高频电源装置及其输出控制方法与流程

1.本发明涉及适用于等离子体发生装置等的高频电源装置，特别是涉及基于同步脉冲和时钟脉冲向对象装置输出高频脉冲的高频电源装置及其输出控制方法。


背景技术：

2.高频电源装置应用于超声波振荡、感应电力的产生或等离子体的产生等电源，是通过组合决定高频脉冲的输出周期的同步脉冲和决定振荡的高频成分的脉冲周期的时钟脉冲，能够以预定的周期和振幅值输出包含高频成分的高频脉冲的电源装置。特别是作为应用于等离子体发生装置的高频电源，已知有在1个振荡周期中包含高电平(第一电平)和低电平(第二电平)的振幅值的开关方式高频电源装置。
3.作为应用这样的开关方式高频电源装置的等离子体处理装置，例如在专利文献1中公开了一种等离子体蚀刻装置，在填充有蚀刻气体而收纳作为被处理体的半导体晶圆的处理室内，隔着被处理体，使上部电极和下部电极相对，对这些上部电极和下部电极施加来自高频电源的高频电压，通过上部电极和下部电极之间的放电使蚀刻气体等离子体化，对被处理体进行蚀刻处理。在这样的装置中，为了在被处理体的整个面上进行均匀的处理，要求来自高频电源的施加电压稳定。
4.在等离子体蚀刻装置中，意图稳定地产生等离子体，例如在专利文献2中公开了如下技术：在高频发生器与等离子体处理腔室之间连接将从传送路径终端观察到的等离子体的复阻抗转换为高频发生器的标称阻抗的匹配网络，对向等离子体处理腔室供给高频电力的感应线圈的电压进行反馈控制。根据该控制技术，通过匹配网络，能够通过反馈控制使施加于感应线圈的电力波形的相位一致，因此能够使基板处理稳定化。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开平11-214363号公报
8.专利文献2：日本特开2007-514300号公报


技术实现要素：

9.发明所要解决的课题
10.如上所述，在以往已知的高频电源装置中，生成同步脉冲的同步脉冲用生成器和生成时钟脉冲的时钟脉冲用生成器构成为通常分体，两者分别独立地动作，因此基于在基于同步脉冲的定时输出的高频脉冲中的时钟脉冲而生成的输出波形的相位在该高频脉冲的输出电平的切换时不能避免不一致。其结果，在连续振荡的多个高频脉冲间，由第一电平的振幅产生的脉冲数和由第二电平的振幅产生的脉冲数变得散乱，成为产生抖动的原因。
11.为了解决由这样的高频电源装置的振荡构造引起的不稳定的输出波形的问题，例如应用了上述的专利文献2那样的技术，但必须在等离子体处理装置与高频电源装置之间附加追加的结构(匹配网络等)，电源控制也不得不变得复杂。另外，由于产生与匹配网络的
响应速度相比高速且高频脉冲的输出波形产生变动时无法应对的现象，因此没有成为在应用开关方式的高频电源装置时产生的问题的根本的解决。
12.本发明是为了解决上述以往的问题点而完成的，其目的在于提供一种高频电源装置及其输出控制方法，即使是分别生成同步脉冲和时钟脉冲的结构，也能够使输出的高频脉冲的相位始终一致。
13.用于解决课题的手段
14.为了解决上述的课题，本发明的代表性的方式之一是一种高频电源装置，其基于同步脉冲和时钟脉冲向对象装置输出高频脉冲，其特征在于，该高频电源装置具备：同步脉冲生成机构，其生成包含所述高频脉冲的输出电平信息和输出定时信息的同步脉冲；输出电平设定机构，其基于所述输出电平信息，生成用于设定所述高频脉冲的输出电平的输出电平信号；以及振荡机构，其接收所述同步脉冲的周期基准信号和所述输出电平信号并使所述高频脉冲振荡，所述同步脉冲生成机构包含：同步脉冲形成电路，其形成所述同步脉冲；周期基准信号生成器，其在所述同步脉冲中的周期基准时刻生成周期基准信号；以及计时机构，其根据所述周期基准信号对输出停止时间进行计时，并且向所述输出电平设定机构发送输出停止信号，所述输出电平设定机构包含：电平判别部，其根据所述输出电平信号对所述高频脉冲中设定的输出电平进行判别；以及电平设定信号生成部，其接受所述电平判别部的判别结果而生成电平设定信号，所述振荡机构包含：时钟脉冲生成器，其生成所述时钟脉冲；以及振荡放大器，其接收所述周期基准信号、所述电平设定信号以及所述时钟脉冲，并基于这些信号形成所述高频脉冲，所述输出电平设定机构在接收到所述输出停止信号的期间，停止所述电平设定信号的发送。
