JP2007134336A - 真空プラズマプロセス装置の作動方法および真空プラズマプロセス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】補助点弧を改善する真空プラズマプロセス装置の作動方法および真空プラズマプロセス装置の提供。
【解決手段】第１の動作状態では主プラズマが生成され、第２の動作状態では補助プラズマが生成される。この場合、第１の個数の高周波パワージェネレータ１９〜２２により主プラズマ電力が生成され、この第１の個数よりも少ない第２の個数の高周波パワージェネレータ、たとえば高周波パワージェネレータ１９〜２１を遮断し、高周波パワージェネレータ２２により補助プラズマ電力が生成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１の動作状態では主プラズマが生成され、第２の動作状態では補助プラズマが生成される形式の真空プラズマプロセス装置の作動方法および真空プラズマプロセス装置たとえばレーザ装置または被層装置に関する。

ガスレーザは、いわゆる放電室内で生成されるプラズマによって励起される。プラズマは、たとえば１３ＭＨｚまたは２７ＭＨｚといった高周波エネルギーにより生成することができる。

今日、ＣＯ₂レーザの動作に必要とされる高周波パワーないしは高周波電力全体はただ１つの高周波パワージェネレータによって生成され、この高周波パワー全体が放電室へ導かれ、そこにおいて個々の放電区間に分配される。これについてたとえばUS 6,539,045に記載されている。高周波パワーの均等な分配に付随して煩雑さが増し、このような分配は実質的に機械的条件と幾何学的条件に依存する。また、個々の放電区間をそれぞれ異なるように励起するのは、煩雑なスイッチングによってしか実現できない。

ＣＯ₂レーザは、１０Ｈｚ〜２００ｋＨｚの周波数でパルス化されて駆動されることが多い。しかもレーザは、たとえば金属薄板の切断に使用する場合など、著しく短い間隔でオン／オフ可能でなければならない。パルス化する際もスイッチオンするたびにも、レーザ励起のためにプラズマを新たに点弧しなければならず、このためには著しく高い電圧が必要とされ、高周波パワージェネレータすなわちにとって大きな負荷となる。したがってこれにより点弧時にはプラズマ負荷が著しく高いインピーダンスをもつことにもなり、このような高いインピーダンスはきわめて急速に著しく低い値になる。負荷の整合は、フルパワーでの動作つまり低いインピーダンスに対して設定されることになる。したがってパワーの大部分は、点弧プロセス時にプラズマ負荷から反射して戻される。

点弧を容易にするため、US 5,434,881に記載されているように放電室に点弧補助装置を設けるようにすることがしばしば行われており、この点弧補助装置は実質的にその機械的構造により電界上昇を生じさせるようにするものであって、それによりすでに低いパワーのときに局所的に制限されたプラズマ放電を発生させる。このように局所的に制限されたプラズマ放電により電子とイオンが十分に生成され、さらに付加的に電力を供給するとこのプラズマは放電室全体に広がる。ただしこのような点弧補助装置によってフルパワーでの動作中に非均一性が引き起こされ、これは望ましいものではなく、大きい電力のときにフラッシオーバに到る可能性がある。

さらに、単一の付加的なジェネレータが点弧時点に別個の電極ペアに特別に高い電圧を加えるようにした点弧補助装置も知られている。しかしながらこの種の点弧補助装置に付随してコストが高まるし、そのために付加的なコンポーネントが必要とされる。
US 5,434,881

本発明の課題は、真空プラズマプロセスのための補助点弧装置を改善することにある。

本発明によればこの課題は、第１の個数の高周波パワージェネレータにより主プラズマパワーを生成し、前記第１の個数よりも少ない第２の個数の高周波パワージェネレータにより補助プラズマパワーを生成することによって主プラズマを形成するという、新規の簡単なやり方で解決される。

これにより、ＲＦパワージェネレータにより生成された電力を用いて所定の電力値で主プラズマを作動させることができる。主プラズマがスイッチオフされると、ないしはたとえばパルス休止中に消弧されると、複数のＲＦパワージェネレータのうち一部分が著しく小さいパワーで駆動され、これによればなおプラズマ放電が維持され、つまり補助プラズマが維持され、このことでプラズマパワーを機械的な点弧補助という補助手段を用いなくても迅速に再び主プラズマの所定の値にすることができる。したがって、補助プラズマの維持のみに用いられる別個の電極は不要である。補助プラズマのために使用される電極は、そのために使用されるＲＦパワージェネレータと同様、主プラズマのためにも使用される。

