JP3688173B2 - Probe for measuring plasma density information - Google Patents

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Description

【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測定用プローブに係り、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に起因して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 (Langmuir) ・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】
そこで、本出願人は上記課題を解決するため、先に特願平11ー058636号を出願している。この特願平11ー058636号(以下、適宜「先発明」と略記)は、以下のような構成を採り、作用をもたらす。
【0011】
〔先発明の原理〕
図8は先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一部縦断面図である。
測定プローブ101は、図8に示すように、チャンバー102内に、測定プローブ101の先端を挿入した状態で設けられている。なお、チャンバー102は、高周波電源によって生成された反応性プラズマ(以下、適宜「プラズマ」と略記)PMを有する。
【0012】
測定プローブ101は、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。また、ループアンテナ103と同軸ケーブル104はループアンテナ103が先となるようにしてチューブ105の内に納められている。さらに、同軸ケーブル104をチューブ105の長手方向に対して引いたり押したりすることによって、測定プローブ101は、ループアンテナ103の根元からチューブ105の先端部までの長さLを簡単に変更することができる。
【0013】
高周波発振器から入射された電力は、測定プローブ101により伝送され、ループアンテナ103から放出されてプラズマ負荷に吸収されるか、反射されて戻ってくる。図9は、それぞれの先端部長さLにおける、高周波パワーの反射率の対周波数変化(100kHz〜3GHz)を測定したものである。
【0014】
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(以下、適宜「吸収ポイント」と呼ぶ)である。図9の曲線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ポイントPa〜Pdが幾つか現れている。吸収ポイントPa〜Pdの位置の周波数が、プラズマ吸収周波数である。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。プラズマ吸収周波数が、表面波共鳴周波数f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。
【0015】
最も低い周波数の吸収ポイントPaだけは、図10に示すように、先端部長さLが変化しても同一周波数の位置に出現している。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である。なお、最も低い周波数側に現れる吸収ポイントであっても、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、先発明では、最も低い周波数側に現れる吸収ポイント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を変えて測定している。
【0016】
こうしてプラズマ表面波共鳴周波数fが得られたら、前述したとおり、電子プラズマ角振動数ωp とプラズマPMの電子密度ne 、即ちプラズマ密度np が、簡単に算出されるので、生成プラズマPMの特性を把握し易い。
【0017】
先発明の場合、ループアンテナ103および同軸ケーブル104とプラズマPMとの間にチューブ105が介在するので、ループアンテナ103や同軸ケーブル104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105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103や同軸ケーブル104の損傷を阻止する。また、測定中、チューブ105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。
【0018】
また、チューブ105を介して高周波パワーをループアンテナ103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。
【0019】
また、先発明の課題を説明する前に、プラズマ吸収周波数について補足説明をする。
図9および図10に示すように、プラズマ吸収ポイントPa〜Pdのうち、先端部長さLに最も依存するプラズマ吸収ポイントはPbである。本明細書ではこのプラズマ吸収ポイントPbを、0次の吸収ポイント、またはMAIN ABS(Absorption)と定義付ける。吸収ポイントPbの次に先端部長さLに依存する吸収ポイントはPcである。その吸収ポイントPcを1次の吸収ポイントと定義付ける。以下同様の手順で、高次(次数の高いこと、逆に次数の低いことを低次と定義付ける)の吸収ポイントと定義付ける。
【0020】
上記のように定義付けると、次数が高いほど、吸収ポイントは先端部長さLに依存しにくいことになる。なお、一番高次(無限大次、∞次)の吸収ポイントの周波数は、プラズマ表面波共鳴周波数である。その∞次の吸収ポイントがPaにあたり、先述したとおり、Paは先端部長さLに依らず一定である。また、先端部長さLを0に近づけると、高次の吸収ポイントも低次の吸収ポイントも、表面波共鳴周波数における吸収ポイントPaに収束する。
【0021】
一方、理論的にはまだ説明されていないが、吸収ポイントは、図9に示すように、実験では次数が高いほど吸収が小さくなる傾向がある。従って、∞次の吸収ポイントPaが最も吸収が小さいことになる。逆に、一番低次の吸収ポイント、即ち0次の吸収ポイントが一番吸収が大きいことになる。
【0022】
〔本発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、先述の先発明でも、以下の様な問題点がある。
前述したように、MAIN ABS(0次の吸収ポイント)が大きく出やすい。しかし実際、プラズマ密度を算出する上で重要である高次の吸収ポイント、特にプラズマ表面波共鳴周波数における(∞次の)吸収ポイントPaは、半値幅が広く吸収レベルが小さくなりがちになるので、共鳴周波数を読み取ることが困難である。
【0023】
前述したように、先端部長さLを0に近づけると、高次の吸収ポイントも低次の吸収ポイントも、表面波共鳴周波数における吸収ポイントPaに収束する。従って、吸収ポイントPaを読み取るために、先端部長さL=0のときの吸収ポイントを見ればよい。しかし、実際に先端部長さL=0にするには、限りなくアンテナを短くしないといけない。しかも、アンテナを短くすると感度が悪くなるので、現実的には不可能である。
【0024】
また先端部長さL=0以外において、プラズマ表面波共鳴周波数と思われる最も低い周波数側に現れる、吸収ポイントを読み取ることができたとする。しかしその場合でも、前述したように、その吸収ポイントが先端部長さLに依存するならば、その周波数はもはやプラズマ表面波共鳴周波数ではない。つまり、最も低い周波数側に現れる吸収ポイント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を変えて測定する必要がある。従って、条件を変えて繰り返し測定しないと吸収ポイントを判断できない。このため、経験を必要とし汎用性に欠けてしまうという欠点がある。
【0025】
以上の理由から、高次の吸収ポイントの判定に経験を必要とせずに、読み取れる方法が望まれている。そこで、本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであって、先端部の長さを動かさずに、プラズマ表面波共鳴周波数を読み取ることができるプラズマ密度情報測定用プローブを提供することを課題とする。
【0026】
【課題を解決するための手段】
先発明では、図8に示すように、測定プローブ先端の表面波励起部での、誘電体製のチューブ内は空気などのように誘電体領域のみで構成されていた。このとき、図10に示すように、先端部長さLが大きくなるにつれて、吸収ポイントは高周波側にシフトする。また、誘電体領域を導電体領域に置き変えると、先端部長さLが大きくなるにつれて吸収ポイントは低周波側にシフトすると考えられている。
【0027】
図11は、ループアンテナを用いたときの、電子プラズマ角振動数ωP に対する吸収ポイントにおける角振動数の比(ω/ωP )の、対先端部長さLの変化の理論値及び実測値である。因みに、電子プラズマ角振動数ωP は、表面波共鳴角振動数ωSW(ωSW=2πf、f:表面波共鳴周波数)と比誘電率εを用いて、ωp =ωSW×√(1+ε)と表される。
【0028】
図11の(プロット)点は誘電体領域のみのときの実測値で、実線は理論値である。黒丸のプロットは、MAIN ABS(0次の吸収ポイント)の実測値で、白丸のプロットは、SECOND(1次の吸収ポイント)の実測値である。同様にそれぞれ黒と白抜きの方形のプロットは、THIRD(2次の吸収ポイント)の実測値、FOURTH(3次の吸収ポイント)の実測値である。実線のm=0、1、2、3はそれぞれ0次、1次、2次、3次の吸収ポイントの理論値である。また破線は導電体領域のみのときの理論値である。なお、実際に導電体領域のみで測定すると、プローブ先端部全部が導電体領域になり、アンテナから電磁波を放射できないので、物理的に不可能である。従って、導電体領域のみのときの実測値はない。
【0029】
それぞれ高次になるほど、実測値及び理論値のときも、誘電体領域及び導電体領域のときも、図11に示すように、ω/ωP は先端部長さLに依存しにくくなる。また図11からも、先端部長さLが大きくなるにつれて、誘電体領域のみのとき吸収ポイントは高周波側にシフトして、導電体領域のみのとき吸収ポイントは低周波側にシフトすることがわかる。
【0030】
以上のようなことから、単一の領域では先端部長さLが変化するにつれて、高周波側または低周波側にシフトしてしまう。そこで、本発明者は、誘電体領域と導電体領域を組み合わせることで、高周波側または低周波側にシフトする両特性を、互いに相殺させることに想到した。
【0031】
以上のような知見に基づいて創作された本発明は、以下のような構成を取る。
即ち、請求項1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、先端が閉じられている誘電体製外皮と、誘電体製外皮内に収容されて高周波パワーを放射するアンテナと、誘電体製外皮内に収容されている誘電体領域と、誘電体製外皮内に収容されている導電体領域とを備え、誘電体製外皮の先端寄りで、かつアンテナの延びる方向に誘電体領域および導電体領域をその順に配設する構造を含み、かつ誘電体製外皮の先端には導電体領域が終端となっていることを特徴とする。
【0032】
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用プローブにおいて、誘電体領域は気体の誘電体で形成されていることを特徴とする。
【0033】
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用プローブにおいて、誘電体領域は固体の誘電体で形成されていることを特徴とする。
【0034】
請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3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、導電体領域が金属で形成されていることを特徴とする。
【0035】
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4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、導電体領域は誘電体製外皮内に配設された金属膜で形成されていることを特徴とする。
【0036】
請求項6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用プローブは、中心から外側に向かって順に同芯状に配設された中心導体、中心絶縁体、外部導体及び外部絶縁体からなる同軸ケーブルで構成されており、誘電体外皮は同軸ケーブルの外部絶縁体で形成され、アンテナは同軸ケーブルの中心導体で形成され、誘電体領域は同軸ケーブルの外部絶縁体および外部導体をスリット状に除去したことにより露出した中心絶縁体で形成され、導電体領域は前記スリットより先の同軸ケーブルの外部導体で形成されていることを特徴とする。
