JP2010123417A - プラズマ密度測定子、プラズマ密度測定装置、プラズマ処理装置、およびプラズマ密度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を容易に行うことができるプラズマ密度測定子、プラズマ密度測定装置、プラズマ処理装置、およびプラズマ密度測定方法を提供する。
【解決手段】一端が閉塞された筒状を呈する管部と、前記管部の内部であって、前記閉塞された端部の側に設けられた高周波信号の送受信を行う送受信部と、前記管部の内部に設けられ、前記送受信部と電気的に接続された伝送部と、前記伝送部と前記管部の内壁との間に設けられ、前記管部の軸方向長さ寸法よりも短い長さ寸法を有し、高周波エネルギーを吸収する第１の吸収体と、前記管部の外周面に設けられ、前記管部の軸方向長さ寸法よりも短い長さ寸法を有し、高周波エネルギーを吸収する第２の吸収体と、を備えたことを特徴とするプラズマ密度測定子が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ密度測定子、プラズマ密度測定装置、プラズマ処理装置、およびプラズマ密度測定方法に関する。

プラズマを利用したドライプロセスは、半導体装置の製造、金属部品の表面硬化、プラスチック部品の表面活性化、無薬剤殺菌など、幅広い技術分野において活用されている。例えば、半導体装置や液晶ディスプレイなどの製造に際しては、アッシング、ドライエッチング、薄膜堆積あるいは表面改質などの各種のプラズマ処理が行われている。プラズマを利用したドライプロセスは、低コストで、高速であり、薬剤を用いないために環境汚染を低減できる点でも有利である。

ここで、プラズマ処理装置においてプラズマを発生させた場合、発生させたプラズマの状態が必ずしも一定とはならない場合がある。そのため、プラズマ処理の適切な制御を行うために、発生させたプラズマを観測することが重要となってきている。そして、発生させたプラズマを観測する場合、プラズマ密度は最も基本的な物理量であり、プラズマの状態を知るための重要な要素となる。

そのため、プラズマ密度を測定するための測定子や測定装置などが提案されている（特許文献１、２を参照）。
特許文献１、２に開示がされた技術によれば、表面波共振を生ずる共振周波数を求め、その周波数からプラズマ密度を算出するようにしている。しかしながら、特許文献１、２に開示がされた技術においては、実際の測定において生ずる表面波共振以外の共振についての考慮がされていなかった。この場合、表面波共振とプラズマ密度とには相関関係が有るが、表面波共振以外の共振とプラズマ密度とには相関関係がない。そのため、表面波共振以外の共振を表面波共振と誤信した場合には、測定精度が著しく悪くなるおそれがある。
特開２０００−１００５９９号公報 特開２００５−１３５７４６号公報

本発明は、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を容易に行うことができるプラズマ密度測定子、プラズマ密度測定装置、プラズマ処理装置、およびプラズマ密度測定方法を提供する。

本発明の一態様によれば、一端が閉塞された筒状を呈する管部と、前記管部の内部であって、前記閉塞された端部の側に設けられた高周波信号の送受信を行う送受信部と、前記管部の内部に設けられ、前記送受信部と電気的に接続された伝送部と、前記伝送部と前記管部の内壁との間に設けられ、前記管部の軸方向長さ寸法よりも短い長さ寸法を有し、高周波エネルギーを吸収する第１の吸収体と、前記管部の外周面に設けられ、前記管部の軸方向長さ寸法よりも短い長さ寸法を有し、高周波エネルギーを吸収する第２の吸収体と、を備えたことを特徴とするプラズマ密度測定子が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、上記のプラズマ密度測定子と、前記プラズマ密度測定子に高周波信号を供給する発振部と、前記プラズマ密度測定子により受信されたプラズマからの反射波信号に対して、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を行い、前記表面波共振における共振周波数を導出する表面波共振導出部と、前記共振周波数からプラズマ密度を演算するプラズマ密度演算部と、を備えたことを特徴とするプラズマ密度測定装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、上記のプラズマ密度測定装置と、減圧雰囲気を維持可能な処理容器と、前記処理容器の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、を備え、前記プラズマ密度測定装置に設けられたプラズマ密度測定子の少なくとも先端が前記処理容器の内部に挿入されていること、を特徴とするプラズマ処理装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、プラズマに対して高周波信号を発信し、前記プラズマからの反射波信号を受信し、前記反射波信号に対して、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を行い、前記表面波共振における共振周波数を導出し、前記共振周波数からプラズマ密度を演算すること、を特徴とするプラズマ密度測定方法が提供される。

