JP4240259B2 - プラズマ電位測定方法と測定用プローブ - Google Patents
プラズマ電位測定方法と測定用プローブ Download PDFInfo
- Publication number
- JP4240259B2 JP4240259B2 JP2000249880A JP2000249880A JP4240259B2 JP 4240259 B2 JP4240259 B2 JP 4240259B2 JP 2000249880 A JP2000249880 A JP 2000249880A JP 2000249880 A JP2000249880 A JP 2000249880A JP 4240259 B2 JP4240259 B2 JP 4240259B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- plasma
- voltage
- plasma potential
- probe
- potential
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高周波電圧を印加することによって励起されたプラズマの周期的変動電位を測定するプラズマ電位測定方法とその測定用プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周期的に電位の変動するプラズマ（以下、交流プラズマと呼ぶ。）、特に高周波プラズマは、プラズマＣＶＤやスパッタリングによる製膜、あるいはエッチング、アッシング、表面改質など産業上の様々な分野で応用されている。いわゆるRFプラズマと呼ばれる13.56MHz以外に、20〜500MHzのVHFあるいはUHFプラズマも最近使われている。
【０００３】
プラズマの均一化を促進する上で必要となるのがプラズマの発生状態を測定する技術であり、プラズマの測定方法として、ラングミュアープローブと呼ばれるプローブ測定は簡便な測定方法として良く知られている（例えば、特開平９−８２４８９号公報参照）。
【０００４】
上記プローブは、先端に金属電極を有し、これに接続され、絶縁被覆された導電線をプラズマ処理容器から外部に取出し、プラズマを発生するための一方の電極（接地電極）と前記導電線との間に可変電圧電源と電流計を接続し、さらに接地電極と導電線との間であって、可変電圧電源と並列に電圧計を接続することにより、電流・電圧の測定値に基づいて、プラズマ電位、電子温度、電子密度などを計測するものである。
【０００５】
しかしながら、交流プラズマを、前記ラングミュアプローブで測定すると、プラズマの電位の時間変動の影響を受けて、電圧電流特性が歪むため、プラズマ電位、電子温度、電子密度といったプラズマパラメータを正確に求めることが困難である。具体的には、見掛け上電子温度が高めになる場合が多い。
【０００６】
さらに、前記ラングミュアプローブで反応性プラズマ、特に膜堆積を起こす水素化シランや炭化水素のプラズマを測定しようとすると、放電とともにプローブに流れる電流が減少して、正常な測定ができなくなる問題もある。
【０００７】
交流プラズマのプラズマパラメータを正確に求めるためには、プラズマ電位の時間変動の振幅Vppを測定する必要がある。プラズマ電位の振幅を測定する方法として、キャパシタンスプローブを用いた手法が知られている。
【０００８】
図６は、上記キャパシタンスプローブを用いる第１の従来例の概念的模式図を示す。ガラス製の放電管１８の壁面と、プラズマ１の間にはシースができ、大きさCsのシース容量１５ができる。放電管１８の外に設けたリング状導体１７と放電管１８の間に大きさCpの浮遊容量１６がある。プラズマ電位の交流成分の振幅Vppは、1/Cs：1/Cpの割合で分圧され、Cpにかかる電圧Vcp=Vpp×Cs/(Cs+Cp)となる。
【０００９】
Csが一定で既知ならば、Vcpを交流電圧計１９で測定することによって、Vppを求めることができる。この場合、Cpをなるべく大きくして、交流電圧計１９に取出す信号電流を大きくすることによって、電磁波等のノイズの影響を受け難くする。また、Cpを大きくすることで、設計以外の浮遊容量の影響を受けないようにする。
【００１０】
しかしながら、周波数が高周波になった場合、シースに流れ込むイオン電流が周波数に追随できなくなり、シース容量が不安定になる。特にCpを介して取出す信号電流が大きい場合には、信号電流がプラズマおよびシースに擾乱を与えて、Csが変化してしまう。Csが変化すると、VcpはCsの変化によって大きく変るので、もはやVppを求めることができなくなる。
【００１１】
図７は、前記キャパシタンスプローブを用いる第２の従来例の概念的模式図を示す。ガラス等の絶縁管２１をプラズマ１内に挿入する。絶縁管２１とプラズマ１の間にシースが発生し、大きさCsのシース容量１５ができる。絶縁管２１の内部を覆うように導体２０を設ける。具体的には、絶縁管の内部に蒸着などで金属膜をつける。導体２０と絶縁管の間に大きさCpの浮遊容量１６ができる。
【００１２】
前記第１の従来例と同様に、Vpp が分圧されて、Vcp の電圧の信号が信号線２２より取出され、図に示さない交流電圧計で測定される。この例においても、Cpを大きくすることによって信号電流を大きくしてノイズの影響を受け難くしている。また、設計以外の浮遊容量の影響を受け難くしている。しかし、第１の従来例と同様に、Csの変化の影響を受けやすく、特に高周波プラズマの測定には不適当である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、交流プラズマを、前記簡便な測定方法として良く知られたラングミュアプローブで測定すると、プラズマの電位の時間変動の影響を受けて、正確な測定が困難であり、半導体製膜技術に必要な反応性プラズマにおいては、放電とともにプローブに流れる電流が減少して正常な測定が望めない問題がある。
【００１４】
さらに、交流プラズマのプラズマパラメータを正確に求めるためには、プラズマ電位の時間変動の振幅Vppを測定する必要があり、プラズマ電位の振幅を測定する方法として、キャパシタンスプローブを用いた手法が知られているが、プラズマ電位の時間変動の振幅Vppを、浮遊容量Cpの大きい従来のキャパシタンスプローブで測定すると、シース容量Csの変化の影響をうけて、正常な測定ができない。特に高周波放電の場合は不適当である。
【００１５】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、シース容量Csの変化の影響をうけずに、高周波プラズマ電位の時間変動の振幅Vppを正確に測定可能なプラズマ電位測定方法と測定用プローブを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を達成するため、この発明は、高周波電圧を印加することによって励起されたプラズマの周期的変動電位を測定するプラズマ電位測定方法において、前記プラズマ中に、先端信号導体を内部に有する絶縁管を挿入し、この絶縁管内部で前記周期的変動電位を静電容量で分圧し、この分圧した電圧を直流電圧に変換して出力し、この直流電圧出力とプラズマ電位との予め求めた相関に基づいて、プラズマの周期的変動電位を測定し、その際、プラズマと前記絶縁管との間に生ずるシース容量（ Cs ）の変化が測定に及ぼす影響を抑制するために、前記先端信号導体と絶縁管との間の浮遊容量を（ Cp ）とし、前記先端信号導体と絶縁管内部に備えた接地導体との間の容量を（ Co ）としたとき、 Cp << Cs << Co としてプラズマの周期的変動電位を測定することとする（請求項１の発明）。
【００１７】
また、請求項１記載のプラズマ電位測定方法において、電磁ノイズが測定に及ぼす影響を抑制するために、分圧した電圧を、ピークホールド回路とその後段に設けた整流回路によって直流電圧に変換することとする（請求項２の発明）。
【００１８】
さらに、請求項１または２に記載の記載のプラズマ電位測定方法において、前記直流電圧出力とプラズマ電位との予め求めた相関は、２乗検波特性を有することとする（請求項３の発明）。
【００１９】
また、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定方法において、測定対象のプラズマは、反応性ガスを用いてなることとする（請求項４の発明）。
【００２０】
さらにまた、請求項４記載のプラズマ電位測定方法において、反応性ガスは、水素化シラン、ハロゲン化シラン、水素化ゲルマン、ハロゲン化ゲルマン、炭化水素の少なくとも一つを含むガスとする（請求項５の発明）。
【００２１】
さらに、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定方法において、測定対象のプラズマを発生させる電源の周波数は、1MHzないし500MHzとする（請求項６の発明）。
【００２２】
また、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定方法において、出力電圧測定は、信号線の電圧の直流成分のみ検知する電圧計により測定する（請求項７の発明）。さらに、請求項７記載のプラズマ電位測定方法において、前記電圧計は、高周波遮断フィルタを用いて直流成分のみ検知するものとする（請求項８の発明）。さらにまた、請求項７記載のプラズマ電位測定方法において、前記電圧計は、電圧の時間平均を求めて直流成分のみ検知するものとする（請求項９の発明）。
【００２３】
