JP4652499B2 - Impedance automatic matching method and matching device - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電源とインピーダンス変動負荷との間に挿入したインピーダンス調整手段を自動調整して、高周波電源とインピーダンス変動負荷とのインピーダンスの整合を図るインピーダンス自動整合方法及び整合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高周波電源からプラズマ等のインピーダンス変動負荷に効率よく高周波電力を供給する場合には、高周波電源とインピーダンス変動負荷との間のインピーダンスを整合させることが必要である。例えば半導体ＩＣ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の製造過程においては、エッチング、スパッタリング、薄膜成長等の処理を行う際に、処理を行うチャンバ内に設けた電極に高周波電力を供給することによってそのチャンバ内にプラズマを発生させて、プラズマプロセスを行うが、このように、プラズマを生じさせる負荷（以下、プラズマ負荷という。）に高周波電力を供給する場合には、高周波電源とプラズマ負荷との間のインピーダンスの整合をとることが特に重要である。両者間のインピーダンスの整合がとれていない場合には、高周波電源の出力端で電力の反射が生じてプラズマ負荷に高周波電力を効率良く供給することができないために、所望の加工プロセスが得られず、高周波電源を発熱によって破壊する危険がある。
【０００３】
したがって、高周波電源からプラズマ負荷に電力を供給する場合には、高周波電源とプラズマ負荷との間にインダクタンス、コンデンサ、トランス等からなるインピーダンス調整手段を挿入することが必要である。
【０００４】
無線通信用のアンテンナ、増幅器の入力回路等に設ける一般のインピーダンス調整手段においては、負荷のインピーダンスが予め分かっているので、既知の負荷インピーダンスを用いてインピーダンス調整手段の回路定数を容易に設定することができる。また負荷インピーダンスが一定であれば、インピーダンス調整手段の回路定数を一定として整合状態を保つことができる。
【０００５】
しかしながら、プラズマ負荷等のインピーダンス変動負荷のようにインピーダンスが時々刻々変化する場合には、既知のインピーダンスを接続してインピーダンス調整手段の回路定数を決めることができないために、可変コンデンサ、可変インダクタンス等の可変インピーダンス素子をインピーダンス調節手段として用いて、高周波電源とインピーダンス変動負荷との間のインピーダンスを自動的に整合させる自動整合装置を用いることが必要である。
【０００６】
従来技術では、整合装置入力端子付近から高周波電源出力端子付近をみたインピーダンスである電源側インピーダンスＺｓとインピーダンス調節手段の入力インピーダンスＺｉとを整合をさせるのに必要なインピーダンス調節手段内の可変インピーダンス素子の調節部目標位置を算出し、調節部位置を調節部目標位置に一致させることによって上記インピーダンスを整合させていた。
【０００７】
図１は、従来技術の自動インピーダンス整合装置及びその周辺装置の例を示す従来技術ブロック図である。同図において、高周波電源１はプラズマ負荷２に高周波電力を供給する高周波電源装置であり、プラズマ負荷２はプラズマを生じさせる負荷である。インピーダンス調節手段３は高周波電源１とプラズマ負荷２との間に接続され、両者のインピーダンスを整合させる手段である。負荷側インピーダンスＺＬは、インピーダンス調節手段３の出力端子付近からプラズマ負荷２をみたインピーダンス（同軸ケーブル４及びプラズマ負荷２のインピーダンス）である。電源側インピーダンスＺｓは、インピーダンス調節手段３の入力端子付近から高周波電源１出力端子付近をみたインピーダンスである。
【０００８】
インピーダンス調節手段３は、このインピーダンス調節手段３の入力インピーダンス（以下、入力インピーダンスという）Ｚｉと電源側インピーダンスＺｓとを整合させる整合装置である。またインピーダンス調節手段３は、一定のインダクタンスを有するコイルＬ１と、タップを選択することによってインダクタンスを調整することができるようになっているコイルＬ２と、可変インピーダンス素子としての可変コンデンサＣｘ及びＣｙとにより形成され、Ｃｘ及びＣｙの静電容量を変えることによってインピーダンスの整合を行うようになっている。同軸ケーブル４は、インピーダンス調節手段３とプラズマ負荷２とを接続するケーブルである。
【０００９】
Ｉはインピーダンス調節手段３の入力電流、Ｖはインピーダンス調節手段３の入力電圧である。電源側インピーダンスＺｓは、高周波電源１とインピーダンス調節手段３とが同軸ケーブルで接続されているときは、同軸ケーブルの特性インピーダンス（例えば、５０Ω）となるので、電源側インピーダンスは予め定められた値となる。
【００１０】
プラズマ負荷２のインピーダンスは時々刻々と変化するために、負荷側インピーダンスＺＬ及び入力インピーダンスＺｉも時々刻々と変化する。予め定めた電源側インピーダンスＺｓとインピーダンス変動負荷の負荷側インピーダンスＺＬとが不整合状態となったとき、インピーダンス調節手段３が存在しなければ、プラズマ負荷２から高周波電源１に向かう反射波電力が生じる。反射波電力が生じると、高周波電源１からプラズマ負荷２に効率よく高周波電力を供給することができなくなる。
【００１１】
そこで、インピーダンス調節手段３内の可変コンデンサＣｘ及びＣｙのインピーダンスを変化させ電源側インピーダンスＺｓと入力インピーダンスＺｉとを整合をさせることによって、プラズマ負荷２のインピータンスが変化した場合でも反射波電力の発生を防止することができる。
【００１２】
以下、図１を参照して従来技術の整合装置の整合方法について説明する。図１の入力インピータンス算出回路５は、入力電流Ｉと入力電圧Ｖと両者の位相差θを検出して入力インピーダンスＺｉを算出する。
【００１３】
可変インピーダンス素子のインピーダンスＺｘ及びＺｙは、可変インピーダンス素子の調節部位置Ｘ及びＹを移動させることによって変化させることができる。図１の例では、可変インピーダンス素子は可変コンデンサＣｘ及びＣｙである。以下、可変インピーダンス素子のインピーダンスを可変インピーダンスといい、また可変インピーダンス素子の調節部位置を調節部位置という。調節部位置Ｘ及びＹと可変インピーダンスＺｘ及びＺｙとは一定の関係を有するので、調節部位置Ｘ及びＹを検出することによって各可変インピーダンスＺｘ及びＺｙを算出することができる。なお、可変インピーダンスＺｘ及びＺｙは、調節部位置（Ｘ，Ｙ）での可変インピーダンスである。
【００１４】
図１において調節部位置検出回路６は可変コンデンサＣｘ及びＣｙの調節部位置Ｘ及びＹを検出し、可変インピーダンス算出回路７は調節部位置Ｘ及びＹから可変インピーダンスＺｘ、Ｚｙを算出する。
【００１５】
負荷側インピーダンス算出回路８は、上記入力インピーダンスＺｉと上記可変インピーダンスＺｘ及びＺｙとその他の素子のインピーダンスωＬ１及びωＬ２とから、負荷側インピーダンスＺＬを算出する。調節部目標位置算出回路９は、上記算出した負荷側インピーダンスＺＬのときに入力インピーダンスＺｉと電源側インピーダンスＺｓとが整合するように可変インピーダンスの調節部位置を調節部目標位置Ｘ０及びＹ０として算出する。
【００１６】
調節部位置制御回路群１０は、調節部位置偏差算出回路１１、整合度判定回路１２及びモータ駆動指令回路１３、１４から成り、先に検出した調節部位置Ｘ及びＹと上記調節部目標位置Ｘ０及びＹ０とを比較しながら、モータＭＸ及びＭＹによって、調節部位置Ｘ及びＹを調節部目標位置Ｘ０及びＹ０に一致するように制御する回路である。以下、図１を参照して従来技術の動作を詳細に説明する。
【００１７】
調節部位置偏差算出回路１１は、先に検出した調節部位置Ｘと調節部目標位置Ｘ０との差である調節部位置偏差｜Ｄｘ｜及び調節部位置Ｙと調節部目標位置Ｙ０との差である調節部位置偏差｜Ｄｙ｜を算出する。
【００１８】
整合判定回路１２は、調節部位置偏差｜Ｄｘ｜と整合基準値Δｄｘとの大小関係及び調節部位置偏差｜Ｄｙ｜と整合基準値Δｄｙとの大小関係を判定し、判定信号ｍｘ及びｍｙを出力する。これらの判定信号ｍｘ及びｍｙは、Δｄｘ＜｜Ｄｘ｜のときｍｘ＝１とし、｜Ｄｘ｜＜Δｄｘのときｍｘ＝０とし、Δｄｙ＜｜Ｄｙ｜のときｍｙ＝１とし、｜Ｄｙ｜＜Δｄｙのときｍｙ＝０とする。
【００１９】
整合基準Δｄｘ及びΔｄｙは調節部位置Ｘ及びＹと調節部目標位置Ｘ０及びＹ０との一致を判断する基準であり、｜Ｄｘ｜＜Δｄｘかつ｜Ｄｙ｜＜Δｄｙのとき調節部位置Ｘ及びＹは調節部目標位置Ｘ０及びＹ０に一致したと判断し、インピーダンスは整合したとみなす。後述するように、このときモータＭＸ及びＭＹを停止させる。
【００２０】
モータ駆動指令回路１３は、上記判定信号ｍｘが１の場合にモータＭＸを調節部目標位置Ｘ０方向に移動させる信号を出力し、上記判定信号ｍｘが０の場合にモータＭＸを停止させる信号を出力する。モータ駆動指令回路１４は、上記判定信号ｍｙが１の場合にモータＭＹを調節部目標位置Ｙ０方向に移動させる信号を出力し、上記判定信号ｍｙが０の場合にモータＭＹを停止させる信号を出力する。
【００２１】
上述した手順は、整合判定回路１２が｜Ｄｘ｜＜Δｄｘかつ｜Ｄｙ｜＜Δｄｙと判定するまで、すなわち可変インピーダンス調節部位置Ｘ及びＹが調節部目標位置Ｘ０及びＹ０に一致するまで繰り返される。その結果、電源側インピーダンスＺｓと入力インピーダンスＺｉとが整合され、高周波電源１の出力は効率良くプラズマ負荷２に供給されるが、下記の課題が残されている。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の整合装置は、前述したように調節部位置Ｘ及びＹを検出し、調節部目標位置Ｘ０及びＹ０方向に調節部位置Ｘ及びＹを移動させて、調節部位置Ｘ及びＹを調節部目標位置Ｘ０及びＹ０に一致させることによって、入力インピーダンスＺｉと電源側インピーダンスＺｓとを整合させている。
【００２３】
しかし、上記の装置は、調節部位置Ｘ及びＹが調節部目標位置Ｘ０及びＹ０に一致するまで、その途中では反射波電力の増減に関係なく調節部位置Ｘ及びＹの両方を調節部目標位置Ｘ０及びＹ０方向に移動させている。そのために、調節部目標位置Ｘ０及びＹ０に至るまでの途中では、初期の反射波電力以上に反射波電力が増加する場合がある。高周波電源１からプラズマ負荷２に十分な高周波電力が供給されなくなり、適切な加工結果が得られない場合が生じる。また、反射波電力の増加によって高周波電源１が過熱によって焼損してしまう危険がある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、複数の可変インピーダンス素子を含むインピーダンス調節手段を備え、前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部を操作するモータを制御し、前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置を移動させることによって高周波電源とインピーダンス変動負荷とのインピーダンスを整合させるインピーダンス自動整合方法において、
検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置から各可変インピーダンス素子の可変インピーダンスを算出し、
前記インピーダンス調節手段の入力インピーダンスと前記算出した各可変インピーダンスと前記インピーダンス調節手段のその他の素子のインピーダンスとを使用して前記負荷側インピーダンスとを算出した後、
前記算出された負荷側インピーダンスのときに、前記インピーダンス調節手段の入力インピーダンスが前記インピーダンス調節手段の電源側インピーダンスに整合するように複数の可変インピーダンス素子の各調節部目標位置を算出し、
検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置に対して、検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置から前記各調節部目標位置の方向に、予め定めた距離を加算した各調節部位置を算出するとともに、検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置または前記予め定めた距離を加算した各調節部位置を組み合わせることによって表され、且つ検出された前記複数の可変インピーダンス素子の調節部位置ではない前記複数の可変インピーダンス素子の調節部隣接位置における可変インピーダンス素子の各可変インピーダンスを算出し、
前記各可変インピーダンスとインピーダンス調節手段の出力端子付近からインピーダンス変動負荷をみた負荷側インピーダンスと前記インピーダンス調節手段のその他の素子のインピーダンスとから、前記調節部隣接位置における入力インピーダンスを算出した後、
前記調節部隣接位置における入力インピーダンスと電源側インピーダンスとから前記複数の可変インピーダンス素子の調節部隣接位置における入力反射係数を算出し、
前記算出した入力反射係数のうちで最小となる入力反射係数に対応する調節部隣接位置になるように、前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置を移動させ、
前記各調節部目標位置の算出から前記各調節部位置の移動までの過程を繰り返す過程で移動された調節部隣接位置における入力反射係数が設定値以下になったときに整合したとみなすことを特徴とするインピーダンス自動整合方法である。
【００２７】
請求項２の発明は、整合したとみなしたときに、前記各調節部位置の移動を停止させることを特徴とする記載のインピーダンス自動整合方法である。
【００２８】
請求項３の発明は、前記各調節部目標位置の算出から前記各調節部位置の移動までの過程を繰り返す過程を一定の周期で繰り返すことを特徴とするインピーダンス自動整合方法である。
【００２９】
請求項４の発明は、前記インピーダンス調節手段の入力インピーダンスに関するものであって、
