(57)【要約】  高周波プラズマシステム（１００）におけるアークを検出するアーク検出器（１）は、ａ．高周波源（３、３’）にそれぞれ接続するための少なくとも２つの入力部（２、２’）およびプラズマ負荷（５）に接続するための少なくとも１つの出力部（４）と、ｂ．以下、すなわち、ｉ．入力部（２、２’）および出力部（４）に接続された３ｄＢカプラ（６）と、ｉｉ．３ｄＢカプラ（６）と出力部（４）との間で伝送される少なくとも２つの物理量を測定する測定装置（７）と、ｉｉｉ．少なくとも２つの物理量に基づいて評価量を特定する特定器（８）と、ｉｖ．評価量を微分する微分器（９）と、ｖ．微分器の出力量と、アークを示す基準値とを比較する比較器（１０）と、を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波プラズマシステム（１００）におけるアークを検出するアーク検出器（１）において、前記アーク検出器（１）は、
ａ．高周波源（３、３’）にそれぞれ接続するための少なくとも２つの入力部（２、２’）およびプラズマ負荷（５）に接続するための少なくとも１つの出力部（４）と、
ｂ．以下、すなわち、
ｉ．前記入力部（２、２’）および前記出力部（４）に接続された３ｄＢカプラ（６）と、
ｉｉ．前記３ｄＢカプラ（６）と前記出力部（４）との間で伝送される少なくとも２つの物理量を測定する測定装置（７）と、
ｉｉｉ．少なくとも２つの前記物理量に基づいて評価量を特定する特定器（８）と、
ｉｖ．前記評価量を微分する微分器（９）と、
ｖ．前記微分器の出力量と、アークを示す基準値とを比較する比較器（１０）と、を有するアーク検出器（１）。
【請求項２】
前記測定装置（７）は、前記入力部（２、２’）に供給される高周波信号の周波数よりも高いサンプリングレートで量を測定するように構成されている、請求項１記載のアーク検出器。
【請求項３】
前記測定装置（７）は、前記高周波信号の前記周波数の２倍よりも高いサンプリングレートで前記量を測定するように構成されている、請求項２記載のアーク検出器。
【請求項４】
前記測定装置（７）は、前記高周波信号の前記周波数の５倍よりも高いサンプリングレートで前記量を測定するように構成されている、請求項３記載のアーク検出器。
【請求項５】
前記３ｄＢカプラ（６）の前記出力部（４）は、１００Ｗ〜１ｋＷの範囲の電力出力にわたって現実の出力インピーダンス、特に一定の現実の出力インピーダンス、特に５０オームの出力インピーダンスを有する、請求項１から４までのいずれか１項記載のアーク検出器。
【請求項６】
前記測定装置は、電圧および電流を測定するＶ／Ｉプローブである、請求項１から５までのいずれか１項記載のアーク検出器。
【請求項７】
前記アーク検出器は、測定された前記電流および電圧からインピーダンス値を計算するように構成されている、請求項６記載のアーク検出器。
【請求項８】
前記アーク検出器は、前記インピーダンスを前記微分器（９）によって微分し、前記微分器（９）の前記出力量と、前記基準値と比較するように構成されている、請求項７記載のアーク検出器。
【請求項９】
前記アーク検出器（１）は、微分された前記インピーダンスが、基準値を下回るかまたは基準値を上回る場合にアークを検出するように構成されている、請求項８記載のアーク検出器。
【請求項１０】
前記特定器（８）は、位相検出器である、請求項１から９までのいずれか１項記載のアーク検出器。
【請求項１１】
前記特定器（８）は、インピーダンス検出器である、請求項１から１０までのいずれか１項記載のアーク検出器。
【請求項１２】
プラズマプロセスを直接的または間接的に監視するプロセスモニタ（１１）が設けられている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のアーク検出器。
【請求項１３】
前記プロセスモニタ（１１）は、前記特定器（８）によって出力される量および／または少なくとも１つの前記物理量を追跡する追跡器（１２）を有する、請求項１２記載のアーク検出器。
【請求項１４】
前記比較器（１０）および前記プロセスモニタ（１１）に接続されたアーク検出信号発生器（１３）であって、前記微分器（９）の前記出力量が前記基準値を通過しかつ前記プロセスモニタによってプロセス変化が示されない場合に、アーク検出信号を出力するように構成されているアーク検出信号発生器（１３）が設けられている、請求項１２または１３記載のアーク検出器。
【請求項１５】
少なくとも前記特定器（８）、微分器（９）および比較器（１０）が、論理回路、特にＦＰＧＡに組み込まれている、請求項１から１４までのいずれか１項記載のアーク検出器。
【請求項１６】
プラズマ供給システム（１００）において、前記プラズマ供給システム（１００）は、
ａ．請求項１から１５までのいずれか１項記載のアーク検出器（１）と、
