(57)【要約】【課題】プラズマ中の電子密度を精度よく容易に測定すること。【解決手段】プラズマ生成室２の一方側の側壁からプラズマ生成領域を介して他方側の側壁に向かって誘電体からなる管状部材４を設け、この内部にて、アンテナ部５２を有する同軸ケーブル５１と、前記アンテナ部５２の進行方向の前方側に間隙を介して設けられた導電性部材５３とを備えたアンテナプローブ５を摺動させる。前記同軸ケーブル５１にネットワークアナライザ７を接続し、これにより高周波の軸対称モードにおける吸収周波数を求め、さらにこの吸収周波数に基づいて、プラズマ中の電子密度を演算する。前記アンテナプローブ５を用いることにより得られる吸収周波数の信頼性が高くなるので、前記電子密度を高い精度で求めることができる。またアンテナプローブ５は管状部材４の内部を摺動させればよいので、気密性を確保しながら容易に移動でき、測定が容易となる。【選択図】図１
2009087790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内部にてプラズマが生成されるプラズマ生成室内におけるプラズマの電子密度を測定する電子密度測定装置において、
前記プラズマ生成室の一方側の側壁からプラズマ生成領域を介して他方側の側壁に向かって設けられた誘電体からなる管状部材と、
この管状部材の内部に摺動可能に設けられると共に、その先端から内部導体を露出させて構成されたアンテナ部を備えた同軸ケーブルと、
前記アンテナ部の進行方向の前方側に間隙を介して設けられ、前記管状部材の内部を摺動する導電性部材と、
前記同軸ケーブルを前記管状部材内にて進退移動させる駆動機構と、
前記同軸ケーブルの後端側に接続され、周波数を掃引しながら、高周波を前記アンテナ部に入射させると共に、
この高周波に対応する反射波を前記アンテナ部を介して受信して、高周波の反射率と周波数との関係を求め、この関係から高周波の軸対称モードにおいて高周波がプラズマに共鳴的に吸収される吸収周波数を求める手段と、
前記吸収周波数に基づき、プラズマ中の電子密度を演算する電子密度演算部と、を備えたことを特徴とするプラズマ中の電子密度測定装置。
【請求項２】
前記同軸ケーブルと管状部材とは連結部材により連結され、前記管状部材の内周に沿った領域において、前記連結部材の周方向における占有割合は、管状部材の外周に沿って発生する高周波の軸対称モードを乱さない程度の大きさであることを特徴とする請求項１記載の電子密度測定装置。
【請求項３】
前記連結部材は、管状部材の軸方向に伸びる複数の線状部材であることを特徴とする請求項２記載の電子密度測定装置。
【請求項４】
前記管状部材の内部の複数の測定位置の位置情報と、前記測定位置における電子密度とにより、電子密度分布を求める電子密度分布作成部を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の電子密度測定装置。
【請求項５】
前記管状部材は、プラズマ生成室の中央部を通るように設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一に記載の電子密度測定装置。
【請求項６】
前記アンテナ部と前記導電性部材との間の間隔は２ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一に記載の電子密度測定装置。
【請求項７】
その内部にてプラズマが生成されるプラズマ生成室内におけるプラズマの電子密度を測定する電子密度測定方法において、
前記プラズマ生成室の一方側の側壁からプラズマ生成領域を介して他方側の側壁に向かって設けられた誘電体からなる管状部材の内部において、その先端から内部導体を露出させて構成されたアンテナ部を備えた同軸ケーブルと、前記アンテナ部の進行方向の前方側に間隙を介して設けられた導電性部材とを摺動させ、前記管状部材内における測定位置に進退移動させる工程と、
前記同軸ケーブルに周波数を掃引しながら、高周波を前記アンテナ部に入射させると共に、この高周波に対応する反射波を前記アンテナ部を介して受信して、高周波の反射率と周波数との関係を求め、この関係から高周波の軸対称モードにおいて高周波がプラズマに共鳴的に吸収される吸収周波数を求める工程と、
前記吸収周波数に基づき、プラズマ中の電子密度を演算する工程と、を含むことを特徴とする電子密度測定方法。
【請求項８】
前記管状部材の内部の複数の測定位置の位置情報と、前記測定位置における電子密度とに基づき、プラズマ中の電子密度分布を求める工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項７記載の電子密測定方法。
【請求項９】
プラズマ中の電子密度を測定する電子密度測定装置に用いられるコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
