TWI549569B - 電漿未點燃狀態判別裝置及電漿未點燃狀態判別方法 - Google Patents

電漿未點燃狀態判別裝置及電漿未點燃狀態判別方法 Download PDF

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Description

電漿未點燃狀態判別裝置及電漿未點燃狀態判別方法
本發明係關於電漿之未點燃狀態檢測，關於在來自高頻電源(RF電源)之高頻電力供給所致的電漿生成中，檢測電漿之未點燃狀態的檢測裝置及檢測方法。
已知在半導體製造裝置或電子元件製造裝置等的電漿處理裝置、CO2雷射加工機等的電漿產生裝置中，係使用由高頻(RF)所生成的電漿。電漿生成，係已知藉由CW驅動(Continuous wave：等幅波)或脈衝驅動進行高頻電源(RF電源)。
圖20係用於說明由高頻電源(RF電源)驅動電漿負載的概略圖。在圖20中，從高頻電源(RF電源)100輸出的脈衝輸出，係經由匹配器101被供給至電漿處理裝置或CO2雷射加工機等的電漿負載102。
高頻電源之脈衝驅動所致的脈衝輸出，係以高頻重複進行斷開狀態與導通狀態的高頻(RF)輸出。由 於在高頻電源(RF電源)的脈衝驅動中，為了對電漿負載斷續地供給脈衝輸出的進行波電壓，而電漿負載之電漿將重複進行點燈與熄燈。
高頻(RF)輸出在導通狀態與斷開狀態之間切換時，即使脈衝驅動狀態正常亦會發生反射波。自高頻(RF)輸出從斷開狀態切換為導通狀態的時間點起至電漿點燃之間，由於反射係數Γ大致為1(Γ≒1)並發生不匹配狀態，因此，會暫時成為全反射狀態。此時，反射波會從電漿負載往高頻電源發生。作為反射波發生之要因，係有例如匹配器的固有振動或電漿的點燃動作等。
在電漿點燃動作中，即使電漿處於正常點燃的狀態及電漿不正常點燃、未點燃的狀態之任一狀態中，該脈衝驅動時的反射波亦會發生。
當所發生的反射波輸入至高頻電源時，具備有高頻電源之RF功率放大元件會有因反射波的高電壓而造成元件破損的情形。
已知為了防止像這樣的反射波而導致元件破損，從而檢測從負載返回到高頻電源之反射波的發生，並根據反射板的檢測使高頻電源的輸出下降、停止。
作為發生反射波之一要因即檢測電漿未點燃狀態的技術，已知藉由功率監測器來監視從負載返回到高頻電源的反射波，並在反射波的峰值低於臨界值時判斷為電漿已點燃，在反射波的峰值高於臨界值時判斷為電漿未點燃(參閱專利文獻1)。
又，已知為了保護高頻振盪裝置免受反射波影響，而在反射波超過規定值時使高頻輸出下降、使輸出暫時停止(參閱專利文獻2)，或根據反射波電力與設定反射波電力的偏差使進行波電力降低(下降)(參閱專利文獻3)。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
〔專利文獻1〕日本特開平9-260096號公報([0043]段、[0044]段)
〔專利文獻2〕日本特開2004-39844號公報([0010]段、[0044]段)
〔專利文獻3〕日本特開2004-8893號公報([0011]段、[0019]段)
(a)在脈衝驅動所致之電漿點燃的高頻電力供給中，對於因不匹配所致之反射波，在電漿未點燃狀態中係被要求有藉由輸出下降或輸出停止來防止RF功率放大元件破損的保護動作，另一方面，在正常的電漿點燃中，係被要求不用進行輸出下降或輸出停止，而繼續進行高頻電力。
在這樣的電漿點燃狀態與未點燃狀態中雖被 要求不同之應對，但在以往基於反射波的峰值之檢測電漿的未點燃狀態中，由於不用去區分在正常的點燃狀態中重複發生的反射波與在未點燃狀態中發生的反射波則進行檢測，因此，有將在電漿點燃狀態發生的反射波誤檢測為電漿未點燃狀態的全反射波之虞。
根據像這樣電漿點燃狀態中的誤檢測，進行輸出下降或輸出停止的保護動作時，儘管電漿正常點燃，高頻電力的供給仍會被限制，因此，有使正常點燃之電漿暫時形成為不穩定的狀態、電漿消失這樣的問題的狀態之虞。像這樣的電漿之不穩定動作，係造成例如在半導體製造中使製品之品質惡化的要因。
(b)又，以往基於反射波的峰值之檢測電漿的未點燃狀態，雖是檢測反射波暫時的突起變動，但無法檢測預定期間的輸出狀態，因此，如電漿未點燃狀態般，無法檢測全反射波在預定期間中持續的狀態。
因此，存在有反射波持續預定時間被施加至RF功率放大元件而被加熱，導致無法進行對應於因該加熱之蓄熱所致之RF功率放大元件熱破損之元件保護的問題。
因此，在基於反射波的峰值之檢測電漿的未點燃狀態中，具有(a)電漿點燃狀態中錯誤檢測的問題；及(b)電漿未點燃狀態中來自RF放大元件之蓄熱所致之元件破損之元件保護的問題。
於此，本發明係以解決以往的問題點，在反 射波所致之電漿未點燃狀態的檢測中，防止正常之電漿點燃時的錯誤檢測並檢測電漿異常時的未點燃狀態為目的。
又，在電漿未點燃狀態的檢測中，以在電漿未點燃狀態中檢測持續預定時間的全反射波為目的。
且，以藉由在電漿未點燃狀態中檢測持續預定時間的全反射波，保護元件免受電漿未點燃狀態中的RF放大元件之蓄熱所造成元件破損為目的。
本案發明，係鑑於上述課題，從高頻電源藉由脈衝驅動對電漿負載供給脈衝輸出時，檢測從電漿負載返回到高頻電源之反射波的反射波電壓，並根據從所檢測之反射波電壓所獲得的反射波的持續狀態來檢測電漿異常時的未點燃狀態。
本案發明，係根據反射波的持續狀態進行電漿異常時之未點燃狀態的檢測，藉此，從在正常的點燃狀態中發生的反射波去區分並檢測在電漿異常時之未點燃狀態中發生的全反射波。藉此，在藉由比較反射波電壓的峰值與臨界值所致之未點燃狀態的檢測中，能夠防止在正常的點燃狀態中發生的反射波被錯誤檢測為在異常的未點燃狀態中發生的全反射。
本案發明，係自輸出有高頻輸出(RF輸出)的時間點，而在可容許高頻電源(RF電源)之全反射波狀態的持續時間以內檢測電漿未點燃狀態(異常)。高頻 電源(RF電源)，係當接收檢測未點燃狀態所輸出的輸出訊號(異常訊號)時，能夠進行輸出下降或輸出停止之保護動作的處理來保護高頻電源。
根據本案發明，針對在電漿正常點燃的狀態中重複發生之瞬間的反射係判斷為正常，不輸出未點燃狀態檢測訊號。另一方面，在電漿為未點燃狀態下施加高頻輸出(RF輸出)時，針對施加有高頻輸出之期間持續發生的全反射波係判斷為異常，輸出未點燃狀態檢測訊號。
根據本案發明，將在電漿正常點燃的狀態中重複發生之瞬間的反射判斷為正常狀態，故，可防止錯誤檢測為未點燃狀態。
根據本案發明，電漿處於未點燃狀態時，高頻輸出(RF輸出)被施加於負載，在全反射波持續發生時，係藉由求出對應於施加至RF功率放大元件之熱量的換算值，能夠在超過RF功率放大元件的容許反射波耐量之前檢測未點燃狀態而輸出異常訊號。
