JP5618446B2 - プラズマの電子密度及び電子温度の測定プローブ及び測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマの電子密度、電子温度などの電子状態を測定するための測定プローブ及び測定装置に関する。
従来より、半導体装置の製造工程などにおいて、ＣＶＤ（化学気相成長）やエッチングなどを行うプラズマ処理が広く行われている。プラズマパラメータの診断は、プラズマ処理をモニターするための基本的な要件の１つである。材料プロセスを決定づける活性粒子は主に中性粒子との電子衝突反応（たとえば励起、電離、解離など）により生成されることから、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や電子温度を測定、把握することが重要である。低圧力の放電プラズマでは、各種電子密度解析ツールが開発されている。このような電子密度解析ツールとして、例えば、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、金属アンテナ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アンテナに流れる電流値に基づいて電子密度を求めるラングミュアプローブ法が広く知られている。マイクロ波帯の共振周波数から電子密度を測定する各種アンテナも提案されており、例えば、非特許文献１には、金属製アンテナによる、電磁波の共振現象を利用する電子密度測定法が開示されている。また、特許文献１には、プラズマ中を伝播する単色レーザ光などのマイクロ波と、大気中を伝播するマイクロ波との位相差に基づいて電子密度を求めるマイクロ波干渉法が開示されている。
Ｒ．Ｂ．Ｐｉｅｊａｋ，Ｖ．Ａ．Ｇｏｄｙａｋ，Ｒ．Ｇａｍｅｒ ａｎｄ Ｂ．Ｍ．Ａｌｅｘａｎｄｒｏｖｉｃｈ，Ｎ．Ｓｔｅｍｂｅｒｇ，Ｊ．ＡＰＰｌ．Ｐｈｙｓ．９５，３７８５（２００４）
上述の技術のうち、ラングミュアプローブ法は、材料プロセスに用いるとプラズマによりアンテナ表面に被膜が形成されて汚染される恐れがあるため、正確な電子密度測定には適用することが難しいという問題があった。マイクロ波帯の共振周波数を測定するアンテナを用いた測定では、プローブのサイズが大きいため、プラズマへの擾乱が大きい、プラズマ処理装置に専用のポートを用意する必要がある、などの問題があった。
マイクロ波干渉法は、電子温度の測定ができないこと、マイクロ波を透過させるための大きな窓をチャンバーに設け、プラズマのサイズも大きい必要があること、また、空間分解能が乏しく、測定装置も高価である、などの問題があった。
マイクロ波干渉法は、電子温度の測定ができないこと、マイクロ波を透過させるための大きな窓をチャンバーに設け、プラズマのサイズも大きい必要があること、また、空間分解能が乏しく、測定装置も高価である、などの問題があった。
そこで、本発明は、高価な測定装置を用いることなく、小型で、簡便な方法によりプラズマの電子状態の測定が可能な測定プローブ及び測定装置を実現することを目的とする。
この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、プラズマの電子密度及び電子温度の測定プローブにおいて、一端がＵ字型に接続された平行な２本の金属線を、所定の平面領域内に屈曲配置して形成されたマイクロ波領域で共振するアンテナであって、長さの異なるアンテナを複数個備え、各アンテナは厚さが異なる絶縁体からなる絶縁層によりそれぞれ覆われており、前記アンテナに周波数を掃引しながら高周波パワーを供給し、前記アンテナから反射されるパワーにより得られる反射係数のスペクトルから、前記アンテナに対応する共振周波数を測定可能に構成された、という技術的手段を用いる。
