JP2009087790A - Device and method for measuring electron density, and storage medium - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマ生成室内においてプラズマ中の電子密度を測定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for measuring electron density in plasma in a plasma generation chamber.
半導体デバイスの製造工程においては、エッチング処理や成膜処理等にプラズマ技術を用いた半導体プロセスが行われており、このような処理を行うプラズマ処理装置では、処理の面内均一性を向上させるために、基板に対して電子密度が均一なプラズマを照射することが要求されている。このため装置の設計段階や立ち上げ段階において、チャンバ内部において、どのような状態でプラズマが生成しているかを把握する必要があり、プラズマの電子密度の測定の重要性が高まっている。 In a semiconductor device manufacturing process, a semiconductor process using plasma technology is performed for an etching process, a film forming process, and the like. In a plasma processing apparatus that performs such a process, in order to improve in-plane uniformity of processing. In addition, it is required to irradiate the substrate with plasma having a uniform electron density. For this reason, it is necessary to grasp in what state the plasma is generated inside the chamber at the stage of designing and starting up the apparatus, and the importance of measuring the electron density of the plasma is increasing.
プラズマの電子密度の測定法として、プラズマ吸収プローブ(PAP: Plasma Absorption Probe)を用いた手法が提案されている(非特許文献1参照)。この手法にて用いられるプラズマ吸収プローブ1は、例えば図8に示すように、先端が球面状に閉じられた石英管10の内部に同軸ケーブル11を挿入し、当該同軸ケーブル11の先端から、この同軸ケーブル11の内部導体11aのみを露出させてアンテナとして用いるように構成され、このケーブル11の他端側は、ネットワークアナライザ12に接続されている。そして測定の際には、このプラズマ吸収プローブ1を、測定対象となるプラズマ雰囲気内に挿入し、ネットワークアナライザ12から前記同軸ケーブル11のアンテナ11aに、数MHzから数GHzの帯域で周波数掃印しながら微小な電力を供給し、吸収周波数を求める。
As a method for measuring the electron density of plasma, a method using a plasma absorption probe (PAP) has been proposed (see Non-Patent Document 1). For example, as shown in FIG. 8, the
つまり同軸ケーブル11に電力を供給すると、前記アンテナ11aの周りの電磁界によってプラズマと石英管10との界面に表面波が励起され、プラズマの電子密度で決定される周波数になったときに、プラズマ吸収プローブ1の頭部に定在波が共鳴的に立つ。このときの周波数を吸収周波数というが、この吸収周波数のときに前記プローブ1のアンテナ11aに供給したパワーが共鳴的にプラズマに吸収され、プラズマから反射されて前記アンテナ11aに戻ってくるパワーが減少するので、このときの周波数を求めることにより吸収周波数を把握することができる。
That is, when electric power is supplied to the coaxial cable 11, surface waves are excited at the interface between the plasma and the
前記ネットワークアナライザ12は、前記アンテナ11aへの入射波のパワーと、プラズマにより反射されてアンテナ11aに戻ってくる反射波のパワーの比(反射率)を測定して、その反射率を掃印周波数に対してスペクトル表示する機能を持っており、このスペクトルにより前記吸収周波数が求められる。一方プラズマの電子密度は吸収周波数の二乗に比例するという理論式が求められており、前記吸収周波数を測定することにより、電子密度を算出することができる。
The
このようなプラズマ吸収プローブ1を用いて実際にチャンバ内のプラズマの電子密度分布を作成する場合には、前記チャンバに前記プラズマ吸収プローブ1を挿入し、チャンバ内における同じ高さの複数の測定位置に位置させて、各測定位置において電子密度を求めることが行われる。しかしながら、前記プラズマ吸収プローブ1をチャンバ内の気密性を確保した状態で、かつ高さを揃えて複数の測定位置に位置させることは難しく、煩雑である。前記装置の開発段階や立ち上げ段階では、何回も同じ位置で電子密度を測定し、電子密度分布を作成して、互いに比較検討することが行われるが、この際、既述のように前記プラズマ吸収プローブ1の移動が難しいことから、測定位置の高い再現性を確保することは困難であり、プラズマ吸収プローブ1を位置精度が高い状態で移動させて測定を行おうとすると、かなりの時間と手間がかかるという問題がある。
When an electron density distribution of plasma in the chamber is actually created using such a
この問題を解決するために、例えば図9に示すように、プラズマ処理を行うチャンバ13の互いに対向する側壁の間に、例えば石英よりなる絶縁管14を水平に架け渡し、この内部に、前記先端が内部導体よりなるアンテナ11aとして構成された同軸ケーブル11を挿入し、絶縁管14の内部にて前記同軸ケーブル11を移動させ、各位置における電子密度を求める手法が検討されている。 In order to solve this problem, for example, as shown in FIG. 9, an insulating tube 14 made of, for example, quartz is horizontally bridged between mutually opposing side walls of a chamber 13 that performs plasma processing, and the tip is placed inside this. A method is being studied in which a coaxial cable 11 configured as an antenna 11a made of an inner conductor is inserted, the coaxial cable 11 is moved inside the insulating tube 14, and the electron density at each position is obtained.
