脉冲调制高频功率控制方法以及脉冲调制高频电源装置

摘要

本发明提供一种脉冲调制高频功率控制方法，具有用于控制脉冲输出的振幅的输出振幅控制步骤和用于控制脉冲输出的占空比的占空比控制步骤。输出振幅控制步骤控制脉冲输出的振幅值，进行使振幅值成为设定振幅值的恒定振幅控制。基于输出振幅控制的恒定振幅控制，例如反馈通过功率控制输出的脉冲输出的振幅值，求出该反馈值和预先设定的设定振幅值的差值，控制脉冲输出的振幅值使该差值成为零。

说明书

技术领域

作为控制供给负载的高频功率的方法，公知有控制高频电源装置输出的行 波功率为恒定的方法(PF控制)、控制使从行波功率减去反射波功率后的负载 功率为恒定的方法(PL控制)(专利文献1、2)。

另外，作为控制输出功率的功率振幅的方法，公知有控制连续功率的功率 振幅的连续功率控制方法，和变更脉宽或者脉冲的占空比的脉冲功率控制方法 (专利文献3)。

在脉冲功率控制或连续功率控制中，公知有在反射功率增加的情况下，为 了保护高频电源而降低输出功率的方法。另外，在控制负载功率的峰值的峰值 负载功率控制中，在峰值反射波功率变动的情况下，进行使峰值行波功率可变 的控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-87908号公报(参照段落0002～0009、0026、 0027)

专利文献2：日本特开2009-111940号公报(参照段落0002、0011)

专利文献3：日本特许第4065820号公报(参照段落0014、0015)

发明内容

发明要解决的课题

在现有的功率控制中，当与反射波功率的变动对应地使峰值行波功率变化 时，峰值行波功率发生增减。存在该峰值行波功率的变动，导致输出功率不稳、 以及对在负载侧的腔体(chamber)内进行的处理过程产生影响等问题。

例如，设置在高频电源和负载之间的匹配电路，通过匹配动作对由于峰值 行波功率的增减引起的阻抗的偏移进行匹配。此时，通过匹配电路的匹配动作， 匹配点发生变动。由于该匹配点的变动，导致负载侧的处理等离子体的等离子 体腔体内的阻抗变得不稳定，进而导致反射波功率变动，其结果，输出功率变 得不稳定。另外，当峰值行波功率变动时，腔体内的等离子体密度或等离子体 气氛(atmosphere)也同时变化，给在腔体进行的处理过程的均一性或成品率 带来恶劣影响。

在负载侧的等离子体的处理过程的动作进行中，在腔体内阻抗变化，峰值 反射波功率增加的情况下，当为了保护高频电源，而使行波功率的输出降低时， 会出现由于行波功率的降低导致等离子体丧失活性，处理过程的进行被中断， 而给产品的品质带来影响的问题。

另外，当负载侧的处理过程启动时，在等离子体未点火的状态下，反射波 功率一般有变大的倾向。被指出存在如下问题：当为了保护高频电源不受反射 波功率的增加的影响，而使行波功率的输出降低时，使等离子体的点火变得更 难。

另外，在专利文献1中，指出在控制行波功率为恒定时，反射波功率增加 的情况下，存在以下问题。

在控制行波功率为恒定的情况下，行波功率的峰值被控制为恒定，因此当 反射波功率增加时，对负载的供给电量降低，因此腔体内的等离子体状态发生 变化，负载阻抗变动。其结果，偏离匹配状态，无法维持等离子体，等离子体 消失。

另外，当对负载的供给电量变得不稳定，负载侧阻抗变动时，匹配目标点 变得不稳定，匹配器的可变阻抗元件的目标位置也变得不稳定，有可变阻抗元 件引起振荡现象(hunting phenomenon)的情形。在该匹配过程中的振荡现象 仅使匹配器的可变阻抗元件的一部分工作，使可变阻抗元件的寿命变短。

因此，在以往进行的功率控制中，在行波功率或负载功率等的输出功率控 制中，根据反射波功率的变动使输出功率增减，因此存在输出功率的功率振幅 变得不稳定，腔体内的等离子体状态变动等问题。

因此，本发明的目的在于解决上述的现有技术的问题，在脉冲功率控制中， 对于功率变动，控制输出功率的功率振幅(峰值功率)为恒定，由此避免由于 输出功率的功率振幅的变动引起的对负载的影响。

另外，本发明的目的在于通过稳定控制输出功率的功率振幅，使负载侧的 等离子体密度以及等离子体气氛稳定，提高基于等离子体处理的处理过程的均 一性和基于处理过程的产品的品质。

另外，本发明的目的在于，针对反射波功率的增加，抑制平均反射波功率， 保护电源装置，并且维持行波功率的功率振幅(峰值行波功率)，由此，不需 要匹配电路的不必要的匹配动作，使等离子体负载稳定。

另外，本发明的目的在于在负载的处理过程启动时，使易于产生腔体内的 等离子体。

用于解决课题的手段

本发明在功率控制中，通过进行使输出功率的功率振幅成为设定值的恒定 功率控制的输出振幅控制和、进行使与输出功率的电量对应的量成为设定值的 控制脉冲功率的占空比的占空比控制，来稳定控制输出功率的功率振幅，同时 针对反射波功率的增加保护电源装置。

本发明包含脉冲调制高频功率控制方法的形态和脉冲调制高频电源装置 的形态，任何一种形态以及各形态具备的方式共同具备通过对输出功率的功率 振幅进行恒定功率控制和、以脉冲功率的占空比控制与输出功率的电量对应的 量的占空比控制，实现输出功率的功率振幅的稳定控制和针对反射波功率的增 加的电源装置的保护。

本发明的脉冲调制高频功率控制方法是控制供给负载的高频功率的高频 功率的控制方法。通过本发明的控制方法，输出到负载的高频输出是脉冲输出。 相对于连续输出是在时间上连续输出高频功率，脉冲输出是在时间上断续地输 出高频功率。在时间上断续的脉冲输出中，交替地具备对负载供给峰值功率的 期间(导通期间)和、对负载供给比峰值功率小的功率的期间(断开期间)。 在此，将对负载供给峰值功率的期间设为导通期间，将对负载供给小于峰值功 率的功率的期间设为断开期间。将导通期间和断开期间合在一起的期间作为一 周期，供给功率。

图27是用于说明在本发明的脉冲调制高频功率控制中，供给负载的高频 功率的脉冲输出的图。在图27(a)中，把Tcyc作为一周期，把高频功率断 续地供给负载。一周期(Tcyc)具备导通期间(Ton)和断开期间(Toff)。在 脉冲调制高频功率控制中，在导通期间，供给高频功率，在断开期间，限制供 给，通过控制导通期间和断开期间的比率(占空比)，控制供给负载的功率。

图27(a)和图27(b)表示相同的高频功率的输出状态，图27(b)简 化地表示了图27(a)的导通期间的高频功率的变化。在以下的各附图中，与 图27(b)一样，简化表示高频功率的输出状态。

本发明的断开期间，除了包含不对负载供给峰值功率的期间，还包含供给 比峰值功率小的功率的期间。另外，在本发明中，峰值功率“峰值(peak)表 示功率的最大振幅。例如，峰值行波功率表示在从高频电源向负载前进的行波 功率中，表示振幅值为最大振幅的行波功率，关于振幅值未达到最大振幅的行 波功率，简单地表记为行波功率。

本发明的脉冲调制高频功率控制方法具备控制脉冲输出的振幅的输出振 幅控制步骤和控制脉冲输出的占空比的占空比控制步骤。

输出振幅控制步骤控制脉冲输出的振幅值，进行使振幅值成为设定振幅值 的恒定振幅控制。基于输出振幅控制的恒定振幅控制，例如，反馈通过功率控 制输出的脉冲输出的振幅值，求出该反馈值与预先设定的设定振幅值的差值， 控制脉冲输出的振幅值使该差值为零。可以通过PWM控制进行该输出振幅控 制，例如，根据差值调整导通时间宽度，形成脉冲控制信号，根据形成的脉冲 控制信号，切换输入直流功率，由此控制脉冲输出的振幅值。

占空比控制步骤控制脉冲输出占空比，进行使由该占空比决定的电量成为 恒定功率值的恒定功率控制。

在此，作为通过占空比控制步骤进行恒定功率控制的电量，例如可以设为 峰值行波功率的平均功率值、根据峰值行波功率和峰值反射波功率求出的峰值 负载功率的平均功率值。另外，峰值反射波功率是从负载返回到高频电源侧的 反射波功率的最大振幅，峰值负载功率是供给负载的负载功率的最大振幅。

峰值行波功率的平均功率值和峰值负载功率的平均功率值是从高频电源 侧供给负载侧的功率的平均功率值。

占空比控制步骤的恒定功率控制，在从高频电源侧供给负载侧的功率中， 控制使电量不依赖于时间的变动地恒定地成为设定功率值，并不限于作为例子 示例了峰值行波功率或峰值负载功率的平均功率值，也可以使用峰值行波功率 或峰值负载功率的中间值(media value)或频度最大(most-frequent)值等恒 定地表示电量的值。