請求項１に記載する発明のプラズマの電子密度及び電子温度の測定プローブ（以下、略して測定プローブという）をプラズマ雰囲気内に挿入すると、測定プローブとプラズマとの境界に、シースが形成される。このシースの厚さ（シース厚）は、プラズマの電子密度、電子温度及び測定プローブのアンテナ形状に依存しており、アンテナの共振周波数にはシース厚依存性があるため、共振周波数に基づいてプラズマの電子密度及び電子温度を測定することができる。
本発明の測定プローブによれば、マイクロ波領域で共振可能なアンテナを所定の平面領域に一端がＵ字型に接続された平行な２本の金属線を効率的に配置することにより形成することができるので、測定プローブを小型化することができる。
また、測定も例えば市販のネットワークアナライザにより簡便な操作で可能であるため、高価な測定装置を用いることなく、プラズマの電子密度及び電子温度を測定することができる。
本発明の測定プローブによれば、マイクロ波領域で共振可能なアンテナを所定の平面領域に一端がＵ字型に接続された平行な２本の金属線を効率的に配置することにより形成することができるので、測定プローブを小型化することができる。
また、測定も例えば市販のネットワークアナライザにより簡便な操作で可能であるため、高価な測定装置を用いることなく、プラズマの電子密度及び電子温度を測定することができる。
アンテナを絶縁層により覆うと、共振周波数のシース厚依存性が緩和されるため、電子温度が変化して生じるシース厚変化が共振周波数に及ぼす影響を緩和することができるので、電子密度の測定精度を向上させることができる。また、アンテナの耐食性が向上させることができるため、測定可能なプラズマの種類を増やすことができる。
測定プローブが長さの異なるアンテナを複数個備えているため、１つの測定プローブにより複数の異なる共振周波数を測定することができる。アンテナの長さが長いほど、共振周波数は低くなる。
各アンテナを厚さが異なる絶縁体からなる絶縁層によりそれぞれ覆われているようにすることにより、各アンテナに対応する共振周波数のシース厚依存性が異なるように構成することができる。絶縁層の厚さが厚いほど、共振周波数のシース厚依存性は小さくなる。
プラズマの電子密度と電子温度との関係は、共振周波数により異なるため、測定された複数の異なる共振周波数における電子密度と電子温度との関係をすべて満足するような電子密度及び電子温度を、当該プラズマの電子密度及び電子温度として算出することができる。このように、１つの測定プローブで電子温度と電子密度との両方を算出できるため、測定操作が簡便である。
各アンテナを厚さが異なる絶縁体からなる絶縁層によりそれぞれ覆われているようにすることにより、各アンテナに対応する共振周波数のシース厚依存性が異なるように構成することができる。絶縁層の厚さが厚いほど、共振周波数のシース厚依存性は小さくなる。
プラズマの電子密度と電子温度との関係は、共振周波数により異なるため、測定された複数の異なる共振周波数における電子密度と電子温度との関係をすべて満足するような電子密度及び電子温度を、当該プラズマの電子密度及び電子温度として算出することができる。このように、１つの測定プローブで電子温度と電子密度との両方を算出できるため、測定操作が簡便である。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のプラズマの電子密度及び電子温度の測定プローブにおいて、前記絶縁層は、長いアンテナほど厚くなるように設けられている、という技術的手段を用いる。
請求項２に記載の発明のように、絶縁層を長いアンテナほど厚くなるように設けると、絶縁層の厚さが厚いほど共振周波数は低くなるので、共振周波数が低い長いアンテナの共振周波数を更に低くすることができる。これにより、他のアンテナの共振周波数との差を大きくすることができるので、共振ピークの分離を容易にすることができ、測定感度を向上させることができる。
