特開 2024-46469 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】P2024046469

(43)【公開日】2024-04-03

(54)【発明の名称】プラズマ源

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20240327BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20240327BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20240327BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20240327BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 R

H05H1/46 L

H01L21/302 101G

H01L21/205

H01L21/31 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022151881

(22)【出願日】2022-09-22

(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】佐々木 豊

(72)【発明者】

【氏名】吉迫 裕司

(72)【発明者】

【氏名】納富 隼人

(72)【発明者】

【氏名】天立 茂樹

【テーマコード（参考）】

2G084

5F004

5F045

【Ｆターム（参考）】

2G084AA02

2G084AA05

2G084BB33

2G084CC13

2G084DD03

2G084DD13

2G084DD22

2G084EE11

2G084EE14

2G084EE15

2G084EE17

2G084HH05

2G084HH21

2G084HH22

2G084HH28

2G084HH32

2G084HH52

5F004AA16

5F004BA20

5F004BB12

5F004BB13

5F004BC08

5F004BD04

5F004CA02

5F004CA03

5F004CB05

5F004DA25

5F004DA26

5F045AA08

5F045AC11

5F045AC15

5F045EE12

5F045EH01

5F045EH02

5F045EH19

5F045GB08

5F045GB15

(57)【要約】

【課題】断続的に着火を繰り返すプラズマの負荷変動による回路素子の破壊を抑制すること。
【解決手段】実施形態に係るプラズマ源は、直流電源回路の出力端における電圧値および電流値、並びに共振回路の出力端における電圧値および電流値の少なくともいずれかが、それぞれの電圧値および電流値に対応して設定される第１の閾値を超過した場合は、検出電力値が、電圧値または電流値の超過分に応じた第１の目標電力値未満の第２の目標電力値となるように直流電圧を制御し、共振回路の出力端における電圧値および電流値の少なくともいずれかが、それぞれの電圧値および電流値に対応して第１の閾値よりも高い値に設定される第２の閾値を超過した場合は、検出電力値が、予め設定された電力値であって、第２の目標電力値よりも低い第３の目標電力値となるように直流電圧を制御し、その後に、検出電力値が第１の目標電力値となるように直流電圧を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスを電離させてプラズマを発生させる放電部と、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であって、
前記放電部は、
内部にプラズマ発生空間を有する放電管と、
前記放電管を取り囲むコイル状の導電体を含むアンテナと、を備え、
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交流電圧に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路から出力された交流電圧を共振現象によって電圧変換して出力する共振回路と、
前記直流電源回路、前記インバータ回路、及び前記共振回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記直流電源回路の出力端における検出電力値が第１の目標電力値となるように、前記直流電源回路から出力する直流電圧を制御し、
前記直流電源回路の出力端における電圧値および電流値、並びに前記共振回路の出力端における電圧値および電流値の少なくともいずれかが、それぞれの電圧値および電流値に対応して設定される第１の閾値を超過した場合は、前記検出電力値が、前記電圧値または前記電流値の超過分に応じた前記第１の目標電力値未満の第２の目標電力値となるように前記直流電圧を制御し、
前記共振回路の出力端における電圧値および電流値の少なくともいずれかが、それぞれの電圧値および電流値に対応して前記第１の閾値よりも高い値に設定される第２の閾値を超過した場合は、前記検出電力値が、予め設定された電力値であって、前記第２の目標電力値よりも低い第３の目標電力値となるように前記直流電圧を制御し、その後に、前記検出電力値が前記第１の目標電力値となるように前記直流電圧を制御する、
プラズマ源。

【請求項2】

前記第３の目標電力値は、前記高周波電源が出力可能な電力の下限値である、
請求項１に記載のプラズマ源。

【請求項3】

前記第３の目標電力値は０Ｗである、
請求項１に記載のプラズマ源。

【請求項4】

前記放電部で発生するプラズマは、安定状態では誘導結合プラズマとなっており、
前記第２の閾値は、
少なくとも前記誘導結合プラズマが消失したことを示す電圧値または電流値以上である、
請求項１に記載のプラズマ源。

【請求項5】

前記制御部は、
前記直流電源回路の出力端における前記検出電力値が前記第３の目標電力値となるように、前記直流電源回路から出力する前記直流電圧を制御した後、前記検出電力値が前記第１の目標電力値となるように前記直流電圧を制御するときは、前記検出電力値が前記第３の目標電力値から前記第１の目標電力値へとランプアップするように前記直流電圧を制御する、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、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用いられるプラズマを生成するプラズマ源が知られている。このようなプラズマ源においては、過電圧または過電流で回路素子が破壊されてしまう恐れがある。例えば特許文献１，２の技術では、電圧または電流をセンサで監視して、これらの値が或る一定以上の値にならないように制御する保護機能が設けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平８－２３４８５２号公報

