JPH06215893A

JPH06215893A - 高周波励起プラズマの計測装置

Info

Publication number: JPH06215893A
Application number: JP5022106A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見; Masaki Hirayama; 昌樹平山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-01-15
Filing date: 1993-01-15
Publication date: 1994-08-05
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: US5703488A; WO1994016542A1; JP3292531B2; EP0692926A4; EP0692926A1

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、高周波放電プラズマにおいてもプ
ラズマの各パラメータを正確に、且つ簡単に測定可能な
プラズマ測定装置を提供することを目的とする。【構成】真空容器内で所定の周波数の高周波放電によ
り生起されたプラズマの諸量を計測する計測装置におい
て、プラズマ中に設置される第１の電極と、前記真空容
器外部に設けられた信号取り出しのための端子との間を
電気的に接続するための配線と、該配線表面の少なくと
も一部を覆う如く設けられた第１の絶縁体とを有し、前
記第１の電極から前記端子側を見た前記第１の電極と接
地との間の前記所定の周波数におけるインピーダンスの
絶対値が、前記第１の電極に直流電流が流れない状態に
おける前記第１の電極とプラズマとの間の前記所定の周
波数におけるインピーダンスの絶対値の５倍以上となる
よう構成されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高周波励起プラズマの
計測装置に係り、高周波励起プラズマの各プラズマパラ
メータの正確な測定を可能とする計測装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】直流放電で生起される定常プラズマで
は、挿入した微小電極に電圧を印加し、プラズマから流
入する電流量を測定することにより、プラズマの電位、
密度、電子温度等のプラズマパラメータの計測が可能と
なり、ラングミュアらにより１９２０年代に提案された
シングルプローブをはじめ、その後考案された熱電極を
用いたエミッションプローブ、２個の電極を用いるダブ
ルプローブ等がプラズマ計測に使用されてきた。これら
のプローブは、プラズマ電位が時間的に変動しない直流
放電プラズマの計測には有効であるが、高周波放電プラ
ズマの計測に用いるとプラズマの励起周波数の影響を大
きく受け、プラズマパラメータの測定精度は著しく低下
してしまうという問題がある。そして、例えば機能性薄
膜等の成膜環境を正確に把握することが困難となり、高
品質な機能性薄膜開発の大きな妨げとなっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、直流放電プ
ラズマだけでなく高周波放電プラズマにおいてもプラズ
マの各パラメータを正確に、且つ簡単に測定可能なプラ
ズマ測定装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の高周波励起プラ
ズマの計測装置は、真空容器内にて所定の周波数の高周
波放電により生起されたプラズマの諸量を計測する計測
装置において、プラズマ中に設置される第１の電極と、
前記真空容器外部に設けられた信号取り出しの為の端子
との間を電気的に接続するための配線と、該配線表面の
少なくとも一部を覆う如く設けられた第１の絶縁体とを
有し、前記第１の電極から前記端子側を見た前記第１の
電極と接地との間の前記所定の周波数におけるインピー
ダンスの絶対値が、前記第１の電極に直流電流が流れな
い状態における前記第１の電極とプラズマとの間の前記
所定の周波数におけるインピーダンスの絶対値の５倍以
上となるよう構成されていることを特徴とする。

【０００５】前記プラズマ中に第２の電極を設置し、該
第２の電極と前記第１の電極がコンデンサを介して接続
されるよう構成されていることが好ましい。

【０００６】また、前記所定の周波数における前記端子
から前記第１の電極と反対側を見た前記端子と接地との
間のインピーダンスは、可変となるよう構成されている
ことが好ましい。

【０００７】さらに、前記配線のうち少なくとも一部が
同軸ケーブルであり、該同軸ケーブルの外部導体の長さ
が前記所定の周波数における該同軸ケーブル中の波長の
４分の１の奇数倍と略々等しく、該同軸ケーブルの前記
端子側の一端において該同軸ケーブルの心線と外部導体
とがコンデンサを介して設けられることが好ましい。

【０００８】さらにまた、前記配線のうち少なくとも一
部が同軸ケーブルであり、前記第１の電極と該同軸ケー
ブルの心線との間に抵抗器が設けられており、前記端子
の前記所定の周波数の高周波電圧を測定可能な測定装置
を有するのが好ましい。

【０００９】

【作用】以下に、本発明の完成に至る過程で行った実験
をもとに、本発明の作用を説明する。

【００１０】図１２は、従来のシングルプローブを用い
て、直流放電プラズマ及び高周波放電プラズマを測定し
た結果である。横軸はプローブ電極に印加する電圧、左
縦軸はプローブ電極の電流値、右縦軸は電子電流値であ
る。実線、破線はそれぞれ直流放電プラズマ、高周波放
電プラズマに関する測定結果である。ここで、イオンエ
ネルギ解析装置を用いてプラズマ中のイオンエネルギを
測定することにより、直流放電プラズマ及び高周波放電
プラズマ共プラズマ電位が同じ値になるように放電条件
を設定し、プラズマを生起した。

【００１１】図１２が示すように、直流放電プラズマと
高周波放電プラズマの間で、電流電圧特性は全く異なっ
ていることが分かる。直流放電プラズマにおいては、こ
の電流電圧特性から得られる例えばプラズマ電位はイオ
ンエネルギーから求めた値と良く一致した。これに対
し、高周波放電プラズマにおいてはプラズマ電位の平均
値が実際の値よりも３４Ｖも低く、またプラズマ密度に
おいては１／３程度と観測された。

