JP2767429B2 - 高周波プラズマ電子温度測定方法 - Google Patents
高周波プラズマ電子温度測定方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高周波電力で生成されるプラズマの電子温
度測定法に関するものである。
度測定法に関するものである。
（従来技術とその問題点） プラズマCVD法やプラズマスパッタリング法による半
導体装置の酸化膜の形成など、一般にプラズマを利用し
た反応生成物の成膜装置においては、安定で再現性の良
いプラズマの発生が不可欠であり、そのためにはプラズ
マ電子の温度測定及び制御が極めて重要である。特にこ
れらのプラズマはほとんどの場合、高周波電力で生成さ
れるが、これらはいわゆる高周波プラズマ中でのプラズ
マ電力温度の測定及び制御がとりわけ重要である。
導体装置の酸化膜の形成など、一般にプラズマを利用し
た反応生成物の成膜装置においては、安定で再現性の良
いプラズマの発生が不可欠であり、そのためにはプラズ
マ電子の温度測定及び制御が極めて重要である。特にこ
れらのプラズマはほとんどの場合、高周波電力で生成さ
れるが、これらはいわゆる高周波プラズマ中でのプラズ
マ電力温度の測定及び制御がとりわけ重要である。
そこで、従来からプラズマの発生雰囲気中にプローブ
あるいは加熱プローブを挿入し、これによって捕集され
た電子電流がプローブのバイアス電圧及びプラズマ電子
温度と一定の関係を有することを利用して温度を測定す
る方法が広く採用されている。
あるいは加熱プローブを挿入し、これによって捕集され
た電子電流がプローブのバイアス電圧及びプラズマ電子
温度と一定の関係を有することを利用して温度を測定す
る方法が広く採用されている。
しかしながら、これらの方法には、プラズマ中に常に
存在する高周波電位振動のプローブへの影響を除去する
ために複雑な防御回路を設置する必要があるなどの欠点
がある。
存在する高周波電位振動のプローブへの影響を除去する
ために複雑な防御回路を設置する必要があるなどの欠点
がある。
すなわち、プローブによりプラズマから電子電流を捕
集することにより電子温度を測定する従来法において
は、プローブの電圧−電流特性が、本来非線形であるた
めに、電源電圧の高周波振動にともないプラズマ電位が
振動すると整流電流が同時にプローブに捕集される。こ
のため、プローブにより捕集される電流は、電子温度を
正しく反映している電子電流とは大きく相違したものと
なり、これによる電子温度の測定は原理的に不可能とな
る。
集することにより電子温度を測定する従来法において
は、プローブの電圧−電流特性が、本来非線形であるた
めに、電源電圧の高周波振動にともないプラズマ電位が
振動すると整流電流が同時にプローブに捕集される。こ
のため、プローブにより捕集される電流は、電子温度を
正しく反映している電子電流とは大きく相違したものと
なり、これによる電子温度の測定は原理的に不可能とな
る。
そのため、従来方法ではこの整流電流を除去するため
に、プローブ回路に新たに高周波電流除去回路を付け、
プラズマ中の振動電圧と同じ大きさで逆位相の高周波電
圧をプローブに印加することにより、整流電流の流れる
ことを防止している。しかしながら、この方法では、プ
ローブに印加すべき逆位相の電圧値がプローブとプラズ
マ間に存在するシースの容量に依存するため、正確に求
めることは難しく、広いプラズマ領域においてプラズマ
電位と正確に同値で逆位相の電圧をプローブ回路に印加
することは不可能に近い。
に、プローブ回路に新たに高周波電流除去回路を付け、
プラズマ中の振動電圧と同じ大きさで逆位相の高周波電
圧をプローブに印加することにより、整流電流の流れる
ことを防止している。しかしながら、この方法では、プ
ローブに印加すべき逆位相の電圧値がプローブとプラズ
マ間に存在するシースの容量に依存するため、正確に求
めることは難しく、広いプラズマ領域においてプラズマ
電位と正確に同値で逆位相の電圧をプローブ回路に印加
することは不可能に近い。
さらに、ここで対象とするプラズマはほとんどの場
合、反応性であり、プラズマ中では反応物が生成される