前記プログラムは、請求項７又は請求項８に記載された電子密度測定方法を実行するようにステップ群が組まれていることを特徴とする記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ生成室内においてプラズマ中の電子密度を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程においては、エッチング処理や成膜処理等にプラズマ技術を用いた半導体プロセスが行われており、このような処理を行うプラズマ処理装置では、処理の面内均一性を向上させるために、基板に対して電子密度が均一なプラズマを照射することが要求されている。このため装置の設計段階や立ち上げ段階において、チャンバ内部において、どのような状態でプラズマが生成しているかを把握する必要があり、プラズマの電子密度の測定の重要性が高まっている。
【０００３】
プラズマの電子密度の測定法として、プラズマ吸収プローブ（ＰＡＰ： Plasma Absorption Probe）を用いた手法が提案されている（非特許文献１参照）。この手法にて用いられるプラズマ吸収プローブ１は、例えば図８に示すように、先端が球面状に閉じられた石英管１０の内部に同軸ケーブル１１を挿入し、当該同軸ケーブル１１の先端から、この同軸ケーブル１１の内部導体１１ａのみを露出させてアンテナとして用いるように構成され、このケーブル１１の他端側は、ネットワークアナライザ１２に接続されている。そして測定の際には、このプラズマ吸収プローブ１を、測定対象となるプラズマ雰囲気内に挿入し、ネットワークアナライザ１２から前記同軸ケーブル１１のアンテナ１１ａに、数ＭＨｚから数ＧＨｚの帯域で周波数掃印しながら微小な電力を供給し、吸収周波数を求める。
【０００４】
つまり同軸ケーブル１１に電力を供給すると、前記アンテナ１１ａの周りの電磁界によってプラズマと石英管１０との界面に表面波が励起され、プラズマの電子密度で決定される周波数になったときに、プラズマ吸収プローブ１の頭部に定在波が共鳴的に立つ。このときの周波数を吸収周波数というが、この吸収周波数のときに前記プローブ１のアンテナ１１ａに供給したパワーが共鳴的にプラズマに吸収され、プラズマから反射されて前記アンテナ１１ａに戻ってくるパワーが減少するので、このときの周波数を求めることにより吸収周波数を把握することができる。
【０００５】
前記ネットワークアナライザ１２は、前記アンテナ１１ａへの入射波のパワーと、プラズマにより反射されてアンテナ１１ａに戻ってくる反射波のパワーの比（反射率）を測定して、その反射率を掃印周波数に対してスペクトル表示する機能を持っており、このスペクトルにより前記吸収周波数が求められる。一方プラズマの電子密度は吸収周波数の二乗に比例するという理論式が求められており、前記吸収周波数を測定することにより、電子密度を算出することができる。
【０００６】
このようなプラズマ吸収プローブ１を用いて実際にチャンバ内のプラズマの電子密度分布を作成する場合には、前記チャンバに前記プラズマ吸収プローブ１を挿入し、チャンバ内における同じ高さの複数の測定位置に位置させて、各測定位置において電子密度を求めることが行われる。しかしながら、前記プラズマ吸収プローブ１をチャンバ内の気密性を確保した状態で、かつ高さを揃えて複数の測定位置に位置させることは難しく、煩雑である。前記装置の開発段階や立ち上げ段階では、何回も同じ位置で電子密度を測定し、電子密度分布を作成して、互いに比較検討することが行われるが、この際、既述のように前記プラズマ吸収プローブ１の移動が難しいことから、測定位置の高い再現性を確保することは困難であり、プラズマ吸収プローブ１を位置精度が高い状態で移動させて測定を行おうとすると、かなりの時間と手間がかかるという問題がある。
【０００７】
この問題を解決するために、例えば図９に示すように、プラズマ処理を行うチャンバ１３の互いに対向する側壁の間に、例えば石英よりなる絶縁管１４を水平に架け渡し、この内部に、前記先端が内部導体よりなるアンテナ１１ａとして構成された同軸ケーブル１１を挿入し、絶縁管１４の内部にて前記同軸ケーブル１１を移動させ、各位置における電子密度を求める手法が検討されている。
【０００８】
ここで図９に示すプラズマ処理装置について簡単に説明すると、図中１３は真空チャンバであり、この真空チャンバ１３の内部には、基板を載置するための載置台１５が設けられると共に、この載置台１５に対向するようにプラズマ発生用の上部電極をなす処理ガス供給部１６が設けられている。そして処理ガス供給部１６から真空チャンバ１３内に処理ガスを供給し、図示しない真空ポンプにより真空チャンバ１３内を真空引きする一方、高周波電源１７から前記処理ガス供給部１６に高周波電力を印加することにより、基板の上方の空間に処理ガスのプラズマが形成され、これにより基板に対するプラズマ処理が行われるようになっている。図中１８は真空チャンバ１３内の気密性を確保した状態で同軸ケーブル１１を移動させるためのシール部材である。
【０００９】
この手法では、絶縁管１４内において同軸ケーブル１１を図９中Ｘ方向に進退移動させて測定を行えばよいので、測定位置の高い再現性を確保しやすく、安定した位置精度で電子密度の測定を行うことができる。しかしながらこの手法では、概ねの電子密度分布を把握することはできるものの、電子密度を精度よく算出することができないという問題がある。これは前記図８に示すプラズマ吸収プローブ１では石英管１０の先端が閉じているのに対し、図９に示す構成では、絶縁管１４が開放されていることに起因するものである。
