JP6009931B2 - High frequency power supply - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ処理装置等の負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置に関するものである。 The present invention relates to a high frequency power supply apparatus that supplies high frequency power to a load such as a plasma processing apparatus.
半導体のエッチングなどのプラズマ処理を行う場合には、図8に示すように、商用周波数の交流入力を高周波出力に変換する高周波電源装置1を設けて、高周波電源装置1の出力を、インピーダンス整合器2を通してプラズマ処理装置(負荷)3に供給している。
When plasma processing such as etching of a semiconductor is performed, as shown in FIG. 8, a high frequency
高周波電源装置1は、例えば図9に示したように、可変直流電源11と、可変直流電源11の出力を電源として動作するスイッチングアンプからなるパワーアンプ12と、高周波電力の基本周波数を有する高周波信号を発生する高周波発振部13と、高周波信号を増幅してパワーアンプ12から高周波電力を出力させるべく、高周波発振部13が出力する高周波信号によりパワーアンプ12を駆動するドライバ14と、パワーアンプ12の出力から高調波成分を除去するローパスフィルタ15と、ローパスフィルタを通過した高周波電力を負荷に向けて出力する高周波電力出力端子1aと、高周波電力出力端子1aを通して負荷に供給される進行波と、負荷から戻ってくる反射波とを検出して、進行波電力検出信号Pf及び反射電力検出信号Prを出力するパワー検出器16と、進行波電力検出信号Pf及び反射電力検出信号Prと、進行波電力設定信号PSと、反射電力保護レベル設定信号Pr−Sとを入力として可変直流電源11を制御する制御部17とにより構成される。
For example, as shown in FIG. 9, the high-
可変直流電源11は例えば、商用周波数の交流入力を整流する整流回路と、この整流回路の直流出力を交流出力に変換するインバータと、このインバータの出力を整流して平滑する整流平滑回路とからなっていて、インバータの交流出力をPWM制御することにより、レベルが調整された直流電力を出力する。
The variable
パワーアンプ12を構成するスイッチングアンプは、例えば可変直流電源11の出力が直流入力端子に印加されたフルブリッジ型のインバータにより構成される。ドライバ14は、高周波発振部13が出力する高周波信号に応じてスイッチングアンプを構成するインバータの各アームのスイッチ素子の制御端子に駆動信号を与えて、高周波信号に応じてインバータのスイッチ素子をオンオフさせることにより、高周波発振部13が出力する高周波信号の周波数を基本周波数とした高周波電力をパワーアンプ12から出力させる。この場合、高周波電力のレベルは、可変直流電源11の出力を制御することにより制御される。
The switching amplifier constituting the
制御部17は、進行波電力設定信号PSと進行波電力検出信号Pfとを比較して、パワー検出器16が出力する進行波電力検出信号Pfを進行波電力設定信号PSに等しくするようにパワーアンプの出力を制御する定常時出力制御を行うとともに、反射電力検出信号Prと反射電力保護レベル設定信号Pr−Sとを比較して、反射電力検出信号Prが保護レベル設定信号Pr−Sを超えたとき(反射電力が保護レベルを超えたとき)に、パワーアンプ12の出力を抑制して、反射電力検出信号Prを保護レベル設定信号Pr−Sに等しくするようにパワーアンプの出力を制御する保護制御を行う。制御部17はまた、ドライバ14の出力のon/offや、ドライバ14の出力の振幅の調整等を行う。この種の高周波電源装置は例えば特許文献1に示されている。
The
上記の例では、直流電力を高周波電力に変換するパワーアンプ12としてスイッチングアンプを用いているが、特許文献2に示されているように、直流電源の出力を電源として、高周波発振部の出力を電力増幅するリニアアンプによりパワーアンプを構成する場合もある。図10は、リニアアンプからなるパワーアンプを用いた高周波電源装置1の構成例を示している。この高周波電源装置1は、一定の直流電圧を出力する直流電源21と、直流電源21の出力を電源として動作するリニアアンプからなるパワーアンプ22と、高周波出力の基本周波数を有する高周波信号を発生する高周波発振部23と、高周波発振部23が出力する高周波信号を増幅してパワーアンプ22に入力するプリアンプ24と、パワーアンプ22の出力から高調波成分を除去するローパスフィルタ25と、ローパスフィルタを通過した高周波電力を負荷に向けて出力する高周波電力出力端子1aと、高周波電力出力端子1aを通して負荷に供給される進行波電力と負荷側から高周波電力出力端子1aに戻ってくる反射電力とを検出して進行波電力検出信号Pf及び反射電力検出信号Prを出力するパワー検出器26と、進行波電力検出信号Pf及び反射電力検出信号Prと、進行波電力設定信号PSと、反射電力保護レベル設定信号Pr−Sとを入力としてプリアンプ24を制御するとともに、直流電源部21の出力電圧を一定に保つように制御する制御部27とにより構成されている。制御部27は、パワー検出器26が出力する進行波電力検出信号Pfを進行波電力設定信号PSに等しくするようにパワーアンプの出力を制御する定常時出力制御と、反射電力検出信号Prが保護レベル設定信号Pr−Sを超えたときに、パワーアンプ22の出力を抑制して、反射電力検出信号Prを保護レベル設定信号Pr−Sに等しくするようにパワーアンプを制御する保護制御とを行う。図10に示された制御部27はまた、直流電源21の出力のon/offや、直流電源21の出力レベルの調整等を行う。
In the above example, a switching amplifier is used as the
図9及び図10に示された高周波電源装置は、パワーアンプがスイッチングアンプにより構成されるか、リニアアンプにより構成されるかの違いがあるだけで、それぞれの主要部の構成はほぼ同じである。この種の高周波電源装置に用いられる制御部17,27は例えば図11に示すように構成されている。
The high-frequency power supply device shown in FIGS. 9 and 10 has substantially the same configuration of each main part, except that the power amplifier is configured by a switching amplifier or a linear amplifier. . For example, the
図11に示された制御部は、反射電力が保護レベル以下の定常時に進行波電力を設定レベルに保つようにパワーアンプ12又は22を制御する定常時出力制御手段31と、反射電力が設定された保護レベルを超えた時に反射電力を保護レベルに保つようにパワーアンプ12又は22を制御する反射電力保護手段32と、直流電源から出力される直流電流、直流電圧、負荷に供給される高周波電流、パワーアンプで生じる損失等の他の因子が保護レベルを超えたときに当該他の因子を保護レベルに保つようにパワーアンプを制御する他の因子保護手段33とにより構成されている。
The control unit shown in FIG. 11 is configured so that the reflected power is set and the steady-state output control means 31 that controls the
定常時(反射電力が設定された保護レベル以下の時)には、定常時出力制御手段31のみが動作する。ここで、保護レベルとは、パワーアンプを破損することなく動作させることができる反射電力の最大レベル以下に設定されたレベルであり、パワーアンプは、反射電力がこの保護レベル以下であれば破損することなく動作することができる。 At regular times (when the reflected power is below the set protection level), only the steady-state output control means 31 operates. Here, the protection level is a level set below the maximum level of reflected power that can be operated without damaging the power amplifier, and the power amplifier is damaged if the reflected power is below this protection level. It can operate without
定常時出力制御手段31は、進行波電力設定信号PSと進行波電力検出信号Pfとを比較して、両者の値を等しくするように制御信号P-CNTを制御対象(可変直流電源11又はプリアンプ24)に与える。制御対象(可変直流電源11又はプリアンプ24)は、制御信号P-CNTに応じてその出力を変化させて、進行波電力設定信号PSを進行波電力検出信号Pfに等しくするように、高周波電源装置の高周波出力を調整する。
The constant power control means 31 compares the traveling wave power setting signal PS and the traveling wave power detection signal Pf, and controls the control signal P-CNT so that the values of both are equal (the variable
負荷のインピーダンスが急変して、インピーダンス整合器2により高周波電源装置と負荷との間のインピーダンスの整合をとることができなくなり、負荷側から高周波電源装置側に戻ってくる反射電力が設定された保護レベルより大きくなった場合に、反射電力保護手段32が動作する。
Protection in which the impedance of the load suddenly changes and impedance matching between the impedances of the high frequency power supply device and the load cannot be achieved by the impedance matching
反射電力保護手段32は、反射電力検出信号Prと反射電力保護レベル設定信号Pr-Sとを比較していて、反射電力検出信号Prのレベルが反射電力保護レベル設定信号Pr-Sのレベルよりも大きくなったときに、両者の値を等しくするように、制御信号P-Pr(LMT)を定常時出力制御手段31に与える。このとき定常時出力制御手段31は、制御信号P-Pr(LMT)に応じて制御信号P-CNTを変化させて、反射電力検出信号Prを反射電力保護レベル設定信号Pr-Sに等しくするように、高周波電源装置の高周波出力を調整(制限)する。 The reflected power protection means 32 compares the reflected power detection signal Pr with the reflected power protection level setting signal Pr-S, and the level of the reflected power detection signal Pr is higher than the level of the reflected power protection level setting signal Pr-S. When it becomes larger, the control signal P-Pr (LMT) is given to the steady-state output control means 31 so that both values are equal. At this time, the steady-state output control means 31 changes the control signal P-CNT according to the control signal P-Pr (LMT) so that the reflected power detection signal Pr becomes equal to the reflected power protection level setting signal Pr-S. In addition, the high frequency output of the high frequency power supply device is adjusted (restricted).