ｂ．前記アーク検出器（１）の入力部（２、２’）に接続された２つの高周波源（３、３’）と、
ｃ．前記アーク検出器（１）の出力部（４）に接続された負荷、特にプラズマ負荷（５）と、を有する、プラズマ供給システム（１００）。
【請求項１７】
プラズマ負荷（５）におけるアークを検出するための、プラズマ供給システム（１００）における、請求項１から１５までのいずれか１項記載のアーク検出器（１）の使用。
【請求項１８】
３ｄＢカプラ（６）と、高周波電力信号が供給されるプラズマ負荷（５）とを有するシステムにおけるアーク検出方法において、前記方法は、以下のステップ、すなわち、
ａ．前記３ｄＢカプラ（６）とプラズマ負荷（５）との間で少なくとも２つの物理量を測定するステップと、
ｂ．少なくとも２つの前記物理量に基づいて評価量を特定するステップと、
ｃ．前記評価量を時間について微分するステップと、
ｄ．微分された量と、アークを示す基準値とを比較するステップと、を有する、アーク検出方法。
【請求項１９】
微分された前記量および／または前記物理量を監視する、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記高周波電力信号の周波数よりも高いレートで前記物理量をサンプリングする、請求項１８または１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アークを検出するアーク検出器と、高周波プラズマシステムと、プラズマ供給システムと、アーク検出方法とに関する。
【０００２】
プラズマプロセスにおける陰極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。このスパッタリングは、慣用的に行うか、または反応性ガスを使用して行うことが可能である。この場合、これは反応スパッタリングと称される。このために電源によってプラズマが発生され、このプラズマによってターゲットから材料が除去され、次にこの材料が基板、例えばガラス基板にコーティングされる。反応性プロセスが使用される場合、ターゲット原子は、所望のコーティングに応じて、ガス原子または分子と結合することが可能である。
【０００３】
特に、反応性プロセスが使用されている場合、プラズマプロセスにおいてアークが発生することがある。このようなアークは、プラズマプロセスにとって害になることがあり、またコーティングを破壊してしまうことさえもある。したがってアークを迅速かつ確実に検出する必要がある。アークは、電源の出力電圧を監視することによって検出されることが多い。出力電圧に急速な下降がある場合、アークが検出される。択一的には電流を監視可能である。出力電流に瞬時の上昇がある場合、このことよってもアークが示される。特に、電源の出力電流および出力電圧はそれぞれ、監視可能でありかつ閾値と比較可能である。
【０００４】
アークが検出されると、大抵の場合、電源が切られてアークが消弧させられる。電源を切ることにより、結果的に成膜速度が遅くなる。したがって電源断は、可能な限りに短く、しかしながらさらなるアークの発生を回避するのに必要な長さにすべきである。
【０００５】
本発明の目的は、アークの検出において信頼性を有しかつ容易に実現可能なアーク検出器、アーク検出器を有するプラズマシステム、およびアーク検出方法を提供することである。
【０００６】
本発明の第１様相において、上記の目的は、高周波プラズマシステムにおけるアークを検出するアーク検出器によって達成され、このアーク検出器は、
ａ．高周波源にそれぞれ接続するための少なくとも２つの入力部およびプラズマ負荷に接続するため少なくとも１つの出力部と、
ｂ．以下、すなわち、
ｉ．入力部および出力部に接続された３ｄＢカプラと、
ｉｉ．３ｄＢカプラと出力部との間で伝送される少なくとも２つの物理量を測定する測定装置と、
ｉｉｉ．少なくとも２つの物理量に基づいて評価量を特定する特定器と、
ｉｖ．評価量を微分する微分器と、
ｖ．微分器の出力量と、アークを示す基準値とを比較する比較器と、を有する。
【０００７】
微分器を使用することは一見したところ不利である。というのは、アークを検出できるようになる前にまず量を微分しなければならないため、アーク検出が比較的緩慢になるからである。したがって、例えば電流および電圧のような物理量を直接に使用すれば、より高速のアーク検出が可能になると思われる。さらに３ｄＢカプラは、キャパシタンスおよびインダクタンス、すなわちエネルギ蓄積コンポーネントを有し、これらのコンポーネントが不利になることがある。というのは、アークが検出された後、プラズマへの電力またはエネルギの供給は、可能な限りに迅速に停止すべきであり、これが、３ｄＢカプラのこれらのコンポーネントにエネルギが蓄積されている場合には困難になり得るからである。しかしながら、３ｄＢカプラの出力インピーダンスは一定値であるため、３ｄＢカプラを使用することが有利であることが判明した。このことにより、３ｄＢカプラの出力インピーダンスの測定は、格段に信頼性が高くなり、かつプラズマプロセスのインピーダンスに依存する。したがって、微分器と組み合わせて３ｄＢカプラを使用することの利点により、比較的緩慢なアーク検出を使用することのデメリットが相殺される。本発明によるアーク検出器を使用することにより、アークは格段に高い信頼性で検出可能であり、特に、誤ったアーク検出およびプラズマプロセスの不要な中断を回避可能である。