ここで図9に示すプラズマ処理装置について簡単に説明すると、図中13は真空チャンバであり、この真空チャンバ13の内部には、基板を載置するための載置台15が設けられると共に、この載置台15に対向するようにプラズマ発生用の上部電極をなす処理ガス供給部16が設けられている。そして処理ガス供給部16から真空チャンバ13内に処理ガスを供給し、図示しない真空ポンプにより真空チャンバ13内を真空引きする一方、高周波電源17から前記処理ガス供給部16に高周波電力を印加することにより、基板の上方の空間に処理ガスのプラズマが形成され、これにより基板に対するプラズマ処理が行われるようになっている。図中18は真空チャンバ13内の気密性を確保した状態で同軸ケーブル11を移動させるためのシール部材である。
Here, the plasma processing apparatus shown in FIG. 9 will be briefly described. In FIG. 9, reference numeral 13 denotes a vacuum chamber. Inside the vacuum chamber 13, a mounting table 15 for mounting a substrate is provided. A processing
この手法では、絶縁管14内において同軸ケーブル11を図9中X方向に進退移動させて測定を行えばよいので、測定位置の高い再現性を確保しやすく、安定した位置精度で電子密度の測定を行うことができる。しかしながらこの手法では、概ねの電子密度分布を把握することはできるものの、電子密度を精度よく算出することができないという問題がある。これは前記図8に示すプラズマ吸収プローブ1では石英管10の先端が閉じているのに対し、図9に示す構成では、絶縁管14が開放されていることに起因するものである。
In this method, the coaxial cable 11 may be moved back and forth in the X direction in FIG. 9 in the insulating tube 14, so that it is easy to ensure high reproducibility of the measurement position, and the electron density can be measured with stable position accuracy. It can be performed. However, this method has a problem that although an approximate electron density distribution can be grasped, the electron density cannot be accurately calculated. This is because the tip of the
つまり前記図8に示すプラズマ吸収プローブ1を用いてプラズマの電子密度を測定する手法においては、前記吸収周波数を求める理論式が導かれており、この理論式ではアンテナの周りの高周波は閉じた領域で共鳴することに基づき、吸収周波数は当該プローブ1の形状と材質の関数として与えられている。従って前記理論式中には、図8に示すプラズマ吸収プローブ1先端の距離d1や、石英管の外径a1や内径b1、プラズマの誘電率、石英管10の誘電率や真空雰囲気の誘電率が比例定数として入ってくる。これに対し図9に示す構成では、絶縁管14が開放されており、前記距離d1が求められないため、前記理論式を用いて正確な吸収周波数を算出することはできない。
That is, in the method of measuring the electron density of plasma using the
また前記理論式では、軸対称に伝播する高周波のモードを前提として吸収周波数の算出を行っている。この際、図8に示すプラズマ吸収プローブ1のように石英管10の先端が閉じていると、アンテナ11a近傍が狭い領域となるため、高周波は軸対称に伝播するとみなすことができるが、図9に示す構成のように、アンテナ11a近傍が開放されていると、高周波は非軸対称に伝播するので、この観点からも前記理論式を用いて正確な吸収周波数を算出することはできない。
In the theoretical formula, the absorption frequency is calculated on the premise of a high-frequency mode propagating in an axial symmetry. At this time, when the tip of the
ところでネットワークアナライザ12では、図9に示す構成の装置においても、吸収周波数と見られるスペクトルのピークが存在するが、これは非軸対称で伝播するモードでは、周波数の吸収領域が複数発生してしまい、これら前記複数の吸収周波数がまとまって、前記スペクトルには1つのピークとして現れているためであり、この吸収周波数は正確な吸収周波数ではない。このように図9の構成では、吸収周波数を高い精度で求めることができないため、この吸収周波数の関数として求められる電子密度を正確に算出することは困難となる。従って電子密度分布も不正確なものとなってしまうので、計測される電子密度分布にがたつきが見られる、又は算出される電子密度の物理的根拠がないという問題がある。
By the way, in the
ところで特許文献1には、チャンバの互いに対向する側壁の間に、例えば絶縁体チューブを架け渡し、この内部にアンテナプローブを挿入して、電子密度を求める手法が記載されている。しかしながらこの文献1においても、絶縁体チューブの先端は開放されているので、上述の問題が発生し、本発明の課題を解決することはできない。
By the way,
本発明はこのような事情のもとになされたものであり、その目的は、プラズマの電子密度を精度良く容易に測定することができる技術を提供することにある。 The present invention has been made under such circumstances, and an object thereof is to provide a technique capable of easily and easily measuring the electron density of plasma.
このため本発明の電子密度測定装置は、その内部にてプラズマが生成されるプラズマ生成室内におけるプラズマの電子密度を測定する電子密度測定装置において、
前記プラズマ生成室の一方側の側壁からプラズマ生成領域を介して他方側の側壁に向かって設けられた誘電体からなる管状部材と、
この管状部材の内部に摺動可能に設けられると共に、その先端から内部導体を露出させて構成されたアンテナ部を備えた同軸ケーブルと、
前記アンテナ部の進行方向の前方側に間隙を介して設けられ、前記管状部材の内部を摺動する導電性部材と、
前記同軸ケーブルを前記管状部材内にて進退移動させる駆動機構と、
前記同軸ケーブルの後端側に接続され、周波数を掃引しながら、高周波を前記アンテナ部に入射させると共に、
この高周波に対応する反射波を前記アンテナ部を介して受信して、高周波の反射率と周波数との関係を求め、この関係から高周波の軸対称モードにおいて高周波がプラズマに共鳴的に吸収される吸収周波数を求める手段と、
前記吸収周波数に基づき、プラズマ中の電子密度を演算する電子密度演算部と、を備えたことを特徴とする。
For this reason, the electron density measuring apparatus of the present invention is an electron density measuring apparatus that measures the electron density of plasma in a plasma generation chamber in which plasma is generated.
A tubular member made of a dielectric material provided from the side wall on one side of the plasma generation chamber toward the side wall on the other side through the plasma generation region;
A coaxial cable provided with an antenna portion that is slidably provided inside the tubular member and is configured to expose the inner conductor from the tip thereof;
A conductive member that is provided on the front side in the traveling direction of the antenna portion via a gap, and that slides inside the tubular member;
A drive mechanism for moving the coaxial cable forward and backward in the tubular member;
While being connected to the rear end side of the coaxial cable and sweeping the frequency, a high frequency is incident on the antenna unit,
The reflected wave corresponding to the high frequency is received through the antenna unit, and the relationship between the high frequency reflectivity and the frequency is obtained, and from this relationship, the high frequency is absorbed in the plasma in a resonant manner in the high frequency axisymmetric mode. Means for determining the frequency;
And an electron density calculator that calculates the electron density in the plasma based on the absorption frequency.
