JP2023097863A - 高周波電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＭＤによる反射波電力Ｐｒ１（反射係数）の増加を抑える処理を簡略化する。
【解決手段】本開示は、接続される負荷に対して高周波電力を提供する、高周波電源システムであって、第１の高周波電力を負荷に供給する第１の電源と、第２の高周波電力を負荷に供給する第２の電源と、第１の整合部および第２の整合部を含む整合器と、を備え、整合器は、第１の電源および第２の電源のそれぞれにシステムクロックを供給し、前記第２の電源は、前記整合器から供給されたシステムクロックに基づいて定まる制御周期で第２の高周波電圧を出力し、前記第１の電源は、前記整合器から供給されたシステムクロックに基づいて定まる制御周期毎に、第１の基本周波数を有する基本波信号を周波数変調させるとともに増幅して第１の高周波電圧として出力する、高周波電源システム。
【選択図】図１

Description

本開示は、高周波電源システムに関する。

半導体製造の分野では、電子機器の小型化・高機能化に伴って高密度な実装が要求されており、実装基板への素子の接続は微細化され、より信頼性の高い実装が必要となっている。

実装の信頼性を確保する方法の一つに、プラズマによる表面改質方法がある。例えば、被処理基板にプラズマ処理を施すと、基板の表面に付着した有機物による汚染を除去でき、ワイヤーボンディングのボンディング強度の向上が図れ、濡れ性が改善され、基板と封止樹脂との密着性を向上できる。このようなプラズマ処理を施すためには、プラズマリアクタ装置に対して電源装置を接続する必要がある。

例えば、特許文献１は、プラズマリアクタ装置に接続される電源装置の構成例について開示する。具体的に、特許文献１は、高周波（ソース）電源と低周波（バイアス）電源を、整合回路を介して重畳させてプラズマリアクタ装置に供給する構成について開示している。整合回路において、電源側とプラズマリアクタンス装置側とのインピーダンス整合を取ることにより、効率的な電源供給を実現しようとしている。

特開平７－７４１５９号公報 特表２０１８－５３６２９５号公報 特開２０１７－１８８３４号公報

特許文献１で示されるように２周波数電源を供給する場合、プラズマリアクタ装置のプラズマチャンバ内には、プラズマと共に、プラズマシースが発生することが知られている。このプラズマシースは、一般的に電気的に絶縁されているものと見なすことができ、プラズマチャンバの電極間に仮想的なコンデンサが形成されていると見ることができる。そして、低周波（バイアス）電源の電圧が周期的に変化することに連動してプラズマの位置が変動するため、プラズマシースの静電容量も周期的に変動する（例えば、プラズマチャンバの構造によってバイアス周波数と同一あるいは２倍の周期で変動する）。つまり、プラズマインピーダンスがバイアス電源の電圧の変化によって高速に変化することを意味する。

しかしながら、整合器は、インピーダンス可変素子をモータで動作させているため、高速なプラズマインピーダンスの変化に対してマッチング動作を追従させることができない。その結果、混変調歪（ＩＭＤ：Inter-Modulation Distortion）によって、ソース電源の出力端に帰還する反射波電力が増加してしまう。反射波電力が増大すると効率的、かつ正確に電源を負荷側に供給できないため、ＩＭＤを低減する必要がある。

この点、例えば、特許文献２および３は、低周波数側（ＬＦ）電源の周期中で、高速に分割して演算したインピーダンスおよび周波数―整合器ルックアップテーブルの２つから反射波が低減されるような高周波数側（ＨＦ）電源の位相（周波数）と電力を求め、ＬＦからのトリガ信号に従って、ＨＦが動作するよう制御することにより、ＩＭＤを低減する技術を開示している。

しかしながら、特許文献２および３に開示の技術では、低周波数側（ＬＦ）電源からのトリガ信号に従って、高周波数側（ＨＦ）電源またはインピーダンス整合器が周波数のオフセット調整やインピーダンス演算から位相や電力の制御を行いＩＭＤの低減をする。この場合、ＬＦ電源の周期に合わせる同期信号が必要であり、同期がずれたときは、オフセット調整やインピーダンスの演算が正しくできず反射波電力の低減が十分でない可能性ある。
本開示はこのような状況に鑑み、ＩＭＤ抑制のための周波数変調制御において同期ずれが生じない技術を提案する。

上記課題を解決するために、本開示は、接続される負荷に対して高周波電力を提供する、高周波電源システムであって、第１の基本周波数を有する第１の高周波電圧を出力することにより第１の高周波電力を前記負荷に供給する第１の電源と、前記第１の基本周波数より低い第２の基本周波数を有する第２の高周波電圧を出力することにより第２の高周波電力を前記負荷に供給する第２の電源と、前記第１の電源と前記負荷との間に接続された第１の整合部および前記第２の電源と前記負荷との間に接続された第２の整合部を含む整合器と、を備え、前記整合器は、前記第１の電源および前記第２の電源のそれぞれにシステムクロックを供給し、前記第２の電源は、前記整合器から供給されたシステムクロックに基づいて定まる制御周期で第２の高周波電圧を出力し、前記第１の電源は、前記整合器から供給されたシステムクロックに基づいて定まる制御周期毎に、第１の基本周波数を有する基本波信号を周波数変調させるとともに増幅して第１の高周波電圧として出力する、高周波電源システムを提供する。

本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本開示の態様は、要素および多様な要素の組み合わせ、ならびに以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではないことを理解する必要がある。

本開示の技術によれば、整合器から共通のシステムクロックが、第１の電源および第２の電源に供給されて行われる。そのため、第１の電源における周波数変調制御のタイミングを第２周波数と同期させることができる。そのため、第１の電源および第２の電源のシステムクロックのずれによる悪影響が生じず、精度のよい周波数変調制御を行うことができる。

