(57)【要約】【課題】  高価な測定装置を用いることなく、高圧力プラズマの電子密度および／また電子衝突周波数測定が可能な測定方法及び測定装置を実現する。【解決手段】  本発明の高圧力プラズマの電子密度、電子衝突周波数の測定方法及びプラズマ特性測定装置１によれば、プローブ１０を高圧力プラズマＰに挿入し、高周波発振器２１によりプローブ１０に周波数を掃引しながら高周波パワーを供給し、反射係数スペクトル表示部２５により、プローブ１０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、プローブ１０の共振スペクトルを検出し、当該共振スペクトルから共振周波数及び共振の半値幅を算出し、プラズマ特性算出部２６において、当該共振周波数及び共振の半値幅に基づいて、高圧力プラズマの電子密度および／また電子衝突周波数を算出することができる。【選択図】図１
2010232110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波領域の共振アンテナとして作用するプローブをプラズマ内に挿入し、
前記プローブに周波数を掃引しながら高周波パワーを供給し、前記プローブ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共振周波数と共振の半値幅とを測定し、当該共振周波数及び共振の半値幅に基づいて、高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数を算出することを特徴とする高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定方法。
【請求項２】
プラズマが生成されていない場合の前記プローブの共振の半値幅と共振周波数との比により補正された、プラズマ内の前記プローブの共振の半値幅と共振周波数との比に基づいて電子密度を算出することを特徴とする請求項１に記載の高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定方法。
【請求項３】
マイクロ波領域の共振アンテナとして作用する、長さの異なる２本のプローブをプラズマ内に挿入し、前記各プローブに周波数を掃引しながら高周波パワーを供給し、前記各プローブから反射されるパワーにより得られるそれぞれの反射係数のスペクトルから、共振周波数と共振の半値幅とをそれぞれ測定し、当該共振周波数及び共振の半値幅に基づいて、高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数を算出することを特徴とする高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定方法。
【請求項４】
高圧力プラズマ雰囲気内に挿入され、マイクロ波領域の共振アンテナとして作用するプローブと、
前記プローブに同軸ケーブルを介して電気的に接続され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、
前記プローブ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、前記プローブ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共振周波数及び共振の半値幅を算出し、当該共振周波数及び共振の半値幅に基づいて、高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数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高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定装置。
【請求項５】
前記プローブは、Ｕ字型の金属導体により形成されていることを特徴とする請求項４に記載の高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定装置。
【請求項６】
長さの異なる２本のプローブを備えたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力が１Ｔｏｒｒを超える高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定方法及び測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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衝突周波数を測定、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、金属プローブ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プローブ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プローブも提案されており、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。
【非特許文献１】Ｒ．Ｂ．Ｐｉｅｊａｋ，Ｖ．Ａ．Ｇｏｄｙａｋ，Ｒ．Ｇａｍｅｒ ａｎｄ Ｂ．Ｍ．Ａｌｅｘａｎｄｒｏｖｉｃｈ，Ｎ．Ｓｔｅｍｂｅｒｇ，Ｊ．ＡＰＰｌ．Ｐｈｙｓ．９５，３７８５（２００４）
【特許文献１】特開平６−２５３８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、大気圧プラズマなどの高圧力プラズマを用いたプラズマ処理が提案されている。例えば、大気圧プラズマによるプラズマ処理は、プラズマの生成、処理などを行うチャンバー内を高真空状態にする必要がないため、プラズマ処理装置の構成を簡略化することができ、製造コストを下げることができる。一方、このような高圧力プラズマは、アーク状のフィラメント放電に遷移しやすいなど、プラズマが不安定になりやすいので、所望の状態で維持するために電子密度などプラズマの状態を把握することが重要となる。しかし、ラングミュアプローブ法は、従来提唱されているプローブ理論の適用範囲を超えていたり、材料プロセスに用いるとプラズマによりプローブ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プローブを用いた測定では、プラズマが１Ｔｏｒｒを超える高圧力になると、共振スペクトルが拡がるために共振周波数の測定値の精度が下がったり、プラズマが３０Ｔｏｒｒ以上になると、共振周波数がプラズマの電子密度に依存しなくなるため、高圧力プラズマの測定に適用できないという問題があった。マイクロ波干渉法は、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。
