JP2000205832A - プラズマ反応装置に用いるギャップ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ発光の影響を受けることなく正確に
ギャップを測定することができるギャップ測定装置を提
供する。 【解決手段】 互いに対向して配置された電極１と基板
２との間でプラズマを発生させ、基板２に対して成膜、
加工および表面処理のうち少なくとも１つの処理を施す
プラズマ反応装置２０に用いられ、電極１と基板２との
間のギャップＧを測定するギャップ測定装置１０６は、
ギャップＧへ第１光線を間欠的に照射する投光ユニット
７と、第１光線がギャップＧを通過した後の第２光線の
光量を検出し、光量に対応するパルス信号からなる受光
信号を出力する受光ユニット８と、受光信号に基づいて
ギャップＧを測定するギャップ測定部１０６Ｃとを備え
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、プラズマ反応装置
に用いるギャップ測定装置に関する。さらに詳しくは、
対向して配置される電極と基板との間のギャップを測定
するギャップ測定装置に関し、特に、狭ギャップが要求
されるプラズマ反応装置に好適である。

【０００２】

【従来の技術】加工、成膜、および表面処理などのプラ
ズマ処理においては、処理速度の高速化が要求されてい
る。この要求に応えるため、第２７００１７７号特許公
報や特開平９−１０４９８５号公報などには、大気圧近
傍の高圧力下でプラズマ処理を行う事により処理速度を
高めたプラズマ反応装置が開示されている。ここで、高
圧力下で安定したプラズマを維持するためには、電極と
基板との間のギャップを非常に狭く設定する必要があ
る。

【０００３】例えば、特開平９−１０４９８５号公報に
おけるギャップは０．０１ｍｍ〜１ｍｍである。しかし
ながら、この様な微小ギャップの設定は非常に困難であ
る。しかもギャップは、プラズマ処理の進行に伴う電極
および基板の熱変形に起因して、経時的に変化する。前
記の様な微小ギャップの場合には、ギャップの変化に伴
いプラズマ状態も変化するため、プラズマ処理が不安定
になるという問題がある。更に、ギャップが数１００μ
ｍと非常に狭い場合には、電極と基板とが接触してしま
うという問題も起こる。この問題は、特開平９−１０４
９８５号公報に開示される様な高速回転電極を用いた場
合に顕著であり、該公報のプラズマ反応装置内にはギャ
ップ測定装置が設けられている。

【０００４】特開平９−１０４９８５号公報に開示され
た内容について、図１５、図１６を参照して説明する。
図中、２０はプラズマ反応装置であって、その内部に、
図示しない回転駆動機構によって回転可能となされたド
ラム状回転電極１が配置されている。２は基板、３は高
周波電源、４はステージ、５は反応容器をそれぞれ示し
ている。基板２はステージ４上に搭載され、回転電極１
と所定のギャップＧを保持して対向する様に、反応容器
５内に配置される。ギャップＧは０．１ｍｍ程度であ
る。反応容器５の内部には、不活性ガス及び反応ガスか
らなる雰囲気ガスが充填され、その圧力は１気圧程度に
設定される。

【０００５】上記の構成において、回転電極１を図中の
矢印ＤＲ方向に高速回転させると、粘性により、回転電
極１の外周面１ａに引き連れられた雰囲気ガスが、前記
ギャップＧ内に安定に供給される。この状態で高周波電
源３から回転電極１に高周波電圧を印加すると、ギャッ
プＧ部でプラズマＰが発生する。そして、プラズマＰ中
の反応ガスに基づく反応性ラジカルの作用により、基板
２の表面がプラズマ処理される。

【０００６】ここで、上記の装置には、更にギャップ測
定装置６０６が備えられている。図１６を参照して、ギ
ャップ測定装置６０６は、光源６１０と、コリメータレ
ンズ６０７と、集光レンズ６０８と、検知器６１１と、
光ファイバ６０９ａ、６０９ｂとから構成されている。
反応容器５の内部に、回転電極１と基板２との間のギャ
ップＧを挟み対向する様に、コリメータレンズ６０７と
集光レンズ６０８とが設けられている。コリメータレン
ズ６０７には、光ファイバ６０９ａを介して光源６１０
が接続されている。集光レンズ６０８には光ファイバ６
０９ｂを介して検知器６１１が接続されている。

【０００７】光源６１０から出射された光線は、光ファ
イバ６０９ａを通りコリメータレンズ６０７により整形
され、ギャップＧ部に照射される。ギャップＧに照射さ
れた光線は、ギャップＧよりも幅の広い光束であるた
め、回転電極１および基板２に妨げられる。そして、ギ
ャップＧを通過した、より幅の狭い光線が集光レンズ６
０８により集光され、光ファイバ６０９ｂを通り検知器
６１１で検知される。検知器６１１で検知される光量
は、ギャップＧの幅に応じて増減するため、この光量を
測定する事により、ギャップＧを測定する事ができる。

