JP4414171B2 - 高周波電源装置 - Google Patents

Description

本願発明は、たとえば半導体ウェハプロセスにおいてプラズマエッチングを行うプラズマ処理装置などに対して高周波電力を供給するための高周波電源装置に関する。

従来、上記プラズマ処理装置などの負荷に対して高周波電力を供給するための高周波電源装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照。）。
特開平９−１４５７５２号公報

図７は、従来の高周波電源装置が適用されるシステムの構成例を示す図である。このシステムは、高周波電源装置５１、インピーダンス整合装置５２、および負荷としてのプラズマ処理装置５３を備えている。高周波電源装置５１は、伝送線路５４を介してプラズマ処理装置５３に接続され、伝送線路５４の途中には、インピーダンス整合装置５２が介装されている。

高周波電源装置５１は、負荷に対して高周波電力を供給するための装置であり、出力設定部５５、電力出力部５６、および電力検出部５７を備えている。出力設定部５５は、電力出力部５６から出力される進行波電力の出力設定値を定めるものであり、出力設定部５５において設定された出力電力設定信号は、電力出力部５６に与えられる。

電力出力部５６は、図示しない電力増幅回路や発振回路などを備え、出力設定部５５からの出力電力設定信号に基づいて伝送線路５４を通じてインピーダンス整合装置５２に、進行波電力を出力するものである。また、電力出力部５６は、出力設定部５５において設定された出力電力設定信号と、電力検出部５７において検出された進行波電力検出信号ＰＦとを比較し、両者の大きさが等しくなるように進行波電力を出力するといったフィードバック制御を行う。

電力出力部５６から出力される進行波電力は、機器の調整時などにこの高周波電源装置５１に接続される調整機器（たとえば校正用パワーメータ）の値を基準として、正規化された信号になるように校正されている。たとえば、出力電力設定信号を１Ｖに設定したとき、負荷に対して出力される進行波電力が５００Ｗとなるように校正されている。そのため、出力電力設定信号を２Ｖに設定すると、負荷に対して出力される進行波電力は１０００Ｗになる。

電力検出部５７は、たとえば方向性結合器によって構成され、電力出力部５６から出力される進行波電力およびプラズマ処理装置５３において反射された反射波電力を検出するものである。電力検出部５７は、電力出力部５６から出力される進行波電力に相当する進行波電力検出信号ＰＦを電力出力部５６に戻す。これにより、上述したように、進行波電力検出信号ＰＦは、電力出力部５６において、出力設定部５５で設定された出力電力設定信号と比較される。

インピーダンス整合装置５２は、その入力端から高周波電源装置５１側を見た入力インピーダンスと、その入力端からプラズマ処理装置５３側を見た負荷インピーダンスとを整合させるためのものである。

プラズマ処理装置５３は、エッチングやＣＤＶなどの方法を用いてウェハや液晶基板などの被加工物を加工するための装置である。

以上の構成により、プラズマ処理装置５３に対して所望の進行波電力が与えられれば、被加工物に対して適正な加工処理が行われる。通常、加工処理が行われた被加工物は、適切に加工処理が行われたことを判定するための検査が行われる。しかしながら、この検査において被加工物が不良と判定された場合、不良原因がシステムの故障であると限定したとき、上記システムのどの部分における故障であるかを特定するのは困難である。すなわち、プラズマ処理装置５３の故障だけでなく、高周波電源装置５１やインピーダンス整合装置５２における故障も考えられ、不良の原因を特定するのは、非常に困難である。

そこで、たとえば高周波電源装置５１では、上記電力出力部５６において進行波電力検出信号の値が異常に大きいか否かを検出して、その値が異常に大きいときには、進行波電力の出力を抑制したり、出力そのものを停止したりするようにしている。これにより、プラズマ処理装置５３における被加工物の保護を図るようにしている。

しかしながら、上記構成においては、フィードバック制御によって進行波電力の電力値を制御しているので、たとえば電力検出部５７に異常があり、フィードバックされる進行波電力検出信号ＰＦが本来の検出値でない場合であっても、高周波電源装置５１としては、その進行波電力検出信号ＰＦが正常に検出された値として認識する。

たとえば進行波電力を１０００Ｗに設定して出力させようとした場合、実際の出力値が１０００Ｗであるにも関わらず、電力検出部５７における検出値が１２００Ｗであったとすると、電力出力部５６においては、２００Ｗ余分に出力していると認識して、その分を差し引いて出力しようとする。そのため、高周波電源装置５１から出力される進行波電力は、出力設定値である１０００Ｗより小さくなってしまう。

