プラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置並びに方法｛ＡＰｌａｓｍａＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｎｓｉｔｙａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＤｅｖｉｃｅａｎｄＭｅｔｈｏｄＴｈｅｒｅｏｆ｝
【課題】プラズマの電子密度及び電子温度を正確に測定し、リアルタイムモニタリングでき、量産工程に適した、プラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置並びに方法を提供すること。
【解決手段】一連される周波数帯域の電磁波が連続送出される電磁波発生器３００と、送出される電磁波の周波数がプラズマの電子密度及び電子温度に対して相関関係を有するように反応容器１００内のプラズマ１００ａに接続され、電磁波発生器３００に電気的に連結されて電磁波を送出する電磁波送受信機２００と、電磁波送受信機２００から受信される電磁波の周波数を分析するように電磁波送受信機２００に電気的に連結される周波数分析器４００と、電磁波の周波数帯域別の送出指令と、分析データに基づいた電子密度及び電子温度と各電磁波の相関関係演算のためのコンピュータ５００で構成される。
【解決手段】一連される周波数帯域の電磁波が連続送出される電磁波発生器３００と、送出される電磁波の周波数がプラズマの電子密度及び電子温度に対して相関関係を有するように反応容器１００内のプラズマ１００ａに接続され、電磁波発生器３００に電気的に連結されて電磁波を送出する電磁波送受信機２００と、電磁波送受信機２００から受信される電磁波の周波数を分析するように電磁波送受信機２００に電気的に連結される周波数分析器４００と、電磁波の周波数帯域別の送出指令と、分析データに基づいた電子密度及び電子温度と各電磁波の相関関係演算のためのコンピュータ５００で構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを使用する工程（例えば、半導体製造工程など）の状態をモニタリングするために、プラズマの電子密度及び電子温度と相関関係を有する当該各固有周波数を探知／スキャンして電子密度及び電子温度を測定及びモニタリングする技術に関するものである。より詳細には、当該プラズマに対して一連される帯域の電磁波を送／受信するようにアンテナ構造の探針機が実装される。これに加えて、送信された電磁波のうち、当該プラズマに対してカットオフ（cutoff）されるとか吸収される特定の電磁波カットオフ周波数（cutoff frequency）及び吸収周波数（ａbsorption frequency）の帯域を分析し、これに基づいて当該プラズマの電子密度及び電子温度を演算するように分析道具が具備されるプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置並びに方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体製造工程では工程の微細化、低温化の必要性のため、プラズマが広く活用されている。半導体素子を製造するために使用される装備としては、 ウェハの所定領域に所望の不純物を注入するイオン注入装備、熱酸化膜を成長させるためのファーニス、導電膜または絶縁膜をウェハ上に蒸着させるための蒸着装備、及び前記蒸着された導電膜または絶縁膜を所望の形態にパターニングするための露光装備と蝕刻装備とがある。
【０００３】
これら装備のうちで、ウェハ上に所定の物質膜を蒸着するとかウェハに形成された所定の物質膜を蝕刻する装備としては、真空状態の密閉されたチャンバ内にプラズマを形成し、反応ガスを注入して物質膜を蒸着するとか蝕刻するプラズマ装備が広く使用されている。これはプラズマを利用して物質膜を蒸着する場合、ウェハに形成された不純物領域内の不純物などがこれ以上拡散しないなど低温で工程を進行することができ、大口径のウェハに形成される物質膜の厚さの均一度が優れたためである。
【０００４】
これと同様に、プラズマを利用してウェハ上に形成された所定の物質膜を蝕刻する場合、ウェハの全体にかけて蝕刻の均一性が優れたためである。
【０００５】
このようなプラズマ装置において、プラズマ内の電子密度、イオン密度を測定できる道具として、 ラングミュアプローブ（lａngmuir probe）、プラズマオシレーションプローブ、プラズマ吸収プローブ、ＯＥＳ（Opticａl Emission Spectroscopy）、 レーザートムソン分散（lａser thomson scａttering）方法などがある。
【０００６】
このうち、普遍的に使用されていたのがラングミュアプローブ（lａngmuir probe）である。従来のラングミュアプローブのプラズマ特性の測定原理は、外部からプラズマチャンバ内のプラズマに探針を挿入し、外部から供給される直流電源を可変して陰電位から陽電位に、略−２００Ｖから２００Ｖまでの範囲で電圧を変更させて測定する。
【０００７】
この時、陰電圧が探針先にかかると、プラズマ内の陽イオンが探針へ捕執され、イオンによる電流が発生するようになる。また、陽電圧が探針先にかかるようになると、プラズマ内の電子などが探針へ捕執され、電子による電流が発生するようになる。この時、発生した電流を測定して探針に加えられた電圧との相関関係を分析することにより、プラズマの濃度を測定することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来のラングミュアプローブは、チャンバ内に探針を挿入してプラズマの濃度を測定するため、工程が進行される間にリアルタイムでプラズマの濃度を測定することができる。しかし、ＲＦ（rａdio frequency）オシレーションによるノイズ問題、半導体工程における薄膜物質の蒸着工程の時、探針に蒸着される問題、乾式蝕刻工程の時、探針が蝕刻されて小さくなるなどの問題点を抱いているため、実際の量産工程に対する適用に大きな制約を受ける問題点がある。
【０００９】
また、従来のプラズマオシレーションプローブは、電子ビームを使用する構造であり、電子ビームを作るために熱線を使用するが、約５０ｍＴｏｒｒ（約６．６５Ｐａ）以上の圧力では、当該熱線が切れるなど動作条件が狭く限定される問題点があって来た。また、熱電子を放出するために加熱する時、熱線の蒸発によって反応容器の汚染する問題点がある。
【００１０】
そして、従来のプラズマ吸収プローブは、作動以前に正確なプラズマ密度診断道具として校正をしなければならない煩わしい問題点があって来た。これを改善した構造があるが、改善した構造では測定密度の絶対値を求めるために、多くのステップの複雑な計算過程が必要であり、この時、物理的に仮定された条件が内包されるので、実効性の落ちる問題点がある。
【００１１】
あわせて、上述のＯＥＳを利用した電子温度測定方法も十分なデータが構築されなく、常用するには現実性の落ちる問題点がある。
【００１２】
最後に、レーザートムソン分散を利用した方法は、体積が大きく、構造が非常に複雑で研究室内での使用のみに限定され、その以外の量産体系には適用が難しい問題点がある。
【００１３】
従って、このような従来の問題点などを克服し、プラズマの電子密度及び電子温度をより早く、且つ正確に測定し、リアルタイムでその工程をモニタリングすることは勿論、量産体系に対する適用に制限が減った装置構造の技術開発が至急な実情である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
従って、本発明の前記のような従来の問題点などを鑑みて導出されたものであって、本発明の第１の目的は、電子密度及び電子温度と相関関係を有する周波数帯域をリアルタイムで測定／モニタリングすることができるように一連される帯域の電磁波を送／受信するアンテナ構造の電磁波送受信機を含むプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置を提供することである。
【００１５】
そして、本発明の第２の目的は、受信される電磁波の周波数帯域を基に当該電子密度及び電子温度と相関関係を有するカットオフ周波数及び吸収周波数を分析するように周波数分析器を含むプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置を提供することである。
【００１６】