ここで前記同軸ケーブルと管状部材とは連結部材により連結され、前記管状部材の内周に沿った領域において、前記連結部材の周方向における占有割合は、管状部材の外周に沿って発生する高周波の軸対称モードを乱さない程度の大きさであるように構成してもよい。この際前記連結部材は、管状部材の軸方向に伸びる複数の線状部材として構成することができる。 Here, the coaxial cable and the tubular member are connected by a connecting member, and in the region along the inner periphery of the tubular member, the occupation ratio in the circumferential direction of the connecting member is a high-frequency generated along the outer periphery of the tubular member. You may comprise so that it may be a magnitude | size which does not disturb axisymmetric mode. In this case, the connecting member can be configured as a plurality of linear members extending in the axial direction of the tubular member.
さらに本発明では、前記管状部材の内部の複数の測定位置の位置情報と、前記測定位置における電子密度とにより、電子密度分布を求める電子密度分布作成部を備えるようにしてもよい。また前記管状部材は、プラズマ生成室の中央部を通るように設けられていることが好ましく、前記アンテナ部と前記導電性部材との間の間隙は2mm以上20mm以下に設定されることが好ましい。 Furthermore, in this invention, you may make it provide the electron density distribution preparation part which calculates | requires electron density distribution from the positional information on the several measurement position inside the said tubular member, and the electron density in the said measurement position. Further, the tubular member is preferably provided so as to pass through a central portion of the plasma generation chamber, and a gap between the antenna portion and the conductive member is preferably set to 2 mm or more and 20 mm or less.
また本発明の電子密度測定方法は、その内部にてプラズマが生成されるプラズマ生成室内におけるプラズマの電子密度を測定する電子密度測定方法において、
前記プラズマ生成室の一方側の側壁からプラズマ生成領域を介して他方側の側壁に向かって設けられた誘電体からなる管状部材の内部において、その先端から内部導体を露出させて構成されたアンテナ部を備えた同軸ケーブルと、前記アンテナ部の進行方向の前方側に間隙を介して設けられた導電性部材とを摺動させ、前記管状部材内における測定位置に進退移動させる工程と、
前記同軸ケーブルに周波数を掃引しながら、高周波を前記アンテナ部に入射させると共に、この高周波に対応する反射波を前記アンテナ部を介して受信して、高周波の反射率と周波数との関係を求め、この関係から高周波の軸対称モードにおいて高周波がプラズマに共鳴的に吸収される吸収周波数を求める工程と、
前記吸収周波数に基づき、プラズマ中の電子密度を演算する工程と、を含むことを特徴とする。
The electron density measuring method of the present invention is an electron density measuring method for measuring the electron density of plasma in a plasma generating chamber in which plasma is generated.
An antenna portion configured by exposing an inner conductor from a tip of a tubular member made of a dielectric material provided from one side wall of the plasma generation chamber toward the other side wall through a plasma generation region. A step of sliding a coaxial cable provided with a conductive member provided through a gap on the front side in the traveling direction of the antenna unit, and advancing and retracting to a measurement position in the tubular member;
While sweeping the frequency to the coaxial cable, a high frequency is incident on the antenna unit, and a reflected wave corresponding to the high frequency is received through the antenna unit, and a relationship between the high frequency reflectivity and the frequency is obtained. From this relationship, a step of obtaining an absorption frequency at which the high frequency is resonantly absorbed by the plasma in the high frequency axisymmetric mode;
And a step of calculating an electron density in the plasma based on the absorption frequency.
また本発明では、前記管状部材の内部の複数の測定位置の位置情報と、前記測定位置における電子密度とに基づき、プラズマ中の電子密度分布を求める工程とをさらに含むものであってもよい。 Moreover, in this invention, the process of calculating | requiring the electron density distribution in plasma based on the positional information on the several measurement position inside the said tubular member, and the electron density in the said measurement position may be further included.
さらに本発明の記憶媒体は、プラズマ中の電子密度を測定する電子密度測定装置に用いられるコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、前記プログラムは、前記電子密度測定方法を実行するようにステップ群が組まれていることを特徴とする。 Furthermore, the storage medium of the present invention is a storage medium storing a computer program used in an electron density measuring device for measuring electron density in plasma, and the program includes a group of steps for executing the electron density measuring method. It is characterized by being assembled.
本発明によれば、アンテナ部の進行方向の前方側に間隙を介して導電性部材を設けているので、電子密度の測定の際に、アンテナ部に入射された高周波が導電性部材により反射される。これによりアンテナ部の前方側では高周波の進行が導電性部材により抑えられ、アンテナ部の周りに閉じた領域を形成することができる。従ってアンテナ部の周りの高周波は前記閉じた領域で共鳴し、管状部材及び導電性部材の外周に沿って高周波が軸対称モードで伝播していくので、プラズマ吸収プローブと同様の構造とすることができる。このため吸収周波数測定部にて得られる吸収周波数の信頼性が高くなり、プラズマ中の電子密度を高い精度で求めることができる。また同軸ケーブル及び導電性部材を管状部材内にて摺動させているので、測定の際、プラズマ生成室の気密性を維持しながら、高さ位置を揃えた状態で、同軸ケーブルを容易に移動させることができる。このためプラズマ生成状態が安定した状態で、かつ測定位置の高い再現性を確保した状態で電子密度の測定を容易に行うことができる。 According to the present invention, since the conductive member is provided on the front side in the traveling direction of the antenna portion via the gap, the high frequency incident on the antenna portion is reflected by the conductive member when measuring the electron density. The Thereby, the advance of high frequency is suppressed by the conductive member on the front side of the antenna portion, and a closed region can be formed around the antenna portion. Therefore, the high frequency around the antenna portion resonates in the closed region, and the high frequency propagates along the outer circumference of the tubular member and the conductive member in an axially symmetric mode. it can. For this reason, the reliability of the absorption frequency obtained by the absorption frequency measuring unit is increased, and the electron density in the plasma can be obtained with high accuracy. In addition, the coaxial cable and conductive member are slid in the tubular member, so the coaxial cable can be easily moved while maintaining the hermeticity of the plasma generation chamber during measurement. Can be made. For this reason, it is possible to easily measure the electron density in a state where the plasma generation state is stable and high reproducibility of the measurement position is ensured.
