JP5850581B2 - プラズマ未着火状態判別装置およびプラズマ未着火判別方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマの未着火状態検出に関し、高周波電源（ＲＦ電源）からの高周波電力供給によるプラズマ生成において、プラズマの未着火状態を検出する検出装置および検出方法に関する。

半導体製造装置や電子デバイス製造装置等のプラズマ処理装置、ＣＯ_２レーザ加工機等のプラズマ発生装置では高周波（ＲＦ）により生成されるプラズマを用いることが知られている。プラズマ生成は高周波電源（ＲＦ電源）をＣＷ駆動（Continuous wave:無変調連続波）あるいはパルス駆動によって行うことが知られている。

図２０は高周波電源（ＲＦ電源）によるプラズマ負荷の駆動を説明するための概略図である。図２０において、高周波電源（ＲＦ電源）１００から出力されたパルス出力は、整合器１０１を介してプラズマ処理装置やＣＯ_２レーザ加工機等のプラズマ負荷１０２に供給される。

高周波電源のパルス駆動によるパルス出力はオフ状態とオン状態とを高周波で繰り返す高周波（ＲＦ）出力である。高周波電源（ＲＦ電源）のパルス駆動では、プラズマ負荷に対してパルス出力の進行波電圧が断続的に供給されるため、プラズマ負荷のプラズマは点灯と消灯とを繰り返すことになる。

高周波（ＲＦ）出力がオン状態とオフ状態との間で切り替わる時は、パルス駆動状態が正常であっても反射波が発生する。高周波（ＲＦ）出力がオフ状態からオン状態に切り替わる時点からプラズマが着火するまでの間で反射係数Γがほぼ１となって（Γ≒１）不整合状態が発生するため一時的に全反射状態となる。このとき、プラズマ負荷から高周波電源に向かって反射波が発生する。反射波の発生要因としては、例えば整合器の固有振動やプラズマの着火動作等がある。

このパルス駆動時の反射波は、プラズマ着火動作においては、プラズマが正常に着火した状態、およびプラズマが正常に着火せず未着火の状態の何れの状態においても発生する。

発生した反射波が高周波電源に入力すると、反射波の高電圧によって高周波電源が備えるＲＦ電力増幅素子が素子破損する場合がある。

このような反射波による素子破損を防ぐために、負荷から高周波電源に戻る反射波の発生を検出し、反射波の検出に基づいて高周波電源の出力を垂下させたり、停止させることが知られている。

反射波が発生する一要因であるプラズマの未着火状態を検出する技術として、パワーモニタによって負荷から高周波電源に戻る反射波をモニタし、反射波の波高値がしきい値よりも低いときにはプラズマが着火したと判断し、反射波の波高値がしきい値よりも高いときにはプラズマが未着火であると判断することが知られている（特許文献１参照）。

また、高周波発振装置を反射波から保護するために、反射波が規定値を超えた場合に高周波出力を垂下させたり、出力を一時停止させること（特許文献２参照）や、反射波電力と設定反射波電力との偏差に基づいて進行波電力を低下（垂下）させること（特許文献３参照）が知られている。

特開平９−２６００９６号公報（段落［0043］、段落［0044］） 特開２００４−３９８４４号公報（段落［0010］、段落［0044］） 特開２００４−８８９３号公報（段落［0011］、段落［0019］）

（ａ）パルス駆動によるプラズマ着火における高周波電力の供給において、不整合による反射波に対して、プラズマ未着火状態においては、出力垂下や出力停止によってＲＦ電力増幅素子の破損を防ぐ保護動作が求められ、他方、正常なプラズマ着火状態においては、出力垂下や出力停止を行なうことなく高周波電力を継続することが求められる。

このようなプラズマ着火状態と未着火状態とでは異なる対処が求められるが、従来の反射波の波高値に基づくプラズマの未着火状態の検出では、正常な着火状態において繰り返して発生する反射波と未着火状態において発生する反射波とを区別することなく検出するため、プラズマ着火状態で発生する反射波をプラズマ未着火状態の全反射波として誤検出するおそれがある。

このようなプラズマ着火状態での誤検出に基づいて出力垂下や出力停止の保護動作を行うと、プラズマが正常に着火しているにも係わらず高周波電力の供給が制限されることになるため、正常に着火しているプラズマが一時的に不安定な状態となったり、プラズマが消失するといった不都合な状態となるおそれがある。このようなプラズマの不安定動作は、例えば半導体製造では製品の品質劣化の要因となる。

（ｂ）また、従来の反射波の波高値に基づくプラズマの未着火状態の検出は、反射波の一時的な突出変動を検出するが、所定期間にわたる出力状態を検出することができないため、プラズマ未着火状態のように全反射波が所定期間にわたって継続する状態を検出することができない。

そのため、反射波が所定時間継続してＲＦ電力増幅素子に印加されて加熱され、この加熱の蓄熱によるＲＦ電力増幅素子の熱破損に対する素子保護に対応することができないという問題がある。

したがって、反射波の波高値に基づくプラズマの未着火状態の検出では、（ａ）プラズマ着火状態における誤検出の問題、および、（ｂ）プラズマ未着火状態におけるＲＦ増幅素子の蓄熱による素子破損からの素子保護の問題を有している。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、反射波によるプラズマの未着火状態の検出において、正常なプラズマ着火時における誤検出を防いでプラズマ異常時の未着火状態を検出することを目的とする。

また、プラズマ未着火状態の検出において、プラズマ未着火状態において所定時間にわたって継続する全反射波を検出することを目的とする。

さらに、プラズマ未着火状態において所定時間にわたって継続する全反射波を検出することによって、プラズマ未着火状態におけるＲＦ増幅素子の蓄熱による素子破損から素子を保護することを目的とする。

本願発明は、上記課題に鑑み、高周波電源からパルス駆動によってプラズマ負荷に対してパルス出力を供給する際に、プラズマ負荷から高周波電源に戻る反射波の反射波電圧を検出し、検出した反射波電圧から得られる反射波の継続状態に基づいてプラズマ異常時の未着火状態を検出する。

本願発明は、プラズマ異常時の未着火状態の検出を反射波の継続状態に基づいて行うことによって、プラズマ異常時の未着火状態で発生する全反射波を、正常な着火状態で発生する反射波から区別して検出する。これによって、反射波電圧の波高値としきい値とを比較することによる未着火状態の検出において、正常な着火状態で発生する反射波を異常な未着火状態で発生する全反射として誤検出することを防ぐことができる。

本願発明は、高周波出力（ＲＦ出力）が出力された時点から高周波電源（ＲＦ電源）が許容可能な全反射波状態の継続時間以内にプラズマ未着火状態(異常)を検出する。高周波電源（ＲＦ電源）は、未着火状態を検出して出力される出力信号(異常信号)を受けると、出力垂下や出力停止の保護動作の処理を行って高周波電源を保護することができる。

本願発明によれば、プラズマが正常に着火している状態で繰り返し発生する瞬間的な反射については正常と判断して未着火状態検出信号を出力しない。一方、プラズマが未着火状態のまま高周波出力（ＲＦ出力）が印加された場合には、高周波出力が印加されている間、継続して発生する全反射波について異常として判断して未着火状態検出信号を出力する。

本願発明によれば、プラズマが正常に着火している状態において繰り返し発生する瞬間的な反射を正常状態と判断するため、未着火状態として誤検出することを防ぐことができる。

本願発明によれば、プラズマが未着火状態にあるとき、負荷に高周波出力（ＲＦ出力）が印加され、全反射波が継続的に発生する場合には、ＲＦ電力増幅素子に加わる熱量に対応する換算値を求めることによって、ＲＦ電力増幅素子の許容反射波耐量を超える前に未着火状態を検出し、異常信号を出力することができる。

正常な着火状態で発生する反射波に影響されることなくプラズマ異常時の未着火状態を検出することによって、正常な着火状態における安定したプラズマの確保と、プラズマ負荷の異常時におけるＲＦ電力増幅素子の破損防止とを同時に解決することができる。

本願発明によれば、高周波電源（ＲＦ電源）のＲＦ電力増幅素子の許容反射波耐量を超える前に保護動作が可能であるため、高周波電源（ＲＦ電源）の電力増幅素子の構成は、異常時の損失を考慮する必要がなく、正常運転時の損失を考慮しておけば十分であるため、必要最小限の構成で済むことができる。

