JP3497092B2 - プラズマ密度情報測定方法、および測定に用いられるプローブ、並びにプラズマ密度情報測定装置 - Google Patents

プラズマ密度情報測定方法、および測定に用いられるプローブ、並びにプラズマ密度情報測定装置

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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/0006—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature
    • H05H1/0012—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature using electromagnetic or particle radiation, e.g. interferometry
    • H05H1/0062—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature using electromagnetic or particle radiation, e.g. interferometry by using microwaves

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などに用いられる
プラズマにおけるプラズマ密度情報の測定方法、および
その測定に用いられるプラズマ密度情報測定用プロー
ブ、並びにプラズマ密度情報測定装置に係り、特にプラ
ズマ密度情報を長期間にわたって簡単に測定するための
技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、プラズマの利用が盛んである。薄
膜素子の製造工程では、例えば、１０ＭＨｚ程度のＲＦ
帯の周波数から２．４５ＧＨｚに代表されるマイクロ波
帯の周波数の高周波パワー（高周波電力）によって生起
させた高周波プラズマを用い、エッチング処理やＣＶＤ
（化学気相成長）処理などが行われている。このような
プラズマ応用技術では、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（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。一価の正イオンと電子からなる典型的なプラズマ
の場合、電気的中性が保たれるプラズマ特有の性質から
正イオン密度と電子密度とは実質的に等しいので、普
通、電子密度をプラズマ密度と呼ぶ。
【０００３】従来、プラズマ中の電子密度を測定する方
法として、ラングミュア・プローブ法や、マイクロ波干
渉計測法の他、比較的最近開発された電子ビーム照射式
のプラズマ振動プローブ法がある。
【０００４】ラングミュア・プローブ法は、プラズマ中
に金属プロープを直に晒した状態で設置しておき、金属
プローブへ直流バイアス電圧、又は、高周波電圧を重畳
させた直流バイアス電圧を印加した時に金属プローブに
流れる電流値に基づいて電子密度を求める方法である。
【０００５】マイクロ波干渉計測法は、プラズマ生成用
のチャンバーの壁にプラズマを間にして向き合う窓を設
けておき、一方の窓からマイクロ波（例えば単色のレー
ザ光）をプラズマに入射するとともにプラズマを通過し
て他方の窓から出射するマイクロ波を検出し、入射・出
射マイクロ波間の位相差に基づいて電子密度を求める方
法である。
【０００６】また、電子ビーム照射式プラズマ振動法
は、熱フィラメントをチャンバーの内に設置しておき、
熱フィラメントからプラズマに電子ビームを照射した時
に生じるプラズマ振動の周波数に基づいて電子密度を求
める方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ラングミュア・プローブ法を反応性プラズマに適用した
場合には、測定を長時間にわたって続けられない（すな
わち寿命が短い）という問題がある。測定中の金属プロ
ーブ表面には短時間のうちに絶縁性皮膜からなる汚れが
付着し、金属プローブに流れる電流値が変動して、正確
な測定が直ぐに出来なくなるからである。金属プローブ
表面に付着した汚れを除くために、金属プローブに負の
バイアス電圧を印加しイオンでスパッタ除去する方法
や、金属プローブを赤熱させて汚れを蒸発除去する方法
も試みられてはいるが、効果が薄くて問題の解決には至
らない。
【０００８】また、マイクロ波干渉計測法には、測定実
施が簡単でないという問題がある。大がかりで高価な装
置や難しいマイクロ波伝送路の調整が必要な上、入射・
出射マイクロ波間の位相差が僅かなことから、正確な測
定が難しいからである。それに、マイクロ波干渉計測法
の場合、平均密度しか求められず空間分解能が全くない
という欠点もある。
【０００９】さらに、電子ビーム照射式のプラズマ振動
プローブ法の場合、熱フィラメントから蒸発するタング
ステンによるプラズマ雰囲気汚染の心配に加えて、熱フ
ィラメントの断線による測定中断の心配という問題があ
る。特に酸素やフロン系ガスを用いるプラズマの場合に
は熱フィラメントが断線し易く、頻繁にフィラメント交
換を行う必要があるので、実用向きとは言いがたい。
【００１０】本発明は、上記の事情に鑑み、プラズマ密
度情報を長期間にわたって簡単に測定することのできる
プラズマ密度情報測定方法、およびプラズマ密度情報測
定用プローブ、並びにプラズマ密度情報測定装置を提供
することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、請求項１の発明に係るプラズマ密度情報測定方法
は、プラズマに高周波パワー（高周波電力）を供給する
とともに、プラズマ負荷による高周波パワーの反射また
は吸収状況を示すパラメータの量的測定を、先端が閉じ
ている誘電体製のチューブと、チューブの先端側に収容
されて高周波パワーを放射するアンテナと、チューブの
後寄りに収容されてアンテナに接続されている高周波パ
ワー伝送用のケーブルとを具備するプラズマ密度情報測
定用プローブによって行い、パラメータの測定結果に基
づき、プラズマ密度に起因して高周波パワーの強い吸収
が起こる周波数、すなわちプラズマ吸収周波数を求出す
ることを特徴とする。
【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のプラズマ密度情報測定方法において、誘電体製の隔壁
を介してプラズマに高周波パワーを供給する。
【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
のプラズマ密度情報測定方法において、プラズマ負荷に
よる高周波パワーの反射または吸収状況を示すパラメー
タの量的測定が、高周波パワー供給用の高周波アンプの
電流量の計測により行われる。
【００１４】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
のプラズマ密度情報測定方法において、高周波パワーの
周波数を掃引しながら高周波パワーの反射量を検出する
とともに、掃引周波数と高周波パワーの反射量の検出結
果との対応関係に基づきプラズマ吸収周波数を求出す
る。
【００１５】請求項５に記載の発明は、請求項１から４
のいずれかに記載のプラズマ密度情報測定方法におい
て、観測される複数のプラズマ吸収周波数の低周波の極
限値として、前記高周波パワー伝送用のケーブルから前
記チューブまでの先端部長さに依存しないプラズマ表面
波共鳴周波数を求出する。
【００１６】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方法において、求出されたプラ