このように、たとえば電力検出部５７が故障し、進行波電力検出信号ＰＦが校正値と異なる値で出力されると、いくら出力電力設定信号の値を正確に調整していても、負荷に対する進行波電力を適切な値に制御することが不可能となる。これは、電力検出部５７の故障に限らず、フィードバック方式を構成する回路のいずれの部分が故障しても起こり得る現象である。

この結果、プラズマ処理装置５３では、被加工物には正常な出力状態に比べ、少ない電力量しか供給されないことになり、被加工物は、正常な加工ができなくなる。たとえば、エッチングを行う場合を考えると、供給される電力量が少なくなると、エッチングによって削られるたとえばアルミニウムや銅の深さが適正値以下になってしまう。そのため、被加工物は、不良品となる。

また、高周波電源装置５１では、電力検出部５７やフィードバック制御を構成する部分が異常を生じたとしても、あたかも正常であるように動作するので、異常であることを示す警報などは特に出力されない構成となっていた。

本願発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、高周波電源装置を構成する回路（フィードバック系を構成する回路を含む）が故障したとしても、それを事前に検知してたとえば不良ウェハを生じさせることがないようにした高周波電源装置を提供することを、その課題とする。

上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

本願発明によって提供される高周波電源装置は、直流電力を所定周波数の交流電力に変換する電力変換回路の前段に当該電力変換回路に入力する直流電圧を変化させる直流電圧変換回路を有するとともに、前記電力変換回路の後段に出力端子から負荷に出力される高周波電力を検出する電力検出部と、前記直流電圧変換回路の直流電圧変換動作を制御する制御部とを有し、当該制御部により、前記電力検出部の検出値が予め設定された前記出力端子の出力電力の目標値となるように前記直流電圧変換回路の直流電圧変換動作が制御される高周波電源装置であって、前記直流電圧変換回路から前記電力変換回路に入力される直流電力を検出する電力検出手段と、前記電力検出手段で検出される直流電力に対する前記出力端子の出力電力の目標値の比を算出し、その比が所定の範囲内にあるか否かを判別する第１の判別手段と、前記第１の判別手段で前記比が前記所定の範囲内にないと判別されたとき、装置内に異常があると判別する異常判別手段と、を備えたことを特徴としている。

好ましい実施形態によれば、前記電力検出手段は、前記電力変換回路の入力電流と入力電圧を検出する入力電流・電圧検出手段と、前記入力電流・電圧検出手段によって検出された入力電流と入力電圧とを乗算して前記直流電力を求める直流電力算出手段と、によって構成されているとよい。

好ましい実施形態によれば、前記異常判別手段は、前記負荷とのインピーダンス整合が取れているか否かを判別する整合状態判別手段を備え、前記整合状態判別手段によってインピーダンス整合が取れていると判別され、かつ、前記第１の判別手段によって前記比が前記所定の範囲内にないと判別されたときに、異常があると判別するとよい。

他の好ましい実施形態によれば、前記整合状態判別手段は、前記出力端子における反射波電力を検出する反射波電力検出手段と、前記反射波電力検出手段で検出された反射波電力に基づいて前記負荷とのインピーダンス整合が取れているか否かを判別する第２の判別手段とを含み、前記第２の判別手段は、前記反射波電力検出手段によって検出された反射波電力が所定の閾値以下であるか否かによって前記負荷とのインピーダンス整合が取れているか否かを判別するとよい。

他の好ましい実施形態によれば、前記異常判別手段は、前記出力端子と前記負荷との間に介装されるインピーダンス整合装置から出力される、当該インピーダンス整合装置が整合状態にあるか否かを示す整合状態信号を入力するための入力部を備え、前記整合状態信号が前記整合状態にあることを示す信号であり、かつ前記第１の判別手段によって前記比が前記所定の範囲内にないと判別されたときに、異常があると判別するとよい。

他の好ましい実施形態によれば、前記異常判別手段は、前記入力電流・電圧検出手段で検出された入力電流及び入力電圧から前記電力変換回路におけるインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、前記インピーダンス算出手段によって算出されたインピーダンスが所定の範囲内にあるか否かを判別する第３の判別手段と、を備え、前記第３の判別手段によってインピーダンス整合が所定の範囲内にあると判別され、かつ、前記第１の判別手段によって前記比が前記所定の範囲内にないと判別されたときに、異常があると判別するとよい。

他の好ましい実施形態によれば、前記異常判別手段によって異常があると判別されたとき、前記電力変換回路の出力を停止する停止手段を更に備えるとよい。また、前記異常判別手段によって異常があると判別されたとき、異常があることを示す信号を外部に出力する異常出力手段を更に備えてもよい。

