(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ反応装置でプラズマから被加工物へ入射する反応性粒子のエネルギおよび流入量を計測するプラズマ計測装置において、
前記反応性粒子のエネルギおよび流入量を検出するための検出素子が、所定寸法の開口部を有し、前記被加工物および／あるいは前記プラズマ反応装置の下部電極と同じ電位を持つ第１電極と、この第１電極の開口部に対応する略同型の開口部を備え、前記反応性粒子中の荷電粒子のエネルギを選別する、一つまたは複数の第２電極と、前記反応性荷電粒子の流入量を検知する第３電極と、前記第１電極の開口部に対応する部分が少なくとも開口された開口部を備え、前記各電極間に挟設された電極間層間絶縁膜とを有し、
導電性材料基板上に直接、あるいは非導電性材料基板上に導電性電極材料よりなる第３電極を成膜した後、電極間層間絶縁膜の形成および第２電極の成膜を少なくとも１回繰り返し、次いで電極間層間絶縁膜の形成および第１電極の成膜を行った後、その上にホトレジストの塗布、露光、現像を行ない、前記第１、第２電極および各電極間層間絶縁膜をドライエッチングする工程を含んで、前記第１、第２電極および各電極間層間絶縁膜の前記開口部から構成される検出素子穴を形成したものであることを特徴とするプラズマ計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ計測装置であって、前記検出素子が、さらに前記第３電極に設けられた微細孔と、前記第３電極の下に形成され、前記反応性粒子のうち、前記第３電極に設けた前記微細孔を通過した高速の反応性中性粒子と反応する物質とを有することを特徴とするプラズマ計測装置。
【請求項３】
前記第３電極の前記微細孔の面積が、前記検出素子穴に露出する前記第３電極面積の１／４以下である請求項２に記載のプラズマ計測装置。
【請求項４】
前記電極間層間絶縁膜の側壁が、前記第１、第２の各電極面から後退させてある請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ計測装置。
【請求項５】
複数個の前記検出素子を１つのチップ上に集積させた計測器を有する請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ計測装置。
【請求項６】
前記複数個の検出素子を集積させた計測器を１枚のウエハ上に複数個配置した請求項５に記載のプラズマ計測装置。
【請求項７】
前記検出素子の積層方向の寸法が１００μｍ以下の大きさである請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ計測装置。
【請求項８】
前記電極間層間絶縁膜の厚さ（ｂμｍ）と前記検出素子穴径（ａμｍ）との間の関係が、５ｂ＞ａである請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、プラズマを利用した反応加工装置においてプラズマから被加工物に入射して来る高速の反応性粒子のエネルギ分布および流入束量を計測するプラズマ計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ技術は、ＬＳＩ製造において、微細エッチング加工あるいはＣＶＤ薄膜製作等に広く利用されている。特に、近年電子サイクロトロン共鳴、あるいはマグネトロン等高密度低圧プラズマが開発され、より微細なエッチング加工あるいは高品質薄膜形成が可能となってきている。ところが、かかる高密度プラズマでは、装置内の磁場が一様でなく、場所によって強さおよび／あるいは方向が異なる。この磁場の非一様性によりプラズマ電位および／あるいは密度が空間的に不均一となり、加工速度の非一様性および／あるいは被加工物の帯電による素子劣化が引き起こされることが大きな問題となっている。
【０００３】
