JP2000100598A - プラズマ生成用高周波パワ―の制御方法、およびプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】プラズマ密度を長期間にわたって適切かつ容易
にコントロールする。 【解決手段】本発明では、誘電体製のチューブを介して
プラズマＰＭへ供給される測定用高周波パワーの吸収現
象を測定原理とする長寿命・熱フィラメントレス方式の
プラズマ密度情報求出部１１をプラズマ生成用の高周波
パワーの供給系とは別に設けている。プラズマ密度情報
求出部１１で刻々モニタされる実測プラズマ密度とプラ
ズマ密度設定部１０ｂに保持されている目標プラズマ密
度との比較結果に基づいてインピーダンス整合器１０ａ
を変化させ、電源側とプラズマ側との間のインピーダン
ス整合状態を調整することにより、高周波電源８から出
力される生成用高周波パワーを適切に制御する構成であ
るので、プラズマ密度を長期間継続して適切かつ容易に
コントロールすることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜素子の製造工
程や粒子ビーム源あるいは分析装置などに用いられるプ
ラズマに供給するプラズマ生成用高周波パワーの制御方
法、およびプラズマ発生装置に係り、プラズマ密度を適
切かつ容易にコントロールするための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、プラズマの利用が盛んである。薄
膜素子の製造工程では、例えば、１０ＭＨｚ程度のＲＦ
帯の周波数から２．４５ＧＨｚに代表されるマイクロ波
帯の周波数の高周波パワー（高周波電力）で生起させた
高周波プラズマを用いて、エッチング処理やＣＶＤ（化
学気相成長）処理などが行われている。このようなプラ
ズマ応用技術では、プラズマ密度を的確にコントロール
することが適切な処理を行う上で重要である。

【０００３】従来のプラズマ発生装置におけるプラズマ
密度のコントロールは、次のように、プラズマ生成用の
高周波パワーを制御することにより行われている。プラ
ズマ生成用の高周波パワーは高周波電源からインピーダ
ンス整合器を経由してプラズマへ供給される。一方、プ
ラズマに吸収されずに反射して高周波電源側に戻ってく
る高周波パワー、すなわち反射パワー（反射電力）を検
出する。そして、反射パワーが最小となるようインピー
ダンス整合器を常に自動制御することにより電源側とプ
ラズマ側の間のインピーダンスの整合状態を調整し、プ
ラズマ密度を安定させて一定の処理条件を維持する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
プラズマ密度のコントロールは適切とは言えないという
問題がある。プラズマ密度はプラズマに投入される正味
電力にほぼ比例するのであるが、高周波パワーの反射パ
ワーが最小となるようインピーダンス整合器を自動調節
しても、インピーダンス整合器と放電電極（放電アンテ
ナ）の間の損失も含めた高周波パワーが一定となるだけ
で、必ずしもプラズマに投入される正味電力が一定とな
るわけでないからである。したがって、プラズマに吸収
されずに反射して戻ってくる高周波パワーの反射量に基
づいてプラズマ生成用の高周波パワーを制御する従来の
プラズマ密度のコントロール方式はどうしても限界があ
る。

【０００５】上記問題の解決策として、実際に測定した
プラズマ密度に基づいてプラズマ密度をコントロールす
ることが考えられる。一価の正イオンと電子からなる典
型的なプラズマの場合、電気的中性が保たれるプラズマ
特有の性質から正イオン密度と電子密度とは実質的に等
しいので、普通、電子密度をプラズマ密度と呼ぶ。つま
り、プラズマ中の電子密度はプラズマ密度と実質的に等
価である。従来、プラズマ中の電子密度を測定する方法
として、ラングミュア・プローブ法や、マイクロ波干渉
計測法の他、比較的最近開発された電子ビーム照射式の
プラズマ振動プローブ法があり、これらの方法でプラズ
マ中の電子密度を測定し、測定した電子密度に基づき、
プラズマ生成用の高周波パワーを制御する方法が考えら
れるのである。

【０００６】ラングミュア・プローブ法では、プラズマ
中に金属プロープを直に晒した状態で設置しておき、金
属プローブへ直流バイアス電圧、又は、高周波電圧を重
畳させた直流バイアス電圧を印加した時に金属プローブ
に流れる電流値に基づいて電子密度を求める。マイクロ
波干渉計測法では、プラズマ生成用のチャンバーの壁に
プラズマを間にして向き合う窓を設けておき、一方の窓
からマイクロ波（例えば単色のレーザ光）をプラズマに
入射するとともにプラズマを通過して他方の窓から出射
するマイクロ波を検出し、入射・出射マイクロ波間の位
相差に基づいて電子密度を求める。電子ビーム照射式プ
ラズマ振動法では、熱フィラメントをチャンバーの内に
設置しておき、熱フィラメントからプラズマに電子ビー
ムを照射した時に生じるプラズマ振動の周波数に基づい
て電子密度を求める。

【０００７】しかしながら、上記のラングミュア・プロ
ーブ法には、測定を長時間にわたって続けられないとい
う欠点がある。測定中の金属プローブ表面には短時間の
うちに絶縁性皮膜からなる汚れが付着し、金属プローブ
に流れる電流値が変動して、正確な測定が直ぐに出来な
くなるからである。金属プローブ表面に付着した汚れを
除くために、金属プローブに負のバイアス電圧を印加し
イオンでスパッタ除去する方法や、金属プローブを赤熱
させて汚れを蒸発除去する方法も試みられてはいるが、
効果が薄くて欠点を解消するには至らない。

【０００８】また、マイクロ波干渉計測法には、測定実
施が簡単でないという欠点がある。大がかりで高価な装
置や難しいマイクロ波伝送路の調整が必要な上、入射・
出射マイクロ波間の位相差が僅かなことから、正確な測
定が難しい。さらに、電子ビーム照射式のプラズマ振動
プローブ法には、熱フィラメントから蒸発するタングス
テンによるプラズマ雰囲気汚染の心配に加えて、熱フィ
ラメントの断線による測定中断の心配がある。特に酸素
やフロン系ガスを用いるプラズマの場合には熱フィラメ
ントが断線し易く、頻繁にフィラメント交換を行う必要
があるので、実用向きとは言いがたい。

【０００９】本発明は、上記の事情に鑑み、プラズマ密
度を長期間にわたって適切かつ容易にコントロールする
ことができるプラズマ生成用高周波パワーの制御方法、
およびプラズマ発生装置を提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、請求項１の発明に係るプラズマ生成用高周波パワ−
の制御方法は、プラズマにプラズマ密度情報計測用の高
周波パワー（高周波電力）を供給するとともに、プラズ
マ負荷による前記高周波パワーの反射または吸収状況を
示すパラメータの量的測定を行って、前記パラメータの
測定結果に従いプラズマ密度情報を求出し、得られたプ
ラズマ密度情報に基づきプラズマ生成用の高周波パワー
（高周波電力）を制御することを特徴とする。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１に記載のプラ
ズマ生成用の高周波パワーの制御方法において、誘電体
製の隔壁を介してプラズマにプラズマ密度情報計測用の
高周波パワーを供給する。

【００１２】請求項３の発明は、請求項１に記載のプラ
ズマ生成用の高周波パワーの制御方法において、プラズ
マ負荷による高周波パワーの反射または吸収状況を示す
パラメータの量的測定が、高周波パワー供給用の高周波
アンプの電流量の計測により行われる。

【００１３】請求項４の発明は、請求項１に記載のプラ
ズマ生成用の高周波パワーの制御方法において、プラズ
マ密度情報として、パラメータの測定結果からプラズマ
密度に起因して高周波パワーの強い吸収が起こるプラズ
マ吸収周波数を求出する。

【００１４】請求項５の発明は、請求項１から４のいず
れかに記載のプラズマ生成用の高周波パワーの制御方法
において、プラズマ生成用の高周波パワーをインピーダ
ンス整合系を介して高周波電源からプラズマに供給する
とともに、プラズマ密度情報に基づきインピーダンス整
合系を制御して電源側とプラズマ側の間のインピーダン
ス整合状態を調整することによりプラズマ生成用の高周
波パワーの制御を行う。

【００１５】請求項６の発明に係るプラズマ発生装置
は、プラズマ生成用のチャンバーと、チャンバーの内に
配設されたプラズマ生成用の放電電極と、この放電電極
に供給するプラズマ生成用の高周波パワー（高周波電
力）を出力する高周波電源と、チャンバーの中のプラズ
マにプラズマ密度情報計測用の高周波パワー（高周波電
力）を供給するとともにプラズマ負荷による高周波パワ
ーの吸収状況を示すパラメータの量的測定を行ってプラ
ズマ密度情報を求出するプラズマ密度情報求出手段と、
プラズマ密度情報求出手段により求出された情報に基づ
きプラズマ生成用の高周波パワーを制御する高周波パワ
ー制御手段とを備えていることを特徴とする。

