(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電板を備える本体と、外皮導体及び該外皮導体内に充填された絶縁材料中に埋設された芯導体がそれぞれ該本体の一面に電気的に接続された同軸ケーブルとを備え、電磁波の共振現象を利用して、容器内に生成したプラズマの電子密度を測定するプラズマ電子密度測定用の面状共振素子であって、
前記本体は、両端のうちの一端が該本体の外縁に開口する細長空間部の閉端部に隣接する連結部と、該連結部を境に仕切られるとともに該連結部により一体に連結された第１面部及び第２面部とからなり、
前記同軸ケーブルの前記外皮導体が前記第１面部及び前記第２面部のうちの一方に接続されるとともに、該同軸ケーブルの前記芯導体が該第１面部及び該第２面部のうちの他方に接続されていることを特徴とするプラズマ電子密度測定用の面状共振素子。
【請求項２】
前記細長空間部の幅は、予想されるプラズマの電子密度及び電子温度で決まるシース厚さに基づいて設定され、
前記細長空間部の長さは、予想されるプラズマの電子密度と、所望の測定精度及び該測定精度で測定が可能となる共振周波数の条件とに基づいて設定されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子。
【請求項３】
前記同軸ケーブルの前記外皮導体が前記第１面部に接続されるとともに、該同軸ケーブルの前記芯導体が前記第２面部に接続され、
前記同軸ケーブルは、前記外皮導体を前記第１面部に垂直に投影したときに、前記外皮導体の投影された像が前記第１面部内に収まるように配設されていることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子。
【請求項４】
前記細長空間部は、前記本体の外縁側から中心側に向かって渦巻き状に延びる直線部又は曲線部により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子。
【請求項５】
前記本体は、前記同軸ケーブルが接続された前記一面と反対側の他面に形成された誘電体薄膜を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子。
【請求項６】
前記本体は、該本体の前記同軸ケーブルとの電気的接続点を除く表面全体に形成された誘電体薄膜を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子を用いるプラズマ電子密度測定方法であって、
前記容器のポート穴内に挿入した前記面状共振素子を、該容器の内壁面に前記本体が沿うように配置した状態で測定することを特徴とするプラズマ電子密度測定方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子を、前記容器のポート穴内に配設したことを特徴とするプラズマ電子密度測定装置。
【請求項９】
前記面状共振素子は、前記容器の内壁面と前記本体の他面とが略面一状態となるように、前記ポート穴内に配設されていることを特徴とする請求項８記載のプラズマ電子密度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ電子密度測定用の面状共振素子並びにプラズマ電子密度測定方法及び装置に関し、詳しくは電磁波の共振現象を利用して、容器内に生成したプラズマの電子密度を測定するプラズマ電子密度測定用の面状共振素子並びにプラズマ電子密度測定方法及び装置に関する。
【０００２】
本発明に係るプラズマ電子密度測定用の面状共振素子並びにプラズマ電子密度測定方法及び装置は、例えば、薄膜素子の製造工程や、粒子ビーム源又は分析装置等に用いられるプラズマにおけるプラズマ電子密度を測定する際に適用することができる。
【背景技術】
【０００３】
反応性ガスの放電で生成されるプラズマを用いたエッチングやＣＶＤ等の材料プロセスの技術は、広く産業界で応用され重要な基盤技術として定着している。この技術のさらなる高度化に向けて、プラズマの状態、特にその基本情報である電子密度を測定し、その大きさや空間分布・経時変化を把握して制御することが強く求められている。しかしながら、この産業界のニーズに十分に応えられる電子密度の計測技術が確立しているとは言えないのが現状である。
【０００４】
古典的な電子密度測定法としては、図１７に示すように、プラズマ容器８０内で発生させたプラズマ８１内に金属電極８２を挿入し、この金属電極８２に直流電圧を印加したときに流れる電流を測る「ラングミュアプローブ」を用いる方法がある。この方法は、膜堆積が起こらないアルゴン、水素、窒素などの放電プラズマでは非常に有効で簡便な方法である。しかし、実際の反応性プラズマによる材料プロセスでは、プラズマ８１内に挿入した金属電極８２の表面が堆積膜で覆われることにより、電圧電流特性が劣化してしまうことが多い。このため、実際の反応性プラズマによる材料プロセスにラングミュアプローブを使うことは困難である。また、ラングミュアプローブからは重金属の不純物が放出されるため、特に半導体プロセスにラングミュアプローブを適用することは困難である。
【０００５】
このような金属汚染や薄膜堆積の影響を受けない方法として、図１８に示されるように、入射アンテナ８３からプラズマ８１にマイクロ波を照射し、プラズマ８１を透過したマイクロ波を受信アンテナ８４で受信することで、マイクロ波がプラズマ８１を透過するときの位相差を測って電子密度を測定する「マイクロ波干渉法」が知られている。この技術の短所として、マイクロ波の入射・透過のための大きな窓をプラズマ容器８０に設ける必要があること、プラズマ８１のサイズも大きくする必要があること、マイクロ波の通過路に沿う平均電子密度しか得られないこと（空間分解能の欠如）、及び測定装置が高価であることが挙げられる。
【０００６】
一方、測定系への薄膜堆積の影響を受けず、また金属不純物を放出せず、さらに十分な空間分解能をもつ高感度の電子密度測定法として、「表面波プローブ」（プラズマ吸収プローブとも呼ぶ）が最近、開発された（例えば、特許文献１：特開２０００−１００５９９号公報参照）。
【０００７】
図１９に示すようにこの方法は、プラズマ８１に挿入した棒状の表面波プローブ８５の表面を伝わる波(表面波)を、ネットワークアナライザー８６から送るマイクロ波信号で励起する。なお、この表面波プローブ８５は、誘電体チューブ内に同軸ケーブル及びこれに接続されたループアンテナを収容したものである。この表面波は、電子密度で決まる特定の周波数ｆ０  のときに共鳴的に定在波となって強く励起される。そのときに、ネットワークアナライアー８６で観測される表面波プローブ８５からの反射信号が共鳴的に減少するので、共鳴周波数ｆ０  を測定でき、これから電子密度を求めることができる。
