JP7332819B2 - 高周波電源装置、及び故障箇所推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置において、高周波電力を供給する高周波電源装置の異常監視、及び故障箇所推定技術に関する。

プラズマ処理装置やレーザ処理装置は、高周波電源から高周波電力の供給を受けてプラズマやレーザを励起し、励起されたプラズマやレーザ等を利用して表面処理や加工を行う産業用機器として利用されている。このような高周波電源の警報発報による動作停止は、例えば半導体製造プロセスなどの停止となるため損害が大きく、また、その復旧時間が長期化することはその損害を増大させるため避けなければならない。従来の故障対応の方法としては、専門のメンテナンススタッフが半導体製造工場に常駐し、異常発生時の一次対応を行なうことが多い。短時間での復旧作業のため、半導体製造装置の構成品のうちどの装置の修理、交換が必要かを早急に判断する必要がある。

関連する先行技術として、高周波電源の反射波電力、進行波電力に基づいて高周波電源の異常を検出することを開示する特許文献１がある。

特開2011-23356号公報

高周波電源に故障個所がある場合、代替装置に交換することがもっとも早く復旧する手段である。半導体製造装置としては、代替装置への交換により早期の復旧が可能だが、故障した高周波電源は修理をするか廃棄をするかの選択を迫られることとなる。高周波電源の製造メーカの工場が近距離に存在し、故障品の輸送コストが低いならば、工場への修理依頼が有効であるが、高周波電源の製造メーカ工場が国外にあるなど空路、海路などでの長距離輸送となる場合、故障品の輸送コストが高くなり、輸送コストを含む修理コストが廃棄コストを上回れば廃棄を選択することも十分にありうる。また、修理をする場合に最もメリットがあるのは半導体製造工場かその近隣の施設等、現地での修理作業である。現地において故障個所のみを交換することで復旧することができれば、修理コストや輸送コストも低減でき、環境負荷も低減できる。

しかしながら、現地で修理を行うということは、技術的に高い知識を有している必要があるため、高い知識の技術者が常駐するためサポート費用が高騰したり、常駐者の人選が困難となる要因となり、サポートする上での課題となっている。

本発明の目的は、上記のような課題に対し、高レベルな技術者でなくても扱える、現地で修理するための故障箇所の推定機能を有する高周波電源装置、及びその故障箇所推定方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においては、プラズマ処理装置に高周波電力を印可する整合器を含む高周波電源装置であって、整合器が動作中は高周波電源装置の内部の各種ステータスを監視する監視手段と、各種ステータスの何れかが異常となったと判定した場合、異常の判定に応じた警報を発し、ステータスをログ保存し、異常の判定とした警報発報時のステータス内容から故障箇所を推定し、推定結果を表示するよう制御する制御手段と、を備える高周波電源装置を提供する。

また、上記の目的を達成するため、本発明においては、プラズマ処理装置に高周波電力を印可する整合器を含む高周波電源装置の故障箇所推定方法であって、整合器が動作中は高周波電源装置の内部の各種ステータスを監視し、各種ステータスの何れかが異常となったと判定した場合、異常の判定に応じた警報を発し、ステータスをログ保存し、異常の判定とした警報発報時のステータス内容から故障箇所を推定し、推定結果を表示する故障箇所推定方法を提供する。

本発明によれば、高周波電源に対する、現地の対応者が容易に故障箇所の推定を行うことができる。

プラズマ処理装置の概略構成図。 従来の高周波電源装置の構成を示す概略ブロック図。 実施例１に係る高周波電源装置の構成を示す概略ブロック図。 実施例１に係る高周波電源装置の主増幅回路と制御回路、及び故障解析ツールの内部ブロックを示す図。 実施例１に係るログデータの一例を示す図。 実施利１に係る解析用テーブルの一例を示す図。 実施例２に係る解析結果表示画面の一例を示す図。