藉由不會受到在正常的點燃狀態中發生的反射波影響而檢測電漿異常時之未點燃狀態的方式，可同時解決在正常的點燃狀態中確保電漿已穩定與防止電漿負載異常時所造成RF功率放大元件的破損。
根據本案發明，可在超過高頻電源(RF電源)之RF功率放大元件的容許反射波耐量之前進行保護動作，因此，高頻電源(RF電源)之功率放大元件的構成，係只要考慮正常運轉時的損失便足夠而不必考慮異常 時的損失，故能夠以最少必要的構成即可。
本案發明，係可形成為方法的態樣及裝置的態樣。
〔電漿未點燃狀態檢測方法〕
本發明之電漿未點燃狀態檢測方法的態樣，係在從高頻電源對脈衝驅動所致的電漿負載供給脈衝輸出中，檢測從電漿負載往高頻電源的反射波電壓，並根據所檢測之反射波電壓的峰值及變動狀態，求出對應於被施加至高頻電源之RF功率放大元件之熱量的換算量。
比較所求出的換算量與對應於RF功率放大元件之容許熱量的臨界值，並根據比較結果檢測電漿的未點燃狀態。所求出的換算量未滿臨界值時，係判斷為電漿未處於未點燃狀態，所求出的換算量超過臨界值時，係判斷為電漿處於未點燃狀態並檢測電漿未點燃狀態。
在本發明之電漿未點燃狀態檢測方法中，具備以下第1換算工程~第3換算工程，以作為求出對應於被施加至RF功率放大元件之熱量的換算量之工程，根據所求出的換算值，具備檢測電漿未點燃的比較工程。各換算工程及比較工程，係能夠以類比處理或數位處理來進行，各工程係能夠使用具備CPU及記憶體之構成，藉由軟體來進行，該記憶體係儲存有使各工程在CPU執行的程式。
第1換算工程，係求出對應於被附加在高頻 電源之RF功率放大元件之熱量的第1換算值之工程。第1換算值，係根據所檢測的反射波電壓及反射波的持續時間來求出。
第2換算工程，係求出對應於從高頻電源之RF功率放大元件釋出之散熱量的第2換算值之工程。第2換算值，係在脈衝驅動的各週期中，根據反射波電壓Vr之峰值成為零後的經過時間、或從脈衝輸出之施加開始的經過時間來求出。
第3換算工程，係求出對應於被蓄熱在高頻電源之RF功率放大元件之蓄熱量的第3換算值之工程。第3換算值，係從第1換算值與第2換算值的差值來求出。
比較工程，係比較所求出的換算值與臨界值並檢測電漿之未點燃狀態的工程，且比較第3換算工程所求出之第3換算值與對應於RF功率放大元件之容許熱量的臨界值，在第3換算值超過臨界值時，檢測電漿之未點燃狀態。
作為進行本發明之電漿未點燃狀態檢測方法的換算工程之形態，具備充放電電壓所致的第1形態及數值運算所致的第2形態。
(換算工程之第1形態)
換算工程之第1形態，係根據充放電電壓求出換算值的態樣，藉由反射波的充電電壓求出對應於被附加在高頻 電源之RF功率放大元件之熱量的第1換算值，藉由放電電壓求出對應於從高頻電源之RF功率放大元件釋出之散熱量的第2換算值，藉由從充電電壓減去放電電壓的電壓求出對應於被蓄熱在高頻電源之RF功率放大元件之蓄熱量的第3換算值。
在充放電中，將正常時之脈衝驅動的脈衝頻率設為所能夠設定的最大值，且，在將脈衝驅動之一週期內的RFon區間之負載比設為所能夠設定的最大值之脈衝驅動的驅動條件中，以放電時間常數(τdisc)比充電時間常數(τc)長，且充放電電壓不會到達裝置保護檢測準位之電壓準位的方式予以選定。
在換算工程中，求出以充電時間常數(τc)對反射波電壓的峰值進行充電而獲得的充電電壓作為第1換算值，並求出從第1換算值的充電電壓以放電時間常數(τdisc)進行放電而獲得的電壓作為第3換算值。
在此，充放電係重複脈衝驅動的一週期作為單位來予以進行，在一週期內，對反射波發生的期間進行充電以作為充電時間，對反射波發生結束且反射波電壓的峰值為零的期間進行放電以作為放電時間。該充放電的值，係藉由反射波被換算為對應於施加至RF功率放大元件之熱量的值，根據該換算值檢測電漿之未點燃狀態。
在電漿正常點燃的狀態中，因供給脈衝驅動之脈衝輸出之RFon區間的上升時及下降時所產生的不匹配，而造成反射波暫時發生。另一方面，在因電漿異常而 電漿處於未點燃狀態的狀態中，係全反射波持續發生於供給有脈衝驅動之脈衝輸出的RFon區間。
在脈衝驅動之一週期內發生的反射波之充放電中，在電漿正常點燃的狀態中，由於反射波暫時發生於RFon區間的上升時及下降時，因此，僅在反射波發生的短時間期間進行充電，然後，藉由放電使充電電壓下降至零電壓。放電至零電壓後，在下個脈衝驅動的週期中，再次重複進行來自零電壓的充電與放電。
另一方面，在因電漿異常所致的電漿未點燃狀態中，由於反射波涵蓋RFon區間，而全反射波持續發生，因此，在RFon區間的期間進行充電，並在接下來的RFoff區間進行放電，使充電電壓下降。此時，在RFoff之區間結束的時間點，藉由將充放電的放電時間常數(τdisc)設定為比充電時間常數(τc)長，使充放電電壓不會下降至零電壓而殘留有電壓。
在脈衝驅動之一週期內的充放電中，使充電電壓不會放電至零電壓而殘留有電壓時，自殘留於下個脈衝驅動之週期的充電電壓進行充電，藉由重複進行該充放電，使充放電電壓上升。
在此，作為用於檢測電漿未點燃狀態的臨界值，事先設定對應於保護RF功率放大元件免受熱損傷之裝置保護檢測準位的充放電電壓，並比較該臨界值與充放電電壓，在充放電電壓超過臨界值時，係判斷為施加於RF功率放大元件的熱量已到達超過裝置保護檢測準位， 檢測為電漿未點燃狀態。
充放電的放電時間常數(τdisc)，係設定為比充電時間常數(τc)長，在正常時，脈衝驅動之脈衝頻率為所能夠設定的最大值，且在一週期內的RFon區間之負載比藉由所能夠設定的最大值進行脈衝驅動時，以充放電電壓不會到達裝置保護檢測準位之電壓準位的方式予以選定。
藉由將充放電的放電時間常數(τdisc)設定為比充電時間常數(τc)長，能夠使各週期結束時的電壓殘留，藉由從殘留電壓進行下個週期的充放電，能夠求出複數個週期所儲存的充電電壓。在該複數個週期所獲得的充電電壓，係對應於藉由複數個週期的脈衝輸出而儲存於RF功率放大元件之熱量的換算值，在脈衝驅動中，並不限於一週期，能夠以充電電壓監視複數個週期中的蓄熱狀態。
在脈衝驅動中，將脈衝頻率設為所能夠設定的最大，並將脈衝輸出的週期設為所能夠設定之最短的週期，且，電漿點燃狀態為正常狀態時，根據將一週期內之RFon區間的負載比設為所能夠設定的最大值之驅動條件，使充放電電壓成為最大。
在電漿點燃狀態為正常狀態時，藉由以在該脈衝驅動的條件所獲得之充放電的電壓不會到達裝置保護檢測準位之電壓準位的方式選定放電時間常數(τdisc)，可防止電漿被錯誤檢測為未點燃狀態。
(換算工程之第2形態)
