(57)【要約】【課題】測定位置の再現性を保証し、プローブ構造の安定性および耐久性を向上させ、プラズマに与える影響を安定化させ、Ｓ／Ｎ特性を改善し、安定かつ高精度の測定を可能とすること。【解決手段】このプラズマモニタリング装置は、チャンバ１０にプラズマ処理空間を横断して架け渡された絶縁管５０と、先端部の芯線を露出させたプローブ部を有し、絶縁管５０の一方の端より管内に摺動可能に挿入される同軸ケーブル５２と、この同軸ケーブル５０を介してチャンバ１０内のプラズマＰＺ中の電子により吸収される電磁波周波数を測定する測定回路５４とを有する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
室内でプラズマが生成されるチャンバの壁面に設けた第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、
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、
前記同軸ケーブルを介して前記プラズマ中の電子により吸収される電磁波周波数を測定するプラズマモニタリング方法。
【請求項２】
前記絶縁管が前記プラズマの中またはその付近をまっすぐ横断するように設けられる請求項１に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項３】
前記絶縁管が前記プラズマの中またはその付近でＵターンするように設けられる請求項１に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項４】
前記プラズマに対する前記プローブ部の測定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１〜３のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項５】
前記同軸ケーブルの外部導体を前記チャンバを介してグランド電位に電気的に接続する請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項６】
前記チャンバのグランド電位部分から延びる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で前記外部導体を伝播する定在波のノイズ信号を電磁誘導を通じて電磁波吸収体に吸収させる請求項５に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項７】
前記絶縁管の他方の端に形成した開口を介して前記絶縁管の中に冷却用のガスを流す請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項８】
前記プラズマ吸収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請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項９】
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特性を求める請求項８に記載のプラズマモニタリング方法。
【請求項１０】
室内でプラズマが生成されるチャンバの壁面に設けられた第１の支持部と第２の支持部との間で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される絶縁管と、
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、
前記同軸ケーブルを介して前記プラズマ中の電子により吸収される電磁波周波数を測定する測定回路と
を有するプラズマモニタリング装置。
【請求項１１】
前記絶縁管が前記プラズマの中またはその付近をまっすぐ横断するように、前記チャンバ壁面における前記第１の支持部と前記第２の支持部とを相対向させる請求項１０に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１２】
前記チャンバの壁面に形成した開口に着脱可能かつ気密に取付される壁面部材を有し、前記壁面部材に設けた前記第１の支持部と前記第２の支持部との間に前記絶縁管を中間部で屈曲または彎曲させて架け渡してなる請求項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１０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１０〜１４のいずれか一項に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定在波の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１０〜１５のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング方法。
【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直列に遊動可能に装着される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測定装置。
【請求項１８】
前記測定回路が、周波数を掃引しながら、各周波数の電磁波信号を前記同軸ケーブルのプローブ部に一定電力で送って周囲の空間に放出させ、前記プローブ部を介して反射してくる信号のレベルから各周波数毎の反射率を測定して、反射率のピーク点に対応する周波数を吸収周波数と決定する請求項１０〜１７のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１９】
前記測定回路が、前記プラズマ吸収周波数の測定値に基づいて所与のプラズマ中の電子密度を算出する電子密度演算手段を含む請求項１０〜１８のいずれか一項にプラズマモニタリング装置。
【請求項２０】
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１０〜１９のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項２１】
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特性を求める請求項２０に記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項２２】
被処理体を出し入れ可能に収容するチャンバと、
前記チャンバ内に所定の原料ガスを供給するガス供給手段と、
前記チャンバ内で前記原料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手段と、
