JP6622311B2

JP6622311B2 - プラズマプロセスの電力供給中に発生するアークを検出する方法、及び、プラズマ電源

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Publication number: JP6622311B2
Application number: JP2017533190A
Authority: JP
Inventors: ガピニスキツェザリー; ギェラルトフスキアンドジェイ; グラボフスキアダム; ラハピオトル; ジェレホフスキマルツィン
Original assignee: Trumpf Huettinger Sp zoo
Current assignee: Trumpf Huettinger Sp zoo
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2019-12-18
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Also published as: KR102325238B1; US20170287684A1; JP2017539066A; CN107466419A; KR20170096014A; CN107466419B; EP3234980B1; WO2016096900A1; US10431437B2; EP3035365A1; EP3234980A1

Description

本発明は、プラズマチャンバ内のプラズマプロセスの電力供給中に発生するアークを検出する方法、及び、プラズマチャンバ内のプラズマプロセスに電力を供給するプラズマ電源のための制御ユニットに関する。この電源は、直流源と出力信号発生器とを含み、制御ユニットへ、直流源と出力信号発生器との間に生じる第１の信号シーケンスと、出力信号発生器の出力側に生じる第２の信号シーケンスとが供給される。

本発明は、プラズマチャンバ内のプラズマプロセスに電力を供給するプラズマ電源にも関する。

プラズマプロセスにおけるカソードスパッタリングによって、基板、例えばガラスをコーティングすることは、よく知られている。スパッタリングは慣用のように実施することができ、あるいは反応性ガスを使用して実施することができる。このケースの場合には、反応性スパッタリングと呼ばれる。この目的で、電流源又は電圧源がプラズマを発生し、プラズマはターゲットから材料を取り出し、次いでその材料が基板、例えばガラス基板の上にコーティングされる。反応性プロセスを用いれば、所望のコーティングに応じて、ターゲットの原子をガスの原子又は分子と組み合わせることができる。

詳しく述べると、反応性プロセスが用いられているときには、プラズマプロセス中にアークが発生する可能性がある。かかるアークはプラズマプロセスにとって望ましくないものとなる可能性があり、コーティングを損傷してしまう場合すらある。従って、アークを迅速かつ確実に検出しなければならない。電源の出力電圧を監視することによって、アークを検出することが多い。出力電圧が急速に降下したならば、アークが検出される。他方、電流を監視することができる。出力電流が瞬間的に上昇したならば、そのこともアークの指標である。具体的には、出力電流と出力電圧を監視して、それらをそれぞれ閾値と比較することができる。但し、プラズマプロセス中に他の理由で、即ち、アークが発生しなくても、出力電流と出力電圧が変化する可能性がある。

電源を、電流調整型及び／又は電圧調整型及び／又は電力調整型の電源とすることができる。電流、電圧又は電力のための設定値は、外部から、例えばユーザによって定められる。次いで出力側における設定値を達成するために、電源が調整される。例えば電源が、電力は所望の設定値、電流は最大設定値、電圧は最大設定値とされた電力調整モードにあるときには、アーク検出のために適切な閾値を特定するのが難しい。なぜならば、電圧又は電流の絶対値はプラズマインピーダンスと共に変化するからである。このため、アークの検出に固定の閾値を用いると、アーク検出が極めて不確かなものとなってしまう。

本発明の課題は、より迅速かつより確実にアークを検出できるようにした方法、制御ユニット及び電源を提供することにある。

本発明によればこの課題は、プラズマチャンバ内のプラズマプロセスの電力供給中に発生するアークを検出するための方法であって、
ａ．直流源と出力信号発生器との間に生じる第１の信号シーケンスを、信号シーケンス測定装置によって特定するステップと、
ｂ．出力信号発生器の出力側に生じる第２の信号シーケンスを、第２の信号シーケンス測定装置によって特定するステップと、
ｃ．第１の信号シーケンス及び第２の信号シーケンスのうち一方の信号シーケンスに基づき、参照信号シーケンスを特定するステップと、
ｄ．参照信号シーケンスを、第１の信号シーケンス及び第２の信号シーケンスのうち、参照信号シーケンスの特定には用いられなかった他方の信号シーケンスと比較するステップと、
ｅ．参照信号シーケンスと、参照信号シーケンスの特定には用いられなかった信号シーケンスとが交差したならば、アークを検出するステップと、
を含む方法によって解決される。