【００１６】請求項７の発明は、請求項６に記載のプラ
ズマ発生装置において、プラズマ密度情報求出手段は、
誘電体製の隔壁を介してチャンバーの中のプラズマにプ
ラズマ密度情報計測用の高周波パワー（高周波電力）を
供給する。

【００１７】請求項８の発明は、請求項６または７に記
載のプラズマ発生装置において、プラズマ密度情報求出
手段は、プラズマ密度情報として、パラメータの測定結
果からプラズマ密度に起因して高周波パワーの強い吸収
が起こるプラズマ吸収周波数を求出するよう構成されて
いる。

【００１８】請求項９の発明は、請求項６から８のいず
れかに記載のプラズマ発生装置において、高周波パワー
制御手段は、インピーダンス整合器が配設されていて、
プラズマ密度情報に基づきインピーダンス整合器を制御
して電源側とプラズマ側の間のインピーダンス整合状態
を調整することによりプラズマ生成用の高周波パワーの
制御を行うよう構成されている。

【００１９】請求項１０の発明は、請求項７から９まで
のいずれかに記載のプラズマ発生装置において、プラズ
マ生成用のチャンバーに差し込まれるとともに、先端が
閉じている誘電体製のチューブと、チューブの先端側に
収容されて高周波パワーを放射するアンテナと、チュー
ブの後よりに収容されてアンテナに接続されている高周
波パワー伝送用のケーブルとを具備するプラズマ密度情
報測定用プローブを備え、誘電体製のチューブの管壁を
誘電体製の隔壁としてチューブ内のアンテナからプラズ
マ密度情報計測用の高周波パワーがプラズマに供給され
るよう構成されている。

【００２０】請求項１１の発明は、請求項１０に記載の
プラズマ発生装置において、誘電体製のチューブには複
数本のアンテナがチューブの先端からの距離がそれぞれ
異なるように収容されており、プラズマ密度情報求出手
段が、各アンテナ毎に得られるパラメータの測定結果か
らプラズマ密度に起因して高周波パワーの強い吸収の起
こるプラズマ吸収周波数をそれぞれ求出するとともに、
プラズマ吸収周波数のうち共通周波数のプラズマ吸収周
波数をプラズマ表面波共鳴周波数として求出するよう構
成されている。

【００２１】請求項１２の発明は、請求項１０または１
１に記載のプラズマ発生装置において、プラズマ密度情
報測定用プローブがプラズマ生成用のチャンバーに進退
可能に差し込まれているとともに、非測定時はプローブ
の先端がチャンバー内の測定位置からチャンバー壁面付
近の退避位置へ引っ込むようプローブを移動させるプロ
ーブ移動手段を備えている。

【００２２】請求項１３の発明は、請求項１０から１２
までのいずれかに記載のプラズマ発生装置において、プ
ラズマ密度情報測定用プローブの後段に、プローブ内の
アンテナに迷入してくる過大なプラズマ生成用の高周波
パワーを阻止する保護手段が配設されている。

【００２３】請求項１４の発明は、請求項１０から１３
までのいずれかに記載のプラズマ発生装置において、高
周波パワー伝送用のケーブルが、芯線とシールド用の導
体製チューブと、芯線・導体製チューブ間の空隙を埋め
る絶縁用セラミックス材とからなる。

【００２４】請求項１５の発明は、請求項１０から１４
までのいずれかに記載のプラズマ発生装置において、誘
電体製のチューブは、測定エリアは未被覆状態となるよ
うにしてチューブ表面が金属で被覆されている。

【００２５】請求項１６の発明は、請求項１０から１５
までのいずれかに記載のプラズマ発生装置において、ア
ンテナが誘電体製のチューブの内面に近接して沿うよう
に延びている。

【００２６】

【作用】請求項１に記載の発明の作用について説明す
る。本発明の制御方法の場合、プラズマ生成用の高周波
パワーとは別にプラズマへ供給するプラズマ密度情報計
測用の高周波パワーについて、プラズマ負荷による吸収
状況を示すパラメータの量的測定を行い、パラメータの
測定結果から得られるプラズマ密度情報に基づき、プラ
ズマ生成用の高周波パワーを制御する。プラズマ生成用
の高周波パワーの供給系とは全く別の測定系によって得
たプラズマ密度情報に従ってプラズマ生成用の高周波パ
ワーを制御する結果、実際のプラズマ密度のモニタ結果
が高周波パワーの制御に良く反映され、プラズマ密度を
適切にコントロールできるようになる。また、本発明
は、プラズマに高周波パワーを供給してプラズマ密度情
報を求める構成であるので、高周波パワー供給のための
アンテナに絶縁性皮膜からなる汚れが付着してもその影
響が少なく、精度のよいプラズマ密度情報に基づいてプ
ラズマ生成用高周波パワーを制御することができる。

【００２７】請求項２の発明の制御方法の場合、コント
ロール対象であるプラズマ側とプラズマ密度情報計測用
の高周波パワーの供給側との間に誘電体製の隔壁が存在
するので、高周波パワーの供給側からプラズマへの異物
などの侵入がなく、プラズマを清浄に維持することがで
きる。また、プラズマによる高周波パワー供給側の損傷
が防止される。さらに、誘電体製の隔壁の表面に絶縁性
皮膜からなる汚れが付着しても、絶縁性皮膜は誘電体で
あるので、誘電体製の隔壁の厚みが僅かに変化する程度
であって、測定系に実質的な変化は起こらず、絶縁性皮
膜の汚れによる測定妨害は回避される。

【００２８】請求項３の発明のプラズマ生成用高周波パ
ワーの制御方法の場合、高周波パワー供給用の高周波ア
ンプの電流量を計測することで、プラズマ負荷による高
周波パワーの反射または吸収状況を示すパラメータの量
的測定が行われる。プラズマ負荷による高周波パワーの
反射または吸収の程度に対応した量で高周波パワーを供
給する高周波アンプに電流が流れるので、高周波アンプ
の電流量を測ることにより、高周波パワーの反射または
吸収状況を示すパラメータの量的測定が簡単に実施でき
ることになる。

【００２９】請求項４の発明の制御方法の場合、パラメ
ータの測定結果からプラズマ密度に起因して高周波パワ
ーの強い吸収が起こるプラズマ吸収周波数をプラズマ密
度情報として求出し、プラズマ吸収周波数に基づいてプ
ラズマ生成用高周波パワーの制御を行う。プラズマ吸収
周波数は、パラメータの測定結果において共鳴的な目立
つ吸収が生じる箇所の周波数であることから、実際のプ
ラズマ密度に正確に対応するプラズマ密度情報が簡単に
求まる。

【００３０】請求項５の発明の制御方法の場合、プラズ
マ生成用の高周波パワーを出力する高周波電源とプラズ
マとの間に設けたインピーダンス整合系をプラズマ密度
情報に基づき制御して電源側とプラズマ側との間のイン
ピーダンス整合状態を調整することによりプラズマ生成
用の高周波パワーの制御を行う。インピーダンス整合系
の調整は、強い高周波パワー制御作用がある（制御が効
きやすい）ので、プラズマ生成用の高周波パワーの制御
が円滑に行える。

【００３１】請求項６の発明のプラズマ発生装置の場
合、請求項１の発明を実施することにより、実際のプラ
ズマ密度に応じたプラズマ生成用の高周波パワーの制御
が実行されて、プラズマ密度が長期間にわたって適切か
つ容易にコントロールされる。

【００３２】請求項７の発明のプラズマ発生装置の場
合、誘電体製の隔壁を介してチャンバー中のプラズマに
プラズマ密度情報測定用の高周波パワーを供給している
ので、プラズマを汚染することがないとともに、プラズ
マによる高周波パワー供給側の損傷が阻止される。

【００３３】請求項８の発明のプラズマ発生装置の場
合、請求項４の発明を実施することにより、実際のプラ
ズマ密度に応じたプラズマ生成用の高周波パワーの制御
が的確に実行されて、プラズマ密度が長期間にわたって
非常に適切かつ容易にコントロールされる。

【００３４】請求項９の発明のプラズマ発生装置の場
合、請求項５の発明を実施することにより、実際のプラ
ズマ密度に見合ったプラズマ生成用の高周波パワーの的
確な制御が円滑に実行されて、プラズマ密度が長期間に
わたって適切かつ非常に容易にコントロールされる。

