(57)【要約】【課題】小型、簡便、高精度で安価なプラズマ中の負イオンの密度を計測する方法と装置を提供する。【解決手段】装置は放電プラズマ装置と負イオン測定システムからなり、プラズマ生成用電源１の放電により発生するプラズマ容器２のプラズマ３中に微小金属電極のプローブ４を挿入すると、該プローブ４の周辺にシース領域が形成される。該プローブ４をプラズマ電位Ｖｓよりも高い電位Ｖｐにプローブバイアス用電源５により正バイアスすると、負電荷をもつ電子と負イオンは加速されてプローブ４に衝突し、電流が流れスパッタ現象が生じる。スパッタ量ΔＭを計測ツール６で計測し、負イオンのプローブへの流入量Ｑはシースの形状（表面積）と負イオン密度ｎｎ  で決まるので、Ｑとｎｎ  の関係式を理論的に導出しておけば、ΔＭの測定値から最終的に負イオン密度ｎｎ  を求めることができる。【選択図】            図５
2005049143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応性プラズマ中に基板を設置した時、プラズマと基板との境界に生じるシース幅の検出時に用いる静電気レンズ効果および金属電極を利用し、該金属電極としてプラズマ中に微小な金属電極（プローブ）を挿入し、該電極にプラズマ電位より高い電位を印加し、シースで加速された負イオンにより形成されるプローブ表面のスパッタ量を測定し、負イオンのプローブへの流入量を計測することを特徴とする負イオン密度計測方法。
【請求項２】
前記スパッタ量の測定は、プラズマスパッタリング後の物質に生じたスパッタ量をマイクロバランで測定することを特徴とする請求項１記載の負イオン密度計測方法。
【請求項３】
前記スパッタ量の測定は、スパッタされた表面の深さ分布を測定することを特徴とする請求項１記載の負イオン密度計測方法。
【請求項４】
前記スパッタ量の測定は、スパッタされた部分の色の変化からスパッタ領域のサイズを計測することによりで測定することを特徴とする請求項１記載の負イオン密度計測方法。
【請求項５】
放電プラズマ装置と負イオン測定システムからなり、放電プラズマ装置はプラズマ生成用電源、プラズマを発生させるプラズマ容器で構成し、負イオン測定システムは、プラズマ容器内に配置されるプローブ、プラズマ容器外に配置されるプローブバイアス用電源、スパッタ量の計測ツールで構成していることを特徴とする負イオン密度計測装置。
【請求項６】
前記プラズマ生成用電源はＤＣ放電又はＲＦ放電又はマイクロ波放電でなり、前記スパッタ量の計測ツールはマイクロバラン又はプロファイルメータでなることを特徴とする請求項５記載の負イオン密度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ中の負イオン密度計測方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラスイオンに比して負イオンの電離エネルギーは比較的低く、壁表面での電荷の中性化はエネルギー吸収プロセスである。従って、低損失のシリコン酸化プロセスは負イオンの存在下で更に効果的となる。そのため、従来から、ＣＦ４，ＳＦ６  ，Ｃｌ２  プラズマの負イオンを用いたシリコンエツチングが考えられてきた。
【０００３】
プラズマを用いた材料プロセスにおいては、多くの場合、プラズマ中に負イオンが多量に発生し、プラズマの振舞いに大きな影響を与えることが知られている。従って、プラズマ内部の負イオンの密度とその分布を知ることは、材料プロセスを制御する上で、極めて重要になっている。その際、負イオンのエッチング反応性は十分にプロセスに応用できる程度である。このことは負イオンの生成とパラメータの制御の重要性が注目される所以である。
【０００４】
