JP2001196199A - プラズマ密度情報測定用プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】アンテナを動かさずに、プラズマ表面波共鳴周
波数を読み取る。 【解決手段】本発明では、アンテナ３の先端側に誘電体
領域である空気層５と導電体領域である金属層６とを備
えることで、吸収ポイントが高周波側または低周波側に
シフトする両特性が互いに相殺する。従ってアンテナ３
の先端部の長さを変化させても吸収ポイントはシフトし
ないので、一回の測定のみでプラズマ表面波共鳴周波数
を求めることができる。さらには、低次と高次の吸収ポ
イントが収束して、吸収の大きなポイントが得られるの
で、プラズマ表面波共鳴周波数における吸収ポイントを
容易に読み取ることができる。

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
プラズマにおけるプラズマ密度情報測定用プローブに係
り、特にプラズマ密度情報を長期間にわたって簡単に測
定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）によって生起
させた高周波プラズマを用い、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、生成プラズマの特性を良く示す
プラズマ密度に関する情報（プラズマ密度情報）を十分
に把握することが、適切な処理を行う上で非常に重要と
なる。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に起
因して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。

【０００３】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 (Langmuir) ・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る。

【０００４】ラングミュア・プローブ法は、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方法である。

【０００５】マイクロ波干渉計測法は、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方
法である。

【０００６】また、電子ビーム照射式プラズマ振動法
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
める方法である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ラングミュア・プローブ法を反応性プラズマに適用した
場合には、測定を長時間にわたって続けられない（すな
わち寿命が短い）という問題がある。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、効果が薄くて問題の解決には至
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問題がある。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
定が難しいからである。それに、マイクロ波干渉計測法
の場合、平均密度しか求められず空間分解能が全くない
という欠点もある。

【０００９】さらに、電子ビーム照射式のプラズマ振動
プローブ法の場合、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という問題があ
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。

【００１０】そこで、本出願人は上記課題を解決するた
め、先に特願平１１ー０５８６３６号を出願している。
この特願平１１ー０５８６３６号（以下、適宜「先発
明」と略記）は、以下のような構成を採り、作用をもた
らす。

【００１１】〔先発明の原理〕図８は先発明に係るプラ
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）の一例の構成を示す一部縦断面図である。
測定プローブ１０１は、図８に示すように、チャンバー
１０２内に、測定プローブ１０１の先端を挿入した状態
で設けられている。なお、チャンバー１０２は、高周波
電源によって生成された反応性プラズマ（以下、適宜
「プラズマ」と略記）ＰＭを有する。

【００１２】測定プローブ１０１は、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。また、ルー
プアンテナ１０３と同軸ケーブル１０４はループアンテ
ナ１０３が先となるようにしてチューブ１０５の内に納
められている。さらに、同軸ケーブル１０４をチューブ
１０５の長手方向に対して引いたり押したりすることに
よって、測定プローブ１０１は、ループアンテナ１０３
の根元からチューブ１０５の先端部までの長さＬを簡単
に変更することができる。

【００１３】高周波発振器から入射された電力は、測定
プローブ１０１により伝送され、ループアンテナ１０３
から放出されてプラズマ負荷に吸収されるか、反射され
て戻ってくる。図９は、それぞれの先端部長さＬにおけ
る、高周波パワーの反射率の対周波数変化（１００ｋＨ
ｚ〜３ＧＨｚ）を測定したものである。

【００１４】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（以下、適宜「吸収ポイント」と呼ぶ）である。図
９の曲線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ポイントＰａ〜Ｐ
ｄが幾つか現れている。吸収ポイントＰａ〜Ｐｄの位置
の周波数が、プラズマ吸収周波数である。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ので、有
用なプラズマ密度情報が得られる。プラズマ吸収周波数
が、表面波共鳴周波数ｆの場合、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 を算出すること
により、プラズマ密度情報を得ることができる。

【００１５】最も低い周波数の吸収ポイントＰａだけ
は、図１０に示すように、先端部長さＬが変化しても同
一周波数の位置に出現している。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は、プラズマ表面
波共鳴周波数ｆである。なお、最も低い周波数側に現れ
る吸収ポイントであっても、先端部長さＬを変化させる
と、その周波数が変位するものはプラズマ表面波共鳴周
波数ではない。つまり、先発明では、最も低い周波数側
に現れる吸収ポイントがプラズマ表面波共鳴周波数であ
るか否かを確認するために、先端部長さＬを変えて測定
している。

【００１６】こうしてプラズマ表面波共鳴周波数ｆが得
られたら、前述したとおり、電子プラズマ角振動数ω_p
とプラズマＰＭの電子密度ｎ_e 、即ちプラズマ密度ｎ_p
が、簡単に算出されるので、生成プラズマＰＭの特性を
把握し易い。