換算工程之第2形態，係根據反射波電壓的時間積分來求出換算值之態樣，在電漿驅動的一週期中，在將輸出脈衝之區間的時間寬設為RFon、將不輸出脈衝之區間的時間寬設為RFoff時，藉由以下運算來計算第1換算值、第2換算值及第3換算值。
第1換算值，係藉由反射波電壓之峰值Vr與對應於RF功率放大元件之發熱係數的係數k1之積(Vr×k1)的時間積分(Vr×k1×ʃ0 RFontdt)來予以計算；第2換算值係藉由對應於RF功率放大元件之散熱係數的係數k2之時間積分(k2×ʃ0 RFofftdt)予以計算；第3換算值，係在從第1換算值減去第2換算值之{(Vr×k1×ʃ0 RFontdt)-(k2×ʃ0 RFofftdt)}的運算中將零作為最低值予以計算。第1換算值、第2換算值及第3換算值，係在電漿驅動的每一週期予以計算，下週期的換算，係將前週期所獲得的第3換算作為第1換算值的初始值予以進行。時間積分，係可藉由數位運算予以進行。
〔電漿未點燃狀態檢測裝置〕
本發明之電漿未點燃狀態檢測裝置，係一種在從高頻電源對脈衝驅動所致的電漿負載供給脈衝輸出中，檢測前述電漿負載之電漿的未點燃狀態之未點燃狀態檢測裝置，具備：檢測機構，檢測從電漿負載往高頻電源的反射波電 壓；換算機構，根據由檢測機構檢測之反射波電壓的峰值及變動狀態來求出對應於被施加至高頻電源之RF功率放大元件之熱量的換算量；及比較機構，比較由換算機構所求出的換算量與對應於RF功率放大元件之容許熱量的臨界值，根據比較機構的比較結果來檢測電漿之未點燃狀態。
本發明之電漿未點燃狀態檢測裝置中，作為求出對應於被施加至RF功率放大元件之熱量的換算量之換算機構，具備以下第1換算機構~第3換算機構及根據所求出的換算值來檢測電漿未點燃的比較機構。各換算機構及比較機構，係能夠以類比處理電路或數位處理電路予以構成。
第1換算機構係求出第1換算值的運算機構，該第1換算值係對應於被附加在高頻電源之RF功率放大元件的熱量，根據反射波電壓Vr及反射波的持續時間來求出。
第2換算機構係求出在反射波電壓之峰值為零的時間寬對應於從高頻電源之RF功率放大元件釋出之散熱量的第2換算值之運算機構，並在脈衝驅動的各週期中，根據反射波電壓Vr之峰值成為零後的經過時間、或從脈衝輸出之施加開始的經過時間來求出。
第3換算機構，係求出對應於被蓄熱在高頻電源之RF功率放大元件之蓄熱量的第3換算值之機構，從第1換算值與第2換算值的差值來求出。
比較機構，係比較由第3換算機構求出的第3換算值與對應於RF功率放大元件之容許熱量的臨界值之機構，第3換算值超過臨界值時，檢測電漿之未點燃狀態。
作為本發明之電漿未點燃狀態檢測裝置的換算機構之形態，具備類比電路所致的第1形態及數位電路所致的第2形態。
(換算機構之第1形態)
換算機構之第1形態，係由充放電電路之類比電路所致的構成，具備：充放電電路，對反射波電壓進行充電且對所充電的電壓進行放電；及比較電路，輸入充放電電路的輸出。
充放電電路的放電時間常數(τdisc)，係在充放電中，將正常時的脈衝驅動之脈衝頻率設為所能夠設定的最大值，且，在將脈衝驅動之一週期內的RFon區間之負載比設為所能夠設定的最大值之脈衝驅動的驅動條件中，以比充電時間常數(τc)長，且充放電電壓不會到達裝置保護檢測準位之電壓準位的方式予以選定之值。
在脈衝驅動中，將脈衝頻率設為所能夠設定的最大，並將脈衝輸出的週期設為所能夠設定之最短的週期，且，將一週期內之RFon區間的負載比設為所能夠設定的最大值之驅動條件，係電漿點燃狀態為正常狀態時，將充放電電壓設為最大。
在電漿點燃狀態為正常狀態時，藉由以在該脈衝驅動的條件所獲得之充放電電壓的電壓不會到達裝置保護檢測準位之電壓準位的方式選定放電時間常數(τdisc)，可防止電漿被錯誤檢測為未點燃狀態。
又，藉由將充放電的放電時間常數(τdisc)設定為比充電時間常數(τc)長，能夠使各週期結束時的電壓殘留，藉由從殘留電壓進行下個周期的充放電，能夠求出複數個週期所儲存的充電電壓。由複數個週期所獲得的充電電壓，係對應於藉由複數個週期的脈衝輸出而儲存於RF功率放大元件之熱量的換算值。根據該換算值，在脈衝驅動中並不限於一週期，可監視複數個週期中的蓄熱狀態。
充放電電路的充電部，係構成第1換算機構。充電部，係將充電電壓作為第1換算值予以輸出，該充電電壓係由將檢測機構所檢測的反射波電壓以充電時間常數(τc)進行充電所獲得。
充放電電路的放電部，係構成第2換算機構及第3換算機構。放電部，係根據反射波電壓之峰值為零的時間寬，從作為第1換算值的充電電壓，以放電時間常數(τdisc)進行放電，並將由放電所獲得的電壓作為第3換算值予以輸出。
比較電路係構成比較機構，設為免受熱損傷保護對應於RF功率放大元件之容許熱量的充電電壓之裝置保護檢測準位，將該裝置保護檢測準位作為臨界值，與 從充放電電路輸出的第3換算值進行電壓比較。
在臨界值與充放電電壓的比較下，充放電電壓超過臨界值時，判斷為被施加於RF功率放大元件的熱量達到超過裝置保護檢測準位，檢測為電漿未點燃狀態。
(換算機構之第2形態)
換算機構之第2形態，係由數位運算電路所致的構成，具備：A/D轉換電路，將檢測機構所檢測的反射波電壓Vr轉換成數位值；及運算電路，將數位值作為輸入值進行數位運算。
運算電路，係在電漿驅動的一週期中，將輸出脈衝之區間的時間寬設為RFon，將不會輸出脈衝之區間的時間寬設為RFoff，且分別具備第1運算部、第2運算部及第3運算部作為第1換算機構、第2換算機構及3換算機構。
第1運算部，係藉由反射波電壓之峰值Vr與對應於RF功率放大元件之發熱係數之係數k1的積(Vr×k1)之時間積分(Vr×k1×ʃ0 RFontdt)的運算，計算出第1換算值之運算部。
第2運算部，係藉由對應於RF功率放大元件之散熱係數之係數k2的時間積分(k2×ʃ0 RFofftdt)運算，計算出第2換算值之運算部。
第3運算部，係運算從第1換算值減去第2換算值而形成之{(Vr×k1×ʃ0 RFontdt)-(k2×ʃ0 RFofftdt)} 的運算部，運算值係將零設為最低值來計算出第3換算值。
第1換算值、第2換算值及第3換算值，係在電漿驅動的每一週期予以計算，次週期中的第1換算值係將前週期的第3換算作為初始值來進行運算。
運算電路，係除了藉由硬體予以構成之外，亦能夠藉由DSP或FPGA而以軟體及CPU的運算予以構成。
如上述說明，根據本發明之電漿未點燃狀態檢測方法及電漿未點燃狀態檢測裝置，能夠在反射波所致之電漿的未點燃狀態檢測中，防止正常的電漿點燃時之錯誤檢測並檢測電漿異常時的未點燃狀態。
根據本發明之電漿未點燃狀態檢測方法及電漿未點燃狀態檢測裝置，能夠在電漿未點燃狀態的檢測中，於電漿未點燃狀態下檢測持續預定時間的全反射波。