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手段と、
請求項１０〜２１のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング装置と
を有するプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置におけるプラズマをモニタリングする技術に係り、特にプラズマ吸収プローブ法を用いてプラズマの吸収周波数や電子密度を測定するモニタリング方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、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、図１２に示すように、チャンバ１００の一側壁に設けた貫通孔１００ａに先端の閉じた絶縁管１０２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１０４ａを有する同軸ケーブル１０４を絶縁管１０２の中に挿入し、同軸ケーブル１０４の他端をネットワークアナライザ１０６に接続する。チャンバ１００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１０８および下部電極１１０が配置され、両電極１０８，１１０間の空間にプラズマｐｚが生成される。図示の例では、下部電極１１０の上に被処理基板Ｗが載置される。チャンバ側壁の絶縁管取付用貫通孔１００ａには、絶縁管１０２を支持し、かつ真空封止するＯリング１１２が設けられる。
【０００５】
ネットワークアナライザ１０６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たとえば１ｍＷ程度の電磁波信号（検査電波）を同軸ケーブル１０４のプローブ部１０４ａへ送り、プラズマによる吸収周波数を測定する。より詳細には、チャンバ１００内にプラズマｐｚが無いときの反射率をΓ０、プラズマｐｚが在るときの反射率をΓｐとし、両者の比Γ（Γｐ／Γ０）が極小になるところの周波数を吸収周波数とする。さらに、この吸収周波数がプラズマ中の電子振動数ｆｐ（＝１／２π＊√（ｅ２＊Ｎｅ／ｍｅ＊ε０）と等しいとおくと、次式（１）より電子密度を算出することができる。
2004103264.tif 000003
ここで、ｍｅは電子密度、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１０２を軸方向（長手方向）に押したり引いたりして、プローブ部１０４ａの位置を変える。より詳細には、プラズマｐｚの径方向において絶縁管１０２のチャンバ内挿入ストロークを微小ピッチで変化させることで、プラズマｐｚの一端から中心部を通って他端までプローブ部１０４ａの位置つまり測定位置をスキャニング移動させ、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ればよい。
【０００７】
上記のような従来のプラズマ吸収プローブ法は、特開２０００−１００５９８、特開２０００−１００５９９および特開２００１−１９６１９９に開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のプラズマ吸収プローブ法には、以下のように種々の問題点があった。
【０００９】
（１）　絶縁管１０２がチャンバ１００の側壁に取り付けられたＯリング１１２を支点とする片持ち梁構造であるため、位置合わせ操作のぶれや自重によるたわみ等で絶縁管１０２の先端部の位置つまりプローブ部１０４ａの位置（特に高さ位置）が変動しやすく、測定位置が安定せず、再現性が低い。特に、大口径チャンバを有する３００ｍｍ径ウエハやＦＰＤ用の処理装置では、チャンバ内挿入ストロークが相当長くなるため、深刻な問題となる。
【００１０】
（２）　絶縁管１０２を摺動させるため、これと摺接するＯリング１１２が損傷劣化しやすい。特に、絶縁管１０２の外表面に腐食性堆積物が付着すると、それがＯリング１１２に擦りつけられて、Ｏリング１１２の劣化が早まり、ＣＯＣ（Ｃｏｓｔ　Ｏｆ　Ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅｓ）が悪くなる。もちろん、Ｏリング１１２の劣化によってプローブ位置合わせの操作性も悪くなる。
【００１１】
（３）　測定位置によってプラズマｐｚ中に占める絶縁管１０２の容積（ボリューム）が変動するため、プローブによってプラズマｐｚの受ける影響（擾乱）が一様ではない。このことは、測定精度の信頼性を下げる要因となる。
【００１２】
（４）　先端が閉じた絶縁管１０２とプローブ構造（特に、絶縁管１０２の先端からプローブ部１０４ａまでの距離）で決まる共振周波数が複数存在し、プラズマｐｚによる吸収周波数との判別が困難である。
【００１３】
（５）　プラズマｐｚに曝された同軸ケーブル１０４のＧＮＤライン（外部導体）を通じてＲＦノイズが漏洩する。このＲＦノイズは大気中に放射されて人体に影響を及ぼす可能性がある。また、ＲＦノイズにより周囲の電子機器たとえばガス検知器等を誤動作させるおそれもある。対応策として計測器（ネットワークアナライザ１０６）側まで測定系全体をシールドしても、ＲＦノイズにより吸収ピークのＳ／Ｎが悪化し、さらに計測器にダメージを与える可能性もある。
【００１４】
（６）　絶縁管１０２の先端が閉じているので、絶縁管１０２内の同軸ケーブル１０４、特にプローブ部１０４ａ付近を冷却することは実際上不可能か非常に困難である。このため、プラズマｐｚの熱を受けて同軸ケーブル１０４の絶縁部が熱膨張しやすい。特に高圧力領域の電子密度を測定するときに熱損傷しやすい。
【００１５】
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、測定位置の再現性を保証し、プローブ構造の安定性および耐久性を向上させ、プラズマに与える影響を安定化させ、Ｓ／Ｎ特性を改善し、プラズマ吸収周波数や電子密度について安定かつ高精度の測定を可能とするプラズマモニタリング方法および装置を提供することを目的とする。
【００１６】
本発明の別の目的は、大気中または測定器へのＲＦノイズのリークを効果的に防止して、人体や測定機器の安全性を確保するプラズマモニタリング方法および装置を提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、基板の被処理面に対してプラズマ密度の均一性ひいてはプラズマ処理の均一性を保証できるプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のプラズマモニタリング方法は、室内でプラズマが生成されるチャンバの壁面に設けた第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、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、前記同軸ケーブルを介して前記プラズマ中の電子により吸収される電磁波周波数を測定する。