ズマ表面波共鳴周波数に従って測定対象のプラズマ中の
電子密度を算出する。
【００１７】
【００１８】請求項７に記載の発明に係るプラズマ密度
情報測定用プローブは、先端が閉じている誘電体製のチ
ューブと、チューブの先端側に収容されて高周波パワー
を放射するアンテナと、チューブの後寄りに収容されて
アンテナに接続されている高周波パワー伝送用のケーブ
ルとを具備していることを特徴とする。
【００１９】請求項８に記載の発明は、請求項７に記載
のプラズマ密度情報測定用プローブにおいて、誘電体製
のチューブに納められたアンテナおよびケーブルが、チ
ューブの長手方向に沿って移動可能となっていて、チュ
ーブ内におけるアンテナの位置が変更できるよう構成さ
れている。
【００２０】請求項９に記載の発明は、請求項７または
８に記載のプラズマ密度情報測定用プローブにおいて、
アンテナからの放出電磁波の漏れを防止するための導体
がケーブルとチューブの内面の間を塞ぐようにしてアン
テナの少し手前の位置に配設されている。
【００２１】請求項１０に記載の発明は、請求項７から
９まで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、プローブを強制的に冷却するプローブ冷
却手段が配設されている。
【００２２】請求項１１に記載の発明は、請求項７から
１０まで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、高周波パワー伝送用のケーブルが、芯
線とシールド用の導体製チューブと、芯線・導体製チュ
ーブ間の空隙を埋める絶縁用セラミックス材とからな
る。
【００２３】請求項１２に記載の発明は、請求項７から
１１まで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、誘電体製のチューブは、測定エリアは
未被覆状態となるようにしてチューブ表面が金属で被覆
されている。
【００２４】請求項１３に記載の発明は、請求項７から
１２まで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、アンテナが誘電体製のチューブの内面
に近接して沿うように延びている。
【００２５】請求項１４に記載の発明に係るプラズマ密
度情報測定装置は、プラズマに高周波パワー（高周波電
力）を周波数掃引しながら供給する周波数掃引式高周波
パワー供給手段と、高周波パワーの反射量を検出する反
射パワー量検出手段と、高周波パワーの掃引周波数およ
び高周波パワーの反射量検出結果に基づき高周波パワー
の反射率の対周波数変化を求出するパワー反射率周波数
特性求出手段とを備えていることを特徴とする。
【００２６】請求項１５に記載の発明は、請求項１４に
記載のプラズマ密度情報測定装置において、前記装置は
さらに、プラズマと周波数掃引式高周波パワー供給手段
との間に介在する誘電体製の隔壁を備えている。
【００２７】請求項１６に記載の発明は、請求項１５に
記載のプラズマ密度情報測定装置において、請求項７の
プラズマ密度情報測定用プローブを具備し、誘電体製の
チューブの管壁を誘電体製の隔壁としてチューブ内のア
ンテナからプラズマへ高周波パワーがプラズマに供給さ
れるよう構成されているとともに、誘電体製のチューブ
には複数本のアンテナがチューブの先端からの距離がそ
れぞれ異なるように収容されており、パワー反射率周波
数特性求出手段が、高周波数パワーの反射率の対周波数
変化を各アンテナ毎に求出するとともに、各対周波数変
化において同一周波数位置に現れるプラズマ吸収周波数
をプラズマ表面波共鳴周波数として求出するよう構成さ
れている。
【００２８】請求項１７に記載の発明は、請求項１６に
記載のプラズマ密度情報測定装置において、プラズマ密
度情報測定用プローブがプラズマ生成用のチャンバーに
進退可能に差し込まれているとともに、非測定時はプロ
ーブの先端がチャンバー内の測定位置からチャンバー壁
面付近の退避位置へ引っ込むようプローブを移動させる
プローブ移動手段を備えている。
【００２９】請求項１８に記載の発明は、請求項１６ま
たは１７に記載のプラズマ密度情報測定装置において、
プラズマ密度情報測定用プローブの後段に、プローブ内
のアンテナに迷入してくる過大なプラズマ生成用の高周
波パワーを阻止する保護手段が配設されている。
【００３０】
【作用】請求項１に記載の発明の作用について説明す
る。本発明のプラズマ密度情報測定方法の場合、プラズ
マに高周波パワーを供給するとともに、プラズマ負荷に
よる高周波パワーの反射または吸収状況を示すパラメー
タの量的測定（具体的には例えば高周波パワーの反射量
ないしプラズマ負荷のインピーダンス値の測定）を行
う。そして、パラメータについての測定結果に基づきプ
ラズマ密度に起因して高周波パワーの共鳴的な強い吸収
が生じるプラズマ吸収周波数を求出する。高周波パワー
の共鳴的な強い吸収が生じると、プラズマ負荷による高
周波パワーの反射または吸収状況を示すパラメータの量
が大きく変化するので、プラズマ吸収周波数が容易に求
出できる。求出されたプラズマ吸収周波数は、プラズマ
密度と一定の相関関係があるので、有用なプラズマ密度
情報となる。本発明は、プラズマに高周波パワー、すな
わち高周波電磁波を供給する構成であるので、高周波パ
ワー供給のためのアンテナに絶縁性皮膜からなる汚れが
付着してもその影響が少なく、プラズマ吸収周波数を精
度よく測定することができる。なお、先端が閉じている
誘電体製のチューブと、チューブの先端側に収容されて
高周波パワーを放射するアンテナと、チューブの後寄り
に収容されてアンテナに接続されている高周波パワー伝
送用のケーブルとを具備するプラズマ密度情報測定用プ
ローブによって、パラメータの量的測定が行われること
になる。
【００３１】請求項２の発明のプラズマ密度情報測定方
法の場合、測定対象であるプラズマ側と高周波パワーの
供給側との間に誘電体製の隔壁が介在しているので、高
周波パワーの供給側からプラズマ中へ異物などが侵入す
ることがなく、プラズマの清浄性が確保される。また、
プラズマによる高周波パワー供給側の損傷が防止され
る。さらに、誘電体製の隔壁の表面に絶縁性皮膜からな
る汚れが付着しても、絶縁性皮膜は誘電体であるので、
誘電体製の隔壁の厚みが僅かに変化する程度であって、
測定系に実質的な変化は起こらず、絶縁性皮膜の汚れに
よる測定妨害は回避される。
【００３２】請求項３の発明のプラズマ密度情報測定方
法の場合、高周波パワー供給用の高周波アンプの電流量
を計測することにより、プラズマ負荷による高周波パワ
ーの反射または吸収状況を示すパラメータの量的測定が
行われる。プラズマ負荷による高周波パワーの反射また
は吸収の程度に対応した量で高周波パワーを供給する高
周波アンプに電流が流れるので、高周波アンプの電流量
を測ることで、高周波パワーの反射または吸収状況を示
すパラメータの量的測定が簡単に実施することができ
る。
【００３３】請求項４の発明のプラズマ密度情報測定方
法の場合、高周波パワーの周波数を掃引しながら高周波
パワーの反射量を検出する。そして、掃引周波数と高周
波パワーの反射量との対応関係からプラズマ吸収周波数
を求める。高周波パワーの反射量が大きく落ちている周
波数を、プラズマ密度に起因して高周波パワーの共鳴的
な強い吸収が生じる周波数、すなわちプラズマ吸収周波
数として簡単に求出できる。
【００３４】請求項５の発明のプラズマ密度情報測定方
法の場合、観測される複数のプラズマ共鳴周波数の低周
波の極限値として表面波共鳴周波数ｆを求出する。表面
波共鳴周波数ｆはプラズマ中の電子密度ｎe に正確に対
応している。
【００３５】請求項６の発明のプラズマ密度情報測定方
法の場合、表面波共鳴周波数ｆ＝ω／２π（但しωは表
面波共鳴角周波数）に従ってプラズマ中の電子密度ｎe