以下、本発明の実施の形態について、平面アンテナを用いてプラズマを発生させる方式の電子密度測定装置に本発明を適用した場合を例にして説明する。この装置の構成について簡単に説明すると、図中2は例えば全体が筒体状に気密に構成されると共に接地されたプラズマ生成室(真空チャンバ)であり、その内部には、基板である半導体ウエハW(以下「ウエハW」という)を載置するための載置部である載置台21が設けられている。またプラズマ生成室2の側壁にはガス導入管22が設けられており、このガス導入管22の他端側にはガス供給系23が接続されている。さらにプラズマ生成室2の底部には排気路24を介して真空排気手段25が接続されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described by taking as an example the case where the present invention is applied to an electron density measuring apparatus of a system that generates plasma using a planar antenna. Briefly explaining the configuration of this apparatus,
前記プラズマ生成室2の天井部は開口しており、この開口部は、誘電体により構成された天板26により気密に塞がれていて、この天板26の上部側には、当該天板26と密接するようにアンテナ部3が設けられている。このアンテナ部3は平面アンテナを構成するものであり、蓋体31と、多数のスロットが形成された円板状の平面アンテナ部材(スロット板)32と、これら平面アンテナ部材32と蓋体31との間に設けられた遅相板33と、を備えており、前記平面アンテナ部材32の下面が前記天板26に接続されている。前記蓋体31は接地されている。
The ceiling of the
このように構成されたアンテナ部3は同軸導波管34によりマイクロ波発生装置35に接続され、例えば周波数が2.45GHzあるいは8.3GHzのマイクロ波が供給されるようになっている。この際、同軸導波管34の外側の導波管34Aは蓋体31に接続され、中心導体34Bは遅相板33に形成された開口部を介して平面アンテナ部材32に接続されている。前記平面アンテナ部材32には円偏波を発生させるための多数のスロット対36が周方向に沿って例えば同心円状や渦巻き状に形成されている。
The
またプラズマ生成室2の一の側壁2Aと、この側壁2Aに対向する側壁2Bとの間には、例えば石英やジルコニア等の誘電体より構成された管状部材4が、前記側壁2A,2B同士の間に水平に架け渡されている。この例では、例えば図2に示すように、プラズマ生成室2は平面形状が円形に形成されているので、前記管状部材4はプラズマ生成室2の中央部を通るように、プラズマ生成室2の直径に沿って伸びるように設けられている。ここで前記載置台21のウエハWの載置面の中央部は、プラズマ生成室2の中央部と揃うように設けられていることから、前記管状部材4は載置台21上のウエハWの上方側において、前記ウエハWの直径に沿って伸びるように設けられることになる。
Further, between one side wall 2A of the
この管状部材4は、その内部が後述するアンテナプローブ5が摺動できるように空洞になっており、垂直方向の断面形状は円形であって、図3に示すようにその外径の大きさaは例えば2〜6mm程度、内径の大きさbが例えば1mm程度に設定されている。またこの管状部材4は、一端側の端部が前記一の側壁2Aの内壁に接続されると共に、他端側の端部が前記側壁2Aに対向する側壁2Bの内壁に接続されている。
The
前記アンテナプローブ5は、例えば図3に示すように同軸ケーブル51の先端から内部導体51aを露出させて構成されたアンテナ部52と、このアンテナ部52の先端から前方側に所定の間隙を介して設けられると共に、前記同軸ケーブル51と一体となって前記管状部材4の内部を摺動できるように、例えば銅等により構成された例導電性部材53とを備えている。この導電性部材53は例えば円柱状に構成されており、前記同軸ケーブル51と導電性部材53とは、例えば銅より構成された連結部材54により接続されている。
For example, as shown in FIG. 3, the antenna probe 5 includes an
この連結部材54は、前記同軸ケーブル51と導電性部材53との間に、アンテナ部52から放射される高周波の伝播空間を形成するように設けられており、前記管状部材4の内周に沿った領域において、前記連結部材4の周方向におけるその占有割合は、管状部材4の外周に沿って発生する高周波の軸対称モードを乱さない程度の大きさに設定されている。
The connecting
例えば連結部材54は、管状部材4の軸方向に伸びる複数例えば2本の線状部材により構成され、例えば同軸ケーブルの外部導体51bと、導電性部材53の端部の周縁側とを接続するように例えば30mm程度の大きさに構成されている。またアンテナプローブ5は管状部材4の内部を摺動するので、同軸ケーブル51及び導電性部材53の周囲と、管状部材4の内面との間には、ほとんど隙間が形成されていないか、例えば0.1mm程度以下の僅かな隙間が形成されている。
For example, the connecting
このようにアンテナ部52の前方側に設けられる導電性部材53を導電性材料により構成するのは、後述するように同軸ケーブル51のアンテナ部52からの高周波を当該導電性部材53により反射し、当該導電性部材53の前方側における前記高周波の進行を抑えた状態を形成するためである。なお前記連結部材54は、アンテナ部52からの高周波が軸対称なモードで伝播し、管状部材4を介してプラズマ生成室2内に入射することを阻害しない程度の大きさであればよく、その材質については高周波を反射する材料であっても、透過する材料であってもよい。
Thus, the
