(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023146758
(43)【公開日】2023-10-12
(54)【発明の名称】プラズマ源
(51)【国際特許分類】
H05H 1/46 20060101AFI20231004BHJP
H01L 21/3065 20060101ALI20231004BHJP
【ＦＩ】
H05H1/46 L
H01L21/302 101C
H05H1/46 M
H05H1/46 R
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022054124
(22)【出願日】2022-03-29
(71)【出願人】
【識別番号】000000262
【氏名又は名称】株式会社ダイヘン
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】納富 隼人
(72)【発明者】
【氏名】吉迫 裕司
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 豊
(72)【発明者】
【氏名】天立 茂樹
【テーマコード（参考）】
2G084
5F004
【Ｆターム（参考）】
2G084AA02
2G084BB01
2G084BB16
2G084BB33
2G084CC04
2G084CC12
2G084CC13
2G084CC33
2G084DD03
2G084EE11
2G084EE12
2G084HH21
2G084HH22
2G084HH28
2G084HH42
5F004BA20
5F004CA03
5F004CA08
5F004CB05
(57)【要約】
【課題】放電管内で発生したプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行したと判定されるまでの期間に適用する電圧制限値及び電流制限値の適用範囲を拡大させること。
【解決手段】実施形態に係るプラズマ源は、プラズマを発生する放電部と、放電部に対して電力を供給する高周波電源とを備える。高周波電源は、直流電源回路と、インバータ回路と、共振回路と、制御部とを備える。制御部は、放電部のアンテナに電圧が印加された後からプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行したと判定されるまでの期間では、放電部に対して供給する電力の電圧値及び電流値がそれぞれ予め定められた制限値を超えないように直流電源回路またはインバータ回路の出力電圧値を変化させる。当該制限値は、高周波電源内の素子が破損しない電圧値及び電流値の範囲内でそれぞれ設定される値である。
【選択図】図１
【解決手段】実施形態に係るプラズマ源は、プラズマを発生する放電部と、放電部に対して電力を供給する高周波電源とを備える。高周波電源は、直流電源回路と、インバータ回路と、共振回路と、制御部とを備える。制御部は、放電部のアンテナに電圧が印加された後からプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行したと判定されるまでの期間では、放電部に対して供給する電力の電圧値及び電流値がそれぞれ予め定められた制限値を超えないように直流電源回路またはインバータ回路の出力電圧値を変化させる。当該制限値は、高周波電源内の素子が破損しない電圧値及び電流値の範囲内でそれぞれ設定される値である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガスを電離させたプラズマを発生させるために用いる放電管と前記放電管を取り囲むようにコイル状に形成された導電体のアンテナとを有する放電部と、前記放電部に対して電力を供給する高周波電源とを備えたプラズマ源において、
前記高周波電源は、
直流電圧を出力する直流電源回路と、
前記直流電源回路から出力された直流電圧を無線周波数帯域の周波数を有する電圧に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路と前記放電部との間に配置された共振回路と、
前記アンテナに前記電圧が印加された後から前記放電管内で発生したプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行したと判定されるまでの第１の期間では、前記アンテナに印加される電圧の電圧値が予め定められた第１の電圧制限値を超えないように前記直流電源回路または前記インバータ回路の出力電圧値を変化させるとともに、前記アンテナに流れる電流の電流値が予め定められた第１の電流制限値を超えないように前記直流電源回路または前記インバータ回路の出力電圧値を変化させる制御部と
を備え、
前記第１の電圧制限値は、前記インバータ回路内の素子および前記共振回路内の素子が破損しない電圧値の範囲内で個々に設定される値であり、
前記第１の電流制限値は、前記インバータ回路内の素子および前記共振回路内の素子が破損しない電流値の範囲内で個々に設定される値である、
プラズマ源。
前記高周波電源は、
直流電圧を出力する直流電源回路と、
前記直流電源回路から出力された直流電圧を無線周波数帯域の周波数を有する電圧に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路と前記放電部との間に配置された共振回路と、
前記アンテナに前記電圧が印加された後から前記放電管内で発生したプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行したと判定されるまでの第１の期間では、前記アンテナに印加される電圧の電圧値が予め定められた第１の電圧制限値を超えないように前記直流電源回路または前記インバータ回路の出力電圧値を変化させるとともに、前記アンテナに流れる電流の電流値が予め定められた第１の電流制限値を超えないように前記直流電源回路または前記インバータ回路の出力電圧値を変化させる制御部と