あわせて、本発明の第３の目的は、プラズマ反応容器内の位置別のプラズマ電子密度及び電子温度の測定で空間分布を把握できるように反応容器の内部で電磁波送受信機を移送させるための移送機を含むプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置を提供することである。
【００１７】
このような本発明の目的などは、一連される周波数帯域の電磁波が連続送出される電磁波発生器と；送出される電磁波の周波数がプラズマの電子密度及び電子温度に対して相関関係を有するように反応容器内のプラズマに接続され、電磁波発生器に電気的に連結されて電磁波を送出する電磁波送受信機と；電磁波送受信機から受信される電磁波の周波数を分析するように電磁波送受信機に電気的に連結される周波数分析器と；及び電磁波の周波数帯域別の送出指令と、分析データに基づいた電子密度及び電子温度と当該各電磁波相関関係の演算のために電磁波発生器及び周波数分析器に電気的に連結されるコンピュータと；を含んで構成されることを特徴とするプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置によって達成される。
【００１８】
ここで、電磁波送受信機は、電磁波発生器及び周波数分析器に各々電気的に連結され、互いに併設される第１の同軸ケーブル及び第２の同軸ケーブルと、電磁波の送／受信のために第１の同軸ケーブル及び第２の同軸ケーブルの一端に同一軸線上へ各々連結／突出され、プラズマに接続される送信アンテナ及び受信アンテナとを含んで構成されるのが望ましい。
【００１９】
この時、各同軸ケーブルには所定の厚さで外装／遮蔽される誘電体被覆層が更に含まれるのが望ましい。
【００２０】
そして、電磁波送受信機が反応容器内で選択的に移送され得るように電磁波送受信機の他側に連結される移送機が更に含まれるのが望ましい。
【００２１】
この時、移送機は、ステッピングモータで駆動される構造であるのが望ましい。
【００２２】
または、移送機は、油圧シリンダーで駆動される構造であるのが望ましい。
【００２３】
ここで、電磁波送受信機は、反応容器の半径方向に沿って設けられるのが反応容器内部のプラズマ特性分布の把握に望ましい。
【００２４】
本発明のその他の目的、特定の長所など及び新規な特徴などは、添付された図面などと関連される以下の詳細な説明及び望ましい実施例などから更に明らかになるだろう。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によるプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置並びに方法によれば、プラズマの電子密度及び電子温度を固有周波数の検出で測定することができる構造であるので、半導体製造工程の薄膜プラズマ化学蒸着法、乾式蝕刻工程におけるプラズマ工程装備に適用して使用することができる特徴がある。
【００２６】
そして、プラズマリアルタイムモニタリング装備として使用することができるから、即刻的な工程装備状態のチェックが可能であり、更に信頼性のある工程装備としての活用が可能な効果がある。
【００２７】
本発明が前記で言及した望ましい実施例と関連して説明されたが、本発明の要旨と範囲とから脱することなく、他の多様な修正及び変形が可能だろう。従って、添付された特許請求の範囲は本発明の真正な範囲内に属するこのような修正及び変形を含むと予想される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下では本発明によるプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置に関して添付された図面と共に詳細に説明するようにする。
【００２９】
図１は、本発明によるプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置の構成図であり、図２は、図１に示された送／受信アンテナ周辺の断面構成図である。図１及び図２に示されたように、本発明によるモニタリング装置は、電磁波とプラズマ１００ａの特性（特に電子密度、電子温度など）との間の相関関係を明らかにし、該当特性値を測定してリアルタイムでモニタリングするためのものである。
【００３０】
このような相関関係を有するように本モニタリング装置には、プラズマ１００ａに対して電磁波を送受信するための電磁波送受信機２００が含まれており、このような送／受信のために電磁波送受信機２００は、アンテナ構造を取っている。
【００３１】
円筒状の反応容器１００に盛られたのは、プラズマ１００ａである。このようなプラズマ１００ａに特定帯域の電磁波が送出される場合、当該電磁波がカットオフされるとか吸収される場合が発生すると知られている。このようなカットオフまたは吸収される周波数帯域の特定電磁波は、プラズマ１００ａの電子密度または電子温度の指標になるので、このような電磁波とプラズマ１００ａとの相関関係を基に当該プラズマ１００ａの電子密度及び電子温度を獲得することができる。
【００３２】
このような相関関係は、先に言及された電磁波送受信機２００においてなされ、このような電磁波送受信機２００に対して電磁波を送るとか受信された電磁波を分析するように電磁波送受信機２００に電気的に連結されているのが電磁波発生器３００及び周波数分析器４００である。
【００３３】
ここで、電磁波送受信機２００は、並んで併設された構造の２つの同軸ケーブルから構成されており、この時、各同軸ケーブル２１０、２２０には、ノイズ、熱などにより影響を受けないように別の誘電体被覆層２３０とグラウンドシールド線（Ground Shield）とが包んでいるから、より正確に電磁波の送出及び受信が担保され得る構造を設けている。誘電体被覆層２３０の材料としては、アルミナ（Ａluminａ）または石英（Quａrtz）になり得る。
【００３４】
そして、このような各同軸ケーブル２１０、２２０の一側には、同一軸線上に送／受信アンテナ２１０ａ、２２０ｂが各々連結／突出され、電磁波をプラズマ１００ａに送出／受信する。
【００３５】
図２の送／受信アンテナ周辺の断面構成図に示されたように、プラズマ内に半径ｂである金属アンテナ２１０ａ、２２０ｂが挿入されると、アンテナの外表面に厚さｓであるシース（sheath）２４０が形成され、アンテナの周りを包むようになる。本発明では、例示として各アンテナ２１０ａ、２２０ａが約１ｍｍ〜５ｍｍ程度の間隔を置いており、いずれも約５ｍｍ〜１０ｍｍ程度の長さを有している。前記の間隔は、製作上具現されたものであり、より小さいほど良い。そして、各アンテナ２１０ａ、２２０ａの長さは、使用する電磁波の波長に応じて異にすることができる。
【００３６】
上の電磁波発生器３００は、第１の同軸ケーブル２１０の他側に連結され、約５０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ間の周波数帯域の電磁波を連続的に第１の同軸ケーブル２１０及び送信アンテナ２１０ａに伝送させ、結果的にプラズマ１００ａに対して一連される周波数帯域の電磁波が連続的に送出され得る構造を設ける。この時、送出された電磁波のうち、プラズマ１００ａに対してカットオフされるのがカットオフ周波数であり、これは当該プラズマ１００ａ 電子密度の演算及び獲得の指標として機能することができる。また、プラズマ１００ａに吸収される帯域の電磁波は、吸収電磁波であり、当該プラズマ１００ａ電子温度の演算及び獲得の指標として機能することができる。
【００３７】
あわせて、第２の同軸ケーブル２２０の他側に連結されているのが周波数分析器４００であって、受信アンテナ２２０ａ及び第２の同軸ケーブル２２０で受信されて獲得される電磁波の周波数から振幅を分析することができる。
【００３８】
ところで、送出された電磁波がカットオフされる場合、この時の電磁波は受信アンテナ２２０ａにおける受信率が極めて微弱であると知られているところ、最も弱い受信率の電磁波がカットオフ周波数として分析され得る。周波数分析器４００では、獲得された電磁波の周波数及び振幅などを分析し、最も微弱な周波数を識別することができるので、カットオフ周波数を分析／獲得することができる構造が設けられる。
【００３９】