本願発明は、方法の態様および装置の態様とすることができる。

[プラズマ未着火状態検出方法]
本発明のプラズマ未着火状態検出方法による態様は、高周波電源からパルス駆動によるプラズマ負荷に対するパルス出力の供給において、プラズマ負荷から高周波電源に向かう反射波電圧を検出し、検出した反射波電圧の波高値および変動状態に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求める。

求めた換算量とＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較し、比較結果に基づいてプラズマの未着火状態を検出する。求めた換算量がしきい値に満たない場合にはプラズマは未着火状態にないと判断し、求めた換算量がしきい値を超えた場合にはプラズマは未着火状態にあると判断してプラズマ未着火状態を検出する。

本発明のプラズマ未着火状態検出方法において、ＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求める工程として以下の第１の換算工程〜第３の換算工程を備え、求めた換算値に基づいてプラズマ未着火を検出する比較工程を備える。各換算工程および比較工程はアナログ処理あるいはデジタル処理で行うことができ、各工程は、ＣＰＵ、およびＣＰＵに各工程を実施させるプログラムを格納したメモリを備えた構成を用いてソフトウエアによって行うことができる。

第１の換算工程は、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を求める工程である。第１換算値は、検出した反射波電圧および反射波の継続時間に基づいて求める。

第２の換算工程は、高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される放熱量に対応する第２換算値を求める工程である。第２換算値は、パルス駆動の各周期において、反射波電圧Ｖ_ｒの波高値が零となってからの経過時間、又はパルス出力の印加開始からの経過時間に基づいて求める。

第３の換算工程は、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に蓄熱される蓄熱量に対応する第３換算値を求める工程である。第３換算値は、第１換算値と第２換算値との差分から求める。

比較工程は、求めた換算値としきい値とを比較してプラズマの未着火状態を検出する工程であり、第３の換算工程で求めた第３換算値とＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較し、第３換算値がしきい値を超えたときにプラズマの未着火状態を検出する。

本発明のプラズマ未着火状態検出方法の換算工程を行う形態として、充放電電圧による第１の形態、および数値演算による第２の形態を備える。

（換算工程の第１の形態）
換算工程の第１の形態は、充放電電圧に基づいて換算値を求める態様であり、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を反射波の充電電圧によって求め、高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される放熱量に対応する第２換算値を放電電圧によって求め、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に蓄熱される蓄熱量に対応する第３換算値を充電電圧から放電電圧を差し引いた電圧によって求める。

充放電において、正常時におけるパルス駆動のパルス周波数を設定し得る最大値とし、かつ、パルス駆動の一周期内でのＲＦ_ｏｎ区間のデューティー比を設定し得る最大値とするパルス駆動の駆動条件において、放電時定数（τ_ｄｉｓｃ）は充電時定数（τ_ｃ）よりも長く、かつ、充放電電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように選定する。

換算工程において、反射波電圧の波高値を充電時定数（τ_ｃ）で充電して得られる充電電圧を第１換算値として求め、第１換算値の充電電圧から放電時定数（τ_ｄｉｓｃ）で放電して得られる電圧を第３換算値として求める。

ここで、充放電はパルス駆動の一周期を単位として繰り返して行われ、一周期内において、反射波が発生している間を充電時間として充電し、反射波の発生が終了して反射波電圧の波高値が零である間を放電時間として放電する。この充放電の値は、反射波によってＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応するものとして換算される値であり、この換算値に基づいてプラズマの未着火状態を検出する。

プラズマが正常に着火した状態では、パルス駆動のパルス出力が供給されるＲＦ_ｏｎ区間の立ち上がり時および立ち下がり時で生じる不整合により一時的に反射波が発生する。一方、プラズマ異常によってプラズマが未着火状態にある状態では、パルス駆動のパルス出力が供給されるＲＦ_ｏｎ区間にわたって継続的に全反射波が発生する。

パルス駆動の一周期内において発生する反射波の充放電において、プラズマが正常に着火した状態では反射波はＲＦ_ｏｎ区間の立ち上がり時および立ち下がり時において一時的に発生するため、反射波が発生している短時間の間だけ充電が行われ、その後は放電によって充電電圧は零電圧まで低下する。零電圧まで放電した後には、次のパルス駆動の周期において零電圧からの充電と放電が再度繰り返される。

一方、プラズマ異常によるプラズマ未着火状態では反射波はＲＦ_ｏｎ区間にわたって継続的に全反射波が発生するため、ＲＦ_ｏｎ区間の間で充電が行われ、その後のＲＦ_ｏｆｆの区間で放電が行われて充電電圧は低下する。このとき、充放電の放電時定数（τ_ｄｉｓｃ）を充電時定数（τ_ｃ）よりも長く設定することによって、ＲＦ_ｏｆｆの区間の終了時点において充放電電圧は零電圧まで低下せず電圧が残留する。

パルス駆動の一周期内の充放電において充電電圧が零電圧まで放電せずに電圧が残存した場合には、次のパルス駆動の周期において残存した充電電圧から充電が行われ、この充放電を繰り返すことによって、充放電電圧は上昇していく。

ここで、プラズマ未着火状態を検出するためのしきい値として、ＲＦ電力増幅素子を熱損傷から保護するデバイス保護検知レベルに対応する充放電電圧を設定しておき、このしきい値と充放電電圧とを比較し、充放電電圧がしきい値を超えた場合には、ＲＦ電力増幅素子に印加された熱量がデバイス保護検知レベルを超えるに到ったと判断し、プラズマ未着火状態であるとして検出する。

充放電の放電時定数（τ_ｄｉｓｃ）は、充電時定数（τ_ｃ）よりも長く設定し、正常時においてパルス駆動のパルス周波数が設定し得る最大値であり、かつ、一周期内でのＲＦ_ｏｎ区間のデューティー比が設定し得る最大値でパルス駆動した場合において、充放電電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように選定する。

充放電の放電時定数（τ_ｄｉｓｃ）を充電時定数（τ_ｃ）よりも長く設定することによって、各周期の終了時の電圧を残留させることができ、残存電圧から次の周期の充放電を行うことによって複数周期で蓄積される充電電圧を求めることができる。この複数周期で得られる充電電圧は、複数周期のパルス出力によってＲＦ電力増幅素子に蓄積される熱量に対応する換算値であり、パルス駆動において一周期に限らず複数周期における蓄熱状態を充電電圧でモニタすることができる。

パルス駆動において、パルス周波数を設定し得る最大とし、パルス出力の周期を設定し得る最も短い周期とし、かつ、一周期内でのＲＦ_ｏｎ区間のデューティー比が設定し得る最大値とする駆動条件によれば、プラズマ着火状態が正常状態であるときに充放電電圧は最大とする。

このパルス駆動の条件において得られる充放電の電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように放電時定数（τ_ｄｉｓｃ）を選定することによって、プラズマ着火状態が正常状態であるときに、プラズマが未着火状態であると誤って検出することを防ぐことができる。

（換算工程の第２の形態）
換算工程の第２の形態は、反射波電圧の時間積分に基づいて換算値を求める態様であり、プラズマ駆動の一周期において、パルスを出力する区間の時間幅をＲＦ_ｏｎとし、パルスを出力しない区間の時間幅をＲＦ_ｏｆｆとしたとき、第１換算値、第２の換算値、および第３の換算値は以下の演算によって算出する。

第１換算値は、反射波電圧の波高値Ｖ_ｒとＲＦ電力増幅素子の発熱係数に対応する係数ｋ_１との積（Ｖ_ｒ×ｋ_１）の時間積分（Ｖ_ｒ×ｋ_１×∫_０ ^ＲＦｏｎtdt）により算出し、第２換算値は、ＲＦ電力増幅素子の放熱係数に対応する係数ｋ_２の時間積分（ｋ_２×∫_０ ^{ＲＦｏｆｆ}tdt）により算出し、第３換算値は、第１換算値から第２換算値を減算する｛（Ｖ_ｒ×ｋ_１×∫_０ ^ＲＦｏｎtdt）−（ｋ_２×∫_０ ^{ＲＦｏｆｆ}tdt）｝の演算において零を最下値として算出する。第１換算値、第２換算値、および第３換算値はプラズマ駆動の一周期毎に算出し、次周期における換算では、前周期で得られた第３換算を第１換算値の初期値として行う。時間積分はデジタル演算によって行うことができる。

