(57)【要約】【課題】プラズマ処理装置の処理容器内の金属面とプラズマとの間を伝搬する金属表面波を計測する。【解決手段】金属表面波計測装置１０００は、電磁波によりガスを励起させて基板Ｇをプラズマ処理するプラズマ処理装置２０００に設けられ、処理容器内部の金属とプラズマとの間を伝搬する金属表面波を計測する。金属表面波計測装置１０００は、プラズマに近接して設けられた金属からなるプローブ１００５ａ、１００５ｂ、１００５ｃと、プローブ１００５ａ、１００５ｂ、１００５ｃに電気的に接続されたオシロスコープ１０３０と、を有する。【選択図】図３
2010140679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置に設けられ、処理容器内部の金属部材とプラズマとの間を伝搬する金属表面波を計測する金属表面波計測装置であって、
前記金属部材及びプラズマに近接して設けられた金属からなるプローブと、
前記プローブに電気的に接続された電磁波計測手段と、を備える金属表面波計測装置。
【請求項２】
前記金属のプローブの周囲には、第１の誘電体を介して前記金属のプローブと絶縁された状態にて前記金属部材が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の金属表面波計測装置。
【請求項３】
前記プローブと前記プラズマとの間には、第２の誘電体が設けられていることを特徴とする、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の金属表面波計測装置。
【請求項４】
前記第２の誘電体のプラズマ側の面と、前記第２の誘電体が近接する前記処理容器のプラズマ側の金属面とは、概ね同一面上に配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の金属表面波計測装置。
【請求項５】
前記プローブと前記電磁波計測手段との間には、同軸線路が設けられていることを特徴とする、請求項１〜４に記載の金属表面波計測装置。
【請求項６】
前記電磁波計測手段は、前記プローブの計測結果に基づき、電圧の振幅、位相、波形、スペクトルの何れかを測定することを特徴とする、請求項１〜５に記載の金属表面波計測装置。
【請求項７】
複数の前記プローブが配置され、
前記電磁波計測手段は、前記複数のプローブの計測結果に基づき、位相差または振幅比の少なくとも何れかから金属表面波の波長、伝搬定数、減衰定数及び位相定数の少なくとも何れかを測定することを特徴とする、請求項１〜６に記載の金属表面波計測装置。
【請求項８】
電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置に設けられた処理容器内部の金属とプラズマとの間を伝搬する金属表面波を計測する方法であって、
プラズマに近接して設けられた金属からなるプローブを用いて前記金属表面波を計測し、
前記計測結果を前記プローブに電気的に接続された電磁波計測手段に伝え、
前記伝えられた計測結果に基づき前記電磁波計測手段を用いて電圧の振幅、位相、波形、スペクトルの少なくとも何れかを測定する金属表面波計測方法。
【請求項９】
複数の前記プローブを用いて計測した結果に基づき、前記電磁波計測手段を用いて位相差または振幅比の少なくとも何れかから金属表面波の波長、伝搬定数、減衰定数又は位相定数の少なくとも何れかを測定することを特徴とする、請求項８に記載の金属表面波計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置用の計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を用いて生成されるプラズマのうち、マイクロ波プラズマは、誘電体板を介してマイクロ波を減圧状態の処理室内に導入することにより発生される。マイクロ波プラズマ処理装置では、プラズマの電子密度ｎｅが、カットオフ密度ｎｃよりも高い場合、マイクロ波は、プラズマ内に入り込むことができず、誘電体板とプラズマとの間を伝搬する。伝搬中、マイクロ波の一部は、エバネッセント波としてプラズマに吸収され、プラズマの維持に使われる。このようにして、誘電体板とプラズマとの間を伝搬するマイクロ波は、たとえば、誘電体表面波と言われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、低周波数のマイクロ波をプラズマ処理装置に供給した場合、誘電体板とプラズマとの間を伝搬する誘電体表面波だけでなく、処理容器内面の金属面とプラズマとの間を伝搬する表面波（以下、金属表面波（導体表面波）という）が発生する。金属表面波は、プラズマの電子密度がカットオフ密度ｎｃの２倍より低いと伝搬することができない。カットオフ密度ｎｃは電磁波の周波数の二乗に比例するので、金属表面波は周波数が低く、電子密度が高くないと伝搬することができない。さらに、金属表面波は、周波数が低いほど減衰しにくい特徴がある。
【０００４】
プラズマの生成に一般的に用いられている２４５０ＭＨｚの周波数においては、カットオフ密度ｎｃの値が７．５×１０１０ｃｍ−３となり、電子密度が１．５×１０１１ｃｍ−３以上でないと金属表面波が伝搬しない。たとえば、表面付近の電子密度が１×１０１１ｃｍ−３程度の低密度プラズマでは、金属表面波は全く伝搬しない。電子密度がもっと高い場合でも、減衰が大きいため金属表面波の伝搬があまり問題にならないことが多い。一方、たとえば９１５ＭＨｚの周波数では、表面付近の電子密度が１×１０１１ｃｍ−３程度の低密度プラズマでも金属表面波が処理室の内面を長く伝搬する。