を備え、
前記第１の電圧制限値は、前記インバータ回路内の素子および前記共振回路内の素子が破損しない電圧値の範囲内で個々に設定される値であり、
前記第１の電流制限値は、前記インバータ回路内の素子および前記共振回路内の素子が破損しない電流値の範囲内で個々に設定される値である、
プラズマ源。
【請求項2】
前記第１の電圧制限値および前記第１の電流制限値は、所望範囲に設定された前記放電管に流入させるガス条件において、前記放電管内のプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行できるようにそれぞれ設定される、請求項１に記載のプラズマ源。
【請求項3】
前記制御部は、前記第１の期間後の第２の期間では、前記アンテナに印加される電圧の電圧値が予め定められた前記第１の電圧制限値よりも小さい第２の電圧制限値を超えないように前記直流電源回路または前記インバータ回路の出力電圧値を変化させるとともに、前記アンテナに流れる電流の電流値が、予め定められた前記第１の電流制限値よりも小さい第２の電流制限値を超えないように前記直流電源回路または前記インバータ回路の出力電圧値を変化させる、請求項１又は請求項２に記載のプラズマ源。
【請求項4】
前記第１の期間と前記第２の期間との間には、制限値移行期間が設けられており、
前記制限値移行期間における電圧制限値は、前記制限値移行期間中に前記第１の電圧制限値から前記第２の電圧制限値に移行され、
前記制限値移行期間における電流制限値は、前記制限値移行期間中に前記第１の電流制限値から前記第２の電流制限値に移行され、
前記制御部は、前記アンテナに印加される電圧の電圧値が前記制限値移行期間における電圧制限値を超えないように前記直流電源回路の出力電圧値を変化させるとともに、前記アンテナに流れる電流の電流値が前記制限値移行期間における電流制限値を超えないように前記直流電源回路の出力電圧値を変化させる、
請求項３に記載のプラズマ源。
前記制限値移行期間における電圧制限値は、前記制限値移行期間中に前記第１の電圧制限値から前記第２の電圧制限値に移行され、
前記制限値移行期間における電流制限値は、前記制限値移行期間中に前記第１の電流制限値から前記第２の電流制限値に移行され、
前記制御部は、前記アンテナに印加される電圧の電圧値が前記制限値移行期間における電圧制限値を超えないように前記直流電源回路の出力電圧値を変化させるとともに、前記アンテナに流れる電流の電流値が前記制限値移行期間における電流制限値を超えないように前記直流電源回路の出力電圧値を変化させる、
請求項３に記載のプラズマ源。
【請求項5】
前記アンテナに印加される電圧の電圧値および前記アンテナに流れる電流の電流値に基づいて前記放電管内のプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行したか否かを判定する判定部をさらに備えた、請求項１から請求項４のうちのいずれか一項に記載のプラズマ源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、プラズマ源に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体製造プロセスにおいては、プラズマを用いた半導体ウェハの成膜処理、エッチング処理等が行われている。特許文献１には、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）型のプラズマ源としてのプラズマ発生装置が開示されている。プラズマ発生装置は、筒状の真空容器（放電管）に巻回されたアンテナコイルと、アンテナコイルに対して高周波電力を供給する高周波電源とを備える。
【0003】
ＩＣＰを発生させるプラズマ源としては、アンテナコイルに高周波電力を供給して容量結合プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を発生させた後、高周波電力を増加させて容量結合プラズマから誘導結合プラズマに変化させるプラズマ源が知られている。
【0004】
このようなプラズマ源においては、例えば高周波電源や共振回路の回路素子を保護するために、各素子のディレーティングに合わせてアンテナコイルに供給する高周波電力についての電圧値及び電流値の制限値が設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０２０－０５７４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、素子の発熱時の温度上昇を考慮してディレーティングを大きくとると、必要以上に電圧値及び電流値の適用範囲が制限されてしまっていた。必要以上に電圧値及び電流値の適用範囲が制限されると、容量結合プラズマを発生させ難くなり、また、容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行させ難くなっていた。さらに、必要以上に電圧値及び電流値の適用範囲が制限されることは、例えば、ガス圧力やガス流量などの電圧値及び電流値以外のプラズマ発生条件の適用範囲を狭めることに繋がっていた。
【0007】
本発明は、上記を鑑み、放電管内で発生したプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行したと判定されるまでの期間に適用する電圧制限値及び電流制限値の適用範囲を拡大させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
