JP6342235B2 - 高周波電源 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ処理システムに用いられる高周波電源に関する。
プラズマ処理システムは、例えば、フッ素系のガスと半導体ウェハや液晶基板等の被加工物をプラズマ処理装置のチャンバー内に封入し、そのチャンバー内の一対の電極に高周波電源から高周波電力を供給して放電させ、その放電によりガスのプラズマを発生させて被加工物に薄膜形成処理やエッチング処理を行うシステムである。
従来、周波数の異なる２つの高周波を重畳してプラズマ処理装置に供給するタイプのプラズマ処理システムが知られている。このプラズマ処理システムに用いられる第１周波数ｆ1と第２周波数ｆ2は、例えば、４０ＭＨｚと２ＭＨｚ等の組み合わせである。第１周波数ｆ1の高周波は、主としてプラズマ処理装置内にプラズマを発生させるために用いられ、第２周波数ｆ2の高周波は、プラズマ加工を効率良く行うためのバイアスとして用いられる。
２種類の高周波を重畳してプラズマ処理装置に供給するタイプのプラズマ処理システムでは、高周波電源とプラズマ処理装置とがインピーダンス不整合の状態になっている場合、プラズマ処理装置で高周波の反射が発生し、その反射波が高周波電源に進入して高周波電源内の増幅素子に悪影響を与える。その反射波の周波数成分は、高周波電源から出力される高周波の基本波や高調波のほか、これらの周波数と異なる周波数が含まれる。例えば、第１周波数ｆ1が４０ＭＨｚで第２周波数ｆ2が２ＭＨｚの場合、４０±２ＭＨｚや４０±４ＭＨｚ等の周波数成分が含まれる。
一般に、高周波電源には基本波よりも高い周波成分の出力を抑制するために出力段にローパスフィルタが設けられている。第１周波数ｆ1が４０ＭＨｚで第２周波数ｆ2が２ＭＨｚの場合、２ＭＨｚの高周波を出力する高周波電源では、ローパスフィルタによって基本波の周波数よりも低い２ＭＨｚの高調波の反射波や基本波の周波数に近い４０±２ＭＨｚや４０±４ＭＨｚ等の周波数を有する反射波等を阻止できるので、反射波の増幅素子への悪影響は少ない。しかし、４０ＭＨｚの高周波を出力する高周波電源では、ローパスフィルタによって２ＭＨｚの高調波の反射波や４０±２ＭＨｚや４０±４ＭＨｚ等の周波数を有する反射波を阻止することはできないので、過大な反射波が高周波電源内に進入して増幅素子を破壊する恐れがある。
従来、反射波の増幅素子への悪影響を低減する方法として、反射波のレベルを検出し、そのレベルに応じて出力電力を抑制することにより、進行波と反射波の合計値が増幅素子の最大定格を超えないようにする出力制御（以下、「反射保護制御」という。）が知られている（特許文献１参照）。
具体的には、図１１に示されるように、高周波電源１００のローパスフィルタ１０４の後段に方向性結合器１０５を設け、（１）方向性結合器１０５で進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖtを分離して制御部１０６に入力し、（２）制御部１０６内の進行波電力検出部１０６ｂと反射波電力検出部１０６ｃでそれぞれ進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrを求め、（３）高周波出力制御部１０６ｄで両電力の合計値Ｐm（＝Ｐf＋Ｐr）を予め設定された基準値Ｐthと比較し、（４）合計値Ｐmが基準値Ｐthを超えた場合に反射保護制御に移行し、その超えた分ΔＰ（＝Ｐth−Ｐm）に応じた量だけ出力電力量を低減させる出力制御指令信号ＳCをＤＣ−ＤＣ変換部１０２に出力する、という処理が行われる。合計値Ｐmが基準値Ｐthを超えない場合は、進行波電力検出部１０６ｂで検出される基本波の進行波電力ＰfFを出力電力設定部１０７で設定された目標出力電力Ｐsetに一致させるための出力制御指令信号ＳCをＤＣ−ＤＣ変換部１０２に出力する通常の出力制御が行われる。
なお、ＡＣ−ＤＣ変換部１０１は、商用電源から直流電圧を生成し、その直流電圧を駆動電圧としてＤＣ−ＤＣ変換部１０２に供給するブロックである。ＡＣ−ＤＣ変換部１０１及びＤＣ−ＤＣ変換部１０２は、ＤＣ−ＲＦ変換部１０３に直流電力を供給する機能を果たす。ＤＣ−ＲＦ変換部１０３は、スイッチング・アンプで構成され、制御部１０６内の高周波制御部１０６ａから入力される高周波信号ｖで直流電力をスイッチングすることにより高周波電力に変換する。
進行波電力検出部１０６ｂは、基本波を中心周波数とするバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）に方向性結合器１０５から出力される進行波電圧ｖfを通して基本波の進行波電圧ｖfFを抽出した後、変換部１１０で所定の演算処理により基本波の進行波電力ＰfFを検出するとともに、方向性結合器１０５から出力される進行波電圧ｖfに対して変換部１１０で同様の演算処理をして基本波及び基本波以外の周波数成分を含む進行波電力Ｐfを検出する機能を果たす。反射波電力検出部１０６ｃも進行波電力検出部１０６ｂと同様の構成で、方向性結合器１０５から出力される反射波電圧ｖrを用いて基本波の反射波電力ＰrFと基本波及び基本波以外の周波数成分を含む反射波電力Ｐrを検出する機能を果たす。
特許第５０９０９８６号
図１１の構成において、方向性結合器１０５は、一般に、高周波電源１００から出力される高周波電力の基本波を含む狭帯域の周波数範囲に対して十分なアイソレーション特性が保証されるように設計されているので、方向性結合器１０５から出力される進行波電圧ｖfに含まれる上記の周波数範囲以外の周波数成分には十分な検出精度がない。方向性結合器１０５から出力される反射波電圧ｖrに含まれる上記の周波数範囲以外の周波数成分についても同様である。
従って、進行波電力検出部１０６ｂと反射波電力検出部１０６ｃでそれぞれ検出される進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrのレベルの検出精度が基本波の進行波電力ＰfFと反射波電力ＰrFの検出精度よりも低下するので、進行波電力Ｐf及び反射波電力Ｐrを用いた反射保護制御による保護精度も低下するという問題がある。
特に、２種類の高周波を用いるプラズマ処理システムに第２周波数ｆ2よりも高い第１周波数ｆ1の高周波を供給する高周波電源では、インピーダンス不整合の場合に第１周波数ｆ1に第２周波数ｆ2を加算した周波数成分（ｆ1＋ｆ2）や第１周波数ｆ1から第２周波数ｆ2を減算した周波数成分（ｆ1−ｆ2）等の反射波が比較的高いレベルで高周波電源に戻ってくるので、これらの周波数成分の反射波電力Ｐrの検出精度が不十分であれば、反射保護制御が十分に機能せず、ＤＣ−ＲＦ変換部１０３内の半導体スイッチ素子の損傷若しくは破壊を招く恐れがある。
この問題を回避するために、基本波以外の優勢なレベルを有する周波数成分（基本波の一次高調波、二次高調波、三次高調波、第１周波数ｆ1に第２周波数ｆ2を加算した周波数成分（ｆ1＋ｆ2）や第１周波数ｆ1から第２周波数ｆ2を減算した周波数成分（ｆ1−ｆ2）等の周波数成分）について、周波数成分毎に方向性結合器１０５を設けることが考えられるが、この方法では、ローパスフィルタ１０４の後段に多数の方向性結合器１０５を並設する必要があり、高周波電源の小型化や低コスト化を考慮すると、現実的でなく、採用しがたい。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、方向性結合器から出力される基本波以外の周波数成分の進行波と反射波を補正することにより、基本波以外の周波数成分を用いた出力制御の精度の低下を抑制することができる高周波電源を提供することを目的とする。
本発明に係る高周波電源は、高周波を生成する高周波生成手段と、前記高周波生成手段の後段で当該高周波生成手段から負荷に向かう進行波と当該負荷から前記高周波生成手段に向かう反射波をそれぞれ検出する高周波検出手段と、前記高周波の基本波とは異なる所定の異周波について、前記高周波検出手段で検出される前記進行波から前記異周波の進行波を抽出し、前記高周波検出手段で検出される前記反射波から前記異周波の反射波を抽出する異周波抽出手段と、を備えた高周波電源であって、前記異周波毎に、予め取得された、前記高周波検出手段の２つの入出力ポートからそれぞれ当該高周波検出手段に入力する２つの入力波と前記高周波検出手段から出力される前記進行波及び前記反射波との間の伝送特性を示すＳパラメータのマトリクスデータを記憶するマトリクスデータ記憶手段と、前記異周波抽出手段で抽出される前記異周波の進行波及び反射波に前記マトリクスデータ記憶手段に記憶されたマトリクスデータを用いた行列の積の演算処理を行って、前記異周波の進行波と反射波をそれぞれ前記高周波検出手段の２つの入出力ポートに入力される進行波と反射波に補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。
上記の高周波電源において、前記高周波検出手段は、前記高周波生成手段で生成された前記高周波が入力される第１のポート、当該高周波が出力される第２のポート、前記進行波を出力する第３のポート及び前記反射波を出力する第４のポートを有する方向性結合器で構成され、前記マトリクスデータは、前記第１，第２のポートから前記方向性結合器に入力される異周波ｆnの２つの入力波をそれぞれａ1(fn)，ａ2(fn)、前記３，第４のポートから出力される異周波ｆnの前記進行波と前記反射波をそれぞれｂ3(fn)，ｂ4(fn)とすると、Ｓ31(fn)＝ｂ3(fn)／ａ1(fn)、Ｓ32(fn)＝ｂ3(fn)／ａ2(fn)、Ｓ41(fn)＝ｂ4(fn)／ａ1(fn)、Ｓ42(fn)＝ｂ4(fn)／ａ2(fn)を成分とするＳパラメータであり、前記補正手段は、前記異周波抽出手段で抽出される異周波ｆnの進行波と反射波をそれぞれｂ3(fn)，ｂ4(fn)とすると、
ａ1(fn)＝Ｓ13(fn)・ｂ3(fn)＋Ｓ14(fn)・ｂ4(fn)…（Ａ１）
ａ2(fn)＝Ｓ23(fn)・ｂ3(fn)＋Ｓ24(fn)・ｂ4(fn)…（Ａ２）
但し、Ｓ13(fn)＝Ｓ42(fn)／Δ(fn) …（Ｂ１）
Ｓ23(fn)＝−Ｓ41(fn)／Δ(fn) …（Ｂ２）
Ｓ14(fn)＝−Ｓ32(fn)／Δ(fn) …（Ｂ３）
Ｓ24(fn)＝Ｓ31(fn)／Δ(fn) …（Ｂ４）
Δ(fn)＝Ｓ31(fn)・Ｓ42(fn)＋Ｓ32(fn)・Ｓ41(fn)…（Ｂ５）
を演算することにより、前記高周波検出手段の第１のポートに入力される異周波ｆnの進行波ａ1(fn)と前記高周波検出手段の第２のポートに入力される異周波ｆnの反射波ａ2(fn)を算出するとよい（請求項２）。
上記の高周波電源において、前記マトリクスデータ記憶手段は、前記高周波検出手段の前記Ｓパラメータを実測した測定データを記憶するとよい（請求項３）。
