CN114980464A - 等离子体离子密度测定装置和利用其的等离子体诊断装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及等离子体离子密度测定装置，上述等离子体离子密度测定装置的特征在于，包括：收发天线，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；以及频率分析器，分析上述收发天线接收的微波的频率来测定截止频率，能够在100kHz以上且500MHz以下的范围内改变向上述等离子体施加的微波的频率。

Description

等离子体离子密度测定装置和利用其的等离子体诊断装置
技术领域
本发明涉及等离子体离子密度测定装置和利用其的等离子体诊断装置，本发明用于提供如下的等离子体离子密度测定装置，即，可从通过超高频收发天线测定的离子等离子体截止频率求出等离子体离子密度，以此求出等离子体密度。
本发明接收从韩国科学技术信息通信部(Ministry of Science and ICT)获得研究资金的韩国国家研究基金会(NRF，National Research Foundation of Korea)的材料创新计划(1711120490/2020M3H4A3106004，贡献率51％)、韩国国家科学国家科学技术研究委员会(NST，National Research Council of Science&Technology)的R&D转换计划(1711062007/CAP-17-02-NFRI-01)和未来的领先融合研究小组项目(CRC-20-01-NFRI)以及韩国标准科学研究所(KRISS，Korea Research Institute of Standards and Science)的支援来进行了研究。
背景技术
随着等离子体的应用领域的多方面扩大，等离子体诊断技术的重要性进一步提高，在通常使用的朗缪尔(Langmuir)探针的情况下，可从基于所施加的电压V的电流I的I-V特性测定等离子体的电子密度和离子密度，但是其测定准确度降低，向探针施加的高的电压有可能改变等离子体，在工艺气体环境条件下，因探针的蚀刻或蒸镀，等离子体测定变得更加艰难。
为了解决上述朗缪尔探针的问题，开发了如下的技术，即，为了利用等离子体的密度与固有频率所具有的相关关系，在对腔室内的等离子体施加与上述等离子体的固有频率对应的电磁波的情况下，扫描截止(cut-off)的频带来测定及监控等离子体的密度，在这种技术中，分析基于等离子体内的电子密度的等离子体的频率。
等离子体为电中性状态的离子化气体，在等离子体内，负(-)粒子和正(+)粒子以相同的密度存在，大部分负(-)粒子为电子，因此，可以看出，电子密度和正(+)的离子密度几乎相同。
在这种观点上，以往，仅分析了以电子密度为基础的GHz频带的等离子体的频率，但与电子的粒子种类为一种不同的是，正(+)离子的粒子种类多样，因此，在实际薄膜蒸镀及蚀刻工艺中，需要把握作为主要因子作用的正(+)离子的移动。
结果，应根据等离子体密度的变化，调节向等离子体腔室施加的电力等的外部变量，而以往的等离子体密度的变化仅分析以电子密度为基础的等离子体的频率，因此，在实际薄膜蒸镀工艺中，无法精密地控制离子的密度。
韩国授权专利公报第10-0473794号涉及具有天线结构的频率探针仪的结构的等离子体电子密度测定装置，在上述等离子体电子密度测定装置中，具有杆形状的探针的收发天线，向等离子体内部插入频率探针仪来测定等离子体内的电子密度，但是无法对等离子体内的离子密度进行测定，因此，在薄膜蒸镀工艺中，无法精密地控制离子的密度。
韩国授权专利公报第10-0805879号涉及等离子体电子密度及电子温度监控装置及方法，上述等离子体电子密度及电子温度监控装置及方法虽然监控等离子体内的电子密度和电子温度，但是，无法测定等离子体内的离子密度，因此，在薄膜蚀刻及蒸镀工艺中，无法精密地控制离子的密度。
韩国授权专利公报第10-1225010号涉及具有杆形状的辐射天线和环形状的接收天线的超高频探针，在具有杆形状的辐射天线和环形状的接收天线的超高频探针中，具有杆形状的辐射天线和环形状的接收天线，接收天线呈环形状，从而提高接收率，但无法测定等离子体内的离子密度，因此，在薄膜蚀刻及蒸镀工艺中，无法精密地测定离子的密度。
韩国公开专利公报第10-2017-0069652号涉及扁平环形超高频等离子体诊断装置，在扁平环形超高频等离子体诊断装置中，具有扁平环形等离子体诊断装置，为了通过检测等离子体的截频来测定等离子体密度，将发送天线和接收天线以同心轴结构配置，上述接收天线呈环形态并包围发送天线。但是，这种扁平环形超高频等离子体诊断装置无法测定等离子体内的离子密度，因此，在薄膜蚀刻及蒸镀工艺中，无法精密地控制离子的密度。
