(57)【要約】【課題】ガスの侵入を回避するプラズマプローブ装置を提供することを目的とする。【解決手段】処理容器の壁又は載置台に形成された開口部に、真空空間と大気空間の間をシールするシール部材を介して取り付けられるアンテナ部と、前記アンテナ部に接続される電極と、誘電体から形成され、前記アンテナ部を周囲から支持する誘電体支持部と、を有し、前記アンテナ部と前記壁又は前記載置台との対向面を所定の幅で隔離し、前記開口部から露出する前記アンテナ部の面は、該開口部が形成された前記壁又は前記載置台のプラズマ生成空間側の面よりも凹んでいる、プラズマプローブ装置が提供される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理容器の壁又は載置台に形成された開口部に、真空空間と大気空間の間をシールするシール部材を介して取り付けられるアンテナ部と、
前記アンテナ部に接続される電極と、
誘電体から形成され、前記アンテナ部を周囲から支持する誘電体支持部と、を有し、
前記アンテナ部と前記壁又は前記載置台との対向面を所定の幅で隔離し、前記開口部から露出する前記アンテナ部の面は、該開口部が形成された前記壁又は前記載置台のプラズマ生成空間側の面よりも凹んでいる、
プラズマプローブ装置。
【請求項２】
前記アンテナ部の先端部は円盤状であり、該先端部の直径に対する前記誘電体支持部の深さ方向の寸法は、０．４４〜０．５４の範囲のいずれかの値に形成される、
請求項１に記載のプラズマプローブ装置。
【請求項３】
前記アンテナ部の先端面に凹部又は凸部の少なくともいずれかが形成される、
請求項１又は２に記載のプラズマプローブ装置。
【請求項４】
前記アンテナ部の先端面は、凹状又は凸状に湾曲する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置。
【請求項５】
前記アンテナ部の先端面と、該開口部の周囲の前記壁又は前記載置台の面と、のうちの少なくとも前記開口部から前記シール部材までの領域は、Ｙ２Ｏ３膜により覆われている、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置。
【請求項６】
前記誘電体支持部は、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）により形成されている、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置。
【請求項７】
円周方向に配置された複数の前記開口部に、前記シール部材を介して複数の前記アンテナ部が取り付けられる、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置。
【請求項８】
複数の前記開口部は、円周方向に等間隔に配置され、スリット形状を有する、
請求項１〜７いずれか一項に記載のプラズマプローブ装置。
【請求項９】
複数の前記開口部は、前記処理容器の側壁、前記処理容器の天井壁又は前記載置台の外周部の少なくともいずれかに設けられる、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置。
【請求項１０】
マイクロ波プラズマ源における出力部から出力されたマイクロ波を処理容器内に放射する複数のマイクロ波放射機構と、プラズマプローブ装置とを有するプラズマ処理装置であって、
前記プラズマプローブ装置は、
前記処理容器の壁又は載置台に形成された開口部に、真空空間と大気空間の間をシールするシール部材を介して取り付けられるアンテナ部と、
前記アンテナ部に接続される電極と、
誘電体から形成され、前記アンテナ部を周囲から支持する誘電体支持部と、を有し、
前記アンテナ部と前記壁又は前記載置台との対向面を所定の幅で隔離し、前記開口部から露出する前記アンテナ部の面は、該開口部が形成された前記壁又は前記載置台のプラズマ生成空間側の面よりも凹んでいる、
プラズマ処理装置。
【請求項１１】
複数の前記プラズマプローブ装置を有し、
円周方向に配置された複数の前記開口部に、前記シール部材を介して複数の前記アンテナ部が取り付けられる、
請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】
処理容器の壁又は載置台に形成された開口部に、真空空間と大気空間の間をシールするシール部材を介して取り付けられる誘電体のアンテナ部と、
前記アンテナ部に埋め込まれる電極と、
前記アンテナ部を周囲から支持される誘電体の誘電体支持部と、を有し、
前記電極は、前記開口部よりも内側に形成されている、
プラズマプローブ装置。
【請求項１３】
前記電極は、前記開口部から２ｍｍ以上離れている、
請求項１２に記載のプラズマプローブ装置。
【請求項１４】
前記開口部から露出する前記アンテナ部の面は、該開口部が形成された前記壁又は前記載置台のプラズマ生成空間側の面よりも凹んでいる、該面と同一面である又は該面よりも突出する突出部を有する、
請求項１２又は１３に記載のプラズマプローブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマプローブ装置及びプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プラズマの状態を測定するためのプローブをチャンバ内に挿入して、測定用電源から測定用電力をチャンバ内に供給することによってプラズマの状態を測定することが行われている（例えば、特許文献１〜３を参照）。例えば、特許文献１に開示されたプローブは、電力を放射するアンテナと、測定用電力を伝送する同軸ケーブルと、先端が閉じられた誘電体製のチューブとから構成され、誘電体製のチューブ内にアンテナと同軸ケーブルとが接続されて挿設されている。該配置されたプローブによりプラズマを生成したときのプラズマの挙動がセンシングされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−５５３２４号公報
