特開 2024-44711 プラズマ源

(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】P2024044711

(43)【公開日】2024-04-02

(54)【発明の名称】プラズマ源

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20240326BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20240326BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 L

H05H1/46 R

H01L21/302 101C

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022150418

(22)【出願日】2022-09-21

(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】佐々木 豊

(72)【発明者】

【氏名】吉迫 裕司

(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

2G084BB33

2G084CC04

2G084CC13

2G084CC33

2G084DD03

2G084DD13

2G084EE10

2G084EE11

2G084EE12

2G084EE15

2G084FF02

2G084FF32

2G084HH21

2G084HH27

2G084HH28

2G084HH32

2G084HH43

5F004BA20

5F004CB05

(57)【要約】

【課題】断続的に誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）が発生する条件であっても、電源素子が破損しない範囲で電源出力を継続して、プロセスを遂行することが可能なプラズマ源を提供する。
【解決手段】プラズマ源は、直流電圧を無線周波数帯域の周波数を有する高周波電圧に変換するインバータ回路と、インバータ回路の出力信号で動作する共振回路と、共振回路の出力を受ける導電体のアンテナに取り囲まれた放電管を有して、アンテナで発生する高周波磁界が、アンテナの内側で作用することによって、放電管の内部にＩＣＰを発生させる放電部と、放電管の内部にＩＣＰが発生しているかを検出する検出部と、所定の時間間隔に対するＩＣＰが消弧している時間の比率が閾値未満である場合には、インバータ回路から共振回路への出力信号の供給を継続して、比率が閾値以上である場合には、インバータ回路から共振回路への出力信号の供給を停止する電源制御部と、を備える。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘導結合プラズマを発生させるプラズマ源であって、
直流電圧を無線周波数帯域の周波数を有する高周波電圧に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路の出力信号によって動作する共振回路と、
前記共振回路の出力を受ける導電体のアンテナに取り囲まれた放電管を有して、前記アンテナにより発生する高周波磁界が、当該アンテナの内側で作用することによって、前記放電管の内部に誘導結合プラズマを発生させる放電部と、
前記放電管の内部に誘導結合プラズマが発生しているかを検出する検出部と、
所定の時間間隔毎に、当該時間間隔に対する前記誘導結合プラズマが消弧している時間の比率が閾値以上であるかを判定して、前記比率が前記閾値以上である場合には、前記インバータ回路から前記共振回路への出力信号の供給を停止して、前記比率が前記閾値未満である場合には、前記インバータ回路から前記共振回路への出力信号の供給を継続する電源制御部と、
を備えるプラズマ源。

【請求項2】

前記検出部は、前記電源制御部から前記インバータ回路へ送信するドライブ信号と、前記アンテナに流れる高周波電流との位相差に基づいて、誘導結合プラズマが発生しているかを検出する、
請求項１に記載のプラズマ源。

【請求項3】

前記検出部は、
前記所定の時間間隔のうち、前記共振回路に前記インバータ回路の出力信号の供給を開始した時刻を含む時間間隔において、前記閾値を、他の時間間隔における前記閾値に対して低く設定する、
請求項１または請求項２に記載のプラズマ源。

【請求項4】

前記閾値は、前記共振回路に前記インバータ回路の出力信号を供給し続けた場合に、当該インバータ回路を構成する回路素子が破損しない値に設定される、
請求項１または請求項２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、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ることによって、容量結合プラズマ（以下ＣＣＰと呼ぶ）を誘導結合プラズマ（以下ＩＣＰと呼ぶ）に変化させるプラズマ源が知られている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１５７９１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このようなプラズマ源にあっては、ＣＣＰが発生している状態、もしくはプラズマが無い状態で電源が出力をし続けると、スイッチ素子（ＦＥＴなど）の損失が増大して素子の破壊につながるため、電源の出力を停止するのが望ましい。

【0006】

しかしながら、連続的にＩＣＰ放電をしていない場合であっても、電源素子が破損しない限りにおいて、断続的にＩＣＰ放電をさせることがプロセス上有意な場合もある。つまり、電源出力を停止してしまう必要が無いケースでも出力を停止してしまうと、プロセスを遂行可能な範囲を狭めてしまっていた。

【0007】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、断続的にＩＣＰが発生する条件であっても、電源素子が破損しない範囲で電源出力を継続して、プロセスを遂行することが可能なプラズマ源を提供する。

