(57)【要約】【課題】真空装置中に存在するプラズマにより生成したイオン、ラジカルなどの活性種の量を簡便に計測することのできる装置及び方法を提供する。【解決手段】プラズマ中の活性種を含む全ての成分が物性依存出力測定装置に到達しうる、障害物を装着しない物性依存出力測定装置による測定結果である前記物性依存出力と、プラズマ中の活性種のみを完全に遮断しうる障害物を装着した物性依存出力測定装置による測定結果である前記物性依存出力と、障害物付きまたはなし以外の空間の代表長さを変えた障害物付きの物性依存出力測定装置での測定において得られる一定出力値を比較することによってプラズマなどによって生成した活性種の量を計測する。【選択図】図６
2012047556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマが発生している反応装置内のガスの、圧力及び温度以外の物性値に依存する物性依存出力を測定することにより、分子以外の化学種であって、プラズマによって生成されるイオン及びラジカルを含む化学種、すなわち活性種の量を計測する活性種量測定装置において、
反応装置内に障害物を着脱とした物性依存出力測定装置を設け、
前記障害物は、障害物を物性依存出力測定装置に装着しない障害物なしの場合には、プラズマ中の活性種を含む全ての成分が物性依存出力測定装置に到達し、障害物を装着した障害物付きの場合には、プラズマ中の活性種のみを完全に遮断するものであり、
プラズマ発生時における障害物なしの物性依存出力測定装置による測定結果である物性依存出力と障害物付きの物性依存出力測定装置による測定結果である物性依存出力を比較することによってプラズマによって生成した活性種の量を計測することを特徴とする活性種量測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の活性種量測定装置において、さらに物性依存出力測定装置に対する障害物の空間の代表長さまたは透過率を変えた測定を行い、障害物付きまたはなし以外のある空間の代表長さの範囲での測定における結果が一定の場合に、この値と障害物有又はなしの時の結果と比較することにより活性種の種類を分別した測定を行うことを特徴とする活性種測定装置。
【請求項３】
プラズマが発生している反応装置内のガスの、圧力及び温度以外の物性値に依存する物性依存出力を測定することにより、分子以外の化学種であって、プラズマなどによって生成されるイオン及びラジカルを含む化学種、すなわち活性種の量を計測する活性種量測定装置において、
反応装置内に障害物を装着しない障害物なしの物性依存出力測定装置と障害物を装着した障害物付きの物性依存出力測定装置とを併設し、
前記障害物は、障害物を物性依存出力測定装置に装着しない障害物なしの場合には、プラズマ中の活性種を含む全ての成分が物性依存出力測定装置に到達し、障害物を装着した障害物付きの場合には、プラズマ中の活性種のみを完全に遮断するものであり、
プラズマ発生時における障害物なしの物性依存出力測定装置による測定結果である前記物性依存出力と障害物付きの物性依存出力測定装置による測定結果である前記物性依存出力を比較することによってプラズマによって生成した活性種の量を計測することを特徴とする活性種量測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の活性種量測定装置において、物性依存出力測定装置に対する障害物の空間の代表長さまたは透過率を変えた測定を、障害物の着脱なしで行うため、障害物付き、なしの他、空間の代表長さまたは透過率の異なる複数の障害物が付属した複数の物性依存出力計測装置を併設し、障害物付きまたはなし以外のある空間の代表長さの範囲での測定における結果が一定の場合に、この値と障害物有又はなしの時の結果と比較することにより活性種の種類を分別した測定を行う装置であることを特徴とする活性種量測定装置。
【請求項５】
前記障害物付きの物性依存出力測定装置の測定結果として、前記障害物の代表長さまたは物性依存出力測定装置への透過率の減少に伴い減少する物性依存出力の測定結果が飽和した値を用いることでプラズマ中の活性種のみを完全に遮断した時の結果とすることを特徴とした請求項１から４のいずれか１項に記載の活性種量測定装置。
【請求項６】
前記障害物なしの物性依存出力測定装置の測定結果として、前記障害物の代表長さまたは物性依存出力測定装置への透過率の増加に伴い増加する物性依存出力の測定結果が飽和した値を用いることでプラズマ中の活性種を含む全ての成分が物性依存出力測定装置に到達した時の結果とすることを特徴とした請求項１から４のいずれか１項に記載の活性種量測定装置。
【請求項７】
前記物性依存出力は、粘性及び分子量に依存するものであり、それらの物性依存出力を測定する物性依存出力測定装置として水晶振動子センサまたはスピニングロータゲージを用いることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の活性種量測定装置。
【請求項８】
前記障害物は、プラズマの影響を受けず、またプラズマに対して影響を与えない材質として金属や絶縁物で作製されたフィルターであって、プラズマによる活性種の全てを水晶振動子センサから遮断することができる遮断性能を持つことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の活性種量計測装置。
【請求項９】
プラズマが発生している反応装置内のガスの物性値に依存する物性依存出力を測定することにより、分子以外の化学種であって、プラズマによって生成されるイオン及びラジカルを含む化学種の量を計測する活性種量の測定方法において、
反応装置内に障害物を着脱とした物性依存出力測定装置を設け、
前記障害物を装着しない障害物なしの物性依存出力測定装置で、プラズマ中の活性種を含む全ての成分が、圧力及び温度以外の物性依存出力を測定しうる物性依存出力測定装置に到達する場合の物性依存出力を測定し、前記障害物を装着した障害物ありの物性依存出力測定装置で、障害物によりプラズマ中の活性種のみを完全に遮断した場合の物性依存出力を測定し、