【００１２】これは以下のような理由によるものと考え
られる。すなわち、高周波放電プラズマでは、プラズマ
電位がプラズマの励起周波数で大きく振動している。こ
のようなプラズマ中に挿入されたプローブ電極の電位は
やはり励起周波数で振動するが、従来のプローブでは電
極の電位の振幅及び位相がプラズマ電位の振幅、位相と
異なっている。プローブ電極の電位は、電極の周りにで
きるシースのインピーダンスとプローブ自体のインピー
ダンスにより決まり、プローブ電極に流入する電流量
は、プラズマ電位とプローブ電極電位との差に依存する
ため、プローブ電流値も励起周波数で変動することにな
る。この結果、プローブ電流の平均値のプローブ電極電
位に対する依存性は、図１２に示したように直流放電プ
ラズマの場合と全く異なり、プラズマ電位、密度、電子
温度等のパラメータを正確に抽出することはもはや困難
となる。従って、直流放電プラズマと同様の電流電圧特
性を得るには、プローブ電極電位がプラズマ電位と平行
に同期して振れるようにすれば良いことが分かった。こ
のためには、プローブのインピーダンスをシースのイン
ピーダンスよりも十分大きくすれば良いことが分かる。
次に、プローブインピーダンスとシースのインピーダン
スの関係について説明する。

【００１３】図１３は、プローブ自体のサセプタンスに
対してプラズマ電位（実線）及び電子密度（破線）の測
定値がどのように変化するかを示したものである。測定
に用いたプローブは、励起周波数におけるサセプタンス
を可変できるものであり、損失は十分少ないため電極の
抵抗成分は無視することができる。実際のプラズマ電
位、電子密度は、サセプタンスが０、即ちインピーダン
ス（実際にはリアクタンス）が無限大の場合の測定値と
等しい。図１３より、プローブが容量性（サセプタンス
が正）であっても誘導性（サセプタンスが負）であって
も、サセプタンスが小さい領域でのみプラズマパラメー
タの正確な測定が可能であることが分かる。サセプタン
スの変化に対して最も激しく変化するのは電子密度の測
定値であるが、例えば高機能薄膜を再現性良く安定して
作製するために、実際の電子密度を例えば１０％以下の
精度で測定するためにはサセプタンスの絶対値を０．２
ｍＳ程度以下にしなければならないことが分かる。

【００１４】図１４は、プローブの抵抗値に対して、プ
ラズマ密度の測定値がどのように変化するかを示したも
のである。測定に用いたプローブは抵抗値を可変できる
ものであり、リアクタンス分は無視できるものである。
測定したプラズマの条件は、図１３と同一である。図１
４より、実際のプラズマ密度を１０％以下の精度で測定
するためにはプローブの抵抗値がほぼ５ＫΩ以上でなけ
ればならないことが分かる。これは、プローブのインピ
ーダンスの絶対値が５ＫΩ以上でなければならないとい
う点で、図１３の場合と共通している。すなわち、サセ
プタンス０．２ｍＳは、インピーダンス５ｋΩに相当す
る。また、抵抗成分とリアクタンス成分の両方を可変と
した場合にも、プローブのインピーダンスの絶対値が５
ＫΩ以上であれば、ほぼ正確な測定が可能であることも
確認されている。

【００１５】プローブ電極とプラズマ間のシースの容量
は、シースにかかる電圧、プラズマ密度、プローブ電極
の形状等により変化する。図１３及び図１４の場合、プ
ローブを直流的にフローティングとしたときのシースの
容量は１．５５ｐＦである。図１３及び１４ではプラズ
マの励起周波数として１００ＭＨｚを用いたが、この周
波数で１．５５ｐＦは１．０３ＫΩとなる。従って精度
１０％以下の正確な測定を行うためには、プローブ自体
のインピーダンスの絶対値が５ｋΩ以上であることが必
要なことを考えると、プローブを直流的にフローティン
グにした場合のシース容量のインピーダンスに比べてプ
ローブ自体のインピーダンスは、最低５倍必要であるこ
とになる。

【００１６】一方、従来のシングルプローブは、例えば
図１５に示すように、電極部１５０１は心線を介してＤ
Ｃ電源、電流計等に接続され、心線は金属製のパイプ１
５０３でシールドされており、金属パイプは接地されて
いる。従って、プローブ電極と接地点との間の容量は通
常１００ｐＦ以上あり、インピーダンスは容量性の小さ
なものとなる。これに対し、前述した精度１０％以下の
正確な測定を行うためには、許容できる容量は最大０．
３ｐＦ程度まであり、従来構造のプローブではプラズマ
の正確な測定は全く不可能であることが分かる。同様の
理由により、通常のダブルプローブ、エミッションプロ
ーブ等も高周波放電プラズマの計測には不適切である。

【００１７】ダブルプローブについては、高周波励起プ
ラズマの計測用にプラズマの励起周波数において２本の
プローブが接地に対してフローティングとなるようにロ
ーパスフィルターを用いて構成することが考えられる
が、プローブと接地点との間の寄生容量を小さくするた
めにプローブとチャンバ壁とを遠ざける必要があり、適
用できるチャンバの構造が限定されてしまう。また、プ
ローブをチャンバ外に引き出す部分の製作が非常に難か
しくなる。また、ダブルプローブで用いるローパスフィ
ルターは、励起周波数におけるインピーダンスは、例え
ば、励起周波数が１０ＭＨｚでは最低１００ＫΩ程度と
非常に大きものが必要となり、製作は実際上難かしくな
る。さらに、ダブルプローブで計測できるのは、各プラ
ズマパラメータのうち比較的高い運動エネルギーをもっ
た電子のエネルギー分布のみであり、実用上最も必要と
されるプラズマ電位、密度を測定することができない。

