荷電粒子電流計測装置及びプラズマ処理装置
【課題】精度よく、被処理物品のプラズマ処理に悪影響を与えないでプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができる荷電粒子電流計測装置及びプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】荷電粒子を捕捉する第１電極部４１及び第１電極部４１の前方に配置され、第１電極部へ向かうべき荷電粒子を通過させるための孔４２ｈを有する第２電極部４２を含むファラデーカップ部４０と、第１電極部４１に直流電圧を印加するための出力電圧可変の第１直流電源と、第２電極部４２に第１電極部４１に印加される直流電圧とは逆極性の直流電圧を印加するための出力電圧可変の第２直流電源と、第１電極部４１に流れる電流を計測する電流測定器Ａとを含む荷電粒子電流計測装置。ファラデーカップ部４０において第２電極部４２前方には接地電極部４３が配置される。
【解決手段】荷電粒子を捕捉する第１電極部４１及び第１電極部４１の前方に配置され、第１電極部へ向かうべき荷電粒子を通過させるための孔４２ｈを有する第２電極部４２を含むファラデーカップ部４０と、第１電極部４１に直流電圧を印加するための出力電圧可変の第１直流電源と、第２電極部４２に第１電極部４１に印加される直流電圧とは逆極性の直流電圧を印加するための出力電圧可変の第２直流電源と、第１電極部４１に流れる電流を計測する電流測定器Ａとを含む荷電粒子電流計測装置。ファラデーカップ部４０において第２電極部４２前方には接地電極部４３が配置される。
【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実施するにあたり、所望の目的とするプラズマ処理を実施するために、プラズマ中の荷電粒子の状態（プラズマ中の荷電粒子の密度、ポテンシャル分布等）を知るために荷電粒子に基づく電流を計測する荷電粒子電流計測装置に関する。
【０００２】
本発明はまた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実施するプラズマ処理装置にも関係している。
【背景技術】
【０００３】
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、プラズマ中の荷電粒子の密度やポテンシャル等の制御が重要であり、そのためにはプラズマの状態をモニタリングすることが不可欠である。
【０００４】
プラズマ状態のモニタリングには、静電プローブ法やＯＥＳ（0ptical Emission Spectrometer)による発光強度測定が利用されてきた。
【０００５】
静電プローブ法はプラズマ中に微小な電極（探針）を挿入し、電極に電圧を印加することにより、且つ、電極に印加する電圧を徐々に変化させていくことにより荷電粒子密度、電子温度、エネルギー分布等を求める方法である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
ＯＥＳによる発光強度測定は次のような原理を利用したものである。
すなわち、プラズマ生成の際、原子が励起され、その後励起状態から再び基底状態に戻る。その時に原子はその原子固有の光を放射する。この原子固有の光をＣＣＤ（電荷結合素子）で受けて、光エネルギーを電気エネルギーに変え、波長ごとに強度を表したもの（発光強度スペクトル）得て、この強度の比率をとることによりプラズマ中の成分比率を知る方法である。
【０００７】
また、イオン電流の測定には一般的にはファラデーカップが利用されている。
例えば特開平８−１７９０４６号公報には、イオン電流測定部の前に接地電極、二次電子抑制用電極を配置し、イオン電流測定部に当ったイオンにより生じる二次電子の影響が無いようにしたファラデーカップによるイオン電流計測装置が記載されている。
【０００８】
特開２０００−６５９４２号公報には、二次電子だけでなく、２次イオンの影響も抑制できるようにしたファラデーカップ利用のイオンビーム量計測装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−１７９０４６号公報
【特許文献２】特開２０００−６５９４２号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】プラズマ・核融合学会誌 第69巻8 号1993/8月講座：プラズマ実験入門IV.4. 静電プローブでプラズマを探る 雨宮 宏
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、静電プローブ法はプローブをプラズマ中に挿入することが前提であり、プローブをプラズマ中に挿入するとプラズマの場を乱し、該プラズマによる目的とする処理に支障がでる恐れがあり、プラズマ状態の把握精度が低下する恐れがある。
【００１２】
ＯＥＳによる発光強度測定では、光の強度を光ファイバーを用いて計測するため、光ファイバーで見通せる狭い立体角分の範囲しか測定できず、従って、一つのプラズマ処理装置等に対して複数個の設置が要求されるところ、ＯＥＳ計測装置は非常に高価であり、一つのプラズマ処理装置等に複数個取り付けるには費用がかかりすぎる。
【００１３】
また従来のファラデーカップでは既述のように二次電子を抑制する等してイオン電流を正確に測定できるように工夫されたものは多々見受けられるが、それ自体でイオン等の荷電粒子のポテンシャル（電位）分布を測定できるものではない。
【００１４】
そこで本発明は、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができる荷電粒子電流計測装置を提供することを第１の課題とする。
【００１５】
また本発明は、上記第１の課題を解決できる荷電粒子電流計測装置であって、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を、プラズマの乱れを抑制できる状態で、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品をプラズマ処理しているときでも該プラズマ処理に悪影響を与えないで求めることができる荷電粒子電流計測装置を提供することを第２の課題とする。
【００１６】
本発明は、プラズマを用いて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、被処理物品の処理に用いるプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができ、それにより目的とするプラズマ処理が行えているかどうかを確認しつつ目的とするプラズマ処理を良好に実施することが可能となるプラズマ処理装置を提供することを第３の課題とする。
【００１７】
また本発明は、上記第３の課題を解決できるプラズマ処理装置であって、被処理物品の処理に用いるプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を、該プラズマの乱れを抑制できる状態で、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品のプラズマ処理に悪影響を与えないで求めることができるプラズマ処理装置を提供することを第４の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は前記第１の課題を解決するために次の荷電粒子電流計測装置を提供する。
すなわち、
プラズマ生成室内に生成されるプラズマ中の荷電粒子に基づく電流を計測する荷電粒子電流計測装置であり、荷電粒子を捕捉する第１電極部、前記第１電極部の前方に配置され、前記第１電極部へ向かうべき荷電粒子を通過させる孔を有する第２電極部及び前記第２電極部の前方に配置され、前記第２電極部の前記孔を通って前記第１電極部へ向かうべき荷電粒子を通過させる開口を有する接地電極部を含むファラデーカップ部と、前記第１電極部に直流電圧を印加するための第１直流電源と、前記第２電極部に前記第１電極部に印加される直流電圧とは逆極性の直流電圧を印加するための第２直流電源と、前記第１直流電源に直列接続された電流測定器とを含む荷電粒子電流計測装置を提供する。
【００１９】
本発明に係る荷電粒子電流計測装置によると、荷電粒子を捕捉する第１電極部に第１直流電源から直流電圧を印加することができ、第１電極部の前方に配置された第２電極部に第２直流電源から第１電極部に印加される直流電圧とは逆極性の直流電圧を印加することができる。
【００２０】
このとき、第１電極部に正の直流電圧を印加し、第２電極部に負の直流電圧を印加することで、第１電極部にイオンを衝突させ、前記電流測定器でイオン電流を計測することができる。そのようにして計測されるイオン電流を前記接地電極部の開口面積で除算することでイオン電流密度を得ることができる。
【００２１】
また、第２電極部に印加する負の直流電圧を一定として第２電極部電位を負の一定電位に固定する一方、第１直流電源から第１電極部へ印加する正電圧を変化させることで、イオンの電位分布を求めることができる。
【００２２】
また、第１電極部に負の直流電圧を印加し、第２電極部に正の直流電圧を印加することで、第１電極部に電子を衝突させ、前記電流測定器で電子電流を計測することができる。そのようにして計測される電子電流を前記接地電極部の開口面積で除算することで電子電流密度を得ることができる。
