特開 2024-121240 プラズマ測定方法及びプラズマ処理装置

(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】P2024121240

(43)【公開日】2024-09-06

(54)【発明の名称】プラズマ測定方法及びプラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/00 20060101AFI20240830BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20240830BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20240830BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20240830BHJP

【ＦＩ】

H05H1/00 A

H05H1/46 B

H01L21/31 C

H01L21/302 101D

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023028222

(22)【出願日】2023-02-27

(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】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】芦田 光利

【テーマコード（参考）】

2G084

5F004

5F045

【Ｆターム（参考）】

2G084AA02

2G084AA03

2G084AA05

2G084CC16

2G084CC33

2G084DD19

2G084DD25

2G084DD32

2G084DD38

2G084DD56

2G084DD61

2G084FF15

2G084HH02

2G084HH05

2G084HH15

2G084HH16

2G084HH19

2G084HH21

2G084HH22

2G084HH27

2G084HH32

2G084HH52

5F004BB14

5F004BB18

5F004BB22

5F004BB29

5F004BD01

5F004BD04

5F004CA06

5F004CB06

5F045AA09

5F045DP03

5F045EF05

5F045EH02

5F045EH04

5F045EH20

5F045EK07

5F045EM05

5F045EM07

5F045EM09

5F045GB08

(57)【要約】

【課題】プラズマ状態をより精度良く測定する。
【解決手段】プラズマ処理装置に設けられたプローブ装置と、交流電圧を出力する信号発信器を含む測定回路と、を使用してプラズマ状態を測定する。プラズマ測定方法は、プラズマ処理装置にプラズマが生成されていない状態において、信号発信器からプローブ装置へ交流電圧を出力したときに測定回路にて第１電流を測定する工程と、プラズマ処理装置にプラズマが生成された状態において、信号発信器からプローブ装置へ交流電圧を出力したときに測定回路にて第２電流を測定する工程と、測定した第１電流及び第２電流を用いたベクトル演算によりプラズマに流れる電流と交流電圧との位相差を測定する工程と、位相差に基づき、プラズマにかかる電圧が変動しないように交流電圧を調整し、測定したプラズマに流れる電流に基づきプラズマ状態を測定するする工程と、を有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラズマ処理装置に設けられたプローブ装置と、交流電圧を出力する信号発信器を含む測定回路と、を使用してプラズマ状態を測定するプラズマ測定方法であって、
（Ａ）前記プラズマ処理装置にプラズマが生成されていない状態において、前記信号発信器から前記プローブ装置へ前記交流電圧を出力したときに前記測定回路にて第１電流を測定する工程と、
（Ｂ）前記プラズマ処理装置にプラズマが生成された状態において、前記信号発信器から前記プローブ装置へ前記交流電圧を出力したときに前記測定回路にて第２電流を測定する工程と、
（Ｃ）測定した前記第１電流及び前記第２電流を用いてベクトル演算により前記プラズマに流れる電流と前記交流電圧との位相差を測定する工程と、
（Ｄ）前記位相差に基づき、プラズマにかかる電圧が変動しないように前記交流電圧を調整し、測定した前記プラズマに流れる電流に基づきプラズマ状態を測定する工程と、
を有するプラズマ測定方法。

【請求項2】

前記（Ｄ）の工程は、前記プラズマに流れる電流と前記プラズマにかかる電圧とが同位相であることに基づき、前記プラズマにかかる電圧と前記交流電圧との位相差に前記位相差を用いることにより前記交流電圧を調整する、
請求項１に記載のプラズマ測定方法。

【請求項3】

前記（Ｃ）の工程は、前記第２電流から前記第１電流を減算することにより、前記プラズマに流れる電流を測定する、
請求項１又は２に記載のプラズマ測定方法。

【請求項4】

前記（Ｄ）の工程において前記交流電圧を調整した後、再び前記（Ａ）の工程及び前記（Ｂ）の工程を実行して新たに前記第１電流及び前記第２電流を測定し、
前記（Ｃ）の工程は、新たに測定した前記第２電流から新たに測定した前記第１電流を減算することにより、前記プラズマに流れる電流を測定する、
請求項１又は２に記載のプラズマ測定方法。

【請求項5】

更に、（Ｅ）測定した前記プラズマに流れる電流に基づき、前記プラズマ状態を示すプラズマの電子密度、電子温度、又はイオン密度の少なくともいずれかを導出する工程を有する、
請求項１又は２に記載のプラズマ測定方法。

【請求項6】

前記（Ａ）の工程は、前記プラズマが生成されていない状態において、前記第１電流を定期的又は不定期に繰り返し測定する、
請求項１又は２に記載のプラズマ測定方法。

【請求項7】

前記（Ｃ）の工程は、測定した前記第２電流から、測定した最新の前記第１電流を減算することにより、前記プラズマに流れる電流を測定する、
請求項６に記載のプラズマ測定方法。

【請求項8】

前記（Ｄ）の工程は、前記プラズマ処理装置内に堆積する堆積物にかかる電圧により、前記プラズマにかかる電圧が変動しないように、前記堆積物に応じて前記交流電圧を調整する、
請求項１又は２に記載のプラズマ測定方法。

【請求項9】

前記プローブ装置は、前記プラズマ処理装置が有する処理容器の壁に形成された開口部に、真空空間と大気空間の間をシールするシール部材を介して取り付けられる、
請求項１又は２に記載のプラズマ測定方法。

