JP5534366B2 - 高周波電力供給装置、及びイグニッション電圧選定方法 - Google Patents
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Description
従来の高周波電源装置は、負荷端電圧が電源電圧以下に制限されるという問題点がある。C級高周波電源は、その増幅方式の特性から負荷端電圧は電源電圧以下に制限されるため、プラズマを着火させるに十分なイグニッション電圧(着火電圧)が得られず、プラズマの着火性能が制限される。
PL={Vg/(Zg+ZL)}2×ZL …(1)
(dPL/dZL)=Vg 2×{1/(Zg+ZL)2−2ZL/(Zg+ZL)3}=0 …(2)
Zg=ZL …(3)
高周波電源として従来使用されているC級高周波電源は、無放電状態からインピーダンス整合がとれたプラズマ放電状態への過程において、自己発振の異常現象が発生するという問題がある。自己発振が発生すると整合がとれなくなり負荷端電圧が電源電圧以下に制限されるという問題がある。
(a)高周波電源の内部インピーダンスを給電部の特性インピーダンスよりも低インピーダンスとし、
(b)高周波電源と負荷とを接続して高周波電力を給電する給電部の電気長を、高周波交流の基本波長λに対して所定の関係に選定するものであり、上記構成によって、負荷端電圧を少なくとも高周波電源装置の直流電源の電圧に比例したRF電源電圧よりも高い電圧とするものである。
本願発明の高周波電力供給装置は、スイッチング動作による直流電源の直流を高周波交流に変換する高周波電源部と、高周波電源部の出力端と負荷の入力端である負荷端との間に接続し高周波交流を負荷に供給する給電部とを備える。
本願発明のイグニッション電圧選定方法は、プラズマ負荷の入力端である負荷端において、プラズマ負荷にプラズマ放電を生じさせるイグニッション電圧を選定する方法である。
はじめに、本発明の高周波電力供給装置の構成例について図1を用いて説明する。
次に、図4を用いて、本発明の給電部の電気長と負荷端電圧との関係について説明する。図4は、図1に示した本発明の高周波電力供給装置の回路構成の等価回路を示している。なお、図4では給電ケーブルとして特性インピーダンスをZOとし、ケーブル長をLWとする同軸ケーブルの例について示す。ここで示すケーブル長LWは電気長LEに相当している。
VZ=A・exp(−jβZ)+B・exp(jβZ) …(4)
β=2π/λ (λはRF出力の波長) …(5)
VZ=[ZO・Vg・{exp(−jβ(Z−LE))+exp(jβexp(z−LE))}/P] …(6)
P=2・ZO・cos(β・LE)+j2・Zg・sin(β・LE) …(7)
(P/(ZO・Vg))・(dVZ/dZ)=2・β・sinβ・(LE−Z)=0
…(8)
上記式(8)から電圧VZが極値をとるケーブル上の点Zは、
β・(LE−Z)=(2π/λ)・(LE−Z)=(N−1)・π …(9)
の式により、
Z=LE−(λ/2)・(N−1) (Nは整数) …(10)
となる。
LE=(2n−1)・(λ/4) …(11)
Z=(λ/2)・(n−N+1)−λ/4 …(12)
このときの点Zにおける電圧VZは、式(12)を式(6)に代入することによって得ることができる。
VL=(ZO・Vg)/{(ZO・cos(β・LE)+j(Zg・sin(β・LE)}
=−j(ZO/Zg)・Vg …(13)
|VZ|=(ZO・Vg)/{(ZO 2−Zg 2)・cos2・(2π/λ)・LE+Zg 2}1/2 …(14)
|(VZ(z=LE))|=K|Vg| (K≧1) …(15)
(cos2(2π/λ))・LE=(ZO 2/K2−Zg 2)/(ZO 2−Zg 2)
…(16)
が得られる。式(16)は、K≧1の条件の元で成り立つ。
K=|ZO/Zg| …(17)
LE≒{cos−1(1/K)/(2・π)}・λ …(18)