【００１９】
また、本発明のプラズマモニタリング装置は、室内でプラズマが生成されるチャンバの壁面に設けられた第１の支持部と第２の支持部との間で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される絶縁管と、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、前記同軸ケーブルを介して前記プラズマ中の電子により吸収される電磁波周波数を測定する測定回路とを有する。
【００２０】
本発明では、プローブ部付きの同軸ケーブルを収容する絶縁管がチャンバの壁面の２箇所（第１および第２の支持部）で支持されるため、プローブ位置合わせの操作でぶれたり自重でたわんだりすることがない。これにより、プローブ部を一定のライン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。また、プローブ位置合わせに際しては、チャンバに固定された絶縁管に対して同軸ケーブルを軸方向に移動させればよく、絶縁管が支持部と擦りあうことがないため、支持部が損傷劣化するおそれはない。したがって、プローブ機構の安定性が向上し、消耗品コストも改善する。さらに、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るため、測定精度の信頼性も高い。また、同軸ケーブルのプローブ部から見た絶縁管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、共振周波数のノイズが発生し難く、プラズマ吸収周波数のピークのみが得られ、高精度な計測が可能となる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、絶縁管がプラズマの中またはその付近を径方向にまっすぐ横断するように設けられてよい。装置的には、チャンバ壁面における第１の支持部と第２の支持部とを相対向させる構成としてよい。かかる方法または構成によれば、プラズマの一端から他端まで安定かつ高精度なモニタリングを行うことができる。
【００２２】
別の態様として、絶縁管がプラズマの中またはその付近でＵターンするように設けられてもよい。装置的には、チャンバの壁面に形成した開口に着脱可能かつ気密に取付される壁面部材を有し、この壁面部材に設けた第１の支持部と第２の支持部との間に絶縁管を中間部で屈曲または彎曲させて架け渡してなる構成としてよい。かかる方法または構成によれば、チャンバに対するプローブの着脱可能な取付けを容易に行うことができる。
【００２３】
また、好ましくは、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てよい。この場合、Ｏリングによって絶縁管を貫通孔に気密に固定取付してよい。
【００２４】
また、好ましくは、同軸ケーブルの外部導体がチャンバを介してグランド電位に電気的に接続されてよい。装置的には、一端部がチャンバのグランド電位部分に接続され、他端部が同軸ケーブルの外部導体と接続するアース用導体を設けてよい。かかる方法または構成によれば、大気や測定器への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。
【００２５】
また、好ましくは、チャンバのグランド電位部分から延びるアース用導体と同軸ケーブルの外部導体とが接触する位置よりもプローブ部側の位置で外部導体を伝播する定在波のノイズ信号を電磁誘導を通じて電磁波吸収体に吸収させるようにしてよい。電磁波吸収体の好適な形態は、同軸ケーブルに軸方向に沿って直列に遊動可能に装着される１個または複数個のビーズ形フェライト部材である。かかる方法または構成によれば、たとえ同軸ケーブルの外部導体（グランド部）に共振周波数のノイズが発生したとしても、電磁波吸収体によりノイズを効果的に吸収して除去することができる。
【００２６】
また、好ましくは、絶縁管の他方の端に形成した開口を介して絶縁管の中に冷却用のガスを流すようにしてよい。装置的には、絶縁管の他方の端を開口して、この開口に冷却用のガスを流すための冷却機構を接続してよい。かかる方法または構成によれば、絶縁管内の同軸ケーブルを効果的に冷却できるため、プローブ部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。
【００２７】
本発明では、プラズマ吸収周波数の測定値からプラズマ中の電子密度を算出してよい。すなわち、本発明のプラズマモニタリング装置において、測定回路が、プラズマ吸収周波数の測定値に基づいて所与のプラズマ中の電子密度を算出する電子密度演算手段を含む構成としてよい。
【００２８】
また、好ましくは、測定回路が、周波数を掃引しながら、各周波数の電磁波信号を同軸ケーブルのプローブ部に一定電力で送って周囲の空間に放出させ、プローブ部を介して反射してくる信号のレベルから各周波数毎の反射率を測定して、反射率のピーク点に対応する周波数を吸収周波数と決定する構成としてよい。
【００２９】
本発明のプラズマ処理装置は、被処理体を出し入れ可能に収容するチャンバと、前記チャンバ内に所定の原料ガスを供給するガス供給手段と、前記チャンバ内で前記原料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手段と、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手段と、本発明のプラズマモニタリング装置とを有する。かかる構成によれば、本発明のプラズマモニタリング装置を用いることで、基板の被処理面に対してプラズマ密度の均一性ひいてはプラズマ処理の均一性を保証し、歩留まりを向上させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１１を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【００３１】
図１および図２に、本発明の一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。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。
【００３２】
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の上にサセプタ１６が設けられている。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。
