JP2012099226A - Plasma analysis method and device of hipims sputter source by tof mass spectroscopy - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To stably detect the generation distribution of ions contained in the plasma of an HIPIMS sputter source.SOLUTION: Ions contained in the plasma generated from the sputter source of HIPIMS are subjected to TOF mass spectroscopy, and distribution of ion generation is detected. Light from the plasma is detected, and start time of the flight time of ions in a TOF analyzer is determined based on the light from the plasma. The opening of the TOF analyzer facing the sputter source of HIPIMS has a potential lower than that of a target of the sputter source.

Description

本発明は、ＴＯＦ質量分析によるＨＩＰＩＭＳスパッタ源のプラズマ解析方法及びその装置に関する。   The present invention relates to a plasma analysis method and apparatus for a HIPIMS sputtering source by TOF mass spectrometry.

新世代の表面処理方法を提供する技術として高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング（以下、「ＨＩＰＩＭＳ（HIgh Power Impulse Magnetron Sputtering）」と省略する）が注目されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
このＨＩＰＩＭＳのスパッタ源ではターゲットをＡｒ等の不活性ガス中において高電圧のパルスを印加してターゲットから粒子をはじき飛ばしている。
他方、従来より、飛行時間質量分析（以下、「ＴＯＦＭＳ（Time-of-Flight mass spectrometer）」が知られている。イオンを静電場によって加速すると、すべてのイオンに同じエネルギーが与えられる。したがって、その速度は軽いイオンほど大きく、重いイオンほど小さい。この原理を用いて、加速を開始した瞬間から一定距離の飛行管の中をイオンが走って検出器まで到達するまで時間(飛行時間)を測定すると、質量スペクトルが得られることになる。実際には、イオン加速開始時刻(イオン化レーザ光パルス照射時刻や加速電場パルス印加時刻など)をトリガとしてオシロスコープ上で電子増幅検出器アノードの電位変動を観測すると、軽いイオンから次々にイオンが到達するたびに電圧ピークが表れることになる。この分析計は、(1)原理上測定できるイオンの質量に上限がない、(2)すべてのイオンをロスすることなく検出することができる(高感度)、(3)イオン加速から検出までが数百マイクロ秒(10のマイナス４乗秒のオーダー)の短時間で完了する、などの特長を持つ。 High-power impulse magnetron sputtering (hereinafter abbreviated as “HIPIMS (HIgh Power Impulse Magnetron Sputtering)”) is attracting attention as a technology for providing a new generation surface treatment method (see Patent Document 1 and Patent Document 2). .
In this HIPIMS sputtering source, a high voltage pulse is applied to the target in an inert gas such as Ar to repel particles from the target.
On the other hand, time-of-flight mass spectrometry (hereinafter referred to as “TOFMS (Time-of-Flight mass spectrometer)” is conventionally known. When ions are accelerated by an electrostatic field, all ions are given the same energy. The speed is larger for lighter ions and smaller for heavier ions.Using this principle, the time (flight time) is measured from the moment acceleration starts until the ions reach the detector after traveling through a flight tube at a certain distance. In this case, a mass spectrum is obtained, and in practice, the potential fluctuation of the anode of the electron amplification detector is observed on the oscilloscope using the ion acceleration start time (ionization laser light pulse irradiation time, acceleration electric field pulse application time, etc.) as a trigger. Then, every time ions arrive from light ions one after another, a voltage peak appears.This analyzer (1) (2) All ions can be detected without loss (high sensitivity), (3) The time from ion acceleration to detection is several hundred microseconds (10 minus 4th second) Completes in a short time).

特開２０１０−５１２４５８号公報JP 2010-512458 A 特開２０１０−５１２４５９号公報JP 2010-512459 A

J. Vac. Sci. Technol. A, 2000, 18 (4), pp1533-1537J. Vac. Sci. Technol. A, 2000, 18 (4), pp1533-1537

ＨＩＰＩＭＳは近年開発された技術であり、今までにない蒸着膜をスパッタにより形成できる可能性があるものの、工業的にはその用途や具体的な使用条件等は開発の途中にある。本発明者らは、ＨＩＰＩＭＳの新規な用途開発（新規な蒸着膜層の形成）を検討する際に、ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源の状態解析が重要であると考えた。ＨＩＰＩＭＳにおいては、まさしくターゲットに高出力インパルスを印加することに特徴があるからである。   HIPIMS is a technology that has been developed in recent years, and although there is a possibility that an unprecedented vapor deposition film can be formed by sputtering, its application, specific use conditions, and the like are in the process of development. The present inventors considered that the analysis of the state of the sputtering source of HIPIMS is important when studying new application development of HIPIMS (formation of a new deposited film layer). This is because HIPIMS is characterized by applying a high output impulse to the target.

