プラズマ状態変化検出装置およびこれを備えるプラズマ処理装置
【課題】 真空状態にある容器の内部で、直流放電によりプラズマを発生させた場合であっても、プラズマの状態変化を、精度良くかつ高い自由度で検出できる技術を提供する。
【解決手段】 アノード１２およびカソード１３の間となるプラズマ処理容器１１の側壁の外面に、磁気センサ２１を設け、プラズマ処理容器１１のプラズマ生成空間に生成したプラズマＰの流れの周囲に発生する磁界を計測する。磁界変化量生成部は、磁気センサ２１で計測された磁界の初期値と当該初期値から変化した変化値との差分である、電磁界の変化量を生成し、プラズマ変化情報としてプラズマ処理制御部１７に出力する。プラズマ処理制御部１７は、取得したプラズマ変化情報に基づいて、例えば、プラズマ生成用電源１４の印加電圧を変化させる等の制御を行う。
【解決手段】 アノード１２およびカソード１３の間となるプラズマ処理容器１１の側壁の外面に、磁気センサ２１を設け、プラズマ処理容器１１のプラズマ生成空間に生成したプラズマＰの流れの周囲に発生する磁界を計測する。磁界変化量生成部は、磁気センサ２１で計測された磁界の初期値と当該初期値から変化した変化値との差分である、電磁界の変化量を生成し、プラズマ変化情報としてプラズマ処理制御部１７に出力する。プラズマ処理制御部１７は、取得したプラズマ変化情報に基づいて、例えば、プラズマ生成用電源１４の印加電圧を変化させる等の制御を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ状態変化検出装置およびこれを備えるプラズマ処理装置に関し、特に、プラズマの状態変化を電流密度の分布の変化として検出するプラズマ状態変化検出装置と、これを備えることにより、プラズマ処理に有用な情報としてプラズマの状態変化を取得するプラズマ処理装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置は、互いに対向する電極であるアノード（陽極）およびカソード（陰極）と、内部にこれら電極を備えるプラズマ処理容器と、を備えている。そして、プラズマ処理を行うときには、この容器の内部に基板等の被処理体を収容してから真空状態とし、前記電極に電力を印加することでプラズマが生成する。生成した前記プラズマは、前記被処理体の表面に対して、エッチング、膜形成、クリーニング等といった各種の処理に用いられる。
【０００３】
前記プラズマ処理装置においては、容器中で生成されるプラズマの状態は、各種のプラズマ処理に影響を与える。そこで、従来から、容器の内部で発生させたプラズマの状態の変化を検出する技術が種々提案されている。具体的には、 (i)導体をプローブとして容器の内部に差し込み、当該プローブに生じる電圧の変化をプラズマの状態変化として計測する技術（例えば、特許文献１等）、(ii)プラズマにより放射される光のスペクトル強度を計測する技術（例えば、特許文献２等）、 (iii)容器内のプラズマに晒される部位に絶縁された導体部材を備えている構成において、当該導体部材に生じるに流れる電子による電位の変化を、プラズマの状態変化として検出する技術（特許文献３）、 (iv)対向電極を複数のセグメント電極に分割し、各セグメント電極の近傍においてプラズマの状態の指標となるパラメータを個々に検出することによって、リアルタイムでプラズマ状態を常に最適化する技術（特許文献４）、 (v)被処理体を保持するステージに供給する高周波電圧、高周波電流並びに前記電圧および電流間の位相差を検出し、この位相差をもとにプラズマの電子密度および電子温度を演算する技術（特許文献５）、あるいは、(vi)容器の外周に誘導結合方式の高周波放電用電極を螺旋コイル状に巻回させ、このコイル状の放電用電極に高周波電力を印加して容器内にプラズマを発生させる構成において、前記コイル状放電用電極を巻回している領域、または、前記コイル状放電用電極の外側近傍個所にピックアップコイルを配置し、このピックアップコイルで検出した電圧により、プラズマ発生状態を検知する技術（特許文献６）等が挙げられる。
【特許文献１】特開２０００−３４９０３２号公報
【特許文献２】特開平０６−２４３９９１号公報
【特許文献３】特開平０７−１９２８９６号公報
【特許文献４】特開２００２−３５９２３２号公報
【特許文献５】特許第３６６５２６５号公報
【特許文献６】特開２００５−２８５３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の技術のうち、前記(i)および(ii)の技術では、内部のプラズマから状態変化の指標となる検出値を直接検出するため、容器に別途加工が必要となるとともに、検出の自由度が制限されるおそれがある。また、これら技術の構成上、検出の精度が低下する等の問題も生じる。
【０００５】
すなわち、前記 (i)の技術では、プローブをプラズマ中に差し込むために、容器に前記プローブを差し込むための差込孔を形成しなければならない。そのため、複数の部位でプラズマの状態変化を検出したい場合には、複数の差込孔を形成する必要が生じる。また、容器またはプローブの構成、あるいは検出位置等によっては、プローブの差込みがプラズマ場を乱すことも知られている。プラズマの中に導体および絶縁体を存在させることになるため、プローブの挿入そのものがプラズマ場を乱すことがある。さらに、プラズマが反応性を有している場合には、プローブの表面のコーティングや汚れ等を原因として、プラズマの状態変化が検出できないこともある。
【０００６】
また、前記(ii)の技術では、光のスペクトル強度を測定するために、容器の外壁に観測窓を形成しなければならず、前記 (i)の技術と同様の問題が生じるおそれがある。また、観測窓の内側がプラズマに曝されることにより、当該内側の面に損傷が生じたり生成物が付着したりすることによって、観測窓が曇ることがある。このような曇りの発生は、正確な状態変化の検出の妨げとなるだけでなく、曇りを防止するための機構を別途設ける必要も生じる。
【０００７】
次に、前記 (iii)および(iv)の技術は、それぞれの具体的な構成は異なるものの、容器の内部に存在する部材等を利用してプラズマの状態変化を検出している。また、前記 (v)および(vi)の技術も、それぞれ具体的な構成は異なるものの、容器内部のプラズマから、状態変化のパラメータを直接検出する構成とはなっていない。したがって、これら技術を用いれば、容器に別途加工を施す必要もなく、検出精度の低下といった問題も回避することができる。ただし、これら (iii)〜(vi)の技術はいずれも、プラズマの生成に高周波電力を用いることが前提となっている。したがって、直流放電によりプラズマを生成させる場合には適用することはできない。
【０００８】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであって、真空状態にある容器の内部で、直流放電によりプラズマを発生させた場合であっても、プラズマの状態変化を、精度良くかつ高い自由度で検出できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るプラズマ状態変化検出装置は、前記の課題を解決するために、互いに対向するアノードおよびカソードが内部に設けられているプラズマ処理容器の側壁の外面に設けられ、当該プラズマ処理容器の内部で生成したプラズマの流れの周囲に発生する電磁界を計測する電磁界計測器と、前記電磁界計測器で計測された電磁界の初期値と当該初期値から変化した変化値との差分である、電磁界の変化量を生成する電磁界変化量生成器と、を備えている。
【００１０】
前記構成によれば、プラズマ処理容器の外部に電磁界計測器を設け、これから得られる電磁界の変化をプラズマの状態変化の情報（プラズマ変化情報）として利用することができる。それゆえ、プラズマ処理容器に差込孔や観測窓等を形成する加工を施す必要がなくなる。また、プラズマ処理容器の側壁の外面であれば、どの場所に電磁界計測器を設けてもよいので、プラズマの状態変化を検出する自由度が向上する。また、生成したプラズマ中に検出用プローブを差し込まないので、プラズマ場を乱すことがなく、さらには、検出用プローブ表面の汚れや観測窓の曇り等を考慮する必要がないので、簡素な構成でプラズマの状態変化を適切に検出することができる。加えて、生成したプラズマの電磁界の変化をプラズマ処理容器の外部から計測する構成であるため、プラズマ生成用電源が高周波電源であっても直流電源であっても適用することができる。
【００１１】
前記プラズマ状態変化検出装置においては、前記電磁界計測器としては、磁界の変化を計測する磁気センサ、および、電界の変化を計測する電界プローブの少なくともいずれかを挙げることができる。また、前記電磁界計測器は、前記側壁の前記外面に少なくとも１個設けられていればよいが、より精細にプラズマの状態変化を検出したい場合には、複数設けられていることが好ましい。
【００１２】
また、前記アノードが、複数の部分電極から構成されている場合には、前記プラズマ状態変化検出装置は、前記部分電極のそれぞれに設けられ、当該部分電極に流れる電流を計測する部分電極電流計を、さらに備える構成を挙げることができる。
【００１３】
前記構成によれば、電磁界計測器により、プラズマ生成空間の側方からプラズマの状態変化を検出するとともに、複数の部分電極それぞれに流れる電流を計測することにより、プラズマの流れの下流側（アノード側）からプラズマの状態変化を検出する。それゆえ、異なる方向からプラズマの状態変化を検出することになり、より精細にプラズマの状態変化を把握することができる。
【００１４】
本発明に係るプラズマ処理装置は、前記のプラズマ状態変化検出装置を備えており、具体的には、前記プラズマ処理容器と、前記アノードおよび前記カソードと、前記アノードおよび前記カソードに電力を印加するプラズマ生成用電源と、を備え、前記プラズマ生成用電源が直流電源である構成を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明では、真空状態にある容器の内部で、直流放電によりプラズマを発生させた場合であっても、プラズマの状態変化を、精度良くかつ高い自由度で検出することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１７】
（実施の形態１）
［プラズマ処理装置の要部構成］
まず、本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置を備えるプラズマ処理装置の基本構成の一例について、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置の要部構成を示す模式図である。
【００１８】
図１に示すように、プラズマ処理装置１０ａは、プラズマ処理容器１１、アノード（陽極）１２、カソード（陰極）１３、プラズマ生成用電源１４、真空ポンプ１５、プラズマ用ガス供給部１６、およびプラズマ処理制御部１７を少なくとも備え、さらに、プラズマ状態変化検出装置２０ａを備えている。
【００１９】
プラズマ処理容器１１は、内部にプラズマ処理空間を含み、真空ポンプ１５により内部が吸引されることにより、プラズマ処理が可能なレベルの真空度にまで減圧される。プラズマ処理容器１１内には、アノード１２およびカソード１３が互いに対向するよう設けられ、これら電極の間がプラズマ生成空間となっている。図１では、プラズマ処理容器１１、アノード１２およびカソード１３はいずれも模式的に示されており、略長方形状の断面を有するプラズマ処理容器１１の長手方向の両端に、アノード１２およびカソード１３が配置されている。
【００２０】
アノード１２およびカソード１３は、それぞれプラズマ生成用電源１４の正極および負極に接続されている。プラズマ生成用電源１４は、直流電源であり、本実施の形態では、印加する電圧を変化できるよう構成されている。また、プラズマ処理容器１１には、プラズマ用ガス供給部１６により、例えばアルゴン（Ａｒ）等のプラズマ用ガスが供給される。プラズマ生成用電源１４からアノード１２およびカソード１３に直流電圧が印加されると、プラズマ用ガスの存在により各電極間にグロー放電が発生し、これにより、カソード１３からプラズマ放電誘発用熱電子が放出され、カソード１３からアノード１２に向けてプラズマＰが生成する。なお、グロー放電における電流をさらに増加させてアーク放電とする構成となっていてもよい。
【００２１】
アノード１２およびカソード１３の具体的構成は特に限定されず、公知の構成を好適に用いることができる。本実施の形態では、図１に示すように、アノード１２およびカソード１３のいずれも、互いに対向する平板状の電極となっているが、これに限定されず、例えば、プラズマ処理装置１０ａがシートプラズマ処理装置であれば、カソード１３は、平板状でなく、円筒状の補助陰極および円環状の主陰極からなる構成を挙げることができる。
【００２２】
プラズマ状態変化検出装置２０ａは、プラズマＰの生成に伴い生じる磁界を計測し、当該磁界の変化量をプラズマの状態変化の情報（プラズマ変化情報）としてプラズマ処理制御部１７に出力する（図中破線）。その具体的構成および動作については後述する。プラズマ処理制御部１７は、例えば、マイクロコンピュータのＣＰＵで構成されている。プラズマ処理制御部１７は、プラズマ状態変化検出装置２０ａから取得したプラズマ変化情報に基づいて、例えば、プラズマ生成用電源１４の印加電圧を変化させたり、電圧の印加時間を変化させたりする等、プラズマ処理に関する制御を行う。
【００２３】
図１では、プラズマ処理容器１１は模式的に示されているが、その具体的形状は特に限定されず、プラズマ処理装置１０ａの種類や構成等に応じて適切な形状となっていればよい。例えば、プラズマ処理容器１１は、気密な容器であればよく、円柱状または角柱状の単一の容器からなっていてもよいし、複数の容器がつながったものであってもよい。同様に、アノード１２およびカソード１３も図１では模式的に示されており、その具体的形状やプラズマ処理容器１１内部の位置も特に限定されない。図１では、アノード１２およびカソード１３は、水平方向に長さを有するプラズマ処理容器１１内で、当該プラズマ処理容器１１の長手方向の両端部に位置して、水平方向に対向しているが、上下方向に対向する構成であってもよい。
【００２４】
［プラズマ状態変化検出装置の構成および動作］
次に、前記プラズマ状態変化検出装置２０ａの基本構成と動作の一例について、図１および図２を参照して説明する。図２は、本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置２０ａの動作制御を示すフローチャートである。
【００２５】