また直流電源から出力される直流電流、直流電圧、負荷に供給される高周波電流、高周波電源装置で生じる損失等の他の因子が保護レベルを超えたときに他の因子保護手段33が動作する。他の因子保護手段33は、各他の因子のレベルを検出する他の因子検出信号Other-Dを、各他の因子に対して設定された保護レベルを与える他の因子保護レベル設定信号と比較していて、各他の因子検出信号のレベルが設定された他の因子保護レベル設定信号のレベルを超えたときに、当該他の因子を保護レベルに等しくするように制御信号P-other(LMT)を定常時出力制御手段31に与える。このとき定常時出力制御手段31は、制御信号P-other(LMT)に応じて制御信号P-CNTを変化させて、各他の因子検出信号other-Dを他の因子保護レベル設定信号other-Sに等しくするように、高周波電源装置の高周波出力を調整(制限)する。 Further, when other factors such as a direct current output from the direct current power source, a direct current voltage, a high frequency current supplied to the load, and a loss generated in the high frequency power supply device exceed a protection level, the other factor protection means 33 operates. The other factor protection means 33 compares the other factor detection signal Other-D for detecting the level of each other factor with another factor protection level setting signal that gives a protection level set for each other factor. When the level of each other factor detection signal exceeds the level of the set other factor protection level setting signal, the control signal P-other (LMT) is set so that the other factor becomes equal to the protection level. ) To the steady-state output control means 31. At this time, the steady-state output control means 31 changes the control signal P-CNT in accordance with the control signal P-other (LMT) to change each other factor detection signal other-D to another factor protection level setting signal other- Adjust (limit) the high-frequency output of the high-frequency power supply device to be equal to S.
なお図11においては、他の因子保護手段33を一つのブロックとして表しているが、この保護手段は、保護の対象とする他の因子毎に設けられる。他の因子として保護の対象とする「損失」は、次の式から求められる。
損失=(直流電圧×直流電流+反射電力Pr)−進行波電力Pf …(1)
In FIG. 11, the other factor protection means 33 is represented as one block, but this protection means is provided for each of other factors to be protected. “Loss” to be protected as another factor is obtained from the following equation.
Loss = (DC voltage × DC current + reflected power Pr) −traveling wave power Pf (1)
高周波電源装置の出力インピーダンスとインピーダンスの整合がとれていない負荷(不整合負荷)に、高周波電源装置から高周波電力を供給する場合のパワーアンプの動作は、パワーアンプ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)によって異なる。反射電力の大きさが同じであっても(反射係数の大きさが同じでも)、その位相が相違すれば、パワーアンプ(スイッチングアンプ又はリニアアンプ)の動作が異なり、MOSFET等のアンプの構成部品で生じる損失や、構成部品にかかる電圧や、構成部品を流れる電流が異なってくる。特にパワーアンプとしてスイッチングアンプを用いる場合にその傾向が大きく、負荷が短絡に近い状態になった場合や、負荷インピーダンスが容量性である場合には、インピーダンスの不整合がない場合や、負荷インピーダンスが誘導性である場合に比べて、損失が大幅に増加する。 The operation of the power amplifier when supplying high-frequency power from the high-frequency power supply to a load that does not match the impedance of the output impedance of the high-frequency power supply (unmatched load) Side impedance). Even if the reflected power is the same (even if the reflection coefficient is the same), if the phase is different, the operation of the power amplifier (switching amplifier or linear amplifier) is different, and the components of the amplifier such as a MOSFET Loss, voltage applied to the component, and current flowing through the component are different. This is especially true when switching amplifiers are used as power amplifiers.If the load is close to a short circuit, or if the load impedance is capacitive, there is no impedance mismatch or the load impedance is Compared to the inductive case, the loss is greatly increased.
そのため、従来の高周波電源装置では、反射電力保護レベル設定信号Pr−Sを予想しうる最悪の負荷条件を想定して決定している。その結果、負荷インピーダンスの位相によっては、高周波電源装置の構成部品の使用状態に余裕があるにもかかわらず高周波出力が抑制されて、負荷に供給される高周波電力が不足する状態になることがあった。特に負荷がプラズマ負荷である場合、プロセス処理中にプラズマが不安定な状態になってそのインピーダンスが不安定になることがあり、プラズマ負荷のインピーダンスが不安定な状態で高周波電源装置の出力が抑制されると、プラズマが更に不安定になって、場合によってはプラズマが消滅することもあった。 For this reason, in the conventional high-frequency power supply device, the reflection power protection level setting signal Pr-S is determined assuming the worst load condition that can be expected. As a result, depending on the phase of the load impedance, the high-frequency output may be suppressed and the high-frequency power supplied to the load may be insufficient even though there is room in the usage state of the components of the high-frequency power supply device. It was. Especially when the load is a plasma load, the plasma may become unstable during processing and its impedance may become unstable, and the output of the high-frequency power supply device is suppressed when the impedance of the plasma load is unstable. As a result, the plasma becomes more unstable, and in some cases, the plasma may disappear.
また通常、プラズマ発生用高周波電源装置とプラズマ負荷との間には、図8に示されているように自動でインピーダンスの整合を図るインピーダンス整合器2が設置されているため、インピーダンスの整合がとれていない状態で高周波電源装置が動作するのは、プラズマが発生してからインピーダンス整合器2が整合動作を行うまでの数100msec〜数sec の期間と、プロセス処理装置内で異常放電が生じる等、負荷の状態が急変した時とであった。しかしながら、最近の半導体処理装置では、周波数が異なる高周波電力を重畳して負荷(プロセスチャンバ)に供給したり、パルス変調された高周波電力を負荷に供給したりする複雑なプロセスが行われるため、インピーダンス整合器2がインピーダンスの整合を完全にとることができず、高周波電源装置を、負荷とのインピーダンスの整合がとれていない状態で(不整合状態で)動作させることが多くなっている。従って、最近では、反射耐量が大きく、負荷との間のインピーダンスの整合がとれていない状態でも、十分な高周波電力を出力することができる高周波電源装置が必要とされるようになっている。
In general, an impedance matching
また高周波電源装置の制御系(制御部)は、制御の応答を早くし、制御ゲインを高く設定すると、パワーアンプから負荷側を見たインピーダンスが容量性になった場合や、短絡状態になった場合に、制御が不安定になる傾向がある。制御の応答性やゲインを落とせば、パワーアンプから負荷側を見たインピーダンスが容量性、誘導性、短絡及び開放の何れの場合にも制御動作を安定に行わせることが可能であるが、制御の応答性やゲインを落とすと、感度のよい制御を行うことができなくなるだけでなく、出力値を目標値に速やかに収束させることができなくなるため、制御性が悪くなるのを避けられない。負荷の変動範囲を、整合負荷から誘導性負荷の範囲に狭めることができれば、応答性やゲインを落とさずに制御の安定化を図ることができるが、プラズマ負荷のように不安定になることがある負荷に高周波電力を供給する場合に、負荷の変動範囲を、整合負荷から誘導性負荷の範囲に狭めることは困難である。 In addition, the control system (control unit) of the high-frequency power supply device made the control response faster and the control gain was set high, so that the impedance when the load amplifier viewed from the power amplifier became capacitive or short-circuited In some cases, the control tends to become unstable. By reducing the control response and gain, it is possible to stabilize the control operation regardless of whether the impedance seen from the power amplifier is capacitive, inductive, short-circuited, or open. If the responsiveness or gain is reduced, not only the control with good sensitivity cannot be performed, but also the output value cannot be quickly converged to the target value, so that the controllability is inevitably deteriorated. If the load fluctuation range can be narrowed from the matched load to the inductive load range, control can be stabilized without degrading responsiveness and gain, but it may become unstable like a plasma load. When supplying high frequency power to a certain load, it is difficult to narrow the load fluctuation range from the matched load to the inductive load range.
