等离子体未点火状态检测装置和等离子体未点火状态检测方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及等离子体的未点火状态检测，涉及在基于来自高频电源(RF电源)的高 频电力供给的等离子体生成中，检测等离子体的未点火状态的检测装置和检测方法。
【背景技术】
[0002] 已知在半导体制造装置或电子器件制造装置等的等离子体处理装置、C02激光加 工机等等离子体发生装置中，使用通过高频(RF)产生的等离子体。已知通过对高频电源(RF 电源)进行CW驱动(连续波(Continuous wave):非调制连续波)或脉冲驱动来进行等离子体 的生成。
[0003] 图20是用于说明基于高频电源(RF电源）的等离子体负载的驱动的概略图。在图20 中，从高频电源(RF电源）100输出的脉冲输出，经由匹配器101被供给到等离子体处理装置 或C0 2激光加工机等等离子体负载102。
[0004] 基于高频电源的脉冲驱动的脉冲输出是以高频来重复断开状态和导通状态的高 频(RF)输出。在高频电源(RF电源）的脉冲驱动中，由于间歇性地对等离子体负载供给脉冲 输出的行波电压，因此等离子体负载的等离子体重复进行点亮和熄灭。
[0005] 当高频(RF)输出在导通状态和断开状态之间切换时，即使脉冲驱动状态正常也会 产生反射波。从高频(RF)输出由断开状态切换为导通状态的时刻起到等离子体点火的期 间，反射系数r基本为i(r ?1)，发生不匹配状态，因此暂时为全反射状态。此时，从等离子 体负载向高频电源产生反射波。作为产生反射波的原因，例如有匹配器的固有振动、等离子 体的点火动作等。
[0006] 在等尚子体点火动作中，在等尚子体正常点火后的状态、和等尚子体未正常点火 的未点火状态的某一状态下，也产生该脉冲驱动时的反射波。
[0007] 当向高频电源输入所产生的反射波时，有时由于反射波的高电压导致高频电源具 备的RF功率放大元件发生元件损坏。
[0008] 为了防止这样的基于反射波的元件损坏，已知检测从负载返回高频电源的反射波 的产生，并根据反射波的检测来使高频电源的输出下降或停止。
[0009] 作为对产生反射波的一个原因即等离子体的未点火状态进行检测的技术，已知通 过功率监视器来监视从负载返回高频电源的反射波，当反射波的波高值低于阈值时判断为 等离子体发生了点火，当反射波的波高值高于阈值时判断为等离子体为未点火(参照专利 文献1)。
[0010] 此外，已知为了保护高频振荡装置免受反射波影响，在反射波超过规定值的情况 下使高频输出下降或使输出暂时停止(参照专利文献2)，根据反射波功率和设定反射波功 率的偏差来使行波功率降低(下降）（参照专利文献3)。
[0011] 现有技术文献 [0012]专利文献
[0013] 专利文献1:日本特开平9-260096号公报(段落[0043]、段落[0044])
[0014] 专利文献2:日本特开2004-39844号公报(段落[0010]、段落[0044])
[0015] 专利文献3:日本特开2004-8893号公报(段落[0011]、段落[0019])
【发明内容】
[0016] 发明要解决的课题
[0017] (a)在基于脉冲驱动的等离子体点火中的高频电力的供给中，对于不匹配导致的 反射波，在等离子体未点火状态下，要求通过降低输出或停止输出来防止RF功率放大元件 的损坏的保护动作，另一方面，在正常的等离子体点火状态下，要求持续高频电力而不降低 输出或停止输出。
[0018] 在这样的等离子体点火状态和未点火状态下要求不同的处理，然而，在现有的根 据反射波的波高值进行的等离子体未点火状态的检测中，并未区分在正常点火状态下重复 产生的反射波和在未点火状态下产生的反射波地进行检测，因此，可能会将在等离子体点 火状态下产生的反射波误检测为等离子体未点火状态的全反射波。
