JP2017069823A - インピーダンス整合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体スイッチ素子のオンオフにより静電容量が切り換えられる可変キャパシタを備えた整合回路を用いて、高周波電源とインピーダンスが常に変化している負荷との間のインピーダンスの整合を図る際に、スイッチ素子が熱破壊するのを防ぐインピーダンス整合装置を提供する。
【解決手段】インピーダンスの整合を図るために必要な可変キャパシタＶＣ１、ＶＣ２の静電容量を一定の周期で演算して、インピーダンスの整合を図るために各可変キャパシタのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎがとるべき状態を目標スイッチ状態として求める整合演算部３２Ａと、可変キャパシタのスイッチ素子の状態を最新の目標スイッチ状態に更新するスイッチ状態更新手段３２Ｂとを設ける。スイッチ状態更新手段３２Ｂは、スイッチの状態の更新を設定回数だけ連続して行なう過程と、設定された中断期間の間スイッチ状態の更新を中断する過程と、を繰り返すように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るインピーダンス整合装置に関するものである。

高周波電源からプラズマ負荷等の負荷に電力を供給する場合には、負荷からの電力の反射をなくして負荷に効率良く電力を供給するために、高周波電源と負荷との間にインピーダンス整合装置を設けて、高周波電源の出力インピーダンスと、高周波電源から負荷側を見たインピーダンスとを整合させる（両インピーダンスの間に共役関係を持たせる）ようにしている。

従来から広く用いられているこの種のインピーダンス整合装置は、特許文献１にも示されているように、静電容量を調整する操作軸を備えた機械操作式の可変キャパシタと、可変キャパシタとともに整合回路を構成するインダクタと、可変キャパシタの操作軸を操作するモータと、可変キャパシタの操作軸の位置を目標位置に一致させるようにモータを制御する制御部とを備えて、可変キャパシタの操作軸の位置を、インピーダンスの整合を図るために必要な位置に一致させるようにモータを制御することによりインピーダンスの整合を図るように構成されている。

しかしながら、機械操作式の可変キャパシタを用いた場合には、整合速度を速くする上で限界があるため、プラズマ負荷のようにインピーダンスが常に変化する負荷に高周波電力を供給する場合に、整合動作の追従性が悪くなって、反射電力が増え、負荷への電力の供給を効率よく行うことができなくなるという問題があった。

そこで、特許文献２に示されているように、機械操作式の可変キャパシタの代わりに、キャパシタと該キャパシタに直列に接続した半導体スイッチ素子とからなるキャパシタンス要素を複数個並列に接続した構造を有する可変キャパシタを用いて、負荷のインピーダンスの変化が検出される毎に可変キャパシタを構成する複数のスイッチ素子のオンオフの状態を更新することにより、インピーダンスの整合動作を速やかに行なわせることができるようにした電子制御式のインピーダンス整合装置が提案された。

特開２０１０−１９８５２４号公報 特開２０１２−１４２２８５号公報

特許文献２に示された構成によれば、負荷のインピーダンスが変化したときに、可変キャパシタに設けられている複数のスイッチ素子の状態（オン状態またはオフ状態）を更新して、可変キャパシタの静電容量をインピーダンスの整合を図るために必要な値に調整することにより、インピーダンスの整合を図ることができる。半導体スイッチ素子は高速度でオンオフさせることができるため、特許文献２に示されたインピーダンス整合装置によれば、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を速やかに行なわせることができる。

しかしながら、プラズマ負荷のように、インピーダンスが常に変動している負荷に高周波電力を供給する場合に、負荷インピーダンスの変化に追従して可変キャパシタの静電容量を決定するスイッチ素子の状態を更新し続けると、スイッチ素子の高速でのオンオフ動作が常に行なわれることになるため、スイッチ素子で生じるスイッチングロスが増大して、スイッチ素子が熱破壊するおそれがある。

上記の問題を回避するため、スイッチ素子の状態を更新する周期を長くすることが考えられるが、スイッチ素子の状態を更新する周期を長くすると、負荷インピーダンスが常に変化している場合に、インピーダンスの整合を速やかに行なうことができない。

本発明の目的は、半導体スイッチ素子のオンオフにより静電容量を調整する電子制御式の可変キャパシタを採用した整合回路を用いて、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るインピーダンス整合装置において、負荷のインピーダンスが常に変化している場合に、半導体スイッチ素子の温度上昇を抑制して、該スイッチ素子の保護を適確に図り、かつインピーダンスの整合の精度を大きく低下させることなく、インピーダンスの整合を速やかに行うことができるようにすることにある。

本願明細書においては、上記の課題を解決するために、少なくとも下記の第１ないし第５の発明が開示される。
＜第１の発明＞
第１の発明は、高周波電源とその負荷との間に設けられて高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るインピーダンス整合装置を対象としたもので、本発明においては、第１ないし第ｎ（ｎは２以上の整数）のキャパシタにそれぞれ半導体素子からなる第１ないし第ｎのスイッチ素子を直列に接続して構成した第１ないし第ｎのキャパシタンス要素を互いに並列に接続した構造を有する可変キャパシタを備えて、前記高周波電源と負荷との間に配置された整合回路と、高周波電源から負荷側を見たインピーダンスが反映されたパラメータを設定されたサンプル周期でサンプリングして、該パラメータをサンプリングする毎に高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るために可変キャパシタの第１ないし第ｎのスイッチ素子のそれぞれがとるべき状態（オン状態またはオフ状態）を目標スイッチ状態として求める整合演算を行う整合演算部と、第１ないし第ｎのスイッチ素子のそれぞれの状態を目標スイッチ状態決定手段が決定した最新の目標スイッチ状態に更新する更新処理を行なうスイッチ状態更新手段とを設ける。スイッチ状態更新手段は、サンプル周期により決まる更新周期で更新処理をａ回（ａは２以上の整数）行なう過程と、設定された中断期間の間更新処理を中断する過程とからなる更新過程を繰り返すように構成される。

