等离子体监测方法和等离子体监测装置的制作方法

专利名称：等离子体监测方法和等离子体监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种监测等离子体处理装置等中的容器内的等离子体 的技术，尤其是涉及测定等离子体中的电子密度或来自等离子体的发 光的等离子体监测方法和装置。
背景技术：
在半导体器件或FPD (Flat Panel Display)的制造加工中的蚀刻、 堆积、氧化、溅射等处理中，为了在较低温度下使处理气体进行良好 的反应，多利用等离子体。通常，在等离子体处理装置中，为了得到 高的成品率，必需在基板的被处理面中均匀实施等离子体处理，为此， 必需生成等离子体，使等离子体密度、即电子密度以均匀状态分布在 处理空间中。因此，在等离子体处理装置的设计阶段或开始阶段，为 了把握容器内的处理空间中以何种电子密度的分布来生成等离子体， 必需能正确测定等离子体中的电子密度的技术。
近年来，作为这种监测技术，等离子体吸收探针(PAP: Plasma
Absorption Probe)法引人注意。该监测法通过用绝缘管覆盖天线探针， 不会如兰米尔探针法那样扰乱等离子体电位，并对容器内造成金属污 染，所以即使是反应性气体的等离子体也可测量。另外，因为是千兆 赫频域的测量，所以即使在绝缘管表面附加感应性堆积膜，也难以受 到影响，即使是堆积性气体的等离子体也可测量。
现有的等离子体吸收探针法(例如参照专利文献1、 2、 3)如图 50所示，在容器200的侧壁中设置的贯穿孔200a中可滑动地装配前端 关闭的绝缘管202，将具有使前端部的芯线露出数mm的探针部204a 的同轴电缆204插入绝缘管202中，并将同轴电缆204的另一端连接 于标量(scaler)式网络分析机206上。在容器200内，配置例如连接于高频电源(未图示)上的平行平板型上部电极208和下部电极210， 作为等离子体发生机构，在减压下通过向两电极208、 210间的间隙空 间提供处理气体，生成该处理气体的等离子体pz。在图示的实例中， 在下部电极210上装载被处理基板W。在容器侧壁中设置的绝缘管装 配用的贯穿孔200a中装配支撑绝缘管202并进行真空密封的O型圈 212。
标量网络分析机206边在例如数百MHz至数GHz的频域中进行 频率扫描，边向同轴电缆204的探针部204a发送微小电力的电磁波信 号(入射波)，并向容器内的等离子体pz放射，根据从等离子体pz反 射的电磁波(反射波)的功率量与入射波的电力量之比，求出标量显 示的反射系数，取得其频率特性。具体而言，使探针部204a的位置与 期望的测定位置一致，首先在断开等离子体生成用的高频电源的同时， 停止提供处理气体，在容器200内不存在等离子体pz的状态下，通过 网络分析机206取得反射系数的频率特性r(f) (S11参数)，并将该测 定数据存储在存储器中。接着，在接通高频电源的同时，提供处理气 体，在容器200内生成等离子体pz的状态下，通过网络分析机206取
得反射系数r(pf)的频率特性。另夕卜，在两反射系数比r(pf)/r(f)的频率 特性中，设波形变为极小(最小峰值)处的频率为等离子体吸收频率。
并且，将该等离子体吸收频率视为与等离子体中的电子振动数4(=1/2兀 *^(e2 * Ne/me* so)相等，由下式(l)算出电子密度Ne。 Ne= me * s0 * ( l+sr) * (2兀fp/e ) 2
=0.012* ( l+sr)*fp2 [Hi-3] ……(1)
这里，me为电子密度，So为真空介电常数，Sr为绝缘管的比介电
常数，e为净电荷。
当调查等离子体pz中的电子密度的空间分布时，边向轴向(长方 向)推或拉绝缘管202边使探针部204a依次移动到多个测定位置，如 上所述，在每个测定位置切换等离子体生成的接通/断开，每次都由标 量网络分析机206取得反射系数的频率特性r(f)、 r(pf)，并运算等离 子体吸收频率乃至电子密度。通常，在容器200的径向上使探针部2(Ma 的位置、即测定位置按期望的间距步进移动，将在各测定位置处求出 的电子密度的测定值绘制在曲线上。
10另外，目前，在等离子体处理的装置开发、加工开发或实加工中， 使用了测量加工容器内的等离子体发光的监测技术。现有的等离子体 发光测量法通过装配在加工容器侧壁上的窗来测量容器内的等离子体 发光。典型的是，使从窗射向外的等离子体光通过分光器或滤光器， 取得特定波长的频谱，测量取出的频谱的强度或变化等(例如参照专 利文献4)。
专利文献1:特开2000-100598号公报 专利文献2:特开2000-100599号公报 专利文献3:特开2001-196199号公报 专利文献4:特开平10-270417号公报
但是，在上述等离子体吸收探针法中，存在以下问题由于反射
系数的频率特性中的波形的轮廓，较大地影响着等离子体吸收频率的
测定值，因此电子密度的测定值容易产生偏差。即，就反射系数的频
率特性而言，当由前端尖的角状波形表示吸收峰值(最小峰值)时，
可正确测定峰值点的频率、即等离子体吸收频率，但当用前端圆的宽
波形表示吸收峰值(最小峰值)时，峰值点不明确，测定值易产生误
差。这种宽的吸收峰值波形典型地在测定点的等离子体密度(电子密
度)低时表示。另外，在高压力条件下，不能忽视等离子体中的气体
分子冲击造成的信号电力吸收，噪音(noise)增大，由此难以发现电
子振动引起的真正的电力吸收，S/N降低。
另外，在上述现有等离子体吸收探针法中，因为每次改变测定位
置都重复等离子体生成的接通/断开，所以每个测定位置需要数分钟的
测定时间。并且，因为是在改变测定位置中使绝缘管202滑动的方式，
所以在移动到下一测定位置之前的探针部202a移动乃至定位需要相当
的时间。因此，即使在选择IO处左右的测定点的情况下，全部测定时
间也在数IO分钟以上。若縮短测定点的步距或间隔来详细评价等离子
体电子密度的空间分布，则必需多个(例如100个以上)的测定点，
所以全部测定时间超过数小时。并且，在详细评价等离子体电子密度
对等离子体加工的输入参数(RF电力、压力、气体种类、电极间距离、
电极结构、容器结构、材质等)的依赖性或相关性的情况下，会花费
相当长的测定时间。该问题在具有大口径容器的300mm直径晶片或FPD用处理装置中特别深刻。
另外，根据上述现有等离子体发光测量法，通过容器侧壁的窗， 仅能将容器内的等离子体发光作为平均值测量，不能作为容器内的空 间分布测量。因此，就不能够调查被处理基板中的处理结果的面内分 布与等离子体发光的空间分布的相关性。

发明内容
本发明鉴于是这种现有技术的问题而提出的，其目的在于提供一 种等离子体监测方法、等离子体监测装置和等离子体处理装置，在任 意等离子体条件下，尤其是在低电子密度条件或高压力条件下，都能 高精度测定等离子体中的电子密度。
本发明的另一目的在于提供一种等离子体监测方法和等离子体监 测装置，可有效地在短时间内测定等离子体中的电子密度。
本发明的再一目的在于提供一种等离子体监测方法和等离子体监 测装置，，保证测定位置的再现性，使探针的结构的稳定性和耐久性提
高，使对等离子体的影响稳定，改善S/N特性，可对等离子体中的电 子密度进行稳定且高精度的测定。
本发明的又一目的在于提供一种等离子体监测方法和等离子体监 测装置，有效防止RF噪音向大气中或测定器的泄漏，确保人体或测定 设备的安全性。
本发明的又一目的在于提供一种可靠性很高的等离子体监测方法 和等离子体监测装置，可不扰乱等离子体地测量等离子体发光，作为 容器内的空间分布。
本发明的又一目的在于提供一种等离子体监测方法和等离子体监 测装置，即使在实加工中也可测量等离子体发光，作为容器内的空间 分布。
本发明的又一目的在于提供一种等离子体处理装置，可对基板的 被处理面保证等离子体密度的均匀性以及等离子体处理的均匀性。
为了实现上述目的，根据本发明第一方面的等离子体监测方法具 有如下工序在存在于规定空间内的等离子体中或其附近设定的期望 监测位置处配置天线探针的工序；由上述天线探针放射变频的电磁波，使之入射到上述等离子体中的工序；接收从上述等离子体反射到上述 天线探针的电磁波的工序；根据上述入射波与上述反射波来测定复数 表示的反射系数，并取得该复数反射系数的虚部的工序；扫描上述电 磁波的频率，测定上述复数反射系数的虚部的值变为零的谐振频率的 工序；和根据上述谐振频率的测定值，算出上述等离子体中的电子密 度的工序。
另外，根据本发明第一方面的等离子体监测装置，具有天线探 针，配置在可生成或导入等离子体的容器壁或室内；矢量式反射系数 测定部，边扫描频率，边向上述天线探针发送各频率的电磁波，并使 之向上述等离子体放射，接收从上述等离子体经上述天线探针反射来 的反射波，测定复数表示的反射系数；谐振频率测定部，求出由上述 反射系数测定部取得的上述复数反射系数的虚部的值变为零的谐振频 率的测定值；和电子密度运算部，根据上述谐振频率的测定值，算出 上述等离子体中的电子密度。
在本发明中，使用矢量式反射系数测定部，测定复数表示的反射 系数，取得复数反射系数的虚部。另外，谐振频率测定部测定复数反 射系数的虚部变为零的谐振频率，根据谐振频率的测定值，电子密度 运算部算出等离子体中的电子密度。就本发明而言，通过复数反射系 数的虚部来监测对于电磁波的等离子体电抗的信号传输特性，将复数 反射系数的虚部变为零时的频率视为等离子体电抗变为串联谐振状态 后朗道阻尼产生的谐振频率，根据该谐振频率的测定值来求出电子密 度的测定值。
根据一优选实施方式，通过反射系数测定部扫描电磁波的频率， 对复数反射系数的虚部取得频率特性，根据该频率特性，谐振频率测 定部算出复数反射系数的虚部的符号从负(-)变成正(+ )的点、或 者从正(+ )变化为负(-)的点的频率，作为谐振频率。
另外，根据一优选实施方式，在上述被监测容器内不存在等离子 体的状态下，扫描电磁波的频率，对复数反射系数的虚部取得第一频 率特性，在上述被监测容器内存在等离子体的状态下，扫描电磁波的 频率，对复数反射系数的虚部取得第二频率特性，根据第一频率特性 和第二频率特性求出正规的频率特性。根据该方式，与测定点的数量
13无关，等离子体ON/OFF的切换时间一次就够，可大幅度縮短整体的 测定时间。
本发明的等离子体处理装置具有容纳被处理体的容器；向上述 容器内提供规定气体的气体提供部；等离子体发生部，在上述容器内 使上述气体放电，生成对上述被处理体实施期望处理的等离子体；用 于使上述容器内减压以维持在期望压力的排气部；和本发明的等离子 体监测装置。
在这种结构中，通过使用本发明的等离子体监测装置，可正确监 测容器内的等离子体密度的状态以及等离子体加工的状况，使等离子 体处理的品质提高。
在本发明的等离子体处理装置中，根据一优选实施方式，设置监 测部，根据等离子体电子密度测定装置取得的电子密度的测定值，监 测容器内的等离子体处理的状态。更优选具备加工控制部，控制操纵 等离子体处理的加工参数中的至少一个，以将电子密度的测定值维持 在规定的范围内。
另外，作为一优选实施方式，具备老化(seasoning)控制部，对 容器的清洗或部件交换后的加工条件，根据等离子体监测装置得到的 电子密度的测定值随时间变化的特性来完成老化。根据一优选实施方 式，老化控制部对于改换并搬入容器内的接受等离子体处理的各伪基 板，求出在等离子体处理期间中随时间变化的电子密度的测定值的代 表点，当在前后的伪基板之间代表点稳定在实质的恒定值时，完成老 化，将搬入容器中的基板从伪基板切换成正规的被处理基板。
另外，作为一优选实施方式，可采用将等离子体电子密度测定装 置的天线探针装配在容器壁上的结构、装配在用于生成等离子体的电 极上的结构、或装配在载放被处理体的载放台上的结构。
另外，作为一优选实施方式，最好具备选择器开关，从配置在不 同部位的多个天线探针中任选一个，将其电连接于上述反射系数测定 部上。通过由该选择器开关将多个天线探针以分时方式依次电连接于 反射系数测定部上，可用一台测量器高效实现多个监测位置的同时测 定。
根据本发明第二方面的等离子体监测方法，具有如下工序在存在于规定空间内的等离子体中或其附近设定的期望监测位置处配置天 线探针的工序；由上述天线探针放射变频的电磁波，使之入射到上述 等离子体中的工序；接收从上述等离子体反射到上述天线探针的电磁 波的工序；测定上述入射波与上述反射波的相位差的工序；扫描上述 电磁波的频率，测定上述相位差变为零的谐振频率的工序；和根据上 述谐振频率的测定值，算出上述等离子体中的电子密度的工序。
根据本发明第二方面的等离子体监测装置具有天线探针，配置 在可生成或导入等离子体的容器壁或室内；相位差测定部，边扫描频 率，边向上述天线探针发送各频率的电磁波，并使之向上述等离子体 放射，接收从上述等离子体经上述天线探针反射来的反射波，测定入 射波与反射波的相位差；谐振频率测定部，求出由上述相位差测定部 取得的上述相位差取零值的谐振频率的测定值；和电子密度运算部， 根据上述谐振频率的测定值，算出上述等离子体中的电子密度。
在根据上述第二方面的等离子体监测方法或装置中，相位差测定 部测定的入射波与反射波的相位差的符号对应于复数反射系数的虚部 的符号，相位差变为零的频率为复数反射系数的虚部变为零的频率、 即谐振频率。因此，也可从根据相位差算出的谐振频率求出高精度的 电子密度的测定值。