【０００８】
この表面波プローブを用いる方法は反応性プラズマに広く適用でき、１０８  ｃｍ−３のような低密度から１０１２ｃｍ−３の高密度まで測定可能であり、１０−５Ｔｏｒｒの低圧から１０Ｔｏｒｒ程度の高圧までの放電圧力でも適用可能である。
【０００９】
そして、表面波プローブ８５を容器８０のポート穴からプラズマ８１内に挿入し、表面波プローブ８５を移動させることによって、電子密度の空間分布を数ｍｍの分解能で計測できる。この機能は、最適条件を精査する研究開発にとって重要な手段となる。
【００１０】
しかし、決まった条件で大量に生産を繰り返す量産機においては、電子密度の空間分布を数ｍｍの分解能で計測する必要性は低い。逆に、量産機のプラズマ内に棒状の異物が突き出ていると、プロセス中にプラズマが乱れる原因となったり、プロセス終了後のプラズマ容器のクリーニング時に、容器内に突き出た棒状の表面波プローブ８５を破損するトラブルが起きたりする。
【００１１】
そこで、従来の棒状の表面波プローブを後退させて、プローブ先端が壁面とほぼ一致するところに設置して測定するという方策も考えられるが、壁面付近の電子密度が低いために、表面波プローブを壁面付近まで後退させると、信号が雑音に隠れてしまい、正確な計測が困難になる。
【００１２】
一方、金属製のダイポールアンテナによる、電磁波の共振現象を利用する電子密度測定法が知られている（例えば、非特許文献１：Ｒ．Ｌ．Ｓｔｅｎｚｅｌ，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．４７，６０４（１９７６）、非特許文献２：Ｒ．Ｂ．Ｐｉｅｊａｋ，Ｖ．Ａ．Ｇｏｄｙａｋ，Ｒ．Ｇａｍｅｒ  ａｎｄ  Ｂ．Ｍ．Ａｌｅｘａｎｄｒｏｖｉｃｈ，Ｎ．Ｓｔｅｍｂｅｒｇ，Ｊ．ＡＰＰｌ．Ｐｈｙｓ．９５，３７８５（２００４）参照）。
【００１３】
プラズマに限らず一般に、比誘電率εの媒質空間を伝わる電磁波の波長λは、真空中の光速をｃとするとき、λ＝ｃ／（ε１／２  ）と与えられる。そして、この比誘電率εの媒質空間に、長さＬの金属線が同軸ケーブルの中心導体に接続されるとともに、同じく長さＬの金属線が同軸ケーブルの外皮接地導体に接続されてなるＴ字型のアンテナを配置した状態で、このアンテナに周波数ｆの電力を送るとき、Ｌ＝λ／４となる周波数ｆｒ  において共鳴的に電磁波の共振が起こってパワーがアンテナに蓄積される。このようなアンテナはダイポールアンテナと呼ばれる。すなわち、与えられたダイポール長２Ｌと比誘電率εに対して、共振周波数は、
ｆｒ  ＝ｃ／（４Ｌε１／２  ）                        …（１）
と与えられる。プラズマ空間の場合、最も簡単な近似（無衝突、冷たいプラズマのモデル）では、プラズマの比誘電率は次式で表せる。
【００１４】
ε＝１−（ｆｐ  ２  ／ｆ２  ）                          …（２）
ただし、ｆｐ  は電子プラズマ周波数と呼ばれる物理量で、素電荷ｅ、電子の質量ｍｅ  、真空の誘電率ε０  と電子密度ｎｅ  を用いて次式で与えられる。
【００１５】
ｆｐ  ＝（１／２π）・（ｅ２  ｎｅ  ／ｍｅ  ε０  ）１／２    …（３）
式（２）と（３）を式（１）に代入すれば、プラズマ中のダイポールアンテナの共振周波数ｆｒ  が求まり、プラズマの無い真空のときの共振周波数をｆ０  と書けば、
ｆｒ  ２  ＝ｆ０  ２  ＋ｆｐ  ２                            …（４）
が得られる。したがって、ｆ０  （ＧＨｚ）とｆｒ  （ＧＨｚ）を測定し、その差から電子密度ｎｅ  は次のように求まる。
【００１６】
ｎｅ  ＝｛（ｆｒ  ２  −ｆ０  ２  ）／０．８１｝（１０１０ｃｍ−３）
…（５）
標準的なダイポールアンテナ系はＴ字型をしており、同軸給電線の先端にこれと垂直に直線状の全長λ／２の放射アンテナが接続される。この放射アンテナは必ずしも直線状である必要はなく、楕円形やＵ字型であってもよく、そのアンテナの全周の長さ２Ｌがλ／２となる周波数ｆｒ  のときに共振現象が起こる。プラズマの電子密度測定を考えると、容器の壁からアンテナを挿入するポート穴のサイズが小さいので、Ｔ字型よりもＵ字型の方が望ましい。
【００１７】
図２０は、Ｕ字型アンテナとしてのＵ字型線状共振プローブ８７をプラズマ８１に挿入した状態を示し、図２１は前記非特許文献１に記載されるＵ字型線状共振プローブの原理を説明している。ここで、同軸ケーブル８８の先端に取り付けた微小ループ(送信用ループアンテナ) ８９に流れる電流がつくる磁力線は、Ｕ字型アンテナ９０の底部と鎖交してＵ字線に沿う電流を駆動し、そこから電磁波が放射される。放射された電磁波を別の微小ループ（受信用ループアンテナ）９１でピックアップする。送信用ループアンテナ８９への入射パワーをＩ、受信用ループアンテナ９１で受ける透過パワーをＴとすれば、図２３（ａ）のように周波数ｆに対して入射パワーＩが一定であるとき、透過パワーＴは式（２）のＬ＝λ／４を満たす周波数ｆｒ  において共鳴的に強くなる。ここでＵ字型アンテナ９０の幅ｄは、Ｕ字線の周りにできるシース(鞘)の厚さ(数ｍｍ)より大きい値とする。
【００１８】
図２１に示されたプローブは、送信用と受信用の２つのループと、２本の同軸ケーブルを必要とする。これに対して、前記非特許文献２には、図２２に示されるように、一つのループと１本の同軸ケーブルを用いて、反射パワーＲをモニターする方法が記載されている。ここで、同軸ケーブル９２の芯導体９３の先端Ｃと、Ｕ字型アンテナ９４の底部の点Ａとが、円弧状リード線９５で接続されている。さらにＵ字アンテナ９４の底部は点Ｇで同軸ケーブル９２の外皮導体９６と接続されている。このとき、同軸ケーブル９２から入射されたパワーＩは円弧状リード線の部分でＵ字アンテナ９４を励振するのに用いられ、残りは反射パワーＲとして同軸ケーブル９２から電源側に戻ってくる。ネットワークアナライザーは周波数を掃引しならが微小の入射パワーＩをアンテナ側に送り、同時にアンテナから電源（ネットワークアナライザー）に戻ってくる反射パワーＲもモニターする機能が付いている。そこで、反射パワーＲを計測すれば、図２３（ｃ）に示すように共振周波数ｆｒ  において共鳴的に反射が減少する。この減少を利用して、式（５）から電子密度を求めることが出来る。
【００１９】
しかし、前記非特許文献２に記載されたＵ字型線状共振プローブとしてのＵ字型アンテナ９４は、構造的には微小の円弧状リード線９５とＵ字型アンテナ９４とを細い同軸ケーブル９２の先端で結合させる必要があることから、製作が難しく、また、機械的強度が弱い。さらに、表面波プローブと同様に、測定プローブとしてのＵ字型アンテナ９４は細長い形状をしており、このＵ字型アンテナ９４がプラズマ容器の壁面から突出してプラズマ内に挿入されるので、プラズマに与える擾乱が大きく、量産機では破損の危険性が高くなるという問題がある。