本実施形態による電源供給システム（高周波電源システムとも言う）１にプラズマ負荷４０を接続した状態を示す図である。 本実施形態によるソース電源１０の内部構成例を示す図である。 本実施形態による整合器３０の内部構成例を示す図である。 本実施形態による、電源供給システム１全体におけるＩＭＤ低減（抑制）処理の詳細を説明するためのフローチャート（前半）である。 本実施形態による、電源供給システム１全体におけるＩＭＤ低減（抑制）処理の詳細を説明するためのフローチャート（後半）である。 ＩＭＤ抑制前後の反射波電力Ｐｒ１の変化の様子（例）を示す図である。 ＩＭＤ抑制処理前後のインピーダンス軌跡（例）を示す図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った具体的な実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

更に、本開示の実施形態は、汎用コンピュータ上で稼動するソフトウェアで実装しても良いし専用ハードウェア又はソフトウェアとハードウェアの組み合わせで実装しても良い。

＜電源供給システム１の構成例＞
図１は、本実施形態による電源供給システム（高周波電源システムとも言う）１にプラズマ負荷４０を接続した状態を示す図である。電源供給システム１は、ソース電源（第１の電源）１０と、バイアス電源（第２の電源）２０と、ソース電源１０およびバイアス電源２０のそれぞれから出力が供給され、ソース電源１０およびバイアス電源２０側とプラズマ負荷４０側とのインピーダンス整合を取る整合器（インピーダンス変換装置ともいう）３０と、を備え、ソース電源１０から出力する高周波電力（ソース電力）とバイアス電源２０から出力する高周波電力（バイアス電力）とを、例えば重畳してプラズマ負荷４０に供給するシステムである。
なお、ソース電源１０は、第１の基本周波数（例えば４０．６８ＭＨｚ）を有する第１の高周波電圧（進行波電圧）を出力することにより第１の高周波電力（進行波電力）を負荷に供給する。また、バイアス電源２０は、第２の基本周波数（例えば４００ｋＨｚ）（第１の基本周波数＞第２の基本周波数）を有する第２の高周波電圧（進行波電圧）を出力することにより第２の高周波電力（進行波電力）を負荷に供給する。

整合器３０は、ソース電源１０およびバイアス電源のそれぞれに、システムクロックを供給する。また、整合器３０は、周波数変調動作（ＩＭＤを低減するため動作）を開始するためのタイミングである制御開始トリガおよび演算した反射係数Γをソース電源１０に供給する。また、ソース電源１０は、現在の制御状態を示す制御状態フラグ（ＩＭＤ制御のための変調動作を行っているか否かを示す情報）を整合器３０に返送する。

＜ソース電源１０の内部構成例＞
図２は、本実施形態によるソース電源１０の内部構成例を示す図である。図２に示されるように、ソース電源１０は、周波数変調量・開始位相コントローラ２０１と、ＦＭ変調基本波形テーブル２０２と、開始位相設定部２０３と、変調量ゲイン設定部２０４と、変調テーブル更新部２０５と、基本波生成部２０６と、加算部（変調部）２０７と、ＤＤＳ（Digital Direct Synthesizer）２０８と、増幅器２０９と、検出器２１０と、広帯域検出部２１１と、平均化処理部２１２と、電力設定部２１３と、減算部２１４と、振幅設定コントローラ２１５と、を備える。

周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、整合器３０から制御開始トリガ（タイミング信号）、反射係数、およびシステムクロックを受信し、開始位相設定部２０３と変調量ゲイン設定部２０４に開始位相あるいは変調量ゲイン（変調範囲（例えば、±１．２ＭＨｚ）のゲインコントロールの割合を示す値）の設定を指示する。また、周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、ソース電源１０側でのＩＭＤ低減に係るＦＭ変調動作の開始や終了を制御状態フラグとして整合器３０に送信する。
ＦＭ変調基本波形テーブル（メモリ）２０２は、例えば、４０．６８ＭＨｚ±１．２ＭＨｚの範囲内の波形を４００ｋＨｚで変調してえられる波形を格納するテーブルであって、周波数変調量・開始位相コントローラ２０１からの指示に従って、ＦＭ変調基本波形を出力する。開始位相設定部２０３は、ＦＭ変調基本波形における開始位相を設定する。変調量ゲイン設定部２０４は、ＦＭ変調基本波形における、変調量ゲインを設定する。変調テーブル更新部２０５は、ＦＭ変調テーブルにおける現時点でＦＭ変調に用いる変調量ゲインの値と開始位相の値を更新する。

基本波生成部２０６は、ソース電源１０の基本波（例えば、４０．６８ＭＨｚ）であってＦＭ変調の対象の基本波信号を生成する。加算部（変調部）２０７は、変調テーブル更新部２０５からの変調量ゲインおよび開始位相を、基本波生成部２０６からの基本波信号に反映してＦＭ変調（例えば、４９．６８ＭＨｚ±１．２ＭＨｚの範囲内の波形を４００ｋＨｚでＦＭ変調）する。ＤＤＳ（Digital Direct Synthesizer）２０８は、ＦＭ変調された信号をＡＤ変換し、高周波信号として出力する。増幅器２０９は、高周波信号（ＦＭ変調信号）を増幅してＲＦ出力としての高周波電力を整合器３０に供給する。なお、以降では出力する高周波電力を進行波電力Ｐｆ１という。また、進行波電力Ｐｆ１の電圧成分を進行波電圧Ｖｆ１という。同様に、プラズマ負荷４０側から反射してくる高周波電力を反射波電力Ｐｒ１という。また、反射波電力Ｐｒ１の電圧成分を反射波電圧Ｖｒ２という。