【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、誘導結合プラズマを発生させるものであり、インバータ回路と、共振回路と、放電部と、検出部と、電源制御部とを備える。インバータ回路は、直流電圧を無線周波数帯域の周波数を有する高周波電圧に変換する。共振回路は、インバータ回路の出力信号によって動作する。放電部は、共振回路の出力を受ける導電体のアンテナに取り囲まれた放電管を有して、アンテナにより発生する高周波磁界が、当該アンテナの内側で作用することによって、放電管の内部に誘導結合プラズマを発生させる。検出部は、放電管の内部に誘導結合プラズマが発生しているかを検出する。電源制御部は、所定の時間間隔毎に、当該時間間隔に対する誘導結合プラズマが消弧している時間の比率が閾値以上であるかを判定して、比率が閾値以上である場合には、インバータ回路から共振回路への出力信号の供給を停止して、比率が閾値未満である場合には、インバータ回路から共振回路への出力信号の供給を継続する。

【0009】

実施形態に係るプラズマ源において、検出部は、電源制御部からインバータ回路へ送信するドライブ信号と、アンテナに流れる高周波電流との位相差に基づいて、誘導結合プラズマが発生しているかを検出する。

【0010】

実施形態に係るプラズマ源において、検出部は、所定の時間間隔のうち、共振回路にインバータ回路の出力信号の供給を開始した時刻を含む時間間隔において、閾値を、他の時間間隔における閾値に対して低く設定する。

【0011】

実施形態に係るプラズマ源において、閾値は、共振回路にインバータ回路の出力信号を供給し続けた場合に、インバータ回路を構成する回路素子が破損しない値に設定される。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、断続的にＩＣＰ放電が発生する条件であっても、電源素子が破損しない範囲で電源出力を継続して、プロセスを遂行することが可能なプラズマ源を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本実施形態に係るプラズマ源の構成例を示す図である。

【図2】図２は、本実施形態に係るプラズマ源が備えるプラズマ発生部の要部構成の一例を示す図である。

【図3】図３は、一般的なプラズマ源におけるプラズマ発生状態の時間推移の様子の一例を示すグラフである。

【図4】図４は、本実施形態に係るプラズマ源が、ＩＣＰ着火区間を判定する方法を説明する図である。

【図5】図５は、実施形態に係るプラズマ源が備える制御部の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。

【図6】図６は、本実施形態に係るプラズマ源が備える制御部が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

【0015】

（実施の形態）
図１を用いて、本実施形態のプラズマ源１の構成を説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマ源の構成例を示す図である。

【0016】

（プラズマ源の構成）
プラズマ源１は、半導体製造プロセスにおけるエッチング等のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置の一部として用いられる。

【0017】

プラズマ源１は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を発生させるプラズマ発生装置である。プラズマ源１は、高周波電源部１０とプラズマ発生部８とを含む。高周波電源部１０は、整流・平滑回路２と、昇降圧チョッパ３（電圧変換回路の一例）と、インバータ回路４と、共振回路５と、制御部７とを含む。また、高周波電源部１０は、直流電圧センサ６１と、直流電流センサ６２と、高周波電流センサ６３とを含む。

【0018】

整流・平滑回路２は、商用交流電源９（主電源）の交流電力を直流電力に変換するための回路である。整流・平滑回路２は、例えば複数個の半導体素子をブリッジ接続してなる整流回路と、整流された電流（脈流）を平滑化する回路とを含む。

【0019】

昇降圧チョッパ３は、直流の入力電圧を昇圧又は降圧して、直流電圧Ｖｄｃを出力する回路である。昇降圧チョッパ３は、例えば、内部にスイッチング素子を備えて、制御部７（電源制御部７２）からの指令信号に基づいてスイッチング素子のスイッチングが制御されて、出力する直流電圧Ｖｄｃを昇圧又は降圧させる。

【0020】

昇降圧チョッパ３の出力端には、図１に示す直流電圧センサ６１と直流電流センサ６２とが設けられている。直流電圧センサ６１は、昇降圧チョッパ３が出力する直流電圧Ｖｄｃを検出し、直流電圧Ｖｄｃの検出信号を制御部７に送る。直流電流センサ６２は、昇降圧チョッパ３の出力端に流れる直流電流Ｉｄｃを検出し、直流電流Ｉｄｃの検出信号を制御部７に送る。なお、図１では直流電圧センサ６１が直流電流センサ６２よりも昇降圧チョッパ３側に設置されているが、直流電流センサ６２を直流電圧センサ６１よりも昇降圧チョッパ３側に設置してもよい。