実施形態に係るプラズマ源は、ガスを電離させたプラズマを発生させるために用いる放電管と前記放電管を取り囲むようにコイル状に形成された導電体のアンテナとを有する放電部と、前記放電部に対して電力を供給する高周波電源とを備える。前記高周波電源は、直流電源回路と、インバータ回路と、共振回路と、制御部とを備える。前記直流電源回路は、直流電圧を出力する。前記インバータ回路は、前記直流電源回路から出力された直流電圧を無線周波数帯域の周波数を有する電圧に変換する。前記共振回路は、前記インバータ回路と前記放電部との間に配置されている。前記制御部は、前記アンテナに前記電圧が印加された後から前記放電管内で発生したプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行したと判定されるまでの第１の期間では、前記アンテナに印加される電圧の電圧値が予め定められた第１の電圧制限値を超えないように前記直流電源回路または前記インバータ回路の出力電圧値を変化させるとともに、前記アンテナに流れる電流の電流値が予め定められた第１の電流制限値を超えないように前記直流電源回路または前記インバータ回路の出力電圧値を変化させる。前記第１の電圧制限値は、前記インバータ回路内の素子および前記共振回路内の素子が破損しない電圧値の範囲内で個々に設定される値である。前記第１の電流制限値は、前記インバータ回路内の素子および前記共振回路内の素子が破損しない電流値の範囲内で個々に設定される値である。
【0009】
実施形態に係るプラズマ源において、前記第１の電圧制限値および前記第１の電流制限値は、所望範囲に設定された前記放電管に流入させるガス条件において、前記放電管内のプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行できるようにそれぞれ設定される。
【0010】
実施形態に係るプラズマ源において、前記制御部は、前記第１の期間後の第２の期間では、前記アンテナに印加される電圧の電圧値が予め定められた前記第１の電圧制限値よりも小さい第２の電圧制限値を超えないように前記直流電源回路または前記インバータ回路の出力電圧値を変化させるとともに、前記アンテナに流れる電流の電流値が、予め定められた前記第１の電流制限値よりも小さい第２の電流制限値を超えないように前記直流電源回路または前記インバータ回路の出力電圧値を変化させる。
【0011】
実施形態に係るプラズマ源において、前記第１の期間と前記第２の期間との間には、制限値移行期間が設けられている。前記制限値移行期間における電圧制限値は、前記制限値移行期間中に前記第１の電圧制限値から前記第２の電圧制限値に移行される。前記制限値移行期間における電流制限値は、前記制限値移行期間中に前記第１の電流制限値から前記第２の電流制限値に移行される。前記制御部は、前記アンテナに印加される電圧の電圧値が前記制限値移行期間における電圧制限値を超えないように前記直流電源回路の出力電圧値を変化させるとともに、前記アンテナに流れる電流の電流値が前記制限値移行期間における電流制限値を超えないように前記直流電源回路の出力電圧値を変化させる。
【0012】
実施形態に係るプラズマ源は、判定部をさらに備える。前記判定部は、前記アンテナに印加される電圧の電圧値および前記アンテナに流れる電流の電流値に基づいて前記放電管内のプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行したか否かを判定する。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、放電管内で発生したプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行したと判定されるまでの期間に適用する電圧制限値及び電流制限値の適用範囲を拡大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面を参照しながら、実施形態に係るプラズマ源を詳細に説明する。なお、本実施形態により本願発明が限定されるものではない。
【0016】
なお、本実施形態の説明において、既出の図に関して前述したものと同一又は略同一の機能を有する構成要素については、同一符号を付し、説明を適宜省略する場合もある。また、同一又は略同一の部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表されている場合もある。また、例えば図面の視認性を確保する観点から、各図面の説明において主要な構成要素だけに参照符号を付し、既出の図において前述したものと同一又は略同一の機能を有する構成要素であっても参照符号を付していない場合もある。
【0017】
図１は、実施形態に係るプラズマ源１０の構成の一例を示す図である。プラズマ源１０は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を発生可能に構成されるプラズマ源である。プラズマ源１０は、図１に示すように、直流電源回路２０、インバータ回路３０、共振回路４０、放電部５０、制御回路６０、直流電圧センサ９１、直流電流センサ９２、高周波電圧センサ９３及び高周波電流センサ９４を有する。ここで、直流電源回路２０、インバータ回路３０、共振回路４０及び制御回路６０は、放電部５０に対して電力を供給する高周波電源の一例である。
【0018】