検出器２１０は、増幅器２０９からの進行波電圧Ｖｆ１を検出し、検出信号として進行波電圧検出信号Ｖｆ１１を出力すると共に、整合器３０を介してプラズマ負荷４０側から反射された反射波電力Ｐｒ１を検出し、検出信号として反射波電圧検出信号Ｖｒ１１を出力する。検出器２１０は、検出した進行波電圧検出信号Ｖｆ１１と反射波電圧検出信号Ｖｒ１１とを広帯域検出部２１１に出力する。

広帯域検出部２１１は、所望の周波数成分を通過させるフィルタであり、例えばスーパーヘテロダイン方式で演算し、フィルタリング処理を行うことで、進行波電圧検出信号Ｖｆ１１の所望成分である進行波電圧検出信号Ｖｆ１２と反射波電圧検出信号Ｖｒ１１の所望成分である反射波電圧検出信号Ｖｒ１２とをそれぞれ通過させ平均化処理部２１２に出力する。

平均化処理部２１２は、進行波電圧検出信号Ｖｆ１２に基づいて進行波電力Ｐｆ１を算出するとともに、反射波電圧検出信号Ｖｒ１２に基づいて反射波電力Ｐｒ１を算出する。例えば、Ｖｆ２＾２／Ｒ（Ｒ：抵抗値に相当するゲイン）によって進行波電力Ｐｆ１を算出することができる。反射波電力Ｐｒ１も同様にして算出することができる。なお、上記計算式では、Ｖｆ２は進行波電圧検出信号Ｖｆ１２の大きさを表している。もちろん、実際の電力値に換算するためのゲインが乗算される。
平均化処理部２１２は、算出した進行波電力Ｐｆ１と反射波電力Ｐｒ１とをそれぞれ所定期間において蓄積する。更に、平均化処理部２１２は、進行波電力Ｐｆ１と反射波電力Ｐｒ１とをそれぞれ所定期間について平均化する。平均化処理部２１２は、進行波電力Ｐｆ１の平均電力（所定期間毎の移動平均）を減算部２１４に出力する。また、平均化処理部２１２は、進行波電力Ｐｆ１の平均電力および反射波電力Ｐｒ１の平均電力を周波数変調量・開始位相コントローラ２０１に出力する。なお、上記では、電圧に基づいて電力を算出した後に、平均化を行う例を示したが、電圧の平均化を行った後に、電力を算出してもよい。

電力設定部２１３は、目標の電力設定値を出力する。減算部２１４は、目標の電力設定値と検出された進行波電力Ｐｆ１（平均化処理部２１２の出力値）とのずれを算出し、振幅設定コントローラ２１５に出力する。振幅設定コントローラ２１５は、減算部２１４で算出されたずれ量に基づいてＦＭ変調における振幅値を設定する。

周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、平均化処理部２１２から出力された進行波電力Ｐｆ１および反射波電力Ｐｒ１の平均値（所定期間毎の移動平均）を内部メモリ（図示せず）に格納する。また、周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、予め決められた開始位相設定値および変調量ゲイン設定値の全てについて反射波電力Ｐｒ１を取得していない場合には、開始位相値あるいは変調量ゲインを変更するように開始位相設定部２０３あるいは変調量ゲイン設定部２０４を制御する。さらに、周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、全ての開始位相設定値および変調量ゲイン設定値に対応する反射波電力Ｐｒ１のうち、最小の反射波電力Ｐｒ１となる開始位相設定値および変調量ゲイン設定値を求め、それ以降のＦＭ変調のパラメータ（変調量ゲイン設定値および開始位相設定値）を固定する。なお、上記では反射波電力Ｐｒ１を低減させる例を示したが、反射係数を低減させるようにしてもよい。

＜整合器３０の内部構成例＞
整合器３０は、本実施形態による電源供給システム１の中で中心的な役割を果たす装置である。整合器３０は、バイアス電源（低周波側電源：例えば、４００ｋＨｚで動作）２０およびソース電源（高周波側電源：例えば、４０ＭＨｚで動作）の両方から出力が供給されている（供給開始のタイミングも含めて）ことを認識している。バイアス電源２０から出力が供給され始めると、整合器３０は、ソース電源１０にＩＭＤを低減するための変調動作（ＩＭＤ低減処理）を開始させるため、ＩＭＤ低減処理開始のタイミングをソース電源１０に通知するため、制御開始トリガをソース電源１０に送信する。ただし、整合器３０は、制御開始トリガをソース電源１０に送信しただけでは、ＩＭＤ低減処理が開始されたか確認できないため、ソース電源１０から制御状態フラグを取得するようになっている。

図３は、本実施形態による整合器３０の内部構成例を示す図である。整合器３０は、ＨＦ側センサ３０１と、ダウンコンバート回路３０２と、ＨＦ側インピーダンス計算部３０３と、ＩＭＤ関連制御部３０４と、ＨＦ側整合設定部３０５と、ＨＦ側整合ネットワーク３０６と、ＬＦ側センサ３０７と、ＬＦ側インピーダンス計算部３０８と、ＬＦ側整合設定部３０９と、ＬＦ側整合ネットワーク３１０と、出力センサ３１１と、を備える。

本実施形態では、ＨＦ側センサ３０１、ダウンコンバート回路３０２、ＨＦ側インピーダンス計算部３０３、ＩＭＤ関連制御部３０４、ＨＦ側整合設定部３０５およびＨＦ側整合ネットワーク３０６によって、第１の整合部が構成されている。また、ＬＦ側センサ３０７、ＬＦ側インピーダンス計算部３０８、ＬＦ側整合設定部３０９、ＬＦ側整合ネットワーク３１０およびＩＭＤ関連制御部３０４によって、第２の整合部が構成されている。