【００２０】
なお、前記特許文献１には、表面波プローブの特殊形状として、数ｍｍ角の金属平板を使う例が、記載されている。しかし、これは、表面波プローブにおけるアンテナとして単純な矩形状の金属平板を採用したものにすぎず、電磁波の共振現象を利用する共振素子とは原理的に異なるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２０００−１００５９９号公報
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】Ｒ．Ｌ．Ｓｔｅｎｚｅｌ，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．４７，６０４（１９７６）
【非特許文献２】Ｒ．Ｂ．Ｐｉｅｊａｋ，Ｖ．Ａ．Ｇｏｄｙａｋ，Ｒ．Ｇａｍｅｒ  ａｎｄ  Ｂ．Ｍ．Ａｌｅｘａｎｄｒｏｖｉｃｈ，Ｎ．Ｓｔｅｍｂｅｒｇ，Ｊ．ＡＰＰｌ．Ｐｈｙｓ．９５，３７８５（２００４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、電磁波の共振現象を利用する共振素子を採用しつつ、製作が容易で、かつ、機械的強度の高い面状のものを提供することを目的とするものである。
【００２４】
また、本発明の他の目的は、測定用素子がプラズマ内に突出することに起因するプラズマの擾乱や測定用素子の破損を抑制することである。
【００２５】
本発明のさらに他の目的は、製作が容易で、かつ、機械的強度の高い面状共振素子の小型化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記課題を解決する本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子は、導電板を備える本体と、外皮導体及び該外皮導体内に充填された絶縁材料中に埋設された芯導体がそれぞれ該本体の一面に電気的に接続された同軸ケーブルとを備え、電磁波の共振現象を利用して、容器内に生成したプラズマの電子密度を測定するプラズマ電子密度測定用の面状共振素子であって、前記本体は、両端のうちの一端が該本体の外縁に開口する細長空間部の閉端部に隣接する連結部と、該連結部を境に仕切られるとともに該連結部により一体に連結された第１面部及び第２面部とからなり、前記同軸ケーブルの前記外皮導体が前記第１面部及び前記第２面部のうちの一方に接続されるとともに、該同軸ケーブルの前記芯導体が該第１面部及び該第２面部のうちの他方に接続されていることを特徴とするものである。
【００２７】
このプラズマ電子密度測定用の面状共振素子では、導電板を備える本体が、第１面部及び第２面部と、該第１面部及び該第２面部を一体に連結する連結部とからなる。そして、第１面部及び第２面部のうちの一方に同軸ケーブルの外皮導体が接続され、他方に同軸ケーブルの芯導体が接続されている。このため、前述した従来のＵ字型線状共振プローブと比較して、製作が容易で、かつ、機械的強度も高くなる。
【００２８】
また、この面状共振素子を前記容器の壁を貫通するポート穴内に挿入するとともに、該容器の内壁面に前記本体が沿うように配置した状態で測定すれば、測定中に面状共振素子がプラズマ内に突出することに起因するプラズマの擾乱を抑えることができる。そして、この状態でメンテナンス等をしても面状共振素子が破損するおそれも少ない。このため、量産機のプラズマ電子密度測定に好適に利用することができる。
【００２９】
本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子の好適な態様において、前記細長空間部の幅は、予想されるプラズマの電子密度及び電子温度で決まるシース厚さに基づいて設定され、前記細長空間部の長さは、予想されるプラズマの電子密度と、所望の測定精度及び該測定精度で測定が可能となる共振周波数の条件とに基づいて設定される。
【００３０】
ここに、細長空間部の幅は、細長空間部内にプラズマを良好に導入させる観点より、予想されるプラズマの電子密度及び電子温度で決まるシース厚さより十分に大きくすることが望ましい。
【００３１】
また、ネットワークアナライザーの測定限界周波数が３ＧＨｚ程度であることが多いので、その範囲内で高密度プラズマを測定するには、細長空間部の長さを大きくする方が有利となる。
【００３２】
本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子では、前記第１面部は前記第２面部よりも面積が大きくされている方が好ましい場合がある。この場合、第２面部よりも面積の大きい第１面部により、機械的強度を良好に確保することができる。
【００３３】
本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子は、好適な態様において、前記同軸ケーブルの前記外皮導体が前記第１面部に接続されるとともに、該同軸ケーブルの前記芯導体が前記第２面部に接続され、前記同軸ケーブルは、前記外皮導体を前記第１面部に垂直に投影したときに、前記外皮導体の投影された像が前記第１面部内に収まるように配設されている。
【００３４】
このように同軸ケーブルの外皮導体が第１面部に接続されていれば、該第１面部により、同軸ケーブルをプラズマから有効に遮蔽することができる。また、前記外皮導体を前記第１面部に垂直に投影したときに、前記外皮導体の投影された像が前記第１面部内に収まるように同軸ケーブルが配設されていれば、第１面部により、外皮導体をプラズマから遮蔽することができる。
【００３５】
特に、前記第１面部は前記第２面部よりも面積が大きくされている場合に、前記同軸ケーブルの前記外皮導体が前記第１面部に接続されるともに、該同軸ケーブルの前記芯導体が前記第２面部に接続され、芯導体よりも外径の大きい外皮導体が第２面部よりも面積の大きい第１面部に接続されていれば、大きいもの同士と小さいもの同士がそれぞれ接続されることになるので、製作がより容易となる。また、面積の大きい第１面部により、同軸ケーブルをプラズマから有効に遮蔽することができるので、不純物抑制の点で有利となる。また、前記外皮導体を面積の大きい前記第１面部に垂直に投影したときに、前記外皮導体の投影された像が前記第１面部内に収まるように同軸ケーブルが配設されていれば、面積の大きい第１面部により、外皮導体をプラズマから確実に遮蔽することができる。
【００３６】
本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子の好適な態様において、前記細長空間部は、前記本体の外縁側から中心側に向かって渦巻き状に延びる直線部又は曲線部により形成されている。
