(57)【要約】【課題】プラズマ処理において被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を、イオン電流計測器に頼ることなく、プローブ計測器を利用して、プラズマ密度や電子温度と併せて計測できるイオン電流密度計測方法及び装置を提供する。【解決手段】静電プローブ法により真空チャンバ内プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを求め、それにより得られた該プラズマ密度ｎ及びプラズマ電位Ｔｅに基づいて、被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度Ｊを、Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）（該式においてｑはイオン電荷量、ｋはボルツマン定数、Ｍはイオン質量）を用いて算出し、算出されるイオン電流密度が、被処理物品へ目的とする処理を施すためのイオン照射量を示すイオン電流密度へ向かうようにプラズマ密度を調整すべくプラズマ生成装置を制御するプラズマ処理方法及び装置。該方法を実施するためのプログラム及びそれを記録した記録媒体。【選択図】図１
2011210715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成装置を用いて真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該真空チャンバ内に配置した被処理物品に該プラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理において該被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を計測する方法であり、
プローブ計測器を用いて静電プローブ法により該真空チャンバ内プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを求めること、
イオン電流密度算出部に、前記得られたプラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅに基づいて、前記被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度Ｊを、
式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）（該式においてｑはイオン電荷量、ｋはボルツマン定数、Ｍはイオン質量）を用いて算出させること
を含むことを特徴とするイオン電流密度計測方法。
【請求項２】
前記静電プローブ法は、シングルプローブ法、ダブルプローブ法及びトリプルプローブ法から選ばれた静電ブローブ法である請求項１記載のイオン電流密度計測方法。
【請求項３】
プラズマ生成装置を用いて真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該真空チャンバ内に配置した被処理物品に該プラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理において該被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を計測する装置であり、
静電プローブ法により該真空チャンバ内プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを求めるためのプローブ計測器と、
前記プローブ計測器を用いて求められる前記プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを入力することができ、入力される該プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅに基づいて、前記被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度Ｊを、
式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）（該式においてｑはイオン電荷量、ｋはボルツマン定数、Ｍはイオン質量）を用いて算出するイオン電流密度算出部と  を含むことを特徴とするイオン電流密度計測装置。
【請求項４】
前記プローブ計測器は、シングルプローブ法、ダブルプローブ法及びトリプルプローブ法から選ばれた静電ブローブ法により前記真空チャンバ内プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを求めるための計測器である請求項３記載のイオン電流密度計測装置。
【請求項５】
プラズマ密度及び電子温度の計測部を含んでおり、該プラズマ密度及び電子温度の計測部は、イオン電流密度計測にあたり、前記プローブ計測器を用いて前記真空チャンバ内プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを求め、
前記イオン電流密度算出部は、該プラズマの密度ｎ及び電子温度Ｔｅに基づいて、前記被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度Ｊを、前記式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）を用いて算出させる請求項３又は４記載のイオン電流密度計測装置。
