JP4842752B2 - プラズマ処理システムのアーク検出装置、アーク検出装置を実現するためのプログラム及び記憶媒体 - Google Patents

Description

本願発明は、半導体製造工程に使用されるプラズマ処理システムのアーク検出装置、アーク検出装置を実現するためのプログラム及び記憶媒体に関するものである。

従来、プラズマ処理システムとしては、図７に示すように、例えば高周波電力を出力するための高周波電源装置５１と、この高周波電源装置５１に伝送ケーブル５２を介して接続され、高周波電源装置５１の入力インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合するためのインピーダンス整合器５３と、このインピーダンス整合器５３に負荷接続部５４を介して接続され、例えば負荷としてのプラズマ処理装置５５とで構成されている。

高周波電源装置５１は、プラズマ処理装置５５に対して高周波電力を供給するための装置であり、例えば図示しない電力増幅回路や発振回路等を備え、所定の電力に設定された高周波電力をインピーダンス整合器５３を介してプラズマ処理装置５５に出力する。

プラズマ処理装置５５は、エッチングやＣＶＤ等の方法を用いて半導体ウェハや液晶基板等の被加工物を加工するための装置である。より詳細には、プラズマ処理装置５５は、プラズマチャンバーの内部に備えられた真空容器に一対の電極を設けた構成とされ、その真空容器にプラズマ発生用の窒素ガス又はアルゴンガス等が導入され、一対の電極間に高周波電力を供給して上記ガスを電離させて、プラズマを発生させるものである。発生されたプラズマは、半導体ウェハや液晶基板等の被加工物を加工するために利用される。

プラズマ処理装置５５では、プラズマ処理中にアークが発生することがある。アークが発生すると、それによって半導体ウェハや液晶基板等の被加工物を損傷したり、アークが大きい場合は、プラズマ処理装置５５を破損してしまうことがあるので、高周波電源装置５１では、通常、アークの発生を事前に検出し、プラズマ処理装置５５に対する高周波電力の供給量を低減したり、供給自体を停止させることが行われている。

例えば、特開平８−１６７５００号公報には、プラズマ処理装置への入射電力やプラズマ処理装置からの反射電力を検出し、その検出値の変化パターンからアーク発生を判別し、アーク発生と判別されたときには高周波電源装置５１の出力を抑制したり、出力を停止したりすることが記載されている。

特開平８−１６７５００号公報

プラズマ処理装置５５では、上記のように、真空容器に封入した窒素ガスやアルゴンガスに高周波電力を供給してこれらのガスをイオン化し、このイオン化したガスを被加工物に照射することにより所定のプラズマ処理を行うようになっているため、このプラズマ処理中のプラズマ処理装置５５のインピーダンスは常に変動し、不安定な状態となっている。

このため、可及的にプラズマ処理装置５５のインピーダンスの変動に関係なく、高周波電源装置５１から供給される高周波電力が効率良くプラズマ処理装置５５に供給されるようにするため、インピーダンス整合器５３が設けられている。

プラズマ処理装置５５で正常にプラズマ処理が行われる場合は、プラズマ処理装置５５のインピーダンスが変動してもインピーダンス整合器５３により効果的にインピーダンスの整合が図られるので、プラズマ処理装置５５からの反射電力は極めて小さい。しかしながら、プラズマ処理装置５５でアークが発生し、例えば１回の放電量で被加工物を損傷したり、プラズマ処理装置５５を破損したりするようなアーク（以下、「ハードアーク」という。）の場合は、プラズマ処理装置５５のインピーダンスが急変し、インピーダンス整合器５３によるインピーダンス整合動作は追従できないので、プラズマ処理装置５５からの反射電力が急増することになる。

上記公報に記載される反射電力の変化に基くアーク検出方法は、プラズマ処理中にプラズマ処理装置５５からの反射電力の変化率を監視し、所定の閾値以上の急激な反射電力の変化が生じたときにアーク放電が発生したと判別してアークの検出信号を出力するものであるが、主として、ハードアークの検出を目的とするため、所定の閾値は、その目的を達成し得るような適当な値に設定されているのが通常である。

一方、アークの中には、１回の放電では被加工物を損傷するほどではないが、放電が連続して繰り返されると、被加工物に処理むらや焦げなどの加工品質に悪影響を与える微小なアーク（以下、「ソフトアーク」という。）が存在する。

そして、近年は、被加工物の品質を可能な限り高精度に管理するために、プラズマ処理中のプラズマ処理装置５５内のソフトアークの発生状態についても関心が高まっている。

上記従来のアーク検出方法によれば、アーク発生を判別するための所定の閾値を小さくすれば、ソフトアークを検出することも可能になるが、ソフトアーク発生時の反射電力の変化量は微小であるので、通常のインピーダンス変動に基づく反射電力の変化量と区別できない場合が多く、所定の閾値を小さくしたことによって、返って通常のインピーダンス変動をアーク発生と誤検出することが多くなるという問題が生じる。

上記したように、プラズマ処理システムにおいては、通常、アークの発生を検出した場合には、プラズマ処理装置５５に対する高周波電力の供給量を抑制したり、停止させたりするので、アークの誤検出によってプラズマ処理システムが停止されると、液晶基板等の生産性を著しく低下させるという問題が生じる。

ユーザにとっては、プラズマ処理中にプラズマ処理装置５５内で生じるアークを検出し、プラズマ処理装置５５等の損傷防止などのための適切な措置を速やかに行うことは重要であるが、その一方でアーク誤検出によるプラズマ処理の中断若しくは停止を防止することもプラズマ処理装置５５等の損傷防止と同様に重要である。

従来のアーク検出方法は、プラズマ処理装置（負荷）のインピーダンス変動に基づく反射電力の変化の様子からアーク発生の有無を検出しているので、アークが発生していない場合にもアーク発生と誤検出されることがあり、検出精度として十分とはいえず、より検出精度の高いアーク検出方法が要望されているのが現状である。