以下、本発明を実施例するための形態について、図面に従い順次説明するが、それに先立ち、プラズマ処理装置の概略構成と、従来の高周波電源装置の概略構成を説明する。

図１に示すように、プラズマ処理装置１には、プラズマを励起するために必要となる高周波電力を供給する手段として、高周波電源２と整合器３を備えている。高周波電源２から出力される高周波電力は同軸ケーブル４等の伝送手段を用いて整合器３に入力する。整合器３は負荷となるプラズマ処理装置１に効率よく高周波電力を伝送できるよう負荷インピーダンスとの整合回路を有している。整合器３から同軸ケーブルやバスバー等５の伝送手段を用いてプラズマ処理装置１に高周波電力を供給する。プラズマ処理装置1は、高周波電力の供給を受けてプラズマやレーザを励起し、励起されたプラズマやレーザ等を利用して表面処理や加工を行う。

高周波電源２は通常、プラズマ処理装置１を制御する上位コントローラ６からアナログ信号やデジタル信号による制御命令を受けて動作するが、高周波電源２内のステータス監視や異常監視については、高周波電源２内の監視制御回路が行う場合が多く、高周波電源２内の監視制御回路が異常と判断し、上位コントローラ６に向かって警報を発報する場合が多い。

次に、図２を用いて、従来の高周波電源２の内部構成について説明する。同図に示すように、高周波信号の源振となる、発振器やDDS（Direct Digital Synthesizerなどで構成される発振回路１０、励振増幅回路１１、主増幅回路１２、不要な周波数成分の信号を出さないようにするために帯域制限するフィルタ回路１３、方向性結合器などの電力検出回路１４、各回路に電源を供給する電源回路１５、上位コントローラとの制御信号の入出力を行う上位コントローラインタフェース回路１６、各回路の監視および制御を行う制御回路１７、制御回路１７からの指示により装置の状態をLEDやモニタなどを使用して表示を行う表示回路１８などから高周波電源２が構成されている。

各回路の温度や電圧、電流、出力電力などのステータスを監視するために、それぞれの回路にセンサ回路を組み込む。それぞれの回路に監視し判定する機能がある場合は、それぞれの回路で異常判定する。それぞれの回路に監視し判定する機能がない場合は、点線で示すように、制御回路１７がそれぞれの監視情報を収集して異常判定することが多い。

高周波電源２が装置内を監視するステータス項目としては、進行波電力レベル、反射波電力レベル、温度、電流、電圧などが主なものであり、センサ回路の出力に基づき、所望の機能・性能を満たしていないか、故障していると判断できる条件で警報と判定している。

しかしながら、上述の通り判定には技術的に高い知識を有している必要があるため、高い知識の技術者が常駐するためサポート費用が高騰したり、常駐者の人選が困難となる要因となり、サポートする上での課題となっていた。本発明においては、以下で詳述する実施例により上記の課題を解決する。

実施例１は、プラズマ処理装置に高周波電力を印可する整合器を含む高周波電源装置であって、整合器が動作中は高周波電源装置の内部の各種ステータスを監視する監視手段と、各種ステータスの何れかが異常となったと判定した場合、異常の判定に応じた警報を発し、ステータスをログ保存し、異常の判定とした警報発報時のステータス内容から故障箇所を推定し、推定結果を表示するよう制御する制御手段と、を備える高周波電源装置、及びその故障箇所推定方法の実施例である。

本実施例の好適な高周波電源装置は、高周波電源および整合器、他の構成品のステータス、すなわち、電源電圧や消費電流、温度、進行波電力、反射波電力などを監視するためのセンサ等を適切な箇所に設置し、センサ等から取得した出力情報であるステータスの値と予め設定した閾値とを比較する手段を有し、比較した結果が閾値に並ぶか超えた場合に警報を発報する手段を有し、警報発報時（その付近も含む）のステータスの値を警報種別とともに不揮発性メモリに記憶する手段を有し、警報種別とステータスの値から予め設定したステータスに一致するか否かで故障箇所を推定する手段、または、警報種別とステータスの値から予め設定したステータスとの合致率で故障箇所を推定する手段を有し、推定した故障箇所が複数の場合は複数表示する、または、合致率の高い順に並べて表示する、または、合致率が高いものだけ表示する表示手段を有し、推定した故障箇所をパソコン等の画面上に色付きで表示する手段を有し、合致率の高さにより推定した故障箇所を色分けして表示する手段を有する。

