JP2011002345A - Instrument and method for measuring gas decomposition ratio near plasma or in plasma - Google Patents

Instrument and method for measuring gas decomposition ratio near plasma or in plasma Download PDF

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Atsushi Suzuki
淳 鈴木
Hidehiko Nonaka
秀彦 野中
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To calculate the decomposition ratio of a gas from a result obtained by measuring special distribution to the plasma of "quartz vibrator sensor calibration value change quantity" cleared in a correlation with the decomposition ratio of the gas and extrapolating the shape of the result of the spacial distribution to the vicinity and a position of the plasma to calculate the "quartz vibrator sensor calibration value change quantity" in that place.SOLUTION: The measurement by a quartz vibrator sensor 1 which can measure a quantity depending on the physical property value (viscosity and molecular weight) of the gas in the reactor 3 of a plasma device, an absolute pressure gauge 2 and a thermometer 18 is performed, the calibration of pressure and a temperature is performed from the output of a quartz vibrator sensor at the time of the generation of the plasma to obtain the quantity depending on the component change of the gas in the plasm device and the decomposition ratio of the gas near the plasma and in the plasma can be calculated from the shape of the spacial distribution of the change quantity to the presence of the plasma of the calibration value of the quartz vibrator sensor.

Description

反応装置中に存在するガス分解率の測定方法及び装置に係り、特にプラズマなどの気相中に供給される安定分子としてのガスの分解率・消費率を求めるための測定装置及び方法に関する。   The present invention relates to a method and an apparatus for measuring a gas decomposition rate existing in a reaction apparatus, and more particularly to a measurement apparatus and a method for obtaining a decomposition rate and a consumption rate of gas as a stable molecule supplied in a gas phase such as plasma.

従来、半導体製造装置等の分野でプラズマを利用したいろいろな加工処理が行われている。このようなプラズマを利用した装置において、ガスの分解率すなわち消費率を測定することはガスの利用効率向上に資するだけでなく、プラズマを加工に適した状態に維持し、当該加工の精度、効率を一定に保つために必要なことである。   Conventionally, various types of processing using plasma have been performed in the field of semiconductor manufacturing equipment and the like. In such a device using plasma, measuring the gas decomposition rate, that is, the consumption rate, not only contributes to the improvement of gas utilization efficiency, but also maintains the plasma in a state suitable for processing, and the accuracy and efficiency of the processing. It is necessary to keep the constant.

そこで、従来、プラズマモニタ方法、プラズマ処理方法、半導体装置の製造方法、およびプラズマ処理装置のようなプラズマ測定手段が提案されている(特許文献1参照)。
また、従来、反応槽中のガス分解率の測定方法及び装置は知られている(特許文献2参照)。
また、水晶振動子センサ出力が測定するガスの分子量及び粘性に依存することを利用すると、二種類のガスから成る混合ガス中の各ガスの濃度(分圧)を求めることができる。このような、二成分混合気体における濃度測定法については既に知られている(特許文献3参照)。
In view of this, plasma measuring methods such as a plasma monitoring method, a plasma processing method, a semiconductor device manufacturing method, and a plasma processing apparatus have been proposed (see Patent Document 1).
Conventionally, a method and an apparatus for measuring a gas decomposition rate in a reaction tank are known (see Patent Document 2).
Further, by utilizing the fact that the quartz vibrator sensor output depends on the molecular weight and viscosity of the gas to be measured, the concentration (partial pressure) of each gas in the mixed gas composed of two kinds of gases can be obtained. Such a concentration measuring method in a binary gas mixture is already known (see Patent Document 3).

特許第3873943号公報Japanese Patent No. 3873394 特開昭62−272152号公報JP 62-272152 A 特許第3336384号公報Japanese Patent No. 3336384

上記特許文献1、2記載の発明は、いずれもプラズマを主とする反応装置中のガスの分解率を測定する方法であるが、上記2つの特許のいずれも希ガスを利用することが不可欠な方法である。したがって希ガスを装置中に導入することが製造製品の品質等に悪影響を与えるような場合など、希ガスの導入が不適当な場合には利用できない。
また、供給ガスとして1種類のガスしか用いない場合でも、プラズマの気相中には供給ガスと電子との衝突によりさまざまな種類の分子、イオン、ラジカルが生成され、存在するので、二成分混合気体おける濃度を測定できる上記特許文献3記載の方法では、プラズマ気相中に存在する全ての物質の濃度を測定することはできず、供給ガスの分解率を求めることはできない。
そこで、出願人は、以前これらの点を解決するものとして、特願2008−205384号として「プラズマ装置の供給ガス分解率測定装置及び測定方法」を出願したが、該出願によっても、プラズマによるガス分解率が測定できるが、プラズマ近傍及びプラズマ中での測定が困難であるため、これらの場所でのガス分解率を求めることができない。
The inventions described in Patent Documents 1 and 2 are methods for measuring the decomposition rate of gas in a reactor mainly composed of plasma, but it is indispensable to use a rare gas in both of the above two patents. Is the method. Therefore, it cannot be used when the introduction of the rare gas is inappropriate, such as when the introduction of the rare gas into the apparatus adversely affects the quality of the manufactured product.
Even when only one type of gas is used as the supply gas, various types of molecules, ions, and radicals are generated and exist in the gas phase of the plasma due to collisions between the supply gas and electrons. In the method described in Patent Document 3 in which the concentration in gas can be measured, the concentration of all substances present in the plasma gas phase cannot be measured, and the decomposition rate of the supply gas cannot be obtained.
In order to solve these points, the applicant has previously filed a "apparatus for measuring the supply gas decomposition rate of a plasma apparatus and a measuring method" as Japanese Patent Application No. 2008-205384. Although the decomposition rate can be measured, since it is difficult to measure in the vicinity of the plasma and in the plasma, the gas decomposition rate at these locations cannot be obtained.

本出願は、先に出願した特願2008−205384号をさらに改良して、水晶振動子センサを装置内で移動することによって空間分布を測定し、その空間分布の形から実際には測定することが困難だが重要な情報であるプラズマ近傍及びプラズマ中でのガス分解率を求める技術を提供するものである。
プラズマから離れた、ガス分析で値付けしたガス分解率の値をガス分解率の空間分布に当てはめ、その結果をプラズマ近傍及びプラズマの位置に外挿することによってこれらの地点でのガス分解率が求められる。
The present application further improves the previously filed Japanese Patent Application No. 2008-205384, and measures the spatial distribution by moving the crystal resonator sensor in the apparatus, and actually measures from the shape of the spatial distribution. However, it is necessary to provide a technique for obtaining the gas decomposition rate in and near the plasma, which is difficult but important information.
By applying the value of the gas decomposition rate, which is determined by gas analysis, away from the plasma to the spatial distribution of the gas decomposition rate, and extrapolating the result to the vicinity of the plasma and the position of the plasma, the gas decomposition rate at these points can be calculated. Desired.

