JP2002216998A

JP2002216998A - プラズマ密度情報測定方法及びその装置並びにプラズマ密度情報測定用プローブ、プラズマ処理方法及びその装置

Info

Publication number: JP2002216998A
Application number: JP2001014609A
Authority: JP
Inventors: Naoki Toyoda; 直樹豊田; Shohei Nanko; 正平南光
Original assignee: Nissin Co Ltd
Current assignee: Nissin Co Ltd
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2001-01-23
Publication date: 2002-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】種々のプラズマ発生条件に応じてプラズマ密
度情報を精度良く測定することを課題とする。【解決手段】チャンバ１内にチューブの誘電率が互い
に異なる測定プローブ５ａ，５ｂ，５ｃ，… を複数本
備えて、測定プローブ切替え部８ａによってプラズマ発
生条件に応じた測定プローブ５（測定プローブ５ａ，５
ｂ，５ｃ，… ）を選択することで、種々のプラズマ発
生条件に応じて吸収ポイントを容易に観測して、電子密
度等のプラズマ密度情報を精度良く測定することができ
る。そのプラズマ密度情報の測定結果に基づいて、生成
用電力制御部４によってエッチング等のプラズマ処理を
容易にかつ適切に制御することができる。特に、比誘電
率が１５以上の物質でチューブを構成することで、吸収
の強い吸収ポイントを観測することができる。

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等に用いられるプ
ラズマにおけるプラズマ密度情報測定方法及びその装置
並びにプラズマ密度情報測定用プローブ、プラズマ処理
方法及びその装置に係り、特に種々のプラズマ発生条件
に応じてプラズマ密度情報を精度良く測定する技術に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】プラズマを応用した技術として、プラズ
マＣＶＤ（化学気相成長）やプラズマエッチング等が知
られている。このようなプラズマ応用技術では、プラズ
マ処理を行うためのプラズマ処理室（例えばチャンバ）
内のプラズマが経時的に変化するので、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、即ちプラズ
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。プラズマ密度情報に関する有用
な物理量として電子密度に関係する量、即ち吸収周波数
や、プラズマ表面波共鳴周波数等がある。これらの電子
密度等を測定することによってプラズマ密度情報を十分
に把握してプラズマ処理を行うことができる。

【０００３】プラズマ密度情報を把握する方法として、
発光分析、生成用電力やバイアス電力に関する反射率、
チャンバ内のガス圧の変化、プラズマ内及び排気ガスの
質量、熱抵抗分析といったものがある。しかし、これら
の方法は、いずれの場合においてもプラズマ処理室の外
からモニタリングしているので、プラズマ密度情報を正
確に測定することができない。

【０００４】そこで、本発明者は、特開２０００−１０
０５９８号の発明を先に提案している。この発明では、
プラズマ密度情報を測定するための測定プローブをプラ
ズマ処理室であるチャンバ内に挿入して、プラズマ密度
情報を測定するための測定用電源から測定用電力をチャ
ンバ内のプラズマに供給することによって測定が行われ
る。測定プローブは電力を放射するアンテナと、測定用
電力を伝送する同軸ケーブルと、先端が閉じられた誘電
体製のチューブとから構成されており、この誘電体製の
チューブ内にアンテナと同軸ケーブルとが接続されて挿
設されている。

【０００５】測定用電源から測定用電力は同軸ケーブル
を介してアンテナに放射されて、チャンバ内のプラズマ
に供給される。チャンバ内のプラズマに供給された測定
用電力は、プラズマ密度に起因してプラズマ負荷に吸収
されるか、反射されて同軸ケーブルを介して戻ってく
る。つまり、プラズマに供給された測定用電力によっ
て、測定用プローブの誘電体製のチューブ表面にプラズ
マによる表面波が励起して、それによってプラズマ負荷
の吸収または反射が起こる。その測定用電力の反射また
は吸収に基づいて、プラズマ密度情報が測定される。

【０００６】測定用電力の反射または吸収に基づいてプ
ラズマ密度情報を測定するには、測定用電源から、ある
周波数帯域（例えば１００ｋＨｚから２．５ＧＨｚま
で）の周波数で測定用電力を自動掃引しながら出力す
る。掃引される周波数と、そのときの測定用電力の反射
率とを対応付けてプロットすることによって、測定用電
力の反射率の対周波数変化が求められる。反射率が大き
く下がるところは、プラズマに起因して測定用電力の強
い吸収が起こる吸収ポイントであって、その吸収ポイン
トの周波数が測定用プローブの吸収周波数と呼ばれる周
波数である。この吸収周波数は、電子密度等のプラズマ
密度情報と一定の相関関係があって、この吸収ポイント
を測定することによってプラズマ密度情報を測定するこ
とができる。また、プラズマ処理室であるチャンバの内
部をモニタリングしているので、プラズマ密度情報を正
確に測定することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような測定用プローブを有するプラズマ密度情報測定装
置の場合には、次のような問題点がある。即ち、プラズ
マを発生させるプラズマ発生条件によってはプラズマ密
度情報を正確に測定することができないという問題点で
ある。

【０００８】プラズマ密度情報は、プラズマを生成する
ためのガス種（例えばアルゴンやヘリウム等）、ガス
圧、プラズマを生成するための電力等のプラズマを発生
させるプラズマ発生条件によって変化する。プラズマ密
度情報を含めたプラズマ発生条件によっては、上述した
吸収ポイントが観測し難いところが存在する。

【０００９】例えば、電子密度が１×１０⁹ｃｍ^-3から
２×１０¹¹ｃｍ^-3までの範囲であって、ガス圧が４０Ｐ
ａ以下の範囲では、大きなＱ値の吸収ポイントが得られ
るので、吸収ポイントを容易に観測することができて、
その結果、電子密度等のプラズマ密度情報を正確に測定
することができる。なお、本明細書では、吸収ポイント
で観測される吸収波形の半値幅をＱ値（quality facto
r）と定義付ける。なおＱ値は、共振器の場合、吸収周
波数に比例し、損失量に反比例する。これをこの測定用
プローブに展開すると、電子密度に比例し、電子密度プ
ラズマの損失（中性子電子衝突周波数）に反比例すると
いえる。

【００１０】しかしながら、ガス圧が４０Ｐａを超える
範囲、もしくは電子密度が１×１０ ⁹ｃｍ^-3未満の範囲
では、上述したＱ値はガス圧に対する電子密度の比（電
子密度／ガス圧）に比例するので、Ｑ値が低くなってし
まう。Ｑ値が低減すると、吸収ポイントが観測し難くな
るか、吸収ポイントを観測することができなくなってし
まい、その結果、電子密度等のプラズマ密度情報が測定
し難くなるか、プラズマ密度情報を測定することができ
なくなる。

【００１１】さらには、電子密度が２×１０¹¹ｃｍ^-3を
超える範囲では、吸収ポイントの周波数である吸収周波
数が２．５ＧＨｚ程度までになってしまい、従来の２．
５ＧＨｚまで掃引する測定用電源を備えた高周波送受信
機では対応できなくなり、２．５ＧＨｚ以上を掃引する
測定用電源を備えた高周波送受信機を新たに設置しなけ
れば測定することができないという問題点もある。

【００１２】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、種々のプラズマ発生条件に応じてプラ
ズマ密度情報を精度良く測定するプラズマ密度情報測定
方法及びその装置並びにプラズマ密度情報測定用プロー
ブ、プラズマ処理方法及びその装置を提供することを課
題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】マイクロ波等の高周波回
路において、伝送線路の周波数領域を調整するのに、整
合素子等を用いて等価回路中のインピーダンスを急激に
変化させることで、特定の周波数帯域だけのマイクロ波
を通過させる技術が知られている。そこで、本発明者は
この技術について着眼して、上記測定プローブ等のよう
にプラズマ密度情報を測定するプラズマ密度情報測定用
プローブについて当てはめてみた。

【００１４】つまり、プラズマ密度情報測定用プローブ
の場合、等価回路中のインピーダンスを急激に変化させ
るためには、上記インピーダンス中であって等価的に表
される誘電率を急激に変化させる。プラズマ密度情報測
定用プローブでは、誘電率は、上述した誘電体製のチュ
ーブ等のようにプラズマに結合する誘電体性領域の誘電
率の他に、誘電体性領域またはアンテナの周りに『シー
ス（Sheath）』と呼ばれる層の誘電率と、プラズマ中の
誘電率とで等価的に表される。そこで、本発明者は上記
誘電体性領域の誘電率を大きくすることで、等価回路中
のインピーダンスを急激に変化させることに想到し、適
切な上記誘電体性領域の比誘電率を求めるべく下記のよ
うなシミュレーションを行った。

【００１５】図９は、Ｑ値の対比誘電率変化のシミュレ
ーション結果を示す図である。また、この比誘電率は、
プラズマに結合する誘電体性領域の比誘電率についてで
ある。図９に示すように、比誘電率を高くするとＱ値は
大きくなり、特に比誘電率が１５以上のところでＱ値が
急激に大きくなることがわかる。ここでは、後述する実
施例の結果に比べて顕著にでていないのは、シース層を
考慮していないためであり、これを考慮すれば、もっと
大きな変化が現れるものと考えられる。