上記の高周波電源において、前記マトリクスデータ記憶手段は、前記高周波検出手段の前記Ｓパラメータを実測した測定データＳ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)を前記（Ｂ１）式乃至（Ｂ５）式の演算式によって変換した前記Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)を成分とするＳパラメータを記憶し、前記補正手段は、前記異周波抽出手段で抽出される異周波ｆnの進行波ｂ3(fn)と反射波ｂ4(fn)を用いて前記（Ａ１）式と前記（Ａ２）式を演算することにより前記異周波ｆnの進行波ａ1(fn)と反射波ａ2(fn)を算出するとよい（請求項４）。
上記の高周波電源において、前記高周波検出手段で検出される前記進行波と前記反射波からそれぞれ前記高周波の基本波の成分を抽出する基本波抽出手段と、前記所定の異周波のうち、前記補正手段で補正する異周波を決定する異周波決定手段と、前記基本波抽出手段で抽出される前記基本波の進行波及び反射波と前記異周波決定手段で決定された異周波に対して前記異周波抽出手段と前記補正手段とによって算出される補正後の進行波及び反射波とに基づいて、前記高周波生成手段から出力される前記高周波を制御する出力制御手段と、を更に備え、前記異周波決定手段は、所定の周期で、前記所定の異周波に対して、前記異周波抽出手段と前記補正手段とによって前記高周波検出手段の２つの入出力ポートに入力される進行波と反射波を算出する算出手段と、前記算出手段の算出結果と予め設定された異周波レベルの閾値とに基づいて、前記所定の異周波のうち、前記補正手段で補正する異周波を設定する異周波設定手段と、を含むとよい（請求項５）。
また、上記の高周波電源において、前記高周波検出手段で検出される前記進行波と前記反射波からそれぞれ前記高周波の基本波の成分を抽出する基本波抽出手段と、作業者による指示によって、前記所定の異周波のうち、前記補正手段で補正する異周波を決定する異周波決定手段と、前記基本波抽出手段で抽出される前記基本波の進行波及び反射波と前記異周波決定手段で決定された異周波に対して前記異周波抽出手段と前記補正手段とによって算出される補正後の進行波及び反射波とに基づいて、前記高周波生成手段から出力される前記高周波を制御する出力制御手段と、を更に備え、前記異周波決定手段は、前記作業者により異周波の決定処理が指示されると、前記所定の異周波に対して、前記異周波抽出手段と前記補正手段とによって前記高周波検出手段の２つの入出力ポートに入力される進行波と反射波を算出する算出手段と、前記算出手段の算出結果に基づいて、各異周波のレベルを前記作業者がモニタ可能に表示する異周波表示手段と、前記異周波表示手段の表示に基づき前記作業者から入力される異周波の情報を前記補正手段で補正する異周波に設定する異周波設定手段と、を含むとよい（請求項６）。
上記の高周波電源において、前記マトリクスデータ記憶手段には、前記所定の異周波の一部に対して前記マトリクスデータが記憶されており、前記マトリクスデータ記憶手段に記憶されていない異周波のマトリクスデータを前記マトリクスデータ記憶手段に記憶されているマトリクスデータを用いて所定の補間演算により補間するマトリクスデータ補間手段を更に備え、前記補正手段は、前記マトリクスデータ記憶手段に記憶されていない異周波の進行波と反射波を補正する場合、前記マトリクスデータ補間手段により当該異周波のマトリクスデータを補間し、その補間値を用いて異周波の進行波と反射波の補正を行うとよい（請求項７）。
本発明によれば、高周波検出手段及び異周波抽出手段で検出される異周波の進行波には高周波検出手段の進行波と反射波を分離する周波数特性に起因して異周波の反射波が含まれるが、異周波の進行波の検出値に対し、予め取得した当該異周波のマトリクスデータを用いて異周波の反射波を含まない異周波の進行波に変換する補正が行われる。高周波検出手段及び異周波抽出手段で検出される異周波の反射波についても同様で、当該反射波の検出値に対し、予め取得された当該異周波のマトリクスデータを用いて異周波の進行波を含まない異周波の反射波に変換する補正が行われる。
例えば、異周波ｆnの進行波と反射波の検出値をそれぞれｂ3(fn)，ｂ4(fn)とし、異周波ｆnのマトリクスデータをＳ31(fn)、Ｓ32(fn)、Ｓ41(fn)、Ｓ42(fn)を成分とするＳパラメータとすると、
ａ1(fn)＝Ｓ13(fn)・ｂ3(fn)＋Ｓ14(fn)・ｂ4(fn)…（Ａ１）
ａ2(fn)＝Ｓ23(fn)・ｂ3(fn)＋Ｓ24(fn)・ｂ4(fn)…（Ａ２）
ただし、Ｓ13(fn)＝Ｓ42(fn)／Δ(fn) …（Ｂ１）
Ｓ23(fn)＝−Ｓ41(fn)／Δ(fn) …（Ｂ２）
Ｓ14(fn)＝−Ｓ32(fn)／Δ(fn) …（Ｂ３）
Ｓ24(fn)＝Ｓ31(fn)／Δ(fn) …（Ｂ４）
Δ(fn)＝（Ｓ31・Ｓ42＋Ｓ32・Ｓ41）…（Ｂ５）
の演算処理により、検出値ｂ3(fn)，ｂ4(fn)は、第１のポートから高周波検出手段に入力される異周波ｆnの進行波ａ1(fn)と第２のポートから高周波検出手段に入力される異周波ｆnの反射波ａ2(fn)に補正される。
異周波ｆnの進行波ａ1(fn)は高周波生成手段から高周波検出手段に入力される反射波ａ2(fn)の成分を含まない波（推定値）であり、異周波ｆnの反射波ａ2(fn)は負荷側から高周波検出手段に入力される進行波ａ1(fn)の成分を含まない波（推定値）であるから、異周波ｆnの進行波と反射波の検出精度を高くすることができる。これにより、高周波の基本波と異周波の検出値を用いて高周波の出力制御をする場合、高周波電源の構成の複雑化や大型化を招くことなく、高周波の出力制御の精度を高めることができる。
また、所定の異周波の全てについて進行波と反射波の補正をするのではなく、補正すべき異周波を自動的に、若しくは作業者の操作によって設定し、その設定された異周波についてだけ進行波と反射波の補正処理をするので、補正処理の負担を低減することができる。
また、マトリクスデータ記憶手段に所定の異周波の一部に対してマトリクスデータを記憶し、残りのマトリクスデータを、マトリクスデータ記憶手段に記憶されているマトリクスデータを用いて所定の補間演算により算出する構成にすることにより、マトリクスデータ記憶手段の記憶容量を低減することができる。
本発明に係る高周波電源が適用されるプラズマ処理システムの構成を示す図である。 発明に係る高周波電源の内部構成を示すブロック図である。 ＤＣ−ＲＦ変換部の回路例を示す図である。 ＲＦ検出部に用いられる双方向性結合器の伝送特性を説明するための図である。 補正データ記憶部における補正データの記憶内容を示す図である。 ＲＦ電力制御部における出力電力の制御手順を示すフローチャートである。 ＲＦ電力制御部における出力電力の制御手順の変形例を示すフローチャートである。 図７の「抽出する異周波の設定」の処理手順を示すフローチャートである。 図７のフローチャートの変形例の修正点を示す図である。 図７のフローチャートの変形例に対応した高周波電源の内部構成を示すブロック図である。 従来の高周波電源の回路ブロックの一例を示す図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。特に、プラズマ処理システムに適用される高周波電源を例に説明する。
図１は、プラズマ処理システムの構成を示す図である。図２は、本発明に係る高周波電源の内部構成を示すブロック図である。
プラズマ処理システム１の基本構成は、高周波電源２、インピーダンス整合装置３、プラズマ処理装置４及びシステム制御部５を含む。本実施形態では、高周波電源２が、５０［Ω］の負荷が接続された場合に最適な電力伝送効率で高周波電力を出力するように設計されているので、高周波電源２の出力ポートは、特性インピーダンスＺoが５０［Ω］の同軸ケーブル６によってインピーダンス整合装置３の入力ポートに接続されている。一方、プラズマ処理装置４はインピーダンス整合装置３の出力ポートに直結するように接続されている。
プラズマ処理装置４は、例えば、フッ素系のガスと半導体ウェハや液晶基板等の被加工物をチャンバー内に封入し、そのチャンバー内に高周波電力を供給してプラズマを発生させ、そのプラズマを用いて被加工物に薄膜形成処理やエッチング処理を行う装置である。図示は省略しているが、プラズマ処理装置４は、ガスや被加工物を封入する密閉可能なチャンバーと、チャンバー内のガス圧を調整する減圧ポンプと、高周波電源２から供給される高周波電力を放電させる一対の電極を備える。
プラズマ処理装置４は、高周波電源２から高周波電力が供給されると、その高周波電力を一対の電極間で放電させてチャンバーに封入されたガスをプラズマの状態にし、そのプラズマを用いてエッチング等の処理を行う。プラズマ処理装置４は、プラズマ処理を開始してから終了するまでの間にプラズマ処理装置４の入力端からプラズマ処理装置４側を見たインピーダンスＺL＝ＲL＋ｊ・ＸL（以下、「負荷インピーダンスＺL」という。）が大きく変動する。プラズマ処理で高周波電源２から出力される高周波電力を最適な電力伝送効率でプラズマ処理装置４に供給するために、負荷インピーダンスＺLの変動に応じて当該負荷インピーダンスＺLを５０［Ω］に対する所定のインピーダンス整合範囲に変換するインピーダンス整合装置３が設けられている。
インピーダンス整合装置３は、図示を省略しているが、例えば、特開２００７−２９５４４７号公報に示される構成を含む。すなわち、インピーダンス整合装置３は、第１の可変キャパシタとインダクタの直列回路と第２の可変キャパシタを逆Ｌ型に接続したインピーダンス整合回路と、インピーダンス整合装置３の入力ポートにおける高周波電圧（ＲＦ電圧）、高周波電流（ＲＦ電流）、ＦＲ電圧とＲＦ電流の位相差を検出するＲＦ検出器と、第１，第２の可変キャパシタの各容量値を制御してインピーダンス変換動作を行う制御部とを含む構成である。
インピーダンス整合装置３は、制御部でＲＦ検出器の検出値に基づいて入力ポートから負荷側を見たインピーダンスＺ1を算出し、その算出値が５０［Ω］に対する所定のインピーダンス整合範囲（反射係数が所定の基準値以下となる範囲）となるように第１，第２の可変キャパシタの各容量値（若しくは各調整位置）を制御する。そして、インピーダンス整合装置３は、制御部が各可変キャパシタの容量値をインピーダンス整合範囲の容量値に変更することにより、高周波電源２とプラズマ処理装置４とのインピーダンス整合を行う。
システム制御部５は、プラズマ処理システム１全体の動作を統括的に制御する制御部である。システム制御部５は、インピーダンス整合装置３内の制御部との間でプラズマ処理装置４の入力ポートにおける伝送特性のデータ（負荷インピーダンスＺL等のデータ）を取得し、そのデータを用いて、プラズマ処理システム１の運転状態の監視や異常発生の検出やプラズマ処理の結果予測等を行う。システム制御部５は、例えば、異常発生を検出すると、図示省略の報知手段でメッセージ表示やアラーム音等による異常報知をしたり、高周波電源２に停止信号を出力して高周波電力の出力を停止させたりする。
