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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-03-03
(45)【発行日】2025-03-11
(54)【発明の名称】パルス電源装置
(51)【国際特許分類】
H02M 3/28 20060101AFI20250304BHJP
H02M 9/02 20060101ALI20250304BHJP
H03K 9/08 20060101ALI20250304BHJP
【ＦＩ】
H02M3/28 H
H02M9/02
H03K9/08 Z
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2024153887
(22)【出願日】2024-09-06
【審査請求日】2024-09-09
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000001292
【氏名又は名称】株式会社京三製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001151
【氏名又は名称】あいわ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】藤原 武
(72)【発明者】
【氏名】國玉 博史
(72)【発明者】
【氏名】安達 俊幸
【審査官】上野 力
(56)【参考文献】
【文献】特許第７５４５６０８（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特許第７５１４４６２（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特開２０２２－１５４７０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５００１３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特許第７５４５６０７（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特許第７２１４０４６（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】特許第６１８１７９２（ＪＰ，Ｂ２）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ３／２８
Ｈ０３Ｋ ９／０８
Ｈ０２Ｍ ９／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電圧の第１電圧を生成する第１直流電源と、２つの電圧間を結ぶ直線波形を複数用いて任意波形電圧を生成する任意波形電圧発生部と、
接地電位と前記任意波形電圧との切り替えによりパルス波形を生成し、前記パルス波形を所定周期で繰り返してパルスを出力するスイッチ部と、
を備え、
前記任意波形電圧は、前記パルスの印加フェーズにおける出力電圧であり、
前記印加フェーズは、前記接地電位から前記第１電圧に立ち下がる第１の印加区間と、前記第１電圧から折線波形電圧の終端電圧に前記第１電圧をバイアスした電圧である第２電圧までの第２の印加区間と、で構成され、
前記任意波形電圧発生部は、
インバータ制御により、接地電位を始点として電圧変化率ｄＶ／ｄｔを異にする複数の直線波形電圧が連結された折線波形電圧を生成し、
前記第２の印加区間における折線波形電圧と前記第１電圧とを重畳して任意波形電圧を生成する、
パルス電源装置。
【請求項2】
前記任意波形電圧発生部は、第２直流電源と、
前記第２直流電源の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
前記第１直流電源の出力と前記整流回路の出力とを重畳する電圧重畳回路と、
を備え、
前記インバータ回路は、直流交流電圧変換において、前記印加フェーズの時間幅、前記折線波形電圧の直線波形電圧を切り替える屈折点、各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔ、又は屈折点の電圧を調整し、
前記整流回路は、前記インバータ回路の出力を整流して折線波形電圧を生成し、
前記電圧重畳回路は、前記第１直流電源の出力の前記第１電圧と前記整流回路の出力の折線波形電圧とを電圧重畳し、前記第１直流電源の前記第１電圧を始点電圧とし、電圧変化率ｄＶ／ｄｔを異にする複数の直線波形電圧が前記屈折点で切り替わって連結する任意波形電圧を生成する、
請求項１に記載のパルス電源装置。
【請求項3】
前記インバータ回路を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記印加フェーズの時間幅、前記折線波形電圧の直線波形電圧を切り替える屈折点間の時間、及び各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔ、又は屈折点の電圧を定める制御値を備え、前記制御値に基づいてインバータ制御を行い、複数の直線波形電圧が連結してなる折線波形電圧を生成する、
請求項２に記載のパルス電源装置。
【請求項4】
前記インバータ回路を制御する制御部を備え、前記制御部は、電源出力Ｖｏｕｔ、及び／又は出力電流Ｉｏｕｔをフィードバックし、電源出力Ｖｏｕｔ又は出力電流Ｉｏｕｔを一定値とする、前記印加フェーズの時間幅、前記折線波形電圧の直線波形電圧を切り替える屈折点の時間及び電圧、及び各直線波形電圧を定めるデューティ比の制御値を求め、
前記制御値に基づいてインバータ制御を行い、複数の直線波形電圧が連結してなる折線波形電圧を生成する、
請求項２に記載のパルス電源装置。
【請求項5】
前記電圧重畳回路は、前記整流回路に設けられ、前記第１直流電源の出力端は、前記整流回路の一方の出力端に接続される、
請求項２に記載のパルス電源装置。
【請求項6】
前記インバータ回路と前記整流回路との間に変圧器を備え、前記電圧重畳回路は前記変圧器に設けられ、
前記第１直流電源の出力端は、前記変圧器の二次側の一方の端部に接続される、
請求項２に記載のパルス電源装置。
【請求項7】
前記制御部は、屈折点間の時間が前記屈折点間の時間の制御値に達した各時点において、前記電圧変化率ｄＶ／ｄｔの制御値を直線波形電圧の傾きとし、折線波形電圧の直線波形電圧を順次切り替え折線波形電圧を生成する、請求項３に記載のパルス電源装置。
【請求項8】
前記制御部は、屈折点間の時間が前記屈折点間の時間の制御値に達した各時点において、当該時点及び次の時点の屈折点の電圧の制御値、及び屈折点間の時間の制御値に基づいて定まる傾きを直線波形電圧の傾きとし、折線波形電圧の直線波形電圧を順次切り替え折線波形電圧を生成する、請求項３に記載のパルス電源装置。
【請求項9】
前記制御部は、屈折点間の時間が前記屈折点間の時間の制御値に達した各時点において、当該時点の屈折点の電圧の制御値、及び当該時点の出力電圧の検出値の比較による電圧変動の判定に基づき、電圧変動の判定時に、当該時点の出力電圧の検出値、及び次の時点の屈折点の電圧の制御値に基づいて定まる傾きを直線波形電圧の傾きとし、折線波形電圧の直線波形電圧を順次切り替え折線波形電圧を生成する、
請求項３に記載のパルス電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、所定の傾斜で電圧が変化する任意波形を含むパルス出力を生成するパルス電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
パルス電源装置が生成するパルス出力は、成膜処理やエッチング処理等のプラズマ処理に用いられる他、プラズマ処理に限らず種々の産業用装置に適用することができる。例えば、半導体デバイスのエッチング処理において、導体をプラズマ処理する際に基板の表面全体にわたって実質的に均一な負電圧を生成するために、接地に対して負の電圧が基板に印加される。