かかる問題を解決する方法として、当該反応装置内において被加工物へ入射してくるイオン等の反応性粒子のエネルギおよび／あるいは入射量の空間分布を種々のプラズマ条件および／あるいは装置構造に対して計測し、当該空間分布の不均一性が低減されるもしくはより低いプラズマ条件および／あるいは装置構造を見い出す技術が検討・開発されている。
【０００４】
図１０にＬＳＩ装置等の製造に用いられるプラズマ反応装置に設置された従来のプラズマ計測装置を示す。ここでプラズマ反応装置は、プラズマ反応容器３１と、このプラズマ反応容器３１内に設けられる上部アース電極３２と、この上部電極３２に対面して設けられ、被加工物を載置する下部電極３３と、上部電極３２と、下部電極３３とにコンデンサ３４ａを介して接続され、プラズマを発生させるための高周波電圧を印加するための高周波電源３４とから構成される。このようなプラズマ反応装置において、通常行われている従来のプラズマ計測方法を実施する従来のプラズマ計測装置では、図１０に示されるように被加工物を載せている下部電極３３に粒子を引き出すオリフィス４１を設け、このオリフィス４１の後下部に荷電粒子のエネルギ分布を検出するために可変電源４６に接続されて電位が任意に設定可能なメッシュ電極４２および入射量を検出するために微小電流計４３に接続された荷電粒子検出電極４４（イオンコレクタ電極）からなる計測管４０を設置するとともに、プラズマ加工時のプラズマ反応装置内の圧力（例えば、通常数ｍＴｏｒｒ（１．３３×１０-1Ｐａ）〜数Ｔｏｒｒ（１．３３×１０2Ｐａ）の高真空）が比較的高い場合にも、この計測管４０内における反応性粒子の平均自由工程を長くし、反応性粒子同士の衝突を十分に防ぐために計測管４０内の圧力を高真空にする高真空排気装置４５を計測管のイオンコレクタ電極４４の後下部に設けている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来のプラズマ計測装置では、メッシュ電極４２およびオリフィス４１は、金属加工技術によって製作されているので、加工精度と機械的強度上の限界により数百ミクロン程度より大きな寸法となっていた。一方、プラズマ反応装置の容器３１内の圧力は最大数Ｔｏｒｒ程度に設定されることがあり、プラズマ（反応性）粒子の平均自由行程が数百ミクロン以下になる場合がある。従って、オリフィスに入射する反応性粒子のエネルギおよび流入量を精度良く計測するためには、この計測管４０内で反応性粒子が他の反応性粒子と衝突しないように、計測管４０に設けられた高真空排気装置４５によって、管内の圧力を数ｍＴｏｒｒ以下にする必要があった。このため、上記従来のプラズマ計測装置では、プラズマ反応装置の大がかりな改造を必要とし、量産装置への適用は難しいという問題があった。
【０００６】
例えば、通常の反応性プラズマではイオンの入射量は１０μＡ／ｃｍ２  程度である。このため、従来のプラズマ計測装置において精度良く計測するためには、通常、１ｃｍ２  程度以上の検出部が必要である。この従来装置の場合はイオンコレクター電極の上に１ｃｍ２  程度の絶縁リングを取付け、その上にメッシュ電極を設けている。さらに、その上に同様の絶縁リングと第１メッシュ電極を設けている。この場合、メッシュ電極の強度や曲がりを考慮して、電極間距離を通常１ｍｍ程度以上取る必要がある。しかしながら、この場合、数Ｔｏｒｒの圧力では検出部内でイオンと中性粒子が衝突して精度良くエネルギ入射量を求めることができないという問題があった。このため、数Ｔｏｒｒの圧力でも衝突がほとんど無く精度良い値を得るには、素子部の寸法を少なくとも平均自由行程の２〜３分の１程度、即ち１００〜２００μｍ程度以内にする必要があるが、上述したように従来の機械的な金属加工技術では検出素子の寸法を１００〜２００μｍ程度以下にするのは困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、プラズマ粒子（反応性粒子）のエネルギや流入量を検出するための検出素子をＬＳＩ微細加工技術によって製作することにより、プラズマ加工装置のプラズマ反応容器内の圧力においても、反応性プラズマ粒子同士の衝突を発生をほとんど防止してプラズマ粒子のエネルギや流入量を正確に計測することができるので、高真空排気装置を不要とし、従来のプラズマ反応装置の大がかりな改造も不要で、量産装置への適用が可能なプラズマ計測装置を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、