根據本發明之電漿未點燃狀態檢測方法及電漿未點燃狀態檢測裝置，藉由在電漿未點燃狀態中檢測持續預定時間的全反射波，能夠保護元件免受電漿未點燃狀態中的RF放大元件之蓄熱所致之元件破損。
1‧‧‧未點燃狀態檢測裝置
2‧‧‧功率感測器
3‧‧‧電力控制部
4‧‧‧緩衝部
10‧‧‧未點燃狀態檢測裝置
11‧‧‧換算機構
11A‧‧‧換算機構
11B‧‧‧換算機構
11C‧‧‧換算機構
12‧‧‧比較機構
20‧‧‧未點燃狀態檢測裝置
20a‧‧‧充放電電路
20b‧‧‧比較電路
20circuit‧‧‧未點燃狀態檢測電路
21‧‧‧換算機構
21A‧‧‧充電電壓計算機構
21B‧‧‧充電電壓計算機構
21C‧‧‧充電電壓計算機構
22‧‧‧電壓比較機構
30‧‧‧未點燃狀態檢測裝置
31‧‧‧換算機構
31A‧‧‧積分電路
31B‧‧‧積分電路
31C‧‧‧保持電路
31D，31E‧‧‧開關電路
32‧‧‧比較電路
40‧‧‧未點燃狀態檢測裝置
41‧‧‧換算機構
41A‧‧‧加法電路
41B‧‧‧減法電路
41C‧‧‧加法器
41D‧‧‧切換電路
42‧‧‧比較電路
101‧‧‧匹配器
102‧‧‧電漿負載
a‧‧‧係數
C‧‧‧電容器
D‧‧‧阻斷二極體
Em‧‧‧步級電壓
Hac‧‧‧蓄熱換算量
i1‧‧‧電流
i2‧‧‧電流
ic‧‧‧電流
k1‧‧‧係數
k2‧‧‧係數
R1‧‧‧充放電電阻
R2‧‧‧放電電阻
T‧‧‧週期
t1‧‧‧持續時間
t2‧‧‧容許導通時間
t3‧‧‧時間寬
ta‧‧‧導通時間寬
Va‧‧‧充放電電壓
Vf‧‧‧進行波電壓
Vfail‧‧‧未點燃狀態檢測訊號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vr‧‧‧反射波電壓
Vref‧‧‧設定電壓
X‧‧‧電壓值
Γ‧‧‧反射係數
τ1‧‧‧時間常數
τc‧‧‧充電時間常數
τdisc‧‧‧放電時間常數
〔圖1〕
用於說明根據電漿負載之電漿未點燃狀態的檢測進行電力控制之概略構成的圖。
〔圖2〕
用於說明本案發明之未點燃狀態檢測之概略構成的圖。
〔圖3〕
用於說明本案發明之點燃狀態的訊號圖。
〔圖4〕
用於說明本案發明之未點燃狀態的訊號圖。
〔圖5〕
用於說明本案發明之未點燃狀態檢測之工程的流程圖。
〔圖6〕
用於說明使用本案發明之反射波的電壓值之未點燃狀態檢測之概略構成的圖。
〔圖7〕
用於說明根據本案發明之反射波電壓的充放電電壓來檢測未點燃狀態之類比電路構成的圖。
〔圖8〕
用於說明低頻脈衝模式之正常動作狀態之訊號例的圖。
〔圖9〕
表示高頻脈衝模式之正常動作狀態之訊號例的圖。
〔圖10〕
表示低頻脈衝模式之異常動作狀態之訊號例的圖。
〔圖11〕
用於說明容許導通時間t2的圖。
〔圖12〕
表示高頻脈衝模式之異常動作狀態之訊號例的圖。
〔圖13〕
表示未點燃狀態檢測電路20circuit之充放電電路20a之電路構成的圖。
〔圖14〕
表示輸入電壓Vin之一例的圖。
〔圖15〕
表示有輸入訊號之狀態(高頻(RF)訊號為導通的狀態)之電路狀態的圖。
〔圖16〕
表示無輸入訊號之狀態(高頻(RF)訊號為斷開的狀態)之電路狀態的圖。
〔圖17〕
表示數值例所致之波形例的圖。
〔圖18〕
以數位電路構成本案發明之未點燃狀態檢測裝置的構成例。
〔圖19〕
以計數電路構成本案發明之未點燃狀態檢測裝置的構 成例。
〔圖20〕
用於說明高頻電源(RF電源)所致之電漿負載之驅動的概略圖。
以下，參閱圖面來詳細說明關於本發明的實施形態。
以下係關於本案發明之電漿未點燃狀態檢測裝置及檢測方法，使用圖1說明電漿未點燃狀態檢測裝置與功率感測器的連接狀態，使用圖2~4說明電漿未點燃狀態檢測的概略構成，使用圖5的流程圖說明電漿未點燃狀態檢測的工程，使用圖6~17表示藉由以類比電路構成進行反射波之電壓的儲存來檢測電漿未點燃狀態的形態，使用圖18及圖19表示藉由以數位電路構成進行反射波之電壓的儲存來檢測電漿未點燃狀態的形態。另外，圖6~圖17係表示以對反射波的電壓進行充放電的方式來進行反射波之電壓之儲存的構成例。
藉由脈衝驅動，從高頻電源(RF電源)對半導體製造裝置或電子元件製造裝置等的電漿處理裝置、或CO2雷射加工機等之電漿產生裝置的電漿負載，供給高頻輸出(RF輸出)。脈衝驅動，係藉由預定負載比的控制訊號而在預定週期對預定頻率的脈衝輸出進行導通/斷開控制，並供給電力至負載從而產生及維持電漿。控制訊號 在導通時間內時，對負載供給脈衝輸出，在斷開時間內時，停止脈衝輸出的供給，並藉由控制訊號之導通/斷開的負載比(時間比率)來控制供給至負載的電力。脈衝驅動的控制，係由電力控制部予以進行。脈衝驅動之脈衝輸出的頻率，係可因應供給至電漿負載之高頻輸出(RF輸出)的頻率來予以設定。
圖1係表示在高頻電源(RF電源)所致之電漿負載的脈衝驅動中，根據檢測電漿負載是否處於電漿未點燃狀態來進行電力控制的概略構成。另外，圖1係僅表示根據電漿未點燃狀態的檢測來控制向所進行之電漿負載的電力之構成中一部份的構成。
在圖1中，功率感測器2係被連接於高頻電源(RF電源)與電漿負載之間，且檢測從高頻電源(RF電源)往電漿負載之進行波電力的電壓(進行波電壓Vf)與從電漿負載返回到高頻電源(RF電源)之反射波電力的電壓(反射波電壓Vr)。未點燃狀態檢測裝置1，係根據由功率感測器2檢測的反射波電壓Vr來檢測電漿的未點燃狀態，當檢測出電漿為未點燃狀態時，輸出未點燃狀態檢測訊號Vfail。
電力控制部3，係根據從功率感測器2輸入的進行波電壓Vf及反射波電壓Vr，控制高頻電源(RF電源)的脈衝驅動。例如，電漿為正常點燃狀態時，根據由功率感測器2檢測的進行波電壓Vf來控制控制訊號的負載比，以使進行波電壓Vf成為預定電壓。另一方面，電 漿為異常狀態且電漿為未點燃狀態時，電力控制部3將進行使高頻輸出下降、使高頻輸出暫時停止的控制。
未點燃狀態檢測裝置1，係檢測電漿的未點燃狀態以作為電漿的異常狀態。電力控制部3，係根據未點燃狀態檢測裝置1檢測電漿未點燃狀態時所輸出的未點燃狀態檢測訊號Vfail，來進行使高頻輸出下降或暫時停止的控制。
〔本案發明之未點燃狀態檢測的概略構成〕
關於本案發明之未點燃狀態檢測，使用圖2~圖4說明概略構成，使用圖5的流程圖說明概略工程。
本發明之電漿未點燃狀態檢測，係根據從自電漿負載往高頻電源的反射波電壓Vr所獲得的反射波之發生狀態，來檢測電漿負載之電漿的未點燃狀態。
圖2係表示本案發明之未點燃狀態檢測的概略構成。未點燃狀態檢測裝置10，係具備：換算機構11，根據反射波電壓Vr的峰值及變動狀態，求出對應於被施加至高頻電源之RF功率放大元件之熱量的換算量；及比較機構12，比較由換算機構11求出的換算量與對應於RF功率放大元件之容許熱量的臨界值。