【０００５】
よって、低周波の電磁波を利用してプラズマ処理を実行する場合には、誘電体表面波だけでなく金属表面波の伝搬を制御するための装置設計が必要となる。その際、金属表面波の伝搬状態を直接計測する装置があれば、実際の金属表面波の伝搬状態を知ることができ、その伝搬状態に基づきプラズマ処理装置の設計を適正化することができる。この結果、電子温度が低く、電子密度が高くて均一なプラズマを安定して生成することができる。
【０００６】
そこで、本発明は、被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置の処理容器内の金属面とプラズマとの間を伝搬する金属表面波の伝搬状態を計測する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置に設けられ、処理容器内部の金属部材とプラズマとの間を伝搬する金属表面波を計測する金属表面波計測装置であって、前記金属部材及びプラズマに近接して設けられた金属からなるプローブと、前記プローブに電気的に接続された電磁波計測手段と、を備える金属表面波計測装置が提供される。
【０００８】
これによれば、金属からなるプローブにより、金属表面波の伝搬状態を正確に計測することができる。計測結果は、プローブに電気的に接続された電磁波計測手段に伝えられる。電磁波計測手段は、伝えられた計測結果に基づき、たとえば金属表面波の電圧の振幅、位相、波形、スペクトル等を測定する。このようにして、金属表面波の伝搬状態を直接計測することにより、その結果からプラズマ処理装置の特に電極周りの設計の最適化を図ることができる。これにより、最適化されたプラズマ処理装置を用いて低電子温度、高電子密度かつ均一性の高いプラズマを生成することができる。この結果、ダメージの少ないプラズマ処理を実行することができる。
【０００９】
前記金属のプローブの周囲には、第１の誘電体を介して前記金属のプローブと絶縁された状態にて前記金属部材が設けられていてもよい。
【００１０】
前記プローブと前記プラズマとの間には、第２の誘電体が設けられていてもよい。
【００１１】
前記第２の誘電体のプラズマ側の面と、前記第２の誘電体が近接する前記処理容器内部プラズマ側の金属面とは、概ね同一面上に配置されていてもよい。
【００１２】
前記プローブと前記電磁波計測手段との間には、同軸線路が設けられていてもよい。
【００１３】
前記電磁波計測手段は、前記プローブの計測結果に基づき、電圧の振幅、位相、波形、スペクトルの何れかを測定してもよい。
【００１４】
複数の前記プローブが配置され、前記電磁波計測手段は、前記複数のプローブの計測結果に基づき、位相差または振幅比の少なくとも何れかから金属表面波の波長、伝搬定数、減衰定数及び位相定数の少なくとも何れかを測定してもよい。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置に設けられた処理容器内部の金属とプラズマとの間を伝搬する金属表面波を計測する方法であって、プラズマに近接して設けられた金属からなるプローブを用いて前記金属表面波を計測し、前記計測結果を前記プローブに電気的に接続された電磁波計測手段に伝え、前記伝えられた計測結果に基づき前記電磁波計測手段を用いて電圧の振幅、位相、波形、スペクトルの少なくとも何れかを測定する金属表面波計測方法が提供される。
【００１６】
前記金属表面波計測方法では、複数の前記プローブを用いて計測した結果に基づき、前記電磁波計測手段を用いて位相差または振幅比の少なくとも何れかから金属表面波の波長、伝搬定数、減衰定数、位相定数、伝搬定数の少なくとも何れかを測定してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置の処理容器内の金属面とプラズマとの間を伝搬する金属表面波を計測することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１実施形態）
以下に添付図面を参照しながら、まず、本発明の第１実施形態にかかるプラズマ処理装置について、本装置の縦断面を模式的に示した図１（図２の断面Ｏ−Ｏ）および処理容器の天井面を示した図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の構成及び機能を有する構成要素については、同一符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１９】
（プラズマ処理装置の構成）
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は本装置の縦断面図を模式的に示す。図１は、図２の２−Ｏ−Ｏ’−２断面を示している。図２は、マイクロ波プラズマ処理装置１０の天井面であり、図１の１−１断面を示している。第１実施形態では、天井面に上段ガスシャワープレートが設けられている。
【００２０】
（マイクロ波プラズマ処理装置の概略）
