(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス放電に基づくスパッタリングによりターゲットから放出されたイオン粒子数の相当値と、該パルス放電により該ターゲットから放出された中性粒子数の相当値との比を計測する計測手段と、
前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出されたイオン粒子を除去するイオン粒子除去手段と、を備える計測装置であって、
前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出された中性粒子をイオン化するイオン化手段を更に備え、
前記計測手段は、前記イオン粒子数の相当値と、前記中性粒子数の相当値とを、飛行時間質量分析により計測する計測装置。
【請求項２】
前記イオン化手段の駆動と、前記イオン粒子除去手段の駆動を同期させる手段、を更に備える請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出されたイオン粒子と、前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出された中性粒子とを、それらの飛行時間に基づいて分別する分別手段を有し、
前記計測手段は、前記分別手段による分別結果に基づいて、前記相当値をそれぞれ計測する請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記パルス放電の発生と同期したパルス信号に基づき、該パルス信号の周期の整数倍の周期を有する分周信号を発生する分周器と、
前記分周信号により前記イオン化手段を駆動する駆動手段と、を更に備える請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項５】
前記パルス放電の発生と同期したパルス信号に基づき、該パルス信号の周期の整数倍の周期を有する分周信号を発生させる分周器を備え、
前記分周信号に基づき、前記イオン化手段による前記中性粒子のイオン化を許可または禁止する手段を備える請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項６】
前記分周信号は、前記パルス信号の周期の２倍〜１０倍のいずれかの整数倍の周期を有する請求項４又は５に記載の計測装置。
【請求項７】
前記パルス放電は、連続する複数のパルス放電により構成され、
前記計測手段は、前記分周信号が発生するタイミングに対応するタイミングに発生する前記パルス放電に基づくスパッタリングにより前記ターゲットから放出された前記イオン粒子および前記中性粒子の少なくとも一方の前記相当値と、前記分周信号が発生するタイミング以外のタイミングに発生する前記パルス放電に基づくスパッタリングにより前記ターゲットから放出された前記イオン粒子および前記中性粒子の少なくとも一方の前記相当値に基づき前記比を計測する請求項４〜６のいずれか一項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記パルス放電は、連続する複数のパルス放電により構成され、
前記計測手段は、前記連続する複数のパルス放電から任意に選択した一つまたは複数のパルス放電に基づくスパッタリングにより前記ターゲットから放出された前記イオン粒子および前記中性粒子の前記相当値に基づいて前記比を計測する請求項１〜６のいずれか一項に記載の計測装置。
【請求項９】
前記計測手段が選択する前記パルス放電は時間的に隣り合うパルス放電である請求項８に記載の計測装置。
【請求項１０】
ＨＩＰＩＭＳを用いたスパッタ装置であって、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の前記計測装置と、
前記計測装置が計測した前記相当値の比に基づいて、ＨＩＰＩＭＳの一回のパルス放電用の電流量、または電圧値、または電力量と、スパッタ装置の処理対象であるワークに印加されるバイアス電圧の少なくとも一方を制御する制御装置とを備えるスパッタ装置。
【請求項１１】
ターゲットから放出されたイオン粒子数の相当値と、該ターゲットから放出された中性粒子数の相当値との比を計測する計測手段と、
前記ターゲットから放出されたイオン粒子を、前記計測手段の前段で除去するイオン粒子除去手段と、
連続するパルス信号に基づき、前記イオン粒子除去手段による前記イオン粒子の除去を許可または禁止するイオン粒子除去制御手段と、を備える計測装置であって、
前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出された中性粒子をイオン化するイオン化手段を更に備え、
前記計測手段は、前記イオン粒子数の相当値と、前記中性粒子数の相当値とを、飛行時間質量分析により計測する計測装置。
【請求項１２】
パルス放電に基づくスパッタリングによりターゲットから放出されたイオン粒子数の相当値と、該パルス放電により該ターゲットから放出された中性粒子数の相当値との比を計測する計測ステップと、
前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出されたイオン粒子を除去するイオン粒子除去ステップと、を備える計測方法であって、
前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出された中性粒子をイオン化するイオン化ステップを更に備え、
前記計測ステップは、前記イオン粒子数の相当値と、前記中性粒子数の相当値とを、飛行時間質量分析により計測する計測方法。
【請求項１３】
前記イオン化ステップの実行と、前記イオン粒子除去ステップの実行を同期させるステップを更に備える請求項１２に記載の計測方法。
【請求項１４】
前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出されたイオン粒子と、前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出された中性粒子とを、それらの飛行時間に基づいて分別する分別ステップを有し、
前記計測ステップは、前記分別ステップによる分別結果に基づいて、前記相当値をそれぞれ計測する請求項１２〜１３の何れか一項に記載の計測方法。
【請求項１５】
前記パルス放電の発生と同期したパルス信号に基づき、該パルス信号の周期の整数倍の周期を有する分周信号を発生する分周ステップと、
前記分周信号により前記イオン化ステップを実行する実行ステップと、を更に備える請求項１２又は１３に記載の計測方法。
【請求項１６】
前記パルス放電の発生と同期したパルス信号に基づき、該パルス信号の周期の整数倍の周期を有する分周信号を発生させる分周ステップを備え、
前記分周信号に基づき、前記イオン化ステップによる前記中性粒子のイオン化を許可または禁止するステップを備える請求項１２又は１３に記載の計測方法。
【請求項１７】
前記分周信号は、前記パルス信号の周期の２倍〜１０倍のいずれかの整数倍の周期を有する請求項１５又は１６に記載の計測方法。
【請求項１８】
前記パルス放電は、連続する複数のパルス放電により構成され、
前記計測ステップは、前記分周信号が発生するタイミングに対応するタイミングに発生する前記パルス放電に基づくスパッタリングにより前記ターゲットから放出された前記イオン粒子および前記中性粒子の少なくとも一方の前記相当値と、前記分周信号が発生するタイミング以外のタイミングに発生する前記パルス放電に基づくスパッタリングにより前記ターゲットから放出された前記イオン粒子および前記中性粒子の少なくとも一方の前記相当値に基づき前記比を計測する請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の計測方法。