本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置２０ａは、図１に示すように、磁気センサ２１、磁界変化量生成部２２、および記憶部２３を備えている。磁気センサ２１は、磁気（磁界）を検出できるものであれば特に限定されず、例えば、ホール効果によるホール素子、ホール素子およびアンプ回路を内蔵したホールＩＣ、磁気抵抗効果による磁気抵抗素子、あるいは、磁気変調型磁気センサ等、公知の構成を好適に用いることができる。なお、磁気センサ２１により磁界を計測する場合、地球磁場は一定とみなして計測値からバックグラウンドとして差し引けばよい。
【００２６】
磁気センサ２１を設ける位置は、アノード１２およびカソード１３の間に面するプラズマ処理容器１１の側壁の外部であれば特に限定されない。つまり、磁気センサ２１は、プラズマ生成空間に生成したプラズマＰの流れの周囲に発生する磁界を計測できるようになっていればよい。また、磁気センサ２１は、プラズマ処理容器１１の側壁の外面に直接取り付けるかたちで設けてもよいし、外面から一定の間隔をおいて設けてもよい。一定の間隔をおいて磁気センサ２１を設ける方法は特に限定されず、例えば、絶縁体を介して外面に取り付ける方法等を挙げることができる。
【００２７】
磁界変化量生成部２２は、磁気センサ２１から磁界の計測値を取得し、記憶部２３に記憶させるとともに、当該記憶部２３に記憶させた計測値を取得して、後述する磁界の変化量を生成し、プラズマ処理制御部１７に出力するよう構成されている。記憶部２３は、磁界変化量生成部２２から出力される磁界の計測値を少なくとも記憶する。なお、磁界変化量生成部２２は、公知のスイッチング素子、減算器、比較器等による論理回路等として構成されてもよいし、プラズマ処理制御部１７の機能構成であってもよい。つまり、プラズマ処理制御部１７としてのＣＰＵが、図示されない記憶装置等に格納されるプログラムに従って動作することにより実現される構成であってもよい。同様に、記憶部２３は、マイクロコンピュータの内部メモリとして構成されてもよいし、独立したメモリとして構成されてもよい。また、記憶部２３は、単一である必要はなく、複数の記憶装置（例えば、内部メモリと外付け型のハードディスクドライブ）として構成されてもよい。
【００２８】
磁界変化量生成部２２による磁界の変化量の生成および出力の制御の一例について、図２を参照して説明する。まず、磁界変化量生成部２２は、磁気センサ２１で計測された最初の磁界の計測値を、初期値として取得し、記憶部２３に記憶させる（ステップＳ１０１）。次に、磁界の計測値の監視を継続するか否か判定する（ステップＳ１０２）。プラズマの生成動作が継続しており、磁界の計測値の監視も継続する必要があれば（ステップＳ１０２でＹＥＳ）、磁気センサ２１を介して磁界の計測値の監視を行う（ステップＳ１０３）。一方、プラズマの生成動作が終了すれば、磁界の計測値の監視も不要となる（ステップＳ１０２でＮＯ）ので、制御を終了する。
【００２９】
前記磁気センサ２１を介して磁界を監視（ステップＳ１０３）する方法は特に限定されず、定期的に磁気センサ２１から磁界の計測値を取得する方法であってもよいし、磁気センサ２１から常時計測値が出力される方法であってもよい。そして、磁界変化量生成部２２は、取得した磁界の計測値と、記憶部２３に記憶させた初期値とを比較し、計測値が初期値から変化しているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。このとき、記憶部２３には、計測値が初期値と同じであると判定するための許容範囲が別途記憶されていてもよい。
【００３０】
計測値が初期値と同じであれば（ステップＳ１０４でＮＯ）、計測値の監視を継続する（ステップＳ１０３に戻る）。一方、計測値が初期値と異なっていれば（ステップＳ１０４でＹＥＳ）、当該計測値と初期値との差分を、磁界の変化量として生成し（ステップＳ１０５）、この変化量を、プラズマ変化情報としてプラズマ処理制御部１７に出力し（ステップＳ１０６）、その後、制御を終了する。
【００３１】
このように、本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置２０ａは、プラズマ処理容器１１の外部に磁気センサ２１を設け、この磁気センサ２１で計測する磁界の変化をプラズマ変化情報として利用している。それゆえ、プラズマ処理容器１１に検出用プローブを差し込むための差込孔を形成したり、光のスペクトル強度を測定するためにプラズマ処理容器１１の外壁に観測窓を形成したりする必要がなく、プラズマ処理容器１１に別途加工を施さなくてもよい。したがって、プラズマの状態変化を検出する機構を備えていないプラズマ処理装置に、プラズマ状態変化検出装置２０ａを後から取り付けることもできる。
【００３２】
しかも、プラズマ処理容器１１の側壁の外面で、かつ、アノード１２およびカソード１３の間であれば、どの場所に磁気センサ２１を設けてもよいので、プラズマの状態変化を検出する自由度が向上する。また、生成したプラズマ中に検出用プローブを差し込まないので、プラズマ場を乱すことがなく、さらには、検出用プローブ表面の汚れや観測窓の曇り等を考慮する必要がないので、簡素な構成でプラズマの状態変化を適切に検出することができる。
【００３３】
［磁気センサの個数および配置］
本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置２０ａでは、プラズマ処理容器１１の側壁の外面に設ける磁気センサ２１の個数は１個以上であればよい。プラズマは、電離によって生じた荷電粒子群であるので、プラズマ処理容器１１の内部で生成したプラズマＰの流れは「電気の流れ（電流）」とみなすことができる。したがって、プラズマＰの流れの周囲には磁界が発生する。ここで、プラズマ処理装置１０ａは、生成したプラズマＰを利用して薄膜を形成したりエッチングを行ったりするので、プラズマＰの状態の変化は、薄膜形成やエッチング等の処理に影響を与えることになる。そこで、本実施の形態では、プラズマ処理容器１１の外部に磁気センサ２１を少なくとも１個設けることで、磁界の変化を計測する。磁界の変化は、プラズマＰの流れにおける電流密度の分布の変化に対応したものであるため、磁界の変化をプラズマＰの状態変化の情報として、プラズマ処理装置１０ａの動作制御に利用することができる。
【００３４】
また、本実施の形態では、プラズマ処理容器１１の外部に磁気センサ２１を設けているので、プラズマ処理容器１１の内部にプローブを直接導入することなくプラズマＰの状態変化を検出することができる。したがって、プラズマ処理容器１１に差込孔を形成する必要がなくなることに加え、プラズマ場が乱れることや、プローブ表面の汚れ等により正確な計測ができない等の問題も回避することができる。
【００３５】
なお、磁気センサ２１の個数は、前記のとおり最低１個であればよいが、プラズマ処理装置１０ａの種類等に応じて、複数個設けることが好ましい場合がある。プラズマ生成空間で生成したプラズマＰに状態変化が生じれば、その状態変化は部分的なものではなく、常にプラズマＰ全体に変化が及ぶ。したがって、プラズマ生成空間に面する側壁の外面、より具体的には、プラズマ処理容器１１の側壁のうち、アノード１２およびカソード１３の間の空間に対応する位置の外面に、磁気センサ２１を少なくとも１個設ければ、プラズマＰの状態変化を検出することができる。ただし、プラズマＰの状態変化は、部分的に変化量が異なる場合がある。それゆえ、部分的な変化量を検出したい場合には、磁気センサ２１の個数を多くすればよい。
【００３６】
磁気センサ２１の個数を多くした構成について、図３および図４を参照して説明する。図３は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ａにおいて、磁気センサ２１を上下３個ずつ等間隔に配置した構成を示す模式図であり、図４は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ａにおいて、磁気センサ２１を、上下３個ずつ間隔を変えて配置した構成を示す模式図である。
【００３７】
図３では、プラズマ処理容器１１の上方側と下方側とにそれぞれ３個ずつ磁気センサ２１を設けている構成を例示している。各磁気センサ２１は等間隔に設けているので、プラズマＰに生じた状態変化について、部分的な変化量の相違をより適切に検出することができる。ここで、複数の磁気センサ２１を設ける場合、磁気センサ２１同士の間隔は特に限定されず、図３に示すように磁気センサ２１を等間隔に配置する構成であってもよいし、図４に示すように、アノード１２側では間隔を狭く、カソード１３側では間隔を広くして配置する構成であってもよい。すなわち、プラズマＰの状態変化を特に精細に検出した位置では、磁気センサ２１同士の間隔を狭くし、それ以外は広くしてもよい。また、全体的により精細に検出したい場合は、磁気センサ２１の個数を多くして間隔も狭くすればよい。
【００３８】
さらに、図３に示す構成例では、上方側に３個、下方側に３個の磁気センサ２１を設けており、上下それぞれの磁気センサ２１はプラズマ生成空間を挟んで対になっているが、もちろんこのような配置に限定されず、例えば、図４のカソード１３側における磁気センサ２１の配置のように、上下の磁気センサ２１の位置はずれていてもよい。あるいは、磁気センサ２１は、プラズマ処理容器１１の上下ではなく上方のみ、または下方のみに設けてもよいし、上下ではなく両横側に設けても良いし、斜め下方や斜め上方に設けても良い。いずれにしても、磁気センサ２１の個数や配置は、プラズマ処理装置１０ａの種類や具体的な構成、あるいは、状態変化の変化量をより精細に検出したい位置等に応じて、適宜設定することができる。
【００３９】
［変形例］
本実施の形態では、磁界変化量生成部２２は、磁気センサ２１により磁界の計測値を常時監視する構成となっているが、本発明はこれに限定されず、例えば、プラズマ処理装置１０ａの図示しない操作部によって、オペレーターの操作によって磁界の計測値を監視する構成となっていてもよい。また、本実施の形態では、プラズマ生成用電源１４は直流電源であるが、本発明はこれに限定されず、プラズマ生成用電源１４が高周波電源であってもよい。
【００４０】
（実施の形態２）
前記実施の形態１では、生成したプラズマＰの流れの周囲に発生する磁界を計測する電磁界計測器として、磁気センサ２１を用いた構成を説明したが、本実施の形態では、磁気センサ２１に代えて、電界プローブを用いる構成について、図５および図６を参照して説明する。図５は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ｂおよびプラズマ状態変化検出装置２０ｂの要部構成を示す模式図であり、図６は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ｂにおいて、電界プローブを上下３個ずつ等間隔に配置した構成を示す模式図である。
【００４１】
図５に示すように、プラズマ処理装置１０ｂは、磁気センサ２１に代えて電界プローブ２４を備え、磁界変化量生成部２２に代えて電界変化量生成部２５を備えている以外は、前記実施の形態１で説明したプラズマ処理装置１０ａと同様の構成となっている。電界プローブ２４の配置は、基本的に前記実施の形態１における磁気センサ２１と同様であるが、当該電界プローブ２４の方向は、プラズマＰの流れに伴い生じる磁界に対して垂直の方向となっている。このように、磁気センサ２１に代えて電界プローブ２４を用いることで、磁界の変化に伴う電界の変化を計測することができるため、プラズマＰの状態変化を検出することができる。電界プローブ２４の具体的構成は特に限定されず、公知の構成を好適に用いることができる。
【００４２】
また、電界プローブ２４の個数や配置も特に限定されず、前記実施の形態１で説明した磁気センサ２１と同様に、プラズマ処理容器１１の側壁のうち、アノード１２およびカソード１３の間の空間に対応する位置の外面に、電界プローブ２４を少なくとも１個設ければよいが、プラズマＰの状態変化をより精細に検出したい場合には、複数個設ければよい。例えば、図６に示すように、電界プローブ２４をプラズマ処理容器１１の上下に３個ずつ等間隔で設けてもよいし、図４と同様に、アノード１２側で電界プローブ２４同士の間隔を狭く、カソード１３側で間隔を広く、かつ、カソード側１３では、上下の電界プローブ２４の位置がずれていてもよい。さらに、電界プローブ２４の配置は、プラズマ処理容器１１の上下のみならず両横側、斜め上下、上下または両横側の一方等であってもよい。
【００４３】
（実施の形態３）
前記実施の形態１に係るプラズマ状態変化検出装置２０ａは、電磁界計測器として磁気センサ２１を備え、前記実施の形態２に係るプラズマ状態変化検出装置２０ｂは、電磁界計測器として電界プローブ２４を備えているが、本発明はこれらに限定されず、電磁界計測器として、磁気センサ２１および電界プローブ２４の双方を用いてもよい。図７は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ｃの要部構成を示す模式図であり、磁気センサ２１および電界プローブ２４をそれぞれ３個ずつ設けた構成を示している。
【００４４】
図７に示すように、例えば、プラズマ処理容器１１の上下に、磁気センサ２１および電界プローブ２４を交互に等間隔で設けることによって、プラズマＰの状態変化を、磁界の変化および電界の変化の双方として検出することになる。プラズマＰの状態変化を検出する場合には、相対的に見れば、電界の変化を検出する電界プローブ２４よりも、磁界の変化を検出する磁気センサ２１の方が感度に優れているが、異なるパラメータでプラズマＰの状態変化を検出することで、いずれか一方を設ける構成と比較して、部分的な変化量の違いをより精細に検出することが可能となる。
【００４５】
なお、磁気センサ２１および電界プローブ２４の間隔や配置は特に限定されず、前記実施の形態１および２と同様に、プラズマ処理容器１１の上下ではなく、両横側、斜め上下、上下または両横側の一方等であってもよいし、等間隔ではなく、間隔が異なっていてもよい。
【００４６】
（実施の形態４）
前記実施の形態１〜３に係るプラズマ状態変化検出装置は、電磁界計測器をプラズマ処理容器の側壁の外面に設けることにより、プラズマ生成空間の側方からプラズマの状態変化を検出する構成となっていたが、本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置は、プラズマ処理装置のアノードが複数の部分電極からなり、各部分電極に流れる電流を測定することで、プラズマ生成空間におけるプラズマの流れの下流からプラズマの状態変化を検出する構成をさらに備えている。図８は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ｄおよびプラズマ状態変化検出装置２０ｄの要部構成を示す模式図であり、図９は、本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置２０ｄに含まれるアレイ状アノードによるプラズマＰの状態変化の検出を説明する模式図である。