【請求項10】

プローブ装置と、交流電圧を出力する信号発信器を含む測定回路と、通信部と制御部とを有する制御装置と、を備えるプラズマ処理装置であって、
前記通信部は、
前記プラズマ処理装置にプラズマが生成されていない状態において、前記信号発信器から前記プローブ装置へ前記交流電圧を出力したときに前記測定回路にて測定された第１電流を受信し、
前記プラズマ処理装置にプラズマが生成された状態において、前記信号発信器から前記プローブ装置へ前記交流電圧を出力したときに前記測定回路にて測定された第２電流を受信し、
前記制御部は、
受信した前記第１電流及び前記第２電流を用いたベクトル演算により前記プラズマに流れる電流と前記交流電圧との位相差を測定し、
前記位相差に基づき、プラズマにかかる電圧が変動しないように前記交流電圧を調整し、測定した前記プラズマに流れる電流に基づきプラズマ状態を測定する、プラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、プラズマ測定方法及びプラズマ処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１は、処理容器の壁に形成された開口部に取り付けられるアンテナ部と、アンテナ部に接続される電極と、誘電体から形成され、アンテナ部を周囲から支持する誘電体支持部と、を有するプローブ装置を提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－４６７８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、プラズマ状態をより精度良く測定することができる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一の態様によれば、プラズマ処理装置に設けられたプローブ装置と、交流電圧を出力する信号発信器を含む測定回路と、を使用してプラズマ状態を測定するプラズマ測定方法であって、（Ａ）前記プラズマ処理装置にプラズマが生成されていない状態において、前記信号発信器から前記プローブ装置へ前記交流電圧を出力したときに前記測定回路にて第１電流を測定する工程と、（Ｂ）前記プラズマ処理装置にプラズマが生成された状態において、前記信号発信器から前記プローブ装置へ前記交流電圧を出力したときに前記測定回路にて第２電流を測定する工程と、（Ｃ）測定した前記第１電流及び前記第２電流を用いたベクトル演算により前記プラズマに流れる電流と前記交流電圧との位相差を測定する工程と、（Ｄ）前記位相差に基づき、プラズマにかかる電圧が変動しないように前記交流電圧を調整し、測定した前記プラズマに流れる電流に基づきプラズマ状態を測定する工程と、を有するプラズマ測定方法が提供される。

【発明の効果】

【0006】

一の側面によれば、プラズマ状態をより精度良く測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図。

【図2】図１のＡ－Ａ断面の一例を示す図。

【図3】一実施形態に係る計測系及び制御装置の機能構成例を示す図。

【図4】測定した電流信号及び信号の周波数解析結果の一例を示す図。

【図5】一実施形態に係る計測系の等価回路の一例を示す図。

【図6】一実施形態に係るプラズマ測定方法を説明するための図。

【図7】一実施形態に係るプラズマ測定方法（準備）の一例を示すフローチャート。

【図8】一実施形態に係るプラズマ測定方法の一例を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0009】

［プラズマ処理装置］
図１に、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置１００の断面図の一例を示す。プラズマ処理装置１００は、半導体ウェハを一例とする基板Ｗを収容する処理容器１を有する。プラズマ処理装置１００は、マイクロ波によって処理容器１の天壁１０の下面に形成される表面波プラズマにより、基板Ｗに対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置の一例である。プラズマ処理としては、プラズマを用いた成膜処理、エッチング処理またはアッシング処理等が例示される。

【0010】

プラズマ処理装置１００は、処理容器１とマイクロ波プラズマ源２と制御装置３とを有する。処理容器１は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の容器であり、接地されている。

【0011】

処理容器１は、天壁１０を有し、内部に基板Ｗをプラズマ処理する空間（プラズマ生成空間Ｕ）を形成する。天壁１０は、円盤状であり、処理容器１の上部開口を塞ぐ蓋体である。処理容器１と天壁１０との接触面には支持リング１２９が設けられ、これにより、処理容器１の内部は気密にシールされている。天壁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形成されている。

【0012】

マイクロ波プラズマ源２は、マイクロ波出力部３０とマイクロ波伝送部４０とマイクロ波放射機構５０とを有する。マイクロ波出力部３０は、複数経路に分配してマイクロ波を出力する。マイクロ波は、マイクロ波伝送部４０とマイクロ波放射機構５０とを通って処理容器１の内部に導入される。処理容器１内に供給されたガスは、導入されたマイクロ波の電界により励起され、これにより表面波プラズマが形成される。

【0013】

処理容器１内には基板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及び支持部材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、基板Ｗを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、基板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。

【0014】

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、基板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。

【0015】

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、基板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。

【0016】

マイクロ波伝送部４０は、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送する。図２は、図１のＡ－Ａ断面を示し、プラズマ処理装置１００の天壁の下面例を示す。図２を参照すると、マイクロ波伝送部４０内の中央マイクロ波導入部４３ｂは、天壁１０の中央に配置され、６つの周縁マイクロ波導入部４３ａは、天壁１０の周辺に円周方向に等間隔に配置される。中央マイクロ波導入部４３ｂ及び６つの周縁マイクロ波導入部４３ａは、それぞれに対応して設けられる、図１に示すアンプ部４２から出力されたマイクロ波をマイクロ波放射機構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。以下、周縁マイクロ波導入部４３ａおよび中央マイクロ波導入部４３ｂを総称して、マイクロ波導入部４３ともいう。