韩国授权专利公报第10-1756325号涉及扁平锥形等离子体诊断装置，在扁平锥形等离子体诊断装置中，具有扁平锥形等离子体诊断装置，为了通过检测等离子体的截频来测定等离子体密度，将发送天线和接收天线分别以圆锥形态形成。但是，这种扁平锥形截频探针无法测定等离子体内的离子密度，因此，在薄膜蚀刻及蒸镀工艺中，无法精密地控制离子的密度。
现有技术文献
专利文献
专利文献0001：韩国授权专利公报第10-0473794号
专利文献0002：韩国授权专利公报第10-0805879号
专利文献0003：韩国授权专利公报第10-1225010号
专利文献0004：韩国公开专利公报第10-2017-0069652号
专利文献0005：韩国授权专利公报第10-1756325号
发明内容
本发明的目的在于，测定等离子体内的离子密度。
并且，本发明的目的在于，通过测定等离子体内的离子密度来精密地测定等离子体密度。
并且，本发明的目的在于，测定等离子体内的离子密度，比较所测定的离子密度与电子密度来在薄膜蚀刻及蒸镀工艺中精密地控制离子的密度。
本发明所要解决的技术问题并不局限于上述目的，以下，本发明所属技术领域的普通技术人员可通过本发明的结构及作用轻松理解上述未提及的其他技术问题。
在本发明中，为了解决上述问题而包括以下的结构。
本发明涉及等离子体离子密度测定装置，其特征在于，包括：收发天线，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；以及频率分析器，分析上述收发天线接收的微波的频率来测定截止频率，能够在100kHz以上且500MHz以下的范围内改变向上述等离子体施加的微波的频率。
本发明的特征在于，还包括将在上述频率分析器中测定的截止频率变换为等离子体离子密度的变换部。
本发明的特征在于，上述收发天线为探针型天线。
本发明的特征在于，上述收发天线为环形天线。
本发明的特征在于，上述收发天线为扁平环形天线。
本发明的特征在于，上述收发天线为扁平锥形天线。
本发明的特征在于，上述收发天线为扁平杆型天线。
并且，本发明涉及等离子体密度测定装置，其特征在于，包括：收发天线，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；以及频率分析器，分析上述收发天线接收的微波的频率来测定截止频率，能够在100kHz以上且500MHz以下的范围内改变向上述等离子体施加的微波的频率。
本发明的特征在于，还包括将在上述频率分析器中测定的截止频率变换为等离子体离子密度的变换部。
本发明的特征在于，上述收发天线为探针型天线。
本发明的特征在于，上述收发天线为环形天线。
本发明的特征在于，上述收发天线为扁平环形天线。
本发明的特征在于，上述收发天线为扁平锥形天线。
本发明的特征在于，上述收发天线为扁平杆型天线。
并且，本发明涉及等离子体诊断装置，其特征在于，包括：收发天线，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；频率分析器，分析上述收发天线接收的微波的频率来测定截止频率；变换部，将在上述频率分析器中测定的截止频率变换为等离子体电子密度或等离子体离子密度；以及比较部，比较在上述变换部变换的等离子体电子密度与等离子体离子密度。
本发明的特征在于，向上述等离子体施加的微波的频率包括在100kHz以上且500MHz以下的范围内改变的情况和在0.5GHz以上且10GHz以下的范围内改变的情况。
并且，本发明涉及等离子体工艺装置，其特征在于，包括：真空腔室，生成等离子体；收发天线，在上述真空腔室内，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；频率分析器，分析上述收发天线接收的微波的频率来测定截止频率；变换部，将在上述频率分析器中测定的截止频率变换为等离子体离子密度或等离子体电子密度；以及比较部，比较在上述变换部中变换的等离子体离子密度与等离子体电子密度。
并且，本发明涉及等离子体诊断方法，其特征在于，包括如下的步骤：在真空腔室内生成等离子体；在上述真空腔室内，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；分析收发天线接收的微波的频率来测定截止频率；将在频率分析器中测定的截止频率变换为等离子体离子密度或等离子体电子密度；以及比较在变换部中变换的等离子体离子密度与等离子体电子密度。
