JP4701408B2 - プラズマ電子密度測定用の面状共振素子並びにプラズマ電子密度測定方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ電子密度測定用の面状共振素子並びにプラズマ電子密度測定方法及び装置に関し、詳しくは電磁波の共振現象を利用して、容器内に生成したプラズマの電子密度を測定するプラズマ電子密度測定用の面状共振素子並びにプラズマ電子密度測定方法及び装置に関する。
本発明に係るプラズマ電子密度測定用の面状共振素子並びにプラズマ電子密度測定方法及び装置は、例えば、薄膜素子の製造工程や、粒子ビーム源又は分析装置等に用いられるプラズマにおけるプラズマ電子密度を測定する際に適用することができる。
反応性ガスの放電で生成されるプラズマを用いたエッチングやCVD等の材料プロセスの技術は、広く産業界で応用され重要な基盤技術として定着している。この技術のさらなる高度化に向けて、プラズマの状態、特にその基本情報である電子密度を測定し、その大きさや空間分布・経時変化を把握して制御することが強く求められている。しかしながら、この産業界のニーズに十分に応えられる電子密度の計測技術が確立しているとは言えないのが現状である。
古典的な電子密度測定法としては、図17に示すように、プラズマ容器80内で発生させたプラズマ81内に金属電極82を挿入し、この金属電極82に直流電圧を印加したときに流れる電流を測る「ラングミュアプローブ」を用いる方法がある。この方法は、膜堆積が起こらないアルゴン、水素、窒素などの放電プラズマでは非常に有効で簡便な方法である。しかし、実際の反応性プラズマによる材料プロセスでは、プラズマ81内に挿入した金属電極82の表面が堆積膜で覆われることにより、電圧電流特性が劣化してしまうことが多い。このため、実際の反応性プラズマによる材料プロセスにラングミュアプローブを使うことは困難である。また、ラングミュアプローブからは重金属の不純物が放出されるため、特に半導体プロセスにラングミュアプローブを適用することは困難である。
このような金属汚染や薄膜堆積の影響を受けない方法として、図18に示されるように、入射アンテナ83からプラズマ81にマイクロ波を照射し、プラズマ81を透過したマイクロ波を受信アンテナ84で受信することで、マイクロ波がプラズマ81を透過するときの位相差を測って電子密度を測定する「マイクロ波干渉法」が知られている。この技術の短所として、マイクロ波の入射・透過のための大きな窓をプラズマ容器80に設ける必要があること、プラズマ81のサイズも大きくする必要があること、マイクロ波の通過路に沿う平均電子密度しか得られないこと(空間分解能の欠如)、及び測定装置が高価であることが挙げられる。
一方、測定系への薄膜堆積の影響を受けず、また金属不純物を放出せず、さらに十分な空間分解能をもつ高感度の電子密度測定法として、「表面波プローブ」(プラズマ吸収プローブとも呼ぶ)が最近、開発された(例えば、特許文献1:特開2000−100599号公報参照)。
図19に示すようにこの方法は、プラズマ81に挿入した棒状の表面波プローブ85の表面を伝わる波(表面波)を、ネットワークアナライザー86から送るマイクロ波信号で励起する。なお、この表面波プローブ85は、誘電体チューブ内に同軸ケーブル及びこれに接続されたループアンテナを収容したものである。この表面波は、電子密度で決まる特定の周波数f0 のときに共鳴的に定在波となって強く励起される。そのときに、ネットワークアナライアー86で観測される表面波プローブ85からの反射信号が共鳴的に減少するので、共鳴周波数f0 を測定でき、これから電子密度を求めることができる。
この表面波プローブを用いる方法は反応性プラズマに広く適用でき、108 cm−3のような低密度から1012cm−3の高密度まで測定可能であり、10−5Torrの低圧から10Torr程度の高圧までの放電圧力でも適用可能である。
そして、表面波プローブ85を容器80のポート穴からプラズマ81内に挿入し、表面波プローブ85を移動させることによって、電子密度の空間分布を数mmの分解能で計測できる。この機能は、最適条件を精査する研究開発にとって重要な手段となる。
しかし、決まった条件で大量に生産を繰り返す量産機においては、電子密度の空間分布を数mmの分解能で計測する必要性は低い。逆に、量産機のプラズマ内に棒状の異物が突き出ていると、プロセス中にプラズマが乱れる原因となったり、プロセス終了後のプラズマ容器のクリーニング時に、容器内に突き出た棒状の表面波プローブ85を破損するトラブルが起きたりする。
そこで、従来の棒状の表面波プローブを後退させて、プローブ先端が壁面とほぼ一致するところに設置して測定するという方策も考えられるが、壁面付近の電子密度が低いために、表面波プローブを壁面付近まで後退させると、信号が雑音に隠れてしまい、正確な計測が困難になる。
一方、金属製のダイポールアンテナによる、電磁波の共振現象を利用する電子密度測定法が知られている(例えば、非特許文献1:R.L.Stenzel,Rev.Sci.Instrum.47,604(1976)、非特許文献2:R.B.Piejak,V.A.Godyak,R.Gamer and B.M.Alexandrovich,N.Stemberg,J.APPl.Phys.95,3785(2004)参照)。
プラズマに限らず一般に、比誘電率εの媒質空間を伝わる電磁波の波長λは、真空中の光速をcとするとき、λ=c/(ε1/2 )と与えられる。そして、この比誘電率εの媒質空間に、長さLの金属線が同軸ケーブルの中心導体に接続されるとともに、同じく長さLの金属線が同軸ケーブルの外皮接地導体に接続されてなるT字型のアンテナを配置した状態で、このアンテナに周波数fの電力を送るとき、L=λ/4となる周波数fr において共鳴的に電磁波の共振が起こってパワーがアンテナに蓄積される。このようなアンテナはダイポールアンテナと呼ばれる。すなわち、与えられたダイポール長2Lと比誘電率εに対して、共振周波数は、
fr =c/(4Lε1/2 ) …(1)
と与えられる。プラズマ空間の場合、最も簡単な近似(無衝突、冷たいプラズマのモデル)では、プラズマの比誘電率は次式で表せる。
fr =c/(4Lε1/2 ) …(1)
と与えられる。プラズマ空間の場合、最も簡単な近似(無衝突、冷たいプラズマのモデル)では、プラズマの比誘電率は次式で表せる。
ε=1−(fp 2 /f2 ) …(2)
ただし、fp は電子プラズマ周波数と呼ばれる物理量で、素電荷e、電子の質量me 、真空の誘電率ε0 と電子密度ne を用いて次式で与えられる。
ただし、fp は電子プラズマ周波数と呼ばれる物理量で、素電荷e、電子の質量me 、真空の誘電率ε0 と電子密度ne を用いて次式で与えられる。
fp =(1/2π)・(e2 ne /me ε0 )1/2 …(3)
式(2)と(3)を式(1)に代入すれば、プラズマ中のダイポールアンテナの共振周波数fr が求まり、プラズマの無い真空のときの共振周波数をf0 と書けば、
fr 2 =f0 2 +fp 2 …(4)
が得られる。したがって、f0 (GHz)とfr (GHz)を測定し、その差から電子密度ne は次のように求まる。