【００１６】なお、比誘電率をε_dとしてあらわすと、
図９中における黒丸での比誘電率ε _dは、３．７８，１
０，１５，２０の４つであり、そのときの各Ｑ値はそれ
ぞれ７．４，７．３，８．１，９．７である。この４つ
の比誘電率ε_dでの、測定電力の反射率の対周波数変化
のシミュレーション結果が、図１０である。この図１０
中にそれぞれ示されているＰは、測定用電力の強い吸収
が起こる吸収ポイントである。このシミュレーション結
果からも、比誘電率ε_dが大きくなるにつれてＱ値が大
きくなっていることがわかる。さらには、吸収ポイント
Ｐの周波数である吸収周波数が低周波側にシフトしてい
ることもわかる。なお、比誘電率が３．７８にほぼ相当
する物質は石英（ＳｉＯ₂）であり、比誘電率が１０に
ほぼ相当する物質はアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）である。

【００１７】以上の理由から、プラズマに結合する誘電
体性領域の比誘電率が高いプラズマ密度情報測定用プロ
ーブを用いることによって、プラズマ密度情報を精度良
く測定することに本発明者は想到した。

【００１８】以上のような知見に基づいて創作された本
発明は、次のような構成をとる。即ち、請求項１に記載
の発明は、プラズマの特性を示すプラズマ密度情報を測
定するプラズマ密度情報測定方法であって、前記プラズ
マ密度情報を測定するためのプラズマ密度情報測定用電
源からプラズマ密度情報測定用電力をプラズマに供給す
る過程と、プラズマ密度情報測定用プローブを用いて、
プラズマ負荷による前記プラズマ密度情報測定用電力の
反射または吸収に基づいてプラズマ密度情報を測定する
過程とを備え、かつ、プラズマに結合する部分である前
記プラズマ密度情報測定用プローブの誘電体性領域の部
分の誘電率を、プラズマを発生させるプラズマ発生条件
に応じて変えて、プラズマ密度情報を測定することを特
徴とする。

【００１９】また、請求項２に記載の発明は、プラズマ
の特性を示すプラズマ密度情報を測定するプラズマ密度
情報測定装置であって、プラズマ密度情報を測定するた
めにプラズマ密度情報測定用電力をプラズマに供給する
プラズマ密度情報測定用電源と、プラズマ負荷による前
記プラズマ密度情報測定用電力の反射または吸収に基づ
いてプラズマ密度情報を測定するプラズマ密度情報測定
用プローブと、プラズマに結合する部分である前記プラ
ズマ密度情報測定用プローブの誘電体性領域の部分の誘
電率を、プラズマを発生させるプラズマ発生条件に応じ
て変える誘電率切替え手段とを備えることを特徴とす
る。

【００２０】また、請求項３に記載の発明は、請求項２
に記載のプラズマ密度情報測定装置において、前記誘電
率切替え手段は、前記誘電体性領域の誘電率が互いに異
なる前記プラズマ密度情報測定用プローブを複数本備
え、前記プラズマ発生条件に応じてプラズマ密度情報測
定用プローブを選択することによって誘電体性領域の誘
電率を変える手段であることを特徴とする。

【００２１】また、請求項４に記載の発明は、請求項２
に記載のプラズマ密度情報測定装置において、前記誘電
率切替え手段は、前記プラズマ密度情報測定用プローブ
における前記誘電体性領域とそれ以外の領域とを着脱自
在に構成し、前記プラズマ発生条件に応じて誘電体性領
域のみをプラズマ密度情報測定用プローブから取り外し
て、異なる誘電率の誘電体性領域を前記プラズマ密度情
報測定用プローブに取り付けることによって誘電体性領
域の誘電率を変える手段であることを特徴とする。

【００２２】また、請求項５に記載の発明は、プラズマ
密度情報を測定するためのプラズマ密度情報測定用電源
からプラズマに供給されるプラズマ密度情報測定用電力
のプラズマ負荷による反射または吸収に基づいてプラズ
マ密度情報を測定するプラズマ密度情報測定用プローブ
であって、電力を放射するアンテナと、前記プラズマ密
度情報測定用電力を伝送するケーブルと、プラズマに結
合する誘電体性領域とを備え、かつ、前記誘電体性領域
の比誘電率が１５以上であることを特徴とする。

【００２３】また、請求項６に記載の発明は、請求項５
に記載のプラズマ密度情報測定用プローブにおいて、少
なくとも前記アンテナが前記誘電体性領域に直接に被覆
されていることを特徴とする。

【００２４】また、請求項７に記載の発明は、請求項５
に記載のプラズマ密度情報測定用プローブにおいて、前
記誘電体性領域が、先端が閉じられた誘電体性外皮であ
って、前記アンテナとケーブルとが前記誘電体性外皮に
被覆されていることを特徴とする。

【００２５】また、請求項８に記載の発明は、請求項５
から請求項７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、前記誘電体性領域は、ジルコニア
で形成されていることを特徴とする。

【００２６】また、請求項９に記載の発明は、プラズマ
中の被処理物にプラズマ処理を行うプラズマ処理方法で
あって、前記プラズマ密度情報を測定するためのプラズ
マ密度情報測定用電源からプラズマ密度情報測定用電力
をプラズマに供給する過程と、プラズマ密度情報測定用
プローブを用いて、プラズマ負荷による前記プラズマ密
度情報測定用電力の反射または吸収に基づいてプラズマ
密度情報を測定する過程と、測定された前記プラズマ密
度情報に基づいてプラズマ処理を制御する過程とを備
え、かつ、プラズマに結合する部分である前記プラズマ
密度情報測定用プローブの誘電体性領域の部分の誘電率
を、プラズマを発生させるプラズマ発生条件に応じて変
えて、プラズマ密度情報を測定してプラズマ処理を制御
することを特徴とする。

【００２７】また、請求項１０に記載の発明は、プラズ
マ中の被処理物にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置
であって、プラズマ密度情報を測定するためにプラズマ
密度情報測定用電力をプラズマに供給するプラズマ密度
情報測定用電源と、プラズマ負荷による前記プラズマ密
度情報測定用電力の反射または吸収に基づいてプラズマ
密度情報を測定するプラズマ密度情報測定用プローブ
と、プラズマに結合する部分である前記プラズマ密度情
報測定用プローブの誘電体性領域の部分の誘電率を、プ
ラズマを発生させるプラズマ発生条件に応じて変える誘
電率切替え手段と、測定された前記プラズマ密度情報に
基づいてプラズマ処理を制御する制御手段とを備えるこ
とを特徴とする。

【００２８】また、請求項１１に記載の発明は、請求項
１０に記載のプラズマ処理装置において、前記誘電率切
替え手段は、前記誘電体性領域の誘電率が互いに異なる
前記プラズマ密度情報測定用プローブを複数本備え、前
記プラズマ発生条件に応じてプラズマ密度情報測定用プ
ローブを選択することによって誘電体性領域の誘電率を
変える手段であることを特徴とする。

【００２９】また、請求項１２に記載の発明は、請求項
１０に記載のプラズマ処理装置において、前記誘電率切
替え手段は、前記プラズマ密度情報測定用プローブにお
ける前記誘電体性領域とそれ以外の領域とを着脱自在に
構成し、前記プラズマ発生条件に応じて誘電体性領域の
みをプラズマ密度情報測定用プローブから取り外して、
異なる誘電率の誘電体性領域を前記プラズマ密度情報測
定用プローブに取り付けることによって誘電体性領域の
誘電率を変える手段であることを特徴とする。

【００３０】

【作用】請求項１に記載の発明の作用について説明す
る。プラズマ密度情報測定用電源（以下、適宜「測定用
電源」と略記する）から入射されたプラズマ密度情報測
定用電力（以下、適宜「測定用電力」と略記する）は、
プラズマ密度情報測定用プローブを介して、プラズマ密
度に起因してプラズマ負荷に吸収されるか、反射されて
戻ってくる。その測定用電力の反射または吸収に基づい
て、プラズマ密度情報測定用プローブを用いてプラズマ
密度情報が測定される。プラズマ密度情報はプラズマの
特性を示すので、プラズマ密度情報を測定することによ
り、プラズマの特性を把握することになる。さらに、プ
ラズマに結合する部分であるプラズマ密度情報測定用プ
ローブの誘電体性領域の部分の誘電率を変化させること
で、プラズマ密度情報測定用プローブの吸収周波数のＱ
値が変化するので、プラズマ発生条件に応じてＱ値が大
きくなるようにその誘電率を変化させることで、プラズ
マ密度情報が測定され易くなる。

