(57)【要約】      （修正有）【課題】中性粒子ビームが照射される被処理体の加工状態を把握するため、被処理体と同じ位置において中性粒子ビームの諸特性（全エネルギーフラックス、残留イオン、光エネルギーフラックス）を観測することが可能な測定ユニットを提供する。【解決手段】測定ユニット１２は、真空処理空間内にあって、中性粒子ビームが照射される被処理体１１と同じ領域内に収容可能なチップ状の基材と、該基材に配された全エネルギーフラックスの測定部および残留イオンの測定部と、を少なくとも備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理空間内にあって、中性粒子ビームが照射される被処理体と同じ領域内に収容可能なチップ状の基材と、該基材に配された全エネルギーフラックスの測定部Ａおよび残留イオンの測定部Ｂと、を少なくとも備えたことを特徴とする測定ユニット。
【請求項２】
前記基材に配された光エネルギーフラックスの測定部Ｃを、さらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の測定ユニット。
【請求項３】
前記基材が、前記測定部Ａ，前記測定部Ｂ、前記測定部Ｃに対して、共通する１つの基板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定ユニット。
【請求項４】
前記基材が、前記測定部Ａ，前記測定部Ｂ、前記測定部Ｃに対して、それぞれ異なる基板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定ユニット。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の測定ユニットに接続された情報処理部を前記真空処理空間外に備え、該情報処理部は、前記測定部Ａから得られた全エネルギーフラックスの第一情報と、前記測定部Ｂから得られた残留イオンフラックスの第二情報および残留イオンエネルギー分布の第三情報とを用い、中性粒子ビームの中性化率を求めることを特徴する中性粒子ビームの測定装置。
【請求項６】
前記被処理体において中性粒子ビームが照射される領域に、前記測定ユニットを複数配置し、各測定ユニットが前記情報処理部と接続されていることを特徴する請求項５に記載の中性粒子ビームの測定装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の中性粒子ビームの測定装置に加え、イオナイザーとＱＭＳを備え、前記情報処理部は、前記イオナイザーと前記ＱＭＳから中性粒子ビーム中の中性粒子のエネルギー分布の第四情報を取得し、前記第一乃至第三情報と該第四情報から、中性粒子ビームの中性化率を算出することを特徴する中性粒子ビームの測定システム。
【請求項８】
請求項５又は６に記載の中性粒子ビームの測定装置に加え、イオナイザーとＱＭＳを用いて、前記情報処理部は、中性粒子ビーム中の中性粒子のエネルギー分布の第五情報を予め取得し、前記第一乃至第三情報と該第五情報から、中性粒子ビームの中性化率を算出することを特徴する中性粒子ビームの測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装加工装置における測定ユニット、及び中性粒子ビームの測定装置
及び中及び中性粒子ビームの測定システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスや、マイクロナノマシン等の各種先端デバイスを製造する際には、ナノオーダーの加工精度が要求される。たとえば、中性粒子ビームを利用して、半導体ウェハ等の被処理体を加工する場合に、中性粒子ビームの状態、すなわち、中性粒子ビーム装置から出力される中性粒子ビームの中性化率や、中性粒子のエネルギー分布、中性粒子のフラックスを測定し、把握しておくことが重要である。
ここで、中性粒子のフラックスとは、「中性粒子ビーム装置のステージ上に配置された被処理体において、単位面積・単位時間あたり照射される中性粒子の数」を意味する。
また、中性化率とは、「中性粒子ビーム装置から出力される中性粒子のフラックスを、イオンおよび中性粒子のフラックスの和で除したもの」である。中性粒子が中性粒子ビーム装置内でイオンから生成されることを考慮すると、イオンのうち中性粒子に変換される割合が、中性化率である。
中性粒子のエネルギー分布とは、「中性粒子ビーム装置から出力される当該粒子が有するエネルギーに対して、そのエネルギーを持つ当該粒子がどれだけの割合で存在するかを示す分布」を指す。
【０００３】
従来、中性粒子のエネルギー分布を観測する方法として、たとえば、図８に示すイオナイザーと四重極型質量分析計［quadrupol mass spectrometer（QMS）］とを備えた測定装置が知られている（非特許文献１を参照）。
