JP2004235090A - Method for correcting sensitivity of ion energy analyzer - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for correcting sensitivity of an ion energy analyzer for accurately measuring an energy distribution. <P>SOLUTION: When the measurement value of an ion current is set to I<SB>ion</SB>(ε)<SP>meas</SP>and the dependence of sensitivity (S) of the ion energy analyzer on an energy (ε) is set to S(ε), the dependence S(ε) of the ion energy analyzer on the energy (ε) is obtained so that a value of an area of an ion energy distribution (IED) obtained by a formula ∫<SB>0</SB><SP>∞</SP>I<SB>ion</SB>(ε)<SP>meas</SP>/S(ε)dε to express the area of the ion energy distribution (IED) may become constant to bias electric power, thereby the sensitivity (S) of the analyzer is corrected. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体や電子部品、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や、その基板上に膜を堆積させるプラズマCVDやスパッタリング装置等に用いられるプロセスプラズマ用のイオンエネルギー分析器の感度補正法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
プラズマプロセス装置の高周波バイアス電極に入射するイオンのエネルギー分析器のエネルギーフィルターとしては、同軸型(例えば、特許文献1参照)とセクター型(例えば、特許文献2参照)がある。
【0003】
同軸型では分析器の構成が簡単で電極の数も少ないために製作しやすく、コストも低く、計測時の操作も簡便であるという利点がある半面、感度がエネルギーに依存するために、低エネルギー域での信号強度と高エネルギー域での信号強度を比較することができず、従って正確なエネルギー分布を得ることができないという欠点がある。
【0004】
他方、セクター型では、感度がエネルギーに依存しないので、低エネルギー域での信号強度と高エネルギー域での信号強度を比較することができ、従って正確なエネルギー分布を得ることができるという特長がある半面、分析器の構成が複雑で電極の数も多いために製作が困難で、コストも高く、計測時の操作も複雑であるという欠点がある。
【0005】
添付図面の図1に同軸型の構成を示す。
図示していないプラズマ発生室内に配置されたプラズマ発生用電極(図示していない)に対向して基板電極1が設けられ、基板電極1は、プラズマ発生室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すなわちオリフィス1aを備えており、そしてバイアス用高周波電源2に接続されている。
【0006】
基板電極1の外側にはエネルギー分析器3が配置され、このエネルギー分析器3は、真空容器すなわちエンベロープ4内に配置された引き込み電極5、レンズ電極6、外筒電極7及び内筒電極8を備え、これらの各電極は図示したようにそれぞれの電源に接続されている。エネルギー分析器3の後段には穴電極9を介して四重極型の質量分析計10及びイオン検出器11が配置されている。エンベロープ4の先端には絶縁碍子12を介してベースフランジ13が結合されている。
【0007】
引き込み電極5の電位は基板電極1の電位より数10Vから100V程度低く設定され、それにより、数10eV以下の低エネルギーイオン束が空間電荷効果で広がるのを防いでいる。プラズマ密度と基板電極1のオリフィス1aの径で決まるイオン電流値が大きく(10−7A程度以上)空間電荷効果が無視できない場合に、引き込み電極5による引き込みを行わないと、イオン束が広がりすぎるために低エネルギー域で感度が低下する。レンズ電極6はイオン軌道を修正し感度の低下を軽減するように作用する。外筒電極7及び内筒電極8との間の電場によりイオン軌道を曲げ、穴電極9を通過させ、特定のエネルギーのイオンのみがエネルギー分析器3を通過し、質量分析計10へと運ばれる。Voutを一定にし、Vscanを掃引することでエネルギー分析が行われる。エネルギー分析には4つの電源が必要である。
【0008】
図2にセクター型のエネルギー分析器の構成を示す。図2において21は図示していないプラズマ発生室内に配置されたプラズマ発生用電極(図示していない)に対向して設けられた基板電極であり、この基板電極21は、プラズマ発生室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すなわちオリフィス21aを備えており、そしてバイアス用高周波電源22に接続されている。基板電極21の外側には、引き込み電極23、レンズ効果を発生するレンズ電極24、輸送管25、輸送管25内に配列された四つの偏向電極26、低エネルギーイオンの軌道を広げないままセクター部まで運ぶ輸送管25の下端に設けられ、レンズ効果を発生する電極27、セクター部を形成しているセクター内側電極28及びセクター外側電極29が順に設けられている。また30は穴電極であり、この穴電極30を介して図示していない四重極型の質量分析計及びイオン検出器へ接続される。これらの各電極には図示したようにそれぞれの電源が接続されている。