プラズマ発生時における障害物なしの物性依存出力測定装置により測定した物性依存出力と、障害物付きの物性依存出力測定装置により測定した物性依存出力を比較することによってプラズマによって生成した活性種の量を計測することを特徴とする活性種量測定方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の活性種量測定方法において、物性依存出力測定装置に対する障害物の空間の代表長さまたは透過率を変えた測定をし、障害物付きまたはなし以外のある空間の代表長さの範囲での測定における結果が一定の場合に、この値と障害物有又はなしの時の結果と比較することにより活性種の種類を分別した測定を行うことを特徴とする活性種量測定方法。
【請求項１１】
プラズマが発生している反応装置内のガスの物性値に依存する物性依存出力を測定することにより、分子以外の化学種であって、プラズマによって生成されるイオン及びラジカルを含む化学種の量を計測する活性種量の測定方法において、
反応装置内に障害物を装着しない障害物なしの物性依存出力測定装置と障害物を装着した障害物付きの物性依存出力測定装置とを併設し、
前記障害物を装着しない障害物なしの物性依存出力測定装置で、プラズマ中の活性種を含む全ての成分が、圧力及び温度以外の物性依存出力を測定しうる物性依存出力測定装置に到達する場合の物性依存出力を測定し、前記障害物を装着した障害物ありの物性依存出力測定装置で、障害物によりプラズマ中の活性種のみを完全に遮断した場合の物性依存出力を測定し、
プラズマ発生時における障害物なしの物性依存出力測定装置により測定した物性依存出力と、障害物付きの物性依存出力測定装置により測定した物性依存出力を比較することによってプラズマによって生成した活性種の量を計測することを特徴とする活性種量測定方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の活性種量測定方法において、物性依存出力測定装置に対する障害物の空間の代表長さまたは透過率を変えた測定を、障害物の着脱なしで行うため、障害物付き、なしの他、空間の代表長さまたは透過率の異なる複数の障害物が付属した複数の物性依存出力計測装置を併設し、障害物付きまたはなし以外のある空間の代表長さの範囲での測定における結果が一定の場合に、この値と障害物付き又はなしの時の結果と比較することにより活性種の種類を分別した測定を行うことを特徴とする活性種量測定方法。
【請求項１３】
前記障害物付きの物性依存出力測定装置の測定結果として、前記障害物の代表長さまたは物性依存出力測定装置への透過率の減少に伴い減少する物性依存出力の測定結果が飽和した値をプラズマ中の活性種のみを完全に遮断した時の結果とすることを特徴とした請求項９から１２のいずれか１項に記載の活性種量測定方法。
【請求項１４】
前記障害物なしの物性依存出力測定装置の測定結果として、前記障害物の代表長さまたは物性依存出力測定装置への透過率の増加に伴い増加する物性依存出力の測定結果が飽和した値をプラズマ中の活性種を含む全ての成分が物性依存出力測定装置に到達した時の結果とすることを特徴とした請求項９から１２のいずれか１項に記載の活性種量測定方法。
【請求項１５】
前記物性依存出力は、粘性及び分子量に依存するものであることを特徴とし、それらの前記物性依存出力を測定する物性依存出力装置は、水晶振動子センサまたはスピニングロータゲージを用いることを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項に記載の活性種量測定方法。
【請求項１６】
前記障害物は、プラズマの影響を受けず、またプラズマに対して影響を与えない材質として金属や絶縁物で作製されたフィルターとし、プラズマによる活性種の全てを水晶振動子センサから遮断することができる遮断性能を持つことを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項に記載の活性種量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空装置中に存在する分子以外のイオン、ラジカルなどの活性種量の測定装置及び方法に係り、特にプラズマなどの気相中に存在する活性量を求めるための測定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造装置等の分野でプラズマを利用したいろいろな加工処理が行われている。このようなプラズマを利用した装置において、ラジカルやイオンといった分子以外の活性種の量を測定することはプラズマを加工に適した状態に維持し、当該加工の精度、効率を一定に保つために必要なことである。
【０００３】
そこで、従来、プラズマモニタ方法、プラズマ処理方法、半導体装置の製造方法、およびプラズマ処理装置のようなプラズマ測定手段が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、水晶振動子センサ出力が測定するガスの分子量及び粘性に依存することを利用すると、二種類のガスから成る混合ガス中の各ガスの濃度(分圧)を求めることができる。このような、二成分混合気体における濃度測定法については既に知られている（特許文献２参照）。
【０００５】
ＣＶＤ処理容器のラジカル発光強度を測定してクリーニングの終点を検出する方法は、知られている（特許文献３参照）。
【０００６】
イオンやラジカルといった活性種の計測については、光を用いた方法が利用されるのが一般的である。具体的には、プラズマ中においてそれ自身が発光する性質を持つイオンやラジカルについては、その光の波長を分光器を用いて計測することによりその波長の光を発光する活性種の種類を解析する計測が最も簡便な方法である。
【０００７】
発せられる光の波長は活性種の種類によって一定に決まっているため、このプラズマ発光の強度分析によって発光している活性種量を計測することができる。これらのプラズマ発光を利用する方法は、特に高いエネルギー状態にある励起状態の活性種やイオンの計測に有効である。
【０００８】
これら以外の、エネルギーの定常状態である基底状態にある活性種の計測については、別途計測用の光をプラズマに導入する必要がある。光源としては高強度、高志向性であるレーザーをプラズマ中に照射し、基底状態にある活性種による吸収を計測するか、吸収後に活性種が発する蛍光やりん光といった光を検出する方法などがある。
【０００９】
