(57)【要約】【課題】真空装置中に存在する、特にプラズマにより生成したイオン計測の効率を高めるための方法及び装置を提供する。【解決手段】プラズマ装置中に設置した電極に、これに接続してプラズマ装置中の成分を分析できる質量分析器の計測部に対して高い（低い）電位を与え、これによってプラズマ中の正（負）イオンを質量分析器へ効率よく導入することを特徴とするプラズマ中のイオン計測方法、及び、プラズマ装置中に設置した電極に、これに接続してプラズマ装置中の成分を分析できる質量分析器の計測部に対して高い（低い）電位を与え、これによってプラズマ中の正（負）イオンを質量分析器へ効率よく導入することを特徴とするプラズマ中のイオン計測装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器中に設置した電極に、これに接続して容器中の成分を分析できる質量分析器の計測部に対して高い（低い）電位を与え、これによって正（負）イオンを質量分析器へ効率よく導入することを特徴とするイオン計測方法。
【請求項２】
プラズマ装置中に設置した電極に、これに接続してプラズマ装置中の成分を分析できる質量分析器の計測部に対して高い（低い）電位を与え、これによってプラズマ中の正（負）イオンを質量分析器へ効率よく導入することを特徴とするイオン計測方法。
【請求項３】
前記質量分析器として、四重極質量分析計、飛行時間型質量分析計、又は、ファラデーカップを用いることを特徴とする請求項１又は２記載のイオン計測方法。
【請求項４】
前記電位は、直流電圧の印加によるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のイオン計測方法。
【請求項５】
前記電極は、プラズマからプラズマが生成している電極間距離以上の距離を取り、かつプラズマが生じた後に電位を印加することを特徴とする請求項２記載のイオン計測方法。
【請求項６】
容器中に設置した電極に、これに接続して容器中の成分を分析できる質量分析器の計測部に対して高い（低い）電位を与え、これによって正（負）イオンを質量分析器へ効率よく導入することを特徴とするイオン計測装置。
【請求項７】
プラズマ装置中に設置した電極に、これに接続してプラズマ装置中の成分を分析できる質量分析器の計測部に対して高い（低い）電位を与え、これによってプラズマ中の正（負）イオンを質量分析器へ効率よく導入することを特徴とするイオン計測装置。
【請求項８】
前記質量分析器として、四重極質量分析計、飛行時間型質量分析計、又は、ファラデーカップを用いることを特徴とする請求項６又は７記載のイオン計測装置。
【請求項９】
前記電位は、直流電圧の印加によるものであることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載のイオン計測装置。
【請求項１０】
前記電極は、プラズマからプラズマが生成している電極間距離以上の距離を取り、かつプラズマが生じた後に電位を印加することを特徴とする請求項７記載のイオン計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空装置を含む容器中に存在するイオンを測定する効率を高めるための方法及び装置に係り、特にプラズマなどの気相中に存在するイオンの検出効率を高めるための方法及び装置に関する。
【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、イオンはその量は電気的に中性であるラジカルと比較して少ないものの、その反応性はラジカルと比較して数桁大きい。特にプラズマエッチングにおいてイオンは周辺の電位分布に依存した挙動をとるため、エッチング後の半導体等の処理物における形状を大きく左右しうる成分であることがわかっているため特にエッチングプラズマでは重要な成分である。このようなプラズマ中のイオン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、従来いくつかのイオン測定手段が提案されている。例えばプラズマ中においてイオン自身が発光し、その発光する光の波長がイオンの種類に依存することを利用し、プラズマ中でのイオンによる発光波長を分光器で計測することによりイオンを計測する方法は最も簡便である。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イオンを計測することができる。
さらにイオンをプラズマ装置から質量分析器へと導入しこの装置によって計測することも可能である。質量分析器は成分が持つ電荷を利用して検出及び質量分析を行うのが一般的であり、そのひとつが四重極質量分析器（ＱＭＳ）であるが、イオンはそれ自身が電荷を持つ成分であるため、質量分析装置へ導入するだけで検出及び質量分析を行うことができる。以上、発光を測定する方法及び質量分析装置を用いたイオンの検出方法については非特許文献１に詳しく記載されている。
また、従来のイオンの計測方法及びそれに用いられる装置については特許文献１の図１０に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５７５８２２号公報