【0009】
図2に示す構成では引き込み電極23、レンズ電極24の他、低エネルギーイオンの軌道を広げないままセクター部まで運ぶための輸送管25が設けられ、その電位も基板電極22より数10Vから100V程度低く設定される。セクター部でイオン軌道が曲がるために質量分析計は曲がって取り付けられるため、取り付けのスペースの問題から基板電極22から質量分析計までを離さざるを得ず、そのために輸送管25が必要になる。輸送部が長くなるとイオンビームの軸調整が必要になり、そのためにXとY方向それぞれに正と負の向き用に四つの偏向電極26が設けられている。輸送管25とセクター部は電位が異なるために、その間でレンズ効果が発生するので、それを考慮に入れたVscan、Vtubeの掃引が必要になる。セクター部での電場でイオン軌道を曲げ特定のエネルギーのイオンのみ通過させ、Vscanの掃引によりエネルギー分析がなされる。従って10個の電極及び電源が必要となり、同軸型に比べ複雑でコストも高くなる。
なお同軸型及びセクター型のいずれにおいても、引き込み電極に透過率の低いメッシュを重ねて張りイオン電流を下げることで空間電荷効果を低減することが可能である。
【0010】
図3及び図4にはシースで衝突がない場合の入射角度分布の例を示す。垂直入射を0度としている。図4はφで積分した後の角度分布である。無衝突イオンの入射角度分布はイオンシース端での横方向の速度分布、即ち、イオン横温度に起因し決まる(例えば、非特許文献1参照)。イオンシース端でのイオン横温度は0.1eV程度であり、図3及び図4における横軸の1目盛りは1度のオーダーである。電荷交換衝突で生成されたイオンの入射角度はそれより小さく(横温度0.03eV程度)、弾性衝突を起こしたイオンの入射角度はそれより大きい(例えば、非特許文献1、2参照)。
【0011】
一般に質量分析計の手前に設置するエネルギーフィルター型の分析器では、分析可能な入射角度範囲は数度以内であるので、ここでは無衝突イオンと電荷交換衝突で生成されたイオンを考える。
【0012】
セクター型では図5に示すように、数度以内ならあらゆるエネルギーで一様な感度で取り込むことができる(例えば、特許文献2参照)。即ち、あらゆるエネルギーの入射イオンを全て取り込むので、感度のエネルギー依存性の問題はない。しかし、上述のように装置構成、装置の操作は複雑で困難なものとなり、製作コストも高くなる。
【0013】
一方、同軸型ではその分析器の形状からして、角度分布の一部しか取り込んでいない。空間電荷効果がなく、かつ、オリフィス以降の電場が基板電極に平行の場合には、取り込み範囲は、図6に示すように角度分布と相似の関係でエネルギーに対して変化する。この場合には、エネルギーに依存する取り込み範囲を明確に示せれば有効な測定データとなり得る。しかし、実際には、オリフィス電極裏面の構造に起因する電場の構成分やレンズに起因する構成分が存在し、図6のようにはならない。仮に、それらをなくしたとしても、空間電荷効果を完全になくすのは困難であり、図7に示すように取り込む範囲はエネルギーに依存し、無衝突の角度分布に対する相似の関係もなくなる。従って、「角度分布の一部しか取り込んでおらず、その取り込み範囲も明確ではない」との状況に陥り、「何を測定したのか分からない」ということになる。このことは分析器の軸のずれがある場合にも同様のことが起きると考える。
【0014】
【特許文献1】
特開平 9−265937号公報
【特許文献2】
特開平11−250854号公報
【非特許文献1】
N. Mizutani et al., J. Vac. Sci. Technol. A 19, 1298 (2001)
【非特許文献2】
N. Mizutani et al., Jpn. J. Appl. Phys. 38, (1999) 4206.,
【非特許文献3】
N. Mizutani et al., Thin Solid Films 374 (2000) 167
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、簡便な同軸型でもセクター型と同等の性能すなわち垂直入射から数度以内の範囲の入射イオン、即ち、シースでの無衝突イオンと電荷交換衝突で生成されたイオンを全て取り込んだ場合に得られる正確なエネルギー分布を測定できるようにする、イオンエネルギー分析器の感度の補正方法を提供することを目的としている。
【0016】
【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、本発明によれば、プラズマプロセス装置のプラズマから入射するイオンのエネルギーを計測する、同軸型のエネルギーフィルターを備えたイオンエネルギー分析器におけるエネルギーに依存する感度を補正する方法において、
イオン電流の測定値をΙion(ε)measとし、イオンエネルギー分析器の感度(S)のエネルギー(ε)への依存性をS(ε)とするとき、イオンエネルギー分布(IED)の面積を表す式
Ιion(ε)meas/S(ε)dε
で求めたイオンエネルギー分布(IED)の面積の値がバイアス電力に対して一定になるようにイオンエネルギー分析器の感度(S)のエネルギー(ε)への依存性S(ε)を求め、それによりイオンエネルギー分析器の感度(S)を補正することを特徴としている。
【0017】
本発明による方法においては、同軸型において一部しか取り込んでいないという概念は、感度が低下しているという概念であると考え、入射角度範囲の一部しか取り込んでいない同軸型で、垂直入射から数度以内の範囲のイオンを全て取り込んだ結果を得るように補正しようとするものである。
【0018】
同軸型のイオンエネルギー分析器において、感度Sのエネルギーεへの依存性S(ε)を求めておき、それを用いて測定結果を補正する。S(ε)は以下のようにして求める。