【００１０】
つまり前記図８に示すプラズマ吸収プローブ１を用いてプラズマの電子密度を測定する手法においては、前記吸収周波数を求める理論式が導かれており、この理論式ではアンテナの周りの高周波は閉じた領域で共鳴することに基づき、吸収周波数は当該プローブ１の形状と材質の関数として与えられている。従って前記理論式中には、図８に示すプラズマ吸収プローブ１先端の距離ｄ１や、石英管の外径ａ１や内径ｂ１、プラズマの誘電率、石英管１０の誘電率や真空雰囲気の誘電率が比例定数として入ってくる。これに対し図９に示す構成では、絶縁管１４が開放されており、前記距離ｄ１が求められないため、前記理論式を用いて正確な吸収周波数を算出することはできない。
【００１１】
また前記理論式では、軸対称に伝播する高周波のモードを前提として吸収周波数の算出を行っている。この際、図８に示すプラズマ吸収プローブ１のように石英管１０の先端が閉じていると、アンテナ１１ａ近傍が狭い領域となるため、高周波は軸対称に伝播するとみなすことができるが、図９に示す構成のように、アンテナ１１ａ近傍が開放されていると、高周波は非軸対称に伝播するので、この観点からも前記理論式を用いて正確な吸収周波数を算出することはできない。
【００１２】
ところでネットワークアナライザ１２では、図９に示す構成の装置においても、吸収周波数と見られるスペクトルのピークが存在するが、これは非軸対称で伝播するモードでは、周波数の吸収領域が複数発生してしまい、これら前記複数の吸収周波数がまとまって、前記スペクトルには１つのピークとして現れているためであり、この吸収周波数は正確な吸収周波数ではない。このように図９の構成では、吸収周波数を高い精度で求めることができないため、この吸収周波数の関数として求められる電子密度を正確に算出することは困難となる。従って電子密度分布も不正確なものとなってしまうので、計測される電子密度分布にがたつきが見られる、又は算出される電子密度の物理的根拠がないという問題がある。
【００１３】
ところで特許文献１には、チャンバの互いに対向する側壁の間に、例えば絶縁体チューブを架け渡し、この内部にアンテナプローブを挿入して、電子密度を求める手法が記載されている。しかしながらこの文献１においても、絶縁体チューブの先端は開放されているので、上述の問題が発生し、本発明の課題を解決することはできない。
【００１４】
【非特許文献１】Sugai,Jpn.J.Appl.Phys.Vol.38(1999)pp.5262-5266
【特許文献１】特開２００５−２２８７２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明はこのような事情のもとになされたものであり、その目的は、プラズマの電子密度を精度良く容易に測定することができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このため本発明の電子密度測定装置は、その内部にてプラズマが生成されるプラズマ生成室内におけるプラズマの電子密度を測定する電子密度測定装置において、
前記プラズマ生成室の一方側の側壁からプラズマ生成領域を介して他方側の側壁に向かって設けられた誘電体からなる管状部材と、
この管状部材の内部に摺動可能に設けられると共に、その先端から内部導体を露出させて構成されたアンテナ部を備えた同軸ケーブルと、
前記アンテナ部の進行方向の前方側に間隙を介して設けられ、前記管状部材の内部を摺動する導電性部材と、
前記同軸ケーブルを前記管状部材内にて進退移動させる駆動機構と、
前記同軸ケーブルの後端側に接続され、周波数を掃引しながら、高周波を前記アンテナ部に入射させると共に、
この高周波に対応する反射波を前記アンテナ部を介して受信して、高周波の反射率と周波数との関係を求め、この関係から高周波の軸対称モードにおいて高周波がプラズマに共鳴的に吸収される吸収周波数を求める手段と、
前記吸収周波数に基づき、プラズマ中の電子密度を演算する電子密度演算部と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
ここで前記同軸ケーブルと管状部材とは連結部材により連結され、前記管状部材の内周に沿った領域において、前記連結部材の周方向における占有割合は、管状部材の外周に沿って発生する高周波の軸対称モードを乱さない程度の大きさであるように構成してもよい。この際前記連結部材は、管状部材の軸方向に伸びる複数の線状部材として構成することができる。
【００１８】
さらに本発明では、前記管状部材の内部の複数の測定位置の位置情報と、前記測定位置における電子密度とにより、電子密度分布を求める電子密度分布作成部を備えるようにしてもよい。また前記管状部材は、プラズマ生成室の中央部を通るように設けられていることが好ましく、前記アンテナ部と前記導電性部材との間の間隙は２ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定されることが好ましい。
