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WO2015079595A1 - プラズマ未着火状態検出装置およびプラズマ未着火状態検出方法 - Google Patents

プラズマ未着火状態検出装置およびプラズマ未着火状態検出方法 Download PDF

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WO2015079595A1
WO2015079595A1 PCT/JP2013/084820 JP2013084820W WO2015079595A1 WO 2015079595 A1 WO2015079595 A1 WO 2015079595A1 JP 2013084820 W JP2013084820 W JP 2013084820W WO 2015079595 A1 WO2015079595 A1 WO 2015079595A1
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WO
WIPO (PCT)
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value
conversion
plasma
voltage
reflected wave
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2013/084820
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English (en)
French (fr)
Inventor
譲原　逸男
諭 相川
亮介 大間
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd filed Critical Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
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Priority to CN201380080864.2A priority patent/CN105723813B/zh
Priority to EP13898096.6A priority patent/EP3068197B1/en
Priority to PL13898096T priority patent/PL3068197T3/pl
Priority to KR1020167012131A priority patent/KR101689509B1/ko
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    • H05H2242/20—Power circuits
    • H05H2242/26—Matching networks

Definitions

  • the present invention relates to detection of an unignited state of plasma, and relates to a detection apparatus and a detection method for detecting an unignited state of plasma in plasma generation by high-frequency power supply from a high-frequency power source (RF power source).
  • RF power source high-frequency power source
  • Plasma processing apparatuses such as semiconductor manufacturing apparatuses and electronic device manufacturing apparatuses, and plasma generation apparatuses such as CO 2 laser processing machines are known to use plasma generated by radio frequency (RF). It is known that plasma generation is performed by high frequency power supply (RF power supply) by CW drive (Continuous wave) or pulse drive.
  • RF radio frequency
  • FIG. 20 is a schematic diagram for explaining driving of a plasma load by a high frequency power source (RF power source).
  • RF power source a pulse output outputted from a high frequency power source (RF power source) 100 is supplied to a plasma load 102 such as a plasma processing apparatus or a CO 2 laser processing machine via a matching unit 101.
  • the pulse output by the pulse drive of the high frequency power source is a high frequency (RF) output that repeats an off state and an on state at a high frequency.
  • RF high frequency
  • a traveling wave voltage of pulse output is intermittently supplied to the plasma load, and thus the plasma of the plasma load is repeatedly turned on and off.
  • a reflected wave is generated even if the pulse drive state is normal.
  • the reflection coefficient ⁇ becomes almost 1 ( ⁇ 1) from the time when the radio frequency (RF) output is switched from the off state to the on state until the plasma is ignited ( ⁇ 1). It becomes.
  • a reflected wave is generated from the plasma load toward the high frequency power source.
  • the factors that generate the reflected wave include, for example, the natural vibration of the matching unit and the plasma ignition operation.
  • the reflected wave at the time of the pulse drive is generated in the plasma ignition operation in any state where the plasma is normally ignited and in the state where the plasma is not normally ignited and is not ignited.
  • the RF power amplifying element included in the high frequency power supply may be damaged due to the high voltage of the reflected wave.
  • the reflected waves returning from the load to the high-frequency power source are monitored by a power monitor, and when the peak value of the reflected waves is lower than the threshold value, the plasma It is known that it is determined that ignition has occurred and that the plasma has not been ignited when the peak value of the reflected wave is higher than a threshold value (see Patent Document 1).
  • JP-A-9-260096 (paragraph [0043], paragraph [0044]) JP 2004-39844 (paragraph [0010], paragraph [0044]) JP 2004-8893 A (paragraph [0011], paragraph [0019])
  • the reflected wave generated repeatedly in the normal ignition state and the non-ignition state are not detected. Since the reflected wave generated in the ignition state is detected without distinction, the reflected wave generated in the plasma ignition state may be erroneously detected as a total reflection wave in the plasma non-ignition state.
  • the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and in the detection of the unignited state of plasma by reflected waves, it prevents the erroneous detection at the time of normal plasma ignition and detects the unignited state at the time of abnormal plasma. Objective.
  • an object is to protect the element from element damage due to heat accumulation of the RF amplification element in the plasma non-ignition state by detecting the total reflection wave that continues for a predetermined time in the plasma non-ignition state.
  • the present invention detects a reflected wave voltage of a reflected wave returning from the plasma load to the high frequency power source when supplying a pulse output from the high frequency power source to the plasma load by pulse driving, and detects the reflected wave voltage detected
  • the non-ignition state at the time of plasma abnormality is detected based on the continuation state of the reflected wave obtained from (1).
  • the present invention detects a non-ignition state at the time of plasma abnormality based on the continuation state of the reflected wave, so that a total reflected wave generated in the non-ignition state at the time of plasma abnormality is a reflected wave generated in a normal ignition state. Detected separately. As a result, in the detection of the unignited state by comparing the peak value of the reflected wave and the threshold value, the reflected wave generated in the normal ignition state is erroneously detected as the total reflection generated in the abnormal unignited state. Can be prevented.
  • the plasma non-ignition state is detected within the duration of the total reflected wave state that the high frequency power supply (RF power supply) can accept from the time when the high frequency output (RF output) is output.
  • the high-frequency power supply receives an output signal (abnormal signal) output by detecting an unignited state
  • the high-frequency power supply can be protected by performing a process of protecting the output drooping or stopping the output.
  • instantaneous reflection that repeatedly occurs while the plasma is normally ignited is determined to be normal, and an unignited state detection signal is not output.
  • a high frequency output RF output
  • the plasma when the plasma is in an unignited state, when a high frequency output (RF output) is applied to the load and a total reflected wave is continuously generated, it corresponds to the amount of heat applied to the RF power amplifying element.
  • RF output high frequency output
  • the protection operation can be performed before the allowable reflected wave resistance of the RF power amplification element of the high frequency power supply (RF power supply) is exceeded, the configuration of the power amplification element of the high frequency power supply (RF power supply) is in an abnormal state. Therefore, it is sufficient to consider the loss during normal operation, so that the minimum necessary configuration can be achieved.
  • the present invention can be a method aspect and an apparatus aspect.
  • the aspect of the plasma non-ignition state detection method according to the present invention detects the reflected wave voltage from the plasma load to the high frequency power supply in the supply of the pulse output from the high frequency power supply to the plasma load by pulse driving, and the detected peak value of the reflected wave voltage Based on the fluctuation state, a conversion amount corresponding to the amount of heat applied to the RF power amplifying element of the high frequency power source is obtained.
  • the calculated conversion amount is compared with a threshold value corresponding to the allowable heat amount of the RF power amplification element, and an unignited state of plasma is detected based on the comparison result. If the calculated conversion amount is less than the threshold value, it is determined that the plasma is not ignited, and if the calculated conversion amount exceeds the threshold value, it is determined that the plasma is not ignited. Detects the plasma non-ignition state.
  • the following first conversion step to third conversion step are provided as steps for obtaining a conversion amount corresponding to the amount of heat applied to the RF power amplification element.
  • a comparison step of detecting plasma non-ignition based on the above is provided.
  • Each conversion step and comparison step can be performed by analog processing or digital processing, and each step can be performed by software using a configuration including a CPU and a memory storing a program for causing the CPU to perform each step. it can.
  • the first conversion step is a step of obtaining a first conversion value corresponding to the amount of heat applied to the RF power amplification element of the high frequency power supply.
  • the first converted value is obtained based on the detected reflected wave voltage and the duration of the reflected wave.
  • the second conversion step is a step of obtaining a second conversion value corresponding to the amount of heat released from the RF power amplification element of the high frequency power source.
  • the second converted value in each cycle of the pulse driving, the elapsed time from the peak value becomes zero in the reflected wave voltage V r, or determined based on the elapsed time from the start of the application of the pulse output.
  • the third conversion step is a step of obtaining a third conversion value corresponding to the heat storage amount stored in the RF power amplification element of the high frequency power source.
  • the third converted value is obtained from the difference between the first converted value and the second converted value.
  • the comparison process is a process of detecting the unignited state of the plasma by comparing the calculated conversion value and the threshold value, and corresponds to the third conversion value calculated in the third conversion process and the allowable heat amount of the RF power amplification element. And a non-ignited state of the plasma is detected when the third converted value exceeds the threshold value.
  • a first form based on the charge / discharge voltage and a second form based on numerical calculation are provided.
  • the first form of the conversion step is an aspect in which the converted value is obtained based on the charge / discharge voltage, and the first converted value corresponding to the amount of heat applied to the RF power amplifying element of the high frequency power supply is obtained by the charged voltage of the reflected wave.
  • the second converted value corresponding to the amount of heat released from the RF power amplifying element of the high frequency power supply is obtained from the discharge voltage, and the third converted value corresponding to the heat storage amount stored in the RF power amplifying element of the high frequency power supply is charged as the charging voltage. Calculated by subtracting the discharge voltage from the voltage.
  • the pulse drive driving conditions are set to the maximum value that can set the pulse frequency of pulse driving in the normal state and the maximum value that can set the duty ratio of the RF on section within one cycle of pulse driving.
  • the discharge time constant ( ⁇ disc ) is longer than the charge time constant ( ⁇ c ), and the charge / discharge voltage is selected so as not to reach the voltage level of the device protection detection level.
  • the charging voltage obtained by charging the peak value of the reflected wave voltage with the charging time constant ( ⁇ c ) is obtained as the first conversion value, and the charging time constant ( ⁇ disc ) is calculated from the charging voltage of the first conversion value.
  • the voltage obtained by discharging is obtained as a third converted value.
  • charging / discharging is repeatedly performed in units of one cycle of pulse driving, and charging is performed while the reflected wave is generated within one cycle as a charging time, and the generation of the reflected wave is terminated and the reflected wave is generated.
  • the discharge is performed while the peak value is zero as the discharge time.
  • This charge / discharge value is a value converted as corresponding to the amount of heat applied to the RF power amplification element by the reflected wave, and an unignited state of plasma is detected based on this converted value.
  • the reflected wave In charging / discharging of the reflected wave generated in one cycle of pulse drive, the reflected wave is generated because the reflected wave is temporarily generated at the rise and fall of the RF on section when the plasma is normally ignited.
  • the charging is performed only for a short time, and thereafter, the charging voltage is reduced to zero voltage by discharging. After discharging to zero voltage, charging and discharging from zero voltage are repeated again in the next pulse drive cycle.
  • the reflected wave in the plasma non-ignition state plasma abnormal for continually totally reflected wave is generated over the RF on interval, charged between RF on interval is performed, discharge is performed in the subsequent RF off interval As a result, the charging voltage decreases.
  • the charging / discharging time constant ( ⁇ disc ) to be longer than the charging time constant ( ⁇ c )
  • the charging / discharging voltage does not decrease to zero voltage at the end of the RF off period, and the voltage remains. To do.
  • a threshold value for detecting a plasma non-ignition state a charge / discharge voltage corresponding to a device protection detection level for protecting the RF power amplifying element from thermal damage is set, and the threshold value and the charge / discharge voltage are set.
  • the threshold value exceeds the threshold value, it is determined that the amount of heat applied to the RF power amplification element has exceeded the device protection detection level, and the plasma is not ignited. To detect.
  • the discharge time constant ( ⁇ disc ) of charge / discharge is set to be longer than the charge time constant ( ⁇ c ), and is the maximum value that the pulse frequency of pulse driving can be set in a normal state, and the RF within one cycle.
  • the charging / discharging voltage is selected so as not to reach the voltage level of the device protection detection level.
  • the discharge time constant of charge / discharge ( ⁇ disc ) By setting the discharge time constant of charge / discharge ( ⁇ disc ) to be longer than the charge time constant ( ⁇ c ), the voltage at the end of each cycle can be left, and charge / discharge of the next cycle can be performed from the remaining voltage. By doing so, the charging voltage accumulated in a plurality of cycles can be obtained.
  • the charging voltage obtained in a plurality of cycles is a converted value corresponding to the amount of heat accumulated in the RF power amplifying element by the pulse output of the plurality of cycles, and the heat storage state in a plurality of cycles is not limited to one cycle in pulse driving. Can be monitored.
  • the maximum driving frequency can be set, the shortest cycle in which the pulse output cycle can be set, and the maximum duty cycle in the RF on section within one cycle. Therefore, the charge / discharge voltage is maximized when the plasma ignition state is normal.
  • the plasma ignition state is normal. Can be prevented from being erroneously detected as being in an unignited state.
  • the second form of the conversion process is an aspect in which a converted value is obtained based on the time integration of the reflected wave voltage.
  • the time width of the pulse output section is set to RF on, and no pulse is output.
  • the time width of the section is RF off
  • the first conversion value, the second conversion value, and the third conversion value are calculated by the following calculation.
  • the first converted value is a time integration (V r ⁇ k 1 ⁇ ⁇ 0 ) of the product (V r ⁇ k 1 ) of the peak value V r of the reflected wave voltage and the coefficient k 1 corresponding to the heat generation coefficient of the RF power amplification element.
  • the second conversion value is calculated by the time integral (k 2 ⁇ ⁇ 0 RFoff tdt) of the coefficient k 2 corresponding to the heat dissipation coefficient of the RF power amplification element
  • the third conversion value is subtracting the second converted value from the converted value - zero in the calculation of ⁇ (V r ⁇ k 1 ⁇ ⁇ 0 RFon tdt) (k 2 ⁇ ⁇ 0 RFoff tdt) ⁇ is calculated as the outermost downside.
  • the first conversion value, the second conversion value, and the third conversion value are calculated for each cycle of plasma driving, and in the conversion in the next cycle, the third conversion obtained in the previous cycle is used as the initial value of the first conversion value. Do. Time integration can be performed digitally.