本発明によれば、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を容易に行うことができるプラズマ密度測定子、プラズマ密度測定装置、プラズマ処理装置、およびプラズマ密度測定方法が提供される。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について例示をする。尚、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本実施の形態に係るプラズマ密度測定子を例示するための模式断面図である。
また、図２は、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
図１、図２に示すように、プラズマ密度測定子１は、管部２、伝送部３、送受信部４、第１の吸収体５、第２の吸収体６を備えている。

管部２は、一端が閉塞された筒状を呈し、他端は開口されている。管部２は、その内部に設けられた伝送部３や送受信部４などをプラズマから保護する。また、伝送部３や送受信部４などから発生した異物がプラズマが生成される空間に侵入することを抑止する。また、送受信部４から送信される測定用の高周波信号を透過させるとともに、プラズマからの反射波信号を透過させて送受信部４に受信させることができるようになっている。そのため、例えば、管部２を誘電体材料から形成されるものとすることができる。誘電体材料としては特に限定されないが、例えば、石英（ＳｉＯ_２）やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などを例示することができる。この場合、処理ガスとしてフッ素を含むガス（例えば、ＣＦ_４やＮＦ_３など）を用いることを考慮すれば、耐フッ素プラズマ性の高い材料とすることが好ましい。そのようなものとしては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、サファイア、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム、酸化イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ；Yttrium Aluminum Garnet）などを例示することができる。この様な材料を用いるものとすれば、反応性が高いフッ素プラズマ生成物により管部２がエッチングされるのを抑制することができる。ただし、例示をした材料に限定されるわけではなく適宜変更することができる。

管部２の内部には、伝送部３が挿通するようにして設けられている。また、管部２の閉塞端側における伝送部３の端部には送受信部４が設けられている。すなわち、管部２の内部であって、閉塞された端部の側に設けられた高周波信号の送受信を行う送受信部４と、管部２の内部に設けられ送受信部４と電気的に接続された伝送部３（芯体部３ａ）と、が設けられている。また、管部２の開口からは伝送部３が延出している。

図２に示すように、伝送部３には、芯体部３ａ、絶縁部３ｂ、遮蔽部３ｃが設けられている。芯体部３ａは、伝送部３の略中心に設けられ、測定用の高周波信号とプラズマからの反射波信号を伝送する。そのため、芯体部３ａは導電性材料で形成されている。芯体部３ａを形成する導電性材料としては特に限定されないが、電気抵抗の低いものが好ましい。例えば、銅などの金属材料とすることができる。絶縁部３ｂは、芯体部３ａを覆うようにして設けられ、芯体部３ａと遮蔽部３ｃとの間を電気的に絶縁する。そのため、絶縁部３ｂは絶縁性材料で形成されている。絶縁部３ｂを形成する絶縁材料としては、例えば、ポリエチレンやフッ素系樹脂などの樹脂材料、セラミックスなどの無機材料などを例示することができる。遮蔽部３ｃは、絶縁部３ｂを覆うように設けられ、電磁的な遮蔽を行うことで測定用の高周波信号や反射波信号にノイズが混入することを抑制する。そのため、遮蔽部３ｃは銅などの導電性材料で形成されている。

送受信部４は、伝送部３の芯体部３ａと電気的に接続されている。送受信部４は導電性材料で形成され、例えば、芯体部３ａと同じ材料で形成されるようにすることができる。なお、図１に例示をしたものの場合には、伝送部３の端面から芯体部３ａを延出させ、延出させた部分を送受信部４としている。送受信部４の形状は信号の送受信をすることができる形状であればよく、例えば、図１に例示をした直線状とすることもできるし、ループ状などとすることもできる。

第１の吸収体５は、管部２の内壁と伝送部３との間に設けられている。また、第２の吸収体６は、管部２の外周を覆うように設けられている。第１の吸収体５と第２の吸収体６は、高周波エネルギーを吸収することで表面波共振以外の共振を抑制するために設けられている。また、第１の吸収体５は、管部２の内部に伝送部３を保持する役割をも有している。すなわち、管部２の内部に設けられ、送受信部４と電気的に接続された伝送部３（芯体部３ａ）と、伝送部３と管部２の内壁との間に設けられ、管部２の軸方向長さ寸法よりも短い長さ寸法を有し、高周波エネルギーを吸収する第１の吸収体５と、管部２の外周面に設けられ、管部２の軸方向長さ寸法よりも短い長さ寸法を有し、高周波エネルギーを吸収する第２の吸収体６と、が設けられている。
また、第１の吸収体５と、第２の吸収体６と、は、表面波共振における電界強度の高い部分を避けて設けられている。なお、第１の吸収体５と、第２の吸収体６に関しての詳細は後述する。