【0037】
請求項7に記載の発明は、請求項1から請求項6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、誘電体領域と導電体領域とが多層構造で形成されていることを特徴とする。
【0038】
【作用】
請求項1に記載の発明の作用について説明する。
誘電体領域のみのとき、誘電体領域の長さが大きくなるのに伴い吸収ポイントは高周波側にシフトする。逆に導電体領域のみのとき、導電体領域の長さが大きくなるのに伴い吸収ポイントは低周波側にシフトする。従ってそれぞれの誘電体領域と導電体領域の特性を生かすべく、下記の様な構成を採る。即ち誘電体製外皮内にアンテナを収容して、さらにそのアンテナの先端寄りに誘電体領域を配設して、その誘電体領域よりもさらにアンテナの先端寄りに導電体領域を配設する。上記のように、誘電体領域と導電体領域を組み合わせることにより、吸収ポイントが高周波側または低周波側にシフトする両特性が互いに相殺する。その結果、吸収ポイントがアンテナの先端部の空気層及び金属層の長さに依存しなくなる。
【0039】
請求項2に記載の発明によれば、誘電体領域は気体の誘電体で形成されているので、厚さや長さ等を簡単に変更することができる。特に、気体の誘電体のなかでも空気は身近に有り、大変扱いやすい。
【0040】
請求項3に記載の発明によれば、誘電体領域に固体を選択することにより、気体の誘電体の比誘電率より大きい固体の誘電体の比誘電率εを、10付近まで選択できる。この選択により高周波供給側と表面波が励起する負荷側との間の伝送系のインピーダンスを自在に調整できて、これにより反射損失を抑えることができる。
【0041】
請求項4に記載の発明によれば、導電体領域に金属を選択することにより加工が簡単、かつ広い温度範囲で高い導電率が得られる。これにより、チャンバー内の過酷な温度条件下(100〜500°)でも安定してプローブを機能させることができる。
【0042】
請求項5に記載の発明によれば、導電体領域は誘電体製外皮内に配設された金属膜で形成されているので、金属膜と誘電体製外皮との間に隙間がない。
【0043】
請求項6に記載の発明によれば、中心から外側に向かって順に同芯状に配設された中心導体、中心絶縁体、外部導体及び外部絶縁体からなる同軸ケーブルにおいて、その同軸ケーブルの外部導体(及び外部絶縁体)がスリット状に除去されて、中心絶縁体がスリット状に露出している。従って同軸ケーブルの外部絶縁体は本発明における誘電体製外皮に相当して、同軸ケーブルの中心導体は本発明におけるアンテナに相当して、同軸ケーブルの外部絶縁体および外部導体をスリット状に除去したことにより露出した中心絶縁体は本発明における誘電体領域に相当して、前記スリットより先の同軸ケーブルの外部導体は本発明における導電体領域に相当する。
【0044】
請求項7に記載の発明によれば、誘電体領域と導電体領域が多層構造で形成されている。従って、多層にわたる導電体層によって、表面波を効率よく吸収する。
【0045】
【発明の実施の形態】
続いて、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。図1は、実施例に係るプラズマ密度情報測定用プローブを示す縦断面図である。図2は、吸収ポイントを測定するときの測定プローブを示す縦断面図である。図3は、実施例に係るプラズマ処理装置の概略図である。図4は、実施例に係る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。
【0046】
先ず、実施例のプラズマ処理装置の構成及び作用について説明する。因みに前記のプラズマ処理装置は、先発明でプラズマ密度を求める際にも用いられている。
実施例のプラズマ処理システムは、図3に示すように、プラズマPMが生成される室内空間Sを有する直径数10cmのステンレス鋼製チャンバー11と、チャンバー11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)12と、排気用パイプ13を介してチャンバー11の室内空間Sと連通している真空排気ポンプ14と、流量調節弁15が介設されたガス供給用パイプ16を介してチャンバー11の室内空間Sと連通しているガス源17とを備えている。この他、実施例のシステムのチャンバー11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(図示省略)なども配設されている。
【0047】
チャンバー11の室内空間Sは真空排気ポンプ14によって排気されて適当な室内圧力が保たれる。またガス源17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。
【0048】
また、チャンバー11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18と、放電電極12に供給されるプラズマ生起用の高周波パワー(以下、適宜「生起用高周波パワー」と略記)を制御するための高周波パワー制御部19とが設けられている。
【0049】
高周波パワー制御部19は、高周波電源側とプラズマ側の間のインピーダンス整合状態を調節するインピーダンス整合器20aと、チャンバー11に生起させるプラズマについての目標プラズマ密度を設定するためのプラズマ密度設定部20bと、設定された目標プラズマ密度と実測されるプラズマ密度との差に従ってインピーダンス整合器20aを制御する整合器制御部20cとからなる。
【0050】
なお、実施例のシステムの場合、高周波電源18から出力される高周波パワーの出力量を検出する出力パワーモニタ機構(図示省略)や、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反射パワーモニタ機構(図示省略)がプラズマ生成状況を大まかに把握する等の手段のひとつとして配設されている。
【0051】
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、プラズマ密度情報を時々刻々求めるプラズマ密度情報求出部21が設けられている。また、実施例のプラズマ密度情報求出部21は、図3に示すように、チャンバー11の壁に取り付けられている測定プローブ1と、チャンバー11の外側に配設されているプローブ制御部22とで構成される。先ず、測定プローブ1の具体的構成について説明する。
【0052】
実施例の測定プローブ1は、図1に示すように、先端が閉じられている誘電体製のチューブ2を備え、そのチューブ2内に高周波パワーを放射するアンテナ3が収容されている。そして、アンテナ3の後端に、高周波パワーをアンテナ3に伝送する同軸ケーブル4が接続されている。さらに、そのアンテナ3の先端寄り(すなわち、誘電体製外皮に相当するチューブ2の先端寄り)には、空気層5が配設されている。その空気層5よりもさらにアンテナ3の先端寄りには、銅などに代表される金属層6が配設されている。なお、チューブ2は本発明における誘電体製外皮に相当し、空気層5は本発明における誘電体領域に相当し、金属層6は本発明における導電体領域に相当する。
【0053】
またチューブ2の軸芯に沿った空気層5の厚さt(以下、適宜「空気層5の厚さt」と略記)は1mmから10mmまでが望ましい。空気層5の厚さtが1mm未満では高周波パワーを放射しにくく、 空気層5の厚さtが10mmを超えると高周波パワーが金属層6に拡散しにくい。またチューブ2の軸芯に沿った金属層6の厚さl(以下、適宜「金属層6の厚さl」と略記)も1mmから10mmまでが望ましい。金属層6の厚さlが1mm未満では金属層6の効果が小さく、金属層6の厚さlが10mmを超えると表面波が伝わりにくいので10mm以上にする必要はない。
【0054】
なお、本実施例では高周波パワーを放射するアンテナ3として線状アンテナを用いているが、先発明のループアンテナであってもよく、アンテナの形状に限られることはない。図1ではアンテナ3は金属層6に接続されているが、アンテナ3により放射された高周波パワーが金属層6に充分拡散するならば、アンテナ3は必ずしも金属層6に接続されている必要はない。なお、チューブ2を形成する誘電体材料は特に限定されないが、例えば石英、セラミックス、ガラス、フッ化樹脂などが例示される。また、アンテナ3、同軸ケーブル4、空気層5、及び金属層6の外側は必ずしもチューブ2によって覆われる必要はない。誘電体で形成されている物質で被覆されるならば、測定プローブ1として使用できる。
【0055】
なお、上記の構成を有している測定プローブ1が、チューブ2の先端部の長さを変えても吸収ポイントが高周波側または低周波側にシフトしないことを、実験で確認をしている。実験のために、測定プローブ1は、図2に示すような構成を採っている。即ち金属層6の先端寄りに、先端部空気層7がチューブ2内に配設されていて、その先端部空気層7の先端部長さdは簡単に変更することができる。なお、先発明に係る実施例での先端部長さLと区別するために、本実施例での先端部の長さを、先端部長さdとしている。なお、先発明における先端部長さLは、ループアンテナ103の根元から(先発明の)チューブ105の先端部までを示しているが、本実施例での先端部長さdは、金属層6の先端からチューブ2の先端部まで、即ちチューブ2の軸芯に沿った先端部空気層7の厚さを示している。
【0056】
続いて、プローブ制御部22の具体的構成について説明する。プローブ制御部22は、周波数掃引式の高周波発振器23と、方向性結合器24と、減衰器25と、フィルタ26とを備えていて、これらが、図3に示す順で次々と測定プローブ1へ接続されている。高周波発振器23は100kHzから800MHzの周波数で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23から出力された高周波パワーは方向性結合器24−減衰器25−フィルタ26と経由して測定プローブ1へ伝送される。
【0057】
一方、プラズマ密度情報測定用の高周波パワー(以下、適宜「測定用高周波パワー」と略記)はアンテナ3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24で検出されて、プラズマ吸収周波数求出部27へ送り込まれる。プラズマ吸収周波数求出部27には高周波発振器23から出力される測定用高周波パワーの周波数も逐次送り込まれる。
【0058】
なお、フィルタ26はアンテナ3を経由してプローブ制御部22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25は測定プローブ1へ送り込む測定用高周波パワーの量を調整する働きをする。
【0059】
プラズマ吸収周波数求出部27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、測定用高周波パワーの反射率の対周波数変化を求めるとともに、得られた結果に基づいて、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となっている。すなわち、プラズマ吸収周波数求出部27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測定用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、測定用高周波パワーの反射率の対周波数変化が求められる処理が行われる。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即ち吸収ポイントであり、吸収ポイントの周波数がプラズマ吸収周波数ということになる。さらにプラズマ吸収周波数求出部27では、吸収ポイントを自動検出して対応する周波数をプラズマ吸収周波数として認定算出する処理が行われる。
【0060】
プラズマ吸収周波数求出部27で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有用なプラズマ密度情報である。実施例システムの場合、プラズマ吸収周波数は表面波共鳴周波数fである。表面波共鳴周波数fは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 と直接対応している有用なプラズマ密度情報である。
【0061】
続いて、実施例の測定プローブ1による具体的な吸収ポイントの測定例について説明する。
アルゴンガスをチャンバー内に供給して、チャンバー内の圧力が20Paになるように調整をしている。高周波電源よりプラズマ生成用の高周波パワーとして、550Wを出力している。その出力されたプラズマ生成用の高周波パワーは、チャンバー内の放電電極により、反応性プラズマPMを発生させる。チューブ2は、外径は6mmで厚さが1mmの石英管で形成されている。また、同軸ケーブル4は50Ωのセミリジッドケーブルで形成されている。金属層6は銅で形成されていて、その厚さlは2mmである。また、空気層5の厚さtは6mmである。
