JP4523564B2 - プラズマプロセスでのアーク識別方法およびプラズマ励起装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流ジェネレータからの出力信号を電力供給のために供給し、この交流ジェネレータの出力信号またはこれに相応する内部信号の時間特性に関連するパラメータを測定または検出し、前記時間特性を考慮して基準パラメータを求め、この基準パラメータと所定のしきい値とを比較し、定められた比較結果が得られた場合にアークを識別する、プラズマプロセスでのアーク識別方法に関する。

本発明はまた、プラズマプロセス（プラズマチャンバの電極）に接続可能な交流ジェネレータ（自由振動型の交流ジェネレータ）が設けられており、この交流ジェネレータは、その出力信号または内部信号を監視する信号監視部と、この信号監視部に接続された基準パラメータ検出器および比較器と、この比較器に接続された遮断信号形成手段とを有しており、さらに前記比較器に接続されたしきい値設定器が設けられている、プラズマ励起装置に関する。

基板のコーティング、例えばプラズマプロセスでのスパッタリング／陰極スプレー法によるガラスプレートのコーティングは、反応性のものも従来式のものも、例えばアーキテクチャガラスコーティングから知られている。このために電流源または電圧源を用いてプラズマが形成され、このプラズマがターゲットから材料を切除して基板（ガラスプレート）上に堆積する。堆積前に原子は反応性プロセスにおける所望のコーティングに応じて気体原子または気体分子に結合する。

特に反応性プロセスでは、周波数１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚで動作するＭＦジェネレータがしばしば使用される。これはいわゆる自由振動型ＭＦジェネレータまたは固定周波数型ＭＦジェネレータとして存在する。自由振動型ＭＦジェネレータはふつう次のように構成される。すなわち、給電電源の単相電圧または多相電圧から制御または非制御の直流電圧、つまり中間回路電圧が形成される。中間回路電圧はインバータ回路（例えばブリッジ回路）により１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの中間周波数ＭＦの交流電圧へ変換される。ＭＦ出力エネルギ信号は振動回路へ供給され、そこで振動が励振される。このときインバータは振動回路が共振周波数の近傍で動作するように駆動される。振動回路は直列振動回路であっても並列振動回路であってもよい。直列振動回路は電圧源特性を有する出力エネルギ信号により励振され、これに対して並列振動回路は電流源特性を有する出力エネルギ信号により励振される。通常は、電圧源特性を有する中間回路電圧から電流源特性を形成するために、充分な大きさのインダクタンスを有するチョークコイルがインバータに直列に接続される。通常は振動回路のコイルのＭＦエネルギは分離され、コータ機のコーティングチャンバ内の２つの電極に接続され、これによりコーティングチャンバ内にプラズマが形成される。分離は電源からのガルバニック分離を担当する出力トランスを介して行われる。電極はＭＦ励起装置では交互にアノードとカソードとして動作する。振動回路の共振周波数はプラズマのインピーダンスに依存して定まる。インバータがつねに共振周波数の近傍で駆動されるようにするには、インバータの制御部がＭＦ出力エネルギ信号の半波の持続時間または周期時間を監視しなければならない。インバータの制御部は半波の持続時間または周期時間をインバータの次の切り換えの持続時間に対する尺度として使用する。半波の持続時間または周期時間が変化する場合、これはプラズマインピーダンスが変化したことを表す標識となる。

このことは例えば独国公開第１０１５４２２９号明細書から公知である。ここには、プラズマインピーダンスを制御する装置において、自由振動型の交流ジェネレータに対して周波数目標値が設定され、周波数実際値が測定され、目標値と実際値との差に依存してプラズマインピーダンスが制御されることが記載されている。

特に反応性プロセスでは、ＭＦジェネレータにおいても、電圧の反転時またはその少なくとも数周期後に自然消弧してしまうフラッシュオーバ、いわゆるマイクロアークが発生する。これよりもエネルギの大きい持続的なアークが発生することもある。これまでは全てのアークが出力電圧の電圧障害または出力電流の電流上昇を検査することにより識別されてきた。これに代えて、個々の電極へ流れる電流の差によってアークを識別することもできる。アーク識別の限界値は従来技術では操作者によって設定され、識別にとって効率の良い電流値および電圧値が測定されていた。こうした電流値および電圧値の測定は、ゼロ交差を電圧降下と取り違えないようにするために数周期にわたって値を積算しなければならないので、ふつうはＭＦ出力電圧の半波の持続時間すなわち４０μｓよりも格段に緩慢になっていた。

ＭＦジェネレータを半導体製造プロセス、特にフラットパネルディスプレイＦＰＤの製造プロセスで使用する場合、ジェネレータには高い要求が課される。ここではアークは数μｓ内で識別されなければならない。
独国公開第１０１５４２２９号明細書