式(2)と(3)を式(1)に代入すれば、プラズマ中のダイポールアンテナの共振周波数fr が求まり、プラズマの無い真空のときの共振周波数をf0 と書けば、
fr 2 =f0 2 +fp 2 …(4)
が得られる。したがって、f0 (GHz)とfr (GHz)を測定し、その差から電子密度ne は次のように求まる。
ne ={(fr 2 −f0 2 )/0.81}(1010cm−3)
…(5)
標準的なダイポールアンテナ系はT字型をしており、同軸給電線の先端にこれと垂直に直線状の全長λ/2の放射アンテナが接続される。この放射アンテナは必ずしも直線状である必要はなく、楕円形やU字型であってもよく、そのアンテナの全周の長さ2Lがλ/2となる周波数fr のときに共振現象が起こる。プラズマの電子密度測定を考えると、容器の壁からアンテナを挿入するポート穴のサイズが小さいので、T字型よりもU字型の方が望ましい。
…(5)
標準的なダイポールアンテナ系はT字型をしており、同軸給電線の先端にこれと垂直に直線状の全長λ/2の放射アンテナが接続される。この放射アンテナは必ずしも直線状である必要はなく、楕円形やU字型であってもよく、そのアンテナの全周の長さ2Lがλ/2となる周波数fr のときに共振現象が起こる。プラズマの電子密度測定を考えると、容器の壁からアンテナを挿入するポート穴のサイズが小さいので、T字型よりもU字型の方が望ましい。
図20は、U字型アンテナとしてのU字型線状共振プローブ87をプラズマ81に挿入した状態を示し、図21は前記非特許文献1に記載されるU字型線状共振プローブの原理を説明している。ここで、同軸ケーブル88の先端に取り付けた微小ループ(送信用ループアンテナ) 89に流れる電流がつくる磁力線は、U字型アンテナ90の底部と鎖交してU字線に沿う電流を駆動し、そこから電磁波が放射される。放射された電磁波を別の微小ループ(受信用ループアンテナ)91でピックアップする。送信用ループアンテナ89への入射パワーをI、受信用ループアンテナ91で受ける透過パワーをTとすれば、図23(a)のように周波数fに対して入射パワーIが一定であるとき、透過パワーTは式(2)のL=λ/4を満たす周波数fr において共鳴的に強くなる。ここでU字型アンテナ90の幅dは、U字線の周りにできるシース(鞘)の厚さ(数mm)より大きい値とする。
図21に示されたプローブは、送信用と受信用の2つのループと、2本の同軸ケーブルを必要とする。これに対して、前記非特許文献2には、図22に示されるように、一つのループと1本の同軸ケーブルを用いて、反射パワーRをモニターする方法が記載されている。ここで、同軸ケーブル92の芯導体93の先端Cと、U字型アンテナ94の底部の点Aとが、円弧状リード線95で接続されている。さらにU字アンテナ94の底部は点Gで同軸ケーブル92の外皮導体96と接続されている。このとき、同軸ケーブル92から入射されたパワーIは円弧状リード線の部分でU字アンテナ94を励振するのに用いられ、残りは反射パワーRとして同軸ケーブル92から電源側に戻ってくる。ネットワークアナライザーは周波数を掃引しならが微小の入射パワーIをアンテナ側に送り、同時にアンテナから電源(ネットワークアナライザー)に戻ってくる反射パワーRもモニターする機能が付いている。そこで、反射パワーRを計測すれば、図23(c)に示すように共振周波数fr において共鳴的に反射が減少する。この減少を利用して、式(5)から電子密度を求めることが出来る。
しかし、前記非特許文献2に記載されたU字型線状共振プローブとしてのU字型アンテナ94は、構造的には微小の円弧状リード線95とU字型アンテナ94とを細い同軸ケーブル92の先端で結合させる必要があることから、製作が難しく、また、機械的強度が弱い。さらに、表面波プローブと同様に、測定プローブとしてのU字型アンテナ94は細長い形状をしており、このU字型アンテナ94がプラズマ容器の壁面から突出してプラズマ内に挿入されるので、プラズマに与える擾乱が大きく、量産機では破損の危険性が高くなるという問題がある。
なお、前記特許文献1には、表面波プローブの特殊形状として、数mm角の金属平板を使う例が、記載されている。しかし、これは、表面波プローブにおけるアンテナとして単純な矩形状の金属平板を採用したものにすぎず、電磁波の共振現象を利用する共振素子とは原理的に異なるものである。
R.L.Stenzel,Rev.Sci.Instrum.47,604(1976)
R.B.Piejak,V.A.Godyak,R.Gamer and B.M.Alexandrovich,N.Stemberg,J.APPl.Phys.95,3785(2004)
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、電磁波の共振現象を利用する共振素子を採用しつつ、製作が容易で、かつ、機械的強度の高い面状のものを提供することを目的とするものである。
また、本発明の他の目的は、測定用素子がプラズマ内に突出することに起因するプラズマの擾乱や測定用素子の破損を抑制することである。
本発明のさらに他の目的は、製作が容易で、かつ、機械的強度の高い面状共振素子の小型化を図ることである。
上記課題を解決する本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子は、導電板を備える本体と、外皮導体及び該外皮導体内に充填された絶縁材料中に埋設された芯導体がそれぞれ該本体の一面に電気的に接続された同軸ケーブルとを備え、電磁波の共振現象を利用して、容器内に生成したプラズマの電子密度を測定するプラズマ電子密度測定用の面状共振素子であって、前記本体は、両端のうちの一端が該本体の外縁に開口する細長空間部の閉端部に隣接する連結部と、該連結部を境に仕切られるとともに該連結部により一体に連結された第1面部及び第2面部とからなり、前記同軸ケーブルの前記外皮導体が前記第1面部及び前記第2面部のうちの一方に接続されるとともに、該同軸ケーブルの前記芯導体が該第1面部及び該第2面部のうちの他方に接続されていることを特徴とするものである。
このプラズマ電子密度測定用の面状共振素子では、導電板を備える本体が、第1面部及び第2面部と、該第1面部及び該第2面部を一体に連結する連結部とからなる。そして、第1面部及び第2面部のうちの一方に同軸ケーブルの外皮導体が接続され、他方に同軸ケーブルの芯導体が接続されている。このため、前述した従来のU字型線状共振プローブと比較して、製作が容易で、かつ、機械的強度も高くなる。
また、この面状共振素子を前記容器の壁を貫通するポート穴内に挿入するとともに、該容器の内壁面に前記本体が沿うように配置した状態で測定すれば、測定中に面状共振素子がプラズマ内に突出することに起因するプラズマの擾乱を抑えることができる。そして、この状態でメンテナンス等をしても面状共振素子が破損するおそれも少ない。このため、量産機のプラズマ電子密度測定に好適に利用することができる。
本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子の好適な態様において、前記細長空間部の幅は、予想されるプラズマの電子密度及び電子温度で決まるシース厚さに基づいて設定され、前記細長空間部の長さは、予想されるプラズマの電子密度と、所望の測定精度及び該測定精度で測定が可能となる共振周波数の条件とに基づいて設定される。