【0062】
先ず、先端部空気層7の先端部長さdが1mmとなるように測定プローブ1をセットする。高周波発振器より高周波パワーを100kHzから800MHzまで周波数を掃引しながら出力する。そして、そのときの高周波パワーの反射率(dBで表示)を測定する。同様の方法で、先端部長さdが2mm、3mm、4mm、5mmとなるように測定プローブ1をセットして、高周波パワーの反射率の対周波数変化を測定する。その測定結果は図4に示す通りである。
【0063】
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ポイントである。図4に示すように、先端部長さdを変化させても、吸収ポイントは高周波側にも低周波側にもシフトしない。即ち吸収ポイントにおけるプラズマ吸収周波数は、先端部長さdに依存しない。このことから、先端部空気層7にまで表面波が到達しておらず、空気層5と金属層6のみで高周波パワーがプラズマに吸収されていることがわかる。一方で、先発明の測定結果に係る図9では吸収ポイントの分散が見られるが、図4では吸収ポイントの分散が見られない。このことから、0次の吸収ポイント(MAIN ABS)を含む低次の吸収ポイントも、∞次の吸収ポイント(プラズマ表面波共鳴周波数における吸収ポイント)を含む高次の吸収ポイントも収束していることがわかる。さらには、先発明の図9と比較して、図4では大きなQ値の吸収ポイントが得られる、即ち吸収ポイントが大きいことがわかる。なお、本明細書では、共鳴時の損失、即ち共鳴時の吸収をQ値(quality factor)と定義付ける。
【0064】
プラズマ吸収周波数が先端部長さdに依存しないことから、アンテナ3を動かさなくてもプラズマ表面波共鳴周波数を測定できることがわかる。また、空気層5と金属層6のみで高周波パワーはプラズマに吸収されていることから、先端部空気層7がなくても図1の構成のみで測定できることがわかる。さらに、低次と高次の吸収ポイントが収束していることと、吸収ポイントが大きいことより、プラズマ表面波共鳴周波数における吸収ポイントを容易に読み取ることができる。
【0065】
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、アンテナ3の先端寄りには空気層5が配設されているが、必ずしもそのような構成になる必要はない。前述のように空気層5は本発明における誘電体領域に相当するので、アンテナ3の先端寄りに誘電体製の物質を配設してもよい。誘電体物質のなかでも、気体の誘電体は特に扱いやすく、厚さや長さ等を簡単に変更することができる。特に、気体の誘電体のなかでも上記の実施例のように誘電体領域が空気層5で形成されているときには、空気は身近に有るので測定プローブ1として大変扱いやすい。また誘電体物質のなかでも、固体の誘電体の場合は次のようなことができる。即ち固体の誘電体の比誘電率εは、気体の誘電体の比誘電率と比較して大きいので、比誘電率が大きいほど、Q値は高くなり共鳴時の吸収は大きくなる。従って、固体の誘電体における共鳴時の吸収は、気体の誘電体の共鳴時の吸収と比較して大きくなるので、共鳴時におけるプラズマ吸収周波数を容易に算出することができる。また、固体で形成されているので、熱的及び機構的に安定である。なお、固体の誘電体材料は特に限定されないが、例えば石英、セラミックス、ガラス、フッ化樹脂などが例示される。
【0066】
(2)実施例の場合、空気層5よりもさらにアンテナ3の先端寄りには、金属層6が配設されている。しかし、前述のように金属層6は本発明における導電体領域に相当するので、空気層5あるいは誘電体領域よりもさらにアンテナ3の先端寄りに導電体製の物質を収容してもよい。また導電体物質のなかでも、金属の場合は次のようなことができる。加工が簡単かつ広い温度範囲で高い導電率が得られるので、チャンバー内の過酷な温度条件下(100〜500°)でも安定してプローブを機能させることができる。なお、金属の種類は特に限定されないが、例えば銅、アルミニウム、ステンレス鋼などが例示される。また、金属以外の導電体材料は特に限定されないが、例えばカーボンなども導電体材料として使用することができる。
【0067】
(3)実施例の場合、図1及び図2に示すように金属層6の内部は全て金属で形成されている。しかし、金属層6に替えて、チューブ2の内壁に金属膜を配設してもよい。また前述のようにチューブ2は本発明における誘電体製外皮に相当するので、誘電体製外皮内に金属膜を配設してもよい。具体的には、図5に示すように、チューブ2の内壁に金属コーティング8を施すといったことなどが考えれる。上記のような構成の場合、金属膜と誘電体製外皮との間に隙間がないので、導電体領域が誘電体製外皮内に単純に配設されている場合と比較して安定性がある。
【0068】
(4)実施例の場合、チューブ2内にアンテナ3の後端より高周波パワーをアンテナ3に伝送する同軸ケーブル4が接続されている。しかし、同軸ケーブル4の被覆部分は絶縁体で構成されていて誘電体の物質からなるので、必ずしもチューブ2に覆われる必要はない。即ち同軸ケーブル4の外部導体及び外部絶縁体をスリット状に除去することにより、同軸ケーブル4を測定プローブ1として用いることができる。具体的には、図6に示すように、同軸ケーブル4に対して、外側にある誘電体製の外部絶縁体4aと導電体製の外部導体4bの1部分をスリット状に除去することで、測定用プローブ1を容易に作ることができる。図6では誘電体領域9はスリット状に除去したことにより露出した誘電体製の中心絶縁体4cの部分である。そして導電体領域10はスリットより先の同軸ケーブル4の外部導体4bの部分である。そして中心導体4dは本発明におけるアンテナに相当し、外部絶縁体4aは本発明における誘電体製外皮に相当する。また同軸ケーブル中でも、セミリジッドタイプのものを用いれば、外部導体に切り込みを入れ、数ミリ程度ずらすだけでスリットを設けたのと同じ効果が得られる。なお、その際同軸ケーブルの先端部を導電体及び絶縁体で被覆して閉じる必要がある。このような加工は非常に簡単であり、十分な効果が得られる。また同軸ケーブルの被覆部即ち外部絶縁体が耐熱性の弱い誘電体製の物質の場合、上述の実施例と同様に誘電体製のチューブ内に上記の構成を有する同軸ケーブルを挿入してもよい。
【0069】
(5)実施例の場合、図1に示すように、アンテナ3の先端寄りには空気層5と金属層6のみが配設されている。しかし、図7に示すように、アンテナ3の先端寄りに誘電体領域と導電体領域とを多層に重ねて配設してもよい。従って、多層にわたる導電体層によって、より表面波を吸収するのでQ値が高くなる。従って、共鳴時におけるプラズマ吸収周波数を容易に算出することができる。
【0070】
【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用プローブによれば、誘電体製外皮内に誘電体領域と導電体領域を備えることで、吸収ポイントが高周波側または低周波側にシフトする両特性が互いに相殺する。従って先端部の長さを変化させても、吸収ポイントはシフトしない。さらに、低次と高次の吸収ポイントが収束して、大きなQ値の高次吸収ポイントを得ることができるので、プラズマ表面波共鳴周波数における吸収ポイントを容易に読み取ることができる。以上より、先端部の長さを変えなくても、一回の測定のみでプラズマ表面波共鳴周波数を正確に求めることができる。
【0071】
請求項2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、誘電体領域は気体の誘電体で形成されている。誘電体物質のなかでも、気体の誘電体は特に扱いやすく、厚さや長さ等を簡単に変更することができる。特に、気体の誘電体のなかでも空気は身近に有り、大変扱いやすい。
【0072】
請求項3の発明に係るプラズマ密度情報測定測定用プローブによれば、誘電体領域は固体の誘電体で形成されている。固体の誘電体の比誘電率εは、気体の誘電体の比誘電率と比較して大きいので、反射損失を抑えてその結果、Q値は高くなり共鳴時の吸収は大きくなる。従って、固体の誘電体における共鳴時の吸収は、気体の誘電体の共鳴時の吸収と比較して大きくなるので、共鳴時におけるプラズマ吸収周波数を容易に算出することができる。また、固体で形成されていて熱的及び機構的に安定であるので、常に安定した測定結果が得られる。
【0073】
請求項4の発明に係るプラズマ密度情報測定方用プローブによれば、導電体部に金属を選択することにより加工が簡単、かつ広い温度範囲で高い導電率が得られる。これにより、チャンバー内の過酷な温度条件下(100〜500°)でも安定してプローブを機能させることができる。なお、金属の示す電子密度は1023/cm3 オーダであり、プローブで測定するプラズマの電子密度の1011/cm3 オーダに比べ十分に大きく、Q値を最大に取ることができるので、吸収ポイントを正確に判定することができる。
【0074】
請求項5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、導電体領域は誘電体製外皮内に配設された金属膜で形成されているので、金属膜と誘電体製外皮との間に隙間がない。従って、導電体領域が誘電体製外皮内に、単純に配設されている場合と比較して安定性がある。従って、常に安定した測定結果が得られる。
【0075】
請求項6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、中心から外側に向かって順に同芯状に中心導体、中心絶縁体、外部導体及び外部絶縁体からなる同軸ケーブルにおいて、その同軸ケーブルの外部導体及び外部絶縁体がスリット状に除去されて、除去されたことにより中心絶縁体が露出している。上記のような構成において、同軸ケーブルの外部絶縁体は本発明における誘電体製外皮に相当し、同軸ケーブルの中心導体は本発明におけるアンテナに相当し、同軸ケーブルの外部絶縁体および外部導体をスリット状に除去したことにより露出した中心絶縁体は本発明における誘電体領域に相当し、前記スリットより先の同軸ケーブルの外部導体は本発明における導電体領域に相当する。従って同軸ケーブルに切り込みを入れてずらすだけで本発明における測定用プローブを容易に作ることができる。
【0076】
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、誘電体領域と導電体領域とが多層構造で形成されている。従って、多層にわたる導電体層によって、表面波を効率的に吸収するので、Q値が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例に係るプラズマ密度情報測定用プローブを示す縦断面図である。
【図2】吸収ポイントの測定例に供する測定プローブの縦断面図である。
【図3】実施例に係るプラズマ処理装置の概略図である。
【図4】実施例に係る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5】本発明に係る測定プローブの変形例を示す縦断面図である。
【図6】本発明に係る測定プローブの他の変形例を示す縦断面図である。
【図7】本発明に係る測定プローブの他の変形例を示す縦断面図である。
【図8】先発明に係る測定プローブの一例の構成を示す一部縦断面図である。
【図9】先発明に係る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10】先発明に係る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との関係を示すグラフである。
【図11】電子プラズマ角振動数に対する吸収ポイントにおける角振動数の比と、アンテナの先端部長さとの関係を示す理論値及び実測値である。
【符号の説明】
1 …測定プローブ
2 …チューブ
3 …アンテナ
4 …同軸ケーブル
4a …外部絶縁体
4b …外部導体
4c …中心絶縁体
4d …中心導体
5 …空気層
6 …金属層
7 …先端部空気層
8 …金属コーティング
9 …誘電体領域
10 …導電体領域
PM …反応性プラズマ
t …空気層5の厚さ
l …金属層6の厚さ
d …先端部長さ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film element manufacturing process, a probe for measuring plasma density information in plasma used in a particle beam source, an analyzer, and the like, and more particularly to a technique for easily measuring plasma density information over a long period of time.
[0002]
[Prior art]