を算出する。電子密度ｎe はプラズマ密度と実質的に等
価である。電子密度ｎe の算出は、例えば下記の式
（１）に従って簡単に実行できる。 ｎe ＝ε0 ・ｍe ・ωp ／ｅ2 ・・・（１） 但し，ωp ：電子プラズマ角周波数〔ωp ＝ω×√（１
＋ε）〕 ε ：誘電体製の隔壁の比誘電率，ε0 ：真空誘電率 ｍe ：電子の質量，ｅ：電子素量
【００３６】
【００３７】請求項７の発明の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を測定する場合、チ
ューブの先端が測定対象のプラズマに接するようにプロ
ーブをセットしておいて、ケーブル経由で送られる高周
波パワーをアンテナから誘電体製のチューブ壁を介して
プラズマへ供給するとともに、プラズマ吸収周波数の測
定に必要な高周波パワーの反射パワーをアンテナで受信
してケーブル経由で取り出す。また、アンテナから出る
高周波パワーがプラズマに影響する範囲は余り広範囲で
はないので、高周波パワーの量を調整するなどすれば、
局所的なプラズマ密度情報を得ることも可能である。つ
まり、請求項７の発明のプラズマ密度情報測定用プロー
ブを使えば、プラズマ密度情報の測定に必要な態勢が容
易に整えられて測定が簡単に実施できる上、空間分解能
を発現させることも可能である。
【００３８】請求項８の発明のプラズマ密度情報測定用
プローブの場合、誘電体製チューブ内におけるアンテナ
の位置をチューブの長手方向に沿って幾度か変更する。
そして、各アンテナ位置におけるプラズマ吸収周波数を
それぞれ測定する。この測定により求められた幾つかの
吸収周波数のうち、最低周波数であって、アンテナの位
置を変えても変化しない周波数を表面波共鳴周波数とし
て求出する。
【００３９】請求項９の発明のプラズマ密度情報測定用
プローブの場合、アンテナの少し手前に配置された導体
が、アンテナから放出される電磁波パワーがプラズマ以
外のところへ漏れるのを防止するので、高周波パワー漏
れによる測定誤差が回避される。
【００４０】請求項１０の発明のプラズマ密度情報測定
用プローブの場合、プローブ冷却手段によってプローブ
が強制的に冷却されるので、チューブやケーブルなどの
温度上昇によって起こる測定誤差が回避される。
【００４１】請求項１１の発明のプラズマ密度情報測定
用プローブの場合、高周波パワー伝送用のケーブルの芯
線とシールド用の導体製チューブの間の空隙が熱に強い
絶縁用セラミックス材で埋められているので、ケーブル
の耐熱性が向上する。
【００４２】請求項１２の発明のプラズマ密度情報測定
用プローブの場合、誘電体製のチューブの表面は、測定
エリアは未被覆状態となるようにして金属で覆われてい
るので、測定結果は金属で覆われていない測定エリアの
局部的状況を強く反映したものとなり、空間分解能が向
上する。
【００４３】請求項１３の発明のプラズマ密度情報測定
用プローブの場合、高周波パワー供給用のアンテナが、
誘電体製のチューブの内面に近接して沿うように延びて
いて、アンテナから放射される高周波パワーが、プラズ
マへ効率よく供給されるので、高周波パワーの供給量が
少なくて済む、測定精度があがるなどする。
【００４４】請求項１４の発明のプラズマ密度情報測定
装置の場合、請求項１の発明に係る測定方法を実施する
ことにより、プラズマ密度情報としてのプラズマ吸収周
波数を簡単に測定できる。
【００４５】請求項１５の発明のプラズマ密度情報測定
装置の場合、プラズマと周波数掃引式高周波パワー供給
手段との間に誘電体製の隔壁が介在しているので、プラ
ズマを清浄に維持することができる。
【００４６】請求項１６の発明のプラズマ密度情報測定
装置の場合、請求項７の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の測定が簡単に実施できる
上、空間分解能を発現させることもできる。加えて、チ
ューブの先端からの距離が異なる各アンテナ毎の高周波
数パワーの反射率の対周波数変化からプラズマ表面波共
鳴周波数の求出が容易に行える。
【００４７】請求項１７の発明のプラズマ密度情報測定
装置の場合、プラズマ密度情報測定用プローブの先端を
非測定時はプローブ移動手段によりチャンバー壁面付近
の退避位置へ引っ込ませられるので、プローブの表面に
汚れが厚く堆積するようなプラズマの場合でも、測定時
だけプローブをプラズマの方へ移動させるようにして、
プローブの汚染を防止することができる。
【００４８】請求項１８の発明のプラズマ密度情報測定
装置の場合、プラズマ密度情報測定用プローブのアンテ
ナに過大なプラズマ生成用の高周波パワーが迷入して来
た場合、後段の保護手段が過大な迷入高周波パワーを阻
止して装置の破壊を防止する。特に、生成プラズマが不
意に消滅した時は、プラズマ生成用の高周波パワーがも
ろにアンテナに乗って装置が破壊する心配があるが、こ
の心配が保護手段により解消される。
【００４９】
【発明の実施の形態】続いて、本発明の一実施例を図面
を参照しながら説明する。図１は本発明のプラズマ密度
情報測定用のプローブおよび測定装置の一例を装備し、
本発明のプラズマ密度情報測定方法の一例を実施できる
プラズマ処理システムを示すブロック図、図２はプラズ
マ処理システムに用いられている本発明に係るプラズマ
密度情報測定用プローブ（以下、適宜「測定プローブ」
と略記）の一例の構成を示す縦断面図、図３は本発明の
測定プローブの一例の構成を示す横断面図である。
【００５０】実施例のプラズマ処理システムは、図１に
示すように、反応性プラズマ（以下、適宜「プラズマ」
と略記）ＰＭが生成される室内空間Ｓを有する直径数１
０ｃｍの円筒状のステンレス鋼製チャンバー１と、チャ
ンバー１の内に配設されたプラズマ生起用の放電電極
（放電アンテナ）２と、排気用パイプ３を介してチャン
バー１の室内空間Ｓと連通している真空排気ポンプ４
と、流量調節弁５が介設されたガス供給用パイプ６を介
してチャンバー１の室内空間Ｓと連通しているガス源７
とを備えている。この他、実施例のシステムのチャンバ
ー１には、ワーク（被処理物）Ｗの載置台（図示省略）
やワークＷの搬入・搬出機構なども配設されている。
【００５１】チャンバー１の室内空間Ｓは真空排気ポン
プ４によって排気されて適当な圧力が保たれる。プラズ
マＰＭ生成時の室内空間Ｓの雰囲気圧力としては数ｍＴ
ｏｒｒ〜数十ｍＴｏｒｒが例示される。またガス源７か
らガスが適当な流量で供給される。供給ガスの種類とし
ては、アルゴン，チッ素，酸素ガス，フッ素系ガス、塩
素系ガスなどが例示される。流量調節弁５で設定される
ガス流量としては、１０〜１００ｃｃ／分程度が例示さ
れる。
【００５２】また、チャンバー１の外にはプラズマ生起
用の高周波パワー（高周波電力）を供給するための高周
波電源８が設けられている。高周波電源８から出力され
る高周波パワーはインピーダンス整合器９を経由して放
電電極２に送られる。高周波電源８から出力される高周
波パワーの大きさは、例えば１ｋＷ〜３ｋＷ程度が例示
される。高周波パワーの周波数は特定の周波数に限られ
るものではないが、通常は、１３．５６ＭＨｚに代表さ
れるＲＦ帯から９００ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚ程度のマ
イクロ波帯の間の周波数である。
【００５３】放電電極２としては、誘導結合型ＲＦ放電
のプラズマの場合、誘導コイルが用いられ、容量結合型
ＲＦ放電のプラズマの場合、平板状電極が用いられる。
また、高周波パワーの周波数がマイクロ波帯の周波数で
あるマイクロ波放電のプラズマの場合、ホーンアンテナ
やスロットアンテナあるいは開口導波管などが放電電極
２として用いられる。
【００５４】インピーダンス整合器９としては、高周波
パワーの周波数がＲＦ帯の周波数の場合、インダクタン