プラズマ反応装置でプラズマから被加工物へ入射する反応性粒子のエネルギおよび流入量を計測するプラズマ計測装置において、前記反応性粒子のエネルギおよび流入量を検出するための検出素子が、所定寸法の開口部を有し、前記被加工物および／あるいは前記プラズマ反応装置の下部電極と同じ電位を持つ第１電極と、この第１電極の開口部に対応する略同型の開口部を備え、前記反応性粒子中の荷電粒子のエネルギを選別する、一つまたは複数の第２電極と、前記反応性荷電粒子の流入量を検知する第３電極と、前記第１電極の開口部に対応する部分が少なくとも開口された開口部を備え、前記各電極間に挟設された電極間層間絶縁膜とを有し、導電性材料基板上に直接、あるいは非導電性材料基板上に導電性電極材料よりなる第３電極を成膜した後、電極間層間絶縁膜の形成および第２電極の成膜を少なくとも１回繰り返し、次いで電極間層間絶縁膜の形成および第１電極の成膜を行った後、その上にホトレジストの塗布、露光、現像を行ない、前記第１、第２電極および各電極間層間絶縁膜をドライエッチングする工程を含んで、前記第１、第２電極および各電極間層間絶縁膜の前記開口部から構成される検出素子穴を形成したものを提供するものである。
【００１０】
また、上記プラズマ計測装置であって、前記検出のプラズマ計測装置であって、前記検出素子が、さらに前記第３電極に設けられた微細孔と、前記第３電極の下に形成され、前記反応性粒子のうち、前記第３電極に設けた前記微細孔を通過した高速の反応性中性粒子と反応する物質とを有することを提供するものである。
【００１１】
ここで、前記第３電極の前記微細孔の面積が、前記検出素子穴に露出する前記第３電極面積の１／４以下であるのが好ましく、前記電極間層間絶縁膜の側壁が、前記第１、第２の各電極面から後退させてあるのが好ましい。
また、複数個の前記検出素子を１つのチップ上に集積させた計測器を有するのが好ましく、さらに前記複数個の検出素子を集積させた計測器を１枚のウエハ上に複数個配置するのが好ましい。
さらにまた、前記検出素子の積層方向の寸法が１００μｍ以下の大きさであるのが好ましく、前記電極間層間絶縁膜の厚さ（ｂμｍ）と前記検出素子穴径（ａμｍ）との間の関係が、５ｂ＞ａであるのが好ましい。
【００１２】
【発明の作用】
本発明のプラズマ計測装置は、プラズマからの入射粒子のエネルギおよび／あるいは流入量を計測するために、被加工物および／あるいはプラズマ反応装置の下部電極と同一電位の第１電極、プラズマからの入射荷電粒子のエネルギを検出する少なくとも１つ以上の第２電極および流入量を検出する第３電極から検出素子が形成された計測部を導電性材料基板上に直接、あるいは非導電性材料基板上に導電性電極材料よりなる第３電極を成膜した後、電極間層間絶縁膜の形成および第２電極の成膜を少なくとも１回繰り返し、次いで電極間層間絶縁膜の形成および第１電極の成膜を行った後、その上にホトレジストの塗布、露光、現像を行ない、前記第１、第２電極および各電極間層間絶縁膜をドライエッチングする工程を含むものにより製作することによって、計測部の寸法を数Ｔｏｒｒでも計測部内部で粒子の衝突の無い寸法、好ましくは百μｍ以下にしたものであり、上記構成を有しているので、検出素子の寸法を反応性（プラズマ）粒子の平均自由工程より充分小さくできるので、特別な高真空排気装置を設けたり、プラズマ反応装置自体の大がかりな改造を行ったりすることなく、反応性粒子同士の衝突をほとんどなくすことができるので、プラズマから被加工物に入射して来る反射性粒子のエネルギおよび流入量を正確かつ容易に計測することができる。
【００１３】
