(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の空間内に存在するプラズマの中またはその付近に設定した所望のモニタ位置にアンテナプローブを配置する工程と、
前記アンテナプローブより周波数可変の電磁波を入射波として前記プラズマに入射させる工程と、
前記プラズマから前記アンテナプローブに反射してきた反射波を受信する工程と、
前記入射波と前記反射波とから複素数表示の複素反射係数を測定し、その複素反射係数の虚数部を取得する工程と、
前記電磁波の周波数を掃引して前記複素反射係数の虚数部の値がゼロになる共振周波数を測定する工程と、
前記共振周波数が前記プラズマ中の電子振動数に等しいとみなして、前記共振周波数の測定値から前記プラズマ中の電子密度を算出する工程と
を有するプラズマモニタリング方法。
【請求項２】
前記電磁波の周波数を掃引して、前記複素反射係数の虚数部の符号が変わるポイントの周波数を前記共振周波数として割り出す、請求項１に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項３】
前記空間内にプラズマが存在しない状態の下で、前記電磁波の周波数を掃引して前記複素反射係数の虚数部について第１の周波数特性を取得する工程と、
前記空間内にプラズマが存在する状態の下で、前記電磁波の周波数を掃引して前記複素反射係数の虚数部について第２の周波数特性を取得する工程と、
前記第２の周波数特性を前記第１の周波数特性によって正規化した周波数特性を求める工程と
を有する、請求項２に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項４】
室内でプラズマが生成されるチャンバの側壁に設けた第１の支持部と第２の支持部との間に絶縁管を前記プラズマの中またはその付近を通過するように架け渡し、
前記アンテナプローブとして先端部の芯線を露出させたプローブ部を有する同軸ケーブルを前記絶縁管の一方の端より管内に挿入して、前記プローブ部を前記モニタ位置に配置する、
請求項１に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項５】
前記モニタ位置を変えるために前記絶縁管に対して前記同軸ケーブルを軸方向に移動させる、請求項４に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項６】
前記絶縁管内の前記プローブ部の位置を変えて、前記プラズマ中の電子密度の空間分布を求める、請求項５に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項７】
プラズマの生成または導入の可能なチャンバの壁または室内に配置されるアンテナプローブと、
周波数を掃引しながら、各周波数の電磁波を前記アンテナプローブに送って前記プラズマに入射波として入射させ、前記プラズマから前記アンテナプローブを介して反射してくる反射波を受信して、前記入射波と前記反射波とから複素数表示の複素反射係数を測定するベクトル式の反射係数測定部と、
前記反射係数測定部で取得される前記複素反射係数の虚数部がゼロになる共振周波数の測定値を求める共振周波数測定部と、
前記共振周波数が前記プラズマ中の電子振動数に等しいとみなして、前記共振周波数の測定値から前記プラズマ中の電子密度を算出する電子密度演算部と
を有するプラズマモニタリング装置。
【請求項８】
前記反射係数測定部が、前記電磁波の周波数を掃引して前記複素反射係数の虚数部について周波数特性を取得し、
前記共振周波数測定部が、前記周波数特性において前記複素反射係数の虚数部の符号が変わるポイントの周波数を前記共振周波数として割り出す、
請求項７に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項９】
前記反射係数測定部が、前記複素反射係数の虚数部について、前記チャンバ内にプラズマが存在しない状態の下で第１の周波数特性を取得し、前記チャンバ内にプラズマが存在する状態の下で第２の周波数特性を取得し、前記第２の周波数特性を前記第１の周波数特性によって正規化した周波数特性を求める、請求項８記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１０】
前記チャンバの室内に挿入して取り付けられる絶縁管と、
前記アンテナプローブとして先端部の芯線を露出させたプローブ部を有し、前記絶縁管の一方の端より管内に挿入される同軸ケーブルと
を有する、請求項９に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１１】
前記絶縁管に対して前記同軸ケーブルを軸方向に移動させるためのアクチエータを有する、請求項９に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１２】
前記チャンバの側壁に設けた第１の支持部と第２の支持部との間に前記絶縁管を架け渡す、請求項１０に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１３】
前記第１および第２の支持部の少なくとも一方が貫通孔によって形成される、請求項１２に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１４】
前記絶縁管を前記貫通孔に気密に固定取付するＯリングを有する、請求項１３に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１５】
一端部が前記チャンバのグランド電位部分に接続され、他端部が前記同軸ケーブルの外部導体と接続するアース用導体を有する、請求項１０記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１６】
前記アース用導体と前記同軸ケーブルの外部導体とが接触する位置よりも前記プローブ部側の位置に前記外部導体を伝播するノイズ信号を電磁誘導を通じて吸収するための電磁波吸収体を設ける、請求項１５に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１７】
前記電磁波吸収体が、前記同軸ケーブルに軸方向に沿って装着される１個または複数個のビーズ形フェライト部材である、請求項１６に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１８】
前記絶縁管の中に冷却用のガスを流すために前記絶縁管の他方の端に接続された冷却機構を有する、請求項１０に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１９】
被処理体を収容するチャンバと、
前記チャンバ内に所定のガスを供給するガス供給部と、
前記チャンバ内で前記ガスを放電させて前記被処理体に所望の処理を施すためのプラズマを生成するプラズマ発生部と、
前記チャンバ内を減圧して所望の圧力に維持するための排気部と、
プラズマの生成または導入の可能なチャンバの壁または室内に配置されるアンテナプローブと、
プラズマモニタリング装置と
を有し、前記プラズマモニタリング装置が、
周波数を掃引しながら、各周波数の電磁波を前記アンテナプローブに送って前記プラズマに入射波として入射させ、前記プラズマから前記アンテナプローブを介して反射してくる反射波を受信して、前記入射波と前記反射波とから複素数表示の複素反射係数を測定するベクトル式の反射波測定部と、
前記反射波測定部で取得される前記複素反射係数の虚数部がゼロになる共振周波数の測定値を求める共振周波数測定部と、
前記共振周波数が前記プラズマ中の電子振動数に等しいとみなして、前記共振周波数の測定値から前記プラズマ中の電子密度を算出する電子密度演算部と
を有するプラズマ処理装置。
【請求項２０】
前記プラズマモニタリング装置より得られる前記電子密度の測定値に基づいて前記チャンバ内のプラズマ処理の状態をモニタリングするモニタ部を有する、請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２１】
前記プラズマモニタリング装置より得られる前記電子密度の測定値が所定の範囲内に維持されるように、プラズマ処理を左右するプロセスパラメータの中の少なくとも１つを制御するプロセス制御部を有する、請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２２】
前記チャンバのクリーニングまたは部品交換後のプロセス条件に対して、前記プラズマモニタリング装置より得られる前記電子密度の測定値の経時的な変化の特性に基づいてシーズニングを完了させるシーズニング制御部を有する、請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２３】
前記シーズニング制御部が、前記チャンバに入れ替わり搬入されて前記プラズマ処理を受ける各々のダミー基板について前記プラズマ処理の期間中に時間的に変化する前記電子密度の測定値の代表値を求め、相前後するダミー基板の間で前記代表値が実質的な定常値に落ち着いたところでシーズニングを完了させ、前記チャンバに搬入する基板をダミー基板から正規の被処理基板に切り換える、請求項２２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２４】
前記アンテナプローブを前記チャンバの壁に取り付ける、請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２５】
前記チャンバ内に前記プラズマを生成するための電極を設け、前記電極に前記アンテナプローブを取り付ける、請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２６】
前記チャンバ内に前記被処理体を載置するための載置台を設け、前記載置台に前記アンテナプローブを取り付ける、請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２７】
異なる場所に配置されている複数の前記アンテナプローブの中からいずれか１つを選択して前記反射係数測定部に電気的に接続するためのセレクタスイッチを有する、請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２８】
前記セレクタスイッチが、前記複数のアンテナプローブを時分割方式で順次前記反射係数測定部に電気的に接続する、請求項２７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項２９】
所定の空間内に存在するプラズマの中またはその付近に設定した所望のモニタ位置にアンテナプローブを配置する工程と、
前記アンテナプローブより周波数可変の電磁波を入射波として前記プラズマに入射させる工程と、
前記プラズマから前記アンテナプローブに反射してきた反射波を受信する工程と、
前記入射波と前記反射波との位相差を測定する工程と、
前記電磁波の周波数を掃引して前記位相差がゼロになる共振周波数を測定する工程と、
前記共振周波数が前記プラズマ中の電子振動数に等しいとみなして、前記共振周波数の測定値から前記プラズマ中の電子密度を算出する工程と
を有するプラズマモニタリング方法。
【請求項３０】
プラズマの生成または導入の可能なチャンバの壁または室内に配置されるアンテナプローブと、
周波数を掃引しながら、各周波数の電磁波を前記アンテナプローブに送って前記プラズマに入射波として入射させ、前記プラズマから前記アンテナプローブを介して反射してくる反射波を受信して、前記入射波と前記反射波の位相差を測定する位相差測定部と、
前記位相差測定部で取得される前記位相差がゼロの値をとる共振周波数の測定値を求める共振周波数測定部と、
前記共振周波数が前記プラズマ中の電子振動数に等しいとみなして、前記共振周波数の測定値から前記プラズマ中の電子密度を算出する電子密度演算部と
を有するプラズマモニタリング装置。
【請求項３１】
被処理体を収容するチャンバと、
前記チャンバ内に所定のガスを供給するガス供給部と、
前記チャンバ内で前記ガスを放電させて前記被処理体に所望の処理を施すためのプラズマを生成するプラズマ発生部と、
前記チャンバ内を減圧して所望の圧力に維持するための排気部と、
プラズマの生成または導入の可能なチャンバの壁または室内に配置されるアンテナプローブと、
プラズマモニタリング装置と
を有し、前記プラズマモニタリング装置が、
周波数を掃引しながら、各周波数の電磁波を前記アンテナプローブに送って前記プラズマに入射波として入射させ、前記プラズマから前記アンテナプローブを介して反射してくる反射波を受信して、前記入射波と前記反射波の位相差を測定する位相差測定部と、
前記位相差測定部で取得される前記位相差がゼロの値をとる共振周波数の測定値を求める共振周波数測定部と、
前記共振周波数が前記プラズマ中の電子振動数に等しいとみなして、前記共振周波数の測定値から前記プラズマ中の電子密度を算出する電子密度演算部と
を有するプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置等におけるチャンバ内のプラズマをモニタリングする技術に係り、特にプラズマ中の電子密度やプラズマからの発光を計測するプラズマモニタリング方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理では、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマが多く利用されている。一般に、プラズマ処理装置にあっては、高い歩留まりを得るために基板の被処理面にわたって均一にプラズマ処理を施す必要があり、そのためには処理空間にプラズマ密度すなわち電子密度が均一な状態で分布するようにプラズマを生成する必要がある。このことから、プラズマ処理装置の設計段階あるいは立ち上げ段階で、チャンバ内の処理空間にどのような電子密度の分布でプラズマが生成するのかを把握するためにプラズマ中の電子密度を正確に測定できる技術が必要不可欠となっている。
【０００３】
近年、この種のモニタリング技術としてプラズマ吸収プローブ（ＰＡＰ：Plasma Absorption Probe）法が注目されている。このモニタリング法は、アンテナプローブを絶縁管で被覆することにより、ラングミュアプローブ法のようにプラズマ電位を乱したり、チャンバ内に金属汚染をもたらすことがないため、反応性ガスのプラズマでも計測できる。また、ギガヘルツ帯域の計測であるため、絶縁管表面に誘導性の堆積膜が付いても影響を受けにくく、堆積性ガスのプラズマでも計測できるなどのメリットがある。
【０００４】
従来のプラズマ吸収プローブ法は（たとえば特許文献１，２，３参照）は、図５０に示すように、チャンバ２００の側壁に設けた貫通孔２００ａに先端の閉じた絶縁管２０２を摺動可能に取り付け、先端部の芯線を数ｍｍ程度露出させたプローブ部２０４ａを有する同軸ケーブル２０４を絶縁管２０２の中に挿入し、同軸ケーブル２０４の他端をスカラ式のネットワークアナライザ２０６に接続する。チャンバ２００内には、プラズマ発生機構としてたとえば高周波電源（図示せず）に接続されている平行平板型の上部電極２０８および下部電極２１０が配置され、減圧下で両電極２０８，２１０間のギャップ空間に処理ガスが供給されることにより該処理ガスのプラズマｐｚが生成される。図示の例では、下部電極２１０の上に被処理基板Ｗが載置される。チャンバ側壁に設けられる絶縁管取付用の貫通孔２００ａには、絶縁管２０２を支持し、かつ真空封止するＯリング２１２が取り付けられる。
【０００５】
スカラネットワークアナライザ２０６は、たとえば数百ＭＨｚから数ＧＨｚの帯域で周波数掃引しながら各周波数について微小電力の電磁波信号（入射波）を同軸ケーブル２０４のプローブ部２０４ａへ送ってチャンバ内のプラズマｐｚに向けて放射し、プラズマｐｚから反射してきた電磁波（反射波）のパワー量と入射波のパワー量との比からスカラ表示の反射係数を求め、その周波数特性を取得する。より詳細には、プローブ部２０４ａの位置を所望の測定位置に合わせ、先ずプラズマ生成用の高周波電源をオフにするとともに処理ガスの供給を止め、チャンバ２００内にプラズマｐｚが存在しない状態の下でネットワークアナライザ２０６により反射係数の周波数特性Γ(f)（Ｓ11パラメータ）を取得し、この測定データをメモリに記憶する。次いで、高周波電源をオンにするとともに処理ガスを供給して、チャンバ２００内にプラズマｐｚが生成されている状態の下でスカラネットワークアナライザ２０６により反射係数Γ(pf)の周波数特性を取得する。そして、両反射係数の比Γ(pf)／Γ(f)の周波数特性において波形が極小（最小ピーク）になるところの周波数をプラズマ吸収周波数とする。さらに、このプラズマ吸収周波数がプラズマ中の電子振動数ｆp（＝１／２π＊√（ｅ2＊Ｎe／ｍe＊ε0）と等しいとみなして、次式（１）より電子密度Ｎeを算出する。