ＨＦ側センサ３０１は、ソース（ＨＦ）電源１０によって供給された進行波電力Ｐｆ１から進行波電圧Ｖｆ１と、プラズマ負荷４０側から反射してくる反射波電力Ｐｒ１から反射波電圧Ｖｒ１を検出し、これらをダウンコンバート回路３０２に提供する。また、ＬＦ側センサ３０７は、ソース電源１０からのＨＦ側の進行波電力Ｐｆ１をＨＦ側整合ネットワーク３０６に供給する。

ダウンコンバート回路３０２は、インピーダンス軌跡を求める際の処理速度を考慮して、動作周波数を低く変換する（例えば、４０ＭＨｚから１２ＭＨｚに落とす）。

ＨＦ側インピーダンス計算部３０３は、平均化出力（Ｖｆ・ｓｉｎθ、Ｖｆ・ｃｏｓθ、Ｖｒ・ｓｉｎθ、およびＶｒ・ｃｏｓθ）から、ＨＦ側のインピーダンス（Ｖｒ／Ｖｆ）を計算し、これを反射係数（ベクトル成分Ｕ，Ｖ）に変換してＩＭＤ関連制御部３０４にそれぞれ供給する。なお、ＨＦ側インピーダンス計算部３０３の動作の詳細については後述する（図４Ｂのステップ４０９参照）。

ＩＭＤ関連制御部３０４は、システムクロックをソース電源１０およびバイアス電源２０に供給するとともに、制御開始フラグや反射係数Γなどをソース電源１０に供給し、ソース電源１０においてＩＭＤ低減処理に開始したことおよび終了したことを示す制御状態フラグをソース電源１０から直接受け取る。また、ＩＭＤ関連制御部３０４は、反射係数（ベクトル成分Ｕ,Ｖ）を用いて、整合器のポジションを演算（例えば、Ｓパラメータテーブルを参照し、ＵおよびＶに対応する可変コンデンサのポジションを取得する）し、当該ポジションをＨＦ側整合設定部３０５に供給する。

ＨＦ側整合設定部３０５は、ＩＭＤ関連制御部３０４から取得した可変コンデンサのポジションに基づいて、ＨＦ側整合ネットワーク３０６に含まれる可変コンデンサの値を変更する。

ＨＦ側整合ネットワーク３０６は、入力側（ソース電源１０側）と出力側（プラズマ負荷４０側）の整合を取り、ソース電源１０から供給された進行波電力Ｐｆ１を出力センサ３１１に供給する。

ＬＦ側センサ３０７は、バイアス（ＬＦ）電源２０によって供給された進行波電力Ｐｆ２から進行波電圧Ｖｆ１と、プラズマ負荷４０側から反射してくる反射波電力Ｐｒ２から反射波電圧Ｖｒ２を検出し、これらをＬＦ側インピーダンス計算部３０８に提供する。また、ＬＦ側センサ３０７は、バイアス電源２０によって供給されたＬＦ側の進行波電力Ｐｆ２をＬＦ側整合ネットワーク３１０に供給する。

ＬＦ側インピーダンス計算部３０８は、ＬＦ側の進行波電圧Ｖｆ２および反射波電圧Ｖｒ２を用いて、ＬＦ側のインピーダンス（Ｖｒ／Ｖｆ）を算出し、これをＬＦ側整合設定部３０９に提供する。ＬＦ側整合設定部３０９は、ＬＦ側のインピーダンス値に基づいて、ＬＦ側整合ネットワーク３１０に含まれる可変コンデンサのポジションを演算し、当該ポジションに基づいて、ＬＦ側整合ネットワーク３１０の可変コンデンサの値を変更する。

ＬＦ側整合ネットワーク３１０は、入力側（バイアス電源２０側）と出力側（プラズマ負荷４０側）の整合を取り、バイアス電源２０から供給された進行波電力Ｐｆ２を出力センサ３１１に供給する。

出力センサ３１１は、ソース電源１０からの進行波電力Ｐｆ１（ソース電力）とバイアス電源２０からの進行波電力Ｐｆ２（バイアス電力）とを、重畳してプラズマ負荷４０に供給する。

＜電源供給システム１全体におけるＩＭＤ低減（抑制）処理の詳細＞
図４Ａおよび図４Ｂは、本実施形態による、電源供給システム１全体におけるＩＭＤ低減（抑制）処理の詳細を説明するためのフローチャートである。

（i）ステップ４０１
整合器３０のＩＭＤ関連制御部３０４は、ソース電源１０およびバイアス電源２０にシステムクロックを供給する。また、ＩＭＤ関連制御部３０４は、ＩＭＤ低減処理の開始条件として、例えば４００ｋＨｚで動作するバイアス電源２０から高周波電力が出力されて負荷に供給されたことを検知し、そのタイミングでＩＭＤ低減処理を実行する。つまり、ＩＭＤ関連制御部３０４は、バイアス電源２０からの出力を検知した場合、ＨＦ側整合設定部３０５にポジションの固定を指示し、ＨＦ側整合ネットワーク３０６における可変コンデンサの値と所定の固定値に設定する。また、ＩＭＤ関連制御部３０４は、ソース電源１０に対して、変調動作を開始するように指示する制御開始トリガを送信する。

（ii）ステップ４０２および４０３
整合器３０から供給されるシステムクロックおよび制御開始トリガ信号を受信すると、ソース電源１０の周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、開始位相設定部２０３に開始位相（初期値）の設定を指示する。当該指示に応答して、開始位相設定部２０３は、ＦＭ変調基本波形テーブル２０２から基本波形（例えば、４０．６８ＭＨｚ±１．２ＭＨｚの範囲内の波形を４００ｋＨｚの周波数で変調した波形）を読み込み、任意の開始位相（初期値）を設定し、当該開始位相を反映した基本波形を変調量ゲイン設定部２０４に出力する。