この発明の作用は、下記のとおりである。即ち、絶縁管内部で周期的変動電位を静電容量で分圧し、例えば請求項２の発明のように、分圧容量を適切に選定することにより、詳細は後述するように、測定電圧へのシース容量Csの変化の影響を抑制することができる。
【００２４】
この場合、分圧によって測定電圧が小さくなり、電磁波ノイズの影響を受けて、正確な測定が阻害される問題が生じ、特に、プラズマを発生させる電源の周波数が、RF、VHF、UHFといった高周波のときに、このノイズの影響は顕著になる。
【００２５】
しかしながら、この問題は、前記請求項１の発明によれば、容量分圧で取出した交流信号を、電磁波の波長に比較して十分短い距離にある絶縁管内部において、直流電圧に変換することによって解決できる。交流信号を直流信号に変換することによって、ノイズの影響を減少することができる。また、直流電圧に変換した後の信号線に電磁波ノイズがのった場合も、請求項７ないし９の発明のように、電圧測定器で直流成分のみ検知することによってノイズの影響を無くして、Vppの測定が可能となる。
【００２６】
その際、請求項２の発明のように、整流回路を用いることによって、直流電圧に変換する。整流回路のみの場合は、信号線には容量分圧した電圧の1/2の直流電圧が検知される。望ましくはピークホールド回路を整流回路の前段に用いることによって、信号線に容量分圧した値そのものが直流電圧で検知される。すなわち、整流回路のみの場合に比べて２倍の大きさの信号が得られ、よりノイズに対して強くなる。また、プラズマの交流電位が正弦波でない場合も正確なVppを求めることができる。
【００２７】
上記により、請求項４または５のように反応性ガスを用いたプラズマにおいて好適な測定が可能となる。後述する測定用のプローブは、プラズマのVppの信号を絶縁管の壁を介して、変位電流で取出している。プラズマにさらされるのは絶縁管の外部で、内部の導体はプラズマにさらされない。このため、絶縁管の厚さに対して無視できないほどの厚さの膜が堆積しない限り、浮遊容量Cpは一定とみなすことができる。従って、膜堆積が起こる反応性ガスを用いたプラズマにおいても、Vppの測定が可能である。
【００２８】
また、請求項６の発明のように、周波数1MHzないし500MHzの高周波プラズマに対して、さらに請求項３の発明のような相関によって、好適な測定が可能となる。詳細は、実験データとともに後述する。
【００２９】
次に、前記測定方法を実施するための測定用プローブは、下記の発明により達成できる。即ち、高周波電圧を印加することによって励起されたプラズマの周期的変動電位を測定するプラズマ電位測定用プローブにおいて、プラズマ中に挿入されるプローブ外筒としての絶縁管の内部に、先端信号導体と、前記絶縁管内部で前記周期的変動電位を静電容量で分圧するための分圧手段と、この分圧した電圧を直流電圧に変換して出力するための直流変換手段と、測定信号を出力するための信号線と、接地導体とを備え、前記分圧手段は、前記先端信号導体と絶縁管との間の浮遊容量（ Cp ）と、前記先端信号導体と前記接地導体との間に設けた容量分圧用のコンデンサ（容量 Co ）とからなり、プラズマと前記絶縁管との間に生ずるシース容量（ Cs ）の変化が測定に及ぼす影響を抑制するために、 Cp << Cs << Co としたものとする（請求項１０の発明）。
【００３０】
上記請求項１０の発明の実施態様としては、下記請求項１１ないし１４の発明が好適である。即ち、請求項１０記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記（Cp）は（Cs）の十分の一以下としたものとする（請求項１１の発明）。
【００３１】
さらに、請求項１０または１１に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記直流変換手段は、整流回路からなり、この整流回路の前段にピークホールド回路を備えたものとし（請求項１２の発明）、また、請求項１２記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記整流回路は、前記信号線に直列に接続したダイオードと、この後段で前記信号線と接地導体とを接続するコンデンサとからなるものとする（請求項１３の発明）。さらに、請求項１２記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記ピークホールド回路は、前記信号線に直列に接続したコンデンサと、この後段で信号線と接地導体を接続するダイオードとからなるものとする（請求項１４の発明）。
【００３２】
前記請求項１０ないし１４の発明の作用については、概ね測定方法に関する発明において説明したので、細部は、発明の実施の形態の項において述べる。
【００３３】
さらに、ノイズ低減や広域測定を可能とする観点から、下記の発明が好適である。即ち、前記請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記整流回路の後段に、信号線に直列接続した抵抗と、その後段に信号線と接地導体を接続する抵抗とを備えたものとする（請求項１５の発明）。
【００３４】
整流回路後段に信号線に直列に抵抗を挿入することによって、プローブの外部のケーブルからノイズが逆に侵入することを防止できる。また、信号線と接地導体の間に十分大きい抵抗を挿入することによって、信号電流を最小に抑えるとともに、Vppの緩やかな変化に追随することができる。
【００３５】
また、前記請求項１０，１１，１３，１４のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記コンデンサはセラミックコンデンサとする（請求項１６の発明）。前記セラミックコンデンサは、広帯域のコンデンサであり、好適である。さらに、前記請求項１３または１４に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記ダイオードは点接触ダイオードとする（請求項１７の発明）。点接触ダイオードは、広帯域で動作可能であり、好適である。
【００３６】
さらにまた、前記請求項１０ないし１７のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記信号線に同軸ケーブルの中心導体を用い、接地導体に同軸ケーブルのシールドを用いるものとする（請求項１８の発明）。これによれば、ノイズの効果的な除去がシンプルな構成によって実現できる。なお、同軸ケーブルは、２重シールドするのが、ノイズ除去の観点から望ましい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態について以下に述べる。
【００３８】
先に、課題を解決するための手段の項において、この発明の作用に関し、その概要を説明し、絶縁管内部で周期的変動電位を静電容量で分圧し、分圧容量を適切に選定するプローブ（以下、改良型キャパシタンスプローブという。）により、測定電圧へのシース容量Csの変化の影響を抑制することができることと、交流信号を直流信号に変換することによって、ノイズの影響を減少することができることを述べた。最終的な実施の形態を述べる前に、まず、上記の点に関して、以下に詳述する。
【００３９】
図４に、改良型キャパシタンスプローブの概念的模式構成を示す。図４のプローブは、ガラス等の絶縁管２の内部に、先端信号導体３、静電容量Coの容量素子（コンデンサ）４、同軸ケーブル１３を備える。プラズマ１と絶縁管２との間にはシース１４が発生し、等価的にCsの容量を持つシース容量１５となる。先端信号導体３と絶縁管２との間には、Cpの容量をもつ浮遊容量１６がある。
【００４０】
ここで、先端信号導体の大きさを十分小さくして、Cp<<Csとなるようにする。具体的には、同軸ケーブの芯線を数mm露出させたものを先端信号導体として利用した。この結果、信号電流が小さくなり、プラズマおよびシースに与える擾乱を抑制して、Csの変化を最小にすることができる。また、以下に示すように測定電圧がCsの変化に影響を受けなくなる。
【００４１】
図４は、等価回路として、Cs、Cp、C0を直列につないだ容量分圧回路になる。各容量には、プラズマ電位の交流成分の振幅Vppが、1/Cs：1/Cp：1/C0の割合で分圧され、C0にかかる電圧Vc0は、Vc0=Vpp×[(1/C0)/(1/Cs+1/Cp+1/C0)]となる。Cp<<Csであり、Cs<<C0となるように容量素子４を選ぶと、Vc0≒Vpp×Cp/C0となる。すなわち、Vc0はCsの変化の影響を受けなくなり、高周波放電においても測定が可能となる。従って、Vpp≒Vc0×C0/Cpとして、Vppを測定することができる。
【００４２】
しかしながら、Cp<<Csとしたことによって、測定電圧であるVc0が小さくなり、実際のプラズマのVppを測定しようとすると、プラズマや電源から発生する電磁波ノイズの影響が無視できなくなる。平行平板電極を用いた場合、電極間に数十Vから数kVの高電圧がかかり、強い電磁波が周りに放射される。特に電源周波数がRFやVHF、UHFの高周波になると、プローブから電圧測定器（オシロスコープなど）までの信号線がアンテナとなって、電磁波ノイズが侵入し、Vppの測定が不可能となる。場合によっては、実際のVppの信号成分よりも電磁波ノイズで誘起される電圧の方が大きい。
【００４３】