【００３１】請求項２に記載の発明によれば、プラズマ
密度情報測定用電源（測定用電源）から入射されたプラ
ズマ密度情報測定用電力（測定用電力）は、プラズマ密
度情報測定用プローブを介して、プラズマ密度に起因し
てプラズマ負荷に吸収されるか、反射されて戻ってく
る。その測定用電力の反射または吸収に基づいて、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
が測定される。プラズマ密度情報はプラズマの特性を示
すので、プラズマ密度情報を測定することにより、プラ
ズマの特性を把握することになる。さらに、プラズマに
結合する部分であるプラズマ密度情報測定用プローブの
誘電体性領域の部分の誘電率を変化させることで、プラ
ズマ密度情報測定用プローブの吸収周波数のＱ値が変化
するので、誘電率切替え手段によって、プラズマ発生条
件に応じてＱ値が大きくなるようにその誘電率を変化さ
せることで、プラズマ密度情報が測定され易くなる。

【００３２】請求項３に記載の発明によれば、誘電体性
領域の誘電率が互いに異なるプラズマ密度情報測定用プ
ローブを複数本備えることで、誘電率切替え手段によっ
て、プラズマ発生条件に応じてプラズマ密度情報測定用
プローブが選択される。従って、プラズマ発生条件に応
じてＱ値が大きくなるように誘電体性領域の誘電率が高
いプラズマ密度情報測定用プローブを選択することで、
プラズマ密度情報が測定され易くなる。

【００３３】請求項４に記載の発明によれば、プラズマ
密度情報測定用プローブにおける誘電体性領域とそれ以
外の領域とを着脱自在に構成することで、誘電率切替え
手段によって、プラズマ発生条件に応じて誘電体性領域
のみをプラズマ密度情報測定用プローブから取り外し
て、異なる誘電率の誘電体性領域をそのプラズマ密度情
報測定用プローブに取り付ける。プラズマ発生条件に応
じてＱ値が大きくなるように誘電率が高い誘電体性領域
を取り付けることで、プラズマ密度情報が測定され易く
なる。

【００３４】請求項５に記載の発明によれば、プラズマ
密度情報測定用電源（測定用電源）から供給されたプラ
ズマ密度情報測定用電力（測定用電力）はプラズマ密度
情報測定用プローブのケーブルを介してアンテナまで伝
送されて、アンテナから放出されてプラズマ負荷に吸収
されるか、反射されてケーブルを介して戻ってくる。つ
まり、プラズマ密度情報測定用プローブを構成する誘電
体性領域の表面にプラズマ表面波が励起されて、測定用
電源から供給された測定用電力は誘電体性領域を介して
プラズマと結合して、それによってプラズマ負荷による
吸収または反射が起こる。このとき、誘電体性領域の比
誘電率が１５以上になると、プラズマ密度情報測定用プ
ローブに関する等価回路中のインピーダンスが急激に変
化して、Ｑ値が急激に大きくなる。従って、誘電体性領
域の比誘電率を１５以上にすることで、測定用電力の吸
収が大きくなって、プラズマ密度情報が測定され易くな
る。

【００３５】請求項６に記載の発明によれば、少なくと
もアンテナを直接に被覆している誘電体性領域の比誘電
率を１５以上にすることで、測定用電力の吸収が大きく
なって、プラズマ密度情報が測定され易くなる。

【００３６】請求項７に記載の発明によれば、誘電体性
領域が、アンテナとケーブルとを被覆していて、かつ、
先端が閉じられた誘電体性外皮であるので、その誘電体
性外皮の比誘電率を１５以上にすることで、測定用電力
の吸収が大きくなって、プラズマ密度情報が測定され易
くなる。

【００３７】請求項８に記載の発明によれば、誘電体性
領域が比誘電率が１５以上であるジルコニア（zirconi
a）（ＺｒＯ₂）で形成されているので、ジルコニアを
誘電体性領域として用いることで、プラズマ密度情報測
定用プローブに関する等価回路中のインピーダンスが急
激に変化して、Ｑ値が急激に大きくなる。従って、測定
用電力の吸収が大きくなって、プラズマ密度情報が測定
され易くなる。

【００３８】請求項９に記載の発明によれば、プラズマ
密度情報測定用電源（測定用電源）から入射されたプラ
ズマ密度情報測定用電力（測定用電力）は、プラズマ密
度情報測定用プローブを介して、プラズマ密度に起因し
てプラズマ負荷に吸収されるか、反射されて戻ってく
る。その測定用電力の反射または吸収に基づいて、プラ
ズマ密度情報測定用プローブを用いてプラズマ密度情報
が測定される。プラズマ密度情報はプラズマの特性を示
すので、プラズマ密度情報を測定することにより、プラ
ズマ処理が制御される。さらに、プラズマに結合する部
分であるプラズマ密度情報測定用プローブの誘電体性領
域の部分の誘電率を変化させることで、プラズマ密度情
報測定用プローブの吸収周波数のＱ値が変化するので、
プラズマ発生条件に応じてＱ値が大きくなるようにその
誘電率を変化させることで、プラズマ密度情報が測定さ
れ易くなって、プラズマ処理が容易に制御される。

【００３９】請求項１０に記載の発明によれば、プラズ
マ密度情報測定用電源（測定用電源）から入射されたプ
ラズマ密度情報測定用電力（測定用電力）は、プラズマ
密度情報測定用プローブを介して、プラズマ密度に起因
してプラズマ負荷に吸収されるか、反射されて戻ってく
る。その測定用電力の反射または吸収に基づいて、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
が測定される。プラズマ密度情報はプラズマの特性を示
すので、プラズマ密度情報を測定することにより、プラ
ズマ処理が制御される。さらに、プラズマに結合する部
分であるプラズマ密度情報測定用プローブの誘電体性領
域の部分の誘電率を変化させることで、プラズマ密度情
報測定用プローブの吸収周波数のＱ値が変化するので、
誘電率切替え手段によって、プラズマ発生条件に応じて
Ｑ値が大きくなるようにその誘電率を変化させること
で、プラズマ密度情報が測定され易くなって、制御手段
によってプラズマ処理が容易に制御される。

【００４０】請求項１１に記載の発明によれば、誘電体
性領域の誘電率が互いに異なるプラズマ密度情報測定用
プローブを複数本備えることで、誘電率切替え手段によ
って、プラズマ発生条件に応じてプラズマ密度情報測定
用プローブが選択される。従って、プラズマ発生条件に
応じてＱ値が大きくなるように誘電体性領域の誘電率が
高いプラズマ密度情報測定用プローブを選択すること
で、プラズマ密度情報が測定され易くなって、制御手段
によってプラズマ処理が容易に制御される。

【００４１】請求項１２に記載の発明によれば、プラズ
マ密度情報測定用プローブにおける誘電体性領域とそれ
以外の領域とを着脱自在に構成することで、誘電率切替
え手段によって、プラズマ発生条件に応じて誘電体性領
域のみをプラズマ密度情報測定用プローブから取り外し
て、異なる誘電率の誘電体性領域をそのプラズマ密度情
報測定用プローブに取り付ける。プラズマ発生条件に応
じてＱ値が大きくなるように誘電率が高い誘電体性領域
を取り付けることで、プラズマ密度情報が測定され易く
なって、制御手段によってプラズマ処理が容易に制御さ
れる。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施例を説明する。なお、本実施例ではエッチング処理
を例に採って説明する。図１は、実施例装置の構成を示
すブロック図である。

【００４３】本実施例に係るエッチング処理装置は、図
１に示すように、プラズマＰＭが生成されるチャンバ１
を備えており、このチャンバ１内に被処理物である基板
Ｗを投入することによってプラズマによるエッチング処
理が行われる。チャンバ１内には２つの電極２ａ，２ｂ
が互いに対向してそれぞれ配設されており、一方の電極
２ａにはプラズマＰＭを生成するための生成用電力が供
給され、他方の電極２ｂは接地されている。その接地さ
れた電極２ｂ上に、図１に示すように基板Ｗが載置され
る。なお、第１実施例では接地された電極側に基板を配
設したが、プラズマを生成する電力が供給される電極側
に基板を配設してもよい。

【００４４】なお、本実施例に係るチャンバ１は、２つ
の電極２ａ，２ｂを互いに対向させて、両電極２ａ，２
ｂ間にプラズマを生成する、いわゆるＣＣＰ(Capacitiv
elyCoupled Plasma) 型であるが、コイルを備えたアン
テナに電流を流すことでアンテナに磁場を発生させて、
アンテナからの磁場による誘導電場の発生によってプラ
ズマを生成する、いわゆるＩＣＰ(Inductively Coupled
Plasma)型、即ち誘導結合プラズマであってもよい。

【００４５】電極２ａとプラズマＰＭを生成するための
生成用電源３とは、生成用電力制御部４を介して接続さ
れており、この生成用電力制御部４によって生成用電源
３からチャンバ１に供給される生成用電力が操作され
る。この生成用電力制御部４は、本発明における制御手
段に相当する。