【００３５】請求項１０の発明のプラズマ発生装置の場
合、プラズマ密度情報測定用プローブのケーブル経由で
プラズマ密度情報計測用の高周波パワーがアンテナから
誘電体製のチューブの管壁（隔壁）を介してプラズマに
供給されるとともに、アンテナで受信された反射パワー
がケーブル経由で取り出される。また、アンテナから出
る高周波パワーがプラズマに影響する範囲は余り広範囲
ではないので、高周波パワーの量を調整するなどすれ
ば、局所的なプラズマ密度情報を得ることも可能とな
る。つまり、プラズマ密度情報測定用プローブによっ
て、プラズマ密度情報の測定に必要な態勢が容易に整え
られて測定が簡単に実施できる上、空間分解能を発現さ
せることも可能となるのである。

【００３６】請求項１１の発明のプラズマ発生装置の場
合、チューブの先端からの距離が異なる各アンテナ毎に
得られたプラズマ吸収周波数のうち共通周波数のプラズ
マ吸収周波数を求出することで容易にプラズマ表面波共
鳴周波数が分かる。。請求項１２の発明のプラズマ発生
装置の場合、プラズマ密度情報測定用プローブの先端を
非測定時はプローブ移動手段によりチャンバー壁面付近
の退避位置へ引っ込ませられるので、プローブの表面に
汚れが厚く堆積し易いようなプラズマの場合でも、測定
時だけプローブをプラズマの方へ移動させるようにし
て、プローブの汚染を防止することができる。

【００３７】請求項１３の発明のプラズマ発生装置の場
合、プラズマ密度情報測定用プローブのアンテナに過大
なプラズマ生成用の高周波パワーが迷入して来た場合、
後段の保護手段が過大な迷入高周波パワーを阻止して装
置の破壊を防止する。特に、生成プラズマが不意に消滅
した時は、プラズマ生成用の高周波パワーがもろにアン
テナに乗って装置が破壊する心配があるが、この心配が
プローブの後段の保護手段により解消される。

【００３８】請求項１４のプラズマ発生装置の場合、高
周波パワー伝送用のケーブルの芯線とシールド用の導体
製チューブの間の空隙が熱に強い絶縁用セラミックス材
で埋められているので、ケーブルの耐熱性が向上する。

【００３９】請求項１５のプラズマ発生装置の場合、誘
電体製のチューブの表面は、測定エリアは未被覆状態と
なるようにして金属で覆われているので、測定結果は金
属で覆われていない測定エリアの局部的状況だけを強く
反映したものとなり、空間分解能が向上する。

【００４０】請求項１６のプラズマ発生装置の場合、プ
ラズマ密度情報測定用プローブの高周波パワー供給用の
アンテナが誘電体製のチューブの内面に近接して沿うよ
うに延びているので、アンテナから放射される高周波パ
ワーがプラズマへ効率よく供給されるので、プラズマ密
度情報計測用の高周波パワーの供給量が少なくて済む、
測定精度があがるなどする。

【００４１】

【発明の実施の形態】続いて、本発明の一実施例を図面
を参照しながら説明する。図１は本発明のプラズマ発生
装置の一例が組み込まれていて、本発明のプラズマ生成
用高周波パワーの制御方法の一例が実施されるプラズマ
処理システムを示すブロック図、図２は実施例に用いら
れているプラズマ密度情報測定用プローブ（以下、適宜
「測定プローブ」と略記）の構成を示す縦断面図、図３
は実施例に用いられている測定プローブの構成を示す横
断面図である。

【００４２】実施例のプラズマ処理システムは、図１に
示すように、反応性プラズマ（以下、適宜「プラズマ」
と略記）ＰＭが生成される室内空間Ｓを有する直径数１
０ｃｍのステンレス鋼製チャンバー１と、チャンバー１
の内に配設されたプラズマ生起用の放電電極（放電アン
テナ）２と、排気用パイプ３を介してチャンバー１の室
内空間Ｓと連通している真空排気ポンプ４と、流量調節
弁５が介設されたガス供給用パイプ６を介してチャンバ
ー１の室内空間Ｓと連通しているガス源７とを備えてい
る。この他、実施例のシステムのチャンバー１には、ワ
ーク（被処理物）Ｗの載置台（図示省略）やワークＷの
搬入・搬出機構（図示省略）なども配設されている。

【００４３】チャンバー１の室内空間Ｓは真空排気ポン
プ４によって排気されて適当な室内圧力が保たれる。プ
ラズマＰＭ生成時の室内空間Ｓの雰囲気圧力としては数
ｍＴｏｒｒ〜数十ｍＴｏｒｒが例示される。またガス源
７からガスが適当な流量で供給される。供給ガスの種類
としては、アルゴン，チッ素，酸素ガス，フッ素系ガ
ス、塩素系ガスなどが例示される。流量調節弁５で設定
されるガス流量としては、１０〜１００ｃｃ／分程度が
例示される。

【００４４】放電電極２としては、誘導結合型ＲＦ放電
のプラズマの場合、誘導コイルが用いられ、容量結合型
ＲＦ放電のプラズマの場合、平板状電極が用いられる。
また、高周波パワーの周波数がマイクロ波帯の周波数で
あるマイクロ波放電のプラズマの場合、ホーンアンテナ
やスロットアンテナあるいは開口導波管などが放電電極
２として用いられる。

【００４５】また、チャンバー１の外にはプラズマ生起
用の高周波パワー（高周波電力）を供給するための高周
波電源８と、放電電極２に供給されるプラズマ生起用の
高周波パワー（以下、適宜「生起用高周波パワー」と略
記）を制御するための高周波パワー制御部９とが設けら
れている。

【００４６】高周波電源８から出力される高周波パワー
の大きさは、例えば１ｋＷ〜３ｋＷ程度が例示される。
高周波パワーの周波数は特定の周波数に限られるもので
はないが、通常は、１３．５６ＭＨｚに代表されるＲＦ
帯から９００ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚ程度のマイクロ波
帯の間の周波数である。

【００４７】高周波パワー制御部９は、高周波電源側と
プラズマ側の間のインピーダンス整合状態を調節するイ
ンピーダンス整合器１０ａと、チャンバー１に生起させ
るプラズマについての目標プラズマ密度を設定するため
のプラズマ密度設定部１０ｂと、設定された目標プラズ
マ密度と実測されるプラズマ密度との差に従ってインピ
ーダンス整合器１０ａを制御する整合器制御部１０ｃと
からなる。

【００４８】インピーダンス整合器１０ａとしては、高
周波パワーの周波数がＲＦ帯の周波数の場合、インダク
タンスとキャパシタンスを組み合わせた整合回路が用い
られ、高周波パワーの周波数がマイクロ波帯の周波数の
場合、ＥＨチューナやスタブチューナが用いられる。

【００４９】なお、実施例のシステムの場合、高周波電
源８から出力される高周波パワーの出力量を検出する出
力パワーモニタ機構（図示省略）や、プラズマ負荷側で
吸収されることなく電源側に戻ってくる高周波パワーの
反射量を検出する反射パワーモニタ機構（図示省略）が
プラズマ生成状況を大まかに把握する等の手段のひとつ
として配設されている。

【００５０】上記のようにして生成されるプラズマＰＭ
によって、ワークＷに対しエッチング処理やＣＶＤ（化
学気相成長）処理などが施されるのであるが、実施例の
システムには、以下に述べるように、プラズマ密度情報
を時々刻々求めるプラズマ密度情報求出部１１が設けら
れている。実施例のプラズマ密度情報求出部１１は、図
１に示すように、チャンバー１の壁に取り付けられてい
る測定プローブ１２と、チャンバー１の外側に配設され
ているプローブ制御部１３とで構成される。先ず、測定
プローブ１２の具体的構成について説明する。

【００５１】測定プローブ１２は、図２および図３に示
すように、先端が閉じているとともに後端が大気（外
気）に開いている誘電体製のチューブ１４と、高周波パ
ワーを放射するループアンテナ１５と、ループアンテナ
１５に接続されて高周波パワーをループアンテナ１５に
伝送する同軸ケーブル１６と、放出電磁波の漏れを防止
するためのアルミニウム製の導体ピース１７とを備えて
いる。チューブ１４を形成する誘電体材料は特に限定さ
れないが、例えば強化耐熱ガラス、石英、セラミックス
が例示される。

【００５２】ループアンテナ１５と同軸ケーブル１６は
ループアンテナ１５が先となるようにしてチューブ１４
の内に納められている。また導体ピース１７は同軸ケー
ブル１６とチューブ１４の内面の間を塞ぐようにしてル
ープアンテナ１５の少し手前の位置へ設置されている。
その結果、高周波パワー漏れによる測定誤差が回避され
る。