ここで管状部材4及びアンテナプローブ5の大きさについては、例えば12インチサイズのウエハWを処理する大きさの真空チャンバ2の電子密度を測定する場合には、管状部材4の外径aは2mm〜6mm、内径bは1mm〜4mm、アンテナプローブ5の同軸ケーブル51の外径は1mm〜4mm、アンテナ部52の長さcは1mm〜10mm、アンテナ部52と導電性部材53との間の距離dは1mm〜10mm、導電性部材53の長さeは20mm〜30mm、導電性部材53の外径は1mm〜4mm程度に設定することが好ましい。
Here, with respect to the sizes of the
前記同軸ケーブル51は駆動機構6により、管状部材4の内部において複数の測定位置に進退移動されるように構成されている。この駆動機構6は、例えば図1中X方向に伸びる基台61と、その内部に設けられたボールネジ機構62と、モータ63とを備えており、同軸ケーブル51の基端(後端)側が駆動部64によりボールネジ機構62により接続され、こうして基台61に沿って移動するように構成されている。駆動機構6のモータ63は後述する制御部8により駆動が制御されるようになっている。また同軸ケーブル51は、側壁部2Aを介して前記管状部材4に挿入されるが、側壁部2Aの挿入部位には、真空チャンバ2内の真空度を維持するためのシール部材27が設けられている。
The
さらに同軸ケーブル51の基端側は、吸収周波数測定部をなすネットワークアナライザ7に接続されている。このネットワークアナライザ7は、前記同軸ケーブル51の後端側に接続され、周波数を掃引しながら、高周波を前記アンテナ部52に入射させると共に、この高周波に対応する反射波を前記アンテナ部52を介して受信して、高周波の反射率と周波数との関係を求め、この関係から高周波の軸対称モードにおいて高周波がプラズマに共鳴的に吸収される吸収周波数を求める手段である。前記高周波の反射率は、アンテナ部52に入射された入射波のパワーとプラズマにより反射されてアンテナ部52に戻ってくる反射波のパワーより、(反射波のパワー)/(入射波のパワー)により求められ、ネットワークアナライザ7では、前記反射率の周波数特性がスペクトル表示される。このスペクトルには、複数のピークが存在するが、これらの内、最も周波数が高い位置のピークが前記高周波の軸対称モードに起因するピークであり、このピークに相当する周波数を吸収周波数として求める。こうしてネットワークアナライザ7より求められた吸収周波数は後述する制御部8に出力されるようになっている。
Further, the proximal end side of the
また前記電子密度測定装置2は制御部8により制御されるように構成されている。この制御部8は例えばコンピュータからなり、CPU、プログラム、メモリを備えている。前記プログラムには制御部8から電子密度測定装置の各部に制御信号を送り、所定の測定工程を進行させるように命令(各ステップ)が組み込まれている。このプログラムは、コンピュータ記憶媒体例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、MO(光磁気ディスク)等の記憶部に格納されて制御部にインストールされる。
The electron
ここで前記プログラムに組み込まれる電子密度測定に関する部位について説明すると、前記ネットワークアナライザ7により求められた吸収周波数に基づき、電子密度を演算する電子密度演算部81、測定位置とこの測定位置に対応する電子密度とを対応付けてテーブルとして格納するデータ取得部82、前記データ取得部82に格納されている測定位置と電子密度とに基づいて電子密度分布を作成する電子密度分布作成部83とを備えている。
Here, the part relating to the electron density measurement incorporated in the program will be described. Based on the absorption frequency obtained by the network analyzer 7, the electron density calculation unit 81 for calculating the electron density, the measurement position, and the electron corresponding to the measurement position A data acquisition unit 82 that stores the density in association with each other as a table, and an electron density
前記電子密度演算部81では、例えば次式により吸収周波数に基づいて電子密度(Ne)を算出する。 In the electron density calculation unit 81, for example, the electron density (Ne) is calculated based on the absorption frequency by the following equation.
Ne[m−3]=A×(fabs[GHz])2
ここでAはアンテナプローブ5の形状や材質によって決定される比例定数であり、fabsは高周波が軸対称なモードで伝播するときの吸収周波数をGHz単位で表した数値である。
Ne [m −3 ] = A × (f abs [GHz]) 2
Here, A is a proportionality constant determined by the shape and material of the antenna probe 5, and fabs is a numerical value representing the absorption frequency when the high frequency propagates in an axially symmetric mode in GHz units.