また、プラズマ密度測定子１には、設置対象物（例えば、図８に例示をするようなプラズマ処理装置１００など）に取り付けるための取付部７や、設置対象物への挿入寸法を調整する図示しない調整手段などを適宜設けるようにすることもできる。

次に、表面波共振以外の共振を抑制することに関して例示をする。
図３は、比較例に係るプラズマ密度測定子を例示するための模式断面図である。
図３に示すように、比較例に係るプラズマ密度測定子２１は、管部２、伝送部３、送受信部４、保持体２５、取付部７を備えている。
保持体２５は、管部２の内壁と伝送部３との間に設けられている。保持体２５は、管部２の内部に伝送部３を保持するために設けられている。
この様なプラズマ密度測定子２１を用いてプラズマ密度の測定を行った場合には、複数の共振点が現れる。

図４は、比較例に係るプラズマ密度測定子２１の場合における共振の様子を例示するためのグラフ図である。なお、横軸はマイクロ波の周波数を表し、縦軸はマイクロ波の反射係数Γの絶対値を表している。
図５は、図４の各共振点における電界強度分布を表す図である。なお、電界強度分布は、モノトーン色の濃淡で表し、電界強度が高い程濃く、低いほど淡くなるように表示している。なお、図４、図５は、シミュレーションにより求められたものであり、その条件は以下の通りとした。
管部２の材料は石英（ＳｉＯ_２）とし、誘電率を３．８とした。また、管部２の外径寸法を６ｍｍ、内径寸法を４ｍｍとした。また、芯体部３ａの外径寸法を０．４ｍｍ、遮蔽部３ｃの外径寸法を２．２ｍｍ、内径寸法を２．０ｍｍとした。また、絶縁部３ｂの材料をフッ素系樹脂とし、その誘電率を２．１とした。また、伝送部３の端面から送受信部４が延出する寸法を３．０ｍｍとし、送受信部４の端面から管部２の端部内壁までの寸法を０．５ｍｍとした。また、管部２の内壁と伝送部３の外周との間に形成される空間は空気（誘電率１．０）で満たされているものとした。

この様な条件のもとにシミュレーションを行ったところ、図４に示すように、特定の周波数においてマイクロ波の反射係数Γの絶対値が低下した。これは共振が生じたためである。すなわち、共振が生ずるとマイクロ波が吸収され反射量が少なくなるので、反射係数Γの絶対値が低下するからである。そのため、マイクロ波の反射係数Γの絶対値の低下から共振点（共振周波数）を知ることができる。

ここで、共振には表面波共振と表面波共振以外の共振とがある。表面波共振以外の共振としては、例えば、定在波による共振がある。表面波共振とプラズマ密度とには相関関係が有るので、表面波共振の共振周波数がわかればプラズマ密度を算出することができる。一方、表面波共振以外の共振は、プラズマ密度の他にもプラズマ密度測定子の形状や寸法、設置対象物（例えば、プラズマ処理装置１００など）への挿入長さなどの影響を受ける。そのため、表面波共振以外の共振とプラズマ密度とには相関関係があるとはいえない。
そして、表面波共振と表面波共振以外の共振とを判別することは困難な場合が多い。そのため、表面波共振以外の共振を表面波共振と誤信してプラズマ密度を算出すると測定精度が著しく悪くなるおそれがある。

本発明者は検討の結果、表面波共振と表面波共振以外の共振とでは、電界強度分布が異なることを見出した。
図５（ａ）に示すものは、図４における「Ｂ」の共振の場合の電界強度分布である。また、図５（ｂ）に示すものは、図４における「Ｃ」の共振の場合の電界強度分布である。この場合、図５（ａ）に示すものが表面波共振の場合、図５（ｂ）に示すものが表面波共振以外の共振の場合である。

ここで、図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すると、図５（ａ）に示す表面波共振の場合には、電界強度の高い部分が先端側に集中していることがわかる。一方、図５（ｂ）に示す表面波共振以外の共振の場合には、電界強度の高い部分が比較的広い範囲におよんでいることがわかる。

そのため、表面波共振の場合における電界強度の高い部分を避けてマイクロ波エネルギー（高周波エネルギー）を吸収する吸収体を設けるようにすれば、表面波共振に与える影響を抑制しつつ表面波共振以外の共振を減衰させることができるとの知見を得た。

