(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを収容するプラズマチャンバと、
信号を、所定の最大周波数ｆｍａｘから所定の最小周波数ｆｍｉｎへと減少する周波数の方向に掃引し、そして、所定の最小周波数ｆｍｉｎから所定の最大周波数ｆｍａｘへと増加する周波数の方向に掃引するように、前記信号をプラズマチャンバに供給するための周波数源と、
前記減少する周波数への掃引によって励起された第１セットの共振周波数を検出すると共に、前記増加する周波数への掃引によって励起された第２セットの共振周波数を検出するための共振周波数検出器と、
前記第１セットの共振周波数の数と第２セットの共振周波数の数との間の差を検出するためのコンパレータと、
前記第１セットの共振周波数の数と、前記第２セットの共振周波数の数との間の差に基づいてプラズマのしま次数を検出するためのしま次数計算機と、
前記プラズマの前記しま次数に基づいて屈折率の値を検出するための屈折率計算機と、
この屈折率の値に基づいて、プラズマのプラズマ電子密度を検出するための密度計算機と、を具備するプラズマチャンバ中のプラズマ電子密度を測定するためのシステム。
【請求項２】
前記周波数源は、アナログ電圧信号、またはデジタル電圧信号に基づいて変化する周波数出力を有するマイクロ波発振器を有する、請求項１のシステム。
【請求項３】
前記周波数源は、マイクロ波発振器にデジタル電圧信号を加えるためのデジタル−アナログコンバータを更に有する、請求項２のシステム。
【請求項４】
前記プラズマチャンバは、プラズマ中に位置された開放型共振器を有する請求項１のシステム。
【請求項５】
前記開放型共振器は、複数のリフレクターを有し、この複数のリフレクターのうちの１つのリフレクターに対する接続によって、前記周波数源からの入力および前記検出器への出力が両方提供される、請求項４のシステム。
【請求項６】
前記システムに接続され、操作者によって所望のプラズマ電子密度を入力するように操作されるデータ入力装置を更に有する、請求項１のシステム。
【請求項７】
プラズマジェネレータと、
前記密度計算機によって計算されたプラズマ電子密度に基づいて所望のプラズマ電子密度を形成するようにプラズマジェネレータを制御するための自動コントローラとを更に具備する、請求項６のシステム。
【請求項８】
（ａ）周波数源から出力された信号を、所定の最大周波数ｆｍａｘから所定の最小周波数ｆｍｉｎへと減少する周波数の方向に掃引し、および前記減少する周波数の方向への掃引信号をプラズマチャンバに供給する工程と、
（ｂ）前記減少する周波数への掃引信号を供給した後に、前記周波数源の信号を、所定の最小周波数ｆｍｉｎから所定の最大周波数ｆｍａｘへと増加する周波数の方向に掃引し、および前記増加する周波数への掃引信号を前記プラズマチャンバに供給する工程と、
（ｃ）共振周波数検出器によって、減少する周波数への掃引によって励起された第１セットの共振周波数を検出する工程と、
（ｄ）共振周波数検出器によって、増加する周波数への掃引によって励起された第２セットの共振周波数を検出する工程と、
（ｅ）前記第１セットの共振周波数の数と第２セットの共振周波数の数との間の差を測定する工程と、
（ｆ）前記第１セットの共振周波数の数と、前記第２セットの共振周波数の数との間の差に基づいてプラズマのしま次数を計算する工程と、
（ｇ）前記プラズマの前記しま次数に基づいて屈折率の値を測定する工程と、
（ｈ）前記屈折率の値に基づいて、プラズマのプラズマ電子密度を測定する工程と、を具備する、プラズマチャンバ中のプラズマ電子密度を測定するための方法。
【請求項９】
前記工程（ａ）、（ｂ）は、アナログ電圧信号、またはデジタル電圧信号に基づいて変化する周波数出力を有するマイクロ波発振器によって高周波を供給する工程を有する、請求項８の方法。
【請求項１０】
前記工程（ａ）、（ｂ）は、プラズマ中に位置された開放型共振器に高周波を供給する工程を有する、請求項８の方法。
【請求項１１】
前記工程（ｃ）、（ｄ）は、複数のリフレクターによって検出する工程を有し、ここでは、前記複数のリフレクターのうちの１つのリフレクターに対する接続によって、前記周波数源からの入力および前記検出器への出力が両方提供される、請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記システムに接続されたデータ入力装置に、所望のプラズマ電子密度を入力する工程を更に具備する請求項８の方法。
【請求項１３】
プラズマジェネレータ内にプラズマを発生させる工程と、
密度計算機によって計算されたプラズマ電子密度に基づいた所望のプラズマ電子密度を果たすためにプラズマジェネレータを制御する工程とを更に具備する請求項１２の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連項目に関するクロスリファレンス】