プロセスプラズマ装置のプラズマソース側で主にプラズマを生成し、バイアス側でイオンを引き込む場合には、イオンエネルギー分布(IED)の面積はバイアス側電源の電極によらず一定となる。他方、イオンエネルギー分布(IED)のエネルギーに対する位置はバイアス側の電力に応じて変化する。イオンエネルギー分布(IED)の面積は、イオン電流値をΙion(ε)とすると、式
Ιion(ε)dε (1)
で表される。
【0019】
従って、感度補正した後のイオンエネルギー分布(IED)の面積は、イオン電流の測定値をΙion (ε)measとすると下式で表される。
Ιion(ε)meas/S(ε)dε (2)
【0020】
S(ε)は、式(2)で与えられる値がバイアス電力に対して一定になるようにして求められる。この場合、S(ε)の導出は、S(ε)の関数形を仮定しておき、式(2)により感度補正後のIEDの面積を各バイアス電力値について求めて比較し、それらが一致するようにS(ε)の関数形を変えながらS(ε)を求めることにより行われ得る。
こうしてS(ε)が求まれば、Ιion(ε)meas/S(ε)が感度補正されたイオン電流値であり、従ってエネルギーに対してプロットすれば感度補正されたイオンエネルギー分布(IED)となる。
【0021】
また、S(ε)の導出には、シースでの電荷交換衝突により生成されたイオンの電流値のエネルギー依存性を利用することができる。衝突頻度があまり大きくない場合には、その電流値のベースラインはエネルギーにはほとんど依存しないことが分かっている(例えば、非特許文献2、3参照)ので、このことをS(ε)の導出に利用できる。
【0022】
以上の方法により、同軸型のイオンエネルギー分析器においてS(ε)を導出し、測定結果をΙion(ε)meas/S(ε)と補正すれば、装置構成及び計測操作が簡便な同軸型のイオンエネルギー分析器においても、正しいイオンエネルギー分布を得ることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面の図8〜図11を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【0024】
図8には、「シース長」と「背景ガス原子、分子との衝突の平均自由行程」の関係で決まる「シースでの衝突頻度」が小さい場合のイオンエネルギー分布(IED)の例を示す。バイアス周波数は2MHzであり、バイアス電力値は3つの値に変えられている。バイアス電力の増加に従い、図中の実線、破線、点線と変化する。横軸の1目盛りは、50から500eVのオーダーであり、プラズマ装置、用いるガス、投入電力など条件により異なる。ソース側で主にプラズマを生成し、バイアス側では生成に寄与していない場合には、図8に示すようにイオンエネルギー分布(IED)の面積は変化しないはずである。従って、もし、測定結果が図9に示すようであれば、高エネルギー域で感度が低下していると判断できる。
【0025】
本発明の方法ではすでに述べたように、式(2)
Ιion(ε)meas/S(ε)dε
が3つのイオンエネルギー分布(IED)で等しくなるようにS(ε)を求めればよく(図10)、こうして求めたS(ε)を用いてΙion(ε)meas/S(ε)を求めれば、それが感度補正された正しいイオンエネルギー分布(IED)となる。
【0026】
なお、イオンエネルギー分布(IED)は3つに限ることなく、数が多ければそれだけ精度よくS(ε)を求めることができる。また、高エネルギー域での感度低下の例を示したが、任意のエネルギー域での感度低下に対しても同様に対応可能である。
【0027】
図11にはシースで電荷交換衝突がある場合の例を示す。垂直入射から数度以内の範囲のイオンを全て取り込んだ場合である。無衝突イオンと電荷交換衝突で生成されたイオンはその範囲に入る。低エネルギー域すなわち無衝突イオンに起因する鞍型の分布形状よりも低エネルギーをもつ領域での拡大である。バイアス周波数が2MHzでは図示したようにピークはなく、衝突頻度があまり大きくない場合には、ほぼフラットな分布となる。周波数が高くなるとピークが現れるが、そのベースラインはやはりほぼフラットである。
【0028】
従って、この領域での電荷交換衝突に起因するイオン電流値の測定結果がもしフラットでなければ、感度S(ε)がエネルギーに対して一定ではなく変化していると判断できる。 イオン電流値の測定結果はS(ε)に比例しているので、この領域でのイオン電流測定値のεに対する振る舞いは、S(ε)のそれを直接反映し示している。このように電荷交換衝突を感度S(ε)の導出に利用すれば、S(ε)をより精度よく導出できる。
【0029】
本発明では、入射角度範囲の一部しか取り込んでいない同軸型で、垂直入射から数度以内の範囲のイオンを全て取り込んだ結果を得るように補正しようとするものである。バイアス電力が異なり、エネルギー分布が異なると空間電荷効果も変わるので、あるエネルギーでの取り込み角度範囲も変化する可能性はある。従って、完全に矛盾なく補正することは不可能であり、そのことは測定原理に起因する避けられない問題である。しかしながら、実際に同軸型で測定し、それを本発明により補正した結果は、セクター型での測定結果と特に差はなく、実際にはこの補正方法が十分使えると認められる。同軸型で測定し本発明で補正した結果が計算結果ともよく合い、エネルギーと角度の両方を測定した結果、即ち、広い入射角度範囲のイオンを全て取り込んだ正しい測定結果ともよく合うことからも、本発明の補正方法の有効性を認めることができる。
【0030】
例えセクター型であっても、空間電荷効果を無くせない場合、すなわちプラズマ密度が高く、かつ、堆積製のプラズマのためオリフィス径を小さくできないなどの場合には、低エネルギー域でイオンビームが広がるので、低エネルギー域での感度低下が起こ得るが、そのような場合にも、本発明の方法により感度を補正することが可能である。
【0031】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によるイオンエネルギー分析器におけるイオンエネルギー感度補正方法においては、