その他の方法、例えば、レーザー・トムソン散乱法なども測定装置が高価であるという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、高価な測定装置を用いることなく、高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数測定が可能な測定方法及び測定装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定方法において、マイクロ波領域の共振アンテナとして作用するプローブをプラズマ内に挿入し、前記プローブに周波数を掃引しながら高周波パワーを供給し、前記プローブ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共振周波数と共振の半値幅とを測定し、当該共振周波数及び共振の半値幅に基づいて、高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数を算出する、という技術的手段を用いる。
【０００６】
請求項１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プローブをプラズマ内に挿入し、プローブに周波数を掃引しながら高周波パワーを供給し、プローブ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共振周波数と共振の半値幅とを測定する。共振の半値幅は、高圧力プラズマの電子密度、電子衝突周波数に対して敏感に変化するため、当該共振周波数及び共振の半値幅に基づいて高圧力プラズマの電子密度、電子衝突周波数を精度よく測定することができる。プローブは、例えば、長さが数ｃｍ程度の金属線から形成することができるので小型であるとともに、空間分解能を有し、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、高価な大型測定装置を用いることなく、高圧力プラズマの電子密度、電子衝突周波数を測定することができる。ここで、高圧力プラズマとは、圧力が１Ｔｏｒｒ以上のプラズマを意味する。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定方法において、プラズマが生成されていない場合の前記プローブの共振の半値幅と共振周波数との比により補正された、プラズマ内の前記プローブの共振の半値幅と共振周波数との比に基づいて電子密度を算出する、という技術的手段を用いる。
【０００８】
測定された電子密度の誤差因子としてプローブからの電磁波の放射損失があり、プラズマがない場合でも半値幅がゼロにならないことが挙げられる。請求項２に記載の発明では、プラズマ内のプローブの共振スペクトルから求められる半値幅と共振周波数との比を、プラズマが生成されていない場合の半値幅と共振周波数との比により補正するため、上述の誤差因子を排除し、より正確な電子密度を測定することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定方法において、マイクロ波領域の共振アンテナとして作用する、長さの異なる２本のプローブをプラズマ内に挿入し、前記各プローブに周波数を掃引しながら高周波パワーを供給し、前記各プローブから反射されるパワーにより得られるそれぞれの反射係数のスペクトルから、共振周波数と共振の半値幅とをそれぞれ測定し、当該共振周波数及び共振の半値幅に基づいて、高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数を算出する、という技術的手段を用いる。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果を奏することができる。また、１本のプローブによる測定誤差はプラズマの圧力が高くなるほど増大するが、長さの異なる２本のプローブを用いることにより、測定精度を格段に向上させることができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定装置において、高圧力プラズマ雰囲気内に挿入され、マイクロ波領域の共振アンテナとして作用するプローブと、前記プローブに同軸ケーブルを介して電気的に接続され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、前記プローブ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、前記プローブ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共振周波数及び共振の半値幅を算出し、当該共振周波数及び共振の半値幅に基づいて、高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数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。
【００１２】
