JP2009032717A

JP2009032717A - 自動整合機

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Publication number: JP2009032717A
Application number: JP2007191982A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yamamoto; 浩一山本
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2027-07-24
Also published as: JP4901626B2

Abstract

【課題】可変真空コンデンサの寿命を予測し、稼働中における装置の停止を回避することのできる自動整合機を提供する。
【解決手段】真空に保持された空間内にベローズを介して相互に変位可能に配置された一対の電極を有するコンデンサ１１，１３と、コイル１２とを備え、前記一対の電極の一方を他方に対して変位させて、前記コンデンサとコイルにより構成される整合回路のインピーダンスを調整する自動整合機において、前記電極の変位に伴う前記ベローズの伸縮量および伸縮回数の累積値をもとに自動整合機の寿命の経過量を算出する。
【選択図】図６

Description

本発明は、自動整合機に係り、特にプラズマ処理装置等に用いられる真空コンデンサを用いた自動整合機に関する。

プラズマエッチング装置などの高周波電源を用いたプラズマ処理装置においては、高周波電源から真空処理室に投入される高周波電力を最大にするため、前記真空処理室側のインピーダンスを前記高周波電源の出力インピーダンスに整合させる自動整合機が用いられる。

自動整合機はインピーダンス整合を実現するための可変リアクタンス素子として可変真空コンデンサを用いることが多い。この可変真空コンデンサは、ベローズを用い、該ベローズを介して相互に変位可能に配置された一対の電極を真空に保持された空間内で相互に変位可能に保持している。

このベローズは、前記可変真空コンデンサの容量を変化させるとき伸縮動作し、この伸縮動作が繰り返されると、該繰り返し動作に伴って破断することがある。

すなわち、ベローズは可変真空コンデンサの静電容量値を変化させる際に伸縮するため、可変真空コンデンサの電極位置を繰返し変化させることによりベローズが破断する可能性がある。

プラズマ処理装置に用いる自動整合機は、処理中に変化する真空処理室側のインピーダンスに対しインピーダンス整合を取るため、頻繁に可変真空コンデンサの電極位置を変化させなければならない。可変真空コンデンサの電極位置が変化するたびにベローズは伸縮するため、長期間の使用においてベローズが破断する可能性がある。ベローズが破断した場合、インピーダンス整合を取ることができなくなり、プラズマ処理装置は停止する。

図２は、可変真空コンデンサに用いるベローズの機械寿命曲線を説明する図である。図２において、縦軸はベローズの伸縮量、横軸は伸縮回数である。図に示すように、伸縮量に応じて破壊されるまでの伸縮回数が異なり、伸縮量が大きいほど少ない伸縮回数で破断する。なお、実線は５０％のベローズが破断にいたる回数を示し、点線は０．５％のベローズが破断にいたる回数を示している。

このような可変真空コンデンサのベローズの機械寿命に対する予防保全措置としては、可変真空コンデンサを数年の周期で交換することが行われていた。

なお、可変真空コンデンサに用いられるベローズの寿命を長くする技術としては特許文献１，２が知られている。
特開２００５−１７４９８８号公報特開２００５−３０３２１５号公報

しかし、自動整合機において可変真空コンデンサを交換する作業は、電極を駆動するモータ、および該モータの回転位置を計測するロータリーエンコーダなどの可変真空コンデンサの駆動機構の取外し作業、可変真空コンデンサの静電容量の調整作業などが必要であり、容易ではない。このため、可変真空コンデンサの交換頻度はできるだけ低減することが望ましい。

また、ベローズの寿命は図２に示すように伸縮量に依存する。また、使用時間ではなく伸縮回数に依存している。このため、可変真空コンデンサの電極位置の変化が小さい場合、また、電極位置の変化の頻度が少ない場合など、運用状況によっては数年以上の期間にわたって交換が不要な場合もあり得る。

一方、可変真空コンデンサの電極位置の変化が大きい場合、あるいは変化の頻度が多い場合には、比較的短期間でベローズが破断する。このため、可変真空コンデンサの交換が頻繁に行われない場合、プラズマ処理装置の稼動中に、ベローズが破断して装置が停止する可能性がある。このような、装置稼動中における予期せぬ装置の停止は生産計画等に大きく影響するため、何としても回避しなければならない
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、可変真空コンデンサの寿命を予測し、稼働中における装置の停止を回避することのできる自動整合機を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

