JP3612487B2

JP3612487B2 - 方向性結合器の特性測定方法及びその方法を用いた方向性結合器及びこの方向性結合器を備えたプラズマ処理装置

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Publication number: JP3612487B2
Application number: JP2000366398A
Authority: JP
Inventors: 裕介江畑; 徹奥田; 勇▲蔵▼ 森
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: JP2002168892A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、方向性結合器の方向性、結合度の測定方法、及びこの測定方法によって方向性、結合度を測定する方向性結合器、及びこの方向性結合器を備えた機器、特にインピーダンスモニタリングを行うプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プラズマを用いて試料に所望の処理を行うＲＩＥ、プラズマＣＶＤ等の半導体製造装置が広く用いられている。この種の半導体製造装置には、ＶＨＦ、ＵＨＦ帯の周波数の電源が用いられることもあるが、主として、１３．５６ＭＨｚまたは２．５６ＧＨｚの高周波数の電源が用いられる。このような高周波数の電源による電力を制御するため、半導体製造装置には、電源から装置内に入射する進行波と、半導体製造装置から反射される反射波とを方向性結合器によって測定し、その測定結果に基づいて装置の消費電力をモニタリングする電力モニタリング装置が備えられる。
【０００３】
方向性結合器を用いた電力モニタリングを行う電力モニタリング装置の概略構成を図５に示す。
【０００４】
この電力モニタリング装置は、高周波数の発振電力を発振する発振器１と、この発振器１による発振電力によりプラズマ処理等の反応を行う反応容器９とを有しており、発振器１及び反応容器９の間には、サーキュレータ１０、方向性結合器２、位相差測定器８が、発振器１から反応容器９にかけて伝送線路４を介して順番に設けられている。また、サーキュレータ１０には、伝送線路４を介して反射波を発生させない無反射終端５が接続されている。
【０００５】
発振器１により発振される発振電力は、進行波となって、伝送線路４を介して、サーキュレーター１０、方向性結合器２、位相差測定器８を順番に進行して、反応容器９に入射する。
【０００６】
反応容器９に入射した進行波は、プラズマ等の処理のために消費されるが、一部は、反射波となって、伝送線路４を介して、位相差測定器８及び方向性結合器２に反射する。
【０００７】
サーキュレータ１０は、発振器１から発振される進行波電力を方向性結合器２に伝送するとともに、方向性結合器２から伝送される反射波電力を無反射終端５に伝送する。
【０００８】
方向性結合器２は、発振器１からの進行波及び反応容器９からの反射波からピックアップした出力電圧を測定することにより、進行波及び反射波の電力をそれぞれ測定する。
【０００９】
方向性結合器２からサーキュレーター１０に伝搬した反射波は、伝送線路４を介して無反射終端５に伝送され、この無反射終端５にて消費される。
【００１０】
このような電力モニタリング装置では、反応容器９に入射する進行波に対して、反応容器９から反射される反射波の割合、即ち反射率は、反応容器９の入力インピーダンスに依存している。したがって、方向性結合器２によって進行波及び反射波の振幅を測定し、同時に位相差測定器８により進行波と反射波との位相差を測定し、この振幅及び位相差に基づいて反射率を求めれば、反応容器９の入力インピーダンスがモニタリングされる。
【００１１】
この時、方向性結合器２は、前記進行波及び反射波の振幅を測定し、位相差測定器８により進行波と反射波との位相差を測定することにより、インピーダンスモニタリングを行っているが、方向性結合器２のみでは、進行波電力、反射波電力しかモニタリングできない。これは、方向性結合器２中を伝播する進行波、反射波と方向性結合器２の出力信号との関係を表す結合度及び方向性が実数で示され、前記進行波、反射波の振幅しか得られないためである。
【００１２】
次に、従来技術における方向性結合器の進行波及び反射波に基づく方向性及び結合度の測定方法について説明する。
【００１３】
方向性結合器２は、その内部を伝播する進行波及び反射波における、進行波のみに依存する進行波出力信号及び反射波のみに依存する反射波信号をそれぞれピックアップする。
【００１４】
しかし、実際には、進行波のみしか依存しないはずの前記進行波出力信号中にも、僅かながら反射波の影響が含まれ、また反射波のみしか依存しないはずの反射波出力信号にも、進行波の影響が含まれることになる。
【００１５】
この時、前記進行波出力信号の進行波に対する依存性、また反射波出力信号の反射波に対する依存性を結合度と呼び、逆に前記進行波出力信号の反射波に対する依存性、また反射波出力信号の進行波に対する依存性を方向性と呼び、一般に以下のように表される。進行波出力信号をｖｓ、反射波出力信号をｖｒとし、進行波電圧をＶｓ、反射波電圧をＶｒとすると、進行波出力信号ｖｓ及び反射波出力信号ｖｒは、次の（１）式のように表される。
【００１６】
【数１】