【００５３】測定プローブ１２はチャンバー１の壁に設
けられた貫通孔１Ａから先端がチャンバー１の内に位置
するようにして差し込まれて取り付けられている。チャ
ンバー１への測定プローブ１２の差し込み量（図１中に
符号Ｍで示す）を適宜に設定することにより、プラズマ
ＰＭ中の任意の箇所のプラズマ密度を測定することがで
きる。プローブ１２の外周面とチャンバー１の貫通孔１
Ａの間にはＯ−リング１Ｂが介在していて、測定プロー
ブ１２の装着が真空漏れを起こさない構成となってい
る。

【００５４】同軸ケーブル１６は、図３に示すように、
芯線１６ａと、芯線１６ａを外側から長手方向沿いに続
けて包囲するシールド線１６ｂとの間にフッ素系樹脂等
の絶縁材１６ｃが介在する通常の同軸構造である。チュ
ーブ１４と同軸ケーブル１６との隙間には、空気や窒素
ガスなどの冷却用流体が強制的に送り込まれている。そ
の結果、チューブ１４や同軸ケーブル１６などの温度上
昇によって起こる測定誤差が回避される。冷却用流体の
送り込み手段としては、次のような構造を採ることがで
きる。例えば図示しない細管をチューブ１４や同軸ケー
ブル１６との隙間に差し込んで、その細管の先端を導体
ピース１７の近くに位置させる。この細管を介して冷却
用流体をチューブ１４の奥側へ送り込んで測定プローブ
１２を冷却する。なお、冷却用流体は空気などの気体に
限らず水などの液体であってもよい。

【００５５】さらに、ループアンテナ１５と同軸ケーブ
ル１６および導体ピース１７は、図５に示すように、同
軸ケーブル１６をチューブ１４の長手方向に対して引い
たり押したりすることで一体的に前進あるいは後退し、
ループアンテナ１５の位置がチューブ１４の長手方向に
沿って変更させられる構成となっている。つまり、測定
プローブ１２では、ループアンテナ１５を含む導体ピー
ス１７から先のチューブ１４の先端部長さＬが簡単に変
更させられるのである。

【００５６】続いて、プローブ制御部１３の具体的構成
について説明する。プローブ制御部１３は、周波数掃引
式の高周波発振器１８と、方向性結合器１９と、減衰器
２０と、フィルタ２１とを備えていて、これらが、図１
に示す順で次々と測定プローブ１２へ接続されている。
高周波発振器１８は１００ｋＨｚから３ＧＨｚの周波数
で１０ｍＷ程度のプラズマ密度情報測定用の高周波パワ
ーを自動掃引しながら出力する。高周波発振器１８から
出力された高周波パワーは方向性結合器１９−減衰器２
０−フィルタ２１と経由して測定プローブ１２へ伝送さ
れる。

【００５７】一方、プラズマ密度情報測定用の高周波パ
ワー（以下、適宜「測定用高周波パワー」と略記）はル
ープアンテナ１５から放出されてプラズマ負荷に全て吸
収されるとは限らず、プラズマ負荷に吸収されずに反射
して戻ってくる分もある。プラズマ負荷に吸収されずに
戻ってくる高周波パワーの反射量は、方向性結合器１９
で検出されて、プラズマ吸収周波数求出部２２へ送り込
まれる。プラズマ吸収周波数求出部２２には高周波発振
器１８から出力される測定用高周波パワーの周波数も逐
次送り込まれる。

【００５８】なお、フィルタ２１はアンテナ１５を経由
してプローブ制御部１３へ混入してくるプラズマ励起用
の高周波パワーを除去する働きをする。また、減衰器２
０は測定プローブ１２へ送り込む測定用高周波パワーの
量を調整する働きをする。

【００５９】方向性結合器１９は、図４に示すように、
芯線１９ａと芯線１９ａを外側から長手方向沿いに続け
て包囲するシールド線１９ｂからなる同軸構造であっ
て、シールド線１９ｂの内側において芯線１９ａに沿っ
て短い結合ライン１９ｃが設けられており、結合ライン
１９ｃの高周波発振器側が抵抗１９ｄで接地されてい
て、結合ライン１９ｃの非接地側で測定用高周波パワー
の反射量が検出できる構成となっている。

【００６０】プラズマ吸収周波数求出部２２は、高周波
パワーの周波数と、高周波パワーの検出反射量にしたが
って、測定用高周波パワーの反射率の対周波数変化を求
出するとともに、得られた結果に基づいて、プラズマ密
度に起因して高周波パワーの強い吸収が起こるプラズマ
吸収周波数を求出する構成となっている。すなわち、プ
ラズマ吸収周波数求出部２２では、〔高周波パワーの検
出反射量〕÷〔高周波パワーの全出力量（実施例では一
定量）〕なる演算が行われて測定用高周波パワーの反射
率が求められ、刻々変わる周波数と対応付けてプロット
されることにより、測定用高周波パワーの反射率の対周
波数変化が求出される処理が行われる。反射率が大きく
下がるところは、プラズマ密度に起因して高周波パワー
の強い吸収が起こる吸収ピークであり、吸収ピークの周
波数がプラズマ吸収周波数ということになるので、さら
にプラズマ吸収周波数求出部２２では、吸収ピークを自
動検出して対応する周波数をプラズマ吸収周波数として
認定求出する処理が行われる。

【００６１】プラズマ吸収周波数求出部２２で求出され
たプラズマ吸収周波数は、プラズマ密度と一定の相関関
係がある有用なプラズマ密度情報である。実施例システ
ムの場合、プラズマ吸収周波数は表面波共鳴周波数ｆで
ある。表面波共鳴周波数ｆはプラズマ密度と実質的に等
価であるプラズマ中の電子密度ｎ_e と直接対応している
より有用なプラズマ密度情報である。

【００６２】このプラズマ密度情報求出部１１による具
体的なプラズマ密度情報の測定方式は、本発明の発明者
らが始めて創り出し得た新方式であるので、理解を容易
とするために、さらに具体的かつ詳細な測定例を説明す
る。

【００６３】チャンバー１の室内空間Ｓがアルゴン１０
ｍＴｏｒｒの状態となるように調整した。そして、高周
波電源８から放電電極２に１３．５６ＭＨｚの高周波パ
ワーを１．２ｋＷの出力量で与えることにより、室内空
間Ｓに反応性プラズマＰＭを生成した。測定プローブ１
２のチューブ１４は外径６ｍｍ：比誘電率４のパイレッ
クス製ガラス管である。同軸ケーブル１６は５０Ωのセ
ミリジッドケーブルであり、導体ピース１７はアルミホ
イルからなる。

【００６４】先ず、測定プローブ１２を、図２に示すよ
うに、ループアンテナ１５を含む導体ピース１７から先
のチューブ１４の先端部長さＬが３．５ｍｍとなるよう
にセットした。そして、高周波発振器１８から１０ｍＷ
の高周波パワー（高周波電力）を１００ｋＨｚから３Ｇ
Ｈｚまで周波数掃引しながら出力するとともに、方向性
結合器１９で高周波パワーの反射量を検出し、図６の最
上段の曲線Ｒａで示す通りの高周波パワーの反射率の対
周波数変化を得る。

【００６５】続いて、図５に示すように、ループアンテ
ナ１５を含む導体ピース１７から先のチューブ１４の先
端部長さＬが５．５ｍｍ，７．５ｍｍ，９．５ｍｍ，１
１，５ｍｍ，１３．５ｍｍとなるように測定プローブ１
２のセット状態を変更し、各変更位置において、上と同
様に高周波パワーの反射率の対周波数変化を得ると、結
果は、図６の曲線Ｒｂ〜Ｒｆが示すとおりとなる。

【００６６】曲線Ｒａ〜Ｒｆには、プラズマ負荷側での
高周波パワーの強い吸収があることを示す吸収ピークＰ
ａ〜Ｐｄが幾つか現れている。吸収ピークＰａ〜Ｐｄの
位置の周波数が、プラズマ吸収周波数である。これらプ
ラズマ吸収周波数から生成プラズマＰＭの特性が把握で
きる。ただ、最も低い周波数の吸収ピークＰａだけは、
図７に示すように、先端部長さＬが変化しても同一周波
数（１．５ＧＨｚ）の位置に出現しており、常に同一の
プラズマ吸収周波数が測定される。このように、先端部
長さＬに依存しないプラズマ吸収周波数が、プラズマ表
面波共鳴周波数ｆ（＝ω／２π）であるので、実施例シ
ステムの場合、プラズマ吸収周波数求出部２２は最も低
い周波数の吸収ピークの周波数をプラズマ表面波共鳴周
波数ｆとして自動的に求出して、高周波パワー制御部９
の整合器制御部１０ｃへ送出するよう構成されている。