換算機構11，係備第1換算機構11A、第2換算機構11B及第3換算機構11C。
第1換算機構11A，將輸入由功率感測器所檢測的反射波電壓Vr(圖5的S1)，並根據反射波電壓 Vr及反射波電壓Vr的持續時間，求出對應於被附加在高頻電源之RF功率放大元件之熱量的第1換算值(加熱換算值)(圖5的S2)。
第2換算機構11B，係在脈衝驅動的各週期中，根據反射波電壓Vr之峰值成為零後的經過時間、或從脈衝輸出之施加開始的經過時間，求出對應於從高頻電源之RF功率放大元件釋出之散熱量的第2換算值。
在根據反射波電壓Vr之峰值成為零後的經過時間求出第2換算值的態樣中，來自RF功率放大元件的散熱量主要是來自停止向RF功率放大元件施加反射波之狀態的散熱，而施加反射波至RF功率放大元件之期間的散熱量係作為少量來予以換算。
另一方面，在根據從脈衝輸出之施加開始的經過時間求出第2換算值的態樣中，亦考慮施加反射波至RF功率放大元件之期間的散熱量並進行換算(圖5的S3)。
第3換算機構11C，係根據第1換算值與第2換算值的差值求出對應於被蓄熱在高頻電源之RF功率放大元件之蓄熱量的第3換算值(蓄熱換算量)(圖5的S4)。
比較機構12，係比較由第3換算機構11C求出的第3換算值與對應於RF功率放大元件之容許熱量的臨界值。臨界值，係相當於裝置保護檢測準位，以保護RF功率放大元件，第3換算值超過臨界值時，判斷為蓄 積於RF功率放大元件的熱量已超過RF功率放大元件的裝置保護檢測準位(圖5的S5)，並檢測電漿的未點燃狀態。(圖5的S6)
檢測出電漿的未點燃狀態時，藉由電力控制部進行使高頻輸出(RF輸出)下降或停止的控制從而進行保護動作(圖5的S7)。
來自高頻電源之脈衝驅動所致的電力供給，係能夠根據在脈衝驅動的一週期內已施加之加熱量被散熱的結果、蓄熱量在週期結束的時間點是否殘留，以低頻脈衝模式與高頻脈衝模式2種脈衝模式來進行說明。
低頻脈衝模式，係脈衝驅動的週期間隔、用於已施加之加熱量被散熱的時間寬相當長而在脈衝驅動之週期結束的時間點不殘留有蓄熱量的脈衝模式，且蓄熱換算量為零。由低頻脈衝模式所換算的蓄熱換算量，係在脈衝驅動的各週期中，初始值從零開始進行積分。
另一方面，高頻脈衝模式，係脈衝驅動的週期間隔、用於已施加之加熱量被完全散熱的時間寬不足而在脈衝驅動之週期結束的時間點殘留有蓄熱量的脈衝模式，且殘留有蓄熱換算量。由高頻脈衝模式所換算的蓄熱換算量，係在脈衝驅動的各週期中，將前週期結束的時間點中的蓄熱換算值設為初始值開始進行積分。
在脈衝輸出之負載比相等且反射波電壓之峰值相等之脈衝驅動的條件下，脈衝驅動之一週期T的長度較長而在一週期結束的時間點所殘留的蓄積熱量為零時，將成 為低頻脈衝模式，脈衝驅動之一週期T的長度較短而在一週期結束的時間點殘留有蓄積熱量時，將成為高頻脈衝模式。
以下，使用圖3的訊號圖說明點燃狀態中的低頻模式與高頻模式，使用圖4之訊號圖說明未點燃狀態中的低頻模式與高頻模式。
在電漿點燃狀態中，圖3(a)~(d)係表示低頻脈衝模式中的進行波電壓Vf、反射波電壓Vr、蓄熱換算量Hac及未點燃狀態檢測訊號，圖3(e)~(h)係表示高頻脈衝模式中的進行波電壓Vf、反射波電壓Vr、蓄熱換算量Hac及未點燃狀態檢測訊號。
進行波電壓Vf，係在RFon區間輸出預定頻率的脈衝輸出，該RFon區間係於一週期內將持續時間的時間寬設成為t1(圖3(a)，圖3(e))。在電漿處於正常的點燃狀態時，由於脈衝輸出之上升及下降的不匹配，而發生脈衝狀的反射波電壓Vr((圖3(b)，圖3(f))。
在圖3(c)，圖3(g)中，蓄熱換算量Hac係表示以將反射波電壓Vr施加於RF功率放大元件所蓄積之熱量的換算值，一點鏈線係表示相對於RF功率放大元件之熱破損的容許量，並表示保護RF功率放大元件免受反射波所造成的破損之裝置保護檢測準位。
電漿處於點燃狀態時，不論在低頻模式及高頻模式的任一模式下，由於蓄熱換算量Hac在驅動模式的 各一週期內，不會達到裝置保護檢測準位而返回到零，因此，不會輸出未點燃狀態檢測訊號。
另一方面，在電漿未點燃狀態中，圖4(a)~(d)係表示低頻脈衝模式中的進行波電壓Vf、反射波電壓Vr、蓄熱換算量Hac及未點燃狀態檢測訊號Vfail，圖4(e)~(h)係表示高頻脈衝模式中的進行波電壓Vf、反射波電壓Vr、蓄熱換算量Hac及未點燃狀態檢測訊號Vfail。
進行波電壓Vf，係在RFon區間輸出預定頻率的脈衝輸出，該RFon區間係於一週期內將持續時間的時間寬設成為t1(圖4(a)，圖4(e))。電漿處於未點燃狀態時，在輸出脈衝輸出的RFon區間中，會發生矩形狀的反射波電壓Vr(圖4(b)，圖4(f))。
在圖4(c)，圖4(g)中，蓄熱換算量Hac係表示以將反射波電壓Vr施加於RF功率放大元件所蓄積之熱量的換算值，一點鏈線係表示相對於RF功率放大元件之熱破損的容許量，並表示保護RF功率放大元件免受反射波所造成的破損之裝置保護檢測準位。
電漿處於未點燃狀態時，在低頻模式中，蓄熱換算量Hac係於驅動模式的週期內達到裝置保護檢測準位(圖4(C))，而輸出未點燃狀態檢測訊號Vfail(圖4(d))。另外，圖4(C)係表示蓄熱換算量Hac在RFon區間結束的時間點，達到裝置保護檢測準位的狀態，反射波電壓Vr的峰值較大時，蓄熱換算量Hac將在到達RFon 區間結束的時間點之前的時間點，達到裝置保護檢測準位並輸出未點燃狀態檢測訊號Vfail。
又，在高頻模式中，蓄熱換算量Hac於複數個週期藉由重複進行蓄熱而達到裝置保護檢測準位(圖4(g))，並輸出未點燃狀態檢測訊號(圖4(h))。另外，雖然圖4(g)是表示蓄熱換算量Hac在第5次的週期中達到裝置保護檢測準位的狀態，但蓄熱換算量Hac達到裝置保護檢測準位的週期數係依存於反射波電壓Vr的峰值及負載比而變化。
〔使用反射波之電壓值之充放電之未點燃狀態檢測的態樣〕
使用圖6，說明關於使用反射波之電壓值之充放電之未點燃狀態檢測的概略構成。
未點燃狀態檢測裝置20，係藉由反射波之電壓值的充放電，求出因應反射波之持續時間的電壓值並檢測電漿之未點燃狀態的構成，具備換算機構21與電壓比較機構22。
具備：充電電壓計算機構21A，對反射波電壓Vr進行充電並計算充電電壓；放電電壓計算機構21B，計算放電電壓；及充放電電壓計算機構21C，計算充電電壓與放電電壓的差值並計算充放電電壓Va。
充電電壓計算機構21A的計算值係對應於第1換算值(加熱換算量)，放電電壓計算機構21B的計算 值係對應於第2換算值(散熱換算量)，充放電電壓計算機構21C所計算出的充放電電壓Va係對應於第3換算值(蓄熱換算量)。
