高頻電源裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高頻電源裝置，進(jìn)一步詳細(xì)來(lái)說(shuō)，涉及一種用于在電感耦合等離子體(ICP)發(fā)光分析裝置、等離子體CVD裝置等利用等離子體的分析裝置、制造/加工處理裝置中，為了生成并維持等離子體而對(duì)感應(yīng)線圈供給高頻電力的高頻電源裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在ICP發(fā)光分析裝置中，由通過(guò)對(duì)感應(yīng)線圈供給高頻電力來(lái)形成了的電磁場(chǎng)，來(lái)使氬氣等的等離子體生成用氣體電離而生成并維持等離子體，在該等離子體中導(dǎo)入樣本原子。樣本原子由等離子體激發(fā)，在該被激發(fā)了的原子回到低的能級(jí)時(shí)，發(fā)射原子特有的波長(zhǎng)光。通過(guò)對(duì)該發(fā)射光進(jìn)行分光測(cè)定，來(lái)進(jìn)行樣本的定性以及定量。
[0003]在ICP發(fā)光分析裝置中，為了對(duì)等離子體供給高頻電力，采用例如能夠以27[MHz]的頻率供給幾百W?幾千W的高頻電力的高頻電源裝置，來(lái)驅(qū)動(dòng)由感應(yīng)線圈與電容器形成的LC共振電路的結(jié)構(gòu)被廣泛利用。在這樣的結(jié)構(gòu)中，為了使高頻電源裝置高效率地動(dòng)作，優(yōu)選的是，從高頻電源裝置側(cè)觀察到的負(fù)載的阻抗恒定，并且取得了阻抗匹配。
[0004]然而，當(dāng)通過(guò)在感應(yīng)線圈中流過(guò)高頻電流來(lái)生成等離子體時(shí)，通過(guò)由于帶電粒子移動(dòng)來(lái)產(chǎn)生的感應(yīng)電流的作用，感應(yīng)線圈的阻抗發(fā)生變化。另外，根據(jù)等離子體生成用氣體、作為分析對(duì)象的樣本的狀態(tài)、或者對(duì)等離子體供給的電能等，等離子體的狀態(tài)發(fā)生變化，伴隨著該變化，感應(yīng)線圈的阻抗進(jìn)一步變化。當(dāng)感應(yīng)線圈的阻抗這樣變化了時(shí)，從高頻電源裝置側(cè)觀察到的負(fù)載阻抗發(fā)生變化，所以阻抗匹配于從最佳的狀態(tài)偏離。
[0005]因此，為了應(yīng)對(duì)這樣的負(fù)載阻抗的變化，在以往的這種高頻電源裝置中，利用了如下的自激方式的振蕩電路，該振蕩電路通過(guò)包括MOSFET等半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的半橋電路或者全橋電路等開(kāi)關(guān)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)包括感應(yīng)線圈的LC共振電路，使在該LC共振電路中的信號(hào)經(jīng)由變壓器等而正反饋到上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的控制端子(在MOSFET的情況下是柵極端子)O
[0006]圖5是專利文獻(xiàn)I所記載的采用了自激振蕩的高頻電源裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。SP，在該電路中，4個(gè)M0SFET141、142、143、144構(gòu)成全橋電路，從該全橋電路經(jīng)由負(fù)載耦合電感器301、302、303、304而對(duì)包括感應(yīng)線圈32以及電容器33的LC共振電路31供給電力。由此，在LC共振電路31中流過(guò)的電流由變壓器(電感耦合部)的初級(jí)繞組34檢測(cè)出，通過(guò)未圖示的反饋路徑而分別反饋到各M0SFET141?144的柵極端子。在這樣的自激振蕩電路中，當(dāng)伴隨著等離子體狀態(tài)的變化而感應(yīng)線圈32的阻抗發(fā)生變化時(shí)，LC共振電路31的共振頻率自動(dòng)地變化。因此，具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，S卩，無(wú)需從外部進(jìn)行任何特別的控制、指示，就能夠使得從全橋電路側(cè)觀察到的負(fù)載阻抗始終保持最佳的關(guān)系，并且高效率地持續(xù)振蕩。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0008]專利文獻(xiàn)