Ｎe＝ｍe＊ε0＊（１＋εr）＊（２πｆp／ｅ）2 
＝０．０１２＊（１＋εr）＊ｆp2  ［ｍ-3］  ‥‥‥（１）
ここで、ｍeは電子質量、ε0は真空誘電率、εrは絶縁管の比誘電率、ｅは素電荷である。
【０００６】
プラズマｐｚ中の電子密度の空間分布を調べるには、絶縁管２０２を軸方向（長手方向）に押すか引いたりしてプローブ部２０４ａを複数の測定位置に順次移動させ、上記のように各測定位置毎にプラズマ生成のオン／オフを切り換えてその都度スカラネットワークアナライザ２０６により反射係数の周波数特性Γ(f)，Γ(pf)を取得し、プラズマ吸収周波数ないし電子密度の演算を行う。通常は、チャンバ２００の径方向でプローブ部２０４ａの位置つまり測定位置を所望のピッチでステップ移動させ、各測定位置で求めた電子密度の測定値をグラフ上にプロットする。
【０００７】
また、従来より、プラズマプロセッシングの装置開発やプロセス開発あるいは実プロセスにおいて、プロセスチャンバ内のプラズマ発光を計測するモニタリング技術が用いられている。従来のプラズマ発光計測法は、プロセスチャンバの側壁に取り付けた窓を通してチャンバ内のプラズマ発光を計測する。典型的には、窓から外に出たプラズマ光を分光器または光フィルタに通して特定波長のスペクトルを取り出し、取り出したスペクトルの強度や変化等を計測するようにしている（たとえば特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２０００−１００５９８号公報
【特許文献２】特開２０００−１００５９９号公報
【特許文献３】特開２００１−１９６１９９号公報
【特許文献４】特開平１０−２７０４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のようなプラズマ吸収プローブ法では、反射係数の周波数特性における波形のプロファイルによってプラズマ吸収周波数の測定値が大きく左右され、電子密度の測定値にばらつきが出やすいという問題がある。すなわち、反射係数の周波数特性において吸収ピーク（最小ピーク）が先端の尖った角状の波形で表われるときはピーク点の周波数つまりプラズマ吸収周波数を正確に測定できるが、吸収ピーク（最小ピーク）が先端の丸まったブロードの波形で表われるときはピーク点が不明確で、測定値に誤差が生じやすい。そのようなブロードの吸収ピーク波形は、典型的には測定点のプラズマ密度（電子密度）が低いときに表われる。また、高圧力条件では、プラズマ中のガス分子衝突による信号電力吸収が無視できなくなって、ノイズが増大し、これによって電子振動による正味の電力吸収が見えづらくなり、Ｓ／Ｎが低下する。
【０００９】
また、上記のような従来のプラズマ吸収プローブ法では、測定位置を変える度毎にプラズマ生成のオン／オフを繰り返すため、１つの測定位置毎に数分の測定時間を要する。しかも、測定位置を変えるのに絶縁管２０２を摺動させる方式であるため、次の測定位置に移るまでのプローブ部２０２ａの移動ないし位置合わせにも相当の時間を要する。このため、測定ポイントを１０箇所程度に選んだ場合でも全測定時間は数１０分以上かかる。測定ポイントのステップ距離または間隔を短くしてプラズマ電子密度の空間分布を詳細に評価しようとすると、多数（たとえば１００以上）の測定ポイントを必要とするため、全測定時間は優に数時間を超えてしまう。さらに、プラズマ・プロセスの入力パラメータ（ＲＦ電力、圧力、ガス種、電極間距離、電極構造、チャンバ構造・材質等）に対するプラズマ電子密度の依存性または相関性を詳細に評価する場合には、非常に膨大な測定時間がかかってしまう。この問題は、大口径チャンバを有する３００ｍｍ径ウエハやＦＰＤ用の処理装置で特に深刻である。
【００１０】
また、上記のような従来のプラズマ発光計測法によれば、チャンバ内のプラズマ発光をチャンバ側壁の窓を通して平均値としてしか計測できず、チャンバ内の空間分布として計測することはできない。このため、被処理基板におけるプロセス結果の面内分布とプラズマ発光の空間分布との相関性を調べるようなことはできない。
【００１１】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、任意のプラズマ条件の下で、特に低電子密度条件や高圧力条件の下でも、プラズマ中の電子密度を高精度に測定できるようにしたプラズマモニタリング方法、プラズマモニタリング装置およびプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点におけるプラズマモニタリング方法は、所定の空間内に存在するプラズマの中またはその付近に設定した所望のモニタ位置にアンテナプローブを配置する工程と、前記アンテナプローブより周波数可変の電磁波を入射波として前記プラズマに入射させる工程と、前記プラズマから前記アンテナプローブに反射してきた反射波を受信する工程と、前記入射波と前記反射波とから複素数表示の複素反射係数を測定し、その複素反射係数の虚数部を取得する工程と、前記電磁波の周波数を掃引して前記複素反射係数の虚数部の値がゼロになる共振周波数を測定する工程と、前記共振周波数が前記プラズマ中の電子振動数に等しいとみなして、前記共振周波数の測定値から前記プラズマ中の電子密度を算出する工程とを有する。
【００１９】
また、本発明の第１の観点におけるプラズマモニタリング装置は、プラズマの生成または導入の可能なチャンバの壁または室内に配置されるアンテナプローブと、周波数を掃引しながら、各周波数の電磁波を前記アンテナプローブに送って前記プラズマに入射波として入射させ、前記プラズマから前記アンテナプローブを介して反射してくる反射波を受信して、前記入射波と前記反射波とから複素数表示の複素反射係数を測定するベクトル式の反射係数測定部と、前記反射係数測定部で取得される前記複素反射係数の虚数部がゼロになる共振周波数の測定値を求める共振周波数測定部と、前記共振周波数が前記プラズマ中の電子振動数に等しいとみなして、前記共振周波数の測定値から前記プラズマ中の電子密度を算出する電子密度演算部とを有する。
【００２０】
本発明では、ベクトル式の反射係数測定部を用いて、複素数表示の複素反射係数を測定し、複素反射係数の虚数部を取得する。そして、共振周波数測定部で複素反射係数の虚数部がゼロになる共振周波数を測定し、共振周波数の測定値を基に電子密度演算部でプラズマ中の電子密度を算出する。本発明においては、電磁波に対するプラズマリアクタンスの信号伝送特性を複素反射係数の虚数部を通じてモニタリングし、複素反射係数の虚数部がゼロになるときの周波数ｆPをプラズマリアクタンスが直列共振状態になってランダウ・ダンピングが生ずる共振周波数つまりプラズマ中の電子振動数［（１／２π＊√（ｅ2＊Ｎe／ｍe＊ε0）］に等しいとみなして、この共振周波数ｆPの測定値から電子密度Ｎeの測定値を求める。
【００２１】
好適な一態様によれば、反射係数測定部により電磁波の周波数を掃引して複素反射係数の虚数部について周波数特性を取得し、この周波数特性を基に共振周波数測定部で複素反射係数の虚数部の符号が負（−）から正（＋）に変わるポイントまたは正（＋）から負（−）に変わるポイントの周波数を共振周波数として割り出す。
【００２２】
また、好適な一態様によれば、上記被モニタ空間内にプラズマが存在しない状態の下で、電磁波の周波数を掃引して複素反射係数の虚数部について第１の周波数特性を取得し、上記被モニタ空間内にプラズマが存在する状態の下で、電磁波の周波数を掃引して複素反射係数の虚数部について第２の周波数特性を取得し、第１の周波数特性と第２の周波数特性とから正規の周波数特性を求める。この方式によれば、測定ポイントの数に関係なくプラズマＯＮ／ＯＦＦの切換時間を１回で済ませ、全体の測定時間を大幅に短縮することができる。
【００２３】
本発明のプラズマ処理装置は、被処理体を収容するチャンバと、前記チャンバ内に所定のガスを供給するガス供給部と、前記チャンバ内で前記ガスを放電させて前記被処理体に所望の処理を施すためのプラズマを生成するプラズマ発生部と、前記チャンバ内を減圧して所望の圧力に維持するための排気部と、本発明によるプラズマモニタリング装置とを有する。
【００２４】
かかる構成においては、本発明のプラズマモニタリング装置を用いることで、チャンバ内のプラズマ密度の状態ひいてはプロズマプロセッシングの状況を正確にモニタリングし、プラズマ処理の品質を向上させることができる。
【００２５】
本発明のプラズマ処理装置において、好適な一態様によれば、プラズマ電子密度測定装置より得られる電子密度の測定値に基づいてチャンバ内のプラズマ処理の状態をモニタリングするモニタ部が設けられる。より好ましくは、電子密度の測定値が所定の範囲内に維持されるように、プラズマ処理を左右するプロセスパラメータの中の少なくとも１つを制御するプロセス制御部が備えられてよい。
【００２６】
また、好ましい一態様として、チャンバのクリーニングまたは部品交換後のプロセス条件に対して、プラズマモニタリング装置より得られる電子密度の測定値の経時的な変化の特性に基づいてシーズニングを完了させるシーズニング制御部が備えられる。好ましい一態様によれば、シーズニング制御部が、チャンバに入れ替わり搬入されてプラズマ処理を受ける各々のダミー基板についてプラズマ処理の期間中に時間的に変化する電子密度の測定値の代表点を求め、相前後するダミー基板の間で代表点が実質的な定常値に落ち着いたところでシーズニングを完了させ、チャンバに搬入する基板をダミー基板から正規の被処理基板に切り換える。
【００２７】
また、好ましい一態様として、プラズマ電子密度測定装置のアンテナプローブをチャンバの壁に取り付ける構成、プラズマを生成するための電極に取り付ける構成、あるいは被処理体を載置するための載置台に取り付ける構成が採ることができる。
【００２８】
また、好ましい一態様として、異なる場所に配置されている複数のアンテナプローブの中からいずれか１つを選択して前記反射係数測定部に電気的に接続するためのセレクタスイッチを備えてよい。このセレクタスイッチにより複数のアンテナプローブを時分割方式で順次反射係数測定部に電気的に接続することにより、複数モニタ位置の同時測定を１台の計測器で効率よく実現することができる。
【００２９】
本発明の第２の観点におけるプラズマモニタリング方法は、所定の空間内に存在するプラズマの中またはその付近に設定した所望のモニタ位置にアンテナプローブを配置する工程と、前記アンテナプローブより周波数可変の電磁波を入射波として前記プラズマに入射させる工程と、前記プラズマから前記アンテナプローブに反射してきた反射波を受信する工程と、前記入射波と前記反射波との位相差を測定する工程と、前記電磁波の周波数を掃引して前記位相差がゼロになる共振周波数を測定する工程と、前記共振周波数が前記プラズマ中の電子振動数に等しいとみなして、前記共振周波数の測定値から前記プラズマ中の電子密度を算出する工程とを有する。
【００３０】
また、本発明の第２の観点におけるプラズマモニタリング装置は、プラズマの生成または導入の可能なチャンバの壁または室内に配置されるアンテナプローブと、周波数を掃引しながら、各周波数の電磁波を前記アンテナプローブに送って前記プラズマに入射波として入射させ、前記プラズマから前記アンテナプローブを介して反射してくる反射波を受信して、前記入射波と前記反射波の位相差を測定する位相差測定部と、前記位相差測定部で取得される前記位相差がゼロの値をとる共振周波数の測定値を求める共振周波数測定部と、前記共振周波数が前記プラズマ中の電子振動数に等しいとみなして、前記共振周波数の測定値から前記プラズマ中の電子密度を算出する電子密度演算部とを有する。
【００３１】
上記第２の観点によるプラズマモニタリング方法または装置においては、位相差測定部で測定される入射波と反射波の位相差の符合は複素反射係数の虚数部の符合に対応し、位相差がゼロになる周波数は複素反射係数の虚数部がゼロになる周波数つまり共振周波数である。したがって、位相差から割り出した共振周波数からも精度の高い電子密度の測定値を求めることができる。
【００３２】
本発明の第３の観点におけるプラズマモニタリング方法は、プラズマの生成または導入の可能なチャンバの側壁に設けた第１および第２の支持部の間で絶縁管を前記チャンバの室内に架け渡す工程と、先端部の芯線を露出させたプローブ部を有する同軸ケーブルを前記絶縁管の管内に挿入する工程と、前記チャンバ内にプラズマが存在しない状態の下で、前記同軸ケーブルをアクチエータの直進駆動により軸方向に移動させて、前記絶縁管内の前記プローブ部より放出される電磁波の反射係数について第１の周波数特性を取得する工程と、前記チャンバ内にプラズマが存在する状態の下で、前記同軸ケーブルをアクチエータの直進駆動により軸方向に移動させて、前記絶縁管内の前記プローブ部より放出される電磁波の反射係数について第２の周波数特性を取得する工程と、前記第１の周波数特性と前記第２の周波数特性との比または差分に基づいてプラズマ吸収周波数の測定値を求める工程とを有する。
【発明の効果】
【００５５】
本発明によれば、上記のような構成および作用により、任意のプラズマ条件の下で、特に低電子密度条件や高圧力条件の下でも、プラズマ中の電子密度を正確かつ高精度に測定することができる。また、信頼性の高い電子密度測定値に基づいてプラズマ密度の均一性やプラズマ処理の品質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下、図１〜図４９を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【実施形態１】
【００５７】
図１〜図１８につき本発明の第１の実施形態を説明する。図１および図２に、第１の実施形態によるプラズマ電子密度測定方法および装置を適用したプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、容量結合型の平行平板プラズマ処理装置である。
【００５８】
このプラズマ処理装置のチャンバ１０は、たとえばアルミニウムからなり、円筒形状の密閉可能な処理室として構成されている。チャンバ１０の底部には絶縁板１２を介してたとえばアルミニウムからなる支持台１４が配置され、この支持台１４の上にたとえばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられる。サセプタ１６は下部電極を構成し、この上に被処理基板たとえば半導体ウエハＷが載置される。
【００５９】
サセプタ１６には、イオン引き込み用の高周波電力を供給する高周波電源１８が図示しない整合器を介して電気的に接続されるとともに、後述する上部電極側からの高周波を通すためのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２２が電気的に接続されている。サセプタ１６の上面には、たとえば静電吸着力で基板Ｗを固定保持するための静電チャック（図示せず）が被着されていてよい。また、サセプタ１６または支持台１４の内部に温度制御用の冷却または加熱手段（図示せず）が設けられてよい。
【００６０】
サセプタ１６の上方には、このサセプタと平行に対向して上部電極２４が設けられている。この上部電極２４は、円筒状の絶縁材２５を介してチャンバ１０に支持されており、多数のガス吐出孔２６を有するたとえばアルミナなどのセラミックからなる下面の電極板２８と、この電極板２８を支持する導電材料たとえば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体３０とを有する。電極板２８と電極支持体３０との内側にはバッファ室が形成され、このバッファ室の上面中心部にガス導入口３２が設けられている。ガス導入口３２には処理ガス供給部３４からのガス供給配管３６が接続されている。上部電極２４には、プラズマ生成用の高周波電力を供給する高周波電源３８が図示しない整合器を介して電気的に接続されるとともに、サセプタ（下部電極）１６側からの高周波を通すためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）４２が電気的に接続されている。