本発明の課題は、迅速にアークを識別できる方法および装置を提供することである。

この課題は、出力信号または内部信号の時間特性に関連するパラメータとして、この出力信号またはこの内部信号の半波の持続時間を求めることにより解決される。

課題はまた、基準パラメータ検出器により出力信号または内部信号の半波の持続時間が検出される構成により解決される。

従来技術から、出力信号を監視してプラズマインピーダンスの変化を推定し、場合によりプラズマプロセスを適合化する手法は知られているが、本発明の方法では、プラズマプロセスでのアークの発生を迅速に識別し、必要に応じてこれに対抗措置を講ずることができる。出力信号に関連する内部信号として例えば交流ジェネレータのインバータから交流ジェネレータの出力振動回路へ供給される出力信号が用いられる。時間特性に関連するパラメータとしては、例えば出力信号またはこれに関連する内部信号の周波数、周期または周波数スペクトルが用いられる。本発明の方法では外部から迅速なアーク識別が可能である。特に半周期内、すなわち４０μｓ内でアークが識別される。

有利には、アークが識別された場合にプラズマプロセスへの電流供給が例えば所定の時間範囲にわたって遮断される。これにより出力振動回路の残留エネルギが消費され、アークに付加的なエネルギが付与されなくなる。このようにアークが迅速に消弧するので、プラズマチャンバへの障害は小さくて済む。プラズマプロセスへの電流供給は、交流ジェネレータのインバータ入力側で形成されたエネルギを短絡させるかまたは低オーム部へ接続することにより遮断される。このためには中間回路電圧からインバータへの電流を制限すればよい。この電流は例えばチョークコイルにより、並列振動回路を備えたＭＦジェネレータの出力側に得られる。これに代えて、電源から到来する少なくとも２つの異なる電位を有する電流路が短絡されるかまたは低オーミックに接続されるように、インバータを切り換えることもできる。

本発明によれば、出力信号または内部信号の時間特性に関連するパラメータとして、出力信号または内部信号の半波の持続時間が求められる。ＭＦ交流ジェネレータが自由振動型である場合、そもそも出力電圧のゼロ交差の検出が行われている。ゼロ交差検出はインバータの制御に必要だからである。このゼロ交差検出を利用して、１つの半波の持続時間内のアークを識別することができる。

ここで、出力信号または内部信号のゼロ交差を検出し、２つのゼロ交差間の時間差を求めることにより、半波の持続時間を求めることができる。これに代えて、出力信号の周期または周波数から半波の持続時間を求めてもよい。また出力信号の２つの極大値間の持続時間を求めてもよい。

次のゼロ交差までの時間間隔は特に簡単に求めることができる。インバータの次のゼロ交差を通り過ぎると極性反転するが、この極性反転はインバータ回路の無駄時間のために、半波の持続時間に対して前もって測定された時間よりも幾分短い所定の時間が経過した後に開始される。同時に電圧の真のゼロ交差が再び監視され、ゼロ交差までの真の時間が再び求められる。インピーダンス変化が緩慢な場合には、２つのゼロ交差間の時間も緩慢である。急激な変化が生じた場合、とりわけ１つのゼロ交差から次のゼロ交差までの時間が短縮している場合には、プラズマにアークが発生したことの示唆となる。したがって特に有利には、基準パラメータとしてその時点の半波の持続時間が求められる。

これに代えて、基準パラメータとして２つの半波の持続時間の差または比、例えばその時点の半波の持続時間と先行の半波の持続時間との差または比を求めることもできる。複数の半波の持続時間を求める場合には、周期を求め、この周期の正規化値を基準パラメータとして求めてもよい。

許容可能なインピーダンス変動がアーク識別へ作用するのを排除するため、基準パラメータを求める際に、複数の半波の持続時間、例えば先行の半波の持続時間の重みづけ平均値を考慮する。

しきい値として所定の値を固定に定めると、特に簡単かつ低コストである。

また、確実なアーク識別のために、しきい値はプラズマプロセスに依存して定められる。これにより許容可能なインピーダンス変動であるにもかかわらずアーク識別が影響を受けてプラズマプロセスが不要にしばしば中断されるおそれが排除される。

出力信号または内部信号の周期を求め、この周期に依存してしきい値を定めれば、特に簡単にしきい値をプラズマプロセスへ適合化することができる。自由振動型の交流ジェネレータでは、出力信号の周波数および周期はプラズマプロセスのインピーダンスの尺度となる。したがってインピーダンスが変化すると、つまりアークが発生すると、これらは変化する。ここでは最後に求められた周期、または所定数の先行の周期を平均した値が用いられる。例えば出力信号の周期をつねに検出し、更新することができる。また、出力信号または内部信号の周期の正規化値を使用してもよいし、検出された所定数の半波の持続時間から周期を求めてもよい。