そこで、前述の請求項３の発明のように、電磁ノイズが測定に及ぼす影響を抑制するために、分圧した電圧を、ピークホールド回路とその後段に設けた整流回路によって直流電圧に変換する。この原理は、交流の電圧を測定する計器としての電子電圧計において知られている。図５は、この構成および出力波形の説明図を示す。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、ピークホールド回路と整流回路を組み合わせて、交流電圧の振幅Vppを直流に変換して、電磁コイル等でVppに比例して指示針を振らせるものとする。図５（ｂ）に示すように入力電圧Vinが正弦波の場合だけでなく、図５（ｃ）に示すような任意の波形でもVppと同じ大きさの直流電圧としてVoutが出力される。電子電圧計は通常数μVから最大数Vまでの範囲で、精度良くVppを測定するために用いられている。ただし、数10V〜数kVの高電圧の測定や、電磁波ノイズの多い環境での測定を意図したものではない。しかしながら、この原理を、前記改良型キャパシタンスプローブに適用することにより、シース容量Csの変化の影響を抑制しかつ、電磁波等のノイズの影響がない好適な測定が可能となる。
【００４５】
図１に、この発明の実施例に関わるプラズマ測定用プローブの概念的構成を示す。プラズマ１の中に、絶縁管であるガラス管２を挿入する。ガラス管２の内部に、先端信号導体３、容量分圧用のコンデンサ４を備える。コンデンサ５、ダイオード６でピークホールド回路を形成する。その後段のダイオード７、コンデンサ８で整流回路を形成する。
【００４６】
抵抗９はプローブの外部のケーブルからノイズが逆に侵入することを防止する目的で、抵抗１０は信号電流を最小に抑えるとともにVppの緩やかな変化に追随する目的で用いられる。直流電圧に変換された信号は、信号線１１と接地導体１２の間の電圧として、同軸ケーブル１３によって、図示しない電圧計に導かれる。プラズマ測定の際には、このプローブをプラズマ処理を行う容器に対して、図示しないシールパッキンを介して、気密に取り付けられる。ピークホールド回路や整流回路が形成される環境は大気でよいが、同軸ケーブルの取出し部には、適宜、機械的な支持とダストの侵入を防止する目的から、図示しない適当な封止部を設ける。なお、ガラス管２は、先端部を細径として段付管としているが、原理的には、必須ではなく、分圧容量の関係や、前記ピークホールド回路および整流回路をガラス管内に収納するための構造的な理由から、段付管としている。
【００４７】
図１において、ガラス管２の周りには、シース１４が形成される。プラズマ電位の振幅Vppは、シース容量１５、浮遊容量１６、コンデンサ４で、容量分圧される。容量分圧された信号は、前記ピークホールド回路、整流回路を経て、直流信号として同軸ケーブル１３に出力される。
【００４８】
プラズマに用いるガスにもよるが、シース容量１５の大きさCsは、約20〜30pF、浮遊容量１６の大きさCpは、約2pFであり、Cp<<Csが成り立つ。CpをCsの十分の一以下とすることによって、Csの変化の測定電圧に与える影響を10%以下に抑えることができる。各キャパシタンスには、広帯域のコンデンサであるセラミックコンデンサを用いた。キャパシタンス４は100pF、キャパシタンス５は10pF、キャパシタンス８は10nFを用いた。各ダイオードには広帯域で動作可能な点接触ダイオードを用いた。抵抗９には1kΩ、抵抗１０には100kΩを用いた。
【００４９】
図２は、前記図１のプローブを用いて測定した、入力電圧に対する直流出力電圧の校正例、即ち、直流電圧出力とプラズマ電位との相関を示す。13.6MHzから100MHzの周波数において、入力電圧Vppに対して、直流出力電圧は2乗検波特性を示す。
【００５０】
図３は、前記プローブと測定方法を用い、高電圧電極(powered electrode)と接地電極(grounded electrode)が平行に配置された、容量結合型プラズマCVD装置で発生した水素プラズマを測定した一例を示し、前記両電極の間の位置を変えてプラズマ電位Vppを測定した結果を示す。横軸は両電極の間における位置（ｍｍ）を示し、縦軸はプラズマ電位Vpp（Ｖ）を示す。電源周波数は13.6MHzと100MHzの2通りを示す。プラズマ発生時の圧力は67Pa、パワーは30Wである。
【００５１】
プラズマ電位Vppは接地電極から約5mmの位置から約25mmの位置まで緩やかに上昇し、それより高電圧電極に近づくと増加の割合が大きくなる。電源周波数が13.6MHzの場合、100MHzよりもVppが約２倍と大きくなっている。本実施例によれば、周波数がRF領域である13.6MHzおよび、VHF領域である100MHzにおいて、Vppを正確に測定することが可能であることが明らかであり、さらに、1MHzないし500MHzの範囲の高周波プラズマの測定が可能である。
【００５２】
前記の例では、水素プラズマの測定例を示したが、堆積性の反応ガスであるシランを用いたプラズマでも同様に測定が可能であった。その他の反応性ガスでも測定が可能であることは言うまでもない。
【００５３】
電圧の測定には、信号出力の直流成分のみ検知することが望ましく、具体的には、高周波遮断フィルターを備えた電圧計を用いても良いし、デジタルオシロスコープなどで測定電圧の時間平均値を求めても良い。
【００５４】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、高周波電圧を印加することによって励起されたプラズマの周期的変動電位を測定するプラズマ電位測定方法において、前記プラズマ中に、先端信号導体を内部に有する絶縁管を挿入し、この絶縁管内部で前記周期的変動電位を静電容量で分圧し、この分圧した電圧を直流電圧に変換して出力し、この直流電圧出力とプラズマ電位との予め求めた相関に基づいて、プラズマの周期的変動電位を測定し、その際、プラズマと前記絶縁管との間に生ずるシース容量（ Cs ）の変化が測定に及ぼす影響を抑制するために、前記先端信号導体と絶縁管との間の浮遊容量を（ Cp ）とし、前記先端信号導体と絶縁管内部に備えた接地導体との間の容量を（ Co ）としたとき、 Cp << Cs << Co としてプラズマの周期的変動電位を測定することにより、
また、上記測定用プローブとしては、プラズマ中に挿入されるプローブ外筒としての絶縁管の内部に、先端信号導体と、前記絶縁管内部で前記周期的変動電位を静電容量で分圧するための分圧手段と、この分圧した電圧を直流電圧に変換して出力するための直流変換手段と、測定信号を出力するための信号線と、接地導体とを備え、前記分圧手段は、前記先端信号導体と絶縁管との間の浮遊容量（ Cp ）と、前記先端信号導体と前記接地導体との間に設けた容量分圧用のコンデンサ（容量 Co ）とからなり、プラズマと前記絶縁管との間に生ずるシース容量（ Cs ）の変化が測定に及ぼす影響を抑制するために、 Cp << Cs << Co としたものとすることにより、
測定電圧へのシース容量Csの変化の影響を抑制することができ、さらに電磁波ノイズの影響を減少することができる。これにより、高周波プラズマ電位の時間変動の振幅Vppを正確に測定可能なプラズマ電位測定方法と測定用プローブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施例に関わるプラズマ電位測定用プローブの概念的構成を示す図
【図２】 この発明に関わる直流電圧出力とプラズマ電位との相関の一例を示す図
【図３】 この発明に関わり両電極の間における位置とプラズマ電位との関係を測定した一例を示す図
【図４】 改良型キャパシタンスプローブの概念的構成を示す図
【図５】 電子電圧計の構成および出力波形の説明図
【図６】 従来例のキャパシタンスプローブの概念的構成を示す図
【図７】 従来例の異なるキャパシタンスプローブの概念的構成を示す図
【符号の説明】
１：プラズマ、２：絶縁管（ガラス管）、３：先端信号導体、４，５，８：コンデンサ、６，７：ダイオード、９，１０：抵抗、１１：信号線、１２：接地導体、１３：同軸ケーブル、１４：シース、１５：シース容量、１６：浮遊容量。
【発明の属する技術分野】
この発明は、高周波電圧を印加することによって励起されたプラズマの周期的変動電位を測定するプラズマ電位測定方法とその測定用プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周期的に電位の変動するプラズマ（以下、交流プラズマと呼ぶ。）、特に高周波プラズマは、プラズマＣＶＤやスパッタリングによる製膜、あるいはエッチング、アッシング、表面改質など産業上の様々な分野で応用されている。いわゆるRFプラズマと呼ばれる13.56MHz以外に、20〜500MHzのVHFあるいはUHFプラズマも最近使われている。
【０００３】
プラズマの均一化を促進する上で必要となるのがプラズマの発生状態を測定する技術であり、プラズマの測定方法として、ラングミュアープローブと呼ばれるプローブ測定は簡便な測定方法として良く知られている（例えば、特開平９−８２４８９号公報参照）。
【０００４】
上記プローブは、先端に金属電極を有し、これに接続され、絶縁被覆された導電線をプラズマ処理容器から外部に取出し、プラズマを発生するための一方の電極（接地電極）と前記導電線との間に可変電圧電源と電流計を接続し、さらに接地電極と導電線との間であって、可変電圧電源と並列に電圧計を接続することにより、電流・電圧の測定値に基づいて、プラズマ電位、電子温度、電子密度などを計測するものである。
【０００５】