水晶振動子センサのような、測定する気体の物性に依存する出力である「物性依存出力」のプラズマの有無による変化量(「水晶振動子センサ校正値変化量」)がガス分析で求めたガス分解率と相関することから、一度この「水晶振動子センサ校正値変化量」とガス分解率の相関を求めておけばプラズマによるガス分解率を求めることができる。先に出願した特願2008−205384号は、これを利用してガス分解率を測定するものであり、以下に、その概要を記す。
水晶振動子センサ測定では、その装置その場において、処理に必要なガス以外の、製造には不必要なガスを導入することなくガスの分解率を測定することのできる装置を提供する。具体的には、装置中に存在するガスの粘性及び分子量といった物性値に依存する出力(物性依存出力)を出力できる水晶振動子センサなどを用い、製造装置のその場に直接取り付け、プラズマ放電の前後において測定し物性依存出力を求める。
プラズマ放電前後の「水晶振動子センサ校正値変化量」の差はガス分解率と良い相関を持つことから、この測定によりガス分解率を、他のガスを用いることなく、圧力測定と同等な簡便な測定で、装置のその場で求めることができる。ガス分解率の絶対値は、別途質量分析器などを用いたガス分析を行い比較した検量線を作成し、これに照らし合わせることにより求められる。
具体的な物性依存出力のひとつは、上記した水晶振動子センサによって求めることができる。この水晶振動子センサの出力は、このセンサ中の水晶振動子を含む電気回路のインピーダンスが、測定するガスの分子量及び粘性に依存することがわかっている。したがって水晶振動子センサを用い、ガスの分子量及び粘性に依存する物性依存出力を得ることができる。
このような、水晶振動子センサ出力が測定するガスの分子量及び粘性に依存することを利用すると、二種類のガスから成る混合ガス中の各ガスの濃度(分圧)を求めることができる。このような、二成分混合気体における濃度測定法については既に特許化されている(特許文献3参照)。
そして、水晶振動子センサのような水晶振動子を含む圧電素子を用いる場合には、圧力を測定するのと同様な、簡単な方法で測定を行うことが可能であるため、実用の製造装置への実用も容易であり、簡便に測定を行うことができる。さらに、熱や光を照射しない測定法であるため、熱や光による刺激によって爆発の起こる反応性の高い混合気体でも安全に測定することができる。測定に際して特定の波長の紫外線ランプ等を必要とせず、メンテナンスが容易である。したがって従来のようなガス分析などの複雑かつ製造装置、あるいは製造過程に影響を与えるような測定方法を用いることなく、供給ガスの分解率を測定することができる。
さて以上の方法において、ガス分解率の値は四重極質量分析器(QMS)を用いたガス分析の結果から求めている。このガス分析測定にはガスのサンプリングが必要なため、このサンプリングに用いるサンプル管がプラズマに直接作用されないようにするため実際にはプラズマから離れた位置で測定せざるを得ず、プラズマ近傍またはプラズマ中のガス分解率を求めることができない。
The amount of change due to the presence or absence of “physical property-dependent output”, which is an output that depends on the physical properties of the gas to be measured, such as a crystal resonator sensor (“crystal resonator sensor calibration value change amount”) obtained by gas analysis Since it correlates with the decomposition rate, once the correlation between the "quartz crystal sensor calibration value change amount" and the gas decomposition rate is obtained, the gas decomposition rate by plasma can be obtained. Japanese Patent Application No. 2008-205384 filed earlier uses this to measure the gas decomposition rate, and the outline is described below.
In the crystal sensor measurement, an apparatus capable of measuring a gas decomposition rate without introducing a gas unnecessary for manufacturing other than a gas necessary for processing is provided. Specifically, using a crystal sensor that can output an output that depends on physical properties such as viscosity and molecular weight of the gas present in the device (physical property-dependent output), it is directly attached to the production device in-situ, and plasma discharge Measure before and after to obtain the physical property dependent output.
Since the difference in the "crystal oscillator sensor calibration value change amount" before and after plasma discharge has a good correlation with the gas decomposition rate, this measurement allows the gas decomposition rate to be as simple as pressure measurement without using other gases. It can be obtained on the spot of the device with a simple measurement. The absolute value of the gas decomposition rate can be obtained by separately performing a gas analysis using a mass spectrometer or the like, creating a calibration curve for comparison, and comparing it.
One of the specific physical property dependent outputs can be obtained by the above-described crystal resonator sensor. It has been found that the output of this crystal resonator sensor depends on the molecular weight and viscosity of the gas to be measured, and the impedance of the electric circuit including the crystal resonator in this sensor. Therefore, a physical property-dependent output that depends on the molecular weight and viscosity of the gas can be obtained by using a quartz oscillator sensor.
By utilizing the fact that the crystal resonator sensor output depends on the molecular weight and viscosity of the gas to be measured, the concentration (partial pressure) of each gas in the mixed gas composed of two kinds of gases can be obtained. Such a concentration measuring method in a binary gas mixture has already been patented (see Patent Document 3).
When a piezoelectric element including a crystal resonator such as a crystal resonator sensor is used, measurement can be performed by a simple method similar to measuring pressure. Is practical and can be easily measured. Furthermore, since the measurement method does not irradiate heat or light, it is possible to safely measure even a highly reactive gas mixture in which explosion occurs due to stimulation by heat or light. The measurement does not require an ultraviolet lamp having a specific wavelength, and maintenance is easy. Therefore, the decomposition rate of the supplied gas can be measured without using a complicated and manufacturing apparatus such as gas analysis as in the prior art or a measuring method that affects the manufacturing process.
In the above method, the value of the gas decomposition rate is obtained from the result of gas analysis using a quadrupole mass spectrometer (QMS). Since gas sampling is required for this gas analysis measurement, in order to prevent the sample tube used for this sampling from directly acting on the plasma, measurement must actually be performed at a position away from the plasma. The gas decomposition rate inside cannot be determined.

そこで、ガスの分解率に相関することがわかっている「水晶振動子センサ校正値変化量」のプラズマに対する空間分布を測定し、その空間分布の結果の形をプラズマ近傍及びプラズマの位置へ外挿することによってそこでの「水晶振動子センサ校正値変化量」を求め、その結果からガス分解率を求めることを考案した。
このような空間分布の測定は、ガス分析でも測定機器の測定部分の位置を空間的に変化させて測定を行えば可能であるが、実際には例えばQMSの場合空間分布を求めるためにはイオン化領域である測定ヘッド部を空間的に移動させる際、空間的に移動するためには測定ヘッド取付部が十分な長さを持つことが必要であるため、必ずしも市販品では対応できず、改造または特注品を用意する必要がある。
一方水晶振動子センサを用いた測定ではそのサイズが小さいために、プラズマに対して空間的な相対位置を変えた測定が簡便に行え、その結果、「水晶振動子センサ校正値変化量」のプラズマに対する空間分布を求めることができる。
実際のガス分解率の値はガス分析を行う位置で相関させることによってプラズマ近傍及びプラズマ中でのガス分解率を「水晶振動子センサ校正値変化量」から求めることができる。
「水晶振動子センサ校正値変化量」を求める方法は、後述するように、上記出願に同じである。
Therefore, the spatial distribution of the “quartz crystal sensor calibration value change”, which is known to correlate with the gas decomposition rate, is measured with respect to the plasma, and the shape of the spatial distribution is extrapolated to the vicinity of the plasma and the position of the plasma. By doing so, we have devised to find the "crystal oscillator sensor calibration value change amount" and to obtain the gas decomposition rate from the result.
Such a spatial distribution can be measured by performing a measurement by spatially changing the position of the measurement part of the measuring device even in gas analysis. However, in the case of QMS, for example, in order to obtain the spatial distribution, ionization is used. When moving the measuring head section, which is an area, the measuring head mounting section needs to have a sufficient length in order to move spatially. It is necessary to prepare a special order product.
On the other hand, since the size of the measurement using the quartz crystal sensor is small, it is possible to easily perform the measurement by changing the spatial relative position with respect to the plasma. The spatial distribution for can be obtained.
By correlating the actual gas decomposition rate at the position where the gas analysis is performed, the gas decomposition rate in the vicinity of the plasma and in the plasma can be obtained from the “crystal oscillator sensor calibration value change amount”.
The method of obtaining the “quartz crystal sensor calibration value change amount” is the same as that in the above application, as will be described later.

本発明のプラズマ反応器は、以下のような優れた効果を奏する。
(1)ガスを媒体とするプラズマにおいて、プラズマが存在する容器内を水晶振動子センサと絶対圧力計のみを用いて導入したガスの分解率を求めることができる。この測定では測定時に測定される気体を消費することなく、高速な測定が可能で、混合気体の圧力が大気圧以外の時でも、また圧力が変化しても常に測定することができる。さらに水晶振動子センサを装置内で移動して空間分布測定を行えば、その結果を指数関数でフィッティングし、プラズマ近傍及びプラズマ中の位置まで外挿することによって実際には測定が困難な、最も重要なこれらの場所におけるガス分解率を求めることができる。
(2)水晶振動子を含む圧電素子を用いる場合には、熱や光を照射しない測定法であるため、熱や光による刺激によって爆発の起こる反応性の高い混合気体でも安全に測定することができる。測定に際して特定の波長の紫外線ランプ等を必要とせず、メンテナンスが容易であり、更に気体組成の変化に対応して即時にその組成を測定することが可能となる。
The plasma reactor of the present invention has the following excellent effects.
(1) In a plasma using a gas as a medium, it is possible to obtain the decomposition rate of the gas introduced into the container in which the plasma is present using only a quartz crystal sensor and an absolute pressure gauge. In this measurement, high-speed measurement is possible without consuming the gas measured at the time of measurement, and it can always be measured even when the pressure of the mixed gas is other than atmospheric pressure or even when the pressure changes. Furthermore, if the quartz crystal sensor is moved in the device and spatial distribution measurement is performed, the result is fitted with an exponential function, and extrapolation to the vicinity of the plasma and the position in the plasma is actually difficult to measure. Gas decomposition rates at these important locations can be determined.
(2) When a piezoelectric element including a crystal resonator is used, since it is a measurement method that does not irradiate heat or light, it is possible to safely measure even a highly reactive gas mixture that causes an explosion due to stimulation by heat or light. it can. The measurement does not require an ultraviolet lamp having a specific wavelength, is easy to maintain, and can immediately measure the composition in response to changes in the gas composition.