また、周波数変調量・開始位相コントローラ２０１から変調量ゲイン設定の指示を受け、開始位相設定部２０３から開始位相を反映した基本波形を受け取ると、変調量ゲイン設定部２０４は、任意の変調量ゲイン（初期値）を設定し、当該変調量ゲインを反映した基本波形を変調テーブル更新部２０５に出力する。

そして、加算部（変調部）２０７は、変調テーブル更新部２０５から出力された初期設定基本波を、基本波生成部２０６から出力された基本波（例えば、ソース電源１０における４０．６８ＭＨｚの基本波）に反映してＦＭ変調を実行し、ＤＤＳ２０８に出力する。

（iii）ステップ４０４
検出器２１０は、変調量ゲイン（初期値）および開始位相（初期値）で変調し、増幅することによって得られた高周波出力（進行波電力Ｐｆ１：増幅器２０９の出力）を検出すると共に、プラズマ負荷４０側からの反射波電力Ｐｒ１を検出し、それらを広帯域検出部２１１に出力する。そして、広帯域検出部２１１は、所定検出回数分の（あるいは所定期間で検出された）進行波電力Ｐｆ１および反射波電力Ｐｒ１を検出し、平均化処理部２１２で移動平均値を算出する。

さらに、周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、平均化処理部２１２から取得した反射波電力Ｐｒ１（反射係数Γ）が所定の閾値ＴＨより小さいか判断する。反射波電力Ｐｒ１（反射係数Γ）が閾値ＴＨよりも小さい場合（ステップ４０４でＹＥＳの場合：「閾値ＴＨ以下」としてもよい）、当該ＩＭＤ抑制処理は終了する。一方、反射波電力Ｐｒ１（反射係数Γ）が閾値ＴＨ以上の場合（ステップ４０４でＮＯの場合：「閾値ＴＨより大きい」としてもよい）、処理はステップ４０５に移行する。

（iv）ステップ４０５
周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、開始位相を前回の値から所定値分（変更ステップ量は予め決められている）変更する。このとき、変調量ゲインは前回と同一値に固定し、変調テーブル更新部２０５は、開始位相が変更された基本波を加算部（変調部）２０７に出力する。加算部（変調部）２０７は、変調テーブル更新部２０５から出力された基本波（開始位相が変更されたもの）を、基本波生成部２０６から出力された基本波に反映してＦＭ変調を実行し、ＤＤＳ２０８に出力する。

検出器２１０は、変調量ゲイン（初期値）および変更された開始位相で基本波を変調し、増幅することによって得られた高周波出力（進行波電力Ｐｆ１：増幅器２０９の出力）を検出すると共に、プラズマ負荷４０側からの反射波電力Ｐｒ１（反射係数Γ）を検出し、それらを広帯域検出部２１１に出力する。そして、広帯域検出部２１１は、所定検出回数分の（あるいは所定期間で検出された）進行波電力Ｐｆ１および反射波電力Ｐｒ１を検出し、平均化処理部２１２で移動平均値を算出する。

周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、以上の動作をすべての開始位相の値（開始位相を変化させる幅（変化幅）は予め決められている。）について繰り返し、各開始位相の値に対応する反射波電力Ｐｒ１（反射係数Γ）を取得する。なお、変化幅における「すべて」の開始位相の値について反射波電力Ｐｒ１を求めなくてもよく、開始位相の変化幅の範囲内で複数の開始位相値に対応する反射波電力Ｐｒ１を求めるようにしてもよい。

（v）ステップ４０６
周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、ステップ４０５で取得した複数の反射波電力Ｐｒ１（反射係数Γ）の中から最小の反射波電力Ｐｒ１（反射係数Γ）を抽出し、それに対応する開始位相の値を取得する。そして、周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、以後の処理において、開始位相を上記取得した値に固定する。なお、反射波電力Ｐｒ１の最小値を抽出する場合、周波数変調量・開始位相コントローラ２０１における処理においては、進行波電力Ｐｆ１は不要である。また、反射係数Γの最小値を抽出する場合、周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、反射係数を算出する機能を有することになる。この実施形態では、反射係数Γを式（１）によって算出している。
Γ＝√（Ｐｒ／Ｐｆ） ・・・・・ （１）

反射波電力Ｐｒ１の最小値を抽出する場合であっても、反射係数Γの最小値を抽出する場合であっても、反射波電力Ｐｒ１の最小値を抽出するという概念は同じである。また、反射係数は、進行波電圧と反射波電圧とに基づいて算出してもよいし、他の方式で算出してもよい。検出器２１０は、所望の情報が検出できるものであればよい。

（vi）ステップ４０７
周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、変調量ゲインを前回の値から所定値分（変更ステップ量は予め決められている）変更する。このとき、上述したように、開始位相の値は、ステップ４０６で決定された値に固定される。

変調テーブル更新部２０５は、開始位相が固定値で変調量ゲインが変更された基本波を加算部（変調部）２０７に出力する。加算部（変調部）２０７は、変調テーブル更新部２０５から出力された基本波（開始位相が固定、変調量ゲインが変更されたもの）を、基本波生成部２０６から出力された基本波に反映してＦＭ変調を実行し、ＤＤＳ２０８に出力する。検出器２１０は、固定された開始位相および変更された変調量ゲインで基本波を変調し、増幅することによって得られた高周波出力（進行波電力Ｐｆ１：増幅器２０９の出力）を検出すると共に、整合器３０からの反射波電力Ｐｒ１を検出し、それらを広帯域検出部２１１に出力する。そして、広帯域検出部２１１は、所定検出回数分の（あるいは所定期間で検出された）進行波電力Ｐｆ１および反射波電力Ｐｒ１を検出し、平均化処理部２１２で移動平均値を算出し、周波数変調量・開始位相コントローラ２０１に提供する。

