(57)【要約】【課題】  プラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位計測の双方を行える割には安価に済むプラズマ電位計測方法及びそれを利用した装置を提供する【課題を解決するための手段】  真空チャンバ１内の測定対象プラズマ２のプラズマ電位計測方法であって、該真空チャンバ１内に質量分析器３を配置し、前記プラズマ２と前記質量分析器３との間にバイアス電圧を印加して質量分析を実施し、イオンが検出された条件において、前記質量分析器３内のサプレッサー電圧を変化させていき、イオン電流が検出されなくなるサプレッサー電圧と前記バイアス電圧との関係からプラズマ電位を算出するプラズマ電位計測方法及び装置を提供する。【選択図】図１
2012160281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内の測定対象プラズマのプラズマ電位計測方法であって、
該真空チャンバ内にイオンの質量分析を行える質量分析器を配置し、前記測定対象プラズマと前記質量分析器との間にバイアス電圧を印加して質量分析を実施し、該該質量分析実施にあたって、
イオンが検出された分析条件に固定して、前記質量分析器内のサプレッサー電圧を変化させていき、イオン電流が検出されなくなるサプレッサー電圧と前記バイアス電圧の関係からプラズマ電位を算出することを特徴とするプラズマ電位計測方法。
【請求項２】
前記質量分析器はＥ×Ｂ型質量分析器を使用する請求項１に記載のプラズマ電位計測方法
【請求項３】
前記質量分析器は偏向磁場型質量分析器を使用する請求項１に記載のプラズマ電位計測方法
【請求項４】
真空チャンバ内にプラズマを発生させて所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、
該プラズマプラズマに対して配置される、該プラズマ中のイオンの質量分析を行える質量分析器と、
前記質量分析器中に配設されたサプレッサーに電圧を印加するサプレッサー電源を含み、
前記プラズマの電位を計測するにあたり、前記質量分析器とプラズマとの間にバイアス電圧を印加して該質量分析器に該電圧とプラズマ中のイオンの質量分析を実施し、
該質量分析実施にあたって、イオンが検出された分析条件に固定し、前記サプレッサーに印加する電圧を順次大きくしていき、イオン電流が検出されなくなるサプレッサー電圧と前記バイアス電圧との関係からプラズマ電位を算出することのできることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記質量分析器はＥ×Ｂ型質量分析器である請求項４に記載のプラズマ電位測定装置。
【請求項６】
前記質量分析器は偏向磁場型質量分析器である請求項４に記載のプラズマ電位測定装置
【請求項７】
前記プラズマ処理装置が成膜、イオン注入、表面処理のいずれか１つあるいは２つ以上組み合わされたプラズマ処理を行うプラズマ装置である請求項４乃至６に記載のプラズマ処理装置。
【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施すにあたり、所望の目的とする処理を施すために、プラズマの状態を示すパラメータの一つであるプラズマ電位を計測する方法及び装置、さらにプラズマ処理装置に関する。
【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、プラズマ中のイオン種やラジカル種、プラズマ電位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。例えばイオン種計測には、一般的には、質量分析器を用いた質量分析が実施される。
【０００３】
図１は、真空チャンバ１内に設置した被処理物品Ｓにプラズマ２のもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置ＰＡにおいてプラズマに所謂Ｅ×Ｂ型質量分析器を用いて質量分析を実施している例を示している。図１に示すように、真空チャンバ１内にプラズマ２が形成される場合、このプラズマに接するようにＥ×Ｂ型質量分析器３が設置されている。
【０００４】
Ｅ×Ｂ型質量分析器３にはバイアス電源１０によって通常は負電圧を印加し、プラズマ２から正イオン５を入口スリット４を通して分析器３内に引き込む。Ｅ×Ｂ型質量分析器３の内部には図示省略の磁界発生手段により磁界１６が形成されており、引き込まれたイオン５は磁界の影響で図１において下向き方向１７へ力を受ける。
【０００５】
一方、互いに平行な、対向する偏向板６及び偏向板７が磁界１６の磁力線方向に平坦面を揃えて配置されている。偏向板６に偏向電源８から正電位が印加されるとともに偏向板７に偏向電源９から負電位が印加され、これにより、磁界の磁力線方向を横切る方向に（図１において上向き方向１８に）電界が形成される。イオン５はこの電界により上向き方向１８にも力を受ける。