【特許文献２】特開２００５−２７７３９７号公報
【特許文献３】特開平６−６８８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のプローブ構造では、チャンバの壁に沿って又はチャンバの壁よりもプラズマ生成空間側に突出してプローブが配置されている。このため、プラズマ生成空間に面して配置されたプローブとチャンバの壁の間に生じる隙間に、ガスやプラズマ処理時に生成された生成物等が入り込み易く、パーティクルが発生する原因になる。
【０００５】
また、従来のプローブ構造では、プローブの内部にガスが侵入し、プローブの内部の腐食による性能劣化及び成膜残渣が発生する懸念がある。
【０００６】
上記課題に対して、一側面では、本発明は、ガスの侵入を回避するプラズマプローブ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】
【０００７】
上記課題を解決するために、一の態様によれば、処理容器の壁又は載置台に形成された開口部に、真空空間と大気空間の間をシールするシール部材を介して取り付けられるアンテナ部と、前記アンテナ部に接続される電極と、誘電体から形成され、前記アンテナ部を周囲から支持する誘電体支持部と、を有し、前記アンテナ部と前記壁又は前記載置台との対向面を所定の幅で隔離し、前記開口部から露出する前記アンテナ部の面は、該開口部が形成された前記壁又は前記載置台のプラズマ生成空間側の面よりも凹んでいる、プラズマプローブ装置が提供される。
【０００８】
他の態様によれば、マイクロ波プラズマ源における出力部から出力されたマイクロ波を処理容器内に放射する複数のマイクロ波放射機構と、プラズマプローブ装置とを有するプラズマ処理装置であって、前記プラズマプローブ装置は、前記処理容器の壁又は載置台に形成された開口部に、真空空間と大気空間の間をシールするシール部材を介して取り付けられるアンテナ部と、前記アンテナ部に接続される電極と、誘電体から形成され、前記アンテナ部を周囲から支持する誘電体支持部と、を有し、前記アンテナ部と前記壁又は前記載置台との対向面を所定の幅で隔離し、前記開口部から露出する前記アンテナ部の面は、該開口部が形成された前記壁又は前記載置台のプラズマ生成空間側の面よりも凹んでいる、プラズマ処理装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
一の側面によれば、ガスの侵入を回避するプラズマプローブ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の一例を示す図。
【図２】一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の天井部の内壁の一例を示す図。
【図３】一実施形態に係るプラズマプローブ装置の構成の一例を示す図。
【図４】一実施形態に係るプラズマプローブ装置の配置の一例を示す図。
【図５】一実施形態に係るプラズマプローブ装置の配置の一例を示す図。
【図６】一実施形態に係るプラズマプローブ装置による測定結果の一例を示す図。
【図７】一実施形態に係るプローブ測定によるプラズマ電子温度の電力依存性の一例を示す図。
【図８】一実施形態に係るプローブ測定によるプラズマ電子密度の電力依存性の一例を示す図。
【図９】一実施形態の変形例に係るプラズマプローブ装置の構成の一例を示す図。
【図１０】一実施形態の変形例に係るプラズマプローブ装置の構成の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
【００１２】
［マイクロ波プラズマ処理装置］
図１は、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１００の断面図の一例を示す。マイクロ波プラズマ処理装置１００は、半導体ウェハＷ（以下、「ウェハＷ」という。）を収容する処理容器（チャンバ）１を有する。マイクロ波プラズマ処理装置１００は、マイクロ波によって処理容器１の天井部の内壁面に形成される表面波プラズマにより、ウェハＷに対して所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置の一例である。所定のプラズマ処理としては、成膜処理、エッチング処理またはアッシング処理等が例示される。
【００１３】
マイクロ波プラズマ処理装置１００は、処理容器１とマイクロ波プラズマ源２と制御装置３とを有する。処理容器１は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の容器であり、接地されている。
【００１４】
処理容器１は、本体部１０を有し、内部にプラズマの処理空間を形成する。本体部１０は、処理容器１の天井部を構成する円盤状の天板である。処理容器１と本体部１０との接触面には支持リング１２９が設けられ、これにより、処理容器１の内部は気密にシールされている。本体部１０は、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料から形成されている。
【００１５】