上記構成によれば、電力検出部による出力端子から負荷に出力される高周波電力の検出値が出力電力の目標値となるように直流電圧変換回路の直流電圧変換動作が制御されているときに、出力端子の出力電力の目標値と電力検出手段で検出される直流電力との比が所定範囲（正常範囲）内にないときには、装置に異常があると判別し、たとえば、負荷への電力の出力が停止される。通常、直流電力と出力端子の出力電力とは比例関係にあるので、出力電力の目標値に対して出力端子の出力電力が変化すれば、直流電力も同様の割合で変化するようになる。したがって、電力検出部に異常が生じ、制御部による直流電圧変換回路の制御が不適切になる場合でも異常判別手段により異常があると判別されたときには、たとえば進行波電力の出力を停止することにより不良ウェハなどの発生を事前に抑制することができる。

本願発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本願発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本願発明にかかる高周波電源装置が適用されるシステム構成例を示す図である。このシステムは、半導体ウェハや液晶基板などの被加工物に対して高周波電力を供給してたとえばプラズマエッチングといった加工処理を行うものである。このシステムは、高周波電源装置１、インピーダンス整合装置２、および負荷としてのプラズマ処理装置３を備え、高周波電源装置１は、伝送線路４を介してプラズマ処理装置３に接続されている。伝送線路４の途中には、インピーダンス整合装置２が介装されている。一般に、この種の高周波電源装置では、数百ｋＨｚ以上の周波数の高周波電力を出力している。

インピーダンス整合装置２は、プラズマ処理装置３において進行波電力の反射を抑えるために、その入力端から高周波電源装置１側を見た入力インピーダンスと、その入力端からプラズマ処理装置３側を見た負荷インピーダンスとを整合させるものである。このインピーダンス整合装置２は、たとえば内部に可変コンデンサや可変インダクタなどの可変インピーダンス素子を備えており、内部のインピーダンスを変化させることにより、プラズマ処理装置３側を見た負荷インピーダンスを変化させる。

プラズマ処理装置３は、半導体ウェハや液晶基板などの被加工物をエッチングやＣＤＶなどの方法を用いて加工するための装置である。プラズマ処理装置３では、被加工物の加工目的に応じて各種の加工プロセスが実行される。たとえば、被加工物に対してエッチングを行う場合には、そのエッチングに応じたガス種類、ガス圧力、進行波電力の供給電力値、および進行波電力の供給時間などが適切に設定された加工プロセスが行われる。たとえば、プラズマ処理装置３では、被加工物が配置される容器内にプラズマ放電用ガスを導入し、そのプラズマ放電用ガスを放電させて非プラズマ状態からプラズマ状態にしている。そして、プラズマ状態になったガスを用いて被加工物を加工している。

高周波電源装置１は、プラズマ処理装置３に対してたとえば数百ｋＨｚ以上の周波数を有する高周波電力を供給するための装置であり、図２に示すように、整流平滑部１１、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２、パワーアンプ部１３、フィルタ部１４、パワー検出部１５、および制御部１６によって構成されている。パワーアンプ部１３は、高周波インバータ部２１、高周波電流検出部２２、および高周波トランスＴによって構成されている。

整流平滑部１１は、高周波電源装置１に入力される商用電源Ｐ（たとえばＡＣ２００Ｖ）を整流平滑化して直流電圧に変換するものである。なお、商用電源Ｐとしては、図２に示すように３相の交流電源に限らず、単相交流電源が用いられてもよい。整流平滑部１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２に接続され、整流平滑部１１によって整流平滑化された直流電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２に送られる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２は、整流平滑部１１によって整流平滑化された直流電圧を所望の直流電圧に変換するものである。ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２は、パワーアンプ部１３に接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２によって所望の値に変換された直流電圧は、パワーアンプ部１３に送られる。

パワーアンプ部１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２によって変換された直流電圧を高周波の交流電圧に変換するものであり、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２の出力電力に応じてパワーアンプ部１３から出力する高周波電力が変化する。すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２の出力電力を制御することによってパワーアンプ部１３から出力する高周波電力を制御することができる。

このパワーアンプ部１３は、たとえば高周波インバータ部２１および高周波トランスＴによって構成されている。高周波インバータ部２１は、たとえば図示しないスイッチング素子をスイッチングすることにより、入力された直流電圧を高周波の交流電圧に変換する。高周波トランスＴは、高周波インバータ部２１の出力である高周波の交流電圧を昇圧する。昇圧された高周波の交流電圧は、フィルタ部１４に送られる。高周波電流検出部２２は、高周波トランスＴの１次側電流を検出し、高周波電流検出信号Ｉｒを出力する。