図1は、本発明の実施例の構成を説明する図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of an embodiment of the present invention. 図2は、水晶振動子センサ出力(上図(a))、水晶振動子圧力計の表示圧力(下左図(b))、スピニングロータゲージの指示圧力(下右図(c))と絶対圧力との関係を示すグラフである。FIG. 2 shows the absolute values of the crystal sensor output (upper figure (a)), the display pressure of the quartz crystal pressure gauge (lower left figure (b)), and the indicated pressure of the spinning rotor gauge (lower right figure (c)). It is a graph which shows the relationship with a pressure. 図3は、水晶振動子センサ出力の温度依存性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the temperature dependence of the crystal resonator sensor output. 図4は、プラズマ生成・停止に対する水晶振動子センサ校正値の時間変化及び水晶振動子センサ校正値変化量の定義を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the definition of the time change of the quartz oscillator sensor calibration value and the change amount of the quartz oscillator sensor calibration value with respect to plasma generation / stop. 図5は、プラズマを発生させた際の水晶振動子センサ校正値変化量とアンモニアガスの分解率の相関を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a correlation between the amount of change in the calibration value of the quartz crystal sensor and the decomposition rate of ammonia gas when plasma is generated. 図6は、アンモニアガス(黒棒)およびプラズマ(白棒)において質量分析器を用いてガス分析を行った結果の図である。FIG. 6 is a diagram of the results of gas analysis using a mass analyzer in ammonia gas (black bar) and plasma (white bar). 図7は、水晶振動子センサ校正値変化量の空間分布の図である。FIG. 7 is a diagram of the spatial distribution of the quartz oscillator sensor calibration value change amount. 図8は、水晶振動子センサ校正値変化量から求めたガス分解率の空間分布の図である。FIG. 8 is a diagram of the spatial distribution of the gas decomposition rate obtained from the quartz sensor sensor calibration value change amount. 図9は、プラズマ中での平行平板面に平行な方向のシラン及びゲルマンガスの空間分布を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the spatial distribution of silane and germane gas in a direction parallel to the parallel plate surface in plasma.

本発明に係るプラズマ近傍及びプラズマ中でのガス分解率測定方法及び装置は、従来のプラズマ診断法と比較して簡便な方法・装置でプラズマによるプラズマ近傍及びプラズマ中でのガス分解率を測定する方法・装置を提供するものである。
具体的には、プラズマ装置内のガスに対してプラズマの有無に応じてそれぞれその物性に依存する物性依存出力を測定し、そのプラズマの有無において生じる物性依存出力の差の空間分布の形状からはじめに装置に供給したガスのプラズマ近傍及びプラズマ中での分解率を求めるものである。
The gas decomposition rate measuring method and apparatus in the vicinity of and in the plasma according to the present invention measures the gas decomposition rate in the vicinity of the plasma and in the plasma with a simple method and apparatus as compared with the conventional plasma diagnostic method. A method and apparatus are provided.
Specifically, for the gas in the plasma device, the physical property dependent output depending on the physical property is measured according to the presence or absence of the plasma, respectively, and from the shape of the spatial distribution of the difference of the physical property dependent output caused by the presence or absence of the plasma The decomposition rate in the vicinity of the plasma of the gas supplied to the apparatus and in the plasma is obtained.

本発明は、プラズマ発生前後について、それぞれのプラズマ装置の反応装置内に存在するガスの物性値に依存する物性依存出力を測定しその変化を算出する装置と、前記物性依存出力の変化量から供給ガスの分解率を求める装置とを備えたプラズマ装置の供給ガス分解率測定装置において、測定子を装置内で移動することにより得られる装置内のガス分解率の空間分布から、プラズマ近傍及びプラズマ中のガス分解率を求めることを特徴とする。
また、本発明は、プラズマ発生前についてプラズマ装置の反応装置内に供給される供給ガスの物性値に依存する物性依存出力を測定するとともに、プラズマ発生後のプラズマ装置の反応装置内のガスの物性値に依存する物性依存出力を測定して、プラズマ発生前後における物性依存出力の変化を算出する装置と、前記物性依存出力の変化から供給ガスの分解率を求める装置とを備えたプラズマ装置の供給ガス分解率測定装置において、測定子を装置内で移動することにより得られる装置内のガス分解率の空間分布から、プラズマ近傍及びプラズマ中のガス分解率を求めることを特徴とする。
また、上記本発明の装置は、さらに、上記プラズマ発生前後における物性依存出力の変化を算出する装置は、水晶振動子センサと絶対圧力計を備えていることを特徴とする。
また、上記本発明の装置は、さらに、上記物性依存出力は、粘性及び分子量に依存するものであることを特徴とする。
また、本発明は、プラズマ発生前後について、それぞれのプラズマ装置の反応装置内に存在するガスの物性値に依存する物性依存出力を測定しその変化を検出し、前記物性依存出力の変化量から供給ガスの分解率を求めるプラズマ装置の供給ガス分解率測定方法において、測定子を装置内で移動することにより得られる装置内のガス分解率の空間分布から、プラズマ近傍及びプラズマ中のガス分解率を求めることを特徴とする。
また、本発明は、プラズマ発生前についてプラズマ装置の反応装置内に供給される供給ガスの物性値に依存する物性依存出力を測定するとともに、プラズマ発生後のプラズマ装置の反応装置内のガスの物性値に依存する物性依存出力を測定して、プラズマ発生前後における物性依存出力の変化量を算出し、前記物性依存出力の変化から供給ガスの分解率を求めるプラズマ装置の供給ガス分解率測定方法において、測定子を装置内で移動することにより得られる装置内のガス分解率の空間分布から、プラズマ近傍及びプラズマ中のガス分解率を求めることを特徴とする。
また、上記本発明の方法は、さらに、上記プラズマ発生前後における物性依存出力の変化を検出するために、水晶振動子センサと絶対圧力計を利用することを特徴とする。
また、上記本発明の方法は、さらに、上記物性依存出力は、粘性及び分子量に依存するものであることを特徴とする。
The present invention provides a device for measuring a physical property dependent output depending on a physical property value of a gas existing in a reactor of each plasma device before and after the generation of the plasma and calculating the change, and supplying from the change amount of the physical property dependent output In the apparatus for measuring the supply gas decomposition rate of a plasma apparatus equipped with a device for determining the gas decomposition rate, from the spatial distribution of the gas decomposition rate in the apparatus obtained by moving the probe in the apparatus, in the vicinity of the plasma It is characterized in that the gas decomposition rate of is obtained.
Further, the present invention measures the physical property dependent output depending on the physical property value of the supply gas supplied into the reactor of the plasma device before the plasma generation, and the physical property of the gas in the reactor of the plasma device after the plasma generation. Supply of a plasma apparatus comprising: a device that measures a physical property dependent output depending on a value and calculates a change in the physical property dependent output before and after plasma generation; and a device that determines a decomposition rate of a supply gas from the change in the physical property dependent output In the gas decomposition rate measuring device, the gas decomposition rate in the vicinity of the plasma and in the plasma is obtained from the spatial distribution of the gas decomposition rate in the device obtained by moving the measuring element in the device.
Further, the apparatus of the present invention is characterized in that the apparatus for calculating the change in the physical property dependent output before and after the generation of the plasma includes a crystal oscillator sensor and an absolute pressure gauge.
The device of the present invention is further characterized in that the physical property dependent output depends on viscosity and molecular weight.
In addition, the present invention measures the physical property dependent output depending on the physical property value of the gas existing in the reactor of each plasma device before and after the plasma generation, detects the change, and supplies it from the amount of change in the physical property dependent output. In the method for measuring the gas decomposition rate of the plasma apparatus for determining the gas decomposition rate, the gas decomposition rate in the vicinity of the plasma and in the plasma is determined from the spatial distribution of the gas decomposition rate in the apparatus obtained by moving the probe inside the apparatus. It is characterized by seeking.
Further, the present invention measures the physical property dependent output depending on the physical property value of the supply gas supplied into the reactor of the plasma device before the plasma generation, and the physical property of the gas in the reactor of the plasma device after the plasma generation. In a method for measuring a supply gas decomposition rate of a plasma apparatus, by measuring a property-dependent output depending on a value, calculating a change amount of the property-dependent output before and after plasma generation, and obtaining a decomposition rate of the supply gas from the change in the property-dependent output The gas decomposition rate in the vicinity of the plasma and in the plasma is obtained from the spatial distribution of the gas decomposition rate in the apparatus obtained by moving the probe in the apparatus.
The method of the present invention is further characterized in that a quartz oscillator sensor and an absolute pressure gauge are used to detect a change in physical property dependent output before and after the generation of the plasma.
The method of the present invention is further characterized in that the physical property dependent output depends on viscosity and molecular weight.

以下、図面を参照して本発明のガス分解率測定装置および方法の最良の形態を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。
図1は、本発明の供給ガスの分解率測定装置および方法の実施例を適用したプラズマ加工装置の全体構成を説明する図である。この発明は、プラズマ装置の反応装置内のガスに対してプラズマの有無に応じてそれぞれその物性に依存する物性依存出力を測定し、そのプラズマの有無において生じる物性依存出力の差の空間分布の形状からプラズマ装置の反応装置に供給したガスのプラズマ近傍及びプラズマ中での分解率を求めるものである。
図1において、前記の物性値としては粘性及び分子量とし、これに依存した量を測定できる水晶振動子センサ1及び隔膜圧力計2及び温度計18による計測を行い、プラズマ発生させた時の水晶振動子センサ出力から圧力及び温度校正を行うことにより装置中のガス成分変化に依存する量を取得する。この、水晶振動子センサ校正値のプラズマの有無に対する変化量の空間分布の形状からプラズマ近傍及びプラズマ中でのガス分解率を求める。具体的な方法を以下に示す。
Hereinafter, the best mode of a gas decomposition rate measuring apparatus and method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not construed as being limited thereto, and the present invention is not limited thereto. Various changes, modifications, and improvements can be made based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
FIG. 1 is a diagram for explaining the entire configuration of a plasma processing apparatus to which an embodiment of a supply gas decomposition rate measuring apparatus and method according to the present invention is applied. The present invention measures the physical property dependent output depending on the physical property of the gas in the reactor of the plasma device depending on the presence or absence of plasma, and the shape of the spatial distribution of the difference in the physical property dependent output caused by the presence or absence of the plasma From this, the decomposition rate of the gas supplied to the reactor of the plasma device is determined in the vicinity of the plasma and in the plasma.
In FIG. 1, the physical property values are viscosity and molecular weight, and the quartz vibrator sensor 1, the diaphragm pressure gauge 2, and the thermometer 18 that can measure quantities depending on the physical properties are used to measure the crystal vibration when plasma is generated. By performing pressure and temperature calibration from the child sensor output, an amount depending on the gas component change in the apparatus is acquired. The gas decomposition rate in the vicinity of the plasma and in the plasma is determined from the shape of the spatial distribution of the change amount of the quartz resonator sensor calibration value with respect to the presence or absence of the plasma. A specific method is shown below.