図１に示したように、マイクロ波プラズマ処理装置１０は、ガラス基板（以下、「基板Ｇ」という。）をプラズマ処理するための処理容器１００を有している。処理容器１００は、容器本体２００と蓋体３００とから構成される。容器本体２００は、その上部が開口された有底立方体形状を有していて、その開口は蓋体３００により閉塞されている。蓋体３００は、上部蓋体３００ａと下部蓋体３００ｂとから構成されている。容器本体２００と下部蓋体３００ｂとの接触面にはＯリング２０５が設けられていて、これにより容器本体２００と下部蓋体３００ｂとが密閉され、処理室が画定される。上部蓋体３００ａと下部蓋体３００ｂとの接触面にもＯリング２１０及びＯリング２１５が設けられていて、これにより上部蓋体３００ａと下部蓋体３００ｂとが密閉されている。容器本体２００及び蓋体３００は、たとえば、アルミニウム合金等の金属からなり、電気的に接地されている。
【００２１】
処理容器１００の内部には、基板Ｇを載置するためのサセプタ１０５（ステージ）が設けられている。サセプタ１０５は、たとえば窒化アルミニウムから形成されている。サセプタ１０５は、支持体１１０に支持されていて、その周囲には処理室のガスの流れを好ましい状態に制御するためのバッフル板１１５が設けられている。また、処理容器１００の底部にはガス排出管１２０が設けられていて、処理容器１００の外部に設けられた真空ポンプ（図示せず）を用いて処理容器１００内のガスを排出する。
【００２２】
図１及び図２を見ると、処理容器１００の天井面には、誘電体板３０５、金属電極３１０及び金属カバー３２０が規則的に配置されている。金属電極３１０及び金属カバー３２０の周囲には、サイドカバー３５０が設けられている。誘電体板３０５、金属電極３１０及び金属カバー３２０は、僅かに角が削られた略正方形のプレートである。なお、誘電体板３０５、金属電極３１０及び金属カバー３２０は、菱形であってもよい。本明細書において、金属電極３１０は、金属電極３１０の外縁部から誘電体板３０５が概ね均等に露出するように誘電体板３０５に隣接して設けられた平板をいう。これにより、誘電体板３０５は、蓋体３００の内壁と金属電極３１０によりサンドイッチされる。金属電極３１０は、処理容器１００の内壁と電気的に接続されている。
【００２３】
誘電体板３０５及び金属電極３１０は、基板Ｇや処理容器１００に対して概ね４５°傾いた位置に等ピッチで８枚配置される。ピッチは、一つの誘電体板３０５の対角線の長さが、隣り合う誘電体板３０５の中心間の距離の０．９倍以上になるように定められている。これにより、誘電体板３０５のわずかに削られた角部同士は隣接して配置される。
【００２４】
金属電極３１０と金属カバー３２０は、誘電体板３０５の厚さ分、金属カバー３２０の方が厚い。かかる形状によれば、天井面の高さがほぼ等しくなると同時に、誘電体板３０５が露出した部分やその近傍の凹みの形状もすべてほぼ同じパターンになる。
【００２５】
誘電体板３０５はアルミナにより形成され、金属電極３１０、金属カバー３２０及びサイドカバー３５０はアルミニウム合金により形成されている。なお、本実施形態では、８枚の誘電体板３０５及び金属電極３１０が２列に４段配置されるが、これに限られず、誘電体板３０５及び金属電極３１０の枚数を増やすことも減らすこともできる。
【００２６】
誘電体板３０５及び金属電極３１０は、螺子３２５により４カ所から均等に蓋体３００に支持されている（図２参照）。金属カバー３２０及びサイドカバー３５０も同様に蓋体３００の本体部分に螺子３２５で取り付けられている。上部蓋体３００ａと下部蓋体３００ｂとの間には主ガス流路３３０が設けられている。主ガス流路３３０は、複数の螺子３２５内に設けられた第１のガス流路３２５ａにガスを分流する。第１のガス流路３２５ａの入口には、流路を狭める細管３３５が嵌入されている。細管３３５は、セラミックスや金属からなる。金属電極３１０と誘電体板３０５との間には第２のガス流路３１０ａ１が設けられている。金属カバー３２０と蓋体３００との間及びサイドカバー３５０と蓋体３００との間にも第２のガス流路３２０ａ１，３２０ａ２が設けられている。螺子３２５の先端面は、プラズマの分布を乱さないように、金属電極３１０、金属カバー３２０及びサイドカバー３５０の下面と面一になっている。金属電極３１０に開口された第１のガス放出穴３４５ａ、金属カバー３２０及びサイドカバー３５０に開口された第２のガス放出穴３４５ｂ１、３４５ｂ２は均等なピッチで下方に向かって開口している。
【００２７】
ガス供給源９０５から出力されたガスは、主ガス流路３３０から第１のガス流路３２５ａ（枝ガス流路）を通過し、金属電極３１０内の第２のガス流路３１０ａ１及び金属カバー３２０及びサイドカバー３５０内の第２のガス流路３２０ａ１，３２０ａ２を通って第１のガス放出穴３４５ａ及び第２のガス放出穴３４５ｂ１、３４５ｂ２から処理室内に供給される。第１の同軸管６１０の外周近傍の下部蓋体３００ｂと誘電体板３０５との接触面にはＯリング２２０が設けられていて、第１の同軸管６１０内の大気が処理容器１００の内部に入らないようになっている。
【００２８】
このようにして天井部の金属面にガスシャワープレートを形成することにより、従来生じていた、プラズマ中のイオンによる誘電体板表面のエッチング及び処理容器内壁への反応生成物の堆積を抑制し、コンタミやパーティクルの低減を図ることができる。また、誘電体と異なり金属は加工が容易であるため、コストを大幅に低減することができる。