図８の装置では、装置左部のプラズマ源部分およびneutralizer plateによって生成した中性粒子ビームについて、まずgridを通すことで残留イオンを除去し、次にionizerによってイオン化し、EQPによってイオンのエネルギー分布を測定する。これによって、中性粒子のエネルギー分布を求めることができる。しかし、図８から明らかなように、大がかりな外付けを要する構成が必須であった。
【０００４】
一方、半導体プロセス用中性粒子ビームの測定技術については、たとえば、図９に示す二次電子収量装置を使って中性化率を求める方法（非特許文献２、非特許文献３）が知られている。
図９に示すように、二次電子収量装置は、モリブデンターゲットに500eV以上のエネルギーを持つアルゴンイオンおよびアルゴン中性粒子を照射したときに生じる二次電子を計測するものであり、デフレクターと組み合わせ、デフレクターに電位を与えないで全粒子をモリブデンターゲットに照射した場合と、デフレクターに電位を与えてイオンを除去した場合の二次電子電流の比率から、中性化率を求める。しかし、二次電子収量装置は、アルゴンだけにしか適用できないこと、５００ｅＶ以上の高いエネルギーを持つ中性粒子しか測定できないこと、等の問題点があった。
【０００５】
また、「中性粒子」と称する物を測定する装置がいくつか知られている。しかし、図１０に示す「カロリーメータ及び検出器システム（特許文献１）」は、ウエハへのドーピングに用いる数十keV程度の高エネルギーを持つビームを測定するためのものである。そのほか、図１１に示す「中性粒子の測定装置（特許文献２）」や、図１２に示す「微粒子測定装置（特許文献３）」、図１３に示す「中性粒子ビーム測定装置（特許文献４）」も、中性粒子のフラックスまたはエネルギーフラックスを求める物ではあるが、中性化率を測定することはできない。
【０００６】
プラズマを測定する方法として、図１４に示す「オンウエハ・モニタリング・システム（特許文献５）」がある。この中に紹介されているイオン・エネルギー・アナライザはプラズマ中に含まれるイオンのエネルギー分布を求めることができるものであるが、中性粒子ビームの残留イオンのエネルギー分布をも求めることができると考えられる。
【０００７】
つまり、これらの従来技術のうち、中性粒子の中性化率を求められるのは、二次電子収量装置のみである。しかしながら、この装置は、前述したように、アルゴンイオン及び中性粒子ビームのみにしか適用できないこと、中性粒子のエネルギーが５００ｅＶ以上でないと測定できないこと、等の問題点がある。また、図９に示すように、二次電子収量装置は、中性粒子を被処理体に照射する空間（図９においては、Deflector の上方部分）からDeflector を通して当該中性粒子をMo Target まで導出してくることが必須であり、被処理体の面内分布を測定することはできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１６７０５７号公報
【特許文献２】特開昭６３−２２１２８１号公報
【特許文献３】特開昭６３−２１２８２号公報
【特許文献４】特開平３−６７４５２号公報
【特許文献５】特開２００３−２８２５４６公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Review of Scientific Instruments 78, 073302 (2007)
【非特許文献２】S. Samukawa et al., Japanese Journal of Applied Physics 40, L779 (2001)
【非特許文献３】D. B. Medved et al., Physical Review 129, 2086 (1963)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、中性粒子ビームが照射される被処理体の加工状態を把握するため、被処理体と同じ位置において中性粒子ビームの諸特性（全エネルギーフラックス、残留イオン、光エネルギーフラックス）を観測することが可能な測定ユニット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】
【００１１】
本発明の請求項１に記載の測定ユニットは、真空処理空間内にあって、中性粒子ビームが照射される被処理体と同じ領域内に収容可能なチップ状の基材と、該基材に配された全エネルギーフラックスの測定部Ａおよび残留イオンの測定部Ｂと、を少なくとも備えたことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の測定ユニットは、請求項１において、前記基材に配された光エネルギーフラックスの測定部Ｃを、さらに備えたことを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の測定ユニットは、請求項１又は２において、前記基材が、前記測定部Ａ，前記測定部Ｂ、前記測定部Ｃに対して、共通する１つの基板であることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