JP2007295447A - インピーダンス整合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インピーダンス変換部１０の素子が破損するおそれがあると判定された場合、従来は、装置の外部に異常信号を出力し、上位制御装置によって、高周波電源装置１の出力を停止させていたが、停止させるタイミングが遅れて、場合によっては、インピーダンス変換部１０の素子が破損してしまう可能性があった。
【解決手段】 インピーダンス整合装置３内のインピーダンス部１０の特定箇所における電気情報（電流、電圧）を検出し、検出した電気情報を出力する電気情報検出部４０と、電気情報が所定の上限値を超えた場合に、異常信号を出力する異常判定部８０と、異常信号が出力されたときに、高周波電源装置１から高周波電力が供給されないように伝送線路を遮断する遮断部３０とを備えた。このようにすると、従来に比べて異常処理時間を短くすることができるので、素子の保護機能を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等の用途に用いられるプラズマ処理装置等の負荷に電力を供給する高周波電源と負荷との間に設けられ、高周波電源と負荷のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合装置３に関するものである。

図４は、インピーダンス整合器が用いられる高周波電力供給システムの一例を示す図である。

この高周波電力供給システムは、半導体ウエハや液晶基板等の被加工物に、例えばプラズマエッチング、プラズマＣＶＤといった加工処理を行うためのシステムであり、高周波電源装置１、伝送線路２、インピーダンス整合装置３、負荷接続部４及び負荷５（プラズマ処理装置５）で構成されている。

高周波電源装置１は、高周波電力を出力して負荷５となるプラズマ処理装置５に供給するための装置である。なお、高周波電源装置１から出力された高周波電力は、同軸ケーブルからなる伝送線路２及びインピーダンス整合装置３及び遮蔽された銅板からなる負荷接続部４を介して負荷５に供給される。また、一般にこの種の高周波電源装置１では、無線周波数帯域の周波数（例えば、数百ｋＨｚ以上の周波数）を有する高周波電力を出力している。

負荷５（プラズマ処理装置５）は、加工部を備え、その加工部の内部に搬入したウエハ、液晶基板等の被加工物を加工（エッチング、ＣＶＤ等）するための装置であり、被加工物を加工するために、加工部にプラズマ放電用ガスを導入し、そのプラズマ放電用ガスに高周波電源装置１から供給された高周波電力（電圧）を印加することによって、上記のプラズマ放電用ガスを放電させて非プラズマ状態からプラズマ状態にしている。そして、プラズマを利用して被加工物を加工している。

インピーダンス整合装置３は、高周波電源装置１と負荷５とのインピーダンスを整合させるものである。インピーダンス整合装置３には、例えば、可変コンデンサや可変インダクタといったインピーダンスを変更できる可変インピーダンス素子等を備えたインピーダンス変換部１０（図５参照）が設けられ、インピーダンス変換部１０の可変インピーダンス素子のインピーダンス（より詳細には、可変コンデンサの場合はキャパシタンス、可変インダクタの場合はインダクタンス）を変更させることによって、インピーダンス整合を行っている。

より具体的には、例えば、高周波電源装置１の出力端から高周波電源装置１側を見たインピーダンスが、例えば５０Ωに設計され、高周波電源装置１が、特性インピーダンス５０Ωの伝送線路２でインピーダンス整合装置３の入力端子３ａに接続されているとすると、インピーダンス整合装置３は、当該インピーダンス整合装置３の入力端３ａから負荷５側を見たインピーダンスＺｉｎ（以下、入力インピーダンスＺｉｎ）を５０Ωに変換させるものである。

この際、例えば、５０Ω±１Ωのような範囲を設定して、その範囲内になればインピーダンス整合したと見なしてもよい。また、目標とするインピーダンスを５０Ωにするのではなく、あえて、他のインピーダンス（例えば５１Ω）に設定することもある。

また、インピーダンス整合装置３のインピーダンス変換部１０には、少なくとも１つの可変インピーダンス素子が設けられるが、他にインピーダンス固定のコンデンサやインダクタ等の素子が設けられることもある。

図５は、インピーダンス変換部１０の回路構成例である。
インピーダンス変換部１０は、図５に示すように、例えば、第１の可変コンデンサＣ１、第２の可変コンデンサＣ２、およびインダクタＬ１によって構成される。

第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２は、キャパシタンスを変更できるコンデンサである。また、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２は、それぞれ図略の可動部を有しており、可動部の位置を変位させることで、そのキャパシタンスを変更させることができる。すなわち、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２は、可変インピーダンス素子の一種である。インダクタＬ１は、第２の可変コンデンサＣ２と出力端１０ｂとの間に設けられたインダクタンス固定のインダクタである。

なお、後述する図１に示すように、インピーダンス整合装置３の入力端３ａとインピーダンス変換部１０の入力端１０ａとの間には、入力端情報検出部２０が設けられている。しかし、本明細書では、インピーダンス整合装置３の入力端３ａにおける電気的特性と、インピーダンス変換部１０の入力端１０ａにおける電気的特性は、実質的に同じと見なす。そのために、インピーダンス整合装置３の入力端３ａから負荷５側を見たインピーダンスを入力インピーダンスＺｉｎとしたときに、インピーダンス変換部１０の入力端１０ａから負荷５側を見たインピーダンスも入力インピーダンスＺｉｎとする。