【請求項６】
プラズマ生成装置を用いて真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該真空チャンバ内に配置した被処理物品に該プラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置であり、請求項３、４又は５記載のイオン電流密度計測装置を含んでいることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記イオン電流密度算出部で算出されるイオン電流密度が、前記被処理物品へ目的とする処理を施すためのイオン照射量を示すイオン電流密度へ向かうようにプラズマ密度ｎを調整すべく前記プラズマ生成装置を制御する制御部を含んでいる請求項６記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記被処理物品にプラズマのもとで施す処理は、該被処理物品への膜形成、該被処理物品のエッチング、該被処理物品へのイオン注入、該被処理物品表面の清浄化処理から選ばれた１又は２以上の処理である請求項６又は７記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項１又は２記載のイオン電流計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であり、
プローブ計測器を用いて静電プローブ法により該真空チャンバ内プラズマの密度ｎ及び電子温度Ｔｅ求めるステップ及び
得られた前記プラズマ密度ｎ及びプラズマ電位Ｔｅに基づいて、前記被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度Ｊを、
式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）（該式においてｑはイオン電荷量、ｋはボルツマン定数、Ｍはイオン質量）を用いて算出するステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項１０】
さらに、前記式で算出されるイオン電流密度が、前記被処理物品へ目的とする処理を施すためのイオン照射量を示すイオン電流密度へ向かうようにプラズマ密度を調整すべく前記プラズマ生成装置を制御するステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録した請求項９記載の記録媒体。
【請求項１１】
請求項１又は２記載のイオン電流計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムであり、
プローブ計測器を用いて静電プローブ法により該真空チャンバ内プラズマの密度ｎ及び電子温度Ｔｅ求めるステップ及び
得られた前記プラズマ密度ｎ及びプラズマ電位Ｔｅに基づいて、前記被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度Ｊを、
式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）（該式においてｑはイオン電荷量、ｋはボルツマン定数、Ｍはイオン質量）を用いて算出するステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１２】
さらに、前記式で算出されるイオン電流密度が、前記被処理物品へ目的とする処理を施すためのイオン照射量を示すイオン電流密度へ向かうようにプラズマ密度を調整すべく前記プラズマ生成装置を制御するステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを含む請求項１１記載のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマを用いて被処理物品に膜形成、イオン注入、エッチング、表面清浄化処理等の処理を実施するにあたり、所望の目的とする処理を施すために、被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を計測する方法及び装置、さらにはプラズマ処理装置に関し、さらに、該方法の実施に用いるプログラム及びそれを記録した記録媒体にも関係している。
【背景技術】
【０００２】
プラズマを応用した膜形成（成膜）、イオン注入、エッチング、表面清浄化処理等の処理においては、所望の目的とする処理を施すために、プラズマの密度及び電子温度等のプラズマパラメータや被処理物品へのイオンの照射量などの制御が重要であり、そのためにはこれらのモニタリングが不可欠である。
【０００３】
プラズマ密度や電子温度の計測方法には一般的に光学的方法と静電プローブ法があるが、全イオン密度を計測する場合は後者の方が簡易的であると考えられる。
図３はプラズマ処理装置Ａ１において、プラズマパラメータを静電プローブ法の一つであるシングルプローブ法を用いて計測している例を示している。
【０００４】
真空チャンバ１内に設置したフィラメント３にはフィラメント電源４が接続されており、電源（本例では出力可変電源）４にてフィラメント３に電流を流すことによってフィラメント３を高温に加熱すると、フィラメント３の表面から熱電子が放出し、フィラメント３の片端とチャンバ１の間に、フィラメント３の片端が負電位になるように、放電電源５によって電圧を印加することでフィラメント３から放出した熱電子が加速される。