本発明者らは、ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源の状態解析をするにあたり、ＴＯＦＭＳの利用を考えた。即ち、ＴＯＦＭＳの対象となるイオンと、ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源においてターゲットからはじき出されたイオンとは、類似の状態にあると考えられるからである。
ＴＯＦＭＳを利用してＨＩＰＩＭＳのスパッタ源の状態が把握できれば、当該スパッタ源の状態とＨＩＰＩＭＳの結果物である蒸着膜との関係付けが期待できる。なお、ＴＯＦＭＳを利用して把握できるスパッタ源の状態は、プラズマに含まれるイオン粒子の分布（質量の基準にした）である。ここに、目的仕様の蒸着膜をスパッタ形成するには、スパッタ源の状態をリアルタイムで把握することが好ましい。 The present inventors considered the use of TOFMS in analyzing the state of the sputtering source of HIPIMS. That is, it is considered that ions that are the target of TOFMS and ions ejected from the target in the HIPIMS sputtering source are in a similar state.
If the state of the sputtering source of HIPIMS can be grasped using TOFMS, the relationship between the state of the sputtering source and the deposited film as a result of HIPIMS can be expected. The state of the sputtering source that can be grasped using TOFMS is the distribution of ion particles contained in plasma (based on mass). Here, it is preferable to grasp the state of the sputtering source in real time in order to sputter the deposition film of the target specification.

本発明者らは、ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源の状態、即ち当該スパッタ源のプラズマに含まれるイオンの分布をＴＯＦＭＳにより検出すべく鋭意検討を重ねてきた。
ＨＩＰＩＭＳにＴＯＦＭＳの飛行時間測定部を組み合わせたとき、次の課題を見出した。
即ち、一般的なＴＯＦＭＳでは、ターゲットに対するイオン化レーザ光パルス照射時刻や加速電場パルス印加時刻等を基準にして二次イオンの飛行時間を測定している。これと同様に、ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源においてイオンを発生させるための高電圧パルスの印加時刻を基準にしてプラズマ中のイオンの飛行時間を測定しようとしても、得られるデータが非常に不安定であることに気がついた。
この理由は次のように考えられる。
高電圧パルスを印加してもこのパルスに同期して放電がなされない場合がある。
高電圧パルスを発生するための電源装置には電流が流れるので入力信号と出力信号にバラつきが生じ、出力信号にはノイズがのりやすいので、飛行時間開始の時刻を特定するためのパルスのエッジを決めることが困難である。 The present inventors have intensively studied to detect the state of the sputtering source of HIPIMS, that is, the distribution of ions contained in the plasma of the sputtering source by TOFMS.
When the time-of-flight measuring unit of TOFMS was combined with HIPIMS, the following problems were found.
That is, in general TOFMS, the time of flight of secondary ions is measured based on the irradiation time of an ionized laser beam pulse and the application time of an acceleration electric field pulse to a target. Similarly, even when trying to measure the time of flight of ions in the plasma with reference to the application time of the high voltage pulse for generating ions in the HIPIMS sputtering source, the obtained data is very unstable. I noticed.
The reason is considered as follows.
Even when a high voltage pulse is applied, there is a case where discharge is not performed in synchronization with the pulse.
Since current flows through the power supply for generating high-voltage pulses, the input signal and output signal vary, and the output signal is subject to noise. It is difficult to decide.

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、イオンの飛行時間測定の開始時刻をＨＩＰＩＭＳのスパッタ源におけるプラズマの発光をトリガとすればよいことに気が付き、この発明に想到した。
即ち、この発明の第１の局面は次のように規定される。
ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源で発生したプラズマからの光を検出する光検出ステップと、
前記プラズマからのイオンをＴＯＦ質量分析する際に、飛行時間の開始時刻を前記光検出ステップで検出した光に基づき定める、ことを特徴とするＴＯＦ質量分析によるＨＩＰＩＭＳスパッタ源のプラズマ解析方法。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have realized that the start time of the time-of-flight measurement of ions may be triggered by plasma emission in the sputtering source of HIPIMS. .
That is, the first aspect of the present invention is defined as follows.
A light detection step of detecting light from plasma generated by a sputtering source of HIPIMS;
A plasma analysis method for a HIPIMS sputtering source by TOF mass analysis, wherein, when performing TOF mass analysis on ions from the plasma, a start time of flight time is determined based on the light detected in the light detection step.

ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源において高電力パルスが適正に印加されるとプラズマが生成する。適正なプラズマ生成は発光をともない、この発光は高電圧パルスに対応してパルス状の発光となる。
この発明の第１の局面に規定されるように、ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源においてプラズマが生成された証拠となる、プラズマからの発光を基準にしてＴＯＦ質量分析を実行することにより、その飛行時間の開始時刻が明確になり、飛行時間の計測が安定した。 Plasma is generated when a high power pulse is properly applied in a HIPIMS sputtering source. Proper plasma generation is accompanied by light emission, and this light emission is pulsed light emission corresponding to the high voltage pulse.
As defined in the first aspect of the invention, the start of time of flight is performed by performing TOF mass spectrometry relative to the emission from the plasma, which is evidence that the plasma has been generated in the HIPIMS sputter source. Time became clear and flight time measurement stabilized.

かかるプラズマ解析方法は下記に規定のプラズマ解析装置により実行することができる。
即ち、プラズマを発生させるＨＩＰＩＭＳのスパッタ源と、
該ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源に接続されるＴＯＦ質量分析部と、を備え、
前記ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源には前記プラズマからの光を検出する光検出部が備えられ、
前記ＴＯＦ質量分析部は、前記光検出部によるプラズマからの光の検出時刻を基準にして該プラズマに対応して生成されたイオンの飛行時間を計測する、ことを特徴とするＴＯＦ質量分析によるＨＩＰＩＭＳスパッタ源のプラズマ解析装置。 Such a plasma analysis method can be executed by a plasma analysis apparatus specified below.
A sputtering source of HIPIMS that generates plasma;
A TOF mass spectrometer connected to the sputtering source of the HIPIMS,
The HIPIMS sputtering source is provided with a light detection unit for detecting light from the plasma,
HIPIMS by TOF mass spectrometry, wherein the TOF mass spectrometer measures the time of flight of ions generated corresponding to the plasma based on the detection time of light from the plasma by the light detector Sputter source plasma analyzer.

この発明の実施例のプラズマ解析装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the plasma analysis apparatus of the Example of this invention. トリガ発生装置の詳細構造を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of a trigger generator. イオン化装置を備えたＴＯＦ質量分析部を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the TOF mass spectrometry part provided with the ionization apparatus. 実施例のプラズマ解析装置で得られたスペクトルである。It is the spectrum obtained with the plasma analysis apparatus of an Example.

上記においてＨＩＰＩＭＳのスパッタ源は、アノード電極、マグネトロン、取り換え可能なターゲット（カソード電極に接続）を備えてなり、ターボ分子ポンプ等で真空引きされたチャンバ内に存在する。このスパッタ源にはアルゴン等のスパッタガスが導入され、スパッタ源へ高電圧のパルスを印加することにより導入されたスパッタガスがターゲットへ衝突する。スパッタガスの衝突によりターゲットからその材料粒子が飛び出す。この材料粒子のうちイオン化されたものはそのままの状態でＴＯＦ質量分析の対象となる。
ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源において高電圧のパルスを印加したとき、そのスパッタ源において予定通りに放電が実行されると、発生したプラズマから所定波長の光が所定強さで放出される。他方、放電に異常があると、一般的にはプラズマが発生しないか、若しくは発生してもそれから放出される光は弱く、波長が異なることもある。
従って、これらプラズマにより生じた光を検出することにより、ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源において正常に放電が行なわれたか否かが判定される。 In the above description, the HIPIMS sputtering source includes an anode electrode, a magnetron, and a replaceable target (connected to the cathode electrode), and is present in a chamber evacuated by a turbo molecular pump or the like. A sputtering gas such as argon is introduced into the sputtering source, and the introduced sputtering gas collides with the target by applying a high voltage pulse to the sputtering source. The material particles are ejected from the target by the collision of the sputtering gas. Among the material particles, the ionized particles are subjected to TOF mass spectrometry as they are.
When a high voltage pulse is applied to a sputtering source of HIPIMS, if discharge is executed as scheduled in the sputtering source, light of a predetermined wavelength is emitted from the generated plasma with a predetermined intensity. On the other hand, if there is an abnormality in the discharge, generally no plasma is generated, or even if it is generated, the light emitted from it is weak and the wavelength may be different.
Therefore, by detecting the light generated by these plasmas, it is determined whether or not the discharge was normally performed in the HIPIMS sputtering source.

ターゲットから叩き出された粒子のいくつかはイオン化されており、かかるイオン化されたターゲットの粒子はそのままの状態でＴＯＦ質量分析の対象となる。
従って、ＨＩＰＩＭＳの真空チャンバにＴＯＦ質量分析装置を取りつけ、イオン化されたターゲットの粒子をＴＯＦ質量分析の対象とする。そして、ＴＯＦ質量分析を実行するにあたり、ターゲットの粒子の発生時刻（≒プラズマの発光時刻）を基準にして当該ターゲットの粒子の飛行時間を特定する。
このようにプラズマからの光に基づきＴＯＦ質量分析の対象粒子の飛行時間を計測することにより、ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源で生じたイオンのＴＯＦ質量分析が安定することとなった。 Some of the particles knocked out of the target are ionized, and the particles of the ionized target are subjected to TOF mass spectrometry as they are.
Therefore, the TOF mass spectrometer is attached to the vacuum chamber of HIPIMS, and the ionized target particles are the target of TOF mass analysis. Then, when executing the TOF mass analysis, the flight time of the target particles is specified with reference to the generation time of the target particles (≈plasma emission time).
Thus, by measuring the time of flight of the target particles of TOF mass analysis based on the light from the plasma, TOF mass analysis of ions generated in the sputtering source of HIPIMS was stabilized.