スとキャパシタンスを組み合わせた整合回路が用いら
れ、高周波パワーの周波数がマイクロ波帯の周波数の場
合、ＥＨチューナやスタブチューナが用いられる。
【００５５】また、実施例のシステムの場合、プラズマ
負荷側で吸収されることなく電源側に戻ってくる高周波
パワーの反射量を検出するとともに検出された高周波パ
ワーの反射量をパワー調整部１１に送る反射パワーモニ
タ１０が設けられていて、パワー調整部１１は、高周波
パワーの反射量（反射電力量）が最小となるようにイン
ピーダンス整合器９をコントロールしてプラズマ密度を
安定させる構成になっている。
【００５６】上記のようにして生成されるプラズマＰＭ
によって、ワークＷに対してエッチング処理やＣＶＤ
（化学気相成長）処理などが施されるのであるが、実施
例のシステムには、以下に述べるように、プラズマＰＭ
の特性を良く示すプラズマ密度に関する情報を測定する
ための装置が装備されている。ワークＷに適切な処理を
施すためには、プラズマ密度情報を測定してプラズマＰ
Ｍの特性を把握することは大変重要である。
【００５７】実施例のプラズマ密度情報測定装置は、図
１に示すように、チャンバー１の壁に取り付けられてい
る測定プローブ１２とチャンバー１の外側に配設されて
いるプローブ制御部１３とで構成される。先ず、測定プ
ローブ１２の具体的構成について説明する。
【００５８】測定プローブ１２は、図２および図３に示
すように、先端が閉じているとともに後端が大気（外
気）に開いている誘電体製のチューブ１４と、高周波パ
ワーを放射するループアンテナ１５と、ループアンテナ
１５に接続されて高周波パワーをループアンテナ１５に
伝送する同軸ケーブル１６と、放出電磁波の漏れを防止
するためのアルミニウム製の導体ピース１７とを備えて
いる。チューブ１４を形成する誘電体材料は特に限定さ
れないが、例えば強化耐熱ガラス、石英、セラミックス
が例示される。
【００５９】ループアンテナ１５と同軸ケーブル１６は
ループアンテナ１５が先となるようにしてチューブ１４
の内に納められている。また導体ピース１７は同軸ケー
ブル１６とチューブ１４の内面の間を塞ぐようにしてル
ープアンテナ１５の少し手前の位置へ設置されている。
その結果、高周波パワー漏れによる測定誤差が回避され
る。測定プローブ１２はチャンバー１の壁に設けられた
貫通孔１Ａから先端がチャンバー１の内に位置するよう
にして差し込まれて取り付けられている。プローブ１２
の外周面とチャンバー１の貫通孔１Ａの間にはＯ−リン
グ１Ｂが介在していて、測定プローブ１２の装着が真空
漏れを起こさない構成となっている。
【００６０】同軸ケーブル１６は、図３に示すように、
芯線１６ａと、芯線１６ａを外側から長手方向沿いに続
けて包囲するシールド線１６ｂとの間にフッ素系樹脂等
の絶縁材１６ｃが介在する通常の同軸構造である。チュ
ーブ１４と同軸ケーブル１６との隙間には、空気や窒素
ガスなどの冷却用流体が強制的に送り込まれている。そ
の結果、チューブ１４や同軸ケーブル１６などの温度上
昇によって起こる測定誤差が回避される。冷却用流体の
送り込み手段としては、次のような構造を採ることがで
きる。例えば図示しない細管をチューブ１４や同軸ケー
ブル１６との隙間に差し込んで、その細管の先端を導体
ピース１７の近くに位置させる。この細管を介して冷却
用流体をチューブ１４の奥側へ送り込んで測定プローブ
１２を冷却する。なお、冷却用流体は空気などの気体に
限らず水などの液体であってもよい。
【００６１】さらに、ループアンテナ１５と同軸ケーブ
ル１６および導体ピース１７は、図５に示すように、同
軸ケーブル１６をチューブ１４の長手方向に対して引い
たり押したりすることで一体的に前進あるいは後退し、
ループアンテナ１５の位置がチューブ１４の長手方向に
沿って変更させられる構成となっている。つまり、測定
プローブ１２では、ループアンテナ１５を含む導体ピー
ス１７から先のチューブ１４の先端部長さＬが簡単に変
更させられるのである。
【００６２】続いて、プローブ制御部１３の具体的構成
について説明する。プローブ制御部１３は、周波数掃引
式の高周波発振器１８と、方向性結合器１９と、減衰器
２０、フィルタ２１を備えていて、これらが、図１に示
す順で次々と測定プローブ１２へ接続されている。高周
波発振器１８は１００ｋＨｚから３ＧＨｚの周波数で１
０ｍＷ程度のプラズマ密度情報測定用の高周波パワーを
自動掃引しながら出力する。高周波発振器１８から出力
された高周波パワーは方向性結合器１９−減衰器２０−
フィルタ２１と経由して測定プローブ１２へ伝送され
る。
【００６３】一方、プラズマ密度情報測定用の高周波パ
ワーはループアンテナ１５から放出されてプラズマ負荷
に全て吸収されるとは限らず、プラズマ負荷に吸収され
ずに反射して戻ってくる分もある。プラズマ負荷に吸収
されずに戻ってくる高周波パワーの反射量は、方向性結
合器１９で検出されて、パワー反射率周波数特性求出部
２２へ送り込まれる。このパワー反射率周波数特性求出
部２２には高周波発振器１８から出力される高周波パワ
ーの周波数も逐次送り込まれる。
【００６４】フィルタ２１はアンテナ１５を経由してプ
ローブ制御部１３へ混入してくるプラズマ励起用の高周
波パワーを除去する働きをする。また、減衰器２０は測
定プローブ１２へ送り込む高周波パワーの量を調整する
働きをする。
【００６５】方向性結合器１９は、図４に示すように、
芯線１９ａと芯線１９ａを外側から長手方向沿いに続け
て包囲するシールド線１９ｂからなる同軸構造であっ
て、シールド線１９ｂの内側において芯線１９ａに沿っ
て短い結合ライン１９ｃが設けられており、結合ライン
１９ｃの高周波発振器側が抵抗１９ｄで接地されてい
て、結合ライン１９ｃの非接地側で高周波パワーの反射
量が検出できる構成となっている。
【００６６】パワー反射率周波数特性求出部２２は、高
周波パワーの周波数と、高周波パワーの検出反射量にし
たがって、高周波パワーの反射率の対周波数変化を求出
し、求出された結果を、表示モニタ２３に出力する構成
となっている。表示モニタ２３の画面には高周波パワー
の反射率の対周波数変化がグラフとして表示される。す
なわち、パワー反射率周波数特性求出部２２では、〔高
周波パワーの検出反射量〕÷〔高周波パワーの全出力量
（実施例では一定量）〕なる演算が行われて高周波パワ
ーの反射率が求められ、刻々変わる周波数と対応付けて
プロットされることにより、高周波パワーの反射率の対
周波数変化が求出されるのである。
【００６７】反射率が大きく下がるところは、プラズマ
密度に起因して高周波パワーの強い吸収が起こる吸収ピ
ークであり、吸収ピークの周波数がプラズマ吸収周波数
ということになる。プラズマ吸収周波数はプラズマ密度
と一定の相関関係があるので、有用なプラズマ密度情報
が得られることになる。プラズマ吸収周波数が、表面波
共鳴周波数の場合、プラズマ密度と実質的に等価である
プラズマ中の電子密度ｎe を簡単に算出することによ
り、プラズマ密度情報を得ることができる。
【００６８】続いて、実施例のプラズマ密度情報測定装
置による具体的なプラズマ密度情報測定例について説明
する。チャンバー１の室内空間Ｓがアルゴン１０ｍＴｏ
ｒｒの状態となるように調整した。そして、高周波電源
８から放電電極２に１３．５６ＭＨｚの高周波パワーを
１．２ｋＷの出力量で与えることにより、室内空間Ｓに
反応性プラズマＰＭを生成した。測定プローブ１２のチ
ューブ１４は外径６ｍｍ：比誘電率４のパイレックス製
ガラス管である。同軸ケーブル１６は５０Ωのセミリジ
ッドケーブルであり、導体ピース１７はアルミホイルか
らなる。
【００６９】先ず、測定プローブ１２を、図２に示すよ
うに、ループアンテナ１５を含む導体ピース１７から先
のチューブ１４の先端部長さＬが３．５ｍｍとなるよう
