等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)檢測裝置和等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及等離子體的未點(diǎn)火狀態(tài)檢測，涉及在基于來自高頻電源(RF電源)的高 頻電力供給的等離子體生成中，檢測等離子體的未點(diǎn)火狀態(tài)的檢測裝置和檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知在半導(dǎo)體制造裝置或電子器件制造裝置等的等離子體處理裝置、C02激光加 工機(jī)等等離子體發(fā)生裝置中，使用通過高頻(RF)產(chǎn)生的等離子體。已知通過對高頻電源(RF 電源)進(jìn)行CW驅(qū)動(連續(xù)波(Continuous wave):非調(diào)制連續(xù)波)或脈沖驅(qū)動來進(jìn)行等離子體 的生成。
[0003] 圖20是用于說明基于高頻電源(RF電源）的等離子體負(fù)載的驅(qū)動的概略圖。在圖20 中，從高頻電源(RF電源）100輸出的脈沖輸出，經(jīng)由匹配器101被供給到等離子體處理裝置 或C0 2激光加工機(jī)等等離子體負(fù)載102。
[0004] 基于高頻電源的脈沖驅(qū)動的脈沖輸出是以高頻來重復(fù)斷開狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)的高 頻(RF)輸出。在高頻電源(RF電源）的脈沖驅(qū)動中，由于間歇性地對等離子體負(fù)載供給脈沖 輸出的行波電壓，因此等離子體負(fù)載的等離子體重復(fù)進(jìn)行點(diǎn)亮和熄滅。
[0005] 當(dāng)高頻(RF)輸出在導(dǎo)通狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間切換時，即使脈沖驅(qū)動狀態(tài)正常也會 產(chǎn)生反射波。從高頻(RF)輸出由斷開狀態(tài)切換為導(dǎo)通狀態(tài)的時刻起到等離子體點(diǎn)火的期 間，反射系數(shù)r基本為i(r ?1)，發(fā)生不匹配狀態(tài)，因此暫時為全反射狀態(tài)。此時，從等離子 體負(fù)載向高頻電源產(chǎn)生反射波。作為產(chǎn)生反射波的原因，例如有匹配器的固有振動、等離子 體的點(diǎn)火動作等。
[0006] 在等尚子體點(diǎn)火動作中，在等尚子體正常點(diǎn)火后的狀態(tài)、和等尚子體未正常點(diǎn)火 的未點(diǎn)火狀態(tài)的某一狀態(tài)下，也產(chǎn)生該脈沖驅(qū)動時的反射波。
[0007] 當(dāng)向高頻電源輸入所產(chǎn)生的反射波時，有時由于反射波的高電壓導(dǎo)致高頻電源具 備的RF功率放大元件發(fā)生元件損壞。
[0008] 為了防止這樣的基于反射波的元件損壞，已知檢測從負(fù)載返回高頻電源的反射波 的產(chǎn)生，并根據(jù)反射波的檢測來使高頻電源的輸出下降或停止。
[0009] 作為對產(chǎn)生反射波的一個原因即等離子體的未點(diǎn)火狀態(tài)進(jìn)行檢測的技術(shù)，已知通 過功率監(jiān)視器來監(jiān)視從負(fù)載返回高頻電源的反射波，當(dāng)反射波的波高值低于閾值時判斷為 等離子體發(fā)生了點(diǎn)火，當(dāng)反射波的波高值高于閾值時判斷為等離子體為未點(diǎn)火(參照專利 文獻(xiàn)1)。
[0010] 此外，已知為了保護(hù)高頻振蕩裝置免受反射波影響，在反射波超過規(guī)定值的情況 下使高頻輸出下降或使輸出暫時停止(參照專利文獻(xiàn)2)，根據(jù)反射波功率和設(shè)定反射波功 率的偏差來使行波功率降低(下降）（參照專利文獻(xiàn)3)。
[0011] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) [0012]專利文獻(xiàn)
[0013] 專利文獻(xiàn)1:日本特開平9-260096號公報(bào)(段落[0043]、段落[0044])
[0014] 專利文獻(xiàn)2:日本特開2004-39844號公報(bào)(段落[0010]、段落[0044])
[0015] 專利文獻(xiàn)3:日本特開2004-8893號公報(bào)(段落[0011]、段落[0019])

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 發(fā)明要解決的課題