請求項３に記載の発明では、プラズマの電子密度及び電子温度の測定プローブにおいて、一端がＵ字型に接続された平行な２本の金属線を、所定の平面領域内に屈曲配置して形成されたマイクロ波領域で共振するアンテナであって、長さの異なるアンテナを複数個備え、各アンテナは平行な２本の金属線の間隔がそれぞれ異なるように構成されており、前記アンテナに周波数を掃引しながら高周波パワーを供給し、前記アンテナから反射されるパワーにより得られる反射係数のスペクトルから、前記アンテナに対応する共振周波数を測定可能に構成された、という技術的手段を用いる。
請求項３に記載の発明によれば、測定プローブが、長さの異なる複数のアンテナを備えているので、各アンテナに対応して１つの測定プローブにより複数の異なる共振周波数を測定することができる。
各アンテナを平行な２本の金属線の間隔がそれぞれ異なるように構成することにより、各アンテナに対応する共振周波数のシース厚依存性が異なるように構成することができる。ここで、金属線の間隔が広いほど、共振周波数のシース厚依存性は小さくなる。
プラズマの電子密度と電子温度との関係は、共振周波数により異なるため、測定された複数の異なる共振周波数における電子密度と電子温度との関係をすべて満足するような電子密度及び電子温度を、当該プラズマの電子密度及び電子温度として算出することができる。このように、１つの測定プローブで電子温度と電子密度との両方を算出できるため、測定操作が簡便である。また、請求項４に記載の発明のように、前記アンテナは絶縁体からなる絶縁層により覆われているように構成することもできる。
各アンテナを平行な２本の金属線の間隔がそれぞれ異なるように構成することにより、各アンテナに対応する共振周波数のシース厚依存性が異なるように構成することができる。ここで、金属線の間隔が広いほど、共振周波数のシース厚依存性は小さくなる。
プラズマの電子密度と電子温度との関係は、共振周波数により異なるため、測定された複数の異なる共振周波数における電子密度と電子温度との関係をすべて満足するような電子密度及び電子温度を、当該プラズマの電子密度及び電子温度として算出することができる。このように、１つの測定プローブで電子温度と電子密度との両方を算出できるため、測定操作が簡便である。また、請求項４に記載の発明のように、前記アンテナは絶縁体からなる絶縁層により覆われているように構成することもできる。
請求項５に記載の発明では、プラズマの電子密度及び電子温度の測定装置であって、請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載のプラズマの電子密度及び電子温度の測定プローブと、前記アンテナに、周波数を掃引しながら高周波パワーを供給する高周波発振器と、前記アンテナから反射されるパワーにより得られる反射係数のスペクトルを測定し、前記アンテナの共振特性を検出する共振スペクトル検出部と、前記共振スペクトル検出部において検出された共振特性から各アンテナに対応する共振周波数を算出し、当該共振周波数または当該共振周波数における電子密度と電子温度との関係に基づいてプラズマの電子密度及び電子温度を算出するプラズマ特性算出部と、を備えた、という技術的手段を用いる。
請求項５に記載の発明によれば、マイクロ波領域の共振アンテナとして作用するアンテナをプラズマ雰囲気内に挿入し、高周波発振器によりアンテナに周波数を掃引しながら高周波パワーを供給し、共振スペクトル検出部によりアンテナから反射されるパワーにより得られる反射係数のスペクトルを測定してアンテナの共振スペクトルを検出し、共振スペクトル検出部において検出された共振特性から共振周波数を算出し、プラズマ特性算出部において当該共振周波数または当該共振周波数における電子密度と電子温度との関係に基づいてプラズマの電子密度と電子温度を算出することができる。
これにより、請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の測定プローブの効果を奏する測定装置を実現することができる。
