(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応性ガスを主体とする気体を真空中に導入し、減圧中で交番電力、高周波電力、マイクロ波電力のいずれかにより、プラズマを形成して上記導入気体をプラズマ分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを利用して、プラズマに接する基板電極に装着した基板をエッチング処理するエッチング装置のエッチングプラズマにおける基板入射負イオンの分析法において、
上記基板電極に上記高周波電力を印加して上記基板電極に入射する負の荷電粒子を、上記基板電極に設けた開口を通して引き出し、
引き出された上記負の荷電粒子の流れ方向に対して垂直方向にＳ極とＮ極が離間して対向配置された一体の磁気回路により垂直磁場を掛けて、下流の分析器に電子を通過させないように上記負の荷電粒子のうち電子の流れを曲げて負イオンを選択的に通過させ、
該負イオンを、接地電位と分離され上記基板電極と接続された上記分析器で分析する
ことから成るエッチングプラズマにおける基板入射負イオンの分析法。
【請求項２】
上記基板電極に印加される上記高周波電力の周波数が１００ｋＨｚから２ＭＨｚまでの間である請求項１に記載のエッチングプラズマにおける基板入射負イオンの分析法。
【請求項３】
上記基板電極の開口を通って引き出した上記負の荷電粒子の流れ方向に対して垂直方向に掛けられる垂直磁場が５．０×１０−３〜２．０×１０−２テスラである請求項１に記載のエッチングプラズマにおける基板入射負イオンの分析法。
【請求項４】
上記高周波電力にＤＣ電圧を重畳して上記基板電極に印加する請求項１に記載のエッチングプラズマにおける基板入射負イオンの分析法。
【請求項５】
エッチングプラズマを発生させるプラズマ発生室と、上記プラズマ発生室中のプラズマに接する位置に配置され、プラズマ中のイオンを通す開口を備えた基板電極と、上記基板電極の開口を通って入ってきたイオンを分析する分析器とを有し、イオンを分析するようにしたエッチングプラズマにおける基板入射負イオンの分析装置において、
上記基板電極に接続され、上記基板電極の開口から負の荷電粒子を引き込むように高周波電力を印加する高周波電源と、
上記基板電極の開口を通って入射する負の荷電粒子の流れ方向に対して垂直方向にＳ極とＮ極が離間して対向配置された一体の磁気回路により、上記負の荷電粒子のうち電子を分析器に通過させないように垂直磁場を掛ける垂直磁場発生手段と
を設け、
上記分析器が接地電位と分離され、上記基板電極に接続されて成る
エッチングプラズマにおける基板入射負イオンの分析装置。
【請求項６】
上記高周波電源が上記基板電極に１００ｋＨｚから２ＭＨｚまでの間の高周波電力を印加するように構成されている請求項５に記載のエッチングプラズマにおける基板入射負イオンの分析装置。
【請求項７】
上記基板電極の開口を通って引き出した上記負の荷電粒子の流れ方向に対して上記垂直方向に掛けられる垂直磁場が５．０×１０−３〜２．０×１０−２テスラとなるように上記垂直磁場発生手段が構成されている請求項５に記載のエッチングプラズマにおける基板入射負イオンの分析装置。
【請求項８】
上記基板電極に印加される上記高周波電力にＤＣ電圧が重畳される請求項５に記載のエッチングプラズマにおける基板入射負イオンの分析装置。
【請求項９】
減圧容器内で形成されたプラズマ中の負イオンを分析する分析装置であって、
プラズマに接して配置され、開口部を備えた基板電極と、
上記基板電極に接続され、上記基板電極の開口部から負の荷電粒子を引き込む周波数で高周波電力を基板電極に印加する高周波電源と、
上記基板電極と分析器との間に設置され、引き込まれた上記負の荷電粒子の流れ方向に対して垂直方向に磁場を掛けて、上記負の荷電粒子のうち電子の進行を歪曲させ、負イオンを通過させる垂直磁場発生手段と、
上記垂直磁場発生手段を通過した負イオンを測定する分析器と、
を有し、
上記分析器が接地電位と分離され、上記基板電極に接続されて成る
負イオンの分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマを利用して、半導体上或いは電子部品、その他の基板上の物質をエッチングするエッチング装置において、プラズマから基板に入射する負イオンのエネルギー及び質量を分析する負イオンエネルギー及び質量分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エッチング装置においては、ハロゲン系のガスを真空室内に導入し、交番電力或いは高周波電力を印加してプラズマを形成し、発生したイオン及びラジカルを利用して基板をエッチングする。一般に、プラズマ電位は基板及び壁面に対し常に正の電位を持っており、従って、プラズマ中で発生した正イオンは基板及び壁面に対してこの正の電位を持って基板及び壁面に対して飛行する。しかし、プラズマ中で発生した負のイオンはブラズマと基板及び壁面の間にできたシース電位により阻止され、基板及び壁面には到達することができないと考えられており、基板に入射する負イオンの測定例の報告はない。そこでまず、従来から行われてきた正イオンの測定例について説明する。
