(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一面をプラズマ空間に晒す絶縁性プレートに、前記一面に開口する微小内径の細孔を形成し、且つ、前記細孔の底部に電極を設けて閉鎖すると共に、該電極の電位を測定する測定手段を具備することを特徴とするプラズマ空間電位の測定装置。
【請求項２】
前記一面に第２の電極を設けると共に、該第２の電極の電位を測定する第２の測定手段を備えることを特徴とする請求項１記載のプラズマ空間電位の測定装置。
【請求項３】
前記細孔のアスペクト比を２または２を超える値にすることを特徴とする請求項１記載のプラズマ空間電位の測定装置。
【請求項４】
前記細孔の内径を前記プラズマ空間のプラズマのデバイ長を上回らないようにすることを特徴とする請求項１記載のプラズマ空間電位の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ空間電位の測定装置に関する。
プラズマ（※）応用加工は、荷電粒子（電子または正イオン）のエネルギーを利用したナノミクロンオーダの超微細加工技術であり、たとえば、超ＬＳＩをはじめとする電子部品や光ディスク等の光学部品の製造分野に欠かせない技術である。スパッタ等の力学的なものから拡散等の熱的なもの及び気相成長等の反応的（化学的・電気化学的）なものなどに幅広く用いられている。※：プラズマとは、体系の中に正・負の荷電粒子が同数存在し、それらの粒子は不規則に飛び回っているが、全体としては電気的に中性となっている状態のことを言う。
【０００２】
プラズマ加工では“プラズマ空間電位”の均一性が求められる。不均一であると加工対象物（以下、試料と言う）の表面に電位分布が生じ、試料上の素子破壊を招くからである。あるいは、力学的な加工では荷電物質粒子のエネルギーを正確に把握しなければならず、同エネルギーは“プラズマ空間電位”と試料の表面電位との電位差で決まるからである。
【０００３】
【従来の技術】
プラズマ空間電位の測定法として、従来より、ラングミュアプローブ法に代表される探針を用いた評価法が知られている。この方法はプラズマ空間に晒した探針に直流電位を印加し、同空間から探針に流入する電流の特異変化点（電流−電圧特性曲線における電子電流飽和領域の変曲点）を見つけ出してプラズマ空間電位を求めるというものであり、探針を移動させることによってプラズマ空間電位の均一性も評価できるというものである。
【０００４】
図６は、ラングミュアプローブ法における電圧−電流特性曲線の一例である。横軸は探針に印加する直流電位、縦軸は探針に流れ込む電流の大きさである。直流電位を高めていくと、ある電位で急激に電流が流れ出す。このときの電位がプラズマ空間電位に相当し、図ではおよそ１０．５Ｖ付近である。浮遊電位は電流ゼロのときの電位（図では−１．５Ｖ）であり、この浮遊電位を基準とした場合のプラズマ空間電位は約１２Ｖになる。また、プラズマ空間の電子温度は電流−電圧特性曲線の傾きから約２．７ｅＶとなり、電子温度から計算した理論値は１３．５Ｖになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ラングミュアプローブ法にあっては、探針に流入する電流の特異変化点を見つけ出す必要があり、たとえば、図６に破線で示すように、電流−電圧特性曲線の一次微分値をプロットしてそのピーク位置（イ）を検出しなければならないから、複雑なデータ処理を要するという不都合がある。しかも、超ＬＳＩ製造用プラズマ発生装置のように高周波電力源を備えるものにあっては、電流−電圧特性曲線に重畳された高周波ノイズを除去するための処理も必要となるから、かかる不都合はますます顕在化するという問題点がある。
【０００６】
そこで、本発明は、複雑なデータ処理を要することなくプラズマ空間電位を測定することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、少なくとも一面をプラズマ空間に晒す絶縁性プレートに、前記一面に開口する微小内径の細孔を形成し、且つ、前記細孔の底部に電極を設けて閉鎖すると共に、該電極の電位を測定する測定手段を具備することを特徴とするものである。
【０００８】