高周波電源２は、高周波信号を生成し、その高周波信号を、例えば、Ｄ級アンプからなるスイッチング・アンプで増幅して出力するスイッチング電源で構成される。高周波電源２は、図２に示されるように、ＡＣ−ＤＣ変換部２１、ＤＣ−ＤＣ変換部２２、ＤＣ−ＲＦ変換部２３、ＲＦ検出部２４、駆動信号生成部２５、高周波生成部２６及びＲＦ電力制御部２７を含む構成である。
ＡＣ−ＤＣ変換部２１は、商用電源からＤＣ−ＤＣ変換部２２への入力電圧（直流電圧）Ｖccを生成する。ＡＣ−ＤＣ変換部２１は、例えば、４個の半導体整流素子をブリッジ接続した整流回路で商用電源から入力される商用電圧（例えば、ＡＣ２００［Ｖ］）を全波整流し、整流後のレベルを平滑回路で平滑化して直流電圧Ｖccを生成する周知の電源回路で構成される。
ＤＣ−ＤＣ変換部２２は、ＡＣ−ＤＣ変換部２１から入力される直流電圧Ｖccを任意の電圧値の直流電圧Ｖdcに変換してＤＣ−ＲＦ変換部２３に入力する。ＤＣ−ＤＣ変換部２２の後段には直流電圧検出部２８Ａと直流電流検出部２８Ｂが設けられている。直流電圧検出部２８Ａと直流電流検出部２８Ｂの両検出値Ｖdc，Ｉdcは、ＤＣ−ＤＣ変換部２２から出力される直流電力Ｐdcを算出するためにＲＦ電力制御部２７に入力される。
高周波電源２から負荷側を見たインピーダンスは、実用上ＤＣ−ＲＦ変換部２３から負荷側を見たインピーダンスと見なすことができるので、ＤＣ−ＲＦ変換部２３に接続されている負荷のインピーダンスを「Ｚ」とし、ＤＣ−ＲＦ変換部２３の動作状態によって決まる係数を「Ｋ」とすると、ＤＣ−ＤＣ変換部２２の出力電圧ＶdcとＤＣ−ＲＦ変換部２３の出力電力Ｐoutとの間には、
Ｐout＝Ｋ×（Ｖdc 2／｜Ｚ｜）…（１）
の関係がある。インピーダンスＺがインピーダンス整合装置３により５０［Ω］に対する所定のインピーダンス整合範囲内に制御された状態では、ＤＣ−ＲＦ変換部２３の出力電力Ｐoutは、（１）式よりＤＣ−ＤＣ変換部２２の出力電圧Ｖdcの二乗に比例する。
（１）式より、ＤＣ−ＲＦ変換部２３の出力電力ＰoutはＤＣ−ＤＣ変換部２２の出力電圧Ｖdcによって決まるので、ＲＦ電力制御部２７は、ＤＣ−ＤＣ変換部２２の出力電圧Ｖdcを変化させることによりＤＣ−ＲＦ変換部２３から出力される出力電力Ｐoutを制御する。本実施形態では、ＲＦ電力制御部２７は、進行波電力一定制御法と損失低減制御法によってＤＣ−ＲＦ変換部２３の出力電力Ｐoutを制御する。
進行波電力一定制御法による制御は、ＤＣ−ＲＦ変換部２３から出力される出力電力Ｐoutを予め設定された目標値Ｐsetに一致させる制御である。目標値Ｐsetは、作業者による入力操作や予め設定されたプログラムによってＲＦ電力制御部２７に設定される。高周波電源２の出力ポートには、高周波電源２からプラズマ処理装置４に向かう進行波電力Ｐfと、プラズマ処理装置４で反射されて高周波電源２に戻ってくる反射波電力Ｐrが存在する。ＤＣ−ＲＦ変換部２３の出力電力Ｐoutは、高周波電源２の出力ポートにおける進行波電力Ｐfに相当するので、以下では、混乱を避けるため、ＤＣ−ＲＦ変換部２３の出力電力の符号を「Ｐf」と表記する。
進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrには、基本波以外の周波数（以下、この周波数を「異周波」という。）の成分も含まれるが、本実施形態の進行波電力一定制御法による制御では、後述するように、基本波の進行波電力ＰfF（添え字の「Ｆ」は、基本波のものであることを示す。以下、同じ。）を目標値Ｐsetに一致させる制御が行われる。
進行波電力ＰfFは、ＲＦ検出部２４のインピーダンスを５０［Ω］とすると、ＲＦ検出部２４で検出される進行波電圧ｖfから基本波の進行波電圧ｖfFを抽出し、その進行波電圧ｖfFを用いてＰfF＝ｖfF 2／５０の演算により算出される。
損失低減制御法による制御は、ＤＣ−ＲＦ変換部２３における電力損失Ｐlossを予め設定した基準値Ｐk以下に抑制する制御である。基準値Ｐkも作業者による入力操作や予め設定されたプログラムによってＲＦ電力制御部２７に設定される。電力損失Ｐlossは、
Ｐloss＝Ｐdc−（Ｐf−Ｐr）…（２）
又は、
Ｐloss＝Ｐdc−Ｐf …（３）
を演算することにより算出される。
直流電力Ｐdcは、直流電圧検出部２８Ａの検出値Ｖdcと直流電流検出部２８Ｂの検出値Ｉdcの乗算をすることによって算出される。進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrは、ＲＦ検出部２４で検出される進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖrを用いて、Ｐf＝ｖf 2／５０、Ｐr＝ｖr 2／５０の演算により算出される。ＲＦ電力制御部２７の進行波電力一定制御法と損失低減制御法による具体的な出力制御については、後述する。
ＤＣ−ＤＣ変換部２２は、例えば、４個の半導体スイッチ素子をブリッジ接続したフル・ブリッジ回路からなるインバータに整流・平滑回路を組み合わせた周知のＤＣ−ＤＣコンバータで構成される。ＤＣ−ＤＣ変換部２２の出力電圧Ｖdcは、駆動信号生成部２５から入力される駆動信号Ｓdで４個の半導体スイッチ素子のオン・オフ動作が制御されることによって制御される。
ＤＣ−ＲＦ変換部２３は、ＤＣ−ＤＣ変換部３から入力される直流電力Ｐdcを予め設定された周波数ｆFの高周波電力ＰfFに変換して出力する。高周波電力ＰfFの周波数ｆFは、２．０ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．０ＭＨｚなどのプラズマ処理用に規定された周波数である。
ＤＣ−ＲＦ変換部２３は、例えば、図３に示すハーフ・ブリッジ型のスイッチング・アンプで構成される。同図に示すスイッチング・アンプは、一対の電源端子ｂ，ｂ’の間に２つの同一タイプの半導体スイッチ素子ＱBの直列回路を接続したスイッチング回路と、そのスイッチング回路に駆動信号を入力するドライブ回路と、そのスイッチング回路から出力される高周波信号を外部に出力する出力回路とで構成される。
ドライブ回路は、一次巻線に互いに逆方向に巻かれた２つの二次巻線を結合したトランスＴで構成される。トランスＴの一次巻線には、高周波生成部２６から力される高周波信号ｖが入力され、トランスＴの一方の二次巻線（図３では上側の巻線）から高周波信号ｖと同相の高周波信号ｖ’が出力され、トランスＴの他方の二次巻線（図３では下側の巻線）から高周波信号ｖと逆相の高周波信号−ｖ’が出力される。
出力回路は、キャパシタＣ1とインダクタが直列接続された共振回路と、インダクタとキャパシタＣ2がＬ型接続されたインピーダンス変換回路とを接続したフィルタ回路２３１で構成される。図３のインダクタＬは、共振回路のインダクタとインピーダンス変換回路のインダクタを合成したものである。フィルタ回路２３１は、スイッチング回路から出力される高周波信号から直流成分と不要な高周波成分（ノイズ成分）を除去する。フィルタ回路２３１から出力されるた高周波信号ｖoutが負荷に出力される。
一対の半導体スイッチ素子ＱBにはＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴが用いられるが、バイポーラトランジスタ等の他の種類のトランジスタを用いることができる。また、一対の半導体スイッチ素子ＱBをＮチャネル型とＰチャネル型を組み合わせたコンプリメンタリ型にしてもよい。この場合は、トランスＴの二次巻線は一つでよく、高周波電圧ｖ’をそれぞれＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴとＰチャネル型のＭＯＳＦＥＴのゲートに入力すればよい。
本実施形態では、ＤＣ−ＲＦ変換部２３をハーフ・ブリッジ型のスイッチング・アンプで構成しているが、フル・ブリッジ型やプッシュ・プル型のスイッチング・アンプで構成してもよい。
トランスＴの一次巻線に入力される高周波信号ｖ（電圧信号。以下、必要に応じて「高周波電圧」と表記する。）をｖ＝Ａ・sin(2πｆF・ｔ)（ｆF：基本周波数）とすると、ＤＣ−ＲＦ変換部２３では、トランスＴの一方の二次巻線から同相の高周波電圧ｖ’＝Ａ’・sin(2πｆF・ｔ)が出力され、トランスＴの他方の二次巻線から逆相の高周波電圧−ｖ’＝−Ａ’・sin(2πｆF・ｔ)が出力される。同相の高周波電圧ｖ’は、一方の半導体スイッチ素子ＱB（図３では上側の半導体スイッチ素子ＱB）に入力され、逆相の他方の高周波電圧−ｖ’は、他方の半導体スイッチ素子ＱB（図３では下側の半導体スイッチ素子ＱB）に入力される。２つの半導体スイッチ素子ＱBは、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであるから、一方の半導体スイッチ素子ＱBは、高周波電圧ｖ’のハイレベル期間にオン動作をし、他方の半導体スイッチ素子ＱBは、高周波電圧−ｖ’のハイレベル期間にオン動作をする。すなわち、２つの半導体スイッチ素子ＱBは、高周波電圧ｖ’の半周期毎に交互にオン・オフ動作を繰り返す。
２つの半導体スイッチ素子ＱBが交互にオン・オフ動作を繰り返すことによって接続点ａの電圧ｖaはｖ’＞０の期間に「Ｖdc」となり、ｖ’≦０の期間に接地レベルとなるように矩形波状に変化し、その矩形波がフィルタ回路２３１で直流分とスイッチングノイズが除去されて出力端子ｃ，ｃ’から高周波電圧ｖout＝Ｖ・sin(2πｆF・ｔ＋φ)が出力される。この高周波電圧ｖoutは正弦波の高周波電圧ｖを増幅した電圧である。
ＲＦ検出部２４は、例えば、特性インピーダンスが５０[Ω]で、使用可能な周波数帯域に周波数ｆFを含む双方向性結合器で構成される。例えば、周波数ｆFが１３．５６［ＭＨｚ］の場合、ＲＦ検出部２４の周波数帯域は、１３．５６［ＭＨｚ］を中心周波数ｆoとした所定の周波数帯域ｆo±Δｆ［ＭＨｚ］に設計されている。ＲＦ検出部２４では、高周波電源２の出力ポートにおける高周波電圧が進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖrに分離されて出力され、ＲＦ電力制御部２７に入力される。ＲＦ検出部２４で検出された進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖrは、ＲＦ電力制御部２７で高周波電源２の出力ポートにおける進行波電力Ｐf、反射波電力Ｐrの算出に用いられる。