【０００８】以上の様にして測定したギャップＧに応じ
て、ステージ４を上下動させる事により、回転電極１と
基板２との間のギャップＧを調整でき、プラズマ処理の
安定化が図れる。また、電極と基板との接触が避けられ
るため、高速回転電極を用いた場合においても、電極や
基板の破損を未然に防止できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ギャップ測定装置はギャップＧの情報として、集光した
光線の光量の絶対値を検出するため、プラズマ発光の影
響を受けやすいという問題点があった。すなわち、集光
レンズ６０８により集光した光線は、コリメータレンズ
６０７から照射されギャップＧ部を通過した光線以外
に、プラズマの発光成分も含む事になる。この結果ギャ
ップＧを、実際のギャップよりも広めに検出してしま
う。

【００１０】また、従来のギャップ測定装置は、一定の
広さのギャップに対して直流信号（以下「ＤＣ信号」と
いう。）を出力するものであるから、検知器６１１の出
力が温度の影響や低域ノイズの影響によってドリフト変
動している場合には、ギャップの幅を実際とは異なる幅
で検出してしまうという問題点があった。

【００１１】本発明の目的は、プラズマ発光の影響を受
けることなく正確にギャップを測定することができるギ
ャップ測定装置を提供することにある。

【００１２】本発明の他の目的は、温度の影響や低域ノ
イズの影響によって検知器の出力がドリフト変動してい
る場合であっても、正確にギャップを測定することがで
きるギャップ測定装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係るギャップ測
定装置は、互いに対向して配置された電極と基板との間
でプラズマを発生させ、該基板に対して成膜、加工およ
び表面処理のうち少なくとも１つの処理を施すプラズマ
反応装置に用いられ、該電極と該基板との間のギャップ
を測定するギャップ測定装置であって、該ギャップへ第
１光線を間欠的に照射する投光ユニットと、該第１光線
が該ギャップを通過した後の第２光線の光量を検出し、
該光量に対応するパルス信号からなる受光信号を出力す
る受光ユニットと、該受光信号に基づいて該ギャップを
測定するギャップ測定手段とを備え、このことにより上
記目的が達成される。

【００１４】該投光ユニットは、該第１光線が間欠的に
該ギャップへ照射され該ギャップより該第２光線が間欠
的に出射されるように、該第１光線を走査させる走査部
を備えてもよい。

【００１５】該投光ユニットは、該第１光線を供給する
光源をさらに備え、該走査部は、該第１光線を走査させ
るためのポリゴンミラーと、該第１光線を出射するコリ
メータレンズとを備えてもよい。

【００１６】該ギャップ測定手段は、該受光信号の波高
値を検出する波高値検出手段を含んでもよい。

【００１７】該ギャップ測定手段は、該受光信号のパル
ス幅を検出するパルス幅検出手段を含んでもよい。

【００１８】該ギャップ測定手段は、該受光信号の波高
値を検出する波高値検出手段と、該受光信号のパルス幅
を検出するパルス幅検出手段と、該波高値検出手段の出
力と該パルス幅検出手段の出力とを切り替えるスイッチ
と、該波高値検出手段の出力に基づいて該スイッチを切
り替えるレベル判定手段とを含んでもよい。

【００１９】該第１光線の幅は、該ギャップよりも広く
てもよい。

【００２０】該第１光線の幅は、該ギャップ以下であっ
てもよい。

【００２１】該第１光線は、実質的に単一の波長を有
し、該受光ユニットは、前段に該波長を有する光線を通
過させる光学フィルタを備えてもよい。

【００２２】該第１光線は、該電極と該基板との間で発
生するプラズマが有する発光スペクトルのピーク波長と
は異なる波長を有してもよい。

【００２３】該投光ユニットおよび該受光ユニットのう
ちの少なくともいずれか一方は、電磁シールドが施され
るように導電性のケースで覆われてもよい。

【００２４】該投光ユニットは、パルス発光し該第１光
線を供給する光源と、該第１光線を出射するコリメータ
レンズとを備えてもよい。

【００２５】該投光ユニットは、連続発光し該第１光線
を供給する光源と、該光源から連続発光した該第１光線
を間欠的に遮断する回転スリットと、該回転スリットに
より間欠的に遮断された該第１光線を出射するコリメー
タレンズとを備えてもよい。

【００２６】該受光ユニットは、該第２光線を集光する
集光レンズと、該集光レンズにより集光された該第２光
線を受光する受光素子とを備えてもよい。

【００２７】該電極はドラム状電極を含み、該投光ユニ
ットは、該第１光線を、該ドラム状電極の中心軸を含み
該基板の表面に対して垂直な第１の面に対して実質的に
垂直に照射してもよい。

【００２８】該電極はドラム状電極を含み、該投光ユニ
ットは、該第１光線を、該ドラム状電極の中心軸を含み
該基板の表面に対して垂直な第１の面に対して所定の角
度傾斜して照射してもよい。

【００２９】該ギャップ測定装置は、該ギャップ測定装
置により測定された該ギャップと所定のギャップ目標値
とに基づいて、該ギャップを制御するギャップ制御手段
をさらに備えてもよい。

【００３０】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本発明の実施の
形態１について、図１〜図６を参照して説明する。本発
明のギャップ測定装置１０６は、如何なる形態のプラズ
マ反応装置に対しても適用可能であるが、図１５、図１
６に示したプラズマ反応装置２０に適用した場合に、そ
の効果が最も顕著となる。

【００３１】以下では、ギャップ測定装置１０６を、プ
ラズマ反応装置２０に適用した場合について説明する。
プラズマ反応装置２０の構成は、図１５、図１６の構成
と同じであるので説明を省略する。