【0003】
プラズマエッチングや堆積の処理において、エッチングフェーズでの広い負のパルスと、放電フェーズでの短い正のパルスとを備えるパルス波形のバイアスが使用されることが知られている。
【0004】
エッチングや堆積フェーズにおいて、誘電体基板へのイオン堆積効果を補償するためにパルス波形のバイアスを適用されることが知られている。パルス波形は、エッチングや堆積フェーズでの基盤電位の上昇を補償するために減少する負の電圧勾配と、放電フェーズでの電荷バイアスを維持するために電子を引き付けるための正の電圧パルスで構成される。スイッチモード電源に電流源などのイオン電流補償を組み込むことによって負の電圧勾配を生成する構成が知られている（特許文献１、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特許第７２１４０４６号公報
【文献】特許第６１８１７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
基板電圧を一定電圧に維持するイオン電流を供給するには、所定の負の電圧勾配の設定が求められる。上記した従来のパルス電源装置は、負の電圧勾配とイオン電流との間は所定の関数で関係付けられていることから、負の電圧勾配を実現するために電流源などのイオン電流補償電流源が用いられる。
【0007】
しかしながら、高抵抗を備える電流源では、分布容量の影響を受けて電流源を構成する回路の時定数が大きくなり、高速応答性が低いという課題がある。この高速応答性の課題は、高周波のパルス周波数ではより顕著となる。
【0008】
電流源には、上記した高速応答性の課題の他に考慮すべき点がある。一般に、電流源は内部抵抗や温度変動の影響を受けるため温度補償やフィードバック補償が必要となり、パルス電源装置の構成要素のコストが上昇する要因となる。上記したように、電流源を用いた高周波のパルスを出力するパルス電源装置では、電流源を用いることによる高速応答性やコスト等の課題がある。
【0009】
本発明は、上記した従来の課題を解決し、電流源を用いることなく負の電圧勾配を得ることができる任意波形電圧発生部を備えたパルス電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明のパルス電源装置は、一定電圧の直流電圧と折線波形電圧とを重畳することにより複数の所定の電圧勾配を有した任意波形のパルスを生成する。折線波形電圧は接地電位から複数の所定の電圧変化率ｄＶ／ｄｔで時間変化する複数の直線波形電圧が連結される折線波形電圧を有している。本発明のパルス電源装置は、この折線波形電圧をインバータ制御で生成し、直流電圧と折線波形電圧とを重畳して任意波形電圧を生成し、任意波形電圧からパルス波形を生成することにより、電流源を用いることなく任意の電圧勾配を有したパルスを生成する。
【0011】
本発明のパルス電源装置は、直流電圧の第１電圧を生成する第１直流電源と、２つの電圧間を結ぶ直線波形を複数用いて任意波形の電圧を生成する任意波形電圧発生部と、接地電位と任意波形電圧との切り替えによりパルス波形を生成し、パルス波形を所定周期で繰り返してパルスを出力するスイッチ部とを備える。
【0012】
スイッチ部は、負荷側に周期パルスを印加する印加フェーズと負荷側に蓄積された電荷を放電する放電フェーズをスイッチング動作によって順に繰り返すパルス周期の電流を負荷に供給する。
【0013】
任意波形電圧発生部は、インバータ制御により接地電位を始点として電圧変化率ｄＶ／ｄｔを異にする複数の直線波形電圧が連結された折線波形電圧を生成し、生成した折線波形電圧と第１直流電源の第１電圧とを重畳して任意波形電圧を生成する。
【0014】
任意波形電圧は、スイッチ部のパルス周期の印加フェーズで出力されるパルスの出力電圧であり、印加フェーズの開始時の電圧を第１電圧とし、印加フェーズの終了時の電圧を折線波形電圧の終端電圧に第１電圧をバイアスした電圧である。
【0015】
任意波形電圧発生部は、第２直流電源と、第２直流電源の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、インバータ回路の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、第１直流電源の出力と前記整流回路の出力とを重畳する電圧重畳回路を備える。
【0016】
インバータ回路は、直流交流電圧変換を行うインバータ制御において、
（ａ）印加フェーズの時間幅、
（ｂ）折線波形電圧の直線波形電圧が切り替わる屈折点、及び
（ｃ１）折線波形電圧の各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔ、又は
（ｃ２）屈折点の電圧
を調整して、任意波形電圧を生成する。
（ａ）印加フェーズの時間幅、
（ｂ）折線波形電圧の直線波形電圧が切り替わる屈折点、及び
（ｃ１）折線波形電圧の各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔ、又は
（ｃ２）屈折点の電圧
を調整して、任意波形電圧を生成する。
【0017】
出力パルス周期Ｔの印加フェーズの時間幅（Ｔｏｎ）を調整することにより、パルス出力の時間幅が調整される。
【0018】
屈折点は、折線波形電圧を形成している複数の直線波形電圧が連結される点であり、この屈折点の前後の直線波形電圧は異なる電圧変化率ｄＶ／ｄｔを有している。屈折点は、隣接する直線波形同士は連結されているため、屈折点間の時間、印加フェーズの始点電圧、及び各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔによって特定することができる。
【0019】
また、屈折点の前後で隣接する直線波形電圧の連結点での端部電圧は一致しているおり、屈折点は、印加フェーズの始点電圧が特定されればため、一端の端部電圧によって特定することができる。
【0020】
課題の項で示したように、基板の表面全体にわたって実質的に均一な負電圧を生成する要請があるが、印加フェーズの期間において、電源出力Ｖｏｕｔ又は出力電流Ｉｏｕｔは必ず一定とは限らず、負荷状態等によって変化することがある。そのため、基板電圧を一定電圧に維持するイオン電流を供給するために、電源出力Ｖｏｕｔや出力電流Ｉｏｕｔに応じて所定の負の電圧勾配の設定が求められる。
【0021】
このような課題に対して、本発明は、異なる電圧変化率ｄＶ／ｄｔを備えた複数の直線波形電圧を連結した折線波形電圧により任意波形電圧を形成し、この任意波形電圧に基づいて出力を負荷に供給し、これによって電源出力Ｖｏｕｔ又は出力電流Ｉｏｕｔを一定値に維持し、基板の表面全体にわたって実質的に均一な負電圧を付加する。
【0022】
整流回路は、前記インバータ回路の出力を整流して折線波形電圧を生成する。また、電圧重畳回路は、第１直流電源の出力の前記第１電圧と整流回路の出力の折線波形電圧とを電圧重畳し、第１直流電源の前記第１電圧を始点電圧とし、電圧変化率ｄＶ／ｄｔを異にする複数の直線波形電圧が、屈折点で切り替わって連結する任意波形電圧を生成する。
【0023】
更に、インバータ回路を制御する制御部を備え、予め定めておいた制御値に基づいてインバータ制御を行う。そして、制御部は、インバータ制御における制御パラメータとして、以下の各値を定める制御値を備える。
（ａ）印加フェーズの時間幅、
（ｂ）折線波形電圧の直線波形電圧を切り替える屈折点間の時間、及び
（ｃ１）各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔ、又は
（ｃ２）屈折点の電圧
（ａ）印加フェーズの時間幅、
（ｂ）折線波形電圧の直線波形電圧を切り替える屈折点間の時間、及び
（ｃ１）各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔ、又は
