(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板金属ディスクをプラズマ中に設置し、第１のガスプラズマ中で前記ディスク材料と異なる導電性の薄膜を該金属ディスク上に作成して、金属板プローブを作成し、次に、計測する第２のガスプラズマ中に該金属板プローブを設置し、所定の電圧を印加して所定時間プラズマに曝すことにより、印加電圧に対応して該金属板プローブの外周の内側に明るいリングを形成し、該金属板プローブの外周端ｒp から明るいリングの外縁ｒimp までの距離（ｒp −ｒimp ）を計測し、演算式によりシース幅ＤCLを検出することを特徴とするプラズマと境界の間のシース幅検出方法。
【請求項２】
前記シース幅の演算式はＤCL≒１０（ｒp −ｒimp ）であることを特徴とする請求項１記載のプラズマと境界の間のシース幅検出方法。
【請求項３】
前記平板金属ディスクは金、白金、銅、ステンレス、アルミ等で形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプラズマと境界の間のシース幅検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ中に基板等を設置した時のプラズマと基板との境界に生じるシース幅の検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、低圧グロー放電（直流、交流、高周波、マイクロウエーブ放電）は電子ディバイスの製作、薄膜製作に用いられているが、一般的にこれらの基板はプラズマ中に設置されて製作される。この時プラズマパラメータ（プラズマ電圧、プラズマ密度、電子温度等）はラングミュアープローブ（探針）で計測される。また、基板上のプロセスに重要な励起種、正イオン、負イオン等は質量分析装置で計測され、これらの計測値によりプラズマを制御して最適条件を求めている。
【０００３】
無限の平面の基板又は壁においては、図６（Ａ）に示すように、プラズマ中では電荷が中性であるため、電子と正イオン数が同数（負イオンを含む場合は、電子密度ｎe ＋負イオン密度＝正イオン密度ｎi ）になる。ところが、基板又は壁近傍では電子が軽いため、壁に早く到達し壁が負の電位となる。また、この電子が早く壁に到達することにより壁の近くに電子の非常に少ない領域が生じ、プラズマと基板（又は容器壁）の間にシースが形成される。シースの形状は印加電圧、プラズマパラメータ、基板の形状に依存する。
【０００４】
また、有限の平板ディスク状の基板においては、図６（Ｂ）に示すように、該基板をプラズマ中に設置して該有限の平板ディスク状の基板に対して負電位を印加すると、無限の平面の基板の時と同様に印加電圧とプラズマパラメータに対応する大きさのシースが形成される。
【０００５】
プラズマ中に基板を設置して電子ディバイスを製作する時には、イオンはこれらのプロセスで最も重要な動きをし、シースは正イオンにとって加速領域となるため、シースの存在はプロセスでは重要な問題であり、シース幅の正確な測定が求められてきた。従来、シース幅の測定には電子ビームの反射を利用する方法、レーザ誘起法、プローブ法、エミッシブプローブ法、イオン音波タイムフライト法などの多数の方法が知られているが、これらは直接法で且つ接触的である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の電子ビーム法およびプローブ法はプローブを基板から電気的に絶縁することが必要であり、そのための絶縁物の存在が、プラズマ中に基板等を設置した時のプラズマと基板との境界に生じるシースの電位分布を変え、そのことが基板へのイオン流束も変える要因となる。また、これはシースの検出に大きな誤差を生じる。このように、これまで適当な測定方法がないために、実測されず理論的な推定がなされてきた。このため、上述の従来の方法の空間分解能は悪く、小さい寸法（２〜３０ｍｍより小）の基板には適応不可能である等の不都合があった。そこで本発明は、実測によりプラズマ中に基板等を設置した時に生じる、プラズマと境界の間のシース幅の高精度で簡便な検出方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の請求項１に係るプラズマと境界の間のシース幅検出方法は、平板金属ディスクをプラズマ中に設置し、第１のガスプラズマ中で前記ディスク材料と異なる導電性の薄膜を該金属ディスク上に作成して、金属板プローブを作成し、次に、計測する第２のガスプラズマ中に該金属板プローブを設置し、所定の電圧を印加して所定時間プラズマに曝すことにより、印加電圧に対応して該金属板プローブの外周の内側に明るいリングを形成し、該金属板プローブの外周端ｒp から明るいリングの外縁ｒimp までの距離（ｒp −ｒimp ）を計測し、演算式によりシース幅ＤCLを検出するような構成とした。
【０００８】
この発明の請求項２に係るプラズマと境界の間のシース幅検出方法は、平板金属ディスクをプラズマ中に設置し、第１のガスプラズマ中で前記ディスク材料と異なる導電性の薄膜を該金属ディスク上に作成して、金属板プローブを作成し、次に、計測する第２のガスプラズマ中に該金属板プローブを設置し、所定の電圧を印加して所定時間プラズマに曝すことにより、印加電圧に対応して該金属板プローブの外周の内側に明るいリングを形成し、該金属板プローブの外周端ｒp から明るいリングの外縁ｒimp までの距離（ｒp −ｒimp ）を計測し、演算式ＤCL≒１０（ｒp −ｒimp ）によりシース幅ＤCLを検出するような構成とした。