【0021】

インバータ回路４は、昇降圧チョッパ３から出力される直流電圧Ｖｄｃを無線周波数（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯域の周波数を有する高周波電圧Ｖｒｆに変換して出力する。高周波帯域の周波数は、例えば２ＭＨｚである。もちろん、他の周波数でも適用可能である。また、例えば２ＭＨｚに対して周波数を増減させることもできる。インバータ回路４はスイッチング素子が備えており、そのスイッチングが制御部７によって制御される。

【0022】

共振回路５は、インバータ回路４とプラズマ発生部８の一端部Ｐ１との間に直列接続されたインダクタ５１及びコンデンサ５２と、インバータ回路４とプラズマ発生部８の他端部Ｐ２との間に直列接続されたインダクタ５３及びコンデンサ５４とを備える。また、共振回路５は、一端部Ｐ１と他端部Ｐ２との間にコンデンサ５５をさらに備える。

【0023】

コンデンサ５２とコンデンサ５４とは略同一の容量（キャパシタンス）を有し、インダクタ５１とインダクタ５３とは、略同一のインダクタンスを有するのが好ましい。このようにすれば、プラズマ発生部８の一端部Ｐ１とインバータ回路４との間の共振回路５の回路構成と、プラズマ発生部８の他端部Ｐ２とインバータ回路４との間の共振回路５の回路構成とが同じ回路構成になるので、一端部Ｐ１の最大電圧値と他端部Ｐ２の最大電圧値とが同程度になる。後述する放電管８０内で発生するプラズマは、基準電位に対する電位差が大きい程、放電管８０の内壁部分に引き寄せられる傾向にあるので、上記のように両端部における最大電圧値を均一化することで、放電管８０の摩耗の偏りを低減させ、ひいては放電管８０の寿命を延ばすことが可能となる。

【0024】

プラズマ発生部８は、放電コイル８１を有する。放電コイル８１は、後述する放電管８０（図２参照）の外周側であって、当該放電管８０の流入口側から流出口側に亘って巻回されたものである。なお、放電コイル８１は、共振回路５の一部として機能する。放電管８０は、例えば石英、アルミナ等の非導電性材料で形成される。放電コイル８１は、例えば、銅等の導電性材料からなるコイルである。また、図示しないが、放電コイル８１内に冷却水を流すことで、放電管８０の温度上昇を低減させる。なお、プラズマ発生部８は、本開示における放電部の一例である。また、放電コイル８１は、本開示におけるアンテナの一例である。

【0025】

インバータ回路４から出力された高周波電圧Ｖｒｆが共振回路５を介してプラズマ発生部８に供給されることによって、放電コイル８１には高周波電流Ｉｒｆが流れる。プラズマ発生部８でプラズマを発生させる場合、放電管８０の内部に反応ガスが供給される。その結果、放電コイル８１に流れる高周波電流による誘導結合によって反応ガスがプラズマ化し、プラズマが発生する。即ち、放電管８０は、導電体の放電コイル８１に取り囲まれて、放電コイル８１により発生する高周波磁界が、放電コイル８１の内側で作用することによって、放電管８０の内部に誘導結合プラズマを発生させる。このようにして発生したプラズマを利用して、プラズマ処理部（図示省略）において各種の処理（エッチング等）が行われる。

【0026】

高周波電流センサ６３は、共振回路５の出力端に流れる高周波電流Ｉｒｆ（放電コイル８１に流れる交流電流）を検出し、高周波電流Ｉｒｆの検出信号を制御部７に送る。高周波電流センサ６３は、無線周波数帯域用のセンサである。

【0027】

なお、図１では、高周波電流センサ６３がプラズマ発生部８の他端部Ｐ２側に設けられているが、高周波電流センサ６３はプラズマ発生部８の一端部Ｐ１側に設けてもよい。また、高周波電流センサ６３から制御部７に送付される高周波電流Ｉｒｆの検出信号は、アナログ信号でも良いし、デジタル信号でもよい。アナログ信号の場合、高周波電流Ｉｒｆの検出信号は、通常、制御部７においてＡＤ変換される。