活性種が吸収する光及び発する光の波長は活性種の種類によって決まっているためどの光の波長かを解析することによって元の活性巣の種類及び量を求めることができる。なお、以上は非特許文献１に詳しく記載されている。また、このような方法で測定した活性種量の変化を利用したプラズマ処理によるクリーニング終点を検出する特許文献４が出願されている。
【００１０】
しかしながら、以上の方法では、プラズマ中に最も多く存在するガス分子を検出することが困難である上に、光源として用いるレーザーが高価である他測定装置及び測定結果の解析が複雑である。さらに光がプラズマ処理に悪影響を与える場合には利用できない。
【００１１】
特許文献４は水晶振動子センサ計測と質量分析器によるガス分析の両方を行いそれぞれの結果を比較することによってプラズマ中の活性種を計測する方法および装置であるが、この方法及び装置では質量分析器が必要不可欠である。このようなガス分析に使用する現存の質量分析器では、その測定部のサイズの制約によりプラズマ装置の内部にその測定部を設置して測定することが困難であり、設置して測定する場合でもその測定部がプラズマに影響を与えるため正確な測定が困難である。また、測定しようとするプラズマが存在する真空装置中の圧力が１ｋＰａ以上と高い圧力である場合には、質量分析器の分析部分の圧力も高くなり、それによって測定精度が著しく低下するため実際上この圧力では使用できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第３８７３９４３号公報
【特許文献２】特許第３３３６３８４号公報
【特許文献３】特開２００６−０８６３２５号公報
【特許文献４】特開２０１０−０３８８６７号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】小沼光晴著、「プラズマと成膜の基礎」、日刊工業新聞社、第４章
【非特許文献２】Absolute  concentration  and  loss  kinetics  of  hydrogen  atom  in  methane  and  hydrogen  plasmas,  Journal  of  applied  Physics,90(11),5497-5503(2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
以上のような状況に鑑み、プラズマ処理を行う装置その場において、プラズマ処理に必要なガス以外の、製造には不必要なガスや光を導入することなく真空装置中に存在するプラズマにより生成したイオン、ラジカルなどの活性種の量を計測することのできる装置及び方法を提供する。
【００１５】
具体的には、装置中に存在するガスの粘性及び分子量といった物性値に依存する出力である物質依存出力を出力できる水晶振動子センサなどの物性依存出力測定装置を用い、製造装置のその場に直接取り付け、プラズマにおいて測定し物性依存出力を求める。
【００１６】
この際水晶振動子センサに対してフィルターなどの障害物が存在しない状態では、ガス分子や原子、ラジカルやイオンといったプラズマ中の全ての気相成分が到達するため、この時の水晶振動子センサ出力には全ての気相成分を総合した情報が得られる。すなわち、この時の出力には原子、ラジカルやイオンといったプラズマ中の活性種の情報が含まれている。
【００１７】
一方水晶振動子センサに、プラズマ中の気相成分に対する何らかの障害物が設置されている場合、この障害物によってプラズマ中気相成分の水晶振動子センサへの到達が阻害される。この障害物による気相成分の阻害の度合いは、気相成分の種類によって異なる。例えば水素プラズマにおいて、特に安定なガス分子である水素ガスは通常の真空装置の材質であるステンレス製の障害物との衝突による損失はほぼ無視できる。これに対し水素プラズマ中に生成する水素ラジカル（原子）のステンレスでの損失確率は上記非特許文献２によれば約１５％と見積もられていることから、安定ガスと活性種では障害物である固体との反応確率、すなわち障害物での損失確率が大きく異なる。
【００１８】
したがって水晶振動子センサに対してこのような障害物を設置すると、その空間の代表長さまたは透過率が低下するに連れて特に活性種の水晶振動子センサへの到達が分子に比べてはるかに大きく阻害される。ここで「空間の代表長さ」とはプラズマ中の成分が物性依存出力計測装置へ到達する度合いを示す量であり、最も簡単には透過率であるが、実際には同じ透過率の障害物でもそれが持つ空間の大きさや形は様々に異なるのが通常であり、本発明においてはそのような空間の大きさや形がプラズマ中の成分の到達にとって重要であるため、より広い意味を持つものとして定義する。実際に「空間の代表長さ」の例として透過率の他に、「公称エレメント・ポア・サイズ（スウェッジロック社フィルターカタログ）」や「通過粒球子参考値（くればぁ社ＨＰ）」といった語句がフィルター粗さの表現として用いられている。以上のような空間の代表長さまたは透過率が低下していくと最終的には全ての活性種が水晶振動子センサに到達できなくなるような状態が生じうる。
【００１９】
この時水晶振動子センサには活性種が全く到達しないため水晶振動子センサ出力からは活性種による情報は排除される。一方プラズマ中のガス分子は障害物との反応性が活性種に比べて小さいため、全ての活性種が水晶振動子センサに到達できないような状態でも全てのガス分子は障害物を透過して水晶振動子センサに到達することが可能である。このような状況では水晶振動子センサ出力はプラズマ中のガス分子のみの情報を与える。
【００２０】
気相成分はガス分子と活性種のみから構成されるから、全気相成分の情報を与える水晶振動子センサ出力から安定ガス分子の情報を与える水晶振動子センサ出力を取り除くことにより、この水晶振動子センサ計測によって従来の方法では測定が困難な活性種のみの情報を得ることができる。
【００２１】
なおここで得られる活性種の情報は主として相対的な量であり、絶対値ではない。しかしながらプラズマ条件を変えて本測定を行えば活性種の相対量についてのプラズマ条件依存性などを求めることができ、プロセス管理上有用である。
【００２２】
この障害物の空間の代表長さを変化させた測定において、障害物付きまたはなしの状態以外のある範囲の障害物の空間の代表長さまたは透過率における測定結果がほぼ等しい場合には、この一定量の出現がプラズマ中のある特定の活性種のみが障害物によって測定装置への到達が阻止されたことによるものと推測されることから、この結果を用いることによりプラズマ中の活性種を区別して測定できる。