故障箇所の推定は、高周波電源内に故障推定手段を有してもよいし、専用ツール等を高周波電源と接続することで故障推定手段とすることでもよい。故障推定手段は、高周波電源内の不揮発性メモリに保存された警報種別とステータスの値のログデータを取得し、発生した警報名と警報発生時取得したステータス情報から不具合のあると思われる箇所を推定し、画面等にビジュアル的に表示する。

故障推定手段のインプット情報は、警報種別と警報発生時の装置ステータスと予め作成する解析用テーブルであり、アウトプット情報は推定故障箇所と対処方法に関するメッセージなどであり、推定故障箇所には装置外要因（環境温度や接続する負荷）も含むことで、装置内外の要因について推定することができる特徴を有する。

また、解析用テーブルとは、故障箇所を推定するためのノウハウのようなもので、故障対応のノウハウを解析用テーブルにフィードバックすることで、故障箇所推定の精度を向上させることができる。

図３を用いて、実施例１の高周波電源装置及びその故障箇所推定方法について説明する。図２の従来の高周波電源２の内部構成と比較して、高周波電源２０には故障解析ツールインタフェース２２が追加され制御回路２１と接続している。また、故障解析ツール２３は故障解析ツールインタフェース２２を介して制御回路２１にアクセスすることができる。

図３に示す発振回路１０、励振増幅回路１１、主増幅回路１２、フィルタ回路１３、電力検出回路１４、整合器３、電源回路１５には、各種センサが取り付けられており、センサから取得した情報を点線に示すように、制御回路２１に伝送する。

図４を用いて、高周波電源２０内の主増幅回路１２と制御回路２１の詳細な系統図を説明する。同図の上側が主増幅回路１２の概略ブロック図である。入力信号を増幅する増幅回路３０と、増幅後の電力を検出する電力センサ３１を経由し出力信号が出力される。

主増幅回路１２の監視箇所としては、増幅回路３０に供給する電源の電圧を検出する電圧センサ３２、増幅回路３０が消費する電流を検出する電流センサ３３、増幅回路３０は発熱する部品で構成されるため温度を監視する温度センサ３４、先ほど説明した増幅回路の出力電力を検出する電力センサ３１など、正常性を監視するセンサが配置されている。

これらのセンサはアナログ出力であったりデジタル出力であったりするが、図４ではすべてのセンサがアナログ出力であった場合として、A/D変換３５に入力している。デジタル出力のセンサの場合はA/D変換３５が省略される。電力センサ３１からの電力情報、電圧センサ３２からの電圧情報、電流センサ３３からの電流情報、温度センサ３４からの温度情報をA/D変換した値は、警報閾値との比較３６を実施し、比較結果を制御回路I/F３７を経由して制御回路２１に伝送する。

制御回路I/F３７は、センサ出力情報を制御信号として制御回路２１に定期的、不定期問わず常時出力する。主増幅回路１２と制御回路２１との間の制御信号の入出力は、どのような規格のものでも正確に情報が伝送できればよい。

上記センサの値を異常と判定した場合、主増幅回路１２の保護動作としては、ゲート電圧制御回路３８を介してゲート電圧の供給を停止して増幅回路３０の動作を実質停止して装置および主増幅回路を保護する。ゲート電圧の停止処置は主増幅回路１２の制御回路I/F３７が実施してもよいし、制御回路２１からの指示で停止処置を行ってもよい。

図４の左下側は制御回路２１の概略ブロック図である。主増幅回路１２からの制御信号は、制御回路I/F４０を経由して制御部４１に入力される。制御部４１は主増幅回路１２から警報と判定したという情報を受け取った場合、装置の保護動作（上記説明したゲート電圧の停止処理を含み、RF出力状態であればRF出力停止処置、主増幅用電源の停止処置など）を実施したのち、上位コントローラI/F４２を介して上位コントローラに対し警報を発報する。

また、制御部４１は警報と判定したときのセンサ情報を不揮発性メモリ４３に、警報種別と共に保存する。保存する内容は、装置の監視する項目などによりさまざまであるが、基本的には各センサが取得し警報と判定したときの値とする。