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、プラズマ処理システムにおけるアークの発生を高い精度で検出することのできるアーク検出装置を提供することを、その課題とする。

上記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。

本願発明の第１の側面によって提供されるプラズマ処理システムのアーク検出装置は、高周波電力を発生する高周波電力発生手段と、前記高周波電力発生手段から供給される高周波電力によりプラズマを発生させて被加工物に所定の加工処理を行うプラズマ処理手段と、交流電圧信号及び交流電流信号を検出する電圧／電流信号検出手段とを備えるプラズマ処理システムのアーク検出装置であって、前記交流電圧信号と交流電流信号との位相差を演算する位相差演算手段と、前記交流電圧信号から電圧実効値を演算する電圧実効値演算手段と、前記交流電流信号から電流実効値を演算する電流実効値演算手段と、前記位相差演算手段により演算された位相差と、前記電圧実効値演算手段により演算された電圧実効値と、前記電流実効値演算手段により演算された電流実効値とから、前記プラズマ処理手段のインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、前記インピーダンス演算手段により演算されたインピーダンスの変化率が、所定範囲内か否かを判別する第１の判別手段と、前記第１の判別手段により所定範囲内でないと判別されたとき、以下の（ａ）〜（ｃ）の条件のうちの少なくとも１つの判別条件を判別する第２の判別手段と、前記第２の判別手段により前記判別条件が充足されたと判別されると、アークが発生したと判定するアーク判定手段とを備えたことを特徴とする（請求項１）。
（ａ）前記電圧実効値演算手段により演算された電圧実効値の変化率が所定範囲外である。
（ｂ）前記電流実効値演算手段により演算された電流実効値の変化率が所定範囲外である。
（ｃ）前記位相差演算手段により演算された位相差の変化率が所定範囲外である。

なお、前記インピーダンス演算手段は、前記位相差φ、前記電圧実効値Ｖｒｍｓ、および前記電流実効値Ｉｒｍｓから、下記式を用いて、前記プラズマ処理手段のインピーダンスの抵抗成分Ｒおよびリアクタンス成分Ｘを演算するとよい（請求項２）。

また、前記第２の判別手段は、前記（ａ）〜（ｃ）の条件のうちのいずれか２つ以上の判別条件を判別し、前記アーク判定手段は、前記第２の判別手段により前記判別条件がすべて充足されたと判別されると、アークが発生したと判定するとよい（請求項３）。
また、前記交流電圧信号と前記交流電流信号のいずれか一方若しくは両方に対して、所定の周波数のスペクトルのレベルを演算するＦＦＴ処理手段をさらに備え、前記第２の判別手段は、前記（ａ）〜（ｃ）の条件および以下の（ｄ）、（ｅ）の条件のうちの少なくとも１つの判別条件を判別するとよい（請求項４）。
（ｄ）前記ＦＦＴ処理手段により演算された前記交流電圧信号の所定の周波数のスペクトルのレベルが所定の値以上である。
（ｅ）前記ＦＦＴ処理手段により演算された前記交流電流信号の所定の周波数のスペクトルのレベルが所定の値以上である。

また、本願発明の第２の側面によって提供されるプラズマ処理システムのアーク検出装置は、高周波電力を発生する高周波電力発生手段と、前記高周波電力発生手段から供給される高周波電力によりプラズマを発生させて被加工物に所定の加工処理を行うプラズマ処理手段と、交流電圧信号及び交流電流信号を検出する電圧／電流信号検出手段と、前記プラズマ処理手段からの反射電力を検出する電力検出手段とを備えるプラズマ処理システムのアーク検出装置であって、前記電力検出手段により検出された反射電力の変化率が、所定範囲内か否かを判別する第１の判別手段と、前記交流電圧信号と交流電流信号との位相差を演算する位相差演算手段と、前記交流電圧信号から電圧実効値を演算する電圧実効値演算手段と、前記交流電流信号から電流実効値を演算する電流実効値演算手段と、前記交流電圧信号と前記交流電流信号のいずれか一方若しくは両方に対して、所定の周波数のスペクトルのレベルを演算するＦＦＴ処理手段と、前記第１の判別手段により所定範囲内でないと判別されたとき、以下の（ａ）〜（ｅ）の条件のうちの少なくとも１つの判別条件を判別する第２の判別手段と、前記第２の判別手段により前記判別条件が充足されたと判別されると、アークが発生したと判定するアーク判定手段とを備えたことを特徴とする（請求項５）。
（ａ）前記電圧実効値演算手段により演算された電圧実効値の変化率が所定範囲外である。
（ｂ）前記電流実効値演算手段により演算された電流実効値の変化率が所定範囲外である。
（ｃ）前記位相差演算手段により演算された位相差の変化率が所定範囲外である。
（ｄ）前記ＦＦＴ処理手段により演算された前記交流電圧信号の所定の周波数のスペクトルのレベルが所定の値以上である。
（ｅ）前記ＦＦＴ処理手段により演算された前記交流電流信号の所定の周波数のスペクトルのレベルが所定の値以上である。