【００２３】
このような測定の一定値は、同じ活性種の中でも障害物での損失の違いがあるために生じる。測定結果の一定値が、障害物の空間の代表長さまたは透過率が大きいところで生じるほど障害物による損失が大きい、すなわち反応性の高い活性種による結果であることを示すものである。
【００２４】
以上のような測定には、水晶振動子センサに対する障害物の空間の代表長さまたは透過率を変化させる必要があるが、このような測定はフィルターなどの空間の代表長さまたは透過率を変えた障害物を水晶振動子センサの周辺に装着するだけで容易に実現することができるから、従来のプラズマ中活性種測定法に比較して簡便な測定法である。
【００２５】
ここで障害物とは水晶振動子センサへの空間の代表長さまたは透過率を調整しうる物質であり、具体的にはフィルターやメッシュ構造の物質である。
【００２６】
本測定をプラズマにおいて行う場合には、障害物のプラズマへの影響及びプラズマからの障害物への影響を考慮し、障害物の材質として金属やセラミックスが適している。
【００２７】
この測定では空間の代表長さまたは透過率を制御できる障害物を使用する必要があるが、これは薄膜メッシュの透過率及び空間長さ、空間面積を制御することによって容易に調整できる。この点において薄膜メッシュではこれらの透過率及び空間長さ、空間面積といったパラメータが事前に一意的に決定されるからこれらの制御が容易である。
【００２８】
この測定によって測定が困難なプラズマ中の全活性種量を計測することができる。また活性種の反応性の違いが利用できる場合には活性種の種類を分別した測定も可能である。活性種の個々の絶対量及び全ての活性種の成分及び密度を求めるには他の方法によって全ての活性種を測定する必要があるが、活性種量を簡便に把握するためには有効である。
【００２９】
具体的な物性依存出力のひとつは、上記した水晶振動子センサによって求めることができる。この水晶振動子センサの出力は、このセンサ中の水晶振動子を含む電気回路のインピーダンスが、測定するガスの分子量及び粘性に依存することから、これらの変化に伴って変化する。したがって水晶振動子センサを用い、ガスの分子量及び粘性に依存する物性依存出力を得ることができる。
【００３０】
このような、水晶振動子センサ出力が測定するガスの分子量及び粘性に依存することを利用すると、二種類のガスから成る混合ガス中の各ガスの濃度(分圧)を求めることができる。
【００３１】
このような、二成分混合気体における濃度測定法については既に特許化されている（特許文献２参照）。ところがたとえ、供給ガスとして１種類のガスしか用いない場合でも、プラズマの気相中には供給ガスと電子との衝突によりさまざまな種類の分子、イオン、ラジカルが生成され、存在する。したがって、上記特許文献２だけではプラズマ気相中に存在する全ての物質の濃度を測定することはできない。
【００３２】
しかしながら、上述のように測定された物性依存出力から活性種の量に相関する値を求めることができれば、従来のような発光及び光を用いた、高価で複雑かつ製造装置、あるいは製造過程に影響を与えるような測定方法を用いることなく、活性種の量を測定することができる。また反応性で分別することによりそれぞれ種類の異なる活性種を別個に測定することもできる。
【００３３】
本発明は、水晶振動子センサでの測定について、圧力を測定するのと同様な、簡単な方法で測定を行うことが可能な、実用の製造装置への実用も容易であり、簡便に測定を行うことができるプラズマ中に存在する活性種の測定装置及び方法を実現することを課題とする。
【００３４】
さらに、本発明は、水晶振動子を含む圧電素子を用いる場合に、熱や光を照射しない測定法であるため、熱や光による刺激によって爆発の起こる反応性の高い混合気体でも安全に測定することができ、測定に際して特定の波長の紫外線ランプ等を必要とせず、メンテナンスが容易なプラズマ中に存在する活性種の測定装置及び方法を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
上記課題を解決するために、本発明の活性種量測定装置は、プラズマが発生している反応装置内のガスの、圧力及び温度以外の物性値に依存する物性依存出力を測定することにより、分子以外の化学種であって、プラズマによって生成されるイオン及びラジカルを含む化学種、すなわち活性種の量を計測する活性種量測定装置において、反応装置内に障害物を着脱とした物性依存出力測定装置を設け、前記障害物は、障害物を物性依存出力測定装置に装着しない障害物なしの場合には、プラズマ中の活性種を含む全ての成分が物性依存出力測定装置に到達し、障害物を装着した障害物付きの場合には、プラズマ中の活性種のみを完全に遮断するものであり、プラズマ発生時における障害物なしの物性依存出力測定装置による測定結果である物性依存出力と障害物付きの物性依存出力測定装置による測定結果である物性依存出力を比較することによってプラズマによって生成した活性種の量を計測することを特徴とする。
【００３６】
さらに物性依存出力測定装置に設置する障害物の空間の代表長さまたは透過率を変えた測定が行える活性種測定装置において、障害物付きまたはなし以外のある空間の代表長さの範囲での測定における結果が一定の場合に、この値と障害物付き又はなしの時の結果と比較することにより活性種の種類を分別した測定を行う装置であることを特徴とする。
【００３７】
また、本発明の活性種量測定装置は、プラズマが発生している反応装置内のガスの、圧力及び温度以外の物性値に依存する物性依存出力を測定することにより、分子以外の化学種であって、プラズマなどによって生成されるイオン及びラジカルを含む化学種、すなわち活性種の量を計測する活性種量測定装置において、反応装置内に障害物を装着しない障害物なしの物性依存出力測定装置と障害物を装着した障害物付きの物性依存出力測定装置とを併設し、前記障害物は、障害物を物性依存出力測定装置に装着しない障害物なしの場合には、プラズマ中の活性種を含む全ての成分が物性依存出力測定装置に到達し、障害物を装着した障害物付きの場合には、プラズマ中の活性種のみを完全に遮断するものであり、プラズマ発生時における障害物なしの物性依存出力測定装置による測定結果である前記物性依存出力と障害物付きの物性依存出力測定装置による測定結果である前記物性依存出力を比較することによってプラズマによって生成した活性種の量を計測することを特徴とする。