根据本发明第三方面的等离子体监测方法，具有如下工序在可 生成或导入等离子体的容器室内插入并装配绝缘管的工序；将具有使 前端部的芯线露出的探针部的同轴电缆插入上述绝缘管的管内的工 序；在上述容器内不存在等离子体的状态下，对从上述绝缘管内的上 述探针部放出的电磁波的反射系数取得第一频率特性的工序；在上述 容器内存在等离子体的状态下，对从上述绝缘管内的上述探针部放出 的电磁波的反射系数取得第二频率特性的工序；和根据上述第一频率 特性和上述第二频率特性，求出等离子体吸收频率的测定值的工序。
根据本发明第三方面的等离子体监测装置具有绝缘管，插入并
装配在可生成或导入等离子体的容器室内；同轴电缆，具有使前端部 的芯线露出的探针部，从上述绝缘管的一端插入管内；致动器，使上 述同轴电缆相对上述绝缘管沿轴向移动；标量式反射系数测定部，边 扫描频率，边以一定功率向上述同轴电缆的探针部发送各频率的电磁波信号，并放出到周围的空间中，根据经上述探针部反射来的信号电 平来测定每个频率的反射系数，并求出反射系数的频率特性；和测定 运算部件，对由上述探针部的位置提供的期望的测定位置，根据在上 述容器内不存在等离子体的状态下由上述反射系数测定部得到的第一 频率特性、和在上述容器内存在等离子体的状态下由上述反射系数测 定部得到的第二频率特性，求出等离子体吸收频率的测定值。
在根据上述第三方面的等离子体监测方法或装置中，通过分别统 一进行容器内不存在等离子体的状态(OFF状态)下的反射系数的测 定与容器内存在或生成等离子体的状态(ON状态)下的反射系数的测
定，与测定点的数量无关，等离子体ON/OFF的切换时间一次就够，
可縮短整体的测定时间。
根据上述第三方面的一优选实施方式，在容器内不存在等离子体 的状态下，使同轴电缆沿轴向相对绝缘管移动，在多个测定位置上分 别取得第一频率特性，在容器内存在等离子体的状态下，使同轴电缆 沿轴向相对绝缘管移动，在这些多个测定位置上分别取得第二频率特 性，对于这些多个测定位置，根据第一频率特性与上述第二频率特性 来求出等离子体吸收频率的测定值。此时，优选使探针部依次定位在 多个测定位置上，在每个测定位置处对从探针部放出的电磁波的反射
系数取得第一或第二频率特性。在本实施方式中，在等离子体OFF状 态或等离子体ON状态下，在短的间歇时间内依次使探针部定位在各 测定位置上，在短时间中可对全部测定位置取得反射系数的测定数据。 优选，使用致动器，使同轴电缆向从绝缘管拔出的方向移动，使探针 部依次定位在这些多个测定位置上。
根据本发明一优选实施方式，在容器侧壁中设置的第一支撑部与 第二支撑部之间架设容纳带探针部的同轴电缆的绝缘管。此时，优选 第一和第二支撑部至少一个由贯穿孔形成。另外，由O型圈将绝缘管
气密地固定装配在贯穿孔中。
根据这种架桥型绝缘管装配结构，因为绝缘管由容器壁面的两个 部位(第一和第二支撑部)支撑，所以不会因为探针定位的操作而摇 晃或因自身重量而弯曲。从而，可使探针部迅速且正确地定位在期望 的测定位置，同时，可位于一定的线上，可保证测定位置的再现性。另外，在探针定位时，可以使同轴电缆相对固定在容器中的绝缘管沿 轴向移动，因为绝缘管不与支撑部磨擦，所以支撑部不会损伤恶化。 因此，探针机构的稳定性提高，消耗品成本也改善。并且，因为探针 机构对等离子体的影响(扰乱)与测定位置无关而为恒定的，所以测 定精度的可靠性也高。另外，从同轴电缆的探针部看到的绝缘管在哪 个测定位置上都是恒定或一样的同轴管结构，从探针部振荡的电磁波 与等离子体的耦合是恒定的，所以不容易产生噪音，可保证精度和再 现性高的测量。当然，也可是实质仅由一个部位的支撑部将绝缘管装 配在容器内的单支撑梁式的绝缘管装配结构。
在本发明中，优选经容器将同轴电缆的外部导体电连接于地电位。 装置上设置将一端部连接于容器的地电位部分、将另一端部与同轴电 缆的外部导体连接的接地用导体。根据这种方法或结构，有效防止RF 噪音向大气或测定器的泄漏，确保人体或测量设备的安全性，同时可 避免气体检测机等外围电子设备的误操作。
另外，优选在比从容器的地电位部分延伸的接地用导体与同轴电 缆的外部导体接触的位置更靠近探针部侧的位置上，通过电磁感应将 噪音信号(典型地是在外部导体中传播的驻波引起的噪音信号)吸收
到电磁波吸收体中。电磁波吸收体的优选实施方式是沿轴向安装在同 轴电缆上的一个或多个珠状铁氧体部件。根据这种方法或结构，例如 即使在同轴电缆的外部导体(接地部)中产生驻波噪音等噪音，也可 通过电磁波吸收体来有效吸收并去除噪音。
另外，优选经形成于绝缘管另一端的开口在绝缘管中流过冷却用 气体。装置中，将绝缘管的另一端开口，在该开口上连接用于流过冷 却用气体的冷却机构。根据这种方法或结构，因为可有效冷却绝缘管 内的同轴电缆，所以可防止探针部周围的热膨胀或热损伤，使耐久性 提咼。
根据本发明第四方面的等离子体监测方法，具有如下工序将透
明的绝缘管插入并装配在可生成或导入等离子体的容器室内的工序；
将前端具有感光面的棒状光传输探针插入上述绝缘管的管内的工序； 和通过上述绝缘管使从上述容器内的等离子体发出的光入射到上述探 针的感光面，根据从上述探针另一端面放射的光，测量来自上述等离子体的发光的工序。
另外，根据本发明第四方面的等离子体监测装置，具有透明绝 缘管，插入并装配在可生成或导入等离子体的容器室内；棒状光传输 探针，前端具有感光面、从上述绝缘管的一端插入管内；和测量部， 根据从上述探针另一端面放射的光，测量来自上述等离子体的发光。
在本发明的等离子体发光监测法中，在容器内插入绝缘管，在该 绝缘管中使棒状光传输探针沿轴向移动，在轴向的任意测定位置，由 探针前端的感光面来采集来自等离子体的发光，将采集到的等离子体 光传送到测量部，测量部对各测定位置的等离子体发光求出规定的特 性或属性(例如规定波长或频谱强度)的测定值。这里，即使绝缘管 和探针为非金属，插入容器内的等离子体区域中，也不会扰乱等离子 体，可对等离子体发光进行可靠性和测定精度高的空间分布测量。
作为本发明的一优选实施方式，优选使探针在绝缘管中沿轴向(优 选是容器直径方向)移动，测量等离子体光，作为轴向上的空间分布。 此时，可以使探针的轴向与容器的径向一致。或者，使探针与绝缘管 一体沿高度方向移动，测量等离子体光，作为高度方向上的空间分布。
在本发明中，探针可以由石英或蓝宝石构成，但为了抑制来自侧 面的散射光，优选是具有由石英或蓝宝石构成的芯体、和包围该芯体 周围的包层的二重结构，优选是具有遮光性的被膜的结构。另外，优 选探针是具有收束成一体的多条光纤、和包围这些光纤的周围的例如 由聚酰亚胺构成的耐热性非金属部件的结构。
另外，为了提高探针的采光功能、尤其是指向性，优选在探针的 前端部将来自期望角度的等离子体光入射到反射镜，使由该反射镜反 射的等离子体光入射到探针的感光面。更优选在探针的前端部设置包 围感光面与反射镜的遮光部件，使来自期望角度的等离子体光通过形 成于遮光部件中的窗入射到反射镜。反射镜的反射面优选由对紫外线 至红外线具有一定的高的反射率的铝构成。
另外，优选斜切探针的一个端部，使探针的感光面的法线相对轴 向向窗侧仅倾斜规定角度，即使来自前方的不期望的光入射到探针的 采光部，也以比光纤束的数值孔径大的角度入射到光纤束。
在本发明中，透明绝缘管的材质优选是波长透过性好、耐热性和耐腐蚀性好的石英或蓝宝石。另外，为了稳定且高速进行探针的扫描， 优选是在相对设置在容器侧壁中的第一支撑部与第二支撑部之间实质 架设绝缘管的结构。
根据本发明第五方面的等离子体发光测量方法在可生成或导入等 离子体的容器侧壁上设置可开闭的开口部；将上述幵口部设为开状态， 将前端具有感光面的棒状光传输探针在减压空间中从上述开口部插入 上述容器内；和根据从上述探针另一端面放射的光，测量来自上述等 离子体的发光。
另外，根据本发明第五方面的等离子体发光测量装置具有设置 在可生成或导入等离子体的容器侧壁上的可开闭的开口部；棒状光传 播探针，前端具有感光面，在减压空间中从开状态的上述开口部插入 上述容器内；和测量部，根据从上述探针另一端面放射的光，测量来 自上述等离子体的发光。
在该方式下，将容器侧壁的开口部设为开状态，从该开口部将探 针插入容器内，使之沿轴向(优选是容器径向)移动，将由探针前端 的感光面采集的等离子体光传输到测量部，测量部对各测定位置的等 离子体发光求出规定的特性或属性(例如规定波长或频谱强度)的测 定值。优选是，求出等离子体光相对探针的移动距离的变化量，测量 等离子体光，作为在探针轴向上的容器内的空间分布。探针优选具有 由石英或蓝宝石构成芯体、和包围该芯体周围的包层。
为了在容器外绕探针形成减压空间，优选设置可沿容器径向伸缩 的波纹管(bellows)，由排气部将该波纹管的内部空间排气。另外，优选 在容器外将探针加热到适当温度，使探针曝露在容器内的等离子体区 域时，反应生成物(沉淀)不会附着。
该方式下，由于探针为非金属，所以不仅不会扰乱等离子体，而 且由于可在短时间内高速进行探针扫描，所以基本上不会对加工结果 产生影响，加工开发当然也可适用于实加工。
在本发明的等离子体发光监测法中，优选在使探针沿轴向移动中 使用致动器，可通过致动器的直进驱动力来进行稳定且高速的探针扫 描。另外，在本发明的测量处理中，优选由分光部(分光器或滤光器) 从由探针的另一端面放射的光中取出规定波长的频谱，测定该频谱的强度。另外，优选通过光纤束将从探针的另一端面放射的光提供给测 量部，从而可以以刚好与将光纤束的感光面放入容器内的情况相等或 等效的指向性来采样等离子体发光。 发明效果
根据本发明，通过上述结构和作用，在任意等离子体条件下，尤
其是在低电子密度条件或高压力条件下，也可正确且高精度地测定等
离子体中的电子密度。另外，可根据可靠性高的电子密度测定值来使 等离子体密度的均匀性或等离子体处理的品质提高。另外，还可高效
地在短时间内测定等离子体谐振频率或电子密度。另外，保证测定位 置的再现性，使探针结构的稳定性和耐久性提高，使对等离子体的影 响稳定化，或消除对等离子体的影响，发送S/N特性，可对等离子体 谐振频率或电子密度进行稳定且高精度的测定。另外，可不扰乱等离 子体地以高的可靠性或精度来测量等离子体发光，作为容器内的空间 分布。并且，可对基板的被处理面保证等离子体密度的均匀性以及等 离子体处理的均匀性，使成品率提高。


图1是表示适用本发明实施方式1的等离子体电子密度测定方法 和装置的等离子体处理装置的结构图。
图2是表示实施方式的探针结构主要部分的局部扩大截面图。
图3是表示实施方式的测定部中的矢量网络分析器和测量控制部
的主要部分的结构框图。
图4是示意表示实施方式的第一统一测定工序的一状态的图。 图5是示意表示实施方式的第二统一测定工序的一状态的图。 图6是表示由本发明的等离子体谐振探针法得到的复数反射系数
的绝对值、实部和虚部的频率特性(实验数据)的图。
图7A是表示由本发明的等离子体谐振探针法得到的电子密度测
定灵敏度的一例(实验数据)的图。
图7B是表示由本发明的等离子体谐振探针法得到的电子密度测
定灵敏度的一例(实验数据)的图。
图8是将本发明所得的电子密度的测定值数据与由等离子体吸收探针法得到的电子密度的测定值数据相对比的图。
图9是表示在较低的压力条件(15mTorr)下得到的复数反射系数 的频率特性(实验数据)的图。
图IO是表示在高压力条件(800mTorr)下得到的复数反射系数的 频率特性(实验数据)的图。
图11是表示在高压力条件(1600mTorr)下得到的复数反射系数 的频率特性(实验数据)的图。
图12是表示通过本发明在高压力条件(2000mTorr)下得到的电 子密度分布特性一例(实验数据)的图。
图13是表示适用本发明另一实施方式的等离子体电子密度测定装
置的等离子体处理装置的结构图。
图14A是表示可在图13的实施方式中使用的探针构件的结构例的
截面图。
图14B是表示可在图13的实施方式中使用的探针构件的结构例的 截面图。
图15是表示可在图13的实施方式中使用的探针部的结构例的立 体图。
图16是表示适用本发明再一实施方式的等离子体电子密度测定装 置的等离子体处理装置的结构图。
图17是表示在老化的蚀刻周期中在晶片上的各位置处蚀刻速率逐 渐减少并稳定化状态的 一例的图。
图18是表示老化的蚀刻周期中蚀刻速率的平均值与电子密度的时 间变动的图。
图19是表示适用本发明实施方式2的等离子体监测方法和装置的 等离子体处理装置的结构图。
图20是表示实施方式中的等离子体监测的大的步骤的流程图。
图21是表示实施方式2的等离子体监测中的第一统一测定工序的 详细步骤的流程图。
图22是表示实施方式2的等离子体监测中的第二统一测定工序的 详细步骤的流程图。
图23是将实施方式2中得到的电子密度的空间分布特性一例(实施例)与比较例相对比的曲线图。
图24是表示一实施例的噪音峰值的频率特性的曲线图。
图25是表示一实施例的取决于探针插入长度的驻波噪音的峰值频
率的实测值与计算值的曲线图。
图26A是表示一实施例的电磁波吸收体的噪音吸收效果的频率特 性的曲线图。
图26B是表示一实施例的电磁波吸收体的噪音吸收效果的频率特 性的曲线图。
图27是表示一实施例的电磁波吸收体的噪音吸收效果的反射频率 特性的曲线图。
图28是表示一实施例的电磁波吸收体的增强引起的信号增加的效
果的频率特性的曲线图。
图29是表示一实施例的电子密度的空间分布特性的曲线图。 图30是表示一实施例的电子密度的空间分布特性的曲线图。 图31是表示一实施例的电子密度的空间分布特性的曲线图。 图32是表示适用本发明实施方式3的等离子体发光测量方法和装
置的等离子体处理装置的结构图。
图33是表示实施方式3的探针主要部分的结构与作用的局部扩大
截面图。