または、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記一面に第２の電極を設けると共に、該第２の電極の電位を測定する第２の測定手段を備えることを特徴とし、請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記細孔のアスペクト比を２または２を超える値にすることを特徴とし、請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記細孔の内径を前記プラズマ空間のプラズマのデバイ長を上回らないようにすることを特徴とするものである。
【０００９】
プラズマ中の正イオンは、絶縁性プレートの一面とプラズマ空間との間に形成されるイオンシースによって加速されるため、そのほとんどが細孔の底部に達して電極を正にチャージアップするが、電子は逆に減速されるため、電極には少量しか達せず、主に開口付近を負にチャージアップして電位障壁を形成する。
電極の電位は、障壁を超えて電極に達する電子と、障壁には影響されないが、プラズマ空間電位と電極電位の差に影響されながら電極に達する正イオンとのバランスで決まり、また、電位障壁の高さは、プラズマ空間からの電子と電極の電位とのバランスで決まるから、結局、電極の電位はある時点で安定する。ここで、絶縁性プレートに形成された細孔のアスペクト比が充分であれば、電極の安定電位は、正イオンが細孔の底部に達することができないような電位、すなわち、プラズマ空間電位にほぼ等しくなる。したがって、電極の安定電位からプラズマ空間電位を知ることができ、複雑なデータ処理を要することなく容易にプラズマ空間の電位を測定することができる
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は本発明に係るプラズマ空間電位の測定装置の一実施例を示す図である。
図１において、１はプラズマ発生装置であり、このプラズマ発生装置１は、特に限定しないが、周囲に高周波コイル２を巻回した石英のベルジャー３の内部にプラズマ発生室４を画成し、そのプラズマ発生室４の直下に試料５を載置した基板電極６を有する誘導結合型（ＩＣＰ）のプラズマエッチング装置である。なお、７は３．４ＭＨｚの高周波電力発生源であり、また、ベルジャー３は高さ２００ｍｍ、口径５００ｍｍ、厚さ５ｍｍであり、高周波コイル２は厚さ０．２ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ１０ｍ、巻回数５である。
【００１１】
図２は試料５の一例構造図であり、５ａはシリコン基板、５ｂはパターン、５ｃはアルミナホルダー、５ｄは基板電極、５ｅは高電圧プローブである。なお、パターン５ｂは、たとえば、シリコン基板５ａに厚さ約０．５μｍの酸化膜を形成し、この酸化膜をパターニングしてライン幅、スペース幅ともに１．０μｍ、０．５μｍ、０．３μｍのラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）パターンを１ｍｍ2 の範囲内に納めたものである。
【００１２】
図３は、上記試料５の代わりにプラズマ発生装置１の内部に取り付けられるプラズマ空間電位測定治具１０の一例構造図であり、１１は多数の細孔１１ａを形成したキャピラリプレート（絶縁性プレート）、１２は銅板（電極）、１３は微小電極（第２の電極）、１４はアルミナホルダー、１５はアルミナ膜、１６は基板電極、１７は第１高電圧プローブ（測定手段）、１８は第２高電圧プローブ（第２の測定手段）である。
【００１３】
キャピラリプレート１１は、円盤状の絶縁材料（たとえばガラス板）からなり、図４に示すように、その中央部付近に多数の細孔１１ａを密集して形成したもので、ここでは、厚さ０．５ｍｍ、直径２５ｍｍのキャピラリプレート１１の中央部１０ｍｍの範囲に内径２５μｍの細孔１１ａを開口率３０％で形成した。
キャピラリプレート１１の一面（図３では上面）は、プラズマ発生室４（図１参照）に開放し、他面（図３では下面）は、その全面が銅板１２によって覆われ、且つ、テフロンパッキン等によって封止されている。
【００１４】
銅板１２と基板電極１６の間はアルミナ膜１５で絶縁されており、銅板１２の電位は第１高電圧プローブ１７によって測定され、また、キャピラリプレート１１の一面に取り付けられた微小電極１３の電位（浮遊電位）は第２高電圧プローブ１８によって測定されるようになっている。
このような構成において、プラズマ発生装置１にプラズマ空間電位測定治具１０をセットして銅板１２の電位を測定すると、図５の破線のような結果を得た。測定条件は、流量５０ｓｃｃｍ、圧力１０ｍＴｏｒｒのＡｒガス、高周波出力１．５ｋＷであった。同一条件におけるラングミュアプローブ法の結果を図５に併記した。図５において、縦軸はプラズマ空間電位、横軸は細孔１１ａのアスペクト比（穴の深さを内径で割った値）である。この図によれば、アスペクト比２０程度のときにラングミュアプローブ法の結果と一致しているが、少なくともアスペクト比２以上であればラングミュアプローブ法の結果に近づくことが認められる。