【００４６】また、チャンバ１内には、上述した基板Ｗ
の他に、チャンバ１内のプラズマ密度情報を測定する測
定プローブ５が挿入されており、プラズマ密度情報を測
定するための測定用電源６と、この測定プローブ５と
は、同軸ケーブル７と測定プローブ切替え部８ａとプロ
ーブ制御部８ｂとを介して接続されている。なお、本実
施例では、プラズマ密度情報として電子密度を測定して
いるが、その他のプラズマ密度情報として例えばプラズ
マ密度やイオン密度等がある。測定プローブ５は、本発
明におけるプラズマ密度情報測定用プローブに相当し、
測定用電源６は、本発明におけるプラズマ密度情報測定
用電源に相当する。

【００４７】測定プローブ５は、プラズマＰＭに結合す
る後述するチューブの誘電率が互いに異なる複数本の測
定プローブ５ａ，５ｂ，５ｃ，… から構成される。こ
れら測定プローブ５ａ，５ｂ，５ｃ，… は、測定プロ
ーブ切替え部８ａによって測定の対象となる測定プロー
ブ５（各測定プローブ５ａ，５ｂ，５ｃ，… ）を切り
換えて選択するようにスイッチング素子等によってプロ
ーブ制御部８ｂに接続されている。測定プローブ切替え
部８ａは、本発明における誘電率切替え手段に相当す
る。

【００４８】上述の基板Ｗ、電極２ａ，２ｂ、測定プロ
ーブ５の他に、チャンバ１と、プラズマＰＭを生成する
ためのガスを供給するガス供給源（タンク）９とは、ガ
ス調整用バルブ１０ａと圧力計１０ｂとを介して連通接
続されている。圧力計１０ｂは、チャンバ１内のガス圧
を計測するために設けられており、この圧力計１０ｂ
は、チャンバ１内のガス圧を直接に測定するためにチャ
ンバ１内に設けられていてもよい。

【００４９】次に、生成用電力制御部４の具体的構成に
ついて説明する。生成用電力制御部４は、エッチングレ
ート変換部１１と、エッチング時間変換部１２と、エッ
チング時間設定部１３と、インピーダンス整合器１４と
から構成されている。エッチングレート変換部１１は、
測定プローブ５とプローブ制御部８ｂとによって測定さ
れた電子密度を電子密度に応じたエッチングレートに変
換するように構成されており、エッチング時間変換部１
２は、変換されたエッチングレートを電子密度に応じた
エッチング時間に変換するように構成されている。ま
た、エッチング時間設定部１３は、エッチング時間を設
定するように構成されており、インピーダンス整合器１
４は、電極２ａへの生成用電力の供給を調節したり、設
定されたエッチング時間が経過すると電極２ａへの生成
用電力の供給を終了するように構成されている。なお、
本明細書中において用いられるエッチングレートとは単
位時間当たりにエッチングされる膜の厚みのことをい
う。

【００５０】エッチングレート変換部１１とエッチング
時間変換部１２とは、ＣＰＵ（中央演算処理部）等の演
算部の機能を備えており、エッチングレートと電子密度
とが比例関係にあることを利用して、測定された電子密
度を演算部によって系数倍したものがエッチングレート
として変換されるとともに、エッチングすべき膜厚の厚
みをエッチングレートで割った値がエッチング時間とし
て変換される。第１実施例では、エッチングレート変換
部１１とエッチング時間変換部１２とをＣＰＵ（中央演
算処理部）等の演算部で構成したが、図示を省略する記
憶部をも備えるとともに、その記憶部に電子密度とエッ
チングレートとの相関関係を示す検量線等を予め記憶さ
せて、測定された電子密度に応じてその記憶部から随時
読み出しを行ってエッチングレートやエッチング時間等
を導出するように構成してもよい。

【００５１】エッチング時間設定部１３は、タイマやク
ロックの機能を備えており、電子密度が測定されるのと
ほぼ同時にタイマがリセットされてタイマのカウントを
開始する。設定されたエッチング時間に相当する分だけ
タイマがカウントされると、エッチング時間設定部１３
はインピーダンス整合器１４に対して、生成用の電力の
供給を終了するようにインピーダンス整合器１４内の整
合回路を操作する。なお、本実施例では、エッチング時
間設定部１３はインピーダンス整合器１４を操作するこ
とによって、プラズマＰＭへの生成用の電力の供給を終
了させたが、生成用電源３に対して直接的に操作して電
圧の印加等を直接的に終了するようにエッチング時間設
定部１３を構成してもよい。

【００５２】インピーダンス整合器１４は、生成用電源
３の周波数がＭＨｚオーダの周波数の場合、インダクタ
ンスとキャパシタンスとを組み合わせた整合回路が用い
られる。また上述の周波数が１ＧＨｚ以上の周波数の場
合、ＥＨチューナやスタブチューナが用いられる。

【００５３】次に、測定プローブ５について、図２を参
照して説明する。各測定プローブ５ａ，５ｂ，５ｃ，…
は、同軸ケーブル７の先端部を加工成形することによ
ってそれぞれ構成されており、図２に示すように、先端
部において同軸ケーブル７の外部絶縁体１６ａと外部導
体１６ｂとを除去してから先端部が閉じられている誘電
体製のチューブ１５を被せることによって構成されてい
る。また、外部絶縁体１６ａと外部導体１６ｂとを除去
したことによって同軸ケーブル７の先端部において中心
絶縁体１６ｃ，中心導体１６ｄのみとなって、中心導体
１６ｄは、同軸ケーブル７を介して伝送された電力を放
射するアンテナの機能を果たすことになる。従って、先
端部における中心導体１６ｄは、本発明におけるアンテ
ナに相当し、同軸ケーブル７は、本発明におけるケーブ
ルに相当し、チューブ１５は、本発明における誘電体性
領域に相当する。また、チューブ１５は、本発明におけ
る誘電体性外皮にも相当する。

【００５４】また上述したようにチューブ１５の誘電率
が互いに異なるように各測定プローブ５ａ，５ｂ，５
ｃ，… は構成されている。チューブ１５の誘電率につ
いては、特に限定されないが、プラズマ密度情報を含む
プラズマ発生条件によって、チューブ１５の誘電率は適
宜選択される。例えば、ガス圧が４０Ｐａを超える範
囲、もしくは電子密度が１×１０⁹ｃｍ^-3未満の範囲で
は、後述するように吸収ポイントが観測し易いように大
きなＱ値の吸収ポイントを得るべく、少なくとも測定プ
ローブ５ａ，５ｂ，５ｃ，… のうち一本の測定プロー
ブ５のチューブ１５において比誘電率は、１５以上であ
ることが好ましい。

【００５５】上述のようにガス圧が４０Ｐａを超える範
囲、もしくは電子密度が１×１０⁹ｃｍ^-3未満の範囲の
場合、１５以上の比誘電率を持った誘電体製のチューブ
１５として、比誘電率が３５であるジルコニア（zircon
ia）（ＺｒＯ₂）が用いられる。なお、上述したジルコ
ニア（ＺｒＯ₂）以外にも、炭化ケイ素（silicon carb
ide ）（ＳｉＣ）や異方性誘電体等に例示されるよう
に、比誘電率が１５以上であれば、チューブ１５を形成
する材質として特に限定されない。炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）の場合は、純度によって誘電率は変化するが比誘電
率は約２０前後である。また、異方性誘電体の場合は、
比誘電率が１５以上の領域で用いるようにする。

【００５６】測定プローブ５ａ，５ｂ，５ｃ，… をそ
れぞれ構成する各同軸ケーブル７は、上述したように、
測定プローブ切替え部８ａ内のスイッチング素子等によ
って測定の対象となる測定プローブ５（各測定プローブ
５ａ，５ｂ，５ｃ，… ）を切り換えて選択するよう
に、スイッチング素子等に接続されている。測定プロー
ブ切替え部８ａは、本実施例のエッチング処理装置で発
信した各信号を受けて切り換え接続されるようになって
いる。例えば、図１に示すように、圧力計１０ｂによっ
て測定されたチャンバ１内のガス圧の結果について、あ
る圧力のしきい値に基づいてデジタル信号にデジタル変
換して、そのデジタル信号によって測定プローブ５が切
り換えられて選択されたり、後述する電子密度変換部に
よる電子密度の測定結果について、ある電子密度のしき
い値に基づいてデジタル信号にデジタル変換して、その
デジタル信号によって測定プローブ５が切り換えられて
選択される。

【００５７】測定プローブ５をプラズマＰＭ中に挿入さ
せる。次に、測定用電源６から測定用電力を伝送させ
る。すると、測定プローブ５の吸収周波数において、先
端では誘電体性領域であるチューブ１５や同軸ケーブル
７等を境界条件に持ちながら共鳴吸収が起きる。この結
果、測定用電源６から供給されて伝送された電磁波が吸
収されるので、測定プローブ５の吸収周波数において反
射電力が小さくなる。また、測定用電力がプラズマＰＭ
によって吸収されると吸収されなかった残りの測定用電
力は、測定用電源６側からプラズマＰＭ側に伝送した方
向とは逆方向に、測定用電源６側に向かって伝送され
る。また、測定用電力がプラズマＰＭによって反射され
ると、反射された測定用電力は、同様に測定用電源６側
に向かって伝送される。この測定用電力は、本発明にお
けるプラズマ密度情報測定用電力に相当する。