また、インピーダンス変換部１０の出力端１０ｂは、実質的にインピーダンス整合装置３の出力端３ｂと同じである。そのために、インピーダンス整合装置３の出力端３ｂから負荷５側を見たインピーダンスを出力インピーダンスＺｏｕｔとしたときに、インピーダンス変換部１０の出力端１０ｂから負荷５側を見たインピーダンスも出力インピーダンスＺｏｕｔとする。

このようなインピーダンス変換部１０を備えたインピーダンス整合装置３の場合、インピーダンス変換部１０の入力端１０ａ（実質的に、インピーダンス整合装置３の入力端３ａと同じ）では、電圧、電流とも異常に上昇することはない。しかし、インピーダンス変換部１０の出力端１０ｂでは、入力端１０ａに比べて、電圧が異常上昇することがあり、放電事故が生じるおそれがある。また、インピーダンス変換部１０の出力端１０ｂでは、大きな電流が流れるので、発熱による破損が生じるおそれがある。

そのために、第２の可変コンデンサＣ２、およびインダクタＬ１のようなインピーダンス変換部１０の出力側にある素子は、高電圧、高電流に耐えるように設計する必要がある。しかし、実際には、小型化、軽量化、製造コスト低減のために、顧客の要求仕様を満足する範囲で有限の耐電圧値、耐電流値を持つ素子が選定される。この理由は、考えられる最大値を想定して素子を選定すると、素子が大型化、重量化するだけでなく、製造コストも高くなってしまい、実用的でなくなるからである。

そのために、顧客の方で、要求仕様を超えないように高周波電源装置１から出力する出力電力値の設定等を行っている。この理由は、出力電力値を変化させることによって、出力端１０ｂでの電圧、電流を変化させることができるからである。しかし、万が一、誤って要求仕様を超える電力設定等を行った場合、インピーダンス変換部１０の素子の耐電圧値を超える電圧が生じたり、耐電流値を超える電流が流れることによって、インピーダンス変換部１０の素子が破損するおそれがある。

そのための対策として、特開平６−１１５２８号公報に示すように、出力端１０ｂでの電圧を演算して、その演算した電圧値を監視していた。この技術を用いれば、演算した電圧値が所定値以上になると、異常と判定することができる。そして、異常と判定された場合に、例えば、高周波電源装置１の出力を停止する等して、インピーダンス変換部１０の素子が破損するのを防止することができる。

または、実際に出力端１０ｂにおける電圧や電流を検出し、検出した電圧や電流が所定の上限値を超えた場合に異常と判定すればよい。この場合も上記と同様に、例えば、高周波電源装置１の出力を停止する等して、インピーダンス変換部１０の素子が破損するのを防止することができる。

ところで、高周波電源装置１の出力を停止させるには、第１に、異常と判定されたときに、インピーダンス整合装置３から異常信号を外部に出力する。第２に、（顧客の）上位制御装置が、異常信号を入力し、その後、高周波電源装置１に出力停止信号を出力する。第３に、高周波電源装置１が上位制御装置の指令に従って電力の出力を停止させる。という工程を行っていた。すなわち、「インピーダンス整合装置３→上位制御装置→高周波電源装置１」という順番で、信号が伝わっていた。

もちろん、インピーダンス整合装置３から出力する異常信号を、高周波電源装置に入力させて、電力供給を停止させるようにしてもよい。この場合は、「インピーダンス整合装置３→高周波電源装置１」という順番で、信号が伝わることになる。

いずれにしても、インピーダンス整合装置３から外部の装置に異常信号が出力され、この異常信号を外部の装置に入力させるという工程を行っていた。

特開平６−１１５２８号公報

上記のように、従来では、インピーダンス変換部１０の素子の耐電圧値を超える電圧が生じたり、耐電流値を超える電流が流れることによって、インピーダンス変換部１０の素子が破損するおそれがある場合、インピーダンス整合装置３は、異常信号を外部に出力する。そして、上記のように、「インピーダンス整合装置３→上位制御装置→高周波電源装置１」、または、「インピーダンス整合装置３→高周波電源装置１」の順番で異常信号の処理を行うことによって、高周波電源装置１の出力を停止させていた。

しかしながら、このような方法では、複数の装置で異常信号の処理を行うので、その分だけ処理時間がかかってしまう。その結果、周波電源装置１の出力を停止させるタイミングが遅れるので、場合によっては、タイミングが遅れたことが原因となって、インピーダンス変換部１０の素子が破損してしまう可能性がある。

また、インピーダンス整合装置３が正常に動作していても、上位制御装置や高周波電源装置１の信号処理系統に異常が生じることによって、高周波電源装置１の出力を停止できず、インピーダンス変換部１０の素子が破損するのを防止できない状態になる可能性もある。

また、「インピーダンス整合装置３」、「上位制御装置」、「高周波電源装置１」の仕様が、それぞれ異なることがある。特に、異なるメーカ製の装置の場合は、その割合が多くなる。このように仕様が異なる場合、いずれかの装置の仕様に合うように、異常信号の仕様を変更する必要が生じる。すなわち、個別仕様の装置を製作する必要があるので、その分だけ装置の製造コストが増えるという問題が生じる。

本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、インピーダンス変換部１０の素子に耐電圧値を超える電圧が生じたり、耐電流値を超える電流が流れた場合に、従来よりも短い時間で、インピーダンス変換部への高周波電力の供給を停止させるインピーダンス整合装置を提供することを目的としている。