イオン電流の測定値をΙion(ε)measとし、イオンエネルギー分析器の感度(S)のエネルギー(ε)への依存性をS(ε)とするとき、イオンエネルギー分布(IED)の面積を表す式
Ιion(ε)meas/S(ε)dε
で求めたイオンエネルギー分布(IED)の面積の値がバイアス電力に対して一定になるようにイオンエネルギー分析器の感度(S)のエネルギー(ε)への依存性S(ε)を求め、それによりイオンエネルギー分析器の感度(S)を補正するので、簡便な同軸型のイオンエネルギー分析器でも正確なイオンエネルギー分布を計測でき、すなわち垂直入射から数度以内のイオンを全て取り込んだ場合と同様のイオンエネルギー分布が得られるという効果を奏する。これにより、装置構成が複雑なセクター型のイオンエネルギー分析器を必要とせず、小型化が可能になり、電極の数が少なくなるため製作コストを削減でき、計測の操作も簡単になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】同軸型のイオンエネルギー分析器の構成図。
【図2】セクター型のイオンエネルギー分析器の構成図。
【図3】入射角度の定義と20eVと200eVでの角度分布(φでの積分の前)の概略を示すグラフ。
【図4】20eVと200eVでの入射角度分布(φでの積分の後)の概略を示すグラフ。
【図5】セクター型のイオンエネルギー分析器で20eVと200eVでの取り込める入射角度範囲の概略を示すグラフ。
【図6】同軸型のイオンエネルギー分析器で、空間電荷効果やレンズ効果が全くない理想的な場合の、20eVと200eVでの取り込める入射角度範囲の概略を示すグラフ。
【図7】同軸型のイオンエネルギー分析器で、空間電荷効果やレンズ効果が存在する実際の場合の、20eVと200eVでの取り込める入射角度範囲の概略を示すグラフ。
【図8】シースでの衝突頻度が小さく、バイアス周波数が2MHzで、垂直入射から数度以内の無衝突イオンと電荷交換衝突で生成されたイオンの全てを取り込んだイオンエネルギー分布の、異なる3つのバイアス電力での概略図。
【図9】図8と同じプラズマ及びバイアス条件で、同軸型で測定して、高エネルギー域で感度が低下している場合の概略図。
【図10】図9の測定結果から、図8の理想的な矛盾のない複数のエネルギー分布を得るように求めた感度S(ε)の概略図。
【図11】イオンエネルギー分布の低エネルギー域の拡大図。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a sensitivity correction of an ion energy analyzer for process plasma used in an etching apparatus for etching semiconductors, electronic components, and other substances on a substrate, a plasma CVD or a sputtering apparatus for depositing a film on the substrate, and the like. It is about the law.
[0002]
[Prior art]
As an energy filter of an energy analyzer for ions incident on a high-frequency bias electrode of a plasma processing apparatus, there are a coaxial type (for example, see Patent Document 1) and a sector type (for example, see Patent Document 2).
[0003]
The coaxial type has the advantages that the analyzer configuration is simple and the number of electrodes is small, so it is easy to manufacture, the cost is low, and the operation at the time of measurement is simple.On the other hand, since the sensitivity depends on energy, low energy There is a disadvantage that the signal intensity in the high frequency region cannot be compared with the signal intensity in the high energy region, and thus an accurate energy distribution cannot be obtained.
[0004]
On the other hand, in the sector type, since the sensitivity does not depend on the energy, it is possible to compare the signal intensity in the low energy region with the signal intensity in the high energy region, and thus obtain an accurate energy distribution. On the other hand, there are drawbacks in that the analyzer is complicated and the number of electrodes is large, so that it is difficult to manufacture, the cost is high, and the operation at the time of measurement is complicated.