15.另外，本发明的其他方式之一是一种高频电源装置的输出控制方法，所述高频电源装置基于同步脉冲和时钟脉冲向对象装置输出高频脉冲，其特征在于，所述输出控制方法包括如下步骤：根据所述同步脉冲的波形中包含的输出电平信息，生成用于设定所述高频脉冲的输出电平的输出电平信号，并且根据输出定时信息生成周期基准信号；根据所述输出电平信号生成电平设定信号，并且基于所述周期基准信号对输出停止时间进行计时，并且生成输出停止信号；接收所述周期基准信号、所述电平设定信号以及所述时钟脉冲，并基于这些信号形成所述高频脉冲时，在接收所述输出停止信号的期间，停止所述电平设定信号的发送。
16.根据具备这样的结构的本发明，构成为接收基于同步脉冲的周期基准信号、电平设定信号以及时钟脉冲，在基于这些信号形成高频脉冲时，基于周期基准信号对输出停止时间进行计时，并且生成输出停止信号，在接收该输出停止信号的期间停止电平设定信号的发送，因此即使是分别生成同步脉冲和时钟脉冲的结构，也能够使输出的高频脉冲的相位始终一致。
附图说明
17.图1是表示作为本发明的代表性的一例的实施例1的高频电源装置的概要的框图。
18.图2是表示实施例1的同步脉冲生成机构的具体结构的一例的框图。
19.图3是表示实施例1的输出电平设定机构的具体结构的一例的框图。
20.图4是表示实施例1的振荡机构的具体结构的一例的框图。
21.图5是表示通过实施例1的高频电源装置的输出控制方法得到的输出波形的一例的图表。
22.图6是表示通过实施例1的高频电源装置的输出控制方法得到的输出波形的变形例的图表。
23.图7是表示实施例2的高频电源装置的概要的框图。
24.图8是表示实施例2的输出电平设定机构的具体结构的一例的框图。
25.图9是表示实施例2的振荡机构的具体结构的一例的框图。
26.图10是表示通过实施例2的高频电源装置的输出控制方法得到的输出波形的一例的图表。
具体实施方式
27.以下，使用图1～图10对本发明的高频电源装置及其输出控制方法的代表性的具体例进行说明。
28.《实施例1》
29.图1是表示作为本发明的代表性的一例的实施例1的高频电源装置的概要的框图。如图1所示，作为一例，实施例1的高频电源装置100具备：同步脉冲生成机构110，其生成包含输出的高频脉冲po的输出电平信息以及输出定时信息的同步脉冲p1；输出电平设定机构120，其基于同步脉冲p1的输出电平信息来生成设定高频脉冲po的输出电平的输出电平信号s
l1
、s
l2
；以及振荡机构130，其接收基于同步脉冲p1的输出定时信息的周期基准信号ss以及上述的输出电平信号s
l1
、s
l2
来振荡高频脉冲po。从高频电源装置100输出的高频脉冲po被供给至等离子体、激光产生装置、感应加热装置、或者超声波振荡装置等对象装置10。
30.图2是表示实施例1的同步脉冲生成机构的具体结构的一例的框图。如图2所示，实施例1的同步脉冲生成机构110包括：同步脉冲形成电路112，其形成上述的同步脉冲p1；周期基准信号生成器114，其在同步脉冲p1中的周期基准时刻生成周期基准信号ss；以及计时机构116，其根据周期基准信号ss对输出停止时间进行计时，并且将输出停止信号s
t
向输出电平设定机构120发出。另外，从同步脉冲形成电路112发出的同步脉冲p1也被供给至后述的输出电平设定机构120。