前記インピーダンス調節手段の入力インピーダンスは、前記インピーダンス調節手段の入力値から算出されることを特徴とするインピーダンス自動整合方法である。
【００３０】
請求項５の発明は、前記インピーダンス調節手段の入力値に関するものであって、
前記インピーダンス調節手段の入力値は、前記インピーダンス調節手段の入力端子付近において検出された入力電流及び入力電圧及び入力電流・入力電圧位相差であることを特徴とするインピーダンス自動整合方法である。
【００３１】
請求項６の発明は、前記電源側インピーダンスに関するものであって、
前記電源側インピーダンスは、高周波電源とインピーダンス調節手段とを接続する同軸ケーブルの特性インピーダンスであることを特徴とするインピーダンス自動整合方法である。
【００３３】
請求項７の発明は、前記複数の可変インピーダンス素子に関するものであって、
前記複数の可変インピーダンス素子は、２つの可変インピーダンス素子であることを特徴とするインピーダンス自動整合方法である。
また、請求項８の発明は、前記インピーダンス調節手段のその他の素子のインピーダンスに関するものであって、
前記インピーダンス調節手段のその他の素子のインピーダンスは、一定値であることを特徴とするインピーダンス自動整合方法である。
【００３４】
請求項９の発明は、複数の可変インピーダンス素子を含むインピーダンス調節手段を備え、前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部を操作するモータを制御し、前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置を移動させることによって高周波電源とインピーダンス変動負荷とのインピーダンスを整合させるインピーダンス自動整合装置において、
前記インピーダンス調節手段の入力インピーダンスを算出する入力インピーダンス算出回路と、
前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置を一定の周期で検出する調節部位値検出回路と、
前記検出した調節部位置から前記複数の可変インピーダンス素子の各可変インピーダンスを算出する可変インピーダンス算出回路と、
前記インピーダンス調節手段の入力インピーダンスと前記算出した各可変インピーダンスと前記インピーダンス調節手段のその他の素子のインピーダンスとを使用して、インピーダンス調節手段出力端子付近からインピーダンス変動負荷をみた負荷側インピーダンスとを算出する負荷側インピーダンス算出回路と、
前記算出された負荷側インピーダンスのときに、前記インピーダンス調節手段の入力インピーダンスが前記インピーダンス調節手段の電源側インピーダンスに整合するように複数の可変インピーダンス素子の各調節部目標位置を算出する調節部目標位置算出回路と、
検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置に対して、検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置から前記各調節部目標位置の方向に、予め定めた距離を加算した各調節部位置を算出するとともに、検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置または前記予め定めた距離を加算した各調節部位置を組み合わせることによって表され、且つ検出された前記複数の可変インピーダンス素子の調節部位置ではない前記複数の可変インピーダンス素子の調節部隣接位置における可変インピーダンス素子の各可変インピーダンスを算出する隣接位置可変インピーダンス算出回路と、
前記各可変インピーダンスと前記インピーダンス調節手段の出力端子付近からインピーダンス変動負荷をみた負荷側インピーダンスと他の素子のインピーダンスとから、前記調節部隣接位置における入力インピーダンスを算出する隣接位置入力インピーダンス算出回路と、
前記調節部隣接位置における入力インピーダンスと電源側インピーダンスとから前記調節部隣接位置における入力反射係数を算出する隣接位置反射係数算出回路と、
前記算出した入力反射係数のうちで最小となる入力反射係数に対応する調節部隣接位置になるように、前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置を移動させる経路選択調節部位置制御回路群と、
移動した調節部隣接位置における入力反射係数を算出する現在位置反射係数算出回路と、
移動した調節部隣接位置における入力反射係数が設定値以下になったときに整合したとみなす反射係数整合判定回路とを有するインピーダンス自動整合装置である。
また、請求項１０の発明は、前記入力インピーダンス算出回路に関するものであって、前記入力インピーダンス算出回路は、
前記インピーダンス調節手段の入力端子付近において検出された入力電流及び入力電圧及び入力電流・入力電圧位相差を検出して入力インピーダンスを算出する算出回路であることを特徴とするインピーダンス自動整合装置である。
また、請求項１１の発明は、前記電源側インピーダンスに関するものであって、前記電源側インピーダンスは、高周波電源とインピーダンス調節手段とを接続する同軸ケーブルの特性インピーダンスであることを特徴とするインピーダンス自動整合装置である。
【００３５】
【実施の形態】
本発明は、前述した課題を解決するために、電源側インピーダンスＺｓと負荷インピーダンスＺＬとのインピーダンスを整合させる可変インピーダンス素子Ｚｘ及びＺｙの調節部位置（Ｘ1，Ｙ1）を、インピーダンスが整合する調節部目標位置（Ｘ０，Ｙ０）まで、反射波電力が最小となる方向に移動させて、インピーダンスを整合させる方法及び装置である。
【００３６】
図２は、インピーダンスを整合させる過程での調節部位置の移動の例を示す調節部位置移動例図である。同図において、横軸は可変インピーダンス素子Ｚｘの調節部位置ｘであり、縦軸は可変インピーダンス素子Ｚｙの調節部位置ｙであり、（Ｘ1，Ｙ1）は整合動作を開始させる調節部位置であり、（Ｘ０，Ｙ０）は調節部位置の移動目標である調節部目標位置である。同図は、インピーダンスを整合させる過程で、調節部位置Ｘ又はＹの一方を停止させたり調節部位置Ｘ及びＹ両方を移動させることによって、後述するように入力反射係数が順次に減少するように整合動作を行わせる本発明の実施の形態を表している。
【００３７】
図３は、インピーダンスを整合させる過程での調節部位置の移動方向説明図である。同図において、横軸はインピーダンスが整合する（ｋ＋ｍ＋ｎ）Ｔまでの時間の経過を表し、縦軸は調節部位置にあたえる移動指令信号Ｓｘ及びＳｙを表す。同図は、図２の調節部位置の移動に対応する調節部位置の移動方向が移動指令信号Ｓｘ及びＳｙによって、一定の周期Ｔで修正されながらインピーダンスを整合させる過程を示している。以下、図２及び図３を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００３８】
図３において、時刻０以前ではインピーダンスは整合していて調節部位置Ｘ及びＹ共に停止している。このときインピーダンス変動負荷２のインピーダンスが変化し、入力インピーダンスＺｉと電源側インピーダンスＺｓとが不整合状態になると、時刻０で調節部位置（Ｘ1，Ｙ1）及び入力インピーダンスＺｉを検出し、整合動作を開始する。
【００３９】
時刻０で調節部位置（Ｘ１，Ｙ１）及び入力インピーダンスＺｉを検出すると、調節部位置（Ｘ１，Ｙ１）から可変インピーダンスＺｘ１及びＺｙ１を算出し、入力インピーダンスＺｉと可変インピーダンスＺｘ１及びＺｙ１とから負荷側インピーダンスＺＬを算出し、上記算出した負荷側インピーダンスＺＬのときの入力インピーダンスＺｉと電源側インピーダンスＺｓとが整合するための調節部目標位置（Ｘ０，Ｙ０）を算出する。
【００４０】
また、調節部位置（Ｘ１，Ｙ１）の調節部位置Ｘ１のみを調節部目標位置Ｘ０方向に予め定めた距離ΔＸにあるとする調節部隣接位置（Ｘ１＋ΔＸ，Ｙ１）と、調節部位置（Ｘ１，Ｙ１）の調節部位置Ｙ１のみを調節部目標位置Ｙ０方向に予め定めた距離ΔＹにあるとする調節部隣接位置（Ｘ１，Ｙ１＋ΔＹ）と、調節部位置（Ｘ１，Ｙ１）の調節部位置Ｘ１及びＹ１両方を調節部目標位置Ｘ０及びＹ０方向に予め定めた距離ΔＸ及びΔＹにあるとする調節部隣接位置（Ｘ１＋ΔＸ，Ｙ１＋ΔＹ）との入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙをそれぞれ算出する。
【００４１】
次に、上記入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙのなかでＲｙが最小であるとすれば、最小であるＲｙの調節部隣接位置（Ｘ１，Ｙ１＋ΔＹ）方向に調節部位置を移動させることを決定する。図３に示すように、時刻Ｔにおいて、時刻Ｔ乃至２Ｔに調節部位置Ｘを停止させるようにモータＭＸに移動指令信号Ｓｘ＝０を出力し、調節部位置Ｙを調節部目標位置Ｙ０方向に移動させるようにモータＭＹに移動指令信号Ｓｙ＝１を出力する。
【００４２】
図３に示すように、時刻０で調節部位置（Ｘ１，Ｙ１）及び入力インピーダンスＺｉを検出してからモータＭＸ及びＭＹに指令するまでには時間Ｔを要する。同図に示すように、時刻Ｔで調節部位置Ｙに移動指令信号Ｓｙ＝１が与えられている。以下、一定の周期で調節部位置（Ｘ，Ｙ）及び入力インピーダンスＺｉを検出して、入力インピーダンスが最小になる調節部位置の移動方向を決定し、時間Ｔの後にその移動方向をモータＭＸ及びＭＹに指令する手順を繰り返す。
【００４３】
この調節部位置（Ｘ１，Ｙ１）での入力反射係数Ｒを算出してこの入力反射係数Ｒが設定値ΔＲ（例えば０．０３）以下であるかどうかを判定する。この判定は、入力反射係数Ｒが設定値ΔＲ（例えば０．０３）以下でインピーダンスが整合したとみなし、調節部位置Ｘ及びＹ両方を停止させるようにモータＭＸ及びＭＹに移動指令信号Ｓｘ＝０及びＳｙ＝０を出力するために行う。
図３の例では、上記の調節部位置（Ｘ１，Ｙ１）での入力反射係数Ｒは設定値ΔＲを越えるので、時刻ＴでモータＭＸ及びＭＹに移動指令信号Ｓｘ及びＳｙが与えられると共に、再び調節部位置（Ｘ１，Ｙ１）及び入力インピーダンスＺｉを検出する。
以下、実施例では、時刻（ｋ＋ｍ−２）Ｔの調節部位置（Ｘｍ−１，Ｙｋ）までの入力反射係数Ｒは設定値ΔＲ以下にならないので、時刻（ｋ＋ｍ−１）Ｔの説明までこの判定の説明を省略する。
【００４４】
時刻Ｔ乃至２Ｔで、上述した手順で入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙを比較し、入力反射係数の最小値Ｒｙの調節部隣接位置（Ｘ１，Ｙ１＋ΔＹ）方向に調節部位置を移動させることを決定する。時刻２Ｔにおいて、時刻２Ｔ乃至３Ｔに調節部位置Ｘは停止させるようにモータＭＸに移動指令信号Ｓｘ＝０を出力し、調節部位置Ｙを調節部目標位置Ｙ０方向に移動させるようにモータＭＹに移動指令信号Ｓｙ＝１を出力する。
【００４５】
時刻Ｔ乃至２Ｔでは、調節部位置Ｙに移動指令信号Ｓｙ＝１が与えられているので、図２に示すように、時刻２Ｔでは調節部位置は（Ｘ１，Ｙ２）に達している。したがって、時刻２Ｔで調節部位置（Ｘ１，Ｙ２）及び入力インピーダンスＺｉを検出する。時刻２Ｔ乃至３Ｔで、上述した手順で入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙを比較してＲｙが最小値であるとすると、最小値Ｒｙの調節部隣接位置（Ｘ１，Ｙ２＋ΔＹ）方向に調節部位置を移動させることを決定する。そして、時刻３Ｔにおいて、時刻３Ｔ乃至４Ｔに調節部位置Ｘを停止するようにモータＭＸに移動指令信号Ｓｘ＝０を出力し、調節部位置Ｙを調節部目標位置Ｙ０方向に移動するようにモータＭＹに移動指令信号Ｓｙ＝１を出力する。
【００４６】
時刻（ｋ−１）Ｔまで、入力反射係数が最小となる移動方向が調節部位置Ｙのみを調節部目標位置Ｙ０方向に移動させた方向であるとすると、調節部位置Ｙのみに移動指令信号Ｓｙ＝１を与え、図２に示すように調節部位置Ｙのみを調節部目標位置Ｙ０方向に移動させる。
【００４７】
時刻（ｋ−１）Ｔで、調節部位置（Ｘ１，Ｙｋ−１）及び入力インピーダンスＺｉを検出する。時刻（ｋ−１）Ｔ乃至ｋＴで、上述した手順で入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙを比較てＲｘが最小値であるとすると、最小値Ｒｘの調節部隣接位置（Ｘ１＋ΔＸ，Ｙｋ−１）方向に調節部位置を移動させることを決定する。時刻ｋＴにおいて、時刻ｋＴ乃至（ｋ＋１）Ｔに調節部位置Ｙを停止させるようにモータＭＹに移動指令信号Ｓｙ＝０を出力し、調節部位置Ｘを調節部目標位置Ｘ０方向に移動させるようにモータＭＸに移動指令信号Ｓｘ＝１を出力する。したがって、図２に示すように、時刻ｋＴで調節部位置Ｙは停止し、調節部位Ｘは調節部隣接位置Ｘ１＋ΔＸ方向に移動する。
【００４８】
すなわち、時刻（ｋ−１）Ｔ、調節部位置（Ｘ１，Ｙｋ−１）で入力反射係数が最小になる調節部位置の移動方向が調節部位置Ｘのみを移動させる方向になったとき、一定の周期Ｔの後である時刻ｋＴに調節部位置（Ｘ１，Ｙｋ）において、調節部位置Ｘのみを移動させるようにモータＭＸに移動指令信号Ｓｘ＝１を与える。調節部位置の移動方向を変更させるべき調節部位置（Ｘ１，Ｙｋ−１）と、実際に移動方向を変更する調節部位置（Ｘ１，Ｙｋ）は一致しないが、周期Ｔを十分小さくすればその差は小さく整合動作に影響を与えない。
【００４９】
図２に示す時刻（ｋ＋ｍ−１）Ｔまで、調節部位置Ｘのみを調節部目標位置Ｘ０方向に移動させたても、入力反射係数が最小となるので、図３に示すように調節部位置Ｘのみに移動指令信号Ｓｘ＝１を与え、図２に示すように調節部位置Ｘのみを調節部目標位置Ｘ０方向に移動させる。
【００５０】
時刻（ｋ＋ｍ−２）Ｔで、調節部位置（Ｘｍ−１，Ｙｋ）及び入力インピーダンスＺｉを検出する。時刻（ｋ＋ｍ−２）Ｔ乃至（ｋ＋ｍ−１）Ｔで、上述した手順で入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙを比較てＲｘｙが最小値であるとすると、最小値Ｒｘｙの調節部隣接位置（Ｘｍ−１＋ΔＸ，Ｙｋ＋ΔＹ）方向に調節部位置を移動させることを決定する。時刻（ｋ＋ｍ−１）Ｔで、時刻（ｋ＋ｍ−１）Ｔ乃至時刻（ｋ＋ｍ）Ｔに調節部位置Ｘ及びＹ両方を調節部目標位置Ｘ０及びＹ０方向に移動させるようにモータＭＸ及びＭＹに移動指令信号Ｓｘ＝１及びＳｙ＝１を出力する。したがって、図２に示すように、時刻（ｋ＋ｍ−１）Ｔで調節部位置Ｘ及びＹ両方が調節部隣接位置（Ｘｍ＋ΔＸ，Ｙｋ＋ΔＹ）方向に移動をはじめる。