【００６７】なお、プラズマ吸収周波数求出部２２はプ
ラズマ表面波共鳴周波数ｆをさらに電子プラズマ角周波
数ω_p あるいは電子密度ｎ_e に変換して整合器制御部１
０ｃへ送出する構成であってもよい。プラズマ表面波共
鳴周波数ｆは電子プラズマ角周波数ω_p ＝ω×√（１＋
ε）なる演算、あるいは、電子密度ｎ_e ＝ε₀ ・ｍ_e・
ω_p ／ｅ（但し，ω_p ：電子プラズマ角周波数，ε：チ
ューブ１４の比誘電率，ε₀ ：真空誘電率，ｍ_e ：電子
の質量，ｅ：電子素量）なる演算で簡単に変換できる。
プラズマ表面波共鳴周波数ｆが１．５ＧＨｚの場合、電
子プラズマ角周波数ω_p は２π×１．５×１０⁹ ×√
（１＋４）＝３．３５×１０⁹ であり、プラズマＰＭの
電子密度ｎ_e は１．４×１０¹¹／ｃｍ³ である。なお、
実施例システムにおいて、プラズマ表面波共鳴周波数ｆ
や電子プラズマ角周波数ω_p あるいは電子密度ｎ_e を表
示する表示モニタを設けることも有用である。プラズマ
密度情報をリアルタイムで簡単に視認できるようにな
る。

【００６８】実施例の場合、ループアンテナ１５および
同軸ケーブル１６とプラズマＰＭとの間に必ず存在する
チューブ１４が、プラズマＰＭによるループアンテナ１
５や同軸ケーブル１６の損傷を阻止する。チューブ１４
が無ければループアンテナ１５ないし同軸ケーブル１６
が１分程度で損傷して測定不能に陥るが、チューブ１４
があれば何十時間でも測定を続けられる。また、測定
中、チューブ１４の表面に絶縁性皮膜からなる汚れが薄
く付着しても、絶縁性皮膜が誘電体であるため、実質的
に測定系が変化せず、絶縁性皮膜の汚れによる測定結果
の変動は生じない。したがって、長期間にわたってプラ
ズマ密度情報を連続的にモニタできる。

【００６９】また、チューブ１４を介して高周波パワー
をループアンテナ１５から供給して測り易い共鳴的な高
周波パワーの吸収現象を捉える程度のことであるので、
プラズマ密度情報が至極簡単に測定できる。さらに、熱
フィラメントレス方式であるので、蒸発タングステンに
よる雰囲気汚染を心配する必要も、熱フィラメント交換
を行う必要もない。

【００７０】次に、高周波パワー制御部９の構成を具体
的に説明する。プラズマ吸収周波数求出部２２からプラ
ズマ密度情報を受け取った高周波パワー制御部９の整合
器制御部１０ｃは、プラズマ密度設定部１０ｂに保持さ
れている目標プラズマ密度とプラズマ密度情報との比較
を行って、両者の差が予め定めた一定範囲以上であれ
ば、両者の差の大きさに見合う変化をインピーダンス整
合器１０ａに与え、高周波電源８側とプラズマＰＭ側と
のインピーダンス整合状態を調整する。つまり、本発明
の場合、目標プラズマ密度と実測プラズマ密度の差が解
消されるようにプラズマ生成用の高周波バワーをフィー
ドバック制御する構成なのである。

【００７１】なお、プラズマ密度設定部１０ｂでは、プ
ラズマ吸収周波数求出部２２から送出されるプラズマ密
度情報と同一データ形式で目標プラズマ密度が設定保持
される。すなわち、プラズマ密度情報がプラズマ表面波
共鳴周波数ｆであれば、目標プラズマ密度もプラズマ表
面波共鳴周波数ｆの形である。プラズマ密度情報が電子
プラズマ角周波数ω_p であれば、目標プラズマ密度も電
子プラズマ角周波数ω _p の形である。プラズマ密度情報
が電子密度ｎ_e であれば、目標プラズマ密度も電子密度
ｎ_e の形である。

【００７２】続いて、以上に説明した構成を有する実施
例のプラズマ処理システムにおいて生成用高周波パワー
の制御が実施される際の装置動作を、生成用高周波パワ
ーの制御の流れを示す図８のフローチャートに即して説
明する。

【００７３】〔ステップＳ１〕放電用高周波電源８のス
イッチをＯＮ状態にする。このとき、チャンバー１の室
内空間Ｓを真空排気ポンプ４によって排気されていると
ともにガス源７から適当な流量のガスが室内空間Ｓに供
給され、室内空間Ｓは適当な雰囲気に調整されている。

【００７４】〔ステップＳ２〕インピーダンス整合器１
０ａを適当な初期状態にセットする（例えばチューナー
の位置をＴ₀ に設定する）。

【００７５】〔ステップＳ３〕高周波電源８からインピ
ーダンス整合器１０ａを介して放電電極２へ生成用高周
波パワーを適当な初期値（出力量Ｐ₀ ）に設定して、プ
ラズマＰＭをチャンバー１の室内空間Ｓに生起させる。

【００７６】〔ステップＳ４〕高周波発振器１８から周
波数掃引を伴う測定用高周波パワーがループアンテナ１
５を介してプラズマＰＭに与えられると、プラズマ吸収
周波数求出部２２でプラズマ表面波共鳴周波数ｆが求出
されて整合器制御部１０ｃへ送られる。

【００７７】〔ステップＳ５〕整合器制御部１０ｃは目
標プラズマ密度に相当するプラズマ表面波共鳴周波数ｆ
o と実測プラズマ密度に相当するプラズマ表面波共鳴周
波数ｆの周波数差Δｆ（＝ｆ₀ −ｆ）を算出する。

【００７８】〔ステップＳ６〕算出周波数差Δｆが一定
値以上であるつ否かを判定する。算出周波数差Δｆが一
定値未満であれば、生成プラズマＰＭのプラズマ密度は
目標プラズマ密度になっているものと判断して制御処理
を終了する。

【００７９】〔ステップＳ７〕算出周波数差Δｆが一定
値以上である場合は、インピーダンス整合器１０ａの調
整可能範囲を全てチェックしたか否かを判断する。

【００８０】〔ステップＳ８〕インピーダンス整合器１
０ａの調整可能範囲を全てチェックしていない場合は、
インピーダンス整合器１０ａを再調整した後（例えばチ
ューナーの位置を別の位置に変化さし後）、ステップＳ
４に戻る。

【００８１】〔ステップＳ９〕インピーダンス整合器１
０ａの調整可能範囲を全てチェックしても、未だに算出
周波数差Δｆが一定値以上である場合は、高周波電源８
から出力される生成用高周波パワーの設定値を変えた
後、ステップＳ４に戻る。

【００８２】以上のように、実測プラズマ密度が目標プ
ラズマ密度に収束するよう、プラズマ密度情報の測定や
インピーダンス整合器１０ａの調整および生成用高周波
パワー出力量の変更が続けられる。

【００８３】上述の実施例のシステムでは、プラズマ生
成用の高周波パワーの供給系とは全く別の測定系によっ
て得たプラズマ密度情報であるプラズマ表面波共鳴周波
数ｆに従ってプラズマ生成用の高周波パワーを制御する
結果、生成プラズマにおけるプラズマ密度が高周波パワ
ーの制御に良く反映され、プラズマ密度が適切にコント
ロールされ、ワークＷに対して適切なプラズマ処理を施
すことができる。

【００８４】本発明は、上記実施の形態に限られること
はなく、下記のように変形実施することができる。 （１）上記の実施例では、先端にループアンテナ１５が
形成された同軸ケーブル１６を誘電体製のチューブ１４
で覆って形成された測定プローブ１２を用いたが、測定
プローブ１２は必ずしもチューブ１４で覆われている必
要はない。すなわち、先端にループアンテナ１５、ある
いは芯線１６ａを針状に突出させてなるアンテナが形成
された同軸ケーブルを、プラズマ中に直接に挿入してプ
ラズマ密度を測定することも可能である。この場合、プ
ラズマ中に露出しているアンテナに絶縁性の皮膜が付着
することもあるが、本発明はアンテナから高周波パワー
（電磁波）を放射する構成であるので、アンテナに付着
した絶縁性の皮膜などによって影響を受けることが少な
い。