本発明のプラズマ計測装置においては、第２電極として電位の異なる２種の第２電極を用いることにより、正負両イオンや電子等のエネルギや流入量をそれぞれ計測することができるし、さらに、第３電極に微細孔を設け、その下に中性粒子反応物質層を設けることにより、高速の反応性中性粒子のエネルギや流入量を計測することも可能である。
【００１４】
このように、本発明のプラズマ計測装置によれば、反応性粒子のエネルギや流入量を正確かつ容易に計測することができるので、量産装置においてエッチング特性が均一なプラズマを得ることができるようになる。
【００１５】
【実施例】
本発明に係るプラズマ計測装置を添付の図面に示す好適実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明のプラズマ計測装置の一実施例を示す構成模式図である。
同図に示すように、プラズマ計測装置１０は、第１電極１１と第２電極１２と、第３電極１３と、第１電極１１と第２電極１２との間および第２電極１２と第３電極１３との間にそれぞれ挟設される第１および第２電極間層間絶縁膜（以下、第１層間絶縁膜および第２層間絶縁膜ともいう）１４ａおよび１４ｂとから構成される積層体、およびこの積層体の第１電極１１、第１層間絶縁膜１４ａ、第２電極１２および第２層間絶縁膜１４ｂに開口された検出素子穴１５を備える検出素子１６と、第１電極１１に接続される高周波源１７と、第２電極１２に接続される可変電源１８と、第３電極１３に接続される微小電流計２０と、微小電流計２０に接続される可変電源１９と、を有する。ここで、高周波源１７、可変電源１８および１９は接地される。
【００１７】
ここで、第１電極１１は、実際の被加工面へ入射してくる反応性粒子の流入量とエネルギを再現するためのもので、反応性粒子が入射してくる開口部を有し、被加工物および／あるいは検出素子１６を載置する下部電極（後述する図５参照）３３と同一電位、例えば０Ｖに設定される。第２電極１２は、プラズマから反応性（プラズマ）粒子が入射する開口部を有し、荷電反応性粒子のエネルギを検出するための電極であり、エネルギ分布を検出するためにその電位を任意に設定できるよう可変電源１８に接続されている。図示例においては、第２電極１２は、反応性粒子のうち、正イオン（正荷電粒子）のエネルギ検出を行うために、正イオンを通過させ、負イオンおよび電子（負荷電粒子）の通過を防止するために、可変電源１８により所定の負電位に設定されている。
【００１８】
第３電極１３は、検出素子１６の検出素子穴１５の底部を構成し、荷電反応性粒子の流入量を検出するためのもので、荷電反応性粒子を通過させ、その量を微小電流計２０によって微小電流値として計測するためのものである。従って、図示例においては、全正イオン（正荷電粒子）を通過させるために、可変電源１９により所定の負電位（第２電極１２の電位より高い）に設定されている。第１電極１１と第２電極１２との間および第２電極１２と第３電極１３との間には、それぞれ第１および第２電極間層間絶縁膜１４ａおよび１４ｂが挟挿され、略同型の開口部を有する。
【００１９】
これらの第１電極１１、第１層間絶縁膜１４ａ、第２電極１２および第２層間絶縁膜１４ｂの各開口部は、検出素子１６の検出素子穴１５の内側壁面、例えば円孔内壁面を構成し、第３電極１３は検出素子穴１５の底面、例えば円状底面を構成する。ここで、検出素子穴１５の形状は、特に制限的ではなく、円形の他、方形やスリット状、もしくは楕円形、異形状等々にすることもできる。
本発明においてはこのような第１電極１１、第１層間絶縁膜１４ａ、第２電極１２および第２層間絶縁膜１４ｂおよび第３電極１３からなる積層体を積層し、この積層体に検出素子穴１５を穿孔して検出素子を形成する技術として、ＬＳＩ装置の製造に用いられる微細加工技術が用いられる。本発明に用いられる導電性微細加工技術は、第１電極１１の成膜工程、第１層間絶縁膜１４ａの形成工程、第２電極１２の成膜工程、第２層間絶縁膜１４ｂの形成工程、第３電極１３の成膜工程、検出素子穴１５の穿孔・形成のためのホトレジストの塗布・感光・現像工程、および第１電極〜第２電極１１、１２および第１層間絶縁膜１４ａ、第２層間絶縁膜１４ｂのエッチング工程よりなる。特に、ＬＳＩ微細加工技術として、ｇ線ステッパーおよびドライエッチング技術を適用することにより、検出素子穴１５の径が１μｍ以下の検出素子１６の作成が可能となる。