しかしながら、交流プラズマを、前記ラングミュアプローブで測定すると、プラズマの電位の時間変動の影響を受けて、電圧電流特性が歪むため、プラズマ電位、電子温度、電子密度といったプラズマパラメータを正確に求めることが困難である。具体的には、見掛け上電子温度が高めになる場合が多い。
【０００６】
さらに、前記ラングミュアプローブで反応性プラズマ、特に膜堆積を起こす水素化シランや炭化水素のプラズマを測定しようとすると、放電とともにプローブに流れる電流が減少して、正常な測定ができなくなる問題もある。
【０００７】
交流プラズマのプラズマパラメータを正確に求めるためには、プラズマ電位の時間変動の振幅Vppを測定する必要がある。プラズマ電位の振幅を測定する方法として、キャパシタンスプローブを用いた手法が知られている。
【０００８】
図６は、上記キャパシタンスプローブを用いる第１の従来例の概念的模式図を示す。ガラス製の放電管１８の壁面と、プラズマ１の間にはシースができ、大きさCsのシース容量１５ができる。放電管１８の外に設けたリング状導体１７と放電管１８の間に大きさCpの浮遊容量１６がある。プラズマ電位の交流成分の振幅Vppは、1/Cs：1/Cpの割合で分圧され、Cpにかかる電圧Vcp=Vpp×Cs/(Cs+Cp)となる。
【０００９】
Csが一定で既知ならば、Vcpを交流電圧計１９で測定することによって、Vppを求めることができる。この場合、Cpをなるべく大きくして、交流電圧計１９に取出す信号電流を大きくすることによって、電磁波等のノイズの影響を受け難くする。また、Cpを大きくすることで、設計以外の浮遊容量の影響を受けないようにする。
【００１０】
しかしながら、周波数が高周波になった場合、シースに流れ込むイオン電流が周波数に追随できなくなり、シース容量が不安定になる。特にCpを介して取出す信号電流が大きい場合には、信号電流がプラズマおよびシースに擾乱を与えて、Csが変化してしまう。Csが変化すると、VcpはCsの変化によって大きく変るので、もはやVppを求めることができなくなる。
【００１１】
図７は、前記キャパシタンスプローブを用いる第２の従来例の概念的模式図を示す。ガラス等の絶縁管２１をプラズマ１内に挿入する。絶縁管２１とプラズマ１の間にシースが発生し、大きさCsのシース容量１５ができる。絶縁管２１の内部を覆うように導体２０を設ける。具体的には、絶縁管の内部に蒸着などで金属膜をつける。導体２０と絶縁管の間に大きさCpの浮遊容量１６ができる。
【００１２】
前記第１の従来例と同様に、Vpp が分圧されて、Vcp の電圧の信号が信号線２２より取出され、図に示さない交流電圧計で測定される。この例においても、Cpを大きくすることによって信号電流を大きくしてノイズの影響を受け難くしている。また、設計以外の浮遊容量の影響を受け難くしている。しかし、第１の従来例と同様に、Csの変化の影響を受けやすく、特に高周波プラズマの測定には不適当である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、交流プラズマを、前記簡便な測定方法として良く知られたラングミュアプローブで測定すると、プラズマの電位の時間変動の影響を受けて、正確な測定が困難であり、半導体製膜技術に必要な反応性プラズマにおいては、放電とともにプローブに流れる電流が減少して正常な測定が望めない問題がある。
【００１４】
さらに、交流プラズマのプラズマパラメータを正確に求めるためには、プラズマ電位の時間変動の振幅Vppを測定する必要があり、プラズマ電位の振幅を測定する方法として、キャパシタンスプローブを用いた手法が知られているが、プラズマ電位の時間変動の振幅Vppを、浮遊容量Cpの大きい従来のキャパシタンスプローブで測定すると、シース容量Csの変化の影響をうけて、正常な測定ができない。特に高周波放電の場合は不適当である。
【００１５】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、シース容量Csの変化の影響をうけずに、高周波プラズマ電位の時間変動の振幅Vppを正確に測定可能なプラズマ電位測定方法と測定用プローブを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を達成するため、この発明は、高周波電圧を印加することによって励起されたプラズマの周期的変動電位を測定するプラズマ電位測定方法において、前記プラズマ中に、先端信号導体を内部に有する絶縁管を挿入し、この絶縁管内部で前記周期的変動電位を静電容量で分圧し、この分圧した電圧を直流電圧に変換して出力し、この直流電圧出力とプラズマ電位との予め求めた相関に基づいて、プラズマの周期的変動電位を測定し、その際、プラズマと前記絶縁管との間に生ずるシース容量（ Cs ）の変化が測定に及ぼす影響を抑制するために、前記先端信号導体と絶縁管との間の浮遊容量を（ Cp ）とし、前記先端信号導体と絶縁管内部に備えた接地導体との間の容量を（ Co ）としたとき、 Cp << Cs << Co としてプラズマの周期的変動電位を測定することとする（請求項１の発明）。
【００１７】
また、請求項１記載のプラズマ電位測定方法において、電磁ノイズが測定に及ぼす影響を抑制するために、分圧した電圧を、ピークホールド回路とその後段に設けた整流回路によって直流電圧に変換することとする（請求項２の発明）。
【００１８】
さらに、請求項１または２に記載の記載のプラズマ電位測定方法において、前記直流電圧出力とプラズマ電位との予め求めた相関は、２乗検波特性を有することとする（請求項３の発明）。
【００１９】
また、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定方法において、測定対象のプラズマは、反応性ガスを用いてなることとする（請求項４の発明）。
【００２０】
さらにまた、請求項４記載のプラズマ電位測定方法において、反応性ガスは、水素化シラン、ハロゲン化シラン、水素化ゲルマン、ハロゲン化ゲルマン、炭化水素の少なくとも一つを含むガスとする（請求項５の発明）。
【００２１】
さらに、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定方法において、測定対象のプラズマを発生させる電源の周波数は、1MHzないし500MHzとする（請求項６の発明）。
【００２２】
また、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定方法において、出力電圧測定は、信号線の電圧の直流成分のみ検知する電圧計により測定する（請求項７の発明）。さらに、請求項７記載のプラズマ電位測定方法において、前記電圧計は、高周波遮断フィルタを用いて直流成分のみ検知するものとする（請求項８の発明）。さらにまた、請求項７記載のプラズマ電位測定方法において、前記電圧計は、電圧の時間平均を求めて直流成分のみ検知するものとする（請求項９の発明）。
【００２３】
この発明の作用は、下記のとおりである。即ち、絶縁管内部で周期的変動電位を静電容量で分圧し、例えば請求項２の発明のように、分圧容量を適切に選定することにより、詳細は後述するように、測定電圧へのシース容量Csの変化の影響を抑制することができる。
【００２４】
この場合、分圧によって測定電圧が小さくなり、電磁波ノイズの影響を受けて、正確な測定が阻害される問題が生じ、特に、プラズマを発生させる電源の周波数が、RF、VHF、UHFといった高周波のときに、このノイズの影響は顕著になる。
【００２５】
しかしながら、この問題は、前記請求項１の発明によれば、容量分圧で取出した交流信号を、電磁波の波長に比較して十分短い距離にある絶縁管内部において、直流電圧に変換することによって解決できる。交流信号を直流信号に変換することによって、ノイズの影響を減少することができる。また、直流電圧に変換した後の信号線に電磁波ノイズがのった場合も、請求項７ないし９の発明のように、電圧測定器で直流成分のみ検知することによってノイズの影響を無くして、Vppの測定が可能となる。
【００２６】
その際、請求項２の発明のように、整流回路を用いることによって、直流電圧に変換する。整流回路のみの場合は、信号線には容量分圧した電圧の1/2の直流電圧が検知される。望ましくはピークホールド回路を整流回路の前段に用いることによって、信号線に容量分圧した値そのものが直流電圧で検知される。すなわち、整流回路のみの場合に比べて２倍の大きさの信号が得られ、よりノイズに対して強くなる。また、プラズマの交流電位が正弦波でない場合も正確なVppを求めることができる。
【００２７】
上記により、請求項４または５のように反応性ガスを用いたプラズマにおいて好適な測定が可能となる。後述する測定用のプローブは、プラズマのVppの信号を絶縁管の壁を介して、変位電流で取出している。プラズマにさらされるのは絶縁管の外部で、内部の導体はプラズマにさらされない。このため、絶縁管の厚さに対して無視できないほどの厚さの膜が堆積しない限り、浮遊容量Cpは一定とみなすことができる。従って、膜堆積が起こる反応性ガスを用いたプラズマにおいても、Vppの測定が可能である。
【００２８】
また、請求項６の発明のように、周波数1MHzないし500MHzの高周波プラズマに対して、さらに請求項３の発明のような相関によって、好適な測定が可能となる。詳細は、実験データとともに後述する。
【００２９】
