JP2859308B2 - プラズマパラメーターの測定方法 - Google Patents
プラズマパラメーターの測定方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は放電により生じるプラズマの状態を把握し、
これを最適状態に制御するための監視技術に関するもの
であり、とくに薄膜形成プロセスに用いられる弱電離プ
ラズマに適用され、薄膜形成技術の制御性を向上させる
技術に関する。
これを最適状態に制御するための監視技術に関するもの
であり、とくに薄膜形成プロセスに用いられる弱電離プ
ラズマに適用され、薄膜形成技術の制御性を向上させる
技術に関する。
従来、成膜、スパッタ、エッチング、洗浄その他表面
改質などに対してプラズマプロセスが適用されている。
これらプロセスにおいては、原料ガスや希釈ガスの圧
力、流量、放電のための電流、電圧、電力等を制御する
ことにより、反応条件が制御されてきた。しかしなが
ら、これらの制御因子はあくまで、放電の外部制御因子
であり、放電の内部状態を直接検出して制御することは
できなかった。したがって、反応装置の寸法、形、電極
配置が異なる場合には、その外部制御因子は大幅に変化
するため、プラズマプロセスの制御性において、統一
性、一般性を欠き技術の普遍化、蓄積が困難であった。
これに対し、プラズマ雰囲気中に直接、探針を設けてプ
ラズマ密度、電子温度などのプラズマパラメーターを測
定し、放電の内部因子を把握することも試みられてきた
が、いまだ、満足のいく結果は得られていない。特に、
高周波放電の内部パラメータの把握に困難をきわめてい
る。
改質などに対してプラズマプロセスが適用されている。
これらプロセスにおいては、原料ガスや希釈ガスの圧
力、流量、放電のための電流、電圧、電力等を制御する
ことにより、反応条件が制御されてきた。しかしなが
ら、これらの制御因子はあくまで、放電の外部制御因子
であり、放電の内部状態を直接検出して制御することは
できなかった。したがって、反応装置の寸法、形、電極
配置が異なる場合には、その外部制御因子は大幅に変化
するため、プラズマプロセスの制御性において、統一
性、一般性を欠き技術の普遍化、蓄積が困難であった。
これに対し、プラズマ雰囲気中に直接、探針を設けてプ
ラズマ密度、電子温度などのプラズマパラメーターを測
定し、放電の内部因子を把握することも試みられてきた
が、いまだ、満足のいく結果は得られていない。特に、
高周波放電の内部パラメータの把握に困難をきわめてい
る。
現在、探針によるプラズマパラメータの測定は以下の
ごとき構成の計測回路および手順により以下ようにして
行われている。即ち、探針にプラズマ電位より十分高い
電圧を印加して、一定の電子電流（電子飽和電流）を求
める。また、プラズマ電位より低い電圧を印加して、一
定のイオン電流（イオン飽和電流）を得る。このよう
に、探針への印加電圧を電子飽和電流領域からイオン飽
和電流領域まで掃引して得られる探針の電流・電圧特性
の曲線の勾配からプラズマパラメーターを求めている。
しかしながら、現状の測定法では、放電に用いる高周波
の影響により、測定系を電位的に浮かした浮動探針法を
用いた場合でも不充分であり、プラズマ・探針間電圧が
一定にならない。そのため探針へ流れ込む電流値が大き
く変化してしまい、得られる探針の電流・電圧特性は極
めて歪んだものとなる。この解決のため、データは平均
値で代用されるが、探針の電圧に対し電流は指数的に変
化するため、平均化されて求められる電流値は真の値を
反映しないという問題がある。したがって、得られるプ
ラズマパラメーターは、絶対値、再現性ともに不十分な
ものであった。本発明者らは、これら問題を解決するた
めに、鋭意検討を重ねて、本発明を完成するに到った。
ごとき構成の計測回路および手順により以下ようにして
行われている。即ち、探針にプラズマ電位より十分高い
電圧を印加して、一定の電子電流（電子飽和電流）を求
める。また、プラズマ電位より低い電圧を印加して、一
定のイオン電流（イオン飽和電流）を得る。このよう
に、探針への印加電圧を電子飽和電流領域からイオン飽