【００３７】
このプラズマ電子密度測定用の面状共振素子では、細長空間部が渦巻き状に延びて形成されているので、本体の大きさにかかわらず細長空間部の長さを容易に長くすることができる。前記（１）式からわかるように、細長空間部の長さＬを長くすれば、共振周波数ｆｒ  を下げることができる。このため、共振周波数ｆｒ  を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な細長空間部の長さＬを所定値以上に確保しつつ、本体の小型化を図ることが可能となる。
【００３８】
本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子の好適な態様において、前記本体は、前記同軸ケーブルが接続された前記一面と反対側の他面に誘電体薄膜を有している。
【００３９】
このプラズマ電子密度測定用の面状共振素子では、プラズマと接触する本体の前記他面が誘電体薄膜で被覆されているので、本体からの不純物発生を抑制することができ、プラズマが不純物で汚染されることを抑制することが可能となる。
【００４０】
本発明のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子の好適な態様において、前記本体は、前記同軸ケーブルとの電気的接続点を除く該本体の表面全体に形成された誘電体薄膜を有している。
【００４１】
このプラズマ電子密度測定用の面状共振素子では、本体の同軸ケーブルとの電気的接続点を除く表面全体が誘電体薄膜で被覆されている。前記（１）式からわかるように、比誘電率εを大きくすれば、共振周波数ｆｒ  を下げることができる。このため、共振周波数ｆｒ  を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な比誘電率εの大きさを所定値以上に確保しつつ、本体の小型化を図ることが可能となる。
【００４２】
ここに、誘電体薄膜が厚くなりすぎると、プラズマの影響を受けにくくなって感度が落ちる。このため、誘電体薄膜による測定精度の低下を抑える観点より、誘電体薄膜の厚さは２ｍｍ程度以下とすることが好ましく、０．１ｍｍ程度以下とすることがより好ましい。一方、比誘電率εの増大による本体小型化の効果が有効に達成するには、誘電体薄膜の厚さを０．５ｍｍ程度以上とすることが好ましく、２ｍｍ程度以上とすることがより好ましい。
【００４３】
また、前記誘電体薄膜の材料としては特に限定されず、石英、プラスチックスやセラミックス等から適宜採択することができる。なお、取り扱いの容易性等を考慮すれば、アルミナ等のセラミックスを用いることが好ましい。
【００４４】
上記課題を解決する本発明のプラズマ電子密度測定方法は、請求項１乃至７のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子を用いるプラズマ電子密度測定方法であって、前記容器のポート穴内に挿入した前記面状共振素子を、該容器の内壁面に前記本体が沿うように配置した状態で測定することを特徴とするものである。
【００４５】
このプラズマ電子密度測定方法では、容器の内壁面に前記本体が沿うように配置した状態で測定するので、測定中に面状共振素子がプラズマ内に突出することに起因するプラズマの擾乱を抑えることができる。そして、この状態でメンテナンス等をしても面状共振素子が破損するおそれも少ない。このため、量産機のプラズマ電子密度測定に好適に利用することができる。
【００４６】
上記課題を解決する本発明のプラズマ電子密度測定装置は、請求項１乃至７のいずれか一つに記載のプラズマ電子密度測定用の面状共振素子を、前記容器のポート穴内に配設したことを特徴とするものである。
【００４７】
このプラズマ電子密度測定装置では、容器のポート穴内に面状共振素子が配設されているので、測定中に面状共振素子がプラズマ内に突出することに起因するプラズマの擾乱を抑えることができる。そして、この状態でメンテナンス等をしても面状共振素子が破損するおそれも少ない。このため、量産機のプラズマ電子密度測定に好適に利用することができる。
【００４８】
本発明のプラズマ電子密度測定装置の好適な態様において、前記面状共振素子は、前記容器の内壁面と前記本体の他面とが略面一状態となるように、前記ポート穴内に配設されている。
【００４９】
このプラズマ電子密度測定装置では、容器の内壁面と前記本体の他面とが略面一状態となるように、面状共振素子がポート穴内に配置されているので、測定中にこの面状共振素子がプラズマ内に突出することがない。このため、プラズマの擾乱や面状共振素子の破損を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施形態１に係る面状共振素子の全体構成を模式的に示す平面図である。
【図２】実施形態１に係る面状共振素子を用いて、プラズマの電子密度を測定する様子を模式的に示す部分断面図である。
【図３】実施形態１に係る面状共振素子を用いて、プラズマの電子密度を測定する様子を模式的に示す説明図である。
【図４】実施形態２に係る面状共振素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】実施形態３に係る面状共振素子の全体構成を模式的に示す平面図である。
【図６】実施形態４に係る面状共振素子の全体構成を模式的に示す平面図である。
【図７】実施形態５に係る面状共振素子の全体構成を模式的に示す平面図である。
【図８】実施形態６に係る面状共振素子の全体構成を模式的に示す平面図である。
【図９】実施形態７に係る面状共振素子の全体構成を模式的に示す平面図である。
【図１０】実施形態８に係る面状共振素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図１１】実施形態３に係る面状共振素子について、素子の周波数特性の電磁界シミュレーションを行った結果を示す図である。
【図１２】図１１から共鳴周波数を読んで、電子密度に対してプロットした図である。
【図１３】実施形態３に係る面状共振素子について、誘電体フィルムが素子特性に与える影響をシミュレーションで調べた結果を示す図である。
【図１４】実施形態３に係る面状共振素子について、シースの厚さが素子特性に与える影響をシミュレーションで調べた結果を示す図である。
【図１５】実施形態３に係る面状共振素子について、素子特性の実験結果を示す図である。
【図１６】図１５に示される共振周波数から、式（４）に基づき計算により求めた電子密度を示す図である。
【図１７】従来例に係り、ラングミュアプローブを用いたプラズマ電子密度の測定方法を示す説明図である。