【００２９】
蓋体３００を掘り込んで形成された第１の同軸管の外部導体６１０ｂには、内部導体６１０ａが挿入されている。同様にして蓋体３００を掘り込んで形成された第２〜第４の同軸管の外部導体６２０ｂ〜６４０ｂには、第２〜第４の同軸管の内部導体６２０ａ〜６４０ａが挿入され、その上部は蓋体カバー６６０で覆われている。各同軸管の内部導体は熱伝導のよい銅で形成されている。
【００３０】
マイクロ波は、マイクロ波源９００から供給され、第４の同軸管６４０から第３の同軸管６３０を介して第１の同軸管６１０及び第２の同軸管６２０に伝送される。誘電体板３０５の表面は、第１の同軸管６１０から誘電体板３０５にマイクロ波が入射する部分と誘電体板３０５からマイクロ波が放出される部分を除いて金属膜３０５ａにて被覆されている。これにより、誘電体板３０５とそれに隣接する部材間に生じた空隙によってもマイクロ波の伝搬が乱されず、安定してマイクロ波を処理容器内に導くことができる。
【００３１】
図２に示したように、誘電体板３０５は、誘電体板３０５に一対一に隣接した金属電極３１０と誘電体板３０５が配置されていない処理容器１００の内壁（金属カバー３２０で覆われた処理容器１００の内壁を含む）の間から露出している。誘電体板３０５と誘電体板３０５が配置されていない処理容器１００の内壁（金属カバー３２０で覆われた処理容器１００の内壁を含む）とは、実質的に相似をなす形状か、または実質的に対称となる形状となっている。かかる構成によれば、処理容器１００の内部に露出した金属面に沿って電磁波を伝搬させ、誘電体板３０５から金属電極側及び内壁側（又は金属カバー３２０及びサイドカバー３５０側）に概ね均等にマイクロ波の電力を供給することができる。
【００３２】
この結果、誘電体板３０５から放出されたマイクロ波は、表面波となって電力を半分に分配しながら金属電極３１０、金属カバー３２０及びサイドカバー３５０の表面を伝搬する。処理容器内面の金属面とプラズマとの間を伝搬する表面波を、以下、金属表面波（Ｍｅｔａｌ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｗａｖｅ）という。これにより、天井面全体に、金属表面波が伝搬し、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１０の天井面下方にて、均一なプラズマが安定的に生成される。
【００３３】
サイドカバー３５０には、８枚の誘電体板３０５の全体を囲むように８角形の溝３４０が形成されていて、天井面を伝搬する金属表面波が、溝３４０より外側に伝搬することを抑制する。複数の溝３４０を平行に多重に形成してもよい。溝３４０の替わりに凸部を設けてもよい。溝３４０や凸部は伝搬障害部の一例である。
【００３４】
一枚の金属電極３１０を中心として、隣接する金属カバー３２０の中心点を頂点に持つ領域を、以下、セルＣｅｌ（図２参照）という。天井面では、セルＣｅｌを一単位として同一パターンの構成が８セルＣｅｌ規則正しく配置されている。
【００３５】
冷媒供給源９１０は、蓋体内部の冷媒配管９１０ａに接続されていて、冷媒供給源９１０から供給された冷媒が蓋体内部の冷媒配管９１０ａ内を循環して再び冷媒供給源９１０に戻ることにより、処理容器１００を所望の温度に保つようになっている。第４の同軸管の内部導体６４０ａの内部には、その長手方向に冷媒配管９１０ｂが貫通している。この流路に冷媒を通すことにより、内部導体６４０ａの加熱を抑止するようになっている。
【００３６】
誘電体板３０５と蓋体３００との間、或いは誘電体板３０５と金属電極３１０との間には隙間がないことが望ましい。制御されない隙間があると、誘電体板３０５を伝搬するマイクロ波の波長が不安定になり、プラズマの均一性や同軸管から見た負荷インピーダンスに影響を与えるからである。また、大きい隙間（０．２ｍｍ以上）があると、隙間で放電してしまう可能性もある。そのため、ナット４３５を締めたときに、誘電体板３０５と下部蓋体３００ｂとの間、及び誘電体板３０５と金属電極３１０との間が密着するようになっている。
【００３７】
ナット４３５を締める際、過剰なトルクで締めると、誘電体板３０５にストレスがかかって割れてしまう可能性がある。また、ナット４３５を締める際には割れなくても、プラズマを発生させて各部の温度が上昇したときに、ストレスがかかって割れる危険性がある。このため、螺子３２５を介して常に適度な力（Ｏリング２２０を潰して誘電体板３０５と下部蓋体３００ｂとを密着させる力よりも多少大きな力）で金属電極３１０を吊り上げることができるように、ナット４３５と下部蓋体３００ｂとの間には、最適なバネ力をもつウェーブワッシャー４３０ｂが挿入されている。ナット４３５を締める際に、ウェーブワッシャー４３０ｂがフラットになるまで締め切らずに、変形量が一定になるようになっている。
【００３８】