【0017】

図１及び図２に示すように、外周側の６つの誘電体窓１２３は、６つの周縁マイクロ波導入部４３ａの下方にて天壁１０の内部に配置されている。また、中央の１つの誘電体窓１３３は、中央マイクロ波導入部４３ｂの下方にて天壁１０の内部に配置されている。なお、周縁マイクロ波導入部４３ａ及び誘電体窓１２３の個数は６つに限らず、２つ以上であり得る。ただし、周縁マイクロ波導入部４３ａの個数は３つ以上が好ましく、例えば３つ～６つであってもよい。

【0018】

図１に示すマイクロ波放射機構５０は、遅波板１２１，１３１、スロット１２２，１３２及び誘電体窓１２３，１３３を有する。遅波板１２１，１３１は、マイクロ波を透過させる円盤状の誘電体から形成され、天壁１０の上面に配置されている。遅波板１２１，１３１は、比誘電率が真空よりも大きい、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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。これにより、遅波板１２１，１３１内を透過するマイクロ波の波長を、真空中を伝搬するマイクロ波の波長よりも短くしてスロット１２２，１３２を含むアンテナを小さくする機能を有する。

【0019】

遅波板１２１，１３１の下には、天壁１０に形成されたスロット１２２，１３２を介して誘電体窓１２３，１３３が天壁１０の開口の裏面に当接されている。誘電体窓１２３、１３３は、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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。誘電体窓１２３，１３３は、天壁１０に形成された開口の厚み分だけ天井面から凹んだ位置に設けられ、マイクロ波をプラズマ生成空間Ｕに供給する。

【0020】

周縁マイクロ波導入部４３ａおよび中央マイクロ波導入部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を同軸状に配置する。外側導体５２と内側導体５３の間には、マイクロ波電力が給電され、マイクロ波放射機構５０に向かってマイクロ波が伝搬するマイクロ波伝送路４４となっている。

【0021】

周縁マイクロ波導入部４３ａおよび中央マイクロ波導入部４３ｂには、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マイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させる機能を有する。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マイクロ波伝送路４４のインピーダンスを調整するようになっている。

【0022】

天壁１０には、シャワー構造のガス導入部２１が設けられている。ガス供給源２２から供給されるガスは、ガス供給配管１１１を介してガス拡散室６２からガス導入部２１を通り、処理容器１内にシャワー状に供給される。ガス導入部２１は、天壁１０に形成された複数のガス供給孔６０からガスを供給するガスシャワーヘッドの一例である。ガスの一例としては、例えばＡｒガス等のプラズマ生成用のガスや、例えばＯ_２ガスやＮ_２ガス等の高エネルギーで分解させたいガス、シランガス等の処理ガスが挙げられる。

【0023】

プラズマ処理装置１００の各部は、制御装置３により制御される。制御装置３は、マイクロプロセッサ４、ＲＯＭ（Read Only Memory）５、ＲＡＭ（Random Access Memory）６を有している。ＲＯＭ５やＲＡＭ６にはプラズマ処理装置１００のプロセスシーケンス及び制御パラメータであるプロセスレシピが記憶されている。マイクロプロセッサ４は、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに基づき、プラズマ処理装置１００の各部を制御する。また、制御装置３は、通信インターフェース（Ｉ／Ｆ）７を有し、他機器との通信が可能になっている。また、制御装置３は、ディスプレイ８を有し、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに従って所定の制御を行う際の結果の表示が可能になっている。

【0024】

かかる構成のプラズマ処理装置１００においてプラズマ処理を行う際には、まず、基板Ｗが、搬送アーム（図示せず）上に保持された状態で、開口したゲートバルブ１８から搬入出口１７を通り処理容器１内に搬入される。基板Ｗは、載置台１１の上方まで搬送されると、搬送アームからプッシャーピンに移され、プッシャーピンが降下することにより載置台１１に載置される。ゲートバルブ１８は基板Ｗを搬入後に閉じられる。処理容器１の内部の圧力は、排気装置１６により所定の真空度に保持される。処理ガスがガス導入部２１からシャワー状に処理容器１内に導入される。マイクロ波導入部４３を介してマイクロ波放射機構５０から放射されたマイクロ波が天壁の内部表面である下面近傍を伝搬する。表面波マイクロ波の電界により、ガスが励起され、処理容器１内の天壁下のプラズマ生成空間Ｕに生成された表面波プラズマによって基板Ｗにプラズマ処理が施される。

【0025】

［プローブ装置］
プローブ装置７０について、図１及び図３を参照しながら説明を続ける。図３は、一実施形態に係る計測系及び制御装置の機能構成例を示す図である。図１に示すように、処理容器１の側壁には円周方向に１又は複数の開口部１ｂが形成され、１又は複数のプローブ装置７０が真空空間と大気空間の間をシールするシール部材（図示せず）を介して取り付けられている。

【0026】

プローブ装置７０の先端面と処理容器１の壁の開口部１ｂ付近の裏面には、所定の幅の隙間が形成されている。その隙間は、プローブ装置７０が処理容器１の壁とＤＣ的に接続されない程度に広い空間であって、プラズマやガスが入り込まない程度に狭い空間に設計される。ただし、プローブ装置７０は、載置台に形成された開口部にシール部材を介して取り付けられてもよい。