[0017] (a)在基于脈沖驅(qū)動的等離子體點(diǎn)火中的高頻電力的供給中，對于不匹配導(dǎo)致的 反射波，在等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)下，要求通過降低輸出或停止輸出來防止RF功率放大元件 的損壞的保護(hù)動作，另一方面，在正常的等離子體點(diǎn)火狀態(tài)下，要求持續(xù)高頻電力而不降低 輸出或停止輸出。
[0018] 在這樣的等離子體點(diǎn)火狀態(tài)和未點(diǎn)火狀態(tài)下要求不同的處理，然而，在現(xiàn)有的根 據(jù)反射波的波高值進(jìn)行的等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)的檢測中，并未區(qū)分在正常點(diǎn)火狀態(tài)下重復(fù) 產(chǎn)生的反射波和在未點(diǎn)火狀態(tài)下產(chǎn)生的反射波地進(jìn)行檢測，因此，可能會將在等離子體點(diǎn) 火狀態(tài)下產(chǎn)生的反射波誤檢測為等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)的全反射波。
[0019] 當(dāng)根據(jù)這樣的等離子體點(diǎn)火狀態(tài)下的誤檢測來進(jìn)行降低輸出或停止輸出的保護(hù) 動作時，盡管等離子體正常點(diǎn)火也會限制高頻電力的供給，因此，正常點(diǎn)火的等離子體可能 會暫時變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)或變?yōu)榈入x子體消失這樣的故障狀態(tài)。這樣的等離子體的不穩(wěn)定動 作，例如成為在半導(dǎo)體制造中產(chǎn)品的質(zhì)量劣化的原因。
[0020] (b)另外，以往的根據(jù)反射波的波高值進(jìn)行的等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)的檢測，對反射 波的暫時的突出變動進(jìn)行檢測，然而無法檢測跨越預(yù)定期間的輸出狀態(tài)，因此，無法檢測如 等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)這樣全反射波跨越預(yù)定期間而持續(xù)的狀態(tài)。
[0021] 因此，存在如下問題:持續(xù)預(yù)定時間地向RF功率放大元件施加反射波而進(jìn)行加熱， 針對由該加熱的蓄熱導(dǎo)致的RF功率放大元件的熱損壞無法進(jìn)行元件保護(hù)。
[0022] 因此，在根據(jù)反射波的波高值進(jìn)行的等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)的檢測中，存在如下問 題：（a)等離子體點(diǎn)火狀態(tài)中的誤檢測問題，以及(b)等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)中防止由于RF放 大元件的蓄熱導(dǎo)致的元件損壞的元件保護(hù)問題。
[0023] 因此，本發(fā)明的目的在于，解決上述的現(xiàn)有的問題點(diǎn)，在基于反射波的等離子體未 點(diǎn)火狀態(tài)的檢測中，防止正常的等離子體點(diǎn)火時的誤檢測來檢測等離子體異常時的未點(diǎn)火 狀態(tài)。
[0024] 此外，目的在于，在等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)的檢測中，檢測在等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)下 跨越預(yù)定時間而持續(xù)的全反射波。
[0025] 此外，目的在于，通過檢測在等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)下跨越預(yù)定時間而持續(xù)的全反 射波，保護(hù)元件免受在等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)下由于RF放大元件的蓄熱導(dǎo)致的元件損壞。 [0026]用于解決課題的手段
[0027] 本發(fā)明鑒于上述課題，在從高頻電源通過脈沖驅(qū)動對等離子體負(fù)載供給脈沖輸出 時，檢測從等離子體負(fù)載返回高頻電源的反射波的反射波電壓，并根據(jù)從檢測出的反射波 電壓得到反射波的持續(xù)狀態(tài)來檢測等離子體異常時的未點(diǎn)火狀態(tài)。