[0009]專利文獻(xiàn)1:日本特表2009-537829號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0011]但是，在ICP發(fā)光分析裝置中，為了在大氣壓氣氛下生成等離子體，特別是在開(kāi)始等離子體的點(diǎn)亮?xí)r，需要將比在穩(wěn)態(tài)的點(diǎn)亮過(guò)程中更大的高頻電流供給到感應(yīng)線圈。等離子體的點(diǎn)亮特性即點(diǎn)亮的難或易受到等離子體生成用氣體的流量、等離子體生成用氣體的純度、等離子槍形狀、放置有等離子體置物臺(tái)的氣氛等的影響。因此，為了維持穩(wěn)定且良好的等離子體點(diǎn)亮特性，預(yù)計(jì)了上述那樣的各種原因的變動(dòng)、偏差之后，需要對(duì)感應(yīng)線圈供給足夠充裕的高頻電流。在圖5所示的以往的電路中，為了使到感應(yīng)線圈32的電流增加，需要使電源電壓+Vcc增加。
[0012]但是，電源電壓+Vcc由于受到在全橋電路中使用的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(在圖5的例中是M0SFET141?144)的額定電壓的制約，所以為了通過(guò)提高電源電壓+Vcc來(lái)確保穩(wěn)定的等離子體點(diǎn)亮特性，必須使用能夠經(jīng)受電源電壓+Vcc的增加的、額定電壓大的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件。然而，額定電壓大的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通電阻變大，所以有可能導(dǎo)致高頻電源裝置中的電力損失的增加。
[0013]本發(fā)明是鑒于這樣的問(wèn)題而提出的，其目的在于，提供一種能夠抑制在全橋電路或者半橋電路等開(kāi)關(guān)電路中使用的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的額定電壓，即，使用導(dǎo)通電阻小的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，并且維持等離子體點(diǎn)亮特性的穩(wěn)定性，特別是使等離子體點(diǎn)亮穩(wěn)定地開(kāi)始的高頻電源裝置。
[0014]解決技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)手段
[0015]為了解決上述問(wèn)題而完成的本發(fā)明一種高頻電源裝置，具備:直流電壓源、包括等離子體生成用的感應(yīng)線圈與電容器的LC共振電路、以及包括對(duì)從所述直流電壓源供給的直流電力進(jìn)行切換而施加到所述LC共振電路的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)對(duì)所述感應(yīng)線圈接入高頻電力來(lái)生成等離子體，所述高頻電源裝置的特征在于，具備:a)阻抗變換部，其介于所述開(kāi)關(guān)電路與所述LC共振電路之間地，能夠?qū)⒆杩棺儞Q率切換成多個(gè)階段；以及b)控制部，其使所述阻抗變換部動(dòng)作，以使得在等離子體點(diǎn)亮開(kāi)始前、與在該點(diǎn)亮開(kāi)始后的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)亮?xí)r，切換所述阻抗變換率。
[0016]在本發(fā)明的高頻電源裝置中，特別優(yōu)選的是，采用用于在ICP發(fā)光分析裝置中生成等離子體的高頻電源裝置。
[0017]在本發(fā)明的高頻電源裝置中，上述開(kāi)關(guān)電路例如能夠采用使用了多個(gè)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的半橋電路或者全橋電路。另外，作為該半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，作為典型，采用電力用的MOSFET 即可。
[0018]在本發(fā)明的高頻電源裝置中，阻抗變換部采用例如包括相互極性不同的電抗元件的結(jié)構(gòu)即可，作為典型，包括電感器與電容器，通過(guò)使該電容器的電容變化來(lái)切換阻抗變換率即可。
[0019]根據(jù)阻抗變換部中包括的電路元件的常數(shù)來(lái)確定的多個(gè)階段的阻抗變換率之一被預(yù)先調(diào)整，以使得在使等離子體穩(wěn)定地點(diǎn)亮?xí)r從開(kāi)關(guān)電路供給的電力最高效率地導(dǎo)入到等離子體中，即，使得等離子體生成時(shí)的電力效率最大。通常，這是阻抗匹配的最佳狀態(tài)。在本發(fā)明的高頻電源裝置中，控制部在等離子體點(diǎn)亮期間內(nèi)，設(shè)定阻抗變換部的電路元件的常數(shù)，以得到這樣的阻抗變換率。因此，在等離子體點(diǎn)亮過(guò)程中，能夠抑制電力損失并高效地維持等離子體生成狀態(tài)。