【００６１】
チャンバ１０の底部には排気口４４が設けられ、この排気口４４に排気管を介して排気装置４６が接続されている。この排気装置４６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内の処理空間を所望の真空度まで減圧できるようになっている。また、チャンバ１０の側壁には基板Ｗを出し入れするための開閉機構たとえばゲートバルブ付きの基板出入り口（図示せず）が設けられている。チャンバ１０はアース線などで接地されている。
【００６２】
このプラズマ処理装置において、サセプタ１６上の基板Ｗにプラズマ処理を施すときは、主制御部２０の制御の下で、処理ガス供給部３４より所望の処理ガスを所定の流量でチャンバ１０内に導入し、排気装置４６によりチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、高周波電源１８より所定周波数（たとえば２ＭＨｚ）の高周波および高周波電源３８より所定周波数（たとえば６０ＭＨｚ）の高周波をそれぞれ所定のパワーでサセプタ（下部電極）１６、上部電極２４に印加する。上部電極２４の多孔付き電極板またはシャワーヘッド２８より吐出された処理ガスは電極間のグロー放電中でプラズマ化し、このプラズマＰＺ中のラジカルやイオンなどによって基板Ｗがプラズマ処理される。なお、サセプタ（下部電極）１６と上部電極２４との距離間隔は、たとえば１０〜６０ｍｍ程度に設定される。
【００６３】
この実施形態におけるプラズマ電子密度測定装置は、チャンバ１０に固定取付される円筒状の絶縁管５０と、先端部の芯線を露出させたプローブ部（アンテナプローブ）５２ａを有し、絶縁管５０の一方の端（図１の左端）より管内に摺動可能に挿入される同軸ケーブル５２と、チャンバ１０内に生成されるプラズマＰＺについて同軸ケーブル５２を介してプラズマ共振周波数や電子密度を測定する測定部５４と、同軸ケーブル５２を軸方向に移動させるためのリニアアクチエータ５６とを有する。
【００６４】
絶縁管５０は、たとえば石英管からなり、チャンバ１０の外径寸法よりも幾らか長く、まっすぐ（直線状）に形成されており、両端が開口している。図１に示すように、サセプタ（下部電極）１６と上部電極２４との中間の高さ位置でチャンバ１０の側壁には相対向する一対の貫通孔１０ａが支持部または計測ポートとして形成され、絶縁管５０はこれらの貫通孔１０ａを貫通してチャンバ１０の室内にほぼ水平に架け渡される。各貫通孔１０ａには、絶縁管５０を気密に、つまり真空封止して固定するためのＯリング５８が取り付けられている。
【００６５】
同軸ケーブル５２は、図２に示すように、たとえばアルミニウムからなる芯線（内部導体）５２ａと、ステンレスパイプからなる外部導体５２ｂと、テフロン（登録商標）からなる絶縁材５２ｃとを有する剛体のセミリジッドケーブルからなり、先端部の芯線５２ａを数ｍｍ程度露出させてプローブ部としている。同軸ケーブル５２の基端部側はＳＭＡプラグ６０の形態で測定部５４に接続されている（図１）。また、同軸ケーブル５２の絶縁管５０からはみ出た部分の外部導体（ＧＮＤ部）５２ｂはアース用導体６２を介してグランド電位のチャンバ１０の側壁に電気的に接続される。
【００６６】
アース用導体６２は、図２に示すように、たとえば絶縁管５０を取付固定するための導電性のフランジ部材６４に基端部が固着され、先端部が同軸ケーブル５２の外部導体５２ｂに摺動可能に接触する複数個の導電性バネ部材からなり、それらの導電性バネ部材が上下または左右あるいは四方から同軸ケーブル５２を一定位置で弾撥的に挟持するような構成であってよい。あるいは、バネ部材に代えて導電線を使用し、同軸ケーブル５２の外部導体５２ｂに導電線の先端をクリップ等で接続する構成であってもよい。いずれにせよ、アース用導体６２をいったん開放（リリース）した状態で絶縁管５０の中に同軸ケーブル５２を挿入し、同軸ケーブル５２を絶縁管５０から引き抜く方向に移動させることでプローブ部５２ａを所望の位置（測定位置）に位置合わせするのが好ましい。
【００６７】
アース用導体６２に近接してその内側つまりプローブ部５２ａ側の位置には、同軸ケーブル５２の外部導体５２ｂ上に発生する定在波のノイズ信号を吸収するための電磁波吸収体が設けられる。この実施形態では、図２に明示するように、絶縁性の円筒状保持体６５に同軸ケーブル５２を通し、保持体６５の内側に軸方向に沿って直列に１個または複数個のビーズ形フェライト部材６６を取り付けている。
【００６８】
図１において、測定部５４は、計測器本体であるベクトルネットワークアナライザ６８と、ＳＭＡインタフェース用のＲＦリミッタ７０およびハイパスフィルタ（ＨＰＦ）７２と、計測用の制御および演算処理を行う計測制御部７４とを有している。ベクトルネットワークアナライザ６８および計測制御部７４の構成および作用は後で詳しく説明する。
【００６９】
リニアアクチエータ５６は、同軸ケーブル５２の基端部に結合されたスライダ部７６と、このスライダ部７６を同軸ケーブル５２の軸方向に直進移動させるためのボールねじ機構７８とを有する。ボールねじ機構７８の駆動源にはたとえばサーボモータ（図示せず）が用いられ、スライダ部７６を可動範囲内で任意の位置に位置決めできるようになっている。
【００７０】
絶縁管５０の他端（図１の右端）には冷却ガス供給部８０からの配管８２が接続されている。冷却ガス供給部８０は、たとえば送風機またはポンプを有し、冷却用のガスたとえばエアーを配管８２を介して絶縁管５０に流し込む。絶縁管５０の右端より導入されたエアーは反対側（左側）に向って管内を流れ、アース用導体６２の隙間から大気へ抜ける。このように、絶縁管５０の中をエアーが軸方向に貫通して流れることによって、同軸ケーブル５２、特にプローブ部５２ａ回りが効果的に冷却されるようになっている。より好ましくは、冷却ガス供給部８０が温調された冷却ガスを供給するようにしてもよい。あるいは、冷却ガス供給部８０をエアー吸引型に構成して、絶縁管５０の中を左側から右側にエアーを流すようにすることも可能である。
【００７１】
図３に、測定部５４におけるベクトルネットワークアナライザ６８および計測制御部７４の要部の構成を示す。
【００７２】
ベクトルネットワークアナライザ６８は、複素数表示の反射係数（複素反射係数）を測定するための信号送受信および信号処理を行う反射係数測定部８４と、暫定的な反射係数測定値のデータ（周波数特性）を一時的に蓄積するためのバッファメモリ８６と、正式（最終結果）の反射係数測定値Γのデータ（周波数特性）を実数部Γrと虚数部Γiとに分けて蓄積する実数部メモリ８８，虚数部メモリ９０とを有している。反射係数測定部８４は、周波数掃引方式の高周波電源、入射波検出用および反射波検出用の方向性結合器、複素反射係数測定回路等を含んでいる。複素反射係数測定回路は、たとえば振幅比測定回路および位相差測定回路等で構成されてよい。
【００７３】
スカラ式のネットワークアナライザが入射波および反射波のそれぞれのパワー（スカラ量）の比からスカラー表示で反射係数の測定値を取得するのに対して、この実施形態におけるベクトル式のネットワークアナライザ６８は入射波および反射波のそれぞれの電圧Ｖin，Ｖreまたは電流Ｉin，Ｉre（ベクトル量）の比（Ｖre／Ｖin，Ｉre／Ｉin）から複数数表示で反射係数Γ（Γr＋ｊΓi）の測定値を取得する。ここで、虚数部Γiは周波数に応じて正または負の符号をとる。
【００７４】
計測制御部７４は、ベクトルネットワークアナライザ６８の虚数部メモリ９０から複素反射係数虚数部Γiの測定値データ（周波数特性）を取り込んでゼロクロス点の周波数を共振周波数ｆpとして読み取る共振周波数読取部９２と、この共振周波数読取部９２で割り出された共振周波数ｆpに基づいて所定の演算式から電子密度Ｎeの測定値を求める電子密度演算部９４と、電子密度測定値Ｎeのデータを出力する出力部９６と、計測のシーケンスを制御するシーケンス制御部９８とを有している。
【００７５】
ここで、この実施形態のプラズマ電子密度測定装置においてチャンバ１０内のプラズマＰＺについて径方向における任意の位置の電子密度を測定するための方法を説明する。
【００７６】
この実施形態では、測定部５４の計数制御部７４（特にシーケンス制御部９８）の制御の下で次のようにしてプラズマ電子密度測定を行う。先ず、リニアアクチエータ５６により同軸ケーブル５２を絶縁管５０内で軸方向（好ましくは引き抜く方向）に移動させてプローブ部５２ａを所望の測定位置ｈkに位置合わせする。
【００７７】
次に、ベクトルネットワークアナライザ６８が、ＲＦリミッタ７０、ＨＰＦ７２、同軸ケーブル５２およびプローブ部５２ａを介して当該測定位置ｈkにおける複素反射係数Γの測定値（周波数特性）を取得する。この際、基準化のために、第１の計測工程として、図４に示すように、チャンバ１０内にプラズマＰＺが存在していないプラズマＯＦＦ状態の下で複素反射係数Γの周波数特性（第１の周波数特性Γ(f)）を取得する。その後、第２の計測工程として、図５に示すように、チャンバ１０内にプラズマＰＺが存在しているプラズマＯＮ状態の下で複素反射係数Γの周波数特性（第２の周波数特性Γ(pf)）を取得する。
【００７８】
第１および第２の各測定工程において、ネットワークアナライザ６８の反射計数測定部８４は、たとえば数百ＭＨｚから数ＧＨｚの帯域で周波数掃引しながら各周波数についてたとえば１ｍＷ程度の電磁波信号（入射波）を同軸ケーブル５２のプローブ部５２ａへ送って周囲の空間に（主としてプローブ部５２ａから見て半径方向に）放出させその付近のプラズマＰＺに入射させる。そして、プラズマＰＺからプローブ部５２ａに返ってきた電磁波つまり反射波を受信し、方向性結合器を介して入射波と反射波とを複素反射係数測定回路で突き合わせ、複素数表示の反射係数Γ（Γr＋ｊΓi）の測定値を取得する。
【００７９】
次いで、第１の測定工程で取得された第１の周波数特性Γk(f)と第２の測定工程で取得された第２の周波数特性Γk(pf)とから所定の演算たとえば割算Γk(pf)／Γk(f)によって正規の、つまり基準化した周波数特性を求める。こうして、複素数表示の反射係数Γ（Γr＋ｊΓi）の測定値（周波数特性）データのうち、実数部Γrを実数部メモリ８８に格納し、虚数部Γiを虚数部メモリ９０に格納する。この実施形態では、虚数部メモリ９０に格納する複素反射係数の虚数部Γiの測定値（周波数特性）データを有意義に用いる。
【００８０】
図６に、この実施形態で得られる複素反射係数Γ（Γr＋ｊΓi）の絶対値｜Γ｜、実数部Γrおよび虚数部Γiの周波数特性の一例（実験データ）を示す。この実験データは、プラズマクリーニング条件において、チャンバ１０内の圧力を１５ｍTorr、高周波電源１８による下部ＲＦ電力（２ＭＨｚ）を２００Ｗ、高周波電源３８による上部ＲＦ電力（６０ＭＨｚ）を１５００Ｗ、処理ガスをＯ2（２００sccm）とし、Ｒ＝０ｍｍ（チャンバ中心点）の測定位置で取得したものである。図６において、反射係数Γの絶対値｜Γ｜は、スカラ式のネットワークアナライザで得られるスカラ表示の反射係数に相当するものであり、殆ど実数部Γrと等しい値をとり、虚数部Γiの値を実質的に反映しない。
【００８１】
複素反射係数Γの絶対値｜Γ｜の周波数特性に注目するとすれば、｜Γ｜の最小ピークが電子振動による電力吸収の最大ピークに対応し、最小（吸収）ピークをとるときの周波数つまりプラズマ吸収周波数を電子振動数に対応するものとみなすことになる。しかしながら、｜Γ｜の最小ピーク波形がブロードになったりノイズ成分が増えると、プラズマ吸収周波数を正確に割り出すのは難しく、測定誤差を生じやすい。これに対して、本発明は、反射係数Γの虚数部Γiの波形（周波数特性）に着目し、後述するようにΓiがゼロクロスするときの周波数をプラズマ共振周波数とし、このプラズマ共振周波数を電子振動数に対応するものとみなして電子密度の測定値に換算するようにしている。
【００８２】
計数制御部７４では、共振周波数読取部９２が、ベクトルネットワークアナライザ６８の虚数部メモリ９０から複素反射係数虚数部Γiの測定値データ（周波数特性）を取り込み、ゼロクロス点ＺＣの周波数を読み取る。上記のように、複素反射係数の虚数部Γiは周波数に応じて正または負の符号をとる。通常、周波数掃引による虚数部Γiの周波数特性においては、図６に示すように、ゼロクロス点ＺＣが１箇所に表われ、ゼロクロス点ＺＣよりも低い周波数領域ではΓiは負の値をとり、ゼロクロス点ＺＣよりも高い周波数領域でΓiは正の値をとる。周波数を上げる掃引方向でみると、Γiの値がゼロクロス点ＺＣで負から正に変わる。反対に、周波数を下げる掃引方向でみると、Γiの値がゼロクロス点ＺＣで正から負に変わる。このようにゼロクロス点ＺＣの周波数はΓiの符号が反転するポイントの周波数であり、周波数特性の波形プロファイルに関係なく簡単かつ正確に割り出せる。本発明では、ゼロクロス点ＺＣの周波数を共振周波数ｆpと定義する。
【００８３】
ここで、本発明における電子密度測定方法の基本原理を説明する。同軸ケーブル５２のプローブ部５２ａは、絶縁管５０を介してチャンバ１０内のプラズマＰＺと電気的に接続する。当該測定位置ｈkにおけるプラズマＰＺの複素インピーダンスＺpをＲ＋ｊＸとし、絶縁管５０のインピーダンスを無視すると、複素反射係数Γ（Γr＋ｊΓi）はインピーダンス面から次の式（２）で表される。
Γ（Γr＋ｊΓi）＝（Ｚp−５０）／（Ｚp＋５０）
＝{（Ｒ＋ｊＸ）−５０}／{（Ｒ＋ｊＸ）＋５０}
＝{（Ｒ−５０）＋ｊＸ}／{（Ｒ＋５０）＋ｊＸ}  ‥‥（２）
【００８４】
上記の式（１）における右辺の定数“５０（Ω）”は同軸ケーブル５２の特性インピーダンスである。上記の式（２）を有理化すると、下記の式（３）が得られる。
Γ（Γr＋ｊΓi）＝(AB+X2)/(B2+X2)＋ｊ100X/(B2+X2)   ‥‥（３）
ただし、Ａ＝Ｒ−５０、Ｂ＝Ｒ＋５０である。
【００８５】
プローブ部５２ａからみたプラズマＰＺは、絶縁管５０の表面に沿って形成される容量性負荷のイオンシースと、その内奥に広がる誘導性負荷のバルクプラズマとで構成されている。イオンシースは容量性のリアクタンスｘCを有し、バルクプラズマは誘導性のリアクタンスｘLを有しており、両者はプローブ部５２ａと基準電位（グランド電位）との間で直列回路を形成している。シース容量リアクタンスｘCがバルク誘導リアクタンスｘLよりも大きいときは、合成リアクタンスＸが負で、これに対応して複素反射係数Γの虚数部Γiの値が負になる。また、シース容量リアクタンスｘCよりもバルク誘導リアクタンスｘLの方が大きいときは、合成リアクタンスＸが正で、これに対応して複素反射係数虚数部Γiの値が正になる。シース容量リアクタンスｘCとバルク誘導リアクタンスｘLとが等しいときは、合成リアクタンスＸがゼロで、直列共振になる。このとき、複素反射係数虚数部Γiの値もゼロになる。直列共振状態では、プラズマリアクタンスＸによる信号電力伝送が極大化し、プローブ部５２ａからの入射波のエネルギーがいわゆるランダウ・ダンピングのメカニズムでプラズマ中の電子に伝えられる。つまり、直列共振状態になるときの電磁波の周波数つまり共振周波数が電子振動数と符合またはマッチングする。本発明では、複素反射係数の虚数部Γiの周波数特性においてゼロクロス点の周波数をプラズマのシース容量とバルクインダクタンスとが直列共振する周波数ｆpとみなし、この共振周波数ｆpの測定値から電子密度の測定値を求めるようにしている。なお、実際には、ベクトルネットワークアナライザ６８で上記のように反射係数の基準化処理（Γk(pf)／Γk(f)）が行われるため、上記の式（３）は変形されたものになるが、基本的には上記のような理論があてはまる。
【００８６】
計数制御部７４において、共振周波数読取部９２で得られた共振周波数ｆpの測定値は電子密度演算部９４に与えられる。共振周波数ｆpは比誘電率がεrの絶縁管５０を（１＋εr）1/2＊ｆpの周波数で伝搬するため、（１＋εr）1/2＊ｆpはプラズマ中の電子振動数１／２π＊√（ｅ2＊Ｎe／ｍe＊ε0）と等しいとみなせるので、電子密度演算部９４は下記の式（４）を演算して電子密度Ｎeを算出することができる。
Ｎe＝ｍe＊ε0＊（１＋εr）＊（２πｆp／ｅ）2 
＝５．９６Ｅ10（ｆp）2［ｃｍ-3］            ‥‥‥（４）
ただし、ｍeは電子質量、ε0は真空誘電率、εrは絶縁管の比誘電率、ｅは素電荷である。また、ｆpの単位はＧＨｚであり、Ｅ10は１０10を意味する。