并且，本发明涉及等离子体工艺方法，其特征在于，包括如下的步骤：在真空腔室内生成等离子体；在上述真空腔室内，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；分析收发天线接收的微波的频率来测定截止频率；将在频率分析器中测定的截止频率变换为等离子体离子密度或等离子体电子密度；比较在变换部中变换的等离子体离子密度与等离子体电子密度；以及根据在比较部中比较的等离子体离子密度与等离子体电子密度之差，控制为了生成等离子体而施加的供电部的供给电力、气体流量、放电压力中的至少一种。
本发明的效果在于，可以测定等离子体内的离子密度。
并且，本发明的再一效果在，可通过测定等离子体内的离子密度来精密地测定等离子体密度。
并且，本发明的另一效果在于，测定等离子体内的离子密度，比较所测定的离子密度与电子密度来在薄膜蚀刻及蒸镀工艺中精密地控制离子的密度。
本发明的效果并不局限于上述效果，以下，本发明所属技术领域的普通技术人员可通过本发明的结构及作用轻松理解上述未提及的其他效果。
附图说明
图1示出用于为了控制等离子体工艺而进行的真空腔室内的污染粒子测定和等离子体频率测定的简要结构图。
图2示出在上部观察图1的结构部的情况下用于测定污染粒子的激光光学系统。
图3示出用于测定真空腔室内的等离子体频率的本发明的具体结构图。
图4的(a)部分示出生成等离子体的真空腔室内的透射系数的离子等离子体频率频谱，图4的(b)部分示出生成等离子体的真空腔室内的透射系数的电子等离子体频率频谱。
图5的(a)部分示出在改变所施加的电力的过程中，在生成基于He气体的等离子体的真空腔室内的透射系数的离子等离子体频率频谱，图5的(b)部分示出在改变所施加的电力的过程中，在基于He气体的等离子体的真空腔室内的透射系数的电子等离子体频率频谱。
图6的(a)部分比较示出在生成基于He气体的等离子体的真空腔室内，对于电子等离子体频率的离子等离子体频率的理论值与实际测定值，图6的(b)部分比较示出在生成基于He气体的等离子体的真空腔室内，对于等离子体电子密度的等离子体离子密度的理论值与实际测定值。
图7的(a)部分示出在改变所施加的电力的过程中，在生成基于Ne气体的等离子体的真空腔室内的透射系数的离子等离子体频率频谱，图7的(b)部分示出在改变所施加的电力的过程中，在生成基于Ne气体的等离子体的真空腔室内的透射系数的电子等离子体频率频谱。
图8的(a)部分为比较示出在生成基于Ne气体的等离子体的真空腔室内，对于电子等离子体频率的离子等离子体频率的理论值与实际测定值，图8的(b)比较示出在生成基于Ne气体的等离子体的真空腔室内，对于等离子体电子密度的等离子体离子密度的理论值与实际测定值。
图9的(a)部分示出在改变所施加的电力的过程中，在生成基于Ar气体的等离子体的真空腔室内的透射系数的离子等离子体频率频谱，图9的(b)部分示出在改变所施加的电力的过程中，在生成基于Ar气体的等离子体的真空腔室内的透射系数的电子等离子体频率频谱。
图10的(a)部分比较示出在生成基于Ar气体的等离子体的真空腔室内，对于电子等离子体频率的离子等离子体频率的理论值与实际测定值，图10的(b)比较示出在生成基于Ar气体的等离子体的真空腔室内，对于等离子体电子密度的等离子体离子密度理论值与实际测定值。
图11的(a)比较示出在生成基于He和Ar混合气体的等离子体的真空腔室内，在上述混合气体内，对于基于He的比例的电子等离子体频率的等离子体Ar离子和He离子各个频率的理论值与实际测定值，图11的(b)部分示出在生成基于He和Ar混合气体的等离子体的真空腔室内，上述混合气体内，基于He的比例的He离子密度、Ar离子密度、电子密度的变化。
图12示出杆形状探针的收发天线的具体形状。
图13示出杆形状的辐射天线和环形状的接收天线的具体形状。
图14示出扁平环形等离子体诊断装置的具体形状。
图15示出扁平锥形等离子体诊断装置的具体形状。
图16示出扁平杆型等离子体诊断装置的具体形状。
图17示出使用本发明的等离子体测定装置的等离子体诊断方法的流程图。
具体实施方式
以下，说明本发明优选实施例的整体结构及作用。这种实施例仅为例示性实施例，而并非用于限定本发明的结构及作用，以下，在实施例中，本发明所属技术领域的普通技术人员通过本发明的实施例轻松理解并未明示性示出的其他结构及作用的情况下，可以将其看成本发明的技术思想。
图1示出用于为了控制等离子体工艺而进行真空腔室内的污染粒子测定和等离子体频率测定的简要结构图。
参照图1，为了控制真空腔室内的等离子体工艺而进行污染粒子的测定和等离子体频率的测定，污染粒子的测定可通过由激光光源80和检测器81、82、83形成的激光光学系统、发射光谱85(OES：Optical Emission Spectroscopy)、污染粒子收集器87等执行。