次に、前記測定方法を実施するための測定用プローブは、下記の発明により達成できる。即ち、高周波電圧を印加することによって励起されたプラズマの周期的変動電位を測定するプラズマ電位測定用プローブにおいて、プラズマ中に挿入されるプローブ外筒としての絶縁管の内部に、先端信号導体と、前記絶縁管内部で前記周期的変動電位を静電容量で分圧するための分圧手段と、この分圧した電圧を直流電圧に変換して出力するための直流変換手段と、測定信号を出力するための信号線と、接地導体とを備え、前記分圧手段は、前記先端信号導体と絶縁管との間の浮遊容量（ Cp ）と、前記先端信号導体と前記接地導体との間に設けた容量分圧用のコンデンサ（容量 Co ）とからなり、プラズマと前記絶縁管との間に生ずるシース容量（ Cs ）の変化が測定に及ぼす影響を抑制するために、 Cp << Cs << Co としたものとする（請求項１０の発明）。
【００３０】
上記請求項１０の発明の実施態様としては、下記請求項１１ないし１４の発明が好適である。即ち、請求項１０記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記（Cp）は（Cs）の十分の一以下としたものとする（請求項１１の発明）。
【００３１】
さらに、請求項１０または１１に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記直流変換手段は、整流回路からなり、この整流回路の前段にピークホールド回路を備えたものとし（請求項１２の発明）、また、請求項１２記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記整流回路は、前記信号線に直列に接続したダイオードと、この後段で前記信号線と接地導体とを接続するコンデンサとからなるものとする（請求項１３の発明）。さらに、請求項１２記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記ピークホールド回路は、前記信号線に直列に接続したコンデンサと、この後段で信号線と接地導体を接続するダイオードとからなるものとする（請求項１４の発明）。
【００３２】
前記請求項１０ないし１４の発明の作用については、概ね測定方法に関する発明において説明したので、細部は、発明の実施の形態の項において述べる。
【００３３】
さらに、ノイズ低減や広域測定を可能とする観点から、下記の発明が好適である。即ち、前記請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記整流回路の後段に、信号線に直列接続した抵抗と、その後段に信号線と接地導体を接続する抵抗とを備えたものとする（請求項１５の発明）。
【００３４】
整流回路後段に信号線に直列に抵抗を挿入することによって、プローブの外部のケーブルからノイズが逆に侵入することを防止できる。また、信号線と接地導体の間に十分大きい抵抗を挿入することによって、信号電流を最小に抑えるとともに、Vppの緩やかな変化に追随することができる。
【００３５】
また、前記請求項１０，１１，１３，１４のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記コンデンサはセラミックコンデンサとする（請求項１６の発明）。前記セラミックコンデンサは、広帯域のコンデンサであり、好適である。さらに、前記請求項１３または１４に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記ダイオードは点接触ダイオードとする（請求項１７の発明）。点接触ダイオードは、広帯域で動作可能であり、好適である。
【００３６】
さらにまた、前記請求項１０ないし１７のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記信号線に同軸ケーブルの中心導体を用い、接地導体に同軸ケーブルのシールドを用いるものとする（請求項１８の発明）。これによれば、ノイズの効果的な除去がシンプルな構成によって実現できる。なお、同軸ケーブルは、２重シールドするのが、ノイズ除去の観点から望ましい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態について以下に述べる。
【００３８】
先に、課題を解決するための手段の項において、この発明の作用に関し、その概要を説明し、絶縁管内部で周期的変動電位を静電容量で分圧し、分圧容量を適切に選定するプローブ（以下、改良型キャパシタンスプローブという。）により、測定電圧へのシース容量Csの変化の影響を抑制することができることと、交流信号を直流信号に変換することによって、ノイズの影響を減少することができることを述べた。最終的な実施の形態を述べる前に、まず、上記の点に関して、以下に詳述する。
【００３９】
図４に、改良型キャパシタンスプローブの概念的模式構成を示す。図４のプローブは、ガラス等の絶縁管２の内部に、先端信号導体３、静電容量Coの容量素子（コンデンサ）４、同軸ケーブル１３を備える。プラズマ１と絶縁管２との間にはシース１４が発生し、等価的にCsの容量を持つシース容量１５となる。先端信号導体３と絶縁管２との間には、Cpの容量をもつ浮遊容量１６がある。
【００４０】
ここで、先端信号導体の大きさを十分小さくして、Cp<<Csとなるようにする。具体的には、同軸ケーブの芯線を数mm露出させたものを先端信号導体として利用した。この結果、信号電流が小さくなり、プラズマおよびシースに与える擾乱を抑制して、Csの変化を最小にすることができる。また、以下に示すように測定電圧がCsの変化に影響を受けなくなる。
【００４１】
図４は、等価回路として、Cs、Cp、C0を直列につないだ容量分圧回路になる。各容量には、プラズマ電位の交流成分の振幅Vppが、1/Cs：1/Cp：1/C0の割合で分圧され、C0にかかる電圧Vc0は、Vc0=Vpp×[(1/C0)/(1/Cs+1/Cp+1/C0)]となる。Cp<<Csであり、Cs<<C0となるように容量素子４を選ぶと、Vc0≒Vpp×Cp/C0となる。すなわち、Vc0はCsの変化の影響を受けなくなり、高周波放電においても測定が可能となる。従って、Vpp≒Vc0×C0/Cpとして、Vppを測定することができる。
【００４２】
しかしながら、Cp<<Csとしたことによって、測定電圧であるVc0が小さくなり、実際のプラズマのVppを測定しようとすると、プラズマや電源から発生する電磁波ノイズの影響が無視できなくなる。平行平板電極を用いた場合、電極間に数十Vから数kVの高電圧がかかり、強い電磁波が周りに放射される。特に電源周波数がRFやVHF、UHFの高周波になると、プローブから電圧測定器（オシロスコープなど）までの信号線がアンテナとなって、電磁波ノイズが侵入し、Vppの測定が不可能となる。場合によっては、実際のVppの信号成分よりも電磁波ノイズで誘起される電圧の方が大きい。
【００４３】
そこで、前述の請求項３の発明のように、電磁ノイズが測定に及ぼす影響を抑制するために、分圧した電圧を、ピークホールド回路とその後段に設けた整流回路によって直流電圧に変換する。この原理は、交流の電圧を測定する計器としての電子電圧計において知られている。図５は、この構成および出力波形の説明図を示す。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、ピークホールド回路と整流回路を組み合わせて、交流電圧の振幅Vppを直流に変換して、電磁コイル等でVppに比例して指示針を振らせるものとする。図５（ｂ）に示すように入力電圧Vinが正弦波の場合だけでなく、図５（ｃ）に示すような任意の波形でもVppと同じ大きさの直流電圧としてVoutが出力される。電子電圧計は通常数μVから最大数Vまでの範囲で、精度良くVppを測定するために用いられている。ただし、数10V〜数kVの高電圧の測定や、電磁波ノイズの多い環境での測定を意図したものではない。しかしながら、この原理を、前記改良型キャパシタンスプローブに適用することにより、シース容量Csの変化の影響を抑制しかつ、電磁波等のノイズの影響がない好適な測定が可能となる。
【００４５】
図１に、この発明の実施例に関わるプラズマ測定用プローブの概念的構成を示す。プラズマ１の中に、絶縁管であるガラス管２を挿入する。ガラス管２の内部に、先端信号導体３、容量分圧用のコンデンサ４を備える。コンデンサ５、ダイオード６でピークホールド回路を形成する。その後段のダイオード７、コンデンサ８で整流回路を形成する。
【００４６】
抵抗９はプローブの外部のケーブルからノイズが逆に侵入することを防止する目的で、抵抗１０は信号電流を最小に抑えるとともにVppの緩やかな変化に追随する目的で用いられる。直流電圧に変換された信号は、信号線１１と接地導体１２の間の電圧として、同軸ケーブル１３によって、図示しない電圧計に導かれる。プラズマ測定の際には、このプローブをプラズマ処理を行う容器に対して、図示しないシールパッキンを介して、気密に取り付けられる。ピークホールド回路や整流回路が形成される環境は大気でよいが、同軸ケーブルの取出し部には、適宜、機械的な支持とダストの侵入を防止する目的から、図示しない適当な封止部を設ける。なお、ガラス管２は、先端部を細径として段付管としているが、原理的には、必須ではなく、分圧容量の関係や、前記ピークホールド回路および整流回路をガラス管内に収納するための構造的な理由から、段付管としている。
【００４７】
図１において、ガラス管２の周りには、シース１４が形成される。プラズマ電位の振幅Vppは、シース容量１５、浮遊容量１６、コンデンサ４で、容量分圧される。容量分圧された信号は、前記ピークホールド回路、整流回路を経て、直流信号として同軸ケーブル１３に出力される。