【０００５】
このとき、チャンバ１内を図示省略の排気装置にてプラズマ生成圧に排気減圧しつつチャンバ１内へ図示省略のガス供給装置からガス、例えばアルゴンガスを導入すると、加速された熱電子が該ガスに衝突し、電子衝撃型のイオン化によりプラズマ２が形成される。  フィラメント３、フィラメント電源４及び放電電源５等はプラズマ生成装置Ｐを構成している。
【０００６】
チャンバ１内の被処理物品ホルダ６に、予め配置しておいた被処理物品、例えばアルゴンガスイオンで表面を清浄化したい基材Ｓにバイアス電源１０から負電圧を印加すると、プラズマ２中のアルゴンイオンが基材Ｓに向かって加速照射され、基材Ｓ表面の清浄化が行われる。
【０００７】
この時、表面の清浄化が行われる程度については、アルゴンイオン照射量に比例し、またアルゴンイオンのエネルギにも依存すると考えられる。アルゴンイオンのエネルギについてはバイアス電源１０の電圧で制御、モニタリングできるが、アルゴンイオン照射量については、別途モニタリングする必要がある。
【０００８】
図３に示す例では、チャンバ１にシングルプローブ計測器８が設置されており、これによりプラズマパラメータであるプラズマ２のプラズマ密度及び電子温度を計測することができる。
【０００９】
シングルプローブ計測器８は、先端（プローブ部分）８１が金属などの導電性材料で形成されており、先端プローブ８１に出力可変電源８２から電圧を印加できるものであり、それ自体広く知られているものである。
【００１０】
シングルプローブ計測器８によるプラズマパラメータの計測にあたっては電源８２から先端プローブ８１に電圧を印加し、このときプローブ８１に流れる電流を電流計８３で計測する。
【００１１】
それ自体既に知られていることであるから詳細説明は省略するが、このとき得られた電圧一電流特性からプラズマ密度と電子温度、プラズマ電位などを求めることができる。
プローブ計測器によるプラズマパララメータの計測については、例えば、平成３年８月５日株式会社アイピーシー発行、河合良信編著「最新プラズマ発生技術」の「付録１．プローブ計測法」に記載されている。
【００１２】
基材Ｓに照射されるイオン量のモニタリングは、基材Ｓに流れる電流、すなわちバイアス電源１０に流れる電流を計測すればよいように思われるが、実際には、基材表面からの２次電子放出や、基材表面処理の進展にともなう基材表面状態の変化による２次電子放出係数の変化などにより、電源１０に流れる電流の正確な計測はできない。
【００１３】
したがって、基材Ｓに照射されるイオン量のモニタリングには、別途２次電子放出を抑制する構造を持った電流計測器が必要になってくる。このような電流計測器の一般的なものとして、イオン計測電極の前面にサプレッサ電極を配置し、これに負電圧を印加することによって、該イオン計測電極から放出される２次電子を再度イオン計測電極に押し返すことによって、正確なイオン電流を計測することができるものを挙げることができる。
【００１４】
このように、プラズマパラメータであるプラズマ密度及び電子温度の計測のほか、被処理物品への正確なイオン照射量の計測も実施するには、プローブ計測器とイオン電流計測器の両方が必要である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】平成３年８月５日株式会社アイピーシー発行、河合良信編著「最新プラズマ発生技術」の「付録１．プローブ計測法」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、それら両方をチャンバ１内に設置するにはそのための設置スペースが必要となり、それだけチャンバサイズが大型化してプラズマ処理装置の設置面積が増えたり、プラズマ処理装置が高価になる。
【００１７】
そこで本発明は、プラズマ生成装置を用いて真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該真空チャンバ内に配置した被処理物品に該プラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理において該被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を、イオン電流計測器に頼ることなく、プローブ計測器を利用して、プラズマ密度や電子温度と併せて計測でき、プラズマ密度や電子温度の計測と併せてイオン電流密度の計測も行える割りには安価に済むイオン電流密度計測方法を提供することを第１の課題とする。
【００１８】
また本発明は、プラズマ生成装置を用いて真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該真空チャンバ内に配置した被処理物品に該プラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理において該被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を、イオン電流計測器に頼ることなく、プローブ計測器を利用して、プラズマ密度や電子温度と併せて計測でき、プラズマ密度や電子温度の計測と併せてイオン電流密度の計測も行える割りには簡素化された安価なイオン電流密度計測装置を提供することを第２の課題とする。
【００１９】