【００１８】以上述べたように、本発明の高周波励起プ
ラズマの計測装置は、プラズマ中に設置される第１の電
極と、真空容器外部に設けられた信号取り出しの為の端
子との間を電気的に接続するための配線と、該配線表面
の少なくとも一部を覆う如く設けられた第１の絶縁体と
を有し、前記第１の電極から前記端子側を見た前記第１
の電極と接地との間の前記所定の周波数におけるインピ
ーダンスの絶対値が、前記第１の電極に直流電流が流れ
ない状態における前記第１の電極とプラズマとの間の前
記所定の周波数におけるインピーダンスの絶対値の５倍
以上となるよう構成されている。従って、高周波放電プ
ラズマ中に設置されたプローブ電極の電位が、高周波放
電プラズマの空間電位の時間変化に正確に追従して変化
するため、高周波放電プラズマ中に設置されたプローブ
電極の電位と、プラズマ電位との差が高周波的にも揺る
ぐことがなく、従来のシングルプローブと同様の測定方
法により正確に且つ簡単にプラズマの各パラメータを測
定できる。また、この計測装置により、直流放電プラズ
マの測定を行えることは言うまでもないことである。

【００１９】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより詳細に説
明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことは
言うまでもない。

【００２０】（実施例１）図１は、本発明の第１の実施
例を示すプラズマ測定装置の一部の断面図である。

【００２１】１０１は、プラズマ中に設置されるプロー
ブ電極であり、例えば直径０．１ｍｍφのタングステン
線である。１０３は、同様にプラズマ中に設置される金
属の電極であり、例えば外径３．４mmφ、内径２．９mm
φのアルミニウムもしくはステンレスのパイプである。
これは、電極１０１とコンデンサ１０４を介して接続さ
れており、直流的にはフローティングとなっている。コ
ンデンサ１０４は、例えば１０００ｐＦから１００００
ｐＦ程度の貫通コンデンサである。貫通コンデンサ心線
電極と電極１０１とは例えばスポット溶接により接続さ
れている。貫通コンデンサの容量をＣ_pとすると、電極
１０３と心線電極のインピーダンスは１／ωＣ_pで与え
られる。

【００２２】絶縁管１０２は、例えば外径１．４ｍｍ、
内径０．４ｍｍのセラミックス管であり、例えば無機系
の接着剤により電極１０３及びコンデンサ１０４に固定
されている。絶縁管１０２と電極１０１との間に比較的
狭く且つ長い隙間を設ければ、プラズマからくる導電物
質は奥まで入り込むことができないため、導電物質が付
着することにより電極１０１と電極１０３が短絡するこ
とを防止することが可能である。

【００２３】１０６は同軸ケーブルであり、例えば外部
導体外径が２．１９ｍｍのセミリジッド同軸ケーブルで
ある。同軸ケーブル１０６の心線の一端は、コンデンサ
１０４の心線電極と接続されている。もう一端は、コン
デンサ１０８を介して同軸ケーブル１０６の外部導体と
接続され、さらに単線１１０と接続されている。同軸ケ
ーブル１０６の長さは、プラズマの励起周波数における
同軸ケーブル１０６中の波長の１／４とほぼ等しい。あ
るいは、この長さの奇数倍であってもよい。例えば、励
起周波数が２００ＭＨｚ、同軸ケーブルの波長短縮率が
０．７の場合、同軸ケーブル１０６の長さは２６．２５
ｃｍとなる。この長さは波長に比例する為、励起周波数
が低いとチャンバ内に入らないこともあり得るが、この
ような場合は、図１において同軸ケーブルの途中から右
の部分を、あるいは同軸ケーブル全体をチャンバの外部
に設置しても一向に問題はない。

【００２４】コンデンサ１０８は、例えば２０００ｐＦ
のチップコンデンサであり、同軸ケーブル１０６の外部
導体と心線との間に４個並列に、計８０００ｐＦの容量
が接続されている。もちろんコンデンサ１０８の個数は
４個でなくてもよい。８０００ｐＦの２００ＭＨｚにお
けるインピーダンスの絶対値は、約０．１Ωであり、こ
のコンデンサにより心線と外部導体は高周波的にほぼ短
絡されている。

【００２５】このように波長の１／４の奇数倍の長さを
持ち、一端が特性インピーダンスより十分小さなインピ
ーダンスの負荷で終端された同軸ケーブルは、もう一端
から見るとインピーダンスがほぼ無限大に見える。即
ち、励起周波数の奇数倍において大きなインピーダンス
を持つフィルタとして動作する。１１１は、同軸ケーブ
ル１０６とコンデンサ１０８とから成るフィルタであ
る。また本プローブは、この部分に同軸ケーブルを用い
たことによりチャンバ内で自由に曲げられるという従来
のプローブには無かった利点を有している。

【００２６】１１０は単線であり、例えば表面にアルミ
ナセラミックスをコーティングされた直径０．５ｍｍφ
のアルミニウム線である。図１には示しいないが、単線
１１０の一端は例えば電流導入端子に接続され、プラズ
マから電極に流れ込む電流はチャンバの外部に引き出さ
れる。この後、例えばローパスフィルタ及び直流電流計
を介して定電圧源と電気的に接続される。もちろん１１
０は必ずしも単線でなくてもよく、電流を流せるもので
あれば一向に問題はない。あるいは、同軸ケーブル１０
６の心線に直接ローパスフィルタ、電流計、定電圧源等
が接続される場合には、単線１１０はなくてもよい。