【特許文献２】特開２０１０−０３８８６７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】プラズマ・核融合学会編、「プラズマの生成と診断」、（株）コロナ社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながらプラズマ中のイオンの量は例えば電気的に中性な成分と比較すると２、３桁少ないのが普通であるため、以上の方法によっての計測法を用いてもその測定は困難である。特許文献１においては高圧力条件でエネルギー選別したイオンの計測を行うための方法が提案されているが、これによってもイオン検出そのものの効率を改善するための方法は記載されていない。
以上のような状況に鑑み、本発明は容器中の、特にプラズマ中のイオンを、プラズマに大きな影響を与えることなく効率よく計測できる方法及び装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
具体的には、プラズマ装置内に質量分析器の測定部に対して独立な電位を生じさせることにより、電荷を持った成分であるイオンを効率よく質量分析器へと導入することによってイオンの検出効率を改善することをその特徴とする。
この時正（陽）イオンを計測する場合には正の電位を、また負（陰）イオンを計測する場合には負の電位を用いる。この時計測を行う質量分析器の計測部の電位を接地しておけば、プラズマから離れた場所においてプラズマ装置に対して生じた電位との間に電場が生じる。
例えば正電位を生じさせた場合には、正イオンはこの電位場所からは反発され、相対的に最も低い接地電位である質量分析器へと移動する。負電位を生じさせた場合には同様に負イオンが質量分析器に移動する。
以上、外部電位によってプラズマ中のイオンを質量分析器へと導入できるため、プラズマ中のイオン計測の効率を改善することができる。
【０００８】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明のイオン計測方法は、容器中に設置した電極に、これに接続して容器中の成分を分析できる質量分析器の計測部に対して高い（低い）電位を与え、これによって正（負）イオンを質量分析器へ効率よく導入することを特徴とする。
また、本発明のイオン計測方法は、プラズマ装置中に設置した電極に、これに接続してプラズマ装置中の成分を分析できる質量分析器の計測部に対して高い（低い）電位を与え、これによってプラズマ中の正（負）イオンを質量分析器へ効率よく導入することを特徴とする。
さらに、本発明は、上記イオン計測方法において、上記質量分析器として、四重極質量分析計、飛行時間型質量分析計、又は、ファラデーカップを用いることを特徴とする。
また、本発明は、上記イオン計測方法において、上記電位は、直流電圧の印加によるものであることを特徴とする。
さらに、本発明は、上記イオン計測方法において、上記電極は、プラズマからプラズマが生成している電極間距離以上の距離を取り、かつプラズマが生じた後に電位を印加することを特徴とする。
また、本発明のイオン計測装置は、容器中に設置した電極に、これに接続して容器中の成分を分析できる質量分析器の計測部に対して高い（低い）電位を与え、これによって正（負）イオンを質量分析器へ効率よく導入することを特徴とする。
また、本発明のイオン計測装置は、プラズマ装置中に設置した電極に、これに接続してプラズマ装置中の成分を分析できる質量分析器の計測部に対して高い（低い）電位を与え、これによってプラズマ中の正（負）イオンを質量分析器へ効率よく導入することを特徴とする。
さらに、本発明は、上記イオン計測装置において、上記質量分析器として、四重極質量分析計、飛行時間型質量分析計、又は、ファラデーカップを用いることを特徴とする。
さらに、本発明は、上記イオン計測装置において、上記電位は、直流電圧の印加によるものであることを特徴とする。
さらに、本発明は、上記イオン計測装置において、上記電極は、プラズマからプラズマが生成している電極間距離以上の距離を取り、かつプラズマが生じた後に電位を印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のプラズマ中に存在するイオンの測定方法及び装置は、以下のような優れた効果を奏する。
容器内に予め質量分析器の計測部と異なる電位を生じさせることができる電極を設置しておき、イオン生成時にその電極に質量分析器の計測部と異なる電位を生じさせるために直流電圧を印加するだけでイオンの質量分析器への導入を促進し、結果として容器中のイオン計測の効率を大幅に改善することができる。
プラズマ中のイオンをプラズマ生成時に計測する時には、プラズマからプラズマ電極間以上の距離を取り、またプラズマが生成した後に直流電圧を印加することにより生成しているプラズマに影響を与えることなくプラズマによって生成したイオンを効率よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係るイオン計測方法及び装置の実施例を説明する図である。
【図２】電極２０の電位を０Ｖ（□）と１００Ｖ（■）に設定してＱＭＳで測定した水素プラズマ中の正イオンの質量スペクトルである。
