JP3540648B2 - プラズマ反応装置に用いるギャップ測定装置 - Google Patents
プラズマ反応装置に用いるギャップ測定装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ反応装置に用いるギャップ測定装置に関する。さらに詳しくは、対向して配置される電極と基板との間のギャップを測定するギャップ測定装置に関し、特に、狭ギャップが要求されるプラズマ反応装置に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
加工、成膜、および表面処理などのプラズマ処理においては、処理速度の高速化が要求されている。この要求に応えるため、第２７００１７７号特許公報や特開平９−１０４９８５号公報などには、大気圧近傍の高圧力下でプラズマ処理を行う事により処理速度を高めたプラズマ反応装置が開示されている。ここで、高圧力下で安定したプラズマを維持するためには、電極と基板との間のギャップを非常に狭く設定する必要がある。
【０００３】
例えば、特開平９−１０４９８５号公報におけるギャップは０．０１ｍｍ〜１ｍｍである。しかしながら、この様な微小ギャップの設定は非常に困難である。しかもギャップは、プラズマ処理の進行に伴う電極および基板の熱変形に起因して、経時的に変化する。前記の様な微小ギャップの場合には、ギャップの変化に伴いプラズマ状態も変化するため、プラズマ処理が不安定になるという問題がある。更に、ギャップが数１００μｍと非常に狭い場合には、電極と基板とが接触してしまうという問題も起こる。この問題は、特開平９−１０４９８５号公報に開示される様な高速回転電極を用いた場合に顕著であり、該公報のプラズマ反応装置内にはギャップ測定装置が設けられている。
【０００４】
特開平９−１０４９８５号公報に開示された内容について、図１５、図１６を参照して説明する。図中、２０はプラズマ反応装置であって、その内部に、図示しない回転駆動機構によって回転可能となされたドラム状回転電極１が配置されている。２は基板、３は高周波電源、４はステージ、５は反応容器をそれぞれ示している。基板２はステージ４上に搭載され、回転電極１と所定のギャップＧを保持して対向する様に、反応容器５内に配置される。ギャップＧは０．１ｍｍ程度である。反応容器５の内部には、不活性ガス及び反応ガスからなる雰囲気ガスが充填され、その圧力は１気圧程度に設定される。
【０００５】
上記の構成において、回転電極１を図中の矢印ＤＲ方向に高速回転させると、粘性により、回転電極１の外周面１ａに引き連れられた雰囲気ガスが、前記ギャップＧ内に安定に供給される。この状態で高周波電源３から回転電極１に高周波電圧を印加すると、ギャップＧ部でプラズマＰが発生する。そして、プラズマＰ中の反応ガスに基づく反応性ラジカルの作用により、基板２の表面がプラズマ処理される。
【０００６】
ここで、上記の装置には、更にギャップ測定装置６０６が備えられている。図１６を参照して、ギャップ測定装置６０６は、光源６１０と、コリメータレンズ６０７と、集光レンズ６０８と、検知器６１１と、光ファイバ６０９ａ、６０９ｂとから構成されている。反応容器５の内部に、回転電極１と基板２との間のギャップＧを挟み対向する様に、コリメータレンズ６０７と集光レンズ６０８とが設けられている。コリメータレンズ６０７には、光ファイバ６０９ａを介して光源６１０が接続されている。集光レンズ６０８には光ファイバ６０９ｂを介して検知器６１１が接続されている。
【０００７】
光源６１０から出射された光線は、光ファイバ６０９ａを通りコリメータレンズ６０７により整形され、ギャップＧ部に照射される。ギャップＧに照射された光線は、ギャップＧよりも幅の広い光束であるため、回転電極１および基板２に妨げられる。そして、ギャップＧを通過した、より幅の狭い光線が集光レンズ６０８により集光され、光ファイバ６０９ｂを通り検知器６１１で検知される。検知器６１１で検知される光量は、ギャップＧの幅に応じて増減するため、この光量を測定する事により、ギャップＧを測定する事ができる。
【０００８】
以上の様にして測定したギャップＧに応じて、ステージ４を上下動させる事により、回転電極１と基板２との間のギャップＧを調整でき、プラズマ処理の安定化が図れる。また、電極と基板との接触が避けられるため、高速回転電極を用いた場合においても、電極や基板の破損を未然に防止できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のギャップ測定装置はギャップＧの情報として、集光した光線の光量の絶対値を検出するため、プラズマ発光の影響を受けやすいという問題点があった。すなわち、集光レンズ６０８により集光した光線は、コリメータレンズ６０７から照射されギャップＧ部を通過した光線以外に、プラズマの発光成分も含む事になる。この結果ギャップＧを、実際のギャップよりも広めに検出してしまう。
【００１０】
また、従来のギャップ測定装置は、一定の広さのギャップに対して直流信号（以下「ＤＣ信号」という。）を出力するものであるから、検知器６１１の出力が温度の影響や低域ノイズの影響によってドリフト変動している場合には、ギャップの幅を実際とは異なる幅で検出してしまうという問題点があった。
【００１１】
本発明の目的は、プラズマ発光の影響を受けることなく正確にギャップを測定することができるギャップ測定装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、温度の影響や低域ノイズの影響によって検知器の出力がドリフト変動している場合であっても、正確にギャップを測定することができるギャップ測定装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るギャップ測定装置は、互いに対向して配置された電極と基板との間でプラズマを発生させ、該基板に対して成膜、加工および表面処理のうち少なくとも１つの処理を施すプラズマ反応装置に用いられ、該電極と該基板との間のギャップを測定するギャップ測定装置であって、第１光線を走査して、該ギャップへ該第１光線を間欠的に照射する投光ユニットと、該第１光線が該ギャップを通過した後の第２光線の光量を検出し、該光量に対応するパルス信号からなる受光信号を出力する受光ユニットと、該受光信号の波高値を検出する波高値検出手段と、該受光信号のパルス幅を検出するパルス幅検出手段と、該波高値検出手段の出力と該パルス幅検出手段の出力とを切り替えるスイッチと、該波高値検出手段の出力に基づいて該スイッチを切り替えるレベル判定手段とを含み、該レベル判定手段によって切り替えられたスイッチを介して出力される該波高値または該パルス幅に基づいて該ギャップを測定するギャップ測定手段と、測定された該ギャップと所定のギャップの目標値とに基づいて、該ギャップを制御するギャップ制御手段とを備え、該ギャップ測定手段によって該ギャップの時間的変化を測定しつつ、該ギャップを所定値に制御するものであり、このことにより上記目的が達成される。
【００２１】
該第１光線は、実質的に単一の波長を有し、該受光ユニットは、前段に該波長を有する光線を通過させる光学フィルタを備えてもよい。
【００２２】
該第１光線は、該電極と該基板との間で発生するプラズマが有する発光スペクトルのピーク波長とは異なる波長を有してもよい。
【００２３】
該投光ユニットおよび該受光ユニットのうちの少なくともいずれか一方は、電磁シールドが施されるように導電性のケースで覆われてもよい。
【００２７】
該電極はドラム状電極を含み、該投光ユニットは、該第１光線を、該ドラム状電極の中心軸を含み該基板の表面に対して垂直な第１の面に対して実質的に垂直に照射してもよい。
【００２８】
該電極はドラム状電極を含み、該投光ユニットは、該第１光線を、該ドラム状電極の中心軸を含み該基板の表面に対して垂直な第１の面に対して所定の角度傾斜して照射してもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について、図１〜図６を参照して説明する。本発明のギャップ測定装置１０６は、如何なる形態のプラズマ反応装置に対しても適用可能であるが、図１５、図１６に示したプラズマ反応装置２０に適用した場合に、その効果が最も顕著となる。
【００３１】
以下では、ギャップ測定装置１０６を、プラズマ反応装置２０に適用した場合について説明する。プラズマ反応装置２０の構成は、図１５、図１６の構成と同じであるので説明を省略する。