駆動信号生成部２５は、駆動信号Ｓdとして、例えば、三角波比較法によりパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成する。駆動信号生成部２５は、例えば、ダイレクト・ディジタル・シンセサイザー（Direct Digital Synthesizer）で構成されるキャリア信号発生回路と、コンパレータ等のレベル比較器で構成されるＰＷＭ信号生成回路を備える。駆動信号生成部２５は、例えば、キャリア信号発生回路で発生した鋸波のキャリア信号ＣcとＲＦ電力制御部２７から入力される制御指令値Ｃoのレベルをレベル比較器で比較してＣc≦Ｃoの期間をパルス幅とする第１のパルス幅変調信号を生成し、その第１のパルス幅変調信号をＤＣ−ＤＣ変換部２２に出力する。また、駆動信号生成部２５は、第１のパルス幅変調信号のレベルを反転し、所定のデッドタイムで各パルスのパルス幅を調整した第２のパルス幅変調信号を生成し、その第２のパルス幅変調信号をＤＣ−ＤＣ変換部２２に出力する。
ＤＣ−ＤＣ変換部２２内のフル・ブリッジ回路の第１のアームのハイサイドとローサイドに位置する２つの半導体スイッチ素子を第１の半導体スイッチ素子と第２の半導体スイッチ素子とし、第２のアームのハイサイドとローサイドに位置する２つの半導体スイッチ素子を第３の半導体スイッチ素子と第４の半導体スイッチ素子とすると、第１のパルス幅変調信号は、第１の半導体スイッチ素子と第４の半導体スイッチ素子に対する駆動信号Ｓdであり、第２のパルス幅変調信号は、第２の半導体スイッチ素子と第３の半導体スイッチ素子に対する駆動信号Ｓdである。
ＤＣ−ＤＣ変換部２２では、第１，第４の半導体スイッチ素子のオン・オフ動作と第２，第３の半導体スイッチ素子のオン・オフ動作が交互に繰り返され、フル・ブリッジ回路から矩形波の交流電圧が出力される。そして、その交流電圧を整流・平滑回路で全波整流し、レベルの平滑化を行ってＤＣ−ＤＣ変換部２２から直流電圧Ｖdcが出力される。
高周波生成部２６は、例えば、ダイレクト・ディジタル・シンセサイザーで構成される。高周波生成部２６は、ＲＦ電力制御部２７から入力される高周波情報（周波数ｆF、振幅Ａ、初期位相φ等の情報）に基づいて、ＤＣ−ＲＦ変換部２３内の半導体スイッチ素子ＱBの駆動を制御する高周波電圧ｖ＝Ａ・sin(2πfF・t+φ)を生成し、ＤＣ−ＲＦ変換部２３に出力する。
ＲＦ電力制御部２７は、高周波電源２の出力電力ＰfFを制御するとともに、高周波電源２の出力ポートから逆入力される反射波電力ＰrによるＤＣ−ＲＦ変換部２３内の半導体スイッチ素子ＱBの損傷を防止する制御（以下、「反射保護制御」という。）をする。ＲＦ電力制御部２７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＲＦ電力制御部２７は、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等の演算デバイスで構成してもよい。
ＲＦ電力制御部２７は、処理機能としてＤＣ-ＤＣ変換部２２の出力電圧Ｖdcを制御する直流制御部２７１と、ＤＣ−ＲＦ変換部２３から出力される高周波電圧ｖoutを制御する高周波制御部２７２と、ＲＦ検出部２４で検出される進行波電圧ｖf及び反射波電圧ｖrの基本波ｆFの成分ｖfF，ｖrFを検出する基本波検出部２７３と、ＲＦ検出部２４で検出された進行波電圧ｖf及び反射波電圧ｖrの基本波ｆF以外の周波数ｆn（以下、この周波数を「異周波ｆn」という。）の成分ｖfn，ｖrn（添え字のｎは、Ｎ個の異周波ｆnが抽出されるとした場合に各異周波ｆnを識別するために付された番号ｎ（＝１，２，…，Ｎ）に対応することを示す。以下、他の符号についても同様。）を検出する異周波検出部２７４を含む。
なお、高周波電圧ｖoutは、進行波電圧ｖfFに相当する。また、進行波電圧ｖf及び反射波電圧ｖrの異周波ｆnの成分ｖfn，ｖrnは、基本波ｆF以外の周波数成分である。異周波成分には、一次高調波や二次高調波等の高調波成分が含まれるが、プラズマ処理システム１に周波数の異なる２つの高周波電力が入力される場合は２つの周波数ｆ1，ｆ2の差の周波数（ｆ1−ｆ2）や和の周波数（ｆ1＋ｆ2）等の周波数成分も含まれる。
直流制御部２７１は、フィードバック制御により駆動信号生成部２５に入力する制御指令値Ｃoを制御してＤＣ-ＤＣ変換部２２から出力される直流電圧Ｖdcを制御する機能ブロックである。この制御では、上述した進行波電力一定制御法、損失低減制御法及び反射保護制御により制御指令値Ｃoが制御される。直流制御部２７１には、ＤＣ−ＤＣ変換部２２から出力される直流電力Ｐdcを演算する直流電力演算部２７１ａ、ＤＣ−ＲＦ変換部２３から出力される基本波ｆFの進行波電力ＰfFと基本波ｆFの反射波電力ＰrFを演算する基本波電力演算部２７１ｂ、ＤＣ−ＲＦ変換部２３から出力される異周波ｆnの進行波電力Ｐfnと異周波ｆnの反射波電力Ｐrnを演算する異周波電力演算部２７１ｃ及び制御指令値生成部２７１ｄが含まれる。
直流電力演算部２７１ａは、直流電圧検出部２８Ａと直流電流検出部２８Ｂから入力される検出値Ｖdc，Ｉdcを乗じて直流電力Ｐdc（＝Ｖdc×Ｉdc）を算出する。基本波電力演算部２７１ｂは、基本波検出部２７３から出力される基本波ｆFの進行波電圧ｖfF及び基本波ｆFの反射波電圧ｖrFとＲＦ検出部２４の特性インピーダンスＺo（５０［Ω］）とから基本波ｆFの進行波電力ＰfF（＝ｖfF 2／５０）と基本波ｆFの反射波電力ＰrF（＝ｖrF 2／５０）を演算する。
異周波電力演算部２７１ｃは、異周波検出部２７４から出力される各異周波ｆnの進行波電圧ｖfn及び反射波電圧ｖrnとＲＦ検出部２４の特性インピーダンスＺo（５０［Ω］）とから各異周波ｆnの進行波電力Ｐfn（＝ｖfn 2／５０）と各異周波ｆnの反射波電力Ｐrn（＝ｖrn 2／５０）を演算する。
制御指令値生成部２７１ｄは、予め設定された目標値Ｐsetに対する基本波電力演算部２７１ｂで算出された基本波ｆFの進行波電力ＰfFの差分ΔＰfF（＝Ｐset−ＰfF）を算出し、その差分ＰfFに所定のＰＩ補償処理を行って制御指令値Ｃoを生成する。この制御指令値Ｃoは、差分ΔＰfFを零にする駆動信号Ｓdを生成するための制御指令値である。すなわち、制御指令値Ｃoは、フィードバック制御によりＤＣ−ＲＦ変換部２３から出力される基本波ｆFの進行波電力ＰfFを目標値Ｐsetに維持するためにＲＦ電力制御部２７からＤＣ−ＲＦ変換部２３に入力される制御指令値である（進行波電力一定制御法によるＲＦ出力制御）。
制御指令値生成部２７１ｄは、直流電力演算部２７１ａで算出された直流電力Ｐdcと、基本波電力演算部２７１ｂで算出された基本波ｆFの進行波電力ＰfF及び反射波電力ＰrFと、異周波電力演算部２７１ｃで算出された各異周波ｆnの進行波電力Ｐfn及び反射波電力Ｐrnの基本波成分ＰfF，ＰrFとを用いて、ＤＣ−ＲＦ変換部２３における電力損失Ｐlossを算出する。制御指令値生成部２７１ｄは、基本波ｆFの進行波電力ＰfFと各異周波ｆnの進行波電力Ｐfnを加算して進行波電力Ｐf（＝ＰfF＋ΣＰfn（ｎ＝１，２，…，Ｎ））を算出するとともに、基本波ｆFの反射波電力ＰrFと各異周波ｆnの反射波電力Ｐrnを加算して反射波電力Ｐr（＝ＰrF＋ΣＰrn（ｎ＝１，２，…，Ｎ））を算出し、両電力Ｐf，Ｐrを用いて（２）式又は（３）式を演算することにより電力損失Ｐlossを算出する。
制御指令値生成部２７１ｄは、算出した電力損失Ｐlossを予め設定された基準値Ｐkと比較し、Ｐloss≦Ｐkであれば、制御指令値生成部２７１ｄで生成した制御指令値Ｃoを駆動信号生成部２５に出力する。一方、Ｐk＜Ｐlossであれば、制御指令値生成部２７１ｄは、閾値Ｐthに対する電力損失Ｐlossの差分ΔＰloss（＝Ｐk−Ｐloss）を算出し、その差分ΔＰlossで基本波ｆFの進行波電力ＰfFを補正した後、所定のＰＩ補償処理を行って制御指令値Ｃo’を生成し、その制御指令値Ｃo’を駆動信号生成部２５に出力する。この制御指令値Ｃo’は、電力損失Ｐlossを閾値Ｐk以下にする駆動信号Ｓdを生成するための制御指令値である（損失低減制御法によるＲＦ出力制御）。
更に、制御指令値生成部２７１ｄは、算出した進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrを加算し、その電力値Ｐ（＝Ｐf＋Ｐr＝ＰfF＋ＰrF＋ΣＰfn＋ΣＰrn）を予め設定された基準値Ｐhと比較し、Ｐ≦Ｐhであれば、制御指令値生成部２７１ｄで生成した制御指令値Ｃoを駆動信号生成部２５に出力する。一方、Ｐh＜Ｐであれば、制御指令値生成部２７１ｄは、基準値Ｐhに対する電力値Ｐの差分ΔＰ（＝Ｐh−Ｐ）を算出し、その差分ΔＰで基本波ｆFの進行波電力ＰfFを補正した後、所定のＰＩ補償処理を行って制御指令値Ｃo”を生成し、その制御指令値Ｃo”を駆動信号生成部２５に出力する。この制御指令値Ｃo”は、電力値Ｐを基準値Ｐh以下にする駆動信号Ｓdを生成するための制御指令値である（反射保護制御によるＲＦ出力制御）。
高周波制御部２７２は、高周波生成部２６に入力する高周波情報を制御してＤＣ−ＲＦ変換部２３から出力される進行波電圧ｖfFの波形を制御する機能ブロックである。高周波制御部２７２は、高周波生成部２６で生成させる高周波電圧ｖの振幅Ａ、周波数ｆF、初期位相φのパラメータ情報を高周波生成部２６に入力する。
基本波検出部２７３は、ＲＦ検出部２４で検出される進行波電圧ｖf及び反射波電圧ｖrから基本波ｆFの進行波電圧ｖfFと反射波電圧ｖrFを抽出する機能ブロックである。基本波検出部２７３は、基本波ｆFを中心周波数とする２つのディジタル・バンドパス・フィルタ２７３ａ，２７３ｂ（以下、「ＢＰＦ２７３ａ」、「ＢＰＦ２７３ｂ」と表記する。）を備える。ＢＰＦ２７３ａ，ＢＰＦ２７３ｂは、例えば、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタやアクティブ・フィルタ（適応型フィルタ）で構成される。基本波検出部２７３は、ＲＦ検出部２４で検出された進行波電圧ｖfに対してＢＰＦ２７３ａでフィルタリング演算処理を行うことにより基本波ｆFの進行波電圧ｖfFを抽出し、ＲＦ検出部２４で検出された反射波電圧ｖrに対してＢＰＦ２７３ｂでフィルタリング演算処理を行うことにより基本波ｆFの反射波電圧ｖrFを抽出する。
異周波検出部２７４は、ＲＦ検出部２４で検出される進行波電圧ｖf及び反射波電圧ｖrから異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnを抽出する機能ブロックである。異周波検出部２７４は、異周波ｆn毎に、異周波ｆn（ｎ＝１，２，…Ｎ）を中心周波数とする進行波用のＢＰＦ２７４ａと、異周波ｆnを中心周波数とする反射波用のＢＰＦ２７４ｂと、ＢＰＦ２７４ａ及びＢＰＦ２７４ｂで検出された進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnをそれぞれ補正する異周波補正部２７４ｃと、異周波補正部２７４ｃで用いる補正データを記憶する補正データ記憶部２７４ｄを含む。