【００５１】
すなわち、時刻（ｋ＋ｍ−２）Ｔの調節部位置（Ｘｍ−１，Ｙｋ）で、調節部位置Ｘ及びＹ両方を移動させると、入力反射係数が最小になる場合には、次の時刻（ｋ＋ｍ−１）Ｔの調節部位置（Ｘｋ，Ｙｋ）で、調節部位置Ｘ及びＹ両方を移動させるようにモータＭＸ及びＭＹに指令を与える。このように、実施例では、原理的に移動方向を変更する調節部位置（Ｘｍ−１，Ｙｋ）と実際に移動方向を変更する調節部位置（Ｘｋ，Ｙｋ）とは一致していないが、周期Ｔを十分小さくすればその差は小さく整合動作に影響を与えない。
【００５２】
時刻（ｋ＋ｍ＋ｎ−１）Ｔまで、入力反射係数が最小となる移動方法が調節部位置Ｘ及びＹ両方を調節部目標位置Ｘ０及びＹ０方向に移動させた場合であるとすれば、調節部位置Ｘ及びＹに移動指令信号Ｓｘ＝１及びＳｙ＝１を与え、図２に示すように、調節部位置Ｘ及びＹを調節部目標位置Ｘ０及びＹ０方向に移動させる。
【００５３】
時刻（ｋ＋ｍ＋ｎ−１）Ｔで、調節部位置（Ｘｍ＋ｎ，Ｙｋ＋ｎ）を検出し、調節部位置（Ｘｍ＋ｎ，Ｙｋ＋ｎ）での入力反射係数Ｒが設定値ΔＲ（例えば０．０３）以下でインピーダンスが整合したとみなし、調節部位置Ｘ及びＹ両方を停止させるようにモータＭＸ及びＭＹに移動指令信号Ｓｘ＝０及びＳｙ＝０を出力する。
【００５４】
以上のように、本発明では、一定の周期Ｔで調節部位置（Ｘ，Ｙ）及び入力インピーダンスＺｉを検出し、入力反射係数が最小となるように、調節部位置Ｘ又はＹの一方だけ移動させたり、両方を移動させることによって、インピーダンスを整合させて、整合過程で入力反射係数が増加することを防止できる。
【００５５】
【実施例】
図４及び図５は、本発明の実施例を説明する実施例フローチャートである。以下、図４及び図５を参照して本発明の実施例を説明する。
【００５６】
図４におけるＳＴＥＰ１００では、図１のインピーダンス調節手段３入力端子付近での入力電流Ｉ、入力電圧Ｖ及びそれらの位相差θから入力インピーダンスＺｉを算出する。
【００５７】
ＳＴＥＰ１１０では、後述する式１を用いて、電源側インピーダンスＺｓ及び上記入力インピーダンスＺｉを用いて、入力反射係数Ｒを算出する。なお、図１の例では、電源側インピーダンスＺｓは高周波電源１とインピーダンス調節手段３とを接続する同軸ケーブルの特性インピーダンス（５０Ω）である。
【００５８】
ＳＴＥＰ１２０では、上記入力反射係数Ｒと設定値ΔＲ（例えば０．０３）とを比較する。入力反射係数Ｒ＞設定値ΔＲのとき、インピーダンスは不整合状態と判断してＳＴＥＰ１３０に移る。入力反射係数Ｒ≦設定値ΔＲのとき、インピーダンスは整合し他と判断してＳＴＥＰ１００に移る。すなわち、調節部位置Ｘ及びＹを移動させることなく、再度入力インピーダンスＺｉを検出する。
【００５９】
ＳＴＥＰ１３０では、可変インピーダンス素子Ｚｘ及びＺｙの調節部位置Ｘ及びＹを検出する。後述する図６の実施例ブロック図では、可変インピーダンス素子Ｚｘ及びＺｙとして可変コンデンサＣｘ及びＣｙを用いる。
【００６０】
ＳＴＥＰ１４０では、調節部位置Ｘ及びＹでの可変インピーダンス素子のインピーダンスＺｘ及びＺｙを算出する。
【００６１】
ＳＴＥＰ１５０では、上記入力インピーダンスＺｉと上記可変インピーダンスＺｘ及びＺｙとその他の素子のインピーダンスとから、負荷側インピーダンスＺＬを算出する。後述する図６では、その他の素子のインピーダンスはωＬ１及びωＬ２である。
【００６２】
ＳＴＥＰ１６０では、上記算出した負荷側インピーダンスＺＬのときの入力インピーダンスＺｉが電源側インピーダンスＺｓに整合するように可変インピーダンスの調節部目標位置Ｘ０及びＹ０を算出する。
【００６３】
ＳＴＥＰ１７０では、調節部位置Ｘ及びＹをそれぞれ、予め定めた距離ΔＸ及びΔＹにある調節部隣接位置（Ｘ＋ΔＸ）及び（Ｙ＋ΔＹ）を算出する。
【００６４】
ＳＴＥＰ１８０では、上記調節部隣接位置（Ｘ＋ΔＸ）及び（Ｙ＋ΔＹ）での隣接位置可変インピーダンスＺｘｘ及びＺｙｙを算出する。
【００６５】
ＳＴＥＰ１９０では、隣接位置（Ｘ＋ΔＸ，Ｙ）での入力インピーダンスＺｉｘを可変インピーダンスＺｙと隣接位置可変インピーダンスＺｘｘと負荷インピーダンスＺＬとその他の素子のインピーダンスとから算出し、隣接位置（Ｘ，Ｙ＋ΔＹ）での入力インピーダンスＺｉｙを可変インピーダンスＺｘと隣接位置可変インピーダンスＺｙｙと負荷インピーダンスＺＬとその他の素子のインピーダンスとから算出し、隣接位置（Ｘ＋ΔＸ，Ｙ＋ΔＹ）での入力インピーダンスＺｉｘｙを隣接位置可変インピーダンスＺｘｘ及びＺｙｙと負荷インピーダンスＺＬとその他の素子のインピーダンスとから算出する。
【００６６】
ＳＴＥＰ２００では、後述する式１を用いて、入力インピーダンスＺｉｘと電源側インピーダンスＺｓとから入力反射係数Ｒｘを算出し、入力インピーダンスＺｉｙと電源側インピーダンスＺｓとから入力反射係数Ｒｙを算出し、入力インピーダンスＺｉｘｙと電源側インピーダンスＺｓとから入力反射係数Ｒｘｙを算出する。
【００６７】
図５のＳＴＥＰ２１０では、ＳＴＥＰ２００で算出した入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙをそれぞれ比較して、いずれの入力反射係数が最小であるかによって、次のＳＴＥＰ２２０のいずれかを実行する。
【００６８】
ＳＴＥＰ２２０では、いずれの入力反射係数が最小であるかによって、次の（１）乃至（３）のいずれかを実行する。
（１）入力反射係数Ｒｘが最小であれば、調節部位置Ｘを調節部目標位置Ｘ０方向に移動するようにモータＭＸに移動指令信号Ｓｘ＝１を出力し、調節部位置Ｙを停止させるようにモータＭＹに移動指令信号Ｓｙ＝０を出力し、ＳＴＥＰ１００に戻る。
（２）入力反射係数Ｒｙが最小であれば調節部位置Ｘを停止させるようにモータＭＸに移動指令信号Ｓｘ＝０を出力し、調節部位置Ｙを調節部目標位置Ｙ０方向に移動するようにモータＭＹに移動指令信号Ｓｙ＝１を出力し、ＳＴＥＰ１００に戻る。
（３）入力反射係数Ｒｘｙが最小であれば、調節部位置Ｘを調節部目標位置Ｘ０方向に移動するようにモータＭＸに移動指令信号Ｓｘ＝１を出力し、調節部位置Ｙを調節部目標位置Ｙ０方向に移動するようにモータＭＹに移動指令信号Ｓｙ＝１を出力し、ＳＴＥＰ１００に戻る。
【００６９】
ＳＴＥＰ１００に戻った後は、ＳＴＥＰ１２０で検出した調節部位置Ｘ及びＹでの入力反射係数Ｒが設定値ΔＲ以下となるまで、ＳＴＥＰ１００乃至ＳＴＥＰ２２０の過程を一定の周期Ｔで繰り返す。
【００７０】
すなわち本発明では、上述したようにＳＴＥＰ２２０で、入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙのいずれの入力反射係数が最小であるかによって、調節部位置Ｘ及びＹを調節部目標位置Ｘ０及びＹ０方向に移動するようにモータＭＸ及びＭＹのいずれか一方又は両方に移動指令信号Ｓｘ及びＳｙを出力し、調節部位置を調節部目標位置方向に移動させるため、入力反射波係数は調節部位置の移動に従って減少する。
【００７１】
以下、図６を参照して、本発明の整合装置について説明する。図６は、本発明の自動インピーダンス整合装置及びその周辺装置の例を示す実施例のブロック図である。
【００７２】
同図において図１と同じ符号の回路等の構成要素は同じ機能を有し、また、調節部目標位置Ｘ０及びＹ０の算出方法は従来技術と同様である。本発明の整合装置は、従来技術の整合装置と比較して、図６の太線で示すように、調節部位置制御回路群１０の代わりに整合経路選択回路６６、経路選択モータ駆動指令回路６７、６８及び反射係数整合判定回路７０を含む経路選択調節部位置制御回路群６５を備え、新たに、隣接位置算出回路６１、隣接位置可変インピーダンス算出回路６２、隣接位置入力インピーダンス算出回路６３、隣接位置反射係数算出回路６４を含む反射係数算出回路群６０並びに現在位置反射係数算出回路６９を備える。
【００７３】
反射係数算出回路群６０は、調節部目標位置Ｘ０及びＹ０と調節部位置Ｘ及びＹと可変インピーダンスＺｘ及びＺｙと負荷側インピーダンスＺＬとから、調節部位置Ｘのみを予め定めた距離ΔＸにある第１の調節部隣接位置と、調節部位置Ｙのみを予め定めた距離ΔＹにある第２の調節部隣接位置と、調節部位置Ｘ及びＹを予め定めたを最小距離ΔＸ及びΔＹにある第３の調節部隣接位置との入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙを、実際にその調節部隣接位置まで移動させて検出することなく算出する算出回路である。
【００７４】
以下、上記反射係数算出回路群６０を形成する回路を説明する。隣接位置算出回路６１は、検出した調節部位置Ｘ及びＹと調節部目標位置算出回路９で算出された調節部目標位置Ｘ０及びＹ０とが入力されたとき、調節部位置Ｘ及びＹが調節部目標位置Ｘ０及びＹ０方向に予め定めた距離ΔＸ及びΔＹにある調節部隣接位置（Ｘ＋ΔＸ）及び（Ｙ＋ΔＹ）を算出する。
【００７５】
隣接位置可変インピーダンス算出回路６２では、調節部隣接位置（Ｘ＋ΔＸ）及び（Ｙ＋ΔＹ）での可変インピーダンスＺｘｘ及びＺｙｙを算出する。
【００７６】
隣接位置入力インピーダンス算出回路６３では、隣接位置（Ｘ＋ΔＸ，Ｙ）での入力インピーダンスＺｉｘを可変インピーダンスＺｙと隣接位置可変インピーダンスＺｘｘと負荷インピーダンスＺＬとその他の素子のインピーダンスωＬ１及びωＬ２とから算出し、隣接位置（Ｘ，Ｙ＋ΔＹ）での入力インピーダンスＺｉｙを可変インピーダンスＺｘと隣接位置可変インピーダンスＺｙｙと負荷インピーダンスＺＬとその他の素子のインピーダンスωＬ１及びωＬ２とから算出し、隣接位置（Ｘ＋ΔＸ，Ｙ＋ΔＹ）での入力インピーダンスＺｉｘｙを隣接位置可変インピーダンスＺｘｘ及びＺｙｙと負荷インピーダンスＺＬとその他の素子のインピーダンスωＬ１及びωＬ２とから算出する。
【００７７】
インピーダンス調節手段３の入力端子付近における入力反射係数Ｒは、整合装置の入力インピーダンスＺｉと電源側インピーダンスＺｓとを用いて式１によって算出ことができる。
Ｒ＝（Ｚｉ−Ｚｓ）／（Ｚｉ＋Ｚｓ）・・・・・（式１）
隣接位置反射係数算出回路６４は、入力インピーダンスＺｉｘと電源側インピーダンスＺｓとから入力反射係数Ｒｘを算出し、入力インピーダンスＺｉｙと電源側インピーダンスＺｓとから入力反射係数Ｒｙを算出し、入力インピーダンスＺｉｘｙと電源側インピーダンスＺｓとから入力反射係数Ｒｘｙを算出する。
また、現在位置反射係数算出回路６９では、入力インピーダンス算出回路５で算出された入力インピーダンスＺｉ及び電源側インピーダンスＺｓを用いて式１によって、入力反射係数Ｒを算出する。
【００７８】
経路選択調節部位置制御回路群６５は、前述した調節部目標位置Ｘ０及びＹ０と上記入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙとが入力されたとき、後述するように、いずれの入力反射係数が最小であるかによって、調節部位置Ｘ及びＹを調節部目標位置Ｘ０及びＹ０方向に移動するようにモータＭＸ及びＭＹのいずれか一方又は両方に移動指令信号Ｓｘ及びＳｙを出力し、調節部位置を調節部目標位置方向に移動させて、入力反射係数Ｒが設定値ΔＲ以下となったときに、調節部位置Ｘ及びＹの移動を停止させることによってインピーダンスを整合させる制御回路である。以下、入力反射係数が最小となる整合経路の選択機能について説明する。
【００７９】
整合経路選択回路６６は、機能的には入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙのいずれの入力反射係数が最小であるかを判定する入力反射係数最小判定回路であって、調節部目標位置Ｘ０及びＹ０と入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙとが入力されたとき、入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙをそれぞれ比較して最小の入力反射係数を出力する。
【００８０】
経路選択モータ駆動指令回路６７では、入力反射係数Ｒｘが最小のとき、調節部位置Ｘを調節部目標位置Ｘ０方向に移動するようにモータＭＸに移動指令信号Ｓｘ＝１を出力し、入力反射係数Ｒｙが最小のとき、調節部位置Ｙを調節部目標位置Ｙ０方向に移動するようにモータＭＹに移動指令信号Ｓｙ＝１を出力し、入力反射係数Ｒｘｙが最小のとき、調節部位置Ｘを調節部目標位置Ｘ０及びＹ０方向に移動するようにモータＭＸ及びＭＹにそれぞれ移動指令信号Ｓｘ＝１及びＳｙ＝１を出力する。
【００８１】
モータＭＸ及びＭＹは、上記移動指令信号Ｓｘ＝１及びＳｙ＝１が入力されたとき駆動され、移動指令信号Ｓｘ＝０及びＳｙ＝０が入力されたとき停止する。上記手順は一定の周期で繰り返される。調節部位置Ｘ及びＹが調節部目標位置Ｘ０及びＹ０に一致するまでの過程で、一定の周期で調節部位置Ｘ及びＹを検出し複数の調節部隣接位置の反射係数を算出し、反射係数が最小になるように整合経路を修正する。
【００８２】
反射係数整合判定回路７０は、現在位置反射係数６９で算出された入力反射係数Ｒと設定値ΔＲとを比較する。入力反射係数Ｒ≦設定値ΔＲのとき整合判定信号ＳＲ＝０を出力し、入力反射係数Ｒ＞設定値ΔＲのとき整合判定信号ＳＲ＝１をモータＭＸ及びＭＹに出力する。
【００８３】
モータＭＸ及びＭＹに上記整合判定信号ＳＲ＝０が入力されたとき、インピーダンスは整合したとみなし、モータＭＸ及びＭＹを停止させる。
【００８４】
現在位置反射係数算出回路６９で算出された入力反射係数Ｒが設定値ΔＲ以下となるまで、一定の周期Ｔで調節部位置Ｘ及びＹを検出し入力反射係数が最小となる整合経路方向に調節部位置Ｘ及びＹを移動させる手順を繰り返す。
【００８５】
入力反射係数が最小となる整合経路方向に調節部位置Ｘ及びＹを移動させるため、従来技術のように整合動作の途中で反射波電力が増加することがなく、反射波電力は調節部位置の移動に従って減少する。
【００８６】