さらに本発明は、プラズマ生成装置を用いて真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該真空チャンバ内に配置した被処理物品に該プラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置であって、プラズマ処理における被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を、イオン電流計測器に頼ることなく、プローブ計測器を利用して、プラズマ密度や電子温度と併せて計測でき、プラズマ密度や電子温度の計測と併せてイオン電流密度を計測できる割りには大型化することなく、それだけ安価に済むプラズマ処理装置を提供することを第３の課題とする。
【００２０】
さらに本発明は、本発明に係るイオン電流密度計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能の記録媒体及びプログラムを提供することを第４及び第５の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は前記第１の課題を解決するため、
プラズマ生成装置を用いて真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該真空チャンバ内に配置した被処理物品に該プラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理において該被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を計測する方法であり、
プローブ計測器を用いて静電プローブ法により該真空チャンバ内プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを求めること、
イオン電流密度算出部に、前記得られたプラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅに基づいて、前記被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度Ｊを、
式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）（該式においてｑはイオン電荷量、ｋはボルツマン定数、Ｍはイオン質量）を用いて算出させること
を含むイオン電流密度計測方法を提供する。
【００２２】
本発明は前記第２の課題を解決するため、
プラズマ生成装置を用いて真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該真空チャンバ内に配置した被処理物品に該プラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理において該被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を計測する装置であり、
静電プローブ法により該真空チャンバ内プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを求めるためのプローブ計測器と、
前記プローブ計測器を用いて求められる前記プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを入力することができ、入力される該プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅに基づいて、前記被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度Ｊを、
式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）（該式においてｑはイオン電荷量、ｋはボルツマン定数、Ｍはイオン質量）を用いて算出するイオン電流密度算出部と  を含むイオン電流密度計測装置を提供する。
【００２３】
前記イオン電流密度算出部は前記プローブ計測器を用いて求められる前記プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを入力するデータ入力部を備えることができる。
いずれにしても、本発明に係るイオン電流計測方法及び装置において、前記静電プローブ法は、シングルプローブ法、ダブルプローブ法及びトリプルプローブ法から選ばれた静電ブローブ法とすることができる。
【００２４】
本発明に係るイオン電流密度計測装置において、プローブ計測器を用いて得られる真空チャンバ内プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを求めるにあたっては、ユーザーがこれをコンピュータ等を適宜利用して行い、得られたプラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅをイオン電流密度算出部に入力してイオン電流密度を算出させてもよい。
【００２５】
しかし、プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅの計測部を設けておき、該計測部で、イオン電流密度計測にあたり、前記プローブ計測器を用いて前記真空チャンバ内プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを求めてもよい。