In recent years, plasma has been actively used. In the manufacturing process of the thin film element, for example, high-frequency plasma generated by high-frequency power (high-frequency power) having a frequency in the RF band of about 10 MHz to a frequency in the microwave band typified by 2.45 GHz is used, and etching or CVD ( Chemical vapor deposition) processing is performed. In such a plasma application technology, it is very important for performing appropriate processing to sufficiently grasp information on plasma density (plasma density information) that shows the characteristics of generated plasma well. In the case of a typical plasma consisting of monovalent positive ions and electrons, the electron density is usually equal because the positive ion density and the electron density are substantially equal due to the inherent properties of the plasma that remain electrically neutral. Is called plasma density.
[0003]
Conventionally, as a method for measuring the electron density in plasma, there are a Langmuir probe method, a microwave interference measurement method, and a relatively recently developed electron beam irradiation type plasma vibration probe method.
[0004]
In the Langmuir probe method, the current that flows through the metal probe when a metal probe is directly exposed to the plasma and a DC bias voltage or a DC bias voltage superimposed with a high-frequency voltage is applied to the metal probe. In this method, the electron density is obtained based on the value.
[0005]
In the microwave interferometry method, a window facing the plasma is provided on the wall of the plasma generation chamber, and microwaves (for example, monochromatic laser light) are incident on the plasma from one window and pass through the plasma. In this method, the microwave emitted from the other window is detected, and the electron density is obtained based on the phase difference between the incident and outgoing microwaves.
[0006]
The electron beam irradiation type plasma vibration method is a method of obtaining an electron density based on a frequency of plasma vibration generated when a heat filament is placed in a chamber and an electron beam is irradiated from the heat filament to the plasma.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the Langmuir probe method is applied to reactive plasma, there is a problem that measurement cannot be continued for a long time (that is, the lifetime is short). This is because dirt made of an insulating film adheres to the surface of the metal probe being measured in a short time, and the current value flowing through the metal probe fluctuates, so that accurate measurement cannot be performed immediately. In order to remove dirt attached to the surface of the metal probe, a method of applying a negative bias voltage to the metal probe and removing the spatter by ions, and a method of evaporating and removing the dirt by making the metal probe red-heated have been tried. The effect is thin and the problem cannot be solved.
[0008]
Further, the microwave interferometry method has a problem that the measurement is not easy to perform. This is because it is necessary to adjust a large and expensive device and a difficult microwave transmission path, and since the phase difference between the incident and outgoing microwaves is small, accurate measurement is difficult. In addition, the microwave interferometry method has a drawback that only an average density is obtained and there is no spatial resolution.
[0009]
Further, in the case of the electron beam irradiation type plasma vibration probe method, there is a problem that the measurement is interrupted due to disconnection of the hot filament in addition to the concern of contamination of the plasma atmosphere by tungsten evaporated from the hot filament. In particular, in the case of plasma using oxygen or chlorofluorocarbon gas, it is difficult to say that the hot filament is suitable for practical use because the hot filament is easily broken and the filament needs to be frequently exchanged.
[0010]
Therefore, the present applicant has previously filed Japanese Patent Application No. 11-058636 in order to solve the above problems. This Japanese Patent Application No. 11-058636 (hereinafter abbreviated as “prior invention” where appropriate) adopts the following configuration and provides an effect.
[0011]
[Principle of prior invention]
FIG. 8 is a partial longitudinal sectional view showing a configuration of an example of a probe for measuring plasma density information according to the previous invention (hereinafter abbreviated as “measurement probe” as appropriate).
As shown in FIG. 8, the measurement probe 101 is provided in the chamber 102 with the tip of the measurement probe 101 inserted. The chamber 102 has reactive plasma (hereinafter abbreviated as “plasma” as appropriate) PM generated by a high-frequency power source.
[0012]
The measurement probe 101 has a closed end and a rear end open to the atmosphere (outside air). The loop antenna 103 and the coaxial cable 104 are housed in the tube 105 so that the loop antenna 103 comes first. Furthermore, by pulling or pushing the coaxial cable 104 with respect to the longitudinal direction of the tube 105, the measurement probe 101 can easily change the length L from the root of the loop antenna 103 to the tip of the tube 105. it can.
[0013]
The power incident from the high-frequency oscillator is transmitted by the measurement probe 101 and is emitted from the loop antenna 103 and absorbed by the plasma load or reflected and returned. FIG. 9 shows the measurement of the change in the reflectance of the high-frequency power with respect to frequency (100 kHz to 3 GHz) at each tip length L.