【０００６】
このようにしてイオン５には下向き方向１７の力と上向き方向１８の力とが加わり、これら二つのちからが釣り合っているときのみイオン５は直進し、ＦＣスリット１１を通過してファラデーカップ１３に入り、電流計１５により検出される。
【０００７】
この時、ファラデーカップ１３から２次電子が放出され、正確なイオン電流が計測されない場合があるので、その影響を抑制するために、ＦＣスリット１１とファラデーカップ１３との間にサプレッサー１２を設置し、これにサプレッサー電源１４から負電圧を印加し、放出される２次電子を再度ファラデーカップ１３へ押し返すようにしている。
【０００８】
図３は、真空チャンバ１内に設置した被処理物品Ｓにプラズマ２のもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置ＰＢにおいてプラズマに偏向磁場型質量分析器１９を用いて質量分析を実施している例を示している。図３に示すように、真空チャンバ１内にプラズマ２が形成される場合、このプラズマに接するように偏向磁場型質量分析器１９が設置される。
【０００９】
偏向磁場型質量分析器１９にはバイアス電源２２から通常は負電圧を印加し、プラズマ２から正イオン２１を入口スリット２０を通して分析器１９内へ引き込む。偏向磁場型質量分析器１９の内部には磁界２８が形成されており、引き込まれたイオン２１はこの磁界の影響で方向２９へ力を受け、円軌道を描いて飛行する。
【００１０】
イオン２１の軌道半径ｒは磁界２８の強さによって決まるので、一定の軌道半径上にＦＣスリット２３、ファラデーカップ２５を設置しておき、最終的に電流計２７によってイオンを検出する。
【００１１】
この時、Ｅ×Ｂ型質量分析器３の場合と同様に、ファラデーカップ２５から２次電子が放出され、正確なイオン電流が計測されない場合があるので、その影響を抑制するために、ＦＣスリット２３とファラデーカップ２５の間にサプレッサー２４を設置し、これにサプレッサー電源２６から負電圧を印加し、放出される２次電子を再度ファラデーカップ２５へ押し返すようにしてある。
【００１２】
以上説明したＥ×Ｂ型質量分析器は例えば特開平４−２１２３００号公報に記載されており、偏向磁場型質量分析器は、例えば特開２０００−４６６８０号公報に記載されている。
【００１３】
プラズマ電位の計測には一般的にはプローブ法が用いられる。それ自体既によく知られているのでここでは図示を省略するが、プローブ法には、シングルプローブ法、浮遊電位系にも対応できるダブルプローブ法、さらに瞬時計測が可能なトリプルプローブ法などがある。これら三つの方法の中でプラズマ電位を計測できるのはシングルプローブ法である。
【００１４】
これらプローブ法については、例えば、平成３年８月５日株式会社アイピーシー発行、河合良信編著の「最新プラズマ発生技術」に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平４−２１２３００号公報
【特許文献２】特開２０００−４６６８０号公報
【００１６】
【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」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上の説明から分かるように、イオン種計測とプラズマ電位計測の両方を実施するには、質量分析器とプローブ計測器の両方が必要である。しかし、それら両方をチャンバ内に設置するとすれば、チャンバ内にそのための設置スペースが必要となり、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たり、プラズマ処理装置のコストアップを招く。
【００１８】
そこで本発明は、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位計測の双方を行える割には安価に済むプラズマ電位計測方法を提供することを第1の課題とする。
【００１９】
また本発明は、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位計測の双方を行える割には簡素化された安価なプラズマ電位計測装置を提供することを第２の課題とする。
【００２０】
さらに、本発明では真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマのもとで被処理物品に目的とする処理を施すプラズマ処理装置であって、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位計測の双方を行える割には、大型化することなく、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。