また、本願発明の第３の側面によって提供されるプラズマ処理システムのアーク検出装置は、高周波電力を発生する高周波電力発生手段と、前記高周波電力発生手段から供給される高周波電力によりプラズマを発生させて被加工物に所定の加工処理を行うプラズマ処理手段と、交流電圧信号及び交流電流信号を検出する電圧／電流信号検出手段と、前記プラズマ処理手段の入力端における反射係数を検出する反射係数検出手段とを備えるプラズマ処理システムのアーク検出装置であって、前記反射係数検出手段により検出された反射係数の変化率が、所定範囲内か否かを判別する第１の判別手段と、前記交流電圧信号と交流電流信号との位相差を演算する位相差演算手段と、前記交流電圧信号から電圧実効値を演算する電圧実効値演算手段と、前記交流電流信号から電流実効値を演算する電流実効値演算手段と、前記交流電圧信号と前記交流電流信号のいずれか一方若しくは両方に対して、所定の周波数のスペクトルのレベルを演算するＦＦＴ処理手段と、前記第１の判別手段により所定範囲内でないと判別されたとき、以下の（ａ）〜（ｅ）の条件のうちの少なくとも１つの判別条件を判別する第２の判別手段と、前記第２の判別手段により前記判別条件が充足されたと判別されると、アークが発生したと判定するアーク判定手段とを備えたことを特徴とする（請求項６）。
（ａ）前記電圧実効値演算手段により演算された電圧実効値の変化率が所定範囲外である。
（ｂ）前記電流実効値演算手段により演算された電流実効値の変化率が所定範囲外である。
（ｃ）前記位相差演算手段により演算された位相差の変化率が所定範囲外である。
（ｄ）前記ＦＦＴ処理手段により演算された前記交流電圧信号の所定の周波数のスペクトルのレベルが所定の値以上である。
（ｅ）前記ＦＦＴ処理手段により演算された前記交流電流信号の所定の周波数のスペクトルのレベルが所定の値以上である。

なお、前記第２の判別手段は、前記前記（ａ）〜（ｅ）の条件のうちのいずれか２つ以上の判別条件を判別し、前記アーク判定手段は、前記第２の判別手段により前記判別条件がすべて充足されたと判別されると、アークが発生したと判定するとよい（請求項７）。本願発明の第４の側面によって提供されるプログラムは、コンピュータを、高周波電力を発生する高周波電力発生手段と、前記高周波電力発生手段から供給される高周波電力によりプラズマを発生させて被加工物に所定の加工処理を行うプラズマ処理手段と、交流電圧信号及び交流電流信号を検出する電圧／電流信号検出手段とを備えるプラズマ処理システムのアーク検出装置として機能させるためのプログラムであって、前記コンピュータを、前記交流電圧信号と交流電流信号との位相差を演算する位相差演算手段と、前記交流電圧信号から電圧実効値を演算する電圧実効値演算手段と、前記交流電流信号から電流実効値を演算する電流実効値演算手段と、前記位相差演算手段により演算された位相差と、前記電圧実効値演算手段により演算された電圧実効値と、前記電流実効値演算手段により演算された電流実効値とから、前記プラズマ処理手段のインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、前記インピーダンス演算手段により演算されたインピーダンスの変化率が、所定範囲内か否かを判別する第１の判別手段と、前記第１の判別手段により所定範囲内でないと判別されたとき、以下の（ａ）〜（ｃ）の条件のうちの少なくとも１つの判別条件を判別する第２の判別手段と、前記第２の判別手段により前記判別条件が充足されたと判別されると、アークが発生したと判定するアーク判定手段として機能させる（請求項８）。
（ａ）前記電圧実効値演算手段により演算された電圧実効値の変化率が所定範囲外である。
（ｂ）前記電流実効値演算手段により演算された電流実効値の変化率が所定範囲外である。
（ｃ）前記位相差演算手段により演算された位相差の変化率が所定範囲外である。
本願発明の第５の側面によって提供される記憶媒体は、請求項７に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である（請求項９）。

本願発明によれば、検出された交流電圧信号と交流電流信号とから、その位相差と電圧実効値と電流実効値とが演算され、これらの演算結果からインピーダンスが演算される。演算されたインピーダンスの変化率が所定範囲内で無い場合、アークが発生した可能性があると判別される。このとき、交流電圧信号の所定の周波数のスペクトルが所定の出力レベル以上になった場合、交流電流信号の所定の周波数のスペクトルが所定の出力レベル以上になった場合、電圧実効値の変化率が所定値以下になった場合、電流実効値の変化率が所定値以上になった場合、交流電圧信号と交流電流信号との位相差が所定範囲外になった場合のうち予め設定されている条件に該当する場合、アークが発生したと判定される。すなわち、アーク発生が、インピーダンスの変化率の条件と他の予め設定された条件との両方で監視され、両方の条件に合致した場合にアークが発生したと判定される。よって、ソフトアークを検出するためにインピーダンスの変化率を正常と判断する範囲を狭くしたことにより、正常なインピーダンス変動をアーク発生と判別しても、他の予め設定された条件には該当しないため、アーク発生と判定されることが無く、アークの誤検出を防ぐことができる。

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、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本願発明に係るアーク検出装置が適用されるプラズマ処理システムの一例を示す図である。このプラズマ処理システムは、半導体ウェハや液晶基板などの非加工物に対して高周波電力を供給して、例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。このプラズマ処理システムは、高周波電源装置１、インピーダンス整合装置２、電圧／電流検出装置３、負荷としてのプラズマ処理装置４、アーク検出装置５で構成されている。

高周波電源装置１には、例えば同軸ケーブルからなる伝送線路を介してインピーダンス整合装置２が接続され、インピーダンス整合装置２には電圧／電流検出装置３が、電圧／電流検出装置３にはプラズマ処理装置４がそれぞれ接続されている。アーク検出装置５は、高周波電源装置１と電圧／電流検出装置３とに接続されている。