ここに、細長空間部の幅は、細長空間部内にプラズマを良好に導入させる観点より、予想されるプラズマの電子密度及び電子温度で決まるシース厚さより十分に大きくすることが望ましい。
また、ネットワークアナライザーの測定限界周波数が3GHz程度であることが多いので、その範囲内で高密度プラズマを測定するには、細長空間部の長さを大きくする方が有利となる。
本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子では、前記第1面部は前記第2面部よりも面積が大きくされている方が好ましい場合がある。この場合、第2面部よりも面積の大きい第1面部により、機械的強度を良好に確保することができる。
本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子は、好適な態様において、前記同軸ケーブルの前記外皮導体が前記第1面部に接続されるとともに、該同軸ケーブルの前記芯導体が前記第2面部に接続され、前記同軸ケーブルは、前記外皮導体を前記第1面部に垂直に投影したときに、前記外皮導体の投影された像が前記第1面部内に収まるように配設されている。
このように同軸ケーブルの外皮導体が第1面部に接続されていれば、該第1面部により、同軸ケーブルをプラズマから有効に遮蔽することができる。また、前記外皮導体を前記第1面部に垂直に投影したときに、前記外皮導体の投影された像が前記第1面部内に収まるように同軸ケーブルが配設されていれば、第1面部により、外皮導体をプラズマから遮蔽することができる。
特に、前記第1面部は前記第2面部よりも面積が大きくされている場合に、前記同軸ケーブルの前記外皮導体が前記第1面部に接続されるともに、該同軸ケーブルの前記芯導体が前記第2面部に接続され、芯導体よりも外径の大きい外皮導体が第2面部よりも面積の大きい第1面部に接続されていれば、大きいもの同士と小さいもの同士がそれぞれ接続されることになるので、製作がより容易となる。また、面積の大きい第1面部により、同軸ケーブルをプラズマから有効に遮蔽することができるので、不純物抑制の点で有利となる。また、前記外皮導体を面積の大きい前記第1面部に垂直に投影したときに、前記外皮導体の投影された像が前記第1面部内に収まるように同軸ケーブルが配設されていれば、面積の大きい第1面部により、外皮導体をプラズマから確実に遮蔽することができる。
本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子の好適な態様において、前記細長空間部は、前記本体の外縁側から中心側に向かって渦巻き状に延びる直線部又は曲線部により形成されている。
このプラズマ電子密度測定用の面状共振素子では、細長空間部が渦巻き状に延びて形成されているので、本体の大きさにかかわらず細長空間部の長さを容易に長くすることができる。前記(1)式からわかるように、細長空間部の長さLを長くすれば、共振周波数fr を下げることができる。このため、共振周波数fr を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な細長空間部の長さLを所定値以上に確保しつつ、本体の小型化を図ることが可能となる。
本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子の好適な態様において、前記本体は、前記同軸ケーブルが接続された前記一面と反対側の他面に誘電体薄膜を有している。
このプラズマ電子密度測定用の面状共振素子では、プラズマと接触する本体の前記他面が誘電体薄膜で被覆されているので、本体からの不純物発生を抑制することができ、プラズマが不純物で汚染されることを抑制することが可能となる。
本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子の好適な態様において、前記本体は、前記同軸ケーブルとの電気的接続点を除く該本体の表面全体に形成された誘電体薄膜を有している。
このプラズマ電子密度測定用の面状共振素子では、本体の同軸ケーブルとの電気的接続点を除く表面全体が誘電体薄膜で被覆されている。前記(1)式からわかるように、比誘電率εを大きくすれば、共振周波数fr を下げることができる。このため、共振周波数fr を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な比誘電率εの大きさを所定値以上に確保しつつ、本体の小型化を図ることが可能となる。
ここに、誘電体薄膜が厚くなりすぎると、プラズマの影響を受けにくくなって感度が落ちる。このため、誘電体薄膜による測定精度の低下を抑える観点より、誘電体薄膜の厚さは2mm程度以下とすることが好ましく、0.1mm程度以下とすることがより好ましい。一方、比誘電率εの増大による本体小型化の効果が有効に達成するには、誘電体薄膜の厚さを0.5mm程度以上とすることが好ましく、2mm程度以上とすることがより好ましい。
また、前記誘電体薄膜の材料としては特に限定されず、石英、プラスチックスやセラミックス等から適宜採択することができる。なお、取り扱いの容易性等を考慮すれば、アルミナ等のセラミックスを用いることが好ましい。
上記課題を解決する本発明のプラズマ電子密度測定方法は、請求項1乃至7のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子を用いるプラズマ電子密度測定方法であって、前記容器のポート穴内に挿入した前記面状共振素子を、該容器の内壁面に前記本体が沿うように配置した状態で測定することを特徴とするものである。
このプラズマ電子密度測定方法では、容器の内壁面に前記本体が沿うように配置した状態で測定するので、測定中に面状共振素子がプラズマ内に突出することに起因するプラズマの擾乱を抑えることができる。そして、この状態でメンテナンス等をしても面状共振素子が破損するおそれも少ない。このため、量産機のプラズマ電子密度測定に好適に利用することができる。
上記課題を解決する本発明のプラズマ電子密度測定装置は、請求項1乃至7のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子を、前記容器のポート穴内に配設したことを特徴とするものである。
このプラズマ電子密度測定装置では、容器のポート穴内に面状共振素子が配設されているので、測定中に面状共振素子がプラズマ内に突出することに起因するプラズマの擾乱を抑えることができる。そして、この状態でメンテナンス等をしても面状共振素子が破損するおそれも少ない。このため、量産機のプラズマ電子密度測定に好適に利用することができる。
本発明のプラズマ電子密度測定装置の好適な態様において、前記面状共振素子は、前記容器の内壁面と前記本体の他面とが略面一状態となるように、前記ポート穴内に配設されている。