ＢＰＦ２７４ａ,ＢＰＦ２７４ｂ内にはそれぞれＮ個の異周波ｆnに対応してＮ個のディジタル・バンドパス・フィルタが含まれるが、図２では図示を省略している。異周波補正部２７４ｃと補正データ記憶部２７４ｄは、本実施形態に係る高周波電源２の特徴的な構成である。
ＲＦ検出部２４に用いる双方向性結合器は、基本波ｆFを含む一定の周波数範囲については所定の検出精度を保証するように設計されているが、その周波数範囲は狭帯域（基本波ｆFの数％程度）であるので、異周波ｆnの進行波電圧ｖfnや反射波電圧ｖrnに対しては基本波ｆFの進行波電圧ｖfFや反射波電圧ｖrFと同様の検出精度は保証されていない。異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnについても基本波ｆFと同様の検出精度を保証しようとすると、異周波ｆn毎に双方向性結合器を設ける必要があり、検出対象とする異周波fnの数Ｎが多くなると、全ての異周波の進行波電圧ｖfn及び反射波電圧ｖrn（ｎ＝１，２，…，Ｎ）に対して双方向性結合器を設けることは構成的にもコスト的に無理がある。
そこで、本実施形態では、ＲＦ検出部２４に用いる双方向性結合器の２つの入出力ポートと２つの検出ポートとの間の異周波ｆn毎の伝送特性（Ｓパラメータ）を予め測定しておき、２つの検出ポートから出力される進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖrから異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnを検出し、以下に説明するように、その検出値ｖfn，ｖrnと伝送特性（Ｓパラメータ）を用いて入出力ポートにおける異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnを求めることにより検出精度を保証するようにしている。
ＲＦ検出部２４に用いる双方向性結合器において、図４に示すように、入力ポートＰ1から出力ポートＰ2に向かう高周波を「進行波」と称し、出力ポートＰ2から入力ポートＰ1に向かう高周波を「反射波」と称し、入力ポートＰ1側の伝送線路を伝送する高周波を進行波ａ1と反射波ｂ1とし、出力ポートＰ2側の伝送線路を伝送する高周波を進行波ｂ2と反射波ａ2とする。また、第１の検出ポートＰ3から出力される高周波を進行波ｂ3、第２の検出ポートＰ4から出力される高周波を反射波ｂ4とする。
入力ポートＰ１と第１，第２の検出ポートＰ３，Ｐ４との間の伝送特性を示すＳパラメータの成分をＳ31，Ｓ32，Ｓ41，Ｓ42とすると、進行波ａ1及び反射波ｂ2と進行波ｂ3及び反射波ｂ4との間には、
ｂ3＝Ｓ31・ａ1＋Ｓ32・ａ2 …（４）
ｂ4＝Ｓ41・ａ1＋Ｓ42・ａ2 …（５）
の関係がある。
（４）式及び（５）式を進行波ｂ3及び反射波ｂ4から進行波ａ1と反射波ａ2を求める式に変形すると、
ａ1＝Ｓ13・ｂ3＋Ｓ14・ｂ4 …（６）
ａ2＝Ｓ23・ｂ3＋Ｓ24・ｂ4 …（７）
但し、Ｓ13＝Ｓ42／Δ …（８ａ）
Ｓ23＝−Ｓ41／Δ …（８ｂ）
Ｓ14＝−Ｓ32／Δ …（８ｃ）
Ｓ24＝Ｓ31／Δ …（８ｄ）
Δ＝Ｓ31・Ｓ42＋Ｓ32・Ｓ41 …（８ｅ）
となる。
（６）式及び（７）式は、異周波ｆn毎のＳパラメータ（Ｓ31，Ｓ32，Ｓ41，Ｓ42）若しくは（Ｓ13，Ｓ23，Ｓ14，Ｓ24）が既知であれば、進行波ｂ3から異周波ｆnの成分ｂ3(fn）（（ｆn）は、異周波ｆnの成分であることを示す。以下、同じ。）と反射波ｂ4から異周波ｆnの成分ｂ4(fn)を検出し、両検出値ｂ3(fn)，ｂ4(fn)と異周波ｆnのＳパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）若しくは（Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)）を用いて（６）式及び（７）式を演算すれば、入力ポートＰ1側の伝送線路を伝送する異周波ｆnの進行波ａ1(fn)（推定値）と出力ポートＰ2側の伝送線路を伝送する異周波ｆnの反射波ａ2(fn)（推定値）を求めることができることを示している。
異周波ｆnの周波数領域では、双方向性結合器のアイソレーション特性が不十分であるから、異周波ｆnの進行波ｂ3(fn)には進行波ａ1(fn)に対して無視できない割合で反射波ａ2(fn)が含まれ、異周波ｆnの反射波ｂ4(fn)には反射波ａ2(fn)に対して無視できない割合で進行波ａ1(fn)が含まれている。このため、異周波ｆnの進行波ｂ3(fn)と反射波ｂ4(fn)の検出精度は不十分である。
一方、異周波ｆnの進行波ａ1(fn)は双方向性結合器の入力ポートＰ1側の伝送線路を伝送する異周波ｆnの進行波の推定値であり、異周波ｆnの反射波ａ2(fn)は双方向性結合器の出力ポートＰ2側の伝送線路を伝送する異周波ｆnの反射波の推定値であるから、いずれも双方向性結合器のアイソレーション特性の影響を受けておらず、進行波ｂ3(fn)及び反射波ｂ4(fn)よりも高い精度を有している。本実施形態では、第１の検出ポートＰ3から出力される進行波ｂ3(fn)の検出値と第２の検出ポートＰ4から出力される反射波ｂ4(fn)の検出値を、周波数ｆnのＳパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）若しくは（Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)）を用いて、入力ポートＰ1の進行波ａ1(fn)と出力ポートＰ2の反射波ａ2(fn)に補正することにより、異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnの検出精度を信頼性のあるレベルにしている。
上述したように、本実施形態では、ＲＦ検出部２４に用いる双方向性結合器の異周波ｆn毎のＳパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）若しくは（Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)）が必要であるので、ネットワーク・アナライザーを用いて、抽出しようとする全ての異周波ｆnについて、双方向性結合器のＳパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）若しくは（Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)）を測定し、各測定値を異周波ｆnに対応つけて補正データ記憶部２７４ｄに記憶している。
Ｓパラメータの成分Ｓ31は、ネットワーク・アナライザーの第１のポートＰAと第２のポートＰBをそれぞれ双方向性結合器の入力ポートＰ1と第１の検出ポートＰ3に接続し、第１のポートＰAから出力された異周波ｆnの基準高周波信号を入力ポートＰ1から双方向性結合器に入力し、第１の検出ポートＰ3から出力される高周波信号を第２のポートＰBに入力する構成で測定される。異周波ｆnの基準高周波信号を「ａ1(fn)」、第１の検出ポートＰ3から出力される高周波信号を「ｂ3(fn)」とすると、ネットワーク・アナライザーでｂ3(fn)／ａ1(fn)の演算を行うことにより成分Ｓ31(fn)が測定される。
Ｓパラメータの成分Ｓ41は、ネットワーク・アナライザーの第１のポートＰAと第２のポートＰBをそれぞれ双方向性結合器の入力ポートＰ1と第２の検出ポートＰ4に接続し、第１のポートＰAから出力された異周波ｆnの基準高周波信号を入力ポートＰ1から双方向性結合器に入力し、第２の検出ポートＰ4から出力される高周波信号を第２のポートＰBに入力する構成で測定される。異周波ｆnの基準高周波信号を「ａ1(fn)」、第２の検出ポートＰ4から出力される高周波信号を「ｂ4(fn)」とすると、ネットワーク・アナライザーでｂ4(fn)／ａ1(fn)の演算を行うことにより成分Ｓ41(fn)が測定される。
Ｓパラメータの成分Ｓ32は、ネットワーク・アナライザーの第１のポートＰAと第２のポートＰBをそれぞれ双方向性結合器の出力ポートＰ2と第１の検出ポートＰ3に接続し、第１のポートＰAから出力された異周波ｆnの基準高周波信号を出力ポートＰ2から双方向性結合器に入力し、第１の検出ポートＰ3から出力される高周波信号を第２のポートＰBに入力する構成で測定される。異周波ｆnの基準高周波信号を「ａ2(fn)」、第２の検出ポートＰ3から出力される高周波信号を「ｂ3(fn)」とすると、ネットワーク・アナライザーでｂ3(fn)／ａ2(fn)の演算を行うことにより成分Ｓ32(fn)が測定される。
Ｓパラメータの成分Ｓ42は、ネットワーク・アナライザーの第１のポートＰAと第２のポートＰBをそれぞれ双方向性結合器の出力ポートＰ2と第２の検出ポートＰ4に接続し、第１のポートＰAから出力された異周波ｆnの基準高周波信号を出力ポートＰ2から双方向性結合器に入力し、第２の検出ポートＰ4から出力される高周波信号を第２のポートＰBに入力する構成で測定される。異周波ｆnの基準高周波信号を「ａ2(fn)」、第２の検出ポートＰ4から出力される高周波信号を「ｂ4(fn)」とすると、ネットワーク・アナライザーでｂ4(fn)／ａ2(fn)の演算を行うことにより成分Ｓ42(fn)が測定される。
ネットワーク・アナライザーで測定された異周波ｆn毎のＳパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）は、ＲＦ電力制御部２７に出力され、補正データ記憶部２７４ｄに異周波ｆnに対応つけて記憶される。なお、ＲＦ電力制御部２７で（８ａ）式〜（８ｅ）式の演算を行ってＳパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）の測定値をＳパラメータ（Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)）に変換した後、異周波ｆnに対応付けて補正データ記憶部２７４ｄに記憶するようにしてもよい。
図５は、補正データ記憶部２７４ｄにおける補正データ（Ｓパラメータのデータ）の記憶内容を示すイメージ図である。
補正データ記憶部２７４ｄは、Ｎ個の記憶領域に分けられ、各記憶領域に異周波ｆnとＳパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）の測定値が記憶されている。異周波ｆnとＳパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）の測定値は、識別番号順に並べて各記憶領域にアドレス順に順番に記憶されている。図５では、Ｓパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）の測定値を記憶しているが、Ｓパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）をＳパラメータ（Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)）に変換した値を記憶してもよい。