なお、整合状態に至る途中でも、負荷側インピーダンスＺＬの変化に応じて直ちに調節部目標位置算出回路９で新たな可変インピーダンス素子の調節部目標位置Ｘ０及びＹ０が算出され、整合経路方向が修正される。
【００８７】
本発明において用いる整合装置のインピーダンス調節手段３は、インピーダンスを調節できる手段であればいかなる手段でもよく、また可変インピーダンス素子の数に制限はない。
【００８８】
図７は、種々のインピーダンス調節手段の例を示すインピーダンス調節手段例示図である。同図（Ａ）に示した回路は、上記の実施例で用いた逆Ｌ形と呼ばれる回路である。同図（Ｂ）の回路は可変コンデンサＣ1 及びＣ2 とインダクタンスＬ１とからなるπ形の回路であり、同図（Ｃ）の回路は、可変コンデンサＣ1 及びＣ2 とインダクタンスＬ１とからなるＴ形の回路である。また同図（Ｄ）の回路は可変インダクタンスＬ１と可変コンデンサＣ１とからなるＬ形の回路であり、同図（Ｅ）の回路は、３個の可変コンデンサＣ1 乃至Ｃ3 とインダクタンスＬ1 及びＬ2 とを用いた逆Ｌ形の回路である。なお、これら以外の種々の回路構成のインピーダンス整合回路を用いることもできる。
【００８９】
【発明の効果】
複数の可変インピーダンス素子を含むインピーダンス調節手段３を備え、各可変インピーダンス素子の調節部を操作するモータを制御することによって高周波電源１とインピーダンス変動負荷２とのインピーダンスを整合させるインピーダンス自動整合方法において、インピーダンス調節手段３の入力インピーダンスＺｉがインピーダンス調節手段３の高周波電源側インピーダンスＺｓに整合する可変インピーダンスの調節部目標位置Ｘ０及びＹ０を算出し、各調節部位置Ｘ及びＹから調節部目標位置Ｘ０又はＹ０方向に予め定めた距離ΔＸ又はΔＹにある調節部隣接位置（Ｘ＋ΔＸ，Ｙ）、（Ｘ，Ｙ＋ΔＹ）及び（Ｘ＋ΔＸ，Ｙ＋ΔＹ）の調節部隣接位置の入力インピーダンスＺｉｘ、Ｚｉｙ及びＺｉｘｙを算出し、これらの入力インピーダンスＺｉｘ、Ｚｉｙ及びＺｉｘｙと電源側インピーダンスＺｓとから調節部隣接位置の入力反射係数Ｒｘ、Ｒｙ及びＲｘｙを算出し、算出した調節部隣接位置の入力反射係数が最小となる調節部隣接位置の方向に調節部位置Ｘ及びＹを移動させ、入力インピーダンスＺｉの算出、調節部目標位置の算出、調節部位置の移動等の過程を繰り返して、調節部位置Ｘ及びＹの入力反射係数Ｒが予め定めた値以下になったときに整合したとみなすので、反射波電力は調節部位置の移動とともに減少する。したがって、従来技術のように、整合途中で反射波電力が増加して、適切な加工結果が得られなかったり、高周波電源１が過熱によって焼損する危険を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来技術の自動インピーダンス整合装置及びその周辺装置の例を示す従来技術ブロック図である。
【図２】図２は、インピーダンスを整合させる過程での調節部位置の移動の例を示す調節部位置移動例図である。
【図３】図３は、インピーダンスを整合させる過程での調節部位置の移動方向説明図である。
【図４】図４は、本発明の実施例を説明する実施例フローチャートである。
【図５】図５は、本発明の実施例を説明する実施例フローチャートである。
【図６】図６は、本発明の自動インピーダンス整合装置及びその周辺装置の例を示す実施例のブロック図である。
【図７】図７は、種々のインピーダンス調節手段の例を示すインピーダンス調節手段例示図である。
【符号の説明】
１ 高周波電源
２ プラズマ負荷／インピーダンス変動負荷
３ インピーダンス調節手段
４ 同軸ケーブル
５ 入力インピーダンス算出回路
６ 調節部位値検出回路
７ 可変インピーダンス算出回路
８ 負荷側インピーダンス算出回路
９ 調節部目標位置算出回路
１０ 調節部位置制御回路群
１１ 調節部位置偏差算出回路
１２ 整合度判定回路
１３、１４ モータ電力供給回路
６０ 反射係数算出回路群
６１ 隣接位置算出回路
６２ 隣接位置可変インピーダンス算出回路
６３ 隣接位置入力インピーダンス算出回路
６４ 隣接位置反射係数算出回路
６５ 経路選択調節部位置制御回路群
６６ 整合経路選択回路
６７、６８ 経路選択モータ駆動指令回路
６９ 現在位置反射係数算出回路
７０ 反射係数整合判定回路
Ｃｘ、Ｃｙ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 可変コンデンサ
｜Ｄｘ｜、｜Ｄｙ｜ 調節部現在位置偏差
Ｉ 入力電流
Ｌ１、Ｌ２ インダクタンス
ｍｘ、ｍｙ、ＳＲ 整合判定信号
Ｍｘ、Ｍｙ モータ
Ｒ、Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｘｙ 現在位置反射係数
ＳＲ 整合判定信号
Ｖ 入力電圧
Ｘ、Ｙ 調節部位置
Ｘ０、Ｙ０ 調節部目標位置
Ｚｉ 入力インピーダンス
Ｚｉｘ、Ｚｉｙ、Ｚｉｘｙ 隣接位置入力インピーダンス
ＺＬ 負荷側インピーダンス
Ｚｓ 電源側インピーダンス
Ｚｘ、Ｚｙ 可変インピーダンス素子／可変インピーダンス
Ｚｘｘ、Ｚｙｙ 隣接位置可変インピーダンス
θ 入力電流・電圧位相差[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an automatic impedance matching method and a matching apparatus for automatically adjusting impedance adjustment means inserted between a high frequency power source and an impedance variable load to match impedance between the high frequency power source and the impedance variable load.
[0002]
[Prior art]
In order to efficiently supply high frequency power from a high frequency power supply to an impedance fluctuation load such as plasma, it is necessary to match the impedance between the high frequency power supply and the impedance fluctuation load. For example, in the manufacturing process of semiconductor ICs, LCDs (liquid crystal displays), etc., when processing such as etching, sputtering, and thin film growth is performed, high-frequency power is supplied to the electrodes provided in the processing chamber to supply the inside of the chamber. In this way, when high-frequency power is supplied to a load that generates plasma (hereinafter referred to as plasma load), an impedance between the high-frequency power source and the plasma load is generated. Is particularly important. If impedance matching between the two is not achieved, power is reflected at the output end of the high-frequency power source, and the high-frequency power cannot be efficiently supplied to the plasma load. There is a risk of destroying the high-frequency power supply by heat generation.
[0003]
Therefore, when power is supplied from the high-frequency power source to the plasma load, it is necessary to insert impedance adjusting means including an inductance, a capacitor, a transformer, and the like between the high-frequency power source and the plasma load.
[0004]
In general impedance adjustment means provided in an antenna for wireless communication, an amplifier input circuit, etc., since the impedance of the load is known in advance, the circuit constant of the impedance adjustment means can be easily set using a known load impedance. Can do. If the load impedance is constant, the matching state can be maintained by keeping the circuit constant of the impedance adjusting means constant.
[0005]
However, when the impedance changes from moment to moment, such as an impedance fluctuation load such as a plasma load, the circuit constant of the impedance adjustment means cannot be determined by connecting a known impedance. It is necessary to use an automatic matching device that automatically matches the impedance between the high-frequency power source and the impedance variable load by using the variable impedance element as the impedance adjusting means.
[0006]
In the conventional technique, the impedance of the variable impedance element in the impedance adjusting means required for matching the power supply side impedance Zs, which is the impedance seen from the vicinity of the matching device input terminal to the vicinity of the high frequency power output terminal, and the input impedance Zi of the impedance adjusting means. The adjustment unit target position is calculated, and the impedance is matched by matching the adjustment unit position with the adjustment unit target position.
[0007]
FIG. 1 is a prior art block diagram showing an example of a prior art automatic impedance matching device and its peripheral devices. In the figure, a high
[0008]
The impedance adjusting means 3 is a matching device that matches the input impedance (hereinafter referred to as input impedance) Zi of the impedance adjusting means 3 and the power supply side impedance Zs. The impedance adjusting means 3 includes a coil L1 having a certain inductance, a coil L2 that can adjust the inductance by selecting a tap, and variable capacitors Cx and Cy as variable impedance elements. The impedance matching is performed by changing the capacitance of Cx and Cy. The coaxial cable 4 is a cable that connects the impedance adjusting means 3 and the plasma load 2.
[0009]