上述发射光谱85可以检测等离子体内的活性种和等离子体，并可用于检测污染粒子，在上述激光光学系统中，从激光光源80生成的激光通过真空腔室壁面的窗贯通真空腔室内的等离子体，由上述检测器81、82、83检测上述激光之后，从检测结果测定等离子体内的污染粒子。
并且，为了测定等离子体频率，本发明包括收发天线10、11、网络信号分析器或频率分析器20、开关电路21、真空腔室30、供电部40、匹配电路50、基板60、基板支撑部70。
在上述收发天线10、11的情况下，可以使用多种形态，扁型收发天线11可埋在上述真空腔室30的壁面内，或者埋在基板支撑部70内。
在上述分时网络信号分析器或频率分析器20与多个上述收发天线10、11之间设置上述开关电路21，通过开关动作来区分在上述分时网络信号分析器或频率分析器20与多个上述收发天线10、11之间收发的信号的时间差来使各个收发天线10、11进行工作。
图2示出在上部观察图1的结构部的情况下用于测定污染粒子的激光光学系统。
参照图2，从激光光源80生成的激光可通过真空腔室30壁面的窗贯通在上述真空腔室30内生成的等离子体，激光在贯通等离子体的过程中，因等离子体内的污染粒子，而导致激光的强度削弱或导致激光的散射。
在激光的强度削弱的情况下，检测器81可以检测激光的削弱，并判断为污染粒子的增加，在激光散射的情况下，根据散射角度，检测器82对其进行检测来判断污染粒子的大小。
并且，在检测器83中也检测到激光的散射的情况下，可根据散射角度判断污染粒子的大小，可根据在上述检测器82和上述检测器83中判断的污染粒子的大小具有相互对称性的程度判断污染粒子的形态为球形或非球形。
图3示出用于测定真空腔室内的等离子体频率的本发明的具体结构图。
参照图3，本发明为了测定真空腔室内的等离子体频率而包括收发天线10、频率分析器20、真空腔室30、供电部40、电力控制部41、匹配电路50、基板60、基板支撑部70。
上述收发天线10可向等离子体施加能够改变频率的微波并接收，其位置可以在上述真空腔室30内移动。
上述收发天线10能够以多种形态构成，可以为杆形状探针的收发天线、杆形状的辐射天线和环形状的接收天线、扁平环形等离子体诊断装置、扁平锥形等离子体诊断装置、扁平杆型等离子体诊断装置，上述扁平环形等离子体诊断装置、扁平锥形等离子体诊断装置、扁平杆型等离子体诊断装置可埋在这空腔室的壁面、基板支撑部而成。
上述频率分析器20可以与上述收发天线10相连接来分析能够改变向等离子体施加的微波的频率并接收的微波的频率。
上述供电部40为了将向真空腔室内供给的气体离子化来生成等离子体而可以供给高频电源，上述匹配电路50为用于电阻匹配或整合的结构，可以为了将反射损失最小化而相连接。
在半导体工艺中，为了蒸镀或蚀刻而在上述真空腔室30内设置基板支撑部70，在上述基板支撑部70上设置半导体晶圆、显示基板等的基板60，若向上述真空腔室30内注入用于发生等离子体的气体，则借助通过上述供电部40供给的电力，将上述气体离子化并发生等离子体。
在上述等离子体内包括离子和电子，可通过控制等离子体内的离子和电子的移动来精密地执行蒸镀或蚀刻，通过测定上述等离子体密度的变化来调节通过上述供电部40供给的电力，由此可以更加精密地执行蒸镀或蚀刻。
等离子体为离子化的中性气体，因此，可以看成是离子和电子几乎按相同的密度存在，但是，与作为单一种类的粒子的电子不同，离子的种类多样，不仅如此，可存在正(+)离子和负(-)离子，在向上述真空腔室30内注入混合气体的情况下，可存在多种正(+)离子和负(-)离子。
以往，仅通过测定电子等离子体频率计算电子密度，以此计算等离子体密度来调节通过上述供电部40供给的电力并执行半导体工艺，但是，在这种情况下，如上所述，无法精密地控制在等离子体内存在的多种离子的移动。
图4的(a)部分示出生成等离子体的真空腔室内的透射系数的离子等离子体频率频谱，图4的(b)部分示出生成等离子体的真空腔室内的透射系数的电子等离子体频率频谱。
参照图4的(a)部分，在向真空腔室30内注入Ar气体来生成等离子体的情况下，频率分析器20改变通过收发天线10向等离子体施加的微波的频率来分析所接收的微波的频率，从而显示透射系数的离子等离子体频率频谱。
上述微波的频带可以在100kHz～500MHz的范围内改变，更具体地，上述微波的频带可以在400kHz～100MHz的范围内改变，在2.51MHz中截止(cut-off)。上述截止频率与作为固有频率的离子等离子体频率对应。
上述离子等离子体频率fpi可通过以下的数学式1表示，以此计算离子密度。
数学式1
Figure BDA0003010630250000101
其中，e为基本电荷量，ni为离子密度(cm-3)，∈0为在真空中的电容率，Mi为离子质量。