【００２３】
第２電極部に印加する正の直流電圧を一定として第２電極部電位を正の一定電位に固定する一方、第１直流電源から第１電極部へ印加する負電圧を変化させることで、電子の電位分布を求めることができる。
【００２４】
本発明に係る荷電粒子電流計測装置によると、このように簡単に荷電粒子電流を計測して荷電粒子密度や荷電粒子電位分布を求めることができる。
【００２５】
本発明は前記第３の課題を解決するため、プラズマを用いて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、本発明に係る上記の荷電粒子電流計測装置を備えたプラズマ処理装置を提供する。
【００２６】
このプラズマ処理装置では、該荷電粒子電流計測装置により被処理物品をプラズマ処理するプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができ、それにより目的とするプラズマ処理が行えているかどうかを確認しつつ目的とするプラズマ処理を良好に実施することが可能となる。
【００２７】
本発明に係る荷電粒子電流計測装置は、イオン電流計測においては前記第１電極部を正電位に設定するとともに前記第２電極部を負電位に設定し、電子電流計測においては前記第１電極部を負電位に設定するとともに前記第２電極部を正電位に設定するための印加電圧極性切り替え器が前記第１電極部と前記第１直流電源の組及び前記第２電極部と前記第２直流電源の組のそれぞれに対して設けられていてもよい。
【００２８】
本発明に係る荷電粒子電流計測装置は、これを実際に使用するにあたってプラズマ生成室に簡易に取り付けられるようにするために、前記ファラデーカップ部は、前記プラズマ生成室壁に形成された開口部に予め気密に接続されたＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＦＫフランジの開口部に一部を嵌装するとともに該フランジ外に位置する残部の外周に気密シール用弾性リングを外嵌し、該気密シール用弾性リングを、前記ＩＳＯ ＫＦフランジと、該ＩＳＯ ＫＦフランジと同じＩＳＯ ＫＦフランジとの間に気密に挟着して前記プラズマ生成室に取り付けることができるファラデーカップ部としてもよい。
【００２９】
また、本発明に係る荷電粒子電流計測装置における前記ファラデーカップ部は、大リングに該大リングより内径が小さい小リングが一体的に連設されてなる、内周面に段差棚部を有するセンターリングを含んでいるものとしてもよい。
【００３０】
そして、前記第２電極部及び前記第１電極部はこの順序で該センターリングの小リング内に嵌装し、また、前記接地電極部を該センターリングの前記第２電極部側の端部に設け、これら第１及び第２の電極部を前記センターリング内側の前記段差棚部上に嵌められた蓋部材と前記接地電極部との間に挟むようにしてもよい。
【００３１】
ファラデーカップ部についてこのような構成を採用する場合、ファラデーカップ部は、予め前記プラズマ生成室の壁に形成した開口部に気密に接続されたＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＫＦフランジの開口部に前記センターリングの小径リング側から嵌装するとともに該センターリングの前記大径リングの外周に気密シール用弾性リングを外嵌し、該気密シール用弾性リングを、前記ＩＳＯ ＫＦフランジと、該ＩＳＯ ＫＦフランジと同じＩＳＯ ＫＦフランジとの間に気密に挟着して前記プラズマ生成室に取り付けることができるファラデーカップ部としてもよい。このようにすることで、荷電粒子電流計測装置を簡易にプラズマ生成室に取り付けることができる。
【００３２】
またこのような構成を採用する場合は、本発明の前記第２の課題を解決するために、ファラデーカップ部のセンターリング中心軸線方向長さを、該ファラデーカップ部が前記ＩＳＯ ＫＦフランジを用いて前記プラズマ生成室壁に取り付けられた状態で、前記接地電極部のプラズマ生成室内側の面が該プラズマ生成室壁の内面と面一に又は該プラズマ生成室壁の内面より該壁内へ後退して配置される長さとすることができる。
【００３３】
このようにファラデーカップ部の接地電極部のプラズマ生成室内側の面がプラズマ生成室壁の内面と面一に又は該プラズマ生成室壁の内面より該壁内へ後退して配置されるようにすることで、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を、プラズマの乱れを抑制できる状態で、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品のプラズマ処理に悪影響を与えないで求めることができる。
【００３４】
また前記第４の課題を解決するため、本発明に係るプラズマ処理装置は、このようなフアラデーカップ部を含む荷電粒子電流計測装置の該フアラデーカップ部をＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＦＫフランジを用いて取り付けたプラズマ生成室を含むものとすることができる。
【００３５】
このプラズマ処理装置によると、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布をプラズマを乱さないで、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品のプラズマ処理を邪魔しないで求めることができる。
【００３６】
なお、本発明に係るプラズマ処理装置は、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のうち１又は２以上を実施できる装置である。
【発明の効果】
【００３７】
以上説明したように本発明によると、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができる荷電粒子電流計測装置を提供することができる。
【００３８】
また本発明によると、上記荷電粒子電流計測装置であって、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を、プラズマの乱れを抑制できる状態で、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品をプラズマ処理しているときでも該プラズマ処理に悪影響を与えないで求めることができる荷電粒子電流計測装置を提供することができる。
【００３９】
本発明によると、プラズマを用いて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、被処理物品の処理に用いるプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができ、それにより目的とするプラズマ処理が行えているかどうかを確認しつつ目的とするプラズマ処理を良好に実施することが可能となるプラズマ処理装置を提供することを第３の課題とする。
【００４０】
また本発明によると、上記プラズマ処理装置であって、被処理物品の処理に用いるプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を、該プラズマの乱れを抑制できる状態で、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品のプラズマ処理に悪影響を与えないで求めることができる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】
【００４１】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の１例を示す図である。
【図２】本発明に係る荷電粒子電流計測装置の１例の一部を、図１のプラズマ処理装置のプラズマ生成室にＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＫＦフランジを用いて取り付けようとしている様子を示す図である。
【図３】図２に示す荷電粒子電流計測装置の部分をさらにクランプを用いてプラズマ生成室に固定取り付けしようとしている様子を示す図である。
【図４】図２に示す荷電粒子電流計測装置部分、特にファラデーカップ部の拡大断面図である。
【図５】図２に示す荷電粒子電流計測装置部分、特にファラデーカップ部の分解図である。
【図６】図６（Ａ）は荷電粒子電流計測装置の電極部への電圧印加回路の１例を示す図であり、図６（Ｂ）は同電圧印加回路の他の例を示す図である。
【図７】荷電粒子電流計測装置によるプラズマ中のイオン、電子に基づく電流の計測例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明に係るプラズマ処理装置の１例を示している。
【００４３】
図１のプラズマ処理装置１はプラズマＣＶＤ法により被処理物品に膜形成する膜形成装置であり、膜形成室を兼ねるプラズマ生成室１１を備えている。プラズマ生成室１１の天井壁１１１から室内へ高周波放電アンテナ２が挿入設置されている。高周波アンテナ２は絶縁性部材２０で被覆されており、該部材２０ごと室天井壁１１１に設けた絶縁性部材１１０に挿通されている。