補正データ記憶部２７４ｄにＳパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）の測定値が直接記憶されている場合は、異周波補正部２７４ｃは、先ず、進行波電圧ｖfn及び反射波電圧ｖrnの異周波ｆnに対応するＳパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）を補正データ記憶部２７４ｄから読み出し、（８ａ）式〜（８ｅ）式を演算してそのＳパラメータ（Ｓ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)）をＳパラメータ（Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)）に変換する。その後、異周波補正部２７４ｃは、ＢＰＦ２７４ａから出力される進行波電圧ｖfnと、ＢＰＦ２７４ｂから出力される反射波電圧ｖrnと、Ｓパラメータ（Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)）とを用いて（６）式及び（７）式を演算することにより入力ポートＰ1側の伝送線路を伝送する異周波ｆnの進行波電圧ｖfn’（推定値）（上記のａ1(fn)に相当）と出力ポートＰ2側の伝送線路を伝送する異周波ｆnの反射波電圧ｖrn’（推定値）（上記のａ2(fn)に相当）を算出する。
一方、補正データ記憶部２７４ｄに変換後のＳパラメータ（Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)）が記憶されている場合は、異周波補正部２７４ｃは、進行波電圧ｖfn及び反射波電圧ｖrnの異周波ｆnに対応するＳパラメータ（Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)）を補正データ記憶部２７４ｄから読み出し、そのＳパラメータ（Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)）と、ＢＰＦ２７４ａから出力される進行波電圧ｖfnと、ＢＰＦ２７４ｂから出力される反射波電圧ｖrnとを用いて（６）式及び（７）式を演算することにより入力ポートＰ1側の伝送線路を伝送する異周波ｆnの進行波電圧ｖfn’（推定値）と出力ポートＰ2側の伝送線路を伝送する異周波ｆnの反射波電圧ｖrn’（推定値）を算出する。
次に、図６のフローチャートを用いて、ＲＦ電力制御部２７における出力電力の制御手順について説明する。
ＲＦ電力制御部２７は、高周波電源２が高周波電力の出力を開始すると、その出力を停止するまで所定の周期で図６の制御手順を繰り返す。
ＲＦ電力制御部２７は、制御処理を開始すると、まず、高周波電力の出力目標値Ｐsetを設定する（Ｓ１）。続いて、ＲＦ電力制御部２７は、直流電圧検出部２８Ａから出力される直流電圧Ｖdcと直流電流検出部２８Ｂから出力される直流電流Ｉdcを読み込むとともに、ＲＦ検出部２４から出力される進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖrを読み込む（Ｓ２）。ＲＦ電力制御部２７は、読み込んだ直流電圧Ｖdcと直流電流Ｉdcの乗算を行ってＤＣ-ＤＣ変換部２２からＤＣ−ＲＦ変換部２３に供給される直流電力Ｐdcを算出する（Ｓ３）。
続いて、ＲＦ電力制御部２７は、読み込んだ進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖrに対して基本波ｆFを中心周波数とするバンドパス・フィルタのフィルタリング処理を行って、基本波ｆFの進行波電圧ｖfFと反射波電圧ｖrFを抽出し（Ｓ４）、その進行波電圧ｖfFと反射波電圧ｖrFを用いて所定の演算処理により基本波ｆFの進行波電力ＰfFと反射波電力ＰrFを算出する（Ｓ５）。また、ＲＦ電力制御部２７は、基本波ｆFの進行波電力ＰfF及び反射波電力ＰrFの算出処理と並行して異周波ｆn毎に進行波電力Ｐfn及び反射波電力Ｐrnの算出処理を行う（Ｓ６〜Ｓ１０）。
すなわち、ＲＦ電力制御部２７は、読み込んだ進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖrに対して異周波ｆnを中心周波数とするバンドパス・フィルタのフィルタリング処理を行って、各異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnを抽出する（Ｓ６）。続いて、ＲＦ電力制御部２７は、補正データ記憶部２７４ｄから各異周波ｆnのＳパラメータＳ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)を読み出し（Ｓ７）、上記した（８ａ）式〜（８ｅ）式の演算を行ってＳパラメータＳ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)に変換する（Ｓ８）。続いて、ＲＦ電力制御部２７は、抽出した各異周波ｆnの進行波電圧ｖfn及び反射波電圧ｖrnとＳパラメータＳ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)用いて、上記した（６）式及び（７）式の演算を行ってＲＦ検出部２４の入力ポートＰ1における各異周波ｆnの進行波電圧ｖfn’とＲＦ検出部２４の出力ポートＰ2における異周波ｆnの反射波電圧ｖrn’を算出する（Ｓ９）。そして、ＲＦ電力制御部２７は、算出した各異周波ｆnの進行波電圧ｖfn’と反射波電圧ｖrn’を用いて所定の演算処理により各異周波ｆnの進行波電力Ｐfnと反射波電力Ｐrnを算出する（Ｓ１０）。
基本波ｆFの進行波電力ＰfF及び反射波電力ＰrFと各異周波ｆnの進行波電力Ｐfn及び反射波電力Ｐrnを算出すると、ＲＦ電力制御部２７は、基本波ｆFの進行波電力ＰfFと全ての異周波ｆnの進行波電力Ｐfnを加算して進行波電力Ｐfを算出するとともに、基本波ｆFの反射波電力ＰrFと全ての異周波ｆnの反射波電力Ｐrnを加算して反射波電力Ｐrを算出する（Ｓ１１）。また、ＲＦ電力制御部２７は、算出した進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrを加算してＲＦ検出部２４の入力ポートＰ1を伝送する高周波電力Ｐ＝Ｐf＋Ｐrを算出する（Ｓ１１）。
続いて、ＲＦ電力制御部２７は、算出した直流電力Ｐdc、進行波電力Ｐf及び反射波電力Ｐrを用いて、上記の（２）式を演算することによりＤＣ−ＲＦ変換部２３における電力損失Ｐlossを算出する（Ｓ１２）。なお、ステップＳ１２では、（２）式の電力損失Ｐlossに代えて（３）式の電力損失Ｐlossを算出するようにしてもよい。
続いて、ＲＦ電力制御部２７は、算出した電力損失Ｐlossを予め設定された基準値Ｐkと比較するとともに（Ｓ１３）、算出した高周波電力Ｐを予め設定された基準値Ｐhと比較する（Ｓ１４）。ＲＦ電力制御部２７は、Ｐk＜Ｐlossであれば（Ｓ１３：ＮＯ）、上述した損失低減制御によりＤＣ−ＲＦ変換部２３から出力される高周波電力の電力値を制御して（Ｓ１５）、ステップＳ１に戻り、Ｐloss≦Ｐk及びＰ≦Ｐhであれば（Ｓ１３：ＹＥＳ，Ｓ１４：ＹＥＳ）、上述した進行波電力一定制御によりＤＣ−ＲＦ変換部２３から出力される高周波電力の電力値を制御して（Ｓ１６）、ステップＳ１に戻り、Ｐloss≦Ｐk及びＰh＜Ｐであれば（Ｓ１３：ＹＥＳ，Ｓ１４：ＮＯ）、上述した反射保護制御によりＤＣ−ＲＦ変換部２３から出力される高周波電力の電力値を制御して（Ｓ１７）、ステップＳ１に戻る。
図６の制御手順では、検出対象とするＮ個の異周波ｆnの全てに対してＳパラメータＳ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)を予め測定し、補正データ記憶部２７４ｄに記憶しておく場合について説明したが、Ｎ個の異周波ｆnについて取得したＳパラメータの成分毎の周波数特性に近似曲線が得られるようであれば、成分毎に近似曲線を設定し、Ｎ個の異周波ｆnの一部についてＳパラメータＳ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)の測定値を補正データ記憶部２７４ｄの記憶しておき、残りの異周波ｆnのＳパラメータの各成分は、測定済みのＳパラメータを用いて近似曲線による補間演算により算出するようにしてもよい。この場合は、補正データ記憶部２７４ｄの記憶容量を低減することができる利点がある。
例えば、Ｓパラメータが異周波ｆmについては未測定で、当該異周波ｆmに隣接する異周波ｆm-1，ｆm+1について測定済みの場合、ステップＳ７で、Ｓパラメータの成分毎に異周波ｆm-1，ｆm+1の測定値を読み出し、成分毎の近似曲線と両測定値を用いて補間演算により異周波ｆmのＳパラメータの成分を算出する処理をすればよい。
上記のように、本実施形態に係る高周波電源２によれば、ＲＦ検出部２４で検出される進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖrから予め設定された異周波ｆnのバンドパス・フィルタのフィルタリング処理により異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnを抽出した後、異周波ｆn毎に予め取得したＲＦ検出部２４のＳパラメータＳ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)を用いてＲＦ検出部２４の入力ポートＰ1における進行波電圧ｖfn’と出力ポートＰ2における反射波電圧ｖrn’に変換するようにしているので、ＲＦ検出部２４の構成の複雑化や大型化を招くことなく、異周波ｆnの進行波電圧ｖfn’と反射波電圧ｖrn’の検出精度を高めることができる。
また、異周波ｆnの進行波電圧ｖfn’と反射波電圧ｖrn’を用いて損失低減制御と反射保護制御による出力制御をするので、その出力制御を高精度で行うことができる。
ところで、上記の実施形態では、Ｓパラメータを測定した全ての異周波ｆn（ｎ＝１，２，…Ｎ）について、進行波電力Ｐfnと反射波電力Ｐrnを算出するようにしているが（図６のステップＳ１０，Ｓ１１の処理参照）、プラズマ処理の内容によっては、Ｎ個の異周波ｆnのうち、一部の異周波ｆnは、ステップＳ１１の進行波電力Ｐf（＝ＰfF＋ΣＰfn）と反射波電力Ｐr（＝ＰrF＋ΣＰrn）の算出値に影響を与えない場合がある。