ナット４３５とウェーブワッシャー４３０ｂとの間には、ワッシャー４３０ａが設けられているが、あってもなくてもよい。さらに、ウェーブワッシャー４３０ｂと下部蓋体３００ｂとの間には、ワッシャー４３０ｃが設けられている。通常、螺子３２５と蓋体３００との間には隙間があり、主ガス流路３３０内のガスがこの隙間を通して第１のガス流路３１０ａに流れてしまう。この制御されないガス流量が多いと、第１のガス放出穴３４５ａからのガス放出が不均一になってしまう問題がある。このため、ワッシャー４３０ｃと螺子３２５との間の隙間を小さくするとともに、ワッシャー４３０ｃの厚さを厚くして、螺子３２５の外側を通って流れるガスの流量を抑えている。
【００３９】
＜金属表面波の計測＞
前述したように、金属表面波は、プラズマの電子密度ｎｅがカットオフ密度ｎｃの２倍より低いと伝搬することができない。カットオフ密度ｎｃは電磁波の周波数の二乗に比例するので、金属表面波は周波数が低く、プラズマの電子密度ｎｅが高くないと伝搬することができない。これに加えて、金属表面波は周波数が低いほど減衰しにくい特徴がある。
【００４０】
プラズマの生成に一般的に用いられている２．４５ＧＨｚの周波数では、カットオフ密度ｎｃが７．５×１０１０ｃｍ−３となり、プラズマの電子密度ｎｅが１．５×１０１１ｃｍ−３以上でないと金属表面波が伝搬しない。たとえば、表面付近の電子密度が１×１０１１ｃｍ−３程度の低密度プラズマでは、金属表面波は全く伝搬しない。プラズマの電子密度ｎｅがもっと高い場合でも、減衰が大きいため金属表面波はそれほど長くは伝搬できない。
【００４１】
一方、たとえば９１５ＭＨｚの周波数では、表面付近の電子密度が１×１０１１ｃｍ−３程度の低密度プラズマでも金属表面波が処理容器内壁の金属とプラズマとの間を長く伝搬する。よって、上述したマイクロ波プラズマ処理装置１０に低周波数の電磁波を供給した場合、誘電体板とプラズマとの間を誘電体表面波が伝搬するだけでなく、処理容器内壁の金属面とプラズマとの間を金属表面波が伝搬する。
【００４２】
自由空間の電磁波の波長は、電源から出力される電磁波の周波数により定まる。しかしながら、金属表面波の波長は、周波数だけでなくシースの厚さやプラズマ密度の状態により変化する。一方、実際にシースの幅を測定したり、正確に予測したりすることは不可能である。よって、金属表面波の波長は、マイクロ波源の周波数から直ちに求めることはできず、以下の金属表面波測定装置により実測する必要が生じる。計測された金属表面波の波長は、マイクロ波プラズマ処理装置１０を設計する際、金属電極３１０や誘電体３０５のサイズ及び形状の最適化に用いられる。よって、金属表面波測定装置による実測の結果はマイクロ波プラズマ処理装置の設計に非常に役立つものである。
【００４３】
そこで、発明者らは、金属表面波の伝搬状態を計測するために、金属表面波計測装置を考案した。図３には、計測用のマイクロ波プラズマ処理装置２０００の蓋部２０００ａ（ここではアルミニウムの蓋）に取り付けられた金属表面波計測装置１０００が示されている。
【００４４】
（計測用のマイクロ波プラズマ処理装置）
金属表面波計測装置１０００の内部構成を説明する前に、計測用のマイクロ波プラズマ処理装置２０００について、図４を参照しながら簡単に説明する。マイクロ波プラズマ処理装置２０００の天井面（蓋部２０００ａのプラズマ側の面）は４００ｍｍ×４００ｍｍの略正方形である。計測用のマイクロ波プラズマ処理装置２０００の天井面には溝や凸部が設けられていない。金属表面波の伝搬を制御する伝搬障害部（上述したプラズマ処理を行うマイクロ波プラズマ処理装置１０では溝３４０や凸部）が設けられていると、伝搬障害部にて金属表面波に反射が生じ、金属表面波の伝搬が乱れて本来の金属表面波の伝搬状態を正確に計測することができないためである。
【００４５】
蓋部２０００ａのプラズマ側の面には、ほぼ中央に金属電極２００５が設けられている。図５の上部は金属電極２００５とその周辺の下面の拡大図であり、図５の下部はその断面図を示している。金属電極２００５は、外形が円形形状の板状部材である。誘電体板２０１０は、金属電極２００５の直径よりやや大きい直径（１１０ｍｍ）をもつ円形形状の板状部材である。図５の下部の断面図を見ると、金属電極２００５及び誘電体板２０１０は、端部にて傾斜部が設けられた概ねフラットな板状部材である。材質は、前述したマイクロ波プラズマ処理装置１０に用いられた金属電極３１０及び誘電体３０５と同じである。誘電体板２０１０は、金属電極２００５と蓋部２０００ａとに挟まれている。かかる構成により、金属電極２００５の外周には誘電体板２０１０が均等に露出している。第１の同軸管６１０を伝送されたマイクロ波は、誘電体板２０１０の露出部分から処理容器内に導入され、金属表面波となって処理容器内の金属面を伝搬する。
【００４６】
（金属表面波計測装置の内部構成）
次に、計測用のマイクロ波プラズマ処理装置２０００の蓋部２０００ａに装着された金属表面波計測装置２０の内部構成について、再び図３を参照しながら説明する。図３は、図４の３−３断面を示している。金属表面波計測装置２０は、プローブ１００５ｃ（内部導体１０２０ａ，第３のプローブ）、プローブ１００５ｃを固定する固定部材１０１０および固定部材１０１０を蓋部２０００ａに固定する複数のねじ１０１５、セミリジット同軸ケーブル１０２０、同軸ケーブル１０２５及びオシロスコープ１０３０を有する。
【００４７】