  • the plasma non-ignition state detection device of the present invention is a non-ignition state detection device that detects a non-ignition state of plasma of the plasma load when supplying a pulse output to the plasma load by pulse driving from a high-frequency power source. Based on the detection means for detecting the reflected wave voltage toward the power supply and the peak value and fluctuation state of the reflected wave voltage detected by the detection means, a conversion amount corresponding to the amount of heat applied to the RF power amplification element of the high frequency power supply is obtained.
  • Comparing means and comparing means for comparing the converted amount obtained by the converting means with a threshold value corresponding to the allowable heat amount of the RF power amplifying element, and detecting an unignited state of plasma based on the comparison result of the comparing means To do.
  • the plasma non-ignition state detection apparatus uses the following first conversion means to third conversion means as the conversion means for obtaining the conversion amount corresponding to the amount of heat applied to the RF power amplification element, and the obtained conversion value. Comparing means for detecting plasma non-ignition is provided.
  • Each conversion means and comparison means can be constituted by an analog processing circuit or a digital processing circuit.
  • the first conversion means is a calculation means for obtaining a first conversion value corresponding to the amount of heat applied to the RF power amplification element of the high-frequency power source, and is obtained based on the reflected wave voltage V r and the duration of the reflected wave.
  • the second conversion means is a calculation means for obtaining a second conversion value corresponding to the amount of heat released from the RF power amplifying element of the high-frequency power source for a time width in which the peak value of the reflected wave is zero.
  • the time is calculated based on the elapsed time from when the peak value of the reflected wave voltage V r becomes zero, or the elapsed time from the start of applying the pulse output.
  • the third conversion means is a means for obtaining a third conversion value corresponding to the amount of heat stored in the RF power amplifying element of the high-frequency power source, and is obtained from the difference between the first conversion value and the second conversion value.
  • the comparing means is a means for comparing the third converted value obtained by the third converting means with a threshold value corresponding to the allowable heat amount of the RF power amplifying element, and when the third converted value exceeds the threshold value. The non-ignition state of plasma is detected.
  • the conversion means of the plasma non-ignition state detection device of the present invention includes a first form using an analog circuit and a second form using a digital circuit.
  • a first form of the conversion means is a configuration of an analog circuit of a charge / discharge circuit, and includes a charge / discharge circuit that charges a reflected wave voltage, discharges the charged voltage, and a comparison circuit that inputs an output of the charge / discharge circuit.
  • the discharge time constant ( ⁇ disc ) of the charge / discharge circuit is set to the maximum value that can set the pulse frequency of pulse drive during normal charge / discharge, and the duty ratio of the RF on section within one cycle of pulse drive This is a value that is longer than the charging time constant ( ⁇ c ) and is selected so that the charge / discharge voltage does not reach the voltage level of the device protection detection level in the pulse drive driving condition that is the maximum value that can be set.
  • the drive condition is set to the maximum that can set the pulse frequency, the shortest cycle that can set the pulse output cycle, and the maximum value that the duty ratio of the RF on section within one cycle can be set.
  • the charge / discharge voltage is maximized when the plasma ignition state is normal.
  • the discharge time constant ( ⁇ disc ) of charge / discharge longer than the charge time constant ( ⁇ c )
  • the voltage at the end of each cycle can be left, and the charge of the next cycle can be made from the remaining voltage.
  • a charging voltage accumulated in a plurality of cycles can be obtained.
  • the charging voltage obtained in a plurality of cycles is a conversion value corresponding to the amount of heat accumulated in the RF power amplifying element by a plurality of cycles of pulse output. According to this converted value, it is possible to monitor the heat storage state in a plurality of cycles as well as in one cycle in pulse driving.
  • the charging part of the charge / discharge circuit constitutes a first conversion means.
  • the charging unit outputs a charging voltage obtained by charging the reflected wave voltage detected by the detecting means with a charging time constant ( ⁇ c ) as a first converted value.
  • the discharging part of the charge / discharge circuit constitutes a second conversion means and a third conversion means.
  • the discharge unit discharges from the charge voltage that is the first converted value based on the time width in which the peak value of the reflected wave is zero with the discharge time constant ( ⁇ disc ), and outputs the voltage obtained by the discharge as the third converted value To do.
  • the comparison circuit constitutes a comparison means, and the charging voltage corresponding to the allowable heat quantity of the RF power amplifying element is set as a device protection detection level for protecting from thermal damage, and this device protection detection level is output from the charge / discharge circuit as a threshold value. The voltage is compared with the third converted value.
  • the threshold value In the comparison between the threshold value and the charge / discharge voltage, if the charge / discharge voltage exceeds the threshold value, it is determined that the amount of heat applied to the RF power amplification element has exceeded the device protection detection level, It is detected as an ignition state.
  • the second form of the conversion means is configured by a digital arithmetic circuit, and an A / D conversion circuit that converts the reflected wave voltage V r detected by the detection means into a digital value, and an arithmetic operation that performs digital arithmetic using the digital value as an input value. Circuit.
  • the arithmetic circuit in one cycle of plasma driving, sets a time width of a section for outputting a pulse to RF on , a time width of a section for not outputting a pulse to RF off , a first conversion means, a second conversion means,
  • the third conversion unit includes a first calculation unit, a second calculation unit, and a third calculation unit, respectively.
  • the first calculation unit is a time integral (V r ⁇ k 1 ⁇ ⁇ 0 ) of the product (V r ⁇ k 1 ) of the peak value V r of the reflected wave voltage and the coefficient k 1 corresponding to the heat generation coefficient of the RF power amplification element.
  • RFon tdt is a calculation unit that calculates the first converted value.
  • the second calculation unit is a calculation unit that calculates the second converted value by time integration (k 2 ⁇ ⁇ 0 RFoff tdt) calculation of the coefficient k 2 corresponding to the heat dissipation coefficient of the RF power amplification element.
  • Third arithmetic unit from the first conversion value obtained by subtracting the second converted value ⁇ (V r ⁇ k 1 ⁇ ⁇ 0 RFon tdt) - (k 2 ⁇ ⁇ 0 RFoff tdt) ⁇ in the calculating portion for calculating the Yes, the calculated value is calculated as a third converted value with zero as the lowest value.
  • the first conversion value, the second conversion value, and the third conversion value are calculated for each period of plasma driving, and the first conversion value in the next period is calculated using the third conversion of the previous period as an initial value.
  • the arithmetic circuit can be constituted by software and CPU arithmetic by DSP or FPGA in addition to hardware.
  • the plasma non-ignition state detection method and the plasma non-ignition state detection device of the present invention in the detection of the non-ignition state of plasma by reflected waves, it is possible to prevent erroneous detection during normal plasma ignition. An unignited state at the time of abnormality can be detected.
  • the plasma non-ignition state detection method and the plasma non-ignition state detection device of the present invention in the detection of the plasma non-ignition state, it is possible to detect a total reflected wave that continues for a predetermined time in the plasma non-ignition state.
  • the plasma non-ignition state detection method and the plasma non-ignition state detection device of the present invention by detecting the total reflected wave that continues for a predetermined time in the plasma non-ignition state, the heat is stored in the RF amplification element in the plasma non-ignition state.
  • the element can be protected from element damage.
  • RF power supply high frequency power supply
  • FIG. 1 the plasma non-ignition state detection apparatus and detection method of the present invention will be described with reference to FIG. 1 to explain the connection state between the plasma non-ignition state detection apparatus and the power sensor, and FIGS.
  • FIGS. 6 to 17 show configuration examples in which the reflected wave voltage is accumulated by charging and discharging the reflected wave voltage.
  • High frequency output is supplied by pulse drive from a high frequency power supply (RF power supply) to a plasma load of a plasma processing apparatus such as a semiconductor manufacturing apparatus or an electronic device manufacturing apparatus, or a plasma generator such as a CO 2 laser processing machine To do.
  • a pulse output of a predetermined frequency is turned on / off by a control signal having a predetermined duty ratio at a predetermined period, and electric power is supplied to a load to generate and maintain plasma.
  • the control signal is on, the pulse output is supplied to the load.
  • the control signal is off, the supply of the pulse output is stopped, and the power supplied to the load is controlled by the on / off duty ratio (time ratio) of the control signal.
  • the pulse drive control is performed by the power control unit.
  • the frequency of the pulse output of the pulse drive can be set according to the frequency of the high frequency output (RF output) supplied to the plasma load.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration in which power control is performed based on detection of whether or not the plasma load is in a plasma non-ignition state in pulse driving of the plasma load by a high frequency power source (RF power source).
  • FIG. 1 shows only a part of the configuration for controlling the power to the plasma load performed based on the detection of the plasma non-ignition state.
  • a power sensor 2 is connected between a high frequency power source (RF power source) and a plasma load, and a traveling wave power voltage (traveling wave voltage V f ) from the high frequency power source (RF power source) to the plasma load and the plasma load.
  • the voltage of the reflected wave power (reflected wave voltage V r ) returning from the power source to the high frequency power source (RF power source) is detected.
  • the unignited state detection device 1 detects an unignited state of plasma based on the reflected wave voltage V r detected by the power sensor 2, and when it detects that the plasma is in an unignited state, the unignited state detection signal V Outputs fail .
  • the power control unit 3 controls pulse driving of a high frequency power source (RF power source) based on the traveling wave voltage V f and the reflected wave voltage V r input from the power sensor 2. For example, if the plasma is a normal ignition state, traveling wave voltage V f satisfies controlling the duty ratio of the control signal to a predetermined voltage based on the progressive wave voltage V f detected by the power sensor 2. On the other hand, when the plasma is in an abnormal state and the plasma is not ignited, the power control unit 3 performs control to droop the high frequency output or temporarily stop the high frequency output.
  • RF power source radio frequency source
  • the unignited state detection device 1 detects an unignited state of plasma as an abnormal state of plasma.
  • the power control unit 3 performs control to droop or temporarily stop the high-frequency output based on the non-ignition state detection signal V fail that is output when the non-ignition state detection device 1 detects the plasma non-ignition state.
  • the plasma non-ignition state of the plasma load is detected based on the generation state of the reflected wave obtained from the reflected wave voltage Vr directed from the plasma load to the high frequency power source.
  • FIG. 2 shows a schematic configuration of the non-ignition state detection of the present invention.
  • Not ignition state detecting device 10 based on the peak value and variation state of the reflected wave voltage V r
  • the conversion means 11 for determining the equivalent amount corresponding to the amount of heat applied to the RF power amplifier device of a high-frequency power source
  • conversion means 11 Comparing means 12 for comparing the conversion amount obtained in step 1 with a threshold value corresponding to the allowable heat amount of the RF power amplifying element.
  • the conversion unit 11 includes a first conversion unit 11A, a second conversion unit 11B, and a third conversion unit 11C.
  • the first conversion means 11A receives the reflected wave voltage V r (S1 in FIG. 5) detected by the power sensor, and based on the duration of the reflected wave voltage V r and the reflected wave voltage V r , the RF of the high frequency power supply A first conversion value (heating conversion value) corresponding to the amount of heat applied to the power amplification element is obtained (S2 in FIG. 5).
  • the second conversion means 11B is configured so that, in each period of pulse driving, the high-frequency power supply is based on the elapsed time from when the peak value of the reflected wave voltage V r becomes zero or the elapsed time from the start of application of the pulse output. A second conversion value corresponding to the amount of heat released from the RF power amplification element is obtained.
  • the peak value of the reflected wave voltage V r is determined a second converted value based on the elapsed time from the zero, the heat radiation amount from the RF power amplifier element, the application of the reflected wave to the RF power amplifier device
  • the heat dissipation from the stopped state is mainly performed, and the amount of heat released while the reflected wave is applied to the RF power amplifying element is converted to be small.
  • the third conversion means 11C calculates a third conversion value (heat storage conversion amount) corresponding to the heat storage amount stored in the RF power amplification element of the high-frequency power source. Obtain (S4 in FIG. 5).
  • the comparison unit 12 compares the third conversion value obtained by the third conversion unit 11C with a threshold value corresponding to the allowable heat amount of the RF power amplification element.
  • the threshold value corresponds to the device protection detection level protected by the RF power amplification element.
  • the third conversion value exceeds the threshold value, the amount of heat accumulated in the RF power amplification element is detected as the device protection detection of the RF power amplification element. It is determined that the level has been exceeded (S5 in FIG. 5), and an unignited state of plasma is detected (S6 in FIG. 5).
  • the power control unit When the non-ignition state of plasma is detected, the power control unit performs control to suspend or stop the high-frequency output (RF output) to perform the protective operation (S7 in FIG. 5).
  • the power supply by pulse drive from the high frequency power supply is a low frequency pulse. This can be explained by two pulse modes, a mode and a high frequency pulse mode.
  • the low-frequency pulse mode is a pulse mode in which the pulse drive cycle interval is sufficiently long for the applied heating amount to be dissipated and no heat storage amount remains at the end of the pulse drive cycle.
  • the conversion amount is zero.
  • the heat storage conversion amount converted in the low-frequency pulse mode is integrated from the initial value zero in each cycle of pulse driving.
  • the high-frequency pulse mode is a pulse mode in which the pulse drive cycle interval is short in time for all the applied heating amount to be dissipated, and the heat storage amount remains at the end of the pulse drive cycle, The amount of heat storage equivalent remains. Integration of the heat storage conversion amount converted in the high frequency pulse mode is started with the heat storage conversion value at the end of the previous period as an initial value in each period of pulse driving.
  • the low-frequency mode and the high-frequency mode in the ignition state will be described using the signal diagram of FIG. 3, and the low-frequency mode and the high-frequency mode in the non-ignition state will be described using the signal diagram of FIG.