直流電源回路２０は、交流電源に接続される。交流電源は、例えばプラズマ源１０の外部に設けられるが、プラズマ源１０又は直流電源回路２０の構成要素として設けられていてもよい。直流電源回路２０は、交流電源からの交流電圧を用いて直流電圧を出力するように構成される。一例として、直流電源回路２０は、整流・平滑回路（図示しない）及び昇降圧チョッパ（図示しない）を有する。整流・平滑回路は、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するように構成される。昇降圧チョッパは、整流・平滑回路からの直流電圧を、制御回路６０からの制御信号Ｓ３に応じた電圧値まで昇圧又は降圧するように構成される。プラズマ源１０は、この直流電圧によって動作するように構成される。
【0019】
インバータ回路３０は、直流電源回路２０の後段に設けられる。図１の例では、インバータ回路３０の入力端は、直流電圧センサ９１及び直流電流センサ９２を介して、直流電源回路２０の出力段に接続される。インバータ回路３０は、直流電源回路２０から出力された直流電圧を交流電圧に変換するように構成される。当該交流電圧は、例えば無線周波数帯域の周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を有する。当該周波数は、一例として２ＭＨｚ程度である。
【0020】
共振回路４０は、インバータ回路３０及び放電部５０の間に設けられる。具体的には、共振回路４０の入力端は、インバータ回路３０の出力端に接続される。共振回路４０は、インバータ回路３０からの交流電流を用いて共振現象により高周波電力を発生するように構成される。図１の例では、共振回路４０は、ＬＣ回路部４１及びコンデンサ４２を有する。ＬＣ回路部４１の入力端は、インバータ回路３０の出力端に接続される。コンデンサ４２は、ＬＣ回路部４１の出力端に対して、後段の放電部５０と並列に接続される。なお、共振回路４０は、図１の構成に限らない。
【0021】
放電部５０は、共振回路４０の後段に設けられる。具体的には、放電部５０の電力の入力端は、共振回路４０の出力端に接続される。図１の例では、放電部５０の電力の入力端は、高周波電圧センサ９３及び高周波電流センサ９４を介して、ＬＣ回路部４１の出力端に接続される。放電部５０は、放電管（図示しない）及びアンテナ５１を有する。放電管は、ガスを電離させたプラズマを発生させるために用いられ、材料ガスの流入口及び流出口を両端側に有する。放電管は、例えば管状（円筒状）に形成される。放電管は、例えば石英やアルミナなどの非導電性材料又は誘電体を用いて、アンテナ５１をプラズマから絶縁するように形成される。図１の例では、アンテナ５１は、ＬＣ回路部４１の出力端に対して、前段のコンデンサ４２と並列に接続される。アンテナ５１は、例えば放電管を取り囲むようにコイル状に形成された導電体である。なお、図１では、放電部５０においてアンテナ５１と直列に抵抗５２が配置されているが、これは発生したプラズマによる消費電力を表す。
【0022】
放電部５０は、放電管及びアンテナに供給される高周波電力を用いてプラズマを発生させるように構成される。例えば、放電管内に材料ガスを流通させた状態でアンテナ５１に交流電流Ｉｒｆが流れると、アンテナ５１のコイルの端子間電圧Ｖｒｆによって材料ガスが電離され、プラズマが生成される。これは、コイルの端子間の電界によって結合しているプラズマであり、すなわち容量結合プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）である。ＣＣＰが発生している状態で、アンテナ５１の高周波電流Ｉｒｆをさらに増大させると、コイルの周囲に磁場が形成されて誘導電界が発生し、それによりＩＣＰが発生する。ＩＣＰは、半導体装置の製造等に用いられるプラズマであり、用途に応じて維持及び管理される。
【0023】
放電管内の材料ガスに関するガス条件（組成、圧力、流量など）は、当業者が適宜設計可能である。組成としては、たとえば、酸素と窒素とを混合して用いることができる。流量の例として、酸素の流量を１０００ｓｃｃｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）とし、窒素の流量を１００ｓｃｃｍとしてもよい。あるいは、酸素の流量を１５００ｓｃｃｍとし、窒素の流量を１００ｓｃｃｍとしてもよい。
【0024】
制御回路６０は、プラズマ源１０の動作を制御するように構成される。例えば、制御回路６０は、アンテナ５１に印加される電圧の電圧値を変化させるように、直流電源回路２０又はインバータ回路３０の出力電圧値を制御する制御部として動作可能に構成される。また、例えば、制御回路６０は、放電管内部のプラズマの状態を判定する判定部として動作可能に構成される。制御回路６０は、ハードウェア資源としてプロセッサ及びメモリを有し、メモリにロードされた制御プログラムを実行することにより上記の制御部及び／又は判定部としての機能を実現するように構成されていてもよい。あるいは、制御回路６０は、ハードウェア資源として、上記の制御部及び／又は判定部としての機能を実現するように構成された専用回路を有していてもよい。
【0025】
直流電圧センサ９１及び直流電流センサ９２は、直流電源回路２０及びインバータ回路３０の間に配置される。直流電圧センサ９１は、直流電源回路２０の出力電圧Ｖｄｃの電圧値を検出し、検出された出力電圧値に対応する電圧値信号Ｓ１を出力するように構成される。直流電流センサ９２は、直流電源回路２０及びインバータ回路３０の間に流れる直流電流Ｉｄｃの電流値を検出し、検出された電流値に対応する電流値信号Ｓ２を出力するように構成される。
【0026】
高周波電圧センサ９３及び高周波電流センサ９４は、共振回路４０及び放電部５０の間に配置される。高周波電圧センサ９３は、アンテナ５１に印加される交流電圧Ｖｒｆの電圧値を検出し、検出された出力電圧値に対応する電圧値信号Ｓ５を出力するように構成される。高周波電流センサ９４は、共振回路４０及び放電部５０の間に流れる交流電流、すなわちアンテナ５１を流れる交流電流Ｉｒｆの電流値を検出し、検出された電流値に対応する電流値信号Ｓ６を出力するように構成される。