【００３２】図１は、プラズマ反応装置２０内におげる
ギャップ測定装置１０６の配置を示している。プラズマ
Ｐは、ドラム状の回転電極１と基板２との間のギャップ
Ｇ部において発生する。

【００３３】ギャップ測定装置１０６は、投光ユニット
部１０６Ａと受光ユニット部１０６Ｂとギャップ測定部
１０６Ｃとを備える。投光ユニット部１０６Ａは、投光
ユニット７を備える。受光ユニット部１０６Ｂは、受光
ユニット８を備える。ギャップ測定部１０６Ｃは、後述
する波高値検出手段１１を備える。

【００３４】投光ユニット７と受光ユニット８とは、ギ
ャップＧを挟んで対向している。投光ユニット７および
受光ユニット８は、アルミナなどの絶縁体１５ａ，１５
ｂ上に搭載され、一部が開口した導電性ケース１６ａ，
１６ｂに覆われている。これによって、電磁シールドが
施され、投光ユニット７および受光ユニット８への高周
波ノイズの影響が除去できる。前記の導電性ケース１６
ａ，１６ｂの開口は、後述の光線９を透過させるために
設けている。なお、この開口部は、ガラス等の透明な部
材によって封止されていてもよい。

【００３５】図２は、投光ユニット７の内部構造を示す
模式図である。図２において、光源７１は連続的に発光
するもので、これから出射された光線は、ポリゴンミラ
ー７２、反射鏡７３、コリメータレンズ７４を介して、
投光ユニット７から出射される。光源７１は如何なるも
のでもよいが、例えばレーザ光源であり、好ましくはプ
ラズマＰの発光スペクトルのピーク波長と異なる波長の
ものが選定される。この構成において、ポリゴンミラー
７２を図中のＲ方向に回転させると、Ｓ方向に走査する
光線９が投光ユニット７から出射される。７５は同期用
フォトダイオードであり、走査している光線が基準位置
にある事を示す同期信号を出力する。

【００３６】図３は、受光ユニット８の内部構造を示す
模式図である。８１は集光レンズである。８２は受光素
子であり、例えばフォトダイオードである。この構成に
より、受光ユニット８に所定の光軸で入射した光線の光
量が、受光素子８２によって検出される。

【００３７】なお、好ましくは、受光ユニット８の入口
に光学フィルタ８３を備える。光学フィルタ８３は、光
源７１から出射される光線と同一波長の光線を通過させ
るものを選定する。上記の様に、プラズマＰの発光スペ
クトルのピーク波長と異なる波長の光源７１を使用し、
これを選択的に通過させる光学フィルタ８３と組合せる
事により、後述する本実施の形態の効果はより顕著なも
のとなる。すなわち、本実施の形態はプラズマ発光の影
響を受けないギャップ測定装置を提供するものである
が、前記の構成により、その信頼性を更に高める事がで
きる。

【００３８】図４（ａ）、（ｂ）は、ギャップＧの測定
原理を示す模式図である。投光ユニット７と受光ユニッ
ト８は、ギャップＧを挟んで対向している。投光ユニッ
ト７は、出射される光線９が基板２の表面２Ｓに対して
略直角な方向Ｓに走査する様に配置されている。投光ユ
ニット７から出射される光線９の幅Ｌ１は如何様にも調
整可能であるが、本実施の形態では、測定すべきギャッ
プＧよりも広くなる様に調整されている。好ましくは、
ギャップＧよりわずかに幅広になる様に調整される。例
えば、測定すべきギャップＧの最大幅よりも数１０％程
度幅広になる様に調整すればよい。

【００３９】受光ユニット８は、投光ユニット７から出
射される光線９を集光できる位置に配置されている。こ
の構成によって、投光ユニット７から、基板２から回転
電極１の方向Ｓに走査する光線９が出射される。光線９
が図４（ａ）中のＡ点→Ｂ点まで走査する期間において
は、光線９はステージ４または基板２に遮断される。ま
た、Ｄ点→Ｅ点まで走査する期間には、回転電極１に遮
断される。Ｂ点→Ｄ点まで走査する期間においてのみ、
光線９はギャップＧ部を通過し、受光ユニット８によっ
てその光量が検出される。検出される光量は、光線９が
図４（ｂ）中のＣ点に位置するときに最大となる。

【００４０】このとき、ギャップＧを通過する光線の幅
Ｌは、ギャップＧの幅と等しくなる。なお、投光ユニッ
ト７から出射され、Ｌ１なる幅の光線が、特許請求の範
囲に規定される第１光線に対応する。また、第１光線が
ギャップＧを通過し、Ｌなる幅となった光線が特許請求
の範囲に規定される第２光線に対応する。この結果、受
光ユニット８（受光素子８２）から出力される信号ＳＧ
１は、図５に示す如くの単一パルスとなる。このパルス
信号ＳＧ１の波高値ＨがギャップＧの幅に対応する。す
なわち、ギャップＧが変化すると光線の幅Ｌが変化し、
これに対応して波高値Ｈも変化する。なお、図５には、
受光ユニット８の出力波形と併せて、図２に示した同期
用フォトダイオード７５の出力波形も示している。