【0028】

制御部７は、種々の制御処理・演算処理を実行する装置である。制御部７は、ＲＡＭ（Random Access Memory）又はＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部（図示せず）を備えたＭＰＵ（Micro-processing unit）、システムＬＳＩ（Large-Scale Integration）又はＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）を含み、記憶部に記憶してあるプログラム及びデータを読み出して実行することにより、種々の制御処理及び演算処理等を行う。

【0029】

制御部７は、ＩＣＰ着火検出部７１と、電源制御部７２とを備える。

【0030】

ＩＣＰ着火検出部７１は、放電管８０の内部に誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）が発生しているかを検出する。なお、ＩＣＰ着火検出部７１は、本開示における検出部の一例である。具体的には、ＩＣＰ着火検出部７１は、電源制御部７２からインバータ回路４へ送信するドライブ信号（インバータ回路４から出力する出力電圧の位相情報に相当する信号）と、放電コイル８１（アンテナ）に流れる高周波電流Ｉｒｆとの位相差に基づいて、誘導結合プラズマが発生しているかを検出する。詳しくは後述する（図４参照）。

【0031】

電源制御部７２は、直流電圧Ｖｄｃの検出信号と直流電流Ｉｄｃの検出信号とに基づいて、プラズマ発生部８に供給される電力の電力値を算出し、その電力値が目標値になるように昇降圧チョッパ３の出力を制御する。

【0032】

また、電源制御部７２は、所定の時間間隔毎に、当該時間間隔に対する誘導結合プラズマが発生している時間の比率が閾値以上であるかを判定して、比率が閾値以上である場合には、インバータ回路４から共振回路５への出力信号の供給を継続して、比率が閾値未満である場合には、インバータ回路４から前記共振回路５への出力信号の供給を停止する。

【0033】

なお、閾値は、共振回路５にインバータ回路４の出力信号を供給し続けた場合に、インバータ回路４を構成する回路素子が破損しない値に設定される。

【0034】

また、電源制御部７２は、商用交流電源９の投入状態を監視する。

【0035】

（プラズマ発生部の構成）
図２を用いて、プラズマ発生部８の要部構成を説明する。図２は、本実施形態に係るプラズマ源が備えるプラズマ発生部の要部構成の一例を示す図である。なお、図２は、プラズマ発生部８の主要部の断面斜視図である。

【0036】

プラズマ発生部８は、円筒状の放電管８０と、導電体の放電コイル８１と、蓋部８２とを備える。放電管８０の筐体は、石英、アルミナ等の絶縁体で構成される。そして、放電管８０の内部には、プラズマの材料となる反応ガスが、中心軸に沿って通過する。

【0037】

放電コイル８１は、線状の導電体であって、放電管８０の外周に、放電管８０の中心軸を中心に所定のピッチで、所定の周回数分巻かれる。放電コイル８１には、共振回路５から高周波電力が供給される。

【0038】

蓋部８２は、アルミニウム等の金属で構成されており、放電管８０の一方の開口を塞ぐ。さらに、蓋部８２には、例えば、放電管８０の中心軸に対応する位置に、外部から放電管８０の内部へと反応ガスを導入するためのガス導入孔８３が開口されている。

【0039】

放電管８０の内部は高真空状態に保たれて、ガス導入孔８３から反応ガスが内部に導入される。そして、プラズマ発生部８は、放電コイル８１に印加された高周波電圧により、真空状態とされた放電管８０の内部で反応ガスを電離させて容量性結合プラズマ（ＣＣＰ）を発生させる。そして、プラズマ発生部８は、放電コイル８１に流れる電流が増加すると、誘導磁界を発生させて、誘導性結合プラズマ（ＩＣＰ）を発生させる。発生したプラズマは、放電管８０における、ガス導入孔８３とは反対側の開口から、プラズマ処理室等へと送出される。

【0040】

容量性結合プラズマは、一般に、プラズマ密度が低くエネルギーが小さいため、プラズマを用いた材料の処理プロセスには、より高密度でエネルギーが大きい誘導性結合プラズマが利用される。本実施形態に係るプラズマ発生部８は、誘導性結合プラズマ（ＩＣＰ）を安定的に発生し、発生を維持するものである。