图34A是表示另一实施例的探针结构的局部扩大截面图。 图34B是表示另一实施例的探针结构的局部扩大截面图。 图35是示意表示实施方式3中的探针与光纤束的作用的图。 图36是表示一实施例的探针的结构和作用的局部扩大截面图。 图37是表示实施方式3中探针所用的石英棒的折射率与切割角的 关系曲线。
图38A是表示实施方式3中蚀刻速率的面内分布与等离子体发光 的空间分布的相关性一例的图。
图38B是表示实施方式3中蚀刻速率的面内分布与等离子体发光 的空间分布的相关性一例的图。
图39A是表示实施方式3中蚀刻速率的面内分布与等离子体发光 的空间分布的相关性一例的图。图39B是表示实施方式3中蚀刻速率的面内分布与等离子体发光
的空间分布的相关性一例的图。
图40A是表示实施方式3中蚀刻速率的面内分布与等离子体发光 的空间分布的相关性一例的图。
图40B是表示实施方式3中蚀刻速率的面内分布与等离子体发光 的空间分布的相关性一例的图。
图41是表示适用另一实施例的等离子体发光测量方法和装置的等 离子体处理装置的结构图。
图42是表示图41的等离子体处理装置中等离子体分光测量时的 状态图。
图43是表示图41的等离子体发光测量装置的作用的图。
图44是表示另一实施例的等离子体发光测量方法的图。
图45是表示一变形例的光传输探针的主要部分的结构图。
图46是表示一变形例的光传输探针的主要部分的结构图。
图47是表示一变形例的光传输探针的主要部分的结构图。
图48是表示基于本发明的等离子体发光测量方法的容器内异常放
电监测功能的实验结果的曲线图。
图49是表示基于本发明的等离子体谐振探针法的容器内异常放电
监测功能的实验结果的曲线图。
图50是说明现有等离子体吸收探针法的图。
具体实施例方式
下面，参照图1 图49来说明本发明的最佳实施方式。 (实施方式1)
根据图1 图18来说明本发明的第一实施方式。图1和图2中示 出适用第一实施方式的等离子体电子密度测定方法和装置的等离子体 处理装置的结构。该等离子体处理装置是电容耦合型的平行平板等离 子体处理装置。
该等离子体处理装置的容器IO例如由铝构成，构成为圆筒形状的 可密闭的处理室。在容器10的底部经绝缘板12配置例如铝构成的支 撑台14，在该支撑台14上设置例如铝构成的基座16。基座16构成下部电极，其上载放被处理基板、例如半导体晶片W。
在基座16上经未图示的匹配器电连接提供用于引入离子的高频电 力的高频电源18，同时，电连接用于使后述的来自上部电极侧的高频
波通过的高通滤波器(HPF) 22。在基座16的上面可以覆盖例如由静 电吸引力来固定保持基板W的静电卡盘(未图示)。另外，在基座16 或支撑台14的内部也可以设置用于温度控制的冷却或加热装置(未图 示)。
在基座16的上方与该基座平行相对设置上部电极24。该上部电极 24经圆筒状绝缘材料25支撑在容器10上，具有配有多个气体喷出孔 26的例如由氧化铝等陶瓷构成的下面电极板28、和支撑该电极板28 的导电材料、例如氧化铝膜处理表面的铝构成的电极支撑体30。在电 极板28与电极支撑体30的内侧形成缓冲室，在该缓冲室的上面中心 部设置气体导入口 32。在气体导入口 32上连接来自处理气体供给部 34的气体供给配管36。经未图示的匹配器在上部电极24上电连接提 供等离子体生成用高频电力的高频电源38，同时，电连接用于通过来 自基座(下部电极)16侧的高频波的低通滤波器(LPF) 42。
在容器10的底部设置排气口 44，在该排气口 44上经排气管连接 排气装置46。该排气装置46具有涡轮分子泵等真空泵，将容器10内 的处理空间减压至期望的真空度。另外，在容器10的侧壁上设置用于 出入基板W的带有开闭机构例如闸阀的基板出入口 (未图示)。用地 线等将容器IO接地。
在该等离子体处理装置中，当对基座16上的基板W实施等离子 体处理时，在主控制部20的控制下，从处理气体供给部34以规定的 流量向容器10内导入期望的处理气体，通过排气装置46将容器10内 的压力达到设定值。并且，分别以规定的电力将来自高频电源18的规 定频率(例如2MHz)的高频波和来自高频电源38的规定频率(例如 60MHz)的高频波施加于基座(下部电极)16、上部电极24上。从上 部电极24的带多孔电极板或喷头28喷出的处理气体在电极间的辉光 放电中等离子体化，由该等离子体PZ中的原子团或离子等对基板W 进行等离子体处理。另夕卜，将基座(下部电极)16与上部电极24的距
离间隔设定在例如10 60mm左右。
24本实施方式的等离子体电子密度测定装置具有固定装配在容器 10中的圆筒状绝缘管50;具有使前端部的芯线露出的探针部(天线探
针)52a、且可从绝缘管50的一端(图1的左端)滑动插入管内的同 轴电缆52;经同轴电缆52对容器10内生成的等离子体PZ测定等离 子体谐振频率或电子密度的测定部54;和使同轴电缆52沿轴向移动的 线性致动器56。
绝缘管50由例如石英管构成，比容器10的外径尺寸稍长，笔直 (直线状)形成，两端开口。如图l所示，在基座(下部电极)16与 上部电极24的中间高度位置，在容器10的侧壁中形成相对的一对贯 穿孔10a，作为支撑部或测量端口，绝缘管50贯穿这些贯穿孔10a大 致水平地架设在容器10的室内。各贯穿孔10a中气密地装有、也就是 用于真空密封固定绝缘管50的O型圈58。
同轴电缆52如图2所示，由刚体的半硬性电缆构成，具有例如铝 构成的芯线(内部导体)52a、由不锈钢管构成的外部导体52b、和由 特氟纶(登录商标)构成的绝缘材料52c，使前端部的芯线52a露出数 mm左右来作为探针部。同轴电缆52的基端部侧以SMA插头60的形 态连接于测定部54 (图1)。另外，同轴电缆52从绝缘管50露出的部 分的外部导体(GND部)52b经接地用导体62电连接于地电位的容器 IO的侧壁上。
接地用导体62如图2所示，由基端部固定在例如装配固定绝缘管 50用的导电性法兰部件64上、前端部可滑动地接触同轴电缆52的外 部导体52b上的多个导电性弹簧部件构成，这些导电性弹簧部件可以 从上下、左右或四方以一定位置弹性夹持同轴电缆52。或者，也可使 用导电线来代替弹簧部件，用夹子等将导线的前端连接于同轴电缆52 的外部导体52b上。无论采取何种方法，优选在接地用导体62—旦变 为开放(释放)的状态下，将同轴电缆52插入绝缘管50中，使同轴 电缆52沿从绝缘管50拔出的方向移动，从而使探针部52a定位在期 望的位置(测定位置)上。
接近接地用导体62，在其内侧、即探针部52a侧的位置处设置电 磁波吸收体，以吸收在同轴电缆52的外部导体52b上产生的驻波的噪 音信号。在本实施方式中，如图2所示，在绝缘性圆筒状保持体65中，同轴电缆52通过其中，在保持体65内侧沿轴向直列装配1个或多个
珠形铁氧体部件66。
图1中，测定部54具有作为测量器主体的矢量网络分析器68、SMA 接口用RF限制器70、高通滤波器(HPF) 72、和进行测量用控制和运 算处理的测量控制部74。矢量网络分析器68及测量控制部74的结构 和作用以后详细说明。
线性致动器56具有结合在同轴电缆52的基端部的滑块部76、和 使该滑块部76沿同轴电缆52的轴向直进移动的滚珠丝杠机构78。滚 珠丝杠机构78的驱动源使用例如伺服电机(未图示)，在可动范围内 将滑块部76定位在任意位置。
在绝缘管50的另一端(图1的右端)连接来自冷却气体供给部80 的配管82。冷却气体供给部80具有例如送风机或泵，它使冷却用气体 例如空气经配管82流入绝缘管50。从绝缘管50的右端导入的空气向 相反侧(左侧)流入管内，从接地用导体62的间隙穿过到大气。这样， 通过在绝缘管50中沿轴向贯穿流过空气，有效冷却同轴电缆52、尤其 是探针部52a周围。优选冷却气体供给部80供给调温后的冷却气体。 或者，也可将冷却气体供给部80构成为空气吸引型，在绝缘管50中 从左侧向右侧流过空气。
图3中示出测定部54中的矢量网络分析器68和测量控制部74的 主要部分的结构。
矢量网络分析器68具有反射系数测定部84，进行用于测定复数 表示的反射系数(复数反射系数)的信号收发信和信号处理；缓冲存 储器86，用于暂时存储暂定的反射系数测定值数据(频率特性)；以及 实部存储器88、虚部存储器90，将正式(最终结果)的反射系数测定
值r的数据(频率特性)分开成实部r;与虚部ri而存储。反射系数测
定部84包含频率扫描方式的高频电源、入射波检测用和反射波检测用
方向性耦合器、复数反射系数测定电路等。复数反射系数测定电路可 以例如由振幅比测定电路和相位差测定电路等构成。
标量式网络分析器是以标量(scalar)表示，根据入射波和反射波 各自的功率(标量)比，取得反射系数的测定值；与其相对，本实施 方式中的矢量式网络分析器68是以复数表示，根据入射波和反射波各自的电压Vin， Vre或电流Iin， Ire (矢量)的比(Vre/Vin， Ire/Iin)，取得
反射系数r(r;+jri)的测定值。这里，虚部ri根据频率来取正或负号。
测量控制部74具有谐振频率读取部92，从矢量网络分析器68
的虚部存储器90中取入复数反射系数虚部ri的测定值数据(频率特
性)，将零交叉点的频率作为谐振频率fp读取；电子密度运算部94，根
据该谐振频率读取部92算出的谐振频率fp，从规定的运算式求出电子
密度Ne的测定值；数据的输出部96，输出电子密度测定值Ne;和顺
序控制部98，控制测量的顺序。
这里，说明本实施方式的等离子体电子密度测定装置中针对容器
10内的等离子体PZ测定径向上的任意位置的电子密度的方法。
在本实施方式中，在测定部54的计数控制部74 (尤其是顺序控制 部98)的控制下，如下进行等离子体电子密度测定。首先，通过线性 致动器56使同轴电缆52在绝缘管50内沿轴向(优选拔出方向)移动， 使探针部52a定位在期望的测定位置hk上。
之后，矢量网络分析器68经RF限制器70、 HPF72、同轴电缆52 和探针部52a，取得该测定位置hk的复数反射系数r的测定值(频率 特性)。此时，为了标准化，作为第一测量工序，如图4所示，在容器 10内不存在等离子体PZ的等离子体OFF状态下，取得复数反射系数
r的频率特性(第一频率特性r(f))。之后，作为第二测量工序，如图
5所示，在容器10内存在等离子体PZ的等离子体ON状态下，取得复
数反射系数r的频率特性(第二频率特性r(pf))。
在第一和第二各测定工序中，网络分析器68的反射计数测定部84 边例如在数百MHz到数GHz的频域内进行频率扫描，边在各频率下 将lmW左右的电磁波信号(入射波)发送到同轴电缆52的探针部52a， 使之(主要是从探针部52a看是沿半径方向)放射到周围的空间中， 入射到其附近的等离子体PZ。另外，接收从等离子体PZ返回探针部 52a的电磁波、即反射波，经方向性耦合器，由复数反射系数测定电路
使入射波与反射波匹配，取得复数表示的反射系数r(rvfjr,)的测定值。 接着，根据第一测定工序中取得的第一频率特性rk(f)和第二测定 工序中取得的第二频率特性rk(pf)，通过规定的运算、例如除法 rk(pf)/rk(f)，求出正规的、即标准化后的频率特性。将复数表示的反射系数r(i;+jri)的测定值(频率特性)数据中实部r;存储在实部存储 器88中，将虚部rj存储在虚部存储器卯中。在本实施方式中，有意 义地使用存储在虚部存储器90中的复数反射系数的虚部r,的测定值 (频率特性)数据。
图6所示为由本实施方式得到的复数反射系数r(r;+jri)的绝对值 iri、实部rr和虚部r,的频率特性的一例(实验数据)。在等离子体清洗
条件下，将容器10内的压力设为15mTorr、高频电源18的下部RF功 率(2MHz)设为200W、高频电源38的上部RF功率(60MHz)设为 1500W、处理气体设为02 (200sccm)，在R-Omm (容器中心点)的
测定位置下取得该实验数据。图6中，复数反射系数r的绝对值iri相 当于标量式网络分析器得到的标量表示的反射系数，基本上与实部r; 相等的值，实质上未反映虚部ri的值。
若注重复数反射系数r的绝对值iri的频率特性，则iri的最小峰值 对应于电子振动引起的功率吸收的最大峰值，将取最小(吸收)峰值 时的频率、即等离子体吸收频率看成对应于电子振动数。但是，若in 的最小峰值波形变宽或噪音分量增加，则难以正确算出等离子体吸收 频率，容易产生测定误差。相反，本发明注重反射系数r的虚部rj的 波形(频率特性)，如后所述，将r,零交叉时的频率设为等离子体谐振 频率，将该等离子体谐振频率视为对应于电子振动数的频率，换算出 电子密度的测定值。
在计数控制部74中，谐振频率读取部92从矢量网络分析器68的
虚部存储器90中取入复数反射系数虚部r;的测定值数据(频率特性)， 读取零交叉点zc的频率。如上所述，复数反射系数虚部ri根据频率 来取正或负号。通常，对于基于频率扫描的虚部ri的频率特性，如图 6所示，零交叉点zc出现在一处，在比零交叉点zc低的频率区域中， rj取负值，在比零交叉点zc高的频率区域中，rj取正值。若从提高频 率的扫描方向看，则ri的值在零交叉点zc处从负变为正。相反，若 从降低频率的扫描方向看，则ri的值在零交叉点zc处从正变为负。 这样，零交叉点zc的频率是ri的符号反转的点的频率，与频率特性 的波形轮廓无关，可简单且正确地算出。在本发明中，将零交叉点zc 的频率定义为谐振频率fp。这里，说明本发明的电子密度测定方法的基本原理。同轴电缆52
的探针部52a经绝缘管50与容器10内的等离子体PZ电连接。将该测 定位置hk下的等离子体PZ的复数阻抗Zp设为R+jX，若忽视绝缘管