[プラズマ未着火状態検出装置]
本発明のプラズマ未着火状態検出装置は、高周波電源からパルス駆動によるプラズマ負荷に対するパルス出力の供給において、前記プラズマ負荷のプラズマの未着火状態を検出する未着火状態検出装置であり、プラズマ負荷から高周波電源に向かう反射波電圧を検出する検出手段と、検出手段で検出した反射波電圧の波高値および変動状態に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求める換算手段と、換算手段で求めた換算量とＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較する比較手段とを備え、比較手段の比較結果に基づいてプラズマの未着火状態を検出する。

本発明のプラズマ未着火状態検出装置は、ＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求める換算手段として以下の第１の換算手段〜第３の換算手段、および求めた換算値に基づいてプラズマ未着火を検出する比較手段を備える。各換算手段および比較手段はアナログ処理回路あるいはデジタル処理回路で構成することができる。

第１の換算手段は、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を求める演算手段であり、反射波電圧Ｖ_ｒおよび反射波の継続時間に基づいて求める。

第２の換算手段は、高周波電源のＲＦ電力増幅素子から反射波電圧の波高値が零である時間幅放出される放熱量に対応する第２換算値を求める演算手段であり、パルス駆動の各周期において、反射波電圧Ｖ_ｒの波高値が零となってからの経過時間、又はパルス出力の印加開始からの経過時間に基づいて求める。

第３の換算手段は、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に蓄熱される蓄熱量に対応する第３換算値を求める手段であり、第１換算値と第２換算値との差分から求める。

比較手段は、第３の換算手段で求めた第３換算値とＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較する手段であり、第３換算値がしきい値を超えたときにプラズマの未着火状態を検出する。

本発明のプラズマ未着火状態検出装置の換算手段の形態として、アナログ回路による第１の形態、デジタル回路による第２の形態を備える。

（換算手段の第１の形態）
換算手段の第１の形態は充放電回路のアナログ回路による構成であり、反射波電圧を充電し、充電した電圧を放電する充放電回路、および充放電回路の出力を入力する比較回路を備える。

充放電回路の放電時定数（τ_ｄｉｓｃ）は、充放電において、正常時におけるパルス駆動のパルス周波数を設定し得る最大値とし、かつ、パルス駆動の一周期内でのＲＦ_ｏｎ区間のデューティー比を設定し得る最大値とするパルス駆動の駆動条件において、充電時定数（τ_ｃ）よりも長く、かつ、充放電電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように選定した値である。

パルス駆動において、パルス周波数を設定し得る最大とし、パルス出力の周期を設定し得る最も短い周期とし、かつ、一周期内でのＲＦ_ｏｎ区間のデューティー比が設定し得る最大値とする駆動条件は、プラズマ着火状態が正常状態において充放電電圧を最大とする。

このパルス駆動の条件において、得られる充放電の電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように放電時定数（τ_ｄｉｓｃ）を選定することによって、プラズマ着火状態が正常状態であるときに、プラズマが未着火状態であると誤って検出することを防ぐことができる。

また、充放電の放電時定数（τ_ｄｉｓｃ）を充電時定数（τ_ｃ）よりも長く設定することによって、各周期の終了時の電圧を残留させることができ、残存電圧から次の周期の充放電を行うことによって複数周期で蓄積される充電電圧を求めることができる。複数周期で得られる充電電圧は、複数周期のパルス出力によってＲＦ電力増幅素子に蓄積される熱量に対応する換算値である。この換算値によれば、パルス駆動において一周期に限らず複数周期における蓄熱状態をモニタすることができる。

充放電回路の充電部は第１の換算手段を構成する。充電部は検出手段が検出した反射波電圧を充電時定数（τ_ｃ）で充電して得られる充電電圧を第１換算値として出力する。

充放電回路の放電部は第２の換算手段および第３の換算手段を構成する。放電部は、第１換算値である充電電圧から放電時定数（τ_ｄｉｓｃ）で反射波電圧の波高値が零である時間幅に基づいて放電し、放電で得られる電圧を第３換算値として出力する。

比較回路は比較手段を構成し、ＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応する充電電圧を熱損傷から保護するデバイス保護検知レベルとし、このデバイス保護検知レベルをしきい値として充放電回路から出力された第３換算値と電圧比較する。

しきい値と充放電電圧との比較において、充放電電圧がしきい値を超えた場合には、ＲＦ電力増幅素子に印加された熱量がデバイス保護検知レベルを超えるに至ったと判断し、プラズマ未着火状態であるとして検出する。

（換算手段の第２の形態）
換算手段の第２の形態はデジタル演算回路による構成であり、検出手段が検出した反射波電圧Ｖ_ｒをデジタル値に変換するＡ/Ｄ変換回路と、デジタル値を入力値としてデジタル演算を行う演算回路とを備える。

演算回路は、プラズマ駆動の一周期において、パルスを出力する区間の時間幅をＲＦ_ｏｎとし、パルスを出力しない区間の時間幅をＲＦ_ｏｆｆとし、第１の換算手段、第２の換算手段、および第３の換算手段としてそれぞれ第１演算部、第２演算部、および第３演算部を備える。

第１演算部は、反射波電圧の波高値Ｖ_ｒとＲＦ電力増幅素子の発熱係数に対応する係数ｋ_１との積（Ｖ_ｒ×ｋ_１）の時間積分（Ｖ_ｒ×ｋ_１×∫_０ ^ＲＦｏｎtdt）の演算により第１換算値を算出する演算部である。

第２演算部は、ＲＦ電力増幅素子の放熱係数に対応する係数ｋ_２の時間積分（ｋ_２×∫_０ ^{ＲＦｏｆｆ}tdt）演算により第２換算値を算出する演算部である。

第３演算部は、第１換算値から第２換算値を減算してなる｛（Ｖ_ｒ×ｋ_１×∫_０ ^ＲＦｏｎtdt）−（ｋ_２×∫_０ ^{ＲＦｏｆｆ}tdt）｝を演算する演算部であり、演算値は零を最下値として第３換算値を算出する。

第１換算値、第２換算値、および第３換算値はプラズマ駆動の一周期毎に算出し、次周期における第１換算値は、前周期の第３換算を初期値として演算を行う。

演算回路は、ハードウエアによって構成する他、ＤＳＰやＦＰＧＡによってソフトウエアおよびＣＰＵの演算で構成することができる。

以上説明したように、本発明のプラズマ未着火状態検出方法およびプラズマ未着火状態検出装置によれば、反射波によるプラズマの未着火状態の検出において、正常なプラズマ着火時における誤検出を防いでプラズマ異常時の未着火状態を検出することができる。

本発明のプラズマ未着火状態検出方法およびプラズマ未着火状態検出装置によれば、プラズマ未着火状態の検出において、プラズマ未着火状態において所定時間にわたって継続する全反射波を検出することができる。

本発明のプラズマ未着火状態検出方法およびプラズマ未着火状態検出装置によれば、プラズマ未着火状態において所定時間にわたって継続する全反射波を検出することによって、プラズマ未着火状態におけるＲＦ増幅素子の蓄熱による素子破損から素子を保護することができる。