【００４１】図４と図５とを参照して、光線９は、同期
用フォトダイオード７５から出力される同期信号ＰＤ１
の立ち上がりタイミングｔ７５よりもＤＴだけ遅延して
出射され、図４（ａ）中のＡ点より走査を開始する。そ
の後のＴ１なる時間間隔の間に、図４（ａ）中のＥ点ま
で走査する。そして、時間間隔Ｔ２の後、再度、同期用
フォトダイオード７５から同期信号ＰＤ２が出力され
る。

【００４２】上記の期間中で、光線９が図４（ａ）中の
Ｂ点→Ｄ点まで走査する期間において、パルス信号ＳＧ
１が発生する。この動作が、周期Ｔで繰り返される。し
たがって、受光ユニット８の出力パルスの波高値Ｈを１
周期（Ｔ）毎に検出し、これを更新していく事によっ
て、ギャップＧの時間的な変化を測定する事ができる。
パルス信号の波高値Ｈの検出は、図１中に示す波高値検
出手段１１によって行われる。

【００４３】波高値検出手段１１は、公知の電気回路に
よって構成されるものであるが、例えば、以下の様に構
成すればよい。すなわち、受光ユニット８の出力をＡ／
Ｄ変換するＡＤ変換器と、Ａ／Ｄ変換された信号を１走
査期間Ｔ１分記憶するメモリと、メモリに記憶された信
号のピーク値とＤＣレベルとを検出しその差を算出する
波高値検出回路と、前記検出された波高値信号を格納す
るレジスタとを備え、同期信号の立ち上がりタイミング
毎に、レジスタに格納された波高値信号を出力すればよ
い。これをＤ／Ａ変換し、ローパスフィルタで整形すれ
ば、ギャップＧの時間応答波形を得る事ができる。な
お、図５に示した受光ユニット８の出力波形は、同期信
号（同期用フォトダイオード７５の出力）に基づいて、
複数周期分（１周期：Ｔ）のアベレージング処理を施し
てもよい。この場合には上記と同様の手法により、アベ
レージング処理されたパルス信号の波高値を検出し、こ
れを所定のタイミングで更新していけば良い。このよう
にすると、ギャップ測定の応答性は若干劣化するもの
の、受光ユニット８の出力信号に混入したランダムノイ
ズの影響を除去できる。

【００４４】以上の様にして、回転電極１と基板２との
間のギャップＧが測定できる。そしてギャップＧの幅に
応じて、図１中のステージ４をＺ方向に移動させる事に
より、ギャップＧを所望の値に調整できる。

【００４５】ここで受光ユニット８は、所定の光軸の光
線を常時検出するものであるから、ギャップＧ部におい
て発生するプラズマＰの発光成分も常時検出する事にな
る。この結果、プラズマ発光の影響を受けた場合の受光
ユニット８の出力は、図６（ａ）中の点線で示す様な波
形となる。つまり、全体的に△Ｈだけレベルが高くなる
のみで波高値Ｈは変化しない。この様に、本実施の形態
によれば、プラズマ発光の影響を受けないギャップ測定
が可能になる。

【００４６】図６（ｂ）は、温度の影響や低域ノイズの
影響によって受光ユニット８の出力がドリフト変動して
いる場合を示している。点線で示す波形がドリフト変動
している場合であるが、波高値Ｈは変化しない。本実施
の形態では光線がギャップに照射されるタイミングにお
ける受光ユニット８の出力と、光線がギャップに照射さ
れていないときの出力との差を測定しているので、プラ
ズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けない。

【００４７】上記で説明した様に、本実施の形態によれ
ば、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けず
に、電極と基板との間のギャップを正確に測定する事が
できる。これによって、高圧力下でのプラズマ処理の様
に、電極と基板との間のギャップが非常に狭い場合であ
っても、ギャップを所望の値に調整できる。この結果、
プラズマ処理の安定化が図れるとともに、電極と基板と
の接触を防止できる。この効果は、特に、接触による被
害が大きなものとなる高速回転電極を用いた場合に顕著
である。

【００４８】なお、ギャップ測定の感度を高めるには、
前記した様に、光線９の幅Ｌ１を測定すべきギャップＧ
よりも少し広めになる程度に調整しておく事が望まし
い。この様に光線の幅を極力狭くすれば、エネルギ密度
の高い状態で光線を使用できるから、ギャップ変化に対
する波高値変化を急峻なものとする事ができる。

【００４９】ここで、光線９の幅Ｌ１は、必ずしも、光
軸に沿って一定幅のものでなくてよく、ギャップ測定ポ
イントにおいて所望の広さになっていればよい。例え
ば、ギャップ測定ポイントの近傍において焦点を結ぶ様
なビーム形状でも良い。また、これを満足する様に光軸
上に適宜レンズを配置してもよい。

【００５０】（実施の形態１の変形例）実施の形態１で
は、光線がギャップＧに間欠的に照射される。光線がギ
ャップＧに照射されているときに検出される光量と、光
線がギャップＧに照射されていないときに検出される光
量との差を測定しているので、プラズマ発光などのＤＣ
的な外乱の影響を受けない。したがって、上記以外の手
法によってギャップＧに間欠的に光線を照射しても、受
光ユニット８の出力は図５と同様の波形となり、上記と
同様の効果が得られる。

