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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023035390
(43)【公開日】2023-03-13
(54)【発明の名称】プラズマ測定方法
(51)【国際特許分類】
H05H 1/00 20060101AFI20230306BHJP
【ＦＩ】
H05H1/00 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021142215
(22)【出願日】2021-09-01
(71)【出願人】
【識別番号】000219967
【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099944
【弁理士】
【氏名又は名称】高山 宏志
(72)【発明者】
【氏名】鎌田 英紀
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 幹夫
(72)【発明者】
【氏名】池田 太郎
(72)【発明者】
【氏名】芦田 光利
【テーマコード（参考）】
2G084
【Ｆターム（参考）】
2G084BB11
2G084CC03
2G084CC04
2G084CC05
2G084CC06
2G084CC08
2G084CC09
2G084CC12
2G084CC13
2G084CC15
2G084CC16
2G084CC33
2G084DD04
2G084DD19
2G084DD25
2G084DD38
2G084DD42
2G084DD56
2G084DD61
2G084FF15
2G084FF22
2G084HH02
2G084HH16
2G084HH19
2G084HH20
2G084HH21
2G084HH22
2G084HH25
2G084HH26
2G084HH43
2G084HH44
(57)【要約】
【課題】プロセスガスを用いたパルス状プラズマの状態をリアルタイムで測定することができるプラズマ測定方法を提供する。
【解決手段】基板を収容した処理容器内にプロセスガスを導入し、電磁波発振器から発生させた電磁波をパルス化装置で加工した電磁波パルスを用いてパルス状プラズマを生成して基板に対しプラズマ処理を行う際に、プローブ装置を用いてプラズマの状態を測定するプラズマ測定方法は、プローブ装置を介してパルス状プラズマへ交流電圧を印加することと、交流電圧に基づくパルス状プラズマからの信号を、プローブ装置を介して伝送し、電流値を含むデータを測定することと、測定したデータを解析してパルス状プラズマの状態を把握することとを有し、電磁波パルスの１周期の期間内においてパルス状プラズマの測定に必要な数のデータが、許容時間内に得られるように、交流電圧の周波数を電磁波パルスの周波数からずらす。
【選択図】 図９
【解決手段】基板を収容した処理容器内にプロセスガスを導入し、電磁波発振器から発生させた電磁波をパルス化装置で加工した電磁波パルスを用いてパルス状プラズマを生成して基板に対しプラズマ処理を行う際に、プローブ装置を用いてプラズマの状態を測定するプラズマ測定方法は、プローブ装置を介してパルス状プラズマへ交流電圧を印加することと、交流電圧に基づくパルス状プラズマからの信号を、プローブ装置を介して伝送し、電流値を含むデータを測定することと、測定したデータを解析してパルス状プラズマの状態を把握することとを有し、電磁波パルスの１周期の期間内においてパルス状プラズマの測定に必要な数のデータが、許容時間内に得られるように、交流電圧の周波数を電磁波パルスの周波数からずらす。
【選択図】 図９
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板を収容した処理容器内にプロセスガスを導入し、電磁波発振器から発生させた電磁波をパルス化装置で加工した電磁波パルスを用いてパルス状プラズマを生成して基板に対しプラズマ処理を行う際に、プローブ装置を用いてプラズマの状態を測定するプラズマ測定方法であって、
前記プローブ装置を介して前記パルス状プラズマへ交流電圧を印加することと、
前記交流電圧に基づく前記パルス状プラズマからの信号を、前記プローブ装置を介して伝送し、電流値を含むデータを測定することと、
前記測定したデータを解析して前記パルス状プラズマの状態を把握することと、
を有し、
前記電磁波パルスの１周期の期間内において前記パルス状プラズマの測定に必要な数のデータが、許容時間内に得られるように、前記交流電圧の周波数を前記電磁波パルスの周波数からずらす、プラズマ測定方法。
前記プローブ装置を介して前記パルス状プラズマへ交流電圧を印加することと、
前記交流電圧に基づく前記パルス状プラズマからの信号を、前記プローブ装置を介して伝送し、電流値を含むデータを測定することと、
前記測定したデータを解析して前記パルス状プラズマの状態を把握することと、
を有し、
前記電磁波パルスの１周期の期間内において前記パルス状プラズマの測定に必要な数のデータが、許容時間内に得られるように、前記交流電圧の周波数を前記電磁波パルスの周波数からずらす、プラズマ測定方法。
【請求項2】
前記交流電圧を複数の前記電磁波パルスの期間継続的に与え、複数の前記電磁波パルスのそれぞれの異なるポイントのデータを重ね合わせることにより前記電磁波パルスの１周期内における前記必要な数のデータを得る、請求項１に記載のプラズマ測定方法。
【請求項3】
前記交流電圧の周波数をｆprobe、前記電磁波パルスの周波数をｆpulse、とした場合に、以下の（１）式、（２）式、（３）式に示す関係を満たす、請求項１または請求項２に記載のプラズマ測定方法。
ただし、ｍ，ｎは上記（１）式を満たす最小の正の整数の組を表し、Ｔmaxは前記データの測定の前記許容時間上限を表す。
【数1】
【請求項4】
基板を収容した処理容器内にプロセスガスを導入し、電磁波発振器から発生させた電磁波をパルス化装置で加工した電磁波パルスを用いてパルス状プラズマを生成して基板に対しプラズマ処理を行う際に、プローブ装置を用いてプラズマの状態を測定するプラズマ測定方法であって、
前記プローブ装置を介して前記パルス状プラズマへ交流電圧を印加することと、
前記交流電圧に基づく前記パルス状プラズマからの信号を、前記プローブ装置を介して伝送し、電流値を含むデータを測定することと、
前記測定したデータを解析して前記パルス状プラズマの状態を把握することと、
を有し、
前記交流電圧の周波数をｆprobe、前記電磁波パルスの周波数をｆpulse、とした場合に、以下の（１）式、（２）式、（３）式に示す関係を満たす、プラズマ測定方法。
ただし、ｍ，ｎは上記（１）式を満たす最小の正の整数の組を表し、Ｔmaxは前記データの測定の許容時間上限を表す。
前記プローブ装置を介して前記パルス状プラズマへ交流電圧を印加することと、
前記交流電圧に基づく前記パルス状プラズマからの信号を、前記プローブ装置を介して伝送し、電流値を含むデータを測定することと、
前記測定したデータを解析して前記パルス状プラズマの状態を把握することと、
を有し、
前記交流電圧の周波数をｆprobe、前記電磁波パルスの周波数をｆpulse、とした場合に、以下の（１）式、（２）式、（３）式に示す関係を満たす、プラズマ測定方法。
【数2】
【請求項5】
前記Ｔmaxは、１０ｓｅｃ以下である、請求項３または請求項４に記載のプラズマ測定方法。
【請求項6】
前記電流値を含むデータは、電圧と時間を変数とする２変数関数としての電流値である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のプラズマ測定方法。
【請求項7】
前記交流電圧の周波数は、５００～１００ｋＨｚの範囲である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のプラズマ測定方法。
【請求項8】
前記電磁波パルスの周波数は、５００～１００ｋＨｚの範囲である、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のプラズマ測定方法。
【請求項9】