本发明的脉冲调制高频功率控制方法通过分别独立地进行输出振幅控制 步骤和占空比控制步骤，对高频功率进行脉冲调制，使两个控制不会产生干扰 地进行。由此，例如可以控制峰值行波功率成为恒定，同时可以控制平均行波 功率成为恒定。

输出振幅控制步骤和占空比控制步骤除了供给负载功率外，还可以将供给 负载的电压或电流作为脉冲输出的控制对象进行控制。

在本发明的脉冲调制高频功率控制方法中，占空比控制步骤可以包含通过 占空比的控制将不输出高频功率的断开时间设为零，将脉冲输出切换为连续输 出的步骤。通过该控制，脉冲输出的电量，与该脉冲输出的振幅值相等。

本发明的脉冲调制高频功率控制方法可以成为作为控制对象控制峰值行 波功率的方式，作为控制对象控制平均负载功率的方式。

在占空比控制步骤中，在作为控制对象控制峰值行波功率的方式中，将峰 值行波功率作为脉冲输出的控制对象，输出振幅控制步骤进行使峰值行波功率 的振幅值成为设定振幅值的恒定振幅控制，占空比控制步骤进行使由占空比决 定的峰值行波功率的平均功率值成为设定功率值的恒定功率控制，由此控制峰 值行波功率。

另外，该占空比控制步骤包含：为不连续输出的脉冲输出控制和脉冲输出 为连续的连续输出控制。

脉冲输出控制是如下的控制：在由脉冲输出的一周期内的导通时间和断开 时间决定的占空比中，使导通时间不足100％，控制峰值行波功率的平均功率 值变得比该峰值行波功率的振幅值小，使脉冲输出为不连续输出。

另外，连续输出控制是在由脉冲输出的一周期内的导通时间和断开时间决 定的占空比中，使断开时间为0％，导通时间为100％，使脉冲输出为连续输 出的控制。通过该控制，峰值行波功率的平均功率值与峰值行波功率的振幅值 相等。

在占空比控制步骤，在作为控制对象控制平均负载功率的方式中，将峰值 行波功率设为输出振幅控制步骤中的脉冲输出的控制对象，将平均负载功率设 为主控部控制步骤中的脉冲输出的控制对象，输出振幅控制步骤进行使峰值行 波功率的振幅值成为恒定的恒定振幅控制，占空比控制步骤进行使根据由占空 比决定的峰值行波功率和峰值反射功率求出的峰值负载功率的平均功率值成 为设定功率值的恒定功率控制，来控制平均负载功率。

在本发明的占空比控制中，根据通过输出振幅控制步骤的恒定功率控制获 得的反馈值，对脉冲输出的占空比进行增减。

在增减该占空比的控制中，当占空比控制步骤反馈峰值反射波功率值，峰 值反射波功率增加时，减小占空比的导通时间比率，抑制平均反射波功率的增 加。

另外，在增减占空比的控制中，占空比控制步骤当反馈峰值反射波功率值， 峰值反射波功率增加时，增大占空比的导通时间，控制平均负载功率为恒定。

在负载功率控制中，如果当峰值反射波功率变动时，控制峰值行波功率， 进行峰值负载功率控制，则峰值行波功率变动，由此，担心负载侧的等离子体 密度变动而变得不稳定。对此，可以通过增减占空比的导通时间比率，控制平 均负载功率为恒定，使峰值行波功率的输出稳定。

在通过连续输出控制来控制高频功率的情况下，当峰值反射波功率的振幅 值过大时，通过应用本发明的脉冲调制高频功率控制方法，可以抑制平均反射 波功率的增加。

作为代替连续输出控制而应用脉冲调制高频功率控制的控制模式，有在稳 定状态下，通过连续输出峰值行波功率供给的控制模式(连续行波功率控制模 式)和通过高频电源开始等离子体负载的处理过程，使等离子体点火的控制模 式(处理过程开始控制模式)。

在连续行波功率控制模式中，在连续输出恒定的峰值行波功率的稳定状态 下，当在该连续输出中峰值反射波功率的振幅值变得过大时，通过从连续输出 控制切换为脉冲输出控制来方式来应用脉冲输出控制，控制占空比，由此抑制 平均反射波功率的增加。

另一方面，在处理过程开始控制模式中，是通过脉冲输出控制进行使峰值 行波功率增加的增加阶段，在峰值行波功率达到预定值后，切换为连续输出控 制的控制，当在该峰值行波功率的增加中，峰值反射波功率的振幅值变得过大 时，通过从连续输出控制切换为脉冲输出控制的方式来应用脉冲输出控制，控 制占空比，由此抑制平均反射波功率的增加。

在在稳定状态下供给峰值行波功率的控制模式(连续行波功率控制模式) 中，有由于在处理过程中气体压力的变化或离子反应等原因，腔体内的阻抗变 化，反射波功率暂时增加的情形。这样在反射波功率增加时，如果如以往那样， 使输出功率降低，则由于匹配电路的匹配动作的连动而导致腔体内的等离子体 变得不稳定。

对此，作为将脉冲的占空比的导通时间的比率设为100％，使平均行波功 率与峰值行波功率一致的连续行波功率控制模式，当峰值反射波功率的振幅值 过大时，使占空比的导通时间的比率从100％开始减小，从连续输出控制切换 为脉冲输出控制，由此抑制平均反射波功率的增加。

通过该控制，可以避免峰值行波功率的变化，因此，可以稳定向负载的功 率供给。

另外，在处理过程开始控制模式中，在等离子体点火之前，有峰值反射波 功率增加的倾向。此时，如果如以往那样使输出功率降低，则输出电压变得比 腔体内的等离子体点火电压低，使等离子体的点火变得困难。

对此，在本发明中，在处理过程开始控制模式中，通过连续输出控制使峰 值行波功率增加并进行供给，在使该峰值行波功率增加的过程中，当峰值反射 波功率的振幅值过大时，使占空比的导通时间比率从100％开始减小，从连续 输出控制切换为脉冲输出控制，通过等离子体点火，使峰值反射波功率降低到 允许范围内，然后在峰值行波功率增加后，使占空比的导通时间比率返回到 100％，从脉冲输出控制切换为连续输出控制，由此抑制使峰值行波功率增加 的期间的平均反射波功率的增加。

通过上述控制，在峰值反射波功率增加的情况下，也可以一边抑制平均反 射波功率一边维持峰值行波功率的供给，因此使等离子体容易点火，在腔体内 的等离子体点火后，等离子体气氛成为正常，峰值反射波功率减少，因此通过 占空比控制，使占空比的导通时间比率返回到100％，从脉冲输出控制切换到 连续输出控制。

另外，关于峰值反射波功率的振幅值是否过大的判定，例如除了可以通过 比较峰值反射波功率的反馈值和预先设定的设定值来进行，还可以通过比较峰 值反射波功率的反馈值的增加率和预先设定的设定值。

另外，关于处理过程开始控制模式，可以通过由占空比控制代替所述的连 续输出控制来进行。

在该处理过程开始控制模式中的占空比控制中，当峰值反射波功率的振幅 值过大时，通过逐渐增加占空比的导通时间比率，来抑制平均反射波功率的增 加。

通过该控制，在峰值反射波功率增加的情况下，也可以一边抑制平均反射 波功率，一边维持峰值行波功率的供给，因此可以使等离子体点火，在腔体内 的等离子体点火后，等离子体气氛成为正常，峰值反射波功率减少，因此通过 占空比控制，使占空比的导通时间比率为100％，从占空比控制切换为连续输 出控制。

在本发明的脉冲调制高频功率控制的占空比控制中，脉冲功率的一周期具 备导通期间和断开期间，根据各期间的功率电平，具备两个功率控制的方式。

一个功率控制是在占空比控制中，在断开期间将脉冲输出的功率值设为 零，在导通期间，将脉冲输出的功率值设为设定功率值的控制方式(导通/断 开(ON/OFF)功率控制)。此外，另一个功率控制是在占空比控制中，在断开 期间，将脉冲输出的功率值设为在零和设定功率值之间所决定的预定功率值， 在导通期间，将脉冲输出的功率值设为设定功率值的控制方式(高/低功率控 制)。

高/低功率控制可以通过将脉冲的断开期间的功率电平设定为预定值以 上，避免断开期间中的等离子体消失这样的状态。

此外，在本发明的脉冲调制高频功率控制中，占空比控制可以应用多个控 制方式。

占空比控制的一个控制方式是将频率设为恒定的PWM控制，将频率设为 恒定，控制导通期间的时间宽度和断开期间的时间宽度的时间宽度的比率。此 外，占空比的另一控制方式是设导通宽度或者断开宽度为恒定的PFM控制， 设导通期间的时间宽度为恒定，使断开期间的时间宽度变化。或者设断开期间 的时间宽度为恒定，使导通期间的时间宽度变化，由此控制脉冲输出的频率。