50的阻抗，则复数反射系数r(r;+jri)从阻抗方面看由下式(2)表示。 = (zp-50) / (zp+50)
={(R+jX) -50}/{(R+jX) +50}
={(R-50)+jX}/{(R+50)+jX}……(2) 上述式(l)中右边的常数"50(Q)"是同轴电缆52的特性阻抗。若
有理化上述式(l)，则得到下述式(3)。
r(rr+jro = (ab+x2)/( b2+x2)+jioox/( b2+x2)......(3)
其中，A=R—50、 B=R+50。
从探针部52a看的等离子体PZ由沿绝缘管50的表面形成的电容 性负载的离子层、和向深处扩大的感应性负载的大量等离子体构成。
离子层具有电容性的电抗Xc，大量等离子体具有感应性的电抗XL，两
者在探针部52a与基准电位(地电位)之间形成串联电路。当离子层
电容电抗Xc比大量等离子体感应电抗XL大时，合成电抗X为负，对应
地，复数反射系数r的虚部ri的值变为负。另外，当大量等离子体感
应电抗XL比离子层电容电抗Xc大时，合成电抗X为正，对应地，复数
反射系数虚部ri的值为正。当离子层电容电抗xc与大量等离子体感应
电抗xt相等时，合成电抗X为零，变为串联谐振。此时，复数反射系
数虚部ri的值也为零。在串联谐振状态下，等离子体电抗x的信号功
率传送极大化，来自探针部52a的入射波的能量通过所谓的朗道阻尼 机理传递到等离子体中的电子。即，变为串联谐振状态时的电磁波的 频率、即谐振频率与电子振动数相符或匹配。在本发明中，就复数反
射系数虚部ri的频率特性而言，将零交叉点的频率视为等离子体的离
子层电容与大量等离子体感应电抗串联谐振的频率fp，根据该谐振频 率fp的测定值，求出电子密度的测定值。另外，实际中由于矢量网络
分析器68如上所述进行反射系数的标准化处理(rk(pf)/Tk(f))，所以 虽然上述式(3)是变形过的，但基本上适合上述理论。
计数控制部74将谐振频率读取部92得到的谐振频率fp的测定值 提供给电子密度运算部94。如上所述，因为将谐振频率fp看作与等离
29子体中的电子振动数(1/2兀V^e^Ne/me化o)相等，所以电子密度运算部 94通过运算下式(4)，算出电子密度Ne。
Ne = me*s0* (l+er) *(2 tfp/e)2
=5.96E10(fp)2[m-3] ……(4)
其中，me为电子密度，s。为真空介电常数，^为绝缘管的比介电 常数，e为净电荷。另外，fp的单位为GHz， EIO意思是IO，
图7A和图7B所示为由本发明的等离子体谐振探针法得到的电子 密度测定灵敏度的一例(实验数据)。该实验数据表示在等离子体清洗 条件下，设容器10内的压力设为15mTorr、下部RF功率(2MHz)设 为200W、处理气体设为02 (200sccm)，使上部RF功率(60MHz)以 1500W为中心微小变化时R=80mm (距容器中心点沿径向80mm)的 测定位置(图7A)和R-220mm (距容器中心点沿径向220mm:距侧 壁20mm)的测定位置(图7B)上的等离子体ON开始之后的电子密 度Ne随时间变动的情况。
如图所示，若上部RF功率从中心值1500W变化士30W (2%)， 则R=80mm的测定位置(图7A)中，读取电子密度Ne仅变化约土 0.1E+10 (E+10=1010)。另一方面，！^220mm的测定位置(图7B)中， 读取电子密度Ne仅变化约士0.02E+10。通常，在设等离子体生成用的 RF功率为加工参数的情况下，若能监测使之变化2%时的电子密度的 变化，则规格上充分，本发明的等离子体电子密度测定法可较佳地去 除该要求条件。并且，还应该注意到如下优点，即，即使在等离子体 密度低的容器侧壁附近的测定位置处，也可高精度测定电子密度Ne。
图8中为了比较测定精度，将R=80mm的测定位置处由本发明的 等离子体谐振探针法得到的电子密度Ne的测定值数据与由等离子体吸 收探针法(PAP)得到的电子密度Ne的测定值数据相对比。加工条件 与图7的实验例一样(其中，上部RF功率为1500W)。从图8可知， 由等离子体吸收探针法得到的电子密度的变动(波形)，由于测定值偏 差大，因而表示为锯齿曲线。相反，本发明得到的电子密度的变动(波 形)，测定值偏差小，因而表示为无锯齿的光滑曲线。
本发明的另一优点在于即使在高压条件下也可正确测定等离子体 中的电子密度Ne。图9、图10、图11中示出在将容器内的压力选择成15mTorr、 800 mTorr、 1600 mTorr三个阶段时的复数反射系数的频率特
性(实验数据)。图中，ri是本发明取得的复数反射系数r的虚部，|r| 是复数反射系数r的绝对值，相当于由等离子体吸收探针法取得的标
量显示的反射系数。在本实验中，使用将磁控管产生的高频(2.45GHz) 的微波通过波导管后从容器的开井面的石英窗照射到容器内并生成等 离子体的等离子体CVD(Chemical Vapor Deposition)用微波型等离子体 处理装置。作为主要加工条件，气体为Ar (400sccm)，设微波的功率
为iooow。
就相当于基于等离子体吸收探针法的反射系数频率特性的复数反
射系数绝对值iri的频率特性而言，在15mTorr的压力条件(图9)下， 最小(吸收)峰值用尖的角状波形表示，可正确读取对应于峰值点的 频率(吸收频率)。但是，在800mTorr的压力条件(图10)中，最小
(吸收)峰值波形带圆弧，变宽，峰值点不明显，同时，与最小(吸 收)峰值波形混淆的噪音成分增加。另外，在1600mTorr的压力条件
(图11)中，该倾向进一步显著，很难正确算出吸收频率。这是因为 若压力变高，则等离子体中电子与粒子(尤其是中性分子、原子)间 的冲击增大，这部分(实电阻引起)的功率吸收增加。这样，若吸收 频率的测定精度低，则电子密度的测定精度也变低。
相反，就本发明的等离子体谐振探针法的反射系数频率特性、即 复数反射系数虚部n的频率特性而言，不用说15mTorr (图9)，就连 800mTorr (图10)或1600mTorr (图11)下ri的值变为零的点(零交 叉点)也是明确的，所以可简单且正确读取谐振频率fp。
在15mTorr的压力条件(图9)下，根据复数反射系数虚部的
零交叉点算出的谐振频率fp为8.19xi011，根据绝对值iri的最小峰值算
出的吸收频率也约为8.19xl011。在800mTorr的压力条件(图IO)中， 谐振频率fp为3.89x1011，吸收频率为3.73x1011附近的值。另外，在 1600mTorr的压力条件(图ll)中，谐振频率fp为4.22x1011，吸收频 率为3.81xl0"附近的值。
另外，当压力比15mTorr低得多时，气体分子变少，电子密度也 变低。若电子密度低，则来自等离子体的反射波的信号强度变低，S/N 降低，频率特性倾向于变宽。这样，等离子体吸收探针法难以正确读取吸收频率。相反，若根据本发明的等离子体谐振探针法，就可与频 率特性的波形无关地从复数反射系数虚部G的零交叉点正确读取谐振 频率fp。
图12中示出通过本发明的等离子体谐振探针法在2000mTorr的高 压条件下得到的电子密度分布特性一例(实验数据)。本实验在等离子 体CVD用的电容耦合型等离子体处理装置中，将基座温度设为600°C ， 向上部(相对)电极施加450kHz、 800W的高频，在等离子体生成气 体中使用Ar/H2气体(1600/1000sccm)。如图12所示可确认，即使在 2000mTorr的高压条件下也可以高精度测定径向各位置处的电子密度Ne。
另外，在本发明的等离子体谐振探针法中，如图4和图5所示， 在绝缘管50内使探针部52a的位置、即测定位置h沿径向扫描移动， 通过将在各测定位置(hp h2， ...， hn)处求出的电子密度Ne的测定值绘 制在曲线上，可取得容器10内的径向上等离子体电子密度Ne的空间 分布特性。
作为本发明的最佳实施方式，可对径向的所有测定点(hp h2，...， hn)分别统一实施上述第一和第二测量工序。具体而言，在第一测量工 序中，如图4所示，在容器10内不存在等离子体PZ的状态下，在预 定的径向测定位置hp h2，…hk， ...， hn顺序取得复数反射系数r的频
率特性(第一频率特性ri(f)， n(f)，…，rk(f)， ... ， rn(f))。此时，
通过线性致动器56使同轴电缆52沿从绝缘管50拔出的方向间歇移动， 使探针部52a依次从图的右端(始端)的测定位置lM步进移动到左端 (终端)的测定位置hn。
另外，在第二测量工序中，如图5所示，在容器10内产生等离子 体PZ的状态下，在与上述第一测量工序时相同的测定位置h" h2，…， hk， ...， h^， hn顺序取得复数反射系数r的频率特性(第二频率特性 ricpf)， r2(pf)， ...， rk(pf)， ...， rn(pf))。此时，通过线性致动器56
使同轴电缆52也沿从绝缘管50拔出的方向间歇移动，使探针部52a 依次从图的右端(始端)测定位置h!步进移动到左端(终端)测定位 置hn。
如上所述，在统一取得第一和第二频率特性(r(f)、 r(pf))后，在后续的各信号处理中，即在频率特性的标准化(r(pfyr(f))、虚部r;
的抽取、谐振频率fp的算出、电子密度Ne的运算等中，进行全部测定
位置(hp h2， ...， hn)的统一处理。
这样，如果采用对全部测定位置h hn分别统一迸行在等离子体
OFF状态下的反射系数测定与等离子体ON状态下的反射系数测定的 方式，则因为与测定点个数无关， 一次的ON/OFF切换时间就可完成，
所以整体的测定效率高，可将每一测定位置的测定时间缩短到数秒以 内。这是因为在现有的等离子体吸收探针法中每次改变测定位置都得
重复等离子体的0N/0FF，所以每个测定位置都需要数分钟的测定时 间。这种测定效率或测定时间的差随着测定点的个数增加而(尤其是 在大口径的容器中)变得显著。
另外，在本实施方式中，在容器10的侧壁相对位置上设置的一对 支撑部(贯穿孔10a， 10a)之间水平架设绝缘管50，且由0型圈58 气密固定。而且，在如此水平固定的架桥型绝缘管50中，使同轴电缆 52沿轴向移动，进行探针部52a的定位。从而，在可使探针部52a迅 速且正确地定位在期望的测定位置上的同时，可使探针部52a始终位 于一定的水平线上，可保证测定位置的再现性。
另外，因为绝缘管50不会与O型圈58摩擦，所以不必担心O型 圈58损伤恶化，在探针机构的稳定性提高的同时，消耗品成本性(COC) 也得到提高。由于探针机构对等离子体的影响(扰乱)与测定位置无 关，是一定的，且扰乱时间(测定时间)非常短，所以测定精度的可 靠性也得到提高。
另外，由于从同轴电缆52的探针部52a看到的绝缘管50在任何 测定位置上都是一定或一样的同轴管结构，从探针部52a振荡的电磁 波与等离子体的耦合是一定的，所以难以产生噪音，可进行精度和再 现性高的测量。并且，因为将珠形铁氧体部件66作为电磁波吸收体嵌 入同轴电缆52中，所以即使在同轴电缆52的外部导体(GND部) 中产生驻波噪音，也可由珠形铁氧体部件66有效吸收，完全去除驻波 噪音。
另外，在该等离子体电子密度测定装置中，经接地用导体62和容 器10将同轴电缆52的外部导体(GND部)52b接地。通过利用该容器10的RF屏蔽功能，可有效防止RF噪音向大气或测定电路54的泄 漏，确保人体和测量设备的安全性，同时，可避免气体检测器等外围 电子设备的误操作。
另外，如果利用该RF屏蔽功能，在同轴电缆52的外部导体(GND 部)52b上，在比与接地用导体62的连接位置或短路点A还靠内侧(探 针部52a侧)传播噪音信号，那么驻波噪音吸收用的珠形铁氧体部件 66优选配置在比短路点A更靠内侧，更优选如本实施方式那样，设为 可及地接近驻波噪音的波腹部的短路点A的配置结构。
并且，在本实施方式中，绝缘管50的前端侧、即探针部52a的相 对侧是开口的，从该开口部流入来自冷却气体供给部80的空气，有效 冷却同轴电缆52，所以可防止探针部52a周围的热膨胀或热损伤，可 使耐久性提高。
本实施方式的等离子体电子密度测定方法和装置即使在大口径容 器的300mm装置或FPD装置上也可容易且有效地在短时间内进行可 靠性高的等离子体电子密度测定。
并且，因为本发明如上所述即使在等离子体密度低的部位也可正 确测定电子密度，所以可在不对等离子体造成扰乱的测定位置处进行 监测。图13中示出可进行这种无扰乱的等离子体监测的本发明的一实 施例。图中，在具有与图1各部实质相同的结构或功能的部分标注相 同符号。
图13中，在本实施例的等离子体电子密度测定装置中，以嵌入(埋 设)式，在容器10的侧壁、上部电极24中心部和下部电极16周围部 等三个部位装配探针构件100、 102、 104。这些探针构件都位于等离子 体区域的周围，可不扰乱等离子体PZ地测定附近的电子密度。
图14A和图14B中示出侧壁嵌入的探针构件100的结构例。图14A 的结构是闭塞上述实施方式(图O中的绝缘管50的前端部后，从容 器10的侧壁稍向等离子体区域突出地装配的结构。为了提高向前方(等 离子体区域)方向的电波放射的指向性，优选将探针部52a的前端装 配在绝缘管50的前端部。
图14B的结构是相对容器10的侧壁内面，共面或凹入地装配由绝 缘体构成的筒状外壳106。在该外壳106的前端面优选设置介电常数大的材质、例如蓝宝石构成的板厚小的窗部件108，提高测定灵敏度。另
外，如图所示，通过将探针部52a的前端弯曲成L形，在探针部52a 中形成阻抗的不连续点，从那里有效地向前方放射电波。