前記交流電圧の周波数は、前記電磁波パルスの周波数の１０倍未満である、請求項７または請求項８に記載のプラズマ測定方法。
【請求項10】
前記データを解析する際のサンプリング周波数は、前記交流電圧の周波数と同様に前記電磁波パルスの周波数からずらす、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のプラズマ測定方法。
【請求項11】
前記データを時間に区切って解析し、その際に、前記データを時間軸に存在させるように、線形補完またはスプライン補間を用いて前記データを補正する、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のプラズマ測定方法。
【請求項12】
前記データを解析することにより、前記パルス状プラズマの電子密度および／または電子温度を算出する、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のプラズマ測定方法。
【請求項13】
前記データの解析は、前記電流値をフーリエ変換することにより行われる、請求項１２に記載のプラズマ測定方法。
【請求項14】
前記プローブ装置は、前記パルス状プラズマに接する表面に絶縁膜が形成され、前記パルス状プラズマからＤＣ的に絶縁されている、請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載のプラズマ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、プラズマ測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、プラズマの状態を測定するためのプローブをチャンバ内に挿入して、測定用電源から測定用信号をチャンバ内に供給することによってプラズマの状態を測定することが行われている。このようなプローブとしては、直流電圧を印加してプラズマを測定する直流プローブ（ラングミュアプローブ）が一般的であるが、プロセスガスによるプラズマ（プロセスプラズマ）ではプローブ表面にデポ膜が付着してプラズマ測定が困難である。これに対して、特許文献１には、デポ膜が付着するプロセスプラズマにおいてもプラズマの測定を行うことができるプローブとして、絶縁膜で被覆され交流電圧を印加してプラズマを測定する交流プローブが提案されている。
【0003】
一方、特許文献２には、パルス化プラズマが、ウエハに付与される平均エネルギーの低減とプラズマ中の電子温度の抑制を実現可能なことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１９－４６７８７号公報
【特許文献2】特表２０２１－５０３７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本開示は、プロセスガスを用いたパルス状プラズマの状態をリアルタイムで測定することができるプラズマ測定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一態様に係るプラズマ測定方法は、基板を収容した処理容器内にプロセスガスを導入し、電磁波発振器から発生させた電磁波をパルス化装置で加工した電磁波パルスを用いてパルス状プラズマを生成して基板に対しプラズマ処理を行う際に、プローブ装置を用いてプラズマの状態を測定するプラズマ測定方法であって、前記プローブ装置を介して前記パルス状プラズマへ交流電圧を印加することと、前記交流電圧に基づく前記パルス状プラズマからの信号を、前記プローブ装置を介して伝送し、電流値を含むデータを測定することと、前記測定したデータを解析して前記パルス状プラズマの状態を把握することと、を有し、前記電磁波パルスの１周期の期間内において前記パルス状プラズマの測定に必要な数のデータが、許容時間内に得られるように、前記交流電圧の周波数を前記電磁波パルスの周波数からずらす。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、プロセスガスを用いたパルス状プラズマの状態をリアルタイムで測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】一実施形態に係るプラズマ測定方法が適用されるプラズマ処理装置の一例を示す断面図である。
【図2】一実施形態に係るプラズマ測定方法が適用されるプラズマ処理装置の天壁部の内壁の状態の一例を示す底面図である。
【図3】一実施形態に係るプラズマ測定方法が適用されるプラズマ処理装置に用いられるプローブ装置の一例を示す断面図である。
【図4】パルス状プラズマのパワーをオンにした場合とオフにした場合の電子密度と電子温度の挙動を示す図である。
【図5】ラングミュアプローブを用いた場合の時間分解測定を説明するための図である。
【図6】直流プローブであるラングミュアプローブを用いた場合の時間分解測定により得られるデータを説明するための図である。
【図7】交流プローブを用いた一般的な時間分解測定を説明するための図である。
【図8】交流プローブを用いた一般的な時間分解測定により得られるデータを説明するための図である。
【図9】一実施形態のプラズマ測定方法を説明するための図である。
【図10】一実施形態のプラズマ測定方法により取得したデータを示す図である。
【図11】ｆpulse＝ｆprobeの場合の電磁波パルスおよび交流電圧の関係およびその際に得られるデータを示す図である。
【図12】ｆpulse＝２ｆprobeの場合の電磁波パルスおよび交流電圧の関係およびその際に得られるデータを示す図である。
【図13】２ｆpulse＝３ｆprobeの場合の電磁波パルスおよび交流電圧の関係およびその際に得られるデータを示す図である。
【図14】電磁波パルス１周期分のｔ－Ｖ領域内のデータの解析を説明するための図である。
【図15】１本の測定線を引くのにかかる時間を説明するための図である。
【図16】ｆprobeとｆpulseがほぼ等しいが、わずかに異なる場合において、測定時間が短い場合と長い場合とでの測定領域の違いを説明するための図である。
【図17】ｆpluseよりｆprobeが少しだけ大きい場合の一本一本の「ずれ」であるΔＴを説明するための図である。
【図18】整数ｍ、ｎを含む（３）式を説明するための図である。
【図19】仮想例としてＴ０／Ｔmax＝１／１００、ｆprobe／ｆpulse＝１００１／１０００、ｍ＝ｎ＝１の場合の測定を説明するための図である。
【図20】仮想例としてＴ０／Ｔmax＝１／１０００、ｆprobe／ｆpulse＝１００１／１０００、ｍ＝ｎ＝１の場合の測定を説明するための図である。
【図21】ｆprobe／ｆpulse＝１０００．１／１０００＝１０００１／１００００＝１．０００１とし、Ｔmaxを１０ｓｅｃとして（３）式を用いて導かれたｎ／ｍ＝５００２／５００１の場合に得られるデータを説明するための図である。
【図22】ｎ＝１１、ｍ＝５の場合のｔ－Ｖ領域の測定線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、添付図面を参照して実施の形態について具体的に説明する。
【0010】
＜プラズマ測定方法が適用されるプラズマ処理装置＞
図１は、一実施形態に係るプラズマ測定方法が適用されるプラズマ処理装置の一例を示す断面図である。
図１は、一実施形態に係るプラズマ測定方法が適用されるプラズマ処理装置の一例を示す断面図である。
【0011】
プラズマ処理装置１００は、マイクロ波等の電磁波を放射してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置として構成される。
【0012】
プラズマ処理装置１００は、基板としての半導体ウエハＷ（以下、単に「ウエハＷ」と記す。）を収容する処理容器（チャンバ）１を有する。プラズマ処理装置１００は、処理容器１内に放射された電磁波によって処理容器１内の天壁部の内壁面近傍に形成される表面波プラズマにより、ウエハＷに対してプラズマ処理を行う。プラズマ処理としては、成膜処理、エッチング処理、アッシング処理等が例示される。また、基板としてはウエハに限らず、ＦＰＤ基板やセラミックス基板等の他の基板であってよい。