高周波電源装置１は、高周波電力をプラズマ処理装置４に供給するものであって、例えば数百ｋＨｚ以上の出力周波数を有する高周波電力を出力することができる電源装置である。一般に、プラズマ処理装置４のプラズマ処理で使用される周波数は２．０ＭＨｚ若しくは１３．５６ＭＨｚであるので、高周波電源装置１は、プラズマ処理装置４に対しては、２．０ＭＨｚ若しくは１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給するようになっている。また、高周波電源装置１は、アーク検出装置５からアーク検出信号が入力された場合、所定の処理を行う。この処理には、アークが発生したことをユーザに報知する処理やその報知とともにアークの検出頻度のデータ蓄積処理などが含まれる。報知方法としては、監視用モニタにメッセージ表示したり、警報や発光によって報知することが考えられる。これらの処理はユーザの選択によって適宜、設定することができる。また、ユーザが希望する場合は、高周波電源装置１の出力を低下してソフトアークの発生を抑えたり、場合によっては、高周波電源装置１の出力停止を可能にしてもよい。

インピーダンス整合装置２は、高周波電源装置１とプラズマ処理装置４とのインピーダンスを整合させるものであり、図示しないが、インピーダンス素子であるキャパシタやインダクタ等を備えている。より具体的には、高周波電源装置１の出力端から高周波電源装置１側を見たインピーダンス（出力インピーダンス）が例えば５０Ωに設計され、高周波電源装置１の出力端が特性インピーダンス５０Ωの伝送線路での入力端に接続されているとすると、インピーダンス整合装置２は、当該インピーダンス整合装置２の入力端からプラズマ処理装置４側を見たインピーダンスを５０Ωに整合させる。なお、プラズマ処理装置４でプラズマ処理が開始されると、プラズマ処理の進行に応じて被加工物やプラズマの状態が変化し、これによりプラズマ処理装置４のインピーダンスが変化することになるが、正常にプラズマ処理が行われた場合のプラズマ処理装置４のインピーダンスの変化範囲は予め知ることができるので、このインピーダンスの変化範囲内の代表値をプラズマ処理装置４のインピーダンスとし、インピーダンス整合装置２はこのインピーダンスの代表値に対してインピーダンス整合を行うように構成されている。

電圧／電流検出装置３は、プラズマ処理装置４の入力端における高周波の電圧信号と電流信号とを検出する。電圧／電流検出装置３は、図２に示すように、主としてアナログの交流電圧信号を検出する電圧検出部３１ａと、アナログの交流電流信号を検出する電流検出部３１ｂとからなる。電圧検出部３１ａは伝送線路から交流電圧信号を検出し、増幅して出力するものであり、電流検出部３１ｂは伝送線路から交流電流信号を検出し、増幅して出力するものである。

電圧／電流検出装置３により検出された交流信号はアーク検出装置５でディジタル処理されるため、交流信号の検出レベルが低いと、ディジタル処理における演算の精度が悪化することがある。そのため、本実施形態では、電圧検出部３１ａ及び電流検出部３１ｂにおいて、検出された信号を増幅することで、安定したディジタル処理を行い得るようにしている。

プラズマ処理装置４は、半導体ウェハや液晶基板等の被加工物ＢをエッチングやＣＶＤ等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４は、プラズマを発生させるための窒素ガスやアルゴンガスなどの所定のガスを封入するための容器（チャンバー）４１と、高周波電源装置１からの高周波電力を容器内のガスに供給するための一対の電極４２，４３を備えている。

プラズマ処理装置４では、被加工物Ｂの加工目的に応じて各種の加工プロセスが実行される。例えば、被加工物Ｂ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、高周波電力の供給電力値、及び高周波電力の供給時間等が適切に設定された加工プロセスが行われる。加工プロセスでは、被加工物Ｂが配置される容器４１内に、例えば窒素やアルゴン等のプラズマ発生用ガスが封入され、電極４２，４３に高周波電力の供給が開始されると、電極４２，４３間に高周波電界Ｐが生じ、この高周波電界Ｐによりプラズマ発生用ガスがプラズマ状態になる。そして、プラズマ状態になったガスを用いて被加工物Ｂが加工される。

アーク検出装置５は、電圧／電流検出装置３から出力される交流電圧信号と交流電流信号をディジタル処理し、プラズマ処理装置４でアークが発生したことを検出すると、高周波電源装置１にアーク検出信号を送信する。

図２は、アーク検出装置５を示すブロック構成図である。アーク検出装置５は、電圧／電流検出装置３から出力されるアナログ信号（交流電圧信号と交流電流信号）をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部５１、Ａ／Ｄ変換部５１から出力されるディジタル信号（交流電圧と交流電流のディジタル信号。以下、交流電圧のディジタル信号を「交流電圧データ」と言い、交流電流のディジタル信号を「交流電流データ」と言う。）を所定の周期分記録する記録部５２、記録部５２に記録されている交流電圧データと交流電流データからそれぞれ所望の周波数の交流電圧データと交流電流データを抽出するディジタルフィルタ部５３、交流電圧信号の実効値Ｖrmsを演算する電圧実効値演算回路５４、交流電流信号の実効値Ｉrmsを演算する電流実効値演算回路５５、交流電圧信号と交流電流信号との間の位相差φを演算する位相差演算回路５６、記録部５２に記録されている交流電圧データから交流電圧信号に含まれる周波数成分の分布と交流電流データから交流電流信号に含まれる周波数成分の分布とをそれぞれ演算するＦＦＴ（Fast Fourier transformation 高速フーリエ変換）処理部５７、及び、各実効値演算回路５４、５５、位相差演算回路５６、ＦＦＴ処理部５７により出力された情報を解析してアークの発生を検出するアーク解析部５８により構成されている。