（ｃ２）屈折点の電圧
【0024】
負荷の時間変化が予測できる場合には、制御パラメータを予め想定あるいは測定して取得しておき、制御パラメータあるいは制御パラメータに基づく制御値を記憶手段等に格納しておくことにより、必要に応じて読み出してインバータ制御を行うことができる。制御部は、これらの制御パラメータについて制御値に基づいてインバータ制御を行い、複数の直線波形電圧が連結してなる折線波形電圧を生成する。
【0025】
折線波形電圧は、制御値に基づく設定を、複数の設定態様で行うことができる。
【0026】
（設定態様１）
制御部は、屈折点間の時間が屈折点間の時間の制御値に達した各時点において、電圧変化率ｄＶ／ｄｔの制御値を直線波形電圧の傾きとし、折線波形電圧の直線波形電圧を順次切り替え折線波形電圧を生成する。
制御部は、屈折点間の時間が屈折点間の時間の制御値に達した各時点において、電圧変化率ｄＶ／ｄｔの制御値を直線波形電圧の傾きとし、折線波形電圧の直線波形電圧を順次切り替え折線波形電圧を生成する。
【0027】
（設定態様２）
制御部は、屈折点間の時間が屈折点間の時間の制御値に達した各時点において、その時点と次の時点の屈折点の電圧の制御値、及び屈折点間の時間の制御値に基づいて定まる傾きを直線波形電圧の傾きとし、折線波形電圧の直線波形電圧を順次切り替え折線波形電圧を生成する。
制御部は、屈折点間の時間が屈折点間の時間の制御値に達した各時点において、その時点と次の時点の屈折点の電圧の制御値、及び屈折点間の時間の制御値に基づいて定まる傾きを直線波形電圧の傾きとし、折線波形電圧の直線波形電圧を順次切り替え折線波形電圧を生成する。
【0028】
（設定態様３）
制御部は、屈折点間の時間が屈折点間の時間の制御値に達した各時点において、その時点の屈折点の電圧の制御値とその時点の出力電圧の検出値の比較により電圧変動を判定し、電圧変動が判定された時に、その時点の出力電圧の検出値と次の時点の屈折点の電圧の制御値に基づいて定まる傾きを直線波形電圧の傾きとし、折線波形電圧の直線波形電圧を順次切り替え折線波形電圧を生成する。
制御部は、屈折点間の時間が屈折点間の時間の制御値に達した各時点において、その時点の屈折点の電圧の制御値とその時点の出力電圧の検出値の比較により電圧変動を判定し、電圧変動が判定された時に、その時点の出力電圧の検出値と次の時点の屈折点の電圧の制御値に基づいて定まる傾きを直線波形電圧の傾きとし、折線波形電圧の直線波形電圧を順次切り替え折線波形電圧を生成する。
【0029】
電圧重畳回路は、整流回路で整流された折線波形電圧と第１直流電源の第１電圧とを電圧重畳して任意波形電圧を生成する。
【0030】
整流回路から出力される折線波形電圧は、直線状に電圧が時間変化する直線波形電圧が複数連結された電圧波形を呈するが、印加フェーズの始点となる電圧は接地電位であり、接地電位から電圧が時間変化する。任意波形電圧は、折線波形電圧に第１電圧が電圧重畳されることにより、第１電圧を始点電圧として所定の電圧変化率ｄＶ／ｄｔで直線状に時間変化する直線波形電圧と、屈折点で切り替えられる電圧変化率ｄＶ／ｄｔを異にする別の直線波形電圧とで形成される。負荷状態等の変動による電源出力Ｖｏｕｔ又は出力電流Ｉｏｕｔの変化に応じて、連結する各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを制御することによって、電源出力Ｖｏｕｔ又は出力電流Ｉｏｕｔを一定とし、基板電圧を一定電圧に維持するイオン電流を供給する。
【0031】
スイッチ部は、当該スイッチ部におけるパルス生成の開始を任意波形電圧発生部の出力の開始と同期させ、接地電位の０Ｖと任意波形電圧発生部で生成した任意波形電圧とを切り替えてパルス波形を生成する。生成されたパルス波形は、電位が接地電位である第１の区間と、第１電圧から所定の電圧変化率ｄＶ／ｄｔで直線状に時間変化する複数の直線波形電圧が連結してなる折線波形電圧の第２の区間とを有する。第１の区間の０Ｖと第２区間の始点の第１電圧とは、第１電圧分の電位差を有することになる。
【0032】
任意波形電圧の始点の電圧は、第１直流電源の第１電圧で定まり、任意波形電圧の終点の電圧は、折線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔと折線波形電圧の第２の区間の時間幅で定まる。
【0033】
スイッチ部は、任意波形電圧から生成したパルス波形を１パルスとし、このパルス波形を所定周期で繰り返して周期パルスを出力する。１パルスの時間幅は、第１の区間の時間幅と第２の区間の時間幅を加算した値であり、パルス周期に応じて定まる。
【0034】
負極性の任意波形電圧の場合には、スイッチ部は、０Ｖの第１の区間と負の第１電圧から折線波形電圧で時間変化する任意波形電圧の第２の区間との２つの電圧区間からなる電圧波形を１パルスとする周期パルスが出力される。
【0035】
本発明の任意波形電圧発生部において、電圧重畳回路の配置位置を複数の形態で構成することができる。
【0036】
（第１の形態）：
第１の形態の電圧重畳回路は整流回路に配置される。一例として、整流回路の一方の出力端に第１直流電源の出力端が接続される構成がある。
第１の形態の電圧重畳回路は整流回路に配置される。一例として、整流回路の一方の出力端に第１直流電源の出力端が接続される構成がある。
【0037】
（第２の形態）：
第２の形態のインバータ回路と整流回路との間に変圧器を備え、電圧重畳回路はこの変圧器に配置され、第１直流電源の出力端は、変圧器の二次側の一方の端部に接続される。
第２の形態のインバータ回路と整流回路との間に変圧器を備え、電圧重畳回路はこの変圧器に配置され、第１直流電源の出力端は、変圧器の二次側の一方の端部に接続される。
【発明の効果】
【0038】
以上説明したように、本発明のパルス電源装置によれば、電流源を用いることなく所定の電圧勾配を得ることができる任意波形電圧発生部を備えることにより高速応答性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明のパルス電源装置の概略構成を説明するための図である。
【図2】本発明のパルス電源装置の動作例を説明するためのタイミングチャートである。
【図3A】折線波形電圧の波形例を説明するための図である。
【図3B】折線波形電圧の波形例を説明するための図である。
【図4】折線波形電圧の設定例１を説明するためのフローチャートである。
【図5】折線波形電圧の設定例２を説明するためのフローチャートである。
【図6A】本発明のパルス電源装置の放電フェーズの動作例を説明するための図である。
【図6B】本発明のパルス電源装置の放電フェーズの動作例を説明するための図である。
【図7A】本発明のパルス電源装置の印加フェーズの動作例を説明するための図である。
【図7B】本発明のパルス電源装置の印加フェーズの動作例を説明するための図である。
【図8】本発明の任意波形電圧発生部の第１の構成例の概略構成図である。
【図9】本発明の任意波形電圧発生部の第１の構成例のタイミングチャートである。
【図10】本発明の任意波形電圧発生部の第２の構成例の概略構成図である。
【図11】本発明の任意波形電圧発生部の第２の構成例のタイミングチャートである。
【図12A】本発明の電圧重畳回路の構成例を説明するための図である。
【図12B】本発明の電圧重畳回路の構成例を説明するための図である。
【図13】本発明の平滑回路を説明するための図である。
【図14】本発明の平滑回路を備える第１の形態例を説明するための図である。
【図15】本発明の平滑回路を備える第２の形態例を説明するための図である。
【図16A】本発明の平滑回路の波形例を示す図である。
【図16B】本発明の平滑回路の波形例を示す図である。
【図17】本発明のパルス電源装置の負荷がプラズマ負荷の例を説明するための図である。
【図18】スイッチ駆動信号、電源出力Ｖｏｕｔ、及び出力電流Ｉｏｕｔの一例を示す図である。