上記物性値としては粘性及び分子量とし、これに依存した量を測定できる水晶振動子センサ及び絶対圧力計及び温度計による計測を行い、プラズマ発生させた時の水晶振動子センサ出力から圧力及び温度校正を行うことにより装置中のガス成分変化に対応する量を取得する。さらに以上の測定を、水晶振動子センサを装置内で移動することにより水晶振動子センサ校正値のプラズマの有無に対する変化量の空間分布を求める。この空間分布の形状から、実際には測定が困難なプラズマ近傍及びプラズマ中での供給ガスの分解率を求める。その具体的な装置及び方法を以下に説明する。   The above physical properties are viscosity and molecular weight, and measurement with a quartz vibrator sensor, absolute pressure gauge and thermometer that can measure quantities depending on this, and pressure and temperature calibration from the quartz vibrator sensor output when plasma is generated To obtain the amount corresponding to the gas component change in the apparatus. Furthermore, the spatial distribution of the change amount of the quartz resonator sensor calibration value with respect to the presence or absence of the plasma is obtained by moving the quartz resonator sensor in the apparatus for the above measurement. From the shape of this spatial distribution, the decomposition rate of the supply gas in and near the plasma, which is actually difficult to measure, is obtained. The specific apparatus and method will be described below.

プラズマ加工装置は、プラズマ装置の反応装置3と、高周波電源10から高周波電圧を供給するプラズマ装置の反応装置3内に突設されプラズマ電極5と、複数種の供給ガスを導入する複数の気体流量制御装置(マスフローコントローラー:MFC)7を有する複数の導入管と、1センチ以下のサイズの小さい水晶振動子センサ1と、隔膜圧力計2と、製造温度を高めるためのヒータ8と、製造物12のワーク支持台15と、圧力制御弁9と、プラズマ中のガスを分析する質量分析装置19を備えている。   The plasma processing apparatus includes a reaction apparatus 3 of the plasma apparatus, a plasma electrode 5 projecting from the reaction apparatus 3 of the plasma apparatus that supplies a high-frequency voltage from the high-frequency power supply 10, and a plurality of gas flow rates for introducing a plurality of types of supply gases. A plurality of introduction pipes having a control device (mass flow controller: MFC) 7, a quartz crystal sensor 1 having a size of 1 cm or less, a diaphragm pressure gauge 2, a heater 8 for increasing the production temperature, and a product 12 The workpiece support 15, the pressure control valve 9, and the mass spectrometer 19 for analyzing the gas in the plasma are provided.

本実施例のプラズマ装置の供給ガスの分解率測定装置は、プラズマ装置からの物性依存出力を受け、気相中の気体成分に依存する量である「水晶振動子センサ校正値」を求めるための圧力補正手段4及び温度補正手段6が設けられている。圧力補正手段4、温度補正手段6は、具体的には、図示しないが入力部、出力部、CPU、記憶装置等を備えたコンピュータ17が利用される。   The apparatus for measuring the decomposition rate of the supply gas of the plasma apparatus according to the present embodiment receives a physical property dependent output from the plasma apparatus and obtains a “quartz crystal sensor calibration value” which is an amount depending on a gas component in a gas phase. Pressure correction means 4 and temperature correction means 6 are provided. Specifically, the pressure correction unit 4 and the temperature correction unit 6 use a computer 17 having an input unit, an output unit, a CPU, a storage device, and the like (not shown).

コンピュータ17の入力部には、水晶振動子センサ1と隔膜圧力計2がデータ線を介して接続されている。水晶振動子センサ校正値は、圧力補正手段4で得られたデータを直接用いるか、または必要ならさらにそのデータを温度補正手段6で処理して得られたデータを用いて求められる。   The quartz vibrator sensor 1 and the diaphragm pressure gauge 2 are connected to the input unit of the computer 17 via a data line. The quartz oscillator sensor calibration value is obtained by directly using the data obtained by the pressure correction means 4 or by using the data obtained by further processing the data by the temperature correction means 6 if necessary.

圧力補正手段4は、水晶振動子センサ1と隔膜圧力計2からそれぞれ計測データを入力し、水晶振動子センサ1の出力から絶対圧力の影響を補正する。この圧力補正された値(圧力補正値)を、測定中の温度変化が大きい場合には温度補正手段6へデータを出力し、そうでない場合にはこの値をそのまま水晶振動子センサ校正値として用いる。   The pressure correction means 4 inputs measurement data from the quartz oscillator sensor 1 and the diaphragm pressure gauge 2 and corrects the influence of absolute pressure from the output of the quartz oscillator sensor 1. If the temperature change during measurement is large, the pressure-corrected value (pressure correction value) is output to the temperature correction means 6, and if not, this value is used as it is as a calibration value for the crystal oscillator sensor. .

温度補正手段6は、上記圧力補正値及び水晶振動子センサ1から生じる温度と相関の大きい水晶振動子の共振周波数の情報または実測で得られる雰囲気温度を入力し、圧力補正値に対してさらに温度補正を行うことにより水晶振動子センサ校正値を求める。   The temperature correction means 6 inputs the pressure correction value and information on the resonance frequency of the crystal resonator having a large correlation with the temperature generated from the crystal resonator sensor 1 or the ambient temperature obtained by actual measurement. The calibration value of the crystal resonator sensor is obtained by performing correction.

図2の上図(a)は、各気体における水晶振動子センサ出力の絶対圧力依存性を示すグラフであり、図2の下左図(b)は、水晶振動子圧力計の表示圧力の絶対圧力依存性を示すグラフであり、図2の下右図(c)は、スピニングロータゲージの指示圧力の絶対圧力依存性を示すグラフである。   The upper diagram (a) of FIG. 2 is a graph showing the absolute pressure dependence of the crystal resonator sensor output in each gas, and the lower left diagram (b) of FIG. 2 shows the absolute value of the display pressure of the crystal resonator manometer. It is a graph which shows pressure dependence, and the lower right figure (c) of FIG. 2 is a graph which shows the absolute pressure dependence of the instruction | indication pressure of a spinning rotor gauge.

図2(a)に示すように、気体の種類によって同じ絶対圧力での水晶振動子センサ1(水晶振動子センサではなく、水晶摩擦真空計またはスピニングロータゲージでもよい。)の出力が異なることを利用することにより、プラズマ中の成分変化を測定することができる。   As shown in FIG. 2A, the output of the crystal resonator sensor 1 (not a crystal resonator sensor but a crystal friction vacuum gauge or a spinning rotor gauge) at the same absolute pressure differs depending on the type of gas. By utilizing this, it is possible to measure changes in components in the plasma.

なお、図2(a)の範囲の圧力に限らずすべての圧力においても気体の種類によって同一の絶対圧力においてそれぞれの出力がガスの種類によって異なることから、これらに示される以外の圧力範囲においてもプラズマ中の成分変化を測定できる。   In addition, not only in the pressure range shown in FIG. 2 (a), but also in all pressures, the output varies depending on the type of gas at the same absolute pressure depending on the type of gas. It is possible to measure component changes in plasma.

ここで、水晶摩擦圧力計とは電気により発振させた水晶振動子センサを内蔵し、これに気体分子が衝突する際に発生する抵抗が、気体の圧力及び粘性に依存することを利用して同センサを含む電気回路の電圧として取り出すことにより測定を行う圧力計である。   Here, the quartz friction pressure gauge has a built-in quartz oscillator sensor oscillated by electricity, and the resistance generated when gas molecules collide with the quartz vibrator sensor depends on the pressure and viscosity of the gas. It is a pressure gauge which measures by taking out as a voltage of the electric circuit containing a sensor.

また、スピニングロータゲージは気体中で鋼球等を高速に回転させた後動力を停止し、この動力停止後の回転数の減少速度が同じく気体の圧力及び粘性に依存することを利用する圧力計である。   A spinning rotor gauge is a pressure gauge that stops power after rotating a steel ball, etc. at high speed in a gas, and uses the fact that the rate of decrease in the number of rotations after this power stop is also dependent on the pressure and viscosity of the gas. It is.