【００４７】
図８に示すように、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ｄは、基本的には、前記実施の形態１で説明したプラズマ処理装置１０ａと同様で、電磁界計測器として磁気センサ２１を用い、当該磁気センサ２１を含むプラズマ状態変化検出装置２０ｄを備えているが、プラズマ処理装置１０ｄのアノードは、単一の電極である前記アノード１２に代えて、複数の部分電極１８ａからなるアレイ状アノード１８となっている。また、プラズマ状態変化検出装置２０ｄは、磁気センサ２１、磁界変化量生成部２２、記憶部２３に加えて、さらに、部分電極電流計２６、Ａ／Ｄ変換部２７を備えている。
【００４８】
本実施の形態では、アレイ状アノード１８は、図８および図９に示すように、複数の部分電極１８ａがアレイ状に同一面に配列されて構成されており、各部分電極１８ａそれぞれに部分電極電流計２６が設けられている。そして、アレイ状アノード１８とカソード１３との間にプラズマが生成すると、各部分電極１８ａには、その近傍におけるプラズマＰの密度に応じた電流が流入する。それゆえ、図９の上方に示すように、プラズマＰの密度が濃い場合には、より大きな電流が部分電極１８ａに流入し、図９の下方に示すように、プラズマＰの密度が薄い場合には、より小さな電流が部分電極１８ａに流入する。
【００４９】
各部分電極１８ａに流れる電流は、部分電極電流計２６により計測され、Ａ／Ｄ変換部２７を介してデジタル化されてプラズマ処理制御部１７に入力される。プラズマ処理制御部１７は、入力された各部分電極１８ａの電流値を、アレイ状アノード１８近傍におけるプラズマＰの状態変化の情報として利用することができる。つまり、本実施の形態によれば、磁気センサ２１により、プラズマ生成空間の側方からプラズマＰの状態変化を検出できるとともに、アレイ状アノード１８に流れる電流を計測することにより、プラズマＰの流れの下流側からプラズマＰの状態変化を検出できるので、より精細にプラズマＰの状態変化を把握することができる。
【００５０】
本実施の形態におけるアレイ状アノード１８の具体的な構成は特に限定されず、例えば、部分電極１８ａとして、そのカソード１３への対向面が正方形状であり、これがタイル状に規則的に並べられることにより、一つのアレイ状アノード１８を構成してもよいし、部分電極１８ａの対向面が長方形状であり、各部分電極１８ａが長手方向で平行に並べられることにより、一つのアレイ状アノード１８を構成してもよい。部分電極１８ａの対向面の形状は方形状でなく、その他の形状であってもよいし、個々の部分電極１８ａの対向面の形状が異なっていてもよい。また、アレイ状アノード１８を構成する部分電極１８ａの個数や大きさも特に限定されず、例えば、プラズマＰの状態変化をより精細に検出したい場合には、部分電極１８ａの対向面の大きさを小さくして個数を多くすればよい。
【００５１】
（実施の形態５）
本発明に係るプラズマ状態変化検出装置を備えるプラズマ処理装置の具体的構成は特に限定されないが、例えば、シートプラズマ処理装置に好適に用いることができる。そこで、本実施の形態では、プラズマ処理装置がシートプラズマ処理装置である場合について、図１０を参照して説明する。図１０は、本実施の形態に係るシートプラズマ処理装置１００の概略構成を示す模式図である。
【００５２】
［シートプラズマ処理装置の構成］
図１０に示すように、本実施の形態に係るシートプラズマ処理装置１００は、プラズマガン６０と、シートプラズマ成形室７１と、プラズマ処理室７２と、プラズマ生成用電源１４と、プラズマ処理制御部１７と、前記実施の形態１で説明したプラズマ状態変化検出装置２０ａとを備えている。プラズマガン６０、シートプラズマ成形室７１およびプラズマ処理室７２は、カソード１３からアノード１２に向かう方向（所定方向）に沿って、この順で配置し、かつ、互いに気密に接続されている。なお、前記所定方向とはプラズマの輸送方向に相当し、カソード１３側が上流、アノード１２側が下流となる。また、プラズマガン６０、シートプラズマ成形室７１およびプラズマ処理室７２によって、気密かつ減圧可能な一つのプラズマ処理容器１１が構成される。
【００５３】
プラズマガン６０は、円筒状の第一筒部材６１とその一端を閉鎖するフランジ６２とを備えている。フランジ６２は、プラズマガン６０の一端で内壁面を構成し、このフランジ６２の内壁面から突出するようにカソード１３が設けられている。プラズマガン６０の他端はシートプラズマ成形室７１の一端に接続され、シートプラズマ成形室７１の他端はボトルネック部７３を介してプラズマ処理室７２の一端に接続されている。プラズマ処理室７２の他端には、プラズマ通過用の通路７４が接続されており、当該通路７４の末端にはアノード１２が設けられている。そして、プラズマガン６０、シートプラズマ成形室７１およびプラズマ処理室７２、並びにアノード１２へつながる通路７４は、それぞれ気密で連通している。
【００５４】
プラズマ状態変化検出装置２０ａは、前記実施の形態１で説明したとおり、磁気センサ２１、磁界変化量生成部２２、および記憶部２３を備えており、磁気センサ２１で計測した磁界の変化の計測値から磁気変化量生成部２２により磁界の変化量が生成され、これをプラズマ変化情報としてプラズマ処理制御部１７に出力する。プラズマ処理制御部１７は、取得したプラズマ変化情報に基づいてプラズマ生成用電源１４等を制御する。
【００５５】
［プラズマガン］
プラズマガン６０は、前記第一筒部材６１およびフランジ６２に加え、カソード部６３、第一中間電極６４、第二中間電極６５を備えており、カソード部６３に前記カソード１３が含まれる。第一筒部材６１は、プラズマガン６０の本体となり、その内部は放電空間となっている。第一筒部材６１の一端には、前記のとおり放電空間を塞ぐようにフランジ６２が配置されている。フランジ６２には、カソード部６３が当該フランジ６２の中心部を貫通して取り付けられている。カソード部６３は、一次元方向に長さを有し、プラズマガン６０内部（第一筒部材６１内部）の気密を維持するように、当該フランジ６２の中心部を貫通し、フランジ６２の内側面（プラズマガン６０の内壁面）から前記所定方向に向かって延伸するように配置されている。
【００５６】
カソード部６３は、図１０では詳細に図示されないが、カソード１３および保護容器を備えている。本実施の形態では、カソード１３は、円筒状の補助陰極および円環状の主陰極から構成され、保護容器は、円筒状の保護部材および窓部材から構成されている。補助陰極は例えばタンタル（Ｔａ）で形成され、その一方の端部（後端）はフランジ６２に気密を維持するよう固定されるとともに、図示されないアルゴン（Ａｒ）ガスタンクと配管により接続されている。これにより、補助陰極の他方の端部（先端）から気密の放電空間内にＡｒガスが供給される。主陰極は、補助陰極の先端近傍の外周面に配置され（もしくは位置し）、例えば六ホウ化ランタン（ＬａＢ6 ）で形成される。
【００５７】
前記補助陰極の外周には、当該補助陰極および先端近傍の主陰極を覆うように保護部材が配置されている。保護部材の形状は、補助陰極と同軸で、かつ、補助陰極よりも径の大きい円筒形状となっている。保護部材は、例えばモリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）により形成される。保護部材の後端はフランジ６２に対して気密を維持するよう固定され、その先端には円環状の窓部材が設けられている。カソード１３は、プラズマ生成用電源１４の負極と電気的に接続されている。
【００５８】
第一中間電極６４および第二中間電極６５はいずれも円環状であり、カソード部６３の先端側に前記所定方向に沿ってこの順で配置されている。第一中間電極６４および第二中間電極６５はそれぞれ前記主電源と電気的に接続され、所定の正の電圧が印加される。これにより、カソード１３で発生したアーク放電が維持され、放電空間内には荷電粒子（本実施の形態ではＡｒ+ および電子）の集合体としてのプラズマが形成される。なお、本実施の形態では、プラズマガン６０は、第一中間電極６４および第二中間電極６５の２つの中間電極を備えているが、中間電極は少なくとも１つ備えていればよい。
【００５９】
プラズマガン６０におけるシートプラズマ成形室７１側の周囲には、プラズマを円柱状に成形する第一コイル７５が設けられている。この第一コイル７５は、磁力の強さをコントロールできる環状の電磁コイルであり、これに電流を流すことにより磁場が形成される。以下、このようにコイルにより形成される磁場をコイル磁場と呼ぶ。このコイル磁場と第一中間電極６４および第二中間電極６５による電界により、プラズマガン６０の放電空間内において、前記所定方向に沿って磁束密度の勾配が形成される。プラズマを構成する荷電粒子は、前記磁束密度の勾配により前記所定方向に向かって運動するように、磁力線の回りを旋回しながら前記所定方向に進む。その結果、荷電粒子が円柱形状に略等密度分布してなるソースプラズマ（以下、円柱プラズマという。）ＣＰとして、図示されない通路を介してプラズマガン６０からシートプラズマ成形室７１へ引き出される。
【００６０】
［シートプラズマ成形室］
シートプラズマ成形室７１は、プラズマガン６０の本体となる第一筒部材６１と同一の軸を中心とする円筒状の第二筒部材８１を備えており、この第二筒部材８１がシートプラズマ成形室７１の本体となる。第一筒部材６１と第二筒部材８１とは、気密を維持して接続されている。第二筒部材８１は、導電性材料、半導体材料、絶縁性材料のいずれで形成されてもよいが、強度等を考慮すると導電性金属材料で形成されることが好ましい。第二筒部材８１の内部すなわちシートプラズマ成形室７１の内部は、プラズマの輸送空間となる。
【００６１】
第二筒部材８１の適所には、図示されない真空ポンプ接続口が設けられている。当該真空ポンプ接続口はバルブにより開閉可能であり、図示されない真空ポンプ（例えば、ターボポンプ）が接続されている。この真空ポンプによりシートプラズマ成形室７１内部を吸引することで、輸送空間内は、円柱プラズマＣＰを輸送可能なレベルの真空度まで減圧される。
【００６２】
シートプラズマ成形室７１の周囲には、プラズマガン６０側（すなわちカソード１３側）に第二コイル７６が設けられ、第二コイル７６の下流側（すなわちプラズマ処理室７２側またはアノード１２側）に一対の永久磁石７７ａ，７７ｂが設けられる。第二コイル７６は、第二筒部材８１の周囲に巻き回される円環状の電磁コイル（空心コイル）であり、カソード１３側をＳ極、アノード１２側をＮ極とする方向に電流が通電される。永久磁石７７ａ（図中上方）および永久磁石７７ｂ（図中下方）は、それぞれ角型棒状の永久磁石であり、第二筒部材８１（正確には輸送空間）を挟んで互いに同極が対向するように配置されている。各永久磁石７７ａ，７７ｂは、その幅方向（長手方向に直交する方向）に磁化されている。
【００６３】
つまり、各永久磁石７７ａ，７７ｂは、その両端部の面がＮ極およびＳ極となっているのではなく、角型棒状の一側面がＮ極、他の側面がＳ極となるように磁化されている。そして、各永久磁石７７ａ，７７ｂは、その長手方向がシートプラズマ処理装置１００の横方向（図５では紙面に対する垂直方向）となり、かつ、互いに同極側が対向するように、シートプラズマ成形室７１（第二筒部材８１）の上下にそれぞれ配置される。本実施の形態では、永久磁石７７ａ，７７ｂは、互いにＮ極側が対向するように配置されている。
【００６４】
シートプラズマ成形室７１では、第二コイル７６に電流を流すことにより輸送空間にコイル磁場が形成され、かつ、第二コイル７６の下流側に位置する永久磁石７７ａ，７７ｂにより磁石磁場が形成される。これら磁場の相互作用により、前記所定方向へ円柱プラズマＣＰが移動するとともに、円柱プラズマＣＰがシートプラズマ処理装置１００の横方向に広がる均一なシート状のプラズマ（以下、シートプラズマという。）ＳＰに成形される。成形されたシートプラズマＳＰはボトルネック部７３を通ってプラズマ処理室７２へ引き出される。
【００６５】
ボトルネック部７３は、シートプラズマ成形室７１とプラズマ処理室７２との間に設けられ、内部にシートプラズマＳＰを通過させるスリット状の通路が形成されている。スリット状の通路の形状（すなわちボトルネック部７３の形状）は、シートプラズマＳＰを適切に通過させるように設計されればよい。ボトルネック部７３を設けることにより、シートプラズマ形成室７１の内部（輸送空間）において、シートプラズマＳＰを形成しない余分なアルゴンイオン（Ａｒ+ ）と電子とがプラズマ処理室７２に流入することを回避することができる。そのため、プラズマ処理室７２内では、シートプラズマＳＰの密度を高い状態で保持することができる。
【００６６】
［プラズマ処理室］
プラズマ処理室７２は、シートプラズマ処理装置１００の上下方向に沿った軸を中心とした第三筒部材８２を備えており、この第三筒部材８２がプラズマ処理室７２の本体となる。つまり、第三筒部材８２の中心軸と第一筒部材６１および第二筒部材８１の中心軸とは互いに直交している。第三筒部材８２の側壁の適所には、スリット穴が形成されており、このスリット穴に前記ボトルネック部７３が接続される。これにより、第三筒部材８２と第二筒部材８１の他端とは前記ボトルネック部７３を介して気密を維持するよう接続される。第三筒部材８２の側壁で、スリット穴に対向する位置にはアノード１２が配置される。第三筒部材は、例えばアルミニウム、ステンレス等の導電性材料で形成されている。
【００６７】
第三筒部材８２の両端部は蓋部材８３，８４により気密を維持するよう閉鎖されている。また、蓋部材８４の適所には、図示されないバルブにより開閉可能な図示されない真空ポンプ接続口が設けられている。真空ポンプ接続口には、図示されない真空ポンプ（例えばターボポンプ）が接続されている。この真空ポンプにより第三筒部材８２内部（プラズマ処理室７２内部）を吸引することにより、第三筒部材８２の内部空間は、スパッタリングプロセス可能なレベルの真空度にまで減圧される。なお、真空ポンプ接続口は蓋部材８３に設けられてもよい。
【００６８】
第三筒部材８２の内部には、それぞれ平板状のターゲット電極８５および基板支持電極８６が設けられる。ターゲット電極８５および基板支持電極８６は、シートプラズマ成形室７１から引き出されたシートプラズマＳＰが移動する空間を挟んで、それぞれの表側面が対向するように、第三筒部材８２の両端部にそれぞれ位置している。