本発明による方法の１つの有利な実施形態によれば、各ＲＦパワージェネレータに１つの電極または１つの電極ペアが割り当てられ、主プラズマ生成のためにすべてのＲＦパワージェネレータが使用される。切断レーザおよび溶接レーザのための公知のＲＦパワージェネレータは、典型的には１３ＭＨｚまたは２７ＭＨｚにおいて動作し、１０〜１５０ｋＷの出力パワーを有している。たいていのＲＦパワージェネレータは通例、上述のような高いパワーを生成可能な増幅管を用いて動作する。ただし複数のＲＦパワージェネレータを使用すれば、個々のＲＦパワージェネレータは同じ総電力のためにそれよりも低いパワーを発生すればよい。このため、半導体素子によって構成されたＲＦパワージェネレータを使用することができる。したがって、各電極ペアごとに１つのＲＦパワージェネレータを設けるのが有利である。

殊に有利であるのはプラズマ状態を監視することであり、たとえば補助プラズマが発生しているのか、あるいはいかなるプラズマも発生していないのかを監視することである。プラズマ状態が既知であれば、その情報を真空プラズマ装置の以降の動作に利用することができる。

たとえば、主プラズマ点弧のために高周波パワージェネレータの駆動制御を、補助プラズマが生じているのか否かに依存して行うことができる。補助プラズマがもはや生じていないと判別されれば、ＲＦパワージェネレータを駆動制御していわゆる「ハードな点弧 "hartes Zuenden"」を行わせることができるし、そのようにする必要がある。このためには高い電圧を供給する必要がある。その理由は、まずはプラズマを放電室内で発生させなければならないからである。このような高い電圧を択一的に、「ハードな点弧」のための負荷整合の変更により、または高周波電力周波数の変更により、発生させることができる。しかしながら、補助プラズマがまだ放電室内に生じていると判別されたならば、いわゆる「ソフトな点弧 "weiches Zuenden"」を行わせることができる。たとえば迅速な電力調整により、目標電力よりも大きい高周波電力のオーバーシュートを生じさせることなく主プラズマパワーまで到達させることができる。

所定の高周波電力をまえもって定めておき、その高周波電力を下回ると補助プラズマが消弧するものとすれば、少なくとも第２の個数のＲＦパワージェネレータを相応に駆動制御することによって、補助プラズマを消弧させないようにすることができる。この高周波電力の強さは、真空プラズマプロセスをどのように動作させるのかに依存する。プロセスおよびこのプロセスの補助プラズマに必要とされる高周波電力が既知であるならば、高周波電力をたとえば手動で設定することができる。

これに対する代案として考えられるのは、高周波プラズマが消弧する高周波電力を捕捉して記憶することである。たとえば新たな真空プラズマプロセスを駆動させる場合、そしてどのような高周波電力において補助プラズマが消弧するのが既知でない場合、第１の動作において補助プラズマが消弧する電力値を記憶することができる。この値が記憶されるならば、以降、ＲＦパワージェネレータを相応に制御することにより補助プラズマの消弧を回避することができる。

殊に有利であるのは、電力調整を行うことである。これにより、プラズマプロセスを高い精度で進行させることができる。

さらに本発明は、真空プラズマプロセス装置たとえばレーザ装置または被層装置に関する。この場合、放電室と、第１の動作状態では主プラズマを生成し第２の動作状態では補助プラズマを生成する少なくとも１つの高周波パワージェネレータが設けられている。本発明によれば、電極または電極ペアがそれぞれ対応づけられている複数の高周波パワージェネレータが設けられており、主プラズマを生成するために第１の個数の高周波パワージェネレータが駆動され、補助プラズマを生成するために、第１の個数よりも少ない個数の第２の高周波パワージェネレータが駆動される。このような装置によれば、たとえば機械的な別個の点弧補助装置が不要となる。ＲＦパワージェネレータおよびそれらに対応づけられた電極を、主プラズマ生成のためにも補助プラズマ生成のためにも使用することができ、これによれば補助プラズマに基づき主プラズマの点弧をいっそう簡単かつ迅速に実行できる。