よって、本発明によれば、参照信号シーケンスを発生させるためと、アークが発生したか否かを検出する目的で参照信号シーケンスと比較するためとで、それぞれ異なる信号が用いられる。かかる方法は、従来技術によって用いられていた方法よりも格段に信頼性がある。具体的に述べると、誤ったアーク検出を極めて高い頻度で回避することができる。信号シーケンスと参照信号シーケンスとの交差を、信号シーケンスが参照信号シーケンスよりも高く上昇すること、又は、信号シーケンスが参照信号シーケンスを下回ること、とすることができる。

第１の信号シーケンスと第２の信号シーケンスと参照信号シーケンスのうち、少なくとも１つの信号シーケンスを、ディジタル化することができ、又は、ディジタル領域において特定することができる。これによりディジタル信号処理が可能となり、その結果、アーク検出がより迅速になる。

アーク検出を改善する目的で、参照信号シーケンスを規則的なインターバルで特定することができる。例えば参照信号シーケンスを、数ｍｓ、数μｓ又は数ｎｓのインターバルで特定することができる。さらに参照信号シーケンスを、制御ユニットへ供給されるクロックレートと同じクロックレートで、又は、そのクロックレートの整数の約数のクロックレートで、特定することができる。

第１の信号シーケンス又は第２の信号シーケンスとして、電流、電圧又は電力を測定することができる。

特定される第１の信号シーケンス及び／又は第２の信号シーケンスを、平均値、実効値又は最大値とすることができる。用いられるプラズマプロセスの種類に応じて、第１の信号シーケンス及び／又は第２の信号シーケンスとして、どのような種類の値を用いるべきかを選択することができる。制御ユニットへ供給されるクロック信号の複数の期間にわたり、平均値を計算することができる。

信号シーケンスと参照信号シーケンスとが交差した後に経過した時間を測定し、信号シーケンスと参照信号シーケンスとが、予め定められたタイムインターバル内に再び交差しなければ、アークを検出することができる。このようにすれば、アーク検出を改善することができる。具体的に述べると、信号シーケンスと参照信号シーケンスとが交差すると、自動的にかつ即座に、アーク検出信号が生じるわけではない。アークが持続し、十分に長いタイムインターバルにわたり存在したときだけ、アークが検出される。

参照信号シーケンスを、測定された第１の信号シーケンス又は第２の信号シーケンスから第１の所定の値を減算したものとして特定することができ、又は、第１の信号シーケンス又は第２の信号シーケンスを第２の所定の値によって乗算したものとして特定することができる。

さらに本発明は、プラズマチャンバ内のプラズマプロセスに電力を供給するプラズマ電源のための制御ユニットに関する。プラズマ電源は、直流源と出力信号発生器とを含み、制御ユニットへ、直流源と出力信号発生器との間に生じる第１の信号シーケンスと、出力信号発生器の出力側に生じる第２の信号シーケンスとが供給される。制御ユニットは、
ｉ．第１の信号シーケンス及び第２の信号シーケンスのうち一方の信号シーケンスに基づき、参照信号シーケンスを発生するように構成された、参照信号シーケンス特定ユニットと、
ｉｉ．参照信号シーケンスと、第１の信号シーケンス及び第２の信号シーケンスのうち、参照信号シーケンスの特定には用いられなかった他方の信号シーケンスとを比較し、参照信号シーケンスと、参照信号シーケンスの特定には用いられなかった信号シーケンスとが交差したならば、検出信号を発生するように構成された、比較器と、
を備える。

かかる制御ユニットをディジタル制御ユニットとすることができ、例えばディジタル信号プロセッサ又はＦＰＧＡとすることができる。これにより極めて高速な信号処理が得られるようになり、従って、高速なアーク検出が得られるようになる。