本発明は、出願中の、“ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＤＥＮＳＩＴＹ  ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ  ＡＮＤ  ＰＬＡＳＭＡ  ＰＲＯＣＥＳＳ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＳＹＳＴＥＭ  ＵＳＩＮＧ  ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ  ＯＳＣＩＬＬＡＴＯＲ  ＬＯＣＫＥＤ  ＴＯ  ＡＮ  ＯＰＥＮ  ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ  ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ  ＴＨＥ  ＰＬＡＳＭＡ”と題され、代理人の事件整理番号が２３１２−０７１１−２ＹＡＰＲＯＶである出願と、“ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＤＥＮＳＩＴＹ  ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ  ＡＮＤ  ＰＬＡＳＭＡ  ＰＲＯＣＥＳＳ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＳＹＳＴＥＭ  ＵＳＩＮＧ  ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ  ＯＳＣＩＬＬＡＴＯＲ  ＬＯＣＫＥＤ  ＴＯ  ＡＮ  ＯＰＥＮ  ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ  ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ  ＴＨＥ  ＰＬＡＳＭＡ”と題され、代理人の事件整理番号が２３１２−０７０９−２ＹＡＰＲＯＶである出願とに関連している。これら両出願は、本出願と同時に出願されたものである。これら両出願は、全文を参照して、本明細書に組み入れられる。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体処理システムで使用されるようなプラズマ処理システム内の電子密度を測定及び制御するための制御方法とシステムとを提供する。
【０００３】
【従来の技術】
プラズマ電子密度を測定するための公知のマイクロ波に基づいた技術は、（１）マイクロ波干渉計、（２）反射及び吸収の測定、（３）キャビティ共振周波数の摂動、を有する。マイクロ波干渉計は、２つのマイクロ波ビームの間の位相のずれの測定を有する。第１のビームは、標準信号（reference signal）を与え、第２のビームは、反応性の環境を通過し、第１のビームに関連して（に対して）位相のシフトを克服する。屈折率は、２つのビーム間で測定された位相のずれの変化により計算される。干渉計技術は、ＵｒｂａｎａのＴｈｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  ｉｌｌｉｎｏｉｓのＬ.Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ教授による文献にある。干渉計は、以下の米国特許、２，９７１，１５３号、３，２６５，９６７号、３，３８８，３２７号、３，４１６，０７７号、３，４３９，２６６号、３，４７４，３３６号、３,４９０,０３７号、３,５０９,４５２号、３,９５６,６９５号に説明されている。各特許は、参照して本明細書に組み入れられる。干渉計技術について説明した他の特許ではない文献の例が、（１）Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓのＶｏｌ．１１７（Ｅｄｓ．Ｈａｙｓ等）１９８８年の、Ｐｅａｒｓｏｎ等による“Ａ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｌａｓｍａｓ”の３１１乃至３１７頁と、（２）Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ.５６（５）の１９８５年５月の、Ｅｆｔｈｉｍｉｏｎ等による“１−ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ  ｗａｖｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｌｉｎｅ  ｉｎｔｅｇｒａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｎ  ＴＦＴＲ”の９０８乃至９１０頁とである。幾つかのプラズマ特性が、プラズマが存在する領域を横切る際のマイクロ波ビーム吸収の測定から間接的に決定され得る。プラズマ中の信号反射は、米国特許３，５９９，０８９号、３,３８３,５０９号で説明されている。
【０００４】