[0005]
FIG. 1 of the accompanying drawings shows a coaxial configuration.
A substrate electrode 1 is provided to face a plasma generation electrode (not shown) arranged in a plasma generation chamber (not shown), and the substrate electrode 1 attracts ions to a position in contact with plasma generated in the plasma generation chamber. Opening or orifice 1a, and is connected to a high frequency power supply 2 for bias.
[0006]
An energy analyzer 3 is arranged outside the substrate electrode 1, and the energy analyzer 3 includes a pull-in electrode 5, a lens electrode 6, an outer cylinder electrode 7, and an inner cylinder electrode 8 arranged in a vacuum container or envelope 4. These electrodes are connected to respective power sources as shown. A quadrupole-type mass spectrometer 10 and an ion detector 11 are disposed downstream of the energy analyzer 3 via a hole electrode 9. A base flange 13 is connected to a front end of the envelope 4 via an insulator 12.
[0007]
The potential of the pull-in electrode 5 is set to be several tens of volts to 100 volts lower than the potential of the substrate electrode 1, thereby preventing the low energy ion flux of several tens eV or less from spreading due to the space charge effect. When the ion current value determined by the plasma density and the diameter of the orifice 1a of the substrate electrode 1 is large (about 10 −7 A or more) and the space charge effect cannot be ignored, the ion flux is too wide unless the drawing in by the drawing electrode 5 is performed. Therefore, the sensitivity is lowered in a low energy region. The lens electrode 6 acts to correct the ion trajectory and reduce the decrease in sensitivity. The ion trajectory is bent by the electric field between the outer cylinder electrode 7 and the inner cylinder electrode 8, passes through the hole electrode 9, and only ions of specific energy pass through the energy analyzer 3 and are carried to the mass spectrometer 10. . Energy analysis is performed by keeping Vout constant and sweeping Vscan. Energy analysis requires four power supplies.
[0008]
FIG. 2 shows the configuration of a sector type energy analyzer. In FIG. 2, reference numeral 21 denotes a substrate electrode provided to face a plasma generation electrode (not shown) disposed in a plasma generation chamber (not shown). The substrate electrode 21 is generated in the plasma generation chamber. An opening for ion drawing, that is, an orifice 21a is provided at a position in contact with the plasma, and is connected to a high frequency power supply 22 for bias. Outside of the substrate electrode 21, a pull-in electrode 23, a lens electrode 24 for generating a lens effect, a transport tube 25, four deflection electrodes 26 arranged in the transport tube 25, and a sector portion without expanding the trajectory of low-energy ions. An electrode 27 for generating a lens effect, a sector inner electrode 28 and a sector outer electrode 29 forming a sector portion are provided in this order at the lower end of the transport tube 25 that carries the light to the transport tube 25. Reference numeral 30 denotes a hole electrode, which is connected to a quadrupole mass spectrometer (not shown) and an ion detector via the hole electrode 30. Each of these electrodes is connected to a power source as shown.
[0009]
In the configuration shown in FIG. 2, in addition to the pull-in electrode 23 and the lens electrode 24, a transport tube 25 for transporting the low-energy ions to the sector portion without expanding the trajectory of the low-energy ions is provided. Set lower. Since the ion orbit is bent in the sector portion, the mass spectrometer is mounted so as to be bent. Therefore, the mass spectrometer must be separated from the substrate electrode 22 due to the space for mounting the mass spectrometer. Therefore, the transport pipe 25 is required. When the transport unit becomes longer, the axis of the ion beam needs to be adjusted. For this purpose, four deflection electrodes 26 are provided for the positive and negative directions in the X and Y directions, respectively. Since the transport tube 25 and the sector portion have different potentials, a lens effect is generated between the transport tube 25 and the sector portion. Therefore, it is necessary to sweep Vscan and Vtube in consideration of the lens effect. The ion trajectory is bent by an electric field in the sector portion, and only ions having a specific energy are passed, and energy analysis is performed by sweeping Vscan. Therefore, ten electrodes and a power source are required, which is more complicated and more expensive than the coaxial type.
In both the coaxial type and the sector type, it is possible to reduce the space charge effect by lowering the ionic current by superimposing a mesh with low transmittance on the lead-in electrode.
[0010]
3 and 4 show examples of the incident angle distribution when there is no collision with the sheath. The normal incidence is set to 0 degree. FIG. 4 shows the angular distribution after integration with φ. The incident angle distribution of collisionless ions is determined by the lateral velocity distribution at the ion sheath end, that is, the ion lateral temperature (for example, see Non-Patent Document 1). The ion lateral temperature at the ion sheath end is about 0.1 eV, and one graduation on the horizontal axis in FIGS. 3 and 4 is on the order of 1 degree. The angle of incidence of ions generated by charge exchange collision is smaller (about 0.03 eV in lateral temperature), and the angle of incidence of ions that have caused elastic collision is larger than that (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2).