31.作为其一例，同步脉冲形成电路112包括输出电平信息(振幅值)和输出定时信息(振幅的切换定时)，输出针对横轴的时间经过规定纵轴的2个输出电平l1、l2的大致矩形的周期性的脉冲波形。另外，在图2中，例示了将输出电平设为高电平l1和低电平l2的情况，但只要是周期性的大致矩形波，也可以设为基于3个以上的输出电平的脉冲波形。
32.另外，同步脉冲p1并不限定于矩形波，只要包含输出电平信息和输出定时信息，也可以包含正弦波、极短脉冲等任意的波形。并且，同步脉冲p1也可以由多个信号波形构成。作为这样的例子，能够例示通过对多个信号波形进行and处理来得到输出电平和输出定时的方法等。
33.周期基准信号生成器114基于从同步脉冲形成电路112接收到的同步脉冲p1，确定作为该同步脉冲p1的特征之一的周期的时刻基准即输出定时信息，在该确定的定时输出周期基准信号ss。此时，作为周期的时刻基准的一例，例如可举出从低电平l2切换(上升)为高电平l1的时刻等。另外，周期基准信号ss在1个周期中不仅限于1个，例如也可以在从上述的
低电平l2向高电平l1的上升时刻以外，还采用从高电平l1向低电平l2的切换(下降)时刻。
34.作为其一例，计时机构116具备如下结构：接收来自周期基准信号生成器114的周期基准信号ss，在从该接收时起经过预定的输出停止时间为止的期间，继续向后述的输出电平设定机构120发送输出停止信号s
t
。此时，计时机构116构成为预定的输出停止时间能够相对于后述的时钟脉冲生成器132(参照图4)的时钟周期选择任意的定时。由此，能够任意地选择输出停止信号s
t
的发送停止的定时。
35.图3是表示实施例1的输出电平设定机构的具体结构的一例的框图。如图3所示，实施例1的输出电平设定机构120包括：电平判别部122，其根据同步脉冲p1的振幅值(输出电平信息)而发送第一电平设定指令s1或者第二电平设定指令s2；以及电平设定信号生成部124，其接受输出停止信号s
t
以及第一电平设定指令s1和第二电平设定指令s2而生成电平设定信号(第一电平设定信号s
l1
以及第二电平设定信号s
l2
)。并且，电平设定信号生成部124还包括：第一电平设定信号生成器126，其在接收第一电平设定指令s1时生成第一电平设定信号s
l1
；以及第二电平设定信号生成器128，其在接收第二电平设定指令s2时生成第二电平设定信号s
l2
。
36.电平判别部122接收来自同步脉冲形成电路112的同步脉冲p1，根据该同步脉冲p1的输出电平处于哪个电平，实时地发送预定的设定指令。作为其一例，在实施例1中，电平判别部122在同步脉冲p1为高电平l1的期间发送第一电平设定指令s1，在同步脉冲p1切换为低电平l2时发送第二电平设定指令s2。
37.第一电平设定信号生成器126在从电平判别部122接收到第一电平设定指令s1时生成第一电平设定信号s
l1
。同样地，第二电平设定信号生成器128在从电平判别部122接收到第二电平设定指令s2时生成第二电平设定信号s
l2
。此时，电平设定信号生成部124构成为，在从同步脉冲生成机构110接收到输出停止信号s
t
的期间，不将由第一电平设定信号生成器126生成的第一电平设定信号s
l1
或者由第二电平设定信号生成器128生成的第二电平设定信号s
l2
输出到振荡机构130。
38.图4是表示实施例1的振荡机构的具体结构的一例的框图。如图4所示，实施例1的振荡机构130包括：时钟脉冲生成器132，其生成预定的高频范围的时钟脉冲p2；以及振荡放大器134，其接收来自同步脉冲生成机构110的周期基准信号ss、来自输出电平设定机构120的第一电平设定信号s
l1
和第二电平设定信号s
l2
、以及上述时钟脉冲p2，基于这些信号形成高频脉冲po。
39.时钟脉冲生成器132是产生与高频脉冲po的输出对应的高频(数百khz～数十mhz)的时钟脉冲p2的单元，例如产生13.56mhz的时钟脉冲p2。另外，时钟脉冲生成器132具有产生上述的预定的高频下的等间隔的时钟脉冲p2，并且在任意的时刻t