[0019] 当根据这样的等离子体点火状态下的误检测来进行降低输出或停止输出的保护 动作时，尽管等离子体正常点火也会限制高频电力的供给，因此，正常点火的等离子体可能 会暂时变为不稳定状态或变为等离子体消失这样的故障状态。这样的等离子体的不稳定动 作，例如成为在半导体制造中产品的质量劣化的原因。
[0020] (b)另外，以往的根据反射波的波高值进行的等离子体未点火状态的检测，对反射 波的暂时的突出变动进行检测，然而无法检测跨越预定期间的输出状态，因此，无法检测如 等离子体未点火状态这样全反射波跨越预定期间而持续的状态。
[0021] 因此，存在如下问题:持续预定时间地向RF功率放大元件施加反射波而进行加热， 针对由该加热的蓄热导致的RF功率放大元件的热损坏无法进行元件保护。
[0022] 因此，在根据反射波的波高值进行的等离子体未点火状态的检测中，存在如下问 题：（a)等离子体点火状态中的误检测问题，以及(b)等离子体未点火状态中防止由于RF放 大元件的蓄热导致的元件损坏的元件保护问题。
[0023] 因此，本发明的目的在于，解决上述的现有的问题点，在基于反射波的等离子体未 点火状态的检测中，防止正常的等离子体点火时的误检测来检测等离子体异常时的未点火 状态。
[0024] 此外，目的在于，在等离子体未点火状态的检测中，检测在等离子体未点火状态下 跨越预定时间而持续的全反射波。
[0025] 此外，目的在于，通过检测在等离子体未点火状态下跨越预定时间而持续的全反 射波，保护元件免受在等离子体未点火状态下由于RF放大元件的蓄热导致的元件损坏。 [0026]用于解决课题的手段
[0027] 本发明鉴于上述课题，在从高频电源通过脉冲驱动对等离子体负载供给脉冲输出 时，检测从等离子体负载返回高频电源的反射波的反射波电压，并根据从检测出的反射波 电压得到反射波的持续状态来检测等离子体异常时的未点火状态。
[0028] 本发明通过根据反射波的持续状态来进行等离子体异常时的未点火状态的检测， 与在正常点火状态下产生的反射波相区别地检测等离子体异常时的未点火状态下产生的 全反射波。由此，在基于反射波的波高值与阈值的比较的未点火状态的检测中，能够防止将 正常的点火状态下产生的反射波作为异常的未点火状态下产生的全反射波而进行误检测。
[0029] 本发明从输出高频输出（RF输出）的时刻起，在高频电源(RF电源)能够允许的全反 射波状态的持续时间以内，检测等离子体未点火状态(异常）。高频电源(RF电源）当接收检 测未点火状态而输出的输出信号(异常信号)时，能够进行降低输出或停止输出的保护动作 的处理来保护高频电源。
[0030] 根据本发明，针对在等离子体正常点火的状态下重复产生的瞬间的反射，判断为 正常，不输出未点火状态检出信号。然而，在保持等尚子体未点火状态而施加尚频输出（RF 输出）的情况下，针对在施加高频输出的期间持续产生的全反射波，判断为异常，输出未点 火状态检出信号。
[0031] 根据本发明，由于将在等离子体正常点火的状态下重复产生的瞬间的反射判断为 正常状态，因此能够防止作为未点火状态而进行误检测。
[0032] 根据本发明，在等离子体处于未点火状态时，向负载施加高频输出(RF输出），持续 产生全反射波的情况下，通过求取与向RF功率放大元件施加的热量对应的换算值，能够在 超过RF功率放大元件的允许反射波耐受量之前检测出未点火状态，并输出异常信号。
[0033] 通过不受正常点火状态下产生的反射波影响地检测等离子体异常时的未点火状 态，能够同时解决:确保在正常点火状态下稳定的等离子体、防止在等离子体负载异常时的 RF功率放大元件的损坏。
[0034]根据本发明，由于能够在超过高频电源(RF电源）的RF功率放大元件的允许反射波 耐受量之前进行保护动作，因此，高频电源(RF电源）的功率放大元件的结构不需要考虑异 常时的损失，只要考虑正常运转时的损失即足够，因此以所需要的最小限的结构即可。 [0035] 本发明可以是方法的形态和装置的形态。
[0036][等离子体未点火状态检测方法]