真空に保持された空間内にベローズを介して相互に変位可能に配置された一対の電極を有するコンデンサと、コイルとを備え、前記一対の電極の一方を他方に対して変位させて、前記コンデンサとコイルにより構成される整合回路のインピーダンスを調整する自動整合機において、前記電極の変位に伴う前記ベローズの伸縮量および伸縮回数の累積値をもとに自動整合機の寿命の経過量を算出する。

本発明は、以上の構成を備えるため、可変真空コンデンサの寿命（寿命の経過量）を予測し、稼働中における装置の停止を回避することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の自動整合機における寿命の経過量を算出する処理を説明する図である。

まず、ステップ１において可変真空コンデンサの電極位置（他方の電極に対する位置）を検出する。ステップ２において可変真空コンデンサの電極位置が極大点、極小点をとなったかどうかを判別する。極大点もしくは極小点となった場合、ステップ３において、前回の極小点、もしくは極大点からの移動量を算出し、これよりベローズの伸縮量を算出する。ステップ４において、ステップ３において求めたベローズの伸縮量に対し、寿命として加算される寿命加算値を算出する。ステップ５において、ステップ４において算出した寿命加算値を寿命に加算する。ステップ６において、寿命があらかじめ設定された閾値を超えたかどうかの判別を実施し、閾値を超えた場合アラームを出力する。

図３は、図１におけるステップ１ないし３の処理、すなわち、可変真空コンデンサの電極位置の検出処理からベローズの伸縮量を算出する処理を説明する図である。

図３に示すように、可変真空コンデンサの電極位置が単調増加、もしくは単調減少している場合はそのまま検出を続ける。増加から減少、または減少から増加に転じた場合、その点を極大点、または極小点とする。自動整合機をプラズマ処理装置に用いる場合、可変真空コンデンサの電極位置は負荷となるプラズマの揺動等により微小振動する場合がある。このような場合においては、増加、または減少の判定は、移動量が一定値（例えば５％）を超えた場合についてのみ、増加または減少と判定するようにするとよい。

極大点、または極小点を検出した場合、前回の極小点、または極大点からの移動量を算出し、この算出値をベローズの伸縮量とすることができる。

図４および図８は、図１のステップ４の処理を説明する図であり、算出されたベローズの伸縮量に対し、寿命（寿命の経過量）として加算される寿命加算値を算出する方法を示している。
例えば、図８に示すように、ベローズの伸縮量を２０〜１８ｍｍ、１８〜１６ｍｍ、１６〜１４ｍｍ、１４〜１２ｍｍ、１２〜１０ｍｍ、１０ｍｍ以下の６つの範囲に分ける。それぞれの伸縮量の範囲において、ベローズが破断するまでの伸縮回数（ベローズの伸縮量が２０〜１８ｍｍの場合はａ回）で除算した値だけ寿命が短くなったものとして寿命加算値を算出する。例えば、伸縮量が２０ｍｍ〜１８ｍｍの場合、伸縮量２０ｍｍにおけるベローズ破断までの伸縮回数はａ回であるため、寿命加算値は１／ａとする。伸縮量が１８〜１６ｍｍ、１６〜１４ｍｍ、１４〜１２ｍｍ、１２〜１０ｍｍの場合についても同様に、その伸縮量の範囲で最も長い伸縮量におけるベローズ破断までの伸縮回数分の１を寿命加算値とする。図８は、それぞれの伸縮量に対する寿命加算値を示している。

前記の算出方法においては、積算された寿命（加算値）が１になったときを寿命（交換時期）とする。なお、図４，８では、伸縮量が１０ｍｍ以下の場合、ベローズが破断にいたるまでの伸縮回数が１，０００万回以上であることから、寿命加算値は０とする。また、寿命加算値の算出には図４の０．５％破断曲線を用いた。これは、寿命を安全サイドで予測するためである。

図５は、実時間に対する寿命（寿命の経過量）を説明する図である。寿命の経過量（伸縮量に対する寿命加算値の累積値）が予め設定したアラーム閾値を超えたときアラームを出力する。例えば、前記閾値を０．８とした場合、寿命の経過量が０．８を超えた場合にアラームを出力する。アラーム閾値はユーザにより任意に設定できるようにするとよい。