本発明の装置を用いれば、プラズマプロセスでのアークが迅速に識別され、プラズマプロセスへの電流供給が迅速に遮断される。特に、出力信号または内部信号のゼロ交差を検出することにより、時間特性が監視される。これに代えて、出力信号または内部信号の周波数または周期を監視することもできる。遮断信号によりプラズマチャンバへのエネルギ供給が遮断される。

本発明の有利な実施形態では、交流ジェネレータを制御する制御装置が設けられており、この制御装置内に基準パラメータ検出器および比較器が配置されている。

本発明の有利な実施形態では、信号監視部は比較器回路として構成されており、基準パラメータ検出器はプロセッサ、例えばディジタル信号プロセッサとして構成されている。

本発明のさらなる特徴および利点は実施例、図および特許請求の範囲から得られる。図には本発明の主要な要素が示されている。個々の特徴は単独でも任意に組み合わせても本発明の対象となりうる。本発明の有利な実施例を図示し、以下に詳細に説明する。

図１にはプラズマ励起装置１が示されており、このプラズマ励起装置は電源端子２で多相入力電圧に接続されている。ＤＣ給電装置３は電源端子２を介して多相入力電圧に接続されており、給電装置出力側４に中間回路電圧が形成される。このためにＤＣ給電部３は電源整流器およびＤＣ／ＤＣ変換器を有する。

中間周波数ユニット（ＭＦユニット）として構成された交流ジェネレータ５には中間回路電圧が給電される。特にインバータ６がチョークコイル７，８を介して中間回路電圧へ接続されている。交流電圧はインバータ出力側に内部信号として生じる。ガルバニック分離は出力トランス１０を介して実現され、この出力トランスはインバータ６の交流電圧を交流ジェネレータ５のジェネレータ出力側１１の出力信号へ変換する。コンデンサ９および出力トランス１０の散乱インダクタンスは並列共振回路すなわち出力振動回路をなしている。出力信号は図示されていないプラズマチャンバへ供給される。

信号監視部１２，１３を介して内部信号および／または出力信号を検出することができる。信号監視部１２，１３は制御装置１４に接続されている。制御装置１４は、求められた内部信号または外部信号または時間特性に関連する信号から基準パラメータを求める基準パラメータ検出器１５を有する。この基準パラメータは比較器１６内でしきい値設定器１７により設定されたしきい値と比較される。比較器１６は比較結果に依存して遮断信号形成手段１８を駆動する。遮断信号によりプラズマチャンバへのエネルギ供給が遮断される。

図２のａには交流ジェネレータ５の出力信号２０の特性が示されている。信号監視部１３によりゼロ交差ｔ１〜ｔ４が検出される。例えば信号監視部１３の比較器が監視している信号のゼロ交差ｔ１〜ｔ４のたびに信号エッジまたは信号のレベル変化分を形成する。１つのゼロ交差から次のゼロ交差までのあいだの時間間隔が求められる。インバータ６はゼロ交差を通過すると極性反転するが、このときインバータ回路の無駄時間を考慮に入れて、インバータ６の極性反転は先行の半波に対して測定された持続時間よりも幾分短い所定の時間が経過した後に開始されるとする（例えば時点ｔ２１を参照）。同時に出力信号２０、特に出力電圧の真のゼロ交差ｔ１〜ｔ４も再び監視され、ゼロ交差までの真の時間も再び求められる。インピーダンス変化が緩慢であればゼロ交差間の時間も同様に緩慢に変化する。したがって急激かつ大きな変化、特に図２のｂの出力信号２１のｔ２からｔ３１のあいだで起こっているようなゼロ交差間の時間の短縮は、プラズマ中にアークが発生したことに対する確実な示唆となる。アークが識別されてからのしきい値は調整することもできるし、しきい値設定器１７により設定することもできる。

前述の事柄から、測定された半波の持続時間をしきい値と比較される基準パラメータとして使用できることがわかっている。これに代えて、図２のａの差Δｔ＝（ｔ３−ｔ２）−（ｔ２−ｔ１）または図２のｂのΔｔ＝（ｔ３１−ｔ２）−（ｔ２−ｔ１）を計算してもよい。これらの差が図２のｂのように設定されたしきい値０から偏差する場合、プラズマ中にアークが発生したことが示唆される。

基準パラメータは周期時間Ｔに対して正規化することができる。このとき周期時間Ｔはつねに“許容可能なインピーダンス変動”がアークの識別に作用しないように計算される。

ゼロ交差が比較器回路によりきわめて簡単にディジタルに検出され、エッジはマイクロプロセッサ、例えばディジタル信号プロセッサによりきわめて簡単かつ迅速に評価されるので、有利には、ディジタルの制御装置１４はアーク識別に関連する。