このプラズマ電子密度測定装置では、容器の内壁面と前記本体の他面とが略面一状態となるように、面状共振素子がポート穴内に配置されているので、測定中にこの面状共振素子がプラズマ内に突出することがない。このため、プラズマの擾乱や面状共振素子の破損を確実に防止することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
(実施形態1)
図1〜図3に示される本実施形態に係る面状共振素子1は、電磁波の共振現象を利用して、容器2内に生成したプラズマ3の電子密度を測定するためのものである。
図1〜図3に示される本実施形態に係る面状共振素子1は、電磁波の共振現象を利用して、容器2内に生成したプラズマ3の電子密度を測定するためのものである。
この面状共振素子1は、導電板としての金属製平板よりなる本体10と、この本体10の一面に電気的に接続された同軸ケーブル20とを備えている。
前記本体10は、厚さが0.1〜1mmで、矩形状の金属製平板の一部を所定形状に切り抜くことにより、全体形状が略矩形状に形成されている。すなわち、この本体10は、両端のうちの一端が本体10の外縁に開口して所定の幅d及び長さLを有する細長空間部11を有している。この細長空間部11は、切り抜き幅に対して切り抜き長さが長くなるように、本体10の外縁から本体10の一部が細長く切り抜かれた状態とされることで形成されている。
細長空間部11は、本体10の長手方向(図1の左右方向)の一端側(図1の左側)の外縁から他端側(図1の右側)に向かって長手方向に細長く直線状に延びている。また、この細長空間部11は、本体10の短手方向の一端側(図1の上側)に近い位置に形成されている。さらに、細長空間部11の形状はU字型とされている。
以下に示すように、細長空間部11の幅は、予想されるプラズマの電子密度及び電子温度で決まるシース厚さに基づいて設定され、また、細長空間部11の長さは、予想されるプラズマの電子密度と、所望の測定精度及び該測定精度で測定が可能となる共振周波数の条件とに基づいて設定される。
細長空間部11の幅dは、後述する第2面部13の周りにできるシース(鞘)の厚さ(数mm)より大きい値とされている。
この細長空間部11の幅dは、細長空間部11内にプラズマを良好に導入させる観点より、電子密度と電子温度で決まるシースの厚さより十分に大きくすることが望ましい。通常の材料プロセスに用いられるプラズマの場合、dの値は数mm以上とするのが望ましい。
また、細長空間部11の長さLは、以下に述べる考察から、測定したい電子密度n0 と、欲しい測定精度から、ある長さより大きい値とするのが望ましい。すなわち、前記式(4)
fr 2 =f0 2 +fp 2 …(4)
から分かるように、電子密度n0 のときの共振周波数fr は、電子密度が零であるときの共振周波数f0 よりも、電子プラズマ周波数fp の分だけ高い方にずれる。
fr 2 =f0 2 +fp 2 …(4)
から分かるように、電子密度n0 のときの共振周波数fr は、電子密度が零であるときの共振周波数f0 よりも、電子プラズマ周波数fp の分だけ高い方にずれる。
ここで、n0 =0のとき前記式(2)からε=1であり、これを前記式(1)に代入して、
f0 =c/(4L) …(6)
となり、長さLだけでf0 の値は決まる。これに対してfp はLによらず、電子密度n0 だけで決まる。したがって式(4)から、測定したい電子密度n0 で決まるfp が、長さLで決まるf0 よりもはるかに小さいとき、プラズマによる周波数のズレが非常に小さくなってしまい、測定精度が悪くなり、ついには測定不能になる。
f0 =c/(4L) …(6)
となり、長さLだけでf0 の値は決まる。これに対してfp はLによらず、電子密度n0 だけで決まる。したがって式(4)から、測定したい電子密度n0 で決まるfp が、長さLで決まるf0 よりもはるかに小さいとき、プラズマによる周波数のズレが非常に小さくなってしまい、測定精度が悪くなり、ついには測定不能になる。
以上のことから、f0 がfp より大きいほど、観測される周波数のズレが小さくなり、測定が困難となる。そこで、実用上許される精度で測定が可能になる最低条件として、
f0 <10fp …(7)
を仮定すれば、式(6)と式(7)から
L>(πc/20)(me ε0 /e2 n0 )1/2 …(8)
を満たすように長さLの値を決定すればよい。
f0 <10fp …(7)
を仮定すれば、式(6)と式(7)から
L>(πc/20)(me ε0 /e2 n0 )1/2 …(8)
を満たすように長さLの値を決定すればよい。
前記本体10は、前記細長空間部11を挟んで細長空間部11の幅方向(アンテナ本体10の短手方向)に相対する第1面部12及び第2面部13と、第1面部12及び第2面部13を一体に連結する連結部(図1に斜線で示す部分)14とから構成されている。すなわち、本体10は、細長空間部11の閉端部11aに隣接する連結部14と、連結部14を境に仕切られるとともに連結部14により一体に連結された第1面部12及び第2面部13とから構成されている。なお、第1面部12は連結部14よりも本体10の中心側に在る(本体10の中心が第1面部12内に在る)。
前記第1面部12は、帯状に細長く延びる前記第2面部13よりも面積が大きくされている。面積の大きい第1面部12により機械的強度を良好に確保する観点からは、第1面部12の面積は第2面部13の面積の2倍以上であることが好ましく、5倍以上であることがより好ましく、8倍以上であることが特に好ましい。なお、本実施形態では、第1面部12の面積は第2面部13の面積の10倍程度とされている。
同軸ケーブル20は、いわゆるセミリジッドケーブルよりなり、外皮導体(銅パイプ)21と、この外皮導体21内に充填された絶縁材料(ポリエチレン)中に埋設された芯導体22とを備えている。なお、本実施形態では、同軸ケーブル20の外径は3mmとした。
そして、同軸ケーブル20の外皮導体21が第1面部12に電気的に接続されるとともに、同軸ケーブル20の芯導体22が第2面部13に電気的に接続されている。より具体的には、細長空間部11の他端側付近(U字型の底部たる閉端部11a付近)において、はんだ付けにより、外皮導体21の先端部がG点で第1面部12に固定されており、芯導体22の先端Cから延びるリード線23がA点で第2面部13に固定されている。なお、リード線23は、芯導体22の延長線として一体に設けてもよい。
また、同軸ケーブル20は、第1面部12に対して平行方向に鉛直に延びる縦部24と、第1面部12に対して直角方向に水平に延びる横部25とを有している(図1及び図2参照)。そして、同軸ケーブル20の縦部24の長さは、第1面部12の幅よりも小さくされている。したがって、同軸ケーブル20は、外皮導体21を第1面部12に垂直に投影したときに、外皮導体21の投影された像が第1面部12内に収まるように配設されている。
このように本体10に対して同軸ケーブル20が電気的に接続されることで、芯導体22の先端C、リード線23の先端たる第2面部13のA点、連結部14、及び第1面部12のG点たる外皮導体21の先端により、電流ループCAGが形成される。この電流ループCAGは、前述したU字型線状共振プローブにおける微小ループアンテナと等価であり、図16の送信用ループ89と同じ働きをする。