図６は、本実施の形態に係るプラズマ密度測定子１の場合における電界強度分布を例示するための図である。なお、電界強度分布は、モノトーン色の濃淡で表し、電界強度が高い程濃く、低いほど淡くなるように表示している。また、図６は、シミュレーションにより求められたものであり、その条件は以下の通りとした。
管部２の材料は石英（ＳｉＯ_２）とし、誘電率を３．８とした。また、管部２の外径寸法を６ｍｍ、内径寸法を４ｍｍとした。また、芯体部３ａの外径寸法を０．４ｍｍ、遮蔽部３ｃの外径寸法を２．２ｍｍ、内径寸法を２．０ｍｍとした。また、絶縁部３ｂの材料をフッ素系樹脂とし、その誘電率を２．１とした。また、伝送部３の端面から送受信部４が延出する寸法を３．０ｍｍとし、送受信部４の端面から管部２の端部内壁までの寸法を０．５ｍｍとした。また、伝送部３の先端側において、管部２の内壁と伝送部３の外周との間に形成される空間は空気（誘電率１．０）で満たされているものとした。

第１の吸収体５、第２の吸収体６の材料は、シリコン（Ｓｉ）とし、誘電率を１０、比抵抗を９０Ωｃｍとした。また、第２の吸収体６の肉厚寸法ｄを１５ｍｍ、第１の吸収体５、第２の吸収体６の端面から伝送部３の端面までの寸法Ｓを５ｍｍとした。

図６に示すように、第１の吸収体５、第２の吸収体６が設けられている部分においては、マイクロ波エネルギー（高周波エネルギー）が吸収されるので、電界強度が低くなる。この場合、第１の吸収体５、第２の吸収体６は表面波共振の場合における電界強度の高い部分を避けて設けられているので、表面波共振に与える影響を抑制しつつ表面波共振以外の共振を減衰させることができる。

図７は、本実施の形態に係るプラズマ密度測定子１の場合における共振の様子を例示するためのグラフ図である。なお、横軸はマイクロ波の周波数を表し、縦軸はマイクロ波の反射係数Γの絶対値を表している。
図７に示す場合においても、複数の共振点が現れる。しかしながら、表面波共振以外の共振を大幅に減衰させることができるので、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を容易に行うことができるようになる。そのため、表面波共振以外の共振を表面波共振と誤信することを少なくすることができるので、プラズマ密度の測定精度を向上させることができる。

次に、第１の吸収体５、第２の吸収体６についてさらに例示をする。
第１の吸収体５、第２の吸収体６の材料としては、誘電正接（ｔａｎσ）が１に近いものとすることが好ましい。この場合、誘電正接（ｔａｎσ）が大きすぎればマイクロ波（高周波）に対して導電体と同様な効果を生ずるようになる。すなわち、マイクロ波（高周波）が吸収されず反射されてしまうことになり、吸収体としての機能を果たせなくなる。また、誘電正接（ｔａｎσ）が小さすぎればマイクロ波（高周波）に対して誘電体と同様な効果を生ずるようになる。すなわち、マイクロ波が吸収されず透過（一部は反射）されてしまうことになり、吸収体としての機能を果たせなくなる。

ここで、誘電正接（ｔａｎσ）は、以下の（１）式で表すことができる。
ｔａｎσ＝ε１／ε２ ・・・（１）
ここで、ε１は比誘電率の虚数部、ε２は比誘電率の実数部である。
この場合、比誘電率の実数部ε２は材料により決まり変化させることが困難である。比誘電率の実数部ε２の値を例示すれば、例えば、フッ素系樹脂の場合は２程度、ガラスや石英などでは３〜４程度、シリコンやセラミックスなどでは１０〜１５程度である。

一方、比誘電率の虚数部ε１は、以下の（２）式で表すことができる。
ε１＝１／（２π・ｆ・ε・ρ） ・・・（２）
ここで、ｆは周波数、εは真空の誘電率（８．８５×１０^−１２Ｆ／ｍ）、ρは比抵抗である。
そのため、比抵抗ρの値を変化させることで虚数部ε１の値を変化させることができる。そして、虚数部ε１の値を実数部ε２の値に近づけるように変化させることで誘電正接（ｔａｎσ）の値を１に近づけることができる。
すなわち、第１の吸収体５と、第２の吸収体６と、は、材料の比抵抗ρを変化させることで、比誘電率の実数部ε２の値と、虚数部ε１の値とが近接したものとされている。