【００８７】
図７Ａおよび図７Ｂに、本発明のプラズマ共振プローブ法によって得られる電子密度測定感度の一例（実験データ）を示す。この実験データは、プラズマクリーニング条件において、チャンバ１０内の圧力を１５ｍTorr、下部ＲＦ電力（２ＭＨｚ）を２００Ｗ、処理ガスをＯ2（２００sccm）とし、上部ＲＦ電力（６０ＭＨｚ）を１５００Ｗを中心に微小変化させたときのＲ＝８０ｍｍ（チャンバ中心点から径方向８０ｍｍ）の測定位置（図７Ａ）およびＲ＝２２０ｍｍ（チャンバ中心点から径方向２２０ｍｍ：側壁より２０ｍｍ）の測定位置（図７Ｂ）におけるプラズマＯＮ開始直後の電子密度Ｎeの時間的変動を示したものである。
【００８８】
図示のように、上部ＲＦ電力を中心値の１５００Ｗから±３０Ｗ（２％）変化させると、Ｒ＝８０ｍｍの測定位置（図７Ａ）では、電子密度Ｎeが約±０．１Ｅ+10（Ｅ+10＝１０10）だけ変化することが読み取れる。一方、Ｒ＝２２０ｍｍの測定位置（図７Ｂ）では、電子密度Ｎeが約±０．０２Ｅ+10だけ変化することが読み取れる。一般に、プラズマ生成用のＲＦ電力をプロセスパラメータとした場合、これを２％変化させたときの電子密度の変化がモニタリングできれば仕様上十分とされており、本発明のプラズマ電子密度測定法はこの要求条件を優にクリアすることができる。しかも、プラズマ密度の低いチャンバ側壁近傍の測定位置でも電子密度Ｎeを高精度に測定できる点は注目すべき利点である。
【００８９】
図８に、測定精度を比較するために、Ｒ＝８０ｍｍの測定位置において本発明のプラズマ共振プローブ法で得られる電子密度Ｎeの測定値データをプラズマ吸収プローブ法（ＰＡＰ）によって得られる電子密度Ｎeの測定値データと対比して示す。プロセス条件は図７の実験例と同じである（ただし、上部ＲＦ電力は１５００Ｗ）。図８から明らかなように、プラズマ吸収プローブ法で得られる電子密度の変動（波形）は、測定値のばらつきが大きく、ギザギザの曲線で表われる。これに対して、本発明で得られる電子密度の変動（波形）は、測定値のばらつきが小さく、ギザギザのない滑らかな曲線で表われる。
【００９０】
本発明の別の利点は、高圧力条件の下でもプラズマ中の電子密度Ｎeを正確に測定できる点である。図９、図１０、図１１に、チャンバ内の圧力を１５ｍTorr、８００ｍTorr、１６００ｍTorrの３段階に選んだときの複素反射係数の周波数特性（実験データ）を示す。図中、Γiは本発明によって取得される複素反射係数Γの虚数部であり、｜Γ｜は複素反射係数Γの絶対値でありプラズマ吸収プローブ法で取得されるスカラ表示の反射係数に相当するものである。この実験では、マグネトロンで発生した高周波数（２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波を導波管を通してチャンバの天井面の石英窓からチャンバ内に照射してプラズマを生成するプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）用のマイクロ波型プラズマ処理装置を用いた。主なプロセス条件として、ガスはＡr（４００sccm）で、マイクロ波のパワーを１０００Ｗとした。
【００９１】
プラズマ吸収プローブ法による反射係数周波数特性に相当する複素反射係数絶対値｜Γ｜の周波数特性についてみると、１５ｍTorrの圧力条件（図９）では、最小（吸収）ピークが尖った角状の波形で表われ、ピーク点に対応する周波数（吸収周波数）を正確に読み取ることができる。しかし、８００ｍTorrの圧力条件（図１０）では、最小（吸収）ピーク波形が丸みを帯びてブロードになり、ピーク点がはっきりしなくなるとともに、最小（吸収）ピーク波形と紛らわしいノイズ成分が増える。そして、１６００ｍTorrの圧力条件（図１１）では、この傾向が一層顕著になり、吸収周波数を正確に割り出すことは非常に難しくなる。これは、圧力が高くなると、プラズマ中で電子と粒子（特に中性分子、原子）間の衝突が増大して、その分の（実抵抗による）電力吸収が増えるためである。このように、吸収周波数の測定精度が低いと、電子密度の測定精度も低くなる。
【００９２】
これに対して、本発明のプラズマ共振プローブ法による反射係数周波数特性つまり複素反射係数虚数部Γiの周波数特性においては、１５ｍTorr（図９）ではもちろんのこと、８００ｍTorr（図１０）や１６００ｍTorr（図１１）でもΓiの値がゼロになるポイント（ゼロクロス点）は明確であり、共振周波数ｆpを簡単に、しかも正確に読み取ることができる。
【００９３】
因みに、１５ｍTorrの圧力条件（図９）において、複素反射係数虚数部Γiのゼロクロス点から割り出される共振周波数ｆpは３７００ＭＨｚで電子密度は８．１９×１０11であり、絶対値｜Γ｜の最小ピークから割り出される吸収周波数も３７００ＭＨｚで電子密度は約８．１９×１０11である。８００ｍTorrの圧力条件（図１０）では、共振周波数ｆpは２５５０ＭＨｚで電子密度は３．８９×１０11であり、吸収周波数は２５００ＭＨｚ付近の値で電子密度は３．７３×１０11付近の値である。また、１６００ｍTorrの圧力条件（図１１）では、共振周波数ｆpは２７００ＭＨｚで電子密度は４．２２×１０11であり、吸収周波数は２５００ＭＨｚ付近の値で電子密度は３．８１×１０11付近の値である。
【００９４】
また、圧力が１５ｍTorrよりもずっと低いときは、ガス分子が少なくなって、電子密度も低くなる。電子密度が低いと、プラズマからの反射波の信号強度が低くなって、Ｓ／Ｎが低下し、周波数特性はブロード傾向になる。そうなると、プラズマ吸収プローブ法では吸収周波数を正確に読み取るのが難しくなる。これに対して、本発明のプラズマ共振プローブ法によれば、周波数特性の波形如何に関係なく複素反射係数虚数部Γiのゼロクロス点から共振周波数ｆpを正確に読み取ることができる。
【００９５】
図１２に、本発明のプラズマ共振プローブ法により２０００ｍTorrの高圧力条件下で得られた電子密度分布特性の一例（実験データ）を示す。この実験は、プラズマＣＶＤ用の容量結合型プラズマ処理装置において、サセプタ温度を６００゜Ｃとし、上部（対向）電極に４５０ｋＨｚ、８００Ｗの高周波を印加し、プラズマ生成ガスにＡr／Ｈ2ガス（１６００／１０００sccm）を用いた。図１２に示すように、２０００ｍTorrの高圧力条件下でも径方向の各位置における電子密度Ｎeを高い精度で測定できることが確認された。
【００９６】
なお、本発明のプラズマ共振プローブ法では、図４および図５に示すように、絶縁管５０内でプローブ部５２ａの位置つまり測定位置ｈを径方向においてスキャニング移動させ、各測定位置（ｈ1，ｈ2，‥‥，ｈn）で求めた電子密度Ｎeの測定値をグラフ上にプロットすることで、チャンバ１０内の径方向におけるプラズマ電子密度Ｎeの空間分布特性を取得することもできる。
【００９７】
本発明の好適な実施形態として、径方向の全測定ポイント（ｈ1，ｈ2，‥‥，ｈn）について上記第１および第２の計測工程をそれぞれ一括実施することができる。より詳細には、第１の計測工程については、図４に示すように、チャンバ１０内にプラズマＰＺが存在していない状態の下で、予め設定した径方向の測定位置ｈ1，ｈ2，‥‥，ｈk，‥‥，ｈnにつき順番に複素反射係数Γの周波数特性（第１の周波数特性Γ1(f)，Γ2(f)，‥‥，Γk(f)，‥‥Γn(f)）を取得する。この際、リニアアクチエータ５６により同軸ケーブル５２を絶縁管５０から引き抜く方向に間欠的に移動させてプローブ部５２ａを図の右端（始端）の測定位置ｈ1から左端（終端）の測定位置ｈnまで順次ステップ移動させる。
【００９８】
また、第２の計測工程については、図５に示すように、チャンバ１０内にプラズマＰＺが発生している状態の下で、上記第１の計測工程のときと同一の測定位置ｈ1，ｈ2，‥‥，ｈk，‥‥，ｈn-1，ｈnにつき順番に複素反射係数Γの周波数特性（第２の周波数特性Γ1(pf)，Γ2(pf)，‥‥，Γk(pf)，‥‥Γn(pf)）を取得する。このときも、リニアアクチエータ５６により同軸ケーブル５２を絶縁管５０から引き抜く方向に間欠的に移動させてプローブ部５２ａを図の右端（始端）の測定位置ｈ1から左端（終端）の測定位置ｈnまで順次ステップ移動させる。
【００９９】
上記のように第１および第２の周波数特性（Γ(f)，Γ(pf)）を一括取得した後も、後続の各信号処理において、つまり周波数特性の基準化（Γ(pf)／Γ(f)）、虚数部Γiの抽出、共振周波数ｆpの割り出し、電子密度Ｎeの演算等において全測定位置（ｈ1，ｈ2，‥‥，ｈn）分の一括処理を行う。
【０１００】
このように、全測定位置ｈ1〜ｈnについてプラズマＯＦＦ状態での反射係数測定とプラズマＯＮ状態での反射係数測定とをそれぞれ一括して行う方式によれば、測定ポイントの数に関係なくＯＮ／ＯＦＦ切換時間は１回分で済むため、全体の測定効率は高く、一測定位置当たりの測定時間を数秒以内に短縮できる。この点、従来のプラズマ吸収プローブ法においては、測定位置を変える度毎にプラズマのオン／オフを繰り返すため、１つの測定位置毎に数分の測定時間を要していた。このような測定効率ないし測定時間の差は、測定ポイントの数を増やすほど（特に大口径チャンバで）顕著になる。
【０１０１】
また、この実施形態では、チャンバ１０の側壁の相対向する位置に設けた一対の支持部（貫通孔１０ａ，１０ａ）の間に絶縁管５０を水平に架け渡し、かつＯリング５８で気密に固定している。そして、このように水平に固定された架橋型の絶縁管５０の中で同軸ケーブル５２を軸方向に移動させてプローブ部５２ａの位置合わせを行う。このことにより、プローブ部５２ａを所望の測定位置へ迅速かつ正確に位置合わせできるとともに、プローブ部５２ａを常に一定の水平線上に位置させることができ、測定位置の再現性を保証できる。
【０１０２】
また、絶縁管５０がＯリング５８と擦りあうことがないため、Ｏリング５８が損傷劣化するおそれはなく、プローブ機構の安定性が向上するとともに消耗品コスト性（ＣＯＣ）も向上する。そのうえ、プローブ機構のプラズマに与える影響（擾乱）は測定位置に関係なく一定であり、しかも擾乱時間（測定時間）が非常に短いため、測定精度の信頼性も向上する。
【０１０３】
また、同軸ケーブル５２のプローブ部５２ａから見た絶縁管５０はどの測定位置でも一定または一様の同軸管構造であり、プローブ部５２ａから発振される電磁波とプラズマとの結合は一定しているので、ノイズが発生し難く、精度および再現性の高い計測を行うことができる。さらに、同軸ケーブル５２に電磁波吸収体としてビーズ形フェライト部材６６を嵌装しているので、たとえ同軸ケーブル５２の外部導体（ＧＮＤ部）５２ｂに定在波ノイズが発生したとしても、ビーズ形フェライト部材６６により定在波ノイズを効果的に吸収して十全に除去できる。
【０１０４】
また、このプラズマ電子密度測定装置では、同軸ケーブル５２の外部導体（ＧＮＤ部）５２ｂをアース用導体６２およびチャンバ１０を介して接地している。このチャンバ１０を利用したＲＦシールド機能により、大気や測定回路５４へのＲＦノイズのリークを効果的に防止して、人体や計測機器の安全性を確保するとともに、ガス検知機等の周囲の電子機器の誤動作を回避できる。
【０１０５】
なお、このＲＦシールド機能によれば、同軸ケーブル５２の外部導体（ＧＮＤ部）５２ｂ上にはアース用導体６２との接続位置または短絡点Ａよりも内側（プローブ部５２ａ側）でノイズ信号が伝播するため、定在波ノイズ吸収用のビーズ形フェライト部材６６も短絡点Ａより内側に配置するのが好ましく、さらに好ましくはこの実施形態のように定在波ノイズの波腹部である短絡点Ａに可及的に近接させる配置構成としてよい。
【０１０６】
さらに、この実施形態では、絶縁管５０の先端側つまりプローブ部５２ａの対向側を開口して、この開口部より冷却ガス供給部８０からのエアーを流し込んで同軸ケーブル５２を効果的に冷却するため、プローブ部５２ａ回りの熱膨張や熱損傷を防止し、耐久性を向上させることができる。
【０１０７】
この実施形態のプラズマ電子密度測定方法および装置は、大口径チャンバの３００ｍｍ装置やＦＰＤ装置でも信頼性の高いプラズマ電子密度測定を容易かつ効率的に短時間で行うことができる。
【０１０８】
さらに、本発明は、上記のようにプラズマ密度の低い場所でも電子密度を正確に測定できるため、プラズマに擾乱を与えない測定位置でのモニタリングを可能とする。図１３に、無擾乱のプラズマモニタリングを可能とする本発明の一実施例を示す。図中、図１の各部と実質的に同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を附している。
【０１０９】
図１３において、この実施例のプラズマ電子密度測定装置では、チャンバ１０の側壁、上部電極２４中心部および下部電極１６周辺部の３箇所にプローブユニット１００，１０２，１０４をエンベット（埋設）式で取り付けている。これらプローブユニットのいずれもプラズマ領域の周辺に位置し、プラズマＰＺを擾乱せずに付近の電子密度を測定することができる。
【０１１０】
図１４Ａおよび図１４Ｂに、側壁エンベットのプローブユニット１００の構成例を示す。図１４Ａの構成は、上記実施形態（図１）における絶縁管５０の先端部を閉塞してチャンバ１０の側壁からプラズマ領域に向けて僅かに突出するように取り付けたものである。前方（プラズマ領域）方向への電波放射の指向性を高めるために、プローブ部５２ａの先端を絶縁管５０の先端部に付けるのが好ましい。
【０１１１】
図１４Ｂの構成は、絶縁体からなる筒状のハウジング１０６をチャンバ１０の側壁の内面に対して面一または凹むように取り付けたものである。このハウジング１０６の先端面には、誘電率の大きい材質たとえばサファイアからなる板厚の小さい窓部材１０８を設けるのが測定感度を向上させるうえで好ましい。また、図示のように、プローブ部５２ａの先端をＬ形に折り曲げる構成によって、プローブ部５２ａにインピーダンスの不連続点を形成し、そこから電波を効果的に前方へ放射することができる。
【０１１２】
前方指向性を高めるために、他にも、図１５の（Ｂ）に示すようにプローブ部５２ａの先端にたとえば円盤状の容量性カップリング部材１１０を取り付ける構成や、図１５の（Ｄ）に示すようにプローブ部５２ａの先端にたとえば十字形の誘導性アンテナ部材１１２を取り付ける構成も可能である。なお、図１５の（Ａ）のプローブ構造は図１４Ａのプローブユニット１００で採用されているものであり、図１５の（Ｃ）のプローブ構造は図１４Ｂのプローブユニット１００で採用されているものである。電極回りのプローブユニット１０２，１０４も上記プローブユニット１００と同様の構造および機能を有するものであってよい。
【０１１３】
図１３において、各プローブユニット１００，１０２，１０４はセレクタスイッチ１１４を介して共通のネットワークアナライザ６８に接続可能となっている。プラズマ処理の最中に、計測制御部７４の制御の下でセレクタスイッチ１１４を時分割方式で各プローブユニット１００，１０２，１０４に切り替えることにより、チャンバ１０内のプラズマ密度について複数モニタ位置からの同時測定を１台の測定部５４で効率よく行うことができる。また、プロセス中にチャンバ１０内のプラズマＰＺに擾乱を与えることなくその周辺でプラズマ電子密度の変動ひいてはプロセスの実状況を簡便にモニタリングできる。測定部５４からモニタ情報を主制御部２０へ与えて、測定結果を現時のプロセス条件または次回のプロセス条件にフィードバックさせることも可能である。プラズマプロセッシングにおける代表的なプロセスパラメータは、圧力、ＲＦパワー、ガス流量、温度などである。
【０１１４】
図１６に示す実施例は、図１３の実施例を複数台のプラズマ処理装置に発展させたものである。図示のように、２台（３台以上も可能）のプラズマ処理装置にそれぞれ取り付けられた組込み型プローブユニット１１６，１１８を、セレクタスイッチ１１４により時分割で同時に共通のベクトルネットワークアナライザ６８に接続することができる。このシステムでも、計測部５４から各処理装置毎のモニタ情報を各装置のプロセス制御部２０に与え、各処理装置毎にプロセス制御部２０が測定結果を現時のプロセス条件または次回のプロセス条件にフィードバックさせることができる。また、これら複数台のプラズマ処理装置が同一機種のものである場合は、装置間機差の有無も正確に判断することができる。
【０１１５】
