(57)【要約】【課題】  簡単な装置構成で高精度にプラズマ電子温度を測定し得る方法ならびに該方法を実施するのに好適なプラズマ電子温度測定装置を提供すること。【解決手段】  本発明により提供されるプラズマ電子温度測定方法は、所定のチャンバー１４内において生じたプラズマＰに対して、該プラズマ中に存在する準安定状態の分子又は原子の吸収波長に対応した波長のレーザ光Ｌを照射し、該プラズマに入射したレーザ光の強度(I０)と該プラズマを透過したレーザ光の強度(It)とから該プラズマのレーザ光透過率を決定し、該レーザ光透過率に基づいて前記プラズマ中の準安定状態分子又は準安定状態原子の密度を決定し、該決定された準安定状態分子密度又は準安定状態原子密度に基づいて前記チャンバー内のプラズマ電子温度を決定する。【選択図】  図１
2006318800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ電子温度を測定する方法であって：
所定のチャンバー内において生じたプラズマに対して、該プラズマ中に存在する準安定状態の分子又は原子の吸収波長に対応した波長のレーザ光を照射し、該プラズマに入射したレーザ光の強度(I０)と該プラズマを透過したレーザ光の強度(It)とから該プラズマのレーザ光透過率を決定する工程；
前記レーザ光透過率に基づいて、前記プラズマ中の準安定状態分子又は準安定状態原子の密度を決定する工程；および
前記準安定状態分子密度又は準安定状態原子密度に基づいて、前記チャンバー内のプラズマ電子温度を決定する工程；
を包含する、プラズマ電子温度測定方法。
【請求項２】
前記チャンバー内の電子密度が１０１０／ｃｍ３以上となる条件で生じさせたプラズマに対してレーザ光を照射する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プラズマ中に存在する準安定状態の分子又は原子が、前記チャンバー内に導入されたアルゴンに由来する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザ光透過率に関する以下の式：
【数１】
2006318800.tif 000017
ここで、σ（ν）は吸収断面積、ｎＡｒＭは準安定状態アルゴン原子の密度、ｌはプラズマ中をレーザ光が透過する部分の長さ（吸収長）である；
に基づいて、前記準安定状態のアルゴン原子密度を決定する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記準安定状態アルゴン原子密度に関する以下の式：
【数２】
2006318800.tif 000018
ここで、ｎＡｒＭは準安定状態アルゴン原子密度、ｎＡｒは基底状態アルゴン原子密度、
ｋｅｘは基底状態アルゴン原子と電子との衝突（Ａｒ＋ｅ→ＡｒＭ＋ｅ）に係る速度係数、ｋｄｅｘは準安定状態アルゴン原子と電子との衝突（ＡｒＭ＋ｅ→Ａｒ＊＋ｅ）に係る速度係数である；
に基づいて、前記プラズマ電子温度を決定する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
プラズマ電子温度を測定するための装置であって：
内部でプラズマを発生させ得る減圧可能なチャンバー；
前記チャンバー内において生じたプラズマに対して、該プラズマ中に存在する準安定状態の分子又は原子の吸収波長に対応した波長のレーザ光を照射し得るレーザ光源部と、
前記プラズマを透過したレーザ光を受光し、該受光したレーザ光強度に対応した電気的信号に変換する光検出部；および
前記光検出部から出力された信号を入力する演算部であって、該プラズマに入射したレーザ光強度（Ｉ０）と該プラズマを透過したレーザ光強度（Ｉｔ）とから該プラズマのレーザ透過率を決定する処理と、そのレーザ透過率に基づいて前記プラズマ中の準安定状態分子又は準安定状態原子の密度を決定する処理と、その準安定状態分子密度又は準安定状態原子密度に基づいて前記チャンバー内のプラズマ電子温度を決定する処理とを行う演算部；