プラズマ負荷のプラズマ未着火状態の検出に基づいて電力制御を行う概略構成を説明するための図である。 本願発明の未着火状態検出の概略構成を説明するための図である。 本願発明の着火状態を説明するための信号図である。 本願発明の未着火状態を説明するための信号図である。 本願発明の未着火状態検出の工程を説明するためのフローチャートである。 本願発明の反射波の電圧値を用いた未着火状態検出の概略構成を説明するための図である。 本願発明の反射波電圧の充放電電圧に基づいて未着火状態を検出するアナログ回路構成を説明するための図である。 低周波パルスモードにおける正常動作状態の信号例を説明するための図である。 高周波パルスモードにおける正常動作状態の信号例を示す図である。 低周波パルスモードにおける異常動作状態の信号例を示す図である。 許容オン時間ｔ_２を説明するための図である。 高周波パルスモードにおける異常動作状態の信号例を示す図である。 未着火状態検出回路２０_{ｃｉｒｃｕｉｔ}の充放電回路２０ａの回路構成を示す図である。 入力電圧Ｖ_ｉｎの一例を示す図である。 入力信号がある状態（高周波（ＲＦ）信号がオンの状態）の回路状態を示す図である。 入力信号がない状態（高周波（ＲＦ）信号がオフの状態）の回路状態を示す図である。 数値例による波形例を示す図である。 本願発明の未着火状態検出装置をデジタル回路で構成する構成例である。 本願発明の未着火状態検出装置を計数回路で構成する構成例である。 高周波電源（ＲＦ電源）によるプラズマ負荷の駆動を説明するための概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
以下では、本願発明のプラズマ未着火状態検出装置および検出方法について、図１を用いてプラズマ未着火状態検出装置とパワーセンサとの接続状態を説明し、図２〜４を用いてプラズマ未着火状態検出の概略構成を説明し、図５のフローチャートを用いてプラズマ未着火状態検出の工程を説明し、図６〜図１７を用いて反射波の電圧の蓄積をアナログ回路構成で行うことによってプラズマ未着火状態を検出する形態を示し、図１８および図１９を用いて反射波の電圧の蓄積をデジタル回路構成で行うことによってプラズマ未着火状態を検出する形態を示す。なお、図６〜図１７は、反射波の電圧の蓄積を反射波の電圧を充放電することで行う構成例を示している。

半導体製造装置や電子デバイス製造装置等のプラズマ処理装置、あるいはＣＯ_２レーザ加工機等のプラズマ発生装置のプラズマ負荷に対して、高周波電源（ＲＦ電源）から高周波出力（ＲＦ出力）をパルス駆動により供給する。パルス駆動は所定周波数のパルス出力を、所定周期で所定デューティー比の制御信号によってオン／オフ制御して負荷へ電力を供給してプラズマを発生および維持する。制御信号がオン時間内において、パルス出力を負荷に供給し、オフ時間内においてパルス出力の供給を停止し、制御信号のオン／オフのデューティー比（時間比率）によって負荷に供給する電力を制御する。パルス駆動の制御は、電力制御部によって行われる。パルス駆動のパルス出力の周波数は、プラズマ負荷に供給する高周波出力（ＲＦ出力）の周波数に応じて設定することができる。

図１は、高周波電源（ＲＦ電源）によるプラズマ負荷のパルス駆動において、プラズマ負荷がプラズマ未着火状態にあるか否かの検出に基づいて電力制御を行う概略構成を示している。なお、図１は、プラズマ未着火状態の検出に基づいて行うプラズマ負荷への電力を制御する構成の内、一部分の構成のみを示している。

図１において、パワーセンサ２は高周波電源（ＲＦ電源）とプラズマ負荷との間に接続され、高周波電源（ＲＦ電源）からプラズマ負荷に向かう進行波電力の電圧（進行波電圧Ｖ_ｆ）とプラズマ負荷から高周波電源（ＲＦ電源）に戻る反射波電力の電圧（反射波電圧Ｖ_ｒ）とを検出する。未着火状態検出装置１はパワーセンサ２で検出した反射波電圧Ｖ_ｒに基づいてプラズマの未着火状態を検出し、プラズマが未着火状態であることを検出した場合には未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌを出力する。

電力制御部３は、パワーセンサ２から入力した進行波電圧Ｖ_ｆおよび反射波電圧Ｖ_ｒに基づいて高周波電源（ＲＦ電源）のパルス駆動を制御する。例えば、プラズマが正常な着火状態である場合には、パワーセンサ２で検出した進行波電圧Ｖ_ｆに基づいて進行波電圧Ｖ_ｆが所定電圧となるように制御信号のデューティー比を制御する。一方、プラズマが異常状態であってプラズマが未着火状態である場合には、電力制御部３は高周波出力を垂下させたり高周波出力を一時停止させる制御を行う。

未着火状態検出装置１はプラズマの異常状態としてプラズマの未着火状態を検出する。電力制御部３は、未着火状態検出装置１がプラズマ未着火状態を検出した際に出力する未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌに基づいて高周波出力を垂下あるいは一時停止させる制御を行う。

［本願発明の未着火状態検出の概略構成］
本願発明の未着火状態検出について、図２〜図４を用いて概略構成を説明し、図５のフローチャートを用いて概略工程を説明する。

本発明のプラズマ未着火状態検出は、プラズマ負荷から高周波電源に向かう反射波電圧Ｖ_ｒから得られる反射波の発生状態に基づいてプラズマ負荷のプラズマの未着火状態を検出する。

図２は本願発明の未着火状態検出の概略構成を示している。未着火状態検出装置１０は、反射波電圧Ｖ_ｒの波高値および変動状態に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求める換算手段１１と、換算手段１１で求めた換算量とＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較する比較手段１２とを備える。

換算手段１１は、第１の換算手段１１Ａと第２の換算手段１１Ｂと第３の換算手段１１Ｃとを備える。

第１の換算手段１１Ａは、パワーセンサで検出した反射波電圧Ｖ_ｒ（図５のS1）を入力し、反射波電圧Ｖ_ｒおよび反射波電圧Ｖ_ｒの継続時間に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値（加熱換算値）を求める（図５のS2）。

第２の換算手段１１Ｂは、パルス駆動の各周期において、反射波電圧Ｖ_ｒの波高値が零となってからの経過時間、又はパルス出力の印加開始からの経過時間に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される放熱量に対応する第２換算値を求める。

反射波電圧Ｖ_ｒの波高値が零となってからの経過時間に基づいて第２換算値を求める態様では、ＲＦ電力増幅素子からの放熱量は、ＲＦ電力増幅素子への反射波の印加が停止した状態からの放熱が主であり、ＲＦ電力増幅素子に反射波が印加されている間の放熱量はわずかであるとして換算している。

一方、パルス出力の印加開始からの経過時間に基づいて第２換算値を求める態様では、ＲＦ電力増幅素子に反射波が印加されている間の放熱量も考慮して換算している（図５のS3）。

第３の換算手段１１Ｃは、第１換算値と第２換算値との差分に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に蓄熱される蓄熱量に対応する第３換算値（蓄熱換算量）を求める（図５のS4）。

比較手段１２は、第３の換算手段１１Ｃで求めた第３換算値とＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較する。しきい値はＲＦ電力増幅素子の保護するデバイス保護検知レベルに相当し、第３換算値がしきい値を超えたときには、ＲＦ電力増幅素子に蓄積される熱量がＲＦ電力増幅素子のデバイス保護検知レベルを超えたと判断し（図５のS5）、プラズマの未着火状態を検出する（図５のS6）。

プラズマの未着火状態を検出した場合には、電力制御部によって高周波出力（ＲＦ出力）を垂下あるいは停止する制御を行って保護動作を行う（図５のS7）。

パルス駆動の一周期内において、印加された加熱量が放熱された結果、周期の終了時点で蓄熱量が残留しているか否かに基づいて、高周波電源からのパルス駆動による電力供給は低周波パルスモードと高周波パルスモードの二つのパルスモードで説明することができる。

低周波パルスモードは、パルス駆動の周期間隔が、印加された加熱量が放熱されるための時間幅が十分に長く、パルス駆動の周期の終了時点において蓄熱量が残留しないパルスモードであり、蓄熱換算量は零である。低周波パルスモードで換算される蓄熱換算量は、パルス駆動の各周期において初期値が零から積算が開始される。

一方、高周波パルスモードは、パルス駆動の周期間隔が、印加された加熱量が全て放熱されるための時間幅が足りず、パルス駆動の周期の終了時点において蓄熱量が残留するパルスモードであり、蓄熱換算量は残存している。高周波パルスモードで換算される蓄熱換算量は、パルス駆動の各周期において前周期の終了時点での蓄熱換算値を初期値として積算が開始される。

パルス出力のデューティー比が等しく、反射波電圧の波高値が等しいパルス駆動の条件下においては、パルス駆動の一周期Ｔの長さが長く一周期の終了時点で残存する蓄積熱量が零である場合には低周波パルスモードとなり、パルス駆動の一周期Ｔの長さが短く一周期の終了時点で蓄熱量が残存する場合には高周波パルスモードとなる。