【００３８】
さらに本発明の活性種量測定装置は、物性依存出力測定装置に対する障害物の空間の代表長さまたは透過率を変えた測定を、障害物の着脱なしで行うため、障害物付き、なしの他、空間の代表長さまたは透過率の異なる複数の障害物が付属した複数の物性依存出力計測装置を併設し、活性種測定装置において、障害物付きまたはなし以外のある空間の代表長さの範囲での測定における結果が一定の場合に、この値と障害物有又はなしの時の結果と比較することにより活性種の種類を分別した測定を行う装置であることを特徴とする。
【００３９】
さらに、本発明は、上記活性種量測定装置において、障害物付きの物性依存出力測定装置の測定結果として、前記障害物の空間の代表長さまたは物性依存出力測定装置への透過率の減少に伴い減少する物性依存出力の測定結果が飽和した値を用いることでプラズマ中の活性種のみを完全に遮断した時の結果とすることを特徴とする。
【００４０】
さらに、本発明は、上記活性種量測定装置において、障害物なしの物性依存出力測定装置の測定結果として、前記障害物の空間の代表長さまたは物性依存出力測定装置への透過率の増加に伴い増加する物性依存出力の測定結果が飽和した値を用いることでプラズマ中の活性種を含む全ての成分が物性依存出力測定装置に到達した時の結果とすることを特徴とする。
【００４１】
さらに、本発明は、上記活性種量測定装置において、物性依存出力は、粘性及び分子量に依存するものであり、それらの物性依存出力を測定する物性依存出力測定装置として水晶振動子センサまたはスピニングロータゲージを用いることを特徴とする。
【００４２】
さらに、本発明は、上記活性種量測定装置において、障害物は、プラズマの影響を受けず、またプラズマに対して影響を与えない材質として金属や絶縁物で作製されたフィルターであって、プラズマによる活性種の全てを水晶振動子センサから遮断することができる遮断性能を持つことを特徴とする。
【００４３】
また、本発明の活性種量測定方法は、プラズマが発生している反応装置内のガスの物性値に依存する物性依存出力を測定することにより、分子以外の化学種であって、プラズマによって生成されるイオン及びラジカルを含む化学種の量を計測する活性種量の測定方法において、反応装置内に障害物を着脱とした物性依存出力測定装置を設け、前記障害物を装着しない障害物なしの物性依存出力測定装置で、プラズマ中の活性種を含む全ての成分が、圧力及び温度以外の物性依存出力を測定しうる物性依存出力測定装置に到達する場合の物性依存出力を測定し、前記障害物を装着した障害物付きの物性依存出力測定装置で、障害物によりプラズマ中の活性種のみを完全に遮断した場合の物性依存出力を測定し、プラズマ発生時における障害物なしの物性依存出力測定装置により測定した物性依存出力と、障害物付きの物性依存出力測定装置により測定した物性依存出力を比較することによってプラズマによって生成した活性種の量を計測することを特徴とする。
【００４４】
さらに本発明の活性種量測定方法は、物性依存出力測定装置に対する障害物の空間の代表長さまたは透過率を変えた測定において、障害物付きまたはなし以外のある空間の代表長さの範囲での測定における結果が一定の場合に、この値と障害物付き又はなしの時の結果と比較することにより活性種の種類を分別した測定を行うことを特徴とする。
【００４５】
また、本発明の活性種量測定方法は、プラズマが発生している反応装置内のガスの物性値に依存する物性依存出力を測定することにより、分子以外の化学種であって、プラズマによって生成されるイオン及びラジカルを含む化学種の量を計測する活性種量の測定方法において、反応装置内に障害物を装着しない障害物なしの物性依存出力測定装置と障害物を装着した障害物付きの物性依存出力測定装置とを併設し、前記障害物を装着しない障害物なしの物性依存出力測定装置で、プラズマ中の活性種を含む全ての成分が、圧力及び温度以外の物性依存出力を測定しうる物性依存出力測定装置に到達する場合の物性依存出力を測定し、前記障害物を装着した障害物付きの物性依存出力測定装置で、障害物によりプラズマ中の活性種のみを完全に遮断した場合の物性依存出力を測定し、プラズマ発生時における障害物なしの物性依存出力測定装置により測定した物性依存出力と、障害物付きの物性依存出力測定装置により測定した物性依存出力を比較することによってプラズマによって生成した活性種の量を計測することを特徴とする。
【００４６】
さらに本発明の活性種量測定方法は、物性依存出力測定装置に対する障害物の空間の代表長さまたは透過率を変えた測定を、障害物の着脱なしで行うため、障害物付き、なしの他、空間の代表長さまたは透過率の異なる複数の障害物が付属した複数の物性依存出力計測装置を併設し、活性種量測定において、障害物付きまたはなし以外のある空間の代表長さの範囲での測定における結果が一定の場合に、この値と障害物付き又はなしの時の結果と比較することにより活性種の種類を分別した測定を行うことを特徴とする。
【００４７】
さらに、本発明は、上記活性種量測定方法において、障害物付きの物性依存出力測定装置の測定結果として、前記障害物の空間の代表長さまたは物性依存出力測定装置への透過率の減少に伴い減少する物性依存出力の測定結果が飽和した値を用いることでプラズマ中の活性種のみを完全に遮断した時の結果とすることを特徴とする。
【００４８】
さらに、本発明は、上記活性種量測定方法において、障害物なしの物性依存出力測定装置の測定結果として、前記障害物の空間の代表長さまたは物性依存出力測定装置への透過率の増加に伴い増加する物性依存出力の測定結果が飽和した値を用いることでプラズマ中の活性種を含む全ての成分が物性依存出力測定装置に到達した時の結果とすることを特徴とする。
【００４９】
さらに、本発明は、上記活性種量測定方法において、物性依存出力は、粘性及び分子量に依存するものであることを特徴とし、それらの前記物性依存出力を測定する物性依存出力装置は、水晶振動子センサまたはスピニングロータゲージを用いることを特徴とする。
【００５０】