【００４４】
アンテナ２は、本例ではＵ字形状のアンテナである。アンテナ２の室天井壁１１１から室外へ突出した部分２１、２１’のうち一方の部分２１はマッチングボックス３１を介して高周波電源３２に接続されている。部分２１’は接地されている。
【００４５】
プラズマ生成室１１内のアンテナ２の下方域に被処理物品（図示例では基板Ｓ）のホルダ１２が設置されており、ホルダ１２には必要に応じ被処理物品を加熱するヒータ１２１が内蔵さている。
【００４６】
図１のプラズマ処理装置１は、さらに、プラズマ生成室１１内へ所定のガスを導入するガス導入部１３、１４及び室内から排気して室内を所定の圧力に設定、維持するための排気装置１５を備えている。
【００４７】
それとは限定されないが、本例ではガス導入部１３にモノシランガス供給装置１３０が接続されており、ガス導入部１４に水素ガス供給装置１４０が接続されている。
【００４８】
また、このプラズマ処理装置１にはプラズマ生成室１内のプラズマ中の荷電粒子に基づく電流を計測する荷電粒子電流計測装置４が取り付けられている。装置４はプラズマ生成室１の側壁１１２にＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＦＫフランジ５、５’を用いて簡易に、しかし気密に取り付けられている（図２、図３参照）。
【００４９】
プラズマ処理装置１によると、次のようにして基板Ｓにシリコン膜を形成することができる。
【００５０】
すなわち、排気装置１５にてプラズマ生成室１から排気してプラズマ生成室１内をガス導入前の所定の減圧状態に設定する。このプラズマ生成室１内へモノシランガス供給装置１３０からガス導入部１３を介して所定流量でモノシランガスを導入するとともに水素ガス供給装置１４０からガス導入部１４を介して所定流量で水素ガスを導入しつつプラズマ生成室１内のガス圧を排気装置１５の運転にて膜形成が可能なプラズマ生成圧に維持しつつ、アンテナ２に高周波電源から高周波電圧を印加することで、これら導入ガスから誘導結合プラズマを生成させ、このプラズマのもとで基板Ｓにシリコン膜を形成することができる。
【００５１】
このとき、プラズマ生成室１内のプラズマ中のイオンや電子といった荷電粒子に基づく電流を荷電粒子電流計測装置４で計測し、プラズマの荷電粒子密度や荷電粒子電位分布などを求めることができ、それにより基板Ｓ上へのシリコン膜形成が所望どおり行えているかどうかを確認でき、シリコン膜形成の歩留り向上に利用できる。
【００５２】
以下、特に図２〜図６を参照して荷電粒子電流計測装置４について説明する。
計測装置４はファラデーカップ部４０を含んでいる。
【００５３】
図２はファラデーカップ部４０をプラズマ生成室１１の側壁１１２にＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＫＦフランジ５、５’を用いて取り付けようとしている様子を示している。
【００５４】
図３はファラデーカップ部４０をさらにクランプ６を用いてプラズマ生成室側壁１１２に固定取り付けしようとしている様子を示している。
【００５５】
図４はファラデーカップ部４０を拡大して断面図で示している。
【００５６】
図５はファラデーカップ部４０の分解図である。
【００５７】
図６（Ａ）は計測装置４の電極部への電圧印加回路を示している。
【００５８】
ファラデーカップ部４０は、
荷電粒子を捕捉する（衝突させる）第１電極部４１と、
第１電極部４１の前方に配置され、第１電極部４１へ向かうべき荷電粒子を通過させる孔４２ｈを有する第２電極部４２と、
第２電極部４２の前方に配置され、第２電極部４２の孔４２ｈを通って第１電極部４１へ向かうべき荷電粒子を通過させる開口４３ｈを有する接地電極部４３を含んでいる。
【００５９】
図１及び図６（Ａ）に示すように、第１電極部４１にはこれに直流電圧を印加するための出力電圧可変の第１直流電源（反射電源）ＰＷ１が接続されており、第２電極部４２にはこれに第１電極部４１に印加される直流電圧とは逆極性の直流電圧を印加するための出力電圧可変の第２直流電源（極性分離電源）ＰＷ２が接続されている。
さらに言えば、反射電源ＰＷ１は第１電極部４１と第２電極部４２との間に接続されており、さらに電源ＰＷ１に直列に電流測定器Ａが接続されている。極性分離電源ＰＷ２は接地電極部４３と第２電極部４２との間に接続されている。
【００６０】
ファラデーカップ部４０は、図３〜図５に示すように、断面円形のセンターリング４４を含んでいる。センターリング４４は断面円形の大リング４４１に、それより小径の小リング４４２を中心軸線を一致させて一体的に連設したものである。かくしてセンターリング４４は内周面に段差棚部４４３を有している。また、大リング４４１には気密シール用弾性リングを外嵌するための部分４４４を有しており、ここに気密シール用弾性リングとして所謂オーリング４４５が嵌められている。
【００６１】
小リング４４２のプラズマ生成室内へ向けられる開口部には接地電極部４３が底部材を兼ねて当てがわれている。
小リング４４２内に電気絶縁性部材４５が内嵌されている。絶縁性部材４５は、接地電極部４３側に位置すべき端縁部４５１を内側へ屈曲させた円筒形状の部材である。この部材４５内へ第２電極部４２が内嵌されている。
かくして、第２電極部４２はセンターリング４４に対しても、接地電極部４３に対しても電気的に絶縁状態にある。
【００６２】
また、小リング４４２内には、第２電極部４２の上側から電気絶縁性部材４６が内嵌されている。絶縁性部材４６は、第２電極部４２側に位置すべき端縁部４６１を内側へ屈曲させた円筒形状の部材である。この部材４６内へ第１電極部４１が内嵌されている。
かくして、第１電極部４１はセンターリング４４に対しても、第２電極部４２に対しても電気的に絶縁状態にある。
【００６３】
そして大リング４４１に蓋部材４７が内嵌され、段差棚部４４３上に配置されている。 蓋部材４７は本例では電気的に非導通性のセラミック材料で形成されている。
この状態でボルト４８が蓋部材４７側から接地電極部４３の方へ差し込まれ、接地電極部４３へ螺合され、かくして、電極部４１、４２は電気絶縁性部材４５、４６を間に介在させた状態で蓋部材４７と接地電極部４３との間に挟着され、且つ、センターリング４４２内に固定されている。
【００６４】
第１電極部４１には配線接続用端子４１１が、第２電極部４２には配線接続用端子４２１がそれぞれ立設されており、これらは、蓋部材４７に形成された孔を蓋部材４７に触れることなく貫通して蓋部材４７の外側まで延び出ている。
【００６５】
このファラデーカップ部４０は、図３に示すように、プラズマ生成室壁１１２に形成された開口部に予め気密に接続されたＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＦＫフランジ５の開口部に一部が嵌装される。この場合のファラデーカップ部４０の一部とは、接地電極部４３と、電極部４１及び４２等を含むセンターリング４４の小リング４４２と、センターリング４４の前記段差棚部４４３とを含む部分である。
センターリング４４の大リング４４１の大部分とオーリング４４５はプラズマ生成室１１に接続されたフランジ５のフランジ面上に位置する。
【００６６】
このようにファラデーカップ部４０がフランジ５にセットされた状態では、接地電極部４３のプラズマ生成室内側に向けられた面がプラズマ生成室壁１１２の内面と同じ面に位置する（面一配置になる）。
【００６７】
換言すれば、センターリング４４の中心軸線方向長さは、ファラデーカップ部４０がフランジ５を用いてプラズマ生成室壁１１２に取り付けられた状態で、センターリング底部材を兼ねる接地電極部４３のプラズマ生成室内側の面が該プラズマ生成室壁１１２の内面と面一に配置される長さである。
【００６８】
プラズマ生成室１１に接続されたフランジ５のフランジ面上に位置するオーリング４４５はもう一つの同じサイズの、ＩＳＯ ＫＦフランジ５’との間に挟まれ、その状態で両フランジ５、５’が互いに接近するようにクランプ６により保持され、それによりオーリング４４５が両フランジ５、５’間に気密に保持されている。
【００６９】
クランプ６は基本的にはそれ自体すでに広く知られているタイプのクランプであり、フランジ５、５’を対向させた状態で嵌め込む凹所を有する一対の開閉可能の部材と、これら部材を閉じ位置に保持する螺子機構を有するものである。
【００７０】
フランジ５’には、筒状部材７が連設されている。筒状部材７にはさらにフランジ７１が連設されている。このフランジ７１も、前記フランジ５、５’とはサイズは異なるが、同じくＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＫＦフランジである。
【００７１】
フランジ７１には同じフランジ７２が対向配置されており、両フランジ７１、７２の間にセンターリング８及びこれに気密に外嵌された、気密シール用弾性リングとしてのオーリング８１とが挟まれている。そしてオーリング８１が両フランジ７１、７２の間に挟まれた状態で両フランジ７１、７２が互いに接近するようにクランプ６’により保持され、それによりオーリング８１が両フランジ７１、７２間に気密に保持されている。
クランプ６’も前記クランプ６と同タイプのものである。
【００７２】