本発明の目的は、反射耐量が大きく、負荷との間のインピーダンスの整合がとれていない状態でも、高周波出力を過度に抑制することなく、装置の性能限界に近い高周波出力を得ることができる高周波電源装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a high-frequency output capable of obtaining a high-frequency output close to the performance limit of the apparatus without excessively suppressing the high-frequency output even when the reflection resistance is large and impedance matching with the load is not achieved. It is to provide a power supply device.
本発明の他の目的は、高周波出力を過度に抑制することなく、装置の性能限界に近い高周波出力を得ることができるだけでなく、制御系の応答性を早くし、制御ゲインを高く設定することができるようにした高周波電源装置を提供することにある。 Another object of the present invention is not only to obtain a high frequency output close to the performance limit of the apparatus without excessively suppressing the high frequency output, but also to speed up the response of the control system and set the control gain high. An object of the present invention is to provide a high-frequency power supply device that can perform the above-mentioned.
本発明は、高周波信号を増幅して高周波電力を出力するパワーアンプと、パワーアンプの出力から高調波成分を除去するローパスフィルタと、ローパスフィルタを通過した高周波電力を負荷に向けて出力する高周波電力出力端子と、高周波電力出力端子を通して負荷に供給される進行波電力と負荷側から高周波電力出力端子に戻ってくる反射電力とを検出するパワー検出器と、パワー検出器により検出される進行波電力及び反射電力に応じてパワーアンプの出力を制御する制御部とを備えた高周波電源装置を対象とする。 The present invention relates to a power amplifier that amplifies a high-frequency signal and outputs high-frequency power, a low-pass filter that removes harmonic components from the output of the power amplifier, and high-frequency power that outputs high-frequency power that has passed through the low-pass filter toward a load. A power detector for detecting the output terminal, the traveling wave power supplied to the load through the high frequency power output terminal and the reflected power returning from the load side to the high frequency power output terminal, and the traveling wave power detected by the power detector And a high-frequency power supply device including a control unit that controls the output of the power amplifier according to the reflected power.
本発明においては、パワーアンプの出力端と高周波電力出力端子との間に設けられて、パワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を高周波電力出力端子から負荷側を見たインピーダンスの位相に対してほぼ180度回転させる特性を有する第1の回路構成と、パワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相と高周波電力出力端子から負荷側を見たインピーダンスの位相とをほぼ同じにする特性を有する第2の回路構成とをとり得るように構成された位相変換部と、位相変換部の回路構成を第1の回路構成と第2の回路構成とに切り換えるスイッチ回路と、パワー検出器により検出された進行波電力と反射電力とから、高周波電力出力端子の位置での反射係数Γの大きさと位相角θとを演算する反射係数演算部と、高周波電力出力端子から負荷側を見たインピーダンスの状態を反射係数演算部により演算された反射係数から判定して、パワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスを常に誘導性とするようにスイッチ回路を制御するスイッチ制御部とが設けられる。 In the present invention, provided between the output terminal of the power amplifier and the high frequency power output terminal, the impedance phase viewed from the output terminal of the power amplifier viewed from the load side is the impedance phase viewed from the high frequency power output terminal. The first circuit configuration having the characteristic of rotating approximately 180 degrees with respect to the phase, and the impedance phase viewed from the output end of the power amplifier and the impedance phase viewed from the high frequency power output terminal are approximately A phase converter configured to take a second circuit configuration having the same characteristics; a switch circuit that switches the circuit configuration of the phase converter to the first circuit configuration and the second circuit configuration; A reflection coefficient calculation unit for calculating the magnitude of the reflection coefficient Γ and the phase angle θ at the position of the high frequency power output terminal from the traveling wave power and the reflected power detected by the power detector And determining the state of the impedance viewed from the high frequency power output terminal from the reflection coefficient calculated by the reflection coefficient calculation unit so that the impedance viewed from the output end of the power amplifier is always inductive. And a switch control unit for controlling the switch circuit.
なお本明細書及び特許請求の範囲において、パワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を高周波電力出力端子から負荷側を見たインピーダンスの位相に対して「ほぼ180度」回転させるとし、パワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相と高周波電力出力端子から負荷側を見たインピーダンスの位相とを「ほぼ同じにする」としているのは、実際の回路では、配線やキャパシタ及びインダクタが有する抵抗分や浮遊インダクタンス、浮遊容量を零にすることができず、パワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相と高周波電力出力端子から負荷側を見たインピーダンスの位相との差が、理屈の上では180度又は0度となる場合でも、実際にはその通りにならないことがあるからである。 In the present specification and claims, it is assumed that the phase of the impedance viewed from the output end of the power amplifier is rotated by “approximately 180 degrees” with respect to the phase of the impedance viewed from the high frequency power output terminal. The impedance phase seen from the output side of the power amplifier as viewed from the load side and the impedance phase seen from the high frequency power output terminal as viewed from the load side are said to be “substantially the same”. And the resistance component, stray inductance, and stray capacitance of the inductor cannot be made zero, and the impedance phase seen from the output side of the power amplifier and the impedance phase seen from the high frequency power output terminal This is because even if the difference is 180 degrees or 0 degrees in theory, this may not be the case. .
上記のように構成すると、パワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスが常に誘導性に見えるようにすることができる。このように構成しておくと、パワーアンプで生じる損失の低減を図ることができるため、反射電力の保護レベル(許容する反射電力の最大値)を、予想し得る最悪の負荷条件を想定して設定する必要がなくなり、高周波出力を必要以上に抑制する必要がなくなる。そのため、不整合負荷に高周波電力を供給する場合でも、反射耐量を大きくして、高周波出力を過度に抑制することなく、装置の性能限界に近い高周波出力を得ることができる。 If comprised as mentioned above, the impedance which looked at the load side from the output terminal of power amplifier can always be made to look inductive. With this configuration, loss generated in the power amplifier can be reduced, so the protection level of reflected power (maximum allowable reflected power) is assumed under the worst possible load conditions that can be expected. There is no need to set, and there is no need to suppress the high frequency output more than necessary. Therefore, even when high-frequency power is supplied to the mismatched load, it is possible to obtain a high-frequency output close to the performance limit of the device without increasing the reflection tolerance and excessively suppressing the high-frequency output.
また上記のようにパワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスが常に誘導性に見えるようにしておくと、制御系の応答性を早くしたり、制御ゲインを高くしても安定な制御動作を行わせることができるため、制御部に、従来より応答性がよく、しかも安定な制御動作を行わせることができる。 In addition, if the impedance seen from the output side of the power amplifier as viewed from the load side is always inductive as described above, stable control operation can be achieved even if the control system response is accelerated or the control gain is increased. Therefore, it is possible to cause the control unit to perform a control operation that is more responsive and stable than the conventional one.