另外，通过输出振幅控制进行的PWM控制是通过切换输入直流功率，来 控制脉冲输出的振幅值的控制，通过占空比控制的PWM控制是在维持通过输 出振幅控制控制的振幅值的状态下，控制平均行波功率的控制，可以将控制对 象设为不同，互相间不发生干扰，分别独立地进行控制。由此，在峰值反射波 功率增加的情况下，也可以不使峰值行波功率的振幅值降低地控制平均行波功 率。

接下来，说明本发明的脉冲调制高频电源装置的形态。

本发明的脉冲调制高频电源装置是供给负载高频功率的高频电源装置，具 备输出脉冲输出的高频输出的高频输出部，控制脉冲输出的振幅的输出振幅控 制部；以及控制脉冲输出的占空比的占空比控制部。

输出振幅控制部控制脉冲输出的振幅值，进行使振幅值成为设定振幅值的 恒定振幅控制。占空比控制部控制脉冲输出的占空比，进行使由占空比决定的 电量成为设定功率值的恒定功率控制。输出振幅控制部和占空比控制部可以分 别独立地控制高频输出部，对高频功率进行脉冲调制。

本发明的脉冲调制高频电源装置通过上述的输出振幅控制部和占空比控 制部的结构进行上述的脉冲调制高频功率控制的各控制。

另外，关于脉冲调制高频电源装置进行的脉冲调制高频功率控制的各控 制，因为与上述说明重复，所以在此省略其说明。

输出振幅控制部和占空比控制部由实施脉冲调制高频功率控制的各控制 的硬件构成，此外还可以由CPU和存储实施各控制的程序或运算结果的存储 器等构成。

输出振幅控制部例如可以由误差检测器和PWM控制器构成，其中该误差 检测器求出设定振幅值(振幅指令值)和来自高频输出部的反馈后的脉冲输出 的振幅值的差，该PWM控制器根据通过误差检测器检测出的差值，对来自振 荡器的脉冲信号进行PWM控制。

占空比控制部例如可以由误差检测器和占空比变更器构成，其中，该误差 检测器求出设定功率值(平均功率指令值)与来自高频输出部的反馈的平均值 的差值，该占空比变更部根据通过误差检测器检测出的差值对来自振荡器的脉 冲信号进行变更脉冲信号的占空比。

高频输出部对直流功率进行脉冲调制后输出高频功率。高频输出部根据来 自输出振幅控制部的控制信号，对直流功率进行恒定振幅控制，使得振幅值成 为设定振幅值地进行脉冲调制。然后，根据来自占空比控制部的控制信号控制 通过输出振幅控制部进行恒定振幅控制的脉冲输出的占空比，进行使脉冲输出 的电量成为设定功率值的恒定功率控制。

高频输出部具备放大器和开关电路，其中该放大器根据来自输出振幅控制 部的控制信号，对直流功率进行恒定振幅控制，输出脉冲输出，该开关电路根 据来自占空比控制部的控制信号，对输出振幅控制部的脉冲输出进行恒定功率 控制。此外，高频输出部还具备检测通过占空比控制部进行脉冲调制后的脉冲 输出，反馈给输出振幅控制部和占空比控制部的检测器。高频输出部具备的检 测器除了检测脉冲输出的功率，还可以检测电压或电流，并将这些检测值设为 反馈值。

高频输出部向负载供给脉冲输出。在脉冲输出的供给中，可以在高频输出 部和负载之间配置匹配器，进行阻抗匹配。

根据本发明的形态，通过稳定控制输出功率的功率振幅，可以使负载侧的 等离子体密度和等离子体气氛稳定，提高通过等离子体处理的处理过程的均一 性和通过处理过程的产品的品质。

另外，根据本发明的形态，针对反射波功率的增加，抑制平均反射波功率， 保护电源装置，并维持行波功率的功率振幅(峰值行波功率)，由此，可以不 需要匹配电路的不必要的匹配动作，稳定等离子体负载。

另外，根据本发明的形态，可以在负载的处理过程启动时，使腔体内的等 离子体的产生变得容易。

发明效果

如上所述，根据本发明的脉冲调制高频功率控制方法和脉冲调制高频电源 装置，可以在脉冲功率控制中，针对功率变动，控制输出功率的功率振幅(峰 值功率)为恒定，由此避免因输出功率的功率振幅的变动而导致对负载的影响。

附图说明

图1是用于说明本发明的脉冲调制高频电源装置的概要结构的图。

图2是用于说明本发明的占空比控制的图。

图3是用于说明本发明的占空比控制的图。

图4是用于说明本发明的占空比控制的控制方式的图。

图5是用于说明本发明的脉冲调制高频电源装置的详细的结构例的图。

图6是用于说明在本发明的第一形态中，将行波功率设为控制对象的情形 的结构例的图。

图7是用于说明在本发明的第一形态中，将行波功率设为控制对象的占空 比控制的动作例的流程图。

图8是用于说明在本发明的第一形态中，将行波功率设为控制对象的占空 比控制的动作例的信号图。

图9是用于说明在本发明的第二形态中，基于反射波功率的控制的结构例 的图。

图10是用于说明在本发明的第二形态中，反射波功率增加时的动作例的 流程图。

图11是用于说明在本发明的第二形态中，反射波功率增加时的动作例的 信号图。

图12是用于说明在本发明的第二形态中，反射波功率增加时的动作例的 信号图。

图13是用于说明在本发明的第三形态中，负载功率控制的结构例的图。

图14是用于说明在本发明的第三形态中，负载功率控制的动作例的流程 图。

图15是用于说明在本发明的第三形态中，负载功率控制的动作例的信号 图。

图16是用于说明在本发明的第三形态中，负载功率控制的现有动作例的 信号图。

图17是用于说明在本发明的第四形态中，将占空比控制应用于连续行波 功率控制模式的结构例的图。

图18是用于说明在本发明的第四形态中，将占空比控制应用于连续行波 功率控制模式的控制动作例的流程图。

图19是用于说明在本发明的第四形态中，将占空比控制应用于连续行波 功率控制模式的控制动作例的信号图。

图20是用于说明在本发明的第四形态中，连续行波功率控制模式的现有 的控制动作例的信号图。

图21是用于说明在本发明的第五形态中，将占空比控制应用于连续行波 功率控制模式，增加峰值行波功率的情形的结构例的图。

图22是用于说明在本发明的第五形态中，将占空比控制应用于连续行波 功率控制模式，增加峰值行波功率的情形的控制动作例的流程图。

图23是用于说明在本发明的第五形态中，将占空比控制应用于连续行波 功率控制模式，增加峰值行波功率的情形的控制动作例的信号图。

图24是用于说明在本发明的第五形态中，通过连续行波功率控制模式增 加峰值行波功率的情形的现有的控制动作例的信号图。

图25是用于说明在本发明的第六形态中，在占空比控制中，增加处理过 程开始时等的峰值行波功率的控制动作例的流程图。

图26是用于说明在本发明的第六形态中，在占空比控制中，增加处理过 程开始时等的峰值行波功率的控制动作例的信号图。

图27是用于说明脉冲调制高频功率控制中的高频功率的脉冲输出的图。

符号说明

1脉冲调制高频电源装置

1A脉冲调制高频电源装置

1B脉冲调制高频电源装置

1C脉冲调制高频电源装置

1D脉冲调制高频电源装置

1E脉冲调制高频电源装置

2输出振幅控制部

2A峰值行波功率控制部

2B峰值行波功率控制部

2C峰值行波功率控制部

2D峰值行波功率控制部

2E峰值行波功率控制部

2a误差检测部

2b振荡器

2c控制电路

3占空比控制部

3A平均行波功率控制部

3B平均行波功率控制部

3C平均负载功率控制部

3D平均行波功率控制部

3E平均行波功率控制部

3a误差检测部

3b振荡器

3c占空比变更电路

4高频输出部

4A高频输出部

4B高频输出部

4C高频输出部

4D高频输出部

4E高频输出部

4a开关电路

4b滤波电路

4c开关电路

4d功率检测器

4d0高频输出电路

4d1方向耦合器

4d2行波功率检测部

4d3反射波功率检测部

5匹配电路

6负载

7平均处理电路

7A平均处理部

7B平均处理部

7D平均处理部

7E平均处理部

7c1、7c2平均处理部

8D占空比控制部

8E占空比控制部

P_F峰值行波功率

P_FAV平均行波功率

Plow行波功率低电平

P_L峰值负载功率

P_LAV平均负载功率

P_LAVO平均负载功率指令值

P_R峰值反射波功率

P_RAV平均反射波功率

Tcyc周期

Thigh高电平宽度

Tlow低电平宽度

Toff断开宽度

Ton导通宽度

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。

使用附图1～附图5说明本发明的脉冲调制高频电源装置的基本结构和本 发明的脉冲调制高频功率控制方法，使用图6～图8说明控制对象为行波功率 的情况，使用图9～图12说明峰值反射波功率增加时的处理例，使用图13～图 16说明通过脉冲峰值负载功率控制来控制脉冲输出的负载的情形，使用图17～ 图20说明将占空比控制应用于连续行波功率控制模式的情形，使用图21～图 24说明将占空比控制应用于连续行波功率控制模式，使处理过程开始时等的 峰值行波功率增加的情形，使用图25、图26说明在占空比控制中，使处理过 程开始时等的峰值行波功率增加的情形。