ため、プローブ表面には常にこれらの反応生成物が堆積
してくる。そこで、これら反応生成物の堆積を防止する
ため、プローブは通常加熱されるが、この加熱されたプ
ローブによる測定方法についても従来法においては複雑
な制御回路を必要としており、上記の高周波電流除去回
路と合わせると、極めて繁雑な付属回路を必要とするこ
とから、満足すべきものとは言い難い。
合、反応性であり、プラズマ中では反応物が生成される
ため、プローブ表面には常にこれらの反応生成物が堆積
してくる。そこで、これら反応生成物の堆積を防止する
ため、プローブは通常加熱されるが、この加熱されたプ
ローブによる測定方法についても従来法においては複雑
な制御回路を必要としており、上記の高周波電流除去回
路と合わせると、極めて繁雑な付属回路を必要とするこ
とから、満足すべきものとは言い難い。
（発明の目的） 本発明は、上記の如き従来方法の欠点を一掃しうる高
周波プラズマ電子の温度測定方法の提供を目的としてな
されたものである。
周波プラズマ電子の温度測定方法の提供を目的としてな
されたものである。
（問題点を解決するための本発明の手段） 本発明の特徴とするところは次の点にある。すなわ
ち、第１図のよに高周波プラズマ発生容器（１）中にプ
ローブ（フィラメント）（２）を浮動状態で差し込む。
そしてこれに有電圧期と無電圧期とを有する交流半波電
圧VH（周期はフィラメント熱時定数より充分短いもの）
を加えて加熱し、プローブから熱電子放出させ、この放
出電子数が充分でプローブの浮動電位がプラズマ中に存
在する高周波電位振動に追随できる条件下で、被測定量
はこの放出電子電流の影響を受けないように上記加熱交
流半波電圧の有電圧期と無電圧期におけるプローブ
（２）の浮動電位の差ΔVFとすることにより、前記従来
法の各種の欠点の一掃を図ったものである。次に本発明
の測定原理について説明する。
ち、第１図のよに高周波プラズマ発生容器（１）中にプ
ローブ（フィラメント）（２）を浮動状態で差し込む。
そしてこれに有電圧期と無電圧期とを有する交流半波電
圧VH（周期はフィラメント熱時定数より充分短いもの）
を加えて加熱し、プローブから熱電子放出させ、この放
出電子数が充分でプローブの浮動電位がプラズマ中に存
在する高周波電位振動に追随できる条件下で、被測定量
はこの放出電子電流の影響を受けないように上記加熱交
流半波電圧の有電圧期と無電圧期におけるプローブ
（２）の浮動電位の差ΔVFとすることにより、前記従来
法の各種の欠点の一掃を図ったものである。次に本発明
の測定原理について説明する。
第１図に示すように、プラズマ容器（１）内に角周波
数ωＳの高周波電力で生成されたプラズマがあり、その
中にプローブ（２）を浮動状態で挿入し、電圧VHの交流
半波で加熱する。この時、放出電子飽和電流IESが の条件を満足していれば、プローブの浮動電位はプラズ
マ中の高周波電位振動に追随できる。（１）式でωPEは
放出電子が持つプラズマ振動数（電子密度ηＥ）、ε０
真空中の誘電率、ｅ及びｍ電子電荷及び質量、APプロー
ブ表面積、TWプローブ温度ｋボルツマン常数である。
数ωＳの高周波電力で生成されたプラズマがあり、その
中にプローブ（２）を浮動状態で挿入し、電圧VHの交流
半波で加熱する。この時、放出電子飽和電流IESが の条件を満足していれば、プローブの浮動電位はプラズ
マ中の高周波電位振動に追随できる。（１）式でωPEは
放出電子が持つプラズマ振動数（電子密度ηＥ）、ε０
真空中の誘電率、ｅ及びｍ電子電荷及び質量、APプロー
ブ表面積、TWプローブ温度ｋボルツマン常数である。
（１）式の関係は交流半波電圧を上昇させることによ
り放出される熱電子の数が増加して、熱電子のプラズマ
振動数がプラズマ中の電位振動数よりも充分大きくなる
ことを意味するが、この条件下ではプラズマ中の振動電
位に放出電子はすみやかに追随しプローブとプラズマ間
には高周波の電位振動が存在しなくなる。この様子を第
２図に示した。第２図（ａ）（ｂ）はそれぞれ高周波電
源電圧が正位相及び逆位相の時の放出電子電流IE及び捕
集電子電流ICの特性を示したものである。プラズマ電位
がそれぞれの位相に応じてVP1からVP2に変化しても