[0014]
The place where the reflectance greatly decreases is an absorption peak (hereinafter referred to as “absorption point” where appropriate) where strong absorption of high-frequency power occurs due to the plasma density. In the curves Ra to Rf of FIG. 9, several absorption points Pa to Pd showing that there is strong absorption of the high frequency power on the plasma load side appear. The frequency at the positions of the absorption points Pa to Pd is the plasma absorption frequency. Since the plasma absorption frequency has a certain correlation with the plasma density, useful plasma density information can be obtained. When the plasma absorption frequency is the surface wave resonance frequency f, the electron density n in the plasma is substantially equivalent to the plasma density. e The plasma density information can be obtained by calculating.
[0015]
As shown in FIG. 10, only the absorption point Pa having the lowest frequency appears at the same frequency position even if the tip length L changes. Thus, the plasma absorption frequency independent of the tip length L is the plasma surface wave resonance frequency f. Even if the absorption point appears on the lowest frequency side, if the tip length L is changed, the one whose frequency is displaced is not the plasma surface wave resonance frequency. That is, in the previous invention, in order to confirm whether or not the absorption point appearing on the lowest frequency side is the plasma surface wave resonance frequency, the tip length L is measured for measurement.
[0016]
When the plasma surface wave resonance frequency f is thus obtained, as described above, the electron plasma angular frequency ω p And electron density n of plasma PM e That is, plasma density n p However, since it is easily calculated, it is easy to grasp the characteristics of the generated plasma PM.
[0017]
In the case of the prior invention, since the tube 105 is interposed between the loop antenna 103 and the coaxial cable 104 and the plasma PM, foreign matter or the like does not enter the plasma PM from the loop antenna 103 or the coaxial cable 104, and the plasma is cleaned. Sex can be secured. Further, the tube 105 is interposed, thereby preventing the loop antenna 103 and the coaxial cable 104 from being damaged by the plasma PM. In addition, even if dirt made of an insulating film adheres thinly to the surface of the tube 105 during measurement, the measurement system does not substantially change because the insulating film is a dielectric, and measurement due to dirt on the insulating film. There will be no variation in results. Therefore, plasma density information can be measured over a long period of time.
[0018]
In addition, since the high frequency power is supplied from the loop antenna 103 through the tube 105 and the absorption phenomenon of the resonant high frequency power that is easy to measure is captured, the plasma density information can be measured very easily. Furthermore, since it is a hot filament-less system, there is no need to worry about atmospheric contamination by evaporated tungsten and it is not necessary to replace the hot filament.
[0019]
Before explaining the problem of the prior invention, a supplementary explanation will be given regarding the plasma absorption frequency.
As shown in FIGS. 9 and 10, the plasma absorption point most dependent on the tip length L among the plasma absorption points Pa to Pd is Pb. In this specification, the plasma absorption point Pb is defined as a zero-order absorption point or MAIN ABS (Absorption). The absorption point that depends on the tip length L next to the absorption point Pb is Pc. The absorption point Pc is defined as a primary absorption point. In the same manner, the absorption point is defined as a high-order absorption point (higher order, lower order is defined as lower order).
[0020]
When defined as described above, the higher the order, the less the absorption point depends on the tip length L. Note that the frequency of the absorption point of the highest order (infinity order, ∞ order) is the plasma surface wave resonance frequency. The ∞ order absorption point is Pa, and Pa is constant regardless of the tip length L as described above. When the tip length L is brought close to 0, both the high-order absorption point and the low-order absorption point converge at the absorption point Pa at the surface wave resonance frequency.
[0021]
On the other hand, although not theoretically explained yet, as shown in FIG. 9, the absorption point tends to decrease as the order increases in the experiment. Therefore, the ∞ order absorption point Pa has the smallest absorption. On the contrary, the lowest absorption point, that is, the zeroth absorption point has the largest absorption.
[0022]
[Problems to be solved by the present invention]
However, the above-described prior invention also has the following problems.
As described above, MAIN ABS (0th order absorption point) tends to be large. However, in fact, the high-order absorption points that are important in calculating the plasma density, especially the (∞ order) absorption points Pa at the plasma surface wave resonance frequency, have a wide half-value width and tend to have a low absorption level. It is difficult to read the resonance frequency.
[0023]
As described above, when the tip length L is brought close to 0, both the high-order absorption point and the low-order absorption point converge to the absorption point Pa at the surface wave resonance frequency. Therefore, in order to read the absorption point Pa, it is only necessary to look at the absorption point when the tip length L = 0. However, in order to actually set the tip length L = 0, the antenna must be made as short as possible. In addition, if the antenna is shortened, the sensitivity is deteriorated, which is impossible in practice.
[0024]
Further, it is assumed that the absorption point appearing on the lowest frequency side considered to be the plasma surface wave resonance frequency can be read except for the tip length L = 0. However, even in that case, as described above, if the absorption point depends on the tip length L, the frequency is no longer the plasma surface wave resonance frequency. That is, in order to confirm whether or not the absorption point appearing on the lowest frequency side is the plasma surface wave resonance frequency, it is necessary to measure by changing the tip length L. Therefore, the absorption point cannot be determined unless measurement is repeated under different conditions. For this reason, there is a drawback that it requires experience and lacks versatility.
[0025]
For the above reasons, there is a demand for a method that can be read without requiring experience in determining higher-order absorption points. Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a plasma density information measuring probe capable of reading the plasma surface wave resonance frequency without moving the length of the tip. And
[0026]
[Means for Solving the Problems]
In the prior invention, as shown in FIG. 8, the dielectric tube inside the surface wave excitation part at the tip of the measurement probe is composed of only a dielectric region such as air. At this time, as shown in FIG. 10, as the tip length L increases, the absorption point shifts to the high frequency side. Further, when the dielectric region is replaced with a conductor region, it is considered that the absorption point shifts to the low frequency side as the tip length L increases.
[0027]
FIG. 11 shows an electron plasma angular frequency ω when a loop antenna is used. P Of the angular frequency at the absorption point with respect to (ω / ω P ) Of the change in the length L of the tip portion. Incidentally, the electron plasma angular frequency ω P Is the surface wave resonance angular frequency ω SWSW = 2πf, f: surface wave resonance frequency) and relative dielectric constant ε, ω p = Ω SW X√ (1 + ε).
[0028]
The (plot) points in FIG. 11 are actually measured values for the dielectric region only, and the solid line is the theoretical value. A black circle plot is an actual measurement value of MAIN ABS (0th-order absorption point), and a white circle plot is an actual measurement value of SECOND (first-order absorption point). Similarly, black and white square plots are measured values of THIRD (second order absorption point) and FOURTH (third order absorption point), respectively. Solid lines m = 0, 1, 2, and 3 are theoretical values of zero-order, first-order, second-order, and third-order absorption points, respectively. The broken line is the theoretical value for the conductor region only. Note that when actually measuring only in the conductor region, the entire tip of the probe becomes a conductor region, and electromagnetic waves cannot be emitted from the antenna, which is physically impossible. Therefore, there is no actual measurement value for the conductor region alone.
[0029]
As shown in FIG. 11, the higher the values are, the measured values and the theoretical values, and the dielectric region and the conductor region, as shown in FIG. P Becomes less dependent on the tip length L. FIG. 11 also shows that as the tip length L increases, the absorption point shifts to the high frequency side when only the dielectric region is present, and the absorption point shifts to the low frequency side when only the conductor region is present.
[0030]
From the above, in a single region, the tip portion length L changes, and shifts to the high frequency side or the low frequency side. Therefore, the present inventor has come up with the idea that the characteristics shifted to the high frequency side or the low frequency side can be canceled out by combining the dielectric region and the conductor region.
[0031]
The present invention created based on the above knowledge has the following configuration.
That is, the plasma density information measuring probe according to the first aspect of the present invention includes a dielectric outer shell having a closed tip, an antenna housed in the dielectric outer shell and radiating high-frequency power, and a dielectric Housed in outer skin Has been Contained in dielectric area and dielectric outer skin Has been With conductor area Including a structure in which a dielectric region and a conductor region are arranged in that order in the direction in which the antenna extends, near the tip of the dielectric outer skin, and the conductor region terminates at the tip of the dielectric outer skin. Have It is characterized by that.
[0032]
According to a second aspect of the present invention, in the plasma density information measuring probe according to the first aspect, the dielectric region is formed of a gas dielectric.
[0033]
According to a third aspect of the present invention, in the plasma density information measuring probe according to the first aspect, the dielectric region is formed of a solid dielectric.
[0034]
According to a fourth aspect of the present invention, in the plasma density information measuring probe according to any one of the first to third aspects, the conductor region is made of a metal.
[0035]
According to a fifth aspect of the present invention, in the plasma density information measuring probe according to any one of the first to fourth aspects, the conductor region is formed of a metal film disposed in a dielectric outer skin. It is characterized by being.
[0036]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the plasma density information measuring probe according to the first aspect, wherein the center conductor, the central insulator, the outer conductor, and the outer insulation are arranged concentrically in order from the center toward the outer side. It is composed of a coaxial cable consisting of a body, the dielectric sheath is formed of an outer insulator of the coaxial cable, the antenna is formed of the central conductor of the coaxial cable, and the dielectric region is formed of the outer insulator and the outer conductor of the coaxial cable. It is characterized in that it is formed of a central insulator exposed by removing it in the form of a slit, and the conductor region is formed of an outer conductor of a coaxial cable ahead of the slit.