【０００３】
添付図面の図６及び図７には従来技術によるプラズマ中のイオンエネルギー及び質量の測定法が示され、図６は、Coburn等によって報告された、接地電位となっている壁面に入射する正イオンの質量及びエネルギー分布を測定するのに使用された装置を示す(J.Appl.Phys.,43(1972)4965参照) 。
この例では、質量分析器の取り付けられている電極が接地電極になっているので、プラズマ中の正イオンはプラズマ電位と接地電位の差のエネルギーで質量分析器に入射する。
一方、図７は高周波電力が印加されている基板電極に取り付けられたエネルギー分析器付き質量分析計の例である。この場合にも、プラズマ電位と基板電極電位の差のエネルギーを持って基板電極に入射する正イオンを分析している。
このように正イオンは容易に基板電極に入射するので測定は容易であるが、プラズマ中の負イオンの測定例は報告されていない。プラズマ電位が正の電位を持っていてシースが負電荷に対して阻止電位として働くため、正イオンの測定と同じ方法では測定できないと考えられているためである。また、多量の電子が存在することも測定を困難にしている。しかし、アフターグロー領域での負イオンの測定例は多数報告されている（例えば:L.J. Overzet, J.H. Beberman及びJ.T.  Verdeyen, J. App. Phys.,66(1989) 1622, 及びA.A. Howling, J.L. Dorier 及 びCh. Hollenstein, App. Phys. Lett., 62(1993)1341 参照) 。これは、アフターグロー領域ではシースが殆ど形成されていないことと電子付着により電子密度が減少し負イオン密度が増加するからと思われる。
【０００４】
図６のCoburn等によって報告された測定法では、質量分析器の取り付けられている電極が接地電極になっているので、プラズマ中の正イオンはプラズマ電位と接地電位の差のエネルギーで質量分析器に入射する。この方法によりプラズマ  CVD や陽極結合のプラズマエッチング等のように接地電位基板に入射する正イオンのエネルギー及び質量が分かり、プラズマCVD 等の成膜機構解明やプラズマエッチング等のラジカルによるエッチング機構解明には大いに有益な情報が得られている。
図７に示すものは、反応性イオンエッチングに用いられているプラズマの正イオンの測定を目的として、高周波電力が印加されている浮遊電極に取り付けられた例である。
反応性イオンエッチングでは浮遊電位基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加し、負の自己バイアスを発生させ、プラズマ電位と基板電位とに大きな電位差を発生させて、大きな正イオンのエネルギーを得て、基板をエッチングしている。この時、基板電極は自己バイアスされた直流成分と印加されている高周波電場の交流成分で合成された電位になっている。図７の例では、イオン分析器及び質量分析器の電位は浮遊電位である基板電極の直流成分に等しくなるが、正確に基板電極の電位とは等しくならない。
【０００５】
図８には先に特願平8 −77159 において提案した浮遊電極基板に入射するイオンエネルギー分析器及び質量分析器の構造を示す。図７において１はプラズマ発生室で、このプラズマ発生室１内にはプラズマ発生用電極２が配置され、このプラズマ発生用電極２はマッチングボックス３を介して高周波電源４に接続されている。プラズマ発生室１内のプラズマ発生用電極２に対向して基板電極５が絶縁碍子６を介してプラズマ発生室１に取り付けられている。基板電極５は、プラズマ発生室１内に発生するプラズマに接する位置にイオン引き込み用の開口5aを備えており、そしてコンデンサ７及びマッチングボックス８を介してバイアス用高周波電源９に接続されている。
基板電極５内にはエネルギー分析器10が配置され、このエネルギー分析器10は検出しようとするイオンエネルギーレベルより低いエネルギーのイオンをカットするメッシュ電極10a と外筒電極10b と内筒電極10c とを備えており、これらの各電極はイオンエネルギー制御電源11に接続されている。