【００６９】
ターゲット電極８５は、図１０では詳細に図示されないが、膜の材料からなるターゲット５２をその表側面で固定するバッキングプレートと、バッキングプレートを前記軸方向に沿って移動可能に支持するプレート支持機構とを備えている。バッキングプレートは、ターゲット電極８５の本体であり、その表側面にターゲット５２を溶接又はボルト等の固定部材により固定することで、当該ターゲット５２を保持するとともに、その背面に給電極が取り付けられている。プレート支持機構は、蓋部材３３とは絶縁されている。
【００７０】
基板支持電極８６は、図１０では詳細に図示されないが、プラズマ処理の対象である基板５１をその表側面で支持する平板状の基板ホルダと、基板５１を基板ホルダ表面に固定する静電チャックと、基板ホルダを第三筒部材８２の軸方向（すなわちシートプラズマ処理装置の上下方向）に沿って移動可能に支持するホルダ支持機構とを備えている。基板ホルダは、基板支持電極８６の本体であり、図示されない基板用バイアス電源の負極と配線によって電気的に接続され、基板用バイアス電源はプラズマ処理プロセス中に基板支持電極８６（正確には、基板ホルダ）に対して負のバイアス電圧を印加する。静電チャックは、例えばアルミナ等で形成される２つの誘電体層の間に導電性の電極層を挟んだ構成であり、この電極層に高圧直流電圧を印加して誘電体層表面に生じるクーロン力を利用して基盤を静電吸着して固定する。ホルダ支持機構は、蓋部材８４とは絶縁されている。
【００７１】
ターゲット電極８５は、図示されないターゲット側プラズマ処理用電源と配線によって電気的に接続され、基板支持電極８６は、図示されない基板側プラズマ処理用電源に接続されているため、プラズマ処理のプロセス中には、ターゲット電極８５および基板支持電極８６にはバイアス電圧が印加される。このように、ターゲット電極８５および基板支持電極８６の間に形成される空間は、シートプラズマＳＰが輸送される輸送空間であり、かつ、処理対象基板５１にプラズマ処理を施すプラズマ処理空間となる。
【００７２】
第三筒部材８２の外部には、その外周面を囲む位置に第三コイル７８および第四コイル７９が設けられる。第三コイル７８および第四コイル７９は、いずれも磁力の強さを調節できる電磁コイル（空心コイル）であり、互いに異なる極同士が対向する（例えば、第三コイル７８がＮ極、第四コイル７９がＳ極）ように対をなして配置される。これら第三コイル７８および第四コイル７９に電流を流すことによりコイル磁場が形成される。このコイル磁場は、シートプラズマＳＰの幅方向（シートプラズマ処理装置１００の横方向）の拡散を抑える磁場となる。すなわち、シートプラズマＳＰがシートプラズマ成形室７１からプラズマ処理室７２に引き出され、アノード１２に向かって処理空間内を移動する間、前記コイル磁場は、シートプラズマＳＰの幅方向にプラズマが拡散しないように形状を成形する。
【００７３】
アノード１２は、第三筒部材８２の側壁のうちスリット穴に対向する位置に配置される。アノード１２と側壁との間には、前述のとおりプラズマ通過用の通路７４が設けられている。この通路７４は、前記ボトルネック部７３と同様に、シートプラズマＳＰを適切に通過させるように設計されればよい。アノード１２は、プラズマ生成用電源１４の正極と配線により電気的に接続されており、このプラズマ生成用電源１４は、アノード１２とカソード１３との間に正の電圧（例えば１００Ｖ）を印加する。これにより、カソード１３およびアノード１２の間に直流のアーク放電が発生し、当該アーク放電が、シートプラズマＳＰ中の荷電粒子（特に電子）を回収する。
【００７４】
アノード１２の裏側面（カソード１３の対向面の反対側となる面）には、永久磁石８７が設けられる。この永久磁石８７は、アノード１２側をＳ極、大気側をＮ極とするように配置されている。この永久磁石８７のＮ極からＳ極に向かって形成される磁力線より、アノード１２に向かうシートプラズマＳＰの幅方向の拡散を抑えることができる。これにより、シートプラズマＳＰは幅方向に収束されるため、アノード１２はシートプラズマＳＰの荷電粒子をより適切に回収することができる。なお、この永久磁石８７は必ずしも設けなくてよい。
【００７５】
なお、プラズマガン６０、シートプラズマ成形室７２、ボトルネック部７３、通路７４、アノード１２、永久磁石７７ａ，７７ｂ、第一コイル７５、第二コイル７６、第三コイル７７、第四コイル７８、および永久磁石８７がシートプラズマ形成機構を構成している。
【００７６】
前記のとおり、本実施の形態では、シートプラズマ処理装置１００を構成するプラズマガン６０およびシートプラズマ成形室７１は、前記所定方向に沿った軸を同じくする円筒形状であるため、その断面も円形であるが、本発明はこれに限定されず、多角形等の形状であってもよい。同様に、プラズマ処理室７２も前記所定方向に直行する方向に沿った軸を有する円筒形状であるため、その断面も円形であるが、多角形等の形状であってもよい。また、前述した各部の配置は、本発明の範囲内で適宜変更することができ、また各部や各部材等の具体的構成は、公知の構成に置き換えることができる。
【００７７】
［磁気センサの配置］
ここで、前記各実施の形態で説明したとおり、磁気センサ２１（または電界プローブ２４等の電磁界計測器）は、アノード１２およびカソード１３の間の側壁に相当する位置であり、プラズマの状態変化を精細に検出したい位置であれば、プラズマ処理容器１１のいずれの箇所に配置してもよい。本実施の形態では、シートプラズマＳＰによるプラズマ処理は、プラズマ処理室７２で行われるので、このプラズマ処理室７２の近傍におけるプラズマの状態変化を特に検出することが好ましい。そこで、例えば、図１０に示すように、プラズマ処理室７２とアノード１２との間に磁気センサ２１を配置する構成を挙げることができる。
【００７８】
より具体的には、磁気センサ２１は通路７４の側壁に配置してもよいし、よりアノード１２に近い側に配置してもよい。また、前記実施の形態４で説明したように、単一の平板状のアノード１２ではなく、アレイ状アノード１８であってもよい。さらに、前記実施の形態３で説明したように、磁気センサ２１と電界プローブ２４とを併用してもよいし、前記実施の形態２で説明したように電界プローブ２４のみでもよい。
【００７９】
あるいは、円柱プラズマＣＰについての状態変化を検出したい場合には、プラズマガン６０もしくはシートプラズマ成形室７１のプラズマガン６０側の側壁に磁気センサ２１や電界プローブ２４を配置してもよい。また、円柱プラズマＣＰからシートプラズマＳＰを成形するときの状態変化を検出したい場合には、シートプラズマ成形室７１のプラズマ処理室７３側、もしくはボトルネック部７３の側壁に磁気センサ２１や電界プローブ２４を配置してもよい。
【００８０】
［シートプラズマ処理装置の動作］
次に、本実施の形態に係るシートプラズマ処理装置１００の動作について説明する。なお、本実施の形態では、プラズマ処理の一例として、処理対象基板５１の表面にターゲット５２の膜を形成する成膜処理を挙げる。まず、シートプラズマ処理室７２内に、処理対象基板５１およびターゲット５２が搬入される。そして、図示されない真空ポンプの吸引により、プラズマ処理容器１１内部、すなわち、それぞれ気密に連通されるプラズマガン６０、シートプラズマ成形室７１、およびプラズマ処理室７２内のそれぞれが真空状態となる。
【００８１】
次に、図示されないターゲット側プラズマ処理用電源をターゲット電極８５に電気的に接続するとともに、プラズマ生成用電源１４をアノード１２に電気的に接続する。次に、プラズマガン６０では、カソード１３を構成する補助陰極の先端からアルゴン（Ａｒ）ガスが放電空間内に供給され、当該補助陰極でグロー放電が行われる。このグロー放電により補助陰極の先端部分の温度が上昇すると、この熱でカソード１３を構成する主陰極が加熱されて高温になり、アーク放電が行われる。
【００８２】
これにより、カソード１３からプラズマ放電誘発用熱電子が放出され、プラズマが発生する。発生したプラズマは、第一中間電極６４および第二中間電極６５による電界と第一コイル７５によるコイル磁場により、カソード１３からアノード１２側に引き出され、円柱プラズマＣＰに成形される。円柱プラズマＣＰは、第一コイル７５によって形成されるコイル磁場の磁力線に沿ってシートプラズマ成形室７１に導入される。
【００８３】
シートプラズマ成形室７１に導入された円柱プラズマＣＰは、永久磁石７７ａ，７７ｂと第二コイル７６から発生する磁場によってシート状に広がり、シートプラズマＳＰに成形される。シートプラズマＳＰは、ボトルネック部７３（およびスリット穴）を通過してプラズマ処理室７２に導入される。
【００８４】
プラズマ処理室７２に導入されたシートプラズマＳＰは、第三コイル７８および第四コイル７９によるコイル磁場によって、幅方向の形状が整えられ、処理対象基板５１とターゲット５２と間の空間（プラズマ処理空間）に導入される。ターゲット５２には、バッキングプレートを介して、シートプラズマＳＰに対してバイアス電圧が印加される。処理対象基板５１には、基板ベースを介して、シートプラズマＳＰに対してバイアス電圧が印加される。これにより、シートプラズマＳＰ中のアルゴンイオン（Ａｒ+ ）がターゲット５２に向かって引き付けられ、ターゲット５２に衝突する。このときアルゴンイオンとターゲット５２との衝突エネルギーにより、ターゲット５２を構成する材料の原子（ターゲット原子）が、処理対象基板５１に向かってはじき出され、スパッタが生じる。
【００８５】
スパッタによりはじき出されたターゲット原子は、直進してシートプラズマＳＰ中を通過する。このとき、ターゲット原子はシートプラズマＳＰにより電子を剥ぎ取られて電離され、陽イオンにイオン化する。処理対象基板５１は負の電圧にバイアスされているため、この陽イオンの進行速度は処理対象基板５１に向かって加速する。この加速により、陽イオンは、処理対象基板５１表面に対して付着強度を高めて堆積し、堆積に伴って電子を受け取ることで処理対象基板５１の表面にターゲット５２の材料からなる膜を形成する。その後、シートプラズマＳＰは、永久磁石４９の磁力線により幅方向に収束され、アノード１２がシートプラズマＳＰの荷電粒子を回収する。
【００８６】
本実施の形態では、前記シートプラズマ処理におけるプラズマの状態変化を、プラズマ状態変化検出装置により検出し、プラズマ生成の動作制御に利用する。これによって、より適切なプラズマ処理が可能となる。
【００８７】
また、本発明が適用可能なプラズマ処理装置は、前記シートプラズマ処理装置にかかわらず、他のプラズマ処理装置や同様の構成を有する処理装置にも適用することができる。例えば、プラズマガンや電子銃にも適用することができる。
【００８８】
なお、本発明は上記の実施形態の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施形態や複数の変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、プラズマを利用した各種処理装置の分野に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施の形態１に係るプラズマ処理装置およびプラズマ状態変化検出装置の要部構成を示す模式図である。
【図２】図１に示すプラズマ状態変化検出装置の動作制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】図１に示すプラズマ処理装置において、磁気センサを上下３個ずつ等間隔に配置した構成を示す模式図である。
【図４】図１に示すプラズマ処理装置において、磁気センサを上下３個ずつ間隔を変えて配置した構成を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るプラズマ処理装置およびプラズマ状態変化検出装置の要部構成を示す模式図である。
【図６】図５に示すプラズマ処理装置において、電界プローブを上下３個ずつ等間隔に配置した構成を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係るプラズマ処理装置の要部構成を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係るプラズマ処理装置およびプラズマ状態変化検出装置の要部構成を示す模式図である。
【図９】図８に示すプラズマ状態変化検出装置に含まれるアレイ状アノードによるプラズマの状態変化の検出を説明する模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係るシートプラズマ処理装置の概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０ａ プラズマ処理装置
１０ｂ プラズマ処理装置
１０ｃ プラズマ処理装置
１０ｄ プラズマ処理装置
１１ プラズマ処理容器
１２ アノード
１３ カソード
１４ プラズマ生成用電源
１８ アレイ状アノード
１８ａ 部分電極
２０ａ プラズマ状態変化検出装置
２０ｂ プラズマ状態変化検出装置
２０ｄ プラズマ状態変化検出装置
２１ 磁気センサ（電磁界計測器）
２２ 磁界変化量生成部（電磁界変化量生成器）
２４ 電界プローブ（電磁界計測器）
２５ 電界変化量生成部（電磁界変化量生成器）
２６ 部分電極電流計
１００ シートプラズマ処理装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ状態変化検出装置およびこれを備えるプラズマ処理装置に関し、特に、プラズマの状態変化を電流密度の分布の変化として検出するプラズマ状態変化検出装置と、これを備えることにより、プラズマ処理に有用な情報としてプラズマの状態変化を取得するプラズマ処理装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置は、互いに対向する電極であるアノード（陽極）およびカソード（陰極）と、内部にこれら電極を備えるプラズマ処理容器と、を備えている。そして、プラズマ処理を行うときには、この容器の内部に基板等の被処理体を収容してから真空状態とし、前記電極に電力を印加することでプラズマが生成する。生成した前記プラズマは、前記被処理体の表面に対して、エッチング、膜形成、クリーニング等といった各種の処理に用いられる。
【０００３】