【０００９】
この発明の請求項３に係るプラズマと境界の間のシース幅検出方法は、金、白金、銅、ステンレス、アルミ等で形成されている平板金属ディスクをプラズマ中に設置し、第１のガスプラズマ中で前記ディスク材料と異なる導電性の薄膜を該金属ディスク上に作成して、金属板プローブを作成し、次に、計測する第２のガスプラズマ中に該金属板プローブを設置し、所定の電圧を印加して所定時間プラズマに曝すことにより、印加電圧に対応して該金属板プローブの外周の内側に明るいリングを形成し、該金属板プローブの外周端ｒp から明るいリングの外縁ｒimp までの距離（ｒp −ｒimp ）を計測し、演算式ＤCL≒１０（ｒp −ｒimp ）によりシース幅ＤCLを検出するような構成とした。
【００１０】
これにより、予めプラズマ中で金、白金、銅、ステンレス、アルミ等で形成されている金属ディスク上に作成された、前記金属材料異なる導電性の薄膜が形成された金属板プローブを、計測する反応ガスのプラズマに曝すことにより、印加電圧に対応して該金属板プローブの外周の内側に形成される明るいリングの外縁と該金属板プローブの外周端までの距離を計測することにより、実測によりプラズマ中に基板等を設置した時に生じる、プラズマと境界の間のシース幅を演算して得ることができ、空間分解能を良好にし、小さい寸法（２〜３０ｍｍより小）の基板等にも適応可能とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１乃至図５に基づいて以下に詳述する。まず、図１（Ａ）（Ｂ）のプラズマ装置によるシース形成図により本発明の原理を説明する。
【００１２】
図１（Ａ）において、一次元で無限の金属板が、電子密度ｎe ＝正イオン密度ｎi 、電子温度Ｔe のプラズマ中に設置され、−Ｖ0 の電圧が印加された時、シース幅ＤCLは理論的に
【数１】
0003887237.tif 000002
と与えられる。
【００１３】
上記式中、ε0 は真空中の誘電率、ｅは電荷、ｍi はイオンの質量、ｋはボルツマン定数である。従って、正イオン密度ｎi 、電子温度Ｔe をラングミュアプローブ等で検出すれば、印加電圧Ｖ0 は既知であるから、シース幅ＤCLが推測できる（但し、測定はできない）。
【００１４】
また、半径ｒp の有限のディスク金属板をプラズマ中に設置し、表面だけがプラズマに曝されているとすると、印加電圧Ｖ0 に依存して図１（Ｂ）に示すようなシースが形成される。
【００１５】
この時、ディスク金属板上へのイオンの入射を考慮するため、シース内の等電位面と電気力線を求める必要がある。今、ディスクの中心をＯとして半径方向の距離をｒ、ディスク板より高さ方向への距離をｚとすると、ｚ、ｒ点の電圧は夫々次式で与えられる。
【数２】
0003887237.tif 000003
【００１６】
一例として、半径ｒP ＝５ｍｍ、電子温度Ｔe ＝１ｅＶ、正イオン密度ｎi ＝５×１０14ｍ-3、印加電圧Ｖ0 ＝−３００Ｖの時の等電位面と電気力線の計算例を図２に示す。図よりディスク板の端（１）におかれたイオン（初速度＝０）の軌路を運動量保存とエネルギー保存式を用いて計算することができる。
【００１７】
その結果は図中の実線（１）の軌跡となる。この時のイオンのディスクの半径上の到達点をｒimp とする。（１）から（２）の間のイオンは図示されたように、ディスク位置のｒ方向の狭い範囲（ｒimp とｒ2 の間）に集中する。一方、ｒp−ｒimp 間はイオンの到達しない領域となる。また、ｒ2 ＞ｒ≧ｏでは比較的イオンは平均に到達する。
【００１８】
従って、予めディスク板面に薄い薄膜をディポジットさせておき、これを所定の基板等が設置されたプラズマの近傍に配置する。この時、適当な時間（数分間）所定のプラズマに曝すと、ｒp −ｒimp 間は元のまままで、ｒimp −ｒ2 間の膜はイオン衝突によってエッチングされる。この時、ｒ2 ＞ｒ＞ｏ間はイオン衝突は受けるが、ｒimp −ｒ2 間に比べて小さくなる。
【００１９】
この結果、図３に示すように、ディスク板面の外周から中心に向かって、ｒp −ｒimp 間の元の薄膜領域、ｒimp −ｒ2 間の明るいリング領域、ｒ2 ＞ｒ＞ｏ間の幾分かエッチングされた領域が形成される。
【００２０】
次に、ディスク板面の外周から明るいリングまでのｒp −ｒimp の距離を測定し、シース幅Ｄexp を求める手法について説明する。印加電圧Ｖ0 は外部から設定するので既知な値である。一方、イオン密度ｎi 、電子温度Ｔe はラングミュアプローブ等で計測できるが、ここではラングミュアプローブ等は設置されていないものとする。
【００２１】
従って、イオン密度ｎi 、電子温度Ｔe は未知であるので、このままでは（１）式を用いて、シース幅ＤCL（≒Ｄexp ）を求めることはできない。そこで、ｎi 、Ｔe を適当に与えて図２に示すような計算図を得る。図２の計算図より、ディスク板の外周端ｒp でのイオンの軌跡を求めｒimp を求める。この過程を繰り返して測定されたｒimp と計算されたｒimp が一致するようにイオン密度ｎi 、電子温度Ｔe を決定する。