【００２７】絶縁管１０５は、例えば外径３．８ｍｍ、
内径２．２ｍｍのセラミックス管であり、例えば無機系
の接着剤により同軸ケーブル１０６及び電極１０３に固
定されている。これはプラズマを遮断し、電極１０３と
同軸ケーブル１０６の外部導体を絶縁する目的で設けら
れたものである。絶縁管１０７は、例えばセラミックス
管であり、プラズマと同軸ケーブル１０６の外部導体と
を電気的に遮断する目的で設けられたものである。この
例では、同軸ケーブル１０６を曲げられるよう、内径が
同軸ケーブル１０６の外径より多少大きな絶縁管をいく
つか用いている。絶縁体１０９は、例えば無機系の充填
材であり、プラズマを電気的に遮断する目的で設けられ
たものである。もちろん絶縁管１０７及び絶縁体１０９
は、その周辺にプラズマが存在しないのであれば設ける
必要はない。また絶縁管１０７は、その周辺にプラズマ
が存在する場合であっても同軸ケーブル１０６がプラズ
マと接触しても問題がなければ設ける必要はない。１０
７、１０９をセラミックスコーティングにすることも有
り得る。このときは、比較的自在に同軸ケーブルは曲げ
られるから、切れ目をいれる必要はない。

【００２８】図２は、実施例１のプラズマ測定装置の高
周波等価回路である。２０１、２０２、２０３及び２０
４は、それぞれ電極１０１、電極１０３、フィルタ１１
１及び単線１１０に相当する。Ｖ_pはプラズマ空間電
位、Ｚ_s1、Ｚ_s2はそれぞれ電極１０１及び１０３の周り
にできるシースのインピーダンスである。実際には、電
極１０１と電極１０３の間にコンデンサ１０４が存在す
るが、Ｚ_s2と比べインピーダンスが十分小さいので無視
した。従って２０１と２０２は高周波的には同電位にあ
る。単線１１０の一端はコンデンサで終端されたローパ
スフィルタに接続されており、高周波的に接地されてい
る。

【００２９】高周波放電プラズマの各パラメータを正確
に測定する為には、プラズマの空間電位とプローブ電極
の電位が平行に振れる必要があり、プローブのインピー
ダンスの絶対値がシースのインピーダンスの絶対値より
も十分大きくなければならない。

【００３０】本プローブは、電極１０１の他にプラズマ
と接する面積が比較的大きな電極１０３が設けられてい
る為、シースのインピーダンスは従来のプローブよりも
十分小さくなっている。シースのインピーダンスＺ_sは
次のように表される。

【００３１】Ｚ_s＝Ｚ_s1×Ｚ_s2／（Ｚ_s1＋Ｚ_s2）（１）例えばＺ_s2はＺ_s1の０．１６倍であり、Ｚ_sはＺ_s1の
０．１４倍である。これに対し、従来のプローブでは１
０１に相当する電極しか存在しない為、シースのインピ
ーダンスはＺ_s1程度である。両者の差は明かである。

【００３２】シースのインピーダンスを小さくするに
は、単に電極１０１の表面積を大きくすることも考えら
れるが、これでは電極１０１に多量の直流電流が流れる
為、測定自体がプラズマを乱すことになる。本プローブ
では、電極１０３は電極１０１とコンデンサを介して接
続されており、電極１０３には直流電流が流れないとこ
ろに特徴がある。直流電流は表面積の小さな電極１０１
を通して流れるのみであるので、プラズマを乱すことは
殆どない。

【００３３】本プローブは、シースのインピーダンスが
小さいだけではなく、フィルタ１１１が設けられている
ことにより励起周波数におけるプローブのインピーダン
スが大きいという特徴を持つ。例えば、励起周波数の２
００ＭＨｚにおけるフィルタ１１１のインピーダンスの
絶対値は６．２ｋΩである。単線１１０のリアクタンス
は１６０Ωであり、電極１０１の接地に対するインピー
ダンスの絶対値は、確実に６ｋΩ以上となっている。こ
れに対し従来のプローブでは、２００Ω程度以下であ
る。

【００３４】この２つの特徴を有することにより、例え
ば本プローブのインピーダンスの絶対値はシースのイン
ピーダンスの絶対値の１０５倍程度もあり、各プラズマ
パラメータの非常に正確な測定が行える。次にその例を
示す。

【００３５】図３は、プローブの直流の電流電圧特性を
示したものである。横軸はプローブに外部から印加する
電圧、左縦軸はプローブの電流値、右縦軸は電子電流値
であり、実線Ａ，Ｂ及び破線Ｃ，Ｄはそれぞれ本実施例
のプローブ、及び従来のシングルプローブの測定結果で
あり、Ａ，Ｃはプローブ電流、Ｂ，Ｄは電子電流であ
る。両者のプラズマの条件は全く同一であるが、従来の
シングルプローブの方が３０Ｖ程度も電圧が低い方にシ
フトしており、電子電流が電圧の増加とともに飽和する
以前の直線にのるべき部分の範囲が狭いことが分かる。
プラズマ電位とプローブ電極の電位が平行に振れる程、
電流電圧特性は電圧が大きい方にシフトし、各プラズマ
パラメータの正確な測定が可能になることが分かってい
る。また、イオンエネルギーの分析という全く別の測定
方法によって求められた同一プラズマのプラズマ電位は
２４Ｖであり、本実施例のプローブによる測定結果と一
致している。これらのことから、従来のプローブでは全
く不正確であった高周波励起プラズマの測定が、本プロ
ーブを用いることにより正確に測定できることが証明さ
れた。

【００３６】次に、図１のＢ部の変形例について述べ
る。図１の同軸ケーブル１０６の外部導体はフローティ
ングであるが、接地されていても一向に問題はない。こ
うした場合、図１において１０６の１１０側の一端はそ
のまま接地され、単線１１０のインピーダンスを考慮す
る必要がなくなる。

【００３７】また、コンデンサ１０８を付けずに、コン
デンサ１０８が付いている側の同軸ケーブル１０６の外
部導体と心線を短絡させてもよい。こうすると更に高い
周波数まで使用することが可能となり、構造も簡単にな
る。ただしこの場合は、外部導体を直流的にフローティ
ングにする必要がある。従って、外部導体を接地する場
合はコンデンサを介して接地する必要があり、またプラ
ズマから外部導体に電流が流れ込まないよう完全にプラ
ズマを遮断する必要がある。