上記のように、可変キャパシタの第１ないし第ｎのスイッチ素子の状態の更新をａ回行う毎に、設定された中断期間の間スイッチ素子の状態の更新を中断するようにすると、第１ないし第ｎのスイッチ素子の状態の更新をａ回繰り返している間に発生したスイッチングロスによりスイッチ素子のジャンクション（接合部）に蓄積された熱を、中断期間の間に放散させることができるため、スイッチ素子の状態の更新を中断することなく連続的に行なわせた場合に比べて、スイッチ素子のジャンクション温度の上昇を抑制することができる。また中断期間以外の期間はスイッチ素子の状態の更新を行う毎にインピーダンスの整合を速やかにかつ高精度で行うことができるため、スイッチ素子の状態の更新回数ａを適当な値に設定しておくことにより、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合精度を大きく低下させることなく、インピーダンスの整合を速やかに行うことができる。

上記高周波電源から負荷側を見たインピーダンスが反映されたパラメータとしては、高周波電源から負荷に供給される高周波電圧及び高周波電流とこれらの間の位相差とを用いてもよく、また高周波電源の出力端で検出した進行波電力及び反射波電力を用いてもよい。

＜第２の発明＞
第２の発明は、第１の発明に適用されるもので、本発明においては、ｎビットの二進数の最下位の桁及び最上位の桁をそれぞれ第１の桁及び第ｎの桁として、該二進数の第１の桁ないし第ｎの桁にそれぞれ第１ないし第ｎのキャパシタが対応させられる。そして、第１のキャパシタ（Ｃ１）の静電容量をＣminとしたときに、ｋ番目（ｋ＝１〜ｎ）のキャパシタの静電容量Ｃｋが、Ｃｋ＝Ｃmin ・２^ｋ−１の値をとるように、第１ないし第ｎのキャパシタのそれぞれの静電容量が設定される。

このように構成しておくと、二進数の各ビットの各桁の０及び１をそれぞれ各桁に対応するスイッチ素子のオフ状態及びオン状態に対応させることにより、二進数の値の増大に伴って可変キャパシタの静電容量（Ｃ1〜Ｃnの合成静電容量）を一定の静電容量Ｃmin ずつ（例えば１［pF］ずつ）変化させることができるため、スイッチ素子の状態と可変キャパシタの静電容量との対応関係を分りやすくすることができる。

＜第３の発明＞
第３の発明は、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るインピーダンス整合装置を対象としたもので、本発明においても、第１ないし第ｎ（ｎは２以上の整数）のキャパシタにそれぞれ半導体素子からなる第１ないし第ｎのスイッチ素子を直列に接続して構成した第１ないし第ｎのキャパシタンス要素を互いに並列に接続した構造を有する可変キャパシタを備えて高周波電源と負荷との間に配置された整合回路と、高周波電源から負荷側を見たインピーダンスが反映されたパラメータを設定されたサンプル周期でサンプリングしてパラメータをサンプリングする毎に高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るために可変キャパシタの第１ないし第ｎのスイッチ素子のそれぞれがとるべき状態（オン状態またはオフ状態）を目標スイッチ状態として求める整合演算を行う整合演算部と、第１ないし第ｎのスイッチ素子のそれぞれの状態を整合演算部が求めた目標スイッチ状態に更新する更新処理を行なうスイッチ状態更新手段とが設けられる。

またｎビットの二進数の最下位の桁及び最上位の桁をそれぞれ第１の桁及び第ｎの桁として、該二進数の第１の桁ないし第ｎの桁にそれぞれ第１ないし第ｎのキャパシタが対応させられ、第１のキャパシタの静電容量をＣminとしたときに、ｋ番目（ｋ＝１〜ｎ）のキャパシタの静電容量Ｃｋが、Ｃｋ＝Ｃmin ・２^ｋ−１の値をとるように、第１ないし第ｎのキャパシタのそれぞれの静電容量が設定され、第１ないし第ｎのスイッチ素子が、第１ないし第ｍ（ｍは２以上ｎ未満の整数）のスイッチ素子からなる下位グループのスイッチ素子と、第ｍ＋１ないし第ｎのスイッチ素子からなる上位グループのスイッチ素子とに分けられる。

本発明においてはまた、サンプル周期に等しい第１の更新周期ｔ1 とサンプル周期の整数倍の長さを有する第２の更新周期ｔ2 とが設定される。この場合、スイッチ状態更新手段は、下位グループのスイッチ素子の状態を第２の更新周期ｔ2 で更新する第１の更新手段と、第２の更新周期ｔ2 が開始される毎に上位グループのスイッチ素子の状態の更新を第１の更新周期で設定された更新回数ａ（ａは２以上の整数）だけ行なう過程と該更新回数ａの更新が終了した時点から次に第２の更新周期ｔ2 が開始されるまでの間上位グループのスイッチ素子の状態の更新を中断する過程とからなる更新過程を繰り返す第２の更新手段とを備えた構成とする。上記第１の更新周期ｔ1 、第２の更新周期ｔ2 及び更新回数ａは、ａ×ｔ1＜ｔ2の関係が成立するように設定される。