【図19】ウェハー電圧Ｖｓｈ、電源出力Ｖｏｕｔ、及びイオン電流Ｉｐを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0040】
【0041】
パルス電源装置１は、電源部１０とスイッチ部１３と制御部１５とを備える。電源部１０は、一定電圧の第１電圧を生成する第１直流電源１１を第１電源とし、任意波形電圧を生成する任意波形電圧発生部１２を第２電源として備える。
【0042】
任意波形電圧発生部１２は、接地電位を始点として、所定の電圧変化率ｄＶ／ｄｔで電圧が変化する複数の直線波形電圧が連結されてなる折線波形電圧Ｖｌｉｎｅを生成し、この折線波形電圧Ｖｌｉｎｅに第１直流電源１１の第１電圧を重畳させることによって、第１電圧を始点として、所定の電圧変化率ｄＶ／ｄｔで電圧が変化する任意波形電圧を生成し、任意波形電圧出力Ｖｏｐｔのパルスを出力する。
【0043】
スイッチ部１３は、スイッチング動作によって負荷側に蓄積された電荷を放電する放電フェーズと負荷側に周期パルスを印加する印加フェーズとを順に繰り返し、負荷に対して電流を供給する。スイッチ部１３は、印加フェーズにおいて任意波形電圧出力Ｖｏｐｔのパルスを負荷に出力するためのパルススイッチ部１３ａと、負荷に蓄積された電荷を放電するための放電回路１３ｂとを備える。パルススイッチ部１３ａ及び放電回路１３ｂのスイッチング動作は、制御部１５によって制御される。
【0044】
印加フェーズでは、スイッチ部１３は、任意波形電圧発生部１２で生成された任意波形電圧を周期パルスの１パルス波形として負荷に印加する。放電フェーズでは、負荷側に蓄積された電荷が放電されてスイッチ部１３の出力は０Ｖとなるため、印加フェーズの開始時点でのスイッチ部１３の出力は、０Ｖから第１電圧に変化する。スイッチ部１３から出力されたパルス出力は、電源出力として負荷２１に供給される。
【0045】
パルス電源装置１は、平滑回路を備えた構成としてもよい。平滑回路の形態としては、任意波形電圧発生部１２の出力端に平滑回路が接続される第１の形態と、スイッチ部１３のパルススイッチ部１３ａの出力端に平滑回路が接続される第２の形態と、がある。第１の形態による平滑回路は、任意波形電圧発生部の出力に含まれるノイズ分を抑制する。第２の形態による平滑回路は、スイッチ部１３において放電フェーズと印加フェーズとの間の電圧変化に伴って生じるオーバーシュートやアンダーシュートの電圧振動を抑制する。なお、図１では、平滑回路は示していない。
【0046】
制御部１５は、任意波形電圧発生部１２及びスイッチ部１３を制御する。この際、任意波形電圧発生部１２の任意波形電圧出力Ｖｏｐｔの出力制御、及びスイッチ部１３のパルス制御が同期して行われる。
【0047】
図２は、本発明のパルス電源装置の動作例を説明するためのタイミングチャートである。電源部１０は、第１直流電源１１の第１電源と、任意波形電圧発生部１２の第２電源を備える。第１電源の第１直流電源１１は、一定電圧の第１電圧Ｖ１を出力生成する。第２電源の任意波形電圧発生部１２は、接地電位を始点として所定の電圧変化率ｄＶ／ｄｔで電圧が変化する折線波形電圧Ｖｌｉｎｅを生成し、この折線波形電圧Ｖｌｉｎｅに第１電圧Ｖ１を重畳させて台形波形電圧を生成する。
【0048】
任意波形電圧発生部１２は、制御部１５からの制御信号に基づいて折線波形電圧Ｖｌｉｎｅを生成し、生成した折線波形電圧Ｖｌｉｎｅと第１電圧Ｖ１とを重畳して任意波形電圧を生成し、任意波形電圧出力Ｖｏｐｔとして出力する。
【0049】
任意波形電圧発生部１２の制御信号は、スイッチ部１３を制御するスイッチ制御信号と同一の出力パルス周期Ｔとを備えると共に、スイッチ制御信号と同期している。任意波形電圧発生部１２の制御信号による折線波形電圧Ｖｌｉｎｅの発生と、スイッチ制御信号によるパルスの印加フェーズの開始とは同時点Ａである。また、任意波形電圧発生部１２の制御信号による折線波形電圧Ｖｌｉｎｅの終了と、スイッチ制御信号によるパルスの印加フェーズの終了及び放電フェーズの開始とは同時点Ｂである。
【0050】
ここで、出力パルス周期Ｔ（＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）に対するデューティ比をＴｏｎ／Ｔとしたとき、任意波形電圧発生部１２の制御信号のオン時間と印加フェーズの時間とは同一のＴｏｎとなり、任意波形電圧発生部１２の制御信号のオフ時間と放電フェーズの時間とは同一のＴｏｆｆとなる。
【0051】
折線波形電圧Ｖｌｉｎｅは、印加フェーズの始点の０Ｖから、複数の直線波形電圧における所定の各電圧変化率ｄＶ／ｄｔで変化し、印加フェーズの終点では、電圧変化率ｄＶ／ｄｔとＴｏｎとの積（Ｔｏｎ×ｄＶ／ｄｔ）で定まる電圧ΔＶとなる。任意波形電圧出力Ｖｏｐｔは、印加フェーズの始点の第１電圧Ｖ１から所定の電圧変化率ｄＶ／ｄｔで変化し、印加フェーズの終点では、第１電圧Ｖ１に電圧ΔＶを重畳した電圧（Ｖ１＋ΔＶ）となる。
【0052】
電圧ΔＶ及び電圧（Ｖ１＋ΔＶ）は、ΔＶが電圧変化率ｄＶ／ｄｔとＴｏｎとの積（Ｔｏｎ×ｄＶ／ｄｔ）であるため、電圧変化率ｄＶ／ｄｔ及びＴｏｎあるいは周期パルスのデューティ比に依存した電圧となる。したがって、電圧変化率ｄＶ／ｄｔ、Ｔｏｎ又は周期パルスのデューティ比が変更された場合には、電圧ΔＶ及び（Ｖ１＋ΔＶ）は異なる値となる。
【0053】
第１の形態の平滑回路は、任意波形電圧出力Ｖｏｐｔに含まれるノイズ分を抑制し、第２の形態の平滑回路は、スイッチ部１３のスイッチ部出力に含まれるオーバーシュートやアンダーシュートの電圧振動を抑制する。パルス電源装置１の電源出力は、負荷２１に供給される。
【0054】
図２Ａは第１直流電源１１の電圧Ｖ１を示し、図２Ｂは任意波形電圧発生部１２が備えるインバータを制御する制御信号を示し、図２Ｃは折線波形電圧Ｖｌｉｎｅを示し、図２Ｄは任意波形電圧出力Ｖｏｐｔを示し、図２Ｅはスイッチ部１３のパルススイッチ部を制御する制御信号ＳＷＡを示し、図２Ｆはスイッチ部１３の出力Ｖｓｗを示し、図２Ｇは電源出力Ｖｏｕｔを示している。
【0055】
図２Ｃの折線波形電圧Ｖｌｉｎｅは、図２Ｂで示す出力パルス周期Ｔ中のＴｏｎにおいてインバータの制御信号に基づいて形成され、出力パルス周期Ｔ中のＴｏｆｆでは形成されない。図２Ｄに示す任意波形電圧出力Ｖｏｐｔは、図２Ａに示す第１直流電源１１の電圧Ｖ１と図２Ｃに示す折線波形電圧Ｖｌｉｎｅとを重畳して形成される。
【0056】
図２Ｃに示される折線波形電圧Ｖｌｉｎｅ及び図２Ｄに示される任意波形電圧出力Ｖｏｐｔは、始点Ｐ０、屈折点Ｐ１、屈折点Ｐ２、及び終点Ｐ３の各屈折点と、これらの屈折点間を繋ぐ複数の直線波形電圧を備える。なお、図では屈折点として始点Ｐ０と終点Ｐ３を含め合計４点の屈折点が示されているが、屈折点の個数は、始点と中間点と終点の少なくとも３点以上の任意の点数とすることができる。
【0057】
電圧Ｖ１と折線波形電圧Ｖｌｉｎｅとの重畳により、任意波形電圧出力Ｖｏｐｔの始点Ｐ０の電圧はＶ１となり、終点Ｐ３の電圧はＶ３となる。終点Ｐ３の電圧Ｖ３は、複数の直線波形電圧の電圧変化に応じた電圧となり、折線波形電圧Ｖｌｉｎｅの始点と終点との間の電圧差ΔＶは（Ｖ１－Ｖ３）となる。
【0058】
図２ＥのスイッチＳＷＡの制御信号は、図２Ｂのインバータの制御信号と同期し、制御信号ＳＷＡは、パルススイッチ部１３ａのオン／オフを制御し、スイッチＳＷＢの制御信号は放電回路１３ｂのオン／オフを制御する。
【0059】
図２Ｆにおいて、Ｐｈ＿ｄｉｓを付した区間は放電フェーズを表し、Ｐｈ＿ａｐｐを付した区間は印加フェーズを表している。放電フェーズは、パルススイッチ部１３ａのスイッチＳＷＡがオフ状態で、放電回路１３ｂのスイッチＳＷＢがオン状態である。一方、印加フェーズは、パルススイッチ部１３ａのスイッチＳＷＡがオン状態で、放電回路１３ｂのスイッチＳＷＢがオフ状態である。
【0060】