本実施例では、パーソナルコンピュータ(PC)などを利用した故障解析ツール２３を、例えばRS232C、USB、LANなどの故障解析ツールインタフェース２２を介して接続し、故障解析作業を実施する。

図４の右下側は故障解析ツール２３の概略系統図である。データ取得４４では、制御回路２１内の不揮発性メモリ４３のログデータ等を取得し、データ解析４５では、取得したログデータのうちの警報種別である警報名と、各種のセンサ情報からデータ解析を行う。解析結果表示４６は、データ解析４５の解析結果をパソコン等であればパソコン等の表示手段の画面上に表示する。

図５のログデータ５０を用いて、データ解析４５を説明する。データ解析４５では、制御回路２１の不揮発性メモリ４３のログデータ５０から取得した警報種別を示す警報名とその警報が発生したときの装置内ステータスを内部メモリに展開して保持する。

データ解析には、解析用テーブル（表）を使用する。解析用テーブルとは、警報種別と、その警報が発生する故障モードや故障部品を羅列し（1つでも複数でもよい）、それぞれの故障モードや故障部品が発生した際の想定するステータス条件を規定する。想定するステータス条件とは、例えば電力ステータスであれば、設定電力の50％以下、温度であれば60℃以上、など、故障モードや故障部品から想定されるステータスの傾向を規定する。

図６に解析用テーブル６０を示す。同図に示す警報名、すなわち警報種別は、主増幅回路１２の電流異常の警報である。この例では主増幅回路１２を「ＰＡ」という呼称で呼んでいる。ＰＡの電流異常が発生した際に、想定される故障モード、故障部品としては、増幅回路３０の故障、電流センサ３３の故障の２つの要因が想定される。増幅回路３０の故障の場合、電流センサ３３の故障の場合それぞれの場合の装置内ステータスを規定する。

増幅回路３０の故障の場合は、増幅回路３０の出力が低下すると想定されるので、後段の電力センサ３１の進行波電力は設定電力より5%以上低くなると想定する。また、過電流となると電圧が低下することが想定されるので、ＰＡの電圧センサ３２の値が5％以上低下すると想定する。同様に他の回路のステータス値も想定して表を作成する。

電流センサ３３の故障の場合は、電流センサのみの故障であった場合、出力電力は正常動作により安定し、過電流状態ではないと想定されるため、電力センサ３１の進行波電力は設定電力の5％以内であり、電圧センサ３２の値も設定電圧の5％以内であると想定する。同様に他の回路のステータス値も想定して表を作成する。

データ解析４５では、データ取得４４で取得したデータと、上記説明した図６の解析用テーブル６０とを照合する作業を行う。解析用テーブル６０から、取得したデータの警報名の表の行を探す。対象となる警報名に対する故障モード・故障部品が複数想定される場合には、それぞれの故障モード・故障部品に対して同じ処理を繰り返し実施する。

対象となる警報名の故障モード・故障部品で規定されているステータス条件と、取得したステータスの値を比較・照合し、合致するか否かを、ステータス条件毎に判定する。ステータス条件毎に判定した結果を集計して、合致率を算出する。すべてのステータス条件で合致した場合100%、すべてのステータス条件で合致しない場合は0%とする。

対象となる警報名の故障モード・故障部品が複数ある場合は、それぞれの故障モード・故障部品に対して同じ処理を繰り返し実施し、それぞれの行について、合致率を算出する。

解析結果表示４６について説明する。
データ解析４５において、対象となる警報名の故障モード・故障部品（1つもしくは複数）の情報と、ステータス条件の合致率を取得する。結果を表示する条件は、合致率が高いことである。そのため、複数の解析結果を並べて表示する際には、合致率の高い結果から並べて表示する。

また、解析結果から故障推定箇所をビジュアル的に表示する。その際、合致率により表示色を変えることで、より作業者にわかりやすく結果を通知することが可能となる。例えば、合致率90%以上は赤色、75%以上は橙色、50%以上は黄色、50％未満は緑色と色を変えて表示する。