【００５８】続いて、プローブ制御部８ｂの具体的構成
について説明する。プローブ制御部８ｂは、方向性結合
器１７と、減衰器１８と、フィルタ１９と、吸収周波数
導出部２０と、電子密度変換部２１とから構成されてい
る。測定プローブ５には、同軸ケーブル７を介して測定
用電源６側から順に、方向性結合器１７、減衰器１８、
及びフィルタ１９が接続されている。

【００５９】測定用電源６は周波数掃引式であって、あ
る周波数帯域（例えば１００ｋＨｚから２．５ＧＨｚま
で）の周波数で測定用電力を自動掃引しながら出力す
る。測定用電源６から出力された測定用電力は、同軸ケ
ーブル７中を伝送しながら方向性結合器１７、減衰器１
８、及びフィルタ１９の順に経由して、測定プローブ５
へ伝送される。一方、測定用電力が吸収または反射され
ると、上述したように逆方向に電力の反射分が伝送され
て、方向性結合器１７で検出されて、吸収周波数導出部
２０へ送り込まれる。吸収周波数導出部２０には測定用
電源６から出力される測定用電力の周波数も逐次送り込
まれる。

【００６０】フィルタ１９は、プローブ制御部８ｂに混
入してくる電力やノイズを除去する機能を果たす。ま
た、減衰器１８は、測定プローブ５へ送り込む測定用電
力の量を調整する機能を果たす。

【００６１】吸収周波数導出部２０は、測定用電力の周
波数と、測定用電力の検出反射量とに基づいて、測定用
電力の反射率の対周波数変化を求める。そして、得られ
た結果に基づいて、電子密度に起因して測定用電力の強
い吸収が起こる吸収周波数を求める。なお、吸収周波数
の具体的な導出については、後述するフローチャートで
説明する。

【００６２】電子密度変換部２１は、吸収周波数導出部
２０によって導出された吸収周波数に基づいて電子密度
に変換するように構成されている。上述の吸収周波数は
電子密度と一定の相関関係があるので、吸収周波数が求
まることによって、電子密度が容易に求められる。

【００６３】続いて、上述した構成を有するエッチング
処理装置において、エッチング処理の流れを、図３のフ
ローチャートを参照して説明する。なお、ステップＳ１
の時点ではプラズマ生成用の生成用電源３のスイッチは
既にＯＮ状態であって、ガス供給源（タンク）９からチ
ャンバ１内にガスが既に供給されて、プラズマＰＭも既
に生成されているものとする。

【００６４】〔ステップＳ１〕測定用電源６のスイッチ
をＯＮにする。測定用電源６から１００ｋＨｚから２．
５ＧＨｚまでの周波数で測定用電力を自動掃引しながら
出力する。また、自動掃引しながら吸収周波数導出部２
０に上述の周波数が逐次送り込まれる。出力された測定
用電力は、同軸ケーブル７を介して測定プローブ５に供
給される。

【００６５】なお、供給の対象となる測定プローブ５が
わかっている場合においても、供給の対象となる測定プ
ローブ５がわからない場合においても、測定プローブ切
替え部８ａによって測定プローブ５の内、測定プローブ
５ａ，５ｂ，５ｃ，… のいずれかがこの時点で選択さ
れて、その選択された測定プローブ５に対して測定用電
力が供給される。

【００６６】例えば、チャンバ１内のガス圧は圧力計１
０ｂによって測定されるので、プラズマ発生条件として
はこの時点でわかる。従って、測定プローブ切替え部８
ａによってチャンバ１内のガス圧に応じて測定プローブ
５を変える。チャンバ１内のガス圧が４０Ｐａを超える
範囲では、もしチューブ１５の比誘電率が１５未満の場
合では、大きなＱ値を持った吸収ポイントが観測し難い
ので、その場合にはチューブ１５は、上述したジルコニ
ア（ＺｒＯ₂）等のように比誘電率が１５以上の物質で
形成される方が好ましい。

【００６７】例えば、電子密度等のようなプラズマ密度
情報の場合、正確な測定値が得られていないので、プラ
ズマ発生条件としてはこの時点ではわからない。従っ
て、測定プローブ切替え部８ａによって任意の測定プロ
ーブ５にして、例えばＱ値が低くて吸収ポイントが読み
取れない時点（ステップＳ２）や、電子密度等のように
プラズマ密度情報が正確に求まった時点（ステップＳ
３）で、改めて適切な測定プローブ５に選択する。もち
ろん、プラズマ密度情報に関する正確な測定値が得られ
なくとも、大体のプラズマ密度情報の範囲がわかってい
れば、この時点で測定プローブ切替え部８ａによって適
切な測定プローブ５に選択することができる。例えば、
電子密度が１×１０⁹ｃｍ^-3から２×１０¹¹ｃｍ^-3まで
の範囲であって、ガス圧が４０Ｐａ以下の範囲では、チ
ューブ１５の比誘電率が１５未満の物質、例えばフッ素
樹脂や石英（ＳｉＯ₂）やアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等で
形成されたチューブ１５をもった測定プローブ５に選択
することができる。また、電子密度が１×１０⁹ｃｍ^-3
未満の範囲では、チューブ１５の比誘電率が１５未満の
場合、大きなＱ値を持った吸収ポイントが観測し難いの
で、上述したジルコニア（ＺｒＯ₂）等のように比誘電
率が１５以上の物質で形成したチューブ１５をもった測
定プローブ５に選択する方が好ましい。

【００６８】〔ステップＳ２〕供給された測定用電力
は、表面波によって吸収または反射が起こって、供給時
とは逆方向に同軸ケーブル７を介して測定用電力の反射
分だけ測定用電源６側に伝送される。測定用電力の反射
量は、フィルタ１９、減衰器１８、及び方向性結合器１
７の順に経由して、方向性結合器１７で検出される。そ
して、吸収周波数導出部２０へ送り込まれる。

【００６９】吸収周波数導出部２０では、同じ周波数に
おいて〔測定用電力の検出反射量〕÷〔測定用電力の全
出力量〕なる演算が行われて測定用電力の反射率が求め
られる。掃引される周波数と、この測定用電力の反射率
とを対応付けてプロットすることによって、図４に示す
ような測定用電力の反射率の対周波数変化が求められ
る。図４に示すように、反射率が大きく下がるところ
は、電子密度に起因して測定電力の強い吸収が起こる吸
収ポイントであって、その吸収ポイントの周波数が吸収
周波数ということになる。

【００７０】図４中では吸収ポイントＰａ，Ｐｂの２つ
が現れている。通常、吸収ポイントは複数個現れて、そ
れに伴って吸収周波数も吸収ポイントと同数個だけ存在
する。これらの吸収周波数は、いずれにおいても電子密
度等のプラズマ密度情報と一定の相関関係があるが、特
に、吸収周波数のうち、電子密度に対して２乗に比例す
る吸収周波数は、プラズマ表面波共鳴周波数と呼ばれて
いる。電子密度等のプラズマ密度情報を導出する際にお
いてこのプラズマ表面波共鳴周波数は有用な物理量の１
つである。なお、電子密度等のプラズマ密度情報は局所
的に変化するので、測定プローブ５は基板Ｗの表面の近
傍で測定を行うのが好ましい。

【００７１】また、Ｑ値が低くて吸収ポイントが読み取
れない場合には、測定プローブ切替え部８ａによって適
切な測定プローブ５に選択されて、ステップＳ１に戻っ
て、新たに選択された測定プローブ５に測定用電力が供
給される。同様に、測定用電源６から１００ｋＨｚから
２．５ＧＨｚまでの周波数で測定用電力を自動掃引しな
がら出力する。

【００７２】〔ステップＳ３〕吸収周波数が吸収周波数
導出部２０によって導出されると、電子密度変換部２１
によって電子密度に変換されて、導出される。この時点
においても、電子密度をより正確に求めるべく測定プロ
ーブ切替え部８ａによって測定プローブ５を選択するこ
とができる。

【００７３】〔ステップＳ４〕電子密度が求まってか
ら、基板Ｗをチャンバ１内に投入して、電極２ｂ上に載
置する。載置した時点からエッチング処理が行われる。
従って、エッチング処理が開始されるのとほぼ同時に、
エッチング時間設定部１３において、タイマがリセット
されてタイマのカウントを開始する。エッチング処理を
より精密に行うという点において、チャンバ１内への基
板Ｗの投入と電子密度の測定とはほぼ同時に行われる方
が好ましい。

【００７４】〔ステップＳ５〕一方、測定された電子密
度は、生成用電力制御部４内のエッチングレート変換部
１１に送り込まれて、電子密度に基づいてエッチングレ
ートに変換される。上述したように、エッチングレート
と電子密度とは比例関係にあるので、測定された電子密
度を系数倍するだけでエッチングレートが求まる。