上記スイッチ制御部は、高周波電力出力端子から負荷側を見たインピーダンスが誘導性、容量性、短絡状態及び開放状態のいずれであるかを反射係数から判定して、インピーダンスが容量性であるか又は短絡状態であるときに位相変換部の回路構成を第1の回路構成とし、インピーダンスが誘導性であるか開放状態であるときには位相変換部の回路構成を第2の回路構成とするようにスイッチ回路を制御するものであることが好ましい。 The switch controller determines from the reflection coefficient whether the impedance viewed from the high frequency power output terminal is inductive, capacitive, short-circuited, or open, and the impedance is capacitive or Switch circuit so that the circuit configuration of the phase conversion unit is the first circuit configuration when in the short circuit state, and the circuit configuration of the phase conversion unit is the second circuit configuration when the impedance is inductive or open state It is preferable to control the above.
本発明の好ましい態様では、上記ローパスフィルタが、入力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相に対してほぼ180度回転させる特性を有するλ/4形ローパスフィルタ(λは前記パワーアンプから出力される高周波電圧の波長)を複数個構成し得る回路構成を有していて、ローパスフィルタが位相変換部を兼ねている。この場合、スイッチ回路は、縦続接続された奇数個のλ/4形ローパスフィルタを有効にする回路構成を第1の回路構成とし、縦続接続された偶数個のλ/4形ローパスフィルタを有効にする回路構成を第2の回路構成として、ローパスフィルタの回路構成を切り換えるように構成される。 In a preferred aspect of the present invention, the low-pass filter has a characteristic of rotating the phase of the impedance viewed from the input end to the load side by approximately 180 degrees with respect to the phase of the impedance viewed from the output end to the load side. The low-pass filter (λ is the wavelength of the high-frequency voltage output from the power amplifier) can be configured, and the low-pass filter also serves as a phase converter. In this case, the switch circuit uses the first circuit configuration to enable the odd number of λ / 4 low-pass filters connected in cascade, and enables the even number of λ / 4 low-pass filters connected in cascade. The circuit configuration to be used is the second circuit configuration, and the circuit configuration of the low-pass filter is switched.
λ/4形のローパスフィルタは、その入力端から負荷側を見たインピーダンスの位相をその出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相に対してほぼ180度回転させる特性を有するため、入力端と出力端との間でインピーダンスの位相をほぼ180度回転させる位相変換要素として用いることができる。ローパスフィルタにおいて、縦続接続された奇数個のλ/4形ローパスフィルタを有効にすると、その入力端から負荷側を見たインピーダンスの位相をその出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相に対してほぼ180度回転させることができ、縦続接続された偶数個のλ/4形ローパスフィルタを有効にすると、その入力端から負荷側を見たインピーダンスの位相をその出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相とほぼ同じにすることができる。このように、高周波電源装置の必須の構成要素であるローパスフィルタを位相変換部として兼用するようにすると、装置の構成の簡素化を図ることができる。 Since the λ / 4 type low-pass filter has a characteristic of rotating the phase of the impedance viewed from the input end to the load side by approximately 180 degrees with respect to the phase of the impedance viewed from the output end to the load side, It can be used as a phase conversion element that rotates the phase of the impedance approximately 180 degrees with the output end. When an odd number of λ / 4 low-pass filters connected in cascade are enabled in the low-pass filter, the impedance phase viewed from the input end of the load side is compared to the impedance phase viewed from the output end of the load side. When an even number of λ / 4 low-pass filters connected in cascade can be rotated approximately 180 degrees, the impedance phase viewed from the input end to the load side is changed to the impedance phase viewed from the output end to the load side. The phase can be substantially the same. As described above, when the low-pass filter, which is an essential component of the high-frequency power supply device, is also used as the phase conversion unit, the configuration of the device can be simplified.
上記のようにローパスフィルタを位相変換部として兼用する場合、ローパスフィルタの回路構成は、2段のλ/4形のπ形ローパスフィルタを構成し得る回路構成とすることができる。この場合、ローパスフィルタの回路構成を切り換えるスイッチ回路は、2段のπ形ローパスフィルタを構成している要素の一部を切り離すことにより1段のλ/4形のT形ローパスフィルタのみを有効にした回路構成を第1の回路構成とし、2段のπ形ローパスフィルタを有効にした回路構成を第2の回路構成として、ローパスフィルタの回路構成を切り換えるように構成する。 When the low-pass filter is also used as the phase conversion unit as described above, the circuit configuration of the low-pass filter can be a circuit configuration that can form a two-stage λ / 4-type π-type low-pass filter. In this case, the switch circuit for switching the circuit configuration of the low-pass filter enables only the one-stage λ / 4-type T-type low-pass filter by separating part of the elements constituting the two-stage π-type low-pass filter. The circuit configuration of the low-pass filter is switched with the first circuit configuration as the first circuit configuration and the circuit configuration in which the two-stage π-type low-pass filter is enabled as the second circuit configuration.
また上記のようにローパスフィルタを2段のλ/4形のπ形ローパスフィルタにより構成する場合、スイッチ回路は、2段のπ形ローパスフィルタの一方のみを有効にした回路構成を第1の回路構成とし、2段のπ形ローパスフィルタの双方を有効にした回路構成を第2の回路構成としてローパスフィルタの回路構成を切り換えるように構成してもよい。 Further, when the low-pass filter is constituted by a two-stage λ / 4-type π-type low-pass filter as described above, the switch circuit has a circuit configuration in which only one of the two-stage π-type low-pass filters is made effective as the first circuit. A circuit configuration in which both of the two-stage π-type low-pass filters are enabled may be configured as a second circuit configuration so that the circuit configuration of the low-pass filter is switched.
上記のようにローパスフィルタを位相変換部として兼用する場合、ローパスフィルタは2段のλ/4形のT形ローパスフィルタを構成し得る回路構成を有していてもよい。この場合、スイッチ回路は、2段のT形ローパスフィルタの一方のみを有効にした回路構成を第1の回路構成とし、2段のT形ローパスフィルタの双方を有効にした回路構成を第2の回路構成としてローパスフィルタの回路構成を切り換えるように構成する。 When the low-pass filter is also used as the phase conversion unit as described above, the low-pass filter may have a circuit configuration that can form a two-stage λ / 4-type T-type low-pass filter. In this case, the switch circuit has a circuit configuration in which only one of the two-stage T-type low-pass filters is enabled as the first circuit configuration, and a circuit configuration in which both of the two-stage T-type low-pass filters are enabled is the second circuit configuration. As a circuit configuration, the circuit configuration of the low-pass filter is switched.
上記位相変換部は、パワーアンプから出力される高周波電圧の波長の1/4の長さを有する複数の線路(1/4波長線路)により構成することもできる。 The phase conversion unit can also be configured by a plurality of lines (1/4 wavelength lines) having a length of 1/4 of the wavelength of the high frequency voltage output from the power amplifier.
位相変換部の回路構成を切り換えるスイッチ回路は、真空スイッチにより構成するか、又はピンダイオードスイッチにより構成することが好ましい。 The switch circuit for switching the circuit configuration of the phase conversion unit is preferably configured by a vacuum switch or a pin diode switch.
以上のように、本発明によれば、パワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスが常に誘導性に見えるようにしたので、パワーアンプで生じる損失の低減を図ることができる。従って、本発明によれば、反射電力の保護レベルを、予想し得る最悪の負荷条件を想定して設定する必要がなくなり、高周波出力を必要以上に抑制する必要がなくなるため、不整合負荷に高周波電力を供給する場合でも、反射耐量を大きくして、高周波出力を過度に抑制することなく、装置の性能限界に近い高周波出力を得ることができる。また本発明によれば、パワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスが常に誘導性に見えるようにするので、制御系の応答性を早くしたり、制御ゲインを高くしても安定な制御動作を行わせることができる。そのため、制御部に、従来より応答性がよく、しかも安定な制御動作を行わせることができる。 As described above, according to the present invention, since the impedance viewed from the output side of the power amplifier as viewed from the load side is always inductive, it is possible to reduce the loss generated in the power amplifier. Therefore, according to the present invention, it is not necessary to set the protection level of the reflected power assuming the worst possible load condition, and it is not necessary to suppress the high frequency output more than necessary. Even when power is supplied, a high-frequency output close to the performance limit of the apparatus can be obtained without increasing the reflection resistance and excessively suppressing the high-frequency output. In addition, according to the present invention, since the impedance viewed from the output side of the power amplifier is always inductive, stable control can be achieved even if the control system response is increased or the control gain is increased. The action can be performed. Therefore, it is possible to cause the control unit to perform a control operation that is more responsive and stable than the conventional one.