【図１８】従来例に係り、マイクロ波干渉法を用いたプラズマ電子密度の測定方法を示す説明図である。
【図１９】従来例に係り、表面波プローブを用いたプラズマ電子密度の測定方法を示す説明図である。
【図２０】従来例に係り、Ｕ字型線状共振プローブを用いたプラズマ電子密度の測定方法を示す説明図である。
【図２１】従来例に係り、２本の同軸ケーブルをもつＵ字型線状共振プローブを用いたプラズマ電子密度の測定方法を示す説明図である。
【図２２】従来例に係り、１本の同軸ケーブルをもつＵ字型線状共振プローブを用いたプラズマ電子密度の測定方法を示す説明図である。
【図２３】入射パワーＩ、透過パワーＴ及び反射パワーＲと、周波数との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００５２】
（実施形態１）
図１〜図３に示される本実施形態に係る面状共振素子１は、電磁波の共振現象を利用して、容器２内に生成したプラズマ３の電子密度を測定するためのものである。
【００５３】
この面状共振素子１は、導電板としての金属製平板よりなる本体１０と、この本体１０の一面に電気的に接続された同軸ケーブル２０とを備えている。
【００５４】
前記本体１０は、厚さが０．１〜１ｍｍで、矩形状の金属製平板の一部を所定形状に切り抜くことにより、全体形状が略矩形状に形成されている。すなわち、この本体１０は、両端のうちの一端が本体１０の外縁に開口して所定の幅ｄ及び長さＬを有する細長空間部１１を有している。この細長空間部１１は、切り抜き幅に対して切り抜き長さが長くなるように、本体１０の外縁から本体１０の一部が細長く切り抜かれた状態とされることで形成されている。
【００５５】
細長空間部１１は、本体１０の長手方向（図１の左右方向）の一端側（図１の左側）の外縁から他端側（図１の右側）に向かって長手方向に細長く直線状に延びている。また、この細長空間部１１は、本体１０の短手方向の一端側（図１の上側）に近い位置に形成されている。さらに、細長空間部１１の形状はＵ字型とされている。
【００５６】
以下に示すように、細長空間部１１の幅は、予想されるプラズマの電子密度及び電子温度で決まるシース厚さに基づいて設定され、また、細長空間部１１の長さは、予想されるプラズマの電子密度と、所望の測定精度及び該測定精度で測定が可能となる共振周波数の条件とに基づいて設定される。
【００５７】
細長空間部１１の幅ｄは、後述する第２面部１３の周りにできるシース(鞘)の厚さ(数ｍｍ)より大きい値とされている。
【００５８】
この細長空間部１１の幅ｄは、細長空間部１１内にプラズマを良好に導入させる観点より、電子密度と電子温度で決まるシースの厚さより十分に大きくすることが望ましい。通常の材料プロセスに用いられるプラズマの場合、ｄの値は数ｍｍ以上とするのが望ましい。
【００５９】
また、細長空間部１１の長さＬは、以下に述べる考察から、測定したい電子密度ｎ０  と、欲しい測定精度から、ある長さより大きい値とするのが望ましい。すなわち、前記式（４）
ｆｒ  ２  ＝ｆ０  ２  ＋ｆｐ  ２                            …（４）
から分かるように、電子密度ｎ０  のときの共振周波数ｆｒ  は、電子密度が零であるときの共振周波数ｆ０  よりも、電子プラズマ周波数ｆｐ  の分だけ高い方にずれる。
【００６０】
ここで、ｎ０  ＝０のとき前記式（２）からε＝１であり、これを前記式（１）に代入して、
ｆ０  ＝ｃ／（４Ｌ）                                …（６）
となり、長さＬだけでｆ０  の値は決まる。これに対してｆｐ  はＬによらず、電子密度ｎ０  だけで決まる。したがって式（４）から、測定したい電子密度ｎ０  で決まるｆｐ  が、長さＬで決まるｆ０  よりもはるかに小さいとき、プラズマによる周波数のズレが非常に小さくなってしまい、測定精度が悪くなり、ついには測定不能になる。
【００６１】
以上のことから、ｆ０  がｆｐ  より大きいほど、観測される周波数のズレが小さくなり、測定が困難となる。そこで、実用上許される精度で測定が可能になる最低条件として、
ｆ０   ＜１０ｆｐ                                      …（７）
を仮定すれば、式（６）と式（７）から
Ｌ＞（πｃ／２０）（ｍｅ  ε０  ／ｅ２  ｎ０  ）１／２        …（８）
を満たすように長さＬの値を決定すればよい。
【００６２】
前記本体１０は、前記細長空間部１１を挟んで細長空間部１１の幅方向（アンテナ本体１０の短手方向）に相対する第１面部１２及び第２面部１３と、第１面部１２及び第２面部１３を一体に連結する連結部（図１に斜線で示す部分）１４とから構成されている。すなわち、本体１０は、細長空間部１１の閉端部１１ａに隣接する連結部１４と、連結部１４を境に仕切られるとともに連結部１４により一体に連結された第１面部１２及び第２面部１３とから構成されている。なお、第１面部１２は連結部１４よりも本体１０の中心側に在る（本体１０の中心が第１面部１２内に在る）。
【００６３】
前記第１面部１２は、帯状に細長く延びる前記第２面部１３よりも面積が大きくされている。面積の大きい第１面部１２により機械的強度を良好に確保する観点からは、第１面部１２の面積は第２面部１３の面積の２倍以上であることが好ましく、５倍以上であることがより好ましく、８倍以上であることが特に好ましい。なお、本実施形態では、第１面部１２の面積は第２面部１３の面積の１０倍程度とされている。
【００６４】
同軸ケーブル２０は、いわゆるセミリジッドケーブルよりなり、外皮導体（銅パイプ）２１と、この外皮導体２１内に充填された絶縁材料（ポリエチレン）中に埋設された芯導体２２とを備えている。なお、本実施形態では、同軸ケーブル２０の外径は３ｍｍとした。
【００６５】
そして、同軸ケーブル２０の外皮導体２１が第１面部１２に電気的に接続されるとともに、同軸ケーブル２０の芯導体２２が第２面部１３に電気的に接続されている。より具体的には、細長空間部１１の他端側付近（Ｕ字型の底部たる閉端部１１ａ付近）において、はんだ付けにより、外皮導体２１の先端部がＧ点で第１面部１２に固定されており、芯導体２２の先端Ｃから延びるリード線２３がＡ点で第２面部１３に固定されている。なお、リード線２３は、芯導体２２の延長線として一体に設けてもよい。
【００６６】
また、同軸ケーブル２０は、第１面部１２に対して平行方向に鉛直に延びる縦部２４と、第１面部１２に対して直角方向に水平に延びる横部２５とを有している（図１及び図２参照）。そして、同軸ケーブル２０の縦部２４の長さは、第１面部１２の幅よりも小さくされている。したがって、同軸ケーブル２０は、外皮導体２１を第１面部１２に垂直に投影したときに、外皮導体２１の投影された像が第１面部１２内に収まるように配設されている。