【００１９】
また本発明の電子密度測定方法は、その内部にてプラズマが生成されるプラズマ生成室内におけるプラズマの電子密度を測定する電子密度測定方法において、
前記プラズマ生成室の一方側の側壁からプラズマ生成領域を介して他方側の側壁に向かって設けられた誘電体からなる管状部材の内部において、その先端から内部導体を露出させて構成されたアンテナ部を備えた同軸ケーブルと、前記アンテナ部の進行方向の前方側に間隙を介して設けられた導電性部材とを摺動させ、前記管状部材内における測定位置に進退移動させる工程と、
前記同軸ケーブルに周波数を掃引しながら、高周波を前記アンテナ部に入射させると共に、この高周波に対応する反射波を前記アンテナ部を介して受信して、高周波の反射率と周波数との関係を求め、この関係から高周波の軸対称モードにおいて高周波がプラズマに共鳴的に吸収される吸収周波数を求める工程と、
前記吸収周波数に基づき、プラズマ中の電子密度を演算する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２０】
また本発明では、前記管状部材の内部の複数の測定位置の位置情報と、前記測定位置における電子密度とに基づき、プラズマ中の電子密度分布を求める工程とをさらに含むものであってもよい。
【００２１】
さらに本発明の記憶媒体は、プラズマ中の電子密度を測定する電子密度測定装置に用いられるコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、前記プログラムは、前記電子密度測定方法を実行するようにステップ群が組まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、アンテナ部の進行方向の前方側に間隙を介して導電性部材を設けているので、電子密度の測定の際に、アンテナ部に入射された高周波が導電性部材により反射される。これによりアンテナ部の前方側では高周波の進行が導電性部材により抑えられ、アンテナ部の周りに閉じた領域を形成することができる。従ってアンテナ部の周りの高周波は前記閉じた領域で共鳴し、管状部材及び導電性部材の外周に沿って高周波が軸対称モードで伝播していくので、プラズマ吸収プローブと同様の構造とすることができる。このため吸収周波数測定部にて得られる吸収周波数の信頼性が高くなり、プラズマ中の電子密度を高い精度で求めることができる。また同軸ケーブル及び導電性部材を管状部材内にて摺動させているので、測定の際、プラズマ生成室の気密性を維持しながら、高さ位置を揃えた状態で、同軸ケーブルを容易に移動させることができる。このためプラズマ生成状態が安定した状態で、かつ測定位置の高い再現性を確保した状態で電子密度の測定を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、平面アンテナを用いてプラズマを発生させる方式の電子密度測定装置に本発明を適用した場合を例にして説明する。この装置の構成について簡単に説明すると、図中２は例えば全体が筒体状に気密に構成されると共に接地されたプラズマ生成室（真空チャンバ）であり、その内部には、基板である半導体ウエハＷ（以下「ウエハＷ」という）を載置するための載置部である載置台２１が設けられている。またプラズマ生成室２の側壁にはガス導入管２２が設けられており、このガス導入管２２の他端側にはガス供給系２３が接続されている。さらにプラズマ生成室２の底部には排気路２４を介して真空排気手段２５が接続されている。
【００２４】
前記プラズマ生成室２の天井部は開口しており、この開口部は、誘電体により構成された天板２６により気密に塞がれていて、この天板２６の上部側には、当該天板２６と密接するようにアンテナ部３が設けられている。このアンテナ部３は平面アンテナを構成するものであり、蓋体３１と、多数のスロットが形成された円板状の平面アンテナ部材（スロット板）３２と、これら平面アンテナ部材３２と蓋体３１との間に設けられた遅相板３３と、を備えており、前記平面アンテナ部材３２の下面が前記天板２６に接続されている。前記蓋体３１は接地されている。
【００２５】
このように構成されたアンテナ部３は同軸導波管３４によりマイクロ波発生装置３５に接続され、例えば周波数が２．４５ＧＨｚあるいは８．３ＧＨｚのマイクロ波が供給されるようになっている。この際、同軸導波管３４の外側の導波管３４Ａは蓋体３１に接続され、中心導体３４Ｂは遅相板３３に形成された開口部を介して平面アンテナ部材３２に接続されている。前記平面アンテナ部材３２には円偏波を発生させるための多数のスロット対３６が周方向に沿って例えば同心円状や渦巻き状に形成されている。
【００２６】
またプラズマ生成室２の一の側壁２Ａと、この側壁２Ａに対向する側壁２Ｂとの間には、例えば石英やジルコニア等の誘電体より構成された管状部材４が、前記側壁２Ａ，２Ｂ同士の間に水平に架け渡されている。この例では、例えば図２に示すように、プラズマ生成室２は平面形状が円形に形成されているので、前記管状部材４はプラズマ生成室２の中央部を通るように、プラズマ生成室２の直径に沿って伸びるように設けられている。ここで前記載置台２１のウエハＷの載置面の中央部は、プラズマ生成室２の中央部と揃うように設けられていることから、前記管状部材４は載置台２１上のウエハＷの上方側において、前記ウエハＷの直径に沿って伸びるように設けられることになる。