すなわち、電源としてネットワークアナライザー4(図3参照)から同軸ケーブル20の芯導体22を介して入射された入射パワーIは電流ループCAGの部分で本体10を励振するのに用いられ、残りは反射パワーRとして同軸ケーブル20の外皮導体22から電源側に戻る。そして、この電流ループCAGで励起された電磁波は、細長空間部11の縁に沿って伝搬し、前記共振条件の(1)式を満たすとき、共鳴的に電磁波が強く励起される。この励起パワーの分だけ同軸ケーブル20を通って電源側にもどる反射パワーRが減少するので、図18(c)のように周波数fr で反射パワーRが減少する。厳密には、周波数fr は本体10の形状やループの形状等に若干依存するので、正確には電磁界シミュレーションを行って較正する必要がある。
本実施形態に係る面状共振素子1を用いて、プラズマの電子密度を測定する方法を以下、説明する。
図2及び図3は、本実施形態に係るプラズマ電子密度測定装置の概略構成を模式的に示すものである。
このプラズマ電子密度測定装置では、図2に示されるように、プラズマ3が生成される密閉空間を有する略円筒状の容器2の側壁2aに、素子挿入用の筒部2dが一体に設けられており、この筒部2dにより外部と容器2内とを連通するポート穴2bが形成されている。そして、このポート穴2b内に前記面状共振素子1が挿入され、容器2の内壁面2cに本体10が沿うように配置されている。より詳しくは、容器2の内壁面2cと本体10の他面(同軸ケーブル20が固定された前記一面とは反対側の裏面)10aとが略面一状態となるように、面状共振素子1がポート穴2b内に配設されている。また、この装置は、周波数を掃引しならが高周波電力を入射パワーIとして面状共振素子1に供給するとともに、面状共振素子1から戻る反射パワーRをモニター可能なネットワークアナライザー4と、容器2内でプラズマを生成するためのプラズマ生成手段(図示せず)とを備えている。
この状態で、図3に示すように、電源としてのネットワークアナライザー4から入射パワーIの電力を同軸ケーブル20に供給する。そして、上述のとおり電流ループCAGで電磁波が励起され、励起された電磁波は細長空間部11からプラズマ3側へ放射される。このネットワークアナライザー4は周波数を掃引しならが微小の入射パワーIを本体10側に送り、同時に本体10から戻ってくる反射パワーRもモニターする機能が付いている。このため、反射パワーRを計測すれば、図18(c)に示すように共振周波数fr において共鳴的に反射が減少することを利用して、式(5)から細長空間部11近傍の電子密度を求めることができる。
また、図3の一点鎖線で示すように、面状共振素子1を容器2内で進退動させれば、プラズマ3内の電子密度分布を測定することが可能である。ただし、本体10全体のサイズが大きいので、本体10の前記他面10aにシースが形成されて電子密度が局所的に低下するおそれがある。この面状共振素子1によるプラズマの乱れの影響を考慮して、挿入前の電子密度を求めるには、一度、擾乱の少ないラングミュア・プローブ等によって正しい密度を測っておいて、較正することが望ましい。
一方、面状共振素子1を移動させて、容器2の内壁面2cと本体10の他面10aとを一致させれば、プラズマ3に対する擾乱を無くして、壁面付近における電子密度を正確に測定することができる。
以上のとおり、本実施形態に係る面状共振素子1では、本体10が、第1面部12、第2面部13及び連結部14が平面状に一体に形成されてなる。そして、第1面部12に同軸ケーブル20の外皮導体21が接続され、第2面部13に同軸ケーブル20の芯導体22が接続されている。このため、前述した従来のU字型線状共振プローブと比較して、製作が容易で、かつ、機械的強度も高くなる。
また、この面状共振素子1では、第2面部13よりも面積の大きい第1面部12により、機械的強度を良好に確保することができる。そして、外皮導体21を面積の大きい第1面部12に垂直に投影したときに、外皮導体21の投影された像が第1面部12内に外皮導体21が収まるように同軸ケーブル20が配設されているので、外皮導体21をプラズマ3から確実に遮蔽することができる。
そして、この面状共振素子1を、容器2の内壁面2cと本体10の他面10aとが略面一状態となるように、ポート穴2b内に配置した状態で測定することで、測定中にこの面状共振素子1がプラズマ3内に突出することがない。このため、プラズマ3の擾乱や面状共振素子1の破損を確実に防止することができる。したがって、量産機のプラズマ電子密度測定に好適に利用することができる。
(実施形態2)
図4に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、前記本体10の前記他面10aが誘電体薄膜15で被覆されている。
図4に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、前記本体10の前記他面10aが誘電体薄膜15で被覆されている。
このため、本体10から金属不純物が発生することを抑制でき、プラズマ3が金属不純物で汚染されることを抑制することが可能となる。
かかる金属汚染をより効果的に抑制する観点からは、前記本体10の全体(ただし、本体10の前記一面のうち同軸ケーブル20との電気的接続点を除く)を誘電体薄膜15で被覆することが好ましい。
その他の構成及び作用効果は、前記実施形態1と同様である。したがって、実施形態1の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
(実施形態3)
図5に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、本体50が、円(真円)形状の金属製平板の一部を所定形状に切り抜くことにより、全体形状が略円形状に形成されている。すなわち、この本体50は、両端のうちの一端が本体50の外縁に開口して所定の幅d及び長さLを有する細長空間部51を有している。この細長空間部51は、切り抜き幅に対して切り抜き長さが長くなるように、本体50の外縁から本体50の一部が細長く切り抜かれた状態とされることで形成されている。
図5に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、本体50が、円(真円)形状の金属製平板の一部を所定形状に切り抜くことにより、全体形状が略円形状に形成されている。すなわち、この本体50は、両端のうちの一端が本体50の外縁に開口して所定の幅d及び長さLを有する細長空間部51を有している。この細長空間部51は、切り抜き幅に対して切り抜き長さが長くなるように、本体50の外縁から本体50の一部が細長く切り抜かれた状態とされることで形成されている。
細長空間部51は、本体50の直径部分の一端から円弧状(半円弧状に)に細長く延びている。また、この細長空間部51は、本体50の外周側に近い位置に形成されている。
細長空間部51の幅dは、後述する第2面部53の周りにできるシース(鞘)の厚さ(数mm)より大きい値とされている。