【0013】
プラズマ処理装置１００は、処理容器１の他に、プラズマ源２と、ガス供給機構６と、プローブユニット７と、制御装置８とを有する。
【0014】
処理容器１は、上部が開口された略円筒状の容器本体１０と、容器本体１０の上部開口を閉塞する天壁部２０とを有しており、内部にプラズマ処理空間が形成される。容器本体１０はアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなり、接地されている。天壁部２０は、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなり円盤状をなす。容器本体１０と天壁部２０との接触面にはシールリング１２９が介装され、これにより、処理容器１の内部が気密にシールされている。
【0015】
処理容器１内にはウエハＷを載置する載置台１１が設けられている。載置台１１は、処理容器１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持されている。載置台１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等の金属や内部に高周波用の電極を有した絶縁部材（セラミックス等）が例示される。載置台１１には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路等が設けられてもよい。
【0016】
載置台１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が接続されている。高周波バイアス電源１４から載置台１１に高周波電力が供給されることにより、ウエハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、高周波バイアス電源１４はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。
【0017】
処理容器１の底部には排気管１５が接続されており、排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。排気装置１６を作動させると処理容器１内が排気され、これにより、処理容器１内が所定の真空度まで高速に減圧される。処理容器１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。
【0018】
プラズマ源２は、電磁波を生成し、生成した電磁波を処理容器１内に放射してプラズマを生成するためのものであり、電磁波出力部３０と、電磁波伝送部４０と、電磁波放射機構５０とを有する。
【0019】
電磁波出力部３０は、発振された電磁波を発生させる電磁波発振器と、発振された電磁波をパルス状にオン／オフするパルス化装置と、発振された電磁波を増幅するアンプと、増幅された電磁波を複数に分配する分配器とを有する。そして、パルス化装置で加工した電磁波パルスを複数に分配して出力する。電磁波の周波数としては、例えば、３０ｋＨｚからマイクロ波帯域まで、すなわち３０ｋＨｚ～３０ＧＨｚの範囲の周波数を用いることができる。また、電磁波パルスの周波数としては、好適には５００Ｈｚ～１００ｋＨｚの範囲内の周波数を用いることができる。
【0020】
電磁波出力部３０から出力された電磁波パルスは、電磁波伝送部４０と電磁波放射機構５０とを通って処理容器１の内部に放射される。また、処理容器１内には後述するようにガスが供給され、供給されたガスは、導入された電磁波の電界により励起し、これにより表面波プラズマが形成される。
【0021】
電磁波伝送部４０は、電磁波出力部３０から出力された電磁波パルスを伝送する。電磁波伝送部４０は、複数のアンプ部４２と、図１のＡ－Ａ断面である図２に示すように、天壁部２０の中央に配置された中央電磁波導入部４３ａと、天壁部２０の周縁部に等間隔に配置された６つの周縁電磁波導入部４３ｂとを有する。複数のアンプ部４２は、電磁波出力部３０の分配器にて分配された電磁波パルスを増幅するものであり、中央電磁波導入部４３ａおよび６つの周縁電磁波導入部４３ｂのそれぞれに対応して設けられる。中央電磁波導入部４３ａおよび６つの周縁電磁波導入部４３ｂは、それぞれに対応して設けられたアンプ部４２から出力された電磁波パルスを電磁波放射機構５０に導入する機能およびインピーダンスを整合する機能を有する。
【0022】
中央電磁波導入部４３ａおよび周縁電磁波導入部４３ｂは、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた棒状の内側導体５３を同軸状に配置して構成される。外側導体５２と内側導体５３の間は、電磁波電力が給電され、電磁波放射機構５０に向かって電磁波が伝播する電磁波伝送路４４となっている。
【0023】
中央電磁波導入部４３ａおよび周縁電磁波導入部４３ｂには、一対のスラグ５４と、その先端部に位置するインピーダンス調整部材１４０とが設けられている。スラグ５４を移動させることにより、処理容器１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスを電磁波出力部３０における電磁波電源の特性インピーダンスに整合させる。インピーダンス調整部材１４０は、誘電体で形成され、その比誘電率により電磁波伝送路４４のインピーダンスを調整するようになっている。
【0024】
電磁波放射機構５０は、遅波材１２１および１３１、スロット１２２および１３２を有するスロットアンテナ１２４および１３４、ならびに、誘電体部材１２３および１３３を備える。遅波材１２１および１３１は、それぞれ天壁部２０の上面の中央電磁波導入部４３ａに対応する位置、および天壁部２０の上面の周縁電磁波導入部４３ｂに対応する位置に設けられている。また、誘電体部材１２３および１３３は、それぞれ天壁部２０の内部の中央電磁波導入部４３ａに対応する位置、および周縁電磁波導入部４３ｂに対応する位置に設けられている。スロット１２２および１３２は、それぞれ天壁部２０の遅波材１２１と誘電体部材１２３との間の部分、天壁２０の遅波材１３１と誘電体部材１３３との間の部分に設けられ、それらのスロットが形成された部分がスロットアンテナ１２４および１３４となる。
【0025】
遅波材１２１および１３１は、円板状をなし、内側導体５３の先端部分を囲むように配置され、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されている。遅波材１２１および１３１は、電磁波の波長を真空中よりも短くしてアンテナを小さくする機能を有している。遅波材１２１および１３１は、その厚さにより電磁波の位相を調整することができ、スロットアンテナ１２４および１３４が定在波の「はら」になるようにその厚さを調整し、反射が最小で、スロットアンテナ１２４および１３４の放射エネルギーが最大となるようにする。
【0026】
誘電体部材１２３および１３３は、遅波材１２１および１３１と同様、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成されている。誘電体部材１２３および１３３は、天壁部２０の内部に形成された空間に嵌め込まれており、天壁部２０の下面の誘電体部材１２３および１３３に対応する部分には開口部が形成されている。したがって、誘電体部材１２３および１３３は、処理容器１内に露出しており、電磁波パルスをプラズマ生成空間Ｕに供給する誘電体窓として機能する。
【0027】
なお、周縁電磁波導入部４３ｂおよび誘電体部材１３３の個数は６つに限らず、２つ以上であってよいが、３つ以上が好ましい。
【0028】
ガス供給機構６は、ガス供給源６１と、天壁部２０に設けられたガス導入部６２と、ガス供給源６１からガス導入部６２へガスを供給するガス供給配管６３とを有する。ガス導入部６２は、天壁部２０にリング状に設けられた複数のガス拡散室６４と、ガス拡散室６４から処理容器１内にガスを吐出する複数のガス吐出孔６５とを有する。そして、ガス供給源６１からガス供給配管６３へ供給されたガスが、ガス導入部６２のガス拡散室６４に至り、ガス吐出孔６５を通って処理容器１内にシャワー状に供給される。ガスの例としては、例えばＡｒガス等のプラズマ生成用のガスや、処理に用いられるプロセスガスが挙げられる。なお、ガス供給機構６は、本例のように天壁部２０からガスをシャワー状に吐出するものに限るものではない。