【００３８】次に、図１のＡ部の変形例を図４に示す。
４０１は、電極１０１に相当するプラズマ中に設置され
た電極であり、例えば直径０．１ｍｍのタングステン線
である。４０３はプラズマ中に設置された電極であり、
例えば直径２２ｍｍ、厚さ０．８４ｍｍの銅の円盤であ
る。これは、プラズマに触れる部分が絶縁膜４０４で被
われている。絶縁膜４０４は，例えばアルミナセラミッ
クスであり、膜厚は例えば１２０ｎｍ程度である。４０
３は４０１と導通されている。４０２、４０５及び４０
６はそれぞれ絶縁管１０２、絶縁管１０５及び同軸ケー
ブル１０６と同じものである。電極４０１と電極４０３
は例えばスポット溶接により、同軸ケーブル４０６の心
線と電極４０３は例えば半田により接続されている。

【００３９】電極４０３は電極４０１と導通している
が、絶縁膜４０４で覆われているためプラズマとの間に
直流電流は流れない。ところが、絶縁膜４０４はコンデ
ンサとして働き、高周波電流は流すことができる。従っ
て、電極４０３を設けることにより高周波における電極
の周りにできるシースのインピーダンスを小さくするこ
とができる。つまり電極４０３は、図１の電極１０３と
同様の働きをしており、高周波等価回路は図２と全く同
様になる。図４に示すプローブの特徴は、電極４０１と
電極４０３の間にコンデンサを用いていない為、構造が
単純であること、及びより高い周波数まで使用できるこ
とである。

【００４０】次に、図１のＡ部の第２変形例を図５に示
す。図１と同じ部分は省略してある。５０２、５０３、
５０４はそれぞれ絶縁管１０２、絶縁管１０５、同軸ケ
ーブル１０６に相当する。絶縁管５０２と絶縁管５０
３、及び絶縁管５０３と同軸ケーブル５０４は、例えば
無機系の接着剤により固定されている。５０１はプラズ
マ中に設置された電極であり、例えば同軸ケーブル５０
４の心線である。もちろん、他の導電材料を心線に接続
して電極としてもかまわない。

【００４１】図５のプローブは、図１の電極１０３に相
当する電極が存在せず、シースのインピーダンスは従来
のプローブと同程度である。しかし、電極のインピーダ
ンスの絶対値がシースのインピーダンスの絶対値の５倍
以上あれば、正確な測定が可能である。本実施例では、
励起周波数の２００ＭＨｚにおいて電極のインピーダン
スの絶対値はシースのインピーダンスの絶対値の１５倍
程度である。しかし、図１と比較すると当然マージンが
小さく、励起周波数の変動、温度変化等によるフィルタ
の特性の変化に対しては弱い。構造は非常に単純である
ため、製作は容易である。

【００４２】（実施例２）次に、実施例１の変形例を図
６に示す。これは、図１のＢ部とＣ部との間に新たに
Ｂ’部を設けたものである。６０１、６０２は同軸ケー
ブルであり、例えば直径２．１９ｍｍのセミリジッド同
軸ケーブルである。６０１、６０２の外部導体の長さ
は、それぞれ励起周波数における同軸ケーブル中の波長
の１／４、１／８に等しい。あるいは、この長さの奇数
倍であっても問題はない。６０３、６０４は１０８に相
当するコンデンサであり、例えば高周波特性に優れたチ
ップコンデンサである。６０５は絶縁管１０７に相当す
る。６０６は、絶縁管であり、例えば内径４ｍｍ、外径
５ｍｍのセラミックス管である。これはプラズマを遮断
する目的と、同軸ケーブル６０１、６０２を接続する目
的で設けられたものである。

【００４３】６０７は同軸ケーブル６０１とコンデンサ
６０３とからなり、６０８は同軸ケーブル６０２とコン
デンサ６０４とからなるフィルタとして動作する。フィ
ルタ６０７と６０８の違いは、フィルタとして動作する
周波数が違うことである。フィルタ６０７は、すでに説
明したように、励起周波数とその奇数倍の周波数におい
てインピーダンスが大きくなる。これに対し、フィルタ
６０８は励起周波数の２倍の周波数の奇数倍、即ち励起
周波数の偶数倍の周波数においてインピーダンスが大き
くなる。プラズマの空間電位は、一般には正弦波で振動
しているわけではなく高調波成分が含まれている。従っ
てプローブ電極がプラズマ電位と完全に平行に振れるた
めには、励起周波数だけではなく高調波成分に対するプ
ローブ電極のインピーダンスも大きくなければならな
い。そこで、図６のようにフィルタ６０７と６０８を直
列に接続することにより、すべての高調波の周波数成分
に対してインピーダンスを大きくすることができる。図
６に示すプローブは、プラズマ電位の振動に高調波成分
が乗っている場合には、実施例１のプローブよりも更に
正確な測定が可能である。

【００４４】次に、本実施例の変形例について述べる。
図６において、フィルタ６０７と６０８は配置順序が逆
でも全く問題はない。また、インピーダンスを大きくす
る目的で、フィルタ６０７またはフィルタ６０８を直列
に複数接続してもよい。もちろん配置順序に限定はな
い。

【００４５】また、例えば励起周波数が複数存在するよ
うなプラズマを測定するために、同軸ケーブルの外部導
体の長さが各励起周波数における同軸ケーブル中の波長
の１／４の奇数倍、あるいは１／８の奇数倍となってい
るフィルタを、直列に複数接続してもよい。