マイクロ波プラズマ源２は、マイクロ波出力部３０とマイクロ波伝送部４０とマイクロ波放射機構５０とを有する。マイクロ波出力部３０は、複数経路に分配してマイクロ波を出力する。マイクロ波は、マイクロ波伝送部４０とマイクロ波放射機構５０とを通って処理容器１の内部に導入される。処理容器１内に供給されたガスは、導入されたマイクロ波の電界により励起し、これにより表面波プラズマが形成される。
【００１６】
処理容器１内にはウェハＷを載置する載置台１１が設けられている。載置台１１は、処理容器１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持されている。載置台１１及び支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等の金属や内部に高周波用の電極を有した絶縁部材（セラミックス等）が例示される。載置台１１には、ウェハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウェハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路等が設けられてもよい。
【００１７】
載置台１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が接続されている。高周波バイアス電源１４から載置台１１に高周波電力が供給されることにより、ウェハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、高周波バイアス電源１４はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。
【００１８】
処理容器１の底部には排気管１５が接続されており、排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。排気装置１６を作動させると処理容器１内が排気され、これにより、処理容器１内が所定の真空度まで高速に減圧される。処理容器１の側壁には、ウェハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。
【００１９】
マイクロ波伝送部４０は、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送する。図１のＡ−Ａ断面を示す図２を参照すると、マイクロ波伝送部４０内の中央マイクロ波導入部４３ｂは、本体部１０の中央に配置され、６つの周縁マイクロ波導入部４３ａは、本体部１０の周辺に円周方向に等間隔に配置される。中央マイクロ波導入部４３ｂ及び６つの周縁マイクロ波導入部４３ａは、それぞれに対応して設けられる、図１に示すアンプ部４２から出力されたマイクロ波をマイクロ波放射機構５０に導入する機能およびインピーダンスを整合する機能を有する。以下、周縁マイクロ波導入部４３ａおよび中央マイクロ波導入部４３ｂを総称して、マイクロ波導入部４３ともいう。
【００２０】
図１及び図２に示すように、６つの誘電体層１２３は、６つの周縁マイクロ波導入部４３ａの下方にて本体部１０の内部に配置されている。また、１つの誘電体層１３３は、中央マイクロ波導入部４３ｂの下方にて本体部１０の内部に配置されている。なお、周縁マイクロ波導入部４３ａ及び誘電体層１２３の個数は６つに限らず、２つ以上であり得る。ただし、周縁マイクロ波導入部４３ａ及び１２３の個数は３つ以上が好ましく、例えば３つ〜６つであってもよい。
【００２１】
図１に示すマイクロ波放射機構５０は、誘電体天板１２１，１３１、スロット１２２，１３２及び誘電体層１２３，１３３を有する。誘電体天板１２１，１３１は、マイクロ波を透過させる円盤状の誘電体から形成され、本体部１０の上面に配置されている。誘電体天板１２１，１３１は、比誘電率が真空よりも大きい、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成されている。これにより、誘電体天板１２１，１３１内を透過するマイクロ波の波長を、真空中を伝播するマイクロ波の波長よりも短くしてスロット１２２，１３２を含むアンテナを小さくする機能を有する。
【００２２】
誘電体天板１２１，１３１の下には、本体部１０に形成されたスロット１２２，１３２を介して誘電体層１２３，１３３が本体部１０の開口の裏面に当接されている。誘電体層１２３、１３３は、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成されている。誘電体層１２３，１３３は、本体部１０に形成された開口の厚み分だけ天井面から凹んだ位置に設けられ、マイクロ波をプラズマ生成空間Ｕに供給する誘電体窓として機能する。
【００２３】
周縁マイクロ波導入部４３ａおよび中央マイクロ波導入部４３ｂは、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた棒状の内側導体５３を同軸状に配置する。外側導体５２と内側導体５３の間には、マイクロ波電力が給電され、マイクロ波放射機構５０に向かってマイクロ波が伝播するマイクロ波伝送路４４となっている。
【００２４】
周縁マイクロ波導入部４３ａおよび中央マイクロ波導入部４３ｂには、スラグ５４と、その先端部に位置するインピーダンス調整部材１４０とが設けられている。スラグ５４を移動させることにより、処理容器１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させる機能を有する。インピーダンス調整部材１４０は、誘電体で形成され、その比誘電率によりマイクロ波伝送路４４のインピーダンスを調整するようになっている。
【００２５】