以下、図３の信号図を用いて着火状態における低周波モードと高周波モードを説明し、図４の信号図を用いて未着火状態における低周波モードと高周波モードを説明する。

プラズマ着火状態において、図３（ａ）〜（ｄ）は低周波パルスモードにおける進行波電圧Ｖｆ、反射波電圧Ｖｒ、蓄熱換算量Ｈ_ａｃ、および未着火状態検出信号を示し、図３（ｅ）〜（ｈ）は高周波パルスモードにおける進行波電圧Ｖｆ、反射波電圧Ｖｒ、蓄熱換算量Ｈ_ａｃ、および未着火状態検出信号を示している。

進行波電圧Ｖ_ｆは、一周期内において継続時間の時間幅をｔ_１とするＲＦ_ｏｎ区間で所定周波数のパルス出力を出力する（図３（ａ），図３（ｅ））。プラズマが正常な着火状態にある場合には、パルス出力の立ち上がりおよび立ち下がりにおける不整合によってパルス状の反射波電圧Ｖ_ｒが発生する（（図３（ｂ），図３（ｆ））。

図３（ｃ），図３（ｇ）において、蓄熱換算量Ｈ_ａｃは、反射波電圧ＶｒがＲＦ電力増幅素子に加わることで蓄積される熱量の換算値を示し、一点鎖線はＲＦ電力増幅素子の熱破損に対する許容量を示し、ＲＦ電力増幅素子を反射波による破損から保護するデバイス保護検知レベルを示している。

プラズマが着火状態にある場合には、低周波モードおよび高周波モードの何れのモードにおいても、蓄熱換算量Ｈ_ａｃは駆動モードの各一周期内においてはデバイス保護検知レベルに達すること無く零に戻るため、未着火状態検出信号は出力されない。

一方、プラズマ未着火状態において、図４（ａ）〜（ｄ）は低周波パルスモードにおける進行波電圧Ｖｆ、反射波電圧Ｖｒ、蓄熱換算量Ｈ_ａｃ、および未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌを示し、図４（ｅ）〜（ｈ）は高周波パルスモードにおける進行波電圧Ｖｆ、反射波電圧Ｖｒ、蓄熱換算量Ｈ_ａｃ、および未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌを示している。

進行波電圧Ｖ_ｆは、一周期内において継続時間の時間幅をｔ_１とするＲＦ_ｏｎ区間で所定周波数のパルス出力を出力する（図４（ａ），図４（ｅ））。プラズマが未着火状態にある場合には、パルス出力が出力されているＲＦ_ｏｎ区間では、矩形状に反射波電圧Ｖ_ｒが発生する（図４（ｂ），図４（ｆ））。

図４（ｃ），図４（ｇ）において、蓄熱換算量Ｈ_ａｃは、反射波電圧ＶｒがＲＦ電力増幅素子に加わることで蓄積される熱量の換算値を示し、一点鎖線はＲＦ電力増幅素子の熱破損に対する許容量を示し、ＲＦ電力増幅素子を反射波による破損から保護するデバイス保護検知レベルを示している。

プラズマが未着火状態にある場合には、低周波モードでは、蓄熱換算量Ｈ_ａｃは駆動モードの周期内においてはデバイス保護検知レベルに達し（図４（ｃ））、未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌを出力する（図４（ｄ））。なお、図４（ｃ）では、ＲＦ_ｏｎ区間の終了時点で蓄熱換算量Ｈ_ａｃがデバイス保護検知レベルに達する状態を示しているが、反射波電圧Ｖ_ｒの波高値が大きい場合には、ＲＦ_ｏｎ区間の終了時点に至る前の時点で蓄熱換算量Ｈ_ａｃがデバイス保護検知レベルに達し、未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌが出力される。

また、高周波モードでは、複数の周期において蓄熱を繰り返すことによって蓄熱換算量Ｈ_ａｃはデバイス保護検知レベルに達し（図４（ｇ））、未着火状態検出信号を出力する（図４（ｈ））。なお、図４（ｇ）では、５回目の周期で蓄熱換算量Ｈ_ａｃがデバイス保護検知レベルに達する状態を示しているが、蓄熱換算量Ｈ_ａｃがデバイス保護検知レベルに達する周期数は反射波電圧Ｖ_ｒの波高値およびデューティー比に依存して変化する。

［反射波の電圧値の充放電を用いた未着火状態検出の態様］
反射波の電圧値の充放電を用いた未着火状態検出の概略構成について図６を用いて説明する。

未着火状態検出装置２０は、反射波の電圧値の充放電によって、反射波の継続時間に応じた電圧値を求めてプラズマの未着火状態を検出する構成であり、換算手段２１と電圧比較手段２２を備える。

反射波電圧Ｖ_ｒを充電して充電電圧を算出する充電電圧算出手段２１Ａ、放電電圧を算出する放電電圧算出手段２１Ｂ、および充電電圧と放電電圧に差分を算出して充放電電圧Ｖ_aを算出する充放電電圧算出手段２１Ｃを備える。

充電電圧算出手段２１Ａの算出値は第１換算値（加熱換算量）に対応し、放電電圧算出手段２１Ｂの算出値は第１換算値（放熱換算量）に対応し、充放電電圧算出手段２１Ｃが算出する充放電電圧Ｖ_aは第３換算値（蓄熱換算量）に対応する。

電圧比較手段２２は、換算手段２１で電圧変換して得られる充放電電圧Ｖ_ａをしきい値と比較する比較手段である。

しきい値として設定電圧Ｖ_ｒｅｆを用いる。設定電圧Ｖ_ｒｅｆはＲＦ電力増幅素子の反射波による損失に耐え得る許容電力に対応する許容電圧である。

電圧比較手段２２は、充放電電圧Ｖ_ａと設定電圧Ｖ_ｒｅｆとを比較してプラズマの未着火状態を検出し、未着火状態を検出したときには未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌを出力する。

換算手段２１および電圧比較手段２２は、低周波パルスモードおよび高周波パルスモードにおいて未着火状態を検出する。

低周波パルスモードのパルス駆動において、換算手段２１は一周期内において反射波電圧Ｖ_ｒの継続時間に応じた充放電電圧Ｖ_ａを取得し、電圧比較手段２２は充放電電圧Ｖ_ａと設定電圧Ｖ_ｒｅｆとを比較することによってプラズマの未着火状態を検出し、未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌを出力する。

一方、高周波パルスモードのパルス駆動において、換算手段２１は反射波が発生する周期が連続する連続周期において、各周期の反射波電圧Ｖ_ｒの継続時間に応じた電圧を連続周期で累積した充放電電圧Ｖ_ａを取得し、電圧比較手段２２は充放電電圧Ｖ_ａを設定電圧Ｖ_ｒｅｆと比較することによってプラズマの未着火状態を検出し、未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌを出力する。

（反射波電圧の充放電電圧に基づいた未着火状態検出の形態）
反射波電圧に基づく未着火状態検出において、反射波電圧を充放電電圧に基づいて求める構成例について図７〜図１７を用いて説明する。

反射波電圧の充放電電圧に基づいて未着火状態を検出する回路構成をＲＣ回路の充放電回路で構成する例について図７を用いて説明する。

未着火状態検出回路２０_{ｃｉｒｃｕｉｔ}は、パワーセンサ２で検出した反射波電圧Ｖ_ｒをバッファ４を介して入力し、未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌを出力する。未着火状態検出回路２０_{ｃｉｒｃｕｉｔ}は充放電回路２０ａと比較回路２０ｂを備え、充放電回路２０ａはブロックダイオードＤを介してバッファ４の出力を入力する。

充放電回路２０ａは、コンデンサＣと放電抵抗Ｒ_２の並列回路の入力側に充放電抵抗Ｒ_１を直列接続して構成される。比較回路２０ｂは、充放電回路２０ａのコンデンサＣの出力電圧である充放電電圧Ｖ_ａを設定電圧Ｖ_ｒｅｆと比較し、充放電電圧Ｖ_ａが設定電圧Ｖ_ｒｅｆを超えたときに未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌを出力する。充放電回路２０ａにおいて、充電時定数τ_ｃを放電時定数τ_ｄｉｓｃよりも短く設定する。また、低周波パルスモードの周期Ｔの時間幅で充電したときの充電電圧が設定電圧Ｖ_ｒｅｆ以下となるように充電時定数τ_ｃを設定する。充電時定数τ_ｃおよび放電時定数τ_ｄｉｓｃは、充放電抵抗Ｒ_１、放電抵抗Ｒ_２、およびコンデンサＣの値を選択することで設定することができる。