为了提高前方指向性，另外也可以是如图15(B)所示在探针部52a 的前端装配圆盘状电容性耦合部件110的结构、或如图15(D)所示在探 针部52a的前端装配例如十字形感应性天线部件112的结构。另外， 在图14A的探针构件100中采用图15(A)的探针结构，在图14B的探 针构件100中采用图15(C)的探针结构。电极周围的探针构件102、 104 也具有与上述探针构件100 —样的结构和功能。
图13中，各探针构件100、 102、 104可经选择器开关114连接于 共同的网络分析器68上。在等离子体处理当中，在测量控制部74的 控制下，以分时方式通过将选择器开关114切换到各探针构件100、102、 104，可由1台测定部54对容器10内的等离子体密度进行来自多个监 测位置的同时的测定。另外，加工中可不对容器10内的等离子体PZ 造成扰乱地、可简便地监测其周围的等离子体电子密度的变动以及加 工的实况。也可从测定部54向主控制部20提供监测信息，使测定结 果反馈到当前的加工条件或下次的加工条件中。等离子体加工中的代 表的加工参数是压力、RF功率、气体流量、温度等。
图16所示的实施例是图13的实施例发展成在多台等离子体处理 装置中的例子。如图所示，可通过选择器开关114将分别装配在2台 (也可以是3台以上)等离子体处理装置中的组装型探针构件116、 118 以分时方式同时连接于公共的矢量式网络分析器68上。该系统中也从 测量部54向各装置的加工控制部20提供每个处理装置的监测信息， 每个处理装置中加工控制部20将测定结果反馈到当前的加工条件或下 次的加工条件中。另外，在这些多台等离子体处理装置为同一机型的 情况下，可正确判断装置之间有无误差。
另外，可适用图13的实施例的应用之一为老化。本领域的技术人 员公知，老化是如下工序，在容器的清洗或部件交换后，为了使容器 室内在符合加工条件的环境中稳定，使用伪晶片来重复循环等离子体 蚀刻(引导运转)适当次数。通常，在清洗或部件交换后，从等离子 体空间到容器内壁的堆积物附着比从容器内壁到等离子体空间的堆积物的放出多，加工不稳定。在重复循环几次等离子体处理后，容器内 壁中的堆积物的附着与放出均衡，加工稳定。
目前，在标准制法的条件下在每个加工周期中都监测蚀刻速率， 将蚀刻速率稳定化所需的伪晶片的个数(或引导周期数、引导运转时间 等)确定为老化条件，并固定该老化条件，并适用于全部加工制法中。 但是，虽然应当如此，但固定老化条件对全部加工制法是不妥当的， 有时过剩，有时不足，因此存在问题。也就是说，在老化条件过剩的 情况下，多余的蚀刻循环会造成生产率低下。在老化条件不足的情况 下，会对正规的晶片实施不稳定的加工，导致成品率低下。另外，虽 然也可根据加工工程师或操作者的经验或直感来设定老化条件，但确 定性和通用性低，所以存在与上述一样的问题。根据本发明，如下所 述，对各个加工制法进行适应型老化控制，可实现生产率提高和成品 率提高的折衷。
根据本发明的等离子体谐振探针法，如上所述，因为即使在等离 子体密度低的部位也可正确测定电子密度，所以例如可在容器io的侧 壁装配探针构件100，不对等离子体造成扰乱地监测实加工中的电子密 度。这里，在实加工、例如等离子体蚀刻中，在进行容器的清洗或部 件交换后，最初的蚀刻周期(第一个晶片)的蚀刻速率最高，重复蚀 刻循环，蚀刻速率依次减少，在某个周期之后，蚀刻速率稳定化。图 17中示出在老化的蚀刻周期中，在晶片上的各位置处蚀刻速率依次减 少后稳定化的状态的一例。图示的实例是氧化硅膜蚀刻，主要蚀刻条 件如下。
晶片口径200mm 气体压力；15mTorr 上部及下部电极间距离25mm 蚀刻气体C5F8/O2/Ar=15/380/19sccm RF功率上部/下部-2170/1550W
如图17 所示，蚀刻速率(E/R)在第一个晶片(No.l)与第三个 晶片(No.3)之间变化量(减少量)相当大，在第三个(No.3)与第 五个(No.5)之间还有相当的变化量(减少量)，相反，在第五个(No.5) 与第七个(No.7)之间变化量(减少量)非常小。在本实例的情况下，可视为在第五个(N0.5)时老化完成。另外，在晶片面内，晶片中心
部处蚀刻速率(E/R)的变化量最显著，在晶片边缘附近也可读取有意 义的变化量。
图18中示出上述例中从第一个(No.l)晶片到第七个(No.3)晶 片中，蚀刻速率(E/R)的晶片面内平均值(Ave.E/R)依次减少并稳 定化的状态，以及各蚀刻周期中的电子密度Ne随时间的变动。这里， 电子密度Ne是通过本发明的等离子体谐振探针法在容器侧壁附近(距 侧壁10mm的位置)监测到的电子密度Ne，图中绘制的是在各蚀刻周 期(蚀刻时间1\=60秒)中间隔12秒的15个测定数据。另外，在第 一个(No.l)晶片得到的蚀刻速率平均值(Ave.E/R)被标准化(a.u) 为基准值，在第一个(No.l)晶片得到的电子密度Ne的平均值被标准 化(a.u)为基准值。
如图18所示，可知老化中对应于蚀刻周期的蚀刻速率(E/R)的 变化与电子密度Ne的变化之间存在的相关关系。即，蚀刻周期的次数 向上计数成1、 2、 3、...，蚀刻速率平均值(Ave.E/R)依次减少，与 之呼应(联动)，各蚀刻周期中的电子密度Ne的最大值(周期开始时 的值)、最小值(周期结束时的值)和平均值也依次减少，若蚀刻速率 平均值(Ave.E/R)稳定，则电子密度Ne的最大值、最小值和平均值 也稳定。
根据本发明，在容器10中进行清洗或部件交换后，就改换后搬入 容器10中并受到等离子体蚀刻的各伪晶片而言，可在容器10的壁附 近不对实加工造成影响地高精度监测在蚀刻周期中随时间变化的电子 密度Ne的测定值代表点(最大值、最小值或平均值等)，在前后伪晶 片之间代表点实质上稳定在恒定值时完成老化，然后将搬入容器10中 的被处理基板从伪晶片切换成正规的晶片。
在上述实施例中，测定部54的矢量网络分析器68从复数反射系
数r中取虚部r;的频率特性，从虚部rj的零交叉点读取谐振频率fp。
作为一变形例，也可以是如下方式，即矢量网络分析器68测定入射波
与反射波的相位差，对于该相位差的频率特性，也可以采取将零交叉
点的频率设为谐振频率fp的方式。即，矢量网络分析器68测定的入射
波与反射波的相位差的符号对应于复数反射系数r的虚部ri的符号，相位差变为零的频率为复数反射系数r的虚部rj变为零的频率、即谐
振频率fp。因此，也可根据从相位差算出的谐振频率fp来求出高精度 的电子密度的测定值。
另外，在上述实施例中，在绝缘管50中通过间歇步进移动使同轴 电缆52的探针部52a依次定位在各测定位置hi上。但是，也有如下方 法例如也可在线性致动器54上装配旋转编码器或线性编码器等位置 传感器，检测滑块部76或探针部52a的当前位置，从而边使同轴电缆 52等速度连续沿轴向移动，边在探针部52a通过各测定位置hk时使网 络分析器68启动，取得反射系数的频率特性。另外，当然也可以将容 器10内的测定位置hk仅设为一个。
另外，在上述实施例中，将容纳同轴电缆52的探针部52a的绝缘 管50水平架设在容器10侧壁的相对位置上设置的一对支撑部(贯穿孔 10a、 10a)之间。但是，也可将本发明的等离子体谐振探针法适用于在 使管前端部浮起的状态下将绝缘管50支撑或装配在容器10内的单支 撑梁方式中。上述实施例中的致动器56是通过滚珠丝杠机构将电机的 旋转驱动力变换为直线驱动力的方式。但是，本发明中所用的致动器 不限于这种电机形式，也可是空气压力式或磁气式等任意的驱动方式。
实施方式2
下面，参照图19 图31来说明本发明等离子体吸收探针法(PAP) 的实施方式。图19中示出适用本实施方式2的等离子体电子密度测定 方法和装置的等离子体处理装置的结构。图中，具有与图1的等离子 体处理装置和等离子体监测装置一样的结构或功能的部分附加相同符 号，省略其详细说明。
在实施方式2中，等离子体电子密度测定装置的测定部54包括等 离子体吸收探针法(PAP)用的标量网络分析器120和测量控制部U2。
标量网络分析器120边在例如数百MHz至数GHz的频域中进行 频率扫描，边在各频率下向同轴电缆52的探针部52a发送微小功率的 电磁波信号(入射波)，并向容器10内的等离子体PZ放射，并根据可 从等离子体PZ反射的电磁波(反射波)的电力量与入射波的电力量之 比，求出标量表示的反射系数，取得其频率特性。测量控制部122进 行测量用控制和运算处理，尤其是取入标量网络分析器120取得的标量表示的反射系数的频率特性，对该频率特性算出波形的最小峰值或 吸收峰值，求出对应于该吸收峰值的频率、即等离子体吸收频率。
这里，根据图20 图22来说明本实施方式的等离子体监测装置测 定等离子体吸收频率和电子密度的方法。如图20所示，本实施方式的
等离子体监测大致分为设定、统一测定和统一数据处理等三阶段的工 序。
在设定工序(步骤S1)中，测量控制部74设定输入与监测有关的 参数(例如RF功率、压力、气体种类、电极间距离、电极结构等)和 测定位置等。测定位置也可直接设定输入各位置的数据，或根据原点 位置与测定点个数和间距(测定位置间隔)等设定输入值来运算导出。
统一测定工序包括第一统一测定工序(步骤S2)，在容器10内不 存在等离子体PZ的等离子体OFF状态下，对全部测定位置统一取得 反射系数的频率特性(第一频率特性);和第二统一测定工序(步骤S3)， 在容器10内存在等离子体PZ的等离子体ON状态下，对全部测定位 置统一取得反射系数的频率特性(第二频率特性)。
图21表示第1统一测定工序(步骤S2)的详细步骤。在该第1 统一测定工序中，最初确认容器10内不存在等离子体PZ (步骤A1、 A2)。通过装置上高频电源18、 38停止输出高频功率，处理气体供给 部34停止供给处理气体，就能够变为无等离子体PZ的状态、即等离 子体OFF状态。另外，容器10内的压力保持在规定的真空度。
这样，在容器io内不存在等离子体PZ的状态下，在预先设定的 径向测定位置h!、 h2、 ...、 hi、…、hw、 hj顿序取得反射系数的频率 特性(第一频率特性)。具体而言，与实施方式1的情况(图1) 一样， 使探针部52a定位在目的测定位置hi (步骤A3)，标量网络分析器120 边在数百MHz至数GHz的频域中进行频率扫描，边向同轴电缆52的 探针部52a发送例如lmW左右的电磁波信号(检查电波或入射波)， 并(主要是从探针部52a看沿半径方向)放射到周围空间中，根据可 返回标量网络分析器120反射信号的功率量与入射波的功率量之比， 求出标量显示的反射率或反射系数，将标量网络分析器120取得或显 示的反射系数的频率特性ri(f) (Sll参数)存储在测量控制部74内的 存储器74a中(步骤A4， A5)。之后，使探针部52a移动到下一测定位置hi+!(步骤A6~>A7—A8—A3)，通过与上述一样的信号处理，取 得反射系数的频率特性n+l(f) (Sll参数)(步骤A4)，将取得的频率 特性的数据作为测定数据存储在测量控制部74内的存储器74a中(步
骤A5)。对全部测定位置h,、 h2.....hj、 ...、 hw、 hn进行上述一连
串的工序(步骤A3、 A4、 A5)的重复(步骤A6、 A7、 A8)。
在本实施方式中，如图4所示，通过线性致动器56使同轴电缆5 向从绝缘管50中拔出的方向间歇移动，使探针部52a从图的右端(始 端)测定位置h,依次步进移动到左端(终端)测定位置lv从而可高 效短时间(数秒以内的间歇时间)实施上述一连串的工序(步骤A3、 A4、 A5)。
图22表示第2统一测定工序(步骤S3)的详细步骤。在该第2 统一测定工序中，首先在容器10内生成期望的等离子体PZ(步骤B1)。 通过装置上高频电源18、 38分别以预先设定的RF功率向两电极16、 24施加高频功率，处理气体供给部34向容器10内供给期望的处理气 体，就可变为等离子体PZ存在的状态、即等离子体ON状态。
另外，在容器10内产生等离子体PZ的状态下，在与上述第一统
一测定工序时相同的测定位置hp h2.....h,.....lv,、 hn顺序取得
反射系数的频率特性(第二频率特性)。具体而言，通过与上述一样的 步骤和信号处理，线性致动器56使同轴电缆52的探针部52a依次定 位于各测定位置hi (步骤B2)，在各测定位置hi上，标量网络分析器 120取得反射系数的频率特性ri(pf)(步骤B3)，将该取得的频率特性 的数据作为测定数据存储在测量控制部74内的存储器74a中(步骤 B4)。对全部测定位置h,、 h2、…hi、…、h^、 hn进行上述一连串的工 序(步骤B2， B3， B4)的重复(步骤B5， B6， B7)。
在该第二统一测定工序中，如图5所示，通过线性致动器56使同 轴电缆52向从绝缘管50中拔出的方向间歇移动，使探针部52a从图 的右端(始端)测定位置h,依次步进移动到左端(终端)测定位置hn， 从而可高效地在数秒以内的间歇时间中实施上述一连串的工序(步骤 B2、 B3、 B4)。
另夕卜，就同轴电缆52而言，因为外部导体52b是不锈钢管，刚性 好，所以在沿从绝缘管50中拔出的方向移动时可维持稳定的直线性，同时，即使在等离子体PZ的高温环境内也可防止绝缘材料52c的热膨 胀乃至破裂。
图20中，统一数据处理的工序包含第一数据处理工序(步骤S4)，
对全部测定位置h，、 h2、…hi、 ...、 hn-、hn，根据上述统一测定工序得
到的反射系数的第一频率特性r(f)与第二频率特性r(pf)，通过规定的