以下、この発明の実施例の説明をする。
図１は実施例の解析装置１の構造を示す概念図である。
この解析装置１はＨＩＰＩＭＳ部１０、ＴＯＦ質量分析部４０を備える。
ＨＩＰＩＭＳ部１０は一般的な構造であり、チャンバ１１、スパッタ源１３、排気装置１９を備えている。
スパッタ源１３はアノード電極１４、マグネトロン１５及びターゲット１２から構成され、ターゲット１２はカソード電極として電源１８に接続される。
チャンバ１１内は、ターボ分子ポンプ等からなる排気装置１９で所定の真空度（例えば１０−４Pa）まで一旦排気され、その後、スパッタガスとしてアルゴンガスを導入し、チャンバ内を１×１０−２Paに保つ。符号２１はアルゴンガスタンクであり、アルゴンガスの流量は流量調節器２３により制御される。アルゴンガスへ窒素等の反応ガスを混入することができる。 Examples of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a structure of an analysis apparatus 1 according to an embodiment.
The analysis apparatus 1 includes a HIPIMS unit 10 and a TOF mass analysis unit 40.
The HIPIMS unit 10 has a general structure and includes a chamber 11, a sputtering source 13, and an exhaust device 19.
The sputter source 13 includes an anode electrode 14, a magnetron 15, and a target 12, and the target 12 is connected to a power source 18 as a cathode electrode.
The inside of the chamber 11 is once evacuated to a predetermined degree of vacuum (for example, 10 −4 Pa) by an exhaust device 19 composed of a turbo molecular pump or the like, and then argon gas is introduced as a sputter gas, and 1 × 10 −2 in the chamber. Keep at Pa. Reference numeral 21 denotes an argon gas tank, and the flow rate of the argon gas is controlled by a flow rate regulator 23. A reaction gas such as nitrogen can be mixed into the argon gas.

電源１８からスパッタ源１３に高電圧のパルス（〜１ｋＶ、１０μｓ〜１０００μｓ）が印加され、これによりパルス放電が生じて金属ターゲット１２の近傍にアルゴンに起因するプラズマがパルス状に形成される。次に金属ターゲットからその形成材料である金属粒子若しくはそのイオン（一価、多価）が放出される。これら一連の正常な反応が生じたときには、アルゴンや金属イオンに起因した波長の光が所定の光強度（スペクトルのピーク高さ）比を維持して放出される。例えば、アルゴンに起因する光の波長は８１１．５ｎｍであり、チタンに起因する光の波長は４９８ｎｍである（非特許文献１参照）。
パルス放電が異常のときは、各波長の光の強さ（スペクトルのピーク高さ）及び／又はその比が所定のものと異なることとなる。
アルゴン等のスパッタガスととともに窒素や酸素等の反応ガスを導入したときには、当該反応ガスに起因する波長の光も含まれる。
所望の要素（例えば、アルゴン等のスパッタガス、ターゲットからの粒子、若しくは反応ガス）に起因する光を択一的に選択し、その強度のみを比較することによりパルス放電の正常・異常を判断することも可能である。
この実施例では、チャンバ１１に設けられた窓２５を介して、プラズマの光を光電変換器３１で電気信号に変換する。トリガ信号生成部３３は得られた電気信号に基づきトリガ信号を生成する。例えば、光電変換器３１を所望の波長帯の光のみに反応して当該光の強さに対応した電気信号を生成するものとする。ここに所望の波長帯の光とは、正常な放電に対応するプラズマから放出される光である。トリガ信号生成部３３はその電気信号の強さが所定値以上の場合にトリガ信号を生成する。これにより、正常な放電が生じたとき、トリガ信号が生成される。 A high voltage pulse (˜1 kV, 10 μs to 1000 μs) is applied from the power source 18 to the sputter source 13, whereby a pulse discharge is generated and a plasma caused by argon is formed in the vicinity of the metal target 12 in a pulse shape. Next, metal particles or ions (monovalent and multivalent) as the forming material are released from the metal target. When a series of these normal reactions occur, light having a wavelength caused by argon or metal ions is emitted while maintaining a predetermined light intensity (spectrum peak height) ratio. For example, the wavelength of light caused by argon is 811.5 nm, and the wavelength of light caused by titanium is 498 nm (see Non-Patent Document 1).
When the pulse discharge is abnormal, the intensity of light of each wavelength (spectrum peak height) and / or its ratio is different from the predetermined one.
When a reactive gas such as nitrogen or oxygen is introduced together with a sputtering gas such as argon, light having a wavelength caused by the reactive gas is also included.
Select normal or abnormal pulse discharge by selectively selecting light caused by a desired element (for example, sputtering gas such as argon, particles from a target, or reaction gas) and comparing only the intensity. It is also possible.
In this embodiment, plasma light is converted into an electrical signal by the photoelectric converter 31 through a window 25 provided in the chamber 11. The trigger signal generation unit 33 generates a trigger signal based on the obtained electrical signal. For example, it is assumed that the photoelectric converter 31 reacts only with light in a desired wavelength band and generates an electrical signal corresponding to the intensity of the light. Here, the light of a desired wavelength band is light emitted from plasma corresponding to normal discharge. The trigger signal generation unit 33 generates a trigger signal when the strength of the electric signal is equal to or greater than a predetermined value. Thereby, a trigger signal is generated when a normal discharge occurs.