【００７５】〔ステップＳ６〕エッチングレートが求ま
ると、エッチング時間変換部１２によってエッチング時
間が求まる。例えば、エッチングしたい膜厚の厚みが１
０μｍであって、エッチングレートが１μｍ／ｍｉｎの
とき、エッチング時間は、上記膜厚の厚みの１０μｍか
ら上記エッチングレートの１μｍ／ｍｉｎで割った１０
ｍｉｎとなって求められる。

【００７６】〔ステップＳ７〕エッチング時間が求まる
と、エッチング時間設定部１３に送り込まれる。ステッ
プＳ４において開始されたタイマがエッチング時間に相
当する分だけカウントされると、即ち、エッチング時間
が経過すると、エッチング時間設定部１３はインピーダ
ンス整合器１４に対して、生成用電力の供給を終了する
ようにインピーダンス整合器１４内の整合回路を操作す
る。この操作によって生成用電源３から供給される生成
用電力は０となって、エッチング処理が終了する。

【００７７】以上のように、本実施例では、チューブ１
５の誘電率が互いに異なる測定プローブ５ａ，５ｂ，５
ｃ，… を複数本備えることで、測定プローブ切替え部
８ａによって、ガス圧や電子密度等のプラズマ発生条件
に応じて測定プローブ５ａ，５ｂ，５ｃ，… のいずれ
か１つが選択される。従って、プラズマ発生条件に応じ
てＱ値が大きくなるようにチューブ１５の誘電率が高い
測定プローブ５（測定プローブ５ａ，５ｂ，５ｃ，…
）を選択することで、吸収周波数導出部２０によって
吸収ポイントを容易に観測することができて、電子密度
変換部２１によって電子密度等の種々のプラズマ密度情
報を精度良く測定することができる。その電子密度変換
部２１による電子密度等のプラズマ密度情報の測定結果
に基づいて、生成用電力制御部４によってエッチング処
理を容易にかつ適切に制御することができる。

【００７８】さらに、ガス圧が４０Ｐａを超える範囲、
もしくは電子密度が１×１０⁹ｃｍ ^-3未満の範囲では、
Ｑ値が低くて吸収ポイントが観測し難かったが、少なく
とも測定プローブ５ａ，５ｂ，５ｃ，… のうち一本の
測定プローブ５のチューブ１５の比誘電率をジルコニア
（ＺｒＯ₂）等のように１５以上の物質で形成して、比
誘電率が１５以上の物質で形成したチューブ１５をもっ
た測定プローブ５を選択することで以下のような作用・
効果を奏する。

【００７９】即ち、測定プローブ５に関する等価回路中
のインピーダンスが急激に変化して、Ｑ値が急激に大き
くなる。従って、プラズマに起因して測定用電力の強い
吸収が起こる吸収ポイントを容易に観測することができ
て、電子密度等の種々のプラズマ発生条件に応じて電子
密度等のプラズマ密度情報を精度良く測定することがで
きる。

【００８０】また、測定プローブ５においてチューブ１
５の比誘電率を１５以上にすることで、Ｑ値が大きくな
って吸収ポイントが大きくなることを実際に確認するた
めに、実験を行っている。図５〜図７は測定用電力の反
射率の対周波数変化の実験結果を示す図である。また、
外径は６ｍｍで、内径は４ｍｍのチューブに挿設され
た、先端部における中心導体の長さ、即ちアンテナの長
さが５ｍｍの測定プローブを用いて、ＩＣＰ型のチャン
バを採用している。また、生成用電源の周波数は１３．
５６ＭＨｚで、生成用電力は５０Ｗから１０００Ｗまで
を５０Ｗごと出力しており、測定用電源６から１００ｋ
Ｈｚから３ＧＨｚまでの周波数で測定用電力を自動掃引
しながら測定用電力の反射率の測定を行っている。図５
（ａ），図６（ａ），図７（ａ）は、比誘電率が３．７
８の石英（ＳｉＯ₂）で形成したチューブを用いたとき
のそれぞれの結果であり、図５（ｂ），図６（ｂ），図
７（ｂ）は、比誘電率が３５のジルコニア（ＺｒＯ₂）
で形成したチューブを用いたときのそれぞれの結果であ
る。また、図５はガス圧が１３Ｐａ、図６はガス圧が１
３０Ｐａ、図７はガス圧が２６０Ｐａのときの結果であ
る。

【００８１】図５〜図７の測定結果から、石英（ＳｉＯ
₂）製のチューブを使用した測定プローブのときの吸収
ポイントと比較して、ジルコニア（ＺｒＯ₂）製のチュ
ーブを使用した測定プローブのときの吸収ポイントが大
きいことがわかる。特に、図６，図７のようにガス圧が
４０Ｐａを超える範囲にあっては、石英（ＳｉＯ₂）の
ように比誘電率が１５未満の場合には、石英のときの測
定レンジを、ジルコニアのときの測定レンジよりも大き
くしているにも関わらず、吸収ポイントを観測するのが
困難か、または観測できないことがわかる（なお、図
６，７で反射率がピークになっている部分はノイズであ
る）。

【００８２】さらに、ガス圧が高くなって、かつ生成用
電力が大きくなるにつれて、電子密度が高くなるので、
図５〜図７の測定結果からも生成用電力やガス圧が高く
なると、即ち電子密度が高くなると吸収ポイントが高周
波側にシフトしているのがわかる。また、図５〜図７の
測定結果から、ジルコニアのときの吸収ポイントが、石
英のときの吸収ポイントと比較して低周波側で観測され
ることがわかる。これは、ジルコニアのように比誘電率
を高く（それに伴って誘電率も高くなる）することで、
電子密度が２×１０¹¹ｃｍ^-3を超える高密度の範囲であ
っても、吸収周波数を２．５ＧＨｚ未満に低減させるこ
とができることを示す。従って、上述のように電子密度
が高密度であっても、２．５ＧＨｚ以上を掃引する測定
用電源を備えた高周波送受信機を新たに設置することな
く、従来の２．５ＧＨｚまで掃引する測定用電源を備え
た高周波送受信機のまま使用することができて、装置が
簡易になるという効果をも奏している。

【００８３】本発明は、上記実施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。

【００８４】（１）上述した本実施例ではエッチング処
理についてのプラズマ処理であったが、例えばＣＶＤ
（化学気相成長）処理や、アッシング処理や、チャンバ
のクリーニング処理等、プラズマ中の被処理物に行うプ
ラズマ処理であれば、特に限定されない。また、プラズ
マ処理のみならず、プラズマ密度情報を単に測定するプ
ラズマ密度情報測定装置にも本発明を適用することがで
きる。

【００８５】（２）本実施例ではプラズマを生成するた
めの生成用電力を操作してプラズマ処理を制御したが、
例えば生成用電力以外にもプラズマを生成するガス圧
や、ガスの混合比等を操作してプラズマ処理を制御して
もよく、通常のプラズマ制御において用いられる方法な
らば、特に限定されない。

【００８６】また、本実施例では電子密度に応じてエッ
チング時間等の処理時間を設定して、生成用電力を操作
したが、処理時間を固定にしておいて、インピーダンス
整合器等を操作することによって生成用電力を調節し
て、処理時間に応じて電子密度を制御してもよい。同様
の手法で、図１中のガス調整用バルブ１０ａによって、
ガス圧や、ガスの混合比等を調節して、処理時間に応じ
て電子密度を制御してもよい。また、上述したこれらの
方法を適宜互いに組み合わせることもできる。

【００８７】（３）上述した本実施例ではプラズマ密度
情報は電子密度であったが、イオン密度、その他にもプ
ラズマ密度情報測定用プローブの吸収周波数等（高次吸
収周波数，表面波共振周波数を含む）もプラズマの特性
を示すので、これらの物理量を測定することで、プラズ
マ発生に係る物理量（例えば生成用電力や、ガス圧や、
ガスの混合比等）を操作してもよい。例えば、図１中の
吸収周波数導出部２０によって吸収周波数を求めた後、
吸収周波数とエッチング時間との相関関係によって生成
用電力を操作してもよい。

【００８８】（４）本実施例で用いられた測定プローブ
５は、図２に示されるものであったが、例えば図８に示
されるような測定プローブ５で構成されていてもよい。
図８（ａ）に示す測定プローブ５は、図２中のチューブ
１５を備えずに先端部におけるアンテナである中心導体
１６ｄが中心絶縁体１６ｃに直接に被覆されている構造
で構成されている。この場合外部絶縁体１６ａ，中心絶
縁体１６ｃが、本発明における誘電体性領域に相当す
る。従って、図８（ａ）に示すような測定プローブ５で
あって、ジルコニアのような高い誘電率をもった高誘電
体の測定プローブ５を形成する場合、絶縁部分がジルコ
ニアで形成された同軸ケーブル７を予め用意すると、先
端部において同軸ケーブル７の外部絶縁体１６ａと外部
導体１６ｂとを除去するだけで、加工成形することがで
きる。また、除去する以外にも、少なくともアンテナ部
分の表面に誘電体を蒸着、もしくは堆積させることによ
って、アンテナ部分が誘電体に直接に被覆されていても
よい。