殊に有利であるのは、各ＲＦパワージェネレータに１つの電極または１つの電極ペアを対応づけることができる。これにより、個々のＲＦパワージェネレータの高周波電力を複数の電極に分配しなければならない回路を省くことができる。そしてこれによって個々の電極を介したプラズマプロセスへの電力供給を、いっそう精確に制御および調整することができる。

格別有利な実施形態によれば、ＲＦパワージェネレータを共通の制御装置からパラレルに駆動制御できるように構成されている。これによりユーザは、真空プラズマプロセスに関する最大限に可能なコントロールを実現することができ、これを高精度で実行可能である。それというのも、僅かな変化に対しても所期のように応答できるからである。

本発明の１つの実施形態によれば、たとえば中央制御装置と接続されたプラズマ検出手段が設けられている。プラズマ検出手段を介してたとえば、主プラズマが生じているのか、補助プラズマが生じているのか、あるいはいかなるプラズマも生じていないのか、などを検出することができる。殊に重要であるのは、補助プラズマが生じているのか否かを識別することである。補助プラズマが生じているならば、いっそう僅かな高周波電力およびいっそう僅かな電圧の投入によって主プラズマを簡単に点弧させることができる。プラズマが生じていないならば、点弧プロセスが長くなり、いっそう大きい電力および電圧が必要とされる。したがってプラズマの生じていないことが識別されたならば、主プラズマ点弧のために高周波電力を十分に利用することができる。

プラズマ検出手段に関して様々な実施形態が考えられるが、プラズマ検出手段として殊に適しているのは、いわゆるラングミュアプローブ、容量式センサ、光学センサあるいはサーマルセンサないしは温度センサである。この種のセンサを、放電室内にあるいは放電室のところに配置しておくことができる。

さらに考えられるのは、プラズマ検出手段を電気的な量および／または電力量のための１つまたは複数の測定装置として構成することである。電流および／または電圧といった電気的な量を、たとえば１つまたは複数のＲＦパワージェネレータの出力側において、あるいは電極のところで測定することができる。さらに電気的な量を電極へのリード線において、あるいは場合によっては設けられている整合素子または結合素子において測定することができる。また、プラズマプロセスに供給される順方向電力またはプラズマプロセスにより反射された電力を測定することも考えられる。この場合、電流および／または電圧の高調波を測定もしくは検出し、それによってプラズマ状態を推定することも可能である。電流と電圧の位相差からも、もしくはたとえば電圧または電流などの値の時間経過特性からも、補助プラズマの存在を推定できる。

ＲＦパワージェネレータがインピーダンス素子を介して電極と接続されていれば、プラズマプロセスにより反射された電力を最小限に抑えることができる。

殊に有利であるのは、所定のプラズマパワー値のために記憶装置を設けることであり、この所定のプラズマパワー値とは、それを下回ると補助プラズマが消弧するものである。これによって、上述の値を繰り返し入力しなおす必要がなくなる。しかもこのことによって、スイッチオフされた主プラズマのために、常に最適な補助プラズマ用電力調整を行うことができる。

本発明による方法および装置はレーザ装置に殊に適している。なぜならばこの場合、補助プラズマが妨害作用を及ぼさないからである。このことは殊に、真空プラズマプロセスにおいて所定の最小電力が自由になるとにはじめてレーザビームが形成されることによる。

本発明のさらに別の特徴ならびに利点は、本発明にとって重要な詳細を描いた図面を参照した本発明の実施例に関する説明、ならびに特許請求の範囲に示されている。個々の特徴は各々それ自体単独で実現してもよいし、あるいは本発明の変形実施例において複数の特徴を任意に組み合わせて実現してもよい。

図面には本発明の有利な実施例が描かれており、以下ではそれらの図面を参照しながら本発明の実施例について詳しく説明する。

図１には真空プラズマプロセス装置１０が示されており、これは放電室１１を有していて、そこに電極ペア１２，１３，１４，１５が配置されている。この真空プラズマプロセス装置１０はガスレーザである。ポンプシステム１６によりガスが放電室１１にポンピングされる。電極ペア１２〜１５は、リード線１７，１８を介して高周波（ＲＦ）パワージェネレータ１９と接続されている。同様に、電極ペア１３，１４，１５はＲＦパワージェネレータ２０，２１，２２と接続されている。放電室１１内で主プラズマを生成するために、ＲＦパワージェネレータ１９〜２２は通常、以下のように制御される。すなわちこれらのＲＦパワージェネレータ１９〜２２により、できるかぎり大きいＲＦ電力が対応する電極ないしは電極ペア１２〜１５を介して放電室１１つまりは放電室１１内で生じるプラズマプロセスに入力結合されるよう制御される。