参照图4的(b)部分，在向真空腔室30注入Ar气体来生成等离子体的情况下，频率分析器20改变通过收发天线10向等离子体施加的微波的频率来分析所接收的微波的频率来显示透射系数的电子等离子体频率频谱。
上述微波的频带可以在0.5～2GHz的范围或0.5～10GHz中改变，在0.69GHz中截止。上述截止频率与作为固有频率的电子等离子体频率对应。
上述电子等离子体频率fpe可通过如下的数学式2表示，由此可计算电子密度。
数学式2
Figure BDA0003010630250000111
其中，e为基本电荷量，ne为电子密度(cm-3)，∈0为在真空中的电容率，me为电子质量。
等离子体内的离子密度ni和电子密度ne相同，因此，相对于上述电子等离子体频率fpe，上述离子等离子体的频率fpi的理论值可通过如下的数学式3表示。
数学式3
Figure BDA0003010630250000112
图5的(a)部分示出在改变所施加的电力的过程中，在生成基于He气体的等离子体的真空腔室内的透射系数的离子等离子体频率频谱，图5的(b)部分示出在改变所施加的电力的过程中，在基于He气体的等离子体的真空腔室内的透射系数的电子等离子体频率频谱。
参照图5的(a)部分，在向真空腔室30注入He气体来生成等离子体的情况下，频率分析器20改变通过收发天线10向等离子体施加的微波的频率来分析所接收的微波的频率来显示透射系数的离子等离子体频率频谱。
上述微波的频带在0～10MHz的范围内改变，随着为了生成等离子体而施加的供电部40的电力的增加，离子等离子体频率fpi也将增加。
参照图5的(b)部分，在向真空腔室30内注入He气体来生成等离子体的情况下，频率分析器20改变通过收发天线10向等离子体施加的微波的频率来分析所接收的微波的频率来显示透射系数的电子等离子体频率频谱。
上述微波的频带在0～0.4GHz的范围内改变，随着为了生成等离子体而施加的供电部40的电力的增加，电子等离子体频率fpe也将增加。
图6的(a)部分比较示出在生成基于He气体的等离子体的真空腔室内，对于电子等离子体频率的离子等离子体频率的理论值与实际测定值，图6的(b)部分比较示出在生成基于He气体的等离子体的真空腔室内，对于等离子体电子密度的等离子体离子密度的理论值与实际测定值。
参照图6的(a)部分，在向真空腔室30内注入He气体来生成等离子体的情况下，测定离子等离子体频率和电子等离子体频率，比较对于上述电子等离子体频率的离子等离子体频率的理论值与实际离子等离子体频率的测定值来以图表表示。
如数学式3所示，离子等离子体频率的理论值具有与电子等离子体频率相互成比例的关系，将质量比的平方根作为斜率来在图表上以直线表示，比较测定实际离子等离子体频率的值与上述离子等离子体频率的理论值，其差异在最高4.42％以内的范围内测定。
参照图6的(b)部分，若比较等离子体离子密度与电子密度，则也对从测定实际离子等离子体频率的值变换的离子密度与从上述离子等离子体频率的理论值变换的离子密度进行比较，其差异在最高8.64％以内的范围内测定。
如上所述，在测定从单一的He气体生成的等离子体的密度的情况下，使用电子密度的情况和使用离子密度的情况均可以进行精密地测定。
图7的(a)部分示出在改变所施加的电力的过程中，在生成基于Ne气体的等离子体的真空腔室内的透射系数的离子等离子体频率频谱，图7的(b)部分示出在改变所施加的电力的过程中，在生成基于Ne气体的等离子体的真空腔室内的透射系数的电子等离子体频率频谱。
参照图7的(a)部分，在向真空腔室30内注入Ne气体来生成等离子体的情况下，频率分析器20改变通过收发天线10向等离子体施加的微波的频率来分析所接收的微波的频率来显示透射系数的离子等离子体频率频谱。
上述微波的频带在0～10MHz的范围内改变，随着为了生成等离子体而施加的供电部40的电力的增加，离子等离子体频率fpi也将增加。
参照图7的(b)部分，在向真空腔室30注入Ne气体来生成等离子体的情况下，频率分析器20改变通过收发天线10向等离子体施加的微波的频率来分析所接收的微波的频率来显示透射系数的电子等离子体频率频谱。
上述微波的频带在0～2GHz的范围内改变，随着为了生成等离子体而施加的供电部40的电力的增加，电子等离子体频率fpe也将增加。
图8的(a)部分为比较示出在生成基于Ne气体的等离子体的真空腔室内，对于电子等离子体频率的离子等离子体频率的理论值与实际测定值，图8的(b)比较示出在生成基于Ne气体的等离子体的真空腔室内，对于等离子体电子密度的等离子体离子密度的理论值与实际测定值。
参照图8的(a)部分，在向真空腔室30内注入来生成等离子体的情况下，测定离子等离子体频率和电子等离子体频率，比较对于上述电子等离子体频率的离子等离子体频率的理论值与实际离子等离子体频率的测定值来以图表表示。