プラズマ負荷のように、常にインピーダンスが微小な変動を示す負荷に高周波電力を供給する場合、インピーダンスを整合させるために必要な可変キャパシタの静電容量を定めるスイッチ素子のうち、高い周波数で細かくオンオフするのは主として静電容量の下位の桁を定める下位グループのスイッチ素子であり、静電容量の上位の桁を定める上位グループのスイッチ素子は比較的低い周波数でオンオフする。そのため、下位グループのスイッチ素子で特に大きなスイッチング損失が生じるが、上位グループのスイッチ素子で生じるスイッチング損失は、下位グループのスイッチ素子で生じるスイッチング損失ほど大きくはならない。

上記第３の発明のように構成した場合には、多くのスイッチング損失が生じる下位グループのスイッチ素子の状態の更新を行う頻度を低くして、下位グループのスイッチ素子で生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。また変動するとインピーダンス整合の精度に大きな影響を及ぼす静電容量の上位の桁を決める上位グループのスイッチ素子の状態の更新を、下位グループのスイッチ素子の状態の更新よりも高い頻度で行うため、インピーダンスの整合精度を大きく低下させることなく、スイッチ素子の保護を図ることができる。

＜第４の発明＞
第４の発明は、第１の発明ないし第３の発明の何れかに適用されるもので、本発明においては、スイッチ状態決定手段が、スイッチ素子の状態の更新を中断している間も、目標スイッチ状態を決定する過程を行って、目標スイッチ状態を随時（前記サンプル周期で）更新するように構成される。

上記のように構成しておくと、中断期間を経た後スイッチ素子の状態の更新を再開する際の目標スイッチ状態を最新の値とすることができるため、インピーダンス整合の誤差を少なくすることができる。

＜第５の発明＞
第５の発明は、第１の発明ないし第４の発明の何れかに適用されるもので、本発明においては、第１ないし第ｎのスイッチ素子の温度が反映された温度を検出する温度センサと、温度センサにより検出された温度が高い場合ほど更新回数ａを少なくするように、温度センサにより検出された温度に応じて更新回数ａを決定する更新回数決定手段とが設けられ、スイッチ状態更新手段は、更新回数決定手段が決定した更新回数ａを用いてスイッチ状態の更新を行うように構成されている。

第１ないし第ｎのスイッチ素子の温度が反映された温度は、例えば第１ないし第ｎのスイッチ素子が実装された基板や、スイッチ素子からの放熱を図るヒートシンクなどの温度である。上記のように構成しておくと、スイッチ状態の更新を中断する期間をスイッチ素子の保護を図る上で必要最小限の長さに設定することが可能になるので、インピーダンス整合精度の低下を抑えることができる。

本発明によれば、第１ないし第ｎのスイッチ素子のオンオフにより静電容量を調整する電子制御式の可変キャパシタを採用した整合回路を用いて、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図る場合に、可変キャパシタのスイッチ素子の状態の更新をａ回行う毎に、設定された中断期間の間スイッチ素子の状態の更新を中断するようにしたので、スイッチ素子の状態の更新を繰り返している間に発生したスイッチングロスによりスイッチ素子のジャンクションに蓄積された熱を、中断期間の間に放散させることができる。従って、本発明によれば、スイッチ素子のジャンクション温度の上昇を抑制して、スイッチ素子の保護を図りつつ、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図ることができる。またスイッチ素子の状態の更新回数ａを適当な値に設定しておくことにより、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合精度を大きく低下させることなく、インピーダンスの整合を速やかに行うことができる。

また請求項３に記載された発明によれば、可変キャパシタの静電容量を決定する第１ないし第ｎのスイッチ素子を、可変キャパシタンスの静電容量の上位の桁を決定する上位グループのスイッチ素子と静電容量の下位の桁を決定する下位グループのスイッチ素子とに分けて、更新されないとインピーダンスの整合精度に大きな影響を及ぼす静電容量の値の上位の桁を決定する上位のグループのスイッチ素子の状態の更新を、変化してもインピーダンスの整合精度に与える影響が少ない静電容量の下位の桁を決定する下位グループのスイッチ素子の状態の更新よりも高い頻度で行うようにしたので、インピーダンス整合の精度を大きく低下させることなく、スイッチ素子の保護を適確に図ることができる。

本発明に係るインピーダンス整合装置の一実施形態の回路構成を示した回路図である。 本発明の実施形態で用いる制御部の構成例を示したブロック図である。 本発明の実施形態で用いる制御部の他の構成例を示したブロック図である。 本発明の実施形態で用いる制御部を図２に示したように構成した場合の動作を説明するタイムチャートである。 本発明の実施形態で用いる制御部を図３に示したように構成した場合の動作を説明するタイムチャートである

以下図面を参照して本発明に係るインピーダンス整合装置の一実施形態を説明する。図１は、本発明に係るインピーダンス整合装置の一実施形態の回路構成を示したもので、同図において１は高周波電力を出力する高周波電源、２は高周波電源１から高周波電力が供給される負荷、３は高周波電源１と負荷２との間に設けられて、高周波電源１から負荷側を見たインピーダンス（負荷側インピーダンス）を高周波電源１の出力インピーダンスに整合させる（負荷側インピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとを共役関係にする）動作を行うインピーダンス整合装置、４は高周波電源１から負荷側を見たインピーダンスを演算するために用いるパラメータを検出する高周波検出部である。