また、プラズマ電子密度は、キャビティ共振周波数の摂動を測定する技術を利用して測定される。プラズマはプラズマ電子密度によって決まる効果的な誘電定数を有するため、共振器中のプラズマの存在は、各共振モードの周波数に影響する。この技術は、Ｍａｓｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙのＳ．Ｃ．Ｂｒｏｗｎ教授による文献にある。この技術の一部は、米国特許３，９５２、２４６号と、以下の特許ではない論文（１）Ｈａｖｅｒｌａｇ、Ｍ．等のＡｐｐｌ  Ｐｈｙｓ７０（７）３４７２−８０（１９９１年）の、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ  ｉｎ  １３．５６ＭＨＺ  ＲＦ  ｐｌａｓｍａ  ｏｆ  ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８  ｕｓｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ｐｈｏｔｏｄｅｔａｃｈｍｅｎｔ  ｅｆｆｅｃｔと、（２）Ｈａｖｅｒｌａｇ、Ｍ．等のＭａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｒｕｍ、ｖｏｌ．１４０−１４２，２３５−５４（１９９３年）の、Ｎｅｇａｔｉｖｅｌｙ  ｃｈａｒｇｅｄ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｉｎ  ｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ  ＲＦ  ｅｔｃｈ  ｐｌａｓｍａの、Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｕｓｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ｐｈｏｔｏｄｅｔａｃｈｍｅｎｔ  ｅｆｆｅｃｔとに説明されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来技術よりも正確なプラズマ測定システムを提供することである。
本発明の更なる目的は、開放型共振器の周波数のプラズマ誘導変化を用いる、改良されたプラズマ測定システムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のこれら及び他の目的は、プラズマ処理装置内に位置された開放型共振器の多数の共振モードを連続的に励起する電圧により制御されたプログラム可能な周波数源を用いて果たされる。共振モードの共振周波数は、開放型共振器のリフレクターの間の空間でのプラズマ電子密度に左右される。装置は、プラズマの導入により、開放型共振器の任意に選択された共振モードの共振周波数の増加を自動的に測定する。そして、ここで測定された周波数と、予め入力されたデータとを比較する。この比較は、（１）専用回路、（２）デジタル信号処理機、（３）特別にプログラムされた汎用コンピュータのいずれか１つによる。コンパレータは、所望のプラズマ電子密度を果たすのに必要な程度までプラズマジェネレータのパワー出力を向上させるのに用いられる制御信号を、計算する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の詳細と、付随的に生じる多くの利点とが、特に添付図面を考慮して以下の詳細な説明を参照することにより、明らかにされる。
図面を参照すると、幾つかの図面に渡って一致もしくは対応する部分には同じ参照番号が付されている。図１は、プラズマ処理システムのための、本発明に係わる測定及び制御システムの一実施形態の概略図を示す。この実施形態において、コンピュータ１００は、本発明の方法を実行している。コンピュータハウジング１０２は、ＣＰＵ１０６と、メモリ１０８（例えば、ＤＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＳＲＡＭ、ＦｌａｓｈＲＡＭ）と、この他に、任意の特殊用途論理素子（例えば、ＡＳＩＣｓ）もしくは構成可能な論理素子（例えば、ＧＡＬ、再プログラム可能なＦＰＧＡ）とを有する主回路基板１０４を収容している。また、コンピュータ１００は、複数の入力装置（例えば、キーボード１２２、マウス１２４）と、モニター１２０を制御するためのディスプレイカード１１０と、を有する。更に、コンピュータシステム１００は、フロッピーディスクドライブ１１４と、他の取り外し可能な媒体装置（例えば、コンパクトディスク１１９、テープ、並びに取り外し可能な光磁気ディスク（図示せず））と、ハードディスク１１２もしくは、適当な装置のバス（例えば、ＳＣＳＩバス、機能強化されたＩＤＥバス、もしくはウルトラＤＭＡバス）を用いて接続される他の固定高密度媒体ドライブとを、有する。また、コンピュータ１００は、同様の装置バスもしくは他の装置バスに夫々接続され、コンパクトディスクのリーダー１１８と、コンパクトディスクリーダー／ライターユニット（図示せず）もしくはコンパクトディスクジュークボックス（図示せず）とを付加的に有することができる。コンパクトディスク１１９は、図１においてＣＤ容器内に示されているが、このコンパクトディスク１１９は、容器を必要としないＣＤ−ＲＯＭドライブに直接に挿入され得る。更に、プリンタ(図示せず)が、開放型共振器の共振周波数を示す周波数グラフのプリントされた作表を提供する。