【００１７】先発明の場合、ループアンテナ１０３およ
び同軸ケーブル１０４とプラズマＰＭとの間にチューブ
１０５が介在するので、ループアンテナ１０３や同軸ケ
ーブル１０４からプラズマＰＭ中へ異物などが侵入する
ことがなく、プラズマの清浄性を確保することができ
る。また、チューブ１０５が介在することにより、プラ
ズマＰＭによるループアンテナ１０３や同軸ケーブル１
０４の損傷を阻止する。また、測定中、チューブ１０５
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
測定することが出来る。

【００１８】また、チューブ１０５を介して高周波パワ
ーをループアンテナ１０３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。

【００１９】また、先発明の課題を説明する前に、プラ
ズマ吸収周波数について補足説明をする。図９および図
１０に示すように、プラズマ吸収ポイントＰａ〜Ｐｄの
うち、先端部長さＬに最も依存するプラズマ吸収ポイン
トはＰｂである。本明細書ではこのプラズマ吸収ポイン
トＰｂを、０次の吸収ポイント、またはＭＡＩＮ ＡＢ
Ｓ（Absorption）と定義付ける。吸収ポイントＰｂの次
に先端部長さＬに依存する吸収ポイントはＰｃである。
その吸収ポイントＰｃを１次の吸収ポイントと定義付け
る。以下同様の手順で、高次（次数の高いこと、逆に次
数の低いことを低次と定義付ける）の吸収ポイントと定
義付ける。

【００２０】上記のように定義付けると、次数が高いほ
ど、吸収ポイントは先端部長さＬに依存しにくいことに
なる。なお、一番高次（無限大次、∞次）の吸収ポイン
トの周波数は、プラズマ表面波共鳴周波数である。その
∞次の吸収ポイントがＰａにあたり、先述したとおり、
Ｐａは先端部長さＬに依らず一定である。また、先端部
長さＬを０に近づけると、高次の吸収ポイントも低次の
吸収ポイントも、表面波共鳴周波数における吸収ポイン
トＰａに収束する。

【００２１】一方、理論的にはまだ説明されていない
が、吸収ポイントは、図９に示すように、実験では次数
が高いほど吸収が小さくなる傾向がある。従って、∞次
の吸収ポイントＰａが最も吸収が小さいことになる。逆
に、一番低次の吸収ポイント、即ち０次の吸収ポイント
が一番吸収が大きいことになる。

【００２２】〔本発明が解決しようとする課題〕しかし
ながら、先述の先発明でも、以下の様な問題点がある。
前述したように、ＭＡＩＮ ＡＢＳ（０次の吸収ポイン
ト）が大きく出やすい。しかし実際、プラズマ密度を算
出する上で重要である高次の吸収ポイント、特にプラズ
マ表面波共鳴周波数における（∞次の）吸収ポイントＰ
ａは、半値幅が広く吸収レベルが小さくなりがちになる
ので、共鳴周波数を読み取ることが困難である。

【００２３】前述したように、先端部長さＬを０に近づ
けると、高次の吸収ポイントも低次の吸収ポイントも、
表面波共鳴周波数における吸収ポイントＰａに収束す
る。従って、吸収ポイントＰａを読み取るために、先端
部長さＬ＝０のときの吸収ポイントを見ればよい。しか
し、実際に先端部長さＬ＝０にするには、限りなくアン
テナを短くしないといけない。しかも、アンテナを短く
すると感度が悪くなるので、現実的には不可能である。

【００２４】また先端部長さＬ＝０以外において、プラ
ズマ表面波共鳴周波数と思われる最も低い周波数側に現
れる、吸収ポイントを読み取ることができたとする。し
かしその場合でも、前述したように、その吸収ポイント
が先端部長さＬに依存するならば、その周波数はもはや
プラズマ表面波共鳴周波数ではない。つまり、最も低い
周波数側に現れる吸収ポイントがプラズマ表面波共鳴周
波数であるか否かを確認するために、先端部長さＬを変
えて測定する必要がある。従って、条件を変えて繰り返
し測定しないと吸収ポイントを判断できない。このた
め、経験を必要とし汎用性に欠けてしまうという欠点が
ある。

【００２５】以上の理由から、高次の吸収ポイントの判
定に経験を必要とせずに、読み取れる方法が望まれてい
る。そこで、本発明は、上記の事情に鑑みなされたもの
であって、先端部の長さを動かさずに、プラズマ表面波
共鳴周波数を読み取ることができるプラズマ密度情報測
定用プローブを提供することを課題とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】先発明では、図８に示す
ように、測定プローブ先端の表面波励起部での、誘電体
製のチューブ内は空気などのように誘電体領域のみで構
成されていた。このとき、図１０に示すように、先端部
長さＬが大きくなるにつれて、吸収ポイントは高周波側
にシフトする。また、誘電体領域を導電体領域に置き変
えると、先端部長さＬが大きくなるにつれて吸収ポイン
トは低周波側にシフトすると考えられている。