本体部１０には、シャワー構造のガス導入部２１が設けられている。ガス供給源２２から供給されるガスは、ガス供給配管１１１を介してガス拡散室６２からガス導入部２１を通り、処理容器１内にシャワー状に供給される。ガス導入部２１は、処理容器１の天井壁に形成された複数のガス供給孔６０からガスを供給するガスシャワーヘッドの一例である。ガスの一例としては、例えばＡｒガス等のプラズマ生成用のガスや、例えばＯ２ガスやＮ２ガス等の高エネルギーで分解させたいガス、シランガス等の処理ガスが挙げられる。
【００２６】
マイクロ波プラズマ処理装置１００の各部は、制御装置３により制御される。制御装置３は、マイクロプロセッサ４、ＲＯＭ（Read Only Memory）５、ＲＡＭ（Random Access Memory）６を有している。ＲＯＭ５やＲＡＭ６にはマイクロ波プラズマ処理装置１００のプロセスシーケンス及び制御パラメータであるプロセスレシピが記憶されている。マイクロプロセッサ４は、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに基づき、マイクロ波プラズマ処理装置１００の各部を制御する制御部の一例である。また、制御装置３は、タッチパネル７及びディスプレイ８を有し、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに従って所定の制御を行う際の入力や結果の表示が可能になっている。
【００２７】
かかる構成のマイクロ波プラズマ処理装置１００においてプラズマ処理を行う際には、まず、ウェハＷが、搬送アーム上に保持された状態で、開口したゲートバルブ１８から搬入出口１７を通り処理容器１内に搬入される。ゲートバルブ１８はウェハＷを搬入後に閉じられる。ウェハＷは、載置台１１の上方まで搬送されると、搬送アームからプッシャーピンに移され、プッシャーピンが降下することにより載置台１１に載置される。処理容器１の内部の圧力は、排気装置１６により所定の真空度に保持される。処理ガスがガス導入部２１からシャワー状に処理容器１内に導入される。周縁マイクロ波導入部４３ａおよび中央マイクロ波導入部４３ｂを介してマイクロ波放射機構５０から放射されたマイクロ波が天井壁の内部表面を伝播する。表面波となって伝播するマイクロ波の電界により、ガスが励起され、処理容器１側の天井壁下のプラズマ生成空間Ｕに生成された表面波プラズマによってウェハＷにプラズマ処理が施される。
【００２８】
［プラズマプローブ装置］
処理容器１の側壁には円周方向に複数の開口部１ｂが形成され、複数のプラズマプローブ装置７０が取り付けられている。ただし、処理容器１に取り付けられるプラズマプローブ装置７０は１つであってもよい。プラズマプローブ装置７０は、プラズマ生成空間Ｕにて生成されるプラズマをセンシングする。センシング結果に基づき、例えば、プラズマ電子温度Ｔｅやプラズマ電子密度Ｎｅを算出し、これにより、プラズマの挙動を推定することができる。
【００２９】
プラズマプローブ装置７０は、マイクロ波プラズマ処理装置１００の外部にてモニタ装置８０に接続されている。モニタ装置８０は、信号発信器を有し、信号発信器により発信した所定周波数の信号を出力する。該信号は、同軸ケーブル８１を伝送され、プラズマプローブ装置７０に伝送され、プラズマプローブ装置７０の先端のアンテナ部７１からプラズマに伝送される。
【００３０】
プラズマプローブ装置７０は、プラズマ側に伝送する信号に対して、プラズマ側から反射する信号の電流値を検出し、モニタ装置８０に送る。検出した信号の電流値は、モニタ装置８０から制御装置３に送信され、制御装置３のマイクロプロセッサ４によりＦＦＴ（周波数）解析される。これにより、プラズマ電子温度Ｔｅやプラズマ電子密度Ｎｅが算出される。
【００３１】
［プラズマプローブ装置の構成］
次に、プラズマプローブ装置７０の構成の一例について、図３を参照しながら説明する。図３は、一実施形態に係るプラズマプローブ装置７０の構成の一例を示す図である。プラズマプローブ装置７０は、処理容器１の側壁に形成された開口部１ｂに、Ｏリング７３を介して取り付けられるアンテナ部７１と、アンテナ部７１に接続される電極７２と、アンテナ部７１を周囲から支持する誘電体支持部７４とを有する。
【００３２】
アンテナ部７１は、プラズマプローブ装置７０の先端に設けられている。本実施形態では、アンテナ部７１の先端は、円盤状部材７１ａであり、Ｏリング７３を介して開口部１ｂの開口を塞ぐように配置される。Ｏリング７３は、樹脂等の誘電体で形成されている。ただし、アンテナ部７１の先端は、円盤状に限らず、例えば、矩形状であってもよい。
【００３３】
図３の下側に、Ｏリング７３の周辺のアンテナ部７１（円盤状部材７１ａ）と処理容器１の壁との対向面の拡大図を示す。アンテナ部７１の先端面と処理容器１の壁の開口部１ｂ付近の裏面は隔離され、所定の幅の隙間１ｄが形成されている。
【００３４】
このようにアンテナ部７１の先端面と処理容器１の壁の間に隙間１ｄが形成されていないと、アンテナ部７１が処理容器１の壁とＤＣ的に接続されてしまう。そうすると、モニタ装置８０から伝送された信号の電流が処理容器１の壁に流れてしまい、プラズマに流れる電流の割合が低くなる。その結果、アンテナ部７１が、プラズマプローブ装置７０のアンテナとして機能しなくなる。このため、アンテナ部７１の先端面と処理容器１の壁の開口部１ｂ付近の裏面には、所定の幅の隙間１ｄが形成されている。なお、アンテナ部７１から処理容器１の壁に流れる信号の電流を「浮遊電流」という。
【００３５】