  • FIGS. 3A to 3D show the traveling wave voltage Vf, the reflected wave voltage Vr, the heat storage equivalent amount H ac , and the unignition state detection signal in the low frequency pulse mode
  • FIG. (H) show the traveling wave voltage Vf, the reflected wave voltage Vr, the heat storage equivalent amount H ac , and the unignition state detection signal in the high frequency pulse mode.
  • the traveling wave voltage Vf outputs a pulse output of a predetermined frequency in an RF on section where the duration of the duration is t 1 within one cycle (FIGS. 3A and 3E).
  • a pulsed reflected wave voltage V r is generated due to mismatching at the rising and falling edges of the pulse output ((b) in FIG. 3 and (f) in FIG. 3).
  • the heat storage conversion amount Hac indicates a conversion value of the amount of heat accumulated when the reflected wave voltage Vr is applied to the RF power amplification element
  • the alternate long and short dash line indicates the RF power amplification element.
  • the device protection detection level for protecting the RF power amplifying element from damage caused by reflected waves is shown.
  • the heat storage conversion amount Hac returns to zero without reaching the device protection detection level in each cycle of the drive mode in both the low frequency mode and the high frequency mode.
  • the non-ignition state detection signal is not output.
  • FIGS. 4A to 4D show the traveling wave voltage Vf, the reflected wave voltage Vr, the heat storage equivalent amount H ac , and the unignition state detection signal V fail in the low frequency pulse mode.
  • FIGS. 4E to 4H show the traveling wave voltage Vf, the reflected wave voltage Vr, the heat storage conversion amount H ac , and the unignition state detection signal V fail in the high frequency pulse mode.
  • Traveling wave voltage V f and outputs a pulse output having a predetermined frequency in the RF on period to the duration of the continuation time t 1 within one cycle (FIG. 4 (a), the FIG. 4 (e)).
  • the reflected wave voltage V r is generated in a rectangular shape in the RF on section where the pulse output is output (FIGS. 4B and 4F).
  • the heat storage conversion amount Hac indicates a conversion value of the heat amount accumulated when the reflected wave voltage Vr is applied to the RF power amplification element
  • the one-dot chain line indicates the RF power amplification element.
  • the device protection detection level for protecting the RF power amplifying element from damage caused by reflected waves is shown.
  • the heat storage equivalent amount H ac reaches the device protection detection level within the period of the drive mode (FIG. 4C), and the unignited state detection signal V fail. Is output (FIG. 4D).
  • FIG. 4 (c) when the heat storage terms of the amount of H ac at the end of the RF on interval is shown a state that reaches the device protection detection level, the peak value of the reflected wave voltage V r is large, RF The heat storage conversion amount Hac reaches the device protection detection level at a time point before reaching the end point of the on section, and the unignition state detection signal Vfail is output.
  • the heat storage equivalent amount Hac reaches the device protection detection level by repeating heat storage in a plurality of cycles (FIG. 4 (g)), and outputs an unignited state detection signal (FIG. 4 (h)).
  • FIG. 4G shows a state in which the heat storage equivalent amount Hac reaches the device protection detection level in the fifth cycle, but the number of periods in which the heat storage equivalent amount Hac reaches the device protection detection level is reflected waves. It varies depending on the peak value and the duty ratio of the voltage V r.
  • the non-ignition state detection device 20 is configured to detect a non-ignition state of plasma by obtaining a voltage value corresponding to the duration of the reflected wave by charging and discharging the voltage value of the reflected wave, and the conversion unit 21 and the voltage comparison unit 22.
  • the discharge voltage calculation unit 21B calculates a discharge voltage, and calculates the difference in the charging voltage and the discharge voltage charge and discharge voltage V a Charging / discharging voltage calculation means 21C.
  • the calculated value of the charging voltage calculating means 21A corresponds to the first converted value (heating conversion amount)
  • the calculated value of the discharging voltage calculating means 21B corresponds to the first converted value (heat dissipation converted amount)
  • the charging / discharging voltage calculating means 21C corresponds to the third conversion value (heat storage conversion amount).
  • the voltage comparison unit 22 is a comparison unit that compares the charge / discharge voltage Va obtained by voltage conversion by the conversion unit 21 with a threshold value.
  • the set voltage V ref is used as the threshold value.
  • the set voltage V ref is a permissible voltage corresponding to a permissible power that can withstand a loss due to a reflected wave of the RF power amplifying element.
  • Voltage comparing means 22 compares the charge and discharge voltage V a and the set voltage V ref to detect a non-ignition state of the plasma, when it detects a non-ignition state and outputs a non-ignition state detection signal V fail.
  • the conversion means 21 and the voltage comparison means 22 detect an unignited state in the low frequency pulse mode and the high frequency pulse mode.
  • conversion means 21 acquires a charge and discharge voltage V a corresponding to the duration of the reflected wave voltage V r in the one cycle, the voltage comparison means 22 discharge voltage V a and the set voltage An unignited state of plasma is detected by comparing with V ref, and an unignited state detection signal V fail is output.
  • conversion means 21 in a continuous cycle period reflected wave is generated is continuous, charge accumulated a voltage corresponding to the duration of the reflected wave voltage V r of each cycle in a continuous cycle discharge Gets the voltage V a, the voltage comparison means 22 detects the non-ignition state of plasma by comparing the set voltage V ref the discharge voltage V a, and outputs a non-ignition state detection signal V fail.
  • Non-ignition state detection based on charge / discharge voltage of reflected wave voltage A configuration example for obtaining the reflected wave voltage based on the charge / discharge voltage in the non-ignition state detection based on the reflected wave voltage will be described with reference to FIGS.
  • the unignited state detection circuit 20 circuit receives the reflected wave voltage V r detected by the power sensor 2 via the buffer 4 and outputs an unignited state detection signal V fail .
  • the non-ignition state detection circuit 20 circuit includes a charge / discharge circuit 20 a and a comparison circuit 20 b, and the charge / discharge circuit 20 a inputs the output of the buffer 4 via the block diode D.
  • Charging and discharging circuit 20a is configured to charge and discharge resistor R 1 connected in series to the input side of the parallel circuit of a capacitor C and a discharge resistor R 2.
  • a charge-discharge voltage V a is the output voltage of the capacitor C charging and discharging circuit 20a compares the set voltage V ref, non-ignition state detected when the discharge voltage V a exceeds the set voltage V ref The signal Vfail is output.
  • the charging time constant ⁇ c is set shorter than the discharging time constant ⁇ disc .
  • the charging time constant ⁇ c is set so that the charging voltage when charging is performed with the time width of the period T in the low frequency pulse mode is equal to or lower than the set voltage V ref .
  • the charge time constant ⁇ c and the discharge time constant ⁇ disc can be set by selecting values of the charge / discharge resistance R 1 , the discharge resistance R 2 , and the capacitor C.
  • FIGS. 8 shows a signal example of a normal operation state in the low frequency pulse mode
  • FIG. 8A shows the traveling wave voltage V f
  • FIG. 8B shows the reflected wave voltage V r
  • FIG. shows a charge-discharge voltage V a of the charging and discharging circuit.
  • pulse driving with a duty ratio of 50% is shown.
  • FIG. 9 shows an example of a signal in a normal operation state in the high-frequency pulse mode
  • FIG. 9A shows the traveling wave voltage V f
  • FIG. 9B shows the reflected wave voltage V r
  • FIG. It shows a charge-discharge voltage V a of the charging and discharging circuit.
  • pulse driving with a duty ratio of 50% is shown.
  • the pulse frequency the maximum pulse frequency, when the duty ratio of the RF on interval and RF off period of one cycle and pulse drive as the maximum duty ratio, the charging time constant tau c, charge-discharge voltage V a of the charge and discharge circuit is set
  • the circuit constants (charge / discharge resistance R 1 , discharge resistance R 2 , and capacitor C) of the charge / discharge circuit are selected so that the time constant has a margin (margin) with respect to the voltage V ref .
  • Reflected wave voltage V r generated in the normal state is short for, the peak value of the charging and discharging voltage V a obtained by the charging and discharging circuit is sufficiently lower than the set voltage V ref is not yet ignited state detection level, The unignited state detection signal is not output.
  • FIG. 10 shows a signal example of an abnormal operation state in the low frequency pulse mode
  • FIG. 10 (a) shows the traveling wave voltage Vf
  • FIG. 10 (b) shows the reflected wave voltage Vr
  • FIG. represents a charge-discharge voltage V a of the charging and discharging circuit
  • FIG. 10 (d) shows the non-ignition state detection signal V fail.
  • pulse driving with a duty ratio of 50% is shown.
  • the set voltage V ref is set in consideration of the margin for the allowable loss (destruction level) of the RF power amplifying element.
  • the set voltage V ref is a value that depends on the voltage value of the reflected wave and the charging time constant ⁇ c .
  • the power control unit performs control to suspend or stop the high-frequency output (RF output) based on the non-ignition state detection signal.
  • FIG. 11 is a signal diagram for explaining the allowable on-time t 2 of the unignited state detection device 20.
  • 11 (a) shows a traveling-wave voltage V f
  • FIG. 11 (b) shows a reflected wave voltage V r
  • FIG. 11 (c) shows a charge-discharge voltage V a of the charging and discharging circuit
  • FIG. 11 (d ) Shows the unignited state detection signal Vfail .
  • Allowable on-time t 2 is the time width to withstand the total reflection of the allowable voltage of the RF power amplifier device.
  • RF power amplification devices in the applied reflected wave duration (duration t 1) is acceptable on-time t 2 or less, and at the end of the pulse driving cycle charge-discharge voltage V a is zero, i.e. the low frequency pulse mode any
  • V a charge-discharge voltage
  • the duration t 1 of the reflected wave is shorter than the allowable on-time t 2, and the charge and discharge voltage Va is zero at the end of the pulse drive period, that is, if the low frequency pulse mode, the charge-discharge voltage V a is The set voltage V ref which is the device protection detection level is not reached, and the non-ignition state detection signal is not output.
  • a device having a plasma load such as a laser processing machine
  • moisture in the plasma atmosphere such as a laser oscillator
  • the time width of the reflected wave that is applied to the RF power amplifier device as allowable on-time t 2 or less by not droop or stops the high-frequency output (RF output), when the plasma non-ignited
  • RF output high-frequency output
  • An operation of repeatedly applying a high frequency output (RF output) can be performed.
  • the atmosphere inside the laser oscillator can be stabilized and the ignition can be promoted.
  • FIG. 12 shows a signal example of an abnormal operation state in the high-frequency pulse mode
  • FIG. 12 (a) shows the traveling wave voltage Vf
  • FIG. 12 (b) shows the reflected wave voltage Vr
  • FIG. The charging / discharging voltage Va of a charging / discharging circuit is shown
  • FIG.12 (d) has shown the non-ignition state detection signal Vfail .
  • an example of pulse driving with a duty ratio of 50% is shown.
  • the time width for applying a traveling wave voltage V f is the short time is short the time width t 3 of the reflected waves at the abnormal time.
  • the charging / discharging voltage V a charged during the time width t 3 by the charging time constant ⁇ c is lower than the charging voltage charged during one cycle T of the low frequency pulse mode, and is set to the set voltage V ref . It does n’t come.
  • the charging time constant ⁇ c of the charging / discharging circuit is set smaller than the discharging time constant ⁇ disc (charging time constant ⁇ c ⁇ discharging time constant ⁇ disc ), the voltage after discharging does not return to zero within one cycle. , discharge voltage V a by repeating the application of the pulse output over a plurality of cycles increases are accumulated. When the charge-discharge voltage V a reaches the set voltage V ref, non-ignition state detection signal V fail is output.
  • FIG. 13 shows a circuit configuration of the charge / discharge circuit 20a of the non-ignition state detection circuit 20 circuit shown in FIG.
  • Charging and discharging circuit 20a is configured to charge and discharge resistor R 1 to the input side of the parallel circuit of a capacitor C and a discharge resistor R 2 connected in series, charging and discharging resistors R 1 input voltage V in via block diode D in There is an input, and outputs a voltage across the capacitor C as the charge and discharge voltage V a.
  • Figure 14 shows an example of the input voltage V in, the off time width of the ON time width t a a (t b -t a), outputs a predetermined frequency of the pulse at the ON time within the width t a.
  • the circuit configuration of the charge / discharge circuit 20a is a non-linear circuit including a diode, the input signal is present (a high frequency (RF) signal is on) and the input signal is not present (a high frequency (RF) signal is off). (State) and analyze.
  • FIG. 15 shows a circuit state in which there is an input signal (a high frequency (RF) signal is on).
  • a high frequency (RF) signal is on.
  • the circuit equation is The following are represented by formulas (1) to (4).
  • the charge-discharge voltage and the following equation obtains the Va (t 1) of a high frequency input voltage V in as step voltage E m (RF) RF on interval signal is in the ON state (0 ⁇ t 1) (5 ).
  • FIG. 16 shows a circuit state in a state where there is no input signal (a state in which a radio frequency (RF) signal is off).
  • RF radio frequency
  • Equation (6) by using (7), charge and discharge voltage V a radio frequency (RF) signal in the off state is expressed by the following equation (8).
  • Discharge voltage V a radio frequency (RF) signal expressed by Equation (5) is in the ON state, and radio frequency (RF) signal for charging and discharging the voltage V a in the state of off of the formula (8)
  • Capacitor C capacity 0.01 ⁇ F
  • the unignited state detection device is not limited to the analog circuit configuration described above, and can be configured by digital arithmetic processing such as a DSP or FPGA.
  • digital arithmetic processing such as a DSP or FPGA.