さらに、本発明は、上記活性種量測定方法において、障害物は、プラズマの影響を受けず、またプラズマに対して影響を与えない材質として金属や絶縁物で作製されたフィルターとし、プラズマによる活性種の全てを水晶振動子センサから遮断することができる遮断性能を持つことを特徴とする。
【発明の効果】
【００５１】
本発明のプラズマ中に存在する活性種の測定装置及び方法は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）ガスを媒体とするプラズマにおいて、プラズマが存在する容器内を、薄膜メッシュやフィルターなどの障害物をその先端に装着した水晶振動子センサと絶対圧力計のみを用いてプラズマ中の活性種量を求めることができる。この測定では測定時に測定される気体を消費することなく、高速な測定が可能で、混合気体の圧力が大気圧以外の時でも、また圧力が変化しても常に測定することができる。
【００５２】
（２）さらに、水晶振動子を含む圧電素子を用いる場合には、熱や光を照射しない測定法であるため、熱や光による刺激によって爆発の起こる反応性の高い混合気体でも安全に測定することができる。測定に際して特定の波長の紫外線ランプ等を必要とせず、メンテナンスが容易であり、更に気体組成の変化に対応して即時にその組成を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る分解率測定装置及び測定方法の実施例を説明する図である。
【図２】物質の種類について、圧力を変化した場合の物性依存出力の変化を示す図であり、（ａ）は水晶振動子センサ出力の変化を示し、（ｂ）は水晶振動子圧力計の表示圧力の変化を示し、（ｃ）はスピニングロータゲージの指示圧力の変化を示す図である。
【図３】水晶振動子センサ出力の温度依存性を示す図である。
【図４】水素プラズマを発生・停止させた際の水晶振動子センサ校正値の経時変化を示す図である（○：フィルターなし、●フィルターあり）。
【図５】水晶振動子センサに装着したフィルターの一例である。
【図６】プラズマによる水晶振動子センサ校正値変化量のフィルター空間代表長さ依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
以下、図面を参照して、プラズマ中に存在する活性種の測定装置及び方法の最良の形態を実施例に基づいて詳細に説明する。
【００５５】
本発明に係るプラズマ中に存在する活性種の測定装置及び方法は、従来の光を用いたプラズマ診断法と比較して簡便な方法及び装置でプラズマによる活性種量を測定する方法及び装置を提供するものである。
【００５６】
具体的には、プラズマ装置内のガスに対してプラズマにおいて物性に依存する物性依存出力を測定し、障害物なしの状態において測定した結果と、障害物付きの状態で測定した結果の差から真空装置中に存在する活性種量を求めるものである。
【００５７】
障害物なしの状態とは、プラズマによる物性依存出力の変化量が最大になる状態であり、この時の物性依存出力のプラズマによる変化はプラズマ中に存在する安定ガス及び活性種による変化である。
【００５８】
障害物付きの状態とは、プラズマによる物性依存出力の変化量が最小になる状態であり、この時の物性依存出力のプラズマによる変化はプラズマ中に存在する安定ガスによる変化である。
【００５９】
物性値としては粘性及び分子量とし、これに依存した量を測定できる水晶振動子センサ、並びに絶対圧力計及び温度計による計測を行い、プラズマを発生させた時の水晶振動子センサの出力から、圧力及び温度校正を行うことによりプラズマでの物性依存出力を測定する。
【実施例】
【００６０】
プラズマ加工装置は、図１に示すように、プラズマ装置の反応装置３と、高周波電源１０から高周波電圧を供給するプラズマ装置の反応装置３内に突設されプラズマ電極５と、複数種の供給ガスを導入する複数の気体流量制御装置（マスフローコントローラー：ＭＦＣ）７を有する複数の導入管と、１センチ以下のサイズの小さい水晶振動子センサ１と、隔膜圧力計２と、製造物であるワーク支持台１５と、圧力制御弁９を備えている。
【００６１】
このようなプラズマ加工装置におけるプラズマ装置に適用する例として、本発明のプラズマ中に存在する活性種の測定装置及び方法の実施例を説明する。
【００６２】
この実施例の活性種の測定装置は、プラズマ装置からの物性依存出力のひとつであり、気相中の気体成分に依存する量である「水晶振動子センサ校正値」を求めるための圧力補正手段４及び温度補正手段６が設けられている。圧力補正手段４及び温度補正手段６は、具体的には、図示しないが入力部、出力部、ＣＰＵ、記憶装置等を備えたコンピュータ１７が利用される。
【００６３】
この圧力補正および温度補正は主に障害物付きの物性依存出力測定装置を用いた結果に対して行うものであり、それぞれ以下に示す圧力補正手段及び温度補正手段は上記特許文献４での記載と同じである。
【００６４】
なお、障害物なしの物性依存出力測定装置での結果に対しては、これらに対する圧力及び温度の影響は小さいため、これらによる補正は通常必要でない。
【００６５】
コンピュータ１７の入力部には、水晶振動子センサ１と隔膜圧力計２がデータ線を介して接続されている。水晶振動子センサ１の校正値は、圧力補正手段４で得られたデータを直接用いるか、または必要であれば、さらにそのデータを温度補正手段６で処理して得られたデータを用いて求められる。
【００６６】
圧力補正手段４は、水晶振動子センサ１と隔膜圧力計２からそれぞれ計測データを入力し、水晶振動子センサ１の出力から絶対圧力の影響を補正する。この圧力補正された値（圧力補正値）を、測定中の温度変化が大きい場合には温度補正手段６へデータを出力し、そうでない場合にはこの値をそのまま水晶振動子センサ校正値として用いる。
【００６７】
温度補正手段６は、上記圧力補正値及び水晶振動子センサ１から生じる温度と相関の大きい水晶振動子の共振周波数の情報または実測で得られる雰囲気温度を入力し、圧力補正値に対してさらに温度補正を行うことにより水晶振動子センサ校正値を求める。
【００６８】
図２（ａ）は、各気体における水晶振動子センサ出力の絶対圧力依存性を示すグラフであり、図２（ｂ）は、水晶振動子圧力計の表示圧力の絶対圧力依存性を示すグラフであり、図２（ｃ）は、スピニングロータゲージの指示圧力の絶対圧力依存性を示すグラフである。
【００６９】