またアンテナプローブ5の測定位置は、例えば駆動機構6のモータ63の回転数により把握されるようになっており、前記モータ63に制御部8から指令を出力することにより予め設定された複数の測定位置(P1〜Pn)にアンテナ部52の先端が位置するようにアンテナプローブ5が順次移動し、吸収周波数の測定が行われるようになっている。ここで前記測定位置とは、プラズマ生成室2の直径に沿って所定間隔毎に設けられた位置である。既述のようにプラズマ生成室2の直径方向はウエハWの直径方向と揃えられており、例えば前記測定位置は、ウエハWの外縁よりも外側の領域を含むように設定される。さらに電子密度分布作成部83では、縦軸が電子密度、横軸が前記ウエハWの直径方向に選択された測定位置として、電子密度と測定位置との関係をグラフ化することが行われる。
Further, the measurement position of the antenna probe 5 is grasped by, for example, the number of rotations of the motor 63 of the drive mechanism 6, and a plurality of measurement values set in advance by outputting a command from the control unit 8 to the motor 63. The antenna probe 5 is sequentially moved so that the tip of the
続いて本発明の電子密度測定方法について図4及び図5を用いて説明する。先ずプラズマ生成室2の内部を所定の圧力まで真空引きし、処理ガス例えばアルゴンガスをガス供給路21を介して所定の流量で供給して、プラズマ生成室2内を所定のプロセス圧力に維持する。一方マイクロ波発生装置35から2.45GHzの高周波(マイクロ波)を供給すると、このマイクロ波は、TMモード或いはTEモード或いはTEMモードで同軸導波管34内を伝搬してアンテナ部3の平面アンテナ部材32に到達し、同軸導波管の内部導体34Bを介して、平面アンテナ部材32の中心部から周縁領域に向けて放射状に伝搬される間に、スロット対36からマイクロ波が天板26を介して下方側のプラズマ生成室2に向けて放出される。そしてこのマイクロ波のエネルギーにより、プラズマ生成室2内に高密度なプラズマが励起される。このときアンテナプローブ5は、そのアンテナ部52の先端をアンテナプローブ5が挿入される側壁部2Aから最も近い測定位置P1に位置させておく(ステップS1)。
Then, the electron density measuring method of this invention is demonstrated using FIG.4 and FIG.5. First, the inside of the
そしてプラズマが安定した後、アンテナプローブ5にネットワークアナライザ7から電力を供給し、ネットワークアナライザ7により、当該測定位置P1における吸収周波数を求める。つまりネットワークアナライザ7では、既述のようにアンテナプローブ5に、周波数掃印しながら例えば10mW程度の微小な電力を供給する。このようにするとアンテナ部52に高周波(入射波)が入射され、この高周波は誘電体により構成された管状部材4を介してプラズマに向けて入射される。そしてプラズマにより反射された反射波は管状部材4を介してアンテナ部52に至り、ネットワークアナライザ7によりそのパワーが測定される。こうしてネットワークアナライザ7では、前記反射率の周波数特性がスペクトルとして表示され、高周波が軸対称に伝播するモードにおける周波数を吸収周波数として求める(ステップS2)。
After the plasma is stabilized, power is supplied to the antenna probe 5 from the network analyzer 7 and the network analyzer 7 obtains the absorption frequency at the measurement position P1. In other words, as described above, the network analyzer 7 supplies the antenna probe 5 with a minute electric power of, for example, about 10 mW while sweeping the frequency. If it does in this way, a high frequency (incident wave) will inject into the
次いで制御部8では電子密度演算部81において、求められた吸収周波数に基づき、上述の理論式から電子密度を演算し(ステップS3)、こうして演算された電子密度を、測定位置と対応付けてデータ取得部82に格納する。次いでアンテナプローブ5を次の測定位置P2に移動させて(図5参照)、吸収周波数の測定→電子密度の演算を行い、全ての測定位置における電子密度を求めた後、電子密度分布作成部83により、電子密度分布を作成する(ステップS4)。 Next, the control unit 8 calculates the electron density from the above theoretical formula based on the obtained absorption frequency in the electron density calculation unit 81 (step S3), and associates the calculated electron density with the measurement position as data. Store in the acquisition unit 82. Next, the antenna probe 5 is moved to the next measurement position P2 (see FIG. 5), the absorption frequency is measured, the electron density is calculated, and the electron density at all measurement positions is obtained. Thus, an electron density distribution is created (step S4).
このような手法では、精度の高い電子密度の測定を容易に行うことができる。高い精度で電子密度の測定を行うことができるのは、後述の実施例より明らかなように吸収周波数を正確に求めることができるからである。この理由について説明すると、本発明のアンテナプローブ5では、アンテナ部52の移動方向の前方側に導電性部材53を設けており、測定時におけるアンテナ部5と導電性部材53との間隙を一定にしているので、図8に示すプラズマ吸収プローブ1と物理的に同じ構造と考えることができる。
With such a method, it is possible to easily measure the electron density with high accuracy. The reason why the electron density can be measured with high accuracy is that the absorption frequency can be accurately obtained as will be apparent from the examples described later. The reason for this will be described. In the antenna probe 5 of the present invention, the
つまりプラズマ吸収プローブ1とアンテナプローブ5とを図6において比較すると、アンテナプローブ5ではアンテナ部52の前方側には間隙を介して導電性部材53が設けられており、アンテナ部52からの高周波は導電性部材53により反射され、導電性部材5の前方側までは進行しないので、前記高周波から見ると、プラズマ吸収プローブ1と同様に先端が閉じられた状態となり、当該プローブ1の場合と同様に、プローブ先端の距離dが求められる。
That is, when the
ここでプラズマ吸収プローブ1にて観測される吸収周波数は、プローブ1の頭部に表面波の定在波が共鳴的に励起される周波数に対応しており、プローブ1頭部の距離をd1とすると、λ=2d1の条件を満たすときに共鳴が起こる。また前記表面波の定在波は、アンテナ11aから高周波が放射されたときに、石英管1の外表面と外のプラズマ雰囲気との界面に立つ。
Here, the absorption frequency observed by the
一方アンテナプローブ5ではアンテナ部52の前方側に間隙を介して導電性部材53を設けることにより、アンテナ部の周りに閉じた領域が形成され、ここで高周波が共鳴するので、プローブ1頭部の距離d1に相当する距離dが求められ、アンテナ部52から高周波が放射されると、管状部材4及び導電性部材53の外表面と外のプラズマ雰囲気との界面に表面波の定在波が立つことから、プラズマ吸収プローブ1と同様の構造と考えることができる。