フランジ７２には一般にＢＮＣフィードスルーと称されている電源接続用端子９１、９２が一体的に設けられており、ファラデーカップ部４０の第１電極部４１の端子４１１はラインＬ１にてセンターリング８を通って端子９１に接続され、第２電極部４２の端子４２１はラインＬ２にてセンターリング８を通って端子９２に接続されている。
かくしてファラデーカップ４０はプラズマ生成室１１に気密に取り付けられている。
【００７３】
図１、図６（Ａ）に示すように、端子９１、従って第１電極部４１には出力電圧可変の第１直流電源ＰＷ１が接続されており、端子９２、従って第２電極部４２には出力電圧可変の第２直流電源ＰＷ２が接続されている。電極部４１、４２に印加される電圧は互いに逆極性のものである。接地電極部４３はプラズマ生成室壁と同電位に設定されている。
【００７４】
図６（Ａ）に示す例では、電源ＰＷ１から第１電極部４１に正電圧を印加可能であり、電源ＰＷ２から第２電極部に負電圧を印加可能である。これにより第１電極部４１には第２電極部４２とは逆極性電圧を印加可能であり、第２電極部４２は接地電極部４３に対して負電位に設定可能である。この状態では、検出装置４の電流測定器Ａにおいてプラズマ生成室１１内プラズマ中のイオン電流を計測することができる。電流測定器Ａで検出されるイオン電流を接地電極部４３の開口４３ｈの開口面積で除算することでイオン電流密度を求めることができる。
【００７５】
また、第２電極部４２に電源ＰＷ２から印加する負電圧を一定にして第２電極部電位を一定電位とした状態で電源ＰＷ１から第１電極部４１に印加する正電圧を変化させることで、図７の右側部分に示すようにプラズマ中イオンの電位分布を求めることができる。
【００７６】
例えば、接地電極部４３に対して第２電極部４２の電位を−３０Ｖの一定として、第１電極部４１に０〜３０Ｖの範囲で正電圧を変化させて印加することでイオンの電位分布を求めることができる。例えば、第１電極部４１の電位を０Ｖにすると、０〜３０Ｖのポテンシャルを持ったイオン電流が電流測定器Ａで検出される。ここで第１電極部４１に１Ｖを印加すると、０〜１Ｖのポテンシャルを持ったイオンが第１電極部４１から第２電極部４２の方へ跳ね返され、電源ＰＷ１から電極部４１への印加電圧が０Ｖのときに測定される電流から電源ＰＷ１から電極部４１への印加電圧が１Ｖのときに測定される電流を差し引くと０〜１Ｖの範囲のポテンシャルを持ったイオン電流を求めることができる。このようにして電源ＰＷ１からの印加電圧を０〜３０Ｖまで変化させることで、各範囲でのイオン電流を求めることができる。
【００７７】
ここで、電源ＰＷ１から第１電極部４１に負電圧を印加し、電源ＰＷ２から第２電極部４２に正電圧を印加するならば、電流測定器Ａにおいてプラズマ生成室１１内プラズマ中の電子電流を計測することができる。電流測定器Ａで検出される電子電流を接地電極部４３の開口４３ｈの開口面積で除算することで電子電流密度を求めることができる。
【００７８】
また、第２電極部４２に電源ＰＷ２から印加する正電圧を一定にして第２電極部電位を一定電位とした状態で電源ＰＷ１から第１電極部４１に印加する負電圧を変化させることで、図７の左側部分に示すようにプラズマ中電子の電位分布を求めることができる。
【００７９】
図６（Ｂ）に示すように、イオン電流計測においては第１電極部４１を正電位に設定するとともに第２電極部４２を負電位に設定し、電子電流計測においては第１電極部４１を負電位に設定するとともに第２電極部４２を正電位に設定するための、切り替えスイッチＳＷ１１、ＳＷ１２を含む電源ＰＷ１及び電極部４１に対する印加電圧極性切り替え器及び切り替えスイッチＳＷ２１、ＳＷ２２を含む電源ＰＷ２及び電極部４２に対する印加電圧極性切り替え器を設けてもよい。
【００８０】
以上説明したように、荷電粒子電流計測装置４によると、簡単にイオン電流や電子電流を計測してイオン密度やイオンの電位分布、或いは電子電流密度や電子の電位分布を求めることができ、それにより目標とするプラズマ状態の再現性を感度よく確認することができ、ひいては膜形成等のプラズマ処理の歩留りの向上等が期待できる。
【００８１】
また、ファラデーカップ部４はプラズマ生成室１１内へ突出しないから、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を、プラズマの乱れを抑制できる状態で、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品のプラズマ処理に悪影響を与えないで求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明はプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができる荷電粒子電流計測装置を提供することに利用できる。
【符号の説明】
【００８３】
１ プラズマ処理装置
１１ プラズマ生成室
１１１ プラズマ生成室の天井壁
１１２ プラズマ生成室の側壁
１１０ 絶縁性部材
１２ ホルダ
１２１ ヒータ
Ｓ 基板
２ アンテナ
２０ 絶縁性部材
３１ マッチングボックス
３２ 高周波電源
４ ３２に接続されている。部分２１’は接地されている。
１３、１４ ガス導入部
１３０ モノシランガス供給装置
１４０ 水素ガス供給装置
１５ 排気装置
５、５’ ＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＦＫフランジ
４ 荷電粒子電流計測装置
４０ ファラデーカップ部
６ クランプ
４１ 第１電極部
４２ 第２電極部
４２ｈ 孔
４３ 接地電極部
４３ｈ 開口
ＰＷ１ 第１直流電源（反射電源）
ＰＷ２ 第２直流電源（極性分離電源）
Ａ 電流測定器
４４ センターリング
４４１ 大リング
４４２ 小リング
４４３ 段差棚部
４４４ オーリング嵌合部分
４４５ オーリング
４５ 絶縁性部材
４５１ 部材４５の端縁部
４６ 絶縁性部材
４６１ 部材４６の端縁部
４７ 蓋部材
７ 筒状部材
７１、７２ フランジ
８ センターリング
８１ オーリング
６’ クランプ
９１、９２ 端子
【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実施するにあたり、所望の目的とするプラズマ処理を実施するために、プラズマ中の荷電粒子の状態（プラズマ中の荷電粒子の密度、ポテンシャル分布等）を知るために荷電粒子に基づく電流を計測する荷電粒子電流計測装置に関する。
【０００２】
本発明はまた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実施するプラズマ処理装置にも関係している。
【背景技術】
【０００３】
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、プラズマ中の荷電粒子の密度やポテンシャル等の制御が重要であり、そのためにはプラズマの状態をモニタリングすることが不可欠である。
【０００４】
プラズマ状態のモニタリングには、静電プローブ法やＯＥＳ（0ptical Emission Spectrometer)による発光強度測定が利用されてきた。
【０００５】
静電プローブ法はプラズマ中に微小な電極（探針）を挿入し、電極に電圧を印加することにより、且つ、電極に印加する電圧を徐々に変化させていくことにより荷電粒子密度、電子温度、エネルギー分布等を求める方法である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
ＯＥＳによる発光強度測定は次のような原理を利用したものである。
すなわち、プラズマ生成の際、原子が励起され、その後励起状態から再び基底状態に戻る。その時に原子はその原子固有の光を放射する。この原子固有の光をＣＣＤ（電荷結合素子）で受けて、光エネルギーを電気エネルギーに変え、波長ごとに強度を表したもの（発光強度スペクトル）得て、この強度の比率をとることによりプラズマ中の成分比率を知る方法である。
【０００７】
また、イオン電流の測定には一般的にはファラデーカップが利用されている。
例えば特開平８−１７９０４６号公報には、イオン電流測定部の前に接地電極、二次電子抑制用電極を配置し、イオン電流測定部に当ったイオンにより生じる二次電子の影響が無いようにしたファラデーカップによるイオン電流計測装置が記載されている。
【０００８】
特開２０００−６５９４２号公報には、二次電子だけでなく、２次イオンの影響も抑制できるようにしたファラデーカップ利用のイオンビーム量計測装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−１７９０４６号公報
【特許文献２】特開２０００−６５９４２号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】プラズマ・核融合学会誌 第69巻8 号1993/8月講座：プラズマ実験入門IV.4. 静電プローブでプラズマを探る 雨宮 宏
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、静電プローブ法はプローブをプラズマ中に挿入することが前提であり、プローブをプラズマ中に挿入するとプラズマの場を乱し、該プラズマによる目的とする処理に支障がでる恐れがあり、プラズマ状態の把握精度が低下する恐れがある。