【００２７】
この管状部材４は、その内部が後述するアンテナプローブ５が摺動できるように空洞になっており、垂直方向の断面形状は円形であって、図３に示すようにその外径の大きさａは例えば２〜６ｍｍ程度、内径の大きさｂが例えば１ｍｍ程度に設定されている。またこの管状部材４は、一端側の端部が前記一の側壁２Ａの内壁に接続されると共に、他端側の端部が前記側壁２Ａに対向する側壁２Ｂの内壁に接続されている。
【００２８】
前記アンテナプローブ５は、例えば図３に示すように同軸ケーブル５１の先端から内部導体５１ａを露出させて構成されたアンテナ部５２と、このアンテナ部５２の先端から前方側に所定の間隙を介して設けられると共に、前記同軸ケーブル５１と一体となって前記管状部材４の内部を摺動できるように、例えば銅等により構成された例導電性部材５３とを備えている。この導電性部材５３は例えば円柱状に構成されており、前記同軸ケーブル５１と導電性部材５３とは、例えば銅より構成された連結部材５４により接続されている。
【００２９】
この連結部材５４は、前記同軸ケーブル５１と導電性部材５３との間に、アンテナ部５２から放射される高周波の伝播空間を形成するように設けられており、前記管状部材４の内周に沿った領域において、前記連結部材４の周方向におけるその占有割合は、管状部材４の外周に沿って発生する高周波の軸対称モードを乱さない程度の大きさに設定されている。
【００３０】
例えば連結部材５４は、管状部材４の軸方向に伸びる複数例えば２本の線状部材により構成され、例えば同軸ケーブルの外部導体５１ｂと、導電性部材５３の端部の周縁側とを接続するように例えば３０ｍｍ程度の大きさに構成されている。またアンテナプローブ５は管状部材４の内部を摺動するので、同軸ケーブル５１及び導電性部材５３の周囲と、管状部材４の内面との間には、ほとんど隙間が形成されていないか、例えば０．１ｍｍ程度以下の僅かな隙間が形成されている。
【００３１】
このようにアンテナ部５２の前方側に設けられる導電性部材５３を導電性材料により構成するのは、後述するように同軸ケーブル５１のアンテナ部５２からの高周波を当該導電性部材５３により反射し、当該導電性部材５３の前方側における前記高周波の進行を抑えた状態を形成するためである。なお前記連結部材５４は、アンテナ部５２からの高周波が軸対称なモードで伝播し、管状部材４を介してプラズマ生成室２内に入射することを阻害しない程度の大きさであればよく、その材質については高周波を反射する材料であっても、透過する材料であってもよい。
【００３２】
ここで管状部材４及びアンテナプローブ５の大きさについては、例えば１２インチサイズのウエハＷを処理する大きさの真空チャンバ２の電子密度を測定する場合には、管状部材４の外径ａは２ｍｍ〜６ｍｍ、内径ｂは１ｍｍ〜４ｍｍ、アンテナプローブ５の同軸ケーブル５１の外径は１ｍｍ〜４ｍｍ、アンテナ部５２の長さｃは１ｍｍ〜１０ｍｍ、アンテナ部５２と導電性部材５３との間の距離ｄは１ｍｍ〜１０ｍｍ、導電性部材５３の長さｅは２０ｍｍ〜３０ｍｍ、導電性部材５３の外径は１ｍｍ〜４ｍｍ程度に設定することが好ましい。
【００３３】
前記同軸ケーブル５１は駆動機構６により、管状部材４の内部において複数の測定位置に進退移動されるように構成されている。この駆動機構６は、例えば図１中Ｘ方向に伸びる基台６１と、その内部に設けられたボールネジ機構６２と、モータ６３とを備えており、同軸ケーブル５１の基端（後端）側が駆動部６４によりボールネジ機構６２により接続され、こうして基台６１に沿って移動するように構成されている。駆動機構６のモータ６３は後述する制御部８により駆動が制御されるようになっている。また同軸ケーブル５１は、側壁部２Ａを介して前記管状部材４に挿入されるが、側壁部２Ａの挿入部位には、真空チャンバ２内の真空度を維持するためのシール部材２７が設けられている。
【００３４】
さらに同軸ケーブル５１の基端側は、吸収周波数測定部をなすネットワークアナライザ７に接続されている。このネットワークアナライザ７は、前記同軸ケーブル５１の後端側に接続され、周波数を掃引しながら、高周波を前記アンテナ部５２に入射させると共に、この高周波に対応する反射波を前記アンテナ部５２を介して受信して、高周波の反射率と周波数との関係を求め、この関係から高周波の軸対称モードにおいて高周波がプラズマに共鳴的に吸収される吸収周波数を求める手段である。前記高周波の反射率は、アンテナ部５２に入射された入射波のパワーとプラズマにより反射されてアンテナ部５２に戻ってくる反射波のパワーより、（反射波のパワー）／（入射波のパワー）により求められ、ネットワークアナライザ７では、前記反射率の周波数特性がスペクトル表示される。このスペクトルには、複数のピークが存在するが、これらの内、最も周波数が高い位置のピークが前記高周波の軸対称モードに起因するピークであり、このピークに相当する周波数を吸収周波数として求める。こうしてネットワークアナライザ７より求められた吸収周波数は後述する制御部８に出力されるようになっている。