特に請求項3ないし6に記載された発明によれば、高周波電源装置の必須の構成要素であるローパスフィルタを位相変換部として利用するようにしたので、装置の構成の簡素化を図ることができる。
In particular, according to the invention described in
以下図面を参照して本発明に係る高周波電源装置の実施形態を説明する。図1は本発明に係る高周波電源装置の一実施形態を示したものである。同図において11はDC−DCコンバータなどからなっていて、大きさを調整し得る形で直流電力を出力する可変直流電源、12は可変直流電源11を電源として動作するパワーアンプ、13は負荷に供給する高周波電力の基本周波数を有する高周波信号を発生する高周波発振部、14はパワーアンプ12から高周波電力を出力させるべく、高周波発振部13が出力する高周波信号に応じてパワーアンプ12を駆動するドライバである。
Embodiments of a high-frequency power supply device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of a high frequency power supply device according to the present invention. In the figure,
本実施形態で用いるパワーアンプ12は、ブリッジの各アームがスイッチ素子と帰還ダイオードとの並列回路により構成されて、可変直流電源11の出力が直流入力端子に印加されたフルブリッジ型のインバータにより構成されたスイッチングアンプからなっていて、高周波発振部13の出力でドライバ14を介してブリッジの各アームのスイッチ素子が駆動されることにより、高周波発振部13が出力する高周波信号を増幅して高周波電力を出力する。
The
図1において、15はパワーアンプ12の出力から高調波成分を除去して高周波電力出力端子1aに供給するローパスフィルタ、16は方向性結合器からなっていて、ローパスフィルタ15を通過した高周波電力から負荷に供給される進行波と負荷側から戻ってくる反射波とを検出して、進行波電圧検出信号Vf及び進行波電力検出信号Pfと、反射電圧検出信号Vr及び反射電力検出信号Prとを出力するパワー検出器である。また17は、パワー検出器16が出力する進行波電力検出信号Pf及び反射電力検出信号Prと、進行波電力設定信号PSと、反射電力保護レベル設定信号Pr−Sとを入力として可変直流電源11及びドライバ14を制御する制御部である。
In FIG. 1, 15 is a low-pass filter that removes harmonic components from the output of the
制御部17は、進行波電力設定信号PSと進行波電力検出信号Pfとを比較して、パワー検出器16が出力する進行波電力検出信号Pfを進行波電力設定信号PSに等しくするようにパワーアンプの出力を制御する定常時出力制御を行うとともに、反射電力検出信号Prと反射電力保護レベル設定信号Pr−Sとを比較して、反射電力検出信号Prが保護レベル設定信号Pr−Sを超えたとき(反射電力が保護レベルを超えたとき)に、パワーアンプ12の出力を抑制して、反射電力検出信号Prを保護レベル設定信号Pr−Sに等しくするようにパワーアンプの出力を制御する保護制御を行う。制御部17はまた、ドライバ14の出力のon/offや、ドライバ14の出力の振幅の調整等を行う。制御部17は、図11に示した例と同様に、反射電力が保護レベル以下の定常時に進行波電力を設定レベルに保つようにパワーアンプ12を制御する定常時出力制御手段31と、反射電力が設定された保護レベルを超えた時に反射電力を保護レベルに保つようにパワーアンプ12を制御する反射電力保護手段32と、直流電源から出力される直流電流、直流電圧、負荷に供給される高周波電流、パワーアンプで生じる損失等の他の因子が保護レベルを超えたときに当該他の因子を保護レベルに保つようにパワーアンプ12を制御する他の因子保護手段33とにより構成されている。
The
本実施形態においては、パワーアンプ12の出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスの位相に対してほぼ180度回転させる特性を有する第1の回路構成と、パワーアンプ12の出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相と高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスの位相とをほぼ同じにする特性を有する第2の回路構成とをとり得るように構成された位相変換部をパワーアンプ12の出力端と高周波電力出力端子1aとの間に設けるとともに、位相変換部の回路構成を第1の回路構成と第2の回路構成とに切り換えるスイッチ回路18を設けて、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスの状態に応じてスイッチ回路18を制御することにより、パワーアンプ12の出力端から負荷側を見たインピーダンスが常に誘導性に見えるようにする。
In the present embodiment, the first characteristic is that the phase of the impedance viewed from the output end of the
本実施形態においては、ローパスフィルタ15が位相変換部を兼ねていて、スイッチ回路18によりローパスフィルタの回路構成を第1の回路構成と第2の回路構成とに切り換えてその電気長を変化させることにより、パワーアンプ12の出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスの位相に対してほぼ180度回転させた状態と、パワーアンプ12の出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスの位相にほぼ同じにした状態とを切り換えるようになっている。
In the present embodiment, the low-
そのため、本実施形態においては、ローパスフィルタ15が、λ/4形ローパスフィルタ(λはパワーアンプから出力される高周波電圧の波長)を複数個構成し得る回路構成を有していて、縦続接続された奇数個のλ/4形ローパスフィルタを有効にする第1の回路構成と、縦続接続された偶数個のλ/4形ローパスフィルタを有効にする第2の回路構成とをとり得るように構成され、ローパスフィルタ15の回路構成を第1の回路構成と第2の回路構成とに切り換えるようにスイッチ回路18が構成されている。
For this reason, in this embodiment, the low-
λ/4形のローパスフィルタは、入力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を、出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相に対してほぼ180度回転させた特性を有するフィルタであり、奇数個のλ/4形ローパスフィルタを縦続接続した回路を構成すると(第1の回路構成とすると)、入力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相に対してほぼ180度回転させる特性を有するローパスフィルタを構成することができる。また偶数個のλ/4形ローパスフィルタを縦続接続した回路を構成すると(第2の回路構成とすると)、入力端から負荷側を見たインピーダンスの位相が出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相にほぼ同じになる特性を有するローパスフィルタを構成することができる。λ/4形ローパスフィルタを縦続接続する段数を多くすればする程、高調波の減衰量を大きくすることができる。 The λ / 4 type low-pass filter is a filter having a characteristic in which the phase of impedance viewed from the input end viewed from the load side is rotated by approximately 180 degrees with respect to the phase of impedance viewed from the output end viewed from the load side. When a circuit in which a plurality of λ / 4 low-pass filters are cascade-connected (assuming the first circuit configuration), the impedance phase viewed from the input end to the load side is changed to the impedance phase viewed from the output end to the load side. On the other hand, a low-pass filter having a characteristic of rotating about 180 degrees can be configured. In addition, when a circuit in which an even number of λ / 4 low-pass filters are cascade-connected is configured (assuming a second circuit configuration), the impedance phase viewed from the input end to the load side is the impedance phase viewed from the output end to the load side. A low-pass filter having characteristics that are substantially the same in phase can be configured. As the number of stages in which the λ / 4 type low-pass filter is cascade-connected is increased, the attenuation amount of the harmonic can be increased.