【００５１】例えば、図４（ｂ）中のＣ点に光線９の位
置を固定しておき、光線９を間欠的に出射する様にして
もよい。図示しないが、これを実現する構成例として
は、パルス発光する光源とコリメータレンズとからなる
投光ユニットを用いる構成や、連続発光する光源と、光
線を間欠的に遮断する回転スリットと、コリメータレン
ズとからなる投光ユニットを用いる構成などが挙げられ
る。但し、光線９の位置を固定しているため、光線幅を
広くしておかないと、ギャップＧ部に適正に光線が照射
されなくなる虞れがある。

【００５２】例えば、回転電極のみが大きく熱膨張し、
ギャップＧを所定値に調整するために、ステージ４を下
方向に移動させる様な場合である。この場合には、ギャ
ップＧの位置が下方に移動するため、光線幅を広くして
おかないと、ギャップＧ部に適正に光線が照射されなく
なる。すなわち、本変形例は、実施の形態１よりも簡単
な構成ではあるが、光線幅を広めに設定しなければなら
ず、感度が低下するという問題点を伴う。

【００５３】（実施の形態２）本発明の実施の形態２に
ついて、図７〜図１０を参照して説明する。本実施の形
態２が実施の形態１と異なる点は、投光ユニット７から
出射される光線９の幅Ｌ１が、ギャップＧよりも狭い事
と、図１中の波高値検出手段１１をパルス幅検出手段１
２に変更している点である。その他は、実施の形態１と
同様であり、共通の構成要素には同一の記号を付し、説
明を省略する。

【００５４】図７は、本実施の形態におけるギャップ測
定装置２０６の、プラズマ反応装置２０内の配置を示し
ている。実施の形態１と同様、ドラム状の回転電極１と
基板２との間のギャップＧ部においてプラズマＰが発生
する。

【００５５】ギャップ測定装置２０６は、投光ユニット
部１０６Ａと受光ユニット部１０６Ｂとギャップ測定部
２０６Ｃとを備える。投光ユニット部１０６Ａは、投光
ユニット７を備える。受光ユニット部１０６Ｂは、受光
ユニット８を備える。ギャップ測定部２０６Ｃは、後述
するパルス幅検出手段１２を備える。

【００５６】図８は、本実施の形態におけるギャップ測
定原理を示す模式図である。投光ユニット７と受光ユニ
ット８はギャップＧを挟んで対向している。

【００５７】図８を参照して、光線９がＡ点→Ｂ点まで
走査する期間においては、光線９はステージ４または基
板２に遮断される。また、Ｄ点→Ｅ点まで走査する期間
には、回転電極１に遮断される。Ｂ点→Ｄ点まで走査す
る期間（例えばＣ点）においてのみ、光線９はギャップ
Ｇ部を通過し、受光ユニット８によってその光量が検出
される。

【００５８】投光ユニット７から出射される光線９の幅
Ｌ１はギャップＧよりも狭いので、Ｂ点→Ｄ点（厳密に
は（Ｂ点よりもＬ１だけ上方位置）→（Ｄ点よりもＬ１
だけ下方位置））まで走査する期間にギャップＧを通過
する光線の幅Ｌは、Ｌ１と等しく一定である。この結
果、受光ユニット８（受光素子８２）から出力される信
号ＳＧ２は、図９に示す如くの単一パルスとなる。この
パルス信号のパルス幅ＴＷは、Ｓ方向に走査している光
線９がギャップＧの幅を移動するのに要する時間を示し
ている。光線９は一定速度ｖで走査しているから、前記
のパルス幅ＴＷに速度ｖを乗ずる事により、ギャップＧ
を測定する事ができる。すなわち、ギャップＧが変化す
ると、これに対応してパルス幅ＴＷも変化する。なお実
際には、Ｂ点→（Ｂ点よりもＬ１だけ上方位置）までの
走査期間、および（Ｄ点よりもＬ１だけ下方位置）→Ｄ
点までの走査期間には、ギャップＧを通過する光線の幅
ＬはＬ１よりも狭く、これと対応しパルス信号ＳＧ２は
略台形の形状をなす。このため、パルス信号の波形を整
形し、パルス幅ＴＷとギャップＧとの関係を予め調べ、
校正しておく必要がある。なお、図９中には、受光ユニ
ット８の出力波形と併せて、図２に示す同期用フォトダ
イオード７５の出力波形も示している。

【００５９】図８と図９を参照して、光線９は、同期用
フォトダイオード７５から出力される同期信号ＰＤ３の
立ち上がりタイミングｔ７５よりもＤＴだけ遅延して出
射され、図８中のＡ点より走査を開始する。その後のＴ
１なる時間間隔の間に、図８中のＥ点まで走査する。そ
して、時間間隔Ｔ２の後、再度、同期用フォトダイオー
ド７５から同期信号ＰＤ４が出力される。上記の期間中
で、光線９が図８中のＢ点→Ｄ点まで走査する期間にお
いて、パルス信号ＳＧ２が発生する。この動作が、周期
Ｔで繰り返される。

【００６０】したがって、受光ユニット８の出力パルス
のパルス幅ＴＷを１周期（Ｔ）毎に検出し、これを更新
していく事によって、ギャップＧの時間的な変化を測定
する事ができる。パルス幅ＴＷの検出は、図７中のパル
ス幅検出手段１２によって行われる。