プラズマプロセスにおける重要な情報である負イオン密度を測る信頼できる技術が幾つか存在し、それらは質量分析法（例えば、特許文献１参照。）、レーザ誘起光脱離法（例えば、特許文献２参照。）、光学的放射光分析法等として知られている。質量分析法やレーザ誘起光脱離法は測定のための装置が大がかりであり、かつ高価な装置であった。
【０００５】
特に、質量分析計の入り口は、直径３ｃｍくらいの円筒（ｅｘｔｒａｃｔｏｒと呼ぶ）の端面に小孔（直径  ０．３ｍｍ）をあけた形になっており、これをプラズマ中に挿入し、小孔を通してプラズマ内の負イオンを分析計の内部に引き込み、この内部は真空ポンプで１０のマイナス５乗パスカルくらいの真空度にし、真空中でイオンの分析を行なっている。
【０００６】
従って、非常に大きなもの（円筒）をプラズマ中に入れて、これに電流を流すため、プラズマの状態が非常に乱れてしまい、また、真空ポンプが必要なので大がかりな装置となる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１６４１６９号公報
【特許文献２】
特開平５−１３１９４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の装置はプラズマプロセスにおける重要な情報である負イオン密度を測るには、大がかりな分析装置を必要とし、各プラズマプロセスで夫々の反応器に装備するには高価であると共に、共通の分析装置を簡単に１つの反応器から他の反応器へ移すことができない欠点があって、簡便な測定技術が待たれていた。そこで、本発明は安価で簡便な方法に加え、高精度でかつ広範囲にわたり、その場での測定に適した計測を行うことができる負イオン密度計測方法および装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の請求項１に係る負イオン密度計測方法は、反応性プラズマ中に基板を設置した時、プラズマと基板との境界に生じるシース幅の検出時に用いる静電気レンズ効果および金属電極を利用し、該金属電極としてプラズマ中に微小な金属電極（プローブ）を挿入し、該電極にプラズマ電位より高い電位を印加し、シースで加速された負イオンにより形成されるプルーブ表面のスパッタ量を測定し、負イオンのプルーブへの流入量を計測するように構成した。
【００１０】
この発明の請求項２に係る負イオン密度計測方法は、反応性プラズマ中に基板を設置した時、プラズマと基板との境界に生じるシース幅の検出時に用いる静電気レンズ効果および金属電極を利用し、該金属電極としてプラズマ中に微小な金属電極（プローブ）を挿入し、該電極にプラズマ電位より高い電位を印加し、シースで加速された負イオンにより形成されるプローブ表面のスパッタ量をプラズマスパッタリング後の物質に生じたスパッタ量をマイクロバランで測定し、負イオンのプローブへの流入量を計測するように構成した。
【００１１】
この発明の請求項３に係る負イオン密度計測方法は、反応性プラズマ中に基板を設置した時、プラズマと基板との境界に生じるシース幅の検出時に用いる静電気レンズ効果および金属電極を利用し、該金属電極としてプラズマ中に微小な金属電極（プローブ）を挿入し、該電極にプラズマ電位より高い電位を印加し、シースで加速された負イオンにより形成されるプローブ表面のスパッタ量をスパッタされた表面の深さ分布を測定し、負イオンのプローブへの流入量を計測するように構成した。
【００１２】
この発明の請求項４に係る負イオン密度計測方法は、反応性プラズマ中に基板を設置した時、プラズマと基板との境界に生じるシース幅の検出時に用いる静電気レンズ効果および金属電極を利用し、該金属電極としてプラズマ中に微小な金属電極（プローブ）を挿入し、該電極にプラズマ電位より高い電位を印加し、シースで加速された負イオンにより形成されるプローブ表面のスパッタ量をスパッタされた部分の色の変化からスパッタ領域のサイズ測定し、負イオンのプローブへの流入量を計測するように構成した。