【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、
プラズマ電位測定対象プラズマに対して該プラズマ中のイオンの質量分析を行える質量分析器を配置し、
該質量分析器と該プラズマ電位測定対象プラズマとの間にバイアス電圧Vbを印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたっては、イオンが検出された分析条件（質量分析を実施してスペクトルにおいてピークが観測された条件、すなわちその時の電界強度、磁界の磁束密度及びイオンの軌道半径である。）に固定し、前記質量分析器内に配置されたサプレッサーに印加する電圧を順次大きくしていき、イオンが計測されなくなる電圧Vsと前記バイアス電圧Vbとの関係から前記電位測定対象プラズマ電位を計測するプラズマ電位計測方法を提供する。
【００２２】
本発明は第２の課題を解決するため、
電位測定対象プラズマに対して配置されるべき、該プラズマ中のイオンの質量分析を行える質量分析器と、
該質量分析器と該プラズマとの間に電圧を印加するためのバイアス電源と、前記質量分析器中に配設されたサプレッサーに電圧を印加するサプレッサー電源を含み、
前記プラズマの電位を計測するにあたり、前記電圧印加部に、前記質量分析器と前記プラズマとの間にバイアス電圧Vbを印加して該質量分析器に該プラズマ中のイオンの質量分析を実施し、該質量分析実施にあたっては、イオンが検出された分析条件に固定し、前記質量分析器中に配置されたサプレッサーに印加する電圧を順次大きくしていき、イオンが計測されなくなる電圧Vsと前記バイアス電圧Vbとの関係から前記電位測定対象プラズマ電位を計測し、併せてイオン種を同定することができるプラズマ電位計測装置を提供する。
【００２３】
本発明に係るプラズマ電位計測方法及び装置によると、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せてプラズマ電位を計測できるので、質量分析とプラズマ電位計測の双方を行える割には安価に質量分析とプラズマ電位計測を行える。
【００２４】
本発明に係るプラズマ電位計測方法及び装置における質量分析器としては代表例として図１に例示するタイプのE×B型質量分析器や図４に例示するタイプの偏向磁場型質量分析器を挙げることができる。
【００２５】
E×B型質量分析器を採用する場合には、質量分析器でイオンが検出された電界強度Eと磁界の磁束密度Bの比E／Bとの関係から、また、偏向磁場型質量分析器を採用する場合には、質量分析器でイオンが検出された磁界の磁束密度B
とイオンの軌道半径ｒの積ｒBの関係から、プラズマ電位を算出する。
【００２６】
本発明は前記第３課題を解決するため、
真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマのもとで被処理品に目的とする処理を施すことができるプラズマ処理装置であり、本発明に係るプラズマ電位計測装置を含んでいるプラズマ処理装置を提供する。
【００２７】
本発明に係るプラズマ処理装置は本発明に係るプラズマ電位計測装置を含んでいるので、プラズマ状態を示すパラメータであるプラズマ電位をプローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位計測の双方を行える割には、大型化することなく、安価に提供できる。
【００２８】
本発明に係るプラズマ処理装置として、例えば膜形成、イオン注入、エッチング及び物品表面清浄化処理等の表面処理のうち選ばれた１又は２以上の処理を行えるプラズマ処理装置を例示できる。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように本発明によると、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位計測の双方を行える割には安価に済むプラズマ電位計測方法を提供することができる。
【００３０】
また本発明によると、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位計測の双方を行える割には簡素化された安価なプラズマ電位計測装置を提供することができる。
【００３１】
さらに本発明によると、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマのもとで被処理物品に目的とする処理を施すことができるプラズマ処理装置であって、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位計測の双方を行える割には、大型化することなく、安価に済むプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術及び本発明に係るプラズマ電位計測装置の１例を備えたプラズマ処理装置例を示す図である。