にセットした。そして、高周波発振器１８から１０ｍＷ
の高周波パワー（高周波電力）を１００ｋＨｚから３Ｇ
Ｈｚまで周波数掃引しながら出力するとともに、方向性
結合器１９で高周波パワーの反射量を検出し、図６の最
上段の曲線Ｒａで示されるように、高周波パワーの反射
率の対周波数変化を測定し、表示モニタ２３に表示し
た。
【００７０】続いて、図５に示すように、ループアンテ
ナ１５を含む導体ピース１７から先のチューブ１４の先
端部長さＬが５．５ｍｍ，７．５ｍｍ，９．５ｍｍ，１
１，５ｍｍ，１３．５ｍｍとなるように測定プローブ１
２のセット状態を変更し、各変更位置において、上と同
様に高周波パワーの反射率の対周波数変化を測定・表示
した。結果は、図６の曲線Ｒｂ〜Ｒｆが示すとおりであ
る。
【００７１】曲線Ｒａ〜Ｒｆには、プラズマ負荷側での
高周波パワーの強い吸収があることを示す吸収ピークＰ
ａ〜Ｐｄが幾つか現れている。吸収ピークＰａ〜Ｐｄの
位置の周波数が、プラズマ吸収周波数である。これらプ
ラズマ吸収周波数から生成プラズマＰＭの特性が把握で
きる。ただ、最も低い周波数の吸収ピークＰａだけは、
図７に示すように、先端部長さＬが変化しても同一周波
数（１．５ＧＨｚ）の位置に出現しており、常に同一の
プラズマ吸収周波数が測定される。このように、先端部
長さＬに依存しないプラズマ吸収周波数は、プラズマ表
面波共鳴周波数ｆ（＝ω／２π）である。なお、最も低
い周波数側に現れる吸収ピークであっても、先端部長さ
Ｌを変化させると、その周波数が変位するものはプラズ
マ表面波共鳴周波数ではない。つまり、本実施例では、
最も低い周波数側に現れる吸収ピークがプラズマ表面波
共鳴周波数であるか否かを確認するために、先端部長さ
Ｌが変えられるようになっている。
【００７２】こうしてプラズマ表面波共鳴周波数ｆが得
られたら、前述した式（１）に基づき、電子プラズマ角
周波数ωp が、ωp ＝ω×√（１＋ε）＝２π×１．５
×１０9 ×√（１＋４）＝３．３５×１０9 と簡単に算
出される。さらに、プラズマＰＭの電子密度ｎe も、ｎ
e ＝ε0 ・ｍe ・ωp ／ｅ＝１．４×１０11／ｃｍ3と
簡単に算出される。プラズマＰＭの電子密度ｎe はプラ
ズマ密度と実質的に等価であるから、生成プラズマＰＭ
の特性を把握（モニタ）し易い。
【００７３】実施例の場合、ループアンテナ１５および
同軸ケーブル１６とプラズマＰＭとの間にチューブ１４
が介在するので、ループアンテナ１５や同軸ケーブル１
６からプラズマＰＭ中へ異物などが侵入することがな
く、プラズマの清浄性を確保することができる。また、
チューブ１４が介在することにより、プラズマＰＭによ
るループアンテナ１５や同軸ケーブル１６の損傷を阻止
する。また、測定中、チューブ１４の表面に絶縁性皮膜
からなる汚れが薄く付着しても、絶縁性皮膜が誘電体で
あるため、実質的に測定系が変化せず、絶縁性皮膜の汚
れによる測定結果の変動は生じない。したがって、長期
間にわたってプラズマ密度情報を測定することが出来
る。
【００７４】また、チューブ１４を介して高周波パワー
をループアンテナ１５から供給して測り易い共鳴的な高
周波パワーの吸収現象を捉える程度のことであるので、
プラズマ密度情報が至極簡単に測定できる。さらに、熱
フィラメントレス方式であるので、蒸発タングステンに
よる雰囲気汚染を心配する必要も、熱フィラメント交換
を行う必要もない。
【００７５】なお、プラズマＰＭ中の別の箇所のプラズ
マ密度を測定したい場合には、チャンバー１への測定プ
ローブ１２の差し込み長さ（図１中に符号Ｍで示す）を
変えて、その箇所を上述したと同様の手法で測定すれば
よい。このように複数箇所でプラズマ密度の測定を行う
ことにより、プラズマ密度の分布を知ることができる。
【００７６】本発明は、上記実施の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。 （１）上記の実施例では、先端にループアンテナ１５が
形成された同軸ケーブル１６を誘電体製のチューブ１４
で覆って形成された測定プローブ１２を用いたが、測定
プローブ１２は必ずしもチューブ１４で覆われている必
要はない。すなわち、先端にループアンテナ１５、ある
いは芯線１６ａを針状に突出させてなるアンテナが形成
された同軸ケーブルを、プラズマ中に直接に挿入してプ
ラズマ密度を測定することも可能である。この場合、プ
ラズマ中に露出しているアンテナに絶縁性の皮膜が付着
することもあるが、本発明はアンテナから高周波パワー
（電磁波）を放射する構成であるので、アンテナに付着
した絶縁性の皮膜などによって影響を受けることが少な
い。
【００７７】（２）実施例の場合、測定プローブ１２の
チューブ１４がチャンバー１の壁に着脱可能に取り付け
られる構成であった。しかし、測定プローブ１２のチュ
ーブ１４がチャンバー１の壁に予め固定されていて、測
定の都度ループアンテナ１５とケーブル１６および導体
ピース１７をチューブ１４に挿入して測定する構成のも
のも、本発明の変形例として挙げられる。
【００７８】（３）本発明の測定方式では、図６に示し
たように、吸収ピークＰａに相当するプラズマ表面波共
鳴周波数ｆ以外にも、その周辺にいくつかのプラズマ吸
収周波数（図６の吸収ピークＰｂ，Ｐｃ，Ｐｄ）が観測
される。これらは、いわゆるトンクス・ダットナー (To
nks-Dattner)共鳴と呼ばれるものに対応していると考え
られる。上述したように、共鳴周波数は電子プラズマ角
周波数ωP に関係しているので、プラズマ密度が変わる
とトンクス・ダットナー共鳴の周波数も変化する。した
がって、トンクス・ダットナー共鳴周波数からプラズマ
密度の情報を得ることができる。ただプラズマ表面波共
鳴周波数ｆは、プラズマ密度と実質的に等価なプラズマ
中の電子密度に直接結びつくので特に有用なプラズマ密
度情報である。
【００７９】（４）実施例の場合、プラズマ負荷による
高周波パワーの吸収状況を示すパラメータが高周波パワ
ーの反射率であった。本発明では、プラズマ負荷による
高周波パワーの吸収状況を示すパラメータとしてプラズ
マ負荷のインピーダンス値も挙げられる。この場合、チ
ャンネルアナライザーを用いてプラズマ負荷のインピー
ダンスの対周波数特性を測定する構成となる。
【００８０】（５）実施例の場合、チャンバー１に測定
プローブ１２が１個だけ設置される構成であったが、チ
ャンバー１に測定プローブ１２が複数個設置される構成
のものが変形例として挙げられる。
【００８１】（６）実施例では、測定プローブ１２をプ
ラズマ中に挿入してプラズマ密度情報を得たが、測定プ
ローブ１２は必ずしもプラズマ中に設置する必要はな
い。例えば、図１に示したチャンバー１に耐熱強化ガラ
スや石英などの誘電体からなる窓を設けておき、この窓
の外側に高周波パワー照射用のアンテナを設置し、この
窓を介してチャンバー１内のプラズマ中に高周波パワー
を照射するようにしてもよい。
【００８２】（７）本発明の測定プローブの形状・材料
やアンテナの種類なども実施例に挙げられるているもの
に限らない。また、本発明が対象とするプラズマとして
は、処理用のプラズマだけでなく、粒子ビーム源あるい
は分析装置などに用いられるプラズマも挙げられる。
【００８３】（８）実施例の場合、測定プローブ１２に
おいてループアンテナ１５を含むチューブ１４の先端部
長さＬを変化させて各先端部長さでの同一周波数のプラ
ズマ吸収周波数をプラズマ表面波共鳴周波数ｆとして求
出する構成であったが、図８に示すように、誘電体製の
チューブ１４ａの内に線状アンテナ１５ａを含むチュー
ブ１４の先端部長さ（チューブの先端からの距離）Ｌ
ａ，Ｌｂが異なるように線状アンテナ１５ａ，１５ａお
よび同軸ケーブル１６Ａ，１６Ｂを収容しておき、プロ
ーブ制御部１３のパワー反射率周波数特性求出部２２で