Ａ／Ｄ変換部５１は、交流電圧信号に対するＡ／Ｄ変換回路５１ａと交流電流信号に対するＡ／Ｄ変換回路５１ｂを有している。記録部５２は、交流電圧データを記録する正弦波保存メモリ５２ａと交流電流データを記録する正弦波保存メモリ５２ｂを有している。正弦波保存メモリ５２ａ，５２ｂに記録されるデータの周期数は供給される電力の周波数により異なり、パラメータにより変更される。本実施形態においては、高周波電源装置１の供給する電力の周波数が２．０ＭＨｚの場合、正弦波保存メモリ５２ａ，５２ｂは、それぞれ１００周期分のデータを記録する。このとき、１００周期分の時間は５０μｓとなり、記録部５２には５０μｓごとにサンプリングされた１００周期分のデータが記録される。この１００周期分のデータは、ＦＦＴ処理部５７などの後段の回路で所定の処理が施され、アーク発生を判断するためのデータとして利用される。

ディジタルフィルタ部５３は、交流電圧データに対して所望の周波数の交流電圧データを抽出するための適応型ディジタルフィルタ５３ａと、交流電流データに対して所望の周波数の交流電流データを抽出するための適応型ディジタルフィルタ５３ｂとを有している。ここに所望の周波数とは、高周波電源装置１から出力される高周波電源の周波数で、例えばプラズマ処理システムに使用される２．０ＭＨｚの周波数である。

適応型ディジタルフィルタ５３ａ，５３ｂは、いわゆるＩＩＲ（infinite impulse response）ローパスフィルタからなり、入力される交流信号データのうち、所定の遮断周波数以上の周波数成分を除去するものであって、例えば、共振周波数ｆｏを所望の周波数に追従させることのできるディジタルフィルタである。適応型ディジタルフィルタ５３ａからは、交流電圧データ及び余弦データ［ａ］が出力され、適応型ディジタルフィルタ５３ｂからは、交流電流データが出力される。余弦データ［ａ］は、ディジタルフィルタの通過帯域の中心周波数を決定する係数であり、ディジタルフィルタにディジタルデータ（サンプリングデータ）が入力される毎に、その入力データのレベル値と出力データのレベル値との差が最小となるように演算される。本実施形態では、余弦データ［ａ］は、適応型ディジタルフィルタ５３ａから出力されているが、交流電流信号のほうが振幅が大きい場合は、適応型ディジタルフィルタ５３ｂから出力される。

電圧実効値演算回路５４は、適応型ディジタルフィルタ５３ａから出力される交流電圧データから実効値Ｖrmsを演算する。また、電流実効値演算回路５５は、適応型ディジタ
ルフィルタ５３ｂから出力される交流電流データから実効値Ｉrmsを演算する。

位相差演算回路５６は、適応型ディジタルフィルタ５３ａ，５３ｂから出力される交流電圧データ、交流電流データ及び余弦データ［ａ］から、両交流信号の位相差φを演算により求めるものである。

図３は、位相差演算回路５６を示すブロック構成図である。位相差演算回路５６は、２つの微分演算回路５６１，５６２と、算出演算回路５６３と、数式演算回路５６４とによって構成されている。

微分演算回路５６１は、交流電圧データｘ[ｋ]を微分して微分交流電圧データｘ′[ｋ]を出力するものである。微分演算回路５６２は、交流電流データｙ[ｋ]を微分して微分交流電流データｙ′[ｋ]を出力するものである。算出演算回路５６３は、入力される余弦データ［ａ］に基づいて１／（２sin ω）を演算により求め、その値を各微分演算回路５６１，５６２に出力するものである。数式演算回路５６４は、交流電圧データｘ[ｋ]及び交流電流データｙ[ｋ]と、微分演算回路５６１，５６２からの微分交流電圧データｘ′[ｋ]及び微分交流電流データｙ′[ｋ]に基づいて、下記に示す（１）〜（３）式により位相差φを演算するものである。

図２に戻って、ＦＦＴ処理部５７は、正弦波保存メモリ５２ａに記録されている交流電圧データを入力されるＦＦＴ処理回路５７ａと、正弦波保存メモリ５２ｂに記録されている交流電流データを入力されるＦＦＴ処理回路５７ｂを有している。ＦＦＴ処理回路５７ａは、高速フーリエ変換を用いて、記録部５２から入力された交流電圧データから周波数ごと（基本波と各高調波）のスペクトルの出力レベルを演算し、所定の周波数のスペクトルの出力レベルを出力する。ＦＦＴ処理回路５７ｂも同様の方法で記録部５２から入力された交流電流データから周波数ごと（基本波と各高調波）のスペクトルの出力レベルを演算し、所定の周波数のスペクトルの出力レベルを出力する。

高速フーリエ変換により得られる周波数分布において、高周波電源装置１が出力する電力の周波数のスペクトルが、基本スペクトルとして、最大の出力レベルで現れる。また、出力電力の高調波となる周波数にもスペクトルが現れる。例えば、高周波電源装置１が出力する電力の周波数が２．０ＭＨｚの場合、基本スペクトルが２．０ＭＨｚに、高調波のスペクトルが４．０ＭＨｚ、６．０ＭＨｚ、…２ｎＭＨｚに、それぞれ現れる（図４参照）。

ここで、プラズマ処理中にプラズマ処理装置４内にアークが発生した場合、一定の周波数のスペクトルが現れることが実験により明らかになっている。この一定の周波数は、プラズマ処理装置４内の状況や供給する電力の周波数により異なり、ＦＦＴ処理回路５７ａ，５７ｂに入力されるデータが交流電圧データか交流電流データかにより異なる。例えば、供給電力の周波数が２．０ＭＨｚのとき、アークが発生すると、交流電圧信号に２．１ＭＨｚのスペクトルが発生することが分かっている（図４参照）。

よって、交流電圧データ又は交流電流データを高速フーリエ変換して、アークが発生したときに現れるスペクトルの周波数を監視しておき、その周波数のスペクトルが所定の出力レベルに達した場合、アークが発生したと判定することができる。本実施形態では、交流電圧信号に２．１ＭＨｚのスペクトルが、基本スペクトルの５％の出力レベルで現れた場合、アークが発生していると判定する。なお、監視する周波数は、プラズマ処理装置４内の状況により異なり、２以上の周波数の場合や監視する対象が交流電圧データの場合や交流電流データの場合や両方の場合が有る。