を備える、プラズマ電子温度測定装置。
【請求項７】
前記チャンバー内の電子密度が１０１０／ｃｍ３以上となる条件で生じさせたプラズマに対してレーザ光を照射する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記プラズマ中に存在する準安定状態の分子又は原子が、前記チャンバー内に導入されたアルゴンに由来する、請求項６又は７に記載の装置。
【請求項９】
前記演算部において、前記レーザ光透過率に関する以下の式：
【数３】
2006318800.tif 000019
ここで、σ（ν）は吸収断面積、ｎＡｒＭは準安定状態アルゴン原子の密度、ｌはプラズマ中をレーザ光が透過する部分の長さ（吸収長）である；
に基づいて、前記準安定状態のアルゴン原子密度を決定する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記演算部において、前記準安定状態アルゴン原子密度に関する以下の式：
【数４】
2006318800.tif 000020
ここで、ｎＡｒＭは準安定状態アルゴン原子密度、ｎＡｒは基底状態アルゴン原子密度、
ｋｅｘは基底状態アルゴン原子と電子との衝突（Ａｒ＋ｅ→ＡｒＭ＋ｅ）に係る速度係数、ｋｄｅｘは準安定状態アルゴン原子と電子との衝突（ＡｒＭ＋ｅ→Ａｒ＊＋ｅ）に係る速度係数である；
に基づいて、前記プラズマ電子温度を決定する、請求項９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマ計測技術に関する。詳しくは、プラズマの電子温度を測定する方法と該方法を実施するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマの工業的利用（プラズマプロセシング）を促進するうえで、プラズマの基礎量（物理的性質）を把握すること、即ちプラズマ計測（プラズマ診断）は重要である。例えばプラズマ電子温度の空間分布や時間的変化を測定することによって、目的に応じて効率のよいプラズマプロセシングを実現することができる。このため、従来、種々のプラズマ電子温度測定方法が利用されている。典型的なものとしてラングミュア・プローブ法、トムソン散乱法、発光分光法が挙げられる。また、特許文献１には、ライン・リバーサル法に基づくプラズマ電子温度の測定方法及び測定装置が記載されている。
【０００３】
しかしながら、ラングミュア・プローブ法では、プラズマ中に金属探針（プローブ）を挿入する必要があり、プラズマが金属汚染する問題が生じるのでプラズマプロセシングにおけるプラズマ計測には不向きである。また、トムソン散乱法や上記特許文献に記載されるライン・リバーサル法に基づく方法では、複雑な構成の計測機器を必要とし、技術的にも難易度が高く、プラズマプロセシングにおいて簡易な装置構成でのプラズマ計測に適用し難い。また、発光分光法に基づく方法では、算出されるプラズマ電子温度の信頼性に欠け、正しい電子温度が得られることのほうが稀である。
【０００４】
【特許文献１】特公平４−８１１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明は、従来のプラズマ計測技術、なかんずくプラズマ電子温度の測定に関する従来の問題点に鑑みて創出されたものであり、簡単な装置構成で高精度にプラズマ電子温度を測定し得る方法ならびに該方法を実施するのに好適なプラズマ電子温度測定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】
【０００６】
上記課題を解決すべくここで開示されるプラズマ電子温度測定方法は、レーザ吸収分光に基づく方法である。
ここで開示される一つの方法は、以下の工程を包含する。すなわち、