上記の合致率の代わりに、合致数で故障箇所を推定してもよい。合致率の場合はパーセント（％）となるが、合致数の場合は件数となり、合致件数の多い故障モード・故障箇所が故障推定箇所となる。

また、解析結果から故障推定箇所をビジュアル的に表示する。その際、合致件数により表示色を変えることで、より作業者にわかりやすく結果を通知することが可能となる。例えば、合致件数5件以上は赤色、3件以上は橙色、1件以上は黄色、0件は緑色と色を変えて表示する。

解析用テーブルはFTA（Fault Tree Analysis）やFMEA（Failure Mode and Effects Analysis）をベースに作成すると網羅的に故障解析が可能となる。また、故障解析の情報を蓄積させていき、解析用テーブルを改善していくことで、解析の精度を向上させることができる。

実施例１によれば、故障箇所の推定により、故障発生から復旧までの時間を短縮することができ、生産の機会損失を低減することができ、更に、不必要な装置の廃棄処分や、故障個所が特定できないことにより代用品との交換のための輸送処置に関するコストの低減ができ、産業廃棄物を低減することで地球環境への負荷を低減することができる。

実施例２は、実施例１で説明した故障解析ツール２３であるPC等の画面表示の実施例である。図７に、2系統の出力が可能な高周波電源の故障解析ツールの画面７０を示す。同図の画面左側に故障推定箇所の表示画面７１、画面右側に故障解析の設定および結果表示画面７２を示す。

故障解析ツール２３の操作手順は、故障解析の設定および結果表示画面７２の[Failure Analysis]において、解析したい系統RFG1とRFG2を選択する。本実施例では、高周波電源の出力系統が2系統あるため、1系か2系かを選択する。

次に［Log No.］にログNo.を入力する。これは事前に図５に示したようなログデータを読み出しておき、解析するログNo.を決めておく必要があるからである。

最後に、故障解析の設定および結果表示画面７２の［START］ボタンを押すと、対象のログ情報と解析テーブルとの照合作業を実施し、［Result Message］画面に推定される故障モード・故障部品のリストが表示される。

リストには合致率［％］とメッセージが表示され、また、故障推定箇所の表示画面７１には故障推定箇所が赤く表示されるなどのハイライト表示を行う。この結果表示の場合は、本実施例の場合、故障解析の設定および結果表示画面７２に80%以上の合致率を赤色表示するよう設定されている。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

更に、上述した各構成、機能、故障解析ツール等は、それらの一部又は全部を実現するプログラムを作成する例を中心に説明したが、それらの一部又は全部を例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良いことは言うまでもない。すなわち、処理部の全部または一部の機能は、プログラムに代え、例えば、ASIC（Application Specific Integrated Circuit）、FPGA（Field Programmable Gate Array）などの集積回路などにより実現してもよい。

１ プラズマ処理装置
２ 高周波電源
３ 整合器
４ 同軸ケーブル
５ 同軸ケーブルバスバー等
１０ 発振回路
１１ 励振増幅回路
１２ 主増幅回路
１３ フィルタ回路
１４ 電力検出回路
１５ 電源回路
１６ 上位コントローラインタフェース回路
１７、２１ 制御回路
１８ 表示回路
２２ 故障解析ツールインタフェース
２３ 故障解析ツール
３１ 電力センサ
３２ 電圧センサ
３３ 電流センサ
３４ 温度センサ
３５ A/D変換
３６ 警報閾値との比較
３７、４０ 制御回路I/F
３８ ゲート電圧制御回路
４１ 制御部
４２ 上位コントローラI/F
４３ 不揮発性メモリ
４４ データ取得
４５ データ解析
４６ 解析結果表示
５０ ログデータ
６０ 解析用テーブル
７０ 画面
７１ 故障推定箇所の表示画面
７２ 故障解析の設定および結果表示画面

Claims (5)