周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、以上の動作をすべての変調量ゲインの値（変調量ゲインを変化させる幅（変化幅）は予め決められている。）について繰り返し、各変調量ゲインの値に対応する反射波電力Ｐｒ１（反射係数Γ）を取得する。なお、変化幅における「すべて」の変調量ゲインの値について反射波電力Ｐｒ１を求めなくてもよく、変調量ゲインの変化幅の範囲内で複数の変調量ゲインに対応する反射波電力Ｐｒ１を求めるようにしてもよい。この場合、どの程度の範囲内で変調量ゲインを変化させるのかは、予め定めておけばよい。

（vii）ステップ４０８
周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、ステップ４０７で得られた複数の反射波電力Ｐｒ１の中から最小の反射波電力Ｐｒ１を抽出し、それに対応する変調量ゲインの値を取得する。そして、周波数変調量・開始位相コントローラ２０１は、ステップ４０６で得られた開始位相と当該ステップで得た変調量ゲインを以後の変調動作を行う（整合完了）。

なお、上記では複数の反射波電力Ｐｒ１の中から最小の反射波電力Ｐｒ１を抽出し、それに対応する開始位相の値を取得したが、これに限定されない。例えば、ステップ４０６と同様に反射係数を用いてもよい。

（xiii）ステップ４０９
整合器３０のＨＦ側インピーダンス計算部３０３は、進行波電圧Ｖｆ１および反射波電圧Ｖｒ２を取得してからインピーダンス軌跡とその中心値を算出する。当該処理の詳細は以下のようになる。
まず、ＨＦ側インピーダンス計算部３０３は、ＨＦ側センサ３０１から進行波電力Ｐｆ１の電圧成分Ｖｆ（進行波電圧）および反射波電力Ｐｒ１の電圧成分Ｖｒ１（反射波電圧）を取得する。

次に、ＨＦ側インピーダンス計算部３０３は、ＨＦ周波数ｆ（例えば、４０．６８Ｍｚ）で信号（ｃｏｓ成分およびｓｉｎ成分）を生成（発振）し、乗算器を用いて、ＨＦ側センサ３０１からの進行波電圧Ｖｆ１と発振出力の実数成分（ｃｏｓ（２ｎｆ・ｔｓ・ｋ））とを乗算する。また、ＨＦ側インピーダンス計算部３０３は、乗算器を用いて、ＨＦ側センサ３０１からの進行波電圧Ｖｆ１と発振出力の虚数成分（ｓｉｎ（２ｎｆ・ｔｓ・ｋ））とを乗算する。さらに、ＨＦ側インピーダンス計算部３０３は、乗算器を用いて、ＨＦ側センサ３０１からの反射波電圧Ｖｒ１と発振出力の実数成分（ｃｏｓ（２ｎｆ・ｔｓ・ｋ））とを乗算し、ＨＦ側センサ３０１からの反射波電圧Ｖｒ１と発振出力の虚数成分（ｓｉｎ（２ｎｆ・ｔｓ・ｋ））とを乗算する。以上の動作により、ＨＦ側センサ３０１の検出値（進行波電圧Ｖｆ１と反射波電圧Ｖｒ１）が複素化される。つまり、ＨＦ側インピーダンス計算部３０３は、内部に複素フィルタを有している。複素フィルタによって、ＶｆおよびＶｒは、Ｖｆ１＝Ｖｆ１｛ｃｏｓ（２ｎｆ・ｔｓ・ｋ）－ｊ・ｓｉｎ（２ｎｆ・ｔｓ・ｋ）｝、Ｖｒ１＝Ｖｒ１｛ｃｏｓ（２ｎｆ・ｔｓ・ｋ）－ｊ・ｓｉｎ（２ｎｆ・ｔｓ・ｋ）｝となる。

そして、ＨＦ側インピーダンス計算部３０３は、複素化した進行波電圧および反射波電圧をＨＦ周波数（ソース（高周波）電源１０の基本周波数）で平均化する。具体的には、サンプル周波数（例えば、４００ｋＨｚ）の一周期分の複素化されたＶｆ１およびＶｒ１をそれぞれＨＦ周期（例えば、４０．６８ＭＨｚ）で平均化する。これにより、ＬＦ周期（４００ＫＨｚ）の一波形分の振幅値と位相値が算出される。

さらに、ＨＦ側インピーダンス計算部３０３は、平均化された進行波電圧（Ｖｆ１・ｃｏｓθおよびＶｆ１・ｓｉｎθ）と平均化された反射波電圧（Ｖｒ１・ｃｏｓθおよびＶｒ１・ｓｉｎθ）を用いてインピーダンス値を算出する。具体的には、ＨＦ周期でＬＦ周期の一波形分を平均化して得られた電圧値を用いてインピーダンス値（Ｖｒ１／Ｖｆ１）を求めている。当該演算により、ＨＦ周期毎の反射係数を算出したことになり、ＬＦ周期（４００ｋＨｚ）をＨＦ周期（４０．６８Ｍｚ）で分割した反射係数のベクトル（ベクトル（Ｕ，Ｖ））を求めることができる。つまり、（４００ｋＨｚ÷４０．６８ＭＨｚ）個分のプロット値が得られる。そして、ＨＦ側インピーダンス計算部３０３は、当該（ＬＦ周波数／ＨＦ周波数）個数分の反射係数（ベクトル；プロット）に対応してインピーダンス軌跡（（ＬＦ周波数／ＨＦ周波数）個数分のインピーダンスがＬＦ周波数の一周期で取得することができる）とその中心値を求め、出力する。