パルススイッチ部１３ａのスイッチＳＷＡは、オフ状態からオン状態に切り替えることによって、放電フェーズから印加フェーズに切り替え、印加フェーズのＴｏｎの間において、任意波形電圧出力Ｖｏｐｔをパルス出力として出力する。
【0061】
放電回路１３ｂのスイッチＳＷＢは、オフ状態からオン状態に切り替えることによって、印加フェーズから放電フェーズに切り替え、放電フェーズのＴｏｆｆの間において負荷に蓄積されていた電荷を接地に放電し、任意波形電圧出力Ｖｏｐｔの電圧を０Ｖとする。
【0062】
【0063】
（折線波形電圧の波形例）
図３Ａ，図３Ｂを用いて折線波形電圧の波形例を説明する。ここでは、始点Ｐ０と終点Ｐ３の間に２つの屈折点Ｐ１，Ｐ２を有した折線波形電圧の波形例について示しているが、屈折点は任意の点数とすることができる。図３Ａ，図３Ｂにおいて、破線で示す直線波形電圧は、始点Ｐ０と終点Ｐ３の間を一本の直線で結ぶ波形を示している。
図３Ａ，図３Ｂを用いて折線波形電圧の波形例を説明する。ここでは、始点Ｐ０と終点Ｐ３の間に２つの屈折点Ｐ１，Ｐ２を有した折線波形電圧の波形例について示しているが、屈折点は任意の点数とすることができる。図３Ａ，図３Ｂにおいて、破線で示す直線波形電圧は、始点Ｐ０と終点Ｐ３の間を一本の直線で結ぶ波形を示している。
【0064】
図３Ａに示す折線波形電圧の波形例では、破線で示す直線波形電圧と比較して、屈折点Ｐ１の電圧Ｖ１は低く、屈折点Ｐ２の電圧Ｖ２は高い例である。この波形例では、始点Ｐ０と屈折点Ｐ１とを結ぶ直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔはＶ１／Ｔ１で表され、屈折点Ｐ１と屈折点Ｐ２とを結ぶ直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔは（Ｖ２－Ｖ１）／Ｔ２で表され、屈折点Ｐ２と終点Ｐ３とを結ぶ直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔは（Ｖ３－Ｖ２）／Ｔ３で表される。なお、Ｔ１は始点Ｐ０と屈折点Ｐ１の間の時間幅であり、Ｔ２は屈折点Ｐ１と屈折点Ｐ２の間の時間幅であり、Ｔ３は屈折点Ｐ２と終点Ｐ３の間の時間幅である。
【0065】
図３Ｂに示す折線波形電圧の波形例では、破線で示す直線波形電圧と比較して、屈折点Ｐ１の電圧Ｖ１は高く、屈折点Ｐ２の電圧Ｖ２は低い例である。この波形例においても、始点Ｐ０と屈折点Ｐ１とを結ぶ直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔはＶ１／Ｔ１で表され、屈折点Ｐ１と屈折点Ｐ２とを結ぶ直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔは（Ｖ２－Ｖ１）／Ｔ２で表され、屈折点Ｐ２と終点Ｐ３とを結ぶ直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔは（Ｖ３－Ｖ２）／Ｔ２で表される。
【0066】
（折線波形電圧の設定態様）
制御部による折線波形電圧の設定態様について図４、図５を用いて説明する。なお、以下では、１パルスを生成するパルス周期において、スイッチング動作によって負荷側に周期パルスを印加する印加フェーズと負荷側に蓄積された電荷を放電する放電フェーズとを行い、このパルス周期を繰り返して生成された電流を負荷に供給する場合について示している。
制御部による折線波形電圧の設定態様について図４、図５を用いて説明する。なお、以下では、１パルスを生成するパルス周期において、スイッチング動作によって負荷側に周期パルスを印加する印加フェーズと負荷側に蓄積された電荷を放電する放電フェーズとを行い、このパルス周期を繰り返して生成された電流を負荷に供給する場合について示している。
【0067】
制御部は、インバータ制御において折線波形電圧を生成する際に、以下の各制御値を制御パラメータとして設定しておく。
（ａ）印加フェーズの時間幅Ｔ、
（ｂ）折線波形電圧の直線波形電圧を切り替える屈折点間の時間Ｔｋ、及び
（ｃ１）各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔ、又は
（ｃ２）屈折点の電圧
（ａ）印加フェーズの時間幅Ｔ、
（ｂ）折線波形電圧の直線波形電圧を切り替える屈折点間の時間Ｔｋ、及び
（ｃ１）各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔ、又は
（ｃ２）屈折点の電圧
【0068】
（設定態様１）
折線波形電圧の設定態様１について図４を用いて説明する。この設定例１では上記した制御値のうち、印加フェーズの時間幅Ｔ、及び屈折点間の時間Ｔｋが設定されて屈折点が定まった状態にあるとき、折線波形電圧を構成する各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを設定する例を示す。なお、図４のフローチャートでは、手順を符号Ｓ１～Ｓ７で示している。
折線波形電圧の設定態様１について図４を用いて説明する。この設定例１では上記した制御値のうち、印加フェーズの時間幅Ｔ、及び屈折点間の時間Ｔｋが設定されて屈折点が定まった状態にあるとき、折線波形電圧を構成する各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを設定する例を示す。なお、図４のフローチャートでは、手順を符号Ｓ１～Ｓ７で示している。
【0069】
屈折点を定める制御値として、印加フェーズの時間幅Ｔ、屈折点間の時間Ｔｋ、及び屈折点間の直線波形の傾きを定める制御値として、直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを予め定めて記憶しておく。これらの制御値は、任意の記憶装置に読み出し可能に格納しておくことができる。
【0070】
まず、初期値として設定しておいた印加フェーズの最初の時点での直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを読み出し（Ｓ１）、最初の直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを設定し、この電圧変化率ｄＶ／ｄｔで直線波形電圧を生成する（Ｓ２）。
【0071】
その後、直線波形電圧を出力し初めてからの経過時間が屈折点間の時間Ｔｋに達したか否か基づいて、屈折点に到達したか否かを判定し（Ｓ３）、屈折点に到達したときは、次の直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを読み出し（Ｓ４）、読み出した直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを変更する（Ｓ５）。
【0072】
屈折点が折線波形電圧の終点であるか否かを判定し、終点でない場合には、Ｓ３からＳ５の工程を繰り返す（Ｓ６）。Ｓ６において屈折点が終点であるときは、１つの印加フェーズが終了し、放電フェーズを経て１パルスの形成するパルス周期が終了した後、次のパルス周期においてＳ１からＳ６の工程を繰り返す（Ｓ７）。
【0073】
（設定態様２）
上記した設定態様１は、予め設定された直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを用いた例であるが、設定態様２では、電圧変化率ｄＶ／ｄｔに代えて屈折点の電圧を用いて折線波形電圧を設定してもよい。この場合には、最初の直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔは、折線波形電圧の始点Ｐ０の電圧Ｖ０と屈折点Ｐ１の電圧Ｖ１との電圧差（Ｖ１－Ｖ０）を時間幅Ｔ１で除算することで求められ、次の直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔは、屈折点Ｐ１の電圧Ｖ１と屈折点Ｐ２の電圧Ｖ２との電圧差（Ｖ２－Ｖ１）を時間幅Ｔ２で除算することで求められ、他の区間の直線波形電圧についても同様に求められる。