また、プラズマ処理装置４では、プラズマ処理中に負荷インピーダンスＺLが時々刻々と変化するので、その負荷インピーダンスＺLの変化に応じて各異周波ｆnの進行波電力Ｐfnと反射波電力Ｐrnも変動し、Ｎ個の異周波ｆnのうち、一部の異周波ｆnがステップＳ１１の進行波電力Ｐf（＝ＰfF＋ΣＰfn）と反射波電力Ｐr（＝ＰrF＋ΣＰrn）の算出値に影響を与えなくなる場合もある。
このような場合は、ステップＳ１１の進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrの算出値に影響を与えない異周波ｆnについても、ステップＳ６〜Ｓ１０の処理を行うことはＲＦ電力制御部２７の処理負担と処理時間を必要以上に大きくすることになるので、ステップＳ１１の進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrの算出値に影響を与える異周波ｆnについてだけステップＳ６〜Ｓ１０の処理をすることが好ましい。
図７は、図６のフローチャートに対して、ステップＳ１１の進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrの算出値に影響を与える異周波ｆnについてだけステップＳ６〜Ｓ１０の処理をするように処理手順を変形したフローチャートの一例である。
図７のフローチャートは、図６のフローチャートにおいて、ステップＳ１の前（すなわち、出力電力の制御を開始する前）に図８に示すステップＳ２０の処理を追加したものである。ステップＳ２０の処理は、ステップＳ１１の進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrの算出値に影響を与える異周波ｆnを異周波検出部２７４で抽出すべき異周波ｆnとして設定する処理である。
図７のフローチャートは、上述した図６の処理手順に対してステップＳ２０とステップＳ６’の処理内容が異なるだけであるので、以下では、その相違する部分についてだけ説明する。
図７の処理手順では、出力電力の制御を開始すると、まず、ステップＳ２０に移行し、図８に示す処理手順に従って異周波検出部２７４で抽出すべき異周波ｆnの設定が行われる。
ステップＳ２０に移行すると、ＲＦ電力制御部２７は、作業者による入力操作や予め設定されたプログラムによって入力される異周波抽出用の電力閾値Ｐthを設定する（Ｓ２０−１）。続いて、ＲＦ電力制御部２７は、Ｓパラメータが測定されている異周波ｆnの数Ｎをカウントするカウンタｎに「１」をセットし（Ｓ２０−２）、ｎ番目の異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnを抽出する（Ｓ２０−３）。
ＲＦ電力制御部２７は、ＲＦ検出部２４から出力される進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖrを読み込み、その進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖrに対して異周波ｆnを中心周波数とするバンドパス・フィルタのフィルタリング処理を行って、異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnを抽出する。
続いて、ＲＦ電力制御部２７は、抽出した異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnに対してステップＳ６〜Ｓ１０の処理と同様の処理を行って異周波ｆnの進行波電力Ｐfnと反射波電力Ｐrnを算出する。すなわち、ＲＦ電力制御部２７は、抽出した異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnを当該異周波ｆnのＳパラメータＳ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)を用いてＲＦ検出部２４の入力ポートＰ1における異周波ｆnの進行波電圧ｖfn’とＲＦ検出部２４の出力ポートＰ2における異周波ｆnの反射波電圧ｖrn’に変換した後、その進行波電圧ｖfn’と反射波電圧ｖrn’を用いて所定の演算処理により異周波ｆnの進行波電力Ｐfnと反射波電力Ｐrnを算出する。
そして、ＲＦ電力制御部２７は、進行波電力Ｐfnと反射波電力Ｐrnを加算して異周波ｆnの電力Ｐnを算出する（Ｓ２０−４）。
続いて、ＲＦ電力制御部２７は、算出した電力Ｐnを閾値Ｐthと比較し（Ｓ２０−５）、Ｐth＜Ｐnであれば（Ｓ２０−５：ＹＥＳ）、ｎ番目の異周波ｆnをＲＡＭに保存して（Ｓ２０−６）、ステップＳ２０-７に移行する。一方、Ｐn≦Ｐthであれば（Ｓ２０−５：ＮＯ）、ＲＦ電力制御部２７は、ステップＳ２０−６をスキップしてステップＳ２０-７に移行する。
ステップＳ２０−７に移行すると、ＲＦ電力制御部２７は、カウンタｎの値が「Ｎ」に達しているか否かを判別し（Ｓ２０−７）、ｎ＜Ｎであれば（Ｓ２０−７：ＮＯ）、カウンタｎを「１」だけ増加して（Ｓ２０−８）、ステップＳ２０−３に戻り、ｎ＝Ｎになっていれば（Ｓ２０−７：ＹＥＳ）、異周波ｆnの設定処理を終了し、図７のステップＳ１に移行する。すなわち、図６を用いて説明した出力電力の制御処理に移行する。
図７のフローチャートでは、ステップＳ２０でＮ個の異周波ｆnのうち、異周波検出部２７４で抽出すべき異周波ｆnが設定されるので、ステップＳ６’では、ステップＳ２０で設定された異周波ｆnに対してだけ進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnが抽出される。従って、ステップＳ７〜Ｓ１０でもステップＳ２０で設定された異周波ｆnに対してだけ進行波電力Ｐfnと反射波電力Ｐrnが算出される。
従って、図７の処理手順によれば、Ｓパラメータを測定したＮ個の異周波ｆnの全てに対して進行波電力Ｐfnと反射波電力Ｐrnの算出処理をしないので、図６の処理手順よりもＲＦ電力制御部２７の処理負担と処理時間を低減することができる。
なお、図７のフローチャートでは、ステップＳ１５〜Ｓ１７で出力電力の制御方式を決定した後、ステップＳ１に戻るようにしているが、図７の点線で示すようにステップＳ２０に戻るようにしてもよい。ステップＳ１に戻るようにした場合、異周波検出部２７４で抽出すべき異周波ｆnは、出力電力の制御の開始時に設定され、その設定値は出力電力の制御が終了するまで保持されるが、ステップＳ２０に戻るようにすると、周期的に異周波ｆnの電力Ｐnをモニタしてその都度抽出すべき異周波ｆnが設定されるようになる。
上述したように、プラズマ処理中は負荷インピーダンスＺLに応じて異周波ｆnの電力Ｐnも変動するから、異周波ｆnの電力Ｐnの変動に応じて抽出すべき異周波ｆnを適宜設定する方が好ましい。図７の点線で示すステップＳ２０に戻る処理にすれば、常に最適な抽出すべき異周波ｆnが設定されるので、異周波ｆnの電力Ｐnの変動に応じて抽出すべき異周波ｆnが変化する場合にも十分に対応することができる。
なお、図７で、通常は実線で示すようにステップＳ１５〜Ｓ１７からステップＳ１に戻り、所定の時間が経過したときに点線で示すようにステップＳ１５〜Ｓ１７からステップＳ２０に戻るようにしてもよい。このようにした場合は、異周波ｆnの変更の周期を長くすることができるので、異周波ｆnが頻繁に変更されて処理が複雑になるのを抑制することができる。
また、図６、図７の処理手順では、抽出すべき異周波ｆnの設定処理のタイミングが予めプログラムで決定されているが、作業者が異周波ｆnの電力Ｐnの変動状態をモニタして抽出すべき異周波ｆnの設定を行うようにしてもよい。
図９は、図７のフローチャートに対して、作業者が異周波ｆnの電力Ｐnの変動状態をモニタして抽出すべき異周波ｆnの設定を行う処理を含む処理手順に変更したフローチャである。具体的には、図７のステップＳ２０の処理内容を作業者が異周波ｆnの電力Ｐnの変動状態をモニタして抽出すべき異周波ｆnの設定を行う処理手順に変更したものである。
図９の処理手順に対応する高周波電源２には、図１０に示すように、異周波ｆnの電力Ｐnのレベルを表示する表示部２９と、作業者がその表示部に異周波ｆnの電力Ｐnのレベルを表示させ、その表示に基づいて抽出すべき異周波ｆnを設定する操作をするための操作部３０が設けられている。
図１０の構成では、異周波電力演算部２７１ｃで演算される異周波ｆnの電力Ｐnが表示部２９に表示され、作業者はその表示部２９に表示された各異周波ｆnの電力Ｐnを見て抽出すべき異周波ｆnを判断し、その判断結果を、操作部３０を操作してＲＦ電力制御部２７に入力する。異周波補正部２７４ｃには、作業者によって入力された異周波ｆnの情報に基づき、補正処理をすべき異周波ｆnが設定される。
図９の処理手順では、ＲＦ電力制御部２７は、出力電力の制御を開始すると、まず、作業者によって当該作業者が異周波ｆnを設定するための異周波設定モードに移行する操作が行われた否かが判定され（Ｓ２０−１’）、操作が行われていなければ（Ｓ２０−１’：ＮＯ）、直ちに図７のステップＳ１に移行する。この場合は、抽出すべき異周波ｆnがＮ個の異周波ｆnの全てに設定されているので、ステップＳ１からステップＳ６’に移行すると、Ｎ個の異周波ｆnの全てに対して進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnが抽出されることになる。
一方、操作が行われていれば（Ｓ２０−１’：ＹＥＳ）、ＲＦ電力制御部２７は、カウンタｎに「１」をセットし（Ｓ２０−２’）、ｎ番目の異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnを抽出する（Ｓ２０−３’）。ＲＦ電力制御部２７は、ＲＦ検出部２４から出力される進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖrを読み込み、その進行波電圧ｖfと反射波電圧ｖrに対して異周波ｆnを中心周波数とするバンドパス・フィルタのフィルタリング処理を行って、異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnを抽出する。
続いて、ＲＦ電力制御部２７は、抽出した異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnに対してステップＳ６〜Ｓ１０の処理と同様の処理を行って異周波ｆnの進行波電力Ｐfnと反射波電力Ｐrnを算出する。すなわち、ＲＦ電力制御部２７は、抽出した異周波ｆnの進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnを当該異周波ｆnのＳパラメータＳ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)を用いてＲＦ検出部２４の入力ポートＰ1における異周波ｆnの進行波電圧ｖfn’とＲＦ検出部２４の出力ポートＰ2における異周波ｆnの反射波電圧ｖrn’に変換した後、その進行波電圧ｖfn’と反射波電圧ｖrn’を用いて所定の演算処理により異周波ｆnの進行波電力Ｐfnと反射波電力Ｐrnを算出する。