【図２】図１に示すＢ×Ｅ型質量分析器による質量分析例における検出イオン電流と偏向電界（偏向電界強度）との関係を示す図である。
【図３】従来技術及び本発明に係るプラズマ電位計測装置の他の例を備えたプラズマ処理装置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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は従来技術と同じ構成の本発明に係るプラズマ電位計測装置例を備えたプラズマ処理装置の１例を示している。
図１に示すプラズマ処理装置ＰＡはプラズマ電位計測装置Ａを備えている。プラズマ電位計測装置ＡはＥ×Ｂ型質量分析器３を含んでいる。
【００３４】
本例では、プラズマ処理装置PAはバイアス電源１０からバイアス電圧Vbが印加される被処理物品Ｓにプラズマのもとで目的とする処理（例えばアルゴンイオン等のイオン照射による清浄化処理）を施す装置である。
プラズマ２は、例えば、チャンバ１内を図示省略の排気装置で排気減圧してガスプラズマ生成圧に維持しつつ、チャンバ１内に図示省略のガス供給装置からガス（例えばアルゴンガス）を供給し、図示省略の熱陰極型アーク放電によって生成することができる。
【００３５】
本発明の各構成の働きは前記背景技術で説明したとおりである。
【００３６】
本発明においては、Ｅ×Ｂ型質量分析器３とプラズマ２との間に電圧(通常は負電圧)を印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたっては、イオンが検出された分析条件に固定し、前記質量分析器内に配置されたサプレッサー１２に印加する電圧を順番大きくしていき、イオンが計測されなくなる電圧Vsと前記Vbとの関係から前記電位測定対象プラズマ電位を計測し、併せてイオン種を同定することができる。
【００３７】
さらに、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明に係る図1において、バイアス電圧をVb、プラズマ電位をVpとすると、（１）式が成り立つ。
【００３８】
【数１】
2012160281.tif 000003
【００３９】
ただし、m、v、Zはそれぞれイオンの質量、速度、価数、eは電気素量である。また（１）式において、イオンの熱エネルギーは室温状態において0.03eV程度と非常に小さいので無視している。なお、この場合、バイアス電圧は負電圧、プラズマ電位は正電位であるが、ともに絶対値で記載している。
【００４０】
Ｅ×Ｂ型質量分析器において、イオンの検出条件は磁界Bと電界Eから受ける力が釣り合う場合であるから、（２）式のようになる。
【００４１】
【数２】
2012160281.tif 000004
【００４２】
（２）式を（１）式に代入して整理すると（３）式が得られる。
【００４３】
【数３】
2012160281.tif 000005
【００４４】
そして、質量分析において、イオンが検出された分析条件を固定し、サプレッサー１２に印加する電圧を順番に大きくしていく、そうするとある電圧を閾値として、イオン電流が計測されなくなる。その電圧をVsとすると、次の（４）式がなりたつ。
【００４５】
【数４】
2012160281.tif 000006
【００４６】
（１）式、（４）式より次の（５）式が成り立つ。
【００４７】
【数５】
2012160281.tif 000007
【００４８】
したがって、（５）式より、プラズマ電位測定対象のプラズマ電位を算出することができる。
また、（３）、（５）式より、（６）式が成り立ち、プラズマ中のイオン種の正確な同定を行うことができる。
【００４９】
【数６】
2012160281.tif 000008
【００５０】
チャンバ1内にアルゴンガスを流し、熱陰極型アーク放電によってプラズマを生成し、Ｅ×Ｂ型質量分析器で分析した場合の一例を図2に示す。この場合のバイアス電圧Vbは380V、磁界は0.102Tで固定し、イオンを検出したピーク偏向電界は4.42kV/mであった。これらの条件に固定し、サプレッサー12に印加する電圧を大きくしていくと、392V付近でイオン検出電流が観測されなくなった。よって（５）式より、プラズマ電位Vpは12Vと求めることができる。
【００５１】
また、ここでは磁界を固定して電界を変化させているが、逆に電界を固定して磁界を変化させてもよく、また両者を変化させてもよい。
【００５２】