【００４８】
プラズマに用いるガスにもよるが、シース容量１５の大きさCsは、約20〜30pF、浮遊容量１６の大きさCpは、約2pFであり、Cp<<Csが成り立つ。CpをCsの十分の一以下とすることによって、Csの変化の測定電圧に与える影響を10%以下に抑えることができる。各キャパシタンスには、広帯域のコンデンサであるセラミックコンデンサを用いた。キャパシタンス４は100pF、キャパシタンス５は10pF、キャパシタンス８は10nFを用いた。各ダイオードには広帯域で動作可能な点接触ダイオードを用いた。抵抗９には1kΩ、抵抗１０には100kΩを用いた。
【００４９】
図２は、前記図１のプローブを用いて測定した、入力電圧に対する直流出力電圧の校正例、即ち、直流電圧出力とプラズマ電位との相関を示す。13.6MHzから100MHzの周波数において、入力電圧Vppに対して、直流出力電圧は2乗検波特性を示す。
【００５０】
図３は、前記プローブと測定方法を用い、高電圧電極(powered electrode)と接地電極(grounded electrode)が平行に配置された、容量結合型プラズマCVD装置で発生した水素プラズマを測定した一例を示し、前記両電極の間の位置を変えてプラズマ電位Vppを測定した結果を示す。横軸は両電極の間における位置（ｍｍ）を示し、縦軸はプラズマ電位Vpp（Ｖ）を示す。電源周波数は13.6MHzと100MHzの2通りを示す。プラズマ発生時の圧力は67Pa、パワーは30Wである。
【００５１】
プラズマ電位Vppは接地電極から約5mmの位置から約25mmの位置まで緩やかに上昇し、それより高電圧電極に近づくと増加の割合が大きくなる。電源周波数が13.6MHzの場合、100MHzよりもVppが約２倍と大きくなっている。本実施例によれば、周波数がRF領域である13.6MHzおよび、VHF領域である100MHzにおいて、Vppを正確に測定することが可能であることが明らかであり、さらに、1MHzないし500MHzの範囲の高周波プラズマの測定が可能である。
【００５２】
前記の例では、水素プラズマの測定例を示したが、堆積性の反応ガスであるシランを用いたプラズマでも同様に測定が可能であった。その他の反応性ガスでも測定が可能であることは言うまでもない。
【００５３】
電圧の測定には、信号出力の直流成分のみ検知することが望ましく、具体的には、高周波遮断フィルターを備えた電圧計を用いても良いし、デジタルオシロスコープなどで測定電圧の時間平均値を求めても良い。
【００５４】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、高周波電圧を印加することによって励起されたプラズマの周期的変動電位を測定するプラズマ電位測定方法において、前記プラズマ中に、先端信号導体を内部に有する絶縁管を挿入し、この絶縁管内部で前記周期的変動電位を静電容量で分圧し、この分圧した電圧を直流電圧に変換して出力し、この直流電圧出力とプラズマ電位との予め求めた相関に基づいて、プラズマの周期的変動電位を測定し、その際、プラズマと前記絶縁管との間に生ずるシース容量（ Cs ）の変化が測定に及ぼす影響を抑制するために、前記先端信号導体と絶縁管との間の浮遊容量を（ Cp ）とし、前記先端信号導体と絶縁管内部に備えた接地導体との間の容量を（ Co ）としたとき、 Cp << Cs << Co としてプラズマの周期的変動電位を測定することにより、
また、上記測定用プローブとしては、プラズマ中に挿入されるプローブ外筒としての絶縁管の内部に、先端信号導体と、前記絶縁管内部で前記周期的変動電位を静電容量で分圧するための分圧手段と、この分圧した電圧を直流電圧に変換して出力するための直流変換手段と、測定信号を出力するための信号線と、接地導体とを備え、前記分圧手段は、前記先端信号導体と絶縁管との間の浮遊容量（ Cp ）と、前記先端信号導体と前記接地導体との間に設けた容量分圧用のコンデンサ（容量 Co ）とからなり、プラズマと前記絶縁管との間に生ずるシース容量（ Cs ）の変化が測定に及ぼす影響を抑制するために、 Cp << Cs << Co としたものとすることにより、
測定電圧へのシース容量Csの変化の影響を抑制することができ、さらに電磁波ノイズの影響を減少することができる。これにより、高周波プラズマ電位の時間変動の振幅Vppを正確に測定可能なプラズマ電位測定方法と測定用プローブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施例に関わるプラズマ電位測定用プローブの概念的構成を示す図
【図２】 この発明に関わる直流電圧出力とプラズマ電位との相関の一例を示す図
【図３】 この発明に関わり両電極の間における位置とプラズマ電位との関係を測定した一例を示す図
【図４】 改良型キャパシタンスプローブの概念的構成を示す図
【図５】 電子電圧計の構成および出力波形の説明図
【図６】 従来例のキャパシタンスプローブの概念的構成を示す図
【図７】 従来例の異なるキャパシタンスプローブの概念的構成を示す図
【符号の説明】
１：プラズマ、２：絶縁管（ガラス管）、３：先端信号導体、４，５，８：コンデンサ、６，７：ダイオード、９，１０：抵抗、１１：信号線、１２：接地導体、１３：同軸ケーブル、１４：シース、１５：シース容量、１６：浮遊容量。
Claims (18)
- 高周波電圧を印加することによって励起されたプラズマの周期的変動電位を測定するプラズマ電位測定方法において、前記プラズマ中に、先端信号導体を内部に有する絶縁管を挿入し、この絶縁管内部で前記周期的変動電位を静電容量で分圧し、この分圧した電圧を直流電圧に変換して出力し、この直流電圧出力とプラズマ電位との予め求めた相関に基づいて、プラズマの周期的変動電位を測定し、その際、プラズマと前記絶縁管との間に生ずるシース容量（ Cs ）の変化が測定に及ぼす影響を抑制するために、前記先端信号導体と絶縁管との間の浮遊容量を（ Cp ）とし、前記先端信号導体と絶縁管内部に備えた接地導体との間の容量を（ Co ）としたとき、 Cp << Cs << Co としてプラズマの周期的変動電位を測定することを特徴とするプラズマ電位測定方法。
- 請求項１記載のプラズマ電位測定方法において、電磁ノイズが測定に及ぼす影響を抑制するために、分圧した電圧を、ピークホールド回路とその後段に設けた整流回路によって直流電圧に変換することを特徴とするプラズマ電位測定方法。
- 請求項１または２に記載のプラズマ電位測定方法において、前記直流電圧出力とプラズマ電位との予め求めた相関は、２乗検波特性を有することを特徴とするプラズマ電位測定方法。
- 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定方法において、測定対象のプラズマが反応性ガスを用いてなることを特徴とするプラズマ電位測定方法。
- 請求項４記載のプラズマ電位測定方法において、反応性ガスが水素化シラン、ハロゲン化シラン、水素化ゲルマン、ハロゲン化ゲルマン、炭化水素の少なくとも一つを含むガスであることを特徴とするプラズマ電位測定方法。
- 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定方法において、測定対象のプラズマを発生させる電源の周波数が1MHzないし500MHzであることを特徴とするプラズマ電位測定方法。
- 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定方法において、出力電圧測定は、信号線の電圧の直流成分のみ検知する電圧計により測定することを特徴とするプラズマ電位測定方法。
- 請求項７記載のプラズマ電位測定方法において、前記電圧計は、高周波遮断フィルタを用いて直流成分のみ検知するものであることを特徴とするプラズマ電位測定方法。
- 請求項７記載のプラズマ電位測定方法において、前記電圧計は、電圧の時間平均を求めて直流成分のみ検知するものであることを特徴とするプラズマ電位測定方法。
- 高周波電圧を印加することによって励起されたプラズマの周期的変動電位を測定するプラズマ電位測定用プローブにおいて、プラズマ中に挿入されるプローブ外筒としての絶縁管の内部に、先端信号導体と、前記絶縁管内部で前記周期的変動電位を静電容量で分圧するための分圧手段と、この分圧した電圧を直流電圧に変換して出力するための直流変換手段と、測定信号を出力するための信号線と、接地導体とを備え、前記分圧手段は、前記先端信号導体と絶縁管との間の浮遊容量（ Cp ）と、前記先端信号導体と前記接地導体との間に設けた容量分圧用のコンデンサ（容量 Co ）とからなり、プラズマと前記絶縁管との間に生ずるシース容量（ Cs ）の変化が測定に及ぼす影響を抑制するために、 Cp << Cs << Co としたことを特徴とするプラズマ電位測定用プローブ。
- 請求項１０記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記（Cp）は（Cs）の十分の一以下としたことを特徴とするプラズマ電位測定用プローブ。
- 請求項１０または１１に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記直流変換手段は、整流回路からなり、この整流回路の前段にピークホールド回路を備えたことを特徴とするプラズマ電位測定用プローブ。
