二の検出部２２ａとをプリント配線板２５の異なる面に配置してもよい。

例えば、図５、図６の方向性結合器１０ｂでは、第一の筺体１１と第二の筺体１２とに挟まれたプリント配線板２５の片面に第一の検出部２１ｂの検出器２３ａと、その検出器２３ａ同士を接続する連結用電極部とが配置され、第一の検出部２１ｂの検出器２３ａが配置された面とは反対側の面に第二の検出部２２ｂの検出器２３ａと、その検出器２３ａ同士を接続する連結用電極部とが配置されている。

このように配置した場合は、同じ面に第一、第二の検出部２１ａ、２２ａを配置する場合に比べて第一、第二の検出部２１ｂ、２２ｂに設ける検出器２３ａの個数を増加させることができるので、検出感度が向上する。

なお、図４の連結用電極部４０の配置方向は時計回りの方向であったが、終端回路２４の内容により、第一の検出部２１ａの配置方向と第二の検出部２２ａの配置方向は同じ方向であってもよいし、互いに逆方向であってもよい。

また、上記検出器２３ａでは、接続部３３は外側向きであったが、図３(ｂ)のように、ループ部３２の両端に内側向きの接続部３４が設けられた検出器２３ｂを用いることもできる。検出器２３ａ、２３ｂは、厚み０．１ｍｍ以上、幅０．３ｍｍ以上の金属板を曲げることにより巻線を構成させることができる。また、金属以外の電導体を用いることもできる。

なお、本発明の方向性結合器は導電線が設けられていてもよく、また、測定対象の内部導体等を導電線１５とすることができるように、ケーブル孔３６には導電線１５を挿通させておかないようにしてもよい。

内蔵する本発明の方向性結合器によって測定した進行波・反射波を直流電圧に変換し、出力電圧の大きさを制御するＲＦ電源装置が得られる。
内蔵する本発明の方向性結合器によって測定した進行波・反射波から有効電力、インピーダンスを算出し、所定の有効電力になるように周波数や進行波の大きさを変化させるＲＦ電源装置が得られる。

内蔵する本発明の方向性結合器によって測定した進行波・反射波から反射係数を求め、可変リアクタンスを制御して反射係数をゼロにするマッチングボックスが得られる。

１０ａ、１０ｂ……方向性結合器
１５……導電線
２１ａ、２１ｂ……第一の検出部
２２ａ、２２ｂ……第二の検出部
２３ａ、２３ｂ……検出器
２５……プリント配線板
３６……ケーブル孔
４１……内側電極
４２……外側電極
４３……内部配線

Claims (7)

1. プリント配線板と、
   前記プリント配線板に形成され、測定対象の導電線が挿通されるべきケーブル孔と、
   前記プリント配線板に設けられ、前記ケーブル孔に挿通された前記導電線に流れる進行波と反射波のいずれか一方を検出する第一の検出部と、他方を検出する第二の検出部とを有する方向性結合器であって、
   前記第一、第二の検出部は、中央に測定孔が位置する湾曲形状にされた複数の検出器と、
   前記検出器と検出器とを接続する複数の内部配線と、を有し、
   前記検出器の両端部のうち、一方の端部は前記測定孔の縁の近くに配置され他方の端部は前記一方の端部よりも前記縁から遠くに配置されて前記検出器同士は前記プリント配線板上に対面して立設され、
   前記第一、第二の検出部は、複数の前記検出器と複数の前記内部配線とによって形成された巻線を有し、
   前記第一の検出部の前記巻線を形成する前記検出器の前記測定孔と、前記第二の検出部の前記巻線を形成する前記検出器の前記測定孔とには、前記ケーブル孔に挿通された前記導電線に電流が流れたときに形成される磁束の少なくとも一部がそれぞれ貫通するように配置された方向性結合器。
2. 前記内部配線は前記プリント配線板に形成された金属膜である請求項１記載の方向性結合器。
3. 前記ケーブル孔の中心を中心とする時計回りの方向と反時計回りの方向のいずれか一方を第一の配置方向としたときに、前記第一の検出部は、前記縁の近くに配置された前記端部が、前記第一の配置方向に隣接配置された前記検出器の前記縁から遠くに配置された前記端部に接続された前記検出器を有し、前記第一の配置方向と同じ方向又は逆の方向を第二の配置方向としたときに、前記第二の検出部は、前記縁の近くに配置された前記端部が、前記第二の配置方向に隣接配置された前記検出器の前記縁から遠くに配置された前記端部に接続された前記検出器を有する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の方向性結合器。
4. 前記第一の検出部の前記検出器と前記第二の検出部の前記検出器とは、前記プリント配線板の同じ面に配置された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方向性結合器。
5. 前記第一の検出部の前記検出器と前記第二の検出部の前記検出器とは、前記プリント配線板の異なる面に配置された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方向性結合器。
6. 前記ケーブル孔に挿通された前記導電線を有する請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方向性結合器。
7. 前記導電線には同軸ケーブルの内部導体が用いられた請求項６記載の方向性結合器。

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