[脉冲调制高频功率控制的基本结构]

首先，使用图1说明本发明的脉冲调制高频电源装置的概要结构。

脉冲调制高频电源装置1具备控制脉冲输出的振幅的输出振幅控制部2、 控制脉冲输出的占空比的占空比控制部3、以及输出脉冲输出的高频输出的高 频输出部4，高频输出部4向负载6输出高频输出。负载6例如可以为在腔体 内生成的等离子体负载。

在高频输出部4和负载6之间可以连接对两者间的阻抗进行匹配的匹配电 路5。

高频输出部4对直流功率进行脉冲调制生成高频输出。直流功率除了可以 从直流电源获得外，还可以通过对交流功率进行AC/DC转换来获得。在高频 输出部4和负载6双方进行它们之间的功率的转移，从高频输出部4向负载6 供给行波功率，反射波功率被从负载6向高频输出部4返回。通过该行波功率 和反射波功率的差，从高频输出部4向负载6供给负载功率。在此，将行波功 率的最大振幅称为峰值行波功率，将反射波功率的最大振幅称为峰值反射波功 率。

通过基于输出振幅控制部2的脉冲输出的振幅控制和基于占空比控制部3 的电量控制进行脉冲调制。

输出振幅控制部2将设定振幅值作为指令值输入，将脉冲输出的振幅值作 为反馈值输入，进行使振幅值成为设定振幅值的恒定振幅控制。可以将脉冲输 出的振幅值设为功率值、电压值、或者电流值，通过在高频输出部4内设置的 检测器或者在高频输出部4和负载6之间设置的检测器进行检测。在该输出振 幅控制部2的恒定振幅控制中，控制脉冲输出的振幅值(峰值)为设定值。

占空比控制部3将设定值作为指令值输入，将脉冲输出值作为反馈值输 入，控制脉冲输出的占空比，使脉冲输出值成为设定值，进行使由该占空比决 定的值成为设定值的恒定值控制。脉冲输出值可以为功率值、电压值或者电流 值。

与脉冲输出的功率值对应的量，例如可以设为平均行波功率的此时的设定 值使用平均输出功率指令值。通过占空比控制部3进行的恒定功率控制，在从 高频电源侧向负载侧供给的功率中，与时间的变动无关地控制电量恒定地成为 平均输出功率指令值，不限于峰值行波功率或峰值负载功率的平均功率值，可 以使用峰值行波功率或峰值负载功率的中间值或频度最大值等恒定地表示电 量的值。

本发明的输出振幅控制部2和占空比控制部3分别独立地控制高频输出部 4，对高频功率进行脉冲调制。

另外，在图1中，为了说明方便，以独立的结构表示了输出振幅控制部2 和占空比控制部3，但是，输出振幅控制部2和占空比控制部3也可以被构成 为一个控制部。此外，关于高频输出部4也表示了独立的结构，但是其也可以 与输出振幅控制部2和占空比控制部3的控制部一起由一个电路构成。

另外，各控制部和高频输出部可以为由硬件构成的结构，或者包含CPU 和存储使CPU执行的程序或运算处理结果的存储器等的基于软件的结构。

[占空比控制]

使用图2、图3说明通过占空比控制部3进行的占空比控制。

占空比控制通过改变脉冲输出的占空比，对输出功率值进行脉冲调制。在 此，以行波功率为例进行说明。在本发明的脉冲调制高频功率控制中，通过输 出振幅控制部2进行控制使峰值行波功率P_F的最大振幅值(峰值)成为设定 值，在维持该峰值行波功率为设定值的状态下，控制占空比使平均行波功率 P_FAV成为设定功率值。

脉冲功率的一周期具备导通期间和断开期间，根据各期间的功率电平具备 两个功率控制的方式。

一个功率控制是在占空比控制中，在断开期间将脉冲输出的功率值设为 零，在导通期间将脉冲输出的功率值设为设定功率值的控制方式(导通/断开 (ON/OFF)功率控制)。图2表示该导通/断开(ON/OFF)功率控制。在2图 中，一周期Tcyc具有输出峰值行波功率的期间的导通宽度Ton和不进行功率 输出的期间的断开宽度Toff，根据该Ton和Toff来决定占空比。占空比例如 可以用导通占空比Don来表示，该导通占空比Don用导通宽度Ton对一周期 Tcyc的比率表示。

Don＝Ton/(Ton+Toff)

Tcyc＝Ton+Toff

可以使用导通占空比Don用下式表示平均行波功率P_FAV。

P_FAV＝P_F×Don

因此，关于平均行波功率P_FAV，可以通过改变导通占空比Don将平均行 波功率P_FAV控制为预定的功率值。

另外，在该占空比控制中，在控制占空比使平均行波功率P_FAV成为设定 功率值时，有使平均行波功率P_FAV垂下的情形。作为使平均行波功率P_FAV垂 下的原因，例如有反射波功率的增加(图2(b))、反射电压或电流的增加。

对于这样的使平均行波功率P_FAV垂下的原因，如图2(a)所示，进行通 过使导通占空比Don下降，使平均行波功率P_FAV下降的控制。

另外，关于另一个功率控制，为如下控制方式：在占空比控制中，在断开 期间将脉冲输出的功率值设为在零和设定功率值之间所决定的预定功率值，在 导通期间，将脉冲输出的功率值设为设定功率值(高/低功率控制)。

图3表示该高/低功率控制。在图3中，一周期Tcyc具有输出峰值行波功 率的期间的高电平宽度Thigh和输出功率比峰值行波功率低的行波功率低电 平Plow的期间的低电平宽度Tlow，根据该Thigh和Tlow来决定占空比。关 于占空比，例如可以用高电平宽度Thigh相对一周期Tcyc的比率来表示。平 均行波功率P_FAV可以通过该占空比、峰值行波功率P_F以及行波功率低电平 Plow来决定。

高/低功率控制可以通过将脉冲的低电平期间的功率电平设定为预定值以 上，来避免低电平期间中的等离子体消失这样的状态。

接着，使用图4说明占空比控制的控制方式。

占空比控制的控制方式是将频率设为恒定的PWM控制。图4(a)是用于 说明PWM控制的图。

将频率设为恒定。在图4(a)～(c)中，将周期Tcyc设为恒定。控制导 通期间的时间宽度Ton和断开期间的时间宽度Toff的时间宽度的比率(导通 占空比Don)。图4(a)～(c)以时间宽度Ton的比率从小到大的顺序进行表 示。

占空比的其它方式是将导通宽度或者断开宽度设为恒定的PFM控制。

图4(d)～(f)是将导通期间的时间宽度设为恒定，使断开期间的时间 宽度变化的PFM控制的例子，以断开期间的时间宽度Toff从小到大的顺序表 示。

图4(g)～(i)是将断开期间的时间宽度设为恒定，使导通期间的时间宽 度变化的PFM控制的例子，以导通期间的时间宽度Ton从小到大的顺序表示。

[脉冲调制高频电源装置的结构例]

接着，使用图5说明脉冲调制高频电源装置的更详细的结构例。

高频输出部4具备根据输出振幅控制部2的控制信号，对直流输入功率的 振幅值进行PWM控制的电路部和、根据占空比控制部3的控制信号控制脉冲 输出的占空比的电路部。

进行PWM控制的电路部，例如可以由通过PWM控制变更直流输入功率 的振幅值的开关电路4a、从通过开关电路4a振幅值被控制的直流功率中去除 噪声成分的滤波电路4b构成。

直流输入功率除了使用直流电源获得的直流输入功率外，还可以使用通过 AC/DC变换器将从交流电源获得的交流功率变换为直流功率后的直流功率。

控制占空比的电路部还具备开关电路4c，其对通过所述电路部进行振幅 控制后的直流功率进行脉冲输出，并控制该脉冲输出的占空比，控制电量成为 设定功率值。

另外，高频输出部4还可以具备检测电路，其对反馈给输出振幅控制部2 和占空比控制部3的反馈值进行检测。另外，还可以将该检测电路设置在高频 输出部4的外部。

在图5中，表示作为检测器检测峰值行波功率的功率检测器4d。功率检 测器4d可以通过未图示的方向耦合器，选择峰值行波功率进行检测。在将检 测出的峰值行波功率反馈给输出振幅控制部2的同时，将通过平均处理电路7 进行平均处理后的平均行波功率反馈给占空比控制部3。

输出振幅控制部2例如可以由误差检测器2a、振荡器2b、以及PWM控 制电路2c构成。误差检测器2a将设定振幅值作为指令值输入，并将从高频输 出部4反馈的峰值行波功率作为反馈值的脉冲输出振幅值输入，检测脉冲输出 振幅值和设定振幅值的差值。