【００３２】
図１は、プラズマ反応装置２０内におげるギャップ測定装置１０６の配置を示している。プラズマＰは、ドラム状の回転電極１と基板２との間のギャップＧ部において発生する。
【００３３】
ギャップ測定装置１０６は、投光ユニット部１０６Ａと受光ユニット部１０６Ｂとギャップ測定部１０６Ｃとを備える。投光ユニット部１０６Ａは、投光ユニット７を備える。受光ユニット部１０６Ｂは、受光ユニット８を備える。ギャップ測定部１０６Ｃは、後述する波高値検出手段１１を備える。
【００３４】
投光ユニット７と受光ユニット８とは、ギャップＧを挟んで対向している。投光ユニット７および受光ユニット８は、アルミナなどの絶縁体１５ａ，１５ｂ上に搭載され、一部が開口した導電性ケース１６ａ，１６ｂに覆われている。これによって、電磁シールドが施され、投光ユニット７および受光ユニット８への高周波ノイズの影響が除去できる。前記の導電性ケース１６ａ，１６ｂの開口は、後述の光線９を透過させるために設けている。なお、この開口部は、ガラス等の透明な部材によって封止されていてもよい。
【００３５】
図２は、投光ユニット７の内部構造を示す模式図である。図２において、光源７１は連続的に発光するもので、これから出射された光線は、ポリゴンミラー７２、反射鏡７３、コリメータレンズ７４を介して、投光ユニット７から出射される。光源７１は如何なるものでもよいが、例えばレーザ光源であり、好ましくはプラズマＰの発光スペクトルのピーク波長と異なる波長のものが選定される。この構成において、ポリゴンミラー７２を図中のＲ方向に回転させると、Ｓ方向に走査する光線９が投光ユニット７から出射される。７５は同期用フォトダイオードであり、走査している光線が基準位置にある事を示す同期信号を出力する。
【００３６】
図３は、受光ユニット８の内部構造を示す模式図である。８１は集光レンズである。８２は受光素子であり、例えばフォトダイオードである。この構成により、受光ユニット８に所定の光軸で入射した光線の光量が、受光素子８２によって検出される。
【００３７】
なお、好ましくは、受光ユニット８の入口に光学フィルタ８３を備える。光学フィルタ８３は、光源７１から出射される光線と同一波長の光線を通過させるものを選定する。上記の様に、プラズマＰの発光スペクトルのピーク波長と異なる波長の光源７１を使用し、これを選択的に通過させる光学フィルタ８３と組合せる事により、後述する本実施の形態の効果はより顕著なものとなる。すなわち、本実施の形態はプラズマ発光の影響を受けないギャップ測定装置を提供するものであるが、前記の構成により、その信頼性を更に高める事ができる。
【００３８】
図４（ａ）、（ｂ）は、ギャップＧの測定原理を示す模式図である。投光ユニット７と受光ユニット８は、ギャップＧを挟んで対向している。投光ユニット７は、出射される光線９が基板２の表面２Ｓに対して略直角な方向Ｓに走査する様に配置されている。投光ユニット７から出射される光線９の幅Ｌ１は如何様にも調整可能であるが、本実施の形態では、測定すべきギャップＧよりも広くなる様に調整されている。好ましくは、ギャップＧよりわずかに幅広になる様に調整される。例えば、測定すべきギャップＧの最大幅よりも数１０％程度幅広になる様に調整すればよい。
【００３９】
受光ユニット８は、投光ユニット７から出射される光線９を集光できる位置に配置されている。この構成によって、投光ユニット７から、基板２から回転電極１の方向Ｓに走査する光線９が出射される。光線９が図４（ａ）中のＡ点→Ｂ点まで走査する期間においては、光線９はステージ４または基板２に遮断される。また、Ｄ点→Ｅ点まで走査する期間には、回転電極１に遮断される。Ｂ点→Ｄ点まで走査する期間においてのみ、光線９はギャップＧ部を通過し、受光ユニット８によってその光量が検出される。検出される光量は、光線９が図４（ｂ）中のＣ点に位置するときに最大となる。
【００４０】
このとき、ギャップＧを通過する光線の幅Ｌは、ギャップＧの幅と等しくなる。なお、投光ユニット７から出射され、Ｌ１なる幅の光線が、特許請求の範囲に規定される第１光線に対応する。また、第１光線がギャップＧを通過し、Ｌなる幅となった光線が特許請求の範囲に規定される第２光線に対応する。この結果、受光ユニット８（受光素子８２）から出力される信号ＳＧ１は、図５に示す如くの単一パルスとなる。このパルス信号ＳＧ１の波高値ＨがギャップＧの幅に対応する。すなわち、ギャップＧが変化すると光線の幅Ｌが変化し、これに対応して波高値Ｈも変化する。なお、図５には、受光ユニット８の出力波形と併せて、図２に示した同期用フォトダイオード７５の出力波形も示している。
【００４１】
図４と図５とを参照して、光線９は、同期用フォトダイオード７５から出力される同期信号ＰＤ１の立ち上がりタイミングｔ７５よりもＤＴだけ遅延して出射され、図４（ａ）中のＡ点より走査を開始する。その後のＴ１なる時間間隔の間に、図４（ａ）中のＥ点まで走査する。そして、時間間隔Ｔ２の後、再度、同期用フォトダイオード７５から同期信号ＰＤ２が出力される。
【００４２】
上記の期間中で、光線９が図４（ａ）中のＢ点→Ｄ点まで走査する期間において、パルス信号ＳＧ１が発生する。この動作が、周期Ｔで繰り返される。したがって、受光ユニット８の出力パルスの波高値Ｈを１周期（Ｔ）毎に検出し、これを更新していく事によって、ギャップＧの時間的な変化を測定する事ができる。パルス信号の波高値Ｈの検出は、図１中に示す波高値検出手段１１によって行われる。
【００４３】
波高値検出手段１１は、公知の電気回路によって構成されるものであるが、例えば、以下の様に構成すればよい。すなわち、受光ユニット８の出力をＡ／Ｄ変換するＡＤ変換器と、Ａ／Ｄ変換された信号を１走査期間Ｔ１分記憶するメモリと、メモリに記憶された信号のピーク値とＤＣレベルとを検出しその差を算出する波高値検出回路と、前記検出された波高値信号を格納するレジスタとを備え、同期信号の立ち上がりタイミング毎に、レジスタに格納された波高値信号を出力すればよい。これをＤ／Ａ変換し、ローパスフィルタで整形すれば、ギャップＧの時間応答波形を得る事ができる。なお、図５に示した受光ユニット８の出力波形は、同期信号（同期用フォトダイオード７５の出力）に基づいて、複数周期分（１周期：Ｔ）のアベレージング処理を施してもよい。この場合には上記と同様の手法により、アベレージング処理されたパルス信号の波高値を検出し、これを所定のタイミングで更新していけば良い。このようにすると、ギャップ測定の応答性は若干劣化するものの、受光ユニット８の出力信号に混入したランダムノイズの影響を除去できる。
【００４４】
以上の様にして、回転電極１と基板２との間のギャップＧが測定できる。そしてギャップＧの幅に応じて、図１中のステージ４をＺ方向に移動させる事により、ギャップＧを所望の値に調整できる。
【００４５】
ここで受光ユニット８は、所定の光軸の光線を常時検出するものであるから、ギャップＧ部において発生するプラズマＰの発光成分も常時検出する事になる。この結果、プラズマ発光の影響を受けた場合の受光ユニット８の出力は、図６（ａ）中の点線で示す様な波形となる。つまり、全体的に△Ｈだけレベルが高くなるのみで波高値Ｈは変化しない。この様に、本実施の形態によれば、プラズマ発光の影響を受けないギャップ測定が可能になる。
【００４６】
図６（ｂ）は、温度の影響や低域ノイズの影響によって受光ユニット８の出力がドリフト変動している場合を示している。点線で示す波形がドリフト変動している場合であるが、波高値Ｈは変化しない。本実施の形態では光線がギャップに照射されるタイミングにおける受光ユニット８の出力と、光線がギャップに照射されていないときの出力との差を測定しているので、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けない。
【００４７】
上記で説明した様に、本実施の形態によれば、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けずに、電極と基板との間のギャップを正確に測定する事ができる。これによって、高圧力下でのプラズマ処理の様に、電極と基板との間のギャップが非常に狭い場合であっても、ギャップを所望の値に調整できる。この結果、プラズマ処理の安定化が図れるとともに、電極と基板との接触を防止できる。この効果は、特に、接触による被害が大きなものとなる高速回転電極を用いた場合に顕著である。