また、図１３の実施例を適用できるアプリケーションの１つにシーズリングがある。当業者には周知のように、シーズニングは、チャンバのクリーニングまたは部品交換後に、チャンバの室内をプロセス条件の雰囲気に安定させるため、ダミーウエハを用いてプラズマエッチングのサイクル（パイロット運転）を適当な回数繰り返す工程である。通常、クリーニングまたは部品交換の直後は、プラズマ空間からチャンバ内壁への堆積物の付着がチャンバ内壁からプラズマ空間への堆積物の放出よりも勝り、プロセスが安定しない。プラズマ処理のサイクルを何回か繰り返すうちに、チャンバ内壁での堆積物の付着と放出とが均衡してプロセスが安定してくる。
【０１１６】
従来は、標準レシピの条件下でプロセスサイクル毎にエッチングレートをモニタリングし、エッチングレートが定常化するまで要したダミーウエハの枚数（あるいはパイロットサイクル数、パイロット運転時間等）をシーズニング条件として確定し、そのシーズニング条件を固定化して全てのプロセスレシピに適用していた。しかしながら、当然のことであるが、固定シーズニング条件は全てのプロセスレシピに妥当するものではなく、過剰であったり、不足であったりする場合があり、問題となる。すなわち、シーズニング条件が過剰の場合は、無駄なエッチングサイクルを伴ない、スループットの低下を来す。シーズニング条件が不足の場合は、不安定なプロセスを正規のウエハに施してしまい、歩留まりの低下を招く。また、プロセスエンジニアまたはオペレータの経験や勘に基づいてシーズニング条件を設定することも行われているが、やはり確実性や汎用性が低く、上記と同様の問題があった。本発明によれば、以下に説明するように、個々のプロセスレシピに対して適応型のシーズニング制御を行い、スループット向上と歩留まり向上のトレードオフを解決することができる。
【０１１７】
本発明のプラズマ共振プローブ法によれば、上記のように、プラズマ密度の低い場所でも電子密度を正確に測定できるため、たとえばチャンバ１０の側壁にプローブユニット１００を取り付けて、プラズマに擾乱を与えずに実プロセス中の電子密度をモニタリングすることができる。ここで、実プロセス、たとえばプラズマエッチングにおいては、チャンバのクリーニングまたは部品交換を行った後は、最初のエッチングサイクル（１枚目のウエハ）でエッチングレートが最も高く、エッチングサイクルを繰り返す度にエッチングレートが漸次的に減少し、あるサイクル以降はエッチングレートが安定化する。図１７に、シーズニングのエッチングサイクルにおいてウエハ上の各位置でエッチングレートが漸次的に減少して安定化する様子の一例を示す。図示の例はシリコン酸化膜エッチングであり、主なエッチング条件は下記のとおりである。
ウエハ口径：２００ｍｍ
ガス圧力：１５ｍTorr
上部及び下部電極間距離：２５ｍｍ
エッチングガス：Ｃ5Ｆ8／Ｏ2／Ａｒ＝１５／３８０／１９ｓｃｃｍ
ＲＦ電力：上部／下部＝２１７０／１５５０Ｗ
【０１１８】
図１７に示すように、エッチングレート(E/R）は、ウエハ１枚目（No.1）と３枚目（No.3）との間で変化量（減少量）が相当大きく、３枚目（No.3）と５枚目（No.5）との間でもまだ相当の変化量（減少量）があるのに対し、５枚目（No.5）から７枚目（No.7）にかけては変化量（減少量）が非常に小さくなっている。この例の場合は、５枚目（No.5）当たりでシーズニングが完了したものとみることができる。なお、ウエハ面内では、ウエハ中心部でエッチングレート(E/R）の変化量が最も顕著であるが、ウエハエッジ付近でも有意の変化量を読み取れる。
【０１１９】
図１８に、上記の例で１枚目（No.1）のウエハから７枚目（No.3）のウエハにかけてエッチングレート(E/R）のウエハ面内平均値（Ave. E/R）が漸次的に減少して安定化する様子と、各エッチングサイクルにおける電子密度Ｎeの時間的変動とを示す。ここで、電子密度Ｎeは本発明のプラズマ共振プローブ法によりチャンバ側壁付近（側壁より１０ｍｍの位置）でモニタリングされたものであり、各エッチングサイクル（エッチング時間ＴA＝６０秒）中に４秒間隔で１５個の測定データがプロットされている。なお、エッチングレート平均値（Ave. E/R）は１枚目（No.1）のウエハで得られたものを基準値として規格化（a.u）されており、電子密度Ｎeは１枚目（No.1）のウエハで得られたものの平均値を基準値として規格化（a.u）されている。
【０１２０】
図１８に示すように、シーズニングにおいてはエッチングサイクルに応じたエッチングレート(E/R）の変化と電子密度Ｎeの変化との間に相関関係があることがわかる。すなわち、エッチングサイクルの回数が１，２，３，‥とカウントアップするにつれて、エッチングレート平均値（Ave. E/R）が漸次的に減少するのと呼応（連動）して各エッチングサイクルにおける電子密度Ｎeの最大値（サイクル開始時の値）、最小値（サイクル終了時の値）および平均値も漸次的に減少し、エッチングレート平均値（Ave. E/R）が安定化してくると電子密度Ｎeの最大値、最小値および平均値も安定化してくる。
【０１２１】
本発明によれば、チャンバ１０でクリーニングまたは部品交換を行った後は、チャンバ１０に入れ替わり搬入されてプラズマエッチングを受ける各々のダミーウエハについてエッチングサイクル中に時間的に変化する電子密度Ｎeの測定値の代表点（最大値、最小値または平均値等）をチャンバ１０の壁近傍で実プロセスに影響を与えずに高精度でモニタリングし、相前後するダミーウエハの間で代表点が実質的な定常値に落ち着いたところでシーズニングを完了させ、チャンバ１０に搬入する被処理基板をダミーウエハから正規のウエハに切り換えることができる。
【０１２２】
上記した実施例では、測定部５４のベクトルネットワークアナライザ６８において複素反射係数Γから虚数部Γiの周波数特性を取得して、虚数部Γiのゼロクロス点から共振周波数ｆpを読み取った。一変形例として、ベクトルネットワークアナライザ６８において入射波と反射波との位相差を測定し、この位相差の周波数特性においてゼロクロス点の周波数を共振周波数ｆpとする方式も可能である。すなわち、ベクトルネットワークアナライザ６８で測定される入射波と反射波の位相差の符合は複素反射係数Γの虚数部Γiの符合に対応し、位相差がゼロになる周波数は複素反射係数Γの虚数部Γiがゼロになる周波数つまり共振周波数ｆpである。したがって、位相差から割り出した共振周波数ｆpからも精度の高い電子密度の測定値を求めることができる。
【０１２３】
また、上記した実施例では、絶縁管５０の中で同軸ケーブル５２のプローブ部５２ａを各測定位置ｈiに間欠的なステップ移動で順次位置合わせした。しかし、たとえばリニアアクチエータ５４にロータリエンコーダまたはリニアエンコーダ等の位置センサを取り付けて、スライダ部７６ないしプローブ部５２ａの現在位置を検出することにより、同軸ケーブル５２を等速度で連続的に軸方向に移動させながら、プローブ部５２ａが各測定位置ｈkを通過する時にネットワークアナライザ６８を起動させて反射係数の周波数特性を取得する方法も可能である。また、チャンバ１０内の測定位置ｈkを１箇所だけとすることももちろん可能である。
【０１２４】
また、上記した実施例では、同軸ケーブル５２のプローブ部５２ａを収容する絶縁管５０を、チャンバ１０の側壁の相対向する位置に設けた一対の支持部（貫通孔１０ａ，１０ａ）の間に水平に架け渡した。しかし、チャンバ１０内に管先端部を浮かせた状態で絶縁管５０を支持または取付する片持ち梁り方式にも、本発明のプラズマ共振プローブ法を適用することができる。上記実施例におけるアクチエータ５６は、電気モータの回転駆動力をボールねじ機構によって直線的な駆動力に変換する方式であった。しかしながら、本発明で用いるアクチエータは、そのようなモータ式に限るものではなく、空気圧式や磁気式などの任意の駆動方式が可能である。
【実施形態２】
【０１２５】
次に、図１９〜図３１につき本発明のプラズマ吸収プローブ法（ＰＡＰ）に係る実施形態を説明する。図１９に、この第２の実施形態によるプラズマ電子密度測定方法および装置を適用したプラズマ処理装置の構成を示す。図中、図１のプラズマ処理装置およびプラズマモニタリング装置におけるものと同様の構成または機能を有する部分は、同一の符号を附して、その詳細な説明を省略する。
【０１２６】
この第２の実施形態では、プラズマ電子密度測定装置の測定部５４が、プラズマ吸収プローブ法（ＰＡＰ）のためのスカラネットワークアナライザ１２０と計測制御部１２２とを備えている。
【０１２７】
スカラネットワークアナライザ１２０は、たとえば数百ＭＨｚから数ＧＨｚの帯域で周波数掃引しながら各周波数について微小電力の電磁波信号（入射波）を同軸ケーブル５２のプローブ部５２ａへ送ってチャンバ１０内のプラズマＰＺに向けて放射し、プラズマＰＺから反射してきた電磁波（反射波）のパワー量と入射波のパワー量との比からスカラ表示の反射係数を求め、その周波数特性を取得する。計測制御部１２２は、計測用の制御および演算処理を行い、特にスカラネットワークアナライザ１２０で取得されるスカラ表示の反射係数の周波数特性を取り込んで、その周波数特性において波形の最小ピークまたは吸収ピークを割り出し、その吸収ピークに対応する周波数つまりプラズマ吸収周波数を求めるようになっている。
【０１２８】
ここで、図２０〜図２２につき、この実施形態のプラズマモニタリング装置においてプラズマ吸収周波数および電子密度を測定するための方法を説明する。図２０に示すように、この実施形態におけるプラズマモニタリングは、設定、一括測定および一括データ処理の３段階の工程に大別される。
【０１２９】
設定工程（ステップＳ1）では、計測制御部１２２において、モニタリングに関係するパラメータ（たとえばＲＦ電力、圧力、ガス種、電極間距離、電極構造等）や測定位置等が設定入力される。測定位置は、各位置のデータが直接設定入力されてもよく、あるいは原点位置と測定ポイント数やピッチ（測定位置間隔）等の設定入力値から演算で導出されてもよい。
【０１３０】
一括測定の工程は、チャンバ１０内にプラズマＰＺが存在していないプラズマＯＦＦ状態の下で全ての測定位置につき反射係数の周波数特性（第１の周波数特性）を一括取得する第１の一括測定工程（ステップＳ2）と、チャンバ１０内にプラズマＰＺが存在しているプラズマＯＮ状態の下で全ての測定位置につき反射係数の周波数特性（第２の周波数特性）を一括取得する第２の一括測定工程（ステップＳ3）とからなる。
【０１３１】
図２１に、第１の一括測定工程（ステップＳ2）における詳細な手順を示す。この第１の一括測定工程では、最初にチャンバ１０内にプラズマＰＺが存在していないことを確認する（ステップＡ1，Ａ2）。装置的には、高周波電源１８，３８が高周波電力の出力を止め、処理ガス供給部３４が処理ガスの供給を止めることで、プラズマＰＺの無い状態つまりプラズマＯＦＦ状態とすることができる。なお、チャンバ１０内の圧力は所定の真空度に保っておく。
【０１３２】
こうして、チャンバ１０内にプラズマＰＺが存在していない状態の下で、予め設定された径方向の測定位置ｈ1，ｈ2，‥‥，ｈi，‥‥，ｈn-1，ｈnにつき順番に反射係数の周波数特性（第１の周波数特性）を取得する。より詳細には、第１の実施形態の場合（図１）と同様に、プローブ部５２ａを目的の測定位置ｈiに位置合わせし（ステップＡ3）、スカラネットワークアナライザ１２０よりたとえば数百ＭＨｚから数ＧＨｚの帯域で周波数掃引しながらたとえば１ｍＷ程度の電磁波信号（検査電波または入射波）を同軸ケーブル５２のプローブ部５２ａへ送って周囲の空間に（主としてプローブ部５２ａから見て半径方向に）放出させ、スカラネットワークアナライザ１２０に返ってきた反射信号のパワー量と入射波のパワー量との比からスカラ表示の反射率または反射係数を求め、スカラネットワークアナライザ１２０で取得ないし表示される反射係数の周波数特性Γi(f)（Ｓ11パラメータ）を計測制御部１２２内のメモリに記憶する（ステップＡ4，Ａ5）。次いで、プローブ部５２ａを次の測定位置ｈi+1へ移動させ（ステップＡ6→Ａ7→Ａ8→Ａ3）、上記と同様の信号処理により反射係数の周波数特性Γi+1(f)（Ｓ11パラメータ）を取得し（ステップＡ4）、その取得した周波数特性のデータを測定データとして計測制御部１２２内のメモリに記憶する（ステップＡ5）。上記のような一連の工程（ステップＡ3，Ａ4，Ａ5）を全ての測定位置ｈ1，ｈ2，‥‥，ｈi，‥‥，ｈn-1，ｈnについて繰り返す（ステップＡ6，Ａ7，Ａ8）。
【０１３３】
この実施形態においても、図４に示すように、リニアアクチエータ５６により同軸ケーブル５２を絶縁管５０から引き抜く方向に間欠的に移動させてプローブ部５２ａを図の右端（始端）の測定位置ｈ1から左端（終端）の測定位置ｈnまで順次ステップ移動させることにより、上記一連の工程（Ａ3，Ａ4，Ａ5）を効率良く短時間（数秒以内のタクト時間）で実施することができる。
【０１３４】
図２２に、第２の一括測定工程（ステップＳ3）における詳細な手順を示す。この第２の一括測定工程では、先ずチャンバ１０内に所望のプラズマＰＺを生成させる（ステップＢ1）。装置的には、高周波電源１８，３８が予め設定されたＲＦパワーで高周波電力を両電極１６，２４にそれぞれ印加し、処理ガス供給部３４がチャンバ１０内に所望の処理ガスを供給することで、プラズマＰＺが存在する状態つまりプラズマＯＮ状態にすることができる。
【０１３５】
こうして、チャンバ１０内にプラズマＰＺが発生している状態の下で、上記第１の一括測定工程のときと同一の測定位置ｈ1，ｈ2，‥‥，ｈi，‥‥，ｈn-1，ｈnにつき順番に反射係数の周波数特性（第２の周波数特性）を取得する。より詳細には、上記と同様の手順および信号処理により、リニアアクチエータ５６において同軸ケーブル５２のプローブ部５２ａを各測定位置ｈiに順次位置合わせし（ステップＢ2）、各測定位置ｈiにつきスカラネットワークアナライザ１２０において反射係数の周波数特性Γi(pf)を取得し（ステップＢ3）、その取得した周波数特性のデータを測定データとして計測制御部７４内のメモリ７４ａに記憶する（ステップＢ4）。このような一連の工程（ステップＢ2，Ｂ3，Ｂ4）を全ての測定位置ｈ1，ｈ2，‥‥，ｈi，‥‥，ｈn-1，ｈnについて繰り返す（ステップＢ5，Ｂ6，Ｂ7）。
【０１３６】
この第２の一括測定工程においても、図５に示すように、リニアアクチエータ５６により同軸ケーブル５２を絶縁管５０から引き抜く方向に間欠的に移動させてプローブ部５２ａを図の右端（始端）の測定位置ｈ1から左端（終端）の測定位置ｈnまで順次ステップ移動させることにより、上記一連の工程（Ｂ2，Ｂ3，Ｂ4）を効率良く数秒以内のタクト時間で実施することができる。
【０１３７】
なお、同軸ケーブル５２においては、外部導体５２ｂがステンレスパイプで剛性に優れているため、絶縁管５０から引き抜かれる方向に移動するに際に安定した直線性を維持できるとともに、プラズマＰＺの高温雰囲気内でも絶縁材５２ｃの熱膨張ないし破裂を防止することができる。
【０１３８】
図２０において、一括データ処理の工程は、全ての測定位置ｈ1，ｈ2，‥‥，ｈi，‥‥，ｈn-1，ｈnについて、上記一括測定工程で得られた反射係数の第１の周波数特性Γ(f)と第２の周波数特性Γ(pf)とから所定の演算（たとえば割算あるいは減算等）によってプラズマ吸収周波数を一括して割り出す第１のデータ処理工程（ステップＳ4）と、プラズマ吸収周波数の測定値を基に上式（１）の演算によりプラズマ電子密度を一括して算出する第２のデータ処理工程（ステップＳ5）とを含む。
【０１３９】
より詳細には、第１のデータ処理工程（ステップＳ4）では、各々の測定位置ｈ1，ｈ2，‥‥，ｈi，‥‥，ｈn-1，ｈnについて第１の周波数特性Γi(f)と第２の周波数特性Γi(pf)との比Γi(pf)／Γi(f)を演算する。この比Γi(pf)／Γi(f)は真空状態を基準としたプラズマによるエネルギー吸収の周波数特性を意味する。厳密にはプローブ部５２ａから放出された電磁波が周りの絶縁管５０の表面を伝播し、その表面波の周波数がプラズマの電子振動数ｆpと一致したときに電磁波吸収が起こって反射率が極端に低くなる。したがって、比Γi(pf)／Γi(f)が極小ピークになるところの周波数を割り出すことで、これをプラズマ吸収周波数の測定値とすることができる。
【０１４０】
第２のデータ処理工程（ステップＳ5）では、各々の測定位置ｈ1，ｈ2，‥‥，ｈi，‥‥，ｈn-1，ｈnについてプラズマ吸収周波数の測定値を基に上式（１）を演算して電子密度Ｎeの測定値を求める。各測定位置に対応させて電子密度Ｎeの測定値をグラフ上にプロットすることで、プラズマＰＺの径方向における電子密度Ｎeの空間分布を調べることもできる。