本発明における成分測定は、気体の種類によって同じ絶対圧力の場合、水晶振動子センサ(或いは、水晶摩擦真空計またはスピニングロータゲージ)の出力が異なることを利用するため、一般的には、水晶振動子センサ1と隔膜圧力計2の両方での測定が必要である。大気圧下のように実質的な絶対圧力変化がない場合には、水晶振動子センサ1のみの測定でも計測が可能である。   Since the component measurement in the present invention utilizes the fact that the output of the quartz oscillator sensor (or quartz friction vacuum gauge or spinning rotor gauge) differs at the same absolute pressure depending on the type of gas, Measurement with both the child sensor 1 and the diaphragm pressure gauge 2 is necessary. When there is no substantial change in absolute pressure as under atmospheric pressure, measurement can be performed by measuring only the crystal resonator sensor 1.

水晶振動子センサ1の出力から絶対圧力の影響を取り除くことによって水晶振動子センサ校正値が求められる。具体的には、まず図2(a)のような水晶振動子センサ出力の絶対圧力依存性を調べ、同出力の圧力に対する変化率である圧力係数を求める。この圧力係数を用いて絶対圧力変化による同出力の変化を補正できる。   By removing the influence of the absolute pressure from the output of the crystal resonator sensor 1, the crystal resonator sensor calibration value is obtained. Specifically, first, the absolute pressure dependence of the crystal resonator sensor output as shown in FIG. 2A is examined, and a pressure coefficient which is a change rate with respect to the pressure of the output is obtained. This pressure coefficient can be used to correct the change in the output due to the absolute pressure change.

仮に上記測定器出力、測定圧力、圧力係数をそれぞれV,P,Cとすれば、圧力補正値Vは任意の一点での絶対圧力Pに対して、V=V−C×(P−P)で求められる。この圧力補正された値Vは気体の分子量及び粘性と相関する量であり、この値を用いて気体成分の変化を測定することができる。 If the measurement device output, measurement pressure, and pressure coefficient are V, P, and C, respectively, the pressure correction value V p is V p = V−C × (P with respect to the absolute pressure P 0 at an arbitrary point. obtained by the -P 0). This pressure corrected value V p is the quantity that correlates with the molecular weight and viscosity of the gas, it is possible to measure the change in the gas component by using this value.

温度の影響を補正するために、水晶振動子センサ1の測定場所の雰囲気温度を温度計18で同時に測定するか、または水晶振動子センサ1から得られる温度と相関の大きい共振周波数の情報から、図3に示すような水晶振動子センサ出力の温度係数を求め、温度補正を行う。なお、図3は、圧力一定条件における水晶振動子出力の測定雰囲気温度依存性を示すグラフである。   In order to correct the influence of the temperature, the ambient temperature at the measurement location of the crystal resonator sensor 1 is simultaneously measured by the thermometer 18, or from the information on the resonance frequency having a large correlation with the temperature obtained from the crystal resonator sensor 1, The temperature coefficient of the crystal oscillator sensor output as shown in FIG. 3 is obtained and temperature correction is performed. FIG. 3 is a graph showing the measured ambient temperature dependence of the crystal resonator output under a constant pressure condition.

水晶振動子センサの出力と温度との相関は一定であるため、予め求められた水晶振動子センサ出力―温度直線の傾き、すなわち水晶振動子センサ出力の温度係数を用いて水晶振動子センサ出力値を校正することにより温度変化の影響を排除し、水晶振動子センサ校正値を求めることができる。   Since the correlation between the quartz crystal sensor output and temperature is constant, the quartz crystal sensor output value is calculated using the previously calculated quartz crystal sensor output-the slope of the temperature line, that is, the temperature coefficient of the quartz crystal sensor output. By calibrating, it is possible to eliminate the influence of temperature change and obtain the quartz crystal sensor calibration value.

仮に、上記測定器出力、測定温度、温度係数をそれぞれV,T,Kとすれば、温度補正値Vは任意の一点での絶対温度Tに対して、V=V−K×(T−T)で求められる。なお、水晶振動子の振動周波数には温度依存があるため、この振動周波数の温度依存性から水晶振動子センサ出力の温度係数を求めることも可能である。 If the measurement device output, measurement temperature, and temperature coefficient are V, T, and K, respectively, the temperature correction value V t is V t = V−K × (with respect to the absolute temperature T 0 at an arbitrary point. (T−T 0 ). Since the vibration frequency of the crystal resonator has temperature dependency, the temperature coefficient of the crystal resonator sensor output can be obtained from the temperature dependency of the vibration frequency.

以上の方法で求めた、物性依存出力である「水晶振動子センサ校正値」を用いて初めに装置に導入した供給ガスのプラズマ近傍及びプラズマ中での分解率を求める方法は以下の通りである。   The method for obtaining the decomposition rate in the vicinity of the plasma of the supply gas first introduced into the apparatus using the “crystal crystal sensor calibration value”, which is a physical property-dependent output obtained by the above method, is as follows. .

まずプラズマを発生させる前に、供給ガスを導入した装置において上述の測定、圧力・温度校正を行い水晶振動子センサ校正値を求めておく。次にプラズマを発生させ、同様に測定、圧力・温度校正を行い水晶振動子センサ校正値を求める。供給ガスの分解率はこの水晶振動子センサ校正値のプラズマに対する変化量から求められる。   First, before the plasma is generated, the crystal resonator sensor calibration value is obtained by performing the above-described measurement and pressure / temperature calibration in the apparatus into which the supply gas is introduced. Next, plasma is generated, and measurement and pressure / temperature calibration are performed in the same manner to obtain a quartz oscillator sensor calibration value. The decomposition rate of the supply gas can be obtained from the amount of change in the calibration value of the quartz vibrator sensor with respect to the plasma.

実際にアンモニアを用いた場合についての結果を図4に示す。図4は横軸の時間に対して水晶振動子センサ校正値をプロットしたものである。図4からわかるように、プラズマの生成とともに「水晶振動子センサ校正値」が変化する。ここでこの時のプラズマ発生前後の「水晶振動子センサ校正値」の差を「水晶振動子センサ校正値変化量」と定義する。   The result when ammonia is actually used is shown in FIG. FIG. 4 is a plot of quartz resonator sensor calibration values against time on the horizontal axis. As can be seen from FIG. 4, the “quartz crystal sensor calibration value” changes as the plasma is generated. Here, the difference between the “quartz crystal sensor calibration value” before and after the plasma generation is defined as “a quartz crystal sensor calibration value change amount”.

圧力、ガス流量、電極温度、投入放電電力、電極電位バイアスなどのプラズマ条件を様々に変化させることにより供給ガスの分解率を変えることが可能である。プラズマ条件のうち、投入電力を変化させると供給ガスの分解率は大きく変化し、通常投入電力とともに供給ガスの分解率は増加する。そこで投入電力を変化させて上記の水晶振動子センサによる測定を行った。   It is possible to change the decomposition rate of the supply gas by variously changing plasma conditions such as pressure, gas flow rate, electrode temperature, input discharge power, and electrode potential bias. Among the plasma conditions, when the input power is changed, the decomposition rate of the supply gas changes greatly, and the decomposition rate of the supply gas increases with the normal input power. Therefore, the above-described quartz crystal sensor was used for measurement by changing the input power.

図4においてプラズマ発生によって「水晶振動子センサ校正値」が増加したことは、プラズマ発生によってこの気相中に存在する供給ガスの平均的な分子量及び粘性が低下したことを示しているが、このことは、アンモニアガスプラズマにおいてアンモニアの分解によって窒素ガス及び水素ガスが生成するという報告と定性的に一致している。このことからも、「水晶振動子センサ校正値変化量」はプラズマによる供給ガス組成の変化、すなわち供給ガスの分解率と相関する量であることは明らかである。   In FIG. 4, the increase in the “quartz crystal sensor calibration value” due to the plasma generation indicates that the average molecular weight and viscosity of the supply gas existing in the gas phase have decreased due to the plasma generation. This is qualitatively consistent with a report that nitrogen gas and hydrogen gas are generated by ammonia decomposition in ammonia gas plasma. Also from this, it is clear that the “crystal oscillator sensor calibration value change amount” correlates with the change in the supply gas composition caused by plasma, that is, the decomposition rate of the supply gas.

以上のように供給ガスの分解率の大小は、この「水晶振動子センサ校正値変化量」から求められる。すなわち、水晶振動子センサ校正値のプラズマに対する変化量が大きければ供給ガスの分解率は大きく、また小さければ小さくなる。   As described above, the magnitude of the decomposition rate of the supply gas can be obtained from this “amount of change in quartz crystal sensor calibration value”. That is, if the amount of change in the quartz resonator sensor calibration value with respect to plasma is large, the decomposition rate of the supply gas is large, and if it is small, it is small.