PWM控制电路2c将通过误差检测器2a检测出的差值作为控制信号，对 来自振荡器2b的脉冲信号进行PWM控制。通过PWM控制，从PWM控制 电路2c形成使控制振幅值成为设定振幅值的控制信号。

高频输出部4的开关电路4a根据该PWM电路2c的控制信号，控制直流 功率的振幅值。

占空比控制部3例如可以由误差检测器3a、振荡器3b、以及占空比变更 电路3c构成。

误差检测器3a将设定功率值作为指令值输入，并从高频输出部4被反馈， 将通过平均处理电路7进行平均处理而得的平均行波功率作为反馈值的功率 值输入，检测被反馈的功率值和设定功率值的差值。

占空比变更电路3c将通过误差检测器3a检测出的差值作为控制信号，变 更来自振荡器3b的脉冲信号的占空比。通过占空比的变更，从占空比变更电 路3c形成用于控制使功率值成为设定功率值的控制信号。

高频输出部4的开关电路4c根据该占空比变更电路3c的控制信号控制脉 冲输出的占空比。

[第一形态：控制对象为行波功率的情形的结构以及控制]

接着，作为本发明的第一形态，使用图6～图8说明控制对象为行波功率 的情形的结构以及控制动作。

图6是用于说明将行波功率作为控制对象的情形的结构例的图。在图6 中，脉冲调制高频电源装置1A的结构与图1所示的结构大致相同，作为控制 脉冲输出的振幅的输出振幅控制部2具备峰值行波功率控制部2A，作为控制 脉冲输出的占空比的占空比控制部3具备平均行波功率控制部3A，作为输出 脉冲输出的高频输出的高频输出部4具备高频输出部4A。高频输出部4A向 负载输出高频输出。

峰值行波功率控制部2A将峰值行波功率指令值作为振幅指令值输入，将 峰值行波反馈值作为脉冲输出的振幅值输入，对高频输出部4A的高频输出电 路4d0进行恒定振幅控制，使峰值行波功率的振幅值成为峰值行波功率指令 值。

平均行波功率控制部3A将平均行波功率指令值作为功率指令值输入，将 平均行波反馈值作为脉冲输出的的功率值输入，对高频输出部4A的高频输出 电路4d0进行占空比控制，使平均行波功率的功率值成为平均行波功率指令 值。另外，在该占空比控制中，在控制占空比使平均行波功率反馈值成为平均 行波功率指令值时，发生使平均行波功率垂下的垂下原因(例如，反射波功率、 反射电压、电流等的增加等)的情况下，通过使导通占空比Don下降，进行 使平均行波功率下降的控制。

峰值行波反馈值可以通过高频输出部4A具备的方向耦合器4d1分离行波 功率，通过行波功率检测器4d2进行检测。峰值行波功率控制部2A输入该峰 值行波反馈值。

平均处理部7A，对峰值行波反馈值进行平均处理后作为平均行波功率。 平均行波功率控制部3A将该平均行波功率作为反馈值输入。

图7、8是用于说明将行波功率作为控制对象的占空比控制的动作例的流 程图和信号图。

通过行波功率检测部4d2检测峰值行波功率(S1)，通过平均处理部7A 求出检测出的峰值行波功率的平均值，将所求出的平均行波功率输入到平均行 波功率控制部3A(S2)。

平均行波功率控制部3A求出输入的平均行波功率和平均行波功率指令值 的差(S3)。根据所求出的差，在平均行波功率小于平均行波功率指令值的情 况下(S4)，较大地设定导通占空比Don(S5)，在平均行波功率大于平均行波 功率指令值的情况下，较小地设定导通占空比Don(S6)。

当平均行波功率与平均行波功率指令值一致的情况下，不变更导通占空比 Don，维持其值(S7)。

在图8所示的信号图中，图8(a)表示峰值行波功率P_F，图8(b)表示 平均行波功率P_FAV，图8(c)表示占空比(导通占空比Don)。

当平均行波功率的反馈值(图8(b)中的实线所示)相比平均行波功率 指令值(图8(b)中的虚线所示)降低的情况下(图8(b)中的时间点A)， 增大导通占空比Don(图8(c)中的时间点A)。通过增大导通占空比Don， 峰值行波功率P_F的导通期间的比率变大(图8(a)中的时间点A)，平均行波 功率增加。

当平均行波功率的反馈值(图8(b)中的实线所示)增加，达到平均行 波功率指令值(图8(b)中的虚线所示)的情况下(图8(b)中的时间点B)， 使导通占空比Don返回到原值(图8(c)中的时间点B)。通过使导通占空比 Don返回到原值，峰值行波功率P_F的导通期间的比率返回到原值(图8(a) 中的时间点B)。

当平均行波功率的反馈值(图8(b)中的实线所示)相比平均行波功率 指令值(图8(b)中的虚线所示)上升的情况下(图8(b)中的时间点C)， 使导通占空比Don减小(图8(c)中的时间点C)。通过减小导通占空比Don， 峰值行波功率P_F的导通期间的比率变小(图8(a)中的时间点C)，平均行波 功率减少。

当平均行波功率的反馈值(图8(b)中的实线所示)减少，达到平均行 波功率指令值(图8(b)中的虚线所示)的情况下(图8(b)中的时间点D)， 导通占空比Don返回到原值(图8(c)中的时间点D)。通过使导通占空比 Don返回到原值，峰值行波功率P_F的导通期间的比率返回到原值(图8(a) 中的时间点D)。

[第二形态：峰值反射波功率增加时的控制例]

接着，作为本发明的第二方式，使用图9～图12说明在所述的行波功率的 控制中，峰值反射波功率增加时的控制。

在图9中，脉冲调制高频电源装置1B的结构与图6所示的结构大致相同， 具备控制脉冲输出的振幅的峰值行波功率控制部2B、控制脉冲输出的占空比 的平均行波功率控制部3B、输出脉冲输出的高频输出的高频输出部4B、以及 平均处理部7B。高频输出部4B具备高频输出电路4d0、检测峰值行波功率的 行波功率检测部4d2、检测峰值反射波功率的反射波功率检测部4d3、将峰值 行波功率和峰值反射波功率分离后取出的方向耦合器4d1。

因为除了反射波功率检测部4d3的结构部分，与图6所示的脉冲调制高频 电源装置1A的结构相同，所以在此，主要说明反射波功率检测部4d3。

方向耦合器4d1将峰值行波功率和峰值反射波功率分离，将峰值行波功率 输入到行波功率检测部4d2，将峰值反射波功率输入到反射波功率检测部4d3。

反射波功率检测部4d3将检测出的峰值反射波功率值发送到平均行波功 率控制部3B，平均行波功率控制部3B使用被发送的峰值反射波功率值，调整 占空比控制。进行该占空比控制的调整是为了例如在峰值反射波功率增加的情 况下，通过抑制平均反射波功率，进行电源保护。在该占空比控制的调整中， 峰值行波功率P_F被控制为恒定，因此匹配电路的匹配动作变得稳定，向腔体 的功率注入稳定。

图10、11、12是用于说明在占空比控制中，反射波功率增加时的动作例 的流程图和信号图。

在占空比控制中(S11)，通过反射波功率检测部4d3检测反射波功率，在 反射波功率增加的情况下(S12)，使通过平均行波功率控制部3B的占空比控 制求出的占空比下降(S13)，抑制平均反射波功率P_RAV(S14)。

在平均反射波功率P_RAV的抑制不充分的情况下(S15)，在S12的步骤中， 使占空比进一步下降。在平均反射波功率P_RAV被抑制的情况下(S15)，使下 降的占空比返回到原值(S16)。

图11表示的信号图表示从进行占空比控制的状态峰值反射波功率增加的 情况下，抑制平均反射波功率的状态。

图11(a)表示峰值反射波功率P_R和平均反射波功率P_RAV，图11(b)表 示占空比(导通占空比Don)，图11(c)表示峰值行波功率P_F和平均行波功 率P_FAV。

在峰值反射波功率P_R(图11(a)的实线所示)增加的情况下(图11(a) 中的时间点E)，使导通占空比Don下降(图11(b)中的时间点E)，通过使 导通占空比Don下降，峰值行波功率P_F的导通期间的比率变小(图11(b) 中的时间点E)，平均行波功率P_FAV减少(图11(c)中的时间点E)，平均反 射波功率P_RAV减少(图11(a)中的时间点E)。

在峰值反射波功率的反馈值减少的情况下(图11(a)中的时间点F)，使 导通占空比Don返回到原值(图11(b)中的时间点F)。通过使导通占空比 Don返回到原值，峰值行波功率P_F的导通期间的比率返回到原值(图11(c) 中的时间点F)，平均反射波功率P_RAV返回到原值(图11(a)中的时间点F)。