また、高周波インバータ部２１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２から入力された直流電力を検出し、その直流電力の電流成分および電圧成分である入力電流検出信号Ｉdcおよび入力電圧検出信号Ｖdcを取得し、それらを制御部１６に対して出力する。入力電流検出信号Ｉdcおよび入力電圧検出信号Ｖdcは、後述するように、制御部１６において異常検出信号を出力するために用いられる。

フィルタ部１４は、パワーアンプ部１３から出力される高周波の交流電圧のうち、高調波成分を減衰し正弦波として出力するものである。すなわち、フィルタ部１４は、ローパスフィルタとして機能する。フィルタ部１４によって高調波成分が減衰された交流電圧は、パワー検出部１５に送られる。

パワー検出部１５は、たとえば方向性結合器によって構成され、伝送線路４を伝搬する進行波電力および反射波電力を検出するものである。

すなわち、パワー検出部１５は、フィルタ部１４によって高調波成分が減衰された交流電圧を、プラズマ処理装置３側に進行する進行波電力として検出し、その検出結果を進行波電力検出信号ＰＦとして制御部１６に出力する。また、パワー検出部１５は、プラズマ処理装置３側において反射される反射波電力を検出し、その検出結果としての反射波電力検出信号ＰＲを制御部１６に出力する。

ここで、パワー検出部１５から出力される進行波電力検出信号ＰＦは、機器の調整時などにこの高周波電源装置１に接続される調整機器（たとえば校正用パワーメータ）の出力値を基準として、正規化された信号になるように予め校正されている。たとえば、プラズマ処理装置３に対して出力される進行波電力が５００Ｗのとき、進行波電力検出信号ＰＦが１Ｖになるように校正される。

制御部１６は、パワー検出部１５によって検出された進行波電力検出信号ＰＦと、被加工物に基づいて予め設定された出力電力設定信号ＰＳとを比較し、進行波電力検出信号ＰＦが出力電力設定信号ＰＳ（後述）にほぼ一致するように、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２の出力を制御するものである。このような制御方式をたとえばフィードバック制御方式という。ここで、出力電力設定信号ＰＳは、図示しない外部の装置から入力されるものであり、上記した進行波電力検出信号ＰＦの校正に基づいて設定される。たとえば、進行波電力が５００Ｗのとき、進行波電力検出信号ＰＦが１Ｖになるように校正されているとき、出力電力設定信号ＰＳを１Ｖに設定すれば、進行波電力が５００Ｗとなる。そのため、進行波電力を１０００Ｗにするには、出力電力設定信号ＰＳを２Ｖに設定すればよいことになる。なお、従来の構成のように、高周波電源装置１内に出力設定部５５を設け、この出力設定部５５によって上記出力電力設定信号ＰＳが設定されてもよい。

また、制御部１６は、パワー検出部１５からの反射波電力検出信号ＰＲ、高周波インバータ部２１からの入力電流検出信号Ｉdcおよび入力電圧検出信号Ｖdc、並びに高周波電流検出部２２からの高周波電流検出信号Ｉrを入力し、これらの信号を常時監視するとともに、いずれかの信号量が異常に増加した場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２に対して出力停止信号を送る機能を有する。これにより、進行波電力の出力が停止され、被加工物や高周波電源装置１が保護されるようになっている。

図３は、制御部１６の内部構成を示す図である。制御部１６は、第１比較器３１と、第２比較器３２と、誤差増幅器３３と、調節部３４と、保護回路３５と、異常検出回路３６とを備えている。

第１比較器３１は、出力電力設定信号ＰＳと、保護回路３５からの出力抑制信号とを比較し、出力電力設定信号ＰＳに対して出力抑制信号を加味した信号を出力するものである。

第２比較器３２は、第１比較器３１の出力、すなわち出力電力設定信号ＰＳに対して出力抑制信号が加味された信号と、パワー検出部１５から送られる進行波電力検出信号ＰＦ（フィードバック信号）とを比較するものである。

誤差増幅器３３は、第２比較器３２の出力を増幅するためのものである。調節部３４は、誤差増幅器３３によって増幅された、出力電力設定信号ＰＳと進行波電力検出信号ＰＦとの差に基づく操作信号をＤＣ−ＤＣコンバータ部１２に対して送る。また、調節部３４は、保護回路３５からの出力停止信号または後述する異常検出回路３６からの異常検出信号に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２に対して出力を停止させる信号を送る。