これにより、請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の測定プローブの効果を奏する測定装置を実現することができる。
本発明におけるプラズマの電子状態の測定プローブ及び測定装置について、図を参照して説明する。
図１に示すように、プラズマ電子状態測定装置１は、プラズマ処理装置３０のチャンバー３１内部に取り付けられている測定プローブ１０と、測定プローブ１０と接続され、チャンバー３１外部に配設されているプローブ制御装置２０とを備えている。
プラズマ処理装置３０は、高周波電源により生成されたプラズマＰと被処理体を内部に有するチャンバー３１と、高周波電力などプラズマ密度の制御因子を制御する制御部３２とを備えている。
測定プローブ１０は、チャンバー３１内部に取り付けられており、同軸ケーブル１１を介してプローブ制御装置２０に接続されている。具体的な構成については、後述する。
プローブ制御装置２０は、周波数掃引式の高周波発振器２１と、方向性結合器２２と、減衰器２３と、フィルタ２４と、反射係数スペクトル表示部２５、プラズマ特性算出部２６と、を備えており、それぞれが図１に示すように接続されている。
高周波発振器２１は、所定の周波数範囲、例えば、１００ｋＨｚから３ＧＨｚまで、周波数を掃引しながらパワーを供給する。高周波発振器２１により出力された高周波パワーは、方向性結合器２２、減衰器２３、フィルタ２４を経て、測定プローブ１０に印加される。高周波発振器２１から出力される高周波パワーは反射係数スペクトル表示部２５に送られ、その周波数はプラズマ特性算出部２６に送出される。
方向性結合器２２は、測定プローブ１０から供給された高周波パワーのプラズマによる反射率の周波数変化を検出し、反射係数スペクトル表示部２５へ出力する。
減衰器２３は、測定プローブ１０へ送り込む測定用高周波パワーの量を調整する。フィルタ２４は、測定プローブ１０を経由してプローブ制御部２０へ混入してくるプラズマ励起用の高周波信号雑音を除去する。
反射係数スペクトル表示部２５は、測定プローブ１０の反射率の周波数変化を共振スペクトルとして検出する。
プラズマ特性算出部２６は、反射係数スペクトル表示部２５から送出された共振スペクトルに基づいて共振周波数を求め、これらに基づいて、後述する測定原理により、プラズマの電子密度及び電子温度を算出する。
プラズマ特性算出部２６は、プラズマ発生装置３０の制御部３２に接続されており、プラズマ密度算出部２６において算出された電子密度及び電子温度は、制御部３２に送出される。制御部３２は測定された電子密度や電子温度に基づいて、プラズマ生成用の高周波パワー（高周波電力）やガス圧などのプラズマ状態を支配する因子を制御することができる。
本実施形態では、測定プローブ１０は、図２に示すように、長さが異なる金属線からなる２本のアンテナ１２、１３を備える構成とした。各アンテナ１２、１３は、それぞれ矩形の平面領域Ａ内に、平行な２本の金属線を屈曲して配置し、一端でＵ字型に接続した形状に形成されている。つまり、一端がＵ字型で、他端が開口している形状となる。本実施形態では、アンテナ１２、１３は、内側に開口端を配置し、外方に向かって渦巻き状に形成された形状を採用した。ここで、アンテナ１２の方が中心線の長さが長くなるように形成されている。
アンテナ１２、１３は、例えば、ステンレス鋼で形成することができる。その他、金、白金、タングステン、モリブデン、タンタルなどの耐食性金属で形成すれば、プラズマによる腐食を受けにくく寿命を長くすることができる。アンテナ１２、１３は、ガラス、セラミックスなどによりコーティングを施すこともできる。これにより、プラズマによる腐食を受けにくく寿命を長くすることができる。また、材料プロセスにおいては、アンテナ１２、１３が金属不純物を放出し、プラズマ雰囲気を汚染することを防ぐことができる。