【００１３】
これにより、本発明の負イオン検出方法は、プラズマスパッタリング後の物質に生じた、負イオンのプローブへの流入量に正比例するスパツタ量ΔＭをスパッタ量の計測ツールを利用して計測し、スパッタ形状  （表面積）と負イオン密度でとの関係式により、スパッタ量から負イオン密度を求めることができ、本発明のプローブは小さくてすみ、真空に引く必要もないので装置をスリム化でき、小型、簡便、高精度で安価なプラズマ中の負イオンの密度を計測する方法と装置を得ることができる。
【００１４】
この発明の請求項５に係る負イオン密度計測装置は、放電プラズマ装置と負イオン測定システムからなり、放電プラズマ装置はプラズマ生成用電源、プラズマを発生させるプラズマ容器で構成し、負イオン測定システムは、プラズマ容器内に配置されるプローブ、プラズマ容器外に配置されるプローブバイアス用電源、スパッタ量の計測ツールで構成した。
【００１５】
この発明の請求項６に係る負イオン密度計測装置は、放電プラズマ装置と負イオン測定システムからなり、放電プラズマ装置はＤＣ放電又はＲＦ放電又はマイクロ波放電でなるプラズマ生成用電源、プラズマを発生させるプラズマ容器で構成し、負イオン測定システムは、プラズマ容器内に配置されるプローブ、プラズマ容器外に配置されるプローブバイアス用電源、マイクロバラン又はプロファイルメータでなるスパッタ量の計測ツールで構成した。
【００１６】
これにより、本発明のプローブは小さくてすみプラズマの状態を乱すことなく、真空に引く必要もないので装置をスリム化でき、小型、簡便、高精度で安価なプラズマ中の負イオンの密度を計測する方法と装置を得ることができると共に、小型で可動であって、負イオンの空間分布も測定可能であるので、プラズマを使うエッチングやＣＶＤなどのプロセスの精密制御等に広く応用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の負イオン密度の計測理論と実施形態を、より具体的に図１乃至図６に基づいて詳述する。
【００１８】
図１の本発明のプラズマ中の負イオン密度計測方法の原理図において、図１（ａ）のように、プラズマ中に金属電極（プローブと呼ぶ）を挿入すると、プラズマとプローブの境界に、電気的な境界条件を満たすようにシース（鞘）と呼ばれる領域が形成される。プラズマ領域の電位をＶｓ  とするとき、この電位Ｖｓ  よりも高い電位Ｖｐ  をプローブにかけることにより負イオンをプローブに引き込むことができる。
【００１９】
この時、プローブ面に垂直に立てたＸ軸に沿って電位の分布を描いたのが図１（ｂ）である。プラズマ内では正イオン、負イオン、電子が動き回っている。正イオンは、プラズマ領域からシース領域に入ろうとしてもシース内の電界によって跳ね返されるのでプローブに入れない。しかし、負電荷をもつ電子と負イオンはシースで加速されてプローブに衝突し電流が流れる。衝突エネルギーｅ（Ｖｐ  −Ｖｓ  ）が十分高ければ、プローブ表面がスパッタされる。
【００２０】
負イオンの質量は電子より１万倍も大きいので、スパッタは負イオンによって起こり、スパッタされた質量ΔＭは負イオンのプローブへの流入量Ｑに正比例する。一方、流入量Ｑはシースの形状（表面積Ｓｓｈ）と負イオン密度ｎｎｉで決まるので、それを考慮したＱとｎｎｉの関係式を理論的に導出しておけば、ΔＭの測定値から最終的に負イオン密度ｎｎ  を求めることができる。即ち、プローブを正バイアスしたときに負イオン衝突で生じるスパッタ現象を利用して、負イオン密度を測るのが本発明の基本原理である。