本実施形態では、負荷２が半導体処理装置等に用いられるプラズマ負荷であるとする。プラズマ負荷は、例えば、被処理物が収容されるチャンバと、該チャンバ内に配置されたプラズマ発生用電極とを備えていて、プラズマ発生用電極に高周波電力が供給された際に、チャンバ内のガスをイオン化してプラズマを発生させる。プラズマ負荷は常時インピーダンスが変動するため、インピーダンス整合装置３には、インピーダンス整合動作を高速で行うことが要求される。

インピーダンス整合装置３は、高周波電源１と負荷２との間に設けられた整合回路３１と、整合回路３１を制御する制御部３２とからなっている。整合回路３１は種々の形態をとり得るが、本実施形態では、高周波電源１の非接地側出力端子に高周波検出部４を通して一端が接続されるとともに他端が接地された第１の可変キャパシタＶＣ１と、第１の可変キャパシタＶＣ１の一端に一端が接続された第２の可変キャパシタＶＣ２と、第２の可変キャパシタＶＣ２の他端と負荷２との間に接続されたインダクタＬ１とにより整合回路３１が構成されている。

本実施形態で用いる可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２のそれぞれは、第１ないし第ｎ（ｎは２以上の整数）のキャパシタＣ１〜Ｃｎにそれぞれ半導体素子からなる第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎを直列に接続して構成した第１ないし第ｎのキャパシタンス要素Ｃe1〜Ｃenを互いに並列に接続した構造を有する。このように可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２を構成した場合、各可変キャパシタの静電容量は、オン状態にあるスイッチ素子に直列に接続されているキャパシタの静電容量の合計値に等しくなる。例えば、第１のスイッチ素子Ｓ１と第３のスイッチ素子Ｓ３とがオン状態にあり、他のスイッチ素子がオフ状態にあるときの可変キャパシタの静電容量は、キャパシタＣ１の静電容量とキャパシタＣ３の静電容量との合計値に等しくなる。

本実施形態では、第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎが、高速でオンオフ制御を行うことができるＰＩＮダイオードからなっている。各ＰＩＮダイオードは、図示しないドライバ回路からそのアノード・カソード間に逆方向の直流電圧が印加されることによりオフ状態にされ、アノード・カソード間に一定の順方向の直流電圧が印加されることによりオン状態にされる。ＰＩＮダイオードは、順方向に一定のＤＣ電流が流れているときに低インピーダンスを示す状態（オン状態）になる。ＰＩＮダイオードがオン状態にあるときには、該ダイオードを通して高周波電流を双方向に流すことができる。

図示のように可変キャパシタを構成すると、第１ないし第ｎのキャパシタＣ１〜Ｃｎの静電容量を異ならせておいて、第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎのそれぞれの状態（オン状態またはオフ状態）を適宜に選択することにより、可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２の静電容量を２のｎ乗ステップで調整することができる。

本実施形態では、ｎビットの二進数の最下位の桁及び最上位の桁をそれぞれ第１の桁及び第ｎの桁として、該二進数の第１の桁ないし第ｎの桁にそれぞれ第１ないし第ｎのキャパシタＣ１〜Ｃｎを対応させ、第１ないし第ｎのキャパシタＣ１〜Ｃｎの静電容量のうちの最小の静電容量である第１のキャパシタＣ１の静電容量をＣmin としたときに、ｋ番目（ｋ＝１〜ｎ）のキャパシタ（二進数の最下位の桁からｋ桁目に対応させたキャパシタ）の静電容量Ｃｋが、下記の（１）式により決まる値をとるように、第１ないし第ｎのキャパシタＣ１〜Ｃｎのそれぞれの静電容量を設定する。
Ｃｋ＝Ｃmin ・２^ｋ−１ （１）

上記の式において、ｋ−１は、ｋ番目のキャパシタが対応する二進数の最下位の桁からｋ桁目のビットのビット位置を示すビット番号である。上記のように第１ないし第ｎのキャパシタの静電容量を定めておくと、第１のスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎの状態（オン状態またはオフ状態）の組み合わせを変えることにより、Ｃmin ずつ値が異なる２^ｎ通りの静電容量(Ｃ1 〜Ｃn の合成キャパシタ容量）を得ることができる。

例えば、ｎ＝４、Ｃmax＝１pFとして、４桁の二進数の第１の桁〜第４の桁にそれぞれ第１のスイッチ素子Ｓ１〜第４のスイッチ素子Ｓ４を対応させ、（１）式に従って、キャパシタＣ１ないしＣ４の静電容量をそれぞれ１、２、４、８［pF］とすると、下記の表１に示すように、静電容量がＣmin［pF］（本例では１［pF］）ずつ異なる２^４ 通り（本例では１６通り）の値（本例では０〜１５［pF］）をとり得る可変キャパシタを得ることができる。

また例えば、ギャパシタを１０個設けて（ｎ＝１０として）、第1のキャパシタＣ１の静電容量を１「pF」とし、キャパシタＣ１，Ｃ２，…の静電容量を１pF，２pF，４pF，８pF，…のように順次２倍にして１０番目のキャパシタの静電容量を５１２pFとした場合には、０pFから１０２３pFまで、１pF単位で可変キャパシタの静電容量を調整することができる。