アンテナ１２、１３と同軸ケーブル１１との接続方法について、図３を参照して説明する。図３（Ａ）に示すように、アンテナ１２、１３の端部１２ａ、１３ａは隣接するように配置されており、端部１２ａ、１３ａからわずかに離間して、例えば、間隙を０．１ｍｍ程度とし、環状に形成されている電流ループ１６が対向して配置されている。電流ループ１６の一端には同軸ケーブル１１の芯導体１１ａが、他端には同軸ケーブル１１の外皮導体１１ｂが接続されている。また、図３（Ｂ）に示すように、アンテナ１２、１３の端部１２ａ、１３ａを接触させ、端部１２ａ、１３ａの接触点において、図３（Ａ）と同様の電流ループ１６を備えた同軸ケーブル１１の外皮導体１１ｂを接続してもよい。
アンテナ１２、１３は、厚さが異なる絶縁層１４、１５によりそれぞれ挟み込まれている。アンテナ１２、１３を絶縁層１４、１５により覆うと、共振周波数のシース厚依存性が緩和されるため、電子温度が変化して生じるシース厚変化が共振周波数に及ぼす影響を緩和することができるので、電子密度の測定精度を向上させることができる。また、アンテナの耐食性が向上させることができるため、測定可能なプラズマの種類を増やすことができる。
本実施形態では、アンテナ長が長いアンテナ１２を覆う絶縁層１４の方が、アンテナ長が短いアンテナ１３を覆う絶縁層１５よりも厚くなるように形成されている。これにより、各アンテナに対応する共振周波数のシース厚依存性が異なるように構成することができる。絶縁層の厚さが厚いほど、共振周波数のシース厚依存性は小さくなるため、各アンテナに対応するプラズマの電子密度と電子温度との関係の差を明確にすることができるので、電子密度及び電子温度の測定精度を向上させることができる。
また、絶縁層の厚さが厚いほど共振周波数は低くなるため、アンテナ１２に対応する共振周波数を低くすることができる。これにより、アンテナ１３に対応する共振周波数との差を大きくすることができるので、共振ピークの分離を容易にすることができ、測定感度を向上させることができる。
また、絶縁層の厚さが厚いほど共振周波数は低くなるため、アンテナ１２に対応する共振周波数を低くすることができる。これにより、アンテナ１３に対応する共振周波数との差を大きくすることができるので、共振ピークの分離を容易にすることができ、測定感度を向上させることができる。
絶縁層１４、１５は、例えば、石英で形成することができる。その他、プラズマに対する耐食性を有していれば、アルミナ、ジルコニア、窒化けい素などのセラミックス、樹脂材料などを用いることができる。
アンテナ１２、１３において、平行な２本の金属線の間隔ｄは、プラズマ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設定することが好ましい。また、金属線の長さは、測定対象のプラズマ密度や測定精度などの条件に基づいて設定される。
次に、測定プローブ１０を備えたプラズマ電子状態測定装置１によるプラズマの電子状態の測定方法を示す。測定プローブ１０が複数のアンテナを備え、各アンテナに対応する共振周波数のシース厚依存性が異なるように構成すると、電子状態として電子密度及び電子温度を測定することができる。
プラズマ雰囲気内に測定プローブ１０を挿入すると、測定プローブ１０とプラズマとの境界に、シースが形成される。高周波発振器２１により、周波数を掃引しながら高周波パワーを測定プローブ１０に供給すると、高周波パワーは電流ループ１６においてアンテナ１２、１３を励振するのに用いられ、ここで励起された電磁波はプラズマＰへ放射・吸収される。残りは反射パワーとして同軸ケーブル１１からプローブ制御装置２０に戻ってくる。