（１）式において、ｋ_１１、ｋ_１２、ｋ_２１、ｋ_２２は、それぞれ、方向性結合器２の結合特性値と呼ばれる定数である。具体的には、ｋ_１１は、方向性結合器２の進行波ピックアップ部の結合度、ｋ_１２／ｋ_１１は進行波ピックアップ部の方向性を示し、ｋ_２２は反射波ピックアップ部の結合度、ｋ_２１／ｋ_２２は反射波ピックアップ部の方向性を示している。
【００１７】
次に、方向性結合器２の方向性及び結合度を求める方法について、図６に基づいて説明する。
【００１８】
方向性結合器２は、発振器１に接続される入力端子２ａと、任意の負荷に接続される出力端子２ｂと、負荷から反射してくる反射波電力をピックアップする反射波ピックアップ部２ｃと、進行波電力をピックアップする進行波ピックアップ部２ｄとを有する４開孔回路から形成されている。反射波ピックアップ部２ｃ及び進行波ピックアップ部２ｄは、図示しない吸収抵抗に接続されている。
【００１９】
このような方向性結合器２では、出力端子２ｂを反射波が発生しない無反射終端に接続し、発振器１により電圧を入力端子２ａに印加すると、方向性結合器２内部にあらわれる反射波は、非常に小さくなる。
【００２０】
この時、進行波電力をＰｉ、反射波電力をＰｒ、進行波ピックアップ部２ｄに生じる電力をＰｉ’、反射波ピックアップ部２ｃに生じる電力をＰｒ’とすると、進行波ピックアップ部２ｄの結合度Ｃは、次の（２）式で定義される。
【００２１】
【数２】

また、反射波ピックアップ部２ｃの方向性結合度（以下、方向性と略す）Ｄは、次の（３）式で定義される。
【００２２】
【数３】

（２）式及び（３）式を変形すると、それぞれ次の（４）式及び（５）式となる。
【００２３】
【数４】

【００２４】
【数５】

（４）式において、１０^{−Ｃ／１０}は、（１）式の｜ｋ_１１｜^２に相当し、（５）式において、１０^{−Ｄ／１０}１０^{−Ｃ／１０}は、（１）式の｜ｋ_２１｜^２に相当する。
【００２５】
また、このような構成とは逆に、入力端子２ａに無反射終端を接続し、出力端子２ｂに発振器１を接続し、進行波ピックアップ部２ｄと反射波ピックアップ部２ｃにピックアップされる電圧を測定すれば、進行波ピックアップ部２ｄの方向性及び反射波ピックアップ部２ｃの結合度が求められる。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、反射波が発生しないとされる無反射終端５を方向性結合器２に接続した場合においても、実際には、方向性結合器２の内部には、反射波が僅かながら存在する。このため、上記の結合度及び方向性の測定方法においても、反射波が存在することに起因する誤差を含んでいる。
【００２７】
また、進行波ピックアップ部２ｄ、反射波ピックアップ部２ｃのそれぞれの結合度及び方向性は、別々に測定されるため、方向性結合器２の内部の進行波及び反射波の位相関係が不明になっている。
【００２８】
方向性結合器２の内部に反射波が存在することに起因する誤差について、図７及び８に基づいて検証する。
【００２９】
図７は、従来技術による方向性結合器２の進行波ピックアップ部２ｄの結合度を測定する構成を示す概略図である。図８は、同じく、従来技術による進行波ピックアップ部２ｄの方向性を測定する構成を示す概略図である。
【００３０】
図７及び８において、図５及び６と同じ構成については同一の符号を付している。方向性結合器２の進行波ピックアップ部２ｄには、進行波ピックアップ部２ｄの電圧と発振器１の電圧とをモニタリングするオシロスコープ１１が接続されている。
【００３１】
ここで、発振器１の出力インピーダンスと、伝送線路４の特性インピーダンスと、方向性結合器２の特性インピーダンスと、無反射終端５の入力インピーダンスは全て同じ値のものを用いる。例えば、発振器１の出力インピーダンスが通常使用される５０Ωである場合、伝送線路４及び方向性結合器２及び無反射終端５としては、各インピーダンスが５０Ωのものを用いるか、または、インピーダンスを５０Ωに調整する。
【００３２】
方向性及び結合度を測定するには、前述したように、進行波ピックアップ部２ｄの方向性及び結合度と、反射波ピックアップ部２ｃの方向性及び結合度とは、それぞれ個別に測定される。
【００３３】
まず、進行波ピックアップ部２ｄの結合度を測定する方法について説明する。
【００３４】
発振器１より発振される発振電圧Ｖは、伝送線路４を介して方向性結合器２に伝送され、方向性結合器２内を進行波電圧Ｖｓとして通過し、無反射終端５に伝送される。無反射終端５に到達した進行波電圧Ｖｓは、ほとんどが無反射終端５において消費されるが、一部が反射波電圧Ｖｒとして反射される。この反射波電圧Ｖｒは僅かであるが、反射波として、再度、伝送線路４を通って方向性結合器２に戻る。このため、方向性結合器２の内部では、進行波とわずかな反射波が混在している。
【００３５】
進行波電圧Ｖｓ及び反射波電圧Ｖｒ及び発振器１が発振する電圧Ｖは、位相を考慮すると、以下の（６）〜（８）式で表される。
【００３６】
【数６】

【００３７】
【数７】

【００３８】
【数８】

この場合に、進行波ピックアップ部２ｄにピックアップされる出力信号ｖｓは、前記（１）式により、次の（９）式のように表される。
【００３９】
【数９】

進行波ピックアップ部２ｄの結合度は、（９）式において、ｋ_１１で表されるので、進行波ピックアップ部２ｄの結合度は、（９）式をｋ_１１について変形した次の（１０）式により表される。
【００４０】
【数１０】