図２はトリガ信号発生部３３の一例（詳細構造）を示す。
このトリガ信号発生部３３によれば、光電変換器としてのフォトダイオード３１からの電流をオシロスコープ３３１へ入力しこれからＴＴＬパルス信号を出力させる。ＴＴＬパルス信号はデジタル遅延パルス発生器３３３へ入力される。このデジタル遅延パルス発生器はＴＴＬパルス信号を受けてから所定時間後にトリガ信号を出力する。このトリガ信号はイオン加速器ドライバ３５へ入力される。このトリガ信号を受けたイオン加速器ドライバ３５はイオン加速電極４５へ所定の高電圧を印加し、イオンを加速する。
トリガ信号は飛行時間特定部３７にも印加され、イオンの飛行開始時刻を定める。
図２の構造を採用することにより、デジタル遅延パルス発生器３３３によるトリガ信号の発生タイミングを制御することにより、プラズマ発生からイオン加速までの時間を調整できることとなり、また、プラズマに含まれるイオンの経時変化を解析可能となる。 FIG. 2 shows an example (detailed structure) of the trigger signal generator 33.
According to the trigger signal generator 33, the current from the photodiode 31 as a photoelectric converter is input to the oscilloscope 331, and a TTL pulse signal is output therefrom. The TTL pulse signal is input to the digital delay pulse generator 333. The digital delay pulse generator outputs a trigger signal a predetermined time after receiving the TTL pulse signal. This trigger signal is input to the ion accelerator driver 35. Upon receiving this trigger signal, the ion accelerator driver 35 applies a predetermined high voltage to the ion acceleration electrode 45 to accelerate the ions.
The trigger signal is also applied to the flight time specifying unit 37 to determine the flight start time of ions.
By adopting the structure of FIG. 2, the time from the plasma generation to the ion acceleration can be adjusted by controlling the generation timing of the trigger signal by the digital delay pulse generator 333, and the time of the ions contained in the plasma is changed over time. Changes can be analyzed.

既述のように、スパッタ源で生じるプラズマからは、スパッタガス、反応ガスまたターゲット粒子にそれぞれ起因して、異なる波長の光が放出される。そこで、光電変換器３１に波長依存性を与えて、特定の成分（例えばスパッタガス）からの光に対してのみ電気信号を出力するようにすることができる。光電変換器３１に波長依存性を与えるには、受光面にフィルタを設けるか、光電変換器３１としてフォトダイオードを用いるときは、フォトダイオード自体の受光特性を選択する。
いかなる成分に起因する光を選択するかは任意に設定可能であるが、スパッタガスからの光に基づき電気信号を出力させることが好ましい。スパッタ源のプラズマにおいて最初に放出される光であり、かつ十分な光量を得やすいからである。 As described above, light having different wavelengths is emitted from the plasma generated in the sputtering source due to the sputtering gas, the reaction gas, and the target particles. Therefore, wavelength dependency can be given to the photoelectric converter 31 so that an electric signal can be output only with respect to light from a specific component (for example, sputtering gas). In order to give wavelength dependency to the photoelectric converter 31, a filter is provided on the light receiving surface, or when a photodiode is used as the photoelectric converter 31, the light receiving characteristic of the photodiode itself is selected.
It is possible to arbitrarily set the light attributed to which component, but it is preferable to output an electrical signal based on the light from the sputtering gas. This is because it is the light emitted first in the plasma of the sputtering source and it is easy to obtain a sufficient amount of light.