上記した設定態様１は、予め設定された直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを用いた例であるが、設定態様２では、電圧変化率ｄＶ／ｄｔに代えて屈折点の電圧を用いて折線波形電圧を設定してもよい。この場合には、最初の直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔは、折線波形電圧の始点Ｐ０の電圧Ｖ０と屈折点Ｐ１の電圧Ｖ１との電圧差（Ｖ１－Ｖ０）を時間幅Ｔ１で除算することで求められ、次の直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔは、屈折点Ｐ１の電圧Ｖ１と屈折点Ｐ２の電圧Ｖ２との電圧差（Ｖ２－Ｖ１）を時間幅Ｔ２で除算することで求められ、他の区間の直線波形電圧についても同様に求められる。
【0074】
（設定態様３）
折線波形電圧の設定態様３について図５を用いて説明する。この設定例２では上記した制御値のうち、印加フェーズの時間幅Ｔ、及び屈折点間の時間Ｔｋが設定されて屈折点が定まり、各屈折点での出力電圧Ｖｋが定まっている状態にあるとき、各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを設定する例を示す。なお、図５のフローチャートでは、手順を符号Ｓ１１～Ｓ２１で示している。
折線波形電圧の設定態様３について図５を用いて説明する。この設定例２では上記した制御値のうち、印加フェーズの時間幅Ｔ、及び屈折点間の時間Ｔｋが設定されて屈折点が定まり、各屈折点での出力電圧Ｖｋが定まっている状態にあるとき、各直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを設定する例を示す。なお、図５のフローチャートでは、手順を符号Ｓ１１～Ｓ２１で示している。
【0075】
まず、印加フェーズの最初の時点での直線波形電圧の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを算出する。この電圧変化率ｄＶ／ｄｔは、始点Ｐ０における電圧Ｖ０と最初の屈折点Ｐ１での電圧Ｖ１との電圧差（Ｖ１－Ｖ０）を時間幅Ｔ１で除算することによって算出される（Ｓ１１）。算出した電圧変化率ｄＶ／ｄｔを初期値として設定する（Ｓ１２）。
【0076】
直線波形電圧の時間幅が経過した後の屈折点Ｐｋにおいて（Ｓ１３）、屈折点Ｐｋに設定されている出力電圧Ｖｋを読み出すと共に（Ｓ１４）、その時点での出力電圧Ｖｏを検出する（Ｓ１５）。検出した出力電圧Ｖｏと読み出した出力電圧Ｖｋとを比較し、検出した出力電圧Ｖｏが設定した出力電圧Ｖｋから変動しているか否かを判定する。判定では、例えば出力電圧Ｖｏと出力電圧Ｖｋとの差分が予め設定しておいたしきい値を越えているか否かに基づいて行うことができる。電圧に変動が無いと判定された場合には、Ｓ１３～Ｓ１５の工程を繰り返す（Ｓ１６）。
【0077】
電圧に変動が有ると判定された場合には、次の屈折点Ｐｋ＋１の電圧Ｖｋ＋１を読み出し（Ｓ１７）、出力電圧Ｖｏと読み出した屈折点Ｐｋ＋１の電圧Ｖｋ+１との電圧差（Ｖｋ+１－Ｖｏ）を時間幅Ｔ１で除算した（（Ｖｋ+１）－Ｖｏ）／Ｔ１によって電圧変化率ｄＶ／ｄｔを算出し（Ｓ１８）、電圧変化率ｄＶ／ｄｔを更新する（Ｓ１９）。そして、Ｓ１３～Ｓ１９の工程を折線波形電圧の終点まで繰り返し（Ｓ２０）、１つの印加フェーズが終了し、放電フェーズを経て１パルスの形成するパルス周期が終了した後、次のパルス周期においてＳ１１からＳ２０の工程を繰り返す（Ｓ２１）。
【0078】
（放電フェーズの動作例）
図６は、放電フェーズの動作例を説明するための図であり、図６Ａと図６Ｂは、それぞれ図２Ｆ中の放電フェーズＰｈ＿ｄｉｓにおいて、電源出力ＶｏｕｔがＶ２から０Ｖに立ち上がる時点の動作状態、及び電源出力Ｖｏｕｔが０Ｖとなる動作状態を表している。
図６は、放電フェーズの動作例を説明するための図であり、図６Ａと図６Ｂは、それぞれ図２Ｆ中の放電フェーズＰｈ＿ｄｉｓにおいて、電源出力ＶｏｕｔがＶ２から０Ｖに立ち上がる時点の動作状態、及び電源出力Ｖｏｕｔが０Ｖとなる動作状態を表している。
【0079】
図６Ａの放電フェーズＰｈ＿ｄｉｓ１は、パルススイッチ部１３ａのスイッチＳＷＡがオフ状態に切り替わり、放電回路１３ｂのＳＷＢがオン状態に切り替わった時点である。この時点は、図２ＦにおいてＤｉｓ１で表される区間に相当する。このＤｉｓ１では、電源出力ＶｏｕｔがＶ２から０Ｖに立ち上がり、出力電流Ｉｏｕｔは、急峻した放電電流が０Ａに向かって減少する。印加フェーズの電流Ｉｒは、プラズマ負荷の場合にはイオン電流Ｉｐに相当する。
【0080】
図６Ｂの放電フェーズＰｈ＿ｄｉｓ２は、パルススイッチ部１３ａのスイッチＳＷＡがオフ状態にあり、放電回路１３ｂのＳＷＢがオン状態にある。この状態は、図２においてＤｉｓ２で表される区間に相当する。このＤｉｓ２では、電源出力Ｖｏｕｔが０Ｖであり、出力電流Ｉｏｕｔは０Ａとなる。
【0081】
（印加フェーズの動作例）
図７は、印加フェーズの動作例を説明するための図であり、図７Ａと図７Ｂは、それぞれ図２Ｆ中の印加フェーズＰｈ＿ａｐｐにおいて、電源出力Ｖｏｕｔが０ＶからＶ１に立ち下がる時点の動作状態、及び電源出力ＶｏｕｔがＶ１からＶ２に変化する動作状態を表している。
図７は、印加フェーズの動作例を説明するための図であり、図７Ａと図７Ｂは、それぞれ図２Ｆ中の印加フェーズＰｈ＿ａｐｐにおいて、電源出力Ｖｏｕｔが０ＶからＶ１に立ち下がる時点の動作状態、及び電源出力ＶｏｕｔがＶ１からＶ２に変化する動作状態を表している。
【0082】
図７Ａの印加フェーズＰｈ＿ａｐｐ１は、パルススイッチ部１３ａのスイッチＳＷＡがオン状態に切り替わり、放電回路１３ｂのＳＷＢがオフ状態に切り替わった時点である。この時点は、図２ＦにおいてＡｐｐ１で表される時点に相当する。このＡｐｐ１の時点では、電源出力Ｖｏｕｔが０ＶからＶ１に立ち下がり、負荷に向かって電流Ｉｑが流れる。Ａｐｐ１の時点における電圧変化は、スイッチ部より後段に接続される回路の時定数で定まる。
【0083】
図７Ｂの印加フェーズＰｈ＿ａｐｐ２は、パルススイッチ部１３ａのスイッチＳＷＡがオン状態にあり、放電回路１３ｂのＳＷＢがオフ状態にある。この状態は、図２ＦにおいてＡｐｐ２で表される区間に相当する。このＡｐｐ２では、電源出力ＶｏｕｔはＶ１から電圧変化率ｄＶ／ｄｔで変化し、Ａｐｐ２の終点では、電源出力ＶｏｕｔはＶ２となる。プラズマ負荷の場合において、出力電流Ｉｏｕｔには、電圧変化率ｄＶ／ｄｔに基づいて定まるイオン電流Ｉｐに相当する一定電流の電流Ｉｒが流れる。なお、電流Ｉｒ及び電流Ｉｑの一例については図１８に示す。
【0084】
（２）任意波形電圧発生部
本発明の任意波形電圧発生部１２は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、インバータ回路の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、第１電源の直流電源の出力と整流回路を介して出力される折線波形電圧Ｖｌｉｎｅと、を重畳して台形波形電圧を生成し、任意波形電圧出力Ｖｏｐｔとして出力する電圧重畳回路とを備える。
本発明の任意波形電圧発生部１２は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、インバータ回路の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、第１電源の直流電源の出力と整流回路を介して出力される折線波形電圧Ｖｌｉｎｅと、を重畳して台形波形電圧を生成し、任意波形電圧出力Ｖｏｐｔとして出力する電圧重畳回路とを備える。
【0085】
本発明の任意波形電圧発生部は、直流電源の出力と折線波形電圧Ｖｌｉｎｅとを重畳する電圧重畳回路を、任意波形電圧発生部の回路において異なる位置に配置する複数形態で構成することができる。