また12は四重極型の質量分析器で、各電極は質量分析用制御電源13に接続されている。14はイオン検出器であり、質量分析器12と共に、真空容器15内に挿置されている。真空容器15は基板電極５の開放端に絶縁碍子16を介して結合されている。なお図８において17はフォトカプラー、18は光ファイバー、19は測定用回路、20は掃引電源であり、図示したように接続されている。
この構造においてはイオンエネルギー分析器10、イオンエネルギー制御電源  11、質量分析器12、質量分析用制御電源13等の分析器及び制御電源を全て基板電極５に接続し、接地電位に対し浮遊電位としている。従って、基板電極５の小孔を通ってエネルギー分析器10に入り込むイオンは、基板電極５とエネルギー分析器10が同電位になっているため、何の摂動を受けることもなくエネルギー分析される。
【０００６】
エネルギー分析器が基板電極の直流成分のみに等しくなる図７の例の場合には、基板電極とエネルギー分析器間に高周波成分の摂動が働く。高周波電場を飛翔するイオンのエネルギースペクトルは高周波電場の摂動を受ける時間によって加速され方が異なり、高速側と低速側に偏る、いわゆるbimodal 形になる。基板電極とエネルギー分析器間に高周波電位が印加されていると、イオンに摂動が掛かりスペクトル形状に影響を与えると考えられる。直流電位、高周波電位とも同電位にすることでこの問題は解決され、正確なイオンのスペクトルが得られる。
一方、アフターグロー中における負イオン分析では、プラズマと分析部間にシースが形成されないので、負イオンを少しだけ引き込むための電位を印加すれば測定は可能である。シースが形成されているプラズマ中の負イオンの測定は、大きなシース電位があるので負イオンを引き込むことは容易ではなく、大変難しい。しかし、シース電位を越える電位をオリフィス電極に印加することにより負イオンを質量分析器に引き込むことはできる。この場合、負イオン引き込み電位を印加しているので負イオンのエネルギー分析は意味がない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプラズマ中のイオン種分析法は基板或いは壁面に入射する正イオンのみを対象としていた。プラズマ中で生成された正イオンはプラズマ電位と基板電位或いは通常接地電位になっている壁面電位との差で飛翔し、基板或いは壁面に入射する。プラズマ中で生成される正の電荷を持った粒子は正イオンのみであるから、測定器には正イオンのみが入射する。
一方、プラズマ中で生成される負の電荷を持った粒子には電子と負イオンがある。プラズマは基板や壁面より高い正の電位を持っているので、プラズマ中にある負の電荷を持つ粒子はプラズマ中に閉じこめられている。電子は比較的大きなエネルギー分布を持ち、高いエネルギーを持つ電子は、シースが最小になる瞬間に基板或いは壁面に到達することができる。しかし、負イオンのエネルギーは小さいので、シースを乗り越えて基板或いは壁面に到達することができないと考えられている。この考えは、基板電極に13.56MHzなどの高周波を印加しているときには正しい。というのは、周波数が高いとシース電位変動に質量の大きなイオンが追従できないからである。しかし、周波数が低くなるとイオンも追従できるようになる。
【０００８】
変動する電場中にあるイオンは、運動方程式
ｍ（d2x/dt2）＝−qEsin ωｔ
で表される。周波数が高いとイオンは殆ど動くことはできないが、低くなるとイオンは動くことができる。上記運動方程式を用いて、Ｅ＝400V/mm のときの質量数40のイオンの挙動を計算すると、13.56MHzではｘ＝O.O15mm 、２MHz では    ｘ＝O.75mm、400kHzではｘ＝19mmとなる。従って、周波数が２MHz 以下になると基板に印加されている高周波電場によって負イオンも基板に入射するようになる。従って、イオンエネルギー分析器及び質量分析器の電位を変えれば負イオンの分析も可能になる。
しかしながら、負の電荷を持った粒子が基板に入射したとしても、負の電荷を持つ多量の電子を除かないと負イオンは測定できない。
そこで本発明の目的は、エッチングプラズマにおける基板入射負イオンのエネルギー分析及び質量の測定を可能にする方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の発明によれば、反応性ガスを主体とする気体を真空中に導入し、減圧中で交番電力、高周波電力、マイクロ波電力のいずれかにより、プラズマを形成して導入気体をプラズマ分解し、発生した原子、分子、ラジカル、イオンを利用して、プラズマに接する基板電極に装着した基板をエッチング処理するエッチング装置のエッチングプラズマにおける基板入射負イオンの分析法において、
基板電極に高周波電力を印加して基板電極に入射する負の荷電粒子を、基板電極に設けた開口を通して引き出し、