【0041】

（プラズマ源におけるプラズマ発生状態の推移）
図３を用いて、一般のプラズマ源におけるプラズマ発生状態の推移を説明する。図３は、一般的なプラズマ源におけるプラズマ発生状態の時間推移の様子の一例を示すグラフである。

【0042】

図３の縦軸は、図１で示すプラズマ源１において、放電コイル８１（アンテナ）に流れる高周波電流Ｉｒｆと、制御部７からインバータ回路４へ送信するドライブ信号との位相差θを表す。

【0043】

図３の横軸は、電源投入直後の時刻ｔを表す。なお、図３の時刻ｔは、１ポイント当たり５００μｓｅｃの時刻を示している。

【0044】

プラズマ源１にあっては、プラズマの発生状態に応じて、電源側から見たインピーダンスが変化する。したがって、プラズマの発生状態に応じて、前記した位相差θが変化する。例えば、図３において、電源投入直後の時刻ｔａから時刻ｔｂにかけては、位相差θが１１０°未満を推移している。これは、まだＩＣＰの発生に至っておらず、プラズマが発生していないか、またはＣＣＰが発生している状態を示している。その後、位相差θは１４０°付近へと遷移するが、この時にＩＣＰ放電へ移行したと判定できる。即ち、ＩＣＰ着火していることは、位相差θが、所定の判定閾値θｔｈを超えているかによって判定することができる。

【0045】

ＩＣＰ着火した後、位相差θはすぐに１１０°未満へ移り、判定閾値θｔｈを大きく下回る。これは、ＩＣＰ放電後に消孤した、即ちＩＣＰが消失したことを示している。従来は、この時点で消孤したと判定して、プラズマ源１の出力を停止していた。

【0046】

このように、プラズマ源１は、断続的にＩＣＰ着火と消孤を繰り返すが、大部分の区間においてはＩＣＰ放電を行っている（つまり、位相差θが判定閾値θｔｈを上回っている）ため、プラズマ源１の出力を維持して、発生したプラズマを後段の処理プロセスに利用し続けることが可能である。なお、前記した具体的な位相差θの値は一例であって、プラズマ源１が備える回路素子の値に応じて、位相差θの値は変動する。

【0047】

本実施形態のプラズマ源１は、ＩＣＰ放電を行っている区間長に着目して、プラズマ源１がＩＣＰ着火しているかを判定する。詳しくは後述する（図４参照）。

【0048】

（本実施形態のプラズマ源におけるプラズマ発生状態の検出）
図４を用いて、本実施形態のプラズマ源１がＩＣＰ着火区間を判定する方法を説明する。図４は、本実施形態に係るプラズマ源が、ＩＣＰ着火区間を判定する方法を説明する図である。

【0049】

本実施形態のプラズマ源１の制御部７は、図４に示すように、ＩＣＰ着火しているかを判定する判定区間Ｌ１，Ｌ２，…を設ける。そして、当該判定区間Ｌ１，Ｌ２，…の間に、位相差θが判定閾値θｔｈを下回った時間を積算して、その積算時間が閾値Ｌｔｈ未満である場合に、制御部７は、プラズマ源１がＩＣＰ着火していると判定する。或いは、積算時間が閾値Ｌｔｈ以上である場合に、制御部７は、ＩＣＰが消弧していると判定する。

【0050】

例えば、判定区間Ｌ１，Ｌ２，…を５０００ｍｓｅｃとし、ＩＣＰ放電が停止している、即ち消孤していると判定する積算時間の閾値Ｌｔｈを５００ｍｓｅｃとする。ここで、プラズマ源１が、１０ｍｓｅｃの消孤、４０ｍｓｅｃのＩＣＰ放電を繰り返しているとする。その場合、判定区間内で１００回の消孤とＩＣＰ放電を繰り返すことになる。この場合、消孤の積算時間は１０ｍｓｅｃ×１００回＝１０００ｍｓｅｃとなるため、閾値Ｌｔｈ以上である。したがって、制御部７は、プラズマ源１が消孤したと判定して、インバータ回路４から共振回路５への信号の出力を停止する。