図２（ａ）に示すように、気体の種類によって同じ絶対圧力での水晶振動子センサ１（水晶振動子センサではなく、水晶摩擦真空計またはスピニングロータゲージでもよい。）の出力が異なることを利用することにより、プラズマ中の活性種量を測定することができる。
【００７０】
なお、図２（ａ）〜（ｃ）の範囲の圧力に限らず、すべての圧力においても気体の種類によって同一の絶対圧力においてそれぞれの出力がガスの種類によって異なることから、これらに示される以外の圧力範囲においてもプラズマ中の成分変化を測定できる。
【００７１】
ここで、水晶摩擦圧力計とは、電気により発振させた水晶振動子センサを内蔵し、これに気体分子が衝突する際に発生する抵抗が、気体の圧力及び粘性に依存することを利用して同センサを含む電気回路の電圧として取り出すことにより測定を行う圧力計である。
【００７２】
また、スピニングロータゲージとは、気体中で鋼球等を高速に回転させた後動力を停止し、この動力停止後の回転数の減少速度が同じく気体の圧力及び粘性に依存することを利用する圧力計である。
【００７３】
本発明における成分測定は、気体の種類によって同じ絶対圧力の場合、水晶振動子センサ（或いは、水晶摩擦真空計またはスピニングロータゲージ）の出力が異なることを利用するため、特にガス分子のみの情報が得られる障害物付きの物性依存測定装置での測定結果を得るためには、水晶振動子センサ１と隔膜圧力計２の両方での測定が必要である。大気圧下のように実質的な絶対圧力変化がない場合には、水晶振動子センサ１のみの測定でも計測が可能である。
【００７４】
水晶振動子センサ１の出力から絶対圧力の影響を取り除くことによって、水晶振動子センサ校正値が求められる。具体的には、まず図２（ａ）のような水晶振動子センサ出力の絶対圧力依存性を調べ、同出力の圧力に対する変化率である圧力係数を求める。この圧力係数を用いて絶対圧力変化による同出力の変化を補正できる。
【００７５】
仮に、上記測定器出力、測定圧力、圧力係数をそれぞれＶ，Ｐ，Ｃとすれば、圧力補正値Ｖｐは、任意の一点での絶対圧力Ｐ０に対して、Ｖｐ＝Ｖ−Ｃ×（Ｐ−Ｐ０）で求められる。この圧力補正された値Ｖｐは気体の分子量及び粘性と相関する量であり、この値を用いて気体成分の変化を測定することができる。
【００７６】
温度の影響を補正するために、水晶振動子センサ１の測定場所の雰囲気温度を温度計１８で同時に測定するか、または水晶振動子センサ１から得られる温度と相関の大きい共振周波数の情報から、図３に示すような水晶振動子センサ出力の温度係数を求め、温度補正を行う。なお、図３は、圧力一定条件における水晶振動子出力の測定雰囲気温度依存性を示すグラフである。
【００７７】
水晶振動子センサの出力と温度との相関は一定であるため、予め求められた水晶振動子センサ出力―温度直線の傾き、すなわち水晶振動子センサ出力の温度係数を用いて水晶振動子センサ出力値を校正することにより温度変化の影響を排除し、水晶振動子センサ校正値を求めることができる。
【００７８】
仮に、上記測定器出力、測定温度、温度係数をそれぞれＶ，Ｔ，Ｋとすれば、温度補正値  Ｖｔは任意の一点での絶対温度Ｔ０に対して、Ｖｔ＝Ｖ−Ｋ×（Ｔ−Ｔ０）で求められる。
【００７９】
なお、水晶振動子の振動周波数には温度依存があるため、この振動周波数の温度依存性から水晶振動子センサ出力の温度係数を求めることも可能である。
【００８０】
以上の方法で求めた、物性依存出力である「水晶振動子センサ校正値」を用いて、プラズマ装置中に存在する活性種の量を求める方法は以下の通りである。
【００８１】
なお、障害物なしの物性依存出力測定装置からの出力に対しては、以上の圧力及び温度補正を行わず、そのままの値を用いてもよい。
【００８２】
実際に水素を用いた場合について、水晶振動子センサに対して障害物を装着しない場合の結果を図４に○印で示す。図４は横軸の時間に対して水晶振動子センサ校正値をプロットしたものである。図４からわかるように、プラズマの生成とともに「水晶振動子センサ校正値」が変化する。この、プラズマによる「水晶振動子センサ校正値」の変化量をこれ以降「水晶振動子センサ校正値変化量」と呼ぶ。
【００８３】
この時の「水晶振動子センサ校正値変化量」はプラズマ中の全ての成分が障害物なしの物性依存出力測定装置に到達する状態で測定されるものであり、変化量としては最大の変化量である。したがってこれを以下「最大水晶振動子センサ校正値変化量」と呼ぶ。この値はプラズマによるプラズマ中の全ての気相成分の変化による情報である。
【００８４】
次に水晶振動子センサに対して障害物として図５のようなフィルターを装着し、同様に測定を行う。結果を同時に図４に●印で示すが、透過率の増加により「水晶振動子センサ校正値変化量」は減少しているものの、時間に対する変化は障害物なしの場合と相似である。
【００８５】
続いてこの障害物を装着した測定を、透過率を徐々に下げ、プラズマによる「水晶振動子センサ校正値変化量」が一定となるまで行う。
【００８６】
以上の測定において、フィルター空間代表長さに対して「水晶振動子センサ校正値変化量」をプロットしたものが図６である。図６で最小の「水晶振動子センサ校正値変化量」が「最小水晶振動子センサ校正値変化量」である。
【００８７】
以上で求めた「最大水晶振動子センサ校正値変化量」はプラズマ中の全ての気相成分の変化の情報である。一方「最小水晶振動子センサ校正値変化量」はプラズマ中に存在する安定ガスの変化によるものである。したがってこれらの２つの「変化量」の差はプラズマ中の安定ガス分子以外、すなわち全活性種の変化によるものである。当然ながらプラズマ生成前には活性種が存在しないため、これよりプラズマ中の全活性種の量が求められる。
【００８８】
また、図６の横軸が１００〜４００ミクロンの範囲では、「水晶振動子センサ校正値変化量」がほぼ一定であるが、これは段落００２２で述べたように反応性の高い活性種のみが障害物と反応して消失し、その他の活性種は反応せずに水晶振動子センサへと到達することによるものである。ここでこの１００〜４００ミクロンの範囲の「水晶振動子センサ校正値変化量」の一定値を「特定水晶振動子センサ校正値変化量」と定義すると、段落００８７よりも詳細に、「特定水晶振動子センサ校正値変化量」と「最大水晶振動子センサ校正値変化量」との比較から高反応性活性種の量が、また「特定水晶振動子センサ校正値変化量」と「最小水晶振動子センサ校正値変化量」との比較から低反応性活性種の量が分別して求められる。これらの量は相対量であるが、このように同じ活性種でもいくつかの種類に分別して測定されればより情報量が多くなり有益である。