【０００８】
上述されたように、このシステムは、少なくとも１つの、コンピュータで読み取り可能な媒体を有する。コンピュータで読み取り可能な媒体の例としては、コンパクトディスク１１９、ハードディスク１１２、フロッピーディスク、テープ、光磁気ディスク、ＰＲＯＭｓ（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＦｌａｓｈＥＰＲＯＭ）、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ等がある。コンピュータで読み取り可能な媒体の何れか１もしくは組合せに記憶されるので、本発明は、コンピュータ１００のハードウェアを制御するとともに、コンピュータ１００が人間のユーザーに反応するのを可能にするためのソフトウェアを有する。このようなソフトウェアは、装置ドライバ、開発ツールのような、動作システム及びユーザーのアプリケーションを、これに限定せず、有する。このようなコンピュータで読み取り可能な媒体は更に、プラズマ処理システムを制御するための、本発明のコンピュータプログラム製品を有する。本発明のコンピュータのコード装置は、所定の解釈もしくは実行可能なコード機構であり得る。このコード機構は、これに限定されることなく、スクリプト、インタープリター、ダイナミックリンクライブラリー、Ｊａｖａクラス、完全に実行可能なプログラムを有する。
【０００９】
他の実施形態において、コンピュータ１００は、容認された入力で信号処理を実行するためのデジタル信号処理機（図示せず）を有する。更に別の実施形態において、ＣＰＵ１０６は、ＤＳＰの内部動作に類似したデジタル信号処理ルーチンをソフトウェアが果たすようにプログラムされている。更なる実施形態において、コンピュータ１００は、説明されているコンピュータの動作を実行するためのＤＳＰ及びメモリ（例えば、プリント基板上の）と交換可能である。同様に、ＤＳＰの機能は、説明された動作を実行するための専用アナログ並びに／もしくはデジタル回路と交換可能である。
【００１０】
図３に示されるように、コンピュータ１００は、プラズマ電子密度を測定してプログラム可能な周波数源（ＰＦＳ）２０１を制御するようにプログラムされている。プログラム可能な周波数源の一例が、電圧により制御された周波数変調マイクロ波発振器に結合されたＤ／Ａコンバータを有する。しかしながら、プログラム可能な周波数源２０１によって供給される周波数は、プラズマがプラズマジェネレータ３２０によって形成される際の、開放型共振器のモードの共振周波数の性質（反応）に左右される。図２を説明するために、プラズマ電子密度は初期値から最終値（例えば、２×１０１２ｃｍ−３）まで単調に増加すると想定する。また、これに限定されない例として、空洞（即ち排気された）共振器３０５のモードスペーシングが、ほぼｃ／２ｄ＝５００ＭＨＺであると想定する。ここで、ｃは、真空中の光の速度である。ｄは、反射スペーシング、即ちリフレクターの間のスペーシングである。図２に示されるように、プラズマが存在するモードスペーシングは、ｃ／（２ｎｄ）である。ここでは、ｎは、屈折率である。屈折率が状態の機能として均一でない場合、ｎは、＜ｎ＞によっても代わりが果たされ得る。＜ｎ＞は、リフレクターの間の適当な通路に沿ったこれの平均値である。屈折率が、プラズマ電子密度と、カップリングアパチャーに関連した位相のずれの偽の源とだけでなく周波数にも僅かながら左右されることから、スペーシングは完全に均一ではない。
【００１１】
プラズマ処理システムを制御するために、システムは、このシステムが所望のプラズマ電子密度を確立し維持するように動作する最終の動作周波数を決定する。この最終の動作周波数は、以下のように決定される。まさにプラズマが形成し始める時間Ｔ０で、コンピュータ１００は、プログラム可能な周波数源２０１の周波数を所定の最大周波数ｆｍａｘ（例えば３８．７５ＧＨｚ）に設定する。そして、コンピュータ１００は、時間に対応して周波数を減少させる（例えば、コンピュータ１００によって出力されるデジタル制御信号を変化させることによる）。図示の実施形態において、この減少は、線形であるが、実際は、線形でも非線形でもあり得る。しかし、どちらの場合でも、繰り返しが可能であって、よって、属性として断定可能である（predicatable）。プログラム可能な周波数源２０１の周波数は、これが、プラズマが安定した状態の密度２×１０１２ｃｍ−３に実質的に達成した後のＴ１時に最小周波数ｆｍｉｎ（例えば、３６．７５ＧＨｚ）に到達するまで、減少される。周波数ｆｍａｘ及びｆｍｉｎの選択は、幾分任意である。これらは、マイクロ波帯内で、マイクロ波装置のために都合の良い名目上の周波数、即ち３５ＧＨｚまでについて、選択される。最大周波数が、３８．７５ＧＨｚになるように任意に選択されている場合、ｆｍｉｎが３６．