主プラズマの点弧のためには大きい高周波パワーが必要とされる。そのうえ、大きい電圧も必要である。主プラズマを必要としないとき、たとえばレーザを一時的に必要としないとき、あるいはレーザをパルス化して駆動するときにはパルス休止中、ＲＦパワージェネレータ１９〜２２のうちのいくつかたとえばＲＦパワージェネレータ１９〜２１による電力供給を中止し、たとえばこれはＲＦパワージェネレータ１９〜２１を遮断することによって行われる。この場合、ＲＦパワージェネレータ２２により、まだ十分に大きいＲＦパワーを対応する電極ペア１５を介して供給することができ、これによって補助プラズマが放電室１１内の電極ペア１５の領域で保持状態におかれる。

ついで主プラズマが再び必要とされるときには、ＲＦパワージェネレータ１９〜２１のみをオンにするだけでよく、補助プラズマが生じているときの主プラズマの点弧は高周波パワーおよび電圧を比較的僅かに供給することによって行われる。

図２には、真空プラズマプロセス装置３０が描かれている。これには１６個のＲＦパワージェネレータ３１〜４６が含まれており、これらはそれぞれインピーダンス整合素子４７〜６２を介して電極ペア６３〜７８と接続されている。すべてのＲＦパワージェネレータ３１〜４６はアナログ信号ライン７９、インタフェース８０ならびにエラーメッセージライン８１を介して中央制御装置８２と接続されている。さらに中央制御装置８２は１６個の同期パルス出力側８３および１６個の同期クロック出力側８４を有しており、これらはやはりＲＦパワージェネレータ３１〜４６へ導かれる。ＲＦパワージェネレータ３１〜４６が中央制御装置８２により制御されることによって、真空プラズマプロセスの多種多様な制御オプションが得られる。しかも、ＲＦパワージェネレータ３１〜４６のすべてを駆動制御したり、あるいはそれらのうちごく一部分のみを駆動制御したりすることもできる。主プラズマの給電のために、有利にはすべてのＲＦパワージェネレータ３１〜４６が使用される。ただし、真空プラズマプロセスによっては、主プラズマの給電のためにＲＦパワージェネレータ３１〜４６を全部は使用しないことも考えられる。ただしどのような真空プラズマプロセスについてもあてはまるのは、主プラズマの給電に使用されるＲＦパワージェネレータ３１〜４６の個数は、補助プラズマの給電に使用されるＲＦパワージェネレータ３１〜４６の個数よりも多いことである。有利であるのは、補助プラズマを給電するためにただ１つのＲＦパワージェネレータを使用することである。

ＲＦパワージェネレータ３１〜４６により主プラズマを生成させないようにする場合には、放電室内に補助プラズマを形成させるようにする。

実際に補助プラズマが放電室内に生じることをコントロールするためにプラズマ検出手段８５が設けられており、これは中央制御装置８２と結線されていてデータ交換を行う。プラズマ検出手段８５により捕捉された測定値を、そこにおいてダイレクトに評価することもできるし、あるいは中央制御装置８２においてその評価を行ってもよい。さらにプラズマ検出手段８５から供給される情報に基づき中央制御装置８２は、補助プラズマ維持の役割を担っているＲＦパワージェネレータの電力供給を制御することができる。

他方、中央制御装置８２は、プラズマ捕捉手段８５により放電室内の補助プラズマ生成が通報されるか、いかなるプラズマ生成も通報されないのかに応じて、主プラズマ点弧時にＲＦパワージェネレータ３１〜４６を多様に駆動制御することができる。

真空プラズマプロセス装置をごく概略的に示す図であり、この図には制御装置は示されていないが放電室とともに描かれている。 真空プラズマプロセス装置をごく概略的に示す図であり、この図には制御装置が示されているけれども放電室は描かれていない。