【００４６】さらに、絶縁管６０６はプラズマを遮断で
きるものであれば他のものでもよい。もちろんこの部分
にプラズマが存在しなければあえて設置する必要はな
い。また、図６において同軸ケーブル６０１と６０２は
直線的にかいてあるが、もちろん同軸ケーブルは曲げて
もよく、接続部分も任意の角度でよい。同軸ケーブル６
０１と６０２の接続部において、心線と心線の間に別の
配線を設けても差し支えない。

【００４７】図６においてＡ部以外の任意の箇所から右
部をチャンバの外部に設置して良い。また、実施例１で
述べた変形例は本実施例でも用いることができる。

【００４８】（実施例３）図７に、図１のＢ部及びＣ部
を変形したプローブを示す。同軸ケーブル７０１は、例
えば外部導体外径が２．１９ｍｍ、外部導体長が１９２
ｍｍのセミリジッド同軸ケーブルである。同軸ケーブル
７０１の右端には、コネクタ７０３が接続されている。
７０２は絶縁管１０７に相当する。電流導入端子７０４
は、両端にコネクタが付いたものであり、チャンバ壁に
固定されている。７０６は、コネクタ７０５から７０６
側を見たインピーダンスを広範囲に可変にできる回路で
ある。

【００４９】７０６の内部回路を、図８に示す。図８の
Ｖ_rf、Ｖ_dcは、それぞれコネクタ７０５の心線の電位、
プローブ電極に印加する直流電位を表す。Ｃ₁、Ｃ₂は、
最大容量がそれぞれ４０ｐＦ、５０ｐＦの可変コンデン
サであり、Ｌ₁、Ｌ₂はそれぞれ４２ｎＨ、２４ｎＨのイ
ンダクタである。Ｃ₃及びＬ₃はそれぞれ２０００ｐＦの
コンデンサ、１．４μＨのインダクタであり、これらに
よりローパスフィルタが形成される。Ｖ_rfと接地間のイ
ンピーダンスは、Ｃ₂またはＣ₁の容量を変化することに
より変えることができる。例えば、Ｃ₁を２４ｐＦに固
定してＣ₂のみを可変とした場合、１００ＭＨｚにおけ
るインピーダンスは、−１５．５Ωから６０．５Ωまで
連続的に設定できる。回路の構成は、目的とするインピ
ーダンスの範囲により様々である。図８に示したのはほ
んの一例に過ぎず、もちろん他の回路でもかまわない。

【００５０】次に、７０６に示すインピーダンス可変回
路を持ち込んだプローブの優れた特徴について述べる。

【００５１】図９は、プローブを直流的にフローティン
グとしたときのプローブ電極の電位と、プローブ電極と
接地間のサセプタンスの関係の一例を示したものであ
る。この場合、励起周波数におけるプローブの電力損失
は小さく無視できる。図９のうち黒丸と実線は実測値、
破線は計算値である。計算値は、図１０に示す高周波等
価回路を用いて求められたものである。ｖ_p，ｖは、そ
れぞれプラズマ電位、プローブ電極電位である。プラズ
マとプローブ電極間には抵抗Ｒ_Pと容量Ｃ_Sが直列に入っ
ており、ｖ_plは、プラズマとＲ_pを介してつながった部
分の電位である。ｒ＋ｊｘは、プローブのインピーダン
スである。ｖ_p，ｖ_pl及びｖを次のように表す。ここで、Ｖ_p，Ｖ_pl，Ｖはそれぞれｖ_p，ｖ_pl，ｖの振幅
であり、はそれぞれｖ_p，ｖ_pl，ｖの平均値である。φ、ψは、
それぞれｖ_pとｖ_pl，ｖ_plとｖの位相差である。Ｖ_pl及
びＶを、Ｖ_pを用いて表すとである。

【００５２】シースにかかる電圧により、シースの厚さ
は変化し、それにともないキャパシタンスＣ_sも変化す
る。イオンシースの場合、シースの厚さは、シースにか
かる電圧のｎ１乗に比例し、電子シースの場合には、ｎ
２乗に比例するといわれている。ｎ１、及び、ｎ２は図
９の実測値からフィッティングによって求められる定数
である。プローブのフローティング電圧と、そのときの
シースキャパシタンス、及びプローブの電流電圧特性か
ら求められる定数ｄを用いて、Ｃ_sを次のように表す。Ｒ_p及びＶ_plは図９の実測値からフィッティングによっ
て求め、は、サセプタンス０におけるプラズマ電位の実測値とす
る。ｖを定めると、式（１）から式（６）よりｖ_pl及び
ｖが求められる。プローブ電極には、ｖ_pl，ｖまたはに依存した次のような伝導電流ｉが流れる。

【００５３】電子電流ｉ_eは、高周波変動に追従し、と表される。ここでＡは、プローブの電流電圧特性から
求められる定数である。イオン電流ｉ_iは、高周波に追
従せず、平均電圧に従うとする。と表される。ここでＬ及びＭはプローブの電流電圧特性
から求められる定数である。伝導電流の平均値は，ｉ_e
＋ｉ_iを時間積分すれば得られる。このようにして高周
波放電プラズマにおけるプローブの電流電圧特性が計算
され、フローティング電圧を求めることができる。プロ
ーブのインピーダンスを変えて計算を行うことにより、
図９において点線で示した特性が得られる。

【００５４】ところで、図９をみると実測値と計算値は
非常によく一致している。これは、既に述べたモデルが
妥当なものであり、及びｎ１、ｎ２のフィッティングパ
ラメータの値が正確であることを意味している。すなわ
ち、本実施例のプローブを用いて、プローブの電流電圧
特性のサセプタンス依存性を測定することにより、プラ
ズマ電位、密度、電子温度だけでなく、プラズマ電位の
振幅、及びシースのインピーダンス等の高周波放電プラ
ズマ特有のパラメータも正確に求めることが可能とな
る。