所定のチャンバー内において生じたプラズマに対して、該プラズマ中に存在する準安定状態の分子又は原子の吸収波長に対応した波長のレーザ光を照射し、該プラズマに入射したレーザ光の強度(I０)と該プラズマを透過したレーザ光の強度(It)とから該プラズマのレーザ光透過率を決定する工程；
上記レーザ光透過率に基づいて、上記プラズマ中の準安定状態分子又は準安定状態原子の密度を決定する工程；および
上記準安定状態分子密度又は準安定状態原子密度に基づいて、上記チャンバー内のプラズマ電子温度を決定する工程；
である。
ここで開示されるプラズマ電子温度測定方法では、上記所定の吸収波長のレーザ光をチャンバー内のプラズマに照射し、その透過率（換言すればレーザ光吸収量）に基づいてプラズマ中の準安定状態分子又は準安定状態原子の密度を決定する。更には当該決定された準安定状態分子又は原子の密度からプラズマ電子温度を決定する。かかるプロセスによると、所定のレーザ光（典型的には半導体レーザ光）をチャンバー内に照射し、そこを透過してきたレーザ光を受光する受光器を備えることで、プラズマ電子温度を決定（測定）することができる。
従って、本発明のプラズマ電子温度測定方法によると、簡易な機器構成によってプラズマ電子温度を精度よく測定することができる。
【０００７】
好ましい一態様では、上記チャンバー内の電子密度が１０１０／ｃｍ３以上となる条件で生じさせたプラズマに対してレーザ光を照射する。
ここで開示される方法では、特にチャンバー内の電子密度が１０１０／ｃｍ３以上であることによって、高精度にプラズマ電子温度を決定することができる。
【０００８】
また、好ましくは、上記プラズマ中に存在する準安定状態の分子又は原子が上記チャンバー内に導入されたアルゴンに由来する。
ここで開示される方法は、準安定状態のアルゴン原子が存在するプラズマの電子温度を特に高精度に測定することができる。
【０００９】
ここで開示されるプラズマ電子温度測定方法の好ましい一態様は、上記レーザ光透過率に関する以下の式：
【数１】
2006318800.tif 000003
ここで、σ（ν）は吸収断面積、ｎＡｒＭは準安定状態アルゴン原子の密度、ｌはプラズマ中をレーザ光が透過する部分の長さ（即ち吸収長）である；
に基づいて、上記準安定状態のアルゴン原子密度を決定することを特徴とする方法である。
このような式に基づいて容易に準安定状態のアルゴン原子密度を導き出すことができる。
【００１０】
また、ここで開示されるプラズマ電子温度測定方法の特に好ましい一態様は、上記準安定状態アルゴン原子密度に関する以下の式：
【数２】
2006318800.tif 000004
ここで、ｎＡｒＭは準安定状態アルゴン原子密度、ｎＡｒは基底状態アルゴン原子密度、
ｋｅｘは基底状態アルゴン原子と電子との衝突（Ａｒ＋ｅ→ＡｒＭ＋ｅ）に係る速度係数、ｋｄｅｘは準安定状態アルゴン原子と電子との衝突（ＡｒＭ＋ｅ→Ａｒ＊＋ｅ）に係る速度係数である；
に基づいて、上記プラズマ電子温度を決定することを特徴とする方法である。
このような式に基づいて容易にプラズマ電子温度を導き出すことができる。
【００１１】
また、本発明は、ここで開示されるプラズマ電子温度測定方法を実施するための好適な装置を提供する。即ちここで開示される一つの装置は、プラズマ電子温度を測定するための装置であって：
内部でプラズマを発生させ得る減圧可能なチャンバー；
前記チャンバー内において生じたプラズマに対して、該プラズマ中に存在する準安定状態の分子又は原子の吸収波長に対応した波長のレーザ光を照射し得るレーザ光源部と、
前記プラズマを透過したレーザ光を受光し、該受光したレーザ光強度に対応した電気的信号に変換する光検出部；および
前記光検出部から出力された信号を入力する演算部であって、該プラズマに入射したレーザ光強度（Ｉ０）と該プラズマを透過したレーザ光強度（Ｉｔ）とから該プラズマのレーザ光透過率を決定する処理と、そのレーザ光透過率に基づいて前記プラズマ中の準安定状態分子又は準安定状態原子の密度を決定する処理と、その準安定状態分子密度又は準安定状態原子密度に基づいて前記チャンバー内のプラズマ電子温度を決定する処理とを行う演算部；を備える。