符号の説明

１０ 真空プラズマ装置
１１ 放電室
１２〜１５，６３〜７８ 電極
１６ ポンプシステム
１９〜２２，３１〜４６ 高周波パワージェネレータ
３０ 真空プラズマプロセス装置
７９ アナログ信号ライン
８０ インタフェース
８１ エラーメッセージライン
８２ 中央制御装置
８３ 同期パルス出力側
８４ 同期クロック出力側

Claims (15)

1. 第１の動作状態では主プラズマが生成され、第２の動作状態では補助プラズマが生成される形式の真空プラズマプロセス装置（１０，３０）の作動方法において、
   第１の個数の高周波パワージェネレータ（１９〜２２，３１〜４６）により主プラズマ電力が生成され、該第１の個数よりも少ない第２の個数の高周波パワージェネレータ（１９〜２２，３１〜４６）により補助プラズマ電力が生成されることを特徴とする、
   真空プラズマプロセス装置（１０，３０）の作動方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   高周波パワージェネレータ（１９〜２２，３１〜４６）に対し１つの電極または電極ペア（１２〜１５，６３〜７８）が割り当てられ、主プラズマ生成のためにすべての高周波パワージェネレータ（１９〜２２，３１〜４６）が使用されることを特徴とする方法。
3. 請求項１または２記載の方法において、
   前記プラズマ状態が監視され、たとえば補助プラズマが生じているのか、いかなるプラズマも生じていないのかについて監視されることを特徴とする方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載の方法にいて、
   主プラズマ点弧のために高周波パワージェネレータ（１９〜２２，３１〜４６）の駆動制御が、補助プラズマが存在しているのか否かに依存して行われることを特徴とする方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の方法において、
   所定の高周波電力が設けられており、該高周波電力よりも小さければ補助プラズマが消弧することを特徴とする方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項記載の方法において、
   高周波プラズマが消弧する高周波電力が捕捉され記憶されることを特徴とする方法。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の方法において、
   電力調整が行われることを特徴とする方法。
8. 放電室（１１）と、第１の動作状態では主プラズマを生成し第２の動作状態では補助プラズマを生成する少なくとも１つの高周波パワージェネレータ（１９〜２２，３１〜４６）が設けられている、
   真空プラズマプロセス装置（１０，３０）において、
   電極または電極ペア（１２〜１５，６３〜７８）がそれぞれ対応づけられている複数の高周波パワージェネレータ（１９〜２２，３１〜４６）が設けられており、
   主プラズマを生成するために第１の個数の高周波パワージェネレータ（１９〜２２，３１〜４６）が駆動され、補助プラズマを生成するために、前記第１の個数よりも少ない個数の第２の高周波パワージェネレータ（１９〜２２，３１〜４６）が駆動されることを特徴とする、
   真空プラズマプロセス装置。
9. 請求項８記載の装置において、
   前記高周波パワージェネレータ（１９〜２２，３１〜４６）に各々電極または電極ペア（１２〜１５，６３〜７８）が対応づけられていることを特徴とする装置。
10. 請求項８または９記載の装置において、
    前記高周波パワージェネレータ（１９〜２２，３１〜４６）は１つの共通の制御装置（８２）により駆動制御され、たとえばパラレルに駆動制御されることを特徴とする装置。
11. 請求項８から１０のいずれか１項記載の装置において、
    プラズマ検出手段（８５）が設けられており、該プラズマ検出手段（８５）はたとえば中央制御装置（８２）と接続されていることを特徴とする装置。
12. 請求項８から１１のいずれか１項記載の装置において、
    前記プラズマ検出手段（８５）はラングミュアプローブ、容量センサ、光学センサまたは温度センサとして構成されていることを特徴とする装置。
13. 請求項８から１２のいずれか１項記載の装置において、
    前記プラズマ検出手段（８５）は、電気的な量および／または電力量のための１つまたは複数の測定装置として構成されていることを特徴とする装置。
14. 請求項８から１３のいずれか１項記載の装置において、
    前記高周波パワージェネレータ（１９〜２２，３１〜４６）は、インピーダンス整合素子（４３〜６２）を介して電極または電極ペア（１２〜１５，６３〜７８）と接続されていることを特徴とする装置。
15. 請求項８から１４のいずれか１項記載の装置において、
    プラズマパワーの値のための記憶装置が設けられており、該プラズマ電力値よりも小さければ補助プラズマが消弧することを特徴とする装置。

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