【００８９】
ここで「水晶振動子センサ校正値変化量」が最小となる透過率は、プラズマ中の安定ガス以外の全ての活性種が障害物によって阻害、消失され、水晶振動子センサに到達しない状態であるが、どのような透過率、形状の障害物が装着された際にその状態が達成されるかは事前には自明ではない。しかしながら空間の代表長さとしては圧力によって決定されるガスの平均自由行程よりも短くなることが予想されるため、この平均自由行程以下の範囲で障害物の空間の代表長さまたは透過率を減少していくことにより「最小水晶振動子センサ校正値変化量」が求められる。
【００９０】
上記水晶振動子センサで求められる物性依存出力が依存する物性量は、粘性及び分子量であるが、例えば粘性は、上記水晶振動子センサ以外にも、水晶振動子圧力計、スピニングロータゲージで測定される値から、隔膜真空計などの絶対圧力計で計測した絶対圧力の影響を除くことによって求められる。
【００９１】
上記水晶振動子センサは、小型であり装置内で移動することが可能であるため、装置内で固定プラズマ電極に対して移動して測定できる。活性種量を求めるに当たっては、例えば平行平板電極間に生じる放電に対しては、その電極間で測定することが最適であるが、それが何らかの条件で不可能な場合、プラズマ電極にできるだけ近い場所で測定することが望ましい。
【００９２】
その場合、水晶振動子センサの電極までの距離が平行平板間の間隔よりも小さい場合には、水晶振動子センサへのプラズマの直接的な影響が大きくなり測定が不正確になるため、この平行平板電極間隔だけ離れた位置で測定することが好ましい。
【００９３】
この時プラズマ電極付近での測定では温度による影響が顕著になるが、この影響を補正するため別に温度測定を行うか、水晶振動子センサから得られる、温度との相関の高い共振周波数を測定することで温度の補正を行うことにより物性値出力を校正し水晶振動子センサ校正値を求めることは上述した通りである。
【００９４】
以上のようにして求められる活性種の相対量の情報から、プラズマ処理の高性能化に寄与することができるために有効な知見を得ることができる。
【００９５】
活性種量は、障害物付きおよびなしの物性依存出力測定装置を併設する測定装置を用いればプラズマが発生中いずれの時点でもリアルタイムに求めることができるため、これを用いたモニタリングが可能になり、必要ならば諸条件を調節することにより所望の分解率に保ちながら製造することができる。
【００９６】
また、このリアルタイム性を利用すると、プラズマその場での条件制御も可能となる。プラズマ中の活性種量は製造条件の重要な条件の一つであるから、これが分かれば、その量をリアルタイムに変調制御することにより、製品を高度化することができる。また、製品の均一化・均質化を図ることができる。プラズマの異常放電が発生する場合には、プラズマ中の活性種量が大きく変化することから、この異常な変化をモニタリングすることによりプラズマの異常運転、プラズマ停止を早期発見できる。
【００９７】
これらの条件のうち温度に関する条件以外は全て電気信号によって迅速な制御が可能である。一方、本測定装置による測定出力も電気信号で出力できるため、迅速な結果出力とこれによる迅速な制御が可能である。
【００９８】
本発明の測定方法によって気体成分の変化をプラズマ運転中に常時測定しておけば、何らかの異常によって当初想定した活性種量が変化しても、その変化を本測定法によってそのずれを検出することによって、気体成分変化に有意差が現れた場合、供給ガスの流量にフィードバックをかけることにより、活性種量を所望の値に保つことができる。
【００９９】
迅速な測定が可能な活性種量測定装置を用いることで、簡便小型、低価格な膜厚・成膜速度・膜構造自動制御装置を提供することができる。特に、薄膜シリコン製造プロセスで用いられるシラン−水素二成分系においては、活性種量は、製造される膜構造（アモルファスか微結晶か）や光安定性といった重要な物性に影響を与えるため、予め、物性と供給ガスの分解率との相関を求めておけば、実際のプロセス中に本方法で活性種量の測定を行うことにより、製造物の特性をも一定に保つことができる。
【０１００】
同様に得られる製造物の膜厚、電気特性、エッチング比などの諸物性と活性種量との相関を求めておけば、実際のプロセス時にこれらの相関を利用してプロセスの諸条件を制御することができる。
【０１０１】
フルオロカーボン、硫化フルオロ系のガスを用いたエッチングプラズマにおいては、エッチング比などの諸物性と活性種量との相関を求めておき、実際のプロセス時にこれらの相関を利用してプロセスの諸条件を制御してエッチング処理を改善することができる。
【０１０２】
本発明はその他にダイヤモンド薄膜やカーボンナノチューブ、ハード材料などを作成するメタンなどの炭化水素系プラズマ、ゲルマンガスプラズマ及びこれらの混合ガスプラズマなど任意の種類のガスを用いるガスプラズマに利用することができる。
【０１０３】
また、本発明はプラズマの他に光、熱、電子、放射線などによって生じた活性種に対してもその量を測定できる。
【０１０４】
以上、本発明に係るプラズマ中に存在する活性種の測定装置及び方法を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明に係るプラズマ中に存在する活性種の測定装置及び方法は、以上のような構成であるから、プラズマ装置を使用した加工や工作、製造を行う各種の製造装置に適用可能である。
【符号の説明】
【０１０６】
１  水晶振動子センサ
２  隔膜圧力計
３  プラズマ装置の反応装置
４  圧力補正手段
５  プラズマ電極
６  温度補正手段
７  気体流量制御装置（マスフローコントローラー：MFC）
８  ヒータ
９  圧力制御弁
１０  高周波電源
１２  ワーク
１５  ワーク支持台
１７  コンピュータ
１８  温度計
【図１】
2012047556.tif 000003
【図２】
2012047556.tif 000004
【図３】
2012047556.tif 000005
【図４】
2012047556.tif 000006
【図５】
2012047556.tif 000007
【図６】
2012047556.tif 000008