【0086】
以下、本発明の任意波形電圧発生部の第１構成例～第２構成例について、図８～図１１を用いて説明する。図８及び図９は、任意波形電圧発生部の第１の構成例を説明するための図であり、図１０及び図１１は、任意波形電圧発生部の第２の構成例を説明するための図である。また、図１２は、電圧重畳回路の構成例を説明するための図である。
【0087】
【0088】
第１の構成例の任意波形電圧発生部１２Ａは、第２直流電源１２ａ、インバータ回路１２ｂ、トランス１２ｃ、及び整流回路１２ｄを備え、電圧重畳回路１２ｅは、整流回路１２ｄ内に設けられる。
【0089】
第２直流電源１２ａは、交流を直流に変換して直流電圧を出力するＡＣ／ＤＣ電源を用いる他に、通常の直流電源を用いても良い。ＡＣ（交流）の発生源は、外部電源あるいは内部電源のいずれとしてもよい。インバータ回路１２ｂは、入力した直流電圧を交流電圧に変換すると共に、変換した交流電圧の電圧値を調整して出力する。トランス１２ｃは、インバータ回路１２ｂからの交流電圧の振幅を所定の巻線比で定まる変圧比に基づいて変換する。整流回路１２ｄは、トランス１２ｃの交流電圧を整流して直流電圧に変換する。
【0090】
インバータ回路１２ｂは、制御部１５から出力される制御指令に基づいてインバータ制御される。制御部１５の制御指令は、任意波形電圧発生部出力の電圧及び／又は電流のフィードバック信号に基づいて生成される他に、図示しない外部装置からの外部信号に基づいて生成される構成としてもよい。
【0091】
インバータ回路１２ｂは、例えば、数百ｋＨｚ～数十ＭＨｚの高周波で駆動される。インバータ回路１２ｂは、１つのスイッチング素子を用いた１石型のフライバックインバータ、２つのスイッチング素子を用いた２石型のハーフブリッジインバータ、４つのスイッチング素子を用いた４石型のフルブリッジインバータの何れを用いてもよい。
【0092】
電圧重畳回路１２ｅは、整流回路１２ｄ内に組み込まれ、整流回路１２ｄの整流出力に第１直流電源１１の第１電圧Ｖ１を重畳する。図１２Ａは、整流回路１２ｄ内に組み込んだ電圧重畳回路１２ｅの構成例を示している。ここでは、整流回路１２ｄとして、ダイオードブリッジから構成される回路例を示している。図１２Ａの回路構成例では、整流回路１２ｄの一方の出力端に電圧重畳回路１２ｅの出力端を接続し、第１電圧Ｖ１を重畳した整流出力を任意波形電圧出力として出力する。
【0093】
図９は、インバータ制御としてＰＷＭ制御を用いた場合を示している。インバータ制御は、出力パルス周期Ｔの内でデューティ比に基づくオン時間Ｔｏｎの間に行われ、オフ時間Ｔｏｆｆが経過した後に再開される。ＰＷＭ制御は、駆動周波数ｆ＿ｉｎｖで定まるインバータ周期Ｔｉｎｖ（＝１／ｆ＿ｉｎｖ）毎にパルス幅を制御する。パルス幅を漸次増加あるいは漸次減少させて出力電圧の波高値を昇圧あるいは降圧することによって、出力電圧が調整される。
【0094】
インバータ制御によって折線波形電圧Ｖｌｉｎｅ、及び任意波形電圧出力Ｖｏｐｔの電圧の勾配波形を生成する際には、任意波形電圧発生部１２の後段に平滑回路が接続された際の応答性を考慮して、インバータ制御を行うＰＷＭ制御の駆動周波数ｆ＿ｉｎｖは、出力パルス周波数ｆ＿ｐｕｌｓｅよりも高い周波数とする必要があり、５倍以上の高周波数であることが望ましい。
【0095】
トランス１２ｃは、インバータ回路１２ｂのインバータ出力の波高値を巻線比で定まる変圧比に基づいて調整し、整流回路１２ｄに出力する。整流回路１２ｄはインバータ出力を整流し、所定の電圧変化率ｄＶ／ｄｔで電圧変化する折線波形電圧を出力する。折線波形電圧は、オン時間Ｔｏｎの時間内に出力され、オフ時間Ｔｏｆｆでは出力されない。電圧重畳回路１２ｅは、整流回路１２ｄの整流出力に第１電圧Ｖ１を重畳して重畳出力を生成する。
【0096】
【0097】
第２の構成例の任意波形電圧発生部１２Ｂは、第２直流電源１２ａ、インバータ回路１２ｂ、トランス１２ｃ、及び整流回路１２ｄを備え、電圧重畳回路１２ｅをトランス１２ｃ内に備える。
【0098】
第２の構成例の任意波形電圧発生部１２Ｂは、第１の構成例の任意波形電圧発生部１２Ａと同様に、第２直流電源１２ａ、インバータ回路１２ｂ、トランス１２ｃ、及び整流回路１２ｄを備えるが、電圧重畳回路１２ｅがトランス１２ｃに組み込まれて構成される点で相違している。ここでは、第２直流電源１２ａ、インバータ回路１２ｂ、トランス１２ｃ、及び整流回路１２ｄについての説明は省略し、電圧重畳回路１２ｅについてのみ説明する。
【0099】
電圧重畳回路１２ｅは、トランス１２ｃ内に組み込まれる形態で構成され、インバータ回路１２ｂのインバータ出力に第１直流電源１１の第１電圧Ｖ１を重畳する。図１２Ｂは、電圧重畳回路１２ｅの構成例を示している。
【0100】
図１２Ｂの回路構成例では、トランス１２ｃの２次側に一方の出力端に第１直流電源１１を接続することによって、トランス１２ｃで電圧変換されたインバータ出力に第１電圧Ｖ１を重畳する。
【0101】
図１１は、図９と同様に、インバータ制御としてＰＷＭ制御を用いた場合を示している。インバータ制御は、出力パルス周期Ｔの範囲内でデューティ比に基づくオン時間Ｔｏｎの間に行われ、オフ時間Ｔｏｆｆが経過した後に再開される。ＰＷＭ制御は、駆動周波数ｆ＿ｉｎｖで定まるインバータ周期Ｔｉｎｖ毎にパルス幅を制御する。パルス幅を漸次増加あるいは漸次減少させて出力電圧の波高値を昇圧あるいは降圧することによって、出力電圧が調整される。
【0102】
第１の構成例と同様に、インバータ制御によって折線波形電圧Ｖｌｉｎｅ、及び任意波形電圧出力Ｖｏｐｔの電圧の勾配波形を生成する際には、任意波形電圧発生部１２の後段に平滑回路が接続された際の応答性を考慮して、インバータ制御を行うＰＷＭ制御の駆動周波数ｆ＿ｉｎｖは、出力パルス周波数ｆ＿ｐｕｌｓｅよりも高い周波数とする必要があり、５倍以上の高周波数であることが望ましい。
【0103】
トランス１２ｃは、インバータ回路１２ｂのインバータ出力の波高値を変圧比に基づいて調整する。
【0104】
電圧重畳回路１２ｅは、トランス１２ｃで電圧変換したインバータ出力に第１電圧Ｖ１を重畳してトランス出力を生成し、整流回路１２ｄに出力する。整流回路１２ｄはインバータ出力を整流し、所定の電圧変化率ｄＶ／ｄｔで電圧変化する折線波形電圧を出力する。折線波形電圧は、オン時間Ｔｏｎの時間内に出力され、オフ時間Ｔｏｆｆでは出力されない。
【0105】
（３）平滑回路
図１３は、平滑回路１４の構成例を示している。平滑回路１４は、直列接続されたインダクタＬｐと並列接続されたキャパシタＣｐのＬＣ回路で構成される。なお、この平滑回路１４は一例であって、このＬＣ回路に限定されるものではない。
図１３は、平滑回路１４の構成例を示している。平滑回路１４は、直列接続されたインダクタＬｐと並列接続されたキャパシタＣｐのＬＣ回路で構成される。なお、この平滑回路１４は一例であって、このＬＣ回路に限定されるものではない。
【0106】
本発明のパルス電源装置１の平滑回路は、任意波形電圧発生部１２の出力端に平滑回路が接続される第１の形態と、スイッチ部１３のパルススイッチ部１３ａの出力端に平滑回路が接続される第２の形態と、により構成することができる。第１の形態の平滑回路は、任意波形電圧出力に含まれるノイズ分を抑制する。第２の形態の平滑回路は、スイッチ部１３において放電フェーズと印加フェーズとの間の電圧変化に伴って生じるオーバーシュートやアンダーシュートの電圧振動を抑制する。
【0107】
【0108】
平滑回路１４Ａは、任意波形電圧発生部１２Ａの整流回路１２ｄの出力端とスイッチ部１３の入力端との間に接続され、整流回路等で発生した任意波形電圧出力に含まれる高周波成分のノイズを抑制する。この回路構成では、スイッチ部１３内のパルススイッチ部１３ａのスイッチＳＷＡがオフ状態に切り替わっても、平滑回路１４Ａ内のコンデンサに充電された電圧はＶ１電源の電圧まで下がらない。そのため、第１の形態では、平滑回路１４Ａ内のコンデンサに充電された電圧を放電するために、放電回路１７が接続される。