【特許文献2】特開２００５－１９１７９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、プラズマが不安定で断続的に点いたり消えたりを繰り返すような負荷条件では、プラズマ源から見たインピーダンスが大きく変化する。とりわけ、瞬間的にプラズマが消えて再着火するときのインピーダンス変化は急峻であり、この場合、保護制御が間に合わずに電圧または電流がオーバーシュートして回路素子の破壊に至る恐れがある。

【0005】

本発明は、上記に鑑み、断続的に着火を繰り返すプラズマの負荷変動による回路素子の破壊を抑制することができるプラズマ源を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態にかかるプラズマ源は、ガスを電離させてプラズマを発生させる放電部と、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であって、前記放電部は、内部にプラズマ発生空間を有する放電管と、前記放電管を取り囲むコイル状の導電体を含むアンテナと、を備え、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交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路から出力された交流電圧を共振現象によって電圧変換して出力する共振回路と、前記直流電源回路、前記インバータ回路、及び前記共振回路を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記直流電源回路の出力端における検出電力値が第１の目標電力値となるように、前記直流電源回路から出力する直流電圧を制御し、前記直流電源回路の出力端における電圧値および電流値、並びに前記共振回路の出力端における電圧値および電流値の少なくともいずれかが、それぞれの電圧値および電流値に対応して設定される第１の閾値を超過した場合は、前記検出電力値が、前記電圧値または前記電流値の超過分に応じた前記第１の目標電力値未満の第２の目標電力値となるように前記直流電圧を制御し、前記共振回路の出力端における電圧値および電流値の少なくともいずれかが、それぞれの電圧値および電流値に対応して前記第１の閾値よりも高い値に設定される第２の閾値を超過した場合は、前記検出電力値が、予め設定された電力値であって、前記第２の目標電力値よりも低い第３の目標電力値となるように前記直流電圧を制御し、その後に、前記検出電力値が前記第１の目標電力値となるように前記直流電圧を制御する。

【発明の効果】

【0007】

本発明の実施形態によれば、断続的に着火を繰り返すプラズマの負荷変動による回路素子の破壊を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態にかかるプラズマ源の構成の一例を示す図である。

【図2】図２は、実施形態にかかる制御回路による保護制御の一例を示す図である。

【図3】図３は、実施形態にかかる制御回路による保護制御の他の例を示す図である。

【図4】図４は、実施形態にかかるプラズマ源による高周波電力の供給処理の手順の一例を示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しながら、実施形態にかかるプラズマ源を詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。

【0010】

（プラズマ源の構成例）
図１は、実施形態にかかるプラズマ源１の構成の一例を示す図である。プラズマ源１は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を発生可能に構成される。半導体プロセスにおいて、ＩＣＰは、成膜処理、エッチング処理、これらの処理で生じた排ガスの分解処理等の各種用途に用いられる。

【0011】

図１に示すように、プラズマ源１は、高周波電源１０及び放電部５０を備える。高周波電源１０は、直流電源回路２０、インバータ回路３０、共振回路４０、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、高周波電流センサ９４、及び制御回路６０を備える。

【0012】

直流電源回路２０は、商用電源等の交流電源（図１のＡＣ）に接続される。交流電源は、例えばプラズマ源１の外部に設けられる。ただし、交流電源が、プラズマ源１または直流電源回路２０の構成要素として設けられていてもよい。

【0013】

直流電源回路２０は、例えば整流・平滑回路２１及び昇降圧チョッパ２２を備え、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。プラズマ源１は、この直流電圧によって動作するように構成される。

【0014】

整流・平滑回路２１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。昇降圧チョッパ２２は、整流・平滑回路２１からの直流電圧を、制御回路６０からの制御信号Ｓ５に応じた電圧値まで昇圧または降圧する。より具体的には、昇降圧チョッパ２２は、制御信号Ｓ５に基づいて、例えば昇降圧チョッパ２２内部の図示しない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。

【0015】

インバータ回路３０は、直流電源回路２０の後段に設けられ、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。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の出力端に接続される。

【0016】

インバータ回路３０により変換される交流電圧は、例えば２ＭＨｚ程度の無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯域の周波数である。ただし、インバータ回路３０により変換される交流電圧は、他の周波数を有していてもよい。また、交流電圧の周波数を、例えば２ＭＨｚを基準周波数として増減可能であってもよい。

【0017】

インバータ回路３０は、制御回路６０からの制御信号Ｓ６に基づいて、例えばインバータ回路３０内部の図示しないスイッチング素子をスイッチングさせる。

【0018】

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、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を備える。

【0019】

共振回路４０の入力端となる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。より具体的には、ＬＣ回路部４１は、インダクタ４１１，４１３及びコンデンサ４１２，４１４を備える。