電壓比較機構22，係將由換算機構21進行電壓轉換而獲得的充放電電壓Va與臨界值進行比較的比較機構。
使用設定電壓Vref作為臨界值。設定電壓Vref，係對應於RF功率放大元件之反射波所致之可承受損失之容許電力的容許電壓。
電壓比較機構22，係比較充放電電壓Va與設定電壓Vref並檢測電漿之未點燃狀態，檢測出未點燃狀態時，輸出未點燃狀態檢測訊號Vfail。
換算機構21及電壓比較機構22，係在低頻脈衝模式及高頻脈衝模式中檢測未點燃狀態。
在低頻脈衝模式的脈衝驅動中，換算機構21係於一週期內取得因應於反射波電壓Vr之持續時間的充放電電壓Va，電壓比較機構22係藉由比較充放電電壓Va與設定電壓Vref來檢測電漿之未點燃狀態，而輸出未點燃狀態檢測訊號Vfail。
另一方面，在高頻脈衝模式的脈衝驅動中，換算機構21係於發生反射波之週期連續的連續週期取得充放電電壓Va，該充放電電壓Va係於連續週期累積因應於各週期之反射波電壓Vr之持續時間的電壓，電壓比較機構22係藉由將充放電電壓Va與設定電壓Vref作比較來 檢測電漿之未點燃狀態，而輸出未點燃狀態檢測訊號Vfail。
(基於反射波電壓之充放電電壓之未點燃狀態檢測的形態)
在基於反射波電壓的未點燃狀態檢測中，使用圖7~圖17說明關於根據充放電電壓求出反射波電壓的構成例。
使用圖7，說明關於以RC電路的充放電電路構成根據反射波電壓的充放電電壓來檢測未點燃狀態之電路構成的例子。
未點燃狀態檢測電路20circuit，係經由緩衝部4輸入由功率感測器2所檢測的反射波電壓Vr，並輸出未點燃狀態檢測訊號Vfail。未點燃狀態檢測電路20circuit，係具備充放電電路20a與比較電路20b，充放電電路20a係經由阻斷二極體D輸入緩衝部4的輸出。
充放電電路20a，係構成為將充放電電阻R1串聯於電容器C與放電電阻R2之並聯電路的輸入側。比較電路20b，係將作為充放電電路20a之電容器C的輸出電壓亦即充放電電壓Va與設定電壓Vref作比較，充放電電壓Va超過設定電壓Vref時，輸出未點燃狀態檢測訊號Vfail。在充放電電路20a中，將充電時間常數τc設定成比放電時間常數τdisc短。又，以使在低頻脈衝模式之週期T的時間寬進行充電時的充電電壓成為設定電壓Vref以下的 方式，設定充電時間常數τc。充電時間常數τc及放電時間常數τdisc，係能夠以選擇充放電電阻R1、放電電阻R2及電容器C的值來予以設定。
(正常時的動作例)
使用圖8、9說明關於未點燃狀態檢測裝置20之正常時的動作例。
圖8係表示低頻脈衝模式之正常動作狀態的訊號例，圖8(a)係表示進行波電壓Vf，圖8(b)係表示反射波電壓Vr，圖8(c)係表示充放電電路的充放電電壓Va。另外，在此，係表示負載比50%之脈衝驅動的例子。
圖9係表示高頻脈衝模式之正常動作狀態的訊號例，圖9(a)係表示進行波電壓Vf，圖9(b)係表示反射波電壓Vr，圖9(c)係表示充放電電路的充放電電壓Va。另外，在此，係表示負載比50%之脈衝驅動的例子。
即使是正常狀態，在RFon區間的上升時及下降時、進行波電壓Vf從斷開狀態切換成導通狀態時及從導通狀態切換成斷開狀態時(電漿點燃的點燃時)，亦會發生反射波電壓Vr。
將脈衝頻率設為最大脈衝頻率，並將一週期的RFon區間與RFoff區間的負載比作為最大負載比進行脈衝驅動時，以使充電時間常數τc形成為充放電電路之充放電電壓Va對設定電壓Vref具有容許差(安全係數)之時 間常數的方式，事先選定充放電電路的電路常數(充放電電阻R1、放電電阻R2及電容器C)。
在圖7所示的RC電路之充放電電路構成中，充電時間常數τc，係以τc=C．Rp Rp=R1．R2/(R1+R2)予以表示，放電時間常數τdisc，係以τdisc=C．R2予以表示。
由於在正常狀態中發生的反射波電壓Vr為短時間，因此，由充放電電路所獲得之充放電電壓Va的峰值，係完全低於作為未點燃狀態檢測準位的設定電壓Vref，且不輸出未點燃狀態檢測訊號。
(異常時的動作例)
使用圖10~12，說明關於未點燃狀態檢測裝置20之異常時的動作例。
圖10係表示低頻脈衝模式之異常動作狀態的訊號例，圖10(a)係表示進行波電壓Vf，圖10(b)係表示反射波電壓Vr，圖10(c)係表示充放電電路之充放電電壓Va，圖10(d)係表示未點燃狀態檢測訊號Vfail。另外，在此，係表示負載比50%之脈衝驅動的例子。
對RF功率放大元件之容許損失(破壞準位) 考慮容許差部份並加以設定設定電壓Vref。另外，設定電壓Vref係依存於反射波的電壓值及充電時間常數τc的值。在持續時間t1之後，對反射波之電壓值進行充電所獲得的充放電電壓Va到達作為裝置保護檢測準位的設定電壓Vref時，輸出未點燃狀態檢測訊號。電力控制部，係根據未點燃狀態檢測訊號來進行使高頻輸出(RF輸出)下降或停止的控制。
圖11係用於說明關係未點燃狀態檢測裝置20之容許導通時間t2的訊號圖。圖11(a)係表示進行波電壓Vf，圖11(b)係表示反射波電壓Vr，圖11(c)係表示充放電電路的充放電電壓Va，圖11(d)係表示未點燃狀態檢測訊號Vfail。
容許導通時間t2，係可承受RF功率放大元件之全反射波之容許電壓的時間寬。在施加於RF功率放大元件之反射波的時間寬(持續時間t1)為容許導通時間t2以下且在脈衝驅動週期結束的時間點，充放電電壓Va為零，亦即只要是低頻脈衝模式，即使RF功率放大元件發生了反射波(反射係數Γ約為1(Γ≒1)之不匹配狀態)，亦不會因全反射而造成元件破壞，因此，並不需使高頻輸出(RF輸出)下降或停止，而能夠繼續施加進行波電壓。
因此，反射波的持續時間t1比容許導通時間t2短，且在脈衝驅動週期結束的時間點，充放電電壓Va為零，亦即在低頻脈衝模式時，充放電電壓Va不會達到 作為裝置保護檢測準位的設定電壓Vref，且不會輸出未點燃狀態檢測訊號。
在使雷射加工機等之具有電漿負載的裝置長期運作停止時，會有雷射振盪器等之電漿環境發生濕氣等，而形成電漿點燃變得困難之環境的情形。在像這樣難以點燃的電漿環境中，將施加於RF功率放大元件之反射波的時間寬設為容許導通時間t2以下，並不使高頻輸出(RF輸出)下降或停止，藉此，在電漿未點燃時能夠進行重複施加高頻輸出(RF輸出)的動作。如此一來，藉由重複施加高頻輸出(RF輸出)，能夠使雷射振盪器內部的環境穩定從而促進點燃。
圖12係表示高頻脈衝模式之異常動作狀態的訊號例，圖12(a)係表示進行波電壓Vf，圖12(b)係表示反射波電壓Vr，圖12(c)係表示充放電電路的充放電電壓Va，圖12(d)係表示未點燃狀態檢測訊號Vfail。另外，在此，係表示負載比50%之脈衝驅動的例子。