【0029】
プローブユニット７は、プローブ装置（交流プローブ）７０と、電源・モニタ部８０を有し、プローブ装置７０を介してプラズマに交流電圧を与えることにより、パルス状のプラズマの状態を測定する。プローブ装置７０は複数設けられ、処理容器１の側壁上部に円周方向に配置されている。処理容器１の側壁上部にはプローブ装置７０の取り付け部分に対応して複数の開口部１ｂが互いに分離した状態で形成されている。なお、開口部１ｂは、複数に分離した状態ではなく連続して一つ形成されていてもよい。電源・モニタ部８０は、周波数および電圧が可変の交流電源とモニタ装置とを有する。電源・モニタ部８０とプローブ装置７０との間は同軸ケーブル８１で接続されている。
【0030】
プローブ装置７０は、交流電源から出力された交流電圧をプラズマに印加し、プラズマからの信号（電子電流／またはイオン電流）を電源・モニタ部８０のモニタ装置に向けて伝送する。
【0031】
図３は、プローブ装置７０の一例を示す断面図である。（ａ）は全体図であり、（ｂ）は破線で囲ったＤ領域を拡大して示す断面図である。プローブ装置７０は、処理容器１の側壁に形成された開口部１ｂに、Ｏリング７３を介して取り付けられるアンテナ部７１と、アンテナ部７１に接続される電極７２と、アンテナ部７１を周囲から支持する誘電体支持部７４とを有する。アンテナ部７１は、開口部１ｂに臨む先端側の板状部材７１ａと、板状部材７１ａの裏面中央から後方側に延びるロッド部７１ｂとを有し、ロッド部７１ｂの後端部に電極７２が接続されている。同軸ケーブル８１は、電極７２に接続されている。なお、板状部材７１ａの形状は特に限定されず、例えば、円板状や矩形状であってよい。
【0032】
板状部材７１ａは、樹脂等の誘電体で形成されたＯリング７３を介して開口部１ｂの裏面側を塞ぐように配置される。アンテナ部７１の先端面と処理容器１の壁の開口部１ｂ付近の裏面は隔離され、隙間１ｄが形成されている。このようにアンテナ部７１の先端面と処理容器１の壁の間に隙間１ｄが形成されていることにより、アンテナ部７１が処理容器１の壁とＤＣ的に接続されて処理容器１の壁に電流（浮遊電流）が流れることが防止される。ただし、隙間１ｄが広すぎると、隙間１ｄにガスやプラズマが入り込み、プラズマによる腐食、ガスの侵入によるパーティクル及び異常放電の問題が生じるので、隙間１ｄはプラズマやガスが入り込まない程度の幅に設定される。
【0033】
アンテナ部７１先端側の板状部材７１ａにおけるＯリング７３内側の表面は、絶縁膜７６で覆われ、ＤＣ的にはプラズマから絶縁されている。また、処理容器１の壁面であって、少なくとも開口部１ｂの側面から開口部１ｂの裏面を通りＯリング７３までの領域は、絶縁膜１ｃで覆われている。絶縁膜７６および絶縁膜１ｃは、例えばＹ２Ｏ３等のセラミックス溶射により形成される。絶縁膜７６および１ｃはアルミニウムの陽極酸化処理で形成されてもよい。このように絶縁膜７６および１ｃが形成されることにより、ＤＣ電流を防止し、かつ、プラズマ耐性を高めることができる。アンテナ部７１のＯリング７３よりも大気側の面や処理容器１の内壁面は絶縁膜７７によりコーティングされている。これにより、プラズマ耐性がさらに向上する。
【0034】
アンテナ部７１の絶縁膜７６が形成された表面は、開口部１ｂが形成された処理容器１の内壁面よりも凹んだ位置で、プラズマ生成空間Ｕ側に露出する。アンテナ部７１の表面を凹ませることで、プラズマのプローブ装置７０への影響を低減するとともに、パーティクルの発生源となる隙間１ｄが設けられる位置をウエハＷから遠ざけてパーティクルの影響を低減する。また、アンテナ部７１の表面を処理容器１の内壁面と面一にせずに凹ませることで、処理容器１の内壁面を伝播する表面波プラズマのモードジャンプを生じさせ難くし、異常放電を回避することができる。
【0035】
開口部１ｂの大きさは、アンテナ部７１の感度と、プラズマやガスの侵入によるアンテナ部７１への悪影響との兼ね合いにより決定される。すなわち、開口部１ｂの大きさが大きいほど、アンテナ部７１の感度は高くなるが、プラズマやガスがアンテナ部７１側に侵入しやすくなるため、アンテナ部７１が腐食しやすくなり、プローブ装置７０の性能を低下させたり、異常放電が発生したりするおそれがある。また、開口部１ｂを大きくしてプローブ装置７０の感度を上げすぎると、生成された反応生成物の付着等により測定結果の影響を受けやすくなり、かえって測定精度が低下してしまうことがある。開口部１ｂの形状は特に限定されない。円や矩形等適宜の形状であってよい。
【0036】
誘電体支持部７４は、例えばＰＴＦＥのような樹脂で形成され、アンテナ部７１を囲み支持する。誘電体支持部７４の裏面側には、誘電体支持部７４を覆うようにアルミニウム等の金属からなる固定部材１ａが装着され、固定部材１ａは処理容器１の側壁にネジ止めされる。これにより、Ｏリング７３を介して処理容器１の側壁の開口部１ｂ付近に密着した状態のアンテナ部７１と誘電体支持部７４が固定される。誘電体支持部７４は、本体部７４ａと、アンテナ部７１の板状部材７１ａの表面側外周部に設けられた環状部材７４ｂに分割された構造を有している。ただし、誘電体支持部７４は一体構造であってもよい。
【0037】
図３に示す、板状部材７１ａの直径Ｂに対する誘電体支持部７４の深さ方向の長さＣの比は、プローブ装置７０の感度を良好にする観点から０．４４～０．５４の範囲が好ましい。
【0038】
なお、上記例ではプローブ装置７０を複数設けたが、プローブ装置７０は１つであってもよい。また、上記例ではプローブ装置７０を処理容器１の内壁に設けたが、載置台１１の外周部や天壁部２０の内壁等の他の位置に設けてもよい。
【0039】
制御装置８は、プラズマ処理装置１００の各構成部の動作や処理、例えば、ガス供給機構６のガス供給、プラズマ源２の電磁波パルスの周波数や出力、排気装置１６による排気、プローブ装置７０に印加する交流電源の周波数や電圧、モニタ装置からの信号の演算等の制御を行う。制御装置８は、典型的にはコンピュータであり、主制御部と、入力装置と、出力装置と、表示装置と、記憶装置とを備えている。主制御部は、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭおよびＲＯＭを有している。記憶装置は、ハードディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を有しており、制御に必要な情報の記録および読み取りを行うようになっている。制御装置８では、ＣＰＵが、ＲＡＭを作業領域として用いて、ＲＯＭまたは記憶装置の記憶媒体に格納された処理レシピ等のプログラムを実行することにより、プラズマ処理装置１００を制御する。
【0040】
＜プラズマ処理装置における処理動作＞
次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置１００における動作について説明する。
まず、ゲートバルブ１８を開け、搬送アーム（図示せず）上に保持されたウエハＷを搬入出口１７から処理容器１内に搬入し、載置台１１上に載置する。空の搬送アームを処理容器１から退避させ、ゲートバルブ１８を閉じる。そして、ガス供給機構６から処理容器１内にガスを導入しつつ排気装置１６により処理容器１内を排気して調圧を行う。その後、Ａｒガス等のプラズマ生成ガスや処理ガスを導入しつつプラズマを生成する。プラズマ生成ガスのみ導入してプラズマ着火した後に処理ガスを導入してもよい。
次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置１００における動作について説明する。
まず、ゲートバルブ１８を開け、搬送アーム（図示せず）上に保持されたウエハＷを搬入出口１７から処理容器１内に搬入し、載置台１１上に載置する。空の搬送アームを処理容器１から退避させ、ゲートバルブ１８を閉じる。そして、ガス供給機構６から処理容器１内にガスを導入しつつ排気装置１６により処理容器１内を排気して調圧を行う。その後、Ａｒガス等のプラズマ生成ガスや処理ガスを導入しつつプラズマを生成する。プラズマ生成ガスのみ導入してプラズマ着火した後に処理ガスを導入してもよい。