I is an input current of the impedance adjusting means 3, and V is an input voltage of the impedance adjusting means 3. The power supply side impedance Zs is the characteristic impedance (for example, 50Ω) of the coaxial cable when the high
[0010]
Since the impedance of the plasma load 2 changes every moment, the load side impedance ZL and the input impedance Zi also change every moment. When the predetermined power supply side impedance Zs and the load side impedance ZL of the impedance variable load are in a mismatched state, reflected wave power from the plasma load 2 to the high
[0011]
Therefore, by changing the impedances of the variable capacitors Cx and Cy in the impedance adjusting means 3 to match the power source side impedance Zs and the input impedance Zi, the reflected wave power is generated even when the impedance of the plasma load 2 is changed. Can be prevented.
[0012]
Hereinafter, a matching method of the matching device of the prior art will be described with reference to FIG. The input
[0013]
The impedances Zx and Zy of the variable impedance element can be changed by moving the adjustment unit positions X and Y of the variable impedance element. In the example of FIG. 1, the variable impedance elements are variable capacitors Cx and Cy. Hereinafter, the impedance of the variable impedance element is referred to as variable impedance, and the adjustment unit position of the variable impedance element is referred to as adjustment unit position. Since the adjustment unit positions X and Y and the variable impedances Zx and Zy have a certain relationship, the variable impedances Zx and Zy can be calculated by detecting the adjustment unit positions X and Y. The variable impedances Zx and Zy are variable impedances at the adjustment unit position (X, Y).
[0014]
In FIG. 1, an adjustment unit position detection circuit 6 detects adjustment unit positions X and Y of the variable capacitors Cx and Cy, and a variable
[0015]
The load side
[0016]
The adjustment unit position
[0017]
The adjustment unit position
[0018]
The matching
[0019]
The alignment references Δdx and Δdy are criteria for determining whether the adjustment unit positions X and Y and the adjustment unit target positions X0 and Y0 match. When | Dx | <Δdx and | Dy | <Δdy, the adjustment unit positions X and Y are It is determined that the adjustment unit target positions X0 and Y0 match, and the impedance is considered to be matched. As will be described later, at this time, the motors MX and MY are stopped.
[0020]
The motor
[0021]
The above-described procedure is repeated until the matching
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional alignment device detects the adjusting unit positions X and Y, moves the adjusting unit positions X and Y in the adjusting unit target positions X0 and Y0 directions, and sets the adjusting unit positions X and Y to the adjusting unit. By matching the target positions X0 and Y0, the input impedance Zi and the power supply side impedance Zs are matched.
[0023]
However, the above-described apparatus changes both the adjustment unit positions X and Y regardless of the increase or decrease of the reflected wave power until the adjustment unit positions X and Y coincide with the adjustment unit target positions X0 and Y0. It is moved in the X0 and Y0 directions. Therefore, the reflected wave power may increase more than the initial reflected wave power in the middle of reaching the adjustment unit target positions X0 and Y0. A sufficient high frequency power is not supplied from the high
[0024]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to
Calculate the variable impedance of each variable impedance element from each adjustment unit position of the detected plurality of variable impedance elements,
After calculating the load side impedance using the input impedance of the impedance adjusting means, the calculated variable impedance and the impedance of other elements of the impedance adjusting means,
When the calculated load-side impedance, calculate each adjustment unit target position of the plurality of variable impedance elements so that the input impedance of the impedance adjustment means matches the power supply-side impedance of the impedance adjustment means,
A predetermined distance is added in the direction of each adjustment unit target position from each adjustment unit position of the detected plurality of variable impedance elements to each adjustment unit position of the plurality of variable impedance elements detected. Each of the adjustment unit positions is calculated and represented by combining each of the detected adjustment unit positions of the plurality of variable impedance elements or each adjustment unit position obtained by adding the predetermined distance. The position of the variable impedance element is not the position of the adjustment section.Calculate each variable impedance of the variable impedance element,
After calculating the input impedance at the adjustment unit adjacent position from the load-side impedance and the impedance of the other elements of the impedance adjustment means viewed from the variable impedance and the impedance adjustment means near the output terminal of the impedance adjustment means,
Calculate the input reflection coefficient at the adjustment unit adjacent position of the plurality of variable impedance elements from the input impedance and the power supply side impedance at the adjustment unit adjacent position,
Move each adjustment unit position of the plurality of variable impedance elements so that the adjustment unit adjacent position corresponding to the minimum input reflection coefficient among the calculated input reflection coefficients,
It is considered that it is matched when the input reflection coefficient at the adjustment unit adjacent position moved in the process of repeating the process from the calculation of each adjustment unit target position to the movement of each adjustment unit position becomes a set value or less. This is an automatic impedance matching method.
[0027]
Claim2The invention according to
[0028]
Claim3The present invention is an automatic impedance matching method characterized by repeating a process from calculation of each adjustment unit target position to movement of each adjustment unit position at a constant period.