また、プラズマ１００ａに吸収される電磁波がある場合、これは送信アンテナ２１０ａ及び第１の同軸ケーブル２２０で殆ど微弱に反射する。これはプラズマ１００ａと送信アンテナ２１０ａとの間のシース（sheath）空間に一種の共振器（cavity）による共鳴（resonance）を起こすことにより、電磁波の吸収が強く起きるようになり、反射する電磁波の信号が最も微弱になる。即ち、送信アンテナから再び反射する割合が小さいことを意味するところ、微弱に反射した電磁波の周波数帯域及び振幅などを分析して吸収された電磁波の当該周波数帯域を獲得／分析することができる。従って、吸収周波数帯域を分析／獲得することができる構造が設けられる。
【００４０】
このような一連される電磁波の発生及び送出指令と、分析周波数データとを基に電子密度及び電子温度の演算のために具備されるのがコンピュータ５００であって、電磁波発生器３００及び周波数分析器４００に電気的に連結されている。
【００４１】
これにより、電磁波送受信機２００が反応容器１００内のプラズマ１００ａに対して接続され、電磁波を送出する場合、微弱に受信される電磁波から周波数帯域などが把握され、このようなカットオフ周波数及び吸収周波数のデータがコンピュータ５００に伝送される。この時、コンピュータ５００には、周波数を基に電子密度及び／または電子温度を演算することができる計算式がプログラムされているところ、当該プラズマ１００ａの電子密度及び電子温度の演算及び獲得の可能な構造が設けられ得る。
【００４２】
図３は、図１に示された電磁波送受信機２００の反応容器１００内の移送を示す構成図である。図３に示されたように、本発明によるモニタリング装置には、移送機６００が含まれている。電磁波送受信機２００の他側に連結されているのがこのような移送機６００である。
【００４３】
本発明において移送機６００は、より望ましくはステピングモーター構造、または油圧シリンダー構造のように直線移送の具現が可能な動力構造を取っており、円筒状反応容器１００内で半径方向に沿って移送が可能になるように設けられた電磁波送受信機２００を直線往復移送させ得る構造を設けるようになる。
【００４４】
このように電磁波送受信機２００の直線移送が可能になるように移送機６００が具備されることにより、電磁波送受信機２００がプラズマ１００ａ 内で直線移送しながら電磁波を送／受信するようになり、当該プラズマ１００ａの電子密度及び電子温度の空間分布を分析、測定及びモニタリングできる構造が設けられ得る。
【００４５】
図４ａは、本発明によるモニタリング装置で分析されたカットオフ周波数に関するグラフ図であり、図４bは、本発明によるモニタリング装置で分析された吸収周波数に関するグラフ図である。先ず、図４ａに示されたように、Ｘ軸は周波数帯域（Ｈｚ単位）であり、Ｙ軸は受信アンテナ２２０ａに受信された電磁波（ａ．ｕ．単位）の振幅である。周波数の強さが大きくなるほど振幅が大きくなってから、約１．５×１０９Ｈｚ程度で小さくなりながら２．５×１０９Ｈｚ程度の周波数強さ領域で最小になることが分かる（矢印式で表示された部位）。このように受信された電磁波を周波数帯域対比振幅として表したもののうち、最も低い振幅を表す部分がカットオフ周波数である。
【００４６】
前記カットオフ周波数は、先に言及されたように、送信アンテナ２１０ａからプラズマ１００ａへ電磁波を送出した場合、プラズマ１００ａを透過することができない帯域の周波数である。これにより、受信アンテナ２２０ａで極めて弱い信号が受信されるが、このようなカットオフ周波数がプラズマ１００ａの電子密度を検出するのに指標として機能する。
【００４７】
本発明では、電磁波発生器３００から電磁波が発生され、電磁波は第１の同軸ケーブル２１０を介して送信アンテナ２１０ａへ周波数別に一連されるように伝送され、プラズマ１００ａに送出される作動構造を有する。
【００４８】
そして、このように送出されてからプラズマ１００ａでカットオフされて微弱になった電磁波は、受信アンテナ２２０ａで続けて受信され、第２の同軸ケーブル２２０に連結された周波数分析器４００へ送出され、周波数帯域別に分析される。このような分析データは、コンピュータ５００へ伝送され、図４ａのようなグラフにて表示される。そして、このうち、最も低い振幅の周波数帯域としてグラフに表示されるのがカットオフ周波数である。従って、このような作動に応じて獲得されたカットオフ周波数を基にコンピュータ５００で当該プラズマ１００ａの電子密度を演算／獲得することができる構造が設けられる。
【００４９】
あわせて、図４ｂに示されたように、Ｘ軸は周波数帯域（Ｈｚ単位）であり、Ｙ軸は所定の反射係数（ｄＢ単位）である。これにより、電磁波が当該プラズマ１００ａへ送出される場合、反射して受信される過程を通じて最も低い反射係数を有する当該周波数の電磁波を分析する場合、吸収周波数の獲得が可能である。
【００５０】
このように獲得された吸収周波数の分析データは、コンピュータ５００へ伝送され、これを基に当該プラズマ１００ａの電子温度を測定することができる構造が設けられる。
【００５１】
図５は、本発明によるモニタリング装置で測定した電子密度及び電子温度に関するグラフ図である。図５に示されたように、Ｘ軸は反応容器１００内のプラズマ１００ａの圧力（ｍＴｏｒｒ単位）であり、右側のＹ軸が圧力別プラズマ１００ａの電子密度（ｃｍ-３単位）であり、左側のＹ軸が圧力別プラズマ１００ａの電子温度（ｅＶ単位）である。
【００５２】
本発明にアルゴン（Ａｒ）プラズマを使用する場合、プラズマ密度は、ガス圧力が増加するのに応じて高くなり、これとは異なってプラズマ１００ａの電子温度は、放電ガス圧力が高いほど低くなることが分かる。
【００５３】
従って、直線と三角形とで表示された電子密度のグラフの傾きと、直線と四角形とで表示された電子温度のグラフの傾きとが互いに相反することが分かる。
【００５４】
以上のような本発明によるプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置において、反応容器１００の一側部へ移送機６００が結合された１つの電磁波送受信機２００が実装された構造が例示されている。しかし、この他に、反応容器１００の他側部、上部、下部へ別の電磁波送受信機２００が垂直実装され、各電磁波送受信機２００別に移送機６００が結合され、反応容器１００内の各軸方向へ移送されながらＸ−Ｙ−Ｚ軸の３次元電子密度及び電子温度空間分布を測定する構造も本発明に属するのは勿論である。
【００５５】
また、電磁波送受信手段として、直線型の送信アンテナ２１０ａと、受信アンテナ２２０ａとが例示されているが、ルーフアンテナ、スーパーターンスタイルアンテナ、ヤギアンテナ、パラボラアンテナなどから選択して使用することができる。
【００５６】
一方、図６に示したように、前述した本発明の電子温度のモニタリング装置を利用した電子温度のモニタリング方法は、電磁波発生器３００から所定周波数の電磁波を送信アンテナ２１０ａへ認可する第１のステップＳ１と；送信アンテナ２１０ａから放出された電磁波を受信アンテナ２２０ａが受信して周波数を分析する第２のステップＳ２と；周波数分析によってカットオフ周波数を測定する第３のステップＳ３と；カットオフ周波数を利用してプラズマ密度を計算する第４のステップＳ４と；電磁波発生器３００から電磁波を送信し、送信アンテナ２１０ａへ戻る反射波をモニターし、表面波吸収周波数を測定する第５のステップＳ５と、第４のステップＳ４及び第５のステップＳ５で求められたプラズマ密度と吸収周波数とを利用して電子温度を計算する第６のステップＳ６から構成される。
【００５７】
通常的なプラズマを使用するある工程の場合、プラズマ自体はその状態を代弁する固有したプラズマ周波数がある。プラズマ周波数は、プラズマ密度と直接的な関係があり、このプラズマ周波数を測定すると、プラズマ電子密度を直接的に測定することができるようになる。
【００５８】
通常的な電磁波の周波数がプラズマ周波数に該当する場合、この電磁波をプラズマに入射させると、カットオフ（cutoff）になってプラズマを透過することができない性質がある。従って、電磁波発生装置から５０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数を送信アンテナへ送ると、送信アンテナから放出された電磁波は受信アンテナへ受信される。
【００５９】
この時、プラズマ密度に応じて決まるプラズマ周波数を有する電磁波は、プラズマを通過することができず、受信アンテナへ受信にならないとか極めて弱い信号のみ受信される。
【００６０】
即ち、図４ａに示したように、周波数分析器４００で周波数スペクトラムを見ると、最も低いサイズのカットオフ周波数を見出すことができ、このカットオフ周波数が即ち、プラズマ周波数（ωｐｅ）である。これにより下記の数１によってプラズマ電子密度を求めることができる。
［数１］