実際図5に示すように、プラズマ発生前後の「水晶振動子センサ校正値」の差である「水晶振動子センサ校正値変化量」は、プラズマ放電電力に対して増加し、供給ガスの分解率と相関している。
ここで図5の縦軸であるガス分解率は例えば19の質量分析器でのガス分析を行うことで次のように求められる。図6にプラズマを発生させた際にガス分析を行って求められる質量スペクトルの結果を示す。プラズマ前(黒棒)とプラズマ時(白棒)を比較すると、アンモニアの質量数(分子量)である質量数17のシグナルがプラズマによって減少していることがわかる。この減少分をはじめに存在したアンモニアの量で割ることによりプラズマによるアンモニアガスの分解率が求められる。実際にはガス分解率Rdisは、プラズマ前後の質量数17のシグナル強度をそれぞれIgas、Iplaとすると次式(1)で表わされるから、ガス分析の結果からこの式を用いてガス分解率を求めることができる。
dis=(Igas−Ipla)/Igas (1)
In fact, as shown in FIG. 5, the “crystal oscillator sensor calibration value change amount”, which is the difference between the “crystal oscillator sensor calibration values” before and after plasma generation, increases with respect to the plasma discharge power, and the decomposition rate of the supplied gas Correlate with
Here, the gas decomposition rate on the vertical axis in FIG. 5 is obtained as follows by performing gas analysis with 19 mass analyzers, for example. FIG. 6 shows the result of mass spectrum obtained by performing gas analysis when plasma is generated. Comparing the plasma before (black bar) and the plasma (white bar), it can be seen that the signal of mass number 17 which is the mass number (molecular weight) of ammonia is decreased by the plasma. By dividing this decrease by the amount of ammonia present first, the decomposition rate of the ammonia gas by the plasma can be obtained. Actually, the gas decomposition rate R dis is expressed by the following expression (1) when the signal intensity of mass number 17 before and after the plasma is I gas and I pla , respectively. The rate can be determined.
Rdis = (I gas -I pla ) / I gas (1)

以上のように供給ガスの分解率を「水晶振動子センサ校正値変化量」から求めるための図5のような検量線の作製を行うには従来のガス分析の手法を必要とするが、このガス分析は事前に一度行っておくだけで十分であり、一度その供給ガスの分解率の検量線が得られればそれ以降はガス分析を行うことなく水晶振動子センサによる測定のみで供給ガスの分解率を簡便に求めることができる。   As described above, a conventional gas analysis method is required to produce a calibration curve as shown in FIG. 5 for obtaining the decomposition rate of the supply gas from the “crystal oscillator sensor calibration value change amount”. It is sufficient to perform the gas analysis once in advance, and once a calibration curve for the decomposition rate of the supply gas is obtained, the supply gas is decomposed only by measurement with a quartz crystal sensor without performing gas analysis. The rate can be easily determined.

上記水晶振動子センサで求められる物性依存出力が依存する物性量は、粘性及び分子量であるが、例えば粘性は、上記水晶振動子センサ以外にも、水晶振動子圧力計、スピニングロータゲージで測定される値から、隔膜真空計などの絶対圧力計で計測した絶対圧力の影響を除くことによって求められる。   The physical properties that depend on the physical property dependent output required by the quartz crystal sensor are viscosity and molecular weight. For example, the viscosity is measured by a quartz crystal pressure gauge and a spinning rotor gauge in addition to the quartz crystal sensor. It is calculated by removing the influence of absolute pressure measured with an absolute pressure gauge such as a diaphragm vacuum gauge.

なお、プラズマ装置内のガスが1〜2種類であることが自明な場合には、各ガス及び混合ガスの分圧に対する校正曲線を別途作成しておき、これを検量線として用いることにより、各ガスの分圧を求めることができる。これは本質的に前記特許(特許文献3)と同様である。   In addition, when it is obvious that the gas in the plasma apparatus is one or two kinds, a calibration curve is separately prepared for the partial pressure of each gas and mixed gas, and this is used as a calibration curve. The partial pressure of gas can be obtained. This is essentially the same as the patent (Patent Document 3).

水晶振動子センサは、プラズマからの荷電粒子を導通しない絶縁物からなるカバーで覆えば、測定中にプラズマへの擾乱を防止することができる。   If the quartz vibrator sensor is covered with a cover made of an insulator that does not conduct charged particles from the plasma, disturbance to the plasma can be prevented during measurement.

上記水晶振動子センサは小型であり装置内で移動することが可能であるため、装置内で固定プラズマ電極に対して移動することにより測定できる。   Since the crystal oscillator sensor is small and can move within the apparatus, it can be measured by moving with respect to the fixed plasma electrode in the apparatus.

供給ガスの分解率を求めるに当たっては、例えば平行平板電極間に生じる放電に対しては、その電極間で測定することが最適であるが、それが何らかの条件で不可能な場合、プラズマ電極にできるだけ近い場所で測定することが望ましい。
その場合、水晶振動子センサの電極までの距離が平行平板間の間隔よりも小さい場合には、水晶振動子センサへのプラズマの直接的な影響が大きくなり測定が不正確になるため、この平行平板電極間隔だけ離れた位置で測定することが好ましい。
しかしながらプラズマによるガスはプラズマ電極中で発生するため、これらプラズマ電極近傍及びプラズマ電極中でのガス分解率を求めることは極めて有効である。以上のような実際には測定が困難なプラズマ近傍やさらに測定がほぼ不可能なプラズマ中におけるガス分解率は、水晶振動子センサを装置内で移動させて得られる「水晶振動子センサ校正値変化量」の空間分布から求めることができる。具体的な方法は以下の通りである。
When determining the decomposition rate of the supply gas, for example, it is optimal to measure between discharges between parallel plate electrodes, but if this is not possible under some conditions, the plasma electrode can be used as much as possible. It is desirable to measure at a close location.
In this case, if the distance to the electrodes of the quartz crystal sensor is smaller than the distance between the parallel plates, the direct influence of the plasma on the quartz crystal sensor becomes large and the measurement becomes inaccurate. It is preferable to measure at a position separated by the distance between the plate electrodes.
However, since gas due to plasma is generated in the plasma electrode, it is very effective to determine the gas decomposition rate in the vicinity of the plasma electrode and in the plasma electrode. The gas decomposition rate in the vicinity of plasma that is actually difficult to measure as described above or in plasma that is almost impossible to measure is obtained by moving the crystal sensor in the device. It can be obtained from the spatial distribution of “quantity”. A specific method is as follows.

図1に示すように、水晶振動子センサは装置内を空間的に移動させて測定することが可能である。その結果プラズマによる「水晶振動子センサ校正値変化量」の空間分布を求めることができる。一例を図7に示す。
図7に示すように、「水晶振動子センサ校正値変化量」は水晶振動子―プラズマ電極間距離(Z)が小さくなる、すなわちプラズマに近づくほど大きくなっていることがわかる。以上の結果は、「水晶振動子センサ校正値変化量」がガス分解率と対応していることによるものであり、プラズマに近いほどガス分解率が高い結果が反映されていることによるものと考えられる。
ガス分析を行う質量分析器の検出部分は空間的には図7でのZ=70mmに相当する。したがってZ=70mmでの「水晶振動子センサ校正値変化量」はガス分析によって上記段落0038のように求められるガス分解率に対応し、その値に関連付けることができる。
As shown in FIG. 1, the quartz resonator sensor can be measured by spatially moving in the apparatus. As a result, the spatial distribution of the “crystal oscillator sensor calibration value change amount” due to the plasma can be obtained. An example is shown in FIG.
As shown in FIG. 7, it can be seen that the “quartz crystal sensor calibration value change amount” becomes larger as the crystal vibrator-plasma electrode distance (Z) becomes smaller, that is, closer to the plasma. The above results are due to the fact that the “crystal oscillator sensor calibration value change amount” corresponds to the gas decomposition rate, and that the closer to the plasma, the higher the gas decomposition rate is reflected. It is done.
The detection portion of the mass spectrometer that performs gas analysis spatially corresponds to Z = 70 mm in FIG. Therefore, the “quartz crystal sensor calibration value change amount” at Z = 70 mm corresponds to the gas decomposition rate obtained by the gas analysis as described in the above paragraph 0038, and can be related to the value.

図5に示すように「水晶振動子センサ校正値変化量」とガス分解率との間には相関があるため、図7の空間分布はそのままガス分解率の値に変換することができる。その結果であるガス分解率の空間分布の結果を図8に示す。
図8の空間分布の形状から、実際には測定が困難なプラズマ近傍及びプラズマ中でのガス分解率は次のようにして求められる。
図8において空間分布が生じるのは、実際にはガス分解はプラズマ中でのみ発生しており、Z>0mmに相当するその外側の領域ではガス分解は発生していないため、拡散に十分な時間が経った定常状態ではガス分解の有無によって差が生じるためである。実際にはガス分解が生じていないZ>0においてガス分解に相当する変化が生じるのは、ガス分解による生成物がこの領域まで拡散するからである。
As shown in FIG. 5, since there is a correlation between the “crystal oscillator sensor calibration value change amount” and the gas decomposition rate, the spatial distribution in FIG. 7 can be directly converted into the value of the gas decomposition rate. The result of the spatial distribution of the gas decomposition rate, which is the result, is shown in FIG.
From the shape of the spatial distribution of FIG. 8, the gas decomposition rate in the vicinity of the plasma and in the plasma, which is actually difficult to measure, can be obtained as follows.
In FIG. 8, the spatial distribution occurs because gas decomposition actually occurs only in the plasma, and gas decomposition does not occur in the outer region corresponding to Z> 0 mm. This is because a difference occurs depending on the presence or absence of gas decomposition in the steady state after passing through. The change corresponding to gas decomposition occurs when Z> 0 where no gas decomposition actually occurs, because the product of gas decomposition diffuses to this region.