【００２０】
本発明において、プラズマ計測装置のプラズマ検出素子の製作にＬＳＩ微細加工技術を導入したことにより、検出素子の寸法、すなわち図１および後述する図２に示す積層方向の寸法ｄ（後述する図３および図４に示す実施例では物質層２６を含む）を、はじめてプラズマ反応装置内の雰囲気（プラズマ反応容器内の圧力：最大数Ｔｏｒｒ程度）下におけるプラズマ粒子の平均自由工程以下にすることができるようになったが、本発明においては、さらに検出素子１６（２２、２３、２４）の寸法ｄを１００μｍ以下とするのが好ましい。この理由は、素子寸法ｄを粒子の平均自由工程の１／２〜１／３以下とすることができるので、検出素子１６等の検出素子穴１５内での粒子の衝突をほとんどなくすことができ、より正確な計測が可能となるからである。
【００２１】
本発明の第１、第２、第３電極１１、１２、１３に適用される電極材料は、導電性であれば特に制限はなく、何でも良いが、成膜および加工の容易なものが好ましく、例えば、代表的にポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕあるいはこれらの複合組合わせが通常使用される。本発明に用いられる層間絶縁膜１４（１４ａ、１４ｂ）としては、各電極間の絶縁性を持つことができれば、特に制限はないが、例えば、代表的に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜やポリイミド膜が使用される。
可変電源１８および１９としては、第２電極１２および第３電極１３に荷電反応性粒子のエネルギや流入量を検出するのに必要な電圧、例えば−５００Ｖ〜５００Ｖ程度の電圧範囲のいずれかの範囲の電圧、を印加できれば、どのようなものでもよい。また、可変電源１８、１９は、予め、検出対象となる荷電粒子が定まっている場合には、定電圧源であってもよい。微小電流計２０は、μＡオーダーもしくは１０μＡオーダーの微小電流を計測できれば、特に制限はない。
【００２２】
図１に示すプラズマ計測装置１０の検出素子１６は、第２電極１２として、反応性粒子として正イオンのみを計測する所定負電位に設定される１個の電極で構成されているが、本発明はこれに限定されず、２個以上の第２電極を用いてもよい。正負両イオンや正イオンと電子を計測する場合は、図２に示すプラズマ計測装置２１の検出素子２２のように正電荷粒子用と負電荷粒子用との２つの第２電極１２ａ、１２ｂが必要である。もちろん、２つの第２電極１２ａ、１２ｂの間には層間絶縁膜１４ｃが挟挿される。この２つの第２電極１２ａおよび１２ｂは、それぞれ可変電源１８ａおよび１８ｂに接続される。他の構成要素は、図１に示すプラズマ計測装置と同一であるので同じ番号を付し説明は省略する。
【００２３】
ところでこれらの可変電源１８ａおよび１８ｂは、それぞれ異なる極性の電圧に設定できるように構成される。例えば、図示例においては、上側の第２電極１２ａは正イオン（正荷電粒子）を反発させ、通過させないようにするために、可変電源１８ａにより所定の正電位に設定されるのに用いられ、下側の第２電極１２ｂは負イオンや電子（負荷電粒子）を反発させ、通過させないようにするために、可変電源１８ｂにより所定の負電位に設定されるのに用いられる。この時、第３電極１３の電位は、測定の対象とする反応性粒子の極性を含めた種類などに応じて適当に設定すればよい。
【００２４】