k・λ=[{π−2・cos−1(1/K)}/(4π)]・λ …(19)
(2n−1)・(λ/4)−k・λ≦LE≦(2n−1)・(λ/4)+k・λ
…(20)
|(VZ(z=LE))|=Vg/|cos(2π/λ)・LE|=2Vg …(21)
|(VZ(z=LE))|=50・Vg/{(502−22)・cos2(2π/λ)・LE+22}1/2/
≒Vg/|cos(2π/λ)・LE|=2Vg …(22)
1a 直流電源
1b インバータ回路
1c フィルタ回路
2 負荷
3 整合器
4 給電部
4a 給電ケーブル
4b フィルタ回路
4c 直列回路
10 高周波電力供給装置
100 プラズマ処理装置
101 高周波電源
101a 電源電圧
101b 内部インピーダンス
101c ローパスフィルタ
102 反応室
103 整合器
104 給電ケーブル
111 高周波電源
112 コンバイナ
113 ローパスフィルタ
120 電力増幅回路
120a,b,c,d MOSFET
120e メイントランス
120f フィルタ
A,A* ゲート信号
B,B* ゲート信号
Claims (10)
- スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換する高周波電源部と、
前記高周波電源部の出力端と負荷の入力端である負荷端との間に接続し前記高周波交流を負荷に供給する給電部とを備え、
前記高周波電源部の内部インピーダンスは、前記給電ケーブルの特性インピーダンスよりも低インピーダンスであり、
前記給電部は、前記負荷端が開放状態にあるときの電気長(LE)が前記高周波交流の基本波長λに対して(2n−1)・(λ/4)−k・λ≦LE≦(2n−1)・(λ/4)+k・λ(nは整数、kは0〜λ/4の範囲内で定める定数)に選定された値であることを特徴とする、高周波電力供給装置。 - 前記給電部は、前記高周波電源部の出力端と前記負荷の負荷端とを電気的に接続する給電ケーブルであり、
前記高周波電源部の内部インピーダンスは、前記給電ケーブルの特性インピーダンスよりも低インピーダンスであり、
前記給電ケーブルのケーブル長は、前記負荷の負荷端が開放状態にあるときの電気長LEを前記高周波交流の基本波長λに対して(2n−1)・(λ/4)−k・λ≦LE≦(2n−1)・(λ/4)+k・λ(nは整数、kは0〜λ/4の範囲内で定める定数)に選定された電気長とする長さであることを特徴とする、請求項1に記載の高周波電力供給装置。 - 前記給電部は、前記高周波電源部の出力端と前記負荷の負荷端とを電気的に接続する、コンデンサおよびリアクトルの直列共振回路からなるフィルタ回路であり、
前記高周波電源部の内部インピーダンスは、前記給電ケーブルの特性インピーダンスよりも低インピーダンスであり、
前記フィルタ回路の電気長LEは、前記負荷端が開放状態にあるときの電気長LEを前記高周波交流の基本波長λに対して(2n−1)・(λ/4)−k・λ≦LE≦(2n−1)・(λ/4)+k・λ(nは整数、kは0〜λ/4の範囲内で定める定数)に選定された電気長とすることを特徴とする、請求項1に記載の高周波電力供給装置。 - 前記給電部は、前記高周波電源部の出力端と前記負荷の負荷端とを電気的に接続する、コンデンサおよびリアクトルの回路からなるフィルタ回路と給電ケーブルとの直列回路であり、
前記高周波電源部の内部インピーダンスは、前記給電ケーブルの特性インピーダンスよりも低インピーダンスであり、
前記直列回路の電気長LEは、前記負荷端が開放状態にあるときの電気長LEを前記高周波交流の基本波長λに対して(2n−1)・(λ/4)−k・λ≦LE≦(2n−1)・(λ/4)+k・λ(nは整数、kは0〜λ/4の範囲内で定める定数)に選定された電気長とすることを特徴とする、請求項1に記載の高周波電力供給装置。 - 前記定数kは{π−2・cos−1(1/K)}/(4π)であり、負荷端電圧(VZ(z=LE))をRF電源電圧VgのK倍とする電気長LEの範囲を定める定数であることを特徴とする、請求項1から4の何れかに記載の高周波電力供給装置。