７５ＧＨｚになるように選択すると、８つの共振モードが、プラズマなしの共振キャビティ内で、周波数の範囲ｆｍｉｎ＜ｆ＜ｆｍａｘに渡って観察されるようになる。走査された最小の数のモードは、（１）周波数を（線形もしくは非線形変化で）経時的に掃引する方法と、（２）周波数が掃引される時間とによって決定される。更に、マイクロ波装置は、これが変化し得る（ハードウェアの制約によって制限された）範囲を有することができる。周波数が掃引される時間は、十分な結果を与えるように、プラズマ調整時間（形成時間Ｔ１−Ｔ０）よりも長くなくてはならない。掃引時間のスケールは、掃引の減少と増加とを有する。第１の実施形態において、時間Ｔ０とＴ１との間のプラズマ電子密度は、単調に増加し、この結果、掃引される周波数が減少及び増加する間に通過されるモードの数は、正確に数えられると、想定されている。
【００１２】
一般に、共振は、伝達されるマイクロ波エネルギーの非常に高い値によって示され、また、プログラム可能な周波数源２０１の周波数が規定された範囲に渡って減少されるのに伴って、数えられる。同様に、プログラム可能な周波数源からの周波数を規定された範囲に渡って増加するとき、モードは、数えられ、また、減少中に数えられたモードと相関される。周波数の減少中、システムは、開放型共振器の共振周波数の出現を検出し、共振周波数を生じた発振器の周波数を記録する。図２は、モードの共振周波数がプラズマ形成によって偏移される間のプログラム可能な周波数源の周波数の掃引による、開放型共振器のモードの連続的な励起を示すグラフである。図２の例において、開放型共振器の８つの共振が、プログラム可能な周波数源２０１の周波数がこの最大周波数ｆｍａｘから最小周波数ｆｍｉｎまで減少されるのに伴って、励起される。
【００１３】
プログラム可能な周波数源２０１がこれの最小周波数まで減少されると、システムは、時間に比例して、周波数が再度最大周波数ｆｍａｘに到達する時間Ｔ２まで、プログラム可能な周波数源２０１の周波数を増加させる。減少の間、共振周波数は、検出され、記録される。また、増加は、時間に比例して、図２に示されるように線形であるか、もしくは非線形であってもよい。Ｔ１とＴ２との間の時間は、帰線時間（retrace time）と呼ばれている。図２の帰線時間中に、開放型共振器の４つの共振周波数が、励起される。システムは、減少及び増加の間の、これら複数の共振周波数間の差を測定する。この差は、特徴的にはしま次数と呼ばれる整数部である。図２の例において、差は、４である。
【００１４】
しま次数の端数部分は、（ａ）励起された最終の共振周波数の周波数ｆｆｉｎａｌ（例えば、図２では、ｆｆｉｎａｌ＝３８．６４４ＧＨｚ）と（ｂ）ｆｆｉｎａｌより小さい、空洞開放型共振器の最も高い共振周波数との差からある程度まで得られる。この場合、周波数ｆｏｐｅｎは、３８．５００ＧＨｚであり、モードスペーシング及び共振モードの周波数の測定に基づいて、較正ラン（calibration run）を実行することによって測定される。較正は、チャンバ中にプラズマが存在しないときに成される。これは、正確な測定であり、ｃ／２ｄと、プラズマが存在しないときの共振周波数とによって与えられたモードスペーシングの検査でもある（即ち、ｆ（ｑ）＝（ｃ／２ｄ）（ｑ＋１／２））。差は、空洞開放型共振器のモードスペーシングによって分けられる（例えば０．５ＧＨｚ）。かくして、しま次数の端数部分は以下によって与えられる。
【００１５】
【数１】
0004422375.tif 000002
全体のしま次数は、４．２８８であり、モードの周波数のずれは、４．２８８×（モードスペーシング）＝４．２８８×０．５００ＧＨｚ＝２．１４４ＧＨｚである。
システムが、最終の周波数ｆｆｉｎａｌより下の開放共振周波数ｆｏｐｅｎを計算すると、このシステムは、最小周波数ｆｍｉｎを少し下回った、開放共振周波数ｆｏｍｉｎをも測定する。比較的安定した状態の屈折率の値は、以下に従って計算される。
【００１６】
【数２】
0004422375.tif 000003
比較的詳しい例を、図２を参照して以下に説明する。想像上の線が、共振周波数が３８．６４４ＧＨｚ（図２の右側近く）であるモードの特性のところから始まって、３８．５００ＧＨｚの水平の破線まで引かれている。下降は、０．１４４ＧＨｚの周波数の変化と一致している。そして、３８．５００ＧＨｚ線に沿って縦軸の左に移動する際に、空洞開放型共振器の４つのモードスペースの下降が見られる。即ち、３６．５００ＧＨｚに届くように、４×０．５００ＧＨｚ＝２．０００ＧＨｚである。３６．５００ＧＨｚは、３８．６４４ＧＨｚの共振周波数で終了するモード特性の始動共振周波数であることに注意して欲しい。また、１対１の対応関係が、図２の周波数と時間のプロットとの間と、プログラム可能な周波数源２０１を制御する電圧と時間のプロットとの間に存在することに注意しなくてはならない。かくして、説明されたような方法で幾つかの曲線の間に挿入することは、非常に理にかなっている。
【００１７】