【００４８】
なお、ギャップ測定の感度を高めるには、前記した様に、光線９の幅Ｌ１を測定すべきギャップＧよりも少し広めになる程度に調整しておく事が望ましい。この様に光線の幅を極力狭くすれば、エネルギ密度の高い状態で光線を使用できるから、ギャップ変化に対する波高値変化を急峻なものとする事ができる。
【００４９】
ここで、光線９の幅Ｌ１は、必ずしも、光軸に沿って一定幅のものでなくてよく、ギャップ測定ポイントにおいて所望の広さになっていればよい。例えば、ギャップ測定ポイントの近傍において焦点を結ぶ様なビーム形状でも良い。また、これを満足する様に光軸上に適宜レンズを配置してもよい。
【００５０】
（実施の形態１の変形例）
実施の形態１では、光線がギャップＧに間欠的に照射される。光線がギャップＧに照射されているときに検出される光量と、光線がギャップＧに照射されていないときに検出される光量との差を測定しているので、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けない。したがって、上記以外の手法によってギャップＧに間欠的に光線を照射しても、受光ユニット８の出力は図５と同様の波形となり、上記と同様の効果が得られる。
【００５１】
例えば、図４（ｂ）中のＣ点に光線９の位置を固定しておき、光線９を間欠的に出射する様にしてもよい。図示しないが、これを実現する構成例としては、パルス発光する光源とコリメータレンズとからなる投光ユニットを用いる構成や、連続発光する光源と、光線を間欠的に遮断する回転スリットと、コリメータレンズとからなる投光ユニットを用いる構成などが挙げられる。但し、光線９の位置を固定しているため、光線幅を広くしておかないと、ギャップＧ部に適正に光線が照射されなくなる虞れがある。
【００５２】
例えば、回転電極のみが大きく熱膨張し、ギャップＧを所定値に調整するために、ステージ４を下方向に移動させる様な場合である。この場合には、ギャップＧの位置が下方に移動するため、光線幅を広くしておかないと、ギャップＧ部に適正に光線が照射されなくなる。すなわち、本変形例は、実施の形態１よりも簡単な構成ではあるが、光線幅を広めに設定しなければならず、感度が低下するという問題点を伴う。
【００５３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、図７〜図１０を参照して説明する。本実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、投光ユニット７から出射される光線９の幅Ｌ１が、ギャップＧよりも狭い事と、図１中の波高値検出手段１１をパルス幅検出手段１２に変更している点である。その他は、実施の形態１と同様であり、共通の構成要素には同一の記号を付し、説明を省略する。
【００５４】
図７は、本実施の形態におけるギャップ測定装置２０６の、プラズマ反応装置２０内の配置を示している。実施の形態１と同様、ドラム状の回転電極１と基板２との間のギャップＧ部においてプラズマＰが発生する。
【００５５】
ギャップ測定装置２０６は、投光ユニット部１０６Ａと受光ユニット部１０６Ｂとギャップ測定部２０６Ｃとを備える。投光ユニット部１０６Ａは、投光ユニット７を備える。受光ユニット部１０６Ｂは、受光ユニット８を備える。ギャップ測定部２０６Ｃは、後述するパルス幅検出手段１２を備える。
【００５６】
図８は、本実施の形態におけるギャップ測定原理を示す模式図である。投光ユニット７と受光ユニット８はギャップＧを挟んで対向している。
【００５７】
図８を参照して、光線９がＡ点→Ｂ点まで走査する期間においては、光線９はステージ４または基板２に遮断される。また、Ｄ点→Ｅ点まで走査する期間には、回転電極１に遮断される。Ｂ点→Ｄ点まで走査する期間（例えばＣ点）においてのみ、光線９はギャップＧ部を通過し、受光ユニット８によってその光量が検出される。
【００５８】
投光ユニット７から出射される光線９の幅Ｌ１はギャップＧよりも狭いので、Ｂ点→Ｄ点（厳密には（Ｂ点よりもＬ１だけ上方位置）→（Ｄ点よりもＬ１だけ下方位置））まで走査する期間にギャップＧを通過する光線の幅Ｌは、Ｌ１と等しく一定である。この結果、受光ユニット８（受光素子８２）から出力される信号ＳＧ２は、図９に示す如くの単一パルスとなる。このパルス信号のパルス幅ＴＷは、Ｓ方向に走査している光線９がギャップＧの幅を移動するのに要する時間を示している。光線９は一定速度ｖで走査しているから、前記のパルス幅ＴＷに速度ｖを乗ずる事により、ギャップＧを測定する事ができる。すなわち、ギャップＧが変化すると、これに対応してパルス幅ＴＷも変化する。なお実際には、Ｂ点→（Ｂ点よりもＬ１だけ上方位置）までの走査期間、および（Ｄ点よりもＬ１だけ下方位置）→Ｄ点までの走査期間には、ギャップＧを通過する光線の幅ＬはＬ１よりも狭く、これと対応しパルス信号ＳＧ２は略台形の形状をなす。このため、パルス信号の波形を整形し、パルス幅ＴＷとギャップＧとの関係を予め調べ、校正しておく必要がある。なお、図９中には、受光ユニット８の出力波形と併せて、図２に示す同期用フォトダイオード７５の出力波形も示している。
【００５９】
図８と図９を参照して、光線９は、同期用フォトダイオード７５から出力される同期信号ＰＤ３の立ち上がりタイミングｔ７５よりもＤＴだけ遅延して出射され、図８中のＡ点より走査を開始する。その後のＴ１なる時間間隔の間に、図８中のＥ点まで走査する。そして、時間間隔Ｔ２の後、再度、同期用フォトダイオード７５から同期信号ＰＤ４が出力される。上記の期間中で、光線９が図８中のＢ点→Ｄ点まで走査する期間において、パルス信号ＳＧ２が発生する。この動作が、周期Ｔで繰り返される。
【００６０】
したがって、受光ユニット８の出力パルスのパルス幅ＴＷを１周期（Ｔ）毎に検出し、これを更新していく事によって、ギャップＧの時間的な変化を測定する事ができる。パルス幅ＴＷの検出は、図７中のパルス幅検出手段１２によって行われる。
【００６１】
パルス幅検出手段１２は、公知の電気回路によって構成されるものであるが、例えば、以下の様に構成すればよい。すなわち、パルス信号の波形整形を行う波形整形回路と、基準クロックを発生するクロック発生回路と、波形整形された信号のパルス幅を前記クロックに基づき計数するカウンタと、カウンタによって検出されたパルス幅信号を格納するレジスタとを備え、同期信号の立ち上がりタイミング毎に、レジスタに格納されたパルス幅信号を出力すればよい。これをＤ／Ａ変換し、ローパスフィルタで整形すれば、ギャップＧの時間応答波形を得る事ができる。
【００６２】
ここで、受光ユニット８は、所定の光軸の光線を常時検出するものであるから、ギャップＧ部において発生するプラズマＰの発光成分も常時検出する事になる。この結果、プラズマ発光の影響を受けた場合の受光ユニット８の出力は、図１０中の点線で示す様な波形となる。つまり、全体的に△Ｈだけレベルが高くなるのみでパルス幅ＴＷは変化しない。この様に、本実施の形態によれば、プラズマ発光の影響を受けないギャップ測定が可能になる。
【００６３】
これと同様に、温度の影響や低域ノイズの影響によって受光ユニット８の出力がドリフト変動している場合においても、パルス幅ＴＷは変化しない。本実施の形態では、走査している光線９がギャップＧの幅を移動するのに要する時間（パルス幅ＴＷ）を測定しているので、上記の様に、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けない。
【００６４】
本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けずに、電極と基板との間のギャップを正確に測定する事ができる。これによって、高圧力下でのプラズマ処理の様に、電極と基板との間のギャップが非常に狭い場合であっても、ギャップを所望の値に調整できる。この結果、プラズマ処理の安定化が図れるとともに、電極と基板との接触を防止できる。この効果は、特に、接触による被害が大きなものとなる高速回転電極を用いた場合に顕著である。
【００６５】
なお、ギャップ測定の感度を高めるには、光線９の幅Ｌ１を極力狭くしておく事が望ましい。これによって、測定可能なギャップの最小値を小さくできるとともに、パルス信号のエッジを顕著なものとする事ができる。したがって、より高精度なギャップ測定が可能となる。
【００６６】
（実施の形態３）