【００６７】
このように本体１０に対して同軸ケーブル２０が電気的に接続されることで、芯導体２２の先端Ｃ、リード線２３の先端たる第２面部１３のＡ点、連結部１４、及び第１面部１２のＧ点たる外皮導体２１の先端により、電流ループＣＡＧが形成される。この電流ループＣＡＧは、前述したＵ字型線状共振プローブにおける微小ループアンテナと等価であり、図１６の送信用ループ８９と同じ働きをする。
【００６８】
すなわち、電源としてネットワークアナライザー４（図３参照）から同軸ケーブル２０の芯導体２２を介して入射された入射パワーＩは電流ループＣＡＧの部分で本体１０を励振するのに用いられ、残りは反射パワーＲとして同軸ケーブル２０の外皮導体２２から電源側に戻る。そして、この電流ループＣＡＧで励起された電磁波は、細長空間部１１の縁に沿って伝搬し、前記共振条件の（１）式を満たすとき、共鳴的に電磁波が強く励起される。この励起パワーの分だけ同軸ケーブル２０を通って電源側にもどる反射パワーＲが減少するので、図１８（ｃ）のように周波数ｆｒ  で反射パワーＲが減少する。厳密には、周波数ｆｒ  は本体１０の形状やループの形状等に若干依存するので、正確には電磁界シミュレーションを行って較正する必要がある。
【００６９】
本実施形態に係る面状共振素子１を用いて、プラズマの電子密度を測定する方法を以下、説明する。
【００７０】
図２及び図３は、本実施形態に係るプラズマ電子密度測定装置の概略構成を模式的に示すものである。
【００７１】
このプラズマ電子密度測定装置では、図２に示されるように、プラズマ３が生成される密閉空間を有する略円筒状の容器２の側壁２ａに、素子挿入用の筒部２ｄが一体に設けられており、この筒部２ｄにより外部と容器２内とを連通するポート穴２ｂが形成されている。そして、このポート穴２ｂ内に前記面状共振素子１が挿入され、容器２の内壁面２ｃに本体１０が沿うように配置されている。より詳しくは、容器２の内壁面２ｃと本体１０の他面（同軸ケーブル２０が固定された前記一面とは反対側の裏面）１０ａとが略面一状態となるように、面状共振素子１がポート穴２ｂ内に配設されている。また、この装置は、周波数を掃引しならが高周波電力を入射パワーＩとして面状共振素子１に供給するとともに、面状共振素子１から戻る反射パワーＲをモニター可能なネットワークアナライザー４と、容器２内でプラズマを生成するためのプラズマ生成手段（図示せず）とを備えている。
【００７２】
この状態で、図３に示すように、電源としてのネットワークアナライザー４から入射パワーＩの電力を同軸ケーブル２０に供給する。そして、上述のとおり電流ループＣＡＧで電磁波が励起され、励起された電磁波は細長空間部１１からプラズマ３側へ放射される。このネットワークアナライザー４は周波数を掃引しならが微小の入射パワーＩを本体１０側に送り、同時に本体１０から戻ってくる反射パワーＲもモニターする機能が付いている。このため、反射パワーＲを計測すれば、図１８（ｃ）に示すように共振周波数ｆｒ  において共鳴的に反射が減少することを利用して、式（５）から細長空間部１１近傍の電子密度を求めることができる。
【００７３】
また、図３の一点鎖線で示すように、面状共振素子１を容器２内で進退動させれば、プラズマ３内の電子密度分布を測定することが可能である。ただし、本体１０全体のサイズが大きいので、本体１０の前記他面１０ａにシースが形成されて電子密度が局所的に低下するおそれがある。この面状共振素子１によるプラズマの乱れの影響を考慮して、挿入前の電子密度を求めるには、一度、擾乱の少ないラングミュア・プローブ等によって正しい密度を測っておいて、較正することが望ましい。
【００７４】
一方、面状共振素子１を移動させて、容器２の内壁面２ｃと本体１０の他面１０ａとを一致させれば、プラズマ３に対する擾乱を無くして、壁面付近における電子密度を正確に測定することができる。
【００７５】
以上のとおり、本実施形態に係る面状共振素子１では、本体１０が、第１面部１２、第２面部１３及び連結部１４が平面状に一体に形成されてなる。そして、第１面部１２に同軸ケーブル２０の外皮導体２１が接続され、第２面部１３に同軸ケーブル２０の芯導体２２が接続されている。このため、前述した従来のＵ字型線状共振プローブと比較して、製作が容易で、かつ、機械的強度も高くなる。
【００７６】
また、この面状共振素子１では、第２面部１３よりも面積の大きい第１面部１２により、機械的強度を良好に確保することができる。そして、外皮導体２１を面積の大きい第１面部１２に垂直に投影したときに、外皮導体２１の投影された像が第１面部１２内に外皮導体２１が収まるように同軸ケーブル２０が配設されているので、外皮導体２１をプラズマ３から確実に遮蔽することができる。
【００７７】
そして、この面状共振素子１を、容器２の内壁面２ｃと本体１０の他面１０ａとが略面一状態となるように、ポート穴２ｂ内に配置した状態で測定することで、測定中にこの面状共振素子１がプラズマ３内に突出することがない。このため、プラズマ３の擾乱や面状共振素子１の破損を確実に防止することができる。したがって、量産機のプラズマ電子密度測定に好適に利用することができる。
【００７８】
（実施形態２）
図４に示す本実施形態に係る面状共振素子１は、前記本体１０の前記他面１０ａが誘電体薄膜１５で被覆されている。
【００７９】
このため、本体１０から金属不純物が発生することを抑制でき、プラズマ３が金属不純物で汚染されることを抑制することが可能となる。
【００８０】
かかる金属汚染をより効果的に抑制する観点からは、前記本体１０の全体（ただし、本体１０の前記一面のうち同軸ケーブル２０との電気的接続点を除く）を誘電体薄膜１５で被覆することが好ましい。
【００８１】
その他の構成及び作用効果は、前記実施形態１と同様である。したがって、実施形態１の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
【００８２】
（実施形態３）
図５に示す本実施形態に係る面状共振素子１は、本体５０が、円（真円）形状の金属製平板の一部を所定形状に切り抜くことにより、全体形状が略円形状に形成されている。すなわち、この本体５０は、両端のうちの一端が本体５０の外縁に開口して所定の幅ｄ及び長さＬを有する細長空間部５１を有している。この細長空間部５１は、切り抜き幅に対して切り抜き長さが長くなるように、本体５０の外縁から本体５０の一部が細長く切り抜かれた状態とされることで形成されている。
【００８３】
細長空間部５１は、本体５０の直径部分の一端から円弧状（半円弧状に）に細長く延びている。また、この細長空間部５１は、本体５０の外周側に近い位置に形成されている。