（正常時の動作例）
未着火状態検出装置２０の正常時の動作例について図８，９を用いて説明する。
図８は低周波パルスモードにおける正常動作状態の信号例を示し、図８（ａ）は進行波電圧Ｖ_ｆを示し、図８（ｂ）は反射波電圧Ｖ_ｒを示し、図８（ｃ）は充放電回路の充放電電圧Ｖ_ａを示している。なお、ここでは、デューティー比５０％のパルス駆動の例を示している。

図９は高周波パルスモードにおける正常動作状態の信号例を示し、図９（ａ）は進行波電圧Ｖ_ｆを示し、図９（ｂ）は反射波電圧Ｖ_ｒを示し、図９（ｃ）は充放電回路の充放電電圧Ｖ_ａを示している。なお、ここでは、デューティー比５０％のパルス駆動の例を示している。

正常状態であっても、ＲＦ_ｏｎ区間の立ち上がり時および立ち下がり時において、進行波電圧Ｖ_ｆがオフ状態からオン状態に切り替わる時、およびオン状態からオフ状態に切り替わる時（プラズマの着火時）に反射波電圧Ｖ_ｒが発生する。

パルス周波数を最大パルス周波数とし、一周期のＲＦ_ｏｎ区間とＲＦ_ｏｆｆ区間のデューティー比を最大デューティー比としてパルス駆動したときに、充電時定数τ_ｃを、充放電回路の充放電電圧Ｖ_ａが設定電圧Ｖ_ｒｅｆに対して裕度（マージン）を持った時定数となるように充放電回路の回路定数（充放電抵抗Ｒ_１、放電抵抗Ｒ_２、およびコンデンサＣ）を選定しておく。

図７に示すＲＣ回路の充放電回路構成において、
充電時定数τ_ｃは、
τｃ＝Ｃ・Ｒ_ｐ
Ｒ_ｐ＝Ｒ_１・Ｒ_２／（Ｒ_１＋Ｒ_２）
で表され、
放電時定数τ_ｄｉｓｃは、
τ_ｄｉｓｃ＝Ｃ・Ｒ_２
で表される。

正常状態において発生する反射波電圧Ｖ_ｒは短時間であるため、充放電回路で得られる充放電電圧Ｖ_ａの波高値は、未着火状態検出レベルである設定電圧Ｖ_ｒｅｆよりも十分に低く、未着火状態検出信号は出力されない。

（異常時の動作例）
未着火状態検出装置２０の異常時の動作例について図１０〜図１２を用いて説明する。
図１０は低周波パルスモードにおける異常動作状態の信号例を示し、図１０（ａ）は進行波電圧Ｖ_ｆを示し、図１０（ｂ）は反射波電圧Ｖ_ｒを示し、図１０（ｃ）は充放電回路の充放電電圧Ｖ_ａを示し、図１０（ｄ）は未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌを示している。なお、ここでは、デューティー比５０％のパルス駆動の例を示している。

ＲＦ電力増幅素子の許容損失（破壊レベル）に対してマージン分を考慮して設定電圧Ｖ_ｒｅｆを設定する。なお、設定電圧Ｖ_ｒｅｆは、反射波の電圧値および充電時定数τ_ｃに依存する値である。反射波の電圧値を充電して得られる充放電電圧Ｖ_ａが継続時間ｔ_１の後、デバイス保護検知レベルである設定電圧Ｖ_ｒｅｆに達した場合には、未着火状態検出信号を出力する。電力制御部は、未着火状態検出信号に基づいて高周波出力（ＲＦ出力）を垂下あるいは停止する制御を行う。

図１１は、未着火状態検出装置２０の許容オン時間ｔ_２について説明するための信号図である。図１１（ａ）は進行波電圧Ｖ_ｆを示し、図１１（ｂ）は反射波電圧Ｖ_ｒを示し、図１１（ｃ）は充放電回路の充放電電圧Ｖ_ａを示し、図１１（ｄ）は未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌを示している。

許容オン時間ｔ_２はＲＦ電力増幅素子の全反射の許容電圧に耐え得る時間幅である。ＲＦ電力増幅素子に印加される反射波の時間幅（継続時間ｔ_１）が許容オン時間ｔ_２以下、かつパルス駆動周期の終了時点において充放電電圧Ｖ_ａが零、つまり低周波パルスモードであれば、ＲＦ電力増幅素子は反射波（反射係数Γがほぼ１（Γ≒１）の不整合状態）が発生したとしても全反射による素子破壊に至らないため、高周波出力（ＲＦ出力）を垂下あるいは停止を要することなく進行波電圧の印加を続けることができる。

したがって、反射波の継続時間ｔ_１が許容オン時間ｔ_２よりも短く、かつパルス駆動周期の終了時点において充放電電圧Ｖａが零、つまり低周波パルスモードの場合には、充放電電圧Ｖ_ａはデバイス保護検知レベルである設定電圧Ｖ_ｒｅｆに至らず、未着火状態検出信号は出力されない。

レーザ加工機等のプラズマ負荷を有する装置を長期稼働休止した場合には、レーザ発振器等のプラズマ雰囲気の湿気等が発生し、プラズマの着火が難しくなる雰囲気となる場合がある。このような着火が難しいプラズマ雰囲気において、ＲＦ電力増幅素子に印加される反射波の時間幅を許容オン時間ｔ_２以下とし、高周波出力（ＲＦ出力）を垂下あるいは停止させないことによって、プラズマ未着火時に高周波出力（ＲＦ出力）を繰り返して印加する動作を行うことができる。このように、高周波出力（ＲＦ出力）の印加を繰り返すことによって、レーザ発振器内部の雰囲気を安定させ着火を促進させることができる。

図１２は高周波パルスモードにおける異常動作状態の信号例を示し、図１２（ａ）は進行波電圧Ｖ_ｆを示し、図１２（ｂ）は反射波電圧Ｖ_ｒを示し、図１２（ｃ）は充放電回路の充放電電圧Ｖ_ａを示し、図１２（ｄ）は未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌを示している。なお、ここでは、デューティー比５０％のパルス駆動の例を示している。

高周波パルスモードの場合には、進行波電圧Ｖ_ｆを印加する時間幅は短時間であり、異常時において反射波の時間幅ｔ_３も短時間である。充電時定数τ_ｃによって時間幅ｔ_３の間で充電される充放電電圧Ｖ_ａは、低周波パルスモードの一周期Ｔ中で充電される充電電圧よりも低電圧であり、設定電圧Ｖ_ｒｅｆに至らない。

充放電回路の充電時定数τ_ｃは放電時定数τ_ｄｉｓｃよりも小さく設定されている（充電時定数τ_ｃ＜放電時定数τ_ｄｉｓｃ）ため、一周期内において放電後の電圧は零に戻らず、複数周期にわたってパルス出力の印加を繰り返すことによって充放電電圧Ｖ_ａは累積されて上昇する。充放電電圧Ｖ_ａが設定電圧Ｖ_ｒｅｆに達すると、未着火状態検出信号Ｖ_ｆａｉｌが出力される。

以下、充放電回路の充放電電圧および累積充放電電圧について説明する。
図１３は、図７に示す未着火状態検出回路２０_{ｃｉｒｃｕｉｔ}の充放電回路２０ａの回路構成を示している。充放電回路２０ａは、コンデンサＣと放電抵抗Ｒ_２の並列回路の入力側に充放電抵抗Ｒ_１を直列接続して構成され、充放電抵抗Ｒ_１にはブロックダイオードＤを介して入力電圧Ｖ_ｉｎが入力され、コンデンサＣの両端電圧を充放電電圧Ｖ_ａとして出力する。図１４は入力電圧Ｖ_ｉｎの一例を示し、オン時間幅をｔ_ａとしオフ時間幅を（ｔ_ｂ−ｔ_ａ）とし、このオン時間幅ｔ_ａ内で所定周波数のパルスを出力する。