[0028] 本發(fā)明通過根據(jù)反射波的持續(xù)狀態(tài)來進(jìn)行等離子體異常時的未點(diǎn)火狀態(tài)的檢測， 與在正常點(diǎn)火狀態(tài)下產(chǎn)生的反射波相區(qū)別地檢測等離子體異常時的未點(diǎn)火狀態(tài)下產(chǎn)生的 全反射波。由此，在基于反射波的波高值與閾值的比較的未點(diǎn)火狀態(tài)的檢測中，能夠防止將 正常的點(diǎn)火狀態(tài)下產(chǎn)生的反射波作為異常的未點(diǎn)火狀態(tài)下產(chǎn)生的全反射波而進(jìn)行誤檢測。
[0029] 本發(fā)明從輸出高頻輸出（RF輸出）的時刻起，在高頻電源(RF電源)能夠允許的全反 射波狀態(tài)的持續(xù)時間以內(nèi)，檢測等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)(異常）。高頻電源(RF電源）當(dāng)接收檢 測未點(diǎn)火狀態(tài)而輸出的輸出信號(異常信號)時，能夠進(jìn)行降低輸出或停止輸出的保護(hù)動作 的處理來保護(hù)高頻電源。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明，針對在等離子體正常點(diǎn)火的狀態(tài)下重復(fù)產(chǎn)生的瞬間的反射，判斷為 正常，不輸出未點(diǎn)火狀態(tài)檢出信號。然而，在保持等尚子體未點(diǎn)火狀態(tài)而施加尚頻輸出（RF 輸出）的情況下，針對在施加高頻輸出的期間持續(xù)產(chǎn)生的全反射波，判斷為異常，輸出未點(diǎn) 火狀態(tài)檢出信號。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明，由于將在等離子體正常點(diǎn)火的狀態(tài)下重復(fù)產(chǎn)生的瞬間的反射判斷為 正常狀態(tài)，因此能夠防止作為未點(diǎn)火狀態(tài)而進(jìn)行誤檢測。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明，在等離子體處于未點(diǎn)火狀態(tài)時，向負(fù)載施加高頻輸出(RF輸出），持續(xù) 產(chǎn)生全反射波的情況下，通過求取與向RF功率放大元件施加的熱量對應(yīng)的換算值，能夠在 超過RF功率放大元件的允許反射波耐受量之前檢測出未點(diǎn)火狀態(tài)，并輸出異常信號。
[0033] 通過不受正常點(diǎn)火狀態(tài)下產(chǎn)生的反射波影響地檢測等離子體異常時的未點(diǎn)火狀 態(tài)，能夠同時解決:確保在正常點(diǎn)火狀態(tài)下穩(wěn)定的等離子體、防止在等離子體負(fù)載異常時的 RF功率放大元件的損壞。
[0034]根據(jù)本發(fā)明，由于能夠在超過高頻電源(RF電源）的RF功率放大元件的允許反射波 耐受量之前進(jìn)行保護(hù)動作，因此，高頻電源(RF電源）的功率放大元件的結(jié)構(gòu)不需要考慮異 常時的損失，只要考慮正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的損失即足夠，因此以所需要的最小限的結(jié)構(gòu)即可。 [0035] 本發(fā)明可以是方法的形態(tài)和裝置的形態(tài)。
[0036][等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)檢測方法]
[0037] 本發(fā)明的等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)檢測方法的形態(tài)是，在從高頻電源通過脈沖驅(qū)動進(jìn) 行的對等離子體負(fù)載的脈沖輸出的供給中，檢測從等離子體負(fù)載向高頻電源的反射波電 壓，并根據(jù)檢測出的反射波電壓的波高值和變動狀態(tài)來求取與對高頻電源的RF功率放大元 件施加的熱量對應(yīng)的換算量。
[0038] 將求出的換算量和與RF功率放大元件的允許熱量對應(yīng)的閾值相比較，根據(jù)比較結(jié) 果檢測等離子體的未點(diǎn)火狀態(tài)。在求出的換算量不足閾值的情況下判斷為等離子體不處于 未點(diǎn)火狀態(tài)，在求出的換算量超過閾值的情況下判斷為等離子體處于未點(diǎn)火狀態(tài)，檢測出 等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)。