の測定ユニットは、請求項１又は２において、前記基材が、前記測定部Ａ，前記測定部Ｂ、前記測定部Ｃに対して、それぞれ異なる基板であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の中性粒子ビームの測定装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の測定ユニットに接続された情報処理部を前記真空処理空間外に備え、該情報処理部は、前記測定部Ａから得られた全エネルギーフラックスの第一情報と、前記測定部Ｂから得られた残留イオンフラックスの第二情報および残留イオンエネルギー分布の第三情報とを用い、中性粒子ビームの中性化率を求めることを特徴する。
本発明の請求項６に記載の中性粒子ビームの測定装置は、請求項５において、前記被処理体において中性粒子ビームが照射される領域に、前記測定ユニットを複数配置し、各測定ユニットが前記情報処理部と接続されていることを特徴する。
【００１３】
本発明の請求項７に記載の中性粒子ビームの測定システムは、請求項５又は６に記載の中性粒子ビームの測定装置に加え、イオナイザーとＱＭＳを備え、前記情報処理部が、前記イオナイザーと前記ＱＭＳから中性粒子ビーム中の中性粒子のエネルギー分布の第四情報を取得し、前記第一乃至第三情報と該第四情報から、中性粒子ビームの中性化率を算出することを特徴する
本発明の請求項８に記載の中性粒子ビームの測定システムは、請求項５又は６に記載の中性粒子ビームの測定装置に加え、イオナイザーとＱＭＳを用いて、前記情報処理部が、中性粒子ビーム中の中性粒子のエネルギー分布の第五情報を予め取得し、前記第一乃至第三情報と該第五情報から、中性粒子ビームの中性化率を算出することを特徴する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る測定ユニットは、チップ状の基材に全エネルギーフラックスの測定部Ａおよび残留イオンの測定部Ｂを少なくとも配したものであり、かつ、当該基材は中性粒子ビームが照射される被処理体と同じ領域内に収容可能なサイズとされている。これにより、本発明の測定ユニットは、被処理体に対して中性粒子ビームを照射する装置（中性粒子ビーム装置）の内部に収納し、中性粒子ビーム装置のステージ上に、当該測定ユニット自体を配置できる。ゆえに、本発明の測定ユニットを用いれば、図９に示した従来の装置のように、中性粒子を被処理体に照射する空間から誘導する部位（Deflector ）を通過させて、中性粒子を観測する部位（Mo Target ）まで導出してくる必要が無くなる。つまり、本発明によれば、被処理体が配置される位置において、中性粒子ビームの諸特性（全エネルギーフラックスの第一情報、残留イオンフラックスの第二情報、残留イオンエネルギー分布の第三情報）を、正確に、かつ、リアルタイムで測定することが可能となる。
また、被処理体と同じ領域内に、本発明の測定ユニットを適宜配置することにより、中性粒子ビームの諸特性に関して被処理体の面内分布を測定することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る測定ユニットを備えた中性粒子ビームの測定装置を示す模式図。
【図２】残留イオンの測定部Ｂの一例を示す模式図。
【図３】残留イオンのエネルギー分布の測定例を示すグラフ。
【図４】全エネルギーフラックスの測定部Ａの一例を示す模式図。
【図５】全エネルギーフラックスの測定例を示すグラフ。
【図６】光エネルギーフラックスの測定部Ｃの一例を示す模式図。
【図７】光エネルギーフラックスの測定例を示すグラフ。
【図８】イオナイザーとＱＭＳとを備える測定装置の一例を示す模式図。
【図９】二次電子収量装置の一例を示す模式図。
【図１０】カロリーメータ及び検出器システムの一例を示す模式図。
【図１１】中性粒子の測定装置の一例を示す模式図。
【図１２】微粒子測定装置の一例を示す模式図。
【図１３】中性粒子ビーム測定装置の一例を示す模式図。
【図１４】オンウェハ・モニタリング・システムの一例を示す模式図。
【図１５】光エネルギーフラックスの測定部Ｃを備えない測定ユニットの一例を示す模式図。
【図１６】光エネルギーフラックスの測定部Ｃを備えない測定ユニットの一例を示す模式図。
【図１７】光エネルギーフラックスの測定部Ｃを備えた測定ユニットの一例を示す模式図。
【図１８】光エネルギーフラックスの測定部Ｃを備えた測定ユニットの一例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る測定ユニット、中性粒子ビームの測定装置および中性粒子ビームの測定システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
＜測定ユニットおよび中性粒子ビームの測定装置＞
図１は、本発明に係る測定ユニットを備えた中性粒子ビームの測定装置を示す模式図である。図１において、１１はウェハ等からなる被処理体、１２は本発明に係る測定ユニット、１３は測定ユニットと接続される情報処理部である。