【０１４１】
図２３に、この実施形態のプラズマモニタリング装置において得られる電子密度Ｎeの空間分布特性の一例（実施例）を比較例と対比して示す。ここで、比較例は、図１９の装置構成の下で、各々の測定位置ｈi毎にプラズマＯＦＦ状態とプラズマＯＮ状態とを切り換えて反射波の第１の周波数特性Γi(f)と第２の周波数特性Γi(pf)とを取得する方式によって得られる電子密度Ｎeの空間分布特性である。
【０１４２】
図示のように、実施例と比較例とで電子密度Ｎeの空間分布特性（測定値）にさほどの違いはない。しかし、比較例は、各測定位置ｈi毎にプラズマＯＦＦ状態とプラズマＯＮ状態とを切り換えてその都度反射係数の測定を行う方式であり、測定ポイントの数に比例したＯＮ／ＯＦＦ切換時間を費やすため、全体の測定効率が低く、一測定位置当たり数分の測定時間を要する。これに対して、実施例は、全測定位置ｈ1〜ｈnについてプラズマＯＦＦ状態での反射係数測定とプラズマＯＮ状態での反射係数測定とをそれぞれ一括して行う方式であり、測定ポイントの数に関係なくＯＮ／ＯＦＦ切換時間は１回分で済むため、全体の測定効率は高く、一測定位置当たりの測定時間を数秒以内に短縮できる。したがって、図２３の例（測定ポイントが１６個）の場合、全測定時間は、比較例が約３０分かかるのに対して、実施例では約３分以内に済ますことができる。このような測定効率ないし測定時間の差は、測定ポイントの数を増やすほど顕著になる。
【０１４３】
このように、この実施形態のプラズマモニタリング装置によれば、プラズマ吸収周波数や電子密度を効率よく短時間で測定することが可能であり、大口径チャンバの３００ｍｍ装置やＦＰＤ装置でも信頼性の高いプラズマモニタリングを容易かつ効率的に短時間で行うことができる。
【０１４４】
なお、実際の製造プロセスにおいて当該プラズマ処理装置が加工処理を行うときは、プローブ機構（絶縁管、同軸ケーブル）は処理装置から取外すのが好ましい。この実施形態では、絶縁管５０を抜き取ると開口するチャンバ１０の貫通孔１０ａを栓等のシーリング部材で閉塞して真空封止してよい。
【０１４５】
以下、この第２の実施形態における具体例を説明する。
【０１４６】
上記プラズマ処理装置（図１９）において、上部および下部高周波電力（高周波電源３８，１８）のＲＦ周波数をそれぞれ６０ＭＨｚ、２ＭＨｚとし、上部電極２４と下部電極（サセプタ）１６との距離間隔（ギャップ）を２５ｍｍに設定した。
【０１４７】
上記実施形態のプラズマモニタリング装置において、絶縁管５０は、全長５５０ｍｍ、外径３ｍｍ、内径１．５ｍｍの透明石英管を使用し、チャンバ１０側壁の両貫通孔１０ａ間に架け渡される高さ位置（測定高さ位置）を上部電極２４から１０ｍｍ、下部電極１６から１５ｍｍの位置に設定した。同軸ケーブル５２は、芯線（内部導体）５２ａの外径０．２０ｍｍ、外部導体５２ｂの外径０．８６ｍｍ、特性インピーダンス５０ΩのセミリジッドケーブルSC-086/50（コアックス社製）を使用し、先端部のテフロン（登録商標）付芯線５２ａを１０ｍｍ露出させてプローブ部とした。測定回路５４において、ハイパスフィルタ７２は日本高周波社のHPF150、ＲＦリミッタ７０はアジレントテクノロジー社の11930Ｂ、スカラネットワークアナライザ１２０はアジレントテクノロジー社のHP8753ETを用いた。スカラネットワークアナライザ１２０においては、１５０ＭＨｚから２５００ＭＨｚまでの高周波信号（０dBm：１ｍＷ）を６００msec毎にスイープして出力させるようにした。リニアアクチエータ５６には、ＴＨＫ社のリニアアクチエータLCA40を用いた。
【０１４８】
上記実施形態による改良型プラズマ吸収プローブ法では、ＲＦリーク対策のため同軸ケーブル５２のＧＮＤライン５２ｂをチャンバ１０の筐体（側壁）に短絡させて接地しているが、ビーズ形フェライト部材６６を具備しない構成において同軸ケーブル５２のチャンバ１０内への挿入長さＬ（短絡点Ａからプローブ部５２ａ先端までの距離）を変えると、周期的にプラズマ吸収周波数以外のノイズと思われるピークが現れる現象が見られた。
【０１４９】
このノイズ発生のメカニズムを明らかにするために、同軸ケーブル５２の挿入長さＬ（図２）を変化させて、このとき得られるノイズピークの周波数特性を調べた。図２４にこの周波数特性を示す。図２４から、ノイズピークは同軸ケーブル５２の挿入長さＬに応じて１５００ＭＨｚ以上の帯域で周期的に現れることがわかる。なお、プラズマ周波数ｆpは１０００ＭＨｚ〜１５００ＭＨｚの範囲内に存在している。
【０１５０】
図２５に、ノイズピークの周波数（実測値）をプロットで示し、挿入長さＬで決まる共振周波数（ピーク周波数計算値）を曲線で示す。図２５において、λは同軸ケーブル５２の外部導体５２ｂを伝播するノイズ信号の波長を示し，λｇは芯線（内部導体５２ａ）を伝播するノイズ信号の波長を示す。図２５のグラフから、ノイズピークの測定値と計算値（半波長の整数倍）とがほぼ完全に一致していることがわかる。
【０１５１】
この結果から、挿入した同軸ケーブル５２のＧＮＤライン５２ｂで定在波が発生し、この定在波がプローブに信号として認識され、本来のプラズマによる吸収ピーク以外の定在波ノイズピークが発生していると考えられる。定在波ノイズが発生すると、プラズマ吸収の周波数特性のＳ／Ｎが悪くなるばかりか、プラズマ吸収ピークと誤認してしまうおそれがある。
【０１５２】
そこで、上記実施例のように、電磁波吸収体６６による定在波ノイズの吸収を実験で試みた。電磁波吸収体６６には、ＴＤＫ社のビーズフェライトHF70BB3.5×5×1.3を用いた。また、プラズマ処理装置におけるプラズマ生成条件として、処理ガスにＣ5Ｆ8／Ａr／Ｏ2混合ガス（流量：１５／３８０／１９ｓｃｃｍ）を使用し、チャンバ１０内の圧力を２．０Ｐａ（１５mTorr）、上部／下部高周波電力を２．１７／１．５５ｋＷ、上部電極／チャンバ側壁／下部電極の温度を６０／５０／２０゜Ｃにそれぞれ設定した。測定位置をウエハ中心位置からの半径方向の距離をＲとして、Ｒ＝０（ウエハ中心）、Ｒ＝１６０ｍｍの２箇所を選んだ。
【０１５３】
図２６Ａおよび図２６Ｂに、この実験結果のデータを示す。この実験結果からわかるように、電磁波吸収体６６を同軸ケーブル５２に装着することで、本来のプラズマ吸収ピークに影響を与えることなく定在波ノイズを効果的に除去できることがはっきりと確認された。
【０１５４】
次に、プラズマクリーニング条件でのノイズ低減効果を実験で評価した。目的はプラズマクリーニングのように電子密度が低くなり、Ｓ／Ｎが悪くなる条件でも、電磁波吸収体６６により定在波ノイズを効果的に低減できるかを確認するためである。なお、プラズマクリーニングとは、周知のように、チャンバ内壁等に付着した反応残渣をプラズマを用いて除去するクリーニング方法である。
【０１５５】
プラズマ生成条件として、処理ガスにＯ2ガスを使用し、供給流量を２００ｓｃｃｍ、圧力を２．０Ｐａ（１５mTorr）、下部電力を２００Ｗ、上部電極／チャンバ側壁／下部電極の温度を３０／５０／２０゜Ｃにそれぞれ設定し、下部電力を１５００Ｗから２００Ｗまで変化させた。測定位置はＲ＝０（ウエハ中心）とした。
【０１５６】
図２７に、この実験結果を示す。やはり定在波ノイズのみを選択的に除去できるため、プラズマ吸収ピークの弱いシグナルでも容易にピーク検出を行えることがわかった。
【０１５７】
さらに、同軸ケーブル５２に装着する電磁波吸収体６６を増強させたときのシグナルの変化を評価した。具体的には、同軸ケーブル５２に直列に装着するビーズフェライト（HF70BB3.5×5×1.3）を５個、１０個、１５個としたときのプラズマ吸収ピークのシグナル（深さ）を比較した。結果は図２８に示すように、ビーズフェライトの装着数を増やすことでシグナルを増加できることがわかった。これはフェライトがシグナルの中に含まれるノイズ成分を電磁誘導を介して除去するからであると考えられる。もっとも、電磁波がフェライトに吸収されると熱エネルギーに変換されるので、フェライト自体が加熱され、その温度がキュリー点（Ｔc：約１００゜Ｃ）を超えるとフェライトは電磁波吸収の特性を失う。したがって、ビーズフェライトを冷却するのが好ましい。この実施形態では、冷却ガス供給部８０の働きにより電磁波吸収体６６も空冷されるようになっている。
【０１５８】
また、下記のように幾つかのプロセスプラズマについて圧力と電子密度空間分布との相関関係について調べた。
【０１５９】
(1)  高アスペクト比の接続孔を形成するためのエッチング用のプラズマについて圧力をパラメータにしてチャンバ径方向における電子密度の空間分布を調べた。図２９に計測結果を示す。主要なプラズマ生成条件（レシピ）は以下のとおりである。
ウエハ口径：２００ｍｍ
エッチングガス：Ｃ5Ｆ8／Ａr／Ｏ2 混合ガス
ガス流量：Ｃ5Ｆ8／Ａr／Ｏ2 ＝１５／３８０／１９ｓｃｃｍ
ガス圧力：２．０〜２６．６Ｐａ（１５〜２００mTorr）
ＲＦ電力：上部／下部＝２．１７／１．５５ｋＷ
設定温度：上部電極／側壁／下部電極＝６０／５０／２０゜Ｃ
下部ＲＦ電圧の振幅：１３８５Ｖ（２．０Ｐａ）、１３４５Ｖ（４．０Ｐａ）、１３５５Ｖ（１０．６Ｐａ）、１３７０Ｖ（１６．０Ｐａ）、１３８０Ｖ（２６．６Ｐａ）
【０１６０】
図２９に示すように、このプラズマ生成条件では、圧力が１６．０Ｐａ（１２０mTorr）を超えると、ウエハ中心部付近の位置で電子密度Ｎeが下がり、均一性が失われることがわかる。
【０１６１】
(2)  Ｓｉ基板に配線用の溝（トレンチ）を形成するためのエッチング用のプラズマについて圧力をパラメータにしてチャンバ径方向における電子密度の空間分布を調べた。図３０に計測結果を示す。主要なプラズマ生成条件（レシピ）は以下のとおりである。
ウエハ口径：２００ｍｍ
エッチングガス：ＣＦ4／Ｏ2混合ガス
ガス流量：ＣＦ4／Ｏ2＝４０／３ｓｃｃｍ
ガス圧力：６．７〜６６．５Ｐａ（５０〜５００mTorr）
ＲＦ電力：上部／下部＝１．０／１．２ｋＷ
設定温度：上部電極／側壁／下部電極＝６０／５０／２０゜Ｃ
下部ＲＦ電圧の振幅：１５３０Ｖ（６．７Ｐａ）、１６９０Ｖ（２０．０Ｐａ）、１４００Ｖ（３９．９Ｐａ）、１１８０Ｖ（６６．５Ｐａ）
【０１６２】
図３０からわかるように、このプラズマ生成条件では、ガス圧力が６．７Ｐａや２０．０Ｐａ程度では電子密度Ｎeは不均一な分布になるが、３９．９Ｐａ以上では平坦（均一）な分布特性となることがわかる。
【０１６３】
(3)  基板上の層間絶縁膜にビアホールを形成するためのエッチング用のプラズマについて圧力をパラメータにしてチャンバ径方向における電子密度の空間分布を調べた。図３１に計測結果を示す。主要なプラズマ生成条件（レシピ）は以下のとおりである。
ウエハ口径：２００ｍｍ
エッチングガス：Ｎ2ガス
ガス流量：３００ｓｃｃｍ
ガス圧力：５３．２〜１０６．４Ｐａ（４００〜８００mTorr）
ＲＦ電力：上部／下部＝１．５／１．０ｋＷ
設定温度：上部電極／側壁／下部電極＝３０／５０／２０゜Ｃ
下部ＲＦ電圧の振幅：１０１５Ｖ（５３．２Ｐａ）、９３８Ｖ（１０６．４Ｐａ）
【０１６４】
図３１に示すように、このプラズマ生成条件では、ガス圧力を１０６．４Ｐａまで上げても電子密度Ｎeの均一性が維持されることがわかる。
【０１６５】
上記のように、この実施形態のプラズマモニタリング方法および装置においても、低圧から高圧までの広い圧力領域にわたって高精度の電子密度計測を短時間で行うことができる。したがって、本実施形態のプラズマ処理装置においては、所望のプロセス条件の下で処理空間にプラズマ密度すなわち電子密度を均一な状態で分布するようにレシピを効率よく最適化して、プラズマ処理の面内均一性を保証し、歩留まりを向上させることができる。
【０１６６】
また、この第２の実施形態においても、上記した第１の実施形態における場合と同様の種々の変形が可能である。
【実施形態３】
【０１６７】
次に、図３２〜図４８につき本発明のプラズマ発光計測法に係る実施形態を説明する。図３２に、この第３の実施形態によるプラズマ発光計測方法および装置を適用したプラズマ処理装置の構成を示す。図中、図１のプラズマ処理装置およびプラズマモニタリング装置におけるものと同様の構成または機能を有する部分は、同一の符号を附して、その詳細な説明を省略する。
【０１６８】
この実施形態におけるプラズマ発光計測装置は、チャンバ１０に固定取付される円筒状の透明絶縁管５０と、先端に受光面１３０ａを有し、石英管５０の一方の端（図１の左端）より管内に摺動可能に挿入されるロッド状の光伝送プローブ１３０と、チャンバ１０内に生成されるプラズマＰＺからの発光をプローブ１３０を介して計測する計測部１３２と、プローブ１３０を軸方向に移動させるためのリニアアクチエータ５６と、プローブ１３０と計測部１３２とを光学的に接続する可撓性のバンドルファイバ１３４とを有する。
【０１６９】
透明絶縁管５０は、透明かつ耐熱性の絶縁材たとえば石英またはサファイアからなり、チャンバ１０の外径寸法よりも幾らか長く、まっすぐ（直線状）に形成されており、両端が開口している。
【０１７０】
プローブ１３０の先端部には、図３３に明示するように、たとえばステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる遮光性の円筒形キャップ１３６が装着されている。このキャップ１３６の中には、たとえばステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる円柱体１３８が収容されており、この円柱体１３８のプローブ１３０の受光面１３０ａと対向する端面１４０が軸方向に対して４５゜傾斜したミラーを形成している。プローブ１３０の受光面１３０ａからみてミラー１４０の反射方向に位置するキャップ１３６の側壁には、円形の開口または窓１４２が形成されている。この窓１４２の正面前方より入ってきた光は、ミラー６４で反射してプローブ１３０の受光面１３０ａに入射するようになっている。このように、この実施例では、キャップ１３６の窓１４２とミラー１４０とプローブ１３０の受光面１３０ａとで、チャンバ１０内のプラズマ光を高い指向性で採光するための採光部１４４が構成されている。
【０１７１】
プローブ１３０は、直径がたとえば数ｍｍ以下の石英ロッドからなり、先端の受光面１３０ａに入射した光を境界面または周面で全反射させながら閉じ込めて他端まで伝送し、他端面より放射する。石英ロッドの中でも、通常のプラズマ発光分光で用いられる２００ｎｍ〜９００ｎｍの波長を扱う場合は、この波長領域で高い透過特性を示し、しかも蛍光を発しない有水合成石英製のロッドが好ましい。一方、近赤外線ないし中間赤外線領域（９００ｎｍ〜）の計測には、この波長領域で高い透過特性を示す無水合成石英や溶融石英をロッド材として好適に使用することができる。紫外線から赤外線までの広い波長領域で効率よく計測するには、サファイアを好適に使用することができる。
【０１７２】
プローブ１３０は上記のように石英ロッドの単体でも十分な光伝送機能を果たせるが、側面から迷光が入るのを抑えるために、好ましくは図３４Ａに示すようにロッドの側面または周面をクラッド１４６で取り囲む構成としてよく、さらに好ましくは図３４Ｂに示すようにクラッド１４６（または石英ロッド１３０）の周面を遮光性の被膜たとえば黒色塗料１４８で取り囲む構成としてよい。
【０１７３】
計測部１３２は、プローブ１３０を介してチャンバ１０内のプラズマ発光を分光分析法で計測する装置であり、プローブ１３０からの光をスペクトルに分解または分光するための分光器１５０と、この分光器１５０より得られる所定周波数のスペクトルを電気信号に変換する光電変換部１５２と、この光電変換部１５２の出力信号に基づいて当該スペクトルの強度を求める計測演算部１５４と、計測に関連して各部を制御するための計測制御部１５６とを有している。分光器１５０は、たとえばプリズムまたは回折格子を用いるものでよい。分光器に代えて光フィルタを使用することもできる。光電変換部１５２は、たとえば光電子増倍管またはフォトダイオード等を用いてよい。
【０１７４】
バンドルファイバ１３４は、多数本の可撓性光ファイバを集束してなり、一端がコネクタ１５８を介してプローブ５２の他端に光学的に接続され、他端が発光計測部１３２の分光器１５０に光学的に接続されている。コネクタ１５８は、たとえば端面突き合わせ式でバンドルファイバ１３４とプローブ１３０とを接続する。
【０１７５】