【００６１】パルス幅検出手段１２は、公知の電気回路
によって構成されるものであるが、例えば、以下の様に
構成すればよい。すなわち、パルス信号の波形整形を行
う波形整形回路と、基準クロックを発生するクロック発
生回路と、波形整形された信号のパルス幅を前記クロッ
クに基づき計数するカウンタと、カウンタによって検出
されたパルス幅信号を格納するレジスタとを備え、同期
信号の立ち上がりタイミング毎に、レジスタに格納され
たパルス幅信号を出力すればよい。これをＤ／Ａ変換
し、ローパスフィルタで整形すれば、ギャップＧの時間
応答波形を得る事ができる。

【００６２】ここで、受光ユニット８は、所定の光軸の
光線を常時検出するものであるから、ギャップＧ部にお
いて発生するプラズマＰの発光成分も常時検出する事に
なる。この結果、プラズマ発光の影響を受けた場合の受
光ユニット８の出力は、図１０中の点線で示す様な波形
となる。つまり、全体的に△Ｈだけレベルが高くなるの
みでパルス幅ＴＷは変化しない。この様に、本実施の形
態によれば、プラズマ発光の影響を受けないギャップ測
定が可能になる。

【００６３】これと同様に、温度の影響や低域ノイズの
影響によって受光ユニット８の出力がドリフト変動して
いる場合においても、パルス幅ＴＷは変化しない。本実
施の形態では、走査している光線９がギャップＧの幅を
移動するのに要する時間（パルス幅ＴＷ）を測定してい
るので、上記の様に、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱
の影響を受けない。

【００６４】本実施の形態によれば、実施の形態１と同
様に、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けず
に、電極と基板との間のギャップを正確に測定する事が
できる。これによって、高圧力下でのプラズマ処理の様
に、電極と基板との間のギャップが非常に狭い場合であ
っても、ギャップを所望の値に調整できる。この結果、
プラズマ処理の安定化が図れるとともに、電極と基板と
の接触を防止できる。この効果は、特に、接触による被
害が大きなものとなる高速回転電極を用いた場合に顕著
である。

【００６５】なお、ギャップ測定の感度を高めるには、
光線９の幅Ｌ１を極力狭くしておく事が望ましい。これ
によって、測定可能なギャップの最小値を小さくできる
とともに、パルス信号のエッジを顕著なものとする事が
できる。したがって、より高精度なギャップ測定が可能
となる。

【００６６】（実施の形態３）上記の実施の形態１は、
光線９の幅Ｌ１よりも狭いギャップＧに対して、出力パ
ルスの波高値を検出し、ギャップを測定するものであっ
た。また、実施の形態２は、光線９の幅Ｌ１よりも広い
ギャップＧに対して、出力パルスのパルス幅を検出し、
ギャップを測定するものであった。本発明の実施の形態
３は、実施の形態１と実施の形態２とを組合せ、ギャッ
プの測定範囲を広げる様に構成されたものである。

【００６７】図１１は、本実施の形態の基本構成を示し
ている。ギャップ測定装置３０６は、投光ユニット部１
０６Ａと受光ユニット部１０６Ｂとギャップ測定部３０
６Ｃとを備える。投光ユニット部１０６Ａは、投光ユニ
ット７を備える。受光ユニット部１０６Ｂは、受光ユニ
ット８を備える。ギャップ測定部３０６Ｃは、波高値検
出手段１１とパルス幅検出手段１２とを備える。

【００６８】本実施の形態では、受光ユニット８の後段
に、波高値検出手段１１とパルス幅検出手段１２の双方
が接続されている。波高値検出手段１１の出力信号およ
びパルス幅検出手段１２の出力信号は、スイッチＳＷに
入力され、何れか一方が選択される様になっている。ス
イッチＳＷは波高値検出手段１１の後段に接続されたレ
ベル判定器１３の出力信号によって切替えられる。レベ
ル判定器１３は、前記出力パルスの波高値と所定の判定
基準とを比較するコンパレータによって構成されてい
る。

【００６９】前記の判定基準は、ギャップＧが光線幅Ｌ
１よりも若干狭い場合に、受光ユニット８より得られる
出力パルスの波高値レベルに設定している。そして、受
光ユニット８から出力されるパルスの波高値が、判定基
準よりも低いレベルのときには、波高値検出手段１１に
よって実施の形態１の手法でギャップを測定する。ま
た、受光ユニット８の出力が判定基準よりも高いレベル
のときには、パルス幅検出手段１２によって実施の形態
２の手法でギャップＧを測定する。

【００７０】上記の構成により、実施の形態１および実
施の形態２と同等の効果を得ながら、更に、ギャップＧ
の測定範囲を拡大できる。

【００７１】（実施の形態１〜３の変形例）実施の形態
１〜実施の形態３の説明図面では、光線９の光軸が、ド
ラム状回転電極１の中心軸（回転軸Ｒ１）を含む平面Ｐ
１に対して直角をなす例について示してきたが、これに
限ったものではない。光線９は、測定すべきギャップを
通過できればよく、図１２に示す様に、前記の平面Ｐ１
に対して傾斜していてもよい。また、この光軸は、ギャ
ップ通過の前後に、反射ミラーによってその方向が変え
られるものでもよい。プラズマ反応装置２０のサイズに
応じて、反射ミラーを併用しながら、投光ユニット７と
受光ユニット８とを適宜にレイアウトすればよい。