前記プラズマ処理装置においては、容器中で生成されるプラズマの状態は、各種のプラズマ処理に影響を与える。そこで、従来から、容器の内部で発生させたプラズマの状態の変化を検出する技術が種々提案されている。具体的には、 (i)導体をプローブとして容器の内部に差し込み、当該プローブに生じる電圧の変化をプラズマの状態変化として計測する技術（例えば、特許文献１等）、(ii)プラズマにより放射される光のスペクトル強度を計測する技術（例えば、特許文献２等）、 (iii)容器内のプラズマに晒される部位に絶縁された導体部材を備えている構成において、当該導体部材に生じるに流れる電子による電位の変化を、プラズマの状態変化として検出する技術（特許文献３）、 (iv)対向電極を複数のセグメント電極に分割し、各セグメント電極の近傍においてプラズマの状態の指標となるパラメータを個々に検出することによって、リアルタイムでプラズマ状態を常に最適化する技術（特許文献４）、 (v)被処理体を保持するステージに供給する高周波電圧、高周波電流並びに前記電圧および電流間の位相差を検出し、この位相差をもとにプラズマの電子密度および電子温度を演算する技術（特許文献５）、あるいは、(vi)容器の外周に誘導結合方式の高周波放電用電極を螺旋コイル状に巻回させ、このコイル状の放電用電極に高周波電力を印加して容器内にプラズマを発生させる構成において、前記コイル状放電用電極を巻回している領域、または、前記コイル状放電用電極の外側近傍個所にピックアップコイルを配置し、このピックアップコイルで検出した電圧により、プラズマ発生状態を検知する技術（特許文献６）等が挙げられる。
【特許文献１】特開２０００−３４９０３２号公報
【特許文献２】特開平０６−２４３９９１号公報
【特許文献３】特開平０７−１９２８９６号公報
【特許文献４】特開２００２−３５９２３２号公報
【特許文献５】特許第３６６５２６５号公報
【特許文献６】特開２００５−２８５３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の技術のうち、前記(i)および(ii)の技術では、内部のプラズマから状態変化の指標となる検出値を直接検出するため、容器に別途加工が必要となるとともに、検出の自由度が制限されるおそれがある。また、これら技術の構成上、検出の精度が低下する等の問題も生じる。
【０００５】
すなわち、前記 (i)の技術では、プローブをプラズマ中に差し込むために、容器に前記プローブを差し込むための差込孔を形成しなければならない。そのため、複数の部位でプラズマの状態変化を検出したい場合には、複数の差込孔を形成する必要が生じる。また、容器またはプローブの構成、あるいは検出位置等によっては、プローブの差込みがプラズマ場を乱すことも知られている。プラズマの中に導体および絶縁体を存在させることになるため、プローブの挿入そのものがプラズマ場を乱すことがある。さらに、プラズマが反応性を有している場合には、プローブの表面のコーティングや汚れ等を原因として、プラズマの状態変化が検出できないこともある。
【０００６】
また、前記(ii)の技術では、光のスペクトル強度を測定するために、容器の外壁に観測窓を形成しなければならず、前記 (i)の技術と同様の問題が生じるおそれがある。また、観測窓の内側がプラズマに曝されることにより、当該内側の面に損傷が生じたり生成物が付着したりすることによって、観測窓が曇ることがある。このような曇りの発生は、正確な状態変化の検出の妨げとなるだけでなく、曇りを防止するための機構を別途設ける必要も生じる。
【０００７】
次に、前記 (iii)および(iv)の技術は、それぞれの具体的な構成は異なるものの、容器の内部に存在する部材等を利用してプラズマの状態変化を検出している。また、前記 (v)および(vi)の技術も、それぞれ具体的な構成は異なるものの、容器内部のプラズマから、状態変化のパラメータを直接検出する構成とはなっていない。したがって、これら技術を用いれば、容器に別途加工を施す必要もなく、検出精度の低下といった問題も回避することができる。ただし、これら (iii)〜(vi)の技術はいずれも、プラズマの生成に高周波電力を用いることが前提となっている。したがって、直流放電によりプラズマを生成させる場合には適用することはできない。
【０００８】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであって、真空状態にある容器の内部で、直流放電によりプラズマを発生させた場合であっても、プラズマの状態変化を、精度良くかつ高い自由度で検出できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るプラズマ状態変化検出装置は、前記の課題を解決するために、互いに対向するアノードおよびカソードが内部に設けられているプラズマ処理容器の側壁の外面に設けられ、当該プラズマ処理容器の内部で生成したプラズマの流れの周囲に発生する電磁界を計測する電磁界計測器と、前記電磁界計測器で計測された電磁界の初期値と当該初期値から変化した変化値との差分である、電磁界の変化量を生成する電磁界変化量生成器と、を備えている。
【００１０】
前記構成によれば、プラズマ処理容器の外部に電磁界計測器を設け、これから得られる電磁界の変化をプラズマの状態変化の情報（プラズマ変化情報）として利用することができる。それゆえ、プラズマ処理容器に差込孔や観測窓等を形成する加工を施す必要がなくなる。また、プラズマ処理容器の側壁の外面であれば、どの場所に電磁界計測器を設けてもよいので、プラズマの状態変化を検出する自由度が向上する。また、生成したプラズマ中に検出用プローブを差し込まないので、プラズマ場を乱すことがなく、さらには、検出用プローブ表面の汚れや観測窓の曇り等を考慮する必要がないので、簡素な構成でプラズマの状態変化を適切に検出することができる。加えて、生成したプラズマの電磁界の変化をプラズマ処理容器の外部から計測する構成であるため、プラズマ生成用電源が高周波電源であっても直流電源であっても適用することができる。
【００１１】
前記プラズマ状態変化検出装置においては、前記電磁界計測器としては、磁界の変化を計測する磁気センサ、および、電界の変化を計測する電界プローブの少なくともいずれかを挙げることができる。また、前記電磁界計測器は、前記側壁の前記外面に少なくとも１個設けられていればよいが、より精細にプラズマの状態変化を検出したい場合には、複数設けられていることが好ましい。
【００１２】
また、前記アノードが、複数の部分電極から構成されている場合には、前記プラズマ状態変化検出装置は、前記部分電極のそれぞれに設けられ、当該部分電極に流れる電流を計測する部分電極電流計を、さらに備える構成を挙げることができる。
【００１３】
前記構成によれば、電磁界計測器により、プラズマ生成空間の側方からプラズマの状態変化を検出するとともに、複数の部分電極それぞれに流れる電流を計測することにより、プラズマの流れの下流側（アノード側）からプラズマの状態変化を検出する。それゆえ、異なる方向からプラズマの状態変化を検出することになり、より精細にプラズマの状態変化を把握することができる。
【００１４】
本発明に係るプラズマ処理装置は、前記のプラズマ状態変化検出装置を備えており、具体的には、前記プラズマ処理容器と、前記アノードおよび前記カソードと、前記アノードおよび前記カソードに電力を印加するプラズマ生成用電源と、を備え、前記プラズマ生成用電源が直流電源である構成を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明では、真空状態にある容器の内部で、直流放電によりプラズマを発生させた場合であっても、プラズマの状態変化を、精度良くかつ高い自由度で検出することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１７】
（実施の形態１）
［プラズマ処理装置の要部構成］
まず、本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置を備えるプラズマ処理装置の基本構成の一例について、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置の要部構成を示す模式図である。
【００１８】
図１に示すように、プラズマ処理装置１０ａは、プラズマ処理容器１１、アノード（陽極）１２、カソード（陰極）１３、プラズマ生成用電源１４、真空ポンプ１５、プラズマ用ガス供給部１６、およびプラズマ処理制御部１７を少なくとも備え、さらに、プラズマ状態変化検出装置２０ａを備えている。
【００１９】
プラズマ処理容器１１は、内部にプラズマ処理空間を含み、真空ポンプ１５により内部が吸引されることにより、プラズマ処理が可能なレベルの真空度にまで減圧される。プラズマ処理容器１１内には、アノード１２およびカソード１３が互いに対向するよう設けられ、これら電極の間がプラズマ生成空間となっている。図１では、プラズマ処理容器１１、アノード１２およびカソード１３はいずれも模式的に示されており、略長方形状の断面を有するプラズマ処理容器１１の長手方向の両端に、アノード１２およびカソード１３が配置されている。
【００２０】
アノード１２およびカソード１３は、それぞれプラズマ生成用電源１４の正極および負極に接続されている。プラズマ生成用電源１４は、直流電源であり、本実施の形態では、印加する電圧を変化できるよう構成されている。また、プラズマ処理容器１１には、プラズマ用ガス供給部１６により、例えばアルゴン（Ａｒ）等のプラズマ用ガスが供給される。プラズマ生成用電源１４からアノード１２およびカソード１３に直流電圧が印加されると、プラズマ用ガスの存在により各電極間にグロー放電が発生し、これにより、カソード１３からプラズマ放電誘発用熱電子が放出され、カソード１３からアノード１２に向けてプラズマＰが生成する。なお、グロー放電における電流をさらに増加させてアーク放電とする構成となっていてもよい。
【００２１】
アノード１２およびカソード１３の具体的構成は特に限定されず、公知の構成を好適に用いることができる。本実施の形態では、図１に示すように、アノード１２およびカソード１３のいずれも、互いに対向する平板状の電極となっているが、これに限定されず、例えば、プラズマ処理装置１０ａがシートプラズマ処理装置であれば、カソード１３は、平板状でなく、円筒状の補助陰極および円環状の主陰極からなる構成を挙げることができる。
【００２２】
プラズマ状態変化検出装置２０ａは、プラズマＰの生成に伴い生じる磁界を計測し、当該磁界の変化量をプラズマの状態変化の情報（プラズマ変化情報）としてプラズマ処理制御部１７に出力する（図中破線）。その具体的構成および動作については後述する。プラズマ処理制御部１７は、例えば、マイクロコンピュータのＣＰＵで構成されている。プラズマ処理制御部１７は、プラズマ状態変化検出装置２０ａから取得したプラズマ変化情報に基づいて、例えば、プラズマ生成用電源１４の印加電圧を変化させたり、電圧の印加時間を変化させたりする等、プラズマ処理に関する制御を行う。
【００２３】
図１では、プラズマ処理容器１１は模式的に示されているが、その具体的形状は特に限定されず、プラズマ処理装置１０ａの種類や構成等に応じて適切な形状となっていればよい。例えば、プラズマ処理容器１１は、気密な容器であればよく、円柱状または角柱状の単一の容器からなっていてもよいし、複数の容器がつながったものであってもよい。同様に、アノード１２およびカソード１３も図１では模式的に示されており、その具体的形状やプラズマ処理容器１１内部の位置も特に限定されない。図１では、アノード１２およびカソード１３は、水平方向に長さを有するプラズマ処理容器１１内で、当該プラズマ処理容器１１の長手方向の両端部に位置して、水平方向に対向しているが、上下方向に対向する構成であってもよい。
【００２４】
［プラズマ状態変化検出装置の構成および動作］
次に、前記プラズマ状態変化検出装置２０ａの基本構成と動作の一例について、図１および図２を参照して説明する。図２は、本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置２０ａの動作制御を示すフローチャートである。
【００２５】
本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置２０ａは、図１に示すように、磁気センサ２１、磁界変化量生成部２２、および記憶部２３を備えている。磁気センサ２１は、磁気（磁界）を検出できるものであれば特に限定されず、例えば、ホール効果によるホール素子、ホール素子およびアンプ回路を内蔵したホールＩＣ、磁気抵抗効果による磁気抵抗素子、あるいは、磁気変調型磁気センサ等、公知の構成を好適に用いることができる。なお、磁気センサ２１により磁界を計測する場合、地球磁場は一定とみなして計測値からバックグラウンドとして差し引けばよい。
【００２６】
磁気センサ２１を設ける位置は、アノード１２およびカソード１３の間に面するプラズマ処理容器１１の側壁の外部であれば特に限定されない。つまり、磁気センサ２１は、プラズマ生成空間に生成したプラズマＰの流れの周囲に発生する磁界を計測できるようになっていればよい。また、磁気センサ２１は、プラズマ処理容器１１の側壁の外面に直接取り付けるかたちで設けてもよいし、外面から一定の間隔をおいて設けてもよい。一定の間隔をおいて磁気センサ２１を設ける方法は特に限定されず、例えば、絶縁体を介して外面に取り付ける方法等を挙げることができる。
【００２７】
磁界変化量生成部２２は、磁気センサ２１から磁界の計測値を取得し、記憶部２３に記憶させるとともに、当該記憶部２３に記憶させた計測値を取得して、後述する磁界の変化量を生成し、プラズマ処理制御部１７に出力するよう構成されている。記憶部２３は、磁界変化量生成部２２から出力される磁界の計測値を少なくとも記憶する。なお、磁界変化量生成部２２は、公知のスイッチング素子、減算器、比較器等による論理回路等として構成されてもよいし、プラズマ処理制御部１７の機能構成であってもよい。つまり、プラズマ処理制御部１７としてのＣＰＵが、図示されない記憶装置等に格納されるプログラムに従って動作することにより実現される構成であってもよい。同様に、記憶部２３は、マイクロコンピュータの内部メモリとして構成されてもよいし、独立したメモリとして構成されてもよい。また、記憶部２３は、単一である必要はなく、複数の記憶装置（例えば、内部メモリと外付け型のハードディスクドライブ）として構成されてもよい。
【００２８】
磁界変化量生成部２２による磁界の変化量の生成および出力の制御の一例について、図２を参照して説明する。まず、磁界変化量生成部２２は、磁気センサ２１で計測された最初の磁界の計測値を、初期値として取得し、記憶部２３に記憶させる（ステップＳ１０１）。次に、磁界の計測値の監視を継続するか否か判定する（ステップＳ１０２）。プラズマの生成動作が継続しており、磁界の計測値の監視も継続する必要があれば（ステップＳ１０２でＹＥＳ）、磁気センサ２１を介して磁界の計測値の監視を行う（ステップＳ１０３）。一方、プラズマの生成動作が終了すれば、磁界の計測値の監視も不要となる（ステップＳ１０２でＮＯ）ので、制御を終了する。