（ix）ステップ４１０
整合器３０のＩＭＤ関連制御部３０４は、ＨＦ側インピーダンス計算部３０３から上記反射係数のベクトル（ベクトル（Ｕ，Ｖ））および反射係数Γを受け取り、ＨＦ側整合ネットワーク３０６における可変コンデンサの整合ポジションを決定する。具体的には、ＩＭＤ関連制御部３０４は、Ｓパラメータテーブル（図示せず）を参照して、反射係数のベクトル（Ｕ，Ｖ）に対応する可変コンデンサのポジションの情報を取得する。ステップ４１０において、固定していた可変コンデンサのより適切なポジションが求められる。決定された可変コンデンサのポジションの情報は、ＩＭＤ関連制御部３０４からＨＦ側整合設定部３０５に提供される。

（x）ステップ４１１
整合器３０のＨＦ側整合設定部３０５は、ＩＭＤ関連制御部３０４から受け取った可変コンデンサのポジション音情報に基づいて、ＨＦ側整合ネットワーク３０６における可変コンデンサのポジションを設定する。

（xi）ステップ４１２
ＨＦ側センサ３０１は、プラズマ負荷４０からの反射波電力Ｐｒ１を検出する。

（xii）ステップ４１３
ＩＭＤ関連制御部３０４は、反射波電力Ｐｒ１（反射係数Γ）が所定の閾値ＴＨよりも小さいか判断する。反射波電力Ｐｒ１（反射係数Γ）が閾値ＴＨより小さい場合（ステップ４１３でＹＥＳの場合：「閾値ＴＨ以下」としてもよい）、当該ＩＭＤ抑制処理は完了する。一方、反射波電力Ｐｒ１（反射係数Γ）が閾値ＴＨ以上の場合（ステップ４１３でＮＯの場合：「閾値ＴＨより大きい」としてもよい）、処理はステップ４０９に戻る。

＜ＩＭＤ抑制処理前後の反射波電力Ｐｒ１の変化＞
図５は、ＩＭＤ抑制前後の反射波電力Ｐｒ１の変化の様子（例）を示す図である。図５（ａ）は、変調した入力波を示し、図５（ｂ）は、ＩＭＤ抑制処理前（整合器３０による整合前）の反射波を示し、図５（ｃ）は、ＩＭＤ抑制処理後（整合器による整合後）の反射波電力Ｐｒ１を示している。
図５（ｂ）と図５（ｃ）との比較からも分かるように、ＩＭＤ抑制処理によって反射波電力Ｐｒ１（反射波電圧Ｖｒ）の変動が抑えられていることが分かる。

＜ＩＭＤ抑制処理前後のインピーダンス軌跡の変化＞
図６は、ＩＭＤ抑制処理前後のインピーダンス軌跡（例）を示す図である。図６（ａ）はＩＭＤ抑制処理前のインピーダンス軌跡を示し、図６（ｂ）はＩＭＤ抑制処理後のインピーダンス軌跡を示している。

ＩＭＤ成分（反射係数成分）を除外してインピーダンス値を算出すると、狭帯域で整合を取った時のインピーダンス軌跡には中心（スミスチャートの中心）から大きく外れた値（プロット値）が含まれることがある。これをベクトル平均すると、ＩＭＤ抑制していない状態であってもインピーダンス軌跡は中心近傍に収められたものとなる。

しかし、実際には図６（ａ）に示すように、中心に収まったインピーダンス軌跡（最大＋０．８付近まで広がっている）とはならない。これでは最適に整合がなされているとは言えない。そこで、ソース電源１０における高周波出力（ＲＦ出力）をＦＭ変調して（例えば、ＬＦ周波数でＦＭ変調する）整合器３０に供給してＩＭＤを抑制すると、インピーダンス軌跡を中心近傍に収めるようにする。インピーダンス軌跡が中心に収まった状態（ＩＭＤが抑制された状態）で進行波電圧Ｖｆ１および反射波電圧Ｖｒ１を平均化する。これにより、平均化しないで得られるインピーダンス軌跡も平均化して得られるインピーダンス軌跡も中心近傍に収めることができる（図６（ｂ）参照）。

ＦＭ変調をしない状態で例えば図６（ａ）に示すようなインピーダンス軌跡（中心近傍に収まっていない軌跡）が得られた場合、インピーダンス整合を実現するためにはまずＦＭ変調を行う。ＦＭ変調後に得られるインピーダンス軌跡とＦＭ変調前のインピーダンス軌跡を比較すると、その軌跡の形状が変化することが分かる。この軌跡が整合の条件（インピーダンス値が５０Ω）からずれている場合、そのずれを整合器３０で修正することにより、ＩＭＤが最も抑制された状態にすることができるようになる。

以上のようにしてインピーダンス軌跡を生成して出力（提示）することによって、オペレータ（ユーザ）は、ＦＭ変調を実行して高周波出力（ＲＦ出力）をプラズマ負荷４０に供給すべきか判断することが可能となる。

＜まとめ＞
（i）本実施形態による高周波電源システムにおいて、バイアス電力と周波数変調された高周波出力とを取得し、ソース電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとの整合を取る第１の整合部を含む整合器は、バイアス電力の第２周波数と同一の周波数を有し、タイミングを取るためのトリガ信号を生成し、当該トリガ信号をソース電源に供給する。そして、ソース電源は、トリガ信号に応答して、周波数変調を行う。このようにすることにより、ソース電源がバイアス電源から情報を取得することなく周波数変調を実行することができ、ＩＭＤによる反射波電力Ｐｒ１の増加を抑える処理を簡略化する（処理演算数を削減する）ことが可能となる。具体的に、ソース電源は、トリガ信号に応答して、変調開始位相および変調量ゲインをそれぞれ変化させながら反射波を検出し、当該反射波が最小となる最適変調開始位相および最適変調量ゲインを決定する。また、整合器は、バイアス電源からバイアス電力を受け取ったことに応答して、トリガ信号を生成し、ソース電源に前記トリガ信号を供給する。さらに、整合器は、負荷からの反射波を検知し、当該反射波に係る情報をソース電源に供給する。