ガス分解がプラズマのみで発生しており、その他の場所では発生していないような状態では、ガス分解生成物の拡散による空間分布の形状は、例えば放射性物質の放射能が時間に関して指数関数的に減少していくように、指数関数的に減少する形状を取るものと想定される。
実際に、指数関数で図8の結果をフィッティングすると、図8中の線で示されるように測定結果と極めてよく一致しており、以上の指数関数での近似が正しいことがわかる。
ガス分解率の空間分布が指数関数で近似できるとすると、この関数を本来のプラズマの位置であるZ=0にまで外挿することによってZ=0であるプラズマ近傍でのガス分解率を計算することができる。今の場合、ガス分解率(R)は距離(Z)に関して
R=R0・exp(−k・z) (2)
で表わされる。ここでR0、kはそれぞれZ=0でのガス分解率および拡散に関連する定数である。
In a situation where gas decomposition occurs only in the plasma and not elsewhere, the shape of the spatial distribution due to diffusion of the gas decomposition products is, for example, that the radioactivity of the radioactive material is exponential with respect to time. It is assumed that it takes a shape that decreases exponentially as it decreases.
Actually, when the result of FIG. 8 is fitted with an exponential function, it is very well in agreement with the measurement result as shown by the line in FIG. 8, and it can be seen that the approximation with the above exponential function is correct.
Assuming that the spatial distribution of the gas decomposition rate can be approximated by an exponential function, the gas decomposition rate in the vicinity of the plasma where Z = 0 is calculated by extrapolating this function to Z = 0, which is the original plasma position. be able to. In this case, the gas decomposition rate (R) is related to the distance (Z).
R = R 0 · exp (−k · z) (2)
It is represented by Here, R 0 and k are constants related to the gas decomposition rate and diffusion at Z = 0, respectively.

今、図8の結果へのフィッティング式を求めると、
R=35.0・exp(−0.0013・Z)
であるから、Z=0mm、すなわちプラズマ電極端でのガス分解率は35%と求められる。
さらにプラズマ中においてもガスの分解率が同じ関数で分布していると仮定すると、同様に(2)式を用いてプラズマ中のガス分解率を求めることができる。
用いた装置のプラズマ電極の半径は52mmであり、図8においてプラズマ中心はZ=−52mmに相当することから、これを(2)式に代入し、プラズマ中のガス分解率は37%と求められる。
Now, when obtaining the fitting equation to the result of FIG.
R = 35.0 · exp (-0.0013 · Z)
Therefore, Z = 0 mm, that is, the gas decomposition rate at the plasma electrode end is determined to be 35%.
Further, if it is assumed that the gas decomposition rate is distributed in the same function in the plasma, the gas decomposition rate in the plasma can be similarly obtained using the equation (2).
Since the radius of the plasma electrode of the apparatus used is 52 mm and the plasma center in FIG. 8 corresponds to Z = −52 mm, this is substituted into equation (2), and the gas decomposition rate in the plasma is determined to be 37%. It is done.

この計算ではプラズマ中においてもガス濃度が指数関数的に変化すると仮定して計算した。しかしながらプラズマ中においてはこの、「濃度分布が指数関数的に変化する。」という仮定が成立しない可能性もある。このプラズマ中の濃度分布は主として電極より生じた電子のエネルギーに依存するが、これは平行平板電極間の電場に依存する。しかしながらこの電場はガスの圧力等によっても変化するためそれによって生じるプラズマ中のガス濃度分布を一意的には定式化できない。そのような場合、実際に電極面に平行な面での何らかの化学種の空間分布を測定することによりプラズマ中のガス濃度空間分布を推定することができる。例えば文献(JAP、vol.61、p.3055、1987)のようにコヒーレントアンチラマンストークススペクトロスコピー(CARS)を用いてプラズマ中のガスの空間分布を図9のように求めることができるから、この分布をガス分布とすることによってプラズマ中のガス分解率を求めることができる。なおこの化学種の空間分布測定はCARSの代わりに発光分光分析法など発光を利用する方法を用いることができる。   In this calculation, the gas concentration is assumed to change exponentially even in the plasma. However, in plasma, this assumption that “the concentration distribution changes exponentially” may not hold. The concentration distribution in the plasma mainly depends on the energy of electrons generated from the electrodes, which depends on the electric field between the parallel plate electrodes. However, since this electric field also changes depending on the gas pressure or the like, the gas concentration distribution in the resulting plasma cannot be uniquely formulated. In such a case, the gas concentration spatial distribution in the plasma can be estimated by actually measuring the spatial distribution of some chemical species in a plane parallel to the electrode surface. For example, the spatial distribution of the gas in the plasma can be obtained as shown in FIG. 9 using coherent anti-Raman Stoke spectroscopy (CARS) as in the literature (JAP, vol. 61, p. 3055, 1987). By making the distribution a gas distribution, the gas decomposition rate in the plasma can be obtained. In addition, the spatial distribution measurement of this chemical species can use the method using light emission, such as an emission spectroscopic analysis method, instead of CARS.

以上のように実際の測定が困難なプラズマ近傍やプラズマ中でも空間分布の形状からこれらの位置でのガス分解率を求めることができる。
当然ではあるがこれらはプラズマにおいて最も重要な場所であるため、このような測定によってプラズマ中のガス分解率が求められることは非常に有用である。
As described above, the gas decomposition rate at these positions can be obtained from the shape of the spatial distribution even in the vicinity of plasma or in the plasma where actual measurement is difficult.
Of course, since these are the most important places in the plasma, it is very useful to determine the gas decomposition rate in the plasma by such measurements.

プラズマ電極付近での測定では温度による影響が顕著になるが、この影響を補正するため別に温度測定を行うか、水晶振動子センサから得られる、温度との相関の高い共振周波数を測定することで温度の補正を行うことにより物性値出力を校正し水晶振動子センサ校正値を求めることは上述した通りである。   In the measurement near the plasma electrode, the effect of temperature becomes prominent. To correct this effect, another temperature measurement is performed, or the resonance frequency obtained from the quartz oscillator sensor and highly correlated with the temperature is measured. As described above, the physical property value output is calibrated by correcting the temperature to obtain the quartz resonator sensor calibration value.

以上のようにして求められる供給ガスの分解率からガスの消費率を容易に求めることができ、ガスの利用効率の改善及び未利用ガスの再利用のために有効な知見を得ることができる。
さらに、ガス分解率の検量線を作製した後にはプラズマが発生中いずれの時点でもリアルタイムにそのガス分解率を求めることができるため、これを用いたモニタリングが可能になり、必要ならば諸条件を調節することにより所望の分解率に保ちながら製造することができる。
また、このリアルタイム性を利用すると、プラズマその場での条件制御も可能となる。ガス分解率は製造条件の重要な条件のひとつであるから、ガス分解率がわかればこれをリアルタイムに変調制御することにより製品を高度化することができる。また、製品の均一化・均質化を図ることができる。
プラズマの異常放電が発生する場合にはプラズマ中のガス分解率が大きく変化することから、このガス分解率の異常な変化をモニタリングすることによりプラズマの異常運転、プラズマ停止を早期発見できる。
なお、ガス分解率を制御するプラズマ条件としては、各供給ガス流量、装置内の全圧、高周波電力及び周波数、製造物温度・電界、プラズマ電極温度・電界、装置温度、装置内気相温度などがある。これらは全て電気信号によって迅速な制御が可能である。一方、本測定装置による測定出力も電気信号で出力できるため、迅速な結果出力とこれによる迅速な制御が可能である。本測定法によって気体成分の変化をプラズマ運転中に常時測定しておけば、何らかの異常によって当初想定したガス分解率が変化しても、その変化を本測定法によってそのずれを検出することによって気体成分変化に有意差が現れた場合供給ガスの流量にフィードバックをかけることによりガス分解率を所望の値に保つことができる。
迅速な測定が可能なガス分解率測定装置を用いることで、簡便小型、低価格な膜厚・成膜速度・膜構造自動制御装置を提供することができる。
特に、薄膜シリコンを製造プロセスで用いられるシラン−水素二成分系においては、材料ガスのガス分解率は、製造される膜構造(アモルファスか微結晶か)や光安定性といった重要な物性に影響を与えるため、予め、物性とガス分解率との相関を求めておけば、実際のプロセス中に本方法でガス分解率の測定を行うことにより、製造物の特性をも一定に保つことができる。
同様に得られる製造物の膜厚、電気特性、エッチングにおけるアスペクト比などの諸物性とガス分解率との相関を求めておき、実際のプロセス時にこれらの相関を利用してプロセスの諸条件を制御することができる。
The consumption rate of the gas can be easily obtained from the decomposition rate of the supply gas obtained as described above, and effective knowledge for improving the utilization efficiency of the gas and reusing the unused gas can be obtained.
Furthermore, since a gas decomposition rate calibration curve is created, the gas decomposition rate can be obtained in real time at any time during the generation of plasma, so monitoring using this becomes possible, and various conditions can be set if necessary. By adjusting, it can manufacture, maintaining a desired decomposition rate.
In addition, when this real-time property is used, it is possible to control conditions in the plasma. Since the gas decomposition rate is one of the important conditions in the manufacturing conditions, if the gas decomposition rate is known, the product can be sophisticated by performing modulation control in real time. In addition, the product can be made uniform and uniform.
When an abnormal discharge of plasma occurs, the gas decomposition rate in the plasma changes greatly. By monitoring this abnormal change in the gas decomposition rate, abnormal operation of the plasma and plasma stop can be detected early.
The plasma conditions for controlling the gas decomposition rate include each supply gas flow rate, total pressure in the apparatus, high frequency power and frequency, product temperature / electric field, plasma electrode temperature / electric field, apparatus temperature, gas phase temperature in the apparatus, etc. is there. All of these can be quickly controlled by electrical signals. On the other hand, since the measurement output by this measuring apparatus can also be output as an electrical signal, quick result output and quick control by this are possible. If the gas component change is always measured during the plasma operation by this measurement method, even if the initially assumed gas decomposition rate changes due to some abnormality, the change is detected by detecting the deviation by this measurement method. When a significant difference appears in the component change, the gas decomposition rate can be maintained at a desired value by applying feedback to the flow rate of the supply gas.
By using a gas decomposition rate measuring apparatus capable of rapid measurement, a simple, small and inexpensive film thickness / film forming speed / film structure automatic control apparatus can be provided.
In particular, in the silane-hydrogen binary system used in the manufacturing process of thin film silicon, the gas decomposition rate of the material gas affects important physical properties such as the film structure (amorphous or microcrystalline) to be manufactured and light stability. Therefore, if the correlation between the physical properties and the gas decomposition rate is obtained in advance, the characteristics of the product can be kept constant by measuring the gas decomposition rate by this method during the actual process.
Similarly, the correlation between various properties such as film thickness, electrical properties, and aspect ratio in etching and the gas decomposition rate is obtained, and these conditions are used during actual process to control process conditions. can do.