【0041】
プラズマの生成にあたっては、処理容器１内にガスを導入しつつプラズマ源２の電磁波出力部３０から、本例では、連続状態の電磁波ではなく、パルス化装置でパルス状に加工された電磁波パルスを出力する。このとき、電磁波出力部３０から分配されて出力された電磁波パルスは、電磁波伝送部４０のアンプ部４２で増幅された後、中央電磁波導入部４３ａおよび周縁電磁波導入部４３ｂを伝送される。そして、これらを伝送された電磁波パルスは、電磁波放射機構５０の遅波材１２１および１３１、スロットアンテナ１２４および１３４のスロット１２２および１３２、ならびに電磁波透過窓である誘電体部材１２３および１３３を透過して処理容器１内に放射される。このとき、スラグ５４を移動させることによりインピーダンスが自動整合され、電力反射が実質的にない状態で、電磁波パルスが供給される。放射された電磁波パルスは天壁部２０の表面を表面波となって伝播する。この電磁波パルスの電界によりガスが励起されて、処理容器１内の天壁部２０直下のプラズマ生成空間Ｕにパルス状の表面波プラズマが形成される。このパルス状の表面波プラズマにより、ウエハＷにプラズマ処理が施される。
【0042】
プラズマのパルス周波数は、パルス化装置の周波数と同様の周波数となり、パルス化装置と同じ周期でプラズマのオンオフを繰り返す。このようにオンオフを繰り返すパルス状のプラズマでは、図４に示すように、プラズマをオフにした際に、電子密度Ｎｅの低下速度よりも電子温度Ｔｅの低下速度のほうが速い。このため、平均値として、高い電子密度Ｎｅを確保しつつ電子温度Ｔｅを低下させることができる。このため、高電子密度により高い処理レートを保ちつつ、低電子温度によりウエハダメージを低減することができる。
【0043】
本実施形態のプラズマ処理装置１００では、ウエハＷは、プラズマ生成領域とは離れた領域に配置されており、ウエハＷへは、プラズマ生成領域から拡散したプラズマが供給されるため、本質的に低電子温度で高密度のプラズマとなる。これに加えて、パルス状プラズマによる効果が得られるため、一層、高電子密度および低電子温度のプラズマ処理が実現される。
【0044】
このようなプラズマ処理を行っている間、プローブユニット７のプローブ装置（交流プローブ）７０を介してプラズマに交流電圧を印加することによりパルス状プラズマの状態を測定する。測定に際しては、電源・モニタ部８０の交流電源からの交流電圧を、同軸ケーブル８１を介してプローブ装置７０に伝送し、プローブ装置７０からプラズマに印加する。そして、プラズマ側からの信号を、プローブ装置７０を介して電源・モニタ部８０のモニタ装置に伝送し、電流値を含むデータを測定する。測定されたデータをモニタ装置から制御装置８に送信し、電子電流とイオン電流からなるデータを制御装置８により解析してプラズマの状態を把握する。例えば、制御装置８により電流値を含むデータのフーリエ変換（ＦＦＴ）が行われ、プラズマの状態として、プラズマ電子温度および／またはプラズマ電子密度が算出される。
【0045】
一般的なプラズマの状態の測定は、以上のように実施されるが、パルス状プラズマはプラズマの状態が短時間に変動するため、以上の手順に加え、データの測定方法が重要である。以下、パルス状プラズマの測定方法について説明する。
【0046】
＜パルス状プラズマの測定方法＞
以下、パルス状プラズマの測定方法について説明する。
以下、パルス状プラズマの測定方法について説明する。
【0047】
［従来のパルス状プラズマの測定方法］
まず、従来のパルス状プラズマの測定方法について説明する。
プラズマを測定する方法として、直流電圧を印加してプラズマを測定する一般的なラングミュアプローブを用いる方法が用いられる。パルス状プラズマの測定においてもラングミュアプローブを用いることができる。しかし、ラングミュアプローブのプローブ電圧のスイーブ速度は１秒／１０Ｖ程度であり、パルスのピーク幅（オン時間）は１００μｓｅｃ～１０ｍｓｅｃ程度であるから、プラズマの状態をそのまま測定してもパルスオン時とオフ時の特性が混ざったような特性となり解析が困難である。そこで、図５に示すような時間分解測定を行う。すなわち、図５（ａ）に示すように、パルス波形（点線）に対してプローブ電圧を設定し、オシロスコープでプラズマの電流波形を測定することを、複数の電圧で繰り返し、図５（ｂ）に示すように、得られた波形を時間ごとに区切って、時間ごとに図５（ｃ）に示すようなＩ－Ｖ特性のグラフを作成する。このとき、図６に示すように、パルスの１周期中での時間に対して与える電圧を変化させて測定を行い、縦の破線矢印で示すように、測定点を時間ごとに並べなおして電圧Ｖおよび時間ｔを変数とする２変数関数としての電流値Ｉ（Ｖ，ｔ）を求め、解析を行う。
まず、従来のパルス状プラズマの測定方法について説明する。
プラズマを測定する方法として、直流電圧を印加してプラズマを測定する一般的なラングミュアプローブを用いる方法が用いられる。パルス状プラズマの測定においてもラングミュアプローブを用いることができる。しかし、ラングミュアプローブのプローブ電圧のスイーブ速度は１秒／１０Ｖ程度であり、パルスのピーク幅（オン時間）は１００μｓｅｃ～１０ｍｓｅｃ程度であるから、プラズマの状態をそのまま測定してもパルスオン時とオフ時の特性が混ざったような特性となり解析が困難である。そこで、図５に示すような時間分解測定を行う。すなわち、図５（ａ）に示すように、パルス波形（点線）に対してプローブ電圧を設定し、オシロスコープでプラズマの電流波形を測定することを、複数の電圧で繰り返し、図５（ｂ）に示すように、得られた波形を時間ごとに区切って、時間ごとに図５（ｃ）に示すようなＩ－Ｖ特性のグラフを作成する。このとき、図６に示すように、パルスの１周期中での時間に対して与える電圧を変化させて測定を行い、縦の破線矢印で示すように、測定点を時間ごとに並べなおして電圧Ｖおよび時間ｔを変数とする２変数関数としての電流値Ｉ（Ｖ，ｔ）を求め、解析を行う。
【0048】
このようなラングミュアプローブを用いた時間分解測定は、基礎評価には有効であるが、直流電圧が印加されるため、プロセスガスを供給してプラズマ処理を行う際のプロセスプラズマではデポが生成し、デポにより電流が阻害されてしまい適用が困難である。また、プローブ電圧を少しずつ変えて測定を行う必要があるため時間がかかる。さらに、測定結果を後から解析する必要があり、リアルタイムの解析はできない。
【0049】
［交流プローブを用いた一般的な時間分解測定］
本実施形態のプローブ装置７０のように交流電圧を供給してプラズマの測定を行うプローブ装置を、以下、交流プローブと称する。交流プローブは交流電圧を印加するため、表面にデポが付着していても電流が流れプラズマの状態を測定することが可能であり、プロセスプラズマでも使用可能である。また、交流プローブはリアルタイムの測定が可能である。特許文献１には、交流プローブを用いてプラズマ処理を行っている際に、プロセスプラズマの状態をリアルタイムで測定することが記載されている。しかし、特許文献１にはパルス状プラズマの状態を測定する点については記載されていない。
本実施形態のプローブ装置７０のように交流電圧を供給してプラズマの測定を行うプローブ装置を、以下、交流プローブと称する。交流プローブは交流電圧を印加するため、表面にデポが付着していても電流が流れプラズマの状態を測定することが可能であり、プロセスプラズマでも使用可能である。また、交流プローブはリアルタイムの測定が可能である。特許文献１には、交流プローブを用いてプラズマ処理を行っている際に、プロセスプラズマの状態をリアルタイムで測定することが記載されている。しかし、特許文献１にはパルス状プラズマの状態を測定する点については記載されていない。
【0050】