【0027】
なお、図１では、直流電源回路２０内のスイッチング素子やインバータ回路３０の内のスイッチング素子に駆動信号を与えるドライブアンプ等の図示及び説明を省略している。また、直流電源回路２０、インバータ回路３０及び制御回路６０には、それぞれ図示しない電源が接続され、当該電源からの電力が供給される。
【0028】
次に、上記構成のプラズマ源１０の動作例について、図面を参照しつつ説明する。
【0029】
一例として、制御回路６０は、直流電圧センサ９１で検出した電圧検出信号Ｓ１と、直流電流センサ９２で検出した電流検出信号Ｓ２とに基づいて検出電力値を算出する。ここで、電圧検出信号Ｓ１は、電圧値の情報を含む。また、電流検出信号Ｓ２は、電流値の情報を含む。検出電力値は、電圧検出信号Ｓ１及び電流検出信号Ｓ２の積によって表され、直流電源回路２０の昇降圧チョッパの出力端における電力値を示すものである。
【0030】
ここで、直流電源回路２０の昇降圧チョッパから出力される直流電力値が増減することによって、アンテナ５１に供給される電力値も増減する関係がある。また、直流電源回路２０の昇降圧チョッパから出力される直流電力値と、アンテナ５１に供給される電力値との間には相関関係がある。このため、直流電源回路２０の昇降圧チョッパから出力される直流電力値からアンテナ５１に供給される電力値を推定することができる。
【0031】
したがって、制御回路６０は、アンテナ５１に供給すべき電力値に相当する直流電力値を目標電力値とすることで、アンテナ５１に供給される電力値を制御することができる。具体的には、制御回路６０は、検出電力値が目標電力値と等しくなるように、直流電源回路２０の昇降圧チョッパに対して制御信号Ｓ３を送信する。直流電源回路２０の昇降圧チョッパは、制御信号Ｓ３に基づいて出力電圧値を増減させる。例えば、直流電源回路２０の昇降圧チョッパは、制御信号Ｓ３に基づいて内部のスイッチング素子のデューティ比を増減させることによって、出力電圧値を増減させる。
【0032】
このように、制御回路６０は、検出電力値が目標電力値になるように、直流電源回路２０の昇降圧チョッパの出力電圧を増減させる制御を行うことにより、アンテナ５１に供給する電力の電力値を調整することができる。アンテナ５１に供給される検出電力値を間接的に算出する制御においては、高周波電圧センサ９３及び高周波電流センサ９４による検出値を用いる制御に比して、容易に電力値を算出できるというメリットがある。つまり、直流電圧センサ９１及び直流電流センサ９２が直流電源回路２０の出力端に設けられている構成によれば、電圧値と電流値とを容易に検出することができる。これは、高周波電力の検出においては電圧と電流との位相差などを考慮する必要がある一方、直流電力の検出においては電圧と電流との積を算出するだけでよいことに起因する。なお、本制御を行う場合、プラズマ源１０は、高周波電圧センサ９３及び高周波電流センサ９４を有していなくてもよい。
【0033】
別の一例として、制御回路６０は、直流電源回路２０の昇降圧チョッパではなく、インバータ回路３０内のスイッチング素子のデューティ比を調整してインバータ回路３０の出力電圧を増減させることによって、アンテナ５１に供給する電力の電力値を調整することもできる。
【0034】
具体的には、制御回路６０は、高周波電圧センサ９３の検出信号Ｓ５と高周波電流センサ９４の検出信号Ｓ６とに基づいて、アンテナ５１に供給される検出電力値を算出する。また、制御回路６０は、検出電力値が目標電力値と等しくなるように、インバータ回路３０に対して制御信号Ｓ４を送信する。インバータ回路３０は、制御信号Ｓ４に基づいて出力電圧値を増減させる。例えば、インバータ回路３０は、制御信号Ｓ４に基づいて内部のスイッチング素子のデューティ比を増減させることによって、出力電圧値を増減させる。
【0035】
このような制御であっても、アンテナ５１に供給する電力の電力値を調整することができる。なお、本制御を行う場合、プラズマ源１０は、直流電圧センサ９１及び直流電流センサ６２を有していなくてもよい。
【0036】
なお、制御回路６０は、電圧値又は電流値が各制限値を超えた場合は、インバータ回路３０及び共振回路４０内の素子を保護するために、制御信号Ｓ３，Ｓ４により、直流電源回路２０の昇降圧チョッパ又はインバータ回路３０の出力電圧値を低下させる制御を行う。
【0037】
上記のように、アンテナ５１に供給する電力は、複数の方式で調整可能である。いずれの方式でアンテナ５１に供給する電力の電力値を調整するかは、直流電源回路２０及びインバータ回路３０の構成に応じて適宜設計されればよい。
【0038】
【0039】
制御回路６０は、直流電源回路２０の昇降圧チョッパ又はインバータ回路３０から出力される電力を図２に示すように制御することにより、プラズマに係る電力値を制御する。プラズマ源１０の動作は、電力増加段階及び電力一定段階を含む。
【0040】
電力増加段階において制御回路６０は、直流電源回路２０の昇降圧チョッパ又はインバータ回路３０の出力電圧値を増加させることにより、アンテナ５１に印加される電圧の電圧値を増加させ、これによってアンテナ５１に供給される電力の電力値を増加させる。電力増加段階の継続時間は任意に設計することができる。当該継続時間は、例えば数ミリ秒から数十ミリ秒（図２の例では５０ミリ秒）であるが、これに限らない。当該継続時間は、例えば１００ミリ秒程度であっても構わない。
【0041】
図２の例では、電力増加段階の電力値は、開始時点では０Ｗであり、終了時点では５０００Ｗである。この電力増加段階において、プラズマ（ＣＣＰ）が発生し、また、プラズマの状態がＣＣＰからＩＣＰへ移行する。なお、図２の例では電力値が時間に応じて連続的に増加しているが、これに限らない。電力値は、時間に応じてステップ状に増加するものであってもよい。