如数学式3所示，离子等离子体频率的理论值具有与电子等离子体频率相互成比例的关系，将质量比的平方根作为斜率来在图表上以直线表示，比较测定实际离子等离子体频率的值与上述离子等离子体频率的理论值，其差异在最高3.97％以内的范围内测定。
参照图8的(b)部分，若比较等离子体离子密度与电子密度，则也比较从测定实际离子等离子体频率的值变换的离子密度与从上述离子等离子体频率的理论值变换的离子密度，其差异在最高8.09％以内的范围内测定。
如上所述，在测定从单一的Ne气体生成的等离子体的密度的情况下，使用电子密度的情况和使用离子密度的情况均可进行精密地测定。
图9的(a)部分示出在改变所施加的电力的过程中，在生成基于Ar气体的等离子体的真空腔室内的透射系数的离子等离子体频率频谱，图9的(b)部分示出在改变所施加的电力的过程中，在生成基于Ar气体的等离子体的真空腔室内的透射系数的电子等离子体频率频谱。
参照图9的(a)部分，在向真空腔室30内注入Ar气体来生成等离子体的情况下，频率分析器20改变通过收发天线10向等离子体施加的微波的频率来分析所接收的微波的频率来显示透射系数的离子等离子体频率频谱。
上述微波的频带在0～10MHz的范围内改变，随着为了生成等离子体而施加的供电部40的电力的增加，离子等离子体频率fpi也将增加。
参照图9的(b)部分，在向真空腔室30内注入Ar气体来生成等离子体的情况下，频率分析器20改变通过收发天线10向等离子体施加的微波的频率并分析所接收的微波的频率来显示透射系数的电子等离子体频率频谱。
上述微波的频带在0～2GHz的范围内改变，随着为了生成等离子体而施加的供电部40的电力的增加，电子等离子体频率fpe也将增加。
图10的(a)部分比较示出在生成基于Ar气体的等离子体的真空腔室内，对于电子等离子体频率的离子等离子体频率的理论值与实际测定值，图10的(b)比较示出在生成基于Ar气体的等离子体的真空腔室内，对于等离子体电子密度的等离子体离子密度理论值与实际测定值。
参照图10的(a)部分，在向真空腔室30内注入Ne气体来生成等离子体的情况下，测定离子等离子体频率和电子等离子体频率，比较对于上述电子等离子体频率的离子等离子体频率的理论值与实际离子等离子体频率的测定值来以图表表示。
如数学式3所示，离子等离子体频率的理论值具有与电子等离子体频率相互成比例的关系，将质量比的平方根作为斜率来在图表上以直线表示，比较测定实际离子等离子体频率的值与上述离子等离子体频率的理论值，其差异在最高2.15％以内的范围内测定。
参照图10的(b)部分，若比较等离子体离子密度与电子密度，则比较从测定实际离子等离子体频率的值变换的离子密度与从上述离子等离子体频率的理论值变换的离子密度，其差异在最高4.33％以内的范围内测定。
如上所述，在测定从单一的Ar气体生成的等离子体的密度的情况下，使用电子密度的情况和使用离子密度的情况均可进行精密地测定。
图11的(a)比较示出在生成基于He和Ar混合气体的等离子体的真空腔室内，在上述混合气体内，对于基于He的比例的电子等离子体频率的等离子体Ar离子和He离子各个频率的理论值与实际测定值，图11的(b)部分示出在生成基于He和Ar混合气体的等离子体的真空腔室内，上述混合气体内，基于He的比例的He离子密度、Ar离子密度、电子密度的变化。
参照图11的(a)部分，在向真空腔室30内注入He和Ar混合气体来生成等离子体的情况下，测定基于上述混合气体内的He的比例的离子等离子体频率和电子等离子体频率，比较对于上述电子等离子体频率的He和Ar各个的离子等离子体频率的理论值与实际离子等离子体频率的测定值来以图表表示。
如数学式3所示，He离子等离子体频率的理论值和Ar离子等离子体频率的理论值与电子等离子体频率fpe具有相互成比例的关系，针对近注入He气体的情况和进注入Ar气体的情况，在图表上，分别以虚线和直线表示，在注入混合气体的情况下，实际离子等离子体频率的测定值fpi作为一个测定值表示。
在注入混合气体的情况下，多个离子的移动通过一个离子等离子体频率测定。
如上述图表所示，实际离子等离子体频率的测定值fpi与He离子等离子体频率的理论值存在较大的差异，在上述混合气体内的He的比例低的情况下，实际离子等离子体频率的测定值fpi与Ar离子等离子体频率的理论值相同，但是，随着上述混合气体内的He的比例增加，实际离子等离子体频率的测定值fpi与Ar离子等离子体频率的理论值存在较大差异。
即，在Ar离子等离子体频率的理论值从电子等离子体频率计算方面，仅通过测定电子等离子体频率无法精密地测定等离子体内离子密度的变化。