上記の実施の形態１は、光線９の幅Ｌ１よりも狭いギャップＧに対して、出力パルスの波高値を検出し、ギャップを測定するものであった。また、実施の形態２は、光線９の幅Ｌ１よりも広いギャップＧに対して、出力パルスのパルス幅を検出し、ギャップを測定するものであった。本発明の実施の形態３は、実施の形態１と実施の形態２とを組合せ、ギャップの測定範囲を広げる様に構成されたものである。
【００６７】
図１１は、本実施の形態の基本構成を示している。ギャップ測定装置３０６は、投光ユニット部１０６Ａと受光ユニット部１０６Ｂとギャップ測定部３０６Ｃとを備える。投光ユニット部１０６Ａは、投光ユニット７を備える。受光ユニット部１０６Ｂは、受光ユニット８を備える。ギャップ測定部３０６Ｃは、波高値検出手段１１とパルス幅検出手段１２とを備える。
【００６８】
本実施の形態では、受光ユニット８の後段に、波高値検出手段１１とパルス幅検出手段１２の双方が接続されている。波高値検出手段１１の出力信号およびパルス幅検出手段１２の出力信号は、スイッチＳＷに入力され、何れか一方が選択される様になっている。スイッチＳＷは波高値検出手段１１の後段に接続されたレベル判定器１３の出力信号によって切替えられる。レベル判定器１３は、前記出力パルスの波高値と所定の判定基準とを比較するコンパレータによって構成されている。
【００６９】
前記の判定基準は、ギャップＧが光線幅Ｌ１よりも若干狭い場合に、受光ユニット８より得られる出力パルスの波高値レベルに設定している。そして、受光ユニット８から出力されるパルスの波高値が、判定基準よりも低いレベルのときには、波高値検出手段１１によって実施の形態１の手法でギャップを測定する。また、受光ユニット８の出力が判定基準よりも高いレベルのときには、パルス幅検出手段１２によって実施の形態２の手法でギャップＧを測定する。
【００７０】
上記の構成により、実施の形態１および実施の形態２と同等の効果を得ながら、更に、ギャップＧの測定範囲を拡大できる。
【００７１】
（実施の形態１〜３の変形例）
実施の形態１〜実施の形態３の説明図面では、光線９の光軸が、ドラム状回転電極１の中心軸（回転軸Ｒ１）を含む平面Ｐ１に対して直角をなす例について示してきたが、これに限ったものではない。光線９は、測定すべきギャップを通過できればよく、図１２に示す様に、前記の平面Ｐ１に対して傾斜していてもよい。また、この光軸は、ギャップ通過の前後に、反射ミラーによってその方向が変えられるものでもよい。プラズマ反応装置２０のサイズに応じて、反射ミラーを併用しながら、投光ユニット７と受光ユニット８とを適宜にレイアウトすればよい。
【００７２】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４について、図１３を参照して説明する。本実施の形態は、実施の形態１〜３で説明したギャップ測定装置１０６、２０６および３０６のいずれかを用いて、回転電極１と基板２との間のギャップＧを所望の値に閉ループ制御するものである。図１３を参照して、ギャップ測定装置１０６によって検出されたギャップＧは、比較器３１に入力され、ギャップ目標値と比較される。そして、その差信号Ｅｒｒが、ステージ駆動回路３２に入力される。ステージ駆動回路３２から出力された駆動信号ＶＤに基づき、ステージ４がＺ方向に駆動される。そして、再びギャップＧが検出され、比較器３１に入力される。この動作を繰り返し、フィードバックループが形成される。これによって、回転電極１と基板２との間のギャップＧが所望の値に制御される。
【００７３】
【実施例】
実施の形態１で説明したギャップ測定装置１０６を用い、プラズマ反応装置２０内で、インプロセスのギャップ測定を実施した。基板２はシリコンウエハで、これをＨｅとＳＦ6の混合ガスで加工した。回転電極は、直径２００ｍｍ、長さ１５０ｍｍのドラム形状で、これを５０００ｒｐｍで回転させた。加工前のギャップは２７０μｍに設定した。また加工中のステージ４は、Ｚ方向に移動させず固定しておいた。
【００７４】
プラズマ処理中に、ギャップＧの時間的な変化を測定した結果を図１４に示す。プラズマの発生に伴い経時的にギャップが狭くなっていく様子が分かるが、これは、回転電極１および基板２の熱変形量に対応している。また、加工後の定常状態におけるギャップは、加工前に比べて８０μｍ大きくなっている。この結果と対応し、加工後の測定において、基板２は８０μｍ加工されていた。上記より、本発明のギャップ測定装置によって、適正なギャップ測定が行えている事が分かる。
【００７５】
【発明の効果】
本発明は、電極と基板との間のギャップ部に間欠的に光線を照射し、前記ギャップを通過した光線の光量に対応して出力されるパルス信号に基づいて、ギャップを測定する構成としたから、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けずに、前記ギャップを正確に測定する事ができる。これによって、高圧力下でのプラズマ処理の様に、電極と基板との間のギャップが非常に狭い場合であっても、ギャップを所望の値に調整できる。
【００７６】
この結果、プラズマ処理の安定化が図れるとともに、電極と基板との接触を防止できる。この効果は、特に、接触による被害が大きなものとなる高速回転電極を用いた場合に顕著である。
【００７７】
また、前記光線を基板の表面に対して略直角な方向に走査させるように構成したから、光線の幅を狭くでき、ギャップ測定感度を高める事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の構成図。
【図２】本発明の実施形態１における投光ユニットの内部構造図。
【図３】本発明の実施形態１における受光ユニットの内部構造図。
【図４】（ａ）本発明の実施形態１におけるギャップ測定原理を説明する図。
（ｂ）本発明の実施形態１におけるギャップ測定原理を説明する図。
【図５】本発明の第１実施形態における受光ユニットの出力波形を説明するグラフ。
【図６】（ａ）本発明の実施形態１の効果を説明する図。
（ｂ）本発明の実施形態１の効果を説明する図。
【図７】本発明の実施形態２の構成図。
【図８】（ａ）本発明の実施形態２におけるギャップ測定原理を説明する図。
（ｂ）本発明の実施形態２におけるギャップ測定原理を説明する図。
【図９】本発明の実施形態２における受光ユニットの出力波形を説明するグラフ。
【図１０】本発明の実施形態２の効果を説明する図。
【図１１】本発明の実施形態３の構成図。
【図１２】本発明の実施形態１〜３における変形例の説明図。
【図１３】本発明の実施形態４の制御ブロック図。
【図１４】本発明の実施例を説明する図。
【図１５】従来技術の斜視図。
【図１６】従来技術の構成図。
【符号の説明】
１ 回転電極
１ａ 回転電極１の外周面
２ 基板
３ 高周波電源
４ ステージ
５ 反応容器
７ 投光ユニット
８ 受光ユニット
９ 光線
１１ 波高値検出手段
１２ パルス幅検出手段
１３ レベル判定器
１５ａ，１５ｂ 絶縁体
１６ａ，１６ｂ 導電性ケース
７１ 光源
７２ ポリゴンミラー
７３ 反射ミラー
７４ コリメータレンズ
７５ フォトダイオード
８１ 集光レンズ
８２ 受光素子
３１ 比較器
３２ ステージ駆動回路
１０６、２０６、３０６ ギャップ測定装置
１０６Ａ 投光ユニット部
１０６Ｂ 受光ユニット部
１０６Ｃ、２０６Ｃ、３０６Ｃ ギャップ測定部
Ｇ ギャップ
Ｐ プラズマ
Ｈ 波高値
ＴＷ パルス幅
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ反応装置に用いるギャップ測定装置に関する。さらに詳しくは、対向して配置される電極と基板との間のギャップを測定するギャップ測定装置に関し、特に、狭ギャップが要求されるプラズマ反応装置に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
加工、成膜、および表面処理などのプラズマ処理においては、処理速度の高速化が要求されている。この要求に応えるため、第２７００１７７号特許公報や特開平９−１０４９８５号公報などには、大気圧近傍の高圧力下でプラズマ処理を行う事により処理速度を高めたプラズマ反応装置が開示されている。ここで、高圧力下で安定したプラズマを維持するためには、電極と基板との間のギャップを非常に狭く設定する必要がある。
【０００３】