請求項４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プローブを高圧力プラズマ雰囲気内に挿入し、高周波発振器によりプローブ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、プローブ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、プローブ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及び共振の半値幅を算出し、プラズマ特性算出部において、当該共振周波数及び共振の半値幅に基づいて、高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数を算出することができる。共振の半値幅は、高圧力プラズマの電子密度、電子衝突周波数に対して敏感に変化するため、当該共振周波数及び共振の半値幅に基づいて高圧力プラズマの電子密度、電子衝突周波数を精度よく測定することができる。プローブは、例えば、長さが数ｃｍ程度の金属線から形成することができるので小型であるとともに、空間分解能を有し、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、高価な大型測定装置を用いることなく、高圧力プラズマの電子密度、電子衝突周波数を測定することができる。ここで、高圧力プラズマとは、圧力が１Ｔｏｒｒ以上のプラズマを意味する。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定装置において、前記プローブは、Ｕ字型の金属導体により形成されている、という技術的手段を用いる。
【００１４】
請求項５に記載の発明によれば、プローブとしてＵ字型の金属導体により形成されたプローブを採用する。Ｕ字型のプローブは、Ｔ字型のプローブなどに比べ、プラズマが発生するチャンバーに挿入するためのポートを小さくすることができるため、好適に用いることができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、請求項４または請求項５に記載の高圧力プラズマの電子密度および／または電子衝突周波数の測定装置において、長さの異なる２本のプローブを備えた、という技術的手段を用いる。
【００１６】
請求項６に記載の発明によれば、長さの異なる２本のプローブを用いることにより、高圧力における測定誤差を、１本のプローブによる測定に比べて大幅に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明におけるプラズマ密度測定装置及びプラズマ密度測定方法について、図を参照して説明する。図１は、プラズマ処理装置及びプラズマ密度測定装置の概略図である。図２は、プローブの外形形状を示す説明図である。図３は、プローブと同軸ケーブルとの接続方法を示す説明図である。
【００１８】
図１に示すように、プラズマ密度測定装置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プローブ１０と、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。
【００１９】
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。
【００２０】
プローブ１０は、チャンバー３１内部に取り付けられており、後端が同軸ケーブルによりプローブ制御装置２０に接続されている。具体的な構成については、後述する。
【００２１】
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。
【００２２】
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、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。
【００２３】
方向性結合器２２は、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。
【００２４】
減衰器２３は、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、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。
【００２５】
反射係数スペクトル表示部２５は、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。
【００２６】
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及び共振の半値幅を求め、これらに基づいて、後述する測定原理により、電子密度、電子衝突周波数を算出する。
【００２７】
プローブ１０は、電磁波の共振現象を利用する金属製のアンテナを用いる。本実施形態では図２に示すように、直径２ａ、長さｌの２本の金属線が距離ｄだけ離して平行に配置され一端でＵ字型に接続されたＵ字型プローブ（ヘアピンプローブ）を採用する。このようなＵ字形プローブは２つの平行長尺伝送線路（平行２線モデル）として扱うことができる。プローブ１０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。プローブ１０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、プローブ１０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。
【００２８】
プローブ１０において、２本の金属線の距離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ｌは、測定対象のプラズマ密度と、測定精度などの条件に基づいて設定される。
【００２９】
プローブ１０は、同軸ケーブル１１の芯導体１１ｂの先端と、底部とが、円弧状リード線１１ａで接続されている。更に底部は同軸ケーブル１１の外皮導体１１ｃと接続されている。同軸ケーブル１１の他端は、プローブ制御装置２０に接続されている。
【００３０】
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プローブ１０に供給すると、円弧状リード線１１ａでプローブ１０を励振するのに用いられ、電磁波が励起され、この励起された電磁波はプラズマＰへ放射される。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。