本体50は、前記細長空間部51を挟んで細長空間部51の幅方向(本体10の半径方向)に相対する第1面部52及び第2面部53と、第1面部52及び第2面部53を一体に連結する連結部54(図5に斜線で示す部分)とから構成されている。すなわち、本体50は、細長空間部51の閉端部51aに隣接する連結部54と、連結部54を境に仕切られるとともに連結部54により一体に連結された第1面部52及び第2面部53とから構成されている。なお、第1面部52は連結部54よりも本体50の中心側に在る(本体50の中心が第1面部52内に在る)。
前記第1面部52は、半円弧帯状に細長く延びる前記第2面部53よりも面積が大きくされている。
その他の構成は、前記実施形態1と同様である。したがって、本実施形態は、前記実施形態1と基本的に同様の作用効果を奏する。よって、実施形態1の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
(実施形態4)
図6に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、前記実施形態1において、細長空間部11が略矩形状の本体10の四辺に沿って連続して延びて本体10をほぼ一周するように、細長空間部11の長さを長くしたものである。
図6に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、前記実施形態1において、細長空間部11が略矩形状の本体10の四辺に沿って連続して延びて本体10をほぼ一周するように、細長空間部11の長さを長くしたものである。
したがって、この実施形態に係る面状共振素子1は、実施形態1に係る面状共振素子1と比較して、細長空間部11の長さLが長くなっている分だけ、共振周波数fr を下げることができる。よって、共振周波数fr を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な細長空間部11の長さLを所定値以上に確保しつつ、本体10の小型化を図ることが可能となる。
その他の構成は、前記実施形態1と同様である。したがって、本実施形態は、前記実施形態1と基本的に同様の作用効果を奏する。よって、実施形態1の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
(実施形態5)
図7に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、前記実施形態1において、細長空間部11が略矩形状の本体10の四辺に沿って連続して延びて本体10をほぼ二周するように、細長空間部11の長さを長くしたものである。
図7に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、前記実施形態1において、細長空間部11が略矩形状の本体10の四辺に沿って連続して延びて本体10をほぼ二周するように、細長空間部11の長さを長くしたものである。
すなわち、この実施形態における本体10は、細長空間部11の閉端部11aに隣接する連結部14と、連結部14を境に仕切られるとともに連結部14により一体に連結された第1面部12及び第2面部13とから構成されている。なお、第1面部12は連結部14よりも本体10の中心側に在る(本体10の中心が第1面部12内に在る)。
そして、細長空間部11は、本体10の外縁側から中心側に向かって渦巻き(ほぼ2周する渦巻き)状に延びる直線部により形成されている。細長空間部11を渦巻き状にすれば、本体10の大きさにかかわらず細長空間部11の長さLを容易に長くすることができる。
したがって、この実施形態に係る面状共振素子1は、実施形態1及び実施形態4に係る面状共振素子1と比較して、細長空間部11の長さLが長くなっている分だけ、より効果的に共振周波数fr を下げることができる。よって、共振周波数fr を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な細長空間部11の長さLを所定値以上に確保しつつ、本体10の小型化をより効果的に図ることが可能となる。
ここに、渦巻き状に延びる細長空間部11の巻き数は特に限定されないが、巻き数を多くして細長空間部11の長さLを長くすればするほど本体10をより効果的に小型化することができる。
その他の構成は、前記実施形態1と同様である。したがって、本実施形態は、前記実施形態1と基本的に同様の作用効果を奏する。よって、実施形態1の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
(実施形態6)
図8に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、前記実施形態3において、細長空間部51が略円形の本体50の外周に沿って連続して延びて本体50をほぼ一周するように、細長空間部51の長さを長くしたものである。
図8に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、前記実施形態3において、細長空間部51が略円形の本体50の外周に沿って連続して延びて本体50をほぼ一周するように、細長空間部51の長さを長くしたものである。
したがって、この実施形態に係る面状共振素子1は、実施形態3に係る面状共振素子1と比較して、細長空間部51の長さLが長くなっている分だけ、共振周波数fr を下げることができる。よって、共振周波数fr を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な細長空間部11の長さLを所定値以上に確保しつつ、本体50の小型化を図ることが可能となる。
その他の構成は、前記実施形態1と同様である。したがって、本実施形態は、前記実施形態1と基本的に同様の作用効果を奏する。よって、実施形態1の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
(実施形態7)
図9に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、前記実施形態3において、細長空間部51が略円形状の本体50の外周に沿って連続して延びて本体50をほぼ二周するように、細長空間部51の長さを長くしたものである。
図9に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、前記実施形態3において、細長空間部51が略円形状の本体50の外周に沿って連続して延びて本体50をほぼ二周するように、細長空間部51の長さを長くしたものである。
すなわち、この実施形態における本体50は、細長空間部51の閉端部51aに隣接する連結部54と、連結部54を境に仕切られるとともに連結部54により一体に連結された第1面部52及び第2面部53とから構成されている。なお、第1面部52は連結部54よりも本体10の中心側に在る(本体50の中心が第1面部52内に在る)。
そして、細長空間部51は、本体50の外縁側から中心側に向かって渦巻き(ほぼ2周する渦巻き)状に延びる曲線部により形成されている。細長空間部51を渦巻き状にすれば、本体50の大きさにかかわらず細長空間部51の長さLを容易に長くすることができる。