【００１２】
好ましくは、前記チャンバー内の電子密度が１０１０／ｃｍ３以上となる条件で生じさせたプラズマに対してレーザ光を照射する。
また、好ましくは、プラズマ中に存在する準安定状態の分子又は原子が、前記チャンバー内に導入されたアルゴンに由来する。
【００１３】
また、特に好ましい本装置の一態様では、前記演算部において前記レーザ光透過率に関する以下の式：
【数３】
2006318800.tif 000005
ここで、σ（ν）は吸収断面積、ｎＡｒＭは準安定状態アルゴン原子の密度、ｌはプラズマ中をレーザ光が透過する部分の長さ（吸収長）である；
に基づいて前記準安定状態のアルゴン原子密度を決定することを特徴とする。
【００１４】
或いはまた、特に好ましい本装置の一態様では、前記演算部において前記準安定状態アルゴン原子密度に関する以下の式：
【数４】
2006318800.tif 000006
ここで、ｎＡｒＭは準安定状態アルゴン原子密度、ｎＡｒは基底状態アルゴン原子密度、
ｋｅｘは基底状態アルゴン原子と電子との衝突（Ａｒ＋ｅ→ＡｒＭ＋ｅ）に係る速度係数、ｋｄｅｘは準安定状態アルゴン原子と電子との衝突（ＡｒＭ＋ｅ→Ａｒ＊＋ｅ）に係る速度係数である；
に基づいて前記プラズマ電子温度を決定することを特徴とする。
これら構成の装置により、プラズマ電子温度を精度よく測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって、本発明の具体的な実施に必要な事柄は、当該分野における技術常識に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示される内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
【００１６】
本発明によって提供されるプラズマ電子温度測定方法は、プラズマ中に存在する準安定状態の分子又は原子（即ち量子力学上の用語であり、寿命の長い励起状態にある分子又は原子をいう。）に着目し、所定のチャンバー内で発生したプラズマに所定波長のレーザ光を照射し、その透過率、具体的には準安定状態の分子又は原子によるレーザ光の吸収からプラズマ電子温度を算出する方法である。この方法によると、レーザ光透過率を測定するのに必要な幾つかの光学系機器によって、プラズマ電子温度測定のための装置を構成することができる。
【００１７】
例えば、図１に模式的に示すように、ここで開示されるプラズマ電子温度測定方法を実施するためのプラズマ電子温度測定装置１０は、大まかにいって、適当なプラズマ源（例えば図示しないプラズマ発生用高周波電源及びコイル）を備えたプラズマ発生装置のチャンバー１４内に所定波長のレーザ光Ｌを照射するレーザ光源部（例えば半導体レーザ）１２と、チャンバー１４内を透過したレーザ光Ｌを受光し、その光強度に応じた電気的信号に変換する光検出部（例えばＰＩＮフォトダイオード、フォトトランジスタ）１８と当該光検出部１８への受光の適正化を図るための種々の光学系機器１６（干渉フィルタ等）とを備える。チャンバー１４にはレーザ光Ｌをチャンバー内の空間Ｓに導入するための透過窓１４ＡとプラズマＰを透過してきたレーザ光Ｌをチャンバー１４内から外部（光検出部１８）に導出するための透過窓１４Ｂとが設けられる。
また、光検出部１８から出力された光検出信号を入力し、後述する演算処理を行うためのＣＰＵやメモリー装置等の電子デバイスを備えた演算部（マイコン部）２０を備える。演算部（マイコン部）２０の構成自体は、通常の電気製品、電子製品の演算部や制御部と同様でよい。計算処理能力の高いデバイスの装備が好ましい。
好ましくは、レーザ光源部は適当なレーザ照射装置（例えば波長可変型半導体レーザ）の他、レーザ波長の測定、レーザ発振状態、波長掃引幅把握、等の目的のために波長計２２、スペクトルアナライザ２４等を備えることが好ましい。
【００１８】