（１）式の条件下では放出電子がすみやかにプラズマ電
位の振動に追随し、放出電子電流及び捕集電子電流特性
は横軸に沿って平行移動した形となる。従ってプローブ
が浮動状態にある場合には、プラズマ電位がVP1からVP2
間で振動するとその浮動電位はVF1とVF2間で振動する。
それ故、プローブとプラズマ間には高周波の振動電位差
は存在しなくなり、プラズマから捕集される電子は振動
電位を見ずに常に同一の電位差VP1−VF1（＝VP2−VF2）
を見ることから捕集電子電流は高周波振動電圧の影響を
受けなくなるので、この捕集電流は正しく電子温度を反
映していることになる。
り放出される熱電子の数が増加して、熱電子のプラズマ
振動数がプラズマ中の電位振動数よりも充分大きくなる
ことを意味するが、この条件下ではプラズマ中の振動電
位に放出電子はすみやかに追随しプローブとプラズマ間
には高周波の電位振動が存在しなくなる。この様子を第
２図に示した。第２図（ａ）（ｂ）はそれぞれ高周波電
源電圧が正位相及び逆位相の時の放出電子電流IE及び捕
集電子電流ICの特性を示したものである。プラズマ電位
がそれぞれの位相に応じてVP1からVP2に変化しても
（１）式の条件下では放出電子がすみやかにプラズマ電
位の振動に追随し、放出電子電流及び捕集電子電流特性
は横軸に沿って平行移動した形となる。従ってプローブ
が浮動状態にある場合には、プラズマ電位がVP1からVP2
間で振動するとその浮動電位はVF1とVF2間で振動する。
それ故、プローブとプラズマ間には高周波の振動電位差
は存在しなくなり、プラズマから捕集される電子は振動
電位を見ずに常に同一の電位差VP1−VF1（＝VP2−VF2）
を見ることから捕集電子電流は高周波振動電圧の影響を
受けなくなるので、この捕集電流は正しく電子温度を反
映していることになる。
このような条件下で加熱電圧VHの有電圧期と無電圧期
におけるプローブの浮動電位差ΔVFの値は第３図に示す
ようにIES＜ICS（ISCは捕集電子飽和電流）の領域では
捕集電子電流−電圧特性の勾配に依存する。この勾配
は、電子温度がTeであれば1/kTeの値であるので結局、
第３図のようにVHに対する浮動電位差ΔVFを測定するこ
とにより電子温度は次式より求めることができる。
におけるプローブの浮動電位差ΔVFの値は第３図に示す
ようにIES＜ICS（ISCは捕集電子飽和電流）の領域では
捕集電子電流−電圧特性の勾配に依存する。この勾配
は、電子温度がTeであれば1/kTeの値であるので結局、
第３図のようにVHに対する浮動電位差ΔVFを測定するこ
とにより電子温度は次式より求めることができる。
なお、（２）式を用いて電子温度を測定する方法につ
いては、特許願（出願番号62−218373）を既に出願済で
ある。また、浮動電位を測定する場合には、加熱電圧VH
による変化以外にプラズマ電位の振動に呼応した電位振
動が浮動電位に含まれるので、この振動成分をフィルタ
ー等で除去しなければならない。通常、高周波電源の角
周波数ωＳとVHの周波数は、極端に相違するので、この
フィルターリングは容易である。
いては、特許願（出願番号62−218373）を既に出願済で
ある。また、浮動電位を測定する場合には、加熱電圧VH
による変化以外にプラズマ電位の振動に呼応した電位振
動が浮動電位に含まれるので、この振動成分をフィルタ
ー等で除去しなければならない。通常、高周波電源の角
周波数ωＳとVHの周波数は、極端に相違するので、この
フィルターリングは容易である。
第４図は本発明による測定回路例図であって、プロー
ブ（２）を高周波プラズマ発生容器（１）と電気的に絶
縁、即ち浮動的に容器（１）内に差し込み装着し、これ
に単巻式電圧調整器（３）と絶縁トランス（４）および
ダイオード（５）を介して電圧の調整された商用周波の
半波電圧（周波数は任意の周波数を取りうる）を印加し
て加熱する。
ブ（２）を高周波プラズマ発生容器（１）と電気的に絶
縁、即ち浮動的に容器（１）内に差し込み装着し、これ
に単巻式電圧調整器（３）と絶縁トランス（４）および
ダイオード（５）を介して電圧の調整された商用周波の
半波電圧（周波数は任意の周波数を取りうる）を印加し