例えば、周波数ｆが２〜４ＧＨｚの場合には、比抵抗ρを９０Ωｃｍとすれば、（２）式より比誘電率の虚数部ε１を５〜１０とすることができる。そのため、比誘電率の実数部ε２の値が１０程度であるシリコン（Ｓｉ）の場合には、誘電正接（ｔａｎσ）を０．５〜１程度とすることができる。

比抵抗ρの値を変化させる方法としては、添加物の添加や不純物の導入を例示することができる。例えば、比抵抗の低い材料に比抵抗の高い材料（添加物）を添加し、その添加量で比抵抗ρの値を変化させる方法を例示することができる。

また、母材がシリコン（Ｓｉ）の場合には、不純物の導入量を変化させることで非常に広い範囲において比抵抗ρの値を変化させることができる。例えば、不純物の導入量を変化させることで１０^−３〜１０^３Ωｃｍ程度の値に変化させることができる。また、比抵抗ρの値、ひいては誘電正接（ｔａｎσ）の値を正確に決めることもできる。そのため、製造の観点からは、第１の吸収体５、第２の吸収体６の母材をシリコン（Ｓｉ）とすることが好ましい。すなわち、第１の吸収体５、第２の吸収体６をシリコン（Ｓｉ）を含むものとすることが好ましい。

また、半導体製造装置（プラズマ処理装置）にプラズマ密度測定子１を用いる場合には、第１の吸収体５、第２の吸収体６の母材をシリコン（Ｓｉ）とすることが好ましい。そのようにすれば、シリコンウェーハと第１の吸収体５、第２の吸収体６とを同質の材料とすることができるので、第１の吸収体５、第２の吸収体６から微粒子が脱離したとしても、パーティクル汚染が発生するおそれがない。そのため、プラズマ密度測定子１を半導体製造装置（プラズマ処理装置）に用いる場合には、第１の吸収体５、第２の吸収体６の母材をシリコン（Ｓｉ）とすることがより好ましい。

次に、第１の吸収体５、第２の吸収体６を設ける位置について例示をする。
前述したように、第１の吸収体５、第２の吸収体６は、表面波共振の場合における電界強度の高い部分を避けて設けるようにすることが好ましい。
ここで、本発明者の得た知見によれば、第１の吸収体５、第２の吸収体６の端面から伝送部３の端面までの寸法Ｓを、管部２の外径寸法の０．５倍以上、３倍以下とすることが好ましい。管部２の外径寸法の０．５倍未満とすれば、表面波共振も減衰してしまうおそれがあり、管部２の外径寸法の３倍を超えるものとすれば、表面波共振以外の共振の減衰が不充分となるおそれがあるからである。
なお、プラズマ密度測定子１の作用に関しては、後述するプラズマ密度測定装置５０の作用とともに例示をする。

本実施の形態によれば、表面波共振に与える影響を抑制しつつ表面波共振以外の共振を減衰させることができるので、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を容易に行うことができるようになる。そのため、表面波共振以外の共振を表面波共振と誤信することを少なくすることができるので、プラズマ密度の測定精度を向上させることができるようになる。

次に、本実施の形態に係るプラズマ密度測定装置５０、プラズマ処理装置１００について例示をする。
なお、一例として、本実施の形態に係るプラズマ密度測定装置５０を備えたマイクロ波励起型のプラズマ処理装置１００の場合を例に挙げて説明する。
図８は、本実施の形態に係るプラズマ密度測定装置、プラズマ処理装置を例示するための模式断面図である。

図８に示すように、プラズマ処理装置１００には、処理容器１０１と、この処理容器１０１の上面に設けられた平板状の誘電体板からなる導波体（透過窓）１０２と、導波体１０２の外側に設けられた導入導波管１０３と、が設けられている。
導入導波管１０３の一方の端部にはマイクロ波発生手段１０６が設けられ、発生させたマイクロ波Ｍを導入導波管１０３の内部に放射することができるようになっている。また、導入導波管１０３の導波体１０２と当接する部分には、導波体１０２にマイクロ波Ｍを導入するためのスロットアンテナ１０４が設けられている。なお、本実施の形態においては、マイクロ波発生手段１０６、導入導波管１０３、スロットアンテナ１０４などが処理容器１０１の内部にプラズマＰを発生させるプラズマ発生手段となる。また、処理容器１０１の内部には、シリコンウェーハなどの被処理物Ｗを載置、保持するためのステージ１０５が設けられている。

処理容器１０１は、減圧排気系Ｅにより形成される減圧雰囲気を維持可能であり、プラズマＰが発生する空間に処理ガスＧを導入するためのガス導入管１０７が設けられている。処理容器１０１の一方の側壁には、受け渡し口１０８が設けられ、また、ゲートバルブ１０９により受け渡し口１０８が気密に閉鎖可能となっている。