図3はプラズマを偏向磁場型質量分析器を用いて質量分析を実施している例である。チャンバ1内にプラズマ2が形成され、本プラズマに接するように偏向磁場型質量分析器19が設置されている。偏向磁場型質量分析器19にはバイアス電源22によって通常は負電圧を印加し、プラズマから正イオンを引き込んでいる。偏向磁場型質量分析器19の内部には磁界28が形成されており、引き込まれたイオン21は29の方向に力を受け、円軌道を描く。磁界28の強さによってイオン21の軌道半径が決まるので、一定の軌道半径上にFCスリット23、サプレッサー24、ファラデーカップ25を設置しておけば、最終的に電流計27によって検出されるのである。この時、Ｅ×Ｂ型質量分析器の場合と同様に、ファラデーカップ25からは2次電子が放出され、正確なイオン電流が計測されない場合があるので、その影響をなくすために、FCスリット23とファラデーカップ25の間にサプレッサー24を設置し、これにサプレッサー電源26により負電圧を印加し、放出した2次電子を再度ファラデーカップ25に押し返している。
【００５３】
次に、質量分析器として偏向磁場型質量分析器を用いる場合について説明する。
図3において、バイアス電圧をVb、プラズマ電位をVpとすると、Ｅ×Ｂ型質量分析器の場合と同様に前記（１）式が成り立つ。ここでも、（１）式において、イオンの熱エネルギーは室温状態において0.03eV程度と非常に小さいので無視している。
【００５４】
偏向磁場型質量分析器において、イオンの検出条件は磁界Bから受ける力が遠心力と釣り合う場合であるから、（７）式のようになる。
【００５５】
【数７】
2012160281.tif 000009
上記（７）式を（１）式に代入して整理すると、次の（８）式が得られる。
【００５６】
【数８】
2012160281.tif 000010
【００５７】
そして、質量分析において、イオンが検出された条件に固定し、サプレッサー12に印加する電圧を順番に大きくしていく。するとある電圧を閾値として、イオン電流が計測されなくなる。その時の電圧をVsとすると、Ｅ×Ｂ型質量分析器の場合と同様に前記（４）式が成り立つ。
【００５８】
前記（１）式と前記（４）式より、前記（５）式が成り立つ。
したがって、測定対象プラズマのプラズマ電位を算出することができる。
【００５９】
また、前記（５）式、（８）式より、次の（９）式が成り立つ。
【００６０】
【数９】
2012160281.tif 000011
【００６１】
上記（９）式より、イオン種の正確な同定を行うこともできる。
なお、本例の場合、バイアス電圧は負電圧、プラズマ電位は正電位であるが、いずれも絶対値で記載している。
【００６２】
質量分析の実施方法については、イオンの軌道半径を固定して磁界を変化させるが、逆に磁界を固定してイオンの軌道半径を変化させてもよく、また両者を変化させてもよい。イオンの軌道半径を変化させる場合は、ファラデーカップ25、サプレッサー24及びFCスリット23を移動させることになる。
【００６３】
なお上記（４）式は、測定結果からイオンのエネルギーを算出していることになり、通常はエネルギー分析器などを用いて測定を行う。しかし本方法では質量分析器のサプレッサーに印加する電圧を変化させ、イオン電流が検出されなくなったときの電圧からイオンのエネルギーを求めており、エネルギー分析器などを必要としないでプラズマ電位の測定を可能とする。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
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、質量分析器を利用して、プラズマの質量分析を行えるとともに、プローブ計測器を用いないで、プラズマ電位を求めることに利用できる。
【符号の説明】
【００６５】
ＰＡ、ＰＢ  プラズマ処理装置
Ａ、Ｂ  プラズマ電位計測装置
１  真空チャンバ
２  プラズマ
３  Ｂ×Ｅ型質量分析器
４  質量分析器入口スリット
５  正イオン
６、７  偏向板
８、９  偏向電源
１０  バイアス電源
１１  イオン出口のＦＣスリット
１２  サプレッサー
１４  サプレッサー電源
１３  ファラデーカップ
１５  電流計（イオン電流計測器）
１６  磁界
１７  磁界がイオンに及ぼす力の方向（下向き方向）
１８  偏向板６、７間の電界がイオンに及ぼす力の方向（上向き方向）
１９  偏向磁場型質量分析器、
２０  質量分析器入口スリット
２１  正イオン
２２  バイアス電源
２３  イオン出口のＦＣスリット、
２４  サプレッサー
２５  ファラデーカップ
２６  サプレッサー電源
２７  電流計（イオン電流計測器）
２８  磁界
２９  磁界がイオンに及ぼす力の方向
ｒ  イオンの飛行円軌跡の半径
【図１】
2012160281.tif 000012
【図２】
2012160281.tif 000013
【図３】
2012160281.tif 000014