したがって、この実施形態に係る面状共振素子1は、実施形態3及び実施形態6に係る面状共振素子1と比較して、細長空間部51の長さLが長くなっている分だけ、より効果的に共振周波数fr を下げることができる。よって、共振周波数fr を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な細長空間部51の長さLを所定値以上に確保しつつ、本体50の小型化をより効果的に図ることが可能となる。
ここに、渦巻き状に延びる細長空間部51の巻き数は特に限定されないが、巻き数を多くして細長空間部51の長さLを長くすればするほど本体50をより効果的に小型化することができる。
その他の構成は、前記実施形態1と同様である。したがって、本実施形態は、前記実施形態1と基本的に同様の作用効果を奏する。よって、実施形態1の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
(実施形態8)
図10に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、前記本体10の表面全体(ただし、本体10の前記一面のうち同軸ケーブル20との電気的接続点を除く)を誘電体薄膜15で被覆したものである。
図10に示す本実施形態に係る面状共振素子1は、前記本体10の表面全体(ただし、本体10の前記一面のうち同軸ケーブル20との電気的接続点を除く)を誘電体薄膜15で被覆したものである。
この誘電体薄膜15は、本体10をアルミナクロス(厚さ0.1mm程度のアルミナ製布状のもの)で覆い、アロンセラミックなどの接着剤で固定することにより、本体10の表面全体に形成した。なお、アルミナ溶射で覆って誘電体薄膜とする方法も試みたが、厚さが不均一になった。
したがって、この実施形態に係る面状共振素子1では、共振周波数fr を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な比誘電率εの大きさを所定値以上に確保しつつ、本体10の小型化を図ることが可能となる。
また、本体10から金属不純物が発生することを確実に抑制でき、プラズマ3が金属不純物で汚染されることを確実に抑制することが可能となる。
その他の構成及び作用効果は、前記実施形態1と同様である。したがって、実施形態1の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
前記実施形態3で示した面状共振素子の特性についての、シミュレーション結果や実測結果等を以下に示す。
(面状共振素子の特性のシミュレーション例1)
前記実施形態3に係る面状共振素子の円形素子あって、その半径が15mmであり、前記細長空間部の幅dが2mmである場合に、これを一様な電子密度ne のプラズマ中においたときの、面状共振素子の周波数特性の電磁界シミュレーションを行った。周波数を変えながら、図5の点Aからマイクロ波を給電したときに、電源側に反射されて戻ってくる反射パワーRをシミュレーションすると、図11の結果が得られる。
前記実施形態3に係る面状共振素子の円形素子あって、その半径が15mmであり、前記細長空間部の幅dが2mmである場合に、これを一様な電子密度ne のプラズマ中においたときの、面状共振素子の周波数特性の電磁界シミュレーションを行った。周波数を変えながら、図5の点Aからマイクロ波を給電したときに、電源側に反射されて戻ってくる反射パワーRをシミュレーションすると、図11の結果が得られる。
この図11から、電子密度が零(プラズマが無し)の真空の場合、1.78GHzのときに反射が共鳴的に減少していることが分かる。この共振周波数は、電子密度が増えるにつれて高い方にずれていき、ne =10×1010cm−3のときは3.3GHzまで上昇する。
また、図11から共振周波数を読んで、電子密度に対してプロットすると図12が得られる。図12中の実線は、式(4)から予想される共振周波数の値を示しており、シミュレーションから得られた点とよく一致している。
(面状共振素子の特性のシミュレーション例2)
金属が露出した共振素子本体がプラズマに直接さらされると、共振素子本体から金属原子が不純物として放出することがある。特に半導体製造では金属汚染が許されないので、共振素子本体を誘電体フィルム(誘電体薄膜)で被覆する必要がある。この誘電体フィルムが面状共振素子の特性にどのような影響を及ぼすかを、シミュレーションを行って評価することができる。
金属が露出した共振素子本体がプラズマに直接さらされると、共振素子本体から金属原子が不純物として放出することがある。特に半導体製造では金属汚染が許されないので、共振素子本体を誘電体フィルム(誘電体薄膜)で被覆する必要がある。この誘電体フィルムが面状共振素子の特性にどのような影響を及ぼすかを、シミュレーションを行って評価することができる。
前記シミュレーション例1で用いたのと同じ金属円板(厚さ0.2mm)の両面を比誘電率3の材料で薄くコーティングして、電子密度ne =1×1010cm−3のプラズマ中で用いたとき、シミュレーションによって図6のような素子特性が得られる。その共振周波数をそのまま式(4)に代入して計算される見かけ上の電子密度をna とし、正しい電子密度をne として、na とne との比をA=na /ne とするとき、Aの値が誘電体薄膜フィルムの厚さによってどう変化するかを示したのが図13である。
このシミュレーション結果から、誘電体フィルムが0.12mmより薄ければ、90%の精度で式(4)からそのまま電子密度を計算できることが分かる。膜厚がそれよりかなり厚い場合は、図13のシミュレーション結果を逆に利用して、見かけ上の電子密度na をAの値で割って、正しい電子密度ne を求めなければならない。
(面状共振素子の特性のシミュレーション例3)
一般に、プラズマ中に物体を挿入すると、その周りにシースと呼ばれる境界層が形成される。その厚さは、電子密度と電子温度で決まるデバイ長の数倍と言われ、この層を真空であると仮定して、面状共振素子のシミュレーションを行った。この計算は、前記シミュレーション例2で示した図13のシミュレーションにおける誘電率を1とおき、誘電体の厚さをシースの厚さに置き換えたものとなる。そこで得られた結果を整理して、Aの値と電子密度との関係として表したのが図14である。ここで電子温度は2.5eV一定としてシミュレーションしている。
一般に、プラズマ中に物体を挿入すると、その周りにシースと呼ばれる境界層が形成される。その厚さは、電子密度と電子温度で決まるデバイ長の数倍と言われ、この層を真空であると仮定して、面状共振素子のシミュレーションを行った。この計算は、前記シミュレーション例2で示した図13のシミュレーションにおける誘電率を1とおき、誘電体の厚さをシースの厚さに置き換えたものとなる。そこで得られた結果を整理して、Aの値と電子密度との関係として表したのが図14である。ここで電子温度は2.5eV一定としてシミュレーションしている。
図14から、電子密度が1×1010cm−3以上であればA=1であり、シースの影響がないことが分かる。しかし、これより電子密度が低くなればなるほど、Aの値は小さくなるので、シースの影響を考慮して較正する必要が出てくる。