  • the CPU or the unignited state detection processing is instructed to the CPU.
  • a memory storing a program to be executed.
  • FIG. 18 is a configuration example in which the unignited state detection device is configured by a digital circuit.
  • the above-described charge / discharge circuit is configured by a digital circuit is shown.
  • the conversion means 31 of the unignited state detection device 30 includes a first integration circuit 31A, a second integration circuit 31B, a hold circuit 31C, switch circuits 31D and 31E, and a comparison circuit 32.
  • the switch circuit 31D inputs the voltage value X obtained by sampling the reflected wave voltage and performing A / D conversion to the first integration circuit 31A only during the RF on period.
  • the first integration circuit 31A digitally integrates the voltage value X input through the switch circuit 31D, and calculates a first conversion value corresponding to the amount of heat applied to the RF power amplification element of the high frequency power supply.
  • the second integration circuit 31B digitally integrates the voltage that decreases due to discharge only during the RF off interval, and calculates a second conversion value corresponding to the amount of heat released from the RF power amplification element of the high-frequency power source.
  • the hold circuit 31C receives the first conversion value of the first integration circuit 31A and the second conversion value of the second integration circuit 31B, obtains the difference between the first conversion value and the second conversion value, and obtains the third conversion value. The result is output to the comparison circuit 32.
  • the comparison circuit 32 compares the third converted value input from the hold circuit 31C with a set voltage V ref corresponding to the device protection detection level, and when the third converted value exceeds the set voltage V ref , an unignited state A detection signal is output.
  • FIG. 18B shows a general schematic configuration of a digital circuit constituting the integrating circuit.
  • the integration circuit includes a coefficient unit, an adder, and a delay unit.
  • coefficient unit coefficients “a” and “1-a” are set.
  • FIG. 19 is a configuration example in which the unignited state detection device is configured by a counting circuit.
  • the conversion means 41 of the unignited state detection device 40 includes an addition circuit 41A, a subtraction circuit 41B, an adder 41C, a switch means 41D, and a comparison circuit 42.
  • the adder circuit 41A adds the voltage value X obtained by sampling and A / D converting the reflected wave voltage, and calculates a first conversion value corresponding to the amount of heat added to the RF power amplification element of the high frequency power supply.
  • the subtraction circuit 41B counts a numerical value corresponding to the discharge time constant ⁇ disc in the RF off section, calculates a second converted value corresponding to the amount of heat released from the RF power amplification element of the high frequency power supply, A third converted value corresponding to the difference between the second converted values is calculated and output to the comparison circuit.
  • the comparison circuit 42 compares the third converted value input from the subtracting circuit 41B with a set voltage V ref corresponding to the device protection detection level, and when the third converted value exceeds the set voltage V ref , an unignited state A detection signal is output.
  • the adder 41C returns the addition / subtraction value obtained by the subtraction circuit 41B as an initial value at the time when the calculation of one cycle is completed, and calculates a third conversion value over a plurality of cycles corresponding to the high frequency pulse mode.
  • the plasma non-ignition state detection apparatus and detection method of the present invention can be applied to power supply to a plasma load, such as a film forming apparatus for manufacturing a thin film such as a semiconductor, a liquid crystal, a solar panel, a CO 2 laser processing machine, etc. It can be applied to plasma generation by radio frequency (RF).
  • a plasma load such as a film forming apparatus for manufacturing a thin film such as a semiconductor, a liquid crystal, a solar panel, a CO 2 laser processing machine, etc. It can be applied to plasma generation by radio frequency (RF).
  • RF radio frequency

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Abstract

　反射波によるプラズマの未着火状態の検出において、正常なプラズマ着火時における誤検出を防いでプラズマ異常時の未着火状態を検出する。高周波電源からパルス駆動によってプラズマ負荷に対してパルス出力を供給する際に、プラズマ異常時の未着火状態の検出を反射波の継続状態に基づいて行うことによって、プラズマ異常時の未着火状態で発生する全反射波を、正常な着火状態で発生する反射波から区別して検出する。これによって、反射波の波高値としきい値とを比較することによる未着火状態の検出において、正常な着火状態で発生する反射波を異常な未着火状態で発生する全反射として誤検出することを防ぐ。

Description

プラズマ未着火状態検出装置およびプラズマ未着火状態検出方法
　本発明は、プラズマの未着火状態検出に関し、高周波電源（ＲＦ電源）からの高周波電力供給によるプラズマ生成において、プラズマの未着火状態を検出する検出装置および検出方法に関する。
　半導体製造装置や電子デバイス製造装置等のプラズマ処理装置、ＣＯ２レーザ加工機等のプラズマ発生装置では高周波（ＲＦ）により生成されるプラズマを用いることが知られている。プラズマ生成は高周波電源（ＲＦ電源）をＣＷ駆動（Continuous wave:無変調連続波）あるいはパルス駆動によって行うことが知られている。
　図２０は高周波電源（ＲＦ電源）によるプラズマ負荷の駆動を説明するための概略図である。図２０において、高周波電源（ＲＦ電源）１００から出力されたパルス出力は、整合器１０１を介してプラズマ処理装置やＣＯ２レーザ加工機等のプラズマ負荷１０２に供給される。
　高周波電源のパルス駆動によるパルス出力はオフ状態とオン状態とを高周波で繰り返す高周波（ＲＦ）出力である。高周波電源（ＲＦ電源）のパルス駆動では、プラズマ負荷に対してパルス出力の進行波電圧が断続的に供給されるため、プラズマ負荷のプラズマは点灯と消灯とを繰り返すことになる。
　高周波（ＲＦ）出力がオン状態とオフ状態との間で切り替わる時は、パルス駆動状態が正常であっても反射波が発生する。高周波（ＲＦ）出力がオフ状態からオン状態に切り替わる時点からプラズマが着火するまでの間で反射係数Γがほぼ１となって（Γ≒１）不整合状態が発生するため一時的に全反射状態となる。このとき、プラズマ負荷から高周波電源に向かって反射波が発生する。反射波の発生要因としては、例えば整合器の固有振動やプラズマの着火動作等がある。
　このパルス駆動時の反射波は、プラズマ着火動作においては、プラズマが正常に着火した状態、およびプラズマが正常に着火せず未着火の状態の何れの状態においても発生する。
　発生した反射波が高周波電源に入力すると、反射波の高電圧によって高周波電源が備えるＲＦ電力増幅素子が素子破損する場合がある。
　このような反射波による素子破損を防ぐために、負荷から高周波電源に戻る反射波の発生を検出し、反射波の検出に基づいて高周波電源の出力を垂下させたり、停止させることが知られている。
　反射波が発生する一要因であるプラズマの未着火状態を検出する技術として、パワーモニタによって負荷から高周波電源に戻る反射波をモニタし、反射波の波高値がしきい値よりも低いときにはプラズマが着火したと判断し、反射波の波高値がしきい値よりも高いときにはプラズマが未着火であると判断することが知られている（特許文献１参照）。
　また、高周波発振装置を反射波から保護するために、反射波が規定値を超えた場合に高周波出力を垂下させたり、出力を一時停止させること（特許文献２参照）や、反射波電力と設定反射波電力との偏差に基づいて進行波電力を低下（垂下）させること（特許文献３参照）が知られている。
特開平９－２６００９６号公報（段落［0043］、段落［0044］） 特開２００４－３９８４４号公報（段落［0010］、段落［0044］） 特開２００４－８８９３号公報（段落［0011］、段落［0019］）
　（ａ）パルス駆動によるプラズマ着火における高周波電力の供給において、不整合による反射波に対して、プラズマ未着火状態においては、出力垂下や出力停止によってＲＦ電力増幅素子の破損を防ぐ保護動作が求められ、他方、正常なプラズマ着火状態においては、出力垂下や出力停止を行なうことなく高周波電力を継続することが求められる。
　このようなプラズマ着火状態と未着火状態とでは異なる対処が求められるが、従来の反射波の波高値に基づくプラズマの未着火状態の検出では、正常な着火状態において繰り返して発生する反射波と未着火状態において発生する反射波とを区別することなく検出するため、プラズマ着火状態で発生する反射波をプラズマ未着火状態の全反射波として誤検出するおそれがある。
　このようなプラズマ着火状態での誤検出に基づいて出力垂下や出力停止の保護動作を行うと、プラズマが正常に着火しているにも係わらず高周波電力の供給が制限されることになるため、正常に着火しているプラズマが一時的に不安定な状態となったり、プラズマが消失するといった不都合な状態となるおそれがある。このようなプラズマの不安定動作は、例えば半導体製造では製品の品質劣化の要因となる。