【0027】

図３に示すように、プラズマ状態を測定する計測系は、プローブ装置７０及び測定回路８５から構成される。測定回路８５は、モニタ装置８０、コンデンサ７２及び同軸ケーブル８１を有する。モニタ装置８０は、制御装置３に通信可能に接続されている。

【0028】

プローブ装置７０は、プラズマ処理装置１００の外部にて同軸ケーブル８１によりモニタ装置８０に接続されている。モニタ装置８０は、信号発信器８２を有し、信号発信器８２は、同軸ケーブル８１に所定周波数の交流電圧の信号を出力する。交流電圧の信号は、同軸ケーブル８１を伝送され、プローブ装置７０に交流電圧が印加される。コンデンサ７２は同軸ケーブル８１に接続され、交流電圧の信号をプローブ装置７０に伝送し、直流電圧の信号を遮断する。これにより、モニタ装置８０は交流電圧の信号のみをプラズマ側から受信する。

【0029】

プローブ装置７０は、プラズマ生成空間Ｕにて生成されるプラズマをセンシングする。プローブ装置７０は、プラズマ側に伝送する信号に対して、プラズマ側に流れた電流信号を検出し、モニタ装置８０に送信する。プラズマ側に流れた電流信号は、モニタ装置８０から制御装置３に送信され、制御装置３の通信部３２により受信される。受信信号の電流値は、記憶部３１に記憶される。制御部３３の解析部３４は、受信信号の電流値をＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析する。制御部３３の算出部３５は、解析結果に基づき後述するプラズマ電子温度Ｔ_ｅやプラズマ電子密度Ｎ_ｅを算出する。これにより、プラズマ状態を正確に推定することができる。

【0030】

なお、記憶部３１は、図１に示すＲＯＭ５又はＲＡＭ６により実現される。通信部３２は、通信インターフェース７により実現される。制御部３３の解析部３４及び算出部３５は、マイクロプロセッサ４により実現される。

【0031】

［プローブ装置での測定］
以上に説明した、本実施形態のプローブ装置７０により測定し、モニタ装置８０により受信した電流信号及び電流信号の周波数解析（ＦＦＴ）結果の一例を図４に示す。図４（ａ）は電流信号の一例である電流値Ｉの波形を示す。測定された電流信号（電流値Ｉ）は、モニタ装置８０から制御装置３に送信され、制御装置３の通信部３２により受信される。電流信号は、制御装置３の解析部３４によりＦＦＴ（高速フーリエ変換）される。これにより、図４（ｂ）に示すように、各周波数に対する振幅成分及び位相成分に変換される。プラズマでは、所定の電圧に対して指数関数的に電流が流れる。測定した電流値Ｉには、基本周波数を有する基本波（１倍波）の成分と、基本波に対して周波数が２倍、３倍及び４倍等の高調波成分が含まれている。

【0032】

図４（ｂ）の基本波の振幅成分は、交流電圧の周波数の１倍波の第１電流を示す。基本波に対して周波数が２倍の高調波成分は、交流電圧の周波数の２倍波の第１電流を示す。以下のプラズマ電子密度Ｎ_ｅ、プラズマ電子温度Ｔ_ｅの算出では、１倍波の第１電流及び２倍波の第１電流を使用し、プラズマ電子密度Ｎ_ｅ、プラズマ電子温度Ｔ_ｅの算出精度にほぼ影響を与えない３倍波、４倍波、及びそれ以上の高調波の第１電流は使用しない。

【0033】

［プラズマ測定］
図５は、一実施形態に係る計測系（測定回路８５）の等価回路の一例を示す図である。図５（ａ）～（ｃ）のプローブ装置７０を通る点線の右側は処理容器１内を示し、点線の左側は測定回路８５の等価回路である。本実施形態に係るプラズマ測定方法（準備段階）では、図５（ａ）に示すように処理容器１にプラズマが生成されていない状態において、信号発信器８２からプローブ装置７０に交流電圧（以下、「交流電圧Ｖｔ」と表記する。）を印加する。このときプローブ装置７０は、測定回路８５に流れる電流Ｉｔを測定する。計測系の構造上、測定回路８５が有する浮遊容量Ｃｓに浮遊電流（以下、「浮遊電流Ｉｓ」と表記する。）が流れる。図５（ａ）に示すように、プラズマが生成されていない状態では、測定回路８５にて測定した電流Ｉｔは、浮遊容量Ｃｓに流れる浮遊電流Ｉｓに等しい。なお、電流Ｉｔは、測定回路８５に設けた図示しない電圧計で抵抗成分（図示せず）を通して電圧降下を計測することにより得る。

【0034】

このようにしてプラズマが生成されていない状態においてプローブ装置７０に交流電圧Ｖｔを印加すると、測定回路８５にて電流Ｉｔが測定される。このとき測定された電流Ｉｔは、電流の大きさ（振幅）と位相とを含む第１電流の一例であり、図５（ａ）に示すようにプラズマが生成されていない状態では浮遊電流Ｉｓに等しい。測定回路８５にて測定される電流Ｉｔは、（１）式により示される。

【0035】

【数1】

は電子の平均速度、Ａはプローブ装置７０のプラズマに接している面積（つまり、開口部１ｂの面積）、Ｖ_Ｂｉａｓはプローブ印加電圧、Φ_ｐはプラズマ電位、Ｔ_ｅはプラズマの電子温度、ｕ_Ｂはボーム速度である。また、Ｖ_ｄｃは自己バイアス電圧、Ｖ_０はプラズマにかかる電圧Ｖｐに等しい。Ｖ_０はコンデンサ７２の容量成分Ｃａにおける電圧Ｖａを考慮し、プローブ装置７０に印加した交流電圧Ｖｔから電圧Ｖａを減算した値となる。