【００１２】
ＯＥＳによる発光強度測定では、光の強度を光ファイバーを用いて計測するため、光ファイバーで見通せる狭い立体角分の範囲しか測定できず、従って、一つのプラズマ処理装置等に対して複数個の設置が要求されるところ、ＯＥＳ計測装置は非常に高価であり、一つのプラズマ処理装置等に複数個取り付けるには費用がかかりすぎる。
【００１３】
また従来のファラデーカップでは既述のように二次電子を抑制する等してイオン電流を正確に測定できるように工夫されたものは多々見受けられるが、それ自体でイオン等の荷電粒子のポテンシャル（電位）分布を測定できるものではない。
【００１４】
そこで本発明は、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができる荷電粒子電流計測装置を提供することを第１の課題とする。
【００１５】
また本発明は、上記第１の課題を解決できる荷電粒子電流計測装置であって、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を、プラズマの乱れを抑制できる状態で、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品をプラズマ処理しているときでも該プラズマ処理に悪影響を与えないで求めることができる荷電粒子電流計測装置を提供することを第２の課題とする。
【００１６】
本発明は、プラズマを用いて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、被処理物品の処理に用いるプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができ、それにより目的とするプラズマ処理が行えているかどうかを確認しつつ目的とするプラズマ処理を良好に実施することが可能となるプラズマ処理装置を提供することを第３の課題とする。
【００１７】
また本発明は、上記第３の課題を解決できるプラズマ処理装置であって、被処理物品の処理に用いるプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を、該プラズマの乱れを抑制できる状態で、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品のプラズマ処理に悪影響を与えないで求めることができるプラズマ処理装置を提供することを第４の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は前記第１の課題を解決するために次の荷電粒子電流計測装置を提供する。
すなわち、
プラズマ生成室内に生成されるプラズマ中の荷電粒子に基づく電流を計測する荷電粒子電流計測装置であり、荷電粒子を捕捉する第１電極部、前記第１電極部の前方に配置され、前記第１電極部へ向かうべき荷電粒子を通過させる孔を有する第２電極部及び前記第２電極部の前方に配置され、前記第２電極部の前記孔を通って前記第１電極部へ向かうべき荷電粒子を通過させる開口を有する接地電極部を含むファラデーカップ部と、前記第１電極部に直流電圧を印加するための第１直流電源と、前記第２電極部に前記第１電極部に印加される直流電圧とは逆極性の直流電圧を印加するための第２直流電源と、前記第１直流電源に直列接続された電流測定器とを含む荷電粒子電流計測装置を提供する。
【００１９】
本発明に係る荷電粒子電流計測装置によると、荷電粒子を捕捉する第１電極部に第１直流電源から直流電圧を印加することができ、第１電極部の前方に配置された第２電極部に第２直流電源から第１電極部に印加される直流電圧とは逆極性の直流電圧を印加することができる。
【００２０】
このとき、第１電極部に正の直流電圧を印加し、第２電極部に負の直流電圧を印加することで、第１電極部にイオンを衝突させ、前記電流測定器でイオン電流を計測することができる。そのようにして計測されるイオン電流を前記接地電極部の開口面積で除算することでイオン電流密度を得ることができる。
【００２１】
また、第２電極部に印加する負の直流電圧を一定として第２電極部電位を負の一定電位に固定する一方、第１直流電源から第１電極部へ印加する正電圧を変化させることで、イオンの電位分布を求めることができる。
【００２２】
また、第１電極部に負の直流電圧を印加し、第２電極部に正の直流電圧を印加することで、第１電極部に電子を衝突させ、前記電流測定器で電子電流を計測することができる。そのようにして計測される電子電流を前記接地電極部の開口面積で除算することで電子電流密度を得ることができる。
【００２３】
第２電極部に印加する正の直流電圧を一定として第２電極部電位を正の一定電位に固定する一方、第１直流電源から第１電極部へ印加する負電圧を変化させることで、電子の電位分布を求めることができる。
【００２４】
本発明に係る荷電粒子電流計測装置によると、このように簡単に荷電粒子電流を計測して荷電粒子密度や荷電粒子電位分布を求めることができる。
【００２５】
本発明は前記第３の課題を解決するため、プラズマを用いて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、本発明に係る上記の荷電粒子電流計測装置を備えたプラズマ処理装置を提供する。
【００２６】
このプラズマ処理装置では、該荷電粒子電流計測装置により被処理物品をプラズマ処理するプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができ、それにより目的とするプラズマ処理が行えているかどうかを確認しつつ目的とするプラズマ処理を良好に実施することが可能となる。
【００２７】
本発明に係る荷電粒子電流計測装置は、イオン電流計測においては前記第１電極部を正電位に設定するとともに前記第２電極部を負電位に設定し、電子電流計測においては前記第１電極部を負電位に設定するとともに前記第２電極部を正電位に設定するための印加電圧極性切り替え器が前記第１電極部と前記第１直流電源の組及び前記第２電極部と前記第２直流電源の組のそれぞれに対して設けられていてもよい。
【００２８】
本発明に係る荷電粒子電流計測装置は、これを実際に使用するにあたってプラズマ生成室に簡易に取り付けられるようにするために、前記ファラデーカップ部は、前記プラズマ生成室壁に形成された開口部に予め気密に接続されたＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＦＫフランジの開口部に一部を嵌装するとともに該フランジ外に位置する残部の外周に気密シール用弾性リングを外嵌し、該気密シール用弾性リングを、前記ＩＳＯ ＫＦフランジと、該ＩＳＯ ＫＦフランジと同じＩＳＯ ＫＦフランジとの間に気密に挟着して前記プラズマ生成室に取り付けることができるファラデーカップ部としてもよい。
【００２９】
また、本発明に係る荷電粒子電流計測装置における前記ファラデーカップ部は、大リングに該大リングより内径が小さい小リングが一体的に連設されてなる、内周面に段差棚部を有するセンターリングを含んでいるものとしてもよい。
【００３０】
そして、前記第２電極部及び前記第１電極部はこの順序で該センターリングの小リング内に嵌装し、また、前記接地電極部を該センターリングの前記第２電極部側の端部に設け、これら第１及び第２の電極部を前記センターリング内側の前記段差棚部上に嵌められた蓋部材と前記接地電極部との間に挟むようにしてもよい。
【００３１】
ファラデーカップ部についてこのような構成を採用する場合、ファラデーカップ部は、予め前記プラズマ生成室の壁に形成した開口部に気密に接続されたＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＫＦフランジの開口部に前記センターリングの小径リング側から嵌装するとともに該センターリングの前記大径リングの外周に気密シール用弾性リングを外嵌し、該気密シール用弾性リングを、前記ＩＳＯ ＫＦフランジと、該ＩＳＯ ＫＦフランジと同じＩＳＯ ＫＦフランジとの間に気密に挟着して前記プラズマ生成室に取り付けることができるファラデーカップ部としてもよい。このようにすることで、荷電粒子電流計測装置を簡易にプラズマ生成室に取り付けることができる。
【００３２】
またこのような構成を採用する場合は、本発明の前記第２の課題を解決するために、ファラデーカップ部のセンターリング中心軸線方向長さを、該ファラデーカップ部が前記ＩＳＯ ＫＦフランジを用いて前記プラズマ生成室壁に取り付けられた状態で、前記接地電極部のプラズマ生成室内側の面が該プラズマ生成室壁の内面と面一に又は該プラズマ生成室壁の内面より該壁内へ後退して配置される長さとすることができる。
【００３３】
このようにファラデーカップ部の接地電極部のプラズマ生成室内側の面がプラズマ生成室壁の内面と面一に又は該プラズマ生成室壁の内面より該壁内へ後退して配置されるようにすることで、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を、プラズマの乱れを抑制できる状態で、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品のプラズマ処理に悪影響を与えないで求めることができる。
【００３４】