他の実施形態において、プラズマが形成される間、プラズマ電子密度が単調に増加しない場合、上述されたような処理が変更される。Ｔ０とＴ１との間の時間でのプログラム可能な周波数源２０１の周波数の減少は、開放型共振器のモードが一度以上励起されないような方法で制御されなくてはならない。同様に、Ｔ１とＴ２との間の帰線時間の間、プログラム可能な周波数源２０１の周波数の増加は制御されるので、開放型共振器のモードは一度以上励起されない。図５の（Ａ）、（Ｂ）は、単調に変化する曲線から夫々差別的に解析される、非単調に変化する曲線を説明している。図５の（Ａ）は、同じモードを一度以上数えるのは不適当であることを説明している。同様に、図５の（Ｂ）は、掃引された周波数の減少中には数えられなかった、プログラム可能な周波数源２０１の周波数の増加中に、モードを数えるのは不適当であることを示している。
【００１８】
プログラム可能な周波数源２０１の周波数が減少する間に一度以上、もしくは、プログラム可能な周波数源２０１の周波数が増加する間に一度以上、モードが数えられないと想定している第１の技術は、開放型共振器のモード周波数特性の傾斜ｄｆｏｒｍ／ｄｔと、プログラム可能な周波数源２０１の周波数特性の傾斜ｄｆＰＦＳ／ｄｔとの関係に応じる。ここで、ｔは、時間である。図２は、以下に参照される時間の重要性を説明している。
【００１９】
Ｔ０＜ｔ＜Ｔ１。ＰＦＳ周波数特性の傾斜ｄｆＰＦＳ／ｄｔは、所定の開放型共振器のモード周波数特性の傾斜ｄｆｏｒｍ／ｄｔの最も陰性の値より陰性である。これは、交差している（ｗｈｉｃｈ  ｉｔ  ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｓ）。
Ｔ１＜ｔ＜Ｔ２。ＰＦＰＳ周波数特性の傾斜ｄｆＰＦＳ／ｄｔは、所定の開放型共振器モードの周波数特性の傾斜ｄｆｏｒｍ／ｄｔの最も陽性の値より陽性である。これは、交差している。
図２に示されるように、安定した状態が時間Ｔ１によって達成されたと想定されている。
屈折率ｎとプラズマ電子密度Ｎとは、以下の適当な公式によって相関関係を有することは良く知られている。
【００２０】
【数３】
0004422375.tif 000004
ここで、ｅは、電子の電荷の大きさである。ｍは、電子の質量である。ε０は、自由空間の誘電率である。ｆｐは、プラズマ周波数である。以下の方程式が正しい場合、
【数４】
0004422375.tif 000005
この例において、以下の式に従う。
【００２１】
【数５】
0004422375.tif 000006
上述されたように、状態の機能として屈折率が均一でない場合、ｎは、＜ｎ＞によって置き換えられる。＜ｎ＞はリフレクターの間の適当な通路に沿ったこれの平均値である。また、Ｎは、これの対応する平均値である＜Ｎ＞になる。
【００２２】
図３の説明に戻ると、図３は、全体的なプラズマ処理システムの一部としての図１のコンピュータを示す。プログラム可能な周波数源２０１の周波数は、コンピュータ１００により、プログラム可能な周波数源２０１に適合されたデジタル出力信号を変化させることによって制御され得る。（本発明の別の実施形態においては、プログラム可能な周波数源２０１は、アナログ入力を受ける。この場合、コンピュータ１００は、デジタル−アナログコンバータを有するかこれに接続されている。このコンバータは、プログラム可能な周波数源２０１にアナログ信号を与えるためのものである。）ＰＦＳ２０１は、絶縁装置２１０ａに接続されている。この絶縁装置は、プログラム可能な周波数源２０１をプラズマチャンバ３００から絶縁する。この絶縁装置２１０ａは、収納された開放型共振器３０５の絞り３１０ｂを介して、出力信号をプラズマチャンバ３００と結合する。絞り３１０ａを介して逆反射された信号は、ピーク検出器２６０に結合される。
【００２３】
一実施形態の実施中、コンピュータ１００は、プラズマチャンバ３００、プラズマジェネレータ３２０、カウンタ２５０（別の実施形態では、カウンタ２５０は、コンピュータ１００の内部に移動され、コンピュータは、ピークを直接検出するために、ピーク検出器２６０の出力を利用する。例えば、中断を利用する。）からの時間毎の入力をサンプリングする。時間Ｔ０と時間Ｔ１との間の、各時間に、開放型共振器３０５の共振周波数は励起され、開放型共振器３０５の反射マイクロ波信号のピークが検出される。このピークは、最後のリセット信号から多数のピークを数えるカウンタ２５０のカウントを増加させる。かくして、ＰＦＳ２０１の周波数が増加するのに伴って、励起されるモードの数がカウントされ、カウンタ２５０もしくはコンピュータ１００内の何れかに記憶される。図２に示されたグラフの場合、カウントは８である。時間Ｔ１の後、ＰＦＳ周波数が増加し始めるとき、ＰＦＳの周波数の増加に伴う共振数のカウントが行われる。図２に示されたグラフの場合、カウントは４である。ＰＦＳがこれの最大周波数ｆｍａｘ（例えば図２では３８．７５ＧＨｚ）に戻ったとき、検出された最後の共振に戻るように、コンピュータ１００は、ピーク検出器２６０を用いて検索処理を始める。コンピュータ１００は、ピーク検出器２６０及び適当なソフトウェアを用いてｆｆｉｎａｌに目標を固定して自動追尾する。周波数ｆｆｉｎａｌは、測定され、記憶される。