前述のように制御ユニットを、所定のクロックでクロック制御されるディジタル制御ユニットとすることができる。

制御ユニットはカウンタを有することができ、このカウンタは、信号シーケンスと参照信号シーケンスとの交差後に経過した時間を測定する。このようにすれば、誤ったアーク検出を改善することができる。

さらに制御ユニットはアーク検出装置を有することができ、このアーク検出装置は、参照信号シーケンスと信号シーケンスとの交差を、及び／又は、参照信号シーケンスと信号シーケンスとの交差後、これらの信号シーケンスと参照信号シーケンスとが再び交差することなく経過した所定の時間を、検出する比較器に基づき、アーク検出信号を発生する。

本発明はさらに、プラズマチャンバ内のプラズマプロセスに電力を供給するプラズマ電源に関する。このプラズマ電源は、
ａ．直流源と、
ｂ．直流源に接続された出力信号発生器と、
ｃ．直流源と出力信号発生器との間に生じる信号シーケンスを測定する第１の信号シーケンス測定装置と、
ｄ．出力信号発生器の出力側に生じる信号シーケンスを測定する第２の信号シーケンス測定装置と、
ｅ．第１及び第２の信号シーケンス測定装置に接続された、本発明に係る制御ユニットと、
を備える。

第１の信号を、直流源の出力側と出力信号発生器の入力側との間の任意のポイントで取得することができる。第１の信号シーケンスと第２の信号シーケンスを、電流、電圧又は電力とすることができる。

プラズマ電源は、第１の信号シーケンスの平均値及び／又は第２の信号シーケンスの平均値を特定するために、平均化ユニットを含むことができる。別の選択肢として、プラズマ電源は、第１の信号シーケンスの実効値及び／又は第２の信号シーケンスの実効値を特定するために、実効値特定装置を含むことができる。さらに別の選択肢として、プラズマ電源は、所定のタイムインターバル内で第１の信号シーケンス最大値及び／又は第２の信号シーケンス最大値を特定するために、最大値特定ユニットを含むことができる。

上述の及びその他の本発明の課題、特徴及び利点並びに本発明そのものは、以下の例示的な説明を添付の図面を参照しながら読めば、いっそう十分に理解されよう。なお、それらの図面は必ずしも縮尺どおりには描かれていない。

参照信号シーケンスを用いたアーク検出について説明するダイアグラム。誤ったアーク検出について説明するダイアグラム。誤ったアーク検出をどのようにして回避できるのかを示すダイアグラム。プラズマ電源を示すブロック図。選択的なプラズマ電源を示す図。プラズマ電源の別の実施例を示す図。プラズマ電源のさらに別の実施例を示す図。

図１には、参照信号シーケンス１が示されており、これはプラズマ電源の出力側即ち出力信号発生器の出力側で測定された信号シーケンスから、又は、プラズマ電源における直流源と出力信号発生器との間で測定された信号シーケンスから、得られたものである。参照符号２は、プラズマ電源の出力側で得られた、又は、プラズマ電源における直流源と出力信号発生器との間で得られた、信号の信号シーケンスを表している。但し、信号シーケンス２は、参照信号シーケンス１を得るために用いられた信号シーケンスではない。この図に示されているように、信号シーケンス２はポイント３において参照信号シーケンス１と交差しており、詳しくは参照信号シーケンス１を下回る。つまりこのことは、プラズマプロセスが行われるプラズマチャンバ内でアークが発生したことを意味する。

図２にも同様の状況が示されている。このケースでは、参照信号シーケンス１と信号シーケンス２は、ポイント４，５において交差している。このケースでは、比較的小さい又は短いアークが発生しているだけであり、このようなアークは外部からの作用がなくても消弧する。この種のアークはプラズマプロセスにたいした影響を及ぼさず、この種のアークが発生してもアーク対抗措置を導入しなくてもよい。誤ったアーク検出を回避する目的で、ポイント４と５の間の時間が測定される。このことはライン７によって示されている。ライン７が別のライン６と交差したことは、十分に長い時間にわたりアークが生じていることを表し、このような場合にのみアーク検出信号が発生され、アーク対抗措置が導入される。図２に示されているように、アークが比較的短く、ライン７がライン６よりも下に留まり続けているならば、実質的なアークは検出されず、アーク対抗措置は導入されない。