【0036】

（１）式を、第１種変形ベッセル関数Ｉ_ｋを用いて変形し、測定した電流Ｉｔを（２）式のようにＤＣ成分とＡＣ成分に分離する。

【0037】

【数2】

（２）式の右辺の上段の項は、測定した電流ＩｔのＤＣ成分であり、（２）式の右辺の下段の項は、ｃｏｓ（ｋωｔ）に変数を掛け合わせた電流ＩｔのＡＣ成分である。測定した電流ＩｔのＤＣ成分は、プローブ装置７０とプラズマとの間に流れる直流電流を示す。本実施形態では、図３に示すようにプローブ装置７０と同軸ケーブル８１とは、コンデンサ７２によりＤＣ的に接続されていないため、（２）式の電流ＩｔのＤＣ成分は０とする。その結果、（３）式が導かれる。

【0038】

【数3】

（３）式をフーリエ級数展開すると（４）式が得られる。

【0039】

【数4】

（４）式の左辺は、実測値であり、１倍波（１ω）の電流ｉ_１ωの振幅と２倍波（２ω）の電流ｉ_２ωの振幅の絶対値の比を示す。１倍波（１ω）の電流ｉ_１ωの大きさ及び２倍波（２ω）の電流ｉ_２ωの大きさは、制御部３３の解析部３４が電流ＩｔをＦＦＴ解析することにより得られる（図４参照）。｜ｉ_１ω｜は、測定した電流Ｉｔの１倍波の電流値（ｉ_１ω）の絶対値であり、｜ｉ_２ω｜は、測定した電流Ｉｔの２倍波の電流値（ｉ_２ω）の絶対値である。（４）式の右辺は、電流Ｉｔを第１種変形ベッセル関数で展開したときの１倍波と２倍波との比を示す。I_１は一次のベッセル関数であり、I_２は二次のベッセル関数である。

【0040】

更に、１倍波における電流ｉ_１ωのＡＣ成分を（５）式に示す。

【0041】

【数5】

（５）式を用いて算出した１倍波における電流ｉ_１ωの絶対値を、（４）式の近似式である（６）式の｜ｉ_１ω｜に代入することで、プラズマ中のイオン密度ｎ_ｉが算出される。イオン密度ｎ_ｉはプラズマ電子密度Ｎ_ｅに等しい。以上から、プラズマ電子密度Ｎ_ｅが算出される。

【0042】

【数6】

ｅは電子素量、ｕ_Ｂはボーム速度、Ｉ_０（Ｖ_ｏ／Ｔ_ｅ）は零次のベッセル関数、Ｉ_１（Ｖ_ｏ／Ｔ_ｅ）は一次のベッセル関数を示す。なお、Ａはプローブ装置７０のプラズマに接している面積（つまり、開口部１ｂの面積）、Ｖ_０はプラズマにかかる電圧Ｖｐである。

【0043】

よって、プラズマにかかる電圧Ｖｐ（プラズマ電圧Ｖｐ）とプラズマに流れる電流Ｉｐ（プラズマ電流Ｉｐ）との関係を正確に求めれば、（６）式を使用してプラズマ電子密度Ｎ_ｅ、プラズマ電子温度Ｔ_ｅを精度良く測定することができる。

【0044】

そこで、図５（ｂ）に示すように処理容器１にプラズマが生成された状態において、信号発信器８２からプローブ装置７０に交流電圧Ｖｔを印加する。プローブ装置７０は直流電圧を使用しないためプラズマ処理中も測定できる。このときプローブ装置７０は、測定回路８５に流れる電流Ｉｔを測定する。

【0045】

図５（ｂ）に示すように、計測系の構造上、測定回路８５が有する浮遊容量Ｃｓに浮遊電流Ｉｓが流れる。また、プラズマが生成されている状態では、プラズマ電流Ｉｐが流れる。よって、測定回路８５にて測定した電流Ｉｔは、浮遊容量Ｃｓに流れる浮遊電流Ｉｓとプラズマ電流Ｉｐとの和に等しい。

【0046】

このようにしてプラズマが生成されている状態においてプローブ装置７０に交流電圧Ｖｔを印加すると、測定回路８５にて電流Ｉｔが測定される。このとき測定された電流Ｉｔは、電流の大きさと位相とを含む第２電流の一例であり、浮遊電流Ｉｓとプラズマ電流Ｉｐとの和に等しい。

【0047】

そのため、図５（ｂ）に示すプラズマが生成されている状態において測定された電流Ｉｔ（第２電流）から、図５（ａ）に示すプラズマが生成されていない状態おいて測定された電流Ｉｔ（第１電流）に等しい浮遊電流Ｉｓを減算する。これにより、プラズマ電流Ｉｐを算出することができる。

【0048】

つまり、図６（ａ）に示すように、測定した電流Ｉｔ（第２電流）に含まれる電流の大きさと位相及び浮遊電流Ｉｓ（第１電流）に含まれる電流の大きさと位相とを用いてベクトル演算により電流Ｉｔから浮遊電流Ｉｓを減算する。これにより、プラズマ電流Ｉｐの大きさ、及びプラズマ電流Ｉｐと交流電圧Ｖｔとの位相差θを算出する。