各アンテナ毎にプラズマ吸収周波数を求出するととも
に、吸収周波数比較部２２ａで共通周波数のプラズマ吸
収周波数をプラズマ表面波共鳴周波数ｆとして求出する
構成のものが変形例として挙げられる。また、線状アン
テナ１５ａ，１５ａおよび同軸ケーブル１６Ａ，１６Ｂ
を一つの誘電体製のチューブに収容せずに、図９に示す
ように、別々の誘電体製のチューブ１４，１４に分けて
収容するようにしてもよい。これらの変形例の場合、チ
ューブ１４の先端部長さを変化させずとも、簡単にプラ
ズマ表面波共鳴周波数ｆが求められる。
【００８４】（９）実施例の場合、プラズマ密度情報計
測用の高周波パワーの反射量を方向性結合器１９で取り
出す方式の構成であったが、高周波パワーの反射量の測
定を、プラズマ密度情報計測用の高周波パワー供給用の
高周波アンプの電流量の計測により行う方式のものが変
形例として挙げられる。高周波アンプの電流量は高周波
パワーの反射量と非常によい対応関係を示しており、計
測も簡単である。具体的には、図１０に示すように、高
周波発振器１８のオシレータ信号発振部１８ａの次段に
設けられている高周波アンプ部１８ｂの電流量をアンプ
電流検出部１９ａで取り出してパワー反射率周波数特性
求出部２２へ送出する構成となる。アンプ電流検出部１
９ａとしては、例えば高周波アンプ部１８ｂの駆動電源
の電流値を検出する回路構成のものが例示される。
【００８５】（１０）実施例において、図１１に示すよ
うに、プラズマ密度情報測定プローブ１２の後段に、プ
ローブ内のアンテナ１５に迷入してくる過大なプラズマ
生成用の高周波パワーを阻止するパワーリミッタ２４を
設けた構成のものが変形例として挙げられる。特にプラ
ズマＰＭが不意に消滅した時には、プラズマ生成用の高
周波パワーがアンテナ１５にもろに乗ってプローブ制御
部１３が破壊される恐れがある。パワーリミッタ２４で
一定以上の過大な迷入高周波パワーがプローブ制御部１
３に流れ込むのを阻止して、プローブ制御部１３の破壊
を防止するのである。パワーリミッタ２４の代わりにリ
レータイプの同軸スイッチや、半導体タイプの電子スイ
ッチ等のスイッチ（図示省略）を用いてもよい。スイッ
チは手動でオン・オフさせる構成でもよいが、逆入する
高周波パワーが一定以上（例えば供給高周波パワーの
１．２倍）となったことを検出して、自動的にスイッチ
をオフにしたり、あるいはプラズマ光を光センサでモニ
タしておき、プラズマ光が消えたことを検出して自動的
にスイッチをオフするような構成もプローブ制御部１３
の破壊防止には有効である。
【００８６】（１１）実施例において、測定プローブ１
２がプラズマＰＭが生成されるチャンバー１に進退可能
に差し込まれているとともに、非測定時は測定プローブ
１２の先端がチャンバー１の内の測定位置からチャンバ
ー１の壁面付近の退避位置へ引っ込むよう測定プローブ
１２を移動させるプローブ移動手段を備えている構成の
ものが、変形例として挙げられる。測定プローブ１２の
表面に汚れが厚く堆積するようなプラズマＰＭでも、汚
れが少なくなる結果、測定プローブ１２の寿命が長くな
る。具体的には、図１２に示すように、測定プローブ１
２に可動ピース２５を一体的に取り付けるとともに、可
動ピース２５を送りネジ棒２６にネジ係合し、モータ２
７の回転に伴い送りネジ棒２６が回転するに連れて可動
ピース２５が測定プローブ１２の長手方向に向けて往復
移動するように構成するとともに、非測定時は、図１２
に実線で示す通り、測定プローブ１２の先端をチャンバ
ー１の壁面付近の退避位置に引っ込ませ、測定時は、図
１２に一点鎖線で示す通り、測定プローブ１２の先端を
チャンバー１の内の測定位置に進出させるようモータ２
７を制御する構成が例示される。
【００８７】（１２）実施例の場合、同軸ケーブル１６
の芯線１６ａとシールド線１６ｂとの間の絶縁材１６ｃ
がフッ素系樹脂等であったが、図１３に示すように、芯
線１６ａとシールド用の導体製チューブ１６ｅとの間を
埋める絶縁材１６ｄが熱に強い（絶縁）セラミックスで
ある構成のものが、変形例として挙げられる。この場
合、同軸ケーブル１６の耐熱性が向上する。
【００８８】（１３）実施例の測定プローブ１２におい
て、図１４に示すように、誘電体製のチューブ１４は、
測定域は未被覆状態となるようにしてチューブ表面が金
属膜２８で覆われている。つまり、金属膜２８は測定域
にあたるところが切り欠かれて窓２８ａとなっているの
である。高周波パワーは金属膜２８のあるところへは進
入せず、窓２８ａのところに進出できるだけなので、金
属膜２８で被覆されていない測定エリアの局部的状況
が、測定結果に強く反映される結果、空間分解能を向上
させられる。
【００８９】（１４）実施例の測定プローブ１２におい
て、図１５に示すように、ループアンテナ１５の代わり
に線状アンテナ１５ａが用いられているとともに、線状
アンテナ１５ａが誘電体製のチューブ１４の内面に近接
して沿うように延びていれば、高周波パワーが効率よく
供給されるようになり、必要な高周波パワーが少なくて
済む、測定精度が上がるなどの利点がある。ループアン
テナ１５でも、チューブ１４の内面に近接して沿うよう
に延びさせれば、やはり高周波パワーが効率よく供給さ
れるようになる。
【００９０】
【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、プラズマに
高周波パワーを供給し、そのときのプラズマ密度に起因
して高周波パワーの強い吸収が起こるプラズマ吸収周波
数を求める構成であるので、高周波パワー供給のための
アンテナに絶縁性皮膜などの汚れが付着してもその影響
が少なく、プラズマ吸収周波数を精度よく測定すること
ができる。この点で、従来のラングミュア・プローブ法
は、プラズマ中のイオンが金属プローブ表面に到達する
ことにより流れる電流を検出している関係で、金属プロ
ーブに絶縁性皮膜が付着すると測定不能になることと比
べて、本発明は優れている。また、本発明によれば、電
子ビーム照射式のプラズマ振動プローブ法のような熱フ
ィラメントを用いないので、フィラメントの断線などの
問題がなく、長期間にわたってプラズマ密度情報を得る
ことができる。なお、プラズマ負荷による高周波パワー
の反射または吸収状況を示すパラメータの量的測定によ
る測定結果に基づき、プラズマ吸収周波数を求めること
になるが、そのパラメータの量的測定は、先端が閉じて
いる誘電体製のチューブと、チューブの先端側に収容さ
れて高周波パワーを放射するアンテナと、チューブの後
寄りに収容されてアンテナに接続されている高周波パワ
ー伝送用のケーブルとを具備するプラズマ密度情報測定
用プローブによって行うことができる。
【００９１】請求項２の発明に係るプラズマ密度情報測
定方法によれば、測定対象であるプラズマ側と高周波パ
ワーの供給側との間に誘電体製の隔壁が介在しているの
で、高周波パワーの供給側からプラズマへ異物が侵入す
ることがなく、プラズマを清浄に維持することができ
る。また、反応性プラズマの場合でも、高周波パワー供
給側に損傷を与えることがなく、さらに、誘電体製の隔
壁の表面に絶縁性皮膜などの汚れが付着しても測定系に
変化は生じないので、一層長期間にわたってプラズマ密
度情報を得ることができる。
【００９２】請求項３の発明のプラズマ密度情報測定方
法によれば、プラズマ負荷による高周波パワーの反射ま
たは吸収状況を示すパラメータの量的測定が、高周波パ
ワー供給用の高周波アンプの電流量の計測により簡単に
実施できるので、容易にプラズマ密度情報を得ることが
できる。
【００９３】請求項４の発明のプラズマ密度情報測定方
法によれば、高周波パワーの掃引周波数と高周波パワー
の反射量との対応関係から高周波パワーの反射量が大き
く落ちている周波数をプラズマ吸収周波数として簡単に
求出できる。