ωｐｅ＝［ｎｅｅ２／εｏｍｅ］１／２
ここで、ωｐｅは、プラズマ周波数、ｎｅは、プラズマ電子密度、εｏは、真空中の誘電率、ｅ及びｍｅは、電子電荷及び質量である。
【００６１】
一方、電磁波発生器３００から電磁波を送信し、送信アンテナ２１０ａで戻る反射波をモニターすると、送信アンテナ２１０ａの表面波吸収周波数を測定することができる。
【００６２】
即ち、図１の送信アンテナ２１０ａから反射する電磁波のスペクトラムを図４bに示した。この時、表面波の分散式は、次の数２で示される。
［数２］
[１−［ωｐｅ／ω］２]＝
｛Ｋｍ（βａ）Ｉｍ′（βａ）Ｋｍ（βb）− Ｋｍ'（βａ）Ｉｍ（βb）｝／｛Ｋｍ'（βａ）Ｉｍ（βａ）Ｋｍ（βb）− Ｋｍ（βａ）Ｉｍ（βb）｝
ここで、ωは、吸収周波数、ωｐｅは、プラズマ周波数、Ｋｍ、Ｉｍ、Ｋｍ'及びＩｍ'は、修正ベッセル関数（modified Bessel function）、β=２π／λ、λ=２ｌ、ｌは、送信アンテナの長さ、ａは、送信アンテナの金属部の中心からシース（sheath）境界までの半径、ｂは、送信アンテナの金属部の半径を示す。
【００６３】
また、上述した数２の表面波の分散式と、下記の数３によって定義されるデバイ（Debye）長さλｄ及びシース（sheath）の幅（width）であるｓを利用して電子温度Ｔｅを求めることができる。図２に送信アンテナのシース（sheath）幅（width）であるｓと、ａ及びｂとの関係が示されている。
［数３］
λｄ＝（εｏＴｅ／ｎｅｅ２）１／２
ｓ＝ｎλｄ
ここで、λｄは、デバイ（Debye）長さ、Ｔｅは、電子温度、ｎｅは、プラズマ電子密度、εｏは、真空中の誘電率、ｅは、電子電荷、ｓは、シース（sheath）の幅（width）であって、ｓ＝ａ−ｂであり、ｎは、任意の定数である。
【００６４】
従って、カットオフ周波数は、プラズマ周波数ωｐｅであり、他の変数などは、構造的なアンテナサイズに該当する定数なので、吸収周波数ωを測定すれば、電子温度Ｔｅを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明によるプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置の構成図である。
【図２】図１に示された送／受信アンテナ周辺の断面構成図である。
【図３】図１に示された電磁波送受信機の反応容器内の移送を示す構成図である。
【図４ａ】本発明によるモニタリング装置で分析されたカットオフ周波数に関するグラフ図である。
【図４ｂ】本発明によるモニタリング装置で分析された吸収周波数に関するグラフ図である。
【図５】本発明によるモニタリング装置で測定した電子密度及び電子温度に関するグラフ図である。
【図６】本発明によるプラズマ電子温度測定方法をステップ的に示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００６６】
１００ 反応容器
１００ａ プラズマ
２００ 電磁波送受信機
２１０、２２０ 同軸ケーブル
２１０ａ、２２０ａ アンテナ
２３０ 誘電体被覆層
３００ 電磁波発生器
４００ 周波数分析器
５００ コンピュータ
６００ 移送機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを使用する工程（例えば、半導体製造工程など）の状態をモニタリングするために、プラズマの電子密度及び電子温度と相関関係を有する当該各固有周波数を探知／スキャンして電子密度及び電子温度を測定及びモニタリングする技術に関するものである。より詳細には、当該プラズマに対して一連される帯域の電磁波を送／受信するようにアンテナ構造の探針機が実装される。これに加えて、送信された電磁波のうち、当該プラズマに対してカットオフ（cutoff）されるとか吸収される特定の電磁波カットオフ周波数（cutoff frequency）及び吸収周波数（ａbsorption frequency）の帯域を分析し、これに基づいて当該プラズマの電子密度及び電子温度を演算するように分析道具が具備されるプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置並びに方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体製造工程では工程の微細化、低温化の必要性のため、プラズマが広く活用されている。半導体素子を製造するために使用される装備としては、 ウェハの所定領域に所望の不純物を注入するイオン注入装備、熱酸化膜を成長させるためのファーニス、導電膜または絶縁膜をウェハ上に蒸着させるための蒸着装備、及び前記蒸着された導電膜または絶縁膜を所望の形態にパターニングするための露光装備と蝕刻装備とがある。
【０００３】
これら装備のうちで、ウェハ上に所定の物質膜を蒸着するとかウェハに形成された所定の物質膜を蝕刻する装備としては、真空状態の密閉されたチャンバ内にプラズマを形成し、反応ガスを注入して物質膜を蒸着するとか蝕刻するプラズマ装備が広く使用されている。これはプラズマを利用して物質膜を蒸着する場合、ウェハに形成された不純物領域内の不純物などがこれ以上拡散しないなど低温で工程を進行することができ、大口径のウェハに形成される物質膜の厚さの均一度が優れたためである。
【０００４】
これと同様に、プラズマを利用してウェハ上に形成された所定の物質膜を蝕刻する場合、ウェハの全体にかけて蝕刻の均一性が優れたためである。
【０００５】
このようなプラズマ装置において、プラズマ内の電子密度、イオン密度を測定できる道具として、 ラングミュアプローブ（lａngmuir probe）、プラズマオシレーションプローブ、プラズマ吸収プローブ、ＯＥＳ（Opticａl Emission Spectroscopy）、 レーザートムソン分散（lａser thomson scａttering）方法などがある。
【０００６】
このうち、普遍的に使用されていたのがラングミュアプローブ（lａngmuir probe）である。従来のラングミュアプローブのプラズマ特性の測定原理は、外部からプラズマチャンバ内のプラズマに探針を挿入し、外部から供給される直流電源を可変して陰電位から陽電位に、略−２００Ｖから２００Ｖまでの範囲で電圧を変更させて測定する。
【０００７】
この時、陰電圧が探針先にかかると、プラズマ内の陽イオンが探針へ捕執され、イオンによる電流が発生するようになる。また、陽電圧が探針先にかかるようになると、プラズマ内の電子などが探針へ捕執され、電子による電流が発生するようになる。この時、発生した電流を測定して探針に加えられた電圧との相関関係を分析することにより、プラズマの濃度を測定することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来のラングミュアプローブは、チャンバ内に探針を挿入してプラズマの濃度を測定するため、工程が進行される間にリアルタイムでプラズマの濃度を測定することができる。しかし、ＲＦ（rａdio frequency）オシレーションによるノイズ問題、半導体工程における薄膜物質の蒸着工程の時、探針に蒸着される問題、乾式蝕刻工程の時、探針が蝕刻されて小さくなるなどの問題点を抱いているため、実際の量産工程に対する適用に大きな制約を受ける問題点がある。
【０００９】
また、従来のプラズマオシレーションプローブは、電子ビームを使用する構造であり、電子ビームを作るために熱線を使用するが、約５０ｍＴｏｒｒ（約６．６５Ｐａ）以上の圧力では、当該熱線が切れるなど動作条件が狭く限定される問題点があって来た。また、熱電子を放出するために加熱する時、熱線の蒸発によって反応容器の汚染する問題点がある。
【００１０】
そして、従来のプラズマ吸収プローブは、作動以前に正確なプラズマ密度診断道具として校正をしなければならない煩わしい問題点があって来た。これを改善した構造があるが、改善した構造では測定密度の絶対値を求めるために、多くのステップの複雑な計算過程が必要であり、この時、物理的に仮定された条件が内包されるので、実効性の落ちる問題点がある。
【００１１】
あわせて、上述のＯＥＳを利用した電子温度測定方法も十分なデータが構築されなく、常用するには現実性の落ちる問題点がある。
【００１２】
最後に、レーザートムソン分散を利用した方法は、体積が大きく、構造が非常に複雑で研究室内での使用のみに限定され、その以外の量産体系には適用が難しい問題点がある。
【００１３】