【００８９】また、図２に示す測定プローブ５のアンテ
ナである中心導体１６ｄは、チューブ５に被覆されてい
るので、必ずしも中心導体１６ｄは中心絶縁体ｃに被覆
される必要はなく、図８（ｂ）に示すような構成であっ
てもよい。

【００９０】また、本発明における誘電体性外皮は、図
２に示されているチューブ１５のように比誘電率が１５
以上である高誘電体の物質によって一体形成されている
ものだけでなく、例えば石英等で形成されたチューブや
管の表面に比誘電率が１５以上である高誘電体を蒸着、
もしくは堆積させて形成したもの等も含む。

【００９１】その他にも図示を省略するが、先端部にア
ンテナを備えた同軸ケーブルに、その同軸ケーブルの形
状に合わせた誘電体製のチューブを直接的に被せて測定
プローブを構成することもできる。また、測定用電力の
吸収をより大きくするためにアンテナの先に平板状の金
属板等を備えてもよいし、アンテナの形状についても特
に限定されない。

【００９２】（５）本発明における誘電率切替え手段
は、図１に示したように、チューブ１５の誘電率が互い
に異なる測定プローブ５ａ，５ｂ，５ｃ，… を複数本
備えて、測定プローブ５ａ，５ｂ，５ｃ，… に接続さ
れたスイッチング素子を切り換えることで測定プローブ
５を適宜選択して誘電率を変える測定プローブ切替え部
８ａであったが、本発明における誘電率切替え手段を下
記のように構成してもよい。

【００９３】図２に示す測定プローブ５の場合、本発明
における誘電体性領域に相当するチューブ１５とそれ以
外の部分（同軸ケーブル７）とは、チューブ１５を先端
方向に、または同軸ケーブル７を先端方向とは逆方向に
抜き差しするだけで、着脱可能に構成されている。そこ
で、先端方向にチューブ１５を抜き差しする図示を省略
するアームを備えて、そのアームをチャンバ内外を往復
移動可能に構築する。チャンバ外には互いに誘電率の異
なるチューブ１５を複数本分だけ待機させる。そして、
プラズマ発生条件に応じてアームによってチューブ１５
のみを同軸ケーブル７から取り外して、異なる誘電率の
チューブ１５をアームによってその同軸ケーブル７に取
り付けるように構成する。このアームは、本発明におけ
る誘電率切替え手段に相当する。

【００９４】上述の構成を備えることで、図２に示すよ
うなチューブと同軸ケーブルとが着脱自在に構成されて
いる測定プローブに対して、プラズマ発生条件に応じて
アームによってチューブ１５を抜き差しするだけで、測
定プローブの誘電率を容易に変えることができる。従っ
て、例えばプラズマ発生条件に応じてＱ値を大きくする
場合には、誘電率が高いチューブ１５を取り付けること
で、吸収ポイントを容易に観測することができて、種々
のプラズマ発生条件に応じてプラズマ密度情報を精度良
く測定することができる。

【００９５】

【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方法によれば、プラズマ密
度情報測定用プローブの誘電体性領域の部分の誘電率を
変化させることでＱ値が変化するので、プラズマ発生条
件に応じてＱ値が大きくなるようにその誘電率を変化さ
せることで、プラズマに起因して測定用電力の強い吸収
が起こる吸収ポイントを容易に観測することができる。
その結果、種々のプラズマ発生条件に応じてプラズマ密
度情報を精度良く測定することができる。

【００９６】請求項２の発明に係るプラズマ密度情報測
定装置によれば、プラズマ密度情報測定用プローブの誘
電体性領域の部分の誘電率を変化させることでＱ値が変
化するので、誘電率切替え手段によって、プラズマ発生
条件に応じてＱ値が大きくなるようにその誘電率を変化
させることで、吸収ポイントを容易に観測することがで
きて、種々のプラズマ発生条件に応じてプラズマ密度情
報を精度良く測定することができる。さらには、誘電体
性領域の誘電率を高くすると、例えば電子密度が高密度
の範囲であっても、吸収ポイントの周波数である吸収周
波数を２．５ＧＨｚ未満に低減させることができて、測
定用電源を２．５ＧＨｚまで掃引する従来の装置のまま
使用することができて、装置が簡易になるという効果を
も奏している。

【００９７】請求項３の発明に係るプラズマ密度情報測
定装置によれば、誘電体性領域の誘電率が互いに異なる
プラズマ密度情報測定用プローブを複数本備えること
で、誘電率切替え手段によって、プラズマ発生条件に応
じてプラズマ密度情報測定用プローブを選択することが
できる。従って、プラズマ発生条件に応じてＱ値が大き
くなるように誘電体性領域の誘電率が高いプラズマ密度
情報測定用プローブを選択することで、吸収ポイントを
容易に観測することができて、種々のプラズマ発生条件
に応じてプラズマ密度情報を精度良く測定することがで
きる。

【００９８】請求項４の発明に係るプラズマ密度情報測
定装置によれば、プラズマ密度情報測定用プローブにお
ける誘電体性領域とそれ以外の領域とを着脱自在に構成
することで、誘電率切替え手段によって、プラズマ発生
条件に応じて誘電体性領域のみをプラズマ密度情報測定
用プローブから取り外して、異なる誘電率の誘電体性領
域をそのプラズマ密度情報測定用プローブに取り付ける
ことができる。プラズマ発生条件に応じてＱ値が大きく
なるように誘電率が高い誘電体性領域を取り付けること
で、吸収ポイントを容易に観測することができて、種々
のプラズマ発生条件に応じてプラズマ密度情報を精度良
く測定することができる。

【００９９】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、誘電体性領域の比誘電率が１５
以上になると、プラズマ密度情報測定用プローブに関す
る等価回路中のインピーダンスが急激に変化して、Ｑ値
が急激に大きくなるので、誘電体性領域の比誘電率を１
５以上にすることで、プラズマに起因して測定用電力の
強い吸収が起こる吸収ポイントを容易に観測することが
できて、種々のプラズマ発生条件に応じてプラズマ密度
情報を精度良く測定することができる。

【０１００】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、少なくともアンテナを直接に被
覆している誘電体性領域の比誘電率を１５以上にするこ
とで、プラズマに起因して測定用電力の強い吸収が起こ
る吸収ポイントを容易に観測することができて、種々の
プラズマ発生条件に応じてプラズマ密度情報を精度良く
測定することができる。

【０１０１】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、誘電体性領域が、アンテナとケ
ーブルとを被覆していて、かつ、先端が閉じられた誘電
体性外皮であるので、その誘電体性外皮の比誘電率を１
５以上にすることで、プラズマに起因して測定用電力の
強い吸収が起こる吸収ポイントを容易に観測することが
できて、種々のプラズマ発生条件に応じてプラズマ密度
情報を精度良く測定することができる。

【０１０２】請求項８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、誘電体性領域が比誘電率が１５
以上であるジルコニアで形成されているので、プラズマ
密度情報測定用プローブに関する等価回路中のインピー
ダンスが急激に変化して、Ｑ値が急激に大きくなる。従
って、プラズマに起因して測定用電力の強い吸収が起こ
る吸収ポイントを容易に観測することができて、種々の
プラズマ発生条件に応じてプラズマ密度情報を精度良く
測定することができる。

【０１０３】請求項９の発明に係るプラズマ処理方法に
よれば、プラズマ密度情報測定用プローブの誘電体性領
域の部分の誘電率を変化させることでＱ値が変化するの
で、プラズマ発生条件に応じてＱ値が大きくなるように
その誘電率を変化させることで、プラズマに起因して測
定用電力の強い吸収が起こる吸収ポイントを容易に観測
することができる。その結果、種々のプラズマ発生条件
に応じてプラズマ密度情報を精度良く測定して、プラズ
マ処理を容易にかつ適切に制御することができる。

【０１０４】請求項１０の発明に係るプラズマ処理装置
によれば、プラズマ密度情報測定用プローブの誘電体性
領域の部分の誘電率を変化させることでＱ値が変化する
ので、誘電率切替え手段によって、プラズマ発生条件に
応じてＱ値が大きくなるようにその誘電率を変化させる
ことで、吸収ポイントを容易に観測することができて、
種々のプラズマ発生条件に応じてプラズマ密度情報を精
度良く測定することができる。そのプラズマ密度情報の
測定結果に基づいて、制御手段によってプラズマ処理を
容易にかつ適切に制御することができる。

【０１０５】請求項１１の発明に係るプラズマ処理装置
によれば、誘電体性領域の誘電率が互いに異なるプラズ
マ密度情報測定用プローブを複数本備えることで、誘電
率切替え手段によって、プラズマ発生条件に応じてプラ
ズマ密度情報測定用プローブを選択することができる。
従って、プラズマ発生条件に応じてＱ値が大きくなるよ
うに誘電体性領域の誘電率が高いプラズマ密度情報測定
用プローブを選択することで、吸収ポイントを容易に観
測することができて、種々のプラズマ発生条件に応じて
プラズマ密度情報を精度良く測定することができる。そ
のプラズマ密度情報の測定結果に基づいて、制御手段に
よってプラズマ処理を容易にかつ適切に制御することが
できる。