【００８４】
細長空間部５１の幅ｄは、後述する第２面部５３の周りにできるシース(鞘)の厚さ(数ｍｍ)より大きい値とされている。
【００８５】
本体５０は、前記細長空間部５１を挟んで細長空間部５１の幅方向（本体１０の半径方向）に相対する第１面部５２及び第２面部５３と、第１面部５２及び第２面部５３を一体に連結する連結部５４（図５に斜線で示す部分）とから構成されている。すなわち、本体５０は、細長空間部５１の閉端部５１ａに隣接する連結部５４と、連結部５４を境に仕切られるとともに連結部５４により一体に連結された第１面部５２及び第２面部５３とから構成されている。なお、第１面部５２は連結部５４よりも本体５０の中心側に在る（本体５０の中心が第１面部５２内に在る）。
【００８６】
前記第１面部５２は、半円弧帯状に細長く延びる前記第２面部５３よりも面積が大きくされている。
【００８７】
その他の構成は、前記実施形態１と同様である。したがって、本実施形態は、前記実施形態１と基本的に同様の作用効果を奏する。よって、実施形態１の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
【００８８】
（実施形態４）
図６に示す本実施形態に係る面状共振素子１は、前記実施形態１において、細長空間部１１が略矩形状の本体１０の四辺に沿って連続して延びて本体１０をほぼ一周するように、細長空間部１１の長さを長くしたものである。
【００８９】
したがって、この実施形態に係る面状共振素子１は、実施形態１に係る面状共振素子１と比較して、細長空間部１１の長さＬが長くなっている分だけ、共振周波数ｆｒ  を下げることができる。よって、共振周波数ｆｒ  を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な細長空間部１１の長さＬを所定値以上に確保しつつ、本体１０の小型化を図ることが可能となる。
【００９０】
その他の構成は、前記実施形態１と同様である。したがって、本実施形態は、前記実施形態１と基本的に同様の作用効果を奏する。よって、実施形態１の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
【００９１】
（実施形態５）
図７に示す本実施形態に係る面状共振素子１は、前記実施形態１において、細長空間部１１が略矩形状の本体１０の四辺に沿って連続して延びて本体１０をほぼ二周するように、細長空間部１１の長さを長くしたものである。
【００９２】
すなわち、この実施形態における本体１０は、細長空間部１１の閉端部１１ａに隣接する連結部１４と、連結部１４を境に仕切られるとともに連結部１４により一体に連結された第１面部１２及び第２面部１３とから構成されている。なお、第１面部１２は連結部１４よりも本体１０の中心側に在る（本体１０の中心が第１面部１２内に在る）。
【００９３】
そして、細長空間部１１は、本体１０の外縁側から中心側に向かって渦巻き（ほぼ２周する渦巻き）状に延びる直線部により形成されている。細長空間部１１を渦巻き状にすれば、本体１０の大きさにかかわらず細長空間部１１の長さＬを容易に長くすることができる。
【００９４】
したがって、この実施形態に係る面状共振素子１は、実施形態１及び実施形態４に係る面状共振素子１と比較して、細長空間部１１の長さＬが長くなっている分だけ、より効果的に共振周波数ｆｒ  を下げることができる。よって、共振周波数ｆｒ  を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な細長空間部１１の長さＬを所定値以上に確保しつつ、本体１０の小型化をより効果的に図ることが可能となる。
【００９５】
ここに、渦巻き状に延びる細長空間部１１の巻き数は特に限定されないが、巻き数を多くして細長空間部１１の長さＬを長くすればするほど本体１０をより効果的に小型化することができる。
【００９６】
その他の構成は、前記実施形態１と同様である。したがって、本実施形態は、前記実施形態１と基本的に同様の作用効果を奏する。よって、実施形態１の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
【００９７】
（実施形態６）
図８に示す本実施形態に係る面状共振素子１は、前記実施形態３において、細長空間部５１が略円形の本体５０の外周に沿って連続して延びて本体５０をほぼ一周するように、細長空間部５１の長さを長くしたものである。
【００９８】
したがって、この実施形態に係る面状共振素子１は、実施形態３に係る面状共振素子１と比較して、細長空間部５１の長さＬが長くなっている分だけ、共振周波数ｆｒ  を下げることができる。よって、共振周波数ｆｒ  を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な細長空間部１１の長さＬを所定値以上に確保しつつ、本体５０の小型化を図ることが可能となる。
【００９９】
その他の構成は、前記実施形態１と同様である。したがって、本実施形態は、前記実施形態１と基本的に同様の作用効果を奏する。よって、実施形態１の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
【０１００】
（実施形態７）
図９に示す本実施形態に係る面状共振素子１は、前記実施形態３において、細長空間部５１が略円形状の本体５０の外周に沿って連続して延びて本体５０をほぼ二周するように、細長空間部５１の長さを長くしたものである。
【０１０１】
すなわち、この実施形態における本体５０は、細長空間部５１の閉端部５１ａに隣接する連結部５４と、連結部５４を境に仕切られるとともに連結部５４により一体に連結された第１面部５２及び第２面部５３とから構成されている。なお、第１面部５２は連結部５４よりも本体１０の中心側に在る（本体５０の中心が第１面部５２内に在る）。
【０１０２】
そして、細長空間部５１は、本体５０の外縁側から中心側に向かって渦巻き（ほぼ２周する渦巻き）状に延びる曲線部により形成されている。細長空間部５１を渦巻き状にすれば、本体５０の大きさにかかわらず細長空間部５１の長さＬを容易に長くすることができる。
【０１０３】
したがって、この実施形態に係る面状共振素子１は、実施形態３及び実施形態６に係る面状共振素子１と比較して、細長空間部５１の長さＬが長くなっている分だけ、より効果的に共振周波数ｆｒ  を下げることができる。よって、共振周波数ｆｒ  を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な細長空間部５１の長さＬを所定値以上に確保しつつ、本体５０の小型化をより効果的に図ることが可能となる。
【０１０４】