第１の発明によって提供されるインピーダンス整合装置は、
高周波電力を出力する高周波電源装置と負荷との間に設けられ、高周波電源装置と負荷のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合装置において、
インピーダンスを変更できる可変インピーダンス素子を少なくとも１つ有し、入力端から負荷側を見たインピーダンスを変換するインピーダンス変換手段と、
前記インピーダンス変換手段の状態を監視し、その状態が予め定めた所定の状態になったときに、異常であると判定して異常信号を出力する異常判定手段と、
前記高周波電源装置と前記インピーダンス変換手段の間の伝送線路の途中に設けられ、前記異常判定手段から異常信号が出力されたときに、前記高周波電源装置から出力する高周波電力が前記インピーダンス変換手段に入力されないように、前記伝送線路を遮断する遮断手段と、
を備えたものである。

第２の発明によって提供されるインピーダンス整合装置は、
高周波電力を出力する高周波電源装置と負荷との間に設けられ、高周波電源装置と負荷のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合装置において、
インピーダンスを変更できる可変インピーダンス素子を少なくとも１つ有し、入力端から負荷側を見たインピーダンスを変換するインピーダンス変換手段と、
前記インピーダンス変換手段の特定箇所における電気情報として、電流および電圧の少なくとも一方を検出し、検出した電気情報を出力する電気情報検出手段と、
前記電気情報が予め定められた上限値を超えた場合に、異常であると判定して異常信号を出力する異常判定手段と、
前記高周波電源装置と前記インピーダンス変換手段の間の伝送線路の途中に設けられ、前記異常判定手段から異常信号が出力されたときに、前記高周波電源装置から出力する高周波電力が前記インピーダンス変換手段に入力されないように、前記伝送線路を遮断する遮断手段と、
を備えたものである。

第３の発明によって提供されるインピーダンス整合装置は、
前記可変インピーダンス素子毎に設けられ、前記可変インピーダンス素子の可動部の位置情報を検出し、検出した位置情報に基づいて、前記可動部の現在位置を出力する位置検出手段と、
前記電気情報検出手段の出力と位置検出手段の出力とを用いて、前記入力端情報検出手段の検出箇所とは異なる箇所における電気情報を演算によって求め、演算した電気情報を出力する電気情報演算手段と、
をさらに備え、
異常判定手段が、前記電気情報演算手段の出力を用いて、異常であるか否かの判定を行うものである。

第４の発明によって提供されるインピーダンス整合装置は、
高周波電力を出力する高周波電源装置と負荷との間に設けられ、高周波電源装置と負荷のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合装置において、
可動部の位置を変位させることによって、インピーダンスを変更できる可変インピーダンス素子を少なくとも１つ有し、入力端から負荷側を見たインピーダンスを変換するインピーダンス変換手段と、
前記インピーダンス変換手段の入力端における電圧、電流および電圧と電流との位相差を検出し、入力端情報として出力する入力端情報検出手段と、
前記可変インピーダンス素子毎に設けられ、前記可変インピーダンス素子の可動部の位置情報を検出し、検出した位置情報に基づいて、前記可動部の現在位置を出力する位置検出手段と、
前記入力端情報検出手段の出力と位置検出手段の出力とを用いて、前記入力端情報検出手段の検出箇所とは異なる箇所における電気情報を演算によって求め、演算した電気情報を出力する電気情報演算手段と、
前記電気情報が予め定められた上限値を超えた場合に、異常であると判定して異常信号を出力する異常判定手段と、
前記高周波電源装置と前記インピーダンス変換手段の間の伝送線路の途中に設けられ、前記異常判定手段から異常信号が出力されたときに、前記高周波電源装置から出力する高周波電力が前記インピーダンス変換手段に入力されないように、前記伝送線路を遮断する遮断手段と、
を備えたものである。

インピーダンス整合装置では、インピーダンス変換手段内の素子の耐電圧値を超える電圧が生じたり、耐電流値を超える電流が流れることによって、インピーダンス変換手段内の素子が破損するおそれがある。そのために、インピーダンス変換手段内の保護したい箇所における電気情報（電圧および電流の少なくとも一方）を常に監視して、電圧や電流が上限値を超えた場合は、すばやく電力供給を停止させるなどの処理を行う必要がある。
そこで、第１〜第４の発明のように、異常と判定された場合には、異常信号をインピーダンス整合装置内にある遮断手段に直接入力し、異常であると判定されたときには、遮断手段によって伝送線路を開放させれば、従来のように複数の装置で異常信号の処理を行う場合に比べて短い時間で、高周波電源装置から出力する高周波電力がインピーダンス変換手段に入力されないようにすることができる。また、インピーダンス整合装置内で、異常信号の処理を行うので、従来のように、上位制御装置や高周波電源装置の信号処理系統に異常が生じた場合であっても、高周波電源装置から出力する高周波電力がインピーダンス変換手段に入力されないようにすることができる。これらのことによって、素子の保護機能を高めることができる。異常と判定された場合には、素早く処理を行う必要があるので、たとえ僅かな時間短縮であっても、その効果は大きい。

また、従来では、インピーダンス整合装置の外部にある複数の装置で異常信号の処理を行っていたため、装置間の仕様を合わす必要があったが、本発明では、インピーダンス整合装置内で、異常信号処理を行うために、仕様を合わす必要がない。

第４の発明では、インピーダンス整合装置に元来ある入力端情報検出手段および位置検出手段の双方の出力を用いて、インピーダンス変換手段の特定箇所における電気情報を演算によって求めている。そのために、第１〜第３の発明とは異なり、電気情報検出手段を設けないが、異常であると判定されたときには、第１〜第３の発明と同様に、従来よりも短い時間で、前記インピーダンス変換手段への高周波電力の供給を停止させることができる。