【００２９】
前記磁気センサ２１を介して磁界を監視（ステップＳ１０３）する方法は特に限定されず、定期的に磁気センサ２１から磁界の計測値を取得する方法であってもよいし、磁気センサ２１から常時計測値が出力される方法であってもよい。そして、磁界変化量生成部２２は、取得した磁界の計測値と、記憶部２３に記憶させた初期値とを比較し、計測値が初期値から変化しているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。このとき、記憶部２３には、計測値が初期値と同じであると判定するための許容範囲が別途記憶されていてもよい。
【００３０】
計測値が初期値と同じであれば（ステップＳ１０４でＮＯ）、計測値の監視を継続する（ステップＳ１０３に戻る）。一方、計測値が初期値と異なっていれば（ステップＳ１０４でＹＥＳ）、当該計測値と初期値との差分を、磁界の変化量として生成し（ステップＳ１０５）、この変化量を、プラズマ変化情報としてプラズマ処理制御部１７に出力し（ステップＳ１０６）、その後、制御を終了する。
【００３１】
このように、本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置２０ａは、プラズマ処理容器１１の外部に磁気センサ２１を設け、この磁気センサ２１で計測する磁界の変化をプラズマ変化情報として利用している。それゆえ、プラズマ処理容器１１に検出用プローブを差し込むための差込孔を形成したり、光のスペクトル強度を測定するためにプラズマ処理容器１１の外壁に観測窓を形成したりする必要がなく、プラズマ処理容器１１に別途加工を施さなくてもよい。したがって、プラズマの状態変化を検出する機構を備えていないプラズマ処理装置に、プラズマ状態変化検出装置２０ａを後から取り付けることもできる。
【００３２】
しかも、プラズマ処理容器１１の側壁の外面で、かつ、アノード１２およびカソード１３の間であれば、どの場所に磁気センサ２１を設けてもよいので、プラズマの状態変化を検出する自由度が向上する。また、生成したプラズマ中に検出用プローブを差し込まないので、プラズマ場を乱すことがなく、さらには、検出用プローブ表面の汚れや観測窓の曇り等を考慮する必要がないので、簡素な構成でプラズマの状態変化を適切に検出することができる。
【００３３】
［磁気センサの個数および配置］
本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置２０ａでは、プラズマ処理容器１１の側壁の外面に設ける磁気センサ２１の個数は１個以上であればよい。プラズマは、電離によって生じた荷電粒子群であるので、プラズマ処理容器１１の内部で生成したプラズマＰの流れは「電気の流れ（電流）」とみなすことができる。したがって、プラズマＰの流れの周囲には磁界が発生する。ここで、プラズマ処理装置１０ａは、生成したプラズマＰを利用して薄膜を形成したりエッチングを行ったりするので、プラズマＰの状態の変化は、薄膜形成やエッチング等の処理に影響を与えることになる。そこで、本実施の形態では、プラズマ処理容器１１の外部に磁気センサ２１を少なくとも１個設けることで、磁界の変化を計測する。磁界の変化は、プラズマＰの流れにおける電流密度の分布の変化に対応したものであるため、磁界の変化をプラズマＰの状態変化の情報として、プラズマ処理装置１０ａの動作制御に利用することができる。
【００３４】
また、本実施の形態では、プラズマ処理容器１１の外部に磁気センサ２１を設けているので、プラズマ処理容器１１の内部にプローブを直接導入することなくプラズマＰの状態変化を検出することができる。したがって、プラズマ処理容器１１に差込孔を形成する必要がなくなることに加え、プラズマ場が乱れることや、プローブ表面の汚れ等により正確な計測ができない等の問題も回避することができる。
【００３５】
なお、磁気センサ２１の個数は、前記のとおり最低１個であればよいが、プラズマ処理装置１０ａの種類等に応じて、複数個設けることが好ましい場合がある。プラズマ生成空間で生成したプラズマＰに状態変化が生じれば、その状態変化は部分的なものではなく、常にプラズマＰ全体に変化が及ぶ。したがって、プラズマ生成空間に面する側壁の外面、より具体的には、プラズマ処理容器１１の側壁のうち、アノード１２およびカソード１３の間の空間に対応する位置の外面に、磁気センサ２１を少なくとも１個設ければ、プラズマＰの状態変化を検出することができる。ただし、プラズマＰの状態変化は、部分的に変化量が異なる場合がある。それゆえ、部分的な変化量を検出したい場合には、磁気センサ２１の個数を多くすればよい。
【００３６】
磁気センサ２１の個数を多くした構成について、図３および図４を参照して説明する。図３は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ａにおいて、磁気センサ２１を上下３個ずつ等間隔に配置した構成を示す模式図であり、図４は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ａにおいて、磁気センサ２１を、上下３個ずつ間隔を変えて配置した構成を示す模式図である。
【００３７】
図３では、プラズマ処理容器１１の上方側と下方側とにそれぞれ３個ずつ磁気センサ２１を設けている構成を例示している。各磁気センサ２１は等間隔に設けているので、プラズマＰに生じた状態変化について、部分的な変化量の相違をより適切に検出することができる。ここで、複数の磁気センサ２１を設ける場合、磁気センサ２１同士の間隔は特に限定されず、図３に示すように磁気センサ２１を等間隔に配置する構成であってもよいし、図４に示すように、アノード１２側では間隔を狭く、カソード１３側では間隔を広くして配置する構成であってもよい。すなわち、プラズマＰの状態変化を特に精細に検出した位置では、磁気センサ２１同士の間隔を狭くし、それ以外は広くしてもよい。また、全体的により精細に検出したい場合は、磁気センサ２１の個数を多くして間隔も狭くすればよい。
【００３８】
さらに、図３に示す構成例では、上方側に３個、下方側に３個の磁気センサ２１を設けており、上下それぞれの磁気センサ２１はプラズマ生成空間を挟んで対になっているが、もちろんこのような配置に限定されず、例えば、図４のカソード１３側における磁気センサ２１の配置のように、上下の磁気センサ２１の位置はずれていてもよい。あるいは、磁気センサ２１は、プラズマ処理容器１１の上下ではなく上方のみ、または下方のみに設けてもよいし、上下ではなく両横側に設けても良いし、斜め下方や斜め上方に設けても良い。いずれにしても、磁気センサ２１の個数や配置は、プラズマ処理装置１０ａの種類や具体的な構成、あるいは、状態変化の変化量をより精細に検出したい位置等に応じて、適宜設定することができる。
【００３９】
［変形例］
本実施の形態では、磁界変化量生成部２２は、磁気センサ２１により磁界の計測値を常時監視する構成となっているが、本発明はこれに限定されず、例えば、プラズマ処理装置１０ａの図示しない操作部によって、オペレーターの操作によって磁界の計測値を監視する構成となっていてもよい。また、本実施の形態では、プラズマ生成用電源１４は直流電源であるが、本発明はこれに限定されず、プラズマ生成用電源１４が高周波電源であってもよい。
【００４０】
（実施の形態２）
前記実施の形態１では、生成したプラズマＰの流れの周囲に発生する磁界を計測する電磁界計測器として、磁気センサ２１を用いた構成を説明したが、本実施の形態では、磁気センサ２１に代えて、電界プローブを用いる構成について、図５および図６を参照して説明する。図５は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ｂおよびプラズマ状態変化検出装置２０ｂの要部構成を示す模式図であり、図６は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ｂにおいて、電界プローブを上下３個ずつ等間隔に配置した構成を示す模式図である。
【００４１】
図５に示すように、プラズマ処理装置１０ｂは、磁気センサ２１に代えて電界プローブ２４を備え、磁界変化量生成部２２に代えて電界変化量生成部２５を備えている以外は、前記実施の形態１で説明したプラズマ処理装置１０ａと同様の構成となっている。電界プローブ２４の配置は、基本的に前記実施の形態１における磁気センサ２１と同様であるが、当該電界プローブ２４の方向は、プラズマＰの流れに伴い生じる磁界に対して垂直の方向となっている。このように、磁気センサ２１に代えて電界プローブ２４を用いることで、磁界の変化に伴う電界の変化を計測することができるため、プラズマＰの状態変化を検出することができる。電界プローブ２４の具体的構成は特に限定されず、公知の構成を好適に用いることができる。
【００４２】
また、電界プローブ２４の個数や配置も特に限定されず、前記実施の形態１で説明した磁気センサ２１と同様に、プラズマ処理容器１１の側壁のうち、アノード１２およびカソード１３の間の空間に対応する位置の外面に、電界プローブ２４を少なくとも１個設ければよいが、プラズマＰの状態変化をより精細に検出したい場合には、複数個設ければよい。例えば、図６に示すように、電界プローブ２４をプラズマ処理容器１１の上下に３個ずつ等間隔で設けてもよいし、図４と同様に、アノード１２側で電界プローブ２４同士の間隔を狭く、カソード１３側で間隔を広く、かつ、カソード側１３では、上下の電界プローブ２４の位置がずれていてもよい。さらに、電界プローブ２４の配置は、プラズマ処理容器１１の上下のみならず両横側、斜め上下、上下または両横側の一方等であってもよい。
【００４３】
（実施の形態３）
前記実施の形態１に係るプラズマ状態変化検出装置２０ａは、電磁界計測器として磁気センサ２１を備え、前記実施の形態２に係るプラズマ状態変化検出装置２０ｂは、電磁界計測器として電界プローブ２４を備えているが、本発明はこれらに限定されず、電磁界計測器として、磁気センサ２１および電界プローブ２４の双方を用いてもよい。図７は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ｃの要部構成を示す模式図であり、磁気センサ２１および電界プローブ２４をそれぞれ３個ずつ設けた構成を示している。
【００４４】
図７に示すように、例えば、プラズマ処理容器１１の上下に、磁気センサ２１および電界プローブ２４を交互に等間隔で設けることによって、プラズマＰの状態変化を、磁界の変化および電界の変化の双方として検出することになる。プラズマＰの状態変化を検出する場合には、相対的に見れば、電界の変化を検出する電界プローブ２４よりも、磁界の変化を検出する磁気センサ２１の方が感度に優れているが、異なるパラメータでプラズマＰの状態変化を検出することで、いずれか一方を設ける構成と比較して、部分的な変化量の違いをより精細に検出することが可能となる。
【００４５】
なお、磁気センサ２１および電界プローブ２４の間隔や配置は特に限定されず、前記実施の形態１および２と同様に、プラズマ処理容器１１の上下ではなく、両横側、斜め上下、上下または両横側の一方等であってもよいし、等間隔ではなく、間隔が異なっていてもよい。
【００４６】
（実施の形態４）
前記実施の形態１〜３に係るプラズマ状態変化検出装置は、電磁界計測器をプラズマ処理容器の側壁の外面に設けることにより、プラズマ生成空間の側方からプラズマの状態変化を検出する構成となっていたが、本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置は、プラズマ処理装置のアノードが複数の部分電極からなり、各部分電極に流れる電流を測定することで、プラズマ生成空間におけるプラズマの流れの下流からプラズマの状態変化を検出する構成をさらに備えている。図８は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ｄおよびプラズマ状態変化検出装置２０ｄの要部構成を示す模式図であり、図９は、本実施の形態に係るプラズマ状態変化検出装置２０ｄに含まれるアレイ状アノードによるプラズマＰの状態変化の検出を説明する模式図である。
【００４７】
図８に示すように、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０ｄは、基本的には、前記実施の形態１で説明したプラズマ処理装置１０ａと同様で、電磁界計測器として磁気センサ２１を用い、当該磁気センサ２１を含むプラズマ状態変化検出装置２０ｄを備えているが、プラズマ処理装置１０ｄのアノードは、単一の電極である前記アノード１２に代えて、複数の部分電極１８ａからなるアレイ状アノード１８となっている。また、プラズマ状態変化検出装置２０ｄは、磁気センサ２１、磁界変化量生成部２２、記憶部２３に加えて、さらに、部分電極電流計２６、Ａ／Ｄ変換部２７を備えている。
【００４８】
本実施の形態では、アレイ状アノード１８は、図８および図９に示すように、複数の部分電極１８ａがアレイ状に同一面に配列されて構成されており、各部分電極１８ａそれぞれに部分電極電流計２６が設けられている。そして、アレイ状アノード１８とカソード１３との間にプラズマが生成すると、各部分電極１８ａには、その近傍におけるプラズマＰの密度に応じた電流が流入する。それゆえ、図９の上方に示すように、プラズマＰの密度が濃い場合には、より大きな電流が部分電極１８ａに流入し、図９の下方に示すように、プラズマＰの密度が薄い場合には、より小さな電流が部分電極１８ａに流入する。
【００４９】
各部分電極１８ａに流れる電流は、部分電極電流計２６により計測され、Ａ／Ｄ変換部２７を介してデジタル化されてプラズマ処理制御部１７に入力される。プラズマ処理制御部１７は、入力された各部分電極１８ａの電流値を、アレイ状アノード１８近傍におけるプラズマＰの状態変化の情報として利用することができる。つまり、本実施の形態によれば、磁気センサ２１により、プラズマ生成空間の側方からプラズマＰの状態変化を検出できるとともに、アレイ状アノード１８に流れる電流を計測することにより、プラズマＰの流れの下流側からプラズマＰの状態変化を検出できるので、より精細にプラズマＰの状態変化を把握することができる。
【００５０】