【００３５】
また前記電子密度測定装置２は制御部８により制御されるように構成されている。この制御部８は例えばコンピュータからなり、ＣＰＵ、プログラム、メモリを備えている。前記プログラムには制御部８から電子密度測定装置の各部に制御信号を送り、所定の測定工程を進行させるように命令（各ステップ）が組み込まれている。このプログラムは、コンピュータ記憶媒体例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）等の記憶部に格納されて制御部にインストールされる。
【００３６】
ここで前記プログラムに組み込まれる電子密度測定に関する部位について説明すると、前記ネットワークアナライザ７により求められた吸収周波数に基づき、電子密度を演算する電子密度演算部８１、測定位置とこの測定位置に対応する電子密度とを対応付けてテーブルとして格納するデータ取得部８２、前記データ取得部８２に格納されている測定位置と電子密度とに基づいて電子密度分布を作成する電子密度分布作成部８３とを備えている。
【００３７】
前記電子密度演算部８１では、例えば次式により吸収周波数に基づいて電子密度（Ｎｅ）を算出する。
【００３８】
Ｎｅ［ｍ−３］＝Ａ×（ｆａｂｓ［ＧＨｚ］）２
ここでＡはアンテナプローブ５の形状や材質によって決定される比例定数であり、ｆａｂｓは高周波が軸対称なモードで伝播するときの吸収周波数をＧＨｚ単位で表した数値である。
【００３９】
またアンテナプローブ５の測定位置は、例えば駆動機構６のモータ６３の回転数により把握されるようになっており、前記モータ６３に制御部８から指令を出力することにより予め設定された複数の測定位置（Ｐ１〜Ｐｎ）にアンテナ部５２の先端が位置するようにアンテナプローブ５が順次移動し、吸収周波数の測定が行われるようになっている。ここで前記測定位置とは、プラズマ生成室２の直径に沿って所定間隔毎に設けられた位置である。既述のようにプラズマ生成室２の直径方向はウエハＷの直径方向と揃えられており、例えば前記測定位置は、ウエハＷの外縁よりも外側の領域を含むように設定される。さらに電子密度分布作成部８３では、縦軸が電子密度、横軸が前記ウエハＷの直径方向に選択された測定位置として、電子密度と測定位置との関係をグラフ化することが行われる。
【００４０】
続いて本発明の電子密度測定方法について図４及び図５を用いて説明する。先ずプラズマ生成室２の内部を所定の圧力まで真空引きし、処理ガス例えばアルゴンガスをガス供給路２１を介して所定の流量で供給して、プラズマ生成室２内を所定のプロセス圧力に維持する。一方マイクロ波発生装置３５から２．４５ＧＨｚの高周波（マイクロ波）を供給すると、このマイクロ波は、ＴＭモード或いはＴＥモード或いはＴＥＭモードで同軸導波管３４内を伝搬してアンテナ部３の平面アンテナ部材３２に到達し、同軸導波管の内部導体３４Ｂを介して、平面アンテナ部材３２の中心部から周縁領域に向けて放射状に伝搬される間に、スロット対３６からマイクロ波が天板２６を介して下方側のプラズマ生成室２に向けて放出される。そしてこのマイクロ波のエネルギーにより、プラズマ生成室２内に高密度なプラズマが励起される。このときアンテナプローブ５は、そのアンテナ部５２の先端をアンテナプローブ５が挿入される側壁部２Ａから最も近い測定位置Ｐ１に位置させておく（ステップＳ１）。
【００４１】
そしてプラズマが安定した後、アンテナプローブ５にネットワークアナライザ７から電力を供給し、ネットワークアナライザ７により、当該測定位置Ｐ１における吸収周波数を求める。つまりネットワークアナライザ７では、既述のようにアンテナプローブ５に、周波数掃印しながら例えば１０ｍＷ程度の微小な電力を供給する。このようにするとアンテナ部５２に高周波（入射波）が入射され、この高周波は誘電体により構成された管状部材４を介してプラズマに向けて入射される。そしてプラズマにより反射された反射波は管状部材４を介してアンテナ部５２に至り、ネットワークアナライザ７によりそのパワーが測定される。こうしてネットワークアナライザ７では、前記反射率の周波数特性がスペクトルとして表示され、高周波が軸対称に伝播するモードにおける周波数を吸収周波数として求める（ステップＳ２）。
【００４２】
次いで制御部８では電子密度演算部８１において、求められた吸収周波数に基づき、上述の理論式から電子密度を演算し（ステップＳ３）、こうして演算された電子密度を、測定位置と対応付けてデータ取得部８２に格納する。次いでアンテナプローブ５を次の測定位置Ｐ２に移動させて（図５参照）、吸収周波数の測定→電子密度の演算を行い、全ての測定位置における電子密度を求めた後、電子密度分布作成部８３により、電子密度分布を作成する（ステップＳ４）。
【００４３】