セミリジット同軸ケーブル１０２０は、金属の内部導体１０２０ａと外部導体１０２０ｂとを有し、その間に第１の誘電体１０２０ｃが充填されている。第１の誘電体１０２０ｃは、テフロン（登録商標）により形成されている。セミリジット同軸ケーブル１０２０は、図示しないコネクタを介して同軸ケーブル１０２５に接続され、さらに、オシロスコープ１０３０に接続されている。同軸ケーブル１０２５は曲げやすいため、セミリジット同軸ケーブル１０２０とオシロスコープ１０３０との間に設けられている方が使い勝手が向上するが、セミリジット同軸ケーブル１０２０をオシロスコープ１０３０に直接接続してもよい。同軸ケーブル１０２５及びセミリジット同軸ケーブル１０２０は、プローブ１００５ｃとオシロスコープ１０３０との間に設けられた同軸線路の一例である。これにより、プローブ１００５ｃとはオシロスコープ１０３０とが電気的に接続される。
【００４８】
同軸ケーブル１０２５の外部導体が網線状になっていて自由に曲げられるようになっているのに対し、セミリジット同軸ケーブル１０２０の外部導体１０２０ｂは銅で形成された管状部材であって曲げにくくなっている。外部導体１０２０ｂの先端は、固定部材１０１０に挿入されていて、これによりセミリジット同軸ケーブル１０２０を固定部材１０１０に固定する。
【００４９】
固定部材１０１０は銅から形成されている。固定部材１０１０は上部及び下部に突出部分を有している。上部の突出部分は外部導体１０２０ｂを受け入れ、プローブ１００５ｃを固定している。下部の突出部分は蓋部２０００ａの凹みに挿入されている。固定部材１０１０は、複数のねじ１０１５により蓋部２０００ａに固定されている。固定部材１０１０と蓋部２０００ａと間にはＯリング１０３５が設けられていて、処理室内の真空を外部の大気から遮断する。
【００５０】
セミリジット同軸ケーブル１０２０の内部導体１０２０ａ及び誘電体１０２０ｃは、外部導体１０２０ｂが存在しない状態にて固定部材１０１０を貫通する。内部導体１０２０ａは、さらに、蓋部２０００ａの内部まで延在する。内部導体１０２０ａとプラズマとの間には、第２の誘電体１０４０が介在する。具体的には、第２の誘電体１０４０の略中央に穴をあけ、内部導体１０２０ａを挿入し、内部導体１０２０ａの先端と第２の誘電体１０４０とを密着させる。第２の誘電体１０４０は、石英やセラミックにより形成されている。かかる構成により、内部導体１０２０ａをプラズマに近接して設けられた金属からなるプローブ１００５ｃとして機能させることができる。
【００５１】
プローブ１００５ｃの先端近傍のシースには、シースの高さ方向に金属表面波ＴＭの電界が生じている。マイクロ波は、蓋部２０００及び固定部材１０１０ａの金属面、外部導体１０２０ｂを伝搬して同軸ケーブル１０２５からオシロスコープ１０３０に伝達される。
【００５２】
なお、金属部材の中にその金属部材と絶縁してプローブ１００５ｃが設けられていればよく、たとえば、セミリジット同軸ケーブル１０２０の外部導体１０２０ｂをプローブ１００５ｃと同じ長さだけ延長させてもよい。この場合には内部導体１０２０ａがプローブ１００５ｃとなり、外部導体１０２０ｂが金属表面波を伝搬させる金属部材となる。
【００５３】
プローブ１００５ｃの先端は、図３に示したように、第２の誘電体１０４０から露出していないほうがよいが、露出していてもよい。プローブ１００５ｃの先端から第２の誘電体１０４０のプラズマ側の面までの第２の誘電体の厚さが厚すぎるとマイクロ波が入りづらく、薄すぎるとマイクロ波が入りすぎる傾向がある。なお、第２の誘電体１０４０を設けずにプローブ１００５ｃをプラズマ側に露出させてもよい。
【００５４】
このようにして、セミリジット同軸ケーブル１０２０の湾曲しにくい外部導体１０２０ｂを同軸ケーブル１０２５と固定部材１０１０との間に設けることにより、内部導体１０２０ａの先端を確実に第２の誘電体１０４０に密着させ、内部導体１０２０ａと第２の誘電体１０４０との間に隙間が生じて、電気的接続が悪くならないようにプローブ１００５ｃを固定する。ただし、セミリジット同軸ケーブル１０２０を用いることなく、同軸ケーブル１０２５のみを用いてプローブ１００５ｃを固定してもよい。
【００５５】
第２の誘電体１０４０のプラズマ側の面１０４０ａと第２の誘電体１０４０が近接する蓋部２０００ａのプラズマ側の金属面２０００ａ１とは概ね同一面上に配置されている。金属表面波の反射を抑え、金属表面波の伝搬を乱さずに本来の金属表面波の伝搬状態を正確に計測するためである。
【００５６】
金属表面波計測装置２０には、プローブ１００５ｃの他にプローブ１００５ａ（第１のプローブ）、１００５ｂ（第２のプローブ）が設けられていて、プローブ１００５ａ〜１００５ｃは、オシロスコープ１０３０のチャネル１（ｃｈ．１）〜チャネル３（ｃｈ．３）にそれぞれ接続されている。金属表面波計測装置２０には、１本のプローブのみ用いて計測を行ってもよく、２本以上のプローブを用いて計測を行ってもよい。
【００５７】
なお、オシロスコープ１０３０（或いは、オシロスコープ１０３０及びオシロスコープ１０３０に接続された図示しないコンピュータ）は、プローブ１００５ｃに電気的に接続された電磁波計測手段の一例である。電磁波計測手段の他の例としては、たとえば、スぺクトラムアナライザやプローブに直接取り付けられた電圧計が挙げられる。これによれば、電圧計を用いてプローブの電圧が直接測定される。
【００５８】