ここで、伝送線路４における損失は、ほとんど存在しないので、｜Ｖ／Ｖｓ｜≒１と近似することができる。さらに、反射波電圧Ｖｒは進行波電圧Ｖｓに比較して非常に小さいため、｜Ｖｒ／Ｖｓ｜≒０と近似することができる。したがって、進行波ピックアップ部２ｄの結合度ｋ_１１は、次の（１１）式のように求められ、オシロスコープ１１によって、複素数の絶対値のみがモニタリングされる。
【００４１】
【数１１】

（１０）式と（１１）式とを比較して分かるように、より僅かではあるが実際に存在する反射波を無視するため、（１１）式で表される従来技術によって求められた結合度には、原理的に誤差が含まれ、またその絶対値しか分からない。
【００４２】
次に、進行波ピックアップ部２ｄの方向性について説明する。
【００４３】
図８に示すように、方向性結合器２の入力端子２ａに無反射終端５を接続し、出力端子２ｂに発振器１を接続する。進行波ピックアップ部２ｄには、オシロスコープ１１が接続されている。発振器１の出力電圧をＶ’、方向性結合器内部の進行波電圧をＶｓ’、反射波電圧をＶｒ’、進行波ピックアップ部２ｄに検出される出力電圧をｖｓ’とすると、次の（１２）式が得られる。
【００４４】
【数１２】

したがって、この（１２）式により、次の（１３）式が得られる。
【００４５】
【数１３】

この（１３）式において、｜Ｖ’／Ｖｓ’｜≒１、｜Ｖｒ’／Ｖｓ’｜≒０と近似することができるので、進行波ピックアップ部２ｄの出力電圧ｖｓ’の振幅｜ｖｓ’｜と、発振器１の出力電圧の振幅｜Ｖ’｜を用いて、次の（１４）式が得られる。
【００４６】
【数１４】

したがって、オシロスコープ１１により、この（１４）式の｜ｋ_１２｜をモニタリングし、（１１）式及び（１４）式により、進行波ピックアップ部２ｄの方向性の複素数の絶対値｜ｋ_１２｜／｜ｋ_１１｜が決定される。
【００４７】
（１３）式と（１４）式とを比較して分かるように、より僅かではあるが実際に存在する反射波を無視するため、（１４）式で表される従来技術によって求められた方向性には、原理的に誤差が含まれ、またその絶対値しか分からない。
【００４８】
また、反射波ピックアップ部２ｃの結合度及び方向性も同様の考え方から、次の（１５）式及び（１６）式により求められる。
【００４９】
【数１５】