従って、このような従来の問題点などを克服し、プラズマの電子密度及び電子温度をより早く、且つ正確に測定し、リアルタイムでその工程をモニタリングすることは勿論、量産体系に対する適用に制限が減った装置構造の技術開発が至急な実情である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
従って、本発明の前記のような従来の問題点などを鑑みて導出されたものであって、本発明の第１の目的は、電子密度及び電子温度と相関関係を有する周波数帯域をリアルタイムで測定／モニタリングすることができるように一連される帯域の電磁波を送／受信するアンテナ構造の電磁波送受信機を含むプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置を提供することである。
【００１５】
そして、本発明の第２の目的は、受信される電磁波の周波数帯域を基に当該電子密度及び電子温度と相関関係を有するカットオフ周波数及び吸収周波数を分析するように周波数分析器を含むプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置を提供することである。
【００１６】
あわせて、本発明の第３の目的は、プラズマ反応容器内の位置別のプラズマ電子密度及び電子温度の測定で空間分布を把握できるように反応容器の内部で電磁波送受信機を移送させるための移送機を含むプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置を提供することである。
【００１７】
このような本発明の目的などは、一連される周波数帯域の電磁波が連続送出される電磁波発生器と；送出される電磁波の周波数がプラズマの電子密度及び電子温度に対して相関関係を有するように反応容器内のプラズマに接続され、電磁波発生器に電気的に連結されて電磁波を送出する電磁波送受信機と；電磁波送受信機から受信される電磁波の周波数を分析するように電磁波送受信機に電気的に連結される周波数分析器と；及び電磁波の周波数帯域別の送出指令と、分析データに基づいた電子密度及び電子温度と当該各電磁波相関関係の演算のために電磁波発生器及び周波数分析器に電気的に連結されるコンピュータと；を含んで構成されることを特徴とするプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置によって達成される。
【００１８】
ここで、電磁波送受信機は、電磁波発生器及び周波数分析器に各々電気的に連結され、互いに併設される第１の同軸ケーブル及び第２の同軸ケーブルと、電磁波の送／受信のために第１の同軸ケーブル及び第２の同軸ケーブルの一端に同一軸線上へ各々連結／突出され、プラズマに接続される送信アンテナ及び受信アンテナとを含んで構成されるのが望ましい。
【００１９】
この時、各同軸ケーブルには所定の厚さで外装／遮蔽される誘電体被覆層が更に含まれるのが望ましい。
【００２０】
そして、電磁波送受信機が反応容器内で選択的に移送され得るように電磁波送受信機の他側に連結される移送機が更に含まれるのが望ましい。
【００２１】
この時、移送機は、ステッピングモータで駆動される構造であるのが望ましい。
【００２２】
または、移送機は、油圧シリンダーで駆動される構造であるのが望ましい。
【００２３】
ここで、電磁波送受信機は、反応容器の半径方向に沿って設けられるのが反応容器内部のプラズマ特性分布の把握に望ましい。
【００２４】
本発明のその他の目的、特定の長所など及び新規な特徴などは、添付された図面などと関連される以下の詳細な説明及び望ましい実施例などから更に明らかになるだろう。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によるプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置並びに方法によれば、プラズマの電子密度及び電子温度を固有周波数の検出で測定することができる構造であるので、半導体製造工程の薄膜プラズマ化学蒸着法、乾式蝕刻工程におけるプラズマ工程装備に適用して使用することができる特徴がある。
【００２６】
そして、プラズマリアルタイムモニタリング装備として使用することができるから、即刻的な工程装備状態のチェックが可能であり、更に信頼性のある工程装備としての活用が可能な効果がある。
【００２７】
本発明が前記で言及した望ましい実施例と関連して説明されたが、本発明の要旨と範囲とから脱することなく、他の多様な修正及び変形が可能だろう。従って、添付された特許請求の範囲は本発明の真正な範囲内に属するこのような修正及び変形を含むと予想される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下では本発明によるプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置に関して添付された図面と共に詳細に説明するようにする。
【００２９】
図１は、本発明によるプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置の構成図であり、図２は、図１に示された送／受信アンテナ周辺の断面構成図である。図１及び図２に示されたように、本発明によるモニタリング装置は、電磁波とプラズマ１００ａの特性（特に電子密度、電子温度など）との間の相関関係を明らかにし、該当特性値を測定してリアルタイムでモニタリングするためのものである。
【００３０】
このような相関関係を有するように本モニタリング装置には、プラズマ１００ａに対して電磁波を送受信するための電磁波送受信機２００が含まれており、このような送／受信のために電磁波送受信機２００は、アンテナ構造を取っている。
【００３１】
円筒状の反応容器１００に盛られたのは、プラズマ１００ａである。このようなプラズマ１００ａに特定帯域の電磁波が送出される場合、当該電磁波がカットオフされるとか吸収される場合が発生すると知られている。このようなカットオフまたは吸収される周波数帯域の特定電磁波は、プラズマ１００ａの電子密度または電子温度の指標になるので、このような電磁波とプラズマ１００ａとの相関関係を基に当該プラズマ１００ａの電子密度及び電子温度を獲得することができる。
【００３２】
このような相関関係は、先に言及された電磁波送受信機２００においてなされ、このような電磁波送受信機２００に対して電磁波を送るとか受信された電磁波を分析するように電磁波送受信機２００に電気的に連結されているのが電磁波発生器３００及び周波数分析器４００である。
【００３３】
ここで、電磁波送受信機２００は、並んで併設された構造の２つの同軸ケーブルから構成されており、この時、各同軸ケーブル２１０、２２０には、ノイズ、熱などにより影響を受けないように別の誘電体被覆層２３０とグラウンドシールド線（Ground Shield）とが包んでいるから、より正確に電磁波の送出及び受信が担保され得る構造を設けている。誘電体被覆層２３０の材料としては、アルミナ（Ａluminａ）または石英（Quａrtz）になり得る。
【００３４】
そして、このような各同軸ケーブル２１０、２２０の一側には、同一軸線上に送／受信アンテナ２１０ａ、２２０ｂが各々連結／突出され、電磁波をプラズマ１００ａに送出／受信する。
【００３５】
図２の送／受信アンテナ周辺の断面構成図に示されたように、プラズマ内に半径ｂである金属アンテナ２１０ａ、２２０ｂが挿入されると、アンテナの外表面に厚さｓであるシース（sheath）２４０が形成され、アンテナの周りを包むようになる。本発明では、例示として各アンテナ２１０ａ、２２０ａが約１ｍｍ〜５ｍｍ程度の間隔を置いており、いずれも約５ｍｍ〜１０ｍｍ程度の長さを有している。前記の間隔は、製作上具現されたものであり、より小さいほど良い。そして、各アンテナ２１０ａ、２２０ａの長さは、使用する電磁波の波長に応じて異にすることができる。
【００３６】
上の電磁波発生器３００は、第１の同軸ケーブル２１０の他側に連結され、約５０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚ間の周波数帯域の電磁波を連続的に第１の同軸ケーブル２１０及び送信アンテナ２１０ａに伝送させ、結果的にプラズマ１００ａに対して一連される周波数帯域の電磁波が連続的に送出され得る構造を設ける。この時、送出された電磁波のうち、プラズマ１００ａに対してカットオフされるのがカットオフ周波数であり、これは当該プラズマ１００ａ 電子密度の演算及び獲得の指標として機能することができる。また、プラズマ１００ａに吸収される帯域の電磁波は、吸収電磁波であり、当該プラズマ１００ａ電子温度の演算及び獲得の指標として機能することができる。