【００２４】
Ｔ０とＴ１、及びＴ１とＴ２との間に検出された共振周波数の数を測定すると、コンピュータ１００は、しま次数（例えば４．２８８）を計算する。しかしながら、対応する周波数のずれを計算するために、コンピュータ１００はまた、空洞開放型共振器のための隣接したモード間の周波数の差、即ちモードスペーシングをも必要とする。
モードスペーシングは、しま次数が得られる処理に類似した較正処理中に、先に得られる。図２に類似した図４は、空洞開放型共振器における共振周波数のために、ここで考慮されている例の場合には５００ＭＨｚの間隔が空けられており、及び水平である様式特性を、表している。時間Ｔ０において、ＰＦＳ２０１の周波数は、減少される。時間Ｔ１において、周波数は、これの安定した状態の値に戻り始める。しかしながら、この場合、コンピュータ１００は、（１）周波数が減少する際に励起されるモードの数をカウントし、（２）検出された第１のモードに目標を固定して自動追尾し、（３）固定された周波数を記憶する。周波数が増加し始めた後、コンピュータ１００は、ピーク検出器２６０及び適当なソフトウェアを用いて検出された最終の共振周波数を検索し、これに目標を固定して自動追尾する。コンピュータ１００はまた、検出される最終の共振周波数を測定し、記憶する。
【００２５】
較正処理の間に回収されたデータと動作中にサンプリングされたデータとに基づいて、コンピュータ１００は、空洞開放型共振器３０５のためのモードスペーシングと、ここで関係している周波数の各共振に関連した周波数とを計算する。
【００２６】
以下に、本装置の動作の順序をより詳しく説明する。
（１）任意の予備工程において、設備操作者は、プログラム可能な周波数源が仕様書に従って動作していることをモニターするように選択し得る。しかしながら、操作者がシステムは正確に動作していると確信している場合、この工程は省略され得る。
（２）設備操作者は、プラズマチャンバ３００がこれに基づいて動作する動作パラメータを選択する。パラメータ及び動作の順序は、データ入力装置（例えば、キーボード１２２、マウス１２４、もしくは他の制御パネル）を介して選択される。パラメータは、非限定的に、所望のプラズマ電子密度、所望の屈折率、処理持続期間、使用されるガスの、１以上を有する。
（３）必要とされる全データを入力した後、操作者は、データ入力装置によって処理を開始する。
（４）コンピュータ１００は、上述されたような、空洞の開放型共振器の計算を制御する。
（５）コンピュータ１００は、開放型共振器３０５内のプラズマのイグニションを制御する。プラズマが形成される際、コンピュータ１００は、（１）プラズマジェネレータ３２０から送られてきた入力（例えば反射パワー）と、（２）プラズマチャンバ３００から送られてきた入力（例えば、光放射）とを評価する。コンピュータ１００は、図２を参照して上述されたように、ＰＦＳ２０１の周波数を制御する。
（６）コンピュータ１００は、しま次数を計算する。
（７）コンピュータ１００は、屈折率ｎもしくは＜ｎ＞を計算する。
（８）コンピュータ１００は、プラズマ電子密度Ｎもしくは＜Ｎ＞を計算する。
（９）コンピュータ１００は、測定／計算されたプラズマ電子密度を、操作入力ポートで操作者によって予め入力された値と比較する。
（１０）コンピュータ１００は、所望のプラズマ電子密度を維持するのに必要な程度に出力を変えるために、プラズマジェネレータ３２０に制御信号を送る。
【００２７】
（１１）コンピュータ１００は、プラズマ電子密度を所望レベルで維持するために、処理の間中、工程（６）から（１０）を繰り返す。
【００２８】
上述のような使用に加えて、システムはまた、任意の時間に別の状態に戻るというような操作者の要望に応えなくてはならない。例えば、設備操作者は、電子（プラズマ）の密度が意図された目的のために最適でないことを決定し、この密度を調節することができる。以下に続く処理は、始動中に、開放型共振器のモードを検索するのに利用される技術に基づいている。操作者は、制御コンソール（局所にもしくはリモートで）を用いて、変調される所望のエンドパラメータ（end parameter）（平均屈折率、電子密度等。これらは、制御コンソールのデザインに応じる）の値を入力する。
【００２９】
上述の説明は、プラズマ始動中の単純化された周波数の応答を想定しているが、このような応答は起こり得ない。第２の技術は、プログラム可能な周波数源２０１の周波数が減少する間に一度以上、もしくは、プログラム可能な周波数源２０１の周波数が増加する間に一度以上、カウントされるモードがないことを想定している。第２の技術は、上述された第１の技術に類似しているが、異なる掃引技術を利用している。プログラム可能な周波数源２０１の周波数は、図６に示された時間Ｔ０乃至Ｔ２の間に、何度も連続的に増減される。掃引は、周期的でも非周期的でもよい。時間通りのプログラム可能な周波数源２０１の周波数に左右されるということは、周波数の特性の傾斜が、第１の技術のために前述して列挙されたものに類似した基準を満たすということである。即ち、周波数特性の傾斜ｄｆＰＦＳ／ｄｔが陰性であるとき、これは、どんな開放型共振器のモードの周波数特性の傾斜ｄｆｏｒｍ／ｄｔの陰性の値よりももっと陰性である。これは、交差している。同様に、周波数特性の傾斜ｄｆＰＦＳ／ｄｔが陽性であるとき、これは、どんな開放型共振器のモードの周波数特性の傾斜ｄｆｏｒｍ／ｄｔの陽性の値よりもっと陽性である。これは、交差している。一般に、これら傾斜の状態は、第１の技術よりも第２の技術においてより容易に満足させられ得る。なぜなら、プログラム可能な周波数源２０１の周波数が増減する間の時間的な増分は、Ｔ０とＴ２との間の僅かな時間のみであるためである。