【請求項１９】
前記パルス放電は、連続する複数のパルス放電により構成され、
前記計測ステップは、前記連続する複数のパルス放電から任意に選択した一つまたは複数のパルス放電に基づくスパッタリングにより前記ターゲットから放出された前記イオン粒子および前記中性粒子の前記相当値に基づいて前記比を計測する請求項１２から１８のいずれか一項に記載の計測方法。
【請求項２０】
前記計測ステップが選択する前記パルス放電は時間的に隣り合うパルス放電である請求項１９に記載の計測方法。
【請求項２１】
ＨＩＰＩＭＳを用いたスパッタリング方法であって、
請求項１２〜２０のいずれか一項に記載の前記計測方法により計測した前記相当値の比に基づいて、ＨＩＰＩＭＳの一回のパルス放電用の電流量、または電圧値、または電力量と、スパッタリング方法の処理対象であるワークに印加されるバイアス電圧の少なくとも一方を制御する制御ステップとを備えるスパッタリング方法。
【請求項２２】
ターゲットから放出されたイオン粒子数の相当値と、該ターゲットから放出された中性粒子数の相当値との比を計測する計測ステップと、
前記ターゲットから放出されたイオン粒子を、前記計測ステップより先に除去するイオン粒子除去ステップと、
連続するパルス信号に基づき、前記イオン粒子除去ステップによる前記イオン粒子の除去を許可または禁止するイオン粒子除去制御ステップと、を備える計測方法であって、
前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出された中性粒子をイオン化するイオン化ステップを更に備え、
前記計測ステップは、前記イオン粒子数の相当値と、前記中性粒子数の相当値とを、飛行時間質量分析により計測する計測方法。
【請求項２３】
パルス放電に基づくスパッタリングによりターゲットから放出されたイオン粒子数の相当値と、該パルス放電により該ターゲットから放出された中性粒子数の相当値との比を計測する計測手段と、
前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出された中性粒子をイオン化するイオン化手段と、
前記パルス放電の発生と同期したパルス信号に基づき、該パルス信号の周期の整数倍の周期を有する分周信号を発生する分周器と、
前記分周信号により前記イオン化手段を駆動する駆動手段と、を備える計測装置であって、
前記計測手段は、連続する複数のタイミングで計測を行い、前記駆動手段が前記分周信号により前記イオン化手段を駆動するタイミングにおける計測では、スパッタリングによりイオンの状態で放出されたイオン粒子の数の相当値と、中性粒子の状態で放出され、前記イオン化手段によりイオン化されたイオン粒子の数の相当値との合計値を計測し、前記駆動手段が前記分周信号により前記イオン化手段を駆動しないタイミングにおける計測では、スパッタリングによりイオンの状態で放出されたイオン粒子の数の相当値のみを計測する、ことを特徴とする計測装置。
【請求項２４】
パルス放電に基づくスパッタリングによりターゲットから放出されたイオン粒子数の相当値と、該パルス放電により該ターゲットから放出された中性粒子数の相当値との比を計測する計測手段と、
前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出された中性粒子をイオン化するイオン化手段と、
前記パルス放電の発生と同期したパルス信号に基づき、該パルス信号の周期の整数倍の周期を有する分周信号を発生する分周器と、
前記分周信号に基づき、前記イオン化手段による前記中性粒子のイオン化を許可または禁止する手段と、を備える計測装置であって、
前記計測手段は、連続する複数のタイミングで計測を行い、前記許可または禁止する手段が前記分周信号に基づき前記中性粒子のイオン化を許可するタイミングにおける計測では、スパッタリングによりイオンの状態で放出されたイオン粒子の数の相当値と、中性粒子の状態で放出され、前記イオン化手段によりイオン化されたイオン粒子の数の相当値との合計値を計測し、前記許可または禁止する手段が前記分周信号に基づきイオン化を禁止するタイミングにおける計測では、スパッタリングによりイオンの状態で放出されたイオン粒子の数の相当値のみを計測する、ことを特徴とする計測装置。
【請求項２５】
パルス放電に基づくスパッタリングによりターゲットから放出されたイオン粒子数の相当値と、該パルス放電により該ターゲットから放出された中性粒子数の相当値との比を計測する計測ステップと、
前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出された中性粒子をイオン化するイオン化ステップと、
前記パルス放電の発生と同期したパルス信号に基づき、該パルス信号の周期の整数倍の周期を有する分周信号を発生する分周ステップと、
前記分周信号により前記イオン化ステップを実行する実行ステップと、を備える計測方法であって、
前記計測ステップは、連続する複数のタイミングで計測を行い、前記実行ステップが前記分周信号により前記イオン化ステップを実行するタイミングにおける計測では、スパッタリングによりイオンの状態で放出されたイオン粒子の数の相当値と、中性粒子の状態で放出され、前記イオン化ステップによりイオン化されたイオン粒子の数の相当値との合計値を計測し、前記実行ステップが前記分周信号により前記イオン化ステップを実行しないタイミングにおける計測では、スパッタリングによりイオンの状態で放出されたイオン粒子の数の相当値のみを計測する、ことを特徴とする計測方法。
【請求項２６】
パルス放電に基づくスパッタリングによりターゲットから放出されたイオン粒子数の相当値と、該パルス放電により該ターゲットから放出された中性粒子数の相当値との比を計測する計測ステップと、
前記スパッタリングにより前記ターゲットから放出された中性粒子をイオン化するイオン化ステップと、
前記パルス放電の発生と同期したパルス信号に基づき、該パルス信号の周期の整数倍の周期を有する分周信号を発生させる分周ステップと、
前記分周信号に基づき、前記イオン化ステップによる前記中性粒子のイオン化を許可または禁止するステップと、を備える計測方法であって、
前記計測ステップは、連続する複数のタイミングで計測を行い、前記許可または禁止するステップが前記分周信号に基づき前記中性粒子のイオン化を許可するタイミングにおける計測では、スパッタリングによりイオンの状態で放出されたイオン粒子の数の相当値と、中性粒子の状態で放出され、前記イオン化ステップによりイオン化されたイオン粒子の数の相当値との合計値を計測し、前記許可または禁止するステップが前記分周信号に基づきイオン化を禁止するタイミングにおける計測では、スパッタリングによりイオンの状態で放出されたイオン粒子の数の相当値のみを計測する、ことを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタリング法、アーク放電法、レーザアブレーション法などの方法によりターゲットから放出される粒子（イオン粒子及び中性粒子）を計測する方法および装置に関する。本発明は、特に、パルススパッタリング法、特に高出力インパルスマグネトロンスパッタリング法により放出されるスパッタ粒子の種類および強度を即時に計測する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記したような、ターゲットから粒子を放出させる方法の一つとして、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング法（以下、「ＨＩＰＩＭＳ（High Power Impulse Magnetron Sputtering）」と省略する）があるが、この高出力インパルスマグネトロンスパッタリング法は、高性能かつ効率的なスパッタリング技術として期待されている（特許文献１及び特許文献２参照）。このＨＩＰＩＭＳのスパッタ源は、Ａｒ等の不活性ガス中に置かれたスパッタ金属等のターゲットに高電圧のパルスを印加して、ターゲットから粒子（イオン粒子および中性粒子）をはじき飛ばす（すなわち、衝撃脱離する）ように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−５１２４５８号公報