上記のような構成の装置１０を用いることにより、測定対象のプラズマＰ中に存在する準安定状態の分子又は原子の内容によって特定される吸収波長（例えばプラズマ中の準安定状態の分子又は原子がアルゴン原子（単分子）である場合は赤色領域（典型的には６９５〜７６５ｎｍ、例えば６９６．５ｎｍ付近、７０６．７ｎｍ付近、７６３．５ｎｍ付近）に同調されたレーザ光Ｌを、チャンバー１４内のプラズマＰに投射することができる。或いは青色領域（典型的には上準位の主量子数が５の場合）の波長を利用することができる。
そして、プラズマＰを透過したレーザ光Ｌを適当な光学系機器１６（例えば、光ファイバーによる伝送、或いは上記波長のレーザー光以外のプラズマ発光が光検出部に届くのを防止するための干渉フィルタその他の光学系機器）を介して光検出部１８にレーザ光Ｌを受光させることができる。
このとき、プラズマが発生（点灯）しているときの入射レーザ光強度とプラズマが発生（点灯）していないときの入射レーザ光強度とからプラズマ中の準安定状態分子又は原子によるレーザ光吸収量、換言すれば、プラズマが発生（点灯）しているときの入射レーザ光強度（Ｉｔ）とプラズマが発生（点灯）していないときの入射レーザ光強度即ちプラズマに入射したレーザ光強度（Ｉ０）とから、該プラズマの上記吸収波長に対応した波長のレーザ光透過率（Ｉｔ／Ｉ０）を決定することができる。
【００１９】
次に、このような比較的簡易な測定装置においてレーザ光透過率に基づいて準安定状態の分子又は原子の密度を決定（算出）する手段、ならびに、当該決定した原子密度に基づいてプラズマ電子温度を決定（算出）する手段を、典型的なプラズマ化用ガス種であるアルゴンを導入したチャンバー内で発生させたプラズマ（即ち、準安定状態分子又は原子としてアルゴン原子を含む）を例にして詳細に説明する。しかし、本発明の適用対象を準安定状態アルゴン原子が存在するプラズマに限定することを意図したものではない。
【００２０】
上記レーザ光透過率（Ｉｔ／Ｉ０）は、以下の指数関数の式で表すことができる。
【数５】
2006318800.tif 000007
式中のσ（ν）は吸収断面積、ｎＡｒＭは準安定状態アルゴン原子の密度、ｌはプラズマ中をレーザ光が透過する部分の長さ（即ち吸収長）である。
ここで、吸収線の中心ν＝ν０における吸収断面積は、以下の式のように求まる。
【数６】
2006318800.tif 000008
式中のｈはプランク定数、Ｂ１２はアインシュタインのＢ係数、ｃは光速、Δνｄはドップラー幅である。
この式においてΔνｄに着目すると、準安定状態アルゴン原子の温度Ｔとの関係において、以下の関係式が成立する。式中のＭはアルゴン原子の質量、ｋはボルツマン常数である。
【数７】
2006318800.tif 000009
【００２１】
以上に示したように、ここで開示されるプラズマ温度測定方法において、上記準安定状態アルゴン原子温度Ｔと、レーザ光透過率（Ｉｔ／Ｉ０）の測定に基づいて、準安定状態アルゴン原子密度を決定（算出）することができる。
なお、敢えて説明するまでもなく、準安定状態アルゴン原子温度Ｔは、当該分野で公知の諸方法、例えば吸収スペクトルの幅から容易に求めることができる。例えば、図１に示す装置１０において、チャンバー１４内に投射するレーザ光Ｌの波長を掃引し、スペクトルアナライザ２４によってアルゴン原子の熱運動に起因したドップラー効果による吸収スペクトルの広がり形状を測定し、アルゴン原子温度を求めることができる。
典型的には、準安定状態アルゴン原子温度Ｔは３００〜１０００Ｋの範囲に設定され、レーザ光透過率（Ｉｔ／Ｉ０）の測定に基づいて、目的とする準安定状態アルゴン原子密度（具体的には吸収長の範囲の平均的原子密度）を決定（算出）することができる。
【００２２】
以上の演算プロセスをまとめると、準安定状態アルゴン原子密度は以下のように算出することができる。
【数８】
2006318800.tif 000010