交流電流が処理容器１の壁側に流れてもアンテナ部７１は、プラズマプローブ装置７０のアンテナとして機能する。ただし、プラズマプローブ装置７０の感度を上げるためには、直流電流だけでなく、交流電流も含めて浮遊電流が処理容器１の壁側に流れない方が良い。
【００３６】
一方、前記隙間１ｄが広すぎると、隙間１ｄにガスやプラズマが入り込み、プラズマによる腐食、ガスの侵入によるパーティクル及び異常放電の問題が生じる。よって、隙間１ｄは、アンテナ部７１が処理容器１の壁とＤＣ的に接続されない程度に広い空間であって、プラズマやガスが入り込まない程度に狭い空間に設計される。
【００３７】
アンテナ部７１は、開口部１ｂが形成された処理容器１の内壁面よりも凹んだ位置に配置され、アンテナ部７１の表面は、内壁面よりも凹んだ位置でプラズマ生成空間Ｕ側に露出する。アンテナ部７１の表面を凹ませることで、パーティクルの発生源となるアンテナ部７１と処理容器１の壁の隙間１ｄが設けられる位置をウェハＷから遠ざけるようにする。これにより、パーティクルの発生とガスのプラズマプローブ装置７０への侵入を防ぎ、パーティクルによるプラズマ処理の特性への影響を減らし、プラズマによるプラズマプローブ装置７０の腐食を低減することができる。また、アンテナ部７１の表面を処理容器１の内壁面と同じ高さにせずに凹ませることで、処理容器１の内壁面を伝播する表面波プラズマのモードジャンプを生じさせ難くし、異常放電を回避することができる。
【００３８】
また、アンテナ部７１の表面（先端面）であって、少なくとも開口部１ｂからＯリング７３までの領域は、Ｙ２Ｏ３の溶射により絶縁体の膜７６で覆われている。また、処理容器１の壁面であって、少なくとも開口部１ｂの側面から開口部１ｂの裏面を通りＯリング７３までの領域は、Ｙ２Ｏ３の溶射により絶縁体の膜１ｃで覆われている。
【００３９】
これにより、更にアンテナ部７１から処理容器１の壁側へ直流電流が流れないようにすることができる。加えて、プラズマ耐性を高めることができる。なお、アンテナ部７１のＯリング７３よりも大気側の面や処理容器１の内壁面を、絶縁体の膜７７によりコーティングすると、プラズマ耐性が向上し更に好ましい。絶縁体の膜７６，７７，１ｃは、アルマイト加工により形成されてもよい。
【００４０】
Ｏリング７３は、開口部１ｂ側の真空空間とプラズマプローブ装置７０の取付け側の大気空間との間をシールする。Ｏリング７３は、真空空間と大気空間の間をシールするシール部材の一例である。
【００４１】
このように、本実施形態では、アンテナ部７１の先端面にて開口部１ｂ付近の処理容器１の壁の裏面にＯリング７３を押し当てることで、真空空間と大気空間の間をシールしつつ、アンテナ部７１と処理容器１の壁との隙間にガスが入り込み難くする。これにより、パーティクルの発生を低減させることができる。
【００４２】
また、アンテナ部７１と処理容器１の壁との隙間に腐食性のガスが入り込むと、アンテナ部７１を腐食して、プラズマプローブ装置７０の性能を低下させてしまう。以上から、プラズマプローブ装置７０を処理容器１の開口部１ｂに配置したときに、なるべくプラズマプローブ装置７０の奥側にガスが入りこまないように、Ｏリング７３による真空シールをより開口部１ｂの開口付近で行うようになっている。
【００４３】
開口部１ｂの大きさについては、広く開口されるほど、モニタ装置８０から伝送された信号の電流が浮遊電流とならずにプラズマに流れる割合が高くなるため、アンテナ部７１の感度は良くなる。その一方で、広く開口されるほど、プラズマやガスがアンテナ部７１側に侵入し易くなるため、耐食性のガスやプラズマによりアンテナ部７１が腐食し、プラズマプローブ装置７０の性能を低下させたり、異常放電が発生したりする恐れがある。また、プラズマプローブ装置７０の感度が良すぎると、例えばプラズマ処理において生成された反応生成物がプラズマプローブ装置７０の表面等に付着する等、処理容器１内の経時的変化にプラズマプローブ装置７０の測定結果が影響を受けてしまう。これにより、かえってプラズマの状態を精度良く測定できないことがある。よって、開口部１ｂの開口は、アンテナ部７１の感度とガスやプラズマの侵入とを考慮して、プラズマの状態を精度良く測定できる範囲で適正値に設計される。また、開口部１ｂの形状は、円であってもよいし、矩形やその他の形状であってもよい。
【００４４】
電極７２は、アンテナ部７１に挿通され、プラズマの状態を示す電流値を測定し、モニタ装置８０に伝える。誘電体支持部７４は、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）により形成されてもよい。誘電体支持部７４は、アンテナ部７１を囲み、アンテナ部７１とＯリング７３を固定する固定部材の一例である。誘電体支持部７４は、アンテナ部７１とＯリング７３を開口部１ｂ付近に固定した状態で、アルミニウム等の金属の部材１ａを処理容器１の壁にネジ止めして固定される。
【００４５】
本実施形態では、誘電体支持部７４は、２つの誘電体支持パーツ７４ａ、７４ｂに分離されているが、これに限らず、一体となっていてもよい。また、例えば、誘電体支持部７４は、アンテナ部７１の円盤状部材７１ａを外周側から固定する誘電体支持パーツ７４ａのみであってもよい。この場合、部材１ａによって、アンテナ部７１、誘電体支持パーツ７４ａ及びＯリング７３を固定する。この場合、誘電体支持パーツ７４ｂは、空間であってもよいし、ＰＴＦＥを充填してもよい。
【００４６】
図３の円盤状部材７１ａの直径Ｂに対する誘電体支持部７４の深さ方向の長さＣの比は約１／２、具体的には０．４４〜０．５４の範囲のいずれかの値に形成される。直径Ｂ及び長さＣが小さかったり、その比率が適正でなかったりすると、電極７２からの電流がアンテナ部７１を通ってプラズマに届かず、感度が悪くなる。よって、長さＢ及び長さＣを所定の範囲にすることで、感度のよいプラズマプローブ装置７０を提供することができる。