【００９４】請求項５の発明に係るプラズマ密度情報測
定方法によれば、観測される複数のプラズマ吸収周波数
の低周波の極限値がプラズマ中の電子密度ｎe に正確に
対応する表面波共鳴周波数ｆであるので、得られるプラ
ズマ密度情報の価値が高い。
【００９５】請求項６の発明のプラズマ密度情報測定方
法によれば、プラズマ密度と実質的に等価なプラズマ中
の電子密度ｎe そのものが算出されるので、得られるプ
ラズマ密度情報の価値が非常に高い。
【００９６】
【００９７】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、プラズマ密度情報の測定に必要
な態勢が容易に整えられて測定が簡単に実施できる。ま
た、アンテナが誘電体製のチューブで覆われているので
プラズマを汚染することがなく、逆にプラズマから損傷
も受けないので長寿命である。さらに局所的なプラズマ
密度情報を得られるようにもなるので、空間分解能を発
現させることも可能である。
【００９８】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、誘電体製チューブ内における異
なるアンテナ位置でのプラズマ吸収周波数を比較するこ
とにより、プラズマ中の電子密度ｎe と対応する表面波
共鳴周波数を容易に求出できる。
【００９９】請求項９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、アンテナの少し手前に配置され
た導体により、測定誤差の原因となる高周波パワー漏れ
が回避されるので、より正確な測定結果を得ることがで
きる。
【０１００】請求項１０の発明のプラズマ密度情報測定
用プローブによれば、プローブが強制的に冷却されてチ
ューブやケーブルなどの温度上昇による測定誤差が回避
されるので、より正確な測定結果を得ることができる。
【０１０１】請求項１１の発明のプラズマ密度情報測定
用プローブによれば、高周波パワー伝送用のケーブルの
芯線・導体製チューブ間の空隙が熱に強い絶縁用セラミ
ックス材で埋められているので、ケーブルの耐熱性が向
上し、過酷な温度条件でも使用することができる。
【０１０２】請求項１２の発明のプラズマ密度情報測定
用プローブによれば、誘電体製のチューブの表面におけ
る金属で被覆されていない測定エリアの局部的状況が、
測定結果に強く反映されるので、空間分解能が向上す
る。
【０１０３】請求項１３の発明のプラズマ密度情報測定
用プローブによれば、高周波パワーアンテナから放射さ
れる高周波パワーがプラズマへ効率よく供給されるの
で、高周波パワーの供給量が少なくて済む、測定精度が
上がるなどの利点がある。
【０１０４】請求項１４のプラズマ密度情報測定装置に
よれば、請求項１の発明の測定方法を実施することによ
り、プラズマ密度情報としてのプラズマ吸収周波数を簡
単に得ることができる。
【０１０５】請求項１５のプラズマ密度情報測定装置に
よれば、プラズマと周波数掃引式高周波パワー供給手段
との間に誘電体製の隔壁が介在しているので、プラズマ
を清浄に維持することができるとともに、長期間にわた
ってプラズマ密度情報を測定することができる。
【０１０６】請求項１６の発明のプラズマ密度情報測定
装置によれば、プラズマ密度情報の測定が簡単に実施で
きる上、空間分解能を発現させることもできる。加え
て、有用なプラズマ密度情報であるプラズマ表面波共鳴
周波数を容易に得ることができる。
【０１０７】請求項１７の発明の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先端
を非測定時はチャンバー壁面付近の退避位置へ引っ込ま
せて、測定時だけプローブをプラズマの方へ移動させら
れるので、プローブの表面に汚れが厚く堆積するような
プラズマの場合でも、プローブの汚染を防止し、長期間
プローブを使い続けられる。
【０１０８】請求項１８の発明の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アン
テナに迷入する過大なプラズマ生成用の高周波パワーを
プローブ後段の保護手段が阻止するので、装置破壊の心
配が解消される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係るプラズマ処理システムを示すブロ
ック図である。
【図２】実施例のシステムに用いられている測定プロー
ブを示す縦断面図である。
【図３】実施例のシステムに用いられている測定プロー
ブを示す横断面図である。
【図４】プラズマ密度情報測定装置に用いられた方向性
結合器の等価回路図である。
【図５】測定プローブにおけるループアンテナの位置変
更状況を示する断面図である。
【図６】プラズマ密度情報測定用の高周波パワーの反射
率周波数特性を示すグラフである。
【図７】プラズマ吸収周波数と測定プローブのチューブ
の先端部長さの間の対応関係を示すグラフである。
【図８】本発明用の測定プローブの変形例を示す縦断面
図である。
【図９】本発明用の測定プローブの他の変形例を示す縦
断面図である。
【図１０】本発明用のプローブ制御部の変形例を示すブ
ロック図である。
【図１１】本発明用のプローブ制御部の他の変形例を示
すブロック図である。
【図１２】本発明用の測定プローブとプローブ移動手段
とを示す部分断面図である。
【図１３】本発明用の同軸ケーブルの変形例を示す部分
縦断面図である。
【図１４】本発明用の測定プローブの他の変形例を示す
縦断面図である。
【図１５】本発明用の測定プローブの他の変形例を示す
縦断面図である。
【符号の説明】
１ …チャンバー １２ …プラズマ密度情報測定用プローブ １４，１４ａ …チューブ １５， …ループアンテナ １５ａ …線状アンテナ １６ …同軸ケーブル １６Ａ，１６Ｂ…同軸ケーブル １６ｄ …絶縁材（セラミックス材） １６ｅ …導体製チューブ １７ …導体ピース １８ …周波数掃引式の高周波発振器 １８ｂ …高周波アンプ １９ａ …アンプ電流検出部 １９ …方向性結合器 ２２ …パワー反射率周波数特性求出部 ２４ …パワーリミッタ ２８ …金属膜 ＰＭ …反応性プラズマ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊田 直樹 兵庫県宝塚市亀井町10番７号 株式会社 ニッシン内 (56)参考文献 特開 平４−256845（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−156844（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−255696（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−92491（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−169590（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−222396（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−163186（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−215893（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−326697（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05H 1/00 C23C 14/34 H01L 21/3065 H05H 1/46

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】プラズマに高周波パワー（高周波電力）を