アーク解析部５８は、電圧実効値演算回路５４で演算された交流電圧信号の実効値Ｖrms、電流実効値演算回路５５で演算された交流電流信号の実効値Ｉrms、及び位相差演算回路５６で演算された交流電圧信号と交流電流信号の位相差φからプラズマ処理装置４のインピーダンスを演算する。プラズマ処理装置４のインピーダンスは、抵抗成分Ｒ、リアクタンス成分Ｘとすると、それぞれ以下の（４）、（５）式により演算される。

アーク解析部５８は、演算したインピーダンスの変化率が所定範囲を超えたとき、アークが発生した可能性があると判断する。このときアーク解析部５８は、ＦＦＴ処理回路５７ａで演算された交流電圧信号の所定周波数スペクトルの出力レベル、及びＦＦＴ処理回路５７ｂで演算された交流電流信号の所定周波数スペクトルの出力レベルがそれぞれ所定の値以上の場合、アークが発生したと判定して、高周波電源装置１にアーク検出信号を送信する。なお、交流電圧信号の所定周波数スペクトルの出力レベルまたは交流電流信号の所定周波数スペクトルの出力レベルのどちらか一方が条件に該当した場合に、アークが発生したと判定してもよい。

また、プラズマ処理装置４内にアークが発生した場合、交流電圧信号の実効値Ｖrms、交流電流信号の実効値Ｉrms、交流電圧信号と交流電流信号の位相差φが一定の変化をすることも実験により明らかになっている。図５は、２．０ＭＨｚの供給電力の１００周期分の時間の実効値Ｖrms、実効値Ｉrms、位相差φの変化を示す図の一例である。プラズマ処理装置４内でアークが発生したために、図５において、実効値Ｖrmsと位相差φは急激に減少し、実効値Ｉrmsは急激に増加している。つまり、実効値Ｖrmsの変化率が所定値以下の場合や、位相差φの変化率が所定範囲外の場合、実効値Ｉrmsの変化率が所定値以上の場合もアークが発生したと判定できる。したがって、アーク解析部５８がアークが発生した可能性があると判断したとき、アーク発生の判定条件として、これらの条件も組み合わせることができる。

すなわち、アーク解析部５８おいて、アーク発生の可能性があると判断されたときにアーク発生を判定するための条件として、
（１）交流電圧信号の実効値Ｖrmsの変化率が所定値（本実施形態では−５％）以下の場合
（２）交流電流信号の実効値Ｉrmsの変化率が所定値（本実施形態では５％）以上の場合
（３）交流電圧信号と交流電流信号の位相差φの変化率が所定範囲（本実施形態の場合では±１５％）外の場合
（４）交流電圧信号の所定周波数（本実施形態の場合では２．１ＭＨｚ）のスペクトルの出力レベルが所定値（本実施形態の場合では５％）以上の場合
（５）交流電流信号の所定周波数（本実施形態の場合では２．１ＭＨｚ）のスペクトルの出力レベルが所定値（本実施形態の場合では５％）以上の場合
がある。各判定条件の最適な組み合わせ方は、プラズマ処理装置４内の状況や供給する電力の周波数などの使用条件により異なるので、ユーザは、使用条件に従って各判定条件のいずれか、又は２以上の組み合わせを、アーク解析部５８に設定する。

なお、上記の判定条件は、あくまでも一例である。例えば、加工プロセスの条件（ガス種類、ガス圧力等）が異なると、交流電圧信号の実効値Ｖrmsの変化率等も異なってくる。例えば、図５に示した例では、プラズマ処理装置４内にアークが発生したときに、実効値Ｖrmsが減少する場合を示したが、反対に実効値Ｖrmsが増加する場合も考えられる。したがって、使用する加工プロセスに合わせた判定条件を設定すればよい。

なお、インピーダンスの変化率が所定の範囲を超えて、アーク発生の可能性があると判断されたとき、この所定範囲より広い第２の所定範囲を設定しておき、インピーダンス変化率がこの第２の所定範囲を超えた場合は、プラズマ処理装置４のインピーダンスが急激に変化したのでハードアークが発生したと判断し、無条件に高周波電源装置１の出力を停止するようにしてもよい。また、本実施形態では、プラズマ処理装置４のインピーダンスの変化率が所定範囲を超えたとき、アークが発生した可能性があると判断したが、プラズマ処理装置４からの反射電力や反射係数の変化率が所定の値以上になったとき、アークが発生した可能性があると判断するようにしてもよい。

次に、アーク検出装置５における処理手順について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。

電圧／電流検出装置３から交流電圧信号及び交流電流信号が入力され（Ｓ１）、Ａ／Ｄ変換部５１でディジタル信号である交流電圧データ及び交流電流データに変換される（Ｓ２）。交流電圧データ及び交流電流データが記録部５２に記録される（Ｓ３）。

記録部５２に１００周期分のデータが蓄積されると、ディジタルフィルタ部５３で必要な周波数成分が抽出され、電圧実効値演算回路５４、電流実効値演算回路５５、および位相差演算回路５６でそれぞれ電圧実効値Ｖrms、電流実効値Irms、位相差φが演算される。アーク解析部５８において、これらの値から、プラズマ処理装置４のインピーダンスが演算される（Ｓ４）。

演算されたインピーダンスの変化率が所定範囲内であるか否かが判別される（Ｓ５）。所定範囲を超えた場合は(Ｓ５：ＮＯ）、アークが発生した可能性があるので、設定されている判定条件により、アーク発生か否かが判定される（Ｓ６）。アーク発生と判定された場合は（Ｓ６：ＹＥＳ)、高周波電源装置１にアーク検出信号が送信され（Ｓ７）、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ６において、アーク発生と判定されなかった場合は(Ｓ６：ＮＯ)、ステップ１に戻る。