运算(例如除法或减法等)，统一算出等离子体吸收频率；和第二数据 处理工序(步骤S5)，根据等离子体吸收频率的测定值，通过上式(l)的 运算，统一算出等离子体电子密度。
具体而言，在第一数据处理工序(步骤S4)中，对各个测定位置
h2、 ...hi、 ...、 hw、 hn，运算第一频率特性ri(f)与第二频率特性n(pf) 之比ri(pfy ri(f)。该比n(pf)/ n①意味着以真空状态为基准的等离子
体的能量吸收的频率特性。严格讲，从探针部52a放出的电磁波在周 围的绝缘管50的表面传播，当该表面波的频率与等离子体的电子振动
数fp—致时，弓l起电磁波吸收，反射率极低。因此，通过算出比ri(pf)/ ri(f)变为极小峰值处的频率，可将其作为等离子体吸收频率的测定值。
在第二数据处理工序(步骤S5)中，对各个测定位置h,、h2、…hi、…、
h^、 hn，根据等离子体吸收频率的测定值，运算上式(i)，求出电子密
度Ne的测定值。通过对应于各测定位置将电子密度Ne的测定值绘制在 曲线上，能够调查等离子体PZ的径向上的电子密度Ne的空间分布。
图23中示出将本实施方式的等离子体监测装置得到的电子密度
Ne的空间分布特性一例(实施例)与比较例相对比。这里，比较例是
通过以下方式，即，在图19的装置结构下，在每个测定位置hi处切换 等离子体OFF状态与等离子体ON状态，取得反射波的第一频率特性
n(f)与第二频率特性n(pf)的方式，所取得的电子密度Ne的空间分布特性。
如图所示，实施例与比较例中，电子密度Ne的空间分布特性(测
定值)没有太多不同。但是，比较例是在每个测定位置hi处切换等离 子体OFF状态与等离子体ON状态后每次都进行反射系数测定的方式， 由于浪费与测定点个数成正比的ON/OFF切换时间，所以整体的测定 效率低，每个测定位置都需要数分钟的测定时间。相反，实施例是对 全部测定位置h, hn分别进行统一的等离子体OFF状态的反射系数测定与等离子体ON状态下的反射系数测定的方式，因为与测定点个数
无关，ON/OFF切换时间一次就够，所以整体的测定效率高，可将每个 测定位置的测定时间缩短到数秒以内。因此，在图23的实例(测定点 为16个)的情况下，全部测定时间在比较例约花费30分钟，相反， 在实施例中约在3分钟以内完成。这种测定效率或测定时间的差随着 测定点个数增加而显著。
这样，如果采用本实施方式的等离子体监测装置，可高效地在短 时间内测定等离子体吸收频率和电子密度，即使是大口径容器的 300mm装置或FPD装置也可对其容易且有效地在短时间内进行可靠性 高的等离子体监测。
另外，在实际的制造加工中，当该等离子体处理装置进行加工处 理时，优选从处理装置中取下探针机构(绝缘管、同轴电缆)。在本实 施方式中，若拔出绝缘管50，则可用栓等密封部件封闭且真空密封开 口的容器10的贯穿孔10a。
下面，说明实施方式2的具体例。
在上述等离子体处理装置(图19)中，将上部和下部高频功率(高 频电源38、 18)的RF频率分别设为60MHz、 2MHz，将上部电极24 与下部电极(基座)16的距离间隔(间隙)设定为25mm。
在上述实施方式的等离子体监测装置中，绝缘管50使用全长为 550mm、外径为3mm、内径为1.5mm的透明石英管，将容器10架设 在侧壁的两贯穿孔10a之间的高度位置(测定高度位置)设定在距上 部电极24为10mm、距下部电极16为15mm的位置上。同轴电缆52 使用芯线(内部导体)52a的外径为0.20mm、外部导体52b的外径为 0.86mm、特性阻抗为50Q的半硬性电缆SC-086/50 (-7、;/夕7公司 (Comes Dodwdl Ltd.)制)，使前端部的带特氟纶(登录商标)的芯 线52a露出10mm，成为探针部。测定电路54中，高通滤波器72使用 日本高周波公司的HPF150， RF限制器70使用安捷伦公司(Agilent Technologies)的11930B，标量网络分析器120使用安捷伦公司的 HP8753ET。标量网络分析器120每600msec扫描从150MHz至 2500MHz的高频信号(OdBm: ImW)并使其输出。在线性致动器56 中使用THK公司的线性致动器LCA40。在上述实施方式的改良型等离子体吸收探针法中，为了避免RF泄
漏，使同轴电缆52的GND线52b短路于容器10的壳体(侧壁)上而 接地，但在不具备珠形铁氧体部件66的结构中，若改变同轴电缆52 到容器10内的插入长度L (从短路点A至探针部52a前端的距离)， 则会看到周期地出现可认为是等离子体吸收频率以外的噪音的峰值的 现象。
为了了解该噪音产生的原理，使同轴电缆52的插入长度L (图2) 变化，调查此时得到的噪音峰值的频率特性。图24中示出该频率特性。 从图24可知，噪音峰值对应于同轴电缆52的插入长度L，在1500MHz 以上的频域中周期出现。另外，等离子体频率fp存在于1000MHz 1500MHz的范围内。
图25中用曲线示出噪音峰值的频率(实测值)，并用曲线示出由 插入长度L所决定的谐振频率(峰值频率计算值)。图25中，X表示在 同轴电缆52的外部导体52b中传播的噪音信号的波长，入g表示在芯轴 (内部导体52a)中传播的噪音信号的波长。从图25的曲线可知，噪 音峰值的测定值与计算值(半波长的整数倍)基本上完全一致。
根据该结果，在插入的同轴电缆52的GND线52b中产生驻波， 该驻波被探针识别为信号，认为产生基于原来的等离子体的吸收峰值 以外的驻波噪音峰值。若产生驻波噪音，则担心等离子体吸收的频率 特性的S/N变差，误认为是等离子体吸收峰值。
因此，如上述实施例那样，通过实验来尝试电磁波吸收体64对驻 波噪音的吸收。在电磁波吸收体64中使用TDK公司的珠形铁氧体 HF70BB3.5x5xl.3。另外，作为等离子体处理装置的等离子体生成条件， 处理气体中使用CsF8/Ar/02混合气体(流量15/380/19sccm)，分别将 容器10内的压力设定为2.0Pa (15mTorr)，上部/下部高频功率设定为 2.17/1.55kW，上部电极/容器侧壁/下部电极的温度设定为60/50/20°C。 将测定位置距晶片中心位置的半径方向的距离设为R，选择R=0 (晶 片中心)、R-160mm两个部位。
图26A和图26B中示出该实验结果的数据。从该实验结果可知， 通过将电磁波吸收体66安装在同轴电缆52上，确认不会对原来的等 离子体吸收峰值造成影响，有效去除驻波噪音。
43下面，用实验来评价等离子体清洗条件下的噪音降低效果。这是 为了即使如等离子体清洗那样在电子密度变低、S/N变差的条件下，确 认能否通过电磁波吸收体66有效降低驻波噪音。另外，所谓等离子体 清洗如公知的那样，是使用等离子体来去除附着在容器内壁等中的反 应残渣的清洗方法。
作为等离子体生成条件，在处理气体中使用02，分别将供给流量
设定为200sccm，将压力设定为2.0Pa (15mTorr)，将下部功率设定为 200W，将上部电极/容器侧壁/下部电极的温度设定为30/50/2(TC，使下 部功率从1500W变化到200W。设测定位置为11=0 (晶片中心)。
图27中示出该实验结果。因为依然仅可选择地去除驻波噪音，所 以可知即使是等离子体吸收峰值弱的信号也可容易进行峰值检测。
进一步，评价增强安装在同轴电缆52上的电磁波吸收体66时的 信号变化。具体而言，比较设直列安装在同轴电缆52上的珠状铁氧体 (HF70BB3.5x5x1.3)为5个、10个、15个时的等离子体吸收峰值的 信号(深度)。结果如图28所示，可知通过增加珠形铁氧体的安装数 可增加信号。这是因为铁氧体经电磁感应去除包含在信号中的噪音分 量。由于电磁波被铁氧体吸收时就会变换为热能，所以铁氧体自身被 加热， 一旦其温度超过居里点(Te:约IO(TC)，铁氧体就会丧失电磁 波吸收的特性。因此，优选冷却珠形铁氧体。在本实施方式中，通过 冷却气体供给部80的作用来空冷电磁波吸收体66。
另外，如下所述对几个加工等离子体调查压力与电子密度空间分 布的相关关系。
(1)用于形成高纵横比的连接孔用的蚀刻用等离子体，将压力作为 参数，调查容器径向上的电子密度的空间分布。图29中示出测量结果。
主要的等离子体生成条件(制法)如下。 晶片口径200mm 蚀刻气体C5F8/Ar/02混合气体 气体流量C5F8/Ar/O2=15/380/19sccm 气体压力2.0 26.6Pa(15 200mTorr) RF功率上部/下部2.17/1.55kW 设定温度上部电极/侧壁/下部电极=60/50/20°。下部RF电压的振幅1385V(2.0Pa)、 1345V(4.0Pa)、 1355V(10.6Pa)、 1370V(16.0Pa)、 13,(26.6Pa)
如图29所示，可知在该等离子体生成条件下，若压力超过16.0Pa (120mTorr)，则晶片中心部附近的位置处电子密度Ne下降，丧失均 匀性。
(2) 用于在Si基板上形成布线用沟槽(沟道)的蚀刻用的等离子 体，将压力作为参数，调查容器径向上的电子密度的空间分布。图30 中示出测量结果。主要的等离子体生成条件(制法)如下。
晶片口径200mm
蚀刻气体CF4/02混合气体
气体流量CF4/O2=40/3sccm
气体压力6.7 66.5Pa(50 500mTorr)
RF功率上部/下部二1.0/1.2kW
设定温度上部电极/侧壁/下部电极=60/50/20\:
下部RF电压的振幅1530V(6.7Pa) 、 1690V(20.0Pa)、 1400V(39.9Pa)、 1180V(66.5Pa)
从图30可知，在该等离子体生成条件下，若气体压力为6.7Pa或 20.0Pa左右，则电子密度Ne为不均匀分布，但在39.9Pa以上，就变成 平坦(均匀)的分布特性。
(3) 用于在基板上的夹层绝缘膜中形成通孔的蚀刻用等离子体，将 压力作为参数，调查容器径向上的电子密度的空间分布。图31中示出 测量结果。主要的等离子体生成条件(制法)如下。
晶片口径200mm 蚀刻气体N2气体 气体流量300sccm
气体压力53.2 106.4Pa(400 800mTorr) RF功率上部/下部-1.5/1.0kW 设定温度上部电极/侧壁/下部电极=30/50/20匸 下部RF电压的振幅1015V(53.2Pa)、 938V(106.4Pa)
如图31所示，可知在该等离子体生成条件下，即使气体压力上升 到106.4Pa，也可维持电子密度Ne的均匀性。如上所述，在本实施方式的等离子体监测方法和装置中，在从低 压到高压的宽的压力区域中，可在短时间内进行高精度的电子密度测 量。因此，在本实施方式的等离子体处理装置中，有效地优化制法， 以在期望的加工条件下，以均匀状态在处理空间中分布等离子体密度、 即电子密度，保证等离子体处理的面内均匀性，使成品率提高。
另外，在该实施方式2中，也可进行与上述实施方式1的情况一 样的各种变形。
实施方式3
下面，根据图32 图48来说明根据本发明的等离子体发光测量法 的实施方式。图32中示出适用实施方式3的等离子体发光测量方法和 装置的等离子体处理装置的结构。图中，具有与图1的等离子体处理 装置和等离子体监测装置同样的结构或功能的部分附加相同符号，并 省略其详细说明。
本实施方式的等离子体发光测量装置具有固定装配在容器IO中的 圆筒状透明绝缘管50;棒状光传播探针130，前端具有感光面130a， 可从石英管50的一端(图1的左端)滑动地插入到管内；测量部132， 经探针130测量来自容器10内生成的等离子体PZ的发光；用于使探 针130沿轴向移动的线性致动器56;和光学连接探针130与测量部132 的挠性光纤束134。
透明绝缘管50由透明且耐热性绝缘材料、例如石英或蓝宝石构成， 比容器10的外径尺寸稍长，笔直(直线状)形成，两端幵口。
如图33所示，在探针130的前端部安装例如由不锈钢(SUS)构 成的遮光性的圆筒形盖136。在盖136中，容纳例如由不锈钢(SUS) 构成的圆柱体138，圆柱体138中与探针130的感光面130a相对的端 面140形成相对轴向倾斜45。的反射镜。从探针130的感光面130a看， 在位于反射镜140的反射方向上的盖136的侧壁上形成圆形的开口或 窗142。从该窗142的正面前方进入的光由反射镜64反射后，入射到 探针130的感光面130a。这样，在本实施例中，由盖136的窗142、 反射镜140和探针130的感光面130a构成以高指向性来采光容器10 内的等离子体光的采光部144。
探针130由直径例如为数mm以下的石英棒构成，放射到前端的感光面130a的光在交界面或周面上边全反射边关在里面传送到另一
端，从另一端面放射。在石英棒中，优选是在处理通常的等离子体发
光分光中使用的200nm 900nm波长的情况下，在该波长区域中示出 高的透过特性，而且不发出荧光的有水合成石英制棒。另一方面，在 测量近红外线至中间红外线区域(900nm )时，优选使用在该波长区 域中示出高的透过特性的无水合成石英或熔融石英作为棒材。在从紫 外线至红外线的宽的波长区域下有效测量时，优选使用蓝宝石。
虽然探针130如上所述即使是石英棒单体也实现充分的光传送功 能，但为了抑制从侧面进入散射光，优选如图34A所示，由包层146 包围棒的侧面或周面，更优选如图34B所示，用遮光性的被膜、例如 黑色涂料148包围包层146 (或石英棒130)的周面。
测量部132是经探针130并通过分光分析法测量容器10内的等离 子体发光的装置，具有将来自探针130的光分解或分光成频谱用的分 光器150;将该分光器150得到的规定频率的频谱变换为电信号的光电 变换部152;根据该光电变换部152的输出信号求出该频谱的强度的测 量运算部154;和用于与测量关联地控制各部的测量控制部156。分光