【００８５】（２）本発明の測定方式では、プラズマ表
面波共鳴周波数ｆ以外のプラズマ吸収周波数も測定され
るが、これらもプラズマ密度情報のひとつである。例え
ば、図６に示したように、吸収ピークＰａに相当するプ
ラズマ表面波共鳴周波数ｆ以外にも、その周辺にいくつ
かのプラズマ吸収周波数（図６の吸収ピークＰｂ，Ｐ
ｃ，Ｐｄ）が観測される。これらは、いわゆるトンクス
・ダットナー (Tonks-Dattner)共鳴と呼ばれるものに対
応していると考えられる。すなわち、円筒状のプラズマ
の外から電磁波を照射して、プラズマに吸収されるパワ
ーを測定すると、電子プラズマ角周波数ω_P のあたりの
複数の周波数において強く吸収が起こる。この現象は、
発見者の名を冠してトンクス・ダットナー共鳴と呼ばれ
る。後の研究から、この共鳴が起こる機構は、電磁波に
よって半径方向に伝わる電子プラズマ波が励起されて、
それがプラズマ端で反射されて定在波が立つとき共鳴的
に吸収が起こると説明されている。また、共鳴周波数は
電子プラズマ角周波数ω_P に関係しているので、プラズ
マ密度が変わるとトンクス・ダットナー共鳴の周波数も
変化する。つまり、トンクス・ダットナー共鳴周波数は
プラズマ密度の情報を与える。したがって、トンクス・
ダットナー共鳴周波数に基づいてプラズマ生成用の高周
波パワーを制御することも可能である。

【００８６】（３）実施例の場合、プラズマ負荷による
高周波パワーの吸収状況を示すパラメータが高周波パワ
ーの反射率であった。本発明では、プラズマ負荷による
高周波パワーの吸収状況を示すパラメータとしてプラズ
マ負荷のインピーダンス値も挙げられる。この場合、チ
ャンネルアナライザーを用いてプラズマ負荷のインピー
ダンスの対周波数特性を測定する構成となる。

【００８７】（４）実施例では、インピーダンス整合器
１０ａで調整できなかった場合に、放電用高周波電源８
の高周波パワーを変化させるようにしたが、チャンバー
１内に供給されるガス圧力を変化させて調整することも
可能である。

【００８８】（５）実施例において、ループアンテナ１
５を含む導体ピース１７から先のチューブ１４の先端部
長さＬが自動的に変更されるよう構成されているのに加
え、プラズマ吸収周波数求出部２２では、各ループアン
テナ１５の位置で測定用高周波パワーの反射率の対周波
数変化がそれぞれ求出されるとともに、これら複数の測
定結果における吸収ピークの周波数を相互に比較して、
プラズマ密度に起因して高周波パワーの強い吸収が起こ
るプラズマ吸収周波数を確定するよう構成されたもの
が、変形例として挙げられる。

【００８９】（６）実施例の場合、インピーダンス整合
器１０ａおよび高周波電源８の両方を自動的に調整する
構成であったが、インピーダンス整合器１０ａおよび高
周波電源８のいずれか一方だけに対し自動的に調整を行
い、他方に対しては手動調整を行う構成のものが、変形
例として挙げられる。さらに、インピーダンス整合器１
０ａだけを自動または手動による調整対象とし、高周波
電源８は調整せず一定値に固定する構成のものも、変形
例として挙げられる。

【００９０】（７）実施例の場合、測定プローブ１２の
チューブ１４がチャンバー１の壁に着脱可能に取り付け
られる構成であった。しかし、測定プローブ１２のチュ
ーブ１４がチャンバー１の壁に完全に固定されていて、
測定の都度ループアンテナ１５とケーブル１６および導
体ピース１７を挿入して測定する構成のものも、本発明
の変形例として挙げられる。

【００９１】（８）実施例の場合、チャンバー１に測定
プローブ１２が１個だけ設置される構成であったが、チ
ャンバー１に測定プローブ１２が複数個設置される構成
のものが変形例として挙げられる。

【００９２】（９）実施例では、測定プローブ１２をプ
ラズマ中に挿入してプラズマ密度情報を得たが、測定プ
ローブ１２は必ずしもプラズマ中に設置する必要はな
い。例えば、図１に示したチャンバー１に耐熱強化ガラ
スや石英などの誘電体からなる窓を設けておき、この窓
の外側に高周波パワー照射用のアンテナを設置し、この
窓を介してチャンバー１内のプラズマ中に高周波パワー
を照射するようにしてもよい。

【００９３】（１０）本発明の測定プローブの形状・材
料やアンテナの種類なども実施例に挙げられるているも
のに限らない。また、本発明のプラズマ発生装置はプラ
ズマ処理システムだけでなく、粒子ビーム源あるいは分
析装置などのプラズマ発生装置として用いることも可能
である。

【００９４】（１１）実施例の場合、測定プローブ１２
においてループアンテナ１５を含むチューブ１４の先端
部長さＬを変化させて各先端部長さでの同一周波数のプ
ラズマ吸収周波数をプラズマ表面波共鳴周波数ｆとして
求出する構成であったが、図９に示すように、誘電体製
のチューブ１４ａの内に線状アンテナ１５ａを含むチュ
ーブ１４の先端部長さ（チューブの先端からの距離）Ｌ
ａ，Ｌｂが異なるように線状アンテナ１５ａ，１５ａお
よび同軸ケーブル１６Ａ，１６Ｂを収容しておき、プロ
ーブ制御部１３のプラズマ吸収周波数求出部２２で各ア
ンテナ毎にプラズマ吸収周波数を求出するとともに、吸
収周波数比較部２２ａで共通周波数のプラズマ吸収周波
数をプラズマ表面波共鳴周波数ｆとして求出する構成の
ものが変形例として挙げられる。また、線状アンテナ１
５ａ，１５ａおよび同軸ケーブル１６Ａ，１６Ｂを一つ
の誘電体製のチューブに収容せずに、図１０に示すよう
に、別々の誘電体製のチューブ１４，１４に分けて収容
するようにしてもよい。これらの変形例の場合、チュー
ブ１４の先端部長さを変化させずとも、簡単にプラズマ
表面波共鳴周波数ｆが求められる。

【００９５】（１２）実施例の場合、プラズマ密度情報
計測用の高周波パワーの反射量を方向性結合器１９で取
り出す方式の構成であったが、高周波パワーの反射量の
測定を、プラズマ密度情報計測用の高周波パワー供給用
の高周波アンプの電流量の計測により行う方式のものが
変形例として挙げられる。高周波アンプの電流量は高周
波パワーの反射量と非常によい対応関係を示しており、
計測も簡単である。具体的には、図１１に示すように、
高周波発振器１８のオシレータ信号発振部１８ａの次段
に設けられている高周波アンプ部１８ｂの電流量をアン
プ電流検出部１９ａで取り出してプラズマ吸収周波数求
出部２２へ送出する構成となる。アンプ電流検出部１９
ａとしては、例えば高周波アンプ部１８ｂの駆動電源の
電流値を検出する回路構成のものが例示される。

【００９６】（１３）実施例において、図１２に示すよ
うに、プラズマ密度情報測定プローブ１２の後段に、プ
ローブ内のアンテナ１５に迷入してくる過大なプラズマ
生成用の高周波パワーを阻止するパワーリミッタ２３を
設けた構成のものが変形例とし１挙げられる。特にプラ
ズマＰＭが不意に消滅した時には、プラズマ生成用の高
周波パワーがアンテナ１５にもろに乗ってプローブ制御
部１３が破壊される恐れがある。パワーリミッタ２３で
一定以上の過大な迷入高周波パワーがプローブ制御部１
３に流れ込むのを阻止して、プローブ制御部１３が破壊
するのを防止するのである。パワーリミッタ２３の代わ
りにリレータイプの同軸スイッチや、半導体タイプの電
子スイッチ等のスイッチ（図示省略）を用いてもよい。
スイッチは手動でオン・オフさせる構成でもよいが、逆
入する高周波パワーが一定以上（例えば供給高周波パワ
ーの１．２倍）となったことを検出して、自動的にスイ
ッチをオフにしたり、あるいはプラズマ光を光センサで
モニタしておき、プラズマ光が消えたことを検出して自
動的にスイッチをオフするような構成もプローブ制御部
１３の破壊防止には有効である。

【００９７】（１４）実施例において、測定プローブ１
２がプラズマＰＭが生成されるチャンバー１に進退可能
に差し込まれているとともに、非測定時は測定プローブ
１２の先端がチャンバー１の内の測定位置からチャンバ
ー１の壁面付近の退避位置へ引っ込むよう測定プローブ
１２を移動させるプローブ移動手段を備えている構成の
ものが、変形例として挙げられる。測定プローブ１２の
表面に汚れが厚く堆積するようなプラズマＰＭでも、汚
れが少なくなる結果、測定プローブ１２の寿命が長くな
る。具体的には、図１３に示すように、測定プローブ１
２に可動ピース２４を一体的に取り付けるとともに、可
動ピース２４を送りネジ棒２５にネジ係合し、モータ２
６の回転に伴い送りネジ棒２５が回転するに連れて可動
ピース２４が測定プローブ１２の長手方向に向けて往復
移動するように構成するとともに、非測定時は、図１３
に実線で示す通り、測定プローブ１２の先端をチャンバ
ー１の壁面付近の退避位置に引っ込ませ、測定時は、図
１３に一点鎖線で示す通り、測定プローブ１２の先端を
チャンバー１の内の測定位置に進出させるようモータ２
６を制御する構成が例示される。