　（ｂ）また、従来の反射波の波高値に基づくプラズマの未着火状態の検出は、反射波の一時的な突出変動を検出するが、所定期間にわたる出力状態を検出することができないため、プラズマ未着火状態のように全反射波が所定期間にわたって継続する状態を検出することができない。
　そのため、反射波が所定時間継続してＲＦ電力増幅素子に印加されて加熱され、この加熱の蓄熱によるＲＦ電力増幅素子の熱破損に対する素子保護に対応することができないという問題がある。
　したがって、反射波の波高値に基づくプラズマの未着火状態の検出では、（ａ）プラズマ着火状態における誤検出の問題、および、（ｂ）プラズマ未着火状態におけるＲＦ増幅素子の蓄熱による素子破損からの素子保護の問題を有している。
　そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、反射波によるプラズマの未着火状態の検出において、正常なプラズマ着火時における誤検出を防いでプラズマ異常時の未着火状態を検出することを目的とする。
　また、プラズマ未着火状態の検出において、プラズマ未着火状態において所定時間にわたって継続する全反射波を検出することを目的とする。
　さらに、プラズマ未着火状態において所定時間にわたって継続する全反射波を検出することによって、プラズマ未着火状態におけるＲＦ増幅素子の蓄熱による素子破損から素子を保護することを目的とする。
　本願発明は、上記課題に鑑み、高周波電源からパルス駆動によってプラズマ負荷に対してパルス出力を供給する際に、プラズマ負荷から高周波電源に戻る反射波の反射波電圧を検出し、検出した反射波電圧から得られる反射波の継続状態に基づいてプラズマ異常時の未着火状態を検出する。
　本願発明は、プラズマ異常時の未着火状態の検出を反射波の継続状態に基づいて行うことによって、プラズマ異常時の未着火状態で発生する全反射波を、正常な着火状態で発生する反射波から区別して検出する。これによって、反射波の波高値としきい値とを比較することによる未着火状態の検出において、正常な着火状態で発生する反射波を異常な未着火状態で発生する全反射として誤検出することを防ぐことができる。
　本願発明は、高周波出力（ＲＦ出力）が出力された時点から高周波電源（ＲＦ電源）が許容可能な全反射波状態の継続時間以内にプラズマ未着火状態(異常)を検出する。高周波電源（ＲＦ電源）は、未着火状態を検出して出力される出力信号(異常信号)を受けると、出力垂下や出力停止の保護動作の処理を行って高周波電源を保護することができる。
　本願発明によれば、プラズマが正常に着火している状態で繰り返し発生する瞬間的な反射については正常と判断して未着火状態検出信号を出力しない。一方、プラズマが未着火状態のまま高周波出力（ＲＦ出力）が印加された場合には、高周波出力が印加されている間、継続して発生する全反射波について異常として判断して未着火状態検出信号を出力する。
　本願発明によれば、プラズマが正常に着火している状態において繰り返し発生する瞬間的な反射を正常状態と判断するため、未着火状態として誤検出することを防ぐことができる。
　本願発明によれば、プラズマが未着火状態にあるとき、負荷に高周波出力（ＲＦ出力）が印加され、全反射波が継続的に発生する場合には、ＲＦ電力増幅素子に加わる熱量に対応する換算値を求めることによって、ＲＦ電力増幅素子の許容反射波耐量を超える前に未着火状態を検出し、異常信号を出力することができる。
　正常な着火状態で発生する反射波に影響されることなくプラズマ異常時の未着火状態を検出することによって、正常な着火状態における安定したプラズマの確保と、プラズマ負荷の異常時におけるＲＦ電力増幅素子の破損防止とを同時に解決することができる。
　本願発明によれば、高周波電源（ＲＦ電源）のＲＦ電力増幅素子の許容反射波耐量を超える前に保護動作が可能であるため、高周波電源（ＲＦ電源）の電力増幅素子の構成は、異常時の損失を考慮する必要がなく、正常運転時の損失を考慮しておけば十分であるため、必要最小限の構成で済むことができる。
　本願発明は、方法の態様および装置の態様とすることができる。
　[プラズマ未着火状態検出方法]
　本発明のプラズマ未着火状態検出方法による態様は、高周波電源からパルス駆動によるプラズマ負荷に対するパルス出力の供給において、プラズマ負荷から高周波電源に向かう反射波電圧を検出し、検出した反射波電圧の波高値および変動状態に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求める。
　求めた換算量とＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較し、比較結果に基づいてプラズマの未着火状態を検出する。求めた換算量がしきい値に満たない場合にはプラズマは未着火状態にないと判断し、求めた換算量がしきい値を超えた場合にはプラズマは未着火状態にあると判断してプラズマ未着火状態を検出する。
　本発明のプラズマ未着火状態検出方法において、ＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求める工程として以下の第１の換算工程～第３の換算工程を備え、求めた換算値に基づいてプラズマ未着火を検出する比較工程を備える。各換算工程および比較工程はアナログ処理あるいはデジタル処理で行うことができ、各工程は、ＣＰＵ、およびＣＰＵに各工程を実施させるプログラムを格納したメモリを備えた構成を用いてソフトウエアによって行うことができる。
　第１の換算工程は、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を求める工程である。第１換算値は、検出した反射波電圧および反射波の継続時間に基づいて求める。
　第２の換算工程は、高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される放熱量に対応する第２換算値を求める工程である。第２換算値は、パルス駆動の各周期において、反射波電圧Ｖｒの波高値が零となってからの経過時間、又はパルス出力の印加開始からの経過時間に基づいて求める。
　第３の換算工程は、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に蓄熱される蓄熱量に対応する第３換算値を求める工程である。第３換算値は、第１換算値と第２換算値との差分から求める。
　比較工程は、求めた換算値としきい値とを比較してプラズマの未着火状態を検出する工程であり、第３の換算工程で求めた第３換算値とＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較し、第３換算値がしきい値を超えたときにプラズマの未着火状態を検出する。
　本発明のプラズマ未着火状態検出方法の換算工程を行う形態として、充放電電圧による第１の形態、および数値演算による第２の形態を備える。
　（換算工程の第１の形態）
　換算工程の第１の形態は、充放電電圧に基づいて換算値を求める態様であり、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を反射波の充電電圧によって求め、高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される放熱量に対応する第２換算値を放電電圧によって求め、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に蓄熱される蓄熱量に対応する第３換算値を充電電圧から放電電圧を差し引いた電圧によって求める。
　充放電において、正常時におけるパルス駆動のパルス周波数を設定し得る最大値とし、かつ、パルス駆動の一周期内でのＲＦｏｎ区間のデューティー比を設定し得る最大値とするパルス駆動の駆動条件において、放電時定数（τｄｉｓｃ）は充電時定数（τｃ）よりも長く、かつ、充放電電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように選定する。
　換算工程において、反射波電圧の波高値を充電時定数（τｃ）で充電して得られる充電電圧を第１換算値として求め、第１換算値の充電電圧から放電時定数（τｄｉｓｃ）で放電して得られる電圧を第３換算値として求める。
　ここで、充放電はパルス駆動の一周期を単位として繰り返して行われ、一周期内において、反射波が発生している間を充電時間として充電し、反射波の発生が終了して反射波の波高値が零である間を放電時間として放電する。この充放電の値は、反射波によってＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応するものとして換算される値であり、この換算値に基づいてプラズマの未着火状態を検出する。
　プラズマが正常に着火した状態では、パルス駆動のパルス出力が供給されるＲＦｏｎ区間の立ち上がり時および立ち下がり時で生じる不整合により一時的に反射波が発生する。一方、プラズマ異常によってプラズマが未着火状態にある状態では、パルス駆動のパルス出力が供給されるＲＦｏｎ区間にわたって継続的に全反射波が発生する。
　パルス駆動の一周期内において発生する反射波の充放電において、プラズマが正常に着火した状態では反射波はＲＦｏｎ区間の立ち上がり時および立ち下がり時において一時的に発生するため、反射波が発生している短時間の間だけ充電が行われ、その後は放電によって充電電圧は零電圧まで低下する。零電圧まで放電した後には、次のパルス駆動の周期において零電圧からの充電と放電が再度繰り返される。
　一方、プラズマ異常によるプラズマ未着火状態では反射波はＲＦｏｎ区間にわたって継続的に全反射波が発生するため、ＲＦｏｎ区間の間で充電が行われ、その後のＲＦｏｆｆの区間で放電が行われて充電電圧は低下する。このとき、充放電の放電時定数（τｄｉｓｃ）を充電時定数（τｃ）よりも長く設定することによって、ＲＦｏｆｆの区間の終了時点において充放電電圧は零電圧まで低下せず電圧が残留する。
　パルス駆動の一周期内の充放電において充電電圧が零電圧まで放電せずに電圧が残存した場合には、次のパルス駆動の周期において残存した充電電圧から充電が行われ、この充放電を繰り返すことによって、充放電電圧は上昇していく。
　ここで、プラズマ未着火状態を検出するためのしきい値として、ＲＦ電力増幅素子を熱損傷から保護するデバイス保護検知レベルに対応する充放電電圧を設定しておき、このしきい値と充放電電圧とを比較し、充放電電圧がしきい値を超えた場合には、ＲＦ電力増幅素子に印加された熱量がデバイス保護検知レベルを超えるに到ったと判断し、プラズマ未着火状態であるとして検出する。
　充放電の放電時定数（τｄｉｓｃ）は、充電時定数（τｃ）よりも長く設定し、正常時においてパルス駆動のパルス周波数が設定し得る最大値であり、かつ、一周期内でのＲＦｏｎ区間のデューティー比が設定し得る最大値でパルス駆動した場合において、充放電電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように選定する。
　充放電の放電時定数（τｄｉｓｃ）を充電時定数（τｃ）よりも長く設定することによって、各周期の終了時の電圧を残留させることができ、残存電圧から次の周期の充放電を行うことによって複数周期で蓄積される充電電圧を求めることができる。この複数周期で得られる充電電圧は、複数周期のパルス出力によってＲＦ電力増幅素子に蓄積される熱量に対応する換算値であり、パルス駆動において一周期に限らず複数周期における蓄熱状態を充電電圧でモニタすることができる。
　パルス駆動において、パルス周波数を設定し得る最大とし、パルス出力の周期を設定し得る最も短い周期とし、かつ、一周期内でのＲＦｏｎ区間のデューティー比が設定し得る最大値とする駆動条件によれば、プラズマ着火状態が正常状態であるときに充放電電圧は最大とする。
　このパルス駆動の条件において得られる充放電の電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように放電時定数（τｄｉｓｃ）を選定することによって、プラズマ着火状態が正常状態であるときに、プラズマが未着火状態であると誤って検出することを防ぐことができる。
（換算工程の第２の形態）
　換算工程の第２の形態は、反射波電圧の時間積分に基づいて換算値を求める態様であり、プラズマ駆動の一周期において、パルスを出力する区間の時間幅をＲＦｏｎとし、パルスを出力しない区間の時間幅をＲＦｏｆｆとしたとき、第１換算値、第２の換算値、および第３の換算値は以下の演算によって算出する。
　第１換算値は、反射波電圧の波高値ＶｒとＲＦ電力増幅素子の発熱係数に対応する係数ｋ１との積（Ｖｒ×ｋ１）の時間積分（Ｖｒ×ｋ１×∫０ ＲＦｏｎtdt）により算出し、第２換算値は、ＲＦ電力増幅素子の放熱係数に対応する係数ｋ２の時間積分（ｋ２×∫０ ＲＦｏｆｆtdt）により算出し、第３換算値は、第１換算値から第２換算値を減算する｛（Ｖｒ×ｋ１×∫０ ＲＦｏｎtdt）－（ｋ２×∫０ ＲＦｏｆｆtdt）｝の演算において零を最下値として算出する。第１換算値、第２換算値、および第３換算値はプラズマ駆動の一周期毎に算出し、次周期における換算では、前周期で得られた第３換算を第１換算値の初期値として行う。時間積分はデジタル演算によって行うことができる。
　[プラズマ未着火状態検出装置]
　本発明のプラズマ未着火状態検出装置は、高周波電源からパルス駆動によるプラズマ負荷に対するパルス出力の供給において、前記プラズマ負荷のプラズマの未着火状態を検出する未着火状態検出装置であり、プラズマ負荷から高周波電源に向かう反射波電圧を検出する検出手段と、検出手段で検出した反射波電圧の波高値および変動状態に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求める換算手段と、換算手段で求めた換算量とＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較する比較手段とを備え、比較手段の比較結果に基づいてプラズマの未着火状態を検出する。
　本発明のプラズマ未着火状態検出装置は、ＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求める換算手段として以下の第１の換算手段～第３の換算手段、および求めた換算値に基づいてプラズマ未着火を検出する比較手段を備える。各換算手段および比較手段はアナログ処理回路あるいはデジタル処理回路で構成することができる。
　第１の換算手段は、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を求める演算手段であり、反射波電圧Ｖｒおよび反射波の継続時間に基づいて求める。
　第２の換算手段は、高周波電源のＲＦ電力増幅素子から反射波の波高値が零である時間幅放出される放熱量に対応する第２換算値を求める演算手段であり、パルス駆動の各周期において、反射波電圧Ｖｒの波高値が零となってからの経過時間、又はパルス出力の印加開始からの経過時間に基づいて求める。
　第３の換算手段は、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に蓄熱される蓄熱量に対応する第３換算値を求める手段であり、第１換算値と第２換算値との差分から求める。