【0051】

一方、１０ｍｓｅｃの消孤、１９０ｍｓｅｃのＩＣＰ放電を繰り返す場合には、判定区間内でおおよそ２５回の消孤とＩＣＰ放電を繰り返す。その場合、消孤の積算時間は１０ｍｓｅｃ×２５回＝２５０ｍｓｅｃとなり、閾値Ｌｔｈ（例えば５００ｍｓｅｃ）未満である。したがって、制御部７は、プラズマ源１がＩＣＰ放電をしていると判定して、インバータ回路４から共振回路５への信号の出力を継続する。また、判定区間が終了して、次の判定区間が開始されるときには、この積算時間はリセットされる。

【0052】

なお、積算時間の閾値Ｌｔｈは、インバータ回路４の回路素子の損失の許容範囲内で決定する。これは、前記した通り、ＩＣＰが発生していない状態、またはＣＣＰが発生している状態においては、インバータ回路４の回路素子の損失が増大するため、消孤期間が長くなるほど、回路素子の損失が増えるためである。

【0053】

なお、図４に示す判定区間Ｌ１にあっては、電源投入直後であるため、ＩＣＰの発生に先立ってＣＣＰが発生する可能性がある。したがって、判定区間Ｌ２以降と比較すると、ＩＣＰが消弧していると判定される時間が長くなる可能性がある。そのため、プラズマ源１の制御部７は、判定区間Ｌ１における積算時間の閾値Ｌｔｈを、他の判定区間における積算時間の閾値Ｌｔｈよりも低く設定してもよい。これによって、電源投入直後であっても、ＩＣＰが断続的に発生しているかを確実に検出することができる。

【0054】

（プラズマ源の機能構成）
図５を用いて、プラズマ源１が備える制御部７の機能構成を説明する。図５は、実施形態に係るプラズマ源が備える制御部の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。

【0055】

プラズマ源１の制御部７は、ＩＣＰ着火検出部７１と、電源制御部７２とを備える。

【0056】

ＩＣＰ着火検出部７１は、放電管８０の内部に誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）が発生しているかを検出する。なお、ＩＣＰ着火検出部７１は、本開示における検出部の一例である。ＩＣＰ着火検出部７１は、更に、計時処理部７１１と、位相差算出部７１２と、位相差比較部７１３と、消弧時間比率算出部７１４とを備える。

【0057】

計時処理部７１１は、ＩＣＰ着火判定に係る時刻の計測を行う。

【0058】

位相差算出部７１２は、電源制御部７２からインバータ回路４へ送信するドライブ信号、即ちインバータ回路４から出力する出力電圧の位相情報に相当する信号と、放電コイル８１（アンテナ）に流れる高周波電流Ｉｒｆとの位相差θを算出する。

【0059】

位相差比較部７１３は、位相差θと判定閾値θｔｈとの大小関係を比較する。

【0060】

消弧時間比率算出部７１４は、判定区間Ｌ１，Ｌ２，…のそれぞれにおいて、判定区間の時間長さに対する、ＩＣＰが消弧している時間の比率を算出する。

【0061】

電源制御部７２は、消弧時間比率算出部７１４が算出した時間の比率が閾値以上である場合に、インバータ回路４から共振回路５への出力信号の供給を停止する。また、電源制御部７２は、消弧時間比率算出部７１４が算出した時間の比率が閾値未満である場合に、インバータ回路４から共振回路５への出力信号の供給を継続する。電源制御部７２は、更に、主電源状態監視部７２１と、高周波電源供給制御部７２２と、昇降圧チョッパ出力制御部７２３とを備える。

【0062】

主電源状態監視部７２１は、商用交流電源９の状態を監視する。

【0063】

高周波電源供給制御部７２２は、インバータ回路４から共振回路５への高周波信号の供給状態を制御する。

【0064】

昇降圧チョッパ出力制御部７２３は、昇降圧チョッパ３からインバータ回路４への電力の供給状態を制御する。

【0065】

なお、消弧時間比率算出部７１４の代わりに、判定区間Ｌ１，Ｌ２，…のそれぞれにおいて、判定区間の時間長さに対する、ＩＣＰが着火している時間の比率を算出する着火時間比率算出部を設けてもよい。そして、電源制御部７２は、着火時間比率算出部が算出した時間の比率が閾値未満である場合に、インバータ回路４から共振回路５への出力信号の供給を停止してもよい。また、電源制御部７２は、着火時間比率算出部が算出した時間の比率が閾値以上である場合に、インバータ回路４から共振回路５への出力信号の供給を継続してもよい。