複数本のプローブを使用して金属表面波を特定する場合、位相差または振幅比の少なくとも何れかから金属表面波の波長、伝搬定数、減衰定数又は位相定数の少なくともいずれかを算出する。金属表面波の波長、伝搬定数、減衰定数、位相定数を算出するためには、２本以上のプローブの計測値が必要となる。一方、金属表面波の電圧の振幅、位相、波形、スペクトルは１本のプローブの計測値のみに基づき求めることができる。
【００５９】
（金属表面波の実測条件）
次に、金属表面波ＴＭの計測条件について説明後、金属表面波の各パラメータの算出方法について説明する。図４には、測定用のプローブ１００５ａ１、１００５ｂ１、１００５ｃ１の３点の配置および校正用のプローブ１００５ａ２、１００５ｂ２、１００５ｃ２の３点の配置が示される。
【００６０】
金属電極３１０の中心から各プローブ１００５ａ１、１００５ｂ１、１００５ｃ１までの角度を変え、測定位置をずらした。これは、各プローブ１００５ａ１、１００５ｂ１、１００５ｃ１による測定が互いに干渉して測定誤差が生じることを防ぐためである。
【００６１】
また、各プローブの結合度や各プローブに接続されるセミリジット同軸ケーブル１０２０の伝送特性等にばらつきがあるため、校正を行う必要がある。そこで、金属表面波ＴＭの位相と振幅が等しい位置（例えば金属電極３１０の中心から各プローブまでの距離が１００ｍｍの位置）に各プローブ１００５ａ２、１００５ｂ２、１００５ｃ２を配置し、オシロスコープ１０３０で観測される波形から位相差と振幅比をあらかじめ測定しておいた。
【００６２】
実際の測定では、発明者は、アルゴンガスを０．５Ｔｏｒｒの圧力下でプラズマ化させ、このとき生成された金属表面波ＴＭの伝搬状態を直接計測し、上記予め測定した校正用測定値にて校正した。図６に、プローブ１００５ｂ（チャネルｃｈ２）にて直接計測された金属表面波ＴＭの校正後の波形の一例を示す。これによれば、低密度の場合（投入するマイクロ波のパワーが０．５ｋＷのとき）、金属表面波ＴＭの波形はサインカーブに近く、基本波成分のみで高調波成分は含まれなかった。これに対して、高密度の場合（投入するマイクロ波のパワーが１ｋＷのとき）、金属表面波ＴＭの波形はサインカーブより複雑な波形になり、基本波成分と高調波成分とが含まれていた。
【００６３】
このように、伝搬する金属表面波の中には高調波成分が入るものと入らないものとが存在する。この違いは、プロセス条件に起因すると考えられる。たとえば、図６の結果からハイパワーのマイクロ波を供給した場合には高調波成分が入りやすい傾向がある。また、アルゴンガスなどの不活性ガスからプラズマを励起すると、高調波成分が入りやすい傾向がある。
【００６４】
金属表面波の中に高調波成分が入っていても、金属表面波の伝搬状態は基本的には悪化しない。しかしながら、金属表面波の中に高調波成分が入るプロセス条件であるかどうかは、マイクロ波プラズマ処理装置１０の特に金属電極周辺のサイズや形状の設計時に役立つ貴重な情報となる。そこで、以上に説明した金属表面波計測装置２０のプローブからの計測値に基づき、電磁波計測手段を用いて以下のように金属表面波の各パラメータが算出される。
【００６５】
（金属表面波の各パラメータの算出方法）
ｚ方向に伝搬する金属表面波の電界強度Ｅ（ｚ）は、次式で表される。
Ｅ（ｚ）＝Ｅ０ｅ−γｚ＝Ｅ０ｅ−αｚｅ−ｊβｚ・・・（１）
ここで、γは金属表面波の伝搬定数、αは減衰定数、βは位相定数である。位置ｚおよび位置ｚ+Δｚにおける金属表面波の振幅比をＡ（Ａ＜１）、位相差をΔθとする。式（１）より、減衰定数αおよび位相定数βは振幅比Ａおよび位相差Δθを用いて次のように表される。
α＝−ｌｎ（Ａ）／Δｚ・・・（２）
β＝Δθ／Δｚ・・・（３）
【００６６】
金属表面波の波長をλとすると、β＝２π／λの関係から、
λ＝２πΔｚ／Δθ・・・（４）
と表される。金属表面波の伝搬方向に２本のプローブを配置して、それらの振幅比を測定することにより、式（２）から減衰定数αを求めることができる。同様に、それらの位相差を測定することにより、式（３）から位相定数βを、式（４）から波長λを求めることができる。
【００６７】
さらに、２本以上の複数のプローブを配置して、プローブ間の振幅比および位相差を求めることにより、より精度の高い計測を行うことができる。図７に示した４本のプローブ１００５ａ、１００５ｂ、１００５ｃ、１００５ｄを用いた計測結果に基づき、金属表面波の位相差から波長を算出した結果を図８（ａ）〜図８（ｃ）に示す。隣接する各プローブ１００５ａ、１００５ｂ、１００５ｃ、１００５ｄは、Ｘ軸方向にＰｘ、Ｙ軸方向にＰｙだけ離れて等間隔に配置されている。ここでは、Ｐｘ及びＰｙは、共に５ｍｍである。
【００６８】
図７におけるプラズマの電子密度とシース幅を現実のプラズマに基づいて適当に３種類設定し、プラズマの電子密度とシース幅から計算によって求められる金属表面波の波長と、各プローブから出力されるマイクロ波の位相差から計算した金属表面波の波長とを比較した。図８には、プローブ１００５ａとプローブ１００５ｂに接続されたオシロスコープ１０３０のチャネルｃｈ１とチャネルｃｈ２の位相差から計算された波長がプローブ１の行の波長の欄に示されている。チャネルｃｈ１とチャネルｃｈ２とは、プローブ１００５ａとプローブ１００５ｂとに接続されている。同様に、チャネルｃｈ２とチャネルｃｈ３の位相差から計算された波長はプローブ２の行の波長の欄に示され、チャネルｃｈ３とチャネルｃｈ４の位相差から計算された波長がプローブ３の行の波長の欄に示されている。