【００３７】
あわせて、第２の同軸ケーブル２２０の他側に連結されているのが周波数分析器４００であって、受信アンテナ２２０ａ及び第２の同軸ケーブル２２０で受信されて獲得される電磁波の周波数から振幅を分析することができる。
【００３８】
ところで、送出された電磁波がカットオフされる場合、この時の電磁波は受信アンテナ２２０ａにおける受信率が極めて微弱であると知られているところ、最も弱い受信率の電磁波がカットオフ周波数として分析され得る。周波数分析器４００では、獲得された電磁波の周波数及び振幅などを分析し、最も微弱な周波数を識別することができるので、カットオフ周波数を分析／獲得することができる構造が設けられる。
【００３９】
また、プラズマ１００ａに吸収される電磁波がある場合、これは送信アンテナ２１０ａ及び第１の同軸ケーブル２２０で殆ど微弱に反射する。これはプラズマ１００ａと送信アンテナ２１０ａとの間のシース（sheath）空間に一種の共振器（cavity）による共鳴（resonance）を起こすことにより、電磁波の吸収が強く起きるようになり、反射する電磁波の信号が最も微弱になる。即ち、送信アンテナから再び反射する割合が小さいことを意味するところ、微弱に反射した電磁波の周波数帯域及び振幅などを分析して吸収された電磁波の当該周波数帯域を獲得／分析することができる。従って、吸収周波数帯域を分析／獲得することができる構造が設けられる。
【００４０】
このような一連される電磁波の発生及び送出指令と、分析周波数データとを基に電子密度及び電子温度の演算のために具備されるのがコンピュータ５００であって、電磁波発生器３００及び周波数分析器４００に電気的に連結されている。
【００４１】
これにより、電磁波送受信機２００が反応容器１００内のプラズマ１００ａに対して接続され、電磁波を送出する場合、微弱に受信される電磁波から周波数帯域などが把握され、このようなカットオフ周波数及び吸収周波数のデータがコンピュータ５００に伝送される。この時、コンピュータ５００には、周波数を基に電子密度及び／または電子温度を演算することができる計算式がプログラムされているところ、当該プラズマ１００ａの電子密度及び電子温度の演算及び獲得の可能な構造が設けられ得る。
【００４２】
図３は、図１に示された電磁波送受信機２００の反応容器１００内の移送を示す構成図である。図３に示されたように、本発明によるモニタリング装置には、移送機６００が含まれている。電磁波送受信機２００の他側に連結されているのがこのような移送機６００である。
【００４３】
本発明において移送機６００は、より望ましくはステピングモーター構造、または油圧シリンダー構造のように直線移送の具現が可能な動力構造を取っており、円筒状反応容器１００内で半径方向に沿って移送が可能になるように設けられた電磁波送受信機２００を直線往復移送させ得る構造を設けるようになる。
【００４４】
このように電磁波送受信機２００の直線移送が可能になるように移送機６００が具備されることにより、電磁波送受信機２００がプラズマ１００ａ 内で直線移送しながら電磁波を送／受信するようになり、当該プラズマ１００ａの電子密度及び電子温度の空間分布を分析、測定及びモニタリングできる構造が設けられ得る。
【００４５】
図４ａは、本発明によるモニタリング装置で分析されたカットオフ周波数に関するグラフ図であり、図４bは、本発明によるモニタリング装置で分析された吸収周波数に関するグラフ図である。先ず、図４ａに示されたように、Ｘ軸は周波数帯域（Ｈｚ単位）であり、Ｙ軸は受信アンテナ２２０ａに受信された電磁波（ａ．ｕ．単位）の振幅である。周波数の強さが大きくなるほど振幅が大きくなってから、約１．５×１０９Ｈｚ程度で小さくなりながら２．５×１０９Ｈｚ程度の周波数強さ領域で最小になることが分かる（矢印式で表示された部位）。このように受信された電磁波を周波数帯域対比振幅として表したもののうち、最も低い振幅を表す部分がカットオフ周波数である。
【００４６】
前記カットオフ周波数は、先に言及されたように、送信アンテナ２１０ａからプラズマ１００ａへ電磁波を送出した場合、プラズマ１００ａを透過することができない帯域の周波数である。これにより、受信アンテナ２２０ａで極めて弱い信号が受信されるが、このようなカットオフ周波数がプラズマ１００ａの電子密度を検出するのに指標として機能する。
【００４７】
本発明では、電磁波発生器３００から電磁波が発生され、電磁波は第１の同軸ケーブル２１０を介して送信アンテナ２１０ａへ周波数別に一連されるように伝送され、プラズマ１００ａに送出される作動構造を有する。
【００４８】
そして、このように送出されてからプラズマ１００ａでカットオフされて微弱になった電磁波は、受信アンテナ２２０ａで続けて受信され、第２の同軸ケーブル２２０に連結された周波数分析器４００へ送出され、周波数帯域別に分析される。このような分析データは、コンピュータ５００へ伝送され、図４ａのようなグラフにて表示される。そして、このうち、最も低い振幅の周波数帯域としてグラフに表示されるのがカットオフ周波数である。従って、このような作動に応じて獲得されたカットオフ周波数を基にコンピュータ５００で当該プラズマ１００ａの電子密度を演算／獲得することができる構造が設けられる。
【００４９】
あわせて、図４ｂに示されたように、Ｘ軸は周波数帯域（Ｈｚ単位）であり、Ｙ軸は所定の反射係数（ｄＢ単位）である。これにより、電磁波が当該プラズマ１００ａへ送出される場合、反射して受信される過程を通じて最も低い反射係数を有する当該周波数の電磁波を分析する場合、吸収周波数の獲得が可能である。
【００５０】
このように獲得された吸収周波数の分析データは、コンピュータ５００へ伝送され、これを基に当該プラズマ１００ａの電子温度を測定することができる構造が設けられる。
【００５１】
図５は、本発明によるモニタリング装置で測定した電子密度及び電子温度に関するグラフ図である。図５に示されたように、Ｘ軸は反応容器１００内のプラズマ１００ａの圧力（ｍＴｏｒｒ単位）であり、右側のＹ軸が圧力別プラズマ１００ａの電子密度（ｃｍ-３単位）であり、左側のＹ軸が圧力別プラズマ１００ａの電子温度（ｅＶ単位）である。
【００５２】
本発明にアルゴン（Ａｒ）プラズマを使用する場合、プラズマ密度は、ガス圧力が増加するのに応じて高くなり、これとは異なってプラズマ１００ａの電子温度は、放電ガス圧力が高いほど低くなることが分かる。
【００５３】
従って、直線と三角形とで表示された電子密度のグラフの傾きと、直線と四角形とで表示された電子温度のグラフの傾きとが互いに相反することが分かる。
【００５４】
以上のような本発明によるプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置において、反応容器１００の一側部へ移送機６００が結合された１つの電磁波送受信機２００が実装された構造が例示されている。しかし、この他に、反応容器１００の他側部、上部、下部へ別の電磁波送受信機２００が垂直実装され、各電磁波送受信機２００別に移送機６００が結合され、反応容器１００内の各軸方向へ移送されながらＸ−Ｙ−Ｚ軸の３次元電子密度及び電子温度空間分布を測定する構造も本発明に属するのは勿論である。
【００５５】
また、電磁波送受信手段として、直線型の送信アンテナ２１０ａと、受信アンテナ２２０ａとが例示されているが、ルーフアンテナ、スーパーターンスタイルアンテナ、ヤギアンテナ、パラボラアンテナなどから選択して使用することができる。
【００５６】
一方、図６に示したように、前述した本発明の電子温度のモニタリング装置を利用した電子温度のモニタリング方法は、電磁波発生器３００から所定周波数の電磁波を送信アンテナ２１０ａへ認可する第１のステップＳ１と；送信アンテナ２１０ａから放出された電磁波を受信アンテナ２２０ａが受信して周波数を分析する第２のステップＳ２と；周波数分析によってカットオフ周波数を測定する第３のステップＳ３と；カットオフ周波数を利用してプラズマ密度を計算する第４のステップＳ４と；電磁波発生器３００から電磁波を送信し、送信アンテナ２１０ａへ戻る反射波をモニターし、表面波吸収周波数を測定する第５のステップＳ５と、第４のステップＳ４及び第５のステップＳ５で求められたプラズマ密度と吸収周波数とを利用して電子温度を計算する第６のステップＳ６から構成される。
【００５７】