【0066】

（制御部が行う処理の流れ）
図６を用いて、プラズマ源１が備える制御部７が行う処理の流れを説明する。図６は、本実施形態に係るプラズマ源が備える制御部が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【0067】

主電源状態監視部７２１は、商用交流電源９（主電源）が投入されているかを判定する（ステップＳ１１）。商用交流電源９が投入されていると判定される（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）とステップＳ１２に進む。一方、商用交流電源９が投入されていると判定されない（ステップＳ１１：Ｎｏ）とステップＳ１１の判定を繰り返す。

【0068】

ステップＳ１１において、商用交流電源９が投入されていると判定されると、高周波電源供給制御部７２２は、共振回路５に対して高周波電源が投入されたかを判定する（ステップＳ１２）。共振回路５に対して高周波電源が投入されたと判定される（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）とステップＳ１３に進む。一方、共振回路５に対して高周波電源が投入されたと判定されない（ステップＳ１２：Ｎｏ）とステップＳ１２の判定を繰り返す。

【0069】

ステップＳ１２において、共振回路５に対して高周波電源が投入されたと判定されると、計時処理部７１１は、ＩＣＰ消弧時間をリセットする（ステップＳ１３）。

【0070】

続いて、計時処理部７１１は、判定時間をリセットする（ステップＳ１４）。なお、判定時間は、前記した判定区間の経過を判断するためのパラメータである。

【0071】

計時処理部７１１は、判定時間を積算する（ステップＳ１５）。

【0072】

位相差算出部７１２は、電源制御部７２からインバータ回路４へ送信するドライブ信号と、放電コイル８１（アンテナ）に流れる高周波電流Ｉｒｆとの位相差θを算出する（ステップＳ１６）。

【0073】

位相差比較部７１３は、位相差θが判定閾値θｔｈ未満であるかを判定する（ステップＳ１７）。位相差θが判定閾値θｔｈ未満であると判定される（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）とステップＳ１８に進む。一方、位相差θが判定閾値θｔｈ未満であると判定されない（ステップＳ１７：Ｎｏ）とステップＳ１９に進む。

【0074】

ステップＳ１７において、位相差θが判定閾値θｔｈ未満であると判定されると、消弧時間比率算出部７１４は、ＩＣＰ消弧時間を積算する（ステップＳ１８）。

【0075】

計時処理部７１１は、判定時間が所定値、即ち判定区間に到達したかを判定する（ステップＳ１９）。判定時間が判定区間に到達したと判定される（ステップＳ１９：Ｙｅｓ）とステップＳ２０に進む。一方、判定時間が判定区間に到達したと判定されない（ステップＳ１９：Ｎｏ）とステップＳ１５に戻る。

【0076】

ステップＳ１９において、判定時間が判定区間に到達したと判定されると、消弧時間比率算出部７１４は、ＩＣＰ消弧時間の積算値が閾値Ｌｔｈ以上であるかを判定する（ステップＳ２０）。ＩＣＰ消弧時間の積算値が閾値Ｌｔｈ以上であると判定される（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）とステップＳ２１に進む。一方、ＩＣＰ消弧時間の積算値が閾値Ｌｔｈ以上であると判定されない（ステップＳ２０：Ｎｏ）とステップＳ２２に進む。

【0077】

ステップＳ２０において、ＩＣＰ消弧時間の積算値が閾値Ｌｔｈ以上であると判定されると、昇降圧チョッパ出力制御部７２３は、昇降圧チョッパ３からインバータ回路４への高周波電源の供給を停止する（ステップＳ２１）。

【0078】

その後、主電源状態監視部７２１は、商用交流電源９がＯＦＦであるかを判定する（ステップＳ２３）。商用交流電源９がＯＦＦであると判定される（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）と、制御部７は、図６の処理を終了する。一方、商用交流電源９がＯＦＦであると判定されない（ステップＳ２３：Ｎｏ）とステップＳ１２に戻って、前記した処理を繰り返す。なお、図６のフローチャートには記載しないが、このとき、高周波電源供給制御部７２２は、ステップＳ２１における高周波電源の供給停止から所定時間が経過するのを待って、共振回路５に対して高周波電源を再投入するものとする。

【0079】

一方、ステップＳ２０において、ＩＣＰ消弧時間の積算値が閾値Ｌｔｈ以上であると判定されないと、昇降圧チョッパ出力制御部７２３は、昇降圧チョッパ３からインバータ回路４への高周波電源の供給を継続する（ステップＳ２２）。