另一方面，在仅注入He气体的情况下，上述说明的He离子等离子体频率的理论值为从电子等离子体频率fpe计算的值，在向真空腔室仅注入Ar气体的情况下，Ar离子等离子体频率的理论值为从电子等离子体频率fpe计算的值，因此，以下，在向真空腔室注入混合气体的情况下，通过计算He离子等离子体频率、Ar离子等离子体频率、He离子浓度、Ar离子浓度来进行比较。
参照图11的(b)部分，在混合气体内的He的比例小的情况下，混合气体内的电子密度和Ar离子密度几乎相同，但是，随着混合气体内的He的比例增加，混合气体内的电子密度与Ar离子密度存在差异。
作为参照，在图表上，上述差异为极小的差异，在图表的纵轴为记录值的方面，与实际存在较大差异，将纵轴作为记录值的原因如下，由于He离子密度过小，因而将其表示在一个图表上。
另一方面，He离子密度、Ar离子密度为通过以下的式计算的值。
数学式4
Figure BDA0003010630250000161
数学式5
Figure BDA0003010630250000162
数学式6
Figure BDA0003010630250000171
数学式7
ne＝nHe+nAr
如上所述，在注入混合气体的情况下，随着仅测定对于整体移动的一个离子等离子体频率，一个频率从He离子和Ar离子的质量中心运动测定来导出数学式4。
与数学式1相同，数学式5为将He离子等离子体频率以He离子密度表示的式，数学式6页将Ar离子等离子体频率以Ar离子密度表示的式。而且，在数学式6中，使用数学会7来将Ar离子密度以He离子密度表示。
结果，从3个数学式4、数学式5、数学式6求出作为3个变量的He离子等离子体频率、Ar离子等离子体频率、He离子密度，之后，通过数学式7求出Ar离子密度。
因此，在混合气体内的电子密度与Ar离子密度存在差异的情况下，仅通过测定电子密度无法精密地控制等离子体工艺，可通过Ar离子密度的测定更加精密地控制等离子体工艺。
并且，在现有的离子测定方法中，在离子电流式中，假设Bohm速度来获取大概的值，相反的，本发明的离子密度测定法不考虑Bohm速度，因此，是更加精密的测定方法。
图12示出杆形状探针的收发天线的具体形状。
参照图12，收发天线10、11可通过向等离子体内部插入杆形状探针的收发天线的方式使用。
图13示出杆形状的辐射天线和环形状的接收天线的具体形状。
参照图13，收发天线10、11可通过向等离子体内部插入杆形状的辐射天线和环形状的接收天线的方式使用，接收天线呈环形状，从而可以提高接收率。
图14示出扁平环形等离子体诊断装置的具体形状。
参照图14，收发天线10、11将发送天线和接收天线以同心轴结构配置来以扁型形成，上述接收天线成环形态来包围发送天线，从而可以提高接收率。
图15示出扁平锥形等离子体诊断装置的具体形状。
参照图15，在收发天线10、11中，发送天线和接收天线可分别以扁平锥形形成。
图16示出扁平杆型等离子体诊断装置的具体形状。
参照图16，在收发天线10、11中，发送天线和接收天线能够以扁平四边形状形成，以使侧面相向的方式配置来加强透射信号的强度，从而提高接收率。
上述扁平环形等离子体诊断装置、扁平锥形等离子体诊断装置、扁平杆型等离子体诊断装置可埋在真空腔室的壁面、基板支撑部等来使用，也可以埋在晶圆形基板来使用。
图17示出使用本发明的等离子体测定装置的等离子体诊断方法的流程图。
参照图17，与使用等离子体诊断方法相比，在本发明的等离子体诊断方法中，在半导体工艺或显示器工艺中使用等离子体工艺的情况下，可以进行更加精密的工艺。
在本发明的等离子体工艺方法中，首先执行在真空腔室30内生成等离子体的步骤S100，再执行向上述真空腔室30内插入收发天线10，在上述真空腔室30内向等离子体施加能够改变频率的微波并接收的步骤S200。
本发明执行频率分析器20分析从上述收发天线10接收的微波的频率来测定截止频率的步骤S300，在上述微波的频带在0～10MHz的范围内改变的情况下，可以测定离子等离子体频率，并且，在上述微波的频带在0.5～2GHz的范围内改变的情况下，可以测定作为截止频率的电子等离子体频率。
接着，本发明执行将在上述频率分析器20中测定的截止频率变换成等离子体离子密度或等离子体电子密度的步骤S400，并执行比较在变换部中变换的等离子体离子密度与等离子体电子密度的步骤S500。
与此相关地，如数学式4～数学式7和通过图9的(b)部分说明，从3个数学式4、数学式5、数学式6求出作为3个变量的He离子等离子体频率、Ar离子等离子体频率、He离子密度，之后，通过数学式7求出Ar离子密度之后对此进行比较。
虽然图中并未示出比较部，但是，执行根据在比较部中比较的等离子体离子密度与等离子体电子密度之差，电力控制部41控制为了生成等离子体而施加的供电部40的供给电力的步骤S600，在混合气体内的电子密度与离子密度存在差异的情况下，仅通过测定电子密度无法精密地控制等离子体工艺，可通过测定离子密度来更加精密地控制等离子体工艺。