【００９８】（１５）実施例の場合、同軸ケーブル１６
の芯線１６ａとシールド線１６ｂとの間の絶縁材１６ｃ
がフッ素系樹脂等であったが、図１４に示すように、芯
線１６ａとシールド用の導体製チューブ１６ｅとの間を
埋める絶縁材１６ｄが熱に強い（絶縁）セラミックスで
ある構成のものが、変形例として挙げられる。この場
合、同軸ケーブル１６の耐熱性が向上する。

【００９９】（１６）実施例の測定プローブ１２におい
て、図１５に示すように、誘電体製のチューブ１４は、
測定域は未被覆状態となるようにしてチューブ表面が金
属膜２７で覆われている。つまり、金属膜２７は測定域
にあたるところが切り欠かれて窓２７ａとなっているの
である。高周波パワーは金属膜２７のあるところへは進
入せず、窓２７ａのところに進出できるだけなので、金
属膜２７で被覆されていない測定エリアの局部的状況
が、測定結果に強く反映される結果、空間分解能を向上
させられる。

【０１００】（１７）実施例の測定プローブ１２におい
て、図１６に示すように、ループアンテナ１５の代わり
に線状アンテナ１５ａが用いられているとともに、線状
アンテナ１５ａが誘電体製のチューブ１４の内面に近接
して沿うように延びていれば、高周波パワーが効率よく
供給されるようになり、必要な高周波パワーが少なくて
済む、測定精度が上がるなどの利点がある。ループアン
テナ１５でも、チューブ１４の内面に近接して沿うよう
に延びさせれば、やはり高周波パワーが効率よく供給さ
れるようになる。

【０１０１】

【発明の効果】以上に詳述したように、請求項１の発明
のプラズマ生成用高周波パワーの制御方法によれば、プ
ラズマ生成用の高周波パワーの供給系とは全く別の測定
系によって得たプラズマ密度情報に従ってプラズマ生成
用の高周波パワーが制御される結果、実際のプラズマ密
度のモニタ結果が高周波パワーの制御に良く反映され、
プラズマ密度を適切にコントロールすることができる。
また、本発明は、プラズマに高周波パワーを供給するこ
とに基づいて、プラズマ密度情報を得手いるので、高周
波パワー供給のためのアンテナに絶縁性皮膜などの汚れ
が付着してもその影響が少ない。つまり、プラズマ密度
情報が精度良く得られるので、これに基づくプラズマ生
成用の高周波パワーの制御の精度も上がる。さらに、プ
ラズマ密度情報を測定する上で、プラズマに高周波パワ
ーを供給するとともに、プラズマ負荷による高周波パワ
ーの反射または吸収状況を示すパラメータの量的測定
（具体的には例えば高周波パワーの反射量ないしプラズ
マ負荷のインピーダンス値の測定）を行うことで済むか
ら、情報測定に熱フィラメントも使わずに簡単であるの
で、プラズマ密度のコントロールを容易に行うことがで
きる。

【０１０２】請求項２の発明のプラズマ生成用高周波パ
ワーの制御方法によれば、コントロール対象であるプラ
ズマ側とプラズマ密度情報計測用の高周波パワーの供給
側との間に誘電体製の隔壁が介在しているので、プラズ
マ密度情報計測用の高周波パワーの供給側からプラズマ
を汚染することがない。また逆に、反応性プラズマの場
合でも、高周波パワー供給側に損傷を与えることがな
い。さらに、誘電体製の隔壁の表面に絶縁性皮膜などの
汚れが付着しても測定系に変化は生じないので、長期間
にわたって継続的にプラズマ密度のコントロールを行う
ことができる。

【０１０３】請求項３の発明のプラズマ生成用高周波パ
ワーの制御方法によれば、プラズマ負荷による高周波パ
ワーの反射または吸収状況を示すパラメータの量的測定
が、高周波パワー供給用の高周波アンプの電流量の計測
により簡単に行われるので、容易にプラズマ密度情報を
得ることができる。

【０１０４】請求項４の発明のプラズマ生成用高周波パ
ワーの制御方法によれば、実際のプラズマ密度に正確に
対応するプラズマ密度情報であるプラズマ吸収周波数に
基づきプラズマ生成用高周波パワーの制御が行われる結
果、プラズマ密度をより適切にコントロールすることが
できる。

【０１０５】請求項５の発明のプラズマ生成用高周波パ
ワーの制御方法によれば、強い高周波パワー制御作用が
ある（制御が効きやすい）インピーダンス整合系を用い
て、プラズマ生成用の高周波パワーを円滑に制御するこ
とができるので、プラズマ密度の適切なコントロールを
より容易に行うことができる。

【０１０６】請求項６の発明のプラズマ発生装置によれ
ば、請求項１の発明を実施することにより、実際のプラ
ズマ密度に応じたプラズマ生成用の高周波パワーの制御
が実行される結果、プラズマ密度が長期間にわたって適
切かつ容易にコントロールされる。

【０１０７】請求項７の発明のプラズマ発生装置によれ
ば、誘電体製の隔壁を介してチャンバー中のプラズマに
プラズマ密度情報測定用の高周波パワーを供給している
ので、チャンバー内のプラズマが高周波ハワー供給側か
ら汚染されることがなく、また、プラズマによって高周
波パワー供給側が損傷されることもない。

【０１０８】請求項８の発明のプラズマ発生装置によれ
ば、請求項４の発明を実施することにより、実際のプラ
ズマ密度に応じたプラズマ生成用の高周波パワーの制御
が的確に実行される結果、プラズマ密度が長期間にわた
って適切かつ非常に容易にコントロールされる。

【０１０９】請求項９の発明のプラズマ発生装置によれ
ば、請求項５の発明を実施することにより、実際のプラ
ズマ密度に見合ったプラズマ生成用の高周波パワーの的
確な制御が円滑に行われる結果、プラズマ密度が長期間
にわたって適切かつ非常に容易にコントロールされる。

【０１１０】請求項１０の発明のプラズマ発生装置によ
れば、プラズマ密度情報測定用プローブを用いることに
より、プラズマ密度情報の測定に必要な態勢が容易に整
えられて測定が簡単に実施できる。また、アンテナが誘
電体製のチューブで覆われているのでプラズマを汚染す
ることがなく、逆にプラズマから損傷も受けないので長
寿命である。さらに局所的なプラズマ密度情報も得られ
るようになるので、空間分解能を発現させることも可能
である。

【０１１１】請求項１１の発明のプラズマ発生装置によ
れば、チューブの先端からの距離が異なる各アンテナ毎
に得られるプラズマ吸収周波数のうち共通周波数のプラ
ズマ吸収周波数を求出することにより、有用なプラズマ
密度情報であるプラズマ表面波共鳴周波数を容易に得る
ことができる。

【０１１２】請求項１２の発明のプラズマ発生装置によ
れば、プラズマ密度情報測定用プローブの先端を非測定
時はチャンバー壁面付近の退避位置へ引っ込ませて、測
定時だけプローブをプラズマの方へ移動させるられるの
で、プローブの表面に汚れが厚く堆積するようなプラズ
マの場合でも、プローブの汚染を防止し、長期間プロー
ブを使い続けられる。

【０１１３】請求項１３の発明のプラズマ発生装置によ
れば、プラズマ密度情報測定用プローブのアンテナに迷
入して来た過大なプラズマ生成用の高周波パワーをプロ
ーブ後段の保護手段が阻止するので、装置破壊の心配が
解消される。

【０１１４】請求項１４のプラズマ発生装置によれば、
高周波パワー伝送用のケーブルの芯線・導体製チューブ
間の空隙が熱に強い絶縁性セラミックス材で埋められて
いるので、ケーブルの耐熱性が向上し、過酷な温度条件
でも使用することができる。

【０１１５】請求項１５のプラズマ発生装置によれば、
誘電体製のチューブの表面における金属で覆われていな
い測定エリアの局部的状況が、測定結果に強く反映され
る結果、空間分解能が向上する。

【０１１６】請求項１６のプラズマ発生装置によれば、
高周波パワーアンテナから放射される高周波パワーがプ
ラズマへ効率よく供給されるので、高周波パワーの供給
量が少なくて済む、測定精度が上がるなどの利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係るプラズマ処理システムを示すブロ
ック図である。