通常的なプラズマを使用するある工程の場合、プラズマ自体はその状態を代弁する固有したプラズマ周波数がある。プラズマ周波数は、プラズマ密度と直接的な関係があり、このプラズマ周波数を測定すると、プラズマ電子密度を直接的に測定することができるようになる。
【００５８】
通常的な電磁波の周波数がプラズマ周波数に該当する場合、この電磁波をプラズマに入射させると、カットオフ（cutoff）になってプラズマを透過することができない性質がある。従って、電磁波発生装置から５０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数を送信アンテナへ送ると、送信アンテナから放出された電磁波は受信アンテナへ受信される。
【００５９】
この時、プラズマ密度に応じて決まるプラズマ周波数を有する電磁波は、プラズマを通過することができず、受信アンテナへ受信にならないとか極めて弱い信号のみ受信される。
【００６０】
即ち、図４ａに示したように、周波数分析器４００で周波数スペクトラムを見ると、最も低いサイズのカットオフ周波数を見出すことができ、このカットオフ周波数が即ち、プラズマ周波数（ωｐｅ）である。これにより下記の数１によってプラズマ電子密度を求めることができる。
［数１］
ωｐｅ＝［ｎｅｅ２／εｏｍｅ］１／２
ここで、ωｐｅは、プラズマ周波数、ｎｅは、プラズマ電子密度、εｏは、真空中の誘電率、ｅ及びｍｅは、電子電荷及び質量である。
【００６１】
一方、電磁波発生器３００から電磁波を送信し、送信アンテナ２１０ａで戻る反射波をモニターすると、送信アンテナ２１０ａの表面波吸収周波数を測定することができる。
【００６２】
即ち、図１の送信アンテナ２１０ａから反射する電磁波のスペクトラムを図４bに示した。この時、表面波の分散式は、次の数２で示される。
［数２］
[１−［ωｐｅ／ω］２]＝
｛Ｋｍ（βａ）Ｉｍ′（βａ）Ｋｍ（βb）− Ｋｍ'（βａ）Ｉｍ（βb）｝／｛Ｋｍ'（βａ）Ｉｍ（βａ）Ｋｍ（βb）− Ｋｍ（βａ）Ｉｍ（βb）｝
ここで、ωは、吸収周波数、ωｐｅは、プラズマ周波数、Ｋｍ、Ｉｍ、Ｋｍ'及びＩｍ'は、修正ベッセル関数（modified Bessel function）、β=２π／λ、λ=２ｌ、ｌは、送信アンテナの長さ、ａは、送信アンテナの金属部の中心からシース（sheath）境界までの半径、ｂは、送信アンテナの金属部の半径を示す。
【００６３】
また、上述した数２の表面波の分散式と、下記の数３によって定義されるデバイ（Debye）長さλｄ及びシース（sheath）の幅（width）であるｓを利用して電子温度Ｔｅを求めることができる。図２に送信アンテナのシース（sheath）幅（width）であるｓと、ａ及びｂとの関係が示されている。
［数３］
λｄ＝（εｏＴｅ／ｎｅｅ２）１／２
ｓ＝ｎλｄ
ここで、λｄは、デバイ（Debye）長さ、Ｔｅは、電子温度、ｎｅは、プラズマ電子密度、εｏは、真空中の誘電率、ｅは、電子電荷、ｓは、シース（sheath）の幅（width）であって、ｓ＝ａ−ｂであり、ｎは、任意の定数である。
【００６４】
従って、カットオフ周波数は、プラズマ周波数ωｐｅであり、他の変数などは、構造的なアンテナサイズに該当する定数なので、吸収周波数ωを測定すれば、電子温度Ｔｅを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明によるプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置の構成図である。
【図２】図１に示された送／受信アンテナ周辺の断面構成図である。
【図３】図１に示された電磁波送受信機の反応容器内の移送を示す構成図である。
【図４ａ】本発明によるモニタリング装置で分析されたカットオフ周波数に関するグラフ図である。
【図４ｂ】本発明によるモニタリング装置で分析された吸収周波数に関するグラフ図である。
【図５】本発明によるモニタリング装置で測定した電子密度及び電子温度に関するグラフ図である。
【図６】本発明によるプラズマ電子温度測定方法をステップ的に示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００６６】
１００ 反応容器
１００ａ プラズマ
２００ 電磁波送受信機
２１０、２２０ 同軸ケーブル
２１０ａ、２２０ａ アンテナ
２３０ 誘電体被覆層
３００ 電磁波発生器
４００ 周波数分析器
５００ コンピュータ
６００ 移送機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一連される周波数帯域の電磁波が連続送出される電磁波発生器と；
送出される前記電磁波の周波数がプラズマの電子密度及び電子温度に対して相関関係を有するように反応容器内のプラズマに接続され、前記電磁波発生器に電気的に連結されて電磁波を送出する電磁波送受信機と；
前記電磁波送受信機から受信される電磁波の周波数を分析するように前記電磁波送受信機に電気的に連結される周波数分析器と；及び
前記電磁波の周波数帯域別の送出指令と、分析データに基づいた前記電子密度及び電子温度と当該各電磁波の相関関係演算のために前記電磁波発生器及び周波数分析器に電気的に連結されるコンピュータと；を含んで構成されることを特徴とするプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項２】
前記電磁波送受信機は、前記電磁波発生器及び周波数分析器に各々電気的に連結され、互いに併設される第１の同軸ケーブル及び第２の同軸ケーブルと、
電磁波の送／受信のために前記第１の同軸ケーブル及び第２の同軸ケーブルの一端に同一軸線上へ各々連結／突出され、前記プラズマに接続される送信アンテナ及び受信アンテナとを含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項３】
前記各同軸ケーブルには所定厚さで外装／遮蔽される誘電体被覆層が更に含まれることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項４】
前記電磁波送受信機が前記反応容器内で選択的に移送され得るように前記電磁波送受信機の他側に連結される移送機が更に含まれることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項５】
前記移送機は、ステッピングモータで駆動される構造であることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項６】
前記電磁波送受信機は、前記反応容器の半径方向に沿って設けられることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項７】
前記移送機は、油圧シリンダーで駆動される構造であることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項８】
前記電磁波送受信機は、前記反応容器の半径方向に沿って設けられることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項９】
一連される周波数帯域の電磁波が連続送出される電磁波発生器と；送出される前記電磁波の周波数がプラズマの電子密度及び電子温度に対して相関関係を有するように反応容器内のプラズマに接続され、前記電磁波発生器に電気的に連結されて電磁波を送出する電磁波送受信機と；前記電磁波送受信機から受信される電磁波の周波数を分析するように前記電磁波送受信機に電気的に連結される周波数分析器と；及び前記電磁波の周波数帯域別の送出指令と、前記分析データに基づいた前記電子密度及び電子温度と当該各電磁波の相関関係演算のために前記電磁波発生器及び周波数分析器に電気的に連結されるコンピュータと；を含んだプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング方法において、
前記電磁波発生器から所定周波数の電磁波を送信アンテナへ認可する第１のステップと；
前記送信アンテナから放出された電磁波を受信アンテナが受信して周波数を分析する第２のステップと；
周波数分析によってカットオフ周波数を測定する第３のステップと；
カットオフ周波数を利用してプラズマ密度を計算する第４のステップと；
電磁波発生装置から電磁波を送信し、送信アンテナへ戻る反射波をモニターして表面波吸収周波数を測定する第５のステップと；