一方、ソース電源は、トリガ信号に応答して周波数変調動作を開始したか、あるいは最適変調開始位相および最適変調量ゲインを決定完了したかを示す情報を整合器に提供する。このようにすることにより、整合器は、ソース電源側でＩＭＤ低減処理が行われたことを知ることができる。そして、整合器は、ソース電源によって最適変調開始位相および最適変調量ゲインが決定された（ＩＭＤ低減処理実行）後、反射係数ベクトルを演算し、当該反射係数ベクトルに基づいて、整合器の整合ポジションを設定する。このようにすることにより、最適な整合ポジションを決定することが可能となる。また、整合器は、ソース電源からの進行波と負荷からの反射波に基づいて、インピーダンス軌跡を演算し、出力する。

以上のような制御は、整合器３０から共通のシステムクロックが、ソース電源（第１の電源）１０およびバイアス電源（第２の電源）２０に供給されて行われる。そのため、ソース電源における周波数変調制御のタイミングを第２周波数と同期させることができる。そのため、ソース電源１０およびバイアス電源２０のシステムクロックのずれによる悪影響が生じず、精度のよい周波数変調制御が行える。

（ii）本実施形態の機能は、ソフトウェアのプログラムコードによっても実現することができる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をシステム或は装置に提供し、そのシステム或は装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、およびそれを記憶した記憶媒体は本開示を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどが用いられる。

また、プログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）などが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータ上のメモリに書きこまれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータのＣＰＵなどが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。

さらに、実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを、ネットワークを介して配信することにより、それをシステム又は装置のハードディスクやメモリ等の記憶手段又はＣＤ－ＲＷ、ＣＤ－Ｒ等の記憶媒体に格納し、使用時にそのシステム又は装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が当該記憶手段や当該記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行するようにしても良い。

ここで述べたプロセスおよび技術は本質的に如何なる特定の装置に関連することはない。また、汎用目的の多様なタイプのデバイスが本開示の記述に従って使用することができる。なお、本開示の技術を実行する上で、専用の装置を構築するのが有益である場合があるかもしれない。

本実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、本実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。本開示の技術は、具体例な実施形態に関連して記述したが、これらは、本開示の技術を限定するためではなく、説明のためである。本分野にスキルのある者であれば、本開示の技術を実施するのに相応しいハードウェア、ソフトウェア、およびファームウエアの多数の組み合わせがあることが解るであろう。例えば、記述したソフトウェアは、アセンブラ、Ｃ／Ｃ＋＋、ｐｅｒｌ、Ｓｈｅｌｌ、ＰＨＰ、Ｊａｖａ（登録商標）等の広範囲のプログラム又はスクリプト言語で実装できる。

さらに、上述の実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていても良い。

１ 電源供給システム（高周波電源システム）
１０ ソース（ＨＦ）電源
２０ バイアス電源
３０ 整合器
４０ プラズマ負荷
２０１ 周波数変調量・開始位相コントローラ
２０２ ＦＭ変調基本波形テーブル
２０３ 開始位相設定部
２０４ 変調量ゲイン設定部
２０５ 変調テーブル更新部
２０６ 基本波生成部
２０７ 加算部（変調部）
２０８ ＤＤＳ
２０９ 増幅器
２１０ 検出器
２１１ 広帯域検出部
２１２ 平均化処理部
２１３ 電力設定部
２１４ 減算部
２１５ 振幅設定コントローラ
３０１ ＨＦ側センサ
３０２ ダウンコンバート回路
３０３ ＨＦ側インピーダンス計算部
３０４ ＩＭＤ関連制御部
３０５ ＨＦ側整合設定部
３０６ ＨＦ側整合ネットワーク
３０７ ＬＦ側センサ
３０８ ＬＦ側インピーダンス計算部
３０９ ＬＦ側整合設定部
３１０ ＬＦ側整合ネットワーク
３１１ 出力センサ

Claims (3)

1. 接続される負荷に対して高周波電力を提供する、高周波電源システムであって、
   第１の基本周波数を有する第１の高周波電圧を出力することにより第１の高周波電力を前記負荷に供給する第１の電源と、
   前記第１の基本周波数より低い第２の基本周波数を有する第２の高周波電圧を出力することにより第２の高周波電力を前記負荷に供給する第２の電源と、
   前記第１の電源と前記負荷との間に接続された第１の整合部および前記第２の電源と前記負荷との間に接続された第２の整合部を含む整合器と、を備え、
   前記整合器は、前記第１の電源および前記第２の電源のそれぞれにシステムクロックを供給し、
   前記第２の電源は、前記整合器から供給されたシステムクロックに基づいて定まる制御周期で第２の高周波電圧を出力し、
   前記第１の電源は、前記整合器から供給されたシステムクロックに基づいて定まる制御周期毎に、第１の基本周波数を有する基本波信号を周波数変調させるとともに増幅して第１の高周波電圧として出力する、高周波電源システム。
2. 請求項１において、
   前記第１の電源における周波数変調は、前記基本波信号を変調開始位相および変調量ゲインが設定された信号で周波数変調させるものである、高周波電源システム。
3. 請求項２において、
   前記第１の電源は、前記システムクロックに基づいてトリガ信号を生成し、前記トリガ信号に応答して、前記変調開始位相および前記変調量ゲインを更新する、高周波電源システム。

Images