例えば、特開平９−１０４９８５号公報におけるギャップは０．０１ｍｍ〜１ｍｍである。しかしながら、この様な微小ギャップの設定は非常に困難である。しかもギャップは、プラズマ処理の進行に伴う電極および基板の熱変形に起因して、経時的に変化する。前記の様な微小ギャップの場合には、ギャップの変化に伴いプラズマ状態も変化するため、プラズマ処理が不安定になるという問題がある。更に、ギャップが数１００μｍと非常に狭い場合には、電極と基板とが接触してしまうという問題も起こる。この問題は、特開平９−１０４９８５号公報に開示される様な高速回転電極を用いた場合に顕著であり、該公報のプラズマ反応装置内にはギャップ測定装置が設けられている。
【０００４】
特開平９−１０４９８５号公報に開示された内容について、図１５、図１６を参照して説明する。図中、２０はプラズマ反応装置であって、その内部に、図示しない回転駆動機構によって回転可能となされたドラム状回転電極１が配置されている。２は基板、３は高周波電源、４はステージ、５は反応容器をそれぞれ示している。基板２はステージ４上に搭載され、回転電極１と所定のギャップＧを保持して対向する様に、反応容器５内に配置される。ギャップＧは０．１ｍｍ程度である。反応容器５の内部には、不活性ガス及び反応ガスからなる雰囲気ガスが充填され、その圧力は１気圧程度に設定される。
【０００５】
上記の構成において、回転電極１を図中の矢印ＤＲ方向に高速回転させると、粘性により、回転電極１の外周面１ａに引き連れられた雰囲気ガスが、前記ギャップＧ内に安定に供給される。この状態で高周波電源３から回転電極１に高周波電圧を印加すると、ギャップＧ部でプラズマＰが発生する。そして、プラズマＰ中の反応ガスに基づく反応性ラジカルの作用により、基板２の表面がプラズマ処理される。
【０００６】
ここで、上記の装置には、更にギャップ測定装置６０６が備えられている。図１６を参照して、ギャップ測定装置６０６は、光源６１０と、コリメータレンズ６０７と、集光レンズ６０８と、検知器６１１と、光ファイバ６０９ａ、６０９ｂとから構成されている。反応容器５の内部に、回転電極１と基板２との間のギャップＧを挟み対向する様に、コリメータレンズ６０７と集光レンズ６０８とが設けられている。コリメータレンズ６０７には、光ファイバ６０９ａを介して光源６１０が接続されている。集光レンズ６０８には光ファイバ６０９ｂを介して検知器６１１が接続されている。
【０００７】
光源６１０から出射された光線は、光ファイバ６０９ａを通りコリメータレンズ６０７により整形され、ギャップＧ部に照射される。ギャップＧに照射された光線は、ギャップＧよりも幅の広い光束であるため、回転電極１および基板２に妨げられる。そして、ギャップＧを通過した、より幅の狭い光線が集光レンズ６０８により集光され、光ファイバ６０９ｂを通り検知器６１１で検知される。検知器６１１で検知される光量は、ギャップＧの幅に応じて増減するため、この光量を測定する事により、ギャップＧを測定する事ができる。
【０００８】
以上の様にして測定したギャップＧに応じて、ステージ４を上下動させる事により、回転電極１と基板２との間のギャップＧを調整でき、プラズマ処理の安定化が図れる。また、電極と基板との接触が避けられるため、高速回転電極を用いた場合においても、電極や基板の破損を未然に防止できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のギャップ測定装置はギャップＧの情報として、集光した光線の光量の絶対値を検出するため、プラズマ発光の影響を受けやすいという問題点があった。すなわち、集光レンズ６０８により集光した光線は、コリメータレンズ６０７から照射されギャップＧ部を通過した光線以外に、プラズマの発光成分も含む事になる。この結果ギャップＧを、実際のギャップよりも広めに検出してしまう。
【００１０】
また、従来のギャップ測定装置は、一定の広さのギャップに対して直流信号（以下「ＤＣ信号」という。）を出力するものであるから、検知器６１１の出力が温度の影響や低域ノイズの影響によってドリフト変動している場合には、ギャップの幅を実際とは異なる幅で検出してしまうという問題点があった。
【００１１】
本発明の目的は、プラズマ発光の影響を受けることなく正確にギャップを測定することができるギャップ測定装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、温度の影響や低域ノイズの影響によって検知器の出力がドリフト変動している場合であっても、正確にギャップを測定することができるギャップ測定装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るギャップ測定装置は、互いに対向して配置された電極と基板との間でプラズマを発生させ、該基板に対して成膜、加工および表面処理のうち少なくとも１つの処理を施すプラズマ反応装置に用いられ、該電極と該基板との間のギャップを測定するギャップ測定装置であって、第１光線を走査して、該ギャップへ該第１光線を間欠的に照射する投光ユニットと、該第１光線が該ギャップを通過した後の第２光線の光量を検出し、該光量に対応するパルス信号からなる受光信号を出力する受光ユニットと、該受光信号の波高値を検出する波高値検出手段と、該受光信号のパルス幅を検出するパルス幅検出手段と、該波高値検出手段の出力と該パルス幅検出手段の出力とを切り替えるスイッチと、該波高値検出手段の出力に基づいて該スイッチを切り替えるレベル判定手段とを含み、該レベル判定手段によって切り替えられたスイッチを介して出力される該波高値または該パルス幅に基づいて該ギャップを測定するギャップ測定手段と、測定された該ギャップと所定のギャップの目標値とに基づいて、該ギャップを制御するギャップ制御手段とを備え、該ギャップ測定手段によって該ギャップの時間的変化を測定しつつ、該ギャップを所定値に制御するものであり、このことにより上記目的が達成される。
【００２１】
該第１光線は、実質的に単一の波長を有し、該受光ユニットは、前段に該波長を有する光線を通過させる光学フィルタを備えてもよい。
【００２２】
該第１光線は、該電極と該基板との間で発生するプラズマが有する発光スペクトルのピーク波長とは異なる波長を有してもよい。
【００２３】
該投光ユニットおよび該受光ユニットのうちの少なくともいずれか一方は、電磁シールドが施されるように導電性のケースで覆われてもよい。
【００２７】
該電極はドラム状電極を含み、該投光ユニットは、該第１光線を、該ドラム状電極の中心軸を含み該基板の表面に対して垂直な第１の面に対して実質的に垂直に照射してもよい。
【００２８】
該電極はドラム状電極を含み、該投光ユニットは、該第１光線を、該ドラム状電極の中心軸を含み該基板の表面に対して垂直な第１の面に対して所定の角度傾斜して照射してもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について、図１〜図６を参照して説明する。本発明のギャップ測定装置１０６は、如何なる形態のプラズマ反応装置に対しても適用可能であるが、図１５、図１６に示したプラズマ反応装置２０に適用した場合に、その効果が最も顕著となる。
【００３１】
以下では、ギャップ測定装置１０６を、プラズマ反応装置２０に適用した場合について説明する。プラズマ反応装置２０の構成は、図１５、図１６の構成と同じであるので説明を省略する。
【００３２】
図１は、プラズマ反応装置２０内におげるギャップ測定装置１０６の配置を示している。プラズマＰは、ドラム状の回転電極１と基板２との間のギャップＧ部において発生する。
【００３３】
ギャップ測定装置１０６は、投光ユニット部１０６Ａと受光ユニット部１０６Ｂとギャップ測定部１０６Ｃとを備える。投光ユニット部１０６Ａは、投光ユニット７を備える。受光ユニット部１０６Ｂは、受光ユニット８を備える。ギャップ測定部１０６Ｃは、後述する波高値検出手段１１を備える。
【００３４】
投光ユニット７と受光ユニット８とは、ギャップＧを挟んで対向している。投光ユニット７および受光ユニット８は、アルミナなどの絶縁体１５ａ，１５ｂ上に搭載され、一部が開口した導電性ケース１６ａ，１６ｂに覆われている。これによって、電磁シールドが施され、投光ユニット７および受光ユニット８への高周波ノイズの影響が除去できる。前記の導電性ケース１６ａ，１６ｂの開口は、後述の光線９を透過させるために設けている。なお、この開口部は、ガラス等の透明な部材によって封止されていてもよい。
【００３５】