充放電回路２０ａの回路構成はダイオードを備えた非線形回路であるため、入力信号がある状態（高周波（ＲＦ）信号がオンの状態）と、入力信号がない状態（高周波（ＲＦ）信号がオフの状態）に分けて解析する。

図１５は入力信号がある状態（高周波（ＲＦ）信号がオンの状態）の回路状態を示している。図１５の回路状態において、充放電電圧Ｖ_ａ、充放電抵抗Ｒ_１に流れる電流ｉ_１、放電抵抗Ｒ_２に流れる電流ｉ_２、およびコンデンサＣに流入する電流ｉ_ｃとしたとき、回路方程式は以下に式（１）〜（４）で表される。

ここで、入力電圧Ｖ_ｉｎをステップ電圧Ｅ_ｍとして高周波（ＲＦ）信号がオン状態にあるＲＦ_ｏｎ区間（０〜ｔ_１）での充放電電圧Ｖａ（ｔ_１）を求めると以下の式（５）で表される。

式（５）において、Ｒ_ｐ＝Ｒ_１・Ｒ_２／（Ｒ_１＋Ｒ_２）とすると、充電時定数はＣ・Ｒ_ｐで表される。

一方、図１６は入力信号がない状態（高周波（ＲＦ）信号がオフの状態）の回路状態を示している。図１６の回路状態において、充放電電圧Ｖ_ａ、放電抵抗Ｒ_２に流れる電流ｉ_２、およびコンデンサＣに流入する方向の電流ｉ_ｃとしたとき、回路方程式は以下の式（６），（７）で表される。

式（６），（７）を用いることによって、高周波（ＲＦ）信号がオフの状態における充放電電圧Ｖ_ａは以下の式（８）で表される。

式（５）で表される高周波（ＲＦ）信号がオンの状態における充放電電圧Ｖ_ａ、および式（８）で表される高周波（ＲＦ）信号がオフの状態における充放電電圧Ｖ_ａについて、
入力電圧Ｖ_ｉｎのパルス周波数 ：５０ｋHｚ
入力電圧Ｖ_ｉｎのＯＮデューティー比：３０％
充放電抵抗Ｒ_１ ：１．８Ω
放電抵抗Ｒ_２ ：３．６ｋΩ
コンデンサＣの容量 ：０．０１μＦ
の数値例を用いて、０．０１μｓの固定時間ステップによりオイラー法で解くと、図１７の波形が得られる。

未着火状態検出装置は、上記したアナログ回路の構成に限らずＤＳＰやＦＰＧＡ等のデジタル演算処理による構成が可能であり、ソフトウエアで行う場合にはＣＰＵや未着火状態検出の処理をＣＰＵに指示するプログラムを格納したメモリ等で構成することができる。

（デジタル演算処理による構成例）
以下、図１８および図１９を用いて未着火状態検出装置をデジタル演算処理で構成する例について説明する。

（第１の構成例）
図１８は、未着火状態検出装置をデジタル回路で構成する構成例である。ここでは、前記した充放電回路をデジタル回路で構成する例について示している。

図１８（ａ）において、未着火状態検出装置３０の換算手段３１は、第１積分回路３１Ａ、第２積分回路３１Ｂ、ホールド回路３１Ｃ、スイッチ回路３１Ｄ，３１Ｅ、および比較回路３２を備える。

スイッチ回路３１Ｄは、反射波電圧をサンプリングしＡ／Ｄ変換して得られた電圧値ＸをＲＦ_ｏｎ区間の間だけ第１積分回路３１Ａに入力する。第１積分回路３１Ａは、スイッチ回路３１Ｄを通して入力された電圧値Ｘをデジタル積分し、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を算出する。

第２積分回路３１Ｂは、ＲＦ_ｏｆｆ区間の間だけ放電により低下する電圧分をデジタル積分し、高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される熱量に対応する第２換算値を算出する。

ホールド回路３１Ｃは、第１積分回路３１Ａの第１換算値と第２積分回路３１Ｂの第２換算値とを入力し、第１換算値と第２換算値の差分を求めて第３換算値を比較回路３２に出力する。比較回路３２はホールド回路３１Ｃから入力した第３換算値をデバイス保護検知レベルに相当する設定電圧Ｖ_ｒｅｆと比較し、第３換算値が設定電圧Ｖ_ｒｅｆを超えている場合には、未着火状態検出信号を出力する。

図１８（ｂ）は積分回路を構成するデジタル回路の一般的な概略構成を示している。積分回路は、係数器、加算器、および遅延器で構成される。係数器には“ａ”および“１−ａ”の係数が設定される。

第１積分回路３１Ａの係数器に設定される係数ａは、
ａ＝τ_１／（τ_１＋Ｔ）
で表され、
第２積分回路３１Ｂの係数器に設定される係数ａは、
ａ＝τ_２／（τ_２＋Ｔ）
で表される。

ここで、時定数τ_１およびτ_２は、それぞれ
τ_１＝Ｃ・Ｒ_ｐ
τ_２＝Ｃ・Ｒ_２
であり、Ｔはパルス駆動の周期である。

（第２の構成例）
図１９は、未着火状態検出装置を計数回路で構成する構成例である。

未着火状態検出装置４０の換算手段４１は、加算回路４１Ａ、減算回路４１Ｂ、加算器４１Ｃ、スイッチ手段４１Ｄ、および比較回路４２を備える。加算回路４１Ａは、反射波電圧をサンプリングしＡ／Ｄ変換して得られた電圧値Ｘを加算し、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を算出する。減算回路４１ＢはＲＦ_ｏｆｆ区間において放電時定数τ_ｄｉｓｃに対応する数値を計数して、高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される熱量に対応する第２換算値を算出し、第１換算値と第２換算値の差分に対応する第３換算値を算出し、比較回路４２に出力する。

比較回路４２は減算回路４１Ｂから入力した第３換算値をデバイス保護検知レベルに相当する設定電圧Ｖ_ｒｅｆと比較し、第３換算値が設定電圧Ｖ_ｒｅｆを超えている場合には、未着火状態検出信号を出力する。

加算器４１Ｃには、一周期の演算が終了した時点において、減算回路４１Ｂで得られた加減値を初期値として戻し、高周波パルスモードに対応した複数周期にわたる第３換算値を算出する。

なお、上記実施の形態および変形例における記述は、本発明に係るプラズマ未着火状態検出方法および検出装置の一例であり、本発明は各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のプラズマ未着火状態検出装置および検出方法は、プラズマ負荷に対する電力供給に適用することができる。半導体、液晶、太陽光パネル等の薄膜を製造する成膜装置、ＣＯ_２レーザ加工機等の高周波（ＲＦ）によるプラズマ生成に適用することができる。

１ 未着火状態検出装置
２ パワーセンサ
３ 電力制御部
４ バッファ
１０ 未着火状態検出装置
１１ 換算手段
１１Ａ 換算手段
１１Ｂ 換算手段
１１Ｃ 換算手段
１２ 比較手段
２０ 未着火状態検出装置
２０ａ 充放電回路
２０ｂ 比較回路
２０_{ｃｉｒｃｕｉｔ} 未着火状態検出回路
２１ 換算手段
２１Ａ 充電電圧算出手段
２１Ｂ 放電電圧算出手段
２１Ｃ 充放電電圧算出手段
２２ 電圧比較手段
３０ 未着火状態検出装置
３１ 換算手段
３１Ａ 積分回路
３１Ｂ 積分回路
３１Ｃ ホールド回路
３１Ｄ，３１Ｅ スイッチ回路
３２ 比較回路
４０ 未着火状態検出装置
４１ 換算手段
４１Ａ 加算回路
４１Ｂ 減算回路
４１Ｃ 加算器
４１Ｄ スイッチ手段
４２ 比較回路
１０１ 整合器
１０２ プラズマ負荷
ａ 係数
Ｃ コンデンサ
Ｄ ブロックダイオード
Ｅ_ｍ ステップ電圧
Ｈ_ａｃ 蓄熱換算量
ｉ_１ 電流
ｉ_２ 電流
ｉ_ｃ 電流
ｋ_１ 係数
ｋ_２ 係数
Ｒ_１ 充放電抵抗
Ｒ_２ 放電抵抗
Ｔ 周期
ｔ_１ 継続時間
ｔ_２ 許容オン時間
ｔ_３ 時間幅
ｔ_ａ オン時間幅
Ｖ_ａ 充放電電圧
Ｖ_ｆ 進行波電圧
Ｖ_ｆａｉｌ 未着火状態検出信号
Ｖ_ｉｎ 入力電圧
Ｖ_ｒ 反射波電圧
Ｖ_ｒｅｆ 設定電圧
Ｘ 電圧値
Γ 反射係数
τ_１ 時定数
τ_ｃ 充電時定数
τ_ｄｉｓｃ 放電時定数