[0011]
In general, in an energy filter type analyzer installed in front of a mass spectrometer, the range of incident angles that can be analyzed is within several degrees. Therefore, here, non-collision ions and ions generated by charge exchange collision are considered.
[0012]
In the sector type, as shown in FIG. 5, even within several degrees, it is possible to take in all energies with uniform sensitivity (for example, see Patent Document 2). That is, since all incident ions of all energies are taken in, there is no problem of energy dependence of sensitivity. However, as described above, the configuration and operation of the apparatus are complicated and difficult, and the production cost is high.
[0013]
On the other hand, the coaxial type takes in only a part of the angular distribution due to the shape of the analyzer. When there is no space charge effect and the electric field after the orifice is parallel to the substrate electrode, the capture range changes with energy in a relationship similar to the angular distribution as shown in FIG. In this case, valid measurement data can be obtained if the capture range depending on energy is clearly shown. However, in reality, there are components of the electric field due to the structure of the back surface of the orifice electrode and components due to the lens, and the configuration is not as shown in FIG. Even if they are eliminated, it is difficult to completely eliminate the space charge effect, and as shown in FIG. 7, the capturing range depends on the energy, and there is no similar relation to the collision-free angular distribution. Accordingly, the situation falls into that "only a part of the angular distribution is captured, and the capturing range is not clear", which means "I do not know what was measured". This is considered to be the same when the axis of the analyzer is misaligned.
[0014]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-265937 [Patent Document 2]
JP-A-11-250854 [Non-Patent Document 1]
N. Mizutani et al. , J. et al. Vac. Sci. Technol. A 19, 1298 (2001)
[Non-patent document 2]
N. Mizutani et al. , Jpn. J. Appl. Phys. 38 , (1999) 4206. ,
[Non-Patent Document 3]
N. Mizutani et al. , Thin Solid Films 374 (2000) 167
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a simple coaxial type even with the same performance as the sector type, that is, a case in which all incident ions within a range of several degrees from normal incidence, that is, all ions generated by collisionless ions and charge exchange collisions in the sheath are captured. It is an object of the present invention to provide a method for correcting the sensitivity of an ion energy analyzer, which enables an accurate energy distribution to be measured.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, according to the present invention, an energy-dependent sensitivity in an ion energy analyzer having a coaxial energy filter for measuring energy of ions incident from plasma of a plasma processing apparatus is corrected. In the method
When the measured value of the ion current is Ι ion (ε) meas and the dependency of the sensitivity (S) of the ion energy analyzer on the energy (ε) is S (ε), the area of the ion energy distribution (IED) is It represents formula ∫ 0 ∞ Ι ion (ε) meas / S (ε) dε
The dependence S (ε) of the sensitivity (S) of the ion energy analyzer on the energy (ε) is determined so that the value of the area of the ion energy distribution (IED) determined in the above becomes constant with respect to the bias power. Is used to correct the sensitivity (S) of the ion energy analyzer.
[0017]
In the method according to the present invention, the concept of capturing only a part of the coaxial type is considered to be a concept of reduced sensitivity. The correction is performed so as to obtain a result of capturing all ions within a range of several degrees.
[0018]
In the coaxial ion energy analyzer, the dependence S (ε) of the sensitivity S on the energy ε is obtained, and the measurement result is corrected using the obtained value. S (ε) is obtained as follows.
When plasma is mainly generated on the plasma source side of the process plasma apparatus and ions are drawn in on the bias side, the area of the ion energy distribution (IED) is constant regardless of the electrode of the bias side power supply. On the other hand, the position of the ion energy distribution (IED) with respect to the energy changes according to the power on the bias side. Area of the ion energy distribution (IED), when the ion current value iota ion (epsilon), the formula ∫ 0 ∞ Ι ion (ε) dε (1)
Is represented by
[0019]
Therefore, the area of the ion energy distribution (IED) after the sensitivity correction is represented by the following equation, where the measured value of the ion current is Ι ion (ε) meas .
0 Ι ion (ε) meas / S (ε) dε (2)
[0020]
S (ε) is determined such that the value given by equation (2) becomes constant with respect to the bias power. In this case, the function form of S (ε) is assumed for the derivation of S (ε), the area of the IED after sensitivity correction is obtained for each bias power value by equation (2), and the values are compared. This is performed by obtaining S (ε) while changing the function form of S (ε).
If S (ε) is obtained in this way, i ion (ε) meas / S (ε) is the ion current value with sensitivity corrected, and therefore, if plotted against energy, the ion energy distribution (IED) with sensitivity corrected It becomes.