【００４７】
プラズマプローブ装置７０の感度を良くするためには、アンテナ部７１から処理容器１の壁に流れる浮遊電流を最小限にする必要がある。つまり、浮遊電流に対するプラズマに流れる電流の比率を高める程プラズマプローブ装置７０の感度が良くなる。そこで、浮遊電流に対するプラズマに流れる電流の比率を高めるために、開口部１ｂに露出するアンテナ部７１の表面積は大きいほうが好ましい。
【００４８】
そこで、本実施形態では、アンテナ部７１の先端面の開口部１ｂから露出する側の領域に凹部又は凸部の少なくともいずれかを形成してもよい。あるいは、アンテナ部７１の先端面を凹状又は凸状に湾曲させてもよい。これにより、アンテナ部７１の表面積を大きくすることができる。この結果、モニタ装置８０から同じ電力の信号を発信した場合にも、プラズマに流れる電流を高めることができ、プラズマプローブ装置７０の感度をより良好にすることができる。
【００４９】
［プラズマプローブ装置の配置］
次に、プラズマプローブ装置７０の配置の一例について、図４を参照しながら説明する。図４は、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００に対するプラズマプローブ装置７０の配置の一例を示す図である。本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００では、処理容器１の側壁の一部をリング状に分離し、その円周方向に等間隔に複数の開口部１ｂが形成され、それらの開口部１ｂにＯリング７３を介してプラズマプローブ装置７０がそれぞれ取り付けられている。複数の開口部１ｂからは、プラズマ生成空間側に、アンテナ部７１をコーティングするＹ２Ｏ３の絶縁体の膜７６が露出している。開口部１ｂは、処理容器１の壁に複数個設けられるスリットであってもよい。なお、開口部１ｂは、処理容器１の側壁をリング状に分離させずに、該側壁に形成されてもよい。
【００５０】
本実施形態では、複数の開口部１ｂは、処理容器１の側壁の円周方向に設けられ、各開口部１ｂにＯリング７３を介してアンテナ部７１が誘電体支持パーツ７４ａにより押し付けられるようにして各プラズマプローブ装置７０が取り付けられる。ただし、プラズマプローブ装置７０が配置される部材は、処理容器１の側壁に限らず、処理容器１の天井壁又は載置台１１の外周部の少なくともいずれかに取り付けることができる。
【００５１】
例えば、図５に示すように、載置台１１の外周部にて、例えば円周方向に等間隔に複数の開口部１ｂを形成し、それらの開口部１ｂに複数のプラズマプローブ装置７０を取り付けてもよい。
【００５２】
また、処理容器１の天井壁すなわち本体部１０にて、例えば円周方向に複数の開口部１ｂを形成し、それらの開口部１ｂに複数のプラズマプローブ装置７０を取り付けてもよい。天井壁にプラズマプローブ装置７０を取り付ける場合には、アンテナ部７１をコーティングする絶縁体の膜は、Ｙ２Ｏ３の替わりにＡｌ２Ｏ３を用いてもよい。
【００５３】
［プラズマプローブ装置の測定］
以上に説明した、本実施形態のプラズマプローブ装置７０により、マイクロ波プラズマ処理装置１００にて生成したプラズマの状態を測定した結果の一例を図６に示す。図６の上側の電流測定結果のグラフに示す電流値Ｉは、プラズマプローブ装置７０からモニタ装置８０を介して制御装置３に転送され、制御装置３のマイクロプロセッサ４によりＦＦＴ（フーリエ変換）される。これにより、図６の下側のグラフに示すように、各周波数に対する振幅成分に変換される。
【００５４】
プラズマでは、所定の電圧に対して指数関数的に電流が流れる。測定した電流値には、基本周波数を有する基本波の成分と、基本波に対して波長が２倍の第１高調波、波長が３倍の第２高調波等の高調波成分とが含まれている。そこで、ＦＦＴにより基本波及び高調波の振幅のピークを用いて、プラズマ電子密度、プラズマ電子温度を算出できる。なお、ＦＦＴ後のグラフの「１ω」は基本波の成分を示し、「２ω」は第１高調波の成分を示し、「３ω」は第２高調波の成分を示す。
【００５５】
［プラズマ電子密度Ｎｅ／プラズマプローブ装置の測定］
制御装置３は、プラズマプローブ装置７０により測定した電流値のＦＦＴ後の基本波及び高調波の振幅を用いてプラズマ電子密度Ｎｅ及びプラズマ電子温度Ｔｅを算出する。その算出方法の一例を簡単に説明する。プラズマプローブ装置７０の電極７２に交流を印加すると、アンテナ部７１に（１）式に示すプローブ電流ｉｐｒが流れる。
【００５６】
【数１】
2019046787.tif 000003
ここで、ｅは電子素量、ｎｓはプラズマシース表面の電子密度、
【００５７】
2019046787.tif 000004
は電子の平均速度、Ａはアンテナ部７１のプラズマに接している面積（つまり、開口部１ｂの面積）、ＶＢｉａｓはプローブ印加電圧、Φｐはプラズマ電位、Ｔｅはプラズマの電子温度、ｕＢはボーム速度である。また、Ｖｄｃは自己バイアス電圧、Ｖ０はモニタ装置８０からプラズマプローブ装置７０に印加する交流電圧（例えば、４Ｖ〜５Ｖ）である。（１）式を第１種変形ベッセル関数Ｉｋを用いて変形し、プローブ電流ｉｐｒを（２）式のようにＤＣ成分とＡＣ成分に分離する。
【００５８】
【数２】
2019046787.tif 000005