また前記第４の課題を解決するため、本発明に係るプラズマ処理装置は、このようなフアラデーカップ部を含む荷電粒子電流計測装置の該フアラデーカップ部をＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＦＫフランジを用いて取り付けたプラズマ生成室を含むものとすることができる。
【００３５】
このプラズマ処理装置によると、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布をプラズマを乱さないで、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品のプラズマ処理を邪魔しないで求めることができる。
【００３６】
なお、本発明に係るプラズマ処理装置は、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のうち１又は２以上を実施できる装置である。
【発明の効果】
【００３７】
以上説明したように本発明によると、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができる荷電粒子電流計測装置を提供することができる。
【００３８】
また本発明によると、上記荷電粒子電流計測装置であって、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を、プラズマの乱れを抑制できる状態で、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品をプラズマ処理しているときでも該プラズマ処理に悪影響を与えないで求めることができる荷電粒子電流計測装置を提供することができる。
【００３９】
本発明によると、プラズマを用いて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、被処理物品の処理に用いるプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができ、それにより目的とするプラズマ処理が行えているかどうかを確認しつつ目的とするプラズマ処理を良好に実施することが可能となるプラズマ処理装置を提供することを第３の課題とする。
【００４０】
また本発明によると、上記プラズマ処理装置であって、被処理物品の処理に用いるプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を、該プラズマの乱れを抑制できる状態で、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品のプラズマ処理に悪影響を与えないで求めることができる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】
【００４１】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の１例を示す図である。
【図２】本発明に係る荷電粒子電流計測装置の１例の一部を、図１のプラズマ処理装置のプラズマ生成室にＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＫＦフランジを用いて取り付けようとしている様子を示す図である。
【図３】図２に示す荷電粒子電流計測装置の部分をさらにクランプを用いてプラズマ生成室に固定取り付けしようとしている様子を示す図である。
【図４】図２に示す荷電粒子電流計測装置部分、特にファラデーカップ部の拡大断面図である。
【図５】図２に示す荷電粒子電流計測装置部分、特にファラデーカップ部の分解図である。
【図６】図６（Ａ）は荷電粒子電流計測装置の電極部への電圧印加回路の１例を示す図であり、図６（Ｂ）は同電圧印加回路の他の例を示す図である。
【図７】荷電粒子電流計測装置によるプラズマ中のイオン、電子に基づく電流の計測例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明に係るプラズマ処理装置の１例を示している。
【００４３】
図１のプラズマ処理装置１はプラズマＣＶＤ法により被処理物品に膜形成する膜形成装置であり、膜形成室を兼ねるプラズマ生成室１１を備えている。プラズマ生成室１１の天井壁１１１から室内へ高周波放電アンテナ２が挿入設置されている。高周波アンテナ２は絶縁性部材２０で被覆されており、該部材２０ごと室天井壁１１１に設けた絶縁性部材１１０に挿通されている。
【００４４】
アンテナ２は、本例ではＵ字形状のアンテナである。アンテナ２の室天井壁１１１から室外へ突出した部分２１、２１’のうち一方の部分２１はマッチングボックス３１を介して高周波電源３２に接続されている。部分２１’は接地されている。
【００４５】
プラズマ生成室１１内のアンテナ２の下方域に被処理物品（図示例では基板Ｓ）のホルダ１２が設置されており、ホルダ１２には必要に応じ被処理物品を加熱するヒータ１２１が内蔵さている。
【００４６】
図１のプラズマ処理装置１は、さらに、プラズマ生成室１１内へ所定のガスを導入するガス導入部１３、１４及び室内から排気して室内を所定の圧力に設定、維持するための排気装置１５を備えている。
【００４７】
それとは限定されないが、本例ではガス導入部１３にモノシランガス供給装置１３０が接続されており、ガス導入部１４に水素ガス供給装置１４０が接続されている。
【００４８】
また、このプラズマ処理装置１にはプラズマ生成室１内のプラズマ中の荷電粒子に基づく電流を計測する荷電粒子電流計測装置４が取り付けられている。装置４はプラズマ生成室１の側壁１１２にＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＦＫフランジ５、５’を用いて簡易に、しかし気密に取り付けられている（図２、図３参照）。
【００４９】
プラズマ処理装置１によると、次のようにして基板Ｓにシリコン膜を形成することができる。
【００５０】
すなわち、排気装置１５にてプラズマ生成室１から排気してプラズマ生成室１内をガス導入前の所定の減圧状態に設定する。このプラズマ生成室１内へモノシランガス供給装置１３０からガス導入部１３を介して所定流量でモノシランガスを導入するとともに水素ガス供給装置１４０からガス導入部１４を介して所定流量で水素ガスを導入しつつプラズマ生成室１内のガス圧を排気装置１５の運転にて膜形成が可能なプラズマ生成圧に維持しつつ、アンテナ２に高周波電源から高周波電圧を印加することで、これら導入ガスから誘導結合プラズマを生成させ、このプラズマのもとで基板Ｓにシリコン膜を形成することができる。
【００５１】
このとき、プラズマ生成室１内のプラズマ中のイオンや電子といった荷電粒子に基づく電流を荷電粒子電流計測装置４で計測し、プラズマの荷電粒子密度や荷電粒子電位分布などを求めることができ、それにより基板Ｓ上へのシリコン膜形成が所望どおり行えているかどうかを確認でき、シリコン膜形成の歩留り向上に利用できる。
【００５２】
以下、特に図２〜図６を参照して荷電粒子電流計測装置４について説明する。
計測装置４はファラデーカップ部４０を含んでいる。
【００５３】
図２はファラデーカップ部４０をプラズマ生成室１１の側壁１１２にＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＫＦフランジ５、５’を用いて取り付けようとしている様子を示している。
【００５４】
図３はファラデーカップ部４０をさらにクランプ６を用いてプラズマ生成室側壁１１２に固定取り付けしようとしている様子を示している。
【００５５】
図４はファラデーカップ部４０を拡大して断面図で示している。
【００５６】
図５はファラデーカップ部４０の分解図である。
【００５７】
図６（Ａ）は計測装置４の電極部への電圧印加回路を示している。
【００５８】
ファラデーカップ部４０は、
荷電粒子を捕捉する（衝突させる）第１電極部４１と、
第１電極部４１の前方に配置され、第１電極部４１へ向かうべき荷電粒子を通過させる孔４２ｈを有する第２電極部４２と、
第２電極部４２の前方に配置され、第２電極部４２の孔４２ｈを通って第１電極部４１へ向かうべき荷電粒子を通過させる開口４３ｈを有する接地電極部４３を含んでいる。
【００５９】
図１及び図６（Ａ）に示すように、第１電極部４１にはこれに直流電圧を印加するための出力電圧可変の第１直流電源（反射電源）ＰＷ１が接続されており、第２電極部４２にはこれに第１電極部４１に印加される直流電圧とは逆極性の直流電圧を印加するための出力電圧可変の第２直流電源（極性分離電源）ＰＷ２が接続されている。
さらに言えば、反射電源ＰＷ１は第１電極部４１と第２電極部４２との間に接続されており、さらに電源ＰＷ１に直列に電流測定器Ａが接続されている。極性分離電源ＰＷ２は接地電極部４３と第２電極部４２との間に接続されている。
【００６０】
ファラデーカップ部４０は、図３〜図５に示すように、断面円形のセンターリング４４を含んでいる。センターリング４４は断面円形の大リング４４１に、それより小径の小リング４４２を中心軸線を一致させて一体的に連設したものである。かくしてセンターリング４４は内周面に段差棚部４４３を有している。また、大リング４４１には気密シール用弾性リングを外嵌するための部分４４４を有しており、ここに気密シール用弾性リングとして所謂オーリング４４５が嵌められている。