上記のように、パワー検出部１５から送られる進行波電力検出信号ＰＦは、第２比較器３２において出力電力設定信号ＰＳと比較され、その差が操作信号としてＤＣ−ＤＣコンバータ部１２に送られる。そのため、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２では、その操作信号に基づいて、整流平滑部１１によって整流平滑化された直流電圧を所望の直流電圧に変換し、高周波インバータ部２１に送る。したがって、入力電流検出信号Ｉdcおよび入力電圧検出信号Ｖdcは、進行波電力検出信号ＰＦに基づいてフィードバックされた信号となる。

保護回路３５は、パワーアンプ部１３の高周波インバータ部２１から送られる入力電流検出信号Ｉdcおよび入力電圧検出信号Ｖdc、高周波電流検出部２２から送られる高周波電流検出信号Ｉr、並びにパワー検出部１５から送られる反射波電力検出信号ＰＲに基づいて、必要に応じて進行波電力の出力を停止または抑制するためのものである。具体的には、保護回路３５は、上記入力電流検出信号Ｉdc、入力電圧検出信号Ｖdc、高周波電流検出信号Ｉrおよび反射波電力検出信号ＰＲを監視し、それらが異常な値になったときに調節部３４に対して進行波電力の出力を停止するための信号を出力する。または、第１比較器３１に対して進行波電力の出力を抑制するための信号を出力する。

本実施形態の特徴である異常検出回路３６は、パワーアンプ部１３の高周波インバータ部２１から送られる入力電流検出信号Ｉdcおよび入力電圧検出信号Ｖdcによって入力電力を取得し、入力電力と出力電力設定信号ＰＳとの比を求め、この比の値に基づいて進行波電力の出力を停止するものである。異常検出回路３６は、図４に示すように、乗算器４１と、除算器４２と、第１および第２のコンパレータＣＰ１，ＣＰ２と、ＯＲ回路４３とによって構成されている。

乗算器４１は、パワーアンプ部１３からの入力電流検出信号Ｉdcと入力電圧検出信号Ｖdcとを乗算して、パワーアンプ部１３に入力される直流入力電力Ｗを求めるものである（直流入力電力Ｗ＝入力電流検出信号Ｉdc×入力電圧検出信号Ｖdc）。

除算器４２は、出力電力設定信号ＰＳをパワーアンプ部１３に入力される直流入力電力Ｗで除算することにより、パワーアンプ部における効率η（＝設定電力／直流入力電力Ｗ）を求めるためのものである。

第１および第２のコンパレータＣＰ１，ＣＰ２は、除算器４２によって求められた効率ηが予め設定された効率上限値Ｖref1と予め設定された効率下限値Ｖref2との範囲内にあるか否かを判別するものである。ＯＲ回路４３は、第１および第２のコンパレータＣＰ１，ＣＰ２の出力を入力し、いずれか一方が効率上限値Ｖref1および効率下限値Ｖref2の範囲外であった場合には、異常検出信号を調節部３４に対して出力するものである。

すなわち、この異常検出回路３６では、パワーアンプ部１３からの入力電流検出信号Ｉdcおよび入力電圧検出信号Ｖdcに基づいて直流入力電力Ｗを求め、この直流入力電力Ｗに対する出力電力設定信号ＰＳの比を求めることにより、パワーアンプ部１３における効率ηを算出し、その効率ηが所定範囲内にない場合、異常検出信号を出力するようにしている。通常、直流入力電力Ｗと進行波電力とは比例関係にあるので、設定電力（進行波電力の目標値）に対して進行波電力が変化すれば、直流入力電力Ｗも同様の割合で変化するようになる。そのため、設定電力と直流入力電力Ｗとの比を算出することにより、直流入力電力Ｗと進行波電力との比例関係がくずれたことが検出でき、すなわち高周波電源装置１内のいずれかの部分で異常が生じたことを判別することができる。したがって、たとえば設定電力と直流入力電力Ｗとの比が一定範囲（正常範囲）内にないときには、進行波電力の出力を停止することにより、たとえば不良ウェハの発生を事前に抑制するようにしている。

次に、上記構成による作用について説明する。

高周波電源装置１に入力された商用電源Ｐは、整流平滑部１１によって整流平滑化された後、ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２によって所望の直流電圧に変換される。この直流電圧は、パワーアンプ部１３の高周波インバータ部２１によってスイッチングされることによって高周波の交流電圧に変換され，進行波電力として出力される。

進行波電力は、フィルタ部１４によって高調波成分がカットされ、パワー検出部１５において検出される。パワー検出部１５では、進行波電力に相当する進行波電力検出信号ＰＦを検出し、それを制御部１６にフィードバックする。制御部１６は、パワー検出部１５から送られた進行波電力検出信号ＰＦと、出力電力設定信号ＰＳとを比較することによって、進行波電力が所望の値でプラズマ処理装置３に供給されているか否かを監視する。そして、進行波電力検出信号ＰＦに基づいて所望の値で進行波電力が出力されていないと判定した場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２に対して出力抑制信号を出力して、進行波電力が所望の値で出力されるように制御する。