- プラズマ負荷の入力端である負荷端において、プラズマ負荷にプラズマ放電を生じさせるイグニッション電圧を選定する方法であり、
高周波電源部の高周波交流を給電部を通してプラズマ負荷へ供給する給電において、
前記高周波電源部において、スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換することで高周波電源の内部インピーダンスを前記給電ケーブルの特性インピーダンスよりも低インピーダンスとし、
前記プラズマ負荷が無放電状態にあって当該プラズマ負荷の負荷端が開放状態にあるときの給電部の電気長LEを、前記高周波交流の基本波長λに対して(2n−1)・(λ/4)−k・λ≦LE≦(2n−1)・(λ/4)+k・λ(nは整数、kは0〜λ/4の範囲内で定める定数)とし、
前記電気長LEによって定まる前記プラズマ負荷の負荷端の電圧をイグニッション電圧として選定することを特徴とする、イグニッション電圧選定方法。 - 前記給電部は、前記高周波電源部の出力端と前記プラズマ負荷の負荷端とを電気的に接続する給電ケーブルであり、
前記高周波電源部の内部インピーダンスは、前記給電ケーブルの特性インピーダンスよりも低インピーダンスであり、
前記給電ケーブルのケーブル長を、前記プラズマ負荷の負荷端が開放状態にあるときの電気長LEを前記高周波交流の基本波長λに対して(2n−1)・(λ/4)−k・λ≦LE≦(2n−1)・(λ/4)+k・λ(nは整数、kは0〜λ/4の範囲内で定める定数)とする長さとし、
前記ケーブル長によって定まる前記プラズマ負荷の負荷端の電圧をイグニッション電圧として選定することを特徴とする、請求項6に記載のイグニッション電圧選定方法。 - 前記給電部は、前記高周波電源部の出力端と前記プラズマ負荷の負荷端とを電気的に接続する、コンデンサおよびリアクトルの回路からなるフィルタ回路であり、
前記高周波電源部の内部インピーダンスは、前記給電ケーブルの特性インピーダンスよりも低インピーダンスであり、
前記フィルタ回路のコンデンサおよびリアクトルの値を、前記プラズマ負荷の負荷端が開放状態にあるときの電気長LEが前記高周波交流の基本波長λに対して(2n−1)・(λ/4)−k・λ≦LE≦(2n−1)・(λ/4)+k・λ(nは整数、kは0〜λ/4の範囲内で定める定数)とする値とし、
前記フィルタ回路によって定まる前記プラズマ負荷の負荷端の電圧をイグニッション電圧として選定することを特徴とする、請求項6に記載のイグニッション電圧選定方法。 - 前記給電部は、前記高周波電源部の出力端と前記プラズマ負荷の負荷端とを電気的に接続する、コンデンサおよびリアクトルの回路からなるフィルタ回路と給電ケーブルとの直列回路であり、
前記高周波電源部の内部インピーダンスは、前記給電ケーブルの特定インピーダンスよりも低インピーダンスであり、
前記直列回路において、前記給電ケーブルの長さおよび前記フィルタ回路のコンデンサおよびリアクトルの値を、前記プラズマ負荷の負荷端が開放状態にあるとき前記高周波交流の基本波長λに対して(2n−1)・(λ/4)−k・λ≦LE≦(2n−1)・(λ/4)+k・λ(nは整数、kは0〜λ/4の範囲内で定める定数)とする値とし、
前記直列回路によって定まる前記プラズマ負荷の負荷端の電圧をイグニッション電圧として選定することを特徴とする、請求項6に記載のイグニッション電圧選定方法。 - 前記定数kは{π−2・cos−1(1/K)}/(4π)であり、負荷端電圧(VZ(z=LE))をRF電源電圧VgのK倍とする電気長LEの範囲を定める定数であることを特徴とする、請求項6ら9の何れかに記載のイグニッション電圧選定方法。
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