図３には、図２と類似した状況が示されている。このケースでは、参照信号シーケンス１と信号シーケンス２は、ポイント８において交差している。ポイント８において、時間測定がスタートする。このことはやはり、ライン７によって表されている。但し、このケースでは図２に示した状況とは異なり、信号シーケンス２は、ライン７がライン６と交差するほどの長い時間にわたり、参照信号シーケンス１よりも下に留まり続けている。従って、アーク検出信号が発生され、アーク対抗措置を導入することができる。

信号シーケンス２と参照信号シーケンス１とが初回に交差したときに、アナログ領域での時間測定に相当するものとして、カウンタの増分がスタートする。このカウンタは、参照信号シーケンス１と信号シーケンス２とが再び交差しないかぎり、増分又は減分されていく。カウンタが所定の値まで増分又は減分されたならば、アークが検出される。

図４にはプラズマ電源１０が示されており、この電源は配電網１２から給電電圧を受け取る。プラズマ電源１０は、その出力側１３で出力信号シーケンスを発生する。出力信号シーケンスは一般に、出力電流Ｉｏｕｔ及び出力電圧Ｕｏｕｔである。出力電圧と出力電流の乗算によって出力電力Ｐｏｕｔが得られ、これも出力信号シーケンスとみなされる。

電源１０は、制御及びアーク検出ユニット１４を有しており、このユニットは、出力電力の入力設定値Ｐｓｅｔと、出力電圧の入力設定値Ｕｓｅｔと、出力電流の入力設定値Ｉｓｅｔとを受け取る。さらにプラズマ電源１０は、直流源１５を有する。直流源１５は、出力信号発生器１６、一般にはブリッジインバータの入力側に接続されている。出力信号発生器１６も、制御及びアーク検出ユニット１４によって制御される。

出力信号発生器１６の出力側における信号測定手段１８，１９に加えて、直流源１５と出力信号発生器１６との間に生じる信号を測定するために、測定手段２０が設けられている。

制御ユニット１４は、参照信号シーケンス特定ユニット２１を有しており、このユニットは、測定手段１８，１９のうちの少なくとも一方によって出力信号発生器１６の出力側で測定された信号に基づき、又は、直流源１５と出力信号発生器１６との間で測定された信号、即ち、測定手段２０によって測定された信号に基づき、参照信号シーケンスを発生するように構成されている。

さらに制御ユニットは比較器２２を有しており、この比較器は、参照信号シーケンスと、参照信号シーケンスの特定には用いられなかった信号シーケンスとを比較し、参照信号シーケンスと、参照信号シーケンスの特定には用いられなかった信号シーケンスとが交差したならば、検出信号を発生するように、構成されている。

制御ユニット１４を、所定のクロックでクロック制御されるディジタル制御ユニットとすることができる。この目的で、制御ユニット１４はクロック入力端子２３を有する。

さらに制御ユニット１４はカウンタ２４を有することができ、このカウンタは、信号シーケンスと参照信号シーケンスとが交差した後に経過した時間を測定する。

さらに制御ユニット１４は、アーク検出装置２５を有することができる。この装置は、比較器２２及び／又はカウンタ２４によって発生された信号に基づきアーク検出信号を発生し、即ち、参照信号シーケンスと信号シーケンスとの交差の検出に基づき、及び／又は、参照信号シーケンスと信号シーケンスとの交差後、これらの信号シーケンスと参照信号シーケンスとが再び交差しないまま経過した所定の時間に基づき、アーク検出信号を発生する。

さらに、信号シーケンスの平均値を特定するために、信号シーケンスの実効値を特定するために、及び／又は、信号シーケンスの最大値を特定するために、ユニット２６が設けられている。