【0020】

インダクタ４１１及びコンデンサ４１２は、インバータ回路３０と放電部５０の一端部Ｐ１との間に直列接続される。インダクタ４１３及びコンデンサ４１４は、インバータ回路３０と放電部５０の他端部Ｐ２との間に直列接続される。

【0021】

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。ただし、共振回路４０は、図１の構成に限らない。

【0022】

放電部５０は、共振回路４０の後段に設けられ、放電部５０が備えるアンテナ５１及び放電管５２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。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、共振回路４０の出力端となるＬＣ回路部４１の出力端に接続される。

【0023】

アンテナ５１は、例えば放電管５２を取り囲むようにコイル状に形成された導電体である。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。

【0024】

放電管５２は、例えば成膜処理、エッチング処理等に用いる処理ガスを電離させたプラズマを発生させる空間を内部に有するとともに、処理ガスの流入口および流出口（不図示）を例えば両端側に有する。放電管５２は、アンテナ５１をプラズマから絶縁するように、例えば石英やアルミナなどの非導電性材料または誘電体を用いて管状（円筒状）の形状を有するように構成される。

【0025】

プラズマ源１の用途が排ガスの分解処理等である場合、放電管５２が、半導体ウェハを処理する処理チャンバから排ガスを排出する排気ダクトの一部を構成していてもよい。この場合、半導体プロセスで使用済みの排ガスを電離させたプラズマを放電管５２に発生させることにより、排ガスの分解処理が行われる。

【0026】

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検出信号Ｓ１を出力する。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検出信号Ｓ２を出力する。

【0027】

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検出信号Ｓ３を出力する。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検出信号Ｓ４を出力する。

【0028】

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、制御部としての機能を実現するように構成されている。あるいは、制御回路６０は、ハードウェア資源として、制御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。このような構成により、制御回路６０はプラズマ源１の各部の動作を制御する。

【0029】

例えば、制御回路６０は、直流電源回路２０の出力電圧値を制御することが可能に構成される。これにより、アンテナ５１に印加される電圧の電圧値を変化させることができる。すなわち、制御回路６０は、アンテナ５１に供給すべき電力値に応じた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。

【0030】

具体的には、制御回路６０は、直流電圧センサ９１の検出信号Ｓ１と直流電流センサ９２の検出信号Ｓ２とに基づいて、直流電源回路２０から出力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、直流電源回路２０の昇降圧チョッパ２２に対して制御信号Ｓ５を送信する。昇降圧チョッパ２２は、上述のように、制御信号Ｓ５に基づいて出力電圧値を増減させる。

【0031】

なお、図１では、直流電源回路２０内のスイッチング素子、及びインバータ回路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およ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、これらの電源からの電力が供給される。

【0032】

（プラズマ源の動作例）
次に、図１～図３を用いて、実施形態のプラズマ源１の動作例について説明する。まずは、引き続き図１を用いて、プラズマを生成する場合のプラズマ源１の動作例について説明する。

【0033】

制御回路６０は、例えば放電管５２内に処理ガスが供給されると、プラズマ源１の各部を制御して、所望の高周波電力が得られるようアンテナ５１に交流電流Ｉｒｆを流す。これにより、アンテナ５１のコイルの端子間の交流電圧Ｖｒｆによって処理ガスが電離されてプラズマが生成される。

【0034】

このとき生成されるプラズマは、コイルの端子間の電界によって結合しているプラズマ、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の交流電流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。

【0035】

ＩＣＰは、成膜処理、エッチング処理、排ガス分解処理等の用途に応じて適正化されている。ＩＣＰは、例えば放電管５２内に導入する処理ガスの組成、圧力、流量などのガス条件、並びにアンテナ５１及び放電管５２に供給される高周波電力の電力量等の各種条件によって種々に状態が変化しうる。プラズマ源１のユーザ等は、これらの条件を適宜設計可能である。

【0036】

アンテナ５１及び放電管５２に供給される高周波電力の例としては、２８００Ｗ以上であって例えば５５００Ｗなどとすることができる。また、処理ガスの組成としては、例えば酸素と窒素とが混合された混合ガス等でありうる。この場合の処理ガスの流量の例としては、酸素の流量を１０００ｓｃｃｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）とし、窒素の流量を１００ｓｃｃｍなどとすることができる。あるいは、酸素の流量を１５００ｓｃｃｍとし、窒素の流量を１００ｓｃｃｍなどとしてもよい。

【0037】

なお、制御回路６０は、上記のようなプラズマの着火制御において、直流電源回路２０から出力される直流電圧値が、目標電力値に向かってランプアップされるよう制御することが好ましい。