[0037]
The invention according to claim 7 is the plasma density information measuring probe according to any one of claims 1 to 6, wherein the dielectric region and the conductor region are formed in a multilayer structure. To do.
[0038]
[Action]
The operation of the first aspect of the invention will be described.
In the case of only the dielectric region, the absorption point shifts to the high frequency side as the length of the dielectric region increases. Conversely, when only the conductor region is present, the absorption point shifts to the low frequency side as the length of the conductor region increases. Therefore, in order to take advantage of the characteristics of each dielectric region and conductor region, the following configuration is adopted. That is, the antenna is housed in a dielectric outer cover, a dielectric region is further disposed near the tip of the antenna, and a conductor region is disposed closer to the tip of the antenna than the dielectric region. As described above, by combining the dielectric region and the conductor region, the two characteristics that the absorption point shifts to the high frequency side or the low frequency side cancel each other. As a result, the absorption point does not depend on the length of the air layer and the metal layer at the tip of the antenna.
[0039]
According to the second aspect of the present invention, since the dielectric region is formed of a gas dielectric, the thickness, length, etc. can be easily changed. In particular, air is familiar among gas dielectrics and is very easy to handle.
[0040]
According to the third aspect of the present invention, by selecting a solid in the dielectric region, the relative dielectric constant ε of the solid dielectric larger than that of the gas dielectric can be selected up to around 10. By this selection, it is possible to freely adjust the impedance of the transmission system between the high frequency supply side and the load side where the surface waves are excited, thereby suppressing reflection loss.
[0041]
According to the invention described in claim 4, by selecting a metal for the conductor region, processing is simple and high conductivity can be obtained in a wide temperature range. As a result, the probe can function stably even under severe temperature conditions (100 to 500 °) in the chamber.
[0042]
According to the fifth aspect of the present invention, since the conductor region is formed by the metal film disposed in the dielectric outer skin, there is no gap between the metal film and the dielectric outer skin.
[0043]
According to the sixth aspect of the present invention, in the coaxial cable including the central conductor, the central insulator, the outer conductor, and the outer insulator, which are arranged concentrically in order from the center toward the outer side, The conductor (and external insulator) is removed in a slit shape, and the central insulator is exposed in the slit shape. Therefore, the outer insulator of the coaxial cable corresponds to the dielectric outer sheath in the present invention, the central conductor of the coaxial cable corresponds to the antenna in the present invention, and the outer insulator and outer conductor of the coaxial cable are removed in a slit shape. The exposed central insulator corresponds to the dielectric region in the present invention, and the outer conductor of the coaxial cable beyond the slit corresponds to the conductor region in the present invention.
[0044]
According to the seventh aspect of the present invention, the dielectric region and the conductor region are formed in a multilayer structure. Therefore, the surface wave is efficiently absorbed by the conductor layers extending in multiple layers.
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a probe for measuring plasma density information according to an embodiment. FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a measurement probe when measuring an absorption point. FIG. 3 is a schematic diagram of the plasma processing apparatus according to the embodiment. FIG. 4 is a graph showing the reflectance frequency characteristic of the high frequency power for measuring plasma density information according to the example.
[0046]
First, the configuration and operation of the plasma processing apparatus of the embodiment will be described. Incidentally, the above-described plasma processing apparatus is also used when obtaining the plasma density in the previous invention.
As shown in FIG. 3, the plasma processing system according to the embodiment includes a stainless steel chamber 11 having a diameter of several tens of centimeters having an indoor space S in which plasma PM is generated, and a plasma generating system disposed in the chamber 11. Via a discharge electrode (discharge antenna) 12, a vacuum exhaust pump 14 communicating with the indoor space S of the chamber 11 via an exhaust pipe 13, and a gas supply pipe 16 provided with a flow rate control valve 15. A gas source 17 communicating with the indoor space S of the chamber 11 is provided. In addition, in the chamber 11 of the system of the embodiment, a mounting table (not shown) for a workpiece (workpiece) W, a loading / unloading mechanism (not shown) for the workpiece W, and the like are also provided.
[0047]
The indoor space S of the chamber 11 is evacuated by the vacuum exhaust pump 14, and an appropriate indoor pressure is maintained. Gas is supplied from the gas source 17 at an appropriate flow rate. Examples of the supply gas include argon, nitrogen, oxygen gas, fluorine-based gas, and chlorine-based gas.
[0048]
In addition, a high frequency power source 18 for supplying high frequency power (high frequency power) for plasma generation outside the chamber 11 and a high frequency power for plasma generation supplied to the discharge electrode 12 (hereinafter referred to as “high frequency power for generation” as appropriate). A high-frequency power control unit 19 is provided for controlling (abbreviated “)”.
[0049]
The high frequency power control unit 19 includes an impedance matching unit 20a that adjusts an impedance matching state between the high frequency power supply side and the plasma side, and a plasma density setting unit 20b that sets a target plasma density for plasma generated in the chamber 11. The matching unit controller 20c controls the impedance matching unit 20a according to the difference between the set target plasma density and the actually measured plasma density.
[0050]
In the case of the system of the embodiment, an output power monitor mechanism (not shown) for detecting the output amount of the high frequency power output from the high frequency power source 18 or a high frequency that returns to the power source side without being absorbed on the plasma load side. A reflection power monitor mechanism (not shown) for detecting the amount of power reflection is provided as one means for roughly grasping the plasma generation state.
[0051]
The workpiece W is subjected to an etching process, a CVD (chemical vapor deposition) process, and the like by the plasma PM generated as described above. In the system of the embodiment, as described below, A plasma density information obtaining unit 21 for obtaining density information from time to time is provided. In addition, as shown in FIG. 3, the plasma density information obtaining unit 21 according to the embodiment includes a measurement probe 1 attached to the wall of the chamber 11 and a probe control unit 22 disposed outside the chamber 11. Consists of. First, a specific configuration of the measurement probe 1 will be described.
[0052]
As shown in FIG. 1, the measurement probe 1 according to the embodiment includes a dielectric tube 2 whose tip is closed, and an antenna 3 that radiates high-frequency power is accommodated in the tube 2. A coaxial cable 4 that transmits high-frequency power to the antenna 3 is connected to the rear end of the antenna 3. Furthermore, it is near the tip of the antenna 3 (In other words, near the tip of the tube 2 corresponding to the dielectric outer skin) Is provided with an air layer 5. Further closer to the tip of the antenna 3 than the air layer 5, a metal layer 6 represented by copper or the like is disposed. The tube 2 corresponds to a dielectric outer skin in the present invention, the air layer 5 corresponds to a dielectric region in the present invention, and the metal layer 6 corresponds to a conductor region in the present invention.
[0053]
The thickness t of the air layer 5 along the axis of the tube 2 (hereinafter abbreviated as “the thickness t of the air layer 5” as appropriate) is preferably 1 mm to 10 mm. When the thickness t of the air layer 5 is less than 1 mm, it is difficult to radiate high-frequency power, and when the thickness t of the air layer 5 exceeds 10 mm, the high-frequency power is difficult to diffuse into the metal layer 6. The thickness l of the metal layer 6 along the axial center of the tube 2 (hereinafter abbreviated as “the thickness l of the metal layer 6” as appropriate) is also preferably 1 mm to 10 mm. If the thickness l of the metal layer 6 is less than 1 mm, the effect of the metal layer 6 is small, and if the thickness l of the metal layer 6 exceeds 10 mm, surface waves are not easily transmitted, so it is not necessary to make it 10 mm or more.
[0054]
In this embodiment, a linear antenna is used as the antenna 3 that radiates high-frequency power. However, the loop antenna of the prior invention may be used, and the shape of the antenna is not limited. In FIG. 1, the antenna 3 is connected to the metal layer 6. However, if the high-frequency power radiated by the antenna 3 is sufficiently diffused in the metal layer 6, the antenna 3 is not necessarily connected to the metal layer 6. . In addition, although the dielectric material which forms the tube 2 is not specifically limited, For example, quartz, ceramics, glass, a fluororesin etc. are illustrated. Further, the outside of the antenna 3, the coaxial cable 4, the air layer 5, and the metal layer 6 need not necessarily be covered by the tube 2. If it is coated with a substance formed of a dielectric, it can be used as the measurement probe 1.
[0055]
It has been confirmed by experiments that the measurement probe 1 having the above configuration does not shift the absorption point to the high frequency side or the low frequency side even if the length of the tip of the tube 2 is changed. For the experiment, the measurement probe 1 has a configuration as shown in FIG. That is, the tip air layer 7 is disposed in the tube 2 near the tip of the metal layer 6, and the tip length d of the tip air layer 7 can be easily changed. In addition, in order to distinguish from the front-end | tip part length L in the Example which concerns on a prior invention, the length of the front-end | tip part in a present Example is made into the front-end | tip part length d. The tip length L in the previous invention indicates from the root of the loop antenna 103 to the tip of the tube 105 (prior invention), but the tip length d in this embodiment is the tip of the metal layer 6. The thickness of the air layer 7 at the distal end along the axial center of the tube 2 is shown.