さらに出力信号発生器１６はプラズマチャンバ３０に接続されており、このチャンバへプラズマ電源１０によって電力が供給される。プラズマチャンバ３０内において、プラズマプロセスが実施される。プラズマプロセス中、アークが発生する可能性がある。

図５、図６及び図７には、プラズマ電源１０及びプラズマチャンバ３０の選択的な実施形態が示されている。これらの図中、既述の要素に対応する要素には同じ参照符号が付されている。

図５の場合、出力信号発生器１６はインバータとしてではなく、直流信号源として実現されている。

図５及び図６によれば、出力信号発生器１６は、アーク検出装置２５に接続されたアーク消弧ユニット３１を有している。

図７の実施形態によれば、出力信号発生器１６はフルブリッジインバータとして実現されており、このインバータはプラズマプロセスにバイポーラ電力を供給し、測定手段１８によって出力信号発生器１６の出力側で参照信号シーケンスが取得される。

出力信号発生器１６を、フルブリッジなどのようなインバータとしてもよいし、あるいは出力トランス又は付加的な出力共振回路を備えたフルブリッジなどのようなインバータとしてもよい。このケースではプラズマチャンバ３０内のプラズマプロセスを、図４及び図７に示されているような、中間周波数（ＭＦ）電力が給電されるプラズマプロセスとすることができる。このようなＭＦ電力が給電されるプラズマプロセスの場合、特定される第１の信号シーケンス及び／又は第２の信号シーケンスを、平均値又は実効値とすることができる。

出力信号発生器１６を、パルス化ユニットとすることができる。付加的又は選択的に、出力信号発生器１６は、アーク消弧ユニット３１を含むことができる。このケースではプラズマチャンバ３０内のプラズマプロセスを、図５及び図６に示されているような、パルス化された直流電力が給電されるプラズマプロセスとすることができる。この種のパルス化された直流電力が給電されるプラズマプロセスの場合には、特定される第１の信号シーケンス及び／又は第２の信号シーケンスを、平均値又は最大値とすることができる。

図５、図６及び図７の制御及びアーク検出ユニット１４は、これらの図面には示されていないけれども、以下のユニット又は装置、即ち、参照信号シーケンス特定ユニット２１、比較器２２、クロック入力端子２３、カウンタ２４、アーク検出装置２５、及び、ユニット２６、のうちの１つ又は複数を有することもできる。