【0042】
電力増加段階の後、電力一定段階に移行する。電力一定段階は、電力値が所定値（図２の例では５０００Ｗ）に達した後の段階であり、その電力値が維持される。通常、プラズマの状態は電力増加段階の途中でＣＣＰからＩＣＰへ移行するため、当該所定値は、例えばＩＣＰが安定して維持される値として設計することができる。
【0043】
【0044】
高周波電力の検出電力値に対する制限値は、図３に示すように、ＩＣＰ着火用の第１の制限値Ｃ１と、ＩＣＰ維持中の第２の制限値Ｃ２とを含む。
【0045】
第１の制限値Ｃ１は、アンテナ５１に高周波電圧が印加された後から放電管内で発生したプラズマの状態がＣＣＰからＩＣＰへ移行したと判定されるまでの第１の期間に適用される制限値である。第１の制限値Ｃ１は、インバータ回路３０及び共振回路４０内の各素子が破損しない電圧値又は電流値の範囲内で個々に設定される値である。ここで、電圧値についての第１の制限値Ｃ１は、第１の電圧制限値の一例である。また、電流値についての第１の制限値Ｃ１は、第１の電流制限値の一例である。なお、この実施形態では、説明を簡略化するために、電圧値についての第１の制限値Ｃ１と電流値についての第１の制限値Ｃ１とを同じ符号にしているが、実際には、電圧値についての第１の制限値と電流値についての第１の制限値とは異なる。
【0046】
第２の制限値Ｃ２は、第１の期間の後、すなわちＩＣＰを維持する第２の期間に適用される制限値である。第２の制限値Ｃ２は、第１の制限値Ｃ１より小さい。ここで、電圧値についての第２の制限値Ｃ２は、第２の電圧制限値の一例である。また、電流値についての第２の制限値Ｃ２は、第２の電流制限値の一例である。なお、この実施形態では、説明を簡略化するために、電圧値についての第２の制限値Ｃ２と電流値についての第２の制限値Ｃ２とを同じ符号にしているが、実際には、電圧値についての第２の制限値と電流値についての第２の制限値とは異なる。
【0047】
また、第１の期間及び第２の期間の間には、制限値移行期間が設けられている。制限値移行期間における高周波電力の検出電力値に対する移行制限値Ｃ３は、制限値移行期間中に第１の制限値Ｃ１から第２の制限値Ｃ２に移行される。この制限値移行期間については、後述する。
【0048】
第１の期間において制御回路６０は、アンテナ５１に印加される電圧Ｖｒｆの電圧値が予め定められた電圧値についての第１の制限値Ｃ１を超えないように直流電源回路２０又はインバータ回路３０の出力電圧値を変化させるとともに、アンテナ５１に流れる電流Ｉｒｆの電流値が予め定められた電流値についての第１の制限値Ｃ１を超えないように直流電源回路２０又はインバータ回路３０の出力電圧値を変化させる。
【0049】
第２の期間において制御回路６０は、アンテナ５１に印加される電圧Ｖｒｆの電圧値が予め定められた電圧値についての第２の制限値Ｃ２を超えないように直流電源回路２０又はインバータ回路３０の出力電圧値を変化させるとともに、アンテナ５１に流れる電流Ｉｒｆの電流値が予め定められた電流値についての第２の制限値Ｃ２を超えないように直流電源回路２０又はインバータ回路３０の出力電圧値を変化させる。
【0050】
この構成によれば、第１の制限値Ｃ１は、高周波電源ごとに、その高周波電源の素子が破損しない最大値までの範囲で設定可能である。すなわち、個々の高周波電源にとっての第１の期間における高周波電力の適用範囲を最大化し、高周波電源の素子を保護しつつ、アンテナ５１に供給される電圧値及び電流値を増大させることができる。アンテナ５１に供給される電圧値及び電流値を大きくできれば、材料ガスを電離させ易くなるためＣＣＰを発生させ易くなり、また、ＣＣＰからＩＣＰへ移行させ易くなる。つまり、上記構成によれば、ＩＣＰを発生させ易くすることができる。
【0051】
また、アンテナ５１に供給される電圧値及び電流値を大きくできれば、ガスを電離させ易くなるため、第１の制限値Ｃ１の調整範囲の最大化は、当該電力値の他のプラズマ発生条件（例えば、ガス圧力やガス流量）の適用範囲を広げることができる。
【0052】
【0053】
この実施形態では、第１の制限値Ｃ１は、放電管ごと、すなわちプラズマ源１０ごとに、所望範囲に設定された放電管に流入させるガス条件において、放電管内のプラズマがＣＣＰからＩＣＰへ移行できるようにそれぞれ設定される。一例として、図４は、第１の制限値Ｃ１が、放電管Ａについての第１の制限値Ｃ１１と、放電管Ｂについての第１の制限値Ｃ１２とに分かれている場合を例示している。放電管Ａについての第１の制限値Ｃ１１は、放電管ＡにおいてＩＣＰ着火を実現する電力値についての閾値ＴＡに基づいて設定される。放電管Ｂについての第１の制限値Ｃ１２は、放電管ＢにおいてＩＣＰ着火を実現する電力値についての閾値ＴＢに基づいて設定される。
【0054】
なお、第１の制限値Ｃ１１は、閾値ＴＡよりも所定の値だけ大きく設定される。所定の値は、状況に応じて適宜定められる。また、第１の制限値Ｃ１２は、閾値ＴＢよりも所定の値だけ大きく設定される。所定の値は、状況に応じて適宜定められる。
【0055】
複数台のプラズマ源１０を製作する場合、アンテナ５１の製作精度や放電管及びアンテナ５１の密着具合などの放電部５０の製作精度のバラつきによって、プラズマ源１０ごとに、ＩＣＰを発生させることのできるプラズマ発生条件に機差が生じる場合があった。ここで、プラズマ発生条件としては、個々のプラズマ源１０においてＩＣＰ着火を実現する電圧値、電流値及びガス条件がある。なお、ガス条件は、例えば、ガス圧力及びガス流量の少なくとも一方である。
【0056】