On the other hand, in the antenna probe 5, by providing the
またアンテナプローブ5のアンテナ部52の周囲は、前記距離dが10mm程度の狭い領域であるので、軸対称のモードの高周波が伝播し、後述の実施例からも明らかなように、ネットワークアナライザ7により得られる反射率のスペクトルから、軸対称のモードにおける吸収周波数を求めることができる。この吸収周波数は、プラズマ吸収プローブ1において理論式により求められる吸収周波数と合致する信頼性の高いものであるので、この吸収周波数に基づいて算出される電子密度も高い精度のデータとなる。
Further, since the distance d around the
ここで後述の実施例により明らかなように、前記アンテナプローブ5頭部の距離dの長さを変えることで、反射率のスペクトルにおけるピークの位置やピークの大きさが変化する。これにより前記距離dの長さを調節することによって、軸対称モードに起因するピークの大きさが適切なスペルトルを得ることができ、吸収周波数のS/N比を改善して、より信頼性の高い吸収周波数を求めることができる。但し前記アンテナ部52と導電性部材53との間の距離dは、あまり長いとアンテナ部52からの高周波の軸対称のモードで伝播せず、また短すぎると受信する信号が小さくなるため、2mm以上20mm以下に設定することが好ましい。
Here, as will be apparent from the examples described later, by changing the length of the distance d of the head of the antenna probe 5, the peak position and peak size in the reflectance spectrum change. Thus, by adjusting the length of the distance d, it is possible to obtain a spectrum having an appropriate peak size due to the axially symmetric mode, improving the S / N ratio of the absorption frequency, and more reliable. A high absorption frequency can be obtained. However, if the distance d between the
また測定の際には、アンテナプローブ5を管状部材4の内部において摺動させて、予め決定された測定位置に位置させているので、プラズマ生成室2の気密性を維持した状態でアンテナプローブ5を移動させることができ、安定したプラズマ生成状態を確保したまま電子密度の測定を行うことができる。また例えば管状部材4をプラズマ生成室2において水平に設けることにより、アンテナプローブ5を管状部材4の内部において摺動させるだけで、アンテナプローブ5を高さを揃えた状態で移動できる。従って測定位置の良好な再現性が確保しやすく、これにより安定した位置精度で電子密度の測定を行うことができ、信頼性の高い電子密度分布の作成が容易となる。さらに精度の高い電子密度分布が作成できることから、これに基づいて装置の設計や立ち上げを行うにあたり、プラズマ状態の解析や装置の調整が容易となる。
In the measurement, the antenna probe 5 is slid inside the
ここで前記管状部材4は、プラズマ生成室4の中央部を通るように設けられているので、この手法により得られる電子密度分布はプラズマ生成室4の直径方向の電子密度分布となるが、プラズマ生成室2内において、どの径方向においてもほぼ同じ電子密度分布を有すると考えられるので、前記一径方向の電子密度分布を求めることにより、プラズマ生成室4のどの径方向の電子密度分布にも当てはめることができる。
Here, since the
また上述の例では同軸ケーブル51と導電性部材53とを連結部材54において連結しているので、移動の際に、同軸ケーブル51と導電性部材53との間の間隙が変化することなく、常にアンテナプローブ5の頭部の距離dが一定した状態で測定を行うことができ、この点からも精度の高い電子密度の測定を容易に行うことができる。
In the above example, since the
(実験例)
以下に本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。以下の実験においては、図1に示す電子密度測定装置を用い、アンテナプローブ5の頭部の距離dを変えて、ネットワークアナライザ7により、前記反射率の周波数特性を求めた。
(Experimental example)
Examples carried out to confirm the effects of the present invention will be described below. In the following experiment, the frequency characteristic of the reflectance was obtained by the network analyzer 7 by changing the distance d of the head of the antenna probe 5 using the electron density measuring apparatus shown in FIG.
ここでアンテナプローブ5の形状は、管状部材4の外径aは3mm、内径bは2mm、アンテナプローブ5の同軸ケーブルの外径は0.9mm、アンテナ部52の長さcは3mm、導電性部材53の長さeは30mm、導電性部材53の外径は0.9mm、連結部材54の幅を0.1mm、アンテナ部52の頭部の距離dを3mmとして、管状部材4を石英、導電性部材53を銅、連結部材54を銅より構成したものを用いた(実施例1)。またアンテナ部52の頭部の距離dを6mmとし、その他は実施例1と同様のアンテナプローブ5を用いた場合(実施例2)、導電性部材53を用いず、その他は実施例1と同様のアンテナプローブを用いた場合(比較例1)についても同様の実験を行った。
Here, the shape of the antenna probe 5 is such that the outer diameter a of the
この結果を図7に、実施例1については実線、実施例2については一点鎖線、比較例1については点線により夫々示す。図7中、縦軸は反射率、横軸は掃印周波数である。この結果、実施例1及び実施例2については、軸対称のモードに起因する吸収周波数のピークが認められ、この吸収周波数はプラズマ吸収プローブ1を用いた理論式により求められる吸収周波数と合致することが確認された。これにより本発明のアンテナプローブ5を用いて得られる吸収周波数は信頼性が高いことが理解される。なお実施例1については第1ピーク及び第2のピーク、実施例2については第1〜第3の3個のピークが認められたが、これらの内の最も周波数が高い位置にあるピークが高周波の軸対称の伝播モードに起因するものであり、夫々第1のピークが前記軸対称の伝播モードに起因するピークである。
The results are shown in FIG. 7 as solid lines for Example 1, dashed lines for Example 2, and dotted lines for Comparative Example 1. In FIG. 7, the vertical axis represents the reflectance, and the horizontal axis represents the sweep frequency. As a result, for Example 1 and Example 2, a peak of the absorption frequency due to the axially symmetric mode is recognized, and this absorption frequency matches the absorption frequency obtained by the theoretical formula using the
また前記距離dを変えることにより、軸対称モードにおける吸収周波数や、そのピークの大きさが異なることが認められ、前記距離dを調節することにより、スペクトルのピーク位置や大きさを調整でき、吸収周波数のS/N比を改善できることが理解される。 Further, it is recognized that the absorption frequency in the axially symmetric mode and the peak size thereof are different by changing the distance d, and the peak position and size of the spectrum can be adjusted by adjusting the distance d, and the absorption It is understood that the S / N ratio of the frequency can be improved.