また、プラズマ加工においては正負イオンや電子などの荷電粒子の他、共鳴電荷交換反応で生じた高速中性粒子が加工反応に大きく影響する場合がある。この高速反応性中性粒子を計測するプラズマ計測装置の検出素子は、図３および図４に示すように図２に示すプラズマ計測装置の検出素子２２において、検出素子穴１５に露出する第３電極１３の略中心に微細孔２５を穿孔し、かつ第３電極１３の下層に、高速反応性中性粒子にスパッタおよび／あるいは反応する物質からなる高速中性粒子検出層２６を形成するとともに、２つの第２電極１２ａおよび１２ｂの各電位をそれぞれ正負両荷電粒子を反発するように設定するものである。このように構成することにより、検出素子２３および２４においては、高速中性粒子のみが第３電極１３に設けた微細孔２５を通過し、この高速中性粒子によって第３電極１３の下に設けられた高速中性粒子検出物質層２６が容易にスパッタおよび／あるいは反応させられて、孔部２６ａが形成される。こうして形成された孔部２６ａの大きさを計測することにより、高速反応性中性粒子の流入量を計測することができる。
【００２５】
第３電極１３の下層に形成する物質層２６は、高速中性粒子と容易にスパッタおよび／あるいは反応する物質であれば、特に制限的ではなく、何でもよいが、例えばシリコン酸化膜をエッチングする場合のプラズマに対しては、当該物質層２６としてはシリコン酸化膜を用いるのが好ましい。また、第３電極１３に可変電圧源を接続して第２電極１２の機能を兼ねさせることもできる。第３電極１３の微細孔２５は、第３電極１３の検出精度低下を引き起こさない程度に小さくすれば良く、例えば検出素子穴１５が円孔の場合、通常、第３電極１３の径の面積の１／４以下の面積にするのが好ましい。
【００２６】
１Ｔｏｒｒ以上の圧力の高いプラズマではプラズマシース中でイオンがガス分子と衝突し、斜めに入射する粒子が多数を占めるようになる。この斜めに入射してきた粒子や各電極の斥力によって飛跡を曲げられた粒子は層間絶縁膜１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）側壁に衝突する。側壁と衝突した粒子の一部は側壁で反射されて第３電極１３に到達し、計測誤差を生じる場合がある。この場合には、このため等方性エッチングによって層間絶縁膜１４を図４に示すように後退させた構造にするのが好ましい。図４に示す実施例では、第３電極１３に微細孔２５を有しているので、物質層２６も等方的にエッチングされて、予め孔部２６ａが形成されるので、高速中性粒子の計測に先立って、この孔部２６ａを計測しておく必要がある。
このように等方性エッチングによる層間絶縁膜１４の後退を図１および図２に示す、実施例に適用してもよいことはもちろんである。
【００２７】
上述したプラズマ検出素子を用いる本発明のプラズマ計測装置をＬＳＩ装置製造用プラズマ反応装置に適用した実施例を図５に示す。同図において、プラズマ反応装置３０は、図１０に示すプラズマ反応装置と同様に、プラズマ反応容器３１と、このプラズマ反応容器３１内に設けられる上部アース電極３２と、この上部アース電極３２に対面して設けられ、被加工物を載置する下部電極３３と、下部電極３３とにコンデンサ３４ａを介して接続され、プラズマを発生させるための高周波電圧を印加するための高周波電源３４とから構成される。
【００２８】
図５に示すプラズマ計測装置３５に用いられているプラズマ検出素子は、図２〜４に示す２個の第２電極１２ａ、１２ｂを持つものであるが、好ましくは、これらの検出素子２２（２３、または２４）を１つのチップ上に多数集積して１つの計測器（計測チップ）２７を構成し、この計測チップ２７を計測用リード線２８を用い、これらのリード線２８の束を、プラズマ反応容器３１に既設の装置側壁窓を利用してリード線取り出し口とし、これに保護筒（以下、シースという）２９を気密に取り付け、このシース２９を介して外部の可変電源１８ａ、１８ｂ、１９、微小電流計２０や高周波源３４、コンデンサ３４ａ等に接続することにより、プラズマ反応装置３０に改造を行うことなく、プラズマ計測装置３５を構成している。
【００２９】
本発明のプラズマ計測装置において、図５に示すように集積した計測素子を１つのチップにし、このチップに反応装置外部に設けられた電源および電流計を接続するのは、以下の理由による。