【００６９】
図８（ａ）（ｂ）（ｃ）にて、チャネルｃｈ１〜４の実測値から導かれる波長はほぼ同じ長さであった。以上から、チャネルｃｈ１〜４の計測精度は概ね良好であることが証明された。よって、チャネルｃｈ１〜４の実測値から導かれる波長の平均値を求めることにより、より精度の高い計測を行うことができる。結合量は、シースにかかるマイクロ波電圧をＶ１、プローブから出力されるマイクロ波電圧をＶ２としたとき、２０ｌｏｇ（Ｖ２／Ｖ１）［ｄＢ］で表される。なお、位相差から金属表面波の波長を算出する上記方法に替えて、振幅比から金属表面波の減衰定数を算出してもよい。
【００７０】
以上に説明したように、本実施形態にかかる金属表面波計測装置２０によれば、１本以上のプローブを用いて金属表面波を計測することにより、金属表面波の電圧の振幅、位相、波形、スペクトルを測定することができる。また、２本以上のプローブを用いて金属表面波を計測することにより、金属表面波の波長、伝搬定数、減衰定数及び位相定数を測定することができる。
【００７１】
上記実施形態において、各部の動作はお互いに関連しており、互いの関連を考慮しながら、一連の動作として置き換えることができる。そして、このように置き換えることにより、金属表面波計測装置の実施形態を、金属表面波計測方法の実施形態とすることができる。
【００７２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００７３】
以上に説明した各実施形態では、９１５ＭＨｚのマイクロ波を出力するマイクロ波源９００を挙げたが、８９６ＭＨｚ、９２２ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ等のマイクロ波を出力するマイクロ波源であってもよい。また、マイクロ波源は、プラズマを励起するための電磁波を発生する電磁波源の一例であり、１００ＭＨｚ以上の電磁波を出力する電磁波源であれば、マグネトロンや高周波電源も含まれる。
【００７４】
金属電極３１０の形状は、４角形に限られず、３角形、６角形、８角形でもよい。この場合には、誘電体板３０５及び金属カバー３２０の形状も金属電極３１０の形状と同様になる。金属カバー３２０はあってもなくてもよいが、金属カバー３２０がない場合には、蓋体３００に直接ガス流路を形成してもよい。
【００７５】
本発明にかかるプラズマ処理装置は、大面積のガラス基板、円形のシリコンウエハや角型のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を処理することができる。
【００７６】
また、本発明にかかるプラズマ処理装置では、成膜処理、拡散処理、エッチング処理、アッシング処理などのあらゆるプラズマ処理を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面図である。
【図２】同実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の天井面を示した図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る金属表面波計測装置の縦断面図である。
【図４】計測用のプラズマ処理装置に取り付けられたプローブ（測定用及び校正用）の位置を説明するための図である。
【図５】計測用のプラズマ処理装置の金属電極周辺の下面図及び断面図である。
【図６】計測された金属表面波の波形の一例を示した図である。
【図７】４本のプローブの位置を示した計測モデルである。
【図８】図７の計測モデルを用いて計測された金属表面波の位相差から金属表面波の波長を算出した結果の表である。
【符号の説明】
【００７８】
１０                マイクロ波プラズマ処理装置
１００              処理容器
２００              容器本体
３００              蓋体
３０５              誘電体板
３１０              金属電極
１０００            金属表面波計測装置
１００５ａ、１００５ｂ、１００５ｃ、１００５ｄ  プローブ
１０１０            固定部材
１０１５            ねじ
１０２０            セミリジット同軸ケーブル
１０２０ａ          内部導体
１０２０ｂ          外部導体
１０２０ｃ          第１の誘電体
１０２５            同軸ケーブル
１０３０            オシロスコープ
１０３５            Ｏリング
１０４０            第２の誘電体
２０００            計測用のマイクロ波プラズマ処理装置
２０００ａ          蓋部
２００５            金属電極
２０１０            誘電体
ＴＭ                金属表面波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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