図２は、投光ユニット７の内部構造を示す模式図である。図２において、光源７１は連続的に発光するもので、これから出射された光線は、ポリゴンミラー７２、反射鏡７３、コリメータレンズ７４を介して、投光ユニット７から出射される。光源７１は如何なるものでもよいが、例えばレーザ光源であり、好ましくはプラズマＰの発光スペクトルのピーク波長と異なる波長のものが選定される。この構成において、ポリゴンミラー７２を図中のＲ方向に回転させると、Ｓ方向に走査する光線９が投光ユニット７から出射される。７５は同期用フォトダイオードであり、走査している光線が基準位置にある事を示す同期信号を出力する。
【００３６】
図３は、受光ユニット８の内部構造を示す模式図である。８１は集光レンズである。８２は受光素子であり、例えばフォトダイオードである。この構成により、受光ユニット８に所定の光軸で入射した光線の光量が、受光素子８２によって検出される。
【００３７】
なお、好ましくは、受光ユニット８の入口に光学フィルタ８３を備える。光学フィルタ８３は、光源７１から出射される光線と同一波長の光線を通過させるものを選定する。上記の様に、プラズマＰの発光スペクトルのピーク波長と異なる波長の光源７１を使用し、これを選択的に通過させる光学フィルタ８３と組合せる事により、後述する本実施の形態の効果はより顕著なものとなる。すなわち、本実施の形態はプラズマ発光の影響を受けないギャップ測定装置を提供するものであるが、前記の構成により、その信頼性を更に高める事ができる。
【００３８】
図４（ａ）、（ｂ）は、ギャップＧの測定原理を示す模式図である。投光ユニット７と受光ユニット８は、ギャップＧを挟んで対向している。投光ユニット７は、出射される光線９が基板２の表面２Ｓに対して略直角な方向Ｓに走査する様に配置されている。投光ユニット７から出射される光線９の幅Ｌ１は如何様にも調整可能であるが、本実施の形態では、測定すべきギャップＧよりも広くなる様に調整されている。好ましくは、ギャップＧよりわずかに幅広になる様に調整される。例えば、測定すべきギャップＧの最大幅よりも数１０％程度幅広になる様に調整すればよい。
【００３９】
受光ユニット８は、投光ユニット７から出射される光線９を集光できる位置に配置されている。この構成によって、投光ユニット７から、基板２から回転電極１の方向Ｓに走査する光線９が出射される。光線９が図４（ａ）中のＡ点→Ｂ点まで走査する期間においては、光線９はステージ４または基板２に遮断される。また、Ｄ点→Ｅ点まで走査する期間には、回転電極１に遮断される。Ｂ点→Ｄ点まで走査する期間においてのみ、光線９はギャップＧ部を通過し、受光ユニット８によってその光量が検出される。検出される光量は、光線９が図４（ｂ）中のＣ点に位置するときに最大となる。
【００４０】
このとき、ギャップＧを通過する光線の幅Ｌは、ギャップＧの幅と等しくなる。なお、投光ユニット７から出射され、Ｌ１なる幅の光線が、特許請求の範囲に規定される第１光線に対応する。また、第１光線がギャップＧを通過し、Ｌなる幅となった光線が特許請求の範囲に規定される第２光線に対応する。この結果、受光ユニット８（受光素子８２）から出力される信号ＳＧ１は、図５に示す如くの単一パルスとなる。このパルス信号ＳＧ１の波高値ＨがギャップＧの幅に対応する。すなわち、ギャップＧが変化すると光線の幅Ｌが変化し、これに対応して波高値Ｈも変化する。なお、図５には、受光ユニット８の出力波形と併せて、図２に示した同期用フォトダイオード７５の出力波形も示している。
【００４１】
図４と図５とを参照して、光線９は、同期用フォトダイオード７５から出力される同期信号ＰＤ１の立ち上がりタイミングｔ７５よりもＤＴだけ遅延して出射され、図４（ａ）中のＡ点より走査を開始する。その後のＴ１なる時間間隔の間に、図４（ａ）中のＥ点まで走査する。そして、時間間隔Ｔ２の後、再度、同期用フォトダイオード７５から同期信号ＰＤ２が出力される。
【００４２】
上記の期間中で、光線９が図４（ａ）中のＢ点→Ｄ点まで走査する期間において、パルス信号ＳＧ１が発生する。この動作が、周期Ｔで繰り返される。したがって、受光ユニット８の出力パルスの波高値Ｈを１周期（Ｔ）毎に検出し、これを更新していく事によって、ギャップＧの時間的な変化を測定する事ができる。パルス信号の波高値Ｈの検出は、図１中に示す波高値検出手段１１によって行われる。
【００４３】
波高値検出手段１１は、公知の電気回路によって構成されるものであるが、例えば、以下の様に構成すればよい。すなわち、受光ユニット８の出力をＡ／Ｄ変換するＡＤ変換器と、Ａ／Ｄ変換された信号を１走査期間Ｔ１分記憶するメモリと、メモリに記憶された信号のピーク値とＤＣレベルとを検出しその差を算出する波高値検出回路と、前記検出された波高値信号を格納するレジスタとを備え、同期信号の立ち上がりタイミング毎に、レジスタに格納された波高値信号を出力すればよい。これをＤ／Ａ変換し、ローパスフィルタで整形すれば、ギャップＧの時間応答波形を得る事ができる。なお、図５に示した受光ユニット８の出力波形は、同期信号（同期用フォトダイオード７５の出力）に基づいて、複数周期分（１周期：Ｔ）のアベレージング処理を施してもよい。この場合には上記と同様の手法により、アベレージング処理されたパルス信号の波高値を検出し、これを所定のタイミングで更新していけば良い。このようにすると、ギャップ測定の応答性は若干劣化するものの、受光ユニット８の出力信号に混入したランダムノイズの影響を除去できる。
【００４４】
以上の様にして、回転電極１と基板２との間のギャップＧが測定できる。そしてギャップＧの幅に応じて、図１中のステージ４をＺ方向に移動させる事により、ギャップＧを所望の値に調整できる。
【００４５】
ここで受光ユニット８は、所定の光軸の光線を常時検出するものであるから、ギャップＧ部において発生するプラズマＰの発光成分も常時検出する事になる。この結果、プラズマ発光の影響を受けた場合の受光ユニット８の出力は、図６（ａ）中の点線で示す様な波形となる。つまり、全体的に△Ｈだけレベルが高くなるのみで波高値Ｈは変化しない。この様に、本実施の形態によれば、プラズマ発光の影響を受けないギャップ測定が可能になる。
【００４６】
図６（ｂ）は、温度の影響や低域ノイズの影響によって受光ユニット８の出力がドリフト変動している場合を示している。点線で示す波形がドリフト変動している場合であるが、波高値Ｈは変化しない。本実施の形態では光線がギャップに照射されるタイミングにおける受光ユニット８の出力と、光線がギャップに照射されていないときの出力との差を測定しているので、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けない。
【００４７】
上記で説明した様に、本実施の形態によれば、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けずに、電極と基板との間のギャップを正確に測定する事ができる。これによって、高圧力下でのプラズマ処理の様に、電極と基板との間のギャップが非常に狭い場合であっても、ギャップを所望の値に調整できる。この結果、プラズマ処理の安定化が図れるとともに、電極と基板との接触を防止できる。この効果は、特に、接触による被害が大きなものとなる高速回転電極を用いた場合に顕著である。
【００４８】
なお、ギャップ測定の感度を高めるには、前記した様に、光線９の幅Ｌ１を測定すべきギャップＧよりも少し広めになる程度に調整しておく事が望ましい。この様に光線の幅を極力狭くすれば、エネルギ密度の高い状態で光線を使用できるから、ギャップ変化に対する波高値変化を急峻なものとする事ができる。
【００４９】
ここで、光線９の幅Ｌ１は、必ずしも、光軸に沿って一定幅のものでなくてよく、ギャップ測定ポイントにおいて所望の広さになっていればよい。例えば、ギャップ測定ポイントの近傍において焦点を結ぶ様なビーム形状でも良い。また、これを満足する様に光軸上に適宜レンズを配置してもよい。
【００５０】
（実施の形態１の変形例）
実施の形態１では、光線がギャップＧに間欠的に照射される。光線がギャップＧに照射されているときに検出される光量と、光線がギャップＧに照射されていないときに検出される光量との差を測定しているので、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けない。したがって、上記以外の手法によってギャップＧに間欠的に光線を照射しても、受光ユニット８の出力は図５と同様の波形となり、上記と同様の効果が得られる。