図５に示す寿命の経過量の時間変化は、例えばグラフとして記憶装置に記憶しておく。これにより記憶したグラフをユーザの要求に応じて表示することができる。ユーザはこれを観察することにより、例えば可変真空コンデンサの寿命経過量が短時間のうちに増大したことを確認することができる。このような場合には、コンデンサ電極のプリセット位置の見直しなど、可変真空コンデンサの寿命を長くするための運用方法の見直しを行うことができる。なお、このこれらの処理は、後述する自動整合機のコントローラ２１により実現することができる。また、プラズマ処理装置のコントローラにより実現することもできる。

図６は、自動整合機の詳細を説明する図である。自動整合機を構成する整合回路は、可変真空コンデンサ１１、１３およびコイル１２を備える。可変真空コンデンサ１１、１３には，電極を駆動するモータ１４、２３が取り付けられ、モータ１４、２３にはロータリーエンコーダ１５、２２が接続される。モータ１４、２３とロータリーエンコーダ１５、２２はそれぞれコントローラ２１に接続され、コントローラ２１により可変真空コンデンサ１１、１３の電極位置が制御される。

自動整合機の入力には自動整合機の入力インピーダンスを測定するＲＦセンサ２４が設置される。ＲＦセンサ２４で測定された自動整合機の入力インピーダンスはコントローラ２１に入力される。コントローラ２１は自動整合機の入力インピーダンスがＲＦ電源の出力インピーダンスに一致するように可変真空コンデンサ１１、１３の位置を制御する。なお、図６において、整合回路の例として、２個の可変真空コンデンサおよび１個のコイルを用いたπ型整合回路の例を使用する例を示したが、Ｔ型整合回路、あるいはＬ型整合回路等の可変リアクタンス素子として可変真空コンデンサを用いたものであれば利用可能である。

コントローラ２１はＣＰＵ１６、記憶装置２０、通信装置１９、入力装置１７、表示装置１８を備える。ＣＰＵ１６は、可変真空コンデンサの寿命（寿命の経過量）の算出を例えば図１示すフローにしたがって処理する。なお、前記処理は可変真空コンデンサ１１および１３の両者の処理に適用される。

また、記憶装置２０には可変真空コンデンサ１１、１３の寿命の経過量が記録される。入力装置１７は前記アラーム閾値の設定などの各種の操作に用いられる。表示装置１８はアラームの表示あるいは寿命の経過量の経時変化を表すグラフの表示などにに用いられる。通信装置１９はプラズマ処理装置のコントローラとの通信、あるいは外部端末との通信に用いられる。なお、通信装置１９を用いて接続される外部端末を入力装置１７あるいは表示装置１８の代わりとして用いてもよく、例えば、寿命の変化を示したグラフを表示装置１８に表示する代わりに外部端末に表示できるようにしてもよい。

図７は、本実施形態の自動整合機をプラズマ処理装置に適用した例を説明する図である。まず、真空容器３６内に反応性ガス４１を導入する。次にソース用ＲＦ電源３２の出力がソースＲＦ用自動整合機３４を介して真空容器３６内に導入され、プラズマ３７が生成される。被処理基板（ウエハ）３８は試料台４０の上に載置されており、バイアス用ＲＦ電源４３の出力がバイアスＲＦ用自動整合機４２を介して試料台４０に印加される。

ソースＲＦ用自動整合機３４、およびバイアスＲＦ用自動整合機４２はそれぞれの可変真空コンデンサの電極位置の情報を出力する機能を有し、それぞれの可変真空コンデンサの電極位置の情報はコントローラ３１に入力される。コントローラ３１は入力された可変真空コンデンサの電極位置の情報を用いて図１に示す処理を実行する。

前記処理により算出された可変真空コンデンサの寿命の経過量は記憶装置４４に記憶される。なお、入出力端末４５により、アラーム閾値の設定などの各種の入力操作、およびアラーム表示、寿命経過量の経時変化を表すグラフ表示などが行われる。

以上説明したように、本実施形態によれば、可変真空コンデンサの電極位置を検出して、ベローズの伸縮量を算出する。この場合、ベローズが１回伸縮するごとに機械的寿命が消費されていくものとして、寿命の消費量に相当する寿命加算値を加算していく。前記寿命加算値は、例えば図４に示すベローズの機械寿命曲線よりベローズの伸縮量に応じて変更する。このようにして加算され寿命加算値の累積値が、予め設定された閾値（例えば０．８）を超え場合には、アラームを出力して例えば可変真空コンデンサの交換を促す。