【００５０】
【数１６】

上記の結合度及び方向性を測定する方法の手順について、図９に基づいて説明する。
【００５１】
まず、方向性結合器２の入力部２ａに発振器１を接続し、出力部２ｂに無反射終端５を接続し、図７に示す構成とする（ステップＳ１）。
【００５２】
発振器１から発振電圧Ｖを印加し、進行波ピックアップ部２ｄの出力電圧ｖｓ及び反射波ピックアップ部２ｃの出力電圧ｖｒを測定する（ステップＳ２、ステップＳ３）。
【００５３】
上記（１１）式から、｜ｋ_１１｜を算出し（ステップＳ４）、上記（１５）式から｜ｋ_２１｜を算出する（ステップＳ５）。
【００５４】
次に、方向性結合器２の入力端子２ａに無反射終端５を接続し、出力端子２ｂに発振器１を接続し、図８に示す構成とする（ステップＳ６）。
【００５５】
発振器１から発振電圧Ｖ’を印加し、進行波ピックアップ部２ｄの出力電圧ｖｓ’及び反射波ピックアップ部２ｃの出力電圧ｖｒ’を測定する（ステップＳ７、ステップＳ８）。
【００５６】
上記（１４）式から、｜ｋ_１２｜を算出し（ステップＳ９）、上記（１６）式から｜ｋ_２２｜を算出する（ステップＳ１０）。
【００５７】
そして、算出された｜ｋ_１１｜、｜ｋ_１２｜、｜ｋ_２１｜、｜ｋ_２２｜に基づき、進行波ピックアップ部２ｄの結合度｜ｋ_１１｜及び方向性｜ｋ_１２｜／｜ｋ_１１｜並びに反射波ピックアップ部２ｃの結合度｜ｋ_２２｜及び方向性｜ｋ_２２｜／｜ｋ_２１｜を算出する。
【００５８】
このようにして得られる進行波ピックアップ部２ｄの結合度及び方向性は、僅かではあるが実際に存在する反射波を無視しているため、原理的に反射波が存在することに基づく誤差を含んでいる。また、本来複素数である結合度及び方向性が複素数の絶対値でしか得ることができない。
【００５９】
さらに、進行波ピックアップ部２ｄ及び反射波ピックアップ部２ｃの結合度及び方向性はそれぞれ別に算出しているため、進行波ピックアップ部２ｄ及び反射波ピックアップ部２ｃの位相関係が不明である。
【００６０】
以上に示した理由により、方向性結合器２の各ピックアップ部２ｃ及び２ｄにおける反射率Γを精密に求めることができない。したがって、このような精密に求められない反射率Γに基づいて得られるインピーダンスも精密ではないので、方向性結合器２を用いたモニタリングが精密なものとはならないという問題がある。
【００６１】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、結合度及び方向性に含まれる誤差の影響を低減し、また、結合度及び方向性を複素数で求めることができて両者の位相関係を明らかにすることができる進行波及び反射波の結合度及び方向性の測定方法及び該方法を利用したプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００６２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１は、電源の出力端を方向性結合器の入力端に接続し、方向性結合器の出力端をインピーダンス終端器の入力端に接続し、該方向性結合器の内部を伝播する電磁波に応じた方向性結合器の出力信号を測定することによって該方向性結合器の結合度及び方向性を測定する方向性結合器の特性測定方法であって、前記インピーダンス終端器として、反射波を発生するインピーダンス終端器を用いることを特徴とするものである。
【００６３】
請求項２は、電源の出力端を方向性結合器の入力端に接続し、方向性結合器の出力端をインピーダンス終端器の入力端に接続し、該インピーダンス終端器として、反射波を発生するｎ種（ｎ≧３）のインピーダンス終端器を用いて終端させ、インピーダンスＺｐ_ｉを持つ第ｉ（１≦ｉ≦ｎ）のインピーダンス終端器を接続した時の方向性結合器のピックアップ部分における反射率をΓ_ｉ、電源の発振電圧をＶ_ｉとし、方向性結合器の進行波ピックアップの出力電圧振幅｜ｖｆ_ｉ｜と、反射波ピックアップの出力電圧振幅｜ｖｒ_ｉ｜と、互いの位相差（Ａｒｇ［ｖｆ_ｉ］−Ａｒｇ［ｖｒ_ｉ］）とをそれぞれ測定し、Ｚｉｎ_ｉ＝（｜ｖｒ_ｉ｜／｜ｖｆ_ｉ｜）ｅｘｐ［Ａｒｇ［ｖｒ_ｉ］−Ａｒｇ［ｖｆ_ｉ］］で表される定数をそれぞれ算出するステップと、方向性結合器の進行波ピックアップの結合度ｋ_１１、方向性ｋ_１２／ｋ_１１、反射波ピックアップの結合度ｋ_２１、方向性ｋ_２２／ｋ_２１を用いて、ｋ_１２’＝ｋ_１２／ｋ_１１、ｋ_２１’＝ｋ_２１／ｋ_１１、ｋ_２２’＝ｋ_２２／ｋ_１１＝（ｋ_２２／ｋ_２１）×（ｋ_２１／ｋ_１１）、Ｑ_ｉ＝−Ｚｉｎ_ｉ−Ｚｉｎ_ｉΓ_ｉｋ_１２’＋ｋ_２１’＋ｋ_２２’Γ_ｉを定義し、Σ｜Ｑ_ｉ｜^２を最小にするｋ_１２’、ｋ_２１’、ｋ_２２’をそれぞれ算出するステップと、ｋ_１１＝｜ｖｆ_ｉ｜／｛｜Ｖ_ｉ｜｜１＋ｋ_１２’Γ_ｉ｜｝を算出するステップとを含むものである。
【００６４】
請求項３は、請求項１または２に記載の方向性結合器の特性測定方法において、前記インピーダンス終端器は、気体を媒質とした容量によって構成することを特徴とするものである。
【００６５】
請求項４の方向性結合器は、請求項１〜３に記載のいずれかの方法により方向性及び結合度を測定するものである。
【００６６】
請求項５のプラズマ処理装置は、請求項４に記載の方向性結合器を備えたものである。
【００６７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
（方向性結合器の方向性及び結合度の測定方法）
図１は、本発明の方向性結合器の方向性及び結合度の測定方法を実施する概略構成を示す概略構成図である。
【００６８】
図１に示す装置は、発振電圧を発振する発振器２１を有しており、この発振器２１には、伝送線路２６ａを介して、サーキュレータ２２に接続されている。サーキュレータ２２は、伝送線路２６ｂを介して方向性結合器２３の入力部２３ａに接続されている。方向性結合器２３の出力部２３ｂは、伝送線路２７を介して既知インピーダンス２４に接続されている。また、方向性結合器２３は、方向性結合器２３内を伝播する進行波の進行波電圧Ｖｆをピックアップする進行波ピックアップ部Ｐｆと、方向性結合器２３の内部を伝播する反射波の反射波電圧Ｖｒをピックアップする反射波ピックアップ部Ｐｒとを有している。各ピックアップ部Ｐｆ及びＰｒにてピックアップされる出力電圧ｖｆ及びｖｒは、オシロスコープ２５の各出力端Ａ及びＢにそれぞれ接続されている。
【００６９】
ここで、方向性結合器２３の特性インピーダンスはＺ_０、伝播定数はγ（＝α＋ｊβ）となっており、伝送線路２６及び２７の特性インピーダンス及び伝播定数は、方向性結合器２３と同様に特性インピーダンスＺ_０及び伝播定数γを有している。また、既知インピーダンス２４のインピーダンス値はＺｐであり、既知インピーダンス２４から方向性結合器２３の各ピックアップ部Ｐｆ及びＰｒまでの電気的長さは、それぞれＬとなっている。
【００７０】
発振器２１から発振する発振電圧Ｖは、進行波として伝送線路２６、サーキュレータ２２、方向性結合器２３、伝送線路２７に伝送され、既知インピーダンス２４に入射する。既知インピーダンス２４に入射した進行波は、その一部若しくは全部が反射し、進行波とは逆方向に進む反射波として、伝送線路２７、方向性結合器２３、伝送線路２６ｂ、サーキュレータ２２へと伝播し、サーキュレータ２２により伝送線路２６ｃを介してダミーロード２８へと伝播され、このダミーロード２８にて全ての電力が消費される。
【００７１】
この場合に、方向性結合器２３内の進行波及び反射波の出力電圧Ｖｆ及びＶｒと、進行波及び反射波と既知インピーダンス２４のインピーダンスＺｐとの間には、高周波分布定数理論により、次の（１７）式の関係が存在する。
【００７２】
【数１７】