ここに、渦巻き状に延びる細長空間部５１の巻き数は特に限定されないが、巻き数を多くして細長空間部５１の長さＬを長くすればするほど本体５０をより効果的に小型化することができる。
【０１０５】
その他の構成は、前記実施形態１と同様である。したがって、本実施形態は、前記実施形態１と基本的に同様の作用効果を奏する。よって、実施形態１の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
【０１０６】
（実施形態８）
図１０に示す本実施形態に係る面状共振素子１は、前記本体１０の表面全体（ただし、本体１０の前記一面のうち同軸ケーブル２０との電気的接続点を除く）を誘電体薄膜１５で被覆したものである。
【０１０７】
この誘電体薄膜１５は、本体１０をアルミナクロス（厚さ０．１ｍｍ程度のアルミナ製布状のもの）で覆い、アロンセラミックなどの接着剤で固定することにより、本体１０の表面全体に形成した。なお、アルミナ溶射で覆って誘電体薄膜とする方法も試みたが、厚さが不均一になった。
【０１０８】
したがって、この実施形態に係る面状共振素子１では、共振周波数ｆｒ  を所定値以下に下げたい場合に、プラズマ電子密度の測定に必要な比誘電率εの大きさを所定値以上に確保しつつ、本体１０の小型化を図ることが可能となる。
【０１０９】
また、本体１０から金属不純物が発生することを確実に抑制でき、プラズマ３が金属不純物で汚染されることを確実に抑制することが可能となる。
【０１１０】
その他の構成及び作用効果は、前記実施形態１と同様である。したがって、実施形態１の説明を援用し、重複的記載を避けることとする。
【実施例】
【０１１１】
前記実施形態３で示した面状共振素子の特性についての、シミュレーション結果や実測結果等を以下に示す。
【０１１２】
（面状共振素子の特性のシミュレーション例１）
前記実施形態３に係る面状共振素子の円形素子あって、その半径が１５ｍｍであり、前記細長空間部の幅ｄが２ｍｍである場合に、これを一様な電子密度ｎｅ  のプラズマ中においたときの、面状共振素子の周波数特性の電磁界シミュレーションを行った。周波数を変えながら、図５の点Ａからマイクロ波を給電したときに、電源側に反射されて戻ってくる反射パワーＲをシミュレーションすると、図１１の結果が得られる。
【０１１３】
この図１１から、電子密度が零（プラズマが無し）の真空の場合、１．７８ＧＨｚのときに反射が共鳴的に減少していることが分かる。この共振周波数は、電子密度が増えるにつれて高い方にずれていき、ｎｅ  ＝１０×１０１０ｃｍ−３のときは３．３ＧＨｚまで上昇する。
【０１１４】
また、図１１から共振周波数を読んで、電子密度に対してプロットすると図１２が得られる。図１２中の実線は、式（４）から予想される共振周波数の値を示しており、シミュレーションから得られた点とよく一致している。
【０１１５】
（面状共振素子の特性のシミュレーション例２）
金属が露出した共振素子本体がプラズマに直接さらされると、共振素子本体から金属原子が不純物として放出することがある。特に半導体製造では金属汚染が許されないので、共振素子本体を誘電体フィルム（誘電体薄膜）で被覆する必要がある。この誘電体フィルムが面状共振素子の特性にどのような影響を及ぼすかを、シミュレーションを行って評価することができる。
【０１１６】
前記シミュレーション例１で用いたのと同じ金属円板（厚さ０．２ｍｍ）の両面を比誘電率３の材料で薄くコーティングして、電子密度ｎｅ  ＝１×１０１０ｃｍ−３のプラズマ中で用いたとき、シミュレーションによって図６のような素子特性が得られる。その共振周波数をそのまま式（４）に代入して計算される見かけ上の電子密度をｎａ  とし、正しい電子密度をｎｅ  として、ｎａ  とｎｅ  との比をＡ＝ｎａ  /ｎｅ  とするとき、Ａの値が誘電体薄膜フィルムの厚さによってどう変化するかを示したのが図１３である。
【０１１７】
このシミュレーション結果から、誘電体フィルムが０．１２ｍｍより薄ければ、９０％の精度で式（４）からそのまま電子密度を計算できることが分かる。膜厚がそれよりかなり厚い場合は、図１３のシミュレーション結果を逆に利用して、見かけ上の電子密度ｎａ  をＡの値で割って、正しい電子密度ｎｅ  を求めなければならない。
【０１１８】
（面状共振素子の特性のシミュレーション例３）
一般に、プラズマ中に物体を挿入すると、その周りにシースと呼ばれる境界層が形成される。その厚さは、電子密度と電子温度で決まるデバイ長の数倍と言われ、この層を真空であると仮定して、面状共振素子のシミュレーションを行った。この計算は、前記シミュレーション例２で示した図１３のシミュレーションにおける誘電率を１とおき、誘電体の厚さをシースの厚さに置き換えたものとなる。そこで得られた結果を整理して、Ａの値と電子密度との関係として表したのが図１４である。ここで電子温度は２．５ｅＶ一定としてシミュレーションしている。
【０１１９】
図１４から、電子密度が１×１０１０ｃｍ−３以上であればＡ＝１であり、シースの影響がないことが分かる。しかし、これより電子密度が低くなればなるほど、Ａの値は小さくなるので、シースの影響を考慮して較正する必要が出てくる。
【０１２０】
（面状共振素子の特性の実測例）
前記シミュレーション例１で示す図１１、図１２の電磁界シミュレーションに用いたものと同じ円板形状の面状共振素子を実際に製作して実験を行った。直径３０ｃｍの円筒容器の中に、アルゴン圧力２０ｍＴｏｒｒにおいて高周波誘導結合プラズマを生成した。このプラズマ中に、作製した面状共振素子を半径方向から挿入して、中心軸から９ｃｍの位置に設置して、ネットワークアナライザーを用いて面状共振素子の特性を測定した。
【０１２１】
その結果を図１５に示す。ここで、放電パワーが零のとき、すなわち、真空においては共振周波数が１．７９ＧＨｚであることから、前述のシミュレーション結果と良く一致している。放電パワーを上げるにつれて、共振周波数が高くなり、電子密度が増していくのが見て取れる。この共振周波数から、式（４）を用いて求めた電子密度を図１６に示す。
【符号の説明】
【０１２２】
１：面状共振素子、２：容器、２ａ：側壁、２ｂ：ポート穴、２ｃ：内壁面、２ｄ：筒部、３：プラズマ、４：ネットワークアナライザー、１０、５０：本体、１０ａ：本体の他面、１１、５１：細長空間部、１１ａ、５１ａ：閉端部、１２、５２：第１面部、１３、５３：第２面部、１４、５４：連結部、１５：誘電体薄膜、２０：同軸ケーブル、２１：外皮ケーブル、２２：芯導体
【図１】
0004701408.tif 000002
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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