そして、ＲＦ電力制御部２７は、進行波電力Ｐfnと反射波電力Ｐrnを加算して異周波ｆnの電力Ｐnを算出する（Ｓ２０−４’）。
続いて、ＲＦ電力制御部２７は、カウンタｎの値が「Ｎ」に達しているか否かを判別し（Ｓ２０−５’）、ｎ＜Ｎであれば（Ｓ２０−５’：ＮＯ）、カウンタｎを「１」だけ増加して（Ｓ２０−６’）、ステップＳ２０−３’に戻り、ｎ＝Ｎになっていれば（Ｓ２０−５’：ＹＥＳ）、表示部に算出したＮ個の異周波ｆnの電力Ｐnを表示する（Ｓ２０−７’）。これにより、作業者はＮ個の異周波ｆnの電力Ｐnのレベルの分布をモニタすることができる。
続いて、ＲＦ電力制御部２７は、作業者により抽出すべき異周波ｆnの設定操作がなされたか否かを判定し（Ｓ２０−８’）、異周波ｆnの設定をしない操作がなされると（Ｓ２０−８’：ＮＯ）、現在の異周波ｆnの設定値を変更することなくステップＳ１に移行する。一方、異周波ｆnの設定操作がなされると（Ｓ２０−８’：ＹＥＳ）、ＲＡＭに書き込まれている現在の異周波ｆnの設定値を作業者によって設定された異周波ｆnに変更して（Ｓ２０−９’）、ステップＳ１に移行する。
ステップＳ２０−９’で異周波ｆnが変更された場合は、抽出すべき異周波ｆnが作業者によってＮ個の異周波ｆnのうちの一部に設定されているので、ステップＳ１からステップＳ６’に移行すると、設定された一部の異周波ｆnに対してだけ進行波電圧ｖfnと反射波電圧ｖrnが抽出されることになる。
図９の処理手順では、作業者により異周波設定モードに移行する操作が行われると、ステップＳ２０-１'〜Ｓ２０-９'で異周波ｆnの電力Ｐnを表示部に表示し、その表示に基づいて作業者が所望の異周波ｆnを抽出すべき異周波ｆnに設定することができるので、この場合もＲＦ電力制御部２７の処理負担と処理時間を低減することができる。
また、ＲＦ電力制御部２７は、ステップＳ１５〜Ｓ１７で出力電力の制御方式を決定すると、ステップＳ２０−１’に戻って作業者が異周波設定モードに移行する操作をするか否かの監視をするので、作業者はプラズマ処理中に所望のタイミングで抽出すべき異周波ｆnの内容を変更することができる。そして、図９の処理手順では、作業者が異周波ｆnのレベルをモニタして抽出すべき異周波ｆnを設定するので、異周波ｆnの設定内容の信頼性を向上することができる。
１ プラズマ処理システム
２ 高周波電源
２１ ＡＣ−ＤＣ変換部
２２ ＤＣ−ＤＣ変換部
２３ ＤＣ−ＲＦ変換部（高周波生成手段）
２３１ フィルタ回路
２４ ＲＦ検出部（高周波検出手段）
２５ 駆動信号生成部
２６ 高周波生成部
２７ ＲＦ電力制御部
２７１ 直流制御部（異周波決定手段）
２７１ａ 直流電力演算部
２７１ｂ 基本波電力演算部（基本波抽出手段）
２７１ｃ 異周波電力演算部（異周波抽出手段，算出手段）
２７１ｄ 制御指令値生成部（出力制御手段）
２７２ 高周波制御部
２７３ 基本波検出部
２７３ａ，２７３ｂ バンドパス・フィルタ
２７４ 異周波検出部
２７４ａ，２７４ｂ バンドパス・フィルタ
２７４ｃ 異周波補正部（マトリクスデータ補間手段）
２７４ｄ 補正データ記憶部（マトリクスデータ記憶手段）
２８Ａ 直流電圧検出部
２８Ｂ 直流電流検出部
２９ 表示部（異周波表示手段）
３０ 操作部（異周波設定手段）
３ インピーダンス整合装置
４ プラズマ処理装置（負荷）
５ システム制御部
６ 同軸ケーブル

Claims (7)

  1. 高周波を生成する高周波生成手段と、
    前記高周波生成手段の後段で当該高周波生成手段から負荷に向かう進行波と当該負荷から前記高周波生成手段に向かう反射波をそれぞれ検出する高周波検出手段と、
    前記高周波の基本波とは異なる所定の異周波について、前記高周波検出手段で検出される前記進行波から前記異周波の進行波を抽出し、前記高周波検出手段で検出される前記反射波から前記異周波の反射波を抽出する異周波抽出手段と、
    を備えた高周波電源であって、
    前記異周波毎に、予め取得された、前記高周波検出手段の２つの入出力ポートからそれぞれ当該高周波検出手段に入力する２つの入力波と前記高周波検出手段から出力される前記進行波及び前記反射波との間の伝送特性を示すＳパラメータのマトリクスデータを記憶するマトリクスデータ記憶手段と、
    前記異周波抽出手段で抽出される前記異周波の進行波及び反射波に前記マトリクスデータ記憶手段に記憶されたマトリクスデータを用いた行列の積の演算処理を行って、前記異周波の進行波と反射波をそれぞれ前記高周波検出手段の２つの入出力ポートに入力される進行波と反射波に補正する補正手段と、
    を備えたことを特徴とする、高周波電源。
  2. 前記高周波検出手段は、前記高周波生成手段で生成された前記高周波が入力される第１のポート、当該高周波が出力される第２のポート、前記進行波を出力する第３のポート及び前記反射波を出力する第４のポートを有する方向性結合器で構成され、
    前記マトリクスデータは、前記第１，第２のポートから前記方向性結合器に入力される異周波ｆnの２つの入力波をそれぞれａ1(fn)，ａ2(fn)、前記３，第４のポートから出力される異周波ｆnの前記進行波と前記反射波をそれぞれｂ3(fn)，ｂ4(fn)とすると、Ｓ31(fn)＝ｂ3(fn)／ａ1(fn)、Ｓ32(fn)＝ｂ3(fn)／ａ2(fn)、Ｓ41(fn)＝ｂ4(fn)／ａ1(fn)、Ｓ42(fn)＝ｂ4(fn)／ａ2(fn)を成分とするＳパラメータであり、
    前記補正手段は、前記異周波抽出手段で抽出される異周波ｆnの進行波と反射波をそれぞれｂ3(fn)，ｂ4(fn)とすると、
    ａ1(fn)＝Ｓ13(fn)・ｂ3(fn)＋Ｓ14(fn)・ｂ4(fn) …（Ａ１）
    ａ2(fn)＝Ｓ23(fn)・ｂ3(fn)＋Ｓ24(fn)・ｂ4(fn) …（Ａ２）
    但し、Ｓ13(fn)＝Ｓ42(fn)／Δ(fn) …（Ｂ１）
    Ｓ23(fn)＝−Ｓ41(fn)／Δ(fn) …（Ｂ２）
    Ｓ14(fn)＝−Ｓ32(fn)／Δ(fn) …（Ｂ３）
    Ｓ24(fn)＝Ｓ31(fn)／Δ(fn) …（Ｂ４）
    Δ(fn)＝Ｓ31(fn)・Ｓ42(fn)＋Ｓ32(fn)・Ｓ41(fn)…（Ｂ５）
    を演算することにより、前記高周波検出手段の第１のポートに入力される異周波ｆnの進行波ａ1(fn)と前記高周波検出手段の第２のポートに入力される異周波ｆnの反射波ａ2(fn)を算出する、請求項１に記載の高周波電源。
  3. 前記マトリクスデータ記憶手段は、前記高周波検出手段の前記Ｓパラメータを実測した測定データを記憶する、請求項２に記載の高周波電源。
  4. 前記マトリクスデータ記憶手段は、前記高周波検出手段の前記Ｓパラメータを実測した測定データＳ31(fn)，Ｓ32(fn)，Ｓ41(fn)，Ｓ42(fn)を前記（Ｂ１）式乃至（Ｂ５）式の演算式によって変換した前記Ｓ13(fn)，Ｓ23(fn)，Ｓ14(fn)，Ｓ24(fn)を成分とするＳパラメータを記憶し、
    前記補正手段は、前記異周波抽出手段で抽出される異周波ｆnの進行波ｂ3(fn)と反射波ｂ4(fn)を用いて前記（Ａ１）式と前記（Ａ２）式を演算することにより前記異周波ｆnの進行波ａ1(fn)と反射波ａ2(fn)を算出する、請求項２に記載の高周波電源。
  5. 前記高周波検出手段で検出される前記進行波と前記反射波からそれぞれ前記高周波の基本波の成分を抽出する基本波抽出手段と、
    前記所定の異周波のうち、前記補正手段で補正する異周波を決定する異周波決定手段と、
    前記基本波抽出手段で抽出される前記基本波の進行波及び反射波と前記異周波決定手段で決定された異周波に対して前記異周波抽出手段と前記補正手段とによって算出される補正後の進行波及び反射波とに基づいて、前記高周波生成手段から出力される前記高周波を制御する出力制御手段と、
    を更に備え、
    前記異周波決定手段は、所定の周期で、前記所定の異周波に対して、前記異周波抽出手段と前記補正手段とによって前記高周波検出手段の２つの入出力ポートに入力される進行波と反射波を算出する算出手段と、
    前記算出手段の算出結果と予め設定された異周波レベルの閾値とに基づいて、前記所定の異周波のうち、前記補正手段で補正する異周波を設定する異周波設定手段と、
    を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の高周波電源。
  6. 前記高周波検出手段で検出される前記進行波と前記反射波からそれぞれ前記高周波の基本波の成分を抽出する基本波抽出手段と、
    作業者による指示によって、前記所定の異周波のうち、前記補正手段で補正する異周波を決定する異周波決定手段と、
    前記基本波抽出手段で抽出される前記基本波の進行波及び反射波と前記異周波決定手段で決定された異周波に対して前記異周波抽出手段と前記補正手段とによって算出される補正後の進行波及び反射波とに基づいて、前記高周波生成手段から出力される前記高周波を制御する出力制御手段と、
    を更に備え、
    前記異周波決定手段は、
    前記作業者により異周波の決定処理が指示されると、前記所定の異周波に対して、前記異周波抽出手段と前記補正手段とによって前記高周波検出手段の２つの入出力ポートに入力される進行波と反射波を算出する算出手段と、
    前記算出手段の算出結果に基づいて、各異周波のレベルを前記作業者がモニタ可能に表示する異周波表示手段と、
    前記異周波表示手段の表示に基づき前記作業者から入力される異周波の情報を前記補正手段で補正する異周波に設定する異周波設定手段と、
    を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の高周波電源。
  7. 前記マトリクスデータ記憶手段には、前記所定の異周波の一部に対して前記マトリクスデータが記憶されており、
    前記マトリクスデータ記憶手段に記憶されていない異周波のマトリクスデータを前記マトリクスデータ記憶手段に記憶されているマトリクスデータを用いて所定の補間演算により補間するマトリクスデータ補間手段を更に備え、
    前記補正手段は、前記マトリクスデータ記憶手段に記憶されていない異周波の進行波と反射波を補正する場合、前記マトリクスデータ補間手段により当該異周波のマトリクスデータを補間し、その補間値を用いて異周波の進行波と反射波の補正を行う、請求項１乃至６のいずれか記載の高周波電源。
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