また、パワー検出部１５では、進行波電力がプラズマ処理装置３において反射された反射波電力に相当する反射波電力検出信号ＰＲを検出すると、それを制御部１６に出力する。制御部１６では、その反射波電力検出信号ＰＲに基づいてインピーダンスが整合されているか否かを判別し、インピーダンスが整合されていない場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２に対して出力停止信号を出力する。

また、制御部１６では、パワーアンプ部１３から送られる入力電流検出信号Ｉdc、入力電圧検出信号Ｖdc、および高周波電流検出信号Ｉrを監視し、それらが異常に大きな値になったとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２に対して出力停止信号を出力して、不良ウェハなどが発生するといったことを回避するようにしている。

ここで、従来の高周波電源装置では、フィードバック制御によって進行波電力の電力値を制御しているので、たとえば電力検出部に異常があり、フィードバックされる進行波電力検出信号ＰＦが本来の検出値でない場合であっても、その進行波電力検出信号ＰＦが正常に検出された値として認識していた。そのため、出力電力設定信号ＰＳとかけ離れた実際の進行波電力を負荷に対して供給することがあった。

そこで、本実施形態においては、制御部１６に設けられた異常検出回路３６によって、パワーアンプ部１３に入力される直流入力電力Ｗと、出力電力設定信号ＰＳとの比（パワーアンプ部１３の効率η）を監視することによって、進行波電力の異常を検知するようにし、パワー検出部１５またはそれを含むフィードバック系の故障を検出して、不良ウェハの発生を抑制している。

すなわち、上述したように、ほぼ整合状態においては、直流入力電力Ｗと進行波電力とは比例関係にある。そのため、高周波電源装置１に何らかの異常が発生し、設定電力よりも進行波電力が大きくなれば、パワーアンプ部１３に入力される直流入力電力Ｗが大きくなるため、直流入力電力Ｗに対する設定電力の比が低下する。一方、設定電力よりも進行波電力が小さくなれば、直流入力電力Ｗが小さくなるため、直流入力電力Ｗに対する設定電力の比が高くなる。そのため、直流入力電力Ｗに対する設定電力の比を監視することにより、進行波電力の異常を検知することができる。

具体的には、異常検出回路３６の乗算器４１では、パワーアンプ部１３からの入力電流検出信号Ｉdcおよび入力電圧検出信号Ｖdcが入力され、これらを乗算することにより、パワーアンプ部１３に入力される直流入力電力Ｗを求め、除算器４２において出力電力設定信号ＰＳを直流入力電力Ｗで除算することにより、両者の比、すなわち効率ηを求める。

除算器４２によって求められた効率ηは、第１および第２のコンパレータＣＰ１，ＣＰ２の入力端子にそれぞれ入力され、その値が予め設定された効率上限値Ｖref1と予め設定された効率下限値Ｖref2との範囲内であるか否かが判別される。第１コンパレータＣＰ１は、上記効率ηが効率上限値Ｖref1より高い場合、「ＨＩＧＨ」レベルを出力する。また、第２コンパレータＣＰ２は、上記効率ηが効率下限値Ｖref2より低い場合、「ＨＩＧＨ」レベルを出力する。すなわち、第１および第２のコンパレータＣＰ１，ＣＰ２によって、上記効率ηが効率上限値Ｖref1および効率下限値Ｖref2の範囲外であるか否かが判別される。

第１および第２のコンパレータＣＰ１，ＣＰ２の出力は、ＯＲ回路４３に入力され、異常検出信号としてＯＲ回路４３から出力される。すなわち、上記効率ηが第１および第２のコンパレータＣＰ１，ＣＰ２によって効率上限値Ｖref1および効率下限値Ｖref2の範囲内にない場合、異常検出信号が出力される。この例の場合、「ＨＩＧＨ」レベルが出力される。

調節部３４では、この異常検出信号に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ部１２に対して出力停止信号を出力する。これにより、進行波電力がプラズマ処理装置３に出力されなくなるので、半導体ウェハなどの不良の発生を抑制することができる。

なお、調節部３４において、ＤＣ−ＤＣコンバータ部１２に出力停止信号を出力するのではなく、異常検出回路３６から入力された異常検出信号を外部装置に出力するとともに、図示しない表示装置や音声出力装置に対して出力異常である旨を出力するようにして、表示や音声により外部に警報出力するようにしてもよい。