交流プローブを用いて、パルス状のプロセスプラズマの状態をリアルタイムで測定する場合、単純に一般的な時間分解で測定しようとすると、パルス状プラズマの周波数と交流プローブの交流周波数との関係は図７に示すようになる。また、電流値の測定の際には、パルスの１周期中での時間に対して交流電圧を与えて測定を行い、電流値のデータ、典型的には２変数関数である電流値Ｉ（Ｖ，ｔ）を求め、解析を行う。このとき、与える電圧が交流電圧なので、図８に示すように、矢印の測定線は傾いた線になる。また、測定線の傾きは交流電圧の周波数に対応し、傾きが大きいほど周波数が大きくなる。また、実際には、直流電圧を印加する場合よりもＶの幅は小さい。
【0051】
この場合、図７に示すように、例えばパルス状プラズマの周波数が１０ｋＨｚの場合、一般的な時間分解で十分な測定点を得ようとすると、交流プローブにおける交流電圧の周波数としては２００ｋＨｚ～１ＭＨｚ程度と２０倍から１００倍程度の高い値が必要となる。周波数が上がると、扱いが難しくなり、浮遊容量に逃げる信号が増加し、また、発振器のコストが上がる等の問題が生じる。また、交流プローブを用いた場合の計算は、信号の中でプラズマが変化しないことを前提としているので、１～１０周期程度の間、プラズマが変化しないとみなせるくらい高い、例えば１ＭＨｚ程度のサンプリング周波数が必要となる。さらに、信号処理は１回あたり１０μｓｅｃという非常に短い時間で行う必要がある。このように、交流周波数を２００ｋＨｚ～１ＭＨｚと高くした上で、１回あたり１０μｓｅｃという短時間のデータ処理を行うことは実現が極めて困難である。
【0052】
［一実施形態に係るプラズマ測定方法］
一実施形態では、パルス状のプロセスプラズマの測定を交流プローブにより行うが、上述したような一般的な時間分解測定ではなく、プラズマに印加する交流電圧の周波数をパルス化装置で加工した電磁波パルスの周波数からずらすことにより、電流値の測定を行う。
一実施形態では、パルス状のプロセスプラズマの測定を交流プローブにより行うが、上述したような一般的な時間分解測定ではなく、プラズマに印加する交流電圧の周波数をパルス化装置で加工した電磁波パルスの周波数からずらすことにより、電流値の測定を行う。
【0053】
具体的には、以下の通りである。
本実施形態のパルス状プラズマ測定は、上述したように、電源・モニタ部８０の交流電源からプローブ装置７０を介してパルス状のプロセスプラズマに交流電圧を印加し、交流電圧に基づくプロセスプラズマからの信号を、プローブ装置７０を介して伝送し、モニタ装置に内蔵されたアナライザにより電流値を含むデータを測定し、測定したデータを制御装置８で解析してパルス状のプロセスプラズマの状態を把握する。
本実施形態のパルス状プラズマ測定は、上述したように、電源・モニタ部８０の交流電源からプローブ装置７０を介してパルス状のプロセスプラズマに交流電圧を印加し、交流電圧に基づくプロセスプラズマからの信号を、プローブ装置７０を介して伝送し、モニタ装置に内蔵されたアナライザにより電流値を含むデータを測定し、測定したデータを制御装置８で解析してパルス状のプロセスプラズマの状態を把握する。
【0054】
このとき、交流電源からはパルス周波数からずれた周波数の交流電圧を複数のパルスの期間継続的に与え、複数のパルスそれぞれの異なるポイントのデータを重ね合わせることにより、パルスの１周期分の期間内において上記周期のずれに対応する数の電流値のデータ、典型的には２変数関数である電流値Ｉ（Ｖ，ｔ）を得ることができる。このときのデータの数およびパルスの１周期分の期間内の測定時間は、プローブ電圧の周波数の電磁波パルス周波数からの「ずれ」により変化する。このため、本実施形態では、複数のパルス状プラズマのパルスの１周期の期間内においてパルス状のプロセスプラズマの測定に必要な数のデータが、許容時間内に得られるように、プローブ電圧の周波数（ｆprobe）を電磁波パルスの周波数（fpulse）からずらす。図９は、ｆprobeをｆpulseよりも少しだけ小さくなるようにした例を示すが、図９（ａ）に示すように、パルス１２周期分の時間で、パルスオンの期間に対応する複数のデータを得ることができる。図９（ｂ）は、プローブ電圧のうち電圧ＶＢの測定点を示したものである。パルスオフの期間も同様にデータを取得することができる。
【0055】
このときのデータ取得について図１０を参照して説明する。図１０は、横軸にパルス１周期の中での時間ｔをとり、縦軸にプローブ電圧（交流電圧）Ｖをとって、取得した２変数関数である電流値Ｉ（Ｖ，ｔ）のデータを示す図である。図１０中の丸数字は、データ取得の順番を示している。図１０に示すように、ｆprobeをｆpulseより少し小さくした場合、プラズマ測定に必要な、測定したい領域（パルス１周期分のｔ－Ｖ領域）の全体を埋めるデータを取得することができる。このときのデータ測定に必要な時間は、後述するように、およそ１／（ｆpulse－ｆprobe）で計算することができる。これは「うなり」と同様の原理である。
【0056】
上述したようにｆpulseは５００Ｈｚ～１００ｋＨｚの範囲が好ましい。また、ｆprobeは５００Ｈｚ～１００ｋＨｚの範囲が好ましい。さらに、前述の交流プローブを用いた一般的な時間分解測定のようにｆprobeをｆpulseに対して極端に高くする必要はなく、ｆprobeはｆpulseの１０倍未満であってよい。
【0057】
ここで、ｆprobeをｆpulseからずれた周波数とするとは、ｆprobeとｆpulseを、簡単な整数比（１：１、１：２、２：３等）からずらすことを意味する。例えば、ｆpulse＝１０ｋＨｚの場合は、ｆprobe＝１１ｋＨｚを挙げることができる。この場合、１１ｋＨｚ－１０ｋＨｚ＝１ｋＨｚの間隔で、ｔ－Ｖのグラフを描くことができる。また、ｆpulse＝１０ｋＨｚの場合、その半分の５ｋＨｚ（ｆpulse＝２ｆprobeの場合に対応）からずらして、ｆprobe＝５．５ｋＨｚにするような場合であってもよい。また、ｆpulse＝１０ｋＨｚの場合、その１．５倍の１５ｋＨｚ（２ｆpulse＝３ｆprobeの場合に対応）からずらして、ｆprobe＝１５．５ｋＨｚとするような場合であってもよい。
【0058】
簡単な整数比の場合、例えば、ｆpulse＝ｆprobeの場合、ｆpulse＝２ｆprobeの場合、２ｆpulse＝３ｆprobeの場合は、それぞれ、図１１、図１２、図１３の（ａ）に示すようになり、パルス周期中のデータが少なく、各図の（ｂ）に示すように、測定したい領域（パルス１周期分のｔ－Ｖ領域）を満足できる密度で埋められず、プラズマの状態を正確に把握するために必要なデータを取得することができない。また、例えば、ｆpulse＝１０ｋＨｚ、ｆprobe＝１０．０００１ｋＨｚのようにずらす量が少ないと、データ取得間隔が０．０００１ｋＨｚ（つまり１０秒に１回のデータ取得）となり、リアルタイム性に欠け、かつ、測定したい領域（パルス１周期分のｔ－Ｖ領域）を埋めるのに時間がかかる。ただし、時間がかかってもよい場合もあり得、そのような場合は、このようにずらす量が少ない場合も許容される。測定時間は１０ｓｅｃ以下が好ましい。
【0059】
パルス１周期分のｔ－Ｖ領域内を埋めつくすようなデータが取得できたら、図１４に示すように、各時間に区切って解析する。通常、測定点は必ずしも解析したい時間の軸ｔanalize上に存在しない。そのような場合は、線形補完やスプライン補間などを利用してｔanalize上の値に補正して解析すればよい。
【0060】
このように、本実施形態では、パルスの１周期の期間内においてプラズマ測定に必要な数の電流値のデータ、典型的には２変数関数である電流値Ｉ（Ｖ，ｔ）が、要求される時間内に得られるように、プローブ電圧の周波数（ｆprobe）を電磁波パルスの周波数（ｆpulse）からずらす。これにより、単純に一般的な時間分解で測定する場合のような、電磁波パルス周波数の２０～１００倍の高い周波数の交流電圧を用いることなく時間分解測定が可能となり、比較的簡易にプロセスガスを用いたパルス状プラズマの状態をリアルタイムで測定することが可能となる。
【0061】
また、本実施形態のプラズマ測定方法は、１データ当りの測定に必要な時間は比較的長いが、ラングミュアプローブを用いた場合のような電圧条件を変えて時間分解測定する必要はないので、トータルの測定時間を短くすることができる。さらに、電源・モニタ部８０のモニタ装置にアナライザが内蔵されているため、オシロスコープのような付加的な設備は不要である。
【0062】