本発明に係るガス分解率計測方法及び装置は、以上のような構成であるから、プラズマ装置を使用した加工や工作、製造を行う各種の製造装置に適用可能である。   Since the gas decomposition rate measuring method and apparatus according to the present invention has the above-described configuration, it can be applied to various manufacturing apparatuses that perform processing, machining, and manufacturing using a plasma apparatus.

1 水晶振動子センサ
2 隔膜圧力計
3 プラズマ装置の反応装置
4 圧力補正手段
5 プラズマ電極
6 温度補正手段
7 気体流量制御装置(マスフローコントローラー:MFC)
8 ヒータ
9 圧力制御弁
10 高周波電源
12 製造物
15 ワーク支持台
17 コンピュータ
18 温度計
19 質量分析装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crystal oscillator sensor 2 Diaphragm pressure gauge 3 Reaction apparatus of plasma apparatus 4 Pressure correction means 5 Plasma electrode 6 Temperature correction means 7 Gas flow control apparatus (mass flow controller: MFC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 Heater 9 Pressure control valve 10 High frequency power supply 12 Product 15 Work support stand 17 Computer 18 Thermometer 19 Mass spectrometer

Claims (8)

プラズマ発生前後について、それぞれのプラズマ装置の反応装置内に存在するガスの物性値に依存する物性依存出力を測定しその変化を算出する装置と、前記物性依存出力の変化量から供給ガスの分解率を求める装置とを備えたプラズマ装置の供給ガス分解率測定装置において、測定子を装置内で移動することにより得られる装置内のガス分解率の空間分布から、プラズマ近傍及びプラズマ中のガス分解率を求めることを特徴とするプラズマ装置の供給ガス分解率測定装置。   Before and after plasma generation, a device that measures the physical property dependent output depending on the physical property value of the gas present in the reactor of each plasma device and calculates the change, and the decomposition rate of the supply gas from the amount of change in the physical property dependent output In the apparatus for measuring the gas decomposition rate of a plasma apparatus provided with a device for determining the gas decomposition rate in the vicinity of the plasma and in the plasma from the spatial distribution of the gas decomposition rate in the apparatus obtained by moving the probe in the apparatus An apparatus for measuring a supply gas decomposition rate of a plasma apparatus, wherein: プラズマ発生前についてプラズマ装置の反応装置内に供給される供給ガスの物性値に依存する物性依存出力を測定するとともに、プラズマ発生後のプラズマ装置の反応装置内のガスの物性値に依存する物性依存出力を測定して、プラズマ発生前後における物性依存出力の変化を算出する装置と、前記物性依存出力の変化から供給ガスの分解率を求める装置とを備えたプラズマ装置の供給ガス分解率測定装置において、測定子を装置内で移動することにより得られる装置内のガス分解率の空間分布から、プラズマ近傍及びプラズマ中のガス分解率を求めることを特徴とするプラズマ装置の供給ガス分解率測定装置。   Before the plasma generation, the physical property dependent output depending on the physical property value of the supply gas supplied into the reactor of the plasma device is measured, and the physical property dependency depending on the physical property value of the gas in the reaction device of the plasma device after the plasma generation. In a supply gas decomposition rate measuring apparatus for a plasma apparatus, comprising: an apparatus for measuring output and calculating a change in physical property dependent output before and after plasma generation; and a device for determining a decomposition rate of supply gas from the change in physical property dependent output A supply gas decomposition rate measuring device for a plasma device, wherein the gas decomposition rate in the vicinity of the plasma and in the plasma is obtained from the spatial distribution of the gas decomposition rate in the device obtained by moving the probe in the device. 前記プラズマ発生前後における物性依存出力の変化を算出する装置は、水晶振動子センサと絶対圧力計を備えていることを特徴とする請求項1又は2記載のプラズマ装置の供給ガス分解率測定装置。   The apparatus for calculating a supply gas decomposition rate of a plasma apparatus according to claim 1 or 2, wherein the apparatus for calculating a change in physical property dependent output before and after plasma generation includes a quartz vibrator sensor and an absolute pressure gauge. 前記物性依存出力は、粘性及び分子量に依存するものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のプラズマ装置の供給ガス分解率測定装置。   The supply gas decomposition rate measuring apparatus for a plasma apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the physical property dependent output depends on viscosity and molecular weight. プラズマ発生前後について、それぞれのプラズマ装置の反応装置内に存在するガスの物性値に依存する物性依存出力を測定しその変化を検出し、前記物性依存出力の変化量から供給ガスの分解率を求めるプラズマ装置の供給ガス分解率測定方法において、測定子を装置内で移動することにより得られる装置内のガス分解率の空間分布から、プラズマ近傍及びプラズマ中のガス分解率を求めることを特徴とするプラズマ装置の供給ガス分解率測定方法。   Before and after the generation of the plasma, the physical property dependent output depending on the physical property value of the gas existing in the reactor of each plasma device is measured and the change is detected, and the decomposition rate of the supply gas is obtained from the change amount of the physical property dependent output. In the method for measuring the supply gas decomposition rate of a plasma device, the gas decomposition rate in the vicinity of the plasma and in the plasma is obtained from the spatial distribution of the gas decomposition rate in the device obtained by moving the probe in the device. A method for measuring the gas decomposition rate of a plasma apparatus. プラズマ発生前についてプラズマ装置の反応装置内に供給される供給ガスの物性値に依存する物性依存出力を測定するとともに、プラズマ発生後のプラズマ装置の反応装置内のガスの物性値に依存する物性依存出力を測定して、プラズマ発生前後における物性依存出力の変化量を算出し、前記物性依存出力の変化から供給ガスの分解率を求めるプラズマ装置の供給ガス分解率測定方法において、測定子を装置内で移動することにより得られる装置内のガス分解率の空間分布から、プラズマ近傍及びプラズマ中のガス分解率を求めることを特徴とするプラズマ装置の供給ガス分解率測定方法。   Before the plasma generation, the physical property dependent output depending on the physical property value of the supply gas supplied into the reactor of the plasma device is measured, and the physical property dependency depending on the physical property value of the gas in the reaction device of the plasma device after the plasma generation. In the method for measuring the supply gas decomposition rate of the plasma apparatus, which calculates the amount of change in the physical property dependent output before and after plasma generation and calculates the decomposition rate of the supply gas from the change in the physical property dependent output, A gas decomposition rate measurement method for a plasma apparatus, characterized in that the gas decomposition ratio in the vicinity of the plasma and in the plasma is obtained from the spatial distribution of the gas decomposition ratio in the apparatus obtained by moving the gas. 前記プラズマ発生前後における物性依存出力の変化を検出するために、水晶振動子センサと絶対圧力計を利用することを特徴とする請求項5又は6記載のプラズマ装置の供給ガス分解率測定方法。   7. A method for measuring a supply gas decomposition rate of a plasma apparatus according to claim 5, wherein a quartz vibrator sensor and an absolute pressure gauge are used to detect a change in physical property dependent output before and after the plasma generation. 前記物性依存出力は、粘性及び分子量に依存するものであることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載のプラズマ装置の供給ガス分解率測定方法。   The method for measuring a supply gas decomposition rate of a plasma apparatus according to any one of claims 5 to 7, wherein the physical property dependent output depends on viscosity and molecular weight.
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