【００２１】
このように、本発明は、プラズマ中に基板を設置した時、プラズマと基板との境界に生じるシース幅の検出時に使用した静電気レンズ効果および金属電極を利用するものである。即ち、プラズマ中に微小な金属電極（プローブ）を挿入し、これをプラズマ電位より高い電位にバイアスする。この時シースで加速された負イオンによりプローブ表面がスパッタされるので、このスパッタされた量を測定し、スパッタ量から負イオン密度を求める。
【００２２】
次に、上述の負イオンのプローブへの流入量Ｑとプラズマ中の負イオンの密度ｎｎｉの関係の理論的考察を以下に記す。
【００２３】
図２にプラズマ中にプローブをプローブホルダに設置して導入したときの様子を模式的に示す。図において、プローブの材質は金，タングステン，モリブデン等の金属導体であり，プローブサイズとしては１ｃｍ程度の小さいものから、大きいものでは２０ｃｍ程度の基板サイズまで可能である。このプローブをプラズマより高い電位にバイアスして適当な時間、プラズマに曝らしてスパッタさせる。
【００２４】
シースの静電レンズ効果は正にバイアスされた平面プローブに現われ、平面プローブの表面のある部分に負電荷を集める。シース内のイオンの軌跡は三次元の非線形ポアッソン方程式を解いて電位と電界分布を求めたのち得られる。
【００２５】
正方形及び円板形プローブの負イオン流束をＡｒ／ＳＦ６  及びＯ２  プラズマについて求めている。ここで提案する方法は負イオン検出に関してラングミュアプローブより高い感度を有している。
【００２６】
まず、表面Ｓｐ  の片面が導体からなる平面プローブを考える。形状は任意で、密度ｎ０  ＝ｎｉ  の電気的負性プラズマ中に放置されているとする。但し、ｎｉ  は正イオン密度とする。プローブに電圧Ｖｏ（但し、Ｖｏ  ＞Ｖｐｌで、Ｖｐｌはプラズマ電位とする）を印加すると、厚さＤの負のシースができる。シース中の三次元電位分布Ｖ（ｘ、ｙ、ｚ）は次の非線形ポアッソン方程式を解いて求められる。
【数１】
2005049143.tif 000003
【００２７】
Ｖｏ  》Ｖｐｌ（但し、実験条件に近い状態であるが）では、電子とマイナスイオン（それぞれの温度をＴｅ  とＴｎｉとする）が平均熱運動速度
ｖｔｈｅ，ｎｉ＝（ｋＴｅ，ｎｉ／２πｎｅ，ｎｉ）１／２    でシースに入る。
【００２８】
今、正イオンがボルツマン分布  ｎｉ（ｖ）＝ｎｉｅｘｐ（ｅＶ／ｋＴｉ）に従うとすると、（１）式は以下となる。
【数２】
2005049143.tif 000004
【００２９】
ここで、Гｅ，ｎｉ＝（４πｅ／ｋＴｅ，ｎｉ）、ξ＝Ｊｐ／Ｊｓｈで、ＳはＶで与えられる等電位表面である（Ｊｐ  はプローブへの電流密度で、Ｊｓｈはシース端への電流密度である）。
【００３０】
（２）式を解いてＳ（Ｖ）依存性を求めると、Ｓ（Ｖ）＝ａ＋ｂｅｘｐ（ｃＶ）となっていることを見い出した。但し、Ｓ（Ｖｏ  ）＝Ｓｐ  で、Ｓ（Ｖ＝０）＝Ｓｓｈ＝ξＳｐ  である。このＳ（Ｖ）依存性から、最もよい近似式は
【数３】
2005049143.tif 000005
である。ここでＣは定数である。
【００３１】
一例として、ｎｏ  ＝１０１５ｍ−３，Ｖｏ  ＝２００Ｖ，ξ＝１０，ｒｐ  ＝５ｍｍ（ｒｐ  は円板プローブの半径）のとき、式（３）で求められるＳ（Ｖ）依存性はｃ１  ＝０．００３に対してはほぼ直線的で、ｃ２  ＝０．１については二次曲線的で、ｃ３  ＝０．０３では、指数関数的になる。但し、ｃ１、ｃ２  についての解はｃ３  についての解と１０％程度の差異があるだけである。このことはｃは依存性の弱いパラメータと考えられる。
【００３２】
Ｖ（ｘ、ｙ、ｚ）及び電界分布を（２）式を用いて求めた後、負イオン電子がシース端へ一様に分布して入ることが解る。プローブ表面への負イオンと電子の流束が求められる。