【図２】実施例のプラズマ密度情報求出部用の測定プロ
ーブを示す縦断面図である。

【図３】実施例のプラズマ密度情報求出部用の測定プロ
ーブを示す横断面図である。

【図４】プラズマ密度情報求出部に用いられた方向性結
合器の等価回路図である。

【図５】測定プローブにおけるループアンテナの位置変
更状況を示する断面図である。

【図６】プラズマ密度情報測定用の高周波パワーの反射
率周波数特性を示すグラフである。

【図７】プラズマ吸収周波数と測定プローブのチューブ
の先端部長さの間の対応関係を示すグラフである。

【図８】実施例での生成用高周波パワーの制御の流れを
示すフローチャートである。

【図９】本発明用の測定プローブの変形例を示す縦断面
図である。

【図１０】本発明用の測定プローブの他の変形例を示す
縦断面図である。

【図１１】本発明用のプローブ制御部の変形例を示すブ
ロック図である。

【図１２】本発明用のプローブ制御部の他の変形例を示
すブロック図である。

【図１３】本発明用の測定プローブとプローブ移動手段
とを示す部分断面図である。

【図１４】本発明用の同軸ケーブルの変形例を示す部分
縦断面図である。

【図１５】本発明用の測定プローブの他の変形例を示す
縦断面図である。

【図１６】本発明用の測定プローブの他の変形例を示す
縦断面図である。

【符号の説明】

１ …チャンバー ２ …放電電極 ８ …高周波電源 ９ …高周波パワー制御部 １０ａ …インピーダンス整合器 １０ｃ …整合器制御部 １１ …プラズマ密度情報求出部 １４，１４ａ …（誘電体製の）チューブ １５ …ループアンテナ １５ａ …線状アンテナ １６ …同軸ケーブル １６Ａ，１６Ｂ…同軸ケーブル １６ｄ …絶縁材（セラミックス材） １６ｅ …導体製チューブ １８ …周波数掃引式の高周波発振器 １８ａ …高周波アンプ部 １９ …方向性結合器 １９ａ …アンプ電流検出部 ２２ …プラズマ吸収周波数求出部 ２３ …パワーリミッタ ２７ …金属膜 ＰＭ …反応性プラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊田 直樹 兵庫県宝塚市亀井町10番７号 株式会社ニ ッシン内

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマにプラズマ密度情報計測用の高周
   波パワー（高周波電力）を供給するとともに、プラズマ
   負荷による前記高周波パワーの反射または吸収状況を示
   すパラメータの量的測定を行って、前記パラメータの測
   定結果に従いプラズマ密度情報を求出し、得られたプラ
   ズマ密度情報に基づきプラズマ生成用の高周波パワー
   （高周波電力）を制御することを特徴とするプラズマ生
   成用高周波パワーの制御方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載のプラズマ生成用の高周波
   パワーの制御方法において、誘電体製の隔壁を介してプ
   ラズマにプラズマ密度情報計測用の高周波パワーを供給
   するプラズマ生成用の高周波パワーの制御方法。
3. 【請求項３】請求項１に記載のプラズマ生成用の高周波
   パワーの制御方法において、プラズマ負荷による高周波
   パワーの反射または吸収状況を示すパラメータの量的測
   定が、高周波パワー供給用の高周波アンプの電流量の計
   測により行われるプラズマ生成用高周波パワーの制御方
   法。
4. 【請求項４】請求項１に記載のプラズマ生成用の高周波
   パワーの制御方法において、プラズマ密度情報として、
   パラメータの測定結果からプラズマ密度に起因して高周
   波パワーの強い吸収が起こるプラズマ吸収周波数を求出
   するプラズマ生成用高周波パワーの制御方法。
5. 【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載のプラズ
   マ生成用の高周波パワーの制御方法において、プラズマ
   生成用の高周波パワーをインピーダンス整合系を介して
   高周波電源からプラズマに供給するとともに、プラズマ
   密度情報に基づきインピーダンス整合系を制御して電源
   側とプラズマ側の間のインピーダンス整合状態を調整す
   ることによりプラズマ生成用の高周波パワーの制御を行
   うプラズマ生成用高周波パワーの制御方法。
6. 【請求項６】プラズマ生成用のチャンバーと、チャンバ
   ーの内に配設されたプラズマ生成用の放電電極と、この
   放電電極に供給するプラズマ生成用の高周波パワー（高
   周波電力）を出力する高周波電源と、チャンバーの中の
   プラズマにプラズマ密度情報計測用の高周波パワー（高
   周波電力）を供給するとともにプラズマ負荷による高周
   波パワーの吸収状況を示すパラメータの量的測定を行っ
   てプラズマ密度情報を求出するプラズマ密度情報求出手
   段と、プラズマ密度情報求出手段により求出された情報
   に基づきプラズマ生成用の高周波パワーを制御する高周
   波パワー制御手段とを備えていることを特徴とするプラ
   ズマ発生装置。
7. 【請求項７】請求項６に記載のプラズマ発生装置におい
   て、プラズマ密度情報求出手段は、誘電体製の隔壁を介
   してチャンバーの中のプラズマにプラズマ密度情報計測
   用の高周波パワー（高周波電力）を供給するプラズマ発
   生装置。
8. 【請求項８】請求項６または７に記載のプラズマ発生装
   置において、プラズマ密度情報求出手段は、プラズマ密
   度情報として、パラメータの測定結果からプラズマ密度
   に起因して高周波パワーの強い吸収が起こるプラズマ吸
   収周波数を求出するよう構成されているプラズマ発生装
   置。
9. 【請求項９】請求項６から８のいずれかに記載のプラズ
   マ発生装置において、高周波パワー制御手段は、インピ
   ーダンス整合器が配設されていて、プラズマ密度情報に
   基づきインピーダンス整合器を制御して電源側とプラズ
   マ側の間のインピーダンス整合状態を調整することによ
   りプラズマ生成用の高周波パワーの制御を行うよう構成
   されているプラズマ発生装置。
10. 【請求項１０】請求項７から９までのいずれかに記載の
    プラズマ発生装置において、プラズマ生成用のチャンバ
    ーに差し込まれるとともに、先端が閉じている誘電体製
    のチューブと、チューブの先端側に収容されて高周波パ
    ワーを放射するアンテナと、チューブの後よりに収容さ
    れてアンテナに接続されている高周波パワー伝送用のケ
    ーブルとを具備するプラズマ密度情報測定用プローブを
    備え、誘電体製のチューブの管壁を誘電体製の隔壁とし
    てチューブ内のアンテナからプラズマ密度情報計測用の
    高周波パワーがプラズマに供給されるよう構成されてい
    るプラズマ発生装置。
11. 【請求項１１】請求項１０に記載のプラズマ発生装置に
    おいて、誘電体製のチューブには複数本のアンテナがチ
    ューブの先端からの距離がそれぞれ異なるように収容さ
    れており、プラズマ密度情報求出手段が、各アンテナ毎
    に得られるパラメータの測定結果からプラズマ密度に起
    因して高周波パワーの強い吸収の起こるプラズマ吸収周
    波数をそれぞれ求出するとともに、プラズマ吸収周波数
    のうち共通周波数のプラズマ吸収周波数をプラズマ表面
    波共鳴周波数として求出するよう構成されているプラズ
    マ発生装置。
12. 【請求項１２】請求項１０または１１に記載のプラズマ
    発生装置において、プラズマ密度情報測定用プローブが
    プラズマ生成用のチャンバーに進退可能に差し込まれて
    いるとともに、非測定時はプローブの先端がチャンバー
    内の測定位置からチャンバー壁面付近の退避位置へ引っ
    込むようプローブを移動させるプローブ移動手段を備え
    ているプラズマ発生装置。
13. 【請求項１３】請求項１０から１２までのいずれかに記
    載のプラズマ発生装置において、プラズマ密度情報測定
    用プローブの後段に、プローブ内のアンテナに迷入して
    くる過大なプラズマ生成用の高周波パワーを阻止する保
    護手段が配設されているプラズマ発生装置。
14. 【請求項１４】請求項１０から１３までのいずれかに記
    載のプラズマ発生装置において、高周波パワー伝送用の
    ケーブルが、芯線とシールド用の導体製チューブと、芯
    線・導体製チューブ間の空隙を埋める絶縁用セラミック
    ス材とからなるプラズマ発生装置。
15. 【請求項１５】請求項１０から１４までのいずれかに記
    載のプラズマ発生装置において、誘電体製のチューブ
    は、測定エリアは未被覆状態となるようにしてチューブ
    表面が金属で被覆されているプラズマ発生装置。
16. 【請求項１６】請求項１０から１５までのいずれかに記
    載のプラズマ発生装置において、アンテナが誘電体製の
    チューブの内面に近接して沿うように延びているプラズ
    マ発生装置。