【００３１】
反射パワーは、方向性結合器２２において、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にして検出され、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４に示すような共振スペクトル）として検出する。
【００３２】
そして、プラズマ特性算出部２６において、反射パワーが共鳴的に減少する共振周波数frと、共振ピークの半値幅Δfと、を求め、これらに基づいて、プラズマ中の電子密度ｎeまたは電子衝突周波数νmを算出する。なお、プラズマ中に負イオンが存在しない場合は、電子密度はプラズマ密度に等しい。
【００３３】
図２に示すＵ字型プローブを長さlの平行二線型伝送路とみなし、これを電子密度ne、電子衝突周波数νmのプラズマ中に挿入した場合に、半波長ダイポール共振を起こす共振周波数frと共振の半値幅Dfを求めると次の式１を得る。ここで、ｃは光速、ε0は真空の誘電率εprはプラズマの誘電率、ωpは電子密度で決まる電子プラズマ角周波数、νmは放電に用いたガス種と圧力および電子温度で決まる電子衝突周波数である。
【００３４】
【数１】
2010232110.tif 000003
【００３５】
【数２】
2010232110.tif 000004
【００３６】
【数３】
2010232110.tif 000005
【００３７】
ここでc/4l=f0とおき、式１と式２より電子衝突周波数と電子プラズマ角周波数を求めて整理すると次の関係式を得る。
【００３８】
【数４】
2010232110.tif 000006
【００３９】
【数５】
2010232110.tif 000007
【００４０】
共振スペクトルの測定からfr、f0、Δfの値を求め、式４に代入すると衝突周波数νmの値が決まる。それを式５に代入すればωp2の値が決まる。さらに、この値を次の式６に代入することにより、ＭＫＳ単位系を用いて電子密度ｎe（ｍ-3）を求めることができる。[測定法Ａ]
【００４１】
【数６】
2010232110.tif 000008
【００４２】
上に述べた平行二線型伝送路モデルでは、その伝送路からの電磁波の放射が考慮されていない。実際に測定されたプローブの共振特性は、この放射損失による半値幅の広がりがあり、プラズマがない場合でも半値幅がゼロにならない。これを補正するため、プラズマ中で実測された半値幅Δfと共振周波数frの比から、プラズマがないときの半値幅Δfと共振周波数f0の比を差し引いた値を式７により定義する。
【００４３】
【数７】
2010232110.tif 000009
【００４４】
この値が伝送線路モデルで求めた式３の左辺の値と考えられるので、νmをＧＨｚ単位で、プローブ長ｌをｍｍ単位で与え、電子密度（ｍ-3）を求めると、式８が得られる。
【００４５】
【数８】
2010232110.tif 000010
【００４６】
従って、あらかじめプラズマが生成されていない場合の半値幅と共振周波数との比Δf/f0を求めておき、これをプラズマ中での半値幅と共振周波数との比Δf/frから差し引くことにより、式８を用いてプラズマ密度を算出することができる。[測定法Ｂ]
【００４７】
なお、式８により電子密度を算出するには電子衝突周波数のデータが必要である。いくつかの代表的なガス種については、電子温度の関数としてそのデータが調べられている。そのようなデータベースがないガス種については、次の式９から電子衝突周波数を近似的に求めることができる。ここで、式９において、rはガス分子の半径を１０-10ｍの単位で与え、電子温度ＴｅはｅＶ、圧力ｐはＴｏｒｒの単位で与えている。
【００４８】
【数９】
2010232110.tif 000011
【００４９】
プローブからの電磁波の放射損失は通常あまり大きくないので、式４を用いて電子衝突周波数を、共振スペクトルの測定値だけから算出することは可能である。しかし、１０Ｔｏｒｒ以上の高圧力になると、共振周波数frはプラズマがない時の値f0に近づくため、測定誤差が大きくなる。そこで、長さの異なる２本のプローブを用いて、より高い精度で電子衝突周波数と電子密度を求める方法を以下に提案する。
【００５０】
長さl1、l2の2本のプローブによって測定された共振周波数をそれぞれf1、f2、共振幅をΔf1、Δf2とすれば、前出の式１と式２より、次の２つの関係式を得る。
【００５１】
【数１０】
2010232110.tif 000012
【００５２】
【数１１】
2010232110.tif 000013
【００５３】
式１０の右辺に実験値を代入して衝突周波数νmの値を求め、それを式１１に代入すればωp2の値が決まる。この値を上式６に代入することにより、電子密度を求めることができる。[測定法Ｃ]
【００５４】
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は、制御部３２に送出される。制御部３２は測定されたプラズマ密度に基づいて、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。
【００５５】
（実施例）
以上、マイクロ波共振を起こすプローブを平行二線伝送路とみなして解析し、その結果に基づいて、プローブの共振スペクトルの実測値から電子密度ｎeや電子衝突周波数νm を求める３種類の測定法（Ａ、Ｂ、Ｃ）を記した。この方法の妥当性を示すため、予め電子密度ｎeと電子衝突周波数νmを与えて電磁界シミュレーションからプローブの共振特性を求め、伝送線路モデルによる予測とよく合うことを以下に説明する。なお、本発明の測定方法、測定条件などは、実施したシミュレーションの例に限定されない。
【００５６】
電磁界シミュレーションによって得られた共振スペクトルの例を示す。ａ＝１ｍｍ、ｄ＝４ｍｍ、ｌ＝２７ｍｍのＵ字型プローブを用い、与えられた電子密度、電子温度およびアルゴンガスの圧力の均一プラズマの中に当該プローブをおいたときの、プローブの共振特性を電磁界シミュレーション行って調べた。シミュレーションにより得られた共振スペクトルの例を図４に示す。ここに、電子密度ｎe=３×１０16ｍ-3、電子温度Ｔｅ=０．５ｅＶ一定とし、圧力ｐ(Ｔｏｒｒ)を変化させた場合の共振スペクトルを示す。