【００５１】
例えば、図４（ｂ）中のＣ点に光線９の位置を固定しておき、光線９を間欠的に出射する様にしてもよい。図示しないが、これを実現する構成例としては、パルス発光する光源とコリメータレンズとからなる投光ユニットを用いる構成や、連続発光する光源と、光線を間欠的に遮断する回転スリットと、コリメータレンズとからなる投光ユニットを用いる構成などが挙げられる。但し、光線９の位置を固定しているため、光線幅を広くしておかないと、ギャップＧ部に適正に光線が照射されなくなる虞れがある。
【００５２】
例えば、回転電極のみが大きく熱膨張し、ギャップＧを所定値に調整するために、ステージ４を下方向に移動させる様な場合である。この場合には、ギャップＧの位置が下方に移動するため、光線幅を広くしておかないと、ギャップＧ部に適正に光線が照射されなくなる。すなわち、本変形例は、実施の形態１よりも簡単な構成ではあるが、光線幅を広めに設定しなければならず、感度が低下するという問題点を伴う。
【００５３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、図７〜図１０を参照して説明する。本実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、投光ユニット７から出射される光線９の幅Ｌ１が、ギャップＧよりも狭い事と、図１中の波高値検出手段１１をパルス幅検出手段１２に変更している点である。その他は、実施の形態１と同様であり、共通の構成要素には同一の記号を付し、説明を省略する。
【００５４】
図７は、本実施の形態におけるギャップ測定装置２０６の、プラズマ反応装置２０内の配置を示している。実施の形態１と同様、ドラム状の回転電極１と基板２との間のギャップＧ部においてプラズマＰが発生する。
【００５５】
ギャップ測定装置２０６は、投光ユニット部１０６Ａと受光ユニット部１０６Ｂとギャップ測定部２０６Ｃとを備える。投光ユニット部１０６Ａは、投光ユニット７を備える。受光ユニット部１０６Ｂは、受光ユニット８を備える。ギャップ測定部２０６Ｃは、後述するパルス幅検出手段１２を備える。
【００５６】
図８は、本実施の形態におけるギャップ測定原理を示す模式図である。投光ユニット７と受光ユニット８はギャップＧを挟んで対向している。
【００５７】
図８を参照して、光線９がＡ点→Ｂ点まで走査する期間においては、光線９はステージ４または基板２に遮断される。また、Ｄ点→Ｅ点まで走査する期間には、回転電極１に遮断される。Ｂ点→Ｄ点まで走査する期間（例えばＣ点）においてのみ、光線９はギャップＧ部を通過し、受光ユニット８によってその光量が検出される。
【００５８】
投光ユニット７から出射される光線９の幅Ｌ１はギャップＧよりも狭いので、Ｂ点→Ｄ点（厳密には（Ｂ点よりもＬ１だけ上方位置）→（Ｄ点よりもＬ１だけ下方位置））まで走査する期間にギャップＧを通過する光線の幅Ｌは、Ｌ１と等しく一定である。この結果、受光ユニット８（受光素子８２）から出力される信号ＳＧ２は、図９に示す如くの単一パルスとなる。このパルス信号のパルス幅ＴＷは、Ｓ方向に走査している光線９がギャップＧの幅を移動するのに要する時間を示している。光線９は一定速度ｖで走査しているから、前記のパルス幅ＴＷに速度ｖを乗ずる事により、ギャップＧを測定する事ができる。すなわち、ギャップＧが変化すると、これに対応してパルス幅ＴＷも変化する。なお実際には、Ｂ点→（Ｂ点よりもＬ１だけ上方位置）までの走査期間、および（Ｄ点よりもＬ１だけ下方位置）→Ｄ点までの走査期間には、ギャップＧを通過する光線の幅ＬはＬ１よりも狭く、これと対応しパルス信号ＳＧ２は略台形の形状をなす。このため、パルス信号の波形を整形し、パルス幅ＴＷとギャップＧとの関係を予め調べ、校正しておく必要がある。なお、図９中には、受光ユニット８の出力波形と併せて、図２に示す同期用フォトダイオード７５の出力波形も示している。
【００５９】
図８と図９を参照して、光線９は、同期用フォトダイオード７５から出力される同期信号ＰＤ３の立ち上がりタイミングｔ７５よりもＤＴだけ遅延して出射され、図８中のＡ点より走査を開始する。その後のＴ１なる時間間隔の間に、図８中のＥ点まで走査する。そして、時間間隔Ｔ２の後、再度、同期用フォトダイオード７５から同期信号ＰＤ４が出力される。上記の期間中で、光線９が図８中のＢ点→Ｄ点まで走査する期間において、パルス信号ＳＧ２が発生する。この動作が、周期Ｔで繰り返される。
【００６０】
したがって、受光ユニット８の出力パルスのパルス幅ＴＷを１周期（Ｔ）毎に検出し、これを更新していく事によって、ギャップＧの時間的な変化を測定する事ができる。パルス幅ＴＷの検出は、図７中のパルス幅検出手段１２によって行われる。
【００６１】
パルス幅検出手段１２は、公知の電気回路によって構成されるものであるが、例えば、以下の様に構成すればよい。すなわち、パルス信号の波形整形を行う波形整形回路と、基準クロックを発生するクロック発生回路と、波形整形された信号のパルス幅を前記クロックに基づき計数するカウンタと、カウンタによって検出されたパルス幅信号を格納するレジスタとを備え、同期信号の立ち上がりタイミング毎に、レジスタに格納されたパルス幅信号を出力すればよい。これをＤ／Ａ変換し、ローパスフィルタで整形すれば、ギャップＧの時間応答波形を得る事ができる。
【００６２】
ここで、受光ユニット８は、所定の光軸の光線を常時検出するものであるから、ギャップＧ部において発生するプラズマＰの発光成分も常時検出する事になる。この結果、プラズマ発光の影響を受けた場合の受光ユニット８の出力は、図１０中の点線で示す様な波形となる。つまり、全体的に△Ｈだけレベルが高くなるのみでパルス幅ＴＷは変化しない。この様に、本実施の形態によれば、プラズマ発光の影響を受けないギャップ測定が可能になる。
【００６３】
これと同様に、温度の影響や低域ノイズの影響によって受光ユニット８の出力がドリフト変動している場合においても、パルス幅ＴＷは変化しない。本実施の形態では、走査している光線９がギャップＧの幅を移動するのに要する時間（パルス幅ＴＷ）を測定しているので、上記の様に、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けない。
【００６４】
本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けずに、電極と基板との間のギャップを正確に測定する事ができる。これによって、高圧力下でのプラズマ処理の様に、電極と基板との間のギャップが非常に狭い場合であっても、ギャップを所望の値に調整できる。この結果、プラズマ処理の安定化が図れるとともに、電極と基板との接触を防止できる。この効果は、特に、接触による被害が大きなものとなる高速回転電極を用いた場合に顕著である。
【００６５】
なお、ギャップ測定の感度を高めるには、光線９の幅Ｌ１を極力狭くしておく事が望ましい。これによって、測定可能なギャップの最小値を小さくできるとともに、パルス信号のエッジを顕著なものとする事ができる。したがって、より高精度なギャップ測定が可能となる。
【００６６】
（実施の形態３）
上記の実施の形態１は、光線９の幅Ｌ１よりも狭いギャップＧに対して、出力パルスの波高値を検出し、ギャップを測定するものであった。また、実施の形態２は、光線９の幅Ｌ１よりも広いギャップＧに対して、出力パルスのパルス幅を検出し、ギャップを測定するものであった。本発明の実施の形態３は、実施の形態１と実施の形態２とを組合せ、ギャップの測定範囲を広げる様に構成されたものである。
【００６７】
図１１は、本実施の形態の基本構成を示している。ギャップ測定装置３０６は、投光ユニット部１０６Ａと受光ユニット部１０６Ｂとギャップ測定部３０６Ｃとを備える。投光ユニット部１０６Ａは、投光ユニット７を備える。受光ユニット部１０６Ｂは、受光ユニット８を備える。ギャップ測定部３０６Ｃは、波高値検出手段１１とパルス幅検出手段１２とを備える。
【００６８】
本実施の形態では、受光ユニット８の後段に、波高値検出手段１１とパルス幅検出手段１２の双方が接続されている。波高値検出手段１１の出力信号およびパルス幅検出手段１２の出力信号は、スイッチＳＷに入力され、何れか一方が選択される様になっている。スイッチＳＷは波高値検出手段１１の後段に接続されたレベル判定器１３の出力信号によって切替えられる。レベル判定器１３は、前記出力パルスの波高値と所定の判定基準とを比較するコンパレータによって構成されている。