　比較手段は、第３の換算手段で求めた第３換算値とＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較する手段であり、第３換算値がしきい値を超えたときにプラズマの未着火状態を検出する。
　本発明のプラズマ未着火状態検出装置の換算手段の形態として、アナログ回路による第１の形態、デジタル回路による第２の形態を備える。
　（換算手段の第１の形態）
　換算手段の第１の形態は充放電回路のアナログ回路による構成であり、反射波電圧を充電し、充電した電圧を放電する充放電回路、および充放電回路の出力を入力する比較回路を備える。
　充放電回路の放電時定数（τｄｉｓｃ）は、充放電において、正常時におけるパルス駆動のパルス周波数を設定し得る最大値とし、かつ、パルス駆動の一周期内でのＲＦｏｎ区間のデューティー比を設定し得る最大値とするパルス駆動の駆動条件において、充電時定数（τｃ）よりも長く、かつ、充放電電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように選定した値である。
　パルス駆動において、パルス周波数を設定し得る最大とし、パルス出力の周期を設定し得る最も短い周期とし、かつ、一周期内でのＲＦｏｎ区間のデューティー比が設定し得る最大値とする駆動条件は、プラズマ着火状態が正常状態において充放電電圧を最大とする。
　このパルス駆動の条件において、得られる充放電の電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように放電時定数（τｄｉｓｃ）を選定することによって、プラズマ着火状態が正常状態であるときに、プラズマが未着火状態であると誤って検出することを防ぐことができる。
　また、充放電の放電時定数（τｄｉｓｃ）を充電時定数（τｃ）よりも長く設定することによって、各周期の終了時の電圧を残留させることができ、残存電圧から次の周期の充放電を行うことによって複数周期で蓄積される充電電圧を求めることができる。複数周期で得られる充電電圧は、複数周期のパルス出力によってＲＦ電力増幅素子に蓄積される熱量に対応する換算値である。この換算値によれば、パルス駆動において一周期に限らず複数周期における蓄熱状態をモニタすることができる。
　充放電回路の充電部は第１の換算手段を構成する。充電部は検出手段が検出した反射波電圧を充電時定数（τｃ）で充電して得られる充電電圧を第１換算値として出力する。
　充放電回路の放電部は第２の換算手段および第３の換算手段を構成する。放電部は、第１換算値である充電電圧から放電時定数（τｄｉｓｃ）で反射波の波高値が零である時間幅に基づいて放電し、放電で得られる電圧を第３換算値として出力する。
　比較回路は比較手段を構成し、ＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応する充電電圧を熱損傷から保護するデバイス保護検知レベルとし、このデバイス保護検知レベルをしきい値として充放電回路から出力された第３換算値と電圧比較する。
　しきい値と充放電電圧との比較において、充放電電圧がしきい値を超えた場合には、ＲＦ電力増幅素子に印加された熱量がデバイス保護検知レベルを超えるに至ったと判断し、プラズマ未着火状態であるとして検出する。
（換算手段の第２の形態）
　換算手段の第２の形態はデジタル演算回路による構成であり、検出手段が検出した反射波電圧Ｖｒをデジタル値に変換するＡ/Ｄ変換回路と、デジタル値を入力値としてデジタル演算を行う演算回路とを備える。
　演算回路は、プラズマ駆動の一周期において、パルスを出力する区間の時間幅をＲＦｏｎとし、パルスを出力しない区間の時間幅をＲＦｏｆｆとし、第１の換算手段、第２の換算手段、および第３の換算手段としてそれぞれ第１演算部、第２演算部、および第３演算部を備える。
　第１演算部は、反射波電圧の波高値ＶｒとＲＦ電力増幅素子の発熱係数に対応する係数ｋ１との積（Ｖｒ×ｋ１）の時間積分（Ｖｒ×ｋ１×∫０ ＲＦｏｎtdt）の演算により第１換算値を算出する演算部である。
　第２演算部は、ＲＦ電力増幅素子の放熱係数に対応する係数ｋ２の時間積分（ｋ２×∫０ ＲＦｏｆｆtdt）演算により第２換算値を算出する演算部である。
　第３演算部は、第１換算値から第２換算値を減算してなる｛（Ｖｒ×ｋ１×∫０ ＲＦｏｎtdt）－（ｋ２×∫０ ＲＦｏｆｆtdt）｝を演算する演算部であり、演算値は零を最下値として第３換算値を算出する。
　第１換算値、第２換算値、および第３換算値はプラズマ駆動の一周期毎に算出し、次周期における第１換算値は、前周期の第３換算を初期値として演算を行う。
　演算回路は、ハードウエアによって構成する他、ＤＳＰやＦＰＧＡによってソフトウエアおよびＣＰＵの演算で構成することができる。
　以上説明したように、本発明のプラズマ未着火状態検出方法およびプラズマ未着火状態検出装置によれば、反射波によるプラズマの未着火状態の検出において、正常なプラズマ着火時における誤検出を防いでプラズマ異常時の未着火状態を検出することができる。
　本発明のプラズマ未着火状態検出方法およびプラズマ未着火状態検出装置によれば、プラズマ未着火状態の検出において、プラズマ未着火状態において所定時間にわたって継続する全反射波を検出することができる。
　本発明のプラズマ未着火状態検出方法およびプラズマ未着火状態検出装置によれば、プラズマ未着火状態において所定時間にわたって継続する全反射波を検出することによって、プラズマ未着火状態におけるＲＦ増幅素子の蓄熱による素子破損から素子を保護することができる。
プラズマ負荷のプラズマ未着火状態の検出に基づいて電力制御を行う概略構成を説明するための図である。 本願発明の未着火状態検出の概略構成を説明するための図である。 本願発明の着火状態を説明するための信号図である。 本願発明の未着火状態を説明するための信号図である。 本願発明の未着火状態検出の工程を説明するためのフローチャートである。 本願発明の反射波の電圧値を用いた未着火状態検出の概略構成を説明するための図である。 本願発明の反射波電圧の充放電電圧に基づいて未着火状態を検出するアナログ回路構成を説明するための図である。 低周波パルスモードにおける正常動作状態の信号例を説明するための図である。 高周波パルスモードにおける正常動作状態の信号例を示す図である。 低周波パルスモードにおける異常動作状態の信号例を示す図である。 許容オン時間ｔ２を説明するための図である。 高周波パルスモードにおける異常動作状態の信号例を示す図である。 未着火状態検出回路２０ｃｉｒｃｕｉｔの充放電回路２０ａの回路構成を示す図である。 入力電圧Ｖｉｎの一例を示す図である。 入力信号がある状態（高周波（ＲＦ）信号がオンの状態）の回路状態を示す図である。 入力信号がない状態（高周波（ＲＦ）信号がオフの状態）の回路状態を示す図である。 数値例による波形例を示す図である。 本願発明の未着火状態検出装置をデジタル回路で構成する構成例である。 本願発明の未着火状態検出装置を計数回路で構成する構成例である。 高周波電源（ＲＦ電源）によるプラズマ負荷の駆動を説明するための概略図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
　以下では、本願発明のプラズマ未着火状態検出装置および検出方法について、図１を用いてプラズマ未着火状態検出装置とパワーセンサとの接続状態を説明し、図２～４を用いてプラズマ未着火状態検出の概略構成を説明し、図５のフローチャートを用いてプラズマ未着火状態検出の工程を説明し、図６～図１７を用いて反射波の電圧の蓄積をアナログ回路構成で行うことによってプラズマ未着火状態を検出する形態を示し、図１８および図１９を用いて反射波の電圧の蓄積をデジタル回路構成で行うことによってプラズマ未着火状態を検出する形態を示す。なお、図６～図１７は、反射波の電圧の蓄積を反射波の電圧を充放電することで行う構成例を示している。
　半導体製造装置や電子デバイス製造装置等のプラズマ処理装置、あるいはＣＯ２レーザ加工機等のプラズマ発生装置のプラズマ負荷に対して、高周波電源（ＲＦ電源）から高周波出力（ＲＦ出力）をパルス駆動により供給する。パルス駆動は所定周波数のパルス出力を、所定周期で所定デューティー比の制御信号によってオン／オフ制御して負荷へ電力を供給してプラズマを発生および維持する。制御信号がオン時間内において、パルス出力を負荷に供給し、オフ時間内においてパルス出力の供給を停止し、制御信号のオン／オフのデューティー比（時間比率）によって負荷に供給する電力を制御する。パルス駆動の制御は、電力制御部によって行われる。パルス駆動のパルス出力の周波数は、プラズマ負荷に供給する高周波出力（ＲＦ出力）の周波数に応じて設定することができる。
　図１は、高周波電源（ＲＦ電源）によるプラズマ負荷のパルス駆動において、プラズマ負荷がプラズマ未着火状態にあるか否かの検出に基づいて電力制御を行う概略構成を示している。なお、図１は、プラズマ未着火状態の検出に基づいて行うプラズマ負荷への電力を制御する構成の内、一部分の構成のみを示している。
　図１において、パワーセンサ２は高周波電源（ＲＦ電源）とプラズマ負荷との間に接続され、高周波電源（ＲＦ電源）からプラズマ負荷に向かう進行波電力の電圧（進行波電圧Ｖｆ）とプラズマ負荷から高周波電源（ＲＦ電源）に戻る反射波電力の電圧（反射波電圧Ｖｒ）とを検出する。未着火状態検出装置１はパワーセンサ２で検出した反射波電圧Ｖｒに基づいてプラズマの未着火状態を検出し、プラズマが未着火状態であることを検出した場合には未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌを出力する。
　電力制御部３は、パワーセンサ２から入力した進行波電圧Ｖｆおよび反射波電圧Ｖｒに基づいて高周波電源（ＲＦ電源）のパルス駆動を制御する。例えば、プラズマが正常な着火状態である場合には、パワーセンサ２で検出した進行波電圧Ｖｆに基づいて進行波電圧Ｖｆが所定電圧となるように制御信号のデューティー比を制御する。一方、プラズマが異常状態であってプラズマが未着火状態である場合には、電力制御部３は高周波出力を垂下させたり高周波出力を一時停止させる制御を行う。
　未着火状態検出装置１はプラズマの異常状態としてプラズマの未着火状態を検出する。電力制御部３は、未着火状態検出装置１がプラズマ未着火状態を検出した際に出力する未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌに基づいて高周波出力を垂下あるいは一時停止させる制御を行う。
　［本願発明の未着火状態検出の概略構成］
　本願発明の未着火状態検出について、図２～図４を用いて概略構成を説明し、図５のフローチャートを用いて概略工程を説明する。
　本発明のプラズマ未着火状態検出は、プラズマ負荷から高周波電源に向かう反射波電圧Ｖｒから得られる反射波の発生状態に基づいてプラズマ負荷のプラズマの未着火状態を検出する。
　図２は本願発明の未着火状態検出の概略構成を示している。未着火状態検出装置１０は、反射波電圧Ｖｒの波高値および変動状態に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求める換算手段１１と、換算手段１１で求めた換算量とＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較する比較手段１２とを備える。
　換算手段１１は、第１の換算手段１１Ａと第２の換算手段１１Ｂと第３の換算手段１１Ｃとを備える。
　第１の換算手段１１Ａは、パワーセンサで検出した反射波電圧Ｖｒ（図５のS1）を入力し、反射波電圧Ｖｒおよび反射波電圧Ｖｒの継続時間に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値（加熱換算値）を求める（図５のS2）。
　第２の換算手段１１Ｂは、パルス駆動の各周期において、反射波電圧Ｖｒの波高値が零となってからの経過時間、又はパルス出力の印加開始からの経過時間に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される放熱量に対応する第２換算値を求める。
　反射波電圧Ｖｒの波高値が零となってからの経過時間に基づいて第２換算値を求める態様では、ＲＦ電力増幅素子からの放熱量は、ＲＦ電力増幅素子への反射波の印加が停止した状態からの放熱が主であり、ＲＦ電力増幅素子に反射波が印加されている間の放熱量はわずかであるとして換算している。
　一方、パルス出力の印加開始からの経過時間に基づいて第２換算値を求める態様では、ＲＦ電力増幅素子に反射波が印加されている間の放熱量も考慮して換算している（図５のS3）。
　第３の換算手段１１Ｃは、第１換算値と第２換算値との差分に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に蓄熱される蓄熱量に対応する第３換算値（蓄熱換算量）を求める（図５のS4）。
　比較手段１２は、第３の換算手段１１Ｃで求めた第３換算値とＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較する。しきい値はＲＦ電力増幅素子の保護するデバイス保護検知レベルに相当し、第３換算値がしきい値を超えたときには、ＲＦ電力増幅素子に蓄積される熱量がＲＦ電力増幅素子のデバイス保護検知レベルを超えたと判断し（図５のS5）、プラズマの未着火状態を検出する（図５のS6）。
　プラズマの未着火状態を検出した場合には、電力制御部によって高周波出力（ＲＦ出力）を垂下あるいは停止する制御を行って保護動作を行う（図５のS7）。
　パルス駆動の一周期内において、印加された加熱量が放熱された結果、周期の終了時点で蓄熱量が残留しているか否かに基づいて、高周波電源からのパルス駆動による電力供給は低周波パルスモードと高周波パルスモードの二つのパルスモードで説明することができる。
　低周波パルスモードは、パルス駆動の周期間隔が、印加された加熱量が放熱されるための時間幅が十分に長く、パルス駆動の周期の終了時点において蓄熱量が残留しないパルスモードであり、蓄熱換算量は零である。低周波パルスモードで換算される蓄熱換算量は、パルス駆動の各周期において初期値が零から積算が開始される。
　一方、高周波パルスモードは、パルス駆動の周期間隔が、印加された加熱量が全て放熱されるための時間幅が足りず、パルス駆動の周期の終了時点において蓄熱量が残留するパルスモードであり、蓄熱換算量は残存している。高周波パルスモードで換算される蓄熱換算量は、パルス駆動の各周期において前周期の終了時点での蓄熱換算値を初期値として積算が開始される。
　パルス出力のデューティー比が等しく、反射波の波高値が等しいパルス駆動の条件下においては、パルス駆動の一周期Ｔの長さが長く一周期の終了時点で残存する蓄積熱量が零である場合には低周波パルスモードとなり、パルス駆動の一周期Ｔの長さが短く一周期の終了時点で蓄熱量が残存する場合には高周波パルスモードとなる。
　以下、図３の信号図を用いて着火状態における低周波モードと高周波モードを説明し、図４の信号図を用いて未着火状態における低周波モードと高周波モードを説明する。
　プラズマ着火状態において、図３（ａ）～（ｄ）は低周波パルスモードにおける進行波電圧Ｖｆ、反射波電圧Ｖｒ、蓄熱換算量Ｈａｃ、および未着火状態検出信号を示し、図３（ｅ）～（ｈ）は高周波パルスモードにおける進行波電圧Ｖｆ、反射波電圧Ｖｒ、蓄熱換算量Ｈａｃ、および未着火状態検出信号を示している。