【００６１】
小リング４４２のプラズマ生成室内へ向けられる開口部には接地電極部４３が底部材を兼ねて当てがわれている。
小リング４４２内に電気絶縁性部材４５が内嵌されている。絶縁性部材４５は、接地電極部４３側に位置すべき端縁部４５１を内側へ屈曲させた円筒形状の部材である。この部材４５内へ第２電極部４２が内嵌されている。
かくして、第２電極部４２はセンターリング４４に対しても、接地電極部４３に対しても電気的に絶縁状態にある。
【００６２】
また、小リング４４２内には、第２電極部４２の上側から電気絶縁性部材４６が内嵌されている。絶縁性部材４６は、第２電極部４２側に位置すべき端縁部４６１を内側へ屈曲させた円筒形状の部材である。この部材４６内へ第１電極部４１が内嵌されている。
かくして、第１電極部４１はセンターリング４４に対しても、第２電極部４２に対しても電気的に絶縁状態にある。
【００６３】
そして大リング４４１に蓋部材４７が内嵌され、段差棚部４４３上に配置されている。 蓋部材４７は本例では電気的に非導通性のセラミック材料で形成されている。
この状態でボルト４８が蓋部材４７側から接地電極部４３の方へ差し込まれ、接地電極部４３へ螺合され、かくして、電極部４１、４２は電気絶縁性部材４５、４６を間に介在させた状態で蓋部材４７と接地電極部４３との間に挟着され、且つ、センターリング４４２内に固定されている。
【００６４】
第１電極部４１には配線接続用端子４１１が、第２電極部４２には配線接続用端子４２１がそれぞれ立設されており、これらは、蓋部材４７に形成された孔を蓋部材４７に触れることなく貫通して蓋部材４７の外側まで延び出ている。
【００６５】
このファラデーカップ部４０は、図３に示すように、プラズマ生成室壁１１２に形成された開口部に予め気密に接続されたＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＦＫフランジ５の開口部に一部が嵌装される。この場合のファラデーカップ部４０の一部とは、接地電極部４３と、電極部４１及び４２等を含むセンターリング４４の小リング４４２と、センターリング４４の前記段差棚部４４３とを含む部分である。
センターリング４４の大リング４４１の大部分とオーリング４４５はプラズマ生成室１１に接続されたフランジ５のフランジ面上に位置する。
【００６６】
このようにファラデーカップ部４０がフランジ５にセットされた状態では、接地電極部４３のプラズマ生成室内側に向けられた面がプラズマ生成室壁１１２の内面と同じ面に位置する（面一配置になる）。
【００６７】
換言すれば、センターリング４４の中心軸線方向長さは、ファラデーカップ部４０がフランジ５を用いてプラズマ生成室壁１１２に取り付けられた状態で、センターリング底部材を兼ねる接地電極部４３のプラズマ生成室内側の面が該プラズマ生成室壁１１２の内面と面一に配置される長さである。
【００６８】
プラズマ生成室１１に接続されたフランジ５のフランジ面上に位置するオーリング４４５はもう一つの同じサイズの、ＩＳＯ ＫＦフランジ５’との間に挟まれ、その状態で両フランジ５、５’が互いに接近するようにクランプ６により保持され、それによりオーリング４４５が両フランジ５、５’間に気密に保持されている。
【００６９】
クランプ６は基本的にはそれ自体すでに広く知られているタイプのクランプであり、フランジ５、５’を対向させた状態で嵌め込む凹所を有する一対の開閉可能の部材と、これら部材を閉じ位置に保持する螺子機構を有するものである。
【００７０】
フランジ５’には、筒状部材７が連設されている。筒状部材７にはさらにフランジ７１が連設されている。このフランジ７１も、前記フランジ５、５’とはサイズは異なるが、同じくＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＫＦフランジである。
【００７１】
フランジ７１には同じフランジ７２が対向配置されており、両フランジ７１、７２の間にセンターリング８及びこれに気密に外嵌された、気密シール用弾性リングとしてのオーリング８１とが挟まれている。そしてオーリング８１が両フランジ７１、７２の間に挟まれた状態で両フランジ７１、７２が互いに接近するようにクランプ６’により保持され、それによりオーリング８１が両フランジ７１、７２間に気密に保持されている。
クランプ６’も前記クランプ６と同タイプのものである。
【００７２】
フランジ７２には一般にＢＮＣフィードスルーと称されている電源接続用端子９１、９２が一体的に設けられており、ファラデーカップ部４０の第１電極部４１の端子４１１はラインＬ１にてセンターリング８を通って端子９１に接続され、第２電極部４２の端子４２１はラインＬ２にてセンターリング８を通って端子９２に接続されている。
かくしてファラデーカップ４０はプラズマ生成室１１に気密に取り付けられている。
【００７３】
図１、図６（Ａ）に示すように、端子９１、従って第１電極部４１には出力電圧可変の第１直流電源ＰＷ１が接続されており、端子９２、従って第２電極部４２には出力電圧可変の第２直流電源ＰＷ２が接続されている。電極部４１、４２に印加される電圧は互いに逆極性のものである。接地電極部４３はプラズマ生成室壁と同電位に設定されている。
【００７４】
図６（Ａ）に示す例では、電源ＰＷ１から第１電極部４１に正電圧を印加可能であり、電源ＰＷ２から第２電極部に負電圧を印加可能である。これにより第１電極部４１には第２電極部４２とは逆極性電圧を印加可能であり、第２電極部４２は接地電極部４３に対して負電位に設定可能である。この状態では、検出装置４の電流測定器Ａにおいてプラズマ生成室１１内プラズマ中のイオン電流を計測することができる。電流測定器Ａで検出されるイオン電流を接地電極部４３の開口４３ｈの開口面積で除算することでイオン電流密度を求めることができる。
【００７５】
また、第２電極部４２に電源ＰＷ２から印加する負電圧を一定にして第２電極部電位を一定電位とした状態で電源ＰＷ１から第１電極部４１に印加する正電圧を変化させることで、図７の右側部分に示すようにプラズマ中イオンの電位分布を求めることができる。
【００７６】
例えば、接地電極部４３に対して第２電極部４２の電位を−３０Ｖの一定として、第１電極部４１に０〜３０Ｖの範囲で正電圧を変化させて印加することでイオンの電位分布を求めることができる。例えば、第１電極部４１の電位を０Ｖにすると、０〜３０Ｖのポテンシャルを持ったイオン電流が電流測定器Ａで検出される。ここで第１電極部４１に１Ｖを印加すると、０〜１Ｖのポテンシャルを持ったイオンが第１電極部４１から第２電極部４２の方へ跳ね返され、電源ＰＷ１から電極部４１への印加電圧が０Ｖのときに測定される電流から電源ＰＷ１から電極部４１への印加電圧が１Ｖのときに測定される電流を差し引くと０〜１Ｖの範囲のポテンシャルを持ったイオン電流を求めることができる。このようにして電源ＰＷ１からの印加電圧を０〜３０Ｖまで変化させることで、各範囲でのイオン電流を求めることができる。
【００７７】
ここで、電源ＰＷ１から第１電極部４１に負電圧を印加し、電源ＰＷ２から第２電極部４２に正電圧を印加するならば、電流測定器Ａにおいてプラズマ生成室１１内プラズマ中の電子電流を計測することができる。電流測定器Ａで検出される電子電流を接地電極部４３の開口４３ｈの開口面積で除算することで電子電流密度を求めることができる。
【００７８】
また、第２電極部４２に電源ＰＷ２から印加する正電圧を一定にして第２電極部電位を一定電位とした状態で電源ＰＷ１から第１電極部４１に印加する負電圧を変化させることで、図７の左側部分に示すようにプラズマ中電子の電位分布を求めることができる。
【００７９】
図６（Ｂ）に示すように、イオン電流計測においては第１電極部４１を正電位に設定するとともに第２電極部４２を負電位に設定し、電子電流計測においては第１電極部４１を負電位に設定するとともに第２電極部４２を正電位に設定するための、切り替えスイッチＳＷ１１、ＳＷ１２を含む電源ＰＷ１及び電極部４１に対する印加電圧極性切り替え器及び切り替えスイッチＳＷ２１、ＳＷ２２を含む電源ＰＷ２及び電極部４２に対する印加電圧極性切り替え器を設けてもよい。
【００８０】
以上説明したように、荷電粒子電流計測装置４によると、簡単にイオン電流や電子電流を計測してイオン密度やイオンの電位分布、或いは電子電流密度や電子の電位分布を求めることができ、それにより目標とするプラズマ状態の再現性を感度よく確認することができ、ひいては膜形成等のプラズマ処理の歩留りの向上等が期待できる。
【００８１】
また、ファラデーカップ部４はプラズマ生成室１１内へ突出しないから、プラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を、プラズマの乱れを抑制できる状態で、従ってそれだけ精度よく、また、被処理物品のプラズマ処理に悪影響を与えないで求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明はプラズマ中の荷電粒子の密度や荷電粒子の電位分布を簡易に求めることができる荷電粒子電流計測装置を提供することに利用できる。
【符号の説明】
【００８３】
１ プラズマ処理装置
１１ プラズマ生成室
１１１ プラズマ生成室の天井壁
１１２ プラズマ生成室の側壁