引き出された負の荷電粒子の流れに対して垂直方向にＳ極とＮ極が離間して対向配置された一体の磁気回路により垂直磁場を掛けて、下流の分析器に電子を通過させないように負の荷電粒子のうち電子の流れを曲げて負イオンを選択的に通過させ、
該負イオンを、接地電位と分離され基板電極と接続された分析器で分析する
ことを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の第２の発明によれば、エッチングプラズマを発生させるプラズマ発生室と、プラズマ発生室中のプラズマに接する位置に配置され、プラズマ中のイオンを通す開口を備えた基板電極と、基板電極の開口を通って入ってきたイオンを分析する分析器とを有し、イオンを分析するようにしたエッチングプラズマにおける基板入射負イオンの分析装置において、
基板電極に接続され、基板電極の開口から負の荷電粒子を引き込むように高周波電力を印加する高周波電源と、
基板電極の開口を通って入射する負の荷電粒子の流れ方向に対して垂直方向にＳ極とＮ極が離間して対向配置された一体の磁気回路により、負の荷電粒子のうち電子を分析器に通過させないように垂直磁場を掛ける垂直磁場発生手段と
を設け、
分析器が接地電位と分離され、基板電極に接続されて成る
ことを特徴としている。
【００１１】
上記第１、第２の発明において好ましくは、基板電極には１００ｋＨｚから２ＭＨｚまでの間の高周波電力が印加され得る。
また、基板電極の開口を通って引き出した負の荷電粒子の流れ方向に対して垂直方向に掛けられる垂直磁場は、好ましくは５．０×１０−３〜２．０×１０−２テスラである。
エネルギー分析器及び質量分析器は基板電極の電位を基準にした電位に維持され得る。
さらに、本発明の第３の発明によれば、減圧容器内で形成されたプラズマ中の負イオンを分析する分析装置は、
プラズマに接して配置され、開口部を備えた基板電極と、
基板電極に接続され、基板電極の開口部から負の荷電粒子を引き込む周波数で高周波電力を基板電極に印加する高周波電源と、
基板電極と分析器との間に設置され、引き込まれた負の荷電粒子の流れ方向に対して垂直方向に磁場を掛けて、負の荷電粒子のうち電子の進行を歪曲させ、負イオンを通過させる垂直磁場発生手段と、
垂直磁場発生手段を通過した負イオンを測定する分析器と、
を有し、
分析器が接地電位と分離され、基板電極に接続されて成る。
【００１２】
【作用】
このように構成した本発明の各発明においては、負に帯電した粒子を引き込むための微小なオリフィスを持つ電極に100kHzから2MHzまでの間の適当な高周波電力を印加しているので基板電極に負イオンも入射し、また、閉じた磁気回路により弱い垂直磁場を重畳して電子のみを除くのでイオンの軌道を大きく曲げることもなく負イオンのみを分析器に導くことができ、それにより負イオンのエネルギー及び質量分析が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面の図１〜図３に示す実施例に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【実施例】
図１には本発明の一実施例によるプラズマ中の負イオンの測定装置を示す。図１において、21はプラズマ発生室で、このプラズマ発生室21内にはプラズマ発生用電極22が配置され、このプラズマ発生用電極22はマッチングボックス23を介して高周波電源24に接続されている。プラズマ発生室21内のプラズマ発生用電極  22に対向して基板電極25が絶縁碍子26を介してプラズマ発生室21に取り付けられている。基板電極25は、プラズマ発生室21内に発生するプラズマに接する位置にイオン引き込み用の開口25a を備えており、そしてコンデンサ27及びマッチングボックス28を介してバイアス用高周波電源29に接続されている。
基板電極25内にはエネルギー分析器30が配置され、このエネルギー分析器30は検出しようとするイオンエネルギーレベルより低いエネルギーのイオンをカットするメッシュ電極30a と外筒電極30b と内筒電極30c とを備えており、これらの各電極はイオンエネルギー制御電源31に接続されている。
【００１４】
また32は四重極型の質量分析器で、各電極は質量分析用制御電源33に接続されている。34はイオン検出器であり、質量分析器32と共に、真空容器35内に挿置されている。真空容器35は基板電極25の開放端に絶縁碍子36を介して結合されている。
基板電極25とエネルギー分析器30との間には、イオンを通す開口を備えた電子除去用マグネット37が配置され、この電子除去用マグネット37は負の荷電粒子の流入方向に対して垂直方向に閉じた弱い磁気回路を形成し、負の荷電粒子から電子を除去するように機能する。
【００１５】
また図１において38はフォトカプラー、39は光ファイバー、40は測定用回路、41は掃引電源であり、図示したように接続されている。