图12是用于说明占空比(导通占空比Don)的增减和平均行波功率P_FAV的增减的关系的信号图。在此，表示将周期(Tcyc)设为恒定，缩小导通宽度 Ton，扩大断开宽度Toff，由此使导通占空比Don减少的情形。缩短导通宽度 Ton的期间，增大断开宽度Toff的期间，由此减少在一周期内向负载方向供给 的行波功率的电量，因此平均行波功率P_FAV减少。

[第三形态：负载功率控制的结构以及控制]

接着，作为本发明的第三方式，使用图13～图16说明负载功率控制的结 构以及控制动作。

负载功率是从行波功率中减去反射波功率的功率，负载功率控制通过控制 从脉冲调制高频电源装置实质上供给负载的平均负载功率，稳定峰值行波功率 的输出。

负载功率控制将峰值行波功率设为输出振幅控制的脉冲输出的控制对象， 将平均负载功率设为占空比控制步骤的脉冲输出的控制对象，通过输出振幅控 制，进行使峰值行波功率的振幅值成为恒定的恒定振幅控制，通过占空比控制， 进行使根据由占空比决定的峰值行波功率和峰值反射波功率求出的峰值负载 功率的平均功率值成为设定功率值的恒定功率控制，来控制平均负载功率。

在图13中，脉冲调制高频电源装置1C的结构与图9所示的结构大致相 同，具备控制峰值行波功率的振幅的峰值行波功率控制部2C、控制脉冲输出 的占空比的平均负载功率控制部3C、输出脉冲输出的高频输出的高频输出部 4C、以及平均处理部7c1、7c2。高频输出部4C具备高频输出电路4d0、检测 峰值行波功率的行波功率检测部4d2、检测峰值反射波功率的反射波功率检测 部4d3、以及将峰值行波功率和峰值反射波功率分离后取出的方向耦合器4d1。

平均处理部7c1根据通过行波功率检测部4d2检测出的峰值行波功率求出 平均行波功率，平均处理部7c2根据通过反射波功率检测部4d3检测出的反射 波功率求出平均反射波功率。

除去对平均负载功率进行占空比控制的平均负载功率控制部3C、根据反 射波功率求出平均反射波功率的平均处理部7c2的结构部分，与图9所示的脉 冲调制高频电源装置1B的结构相同，因此，在此主要说明平均负载功率的占 空比控制动作。

方向耦合器4d1将峰值行波功率和峰值反射波功率分离，将峰值行波功率 输入到行波功率检测部4d2，将峰值反射波功率输入到反射波功率检测部4d3。

行波功率检测部4d2将检测出的峰值行波功率值发送到峰值行波功率控 制部2C，同时将检测出的峰值行波功率值发送到平均处理部7c1。平均处理 部7c1将求出的平均行波功率发送到平均负载功率控制部3C。另外，反射波 功率检测部4d3将检测出的峰值反射波功率值发送到平均处理部7c2，平均处 理部7c2将求出的平均反射波功率发送到平均负载功率控制部3C。

平均负载功率控制部3C具备从平均行波功率值减去平均反射波功率值， 求出平均负载功率值的平均负载功率检测部(未图示)，将求出的平均负载功 率值作为反馈值，与平均负载功率指令值比较，进行使平均负载功率值成为平 均负载功率指令值的占空比控制。

另外，平均负载功率检测部并不限于设置在平均负载功率控制部3C中的 结构，除了在平均处理部7c1、7c2等电路内构成外，还可以构成为单独电路。

另外，平均负载功率控制部3C使用从反射波功率检测部4d3发送的峰值 反射波功率值，调整占空比控制。进行该占空比控制的调整是为了例如在峰值 反射波功率增加的情况下，抑制平均负载功率，通过抑制该平均负载功率，抑 制峰值行波功率，保护电源。在该占空比控制的调整中，峰值行波功率P_F被 控制为恒定，因此，匹配电路的匹配动作变得稳定，向腔体的功率注入稳定。

图14、15、16是用于说明在占空比控制中，峰值反射波功率增加时的负 载功率的控制动作的流程图和信号图。

负载功率的控制进行使平均负载功率成为平均负载功率指令值的占空比 控制。

通过平均处理部7c1求出平均行波功率P_FAV(S21)，通过平均处理部7c2 求出平均反射波功率P_RAV(S22)。平均负载功率检测部通过下式计算求出的 平均行波功率P_FAV和平均反射波功率P_RAV的差，求出平均负载功率P_LAV(S23)。

P_LAV＝P_FAV-P_RAV

平均负载功率控制部3C求出所求出的平均负载功率P_LAV和平均负载功率 指令值P_LAVO的差(S24)，根据该差值，变更占空比值，控制差成为零(S26)。

通过进行占空比控制使平均负载功率P_LAV和平均负载功率指令值P_LAVO的 差成为零，可以不改变峰值行波功率的振幅值地控制平均负载功率P_LAV为设 定值(S25)。

在上述占空比控制的动作中，对通过反射波功率检测部4d3检测出的反射 波功率进行检测，监视反射波功率的增加。此时，在反射波功率增加的情况下 (S27)，使通过平均负载功率控制部3C的占空比控制求出的占空比(导通占 空比Don)上升(S28)，使平均行波功率P_FAV(S29)上升，由此抑制平均负 载功率P_LAV，并保持为恒定(S30)，稳定峰值行波功率P_F的输出。

在峰值行波功率减少的情况下(S31)，使上升的占空比返回原值(S32)， 进行通常的占空比控制。

图15所示的信号图表示从进行占空比控制的状态，峰值反射波功率增加 的情况下，抑制平均负载功率的状态。

图15(a)表示峰值反射波功率P_R和平均反射波功率P_RAV，图15(b)表 示占空比(导通占空比Don)，图15(c)表示峰值行波功率P_F和平均行波功 率P_FAV，图15(d)表示峰值负载功率P_L和平均负载功率P_LAV。

在占空比控制中，当峰值反射波功率P_R(图15(a)中的实线所示)增加 时，平均反射波功率P_RAV也增加(图15(a)中的时间点G-H间)，峰值负载 功率P_L和平均负载功率P_LAV减少(图15(d)中的时间点G-H间)。

平均负载功率控制部3C在检测出峰值反射波功率P_R的增加时，使导通占 空比Don上升(图15(b)中的时间点H)，通过使导通占空比Don上升，平 均行波功率P_FAV增加(图15(c)中的时间点H)，平均负载功率P_LAV增加， 返回到原值(图15(d)中的时间点H)。

之后，当峰值反射波功率P_R的增加被解除，返回到原值时，平均反射波 功率P_RAV也降低，返回到原值(图15(a)中的时间点I)。

平均负载功率控制部3C在检测出峰值反射波功率P_R的复原时，使导通占 空比Don下降返回到原值(图15(b)中的时间点I)。通过使导通占空比Don 下降，平均行波功率P_FAV减少并返回到原值(图15(c)中的时间点I)。通过 平均行波功率P_FAV返回到原值，在通常的占空比控制中，可以使峰值负载功 率P_L和平均负载功率P_LAV维持原来的状态(图15(d)中的时间点I)。

图16表示现有的脉冲峰值负载控制的动作例。在该脉冲峰值负载控制中， 当峰值反射波功率变动时，通过控制峰值行波功率来控制峰值负载功率。

例如，当峰值反射波功率P_R增加时(图16(a)中的时间点J)、进行使 峰值行波功率P_F增加的控制(图16(b)中的时间点J)、通过使峰值行波功 率P_F增加，控制峰值负载功率P_L成为恒定(图16(c)中的时间点J)。

另外，当峰值反射波功率P_R的增加被解除时(图16(a)中的时间点K)， 进行使峰值行波功率P_F降低并返回到原值的控制(图16(b)中的时间点K)。

在该脉冲峰值负载控制中，峰值行波功率变动，因此，有可能峰值行波功 率对负载的供给变动，在负载侧的等离子体密度变动，而变得不稳定。

对此，根据本发明的占空比控制，可以在维持峰值行波功率为恒定的状态 下控制平均负载功率，可以避免峰值行波功率变动引起的不稳定动作。

[第四形态：将占空比控制应用于连续行波功率控制模式的情形的结构以 及控制]

接着，作为本发明的第四形态，使用图17～图20说明将占空比控制应用 于连续行波功率控制模式的情形的结构以及控制动作。

本发明的占空比控制步骤可以包含为不连续输出的脉冲输出控制和使脉 冲输出为连续输出的连续输出控制。

脉冲输出控制是以下这样的控制：在由脉冲输出的一周期内的导通时间和 断开时间决定的占空比中，将导通时间设为不足100％，控制峰值行波功率的 平均功率值小于其峰值行波功率，使脉冲输出为不连续输出。

另外，连续输出控制是以下这样的控制：在由脉冲输出的一周期内的导通 时间和断开时间决定的占空比中，将断开时间设为0％，导通时间设为100％， 控制峰值行波功率的平均功率值与峰值行波功率相等，使脉冲输出为连续输 出。