【００７２】（実施の形態４）本発明の実施の形態４に
ついて、図１３を参照して説明する。本実施の形態は、
実施の形態１〜３で説明したギャップ測定装置１０６、
２０６および３０６のいずれかを用いて、回転電極１と
基板２との間のギャップＧを所望の値に閉ループ制御す
るものである。図１３を参照して、ギャップ測定装置１
０６によって検出されたギャップＧは、比較器３１に入
力され、ギャップ目標値と比較される。そして、その差
信号Ｅｒｒが、ステージ駆動回路３２に入力される。ス
テージ駆動回路３２から出力された駆動信号ＶＤに基づ
き、ステージ４がＺ方向に駆動される。そして、再びギ
ャップＧが検出され、比較器３１に入力される。この動
作を繰り返し、フィードバックループが形成される。こ
れによって、回転電極１と基板２との間のギャップＧが
所望の値に制御される。

【００７３】

【実施例】実施の形態１で説明したギャップ測定装置１
０６を用い、プラズマ反応装置２０内で、インプロセス
のギャップ測定を実施した。基板２はシリコンウエハ
で、これをＨｅとＳＦ₆の混合ガスで加工した。回転電
極は、直径２００ｍｍ、長さ１５０ｍｍのドラム形状
で、これを５０００ｒｐｍで回転させた。加工前のギャ
ップは２７０μｍに設定した。また加工中のステージ４
は、Ｚ方向に移動させず固定しておいた。

【００７４】プラズマ処理中に、ギャップＧの時間的な
変化を測定した結果を図１４に示す。プラズマの発生に
伴い経時的にギャップが狭くなっていく様子が分かる
が、これは、回転電極１および基板２の熱変形量に対応
している。また、加工後の定常状態におけるギャップ
は、加工前に比べて８０μｍ大きくなっている。この結
果と対応し、加工後の測定において、基板２は８０μｍ
加工されていた。上記より、本発明のギャップ測定装置
によって、適正なギャップ測定が行えている事が分か
る。

【００７５】

【発明の効果】本発明は、電極と基板との間のギャップ
部に間欠的に光線を照射し、前記ギャップを通過した光
線の光量に対応して出力されるパルス信号に基づいて、
ギャップを測定する構成としたから、プラズマ発光など
のＤＣ的な外乱の影響を受けずに、前記ギャップを正確
に測定する事ができる。これによって、高圧力下でのプ
ラズマ処理の様に、電極と基板との間のギャップが非常
に狭い場合であっても、ギャップを所望の値に調整でき
る。

【００７６】この結果、プラズマ処理の安定化が図れる
とともに、電極と基板との接触を防止できる。この効果
は、特に、接触による被害が大きなものとなる高速回転
電極を用いた場合に顕著である。

【００７７】また、前記光線を基板の表面に対して略直
角な方向に走査させるように構成したから、光線の幅を
狭くでき、ギャップ測定感度を高める事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の構成図。

【図２】本発明の実施形態１における投光ユニットの内
部構造図。

【図３】本発明の実施形態１における受光ユニットの内
部構造図。

【図４】（ａ）本発明の実施形態１におけるギャップ測
定原理を説明する図。 （ｂ）本発明の実施形態１におけるギャップ測定原理を
説明する図。

【図５】本発明の第１実施形態における受光ユニットの
出力波形を説明するグラフ。

【図６】（ａ）本発明の実施形態１の効果を説明する
図。 （ｂ）本発明の実施形態１の効果を説明する図。

【図７】本発明の実施形態２の構成図。

【図８】（ａ）本発明の実施形態２におけるギャップ測
定原理を説明する図。 （ｂ）本発明の実施形態２におけるギャップ測定原理を
説明する図。

【図９】本発明の実施形態２における受光ユニットの出
力波形を説明するグラフ。

【図１０】本発明の実施形態２の効果を説明する図。

【図１１】本発明の実施形態３の構成図。

【図１２】本発明の実施形態１〜３における変形例の説
明図。

【図１３】本発明の実施形態４の制御ブロック図。

【図１４】本発明の実施例を説明する図。

【図１５】従来技術の斜視図。

【図１６】従来技術の構成図。

【符号の説明】

１ 回転電極 １ａ 回転電極１の外周面 ２ 基板 ３ 高周波電源 ４ ステージ ５ 反応容器 ７ 投光ユニット ８ 受光ユニット ９ 光線 １１ 波高値検出手段 １２ パルス幅検出手段 １３ レベル判定器 １５ａ，１５ｂ 絶縁体 １６ａ，１６ｂ 導電性ケース ７１ 光源 ７２ ポリゴンミラー ７３ 反射ミラー ７４ コリメータレンズ ７５ フォトダイオード ８１ 集光レンズ ８２ 受光素子 ３１ 比較器 ３２ ステージ駆動回路 １０６、２０６、３０６ ギャップ測定装置 １０６Ａ 投光ユニット部 １０６Ｂ 受光ユニット部 １０６Ｃ、２０６Ｃ、３０６Ｃ ギャップ測定部 Ｇ ギャップ Ｐ プラズマ Ｈ 波高値 ＴＷ パルス幅