Γは、方向性結合器２３における反射率を示しており、この反射率Γは、（１７）式に示すように、既知インピーダンス２４のインピーダンスＺｐの値により変動する。各ピックアップ部Ｐｆ及びＰｒにてピックアップされ、各ピックアップ部Ｐｆ及びＰｒから出力される出力電圧を、ｖｆ及びｖｒとすると、この出力電圧ｖｆ及びｖｒは、それぞれ次の（１８）式のよう表される。
【００７３】
【数１８】

この（１８）式中、ｋ_１１、ｋ_１２、ｋ_２１、ｋ_２２は、それぞれ方向性結合器２３の結合特性値を示している。この結合特性値ｋ_１１〜ｋ_２２は、各ピックアップ部Ｐｆ及びＰｒの出力電圧ｖｆ及びｖｒと進行波電圧Ｖｆ及び反射波電圧Ｖｒとが位相情報を含む複素数であることから、ｋ_１１〜ｋ_２２もそれぞれ複素数となる。
【００７４】
ここで、各ピックアップ部Ｐｆ及びＰｒの出力電圧ｖｆ及びｖｒの振幅比及び位相差から得られる定数Ｚｉｎを次の（１９）式のように定義する。
【００７５】
【数１９】

この（１９）式において、｜ｖｒ｜／｜ｖｆ｜は出力電圧の振幅比、Ｅｘｐ［Ａｒｇ（ｖｒ）−Ａｒｇ（ｖｆ）］は位相差を示している。
【００７６】
また、この定数Ｚｉｎは、（１８）式により、次の（２０）式のように表すことができる。
【００７７】
【数２０】

この（１９）式から、次の（２１）式及び（２２）式を定義する。
【００７８】
【数２１】

【００７９】
【数２２】

上記の（２１）式及び（２２）式は、方向性結合器２３のｋ_１１〜ｋ_２２、各ピックアップ部Ｐｆ及びＰｒにおける反射率Γ、各ピックアップ部Ｐｆ及びＰｒの出力電圧比Ｚｉｎの間に常に成り立つものである。
【００８０】
したがって、方向性結合器２３の結合特性値ｋ_１１〜ｋ_２１が算出されれば、各ピックアップ部Ｐｆ及びＰｒの出力電圧ｖｆ及びｖｒがオシロスコープ２５によってモニタリングされることにより、Ｚｉｎ（＝ｖｒ／ｖｆ）が算出される。このようにして算出されたＺｉｎ及びｋ_１２’及びｋ_２１’及びｋ_２２’に基づいて、方向性結合器２３の出力側のインピーダンスが算出される。
【００８１】
ここで、ｋ_１２’、ｋ_２１’、ｋ_２２’が複素数であることから、このｋ_１２’、ｋ_２１’、ｋ_２２’を次の（２３）式のように表すことができる（ｘ_１２’〜ｘ_２２’は実数）。
【００８２】
【数２３】

そして、既知インピーダンス２４に様々なインピーダンス値Ｚｐｉ（ｉ＝１〜ｎ）を設定することにより、様々な反射率Γｉに対する出力電圧ｖｆｉ及びｖｒｉをオシロスコープ２５によってモニタリングし、（２３）式に代入することにより、次の（２４）式が得られる。
【００８３】
【数２４】

各定数Ｒｅ［Ｚｉｎ］等及びｘ_１２’〜ｙ_２２’は、実数であることから、既知インピーダンス２４に３つの異なる既知インピーダンスＺｐ_１、Ｚｐ_２、Ｚｐ_３を設定し、各々の出力電圧比Ｚｉｎ＝ｖｒ／ｖｆを測定し、６元線形連立方程式を解けば、各ｘ_１２’〜ｙ_２２’を求めることができる。
【００８４】
また、出力電圧ｖｆ及びｖｒの測定誤差を考慮して、既知インピーダンス２４にｎ種（ｎ＞３）の既知インピーダンスＺｐｎに対する出力電圧ｖｆｎ及びｖｒｎを測定し、次の（２５）式にしたがって、最小自乗法によって、ｋ_１２’〜ｋ_２２’の再確値を決定することもできる。
【００８５】
【数２５】

さらに、発振器１の出力電圧Ｖと方向性結合器２３の出力電圧ｖｆとの比から、次の（２６）式に示すように、ピックアップ定数ｋ_１１を求めることもできる。
【００８６】
【数２６】