このような手法では、精度の高い電子密度の測定を容易に行うことができる。高い精度で電子密度の測定を行うことができるのは、後述の実施例より明らかなように吸収周波数を正確に求めることができるからである。この理由について説明すると、本発明のアンテナプローブ５では、アンテナ部５２の移動方向の前方側に導電性部材５３を設けており、測定時におけるアンテナ部５と導電性部材５３との間隙を一定にしているので、図８に示すプラズマ吸収プローブ１と物理的に同じ構造と考えることができる。
【００４４】
つまりプラズマ吸収プローブ１とアンテナプローブ５とを図６において比較すると、アンテナプローブ５ではアンテナ部５２の前方側には間隙を介して導電性部材５３が設けられており、アンテナ部５２からの高周波は導電性部材５３により反射され、導電性部材５の前方側までは進行しないので、前記高周波から見ると、プラズマ吸収プローブ１と同様に先端が閉じられた状態となり、当該プローブ１の場合と同様に、プローブ先端の距離ｄが求められる。
【００４５】
ここでプラズマ吸収プローブ１にて観測される吸収周波数は、プローブ１の頭部に表面波の定在波が共鳴的に励起される周波数に対応しており、プローブ１頭部の距離をｄ１とすると、λ＝２ｄ１の条件を満たすときに共鳴が起こる。また前記表面波の定在波は、アンテナ１１ａから高周波が放射されたときに、石英管１の外表面と外のプラズマ雰囲気との界面に立つ。
【００４６】
一方アンテナプローブ５ではアンテナ部５２の前方側に間隙を介して導電性部材５３を設けることにより、アンテナ部の周りに閉じた領域が形成され、ここで高周波が共鳴するので、プローブ１頭部の距離ｄ１に相当する距離ｄが求められ、アンテナ部５２から高周波が放射されると、管状部材４及び導電性部材５３の外表面と外のプラズマ雰囲気との界面に表面波の定在波が立つことから、プラズマ吸収プローブ１と同様の構造と考えることができる。
【００４７】
またアンテナプローブ５のアンテナ部５２の周囲は、前記距離ｄが１０ｍｍ程度の狭い領域であるので、軸対称のモードの高周波が伝播し、後述の実施例からも明らかなように、ネットワークアナライザ７により得られる反射率のスペクトルから、軸対称のモードにおける吸収周波数を求めることができる。この吸収周波数は、プラズマ吸収プローブ１において理論式により求められる吸収周波数と合致する信頼性の高いものであるので、この吸収周波数に基づいて算出される電子密度も高い精度のデータとなる。
【００４８】
ここで後述の実施例により明らかなように、前記アンテナプローブ５頭部の距離ｄの長さを変えることで、反射率のスペクトルにおけるピークの位置やピークの大きさが変化する。これにより前記距離ｄの長さを調節することによって、軸対称モードに起因するピークの大きさが適切なスペルトルを得ることができ、吸収周波数のＳ／Ｎ比を改善して、より信頼性の高い吸収周波数を求めることができる。但し前記アンテナ部５２と導電性部材５３との間の距離ｄは、あまり長いとアンテナ部５２からの高周波の軸対称のモードで伝播せず、また短すぎると受信する信号が小さくなるため、２ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定することが好ましい。
【００４９】
また測定の際には、アンテナプローブ５を管状部材４の内部において摺動させて、予め決定された測定位置に位置させているので、プラズマ生成室２の気密性を維持した状態でアンテナプローブ５を移動させることができ、安定したプラズマ生成状態を確保したまま電子密度の測定を行うことができる。また例えば管状部材４をプラズマ生成室２において水平に設けることにより、アンテナプローブ５を管状部材４の内部において摺動させるだけで、アンテナプローブ５を高さを揃えた状態で移動できる。従って測定位置の良好な再現性が確保しやすく、これにより安定した位置精度で電子密度の測定を行うことができ、信頼性の高い電子密度分布の作成が容易となる。さらに精度の高い電子密度分布が作成できることから、これに基づいて装置の設計や立ち上げを行うにあたり、プラズマ状態の解析や装置の調整が容易となる。
【００５０】
ここで前記管状部材４は、プラズマ生成室４の中央部を通るように設けられているので、この手法により得られる電子密度分布はプラズマ生成室４の直径方向の電子密度分布となるが、プラズマ生成室２内において、どの径方向においてもほぼ同じ電子密度分布を有すると考えられるので、前記一径方向の電子密度分布を求めることにより、プラズマ生成室４のどの径方向の電子密度分布にも当てはめることができる。
【００５１】
また上述の例では同軸ケーブル５１と導電性部材５３とを連結部材５４において連結しているので、移動の際に、同軸ケーブル５１と導電性部材５３との間の間隙が変化することなく、常にアンテナプローブ５の頭部の距離ｄが一定した状態で測定を行うことができ、この点からも精度の高い電子密度の測定を容易に行うことができる。
【実施例】
【００５２】
（実験例）
以下に本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。以下の実験においては、図１に示す電子密度測定装置を用い、アンテナプローブ５の頭部の距離ｄを変えて、ネットワークアナライザ７により、前記反射率の周波数特性を求めた。
【００５３】