和電流領域まで掃引して得られる探針の電流・電圧特性
の曲線の勾配からプラズマパラメーターを求めている。
しかしながら、現状の測定法では、放電に用いる高周波
の影響により、測定系を電位的に浮かした浮動探針法を
用いた場合でも不充分であり、プラズマ・探針間電圧が
一定にならない。そのため探針へ流れ込む電流値が大き
く変化してしまい、得られる探針の電流・電圧特性は極
めて歪んだものとなる。この解決のため、データは平均
値で代用されるが、探針の電圧に対し電流は指数的に変
化するため、平均化されて求められる電流値は真の値を
反映しないという問題がある。したがって、得られるプ
ラズマパラメーターは、絶対値、再現性ともに不十分な
ものであった。本発明者らは、これら問題を解決するた
めに、鋭意検討を重ねて、本発明を完成するに到った。
本発明の基本的着想は、電流・電圧特性に影響する電
圧変動を検出して、これを探針に重畳して、その影響を
なくす点にある。すなわち、プラズマパラメーター計測
回路に接続させたプラズマ電位計測手段により、交流電
圧を検出し、それをプラズマパラメーター計測回路に重
畳させることにより、測定中の変動を解消するものであ
る。このことにより、プラズマ・探針間の電圧の増減、
ひいては探針へ流れ込む電流値の変動が解消され、理想
的な探針電圧・電流曲線が得られるものである。
圧変動を検出して、これを探針に重畳して、その影響を
なくす点にある。すなわち、プラズマパラメーター計測
回路に接続させたプラズマ電位計測手段により、交流電
圧を検出し、それをプラズマパラメーター計測回路に重
畳させることにより、測定中の変動を解消するものであ
る。このことにより、プラズマ・探針間の電圧の増減、
ひいては探針へ流れ込む電流値の変動が解消され、理想
的な探針電圧・電流曲線が得られるものである。
本発明は、プラズマパラメーターを探針により測定す
る方法において、プラズマパラメータ計測手段に接続さ
せたプラズマ電位計測手段により検出される交流電圧
を、該プラズマパラメーター計測回路に重畳することを
特徴とするプラズマパラメーターの測定方法、であり、
好ましくは、容量型探針をプラズマ電位計測手段として
用いるプラズマパラメーターの測定方法である。
る方法において、プラズマパラメータ計測手段に接続さ
せたプラズマ電位計測手段により検出される交流電圧
を、該プラズマパラメーター計測回路に重畳することを
特徴とするプラズマパラメーターの測定方法、であり、
好ましくは、容量型探針をプラズマ電位計測手段として
用いるプラズマパラメーターの測定方法である。
プラズマ電位の検出回路は少なくとも、プラズマ電位
計測手段として、交流成分を測定可能な探針または電
極、および高周波電圧検出回路、増幅器、コンデンサー
から構成され、プラズマパラメータ計測回路に接続され
ている。当該探針または電極からは、交流成分が重畳さ
れたプラズマ電位が検出されるので、この交流成分のみ
を取り出し、増幅器で増幅し、当該検出回路に接続され
たプラズマパラメーター計測回路に重畳するものであ
る。当該探針または電極としては、小さな金属電極を絶
縁物で被服した容量型探針や反応器の外側に設けられた
容量結合を利用した金属板電極などが適して用いられ
る。当該容量型探針は、特にプラズマ中に設置して用い
られるため、プラズマの状態を、空間的に、部分部分に
分割して計測することに有用な手法である。ガラス、セ
ラミックス等の絶縁性の反応器の外側に設置した容量結
合性の電極は反応器全体にわたる平均的なプラズマの状
態を観測する手段として効果的である。本発明は高周波
放電によるプラズマの計測に有効であるが、その周波数
は特に限定されるものではない。具体的には、50〜60Hz
の交流、13.56MHzの商用高周波放電、さらに波長の短い
マイクロ波による放電のプラズマパラメータの計測にお
いて有効に利用される。
計測手段として、交流成分を測定可能な探針または電
極、および高周波電圧検出回路、増幅器、コンデンサー
から構成され、プラズマパラメータ計測回路に接続され
ている。当該探針または電極からは、交流成分が重畳さ
れたプラズマ電位が検出されるので、この交流成分のみ