一具体例を挙げれば、ここでの演算条件として、波長７６３．５１０５ｎｍにおけるレーザ光の透過率（Ｉｔ／Ｉ０）が０．５であり、且つ、準安定状態アルゴン原子温度Ｔが４００Ｋであり、吸収長ｌが１０ｃｍであるとき、上記式より準安定状態アルゴン原子密度（ｎＡｒＭ）は９．６×１０９／ｃｍ３と導き出せる。
【００２３】
上記のように決定（算出）された準安定状態アルゴン原子密度に基づき、次いで目的とするプラズマの電子温度を決定（算出）する。
周知のとおり、プラズマ中における準安定状態アルゴン原子（ＡｒＭ）の生成過程は、基底状態アルゴン原子（Ａｒ）と電子（ｅ）との衝突（Ａｒ＋ｅ→ＡｒＭ＋ｅ）による。
他方、準安定状態アルゴン原子（ＡｒＭ）の消滅過程は、放射による崩壊が無視し得るため、準安定状態アルゴン原子と電子との衝突（ＡｒＭ＋ｅ→Ａｒ＊＋ｅ）と、拡散（ＡｒＭ→チャンバー壁面(wall)）とにより規定することができる。なお、一般的なプロセスプラズマ中では中性原子（Ａｒ）との衝突による準安定状態アルゴン原子（ＡｒＭ）のクエンチングは無視し得る。
以上に記した準安定状態原子の生成過程及び消滅過程から、プラズマ中における準安定状態アルゴン原子（ＡｒＭ）を決定するレート方程式は以下のとおりとなる。
【数９】
2006318800.tif 000011
式中のｋｅｘは基底状態アルゴン原子と電子との衝突（Ａｒ＋ｅ→ＡｒＭ＋ｅ）に係る速度係数、ｋｄｅｘは準安定状態アルゴン原子と電子との衝突（ＡｒＭ＋ｅ→Ａｒ＊＋ｅ）に係る速度係数、ｎＡｒＭは準安定状態アルゴン原子密度、ｎＡｒは基底状態アルゴン原子密度、ｎｅは電子密度、τＤは上記拡散時の常数である。
ここで、プラズマ発生中の定常状態では、ｎＡｒＭは一定値を示す。そこで、上記レート方程式の右辺をゼロにすることにより、以下の関係式が成立する。
【数１０】
2006318800.tif 000012
【００２４】
ところで、通常のプロセスプラズマ雰囲気中、好ましい例を挙げれば、チャンバー内（プラズマ発生空間）における電子密度が１０１０／ｃｍ３以上であるか、或いはチャンバー内のプラズマ発生空間のガス圧が１０Ｐａ以上（例えば１００ｍＴｏｒｒ（約１３Ｐａ）以上）であるか、或いは拡散長（プラズマ中における準安定状態アルゴン原子の平均自由行程）が１ｃｍ以上であるか、或いはそれら条件の二以上又は全部を具備するプラズマ雰囲気中において、次式：
【数１１】
2006318800.tif 000013
が成立し得る。そこで、ここで開示される方法では、以下の関係式が成り立つ。
【数１２】
2006318800.tif 000014
式中のｎＡｒＭは準安定状態アルゴン原子密度、ｎＡｒは基底状態アルゴン原子密度、
ｋｅｘは基底状態アルゴン原子と電子との衝突（Ａｒ＋ｅ→ＡｒＭ＋ｅ）に係る速度係数、ｋｄｅｘは準安定状態アルゴン原子と電子との衝突（ＡｒＭ＋ｅ→Ａｒ＊＋ｅ）に係る速度係数である。
【００２５】
ここで、ｋｅｘの値は、上記基底状態アルゴン原子と電子との衝突現象（Ａｒ＋ｅ→ＡｒＭ＋ｅ）の断面積σｅｘ及びプラズマの電子速度分布関数ｆ（υ）によって決定される。即ち、次式：
【数１３】
2006318800.tif 000015
が成立する。
ここで、σｅｘのデータは従来公知の文献（例えばA. Dasgupta, M.Blaha and J. L. Giuliani, Phys. Rev., A61, 012703-1(1999)及びS. Tsurubuchi, T. Miyazaki and K. Motohashi, J. Phys. B; At. Mol. Opt. Phys. 29, 1785(1996)）に記載されるように既知である。
他方、周知のとおり、ｋｄｅｘはプラズマの電子速度分布関数に実質的に依存せず、ここではｋｄｅｘ＝２×１０−７ｃｍ３／ｓである。このことに関する従来公知の文献として、例えばG. R. Scheller, R. A. Gottscho, D.B. Graves and T. Intrator, J. Appl. Phys. 64, 598(1988)が挙げられる。