- 請求項１２記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記整流回路は、前記信号線に直列に接続したダイオードと、この後段で前記信号線と接地導体とを接続するコンデンサとからなることを特徴とするプラズマ電位測定用プローブ。
- 請求項１２記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記ピークホールド回路は、前記信号線に直列に接続したコンデンサと、この後段で信号線と接地導体を接続するダイオードとからなることを特徴とするプラズマ電位測定用プローブ。
- 請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記整流回路の後段に、信号線に直列接続した抵抗と、その後段に信号線と接地導体を接続する抵抗とを備えたことを特徴とするプラズマ電位測定用プローブ。
- 請求項１０，１１，１３，１４のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記コンデンサはセラミックコンデンサとしたことを特徴とするプラズマ電位測定用プローブ。
- 請求項１３または１４に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記ダイオードは点接触ダイオードとしたことを特徴とするプラズマ電位測定用プローブ。
- 請求項１０ないし１７のいずれか１項に記載のプラズマ電位測定用プローブにおいて、前記信号線に同軸ケーブルの中心導体を用い、接地導体に同軸ケーブルのシールドを用いたことを特徴とするプラズマ電位測定用プローブ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000249880A JP4240259B2 (ja) | 2000-08-21 | 2000-08-21 | プラズマ電位測定方法と測定用プローブ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000249880A JP4240259B2 (ja) | 2000-08-21 | 2000-08-21 | プラズマ電位測定方法と測定用プローブ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002063999A JP2002063999A (ja) | 2002-02-28 |
| JP4240259B2 true JP4240259B2 (ja) | 2009-03-18 |
Family
ID=18739554
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000249880A Expired - Fee Related JP4240259B2 (ja) | 2000-08-21 | 2000-08-21 | プラズマ電位測定方法と測定用プローブ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4240259B2 (ja) |
Families Citing this family (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9074285B2 (en) * | 2007-12-13 | 2015-07-07 | Lam Research Corporation | Systems for detecting unconfined-plasma events |
| KR101606734B1 (ko) | 2008-07-07 | 2016-03-28 | 램 리써치 코포레이션 | 플라즈마 프로세싱 챔버에서 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 패시브 용량성-커플링된 정전식 (ｃｃｅ) 프로브 장치 |
| US8179152B2 (en) | 2008-07-07 | 2012-05-15 | Lam Research Corporation | Passive capacitively-coupled electrostatic (CCE) probe arrangement for detecting plasma instabilities in a plasma processing chamber |
| JP2013511814A (ja) * | 2009-11-19 | 2013-04-04 | ラム リサーチ コーポレーション | プラズマ処理システムを制御するための方法および装置 |
| US8501631B2 (en) | 2009-11-19 | 2013-08-06 | Lam Research Corporation | Plasma processing system control based on RF voltage |
| US9197196B2 (en) | 2012-02-22 | 2015-11-24 | Lam Research Corporation | State-based adjustment of power and frequency |
| US9171699B2 (en) | 2012-02-22 | 2015-10-27 | Lam Research Corporation | Impedance-based adjustment of power and frequency |
| US10157729B2 (en) | 2012-02-22 | 2018-12-18 | Lam Research Corporation | Soft pulsing |
| US9842725B2 (en) | 2013-01-31 | 2017-12-12 | Lam Research Corporation | Using modeling to determine ion energy associated with a plasma system |
| US9320126B2 (en) | 2012-12-17 | 2016-04-19 | Lam Research Corporation | Determining a value of a variable on an RF transmission model |
| US9462672B2 (en) | 2012-02-22 | 2016-10-04 | Lam Research Corporation | Adjustment of power and frequency based on three or more states |
| US9295148B2 (en) | 2012-12-14 | 2016-03-22 | Lam Research Corporation | Computation of statistics for statistical data decimation |
| US9114666B2 (en) | 2012-02-22 | 2015-08-25 | Lam Research Corporation | Methods and apparatus for controlling plasma in a plasma processing system |
| TWI592978B (zh) * | 2012-06-22 | 2017-07-21 | 蘭姆研究公司 | 用以處理在電漿處理腔室中之基板的方法 |
| US9155182B2 (en) | 2013-01-11 | 2015-10-06 | Lam Research Corporation | Tuning a parameter associated with plasma impedance |
| US9620337B2 (en) | 2013-01-31 | 2017-04-11 | Lam Research Corporation | Determining a malfunctioning device in a plasma system |
| JP6224958B2 (ja) * | 2013-02-20 | 2017-11-01 | 東京エレクトロン株式会社 | プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 |
| US9502221B2 (en) | 2013-07-26 | 2016-11-22 | Lam Research Corporation | Etch rate modeling and use thereof with multiple parameters for in-chamber and chamber-to-chamber matching |
| US9594105B2 (en) | 2014-01-10 | 2017-03-14 | Lam Research Corporation | Cable power loss determination for virtual metrology |
| JP6884555B2 (ja) * | 2016-11-14 | 2021-06-09 | 国立大学法人東海国立大学機構 | 気体放電の状態検出方法、気体放電の状態検出プログラム、および気体放電の状態検出システム |