図１に示された高周波検出部４は、高周波電源１より負荷２側を見たインピーダンスである負荷側インピーダンスを演算するために用いるパラメータを検出する部分である。本実施形態では、高周波電源１から負荷２に与えられる高周波電圧及び高周波電流と、これらの位相差とを負荷側インピーダンスが反映されたパラメータとして高周波検出部４から検出する。

図２を参照すると、本実施形態で用いる制御部３２の構成例が示されている。図２に示した制御部３２は、整合演算部３２Ａと、スイッチ状態更新手段３２Ｂとにより構成されている。整合演算部3２Ａは、高周波電源１から負荷側を見たインピーダンスが反映されたパラメータを設定されたサンプル周期でサンプリングして、パラメータをサンプリングする毎に高周波電源１と負荷との間のインピーダンスの整合を図るために可変キャパシタの第１ないし第ｎのスイッチ素子のそれぞれがとるべき状態（オン状態またはオフ状態）を目標スイッチ状態として求める整合演算を行うように構成される。

またスイッチ状態更新手段３２Ｂは、第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎのそれぞれの状態を整合演算部３２Ａが求めた目標スイッチ状態に更新する更新処理を行なう手段で，本発明においては、このスイッチ状態更新手段３２Ｂが、パラメータのサンプル周期により決まる更新周期で更新処理をａ回（ａは２以上の整数）行なう過程と、設定された中断期間の間更新処理を中断する過程とからなる更新過程を繰り返すように構成される。

本実施形態では、整合演算部３２Ａ及び目標スイッチ状態決定手段３２Ｂを所定のタイミングで動作させるために、図４（Ｂ）に示すようにサンプル周期ｔ1 でサンプルパルスＰｓを発生するパルス発生器と、サンプルパルスＰｓと同期させて、図４（Ａ）に示すように、サンプル周期ｔ1よりも十分に長く、かつサンプル周期ｔ1の整数倍の周期ｔ2でサンプル制御パルスＰｃを発生するパルス発生器とが制御部３２に設けられている。

図２に示された整合演算部３２Ａは、静電容量演算手段３２Ａ1と、目標スイッチ状態決定手段３２Ａ2とにより構成されている。静電容量演算手段３２Ａ1は、例えば、高周波検出部４により検出されるパラメータを一定のサンプル周期ｔ1 で（サンプルパルスＰｓが発生する毎に）サンプリングして、パラメータをサンプリングする毎に負荷側インピーダンスを演算する負荷側インピーダンス演算手段と、この演算手段により演算された負荷側インピーダンスを高周波電源の出力インピーダンスに整合させるために必要な可変キャパシタＶＣ１，ＶＣ２の静電容量を目標静電容量として演算する目標静電容量演算手段とにより構成することができる。

また目標スイッチ状態決定手段３２Ａ2は、静電容量演算手段３２Ａ1により目標静電容量が演算される毎に、可変キャパシタＶＣ１，ＶＣ２の静電容量を演算された目標静電容量とする（目標静電容量に等しくするか、またはできるだけ近づける）ために、可変キャパシタＶＣ１，ＶＣ２に設けられている第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎのそれぞれがとるべき状態（オン状態またはオフ状態）を目標スイッチ状態として求める。目標スイッチ状態決定手段３２Ａ2は、静電容量演算手段３２Ａ1 が演算した目標静電容量に対して、スイッチ状態決定用マップ（目標静電容量とスイッチ状態との関係を与えるマップ）を検索することにより目標スイッチ状態を決定するように構成すことができる。

本実施形態で用いる整合演算部３２Ａは、サンプルパルスＰｓが発生する毎に目標スイッチ状態を求める整合演算を行って、図４（Ｃ）に示すように、サンプルパルスＰｓが発生する毎に目標スイッチ状態を更新する。

スイッチ状態更新手段３２Ｂは、第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎのそれぞれの状態を整合演算部３２Ａが決定した最新の目標スイッチ状態に更新する更新処理をパラメータのサンプリング動作に同期して行なうように構成される。本実施形態においては、スイッチ状態更新手段３２Ｂが、図４（Ｄ）に示すように、パラメータのサンプリングに同期して、設定された更新期間ａ×ｔ1の間、サンプル周期ｔ1 により決まる更新周期で更新処理をａ回（ａは２以上の整数）行なう過程と、設定された中断期間ｔintの間更新処理を中断してスイッチＳ１〜Ｓｎの状態を中断直前の状態に維持する過程とからなる更新過程を繰り返すように構成されている。

図４（Ｄ）に示した例では、各サンプル制御パルスＰｃが発生する毎にスイッチ状態の更新を開始して、サンプリング動作に同期して更新処理をａ回行った後（ａ×ｔ1の更新期間が経過した後）、次のサンプル制御パルスＰｃが発生するまでの期間を中断期間ｔintとして、この中断期間の間更新処理を中断するようにしている。

上記のように、可変キャパシタの第１ないし第ｎのスイッチ素子の状態の更新をａ回行う毎に、設定された中断期間の間スイッチ素子の状態の更新を中断するようにすると、第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎの状態の更新をａ回繰り返している間に発生したスイッチングロスによりスイッチ素子のジャンクション（接合部）に蓄積された熱を、中断期間ｔintの間に放散させることができるため、スイッチ素子の状態の更新を中断することなく連続的に行なわせた場合に比べて、スイッチ素子のジャンクション温度の上昇を抑制して、スイッチ素子の保護を図ることができる。またスイッチ素子の状態の更新回数ａを適当な値に設定しておくことにより、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合精度が大きく悪化するのを防ぐことができる。なおインピーダンスの整合精度は、例えば、高周波電源の出力インピーダンスと実際の負荷側インピーダンスとの差を高周波電源の出力インピーダンスで除した値を用いて評価することができる。