【００３０】
この第２の技術において、モードは、第１の技術におけるのと同様に、しかし周波数の掃引の全体的な順序のためにカウントされる。安定した状態のプラズマ電子密度が果たされた後、プラズマ電子密度を単調に増加させるために、しま次数の端数部分は、予め説明されたような方法で測定される。
第３の技術は、始動中、開放型共振器において図２に示されるようなＴ０とＴ２との間の合間にモードが励起されないという、プログラム可能な周波数源２０１の周波数−時間特性を利用している。このような周波数−時間特性は、モードのずれに対応している。即ち、しま次数の整数部分は、ゼロであり、更に考慮される必要がない。しま次数の端数部分は、単調にプラズマ電子密度を増加させるために、予め説明されたような方法で測定され得る。
【００３１】
この技術の実際の利用にあたって、コンピュータ１００は、適当な周波数−時間特性を与えるようにプログラムされる必要がある。適当なプログラムが、始動中にモード励起を検査して、これらを始動後最初に励起されたものから順番に除去するようにプログラムを変更することによって、経験的に決定される。
設備が、上述したようなモードの変化を確認するために第１もしくは第２の技術を利用したものである場合、ＰＦＳ掃引は、再び始動される。そして、先行する始動直後からコンピュータに記憶された計算データと始動モードデータとが、最終のエンドパラメータの変化を計算するために、コンピュータによって使用される。例えば、このようなエンドパラメータは、プラズマ電子密度に対応する。コンピュータは、これが、変化される入力データに応答し始める直前にＰＦＳ掃引を開始する。準備時間の長さは、設備の様々の応答時間によって夫々異なる。
【００３２】
上述したような技術を用いて、システムは、通常はＰＦＳ掃引を利用して、モードの変化を検索することができる。かくして、システムは、所定の最終的なしま次数の端数部分及び整数の両方を決定する。
【００３３】
この処理の正確さは、計算に関連した周波数が測定される正確さによって限定されている。システムは、本質的に、屈折率ｎもしくは＜ｎ＞を、測定された周波数の差から計算する。これら周波数は、０・０５％より良い精度で測定することは困難である。この場合、屈折率は、結果的に約０．１０％の精度であろう。なぜなら、これは、２つの測定された周波数から計算されるからである。特別な場合の屈折率が実際は０．９３（およそ１×１０１２ｃｍ−３でプラズマ電子密度に対応）であると想定すると、測定される値は、０．９２９と０．９３１との間であると予測できる。プラズマ電子密度は、図２を例にとって、０．０６９と０．０７１との間の（１−ｎ）に比例している。かくして、プラズマ電子密度が測定される正確さは、およそ０．００１／０．０７０＝１．４％である。
【００３４】
当業者には明らかなように、プラズマなしで掃引されるモードの数が増えるほど、システムの解像力とローバスト性とが向上する。
明らかに、本発明の様々の変更と修正とが、上述した教示を考慮して可能である。かくして、本発明は、本明細書で詳しく説明されたような方法以外でも、添付請求項の範囲内で、実行されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の測定及び制御を実施するためのコンピュータシステムの概略図である。
【図２】  図２は、プラズマ形成によりモードの共振周波数が偏移する間の、プログラム可能な周波数源の周波数の掃引による、開放型共振器のモードの連続的な励起を示したグラフである。
【図３】  図３は、本発明に係わるプラズマ電子密度を測定及び制御するための回路のブロック図である。
【図４】  図４は、図２に類似しているが、比較的高い周波数に共振を偏移させるプラズマが存在しない場合の、グラフである。
【図５】  図５の（Ａ）、（Ｂ）は、プラズマ電子密度が非単調に変化するという問題を説明したグラフである。
【図６】  図６は、モードの共振周波数がプラズマの形成によってシフトされている間の、プログラム可能な周波数源の周波数の連続的かつ複数回に渡る掃引による、開放型共振器のモードの連続的な励起を示すグラフである。
【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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