そして、前記イオン電流密度算出部が、そのようにして得られたプラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅに基づいて、前記被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度Ｊを、前記式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）を用いて算出させるようにしてもよい。
【００２６】
いずれにしても、イオン電流密度算出部或いはプラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅの計測部としては、本発明に係るイオン電流密度計測装置専用のものとして設けられていてもよいし、例えば外部のコンピュータを利用するものであってもよい。イオン電流密度計測装置専用のものの場合もコンピュータを利用したものとすることができる。
【００２７】
本発明に係るイオン電流密度計測方法及び装置によると、被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を、イオン電流計測器に頼ることなく、プローブ計測器を利用して、プラズマ密度や電子温度と併せて計測でき、プラズマ密度や電子温度の計測と併せてイオン電流密度の計測も行える割りには安価にそれらを計測することができる。
【００２８】
本発明は前記第３の課題を解決するため、
プラズマ生成装置を用いて真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該真空チャンバ内に配置した被処理物品に該プラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置であって、本発明に係るイオン電流密度計測装置を含んでいるプラズマ処理装置を提供する。
【００２９】
本発明に係るプラズマ処理装置では、プラズマ処理における被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を、イオン電流計測器に頼ることなく、プローブ計測器を利用して、プラズマ密度や電子温度と併せて計測でき、プラズマ密度や電子温度の計測と併せてイオン電流密度を計測できる割りには大型化することなく、それだけ安価に提供できる。
【００３０】
本発明に係るプラズマ処理装置は、前記イオン電流密度算出部で算出されるイオン電流密度が、前記被処理物品へ目的とする処理を施すためのイオン照射量を示すイオン電流密度へ向かうようにプラズマ密度ｎを調整すべく前記プラズマ生成装置を制御する制御部を含んでいてもよい。
【００３１】
いずれにしても、本発明に係るプラズマ処理装置において前記被処理物品にプラズマのもとで施す処理としては、該被処理物品への膜形成、該被処理物品のエッチング、該被処理物品へのイオン注入、該被処理物品表面の清浄化処理から選ばれた１又は２以上の処理を例示できる。
【００３２】
また本発明は前記第４の課題を解決するため、
本発明に係るイオン電流計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録した記録媒体であって、
プローブ計測器を用いて静電プローブ法により該真空チャンバ内プラズマの密度ｎ及び電子温度Ｔｅ求めるステップ及び
得られた前記プラズマ密度ｎ及びプラズマ電位Ｔｅに基づいて、前記被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度Ｊを、
式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）（該式においてｑはイオン電荷量、ｋはボルツマン定数、Ｍはイオン質量）を用いて算出するステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供する。
【００３３】
本発明はまた前記第５の課題を解決するため、本発明に係るイオン電流計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
プローブ計測器を用いて静電プローブ法により該真空チャンバ内プラズマの密度ｎ及び電子温度Ｔｅ求めるステップ及び
得られた前記プラズマ密度ｎ及びプラズマ電位Ｔｅに基づいて、前記被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度Ｊを、
式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）（該式においてｑはイオン電荷量、ｋはボルツマン定数、Ｍはイオン質量）を用いて算出するステップをコンピュータに実行させるためのプログラムも提供する。
【００３４】
本発明に係るプログラムや本発明に係る記録媒体に記録されたプログラムには、さらに、前記式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）で算出されるイオン電流密度が、前記被処理物品へ目的とする処理を施すためのイオン照射量を示すイオン電流密度へ向かうようにプラズマ密度を調整すべく前記プラズマ生成装置を制御するステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように本発明によると、プラズマ生成装置を用いて真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該真空チャンバ内に配置した被処理物品に該プラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理において該被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を、イオン電流計測器に頼ることなく、プローブ計測器を利用して、プラズマ密度や電子温度と併せて計測でき、プラズマ密度や電子温度の計測と併せてイオン電流密度の計測も行える割りには安価に済むイオン電流密度計測方法を提供することができる。
【００３６】
また本発明によると、プラズマ生成装置を用いて真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該真空チャンバ内に配置した被処理物品に該プラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理において該被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を、イオン電流計測器に頼ることなく、プローブ計測器を利用して、プラズマ密度や電子温度と併せて計測でき、プラズマ密度や電子温度の計測と併せてイオン電流密度の計測も行える割りには簡素化された安価なイオン電流密度計測装置を提供することができる。
【００３７】
さらに本発明によると、プラズマ生成装置を用いて真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該真空チャンバ内に配置した被処理物品に該プラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置であって、プラズマ処理における被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を、イオン電流計測器に頼ることなく、プローブ計測器を利用して、プラズマ密度や電子温度と併せて計測でき、プラズマ密度や電子温度の計測と併せてイオン電流密度を計測できる割りには大型化することなく、それだけ安価に済むプラズマ処理装置を提供することができる。
【００３８】
また本発明によると、本発明に係るイオン電流密度計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラム及び該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能の記録媒体を提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の１例を示す図である。
【図２】被処理物品（基材）とプラズマとの間に形成されるシースを示す図である。
【図３】プラズマ処理装置においてプローブ計測器によるプラズマパラメータの計測を行っている例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るイオン電流密度計測装置の１例Ｂを備えたプラズマ処理装置の１例Ａを示している。
図１に示すプラズマ処理装置Ａは、図３に示すプラズマ処理装置Ａ１におけるプラズマ発生装置Ｐやプローブ計測器８と同じプラズマ発生装置Ｐ及びシングルプローブ計測器８を備えている。真空チャンバ１、被処理物品Ｓのホルダ６及びそれへバイアス電圧を印加する電源１０も装置Ａ１のものと同じであり、図示を省略したチャンバ１へのガス供給装置やチャンバ１からの排気装置も備えている。
【００４１】
プラズマ発生装置Ｐはフィラメント３、出力可変のフィラメント電源４及び放電電源５を備えており、電源４からフィラメント３に電流を流してフィラメント３を加熱し、その表面から熱電子を放出させる一方、放電電源５から電圧を印加することで熱電子を加速してチャンバ１内の減圧状態のガス（例えばアルゴンガス）に衝突させ、電子衝撃型のイオン化によりプラズマ２を形成することができる。
【００４２】
ホルダ６上の被処理物品、例えばアルゴンガスイオンで表面を清浄化したい基材Ｓにバイアス電源１０から負電圧を印加することで、プラズマ２中のアルゴンイオンを基材Ｓに向かって加速照射して、基材Ｓ表面の清浄化を行うことができる。
【００４３】
既述のとおり、表面の清浄化が行われる程度については、アルゴンイオン照射量に比例する。そこで、このプラズマ処理装置Ａでは、プローブ計測器８を利用して、イオン照射量を示すイオン電流密度を計測する。
【００４４】
図１に示す例では、チャンバ１にシングルプローブ計測器８が設置されており、これによりプラズマパラメータであるプラズマ２のプラズマ密度及び電子温度を計測することができる。プローブ計測器８はインターフェース７を介してコンピュータＰＣから指示されて動作する。
【００４５】
プローブ計測器８、インターフエース７及びパーソナルコンピュータＰＣ等はイオン電流密度計測装置Ｂを構成している。
【００４６】
コンピュータＰＣには、記録媒体Ｍからつぎのプログラムを予め読み込ませてある。
プローブ計測器を用いて静電プローブ法により該真空チャンバ内プラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅを求めるステップ及び
得られた前記プラズマ密度ｎ及びプラズマ電位Ｔｅに基づいて、被処理物品Ｓへのイオン照射量を示すイオン電流密度Ｊを、
式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）（該式においてｑはイオン電荷量、ｋはボルツマン定数、Ｍはイオン質量）を用いて算出するステップを
コンピュータに実行させるためのプログラムである。
【００４７】
コンピュータＰＣには、さらに記録媒体Ｍからつぎのプログラムも予め読み込ませてある。すなわち、
前記式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）で算出されるイオン電流密度が、被処理物品Ｓへ目的とする処理を施すためのイオン照射量を示す予め定めてコンピュータＰＣに記憶させてあるイオン電流密度へ向かうようにプラズマ密度を調整すべくプラズマ生成装置Ｐにおけるプィラメント電源４の出力を制御するステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【００４８】
シングルプローブ計測器８は、パーソナルコンピュータＰＣからインターフェース７を介して電圧出力指示がなされると、出力可変電源８２から先端プローブ８１に電圧を印加し、このときプローブ８１に流れる電流を電流計８３で検出する。このときの電流−電圧特性はコンピュータＰＣに入力され、コンピュータＰＣは該電圧−電流特性からそれ自体すでに知られている、そして予めコンピュータＰＣに記録媒体Ｍから格納してある計算手順でプラズマ密度と電子温度、プラズマ電位などを求めることができる。
【００４９】
また、コンピュータＰＣは、このようにして得られたプラズマ密度ｎと電子温度Ｔｅに基づいて、イオン電流密度Ｊを、
式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）を用いて算出する。
【００５０】
かくして得られるイオン電流密度Ｊは、コンピュータＰＣに予め記憶させてある、所望の目的とする処理を実施するための参照イオン電流密度と比較され、プローブ計測器８を用いて求められるプラズマ密度ｎ及び電子温度Ｔｅに基づいて算出されるイオン電流密度Ｊが参照イオン電流密度に向かうように、フィラメント電源４の出力がコンピュータＰＣの指示のもとに調整される。算出されるイオン電流密度が大きすぎるときは、電源４の出力を小さくしてプラズマ密度を低下させ、算出されるイオン電流密度が小さすぎるときは、電源４の出力を大きくしてプラズマ密度ｎを大きくする。
【００５１】
次にイオン電流密度が式Ｊ＝ｎｑ〔√（ｋ・Ｔｅ／Ｍ）〕・ｅｘｐ（−１／２）を用いて算出できることについて説明する。
【００５２】
本例では、プラズマ２中に臨む位置に配置されている基材Ｓに電源１０から負電圧が印加されるが、この負電圧印加によりプラズマ２と基材Ｓとの間に、図２に示すようにシースｓｈが形成される。このイオンシース領域における空間電荷制限電流密度Ｊ1 は次のようなChild-Langmuirの式(1) で与えられる。
【００５３】
【数１】
2011210715.tif 000003
ここで、ε0 は真空中の誘電率、ｑはイオンの電荷量、Ｍはイオンの質量、Ｖはシース電圧、ｒはシース幅である。
なお、この例では説明を簡単にするためイオン種は１種類としている。イオン種が複数種類のときについては後述する。
【００５４】
一方、シース端でのイオン飽和電流密度はＪ2 は、Ｂｏｈｍの条件より次式(2) で与えられる。
【００５５】
【数２】
2011210715.tif 000004
ここでｎはプラズマ密度、ｋはボルツマン定数、Ｔｅは電子温度である。
【００５６】
Ｊ1 ＝Ｊ2 ＝Ｊとおくと、式(1) 及び式(2) より次式(3) が得られる。
【数３】
2011210715.tif 000005
【００５７】
定常状態或いは定常状態とみなせるときは、式(3) において、ｄｒ／ｄｔ＝０とおくと次式(4) が得られる。
【数４】
2011210715.tif 000006
【００５８】
またイオン電流密度Ｊは式(2) より次式(5) のようになる。
【数５】
2011210715.tif 000007
【００５９】
基材Ｓ表面の清浄化を行う場合、汚染物や酸化膜の薄層のみをイオン照射によって除去することは困難なので、通常はこれらを含めて基材Ｓ表面を一定の厚さでエッチングすることになる。イオンの基材へのスパッタ率を例えば５とする。ここでスパッタ率とは、イオン１個がスパッタする基材構成原子数と定義し、説明を簡略化するために、基材Ｓは１種類の元素のみから構成されているものとする。
【００６０】
基材の密度をρs 、基材構成原子の質量をｍ、エッチングレートをＲとすると、前記式(5) を用いて次式(6) が成立する。
【数６】
2011210715.tif 000008
【００６１】
式(6) より、エッチングレートＲはプラズマ密度ｎと電子温度Ｔｅの０．５乗の積に比例することがわかる。したがって、例えば図１に示したようなシングルプローブ計測器８を用いて常時プラズマ密度と電子温度を計測しておけば、計測時におけるエッチングレートが算出でき、エッチング量を見積もることができる。よって、所定量の厚さをエッチングする場合、仮にエッチングレートが変化したような場合でも、そのときのエッチングレートを算出し、正確な厚さのエッチングが可能となるのである。
【００６２】
何らかの原因でプラズマ密度が高くなり、イオン照射量の増加とともに基材Ｓの温度が上昇しすぎて不具合をおこす場合があるが、この場合でも、常時プラズマ密度を計測しているので、プラズマ密度を所定の密度に下げるように制御すればこのような問題は防止することができる。
【００６３】
なお、プラズマ密度と電子温度のモニタリングはシングルプローブ法のみならず、ダブルプローブ法やトリプルプローブ法でも可能である。プラズマ電位が変動するようなプラズマの場合、シングルプローブ法では計測値に誤差がでる場合があり、例えば基材Ｓをエッチングするときには、エッチング量の誤差が大きくなる可能性がある。その場合はダブルプローブ法を用いればこのような問題は解消される。
【００６４】
プラズマの時間的揺らぎが大きく、プラズマ密度や電子温度が時間的に変動するような場合は、トリプルプローブ法を用いて極短時間での瞬時測定を常時実施すれば問題は解消できる。
【００６５】
基材構成元素が２種類以上の場合でも、基材構成原子の質量ｍを基材構成原子の平均質量で換算すれば式(6) と同じ関係式が成り立つと考えられ、上述したようにエッチング量のモニタリングが可能となる。
【００６６】
イオン種が２種類以上の場合は式(6) の代わりに次式(7) が成り立つ。
【数７】
2011210715.tif 000009
【００６７】
式(7) において、添字i はイオン種を表している。プローブ法で計測されるプラズマ密度ｎは次式(8) で表すことができる。
【数８】
2011210715.tif 000010
【００６８】
したがって式(8) から個々のｎi は決定できないが、事前に質量分析などの方法によって計測しておくことは可能である。そこで、次式のような関係式(9) が得られたものとする。
【数９】
2011210715.tif 000011
【００６９】
ここで、式(8) 及び式(9) より、次の関係式(10)が満足される。
【数１０】
2011210715.tif 000012
【００７０】
式(9) におけるαi は、プラズマ密度ｎの関数とも考えられるが、プラズマ密度が大きく変わらない範囲内では一定とみなすことができる。すると、式(9) を式(7) に代入することにより、次式(11)が得られる。
【数１１】
2011210715.tif 000013
【００７１】
したがって、式(11)より、プローブ法においてプラズマ密度と電子温度を計測すれば、エッチング量のモニタリングをすることができるのである。
【００７２】
基材表面にイオン注入を実施する場合も、その注入レートは式(5) で与えられるイオン電流密度に比例するものと考えられるので、プローブ法においてプラズマ密度と電子温度を計測すれば、イオン注入量のモニタリングをすることができる。
【００７３】
例えば、イオン種は一種類で、１原子分子イオンとし、全てイオン注入されるものとすると、単位時間、単位面積あたりに注入されるイオンの個数をドーズレートＲdoseとすれば、前記式(5) を用いて次式(12)が成り立つ。
【数１２】
2011210715.tif 000014
【００７４】
また、基材表面に膜形成する場合は、イオンのみが膜形成に寄与する場合は上述した場合と同様に、プローブ法においてプラズマ密度と電子温度を計測すれば、成膜時の膜厚をモニタリングすることができる。
【００７５】
膜形成にイオンだけでなく、ラジカルのような中性粒子が関与する場合は、その割合が問題となるが、この場合も事前に何らかの計測方法を用いてその割合を計測しておくことは可能である。プラズマ密度が変化した場合、その割合も変化する可能性はあるが、プラズマ密度が大きく変化しない範囲内であれば、おおよその割合は一定であるものとみなすことができ、したがって、この場合も上述した場合と同様に、プローブ法においてプラズマ密度と電子温度を計測すれば、成膜のときの膜厚のモニタリングをすることが可能である。
【００７６】
例えば、イオン種は一種類で、１原子分子イオンとし、全て膜になるものとし、またイオン以外は膜形成に寄与しないとすると、膜密度をρf （単位体積あたりの質量）、単位時間、単位面積あたりに形成される膜の厚さを成膜レートＲdepoとすれば、前記式(5) をを用いて次式(13)が成り立つ。
【００７７】
【数１３】
2011210715.tif 000015
【００７８】
前記コンピュータＰＣには、式(11)、式(12)、式(13)のうち少なくとも一つを用いてエッチング量Ｒ、ドーズレートＲdose、成膜レートＲdepoのうち少なくとも一つを算出するプログラムを記録媒体Ｍ等から予め格納しておいてもよい。
なお、コンピュータＰＣで得られる所望ファクタはコンピュータＰＣのディスプレイに表示させることができるし、図示省略のプリンタにプリント出力させることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明はプラズマを用いる膜形成、イオン注入、エッチング等の処理において、プローブ計測器を利用して、被処理物品へのイオン照射量を示すイオン電流密度を計測することに利用できる。
【符号の説明】
【００８０】
Ａ、Ａ１  プラズマ処理装置
２  プラズマ
Ｐ  プラズマ発生装置
３  フィラメント
４  プィラメント電源
５  放電電源
６  ホルダ
Ｓ  被処理物品（図示例では被処理基材）
Ｂ  イオン電流密度計測装置
７  インターフエース
８  プローブ計測器
８１  先端プローブ
８２  プローブ電源
８３  電流計
ＰＣ  パーソナルコンピュータ
Ｍ  記録媒体
１０  バイアス電源
ｓｈ  シース
ｒ    シース幅
【図１】
2011210715.tif 000016
【図２】
2011210715.tif 000017
【図３】
2011210715.tif 000018