なお、異常検出回路３６は、図５に示すように、整合条件が加えられた構成としてもよい。具体的には、異常検出回路３６Ａは、図４に示した構成に、第３のコンパレータＣＰ３と、ＡＮＤ回路４４と、複数の抵抗Ｒ１，Ｒ２とが付加されている。

第３のコンパレータＣＰ３は、出力電力設定信号ＰＳを抵抗Ｒ１，２によって分圧した反射電力上限値と、パワー検出部１５からの反射波電力検出信号ＰＲとを比較するものである。これにより、反射波電力検出信号ＰＲに基づく反射係数が規定値以下（整合状態）であるか否かが判別され、規定値以下（整合状態）であれば、第３のコンパレータＣＰ３は、異常検出出力許可信号を出力する。この例の場合、「ＨＩＧＨ」レベルが出力される。

ＡＮＤ回路４４は、異常検出信号と異常検出出力許可信号とを入力し、その論理積を出力するものである。

これらの構成における作用を説明すると、第３のコンパレータＣＰ３では、パワー検出部１５からの反射波電力検出信号ＰＲと、入力された出力電力設定信号ＰＳが抵抗Ｒ１，Ｒ２によって分圧されることによって求められる反射電力上限値とが比較され、反射波電力検出信号ＰＲに基づく反射係数が規定値以下（整合状態）であれば、異常検出出力許可信号を出力する。

ＯＲ回路４３からの異常検出信号と第３のコンパレータＣＰ３からの異常検出出力許可信号は、ＡＮＤ回路４４によってそれらの論理積が演算される。すなわち、異常検出出力許可信号が出力されているときに、異常検出信号が出力された場合、進行波電力の異常として異常検出信号を出力する。この異常検出信号は、調節部３４に向けて出力される。

このように、異常検出信号に対して、反射波電力信号が大きいか否かの判別条件を付加することにより、インピーダンスが整合されているか否かの条件が付加されることになり、出力異常をより精度よく検出し、出力することができる。

図６は、さらに上記した異常検出回路の変形例を示す図である。図６に示す異常検出回路３６Ｂでは、パワーアンプ部１３からの入力電流検出信号Ｉdcおよび入力電圧検出信号Ｖdcによってインピーダンスを算出し、そのインピーダンスが正常範囲であるか否かを判別して、上記効率ηが正常範囲であるか否かの判別結果に付加された形で異常検出信号を出力するようにしている。

具体的には、図４に示した異常検出回路３６に加えて、除算器４５、コンパレータＣＰ３，ＣＰ４、およびＡＮＤ回路４４，４６が設けられている。

除算器４５は、パワーアンプ部１３からの入力電流検出信号Ｉdcおよび入力電圧検出信号Ｖdcを入力して、それらの比を演算するものであり、この場合、入力電圧検出信号Ｖdcを入力電流検出信号Ｉdcで除算することにより、インピーダンスを求める。除算器４５によって求められたインピーダンスの値は、コンパレータＣＰ３，ＣＰ４に入力される。

コンパレータＣＰ３，ＣＰ４では、除算器４５によって求められたインピーダンスの値と、予め設定されたインピーダンス上限値Ｚref1とインピーダンス下限値Ｚref2との範囲内であるか否かが判別され、当該インピーダンスの値が正常範囲にある場合、ＡＮＤ回路４６の出力端子からは、「ＨＩＧＨ」レベルが出力される。そして、ＡＮＤ回路４４によって、このＡＮＤ回路４６の出力とＯＲ回路４３の出力との論理積が求められ、ＡＮＤ回路４４の出力からは、異常検出信号が出力される。

すなわち、インピーダンスが正常の場合であって、かつ直流入力電力Ｗと出力電力設定信号ＰＳとの比である効率ηが正常範囲にないとき、異常検出信号が出力される。この異常検出信号は、調節部３４に向けて出力される。また、インピーダンスが異常の場合には、異常検出信号は出力されない。このように、効率ηに基づいて異常検出信号を出力する場合、入力インピーダンスの値が加味されていてもよく、この構成により、出力異常をより精度よく検出し、出力することができる。

また、図３に示した異常検出回路３６に加えられる整合条件として、たとえばインピーダンス整合装置２からのインピーダンスが整合状態にあるか否かを示す整合状態信号を用いるようにしてもよい。

もちろん、この発明の範囲は上述した実施の形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、パワーアンプ部１３にインバータ方式が採用されたが、これに代えて、リニアアンプ方式のパワーアンプ部が採用されてもよい。リニアアンプ方式のパワーアンプ部であっても、各設定電力に対する直流入力電力Ｗと出力電力設定信号ＰＳとの比はほぼ一定であるため、同様に進行波電力の異常を検知することができる。