【００２７】図１１は、ループアンテナを用いたとき
の、電子プラズマ角振動数ω_P に対する吸収ポイントに
おける角振動数の比（ω／ω_P ）の、対先端部長さＬの
変化の理論値及び実測値である。因みに、電子プラズマ
角振動数ω_P は、表面波共鳴角振動数ω_SW（ω_SW＝２π
ｆ、ｆ：表面波共鳴周波数）と比誘電率εを用いて、ω
_p ＝ω_SW×√（１＋ε）と表される。

【００２８】図１１の（プロット）点は誘電体領域のみ
のときの実測値で、実線は理論値である。黒丸のプロッ
トは、ＭＡＩＮ ＡＢＳ（０次の吸収ポイント）の実測
値で、白丸のプロットは、ＳＥＣＯＮＤ（１次の吸収ポ
イント）の実測値である。同様にそれぞれ黒と白抜きの
方形のプロットは、ＴＨＩＲＤ（２次の吸収ポイント）
の実測値、ＦＯＵＲＴＨ（３次の吸収ポイント）の実測
値である。実線のｍ＝０、１、２、３はそれぞれ０次、
１次、２次、３次の吸収ポイントの理論値である。また
破線は導電体領域のみのときの理論値である。なお、実
際に導電体領域のみで測定すると、プローブ先端部全部
が導電体領域になり、アンテナから電磁波を放射できな
いので、物理的に不可能である。従って、導電体領域の
みのときの実測値はない。

【００２９】それぞれ高次になるほど、実測値及び理論
値のときも、誘電体領域及び導電体領域のときも、図１
１に示すように、ω／ω_P は先端部長さＬに依存しにく
くなる。また図１１からも、先端部長さＬが大きくなる
につれて、誘電体領域のみのとき吸収ポイントは高周波
側にシフトして、導電体領域のみのとき吸収ポイントは
低周波側にシフトすることがわかる。

【００３０】以上のようなことから、単一の領域では先
端部長さＬが変化するにつれて、高周波側または低周波
側にシフトしてしまう。そこで、本発明者は、誘電体領
域と導電体領域を組み合わせることで、高周波側または
低周波側にシフトする両特性を、互いに相殺させること
に想到した。

【００３１】以上のような知見に基づいて創作された本
発明は、以下のような構成を取る。即ち、請求項１に記
載の発明に係るプラズマ密度情報測定用プローブは、先
端が閉じられている誘電体製外皮と、誘電体製外皮内に
収容されて高周波パワーを放射するアンテナと、アンテ
ナの先端寄りに配設されている誘電体領域と、誘電体領
域よりもさらにアンテナの先端寄りに配設されている導
電体領域とを備えていることを特徴とする。

【００３２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のプラズマ密度情報測定用プローブにおいて、誘電体領
域は気体の誘電体で形成されていることを特徴とする。

【００３３】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
のプラズマ密度情報測定用プローブにおいて、誘電体領
域は固体の誘電体で形成されていることを特徴とする。

【００３４】請求項４に記載の発明は、請求項１から請
求項３のいずれかに記載のプラズマ密度情報測定用プロ
ーブにおいて、導電体領域が金属で形成されていること
を特徴とする。

【００３５】請求項５に記載の発明は、請求項１から請
求項４のいずれかに記載のプラズマ密度情報測定用プロ
ーブにおいて、導電体領域は誘電体製外皮内に配設され
た金属膜で形成されていることを特徴とする。

【００３６】請求項６に記載の発明は、請求項１に記載
のプラズマ密度情報測定用プローブは、中心から外側に
向かって順に同芯状に配設された中心導体、中心絶縁
体、外部導体及び外部絶縁体からなる同軸ケーブルで構
成されており、誘電体外皮は同軸ケーブルの外部絶縁体
で形成され、アンテナは同軸ケーブルの中心導体で形成
され、誘電体領域は同軸ケーブルの外部絶縁体および外
部導体をスリット状に除去したことにより露出した中心
絶縁体で形成され、導電体領域は前記スリットより先の
同軸ケーブルの外部導体で形成されていることを特徴と
する。

【００３７】請求項７に記載の発明は、請求項１から請
求項６のいずれかに記載のプラズマ密度情報測定用プロ
ーブにおいて、誘電体領域と導電体領域とが多層構造で
形成されていることを特徴とする。

【００３８】

【作用】請求項１に記載の発明の作用について説明す
る。誘電体領域のみのとき、誘電体領域の長さが大きく
なるのに伴い吸収ポイントは高周波側にシフトする。逆
に導電体領域のみのとき、導電体領域の長さが大きくな
るのに伴い吸収ポイントは低周波側にシフトする。従っ
てそれぞれの誘電体領域と導電体領域の特性を生かすべ
く、下記の様な構成を採る。即ち誘電体製外皮内にアン
テナを収容して、さらにそのアンテナの先端寄りに誘電
体領域を配設して、その誘電体領域よりもさらにアンテ
ナの先端寄りに導電体領域を配設する。上記のように、
誘電体領域と導電体領域を組み合わせることにより、吸
収ポイントが高周波側または低周波側にシフトする両特
性が互いに相殺する。その結果、吸収ポイントがアンテ
ナの先端部の空気層及び金属層の長さに依存しなくな
る。