【００１８】
被処理体１１をなすウェハは、測定対象とする中性粒子ビーム装置のステージに合わせた大きさ及び形状とし、材質は主にシリコン（Ｓｉ）が想定されるがＳｉＯ２  やＳｉＣ等、シリコン以外の物質でも良い。
【００１９】
測定ユニット１２は、不図示の真空処理空間内にあって、中性粒子ビームが照射される被処理体１１と同じ領域内に収容可能なチップ状の基材（後述する２１、４１）と、該基材に配された後述する全エネルギーフラックスの測定部Ａ、残留イオンの測定部Ｂ、光エネルギーフラックスの測定部Ｃを含む。光フラックスが粒子フラックスに比べて非常に小さいような中性粒子ビーム装置に、本発明に係る測定ユニットを用いる場合には、光エネルギーフラックスの測定部Ｃは省略しても良い。図１５および図１６は、光エネルギーフラックスの測定部Ｃを省略した場合の測定ユニットの一例を示す模式図である。また、図１７および図１８は、光エネルギーフラックスの測定部Ｃを省略しない場合の測定ユニットの一例を示す模式図である。
ここで、チップ状の基材は、図１５および図１７に示すように、前記測定部Ａ，前記測定部Ｂ、前記測定部Ｃに対して、共通する１つの基板としても良いし、あるいは、図１６および図１８に示すように、前記測定部Ａ，前記測定部Ｂ、前記測定部Ｃに対して、それぞれ異なる基板としても構わない。なお、チップ状の基材が、被処理体１１自体の一部をなす構成としてもよい。
【００２０】
情報処理部１３は、測定ユニット１２から得られる各種情報を解析しリアルタイムに中性化率・中性粒子フラックス・イオンフラックス・光エネルギーフラックス・イオンエネルギー分布を表示・記録する。また、その測定に必要となる残留イオンの測定部Ｂへの電圧供給を制御する。必要であれば、情報処理部１３は、イオナイザーとＱＭＳを用い、前もって測定しておいた中性粒子のエネルギー分布のデータベースを保持し、測定データとデータベースから中性粒子のエネルギー分布を推測する。
【００２１】
＜残留イオンの測定部Ｂ＞
図２は、本発明に係る測定ユニットを構成する残留イオンの測定部Ｂを示す模式的な断面図である。残留イオンの測定部Ｂは、図１において測定ユニット１２を構成するチップ状の基材（たとえば、シリコン）２１上に、カップ電極２２、リターディング電極２３、アース電極２４がそれぞれ絶縁膜２５を挟んで層状に積み上げられている。アース電極２４からカップ電極２２の途中まで、微細な穴が多数開けられている。また、カップ電極２２には直流安定化電源２６および電流計２８が、リターディング電極２３には直流安定化電源２７が接続されている。さらに、必要に応じて、ビーム源からの高周波流入による測定誤差を防ぐために、チョークコイルを直流安定化電源２６および電流計２８と直列に接続してもよい。
【００２２】
直流安定化電源２７によってリターディング電極２３に負電圧を印加することにより、ビーム中に含まれる残留電子がカップ電極２２に流入するのを防ぐとともに、カップ電極２２に入射したイオンや中性粒子によって発生した二次電子が空間中に逃げることにより測定に誤差が生じることを防ぐことができる。
カップ電極２２にイオンが入射すると、その電荷は直流安定化電源２６および電流計２８を通ってアースへと流れる。このときの電流を電流計２８を使って測定することで、イオンのフラックスを求めることができる。また、直流安定化電源２６により正電圧を印加することにより、電圧値に電気素量を掛け合わせたエネルギー（たとえば、電圧値が１０［Ｖ］の場合、エネルギーは１０［ｅＶ］）以上のエネルギーを持つイオンのフラックスを測定することができる。したがって、直流安定化電源２６の電圧値の関数として電流計２８により電流値を測定し、電圧値で微分することにより、図３に示すようなイオンのエネルギー分布を得ることができる。
【００２３】
＜全エネルギーフラックスの測定部Ａ＞
図４は、本発明に係る測定ユニットを構成する全エネルギーフラックスの測定部Ａを示す模式的な断面図である。全エネルギーフラックスの測定部Ａは、図１において測定ユニット１２を構成するチップ状の基材（たとえば、シリコン）４１上に、熱浴４２が、熱の伝わりが無視できる程度に十分に細い支柱４３を介して保持されている。また、熱電対４４が設置されており、その接点４５は熱浴４３の温度を反映するものとなっている。エネルギーを持つ粒子が熱浴４２に入射すると、図５に示すように熱浴４２の温度が上昇する。
この温度上昇からエネルギーフラックスを得るには、長時間のビーム照射により温度上昇が飽和するまで待ち、そのときの温度から計算することが可能である。すなわち、入射するエネルギーフラックスと、熱浴４２から周囲への熱放射と、熱浴４２が周囲から受け取る熱放射とを足し合わせると零になることを利用して、温度からエネルギーフラックスを求めることができる。
【００２４】
＜光エネルギーフラックスの測定部Ｃ＞