[0056]
Next, a specific configuration of the probe control unit 22 will be described. The probe control unit 22 includes a frequency sweep type high-frequency oscillator 23, a directional coupler 24, an attenuator 25, and a filter 26, which are sequentially supplied to the measurement probe 1 in the order shown in FIG. It is connected. The high frequency oscillator 23 outputs high frequency power for measuring plasma density information at a frequency of 100 kHz to 800 MHz while automatically sweeping. The high frequency power output from the high frequency oscillator 23 is transmitted to the measurement probe 1 via the directional coupler 24 -the attenuator 25 -the filter 26.
[0057]
On the other hand, the high-frequency power for measuring plasma density information (hereinafter abbreviated as “measurement high-frequency power” as appropriate) is not necessarily emitted from the antenna 3 and absorbed by the plasma load, but reflected without being absorbed by the plasma load. There is also a part that comes back. The amount of reflection of the high frequency power that returns without being absorbed by the plasma load is detected by the directional coupler 24 and sent to the plasma absorption frequency finding unit 27. The frequency of the high frequency power for measurement output from the high frequency oscillator 23 is also sequentially sent to the plasma absorption frequency obtaining unit 27.
[0058]
The filter 26 functions to remove high frequency power for plasma excitation mixed into the probe controller 22 via the antenna 3. The attenuator 25 functions to adjust the amount of high frequency power for measurement fed into the measurement probe 1.
[0059]
The plasma absorption frequency obtaining unit 27 obtains the change in the reflectance of the measurement high frequency power with respect to the frequency according to the frequency of the high frequency power and the detected reflection amount of the high frequency power, and calculates the plasma density based on the obtained result. Thus, the plasma absorption frequency at which strong absorption of high frequency power occurs is obtained. That is, the plasma absorption frequency obtaining unit 27 calculates [the detected reflection amount of the high frequency power] / [total output amount of the high frequency power (a constant amount in the embodiment)] to obtain the reflectance of the measurement high frequency power. Then, a process for obtaining a change in the reflectance of the high-frequency power for measurement with respect to the frequency is performed by plotting the frequency corresponding to the ever-changing frequency. The place where the reflectance greatly decreases is an absorption peak or absorption point at which strong absorption of high-frequency power occurs due to the plasma density, and the frequency of the absorption point is the plasma absorption frequency. Further, the plasma absorption frequency obtaining unit 27 performs a process of automatically detecting an absorption point and authorizing and calculating a corresponding frequency as a plasma absorption frequency.
[0060]
The plasma absorption frequency obtained by the plasma absorption frequency obtaining unit 27 is useful plasma density information having a certain correlation with the plasma density. In the case of the embodiment system, the plasma absorption frequency is the surface wave resonance frequency f. The surface wave resonance frequency f is substantially equivalent to the plasma density and the electron density n in the plasma. e Is useful plasma density information that directly corresponds to
[0061]
Subsequently, a specific measurement example of the absorption point by the measurement probe 1 of the embodiment will be described.
Argon gas is supplied into the chamber, and the pressure in the chamber is adjusted to 20 Pa. 550 W is output from the high frequency power source as the high frequency power for plasma generation. The output high frequency power for plasma generation generates a reactive plasma PM by the discharge electrode in the chamber. The tube 2 is formed of a quartz tube having an outer diameter of 6 mm and a thickness of 1 mm. The coaxial cable 4 is formed of a 50Ω semi-rigid cable. The metal layer 6 is made of copper and has a thickness l of 2 mm. The thickness t of the air layer 5 is 6 mm.
[0062]
First, the measurement probe 1 is set so that the tip portion length d of the tip portion air layer 7 is 1 mm. The high frequency power is output from the high frequency oscillator while sweeping the frequency from 100 kHz to 800 MHz. Then, the reflectivity (expressed in dB) of the high frequency power at that time is measured. In the same manner, the measurement probe 1 is set so that the tip length d is 2 mm, 3 mm, 4 mm, and 5 mm, and the change in the reflectance of the high-frequency power with respect to frequency is measured. The measurement results are as shown in FIG.
[0063]
The place where the reflectance is greatly lowered is an absorption point where strong absorption of high-frequency power occurs due to the plasma density. As shown in FIG. 4, even if the tip length d is changed, the absorption point does not shift to either the high frequency side or the low frequency side. That is, the plasma absorption frequency at the absorption point does not depend on the tip length d. From this, it can be seen that the surface wave does not reach the tip air layer 7, and the high frequency power is absorbed by the plasma only by the air layer 5 and the metal layer 6. On the other hand, although the dispersion | distribution of an absorption point is seen in FIG. 9 which concerns on the measurement result of prior invention, the dispersion | distribution of an absorption point is not seen in FIG. Therefore, the low-order absorption point including the zeroth-order absorption point (MAIN ABS) and the high-order absorption point including the ∞-order absorption point (absorption point at the plasma surface wave resonance frequency) converge. I understand. Furthermore, as compared with FIG. 9 of the previous invention, it can be seen that in FIG. 4, an absorption point having a large Q value is obtained, that is, the absorption point is large. In this specification, loss at resonance, that is, absorption at resonance is defined as a Q value (quality factor).
[0064]
Since the plasma absorption frequency does not depend on the tip length d, it can be seen that the plasma surface wave resonance frequency can be measured without moving the antenna 3. Further, since the high frequency power is absorbed by the plasma only with the air layer 5 and the metal layer 6, it can be seen that the measurement can be performed only with the configuration of FIG. Further, since the low-order and high-order absorption points are converged and the absorption point is large, the absorption point at the plasma surface wave resonance frequency can be easily read.
[0065]
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified as follows.
(1) In the above embodiment, the air layer 5 is disposed near the tip of the antenna 3, but such a configuration is not necessarily required. Since the air layer 5 corresponds to the dielectric region in the present invention as described above, a dielectric material may be disposed near the tip of the antenna 3. Among the dielectric materials, the gas dielectric is particularly easy to handle, and the thickness and length can be easily changed. In particular, when the dielectric region is formed of the air layer 5 as in the above-described embodiment among the gas dielectrics, the air is close and easy to handle as the measurement probe 1. Among the dielectric materials, the following can be performed in the case of a solid dielectric. That is, the relative dielectric constant ε of the solid dielectric is larger than the relative dielectric constant of the gas dielectric, so that the larger the relative dielectric constant, the higher the Q value and the greater the absorption at resonance. Therefore, since the absorption at the time of resonance in the solid dielectric is larger than the absorption at the time of resonance of the gas dielectric, the plasma absorption frequency at the time of resonance can be easily calculated. Moreover, since it is formed of a solid, it is stable thermally and mechanically. The solid dielectric material is not particularly limited, and examples thereof include quartz, ceramics, glass, and fluororesin.
[0066]
(2) In the case of the embodiment, the metal layer 6 is disposed closer to the tip of the antenna 3 than the air layer 5. However, as described above, since the metal layer 6 corresponds to the conductor region in the present invention, a substance made of a conductor may be accommodated closer to the tip of the antenna 3 than the air layer 5 or the dielectric region. Further, among the conductive materials, the following can be performed in the case of metal. Since processing is easy and high conductivity is obtained in a wide temperature range, the probe can be stably functioned even under severe temperature conditions (100 to 500 °) in the chamber. In addition, although the kind of metal is not specifically limited, For example, copper, aluminum, stainless steel, etc. are illustrated. Further, the conductor material other than the metal is not particularly limited, and for example, carbon or the like can be used as the conductor material.
[0067]
(3) In the case of the embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the inside of the metal layer 6 is entirely made of metal. However, a metal film may be provided on the inner wall of the tube 2 instead of the metal layer 6. As described above, since the tube 2 corresponds to the dielectric outer skin in the present invention, a metal film may be disposed in the dielectric outer skin. Specifically, as shown in FIG. 5, it can be considered that a metal coating 8 is applied to the inner wall of the tube 2. In the case of the above configuration, since there is no gap between the metal film and the dielectric outer skin, there is stability compared to the case where the conductor region is simply disposed in the dielectric outer skin. .
[0068]
(4) In the case of the embodiment, a coaxial cable 4 that transmits high-frequency power to the antenna 3 from the rear end of the antenna 3 is connected to the tube 2. However, since the covering portion of the coaxial cable 4 is made of an insulating material and made of a dielectric material, it is not necessarily covered by the tube 2. That is, the coaxial cable 4 can be used as the measurement probe 1 by removing the outer conductor and the outer insulator of the coaxial cable 4 in a slit shape. Specifically, as shown in FIG. 6, with respect to the coaxial cable 4, by removing one portion of the outer dielectric insulator 4a and the outer conductor 4b made of a conductor in a slit shape, The measurement probe 1 can be easily made. In FIG. 6, the dielectric region 9 is a portion of the dielectric central insulator 4 c exposed by removing the slit region. The conductor region 10 is a portion of the outer conductor 4b of the coaxial cable 4 ahead of the slit. The center conductor 4d corresponds to the antenna in the present invention, and the external insulator 4a corresponds to the dielectric outer skin in the present invention. If a semi-rigid type coaxial cable is used, the same effect can be obtained as when a slit is provided by cutting the outer conductor and shifting it by several millimeters. In this case, it is necessary to close the end portion of the coaxial cable with a conductor and an insulator. Such processing is very simple and a sufficient effect can be obtained. In the case where the coating portion of the coaxial cable, that is, the external insulator is made of a dielectric material having low heat resistance, the coaxial cable having the above-described configuration may be inserted into the dielectric tube as in the above-described embodiment. .