また、検出箇所以外の箇所における電気情報を演算できるので、異常判定を行いたい箇所が複数あっても、その箇所毎に電気情報検出手段を設けることなく異常判定が可能となる。そのため、異常判定を行いたい箇所毎に電気情報検出手段を設ける場合に比べて、装置の小型化およびコスト削減を行うことができる。

また、第３の発明は、例えば、インピーダンス変換手段の途中の箇所における異常判定をしたいが、その箇所に電気情報検出手段を設定できない場合、または、他の箇所の方が電気情報検出手段を設置し易い場合に有効である。

以下、本発明の詳細を図面を参照して説明する。

図１は、インピーダンス整合装置３の構成例である。
インピーダンス変換部１０は、図５に示したものと同じであるので、説明を省略する。なお、インピーダンス変換部１０は、本発明のインピーダンス変換手段の一例である。

入力端情報検出部２０は、インピーダンス整合装置３の入力端３ａ（インピーダンス変換部１０の入力端１０ａと実質的に同じ）において、インピーダンス整合に必要な情報である入力電圧Ｖｉｎ（例えば、実効値）、入力電流Ｉｉｎ（例えば、実効値）、および入力電圧Ｖｉｎと入力電流Ｉｉｎとの位相差θｉｎを検出するものである。より詳細には、入力端情報検出部２０は、電圧検出部２１、電流検出部２２、位相差検出部２３によって構成されている。なお、入力端情報検出部２０は、本発明の入力端情報検出手段の一例である。

遮断部３０は、入力端情報検出部２０とインピーダンス変換部１０との間の伝送線路の途中に設けられ、伝送線路を開閉させるものである。この遮断部３０の開閉は、後述する異常判定部から出力される異常信号によって行われ、異常信号が異常判定部から出力されて、遮断部３０に入力されたときに伝送線路が開く（遮断）ようになっている。そして、遮断部３０によって伝送線路が閉じたときには、高周波電源装置１からインピーダンス変換部１０に高周波電力が入力され、伝送線路が開いたとき、すなわち、伝送線路が遮断されたときには、高周波電源装置１からインピーダンス変換部１０に高周波電力が入力されない状態となる。なお、遮断部３０は、本発明の遮断手段の一例である。また、本実施形態では、図１のように、遮断部３０が、入力端情報検出部２０とインピーダンス変換部１０との間の伝送線路の途中に設けられた場合を示しているが、遮断部３０は、高周波電源装置１から入力端情報検出部２０の間の伝送線路の途中に設けられてもよい。すなわち、遮断部３０は、高周波電源装置１とインピーダンス変換部１０との間の伝送線路の途中に設ければよい。

電気情報検出部４０は、インピーダンス整合装置３の特定箇所における電圧Ｖｐ及び（例えば、実効値）および電流Ｉｐ（例えば、実効値）を検出するものである。より詳細には、電気情報検出部４０は、電圧検出部４１、電流検出部４２によって構成されている。図１の例では、電気情報検出部４０は、インピーダンス整合装置３の出力端３ｂ（インピーダンス変換部１０の出力端１０ｂと実質的に同じ）に設けた場合を図示している。なお、電気情報検出部４０は、本発明の電気情報検出手段の一例である。

第１駆動部５１は、第１の可変コンデンサＣ１と連結されており、第１駆動部５１が駆動することによって可変コンデンサＣ１のキャパシタンスを変更させることができる。同様に、第２駆動部５２は、第２の可変コンデンサＣ２と連結されており、第２駆動部５２が駆動することによって可変コンデンサＣ２のキャパシタンスを変更させることができる。このような第１駆動部５１および第２駆動部５２には、例えば、ステッピングモータ、サーボモータ等のモータが用いられる。

また、これらの第１駆動部５１および第２駆動部５２は、後述する制御部７０によって制御される。この際、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２のキャパシタンスが、それぞれ複数段階に変更可能となるように制御される。

より詳細には、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２には、それぞれ、キャパシタンスを変更させるための可動部があり、この可動部の位置を変位させることによって、キャパシタンスを変更できる仕組みになっている。そのために、第１駆動部５１および第２駆動部５２によって、それぞれの可動部を複数段階に変位させることで、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２のそれぞれのキャパシタンスを複数段階に変更させることができる。すなわち、可変インピーダンス素子のインピーダンスを複数段階に変更させることができる。

例えば、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２の可動部の位置が、それぞれ１０１段階に変位可能である場合、キャパシタンスは、１０１×１０１＝１０，２０１通りの組み合わせに変更可能となる。すなわち、インピーダンス変換部１０のインピーダンスは、１０，２０１通りの組み合わせに変更可能となる。

なお、可動部の位置に対するキャパシタンスは、可変インピーダンス素子の仕様または実験によって、既知となっている。そのため、可動部の位置が分かれば、キャパシタンスが分かるようになっている。

また、本実施形態では、可変インピーダンス素子として、第１の可変コンデンサＣ１および第２の可変コンデンサＣ２のような可変コンデンサを例にして説明しているが、可変インピーダンス素子として可変インダクタを用いる場合でも、同様である。

第１位置検出部６１は、第１の可変コンデンサＣ１の可動部の位置情報を検出し、検出した位置情報に基づいて可動部の現在位置を出力するものである。なお、可動部の位置情報とは、可動部の位置を直接または間接的に示す情報のことである。例えば、本実施形態のように、第１駆動部５１がステッピングモータ等のモータの場合、第１の可変コンデンサＣ１の可動部の位置は、モータの回転によって変位する。そのために、モータの回転量を検出することによって、可動部の位置を求めることができる。そのために、モータの回転量を可動部の位置情報とすることができる。この場合、モータの回転量は、パルス信号で検出してもよいし、電圧等で検出してもよい。