【００５５】本実施例のプローブは、このような使用方
法の他に実施例１、２と同じようにプローブ電極のイン
ピーダンスを大きくして用いることもできる。しかも、
インピーダンス可変回路が設置されているため励起周波
数が変化しても如何様にも対応できる。例えば本実施例
では、インピーダンス可変回路中の可変コンデンサを調
整することにより、８４ＭＨｚから１５８ＭＨｚまでの
すべての周波数においてプローブのインピーダンスの絶
対値を６ｋΩ程度以上とすることができる為、この範囲
の励起周波数において正確な測定が可能である。１つの
インピーダンス可変回路では周波数の範囲は限られてし
まうが、複数用意しておき周波数の範囲に応じてインピ
ーダンス可変回路のみを付け変えることにより、原理的
にはすべての周波数をカバーすることができる。また、
励起周波数、あるいはその周波数におけるプローブ電極
のインピーダンスは正確に分からなくてもよい。図９を
見れば明らかなように、サセプタンスが０、すなわちイ
ンピーダンスが無限大の時プローブ電圧は最大値をとる
からプローブのフローティング電圧が最大値をとるよう
にインピーダンスを調整すればよいのである。

【００５６】次に、本実施例の変形例に付いて述べる。
図７では、同軸ケーブル７０１とインピーダンス可変回
路７０６は電気的につながっていればよく、７０３〜７
０５の部分は図７以外の構造でも全く問題はない。ま
た、実施例１で説明した変形例は本実施例でも用いるこ
とができる。

【００５７】（実施例４）今まで述べてきたプローブ及
び従来のプローブは、電流電圧特性を測定し、その結果
からプラズマパラメータの値を抽出していた。図１１に
示す本実施例のプローブは、直接プラズマ電位の振動波
形及び振幅を測定できる画期的なものである。

【００５８】１１０１は、プラズマ中に設置された電極
である。例えば、線間隔が０．４ｍｍ、線直径が０．３
ｍｍであり、ほぼ１辺が２８ｍｍの正方形の形状をした
ステンレススチールの金網である。もちろん電極の形状
は任意でよく、特に金網である必要もない。１１０２は
抵抗であり、１１０１とは例えばスポット溶接により、
同軸ケーブル１１０３の心線とは例えば半田により接続
されている。１１０２は、例えば４５０Ωの金属皮膜抵
抗である。１１０３は、一端にコネクタ１１０６が接続
された同軸ケーブルであり、例えば外部導体外径が２．
１９ｍｍのセミリジッド同軸ケーブルである。電流導入
端子１１０７は、両端にコネクタが付いたものであり、
チャンバ壁に固定されている。１１０９は、高周波電圧
を測定できる装置であり、例えば入力インピーダンスが
５０Ωのオシロスコープである。もちろん、サンプリン
グオシロスコープ、周波数アナライザ−等高周波電圧を
測定できる装置であれば差し支えない。測定装置１１０
９と電流導入端子１１０７は、両端にコネクタが付いた
同軸ケーブル１１０８で接続されている。１１０４、１
１０５は絶縁管であり、例えばセラミックス管である。
これらはプラズマを遮断する目的で設けられたものであ
るが、絶縁管１１０５はなくてもよい。

【００５９】プラズマ電位の振動波形を正確に測定する
には、電極１１０１の電位がプラズマ電位と平行に同期
して振れる必要がある。この為、電極１１０１と接地間
のインピーダンスを大きくする必要があり、本実施例の
プローブでは抵抗器１１０２が設けられている。更に、
シースのインピーダンスを小さくする必要性から電極１
１０１の面積が比較的大きくなっている。

【００６０】同軸ケーブル１１０３の心線のうち抵抗１
１０２側の一端をＤ点とする。測定装置１１０９は、Ｄ
点の電位と等しい電位を測定する。Ｄ点の電位は、電極
１１０１の電位を抵抗器１１０２とＤ点から測定装置１
１０９側を見たインピーダンスとで分割した値となる。
例えば、抵抗器１１０２が４５０Ω、Ｄ点から測定装置
１１０９側を見たインピーダンスが５０Ωの場合は、電
極１１０１の電位の１／１０の電位を測定することにな
る。

【００６１】次に、本実施例のプローブの変形例を示
す。図１１で、同軸ケーブル１１０１と測定装置１１０
９は電気的につながっていればよく、１１０６〜１１０
８の部分は図１１以外の構造でも全く問題はない。

【００６２】また、Ｄ点から測定装置１１０９側を見た
インピーダンスが容量性である場合には、抵抗器１１０
２の代わりにコンデンサを用いてもよい。例えば、Ｄ点
から測定装置１１０９迄の長さが励起周波数における波
長より十分短い場合には、測定装置１１０９に高入力イ
ンピーダンスのものを用いると、Ｄ点から測定装置１１
０９側を見たインピーダンスが比較的大きな容量性とな
る。この場合は、抵抗器１１０２の代わりにコンデンサ
を用いて電極１１０１の電位を分圧すればよい。また、
本実施例のようにオシロスコープが接続され、波形を調
べる構成になっている場合で、Ｄ点から測定装置１１０
９側を見たインピーダンスが、シースのインピーダンス
よりも３倍程度以上大きい場合には、Ｄ点を直接電極１
１０１に接続してもよい。