ただし、ｋ_１１は、ｉとしてｉ＝１〜ｎのいずれか一つを選択して算出するか、すべてのｉについてｋ_１１を算出し、その平均値を求めるか、どちらでもよい。
【００８７】
次に、本実施の形態の結合度を測定する方法の手順について、図４に基づいて説明する。
【００８８】
まず、発振器２１、サーキュレータ２２、方向性結合器２３、オシロスコープ２５、ダミーロード２８及び伝送線路２６及び２７を、図１に示すように配置する（ステップＳ１）。
【００８９】
次に、ｎ個あるうちの第１番目の既知インピーダンス２４を方向性結合器２３の出力端子２３ｂに接続する（ステップＳ２）。
【００９０】
次に、（１７）式により、反射率Γ_１を算出する。また、発振器２１から発振電力を発振し、方向性結合器２３の各ピックアップ部Ｐｆ及びＰｒに出力される出力電圧ｖｆ及びｖｒをオシロスコープ２５によってモニタリングし、（１９）式により、出力電圧比Ｚｉｎ_１を算出する（ステップＳ３）。
【００９１】
その後、方向性結合器３に第２の既知インピーダンス２４を接続し、反射率Γ_２を算出し、方向性結合器３の各ピックアップ部Ｐｆ及びＰｒの出力電圧ｖｆ及びｖｒをオシロスコープ２５によってモニタリングして、出力電圧比Ｚｉｎ_２を算出する。この操作をｎ個の既知インピーダンス２４について繰り返し行う（ｎ≧３）（ステップＳ４）。
【００９２】
上記により、ｎ回繰り返して測定されたそれぞれの出力電圧ｖｆ_ｉ及びｖｒ_ｉ、また出力電圧比Ｚｉｎ_ｉと反射率Γ_ｉとインピーダンスＺｐ_ｉを（１≦ｉ≦ｎ）、（２５）式にしたがって最小自乗法によって、ｋ_１２／ｋ_１１、ｋ_２１／ｋ_１１、ｋ_２２／ｋ_１１の最確値を複素数にて算出する（ステップＳ５）。
【００９３】
さらに、発振器２１の出力電圧Ｖと、方向性結合器２３の進行波ピックアップ部Ｐｆによって出力される出力電圧ｖｆとから、（２６）式に基づいて、進行波ピックアップ部Ｐｆの結合度｜ｋ_１１｜を算出する（ステップＳ６）。
【００９４】
このように、本実施の形態においては、反射波を無視することなく、方向性結合器２３の方向性及び結合度を算出しているので、反射波を無視することに起因する誤差が含まれず、方向性及び結合度の精度が向上する。また、方向性及び結合度を複素数で求めることができる。
【００９５】
ここで、複素数として求められる結合特性値の測定精度は、既知インピーダンス２４のインピーダンス値Ｚｐの精度及び各ピックアップ部Ｐｆ及びＰｒの出力電圧ｖｆ及びｖｒの精度により決定される。既知インピーダンス２４として、金属、半導体、絶縁体、誘電体等の物質を用いて、実抵抗、容量、インダクタンスを構成する場合、金属等の物質の抵抗率、誘電率等の測定誤差が既知インピーダンス２４のインピーダンス値Ｚｐの誤差に影響し、結合特性値の測定精度が低下する。
【００９６】
したがって、既知インピーダンス２４には、気体を媒質として用いることが望ましい。気体を媒質として用いれば、容量を構成する誘電体の比誘電率εｒをεｒ＝１．０とおくことができ、既知インピーダンス２４のインピーダンスＺｐの精度をさらに向上させることができる。
【００９７】
また、本実施の形態では、結合特性値を同時に算出し、しかも複素数として算出しているので、進行波及び反射波の振幅のみでなく、進行波及び反射波の位相関係を求めることができる。
【００９８】
以上のことにより、プラズマ処理等を行う反応容器のインピーダンスを正確にモニタリングすることができる。
（方向性結合器を備えたプラズマ処理装置）
上記方向性及び結合度の測定方法による方向性結合器を備えたプラズマ処理装置について説明する。
【００９９】
図２は、方向性結合器を備えたプラズマ処理装置３０の概略構成図である。
【０１００】
プラズマ処理装置３０は、マッチング装置部分３１と、このマッチング装置部分３１の一方の端部に接続された方向性結合器部分３２と、方向性結合器部分３２の他方の端部に接続された反応容器部分３３とを有している。
【０１０１】
マッチング装置部分３１は、外径Ｄの円筒状をした外導体４１ｂと、この外導体４１ｂの軸心部に同軸状態で配置された外径ｄの中心導体４１ａとからなる同軸線路４１を有している。この同軸線路４１の方向性結合器部分３２側の端部の側方に、ボックス部４２が設けられており、このボックス４２は、同軸線路４１の外導体４１ｂを通って中心導体４１ａに連通しており、ボックス４２内に同軸線路４１の外導体４１ｂ内の容量を変更する可変容量４３が設けられている。ボックス４２の外側には、ボックス部４２内の可変容量４３に接続されたコネクタ４４が設けられている。