【特許文献２】特開２０１０−５１２４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＨＩＰＩＭＳは高温度かつ高密度のプラズマの生成が可能であり、従来のＲＦもしくはＤＣマグネトロンスパッタリング法と比較して高いイオン化度が得られる。このことから、ＨＩＰＩＭＳを用いることにより、より高品質の成膜が可能になると期待されている。しかしながら、工業的には、その用途や具体的な使用条件等について開発の途上にある。
ＨＩＰＩＭＳを用いて成膜を行おうとする場合に目的仕様の蒸着膜を形成するためには、成膜に影響を与える要因を解明し、その要因を精度良く制御することが好ましい。また、蒸着膜を形成するワークの表面には、通常、酸化膜や異物が存在するため、スパッタによる蒸着を行う前に、ワーク表面にエッチングを施してそれらを除去することで、蒸着膜のワークに対する付着性や蒸着膜の品質を向上させることができる。ＨＩＰＩＭＳによるスパッタエッチングを行う場合に目的仕様のエッチングを行うためには、エッチングに影響を与える要因を解明し、その要因を精度良く制御することが好ましい。
【０００５】
そこで、本発明は、スパッタリング法により放出されるスパッタ粒子（イオン粒子及び中性粒子）を精度良く計測することができる方法および装置を提供することをその目的の一つとしており、特に、パルススパッタリング法、特に高出力インパルスマグネトロンスパッタリング法により放出されるスパッタ粒子の種類と強度を即時に計測できる方法および装置を提供することを一つの目的とする。これにより、例えば、スパッタリング法、特にＨＩＰＩＭＳによる成膜及びエッチングに影響を与える要因を把握し、把握した要因に基づき成膜またはエッチングを高精度かつリアルタイムに制御することができる。また、スパッタリング法に限らず、アーク放電法、レーザアブレーション法などの方法によりターゲットから放出される粒子（イオン粒子及び中性粒子）を精度良く計測することができれば上記と同様の利点があるため、本発明は、これらの方法によりターゲットから放出される粒子を精度よく計測することができる方法および装置を提供すること、および、放出される粒子の種類と強度を即時に計測できる方法および装置を提供することも、併せてその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、次の各局面に想到した。即ち、本発明の一つの局面による計測装置は、パルス放電に基づくスパッタリングによりターゲットから放出されたイオン粒子数の相当値と、該パルス放電により該ターゲットから放出された中性粒子数の相当値との比を計測する計測手段を備える、ことを特徴とする計測装置である。
スパッタリングによりターゲットから放出された（つまりスパッタされた）イオン粒子数と中性粒子数の比は、蒸着膜の品質のみならず、成膜速度またはエッチング速度にも影響を与える要因の一つであると考えられる。よって、上記局面による計測装置によれば、ＨＩＰＩＭＳ等のスパッタリングによる成膜またはエッチングに影響を与える一つの要因を把握することが可能となる。
【０００７】
本発明の別の局面による計測装置は、スパッタリングによりターゲットから放出された中性粒子をイオン化するイオン化手段を更に備え、計測手段は、イオン粒子数の相当値と、中性粒子数の相当値とを、飛行時間質量分析により計測する。
飛行時間分析装置（ＴＯＦＭＳ：Time-of-Flight mass spectrometer）による飛行時間質量分析においては、分析対象であるイオンを静電場によって加速する。このとき、全てのイオンに対して同じエネルギーが与えられるため、軽いイオンほど速度が大きく、重いイオンほど速度は小さい。この原理を用いて、加速を開始した瞬間から一定距離の飛行管の中をイオンが飛行して検出器に到達するまでの時間(飛行時間)を測定し、質量スペクトルを得る。
【０００８】
上記局面の構成によれば、ターゲットから放出されたイオンを静電場によって加速し、飛行時間計測により質量スペクトルを得て、そこから、発生したイオン粒子の種類およびその数の相当値を求めることができる。一方、ターゲットから放出された中性粒子については、イオン化手段によってイオン化することにより、同じく静電場で加速し、発生したイオン粒子の種類を観測し、その数の相当値を計測することが可能となる。
【０００９】
本発明の別の局面による計測装置は、スパッタリングによりターゲットから放出されたイオン粒子と、スパッタリングによりターゲットから放出された中性粒子とを、それらの飛行時間に基づいて分別する分別手段を有し、計測手段は、分別手段による分別結果に基づいて、前記各相当値をそれぞれ計測する。
同じパルス放電により生じたイオン粒子と中性粒子とを同時にＴＯＦＭＳの検出対象として、オシロスコープ上で電子増幅検出器アノードの電位変動を観測すると、スパッタリングにより最初からイオンの形で放出されたイオン粒子と、スパッタリングにより中性粒子の形で放出され、イオン化手段によってイオン化された中性粒子由来のイオン粒子とでは、検出電極への到達時刻を表す電圧ピークの位置にずれが生じることが本発明者らの実験によって明らかになった。すなわち、最初からイオンの形で放出されたイオン粒子の方が、中性粒子由来のイオン粒子よりも飛行時間が短いという結果が得られている。これは、最初からイオンの形で放出されたイオン粒子の加速領域での速度の方が、中性粒子の速度よりも速いことに起因すると考えられる。よって、上記の方法によれば、単一のパルス放電に基づくスパッタリングによって放出されたイオン粒子数の相当値と中性粒子数の相当値との両方を一度に計測することができる。
【００１０】
本発明の別の局面によれば、計測装置は、パルス放電の発生と同期したパルス信号に基づき、該パルス信号の周期の整数倍の周期を有する分周信号を発生する分周器と、分周信号によりイオン化手段を駆動する駆動手段と、を更に備える。
このような構成によれば、スパッタリングが行われる各タイミングにおいて、イオン化手段を駆動するタイミングと、駆動しないタイミングの両方を規定することができる。イオン化手段を駆動するタイミングにおける計測では、スパッタリングによりイオンの状態で放出されたイオン粒子の数の相当値と、中性粒子の状態で放出され、イオン化手段によりイオン化されたイオン粒子の数の相当値との合計値が計測されることとなる。イオン化手段を駆動しないタイミングにおける計測では中性粒子がイオン化されないため、スパッタリングによりイオンの状態で放出されたイオン粒子の数の相当値のみが計測されることとなる。このようにすれば、最少で２つのタイミングのみで、イオン粒子と中性粒子の両方について、スパッタされた粒子の種類ごとに前記相当値を得ることができ（この場合、中性粒子数相当値は減算により得られる）、極めて短時間での計測を、ほぼ同一の条件下で実現できる。
【００１１】
本発明の別の局面による計測装置は、パルス放電の発生と同期したパルス信号に基づき、該パルス信号の周期の整数倍の周期を有する分周信号を発生させる分周器を備え、該分周信号に基づき、前記イオン化手段による前記中性粒子のイオン化を許可または禁止する手段を備える。このような方法によっても、前記局面と同様の効果が得られる。