また、電流のサンプリング周波数ｆsampleも、ｆprobeと同様にｆpulseから「ずらす」ことで、ｆpulseより極端に大きくしなくても測定することができる。また、測定の許容時間上限をＴmaxとすると、Ｔmaxは１０ｓｅｃ以下にすることが好ましい。
【0063】
［プラズマ測定の詳細な条件］
次に、パルス状プラズマを測定する際の詳細な条件について説明する。
まず、上述した図１０に示すｔ－Ｖグラフにおいて１本の測定線を引くのにかかる時間について検討する。図１５（ａ）はｆprobe＞ｆpulseの場合である。この測定線を１本引くのにかかる時間をＴ０とする。この場合、ｆ＝１／Ｔから、Ｔprobe＜Ｔpulseであり、Ｔ０＝Ｔprobeである。図１５（ｂ）はｆprobe＜ｆpulseの場合である。この場合は、Ｔprobe＞Ｔpulseであり、Ｔ０＝Ｔpulseである。
次に、パルス状プラズマを測定する際の詳細な条件について説明する。
まず、上述した図１０に示すｔ－Ｖグラフにおいて１本の測定線を引くのにかかる時間について検討する。図１５（ａ）はｆprobe＞ｆpulseの場合である。この測定線を１本引くのにかかる時間をＴ０とする。この場合、ｆ＝１／Ｔから、Ｔprobe＜Ｔpulseであり、Ｔ０＝Ｔprobeである。図１５（ｂ）はｆprobe＜ｆpulseの場合である。この場合は、Ｔprobe＞Ｔpulseであり、Ｔ０＝Ｔpulseである。
【0064】
これらをまとめると、以下の式に示すようになる。
Ｔ０＝ｍｉｎ（Ｔprobe，Ｔpulse）
＝ｍｉｎ（１／ｆprobe，１／ｆpulse）
＝１／ｍａｘ（ｆprobe，ｆpulse）
なお、以上の式において、ｍｉｎはかっこ内の２つの数値の内の最小値を示し、ｍａｘはかっこ内の２つの数値の内の最大値を示す（以下同様）。
Ｔ０＝ｍｉｎ（Ｔprobe，Ｔpulse）
＝ｍｉｎ（１／ｆprobe，１／ｆpulse）
＝１／ｍａｘ（ｆprobe，ｆpulse）
なお、以上の式において、ｍｉｎはかっこ内の２つの数値の内の最小値を示し、ｍａｘはかっこ内の２つの数値の内の最大値を示す（以下同様）。
【0065】
次に、ｆprobeとｆpulseがほぼ等しいが、わずかに異なる場合を考える。このとき、短い時間の測定では、図１６（ａ）に示すように、測定領域は見かけ上ｔ－Ｖグラフ上の１本の線の領域となる。ただし、拡大すると何本もの線が連なることになる。しかし、この測定を長い時間続ければ、やがて図１６（ｂ）に示すようにｔ－Ｖグラフ上の領域を埋めつくす。
【0066】
つまり、測定の許容時間上限をＴmaxとして、Ｔmax≒Ｔ０の場合、図１６（ａ）のように、Ｔmaxの時間ではｔ－Ｖグラフ上の１本の線の領域しか測定線を引けないため、極めて精度の悪い測定となる。一方、Ｔmax＞＞Ｔ０の場合、測定時間が長いため、図１６（ｂ）のようにｔ－Ｖグラフ上の領域を埋めつくすことができ、逆に極めて精度のよい測定となる。
【0067】
ｆpluseよりｆprobeが少しだけ大きい場合、Ｔ０＝Ｔｐｒｏｂｅであり、図１７に示すように測定線一本一本の「ずれ」をΔＴとすると、ΔＴ＝Ｔpulse－Ｔprobeとなる。ｔ－Ｖグラフ上の領域を埋めつくすには、以下の（１）式で示す本数の線を引く必要があり、それにかかる時間は、以下の（２）式で表される。
【数1】
【0068】
図１８に示す測定線Ｌはｆprobe／ｆpulseの線である。また、測定線の「ずれ」の許容量はＴ０／Ｔmaxで表される。この場合、以下に示す（３）式を満たすように最小の正の整数ｍ、ｎをとったとき、これがｆprobe／ｆpulseの必要な精度での近似となる。すなわち、（３）式は、ｆprobe／ｆpulseをｎ／ｍで整数近似した式であり、図１８に示すように、（３）式の左辺は、ｆprobe／ｆpulse＝ｎ／ｍの線から、１本線を引くごとにどれくらいずれていくかを示すものであり、（３）式は、左辺のずれが許容範囲になるような最小の正の整数の組であるｍ、ｎを求める式である。
【数2】
【0069】
次に、上記（３）式について詳細に説明する。
仮想例として、Ｔ０／Ｔmax＝１／１００、ｆprobe／ｆpulse＝１００１／１０００、ｍ＝ｎ＝１の場合を考える。この場合、（３）式は以下の（４）式で表される。
このとき、図１９に示すように、測定線は１：１のラインから１／１０００ずつしかずれていかず、１回のずれ量は、その許容値の最低値であるＴ０／Ｔmax＝１／１００の１／１０である。このためＴmaxでｔ－Ｖグラフの領域を埋めつくすことができず、測定としてはｆprobe／ｆpulse＝１の極めて精度の悪いものとなる（むしろ測定としてほぼ成立していない）。
仮想例として、Ｔ０／Ｔmax＝１／１００、ｆprobe／ｆpulse＝１００１／１０００、ｍ＝ｎ＝１の場合を考える。この場合、（３）式は以下の（４）式で表される。
【数3】
【0070】
Ｔmaxが１０倍になってＴ０／Ｔmax＝１／１０００となった場合を考えると、図２０に示すように、測定線は１：１のラインから１／１０００ずつずれていくが、Ｔmaxが大きく、Ｔ０／Ｔmaxの間隔と（４）式の左辺の間隔が同程度なので、測定線のずれがｔ－Ｖグラフの領域の全体を覆いつくすのを待つことでき、ｆprobe／ｆpulse＝１００１／１０００の精度の良い測定が成立し得る。ただし、このとき、１０００×Ｔ０＝Ｔmaxなので、測定時間はギリギリで限界以内ということになる。
【0071】
次に、上記（３）式に実際に数字を当てはめて試算する。
ここでは、ｆprobe＝１０００．１Ｈｚ、ｆpulse＝１０００Ｈｚとする。このとき、Ｔ０＝１／（ｍａｘ（ｆprobe，ｆpulse）であるから、Ｔ０＝１／１０００．１ｓｅｃである。説明を簡単にするためＴ０＝１／１０００ｓｅｃと近似する（近似してもしなくても結果はほぼ同じである）。
ここでは、ｆprobe＝１０００．１Ｈｚ、ｆpulse＝１０００Ｈｚとする。このとき、Ｔ０＝１／（ｍａｘ（ｆprobe，ｆpulse）であるから、Ｔ０＝１／１０００．１ｓｅｃである。説明を簡単にするためＴ０＝１／１０００ｓｅｃと近似する（近似してもしなくても結果はほぼ同じである）。
【0072】
このとき、
ｆprobe／ｆpulse＝１０００．１／１０００＝１０００１／１００００＝１．０００１
であり、これを上記（３）式に当てはめると、以下の（５）式となる。
ｆprobe／ｆpulse＝１０００．１／１０００＝１０００１／１００００＝１．０００１
であり、これを上記（３）式に当てはめると、以下の（５）式となる。
【数4】
【0073】
そして、Ｔmaxを０．１ｓｅｃ、１ｓｅｃ、１０ｓｅｃと変化させた場合、上記（５）式は以下のようになる。
Ｔｍａｘが０．１ｓｅｃおよび１ｓｅｃの場合は、ｎ＝ｍ＝１で式が成り立ち精度の良い測定はできない。一方、Ｔmaxが１０ｓｅｃではｎ＝ｍ＝１では式が成り立たず、より大きなｍ，ｎが必要となる。ｎ／ｍ＝５００２／５００１とすると、（５）式の左辺が０．００００９９９６となり式を満たす。すなわち、Ｔmaxが１０ｓｅｃまで延びれば、急に大きなｍ，ｎが必要となる。後述するように、ｍ，ｎは測定線の本数を規定するものであるから、このようにｍ，ｎの値が大きくなると、精度の良い測定が実現される。
【数5】
【0074】
しかし、ｆprobe／ｆpulse＝１０００１／１００００なので、ｔ－Ｖグラフの領域を埋めつくすにはｎ／ｍ＝１０００１／１００００となることが求められ、ｎ／ｍ＝５００２／５００１では、図２１に示すように、ｔ－Ｖグラフの領域の半分しか埋めつくせない。
【0075】
これは、（５）式の元となる（３）式の左辺を絶対値としたことに起因する。すなわち、単純に（５）式の絶対値を外すと、以下のようになる。
－０．０００１＜１．０００１－（ｎ／ｍ）＜０．０００１
１＜ｎ／ｍ＜１．０００１＋０．０００１＝１．０００２
すなわち、最大値の最後の桁が倍になっている。この式では、１．０００１に近い１０００１／１００００ではなく、１．０００２に近い５００２／５００１が（５）式を満たす最小の正の整数のｍ，ｎとなる。
－０．０００１＜１．０００１－（ｎ／ｍ）＜０．０００１
１＜ｎ／ｍ＜１．０００１＋０．０００１＝１．０００２