【0038】

上記のようにプラズマが生成されると、制御回路６０は、直流電圧センサ９１で検出した検出信号Ｓ１と、直流電流センサ９２で検出した検出信号Ｓ２とに基づいて検出電力値を算出する。検出信号Ｓ１は、直流電源回路２０の出力端における電圧値の情報を含む。検出信号Ｓ２は、直流電源回路２０の出力端における電流値の情報を含む。検出電力値は、検出信号Ｓ１及び検出信号Ｓ２の積によって算出され、直流電源回路２０の出力端における電力値を示す。

【0039】

ここで、直流電源回路２０の昇降圧チョッパ２２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にある。また、直流電源回路２０の昇降圧チョッパ２２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２２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。

【0040】

したがって、上述のように、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２２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。

【0041】

ここで、目標電力値は第１の目標電力値の一例であり、例えばプラズマ源１のユーザ等により設定される高周波電力の目標値、つまり、アンテナ５１に供給される所望の電力値に基づいて決定される。

【0042】

このように、直流電源回路２０の出力端における検出電力値を用いてアンテナ５１に供給される電力値を間接的に算出し、直流電源回路２０の出力電圧を制御することで、アンテナ５１に供給される電力値を所望の電力値に調整することができる。

【0043】

ところで、プラズマ源１の制御回路６０は、上記のようにプラズマを生成している間に過電圧または過電流が発生した場合、プラズマ源１の回路素子が破壊されないよう保護制御を行う。実施形態の制御回路６０では、発生した過電圧または過電流の大きさに応じて異なる保護制御が行われる。

【0044】

図２は、実施形態にかかる制御回路６０による保護制御の一例を示す図である。図２の例では、発生した過電圧または過電流が所定値未満の場合に行われる保護制御を示す。

【0045】

図２（ａ）は、直流電源回路２０または共振回路４０のいずれかの出力端で検出される電圧値または電流値の推移を示すグラフである。図２（ａ）のグラフの横軸は時間である。図２（ａ）のグラフの縦軸は、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、または高周波電流センサ９４における検出信号Ｓ１～Ｓ４のいずれかである。

【0046】

図２（ａ）に示すように、直流電源回路２０及び共振回路４０の出力端でそれぞれ検出される電圧値および電流値には、直流電源回路２０における目標電力値（後述する目標電力値ＴＶ１）に応じた閾値ＴＨ１がそれぞれ設定されている。閾値ＴＨ１は第１の閾値の一例である。

【0047】

高周波電力の供給中、直流電源回路２０の出力端、及び共振回路４０の出力端における電圧値および電流値は、プラズマの状態により常に変動している。この間、制御回路６０は、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からの検出信号Ｓ１～Ｓ４が、それぞれについて設定された閾値ＴＨ１を超過していないかモニタリングする。

【0048】

ここで、プラズマが比較的緩やかに負荷変動し、これに伴って検出信号Ｓ１～Ｓ４の少なくともいずれかが閾値ＴＨ１を超過したものとする。この場合、制御回路６０は、図２（ｂ）に示す保護制御を行う。

【0049】

図２（ｂ）は、制御回路６０による保護制御において、直流電源回路２０における目標電力値が切り替わる様子を示すグラフである。図２（ｂ）のグラフの横軸は時間である。図２（ｂ）のグラフの縦軸は、直流電源回路２０における目標電力値である。

【0050】

図２（ｂ）に示すように、直流電源回路２０における目標電力値は、当初、目標電力値ＴＶ１に設定されている。ここで、目標電力値ＴＶ１は、上述のように、第１の目標電力値の一例であり、例えばプラズマ源１のユーザ等により設定される高周波電力の目標値、つまり、アンテナ５１に供給される所望の電力値に基づいて決定される。

【0051】

ここで、上述のように、検出信号Ｓ１～Ｓ４の少なくともいずれかが閾値ＴＨ１を超過すると、制御回路６０は、直流電源回路２０における目標電力値を、目標電力値ＴＶ１から目標電力値ＴＶ２へと切り替える。

【0052】

目標電力値ＴＶ２は、第２の目標電力値の一例であり、ユーザ設定に基づく任意の目標電力値ＴＶ１よりも低い値である。目標電力値ＴＶ２は、検出信号Ｓ１～Ｓ４のいずれが閾値ＴＨ１を超過したか、また、閾値ＴＨ１に対する超過分はどの程度か、によって決定される。

【0053】

例えば、直流電圧センサ９１の検出信号Ｓ１、つまり、直流電源回路２０の出力端における検出電圧値が閾値ＴＨ１を超過した場合、制御回路６０は以下の式（１）により目標電力値ＴＶ２を算出する。

【0054】

目標電力値ＴＶ２＝目標電力値ＴＶ１－検出信号Ｓ１の超過分×係数ＤＶ１…（１）

【0055】

また、直流電流センサ９２の検出信号Ｓ２、つまり、直流電源回路２０の出力端における検出電流値が閾値ＴＨ１を超過した場合、制御回路６０は以下の式（２）により目標電力値ＴＶ２を算出する。