【0049】

プラズマを純粋な抵抗と考えると、プラズマ電流Ｉｐとプラズマにかかる電圧Ｖｐとは同位相になるため、求められたプラズマ電流Ｉｐから、交流電圧Ｖｔとプラズマにかかる電圧Ｖｐの位相差を把握することができる。この位相差θ（＝ωｔ）から実際にプラズマに印加されている電圧Ｖｐの値を（７）式により求めることができる。

【0050】

Ｖｐ＝Ｖｔ×ｃｏｓθ・・・（７）
以上から、交流電圧Ｖｔ及び位相差θに基づき、プラズマ電圧Ｖｐを導出することが可能である。

【0051】

［堆積物による影響］
本実施形態に係るプラズマ測定方法では、図５（ａ）に示すようにプラズマが着火していないときに、交流電圧Ｖｔを出力し、浮遊容量Ｃｓに交流電圧Ｖｔを印加し、プラズマ着火前に浮遊容量Ｃｓに流れる浮遊電流Ｉｓを測定しておく。また、図５（ｂ）に示すようにプラズマが着火しているときに、交流電圧Ｖｔを出力し、このときに測定回路８５に流れる電流Ｉｔ（第２電流）から予め測定した浮遊電流Ｉｓ（第１電流）をベクトル演算により減算し、プラズマ電流Ｉｐを測定する。

【0052】

処理容器１の内部には、成膜処理又はエッチング処理等の基板処理時に生成された膜又は反応生成物が付着し、堆積する。よって、開口部１ｂからプローブ装置７０にも膜又は反応生成物等の堆積物が付着する。プローブ装置７０の表面に付着した堆積物の影響により測定回路８５における容量成分が変化する。

【0053】

例えば、図５（ａ）及び（ｂ）は、プローブ装置７０の表面に堆積物が付着していない状態であり、図５（ｃ）は、プローブ装置７０の表面に堆積物が付着している状態である。図５（ｃ）の測定回路８５は、プローブ装置７０の表面に付着した堆積物の影響により、コンデンサ７２の容量成分Ｃａに容量成分Ｃｄが追加された状態を示す。これにより、容量成分Ｃｄに係る電圧Ｖｄによりプラズマにかかる電圧Ｖｐは変動する。更に堆積物はプロセスの進行により徐々に増え、クリーニングにより除去される。このため、堆積物の影響により測定回路８５における直列容量成分Ｃａ、Ｃｄにかかる合計電圧（Ｖａ＋Ｖｄ）はプロセスの進行及びクリーニングと共に変化してしまう。以下、合計電圧（Ｖａ＋Ｖｄ）を総電圧Ｖｓともいう。

【0054】

この結果、交流電圧Ｖｔを一定にした場合、図５（ｂ）に示す状態と図５（ｃ）に示す状態とでは、実際にプラズマに印加される電圧Ｖｐの値が変化してしまう。プラズマにかかる電圧Ｖｐが変化するとプラズマに流れる電流Ｉｐの値も変化してしまう。このため、同一条件のプラズマ計測ができなくなり、測定したプラズマ密度等のプラズマ状態の測定結果に誤差が生じるおそれがある。このため、プラズマの状態を精度良く測定するためには、堆積物の有無にかかわらず、どのような状態においても、プラズマに印加される電圧Ｖｐを常に一定にすることが重要である。なお、図５（ａ）に示すプラズマが生成されていない状態では、堆積物の影響はなく、測定回路８５に流れる電流Ｉｔは浮遊電流Ｉｓに等しい。

【0055】

（堆積物の容量成分Ｃｄを考慮したプラズマ測定）
そこで、堆積物の容量成分Ｃｄを考慮したプラズマ測定を行う。プラズマを着火した状態において、信号発信器８２からプローブ装置７０に交流電圧Ｖｔを印加し、測定回路８５にて電流値Ｉｔを測定する。測定した電流値Ｉｔは、図６（ａ）に示すように浮遊電流Ｉｓとプラズマ電流Ｉｐとの合算値であり、浮遊電流Ｉｓは、プラズマが生成されていない状態で予め測定され、記憶部３１に保存されている。よって、測定した電流値Ｉｔからベクトル演算により浮遊電流Ｉｓを減算することにより、図６（ａ）に示すプラズマ電流Ｉｐ、及びプラズマ電流Ｉｐと交流電圧Ｖｔとの位相差θを算出できる。

【0056】

印加した交流電圧Ｖｔは、図６（ｂ）に示すようにプラズマにかかる電圧Ｖｐと直列容量成分Ｃａ、Ｃｄにかかる総電圧Ｖｓ（＝Ｖａ＋Ｖｄ）のベクトル和で表される。プラズマを純粋な抵抗と考えると、プラズマ電流Ｉｐとプラズマにかかる電圧Ｖｐとは同位相になる。図６（ｂ）の例では、堆積物がないときプラズマ電流Ｉｐとプラズマにかかる電圧Ｖｐとは同位相θになっている。このため、（７）式によりプラズマにかかる電圧Ｖｐは、Ｖｔｃｏｓθに等しいことから、交流電圧Ｖｔ及び位相差θに基づき、初期値となるプラズマ電圧Ｖｐを導出することが可能である。