    供給するとともに、プラズマ負荷による高周波パワーの
    反射または吸収状況を示すパラメータの量的測定を、先
    端が閉じている誘電体製のチューブと、チューブの先端
    側に収容されて高周波パワーを放射するアンテナと、チ
    ューブの後寄りに収容されてアンテナに接続されている
    高周波パワー伝送用のケーブルとを具備するプラズマ密
    度情報測定用プローブによって行い、パラメータの測定
    結果に基づき、プラズマ密度に起因して高周波パワーの
    強い吸収が起こる周波数、すなわちプラズマ吸収周波数
    を求出することを特徴とするプラズマ密度情報測定方
    法。
  2. 【請求項２】請求項１に記載のプラズマ密度情報測定方
    法において、誘電体製の隔壁を介してプラズマに高周波
    パワーを供給するプラズマ密度情報測定方法。
  3. 【請求項３】請求項１に記載のプラズマ密度情報測定方
    法において、プラズマ負荷による高周波パワーの反射ま
    たは吸収状況を示すパラメータの量的測定が、高周波パ
    ワー供給用の高周波アンプの電流量の計測により行われ
    るプラズマ密度情報測定方法。
  4. 【請求項４】請求項１に記載のプラズマ密度情報測定方
    法において、高周波パワーの周波数を掃引しながら高周
    波パワーの反射量を検出するとともに、掃引周波数と高
    周波パワーの反射量の検出結果との対応関係に基づきプ
    ラズマ吸収周波数を求出するプラズマ密度情報測定方
    法。
  5. 【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載のプラズ
    マ密度情報測定方法において、観測される複数のプラズ
    マ吸収周波数の低周波の極限値として、前記高周波パワ
    ー伝送用のケーブルから前記チューブまでの先端部長さ
    に依存しないプラズマ表面波共鳴周波数を求出するプラ
    ズマ密度情報測定方法。
  6. 【請求項６】請求項５に記載のプラズマ密度情報測定方
    法において、求出されたプラズマ表面波共鳴周波数に従
    って測定対象のプラズマ中の電子密度を算出するプラズ
    マ密度情報測定方法。
  7. 【請求項７】 先端が閉じている誘電体製のチューブと、
    チューブの先端側に収容されて高周波パワーを放射する
    アンテナと、チューブの後寄りに収容されてアンテナに
    接続されている高周波パワー伝送用のケーブルとを具備
    し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。
  8. 【請求項８】請求項７に記載の プラズマ密度情報測定用
    プローブにおいて、誘電体製のチューブに納められたア
    ンテナおよびケーブルが、チューブの長手方向に沿って
    移動可能となっていて、チューブ内におけるアンテナの
    位置が変更できるよう構成されているプラズマ密度情報
    測定用プローブ。
  9. 【請求項９】請求項７または８に記載の プラズマ密度情
    報測定用プローブにおいて、アンテナからの放出電磁波
    の漏れを防止するための導体がケーブルとチューブの内
    面の間を塞ぐようにしてアンテナの少し手前の位置に配
    設されているプラズマ密度情報測定用プローブ。
  10. 【請求項１０】請求項７から９まで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、プローブを
    強制的に冷却するプローブ冷却手段が配設されているプ
    ラズマ密度情報測定用プローブ。
  11. 【請求項１１】請求項７から１０までのいずれかに記載
    の プラズマ密度情報測定用プローブにおいて、高周波パ
    ワー伝送用のケーブルが、芯線とシールド用の導体製チ
    ューブと、芯線・導体製チューブ間の空隙を埋める絶縁
    用セラミックス材とからなるプラズマ密度情報測定用プ
    ローブ。
  12. 【請求項１２】請求項７から１１までのいずれかに記載
    の プラズマ密度情報測定用プローブにおいて、誘電体製
    のチューブは、測定エリアは未被覆状態となるようにし
    てチューブ表面が金属で被覆されているプラズマ密度情
    報測定用プローブ。
  13. 【請求項１３】請求項７から１２までのいずれかに記載
    の プラズマ密度情報測定用プローブにおいて、アンテナ
    が誘電体製のチューブの内面に近接して沿うように延び
    ているプラズマ密度情報測定用プローブ。
  14. 【請求項１４】 プラズマに高周波パワー（高周波電力）
    を周波数掃引しながら供給する周波数掃引式高周波パワ
    ー供給手段と、高周波パワーの反射量を検出する反射パ
    ワー量検出手段と、高周波パワーの掃引周波数および高
    周波パワーの反射量検出結果に基づき高周波パワーの反
    射率の対周波数変化を求出するパワー反射率周波数特性
    求出手段とを備えるとともに、プラズマ生成用のチャン
    バーに 差し込まれるとともに、先端が閉じている誘電体
    製のチューブと、チューブの先端側に収容されて高周波
    パワーを放射するアンテナと、チューブの後よりに収容
    されてアンテナに接続されている高周波パワー伝送用の
    ケーブルとを具備するプラズマ密度情報測定用プローブ
    を備え、誘電体製のチューブの管壁を誘電体製の隔壁と
    してチューブ内のアンテナからプラズマ密度情報計測用
    の高周波パワーがプラズマに供給されるよう構成されて
    いることを特徴とするプラズマ密度情報測定装置。
  15. 【請求項１５】請求項１４に記載の プラズマ密度情報測
    定装置において、前記装置はさらに、プラズマと周波数
    掃引式高周波パワー供給手段との間に介在する誘電体製
    の隔壁を備えているプラズマ密度情報測定装置。
  16. 【請求項１６】請求項１５に記載の プラズマ密度情報測
    定装置において、前記誘電体製のチューブの管壁を誘電
    体製の隔壁としてチューブ内のアンテナからプラズマへ
    高周波パワーがプラズマに供給されるよう構成されてい
    るとともに、誘電体製のチューブには複数本のアンテナ
    がチューブの先端からの距離がそれぞれ異なるように収
    容されており、パワー反射率周波数特性求出手段が、高
    周波数パワーの反射率の対周波数変化を各アンテナ毎に
    求出するとともに、各対周波数変化において同一周波数
    位置に現れるプラズマ吸収周波数をプラズマ表面波共鳴
    周波数として求出するよう構成されているプラズマ密度
    情報測定装置。
  17. 【請求項１７】請求項１６に記載の プラズマ密度情報測
    定装置において、プラズマ密度情報測定用プローブがプ
    ラズマ生成用のチャンバーに進退可能に差し込まれてい
    るとともに、非測定時はプローブの先端がチャンバー内
    の測定位置からチャンバー壁面付近の退避位置へ引っ込
    むようプローブを移動させるプローブ移動手段を備えて
    いるプラズマ密度情報測定装置。
  18. 【請求項１８】請求項１６または１７に記載の プラズマ
    密度情報測定装置において、プラズマ密度情報測定用プ
    ローブの後段に、プローブ内のアンテナに迷入してくる
    過大なプラズマ生成用の高周波パワーを阻止する保護手
    段が配設されているプラズマ密度情報測定装置。
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