【0109】
（ｂ）平滑回路の第２の形態例
第２の形態の平滑回路１４Ｂについて図１５，図１６を用いて説明する。図１５は、整流回路１２ｄにおいて電圧重畳を行う任意波形電圧発生部１２Ａの構成例を示し、図１６は、平滑回路１４Ｂの波形例を示している。
第２の形態の平滑回路１４Ｂについて図１５，図１６を用いて説明する。図１５は、整流回路１２ｄにおいて電圧重畳を行う任意波形電圧発生部１２Ａの構成例を示し、図１６は、平滑回路１４Ｂの波形例を示している。
【0110】
第２の形態例の平滑回路１４Ｂは、スイッチ部１３において、パルススイッチ部１３ａと放電回路１３ｂとの間に接続される。スイッチ部１３のパルススイッチ部１３ａで行われるスイッチング動作により、放電時には電圧がＶ２から第１電圧Ｖ１に急峻に切り替わり、また接地電位の０Ｖから第１電圧Ｖ１に電圧が急峻に切り替わる。この電圧変化は、出力波形においてオーバーシュートあるいはアンダーシュートが発生する。
【0111】
パルススイッチ部１３ａのスイッチＳＷＡがオン状態において、平滑回路１４Ｂのコンデンサが充電される。その後、パルススイッチ部１３ａのスイッチＳＷＡがオフ状態に切り替わると、平滑回路１４Ｂのコンデンサに充電された電圧は、放電回路１３ｂがオン状態となるため放電される。これにより、放電フェーズと印加フェーズとの間において、パルススイッチ部１３ａのオン状態とオフ状態の切り替えの際に、電圧変化に伴うオーバーシュートやアンダーシュートの電圧振動が抑制され、電源出力の電圧値は所定の時定数で整定され、変動が抑制された電源出力Ｖｏｕｔが出力される。
【0112】
【0113】
インダクタＬｆ及びキャパシタＣｆを小さな定数に選択することにより、ＬＣ回路の時定数は小さな値に設定され、これにより、電圧の立ち上がり時間を短縮することができる。ＬＣ回路の時定数が大きい場合には、電圧の立ち上がり時間ｔ２が長くなって放電時を長く設定する必要が生じ、高周波の出力パルス周波数ｆ＿ｐｕｌｓｅを設定する際に影響する。電圧の立ち上がり時間ｔ１は、パルス周期の例えば１０％よりも短いことが望ましい。
【0114】
（４）プラズマ負荷の例
図１７を用いて、本発明のパルス電源装置の負荷がプラズマ負荷の例について説明する。プラズマ負荷である場合には、プラズマチャンバ２内のプラズマ負荷は、キャパシタＣｗ、Ｃｐ、及びイオン電流Ｉｐで表される。キャパシタＣｗは、基板等のプラズマチャンバが備える構成要素の固有容量であり、Ｃｐは、シース容量や浮遊容量の不定容量である。
図１７を用いて、本発明のパルス電源装置の負荷がプラズマ負荷の例について説明する。プラズマ負荷である場合には、プラズマチャンバ２内のプラズマ負荷は、キャパシタＣｗ、Ｃｐ、及びイオン電流Ｉｐで表される。キャパシタＣｗは、基板等のプラズマチャンバが備える構成要素の固有容量であり、Ｃｐは、シース容量や浮遊容量の不定容量である。
【0115】
プラズマチャンバ２では、チャンバ内に配置した基板に供給するイオン電流Ｉｐを一定電流とし、これによって、基板のウェハー電圧Ｖｓｈを一定電圧に維持することが求められる。
【0116】
本発明のパルス電源装置は、上記のような一定電流のイオン電流Ｉｐを供給し、基板のウェハー電圧Ｖｓｈを一定電圧に維持するための電力をプラズマチャンバ２の負荷に供給する。
【0117】
本発明のパルス電源装置は、検出器１６で検出した電源出力Ｖｏｕｔ、及び／又は出力電流Ｉｏｕｔを制御部１５にフィードバックし、電源出力Ｖｏｕｔ、又は出力電流Ｉｏｕｔを一定値とする制御値を生成し、パルススイッチ部１３ａのスイッチＳＷＡ、及び放電回路１３ｂのスイッチＳＷＢを制御する。
【0118】
【0119】
放電フェーズから印加フェーズに切り替わる際、電源出力Ｖｏｕｔは接地電位の０ＶからＶ１に平滑回路１４Ｂの時定数で変化し、時間ｔｑの間の電流Ｉｑが流れる。時間ｔｑが経過した後、電源出力Ｖｏｕｔは電圧変化率ｄＶ／ｄｔで変化し、電流Ｉｑは一定電流に維持される。
【0120】
印加フェーズの終了時点では、電源出力Ｖｏｕｔは電圧Ｖ２となる。この電圧Ｖ２は、電圧変化率ｄＶ／ｄｔと印加フェーズの時間幅で定まる電圧値となる。なお、印加フェーズの勾配区間の時間幅は、出力パルス周期Ｔのオン時間Ｔｏｎに相当する。
【産業上の利用可能性】
【0121】
本発明のパルス電源装置は、プラズマ処理に適用する他、一定電圧のパルス出力を要する負荷に適用することができる。
【符号の説明】
【0122】
１ パルス電源装置
２ プラズマチャンバ
１０ 電源部
１２，１２Ａ，１２Ｂ 任意波形電圧発生部
１２ｂ インバータ回路
１２ｃ トランス
１２ｄ 整流回路
１２ｅ 電圧重畳回路
１３ スイッチ部
１３ａ パルススイッチ部
１３ｂ 放電回路
１４，１４Ａ，１４Ｂ 平滑回路
１５ 制御部
１６ 検出器
１７ 放電回路
２１ 負荷
Ｃｆ，Ｃｐ，Ｃｗ キャパシタ
Ｉｏｕｔ 出力電流
Ｉｐ イオン電流
Ｌｆ，Ｌｐ インダクタ
Ｐ０ 始点
Ｐ１，Ｐ２，Ｐｋ 屈折点
Ｐ３ 終点
Ｐｈ＿ｄｉｓ 放電フェーズ
Ｐｈ＿ａｄｄ 印加フェーズ
ＳＷＡ，ＳＷＢ スイッチ
Ｔ 出力パルス周期
Ｔｉｎｖ インバータ周期
Ｔｏｆｆ オフ時間
Ｔｏｎ オン時間
Ｖｏｐｔ 任意波形電圧出力
Ｖｋ 出力電圧
Ｖｌｉｎｅ 折線波形電圧
Ｖｏ 出力電圧
Ｖｏｕｔ 電源出力
Ｖｓｈ ウェハー電圧
ｄＶ／ｄｔ 電圧変化率
ｆ＿ｉｎｖ 駆動周波数
ｆ＿ｐｕｌｓｅ 出力パルス周波数
ΔＶ 電圧差
２ プラズマチャンバ
１０ 電源部
１２，１２Ａ，１２Ｂ 任意波形電圧発生部
１２ｂ インバータ回路
１２ｃ トランス
１２ｄ 整流回路
１２ｅ 電圧重畳回路
１３ スイッチ部
１３ａ パルススイッチ部
１３ｂ 放電回路
１４，１４Ａ，１４Ｂ 平滑回路
１５ 制御部
１６ 検出器
１７ 放電回路
２１ 負荷
Ｃｆ，Ｃｐ，Ｃｗ キャパシタ
Ｉｏｕｔ 出力電流
Ｉｐ イオン電流
Ｌｆ，Ｌｐ インダクタ
Ｐ０ 始点
Ｐ１，Ｐ２，Ｐｋ 屈折点
Ｐ３ 終点
Ｐｈ＿ｄｉｓ 放電フェーズ
Ｐｈ＿ａｄｄ 印加フェーズ
ＳＷＡ，ＳＷＢ スイッチ
Ｔ 出力パルス周期
Ｔｉｎｖ インバータ周期
Ｔｏｆｆ オフ時間
Ｔｏｎ オン時間
Ｖｏｐｔ 任意波形電圧出力
Ｖｋ 出力電圧
Ｖｌｉｎｅ 折線波形電圧
Ｖｏ 出力電圧
Ｖｏｕｔ 電源出力
Ｖｓｈ ウェハー電圧
ｄＶ／ｄｔ 電圧変化率
ｆ＿ｉｎｖ 駆動周波数
ｆ＿ｐｕｌｓｅ 出力パルス周波数
ΔＶ 電圧差
【要約】
【課題】電流源を用いることなく負の電圧勾配を得ることができる任意波形電圧発生部を備えたパルス電源装置を提供する。
【解決手段】
本発明のパルス電源装置は、一定電圧の直流電圧と折線波形電圧とを重畳することにより複数の所定の電圧勾配を有した任意波形のパルスを生成する。折線波形電圧は接地電位から複数の所定の電圧変化率ｄＶ／ｄｔで時間変化する複数の直線波形電圧が連結される折線波形電圧を有している。パルス電源装置は、この折線波形電圧をインバータ制御で生成し、直流電圧と折線波形電圧とを重畳して任意波形電圧を生成し、任意波形電圧からパルス波形を生成することにより、電流源を用いることなく任意の電圧勾配を有したパルスを生成する。
【選択図】図１
【解決手段】
本発明のパルス電源装置は、一定電圧の直流電圧と折線波形電圧とを重畳することにより複数の所定の電圧勾配を有した任意波形のパルスを生成する。折線波形電圧は接地電位から複数の所定の電圧変化率ｄＶ／ｄｔで時間変化する複数の直線波形電圧が連結される折線波形電圧を有している。パルス電源装置は、この折線波形電圧をインバータ制御で生成し、直流電圧と折線波形電圧とを重畳して任意波形電圧を生成し、任意波形電圧からパルス波形を生成することにより、電流源を用いることなく任意の電圧勾配を有したパルスを生成する。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16A】
【図16B】
【図17】
【図18】
【図19】