【0057】

これにより、図６（ｂ）に示すように、交流電圧Ｖｔをベクトル演算によりプラズマ電圧Ｖｐと直列容量成分Ｃａ、Ｃｄにかかる総電圧Ｖｓとに分離させることができる。これによれば、堆積物がない場合、容量成分Ｃｄは０となり、直列容量成分Ｃａ、Ｃｄにかかる総電圧Ｖｓは実質的に電圧Ｖａとなる。

【0058】

しかし、堆積物の量が多くなるほど、容量成分Ｃｄの影響が大きくなり、図６（ｂ）に示す総電圧Ｖｓが大きくなり位相角θも変化するため、印加する交流電圧Ｖｔが一定であれば、プラズマにかかる電圧Ｖｐは小さくなる。図６（ｂ）の例では、位相角が、堆積物がないときの位相角θから堆積物の量が多くなったときの位相角θ２（θ２＞θ）へ変化する。このため、印加する交流電圧Ｖｔが一定であれば、プラズマにかかる電圧Ｖｐは電圧Ｖｐから電圧Ｖｐ２へと小さくなる。なお、堆積物の量が多くなったときもプラズマ電流Ｉｐ２とプラズマにかかる電圧Ｖｐ２とは同位相θ２になっている。

【0059】

そこで、（７）式から
Ｖｔ＝Ｖｐ／ｃｏｓθ・・・（８）
であり、例えば初期値として導出したプラズマ電圧Ｖｐを（８）式のＶｐに代入し、その時の位相角θとして、その時点におけるプラズマを着火した状態で測定された電流値Ｉｔから、浮遊電流Ｉｓとのベクトル演算により算出した位相角θの値を（８）式に代入して交流電圧Ｖｔの値を調整する。図６（ｂ）の電流値Ｉｔは、堆積物がないときに測定された電流値であり、電流値Ｉｔ２は、堆積物の量が多くなったときに測定された電流値である。堆積物がないときと堆積物の量が多くなったときとでは、交流電圧Ｖｔの変化に対する浮遊電流Ｉｓの変化は非常に小さいため、浮遊電流Ｉｓは堆積物の量に寄らず一定とすることができる。以上から、プラズマ処理装置１００内の堆積物の量が多いほど交流電圧Ｖｔの値を大きくするように調整し、堆積物の量が少ないほど交流電圧Ｖｔの値を小さくするように調整する。これにより、プラズマに印加される電圧Ｖｐを常に一定にすることができ、同一条件でプラズマ計測を行うことができる。この結果、プラズマ状態の測定結果に誤差を生じさせることなく、プラズマ状態を精度良く測定することができる。なお、調整後の交流電圧をＶｔ'とした場合であり、交流電圧Ｖｔ'とそれまで使用していた交流電圧Ｖｔとの差が大きい場合、より正確な計算が必要な場合には、（８）式を用いる際の位相角θとして、浮遊電流として記憶部に予め保存するＩｓの代わりに、α＝Ｉｓ／Ｖｔを保存しておき、交流電圧Ｖｔの調整時の浮遊電流をＩｓ'＝α＊Ｖｔ'とし、このＩｓ'の値を使用して、位相角θを計算しても良い。

【0060】

このようにプラズマにかかる電圧Ｖｐを常に一定にするように交流電圧Ｖｔを算出し、交流電圧Ｖｔを調整しながらプラズマ電流Ｉｐを算出する。

【0061】

また、実測値である測定された電流Ｉｔから周波数解析により交流電圧Ｖｔの周波数の１倍波の第１電流を算出する。そして、（６）式の｜ｉ_１ω｜に１倍波の第１電流の絶対値を代入する。これにより、より正確なプラズマの電子密度Ｎ_ｅ、電子温度Ｔ_ｅ又はイオン密度Ｎ_ｉの少なくともいずれかを導出することができる。

【0062】

図５（ａ）に示すプラズマが生成されていない状態において、電流Ｉｔ（第１電流）を定期的又は不定期に繰り返し測定してもよい。そして、測定した最新の電流Ｉｔに基づき浮遊電流Ｉｓを算出してもよい。このようにしてプラズマが着火していない間、常に電流Ｉｔを得るための交流電圧Ｖｔをプローブ装置７０に印加し続ける。これにより、最新の基準となる浮遊電流Ｉｓを常に更新し、記憶部３１に保存しておく。これにより、プラズマが生成されている状態において測定された電流Ｉｔから最新の浮遊電流Ｉｓの値をベクトル演算により減算することによって、プラズマに流れる電流をより精度良く測定することができる。

【0063】

［プラズマ測定方法（準備）］
図５（ａ）に示すプラズマが生成されていない状態において行われるプラズマ測定方法（準備）について、図７を参照しながら説明する。図７は、一実施形態に係るプラズマ測定方法（準備）の一例を示すフローチャートである。

【0064】

本処理では、ステップＳ１において、モニタ装置８０は、プラズマ処理装置１００にプラズマが生成されていない状態かを判定する。モニタ装置８０は、プラズマが生成されているか否かをレシピ情報から取得してもよい。例えば、モニタ装置８０は、レシピ情報からプロセス中の時間を判定し、プロセスの開始前及び終了後のアイドル状態では、プラズマが生成されていないと判定してもよい。ただし、プラズマが生成されているか否かの判定方法はこれに限らない。モニタ装置８０は、プラズマが生成されている状態であると判定すると、本処理を終了する。