【００６３】さらに、電極１１０１と抵抗器１１０２の
間にインピーダンス変換回路を挿入してもよい。インピ
ーダンス変換回路は、電極１１０１側即ち入力側のイン
ピーダンスが出力側のインピーダンスよりも大きいもの
であり、例えば演算増幅器を用いた電圧ホロア回路であ
る。図１１に示すプローブでは、抵抗器１１０２を余り
大きくすると測定装置１１０９が測定する電圧が小さく
なり、また、抵抗器自身の寄生容量も無視できなくな
る。この為、電極のインピーダンスを極端に大きくする
ことは不可能である。これに対し、インピーダンス変換
回路を用いたプローブでは、インピーダンス変換回路の
入力インピーダンスに応じて電極のインピーダンスを大
きくすることが可能である。構造的には複雑になるが、
精度が高い、周波数帯域が広い、電極１１０１を小さく
ができるなどの利点を有している。

【００６４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のプラズマ計
測装置により、従来はほとんど不可能であった高周波励
起プラズマの計測を、正確に、且つ簡単に行うことが可
能となる。すなわち、平均電位、電位の振動波形、プラ
ズマの密度等の測定はがじめて可能になり、高周波励起
プラズマの解析に非常に有効である。特に、高周波励起
プラズマを用いた各種薄膜の形成、パターンエッチング
等のプロセス装置において有効である。こうしたプラズ
マプロセスにおいて最も重要な量は、成膜やエッチング
を行う基板表面に照射するイオンのエネルギーであり、
この照射イオンエネルギーをそれぞれのプロセスに最適
の値に制御することが、プロセス高品質化の必要条件で
あるが、プラズマ電位が正確に測定できることにより、
照射イオンエネルギーも正確に制御することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１を示す概略断面図である。

【図２】実施例１の高周波等価回路を示す回路図であ
る。

【図３】実施例１及び従来例の電流電圧特性を示すグラ
フである。

【図４】実施例１の変形例を示す概略断面図である。

【図５】実施例１の他の変形例を示す概略断面図であ
る。

【図６】実施例２を示す概略断面図である。

【図７】実施例３を示す概略断面図である。

【図８】実施例３のインピーダンス等価回路を示す回路
図である。

【図９】実施例３のフローティング電位とサセプタンス
の関係を示すグラフである。

【図１０】実施例３の高周波等価回路を示す回路図であ
る。

【図１１】実施例４を示す概略図である。

【図１２】従来例のプローブ電流、電子電流とプローブ
電圧との関係を示すグラフである。

【図１３】従来例のリアクタンスを可変可能なプローブ
を用いてプラズマを測定した結果を示すグラフである。

【図１４】従来例のレジスタンスを可変可能なプローブ
を用いてプラズマを測定した結果を示すグラフである。

【図１５】従来のシングルプロ−ブを示す概念図であ
る。

【符号の説明】

１０１電極、１０２絶縁管、１０３電極、１０４コンデンサ、１０５絶縁管、１０６同軸ケーブル、１０７絶縁管、１０８コンデンサ、１０９絶縁体、１１０単線、１１１フィルタ、２０１電極、２０２電極、２０３フィルタ、２０４単線、４０１電極、４０２絶縁管、４０３電極、４０４絶縁膜、４０５絶縁管、４０６同軸ケーブル、５０１電極、５０２絶縁管、５０３絶縁管、５０４同軸ケーブル、６０１、６０２同軸ケーブル、６０３、６０４コンデンサ、６０５絶縁管、６０６絶縁管、６０７、６０８フィルタ、７０１同軸ケーブル、７０２絶縁管、７０３コネクタ、７０４電流導入端子、７０５コネクタ、７０６インピーダンス可変回路、１１０１電極、１１０２抵抗、１１０３同軸ケーブル、１１０４絶縁管、１１０５絶縁管、１１０６コネクタ、１１０７電流導入端子、１１０８同軸ケーブル、１１０９高周波電圧測定装置、１５０１電極、１５０２絶縁物、１５０３金属パイプ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内で所定の周波数の高周波放電
により生起されたプラズマの諸量を計測する計測装置に
おいて、プラズマ中に設置される第１の電極と、前記真
空容器外部に設けられた信号取り出しのための端子との
間を電気的に接続するための配線と、該配線表面の少な
くとも一部を覆う如く設けられた第１の絶縁体とを有
し、前記第１の電極から前記端子側を見た前記第１の電
極と接地との間の前記所定の周波数におけるインピーダ
ンスの絶対値が、前記第１の電極に直流電流が流れない
状態における前記第１の電極とプラズマとの間の前記所
定の周波数におけるインピーダンスの絶対値の５倍以上
となるよう構成されていることを特徴とする高周波励起
プラズマの計測装置。
【請求項２】前記プラズマ中に第２の電極を設置し、
該第２の電極と前記第１の電極がコンデンサを介して接
続されるよう構成されていることを特徴とする請求項１
に記載の高周波励起プラズマの計測装置。
【請求項３】前記所定の周波数における前記端子から
前記第１の電極と反対側を見た前記端子と接地との間の
インピーダンスが、可変となるよう構成されていること
を特徴とする請求項１または２に記載の高周波励起プラ
ズマの計測装置。
【請求項４】前記配線のうち少なくとも一部は、同軸
ケーブルであり、該同軸ケーブルの外部導体の長さが前
記所定の周波数における該同軸ケーブル中の波長の４分
の１の奇数倍と略々等しく、該同軸ケーブルの前記端子
側の一端において該同軸ケーブルの心線と外部導体とが
コンデンサを介して接続されていることを特徴とする請
求項１〜３のいずれか１項に記載の高周波励起プラズマ
の計測装置。
【請求項５】前記配線のうち少なくとも一部が同軸ケ
ーブルであり、前記第１の電極と該同軸ケーブルの心線
との間に抵抗器が設けられており、前記端子の前記所定
の周波数の高周波電圧を測定可能な測定装置を有してい
ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載
の高周波励起プラズマの計測装置。