ＴＯＦ質量分析部４０は筐体部４１、イオン加速器４５、イオン検出器４８を備えてなる。この実施例ではＴＯＦ質量分析部４０としてリフレクトロンタイプを採用している。筐体部４１は第1の部屋４０Ａと第２部屋４０Ｂとに分離されており、第1の部屋４０Ａにはイオン加速器４５が配置される。第２の部屋４１Ｂにはリフレクトロン４７とイオン検出器４８が配置される。筐体部４０はＨＩＰＩＭＳのチャンバ１１に固定され、ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源１３に対向してアパチャー４２を介して開口している。このアパチャー４２は金属板４３に直径約１ｍｍの孔をあけてなり、この金属板４３はグランドにアースされ、金属ターゲット１２以下の電位に維持されている。スパッタ装置におけるスパッタ対象は金属ターゲット１２以下の電位に維持されるので、スパッタの最適条件を探索するために用いられるＴＯＦ質量分析部４０においてもそのイオン導入口を、スパッタ装置と同様に、金属ターゲット１２以下の電位とすることが好ましい。
スパッタ装置としてチャンバ１１内の圧力に比べて、ＴＯＦ質量分析部４０としての筐体部４１内の圧力は低く維持されなければならない。この観点から、両者のインターフェースとなるアパチャーの径は出来るだけ小さくすることが好ましい。他方、チャンバ内で発生したイオンをＴＯＦ質量分析部４０へ安定して導入しなければならない。そのためには、アパチャーの径は大きくすることが好ましい。かかるトレードオフの関係にあるアパチャーの径は、本発明者らの検討によれば、０．１ｍｍ〜５ｍｍとすることが好ましい。 The TOF mass analysis unit 40 includes a housing unit 41, an ion accelerator 45, and an ion detector 48. In this embodiment, a reflectron type is adopted as the TOF mass spectrometer 40. The casing 41 is separated into a first room 40A and a second room 40B, and an ion accelerator 45 is arranged in the first room 40A. A reflectron 47 and an ion detector 48 are arranged in the second room 41B. The casing 40 is fixed to the HIPIMS chamber 11 and opens through the aperture 42 so as to face the sputtering source 13 of the HIPIMS. The aperture 42 has a hole having a diameter of about 1 mm in a metal plate 43, and the metal plate 43 is grounded to the ground and maintained at a potential equal to or lower than the metal target 12. Since the sputtering target in the sputtering apparatus is maintained at a potential equal to or lower than the metal target 12, the ion introduction port is also used in the TOF mass analysis unit 40 used for searching for the optimum sputtering conditions, as in the sputtering apparatus. The potential is preferably 12 or less.
Compared to the pressure in the chamber 11 as a sputtering apparatus, the pressure in the casing 41 as the TOF mass analyzer 40 must be kept low. From this point of view, it is preferable to make the diameter of the aperture serving as the interface between the two as small as possible. On the other hand, ions generated in the chamber must be stably introduced into the TOF mass analyzer 40. For this purpose, it is preferable to increase the diameter of the aperture. According to the study by the present inventors, the diameter of the aperture having such a trade-off relationship is preferably 0.1 mm to 5 mm.

このアパチャー４２は、ターゲット１２の中心から外方へ偏心している。この実施例では２２．５ｍｍ偏心させている。最も蒸発粒子イオン濃度の高い部分をサンプリングするためである。
この実施例ではアパチャー４２と金属ターゲット１２との間に５ｃｍの間隔をあけたが、両者の間隔は任意に設定可能である。
第1の部屋４０Ａにはイオン加速器４５が備えられる。このイオン加速器４５はアパチャー４２と同一軸線上にメッシュを張った開口部４６を開口した金属板からなり、この開口部４６を通過するイオンが加速される。
イオン加速器４５にはイオン加速器ドライバ３５から一定の高電圧（この例では１．４ｋＶ）が印加される。加速されたイオンはリフレクトロン４７で反射されて例えばＭＣＰ検出器からなるイオン検出器４８で検出され、トリガ信号発生時刻からイオン検出時刻までの時間が飛行時間として飛行時間特定部３７により特定される。
イオン加速器４５から与えられる運動エネルギー１／２Ｍｖ２は一定であるので、イオンの質量（Ｍ）の違いが速度（ｖ）即ち、イオン検出器４８に到達するまでの時間の違いとして検出される。
検出結果はデジタルオシロスコープ等の出力部を介して出力される。 The aperture 42 is eccentric outward from the center of the target 12. In this embodiment, the eccentricity is 22.5 mm. This is for sampling the portion with the highest evaporated particle ion concentration.
In this embodiment, an interval of 5 cm is provided between the aperture 42 and the metal target 12, but the interval between the two can be arbitrarily set.
An ion accelerator 45 is provided in the first chamber 40A. The ion accelerator 45 is made of a metal plate having an opening 46 meshed on the same axis as the aperture 42, and ions passing through the opening 46 are accelerated.
A constant high voltage (1.4 kV in this example) is applied to the ion accelerator 45 from the ion accelerator driver 35. The accelerated ions are reflected by the reflectron 47 and detected by, for example, an ion detector 48 including an MCP detector, and the time from the trigger signal generation time to the ion detection time is specified by the flight time specifying unit 37 as the flight time. .
Since the kinetic energy ½ Mv 2 given from the ion accelerator 45 is constant, the difference in ion mass (M) is detected as the difference in velocity (v), that is, the time until it reaches the ion detector 48.
The detection result is output via an output unit such as a digital oscilloscope.