また、プラズマ処理装置１００に設けられた各要素の制御を行う制御部１１０が設けられている。制御部１１０は、プロセス条件の制御やプラズマ処理装置１００に設けられた各要素の動作の制御を行う。また、制御部１１０にはプラズマ密度測定装置５０が電気的に接続され、プラズマ密度測定装置５０により演算されたプラズマ密度に基づいてプロセス条件の制御が行えるようになっている。

例えば、ガス導入管１０７に接続された図示しない制御弁を制御して処理ガスＧの圧力や流量などを制御したり、減圧排気系Ｅに接続された図示しない制御弁を制御して処理容器１０１内の圧力を制御したり、マイクロ波発生手段１０６を制御してマイクロ波出力を制御したりすることで、プロセス条件の制御を行うことができるようになっている。また、プラズマ密度測定装置５０により演算されたプラズマ密度に基づいて、例えば、発生させたプラズマＰのプラズマ密度が安定するようにプロセス条件の制御が行えるようになっている。また、ゲートバルブ１０９やステージ１０５に内蔵された図示しない静電チャックなどの制御を行うことができるようになっている。

プラズマ密度測定装置５０には、前述したプラズマ密度測定子１と、プラズマ密度測定部５１とが設けられている。
プラズマ密度測定子１は、処理容器１０１の側壁を挿通し、管部２の先端をプラズマＰが発生する領域に向けて設けられている。また、プラズマ密度測定子１に設けられた伝送部３の芯体部３ａとプラズマ密度測定部５１とが電気的に接続されている。そのため、プラズマ密度測定子１に設けられた送受信部４とプラズマ密度測定部５１とが芯体部３ａを介して電気的に接続されることになる。

プラズマ密度測定部５１は、フィルタ５２、減衰器５３、方向性結合器５４、表面波共振導出部５５、発振部５６、プラズマ密度演算部５７を備えている。
フィルタ５２は、送受信部４を介して混入するプラズマＰからの高周波信号を除去する。また、減衰器５３は、プラズマ密度測定子１に向けて出力する高周波出力を制御する。方向性結合器５４は、送受信部４を介して入力される反射波を分離し、表面波共振導出部５５に向けて出力する。発振部５６は、測定用の高周波信号を出力することで、プラズマ密度測定子１に高周波信号を供給する。発振部５６から供給される高周波信号としては、例えば、周波数が１００ｋＨｚ〜３ＧＨｚ程度のものを例示することができる。

表面波共振導出部５５は、前述した表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を行い、表面波共振における共振周波数を導出する。すなわち、表面波共振導出部５５は、プラズマ密度測定子１により受信されたプラズマＰからの反射波信号に対して、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を行い、表面波共振における共振周波数を導出する。プラズマ密度演算部５７は、表面波共振導出部５５により導出された表面波共振における共振周波数からプラズマ密度を演算する。

次に、プラズマ密度測定装置５０、プラズマ処理装置１００の作用について例示をする。
まず、プラズマ処理装置１００におけるプラズマ処理に関して例示をする。
図８に示すように、プラズマ処理においては、まず、減圧排気系Ｅによって処理容器１０１内が所定の圧力まで減圧され、処理容器１０１内のプラズマＰが発生する空間に向けて所定の処理ガスＧが導入される。

一方、マイクロ波発生手段１０６から、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波Ｍが導入導波管１０３に導入される。導波管５０を伝搬したマイクロ波Ｍは、スロットアンテナ１０４を介して導波体１０２に導入される。導波体１０２は、石英やアルミナなどの誘電体からなり、マイクロ波Ｍは、表面波として導波体１０２の表面を伝搬し、処理容器１０１内のプラズマＰが発生する空間に向けて放射される。

このようにしてプラズマＰが発生する空間に放射されたマイクロ波Ｍのエネルギーにより、処理ガスＧのプラズマＰが形成される。こうして発生したプラズマＰ中の電子密度が、導波体１０２を透過して導入されるマイクロ波Ｍを遮蔽できる密度（カットオフ密度）以上になると、マイクロ波Ｍは導波体１０２の下面からチャンバ内のプラズマＰが発生する空間に向けて一定距離（スキンデプス）だけ入るまでの間に反射され、マイクロ波Ｍの定在波が形成されるようになる。