反射パワーは、方向性結合器２２において、測定プローブ１０から供給される高周波パワーのプラズマによる反射率の周波数変化として検出され、反射係数スペクトル表示部２５において、反射率の周波数変化を共振スペクトル（例えば、実施例の図５に示すような共振スペクトル）として検出する。検出された共振スペクトルには、各アンテナ１２、１３に対応して反射パワーが共鳴的に減少する共振ピークが現れる。ここで、アンテナ長が長いアンテナ１３による共振ピークは、アンテナ長が短いアンテナ１２による共振ピークよりも低周波数側に現れる。
そして、プラズマ特性算出部２６において、アンテナ１２による共振ピークの共振周波数f１２及びアンテナ１３による共振ピークの共振周波数f１３を求める。
ここで、シース厚ｄと電子密度ｎe及び電子温度Ｔeとの間には、下式の関係が成立する。
（数１）
ｄ∝（Ｔe／ｎe）1/2
ｄ∝（Ｔe／ｎe）1/2
また、シース厚ｄは、電子密度ｎeと電子温度Ｔeとの関係は共振周波数によって異なり、かつ測定プローブ１０のアンテナ形状に依存するため、予め電磁界シミュレーションにより測定プローブ１０の共振特性から、電子密度ｎeと電子温度Ｔeとの関係を求めておく。そして、図４に示すように、アンテナ１２、１３による異なる共振周波数f１２、f１３にそれぞれ対応して、電子密度ｎeと電子温度Ｔeとの関係を示す曲線が２本描かれることになる。この２本の曲線の交点からプラズマの電子密度ｎe及び電子温度Ｔeを算出する。ここで、圧力が１０ｔｏｒｒ以下のプラズマでは、プラズマの電子密度ｎe及び電子温度Ｔeの共振周波数依存性が高いため、測定精度を高くすることができ、本測定プローブ１０を好適に用いることができる。
（変更例）
測定プローブ１０において、アンテナ１２、１３及び絶縁層１４、１５の寸法は、測定対象であるプラズマの電子密度ｎe及び電子温度Ｔeに合わせて任意に設定することができる。
測定プローブ１０において、アンテナ１２、１３及び絶縁層１４、１５の寸法は、測定対象であるプラズマの電子密度ｎe及び電子温度Ｔeに合わせて任意に設定することができる。
アンテナの形状は、相互干渉がないようにすれば、種々の形状とすることができる。例えば、蛇行したアンテナなどを採用することもできる。
プラズマの電子状態の測定精度を十分に確保することができれば、絶縁層１４、１５は設けなくてもよい。また、いずれか一方のみを設けてもよい。
本実施形態では、アンテナの数が２つである構成を採用したが、３つ以上設けることもできる。アンテナの数を増やすことにより、共振周波数やシース厚依存性の範囲を広くできることができるので、プラズマの電子密度ｎe及び電子温度Ｔeの測定レンジを広げることができる
また、プラズマの電子密度のみ測定すればよい場合には、測定プローブ１０は、アンテナを１つだけ設けた構成としてもよく、プラズマの電子密度は共振周波数に基づいて測定することができる。これにより、更に測定プローブ１０を小型化することができる。
（実施例１）
本実施例では、下記に示す測定プローブ１０について、電磁界シミュレーションによって共振スペクトルを求め、アンテナの長さの影響を調べた。ここで、電子密度ｎe=３×１０１５ｍ-3、電子温度Ｔe=３ｅＶとした。
本実施例では、下記に示す測定プローブ１０について、電磁界シミュレーションによって共振スペクトルを求め、アンテナの長さの影響を調べた。ここで、電子密度ｎe=３×１０１５ｍ-3、電子温度Ｔe=３ｅＶとした。
測定プローブ１０は、一辺９．４ｍｍの矩形領域に、太さ０．４ｍｍのステンレス線を幅１ｍｍでスパイラル状に配置した長さが異なる２本のアンテナ１２、１３を備えた構成とした。アンテナ１２、１３の中心線の長さは、それぞれ４６．５ｍｍ、４０．０ｍｍである。アンテナ１２、１３の間隔は０．４ｍｍである。同軸ケーブル１１の接続は、図３（Ａ）と同様とした。
図５に示すように、２つの共振ピークが生じ、１つの測定プローブ１０により複数の異なる共振周波数を測定することができることが確認された。低周波側のピークは長さが長い方のアンテナ１３に、高周波側のピークは長さが短い方のアンテナ１２にそれぞれ対応している。ここで、アンテナ１２及びアンテナ１３の長さの差が大きいほど、共振周波数の差が大きくなるので、共振ピークの分離を容易にし、測定感度を向上させるためには、アンテナ１２及びアンテナ１３の長さの差を大きくすればよいことがわかる。