[0037] 本发明的等离子体未点火状态检测方法的形态是，在从高频电源通过脉冲驱动进 行的对等离子体负载的脉冲输出的供给中，检测从等离子体负载向高频电源的反射波电 压，并根据检测出的反射波电压的波高值和变动状态来求取与对高频电源的RF功率放大元 件施加的热量对应的换算量。
[0038] 将求出的换算量和与RF功率放大元件的允许热量对应的阈值相比较，根据比较结 果检测等离子体的未点火状态。在求出的换算量不足阈值的情况下判断为等离子体不处于 未点火状态，在求出的换算量超过阈值的情况下判断为等离子体处于未点火状态，检测出 等离子体未点火状态。
[0039] 在本发明的等离子体未点火状态检测方法中，作为求取与对RF功率放大元件施加 的热量对应的换算量的工序，具有以下第一换算工序~第三换算工序，并具有根据求出的 换算值来检测等离子体未点火的比较工序。可以利用模拟处理或数字处理来进行各换算工 序和比较工序，可以使用具备CPU和存储使CPU实施各工序的程序的存储器的结构通过软件 来进行各工序。
[0040] 第一换算工序是求取与对高频电源的RF功率放大元件附加的热量对应的第一换 算值的工序。根据检测出的反射波电压和反射波的持续时间来求取第一换算值。
[0041] 第二换算工序是求取与从高频电源的RF功率放大元件放出的放热量对应的第二 换算值的工序。在脉冲驱动的各周期中，根据从反射波电压Vr的波高值变为零起的经过时 间或从脉冲输出的施加开始起的经过时间来求取第二换算值。
[0042]第三换算工序是求取与高频电源的RF功率放大元件中蓄热的蓄热量对应的第三 换算值的工序。根据第一换算值和第二换算值的差值来求取第三换算值。
[0043]比较工序是将求出的换算值与阈值进行比较来检测等离子体的未点火状态的工 序，将在第三换算工序中求出的第三换算值与对应于RF功率放大元件的允许热量的阈值相 比较，在第三换算值超过阈值的情况下，检测出等离子体未点火状态。
[0044]作为进行本发明的等离子体未点火状态检测方法的换算工序的形态，具备基于充 放电电压的第一形态、和基于数值运算的第二形态。
[0045](换算工序的第一形态）
[0046]换算工序的第一形态是根据充放电电压求取换算值的方式，根据反射波的充电电 压求取与对高频电源的RF功率放大元件附加的热量对应的第一换算值，根据放电电压求取 与从高频电源的RF功率放大元件放出的放热量对应的第二换算值，根据从充电电压减去放 电电压后的电压来求取与高频电源的RF功率放大元件中蓄热的蓄热量对应的第三换算值。 [0047]在充放电中，将正常时的脉冲驱动的脉冲频率设为能够设定的最大值、并且将脉 冲驱动的一个周期内的RF〇 n区间的占空比设为能够设定的最大值的脉冲驱动的驱动条件 下，以比充电时间常数（t。)长，且使得充放电电压不达到器件保护检测水平的电压水平的 方式来选定放电时间常数(Tdis。）。
[0048] 在换算工序中，求取以充电时间常数(I。)将反射波电压的波高值充电而得的充电 电压，作为第一换算值，并求取以放电时间常数（T dls。)从第一换算值的充电电压进行放电 而得的电压，作为第三换算值。
[0049] 这里，以脉冲驱动的一个周期为单位而重复进行充放电，在一个周期内，将产生反 射波的期间作为充电时间进行充电，将反射波的产生结束反射波的波高值为零的期间作为 放电时间进行放电。该充放电的值是被换算为对应于通过反射波对RF功率放大元件施加的 热量的值，根据该换算值来检测等离子体的未点火状态。
[0050] 在等离子体正常点火的状态下，在供给脉冲驱动的脉冲输出的RF〇n区间的上升时 和下降时产生的不匹配，导致暂时产生反射波。另一方面，在由于等离子体异常导致等离子 体处于未点火状态的状态下，跨越供给脉冲驱动的脉冲输出的RFcm区间地持续产生全反射 波。
[0051] 在脉冲驱动的一个周期内产生的反射波的充放电中，在等离子体为正常点火的状 态下，在RF〇n区间的上升时和下降时暂时产生反射波，因此，以产生反射波的短时间期间进 行充电