本願発明の高周波電源装置が適用されるシステム構成図である。 図１に示す高周波電源装置の構成を示す図である。 高周波電源装置の制御部の構成を示す図である。 異常検出回路の構成を示す図である。 変形例の異常検出回路の構成を示す図である。 他の変形例の異常検出回路の構成を示す図である。 従来の高周波電源装置が適用されるシステム構成図である。

符号の説明

１ 高周波電源装置
２ インピーダンス整合装置
３ プラズマ処理装置（負荷）
１２ ＤＣ−ＤＣコンバータ部
１６ 制御部
１５ パワー検出部
１３ パワーアンプ部
２１ 高周波インバータ部
３６ 異常検出回路
４１ 乗算器
４２ 除算器
Ｐ 商用電源

Claims (9)

1. 直流電力を所定周波数の交流電力に変換する電力変換回路の前段に当該電力変換回路に入力する直流電圧を変化させる直流電圧変換回路を有するとともに、前記電力変換回路の後段に出力端子から負荷に出力される高周波電力を検出する電力検出部と、前記直流電圧変換回路の直流電圧変換動作を制御する制御部とを有し、当該制御部により、前記電力検出部の検出値が予め設定された前記出力端子の出力電力の目標値となるように前記直流電圧変換回路の直流電圧変換動作が制御される高周波電源装置であって、
   前記直流電圧変換回路から前記電力変換回路に入力される直流電力を検出する電力検出手段と、
   前記電力検出手段で検出される直流電力に対する前記出力端子の出力電力の目標値の比を算出し、その比が所定の範囲内にあるか否かを判別する第１の判別手段と、
   前記第１の判別手段で前記比が前記所定の範囲内にないと判別されたとき、装置内に異常があると判別する異常判別手段と、
   を備えたことを特徴とする、高周波電源装置。
2. 前記電力検出手段は、
   前記電力変換回路の入力電流と入力電圧を検出する入力電流・電圧検出手段と、
   前記入力電流・電圧検出手段によって検出された入力電流と入力電圧とを乗算して前記直流電力を求める直流電力算出手段と、
   によって構成されている、請求項１に記載の高周波電源装置。
3. 前記異常判別手段は、
   前記負荷とのインピーダンス整合が取れているか否かを判別する整合状態判別手段を備え、
   前記整合状態判別手段によってインピーダンス整合が取れていると判別され、かつ、前記第１の判別手段によって前記比が前記所定の範囲内にないと判別されたときに、異常があると判別する、請求項１または２に記載の高周波電源装置。
4. 前記整合状態判別手段は、前記出力端子における反射波電力を検出する反射波電力検出手段と、前記反射波電力検出手段で検出された反射波電力に基づいて前記負荷とのインピーダンス整合が取れているか否かを判別する第２の判別手段とを含む、請求項３に記載の高周波電源装置。
5. 前記第２の判別手段は、
   前記反射波電力検出手段によって検出された反射波電力が所定の閾値以下であるか否かによって前記負荷とのインピーダンス整合が取れているか否かを判別する、請求項４に記載の高周波電源装置。
6. 前記異常判別手段は、
   前記出力端子と前記負荷との間に介装されるインピーダンス整合装置から出力される、当該インピーダンス整合装置が整合状態にあるか否かを示す整合状態信号を入力するための入力部を備え、
   前記整合状態信号が前記整合状態にあることを示す信号であり、かつ前記第１の判別手段によって前記比が前記所定の範囲内にないと判別されたときに、異常があると判別する、請求項１または２に記載の高周波電源装置。
7. 前記異常判別手段は、
   前記入力電流・電圧検出手段で検出された入力電流及び入力電圧から前記電力変換回路におけるインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、
   前記インピーダンス算出手段によって算出されたインピーダンスが所定の範囲内にあるか否かを判別する第３の判別手段と、を備え、
   前記第３の判別手段によってインピーダンス整合が所定の範囲内にあると判別され、かつ、前記第１の判別手段によって前記比が前記所定の範囲内にないと判別されたときに、異常があると判別する、請求項２に記載の高周波電源装置。
8. 前記異常判別手段によって異常があると判別されたとき、前記電力変換回路の出力を停止する停止手段を更に備える、請求項１ないし７のいずれかに記載の高周波電源装置。
9. 前記異常判別手段によって異常があると判別されたとき、異常があることを示す信号を外部に出力する異常出力手段を更に備える、請求項１ないし８のいずれかに記載の高周波電源装置。

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