【0065】

一方、ステップＳ１において、モニタ装置８０は、プラズマ処理装置１００にプラズマが生成されていない状態であると判定すると、ステップＳ２に進む。そして、ステップＳ２において、信号発信器８２からプローブ装置７０へ交流電圧Ｖｔを印加し、このときに測定回路８５にて電流の大きさ（振幅）と位相とを含む電流Ｉｔ（第１電流）を測定する。測定された電流Ｉｔは、電流の大きさ（振幅）と位相とを含む。測定された電流Ｉｔは、浮遊電流Ｉｓに等しい（図５（ａ）参照）。よって、電流Ｉｔを測定することにより浮遊電流Ｉｓを測定することができる。測定された浮遊電流Ｉｓの信号は、モニタ装置８０から制御装置３に送信される。制御装置３は、電流の大きさ（振幅）と位相とを含む浮遊電流Ｉｓを受信する。

【0066】

次に、ステップＳ３において、制御装置３の算出部３５は、電流の大きさ（振幅）と位相とを含む浮遊電流Ｉｓを記憶部３１に保存し、本処理を終了する。

【0067】

［測定処理］
図５（ｂ）及び（ｃ）に一例を示すプラズマが生成された状態において行われる測定処理について、図８を参照しながら説明する。図８は、一実施形態に係るプラズマ測定方法の一例を示すフローチャートである。図８のプラズマ測定方法が実行される前に、図７のプラズマ測定方法が最低一回実行され、制御装置３の記憶部３１には浮遊電流Ｉｓの大きさが記憶されているものとする。

【0068】

本処理では、ステップＳ１１において、モニタ装置８０は、プラズマ処理装置１００にプラズマが生成されている状態かを判定する。判定方法は、図７のステップＳ１にて説明した方法でよい。モニタ装置８０は、プラズマが生成されていない状態であると判定すると、本処理を終了する。

【0069】

一方、ステップＳ１１において、モニタ装置８０は、プラズマ処理装置１００にプラズマが生成されている状態であると判定すると、ステップＳ１２に進む。そして、ステップＳ１２において、信号発信器８２からプローブ装置７０へ交流電圧Ｖｔを印加し、このときに測定回路８５にて電流の大きさ（振幅）と位相とを含む電流Ｉｔ（第２電流）を測定する。次に、ステップＳ１３において、測定された電流Ｉｔから、事前に測定した浮遊電流Ｉｓを減算するベクトル演算を行う（図５（ｂ）及び図６（ａ）参照）。これにより、プラズマに流れる電流Ｉｐの大きさ、及びプラズマに流れる電流Ｉｐと交流電圧Ｖｔとの位相差θを測定することができる。

【0070】

次に、ステップＳ１４において、プラズマにかかる電圧Ｖｐを算出する。プラズマを純粋な抵抗と考えると、プラズマ電流Ｉｐとプラズマにかかる電圧Ｖｐとは同位相になる。このため、ステップＳ１３において算出したプラズマ電流Ｉｐと交流電圧Ｖｔとの位相差θを用いて、交流電圧Ｖｔとプラズマにかかる電圧Ｖｐの位相差を把握することができる。この位相差θから実際にプラズマに印加されている電圧Ｖｐと交流電圧Ｖｔとの値を（７）式により正確に求めることができる。

【0071】

次に、ステップＳ１５において、プラズマ電圧Ｖｐが一定になるように、印加する交流電圧Ｖｔを調整する。具体的には、プラズマ処理装置１００内に堆積する堆積物にかかる電圧Ｖｄ（図５（ｃ）参照）の変動により、プラズマ電圧Ｖｐが変動しないように、堆積物に応じて交流電圧Ｖｔを調整する。そして、交流電圧Ｖｔを調整した後、新たに第１電流（図５（ａ）の状態において測定した電流Ｉｔ）及び第２電流（図５（ｃ）の状態において測定した電流Ｉｔ）を測定する。新たに測定した第２電流から新たに測定した第１電流を減算することにより、プラズマに流れる電流Ｉｐを測定する。

【0072】

次に、ステップＳ１６において、算出したプラズマ電流Ｉｐとプラズマ電圧Ｖｐとの関係から、（６）式によりプラズマ電子温度Ｔｅ及びプラズマ電子密度Ｎｅを算出し、本処理を終了する。

【0073】

以上に説明したように、本実施形態のプラズマ測定方法及びプラズマ処理装置によればプラズマ電圧Ｖｐが一定になるように、印加する交流電圧Ｖｔを調整することで、プラズマ状態をより一定の条件の元で精度良く測定することができる。

【0074】

今回開示された実施形態に係るプラズマ測定方法及びプラズマ処理装置は、すべ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。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

【0075】

本開示のプラズマ処理装置は、Atomic Layer Deposition(ALD)装置、Capacitively Coupled Plasma(CCP)、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Radial Line Slot Antenna(RLSA)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)のいずれのタイプの装置でも適用可能である。

【0076】

本明細書に開示のプラズマ処理装置は、一枚ずつ基板を処理する枚葉装置、複数枚の基板を一括処理するバッチ装置及びセミバッチ装置のいずれにも適用できる。

【符号の説明】

【0077】

１ 処理容器
２ マイクロ波プラズマ源
３ 制御装置
１１ 載置台
７０ プローブ装置
８０ モニタ装置
８５ 測定回路
１００ プラズマ処理装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】