上記更新回数ａは、第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎのうち、スイッチ状態（オン状態またはオフ状態）の更新の頻度が高く、頻繁にオンオフさせられるために、スイッチングロスが多く発生し、ジャンクション温度の上昇が特に問題になるスイッチ素子のジャンクション温度を許容範囲に収めること、インピーダンスの整合誤差を、負荷の動作を保証する上で必要な範囲に収めること、反射電力を許容範囲に収めること等を配慮して、実験に基づいて適正な値に設定する。スイッチ素子のジャンクション温度は、例えばスイッチ素子の表面温度を検出することにより推定すことができる。

スイッ状態の更新の頻度が高く頻繁にオンオフさせられるために、ジャンクション温度の上昇が特に問題になるスイッチ素子は、一般には、可変キャパシタの目標静電容量の下位の桁の数値を決定するスイッチ素子である。

上記更新回数ａは、固定値としてもよいが、更新回数ａをスイッチ素子の発熱の状況に応じて変えるようにしてもよい。例えば、第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎの温度が反映された温度を検出する温度センサと、この温度センサにより検出された温度が高い場合ほど更新回数ａを少なくするように、温度センサにより検出された温度に応じて更新回数ａを決定する更新回数決定手段とを設けて、更新回数決定手段が決定した更新回数ａを用いてスイッチ状態の更新を行うように、スイッチ状態更新手段を構成することもできる。

第１ないし第ｎのスイッチ素子の温度が反映された温度は、例えば第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎが実装された基板や、スイッチ素子からの放熱を図るヒートシンクなどの温度とすることができる。上記のように構成しておくと、スイッチ状態の更新を中断する期間をスイッチ素子の保護を図る上で必要最小限の長さに設定することが可能になるため、インピーダンス整合精度の低下を抑えることができる。

プラズマ負荷のように、インピーダンスが常に微小な変動を示す負荷２に高周波電力を供給する場合、インピーダンスを整合させるために必要な可変キャパシタの静電容量を定めるスイッチ素子のうち、目標スイッチ状態が頻繁に変更されて高い周波数で頻繁にオンオフさせられるのは主として静電容量の下位の桁の値を定めるスイッチ素子であり、静電容量の上位の桁の値を定めるスイッチ素子の状態の更新は、殆ど行われないか、または行われたとしても比較的低い頻度で行われる。

例えば表１に示した例において、スイッチ素子Ｓ４の状態の更新は殆ど行われないが、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ３の状態の更新は頻繁に行われる。従って、静電容量の下位の桁の値を定めるスイッチ素子で特に大きなスイッチング損失が生じるが、静電容量の上位の桁の値を定めるスイッチ素子で生じるスイッチング損失は、静電容量の下位の桁の値を定めるスイッチ素子で生じるスイッチング損失ほど大きくはならない。

また、可変キャパシタの静電容量の下位の桁の値の変動（目標値からのずれ）は、インピーダンスの整合精度にそれほど大きな影響を与えないが、可変キャパシタの上位の桁の値の変動はインピーダンスの整合精度に大きな影響を及ぼす。

そこで、可変キャパシタに設けられる第１ないし第ｎのスイッチ素子の状態の更新を一律に制限するのではなく、多くのスイッチング損失が生じるスイッチ素子の状態の更新を十分に制限し、発生するスイッチング損失が比較的少ないスイッチ素子の状態の更新は余り制限しないようにすることが考えられる。このように、発生する可能性があるスイッチング損失の大小に応じて、スイッチ素子の状態の更新の仕方を異ならせるようにした実施形態の構成を、図３に示し、その動作を示すタイムチャートを図５に示した。

図３に示した実施形態においては、サンプル周期に等しい第１の更新周期ｔ1 と、サンプル周期の整数倍の長さを有する第２の更新周期ｔ2 とが設定される。本実施形態では、サンプルパルスＰｓの発生周期が第１の更新周期ｔ1 として用いられ、サンプル制御パルスＰｃの発生周期が第２の更新周期ｔ2 として用いられる。

本実施形態においても、ｎビットの二進数の最下位の桁及び最上位の桁をそれぞれ第１の桁及び第ｎの桁として、該二進数の第１の桁ないし第ｎの桁にそれぞれ第１ないし第ｎのキャパシタが対応させられ、第１のキャパシタの静電容量をＣminとしたときに、ｋ番目（ｋ＝１〜ｎ）のキャパシタの静電容量Ｃｋが、Ｃｋ＝Ｃmin ・２^ｋ−１の値をとるように、第１ないし第ｎのキャパシタのそれぞれの静電容量が設定されている、そして、キャパシタＣ１〜Ｃｎが、可変キャパシタの静電容量の下位の桁を定める下位グループのキャパシタＣ１〜Ｃｍ（ｍは２以上ｎ未満の整数）と、可変キャパシタの静電容量の上位の桁を定める上位グループのキャパシタＣm+1〜Ｃｎとに分けられ、第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎが、下位グループのキャパシタＣ１〜Ｃｍにそれぞれ直列に接続された下位グループのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｍと、上位グループのキャパシタＣm+1〜Ｃｎにそれぞれ直列に接続された上位グループのスイッチ素子Ｓm+1〜Ｓｎとに分けられる。

