JP2012047548A - プラズマ電子密度測定プローブ及び測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 測定プローブ10は、導体板からなるアンテナ部11と、アンテナ部11を電界励起するための同軸結合部12と、アンテナ部11に給電し反射信号を受けるための同軸ケーブル13とを備えている。アンテナ部11には、薄い導体円板からなり、スパイラル状に形成されたスロット11aと、スロット11aの一端にスロット11aよりも幅広い円形状に形成された開放部11bとにより半開放端スロット11cが形成されている。開放部11bには、アンテナ部11の後方より配置された同軸ケーブル13の芯線13aの先端部が露出している。同軸ケーブル13の外皮導体13bは、アンテナ部11を接地し、これらにより同軸結合部12が構成されている。
【選択図】図2
Description
マイクロ波干渉法は、マイクロ波を透過させるための大きな窓をチャンバーに設け、プラズマのサイズも大きい必要があること、また、空間分解能が乏しく、測定装置も高価である、などの問題があった。
本発明の測定プローブによれば、ループ型磁界励起法では難しかった半開放端スロットを同軸型電界励起法により励起することが可能であり、スロットの形状の自由度が高いため、アンテナ部の面積を小さくすることができるので、小型化が容易である。また、電流ループの形成及び接続が難しいループ型磁界励起法に比べ、構造が単純で堅牢であり、製作も容易である。
更に、電界が発散せずに半開放端部に集中しているため、プラズマOFFにおける共振周波数が測定プローブ外部の金属壁など周辺の物体の影響をほとんど受けないので、精度の高い電子密度測定が可能になる。
また、測定も例えば汎用のネットワークアナライザにより簡便な操作で可能であるため、高価な測定装置を用いることなく、プラズマの電子密度を測定することができる。
これにより、請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載の測定プローブの効果を奏する測定装置を実現することができる。
ここで、アンテナ部11から見て、測定対象のプラズマ側を前方、反対側を後方とする。プラズマの電子密度測定時には、アンテナ部11の前面は測定対象のプラズマで満たされており、その比誘電率をεpとする。
本実施形態では、スロット11aはスパイラル状に形成されている。また、開放部11bは、導体円板の中心部に半径aの円形状に形成されており、スロット11aと開放部11bとを長さpの半径方向の直線状スロット11dで接続している。スロット11aをスパイラル状に形成することにより、面積の小さいアンテナ部11に長いスロット11aを形成することができるので、測定プローブ10を小型化することができる。ここで、長さp=0としてスロット11aを開放部11bに接するように直接接続することもできる。
また、測定プローブ10ではプラズマの密度測定を行うので、上部の媒質の比誘電率ε1を次式で表わされるプラズマの比誘電率εpに置き換える。
更に、電界が発散せずに半開放端部に集中しているため、プラズマOFFにおける共振周波数が測定プローブ外部の金属壁など周辺の物体の影響をほとんど受けないので、精度の高い電子密度測定が可能になる。
高周波数に対応した高価なネットワークアナライザを用いなくても、汎用のネットワークアナライザによりプラズマの電子密度neを測定することができる。
本実施形態では、スロット11aはスパイラル状に形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、ジグザグなど他の形状で屈曲して形成することによっても、面積の小さいアンテナ部11に長いスロット11aを形成することができるので、測定プローブ10を小型化することができる。
また、開放部11bは、円形状に形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、楕円形、矩形状に形成することもできる。
電子密度が低く共振周波数frが低い場合などには、同軸結合部12が誘電体14を備えていない構成を採用することもできる。
本実施例では、下記に示す測定プローブ10について、電磁界シミュレーションを行い、プラズマがある場合とない場合での共振周波数の変化を調べた。ここで、電子密度はne=1×1011m-3とした。
本実施例では、開放部11bの寸法が共振周波数及び共振の強さに及ぼす影響を調べた。