図３にはインバータ６の詳細が示されている。インバータ６は４個のトランジスタとして構成されたスイッチング素子ｔ１〜ｔ４から成るフルブリッジを有している。スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４は制御装置１４により駆動される。プラズマチャンバへのエネルギ供給を遮断するための種々のシナリオが考えられる。その１つとして、スイッチング素子Ｔ１，Ｔ３を導通させ、ＤＣ給電装置３からの電流または端子３０，３１を短絡するか、または低オーム側へ接続する手段が挙げられる。

他の手段として、スイッチング素子Ｔ２，Ｔ４が同じ作用に対して導通するように構成することもできる。

スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２またはＴ３，Ｔ４または全てのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４が導通されるように駆動する場合、コンデンサ９および出力トランス１０の１次インダクタンス３２から成る出力振動回路は短絡し、これによってもプラズマチャンバへのエネルギ供給を遮断することができる。

エネルギ供給を遮断できるようにするために、さらにスイッチング素子Ｔ５を端子３０，３１間またはインバータ６の入力側に配置してもよい。スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５は制御装置１４、特に遮断信号形成手段１８により駆動される。

プラズマ励起装置の概略図である。 ａはアークのない場合の出力信号の特性図であり、ｂはアークの発生している場合の出力信号の特性図である。 プラズマ励起装置のインバータの概略図である。

符号の説明

１ プラズマ励起装置、 ２ 電源端子、 ３ ＤＣ給電装置、 ４ 給電装置出力側、 ５ 交流ジェネレータ、 ６ インバータ、 ７，８ チョークコイル、 ９ コンデンサ、 １０ 出力トランス、 １１ ジェネレータ出力側、 １２，１３ 信号監視部、 １４ 制御装置、 １５ 基準パラメータ検出器、 １６ 比較器、 １７ しきい値設定器、 １８ 遮断信号形成手段、 ３２ １次インダクタンス、 ３０，３１ 端子、 Ｔ１〜Ｔ５ スイッチング素子

Claims (12)

1. 交流電力ジェネレータ（５）が電力供給のための出力信号（２０，２１）を供給し、
   該交流電力ジェネレータ（５）の出力信号（２０，２１）または該出力信号を定める該交流電力ジェネレータの内部信号の時間特性に関連するパラメータを測定または検出し、
   前記時間特性を考慮して基準パラメータを求め、該基準パラメータと所定のしきい値とを比較し、定められた比較結果が得られた場合にアークを識別する、
   プラズマプロセスでのアーク識別方法において、
   前記出力信号または前記内部信号の時間特性に関連するパラメータとして、該出力信号または該内部信号の半波の持続時間を求める
   ことを特徴とするプラズマプロセスでのアーク識別方法。
2. アークが識別された場合に前記出力信号によるプラズマプロセスへの給電を遮断する、請求項１記載の方法。
3. 前記出力信号または前記内部信号がゼロとなる時点すなわち前記出力信号または前記内部信号のゼロ交差を検出し、２つのゼロ交差（ｔ１〜ｔ４，ｔ３１）間の時間差を求めることにより、半波の持続時間を求める、請求項１または２記載の方法。
4. 基準パラメータとしてその時点の半波の持続時間を求める、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 基準パラメータとして２つの半波の持続時間の差または比を求める、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
6. 基準パラメータを求める際に複数の半波の持続時間を考慮する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
7. しきい値として所定の値を固定に定める、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. しきい値はプラズマプロセスに依存して定める、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記出力信号または前記内部信号の周期を求め、該周期に依存してしきい値を定める、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. プラズマプロセスに接続可能な交流電力ジェネレータ（５）が設けられており、
    該交流電力ジェネレータは、電力供給のための該交流電力ジェネレータの出力信号（２０，２１）または該出力信号を定めるための該交流電力ジェネレータの内部信号を監視する信号監視部（１２，１３）と、該信号監視部に接続された基準パラメータ検出器（１５）および比較器（１６）と、該比較器に接続された遮断信号形成手段（１８）とを有しており、
    さらに前記比較器（１６）に接続されたしきい値設定器（１７）が設けられている、
    プラズマ励起装置（１）において、
    前記基準パラメータ検出器により前記出力信号または前記内部信号の半波の持続時間が検出される
    ことを特徴とするプラズマ励起装置。
11. 前記交流電力ジェネレータを制御する制御装置（１４）が設けられており、該制御装置内に前記基準パラメータ検出器および前記比較器が配置されている、請求項１０記載の装置。
12. 前記信号監視部（１２，１３）は比較器回路として構成されており、前記基準パラメータ検出器はプロセッサとして構成されている、請求項１０または１１記載の装置。

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