[0039] 在本發(fā)明的等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)檢測方法中，作為求取與對RF功率放大元件施加 的熱量對應(yīng)的換算量的工序，具有以下第一換算工序~第三換算工序，并具有根據(jù)求出的 換算值來檢測等離子體未點(diǎn)火的比較工序?？梢岳媚M處理或數(shù)字處理來進(jìn)行各換算工 序和比較工序，可以使用具備CPU和存儲使CPU實(shí)施各工序的程序的存儲器的結(jié)構(gòu)通過軟件 來進(jìn)行各工序。
[0040] 第一換算工序是求取與對高頻電源的RF功率放大元件附加的熱量對應(yīng)的第一換 算值的工序。根據(jù)檢測出的反射波電壓和反射波的持續(xù)時間來求取第一換算值。
[0041] 第二換算工序是求取與從高頻電源的RF功率放大元件放出的放熱量對應(yīng)的第二 換算值的工序。在脈沖驅(qū)動的各周期中，根據(jù)從反射波電壓Vr的波高值變?yōu)榱闫鸬慕?jīng)過時 間或從脈沖輸出的施加開始起的經(jīng)過時間來求取第二換算值。
[0042]第三換算工序是求取與高頻電源的RF功率放大元件中蓄熱的蓄熱量對應(yīng)的第三 換算值的工序。根據(jù)第一換算值和第二換算值的差值來求取第三換算值。
[0043]比較工序是將求出的換算值與閾值進(jìn)行比較來檢測等離子體的未點(diǎn)火狀態(tài)的工 序，將在第三換算工序中求出的第三換算值與對應(yīng)于RF功率放大元件的允許熱量的閾值相 比較，在第三換算值超過閾值的情況下，檢測出等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)。
[0044]作為進(jìn)行本發(fā)明的等離子體未點(diǎn)火狀態(tài)檢測方法的換算工序的形態(tài)，具備基于充 放電電壓的第一形態(tài)、和基于數(shù)值運(yùn)算的第二形態(tài)。
[0045](換算工序的第一形態(tài)）
[0046]換算工序的第一形態(tài)是根據(jù)充放電電壓求取換算值的方式，根據(jù)反射波的充電電 壓求取與對高頻電源的RF功率放大元件附加的熱量對應(yīng)的第一換算值，根據(jù)放電電壓求取 與從高頻電源的RF功率放大元件放出的放熱量對應(yīng)的第二換算值，根據(jù)從充電電壓減去放 電電壓后的電壓來求取與高頻電源的RF功率放大元件中蓄熱的蓄熱量對應(yīng)的第三換算值。 [0047]在充放電中，將正常時的脈沖驅(qū)動的脈沖頻率設(shè)為能夠設(shè)定的最大值、并且將脈 沖驅(qū)動的一個周期內(nèi)的RF〇 n區(qū)間的占空比設(shè)為能夠設(shè)定的最大值的脈沖驅(qū)動的驅(qū)動條件 下，以比充電時間常數(shù)（t。)長，且使得充放電電壓不達(dá)到器件保護(hù)檢測水平的電壓水平的 方式來選定放電時間常數(shù)(Tdis。）。
[0048] 在換算工序中，求取以充電時間常數(shù)(I。)將反射波電壓的波高值充電而得的充電 電壓，作為第一換算值，并求取以放電時間常數(shù)（T dls。)從第一換算值的充電電壓進(jìn)行放電 而得的電壓，作為第三換算值。
[0049] 這里，以脈沖驅(qū)動的一個周期為單位而重復(fù)進(jìn)行充放電，在一個周期內(nèi)，將產(chǎn)生反 射波的期間作為充電時間進(jìn)行充電，將反射波的產(chǎn)生結(jié)束反射波的波高值為零的期間作為 放電時間進(jìn)行放電。該充放電的值是被換算為對應(yīng)于通過反射波對RF功率放大元件施加的 熱量的值，根據(jù)該換算值來檢測等離子體的未點(diǎn)火狀態(tài)。
[0050] 在等離子體正常點(diǎn)火的狀態(tài)下，在供給脈沖驅(qū)動的脈沖輸出的RF〇n區(qū)間的上升時 和下降時產(chǎn)生的不匹配，導(dǎo)致暫時產(chǎn)生反射波。另一方面，在由于等離子體異常導(dǎo)致等離子 體處于未點(diǎn)火狀態(tài)的狀態(tài)下，跨越供給脈沖驅(qū)動的脈沖輸出的RFcm區(qū)間地持續(xù)產(chǎn)生全反射 波。
[0051] 在脈沖驅(qū)動的一個周期內(nèi)產(chǎn)生的反射波的充放電中，在等離子體為正常點(diǎn)火的狀 態(tài)下，在RF〇n區(qū)間的上升時和下降時暫時產(chǎn)生反射波，因此，以產(chǎn)生反射波的短時間期間進(jìn) 行充電