（実施例２）
本実施例では、アンテナ１２を覆うガラス板からなる絶縁層１４の厚さを０．１ｍｍと０．６ｍｍとの２水準、シース厚を０〜０．６ｍｍとし、絶縁層１４の厚さがアンテナ１２の共振周波数のシース厚さ依存性に及ぼす影響を調べた。図６に示すように、絶縁層１４の厚さが厚い方が、曲線の傾きが小さく、共振周波数のシース厚依存性は小さくなるとともに、共振周波数が低くなることが確認された。
本実施例では、アンテナ１２を覆うガラス板からなる絶縁層１４の厚さを０．１ｍｍと０．６ｍｍとの２水準、シース厚を０〜０．６ｍｍとし、絶縁層１４の厚さがアンテナ１２の共振周波数のシース厚さ依存性に及ぼす影響を調べた。図６に示すように、絶縁層１４の厚さが厚い方が、曲線の傾きが小さく、共振周波数のシース厚依存性は小さくなるとともに、共振周波数が低くなることが確認された。
［実施形態の効果］
（１）本発明の測定プローブ１０及び測定プローブ１０を備えたプラズマ特性測定装置１によれば、マイクロ波領域で共振可能なアンテナ１２、１３を所定の平面領域Ａに一端がＵ字型に接続された平行な２本の金属線を効率的に配置することにより形成することができるので、測定プローブ１０を小型化することができる。また、測定は市販のネットワークアナライザなどにより簡便な操作で可能であるため、高価な測定装置を用いることなく、プラズマの電子状態（電子密度ｎe、電子温度Ｔe）を測定することができる。
（１）本発明の測定プローブ１０及び測定プローブ１０を備えたプラズマ特性測定装置１によれば、マイクロ波領域で共振可能なアンテナ１２、１３を所定の平面領域Ａに一端がＵ字型に接続された平行な２本の金属線を効率的に配置することにより形成することができるので、測定プローブ１０を小型化することができる。また、測定は市販のネットワークアナライザなどにより簡便な操作で可能であるため、高価な測定装置を用いることなく、プラズマの電子状態（電子密度ｎe、電子温度Ｔe）を測定することができる。
（２）測定プローブ１０が、長さの異なる複数のアンテナ１２、１３を備えた構成では、各アンテナに対応して１つの測定プローブ１０により複数の異なる共振周波数を測定することができる。
更に、絶縁層１４、１５の厚さを変えて、各アンテナに対応する共振周波数のシース厚依存性が異なるように構成すると、プラズマの電子密度ｎe及び電子温度Ｔeの共振周波数依存性から当該プラズマの電子密度ｎe及び電子温度Ｔeを算出することができる。このように、１つの測定プローブで電子温度と電子密度との両方を算出できるため、測定操作が簡便である。
更に、絶縁層１４、１５の厚さを変えて、各アンテナに対応する共振周波数のシース厚依存性が異なるように構成すると、プラズマの電子密度ｎe及び電子温度Ｔeの共振周波数依存性から当該プラズマの電子密度ｎe及び電子温度Ｔeを算出することができる。このように、１つの測定プローブで電子温度と電子密度との両方を算出できるため、測定操作が簡便である。
（３）アンテナ長が長いアンテナ１２を覆う絶縁層１４の方が、アンテナ長が短いアンテナ１３を覆う絶縁層１５よりも厚くなるように形成することにより、絶縁層の厚さが厚いほど共振周波数は低くなるため、アンテナ１２に対応する共振周波数を低くすることができる。これにより、アンテナ１３に対応する共振周波数との差を大きくすることができるので、共振ピークの分離を容易にすることができ、測定感度を向上させることができる。
［その他の実施形態］