Claims (8)

1. 高周波電源からパルス駆動によるプラズマ負荷に対するパルス出力の供給において、
   プラズマ負荷から高周波電源に向かう反射波電圧を検出し、
   前記反射波電圧の波高値および変動状態に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求め、
   前記ＲＦ電力増幅素子の許容熱量をプラズマの未着火状態を判別するしきい値とし、
   前記求めた換算量と前記しきい値とを比較し、
   前記比較結果に基づいてプラズマの未着火状態を判別することを特徴とするプラズマ未着火状態判別方法。
2. 高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を前記反射波電圧および継続時間に基づいて求める第１の換算工程と、
   高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される放熱量に対応する第２換算値を、パルス駆動の各周期において、反射波電圧Ｖｒの波高値が零となってからの経過時間、又はパルス出力の印加開始からの経過時間に基づいて求める第２の換算工程と、
   高周波電源のＲＦ電力増幅素子に蓄熱される蓄熱量に対応する第３換算値を前記第１換算値と前記第２換算値との差分から求める第３の換算工程と、
   前記第３換算値と前記ＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較する比較工程とを備え、
   前記比較工程において、前記第３換算値が前記しきい値を超えたときにプラズマの未着火状態を判別することを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ未着火状態判別方法。
3. 充放電において、正常時におけるパルス駆動のパルス周波数を設定し得る最大値とし、かつ、パルス駆動の一周期内でのＲＦｏｎ区間のデューティー比を設定し得る最大値とするパルス駆動の駆動条件において、
   放電時定数（τｄｉｓｃ）を充電時定数（τｃ）よりも長く、かつ、充放電電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように選定し、
   前記第１の換算工程において、反射波電圧の波高値を充電時定数（τｃ）で充電して得られる充電電圧を第１換算値とし、
   前記第２の換算工程および前記第３の換算工程において、前記充電電圧から放電時定数（τｄｉｓｃ）で前記反射波電圧の波高値が零である時間幅において放電して得られる電圧を第３換算値とし、
   前記比較工程において、前記ＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応する充電電圧を前記しきい値とすることを特徴とする、請求項２に記載のプラズマ未着火状態判別方法。
4. プラズマ駆動の一周期において、パルスを出力する区間の時間幅をＲＦｏｎとし、パルスを出力しない区間の時間幅をＲＦｏｆｆとしたとき、
   前記第１換算値は、反射波電圧の波高値ＶｒとＲＦ電力増幅素子の発熱係数に対応する係数ｋ１との積（Ｖｒ×ｋ１）の時間積分（Ｖｒ×ｋ１×∫０ＲＦonｔdt）により算出し、
   前記第２換算値は、ＲＦ電力増幅素子の放熱係数に対応する係数ｋ２の時間積分（ｋ２×∫０ＲＦｏｆｆ tdt）により算出し、
   前記第３換算値は、前記第１換算値から前記第２換算値を減算する｛（Ｖｒ×ｋ１×∫０ＲＦonｔdt）−（ｋ２×∫０ＲＦｏｆｆ tdt）｝の演算において零を最下値として算出し、
   前記第１換算値、第２換算値、および第３換算値はプラズマ駆動の一周期毎に算出し、次周期における第１換算値は、前周期の第３換算を初期値とすることを特徴とする、請求項２に記載のプラズマ未着火状態判別方法。
5. 高周波電源からパルス駆動によるプラズマ負荷に対するパルス出力の供給において、前記プラズマ負荷のプラズマの未着火状態を判別する未着火状態判別装置であり、
   プラズマ負荷から高周波電源に向かう反射波電圧を検出する検出手段と、
   前記反射波電圧の波高値および変動状態に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求める換算手段と、
   前記ＲＦ電力増幅素子の許容熱量をプラズマの未着火状態を判別するしきい値とし、当該しきい値と前記換算手段で求めた換算量とを比較する比較手段とを備え、
   前記比較手段の比較結果に基づいてプラズマの未着火状態を判別することを特徴とするプラズマ未着火状態判別装置。
6. 前記換算手段は、
   高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を前記反射波電圧および継続時間に基づいて求める第１の換算手段と、
   高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される放熱量に対応する第２換算値を、パルス駆動の各周期において、反射波電圧Ｖｒの波高値が零となってからの経過時間、又はパルス出力の印加開始からの経過時間に基づいて求める第２の換算手段と、
   高周波電源のＲＦ電力増幅素子に蓄熱される蓄熱量に対応する第３換算値を前記第１換算値と前記第２換算値との差分から求める第３の換算手段を備え、
   前記比較手段は、前記第３の換算手段で求めた前記第３換算値と前記ＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較し、前記第３換算値が前記しきい値を超えたときにプラズマの未着火状態を判別することを特徴とする、請求項５に記載のプラズマ未着火状態判別装置。
7. 反射波電圧を充電し、充電した電圧を放電する充放電回路、および当該充放電回路の出力を入力する比較回路を備え、
   前記充放電回路の放電時定数（τ_ｄｉｓｃ）は、充放電において、正常時におけるパルス駆動のパルス周波数を設定し得る最大値とし、かつ、パルス駆動の一周期内でのＲＦ_ｏｎ区間のデューティー比を設定し得る最大値とするパルス駆動の駆動条件において、充電時定数（τ_ｃ）よりも長く、かつ、充放電電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように選定した時定数であり、
   前記第１の換算手段は前記充放電回路の充電部で構成され、当該充電部は前記検出手段が検出した反射波電圧を充電時定数（τ_ｃ）で充電して得られる充電電圧を第１換算値として出力し、
   前記第２の換算手段および前記第３の換算手段は前記充放電回路の放電部で構成され、当該放電部は、前記充電電圧から放電時定数（τ_ｄｉｓｃ）で前記反射波電圧の波高値が零である時間幅に基づいて放電して得られる電圧を第３換算値として出力し、
   前記比較手段は前記比較回路で構成され、前記ＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応する充電電圧を前記しきい値として、前記充放電回路から出力された第３換算値と電圧比較することを特徴とする、請求項６に記載のプラズマ未着火状態判別装置。
8. 前記検出手段が検出した反射波電圧Ｖｒをデジタル値に変換するＡ/Ｄ変換回路と、前記デジタル値を入力値としてデジタル演算を行う演算回路とを備え、
   前記演算回路は、
   プラズマ駆動の一周期において、パルスを出力する区間の時間幅をＲＦｏｎとし、パルスを出力しない区間の時間幅をＲＦｏｆｆとしたとき、
   前記第１の換算手段は、反射波電圧の波高値ＶｒとＲＦ電力増幅素子の発熱係数に対応する係数ｋ１との積（Ｖｒ×ｋ１）の時間積分（Ｖｒ×ｋ１×∫０ＲＦonｔdt）の演算により第１換算値を算出する第１演算部を備え、
   前記第２の換算手段は、ＲＦ電力増幅素子の放熱係数に対応する係数ｋ２の時間積分（ｋ２×∫０ＲＦｏｆｆ tdt）演算により第２換算値を算出する第２演算部を備え、
   前記第３の換算手段は、前記第１換算値から前記第２換算値を減算してなる｛（Ｖｒ×ｋ１×∫０ＲＦonｔdt）−（ｋ２×∫０ＲＦｏｆｆ tdt）｝の演算により、零を最下値として第３換算値を算出する第３演算部を備え、
   前記第１換算値、第２換算値、および第３換算値はプラズマ駆動の一周期毎に算出し、次周期における第１換算値は、前周期の第３換算を初期値とすることを特徴とする、請求項６に記載のプラズマ未着火状態判別装置。

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