本実施形態で用いるスイッチ状態更新手段３２Ｂは、図５（Ｅ）に示すように、下位グループのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｍの状態を第２の更新周期ｔ2 で更新する第１の更新手段３２Ｂ2と、図５（Ｄ）に示すように、第２の更新周期ｔ2 が開始される毎に上位グループのスイッチ素子の状態の更新を第１の更新周期ｔ1 で設定された更新回数ａ（ａは２以上の整数）だけ（更新期間ｔ1 ×ａの間だけ）行なう過程と、該更新回数ａの更新が終了した時点から次に第２の更新周期ｔ2 が開始されるまでの中断期間ｔintの間上位グループのスイッチ素子の状態の更新を中断してそれぞれのスイッチ素子の状態を中断直前の状態に維持する過程とからなる更新過程を繰り返す第２の更新手段３２Ｂ2 とにより構成される。上記第１の更新周期ｔ1 、第２の更新周期ｔ2 及び更新回数ａは、ａ×ｔ1＜ｔ2の関係が成立するように設定される。図３に示した実施形態のその他の構成は、図２に示した実施形態の対応部分の構成と同様である。

本実施形態のように構成した場合には、負荷側インピーダンスの細かい変化に応じて頻繁にオンオフさせられるために多くのスイッチング損失が生じる下位グループのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｍの状態の更新を行う頻度を低くして、下位グループのスイッチ素子で生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。また変動するとインピーダンス整合の精度に大きな影響を及ぼす静電容量の上位の桁を決める上位グループのスイッチ素子Ｓm+1 〜Ｓｎの状態の更新を、下位グループのスイッチ素子の状態の更新よりも高い頻度で行うため、インピーダンスの整合精度を大きく低下させることなく、スイッチ素子の保護を適確に図ることができる。

可変キャパシタのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎの最適なグループ分けは、負荷の定常運転時に生じるインピーダンスの変化から予測される各スイッチ素子の状態の更新の頻度や、スイッチ素子の温度の実測値等に基づいて、ｍの値を種々異ならせてグループ分けを行った複数のサンプルを用意して、これらのサンプルについて、スイッチ素子で生じる発熱の量を確認する実験を行うことにより決定することができる。

上記の実施形態では、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るために可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２の静電容量がとるべき値を目標静電容量として演算して、可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２の静電容量を演算された目標静電容量とするために、それぞれの可変キャパシタのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎがとるべき状態を目標スイッチ状態として求めるように整合演算部を構成したが、整合演算部は、最終的にスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎがとるべき状態を決定することができればよく、その構成は上記の実施形態で示した例に限定されない。

例えば、負荷側インピーダンスと各可変キャパシタのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎがとるべき目標スイッチ状態との間の関係を与えるマップを用意しておいて、負荷側インピーダンスに対してこのマップを検索することにより、目標スイッチ状態を求めるようにしてもよい。

また上記の説明では、パラメータをサンプリングする毎に負荷側インピーダンスを演算して、演算した負荷側インピーダンスを高周波電源の出力インピーダンスに整合させるための可変キャパシタの静電容量を演算するとしたが、負荷側インピーダンスを高周波電源の出力インピーダンスに整合させるために必要な可変キャパシタの静電容量の決め方は、上記の実施形態で示した例に限定されない。

例えば、高周波検出部４として、進行波電力検出信号と反射波電力検出信号とを出力するものを用いて、サンプリングした進行波電力検出信号と反射波電力検出信号とから演算される反射係数を零にするように可変キャパシタの静電容量を決定する方法をとる場合にも本発明を適用することができる。

上記の説明では、可変キャパシタに設ける第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜ＳｎとしてＰＩＮダイオードを用いたが、第１ないし第ｎのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎは、高速でオンオフ動作を行わせることが可能なスイッチ素子であればよく、ＰＩＮダイオードに代えて、例えばＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。

上記の実施形態では、整合回路として、１個のインダクタと、２個の可変キャパシタとにより構成されたＬ型の回路を用いたが、本発明は、可変キャパシタの静電容量を調節することによりインピーダンスの整合を図る種々の整合回路を用いる場合に広く適用することができる。

上記の説明では、負荷２がプラズマ負荷であるとしたが、本発明において、高周波電源１から高周波電力を供給する負荷２はプラズマ負荷に限定されない。

１ 高周波電源
２ 負荷
３ インピーダンス整合装置
４ 高周波検出部
３１ 整合回路
３２ 制御部
３２Ａ 整合演算部
３２Ａ1 静電容量演算手段
３２Ａ2 目標スイッチ状態決定手段
３２Ｂ スイッチ状態更新手段
Ｌ１ インダクタ
ＶＣ１，ＶＣ２ 可変キャパシタ
Ｃ１〜Ｃｎ 第１ないし第ｎのキャパシタ
Ｃ１〜Ｃｍ 下位グループのキャパシタ
Ｃm+1〜Ｃｎ 上位グループのキャパシタ
Ｓ１〜Ｓｎ 第１ないし第ｎのスイッチ素子
Ｓ１〜Ｓｍ 下位グループのスイッチ素子
Ｓm+1〜Ｓｎ 上位グループのスイッチ素子

Claims (5)