本実施例では、同軸結合部12の長さh(芯線13aの長さ)が励起効率に及ぼす影響について調べた。励起効率はパワー反射係数で評価することができる。図7に、同軸結合部12の長さhがパワー反射係数Γに及ぼす影響について調べた結果を示す。このシミュレーションでは、同軸結合部12の長さhを変えても共振周波数frは1.94GHzで一定であったが、パワー反射係数Γは同軸結合部12の長さhに強く依存しており、20mm周期で最大、最小を繰り返す。
本実施形態では、開放部11bが励起モードに及ぼす影響を調べた。図8(A)は、半径a=1.4mmの円形に形成された開放部11bに接するようにスロット11aがつながるときのパワー反射係数Γの周波数依存性をシミュレーションした例である。図8(B)は、開放部11bを備えていない場合の例であり、短絡端スロットを同軸型電界励起した場合に相当する。
n=2、3に相当する6.13GHzと8.92GHzの2つが存在し、基本モード(n=1)が励起されなかった。これは、円筒同軸空洞共振器は軸対称性が良いために、方位角方向の低次高周波モードが励起されにくいためと考えられる。
(1)本発明の測定プローブ10及び測定プローブ10を備えたプラズマ特性測定装置1によれば、ループ型磁界励起法では難しかった半開放端スロット11cを同軸型電界励起法により励起することが可能であり、スロットの形状を屈曲して形成することができ自由度が高いため、アンテナ部11の面積を小さくすることができるので、小型化が容易である。また、電流ループの形成及び接続が難しいループ型磁界励起法に比べ、構造が単純で堅牢であり、製作も容易である。
更に、電界が発散せずに半開放端部に集中しているため、プラズマOFFにおける共振周波数が測定プローブ外部の金属壁など周辺の物体の影響をほとんど受けないので、精度の高い電子密度測定が可能になる。
また、測定も例えば汎用のネットワークアナライザにより簡便な操作で可能であるため、高価な測定装置を用いることなく、プラズマの電子密度を測定することができる。
10 測定プローブ
11 アンテナ部
11a スロット
11b 開放部
11c 半開放端スロット
12 同軸結合部
12a 外部導体
13 同軸ケーブル
13a 芯線、
13b 外皮導体
14 誘電体
20 プローブ制御装置
21 高周波発振器
22 方向性結合器
23 減衰器
24 フィルタ
25 反射係数スペクトル表示部
26 プラズマ特性算出部
30 プラズマ処理装置
31 チャンバー
32 制御部
Claims (5)
- 導体板に、スロットと、このスロットの一端部に設けられたスロットの幅よりも大きく形成された開放部とからなる半開放端スロットを備えたアンテナ部と、
前記アンテナ部に同軸ケーブルの外皮導体を接続するとともに、前記開放部内に同軸ケーブルの芯線の先端部を配置することにより同軸接合した同軸結合部と、を備え、
前記同軸ケーブルにより前記アンテナに周波数を掃引しながら高周波パワーを供給することにより電界励起し、前記アンテナから反射されるパワーにより得られる反射係数のスペクトルから、前記アンテナに対応する共振周波数を測定可能に構成されたことを特徴とするプラズマ電子密度測定プローブ。 - 前記スロットが屈曲して形成されていることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ電子密度測定プローブ。
- 前記同軸結合部は、外皮導体が接続された外部導体が前記アンテナを底面とする筒状に形成され、この筒状部に測定対象のプラズマの比誘電率よりも高い比誘電率を有する誘電体を充填して設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のプラズマ電子密度測定プローブ。
- 前記同軸結合部の長さが前記同軸結合部内における電磁波の1/4波長の偶数倍であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載のプラズマ電子密度測定プローブ。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載のプラズマ電子密度測定プローブと、
前記アンテナに、周波数を掃引しながら高周波パワーを供給する高周波発振器と、
前記アンテナから反射されるパワーにより得られる反射係数のスペクトルを測定し、前記アンテナの共振特性を検出する共振スペクトル検出部と、
前記共振スペクトル検出部において検出された共振特性から共振周波数を算出し、当該共振周波数に基づいてプラズマの電子密度を算出するプラズマ特性算出部と、
を備えたことを特徴とするプラズマ電子密度測定装置。
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