【0056】

目標電力値ＴＶ２＝目標電力値ＴＶ１－検出信号Ｓ２の超過分×係数ＤＶ２…（２）

【0057】

また、高周波電圧センサ９３の検出信号Ｓ３、つまり、共振回路４０の出力端における検出電圧値が閾値ＴＨ１を超過した場合、制御回路６０は以下の式（３）により目標電力値ＴＶ２を算出する。

【0058】

目標電力値ＴＶ２＝目標電力値ＴＶ１－検出信号Ｓ３の超過分×係数ＤＶ３…（３）

【0059】

また、高周波電流センサ９４の検出信号Ｓ４、つまり、共振回路４０の出力端における検出電流値が閾値ＴＨ１を超過した場合、制御回路６０は以下の式（４）により目標電力値ＴＶ２を算出する。

【0060】

目標電力値ＴＶ２＝目標電力値ＴＶ１－検出信号Ｓ４の超過分×係数ＤＶ４…（４）

【0061】

ここで、検出信号Ｓ１～Ｓ４の超過分とは、閾値ＴＨ１を超過した検出信号Ｓ１～Ｓ４から、それに対応する閾値ＴＨ１を減算した値である。また、それぞれの超過分に掛け合わされる係数ＤＶ１～ＤＶ４は、直流電源回路２０及び共振回路４０の出力端でそれぞれ検出される電圧値および電流値に対して予めそれぞれ設定されている。これらの係数ＤＶ１～ＤＶ４は、例えばプラズマ源１における実績値に基づいて決定される。

【0062】

一方、検出信号Ｓ１～Ｓ４のうち、複数の検出信号が閾値ＴＨ１を超過した場合には複数の保護がかかったものとして、それぞれの（超過量×係数）で目標電力値ＴＶ１を減算していく。例えば、検出信号Ｓ２及び検出信号Ｓ３が、それぞれについて設定された閾値ＴＨ１を超過した場合は、例えば以下の式（５）を用いて、目標電力値ＴＶ２を算出する。

【0063】

目標電力値ＴＶ２＝目標電力値ＴＶ１－検出信号Ｓ２の超過分×係数ＤＶ２－検出信Ｓ３の超過分×係数ＤＶ３…（５）

【0064】

制御回路６０による目標電力値ＴＶ２の算出方法は、もちろん、これに限定されるわけではなく、例えば、検出信号Ｓ１～Ｓ４のうち、複数の検出信号が閾値ＴＨ１を超過した場合には、上記の式（１）～（４）によって算出される目標電力値ＴＶ２のうちの最小値を目標電力値ＴＶ２としてもよい。

【0065】

制御回路６０は、以上のように算出した目標電力値ＴＶ２に基づいて制御信号Ｓ５を生成し、直流電源回路２０の昇降圧チョッパ２２に対して制御信号Ｓ５を送信する。昇降圧チョッパ２２は、制御信号Ｓ５に基づいて出力電圧値を増減させる。これにより、直流電源回路２０の出力端における検出電力値が、算出された目標電力値ＴＶ２となるように、直流電源回路２０から出力する直流電圧が制御される。

【0066】

なお、図２（ｂ）のグラフに緩やかなカーブで示すように、目標電力値ＴＶ１から目標電力値ＴＶ２への切り替えには所定の時間を要する。目標電力値ＴＶ２を算出し、また、電圧値または電流値の変動に、それを追従させる制御が必要になるためである。

【0067】

制御回路６０は、例えばユーザにより予め設定された高周波電力の供給期間中、検出信号Ｓ１～Ｓ４のモニタリングを継続し、それらの検出信号Ｓ１～Ｓ４に応じて直流電源回路２０からの直流電圧の出力制御を継続する。これにより、過電圧または過電流による回路素子の破壊を抑制しつつ、高周波電源１０から出力される交流電力値が所望の値に維持される。

【0068】

図３は、実施形態にかかる制御回路６０による保護制御の他の例を示す図である。図３の例では、発生した過電圧または過電流が所定値以上の場合に行われる保護制御を示す。

【0069】

図３（ａ）は、共振回路４０の出力端で検出される電圧値または電流値の推移を示すグラフである。図３（ａ）のグラフの横軸は時間である。図３（ａ）のグラフの縦軸は、高周波電圧センサ９３または高周波電流センサ９４における検出信号Ｓ３，Ｓ４のいずれかである。

【0070】

図３（ａ）に示すように、共振回路４０の出力端でそれぞれ検出される電圧値および電流値には、直流電源回路２０における目標電力値ＴＶ１に応じた閾値ＴＨ２がそれぞれ設定されている。閾値ＴＨ２は、第２の閾値の一例であり、閾値ＴＨ１よりも高い値に設定される。