通常、導体の計測素子へ入射する粒子の流入量は少なく、例えば直径１０μｍの円形素子へ入射する電流量は、通常のＬＳＩ装置の製造で用いられる反応性プラズマでは、１０-11Ａ程度しかない。このため通常、精度良く流入量を計測するために計測素子を１０6個程度の多数集積させて一つの計測器を構成するのがよい。このような多数の計測素子を集積した計測チップ２７の場所を移動させることにより、下部電極３３上の任意の場所での計測を行なうことができる。計測チップ２７に接続されているリード線２８はプラズマ曝露を防ぐため、ポリイミド等で保護されているのが好ましい。またこのリード線２８を全て保護筒に入れても良い。
【００３０】
また、計測チップ２７を移動する代りに、図６に示すプローブウエハ３９のようにウエハ３６上に同心円上に複数個の独立した集積計測器３７を設けると効率良く半径方向の分布を測定することができる。ここで、参照符号３８は集積計測器３７の検出信号の取り出し電極である。集積計測器３７の配置は同心円状だけでなく反応装置の構造や目的に応じてコラム状等種々の構造を選べば良い。
【００３１】
図１〜図４に示す実施例において、検出素子１６（２２〜２４）の穴径ａが大きすぎたり、および／あるいは層間絶縁膜１４の厚さｂが小さすぎると、検出素子１６の半径方向で電位分布ができて、イオンエネルギ選別精度が低下する場合がある。例えば、イオンエネルギーアナライザとして検出器を用いる場合、ａ／ｂが大きいと、図７に示すように入射イオンの一部が横方向電位分布によってイオンの飛跡が横方向へ歪められて電子反発電極２（第２電極１２）へ吸収されてイオンコレクタ電極３（第３電極１３）へ到達しない。検出素子穴径ａの１０μｍに対して層間絶縁膜の厚さｂが４μｍ以上の場合、このイオンコレクタ電極３（第３電極１３）への到達率は、図８に示すように７５％程度以上であったが、層間絶縁膜の厚さｂを２μｍにすると到達率は５０％以下に急減した。第３電極１３（イオンコレクタ電極３）の電位と第２電極１２（電子反発電極２）の電位を変化させると到達率も変化するが、いずれの場合も層間絶縁膜の厚さｂが２μｍ以下の場合は到達率が急減した。また、ａ／ｂが大きい場合に電子反発としての役割の第２電極１２（電子反発電極２）の効果が低下し、第３電極１３（イオンコレクタ電極３）へイオンが入射した時に出る２次電子が反発されず検出素子１６の外側へ逃げて計測誤差が生じる。検出素子穴径ａが１０μｍの場合、この誤差も、層間絶縁膜の厚さｂが２μｍ以下で急増した。
以上の理由から、本発明においては、検出素子穴径ａ（μｍ）と層間絶縁膜の厚さｂ（μｍ）との関係を５ｂ＞ａに限定するのが好ましい。
【００３２】
（実施例１）
１００ｍＴｏｒｒ（１３．３Ｐａ）のＨＣｌプラズマを平行平板型反応装置で形成し、下部電極３３上に置かれた図６に示した構造のプローブウエハ３９で計測した。検出素子は図１に示した構造になっており、個々の検出素子１６は、１０μｍの穴径ａの検出素子穴１５を持つ。
第１電極１１はシリコン基板と接続されており、下部電極３３と同一電位（０Ｖ）になっている。第２電極１２は、負イオンと電子を反発するために一層のみとし、入射電子と２次電子の通過防止のため、−５０Ｖに設定した。第３電極（イオンコレクタ電極）１３は全正イオンを通過させるために−１０Ｖに設定した。各電極１１、１２、１３の膜厚ｃおよび各層間絶縁膜１４ａ、１４ｂの厚さｂは、各々２μｍ、７μｍにした。本実施例１では検出素子１６に入射してきた正イオンは、すべて第３電極（イオンコレクタ電極）１３で検出された。また、検出素子穴径ａと層間絶縁の厚さｂの比ａ／ｂは１．４３となっており、入射電子や２次電子による測定誤差を無視できる程小さくしていた。また、各電極１１、１２、１３へのリード線２８も既設のプラズマ反応装置側壁窓を利用することができたので、反応装置の改造を行なわずにプラズマ計測を行うことができた。
【００３３】
プラズマ密度を向上させるために下部電極３３の下にこの下部電極３３と同じ寸法の長さを持つ永久磁石を設ける際において、磁石の両極に磁場を均一化させるための鉄製板を取り付けた。この際の鉄製板の入射イオン量の一様性に与える効果を本実施例のプラズマ計測装置で調べて反応装置の改良を行なった。