ステップＳ５において、インピーダンスの変化率が所定範囲内の場合は（Ｓ５：ＹＥＳ）、ステップ１に戻る。

上記のように、本実施形態によれば、インピーダンスの変化率でアーク発生の可能性を判別した後、他の判定条件でアーク発生か否かが判定される。よって、ソフトアークを検出するために、インピーダンスの変化率を正常と判断する範囲を狭くして、正常なインピーダンス変動をアーク発生と判別しても、他の判定条件には該当しないため、アークの誤検出を防ぐことができる。

なお、上記実施形態では、高周波電源装置が固定周波数方式で、インピーダンス整合装置が可変インピーダンス整合装置の場合を説明したが、可変周波数方式の高周波電源と固定インピーダンス整合装置との組み合わせのプラズマ処理装置であっても、本願発明に係るアーク検出装置は使用することができる。

本願発明に係るアーク検出装置が適用されるプラズマ処理システムの一例を示す図である。 本願発明に係るアーク検出装置を示すブロック構成図である。 位相差演算回路を示すブロック構成図である。 ２．０ＭＨｚの供給電力の交流電圧信号に高速フーリエ変換を行って得られたスペクトル分布を示す図である。 ２．０ＭＨｚの高周波電力を供給した場合の１００周期分の時間の電圧実効値Ｖrms、電流実効値Ｉrms、位相差φの変化を示す図である。 本願発明に係るアーク検出装置における処理手順についてのフローチャートである。 従来のプラズマ処理システムの一例を示す図である。

１ 高周波電源装置
２ インピーダンス整合装置
３ 電圧／電流検出装置
３ａ 電圧検出部
３ｂ 電流検出部
４ プラズマ処理装置
５ アーク検出装置
５１ Ａ／Ｄ変換回部
５１ａ，５１ｂ Ａ／Ｄ変換回路
５２ 記録部
５２ａ，５２ｂ 正弦波保存メモリ
５３ ディジタルフィルタ部
５３ａ，５３ｂ 適応型ディジタルフィルタ
５４ 電圧実効値演算回路
５５ 電流実効値演算回路
５６ 位相差演算回路
５６１，５６２ 微分演算回路
５６３ 算出演算回路
５６４ 数式演算回路
５７ ＦＦＴ処理部
５７ａ，５７ｂ ＦＦＴ処理回路
５８ アーク解析部

Claims (9)

1. 高周波電力を発生する高周波電力発生手段と、前記高周波電力発生手段から供給される高周波電力によりプラズマを発生させて被加工物に所定の加工処理を行うプラズマ処理手段と、交流電圧信号及び交流電流信号を検出する電圧／電流信号検出手段とを備えるプラズマ処理システムのアーク検出装置であって、
   前記交流電圧信号と交流電流信号との位相差を演算する位相差演算手段と、
   前記交流電圧信号から電圧実効値を演算する電圧実効値演算手段と、
   前記交流電流信号から電流実効値を演算する電流実効値演算手段と、
   前記位相差演算手段により演算された位相差と、前記電圧実効値演算手段により演算された電圧実効値と、前記電流実効値演算手段により演算された電流実効値とから、前記プラズマ処理手段のインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、
   前記インピーダンス演算手段により演算されたインピーダンスの変化率が、所定範囲内か否かを判別する第１の判別手段と、
   前記第１の判別手段により所定範囲内でないと判別されたとき、以下の（ａ）〜（ｃ）の条件のうちの少なくとも１つの判別条件を判別する第２の判別手段と、
   前記第２の判別手段により前記判別条件が充足されたと判別されると、アークが発生したと判定するアーク判定手段と、
   を備えたことを特徴とするプラズマ処理システムのアーク検出装置。
   （ａ）前記電圧実効値演算手段により演算された電圧実効値の変化率が所定範囲外である。
   （ｂ）前記電流実効値演算手段により演算された電流実効値の変化率が所定範囲外である。
   （ｃ）前記位相差演算手段により演算された位相差の変化率が所定範囲外である。
2. 前記インピーダンス演算手段は、前記位相差φ、前記電圧実効値Ｖｒｍｓ、および前記電流実効値Ｉｒｍｓから、下記式を用いて、前記プラズマ処理手段のインピーダンスの抵抗成分Ｒおよびリアクタンス成分Ｘを演算する、
   請求項１に記載のプラズマ処理システムのアーク検出装置。
   