【図３】ＱＭＳで測定した全正イオンの量の電極２０の電位依存性の結果である。
【図４】水素プラズマの発光スペクトルである。
【図５】水素プラズマで生じる２つの信号の発光強度の電極２０の電位依存性の結果を示す図である。
【図６】電極２０付近での測定電位の、電極２０の電位依存性の結果を示す図である。
【図７】電極２０への測定電流の、電極２０の電位依存性の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、プラズマ中に存在するイオン測定方法及び装置の最良の形態を実施例に基づいて詳細に説明する。
本発明に係るプラズマ中に存在するイオン測定方法及び装置は、従来の質量分析器を用いる計測方法の効率を改善するための方法及び装置を提供するものである。
具体的には、プラズマ装置中に設置した、これに接続して容器中の成分を分析できる質量分析器の計測部に対して高い（低い）電位を与え、これによって正（負）イオンを質量分析器へ効率よく導入することを特徴とするイオン計測方法を提供する。
【実施例】
【００１２】
プラズマ装置は、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、製造物の温度を制御するヒータ８と、隔膜圧力計２と、製造物１２と、ワーク支持台１５と、圧力制御弁９と、プラズマ装置からの成分を導入して検出、質量分析を行う質量分析器１９と、質量分析器の計測部と異なる電位を生じさせることのできる電極２０と、これに接続する直流電源２１を備えている。
【００１３】
このような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イオンの測定方法の実施例を説明する。
図１において、質量分析器１９は具体的には四重極質量分析器（ＱＭＳ）であるが、飛行時間型質量分析器でも良く、またイオンを質量分別せず総量のみを計測する場合にはファラデーカップでも良い。電極２０はその全ての部分がプラズマに対してプラズマ電極間よりも離れた位置に設置されている。これは電極２０がこの距離よりもプラズマに接近した場合、プラズマがこの電極２０との間にも発生してしまい、元々のイオン測定したいプラズマに影響を与えそのプラズマを変質させてしまうからである。
【００１４】
さて図１のプラズマ装置に水素ガスを毎分３０ｃｃ導入し、装置中の圧力を２７Ｐａに保ち、１３．５６ＭＨｚの高周波電力１００Ｗでプラズマ電極５と製造物１２との間に水素プラズマを生成させると正イオンが生成する。このイオンがサンプル管を通して四重極質量分析器（ＱＭＳ）へと導入されると電場によってそれぞれの質量に分離され、図２のような横軸を質量電荷比、縦軸を計測したイオン信号強度としたスペクトルが得られる。なおこの図２中で□印の結果を得る時には電極２０への電位は印加されていない。ここで横軸の質量電荷比とは質量数を電荷で割った値であり、ＱＭＳによる質量分離では直接的にはこの質量電荷比の値による分離が行われる。しかしながら今の場合計測しているイオンの電荷荷数は全て１であるから、結果的に横軸は質量数を表している。すなわち図２はプラズマで求められたイオンの質量スペクトルと等価である。水素プラズマの場合、上記の条件では図２に見られるように質量数が１及び３のＨ＋及びＨ３＋が生成する。
【００１５】
次にプラズマが生成している状態において、電極２０に正の直流電圧を印加する。例えば１００ボルトの直流電圧を印加した場合に得られる結果を図２に■印で重ねたが、比較してわかるようにこの直流電圧によって計測されるイオンが増加していることがわかる。
この電極２０への電圧を系統的に変化させた時の正イオン総量の変化を示した結果が図３であるが、図１に示すプラズマ装置中の２０で示した電極に電位を印加すると、図３に示すように電位が増加するに伴い質量分析器で測定した全正イオンによる出力が増加する。以上のように電極２０へ直流電圧を印加することによってプラズマ中のイオンを効率良くＱＭＳへ導入でき、イオン計測方法を改善することができる。
【００１６】
以上のようにＱＭＳで計測される図２に示したＨ＋イオン及びＨ３＋イオンによるイオン信号強度が増加したのは電極２０に与えられた正の電位のためにプラズマ中のこれらのイオンがこの電極２０に対して反発され、この電極２０の電位と比較して電位の低いＱＭＳの計測部へ導入されたことによるものと推測される。
図２、図３の結果のように電極２０に正の電圧を印加した場合にはＱＭＳに正イオンが導入されるため正イオンの計測が改善されるが、電極２０に負の電圧を印加すれば負イオンのＱＭＳへの導入が促進されるため負イオンの計測が改善される。
【００１７】