本発明の別の局面によれば、分周信号は、パルス信号の周期の２倍〜１０倍のいずれかの整数倍の周期を有する。本発明者らの行った実験によれば、分周信号の周期を上記の範囲内とすることで、相互に比較すべきイオン粒子数相当値と中性粒子数相当値として有意な値が得られることが明らかになっている。
【００１２】
本発明の別の局面によれば、パルス放電は、連続する複数のパルス放電により構成され、計測手段は、分周信号が発生するタイミングに対応するタイミングに発生するパルス放電に基づくスパッタリングによりターゲットから放出されたイオン粒子および中性粒子の少なくとも一方の相当値と、分周信号が発生するタイミング以外のタイミングに発生するパルス放電に基づくスパッタリングによりターゲットから放出されたイオン粒子および中性粒子の少なくとも一方の相当値に基づき前記比を計測する。このような方法によれば、前記比の計測を極めて短時間の内にほぼ同一の条件下で実現できる。
【００１３】
本発明の別の局面によれば、スパッタリングによりターゲットから放出されたイオン粒子を除去するイオン粒子除去手段を更に備える。これによれば、スパッタリングによってターゲットから放出された中性粒子の種類ごとにそれぞれの数の相当値のみをイオン粒子を除去しながら計測することが可能となる。
【００１４】
本発明の別の局面による計測装置は、イオン化手段の駆動と、イオン粒子除去手段の駆動を同期させる手段を更に備える。このような構成の計測装置によれば、イオン粒子除去手段によりイオン粒子が除去された状態でイオン化手段を駆動した場合に、中性粒子由来のイオン粒子のみを計測対象とすることができ、中性粒子の種類を高感度に観測でき、かつその数の相当値を精度良く計測することができる。
【００１５】
本発明の別の局面によれば、パルス放電は、連続する複数のパルス放電により構成され、計測手段は、連続する複数のパルス放電から任意に選択した一つまたは複数のパルス放電に基づくスパッタリングによりターゲットから放出されたイオン粒子および中性粒子の相当値に基づいて前記比を計測する。更に本発明の別の局面によれば、計測手段が選択するパルス放電は時間的に隣り合うパルス放電である。このような方法によれば、前記比の計測を、極めて短時間の内に、ほぼ同一の条件下で実現できる。
【００１６】
本発明の更に別の局面によるスパッタ装置は、ＨＩＰＩＭＳを用いたスパッタ装置であって、上記局面のいずれかによる計測装置と、計測装置が計測した相当値の比に基づいて、ＨＩＰＩＭＳの一回のパルス放電用の電流量、または電圧値、または電力量と、スパッタ装置の処理対象であるワークに印加されるバイアス電圧の少なくとも一方を制御する制御装置とを備える、ことを特徴とするスパッタ装置である。
【００１７】
ＨＩＰＩＭＳの各回のパルス放電中の放電用電流量、または電圧値、または電力量が大きいほど、ターゲットから放出されるイオン粒子数の中性粒子数に対する比が増加する傾向がある。よって、計測装置により計測した相当値の比に基づいて各回のパルス放電用の電流量、または電圧値、または電力量を制御することで、相当値の比のフィードバック制御を行うことができる。
また、ワークに印加されるバイアス電圧（負電圧）の絶対値が大きくなる程、ワークのエッチングが促進され、バイアス電圧の絶対値が小さくなる程、ワーク上の堆積（成膜）が促進される傾向がある。よって、計測装置により計測した前記相当値の比に基づいてワークに印加されるバイアス電圧を制御することで、成膜及びエッチングを高精度に制御することが可能となる。
これらの方法の一方又は両方を用いることで、ターゲットからのイオン粒子及び中性粒子の実際の発生状態に基づき、高精度に成膜及びエッチングを制御することが可能となる。
【００１８】
本発明の更に別の局面による計測装置は、ターゲットから放出されたイオン粒子数の相当値と、該ターゲットから放出された中性粒子数の相当値との比を計測する計測手段と、ターゲットから放出されたイオン粒子を、計測手段の前段で除去するイオン粒子除去手段と、連続するパルス信号に基づき、イオン粒子除去手段によるイオン粒子の除去を許可または禁止するイオン粒子除去制御手段と、を備える。
このような構成によれば、ターゲットから粒子を放出させる方式としてはパルス放電に基づく方式に限定されず、どのような方式のものであっても、実際にターゲットから放出されたイオン粒子数の相当値と、該ターゲットから放出された中性粒子数の相当値との比を即時に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態によるスパッタ粒子計測装置を概略的に示す図である。
【図２】第１実施形態によるスパッタ粒子計測装置を用いた計測例を説明するためのパルス列の図である。
【図３】第１実施形態のスパッタ粒子計測装置を用いた計測により得られたスペクトル例である。
【図４】第１実施形態のスパッタ粒子計測装置を用いた成膜及びエッチングを制御するための特性図である。
【図５】本発明の変形例のスパッタ装置により得られたスペクトルの部分拡大図である。
【図６】本発明の第２実施形態によるスパッタ粒子計測装置を概略的に示す図である。
【図７】第２実施形態によるスパッタ粒子計測装置を用いた計測例を説明するためのパルス列の図である。
【図８】本発明の第３実施形態によるスパッタ粒子計測装置を概略的に示す図である。
【図９】第３実施形態によるスパッタ粒子計測装置を用いた計測例を説明するためのパルス列の図である。
【図１０】本発明の第４実施形態によるスパッタ粒子計測装置を概略的に示す図である。
【図１１】本発明の第４実施形態によるスパッタ粒子計測装置のシャッターの動作を示す図である。
【図１２】第４実施形態によるスパッタ粒子計測装置を用いた計測例を説明するためのパルス列の図である。
【図１３】本発明の第５実施形態によるスパッタ粒子計測例を説明するためのパルス列の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を説明する。図１は第１実施形態に係るスパッタ粒子計測装置１の構成を示す概念図である。本実施形態のスパッタ粒子計測装置１は主な構成要素としてＨＩＰＩＭＳ部１０、制御装置３０、ＴＯＦ質量分析部４０を備える。ＨＩＰＩＭＳ部１０は、チャンバ１１、スパッタ源１３、排気装置１９を備える。スパッタ源１３はターゲット１２（例えば、金属ターゲット）、アノード電極１４、磁石ユニット１５から構成され、ターゲット１２はカソード電極として電源１８に接続される。チャンバ１１内は、ターボ分子ポンプ等からなる排気装置１９で所定の真空度（例えば１０−４Pa）まで一旦排気され、その後、スパッタガスとしてアルゴンガスが導入されることで、チャンバ１１内は１×１０−２Pa〜１Pa程度に保たれる。符号２１はアルゴンガスタンクであり、アルゴンガスの流量は流量調節器２３により制御される。アルゴンガスへ窒素等の反応ガスを混入することもできる。
【００２１】
チャンバ１１内にアルゴンガスが供給され、電源１８からスパッタ源１３にパルス状の電力が供給されると（即ち、ターゲット１２とアノード電極１４の間に例えば１ｋＶ前後の高電圧が例えば１０μｓ〜２０００μｓのパルス状に印加されると）、ターゲット１２及びアノード電極１４間にパルス状のグロー放電が生じて、ターゲット１２の近傍にアルゴンに起因するプラズマがパルス状に形成される。なお、本実施形態のＨＩＰＩＭＳ部１０は磁石ユニット１５によりターゲット１２の表面付近に磁場を形成することでマグネトロンスパッタを行い、より強いグロー放電を生成することが可能である。結果として、ターゲット１２からその形成材料の中性粒子及びそのイオン（一価、多価のイオン）が放出される。
【００２２】