【００１５】
このような結果が得られる理由は、以下のとおりである。
（１）プラズマ空間とキャピラリプレート１１の一面との間にはイオンシースが形成される。
（２）プラズマ空間からの正イオンはイオンシースによって加速される。
（３）プラズマ空間からの電子はイオンシースによって逆に減速される。
（４）加速された正イオンは細孔１１ａに勢いよく飛び込み、そのほとんどが銅板１２に達する。
（５）減速された電子のほとんどは細孔１１ａの開口付近に捕捉される。
（６）（５）により、細孔１１ａの開口付近が負にチャージアップされ、電子に対する電位障壁となる。
（７）電位障壁の高さは、銅板１２の電位（正）の影響を受ける。たとえば銅板１２に達した正イオンの量が多くなると、低くなる。
（８）（７）により、電位障壁が低くなると、一部の電子が障壁を超えて銅板１２に達し、銅板１２の電位を（負方向に）下げるように働く。
（９）（７）（８）により、銅板１２の電位が（負方向に）下がると、電位障壁が上がる。
（１０）細孔１１ａのアスペクト比が２以下の場合、（７）〜（９）を繰り返し、結局、銅板１２の電位がある値に安定する。
（１１）細孔１１ａの底部、すなわち、銅板１２に向かう正イオンは、銅板１２の正のチャージによって減速される。このため、銅板１２に達する正イオンの量は、銅板１２の電位とプラズマ空間の電位との差によって決まる。
（１２）細孔１１ａのアスペクト比が２以上の場合、（６）の電位障壁が極めて大きいため、（７）（８）の効果は小さく、（６）の電位障壁を超えて銅板１２に達する電子の量は殆ど増加しない。その結果、銅板１２の電位は、（１１）により、銅板１２に達する正イオンが銅板１２に達する微量な電子の量と釣り合うような電位、すなわち、プラズマ空間電位まで上昇するのである。
【００１６】
以上のとおり、本実施例では、銅板１２の電位と電位障壁（細孔１１ａの開口付近の負電位）が関連して変化し、ある一定の値に安定するように動作するため、安定時点における銅板１２の電位からプラズマ空間電位を直接的に知ることができ、複雑なデータ処理を不要にできるという格別有利な効果が得られる。
なお、既述したように、細孔１１ａのアスペクト比は２以上（望ましくは２０程度）であり、細孔１１ａの内径はそのアスペクト比を満足する値であればよいが、少なくともプラズマの侵入を許してはならず、そのためには、プラズマのデバイ長（イオンシースの厚さ）よりも十分に小さい内径にする必要がある。デバイ長λD は次式で与えられる。
【００１７】
【数１】
0003739511.tif 000002
【００１８】
但し、Ｔe は電子温度、Ｎe は電子密度である。
また、細孔１１ａの深さは、正イオンの母ガスに対する平均自由行程よりも十分短くする必要がある。銅板１２に達する途中で正イオンと母ガスが衝突すると、正味の正イオンが減少し、測定誤差となるからである。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、電極の安定電位からプラズマ空間電位を知ることができ、複雑なデータ処理を要することなく容易にプラズマ空間の電位を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例のプラズマ発生装置の概略構造図である。
【図２】一実施例の試料の一例構造図である。
【図３】一実施例のプラズマ空間電位測定治具の一例構造図である。
【図４】一実施例のキャピラリプレートの平面図と側面図である。
【図５】一実施例の測定グラフである。
【図６】ラングミュアプローブ法の測定グラフである。
【符号の説明】
１１：キャピラリプレート（絶縁性プレート）
１１ａ：細孔
１２：銅板（電極）
１３：微小電極（第２の電極）
１７：第１高電圧プローブ（測定手段）
１８：第２高電圧プローブ（第２の測定手段）
【図１】
0003739511.tif 000003
【図２】
0003739511.tif 000004
【図３】
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【図４】
0003739511.tif 000006
【図５】
0003739511.tif 000007
【図６】
0003739511.tif 000008