て加熱する。
一方、プローブ（２）の浮動電位がどの程度の高周波
振動に追随できるかは外部回路にも依存し、これはプロ
ーブ（２）の回路全体がアースに対して持つ浮遊容量に
よって決まる。従ってプローブの浮動電位ができる限り
高い周波数でも振動し得るようにするためには、この浮
遊容量による影響を極力除去する必要がある。その一つ
の方策として第４図の回路例では、ダミープローブ
（６）を設置し、プローブ（２）の浮動電位の測定は差
動電圧増幅器（８）を通して、ダミープローブ（６）と
の差電位をオシロスコープ（10）で測定する方法を用い
ている。このように、ダミープローブとの差電圧を取る
ことにより、プローブ（２）がアースに対して持つ浮遊
容量の影響を除去することができる。なお、フィルター
（９）はプローブ（２）に現れる高周波振動を除去し、
又プラズマ自体が発するノイズを除去するためのもので
ある。このようにして、オシロスコープ（10）にプロー
ブ（２）の加熱電圧による浮動電圧の変化の波形が得ら
れ、この浮動電位差から（２）式を用いて電子温度を求
める。
振動に追随できるかは外部回路にも依存し、これはプロ
ーブ（２）の回路全体がアースに対して持つ浮遊容量に
よって決まる。従ってプローブの浮動電位ができる限り
高い周波数でも振動し得るようにするためには、この浮
遊容量による影響を極力除去する必要がある。その一つ
の方策として第４図の回路例では、ダミープローブ
（６）を設置し、プローブ（２）の浮動電位の測定は差
動電圧増幅器（８）を通して、ダミープローブ（６）と
の差電位をオシロスコープ（10）で測定する方法を用い
ている。このように、ダミープローブとの差電圧を取る
ことにより、プローブ（２）がアースに対して持つ浮遊
容量の影響を除去することができる。なお、フィルター
（９）はプローブ（２）に現れる高周波振動を除去し、
又プラズマ自体が発するノイズを除去するためのもので
ある。このようにして、オシロスコープ（10）にプロー
ブ（２）の加熱電圧による浮動電圧の変化の波形が得ら
れ、この浮動電位差から（２）式を用いて電子温度を求
める。
なお、ダミープローブ（６）をプローブ（２）と同一
のプラズマ位置に挿入し、いわゆるダブルプローブの形
式で上記の方法と同様な測定を行うことも可能であり、
この場合にはプローブ（２）と（６）の加熱で電圧の値
が異なっているかあるいは加熱電圧の位相が異なるよう
にする必要がある。
のプラズマ位置に挿入し、いわゆるダブルプローブの形
式で上記の方法と同様な測定を行うことも可能であり、
この場合にはプローブ（２）と（６）の加熱で電圧の値
が異なっているかあるいは加熱電圧の位相が異なるよう
にする必要がある。
（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従
来方法のように調整困難な高周波電流除去回路を必要と
したり測定回路の複雑化を招いたりすることなく簡単な
回路によって正確な高周波プラズマ電子温度の測定が可
能になるのは勿論、測定回路が簡単化されるため測定の
自由化が容易となる。従って、高周波プラズマを利用し
た成膜装置のプラズマ電子温度，プラズマ電位などの諸
パラメータの常時監視用モニタ装置等への応用はもとよ
り、一般的なプラズマ診断に用いてその効果は大きい。
来方法のように調整困難な高周波電流除去回路を必要と
したり測定回路の複雑化を招いたりすることなく簡単な
回路によって正確な高周波プラズマ電子温度の測定が可
能になるのは勿論、測定回路が簡単化されるため測定の
自由化が容易となる。従って、高周波プラズマを利用し
た成膜装置のプラズマ電子温度，プラズマ電位などの諸
パラメータの常時監視用モニタ装置等への応用はもとよ
り、一般的なプラズマ診断に用いてその効果は大きい。
第１図，第２図および第３図は本発明の原理説明のため
の回路図、および電圧−電流特性図、第４図は本発明に
よる測定回路例図である。 （１）……高周波プラズマ発生容器、（２）……プロー
ブ、（2a）……プローブ支持端子、（３）……単巻式電
圧調整器、（４）……絶縁トランス、（５）……ダイオ
ード、（６）……ダミープローブ、（７）……ダイオー
ド、（８）……差動電圧増幅器、（９）……高周波除去