ここで、この実施形態におけるプラズマ発光計測装置の作用を説明する。このプラズマ発光計測装置において、チャンバ１０内で生成されるプラズマＰＺからの発光を計測するには、リニアアクチエータ５６の直進駆動によりプローブ１３０を石英管５０の中で軸方向つまりチャンバ１０の径方向で移動させる。通常は、プローブ１３０の受光面１３０ａをリニアアクチエータ５６側からみて最も遠い測定点を越える位置までプローブ１３０を石英管５０の奥まで差し込んでおいて、計測時にリニアアクチエータ５６がプローブ１３０を引き抜く方向に直進移動させる。この軸方向の直進移動により、プローブ１３０の採光部１４４はチャンバ１０内でプラズマ空間の中を径方向に走査して径方向の各位置におけるプラズマ光を採光する。より詳細には、図３３に示すように、走査ライン上の各位置で上方付近のプラズマＰＺより発せられた光が石英管５０を透過してキャップ１３６の窓１４２からミラー１４０に入射し、ミラー１４０で反射した光がプローブ１３０の受光面１３０ａに入射する。図示の例では、上方からのプラズマ光を採光しているが、ミラー１４０の向きによって上方だけでなく下方や側方などの任意の方角からのプラズマ光を採光することができる。
【０１７６】
プローブ１３０の受光面１３０ａに入射したプラズマ光は、プローブ１３０の中を伝播して、コネクタ１５８内でプローブ１３０の他端面から放射され、バンドルファイバ１３４の一端面または受光面に入射する。バンドルファイバ１３４の受光面に入射したプラズマ光は、バンドルファイバ１３４の中を伝播してその他端面より放射され、測定部１３２の分光器１５０に入る。
【０１７７】
測定部１３２において、分光器１５０は、受光したプラズマ光から所望のスペクトルを取り出す。光電変換部１５２は、分光器１５０で取り出されたスペクトルをたとえば光電流に変換して、スペクトル強度に応じた電圧信号を出力する。計測演算部１５４は、光電変換部１５２で得られる電圧信号のレベルからスペクトル強度の測定値を求める。上記のようにリニアアクチエータ５６により石英管５０内でプローブ１３０を軸方向に移動させて採光部１４４をチャンバ１０の径方向で走査させるので、走査ライン上の各位置におけるプラズマ光またはスペクトルの強度を測定することができる。なお、リニアアクチエータ５６にたとえばリニアエンコーダまたはロータリエンコーダ等の位置センサを取り付けることで、該位置センサを通じて採光部１４４の位置つまり測定位置を検知または把握することができる。こうして、各測定位置毎のスペクトル強度測定値はプラズマ発光計測データとして計測演算部１５４または計測制御部１５６内のメモリに格納され、図示しないディスプレイやプリンタ等により空間分布特性（グラフ）として表示または印字されたり、あるいは所望のモニタ分析に附される。
【０１７８】
上記のように、このプラズマ発光計測装置では、チャンバ１０内に石英管５０を挿入し、この石英管５０の中でロッド状の光伝送プローブ１３０を軸方向に移動させて、プローブ１３０の先端部の採光部１４４により軸方向における任意の測定位置でプラズマＰＺからの発光を採光し、採光したプラズマ光をプローブ１３０およびバンドルファイバ１３４を介して計測部１３２に伝送し、計測部１３２で各測定位置のプラズマ発光について所定の特性または属性（たとえば所定波長のスペクトルの強度）の測定値を求める。
【０１７９】
ここで、石英管５０およびプローブ１３０は絶縁体つまり非金属であり、平行平板電極（１２，２４）の間で生成される容量結合性プラズマＰＺの中に挿入されても，プラズマＰＺを擾乱するおそれはなく、プラズマ発光について信頼性および測定精度の高い空間分布計測を行うことができる。なお、この実施形態では、採光部１４４のキャップ１３６およびミラー１４０を金属（ＳＵＳ）で構成しているが、この金属部材の全長は数ｃｍ程度であってアンテナ作用を奏し得ないため、平行平板電極（１２，２４）間の高周波放電に影響を与えることはない。
【０１８０】
また、この実施形態では、チャンバ１０の側壁の相対向する位置に設けた一対の支持部（貫通孔１０ａ，１０ａ）の間に石英管５０を水平に架け渡し、このような架橋型の石英管５０の中で（石英管５０を案内部材として）プローブ１３０を軸方向に移動させるので、チャンバ径方向の一定な水平線上で高速かつ安定なプローブ走査を実現することができる。このことにより、たとえば数分以下の短いプロセス時間でも、上記のような空間分布計測を一定の時間間隔で多数回繰り返し、時間軸方向における分解計測も可能とすることができる。
【０１８１】
さらに、この実施形態では、プローブ１３０で採光したチャンバ１０内のプラズマ光をチャンバ１０の外でバンドルファイバ１３４に通して計測部１３２の分光器１５０に与えることにより、チャンバ１０内のプラズマ発光を所望の視野角または見込み角で採光することができる。
【０１８２】
図３５につき、プローブ１３０およびバンドルファイバ１３４の光学的機能を説明する。チャンバ１０内では、上記のようにプラズマＰＺからの発光がキャップ１３６の窓１４２を通りミラー１４０で反射してプローブの受光面１３０ａに入射する。ここで、プローブ１３０の受光面１３０ａには、プローブ１３０の固有の開口数（ＮＡ）には関係なく、実質的に±９０゜の見込み角（ＮＡ＝１）でプラズマ光が入射する。そして、プローブ１３０の他端面１３０ｂからは受光側と対称に実質的に±９０゜の見込み角でプラズマ光が放射される。こうして、バンドルファイバ１３４の受光面１３４ａには、チャンバ１０内のプローブ１３０の受光面１３０ａと実質的に同じ状況でプラズマ光が入射することになる。ただし、バンドルファイバ１３４は固有の開口数（ＮＡ＜１）でプラズマ光を受光し、他端面１３４ｂでも固有の開口数（ＮＡ＜１）でプラズマ光を放射する。こうして、恰もバンドルファイバ１３４の受光面１３４ａをチャンバ１０内に入れた場合と同等または等価な指向性でプラズマ発光を採光することができる。
【０１８３】
なお、バンドルファイバ１３４を実際にチャンバ１０内に入れると、その保護管（通常金属製）がプラズマＰＺと電気的に結合してプラズマＰＺを擾乱する。この実施形態では、バンドルファイバ５８は常にチャンバ１０の外に存在するので、プラズマＰＺに影響を与えることはない。
【０１８４】
また、バンドルファイバ１３４には、上記のような指向性のほかに、単一（１本）の光ファイバに比して、コネクタ１５８におけるプローブ１３０との光軸合わせが容易であるという利点もある。
【０１８５】
ところで、プローブ１３０のロッド径を大きくすると、図３６に示すように、採光部１４４で採光されるプラズマ光の中に、窓１４２の正面前方から入ってミラー１４０で反射してからプローブ１３０の受光面１３０ａに入射する本来の被測定光ＰＬだけでなく、ミラー１４０を介さずに前方から直接受光面１３０ａに入射する不所望な光ＭＬが混じることもある。この問題に対しては、図示のように、プローブ１３０の受光面１３０ａの法線Ｎが軸方向に対して窓１４２側に所定の角度θだけ傾くように、プローブ１３０の一端部を角度θだけ斜めにカットした受光面とする構成が効果的である。かかる構成によれば、前方から不所望な光ＭＬがプローブ１３０の受光面１３０ａに直接入射しても、バンドルファイバ１３４の開口数（ＮＡ）よりも大きな角度でバンドルファイバ１３４に入射するので、前方光を除去できる。
【０１８６】
図３７に、プローブ１３０に石英ロッドを用いる場合において、開口数（ＮＡ）をパラメータにして石英ロッドの屈折率に対する石英ロッド受光面の最適なカット角θをグラフで示す。石英ロッドの屈折率は光の波長によって変わるので、実際のアプリケーションでは被測定スペクトルの中の最も短い波長に合わせてカットθを決定してよい。たとえば、開口率０．２２の石英ロッドを用いる場合において、最も短い被測定スペクトルに対応する屈折率が１．４５３であるときは、図３７のグラフからカット角θを２６．８゜としてよい。
【０１８７】
上記のように、この実施形態のプラズマ発光計測装置によれば、チャンバ１０内のプラズマ分布に影響を与えることなくプラズマからの発光をチャンバ径方向の空間分布として計測または分光分析することができる。このことにより、プロセス結果の面内分布とプラズマ発光の空間分布との相関性を高い精度で解析することができる。
【０１８８】
図３８〜図４０に、本実施形態のプラズマ処理装置をプラズマエッチングに適用したアプリケーションにおいてエッチングレートの面内分布とプラズマ発光の空間分布との相関性の例を示す。
【０１８９】
図３８Ａおよび図３８Ｂは、上部電極２４の比抵抗が異なる２種類のシリコン酸化膜（ＳiＯ2）エッチング（Ａ，Ｂ）においてＳiＯ2のエッチングレートＥ／Ｒの面内分布（図３８Ａ）とＡrラジカル発光Ｉ［Ａr］(750nm;13.48eV)の空間分布（図３８Ｂ）との相関性を示す。
【０１９０】
図３９Ａおよび図３９Ｂは、上部電極２４の構造が異なる２種類のシリコン酸化膜（ＳiＯ2）エッチング（Ｃ，Ｄ）においてＳiＯ2のエッチングレート（Ｅ／Ｒ）の面内分布（図３９Ａ）とＡrラジカル発光Ｉ［Ａr］(750nm;13.48eV)の空間分布（図３９Ｂ）との相関性を示す。
【０１９１】
図４０Ａおよび図４０Ｂは、上部電極２４の構造が異なる２種類のシリコン酸化膜（ＳiＯ2）エッチング（Ｃ，Ｄ）についてフォトレジストのエッチングレート（Ｅ／Ｒ）の面内分布（図４０Ａ）とＡrラジカル発光Ｉ［Ａr］／Ｆラジカル発光Ｉ［Ｆ］(704nm;14.75eV) の空間分布（図４０Ｂ）との相関性を示す。
【０１９２】
図４１〜図４３に、別の実施例によるプラズマ発光計測方法および装置を適用したプラズマ処理装置の構成および作用を示す。図中、上記した第１の実施形態のものと実質的に同一の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。
【０１９３】
この実施例では、上部電極２４と下部電極１６との中間の高さ位置にてチャンバ１０の側壁にシャッタ１６０付きの開口または穴１６２を形成し、穴１６２の外から先端に受光面１６４ｃを有するロッド状の光伝送プローブ１６４をチャンバ径方向に出し入れできるようにしている。プローブ１６４は、たとえば石英（合成石英もしくは溶融石英）またはサファイアからなるコア１６４ａとクラッド１６４ｂとの二重構造を有する光ファイバでよい（図４３）。
【０１９４】
チャンバ１０の外で、プローブ１６４はチャンバ径方向に伸縮可能に配置されたベローズ１６６の中に収容される。プローブ１６４の基端部は、ニリアアクチエータ５６のスライダ部７６に水平に支持されるとともに、コネクタ１５８を介してバンドルファイバ１３４に光学的に接続されている。ベローズ１６６は、一端がチャンバ１０に接続されるとともに、他端がスライダ部７６に接続され、プローブ１６４の回りに気密な空間を形成する。このベローズ１６６の内部空間は、排気管１６８を介して排気装置１７０によりチャンバ１０内とほぼ同一の真空度に減圧されるようになっている。また、ベローズ１６６の内部または周囲に、プローブ１６４を所定の温度（たとえば１００゜Ｃ前後）に加熱するためのヒータ（たとえばＰＴＣ素子または抵抗発熱素子）１７２が設けられる。
【０１９５】
この実施例において、プラズマ発光計測を行わない間は、図４１に示すように、シャッタ１６０を閉めておき、プローブ１６４をチャンバ１０の外に待機させておく。もっとも、プラズマ発光計測が行なわれるに先立って、ベローズ１６６の内部空間を所定のチャンバ１０内とほぼ同一の真空度まで減圧し、プローブ１６４を所定の温度まで加熱しておく。プラズマ発光計測を行うときは、図４２に示すように、シャッタ１６０を開け、リニアアクチエータ５６を作動させ、プローブ１６４を軸方向に直進移動させて穴１６２からチャンバ１０の中へ挿入する。この際、ベローズ１６６はスライダ部７６およびプローブ１６４の前進移動に伴なって収縮する。
【０１９６】
チャンバ１０内でプローブ１６４の受光面１６４ｃにはその前方に位置するプラズマＰＺからの発光が入射する。プローブ１６４の見込み角は、コア１６４ａとクラッド１６４ｂのそれぞれの屈折率から決まる開口率（ＮＡ）で制限される。プローブ１６４を軸方向つまりチャンバ径方向（ｘ）に移動（走査）させながら、微小移動距離Δｘに対するプラズマ発光の光強度の変化分ΔＩを計測部１３２で求めることで、走査ライン上の発光分布を計測することができる。この計測スキャニングは、プローブ１６４の前進（往動）中または後退（復動）中のいずれで行われてもよい。
【０１９７】
チャンバ１０内でプローブ１６４のクラッド部１６４ｂがプラズマＰＺにたたかれても、採光したプラズマ光を伝搬するコア部１６４ａは影響を受けずに済む。また、プローブ１６４はチャンバ１０の外でも高温に加熱されているので、チャンバ１０内に入ってプラズマＰＺに曝されてもデポの付着は少なくて済む。
【０１９８】
プローブ１６４は非金属なのでプラズマＰＺを乱さないだけでなく、プロセス時間（たとえば数分）に比して非常に短い時間（たとえば数秒）でスキャニングできるのでプロセス結果に与える影響もほとんどない。このため、プロセス時間中に上記のような計測スキャニングを一定の周期で多数回行うことも可能である。また、プロセス結果と相関性の高い計測結果を得ることができる。この実施形態は、プロセス開発時だけでなく、実プロセスにおいても適用可能であり、たとえばプラズマエッチングにおける終点検出等の各種プロセス制御のための発光モニタリングに適用できる。
【０１９９】
上記した第１および第２の実施例では、チャンバ１０内でプローブ（１３０，１６４）を軸方向に移動させて同方向における空間分布としてプラズマ発光を計測した。しかしながら、本発明は、チャンバ１０内でプローブを任意の方向に移動可能とするものである。たとえば、図４４に示すように、チャンバ１０内のプラズマ空間の中でプローブ１３０を垂直（ｚ）方向に移動させながら、微小移動距離Δｚに対するプラズマ発光の光強度の変化分ΔＩを計測部１３２で求めることで、垂直（ｚ）方向におけるプラズマ発光分布を計測することができる。
【０２００】
さらに、本発明のプラズマ発光計測装置では、上記のような分光分析法によって得られたプラズマ発光の測定値から他のプラズマ属性を求めることもできる。一般に、原子／分子／ラジカル／イオンなどの発光種は、それぞれの内部エネルギー状態に応じた固有の波長またはスペクトルで発光する。任意の発光種Ｘからの発光強度ＩXは次の式（５）で与えられる。
ＩX＝ＣX,λ・ＮX・ｎe・∫σX(E)・ｖe・ｆe(E)・ｄＥ  ‥‥（５）
ここで、ＣX,λは発光種の物性値（波長、自然放出確率など）や計測システムに関する幾何学的な要素を含む係数である。また、ＮXは発光種の基底エネルギー状態での密度、ｎeは電子密度、δX(E)は発光種Ｘの電子衝突励起断面積、ｖeは電子の速度、ｆe(E)は電子エネルギー分布関数(EEDF)である。なお、式（５）の中で積分（∫）の範囲は０から無限大（∞）である。
【０２０１】
このように、プラズマからの発光は、幾つかのプラズマ諸量により決定される。見方を換えれば、プラズマ発光の測定値から、発光種の密度、電子密度、電子エネルギー分布などの諸量が求められる。
【０２０２】
たとえば、アクチノメトリ法によりＮXが求められ、プラズマ吸収プローブ法（ＰＡＰ）またはラングミュアプローブ法などの電子密度計測法により電子密度ｎeが求まれば、式（５）から電子エネルギー分布ｆe(E)を求めることができる。
【０２０３】
この実施形態のプラズマ発光計測装置において各構成要素を同様の機能を有する代替物に変更可能であることはもちろんである。たとえば、上記実施形態では石英管５０をチャンバ１０内で径方向に横断させて架橋型に取り付けたが、片持ち梁式に一箇所で石英管５０を固定する構成も可能である。また、この実施形態では、プローブ１３０，１６４をリニアアクチエータ５６の直進駆動により軸方向つまりチャンバ１０の径方向で移動させるようにした。しかしながら、プローブ１３０，１６４を単に石英管５０またはチャンバ１０に対して軸方向に進退可能とし、手動によって上記実施形態と同様に直進移動させることも無論可能である。
【０２０４】
図４５〜図４７に、この実施形態における変形例を示す。図４５の変形例は、上記第１の実施例におけるプローブ１３０を単体の石英ロッドに代えて複数本の光ファイバ１６６からなるバンドル型の光ガイドに構成したものである。それら複数本の光ファイバ１６６を１つにまとめるために束の周囲に耐熱性の非金属部材１６８を設けている。そのような耐熱性非金属部材１６８の材質として好適なものは耐熱性高分子たとえばポリイミドであり、光ファイバ１６６の束の回りにテープの形態で巻かれてもよく、あるいは樹脂の形態で固められてもよい。このようなバンドル型のプローブ１３０は、柔軟性を有するため、衝撃に強く破損しにくいという利点がある。