[0021]
In addition, for the derivation of S (ε), the energy dependence of the current value of ions generated by charge exchange collision in the sheath can be used. When the collision frequency is not so large, it is known that the baseline of the current value hardly depends on the energy (for example, see Non-Patent Documents 2 and 3). Available to
[0022]
By the above method, S (ε) is derived in the coaxial ion energy analyzer, and the measurement result is corrected to me ion (ε) meas / S (ε). In this ion energy analyzer, a correct ion energy distribution can be obtained.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0024]
FIG. 8 shows an example of the ion energy distribution (IED) when the “frequency of collision with the sheath” determined by the relationship between the “sheath length” and the “mean free path of collision with background gas atoms and molecules” is small. The bias frequency is 2 MHz, and the bias power value has been changed to three values. As the bias power increases, it changes to a solid line, a broken line, and a dotted line in the figure. One scale on the horizontal axis is on the order of 50 to 500 eV, and varies depending on conditions such as the plasma apparatus, gas used, and input power. When plasma is mainly generated on the source side and does not contribute to generation on the bias side, the area of the ion energy distribution (IED) should not change as shown in FIG. Therefore, if the measurement result is as shown in FIG. 9, it can be determined that the sensitivity is lowered in the high energy region.
[0025]
In the method of the present invention, as described above, the expression (2)
0 ∞ on ion (ε) meas / S (ε) dε
S (ε) may be obtained so that is equal in the three ion energy distributions (IED) (FIG. 10), and S ion (ε) meas / S (ε) is obtained using the S (ε) thus obtained. If so, it becomes a correct ion energy distribution (IED) with sensitivity corrected.
[0026]
Note that the ion energy distribution (IED) is not limited to three, and S (ε) can be obtained with higher accuracy as the number increases. In addition, although the example of the sensitivity decrease in the high energy region has been described, the sensitivity decrease in an arbitrary energy region can be similarly handled.
[0027]
FIG. 11 shows an example in which charge exchange collision occurs in the sheath. This is a case where all ions within a range of several degrees from normal incidence are taken in. Non-collision ions and ions generated by charge exchange collisions fall within that range. This is an expansion in a low energy region, that is, a region having lower energy than the saddle-shaped distribution shape caused by collisionless ions. When the bias frequency is 2 MHz, there is no peak as shown, and when the collision frequency is not so large, the distribution becomes almost flat. Peaks appear at higher frequencies, but their baselines are also nearly flat.
[0028]
Therefore, if the measurement result of the ion current value due to the charge exchange collision in this region is not flat, it can be determined that the sensitivity S (ε) is not constant but changes with energy. Since the measurement result of the ion current value is proportional to S (ε), the behavior of the ion current measurement value with respect to ε in this region directly reflects that of S (ε). If the charge exchange collision is used to derive the sensitivity S (ε), S (ε) can be derived more accurately.
[0029]
In the present invention, a correction is made so as to obtain a result of capturing all ions within a range of a few degrees from normal incidence in a coaxial type in which only a part of the incident angle range is captured. Since the bias power is different and the space distribution effect is different when the energy distribution is different, there is a possibility that the capture angle range at a certain energy also changes. Therefore, it is impossible to make a complete and consistent correction, which is an unavoidable problem due to the measurement principle. However, the result of actually measuring with the coaxial type and correcting it according to the present invention is not particularly different from the result of measurement with the sector type, and it is recognized that this correction method can be used sufficiently in practice. The result of measurement by the coaxial type and corrected by the present invention matches well with the calculation result, and the result of measuring both energy and angle, that is, also agrees well with the correct measurement result of capturing all ions in a wide incident angle range, The effectiveness of the correction method of the present invention can be recognized.
[0030]
Even if it is a sector type, if the space charge effect cannot be eliminated, that is, if the plasma density is high and the orifice diameter cannot be reduced due to the plasma produced by deposition, the ion beam spreads in a low energy region, so The sensitivity may be reduced in a low energy region, but even in such a case, the sensitivity can be corrected by the method of the present invention.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, in the ion energy sensitivity correction method in the ion energy analyzer according to the present invention,
When the measured value of the ion current is Ι ion (ε) meas and the dependency of the sensitivity (S) of the ion energy analyzer on the energy (ε) is S (ε), the area of the ion energy distribution (IED) is It represents formula ∫ 0 ∞ Ι ion (ε) meas / S (ε) dε
The dependence S (ε) of the sensitivity (S) of the ion energy analyzer on the energy (ε) is determined so that the value of the area of the ion energy distribution (IED) determined in the above becomes constant with respect to the bias power. Compensates for the sensitivity (S) of the ion energy analyzer, so that accurate ion energy distribution can be measured even with a simple coaxial ion energy analyzer, that is, the same as when all ions within a few degrees from normal incidence are captured. Is obtained. This eliminates the need for a sector-type ion energy analyzer with a complicated device configuration, enables downsizing, reduces the number of electrodes, reduces manufacturing costs, and simplifies measurement operations. Play.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a coaxial ion energy analyzer.
FIG. 2 is a configuration diagram of a sector type ion energy analyzer.
FIG. 3 is a graph showing the definition of the incident angle and an outline of the angular distribution at 20 eV and 200 eV (before integration at φ).