【0071】

閾値ＴＨ２を超えるような過電圧または過電流は、例えばプラズマが不安定で断続的に点いたり消えたりを繰り返すような負荷条件で発生しうる。ここで、プラズマが消失した状態とは、ＩＣＰ状態を維持できずにＣＣＰ状態となったプラズマ状態、または、ＣＣＰもが完全に消失した状態の両方を含みうる。このような負荷条件としては、例えば放電管５２内における処理ガスの圧力または流量が高いガス条件のような、プラズマの維持に大きな電力を要する条件が挙げられる。

【0072】

また、プラズマが点いたり消えたりを繰り返すような負荷条件では、プラズマ源１から見たインピーダンス、つまり、高周波電源１０の出力端よりも後段の機器における負荷インピーダンスが激しく変動する。とりわけ、瞬間的にプラズマが消えて再着火するときには、負荷インピーダンスの変化が急峻である。これにより、このときに生じる過電圧または過電流も大きなものとなる。

【0073】

したがって、一例として、閾値ＴＨ２は、そのときの負荷条件下において、少なくともＩＣＰが消失したことを示す電圧値または電流値以上とすることができる。あるいは、閾値ＴＨ２が、例えばＩＣＰが消失する際に生じる過電圧および過電流の実測値に基づいて決定されていてもよい。

【0074】

ここで、プラズマが不安定となって急激な負荷変動が生じ、これに伴って検出信号Ｓ３，Ｓ４の少なくともいずれかが、閾値ＴＨ１を超過するとともに閾値ＴＨ２をも超過したものとする。この場合、制御回路６０は、図３（ｂ）に示す保護制御を行う。

【0075】

図３（ｂ）は、制御回路６０による保護制御において、直流電源回路２０における目標電力値が切り替わる様子を示すグラフである。図３（ｂ）のグラフの横軸は時間である。図３（ｂ）のグラフの縦軸は、直流電源回路２０における目標電力値である。

【0076】

図３（ｂ）に示すように、直流電源回路２０における当初の目標電力値は、上述の図２の場合と同様、目標電力値ＴＶ１に設定されている。

【0077】

ここで、上述のように、検出信号Ｓ３，Ｓ４の少なくともいずれかが閾値ＴＨ１を超過すると、制御回路６０は、直流電源回路２０における目標電力値を、目標電力値ＴＶ１から目標電力値ＴＶ２へと切り替える上述の図２（ｂ）の制御を開始する。

【0078】

ただし、上述したとおり、制御回路６０による、このような保護制御の動作は比較的緩慢である。したがって、目標電力値ＴＶ１から目標電力値ＴＶ２へと切り替える保護制御の途中で、閾値ＴＨ１を超過した検出信号Ｓ３または検出信号Ｓ４は、閾値ＴＨ２をも超過する。

【0079】

これにより、制御回路６０は、図２（ｂ）の保護制御から、図３（ｂ）後半に示す保護制御へと切り替える。具体的には、制御回路６０は、直流電源回路２０における目標電力値を更に目標電力値ＴＶ３へと切り替え、その後、目標電力値ＴＶ１へとランプアップさせる。

【0080】

目標電力値ＴＶ３は、第３の目標電力値の一例であり、ユーザ設定に基づく任意の目標電力値ＴＶ１よりも低く、かつ、予め定められた値である。具体的には、目標電力値ＴＶ３は、目標電力値ＴＶ２よりも更に低い値であって、例えばプラズマ源１の高周波電源１０の出力値が１００Ｗ以下になるよう設定されている。

【0081】

また、目標電力値ＴＶ３は、好ましくは高周波電源１０が出力可能な電力の下限値、より好ましくは０Ｗに設定されていてもよい。実施形態のプラズマ源１において、高周波電源１０が出力可能な電力の下限値は、例えば直流電源回路２０におけるデューティ比の５％程度となるよう設計されている。

【0082】

このように、予め定められた目標電力値ＴＶ３へと切り替えるように設計されていることで制御回路６０の制御負荷が低減されて、例えば図２（ｂ）の例よりも、制御回路６０が素早く保護制御を行うことができる。また、目標電力値ＴＶ３を、例えば１００Ｗ、好ましくは高周波電源１０の下限出力値、より好ましくは０Ｗとすることで、断続的に着火を繰り返すプラズマを一旦、消失させることができる。これにより、不安定なプラズマの状態を一旦リセットすることができる。

【0083】

また、目標電力値ＴＶ３から目標電力値ＴＶ１への切り替えタイミングは、制御回路６０の動作速度の最速値、直流電源回路２０の反応速度の最速値に依存していてよい。これにより、プラズマが消失している期間を極力短縮して、半導体プロセス等のプラズマ処理に影響が生じるのを抑制することができる。