　進行波電圧Ｖｆは、一周期内において継続時間の時間幅をｔ１とするＲＦｏｎ区間で所定周波数のパルス出力を出力する（図３（ａ），図３（ｅ））。プラズマが正常な着火状態にある場合には、パルス出力の立ち上がりおよび立ち下がりにおける不整合によってパルス状の反射波電圧Ｖｒが発生する（（図３（ｂ），図３（ｆ））。
　図３（ｃ），図３（ｇ）において、蓄熱換算量Ｈａｃは、反射波電圧ＶｒがＲＦ電力増幅素子に加わることで蓄積される熱量の換算値を示し、一点鎖線はＲＦ電力増幅素子の熱破損に対する許容量を示し、ＲＦ電力増幅素子を反射波による破損から保護するデバイス保護検知レベルを示している。
　プラズマが着火状態にある場合には、低周波モードおよび高周波モードの何れのモードにおいても、蓄熱換算量Ｈａｃは駆動モードの各一周期内においてはデバイス保護検知レベルに達すること無く零に戻るため、未着火状態検出信号は出力されない。
　一方、プラズマ未着火状態において、図４（ａ）～（ｄ）は低周波パルスモードにおける進行波電圧Ｖｆ、反射波電圧Ｖｒ、蓄熱換算量Ｈａｃ、および未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌを示し、図４（ｅ）～（ｈ）は高周波パルスモードにおける進行波電圧Ｖｆ、反射波電圧Ｖｒ、蓄熱換算量Ｈａｃ、および未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌを示している。
　進行波電圧Ｖｆは、一周期内において継続時間の時間幅をｔ１とするＲＦｏｎ区間で所定周波数のパルス出力を出力する（図４（ａ），図４（ｅ））。プラズマが未着火状態にある場合には、パルス出力が出力されているＲＦｏｎ区間では、矩形状に反射波電圧Ｖｒが発生する（図４（ｂ），図４（ｆ））。
　図４（ｃ），図４（ｇ）において、蓄熱換算量Ｈａｃは、反射波電圧ＶｒがＲＦ電力増幅素子に加わることで蓄積される熱量の換算値を示し、一点鎖線はＲＦ電力増幅素子の熱破損に対する許容量を示し、ＲＦ電力増幅素子を反射波による破損から保護するデバイス保護検知レベルを示している。
　プラズマが未着火状態にある場合には、低周波モードでは、蓄熱換算量Ｈａｃは駆動モードの周期内においてはデバイス保護検知レベルに達し（図４（ｃ））、未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌを出力する（図４（ｄ））。なお、図４（ｃ）では、ＲＦｏｎ区間の終了時点で蓄熱換算量Ｈａｃがデバイス保護検知レベルに達する状態を示しているが、反射波電圧Ｖｒの波高値が大きい場合には、ＲＦｏｎ区間の終了時点に至る前の時点で蓄熱換算量Ｈａｃがデバイス保護検知レベルに達し、未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌが出力される。
　また、高周波モードでは、複数の周期において蓄熱を繰り返すことによって蓄熱換算量Ｈａｃはデバイス保護検知レベルに達し（図４（ｇ））、未着火状態検出信号を出力する（図４（ｈ））。なお、図４（ｇ）では、５回目の周期で蓄熱換算量Ｈａｃがデバイス保護検知レベルに達する状態を示しているが、蓄熱換算量Ｈａｃがデバイス保護検知レベルに達する周期数は反射波電圧Ｖｒの波高値およびデューティー比に依存して変化する。
　［反射波の電圧値の充放電を用いた未着火状態検出の態様］
　反射波の電圧値の充放電を用いた未着火状態検出の概略構成について図６を用いて説明する。
　未着火状態検出装置２０は、反射波の電圧値の充放電によって、反射波の継続時間に応じた電圧値を求めてプラズマの未着火状態を検出する構成であり、換算手段２１と電圧比較手段２２を備える。
　反射波電圧Ｖｒを充電して充電電圧を算出する充電電圧算出手段２１Ａ、放電電圧を算出する放電電圧算出手段２１Ｂ、および充電電圧と放電電圧に差分を算出して充放電電圧Ｖaを算出する充放電電圧算出手段２１Ｃを備える。
　充電電圧算出手段２１Ａの算出値は第１換算値（加熱換算量）に対応し、放電電圧算出手段２１Ｂの算出値は第１換算値（放熱換算量）に対応し、充放電電圧算出手段２１Ｃが算出する充放電電圧Ｖaは第３換算値（蓄熱換算量）に対応する。
　電圧比較手段２２は、換算手段２１で電圧変換して得られる充放電電圧Ｖａをしきい値と比較する比較手段である。
　しきい値として設定電圧Ｖｒｅｆを用いる。設定電圧ＶｒｅｆはＲＦ電力増幅素子の反射波による損失に耐え得る許容電力に対応する許容電圧である。
　電圧比較手段２２は、充放電電圧Ｖａと設定電圧Ｖｒｅｆとを比較してプラズマの未着火状態を検出し、未着火状態を検出したときには未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌを出力する。
　換算手段２１および電圧比較手段２２は、低周波パルスモードおよび高周波パルスモードにおいて未着火状態を検出する。
　低周波パルスモードのパルス駆動において、換算手段２１は一周期内において反射波電圧Ｖｒの継続時間に応じた充放電電圧Ｖａを取得し、電圧比較手段２２は充放電電圧Ｖａと設定電圧Ｖｒｅｆとを比較することによってプラズマの未着火状態を検出し、未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌを出力する。
　一方、高周波パルスモードのパルス駆動において、換算手段２１は反射波が発生する周期が連続する連続周期において、各周期の反射波電圧Ｖｒの継続時間に応じた電圧を連続周期で累積した充放電電圧Ｖａを取得し、電圧比較手段２２は充放電電圧Ｖａを設定電圧Ｖｒｅｆと比較することによってプラズマの未着火状態を検出し、未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌを出力する。
　（反射波電圧の充放電電圧に基づいた未着火状態検出の形態）
　反射波電圧に基づく未着火状態検出において、反射波電圧を充放電電圧に基づいて求める構成例について図７～図１７を用いて説明する。
　反射波電圧の充放電電圧に基づいて未着火状態を検出する回路構成をＲＣ回路の充放電回路で構成する例について図７を用いて説明する。
　未着火状態検出回路２０ｃｉｒｃｕｉｔは、パワーセンサ２で検出した反射波電圧Ｖｒをバッファ４を介して入力し、未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌを出力する。未着火状態検出回路２０ｃｉｒｃｕｉｔは充放電回路２０ａと比較回路２０ｂを備え、充放電回路２０ａはブロックダイオードＤを介してバッファ４の出力を入力する。
　充放電回路２０ａは、コンデンサＣと放電抵抗Ｒ２の並列回路の入力側に充放電抵抗Ｒ１を直列接続して構成される。比較回路２０ｂは、充放電回路２０ａのコンデンサＣの出力電圧である充放電電圧Ｖａを設定電圧Ｖｒｅｆと比較し、充放電電圧Ｖａが設定電圧Ｖｒｅｆを超えたときに未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌを出力する。充放電回路２０ａにおいて、充電時定数τｃを放電時定数τｄｉｓｃよりも短く設定する。また、低周波パルスモードの周期Ｔの時間幅で充電したときの充電電圧が設定電圧Ｖｒｅｆ以下となるように充電時定数τｃを設定する。充電時定数τｃおよび放電時定数τｄｉｓｃは、充放電抵抗Ｒ１、放電抵抗Ｒ２、およびコンデンサＣの値を選択することで設定することができる。
　（正常時の動作例）
　未着火状態検出装置２０の正常時の動作例について図８，９を用いて説明する。
　図８は低周波パルスモードにおける正常動作状態の信号例を示し、図８（ａ）は進行波電圧Ｖｆを示し、図８（ｂ）は反射波電圧Ｖｒを示し、図８（ｃ）は充放電回路の充放電電圧Ｖａを示している。なお、ここでは、デューティー比５０％のパルス駆動の例を示している。
　図９は高周波パルスモードにおける正常動作状態の信号例を示し、図９（ａ）は進行波電圧Ｖｆを示し、図９（ｂ）は反射波電圧Ｖｒを示し、図９（ｃ）は充放電回路の充放電電圧Ｖａを示している。なお、ここでは、デューティー比５０％のパルス駆動の例を示している。
　正常状態であっても、ＲＦｏｎ区間の立ち上がり時および立ち下がり時において、進行波電圧Ｖｆがオフ状態からオン状態に切り替わる時、およびオン状態からオフ状態に切り替わる時（プラズマの着火時）に反射波電圧Ｖｒが発生する。
　パルス周波数を最大パルス周波数とし、一周期のＲＦｏｎ区間とＲＦｏｆｆ区間のデューティー比を最大デューティー比としてパルス駆動したときに、充電時定数τｃを、充放電回路の充放電電圧Ｖａが設定電圧Ｖｒｅｆに対して裕度（マージン）を持った時定数となるように充放電回路の回路定数（充放電抵抗Ｒ１、放電抵抗Ｒ２、およびコンデンサＣ）を選定しておく。
　図７に示すＲＣ回路の充放電回路構成において、
　充電時定数τｃは、
　τｃ＝Ｃ・Ｒｐ
　Ｒｐ＝Ｒ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）
　で表され、
　放電時定数τｄｉｓｃは、
　τｄｉｓｃ＝Ｃ・Ｒ２
　で表される。
　正常状態において発生する反射波電圧Ｖｒは短時間であるため、充放電回路で得られる充放電電圧Ｖａの波高値は、未着火状態検出レベルである設定電圧Ｖｒｅｆよりも十分に低く、未着火状態検出信号は出力されない。
　（異常時の動作例）
　未着火状態検出装置２０の異常時の動作例について図１０～図１２を用いて説明する。
　図１０は低周波パルスモードにおける異常動作状態の信号例を示し、図１０（ａ）は進行波電圧Ｖｆを示し、図１０（ｂ）は反射波電圧Ｖｒを示し、図１０（ｃ）は充放電回路の充放電電圧Ｖａを示し、図１０（ｄ）は未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌを示している。なお、ここでは、デューティー比５０％のパルス駆動の例を示している。
　ＲＦ電力増幅素子の許容損失（破壊レベル）に対してマージン分を考慮して設定電圧Ｖｒｅｆを設定する。なお、設定電圧Ｖｒｅｆは、反射波の電圧値および充電時定数τｃに依存する値である。反射波の電圧値を充電して得られる充放電電圧Ｖａが継続時間ｔ１の後、デバイス保護検知レベルである設定電圧Ｖｒｅｆに達した場合には、未着火状態検出信号を出力する。電力制御部は、未着火状態検出信号に基づいて高周波出力（ＲＦ出力）を垂下あるいは停止する制御を行う。
　図１１は、未着火状態検出装置２０の許容オン時間ｔ２について説明するための信号図である。図１１（ａ）は進行波電圧Ｖｆを示し、図１１（ｂ）は反射波電圧Ｖｒを示し、図１１（ｃ）は充放電回路の充放電電圧Ｖａを示し、図１１（ｄ）は未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌを示している。
　許容オン時間ｔ２はＲＦ電力増幅素子の全反射の許容電圧に耐え得る時間幅である。ＲＦ電力増幅素子に印加される反射波の時間幅（継続時間ｔ１）が許容オン時間ｔ２以下、かつパルス駆動周期の終了時点において充放電電圧Ｖａが零、つまり低周波パルスモードであれば、ＲＦ電力増幅素子は反射波（反射係数Γがほぼ１（Γ≒１）の不整合状態）が発生したとしても全反射による素子破壊に至らないため、高周波出力（ＲＦ出力）を垂下あるいは停止を要することなく進行波電圧の印加を続けることができる。
　したがって、反射波の継続時間ｔ１が許容オン時間ｔ２よりも短く、かつパルス駆動周期の終了時点において充放電電圧Ｖａが零、つまり低周波パルスモードの場合には、充放電電圧Ｖａはデバイス保護検知レベルである設定電圧Ｖｒｅｆに至らず、未着火状態検出信号は出力されない。
　レーザ加工機等のプラズマ負荷を有する装置を長期稼働休止した場合には、レーザ発振器等のプラズマ雰囲気の湿気等が発生し、プラズマの着火が難しくなる雰囲気となる場合がある。このような着火が難しいプラズマ雰囲気において、ＲＦ電力増幅素子に印加される反射波の時間幅を許容オン時間ｔ２以下とし、高周波出力（ＲＦ出力）を垂下あるいは停止させないことによって、プラズマ未着火時に高周波出力（ＲＦ出力）を繰り返して印加する動作を行うことができる。このように、高周波出力（ＲＦ出力）の印加を繰り返すことによって、レーザ発振器内部の雰囲気を安定させ着火を促進させることができる。
　図１２は高周波パルスモードにおける異常動作状態の信号例を示し、図１２（ａ）は進行波電圧Ｖｆを示し、図１２（ｂ）は反射波電圧Ｖｒを示し、図１２（ｃ）は充放電回路の充放電電圧Ｖａを示し、図１２（ｄ）は未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌを示している。なお、ここでは、デューティー比５０％のパルス駆動の例を示している。
　高周波パルスモードの場合には、進行波電圧Ｖｆを印加する時間幅は短時間であり、異常時において反射波の時間幅ｔ３も短時間である。充電時定数τｃによって時間幅ｔ３の間で充電される充放電電圧Ｖａは、低周波パルスモードの一周期Ｔ中で充電される充電電圧よりも低電圧であり、設定電圧Ｖｒｅｆに至らない。
　充放電回路の充電時定数τｃは放電時定数τｄｉｓｃよりも小さく設定されている（充電時定数τｃ＜放電時定数τｄｉｓｃ）ため、一周期内において放電後の電圧は零に戻らず、複数周期にわたってパルス出力の印加を繰り返すことによって充放電電圧Ｖａは累積されて上昇する。充放電電圧Ｖａが設定電圧Ｖｒｅｆに達すると、未着火状態検出信号Ｖｆａｉｌが出力される。
　以下、充放電回路の充放電電圧および累積充放電電圧について説明する。
　図１３は、図７に示す未着火状態検出回路２０ｃｉｒｃｕｉｔの充放電回路２０ａの回路構成を示している。充放電回路２０ａは、コンデンサＣと放電抵抗Ｒ２の並列回路の入力側に充放電抵抗Ｒ１を直列接続して構成され、充放電抵抗Ｒ１にはブロックダイオードＤを介して入力電圧Ｖｉｎが入力され、コンデンサＣの両端電圧を充放電電圧Ｖａとして出力する。図１４は入力電圧Ｖｉｎの一例を示し、オン時間幅をｔａとしオフ時間幅を（ｔｂ－ｔａ）とし、このオン時間幅ｔａ内で所定周波数のパルスを出力する。
　充放電回路２０ａの回路構成はダイオードを備えた非線形回路であるため、入力信号がある状態（高周波（ＲＦ）信号がオンの状態）と、入力信号がない状態（高周波（ＲＦ）信号がオフの状態）に分けて解析する。
　図１５は入力信号がある状態（高周波（ＲＦ）信号がオンの状態）の回路状態を示している。図１５の回路状態において、充放電電圧Ｖａ、充放電抵抗Ｒ１に流れる電流ｉ１、放電抵抗Ｒ２に流れる電流ｉ２、およびコンデンサＣに流入する電流ｉｃとしたとき、回路方程式は以下に式（１）～（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　ここで、入力電圧Ｖｉｎをステップ電圧Ｅｍとして高周波（ＲＦ）信号がオン状態にあるＲＦｏｎ区間（０～ｔ１）での充放電電圧Ｖａ（ｔ１）を求めると以下の式（５）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（５）において、Ｒｐ＝Ｒ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）とすると、充電時定数はＣ・Ｒｐで表される。