[0069]
(5) In the case of the embodiment, as shown in FIG. 1, only the air layer 5 and the metal layer 6 are disposed near the tip of the antenna 3. However, as shown in FIG. 7, the dielectric region and the conductor region may be arranged in multiple layers near the tip of the antenna 3. Therefore, the surface wave is absorbed more by the conductor layers extending in multiple layers, so that the Q value is increased. Therefore, the plasma absorption frequency at the time of resonance can be easily calculated.
[0070]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the probe for measuring plasma density information according to the first aspect of the present invention, the dielectric point and the conductor region are provided in the dielectric outer skin, so that the absorption point is low or low. Both characteristics shifted to the frequency side cancel each other. Therefore, even if the length of the tip is changed, the absorption point does not shift. Furthermore, since the low-order and high-order absorption points converge and a high-order absorption point having a large Q value can be obtained, the absorption points at the plasma surface wave resonance frequency can be easily read. As described above, the plasma surface wave resonance frequency can be accurately obtained by only one measurement without changing the length of the tip.
[0071]
According to the probe for measuring plasma density information according to the invention of claim 2, the dielectric region is formed of a gas dielectric. Among the dielectric materials, the gas dielectric is particularly easy to handle, and the thickness and length can be easily changed. In particular, air is familiar among gas dielectrics and is very easy to handle.
[0072]
According to the plasma density information measuring and measuring probe of the invention of claim 3, the dielectric region is formed of a solid dielectric. Since the relative dielectric constant ε of the solid dielectric is larger than that of the gas dielectric, the reflection loss is suppressed. As a result, the Q value is increased and the absorption at the time of resonance is increased. Therefore, since the absorption at the time of resonance in the solid dielectric is larger than the absorption at the time of resonance of the gas dielectric, the plasma absorption frequency at the time of resonance can be easily calculated. Further, since it is formed of a solid and is thermally and mechanically stable, a stable measurement result is always obtained.
[0073]
According to the probe for measuring plasma density information according to the invention of claim 4, by selecting a metal for the conductor portion, processing is simple and high conductivity can be obtained in a wide temperature range. As a result, the probe can function stably even under severe temperature conditions (100 to 500 °) in the chamber. The electron density of the metal is 10 twenty three / Cm Three 10 of the electron density of the plasma measured by the probe. 11 / Cm Three Since it is sufficiently larger than the order and the Q value can be maximized, the absorption point can be accurately determined.
[0074]
According to the probe for measuring plasma density information according to the invention of claim 5, since the conductor region is formed of the metal film disposed in the dielectric outer skin, the gap between the metal film and the dielectric outer skin is determined. There are no gaps. Therefore, it is more stable than the case where the conductor region is simply disposed in the dielectric outer skin. Therefore, a stable measurement result can always be obtained.
[0075]
According to the probe for measuring plasma density information according to the invention of claim 6, in the coaxial cable comprising the central conductor, the central insulator, the outer conductor, and the outer insulator in concentric order from the center to the outer side, the coaxial cable The outer conductor and the outer insulator are removed in a slit shape, and the central insulator is exposed by the removal. In the above configuration, the outer insulator of the coaxial cable corresponds to the dielectric outer sheath in the present invention, the central conductor of the coaxial cable corresponds to the antenna in the present invention, and the outer insulator and the outer conductor of the coaxial cable are slit. The central insulator exposed by removing in the shape corresponds to the dielectric region in the present invention, and the outer conductor of the coaxial cable beyond the slit corresponds to the conductor region in the present invention. Therefore, the measurement probe according to the present invention can be easily made by simply cutting and shifting the coaxial cable.
[0076]
According to the probe for measuring plasma density information according to the invention of claim 7, the dielectric region and the conductor region are formed in a multilayer structure. Therefore, since the surface wave is efficiently absorbed by the conductor layers extending in multiple layers, the Q value becomes high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a probe for measuring plasma density information according to an embodiment.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a measurement probe used for an example of measuring an absorption point.
FIG. 3 is a schematic view of a plasma processing apparatus according to an embodiment.
FIG. 4 is a graph showing reflectance frequency characteristics of high-frequency power for measuring plasma density information according to an example.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a modification of the measurement probe according to the present invention.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing another modification of the measurement probe according to the present invention.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing another modification of the measurement probe according to the present invention.
FIG. 8 is a partial longitudinal sectional view showing a configuration of an example of a measurement probe according to the previous invention.
FIG. 9 is a graph showing reflectance frequency characteristics of high-frequency power for measuring plasma density information according to the previous invention.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the plasma absorption frequency and the length of the tip of the tube of the measurement probe according to the previous invention.
FIG. 11 is a theoretical value and an actual measurement value showing a relationship between a ratio of an angular frequency at an absorption point to an electron plasma angular frequency and a tip end length of the antenna.
[Explanation of symbols]
1 ... Measurement probe
2… Tube
3 ... Antenna
4 ... Coaxial cable
4a: External insulator
4b ... outer conductor
4c ... center insulator
4d ... Center conductor
5 ... Air layer
6 ... Metal layer
7 ... Air layer at the tip
8 ... Metal coating
9 ... Dielectric region
10 ... Conductor region
PM ... reactive plasma
t: thickness of the air layer 5
l ... thickness of metal layer 6
d: Length of tip

Claims (7)

先端が閉じられている誘電体製外皮と、
誘電体製外皮内に収容されて高周波パワーを放射するアンテナと、
誘電体製外皮内に収容されている誘電体領域と、
誘電体製外皮内に収容されている導電体領域と
を備え
誘電体製外皮の先端寄りで、かつアンテナの延びる方向に誘電体領域および導電体領域をその順に配設する構造を含み、かつ誘電体製外皮の先端には導電体領域が終端となっ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。
A dielectric outer skin whose tip is closed;
An antenna that is housed in a dielectric envelope and radiates high frequency power;
A dielectric region housed in a dielectric skin;
A conductor region housed in a dielectric outer skin ,
It includes a structure in which a dielectric region and a conductor region are arranged in that order in the direction in which the antenna extends, near the tip of the dielectric outer skin, and the conductor region terminates at the tip of the dielectric outer skin. A probe for measuring plasma density information.
請求項1に記載のプラズマ密度情報測定用プローブにおいて、
誘電体領域は気体の誘電体で形成され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。
The probe for measuring plasma density information according to claim 1,
A probe for measuring plasma density information, wherein the dielectric region is formed of a gas dielectric.
請求項1に記載のプラズマ密度情報測定用プローブにおいて、
誘電体領域は固体の誘電体で形成され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。
The probe for measuring plasma density information according to claim 1,
A probe for measuring plasma density information, wherein the dielectric region is formed of a solid dielectric.
請求項1から請求項3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、
導電体領域は金属で形成され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。
The probe for measuring plasma density information according to any one of claims 1 to 3,
A probe for measuring plasma density information, wherein the conductor region is made of metal.
請求項1から請求項4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、
導電体領域は誘電体製外皮内に配設された金属膜で形成され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。
The probe for measuring plasma density information according to any one of claims 1 to 4,
A probe for measuring plasma density information, wherein the conductor region is formed of a metal film disposed in a dielectric outer skin.
請求項1に記載のプラズマ密度情報測定用プローブは、中心から外側に向かって順に同芯状に配設された中心導体、中心絶縁体、外部導体及び外部絶縁体からなる同軸ケーブルで構成されており、
誘電体外皮は同軸ケーブルの外部絶縁体で形成され、
アンテナは同軸ケーブルの中心導体で形成され、
誘電体領域は同軸ケーブルの外部絶縁体および外部導体をスリット状に除去したことにより露出した中心絶縁体で形成され、
導電体領域は前記スリットより先の同軸ケーブルの外部導体で形成され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。
The probe for measuring plasma density information according to claim 1 is composed of a coaxial cable composed of a central conductor, a central insulator, an outer conductor, and an outer insulator arranged concentrically in order from the center toward the outside. And
The dielectric skin is formed by the external insulation of the coaxial cable,
The antenna is formed by the central conductor of the coaxial cable,
The dielectric region is formed by the central insulator exposed by removing the outer insulator and outer conductor of the coaxial cable in a slit shape,
The probe for measuring plasma density information, wherein the conductor region is formed by an outer conductor of a coaxial cable ahead of the slit.
請求項1から請求項6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、
誘電体領域と導電体領域とが多層構造で形成され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。
The probe for measuring plasma density information according to any one of claims 1 to 6,
A probe for measuring plasma density information, wherein a dielectric region and a conductor region are formed in a multilayer structure.
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