【０００８】
３ｄＢカプラは、「ハイブリッドカプラ」とも称され、プラズマ電源の領域におけるその振る舞いは、米国特許第７１５１４２２号明細書、米国特許第７４７７１１４号明細書、米国特許出願公開第２０１８／０１２３２１２号明細書、米国特許出願公開第２０１３／００３８２２６号明細書、欧州特許第２２０２７７６号明細書、米国特許第８１３３３４７号明細書に記載されており、例えば、本願の意味において、３ｄＢカプラは、これらの文献に記載されているように振る舞う。
【０００９】
上記の測定装置は、入力部に供給される高周波信号の周波数よりも高いサンプリングレートで量を測定するように構成可能である。特に、サンプリングレートは、高周波信号の周波数の２倍より高く選択可能であり、または高周波信号の周波数の５倍よりも高く選択することさえも可能である。高いサンプリングレートを使用することにより、物理量、特に電流および電圧は、高い分解能で測定可能である。これにより、アーク検出器の信頼性も改善される。
【００１０】
３ｄＢカプラの出力部は、１００Ｗ〜１ｋＷの範囲の電力出力にわたって現実の出力インピーダンス、特に一定の現実の出力インピーダンス、特に５０オームの出力インピーダンスを有していてよい。一定の出力インピーダンス、特に５０オームの出力インピーダンスを実現するための３ｄＢカプラの設計は、例えば、米国特許出願公開第２０１８／０１２３２１２号明細書に記載されている。
【００１１】
上記の測定装置は、Ｖ／Ｉプローブであってよい。Ｖ／Ｉプローブは、電圧および電流を測定するために使用可能である。測定される電流および電圧は、例えば、評価量としてのインピーダンス値を計算するために使用可能である。次にこのインピーダンスを微分器によって微分することができ、この微分器の出力量を、基準値と比較することができる。微分されたインピーダンスが基準値を下回るかまたは基準値を上回る場合にアークを検出可能である。
【００１２】
上記の特定器は、位相検出器であってよい。したがって特定器は、測定された２つの物理量の間の位相差、例えば測定された電流および電圧間の位相差を特定可能である。この位相差をさらに処理することにより、アークも検出可能である。
【００１３】
上述のように、特定器は、インピーダンス検出器であってよい。特に、測定された電圧および電流は、インピーダンスを計算するために使用可能である。しかしながら、アークの識別に使用可能な反射率または別の量を計算するように特定器を構成することも可能である。
【００１４】
上記のアーク検出は、アークの検出において極めて高い信頼性を有するが、プラズマチャンバにアークが存在しない場合に、位相またはインピーダンス導関数がアークを示す可能性がなお存在する。したがってプラズマプロセスを直接的または間接的に監視するプロセスモニタを設けることができる。例えば、プロセスモニタは、プラズマを視覚的に監視可能である。択一的には、３ｄＢカプラとプラズマチャンバとの間で伝送される物理量、例えば電流または電圧を監視可能である。
【００１５】
このために、プロセスモニタは、特定器によって出力される量および／または少なくとも１つの物理量を追跡する追跡器を有するように構成可能である。例えば、プロセスまたはこのプロセスにおける層が急速に変化する場合に誤ったアークを検出しないようにするために実際のインピーダンス値をつねに追跡可能である。このような変化はまた、インピーダンスまたは位相差における高速な変化に結び付くこともある。しかしながらこれが生じた場合、アークは検出されることはないはずである。
【００１６】
比較器およびプロセスモニタに接続されたアーク検出信号発生器であって、微分器の出力量が基準値を通過しかつプロセスモニタによってプロセス変化が示されない場合にアーク検出信号を出力するように構成されているアーク検出信号発生器を設けることができる。このようなアーク検出信号が発生される場合、プラズマプロセスにさらにエネルギが供給されることを回避するために高周波源の電力出力を停止することができる。しかしながら電力供給は、プラズマに実際にアークを存在する場合にのみ中断されるべきである。したがってアークの誤った検出を回避することは重要である。
【００１７】
少なくとも特定器、微分器および比較器が、論理回路、特にＦＰＧＡに組み込まれている場合には極めて高速なアーク検出が可能である。それゆえにデータ処理を極めて迅速に行うことができ、したがってアークを迅速に検出することができる。