【００３９】請求項２に記載の発明によれば、誘電体領
域は気体の誘電体で形成されているので、厚さや長さ等
を簡単に変更することができる。特に、気体の誘電体の
なかでも空気は身近に有り、大変扱いやすい。

【００４０】請求項３に記載の発明によれば、誘電体領
域に固体を選択することにより、気体の誘電体の比誘電
率より大きい固体の誘電体の比誘電率εを、１０付近ま
で選択できる。この選択により高周波供給側と表面波が
励起する負荷側との間の伝送系のインピーダンスを自在
に調整できて、これにより反射損失を抑えることができ
る。

【００４１】請求項４に記載の発明によれば、導電体領
域に金属を選択することにより加工が簡単、かつ広い温
度範囲で高い導電率が得られる。これにより、チャンバ
ー内の過酷な温度条件下（１００〜５００°）でも安定
してプローブを機能させることができる。

【００４２】請求項５に記載の発明によれば、導電体領
域は誘電体製外皮内に配設された金属膜で形成されてい
るので、金属膜と誘電体製外皮との間に隙間がない。

【００４３】請求項６に記載の発明によれば、中心から
外側に向かって順に同芯状に配設された中心導体、中心
絶縁体、外部導体及び外部絶縁体からなる同軸ケーブル
において、その同軸ケーブルの外部導体（及び外部絶縁
体）がスリット状に除去されて、中心絶縁体がスリット
状に露出している。従って同軸ケーブルの外部絶縁体は
本発明における誘電体製外皮に相当して、同軸ケーブル
の中心導体は本発明におけるアンテナに相当して、同軸
ケーブルの外部絶縁体および外部導体をスリット状に除
去したことにより露出した中心絶縁体は本発明における
誘電体領域に相当して、前記スリットより先の同軸ケー
ブルの外部導体は本発明における導電体領域に相当す
る。

【００４４】請求項７に記載の発明によれば、誘電体領
域と導電体領域が多層構造で形成されている。従って、
多層にわたる導電体層によって、表面波を効率よく吸収
する。

【００４５】

【発明の実施の形態】続いて、本発明の実施例を図面を
参照しながら説明する。図１は、実施例に係るプラズマ
密度情報測定用プローブを示す縦断面図である。図２
は、吸収ポイントを測定するときの測定プローブを示す
縦断面図である。図３は、実施例に係るプラズマ処理装
置の概略図である。図４は、実施例に係るプラズマ密度
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。

【００４６】先ず、実施例のプラズマ処理装置の構成及
び作用について説明する。因みに前記のプラズマ処理装
置は、先発明でプラズマ密度を求める際にも用いられて
いる。実施例のプラズマ処理システムは、図３に示すよ
うに、プラズマＰＭが生成される室内空間Ｓを有する直
径数１０ｃｍのステンレス鋼製チャンバー１１と、チャ
ンバー１１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）１２と、排気用パイプ１３を介してチ
ャンバー１１の室内空間Ｓと連通している真空排気ポン
プ１４と、流量調節弁１５が介設されたガス供給用パイ
プ１６を介してチャンバー１１の室内空間Ｓと連通して
いるガス源１７とを備えている。この他、実施例のシス
テムのチャンバー１１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。

【００４７】チャンバー１１の室内空間Ｓは真空排気ポ
ンプ１４によって排気されて適当な室内圧力が保たれ
る。またガス源１７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。

【００４８】また、チャンバー１１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１８と、放電電極１２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１９
とが設けられている。

【００４９】高周波パワー制御部１９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２０ａと、チャンバー１１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２０ｂ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２０ａを制御する整合器制御部２０
ｃとからなる。

【００５０】なお、実施例のシステムの場合、高周波電
源１８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。

【００５１】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２１が設けら
れている。また、実施例のプラズマ密度情報求出部２１
は、図３に示すように、チャンバー１１の壁に取り付け
られている測定プローブ１と、チャンバー１１の外側に
配設されているプローブ制御部２２とで構成される。先
ず、測定プローブ１の具体的構成について説明する。

【００５２】実施例の測定プローブ１は、図１に示すよ
うに、先端が閉じられている誘電体製のチューブ２を備
え、そのチューブ２内に高周波パワーを放射するアンテ
ナ３が収容されている。そして、アンテナ３の後端に、
高周波パワーをアンテナ３に伝送する同軸ケーブル４が
接続されている。さらに、そのアンテナ３の先端寄りに
は、空気層５が配設されている。その空気層５よりもさ
らにアンテナ３の先端寄りには、銅などに代表される金
属層６が配設されている。なお、チューブ２は本発明に
おける誘電体製外皮に相当し、空気層５は本発明におけ
る誘電体領域に相当し、金属層６は本発明における導電
体領域に相当する。