   
3. 前記第２の判別手段は、前記（ａ）〜（ｃ）の条件のうちのいずれか２つ以上の判別条件を判別し、
   前記アーク判定手段は、前記第２の判別手段により前記判別条件がすべて充足されたと判別されると、アークが発生したと判定する、
   請求項１または２に記載のプラズマ処理システムのアーク検出装置。
4. 前記交流電圧信号と前記交流電流信号のいずれか一方若しくは両方に対して、所定の周波数のスペクトルのレベルを演算するＦＦＴ処理手段をさらに備え、
   前記第２の判別手段は、前記（ａ）〜（ｃ）の条件および以下の（ｄ）、（ｅ）の条件のうちの少なくとも１つの判別条件を判別する、
   請求項１または２に記載のプラズマ処理システムのアーク検出装置。
   （ｄ）前記ＦＦＴ処理手段により演算された前記交流電圧信号の所定の周波数のスペクトルのレベルが所定の値以上である。
   （ｅ）前記ＦＦＴ処理手段により演算された前記交流電流信号の所定の周波数のスペクトルのレベルが所定の値以上である。
5. 高周波電力を発生する高周波電力発生手段と、前記高周波電力発生手段から供給される高周波電力によりプラズマを発生させて被加工物に所定の加工処理を行うプラズマ処理手段と、交流電圧信号及び交流電流信号を検出する電圧／電流信号検出手段と、前記プラズマ処理手段からの反射電力を検出する電力検出手段とを備えるプラズマ処理システムのアーク検出装置であって、
   前記電力検出手段により検出された反射電力の変化率が、所定範囲内か否かを判別する第１の判別手段と、
   前記交流電圧信号と交流電流信号との位相差を演算する位相差演算手段と、
   前記交流電圧信号から電圧実効値を演算する電圧実効値演算手段と、
   前記交流電流信号から電流実効値を演算する電流実効値演算手段と、
   前記交流電圧信号と前記交流電流信号のいずれか一方若しくは両方に対して、所定の周波数のスペクトルのレベルを演算するＦＦＴ処理手段と、
   前記第１の判別手段により所定範囲内でないと判別されたとき、以下の（ａ）〜（ｅ）の条件のうちの少なくとも１つの判別条件を判別する第２の判別手段と、
   前記第２の判別手段により前記判別条件が充足されたと判別されると、アークが発生したと判定するアーク判定手段と、
   を備えたことを特徴とするプラズマ処理システムのアーク検出装置。
   （ａ）前記電圧実効値演算手段により演算された電圧実効値の変化率が所定範囲外である。
   （ｂ）前記電流実効値演算手段により演算された電流実効値の変化率が所定範囲外である。
   （ｃ）前記位相差演算手段により演算された位相差の変化率が所定範囲外である。
   （ｄ）前記ＦＦＴ処理手段により演算された前記交流電圧信号の所定の周波数のスペクトルのレベルが所定の値以上である。
   （ｅ）前記ＦＦＴ処理手段により演算された前記交流電流信号の所定の周波数のスペクトルのレベルが所定の値以上である。
6. 高周波電力を発生する高周波電力発生手段と、前記高周波電力発生手段から供給される高周波電力によりプラズマを発生させて被加工物に所定の加工処理を行うプラズマ処理手段と、交流電圧信号及び交流電流信号を検出する電圧／電流信号検出手段と、前記プラズマ処理手段の入力端における反射係数を検出する反射係数検出手段とを備えるプラズマ処理システムのアーク検出装置であって、
   前記反射係数検出手段により検出された反射係数の変化率が、所定範囲内か否かを判別する第１の判別手段と、
   前記交流電圧信号と交流電流信号との位相差を演算する位相差演算手段と、
   前記交流電圧信号から電圧実効値を演算する電圧実効値演算手段と、
   前記交流電流信号から電流実効値を演算する電流実効値演算手段と、
   前記交流電圧信号と前記交流電流信号のいずれか一方若しくは両方に対して、所定の周波数のスペクトルのレベルを演算するＦＦＴ処理手段と、
   前記第１の判別手段により所定範囲内でないと判別されたとき、以下の（ａ）〜（ｅ）の条件のうちの少なくとも１つの判別条件を判別する第２の判別手段と、
   前記第２の判別手段により前記判別条件が充足されたと判別されると、アークが発生したと判定するアーク判定手段と、
   を備えたことを特徴とするプラズマ処理システムのアーク検出装置。
   （ａ）前記電圧実効値演算手段により演算された電圧実効値の変化率が所定範囲外である。
   （ｂ）前記電流実効値演算手段により演算された電流実効値の変化率が所定範囲外である。
   （ｃ）前記位相差演算手段により演算された位相差の変化率が所定範囲外である。
   （ｄ）前記ＦＦＴ処理手段により演算された前記交流電圧信号の所定の周波数のスペクトルのレベルが所定の値以上である。
   （ｅ）前記ＦＦＴ処理手段により演算された前記交流電流信号の所定の周波数のスペクトルのレベルが所定の値以上である。
7. 前記第２の判別手段は、前記（ａ）〜（ｅ）の条件のうちのいずれか２つ以上の判別条件を判別し、
   前記アーク判定手段は、前記第２の判別手段により前記判別条件がすべて充足されたと判別されると、アークが発生したと判定する、
   請求項４〜６のいずれかに記載のプラズマ処理システムのアーク検出装置。
8. コンピュータを、
   高周波電力を発生する高周波電力発生手段と、前記高周波電力発生手段から供給される高周波電力によりプラズマを発生させて被加工物に所定の加工処理を行うプラズマ処理手段と、交流電圧信号及び交流電流信号を検出する電圧／電流信号検出手段とを備えるプラズマ処理システムのアーク検出装置として機能させるためのプログラムであって、
   前記コンピュータを、
   前記交流電圧信号と交流電流信号との位相差を演算する位相差演算手段と、
   前記交流電圧信号から電圧実効値を演算する電圧実効値演算手段と、
   前記交流電流信号から電流実効値を演算する電流実効値演算手段と、
   前記位相差演算手段により演算された位相差と、前記電圧実効値演算手段により演算された電圧実効値と、前記電流実効値演算手段により演算された電流実効値とから、前記プラズマ処理手段のインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段と、
   前記インピーダンス演算手段により演算されたインピーダンスの変化率が、所定範囲内か否かを判別する第１の判別手段と、
   前記第１の判別手段により所定範囲内でないと判別されたとき、以下の（ａ）〜（ｃ）の条件のうちの少なくとも１つの判別条件を判別する第２の判別手段と、
   前記第２の判別手段により前記判別条件が充足されたと判別されると、アークが発生したと判定するアーク判定手段と、
   して機能させるためのプログラム。
   （ａ）前記電圧実効値演算手段により演算された電圧実効値の変化率が所定範囲外である。
   （ｂ）前記電流実効値演算手段により演算された電流実効値の変化率が所定範囲外である。
   （ｃ）前記位相差演算手段により演算された位相差の変化率が所定範囲外である。
9. 請求項８に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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