すると、マイクロ波Ｍの反射面がプラズマ励起面となって、このプラズマ励起面において安定的にプラズマＰが励起されるようになる。このプラズマ励起面で励起されたプラズマＰ中においては、イオンや電子が処理ガスＧの分子と衝突することにより、励起された原子や分子、遊離原子（ラジカル）などの励起活性種（プラズマ生成物）が生成される。これらのプラズマ生成物が、矢印Ｄで表したように処理容器１０１内を拡散して被処理物Ｗの表面に飛来し、プラズマ処理が行われる。
次に、プラズマ密度測定装置５０の作用に関して例示をする。
まず、発振部５６から測定用の高周波信号が出力される。出力された測定用信号は、方向性結合器５４、減衰器５３、フィルタ５２を介してプラズマ密度測定子１に設けられた芯体部３ａに向けて出力される。芯体部３ａに入力された測定用信号は、送受信部４からプラズマＰに向けて放射（送信）される。プラズマＰに向けて放射された測定用信号は、一部がプラズマＰに吸収されるが大部分は反射されて送受信部４に入射（受信）される。

送受信部４に入射した反射波信号は、芯体部３ａ、フィルタ５２、減衰器５３を介して方向性結合器５４に入力される。方向性結合器５４に入力された反射波信号は、他の信号成分と分離され表面波共振導出部５５に向けて出力される。そして、表面波共振導出部５５に入力された反射波信号の表面波共振の判別が行われ、表面波共振における共振周波数が導出される。導出された共振周波数は、プラズマ密度演算部５７に向けて出力される。プラズマ密度演算部５７に入力された表面波共振における共振周波数からプラズマ密度が演算される。そして、演算されたプラズマ密度に関する情報が制御部１１０に向けて出力される。制御部１１０においては、入力されたプラズマ密度に関する情報に基づいてプロセス条件の適否が判断され、必要に応じてプロセス条件の制御が行われる。

ここで、プラズマ処理としては、シリコンウェーハのエッチング処理やアッシング処理などを例示することができる。ただし、これに限定されるわけではなく、例えば、液晶表示装置の製造におけるパターンのエッチング処理、位相シフトマスクの製造におけるパターンのエッチング処理、太陽電池の製造における反射防止膜のエッチング処理などとすることもできる。また、エッチング処理やアッシング処理のみならず、金属部品の表面硬化処理、プラスチック部品の表面活性化処理、無薬剤殺菌処理など、幅広い技術分野において活用されているプラズマ処理とすることができる。

また、マイクロ波励起型のプラズマ処理装置を例示したが、プラズマの発生方式はマイクロ波励起型に限定されるわけではない。例えば、高周波やヘリコン波などを用いてプラズマを発生させるものであってもよい。
また、図８においては、プラズマ密度測定子１（管部２）の先端がプラズマＰ中に挿入されている場合を例示したが、プラズマ密度測定子１（管部２）の先端は必ずしもプラズマＰ中になくてもよい。なお、プラズマ密度測定装置５０に設けられたプラズマ密度測定子１（管部２）の少なくとも先端が処理容器１０１の内部に挿入されていればよい。

また、演算されたプラズマ密度に関する情報に基づいて、制御部１１０によりプロセス条件の制御を行う場合を例示したが、これに限定されるわけではない。例えば、演算されたプラズマ密度に関する情報を図示しない表示装置に表示させ、作業者が表示された情報に基づいてプロセス条件の制御を行うようにすることもできる。

本実施の形態によれば、前述したプラズマ密度測定子１（第１の吸収体５、第２の吸収体６）の作用により表面波共振に与える影響を抑制しつつ表面波共振以外の共振を減衰させることができるので、表面波共振導出部５５における共振周波数の導出精度を向上させることができる。そのため、プラズマ密度演算部５７において演算されたプラズマ密度に対する信頼性、測定精度を向上させることができる。その結果、精度よくプロセス条件を制御することができるので製造される製品の品質、歩留まり、生産性などを向上させることができる。

次に、本実施の形態に係るプラズマ密度測定方法について例示をする。
本実施の形態に係るプラズマ密度測定方法においては、プラズマＰに対して高周波信号を発信し、プラズマＰからの反射波信号を受信し、反射波信号に対して、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を行い、表面波共振における共振周波数を導出し、導出された共振周波数からプラズマ密度を演算する。この場合、表面波共振の場合における電界強度の高い部分を避けて高周波エネルギーを吸収する吸収体を設けることで表面波共振以外の共振を減衰させた後に、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を行うようにしている。