rst
(参照图5或图6)将时钟脉冲p2的产生定时复位(设定为任意的相位)的功能。然后，振荡放大器134基于周期基准信号ss来决定高频脉冲po的振荡定时，并且基于第一电平设定信号s
l1
以及第二电平设定信号s
l2
对时钟脉冲p2的振幅值进行放大，由此生成高频脉冲po。
40.图5是表示通过实施例1的高频电源装置的输出控制方法得到的输出波形的一例的图表。在实施例1的高频电源装置的输出控制方法中，作为其一例，首先如图5的(a)所示，形成为由同步脉冲生成机构110的同步脉冲形成电路112形成的同步脉冲p1在时间t
l1
的区间成为高电平l1，在时间t
l2
的区间成为低电平l2的周期性的脉冲信号。并且，如上所述，从
该同步脉冲p1中提取例如作为脉冲1个周期的时刻基准的向高电平l1的上升时刻，周期基准信号生成器114在每个该上升时刻发送周期基准信号ss。
41.另一方面，同步脉冲p1也被供给到输出电平设定机构120，由该输出电平设定机构120的电平判别部122设定每个时刻的输出电平，从第一电平设定信号生成器126或者第二电平设定信号生成器128向振荡机构130发送第一电平设定信号s
l1
或者第二电平设定信号s
l2
。即，参照图5的(a)，在时间t
l1
的区间发送第一电平设定信号s
l1
，在时间t
l2
的区间发送第二电平设定信号s
l2
。
42.接着，在振荡机构130的振荡放大器134中，根据接收到的第一电平设定信号s
l1
或者第二电平设定信号s
l2
，对时钟脉冲p2的振幅值进行放大。即，在连续地接收到第一电平设定信号s
l1
的情况下，如图5的(b)所示，输出时钟脉冲p2的平均高度为高电平l1的连续脉冲。另一方面，在连续地接收到第二电平设定信号s
l2
的情况下，如图5的(c)所示，输出时钟脉冲p2的平均高度为低电平l2的连续脉冲。
43.在此，如图5的(d)所示，在从计时机构116发送了作为输出停止时间t
st
的输出停止信号s
t
的情况下，在该输出停止时间t
st
的期间中的任意时刻t
rst
(将该时刻定义为“复位时刻t
rst”)，从时钟脉冲生成器132生成的时钟脉冲p2被复位。并且，若从同步脉冲p1的生成随着时间变化连续地执行这些动作，则如图5的(e)所示，从振荡机构130接收到周期基准信号ss的时刻起开始高频脉冲po的输出，在时间t
l1
的区间输出高电平l1的连续脉冲。同样地，在时间t
l2
的区间输出低电平l2的连续脉冲。
44.此时，如上所述，在输出电平设定机构120中，构成为在接收到输出停止信号s
t
的期间不发送第一电平设定信号s
l1
，因此在从时间t
l1
的区间的开始起经过输出停止时间t
st
之前，不输出高电平l1的连续脉冲。这里，此时，复位时刻t
rst
的定时根据在输出停止时间t
st
结束后最先输出的高频脉冲po的相位θ
st
来决定。即，通过在复位时刻t
rst
复位时钟脉冲p2的相位，经过输出停止时间t
st
后的高频脉冲po的相位始终为相同相位。
45.图6是表示通过实施例1的高频电源装置的输出控制方法得到的输出波形的变形例的图表。在图6所示的变形例的高频电源装置的输出控制方法中，首先，如图6的(a)所示，从由同步脉冲生成机构110的同步脉冲形成电路112形成的同步脉冲p1中，与图5所示的情况同样地，提取例如作为脉冲1个周期的时刻基准的向高电平l1的上升时刻，周期基准信号生成器114在每个该上升时刻发送周期基准信号ss。并且，在输出电平设定机构120中，在时间t
l1
的区间发送第一电平设定信号s
l1
，在时间t
l2
的区间，向振荡机构130发送第二电平设定信号s
l2
。
46.接着，与图5所示的情况同样地，在振荡机构130的振荡放大器134中，根据接收到的第一电平设定信号s
l1