【００３３】
サセプタ１６には、イオン引き込み用の所定周波数の高周波電力を供給する高周波電源１８が整合器２０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。
【００３４】
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、絶縁材２５を介してチャンバ１０に支持されており、多数の吐出孔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、プラズマ生成用の所定周波数の高周波電力を供給する高周波電源３８が整合器４０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ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４２が電気的に接続されている。
【００３５】
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４６を介して排気装置（図示せず）が接続されている。該排気装置は、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。
【００３６】
このプラズマ処理装置において、サセプタ１６上の基板Ｗに処理を施すときは、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１８，３４より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で生成される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程度に設定されている。
【００３７】
この実施形態におけるプラズマモニタリング装置は、チャンバ１０に固定取付される絶縁管５０と、先端部の芯線を露出させたプローブ部を有し、絶縁管５０の一方の端より管内に摺動可能に挿入される同軸ケーブル５２と、この同軸ケーブル５０を介してチャンバ１０内のプラズマＰＺ中の電子により吸収される電磁波周波数を測定する測定回路５４とを有する。
【００３８】
絶縁管５０は、たとえば石英管からなり、チャンバ１０の外形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５６が取り付けられている。
【００３９】
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、銅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とを有するセミリジッドケーブルでよく、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の計測器側はＳＭＡプラグ５８の形態で測定回路５４に接続されている。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６０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。
【００４０】
アース用導体６０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６２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Ａ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。
【００４１】
アース用導体６０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５２ａ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に示すように、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６４を同軸ケーブル５２に遊動可能に装着している。
【００４２】
図１において、測定回路５４は、計測器本体であるネットワークアナライザ６６と、ＳＭＡインタフェース用のパワーリミッタ６８およびハイパスフィルタ（ＨＰＦ）７０とを有している。ネットワークアナライザ６６は、周波数掃引方式の高周波発振器を有している。計測用の制御および演算処理を行う演算制御部もネットワークアナライザ６６に内蔵または接続されている。
【００４３】
絶縁管５０の他端（図１の左端）には冷却ガス供給部７２からの配管７４が接続されている。冷却ガス供給部７２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７４を介して絶縁管５０に流し込む。絶縁管５０の左端より導入されたエアーは反対側（右側）に向って管内を流れ、アース用導体６０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７２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７２をエアー吸引型に構成して、絶縁管５０の中を右側から左側にエアーを流すようにすることも可能である。
【００４４】
この実施形態のプラズマモニタリング装置において、チャンバ１０内で生成されるプラズマＰＺの吸収周波数ないし電子密度を測定する場合は、絶縁管５０に対する同軸ケーブル５２の挿入長さを調整して先端のプローブ部５２ａを径方向の所望の測定位置に合わせる。たとえば、プラズマＰＺの中心部における吸収周波数ないし電子密度を測定するときは、プローブ部５２ａをその付近に位置合わせすればよい。このプローブ位置合わせに際して、絶縁管５０はチャンバ１０の側壁に固定されたままであり、Ｏリング５６を擦ることはない。
【００４５】
先ず、チャンバ１０内にプラズマＰＭを発生させない状態で、ネットワークアナライザ６６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）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、ネットワークアナライザ６６に返ってきた反射信号のレベルから反射率を求め、ネットワークアナライザ６６に表示される反射率の周波数特性Γ０（Ｓ１１パラメータ）をメモリに記憶する。
【００４６】