また、前述したように、第１駆動部５１が、第１の可変コンデンサＣ１と連結されているので、第１の可変コンデンサＣ１の可動部の位置情報は、可変インピーダンス素子側で検出してもよいし、第１駆動部５１側で検出してもよい。本実施形態では、図１に示すように、第１駆動部５１側で検出する例を示している。

同様に、第２位置検出部６２は、第２の可変コンデンサＣ２の可動部の位置情報を検出し、検出した位置情報に基づいて可動部の現在位置を出力するものである。この第２位置検出部６２は、第１位置検出部６１と同様なので、説明を省略する。なお、第１位置検出部６１および第２位置検出部６２は、本発明の位置検出手段の一例である。

制御部７０は、入力端情報検出部２０で検出した情報に基づいて、入力インピーダンスＺｉｎが所定値になるように、インピーダンス整合を行うものである。そのために、制御部７０は、第１駆動部５１および第２駆動部５２に対して、インピーダンス整合するように指令信号を出力し、第１の可変コンデンサＣ１、第２の可変コンデンサＣ２のキャパシタンスを変更させている。このとき、第１位置検出部６１および第２位置検出部６２から出力した可動部の現在位置を入力して、フィードバック制御してもよい。すなわち、第１位置検出部６１および第２位置検出部６２は、使用する場合と使用しない場合とがある。そのために、図１では、第１位置検出部６１および第２位置検出部６２から制御部７０に向かう信号線を点線で表している。

なお、インピーダンス整合の方法に関しては公知であるため、説明を省略する。また、本実施例では、入力端情報検出部２０で検出するのは、電圧、電流、位相差であり、この情報に基づいてインピーダンス整合を行っているが、この方式に限定するものではない。例えば、進行波電圧と反射波電圧とを検出し、検出した進行波電圧と反射波電圧とに基づいてインピーダンス整合を行う方式でインピーダンス整合を行ってもよい。

異常判定部８０は、電気情報検出部４０によって検出された電圧と電流とを電気情報として入力する。また、予め定められた電圧上限値および電流上限値を入力する。そして、検出した電圧が、予め定められた電圧上限値よりも大きい場合、または、検出した電流が、予め定められた電流上限値よりも大きい場合に異常であると判定し、異常信号を出力するものである。すなわち、異常判定部８０は、インピーダンス変換部１０の状態を監視し、その状態が予め定めた所定の状態になったときに、異常であると判定して異常信号を出力するものである。また、異常信号は、遮断部３０に向けて出力されるとともに、インピーダンス整合装置３の外部に出力される。外部に出力された異常信号は、従来と同様に、高周波電源装置１の出力を停止させるために用いられる。なお、異常判定部８０は、本発明の異常判定手段の一例である。

次に予め定められた電流上限値および電圧上限値について説明する。
前述したように、インピーダンス変換部１０の素子の耐電圧値を超える電圧が生じたり、耐電流値を超える電流が流れることによって、インピーダンス変換部１０の素子が破損するおそれがある。そこで、インピーダンス変換部１０の素子が破損するおそれがないと考えられる電圧や電流の上限値を予め定めておけば、これらの上限値と検出値とを比較することによって、インピーダンス変換部１０の素子が破損する状態になるまでに、対処が可能となる。例えば、異常判定部８０によって異常と判定した場合には、前述した遮断部３０によって、伝送線路を遮断させて、高周波電源装置１からインピーダンス変換部１０に高周波電力が入力されない状態にすることができる。

ところで、図１の例では、出力端に電気情報検出部４０を設けている。そのために、この箇所で検出する電圧、電流は、インダクタＬ１の出力端に対するものである。すなわち、第１の可変コンデンサＣ１や第２の可変コンデンサＣ２のような可変インピーダンス素子に対するものではない。そのために、第１の可変コンデンサＣ１や第２の可変コンデンサＣ２の破損防止に適した電圧と電流の上限値を定めるには、この検出点から電圧降下等を考慮して上限値を定めればよい。

例えば、図１のａ２点における電圧は、インダクタＬ１による電圧降下を考慮すると、出力端における電圧よりも高くなる。したがって、図１のａ２点における電圧によって異常判定を行いたいにも関わらず、出力端に電気情報検出部４０を設ける場合は、この電圧降下の分だけ上限値を低くすればよい。

もちろん、このような考慮をすることなく異常判定を行うために、図１のａ１点やａ２点に電気情報検出部４０を設けて、その検出値とその箇所に対応した上限値とを比較して、異常判定を行っても良い。

また、素子の両端にかかる電圧の差（電位差）によって、異常判定を行いたい場合は、素子の両端に、それぞれ電圧を検出できる電気情報検出部４０を設けて、その差の電圧（電位差）が、予め定められた電圧上限値よりも大きい場合に異常であると判定すればよい。例えば、図１の例で、第２の可変コンデンサＣ２の両端にかかる電圧によって異常判定を行いたい場合は、図１のａ１点およびａ２点の２箇所に電気情報検出部４０を設け、さらに、電圧の差（電位差）を出力する回路等を設ければよい。