本実施形態では、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスの状態を判定するために、パワー検出器16が出力する進行波電圧検出信号Vfと反射電圧検出信号Vrとを反射係数演算部(Γ/θ演算部)19に入力して、高周波電力出力端子1aの位置での反射係数Γの大きさと位相角θとを演算し、反射係数演算部19により演算された反射係数Γから、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが、誘導性、容量性、短絡状態及び開放状態のいずれであるかを判定する。反射係数Γは、進行波電圧検出信号Vfと反射電圧検出信号Vrとにより下記の式(2)により求めることができる。
Γ=Vr/Vf=(|Vr|/|Vf|)∠θ…(2)
In the present embodiment, in order to determine the state of impedance when the load side is viewed from the high frequency
Γ = Vr / Vf = (| Vr | / | Vf |) ∠θ (2)
反射係数演算部19は、位相角θがプラスであるときに、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが誘導性であると判定し、位相角θがマイナスであるときに、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが容量性であると判定する。
When the phase angle θ is positive, the reflection coefficient calculation unit 19 determines that the impedance viewed from the high frequency
本実施形態ではまた、パワーアンプ12の出力端から負荷側を見たインピーダンスを常に誘導性とするように、反射係数演算部19により演算された反射係数Γから判定された負荷側インピーダンス(高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンス)の状態に応じてスイッチ回路18を制御するスイッチ制御部20が設けられている。
In the present embodiment, the load-side impedance (high-frequency power) determined from the reflection coefficient Γ calculated by the reflection coefficient calculation unit 19 is set so that the impedance viewed from the output end of the
スイッチ制御部20は、高周波電力出力端子1aよりも負荷側のインピーダンスが容量性であるか又は短絡状態であるときに位相変換部(ローパスフィルタ)の回路構成を第1の回路構成とし、高周波電力出力端子1aよりも負荷側のインピーダンスが誘導性であるか開放状態であるときには位相変換部の回路構成を第2の回路構成とするように、スイッチ回路18を制御することにより、パワーアンプ12の出力端から負荷側を見たインピーダンスを常に誘導性とするようにローパスフィルタ15の回路構成を切り換える。
The
図2を参照すると、上記ローパスフィルタ15とスイッチ回路18の回路構成の一例が示されている。図2に示されたローパスフィルタ15は、キャパシタC1〜C4と、インダクタL1〜L2とをローパスフィルタを構成するリアクタンス要素として備えていて、インダクタL1及びL2とキャパシタC4とによりλ/4形のT形ローパスフィルタを構成した状態(第1の回路構成)と、キャパシタC1、インダクタL1及びキャパシタC4からなる第1のλ/4形のπ形ローパスフィルタF1と、キャパシタC2、インダクタL2及びキャパシタC3からなる第2のλ/4形のπ形ローパスフィルタF2とを縦列接続した2段構成のフィルタ回路を構成した状態(第2の回路構成)とをとり得るようになっている。
Referring to FIG. 2, an example of the circuit configuration of the low-
図示のスイッチ回路18は、キャパシタC1及びC2をそれぞれオンオフする(フィルタの構成要素として有効にしたり無効にしたりする)スイッチSW1及びSW2と、キャパシタC3をオンオフするスイッチSW3とからなっていて、スイッチSW1〜SW3のすべてをオフ状態にしたときに、ローパスフィルタ15を、インダクタL1及びL2とキャパシタC4とからなるλ/4形のT形ローパスフィルタを構成した第1の回路状態とし、スイッチSW1〜SW3をすべてオン状態にしたときに、ローパスフィルタ15を、第1のλ/4形のπ形ローパスフィルタF1と第2のλ/4形のπ形ローパスフィルタF2とが縦続された第2の回路構成とするようになっている。
The illustrated
スイッチ制御部20は、反射係数演算部19により演算された反射係数から、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが容量性であるか又は短絡状態であると判定したときに、スイッチSW1〜SW3をオフ状態にすることにより、インダクタL1及びL2とキャパシタC4のみをローパスフィルタの構成要素として有効にして、ローパスフィルタ15をλ/4形のT形ローパスフィルタとして機能させ(ローパスフィルタ15の回路構成を第1の回路構成とし)、反射係数演算部19により演算された反射係数から、反射係数演算部19により演算された反射係数から、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが誘導性であるか又は開放状態であると判定したときに、スイッチSW1〜SW3をオン状態にすることにより、ローパスフィルタ15をλ/4形のπ形ローパスフィルタF1及びF2を縦列接続した2段構成のローパスフィルタとして機能させる(ローパスフィルタ15の回路構成を第2の回路構成とする)。
When the
スイッチ回路18を構成するスイッチSW1ないしSW3は、真空スイッチやピンダイオードにより構成することが好ましい。
The switches SW1 to SW3 constituting the
スイッチSW1ないしSW3をそれぞれピンダイオードD1ないしD3により構成する場合に、スイッチSW1ないしSW3に対してそれぞれ設けるスイッチ制御回路20の構成例を図3に示した。図3に示されたスイッチ制御部20は、エミッタが抵抗R11を通して接地されるとともにコレクタベース間に抵抗R12が接続され、コレクタに電源Baから直流電圧−Vaが印加されたPNPトランジスタQ11と、コレクタが抵抗R13を通してトランジスタQ11のベースに接続されるとともにベースが抵抗R14を通して反射係数演算部19の出力端子に接続され、電源Bbからエミッタに直流電圧Vbが印加されたPNPトランジスタQ12と、トランジスタQ11のベースエミッタ間にアノードをベース側に向けて接続されたダイオードD11と、トランジスタQ11のエミッタと接地間に接続されたキャパシタC11と、トランジスタQ11のエミッタに一端が接続されたインダクタL11とからなっていて、インダクタL11の他端がピンダイオードD3のアノードに接続されている。図3においては、スイッチSW3に対して設けられたスイッチ制御回路20の構成のみが具体的に示されているが、他のスイッチSW1及びSW2に対して設けられるスイッチ制御回路20も同様に構成されており、反射係数演算部19から各スイッチ制御回路20のトランジスタQ12のベースに抵抗R14を通して電圧信号が与えられている。またスイッチSW1及びSW2に対してそれぞれ設けられたスイッチ制御回路20のインダクタL11の他端がそれぞれスイッチSW1及びSW2を構成するピンダイオードD1及びD2のアノードに接続されている。
FIG. 3 shows a configuration example of the
この例では、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが容量性又は短絡状態であるときに、反射係数演算部19が、その出力端子の電位をHレベル(ハイレベル)にして、スイッチSW1ないしSW3に対してそれぞれ設けられたスイッチ制御回路20のトランジスタQ12をオフ状態にし、トランジスタQ11をオン状態にしている。このとき、スイッチSW1ないしSW3に対してそれぞれ設けられたスイッチ制御回路20のインダクタL11とトランジスタQ11とを通して、電源BaからピンダイオードD1ないしD3に逆バイアス電圧が印加されるため、ピンダイオードD1ないしD3がオフ状態になり、キャパシタC1ないしC3を無効にする。これにより、ローパスフィルタ15は第1の回路状態(インダクタL1及びL2とキャパシタC4とにより1段のλ/4形T形ローパスフィルタを構成した状態)になって、パワーアンプ12から負荷側を見たインピーダンスの位相角を高周波出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスの位相角に対して180度異ならせ、パワーアンプ12から負荷側を見たインピーダンスを誘導性とする。
In this example, when the impedance when the load side is viewed from the high frequency
また高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが誘導性又は開放状態であるときには、反射係数演算部19が、その出力端子の電位をLレベル(接地電位)にして、スイッチSW1ないしSW3に対してそれぞれ設けられたスイッチ制御回路20のトランジスタQ12をオン状態にし、トランジスタQ11をオフ状態にする。このときスイッチSW1ないしSW3に対してそれぞれ設けられたスイッチ制御回路20の電源BbからトランジスタQ12と抵抗R13とダイオードD11とインクタL11とを通してピンダイオードD1ないしD3に順方向電圧が印加されるため、ピンダイオードD1〜D3がオン状態になる。このとき、ローパスフィルタ15は、第2の回路状態(キャパシタC1ないしC4とインダクタL1及びL2とにより2段のλ/4形π形ローパスフィルタを構成した状態)になるため、パワーアンプ12から負荷側を見たインピーダンスの位相角が高周波出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスの位相角とほぼ同じになり、パワーアンプ12から負荷側を見たインピーダンスが誘導性となる。
When the impedance viewed from the high frequency
上記の実施形態では、2段のλ/4形π形ローパスフィルタを構成し得るようにローパスフィルタ15を構成しておいて、1段のλ/4形T形ローパスフィルタを構成する状態(第1の回路状態)と、2段のλ/4形π形ローパスフィルタを構成する状態(第2の回路状態)とに切り換えることができるようにスイッチ回路18を構成したが、図4に示したように、2段のλ/4形π形ローパスフィルタF1及びF2を構成し得るようにローパスフィルタ15を構成しておいて、1段のλ/4形π形ローパスフィルタF1のみを有効にする状態(第1の回路状態)と、縦続された2段のλ/4形π形ローパスフィルタF1及びF2を有効にする状態(第2の回路状態)とを切り換えるようにスイッチ回路18を構成することもできる。図4に示した例では、パワーアンプ12の出力端子とフィルタF1との間に挿入されたスイッチSW1と、フィルタF1とF2との間をオンオフするように設けられたスイッチSW2と、パワーアンプ12の出力端子とフィルタF3との間に挿入されたスイッチSW3とによりスイッチ回路15が構成されている。
In the above embodiment, the low-
図4に示した例では、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが容量性又は短絡状態であるときに、スイッチ制御部20がスイッチSW1をオン状態にし、スイッチSW2及びSW3をオフ状態にする。このとき、1段のλ/4形π形ローパスフィルタF1のみが有効になる(ローパスフィルタ15が第1の回路状態になる)ため、パワーアンプ12から負荷側を見たインピーダンスの位相角が高周波出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスの位相角に対して180度異なる状態になり、パワーアンプ12から負荷側を見たインピーダンスが誘導性となる。