【００５７】
共振スペクトルは、圧力が１０Ｔｏｒｒ以下の低圧プラズマと、５０Ｔｏｒｒ以上の高圧プラズマで挙動が異なっている。圧力が１０Ｔｏｒｒ以下の低圧プラズマでは、共振周波数は約２．８９ＧＨｚであり、圧力が高くなると共振スペクトルのピークがブロードになる傾向が認められた。一方、圧力が５０Ｔｏｒｒ以上の高圧プラズマでは、共振周波数は約２．４４ＧＨｚであり、圧力が高くなるとピークがシャープになる傾向が認められた。プラズマが生成されていない場合の共振周波数も約２．４４ＧＨｚであり、共振スペクトルは大気圧プラズマ（７６０Ｔｏｒｒ）よりもシャープであるが、広がりは認められた。
【００５８】
図４に示された反射係数スペクトルから共振周波数と半値幅を求め、圧力を横軸にとって図５に示す。図５（ａ）の共振周波数の圧力に対する変化は、圧力が電子衝突周波数に正比例することを考慮すると、伝送線路モデルから予測された式１と合致している。すなわち、式１において、νm→∞（高圧力）の共振周波数はc/4l=f0となり、νm<<2πfr（低圧力）の共振周波数はfr=(c/4l)(1-ωp2/(2πf1)2)-1/2となる。一方、図５（ｂ）の半値幅は、式２の予測と合致している。すなわち、νm→∞（高圧力）ではΔf∝1/νm に従って半値幅が減少し、逆にνm→０（低圧力）ではΔf∝νmに従って半値幅が増大し、２０Ｔｏｒｒ程度で最大値を示す。実際、アルゴンの衝突断面積データから電子衝突周波数を見積もって、最大の半値幅を示す圧力を式２から求めると約２０Ｔｏｒｒとなる。換言すれば、式６で示される電子密度の測定法Ａの妥当性が実証された。
【００５９】
図６には、図４または図５（ｂ）の共振スペクトルから求めた半値幅と共振周波数との比Δf/frと電子密度ｎeとの関係を示す。圧力ｐは１６０Ｔｏｒｒ、７６０Ｔｏｒｒの２水準、電子温度Ｔｅは０．５ｅＶ、１．０ｅＶの２水準で、プラズマが生成されていない場合の半値幅と共振周波数との比Δf/f0をＶａｃｕｕｍ  ｌｅｖｅｌとして示した。いずれの条件においても、Δf/frは、Ｖａｃｕｕｍ  ｌｅｖｅｌ  Δf/f0を切片とし、電子密度に対して比例関係を有している。これにより、プラズマ密度が式８により算出できるという測定法Bの妥当性が確認された。
【００６０】
［最良の実施形態の効果］
（１）本発明の高圧力プラズマの電子密度、電子衝突周波数の測定方法及びプラズマ特性測定装置１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プローブ１０を高圧力プラズマＰに挿入し、高周波発振器２１によりプローブ１０に周波数を掃引しながら高周波パワーを供給し、反射係数スペクトル表示部２５により、プローブ１０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、プローブ１０の共振スペクトルを検出し、反射係数スペクトル表示部２５において検出された共振特性から共振周波数及び共振の半値幅を算出し、プラズマ特性算出部２６において、当該共振周波数及び共振の半値幅に基づいて、高圧力プラズマの電子密度、電子衝突周波数を算出することができる。共振の半値幅は、高圧力プラズマの電子密度、電子衝突周波数に対して敏感に変化するため、当該共振周波数及び共振の半値幅に基づいて高圧力プラズマの電子密度、電子衝突周波数を精度よく測定することができる。プローブ１０は、例えば、長さが数ｃｍ程度の金属線から形成することができるので小型であるとともに、空間分解能を有し、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、高価な大型測定装置を用いることなく、圧力が１Ｔｏｒｒ以上の高圧力プラズマの電子密度、電子衝突周波数を測定することができる。また、プローブ１０としてＵ字型の金属導体により形成されたプローブを採用すると、Ｔ字型のプローブなどに比べ、プラズマが発生するチャンバー３１に挿入するためのポートを小さくすることができるため、好適に用いることができる。
【００６１】
（２）測定法Ｂでは、共振スペクトルから求められる半値幅と共振周波数との比Δf/frを、プラズマが生成されていない場合の半値幅と共振周波数との比Δf/f0により補正するため、誤差因子を排除し、より正確な電子密度を測定することができる。
【００６２】
（３）測定法Ｃでは、長さの異なる２本のプローブ１０を用いることにより、高圧力における測定誤差を、１本のプローブによる測定に比べて大幅に抑制することができるため、測定精度を格段に向上させることができる。
【００６３】
［その他の実施形態］
上述の実施形態では、プローブ１０として、Ｕ字型のプローブを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、発明者らが開発したＪＰ  ＷＯ２００７／０２６８５９号公報に記載の各種プローブを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】プラズマ処理装置及びプラズマ密度測定装置の概略図である。
【図２】プローブの外形形状を示す説明図である。
【図３】プローブと同軸ケーブルとの接続方法を示す説明図である。
【図４】実施例における電磁界シミュレーションにより得られた共振スペクトルの例を示す説明図である。
【図５】実施例における(a)共振周波数と(b)半値幅の圧力依存性を示す説明図である。
【図６】実施例における共振スペクトルから求めた半値幅と共振周波数との比と電子密度との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６５】
１    プラズマ特性測定装置
１０    プローブ
１１    同軸ケーブル
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
【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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