また、上記の例では、電気情報検出部４０によって、電流および電圧の両方を検出していたが、電流および電圧のどちらか一方だけを検出して、その検出値と対応する上限値とを比較することによって異常判定を行っても良い。もちろん、その場合は、電流または電圧のどちらか一方に対する保護しかできないことになる。

このように、電気情報検出部４０の場所や異常判定の方法は、さまざまなパターンがあるが、いずれにしても、従来よりも短い時間で、伝送線路の遮断等の対処ができるようになる。

（第２実施形態）
図２は、インピーダンス整合装置３の他の構成例である。
この図２に示すインピーダンス整合装置３は、図１で示した電気情報検出部４０を使用せずに、異常判定を行う場合の構成例である。具体的には、図１の電気情報検出部４０を削除し、その代わりに、入力端情報検出部２０の出力と第１位置検出部６１および第２位置検出部６２の出力とを用いて、インピーダンス変換部１０の各部（全てではなく、特定の箇所だけでもよい）における電気情報（電圧および電流の少なくとも一方）を演算する電気情報演算部９０を設けたものである。なお、電気情報演算部９０は、本発明の電気情報演算手段の一例である。

ところで、インピーダンス変換部１０の回路定数が定まり、入力電力値Ｐｉｎが分かれば、インピーダンス変換部１０の各部における電気情報は演算によって求めることができる。そして、前述したように、可動部の位置に対するキャパシタンスは、可変インピーダンス素子の仕様または実験によって既知である。そして、電気情報演算部９０は、この可動部の位置に対するキャパシタンスの情報を有している。そのために、インピーダンス変換部１０の各部における電気情報は演算によって求めることができる。そして、電気情報演算部９０によって求めた電気情報を異常判定部に入力すれば、第１実施形態と同様に、異常判定を行うことができる。

（電圧、電流の演算例）
インピーダンス変換部１０の各部における電気情報（電圧、電流）の演算は、下記のようにして行えばよい。

例えば、高周波電源装置１から出力する高周波電力の周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］、入力電力値Ｐｉｎが１［ｋＷ］で、インピーダンス変換部１０において電力損失がないと仮定した場合について説明する。なお、入力電力値Ｐｉｎは、式（１）によって演算することができる。
Ｐｉｎ＝Ｖｉｎ・Ｉｉｎ・ｃｏｓ（θｉｎ） ・・・・・（１）

図２の入力インピーダンスＺｉｎは、式（２）のように表される。また、この入力端における電流は式（３）、電圧は式（４）で表される。
Ｚｉｎ＝Ｒｉｎ＋ｊＸｉｎ ・・・・・・・・・・（２）
Ｉｉｎ＝√（Ｐｉｎ／Ｒｉｎ） ・・・・・・・・・・（３）
Ｖｉｎ＝Ｉｉｎ×｜Ｚｉｎ｜ ・・・・・・・・・・（４）

例えば、入力インピーダンスＺｉｎが５０［Ω］とすると、入力端における電流は、約４．５［Ａ］となる。また、入力端での電圧は、約２２４［Ｖ］となる。

また、可変コンデンサＣ１のインピーダンスは、式（５）で表される。なお、式（５）において、「Ｃ１」は、キャパシタンスとして用いている。
−ｊＸｃ１＝−ｊ／（ω（Ｃ１））＝−ｊ／（２πｆ（Ｃ１）） ・・・（５）

例えば、入力インピーダンスＺｉｎが５０［Ω］のときに、第１の可変コンデンサＣ１のキャパシタンスが１０００［ｐＦ］であるとすると、可変コンデンサＣ１のインピーダンス（−ｊＸｃ１）は、−ｊ１１．７［Ω］となる。したがって、可変コンデンサＣ１には、１９．１［Ａ］の電流が流れることになる。

次に、図２の第１の可変コンデンサＣ１と第２の可変コンデンサＣ２との間の箇所（ａ１点）から負荷５側を見たアドミタンスＹａ１は、式（６）で表される。そのために、ａ１点から負荷５側を見たインピーダンスＺａ１は、式（７）で表される。また、式（８）のように、インピーダンスＺａ１は、抵抗Ｒａ１とリアクタンスＸａ１とで表される。また、このａ１点におけるインピーダンスＺａ１の絶対値｜Ｚａ１｜は、式（９）で表される。
Ｙａ１＝１／Ｚｉｎ − １／（−ｊＸｃ１） ・・・・・（６）
Ｚａ１＝１／Ｙａ１ ・・・・・・・・・（７）
Ｚａ１＝Ｒａ１＋ｊＸａ１ ・・・・・・・・・（８）
｜Ｚａ１｜＝√（Ｒａ１^２＋Ｘａ１^２） ・・・・・・・・・（９）

例えば、入力インピーダンスＺｉｎが５０［Ω］のときに、第１の可変コンデンサＣ１のキャパシタンスが１０００［ｐＦ］であるとすると、インピーダンスＺａ１は、２．６＋ｊ１１．１［Ω］となる。また、インピーダンスＺａ１の絶対値｜Ｚａ１｜は、１１．４［Ω］となる。したがって、第２の可変コンデンサＣ２とインダクタＬ１には、約１９．６［Ａ］の電流が流れる。

また、可変コンデンサＣ２のインピーダンスは、式（１０）で表される。なお、式（１０）において、「Ｃ２」は、キャパシタンスとして用いている。
−ｊＸｃ２＝−ｊ／（ω（Ｃ２））＝−ｊ／（２πｆ（Ｃ２）） ・・（１０）