【００２６】
以上に説明したように、ｋｅｘ／ｋｄｅｘ＝ｎＡｒＭ／ｎＡｒは、プラズマ電子温度のみの関数であり、結果、ｎＡｒＭを上記のようにして決定（算出）することによって、目的とするプラズマ（ここではアルゴンプラズマ）の電子温度Ｔｅ（具体的には吸収長の範囲の平均的電子温度）を決定（測定）することができる。
【００２７】
例えば、図２に示すｎＡｒＭ／ｎＡｒと電子温度Ｔｅとの関係に基づき、実際のｎＡｒＭの測定値からＴｅを求めることができる。すなわち、図２は、波長７６３．５１０５ｎｍにおけるレーザ光の透過率Ｉｔ／Ｉ０から求まる準安定状態アルゴン原子密度（ｎＡｒＭ）とアルゴンガス圧から求まるｎＡｒとの比ｎＡｒＭ／ｎＡｒと電子温度Ｔｅとの関係を表すグラフである。
【００２８】
具体例を挙げれば、ここでの演算条件として、波長７６３．５１０５ｎｍにおけるレーザ光の透過率Ｉｔ／Ｉ０が０．５であり、且つ、準安定状態アルゴン原子の温度Ｔが４００Ｋであり、吸収長ｌが１０ｃｍであるとき、準安定状態アルゴン原子密度（ｎＡｒＭ）は９．６×１０９／ｃｍ３となり、ここでアルゴンガス圧が５ｍＴｏｒｒであればｎＡｒＭ／ｎＡｒ＝２．７×１０−５となり、このときのプラズマ電子温度は１．６ｅＶと算出される。
なお、この具体例はアルゴンについての例であり、本発明をアルゴンに限定する趣旨ではない。他のガス種（典型的には希ガス）を用いる場合はその吸収率（即ちレーザ光の吸収率）が概ね５〜９５％の範囲内となるような波長を適宜選択するとよい。
【００２９】
以下の実験例によって本発明の内容をさらに詳細に説明するが、本発明をこれら実験例によって限定することを意図したものではない。
【００３０】
＜実験例＞
図３に模式的に示す構成の一般的なスパッタ装置３０のチャンバー４４内に設けられたマグネトロン電極３５にチタンターゲット４０を配置するとともに、ガス供給口３１よりチャンバー４４内にアルゴンガスを導入しつつ、図示しない真空ポンプによってチャンバー４４内を所定のガス圧（５〜２００ｍＴｏｒｒ；０．６６〜２６．６６Ｐａ）とした。
そして、冷却水を冷却水循環パイプ３３Ａ，３３Ｂに供給して電極３５を冷却しつつ、直流電源３２より所定の直流電力（７５Ｗ）をマグネトロン電極３５に印加した。装置に付設された永久磁石によりターゲット４０周囲に磁界を形成するとともにグロー放電によりプラズマＰを発生させた。
この状態で、半導体レーザ（ＬＤ）より波長７６３．５１０５ｎｍのＣＷレーザ光Ｌをチャンバー４４側壁に形成された透過窓４４Ａよりチャンバー４４内に導入した。そしてプラズマＰを透過してきたレーザ光Ｌをチャンバー４４の対向する側壁に形成された透過窓４４Ｂを介して干渉フィルター及びＰＩＮフォトダイオードから成る光検出器（或いは分光器及び光電子増倍管から成る光検出器）４８に受光させ、レーザ光透過率を求めた。さらに、当該レーザ光透過率より上記演算プロセスに基づいて準安定状態アルゴン原子密度、さらにはプラズマ電子温度を決定した。
結果を表１及び図４に示す。チャンバー内のアルゴンガス圧が５〜２００ｍＴｏｒｒの範囲内のいずれの場合であっても、精度よく電子温度を測定することができた。
【００３１】
【表１】
2006318800.tif 000016
【００３２】
＜参考例＞
本発明のプラズマ電子温度測定方法では、ここで開示される上記演算プロセスにおいて高精度にプラズマ電子温度を決定するために上述のｋｄｅｘｎｅと１／τＤとの差が大きいこと（ｋｄｅｘｎｅ≫１／τＤ）、即ち準安定状態分子又は原子の消滅過程において電子衝突による損失が拡散損失を大きく上回ることが好ましい。