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 博明 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 奥田 徹 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 森 勇▲蔵▼ 大阪府交野市私市８丁目16番19号 (72)発明者 石川 俊夫 奈良県奈良市西千代ヶ丘１−16−９ Ｆターム(参考） 2F065 AA22 BB06 BB13 BB16 DD03 DD04 FF02 GG04 JJ01 JJ15 JJ18 LL02 LL10 LL12 LL13 QQ03 QQ08 QQ25 QQ51 2H045 AA01 DA31

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに対向して配置された電極と基板と
   の間でプラズマを発生させ、該基板に対して成膜、加工
   および表面処理のうち少なくとも１つの処理を施すプラ
   ズマ反応装置に用いられ、該電極と該基板との間のギャ
   ップを測定するギャップ測定装置であって、 該ギャップへ第１光線を間欠的に照射する投光ユニット
   と、 該第１光線が該ギャップを通過した後の第２光線の光量
   を検出し、該光量に対応するパルス信号からなる受光信
   号を出力する受光ユニットと、 該受光信号に基づいて該ギャップを測定するギャップ測
   定手段とを備えるギャップ測定装置。
2. 【請求項２】 該投光ユニットは、該第１光線が間欠的
   に該ギャップへ照射され該ギャップより該第２光線が間
   欠的に出射されるように、該第１光線を走査させる走査
   部を備える、請求項１に記載のギャップ測定装置。
3. 【請求項３】 該投光ユニットは、該第１光線を供給す
   る光源をさらに備え、 該走査部は、該第１光線を走査させるためのポリゴンミ
   ラーと、 該第１光線を出射するコリメータレンズとを備える、請
   求項２に記載のギャップ測定装置。
4. 【請求項４】 該ギャップ測定手段は、該受光信号の波
   高値を検出する波高値検出手段を含む、請求項１に記載
   のギャップ測定装置。
5. 【請求項５】 該ギャップ測定手段は、該受光信号のパ
   ルス幅を検出するパルス幅検出手段を含む、請求項２に
   記載のギャップ測定装置。
6. 【請求項６】 該ギャップ測定手段は、該受光信号の波
   高値を検出する波高値検出手段と、 該受光信号のパルス幅を検出するパルス幅検出手段と、 該波高値検出手段の出力と該パルス幅検出手段の出力と
   を切り替えるスイッチと、 該波高値検出手段の出力に基づいて該スイッチを切り替
   えるレベル判定手段とを含む、請求項２に記載のギャッ
   プ測定装置。
7. 【請求項７】 該第１光線の幅は、該ギャップよりも広
   い、請求項１に記載のギャップ測定装置。
8. 【請求項８】 該第１光線の幅は、該ギャップ以下であ
   る、請求項２に記載のギャップ測定装置。
9. 【請求項９】 該第１光線は、実質的に単一の波長を有
   し、 該受光ユニットは、前段に該波長を有する光線を通過さ
   せる光学フィルタを備える、請求項１に記載のギャップ
   測定装置。
10. 【請求項１０】 該第１光線は、該電極と該基板との間
    で発生するプラズマが有する発光スペクトルのピーク波
    長とは異なる波長を有する、請求項９に記載のギャップ
    測定装置。
11. 【請求項１１】 該投光ユニットおよび該受光ユニット
    のうちの少なくともいずれか一方は、電磁シールドが施
    されるように導電性のケースで覆われる、請求項１に記
    載のギャップ測定装置。
12. 【請求項１２】 該投光ユニットは、パルス発光し該第
    １光線を供給する光源と、 該第１光線を出射するコリメータレンズとを備える、請
    求項１に記載のギャップ測定装置。
13. 【請求項１３】 該投光ユニットは、連続発光し該第１
    光線を供給する光源と、 該光源から連続発光した該第１光線を間欠的に遮断する
    回転スリットと、 該回転スリットにより間欠的に遮断された該第１光線を
    出射するコリメータレンズとを備える、請求項１に記載
    のギャップ測定装置。
14. 【請求項１４】 該受光ユニットは、該第２光線を集光
    する集光レンズと、 該集光レンズにより集光された該第２光線を受光する受
    光素子とを備える、請求項１に記載のギャップ測定装
    置。
15. 【請求項１５】 該電極はドラム状電極を含み、 該投光ユニットは、該第１光線を、該ドラム状電極の中
    心軸を含み該基板の表面に対して垂直な第１の面に対し
    て実質的に垂直に照射する、請求項１に記載のギャップ
    測定装置。
16. 【請求項１６】 該電極はドラム状電極を含み、 該投光ユニットは、該第１光線を、該ドラム状電極の中
    心軸を含み該基板の表面に対して垂直な第１の面に対し
    て所定の角度傾斜して照射する、請求項１に記載のギャ
    ップ測定装置。
17. 【請求項１７】 該ギャップ測定装置は、該ギャップ測
    定装置により測定された該ギャップと所定のギャップ目
    標値とに基づいて、該ギャップを制御するギャップ制御
    手段をさらに備える、請求項１に記載のギャップ測定装
    置。