[0029]
Claim4The present invention relates to an input impedance of the impedance adjusting means,
In the automatic impedance matching method, the input impedance of the impedance adjusting unit is calculated from an input value of the impedance adjusting unit.
[0030]
Claim5The present invention relates to an input value of the impedance adjusting means,
In the automatic impedance matching method, the input value of the impedance adjusting means is an input current, an input voltage, and an input current / input voltage phase difference detected in the vicinity of an input terminal of the impedance adjusting means.
[0031]
Claim6The present invention relates to the power supply side impedance,
In the automatic impedance matching method, the power supply side impedance is a characteristic impedance of a coaxial cable connecting a high frequency power supply and impedance adjusting means.
[0033]
Claim7The present invention relates to the plurality of variable impedance elements,
In the automatic impedance matching method, the plurality of variable impedance elements are two variable impedance elements.
Claims8The present invention relates to the impedance of other elements of the impedance adjusting means,
The impedance automatic matching method is characterized in that the impedance of the other elements of the impedance adjusting means is a constant value.
[0034]
Claim9The invention includes an impedance adjusting unit including a plurality of variable impedance elements, controls a motor that operates each adjustment unit of the plurality of variable impedance elements, and moves each adjustment unit position of the plurality of variable impedance elements. In the impedance automatic matching device that matches the impedance of the high frequency power supply and the impedance fluctuation load by
An input impedance calculation circuit for calculating an input impedance of the impedance adjusting means;
An adjustment part value detection circuit for detecting each adjustment unit position of the plurality of variable impedance elements at a constant period;
A variable impedance calculation circuit for calculating each variable impedance of the plurality of variable impedance elements from the detected adjustment unit position;
Using the input impedance of the impedance adjusting means, the calculated variable impedances, and the impedances of the other elements of the impedance adjusting means, the load side impedance obtained by viewing the impedance variable load from the vicinity of the impedance adjusting means output terminal is calculated. A load side impedance calculation circuit;
An adjustment unit target position for calculating each adjustment unit target position of a plurality of variable impedance elements so that the input impedance of the impedance adjustment unit matches the power supply side impedance of the impedance adjustment unit when the load side impedance is calculated. A calculation circuit;
A predetermined distance is added in the direction of each adjustment unit target position from each adjustment unit position of the detected plurality of variable impedance elements to each adjustment unit position of the plurality of variable impedance elements detected. Each of the adjustment unit positions is calculated and represented by combining each of the detected adjustment unit positions of the plurality of variable impedance elements or each adjustment unit position obtained by adding the predetermined distance. The position of the variable impedance element is not the position of the adjustment section.An adjacent position variable impedance calculation circuit for calculating each variable impedance of the variable impedance element;
An adjacent position input impedance calculation circuit for calculating an input impedance at the adjacent position of the adjustment unit from each variable impedance and the load side impedance viewed from the vicinity of the output terminal of the impedance adjustment means and the impedance of another element;
An adjacent position reflection coefficient calculation circuit that calculates an input reflection coefficient at the adjustment unit adjacent position from the input impedance and the power supply side impedance at the adjustment unit adjacent position;
A path selection adjusting unit position control circuit group for moving each adjusting unit position of the plurality of variable impedance elements so that the adjusting unit adjacent position corresponding to the minimum input reflection coefficient among the calculated input reflection coefficients is located; ,
A current position reflection coefficient calculation circuit for calculating an input reflection coefficient at the moved adjustment unit adjacent position;
This is an automatic impedance matching device having a reflection coefficient matching determination circuit that is considered to be matched when the input reflection coefficient at the moved adjacent position of the adjustment unit becomes equal to or less than a set value.
Claim 10The present invention relates to the input impedance calculation circuit, and the input impedance calculation circuit includes:
The automatic impedance matching device is a calculation circuit for calculating an input impedance by detecting an input current, an input voltage, and an input current / input voltage phase difference detected in the vicinity of an input terminal of the impedance adjusting means.
Claims11The invention relates to the power source side impedance, wherein the power source side impedance is a characteristic impedance of a coaxial cable connecting a high frequency power source and impedance adjusting means.It is.
[0035]
Embodiment
In order to solve the above-described problem, the present invention adjusts the position of the adjustment part (X1, Y1) of the variable impedance elements Zx and Zy for matching the impedances of the power supply side impedance Zs and the load impedance ZL with impedance matching. This is a method and apparatus for matching impedance by moving to a target position (X0, Y0) in a direction in which the reflected wave power is minimized.
[0036]
FIG. 2 is an adjustment unit position movement example showing an example of movement of the adjustment unit position in the process of matching impedance. In the figure, the horizontal axis is the adjustment unit position x of the variable impedance element Zx, the vertical axis is the adjustment unit position y of the variable impedance element Zy, and (X1, Y1) are the adjustment unit positions for starting the matching operation. , (X0, Y0) are adjustment unit target positions which are movement targets of the adjustment unit position. In the figure, in the process of matching the impedance, by stopping one of the adjustment unit positions X or Y or moving both adjustment unit positions X and Y, the input reflection coefficient is sequentially reduced as will be described later. An embodiment of the present invention in which an alignment operation is performed is shown.
[0037]
FIG. 3 is an explanatory diagram of the moving direction of the adjusting unit position in the process of matching the impedance. In the figure, the horizontal axis represents the passage of time until the impedance matches (k + m + n) T, and the vertical axis represents the movement command signals Sx and Sy given to the adjustment unit position. This figure shows the process of matching the impedance while the movement direction of the adjustment unit position corresponding to the movement of the adjustment unit position of FIG. 2 is corrected with a fixed period T by the movement command signals Sx and Sy. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
[0038]
In FIG. 3, before
[0039]
When the adjustment unit position (X1, Y1) and the input impedance Zi are detected at
[0040]
Also, an adjustment unit adjacent position (X1 + ΔX, Y1) that only the adjustment unit position X1 of the adjustment unit position (X1, Y1) is at a predetermined distance ΔX in the adjustment unit target position X0 direction, and an adjustment unit position (X1, Y1) only the adjustment unit position Y1 is located at a predetermined distance ΔY in the adjustment unit target position Y0 direction, the adjustment unit adjacent position (X1, Y1 + ΔY), the adjustment unit position X1 of the adjustment unit position (X1, Y1), and The input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy with respect to the adjustment unit adjacent positions (X1 + ΔX, Y1 + ΔY) that assume that both Y1 are at the predetermined distances ΔX and ΔY in the adjustment unit target positions X0 and Y0 directions, respectively, are calculated.
[0041]
Next, if Ry is the smallest among the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy, it is determined to move the adjustment unit position in the direction of the adjustment unit adjacent position (X1, Y1 + ΔY) of the minimum Ry. . As shown in FIG. 3, at time T, a movement command signal Sx = 0 is output to the motor MX so as to stop the adjustment unit position X from time T to 2T, and the adjustment unit position Y is moved in the adjustment unit target position Y0 direction. A movement command signal Sy = 1 is output to the motor MY so as to be moved.
[0042]
As shown in FIG. 3, it takes time T from detecting the adjusting unit position (X1, Y1) and the input impedance Zi at
[0043]
An input reflection coefficient R at the adjustment unit position (X1, Y1) is calculated to determine whether the input reflection coefficient R is equal to or less than a set value ΔR (for example, 0.03). In this determination, it is considered that the impedance is matched when the input reflection coefficient R is equal to or less than a set value ΔR (for example, 0.03), and the movement command signal Sx = 0 is sent to the motors MX and MY so as to stop both the adjustment unit positions X and Y. And Sy = 0 to output.
In the example of FIG. 3, since the input reflection coefficient R at the adjustment unit position (X1, Y1) exceeds the set value ΔR, the movement commands signals Sx and Sy are given to the motors MX and MY at time T, and again The adjustment unit position (X1, Y1) and the input impedance Zi are detected.
Hereinafter, in the embodiment, the input reflection coefficient R up to the adjustment unit position (Xm−1, Yk) at time (k + m−2) T does not become less than the set value ΔR. Description of the determination is omitted.
[0044]
From time T to 2T, the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy are compared in the above-described procedure, and the adjustment unit position is determined to move in the direction of the adjustment unit adjacent position (X1, Y1 + ΔY) of the minimum value Ry of the input reflection coefficient. To do. At time 2T, a movement command signal Sx = 0 is output to the motor MX so as to stop the adjustment unit position X from time 2T to 3T, and the motor MY is moved to move the adjustment unit position Y in the adjustment unit target position Y0 direction. The movement command signal Sy = 1 is output.
[0045]
From time T to 2T, since the movement command signal Sy = 1 is given to the adjustment unit position Y, as shown in FIG. 2, the adjustment unit position reaches (X1, Y2) at time 2T. Therefore, the adjustment unit position (X1, Y2) and the input impedance Zi are detected at time 2T. When the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy are compared with each other at the times 2T to 3T and Ry is the minimum value, the adjustment unit position is set in the adjustment unit adjacent position (X1, Y2 + ΔY) direction of the minimum value Ry. Decide to move. Then, at time 3T, a movement command signal Sx = 0 is output to the motor MX so as to stop the adjusting unit position X from time 3T to 4T, and the motor is moved so as to move the adjusting unit position Y in the adjusting unit target position Y0 direction. The movement command signal Sy = 1 is output to MY.
[0046]
Assuming that the moving direction in which the input reflection coefficient is the minimum until time (k-1) T is the direction in which only the adjusting unit position Y is moved in the adjusting unit target position Y0 direction, the movement command signal is sent only to the adjusting unit position Y. Sy = 1 is given, and only the adjustment unit position Y is moved in the adjustment unit target position Y0 direction as shown in FIG.
[0047]
At time (k−1) T, the adjustment unit position (X1, Yk−1) and the input impedance Zi are detected. When the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy are compared with each other at the time (k−1) T to kT and Rx is the minimum value, the adjustment unit adjacent position (X1 + ΔX, Yk−1) of the minimum value Rx Decide to move the adjuster position in the direction. At time kT, a movement command signal Sy = 0 is output to the motor MY so as to stop the adjustment unit position Y from time kT to (k + 1) T, and the adjustment unit position X is moved in the adjustment unit target position X0 direction. The movement command signal Sx = 1 is output to the motor MX. Therefore, as shown in FIG. 2, the adjustment unit position Y stops at time kT, and the adjustment part X moves in the direction of the adjustment unit adjacent position X1 + ΔX.
[0048]
That is, when the moving direction of the adjusting unit position at which the input reflection coefficient is minimized at the time (k-1) T and the adjusting unit position (X1, Yk-1) is the direction in which only the adjusting unit position X is moved, it is constant. At a time kT after the period T, a movement command signal Sx = 1 is given to the motor MX so as to move only the adjustment unit position X at the adjustment unit position (X1, Yk). The adjustment unit position (X1, Yk-1) that should change the movement direction of the adjustment unit position and the adjustment unit position (X1, Yk) that actually changes the movement direction do not match, but if the period T is made sufficiently small, The difference is small and does not affect the alignment operation.
[0049]
Even when only the adjustment unit position X is moved in the adjustment unit target position X0 direction until time (k + m−1) T shown in FIG. 2, the input reflection coefficient is minimized. The movement command signal Sx = 1 is given only to X, and only the adjustment unit position X is moved in the adjustment unit target position X0 direction as shown in FIG.
[0050]
At time (k + m−2) T, the adjustment unit position (Xm−1, Yk) and the input impedance Zi are detected. When the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy are compared with each other at the time (k + m−2) T to (k + m−1) T and Rxy is the minimum value, the adjustment unit adjacent position (Xm It is determined that the adjustment unit position is to be moved in the (-1 + ΔX, Yk + ΔY) direction. At time (k + m−1) T, from time (k + m−1) T to time (k + m) T, move to motors MX and MY to move both adjustment unit positions X and Y in adjustment unit target positions X0 and Y0. Command signals Sx = 1 and Sy = 1 are output. Therefore, as shown in FIG. 2, at time (k + m−1) T, both the adjustment unit positions X and Y start moving in the adjustment unit adjacent position (Xm + ΔX, Yk + ΔY) direction.