そこで、準安定状態の分子又は原子の拡散損失を評価するために、アルゴンを例として、アルゴンの拡散係数を当該分野で周知の文献（B. E. Poling他、The Properties of Gases and Liquids）に記載の技法に基づいて決定した。その結果、所定の系において、２１５ｃｍ２Ｔｏｒｒ／ｓの値が得られた。この値（拡散係数）を基に、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）発生用高周波電源をプラズマ源として、チャンバー内ガス圧及びＣＣＰ発生用の一対の電極間のギャップ長（これにより拡散長が規定され得る。）を変化させ、常法に基づき、拡散長の関数として拡散寿命を評価した。
かかる評価結果から、準安定状態アルゴンの拡散寿命が電子衝突による寿命と等しくなる関係を拡散長（１ｃｍ、２ｃｍ、５ｃｍ、１０ｃｍ、２０ｃｍ）毎にプロットした。プロット結果（対数グラフ）を図５に示す。図中の５本の直線は、上から１ｃｍ、２ｃｍ、５ｃｍ、１０ｃｍ、２０ｃｍの拡散長に対する結果である。各拡散長においてプロット直線よりも上の領域ではｋｄｅｘｎｅ≫１／τＤを満たし、好適に本発明のプラズマ電子温度測定方法を実施することができる。
図５から明らかなように、本発明のプラズマ電子温度測定方法は、１０Ｐａ以上（例えば１００ｍＴｏｒｒ（約１３Ｐａ）以上）であり、電子密度が１０１０／ｃｍ３以上であるときに特に好適に実施することができる。
また、低圧（例えば１０ｍＴｏｒｒ以下）であっても高電子密度である場合（例えば１０１０／ｃｍ３以上、特に１０１１／ｃｍ３以上）に好適に実施することができる。
また、低電子密度（例えば１０９／ｃｍ３以上１０１０／ｃｍ３未満）であっても高圧である場合（例えば１０Ｐａ以上、好ましくは１００ｍＴｏｒｒ（約１３Ｐａ）以上）に好適に実施することができる。
【００３３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、レーザ光透過率を測定する場合において、照射レーザ光と同波長のプラズマ発光が強すぎる場合には、光源側に例えば光学チョッパーを配置してレーザ光を振幅変調し、受光側でその周波数を参照とするロックイン検出手段を採用してもよい。
また、上記実施形態は準安定状態分子又は原子の具体例をアルゴンとして説明したが、プラズマを構成し得る分子又は原子であればよく、本発明に係る準安定状態分子又は原子はネオン、クリプトン、キセノン、ヘリウム等であってもよい。
本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のプラズマ電子温度測定装置の典型的な構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】準安定状態／基底状態アルゴン原子密度比と電子温度との関係を示す対数グラフであり、横軸は原子密度比ｎＡｒＭ／ｎＡｒ、縦軸は電子温度Ｔｅ（ｅＶ）である。
【図３】本発明のプラズマ電子温度測定装置の典型的な構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】プラズマを発生させたチャンバー内のガス圧と電子温度との関係を示す対数グラフであり、横軸はガス圧（ｍＴｏｒｒ）、縦軸は電子温度（ｅＶ）である。
【図５】準安定状態アルゴンの拡散寿命が電子衝突による寿命と等しくなる関係を拡散長（１ｃｍ、２ｃｍ、５ｃｍ、１０ｃｍ、２０ｃｍ）毎にプロットした対数グラフであり、横軸はガス圧（ｍＴｏｒｒ）、縦軸は電子密度（ｃｍ−３）である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  プラズマ電子温度測定装置
１２  レーザ光源部
１４，４４  チャンバー
１８  光検出部
２０  演算部
３０  マグネトロンスパッタ装置（プラズマ電子温度測定装置付設）
３５  マグネトロン電極
４０  ターゲット
４２  半導体レーザ
４８  光検出器
Ｌ  レーザ光
Ｐ  プラズマ
【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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