FIG. 4 is a graph schematically illustrating the incident angle distribution (after integration at φ) at 20 eV and 200 eV.
FIG. 5 is a graph showing an outline of an incident angle range that can be captured at 20 eV and 200 eV by a sector-type ion energy analyzer.
FIG. 6 is a graph schematically showing a range of incident angles that can be captured at 20 eV and 200 eV in an ideal case where there is no space charge effect and no lens effect in a coaxial ion energy analyzer.
FIG. 7 is a graph schematically showing a range of incident angles that can be captured at 20 eV and 200 eV in a coaxial ion energy analyzer in a case where a space charge effect and a lens effect exist.
FIG. 8 shows three different ion energy distributions in which the collision frequency at the sheath is low, the bias frequency is 2 MHz, and all the collisionless ions within a few degrees from normal incidence and the ions generated by the charge exchange collision are captured. Schematic diagram at bias power.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a case where sensitivity is reduced in a high energy region when measured by a coaxial type under the same plasma and bias conditions as in FIG. 8;
10 is a schematic diagram of a sensitivity S (ε) obtained from the measurement result of FIG. 9 to obtain a plurality of ideal and consistent energy distributions of FIG. 8;
FIG. 11 is an enlarged view of a low energy region of an ion energy distribution.

Claims (3)

プラズマプロセス装置のプラズマから入射するイオンのエネルギーを計測する、同軸型のエネルギーフィルターを備えたイオンエネルギー分析器におけるエネルギーに依存する感度を補正する方法において、
イオン電流の測定値をΙion(ε)measとし、イオンエネルギー分析器の感度(S)のエネルギー(ε)への依存性をS(ε)とするとき、イオンエネルギー分布(IED)の面積を表す式
Ιion(ε)meas/S(ε)dε
で求めたイオンエネルギー分布(IED)の面積の値がバイアス電力に対して一定になるようにイオンエネルギー分析器の感度(S)のエネルギー(ε)への依存性S(ε)を求め、それによりイオンエネルギー分析器の感度(S)を補正することを特徴とするイオンエネルギー分析器の感度補正方法。
In a method of measuring the energy of ions incident from plasma of a plasma processing apparatus, a method of correcting energy-dependent sensitivity in an ion energy analyzer having a coaxial energy filter,
When the measured value of the ion current is Ι ion (ε) meas and the dependency of the sensitivity (S) of the ion energy analyzer on the energy (ε) is S (ε), the area of the ion energy distribution (IED) is It represents formula ∫ 0 ∞ Ι ion (ε) meas / S (ε) dε
The dependence S (ε) of the sensitivity (S) of the ion energy analyzer on the energy (ε) is determined so that the value of the area of the ion energy distribution (IED) determined in the above becomes constant with respect to the bias power. A sensitivity correction method for an ion energy analyzer, wherein the sensitivity (S) of the ion energy analyzer is corrected by:
イオンエネルギー分析器の感度(S)のエネルギー(ε)への依存性S(ε)が、複数の異なるバイアス電力値の各々に対するイオンエネルギー分布(IED)の面積を上記式により求めて比較し、それらが一致するようにS(ε)の関数形を変えることにより求められることを特徴とする請求項1に記載のイオンエネルギー分析器の感度補正方法。The dependence of the sensitivity (S) of the ion energy analyzer on the energy (ε), S (ε), is determined by comparing the area of the ion energy distribution (IED) for each of a plurality of different bias power values by the above equation, 2. The sensitivity correction method for an ion energy analyzer according to claim 1, wherein the sensitivity is determined by changing the function form of S ([epsilon]) so that they match. イオンエネルギー分析器の感度(S)のエネルギー(ε)への依存性S(ε)が、シースでの電荷交換衝突により生成されたイオンの電流値のエネルギー依存性を利用することにより求められることを特徴とする請求項1に記載のイオンエネルギー分析器の感度補正方法。Dependency of sensitivity (S) of ion energy analyzer on energy (ε) S (ε) can be determined by utilizing the energy dependence of the current value of ions generated by charge exchange collision in the sheath. The sensitivity correction method for an ion energy analyzer according to claim 1, wherein:
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US7875859B2 (en) 2008-03-31 2011-01-25 Tokyo Electron Limited Ion energy analyzer and methods of manufacturing and operating
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7777179B2 (en) 2008-03-31 2010-08-17 Tokyo Electron Limited Two-grid ion energy analyzer and methods of manufacturing and operating
US7875859B2 (en) 2008-03-31 2011-01-25 Tokyo Electron Limited Ion energy analyzer and methods of manufacturing and operating
US8816281B2 (en) 2011-03-28 2014-08-26 Tokyo Electron Limited Ion energy analyzer and methods of manufacturing the same
US8847159B2 (en) 2011-03-28 2014-09-30 Tokyo Electron Limited Ion energy analyzer
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