器150可以使用例如棱镜或衍射光栅。也可使用滤光器来代替分光器。 光电变换部152可以例如使用光电子增倍管或光电二极管等。
光纤束134集束多条挠性光纤， 一端经连接器158光学连接于探 针130的另一端，另一端光学连接于发光测量部132的分光器150上。 连接器158例如通过端面对准的方式连接光纤束134与探针130。
这里，说明本实施方式的等离子体发光测量装置的作用。在该等 离子体发光测量装置中，要测量来自容器10内生成的等离子体PZ的 发光，就要通过线性致动器56的直进驱动，使探针130在石英管50 中沿轴向、即容器10的径向移动。通常，在从线性致动器56侧看探 针130的感光面130a超过最远测定点的位置之前，将探针130插入石 英管50的深处，测量时，使线性致动器56沿拔出探针130的方向直 进移动。通过该轴向的直进驱动，探针130的采光部144在容器10内 沿径向扫描等离子体空间中，采光径向各位置上的等离子体光。具体 而言，如图33所示，在扫描线上各位置处，从上方附近的等离子体PZ 发出的光透过石英管50，从盖136的窗142入射到反射镜140，由反射镜140反射的光入射到探针130的感光面130a。在图示的实例中， 采光来自上方的等离子体光，但也可按反射镜140的方向不仅采光来 自上方、还采光来自下方或侧方等任意角度的等离子体光。
入射到探针130的感光面130a的等离子体光在探针130中传播， 在连接器158内从探针130的另一端面放射，入射到光纤束134的一 端面或感光面。入射到光纤束134的感光面的等离子体光在光纤束134 中传播后，从另一端面放射，进入测定部132的分光器150中。
测定部132中，分光器150从感光的等离子体光中取出期望的频 谱。光电变换部152将分光器150取出的频谱变换为例如光电流，输 出对应于频谱强度的电压信号。测量运算部154根据光电变换部152 得到的电压信号的电平，求出频谱强度的测定值。如上所述，通过线 性致动器56使探针130在石英管50内沿轴向移动，在容器10的径向 上扫描采光部144，所以可测定扫描线上各位置处的等离子体光或频谱 强度。另外，通过在线性致动器56中装配例如线性编码器或旋转编码 器等位置传感器，可通过该位置传感器检测或把握采光部144的位置、 即测定位置。这样，将每个测定位置的频谱强度测定值作为等离子体 发光测量数据存储在测量运算部154或测量控制部156内的存储器中， 通过未图示的显示器或打印机等，作为空间分布特性(曲线)显示或 打印，或附加于期望的监测器分析中。
如上所述，在该等离子体发光测量装置中，在容器10内插入石英 管50，并使棒状的光传输用探针130在石英管50内沿轴向移动，通过 探针130前端部的采光部144在轴向任意测定位置采光来自等离子体 PZ的发光，并经探针130和光纤束134将采光到的等离子体光传送到 测量部132，由测量部132对各测定位置的等离子体发光求出规定的特 性或属性(例如规定波长的频谱强度)的测定值。
这里，石英管50和探针130为绝缘体、即非金属，即使插入平行 平板电极(12、 24)之间生成的电容耦合性等离子体PZ中，也不会扰 乱等离子体PZ，可对等离子体发光进行可靠性和测定精度高的空间分 布测量。另外，在本实施方式中，由金属(SUS)构成采光部144的盖 136和反射镜140，但因为该金属部件的全长为数cm左右不能起到天 线作用，所以不会对平行平板电极(12、 24)间的高频放电造成影响。另外，在本实施方式中，在容器10的侧壁相对位置上设置的一对
支撑部(贯穿孔10a、 10a)之间水平架设石英管50，在这种架桥型石 英管50中(将石英管50作为引导部件)使探针130沿轴向移动，所 以可在容器径向的一定水平线上实现高速且稳定的探针扫描。由此， 即使在例如数分钟以下的短加工时间中，也可以一定的时间间隔重复 多次上述空间分布测量，还可进行时间轴方向的分解测量。
并且，在本实施方式中，通过将探针130采光的容器10内的等离 子体光在容器10外通过光纤束134提供给测量部132的分光器150， 可以以期望的视角或估计角度采光容器10内的等离子体发光。
根据图35来说明探针130和光纤束134的光学功能。在容器10 内，如上所述，来自等离子体PZ的发光通过盖136的窗142，由反射 镜140反射后，入射到探针130的感光面130a。这里，等离子体光与 探针130固有的数值孔径(NA)无关，实质上以±90°的估计角(NA=1) 入射到探针130的感光面130a。另外，与感光侧对称地实质上以土9(T 的估计角从探针130的另一端面130b放射等离子体光。从而，等离子 体光以与容器10内的探针130的感光面130a实质相同的状况入射到 光纤束134的感光面134a。其中，光纤束134以固有的数值孔径(NA〈1) 感光等离子体光，另一端面134b也以固有的数值孔径(NA<1)放射 等离子体光。从而，可以以恰好与光纤束134的感光面134a进入容器 10内的情况同等或等效的指向性采光等离子体光。
另外，若光纤束134实际上进入容器10内，则其保护管(通常为 金属制)与等离子体PZ电耦合，扰乱等离子体PZ。在本实施方式中， 因为光纤束134通常存在于容器10之外，所以不会对等离子体PZ造 成影响。
另外，除上述指向性外，与单个(一个)光纤相比，光纤束134 还具有容易与连接器158的探针130光轴重合的优点。
但是，若增大探针130的棒直径，则如图36所示，在采光部144 采光的等离子体光中，除从窗142的正面前方进入后被反射镜140反 射后入射到探针130的感光面130a的原来的被测定光PL，还混杂不经 反射镜140而直接从前方入射到感光面BOa的不期望的光QL。针对 该问题，如图所示，将探针130的一端部仅斜切成角度e的感光面的结构是有效的，从而探针130的感光面130a的法线N相对轴向向窗 142侧仅倾斜规定角度e 。根据这种结构，即使不期望的光QL从前方 直接入射到探针130的感光面130a，也由于以比光纤束134的数值孔 径(NA)大的角度入射到光纤束134，所以可去除前方光。
图37中用图线示出在探针130中使用石英棒的情况下，将数值孔 径(NA)作为参数、石英棒感光面相对石英棒的折射率的最佳切割角 e。因为石英棒的折射率随光波长变化，所以在实际的应用中可以结 合被测定频谱中的最短波长来决定切割e。例如，在使用数值孔径为 0.22的石英棒的情况下，当对应于最短的被测定频谱的折射率为1.453 时，从图37的图线可知切割角6为26.8°。
如上所述，根据本实施方式的等离子体发光测量装置，可不对容 器10内的等离子体分布造成影响地测量或分光分析来自等离子体的发 光，作为容器径向的空间分布。由此，可高精度地解析加工结果的面 内分布与等离子体发光的空间分布的相关性。
图38 图40中示出在将本实施方式的等离子体处理装置适用于 等离子体蚀刻的应用中、蚀刻速率的面内分布与等离子体发光的空间 分布的相关性的实例。
图38A和图38B示出在上部电极24的比电阻不同的两种氧化硅 膜(Si02)蚀刻(A、 B)中Si02的蚀刻速率E/R的面内分布(图38A) 与Ar原子团发光I[Ar] (750nm; 13.48eV)的空间分布(图38B)的 相关性。
图39A和图39B示出在上部电极24的结构不同的两种氧化硅膜 (Si02)蚀刻(C、 D)中Si02的蚀刻速率(E/R)的面内分布(图39A) 与Ar原子团发光I[Ar] (750nm; 1348eV)的空间分布(图39B)的 相关性。
图40A和图40B示出在上部电极24的结构不同的两种氧化硅膜 (Si02)蚀刻(C、 D)中光致抗蚀剂的蚀刻速率(E/R)的面内分布(图 40A)与Ar原子团发光I[Ar]/F原子团发光I[F] (704nm; 14.75eV) 的空间分布(图40B)的相关性。
图41 图43中示出另一个实施例的适用等离子体发光测量方法 和装置的等离子体处理装置的结构和作用。图中，对有与上述实施方式1实质相同结构或功能的部分附加相同符号。
在本实施例中，在上部电极24与下部电极16的中间的高度位置 上，于容器10的侧壁中形成带活门160的开口或孔162，可从孔162 之外沿容器径向使前端具有感光面164c的棒状光传输探针164出入。 探针164可以是具有例如由石英(合成石英或熔融石英)或蓝宝石构 成的芯体164a和包层164b的二重结构的光纤(图43)。
在容器10以外，将探针164容纳在可伸縮地配置在容器径向上的 波纹管166中。探针164的基端部被水平支撑在线性致动器56的滑块 部76上，同时，经连接器158光学连接于光纤束134上。波纹管166 一端连接于容器10上，同时，另一端连接于滑块部76上，在探针164 周围形成气密空间。该波纹管166的内部空间经排气管168由排气装 置170减压到与容器10内大致相同的真空度。另外，在波纹管166的 内部或周围设置用于将探针164加热到规定温度(例如IO(TC左右)的 加热器(例如PTC元件或电阻发热元件)172。
在本实施例中，在不进行等离子体发光测量期间，如图41所示， 关闭活门160，使探针待机于容器IO之外。并且在进行等离子体发光 测量之前，将波纹管166的内部空间减压至与规定的容器10内基本相 同的真空度，并将探针164加热到规定的温度。当进行等离子体发光 测量时，如图42所示，打开活门160，使线性致动器56动作，使探针 164沿轴向直进移动，从孔162插入容器10中。此时，波纹管166伴 随滑块部76和探针164的前进移动而收缩。
在容器10内，来自位于其前方的等离子体PZ的发光入射到探针 164的感光面164c。探针164的估计角由芯体164a与包层164b各自 的折射率决定的数值孔径(NA)限制。边使探针164沿轴向、即容器 径向(x)移动(扫描)，边由测量部132求出等离子体发光的光强度相对 微小移动距离Ax的变化量AI，从而可测量扫描线上的发光分布。该 测量扫描也可在探针164的前迸(进动)中或后退(回动)中两者之 一进行。
即使容器10内探针164的包层部164b撞击等离子体PZ，传输采 光到的等离子体光的芯部164a也不受其影响。另外，由于探针164即 使在容器10外也被加热到高温，所以即使进入容器10内并曝露于等离子体PZ中也很少附着沉淀物。
探针164由于是非金属的，所以不仅不会扰乱等离子体PZ，而且
由于可在与加工时间(例如数分钟)相比非常短的时间(例如数秒) 内进行扫描，所以基本上不会对加工结果造成影响。因此，在加工时 间中还可以以一定的周期进行多次上述测量扫描。另外，可得到与加 工结果相关性高的测量结果。本实施方式不仅可适用于加工开发时， 还可适用于实加工中，例如可适用于等离子体蚀刻中的终点检测等各 种加工控制用的发光监测中。
在上述实施例1和2中，在容器10内使探针(130、 164)沿轴向 移动，并测量等离子体发光，作为同方向的空间分布。但是，本发明 可在容器10内使探针沿任意方向移动。例如图44所示，在容器10内 的等离子体空间中，边使探针130沿垂直(z)方向移动，边由测量部132 求出等离子体发光的光强度相对微小移动距离Az的变化量AI，从而 可测量垂直(z)方向上的等离子体发光分布。
并且，在本发明的等离子体发光装置中，还可根据通过上述分光 分析法得到的等离子体发光的测定值求出其它等离子体属性。通常， 原子/分子/原子团/离子等发光种以对应于各自内部能量状态的固有波 长或频谱发光。来自任意发光种X的发光强度Ix由下式(5)得到。
Ix -Cx,, Nx ne / S x(E) ve fe(E) dE……(5)
其中，C^是包含涉及发光种的物性值(波长、自然放出概率等)或 测量系统的几何学要素的系数。另外，Nx是发光种的基础能量状态下
的密度， 是电子密度，Sx(E)是发光种X的电子冲击激励截面积，Ve
是电子速度，fe(E)是电子能量分布函数(EEDF)。另夕卜，式(5)中积分(/ ) 的范围是从O到无限大(oo)。
这样，来自等离子体的发光由几个等离子体量决定。换言之，根 据等离子体发光的测量值求出发光种的密度、电子密度、电子能量分 布等各量。
例如，若通过7夕千乂卜y法求出Nx，通过等离子体吸收探针法 (PAP)或兰米尔探针法等电子密度测量法求出电子密度ne，则可根据式 (5)求出电子能量分布fe(E)。
本实施方式的等离子体发光测量装置当然可将各结构要素变更为具有一样功能的替代物。例如，在上述实施方式中，使石英管50在容 器10内沿径向横断后装配成架桥型，但也可构成为在一个部位以单支
撑梁方式固定石英管50。另外，在本实施方式中，通过线性致动器56 的直进驱动使探针130、 164沿轴向、即容器10的径向移动。但是， 不用说，也可使探针130、 164仅相对石英管50或容器10沿轴向进退， 通过手动与上述实施方式一样直进移动。
图45 图47中示出本实施方式的变形例。图45的变形例构成为 将上述实施例1中的探针130代替为单体的石英棒后由多个光纤166 构成的束型光导管。为了将多个光纤集成1束，在束的周围设置耐热 性的非金属部件168。作为这种耐热性非金属部件168的材质，优选是 耐热性高分子、例如聚酰亚胺，可以以带的形态巻绕在光纤166束周 围，或以树脂形态固定。这种束型探针130具有柔软性，所以具有耐 冲击不易破损的优点。