在高頻脈衝模式的情況下，施加進行波電壓Vf的時間寬為短時間，在異常時，反射波之時間寬t3亦為短時間。藉由充電時間常數τc在時間寬t3期間所進行充電的充放電電壓Va，與在低頻脈衝模式的一週期T中所進行充電的充電電壓比較，為低電壓，不會達到設定電壓Vref。
由於充放電電路的充電時間常數τc係被設定為比放電時間常數τdisc小(充電時間常數τc<放電時間常 數τdisc)，因此，於一週期內，放電後的電壓不會返回到零，藉由在複數個週期重複施加脈衝輸出，使充放電電壓Va累積上升。充放電電壓Va達到設定電壓Vref時，將輸出未點燃狀態檢測訊號Vfail。
以下，說明關於充放電電路的充放電電壓及累積充放電電壓。
圖13，係表示圖7所示之未點燃狀態檢測電路20circuit之充放電電路20a的電路構成。充放電電路20a，係構成為將充放電電阻R1串聯於電容器C與放電電阻R2之並聯電路的輸入側，充放電電阻R1係經由阻斷二極體D輸入有輸入電壓Vin，並將電容器C的兩端電壓作為充放電電壓Va予以輸出。圖14係表示輸入電壓Vin的一例，將導通時間寬設為ta並將斷開時間寬設為(tb-ta)，在該導通時間寬ta內輸出預定頻率的脈衝。
由於充放電電路20a的電路構成是具備二極體的非線性電路，因此，區分成有輸入訊號之狀態(高頻(RF)訊號為導通的狀態)與無輸入訊號之狀態(高頻(RF)訊號為斷開的狀態)來進行解析。
圖15係表示有輸入訊號之狀態(高頻(RF)訊號為導通的狀態)的電路狀態。在圖15的電路狀態中，設為充放電電壓Va、流經充放電電阻R1的電流i1、流經放電電阻R2的電流i2及流入電容器C的電流ic時，電路方程式係以下述之式(1)~(4)來表示。
在此，將輸入電壓Vin作為步級電壓Em，求出高頻(RF)訊號處於導通狀態之RFon區間(0~t1)中的充放電電壓Va(t1)時，以下述的式(5)來表示。
在式(5)中，當設為Rp=R1．R2/(R1+R2)時，充電時間常數以C．Rp表示。
另一方面，圖16係表示無輸入訊號之狀態(高頻(RF)訊號為斷開的狀態)的電路狀態。在圖16的電路狀態中，設為充放電電壓Va、流經放電電阻R2的電流i2及流入電容器C之方向的電流ic時，電路方程式係以下述之式(6)~(7)來表示。
藉由使用式(6)、(7)，高頻(RF)訊號為斷開狀態中的充放電電壓Va係以下述式(8)來表示。
關於以式(5)所表示之高頻(RF)訊號為導通狀態中的充放電電壓Va，及以式(8)所表示之高頻(RF)訊號為斷開狀態中的充放電電壓Va，係使用下述數值例，
輸入電壓Vin的脈衝頻率：50kHz
輸入電壓Vin的ON負載比：30%
充放電電阻R1：1.8Ω
放電電阻R2：3.6kΩ
電容器C的容量：0.01μF
藉由0.01μs的固定時間步驟以歐拉法(Euler method)求解時，可獲得圖17的波形。
未點燃狀態檢測裝置並不限於上述類比電路的構成，可為由DSP或FPGA等之數位運算處理所致之構成，以軟體進行時，能夠以CPU或儲存了對CPU指示未點燃狀態檢測處理之程式的記憶體等予以構成。
(數位運算處理所致之構成例)
以下，使用圖18及圖19，說明以數位運算處理構成未點燃狀態檢測裝置的例子。
(第1構成例)
圖18係以數位電路構成未點燃狀態檢測裝置的構成例。在此，係表示關於以數位電路構成前述之充放電電路的例子。
在圖18(a)中，未點燃狀態檢測裝置30之換算機構31，係具備：第1積分電路31A、第2積分電路31B、保持電路31C、開關電路31D，31E及比較電路32。
開關電路31D，係僅在RFon區間的期間將電壓值X輸入至第1積分電路31A，該電壓值X係由對反射波電壓進行取樣而進行A/D轉換所獲得。第1積分電路31A，係通過開關電路31D對所輸入的電壓值X進行數位積分，計算出對應於被附加在高頻電源之RF功率放大元件之熱量的第1換算值。
第2積分電路31B，係對僅在RFoff區間的期 間藉由放電而下降的電壓部分進行數位積分，計算出對應於從高頻電源之RF功率放大元件釋出之熱量的第2換算值。
保持電路31C，係輸入第1積分電路31A的第1換算值與第2積分電路31B的第2換算值，並求出第1換算值與第2換算值的差值，將第3換算值輸出至比較電路32。比較電路32，係將由保持電路31C輸入的第3換算值與相當於裝置保護檢測準位的設定電壓Vref作比較，在第3換算值超過設定電壓Vref時，輸出未點燃狀態檢測訊號。
圖18(b)係表示構成積分電路之數位電路之一般的概略構成。積分電路，係由係數器、加法器及延遲器構成。在係數器中，設定“a”及“1-a”的係數。
設定於第1積分電路31A之係數器的係數a，係以a=τ1/(τ1+T)來表示，設定於第2積分電路31B之係數器的係數a，係以a=τ2/(τ2+T)來表示。
在此，時間常數τ1及τ2，係各別為τ1=C．Rp τ2=C．R2 T為脈衝驅動的週期。
(第2構成例)
圖19係以計數電路構成未點燃狀態檢測裝置的構成例。
未點燃狀態檢測裝置40之換算機構41，係具備：加法電路41A、減法電路41B、加法器41C、切換電路41D及比較電路42。加法電路41A，係對電壓值X進行加法運算，計算出對應於被附加在高頻電源之RF功率放大元件之熱量的第1換算值，該電壓值X係對反射波電壓進行取樣而進行A/D轉換所獲得。減法電路41B，係對在RFoff區間對應於放電時間常數τdisc的數值進行計數，計算出對應於從高頻電源之RF功率放大元件釋出之熱量的第2換算值，並計算出對應於第1換算值與第2換算值之差值的第3換算值，輸出至比較電路42。
比較電路42，係將由減法電路41B輸入的第3換算值與相當於裝置保護檢測準位的設定電壓Vref作比較，第3換算值超過設定電壓Vref時，輸出未點燃狀態檢測訊號。
加法器41C，係於一週期的運算結束之時間點，使由減法電路41B所獲得的加減值返回為初始值，計算出對應於高頻脈衝模式之複數個週期的第3換算值。
另外，上述實施形態及變形例中的記述，係本發明之電漿未點燃狀態檢測方法及檢測裝置的一例，本發明並不受限於各實施形態者，可根據本發明的宗旨進行 各種變形，而該些變形是落在本發明的範圍內。
〔產業上之可利用性〕
本發明之電漿未點燃狀態檢測裝置及檢測方法，係能夠應用於對電漿負載的電力供給，且能夠應用於製造半導體、液晶、太陽能面板等的薄膜之成膜裝置、CO2雷射加工機等之高頻(RF)所致的電漿生成。
1‧‧‧未點燃狀態檢測裝置
2‧‧‧功率感測器
3‧‧‧電力控制部

Claims (8)

  1. 一種電漿未點燃狀態判別方法，其特徵係，在從高頻電源對脈衝驅動所致之電漿負載供給脈衝輸出時，檢測從電漿負載往高頻電源的反射波電壓，根據前述反射波電壓的峰值及變動狀態，求出對應於被施加至高頻電源之RF功率放大元件之熱量的換算量，將前述RF功率放大元件之容許熱量設成為判別電漿未點燃狀態的臨界值，比較前述求出的換算量與前述臨界值，根據前述比較結果，判別電漿之未點燃狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿未點燃狀態判別方法，其中，係具備：第1換算工程，係根據前述反射波電壓及持續時間求出對應於被附加在高頻電源之RF功率放大元件之熱量的第1換算值；第2換算工程，係在脈衝驅動的各週期中，根據反射波電壓Vr之峰值成為零後的經過時間、或從脈衝輸出之施加開始的經過時間，求出對應於從高頻電源之RF功率放大元件釋出之散熱量的第2換算值；第3換算工程，係從前述第1換算值與前述第2換算值的差值求出對應於被蓄熱在高頻電源之RF功率放大元件之蓄熱量的第3換算值；及比較工程，比較前述第3換算值與對應於前述RF功 率放大元件之容許熱量的臨界值，在前述比較工程中，前述第3換算值超過前述臨界值時，檢測電漿之未點燃狀態。
  3. 如申請專利範圍第2項之電漿未點燃狀態判別方法，其中，在充放電時，將正常時之脈衝驅動的脈衝頻率設為所能夠設定的最大值，且，將脈衝驅動之一週期內之RFon區間的負載比設為所能夠設定的最大值之脈衝驅動的驅動條件下，以使放電時間常數(τdisc)比充電時間常數(τc)長，且，充放電電壓不會到達裝置保護檢測準位之電壓準位的方式予以選定，在前述第1換算工程中，將以充電時間常數(τc)對反射波電壓之峰值進行充電所獲得的充電電壓設為第1換算值，在前述第2換算工程及前述第3換算工程中，將在前述反射波之峰值為零的時間寬，從前述充電電壓以放電時間常數(τdisc)進行放電所獲得的電壓設為第3換算值，在前述比較工程中，將對應於前述RF功率放大元件之容許熱量的充電電壓設為前述臨界值。
  4. 如申請專利範圍第2項之電漿未點燃狀態判別方法，其中，在電漿驅動的一週期，將輸出脈衝之區間的時間寬設為RFon，且將不輸出脈衝之區間的時間寬設為RFoff時， 前述第1換算值，係藉由反射波電壓之峰值Vr與對應於RF功率放大元件之發熱係數之係數k1的積(Vr×k1)之時間積分(Vr×k1×ʃ0 RFontdt)來予以計算，前述第2換算值，係藉由對應於RF功率放大元件之散熱係數之係數k2的時間積分(k2×ʃ0 RFofftdt)來予以計算，前述第3換算值，係在從前述第1換算值減去前述第2換算值之{(Vr×k1×ʃ0 RFontdt)-(k2×ʃ0 RFofftdt)}的運算中將零作為最低值予以計算，前述第1換算值、第2換算值及第3換算值，係在電漿驅動的每一週期予以計算，次週期中的第1換算值係將前週期的第3換算設為初始值。
  5. 一種電漿未點燃狀態判別裝置，係在從高頻電源對脈衝驅動所致之電漿負載供給脈衝輸出中，判別前述電漿負載之電漿之未點燃狀態的未點燃狀態檢測裝置，其特徵係，具備：檢測機構，檢測從電漿負載往高頻電源的反射波電壓；換算機構，根據前述反射波電壓的峰值及變動狀態，求出對應於被施加至高頻電源之RF功率放大元件之熱量的換算量；及比較機構，將前述RF功率放大元件之容許熱量設成為判別電漿未點燃狀態的臨界值，比較該臨界值與由前述換算機構求出的換算量， 根據前述比較機構的比較結果，檢測電漿之未點燃狀態。
  6. 如申請專利範圍第5項之電漿未點燃狀態判別裝置，其中，前述換算機構，係具備：第1換算機構，係根據前述反射波電壓及持續時間求出對應於被附加在高頻電源之RF功率放大元件之熱量的第1換算值；第2換算機構，係在脈衝驅動的各週期中，根據反射波電壓Vr之峰值成為零後的經過時間、或從脈衝輸出之施加開始的經過時間，求出對應於從高頻電源之RF功率放大元件釋出之散熱量的第2換算值；及第3換算機構，係從前述第1換算值與前述第2換算值的差值求出對應於被蓄熱在高頻電源之RF功率放大元件之蓄熱量的第3換算值，前述比較機構，係比較由前述第3換算機構求出的前述第3換算值與對應於前述RF功率放大元件之容許熱量的臨界值，前述第3換算值超過前述臨界值時，判別電漿之未點燃狀態。
  7. 如申請專利範圍第6項之電漿未點燃狀態判別裝置，其中，具備：充放電電路，對反射波電壓進行充電並對所充電的電壓進行放電；及比較電路，輸入該充放電電路的輸出， 前述充放電電路的放電時間常數(τdisc)，係在充放電時，將正常時之脈衝驅動的脈衝頻率設為所能夠設定的最大值，且，將脈衝驅動之一週期內之RFon區間的負載比設為所能夠設定的最大值之脈衝驅動的驅動條件下，以使比充電時間常數(τc)長，且，充放電電壓不會到達裝置保護檢測準位之電壓準位的方式予以選定的時間常數，前述第1換算機構，係由前述充放電電路的充電部構成，該充電部係將以充電時間常數(τc)對前述檢測機構所檢測的反射波電壓進行充電而獲得的充電電壓輸出為第1換算值，在前述第2換算機構及前述第3換算機構中，係由前述充放電電路的放電部構成，該放電部係根據前述反射波之峰值為零的時間寬，將從前述充電電壓以放電時間常數(τdisc)進行放電而獲得的電壓輸出為第3換算值，前述比較機構，係由前述比較電路構成，並將對應於前述RF功率放大元件之容許熱量的充電電壓設為前述臨界值，與從前述充放電電路輸出的第3換算值進行電壓比較。
  8. 如申請專利範圍第6項之電漿未點燃狀態判別裝置，其中，具備：A/D轉換電路，將前述檢測機構所檢測的反射波電壓Vr轉換成數位值；及運算電路，將前述數位值設為輸入值進行數位運算，前述運算電路， 在電漿驅動的一週期，將輸出脈衝之區間的時間寬設為RFon，且將不輸出脈衝之區間的時間寬設為RFoff時，前述第1換算機構，係具備：第1運算部，藉由反射波電壓之峰值Vr與對應於RF功率放大元件之發熱係數之係數k1的積(Vr×k1)之時間積分(Vr×k1×ʃ0 RFontdt)的運算，來計算出第1換算值，前述第2換算機構，係具備：第2運算部，藉由對應於RF功率放大元件之散熱係數之係數k2的時間積分(k2×ʃ0 RFofftdt)運算，來計算出第2換算值，前述第3換算機構，係具備：第3運算部，藉由從前述第1換算值減去前述第2換算值而形成之{(Vr×k1×ʃ0 RFontdt)-(k2×ʃ0 RFofftdt)}的運算，將零作為最低值來計算出第3換算值，前述第1換算值、第2換算值及第3換算值，係在電漿驅動的每一週期予以計算，次週期中的第1換算值係將前週期的第3換算設為初始值。
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