図５は、実施形態に係るガス条件の範囲について説明するための図である。一例として、図５は、放電管Ａについてのガス条件の範囲と、放電管Ｂについてのガス条件の範囲とを例示する。また、図５は、ガス条件として材料ガスとしての酸素の圧力［Ｐａ］を例示する。ここで、放電管Ａ及び放電管Ｂは、例えば異なるプラズマ源１０の放電部５０の放電管であるとする。図５の（１）は、図３の例で用いられている共通の第１の制限値Ｃ１を放電管Ａ及び放電管Ｂに適用する場合のガス条件を例示する。図５の（２）は、第１の制限値Ｃ１１，Ｃ１２を、それぞれ、放電管Ａ及び放電管Ｂに適用する場合のガス条件を例示する。
【0057】
例えば、図５の（１）に例示する３２０Ｐａ～３６０Ｐａのガス条件のように、ガス条件によっては、図４に例示するように、放電管Ｂに適した第１の制限値Ｃ１２が共通の第１の制限値Ｃ１より小さい一方で、放電管Ａに適した第１の制限値Ｃ１１が共通の第１の制限値Ｃ１より大きい場合もあり得る。このようなガス条件の範囲のバラつきは、プラズマ源１０を用いて加工される製品の品質にバラつきを生じさせるおそれがある。
【0058】
このような中、上記構成によれば、放電管ごと、すなわちプラズマ源１０ごとに第１の制限値Ｃ１１，Ｃ１２が設定されるため、図５の（２）に例示するように、ＩＣＰを発生させることのできるガス条件の範囲のバラつき、すなわち機差を低減させることができる。図５の（２）は、第１の制限値Ｃ１１，Ｃ１２を、それぞれ、放電管Ａ及び放電管Ｂに適用する場合のガス条件を例示する。ガス条件の範囲のバラつきの低減は、プラズマ源１０を用いて加工される製品の品質のバラつきの低減に寄与する。また、第１の期間における第１の制限値Ｃ１１，Ｃ１２の調整範囲が最大化するので、ガス条件の範囲のバラつきを低減させつつ、複数のプラズマ源１０で共通の第１の制限値Ｃ１を使用する場合に比して、ガス条件の範囲を拡大することができる。
【0059】
【0060】
この構成によれば、第２の期間においてＩＣＰを維持するために必要な電圧値及び電流値の最大値が第１の期間よりも小さいため、プラズマ源１０ごとに、第２の制限値Ｃ２を定める必要が無くなる。つまり、上記構成によれば、複数台の高周波電源を製作する場合であっても、高周波電源の素子を破損させない範囲で、複数台の高周波電源に対して共通の第２の制限値Ｃ２を適用することができる。
【0061】
また、図４に示す第１の期間及び第２の期間の間には、図３と同様に、制限値移行期間が設けられている。制限値移行期間における高周波電力の検出電力値に対する制限値（移行制限値Ｃ３，Ｃ３１，Ｃ３２）は、それぞれ、制限値移行期間中に第１の制限値Ｃ１，Ｃ１１，Ｃ１２から第２の制限値Ｃ２に移行される。
【0062】
なお、図４の例では、図３の例で用いられている共通の移行制限値Ｃ３に対して、上記の放電管Ａでは移行制限値Ｃ３１が用いられ、上記の放電管Ｂでは移行制限値Ｃ３２が用いられることを示している。また、移行制限値Ｃ３，Ｃ３１，Ｃ３２は、上述の第１の制限値Ｃ１及び第２の制限値Ｃ２と同様に、電圧値及び電流値のそれぞれについて設けられるが、説明を簡略化するために、同じ符号を用いている。
【0063】
制限値移行期間において制御回路６０は、アンテナ５１に印加される電圧Ｖｒｆの電圧値がその時点での電圧値についての移行制限値Ｃ３を超えないように直流電源回路２０又はインバータ回路３０の出力電圧値を変化させるとともに、アンテナ５１に流れる電流Ｉｒｆの電流値がその時点での電流値についての移行制限値Ｃ３を超えないように直流電源回路２０又はインバータ回路３０の出力電圧値を変化させる。
【0064】
ＣＣＰからＩＣＰへの変化は、比較的短時間（例えば４ｍｓｅｃ程度）で完了するが、一瞬のうちに完了するわけではない。すなわち、ＣＣＰからＩＣＰへの移行過程においては、ＣＣＰの割合が減っていき、反対にＩＣＰの割合が増えていくと考えられる。そのため、ＣＣＰからＩＣＰへ移行したと判定された場合であっても、制限値を第１の制限値Ｃ１から第２の制限値Ｃ２へ突然小さくしてしまうと、その時点でのＣＣＰの存在割合によっては、正常な移行をしているにも関わらず、電圧値や電流値が制限値を超えてしまう場合があり得る。その場合、素子を保護するために直流電源回路２０又はインバータ回路３０からの出力電圧が大幅に下げられることになり、ＩＣＰの割合が十分に増える前にアンテナ５１に印加される電圧Ｖｒｆもまた下げられてしまうことになる。その結果、ＣＣＰからＩＣＰへの移行に失敗する場合があり得る。
【0065】
また、ＣＣＰからＩＣＰへの移行が完全に完了した後であれば、制限値を突然小さくしてもＣＣＰからＩＣＰへの移行に影響はないが、移行の判定タイミングに誤差が生じた場合には、ＣＣＰからＩＣＰへの移行に失敗する場合があり得る。
【0066】
このような中、上記構成によれば、制限値移行期間が設けられるため、制限値の移行を適切に行い、適切にＣＣＰからＩＣＰへ移行させることができる。
【0067】
また、制御回路６０は、アンテナ５１に印加される電圧Ｖｒｆの電圧値及びアンテナ５１に流れる電流Ｉｒｆの電流値に基づいて、放電管内のプラズマの状態がＣＣＰからＩＣＰへ移行したか否かを判定する。なお、上述したように、直流電源回路２０の昇降圧チョッパの出力端における電力値と、アンテナ５１に供給される電力値との間には相関関係があるため、以下の例において、電圧Ｖｄｃ及び電流Ｉｄｃと、電圧Ｖｒｆ及び電流Ｉｒｆとを適宜読み替えてもよい。同様に、直流電源回路２０の昇降圧チョッパから出力される直流電力値と、アンテナ５１に供給される電力値とを読み替えてもよい。
【0068】
一例として、制御回路６０は、電圧Ｖｄｃの増加分に対する電流Ｉｄｃの増加分の比率を表す電流増加率に応じて、ＩＣＰへ移行したか否かを判定する。具体的には、制御回路６０は、ＣＣＰが発生している状態、すなわちアンテナ５１に高周波電圧が印加された後の任意の時点における電流Ｉｄｃの電流増加率である第１電流増加率と、第１電流増加率より後の任意の時点における電流増加率である第２電流増加率とを取得する。また、制御回路６０は、第１電流増加率に対する第２電流増加率の比率が、所定の閾値を超える場合に、ＩＣＰへ移行したと判定する。