【００１８】
本発明の別の一様相は、プラズマ供給システムに関し、このプラズマ供給システムは、
ａ．本発明によるアーク検出器と、
ｂ．アーク検出器の入力部に接続された２つの高周波源と、
ｃ．アーク検出器の出力部に接続された負荷、特にプラズマ負荷と、を有する。
【００１９】
このようなシステムは、高品質のプラズマ成膜層を作製するのに使用可能である。特に、誤ったアーク検出に起因するプラズマプロセスの中断を最小化可能である。
【００２０】
本発明の別の一様相は、プラズマ負荷におけるアークを検出するための、プラズマ供給システムにおける、本発明によるアーク検出器の使用に関する。
【００２１】
本発明の別の一様相は、３ｄＢカプラと、高周波信号が供給されるプラズマ負荷とを有するシステムにおいてアークを検出する方法に関し、この方法は、以下のステップ、すなわち、
ａ．３ｄＢカプラとプラズマ負荷との間で少なくとも２つの物理量を測定するステップと、
ｂ．少なくとも２つの物理量に基づいて評価量を特定するステップと、
ｃ．評価量を時間について微分するステップと、
ｄ．微分された量と、アークを示す基準値とを比較するステップと、を有する。
【００２２】
このような方法は、アーク検出の点において、また特に誤ったアーク検出を回避するという点において極めて高い信頼性を有する。さらに、３ｄＢカプラの出力インピーダンスが一定であることに起因して、インピーダンス整合のためのコストを極めて低く抑えることができるため、この方法は、アーク検出器に比較的安価に実装可能である。
【００２３】
上記の微分された量および／または物理量は監視可能である。したがって、プラズマプロセスはつねに監視可能である。これを行うことにより、誤ったアーク検出を回避可能である。というのは、アークは、急速なインピーダンス変化または２つの物理量間の位相差における変化が、プロセス変化に起因するかまたはアークに起因する場合に検出され得るからである。
【００２４】
物理量は、高周波電力信号の周波数よりも高いレートでサンプリング可能である。したがって物理量は、極めて高い周波数でサンプリング可能であり、結果的に高い分解能が得られ、これによってアーク検出の信頼性がより高められる。
【００２５】
以下では、ただ１つの図に関連して、本発明を図示して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】アーク検出器を有するプラズマ供給システムを示す図である。
【００２７】
ただ１つの図は、アーク検出器１を有するプラズマ供給システム１００を示している。アーク検出器１は、高周波源３、３’にそれぞれ接続された２つの入力部２、２’を有する。
【００２８】
アーク検出器１はさらに、負荷、特にプラズマ負荷に、さらに具体的にはプラズマプロセスに接続された出力部４を有する。
【００２９】
アーク検出器１は、入力部２、２’に、したがって高周波源３、３’に接続された３ｄＢカプラ６を有する。３ｄＢカプラ６の出力部は、５０オームの一定の現実のインピーダンスを有する。３ｄＢカプラ６と負荷５との間には、３ｄＢカプラ６と負荷５との間で伝送される物理量を測定する測定装置７が設けられている。この測定装置は、例えば、Ｉ／Ｖプローブとして実現されていてよい。
【００３０】
測定された物理量は、測定装置７に接続された特定器８に供給される。特定器８により、測定装置７によって測定された少なくとも２つの物理量に基づいて評価量が特定される。例えば、特定器により、インピーダンスまたは位相差が特定される。
【００３１】
特定器８は、特定器８によって特定された評価量を時間について微分する微分器９に接続されている。導関数は、微分器９の出力量と、アークを示す基準値Ｒｅｆとを比較する比較器１０に出力される。
【００３２】
特定器８の出力はまた、例えば、特定器８によって特定されるインピーダンスを追跡する追跡器１２を有するプロセスモニタ１１にも供給される。追跡器１２の出力は、検出信号発生器１３に出力され、検出信号発生器１３にも比較器１０の出力信号が供給される。比較器１０の出力信号によってアークが示され、かつプロセスモニタ１１の出力によって、プラズマプロセスに大きな変化がないことが示される場合にのみ、アークが検出され、すなわちアーク検出信号が発生される。この信号は、次に高周波源３、３’に供給され、高周波源のシャットダウンに結び付き得る。したがってプラズマプロセスにはさらに電力が供給されず、これによってアークが消弧される。
【図１】
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【国際調査報告】
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