(面状共振素子の特性の実測例)
前記シミュレーション例1で示す図11、図12の電磁界シミュレーションに用いたものと同じ円板形状の面状共振素子を実際に製作して実験を行った。直径30cmの円筒容器の中に、アルゴン圧力20mTorrにおいて高周波誘導結合プラズマを生成した。このプラズマ中に、作製した面状共振素子を半径方向から挿入して、中心軸から9cmの位置に設置して、ネットワークアナライザーを用いて面状共振素子の特性を測定した。
前記シミュレーション例1で示す図11、図12の電磁界シミュレーションに用いたものと同じ円板形状の面状共振素子を実際に製作して実験を行った。直径30cmの円筒容器の中に、アルゴン圧力20mTorrにおいて高周波誘導結合プラズマを生成した。このプラズマ中に、作製した面状共振素子を半径方向から挿入して、中心軸から9cmの位置に設置して、ネットワークアナライザーを用いて面状共振素子の特性を測定した。
その結果を図15に示す。ここで、放電パワーが零のとき、すなわち、真空においては共振周波数が1.79GHzであることから、前述のシミュレーション結果と良く一致している。放電パワーを上げるにつれて、共振周波数が高くなり、電子密度が増していくのが見て取れる。この共振周波数から、式(4)を用いて求めた電子密度を図16に示す。
1:面状共振素子、2:容器、2a:側壁、2b:ポート穴、2c:内壁面、2d:筒部、3:プラズマ、4:ネットワークアナライザー、10、50:本体、10a:本体の他面、11、51:細長空間部、11a、51a:閉端部、12、52:第1面部、13、53:第2面部、14、54:連結部、15:誘電体薄膜、20:同軸ケーブル、21:外皮ケーブル、22:芯導体
Claims (9)
- 導電板を備える本体と、外皮導体及び該外皮導体内に充填された絶縁材料中に埋設された芯導体がそれぞれ該本体の一面に電気的に接続された同軸ケーブルとを備え、電磁波の共振現象を利用して、容器内に生成したプラズマの電子密度を測定するプラズマ電子密度測定用の面状共振素子であって、
前記本体は、両端のうちの一端が該本体の外縁に開口する細長空間部の閉端部に隣接する連結部と、該連結部を境に仕切られるとともに該連結部により一体に連結された第1面部及び第2面部とからなり、
前記同軸ケーブルの前記外皮導体が前記第1面部及び前記第2面部のうちの一方に接続されるとともに、該同軸ケーブルの前記芯導体が該第1面部及び該第2面部のうちの他方に接続されていることを特徴とするプラズマ電子密度測定用の面状共振素子。 - 前記細長空間部の幅は、予想されるプラズマの電子密度及び電子温度で決まるシース厚さに基づいて設定され、
前記細長空間部の長さは、予想されるプラズマの電子密度と、所望の測定精度及び該測定精度で測定が可能となる共振周波数の条件とに基づいて設定されることを特徴とする請求項1記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子。 - 前記同軸ケーブルの前記外皮導体が前記第1面部に接続されるとともに、該同軸ケーブルの前記芯導体が前記第2面部に接続され、
前記同軸ケーブルは、前記外皮導体を前記第1面部に垂直に投影したときに、前記外皮導体の投影された像が前記第1面部内に収まるように配設されていることを特徴とする請求項1又は2記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子。 - 前記細長空間部は、前記本体の外縁側から中心側に向かって渦巻き状に延びる直線部又は曲線部により形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子。
- 前記本体は、前記同軸ケーブルが接続された前記一面と反対側の他面に形成された誘電体薄膜を有していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子。
- 前記本体は、該本体の前記同軸ケーブルとの電気的接続点を除く表面全体に形成された誘電体薄膜を有していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子。
- 請求項1乃至6のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子を用いるプラズマ電子密度測定方法であって、
前記容器のポート穴内に挿入した前記面状共振素子を、該容器の内壁面に前記本体が沿うように配置した状態で測定することを特徴とするプラズマ電子密度測定方法。 - 請求項1乃至6のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子を、前記容器のポート穴内に配設したことを特徴とするプラズマ電子密度測定装置。
- 前記面状共振素子は、前記容器の内壁面と前記本体の他面とが略面一状態となるように、前記ポート穴内に配設されていることを特徴とする請求項8記載のプラズマ電子密度測定装置。
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Citations (3)
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JPH09161992A (ja) * | 1995-12-13 | 1997-06-20 | Korea Electron Telecommun | マイクロ波共振検針器およびこれを利用したダイナミックプラズマの密度測定方法 |
JP2001196199A (ja) * | 2000-01-14 | 2001-07-19 | Nisshin:Kk | プラズマ密度情報測定用プローブ |
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US7309842B1 (en) * | 2004-03-19 | 2007-12-18 | Verionix Incorporated | Shielded monolithic microplasma source for prevention of continuous thin film formation |
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JPH09161992A (ja) * | 1995-12-13 | 1997-06-20 | Korea Electron Telecommun | マイクロ波共振検針器およびこれを利用したダイナミックプラズマの密度測定方法 |
JP2001196199A (ja) * | 2000-01-14 | 2001-07-19 | Nisshin:Kk | プラズマ密度情報測定用プローブ |
JP2004055324A (ja) * | 2002-07-19 | 2004-02-19 | Nisshin:Kk | プラズマ密度情報測定方法およびその装置、並びにプラズマ密度情報監視方法およびその装置、並びにプラズマ処理方法およびその装置 |
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