　一方、図１６は入力信号がない状態（高周波（ＲＦ）信号がオフの状態）の回路状態を示している。図１６の回路状態において、充放電電圧Ｖａ、放電抵抗Ｒ２に流れる電流ｉ２、およびコンデンサＣに流入する方向の電流ｉｃとしたとき、回路方程式は以下の式（６），（７）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　式（６），（７）を用いることによって、高周波（ＲＦ）信号がオフの状態における充放電電圧Ｖａは以下の式（８）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　式（５）で表される高周波（ＲＦ）信号がオンの状態における充放電電圧Ｖａ、および式（８）で表される高周波（ＲＦ）信号がオフの状態における充放電電圧Ｖａについて、
　入力電圧Ｖｉｎのパルス周波数　　　：５０ｋHｚ
　入力電圧ＶｉｎのＯＮデューティー比：３０％
　充放電抵抗Ｒ１　　　　　　　　　　：１．８Ω
　放電抵抗Ｒ２　　　　　　　　　　　：３．６ｋΩ
　コンデンサＣの容量　　　　　　 　：０．０１μＦ
　の数値例を用いて、０．０１μｓの固定時間ステップによりオイラー法で解くと、図１７の波形が得られる。
　未着火状態検出装置は、上記したアナログ回路の構成に限らずＤＳＰやＦＰＧＡ等のデジタル演算処理による構成が可能であり、ソフトウエアで行う場合にはＣＰＵや未着火状態検出の処理をＣＰＵに指示するプログラムを格納したメモリ等で構成することができる。
　（デジタル演算処理による構成例）
　以下、図１８および図１９を用いて未着火状態検出装置をデジタル演算処理で構成する例について説明する。
　（第１の構成例）
　図１８は、未着火状態検出装置をデジタル回路で構成する構成例である。ここでは、前記した充放電回路をデジタル回路で構成する例について示している。
　図１８（ａ）において、未着火状態検出装置３０の換算手段３１は、第１積分回路３１Ａ、第２積分回路３１Ｂ、ホールド回路３１Ｃ、スイッチ回路３１Ｄ，３１Ｅ、および比較回路３２を備える。
　スイッチ回路３１Ｄは、反射波電圧をサンプリングしＡ／Ｄ変換して得られた電圧値ＸをＲＦｏｎ区間の間だけ第１積分回路３１Ａに入力する。第１積分回路３１Ａは、スイッチ回路３１Ｄを通して入力された電圧値Ｘをデジタル積分し、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を算出する。
　第２積分回路３１Ｂは、ＲＦｏｆｆ区間の間だけ放電により低下する電圧分をデジタル積分し、高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される熱量に対応する第２換算値を算出する。
　ホールド回路３１Ｃは、第１積分回路３１Ａの第１換算値と第２積分回路３１Ｂの第２換算値とを入力し、第１換算値と第２換算値の差分を求めて第３換算値を比較回路３２に出力する。比較回路３２はホールド回路３１Ｃから入力した第３換算値をデバイス保護検知レベルに相当する設定電圧Ｖｒｅｆと比較し、第３換算値が設定電圧Ｖｒｅｆを超えている場合には、未着火状態検出信号を出力する。
　図１８（ｂ）は積分回路を構成するデジタル回路の一般的な概略構成を示している。積分回路は、係数器、加算器、および遅延器で構成される。係数器には“ａ”および“１－ａ”の係数が設定される。
　第１積分回路３１Ａの係数器に設定される係数ａは、
　ａ＝τ１／（τ１＋Ｔ）
　で表され、
　第２積分回路３１Ｂの係数器に設定される係数ａは、
　ａ＝τ２／（τ２＋Ｔ）
　で表される。
　ここで、時定数τ１およびτ２は、それぞれ
　τ１＝Ｃ・Ｒｐ
　τ２＝Ｃ・Ｒ２
　であり、Ｔはパルス駆動の周期である。
　（第２の構成例）
　図１９は、未着火状態検出装置を計数回路で構成する構成例である。
　未着火状態検出装置４０の換算手段４１は、加算回路４１Ａ、減算回路４１Ｂ、加算器４１Ｃ、スイッチ手段４１Ｄ、および比較回路４２を備える。加算回路４１Ａは、反射波電圧をサンプリングしＡ／Ｄ変換して得られた電圧値Ｘを加算し、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を算出する。減算回路４１ＢはＲＦｏｆｆ区間において放電時定数τｄｉｓｃに対応する数値を計数して、高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される熱量に対応する第２換算値を算出し、第１換算値と第２換算値の差分に対応する第３換算値を算出し、比較回路４２に出力する。
　比較回路４２は減算回路４１Ｂから入力した第３換算値をデバイス保護検知レベルに相当する設定電圧Ｖｒｅｆと比較し、第３換算値が設定電圧Ｖｒｅｆを超えている場合には、未着火状態検出信号を出力する。
　加算器４１Ｃには、一周期の演算が終了した時点において、減算回路４１Ｂで得られた加減値を初期値として戻し、高周波パルスモードに対応した複数周期にわたる第３換算値を算出する。
　なお、上記実施の形態および変形例における記述は、本発明に係るプラズマ未着火状態検出方法および検出装置の一例であり、本発明は各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
　本発明のプラズマ未着火状態検出装置および検出方法は、プラズマ負荷に対する電力供給に適用することができ、半導体、液晶、太陽光パネル等の薄膜を製造する成膜装置、ＣＯ２レーザ加工機等の高周波（ＲＦ）によるプラズマ生成に適用することができる。
　１　　未着火状態検出装置
　２　　パワーセンサ
　３　　電力制御部
　４　　バッファ
　１０　　未着火状態検出装置
　１１　　換算手段
　１１Ａ　　換算手段
　１１Ｂ　　換算手段
　１１Ｃ　　換算手段
　１２　　比較手段
　２０　　未着火状態検出装置
　２０ａ　　充放電回路
　２０ｂ　　比較回路
　２０ｃｉｒｃｕｉｔ　　未着火状態検出回路
　２１　　換算手段
　２１Ａ　　充電電圧算出手段
　２１Ｂ　　放電電圧算出手段
　２１Ｃ　　充放電電圧算出手段
　２２　　電圧比較手段
　３０　　未着火状態検出装置
　３１　　換算手段
　３１Ａ　　積分回路
　３１Ｂ　　積分回路
　３１Ｃ　　ホールド回路
　３１Ｄ，３１Ｅ　　スイッチ回路
　３２　　比較回路
　４０　　未着火状態検出装置
　４１　　換算手段
　４１Ａ　　加算回路
　４１Ｂ　　減算回路
　４１Ｃ　　加算器
　４１Ｄ　　スイッチ手段
　４２　　比較回路
　１０１　　整合器
　１０２　　プラズマ負荷
　ａ　　係数
　Ｃ　　コンデンサ
　Ｄ　　ブロックダイオード
　Ｅｍ　　ステップ電圧
　Ｈａｃ　　蓄熱換算量
　ｉ１　　電流
　ｉ２　　電流
　ｉｃ　　電流
　ｋ１　　係数
　ｋ２　　係数
　Ｒ１　　充放電抵抗
　Ｒ２　　放電抵抗
　Ｔ　　周期
　ｔ１　　継続時間
　ｔ２　　許容オン時間
　ｔ３　　時間幅
　ｔａ　　オン時間幅
　Ｖａ　　充放電電圧
　Ｖｆ　　進行波電圧
　Ｖｆａｉｌ　　未着火状態検出信号
　Ｖｉｎ　　入力電圧
　Ｖｒ　　反射波電圧
　Ｖｒｅｆ　　設定電圧
　Ｘ　　電圧値
　Γ　　反射係数
　τ１　　時定数
　τｃ　　充電時定数
　τｄｉｓｃ　　放電時定数

Claims (8)

  1. 　高周波電源からパルス駆動によるプラズマ負荷に対するパルス出力の供給において、
    　プラズマ負荷から高周波電源に向かう反射波電圧を検出し、
    　前記反射波電圧の波高値および変動状態に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求め、
    　前記求めた換算量と前記ＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較し、
    　前記比較結果に基づいてプラズマの未着火状態を検出することを特徴とするプラズマ未着火状態検出方法。
  2. 　高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を前記反射波電圧および継続時間に基づいて求める第１の換算工程と、
    　高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される放熱量に対応する第２換算値を、パルス駆動の各周期において、反射波電圧Ｖｒの波高値が零となってからの経過時間、又はパルス出力の印加開始からの経過時間に基づいて求める第２の換算工程と、
    　高周波電源のＲＦ電力増幅素子に蓄熱される蓄熱量に対応する第３換算値を前記第１換算値と前記第２換算値との差分から求める第３の換算工程と、
    　前記第３換算値と前記ＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較する比較工程とを備え、
    　前記比較工程において、前記第３換算値が前記しきい値を超えたときにプラズマの未着火状態を検出することを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ未着火状態検出方法。
  3. 　充放電において、正常時におけるパルス駆動のパルス周波数を設定し得る最大値とし、かつ、パルス駆動の一周期内でのＲＦｏｎ区間のデューティー比を設定し得る最大値とするパルス駆動の駆動条件において、
    　放電時定数（τｄｉｓｃ）を充電時定数（τｃ）よりも長く、かつ、充放電電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように選定し、
    　前記第１の換算工程において、反射波電圧の波高値を充電時定数（τｃ）で充電して得られる充電電圧を第１換算値とし、
    　前記第２の換算工程および前記第３の換算工程において、前記充電電圧から放電時定数（τｄｉｓｃ）で前記反射波の波高値が零である時間幅において放電して得られる電圧を第３換算値とし、
    　前記比較工程において、前記ＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応する充電電圧を前記しきい値とすることを特徴とする、請求項２に記載のプラズマ未着火状態検出方法。
  4. 　プラズマ駆動の一周期において、パルスを出力する区間の時間幅をＲＦｏｎとし、パルスを出力しない区間の時間幅をＲＦｏｆｆとしたとき、
    　前記第１換算値は、反射波電圧の波高値ＶｒとＲＦ電力増幅素子の発熱係数に対応する係数ｋ１との積（Ｖｒ×ｋ１）の時間積分（Ｖｒ×ｋ１×∫０ ＲＦｏｎtdt）により算出し、
    　前記第２換算値は、ＲＦ電力増幅素子の放熱係数に対応する係数ｋ２の時間積分（ｋ２×∫０ ＲＦｏｆｆtdt）により算出し、
    　前記第３換算値は、前記第１換算値から前記第２換算値を減算する｛（Ｖｒ×ｋ１×∫０ ＲＦｏｎtdt）－（ｋ２×∫０ ＲＦｏｆｆtdt）｝の演算において零を最下値として算出し、
    　前記第１換算値、第２換算値、および第３換算値はプラズマ駆動の一周期毎に算出し、次周期における第１換算値は、前周期の第３換算を初期値とすることを特徴とする、請求項２に記載のプラズマ未着火状態検出方法。
  5. 　高周波電源からパルス駆動によるプラズマ負荷に対するパルス出力の供給において、前記プラズマ負荷のプラズマの未着火状態を検出する未着火状態検出装置であり、
    　プラズマ負荷から高周波電源に向かう反射波電圧を検出する検出手段と、
    　前記反射波電圧の波高値および変動状態に基づいて、高周波電源のＲＦ電力増幅素子に印加される熱量に対応する換算量を求める換算手段と、
    　前記換算手段で求めた換算量と前記ＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較する比較手段とを備え、
    　前記比較手段の比較結果に基づいてプラズマの未着火状態を検出することを特徴とするプラズマ未着火状態検出装置。
  6. 　前記換算手段は、
    　高周波電源のＲＦ電力増幅素子に付加される熱量に対応する第１換算値を前記反射波電圧および継続時間に基づいて求める第１の換算手段と、
    　高周波電源のＲＦ電力増幅素子から放出される放熱量に対応する第２換算値を、パルス駆動の各周期において、反射波電圧Ｖｒの波高値が零となってからの経過時間、又はパルス出力の印加開始からの経過時間に基づいて求める第２の換算手段と、
    　高周波電源のＲＦ電力増幅素子に蓄熱される蓄熱量に対応する第３換算値を前記第１換算値と前記第２換算値との差分から求める第３の換算手段を備え、
    　前記比較手段は、前記第３の換算手段で求めた前記第３換算値と前記ＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応するしきい値とを比較し、前記第３換算値が前記しきい値を超えたときにプラズマの未着火状態を検出することを特徴とする、請求項５に記載のプラズマ未着火状態検出装置。
  7. 　反射波電圧を充電し、充電した電圧を放電する充放電回路、および当該充放電回路の出力を入力する比較回路を備え、
    　前記充放電回路の放電時定数（τｄｉｓｃ）は、充放電において、正常時におけるパルス駆動のパルス周波数を設定し得る最大値とし、かつ、パルス駆動の一周期内でのＲＦｏｎ区間のデューティー比を設定し得る最大値とするパルス駆動の駆動条件において、充電時定数（τｃ）よりも長く、かつ、充放電電圧がデバイス保護検知レベルの電圧レベルに到達しないように選定した時定数であり、
    　前記第１の換算手段は前記充放電回路の充電部で構成され、当該充電部は前記検出手段が検出した反射波電圧を充電時定数（τｃ）で充電して得られる充電電圧を第１換算値として出力し、
    　前記第２の換算手段および前記第３の換算手段は前記充放電回路の放電部で構成され、当該放電部は、前記充電電圧から放電時定数（τｄｉｓｃ）で前記反射波の波高値が零である時間幅に基づいて放電して得られる電圧を第３換算値として出力し、
    　前記比較手段は前記比較回路で構成され、前記ＲＦ電力増幅素子の許容熱量に対応する充電電圧を前記しきい値として、前記充放電回路から出力された第３換算値と電圧比較することを特徴とする、請求項６に記載のプラズマ未着火状態検出装置。
  8. 　前記検出手段が検出した反射波電圧Ｖｒをデジタル値に変換するＡ/Ｄ変換回路と、前記デジタル値を入力値としてデジタル演算を行う演算回路とを備え、
    　前記演算回路は、
    　プラズマ駆動の一周期において、パルスを出力する区間の時間幅をＲＦｏｎとし、パルスを出力しない区間の時間幅をＲＦｏｆｆとしたとき、
    　前記第１の換算手段は、反射波電圧の波高値ＶｒとＲＦ電力増幅素子の発熱係数に対応する係数ｋ１との積（Ｖｒ×ｋ１）の時間積分（Ｖｒ×ｋ１×∫０ ＲＦｏｎtdt）の演算により第１換算値を算出する第１演算部を備え、
    　前記第２の換算手段は、ＲＦ電力増幅素子の放熱係数に対応する係数ｋ２の時間積分（ｋ２×∫０ ＲＦｏｆｆtdt）演算により第２換算値を算出する第２演算部を備え、
    　前記第３の換算手段は、前記第１換算値から前記第２換算値を減算してなる｛（Ｖｒ×ｋ１×∫０ ＲＦｏｎtdt）－（ｋ２×∫０ ＲＦｏｆｆtdt）｝の演算により、零を最下値として第３換算値を算出する第３演算部を備え、
    　前記第１換算値、第２換算値、および第３換算値はプラズマ駆動の一周期毎に算出し、次周期における第１換算値は、前周期の第３換算を初期値とすることを特徴とする、請求項６に記載のプラズマ未着火状態検出装置。
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