In the example shown in FIG. 4, when the impedance viewed from the high-frequency
また高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが誘導性又は開放状態であるときには、スイッチ制御部20がスイッチSW1をオフ状態にし、スイッチSW2及びSW3をオン状態にする。このとき、縦続接続された2段のλ/4形π形ローパスフィルタF1及びF2が有効になる(ローパスフィルタ15が第2の回路状態になる)ため、パワーアンプ12から負荷側を見たインピーダンスの位相角が高周波出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスの位相角とほぼ同じになり、パワーアンプ12から負荷側を見たインピーダンスも誘導性となる。
When the impedance viewed from the high-frequency
上記の各実施形態では、ローパスフィルタ15が、2段のλ/4形π形ローパスフィルタF1及びF2を構成し得る回路構成を有しているが、ローパスフィルタ15は、図5に示したように、インダクタL1,L2とキャパシタC1とからなるλ/4形T形ローパスフィルタF1′と、インダクタL3,L4とキャパシタC2とからなるλ/4形T形ローパスフィルタF2′とを構成し得るようになっていてもよい。この場合も、スイッチ回路18を図4に示した例と同様に構成することにより、ローパスフィルタ15の回路構成を、ローパスフィルタF1′のみを有効にする状態と、縦続接続された2段のローパスフィルタF1′及びF2′を有効にする状態とに切り換えることができる。
In each of the embodiments described above, the low-
上記の各実施形態では、ローパスフィルタ15に、入力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相に対してほぼ180度回転させる特性を有するλ/4形ローパスフィルタを2個構成し得る回路構成を持たせたが、ローパスフィルタに、3個以上のλ/4形ローパスフィルタを構成し得る回路構成を持たせて、縦続接続された奇数個のλ/4形ローパスフィルタを有効にする回路構成を第1の回路構成とし、縦続接続された偶数個のλ/4形ローパスフィルタを有効にする回路構成を第2の回路構成として、ローパスフィルタの回路構成を第1の回路構成と第2の回路構成とに切り換えるようにスイッチ回路18を構成するようにしてもよい。この場合スイッチ制御部20は、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが誘導性、容量性、短絡状態及び開放状態のいずれであるかを反射係数演算部19により演算された反射係数から判定して、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが容量性であるか又は短絡状態であるときにローパスフィルタ(位相変換部)の回路構成を第1の回路構成とし、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが誘導性であるか開放状態であるときにはローパスフィルタの回路構成を第2の回路構成とするようにスイッチ回路を制御する。
In each of the above embodiments, the low-
上記の実施形態では、スイッチングアンプからなるパワーアンプ12を用いたが、図6に示したように、直流電源21の出力を電源として動作するリニアアンプからなるパワーアンプ22を用いて、高周波発振部13が出力する高周波信号をプリアンプ24を通してパワーアンプ22に入力する構成をとる場合にも、本発明を適用することができるのはもちろんである。
In the above embodiment, the
図6に示した例では、パワーアンプ22の出力がローパスフィルタ25とパワー検出器26とを通して高周波電力出力端子1aから出力される。パワー検出器26は進行波電圧検出信号Vf及び反射電圧検出信号Vrを出力するように構成されていて、進行波電圧検出信号Vf及び反射電圧検出信号Vrが反射係数演算部29に入力され、反射係数演算部29の出力がスイッチ制御部30に与えられている。スイッチ制御部30は、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが誘導性、容量性、短絡状態及び開放状態のいずれであるかを演算された反射係数から判定して、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが容量性であるか又は短絡状態であるときにローパスフィルタ(位相変換部)25の回路構成を第1の回路構成とし、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが誘導性であるか開放状態であるときにはローパスフィルタ(位相変換部)25の回路構成を第2の回路構成とするように、ローパスフィルタ25の回路構成を切換えるスイッチ回路28を制御する。制御部27は、パワー検出器26が出力する進行波電力検出信号Pfを進行波電力設定信号PSに等しくするようにパワーアンプの出力を制御する定常時出力制御と、反射電力検出信号Prが保護レベル設定信号Pr−Sを超えたときに、パワーアンプ22の出力を抑制して、反射電力検出信号Prを保護レベル設定信号Pr−Sに等しくするようにパワーアンプを制御する保護制御とを行う。制御部27はまた、直流電源21の出力のon/offや、直流電源21の出力レベルの調整等を行う。
In the example shown in FIG. 6, the output of the
上記の各実施形態では、ローパスフィルタを位相変換部として利用するようにしたが、ローパスフィルタとは別に位相変換部を設けることもできる。例えば図7に示すように、ローパスフィルタ15とパワー検出器16との間に、ローパスフィルタ15の出力端子に一端が接続された第1の1/4波長線路41と、第1の1/4波長線路41の他端に一端が接続された第2の1/4波長線路42とを設けて、第1の1/4波長線路41の他端及び第2の1/4波長線路42の他端をスイッチ回路18を介してパワー検出器16の入力端子に選択的に接続する構成としてもよい。1/4波長線路は、パワーアンプが出力する高周波電圧の波長の1/4の長さを有する線路(例えば、同軸ケーブル)で、一端から他端側を見たインピーダンスの位相を、他端から負荷側を見たインピーダンスの位相に対してほぼ180度回転させる特性を有しているので、入力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相に対してほぼ180度回転させる特性を有する位相変換要素として用いることができる。
In each of the above embodiments, the low-pass filter is used as the phase conversion unit, but a phase conversion unit may be provided separately from the low-pass filter. For example, as shown in FIG. 7, between the low-
図7に示したスイッチ制御部20は、反射係数演算部19により演算された反射係数から、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが容量性であるか又は短絡状態であるかを判定して、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが容量性であるか又は短絡状態であると判定した時に、第1の1/4波長線路41の他端をパワー検出器16の入力端に接続することにより、パワーアンプ14の出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスの位相に対して180度回転させて、パワーアンプ14の出力端から負荷側を見たインピーダンスを誘導性とする。また演算された反射係数から、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスが誘導性であるか又は開放状態であると判定した時には、第2の1/4波長線路42の他端をスイッチ回路18を通してパワー検出器16の入力端に接続することにより、パワーアンプ14の出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を、高周波電力出力端子1aから負荷側を見たインピーダンスの位相とほぼ同じにして、パワーアンプ14の出力端から負荷側を見たインピーダンスを誘導性とする。
The
図1に示した実施形態では、パワーアンプ12を構成するスイッチングアンプがフルブリッジ形のインバータからなっているとしたが、パワーアンプ12を構成するスイッチングアンプは、ハーフブリッジ形のインバータや、D級動作を行うプッシュプル増幅回路等により構成することもできる。
In the embodiment shown in FIG. 1, the switching amplifier constituting the
半導体製造用のプラズマプロセスでは、高周波電源装置1とインピーダンス整合器2との間を接続する同軸ケーブルの長さを最適化することによりプロセスの安定化を図る場合がある。しかしながら、すべてのプロセスで最適なケーブル長を選定することは困難であるし、ケーブル長が長くなる場合には、ケーブルで生じる損失やケーブルを配置するスペースも問題になる。ケーブル長を変更することは、電気長を変更することに他ならないため、高周波電源装置内に複数の位相変換要素(λ/4形ローパスフィルタや1/4波長線路)を設けて、高周波電力を通過させる位相変換要素の数を切り換えるようにしておくと、高周波電源装置1とインピーダンス整合器2との間を接続する同軸ケーブルを変更することなく、プロセスの安定化を図ることができる。
In a plasma process for manufacturing a semiconductor, the process may be stabilized by optimizing the length of a coaxial cable that connects between the high-frequency
1 高周波電源装置
2 インピーダンス整合器
3 プラズマ処理装置(負荷)
11 可変直流電源
12 パワーアンプ(スイッチングアンプ)
13 高周波発振部
14 ドライバ
15 ローパスフィルタ
16 パワー検出器
17 制御部
18 スイッチ回路
19 反射係数演算部
20 スイッチ制御部
21 直流電源
22 パワーアンプ(リニアアンプ)
23 高周波発振部
24 プリアンプ
25 ローパスフィルタ
26 パワー検出器
27 制御部
28 スイッチ回路
29 反射係数演算部
30 スイッチ制御部
31 定常時出力制御手段
32 反射電力保護手段
33 他の因子保護手段
DESCRIPTION OF
11 Variable
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 High
23
Claims (9)
前記パワーアンプの出力端と前記高周波電力出力端子との間に設けられて、前記パワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相を前記高周波電力出力端子から負荷側を見たインピーダンスの位相に対してほぼ180度回転させる特性を有する第1の回路構成と、前記パワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスの位相と前記高周波電力出力端子から負荷側を見たインピーダンスの位相とをほぼ同じにする特性を有する第2の回路構成とをとり得るように構成された位相変換部と、
前記位相変換部の回路構成を前記第1の回路構成と第2の回路構成とに切り換えるスイッチ回路と、
前記パワー検出器により検出された進行波電力と反射電力とから、前記高周波電力出力端子の位置での反射係数Γの大きさと位相角θとを演算する反射係数演算部と、