上述の実施形態では、各アンテナに対応する共振周波数のシース厚依存性が異なるように構成するために、厚さが異なる絶縁層１４、１５を設けたが、各アンテナを平行な２本の金属線の間隔がそれぞれ異なるように構成することにより、共振周波数のシース厚依存性依存性を変えてもよい。ここで、金属線の間隔が広いほど、共振周波数のシース厚依存性は小さくなる。これにより、プラズマの電子密度ｎe及び電子温度Ｔeを算出することができる。
上述の実施形態では、各アンテナに対応する共振周波数のシース厚依存性が異なるように構成するために、厚さが異なる絶縁層１４、１５を設けたが、各アンテナを平行な２本の金属線の間隔がそれぞれ異なるように構成することにより、共振周波数のシース厚依存性依存性を変えてもよい。ここで、金属線の間隔が広いほど、共振周波数のシース厚依存性は小さくなる。これにより、プラズマの電子密度ｎe及び電子温度Ｔeを算出することができる。
１ プラズマ電子状態測定装置
１０ 測定プローブ
１１ 同軸ケーブル
１２、１３ アンテナ
１４、１５ 絶縁層
１６ 電流ループ
２０ プローブ制御装置
２１ 高周波発振器
２２ 方向性結合器
２３ 減衰器
２４ フィルタ
２５ 反射係数スペクトル表示部
２６ プラズマ特性算出部
３０ プラズマ処理装置
３１ チャンバー
３２ 制御部
Ａ 平面領域
１０ 測定プローブ
１１ 同軸ケーブル
１２、１３ アンテナ
１４、１５ 絶縁層
１６ 電流ループ
２０ プローブ制御装置
２１ 高周波発振器
２２ 方向性結合器
２３ 減衰器
２４ フィルタ
２５ 反射係数スペクトル表示部
２６ プラズマ特性算出部
３０ プラズマ処理装置
３１ チャンバー
３２ 制御部
Ａ 平面領域
Claims (5)
- 一端がＵ字型に接続された平行な２本の金属線を、所定の平面領域内に屈曲配置して形成されたマイクロ波領域で共振するアンテナであって、長さの異なるアンテナを複数個備え、
各アンテナは厚さが異なる絶縁体からなる絶縁層によりそれぞれ覆われており、
前記アンテナに周波数を掃引しながら高周波パワーを供給し、前記アンテナから反射されるパワーにより得られる反射係数のスペクトルから、前記アンテナに対応する共振周波数を測定可能に構成されたことを特徴とするプラズマの電子密度及び電子温度の測定プローブ。 - 前記絶縁層は、長いアンテナほど厚くなるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマの電子密度及び電子温度の測定プローブ。
- 一端がＵ字型に接続された平行な２本の金属線を、所定の平面領域内に屈曲配置して形成されたマイクロ波領域で共振するアンテナであって、長さの異なるアンテナを複数個備え、
各アンテナは平行な２本の金属線の間隔がそれぞれ異なるように構成されており、
前記アンテナに周波数を掃引しながら高周波パワーを供給し、前記アンテナから反射されるパワーにより得られる反射係数のスペクトルから、前記アンテナに対応する共振周波数を測定可能に構成されたことを特徴とするプラズマの電子密度及び電子温度の測定プローブ。 - 前記アンテナは絶縁体からなる絶縁層により覆われていることを特徴とする請求項３に記載のプラズマの電子密度及び電子温度の測定プローブ。
- 請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載のプラズマの電子密度及び電子温度の測定プローブと、
前記アンテナに、周波数を掃引しながら高周波パワーを供給する高周波発振器と、
前記アンテナから反射されるパワーにより得られる反射係数のスペクトルを測定し、前記アンテナの共振特性を検出する共振スペクトル検出部と、
前記共振スペクトル検出部において検出された共振特性から各アンテナに対応する共振周波数を算出し、当該共振周波数または当該共振周波数における電子密度と電子温度との関係に基づいてプラズマの電子密度及び電子温度を算出するプラズマ特性算出部と、
を備えたことを特徴とするプラズマの電子密度及び電子温度の測定装置。
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