1. プラズマ処理装置に高周波電力を印可する整合器を含む高周波電源装置であって、
   前記高周波電源装置は、
   発振回路と、
   励振増幅回路と、
   主増幅回路と、
   不要な周波数成分の信号を出さないようにするために帯域制限するフィルタ回路と、
   電力検出回路と、
   前記発振回路、前記励振増幅回路、前記主増幅回路、前記フィルタ回路および前記電力検出回路の各回路に電源を供給する電源回路と、
   前記各回路および前記電源回路の温度や電圧、電流、出力電力のステータスを監視するためにそれぞれの回路に設けられ、前記高周波電源装置の内部の各種ステータスを監視するための各種センサと、
   前記整合器が動作中は前記高周波電源装置の内部の前記各種ステータスを前記各種センサから取得した出力情報であるステータスの値として受信し、前記ステータスの値と予め設定した閾値とを比較し、比較した結果が前記閾値に並ぶか超えて前記各種ステータスの何れかが異常となったと判定した場合、異常の判定に応じた警報を発し、前記ステータスの値と警報種別とをログ保存する監視手段と、
   異常の判定とした警報発報時の前記ログ保存された前記ステータスの値および前記警報種別の内容と、解析用テーブルに規定された警報の名と、その警報が発生する故障モードおよび故障部品を1つまたは複数羅列し、それぞれの前記故障モードおよび前記故障部品が発生した際の想定するステータス条件と、を比較及び照合して、合致するか否かを、前記ステータス条件毎に判定する制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、表示手段を含み、
   前記制御手段は、前記ステータス条件毎の判定の結果から故障箇所を推定し、推定結果の前記故障箇所を前記表示手段に表示するよう制御する、
   ことを特徴とする高周波電源装置。
2. 請求項１記載の高周波電源装置であって、
   前記制御手段は、前記警報の警報名と前記高周波電源装置内のステータスをログ保存する記憶手段を有する、
   ことを特徴とする高周波電源装置。
3. 請求項２記載の高周波電源装置であって、
   前記解析用テーブルは、前記ステータス条件毎に前記表示手段に表示する対処方法に関するメッセージを含み、
   前記制御手段は、前記ステータス条件毎に判定した結果を集計して、合致率を算出し、すべての前記ステータス条件で合致した場合前記合致率を１００％とし、すべての前記ステータス条件で合致しない場合は前記合致率を０％とし、前記合致率の値に基づいて色を変えて前記合致率を前記表示手段に表示する、
   ことを特徴とする高周波電源装置。
4. 請求項３記載の高周波電源装置であって、
   前記表示手段は、推定した前記故障箇所を表示する表示画面と、故障解析の設定および故障部品、前記合致率および前記メッセージを表示する結果表示画面とを表示する、
   ことを特徴とする高周波電源装置。
5. プラズマ処理装置に高周波電力を印可する整合器を含む高周波電源装置の故障箇所推定方法であって、
   発振回路と、励振増幅回路と、主増幅回路と、不要な周波数成分の信号を出さないようにするために帯域制限するフィルタ回路と、電力検出回路と、前記発振回路、前記励振増幅回路、前記主増幅回路、前記フィルタ回路および前記電力検出回路の各回路に電源を供給する電源回路と、前記各回路および前記電源回路の温度、電圧、電流、出力電力のステータスを監視するためにそれぞれの回路に設けられ、前記高周波電源装置の内部の各種ステータスを監視するための各種センサと、を有する前記高周波電源装の前記各種センサから、前記整合器が動作中に、前記高周波電源装置の内部の前記各種ステータスを前記各種センサの出力情報であるステータスの値として受信し、
   前記各種ステータスと予め設定した閾値とを比較し、比較した結果が前記閾値に並ぶか超えて前記各種ステータスの何れかが異常となったと判定した場合、異常の判定に応じた警報を発し、前記ステータスの値と警報種別とをログ保存し、
   異常の判定とした警報発報時の前記ログ保存された前記ステータスの値および前記警報種別の内容と、解析用テーブルに規定された警報の名と、その警報が発生する故障モードおよび故障部品を1つまたは複数羅列し、それぞれの前記故障モードおよび前記故障部品が発生した際の想定するステータス条件と、を比較及び照合して、合致するか否かを、前記ステータス条件毎に判定し、
   前記ステータス条件毎の判定の結果から故障箇所を推定し、推定結果の前記故障箇所を表示手段に表示するよう制御する、
   ことを特徴とする故障箇所推定方法。

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