を取り出し、増幅器で増幅し、当該検出回路に接続され
たプラズマパラメーター計測回路に重畳するものであ
る。当該探針または電極としては、小さな金属電極を絶
縁物で被服した容量型探針や反応器の外側に設けられた
容量結合を利用した金属板電極などが適して用いられ
る。当該容量型探針は、特にプラズマ中に設置して用い
られるため、プラズマの状態を、空間的に、部分部分に
分割して計測することに有用な手法である。ガラス、セ
ラミックス等の絶縁性の反応器の外側に設置した容量結
合性の電極は反応器全体にわたる平均的なプラズマの状
態を観測する手段として効果的である。本発明は高周波
放電によるプラズマの計測に有効であるが、その周波数
は特に限定されるものではない。具体的には、50〜60Hz
の交流、13.56MHzの商用高周波放電、さらに波長の短い
マイクロ波による放電のプラズマパラメータの計測にお
いて有効に利用される。
本発明においては、プラズマ中に探針を設けてプラズ
マパラメーターを測定する方法において、プラズマ電位
計測手段により、検出される交流電圧をプラズマパラメ
ーター計測回路に重畳することが必須の要件であり、プ
ラズマパラメーター計測回路自体は特に限定されるもの
ではない。
マパラメーターを測定する方法において、プラズマ電位
計測手段により、検出される交流電圧をプラズマパラメ
ーター計測回路に重畳することが必須の要件であり、プ
ラズマパラメーター計測回路自体は特に限定されるもの
ではない。
以下、当該計測回路の一例を示して、好ましい方法、
形態について添付図面を参照しながら説明する。当該計
測回路は、探針、電流検出器、バイアス電源などから構
成されている。本発明において、有用な計測法を用いる
探針の種類別に例示する。すなわち、単一の探針を用い
る単探針法、第１図に示すように、２本の探針５を一組
にして用いる複探針法、３本の探針を用いる３探針法、
加熱した探針を用いる加熱探針法、高周波電圧を印加す
る高周波探針法などがあり、いずれも有効に用いられ
る。探針は、当該計測回路にプラズマから微小の電流を
取り込むための導体である。このために、好ましくは平
板、円筒（棒状）および球形等の小さな金属材が用いら
れる。また、当該探針は、電流の取り込みに必要な先端
部分をのみ、プラズマ中に露出させる構造が効果的であ
るため、探針の先端部分をのこして、他の部分はガラ
ス、セラミックス等の絶縁材料で被覆して用いられるこ
とが好ましい。
形態について添付図面を参照しながら説明する。当該計
測回路は、探針、電流検出器、バイアス電源などから構
成されている。本発明において、有用な計測法を用いる
探針の種類別に例示する。すなわち、単一の探針を用い
る単探針法、第１図に示すように、２本の探針５を一組
にして用いる複探針法、３本の探針を用いる３探針法、
加熱した探針を用いる加熱探針法、高周波電圧を印加す
る高周波探針法などがあり、いずれも有効に用いられ
る。探針は、当該計測回路にプラズマから微小の電流を
取り込むための導体である。このために、好ましくは平
板、円筒（棒状）および球形等の小さな金属材が用いら
れる。また、当該探針は、電流の取り込みに必要な先端
部分をのみ、プラズマ中に露出させる構造が効果的であ
るため、探針の先端部分をのこして、他の部分はガラ
ス、セラミックス等の絶縁材料で被覆して用いられるこ
とが好ましい。
この探針５は成膜、スパッタリング、エッチング、洗
浄その他表面改質を含むプロセシングプラズマ装置に設
置され、放電により生じる電流値をバイアス電源から印
加された電圧に対して計測するものである。しかして、
本発明においては、バイアス電圧は、プラズマ電位計測
手段により、検出される交流電圧が重畳されたものであ
る。この結果として、当該電流一電圧特性は歪みのない
特性で得られ、電子密度、電子温度等のプラズマ内部パ
ラメータの値が再現性よく得られた。
浄その他表面改質を含むプロセシングプラズマ装置に設
置され、放電により生じる電流値をバイアス電源から印
加された電圧に対して計測するものである。しかして、
本発明においては、バイアス電圧は、プラズマ電位計測
手段により、検出される交流電圧が重畳されたものであ