【０１０２】
同軸線路４１の外導体４１ｂ内には、軸心方向に沿って、移動可能に配置された可動短絡端４５が設けられている。可動短絡端４５は、同軸線路４１の端部に設けられたハンドル４６によって、軸方向に沿って移動される。この可動短絡端４５の移動により、プラズマ処理装置３０への入力インピーダンスが調整される。
【０１０３】
方向性結合器部分３２は、マッチング装置部分３１の同軸線路４１の中心導体４１ａと同心状態で連続された外径ｄの中心導体５１ａと、同軸線路４１の外導体４１ｂと同心状態で一体的に連続された外径Ｄの外導体５１ｂとを有する方向性結合器５１を有している。この方向性結合器５１の側部には、進行波電力をピックアップする進行波ピックアップ部Ｐｓと、この進行波ピックアップ部Ｐｓに対向した位置に配置され、反射波電力をピックアップする反射波ピックアップ部Ｐｈとが設けられている。
【０１０４】
反応容器部分３３は、方向性結合器５１の中心導体５１ａと同心状態で一体的に連結される外径ｄの中心導体６１ａを有している。中心導体６１ａは、方向性結合器５１の外導体５１ｂの内径と同径の円筒状の内部６１ｂを有する円筒状の反応容器６１の軸心部に沿って配置されている。中心導体６１ａの先端部６１ｃは、プラズマ処理を行う試料の載置面となっており、この先端部６１ｃに対向して、試料表面上のプラズマ処理がなされる空間のギャップを調整するギャップ調整装置６２が設けられている。反応容器６１の側部には、反応ガスを導入するための反応ガス導入口６３が形成されている。また、反応容器６１の方向性結合器部分３２側の端部には、反応ガス導入口６３から導入される反応ガスが方向性結合器５１に流出しないように隔壁６４が設けられている。
【０１０５】
ここで、マッチング装置部分３１の可変容量４３から可動短絡端４５までの距離をＬＢ、方向性結合器５１の進行波ピックアップ部Ｐｓ及び反射波ピックアップ部ＰｈからプラズマＰが発生される反応容器６１の中心導体６１ａの先端６１ｃまでの電気的な距離をＬｐとする。
【０１０６】
また、マッチング装置部分３１の同軸線路４１と、方向性結合器部分３２の方向性結合器５１と、反応容器部分３３の反応容器６１とは、全体として、外径ｄの中心導体と外径Ｄの外導体とからなる同軸線路を形成しており、その特性インピーダンスをＺ_０、伝播定数をγとする。この全体としての同軸線路は、プラズマＰを発生する反応容器６１の中心導体６１ａの先端６１ｃのプラズマ処理部を容量、マッチング装置部分３１の可動短絡端４５を短絡とする同軸共振器となっている。
【０１０７】
次に、上記構成を有するプラズマ処理装置３０の動作について説明する。
【０１０８】
プラズマ処理装置３０への入力インピーダンスＺｉｎが、（５０＋０ｊ）［Ω］に一致するように、まずマッチング装置部分３１の可変容量４３の容量Ｃ及び同軸線路４１の長さＬＢをハンドル４６にて調整する。
【０１０９】
調整後、図示しない外部の電源をコネクタ４４に接続し、周波数ｆ［Ｈｚ］の高周波電圧をマッチング装置部分３１に印加する。
【０１１０】
プラズマ処理装置３０に導入された高周波電圧は、方向性結合器５１を経て、長さがＬｐの同軸線路を通じて反応容器６１の中心導体６１ａの先端６１ｃに伝送される。
【０１１１】
反応容器６１の反応ガス導入口６３からは、反応ガスが導入され、中心導体６１ａの先端６１ｃに伝送された高周波電圧により発生するプラズマＰによって、反応種が発生し、中心導体６１ａの先端６１ｃに載置された試料へのプラズマ処理が行われる。
【０１１２】
試料へのプラズマ処理が行われている間、方向性結合器５１の進行波ピックアップ部Ｐｓは、進行波電圧Ｖｓから出力電圧ｖｓをピックアップし、反射波ピックアップ部Ｐｈは、反射波電圧Ｖｈから出力電圧ｖｈをピックアップする。各ピックアップ部Ｐｓ及びＰｈの出力電圧ｖｓ及びｖｈは、前記の（２０）式と同様に、進行波電圧Ｖｓ及び反射波電圧Ｖｈによって、次の（２７）式のように表すことができる。
【０１１３】
【数２７】