本実施の形態におけるアレイ状アノード１８の具体的な構成は特に限定されず、例えば、部分電極１８ａとして、そのカソード１３への対向面が正方形状であり、これがタイル状に規則的に並べられることにより、一つのアレイ状アノード１８を構成してもよいし、部分電極１８ａの対向面が長方形状であり、各部分電極１８ａが長手方向で平行に並べられることにより、一つのアレイ状アノード１８を構成してもよい。部分電極１８ａの対向面の形状は方形状でなく、その他の形状であってもよいし、個々の部分電極１８ａの対向面の形状が異なっていてもよい。また、アレイ状アノード１８を構成する部分電極１８ａの個数や大きさも特に限定されず、例えば、プラズマＰの状態変化をより精細に検出したい場合には、部分電極１８ａの対向面の大きさを小さくして個数を多くすればよい。
【００５１】
（実施の形態５）
本発明に係るプラズマ状態変化検出装置を備えるプラズマ処理装置の具体的構成は特に限定されないが、例えば、シートプラズマ処理装置に好適に用いることができる。そこで、本実施の形態では、プラズマ処理装置がシートプラズマ処理装置である場合について、図１０を参照して説明する。図１０は、本実施の形態に係るシートプラズマ処理装置１００の概略構成を示す模式図である。
【００５２】
［シートプラズマ処理装置の構成］
図１０に示すように、本実施の形態に係るシートプラズマ処理装置１００は、プラズマガン６０と、シートプラズマ成形室７１と、プラズマ処理室７２と、プラズマ生成用電源１４と、プラズマ処理制御部１７と、前記実施の形態１で説明したプラズマ状態変化検出装置２０ａとを備えている。プラズマガン６０、シートプラズマ成形室７１およびプラズマ処理室７２は、カソード１３からアノード１２に向かう方向（所定方向）に沿って、この順で配置し、かつ、互いに気密に接続されている。なお、前記所定方向とはプラズマの輸送方向に相当し、カソード１３側が上流、アノード１２側が下流となる。また、プラズマガン６０、シートプラズマ成形室７１およびプラズマ処理室７２によって、気密かつ減圧可能な一つのプラズマ処理容器１１が構成される。
【００５３】
プラズマガン６０は、円筒状の第一筒部材６１とその一端を閉鎖するフランジ６２とを備えている。フランジ６２は、プラズマガン６０の一端で内壁面を構成し、このフランジ６２の内壁面から突出するようにカソード１３が設けられている。プラズマガン６０の他端はシートプラズマ成形室７１の一端に接続され、シートプラズマ成形室７１の他端はボトルネック部７３を介してプラズマ処理室７２の一端に接続されている。プラズマ処理室７２の他端には、プラズマ通過用の通路７４が接続されており、当該通路７４の末端にはアノード１２が設けられている。そして、プラズマガン６０、シートプラズマ成形室７１およびプラズマ処理室７２、並びにアノード１２へつながる通路７４は、それぞれ気密で連通している。
【００５４】
プラズマ状態変化検出装置２０ａは、前記実施の形態１で説明したとおり、磁気センサ２１、磁界変化量生成部２２、および記憶部２３を備えており、磁気センサ２１で計測した磁界の変化の計測値から磁気変化量生成部２２により磁界の変化量が生成され、これをプラズマ変化情報としてプラズマ処理制御部１７に出力する。プラズマ処理制御部１７は、取得したプラズマ変化情報に基づいてプラズマ生成用電源１４等を制御する。
【００５５】
［プラズマガン］
プラズマガン６０は、前記第一筒部材６１およびフランジ６２に加え、カソード部６３、第一中間電極６４、第二中間電極６５を備えており、カソード部６３に前記カソード１３が含まれる。第一筒部材６１は、プラズマガン６０の本体となり、その内部は放電空間となっている。第一筒部材６１の一端には、前記のとおり放電空間を塞ぐようにフランジ６２が配置されている。フランジ６２には、カソード部６３が当該フランジ６２の中心部を貫通して取り付けられている。カソード部６３は、一次元方向に長さを有し、プラズマガン６０内部（第一筒部材６１内部）の気密を維持するように、当該フランジ６２の中心部を貫通し、フランジ６２の内側面（プラズマガン６０の内壁面）から前記所定方向に向かって延伸するように配置されている。
【００５６】
カソード部６３は、図１０では詳細に図示されないが、カソード１３および保護容器を備えている。本実施の形態では、カソード１３は、円筒状の補助陰極および円環状の主陰極から構成され、保護容器は、円筒状の保護部材および窓部材から構成されている。補助陰極は例えばタンタル（Ｔａ）で形成され、その一方の端部（後端）はフランジ６２に気密を維持するよう固定されるとともに、図示されないアルゴン（Ａｒ）ガスタンクと配管により接続されている。これにより、補助陰極の他方の端部（先端）から気密の放電空間内にＡｒガスが供給される。主陰極は、補助陰極の先端近傍の外周面に配置され（もしくは位置し）、例えば六ホウ化ランタン（ＬａＢ6 ）で形成される。
【００５７】
前記補助陰極の外周には、当該補助陰極および先端近傍の主陰極を覆うように保護部材が配置されている。保護部材の形状は、補助陰極と同軸で、かつ、補助陰極よりも径の大きい円筒形状となっている。保護部材は、例えばモリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）により形成される。保護部材の後端はフランジ６２に対して気密を維持するよう固定され、その先端には円環状の窓部材が設けられている。カソード１３は、プラズマ生成用電源１４の負極と電気的に接続されている。
【００５８】
第一中間電極６４および第二中間電極６５はいずれも円環状であり、カソード部６３の先端側に前記所定方向に沿ってこの順で配置されている。第一中間電極６４および第二中間電極６５はそれぞれ前記主電源と電気的に接続され、所定の正の電圧が印加される。これにより、カソード１３で発生したアーク放電が維持され、放電空間内には荷電粒子（本実施の形態ではＡｒ+ および電子）の集合体としてのプラズマが形成される。なお、本実施の形態では、プラズマガン６０は、第一中間電極６４および第二中間電極６５の２つの中間電極を備えているが、中間電極は少なくとも１つ備えていればよい。
【００５９】
プラズマガン６０におけるシートプラズマ成形室７１側の周囲には、プラズマを円柱状に成形する第一コイル７５が設けられている。この第一コイル７５は、磁力の強さをコントロールできる環状の電磁コイルであり、これに電流を流すことにより磁場が形成される。以下、このようにコイルにより形成される磁場をコイル磁場と呼ぶ。このコイル磁場と第一中間電極６４および第二中間電極６５による電界により、プラズマガン６０の放電空間内において、前記所定方向に沿って磁束密度の勾配が形成される。プラズマを構成する荷電粒子は、前記磁束密度の勾配により前記所定方向に向かって運動するように、磁力線の回りを旋回しながら前記所定方向に進む。その結果、荷電粒子が円柱形状に略等密度分布してなるソースプラズマ（以下、円柱プラズマという。）ＣＰとして、図示されない通路を介してプラズマガン６０からシートプラズマ成形室７１へ引き出される。
【００６０】
［シートプラズマ成形室］
シートプラズマ成形室７１は、プラズマガン６０の本体となる第一筒部材６１と同一の軸を中心とする円筒状の第二筒部材８１を備えており、この第二筒部材８１がシートプラズマ成形室７１の本体となる。第一筒部材６１と第二筒部材８１とは、気密を維持して接続されている。第二筒部材８１は、導電性材料、半導体材料、絶縁性材料のいずれで形成されてもよいが、強度等を考慮すると導電性金属材料で形成されることが好ましい。第二筒部材８１の内部すなわちシートプラズマ成形室７１の内部は、プラズマの輸送空間となる。
【００６１】
第二筒部材８１の適所には、図示されない真空ポンプ接続口が設けられている。当該真空ポンプ接続口はバルブにより開閉可能であり、図示されない真空ポンプ（例えば、ターボポンプ）が接続されている。この真空ポンプによりシートプラズマ成形室７１内部を吸引することで、輸送空間内は、円柱プラズマＣＰを輸送可能なレベルの真空度まで減圧される。
【００６２】
シートプラズマ成形室７１の周囲には、プラズマガン６０側（すなわちカソード１３側）に第二コイル７６が設けられ、第二コイル７６の下流側（すなわちプラズマ処理室７２側またはアノード１２側）に一対の永久磁石７７ａ，７７ｂが設けられる。第二コイル７６は、第二筒部材８１の周囲に巻き回される円環状の電磁コイル（空心コイル）であり、カソード１３側をＳ極、アノード１２側をＮ極とする方向に電流が通電される。永久磁石７７ａ（図中上方）および永久磁石７７ｂ（図中下方）は、それぞれ角型棒状の永久磁石であり、第二筒部材８１（正確には輸送空間）を挟んで互いに同極が対向するように配置されている。各永久磁石７７ａ，７７ｂは、その幅方向（長手方向に直交する方向）に磁化されている。
【００６３】
つまり、各永久磁石７７ａ，７７ｂは、その両端部の面がＮ極およびＳ極となっているのではなく、角型棒状の一側面がＮ極、他の側面がＳ極となるように磁化されている。そして、各永久磁石７７ａ，７７ｂは、その長手方向がシートプラズマ処理装置１００の横方向（図５では紙面に対する垂直方向）となり、かつ、互いに同極側が対向するように、シートプラズマ成形室７１（第二筒部材８１）の上下にそれぞれ配置される。本実施の形態では、永久磁石７７ａ，７７ｂは、互いにＮ極側が対向するように配置されている。
【００６４】
シートプラズマ成形室７１では、第二コイル７６に電流を流すことにより輸送空間にコイル磁場が形成され、かつ、第二コイル７６の下流側に位置する永久磁石７７ａ，７７ｂにより磁石磁場が形成される。これら磁場の相互作用により、前記所定方向へ円柱プラズマＣＰが移動するとともに、円柱プラズマＣＰがシートプラズマ処理装置１００の横方向に広がる均一なシート状のプラズマ（以下、シートプラズマという。）ＳＰに成形される。成形されたシートプラズマＳＰはボトルネック部７３を通ってプラズマ処理室７２へ引き出される。
【００６５】
ボトルネック部７３は、シートプラズマ成形室７１とプラズマ処理室７２との間に設けられ、内部にシートプラズマＳＰを通過させるスリット状の通路が形成されている。スリット状の通路の形状（すなわちボトルネック部７３の形状）は、シートプラズマＳＰを適切に通過させるように設計されればよい。ボトルネック部７３を設けることにより、シートプラズマ形成室７１の内部（輸送空間）において、シートプラズマＳＰを形成しない余分なアルゴンイオン（Ａｒ+ ）と電子とがプラズマ処理室７２に流入することを回避することができる。そのため、プラズマ処理室７２内では、シートプラズマＳＰの密度を高い状態で保持することができる。
【００６６】
［プラズマ処理室］
プラズマ処理室７２は、シートプラズマ処理装置１００の上下方向に沿った軸を中心とした第三筒部材８２を備えており、この第三筒部材８２がプラズマ処理室７２の本体となる。つまり、第三筒部材８２の中心軸と第一筒部材６１および第二筒部材８１の中心軸とは互いに直交している。第三筒部材８２の側壁の適所には、スリット穴が形成されており、このスリット穴に前記ボトルネック部７３が接続される。これにより、第三筒部材８２と第二筒部材８１の他端とは前記ボトルネック部７３を介して気密を維持するよう接続される。第三筒部材８２の側壁で、スリット穴に対向する位置にはアノード１２が配置される。第三筒部材は、例えばアルミニウム、ステンレス等の導電性材料で形成されている。
【００６７】
第三筒部材８２の両端部は蓋部材８３，８４により気密を維持するよう閉鎖されている。また、蓋部材８４の適所には、図示されないバルブにより開閉可能な図示されない真空ポンプ接続口が設けられている。真空ポンプ接続口には、図示されない真空ポンプ（例えばターボポンプ）が接続されている。この真空ポンプにより第三筒部材８２内部（プラズマ処理室７２内部）を吸引することにより、第三筒部材８２の内部空間は、スパッタリングプロセス可能なレベルの真空度にまで減圧される。なお、真空ポンプ接続口は蓋部材８３に設けられてもよい。
【００６８】
第三筒部材８２の内部には、それぞれ平板状のターゲット電極８５および基板支持電極８６が設けられる。ターゲット電極８５および基板支持電極８６は、シートプラズマ成形室７１から引き出されたシートプラズマＳＰが移動する空間を挟んで、それぞれの表側面が対向するように、第三筒部材８２の両端部にそれぞれ位置している。
【００６９】
ターゲット電極８５は、図１０では詳細に図示されないが、膜の材料からなるターゲット５２をその表側面で固定するバッキングプレートと、バッキングプレートを前記軸方向に沿って移動可能に支持するプレート支持機構とを備えている。バッキングプレートは、ターゲット電極８５の本体であり、その表側面にターゲット５２を溶接又はボルト等の固定部材により固定することで、当該ターゲット５２を保持するとともに、その背面に給電極が取り付けられている。プレート支持機構は、蓋部材３３とは絶縁されている。
【００７０】
基板支持電極８６は、図１０では詳細に図示されないが、プラズマ処理の対象である基板５１をその表側面で支持する平板状の基板ホルダと、基板５１を基板ホルダ表面に固定する静電チャックと、基板ホルダを第三筒部材８２の軸方向（すなわちシートプラズマ処理装置の上下方向）に沿って移動可能に支持するホルダ支持機構とを備えている。基板ホルダは、基板支持電極８６の本体であり、図示されない基板用バイアス電源の負極と配線によって電気的に接続され、基板用バイアス電源はプラズマ処理プロセス中に基板支持電極８６（正確には、基板ホルダ）に対して負のバイアス電圧を印加する。静電チャックは、例えばアルミナ等で形成される２つの誘電体層の間に導電性の電極層を挟んだ構成であり、この電極層に高圧直流電圧を印加して誘電体層表面に生じるクーロン力を利用して基盤を静電吸着して固定する。ホルダ支持機構は、蓋部材８４とは絶縁されている。
【００７１】
ターゲット電極８５は、図示されないターゲット側プラズマ処理用電源と配線によって電気的に接続され、基板支持電極８６は、図示されない基板側プラズマ処理用電源に接続されているため、プラズマ処理のプロセス中には、ターゲット電極８５および基板支持電極８６にはバイアス電圧が印加される。このように、ターゲット電極８５および基板支持電極８６の間に形成される空間は、シートプラズマＳＰが輸送される輸送空間であり、かつ、処理対象基板５１にプラズマ処理を施すプラズマ処理空間となる。
【００７２】
第三筒部材８２の外部には、その外周面を囲む位置に第三コイル７８および第四コイル７９が設けられる。第三コイル７８および第四コイル７９は、いずれも磁力の強さを調節できる電磁コイル（空心コイル）であり、互いに異なる極同士が対向する（例えば、第三コイル７８がＮ極、第四コイル７９がＳ極）ように対をなして配置される。これら第三コイル７８および第四コイル７９に電流を流すことによりコイル磁場が形成される。このコイル磁場は、シートプラズマＳＰの幅方向（シートプラズマ処理装置１００の横方向）の拡散を抑える磁場となる。すなわち、シートプラズマＳＰがシートプラズマ成形室７１からプラズマ処理室７２に引き出され、アノード１２に向かって処理空間内を移動する間、前記コイル磁場は、シートプラズマＳＰの幅方向にプラズマが拡散しないように形状を成形する。