【０２０５】
図４６の変形例は、チャンバ１０に出し入れされる上記バンドル型のプローブ１３０とチャンバ１０の外に延在する標準バンドルファィバ１３４とを一体化するものである。つまり、プローブ１３０の各光ファイバ１６６とバンドルファィバ１３４の各光ファイバ１６６とは連続した１本の光ファイバで構成され、プローブ１３０とバンドルファィバ１３４とは外被が前者（１３０）では絶縁体であり、後者（１３４）では金属である点が相違している。このような光ファイバ一体型によれば、プローブ１３０とバンドルファィバ１３４との間で結合損失がなく、計測部１３２（特に分光器１５０）側の受光量を増やし、測定精度を向上させることができる。
【０２０６】
図４７の変形例は、プローブ１３０におけるミラー１４０の材質をアルミニウムで構成するものである。アルミニウムは、紫外線から赤外線まで一定の高い反射率を有する素材であり、ミラー１４０に好適に用いることができる。ただし、アルミニウムは酸化して変質しやすいため、この構成例では、透明石英基板１７０の片側の面にアルミニウム１７２を蒸着して、ミラー保護材としての透明石英基板１７０をおもて側に配置し、反射膜としてのアルミ蒸着膜１７２を裏側にしてＳＵＳの円柱体１３８に取り付けている。プラズマからの被測定光ＰＬは、透明石英基板１７０を透過して、アルミ蒸着膜１７２で反射することになる。別の変形例として、図示省略するが、円柱体１３８をアルミニウムで構成し、その反射面またはミラー面１４０にフッ化マグネシウムからなる保護膜をコーティングしてもよい。
【０２０７】
本発明のプラズマ発光計測装置の一応用例として、チャンバ内部の異常放電をモニタリングできる機能がある。たとえば、図３２の実施例において、シャワーヘッド構造の上部電極２４のガス穴（吐出孔）２６が消耗により広がってそこで異常放電しているときは、プローブ１３０の採光部１４４を上に向けて水平方向に走査すると、その異常放電の様子を観測することができる。図４８にその一例を示す。図示のように、上部電極２４のガス穴２６が正常なときの発光分布と比較して、上部電極２４のガス穴２６が異常なとき（広がっているとき）は、電極中心部からの発光が減少する一方で周辺部からの発光が増大するパターンの空間分布となる。このことから、異常放電の発生の有無や発生箇所を検出することが可能となる。なお、図４８の実験データは、シリコン酸化膜エッチングにおいてＡrラジカル発光のモニタリングによって得られたものである。主要なプラズマ生成条件（レシピ）は以下のとおりである。
ウエハ口径：３００ｍｍ
ガス圧力：２５ｍTorr
上部及び下部電極間距離：３５ｍｍ
エッチングガス：Ｃ5Ｆ8／Ｏ2／Ａｒ＝２９／７５０／４７ｓｃｃｍ
ＲＦ電力：上部／下部＝３３００／３８００Ｗ
ウエハ裏面圧力（センター部／エッジ部）：１０／４０Torr
【０２０８】
上記のような異常放電モニタリング機能は、第１の実施形態（図１）または第２の実施形態（図１９）におけるプラズマ電子密度測定方法および装置によって実現可能である。図４９に、第１の実施形態（図１）によるプラズマ共振プローブ法で得られた実験データを示す。チャンバ構造およびプラズマ生成条件は図４８のものと同じである。図４９に示すように、上部電極２４のガス穴２６が正常なときの電子密度分布と比較して、上部電極２４のガス穴２６が異常なとき（広がっているとき）は、電極中心部および電極エッジ部で電子密度が異常に高くなるパターンの空間分布となる。このことから、異常放電の発生の有無や発生箇所を検出することが可能となる。
【０２０９】
本発明のプラズマ処理装置においても種々の変形が可能である。特に上記実施形態のような容量結合型平行平板タイプのプラズマ発生方式は一例であり、他の任意の方式たとえばマグネトロン方式やＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）方式などにも本発明は適用可能である。また、プラズマプロセスの種類もエッチングに限定されず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、酸化、スパッタリングなど任意のプラズマプロセスに本発明は適用可能である。さらに、プラズマプロセスにより処理される被処理体も半導体ウエハに限るものではなく、たとえばガラス基板またはＬＣＤ(Liquid Crystal Display）基板などにも適用可能である。本発明のプラズマ発光計測方法または装置は、プラズマ処理装置以外のプラズマ装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２１０】
【図１】本発明の第１の実施形態によるプラズマ電子密度測定方法および装置を適用したプラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図２】実施形態のプローブ構造の要部を示す部分拡大断面図である。
【図３】実施形態の測定部におけるベクトルネットワークアナライザおよび計測制御部の要部の構成を示すブロック図である。
【図４】実施形態における第１の一括測定工程の一状態を模式的に示す図である。
【図５】実施形態における第２の一括測定工程の一状態を模式的に示す図である。
【図６】本発明のプラズマ共振プローブ法によって得られる複素反射係数の絶対値、実数部および虚数部の周波数特性（実験データ）を示す図である。
【図７Ａ】本発明のプラズマ共振プローブ法によって得られる電子密度測定感度の一例（実験データ）を示す図である。
【図７Ｂ】本発明のプラズマ共振プローブ法によって得られる電子密度測定感度の一例（実験データ）を示す図である。
【図８】本発明で得られる電子密度の測定値データをプラズマ吸収プローブ法によって得られる電子密度の測定値データと対比して示す図である。
【図９】比較的低い圧力条件（１５ｍTorr）の下で得られる複素反射係数の周波数特性（実験データ）を示す図である。
【図１０】高圧力条件（８００ｍTorr）下で得られる複素反射係数の周波数特性（実験データ）を示す図である。
【図１１】高圧力条件（１６００ｍTorr）下で得られる複素反射係数の周波数特性（実験データ）を示す図である。
【図１２】本発明により高圧力条件（２０００ｍTorr）下で得られた電子密度分布特性の一例（実験データ）を示す図である。
【図１３】本発明の別の実施形態によるプラズマ電子密度測定装置を適用したプラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図１４Ａ】図１３の実施形態で使用可能なプローブユニットの構成例を示す断面図である。
【図１４Ｂ】図１３の実施形態で使用可能なプローブユニットの構成例を示す断面図である。
【図１５】図１３の実施形態で使用可能なプローブ部の構成例を示す斜視図である。
【図１６】本発明の別の実施形態によるプラズマ電子密度測定装置を適用したプラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図１７】シーズニングのエッチングサイクルにおいてウエハ上の各位置でエッチングレートが漸次的に減少して安定化する様子の一例を示す図である。
【図１８】シーズニングのエッチングサイクルにおけるエッチングレートの平均値と電子密度の時間的変動とを示す図である。
【図１９】本発明の第２の実施形態によるプラズマモニタリング方法および装置を適用したプラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図２０】実施形態におけるプラズマモニタリングの大まかな手順を示すフローチャートである。
【図２１】第２の実施形態のプラズマモニタリングにおける第１の一括測定工程の詳細な手順を示すフローチャートである。
【図２２】第２の実施形態のプラズマモニタリングにおける第２の一括測定工程の詳細な手順を示すフローチャートである。
【図２３】第２の実施形態において得られる電子密度の空間分布特性の一例（実施例）を比較例と対比して示すグラフ図である。
【図２４】一実施例におけるノイズピークの周波数特性を示すグラフ図である。
【図２５】一実施例におけるプローブ挿入長さに依存する定在波ノイズのピーク周波数の実測値と計算値を示すグラフ図である。
【図２６Ａ】一実施例における電磁波吸収体のノイズ吸収効果を示す周波数特性のグラフ図である。
【図２６Ｂ】一実施例における電磁波吸収体のノイズ吸収効果を示す周波数特性のグラフ図である。
【図２７】一実施例における電磁波吸収体のノイズ吸収効果を示す反射の周波数特性のグラフ図である。
【図２８】一実施例における電磁波吸収体の増強によるシグナル増加の効果を示す周波数特性のグラフ図である。
【図２９】一実施例における電子密度の空間分布特性を示すグラフ図である。
【図３０】一実施例における電子密度の空間分布特性を示すグラフ図である。
【図３１】一実施例における電子密度の空間分布特性を示すグラフ図である。
【図３２】本発明の第３の実施形態によるプラズマ発光計測方法および装置を適用したプラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図３３】第３の実施形態におけるプローブの要部の構成と作用を示す部分拡大断面図である。
【図３４Ａ】別の実施例によるプローブ構造を示す部分拡大断面図である。
【図３４Ｂ】別の実施例によるプローブ構造を示す部分拡大断面図である。
【図３５】第３の実施形態におけるプローブとバンドルファイバの作用を模式的に示す図である。
【図３６】一実施例におけるプローブの構造と作用を示す部分拡大断面図である。
【図３７】第３の実施形態においてプローブに用いる石英ロッドの屈折率とカット角との関係を示すグラフである。
【図３８Ａ】第３の実施形態においてエッチングレートの面内分布の一例を示す図である。
【図３８Ｂ】第３の実施形態においてプラズマ発光空間分布の一例を示す図である。
【図３９Ａ】第３の実施形態においてエッチングレートの面内分布の一例を示す図である。
【図３９Ｂ】第３の実施形態においてプラズマ発光空間分布の一例を示す図である。
【図４０Ａ】第３の実施形態においてエッチングレートの面内分布の一例を示す図である。
【図４０Ｂ】第３の実施形態においてプラズマ発光空間分布の一例を示す図である。
【図４１】別の実施例によるプラズマ発光計測方法および装置を適用したプラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図４２】図４１のプラズマ処理装置においてプラズマ分光計測時の状態を示す図である。
【図４３】図４１のプラズマ発光計測装置の作用を示す図である。
【図４４】別の実施例によるプラズマ発光計測方法を示す図である。
【図４５】一変形例による光伝送プローブの要部の構成を示す図である。
【図４６】一変形例による光伝送プローブの要部の構成を示す図である。
【図４７】一変形例による光伝送プローブの要部の構成を示す図である。
【図４８】本発明のプラズマ発光計測法によるチャンバ内異常放電モニタリング機能の実験結果を示すグラフ図である。
【図４９】本発明のプラズマ共振プローブ法によるチャンバ内異常放電モニタリング機能の実験結果を示すグラフ図である。
【図５０】従来のプラズマ吸収プローブ法を説明するための図である。
【符号の説明】
【０２１１】
１０    チャンバ
１０ａ  貫通孔（支持部）
１６    サセプタ（下部電極）
１８，３８    高周波電源
２０    主制御部
２４    上部電極
３４    処理ガス供給部
５０    絶縁管
５２    同軸ケーブル
５２ａ    プローブ部（アンテナプローブ）
５４    測定部
５６    リニアアクチエータ
５８    Ｏリング
６２    アース用導体
６６    電磁波吸収体
６８    ベクトルネットワークアナライザ
７４    計測制御部
８０    冷却ガス供給部
８２    ガス管
８４    反射係数測定部
９０    虚数部メモリ
９２    共振周波数読取部
９４    電子密度演算部
１００，１０２，１０４    プローブユニット
１０８    窓部材
１１４    セレクタスイッチ
１２０    スカラネットワークアナライザ
１２２    計測制御部
１３０    光伝送プローブ
１３２    計測部
１３４    バンドルファイバ
１３６    キャップ
１４０    ミラー
１４２    窓
１４４    採光部
１４６    クラッド
１４８    黒色塗料
１５０    分光器
１５２    光電変換部
１５４    計測演算部
１６０    シャッタ
１６２    穴
１６４    光伝送プローブ
１６６    ベローズ
１７０    排気装置
１７２    ヒータ
【図１】
0005404984.tif 000002
【図２】
0005404984.tif 000003
【図３】
0005404984.tif 000004
【図４】
0005404984.tif 000005
【図５】
0005404984.tif 000006
【図６】
0005404984.tif 000007
【図７Ａ】
0005404984.tif 000008
【図７Ｂ】
0005404984.tif 000009
【図８】
0005404984.tif 000010
【図９】
0005404984.tif 000011
【図１０】
0005404984.tif 000012
【図１１】
0005404984.tif 000013
【図１２】
0005404984.tif 000014
【図１３】
0005404984.tif 000015
【図１４Ａ】
0005404984.tif 000016
【図１４Ｂ】
0005404984.tif 000017
【図１５】
0005404984.tif 000018
【図１６】
0005404984.tif 000019
【図１７】
0005404984.tif 000020
【図１８】
0005404984.tif 000021
【図１９】
0005404984.tif 000022
【図２０】
0005404984.tif 000023
【図２１】
0005404984.tif 000024
【図２２】
0005404984.tif 000025
【図２３】
0005404984.tif 000026
【図２４】
0005404984.tif 000027
【図２５】
0005404984.tif 000028
【図２６Ａ】
0005404984.tif 000029
【図２６Ｂ】
0005404984.tif 000030
【図２７】
0005404984.tif 000031
【図２８】
0005404984.tif 000032
【図２９】
0005404984.tif 000033
【図３０】
0005404984.tif 000034
【図３１】
0005404984.tif 000035
【図３２】
0005404984.tif 000036
【図３３】
0005404984.tif 000037
【図３４Ａ】
0005404984.tif 000038
【図３４Ｂ】
0005404984.tif 000039
【図３５】
0005404984.tif 000040
【図３６】
0005404984.tif 000041
【図３７】
0005404984.tif 000042
【図３８Ａ】
0005404984.tif 000043
【図３８Ｂ】
0005404984.tif 000044
【図３９Ａ】
0005404984.tif 000045
【図３９Ｂ】
0005404984.tif 000046
【図４０Ａ】
0005404984.tif 000047
【図４０Ｂ】
0005404984.tif 000048
【図４１】
0005404984.tif 000049
【図４２】
0005404984.tif 000050
【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
0005404984.tif 000053
【図４６】
0005404984.tif 000054
【図４７】
0005404984.tif 000055
【図４８】
0005404984.tif 000056
【図４９】
0005404984.tif 000057
【図５０】
0005404984.tif 000058