ＴＯＦ質量分析部４０にも排気装置５１を設け、ＨＩＰＩＭＳ部１０とは別途に排気をし（差動排気）、ＴＯＦ質量分析部４０内からアルゴンガスを排除することが好ましい。
この実施例では、ＴＯＦ質量分析部４０内の真空度は、第1の部屋４０Ａを１×１０−４Ｐａ、第２の部屋４０Ｂを３×１０−５Ｐａとしている。 It is preferable that an exhaust device 51 is also provided in the TOF mass analysis unit 40, and exhaust is performed separately from the HIPIMS unit 10 (differential exhaust), and the argon gas is excluded from the TOF mass analysis unit 40.
In this embodiment, the degree of vacuum in the TOF mass spectrometer 40 is 1 × 10 −4 Pa in the first room 40A and 3 × 10 −5 Pa in the second room 40B.

図１の装置において、スパッタ対象をチャンバ１１内にセットすれば、スパッタ対象に蒸着膜をスパッタ成長しつつ、チャンバ内のスパッタ源の状態をＴＯＦ質量分部４０により分析できる。これにより、スパッタ源の状態と蒸着膜の特性とを対比可能となる。スパッタ源１３に印加する電流、電圧、磁場、導入ガス圧等の各種パラメータを変化させることでスパッタ源の状態を制御可能である。
ＴＯＦ質量分析部４０の出力結果は数１００μｓ以内に得ることができるので、ＴＯＦ質量分析部４０の出力結果をみながら、上記各種パラメータを制御し、スパッタ源の状態を所望の蒸着膜に適したものにすることができる。 In the apparatus of FIG. 1, if the sputtering target is set in the chamber 11, the state of the sputtering source in the chamber can be analyzed by the TOF mass dividing unit 40 while sputter-depositing a deposited film on the sputtering target. This makes it possible to compare the state of the sputtering source and the characteristics of the deposited film. The state of the sputtering source can be controlled by changing various parameters such as current, voltage, magnetic field, and introduced gas pressure applied to the sputtering source 13.
Since the output result of the TOF mass analysis unit 40 can be obtained within several hundreds of μs, the various parameters are controlled while viewing the output result of the TOF mass analysis unit 40, and the state of the sputtering source is suitable for the desired vapor deposition film. Can be a thing.

図３には他の例のＴＯＦ質量分析部１４０を示す。なお、図３において図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この例では、イオン加速器４５とアパチャー４２との間で中性粒子をイオン化可能とする。この実施例では、イオン化装置６１として紫外光発生器を採用し、筐体部４１に設けた透過窓６３を介して紫外光を筐体４１内の中性金属粒子へ照射し、これをイオン化する。イオン化装置として、紫外光発生器の代わりに、熱電子パルスビーム発生器を用いることもできる。
ＨＩＰＩＭＳスパッタ源にはイオン化された金属粒子のみならず、中性金属粒子も存在し、両者はともにスパッタ膜の製膜に影響するものと考えられる。従って、中性金属粒子をイオン化装置でイオン化し、その質量分析を行なうことが好ましい。イオン化装置６１はトリガ信号生成部３３からのトリガ信号を受け、イオン加速器３５と同期して紫外光を放出する。
中性金属粒子のみの質量分析を行なう場合には、イオン化装置でイオン化したときに得られる質量分析結果から、イオン化装置でのイオン化を行なわないときの質量分析結果（イオン化された金属粒子の質量分析結果）を差し引くことにより行なう。 FIG. 3 shows another example of the TOF mass spectrometer 140. In FIG. 3, the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
In this example, neutral particles can be ionized between the ion accelerator 45 and the aperture 42. In this embodiment, an ultraviolet light generator is employed as the ionization device 61, and the neutral metal particles in the housing 41 are irradiated with ultraviolet light through the transmission window 63 provided in the housing 41 to ionize it. . As the ionizer, a thermionic pulse beam generator can be used instead of the ultraviolet light generator.
The HIPIMS sputtering source includes not only ionized metal particles but also neutral metal particles, both of which are considered to affect the formation of the sputtered film. Therefore, it is preferable to ionize neutral metal particles with an ionizer and perform mass analysis. The ionizer 61 receives the trigger signal from the trigger signal generator 33 and emits ultraviolet light in synchronization with the ion accelerator 35.
When performing mass analysis of only neutral metal particles, the mass analysis results obtained when ionization is not performed from the mass analysis results obtained when ionization is performed with an ionizer (mass analysis of ionized metal particles) Subtract the result.