【００５３】またチューブ２の軸芯に沿った空気層５の
厚さｔ（以下、適宜「空気層５の厚さｔ」と略記）は１
ｍｍから１０ｍｍまでが望ましい。空気層５の厚さｔが
１ｍｍ未満では高周波パワーを放射しにくく、 空気層
５の厚さｔが１０ｍｍを超えると高周波パワーが金属層
６に拡散しにくい。またチューブ２の軸芯に沿った金属
層６の厚さｌ（以下、適宜「金属層６の厚さｌ」と略
記）も１ｍｍから１０ｍｍまでが望ましい。金属層６の
厚さｌが１ｍｍ未満では金属層６の効果が小さく、金属
層６の厚さｌが１０ｍｍを超えると表面波が伝わりにく
いので１０ｍｍ以上にする必要はない。

【００５４】なお、本実施例では高周波パワーを放射す
るアンテナ３として線状アンテナを用いているが、先発
明のループアンテナであってもよく、アンテナの形状に
限られることはない。図１ではアンテナ３は金属層６に
接続されているが、アンテナ３により放射された高周波
パワーが金属層６に充分拡散するならば、アンテナ３は
必ずしも金属層６に接続されている必要はない。なお、
チューブ２を形成する誘電体材料は特に限定されない
が、例えば石英、セラミックス、ガラス、フッ化樹脂な
どが例示される。また、アンテナ３、同軸ケーブル４、
空気層５、及び金属層６の外側は必ずしもチューブ２に
よって覆われる必要はない。誘電体で形成されている物
質で被覆されるならば、測定プローブ１として使用でき
る。

【００５５】なお、上記の構成を有している測定プロー
ブ１が、チューブ２の先端部の長さを変えても吸収ポイ
ントが高周波側または低周波側にシフトしないことを、
実験で確認をしている。実験のために、測定プローブ１
は、図２に示すような構成を採っている。即ち金属層６
の先端寄りに、先端部空気層７がチューブ２内に配設さ
れていて、その先端部空気層７の先端部長さｄは簡単に
変更することができる。なお、先発明に係る実施例での
先端部長さＬと区別するために、本実施例での先端部の
長さを、先端部長さｄとしている。なお、先発明におけ
る先端部長さＬは、ループアンテナ１０３の根元から
（先発明の）チューブ１０５の先端部までを示している
が、本実施例での先端部長さｄは、金属層６の先端から
チューブ２の先端部まで、即ちチューブ２の軸芯に沿っ
た先端部空気層７の厚さを示している。

【００５６】続いて、プローブ制御部２２の具体的構成
について説明する。プローブ制御部２２は、周波数掃引
式の高周波発振器２３と、方向性結合器２４と、減衰器
２５と、フィルタ２６とを備えていて、これらが、図３
に示す順で次々と測定プローブ１へ接続されている。高
周波発振器２３は１００ｋＨｚから８００ＭＨｚの周波
数で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２３から出力された高
周波パワーは方向性結合器２４−減衰器２５−フィルタ
２６と経由して測定プローブ１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）はア
ンテナ３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２４で検出さ
れて、プラズマ吸収周波数求出部２７へ送り込まれる。
プラズマ吸収周波数求出部２７には高周波発振器２３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２６はアンテナ３を経由し
てプローブ制御部２２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２５
は測定プローブ１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】プラズマ吸収周波数求出部２７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
めるとともに、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
収周波数を求め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２７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
数変化が求めら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即ち吸収ポイントであり、
吸収ポイントの周波数がプラズマ吸収周波数ということ
になる。さらにプラズマ吸収周波数求出部２７では、吸
収ポイント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算出する処理が行われる。

【００６０】プラズマ吸収周波数求出部２７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
有用なプラズマ密度情報である。

【００６１】続いて、実施例の測定プローブ１による具
体的な吸収ポイントの測定例について説明する。アルゴ
ンガスをチャンバー内に供給して、チャンバー内の圧力
が２０Ｐａになるように調整をしている。高周波電源よ
りプラズマ生成用の高周波パワーとして、５５０Ｗを出
力している。その出力されたプラズマ生成用の高周波パ
ワーは、チャンバー内の放電電極により、反応性プラズ
マＰＭを発生させる。チューブ２は、外径は６ｍｍで厚
さが１ｍｍの石英管で形成されている。また、同軸ケー
ブル４は５０Ωのセミリジッドケーブルで形成されてい
る。金属層６は銅で形成されていて、その厚さｌは２ｍ
ｍである。また、空気層５の厚さｔは６ｍｍである。