すなわち、最大値の最後の桁が倍になっている。この式では、１．０００１に近い１０００１／１００００ではなく、１．０００２に近い５００２／５００１が（５）式を満たす最小の正の整数のｍ，ｎとなる。
【0076】
このようなことを回避するため、上記（３）式をｆpulse＜ｆprobeと、ｆpulse≧ｆprobeとに場合分けすると、以下の（６）式のようになる。そして、場合分けの２つの式を１つの式にまとめると（７）式のようになる。
【数6】
【0077】
次に、上記（７）式を用いて試算する。ここでは、上記（３）式の試算と同様、ｆprobe＝１０００．１Ｈｚ、ｆpulse＝１０００Ｈｚ、Ｔ０＝１／１０００ｓｅｃとする。
【0078】
このとき、
ｆprobe／ｆpulse＝１０００．１／１０００＝１０００１／１００００＝１．０００１
であり、これを上記（７）式に当てはめると、以下の（８）式となる。
Ｔmax＝１０ｓｅｃのとき
１．０００１－（ｎ／ｍ）＜０．０００１となる。
この場合、ｎ＝ｍ＝１では式が成り立たず、より大きなｎ，ｍが必要となる。この場合、ｎ／ｍ＝５００２／５００１では、１．０００１－（ｎ／ｍ）＝－０．００００９９９６となり、マイナスとなるため上記（８）式を満たさない。したがって、ｍ，ｎをさらに増加させる必要がある。ｎ／ｍ＝１０００１／１００００までｍ，ｎを増加させると、１．０００１－（ｎ／ｍ）＝１．０００１－（１０００１／１００００）＝０となって上記（８）式を満たす。このように、上記（８）式を用いることにより期待したｍ，ｎが得られる。すなわち、上記（８）式がパルス状プラズマの測定のための好適な条件の一つとなる。
ｆprobe／ｆpulse＝１０００．１／１０００＝１０００１／１００００＝１．０００１
であり、これを上記（７）式に当てはめると、以下の（８）式となる。
【数7】
１．０００１－（ｎ／ｍ）＜０．０００１となる。
この場合、ｎ＝ｍ＝１では式が成り立たず、より大きなｎ，ｍが必要となる。この場合、ｎ／ｍ＝５００２／５００１では、１．０００１－（ｎ／ｍ）＝－０．００００９９９６となり、マイナスとなるため上記（８）式を満たさない。したがって、ｍ，ｎをさらに増加させる必要がある。ｎ／ｍ＝１０００１／１００００までｍ，ｎを増加させると、１．０００１－（ｎ／ｍ）＝１．０００１－（１０００１／１００００）＝０となって上記（８）式を満たす。このように、上記（８）式を用いることにより期待したｍ，ｎが得られる。すなわち、上記（８）式がパルス状プラズマの測定のための好適な条件の一つとなる。
【0079】
なお、以上は、境界を明確にするためにｆprobeとｆpulseが近接している場合を例にとって説明したが、ｆprobeとｆpulseが近接していない場合も同様に上記（８）式を満たすｍ，ｎが得られる。
【0080】
以上説明したｍ，ｎは、図２２に例示するように、複数の測定線がそれぞれｔ－ＶグラフのｔラインおよびＶラインと交わる点の数として現れ、測定線の本数を規定するものである。図２２は、ｍ＝５、ｎ＝１１の例である。図２２の枠で囲った線は、２つに分かれているが、左端から右端につくまでを１本と数えると、線の数は全部で１１本となる。すなわち、本例では測定線の本数Ｎ＝ｍａｘ（ｎ，ｍ）となる。これは、上述したようにＴ０＝１／ｍａｘ（ｆprobe，ｆpulse）と、大きいほうの周波数が使用されるのに対応する。このとき、ｔ－Ｖ領域を埋めつくすまでの測定時間は、ＮＴ０＝１１Ｔpulseとなる。
【0081】
ｍ，ｎが小さいと測定線の数が少なくなり、測定精度が低下する。測定線の数が１０以上であると十分な測定精度を確保することができる。このため、好適な測定精度要件として以下の（９）式を挙げることができる。
ｍａｘ（ｍ，ｎ）≧１０ ・・・（９）
ｍａｘ（ｍ，ｎ）≧１０ ・・・（９）
【0082】
また、ｔ－Ｖ領域を埋めつくすまでの測定時間は、上述したようにＮＴ０で表される。このＮＴ０がＴｍａｘより小さいことが求められる。すなわち、Ｎ＝ｍａｘ（ｎ，ｍ）、Ｔ０＝１／ｍａｘ（ｆprobe，ｆpulse）であるから、測定時間の要件として、以下の（１０）式を挙げることができる。この式は、ｍ，ｎが大きすぎると測定時間を満たせないことを示すものである。
【数8】
【0083】
以上のように、上記（８）式、（９）式、（１０）式を満たすことにより、最適なｍ，ｎを求めることができ、より確実に、パルス状プラズマのパルスの１周期の期間内におけるプラズマ測定に必要なデータを要求される時間内に得ることができる。
【0084】
［信号処理］
プローブ装置７０を介してパルス状プラズマに交流電圧を印加した際に得られるプラズマ側からの信号は、モニタ装置に送られる。そして、内蔵されたアナライザより電流値のデータ、典型的には２変数関数である電流値Ｉ（Ｖ，ｔ）が測定される。測定されたデータは制御装置８に送信され、制御装置８において解析され、パルス状プラズマの状態が測定される。このときのデータ解析は、電流値をフーリエ変換（ＦＦＴ）することにより行われる。
プローブ装置７０を介してパルス状プラズマに交流電圧を印加した際に得られるプラズマ側からの信号は、モニタ装置に送られる。そして、内蔵されたアナライザより電流値のデータ、典型的には２変数関数である電流値Ｉ（Ｖ，ｔ）が測定される。測定されたデータは制御装置８に送信され、制御装置８において解析され、パルス状プラズマの状態が測定される。このときのデータ解析は、電流値をフーリエ変換（ＦＦＴ）することにより行われる。
【0085】
プラズマでは、与えられた電圧に対して指数関数的に電流が流れる。検出した電流値には、基本周波数を有する基本波の成分と、基本波に対して波長が２倍の第１高調波、波長が３倍の第２高調波等の高調波成分とが含まれている。そこでＦＦＴにより基本波および高調波の振幅のピークを用いて、プラズマの電子密度およびプラズマの電子温度を算出する。この場合の電子密度および電子温度の算出は、上記特許文献１（特開２０１９－４６７８７号公報）に記載された式を用いて行うことができる。
【0086】
特許文献１に記載されているように、交流プローブ（プローブ装置７０）を用いた場合のプラズマの電子密度および電子温度等の電気的特性の測定結果は、直流プローブであるラングミュアプローブと同等である。
【0087】
＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
【0088】
例えば、上記実施形態では、プラズマ処理装置として、複数の電磁波導入部から処理容器内にマイクロ波等の電磁波を放射して生成された表面波プラズマによりプラズマ処理を行うものを例示したが、これに限るものではない。電磁波導入部は１本であってもよい。また、プラズマ処理装置としては、電磁波を放射してプラズマを生成するものに限らず、例えば、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）や、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）、磁気共鳴（ＥＣＲ）プラズマ等、他の種々のプラズマを用いたプラズマ処理装置であってよい。
【0089】
また、上記実施形態では、基板として半導体ウエハを用いた場合について示したが、半導体ウエハに限らず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。
【符号の説明】
【0090】
１；処理容器
２；プラズマ源
６；ガス供給機構
７；交流プローブユニット
８；制御装置
１１；載置台
２０；天壁部
３０；電磁波出力部
４０；電磁波伝送部
５０；電磁波放射機構
６１；ガス供給源
６２；ガス導入部
７０；プローブ装置
７１；アンテナ部
８０；電源・モニタ部
１００；プラズマ処理装置
Ｗ；半導体ウエハ（基板）
２；プラズマ源
６；ガス供給機構
７；交流プローブユニット
８；制御装置
１１；載置台
２０；天壁部
３０；電磁波出力部
４０；電磁波伝送部
５０；電磁波放射機構
６１；ガス供給源
６２；ガス導入部
７０；プローブ装置
７１；アンテナ部
８０；電源・モニタ部
１００；プラズマ処理装置
Ｗ；半導体ウエハ（基板）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】