并且，上述等离子体诊断方法的流程图可通过计算机程序体现，本发明的各个结构要素可通过硬件或软件体现。

Claims (19)

1.一种等离子体离子密度测定装置，其特征在于，
包括：
收发天线，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；以及
频率分析器，分析上述收发天线接收的微波的频率来测定截止频率，
能够在100kHz以上且500MHz以下的范围内改变向上述等离子体施加的微波的频率。
2.根据权利要求1所述的等离子体离子密度测定装置，其特征在于，还包括将在上述频率分析器中测定的截止频率变换为等离子体离子密度的变换部。
3.根据权利要求1所述的等离子体离子密度测定装置，其特征在于，上述收发天线为探针型天线。
4.根据权利要求1所述的等离子体离子密度测定装置，其特征在于，上述收发天线为环形天线。
5.根据权利要求1所述的等离子体离子密度测定装置，其特征在于，上述收发天线为扁平环形天线。
6.根据权利要求1所述的等离子体离子密度测定装置，其特征在于，上述收发天线为扁平锥形天线。
7.根据权利要求1所述的等离子体离子密度测定装置，其特征在于，上述收发天线为扁平杆型天线。
8.一种等离子体密度测定装置，其特征在于，
包括：
收发天线，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；以及
频率分析器，分析上述收发天线接收的微波的频率来测定截止频率，
能够在100kHz以上且500MHz以下的范围内改变向上述等离子体施加的微波的频率。
9.根据权利要求8所述的等离子体密度测定装置，其特征在于，还包括将在上述频率分析器中测定的截止频率变换为等离子体离子密度的变换部。
10.根据权利要求8所述的等离子体密度测定装置，其特征在于，上述收发天线为探针型天线。
11.根据权利要求8所述的等离子体密度测定装置，其特征在于，上述收发天线为环形天线。
12.根据权利要求8所述的等离子体密度测定装置，其特征在于，上述收发天线为扁平环形天线。
13.根据权利要求8所述的等离子体密度测定装置，其特征在于，上述收发天线为扁平锥形天线。
14.根据权利要求8所述的等离子体密度测定装置，其特征在于，上述收发天线为扁平杆型天线。
15.一种等离子体诊断装置，其特征在于，包括：
收发天线，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；
频率分析器，分析上述收发天线接收的微波的频率来测定截止频率；
变换部，将在上述频率分析器中测定的截止频率变换为等离子体电子密度或等离子体离子密度；以及
比较部，比较在上述变换部变换的等离子体电子密度与等离子体离子密度。
16.根据权利要求15所述的等离子体诊断装置，其特征在于，向上述等离子体施加的微波的频率包括在100kHz以上且500MHz以下的范围内改变的情况和在0.5GHz以上且10GHz以下的范围内改变的情况。
17.一种等离子体工艺装置，其特征在于，包括：
真空腔室，生成等离子体；
收发天线，在上述真空腔室内，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；
频率分析器，分析上述收发天线接收的微波的频率来测定截止频率；
变换部，将在上述频率分析器中测定的截止频率变换为等离子体离子密度或等离子体电子密度；以及
比较部，比较在上述变换部中变换的等离子体离子密度与等离子体电子密度。
18.一种等离子体诊断方法，其特征在于，包括如下的步骤：
在真空腔室内生成等离子体；
在上述真空腔室内，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；
分析收发天线接收的微波的频率来测定截止频率；
将在频率分析器中测定的截止频率变换为等离子体离子密度或等离子体电子密度；以及
比较在变换部中变换的等离子体离子密度与等离子体电子密度。
19.一种等离子体工艺方法，其特征在于，包括如下的步骤：
在真空腔室内生成等离子体；
在上述真空腔室内，向等离子体施加能够改变频率的微波并接收；
分析收发天线接收的微波的频率来测定截止频率；
将在频率分析器中测定的截止频率变换为等离子体离子密度或等离子体电子密度；
比较在变换部中变换的等离子体离子密度与等离子体电子密度；以及
根据在比较部中比较的等离子体离子密度与等离子体电子密度之差，控制为了生成等离子体而施加的供电部的供给电力、气体流量、放电压力中的至少一种。
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