【００６２】先ず、先端部空気層７の先端部長さｄが１
ｍｍとなるように測定プローブ１をセットする。高周波
発振器より高周波パワーを１００ｋＨｚから８００ＭＨ
ｚまで周波数を掃引しながら出力する。そして、そのと
きの高周波パワーの反射率（ｄＢで表示）を測定する。
同様の方法で、先端部長さｄが２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍ
ｍ、５ｍｍとなるように測定プローブ１をセットして、
高周波パワーの反射率の対周波数変化を測定する。その
測定結果は図４に示す通りである。

【００６３】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ポ
イントである。図４に示すように、先端部長さｄを変化
させても、吸収ポイントは高周波側にも低周波側にもシ
フトしない。即ち吸収ポイントにおけるプラズマ吸収周
波数は、先端部長さｄに依存しない。このことから、先
端部空気層７にまで表面波が到達しておらず、空気層５
と金属層６のみで高周波パワーがプラズマに吸収されて
いることがわかる。一方で、先発明の測定結果に係る図
９では吸収ポイントの分散が見られるが、図４では吸収
ポイントの分散が見られない。このことから、０次の吸
収ポイント（ＭＡＩＮ ＡＢＳ）を含む低次の吸収ポイ
ントも、∞次の吸収ポイント（プラズマ表面波共鳴周波
数における吸収ポイント）を含む高次の吸収ポイントも
収束していることがわかる。さらには、先発明の図９と
比較して、図４では大きなＱ値の吸収ポイントが得られ
る、即ち吸収ポイントが大きいことがわかる。なお、本
明細書では、共鳴時の損失、即ち共鳴時の吸収をＱ値
（quality factor）と定義付ける。

【００６４】プラズマ吸収周波数が先端部長さｄに依存
しないことから、アンテナ３を動かさなくてもプラズマ
表面波共鳴周波数を測定できることがわかる。また、空
気層５と金属層６のみで高周波パワーはプラズマに吸収
されていることから、先端部空気層７がなくても図１の
構成のみで測定できることがわかる。さらに、低次と高
次の吸収ポイントが収束していることと、吸収ポイント
が大きいことより、プラズマ表面波共鳴周波数における
吸収ポイントを容易に読み取ることができる。

【００６５】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、アンテナ３の先端寄りには空
気層５が配設されているが、必ずしもそのような構成に
なる必要はない。前述のように空気層５は本発明におけ
る誘電体領域に相当するので、アンテナ３の先端寄りに
誘電体製の物質を配設してもよい。誘電体物質のなかで
も、気体の誘電体は特に扱いやすく、厚さや長さ等を簡
単に変更することができる。特に、気体の誘電体のなか
でも上記の実施例のように誘電体領域が空気層５で形成
されているときには、空気は身近に有るので測定プロー
ブ１として大変扱いやすい。また誘電体物質のなかで
も、固体の誘電体の場合は次のようなことができる。即
ち固体の誘電体の比誘電率εは、気体の誘電体の比誘電
率と比較して大きいので、比誘電率が大きいほど、Ｑ値
は高くなり共鳴時の吸収は大きくなる。従って、固体の
誘電体における共鳴時の吸収は、気体の誘電体の共鳴時
の吸収と比較して大きくなるので、共鳴時におけるプラ
ズマ吸収周波数を容易に算出することができる。また、
固体で形成されているので、熱的及び機構的に安定であ
る。なお、固体の誘電体材料は特に限定されないが、例
えば石英、セラミックス、ガラス、フッ化樹脂などが例
示される。

【００６６】（２）実施例の場合、空気層５よりもさら
にアンテナ３の先端寄りには、金属層６が配設されてい
る。しかし、前述のように金属層６は本発明における導
電体領域に相当するので、空気層５あるいは誘電体領域
よりもさらにアンテナ３の先端寄りに導電体製の物質を
収容してもよい。また導電体物質のなかでも、金属の場
合は次のようなことができる。加工が簡単かつ広い温度
範囲で高い導電率が得られるので、チャンバー内の過酷
な温度条件下（１００〜５００°）でも安定してプロー
ブを機能させることができる。なお、金属の種類は特に
限定されないが、例えば銅、アルミニウム、ステンレス
鋼などが例示される。また、金属以外の導電体材料は特
に限定されないが、例えばカーボンなども導電体材料と
して使用することができる。

【００６７】（３）実施例の場合、図１及び図２に示す
ように金属層６の内部は全て金属で形成されている。し
かし、金属層６に替えて、チューブ２の内壁に金属膜を
配設してもよい。また前述のようにチューブ２は本発明
における誘電体製外皮に相当するので、誘電体製外皮内
に金属膜を配設してもよい。具体的には、図５に示すよ
うに、チューブ２の内壁に金属コーティング８を施すと
いったことなどが考えれる。上記のような構成の場合、
金属膜と誘電体製外皮との間に隙間がないので、導電体
領域が誘電体製外皮内に単純に配設されている場合と比
較して安定性がある。