【００７３】
アノード１２は、第三筒部材８２の側壁のうちスリット穴に対向する位置に配置される。アノード１２と側壁との間には、前述のとおりプラズマ通過用の通路７４が設けられている。この通路７４は、前記ボトルネック部７３と同様に、シートプラズマＳＰを適切に通過させるように設計されればよい。アノード１２は、プラズマ生成用電源１４の正極と配線により電気的に接続されており、このプラズマ生成用電源１４は、アノード１２とカソード１３との間に正の電圧（例えば１００Ｖ）を印加する。これにより、カソード１３およびアノード１２の間に直流のアーク放電が発生し、当該アーク放電が、シートプラズマＳＰ中の荷電粒子（特に電子）を回収する。
【００７４】
アノード１２の裏側面（カソード１３の対向面の反対側となる面）には、永久磁石８７が設けられる。この永久磁石８７は、アノード１２側をＳ極、大気側をＮ極とするように配置されている。この永久磁石８７のＮ極からＳ極に向かって形成される磁力線より、アノード１２に向かうシートプラズマＳＰの幅方向の拡散を抑えることができる。これにより、シートプラズマＳＰは幅方向に収束されるため、アノード１２はシートプラズマＳＰの荷電粒子をより適切に回収することができる。なお、この永久磁石８７は必ずしも設けなくてよい。
【００７５】
なお、プラズマガン６０、シートプラズマ成形室７２、ボトルネック部７３、通路７４、アノード１２、永久磁石７７ａ，７７ｂ、第一コイル７５、第二コイル７６、第三コイル７７、第四コイル７８、および永久磁石８７がシートプラズマ形成機構を構成している。
【００７６】
前記のとおり、本実施の形態では、シートプラズマ処理装置１００を構成するプラズマガン６０およびシートプラズマ成形室７１は、前記所定方向に沿った軸を同じくする円筒形状であるため、その断面も円形であるが、本発明はこれに限定されず、多角形等の形状であってもよい。同様に、プラズマ処理室７２も前記所定方向に直行する方向に沿った軸を有する円筒形状であるため、その断面も円形であるが、多角形等の形状であってもよい。また、前述した各部の配置は、本発明の範囲内で適宜変更することができ、また各部や各部材等の具体的構成は、公知の構成に置き換えることができる。
【００７７】
［磁気センサの配置］
ここで、前記各実施の形態で説明したとおり、磁気センサ２１（または電界プローブ２４等の電磁界計測器）は、アノード１２およびカソード１３の間の側壁に相当する位置であり、プラズマの状態変化を精細に検出したい位置であれば、プラズマ処理容器１１のいずれの箇所に配置してもよい。本実施の形態では、シートプラズマＳＰによるプラズマ処理は、プラズマ処理室７２で行われるので、このプラズマ処理室７２の近傍におけるプラズマの状態変化を特に検出することが好ましい。そこで、例えば、図１０に示すように、プラズマ処理室７２とアノード１２との間に磁気センサ２１を配置する構成を挙げることができる。
【００７８】
より具体的には、磁気センサ２１は通路７４の側壁に配置してもよいし、よりアノード１２に近い側に配置してもよい。また、前記実施の形態４で説明したように、単一の平板状のアノード１２ではなく、アレイ状アノード１８であってもよい。さらに、前記実施の形態３で説明したように、磁気センサ２１と電界プローブ２４とを併用してもよいし、前記実施の形態２で説明したように電界プローブ２４のみでもよい。
【００７９】
あるいは、円柱プラズマＣＰについての状態変化を検出したい場合には、プラズマガン６０もしくはシートプラズマ成形室７１のプラズマガン６０側の側壁に磁気センサ２１や電界プローブ２４を配置してもよい。また、円柱プラズマＣＰからシートプラズマＳＰを成形するときの状態変化を検出したい場合には、シートプラズマ成形室７１のプラズマ処理室７３側、もしくはボトルネック部７３の側壁に磁気センサ２１や電界プローブ２４を配置してもよい。
【００８０】
［シートプラズマ処理装置の動作］
次に、本実施の形態に係るシートプラズマ処理装置１００の動作について説明する。なお、本実施の形態では、プラズマ処理の一例として、処理対象基板５１の表面にターゲット５２の膜を形成する成膜処理を挙げる。まず、シートプラズマ処理室７２内に、処理対象基板５１およびターゲット５２が搬入される。そして、図示されない真空ポンプの吸引により、プラズマ処理容器１１内部、すなわち、それぞれ気密に連通されるプラズマガン６０、シートプラズマ成形室７１、およびプラズマ処理室７２内のそれぞれが真空状態となる。
【００８１】
次に、図示されないターゲット側プラズマ処理用電源をターゲット電極８５に電気的に接続するとともに、プラズマ生成用電源１４をアノード１２に電気的に接続する。次に、プラズマガン６０では、カソード１３を構成する補助陰極の先端からアルゴン（Ａｒ）ガスが放電空間内に供給され、当該補助陰極でグロー放電が行われる。このグロー放電により補助陰極の先端部分の温度が上昇すると、この熱でカソード１３を構成する主陰極が加熱されて高温になり、アーク放電が行われる。
【００８２】
これにより、カソード１３からプラズマ放電誘発用熱電子が放出され、プラズマが発生する。発生したプラズマは、第一中間電極６４および第二中間電極６５による電界と第一コイル７５によるコイル磁場により、カソード１３からアノード１２側に引き出され、円柱プラズマＣＰに成形される。円柱プラズマＣＰは、第一コイル７５によって形成されるコイル磁場の磁力線に沿ってシートプラズマ成形室７１に導入される。
【００８３】
シートプラズマ成形室７１に導入された円柱プラズマＣＰは、永久磁石７７ａ，７７ｂと第二コイル７６から発生する磁場によってシート状に広がり、シートプラズマＳＰに成形される。シートプラズマＳＰは、ボトルネック部７３（およびスリット穴）を通過してプラズマ処理室７２に導入される。
【００８４】
プラズマ処理室７２に導入されたシートプラズマＳＰは、第三コイル７８および第四コイル７９によるコイル磁場によって、幅方向の形状が整えられ、処理対象基板５１とターゲット５２と間の空間（プラズマ処理空間）に導入される。ターゲット５２には、バッキングプレートを介して、シートプラズマＳＰに対してバイアス電圧が印加される。処理対象基板５１には、基板ベースを介して、シートプラズマＳＰに対してバイアス電圧が印加される。これにより、シートプラズマＳＰ中のアルゴンイオン（Ａｒ+ ）がターゲット５２に向かって引き付けられ、ターゲット５２に衝突する。このときアルゴンイオンとターゲット５２との衝突エネルギーにより、ターゲット５２を構成する材料の原子（ターゲット原子）が、処理対象基板５１に向かってはじき出され、スパッタが生じる。
【００８５】
スパッタによりはじき出されたターゲット原子は、直進してシートプラズマＳＰ中を通過する。このとき、ターゲット原子はシートプラズマＳＰにより電子を剥ぎ取られて電離され、陽イオンにイオン化する。処理対象基板５１は負の電圧にバイアスされているため、この陽イオンの進行速度は処理対象基板５１に向かって加速する。この加速により、陽イオンは、処理対象基板５１表面に対して付着強度を高めて堆積し、堆積に伴って電子を受け取ることで処理対象基板５１の表面にターゲット５２の材料からなる膜を形成する。その後、シートプラズマＳＰは、永久磁石４９の磁力線により幅方向に収束され、アノード１２がシートプラズマＳＰの荷電粒子を回収する。
【００８６】
本実施の形態では、前記シートプラズマ処理におけるプラズマの状態変化を、プラズマ状態変化検出装置により検出し、プラズマ生成の動作制御に利用する。これによって、より適切なプラズマ処理が可能となる。
【００８７】
また、本発明が適用可能なプラズマ処理装置は、前記シートプラズマ処理装置にかかわらず、他のプラズマ処理装置や同様の構成を有する処理装置にも適用することができる。例えば、プラズマガンや電子銃にも適用することができる。
【００８８】
なお、本発明は上記の実施形態の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施形態や複数の変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、プラズマを利用した各種処理装置の分野に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施の形態１に係るプラズマ処理装置およびプラズマ状態変化検出装置の要部構成を示す模式図である。
【図２】図１に示すプラズマ状態変化検出装置の動作制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】図１に示すプラズマ処理装置において、磁気センサを上下３個ずつ等間隔に配置した構成を示す模式図である。
【図４】図１に示すプラズマ処理装置において、磁気センサを上下３個ずつ間隔を変えて配置した構成を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るプラズマ処理装置およびプラズマ状態変化検出装置の要部構成を示す模式図である。
【図６】図５に示すプラズマ処理装置において、電界プローブを上下３個ずつ等間隔に配置した構成を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係るプラズマ処理装置の要部構成を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係るプラズマ処理装置およびプラズマ状態変化検出装置の要部構成を示す模式図である。
【図９】図８に示すプラズマ状態変化検出装置に含まれるアレイ状アノードによるプラズマの状態変化の検出を説明する模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係るシートプラズマ処理装置の概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０ａ プラズマ処理装置
１０ｂ プラズマ処理装置
１０ｃ プラズマ処理装置
１０ｄ プラズマ処理装置
１１ プラズマ処理容器
１２ アノード
１３ カソード
１４ プラズマ生成用電源
１８ アレイ状アノード
１８ａ 部分電極
２０ａ プラズマ状態変化検出装置
２０ｂ プラズマ状態変化検出装置
２０ｄ プラズマ状態変化検出装置
２１ 磁気センサ（電磁界計測器）
２２ 磁界変化量生成部（電磁界変化量生成器）
２４ 電界プローブ（電磁界計測器）
２５ 電界変化量生成部（電磁界変化量生成器）
２６ 部分電極電流計
１００ シートプラズマ処理装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向するアノードおよびカソードが内部に設けられているプラズマ処理容器の側壁の外面に設けられ、当該プラズマ処理容器の内部で生成したプラズマの流れの周囲に発生する電磁界を計測する電磁界計測器と、
前記電磁界計測器で計測された電磁界の初期値と当該初期値から変化した変化値との差分である、電磁界の変化量を生成する電磁界変化量生成器と、を備えている、プラズマ状態変化検出装置。
【請求項２】
前記電磁界計測器は、磁界の変化を計測する磁気センサ、および、電界の変化を計測する電界プローブの少なくともいずれかである、請求項１に記載のプラズマ状態変化検出装置。
【請求項３】
前記電磁界計測器は、前記側壁の前記外面に複数設けられている、請求項１または２に記載のプラズマ状態変化検出装置。
【請求項４】
前記アノードが、複数の部分電極から構成されている場合には、前記プラズマ状態変化検出装置は、前記部分電極のそれぞれに設けられ、当該部分電極に流れる電流を計測する部分電極電流計を、さらに備えている、請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ状態変化検出装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ状態変化検出装置を備える、プラズマ処理装置。
【請求項６】
前記プラズマ処理容器と、前記アノードおよび前記カソードと、前記アノードおよび前記カソードに電力を印加するプラズマ生成用電源と、を備え、
前記プラズマ生成用電源が直流電源である、請求項５に記載にプラズマ処理装置。
【請求項１】
互いに対向するアノードおよびカソードが内部に設けられているプラズマ処理容器の側壁の外面に設けられ、当該プラズマ処理容器の内部で生成したプラズマの流れの周囲に発生する電磁界を計測する電磁界計測器と、
前記電磁界計測器で計測された電磁界の初期値と当該初期値から変化した変化値との差分である、電磁界の変化量を生成する電磁界変化量生成器と、を備えている、プラズマ状態変化検出装置。
【請求項２】
前記電磁界計測器は、磁界の変化を計測する磁気センサ、および、電界の変化を計測する電界プローブの少なくともいずれかである、請求項１に記載のプラズマ状態変化検出装置。
【請求項３】
前記電磁界計測器は、前記側壁の前記外面に複数設けられている、請求項１または２に記載のプラズマ状態変化検出装置。
【請求項４】
前記アノードが、複数の部分電極から構成されている場合には、前記プラズマ状態変化検出装置は、前記部分電極のそれぞれに設けられ、当該部分電極に流れる電流を計測する部分電極電流計を、さらに備えている、請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ状態変化検出装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ状態変化検出装置を備える、プラズマ処理装置。
【請求項６】
前記プラズマ処理容器と、前記アノードおよび前記カソードと、前記アノードおよび前記カソードに電力を印加するプラズマ生成用電源と、を備え、
前記プラズマ生成用電源が直流電源である、請求項５に記載にプラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１２３２６９（Ｐ２０１０−１２３２６９Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９３０８９（Ｐ２００８−２９３０８９）
【出願日】平成２０年１１月１７日（２００８．１１．１７）
【出願人】（０００００２３５８）新明和工業株式会社 (919)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１７日（２００８．１１．１７）
【出願人】（０００００２３５８）新明和工業株式会社 (919)
【Ｆターム（参考）】
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