JP2014170668A - プラズマ状態測定プローブ及びプラズマ状態測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】プラズマ状態測定装置は、プラズマ処理装置のチャンバー内部に取り付けられている測定プローブ10と、測定プローブ10と接続され、チャンバー外部に配設されているプローブ制御装置とを備えている。測定プローブ10は、電子密度を測定するための電子密度測定部10Aとプラズマの発光種種から発せられるプラズマ発光を測定するためのプラズマ発光測定部10Bとを備えている。電子密度測定部10Aは、導体板からなる面状のアンテナ部11、アンテナ部11を電界励起するための同軸結合部12及びアンテナ部11に給電し反射信号を受けるための同軸ケーブル13を備え、プラズマ発光測定部10Bは光伝送路14を備えている。
【選択図】図2
Description
電子密度を測定可能な測定プローブと発光分光分析法を併用することにより、発光強度と電子密度の比を求めることにより、アクチノメトリー法を用いずに発光種(ラジカルや分子)の密度をモニターできると考えられる。
しかし、図6に示すように、発光分光分析法によれば、分光器には測定用ポートを介して視野角θ(例えば〜25°)の中に入っているプラズマの光が導入されるが、光ファイバやCCDカメラなどの検出器から離れるほど光量は激減するので、測定用ポートの極近くの領域Aの情報を検知していることになり、内奥にあるプラズマの状態を検知することができない。一方、電子密度を測定可能な測定プローブにより検出されるのは測定プローブ前面の数mmの領域Bにあるプラズマの密度である。プラズマは不均一であって電子密度や発光種密度は領域Aと領域Bで異なる値を示すため、領域Aの発光強度と領域Bの電子密度の比をとっても、領域Aの発光種密度を正しく評価することはできない。つまり、同じ位置で発光強度と電子密度を測って比をとらないと発光種密度の局所的な値を得ることができないため、図6に示す測定方法ではプラズマ中の発光種の分布を調べる空間分解測定を正確に行うことができない。
測定したい発光種の密度を測定する他の技術としては、外部から目的とする粒子に特有な波長の光を照射し、その吸収率から測定する吸収分光法がある。この場合は光の吸収路に沿った平均密度しか得られない。また、測りたい粒子種に固有な波長の強力なレーザーを照射したとき、当該粒子種に特有な波長の蛍光が放射されるのを利用して粒子密度の局所的な値を測定するレーザー誘起蛍光(LIF)法が知られている。この方法で粒子の密度分布を得るには照射レーザーを掃引しながら受光系も動かす必要があり、煩雑で高度な測定システムを構築しなければならない。更に、高価なレーザー光源と高度の光学技術を必要とするので、量産装置用の簡易モニターには不向きである。
図1に示すように、プラズマ状態測定装置1は、プラズマ処理装置30のチャンバー31内部に取り付けられているプラズマ状態測定プローブ10(以下、測定プローブ10、という)と、測定プローブ10と接続され、チャンバー31外部に配設されているプローブ制御装置20とを備えている。
測定プローブ10は、図2に示すように、電子密度を測定するための電子密度測定部10Aとプラズマの発光種から発せられるプラズマ発光を測定するためのプラズマ発光測定部10Bとを備えている。
測定プローブ10を用いて、測定プローブ10の前面の数mm程度の領域のプラズマに関する局所情報として、電子密度、電子温度などの電子状態、発光種の種類の同定とその密度を同時に測定することができる。
Ir=αnenr
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。
本発明の測定プローブ10及び測定プローブ10を備えたプラズマ状態測定装置1によれば、電子密度測定部を用いて電界励起したときの共振周波数を測定して、その共振周波数に基づいてプラズマ電子密度を測定することができる。また、プラズマ発光測定部10Bによりプラズマ中の発光種の発光を検出し、発光種の種類及びその密度を測定することができる。電子密度測定部10Aとプラズマ発光測定部10Bとは一体的に形成されているので、プラズマ処理を行うチャンバーに1箇所の測定用ポートを設けるだけで、プラズマ中の同じ場所の電子密度、発光種の種類及びその密度を測定することができ、同一プラズマ条件下で簡易に正確な空間分解測定を行うことができる。
更に、プラズマ状態測定装置1からプラズマ処理装置30に、電子密度、発光種の種類及びその密度などプラズマ状態を示す情報を送出し、プラズマ生成用の高周波パワー(放電電力)やガス圧などのプラズマ状態を支配する因子を制御することもできる。
10…測定プローブ
10A…電子密度測定部
10B…プラズマ発光測定部
11…アンテナ部
11a…スロット
11b…開放部
11c…半開放端スロット
11d…直線状スロット
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…光伝送路
15…導入パイプ
16…誘電体カバー
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
27…分光器
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、を備えた電子密度測定部と、
前記アンテナ部から先端が露出するように配置されたファイバ状またはロッド状に形成された光伝送路を備え前記電子密度測定部と一体的に形成されたプラズマ発光測定部と、
が設けられ、
前記電子密度測定部を用いて、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するとともに、前記プラズマ発光測定部を用いてプラズマ中の発光種の発光スペクトルを検出可能に構成されたことを特徴とするプラズマ状態測定プローブ。 - 前記光伝送路の先端を前記開放部内に配置することを特徴とする請求項1に記載のプラズマ状態測定プローブ。
- 透光性を有する誘電体からなり、前記アンテナ部及び前記光伝送路の前面を覆うカバーを備えたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のプラズマ状態測定プローブ。
- プラズマ処理装置内部でプラズマ状態測定プローブの位置を可動な状態で、プラズマ処理装置のポートに対して取付可能に構成された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、
前記光伝送路によりプラズマの発光を導入し、分光スペクトルを測定する分光器と、
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から、前記
アンテナの共振周波数を測定し、前記共振周波数に基づいてプラズマの電子密度を算出するとともに、前記分光スペクトルに基づいて発光種の種類及び発光種密度を測定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状態測定装置。
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