（２）式の右辺の上段の項は、プローブ電流ｉｐｒのＤＣ成分であり、（２）式の右辺の下段の項は、ｃｏｓ（ｋωｔ）に変数を掛け合わせたプローブ電流ｉｐｒのＡＣ成分である。プローブ電流ｉｐｒのＤＣ成分は、アンテナ部７１とプラズマとの間に流れる直流電流を示す。本実施形態に係るプラズマプローブ装置７０の構成では、アンテナ部７１と同軸ケーブル８１とは、ブロッキングコンデンサによりＤＣ的に接続されていないため、（２）式のプローブ電流ｉｐｒのＤＣ成分は０とする。その結果、（３）式が導かれる。
【００５９】
【数３】
2019046787.tif 000006
（３）式をフーリエ級数展開すると（４）式が得られる。
【００６０】
【数４】
2019046787.tif 000007
（４）式の左辺は、実測値であり、基本波（１ω）の電流ｉ１ωの振幅との第１高調波（２ω）の電流ｉ２ωの振幅との比を示す。
（４）式の右辺は、プローブ電流を第１種変形ベッセル関数で展開したときの基本波と第１高調波との比を示す。
【００６１】
したがって、（４）式から、ＦＦＴにより算出した、基本波（１ω）の振幅と第１高調波（２ω）の振幅の比と、実測値の比とからプラズマ電子温度Ｔｅを算出できる。なお、Ｖ０はモニタ電圧（例えば４Ｖ）である。
【００６２】
更に、基本波（１ω）における電流ｉ１ωのＤＣ成分を（５）式に示す。（５）式は、電流ｉ１ωのＤＣ成分であるため、０となる。
【００６３】
【数５】
2019046787.tif 000008
電流ｉ１ωのＡＣ成分を（６）式に示す。
【００６４】
【数６】
2019046787.tif 000009
（６）を用いて算出した基本波（１ω）における電流ｉ１ωの絶対値を（７）式に代入することで、プラズマ中のイオン密度ｎｉが算出される。イオン密度ｎｉはプラズマ電子密度Ｎｅに等しい。以上から、プラズマ電子密度Ｎｅが算出される。
【００６５】
【数７】
2019046787.tif 000010
【００６６】
図７のグラフは、本実施形態に係るプラズマプローブ装置７０により測定したプラズマの電子密度Ｎｅと、比較例のラングミュアプローブにより測定したプラズマ電子密度Ｎｅの電力依存性を比較した結果の一例である。本グラフによれば、本実施形態に係るプラズマプローブ装置７０により測定した場合と、ラングミュアプローブにて測定した場合とでは、プラズマ電子密度Ｎｅの電力依存性はほぼ一致することがわかる。
【００６７】
図８のグラフは、本実施形態に係るプラズマプローブ装置７０により測定したプラズマの電子温度Ｔｅと、比較例のラングミュアプローブにより測定したプラズマ電子温度Ｔｅの電力依存性を比較した結果の一例である。本グラフによれば、本実施形態に係るプラズマプローブ装置７０により測定した場合と、ラングミュアプローブにて測定した場合とでは、プラズマ電子温度Ｔｅの電力依存性はほぼ一致することがわかる。
【００６８】
つまり、プラズマの電気的特定の測定結果は、本実施形態に係るプラズマプローブ装置７０とラングミュアプローブとでほぼ同一の特性を示し、本実施形態に係るプラズマプローブ装置７０は、ラングミュアプローブと同じように機能することが確認できた。なお、ラングミュアプローブによるプラズマの電気的特定の測定の一例が、特開２００９−１９４０３２号公報に示されている。
【００６９】
以上に説明したように、本実施形態のプラズマプローブ装置７０によれば、プラズマプローブ装置７０の内部にガスが侵入することを回避しつつ、浮遊電流の発生を防ぐことが可能な隙間１ｄを有するアンテナ構造を備える。これにより、測定感度を向上させ、信頼性の高いプラズマの測定が可能になる。また、ガスが侵入しない構造とすることで、プラズマによるプラズマプローブ装置７０の腐食を低減し、プラズマプローブ装置７０の性能の低下を回避することができる。
【００７０】
［変形例］
プラズマプローブ装置７０が測定した、アンテナ部７１とプラズマとの間に流れる電流に対してノイズが大きいと、前記信号からノイズ成分を除いた残りの信号の精度が悪くなる。たとえば、浮遊電流が大きくなるほどプラズマプローブ装置７０が測定した前記信号の測定感度及び精度が悪くなる。
【００７１】
Ｏリング７３は電気的にはキャパシタンスと考えられる。Ｏリング７３により処理容器１の側壁とアンテナ部７１の先端の金属間を隔て、該金属間を電気的に接続しないようにすると、真空空間と大気空間の間をシールする際に該金属同士が近接し、漏れ電流（浮遊電流）が大きくなる。これにより、プラズマプローブ装置７０の測定感度及び測定精度が十分に取れないことがある。
【００７２】
そこで、一実施形態の変形例にかかるプラズマプローブ装置７０では、浮遊電流の発生を概ね０にすることが可能な構成を有する。図９及び図１０を参照しながら一実施形態の変形例にかかるプラズマプローブ装置７０について説明する。
【００７３】
図９（ａ）に示すように、変形例にかかるプラズマプローブ装置７０は、アンテナ部７１と電極７５と誘電体支持部７４とを有する。アンテナ部７１は、処理容器１の側壁に形成された開口部１ｂに、Ｏリング７３を介して取り付けられる。電極７５は、アンテナ部７１の先端の円盤状部材７１ａに埋設される。誘電体支持部７４は、アンテナ部７１を周囲から支持する。
【００７４】
変形例にかかるプラズマプローブ装置７０では、アンテナ部７１の先端の円盤状部材７１ａは誘電体により形成されている。例えば、円盤状部材７１ａはアルミナ等のセラミックスにより形成されてもよい。よって、電極７５は、セラミックスの円盤状部材７１ａ中であって、開口部１ｂから露出する円盤状部材７１ａの表面７１ａ１の近傍にて電極７５が露出しないように埋め込まれている。これにより、開口部１ｂから電極７５が露出しないため、コンタミネーションの発生を防止することができる。
【００７５】