制御装置３０はトリガ信号生成部３１と制御部３２とを有している。電源１８からスパッタ源１３に対して高電圧パルスが印加される毎に、そのタイミングと同期したパルス信号が電源１８から制御装置３０のトリガ信号生成部３１に出力される。トリガ信号生成部３１は、パルス信号と同期したトリガ信号を生成し、それをＴＯＦ質量分析部４０のイオン加速器ドライバ３５、飛行時間特定部３７、分周器６５に出力する。
ＴＯＦ質量分析部４０は更に、筐体部４１、金属板からなるゲート４３、イオン加速器４５、イオン検出器４８、紫外線レーザ照射装置６１を備える。本実施形態ではリフレクトロン４７を有するリフレクトロンタイプのＴＯＦ質量分析部４０を採用している。筐体部４１の内部は第１の部屋４０Ａ及び第２の部屋４０Ｂとされており、第１の部屋４０Ａにはイオン加速器４５が配置される。第２の部屋４０Ｂにはリフレクトロン４７とイオン検出器４８が配置される。筐体部４１はＨＩＰＩＭＳ部１０のチャンバ１１に対して固定され、ＨＩＰＩＭＳ部１０のスパッタ源１３に対向してアパチャー４２を介して開口している。アパチャー４２はゲート４３に、例えば、直径約１ｍｍの孔をあけてなる。
【００２３】
ＨＩＰＩＭＳ部１０のチャンバ１１内の圧力に比べて、ＴＯＦ質量分析部４０の筐体部４１内の圧力は低く維持される必要がある。この観点から、両者のインターフェースとなるアパチャー４２の径は出来るだけ小さくすることが好ましい。一方、チャンバ１１内で発生したイオン及び中性粒子をＴＯＦ質量分析部４０へ安定して導入する必要がある。そのためには、アパチャー４２の径は大きくすることが好ましい。かかるトレードオフの関係にあるアパチャー４２の径は、本発明者らの検討によれば、０．１ｍｍ〜５ｍｍとすることが好ましい。
【００２４】
ゲート４３は電位可変回路４４により、グラウンド（Ｇｎｄ）にアースされた状態と、所定電位状態との間で切り替えることが可能となっている。スパッタの状態を把握するために用いられるＴＯＦ質量分析部４０において、そのイオン導入口であるゲート４３をアース以下の電位とすることで、筐体部４１内部へのイオンの導入を好適に行うことができる。
一方、電位可変回路４４によりゲート４３をプラズマポテンシャル、つまりイオンが持ちうるエネルギーを超える電位以上の所定電位（例えば、２０Ｖ程度より大きい電位Ｖｇ）に維持することで、ゲート４３を阻止電極として機能させ得る。これにより、イオンがアパチャー４２を通過して筐体部４１内に侵入することを阻止できる。この場合は中性粒子のみがアパチャー４２を通過して筐体部４１内に侵入可能となり、ＴＯＦ質量分析部４０による分析対象を中性粒子由来のイオン粒子に限定することができる。
【００２５】
アパチャー４２は、ターゲット１２の中心から外方へ偏心している。本実施形態では２２．５ｍｍ偏心させているが、これは最もスパッタ粒子イオンの濃度の高い部分をサンプリングするためである。この実施形態ではアパチャー４２とターゲット１２との間に５ｃｍの間隔をあけたが、両者の間隔は任意に設定可能である。第１の部屋４０Ａに備えられるイオン加速器４５はアパチャー４２と同一軸線上に開口部４６を開口した複数の金属板からなり、この開口部４６を通過するイオンを加速する。ここで、開口部４６には金属製メッシュを取り付けて電場の歪みを補正してもよい。イオン加速器４５にはイオン加速器ドライバ３５から一定の高電圧Ｖａ（この例では１．４ｋＶ）が印加される。加速されたイオンはリフレクトロン４７で反射されて例えばＭＣＰ検出器からなるイオン検出器４８で検出され、トリガ信号発生時刻からイオン検出時刻までの時間が飛行時間として飛行時間特定部３７により特定される。イオン加速器４５から与えられる運動エネルギー１／２ｍｖ２は一定であるので、イオンの質量（ｍ）の違いが速度（ｖ）即ち、イオン検出器４８に到達するまでの時間の違いとして検出される（軽いイオンほど速度が大きく、重いイオンほど速度は小さい）。検出結果は飛行時間特定部３７から制御装置３０の制御部３２へと出力される。
【００２６】
ＴＯＦ質量分析部４０にも排気装置５１を設け、ＨＩＰＩＭＳ部１０とは別途に排気をし（差動排気）、ＴＯＦ質量分析部４０内からアルゴンガスを排除することが好ましい。この実施形態では、ＴＯＦ質量分析部４０内の真空度は、第1の部屋４０Ａを１×１０−４Ｐａ、第２の部屋４０Ｂを３×１０−５Ｐａとしている。
【００２７】
（実施例）
次に、本実施形態に係るスパッタ粒子計測装置１を用いたスパッタ粒子の計測方法を実施例として説明する。実施例においては、ＨＩＰＩＭＳのパルス放電によりターゲット１２からはじき出されるスパッタ粒子であるイオン粒子と中性粒子の種類を判別しながら、それぞれの種類のスパッタ粒子についてイオン粒子数の相当値、及び、発生した中性粒子数の相当値の両方をＴＯＦ質量分析手法により把握し、更にはそれらの比に基づいてスパッタの実際の状態を把握することを目指す。以下の実施例ではターゲット１２として単元素金属からなるターゲットを用いたが、本発明はこれに限定されない。
【００２８】
トリガ信号生成部３１からのトリガ信号を受けたイオン加速器ドライバ３５はイオン加速電極４５へ所定の高電圧Ｖａを印加することによりイオンを加速する。これにより、加速を開始した瞬間から一定距離の飛行管の中をイオンが飛行して検出器４８まで到達するまでの時間(飛行時間)を測定し、質量スペクトルを得る。トリガ信号は飛行時間特定部３７にも印加され、イオンの飛行開始時刻を定める。得られた質量スペクトルから、ＨＩＰＩＭＳ部１０において発生した金属イオン粒子の数と相関を有する相当値（Ｍ＋）を得ることができる。イオン加速開始から検出までは数十から数百マイクロ秒という極めて短い時間である。
【００２９】
ＨＩＰＩＭＳ部１０におけるパルス放電によってターゲット１２から放出された金属中性粒子は、アパチャー４２を通って筐体部４１内部へ侵入する。紫外線レーザ照射装置６１は、筐体部４１に設けられた透過窓６３を通して紫外線レーザを筐体部４１内の金属中性粒子に照射し、これをイオン化する。金属中性粒子はイオン化されることでイオン加速器４５により加速され得る状態となる。こうして、金属中性粒子もＴＯＦ質量分析部４０による分析の対象とすることができ、ＨＩＰＩＭＳによりターゲット１２からはじき出された金属中性粒子数と相関を有する相当値（Ｍ）も、ＴＯＦ質量分析部４０により計測可能となる。本実施形態では、紫外線レーザ照射装置６１としての真空紫外線レーザ発生装置は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波（１０６４ｎｍ）の第九高調波（１１８ｎｍ、１０．５ｅＶ）を用いる。真空紫外線レーザ発生装置に限らず、熱電子パルスビーム発生装置等、他のイオン化装置を用いても良い。本実施形態では、紫外線レーザは、例えばイオン加速電極４５の２枚の金属板のほぼ中間位置を通過するように照射される。
【００３０】
分周器６５は、トリガ信号に基づき、トリガ信号の周期の整数倍の周期を有するパルス状の分周信号を生成し、その分周信号を紫外線レーザ照射装置６１に対して出力する。紫外線レーザ装置６１は分周信号の入力をトリガとして紫外線レーザを放出する。図２に、トリガ信号、分周信号、紫外線レーザ発光のタイミングの関係の一例を、横軸を時間軸として示す。この例では、分周比（すなわち、トリガ信号の周期と分周信号の周期の比）を５としている。図２は各信号およびレーザ発光の周期やタイミングの関係を模式的に表したに過ぎず、実際の各パルスの幅や周期の関係は図示のものとは異なり得る（後に説明する図７、９、１２、１３についても同様である）。
【００３１】
上記実施形態（図１）の装置で得られたＴＯＦスペクトルを図３に概略的に示す。測定条件は次の通りである。
ターゲット：Ｔｉ
印加電圧：６００Ｖ
電圧パルス幅：１５００μs
トリガ信号周波数：５０Ｈｚ
Arガス流量：２００ｃｃｍ
レーザ周波数：１０Ｈｚ
【００３２】
この質量スペクトルにおける金属（本例ではＴｉ）の検出強度を、ＨＩＰＩＭＳによりターゲット１２から放出された金属イオン粒子数の相当値（Ｍ＋）や、金属中性粒子数の相当値（Ｍ）として用いることができる。なお、スパッタガスとしてのＡｒの検出強度も参考として示した。図３（Ａ）は、図２における時刻ｔ１、ｔ６のようにトリガ信号と分周信号の両方が発せられ、レーザ照射装置６１による中性粒子のイオン化が行われるタイミングにおける、ＴＯＦ質量分析部４０による検出結果を表す。図３（Ｂ）は、図２における時刻ｔ２〜ｔ５、ｔ７、ｔ８のようにトリガ信号のみが発せられ分周信号が発せられず、中性粒子がイオン化されないタイミングにおけるＴＯＦ質量分析部４０による検出結果を表す。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）の検出強度から図３（Ｂ）の検出強度を減算したものである。
【００３３】
図３（Ａ）に示す検出強度は、ＨＩＰＩＭＳのパルス放電と共に紫外線レーザ照射による中性金属粒子のイオン化を行った場合の検出結果であるため、ＨＩＰＩＭＳのパルス放電により発生した金属イオン粒子と、該パルス放電により発生した金属中性粒子がイオン化されてできた金属イオン粒子の両方が、ＴＯＦ質量分析部４０に検出される。すなわち、図３（Ａ）に示す検出強度は、パルス放電によってターゲット１２から放出された金属イオン粒子数の相当値（Ｍ＋）と、パルス放電によってターゲット１２から放出された金属中性粒子数の相当値（Ｍ）の合計を表すこととなる。
【００３４】
一方、図３（Ｂ）は、紫外線レーザ照射による金属中性粒子のイオン化を行わない場合の検出結果であり、ＨＩＰＩＭＳにより放出された金属イオン粒子のみがＴＯＦ質量分析部４０により検出されるため、図３（Ｂ）の検出強度を、金属イオン粒子数の相当値（Ｍ＋）として用いることができる。よって、図３（Ａ）の検出強度から図３（Ｂ）の検出強度を減算した図３（Ｃ）の値を、ＨＩＰＩＭＳのパルス放電によって放出された中性金属粒子数の相当値（Ｍ）と見なすことができる。なお、図３（Ａ）および図３（Ｂ）の検出値は、それぞれ複数のパルスタイミングにおける値の積算値あるいは平均値として良い。図３（Ｃ）の中性金属粒子数の相当値（Ｍ）を算出するためには、例えば、図３（Ａ）と図３（Ｂ）の間でパルス回数を揃えた上で、減算を行えばよい。
【００３５】
このように、分周器６５を用いてトリガ信号の一部と同じタイミングで分周信号を発生させることで、ＨＩＰＩＭＳのパルス放電と共に中性金属粒子のイオン化を行う場合と、イオン化を伴わずにＨＩＰＩＭＳのパルス放電のみを行う場合の、それぞれの場合におけるＴＯＦ質量分析を非常に短い時間内で行うことができる。例えば、トリガ信号の周波数を５０Ｈｚとしたとき、時刻ｔ１から時刻ｔ２までは２０ミリ秒という非常に短い時間となる。この非常に短い間隔の時刻ｔ１と時刻ｔ２のそれぞれのＴＯＦ質量分析結果のみからでも、金属中性粒子数及び金属イオン粒子数の相当値をそれぞれ求めることができる。ＴＯＦ質量分析部４０の出力結果は数百μｓ以内に得ることができるので、その時間を考慮したとしても、短時間のうちに計測が完了することに変わりはない。このように、非常に短い時間内に金属中性粒子数及び金属イオン粒子数の相当値が計測できるため、ほぼ同一の計測条件下において両相当値が計測できるという利点がある。本発明者らの行った実験によれば、相互に比較すべき金属イオン粒子数相当値と金属中性粒子数相当値として有意な値を得るためには、分周比を２から１０までのいずれかの整数とすることが好ましい。
【００３６】
制御部３２は、飛行時間特定部３７からの検出結果に加えて、トリガ信号生成部３１からのトリガ信号および分周器６５からの分周信号を受け取る。制御部３２は、受け取ったトリガ信号および分周信号に基づいて、飛行時間特定部３７から送られる検出結果が、レーザ発光を行う場合、および、レーザ発光を行わない場合のいずれの場合における計測結果であるかを判断する。そして、この判断結果に基づいて、表示部７０に各タイミングの計測結果を表示する際に、その計測結果が、中性粒子数のみの相当値であるか、イオン粒子数のみの相当値であるか、あるいは、中性粒子数とイオン粒子数の合計の相当値であるかという情報を含んだ態様で表示する。併せて、Ｍ＋／Ｍの演算結果もリアルタイムで表示する。
【００３７】
次に、本実施形態によるスパッタ粒子計測装置１のＨＩＰＩＭＳ部１０を用いたスパッタによりワークの成膜またはエッチングを行う際に、本発明に係るスパッタ粒子の観測方法を用いて成膜またはエッチングを制御する方法の概念の例を図４に基づいて説明する。スパッタの際は、スパッタの対象となるワーク（図示せず）をチャンバ１１内の所定の位置に配置する。本説明においてもターゲット１２として単元素金属ターゲットを用いるが、本発明はこれに限定されない。
金属イオン粒子と金属中性粒子とがワーク上の金属堆積速度ｖｄつまり成膜速度ｖｄに寄与し、金属イオン粒子とスパッタガスイオンとがワークのエッチング速度ｖｅに寄与すると考えられる。そこで、ＨＩＰＩＭＳのパルス放電によって発生した金属イオン粒子数の相当値（Ｍ＋）の、同じくパルス放電によって発生した金属中性粒子数の相当値（Ｍ）に対する比（Ｍ＋／Ｍ）（以下、相当値比と呼ぶ）に基づいて、成膜及びエッチングを制御する方法について説明する。
【００３８】
図４（Ａ）は、本発明者らが実験により得た制御特性図の概念図である。縦軸はワークの金属堆積速度ｖｄからエッチング速度ｖｅを引いた値（ｖｄ−ｖｅ）を表し、横軸はワークのバイアス電圧Ｖｂｉａｓ（すなわち、「ワークに印加した電位」）の絶対値を表す。金属堆積速度ｖｄからエッチング速度ｖｅを引いた値（ｖｄ−ｖｅ）が正の領域では金属堆積速度ｖｄの方が大きくデポジション（堆積）が促進されることから、この領域をデポジション領域と呼ぶこととする。一方、金属堆積速度ｖｄからエッチング速度ｖｅを引いた値（ｖｄ−ｖｅ）が負の領域ではエッチング速度ｖｅの方が大きくエッチングが促進されることから、この領域をエッチング領域と呼ぶこととする。
【００３９】
図４（Ａ）中の直線ａ又は曲線ｂ、ｃは、各線上において相当値比（Ｍ＋／Ｍ）が一定値となる線を表している。図中の矢印（Ｍ＋／Ｍ）は、相当値比（Ｍ＋／Ｍ）が増加する方向を表している。本実施形態のスパッタ粒子計測装置１においては、上述したように発生した金属イオン粒子数の相当値（Ｍ＋）と、発生した金属中性粒子数の相当値（Ｍ）とをそれぞれ計測することができるため、それらの比である相当値比（Ｍ＋／Ｍ）も得ることができる。図４（Ｂ）は図４（Ａ）に記載した特性を、縦軸をバイアス電圧Ｖｂｉａｓ、横軸を相当値比（Ｍ＋／Ｍ）として表現し直したものである。ここで、縦軸に記載したＶＴｈはスパッタリング収率が１以下となる、しきい電圧を示す。この値はイオンおよびワークの種類に依存する。
【００４０】
図４（Ａ）によれば、相当値比（Ｍ＋／Ｍ）とバイアス電圧Ｖｂｉａｓとから、実際の状態がデポジション領域にあるのか、あるいはエッチング領域にあるのかを明確に把握することができる。そして、把握した状態に基づいて、制御装置３０を介してＨＩＰＩＭＳ部１０に対するフィードバック制御を行うことで、ワーク上の金属の堆積を促進する状態あるいはワークのエッチングを促進する状態に制御することができる。上記したように、本実施形態では各相当値（Ｍ＋、Ｍ）、ひいては相当値比（Ｍ＋／Ｍ）を極めて短時間の内に計測することができるため、ＴＯＦ質量分析部４０の検出結果に基づくリアルタイムのフィードバック制御が可能となる。このようにして、ワーク上の膜形成とワークのエッチングとを高精度に制御することが可能となり、目的仕様に沿った高精度の成膜やエッチングを行うことができる。
【００４１】
図４（Ａ）に示す特性図上の制御としては、相当値比（Ｍ＋／Ｍ）を変化させる制御又は、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを変化させる制御を行い得る。
相当値比（Ｍ＋／Ｍ）を変化させる方法としてはスパッタ源１３に印加する電流や電圧、磁場、導入ガス圧等の各種パラメータを変化させることが考えられる。スパッタ源１３に印加する電流による制御を行う場合、相当値比（Ｍ＋／Ｍ）を大きくするには、一回のパルス放電用の電流量を大きくすれば良い。電流量に代えて電圧値または電力量を制御する場合も同様である。この制御は、制御装置３０の制御部３２が、ＴＯＦ質量分析部４０の飛行時間特定部３７から受け取った検出結果に基づき電源１８の制御値を変更することにより行う。
バイアス電圧Ｖｂｉａｓの制御による場合は、相当値比（Ｍ＋／Ｍ）を一定とすると、バイアス電圧（負の電位）の絶対値を大きくするほど（図４（Ａ）では右方向、図４（Ｂ）では上方向へ行くほど）、エッチング速度ｖｅが大きくなる。バイアス電圧Ｖｂｉａｓの絶対値が大であるとワークに対する金属イオン粒子の衝突が強くなり、よりエッチングに寄与するためである。逆にバイアス電圧Ｖｂｉａｓの絶対値を小とするほど金属イオン粒子の衝突が弱くなり、金属イオン粒子も堆積に寄与することとなる。
相当値比（Ｍ＋／Ｍ）の制御とバイアス電圧Ｖｂｉａｓの制御とを組み合わせることもできる。
【００４２】
（変形例）
上述の実施形態においては、紫外線レーザ照射のオン・オフにより金属中性粒子数と金属イオン粒子数の相当値をそれぞれ把握した。本発明はこれに限定されず、パルス放電と共に紫外線レーザを照射する場合のみによって、金属中性粒子数と金属イオン粒子数の両方の相当値を同時に計測することとしても良い。
すなわち、本発明者らは、ＨＩＰＩＭＳにより放出された金属中性粒子に紫外線レーザを照射してＴＯＦ質量分析を行った場合、図５に示すように、金属の検出強度に、２つのピークが現れることを発見した。図５の左側のピークはスパッタにより放出された金属イオン粒子によるピークであり、右側のピークはスパッタにより放出された金属中性粒子に由来する金属イオン粒子によるピークである。この飛行時間のずれは、加速領域においてイオン状態で放出された金属イオン粒子の速度の方が、中性粒子の速度よりも速いことに起因すると考えられる。そしてこれら２つの検出強度ピークのうち、図５の左側、つまり飛行時間の短い方の検出強度を金属イオン粒子数の相当値（Ｍ＋）と見なし、右側つまり飛行時間の長い方の検出強度を金属中性粒子数の相当値（Ｍ）と見なすこととしても良い。この方法による場合は、図１の分周器６５の分周比を１とするか、あるは分周器６５そのものを省略しても良い。なお、ＴＯＦ質量分析開始タイミング（つまりイオン加速開始タイミング）よりも紫外線レーザの照射タイミングを（１μｓ程度）遅らせることにより、意図的に上記の互いにずれた２つのピークを得ることもできる。
【００４３】
上記実施形態においては、相当値比として、ＨＩＰＩＭＳによって放出された金属イオン粒子数の相当値（Ｍ＋）の、同じく放出された金属中性粒子数の相当値（Ｍ）に対する比（Ｍ＋／Ｍ）とした。これに代えて、相当値比を、金属イオン粒子数の相当値（Ｍ＋）の、金属中性粒子数と金属イオン粒子数の合計の相当値（Ｍ＋Ｍ＋）に対する比（Ｍ＋／（Ｍ＋Ｍ＋））としても良い。
上記実施形態において説明した制御装置３０を含む制御システムの構成は一例に過ぎず、上記した各制御と同様の制御を行い得るものであれば、どのようなシステム構成を採用しても良い。
【００４４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図６、図７に基づいて説明する。図６は第２実施形態に係るスパッタ粒子計測装置１００の構成を示す概略図である。本実施形態に係るスパッタ粒子計測装置１００は更にゲート４３の電位を制御するためのゲート電位制御器６６を備える。ゲート電位制御器６６は、分周器６５の分周信号を受け取り、分周信号に基づいてゲート４３の電位を制御できるように構成されている。
【００４５】
特に、本実施形態においては、ゲート電位制御器６６は、図７に示すように、分周信号を受け取ったタイミングで、ゲート４３に対して上述の電位Ｖｇを印加し、その他のタイミングにおいてはゲート４３の電位をグラウンド（Ｇｎｄ）とするように構成されている。紫外線レーザ照射装置６１が紫外線レーザを照射し、中性粒子をイオン化するタイミングにおいてのみゲート４３に対して上述の電位Ｖｇを印加し、イオン粒子がゲート４３を通過することを禁止する。これによって、分周信号の発せられるタイミング（図７のｔ１、ｔ６）に相当するイオン検出器４８による検出強度は、中性粒子由来のイオン粒子のみの検出強度となる。よって、本実施形態のスパッタ粒子計測装置１によれば、スパッタ粒子中の中性粒子数のみの相当値（Ｍ）を直接的に、かつ、より高精度に計測することができる。
【００４６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係るスパッタ粒子計測装置２００を、図８、図９に基づいて説明する。本実施形態では、紫外線レーザ照射装置６１として、スパッタの周期と同期してレーザ照射を行うことができるものを用いる。すなわち、本実施形態においては、図９に示すように、トリガ信号とレーザ発光とを同期させる。図９は、本実施形態におけるスパッタ粒子計測方法の一例を示す。本実施形態においてもゲート電位制御器６６を用いる。ただし、紫外線レーザ照射装置６１はトリガ信号生成部３１からトリガ信号を直接受け取る。ゲート電位制御器６６は、トリガ信号生成部３１からのトリガ信号と、分周器６５からの分周信号の両方を受け取る。
【００４７】
図９に示すように、本実施形態のゲート電位制御器６６は、トリガ信号と分周信号のうち、トリガ信号のみを受け取ったタイミングにおいて、ゲート４３に対して上述の電位Ｖｇを印加し、トリガ信号と分周信号の両方を受け取ったタイミングにおいては、ゲート電位をグラウンド（Ｇｎｄ）とする。
本実施形態においては、図９に示すようにトリガ信号とレーザ発光が同期しているため、スパッタが行われる全てのタイミングにおいて、中性スパッタ粒子がイオン化される。よって、ゲート電位がグラウンド（Ｇｎｄ）とされるタイミングｔ１、ｔ６においては中性粒子数とイオン粒子数の合計の相当数（Ｍ＋Ｍ＋）が検出され、ゲート電位が阻止電位Ｖｇとされるタイミングｔ２〜ｔ５、ｔ７〜ｔ８においては、中性粒子数のみの相当数（Ｍ）が検出されることとなる。
【００４８】
中性粒子数とイオン粒子数の合計の相当数（Ｍ＋Ｍ＋）が検出されるタイミングｔ１、ｔ６の頻度と、中性粒子数のみの相当数（Ｍ）が検出されるタイミングｔ２〜ｔ５、ｔ７〜ｔ８の頻度の比は、分周比の設定により、自由に設定可能である。各回のスパッタにおいて発生する中性粒子を検出する感度は、イオン粒子を検出する感度に比べて小さい傾向があるため、本実施形態においては、中性粒子数のみの相当数（Ｍ）が検出されるタイミングの頻度を大きくすることで、中性粒子数の計測精度の向上を図っている。
【００４９】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係るスパッタ粒子計測装置３００を、図１０、図１１に基づいて説明する。図１０に示す本実施形態に係るスパッタ粒子計測装置３００は、シャッター６７、および、シャッター６７の開閉制御を行うシャッター制御器６８を備える。シャッター６７は、ＴＯＦ質量分析部４０の筐体部４１の透過窓６３上に備えられ、図１１（Ａ）に示すように、シャッター６７のシャッター部６７１が開状態のときに紫外線レーザ照射装置６１からの紫外線レーザの通過を許可し、図１１（Ｂ）に示すように、シャッター部６７１が閉状態の時に紫外線レーザの通過を禁止する。
【００５０】
次に、本実施形態に係るスパッタ粒子計測装置３００を用いた計測例を説明する。図１２に示すように、本実施形態の紫外線レーザ照射装置６１はトリガ信号を受け取り、これと同期して紫外線レーザ発光を行うことができる。本実施形態の分周器６５からの分周信号は、シャッター制御器６８に対して送られる。シャッター制御器６８は、分周信号を受け取ったタイミングでシャッター部６７１を閉じる。図１２には、トリガ信号と、レーザ発光と、シャッター６７の閉動作のタイミングの関係を模式的に示す。
【００５１】
図１２に示す制御によれば、シャッター６７を閉じるタイミングｔ１、ｔ６においては照射された紫外線レーザがシャッター６７により遮断されるため中性粒子がイオン化されない。そのため、そのようなタイミングｔ１、ｔ６においてはイオン粒子数のみの相当値（Ｍ＋）が検出され、それ以外のタイミングｔ２〜ｔ５、ｔ７〜ｔ８においては中性粒子数の相当値（Ｍ）とイオン粒子数の相当値（Ｍ＋）の合計（Ｍ＋Ｍ＋）が得られることとなる。なお、分周比は任意である。分周信号に従ってシャッター６７を閉じる制御に代えて、シャッター６７を開く制御としても良い。また、第３実施形態で規定したようなゲート電圧の制御と組み合わせて用いても良い。シャッター６７に代えて、レーザ光を反射するミラーを用いても良い。その場合、シャッター６７の開閉動作に代えて、ミラーの回転動作を行うことにより、中性粒子に対する紫外線レーザの照射を制御することで、上述したのと同様の効果を得ることができる。
【００５２】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係るスパッタ粒子の計測方法を、図１３に基づいて説明する。本実施形態における紫外線レーザ照射装置６１は、スパッタ周期よりも短い周期で紫外線レーザを照射することが可能である。例えば、図１３に示す例では、１回のスパッタが実行される期間（スパッタ：ＯＮ、例えば、約１００μｓ）の間に、３回の紫外線レーザ照射を行う（各回のレーザ照射時間は数ｐｓ〜数ｎｓ）。「１回のスパッタ」とは、１回のパルス放電に起因して発生するスパッタの開始から終了までを意味するものとする。図１３は、本実施形態の制御例におけるスパッタ、加速電圧の印加、レーザ発光、ゲート電位の制御、シャッター６７の制御のタイミングの関係を模式的に示したものである。ゲート電位およびシャッター６７の制御のための構成および方法は前述の各実施形態の通りである。
【００５３】
図１３には、連続する２回のスパッタ期間Ａ、Ｂを示す。各レーザ発光タイミングにおけるスパッタ粒子計測のため、各タイミングにおいて加速電圧Ｖａを加速電極４５に印加し、粒子を加速している。期間Ａの各レーザ発光タイミングｔ１、ｔ２、ｔ３において、ゲート４３を阻止電位Ｖｇに制御する。一方の期間Ｂの各レーザ発光タイミングｔ６、ｔ７、ｔ８において、シャッター６７を閉状態とする。このようにすることで、期間Ａの各タイミングｔ１、ｔ２、ｔ３においては中性粒子数のみの相当値（Ｍ）が計測され、一方の期間Ｂの各タイミングｔ６、ｔ７、ｔ８においては、イオン粒子数のみの相当値（Ｍ＋）が計測されることとなる。このように、隣接する期間Ａ、Ｂのそれぞれにおいて、中性粒子数のみの相当値（Ｍ）またはイオン粒子数のみの相当値（Ｍ＋）を複数回計測することで、計測の精度向上を図ることができる。期間Ａ、Ｂは交互に発生する期間である必要はなく、両者の頻度を整数比とする等、設定方法は任意である。各期間内に行う紫外線レーザ照射の回数も装置の仕様に応じて任意に設定可能である。
【００５４】
以上において、イオン検出器４８による検出対象を正イオンとして説明を行ったが、本発明はこれに限らず、負イオンをイオン検出器４８の検出対象としても良い。その場合の負イオンの種類と相当数（Ｍ−）の計測に際しては、ゲート４３およびＴＯＦ質量分析部４０に含まれる各電極に印加する電位を適宜調整する。
すなわち、負イオンを検出対象とする場合、ゲート４３は、上述の説明と同様に、電位可変回路４４によりグラウンド（Ｇｎｄ）にアースされた状態と所定電位状態との間での切り替えが可能となっているが、所定電位状態では、ＴＯＦ質量分析部４０のイオン導入口であるゲート４３をアース以上の電位とすることで、筐体部４１内部への負イオンの導入を好適に行い得るようにする。また、電位可変回路４４によりゲート４３をプラズマポテンシャル、つまりイオンが持ちうるエネルギーを超える電位以下の所定電位（例えば、−２０Ｖ程度より低い電位）に維持することで、ゲート４３を阻止電極として機能させ得る。これにより、イオンがアパチャー４２を通過して筐体部４１内に侵入することを阻止できる。この場合は中性粒子のみがアパチャー４２を通過して筐体部４１内に侵入可能となる。また、ＴＯＦ質量分析部４０内で負イオンを加速するためにイオン加速電極４５に印加する電圧の極性も反転され、負の電圧とされる。
【００５５】
以上においては、ターゲットから粒子を放出させる方式（以下、「蒸発源の方式」と称する）として、パルス放電に基づきターゲットから粒子を放出させる方式、特に、ＨＩＰＩＭＳを採用した場合を例として説明したが、本発明はこれに限定されず、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、高周波マグネトロンスパッタリング法、アーク放電法、レーザアブレーション法等、いかなる方式も採用可能である。ただし、必要に応じて、粒子を計測するための基準となるトリガ信号を、独自に（つまり、蒸発源の動作とは独立して）発する装置を備えるものとする。これにより、蒸発源の方式としていかなる方式のものを採用したとしても、上述の実施形態、変形例、実施例で説明した計測を実現することができる。
【００５６】
より具体的に説明すると、例えば、図２のトリガ信号を独自に（つまり、蒸発源の動作とは独立して）発する装置を備え、そのトリガ信号に基づき分周信号を発生させることで、第１実施形態と同様に、中性粒子の相当値とイオン粒子の相当値を得ることができる。この場合、蒸発源の構成として、ターゲットから粒子がパルス状に放出される構成に限らず、連続的に放出される構成であっても、粒子の種類および強度を短時間で計測することが可能となる。このような変更は、第１実施形態以外の実施形態および変形例についても同様に行える。つまり、蒸発源の駆動とは独立してトリガ信号を発する装置を備え、トリガ信号から分周信号を発生させ、これらの信号に基づいてゲート４３、紫外線レーザ照射装置６１、シャッター６７の制御を行い、ＴＯＦ質量分析部４０による分析を行う。
【００５７】
本発明は、上記発明の実施の形態及び実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。例えば、上述の実施形態、変形例、実施例の実行可能なあらゆる組み合わせも、本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５８】
１、１００、２００、３００  スパッタ装置
１０  ＨＩＰＩＭＳ部
１１  チャンバ
１２  ターゲット
１３  スパッタ源
１４  アノード電極
１５  磁石ユニット
１８  電源
１９  排気装置
３０  制御装置
３１  トリガ信号生成部
３２  制御部
３５  イオン加速器ドライバ
３７  飛行時間特定部
４０  ＴＯＦ質量分析部
４１  筐体部
４３  ゲート
４４  電位可変回路
４５  イオン加速器
４７  リフレクタ
４８  イオン検出器
６１  紫外線レーザ照射装置
６５  分周器
６６  ゲート電位制御器
６７  シャッター
６８  シャッター制御器
７０  表示装置
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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