【００３３】
ｎｏ  ＝１０１３ｍ−３，Ｖｏ  ＝３００Ｖ，Ｔｅ  ＝１ｅＶ，Ｔｎｉ＝Ｔｉ  ＝Ｔｅ／１０，α＝１，ｒｐ  ＝５ｍｍ，ξ＝３５、ｃ＝０．２６についてのＶ（ｘ＝０、ｙ、ｚ）を図３に示す。
【００３４】
電界分布は、ｙ＞０について矢印で示され、負イオン軌跡はｙ＜０に対して示されている。プローブ端（Ａ点）近傍からシースへ入る負イオンは最初に−ｙ方向へ加速され、次に、＋ｚ方向へ、最終的に−ｚ方向からある位置の表面に達する。
【００３５】
この様なスピン様な運動のため、プローブのＡＢ間に入る負イオンはプローブ表面の狭い範囲へ集まる。ＢからＣへは軌跡の曲率は下がり、負イオンは近似的に垂直に表面に入る。
【００３６】
初期速度がプローブ表面への衝突速度に比べて無視でき、また、対称であるので、二次元と三次元軌跡の間に特別な差はない。この様に、ｙｚ平面で、Ｔｊ  とＴｊ＋１  が隣りあう二つの軌跡とする（但し、これはｚ軸のまわりの回転で示されている）。シース端の表面Ｓｓｋ，ｊ及び円板上でのＳｐｊ、表面への電流密度Ｊｓｈ，ｊ、Ｊｐ，ｊを考えると連続の法則より、ξｊ＝Ｓｓｈ，ｊ／Ｓｐ，ｊ＝Ｊｐ，ｊ／Ｊｓｈ，ｊとなる。
【００３７】
ＶＯ  ＝３００Ｖ，Ｔｅ  ＝１ｅＶ，Ｔｎｉ＝Ｔｉ  ＝Ｔｅ／１０，α＝１でのξｊ  （ｙ≦ｒｐ  ）が図４に示されている。但し、ｎｏ  ＝１０１３ｍ−３に対してξ＝３５、ｃ＝０．０２６、ｎｏ  ＝１０１５ｍ−３に対しては、ξ＝１６、Ｃ＝０．０２である。また、ｎｏ＝１０１７ｍ−３に対しては、ξ＝１．２５、Ｃ＝０．００１である。
【００３８】
ξｊ  は平面に対して非一様で、連続でもない。このことがプローブ端の受動面（ＰＳ）を形成することになり、そこでは負イオンは到達しない。ξｊ  ≠０に対して、ｙの最大値をｙｉｍｐとする。ｎｉ  ＝１０１３ｍ−３について、Ｄ＞２ｒｐとなり、ξｊ  〜３８０では、ｙ〜２．９ｍｍとｙｉｍｐ＝３．０２で、強い焦点効果を示す。
【００３９】
ξｊ  はｙと共に強く減少し、ｙ＝０で、１５０に再び増加する。つまり、シースは更に球形に近くなり、負イオンをプローブの中心に入るようにする。密度が更に増加するにつれて（ｎｉ  ＝１０１５ｍ−３）、シースの厚さは減少する（Ｄ＝９．２ｍｍ）。その結果、プローブ端の受動面ＰＳも減少する。しかし、ξｊ  は高く、ｙ〜３．２ｍｍ及びｙｉｍｐ＝３．５３に対して、ξｊ  〜２００となる。ｎｉ＝１０１７ｍ−３では、シース面は円板表面に対して平行になり（Ｄ＝１．８ｍｍ及びξｊ〜１）、端では焦点効果が残りｙ〜４．３及びｙｉｍｐ＝４．４８に対して、ξｊ  〜９となる。
【００４０】
焦点効果は正イオンに対してもある。電荷の運動は電荷質量比に依存しないので、電子についても存在する。しかし、質量比の大きな差により、電子によるスパッタリングはイオンのそれに比べて無視することができる。正にバイアスされたターゲット（プローブ）の表面にできるスパッタ形状によって、負イオンを検出できることになる。更に、プラズマ中の負イオンの密度ｎｎｉが検出できる。
【００４１】
もし、Δｓを表面要素Ｓｐ０からスパッタリングで取り除かれる物質の厚さとすると、スパッタされる原子の数Ｎｓ  は、
【数４】
2005049143.tif 000006
【００４２】
となる。ここで、ρＳ  はスパッタされる物質の密度で、ｍｓ  はスパッタされた原子の質量である。電流連続より、ある時間Δｔで、Ｓｐ０に達する負イオン数はＮｉｎｃ  ＝ｎｎｉｖｔｈｎｉＳｏΔｔ（Ｓｏ  はイオン流束がＳｐ０に流れるプラズマシース端の表面とする）。
【００４３】
スパッタリング生成率γはγ＝ＮＳ  ／Ｎｉｎｃ  で定義されるので、プラズマ中の負イオンの密度ｎｎｉについて（５）式が得られる。