| DK179989B1 (en) * | 2018-06-29 | 2020-01-10 | Ejlskov A/S | A method, a system, and a probe for determining in-situ an oxidation-reduction potential in a formation having a surface |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS51110978A (ja) * | 1975-03-26 | 1976-09-30 | Hitachi Ltd | Tensetsushokudaioodono harikozo |
| JPS6285431A (ja) * | 1985-10-09 | 1987-04-18 | Hitachi Ltd | ドライエツチング装置 |
| JP3283476B2 (ja) * | 1989-09-22 | 2002-05-20 | 株式会社日立製作所 | 放電状態変動量モニタ |
| JPH0472064A (ja) * | 1990-07-09 | 1992-03-06 | Seiko Epson Corp | プラズマ制御システム |
| JP3292531B2 (ja) * | 1993-01-15 | 2002-06-17 | 忠弘 大見 | 高周波励起プラズマの計測装置 |
| JP3519149B2 (ja) * | 1994-12-21 | 2004-04-12 | 株式会社ソディック | ワイヤ放電仕上げ加工用電源装置 |
| JP2001516940A (ja) * | 1997-09-17 | 2001-10-02 | 東京エレクトロン株式会社 | Ｒｆプラズマシステムにおけるアーキングを検出しかつ防止するための装置および方法 |
| JPH11193466A (ja) * | 1997-12-26 | 1999-07-21 | Canon Inc | プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 |
| JPH11317299A (ja) * | 1998-02-17 | 1999-11-16 | Toshiba Corp | 高周波放電方法及びその装置並びに高周波処理装置 |
| JPH11354509A (ja) * | 1998-04-07 | 1999-12-24 | Seiko Epson Corp | プラズマエッチングの終点検出方法及びプラズマエッチング装置 |
| JP2000065865A (ja) * | 1998-08-26 | 2000-03-03 | Nissin High Voltage Co Ltd | 分圧器 |
| JP2000138540A (ja) * | 1998-11-04 | 2000-05-16 | Jeol Ltd | 高周波装置 |
| TW534999B (en) * | 1998-12-15 | 2003-06-01 | Tdk Corp | Magnetic sensor apparatus and current sensor apparatus |
-
2000
- 2000-08-21 JP JP2000249880A patent/JP4240259B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002063999A (ja) | 2002-02-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4240259B2 (ja) | プラズマ電位測定方法と測定用プローブ | |
| JP2872954B2 (ja) | 絶対プラズマパラメータを決定する方法およびその装置 | |
| Bartnikas | Partial discharges. Their mechanism, detection and measurement | |
| EP3321703B1 (en) | Non-contact voltage measurement system using reference signal | |
| JP5209313B2 (ja) | プラズマの励起電流の特性を測定するためのプローブ、および関連するプラズマ反応器 | |
| JP5150053B2 (ja) | プラズマ処理装置 | |
| JP4928817B2 (ja) | プラズマ処理装置 | |
| Ilkhechi et al. | Generation of acoustic phase-resolved partial discharge patterns by utilizing UHF signals | |
| Annaratone et al. | Identification of plasma‐sheath resonances in a parallel‐plate plasma reactor | |
| Sobolewski | Current and voltage measurements in the Gaseous Electronics Conference rf Reference Cell | |
| US20100282711A1 (en) | Process monitoring apparatus and method | |
| US11324104B2 (en) | Magnetic probe device | |
| JP3292531B2 (ja) | 高周波励起プラズマの計測装置 | |
| Xu et al. | Loss current studies of partial discharge activity | |
| Klick et al. | Innovative plasma diagnostics and control of process in reactive low-temperature plasmas | |
| Guo et al. | Time-resolved current and voltage measurements on a pulsed rf inductively coupled plasma | |
| Wanninger | Apparent charge measurement in GIS by modern diagnostic methods | |
| Wilken et al. | Development of a radio-frequency glow discharge source with integrated voltage and current probes | |
| JP2006242718A (ja) | インピーダンス検出装置 | |
| US20230305045A1 (en) | System and method for non-invasive sensing of radio-frequency current spectra flowing in a plasma processing chamber | |
| Ye et al. | Application of a tuned Langmuir probe for the diagnostic study of radio frequency glow discharges: instrumentation and theory | |
| Eo et al. | A harmonic method for measuring electron temperature and ion density using an asymmetric double probe | |
| CN209746079U (zh) | 一种用三电极结构分离表面电流的局部放电电流检测装置 | |
| Xu | Partial discharges studied by dielectric response method | |
| WO2023061519A1 (en) | Method and system for plasma diagnostics |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060215 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080409 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080821 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20081015 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20081016 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20081016 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20081016 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20081204 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20081217 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120109 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |