(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弱電離した非熱平衡プラズマを用いたプラズマ処理装置の所定の部位に設置した超音波検出手段と、前記超音波検出手段が検出した超音波波形信号を処理するデータ処理手段と、異常放電が発生したことを表示するモニタ手段とを具備したことを特徴とするプラズマ異常放電検出装置。
【請求項２】
上記プラズマ処理装置に電気的に絶縁して取付ける手段を上記超音波検出手段に設置したことを特徴とする請求項１記載のプラズマ異常放電検出装置。
【請求項３】
上記超音波検出手段を複数個、上記プラズマ処理装置の所定の部位にそれぞれ設置し、異常放電発生源から前記超音波検出手段への各伝播時間をもとに異常放電発生部位を特定することを特徴とする請求項１記載のプラズマ異常放電検出装置。
【請求項４】
上記プラズマ処理装置に電気的に絶縁して取付ける手段を上記超音波検出手段に設置したことを特徴とする請求項３記載のプラズマ異常放電検出装置。
【請求項５】
上記異常放電発生部位を反復漸近法により特定する方法を使用することにより上記超音波検出手段を処理室壁面に４個設置することを特徴とする請求項３記載のプラズマ異常放電検出装置。
【請求項６】
警報手段を具備し、データ処理手段が検出超音波波形をデータ処理して、異常放電発生時の超音波発生事象（ＡＥ）の大きさを判定して、前記警報手段によって警告を発することを特徴とする請求項１記載のプラズマ異常放電検出装置。
【請求項７】
上記プラズマ処理装置に電気的に絶縁して取付ける手段を上記超音波検出手段に設置したことを特徴とする請求項６記載のプラズマ異常放電検出装置。
【請求項８】
警報手段を具備し、データ処理手段が検出超音波波形をデータ処理して、異常放電発生時の超音波発生事象（ＡＥ）の大きさを判定して、前記警報手段によって警告を発することを特徴とする請求項４記載のプラズマ異常放電検出装置。
【請求項９】
上記プラズマ処理装置に電気的に絶縁して取付ける手段を上記超音波検出手段に設置したことを特徴とする請求項８記載のプラズマ異常放電検出装置。
【請求項１０】
弱電離した非熱平衡プラズマを用いたプラズマ処理装置の所定の位置に超音波検出手段を設置して、プラズマの異常放電発生を検出することを特徴とするプラズマ異常放電検出方法。
【請求項１１】
弱電離した非熱平衡プラズマを用いたプラズマ処理装置の所定の位置に複数個の超音波検出手段を設置して、複数の超音波検出手段への超音波伝播時間の差に基づいてプラズマ異常放電発生部位を検出することを特徴とするプラズマ異常放電検出方法。
【請求項１２】
４個の上記超音波検出手段が計測した複数の超音波検出手段への超音波伝播時間の差と異常放電源との距離との関係式を反復漸近法により計算して、上記プラズマ異常放電発生部位を検出することを特徴とする請求項１１記載のプラズマ異常放電検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、直流電源または高周波電源からの高圧電圧を一対の電極に印加した際に前記一対の電極間に生成されるプラズマ放電において発生する異常放電を検出するプラズマ異常放電検出装置及びその検出方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
現在、半導体製造分野において、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａ１  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、アッシング，エッチング，スパッタリング或いは表面処理等のために、弱電離した非熱平衡プラズマを利用したプラズマ放電を用いて被処理基体を処理するプラズマ処理方法が広く用いられている。そのプラズマ処理装置におけるプラズマに発生する異常放電は、ダスト発生、被処理基体表面の損傷、基体の汚染、基体電気素子の絶縁破壊等を引き起こす。これに対処するため異常放電発生の的確な検出及びその発生位置の特定が求められている。現在、様々な研究がなされ、プラズマの発光強度の変化、電源の電圧、電流の変化、プラズマ・インピーダンスの変化、高調波の変化を検出することにより異常放電を検出することが試みられている。
【０００３】
しかしながら高周波プラズマにおいては、プラズマの発光強度変化を監視する方法では、多くのプラズマ処理装置のプラズマ生成部がシールドで覆われているため、異常放電によるプラズマ発光変化の検出はオプティカル・ファイバーを取付けるのにかなりの装置の改造が必要であり、また、取付けたとしても、プラズマ特性が変化してしまう問題があり、あるいは、プロセスチャンバーに覗き窓が開いている装置でも、プラズマ発光部全体を覗くことはできず、位置の特定において異常放電の確実な検出は困難である。
【０００４】
また、ＲＦ電源の電圧、電流の変化、プラズマ・インピーダンスの変化をモニターして異常放電を検出する方法では、異常放電の発生を完全には検出できず、加えて、異常放電が電極以外の所でも発生するため、異常放電が完全に検出されたとしてもその位置の特定は不可能である。高調波の発生状況の変化を検出する方法では、異常放電の発生は検出できるものの、異常放電の位置の特定に関しては不可能な問題がある。従って、現状の技術では、異常放電発生の検出及び位置特定が可能な検出方法はなかった。
【０００５】
また、メンテナンス時等の超音波検出手段（ＡＥセンサー）の取り付け・取り外しを容易にし、取り外しの際の打撃によるＡＥセンサー破損、及び性能劣化を防止し、且つ、再現性の良い取り付けを行うことができ、ＡＥセンサーによる超音波検出の精度を安定させることが必要であった。
【０００６】
本発明者らは、プラズマ放電処理装置においてプラズマ放電の異常放電を検出し得る指標因子となるべきものを研究した結果、プラズマの異常放電発生時に超音波が生することを知見し、該超音波をプラズマの異常放電検出の指標として利用できることを見出した。
【０００７】
本発明の目的は、プラズマ処理装置において発生するプラズマの異常放電を超音波検出部により検出する装置及び方法を提供することである。
【０００８】
さらに、本発明の目的は、超音波検出部を複数個、プラズマ発生装置の所定の位置に設けて、異常放電の発生部位を精度よく検出し得る装置及びその検出方法を提供することである。
さらに、本発明の目的は、超音波発生エネルギーの大きさを計測することにより、異常放電の大きさを推定し、異常放電発生部位を表示し及び所定値以上のときには警報を発する装置を提供することである。
【０００９】
（発明の開示）
以上の目的を達成するために、請求項１に記載された発明は、真空容器内に弱電離した非熱平衡プラズマを生成するプラズマ処理装置において、プラズマの異常放電が発生した際に発生する超音波を、超音波検出手段を配置し、データ処理手段により超音波波形信号を処理して、異常放電発生を表示するものである。
【００１０】
請求項３に記載された発明は、真空容器内に弱電離した非熱平衡プラズマを生成するプラズマ処理装置において、プラズマの異常放電が発生した際に発生する超音波を、プラズマを形成する真空槽や放電電極の構成部品に複数個の超音波検出手段を配置し、データ処理手段により複数個の超音波検出手段が検出した超音波波形を同一時間軸上で比較し、一番速く超音波を検出した超音波検出手段に対する各超音波検出手段の検出遅れ時間を算出して、プラズマ処理装置における異常放電発生位置を特定するものである。
【００１１】
請求項５に記載された発明は、計測した複数の超音波検出手段への超音波伝播時間の差と異常放電源との距離との関係式を反復漸近法により計算して、プラズマ異常放電部位を検出するには処理室壁面に設置した４個の超音波検出手段で異常放電源の位置が特定できる。
【００１２】
請求項６に記載された発明は、検出超音波波形の大きさにより異常放電発生時の超音波の強さを求め、かつ、これらのデータを表示及び記憶する異常放電検出装置及び検出方法で、また、異常放電発生時に過度な超音波が生じた場合、警報手段によって警告を発する機能を具備するものである。
【００１３】
請求項２，請求項４，請求項７，請求項９に記載された発明は、超音波検出手段に電気的絶縁物を介してプラズマ処理装置に取付ける手段を設けたものである。
【００１４】
請求項１０に記載された発明は、超音波検出により弱電離した非熱平衡プラズマを利用したプラズマ処理装置の異常放電を検出する方法である。
請求項１１に記載された発明は、複数個の超音波検出手段の計測に基づく超音波伝播時間の差によりプラズマ処理装置の異常放電発生位置を特定する方法で、請求項１２に記載された発明は、反復漸近法により４個の超音波検出手段だけでプラズマ処理装置の異常放電発生位置を特定する方法である。
【００１７】
（発明を実施するための最良の形態）
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。第１図は本発明の異常放電検出装置の超音波検出手段をプラズマ処理装置に配置した例を示し、第１図（ａ）はその断面の、（ｂ）は上から見た概念図を示している。第２図は本発明の異常放電検出装置の原理図を示している。
【００１８】
第１図（ａ）中、１は処理室、２は処理室１内の設置されプラズマ処理されるウェハ、３はウェハ２を載置する下部電極、４は下部電極３と対向して設けられている上部電極、５はブロッキングコンデンサ、６は下部電極３にブロッキングコンデンサ５を介して接続されているＲＦ電源（高周波電源）、７は接地配線を表し、これらはプラズマ処理装置を構成している。Ｇ１は処理ガスの吸入、Ｇ２はガス排気を表している。
【００１９】
第１図（ａ）及び（ｂ）中、８〜１５は本発明のプラズマ異常放電検出装置における複数の超音波検出部を表している。第１図は、超音波検出部８は下部電極３に、超音波検出部９は上部電極４に、超音波検出部１０〜１５は処理室１の大気側における側壁上下端の円周上に６０°ずつ交互に６個所設置されている例である。第２図中の１６はＡ／Ｄ変換部、１７はコンピュータ部、１８は異常放電発生部位及びアラームを表示する異常放電発生部位及びアラーム表示部を表している。なお、本明細書で同じ参照符号を付したものは同じもの又は相当するものを表している。
【００２０】
第２図に示すごとく、超音波検出部８〜１５は超音波を検出し、Ａ／Ｄ変換部１６は超音波検出部８〜１５からの検出信号をそれぞれでデジタル信号に変換し、コンピュータ部１７に送信する。コンピュータ部１７は検出信号を演算処理し、データの蓄積、異常放電の発生及びその部位を判定し、プラズマ処理装置等に対する警告処理を行う。異常放電発生部位及びアラームを表示するアラーム表示部１８は異常放電判定後異常放電発生部位とアラームをモニタに表示する。
【００２１】
第３図は、本発明の超音波検出部８〜１５を示している。第３図中、１９は超音波検出部との音響的接触を良くする接触媒質であるカップラント（Ｃｏｕｐｌａｎｔ）を塗布した絶縁物（セラミックス）、２０は超音波変換素子、２１は増幅器、２２は電池を表し、超音波検出部はこれらを具備している。カップラントを塗布した絶縁物の絶縁物側で第１図に示す処理室１等の構造物に機械的に連結することにより、電気的に絶縁し、かつ電気的なノイズの侵入を防止した状態で、超音波振動を超音波検出部に導入することができる。
【００２２】
第４図は、本発明者らがプラズマ処理装置において異常放電を観測した際における光センサの検出波形Ｌ及び超音波検出部の検出波形例Ｓを示している。光センサが検出したプラズマ発光変化で示される異常発光はプラズマの異常放電が発生したことを示している。このプラズマ発光の変化期間Ｌ０に同期して、超音波検出部の検出出力Ｓ０は変化している。このことはプラズマの異常放電により超音波が発生したことを示している。異常放電発生時には、特に周波数２５ｋＨｚ付近の超音波が発生することが確認された。更に、異常放電発生部位によって、プラズマ発光変化開始から超音波発生までの遅延時間が変化していること、また、プラズマ異常放電発生時の超音波の周波数、最大振幅幅（波高値）は異常放電時のプラズマ発光の大きさによって変化していることを確認した。
【００２３】
つまり、プラズマ異常放電発生時に超音波が発生することは、プラズマが異常放電を起こした際、異常放電のエネルギーにより荷電粒子（電子等）がプラズマ処理装置を構成する部品、例えば、上部電極４等に激しく衝突する、又は、プラズマ処理装置を構成する部品の表層破壊の際に、その衝撃により超音波は発生すると考えられる。つまり、プラズマの異常放電発生時には、その位置においてＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ、超音波発生）事象が発生していることになる。従って、ＡＥ事象のエネルギーμが、異常放電発生部位の表面破壊具合を表すことになり、エネルギーμを求めることが重要となる。
【００２４】
その時の検出される超音波の最大振幅幅（波高値幅）Ｖｐｐは、ＡＥ事象のエネルギーμと関係しており、次の式（１）のように近似的に表せる。
【００２５】
【数１】
0003569898.tif 000002
【００２６】
ここで、Ｃ１は超音波検出部の検出感度に依存する定数、Ｃ２は超音波発生源から超音波検出部までの距離や伝播損失等に関係する定数である。この関係より、プラズマの異常放電発生により、ダスト発生、被処理基体表面の損傷、基体の汚染、基体の電気素子に絶縁破壊等の影響を与えると思われる超音波の最大振幅（波高値）Ｖｐｐを設定し、それをしきい値とすることにより、異常放電判定後、異常放電発生部位とアラームを表示し、外部に警告を発することができる。
【００２７】
また、処理室１の構造材質により決まる超音波の速度Ｖ、異常放電発生位置から超音波検出部までの距離をＤとすると、超音波検出部に超音波が到達するまでの伝播時間Ｔは次の式（２）で表せる。
【００２８】
【数２】
0003569898.tif 000003
【００２９】
従って、超音波検出部をプラズマ処理装置に複数個設置すると、異常放電位置から複数個の超音波検出部への伝播時間Ｔが異なることから、各伝搬時間の差から異常放電発生部位を特定することができる。
【００３０】
そこで、第２図で示すような超音波検出部８〜１５で検出したアナログ信号をＡ／Ｄ変換部１６によりデジタル信号に変換した後、コンピュータ部１７でデータ解析を行う。その際、超音波の周波数と波高値はＡＥ事象のエネルギーとその材質に依存しているため、本実施例では、超音波検出部８〜１５の検出波形の振幅幅が設定値以上に上昇したときに、超音波検出部８〜１５の検出波形を同一時間軸上で比較し、基準超音波検出部への超音波伝播時間に対するそれぞれの超音波検出部への伝播の遅延時間を算出し、超音波検出部８〜１５の検出波形の中から最大振幅幅を求める。
【００３１】
次に、プラズマ異常放電がプラズマ処理装置のどの部位、つまり、上部電極か、もしくは下部電極か、又は壁のどの位置かを特定する方法を説明する。まず、超音波検出部１０〜１５の検出波形を比較し、このうち超音波を最も速く検出する超音波検出部を基準超音波検出部とし、各超音波検出部１０〜１５のそれぞれの基準超音波検出部に対する波形検出の遅延時間Ｔ１０〜Ｔ１５を算出する。
【００３２】
例えば、下部電極３（第１図の位置Ｐ１）で異常放電が発生すると、各超音波検出部の検出波形は第５図のようになる。超音波検出部１０，１２，１４が下部電極の支柱３ａから等距離の位置に取り付けられているとすると、超音波検出部１０の検出時間は下部電極の支柱距離分だけ遅れるので、基準超音波検出部は超音波検出部１２または超音波検出部１４で、その遅延時間Ｔ１２又はＴ１４はゼロである。
【００３３】
処理室の側壁を２次元平面として考え、放電発生源の位置座標を（ｘ，ｙ）、超音波検出部１０〜１５の取付け座標をそれぞれ（Ｘ１０，Ｙ１０）〜（Ｘ１５，Ｙ１５）とし、異常放電発生源から基準超音波検出部までの到達時間をｔ、及び、超音波の速度をＶとすると、次の式（３．１）〜（３．６）の連立方程式が成立する。
【００３４】
【数３】
0003569898.tif 000004
【００３５】
これら６個の方程式の解として側壁内の座標（ｘ，ｙ）が得られるときは、側壁に放電発生源があり、それ以外の座標値が得られるときは、側壁以外の位置に異常放電発生源があることになる。６個の方程式を解いて、異常放電発生源が側壁以外の位置にあると判断されたときには、基準超音波検出部が取り付けられている位置及び、下部電極３に取り付けられた超音波検出部８と上部電極４に取り付けられた超音波検出部９の検出遅延時間により、放電発生源はプラズマ処理装置の上，下側のいずれかにあると判断される。
【００３６】
基準超音波検出部が側壁下端に取り付けた超音波検出部１０，１２，１４のいずれかで、超音波検出部８が超音波検出部９よりも検出が速いときには、放電発生源がプラズマ処理装置の下側にあると判断される（第５図参照）。このとき、処理室１の下面を２次元平面と考え、側壁下端の円周上に取り付けた超音波検出部１０，１２，１４における３個の方程式（３．１），（３．３），（３．５）の解を求め、処理室下面内にある下部電極３の支柱３ａ以外の座標が解として得られるときは異常放電発生源は処理室内側下面上の位置に、解がそれ以外の座標の場合は下部電極３と判断される。
【００３７】
基準超音波検出部が側壁上端に取り付けた超音波検出部１１，１３，１５のいずれかで、超音波検出部９が超音波検出部８よりも伝播が速いときには、放電発生源がプラズマ処理装置の上側にあると判断できる。このとき、処理室１の上面を２次元平面と考え、側壁上端の円周上に取り付けた超音波検出部１１，１３，１５における３個の方程式（３．２），（３．４），（３．６）の解を求め、処理室上面の上部電極４の支柱４ａ以外の座標が解として得られるときは異常放電発生源は処理室内側上面上の位置と、解がそれ以外の座標の場合は上部電極４と判断される。
【００３８】
さらに、超音波検出部の設置個数を増やすことで、位置特定の精度を上げることができる。また、上部電極、下部電極に、複数の超音波検出部を取り付ければ、上部電極、下部電極での異常放電発生の位置を特定できる。
コンピュータ部１７による超音波の遅延時間は、例えば各検出波形の異常放電に対応する期間内の特徴点（波高値等）における時点での遅延時間を平均することにより算出することができる。
【００３９】
異常放電発生位置と各超音波検出部の検出波形における検出遅延時間のパターンとを対応させた対応テーブルをメモリに記憶させておき、超音波検出波形をコンピュータ部１７でデータ解析して、遅延時間のパターンを求め、対応テーブルにより異常放電発生の位置を特定することができる。
【００４０】
異常放電発生の位置が特定されると、超音波の伝搬距離とそれぞれの部位における超音波波形の伝搬損失が分かっているので、（１）式の定数Ｃ２が演算されるので、ＡＥ事象のエネルギーμが計算できる。このようにして求めた発生部位（位置）と最大振幅幅から異常放電発生時のＡＥの大きさをモニタ画面に表示する。最大振幅を、前もって発生部位ごとに設定されたしきい値と比較することで、そのレベルを超える場合に、警告を発する、もしくは、装置を停止させることができる。
【００４１】
上記の第１図の実施例では、処理室外壁の上壁、下壁それぞれ１個、上部・下部の周辺を夫々円柱三等分し、互いに対向しないように６０°位置をずらした位置に３個づつ配置し、合計６個の超音波検出部用いて異常放電の検出と位置特定を行っていた。
【００４２】
しかしながら、超音波検出部を処理室の上壁，下壁，側壁の上下端に取り付ける必要があるため、実際の装置への検出部設置の場所を見つけるのに間題があることに加え、超音波検出部が６個以上必要なため（第１図の実施例では８個使用）に検出装置のコスト向上を招いていた。
【００４３】
本発明者らは第１図の方法とは異なる、他の計算方法により、４個の超音波検出部で異常放電源の位置を特定する方法を考案した。第６図〜第１８図を参照して、４個の超音波検出部による異常放電源の特定方法を説明する。第６図（ａ）は本発明における他の計算方法に基づく異常放電検出装置の超音波検出部をプラズマ処理装置に配置した例を、同（ｂ）は処理室１の中央断面における超音波検出部の配置を概念的に示す。第７図は４個の超音波検出部を使用した異常放電検出装置を示す。以下、第１図〜第５図の実施例で使用した参照符号と同じ参照符号を使用したものは同じものを表しているので、これらの説明は省略する。
【００４４】
第８図は、第６図に配置された超音波検出部８〜１１が超音波検出部８〜ｌｌの検出波形の振幅幅が設定値以上に上昇したときに、超音波検出部８〜１０の検出波形を同一時間軸上で比較した出力波形例を示している。図中、Ｓ８〜Ｓ１１はそれぞれ超音波検出部８〜１１の出力波形、Ｔ０は超音波検出部のいずれかが超音波を最初に検出する時点、Ｔ８〜Ｔ１１は超音波検出部８〜１１が時点Ｔ０から超音波を検出する時点までの遅延時間を表している。
【００４５】
第８図の超音波形検出例は、異常放電源から例えば、下部電極３（図１の位置Ｐ１）で異常放電が発生した場合の検出波形例である。図６のように超音波検出部８が処理室ｌの大気側における側壁の下側、超音波検出部９、１０がそれぞれ処理室ｌの大気側における側壁の上側に取り付けられている。超音波を最も速く検出する超音波検出部（以下、基準超音波検出部）は超音波検出部８で、その遅延時間Ｔ８はゼロである。
【００４６】
次に、４個の超音波検出手段により、異常放電源の位置を特定する方法について説明する。先ず、異常放電源の位置を特定するために使用する２次元の座標系を定義する。第９図（ａ）において、半径ｒ，高さ２ｈの円筒形は処理室１を表す。２次元平面は、処理室側壁の中央の点を原点０とし、原点０を通る半径方向をＸ軸、原点０を通る円筒軸方向をＹ軸として、処理室の側壁を展開してＸ軸に貼り付け、更に上壁２０、下壁２２をＹ軸に接する１点を中心に展開してＹ軸に貼り付けた２次元平面で定義される。図（ｂ）は、このようにして処理室壁を２次元平面で定義した平面座標を示している。第６図の超音波検出部８〜１１が設置された個所は、平面座標では位置Ａ１〜Ａ４に相当する例である。
【００４７】
第６図の超音波検出部の設置例は、設置位置による検出精度にバラツキをなくするために、できるだけ処理室壁面を４等分するように配置した例であって、本発明はこの設置例に限られない。
【００４８】
異常放電源から超音波検出部８〜１１までの最短距離をそれぞれＤ８〜Ｄｌｌ、超音波の音速をＶ、基準超音波検出部を超音波検出部８とすると、超音波検出部で計測した遅延時間から計算した距離は、異常放電源から基準超音波検出部までの距離と、異常放電源からそれぞれの超音波検出部までの距離との差に一致するので、次の方程式（４．ｌ）〜（４．３）が成立する。
【００４９】
【数４】
0003569898.tif 000005
【００５０】
ここで、異常放電発生源から超音波検出部８〜１１までの経路が同一平面上のみのときには、Ｄ８〜Ｄ１１は異常放電発生源の２次元平面上の座標（ｘ，ｙ）を変数（未知量）として表せるので、方程式（４．１）〜（４．３）はｘ，ｙを変数とする２変数の方程式となる。よって、２つの方程式（４．１），（４．２）から異常放電発生源の座標（ｘ，ｙ）が求まる。
【００５１】
ところが、異常放電源から超音波検出部８〜１１までの超音波伝播経路が同一平面上にない場合がある。第１０図は異常放電発生源Ｐから超音波検出部の設置箇所までに超音波が伝播する代表的経路例を示している。（ａ）は処理室側壁同一平面内の伝播経路を、（ｂ）は処理室上壁から側室への伝播経路、（ｃ）は処理室側壁から上壁を介して側壁への伝播経路を、（ｄ）は処理室上壁から側壁を介して下壁への伝播経路を示している。
【００５２】
例えば、経路（ｂ）の場合、異常放電発生源が処理室１の上壁の位置Ｐにあって、超音波検出部が処理室１の側壁の位置Ａに設置されている場合、第１０図のように異常放電発生源から超音波検出部までの超音波が伝播する最短距離Ｄは、円形上壁の中心としてＹ軸と、経路と上壁との交点との間の角度θ（ラジアン）ずれた位置となるため、角度θを考慮して方程式（４．１）〜（４．３）は表される。角度θは異常放電発生源と超音波検出部の位置によって決まるので、異常放電発生源の座標（ｘ，ｙ）を変数として表す場合、三角関数の角度θも変数となるため、方程式を解くのは容易でないし、又、超音波検出部の位置が変わるとその都度方程式も立て直す必要があるため、汎用性が悪くなってしまう。
【００５３】
そこで、ニュートン法等による非線形方程式の近似解を求める数値解法を求める数値解法には、ニュートン法の他に二分法や線形逆補間法などがあるが、本発明の実施例では、短い演算時間で高精度の近似解が得られるニュートン法を用いて近似解を求める。
【００５４】
第１１図を参照して、ニュートン法による最適解を計算する方法を説明する。方程式ｆ（ｘ）＝０を計算するための初期値をｘ＝ｘ０とし、ｘ０におけるｙ＝ｆ（ｘ）の接線とＸ軸との交点である漸近点ｘ１を次の（５）式から求める。
【００５５】
【数５】
0003569898.tif 000006
【００５６】
更に、その交点におけるｙ＝ｆ（ｘ）の接線と、Ｘ軸との交点である次の漸近点ｘ２を求める。これを繰り返して、Δｘｎ−１＝ｘｎ−１−ｘｎ絶対値が限りなく零のとき反復漸近点ｘ０−ΣΔｘｎを方程式ｆ（ｘ）＝０の解の点として求める。
【００５７】
同様に、ｆ１（ｘ，ｙ）＝０，ｆ２（ｘ，ｙ）＝０の解は、
２次元ニュートン法により、
【００５８】
【数６】
0003569898.tif 000007
【００５９】
ｘ，ｙの初期値ｘ０，ｙ０から、Δｘ，Δｙの値が限りなく零に近づくまで、繰り返して、ｘ０−ΣΔｘｎ ，ｙ０−ΣΔｙｎの反復漸近点により求めることができる。
【００６０】
先ず、式（４．１）〜（４．３）中の最短距離Ｄ８〜Ｄ１１をニュートン法で求める方法を説明する。第９図（ｂ）の２次元平面で、異常放電発生源の座標（ｘ，ｙ）の初期値として処理室の平面展開上のある任意の座標（ｘ０，ｙ０）を仮定すると、座標（ｘ０，ｙ０）からそれぞれの超音波検出部８〜１０までの最短距離は、座標（ｘ０，ｙ０）から超音波検出部までの伝播距離Ｌを、伝播経路の角度θで徴分して値がゼロとなる角度のときの距離として求まる。
【００６１】
このとき、距離Ｌを角度θで微分した関数をｇ（θ）（次の式（７））、角度θの移動量を△θとすると、１次元のニュートン法より、次の式（８）が成り立つ。
【００６２】
【数７】
0003569898.tif 000008
【００６３】
この式で、θの初期値を任意の値θ０としてｇを求め、そのときのｇ（θ）をｇ０とする。そして、∂ｇ（θ）／∂θを、ｇ０及び、∂θ０に限りなく小さい値△θ０を加算したときのｇ（θ）の値ｇ１から、△θ０の変化に対する変化量∂ｇ＝ｇ１−ｇ０として近似的に求める。このようにして求めたｇ（θ）と∂ｇ／∂θの値を式（８）に代入すると△θが求まり、この△θが求めたい誤差範囲以下になるまで、θを初期値θ０から−△θずつ移動させながら式（８）を繰り返し解いていくと、近似的に最短距離での角度θが求まり、その角度での距離Ｌを計算すると最短距離Ｄが求まる。
【００６４】
以上の最短距離の計算方法は異常放電発生源から超音波検出部の設置個所への距離が角度変数１個を含む場合であるが、第１０図（ｃ），（ｄ）の経路のように角度θ１，θ２と２変数を含む場合もある。この場合は、次の式（９．１），（９．２）の近似解を２次元のニュートン法により求め、最短距離Ｄを求めることができる。
【００６５】
【数８】
0003569898.tif 000009
【００６６】
以上のようにして求めた最短距離Ｄ１〜Ｄ４と計測された遅延時間Ｔ８（＝０），Ｔ９〜Ｔ１１とを方程式（４．１），（４．２）に代入し、方程式（４．１），（４．２）により異常放電発生源の位置を特定する方法を以下に説明する。
【００６７】
異常放電源の位置座標（ｘ，ｙ）を変数とする方程式（４．１），（４．２）の左辺をそれぞれｆ１，ｆ２とし、変数が異常放電源の位置座標であるとき、ｆ１＝０，ｆ２＝０となる。式（６．１），（６．２）を使用した２次元ニュートン法によりｆ１＝０，ｆ２＝０の近似解を求めることで、異常放電源の位置座標（ｘ，ｙ）を求めることができる。
【００６８】
即ち、式（６．１），（６．２）の∂ｆ１／∂ｘ，∂ｆ２／∂ｘ，∂ｆ１／∂ｙ，∂ｆ２／∂ｙを、最短距離算出のときの∂ｇ／∂θと同じように初期値ｘ０，ｙ０におけるｘ又はｙの微小な変化△ｘ０，△ｙ０に対する変化量として近似的に求め、これらの値を式（６．ｌ），（６．２）に代入し、方程式を解くと、△ｘ，△ｙの値が求まる。この△ｘと△ｙが求めたい誤差範囲以下になるまで、ｘとｙを初期値ｘ０，ｙ０から−△ｘ，−△ｙずつ移動させながら式（６．ｌ），（６．２）の演算を繰り返していくと、近似的に異常放電源の座標（ｘ，ｙ）が求まる。
【００６９】
但し、ｘ，ｙの初期値によっては、異なる異常放電発生源の座標が得られる可能性があるので、初期値を変更しながら式（６．１），（６．２）の演算を行う必要がある。例えば、超音波検出部がプラズマ処理装置の側面中間の高さに６０゜位置をずらして３個づつ配置してある場合には、プラズマ処理装置の上面中央と下面中央を初期値として演算すれば、プラズマ処理装置の全ての部位での異常放電発生源は特定できる。
【００７０】
これまでの処理により、異常放電源がｌつのみ得られれば処理は終了となるが、異常放電源が複数得られた場合には、さらに、得られた２つの座標について方程式（４．３）の左辺を計算し、結果が零に近い座標を正しい異常放電源と判別する。以上のように、この計算方法を位置特定に使用すれば、超音波波形を検出する超音波検出器は４個により異常放電源の座標位置を特定できる。
【００７１】
これらの計算方法を使用した異常放電源の位置特定の一例を第１２図〜第１７図について説明する。第１２図は本発明の反復漸近して近似解を求める計算方法を使用することにより４個の超音波検出部の検出波形で異常放電源の位置を特定する方法を概略的に示した全体フロー図を示している。
【００７２】
異常放電が発生すると、ブロックＢ１において、処理室壁の適当な箇所に設置された超音波検出器は第８図のような超音波波形を計測する。ブロックＢ２において、最も速く超音波を検出する超音波検出器を基準超音波検出器とし、基準超音波検出器の超音波伝播時間からの各超音波検出器の遅延時間Ｔ９〜Ｔ１１を計算する。
【００７３】
異常放電発生源の位置を、初期値から反復漸近して近似解を求める場合、近似解を求める方程式によっては得られた漸近解が正しい近似解の位置に漸近しない可能性もあるので、得られた漸近解が少なくとも正しい近似解の位置を含む領域毎に初期値を設定し、初期値からそれぞれの反復漸近解（候補位置）を計算するようにすれば、これらの中には必ず正しい近似解は存在する。第１２図のブロックＢ３，Ｂ４の所定領域はこのための初期値を設定する領域を意味している。ブロックＢ３，Ｂ４において、所定領域毎に設定された初期値を変更しながら、その領域において反復漸近して計算された近似解を、異常放電源の候補位置として求める。
【００７４】
ブロックＢ５の処理において、複数の候補位置から正しい異常放電源の位置を求める。正しい異常放電源の位置では式（４．３）が満たされる。従って、各候補位置の内式（４．３）に最も近いものが正しい異常放電源の位置と言える。
【００７５】
第１３図，第１４図のフロー図は、所定領域として、処理室上壁（ブロックＢ３ａ）及び処理室下壁（ブロックＢ３ｂ）として漸近位置の初期値を設定し、該所定領域範囲内に異常放電源がないと判断された際には、２次元平面座標系の座標位置から対応する他の所定領域の座標位置を漸近位置として、ニュートン法により計算を反復続けるようにした一具体例におけるフロー図を示している。
【００７６】
ステップＳ１では、第８図の異常放電源発生を検出した場合、異常放電源発生位置を上壁上と仮定した場合（ブロックＢ３ａ）、ニュートン法による計算の初期値を、例えば第１５図の位置Ｐ０に設定する。このとき、Ｐ０と超音波検出部８〜１０の設置位置Ａ１，Ａ２，Ａ３との距離は図１５のＬ８，Ｌ９，Ｌ１０となり、距離Ｌ９，Ｌ１０は角度θ２，θ３を含んでいる。従って、距離Ｌ９，Ｌ１０から最短距離Ｄ９，Ｄ１０を求めなければならない。
【００７７】
ステップＳ２では、次の方法で最短距離Ｄ９，Ｄ１０を求める。距離Ｌ９，方程式ｇ１は次の式（１０），（１１）によって表される。
【００７８】
【数９】
0003569898.tif 000010
【００７９】
角度θ２の初期値をθ２０としてそのときのｇ１の値ｇ１０を求める。次に、θ２を初期値からΔθ２０微小移動した角度θ２０＋Δθ２０におけるｇ１の値ｇ１１を求める。これから次の値が求まる。
【００８０】
【数１０】
0003569898.tif 000011
【００８１】
これらの値を式（８）に代入すると、そのときのΔθの値Δθ２が求まる。Δθ２が所定精度内の値でないとき、初期値から角度Δθ２移動させて、式（８）により新たなΔθ２を求める。これをΔθ２が所定精度範囲内の値になるまで繰り返し、所定精度範囲内の値になったときの反復漸近の角度θ２０−ΣΔθ２が最短距離を実現する角度である。距離関数Ｌ（θ）には複数の極小点がある可能性があるので、初期値を複数個変更して反復漸近の角度θをそれぞれ計算し、そのときの漸近距離の値を求め、その値が最小な漸近距離を最短距離として求めることができる。
【００８２】
同様に、ニュートン法で距離Ｌ１０を最短にする角度θ３が求まる。この値をＬ９，Ｌ１０に代入し、最短距離Ｄ９，Ｄ１０を計算する（ステップＳ２）。なお、最短距離Ｄ８はＰ０とＡ１の座標の直線距離Ｌ８として求まる。
【００８３】
次のステップＳ３では、初期位置をＸ方向Δｘ０微小移動した位置について、ステップＳ２と同じく最短距離Ｄ８ｘ，Ｄ９ｘ，Ｄ１０ｘを計算する。更に、ステップＳ４で初期位置をＹ方向Δｙ０微小移動した位置について、ステップＳ２と同じく最短距離Ｄ８ｘ，Ｄ９ｘ，Ｄ１０ｘを計算する。
【００８４】
続く、ステップＳ５において、ステップＳ２〜Ｓ４で求められた最短距離及びｆ１，ｆ２の値から、漸近位置の変動量Δｘ，Δｙを次のように求める。
方程式（４．１），（４．２）の初期位置ｘ０，ｙ０におけるｆ１，ｆ２，∂ｆ１／∂ｘ，∂ｆ１／∂ｙ，∂ｆ２／∂ｘ，∂ｆ２／∂ｙの値は次式から求まる。これらの値を方程式（４．１），（４．２）に代入し、Δｘ，Δｙを求める。
【００８５】
【数１１】
0003569898.tif 000012
【００８６】
初期位置より解に近づいた漸近位置としてｘ０−Δｘ，ｙ０−Δｙが求まる。ステップＳ６で、この位置が処理室上壁上の範囲内かどうか確認する。範囲内ならば、ステップＳ７に進み、異常放電位置への漸近が十分行われたか否かをΔｘ，Δｙの変動量で判定する。Δｘ，Δｙの変動量が所定精度範囲内の値でないとステップＳ７で判断されると、ステップＳ８で初期位置を−Δｘ，−Δｙだけ移動した位置を次の漸近位置として設定し、次のΔｘ，Δｙの変動量が所定精度範囲内の値になるまで反復繰り返す。ステップＳ７で、Δｘ，Δｙの変動量が所定精度範囲内の値と判断されると、ステップＳ９に進み、ステップＳ９においてｘ＝ｘ０−ΣΔｘ，ｙ＝ｙ０−ΣΔｙはその領域での漸近近似解として、他に漸近する近似解も存在する可能性があるので、候補位置として記憶される。
【００８７】
ステップＳ６で漸近位置が上壁上範囲外の位置Ｐ１と判断されると、第１４図のステップＳ１０において、側壁の対応する位置Ｐ２が漸近位置とされる。この位置Ｐ２は第１６図のように、処理室上壁からはみ出した経路ｌを側壁に沿って垂直に降ろした点とする。側壁の位置Ｐ２を基に、より漸近した位置を同様に反復繰り返して求める（ステップＳ１２〜Ｓ１４）。この際、第１７図のように超音波が同一平面上を伝播する経路（経路ａ）又は上壁上を介して伝播する経路（経路ｃ）の２経路が存在する可能性があるので、どちらが最短距離か計算する必要がある。
【００８８】
ステップＳ１４において得られたΔｘ，Δｙが側壁上の範囲外の座標であるとステップＳ１５で判断されると、ステップＳ１７においてステップＳ１０とは逆の方法で対応する座標が２次元平面座標系のどの範囲に属するか計算する。対応する座標が下壁上の範囲内の座標であるならば、ステップＳ２０において、この座標を異常放電源が下壁上に存在すると仮定する漸近位置として設定し、ブロックＢ３ｂに進み、近似解を反復漸近して求める。対応する座標が下壁上の座標でないならば、ステップＳ２１に進み、この座標を異常放電源が上壁上に存在すると仮定する漸近位置として設定し、異常放電源が上壁上に存在すると仮定するブロックＢ３ａ内のステップＳ２に進み、近似解を反復漸近して求める。
【００８９】
次に、ブロックＢ３ｂで、処理室下壁上に異常放電源位置を仮定して、初期値を設定し、ブロックＢ３ａと同様に漸近位置を反復計算して異常放電源の候補位置が求められる。各初期値からの候補位置が全て求まると、ブロックＢ４で、候補位置の中から異常放電源の正しい位置が求まる。
【００９０】
第１３図，第１４図の具体例では、ステップＳ１０，ステップＳ２０，Ｓ２１において、計算された漸近位置が、異常放電源が存在すると仮定した領域外にあると判断された場合には、この位置に対応する位置を他の領域に求め、他の領域に異常放電源が存在すると仮定して、この対応する位置を他の領域のいわば初期位置として計算に使用する計算ループを設けている。
【００９１】
これにより、設定された初期位置以外に、異常放電源により近い可能性のある座標位置を初期位置として使用でき、反復繰り返し計算による近似解を求める演算速度を速くすることができる。更に、ブロックＢ３ａ，Ｂ３ｂにおける、初期値設定（例えば、ステップＳ１）は、複数設定し、順次変更して、それぞれ候補位置を求めるようにすることもできる。
【００９２】
最後に、異常放電源の発生位置が電極又は電極支柱に発生した場合を説明する。第１８図は下部電極上の位置Ｐに異常放電源が発生した場合の超音波伝播経路を示している。図中、２２は処理室下壁、２３は下部電極、２４は下部電極支柱を表している。超音波検出部８，９，１０への超音波伝播経路を、それぞれ、ｅ，ｆ，ｇで示す。式（４．１）〜（４．３）はいずれも伝播距離差で異常放電源を計算するものである。したがって、超音波検出部８，９，１０側からみる超音波発生源への距離は、それぞれ点Ｅ，Ｆ，Ｇまでの距離である。点Ｅ，Ｆ，Ｇは、電極支柱２４の径以下の電極支柱付近の範囲内に存在する。
【００９３】
ニュートン法よる漸近近似解は曲線勾配とｙ＝０との交点で求められるので、電極上、電極支柱上の異常放電源の漸近位置は処理室上壁上又は下壁上における電極支柱の範囲内の位置として求められる。二次元平面座標系では、電極支柱の範囲内に異常放電源の位置が特定されたときは、異常放電源は電極上又は電極支柱面上に発生したと検出されるが、その位置の特定はできない。
【０１０２】
（産業上の利用可能性）
本発明のプラズマ異常放電検出装置及び方法によれば、プラズマの異常放電を迅速に感度良く検出することができる。また、真空槽や放電電極に複数個の超音波センサーを配置し、夫々の検出した超音波を同一時間軸上で比較し夫々の遅延時間を求めることにより、異常放電発生部位・位置を特定することができる。この結果、プラズマ処理中の異常放電の発生とその時の衝撃（ＡＥ）の大きさ（強さ）を的確に自動的に知ることができ、プラズマ処理装置を自動的に停止することにより不良製品の作り込み防止の効果がある。
【０１０３】
異常放電部位・位置の特定により、早急な装置復旧が可能なことに加え、異常放電の防止対策が的確に実施でき、消耗部品等の管理の効率化は計れる。また、本発明は本質的な改造を施さなくても、ＲＦプラズマのみならずＤＣスパッター等のＤＣプラズマにおけるスパ―ク、アーキング等の異常放電の検出にも適用できる利点がある。
【０１０４】
以上の通り、本発明のプラズマ異常放電位置標定方法によれば、プラズマ処理装置に任意に取り付けた４個の超普波センサーにより検出した超音波の遅延時間と距離の関係から、異常放電発生部位を特定することができる。この結果、異常放電発生部位特定のためのセンサーの設置位置が自由に設定できるようになり、センサーの設置場所を容易に見つけることができ、各機種に対応ができ、加えて検出装置のコストを押さえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ処理装置及び同装置にプラズマの異常放電を検出する本発明の異常放電検出部を設置する一例を説明する図である。
【図２】本発明のプラズマ異常放電検出装置の一例を模式的に示す。
【図３】プラズマ放電異常状態を検出する本発明の超音波検出部例の概略構成図である。
【図４】超音波検出部の検出波形例を示す図である。
【図５】第１図の異常検出部の配置において下部電極に異常放電が発生した場合の各異常検出部の検出波形例を示す図である。
【図６】４個の異常放電検出部で異常放電位置を検出する際の、異常放電検出装置の配置例を示す図である。
【図７】４個の異常放電検出部で異常放電位置を検出するプラズマ異常放電検出装置を模式的に示す図である。
【図８】第６図のように配置された超音波検出部が検出した検出波形を例示的に示す図である。
【図９】４個の異常放電源の位置を計算する際の処理室壁位置を表す二次元平面座標系を説明する図である。
【図１０】異常放電源から超音波検出部までの超音波伝播経路例を説明する図である。
【図１１】本発明の異常放電位置を計算する際に使用するニュートン法による反復漸近法を説明する図である。
【図１２】４個の異常放電検出装置の計測波形を基に、異常放電位置を反復漸近による近似計算処理により求める全体フロー図である。
【図１３】第１２図の全体フローの一部を一具体例で説明する図（その１）である。
【図１４】第１２図の全体フローの一部を一具体例で説明する図（その２）である。
【図１５】異常放電源が処理室上壁にあると仮定し、異常放電源の位置の初期位置Ｐ０から超音波検出部への超音波伝播経路を示す図である。
【図１６】計算された漸近位置が処理室上壁範囲外にある際の、側壁位置への対応を説明する図である。
【図１７】異常発生源から超音波検出部への超音波伝播経路が２経路考えられる場合の例を示す図である。
【図１８】下部電極に異常放電が発生したとき各超音波検出部がみる異常放電距離を説明する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003569898.tif 000019
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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