【数５】
2005049143.tif 000007
【００４４】
ここで、ψ＝ＳＯ  ／Ｓｐ０である。Ｄ《ｒｐ  では、Ｓｐ０／ＳＯ    となる。従って、Δｓを測定して、Ｔｎｉを近似すると（Ｔｎｉ《Ｔｃ  ）、プラズマ中の負イオンの密度ｎｎｉが得られる。
【００４５】
プラズマ中の負イオンの密度ｎｎｉを求める他の方法は、スパッタされた物質の質量Δｍ＝ｍＰ０−ｍＰ  を求める方法である。（ｍＰ０は最初のサンプルの質量で、ｍＰ  は処理後の質量である）。
【数６】
2005049143.tif 000008
【００４６】
ここにΔｍはスパッタされた物質の質量、Δｔはスパッタ時間、γはスパッタ生成率、Ｓｓｈはシースの表面積、ｍｓ  はスパッタされた原子の質量、ｍｎｉは負イオンの質量、Ｔｎｉは負イオンの温度である。
【００４７】
その後、プローブをプラズマ容器から取り出して、次のいずれかの方法でスパッタ量を求める。
（イ）スパッタ量ΔＭをマイクロバランで測る。
（ロ）スパッタされた表面の深さ分布をプロファイルメーターで計測する。
これからスパッタされた体積を計算し、質量密度を乗じてスパッタ量ΔＭを求める。
（ハ）また、スパッタされる部分とされない部分で色が違うことを利用して、スパッタ領域のサイズを計測する。
そして、上記理論式に従ってプラズマ中の負イオンの密度ｎｎｉを決定する。
【００４８】
次に本発明方法を実施するための装置の一実施形態を図５に示す。図５の装置は放電プラズマ装置と負イオン測定システムからなり、１はＤＣ放電，ＲＦ放電，マイクロ波放電でなるプラズマ生成用電極（電源）、２はプラズマ容器、３はプラズマであり、これらで放電プラズマ装置を構成している。
【００４９】
４はプローブ、５はプローブバイアス用電源、６はマイクロバランやプロファイルメータ等のスパッタ量の計測ツールであり、これらで負イオン測定システムを構成している。
【００５０】
放電プラズマ装置は、直流からマイクロ波までの様々なタイプの放電によって、材料プロセスに適したガスを用いてプラズマを発生させ、図示していないが、通常、この中にエッチングやＣＶＤ用の基板とそのバイアス、温度制御系のホルダーが設置される。
【００５１】
負イオン測定システムは、プローブ本体４と支持台がプラズマ容器２の内部に設置される。プラズマ容器２の外部にはプローブバイアス用の電源５と、スパッタ量を評価するためのマイクロバランやプロファイルメータ等の計測ツール６が用意されている。
【００５２】
この装置の動作の態様は、プラズマ容器２のプラズマ３中に微小金属電極のプローブ４を挿入すると、該プローブ４の周辺にシース領域が形成される。該プローブ４をプラズマ電位Ｖｓよりも高い電位Ｖｐにプローブバイアス用電源５により正バイアスすると、この領域によって、正イオンは反発を受けるのでプローブに入ることができないが、衝突エネルギーｅ（Ｖｐ−Ｖｓ）が十分高ければ、負電荷をもつ電子と負イオンは加速されてプローブ４に衝突し、電流が流れスパッタ現象が生じる。負イオンの質量は電子より１万倍も大きいので、スパッタは負イオンによって起こるので、スパッタ量ΔＭは負イオンのプローブへの流入量Ｑに正比例する。
【００５３】
一方、負イオンのプローブへの流入量Ｑはシースの形状（表面積）と負イオン密度ｎｎ  で決まるので、それを考慮したＱとｎｎ  の関係式を理論的に導出しておけば、ΔＭの測定値から最終的に負イオン密度ｎｎ  を求めることができる。
【００５４】
その後、プローブをプラズマ容器から取り出して、スパッタ量の計測ツール６で図６（ｂ）および（ｃ）にスパッタされた後の断面を用いて、上述した次の（イ）〜（ハ）のいずれかの方法でスパッタ量ΔＭを求める。
【００５５】