【0069】
一例として、制御回路６０は、電圧Ｖｄｃ又は電流Ｉｄｃを直流電源回路２０の昇降圧チョッパの出力端における電力値で微分した値に応じて、ＩＣＰへ移行したか否かを判定する。具体的には、制御回路６０は、ＣＣＰが発生した後に、当該電力値と、電圧Ｖｄｃ又は電流Ｉｄｃとを取得する。また、制御回路６０は、電圧Ｖｄｃを電力で微分した値が減少から増加に転じた場合に、ＩＣＰへ移行したと判定する。あるいは、制御回路６０は、電流Ｉｄｃを電力で微分した値が増加から減少に転じた場合に、ＩＣＰへ移行したと判定する。
【0070】
一例として、制御回路６０は、電圧Ｖｄｃに対する電流Ｉｄｃの変化に応じて、ＩＣＰへ移行したか否かを判定する。具体的には、制御回路６０は、電圧Ｖｄｃ及び電流Ｉｄｃを取得する。また、制御回路６０は、電圧Ｖｄｃの増加に対して電流Ｉｄｃが減少した場合に、ＩＣＰへ移行したと判定する。
【0071】
一例として、制御回路６０は、共振回路４０又は放電部５０の少なくとも一方の少なくとも一部における電流Ｉｒｆと電圧Ｖｒｆとの位相差を、直流電源回路２０の昇降圧チョッパの出力端における電力で微分した値に応じて、ＩＣＰへ移行したか否かを判定する。具体的には、制御回路６０は、当該電力値と、当該位相差とを取得する。また、制御回路６０は、当該位相差を当該電力値で微分した値が、増加から減少に転じた場合に、ＩＣＰへ移行したと判定する。
【0072】
一例として、制御回路６０は、電流Ｉｄｃに対する電圧Ｖｄｃの相対値を示すＶｄｃ／Ｉｄｃの値（インピーダンス値）に応じて、ＩＣＰへ移行したか否かを判定する。例えば、制御回路６０は、インピーダンス値が予め定められた閾値以下になった場合に、ＩＣＰへ移行したと判定する。なお、制御回路６０は、インピーダンス値として、インピーダンス値の安定度が予め定められた範囲内である場合に、ＩＣＰへ移行したと判定してもよい。ここで、インピーダンス値の安定度とは、例えば標準偏差や分散などのインピーダンス値についての統計値が適宜利用可能である。
【0073】
なお、制御回路６０は、インピーダンス値がＩＣＰへの移行に係る閾値より大きい値として予め定められた閾値以下になった場合に、ＣＣＰが発生したと判定するように構成されていても構わない。あるいは、制御回路６０は、インピーダンス値の低下率に応じて、ＩＣＰへ移行したか否かを判定してもよい。
【0074】
上記のように、プラズマの状態がＣＣＰからＩＣＰへ移行したか否かは、複数の方法により判定可能である。いずれの方法で判定するかは適宜設計されればよい。また、２以上の方法を併用して判定されても構わない。
【0075】
このように、電圧Ｖｄｃの電圧値及び電流Ｉｄｃの電流値、あるいは電圧Ｖｒｆの電圧値及び電流Ｉｒｆの電流値に基づいて判定すれば、発光強度を検出するセンサを不要とすることができる。
【0076】
もちろん、実施形態に係るプラズマ源１０は、プラズマの発光強度を検出可能に構成されたセンサをさらに有していても構わない。この場合、制御回路６０は、発光強度の変化に応じてＣＣＰからＩＣＰへ移行したか否かを判定すればよい。具体的には、制御回路６０は、センサから発光強度の検出結果を取得し、ＣＣＰとして着火した際の発光より大きい発光強度の発光が検出された場合に、ＩＣＰへ移行したと判定すればよい。
【0077】
図６は、実施形態に係るプラズマ源１０において実行される、プラズマ発生処理の流れの一例を示すフローチャートである。制御回路６０は、図２を参照して説明したように、直流電源回路２０の昇降圧チョッパ又はインバータ回路３０の出力電圧値を制御することにより、アンテナ５１に電圧を印加し、ＣＣＰを発生させる（Ｓ１１）。また、制御回路６０は、図３及び図４を参照して説明したように、第１の制限値Ｃ１を用いて直流電源回路２０の昇降圧チョッパ又はインバータ回路３０の出力電圧値を制御することにより、プラズマの状態をＣＣＰからＩＣＰへ移行させる（Ｓ１２）。制御回路６０は、プラズマの状態がＣＣＰからＩＣＰへ移行したか否かを判定する（Ｓ１３）。ＣＣＰからＩＣＰへ移行したと判定されなかったとき（Ｓ１３：Ｎｏ）、図６の流れは、Ｓ１２の処理へ戻る。一方で、ＣＣＰからＩＣＰへ移行したと判定されたとき（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、制御回路６０は、図３及び図４を参照して説明したように、第１の制限値Ｃ１より小さい第２の制限値Ｃ２を用いて直流電源回路２０の昇降圧チョッパ又はインバータ回路３０の出力電圧値を制御することにより、ＩＣＰを維持する（Ｓ１４）。その後、ＩＣＰの利用が終了したときに図６の流れは終了する。
【0078】
以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、放電管内で発生したプラズマが容量結合プラズマから誘導結合プラズマへ移行したと判定されるまでの期間に適用する電圧制限値及び電流制限値の適用範囲を拡大させることができる。
【0079】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0080】
１０…プラズマ源、２０…直流電源回路、３０…インバータ回路、４０…共振回路、４１…ＬＣ回路部、４２…コンデンサ、５０…放電部、５１…アンテナ、５２…抵抗、６０…制御回路（制御部、判定部）、９１…直流電圧センサ、９２…直流電流センサ、９３…高周波電圧センサ、９４…高周波電流センサ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】