【００６８】（４）実施例の場合、チューブ２内にアン
テナ３の後端より高周波パワーをアンテナ３に伝送する
同軸ケーブル４が接続されている。しかし、同軸ケーブ
ル４の被覆部分は絶縁体で構成されていて誘電体の物質
からなるので、必ずしもチューブ２に覆われる必要はな
い。即ち同軸ケーブル４の外部導体及び外部絶縁体をス
リット状に除去することにより、同軸ケーブル４を測定
プローブ１として用いることができる。具体的には、図
６に示すように、同軸ケーブル４に対して、外側にある
誘電体製の外部絶縁体４ａと導電体製の外部導体４ｂの
１部分をスリット状に除去することで、測定用プローブ
１を容易に作ることができる。図６では誘電体領域９は
スリット状に除去したことにより露出した誘電体製の中
心絶縁体４ｃの部分である。そして導電体領域１０はス
リットより先の同軸ケーブル４の外部導体４ｂの部分で
ある。そして中心導体４ｄは本発明におけるアンテナに
相当し、外部絶縁体４ａは本発明における誘電体製外皮
に相当する。また同軸ケーブル中でも、セミリジッドタ
イプのものを用いれば、外部導体に切り込みを入れ、数
ミリ程度ずらすだけでスリットを設けたのと同じ効果が
得られる。なお、その際同軸ケーブルの先端部を導電体
及び絶縁体で被覆して閉じる必要がある。このような加
工は非常に簡単であり、十分な効果が得られる。また同
軸ケーブルの被覆部即ち外部絶縁体が耐熱性の弱い誘電
体製の物質の場合、上述の実施例と同様に誘電体製のチ
ューブ内に上記の構成を有する同軸ケーブルを挿入して
もよい。

【００６９】（５）実施例の場合、図１に示すように、
アンテナ３の先端寄りには空気層５と金属層６のみが配
設されている。しかし、図７に示すように、アンテナ３
の先端寄りに誘電体領域と導電体領域とを多層に重ねて
配設してもよい。従って、多層にわたる導電体層によっ
て、より表面波を吸収するのでＱ値が高くなる。従っ
て、共鳴時におけるプラズマ吸収周波数を容易に算出す
ることができる。

【００７０】

【発明の効果】以上に詳述したように、請求項１の発明
に係るプラズマ密度情報測定用プローブによれば、誘電
体製外皮内に誘電体領域と導電体領域を備えることで、
吸収ポイントが高周波側または低周波側にシフトする両
特性が互いに相殺する。従って先端部の長さを変化させ
ても、吸収ポイントはシフトしない。さらに、低次と高
次の吸収ポイントが収束して、大きなＱ値の高次吸収ポ
イントを得ることができるので、プラズマ表面波共鳴周
波数における吸収ポイントを容易に読み取ることができ
る。以上より、先端部の長さを変えなくても、一回の測
定のみでプラズマ表面波共鳴周波数を正確に求めること
ができる。

【００７１】請求項２の発明に係るプラズマ密度情報測
定用プローブによれば、誘電体領域は気体の誘電体で形
成されている。誘電体物質のなかでも、気体の誘電体は
特に扱いやすく、厚さや長さ等を簡単に変更することが
できる。特に、気体の誘電体のなかでも空気は身近に有
り、大変扱いやすい。

【００７２】請求項３の発明に係るプラズマ密度情報測
定測定用プローブによれば、誘電体領域は固体の誘電体
で形成されている。固体の誘電体の比誘電率εは、気体
の誘電体の比誘電率と比較して大きいので、反射損失を
抑えてその結果、Ｑ値は高くなり共鳴時の吸収は大きく
なる。従って、固体の誘電体における共鳴時の吸収は、
気体の誘電体の共鳴時の吸収と比較して大きくなるの
で、共鳴時におけるプラズマ吸収周波数を容易に算出す
ることができる。また、固体で形成されていて熱的及び
機構的に安定であるので、常に安定した測定結果が得ら
れる。

【００７３】請求項４の発明に係るプラズマ密度情報測
定方用プローブによれば、導電体部に金属を選択するこ
とにより加工が簡単、かつ広い温度範囲で高い導電率が
得られる。これにより、チャンバー内の過酷な温度条件
下（１００〜５００°）でも安定してプローブを機能さ
せることができる。なお、金属の示す電子密度は１０ ²³
／ｃｍ³ オーダであり、プローブで測定するプラズマの
電子密度の１０¹¹／ｃｍ³ オーダに比べ十分に大きく、
Ｑ値を最大に取ることができるので、吸収ポイントを正
確に判定することができる。