[0051]
That is, when both the adjustment unit positions X and Y are moved at the adjustment unit position (Xm−1, Yk) at time (k + m−2) T, if the input reflection coefficient is minimized, the next time (k + m -1) A command is given to the motors MX and MY to move both of the adjustment unit positions X and Y at the adjustment unit position (Xk, Yk) of T. As described above, in the embodiment, the adjustment unit position (Xm-1, Yk) for changing the movement direction in principle does not match the adjustment unit position (Xk, Yk) for actually changing the movement direction. If the period T is made sufficiently small, the difference is small and does not affect the matching operation.
[0052]
Until the time (k + m + n−1) T, if the movement method that minimizes the input reflection coefficient is the case where both the adjustment unit positions X and Y are moved in the adjustment unit target positions X0 and Y0, the adjustment unit position X And Y are given movement command signals Sx = 1 and Sy = 1, and as shown in FIG. 2, the adjustment unit positions X and Y are moved in the adjustment unit target positions X0 and Y0.
[0053]
At time (k + m + n−1) T, the adjustment unit position (Xm + n, Yk + n) is detected, and the impedance is matched when the input reflection coefficient R at the adjustment unit position (Xm + n, Yk + n) is equal to or less than a set value ΔR (for example, 0.03). The movement command signals Sx = 0 and Sy = 0 are output to the motors MX and MY so as to stop both the adjustment unit positions X and Y.
[0054]
As described above, in the present invention, the adjustment unit position (X, Y) and the input impedance Zi are detected at a constant period T, and only one of the adjustment unit positions X or Y is moved so that the input reflection coefficient is minimized. Or by moving both, it is possible to match the impedance and prevent the input reflection coefficient from increasing in the matching process.
[0055]
【Example】
4 and 5 are flowcharts illustrating an embodiment of the present invention. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0056]
In STEP 100 in FIG. 4, the input impedance Zi is calculated from the input current I, the input voltage V and the phase difference θ between them near the input terminal of the impedance adjusting means 3 in FIG.
[0057]
In STEP 110, the input reflection coefficient R is calculated using the power source side impedance Zs and the input impedance
[0058]
In STEP 120, the input reflection coefficient R is compared with a set value ΔR (for example, 0.03). When the input reflection coefficient R> the set value ΔR, the impedance is determined to be in a mismatched state, and the process proceeds to STEP 130. When the input reflection coefficient R ≦ the set value ΔR, the impedance is matched and it is determined that the others are satisfied, and the process proceeds to STEP 100. That is, the input impedance Zi is detected again without moving the adjustment unit positions X and Y.
[0059]
In STEP 130, the adjustment unit positions X and Y of the variable impedance elements Zx and Zy are detected. In the embodiment block diagram of FIG. 6 described later, variable capacitors Cx and Cy are used as the variable impedance elements Zx and Zy.
[0060]
In STEP 140, the impedances Zx and Zy of the variable impedance element at the adjustment unit positions X and Y are calculated.
[0061]
In STEP 150, the load side impedance ZL is calculated from the input impedance Zi, the variable impedances Zx and Zy, and the impedances of other elements. In FIG. 6 described later, the impedances of the other elements are ωL1 and ωL2.
[0062]
In STEP 160, the variable impedance adjusting unit target positions X0 and Y0 are calculated so that the input impedance Zi at the calculated load side impedance ZL matches the power source side impedance Zs.
[0063]
In STEP 170, the adjustment unit positions X and Y are calculated as adjustment unit adjacent positions (X + ΔX) and (Y + ΔY) at predetermined distances ΔX and ΔY, respectively.
[0064]
In STEP 180, adjacent position variable impedances Zxx and Zyy at the adjustment unit adjacent positions (X + ΔX) and (Y + ΔY) are calculated.
[0065]
In STEP 190, the input impedance Zix at the adjacent position (X + ΔX, Y) is calculated from the variable impedance Zy, the adjacent position variable impedance Zxx, the load impedance ZL, and the impedance of other elements, and the input at the adjacent position (X, Y + ΔY). The impedance Zii is calculated from the variable impedance Zx, the adjacent position variable impedance Zyy, the load impedance ZL, and the impedance of other elements, and the input impedance Zxy at the adjacent position (X + ΔX, Y + ΔY) is calculated as the adjacent position variable impedances Zxx and Zyy and the load impedance. It is calculated from ZL and the impedance of other elements.
[0066]
In STEP 200, the input reflection coefficient Rx is calculated from the input impedance Zix and the power supply side impedance Zs using the
[0067]
In STEP 210 of FIG. 5, the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy calculated in STEP 200 are respectively compared, and one of the following STEP 220 is executed depending on which input reflection coefficient is the smallest.
[0068]
In STEP 220, one of the following (1) to (3) is executed depending on which input reflection coefficient is the smallest.
(1) If the input reflection coefficient Rx is minimum, a movement command signal Sx = 1 is output to the motor MX so as to move the adjustment unit position X in the adjustment unit target position X0 direction, and the adjustment unit position Y is stopped. The movement command signal Sy = 0 is output to the motor MY, and the process returns to STEP100.
(2) If the input reflection coefficient Ry is minimum, a movement command signal Sx = 0 is output to the motor MX so as to stop the adjustment unit position X, and the adjustment unit position Y is moved in the adjustment unit target position Y0 direction. The movement command signal Sy = 1 is output to the motor MY, and the process returns to STEP100.
(3) If the input reflection coefficient Rxy is minimum, a movement command signal Sx = 1 is output to the motor MX so as to move the adjustment unit position X in the adjustment unit target position X0 direction, and the adjustment unit position Y is set to the adjustment unit target. A movement command signal Sy = 1 is output to the motor MY so as to move in the position Y0 direction, and the process returns to STEP100.
[0069]
After returning to STEP 100, the processes of STEP 100 to STEP 220 are repeated at a constant period T until the input reflection coefficient R at the adjustment unit positions X and Y detected at STEP 120 is equal to or less than the set value ΔR.
[0070]
That is, in the present invention, as described above, in STEP 220, the adjustment unit positions X and Y are moved in the adjustment unit target positions X0 and Y0 depending on which of the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy is the smallest. In order to output the movement command signals Sx and Sy to one or both of the motors MX and MY and move the adjustment unit position toward the adjustment unit target position, the input reflected wave coefficient decreases as the adjustment unit position moves. To do.
[0071]
Hereinafter, the matching apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram of an embodiment showing an example of the automatic impedance matching device of the present invention and its peripheral devices.
[0072]
In the figure, components such as circuits with the same reference numerals as those in FIG. Compared with the matching device of the prior art, the matching device of the present invention has a matching path selection circuit 66, a path selection motor drive command circuit 67, instead of the adjustment unit position
[0073]
The reflection coefficient calculation circuit group 60 includes only the adjustment unit position X at a predetermined distance ΔX from the adjustment unit target positions X0 and Y0, the adjustment unit positions X and Y, the variable impedances Zx and Zy, and the load side impedance ZL. A first adjustment unit adjacent position, a second adjustment unit adjacent position where only the adjustment unit position Y is at a predetermined distance ΔY, and a third adjustment unit positions X and Y which are predetermined at a minimum distance ΔX and ΔY. This is a calculation circuit that calculates the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy with respect to the adjusting unit adjacent position without actually detecting the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy by moving to the adjusting unit adjacent position.
[0074]
Hereinafter, a circuit forming the reflection coefficient calculation circuit group 60 will be described. The adjacent position calculation circuit 61 receives the adjustment unit positions X and Y detected by the adjustment unit target position calculation circuit 9 and inputs the adjustment unit target positions X0 and Y0. Adjuster adjacent positions (X + ΔX) and (Y + ΔY) at predetermined distances ΔX and ΔY in the target positions X0 and Y0 are calculated.
[0075]
The adjacent position variable
[0076]
The adjacent position input
[0077]
The input reflection coefficient R in the vicinity of the input terminal of the impedance adjusting means 3 can be calculated by
R = (Zi−Zs) / (Zi + Zs) (Formula 1)
The adjacent position reflection coefficient calculation circuit 64 calculates an input reflection coefficient Rx from the input impedance Zix and the power supply side impedance Zs, calculates an input reflection coefficient Ry from the input impedance Zii and the power supply side impedance Zs, and inputs the input impedance Zxy and the power supply. The input reflection coefficient Rxy is calculated from the side impedance Zs.
Further, the current position reflection
[0078]
The path selection adjusting unit position control circuit group 65, when the adjusting unit target positions X0 and Y0 described above and the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy are input, as described later, which input reflection coefficient is minimum. Depending on whether or not there is an output, movement command signals Sx and Sy are output to one or both of the motors MX and MY so that the adjustment unit positions X and Y are moved in the adjustment unit target positions X0 and Y0. This is a control circuit that matches the impedance by stopping the movement of the adjustment unit positions X and Y when the input reflection coefficient R becomes equal to or less than the set value ΔR. The matching path selection function that minimizes the input reflection coefficient will be described below.
[0079]
The matching path selection circuit 66 is an input reflection coefficient minimum determination circuit that functionally determines which of the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy is the minimum, and is the adjustment unit target position X0 and Y0. And the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy are input, the input reflection coefficients Rx, Ry, and Rxy are respectively compared to output the minimum input reflection coefficient.
[0080]
In the path selection motor drive command circuit 67, when the input reflection coefficient Rx is minimum, the movement command signal Sx = 1 is output to the motor MX so as to move the adjustment unit position X in the adjustment unit target position X0 direction. When Ry is the minimum, the movement command signal Sy = 1 is output to the motor MY so as to move the adjustment unit position Y in the adjustment unit target position Y0 direction, and the adjustment unit position X is adjusted when the input reflection coefficient Rxy is the minimum. Movement command signals Sx = 1 and Sy = 1 are output to the motors MX and MY, respectively, so as to move in the section target positions X0 and Y0.
[0081]
The motors MX and MY are driven when the movement command signals Sx = 1 and Sy = 1 are input, and are stopped when the movement command signals Sx = 0 and Sy = 0 are input. The above procedure is repeated at regular intervals. In the process until the adjustment unit positions X and Y coincide with the adjustment unit target positions X0 and Y0, the adjustment unit positions X and Y are detected at a constant period, and the reflection coefficients of a plurality of adjustment unit adjacent positions are calculated. The matching path is corrected so that is minimized.
[0082]
The reflection coefficient matching
[0083]
When the matching determination signal SR = 0 is input to the motors MX and MY, the impedance is considered to be matched, and the motors MX and MY are stopped.
[0084]
Until the input reflection coefficient R calculated by the current position reflection
[0085]
Since the adjustment unit positions X and Y are moved in the matching path direction where the input reflection coefficient is the minimum, the reflected wave power does not increase during the matching operation as in the conventional technique, and the reflected wave power is not at the adjustment unit position. Decreases with movement.
[0086]
In the middle of reaching the matching state, the adjustment unit target position calculation circuit 9 immediately calculates the adjustment unit target positions X0 and Y0 of the variable impedance element in accordance with the change of the load side impedance ZL, and the matching path direction is corrected. The
[0087]
The impedance adjusting means 3 of the matching device used in the present invention may be any means as long as it can adjust the impedance, and the number of variable impedance elements is not limited.