また、変形例にかかるプラズマプローブ装置７０では、Ｏリング７３が配置された処理容器１の側壁と円盤状部材７１ａの間に隙間が設けられていない。これは、処理容器１の側壁は金属であり、円盤状部材７１ａはセラミックスであるため、両部材は電気的に導通しない。よって、隙間を設けなくても処理容器１の側壁と円盤状部材７１ａとが電気的に接続しない状態を作ることができるためである。これにより、Ｏリング７３の付近から漏れる浮遊電流をほぼ０にすることができ、プラズマプローブ装置７０の測定感度及び精度を向上させることができる。
【００７６】
プラズマプローブ装置７０の測定感度を上げるためには、電極７５の面積はできるだけ大きく取ったほうがよい。一方、所定のプローブ特性を得るためには、電極７５と処理容器１の側壁の金属とは重ならないようにすることが好ましい。
【００７７】
そこで、図９（ａ）をＢ―Ｂ面で切断した図である図９（ｂ）に示すように、電極７５は、開口部１ｂの縁部からの距離Ｗが２〜３ｍｍ程度離れるように円形状にすることが好ましい。さらに、電極７５は、メッシュ状であることが好ましい。
【００７８】
なお、開口部１ｂは、円形状に限られず、矩形やその他の形状であってもよい。電極７５の形状は、開口部１ｂの形状と同一又は類似にすることが好ましい。つまり、電極７５の形状は、開口部１ｂが矩形であれば、矩形にすることが好ましい。また、電極７５は開口部１ｂよりも内側に形成され、そのサイズは開口部１ｂから２ｍｍ以上離れていることが好ましい。
【００７９】
かかる構成により、プラズマプローブ装置７０と処理容器１の壁の間の静電容量が小さくなり、浮遊電流を大幅に減少させることができる。さらに、開口部１ｂから露出する円盤状部材７１ａの表面７１ａ１がセラミックスのため、処理ガスによる腐食耐性を向上させることができる。したがって、開口部１ｂから露出する円盤状部材７１ａの表面７１ａ１に、Ｙ２Ｏ３膜等のコーティングは不要である。加えて、かかる構成では、処理容器１の側壁の金属と円盤状部材７１ａのセラミックスの間の異常放電の可能性を極めて小さくできる。なお、電極７５は、セラミックスで形成された円盤状部材７１ａに埋め込んで一体焼成することができる。
【００８０】
円盤状部材７１ａの表面７１ａ１は、開口部１ｂが形成された壁のプラズマ生成空間側の面よりも凹んだ位置に配置されてもよい。また、表面７１ａ１は、凸状又は凹状に湾曲してもよい。
【００８１】
また、図１０（ａ）に示すように、円盤状部材７１ａの表面７１ａ１が、開口部１ｂが形成された処理容器１の壁面と同一面内にあってもよい。また、図１０（ｂ）に示すように、円盤状部材７１ａに、開口部１ｂから突出する突出部７１ａ２を設けてもよい。これによっても、プラズマプローブ装置７０の測定感度及び精度を向上させることができる、なお、円盤状部材７１ａがセラミックスで形成されているため、突出部７１ａ２を設けても異常放電の可能性は極めて小さい。
【００８２】
以上、プラズマプローブ装置及びプラズマ処理装置を上記実施形態により説明したが、本発明にかかるプラズマプローブ装置及びプラズマ処理装置は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
【００８３】
本発明に係る基板処理装置は、Capacitively Coupled Plasma(CCP),Inductively Coupled Plasma(ICP),Radial Line Slot Antenna, Electron Cyclotron Resonance  Plasma(ECR),Helicon Wave Plasma(HWP)のどのタイプでも適用可能である。
【００８４】
本明細書では、基板の一例として半導体ウェハＷを挙げて説明した。しかし、基板は、これに限らず、LCD(Liquid Crystal Display)、FPD(Flat Panel Display)に用いられる各種基板、ＣＤ基板、プリント基板等であっても良い。
【符号の説明】
【００８５】
１      処理容器
１ｂ    開口部
２      マイクロ波プラズマ源
３      制御装置
１０    本体部
１１    載置台
１４    高周波バイアス電源
２１    ガス導入部
２２    ガス供給源
３０    マイクロ波出力部
４０    マイクロ波伝送部
４３ａ  周縁マイクロ波導入部
４３ｂ  中央マイクロ波導入部
４４    マイクロ波伝送路
５０    マイクロ波放射機構
５２    外側導体
５３    内側導体
５４    スラグ
６０    ガス供給孔
６２    ガス拡散室
７０    プラズマプローブ装置
７１    アンテナ部
７１ａ  円盤状部材
７２、７５    電極
７３    Ｏリング
７４    誘電体支持部
７６，７７，１ｃ  絶縁体の膜
８０    モニタ装置
１００  マイクロ波プラズマ処理装置
１２１，１３１  誘電体天板
１２２，１３２  スロット
１２３、１３３  誘電体層
１４０  インピーダンス調整部材
Ｕ      プラズマ生成空間
【図１】
2019046787.tif 000011
【図２】
2019046787.tif 000012
【図３】
2019046787.tif 000013
【図４】
2019046787.tif 000014
【図５】
2019046787.tif 000015
【図６】
2019046787.tif 000016
【図７】
2019046787.tif 000017
【図８】
2019046787.tif 000018
【図９】
2019046787.tif 000019
【図１０】
2019046787.tif 000020