さらに距離dの小さい実施例1では、実施例2に比べて吸収周波数のピークが大きく、距離dが非常に長い比較例1では軸対称のモードに起因するピークが見られないことから、距離dが長くなるとアンテナ部52から放射される高周波は軸対称のモードでは伝播しにくくなり、導電性部材53を設けない場合には、高周波は軸対称のモードでは伝播できないことが認められる。
Further, in Example 1 where the distance d is small, the peak of the absorption frequency is larger than that in Example 2, and in Comparative Example 1 where the distance d is very long, no peak due to the axially symmetric mode is seen. When the length becomes longer, the high frequency radiated from the
以上において本発明では、測定位置において同軸ケーブル51と導電性部材53との間の間隙が一定であればよいので、同軸ケーブル51と導電性部材53とを連結部材54にて連結せずに、互いに独立して管状部材4の内部を移動させるようにしてもよい。また管状部材4の両端側は、必ずしもプラズマ生成室2の側壁部に接続され、これにより閉じられている必要はないし、管状部材4の先端側(同軸ケーブル5の挿入部と対向する側)は前記側壁部の手前で閉じられていてもよい。さらに本発明の電子密度測定装置は、例えば平行平板方式にてプラズマを発生させる等の他の方式にてプラズマ生成される装置にも適用できる。
In the present invention, since the gap between the
2 プラズマ生成室
4 管状部材
5 アンテナプローブ
51 同軸ケーブル
52 アンテナ部
53 導電性部材
54 連結部材
6 駆動機構
7 ネットワークアナライザ
8 制御部
81 電子密度演算部
82 データ取得部
83 電子密度分布作成部
2
Claims (9)
前記プラズマ生成室の一方側の側壁からプラズマ生成領域を介して他方側の側壁に向かって設けられた誘電体からなる管状部材と、
この管状部材の内部に摺動可能に設けられると共に、その先端から内部導体を露出させて構成されたアンテナ部を備えた同軸ケーブルと、
前記アンテナ部の進行方向の前方側に間隙を介して設けられ、前記管状部材の内部を摺動する導電性部材と、
前記同軸ケーブルを前記管状部材内にて進退移動させる駆動機構と、
前記同軸ケーブルの後端側に接続され、周波数を掃引しながら、高周波を前記アンテナ部に入射させると共に、
この高周波に対応する反射波を前記アンテナ部を介して受信して、高周波の反射率と周波数との関係を求め、この関係から高周波の軸対称モードにおいて高周波がプラズマに共鳴的に吸収される吸収周波数を求める手段と、
前記吸収周波数に基づき、プラズマ中の電子密度を演算する電子密度演算部と、を備えたことを特徴とするプラズマ中の電子密度測定装置。 In an electron density measurement device that measures the electron density of plasma in a plasma generation chamber in which plasma is generated,
A tubular member made of a dielectric material provided from the side wall on one side of the plasma generation chamber toward the side wall on the other side through the plasma generation region;
A coaxial cable provided with an antenna portion that is slidably provided inside the tubular member and is configured to expose the inner conductor from the tip thereof;
A conductive member that is provided on the front side in the traveling direction of the antenna portion via a gap, and that slides inside the tubular member;
A drive mechanism for moving the coaxial cable forward and backward in the tubular member;
While being connected to the rear end side of the coaxial cable and sweeping the frequency, a high frequency is incident on the antenna unit,
The reflected wave corresponding to the high frequency is received through the antenna unit, and the relationship between the high frequency reflectivity and the frequency is obtained, and from this relationship, the high frequency is absorbed in the plasma in a resonant manner in the high frequency axisymmetric mode. Means for determining the frequency;
An apparatus for measuring electron density in plasma, comprising: an electron density calculator for calculating electron density in plasma based on the absorption frequency.
前記プラズマ生成室の一方側の側壁からプラズマ生成領域を介して他方側の側壁に向かって設けられた誘電体からなる管状部材の内部において、その先端から内部導体を露出させて構成されたアンテナ部を備えた同軸ケーブルと、前記アンテナ部の進行方向の前方側に間隙を介して設けられた導電性部材とを摺動させ、前記管状部材内における測定位置に進退移動させる工程と、
前記同軸ケーブルに周波数を掃引しながら、高周波を前記アンテナ部に入射させると共に、この高周波に対応する反射波を前記アンテナ部を介して受信して、高周波の反射率と周波数との関係を求め、この関係から高周波の軸対称モードにおいて高周波がプラズマに共鳴的に吸収される吸収周波数を求める工程と、
前記吸収周波数に基づき、プラズマ中の電子密度を演算する工程と、を含むことを特徴とする電子密度測定方法。 In an electron density measurement method for measuring the electron density of plasma in a plasma generation chamber in which plasma is generated,
An antenna portion configured by exposing an inner conductor from a tip of a tubular member made of a dielectric material provided from one side wall of the plasma generation chamber toward the other side wall through a plasma generation region. A step of sliding a coaxial cable provided with a conductive member provided through a gap on the front side in the traveling direction of the antenna unit, and advancing and retracting to a measurement position in the tubular member;
While sweeping the frequency to the coaxial cable, a high frequency is incident on the antenna unit, and a reflected wave corresponding to the high frequency is received through the antenna unit, and a relationship between the high frequency reflectivity and the frequency is obtained. From this relationship, a step of obtaining an absorption frequency at which the high frequency is resonantly absorbed by the plasma in the high frequency axisymmetric mode;
Calculating the electron density in the plasma based on the absorption frequency.
前記プログラムは、請求項7又は請求項8に記載された電子密度測定方法を実行するようにステップ群が組まれていることを特徴とする記憶媒体。 A storage medium storing a computer program used in an electron density measuring device for measuring electron density in plasma,
A storage medium, wherein the program has a set of steps so as to execute the electron density measurement method according to claim 7 or claim 8.
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JP2007256974A JP2009087790A (en) | 2007-09-29 | 2007-09-29 | Device and method for measuring electron density, and storage medium |
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TWI397694B (en) * | 2009-07-10 | 2013-06-01 | Coaxial-cable probe structure | |
KR20210022522A (en) | 2018-06-29 | 2021-03-03 | 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 | Plasma processing device, plasma state detection method, and plasma state detection program |
CN112530229A (en) * | 2020-12-30 | 2021-03-19 | 哈尔滨工业大学 | Space plasma parameter diagnosis device based on four-degree-of-freedom motion mechanism |
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2007
- 2007-09-29 JP JP2007256974A patent/JP2009087790A/en active Pending
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