ここで電極２０への電圧印加によるプラズマへの影響について調べると、例えば図４はプラズマによる発光スペクトルであるが、ＨαとＨβという主に２つの特徴的な発光信号が観測される。この２つの信号の電極２０の電位依存性を調べた結果が図５であるが、この２つの信号強度は電極２０への電位変化の影響をほとんど受けていないことがわかる。したがって図３の結果に示す、計測される正イオンの信号強度が電極２０の電位によって増大したという結果は、プラズマそのものが変化したのではなく、プラズマによって生成したイオンがその周辺の電場によって効率良くＱＭＳの計測部へ導入されたことによるものと推測される。プラズマは一度生成するとプラズマ電極周辺に生じている自己バイアスによって電場が多少変化してもその変化を打ち消すことがわかっている。したがって電極２０への電位を変化させた場合でも、一度プラズマが発生した後であればそのプラズマへの直接的な影響は極めて小さいものと考えられる。この意味で電極２０への電圧印加のタイミングは重要であり、その印加、制御はプラズマを一度完全に発生させた後に行う必要がある。プラズマを発生させる前に電極２０への電圧印加を行うと、プラズマ電極周囲の電場の初期状態が変わることから、生成するプラズマが変化したり、時にはプラズマの生成が困難になる場合もある。
【００１８】
図６は電極２０付近の電位を測定した結果であるが、これより正電圧を印加した際に付近の電位は負になっていることがわかる。これは電極２０に正電圧を与えたことによりプラズマ中の負電荷を持った成分が電極２０へ流入したことによるものと考えられる。実際プラズマから電極２０に流れる電流を測定すると図７が得られるが、正電位が高くなるほど電流が大きくなる、すなわち負電荷を持った成分が電極２０に流入していることがわかる。このことは逆にこの場合正電荷を持った成分は電極２０より遠ざけられていることを示唆しており、この結果正電荷を持った成分である正イオンは電極２０の電位に比較して電位の低いＱＭＳに誘導されたことにより正イオン計測の効率が改善されたものと考えられる。
【００１９】
以上のようにして求められるイオン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。電極２０への電位を一定に保持しておけばプラズマ中のイオンのリアルタイム観測が可能である。
このリアルタイム性を利用すると、プラズマのその場での条件制御も可能となる。プラズマ中のイオン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。本発明の測定方法によってプラズマ中のイオン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イオン量が変化しても、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、イオンの量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、イオンの量を所望の値に保つことができる。
【００２０】
プラズマの異常放電が発生する場合には、プラズマ中のイオン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。
プラズマ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、迅速な計測とこれによる迅速な制御が可能である。
【００２１】
迅速な測定が可能なイオン計測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、イオンは、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、物性とイオンとの相関を求めておけば、実際のプロセス中に本方法でイオン計測を行うことにより、製造物の特性をも一定に保つことができる。
【００２２】
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イオン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。
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イオン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。
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。
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イオンに対してもその量を測定できる。
【００２３】
以上、本発明に係るプラズマ中に存在するイオン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】
【００２４】
本発明に係るプラズマ中に存在するイオン計測方法及び装置は、以上のような構成であるから、特に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】
【００２５】
２  隔膜圧力計
３  プラズマ装置の反応装置
５  プラズマ電極
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
１９  質量分析器
２０  電極
２１  直流電源
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年11月2日(2010.11.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
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