图46的变形例是将出入于容器10的上述束型探针130与在容器 10外延伸的标准光纤束134 —体化。g卩，由连续的1条光纤构成探针 130的各光纤166与光纤束134的各光纤166，不同点在于，探针130 与光纤束134的外壳在前者(130)中为绝缘体，在后者(134)中为金属。 根据这种光纤一体型，在探针130与光纤束134之间没有耦合损耗， 可增加测量部132(尤其是分光器150)侧的感光量，使测量精度提高。
图47的变形例是由铝构成探针130中的反射镜140的材质。铝是 在从紫外线到红外线下具有一定的高反射率的元件，优选用于反射镜 140中。其中，因为铝易氧化变质，所以在本构成例中，在透明石英基 板170的单侧面中蒸镀铝172，在表面侧配置作为反射镜保护材料的透 明石英基板170，将作为反射膜的铝蒸镀膜172作为里侧，装配在SUS 圆柱体138上。来自等离子体的被测定光PL透过透明石英基板170， 在铝淀积膜172上反射。作为另一变形例，图示省略，它是由铝构成 圆柱体138，在反射面或反射镜面140上涂布由氟化镁构成的保护膜。
作为本发明的等离子体发光测量装置的一应用例，具有可监测容
器内部的异常放电的功能。例如，在图32的实施例中，当喷头结构的 上部电极24的气体孔(喷出孔)26由于消耗而变宽、故异常放电时， 若向上沿水平方向扫描探针130的采光部144，则可观测该异常放电的状态。图48中示出一例。如图所示，与上部电极24的气体孔26正常 时的发光分布相比，当上部电极24的气体孔26异常时(变宽时)，来 自电极中心部的发光减少、另一方面来自周边部的发光增大的图案的 空间分布。由此，可以检出是否发生异常放电和发生部位。另外，图 48的实验数据通过在氧化硅膜蚀刻中由Ar原子团发光的监测而得到。 主要等离子体生成条件(制法)如下。
晶片口径；300mm
气体压力MmTorr
上部和下部电极间距离35mm
蚀刻气体C5F8/ 02/ Ar =29/750/47sccm
RF功率上部/下部3300/3800W
晶片里面压力(中心部/边缘部)'.10M0Torr
上述异常放电监测功能可由实施方式1 (图1)或实施方式2 (图 19)中的等离子体电子密度测定方法和装置来实现。图49中示出由基 于实施方式l (图1)的等离子体谐振探针法得到的实验数据。容器结 构和等离子体生成条件与图48的一样。如图49所示，与上部电极24 的气体孔26正常时的电子密度分布相比，当上部电极24的气体孔26 异常时(变宽时)，变为电极中心部和电极边缘部处电子密度异常高的 图案的空间分布。因此，可检测有无产生异常放电或产生部位。
本发明的等离子体处理装置可有各种变形。尤其是上述实施方式 的电容耦合型平行平板类的等离子体发生方式就是一例，本发明也可 适用于其它任意方式、例如磁控管方式或ECR(Electron Cyclotron Resonance)方式等。另夕卜，等离子体加工的种类不限于蚀刻，本发明也 可适用于CVD(Chemical Vapor Deposition)、氧化、溅射等任意等离子
体加工中。并且，通过等离子体加工处理的被处理体也不限于半导体 晶片，也可适用于例如玻璃基板或LCD(Liquid Crystal Display)基板等。
本发明的等离子体发光测量方法或装置也可适用于等离子体处理装置 以外的等离子体装置中。
权利要求
1.一种等离子体监测方法，其特征在于，具有如下工序在可生成或导入等离子体的容器室内插入并装配绝缘管的工序；将具有使前端部的芯线露出的探针部的同轴电缆插入所述绝缘管的管内的工序；在所述容器内不存在等离子体的状态下，对从所述绝缘管内的所述探针部放出的电磁波的反射系数取得第一频率特性的工序；在所述容器内存在等离子体的状态下，对从所述绝缘管内的所述探针部放出的电磁波的反射系数取得第二频率特性的工序；根据所述第一频率特性和所述第二频率特性，求出等离子体吸收频率的测定值的工序。
2. 根据权利要求1所述的等离子体监测方法，其特征在于， 在所述容器内不存在等离子体的状态下，使所述同轴电缆相对所述绝缘管沿轴向移动，对多个测定位置分别取得所述第一频率特性；在所述容器内存在等离子体的状态下，使所述同轴电缆相对所述绝缘管沿轴向移动，对所述多个测定位置分别取得所述第二频率特性;对所述多个测定位置，根据所述第一频率特性和所述第二频率特 性求出等离子体吸收频率的测定值。
3. 根据权利要求2所述的等离子体监测方法，其特征在于， 使所述探针部依次定位在所述多个测定位置上，在每个测定位置处对从所述探针部放出的所述电磁波的反射系数取得所述第一或第二 频率特性。
4. 根据权利要求3所述的等离子体监测方法，其特征在于， 使所述同轴电缆沿从所述绝缘管拔出的方向移动，使所述探针部依次定位在所述多个测定位置上。
5. 根据权利要求1所述的等离子体监测方法，其特征在于， 通过致动器的直行驱动来使所述同轴电缆沿轴向移动。
6. 根据权利要求1所述的等离子体监测方法，其特征在于， 对所述电磁波的反射系数取得所述第1或第二频率特性的工序包含如下工序，g卩，边扫描频率，边以一定功率向所述同轴电缆的探针 部发送各频率的电磁波信号，并放出到周围的空间中，根据经所述探 针部反射来的信号电平求出每个频率的反射系数。
7. 根据权利要求1所述的等离子体监测方法，其特征在于， 对每个所述测定位置，根据所述等离子体吸收频率的测定值，算出所述等离子体中的电子密度。
8. —种等离子体监测装置，其特征在于，具有绝缘管，插入并装配在可生成或导入等离子体的容器室内；同轴电缆，具有使前端部的芯线露出的探针部，从所述绝缘管的一端插入管内；致动器，使所述同轴电缆相对所述绝缘管沿轴向移动； 标量式的反射系数测定部，边扫描频率，边以一定功率向所述同 轴电缆的探针部发送各频率的电磁波信号，并放出到周围的空间中， 根据经所述探针部反射来的信号电平来测定每个频率的反射系数，并 求出反射系数的频率特性；和测定运算部件，对由所述探针部的位置所提供的期望的测定位置， 根据在所述容器内不存在等离子体的状态下由所述反射系数测定部得 到的第一频率特性、和在所述容器内存在等离子体的状态下由所述反 射系数测定部得到的第二频率特性，求出等离子体吸收频率的测定值。
9. 根据权利要求8所述的等离子体监测装置，其特征在于， 在所述容器内不存在等离子体的状态下，通过所述致动器，使所述同轴电缆沿轴向移动，使所述探针部依次定位在多个测定位置上，在每个测定位置处由所述反射系数测定部取得所述反射系数的第一频率特性；在所述容器内存在等离子体的状态下，通过所述致动器，使所述同轴电缆沿轴向移动，使所述探针部依次定位在多个测定位置上，在 每个测定位置处由所述反射系数测定部取得所述反射系数的第二频率 特性。
10. 根据权利要求8所述的等离子体监测装置，其特征在于， 所述同轴电缆具有由不锈钢构成的外部导体。
11. 根据权利要求8所述的等离子体监测装置，其特征在于， 在所述容器侧壁中设置的第一支撑部与第二支撑部之间架设所述绝缘管。
12. 根据权利要求ll所述的等离子体监测装置，其特征在于，所述第一和第二支撑部的至少一方由贯穿孔形成。
13. 根据权利要求12所述的等离子体监测装置，其特征在于， 具有将所述绝缘管气密地固定装配在所述贯穿孔中的O型圈。
14. 根据权利要求8所述的等离子体监测装置，其特征在于， 具有一端连接于所述容器的地电位部分、另一端与所述同轴电缆的外部导体连接的接地用导体。
15. 根据权利要求14所述的等离子体监测装置，其特征在于， 在比所述接地用导体与所述同轴电缆的外部导体接触的位置更靠近所述探针部侧的位置上，设置用于通过电磁感应来吸收所述外部导 体中传播的噪音信号的电磁波吸收体。
16. 根据权利要求15所述的等离子体监测装置，其特征在于， 所述电磁波吸收体是沿轴向安装在所述同轴电缆上的一个或多个珠状铁氧体部件。
17. 根据权利要求8所述的等离子体监测装置，其特征在于， 为了在所述绝缘管中流过冷却用气体，具有连接于所述绝缘管另一端的冷却机构。
18. 根据权利要求8所述的等离子体监测装置，其特征在于， 所述测定运算部件包含电子密度运算部件，对各个所述测定值，根据所述等离子体吸收频率的测定值，算出等离子体中的电子密度。
19. 一种等离子体监测方法，其特征在于，具有如下工序 将透明的绝缘管插入并装配在可生成或导入等离子体的容器室内的工序；将前端具有感光面的棒状光传输探针插入所述绝缘管的管内，使 从所述容器内的等离子体发出的光通过所述绝缘管入射到所述探针的 感光面的工序；和根据从所述探针另一端面放射的光，测量来自所述等离子体的发 光的工序。
20. 根据权利要求19所述的等离子体监测方法，其特征在于，使所述探针在所述绝缘管中沿轴向移动，测量所述等离子体光， 作为轴向的空间分布。
21. 根据权利要求20所述的等离子体监测方法，其特征在于， 使所述探针的轴向与所述容器的径向 一致。
22. 根据权利要求19所述的等离子体监测方法，其特征在于， 使所述探针与所述绝缘管一体沿高度方向移动，测量所述等离子体光，作为高度方向的空间分布。
23. —种等离子体监测方法，其特征在于，具有如下工序 在可生成或导入等离子体的容器侧壁上设置可开闭的开口部的工序；将所述开口部设为开状态，将前端具有感光面的棒状光传输探针 在减压空间中从所述开口部插入所述容器内的工序；和根据从所述探针另一端面放射的光，测量来自所述等离子体的发光的工序。
24. 根据权利要求23所述的等离子体监测方法，其特征在于， 使所述探针在所述容器内沿轴向移动，求出所述等离子体光相对移动距离的变化量，测量所述等离子体光，作为所述探针轴向上的所 述容器内的空间分布。
25. 根据权利要求24所述的等离子体监测方法，其特征在于， 使所述探针的轴向与所述容器的径向 一致。
26. —种等离子体监测装置，其特征在于，具有 透明绝缘管，插入并装配在可生成或导入等离子体的容器室内； 棒状光传输探针，前端具有感光面、从所述绝缘管的一端插入管内；禾口测量部，根据从所述探针另一端面放射的光，测量来自所述等离 子体的发光。
27. 根据权利要求26所述的等离子体监测装置，其特征在于， 所述探针由石英或蓝宝石构成。
28. 根据权利要求26所述的等离子体监测装置，其特征在于， 所述探针具有由石英或蓝宝石构成的芯体、和包围所述芯体周围的包层。
29. 根据权利要求26所述的等离子体监测装置，其特征在于， 所述探针具有遮光性的被膜。
30. 根据权利要求26所述的等离子体监测装置，其特征在于， 所述探针具有收束成一体的多条光纤、和包围这些光纤的周围的耐热性非金属部件。
31. 根据权利要求30所述的等离子体监测装置，其特征在于，所述非金属部件由聚酰亚胺构成。
32. 根据权利要求26所述的等离子体监测装置，其特征在于，所述绝缘管由石英或蓝宝石构成。
33. 根据权利要求26所述的等离子体监测装置，其特征在于， 在所述探针的前端部设置反射镜，用于反射来自期望角度的所述等离子体光并使之入射到所述探针的感光面。
34. 根据权利要求33所述的等离子体监测装置，其特征在于， 所述反射镜的反射面由铝构成。
35. 根据权利要求33所述的等离子体监测装置，其特征在于， 在所述探针的前端部设置包围所述感光面与所述反射镜的遮光部件，在所述遮光部件中设置将来自期望角度的等离子体光通向所述反 射镜的窗。
36. 根据权利要求35所述的等离子体监测装置，其特征在于， 斜切所述探针的端部，使所述探针的感光面的法线相对轴向向所述窗侧仅倾斜规定角度。
37. 根据权利要求26所述的等离子体监测装置，其特征在于， 在相对设置在所述容器侧壁中的第一支撑部与第二支撑部之间，实质架设所述绝缘管。
38. 根据权利要求26所述的等离子体监测装置，其特征在于， 具有使所述探针向轴向移动的致动器。
39. 根据权利要求26所述的等离子体监测装置，其特征在于， 具有检测所述探针的感光面位置的位置检测部件。
40. 根据权利要求26所述的等离子体监测装置，其特征在于，所述测量部具有用于从由所述探针另一端面射出的光中取出规定 波长的频谱的分光部、和测定由所述分光部取出的所述频谱的强度的 频谱强度测定部。
41. 根据权利要求26所述的等离子体监测装置，其特征在于， 具有以期望的数值孔径感光由所述探针另一端面放射的光并导向所述测量部的光纤束。
42. —种等离子体监测装置，其特征在于，具有 设置在可生成或导入等离子体的容器侧壁上的可开闭的开口部；棒状光传播探针，前端具有感光面，在减压空间中从开状态的所述开口部插入所述容器内；和测量部，根据从所述探针另一端面放射的光，测量来自所述等离 子体的发光。
43. 根据权利要求42所述的等离子体监测装置，其特征在于， 具有波纹管，可伸縮地设置在所述容器的径向，在所述开口部外围绕所述探针形成密闭空间；和减压所述密闭空间内的排气部。
44. 根据权利要求43所述的等离子体监测装置，其特征在于， 在所述密闭空间内具有用于将所述探针加热到规定温度的加热部。
全文摘要
本发明提供一种即使在低电子密度条件或高压力条件下也可正确测定等离子体中的电子密度的等离子体监测方法。该等离子体电子密度测定装置在测定部(54)中具备矢量式的网络分析器(68)。由该网络分析器(68)测定复数表示的反射系数，取得其虚部的频率特性，并且测量控制部(74)读取复数反射系数的虚部零交叉点的谐振频率，根据谐振频率算出电子密度的测定值。
文档编号H05H1/00GK101587156SQ200910142798
公开日2009年11月25日 申请日期2004年4月26日 优先权日2003年4月24日
发明者山泽阳平, 松土龙夫, 松本直树, 濑川澄江, 輿水地盐 申请人:东京毅力科创株式会社