本実施の形態によれば、表面波共振に与える影響を抑制しつつ表面波共振以外の共振を減衰させることができるので、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を容易に行うことができるようになる。そのため、表面波共振以外の共振を表面波共振と誤信することを少なくすることができるので、プラズマ密度の測定精度を向上させることができるようになる。

以上、本発明の実施の形態について例示をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、プラズマ密度測定装置５０、プラズマ処理装置１００などが備える各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

本実施の形態に係るプラズマ密度測定子を例示するための模式断面図である。 図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。 比較例に係るプラズマ密度測定子を例示するための模式断面図である。 比較例に係るプラズマ密度測定子の場合における共振の様子を例示するためのグラフ図である。 図４の各共振点における電界強度分布を表す図である。 本実施の形態に係るプラズマ密度測定子の場合における電界強度分布を例示するための図である。 本実施の形態に係るプラズマ密度測定子の場合における共振の様子を例示するためのグラフ図である。 本実施の形態に係るプラズマ密度測定装置、プラズマ処理装置を例示するための模式断面図である。

符号の説明

１ プラズマ密度測定子、２ 管部、３ 伝送部、３ａ 芯体部、３ｂ 絶縁部、３ｃ 遮蔽部、４ 送受信部、５ 第１の吸収体、６ 第２の吸収体、５０ プラズマ密度測定装置、５１ プラズマ密度測定部、５２ フィルタ、５３ 減衰器、５４ 方向性結合器、５５ 表面波共振導出部、５６ 発振部、５７ プラズマ密度演算部、１００ プラズマ処理装置、１０１ 処理容器、１０２ 導波体、１０３ 導入導波管、１０４ スロットアンテナ、１０５ ステージ、１０６ マイクロ波発生手段、１０７ ガス導入管、Ｅ 減圧排気系、Ｇ 処理ガス、Ｍ マイクロ波、Ｐ プラズマ、Ｗ 被処理物

Claims (9)

1. 一端が閉塞された筒状を呈する管部と、
   前記管部の内部であって、前記閉塞された端部の側に設けられた高周波信号の送受信を行う送受信部と、
   前記管部の内部に設けられ、前記送受信部と電気的に接続された伝送部と、
   前記伝送部と前記管部の内壁との間に設けられ、前記管部の軸方向長さ寸法よりも短い長さ寸法を有し、高周波エネルギーを吸収する第１の吸収体と、
   前記管部の外周面に設けられ、前記管部の軸方向長さ寸法よりも短い長さ寸法を有し、高周波エネルギーを吸収する第２の吸収体と、
   を備えたことを特徴とするプラズマ密度測定子。
2. 前記第１の吸収体と、前記第２の吸収体と、は、表面波共振における電界強度の高い部分を避けて設けられたこと、を特徴とする請求項１記載のプラズマ密度測定子。
3. 前記第１の吸収体の端面または前記第２の吸収体の端面から前記伝送部の端面までの寸法は、前記管部の外径寸法の０．５倍以上、３倍以下であること、を特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ密度測定子。
4. 前記第１の吸収体と、前記第２の吸収体と、は、材料の比抵抗を変化させることで、比誘電率の実数部の値と、虚数部の値とが近接したものとされていること、を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のプラズマ密度測定子。
5. 前記材料は、シリコンであること、を特徴とする請求項４記載のプラズマ密度測定子。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のプラズマ密度測定子と、
   前記プラズマ密度測定子に高周波信号を供給する発振部と、
   前記プラズマ密度測定子により受信されたプラズマからの反射波信号に対して、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を行い、前記表面波共振における共振周波数を導出する表面波共振導出部と、
   前記共振周波数からプラズマ密度を演算するプラズマ密度演算部と、
   を備えたことを特徴とするプラズマ密度測定装置。
7. 請求項６記載のプラズマ密度測定装置と、
   減圧雰囲気を維持可能な処理容器と、
   前記処理容器の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
   を備え、
   前記プラズマ密度測定装置に設けられたプラズマ密度測定子の少なくとも先端が前記処理容器の内部に挿入されていること、を特徴とするプラズマ処理装置。
8. 前記プラズマ密度測定装置から出力されたプラズマ密度に関する情報に基づいて、プロセス条件の制御を行う制御部と、がさらに設けられたことを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理装置。
9. プラズマに対して高周波信号を発信し、
   前記プラズマからの反射波信号を受信し、
   前記反射波信号に対して、表面波共振と表面波共振以外の共振との判別を行い、前記表面波共振における共振周波数を導出し、
   前記共振周波数からプラズマ密度を演算すること、を特徴とするプラズマ密度測定方法。