【0084】

なお、目標電力値ＴＶ３から目標電力値ＴＶ１へのランプアップは、例えば上述したプラズマの着火制御時、つまり、新規にプラズマを生成する際のランプアップ制御と同様の設定にしたがって行うことができる。このように、プラズマの再着火時に目標電力値をランプアップさせる制御を行うと、プラズマの再着火時に電力制御が不安定になることを抑制できる。

【0085】

制御回路６０は、例えばユーザにより予め設定された高周波電力の供給期間中、検出信号Ｓ３，Ｓ４の少なくともいずれかが閾値ＴＨ２を超過するごとに、図３（ｂ）に示す保護制御を繰り返す。これにより、過電圧または過電流による回路素子の破壊を抑制しつつ、安定したプラズマが維持される。

【0086】

（プラズマ源の処理例）
次に、図４を用いて、実施形態のプラズマ源１による高周波電力の供給処理の例について説明する。図４は、実施形態にかかるプラズマ源１による高周波電力の供給処理の手順の一例を示すフロー図である。

【0087】

図４に示すように、制御回路６０は、例えばユーザからの指示を受けると、目標電力値ＴＶ１の設定にしたがって、直流電源回路２０、インバータ回路３０、及び共振回路４０等の各部を制御して、プラズマを着火させる（ステップＳ１０１）。

【0088】

プラズマ着火後、制御回路６０は、ステップＳ１０２～Ｓ１０７の処理を繰り返し行うループ処理を開始する（Ｌｓｔａｒｔ）。ステップＳ１０２～Ｓ１０７の処理中、制御回路６０は、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からの検出信号Ｓ１～Ｓ４を適宜取得して、これらの検出信号Ｓ１～Ｓ４のモニタリングを継続する。

【0089】

検出信号Ｓ１～Ｓ４のモニタリング中、制御回路６０は、検出信号Ｓ１～Ｓ４の少なくともいずれかが、それと対応する閾値ＴＨ１を超過していないかを監視する（ステップＳ１０２）。いずれの検出信号Ｓ１～Ｓ４も閾値ＴＨ１を超過していなければ（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、制御回路６０は、検出信号Ｓ１～Ｓ４の監視を継続する。

【0090】

検出信号Ｓ１～Ｓ４の少なくともいずれかが閾値ＴＨ１を超過した場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、制御回路６０は、上述のいずれかの式（１）～（５）に基づいて目標電力値ＴＶ２を算出する（ステップＳ１０３）。また、制御回路６０は、当初の目標電力値ＴＶ１を算出した目標電力値ＴＶ２へと切り替える保護制御を開始する（ステップＳ１０４）。

【0091】

また、制御回路６０は、この間にも検出信号Ｓ１～Ｓ４のモニタリングを継続し、検出信号Ｓ３，Ｓ４の少なくともいずれかが、それと対応する閾値ＴＨ２を超過していないかを監視する（ステップＳ１０５）。いずれの検出信号Ｓ３，Ｓ４も閾値ＴＨ２を超過していなければ（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、制御回路６０は、目標電力値ＴＶ１を目標電力値ＴＶ２へと切り替える保護制御を継続する（ステップＳ１０４）。

【0092】

検出信号Ｓ３，Ｓ４の少なくともいずれかが閾値ＴＨ２を超過した場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、制御回路６０は、目標電力値ＴＶ１を目標電力値ＴＶ２へと切り替える保護制御に替えて、予め定められた目標電力値ＴＶ３へと切り替える保護制御を行う（ステップＳ１０６）。

【0093】

また、制御回路６０は、引き続き、目標電力値ＴＶ３から目標電力値ＴＶ１へと切り替えるランプアップ制御を行う（ステップＳ１０７）。

【0094】

制御回路６０は、高周波電力の供給期間中であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０８の処理において、高周波電力の供給期間中と判定された場合（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）は、ステップＳ１０２の処理に戻り、制御回路６０は検出信号Ｓ１～Ｓ４の監視を継続する。一方、ステップＳ１０８の処理において、高周波電力の供給期間中ではないと判定された場合は、ループ処理を停止する（Ｌｓｔｏｐ）。

【0095】

（比較例）
高周波電力を出力してＩＣＰ等のプラズマを生成するプラズマ源が、半導体製造プロセスに用いられることがある。このようなプラズマ源においては、高周波電力の供給中、過電圧または過電流によって回路素子が破壊されないよう、電圧値および電流値をセンサで監視して、これらが所定の閾値以上とならないように制御する保護機能が知られている。このような保護制御は、通常の安定な放電時には効果的に回路素子の破壊を抑制することができる。また、短絡による過電流に対しては、ヒューズ等の素子により過電流を遮断することで回路素子の破壊を抑制する技術も一般的である。