或者第二电平设定信号s
l2
，对时钟脉冲p2的振幅值进行放大。然后，输出如图6的(b)所示那样的时钟脉冲p2的平均高度为高电平l1的连续脉冲和图6的(c)所示那样的时钟脉冲p2的平均高度为低电平l2的连续脉冲。
47.在此，如图6的(d)所示，当从计时机构116发送成为输出停止时间t
st
的输出停止信号s
t
时，与图5所示的情况同样地，在输出停止时间t
st
的期间中的任意时刻t
rst
(将该时刻定义为“复位时刻t
rst”)，从时钟脉冲生成器132生成的时钟脉冲p2被复位。并且，在输出电平设定机构120中，由于构成为在接收到输出停止信号s
t
的期间不发送第一电平设定信号s
l1
，因此若从同步脉冲p1生成起随着时间变化连续地执行，则如图6的(e)所示，从振荡机构130
接收到周期基准信号ss的时刻起开始高频脉冲po的输出，在时间t
l1
的区间输出高电平l1的连续脉冲。同样地，在时间t
l2
的区间输出低电平l2的连续脉冲。
48.此时，在图6所示的变形例中，复位时刻t
rst
的定时被设定为，在输出停止时间t
st
结束后最先输出的高频脉冲po的相位θ
st
始终为相位0。由此，通过在复位时刻t
rst
复位时钟脉冲p2的相位，能够稳定输出经过输出停止时间t
st
后的高频脉冲po的相位始终为相位0，另一方面，如图6的(e)所示，输出延迟用于使输出相位与相位0一致的待机时间α。
49.通过具备上述那样的结构，实施例1的高频电源装置及其输出控制方法构成为，在接收基于同步脉冲p1的周期基准信号ss、第一电平设定信号s
l1
、第二电平设定信号s
l2
以及时钟脉冲p2，基于这些信号形成高频脉冲po时，将基于周期基准信号ss而计时的输出停止时间t
st
设定为时钟脉冲p2的时钟周期的整数倍，在接收到输出停止信号s
t
的期间，输出电平设定机构停止第一电平设定信号s
l1
或者第二电平设定信号s
l2
的发送，因此即使是分别生成同步脉冲和时钟脉冲的构造，也能够使输出的高频脉冲的相位始终一致。
50.《实施例2》
51.图7是表示实施例2的高频电源装置的概要的框图。在此，在实施例2的高频电源装置200中，对于具备与实施例1相同或同样的结构的高频电源装置，标注与实施例1相同的附图标记并省略再次的说明。
52.如图7所示，实施例2的高频电源装置200具备同步脉冲生成机构110、输出电平设定机构120、以及振荡机构130。在实施例2的高频电源装置200中，与实施例1的高频电源装置100的不同点在于，从输出电平设定机构120向振荡机构130发送电平0信号s
l0
。
53.图8是表示实施例2的输出电平设定机构的具体结构的一例的框图。如图8所示，实施例2的输出电平设定机构120包括：电平判别部122，其接收输出停止信号s
t
以及同步脉冲p1，根据同步脉冲p1的振幅值(输出电平)而发出第一电平设定指令s1或者第二电平设定指令s2；电平设定信号生成部124，其接受输出停止信号s
t
以及第一电平设定指令s1和第二电平设定指令s2而生成电平设定信号(电平0信号s
l0
、第一电平设定信号s
l1
以及第二电平设定信号s
l2
)。并且，电平设定信号生成部124还包括：电平0信号生成器223，其基于输出停止信号s
t
来生成电平0信号s
l0
；以及与实施例1相同的第一电平设定信号生成器126以及第二电平设定信号生成器128。
54.与实施例1的情况同样地，电平判别部122接收来自同步脉冲形成电路112的同步脉冲p1，根据该同步脉冲p1的输出电平处于哪个电平，在同步脉冲p1为高电平l1的期间发送第一电平设定指令s1，在同步脉冲p1切换为低电平l2时发送第二电平设定指令s2。
55.电平0信号生成器223构成为，在电平设定信号生成部124接收到输出停止信号s
t
的期间起动，在接收到该输出停止信号s
t