また、方向性結合器５１の各ピックアップ部Ｐｓ及びＰｈによる反射率Γと反応容器６１の中心導体６１ａの先端６１ｃのインピーダンスＺｐとの関係は、中心導体６１ａの先端６１ｃと方向性結合器６１との間の電気的な距離Ｌｐにより、次の（２８）式となる。
【０１１４】
【数２８】

そして、中心導体６１ａの先端６１ｃに空気を媒質とした容量を構成し、ギャップ調整装置６２により、反応容器６１の容量を種々の値に変化させ、反応容器６１のインピーダンスＺｐを変化させたときの各ピックアップ部Ｐｓ及びＰｈの出力電圧ｖｓ、ｖｈの振幅比ｖｓ／ｖｈ及び位相差（Ａｒｇ［ｖｈ］−Ａｒｇ［ｖｓ］）を測定し、前述した（１７）式〜（２５）式を用いて、ｋ_１２’、ｋ_２１’、ｋ_２２’を算出し、結合度及び方向性を算出する。
【０１１５】
そして、算出された結合度及び方向性により、反射率Γを算出し、反応容器６１のインピーダンスをモニタリングする。
【０１１６】
ここで、実際に、ギャップ調整装置６２を調整することにより、先端６１ｃに空気を媒質として構成された容量を変動させたときのピックアップ部Ｐｓ、Ｐｈの出力電圧ｖｓ、ｖｈの振幅比ｖｓ／ｖｈ、及び位相差（Ａｒｇ［ｖｈ］−Ａｒｇ［ｖｓ］）を測定し、前述の（１７）式〜（２５）を用いて、ｋ_１２’、ｋ_２１’、ｋ_２２’を算出し、この算出されたｋ_１２’等に基づいてプラズマ処理部である反応容器６１のインピーダンスＺｐを求めた。このインピーダンスを図３に示す。
【０１１７】
図３から分かるように、反応容器６１に設定された容量による実際のインピーダンスＺｐと、出力電圧ｖｓ、ｖｈ及びｋ_１２’、ｋ_２１’、ｋ_２２’から算出されたインピーダンスＺｐがよく一致し、本実施の形態の方式が正確であることが確認された。
【０１１８】
【発明の効果】
以上説明したことからも明らかなように、本発明によれば、方向性結合器内部の進行波電圧Ｖｓ及び反射波電圧Ｖｒと、方向性結合器の出力電圧ｖｓとｖｒとの位相関係、また、ＶｓとＶｒ間の位相関係が分かるので、方向性結合器における反射率Γ（＝Ｖｒ／Ｖｓ）、方向性結合器におけるインピーダンス、さらには、反応容器の入力インピーダンスＺｐが方向性結合器のみで算出され、反応容器のインピーダンスＺｐをモニタリングすることができる。このことにより、エッチングの終点検出などを行うプラズマ処理装置、またプラズマインピーダンスを測定する装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の進行波及び反射波の方向性及び結合度を測定する方法の実施に使用される装置の概略図である。
【図２】本発明の方向性及び結合度を測定する方法を用いたプラズマ処理装置を示す概略構成図である。
【図３】方向性及び結合度を測定する方法により算出されたインピーダンスを示すグラフである。
【図４】本発明の方向性及び結合度を測定する方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】方向性結合器を用いて電力モニタリングを行う電力モニタリング装置の構成を示す構成概略図である。
【図６】方向性結合器の概略を説明する概略図である。
【図７】従来の方法により結合度を測定する構成を示す概略構成図である。
【図８】従来の方法により方向性を測定する構成を示す概略構成図である。
【図９】従来の方法により方向性及び結合度を測定する際の手順を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
２１発振器
２２サーキュレーター
２３方向性結合器
２４既知インピーダンス
２５オシロスコープ
２６伝送線路
２７伝送線路
２８ダミーロード
Ｐｆ進行波ピックアップ部
Ｐｒ反射波ピックアップ部

Claims

電源の出力端を方向性結合器の入力端に接続し、方向性結合器の出力端をインピーダンス終端器の入力端に接続し、該方向性結合器の内部を伝播する電磁波に応じた方向性結合器の出力信号を測定することによって該方向性結合器の結合度及び方向性を測定する方向性結合器の特性測定方法であって、
前記インピーダンス終端器として、反射波を発生するインピーダンス終端器を用いることを特徴とする方向性結合器の特性測定方法。
電源の出力端を方向性結合器の入力端に接続し、方向性結合器の出力端をインピーダンス終端器の入力端に接続し、該インピーダンス終端器として、反射波を発生するｎ種（ｎ≧３）のインピーダンス終端器を用いて終端させ、
インピーダンスＺｐ_ｉを持つ第ｉ（１≦ｉ≦ｎ）のインピーダンス終端器を接続した時の方向性結合器のピックアップ部分における反射率をΓ_ｉ、電源の発振電圧をＶ_ｉとし、方向性結合器の進行波ピックアップの出力電圧振幅｜ｖｆ_ｉ｜と、反射波ピックアップの出力電圧振幅｜ｖｒ_ｉ｜と、互いの位相差（Ａｒｇ［ｖｆ_ｉ］−Ａｒｇ［ｖｒ_ｉ］）とをそれぞれ測定し、Ｚｉｎ_ｉ＝（｜ｖｒ_ｉ｜／｜ｖｆ_ｉ｜）ｅｘｐ［Ａｒｇ［ｖｒ_ｉ］−Ａｒｇ［ｖｆ_ｉ］］で表される定数をそれぞれ算出するステップと、
方向性結合器の進行波ピックアップの結合度ｋ_１１、方向性ｋ_１２／ｋ_１１、反射波ピックアップの結合度ｋ_２１、方向性ｋ_２２／ｋ_２１を用いて、ｋ_１２’＝ｋ_１２／ｋ_１１、ｋ_２１’＝ｋ_２１／ｋ_１１、ｋ_２２’＝ｋ_２２／ｋ_１１＝（ｋ_２２／ｋ_２１）×（ｋ_２１／ｋ_１１）、Ｑ_ｉ＝−Ｚｉｎ_ｉ−Ｚｉｎ_ｉΓ_ｉｋ_１２’＋ｋ_２１’＋ｋ_２２’Γ_ｉを定義し、Σ｜Ｑ_ｉ｜^２を最小にするｋ_１２’、ｋ_２１’、ｋ_２２’をそれぞれ算出するステップと、
ｋ_１１＝｜ｖｆ_ｉ｜／｛｜Ｖ_ｉ｜｜１＋ｋ_１２’Γ_ｉ｜｝を算出するステップと
を含む、方向性結合器の特性測定方法。
前記インピーダンス終端器は、気体を媒質とした容量によって構成することを特徴とする請求項１または２に記載の方向性結合器の特性測定方法。
請求項１〜３に記載のいずれかの方法により方向性及び結合度を測定する方向性結合器。
請求項４に記載の方向性結合器を備えたプラズマ処理装置。