连续行波功率控制模式是对行波功率进行连续输出控制的模式。在该连续 行波功率控制模式中，在处理过程中等在稳定状态下对负载供给行波功率时， 例如在由于腔体内的气体压力的变化或离子反应等原因，而腔体内的阻抗发生 变化的情况下等，在负载的阻抗发生变化的情况下，有时反射波功率暂时增加。

本发明在这样的连续行波功率控制模式下，通过应用占空比控制，即使在 峰值反射波功率增加的情况下，也无需如现有的控制那样改变峰值行波功率地 抑制平均反射波功率，稳定地向负载供给功率。

图17是表示将占空比控制应用于连续行波功率控制模式的情况的结构例 的图。

在图17中，脉冲调制高频电源装置1D的结构与图9所示的结构大致相 同，具备控制峰值行波功率的振幅的峰值行波功率控制部2D、控制脉冲输出 的占空比的平均行波功率控制部3D、输出脉冲输出的高频输出的高频输出部 4D和平均处理部7D，还具备控制平均行波功率控制部3D进行的占空比控制 的占空比的占空比控制部8D。

另外，高频输出部4D具备高频输出电路4d0、检测峰值行波功率的行波 功率检测部4d2、检测峰值反射波功率的反射波功率检测部4d3，以及将峰值 行波功率和峰值反射波功率分离后取出的方向耦合器4d1。

平均处理部7D根据通过行波功率检测部4d2检测出的峰值行波功率求出 平均行波功率，将求出的平均行波功率反馈给平均行波功率控制部3D。

除了对平均行波功率进行占空比控制的平均行波功率控制部3D、占空比 控制部8D的结构部分，与图9所示的脉冲调制高频电源装置1B的结构大致 相同，因此，在此主要说明平均行波功率控制部3D的连续输出控制和占空比 控制。

方向耦合器4d1将峰值行波功率和峰值反射波功率分离，将峰值行波功率 输入到行波功率检测部4d2，将峰值反射波功率输入到反射波功率检测部4d3。

行波功率检测部4d2将检测出的峰值行波功率值发送到峰值行波功率控 制部2D的同时，将检测出的峰值行波功率值发送到平均处理部7D。平均处 理部7D将求出的平均行波功率发送到平均行波功率控制部3D。另外，反射 波功率检测部4d3将检测出的峰值反射波功率值发送到占空比控制部8D，占 空比控制部8D根据反射波功率的变动，变更通过平均行波功率控制部3D进 行的占空比控制的占空比。

平均行波功率控制部3D将来自平均处理部7D的平均行波功率值作为反 馈值，与平均行波功率指令值进行比较，进行使平均行波功率值成为平均行波 功率指令值的占空比控制。

平均行波功率控制部3D在通常状态，将占空比(导通占空比Don)设为 100％，进行连续输出控制，根据从占空比控制部8D发送的控制信号，调整占 空比控制，切换连续输出控制和脉冲输出控制。在此，连续输出控制是在占空 比控制中，将占空比(导通占空比Don)设为100％的控制方式，脉冲输出控 制是在占空比控制中，以将占空比(导通占空比Don)设为小于100％的值进 行的控制方式。

该占空比控制的调整，例如在峰值反射波功率增加的情况下，通过将占空 比(导通占空比Don)从100％切换为比100％的小的预定值，从连续输出控 制切换为脉冲输出控制，由此，抑制平均反射波功率，保护电源。在该占空比 控制的调整中，峰值行波功率P_F被控制为恒定，因此匹配电路的匹配动作变 得稳定，向腔体的功率注入稳定。

图18、19、20是用于说明在连续行波功率控制模式中，峰值反射波功率 增加时的行波功率的控制动作例子的流程图和信号图。

平均行波功率控制部3D在通常状态下，通过连续输出控制来控制使平均 行波功率成为平均行波功率指令值。

在该控制状态下，将占空比(导通占空比Don)设为100％(S41)，通过 连续行波功率控制模式控制峰值行波功率(S42)。

在该连续行波功率控制模式中，占空比控制部8D监视通过反射波功率检 测部4d3检测出的峰值反射波功率。占空比控制部8D在检测出峰值反射波功 率的增加时(S43)，将占空比(导通占空比Don)从100％的连续输出切换 为占空比(导通占空比Don)小于100％的脉冲输出。由此，可以在使峰值行 波功率P_F的输出稳定的状态下，抑制平均反射波功率(S44)。

占空比控制部8D在检测出峰值反射波功率的减少时(S45)，使占空比(导 通占空比Don)返回到100％，从脉冲输出切换为连续输出，返回到基于连续 输出的连续行波功率控制模式(S46)。

图19表示的信号图表示连续输出和脉冲输出的切换。

图19(a)表示峰值反射波功率P_R和平均反射波功率P_RAV，图19(b)表 示占空比(导通占空比Don)，图19(c)表示峰值行波功率P_F和平均行波功 率P_FAV。

在连续行波功率控制模式中，在将占空比(导通占空比Don)设为100％进 行连续输出的期间，当峰值反射波功率P_R(图19(a)中的实线所示)增加时， 平均反射波功率P_RAV(图19(a)中的虚线所示)也增加(图19(a)中的时 间点L-M间)。

占空比控制部8D在检测出峰值反射波功率P_R的增加时，使导通占空比 Don从100％下降(图19(b)中的时间点L)。通过使导通占空比Don下降， 平均行波功率P_FAV减少(图19(c)中的时间点L)。

之后，当峰值反射波功率P_R的增加被解除，并返回到原值时，占空比控 制部8D检测出峰值反射波功率P_R的减少，使导通占空比Don返回到100％(图 19(b)中的时间点M)。通过将导通占空比Don设为100％，再开连续控制， 平均行波功率P_FAV返回到原来的状态(图19(c)中的时间点M)。

根据本发明的控制形态，在通常状态下，将导通占空比Don设为100％， 进行连续输出控制，在峰值反射波功率增加时，进行使导通占空比Don小于 100％的脉冲输出控制，由此使平均行波功率降低，抑制平均反射波功率。

图20表示现有的连续输出控制的动作例。在该连续输出控制中，当峰值 反射波功率变动时，控制峰值行波功率，由此控制平均行波功率。

例如，当峰值反射波功率P_R增加时(图20(b)中的时间点O)，进行使 峰值行波功率P_F减少的控制(图20(a)中的时间点O)，通过使峰值行波功 率P_F减少，抑制平均行波功率。

另外，当峰值反射波功率P_R的增加被解除时(图20(b)中的时间点P)， 进行使峰值行波功率P_F增加，返回到原值的控制(图20(a)中的时间点P)。

在该连续输出控制中，峰值行波功率变动，因此有可能峰值行波功率对负 载的供给发生变动，负载处的等离子体密度发生变动而变得不稳定。

对此，根据本发明的控制，可以在维持峰值行波功率恒定的状态下控制平 均行波功率，可以避免由于峰值行波功率变动引起的不稳定动作。

[第五形态：在将占空比控制应用于连续行波功率控制模式，使峰值行波 功率增加的情形的结构和控制](图21～24)。

接着，作为本发明的第五形态，使用图21～图24说明将占空比控制应用 于连续行波功率控制模式，使峰值行波功率增加的情形的结构和控制动作。

当在负载侧的腔体内生成等离子体时，在开始等离子体生成的处理过程 时，存在在等离子体点火前反射波功率增加的倾向。在现有的控制方法中，针 对该反射波功率的增加，使行波功率垂下，由此降低对高频输出电源侧的影响。 但是，在这样使行波功率垂下的控制中，当腔体内的电压状态比等离子体点火 电压低时，存在等离子体不点火的问题。

本形态于所述的形态相同，通过在连续行波功率控制模式中，应用占空比 控制，在峰值反射波功率增加的情况下，也无需如现有的控制那样改变峰值行 波功率地抑制平均反射波功率，稳定地向负载供给功率。

该形态与所述形态的区别在于，相对于所述形态是与在供给恒定的峰值行 波功率的通常状态下的功率供给有关，本形态是与逐渐增加处理过程开始时等 的峰值行波功率的功率供给有关。

图21是表示将占空比控制应用于连续行波功率控制模式，使峰值行波功 率增加的情形的结构例的图，可以做成与图17所示的所述形态的结构例一样。

在图21中，脉冲调制高频电源装置1E的结构具备控制峰值行波功率的 振幅的峰值行波功率控制部2E、控制脉冲输出的占空比的平均行波控制部3E、 输出脉冲输出的高频输出的高频输出部4E以及平均处理部7E，还具备控制平 均行波控制部3E进行的占空比控制的占空比的占空比控制部8E。

另外，高频输出部4E具备高频输出电路4d0、检测峰值行波功率的行波 功率检测部4d2、检测峰值反射波功率的反射波功率检测部4d3、将峰值行波 功率和峰值反射波功率分离后取出的方向耦合器4d1。