【０１０６】請求項１２の発明に係るプラズマ処理装置
によれば、プラズマ密度情報測定用プローブにおける誘
電体性領域とそれ以外の領域とを着脱自在に構成するこ
とで、誘電率切替え手段によって、プラズマ発生条件に
応じて誘電体性領域のみをプラズマ密度情報測定用プロ
ーブから取り外して、異なる誘電率の誘電体性領域をそ
のプラズマ密度情報測定用プローブに取り付けることが
できる。プラズマ発生条件に応じてＱ値が大きくなるよ
うに誘電率が高い誘電体性領域を取り付けることで、吸
収ポイントを容易に観測することができて、種々のプラ
ズマ発生条件に応じてプラズマ密度情報を精度良く測定
することができる。そのプラズマ密度情報の測定結果に
基づいて、制御手段によってプラズマ処理を容易にかつ
適切に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例装置の構成を示すブロック図である。

【図２】本実施例に係る測定プローブの構成を示す一部
縦断面図である。

【図３】本実施例に係るエッチング処理の流れを示すフ
ローチャート図である。

【図４】吸収周波数を求める説明に供するグラフであ
る。

【図５】ガス圧が１３Ｐａのときの測定用電力の反射率
の対周波数変化の実験結果を示す図であって、（ａ）は
石英で形成したチューブを用いたときの実験結果、
（ｂ）はジルコニアで形成したチューブを用いたときの
実験結果である。

【図６】ガス圧が１３０Ｐａのときの測定用電力の反射
率の対周波数変化の実験結果を示す図であって、（ａ）
は石英で形成したチューブを用いたときの実験結果、
（ｂ）はジルコニアで形成したチューブを用いたときの
実験結果である。

【図７】ガス圧が２６０Ｐａのときの測定用電力の反射
率の対周波数変化の実験結果を示す図であって、（ａ）
は石英で形成したチューブを用いたときの実験結果、
（ｂ）はジルコニアで形成したチューブを用いたときの
実験結果である。

【図８】（ａ）及び（ｂ）は変形例に係る測定プローブ
の構成を示す一部縦断面図である。

【図９】Ｑ値の対比誘電率変化のシミュレーション結果
を示す図である。

【図１０】測定用電力の対周波数変化のシミュレーショ
ン結果を示す図である。

【符号の説明】

１ … チャンバ３ … 生成用電源４ … 生成用電力制御部５ … 測定プローブ６ … 測定用電源７ … 同軸ケーブル８ａ … 測定プローブ切替え部８ｂ … プローブ制御部１０ａ … ガス調整用バルブ１０ｂ … 圧力計１４ … インピーダンス整合器１５ … チューブ１６ｄ … 中心導体２０ … 吸収周波数導出部２１ … 電子密度変換部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマの特性を示すプラズマ密度情報
を測定するプラズマ密度情報測定方法であって、前記プ
ラズマ密度情報を測定するためのプラズマ密度情報測定
用電源からプラズマ密度情報測定用電力をプラズマに供
給する過程と、プラズマ密度情報測定用プローブを用い
て、プラズマ負荷による前記プラズマ密度情報測定用電
力の反射または吸収に基づいてプラズマ密度情報を測定
する過程とを備え、かつ、プラズマに結合する部分であ
る前記プラズマ密度情報測定用プローブの誘電体性領域
の部分の誘電率を、プラズマを発生させるプラズマ発生
条件に応じて変えて、プラズマ密度情報を測定すること
を特徴とするプラズマ密度情報測定方法。
【請求項２】プラズマの特性を示すプラズマ密度情報
を測定するプラズマ密度情報測定装置であって、プラズ
マ密度情報を測定するためにプラズマ密度情報測定用電
力をプラズマに供給するプラズマ密度情報測定用電源
と、プラズマ負荷による前記プラズマ密度情報測定用電
力の反射または吸収に基づいてプラズマ密度情報を測定
するプラズマ密度情報測定用プローブと、プラズマに結
合する部分である前記プラズマ密度情報測定用プローブ
の誘電体性領域の部分の誘電率を、プラズマを発生させ
るプラズマ発生条件に応じて変える誘電率切替え手段と
を備えることを特徴とするプラズマ密度情報測定装置。
【請求項３】請求項２に記載のプラズマ密度情報測定
装置において、前記誘電率切替え手段は、前記誘電体性
領域の誘電率が互いに異なる前記プラズマ密度情報測定
用プローブを複数本備え、前記プラズマ発生条件に応じ
てプラズマ密度情報測定用プローブを選択することによ
って誘電体性領域の誘電率を変える手段であることを特
徴とするプラズマ密度情報測定装置。
【請求項４】請求項２に記載のプラズマ密度情報測定
装置において、前記誘電率切替え手段は、前記プラズマ
密度情報測定用プローブにおける前記誘電体性領域とそ
れ以外の領域とを着脱自在に構成し、前記プラズマ発生
条件に応じて誘電体性領域のみをプラズマ密度情報測定
用プローブから取り外して、異なる誘電率の誘電体性領
域を前記プラズマ密度情報測定用プローブに取り付ける
ことによって誘電体性領域の誘電率を変える手段である
ことを特徴とするプラズマ密度情報測定装置。
【請求項５】プラズマ密度情報を測定するためのプラ
ズマ密度情報測定用電源からプラズマに供給されるプラ
ズマ密度情報測定用電力のプラズマ負荷による反射また
は吸収に基づいてプラズマ密度情報を測定するプラズマ
密度情報測定用プローブであって、電力を放射するアン
テナと、前記プラズマ密度情報測定用電力を伝送するケ
ーブルと、プラズマに結合する誘電体性領域とを備え、
かつ、前記誘電体性領域の比誘電率が１５以上であるこ
とを特徴とするプラズマ密度情報測定用プローブ。
【請求項６】請求項５に記載のプラズマ密度情報測定
用プローブにおいて、少なくとも前記アンテナが前記誘
電体性領域に直接に被覆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。
【請求項７】請求項５に記載のプラズマ密度情報測定
用プローブにおいて、前記誘電体性領域が、先端が閉じ
られた誘電体性外皮であって、前記アンテナとケーブル
とが前記誘電体性外皮に被覆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。
【請求項８】請求項５から請求項７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、前記誘電
体性領域は、ジルコニア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。
【請求項９】プラズマ中の被処理物にプラズマ処理を
行うプラズマ処理方法であって、前記プラズマ密度情報
を測定するためのプラズマ密度情報測定用電源からプラ
ズマ密度情報測定用電力をプラズマに供給する過程と、
プラズマ密度情報測定用プローブを用いて、プラズマ負
荷による前記プラズマ密度情報測定用電力の反射または
吸収に基づいてプラズマ密度情報を測定する過程と、測
定された前記プラズマ密度情報に基づいてプラズマ処理
を制御する過程とを備え、かつ、プラズマに結合する部
分である前記プラズマ密度情報測定用プローブの誘電体
性領域の部分の誘電率を、プラズマを発生させるプラズ
マ発生条件に応じて変えて、プラズマ密度情報を測定し
てプラズマ処理を制御することを特徴とするプラズマ処
理方法。
【請求項１０】プラズマ中の被処理物にプラズマ処理
を行うプラズマ処理装置であって、プラズマ密度情報を
測定するためにプラズマ密度情報測定用電力をプラズマ
に供給するプラズマ密度情報測定用電源と、プラズマ負
荷による前記プラズマ密度情報測定用電力の反射または
吸収に基づいてプラズマ密度情報を測定するプラズマ密
度情報測定用プローブと、プラズマに結合する部分であ
る前記プラズマ密度情報測定用プローブの誘電体性領域
の部分の誘電率を、プラズマを発生させるプラズマ発生
条件に応じて変える誘電率切替え手段と、測定された前
記プラズマ密度情報に基づいてプラズマ処理を制御する
制御手段とを備えることを特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項１１】請求項１０に記載のプラズマ処理装置
において、前記誘電率切替え手段は、前記誘電体性領域
の誘電率が互いに異なる前記プラズマ密度情報測定用プ
ローブを複数本備え、前記プラズマ発生条件に応じてプ
ラズマ密度情報測定用プローブを選択することによって
誘電体性領域の誘電率を変える手段であることを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項１２】請求項１０に記載のプラズマ処理装置
において、前記誘電率切替え手段は、前記プラズマ密度
情報測定用プローブにおける前記誘電体性領域とそれ以
外の領域とを着脱自在に構成し、前記プラズマ発生条件
に応じて誘電体性領域のみをプラズマ密度情報測定用プ
ローブから取り外して、異なる誘電率の誘電体性領域を
前記プラズマ密度情報測定用プローブに取り付けること
によって誘電体性領域の誘電率を変える手段であること
を特徴とするプラズマ処理装置。