【００６９】
前記の判定基準は、ギャップＧが光線幅Ｌ１よりも若干狭い場合に、受光ユニット８より得られる出力パルスの波高値レベルに設定している。そして、受光ユニット８から出力されるパルスの波高値が、判定基準よりも低いレベルのときには、波高値検出手段１１によって実施の形態１の手法でギャップを測定する。また、受光ユニット８の出力が判定基準よりも高いレベルのときには、パルス幅検出手段１２によって実施の形態２の手法でギャップＧを測定する。
【００７０】
上記の構成により、実施の形態１および実施の形態２と同等の効果を得ながら、更に、ギャップＧの測定範囲を拡大できる。
【００７１】
（実施の形態１〜３の変形例）
実施の形態１〜実施の形態３の説明図面では、光線９の光軸が、ドラム状回転電極１の中心軸（回転軸Ｒ１）を含む平面Ｐ１に対して直角をなす例について示してきたが、これに限ったものではない。光線９は、測定すべきギャップを通過できればよく、図１２に示す様に、前記の平面Ｐ１に対して傾斜していてもよい。また、この光軸は、ギャップ通過の前後に、反射ミラーによってその方向が変えられるものでもよい。プラズマ反応装置２０のサイズに応じて、反射ミラーを併用しながら、投光ユニット７と受光ユニット８とを適宜にレイアウトすればよい。
【００７２】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４について、図１３を参照して説明する。本実施の形態は、実施の形態１〜３で説明したギャップ測定装置１０６、２０６および３０６のいずれかを用いて、回転電極１と基板２との間のギャップＧを所望の値に閉ループ制御するものである。図１３を参照して、ギャップ測定装置１０６によって検出されたギャップＧは、比較器３１に入力され、ギャップ目標値と比較される。そして、その差信号Ｅｒｒが、ステージ駆動回路３２に入力される。ステージ駆動回路３２から出力された駆動信号ＶＤに基づき、ステージ４がＺ方向に駆動される。そして、再びギャップＧが検出され、比較器３１に入力される。この動作を繰り返し、フィードバックループが形成される。これによって、回転電極１と基板２との間のギャップＧが所望の値に制御される。
【００７３】
【実施例】
実施の形態１で説明したギャップ測定装置１０６を用い、プラズマ反応装置２０内で、インプロセスのギャップ測定を実施した。基板２はシリコンウエハで、これをＨｅとＳＦ6の混合ガスで加工した。回転電極は、直径２００ｍｍ、長さ１５０ｍｍのドラム形状で、これを５０００ｒｐｍで回転させた。加工前のギャップは２７０μｍに設定した。また加工中のステージ４は、Ｚ方向に移動させず固定しておいた。
【００７４】
プラズマ処理中に、ギャップＧの時間的な変化を測定した結果を図１４に示す。プラズマの発生に伴い経時的にギャップが狭くなっていく様子が分かるが、これは、回転電極１および基板２の熱変形量に対応している。また、加工後の定常状態におけるギャップは、加工前に比べて８０μｍ大きくなっている。この結果と対応し、加工後の測定において、基板２は８０μｍ加工されていた。上記より、本発明のギャップ測定装置によって、適正なギャップ測定が行えている事が分かる。
【００７５】
【発明の効果】
本発明は、電極と基板との間のギャップ部に間欠的に光線を照射し、前記ギャップを通過した光線の光量に対応して出力されるパルス信号に基づいて、ギャップを測定する構成としたから、プラズマ発光などのＤＣ的な外乱の影響を受けずに、前記ギャップを正確に測定する事ができる。これによって、高圧力下でのプラズマ処理の様に、電極と基板との間のギャップが非常に狭い場合であっても、ギャップを所望の値に調整できる。
【００７６】
この結果、プラズマ処理の安定化が図れるとともに、電極と基板との接触を防止できる。この効果は、特に、接触による被害が大きなものとなる高速回転電極を用いた場合に顕著である。
【００７７】
また、前記光線を基板の表面に対して略直角な方向に走査させるように構成したから、光線の幅を狭くでき、ギャップ測定感度を高める事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の構成図。
【図２】本発明の実施形態１における投光ユニットの内部構造図。
【図３】本発明の実施形態１における受光ユニットの内部構造図。
【図４】（ａ）本発明の実施形態１におけるギャップ測定原理を説明する図。
（ｂ）本発明の実施形態１におけるギャップ測定原理を説明する図。
【図５】本発明の第１実施形態における受光ユニットの出力波形を説明するグラフ。
【図６】（ａ）本発明の実施形態１の効果を説明する図。
（ｂ）本発明の実施形態１の効果を説明する図。
【図７】本発明の実施形態２の構成図。
【図８】（ａ）本発明の実施形態２におけるギャップ測定原理を説明する図。
（ｂ）本発明の実施形態２におけるギャップ測定原理を説明する図。
【図９】本発明の実施形態２における受光ユニットの出力波形を説明するグラフ。
【図１０】本発明の実施形態２の効果を説明する図。
【図１１】本発明の実施形態３の構成図。
【図１２】本発明の実施形態１〜３における変形例の説明図。
【図１３】本発明の実施形態４の制御ブロック図。
【図１４】本発明の実施例を説明する図。
【図１５】従来技術の斜視図。
【図１６】従来技術の構成図。
【符号の説明】
１ 回転電極
１ａ 回転電極１の外周面
２ 基板
３ 高周波電源
４ ステージ
５ 反応容器
７ 投光ユニット
８ 受光ユニット
９ 光線
１１ 波高値検出手段
１２ パルス幅検出手段
１３ レベル判定器
１５ａ，１５ｂ 絶縁体
１６ａ，１６ｂ 導電性ケース
７１ 光源
７２ ポリゴンミラー
７３ 反射ミラー
７４ コリメータレンズ
７５ フォトダイオード
８１ 集光レンズ
８２ 受光素子
３１ 比較器
３２ ステージ駆動回路
１０６、２０６、３０６ ギャップ測定装置
１０６Ａ 投光ユニット部
１０６Ｂ 受光ユニット部
１０６Ｃ、２０６Ｃ、３０６Ｃ ギャップ測定部
Ｇ ギャップ
Ｐ プラズマ
Ｈ 波高値
ＴＷ パルス幅
Claims (6)
- 互いに対向して配置された電極と基板との間でプラズマを発生させ、該基板に対して成膜、加工および表面処理のうち少なくとも１つの処理を施すプラズマ反応装置に用いられ、該電極と該基板との間のギャップを測定するギャップ測定装置であって、
第１光線を走査して、該ギャップへ該第１光線を間欠的に照射する投光ユニットと、
該第１光線が該ギャップを通過した後の第２光線の光量を検出し、該光量に対応するパルス信号からなる受光信号を出力する受光ユニットと、
該受光信号の波高値を検出する波高値検出手段と、該受光信号のパルス幅を検出するパルス幅検出手段と、該波高値検出手段の出力と該パルス幅検出手段の出力とを切り替えるスイッチと、該波高値検出手段の出力に基づいて該スイッチを切り替えるレベル判定手段とを含み、該レベル判定手段によって切り替えられたスイッチを介して出力される該波高値または該パルス幅に基づいて該ギャップを測定するギャップ測定手段と、
測定された該ギャップと所定のギャップの目標値とに基づいて、該ギャップを制御するギャップ制御手段とを備え、
該ギャップ測定手段によって該ギャップの時間的変化を測定しつつ、該ギャップを所定値に制御する、ギャップ測定装置。 - 該第１光線は、実質的に単一の波長を有し、
該受光ユニットは、前段に該波長を有する光線を通過させる光学フィルタを備える、請求項１に記載のギャップ測定装置。 - 該第１光線は、該電極と該基板との間で発生するプラズマが有する発光スペクトルのピーク波長とは異なる波長を有する、請求項２に記載のギャップ測定装置。
- 該投光ユニットおよび該受光ユニットのうちの少なくともいずれか一方は、電磁シールドが施されるように導電性のケースで覆われる、請求項１に記載のギャップ測定装置。
- 該電極はドラム状電極を含み、
該投光ユニットは、該第１光線を、該ドラム状電極の中心軸を含み該基板の表面に対して垂直な第１の面に対して実質的に垂直に照射する、請求項１に記載のギャップ測定装置。 - 該電極はドラム状電極を含み、
該投光ユニットは、該第１光線を、該ドラム状電極の中心軸を含み該基板の表面に対して垂直な第１の面に対して所定の角度傾斜して照射する、請求項１に記載のギャップ測定装置。
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