的期间发送将高频脉冲po的振幅值设为0的电平0信号s
l0
。另一方面，与实施例1的情况同样地，第一电平设定信号生成器126及第二电平设定信号生成器128若接收来自电平判别部122的第一电平设定指令s1或第二电平设定指令s2，则向振荡机构130发送第一电平设定信号s
l1
或第二电平设定信号s
l2
。由此，电平设定信号生成部124在从同步脉冲生成机构110接收到输出停止信号s
t
的期间，仅将电平0信号s
l0
输出到振荡机构130，不输出第一电平设定信号s
l1
或者第二电平设定信号s
l2
。
56.图9是表示实施例2的振荡机构的具体结构的一例的框图。如图9所示，实施例2的振荡机构130包括时钟脉冲生成器132和振荡放大器234，振荡放大器234接收来自同步脉冲
生成机构110的周期基准信号ss、来自输出电平设定机构120的电平0信号s
l0
、第一电平设定信号s
l1
及第二电平设定信号s
l2
、以及上述时钟脉冲p2，并基于这些信号形成高频脉冲po。
57.实施例2中的振荡放大器234基于周期基准信号ss来决定高频脉冲po的振荡定时，并且在接收电平0信号s
l0
的过程中，将高频脉冲po的振幅值设为0。另一方面，在接收第一电平设定信号s
l1
及第二电平设定信号s
l2
的过程中，基于这些信号将时钟脉冲p2的振幅值放大为高电平l1或低电平l2，由此生成高频脉冲po。
58.图10是表示通过实施例2的高频电源装置的输出控制方法得到的输出波形的一例的图表。在实施例2的高频电源装置的输出控制方法中，关于图10的(a)～图10的(d)所示的同步脉冲p1及输出停止信号s
t
与高频脉冲po的与高电平l1及低电平l2相关的振幅值的放大的关系，与实施例1的情况相同，因此省略再次的说明。
59.另一方面，在实施例2的高频电源装置的输出控制方法中，在输出了输出停止信号s
t
的期间，输出电平设定机构控制成将输出电平为0的电平0信号s
l0
输出到振荡机构，因此，如图9的(e)所示，即使在紧前的高频脉冲po的输出区间(时间t
l2
)的终端中产生了输出电平的切换(开关)引起的外观上的反弹脉冲(衰减脉冲：damping pulse，pd)，在实际的输出中也能够进行抑制了错误的脉冲输出作为振幅值0的控制。
60.另外，上述的实施方式以及这些变形例中的记述是本发明的高频电源装置及其输出控制方法的一例，本发明并不限定于各实施方式。另外，本领域技术人员能够在不脱离本发明的主旨的情况下进行各种变形，并不将它们从本发明的范围排除。
61.例如，在上述的实施例1及2中，例示了在高电平l1的输出最初设置输出停止时间t
st
的情况，但也可以将该输出停止时间t
st
分别设置在低电平l2的输出最初、或高电平l1及低电平l2这两者的输出当初。由此，能够进行将高频脉冲po的输出时的每1个周期的波数维持为固定值的控制。
62.另外，实施例1和2中例示的结构并不是分别独立的发明的结构，也可以将彼此的特征组合而作为1个高频电源装置来应用。
63.符号说明
64.10 对象装置
65.100、200、300 高频电源装置
66.110 同步脉冲生成机构
67.112 同步脉冲形成电路
68.114 周期基准信号生成器
69.116 计时机构
70.120 输出电平设定机构
71.122 电平判别部
72.124 电平设定信号生成部
73.126 第一电平设定信号生成器
74.128 第二电平设定信号生成器
75.130 振荡机构
76.132 时钟脉冲生成器
77.134、234 振荡放大器
78.223 电平0信号生成器
79.po 高频脉冲
80.p1 同步脉冲
81.p2 时钟脉冲
82.s
s 周期基准信号
83.s
t 输出停止信号
84.s
l0 电平0信号
85.s
l1 第一电平设定信号
86.s
l2 第二电平设定信号
87.t
st 输出停止时间。