平均处理部7E根据通过行波功率检测部4d2检测出的峰值行波功率求出 平均行波功率，并将求出的平均行波功率反馈给平均行波功率控制部3E。

方向耦合器4d1将峰值行波功率和峰值反射波功率分离，将峰值行波功率 输入到行波功率检测部4d2，将峰值反射波功率输入到反射波功率检测部4d3。

行波功率检测部4d2将检测出的峰值行波功率值发送到峰值行波功率控 制部2E，同时将检测出的峰值行波功率值发送到平均处理部7E。平均处理部 7E将求出的平均行波功率发送给平均行波功率控制部3E。另外，反射波功率 检测部4d3将检测出的峰值反射波功率值发送到占空比控制部8E，占空比控 制部8E在处理过程开始时，根据反射波功率的变动，变更通过平均行波功率 控制部3E进行的占空比控制的占空比。

平均行波功率控制部3E将来自平均处理部7E的平均行波功率值作为反 馈值，与平均行波功率指令值比较，进行使平均行波功率值成为平均行波功率 指令值的占空比控制。

平均行波功率控制部3E在处理过程开始时以及通常状态下，将占空比(导 通占空比Don)设为100％，开始连续输出控制，根据从占空比控制部8E发 送来的控制信号，调整占空比控制，切换连续输出控制和脉冲输出控制。在此， 连续输出控制是在占空比控制中，将占空比(导通占空比Don)设为100％的 控制方式，脉冲输出控制是在占空比控制中，以将占空比(导通占空比Don) 设为小于100％的值进行的控制方式。

该占空比控制的调整例如在峰值反射波功率增加的情况下，通过将占空比 (导通占空比Don)从100％切换为小于100％的预定值，从连续输出控制切 换为脉冲输出控制，由此抑制平均反射波功率，保护电源。在该占空比控制的 调整中，将峰值行波功率P_F控制为恒定，因此匹配电路的匹配电路变得稳定， 对腔体的功率注入稳定。

图22、23、24是用于说明在连续行波功率控制模式中，在处理过程开始 时，基于峰值反射波功率的增加的行波功率的控制动作例的流程图和信号图。

平均行波功率控制部3E在处理过程开始以及通常状态下，通过连续输出 控制来控制平均行波功率成为平均行波功率指令值。另外，在峰值行波功率控 制部2E中，在处理过程开始时，使从零开始以预定的增加率增加到恒定功率 值，在通常状态下，根据成为恒定功率值的峰值行波功率指令使处理过程开始 (S51)。

在该处理过程开始时，平均行波功率控制部3E将占空比(导通占空比 Don)设为100％，以连续行波功率控制模式进行控制(S52)。

在该连续行波功率控制模式中，占空比控制部8E对通过反射波功率检测 部4d3检测出的峰值反射波功率进行监视。占空比控制部8E当检测出峰值反 射波功率的增加时(S53)，将占空比(导通占空比Don)从100％的连续输 出切换为占空比(导通占空比Don)小于100％的脉冲输出。由此，可以在使 峰值行波功率P_F的输出稳定的状态下，抑制平均反射波功率(S54)。

占空比控制部8D在点火或者检测出容许峰值反射波功率时(S55)，使占 空比(导通占空比Don)返回到100％，从脉冲输出切换为连续输出，返回到 基于连续输出的连续行波功率控制模式(S56)。点火的检测例如可以通过检测 反射波功率的变动来进行。

图23所示的信号图表示在处理过程开始时的连续输出和脉冲输出的切 换。

图23(a)表示峰值反射波功率P_R和平均反射波功率P_RAV，图23(b)表 示占空比(导通占空比Don)，图23(c)表示峰值行波功率P_F和平均行波功 率P_FAV。

在连续行波功率控制模式中，将占空比(导通占空比Don)设为100％， 进行连续输出，在处理过程开始时，使峰值行波功率从零开始向预定的设定峰 值行波功率值增加(图23(c)的Q)。在该处理过程开始时，当峰值反射波 功率P_R(图23(a)中的实线所示)增加时，平均反射波功率P_RAV(图23(a) 中的虚线所示)也增加(图23(a)中的时间点R)。

占空比控制部8E当检测出峰值反射波功率P_R的增加时，使导通占空比 Don从100％开始下降(图23(b)中的时间点R)。通过使导通占空比Don下 降，来抑制平均行波功率P_FAV的增加(图23(c)中的期间R-S)，并抑制平 均反射波功率P_RAV(图23(a)中的期间R-S)。

之后，当峰值反射波功率P_R的增加被解除并返回到原值时，占空比控制 部8E检测出峰值反射波功率P_R的减少，使导通占空比Don返回到100％(图 23(b)中的时间点S)通过将导通占空比Don设为100％，再开连续控制， 使平均行波功率P_FAV成为通常状态(图23(c)中的时间点S)。

根据本发明的控制形态，在处理过程开始时，将占空比Don设为100％进 行连续输出控制，在峰值反射波功率增加时，使导通占空比Don小于100％， 进行脉冲输出控制，由此，使平均行波功率降低，抑制平均反射波功率。

图24表示现有的连续输出控制的动作例。在该连续输出控制中，当处理 过程开始时，峰值反射波功率发生变动时，通过控制峰值行波功率来抑制平均 行波功率。

例如，当峰值反射波功率P_R增加时(图24(b)中的时间点T)，进行使 峰值行波功率P_F减少的控制(图24(a)中的时间点T)，使峰值行波功率P_F减少，由此抑制平均行波功率。

在该连续输出控制中，峰值行波功率发生变动，因此有可能峰值行波功率 向负载的供给发生变动，在负载侧的等离子体密度变动而变得不稳定。

对此，通过本发明的控制，可以在维持峰值行波功率为恒定的状态下，控 制平均行波功率，并且可以避免由于峰值行波功率变动引起的不稳定动作。

[第六形态：在占空比控制中，使峰值行波功率增加的情形的结构和控制]

接着，作为本发明的第六形态，使用图25、图26说明在占空比控制中使 峰值行波功率增加的情形的结构和控制动作。

在此表示的形态与上述的形态同样，是处理过程开始时的控制形态。相对 于上述的形态在连续行波功率控制模式中应用占空比控制，在峰值反射波功率 增加时，通过占空比控制从连续输出切换为脉冲输出的控制形态，在此所示的 形态是如下的控制形态：在行波功率的控制中，进行控制使峰值行波功率的振 幅值成为恒定的同时，在脉冲输出时开始处理过程开始，使占空比(导通占空 比Don)增加，在稳定状态下，将占空比(导通占空比Don)设为100％，切 换为连续输出。

根据该控制形态，即使在处理过程开始时，峰值反射波功率增加的情况下， 占空比(导通占空比Don)也处于比100％小的状态，因此无需如现有的控制 那样改变峰值行波功率地抑制平均反射波功率，稳定地向负载提供功率。

该方式的结构可以与图21所示的第五的结构例相同，因此在此省略其说 明。

图25、26是用于说明在连续行波功率控制模式中，在处理过程开始时， 在占空比控制中使峰值行波功率增加的行波功率的控制动作例的流程图和信 号图。

平均行波功率控制部在处理过程开始时，通过占空比控制使平均行波功率 增加，在稳定时，通过占空比控制控制成为预定的平均行波功率。可以基于平 均行波功率指令值和反馈值的比较的控制来进行该控制。

另外，通过峰值行波功率控制部，基于预定的大小的峰值行波功率指令值 对峰值行波功率的振幅值进行恒定振幅控制。

在处理过程开始时(S61)，平均行波功率控制部使占空比(导通占空比 Don)从零按顺序地增加到100％，由此使平均行波功率增加(S62、S63)。在 该步骤期间，进行等离子体的点火。在该形态中，在平均行波功率达到稳定时 的电量之前，通过进行占空比控制供给负载的平均行波功率被抑制，因此反射 波功率也被抑制。

如26所示的信号图表示处理过程开始时的占空比控制。图26(a)表示 占空比(导通占空比Don)，图26(b)表示峰值行波功率P_F和平均行波功率 P_FAV，图26(c)表示峰值反射波功率P_R和平均反射波功率P_RAV。

处理过程开始时，使占空比(导通占空比Don)从0％开始按顺序增加到 100％(图26(a))，使平均行波功率从零向预定的设定平均行波功率值增加(图 26(c))。

在该处理过程开始时，当峰值反射波功率P_R(图26(b)中的实线所示) 增加时，平均反射波功率P_RAV(图26(b)中的虚线所示)也增加。

在处理过程开始时，平均行波功率P_FAV被抑制，因此即使在反射波发生 的情况下，该平均反射波功率P_RAV也被抑制，因此可以抑制对于高频输出电 源的影响。

另外，本发明并不限于所述各实施方式。可以根据本发明的宗旨进行各种 变形，这些变形并不被排除在本发明的范围之外。

产业上的利用可能性

本发明的脉冲调制高频功率控制方法以及脉冲调制高频电源装置可以应 用于针对进行等离子体刻蚀、等离子体CVD的等离子体处理装置等的负载的 高频功率的供给。