次に、チャンバ１０内にプラズマＰＺを発生させた状態で、ネットワークアナライザ６６において上記と同様の手順および信号処理により反射率の周波数特性を求め、先の（プラズマ無しの）反射率の周波数特性Γ０との比Γ（Γｐ／Γ０）を演算する。プラズマを発生させる前の比Γ（Γｐ／Γ０）は常に１．００である。この比Γ（Γｐ／Γ０）は真空状態を基準として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Γ（Γｐ／Γ０）が極小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、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。
【００４７】
さらに、絶縁管５０内でプローブ部５２ａの位置（測定位置）をプラズマＰＺの一端から中心部を通って他端まで径方向にスキャニング移動させ、各測定位置で求めた電子密度Ｎｅの測定値をグラフ上にプロットすることで、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。
【００４８】
この実施形態のプラズマモニタリング装置では、同軸ケーブル５２のプローブ部５２ａを収容する絶縁管５０がプラズマ処理空間をまっすぐ横断するように、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５６で気密に固定している。プローブの位置合わせまたは測定位置の変更調整は、チャンバ１０の側壁に水平に固定された絶縁管５０の中で同軸ケーブル５２のみを軸方向に移動させるので、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。また、絶縁管５０がＯリング５６と擦りあうことがないため、Ｏリング５６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。しかも、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るため、測定精度の信頼性も向上する。
【００４９】
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、共振周波数のノイズが発生し難く、プラズマ吸収周波数のピークのみが得られ、高精度な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６４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に共振周波数のノイズつまり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６４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。
【００５０】
また、このプラズマモニタリング装置では、同軸ケーブル５２の外部導体（ＧＮＤ部）５２ｂをアース用導体６０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、大気や測定器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。
【００５１】
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６０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６４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。
【００５２】
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７４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。
【００５３】
この実施形態のプラズマモニタリング装置によれば、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に行うことができる。
【００５４】
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。本実施形態では、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。
【００５５】
【実施例】
以下、上記実施形態の具体例を説明する。
【００５６】
上記プラズマ処理装置において、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。
【００５７】
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７０は日本高周波社のＨＰＦ１５０、パワーリミッタ６８はアジレントテクノロジー社の１１９３０Ｂ、ネットワークアナライザ６６はアジレントテクノロジー社のＨＰ８７５３ＥＴを用いた。ネットワークアナライザ６６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。
【００５８】
Ｓ／Ｎの向上
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６４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。
【００５９】
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３にこの周波数特性を示す。図３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。
【００６０】
図４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４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４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。
【００６１】
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。
【００６２】
そこで、上記実施形態のように、電磁波吸収体６４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６４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。
【００６３】
図５に、この実験結果を示す。図５からわかるように、電磁波吸収体６４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。
【００６４】
ノイズ低減効果の評価
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６４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。