例えば、第２の可変コンデンサＣ２のキャパシタンスが１００［ｐＦ］であるとすると、可変コンデンサＣ２のインピーダンス（−ｊＸｃ２）は、約−ｊ１１７［Ω］になる。このときに、可変コンデンサＣ２に流れる電流が１９．６［Ａ］とすると、可変コンデンサＣ２の両端には、約２２９０［Ｖ］の電位差が生じることになる。

図２の第２の可変コンデンサＣ２とインダクタＬ１との間の箇所（ａ２点）から負荷５側を見たインピーダンスＺａ２は、式（１１）〜式（１３）のように表される。また、このａ２点におけるインピーダンスの絶対値｜Ｚａ２｜は、式（１４）で表される。
Ｚａ２＝Ｒａ２＋ｊＸａ２ ・・・・・・・・・（１１）
Ｒａ２＝Ｒａ１ ・・・・・・・・・（１２）
ｊＸａ２＝ｊＸａ１−（−ｊＸｃ２） ・・・・・・・・・（１３）
｜Ｚａ１｜＝√（Ｒａ１^２＋Ｘａ１^２） ・・・・・・・・・（１４）

例えば、上記の例の場合、インピーダンスＺａ２は、２．６＋ｊ１２８．１［Ω］となる。よって、このａ２点におけるインピーダンスの絶対値｜Ｚａ２｜は、１２８．１［Ω］となる。よって、このａ２点における電圧Ｖａ２は、約２５１０［Ｖ］となって、非常に高電圧になる。

また、インダクタＬ１のインピーダンスは、式（１５）で表される。なお、式（１５）において、「Ｌ１」は、インダクタンスとして用いている。
ｊＸＬ１＝ｊω（Ｌ１）＝ｊ２πｆ（Ｌ１） ・・・・・（１５）

例えば、インダクタＬ１のインダクタンスが１［μＨ］の場合、インダクタＬ１のインピーダンス（ｊＸＬ１）は、ｊ８５．２［Ω］となる。
したがって、インダクタＬ１の両端には、約１６７０［Ｖ］の電位差が生じることになる。

また、図２の出力インピーダンスＺｏｕｔは、式（１６）〜式（１８）のように表される。また、この出力端におけるインピーダンスの絶対値｜Ｚｏｕｔ｜は、式（１９）で表される。
Ｚｏｕｔ＝Ｒｏｕｔ＋ｊＸｏｕｔ ・・・・・・・・・（１６）
Ｒｏｕｔ＝Ｒａ１ ・・・・・・・・・（１７）
ｊＸｏｕｔ＝ｊＸａ２−（ｊＸＬ１） ・・・・・・・・・（１８）
｜Ｚｏｕｔ｜＝√（Ｒｏｕｔ^２＋Ｘｏｕｔ^２） ・・・・・・（１９）

例えば、上記の例の場合、出力インピーダンスＺｏｕｔは、２．６＋ｊ４２．９［Ω］となる。よって、この出力端におけるインピーダンスの絶対値｜Ｚｏｕｔ｜は、４３．０［Ω］となる。よって、この出力端における電圧Ｖｏｕｔは、約８４０［Ｖ］となる。

このように、インピーダンス変換部１０の回路定数が定まり、入力電力値Ｐｉｎが分かれば、インピーダンス変換部１０の各部における電圧、電流は演算によって求めることができる。そして、その演算結果が、それぞれの素子の耐電圧値、耐電流値を超えていないか否かを判定するために、上限値と比較すればよい。例えば、上記の演算例では、可変コンデンサＣ２の両端に、約２２９０［Ｖ］の電位差が生じる。この電位差が可変コンデンサＣ２の耐電圧値を越えているか否かを判定すればよい。

このようにすることで、万が一、要求仕様を超える過大な電力が高周波電源装置１から出力された場合にでも、可変インピーダンス素子が破損するのを防止できるようになる。例えば、高周波電源装置から出力する高周波電力がインピーダンス変換手段に入力されないようにすることによって、破損を防止させることができる。

（第３実施形態）
図３は、インピーダンス整合装置３の他の構成例である。
この図３に示すインピーダンス整合装置３は、図１で示した電気情報検出部４０の出力と第１位置検出部６１および第２位置検出部６２の出力とを用いて、インピーダンス変換部１０の各部（全てではなく、特定の箇所だけでもよい）における電気情報（電圧および電流の少なくとも一方）を演算する第２の電気情報演算部９１を設けたものである。そして、第２の電気情報演算部９１によって求めた電気情報を異常判定部に入力すれば、第１実施形態と同様に、異常判定を行うことができる。すなわち、第３実施形態は、図１に示した第１実施形態と図２に示した第２実施形態とを合わせた実施形態と言える。なお、電気情報演算部９１は、本発明の電気情報演算手段の一例である。また、電気情報演算部９０と電気情報演算部９１とは入力が異なるが、基本的には、検出箇所とは異なる箇所における電気情報を演算によって求めるという点で同一であるので、本発明の手段としては、共通化させている。また、第２の電気情報演算部９１における電気情報（電圧、電流）の演算は、第２実施形態で説明した内容から容易に分かるので、説明を省略する。

この図３に示したような構成にすると、例えば、インピーダンス変換部１０の途中の箇所における異常判定をしたいが、その箇所に電気情報検出部４０を設定できない場合、または、他の箇所の方が電気情報検出部４０を設置し易い場合に有効である。