1. 高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るインピーダンス整合装置において、
   第１ないし第ｎ（ｎは２以上の整数）のキャパシタにそれぞれ半導体素子からなる第１ないし第ｎのスイッチ素子を直列に接続して構成した第１ないし第ｎのキャパシタンス要素を互いに並列に接続した構造を有する可変キャパシタを備えて、前記高周波電源と負荷との間に配置された整合回路と、
   前記高周波電源から負荷側を見たインピーダンスが反映されたパラメータを設定されたサンプル周期でサンプリングして、前記パラメータをサンプリングする毎に前記高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るために前記可変キャパシタの第１ないし第ｎのスイッチ素子のそれぞれがとるべき状態（オン状態またはオフ状態）を目標スイッチ状態として求める整合演算を行う整合演算部と、
   前記第１ないし第ｎのスイッチ素子のそれぞれの状態を前記整合演算部が求めた目標スイッチ状態に更新する更新処理を行なうスイッチ状態更新手段とを備え、
   前記スイッチ状態更新手段は、前記サンプル周期により決まる更新周期で前記更新処理をａ回（ａは２以上の整数）行なう過程と、設定された中断期間の間更新処理を中断する過程とからなる更新過程を繰り返すように構成されていることを特徴とするインピーダンス整合装置。
2. ｎビットの二進数の最下位の桁及び最上位の桁をそれぞれ第１の桁及び第ｎの桁として、該二進数の第１の桁ないし第ｎの桁にそれぞれ前記第１ないし第ｎのキャパシタが対応させられ、前記第１のキャパシタの静電容量をＣmin としたときに、ｋ番目（ｋ＝１〜ｎ）のキャパシタの静電容量Ｃｋが、Ｃｋ＝Ｃmin ・２^ｋ−１の値をとるように、前記第１ないし第ｎのキャパシタのそれぞれの静電容量が設定されていること、
   を特徴とする請求項１または２に記載のインピーダンス整合装置。
3. 高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るインピーダンス整合装置において、
   第１ないし第ｎ（ｎは２以上の整数）のキャパシタにそれぞれ半導体素子からなる第１ないし第ｎのスイッチ素子を直列に接続して構成した第１ないし第ｎのキャパシタンス要素を互いに並列に接続した構造を有する可変キャパシタを備えて、前記高周波電源と負荷との間に配置された整合回路と、
   前記高周波電源から負荷側を見たインピーダンスが反映されたパラメータを設定されたサンプル周期でサンプリングして、前記パラメータをサンプリングする毎に前記高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るために前記可変キャパシタの第１ないし第ｎのスイッチ素子のそれぞれがとるべき状態（オン状態またはオフ状態）を目標スイッチ状態として求める整合演算を行う整合演算部と、
   前記第１ないし第ｎのスイッチ素子のそれぞれの状態を前記整合演算部が求めた目標スイッチ状態に更新する更新処理を行なうスイッチ状態更新手段とを備え、
   ｎビットの二進数の最下位の桁及び最上位の桁をそれぞれ第１の桁及び第ｎの桁として、該二進数の第１の桁ないし第ｎの桁にそれぞれ前記第１ないし第ｎのキャパシタが対応させられ、
   前記第１のキャパシタの静電容量をＣmin としたときに、ｋ番目（ｋ＝１〜ｎ）のキャパシタの静電容量Ｃｋが、Ｃｋ＝Ｃmin ・２^ｋ−１の値をとるように、前記第１ないし第ｎのキャパシタのそれぞれの静電容量が設定され、
   前記第１ないし第ｎのスイッチ素子は、第１ないし第ｍ（ｍは２以上ｎ未満の整数）のスイッチ素子からなる下位グループのスイッチ素子と、第ｍ＋１ないし第ｎのスイッチ素子からなる上位グループのスイッチ素子とに分けられ、
   前記サンプル周期に等しい第１の更新周期ｔ1 と前記サンプル周期の整数倍の長さを有する第２の更新周期ｔ2 とが設定され、
   前記スイッチ状態更新手段は、前記下位グループのスイッチ素子の状態を前記第２の更新周期ｔ2 で更新する第１の更新手段と、前記第２の更新周期ｔ2 が開始される毎に前記上位グループのスイッチ素子の状態の更新を前記第１の更新周期で設定された更新回数ａ（ａは２以上の整数）だけ行なう過程と該更新回数ａの更新が終了した時点から次に第２の更新周期ｔ2 が開始されるまでの間上位グループのスイッチ素子の状態の更新を中断する過程とからなる更新過程を繰り返す第２の更新手段とを備え、
   前記第１の更新周期ｔ1 、第２の更新周期ｔ2 及び更新回数ａは、ａ×ｔ1＜ｔ2の関係が成立するように設定されていること、
   を特徴とするインピーダンス整合装置。
4. 前記整合演算部は、スイッチ素子の状態の更新を中断している間も、目標スイッチ状態を求めて、目標スイッチ状態を随時更新するように構成されている請求項１、２または３に記載のインピーダンス整合装置。
5. 前記第１ないし第ｎのスイッチ素子の温度が反映された温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサにより検出された温度が高い場合ほど前記更新回数ａを少なくするように、前記温度センサにより検出された温度に応じて前記更新回数ａを決定する更新回数決定手段とが設けられ、
   前記スイッチ状態更新手段は、前記更新回数決定手段が決定した更新回数ａを用いてスイッチ状態の更新を行うことを特徴とする請求項１ないし４の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。

Images