１１０ 絶縁性部材
１２ ホルダ
１２１ ヒータ
Ｓ 基板
２ アンテナ
２０ 絶縁性部材
３１ マッチングボックス
３２ 高周波電源
４ ３２に接続されている。部分２１’は接地されている。
１３、１４ ガス導入部
１３０ モノシランガス供給装置
１４０ 水素ガス供給装置
１５ 排気装置
５、５’ ＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＦＫフランジ
４ 荷電粒子電流計測装置
４０ ファラデーカップ部
６ クランプ
４１ 第１電極部
４２ 第２電極部
４２ｈ 孔
４３ 接地電極部
４３ｈ 開口
ＰＷ１ 第１直流電源（反射電源）
ＰＷ２ 第２直流電源（極性分離電源）
Ａ 電流測定器
４４ センターリング
４４１ 大リング
４４２ 小リング
４４３ 段差棚部
４４４ オーリング嵌合部分
４４５ オーリング
４５ 絶縁性部材
４５１ 部材４５の端縁部
４６ 絶縁性部材
４６１ 部材４６の端縁部
４７ 蓋部材
７ 筒状部材
７１、７２ フランジ
８ センターリング
８１ オーリング
６’ クランプ
９１、９２ 端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成室内に生成されるプラズマ中の荷電粒子に基づく電流を計測する荷電粒子電流計測装置であり、荷電粒子を捕捉する第１電極部、前記第１電極部の前方に配置され、前記第１電極部へ向かうべき荷電粒子を通過させる孔を有する第２電極部及び前記第２電極部の前方に配置され、前記第２電極部の前記孔を通って前記第１電極部へ向かうべき荷電粒子を通過させる開口を有する接地電極部を含むファラデーカップ部と、前記第１電極部に直流電圧を印加するための第１直流電源と、前記第２電極部に前記第１電極部に印加される直流電圧とは逆極性の直流電圧を印加するための第２直流電源と、前記第１直流電源に直列接続された電流測定器とを含むことを特徴とする荷電粒子電流計測装置。
【請求項２】
前記ファラデーカップ部は、前記プラズマ生成室壁に形成された開口部に予め気密に接続されたＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＦＫフランジの開口部に一部を嵌装するとともに該フランジ外に位置する残部の外周に気密シール用弾性リングを外嵌し、該気密シール用弾性リングを前記ＩＳＯ ＫＦフランジと、該ＩＳＯ ＫＦフランジと同じＩＳＯ ＫＦフランジとの間に気密に挟着して前記プラズマ生成室に取り付けることができるファラデーカップ部である請求項１記載の荷電粒子電流計測装置。
【請求項３】
前記ファラデーカップ部は、大リングに該大リングより内径が小さい小リングが一体的に連設されてなる、内周面に段差棚部を有するセンターリングを含んでおり、
前記第２電極部及び前記第１電極部はこの順序で該センターリングの小リング内に嵌装されており、前記接地電極部は前記センターリングの前記第２電極部側の端部に設けられており、前記第２電極部及び前記第１電極部は前記センターリング内側の前記段差棚部上に嵌められた蓋部材と前記接地電極部との間に挟まれている請求項１記載の荷電粒子電流計測装置。
【請求項４】
前記ファラデーカップ部は、予め前記プラズマ生成室の壁に形成した開口部に気密に接続されたＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＫＦフランジの開口部に前記センターリングの小径リング側から嵌装するとともに該センターリングの前記大径リングの外周に気密シール用弾性リングを外嵌し、該気密シール用弾性リングを前記ＩＳＯ ＫＦフランジと、該ＩＳＯ ＫＦフランジと同じＩＳＯ ＫＦフランジとの間に気密に挟着して前記プラズマ生成室に取り付けることができるファラデーカップ部である請求項３記載の荷電粒子電流計測装置。
【請求項５】
前記ファラデーカップ部のセンターリング中心軸線方向長さは、該ファラデーカップ部が前記ＩＳＯ ＫＦフランジを用いて前記プラズマ生成室壁に取り付けられた状態で、前記接地電極部のプラズマ生成室内側の面が該プラズマ生成室壁の内面と面一に又は該プラズマ生成室壁の内面より該壁内へ後退して配置される長さである請求項４記載の荷電粒子電流計測装置。
【請求項６】
イオン電流計測にあたっては前記第１電極部を正電位に設定するとともに前記第２電極部を負電位に設定し、電子電流計測にあたっては前記第１電極部を負電位に設定するとともに前記第２電極部を正電位に設定するための印加電圧極性切り替え器が前記第１電極部と前記第１直流電源の組及び前記第２電極部と前記第２直流電源の組のそれぞれに対して設けられている請求項１から５のいずれか１項に記載の荷電粒子電流計測装置。
【請求項７】
請求項２、４又は５記載の荷電粒子電流計測装置を該荷電粒子電流計測装置の前記ファラデーカップ部で前記ＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＫＦフランジを用いて取り付けた前記プラズマ生成室を含むプラズマ処理装置。
【請求項１】
プラズマ生成室内に生成されるプラズマ中の荷電粒子に基づく電流を計測する荷電粒子電流計測装置であり、荷電粒子を捕捉する第１電極部、前記第１電極部の前方に配置され、前記第１電極部へ向かうべき荷電粒子を通過させる孔を有する第２電極部及び前記第２電極部の前方に配置され、前記第２電極部の前記孔を通って前記第１電極部へ向かうべき荷電粒子を通過させる開口を有する接地電極部を含むファラデーカップ部と、前記第１電極部に直流電圧を印加するための第１直流電源と、前記第２電極部に前記第１電極部に印加される直流電圧とは逆極性の直流電圧を印加するための第２直流電源と、前記第１直流電源に直列接続された電流測定器とを含むことを特徴とする荷電粒子電流計測装置。
【請求項２】
前記ファラデーカップ部は、前記プラズマ生成室壁に形成された開口部に予め気密に接続されたＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＦＫフランジの開口部に一部を嵌装するとともに該フランジ外に位置する残部の外周に気密シール用弾性リングを外嵌し、該気密シール用弾性リングを前記ＩＳＯ ＫＦフランジと、該ＩＳＯ ＫＦフランジと同じＩＳＯ ＫＦフランジとの間に気密に挟着して前記プラズマ生成室に取り付けることができるファラデーカップ部である請求項１記載の荷電粒子電流計測装置。
【請求項３】
前記ファラデーカップ部は、大リングに該大リングより内径が小さい小リングが一体的に連設されてなる、内周面に段差棚部を有するセンターリングを含んでおり、
前記第２電極部及び前記第１電極部はこの順序で該センターリングの小リング内に嵌装されており、前記接地電極部は前記センターリングの前記第２電極部側の端部に設けられており、前記第２電極部及び前記第１電極部は前記センターリング内側の前記段差棚部上に嵌められた蓋部材と前記接地電極部との間に挟まれている請求項１記載の荷電粒子電流計測装置。
【請求項４】
前記ファラデーカップ部は、予め前記プラズマ生成室の壁に形成した開口部に気密に接続されたＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＫＦフランジの開口部に前記センターリングの小径リング側から嵌装するとともに該センターリングの前記大径リングの外周に気密シール用弾性リングを外嵌し、該気密シール用弾性リングを前記ＩＳＯ ＫＦフランジと、該ＩＳＯ ＫＦフランジと同じＩＳＯ ＫＦフランジとの間に気密に挟着して前記プラズマ生成室に取り付けることができるファラデーカップ部である請求項３記載の荷電粒子電流計測装置。
【請求項５】
前記ファラデーカップ部のセンターリング中心軸線方向長さは、該ファラデーカップ部が前記ＩＳＯ ＫＦフランジを用いて前記プラズマ生成室壁に取り付けられた状態で、前記接地電極部のプラズマ生成室内側の面が該プラズマ生成室壁の内面と面一に又は該プラズマ生成室壁の内面より該壁内へ後退して配置される長さである請求項４記載の荷電粒子電流計測装置。
【請求項６】
イオン電流計測にあたっては前記第１電極部を正電位に設定するとともに前記第２電極部を負電位に設定し、電子電流計測にあたっては前記第１電極部を負電位に設定するとともに前記第２電極部を正電位に設定するための印加電圧極性切り替え器が前記第１電極部と前記第１直流電源の組及び前記第２電極部と前記第２直流電源の組のそれぞれに対して設けられている請求項１から５のいずれか１項に記載の荷電粒子電流計測装置。
【請求項７】
請求項２、４又は５記載の荷電粒子電流計測装置を該荷電粒子電流計測装置の前記ファラデーカップ部で前記ＪＩＳ真空規格のＩＳＯ ＫＦフランジを用いて取り付けた前記プラズマ生成室を含むプラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−３８５２５（Ｐ２０１２−３８５２５Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７６６４７（Ｐ２０１０−１７６６４７）
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【Ｆターム（参考）】
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