Claims

プラズマチャンバ（３０）内のプラズマプロセスの電力供給中に発生するアークを検出する方法であって、
ａ．直流源（１５）と出力信号発生器（１６）との間に生じる第１の信号シーケンスを、信号シーケンス測定装置（２０）によって特定するステップと、
ｂ．前記出力信号発生器（１６）の出力側に生じる第２の信号シーケンスを、第２の信号シーケンス測定装置（１８，１９）によって特定するステップと、
ｃ．前記第１の信号シーケンス及び前記第２の信号シーケンスのうち一方の信号シーケンスに基づき、参照信号シーケンス（１）を特定するステップと、
ｄ．前記参照信号シーケンス（１）を、前記第１の信号シーケンス及び前記第２の信号シーケンスのうち、前記参照信号シーケンス（１）の特定には用いられなかった他方の信号シーケンス（２）と比較するステップと、
ｅ．前記参照信号シーケンス（１）と、前記参照信号シーケンス（１）の特定には用いられなかった前記信号シーケンス（２）とが交差したならば、アークを検出するステップと、
を含む方法。
前記第１の信号シーケンスと前記第２の信号シーケンスと前記参照信号シーケンス（１）のうち、少なくとも１つの信号シーケンスをディジタル化する、又は、ディジタル領域において特定する、
請求項１に記載の方法。
前記参照信号シーケンス（１）を規則的なインターバルで特定する、
請求項１又は２に記載の方法。
前記第１の信号シーケンス又は前記第２の信号シーケンスとして、電流、電圧又は電力を測定する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
特定される前記第１の信号シーケンス及び／又は前記第２の信号シーケンスは、平均値、実効値又は最大値である、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
前記信号シーケンス（２）と前記参照信号シーケンス（１）との交差後に経過した時間を測定し、前記信号シーケンス（２）と前記参照信号シーケンス（１）とが、予め定められたタイムインターバル内に再び交差しなければ、アークを検出する、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
前記参照信号シーケンス（１）を、測定された前記第１の信号シーケンス又は前記第２の信号シーケンスから第１の所定の値を減算したものとして特定する、又は、前記第１の信号シーケンス又は前記第２の信号シーケンスを第２の所定の値によって乗算したものとして特定する、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
プラズマチャンバ（３０）内のプラズマプロセスに電力を供給するプラズマ電源（１０）であって、
ａ．直流源（１５）と、
ｂ．前記直流源（１５）に接続された出力信号発生器（１６）と、
ｃ．前記直流源（１５）と前記出力信号発生器（１６）との間に生じる信号シーケンスを測定するための、第１の信号シーケンス測定装置（２０）と、
ｄ．前記出力信号発生器（１６）の出力側に生じる信号シーケンスを測定するための、第２の信号シーケンス測定装置（１８，１９）と、
ｅ．前記第１の信号シーケンス測定装置及び前記第２の信号シーケンス測定装置（１８，１９，２０）に接続された制御ユニット（１４）と、
を備え、前記制御ユニット（１４）へ、前記直流源（１５）と前記出力信号発生器（１６）との間に生じる第１の信号シーケンスと、前記出力信号発生器（１６）の出力側に生じる第２の信号シーケンスとが供給される、
プラズマ電源（１０）において、
前記制御ユニット（１４）は、
ｉ．前記第１の信号シーケンス及び前記第２の信号シーケンスのうち一方の信号シーケンスに基づき、参照信号シーケンス（１）を発生するように構成された、参照信号シーケンス特定ユニット（２１）と、
ｉｉ．前記参照信号シーケンス（１）と、前記第１の信号シーケンス及び前記第２の信号シーケンスのうち、前記参照信号シーケンスの特定には用いられなかった他方の信号シーケンス（２）とを比較し、前記参照信号シーケンス（１）と、前記参照信号シーケンス（１）の特定には用いられなかった前記信号シーケンス（２）とが交差したならば、アーク検出信号を発生するように構成された、比較器（２２）と、
を備える、
ことを特徴とするプラズマ電源（１０）。
前記制御ユニット（１４）は、所定のタイムインターバルでクロック制御されるディジタル制御ユニットである、
請求項８に記載のプラズマ電源（１０）。
前記制御ユニット（１４）はカウンタ（２４）を有しており、前記カウンタ（２４）は、前記信号シーケンス（２）と前記参照信号シーケンス（１）との交差後に経過した時間を測定する、
請求項８又は９に記載のプラズマ電源（１０）。
前記制御ユニット（１４）はアーク検出装置（２５）を有しており、前記アーク検出装置（２５）は、前記参照信号シーケンス（１）と前記信号シーケンス（２）との交差を、及び／又は、前記参照信号シーケンス（１）と前記信号シーケンス（２）との交差後、前記信号シーケンス（２）と前記参照信号シーケンス（１）とが再び交差することなく経過した所定の時間を、検出する比較器（２２）に基づき、前記アーク検出信号を発生する、
請求項８乃至１０のいずれか一項に記載のプラズマ電源（１０）。
前記第１の信号シーケンス及び／又は前記第２の信号シーケンスの平均値を特定するために、平均化ユニット（２６）が設けられている、
請求項８乃至１１のいずれか一項に記載のプラズマ電源（１０）。
前記第１の信号シーケンス及び／又は前記第２の信号シーケンスの実効値を特定するために、実効値特定装置（２６）が設けられている、
請求項８乃至１２のいずれか一項に記載のプラズマ電源（１０）。
所定のタイムインターバル内で前記第１の信号シーケンス及び／又は前記第２の信号シーケンスの最大値を特定するために、最大値特定装置（２６）が設けられている、
請求項８乃至１３のいずれか一項に記載のプラズマ電源（１０）。