【００６５】
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。
【００６６】
図６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。
【００６７】
フェライト増強によるシグナル増加
さらに、同軸ケーブル５２に装着する電磁波吸収体６４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７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。本実施形態では、冷却ガス供給部７２の働きにより電磁波吸収体６４も空冷されるようになっている。
【００６８】
各種プロセスプラズマの計測
（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８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）
【００６９】
図８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。なお、図８において、Ｅ＋Ｎ（Ｎは整数）は１０Ｎを意味する。したがって、たとえば１．０Ｅ＋１１は、１．０×１０１１を意味する。後述する図９および図１０においても同様である。
【００７０】
（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９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）
【００７１】
図９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。
【００７２】
（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１０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）
【００７３】
図１０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。
【００７４】
上記のように、本実施形態のプラズマモニタリング装置によれば、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。
【００７５】
変形例
図１１に、本実施形態におけるプローブ機構の一変形例を示す。この構成例では、チャンバ１０の一側壁に計測ポートとして開口部１０ｂを形成し、この開口部１０ｂにプローブユニット用の壁面部材８０をたとえばボルト８２により着脱可能に、かつたとえばＯリング８４により気密に取付ける。この壁面部材８４には、支持部として一対の貫通孔１０ａを近接させて好ましくは同じ高さ位置に形成し、それらの貫通孔１０ａで絶縁管５０の両端部を支持する。したがって、絶縁管５０は管の中間部で屈曲または彎曲させた構造を有し、チャンバ１０内の処理空間（プラズマＰＺ）の中またはその付近でＵターンする形で両支持部（貫通孔１０ａ）の間に水平に架け渡される。この構成例によれば、チャンバ１０に対する着脱式のプローブ取付構造を容易に実現することできる。
【００７６】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、他にも種々の変形が可能である。たとえば、上記実施形態のプラズマモニタリング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。プラズマ処理装置においても同様であり、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。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマモニタリング方法または装置によれば、測定位置の再現性を保証し、プローブ構造の安定性および耐久性を向上させ、プラズマに与える影響を安定化させ、Ｓ／Ｎ特性を改善し、プラズマ吸収周波数や電子密度について安定かつ高精度の測定を可能とすることができる。さらには、大気中または測定器へのＲＦノイズのリークを効果的に防止して、人体や測定機器の安全性を確保することもできる。
【００７８】
また、本発明のプラズマ処理装置によれば、基板の被処理面に対してプラズマ密度の均一性ひいてはプラズマ処理の均一性を保証し、歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一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】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４】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５】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６】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７】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８】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９】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１０】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１１】一変形例によるプローブ構造を示す部分拡大断面図である。
【図１２】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】
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
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　　芯線（プローブ部）
５２ｂ　　外部導体（グランド部）
５４　　測定回路
５６　　Ｏリング
６０　　アース用導体
６４　　電磁波吸収体
６６　　ネットワークアナライザ
７２　　冷却ガス供給部
７４　　ガス管
８０　　側壁部材
８２　　ボルト
８４　　Ｏリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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