磁石が無い場合は、図９に示すようにウエハプローブ３９の半径方向で均一なイオン入射量が得られたが、入射量絶対値は１０μＡ／ｃｍ2程度であった。棒状磁石を設けるとプラズマ密度はウエハプローブ３９の中心で数十倍向上したが、ウエハプローブ３９の半径での不均一性が大きかった。これに対し棒状磁石に鉄製板を取り付けた場合、プラズマ密度も向上し、かつ均一性も高いことが確認された。このように本発明によって、プラズマ装置の改造を行なうことなく、イオン入射量分布を簡易に計測することが可能となり、この結果装置やプラズマ条件の改良を効率的に行なえることができた。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、プラズマ計測を行う検出素子の寸法が、プラズマ反応性粒子の平均自由行程より充分に小さくなっていて、検出素子内で反応性粒子どうしがほとんど衝突しないので、特別な高真空排気装置の取り付けやプラズマ反応装置の特別な改造を行なうことなく、簡易かつ正確にプラズマから被加工物へ入射してくる反応性粒子のエネルギや流入量を計測することができる。従って量産プラズマ加工装置においてエッチング特性が空間的に均一なプラズマを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ計測装置の検出素子の第２電極が１個ある実施例の断面図を含む模式図である。
【図２】本発明に係るプラズマ計測装置の検出素子の第２電極が２個ある実施例の断面図を含む模式図である。
【図３】本発明に係るプラズマ計測装置の第３電極の下に微細孔を介して高速中性粒子検出部のある検出素子の別の実施例の断面模式図である。
【図４】本発明に係るプラズマ計測装置の層間絶縁膜側壁を電極から後退させた検出素子の別の実施例の断面模式図である。
【図５】本発明に係るプラズマ計測装置の検出素子を集積化した計測チップの一実施例をプラズマ反応装置へ取り付けた実施例の模式図である。
【図６】本発明に係るプラズマ計測装置の計測部をウエハ上に同心円状に配置したウエハプローブの一実施例の上面図である。
【図７】本発明に係るプラズマ計測装置の層間絶縁膜の厚さｂが検出素子穴径ａの１／５の場合の入射イオンの検出素子内部での横方法への曲がりによる検出誤差を示す模式図である。
【図８】本発明に係るプラズマ計測装置の層間絶縁膜の厚さｂと検出素子穴径ａとの比ｂ／ａを変化させた場合の入射イオンのコレクター電極への到達率を示す図である。
【図９】本発明の実施例１において計測されたプラズマ密度比の空間分布を示すグラフである。
【図１０】従来のプラズマ計測装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１０，２１，３５  プラズマ計測装置
１１  第１電極
１２，１２ａ，１２ｂ  第２電極
１３  第３電極
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  電極間層間絶縁膜
１５  検出素子穴
１６，２２，２３，２４  検出素子
１７，３４  高周波源
１８，１８ａ，１８ｂ，１９，４６  可変電源
２０，４３  微小電流計
２５  第３電極の微細孔
２６  高速中性粒子検出物質層
２６ａ  孔部
２７  計測チップ
２８  計測用リード線
２９  リード線取り出し口の保護筒（シース）
３０  プラズマ反応装置
３１  プラズマ反応容器
３２  上部アース（接地）電極
３３  下部電極
３６  ウエハ
３７  集積計測器
３８  取り出し電極
３９  プローブウエハ
４０  計測管
４１  オリフィス
４２  メッシュ電極
４４  荷電粒子検出電極
４５  高真空排気装置
【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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