【００２２】
これにより、シース幅ＤCL（≒Ｄexp ）が求められる。実際のプラズマで求められるＤexp とｒp −ｒimp の関係を図４に示す。この図を参照することより、Ｄexp ≒１０（ｒp −ｒimp ）となることが解かる。即ち、シース幅ＤCLは
【数３】
0003887237.tif 000004
で求めることができる。
【００２３】
本発明の原理を用いた実施形態は、主たるプラズマ装置の構成は一般的に使用されているプラズマ装置を用い、それに一部改良を加えることにより達成される。その例を図５の本発明のプラズマ装置の概略図によって説明する。図において、１はプラズマ装置の容器を構成するステンレスでなる壁、２はタングステン線でなる陰極、３は直流電源（直流１００Ｖ，１０Ａ）、４は放電用可変電源（直流２００Ｖ，２００ｍＡ）であり、これらでプラズマ発生部５を構成し容器の一側面に配置する。
【００２４】
また、６はラングミュアプローブの探針、７はプローブ電圧印加用可変電源、８は電流検出用抵抗であり、ラングミュアプローブ部９を構成し、容器の他の側面に配置される。１０は平板プローブのための金属でなるディスク板（金属ディスク）、１１はプローブ電圧印加用可変電源（直流４００Ｖ，５０ｍＡ）であり、これらでシース幅検出用平板プローブ部１２を構成し容器の底面に配置する。印加電圧Ｖは演算用パソコン（図示なし）に送出される。更に、図示されていないが、反応ガスの供給・排出を行なうためのバルブその他の手段を当然備えている。
【００２５】
このように構成されたプラズマ装置において、１〜１０ｍＴorr 程度の圧力のＡｒガスのもとで、ステンレス容器１を陽極とし、タングステン線でなる陰極２に対して電圧を印加（電圧１５０Ｖ、電流１００〜２００ｍＡ程度）して加熱、放電させる。
【００２６】
ステンレス容器１の外壁には永久磁石の列（図示なし）をＮＳ各列ごとに交互に設置されているので、ステンレス容器１の外壁に近いほど磁場が強くなる効果によって、プラズマが低圧（１ｍＴorr 以下）でも維持される。また、ステンレス容器内でプラズマが一様に維持される。この時、プラズマのパラメータ（電位、密度、電子温度等）はラングミュアプローブ部９のラングミュアプローブの探針６で計測し、得られた電圧ｖ及び電流Ｉを演算用パソコン（図示なし）に送出する。
【００２７】
計測に供する平板プローブのディスク型金板（金属板プローブ）１０を作成するために、金、白金、銅、ステンレス、アルミ等の金属ディスクをプラズマ中に設置する。この時、ディスクの表面に予め薄膜を作成するために、Ｏ2 ガスを用いてプラズマを生成して、タングステン等の導電性の薄膜を平板プローブ用のディスク型金板（金属ディスク）１０上に作成する。
【００２８】
次に、測定しようとするＡr プラズマを作成して、その中にこの金板（金属板プローブ）１０を設置し、所定の電圧を印加して所定時間プラズマに曝すことにより、印加電圧に対応して、図３に示すように、金板（金属板プローブ）の外周の内側に明るいリングを観測することができる。金板（金属板プローブ）の外周端から明るいリングの外縁までの距離（ｒp −ｒimp ）を計測し、上記（４）式に挿入することにより、シース幅ＤCLを計測することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明のプラズマと境界の間のシース幅検出方法は、正イオンの衝撃によるプラズマ表面処理技術において、最重要パラメータであるターゲット表面のシース幅を、受動面の寸法より簡単なモデルから検出することにより、ターゲット表面の一様性を改良するためのプラズマパラメータおよびターゲットのバイアスを簡単に最適化することを可能にする。また、本発明はプラズマとターゲット間の相互作用を直接制御する方法であり、多くのプラズマによる表面処理分野に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ装置によるシース形成状態図。
【図２】等電位面と電気力線の計算図。
【図３】ディスク板面の薄膜領域図。
【図４】シース幅とディスク板面上の距離との相関関係図。
【図５】本発明のプラズマ装置の概略図。
【図６】通常のプラズマ装置によるシース形成状態図。
【符号の説明】
１              ステンレス壁
２              陰極
３              直流電源
４              放電用可変電源
５              プラズマ発生部
６              ラングミュアプローブの探針
７              プローブ電圧印加用可変電源
８              電流検出用抵抗
９              ラングミュアプローブ部
１０            平板プローブのディスク板
１１            プローブ電圧印加用可変電源
１２            シース幅検出用平板プローブ部
【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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