図６は、本発明に係る測定ユニットを構成する光エネルギーフラックスの測定部Ｃを示す模式的な断面図である。光エネルギーフラックスの測定部Ｃは、図４に示した全エネルギーフラックスの測定部Ａと同一の構造物５１の上に、透明板５２を配置した構造となっている。熱浴４２と、透明板５２とは接触しないよう構成されている。この透明板５２は中性粒子ビーム装置から出力される各種粒子のうち光だけを透過するようになっている。すなわち、光だけが構造５１の熱浴４２に到達できる。測定例を図７に示す。このとき、実際には元の入射光の強度に対して透明板５２の透過率および熱浴４２の吸収率を掛け合わせたものが吸収され、熱電対４４の温度上昇に寄与する。
【００２５】
＜中性粒子ビームの中性化率を求める方法＞
上述した測定部Ａ〜Ｃを用いて、中性粒子ビームの中性化率を求める方法は、以下の通りである。まず、残留イオンの測定部Ｂを用いて、残留イオンのエネルギー分布と平均エネルギー
（Ei）とフラックス（Ii）を測定する。これを積分することで、残留イオンエネルギーフラックス（Fi）を得る。次に、エネルギーフラックス（Fa）を測定し、光エネルギーフラックス（Fp）と残留イオンエネルギーフラックス（Fi）を差し引くことで、中性粒子のエネルギーフラックス（Fn=Fa-Fp-Fi） を得る。中性粒子のエネルギーフラックス（Fn）
を、後述する中性粒子の平均エネルギー（En）で除すことにより、中性粒子のフラックス（In=Fn/En）を得る。これと残留イオンフラックス（Ii）から、中性化率Rは、R=In/(In+Ii)として、求めることができる。
中性粒子の平均エネルギー（En）は、別途、前述した非特許文献１に解説されている方法などを用いて測定してもよい。また、前もって様々な条件で測定しておき、システムにデータベースとして蓄積しておいて、用いてもよい。また、簡易的には、残留イオン計測部で測定した残留イオンの平均エネルギー（Ei）に等しいと仮定してもよい。
【００２６】
＜全エネルギーフラックスを求める他の方法＞
全エネルギーフラックスの測定部Ａの熱浴４２の温度上昇から全エネルギーフラックスを求める方法として、短時間だけビームを照射したときの温度上昇の傾きから求めてもよい。すなわち、温度上昇速度（つまり、単位時間あたりの温度上昇量）に熱浴４２の熱容量を乗ずることで、単位時間あたりの入射エネルギーが求められる。
【００２７】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
（１）本発明の測定ユニットは、中性粒子ビームが照射される被処理体１１と同じ領域内に収容可能なチップ状の基材上に、各測定部Ａ〜Ｃが組み込まれているので、たとえば、ウェハ状の被処理体１１を処理する装置であれば、如何なる中性粒子ビーム装置であっても、適用することができる。
（２）本発明の測定ユニットでは、エネルギーフラックス測定には温度上昇を利用するため、二次電子を利用する方式とは異なり、入射粒子のエネルギーや種類に依存せず測定が可能である。
（３）本発明の測定ユニットは、ウェハ状の被処理体上に載置可能なサイズとされた小さなチップ状の基材に、全ての測定部あるいは個々の測定部を実装し、それを被処理体１１上（被処理体１１と同じ領域内）に並べる方式を採用しているので、被処理体１１の面内分布を測定することが可能である。
（４）チップ状の基材に、全ての測定部あるいは個々の測定部を実装してなる測定ユニットを用いた場合は、被処理体１１の大きさ（たとえば、ウェハサイズ）に応じて、測定ユニットの個数や配置を変えるだけで、ウエハサイズの変化に柔軟に対応可能となる。また、ウエハサイズに依存して測定誤差が生じる虞もない。
【００２８】
以上、本発明に係る測定ユニット、中性粒子ビームの測定装置および中性粒子ビームの測定システムについて説明してきたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、中性粒子ビームを利用して、半導体ウェハ等の被処理体をナノオーダーの加工精度で加工を行う必要がある分野において好適に用いられる。
【符号の説明】
【００３０】
１１  被処理体、１２  測定ユニット、１３  情報処理部、２１  基材、２２  カップ電極、２３  リターディング電極、２４  アース電極、２５  絶縁膜、２６、２７  直流安定化電源、２８  電流計、４１  基材、４２  熱浴、４３  支柱、４４  熱電対、４５  接点、５１  測定部Ａと同一の構造物、５２  透明板、１５１  全エネルギーフラックス測定部、１５２  残留イオン測定部、１６１  全エネルギーフラックス測定部、１６２  残留イオン測定部、１７１  全エネルギーフラックス測定部、１７２  残留イオン測定部、１７３  光エネルギーフラックス測定部、１８１  全エネルギーフラックス測定部、１８２  残留イオン測定部、１８３  光エネルギーフラックス測定部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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