【0096】

しかしながら、プラズマが不安定で断続的に点いたり消えたりを繰り返すような負荷条件では、プラズマ源から見たインピーダンスが急激に変化する。負荷インピーダンスは、プラズマの着火時と消失時とで大きく変化するためである。特に、瞬間的にプラズマが消えて再着火するときのインピーダンス変化は急峻であり、上述の通常時の保護制御が間に合わずに回路素子が破壊されてしまう場合がある。

【0097】

上記課題に対し、制御回路の動作速度を高めることで対策しようとすると、プラズマ源の制御系を設計し直す必要があり、開発に長期間を要してしまう。また、応答速度の速いセンサ、及びクロック周波数が高い回路素子等は一般に高価であり、高額なプラズマ減となってしまう。一方、ヒューズ等の素子による対策を採った場合には、ヒューズによる過電流の遮断が発生するたびに素子交換を行わなければならず、プラズマ源の稼働率が低下してしまう。

【0098】

実施形態のプラズマ源１によれば、共振回路４０の出力端における電圧値および電流値の少なくともいずれかが、閾値ＴＨ１よりも高い閾値ＴＨ２を超過した場合は、直流電源回路２０の出力端における検出電力値が、予め設定された目標電力値ＴＶ３となるように直流電圧を制御し、その後に、上記検出電力値がユーザ設定に基づく目標電力値ＴＶ１となるように直流電圧を制御する。

【0099】

これにより、制御回路６０は、例えば目標電力値ＴＶ３の算出処理を行うことなく素早く保護制御を行うことができる。このため、急激な負荷インピーダンスの変動にも対応することができ、断続的に着火を繰り返すプラズマの負荷変動による回路素子の破壊を抑制することができる。

【0100】

また、制御回路６０による上記保護制御は、プラズマ源１に搭載するソフトウェアの変更で対応可能である。したがって、種々のプラズマ源１に上記手法を適用することができる。また、プラズマ源１の制御系のハードウェアを変更する必要が無く、開発期間を短縮することができる。また、応答速度の速い高価な機器を用いる必要がないので、プラズマ源１のコストを削減することもできる。

【0101】

また、閾値ＴＨ２を閾値ＴＨ１よりも高く設定しておくことで、安定的にプラズマが生成されているときには、目標電力値ＴＶ３へと切り替える保護制御が不用意に行われることを抑制できる。

【0102】

また、目標電力値ＴＶ３から再び目標電力値ＴＶ１へと切り替えることでプラズマ消失期間を短縮し、プラズマによるガスの分解率が極端に下がらないように連続運転をすることができる。これにより、上記のような保護制御による半導体プロセスへの影響を抑制することができる。

【0103】

実施形態のプラズマ源１によれば、目標電力値は、好ましくは高周波電源１０が出力可能な電力の下限値であり、より好ましくは０Ｗである。これにより、不安定なプラズマを一旦消失させて、プラズマの状態をリセットすることができる。

【0104】

実施形態のプラズマ源１によれば、閾値ＴＨ２は、少なくともＩＣＰが消失したことを示す電圧値または電流値以上である。これにより、プラズマ安定時に目標電力値ＴＶ３へと切り替える保護制御が不用意に行われることをより確実に抑制することができる。

【0105】

実施形態のプラズマ源１によれば、直流電源回路２０の出力端における検出電力値が目標電力値ＴＶ３から目標電力値ＴＶ１となるように直流電圧を制御するときは、上記検出電力値が目標電力値ＴＶ３から目標電力値ＴＶ１へとランプアップするように直流電圧を制御する。これにより、再度のプラズマ着火時に安定なプラズマを生成することができる。

【0106】

なお、上述の実施形態では、目標電圧値ＴＶ３を、例えば１００Ｗ、好ましくは高周波電源１０の下限出力値、より好ましくは０Ｗなどと設定することとしたが、目標電圧値ＴＶ３の設定値はこれに限られない。例えば目標電圧値ＴＶ３を、そのときの条件下でプラズマを着火させることが可能な電力値よりも低い値に設定することができる。プラズマ着火に必要な電力値は、例えばそのときの目標電力値ＴＶ１の半分程度である。したがって、目標電圧値ＴＶ３を、例えば目標電力値ＴＶ１の半分以下などと設定してもよい。

【0107】

ただし、上述のように、制御回路６０における制御負荷を軽減して、保護制御を素早く行うことが可能なように、目標電圧値ＴＶ３の設定は、ときどきの高周波電力の供給条件に基づかない固定された値であることが好ましい。

【0108】

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】

【0109】

１…プラズマ源、１０…高周波電源、２０…直流電源回路、３０…インバータ回路、４０…共振回路、５０…放電部、５１…アンテナ、５２…放電管、６０…制御回路、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】