フィルタ、（10）……ブラウン管オシロスコープ。
の回路図、および電圧−電流特性図、第４図は本発明に
よる測定回路例図である。 （１）……高周波プラズマ発生容器、（２）……プロー
ブ、（2a）……プローブ支持端子、（３）……単巻式電
圧調整器、（４）……絶縁トランス、（５）……ダイオ
ード、（６）……ダミープローブ、（７）……ダイオー
ド、（８）……差動電圧増幅器、（９）……高周波除去
フィルタ、（10）……ブラウン管オシロスコープ。
Claims (1)
- 【請求項１】高周波電力で生成されたプラズマ雰囲気中
に浮動状態でフィラメントプローブを差込み装着して、 該フィラメントプローブの熱時定数よりも充分短い周期
を持つ加熱用交流半波電圧を該フィラメントプローブに
加えて該フィラメントプローブを加熱して、該フィラメ
ントプローブより熱電子を放出させ、 前記加熱用交流半波電圧の値を上昇させることにより、
該放出される熱電子の数が増加して該熱電子の有するプ
ラズマ振動数がプラズマ発生用高周波電源の周波数より
も充分高い振動数となるようにし、 該加熱用交流半波電圧の有電圧期と無電圧期における前
記フィラメントプローブの各浮動電位の電位差を検出し
て、 該電位差からプラズマ電子温度を測定するようにした高
周波プラズマ電子温度測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63178027A JP2767429B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-07-19 | 高周波プラズマ電子温度測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63178027A JP2767429B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-07-19 | 高周波プラズマ電子温度測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0230098A JPH0230098A (ja) | 1990-01-31 |
| JP2767429B2 true JP2767429B2 (ja) | 1998-06-18 |
Family
ID=16041305
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63178027A Expired - Fee Related JP2767429B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-07-19 | 高周波プラズマ電子温度測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2767429B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW497369B (en) * | 2000-08-25 | 2002-08-01 | Haruo Shindo | Method of measuring electron energy distribution in plasma region and apparatus for measuring the same |
| JP4724325B2 (ja) * | 2000-08-25 | 2011-07-13 | 春雄 進藤 | プラズマ中の電子エネルギー分布の測定方法及びその装置 |
| JP4727389B2 (ja) * | 2005-11-01 | 2011-07-20 | 三菱重工業株式会社 | 電子線殺菌装置 |
-
1988
- 1988-07-19 JP JP63178027A patent/JP2767429B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0230098A (ja) | 1990-01-31 |
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