【0080】

その後、主電源状態監視部７２１は、商用交流電源９がＯＦＦであるかを判定する（ステップＳ２４）。商用交流電源９がＯＦＦであると判定される（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）と、制御部７は、図６の処理を終了する。一方、商用交流電源９がＯＦＦであると判定されない（ステップＳ２４：Ｎｏ）とステップＳ１３に戻って、前記した処理を繰り返す。

【0081】

なお、図６において、電源投入直後の判定区間においては、前記したように、他の判定区間に対して閾値Ｌｔｈを小さく設定することによって、ＣＣＰの発生状態を考慮した上で、ＩＣＰの発生状態を検出するようにしてもよい。

【0082】

（実施の形態の作用効果）
以上説明したように、実施形態のプラズマ源１は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を発生させるプラズマ源であって、直流電圧を無線周波数帯域の周波数を有する高周波電圧に変換するインバータ回路４と、インバータ回路４の出力信号によって動作する共振回路５と、共振回路５の出力を受ける導電体の放電コイル８１（アンテナ）に取り囲まれた放電管８０を有して、放電コイル８１により発生する高周波磁界が、当該放電コイル８１の内側で作用することによって、放電管８０の内部に誘導結合プラズマを発生させるプラズマ発生部８（放電部）と、放電管８０の内部に誘導結合プラズマが発生しているかを検出するＩＣＰ着火検出部７１（検出部）と、所定の時間間隔（判定区間）毎に、当該時間間隔に対する誘導結合プラズマが消弧している時間の比率（積算値）が閾値以上であるかを判定して、比率（積算値）が閾値Ｌｔｈ以上である場合には、インバータ回路４から共振回路５への出力信号の供給を停止して、比率（積算値）が閾値Ｌｔｈ未満である場合には、インバータ回路４から共振回路５への出力信号の供給を継続する電源制御部７２と、を備える。したがって、断続的にＩＣＰ放電が発生する条件であっても、電源素子が破損しない範囲で電源出力を継続して、プロセスを遂行することができる。

【0083】

また、実施形態のプラズマ源１において、ＩＣＰ着火検出部７１（検出部）は、電源制御部７２からインバータ回路４へ送信するドライブ信号（インバータ回路４から出力する出力電圧の位相情報に相当する信号）と、放電コイル８１（アンテナ）に流れる高周波電流Ｉｒｆとの位相差θに基づいて、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）が発生しているかを検出する。したがって、ＩＣＰが発生しているかを容易かつ確実に検出することができる。

【0084】

また、実施形態のプラズマ源１において、ＩＣＰ着火検出部７１（検出部）は、判定区間Ｌ１，Ｌ２，…のうち、共振回路５にインバータ回路４の出力信号の供給を開始した時刻を含む判定区間において、閾値Ｌｔｈを、他の時間間隔における閾値Ｌｔｈに対して低く設定する。したがって、電源投入直後であっても、ＩＣＰが断続的に発生しているかを確実に検出することができる。

【0085】

また、実施形態のプラズマ源１において、閾値Ｌｔｈは、共振回路５にインバータ回路４の出力信号を供給し続けた場合に、インバータ回路４を構成する回路素子が破損しない値に設定される。したがって、断続的にＩＣＰが発生する条件であっても、電源の供給を継続させて、回路素子が破損しない範囲でＩＣＰの発生を継続させることができる。

【0086】

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上述した実施の形態は、例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能である。また、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。また、この実施の形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

【符号の説明】

【0087】

１ プラズマ源
２ 整流・平滑回路
３ 昇降圧チョッパ
４ インバータ回路
５ 共振回路
７ 制御部
７１ ＩＣＰ着火検出部（検出部）
７１１ 計時処理部
７１２ 位相差算出部
７１３ 位相差比較部
７１４ 消弧時間比率算出部
７２ 電源制御部
７２１ 主電源状態監視部
７２２ 高周波電源供給制御部
７２３ 昇降圧チョッパ出力制御部
８ プラズマ発生部（放電部）
８０ 放電管（放電部）
８１ 放電コイル（アンテナ）
９ 商用交流電源（主電源）
Ｌ１，Ｌ２ 判定区間
Ｌｔｈ 閾値
θ 位相差
θｔｈ 判定閾値

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】