[0088]
FIG. 7 is an illustration of impedance adjusting means showing examples of various impedance adjusting means. The circuit shown in FIG. 6A is a circuit called an inverted L type used in the above embodiment. The circuit of FIG. 5B is a π-type circuit composed of variable capacitors C1 and C2 and an inductance L1, and the circuit of FIG. 4C is a T-shaped circuit composed of variable capacitors C1 and C2 and an inductance L1. It is. The circuit shown in FIG. 4D is an L-shaped circuit composed of a variable inductance L1 and a variable capacitor C1, and the circuit shown in FIG. 4E includes three variable capacitors C1 to C3 and inductances L1 and L2. This is an inverted L-type circuit used. It is also possible to use impedance matching circuits having various circuit configurations other than these.
[0089]
【The invention's effect】
In an automatic impedance matching method comprising impedance adjusting means 3 including a plurality of variable impedance elements, and matching the impedances of the high
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a prior art block diagram illustrating an example of a prior art automatic impedance matching device and its peripheral devices.
FIG. 2 is an adjustment part position movement example diagram showing an example of movement of the adjustment part position in the process of matching impedance;
FIG. 3 is an explanatory diagram of a moving direction of an adjustment unit position in the process of matching impedance.
FIG. 4 is a flowchart illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram of an embodiment showing an example of an automatic impedance matching device of the present invention and peripheral devices thereof.
FIG. 7 is an illustration of impedance adjusting means showing examples of various impedance adjusting means.
[Explanation of symbols]
1 High frequency power supply
2 Plasma load / impedance fluctuation load
3 Impedance adjustment means
4 Coaxial cable
5 Input impedance calculation circuit
6 Control part value detection circuit
7 Variable impedance calculation circuit
8 Load side impedance calculation circuit
9 Adjustment part target position calculation circuit
10 Control unit position control circuit group
11 Adjustment part position deviation calculation circuit
12 Matching degree judgment circuit
13, 14 Motor power supply circuit
60 Reflection coefficient calculation circuit group
61 Adjacent position calculation circuit
62 Adjacent position variable impedance calculation circuit
63 Adjacent position input impedance calculation circuit
64 Adjacent position reflection coefficient calculation circuit
65 Route selection adjustment unit position control circuit group
66 Matching path selection circuit
67, 68 Path selection motor drive command circuit
69 Current position reflection coefficient calculation circuit
70 Reflection coefficient matching judgment circuit
Cx, Cy, C1, C2, C3 variable capacitors
| Dx |, | Dy | Adjustment part current position deviation
I Input current
L1, L2 Inductance
mx, my, SR Matching determination signal
Mx, My motor
R, Rx, Ry, Rxy Current position reflection coefficient
SR matching judgment signal
V input voltage
X, Y adjustment part position
X0, Y0 adjuster target position
Zi input impedance
Zix, Ziy, Zxy Adjacent position input impedance
ZL Load side impedance
Zs Power supply side impedance
Zx, Zy Variable impedance element / variable impedance
Zxx, Zyy Adjacent position variable impedance
θ Input current / voltage phase difference
Claims (11)
検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置から各可変インピーダンス素子の可変インピーダンスを算出し、
前記インピーダンス調節手段の入力インピーダンスと前記算出した各可変インピーダンスと前記インピーダンス調節手段のその他の素子のインピーダンスとを使用して前記負荷側インピーダンスとを算出した後、
前記算出された負荷側インピーダンスのときに、前記インピーダンス調節手段の入力インピーダンスが前記インピーダンス調節手段の電源側インピーダンスに整合するように複数の可変インピーダンス素子の各調節部目標位置を算出し、
検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置に対して、検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置から前記各調節部目標位置の方向に、予め定めた距離を加算した各調節部位置を算出するとともに、検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置または前記予め定めた距離を加算した各調節部位置を組み合わせることによって表され、且つ検出された前記複数の可変インピーダンス素子の調節部位置ではない前記複数の可変インピーダンス素子の調節部隣接位置における可変インピーダンス素子の各可変インピーダンスを算出し、
前記各可変インピーダンスとインピーダンス調節手段の出力端子付近からインピーダンス変動負荷をみた負荷側インピーダンスと前記インピーダンス調節手段のその他の素子のインピーダンスとから、前記調節部隣接位置における入力インピーダンスを算出した後、
前記調節部隣接位置における入力インピーダンスと電源側インピーダンスとから前記複数の可変インピーダンス素子の調節部隣接位置における入力反射係数を算出し、
前記算出した入力反射係数のうちで最小となる入力反射係数に対応する調節部隣接位置になるように、前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置を移動させ、
前記各調節部目標位置の算出から前記各調節部位置の移動までの過程を繰り返す過程で移動された調節部隣接位置における入力反射係数が設定値以下になったときに整合したとみなすことを特徴とするインピーダンス自動整合方法。A high-frequency power supply comprising impedance adjustment means including a plurality of variable impedance elements, controlling a motor that operates each adjustment unit of the plurality of variable impedance elements, and moving each adjustment unit position of the plurality of variable impedance elements In an automatic impedance matching method for matching impedance with an impedance variable load,
Calculate the variable impedance of each variable impedance element from each adjustment unit position of the detected plurality of variable impedance elements,
After calculating the load side impedance using the input impedance of the impedance adjusting means, the calculated variable impedance and the impedance of other elements of the impedance adjusting means,
When the calculated load-side impedance, calculate each adjustment unit target position of the plurality of variable impedance elements so that the input impedance of the impedance adjustment means matches the power supply-side impedance of the impedance adjustment means,
A predetermined distance is added in the direction of each adjustment unit target position from each adjustment unit position of the detected plurality of variable impedance elements to each adjustment unit position of the plurality of variable impedance elements detected. Each of the adjustment unit positions is calculated and represented by combining each of the detected adjustment unit positions of the plurality of variable impedance elements or each adjustment unit position obtained by adding the predetermined distance. Calculating each variable impedance of the variable impedance element at a position adjacent to the adjustment portion of the plurality of variable impedance elements that is not the adjustment portion position of the variable impedance element;
After calculating the input impedance at the adjustment unit adjacent position from the load-side impedance and the impedance of the other elements of the impedance adjustment means viewed from the variable impedance and the impedance adjustment means near the output terminal of the impedance adjustment means,
Calculate the input reflection coefficient at the adjustment unit adjacent position of the plurality of variable impedance elements from the input impedance and the power supply side impedance at the adjustment unit adjacent position,
Move each adjustment unit position of the plurality of variable impedance elements so that the adjustment unit adjacent position corresponding to the minimum input reflection coefficient among the calculated input reflection coefficients,
It is considered that it is matched when the input reflection coefficient at the adjustment unit adjacent position moved in the process of repeating the process from the calculation of each adjustment unit target position to the movement of each adjustment unit position becomes a set value or less. Impedance automatic matching method.
前記インピーダンス調節手段の入力インピーダンスを算出する入力インピーダンス算出回路と、
前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置を一定の周期で検出する調節部位値検出回路と、
前記検出した調節部位置から前記複数の可変インピーダンス素子の各可変インピーダンスを算出する可変インピーダンス算出回路と、
前記インピーダンス調節手段の入力インピーダンスと前記算出した各可変インピーダンスと前記インピーダンス調節手段のその他の素子のインピーダンスとを使用して、インピーダンス調節手段出力端子付近からインピーダンス変動負荷をみた負荷側インピーダンスとを算出する負荷側インピーダンス算出回路と、
前記算出された負荷側インピーダンスのときに、前記インピーダンス調節手段の入力インピーダンスが前記インピーダンス調節手段の電源側インピーダンスに整合するように複数の可変インピーダンス素子の各調節部目標位置を算出する調節部目標位置算出回路と、
検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置に対して、検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置から前記各調節部目標位置の方向に、予め定めた距離を加算した各調節部位置を算出するとともに、検出された前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置または前記予め定めた距離を加算した各調節部位置を組み合わせることによって表され、且つ検出された前記複数の可変インピーダンス素子の調節部位置ではない前記複数の可変インピーダンス素子の調節部隣接位置における可変インピーダンス素子の各可変インピーダンスを算出する隣接位置可変インピーダンス算出回路と、
前記各可変インピーダンスと前記インピーダンス調節手段の出力端子付近からインピーダンス変動負荷をみた負荷側インピーダンスと他の素子のインピーダンスとから、前記調節部隣接位置における入力インピーダンスを算出する隣接位置入力インピーダンス算出回路と、
前記調節部隣接位置における入力インピーダンスと電源側インピーダンスとから前記調節部隣接位置における入力反射係数を算出する隣接位置反射係数算出回路と、
前記算出した入力反射係数のうちで最小となる入力反射係数に対応する調節部隣接位置になるように、前記複数の可変インピーダンス素子の各調節部位置を移動させる経路選択調節部位置制御回路群と、
移動した調節部隣接位置における入力反射係数を算出する現在位置反射係数算出回路と、
移動した調節部隣接位置における入力反射係数が設定値以下になったときに整合したとみなす反射係数整合判定回路とを有するインピーダンス自動整合装置。A high-frequency power supply comprising impedance adjustment means including a plurality of variable impedance elements, controlling a motor that operates each adjustment unit of the plurality of variable impedance elements, and moving each adjustment unit position of the plurality of variable impedance elements In an automatic impedance matching device that matches impedance with an impedance variable load,
An input impedance calculation circuit for calculating an input impedance of the impedance adjusting means;
An adjustment part value detection circuit for detecting each adjustment unit position of the plurality of variable impedance elements at a constant period;
A variable impedance calculation circuit for calculating each variable impedance of the plurality of variable impedance elements from the detected adjustment unit position;
Using the input impedance of the impedance adjusting means, the calculated variable impedances, and the impedances of the other elements of the impedance adjusting means, the load side impedance obtained by viewing the impedance variable load from the vicinity of the impedance adjusting means output terminal is calculated. A load side impedance calculation circuit;
An adjustment unit target position for calculating each adjustment unit target position of a plurality of variable impedance elements so that the input impedance of the impedance adjustment unit matches the power supply side impedance of the impedance adjustment unit when the load side impedance is calculated. A calculation circuit;
A predetermined distance is added in the direction of each adjustment unit target position from each adjustment unit position of the detected plurality of variable impedance elements to each adjustment unit position of the plurality of variable impedance elements detected. Each of the adjustment unit positions is calculated and represented by combining each of the detected adjustment unit positions of the plurality of variable impedance elements or each adjustment unit position obtained by adding the predetermined distance. An adjacent position variable impedance calculation circuit for calculating each variable impedance of the variable impedance element at the adjustment unit adjacent position of the plurality of variable impedance elements that is not the adjustment unit position of the variable impedance element;
An adjacent position input impedance calculation circuit for calculating an input impedance at the adjacent position of the adjustment unit from each variable impedance and the load side impedance viewed from the vicinity of the output terminal of the impedance adjustment means and the impedance of another element;
An adjacent position reflection coefficient calculation circuit that calculates an input reflection coefficient at the adjustment unit adjacent position from the input impedance and the power supply side impedance at the adjustment unit adjacent position;
A path selection adjusting unit position control circuit group for moving each adjusting unit position of the plurality of variable impedance elements so that the adjusting unit adjacent position corresponding to the minimum input reflection coefficient among the calculated input reflection coefficients is located; ,
A current position reflection coefficient calculation circuit for calculating an input reflection coefficient at the moved adjustment unit adjacent position;
An automatic impedance matching apparatus comprising: a reflection coefficient matching determination circuit that is considered to be matched when an input reflection coefficient at a position adjacent to the adjustment unit that has moved becomes equal to or less than a set value.
前記インピーダンス調節手段の入力端子付近において検出された入力電流及び入力電圧及び入力電流・入力電圧位相差を検出して入力インピーダンスを算出する算出回路であることを特徴とする請求項９に記載のインピーダンス自動整合装置。The input impedance calculation circuit includes:
The impedance according to claim 9 , wherein the impedance is a calculation circuit that calculates an input impedance by detecting an input current, an input voltage, and an input current / input voltage phase difference detected in the vicinity of an input terminal of the impedance adjusting unit. Automatic alignment device.
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