前記高周波電力出力端子から負荷側を見たインピーダンスの状態を前記反射係数演算部により演算された反射係数から判定して、前記パワーアンプの出力端から負荷側を見たインピーダンスを常に誘導性とするように前記スイッチ回路を制御するスイッチ制御部と、
を具備してなる高周波電源装置。 A power amplifier that amplifies a high-frequency signal and outputs high-frequency power; a low-pass filter that removes harmonic components from the output of the power amplifier; and a high-frequency power output terminal that outputs high-frequency power that has passed through the low-pass filter toward a load A power detector for detecting a traveling wave power supplied to the load through the high frequency power output terminal and a reflected power returning from the load side to the high frequency power output terminal, and a traveling wave detected by the power detector In a high-frequency power supply device comprising a control unit that controls the output of the power amplifier according to power and reflected power,
Provided between the output terminal of the power amplifier and the high-frequency power output terminal, the impedance phase viewed from the output terminal of the power amplifier viewed from the load side is the impedance phase viewed from the high-frequency power output terminal to the load side A first circuit configuration having a characteristic of rotating about 180 degrees with respect to the power amplifier, and a phase of impedance viewed from the output end of the power amplifier and a phase of impedance viewed from the high frequency power output terminal. A phase converter configured to be capable of taking a second circuit configuration having substantially the same characteristics;
A switch circuit for switching the circuit configuration of the phase conversion unit between the first circuit configuration and the second circuit configuration;
A reflection coefficient calculator for calculating the magnitude of the reflection coefficient Γ and the phase angle θ at the position of the high-frequency power output terminal from the traveling wave power and the reflected power detected by the power detector;
The state of impedance viewed from the high-frequency power output terminal on the load side is determined from the reflection coefficient calculated by the reflection coefficient calculation unit, and the impedance viewed from the output end of the power amplifier is always inductive. A switch controller for controlling the switch circuit,
A high frequency power supply device comprising:
前記スイッチ回路は、縦続接続された奇数個のλ/4形ローパスフィルタを有効にする回路構成を前記第1の回路構成とし、縦続接続された偶数個のλ/4形ローパスフィルタを有効にする回路構成を前記第2の回路構成として、前記ローパスフィルタの回路構成を切り換えるように構成されていること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の高周波電源装置。 The low-pass filter is a λ / 4 low-pass filter having a characteristic of rotating the phase of the impedance viewed from the input end toward the load side with respect to the phase of the impedance viewed from the output end approximately 180 degrees (λ is the power A plurality of high-frequency voltage wavelengths output from the amplifier), the low-pass filter also serves as the phase converter,
The switch circuit uses the first circuit configuration as a circuit configuration that enables an odd number of λ / 4 low-pass filters connected in cascade, and enables an even number of λ / 4 low-pass filters connected in cascade. The circuit configuration is configured to switch the circuit configuration of the low-pass filter as the second circuit configuration,
The high frequency power supply device according to claim 1 or 2, wherein
前記スイッチ回路は、前記2段のπ形ローパスフィルタを構成している要素の一部を切り離すことにより1段のλ/4形のT形ローパスフィルタのみを有効にした回路構成を前記第1の回路構成とし、前記2段のπ形ローパスフィルタを有効にした回路構成を前記第2の回路構成として前記ローパスフィルタの回路構成を切り換えるように構成されていること、
を特徴とする請求項3に記載の高周波電源装置。 The low-pass filter has a circuit configuration capable of constituting a two-stage λ / 4-type π-type low-pass filter,
The switch circuit has a circuit configuration in which only a one-stage λ / 4-type T-type low-pass filter is made effective by separating a part of elements constituting the two-stage π-type low-pass filter. The circuit configuration is configured to switch the circuit configuration of the low-pass filter as the second circuit configuration with the circuit configuration in which the two-stage π-type low-pass filter is enabled,
The high frequency power supply device according to claim 3.
前記スイッチ回路は、前記2段のπ形ローパスフィルタの一方のみを有効にした回路構成を前記第1の回路構成とし、前記2段のπ形ローパスフィルタの双方を有効にした回路構成を前記第2の回路構成として前記ローパスフィルタの回路構成を切り換えるように構成されていること、
を特徴とする請求項3に記載の高周波電源装置。 The low-pass filter has a circuit configuration capable of constituting a two-stage λ / 4-type π-type low-pass filter,
The switch circuit has a circuit configuration in which only one of the two-stage π-type low-pass filters is enabled as the first circuit configuration, and a circuit configuration in which both of the two-stage π-type low-pass filters are enabled is the first circuit configuration. The circuit configuration of the low-pass filter is switched as the circuit configuration of 2,
The high frequency power supply device according to claim 3.
を特徴とする請求項3に記載の高周波電源装置。 The low-pass filter has a circuit configuration capable of constituting a two-stage λ / 4-type T-type low-pass filter, and the switch circuit has a circuit configuration in which only one of the two-stage T-type low-pass filter is validated. The first circuit configuration is configured to switch the circuit configuration of the low-pass filter as the second circuit configuration is a circuit configuration in which both of the two-stage T-shaped low-pass filters are enabled.
The high frequency power supply device according to claim 3.
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