また、前記寿命加算値の累積値の履歴（時間変化）を記憶装置に記憶させておき、ユーザの要求に応じていつでも見ることができるようにする。これにより、ユーザは残り寿命の変化を常時確認することができる。

真空コンデンサの電極位置の変化量は、プラズマ処理装置の運転開始前の真空コンデンサの位置、すなわち、プリセット位置を変更することにより小さくすることができる場合がある。このため、前記寿命加算値の累積値の履歴をもとに前記プリセット位置を調整することになどにより可変真空コンデンサの寿命を長くすることができる。

このように、自動整合機に用いられる可変真空コンデンサの残り寿命を予測し、可変真空コンデンサの交換頻度を運用状況に応じた回数に制限することができる。また、可変真空コンデンサの寿命が満了以前にユーザに交換を促すことができ、稼動中の装置の停止を回避することができる。

実施形態にかかる自動整合機における寿命の経過量を算出する処理を説明する図である。可変真空コンデンサに用いるベローズの機械寿命曲線を説明する図である。図１のステップ１ないし３の処理を説明する図である。図１のステップ４の処理を説明する図である。実時間に対する寿命（寿命の経過量）を説明する図である。自動整合機の詳細を説明する図である。自動整合機をプラズマ処理装置に適用した例を説明する図である。図１のステップ４の処理を説明する図である。

符号の説明

１１，１３可変真空コンデンサ
１２コイル
１４，２３モータ
１５，２２ロータリーエンコーダ
１７入力装置
１８表示装置
１９通信装置
２０記憶装置
２１自動整合機のコントローラ
２４ＲＦセンサ
３１プラズマ処理装置のコントローラ
３２ソースＲＦ電源
３４ソースＲＦ用自動整合機
３５アンテナ電極
３６真空容器
３７プラズマ
３８被処理基板
３９排気手段
４０試料台
４１反応性ガス
４２バイアスＲＦ用自動整合機
４３バイアスＲＦ電源
４４記憶装置
４５入出力端末

Claims

真空に保持された空間内にベローズを介して相互に変位可能に配置された一対の電極を有するコンデンサと、コイルとを備え、前記一対の電極の一方を他方に対して変位させて、前記コンデンサとコイルにより構成される整合回路のインピーダンスを調整する自動整合機において、
前記電極の変位に伴う前記ベローズの伸縮量および伸縮回数の累積値をもとに自動整合機の寿命の経過量を算出することを特徴とする自動整合機。
真空に保持された空間内にベローズを介して相互に変位可能に配置された一対の電極を有するコンデンサと、コイルとを備え、前記一対の電極の一方を他方に対して変位させて、前記コンデンサとコイルにより構成される整合回路のインピーダンスを調整する自動整合機において、
前記電極位置の変位量毎に予め寿命加算値を設定しておき、
前記電極位置の変位の連続して観測される極大値と極小値の差毎に前記予め設定した寿命加算値を累積し、該累積値をもとに自動整合機の寿命の経過量を算出することを特徴とする自動整合機。
請求項１記載の自動整合機において、
前記算出された寿命の経過量が予め設定した値に達したとき警報を発することを特徴とする自動整合機。
請求項１記載の自動整合機において、
前記算出された寿命の経過量の履歴を記憶する記憶手段、および表示装置を備え、前記記憶した寿命の経過量の履歴を前記表示手段に表示することを特徴とする自動整合機。
請求項１記載の自動整合機において、
該整合機を介してプラズマ処理装置の高周波電源とプラズマ生成用のアンテナ電極とを接続したことを特徴とする自動整合機。
真空に保持された空間内にベローズを介して相互に変位可能に配置された一対の電極を有するコンデンサと、コイルとを備え、前記一対の電極の一方を他方に対して変位させて、前記コンデンサとコイルにより構成される整合回路のインピーダンスを調整する自動整合機の寿命判定方法において、
前記電極位置の変位量毎に予め寿命加算値を設定しておき、
前記電極位置の変位の連続して観測される極大値と極小値の差毎に前記予め設定した寿命加算値を累積し、該累積値をもとに自動整合機の寿命の経過量を算出し、算出した寿命の経過量が予め設定された期待寿命の所定割合に達したとき警報を発することを特徴とする自動整合機の寿命判定方法。