ここでアンテナプローブ５の形状は、管状部材４の外径ａは３ｍｍ、内径ｂは２ｍｍ、アンテナプローブ５の同軸ケーブルの外径は０．９ｍｍ、アンテナ部５２の長さｃは３ｍｍ、導電性部材５３の長さｅは３０ｍｍ、導電性部材５３の外径は０．９ｍｍ、連結部材５４の幅を０．１ｍｍ、アンテナ部５２の頭部の距離ｄを３ｍｍとして、管状部材４を石英、導電性部材５３を銅、連結部材５４を銅より構成したものを用いた（実施例１）。またアンテナ部５２の頭部の距離ｄを６ｍｍとし、その他は実施例１と同様のアンテナプローブ５を用いた場合（実施例２）、導電性部材５３を用いず、その他は実施例１と同様のアンテナプローブを用いた場合（比較例１）についても同様の実験を行った。
【００５４】
この結果を図７に、実施例１については実線、実施例２については一点鎖線、比較例１については点線により夫々示す。図７中、縦軸は反射率、横軸は掃印周波数である。この結果、実施例１及び実施例２については、軸対称のモードに起因する吸収周波数のピークが認められ、この吸収周波数はプラズマ吸収プローブ１を用いた理論式により求められる吸収周波数と合致することが確認された。これにより本発明のアンテナプローブ５を用いて得られる吸収周波数は信頼性が高いことが理解される。なお実施例１については第１ピーク及び第２のピーク、実施例２については第１〜第３の３個のピークが認められたが、これらの内の最も周波数が高い位置にあるピークが高周波の軸対称の伝播モードに起因するものであり、夫々第１のピークが前記軸対称の伝播モードに起因するピークである。
【００５５】
また前記距離ｄを変えることにより、軸対称モードにおける吸収周波数や、そのピークの大きさが異なることが認められ、前記距離ｄを調節することにより、スペクトルのピーク位置や大きさを調整でき、吸収周波数のＳ／Ｎ比を改善できることが理解される。
【００５６】
さらに距離ｄの小さい実施例１では、実施例２に比べて吸収周波数のピークが大きく、距離ｄが非常に長い比較例１では軸対称のモードに起因するピークが見られないことから、距離ｄが長くなるとアンテナ部５２から放射される高周波は軸対称のモードでは伝播しにくくなり、導電性部材５３を設けない場合には、高周波は軸対称のモードでは伝播できないことが認められる。
【００５７】
以上において本発明では、測定位置において同軸ケーブル５１と導電性部材５３との間の間隙が一定であればよいので、同軸ケーブル５１と導電性部材５３とを連結部材５４にて連結せずに、互いに独立して管状部材４の内部を移動させるようにしてもよい。また管状部材４の両端側は、必ずしもプラズマ生成室２の側壁部に接続され、これにより閉じられている必要はないし、管状部材４の先端側（同軸ケーブル５の挿入部と対向する側）は前記側壁部の手前で閉じられていてもよい。さらに本発明の電子密度測定装置は、例えば平行平板方式にてプラズマを発生させる等の他の方式にてプラズマ生成される装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電子密度測定装置を示す断面図である。
【図２】前記電子密度測定装置の一部を示す平面図である。
【図３】前記電子密度測定装置に設けられるアンテナプローブを示す断面図と斜視図である。
【図４】前記電子密度測定方法を示す工程図である。
【図５】前記電子密度測定装置において行われる電子密度測定方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明のアンテナプローブとプラズマ吸収プローブとを比較するための断面図である。
【図７】前記電子密度測定装置の効果を確認するために行った実験例における反射率の周波数特性を示す特性図である。
【図８】プラズマ吸収プローブを示す断面図である。
【図９】従来の電子密度測定装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
２                プラズマ生成室
４                管状部材
５                アンテナプローブ
５１              同軸ケーブル
５２              アンテナ部
５３              導電性部材
５４              連結部材
６                駆動機構
７                ネットワークアナライザ
８                制御部
８１              電子密度演算部
８２              データ取得部
８３              電子密度分布作成部
【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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【手続補正書】
【提出日】平成19年10月16日(2007.10.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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