上記実施例（図１）の装置で得られたＴＯＦスペクトルを図４に示す。測定条件は次の通りである。
ターゲット：Cr, 電圧：650 V, パルス幅：100 μs,
Arガス流量：390 ccm, 窒素ガス流量：390 ccm,
磁石の位置 中心：0.0 mm, 外：0.0 mm,
Acc : 1400 V/1130 V, Ref : 1600 V/1025 V
Lens : 1250 V, MCP : -1.85 kV/-100.0 V FIG. 4 shows a TOF spectrum obtained by the apparatus of the above-described embodiment (FIG. 1). The measurement conditions are as follows.
Target: Cr, Voltage: 650 V, Pulse width: 100 μs,
Ar gas flow rate: 390 ccm, Nitrogen gas flow rate: 390 ccm,
Magnet position Center: 0.0 mm, Outside: 0.0 mm,
Acc: 1400 V / 1130 V, Ref: 1600 V / 1025 V
Lens: 1250 V, MCP: -1.85 kV / -100.0 V

本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。   The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications are also included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the scope of the claims.

１ プラズマ解析方法
１０ ＨＩＰＩＭＳ部
１１ チャンバ
１２ ターゲット
１３ スパッタ源
１４ マグネトロン
２５ 窓
４０ ＴＯＦ質量分析部
４２ アパチャー
４３ 金属板
４５ イオン加速部
４７ リフレクタ
４８ イオン検出部
６１ イオン化装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma analysis method 10 HIPIMS part 11 Chamber 12 Target 13 Sputter source 14 Magnetron 25 Window 40 TOF mass analysis part 42 Aperture 43 Metal plate 45 Ion acceleration part 47 Reflector 48 Ion detection part 61 Ionizer

Claims (4)

ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源で発生したプラズマからの光を検出する光検出ステップと、
前記プラズマからのイオンをＴＯＦ質量分析する際に、飛行時間の開始時刻を前記光検出ステップで検出した光に基づき定める、ことを特徴とするＴＯＦ質量分析によるＨＩＰＩＭＳスパッタ源のプラズマ解析方法。 A light detection step of detecting light from plasma generated by a sputtering source of HIPIMS;
A plasma analysis method for a HIPIMS sputtering source by TOF mass analysis, wherein, when performing TOF mass analysis on ions from the plasma, a start time of flight time is determined based on the light detected in the light detection step. プラズマを発生させるＨＩＰＩＭＳのスパッタ源と、
該ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源に接続されるＴＯＦ質量分析部と、を備え、
前記ＨＩＰＩＭＳのスパッタ源の前記プラズマからの光を検出する光検出部が備えられ、
前記ＴＯＦ質量分析部は、前記光検出部によるプラズマからの光の検出時刻を基準にして該プラズマに対応して生成されたイオンの飛行時間を計測する、ことを特徴とするＴＯＦ質量分析によるＨＩＰＩＭＳスパッタ源のプラズマ解析装置。 A sputtering source of HIPIMS that generates plasma;
A TOF mass spectrometer connected to the sputtering source of the HIPIMS,
A light detection unit for detecting light from the plasma of the sputtering source of the HIPIMS;
HIPIMS by TOF mass spectrometry, wherein the TOF mass spectrometer measures the time of flight of ions generated corresponding to the plasma based on the detection time of light from the plasma by the light detector Sputter source plasma analyzer. 前記ＴＯＦ質量分析部において前記スパッタ源に対向する部分にはアパチャーが設けられ、該アパチャー周壁の電位は前記スパッタ源のターゲットの電位以下であること、を特徴とする請求項２に記載のプラズマ解析装置。   3. The plasma analysis according to claim 2, wherein an aperture is provided in a portion of the TOF mass spectrometer that faces the sputtering source, and a potential of the peripheral wall of the aperture is equal to or lower than a potential of a target of the sputtering source. apparatus. 前記スパッタ源からの中性粒子をイオン化させるイオン化装置が更に備えられる、ことを特徴とする請求項２又は３に記載のプラズマ解析装置。   The plasma analysis apparatus according to claim 2, further comprising an ionization apparatus that ionizes neutral particles from the sputtering source.
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