（イ）図６（ｂ）に示す、スパッタされた断面のスパッタ量ΔＭをマイクロバランで測る。
（ロ）図６（ｃ）に示す、スパッタされた表面の深さ分布をプロファイルメーターで計測する。
（ハ）また、スパッタされる部分とされない部分で色が違うことを利用して、スパッタ領域のサイズを計測する。
これからスパッタされた体積を計算し、質量密度を乗じてスパッタ量ΔＭを求める。
【００５６】
そして、上記理論式（６）を利用して、プラズマ中の負イオンの密度ｎｎｉを決定する。ここで注目すべきは、図６のプローブの断面の拡大図を参照すると、図６（ａ）は負イオンでスパッタされる前の状態図であるが、図６（ｂ）及び（ｃ）に示すように、スパッタ後は一様にスパッタされるのではなく、シース電界の分布によってレンズのような効果が現れ、負イオンはある領域に収束するので、その部分がよくスパッタされる。本発明はこのシースレンズ効果を考慮した理論によって、高精度で計測ができることも特長である。
【００５７】
本発明の負イオン検出方法および装置では、電極（プローブ）を小さくできるので、プローブで測定対象のプラズマ自身に影響を与えることが少なくなる効果がある。この結果、広範囲（１０１１−１０１８ｍ−３）のプラズマ密度が計測でき、負イオン密度も１０９ｍ−３という低密度の測定が可能となる。その結果、プラズマを使うエッチングやＣＶＤなどのプロセスの精密制御等に広く応用できるので、半導体製造分野への展開が考えられる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の負イオン検出方法および装置は、プラズマスパッタリング後の物質に生じたスパツタ量ΔＭをスパッタ量の計測ツールを利用して計測する。このスパッタ量は、負イオンのプローブへの流入量に正比例する。即ち、スパッタ形状  （表面積）と負イオン密度で決まるので、最初に関係式を導いておけば、スパッタ量から負イオン密度を求めることができるものである。
【００５９】
本発明のプローブは小さくてすみ、真空に引く必要もないので装置をスリム化でき、小型、簡便、高精度で安価なプラズマ中の負イオンの密度を計測する方法と装置を得ることができる。また、小型で可動であって、負イオンの空間分布も測定可能であるので、プラズマを使うエッチングやＣＶＤなどのプロセスの精密制御等に広く応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ中の負イオン密度計測方法の原理図。
【図２】本発明のプラズマ中にセットしたプローブの状態図。
【図３】負イオン電子がシース端へ一様に分布した状態図。
【図４】プローブへの電流密度とシース端への電流密度の比の一例図。
【図５】本発明の負イオン密度計測装置の一実施形態図。
【図６】プローブの断面の拡大図。
【符号の説明】
１                                プラズマ生成用電極（電源）
２                                プラズマ容器
３                                プラズマ
４                                プローブ
５                                プローブバイアス用電源
６                                スパッタ量の計測ツール
【図１】
2005049143.tif 000009
【図２】
2005049143.tif 000010
【図３】
2005049143.tif 000011
【図４】
2005049143.tif 000012
【図５】
2005049143.tif 000013
【図６】
2005049143.tif 000014