【００７４】請求項５の発明に係るプラズマ密度情報測
定用プローブによれば、導電体領域は誘電体製外皮内に
配設された金属膜で形成されているので、金属膜と誘電
体製外皮との間に隙間がない。従って、導電体領域が誘
電体製外皮内に、単純に配設されている場合と比較して
安定性がある。従って、常に安定した測定結果が得られ
る。

【００７５】請求項６の発明に係るプラズマ密度情報測
定用プローブによれば、中心から外側に向かって順に同
芯状に中心導体、中心絶縁体、外部導体及び外部絶縁体
からなる同軸ケーブルにおいて、その同軸ケーブルの外
部導体及び外部絶縁体がスリット状に除去されて、除去
されたことにより中心絶縁体が露出している。上記のよ
うな構成において、同軸ケーブルの外部絶縁体は本発明
における誘電体製外皮に相当し、同軸ケーブルの中心導
体は本発明におけるアンテナに相当し、同軸ケーブルの
外部絶縁体および外部導体をスリット状に除去したこと
により露出した中心絶縁体は本発明における誘電体領域
に相当し、前記スリットより先の同軸ケーブルの外部導
体は本発明における導電体領域に相当する。従って同軸
ケーブルに切り込みを入れてずらすだけで本発明におけ
る測定用プローブを容易に作ることができる。

【００７６】請求項７の発明に係るプラズマ密度情報測
定用プローブによれば、誘電体領域と導電体領域とが多
層構造で形成されている。従って、多層にわたる導電体
層によって、表面波を効率的に吸収するので、Ｑ値が高
くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係るプラズマ密度情報測定用プローブ
を示す縦断面図である。

【図２】吸収ポイントの測定例に供する測定プローブの
縦断面図である。

【図３】実施例に係るプラズマ処理装置の概略図であ
る。

【図４】実施例に係る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５】本発明に係る測定プローブの変形例を示す縦断
面図である。

【図６】本発明に係る測定プローブの他の変形例を示す
縦断面図である。

【図７】本発明に係る測定プローブの他の変形例を示す
縦断面図である。

【図８】先発明に係る測定プローブの一例の構成を示す
一部縦断面図である。

【図９】先発明に係る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１０】先発明に係る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との関係を示すグラフであ
る。

【図１１】電子プラズマ角振動数に対する吸収ポイント
における角振動数の比と、アンテナの先端部長さとの関
係を示す理論値及び実測値である。

【符号の説明】

１ …測定プローブ ２ …チューブ ３ …アンテナ ４ …同軸ケーブル ４ａ …外部絶縁体 ４ｂ …外部導体 ４ｃ …中心絶縁体 ４ｄ …中心導体 ５ …空気層 ６ …金属層 ７ …先端部空気層 ８ …金属コーティング ９ …誘電体領域 １０ …導電体領域 ＰＭ …反応性プラズマ ｔ …空気層５の厚さ ｌ …金属層６の厚さ ｄ …先端部長さ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端が閉じられている誘電体製外皮と、 誘電体製外皮内に収容されて高周波パワーを放射するア
   ンテナと、 アンテナの先端寄りに配設されている誘電体領域と、 誘電体領域よりもさらにアンテナの先端寄りに配設され
   ている導電体領域とを備えていることを特徴とするプラ
   ズマ密度情報測定用プローブ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のプラズマ密度情報測定
   用プローブにおいて、 誘電体領域は気体の誘電体で形成されていることを特徴
   とするプラズマ密度情報測定用プローブ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のプラズマ密度情報測定
   用プローブにおいて、 誘電体領域は固体の誘電体で形成されていることを特徴
   とするプラズマ密度情報測定用プローブ。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のいずれかに記載
   のプラズマ密度情報測定用プローブにおいて、 導電体領域は金属で形成されていることを特徴とするプ
   ラズマ密度情報測定用プローブ。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４のいずれかに記載
   のプラズマ密度情報測定用プローブにおいて、 導電体領域は誘電体製外皮内に配設された金属膜で形成
   されていることを特徴とするプラズマ密度情報測定用プ
   ローブ。
6. 【請求項６】 請求項１に記載のプラズマ密度情報測定
   用プローブは、中心から外側に向かって順に同芯状に配
   設された中心導体、中心絶縁体、外部導体及び外部絶縁
   体からなる同軸ケーブルで構成されており、 誘電体外皮は同軸ケーブルの外部絶縁体で形成され、 アンテナは同軸ケーブルの中心導体で形成され、 誘電体領域は同軸ケーブルの外部絶縁体および外部導体
   をスリット状に除去したことにより露出した中心絶縁体
   で形成され、 導電体領域は前記スリットより先の同軸ケーブルの外部
   導体で形成されていることを特徴とするプラズマ密度情
   報測定用プローブ。
7. 【請求項７】請求項１から請求項６のいずれかに記載の
   プラズマ密度情報測定用プローブにおいて、 誘電体領域と導電体領域とが多層構造で形成されている
   ことを特徴とするプラズマ密度情報測定用プローブ。