[0020]與此相對(duì)地，在從等離子體熄滅了的狀態(tài)起開(kāi)始點(diǎn)亮等離子體時(shí)，控制部設(shè)定阻抗變換部的電路元件的常數(shù)，以得到能夠?qū)⒏蟮碾娏鞴┙o到LC共振電路那樣的阻抗變換率。此時(shí)的阻抗變換率即電路常數(shù)也能夠預(yù)先通過(guò)實(shí)驗(yàn)等來(lái)確定。即，在本發(fā)明的高頻電源裝置中，在等離子體點(diǎn)亮開(kāi)始時(shí)，能夠不增加開(kāi)關(guān)電路等的電源電壓，而在LC共振電路中包括的感應(yīng)線圈中流過(guò)大的高頻電流。由此，在例如ICP發(fā)光分析裝置中，在等離子槍中產(chǎn)生大的交變磁場(chǎng)，由此在等離子體氣體氣氛中形成強(qiáng)的感應(yīng)電場(chǎng)。其結(jié)果，容易引起等離子體氣體的電離，能夠穩(wěn)定地開(kāi)始等離子體點(diǎn)亮。
[0021]但是，如果在等離子體點(diǎn)亮之后突然切換阻抗變換部的阻抗變換率，具體來(lái)說(shuō)，如果階躍性地進(jìn)行切換，則等離子體有可能熄滅。因此，在本發(fā)明的高頻電源裝置中，優(yōu)選的是，所述阻抗變換部采用包括被并聯(lián)連接了的電容器、將該電容器的一部分從該并聯(lián)連接中分離的開(kāi)關(guān)元件、以及使控制該開(kāi)關(guān)元件的切換的信號(hào)的變化鈍化的時(shí)間常數(shù)電路的結(jié)構(gòu)即可。作為該時(shí)間常數(shù)電路，例如采用RC電路等低通濾波器即可。
[0022]根據(jù)該結(jié)構(gòu)，當(dāng)在等離子體點(diǎn)亮開(kāi)始后切換阻抗變換部中的阻抗變換率時(shí)，電容器的電容不發(fā)生急劇變化，而是以某種程度緩慢變化。由此，對(duì)感應(yīng)線圈供給的電流的變化也變得緩慢，能夠防止由該變化所導(dǎo)致的等離子體的熄滅。
[0023]發(fā)明效果
[0024]根據(jù)本發(fā)明的高頻電源裝置，能夠不增加對(duì)包括感應(yīng)線圈的LC共振電路供給電力的開(kāi)關(guān)電路的電源電壓，而在等離子體點(diǎn)亮開(kāi)始時(shí)在感應(yīng)線圈中流過(guò)大的高頻電流，穩(wěn)定地生成等離子體。另外，在等離子體點(diǎn)亮過(guò)程中，能夠使得電力的利用效率維持于最優(yōu)或者接近于最優(yōu)的狀態(tài)。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高頻電源裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖2是圖1中的阻抗變換電路的詳細(xì)電路結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖3是示出阻抗變換電路中的電路常數(shù)與等離子體接入電力的關(guān)系的圖。
[0028]圖4是示出阻抗變換電路中的電路常數(shù)與等離子體生成時(shí)的電力效率的關(guān)系的圖。
[0029]圖5是采用了以往的自激振蕩的高頻電源裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。
[0030]【符號(hào)說(shuō)明】
[0031]10…商用交流電源
[0032]11…直流電源
[0033]12,18a, 18b、18c、20、233 …電容器
[0034]13…全橋驅(qū)動(dòng)電路
[0035]141 ?144、238...MOSFET
[0036]151?154…MOSFET驅(qū)動(dòng)電路
[0037]16…阻抗變換電路
[0038]17…第I電抗元件(電感器)
[0039]17a…第I電感器
[0040]17b…第2電感器
[0041]18…第2電抗元件(電容器)
[0042]18d…PIN 二極管
[0043]19…LC共振電路
[0044]21…感應(yīng)線圈
[0045]22…初級(jí)繞組
[0046]23…切換驅(qū)動(dòng)部
[0047]231、232 …電感器
[0048]234、236…電阻
[0049]241…光親合器
[0050]24…控制部
【具體實(shí)施方式】
[0051]下面，作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一邊參照附圖，一邊說(shuō)明用于ICP發(fā)光分析裝置的等離子體生成用途的高頻電源裝置。圖1是本實(shí)施例的高頻電源裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。
[0052]為了在ICP發(fā)光分析裝置的等離子槍(未圖示)中生成等離子體而卷繞于該等離子槍的感應(yīng)線圈21是在該高頻電源裝置中供給高頻電流的對(duì)象。對(duì)感應(yīng)線圈21，串聯(lián)連接有電容器20與反饋用變壓器的初級(jí)繞組(實(shí)際上該初級(jí)繞組為4個(gè)，但在圖1中省略而僅記載了 I個(gè))22，由此形成了 LC共振電路19。此外，與基于反饋用變壓器的初級(jí)繞組22的電感相比，感應(yīng)線圈21的電感充分大，所以在LC共振