なお、これまでの説明では、インピーダンス整合装置３のインピーダンス変換部１０に可変インピーダンス素子を２つ備えた例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図１のインピーダンス変換部１０の第１の可変コンデンサＣ１に代えて、固定のキャパシタンスを有する固定コンデンサを設けた構成のインピーダンス変換部にも適用できる。また、可変インピーダンス素子を３つ以上設けた構成のインピーダンス変換部、可変インダクタを設けた構成のインピーダンス変換部のような、他の種類のインピーダンス変換部にも適用できる。

また、１つの駆動部で２つ以上の可変インピーダンス素子を駆動する場合が考えられる。例えば、第２の可変コンデンサＣ２の代わりに、２つの可変コンデンサを並列接続し、それを第２駆動部５２で駆動させることができる。この場合は、並列接続された２つの可変コンデンサを１つの可変インピーダンス素子と見なせば、上記と同様に異常判定を行うことができる。

インピーダンス整合装置３の構成例である。 インピーダンス整合装置３の他の構成例である。 インピーダンス整合装置３の他の構成例である。 インピーダンス整合器が用いられる高周波電力供給システムの一例を示す図である。 インピーダンス変換部１０の回路構成例である。

符号の説明

１ 高周波電源装置
２ 伝送線路
３ インピーダンス整合装置
４ 負荷接続部
５ 負荷（プラズマ処理装置）
１０ インピーダンス変換部
２０ 入力端情報検出部
２１ 電圧検出部
２２ 電流検出部
２３ 位相差検出部
３０ 遮断部
４０ 電気情報検出部
４１ 電圧検出部
４２ 電流検出部
５１ 第１駆動部
５２ 第２駆動部
６１ 第１位置検出部
６２ 第２位置検出部
７０ 制御部
８０ 異常判定部
９０ 電気情報演算部
Ｃ１ 第１の可変コンデンサ
Ｃ２ 第２の可変コンデンサ
Ｌ１ インダクタ

Claims (4)

1. 高周波電力を出力する高周波電源装置と負荷との間に設けられ、高周波電源装置と負荷のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合装置において、
   インピーダンスを変更できる可変インピーダンス素子を少なくとも１つ有し、入力端から負荷側を見たインピーダンスを変換するインピーダンス変換手段と、
   前記インピーダンス変換手段の状態を監視し、その状態が予め定めた所定の状態になったときに、異常であると判定して異常信号を出力する異常判定手段と、
   前記高周波電源装置と前記インピーダンス変換手段の間の伝送線路の途中に設けられ、前記異常判定手段から異常信号が出力されたときに、前記高周波電源装置から出力する高周波電力が前記インピーダンス変換手段に入力されないように、前記伝送線路を遮断する遮断手段と、
   を備えたインピーダンス整合装置。
2. 高周波電力を出力する高周波電源装置と負荷との間に設けられ、高周波電源装置と負荷のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合装置において、
   インピーダンスを変更できる可変インピーダンス素子を少なくとも１つ有し、入力端から負荷側を見たインピーダンスを変換するインピーダンス変換手段と、
   前記インピーダンス変換手段の特定箇所における電気情報として、電流および電圧の少なくとも一方を検出し、検出した電気情報を出力する電気情報検出手段と、
   前記電気情報が予め定められた上限値を超えた場合に、異常であると判定して異常信号を出力する異常判定手段と、
   前記高周波電源装置と前記インピーダンス変換手段の間の伝送線路の途中に設けられ、前記異常判定手段から異常信号が出力されたときに、前記高周波電源装置から出力する高周波電力が前記インピーダンス変換手段に入力されないように、前記伝送線路を遮断する遮断手段と、
   を備えたインピーダンス整合装置。
3. 前記可変インピーダンス素子毎に設けられ、前記可変インピーダンス素子の可動部の位置情報を検出し、検出した位置情報に基づいて、前記可動部の現在位置を出力する位置検出手段と、
   前記電気情報検出手段の出力と位置検出手段の出力とを用いて、前記入力端情報検出手段の検出箇所とは異なる箇所における電気情報を演算によって求め、演算した電気情報を出力する電気情報演算手段と、
   をさらに備え、
   異常判定手段が、前記電気情報演算手段の出力を用いて、異常であるか否かの判定を行う請求項２に記載のインピーダンス整合装置。
4. 高周波電力を出力する高周波電源装置と負荷との間に設けられ、高周波電源装置と負荷のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合装置において、
   可動部の位置を変位させることによって、インピーダンスを変更できる可変インピーダンス素子を少なくとも１つ有し、入力端から負荷側を見たインピーダンスを変換するインピーダンス変換手段と、
   前記インピーダンス変換手段の入力端における電圧、電流および電圧と電流との位相差を検出し、入力端情報として出力する入力端情報検出手段と、
   前記可変インピーダンス素子毎に設けられ、前記可変インピーダンス素子の可動部の位置情報を検出し、検出した位置情報に基づいて、前記可動部の現在位置を出力する位置検出手段と、
   前記入力端情報検出手段の出力と位置検出手段の出力とを用いて、前記入力端情報検出手段の検出箇所とは異なる箇所における電気情報を演算によって求め、演算した電気情報を出力する電気情報演算手段と、
   前記電気情報が予め定められた上限値を超えた場合に、異常であると判定して異常信号を出力する異常判定手段と、
   前記高周波電源装置と前記インピーダンス変換手段の間の伝送線路の途中に設けられ、前記異常判定手段から異常信号が出力されたときに、前記高周波電源装置から出力する高周波電力が前記インピーダンス変換手段に入力されないように、前記伝送線路を遮断する遮断手段と、
   を備えたインピーダンス整合装置。
   
   

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