この構造においてはイオンエネルギー分析器30、イオンエネルギー制御電源  31、質量分析器32、質量分析用制御電源33等の分析器及び制御電源を全て基板電極25に接続し、接地電位に対し浮遊電位としている。
【００１６】
次に図２〜図５を参照して負イオン測定の原理について説明する。
図２及び図３に本発明による装置の電位配分を概略的に示す。
図２はエネルギー分析器付き質量分析器の電位配分概略図である。高周波電場によって基板電極25の開口25a から入射した負電荷を持つ粒子のうち質量の軽い電子は電子除去用マグネット37によって除かれ、質量の大きな負イオンのみが通過する。通過した負イオンはエネルギー分析器30でエネルギー分析され、そして質量分析器32に入射する。
【００１７】
図３はエネルギー分析器30のみを用いた測定の電位配分を示す。この場合イオン種の同定はできないが基板電極25にどのようなエネルギー分布でイオンが入射しているかを知ることができる。
【００１８】
何れの場合も基板電極電位を基準としてエネルギー分析や質量分析を行い、信号は光に変換されて出力される。エネルギー分析器30や質量分析器32に供給される電力も、絶縁トランス或いは電池によって、接地電位からは分離されている。
【００１９】
電子除去用マグネット37としては閉じた磁気回路が用いられ、その作用は図  ４に示す。すなわち負の荷電粒子が150eV で閉じた磁気回路で構成される５mm幅の垂直磁場( 図面の表面がＮ極、裏面がＳ極：中心磁場強度は100 ガウス) を通るときの軌道の計算結果の例が示されている。質量の小さな電子は磁場によって曲げられ垂直磁場を通過できないが、質量の重い負イオンは垂直磁場に大きく曲げられることもなく通過することができる。閉じた磁気回路を用いるのはこの垂直磁場の厚みを大きくしないためである。単に二つの磁石を上下に配置したのでは開いた磁気回路が形成され、磁力線が空間に広がり、磁石の前後でも大きな磁場を形成する。広い空間に磁場が存在する場合、重い負イオンであってもその軌道は大きく曲げられ、質量分析器32に導くことが困難になる。
【００２０】
実際の測定では、厚み３ｍｍの２個の磁石を純鉄のドーナツ状円盤に取り付けて磁気回路を形成した。中心の磁場は185 ガウスである。
【００２１】
ところで、図示実施例では基板電極に高周波電力のみを印加する例を述べたが、図５に示すようにDC電圧を重畳するときも全く同じに考えることができる。異なるのは、高周波電力によって発生する自己バイアスに重畳するDC電位が加わる点である。この場合には、重畳されたDC電位を含めた電極電位とブラズマ電位及び高周波電位によって負イオンが基板に入射することである。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の方法及び装置によれば、高周波電力印加基板へ入射する負イオン種の分析及びそのエネルギー分析ができるように構成しているので、エッチングプラズマ中の負イオンの種類及び量を知ることができ、エッチングプロセスに負イオンがどのように関わっているかについてのより多くの情報を得ることができるようになる。従って、特に半導体や電子部品加工に用いられている反応性イオンエッチングプロセスをより深く理解することができ、プロセス開発に有用なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例を示す概略構成図。
【図２】  図１の装置における負イオン分析の仕方を示す図。
【図３】  エネルギー分析器による負イオン測定の仕方を示す図。
【図４】  電子除去用マグネットの作用を示す図。
【図５】  本発明の変形実施例を示す概略構成図。
【図６】  接地電位部に接続された従来のイオンエネルギー分析器及び質量分
析器の一例を示す概略構成図。
【図７】  別の従来例を示す概略構成図。
【図８】  さらに別の従来例を示す概略構成図。
【符号の説明】
21：  プラズマ室
22：  プラズマ発生用高周波コイル
24：  プラズマ発生用高周波電源
25：  基板電極
25a：  基板電極のイオン引き込み用開口
30：イオンエネルギー分析器
31：イオンエネルギー制御電源
32：質量分析器
33：質量分析用制御電源
34：イオン検出器
37：電子除去用マグネット
【図１】
0003769341.tif 000002
【図２】
0003769341.tif 000003
【図３】
0003769341.tif 000004
【図４】
0003769341.tif 000005
【図５】
0003769341.tif 000006
【図６】
0003769341.tif 000007
【図７】
0003769341.tif 000008
【図８】
0003769341.tif 000009