前記第４のステップ及び第５のステップで求められたプラズマ密度と吸収周波数を利用して電子温度を計算する第６のステップと；を含んでなることを特徴とするプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング方法。
【請求項１０】
前記第４のステップのプラズマ密度は、カットオフ周波数であるプラズマ周波数（ωｐｅ）の関係式である下記の数１によって求められることを特徴とする請求項９に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング方法。
［数１］
ωｐｅ＝［ｎｅｅ２／εｏｍｅ］１／２
ここで、ωｐｅは、プラズマ周波数、ｎｅは、プラズマ電子密度、εｏは、真空中の誘電率、ｅ及びｍｅは、電子電荷及び質量である。
【請求項１１】
前記第６のステップの電子温度Ｔｅは、下記の数２及び数３によって求められることを特徴とする請求項９に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング方法。
［数２］
[１−［ωｐｅ／ω］２]＝
｛Ｋｍ（βａ）Ｉｍ′（βａ）Ｋｍ（βb）− Ｋｍ'（βａ）Ｉｍ（βb）｝／｛Ｋｍ'（βａ）Ｉｍ（βａ）Ｋｍ（βb）− Ｋｍ（βａ）Ｉｍ（βb）｝
ここで、Ｋｍ、Ｉｍ、Ｋｍ'及びＩｍ'は、修正ベッセル関数（modified Bessel function）、β=２π／λ、λ=２ｌ、ｌは、送信アンテナの長さ、ａは、送信アンテナの金属部の中心からシース（sheath）境界までの半径、ｂは、送信アンテナの金属部の半径、 ωは、吸収周波数、ωｐｅは、プラズマ周波数である。
［数３］
λｄ＝（εｏＴｅ／ｎｅｅ２）１／２
ｓ＝ｎλｄ
ここで、λｄは、デバイ（Debye）長さ、Ｔｅは、電子温度、ｎｅは、プラズマ電子密度、εｏは、真空中の誘電率、ｅは、電子電荷、ｓは、シース（sheath）の幅（width）であって、ｓ＝ａ−ｂであり、ｎは、任意の定数である。
【請求項１】
一連される周波数帯域の電磁波が連続送出される電磁波発生器と；
送出される前記電磁波の周波数がプラズマの電子密度及び電子温度に対して相関関係を有するように反応容器内のプラズマに接続され、前記電磁波発生器に電気的に連結されて電磁波を送出する電磁波送受信機と；
前記電磁波送受信機から受信される電磁波の周波数を分析するように前記電磁波送受信機に電気的に連結される周波数分析器と；及び
前記電磁波の周波数帯域別の送出指令と、分析データに基づいた前記電子密度及び電子温度と当該各電磁波の相関関係演算のために前記電磁波発生器及び周波数分析器に電気的に連結されるコンピュータと；を含んで構成されることを特徴とするプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項２】
前記電磁波送受信機は、前記電磁波発生器及び周波数分析器に各々電気的に連結され、互いに併設される第１の同軸ケーブル及び第２の同軸ケーブルと、
電磁波の送／受信のために前記第１の同軸ケーブル及び第２の同軸ケーブルの一端に同一軸線上へ各々連結／突出され、前記プラズマに接続される送信アンテナ及び受信アンテナとを含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項３】
前記各同軸ケーブルには所定厚さで外装／遮蔽される誘電体被覆層が更に含まれることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項４】
前記電磁波送受信機が前記反応容器内で選択的に移送され得るように前記電磁波送受信機の他側に連結される移送機が更に含まれることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項５】
前記移送機は、ステッピングモータで駆動される構造であることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項６】
前記電磁波送受信機は、前記反応容器の半径方向に沿って設けられることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項７】
前記移送機は、油圧シリンダーで駆動される構造であることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項８】
前記電磁波送受信機は、前記反応容器の半径方向に沿って設けられることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング装置。
【請求項９】
一連される周波数帯域の電磁波が連続送出される電磁波発生器と；送出される前記電磁波の周波数がプラズマの電子密度及び電子温度に対して相関関係を有するように反応容器内のプラズマに接続され、前記電磁波発生器に電気的に連結されて電磁波を送出する電磁波送受信機と；前記電磁波送受信機から受信される電磁波の周波数を分析するように前記電磁波送受信機に電気的に連結される周波数分析器と；及び前記電磁波の周波数帯域別の送出指令と、前記分析データに基づいた前記電子密度及び電子温度と当該各電磁波の相関関係演算のために前記電磁波発生器及び周波数分析器に電気的に連結されるコンピュータと；を含んだプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング方法において、
前記電磁波発生器から所定周波数の電磁波を送信アンテナへ認可する第１のステップと；
前記送信アンテナから放出された電磁波を受信アンテナが受信して周波数を分析する第２のステップと；
周波数分析によってカットオフ周波数を測定する第３のステップと；
カットオフ周波数を利用してプラズマ密度を計算する第４のステップと；
電磁波発生装置から電磁波を送信し、送信アンテナへ戻る反射波をモニターして表面波吸収周波数を測定する第５のステップと；
前記第４のステップ及び第５のステップで求められたプラズマ密度と吸収周波数を利用して電子温度を計算する第６のステップと；を含んでなることを特徴とするプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング方法。
【請求項１０】
前記第４のステップのプラズマ密度は、カットオフ周波数であるプラズマ周波数（ωｐｅ）の関係式である下記の数１によって求められることを特徴とする請求項９に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング方法。
［数１］
ωｐｅ＝［ｎｅｅ２／εｏｍｅ］１／２
ここで、ωｐｅは、プラズマ周波数、ｎｅは、プラズマ電子密度、εｏは、真空中の誘電率、ｅ及びｍｅは、電子電荷及び質量である。
【請求項１１】
前記第６のステップの電子温度Ｔｅは、下記の数２及び数３によって求められることを特徴とする請求項９に記載のプラズマ電子密度及び電子温度のモニタリング方法。
［数２］
[１−［ωｐｅ／ω］２]＝
｛Ｋｍ（βａ）Ｉｍ′（βａ）Ｋｍ（βb）− Ｋｍ'（βａ）Ｉｍ（βb）｝／｛Ｋｍ'（βａ）Ｉｍ（βａ）Ｋｍ（βb）− Ｋｍ（βａ）Ｉｍ（βb）｝
ここで、Ｋｍ、Ｉｍ、Ｋｍ'及びＩｍ'は、修正ベッセル関数（modified Bessel function）、β=２π／λ、λ=２ｌ、ｌは、送信アンテナの長さ、ａは、送信アンテナの金属部の中心からシース（sheath）境界までの半径、ｂは、送信アンテナの金属部の半径、 ωは、吸収周波数、ωｐｅは、プラズマ周波数である。
［数３］
λｄ＝（εｏＴｅ／ｎｅｅ２）１／２
ｓ＝ｎλｄ
ここで、λｄは、デバイ（Debye）長さ、Ｔｅは、電子温度、ｎｅは、プラズマ電子密度、εｏは、真空中の誘電率、ｅは、電子電荷、ｓは、シース（sheath）の幅（width）であって、ｓ＝ａ−ｂであり、ｎは、任意の定数である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１６４２３（Ｐ２００８−１６４２３Ａ）
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２５８０２（Ｐ２００６−２２５８０２）
【出願日】平成１８年８月２２日（２００６．８．２２）
【出願人】（５９２１０４４７２）韓国標準科学研究院 (17)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２２日（２００６．８．２２）
【出願人】（５９２１０４４７２）韓国標準科学研究院 (17)
【Ｆターム（参考）】
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