る。この結果として、当該電流一電圧特性は歪みのない
特性で得られ、電子密度、電子温度等のプラズマ内部パ
ラメータの値が再現性よく得られた。
〔実施例１〕 本発明を実施するための具体的な装置を第１図に示し
た。プロセシングプラズマ装置としては、容量結合型高
周波グロー放電装置を用いた。反応容器12はステンレス
製のものである。プラズマパラメータ測定用の探針とし
ては、直径0.1mmのタングテン線を用いた複探針５を使
用した。プラズマ電位計測手段としては、リード線の先
端にタングステンの小片を取り付け、その部分を絶縁物
で被服した容量結合型探針６を設置した。容量結合型探
針に接続された高周波電圧検出回路９により、プラズマ
電位を測定して、この交流成分のみを11により増幅して
プラズマパラメータ計測回路に重畳した。また、プラズ
マ・探針５間にバイアス電圧を印加して、この時に探針
５へ流れ込む電流値を電流計７で測定した。こうして得
られた探針５電圧・電流特性は歪みのない理想的な曲線
を示し、プラズマ・探針５間に印加するバイアス電圧値
が零の時には、探針５に流れ込む電流値も理論どおり零
であった。また、探針５の電圧・電流特性をマイコンに
て種々の処理が行われ、電子密度、イオン密度、電子温
度などのプラズマ内部パラメーターを求めた。本方法に
より求めた電子密度、イオン密度、電子温度の値の再現
性は２％以内であった。
た。プロセシングプラズマ装置としては、容量結合型高
周波グロー放電装置を用いた。反応容器12はステンレス
製のものである。プラズマパラメータ測定用の探針とし
ては、直径0.1mmのタングテン線を用いた複探針５を使
用した。プラズマ電位計測手段としては、リード線の先
端にタングステンの小片を取り付け、その部分を絶縁物
で被服した容量結合型探針６を設置した。容量結合型探
針に接続された高周波電圧検出回路９により、プラズマ
電位を測定して、この交流成分のみを11により増幅して
プラズマパラメータ計測回路に重畳した。また、プラズ
マ・探針５間にバイアス電圧を印加して、この時に探針
５へ流れ込む電流値を電流計７で測定した。こうして得
られた探針５電圧・電流特性は歪みのない理想的な曲線
を示し、プラズマ・探針５間に印加するバイアス電圧値
が零の時には、探針５に流れ込む電流値も理論どおり零
であった。また、探針５の電圧・電流特性をマイコンに
て種々の処理が行われ、電子密度、イオン密度、電子温
度などのプラズマ内部パラメーターを求めた。本方法に
より求めた電子密度、イオン密度、電子温度の値の再現
性は２％以内であった。
〔実施例２〕 第２図に示す装置を用いて実施した。すなわち、反応
容器に石英ガラス製容器13を用いた容量結合型高周波グ
ロー放電装置を用いた。プラズマ内部パラメータ測定用
の探針としては、直径0.1mmのタングテン線を用いた複
探針５を使用した。プラズマ電位計測手段としては、石
英製ガラス容器の外側に円弧状に添う形で設置された金
属板電極14が用いられた。当該電極に接続された高周波
電位検出回路９により、プラズマ電位の交流成分が取り
出された。この交流成分を11で増幅してプラズマパラメ
ータ計測回路に重畳した。また、プラズマ・探針５間に
バイアス電圧を印加して、この時に探針５へ流れ込む電
流値を電流計７で測定した。こうして得られた探針５電
圧・電流特性は歪みのない理想的な曲線を示し、プラズ
マ・探針５間に印加されるバイアス電圧値が零の時に
は、探針５に流れ込む電流値も理論どおり零であった。
容器に石英ガラス製容器13を用いた容量結合型高周波グ
ロー放電装置を用いた。プラズマ内部パラメータ測定用
の探針としては、直径0.1mmのタングテン線を用いた複
探針５を使用した。プラズマ電位計測手段としては、石
英製ガラス容器の外側に円弧状に添う形で設置された金
属板電極14が用いられた。当該電極に接続された高周波
電位検出回路９により、プラズマ電位の交流成分が取り
出された。この交流成分を11で増幅してプラズマパラメ
ータ計測回路に重畳した。また、プラズマ・探針５間に
バイアス電圧を印加して、この時に探針５へ流れ込む電
流値を電流計７で測定した。こうして得られた探針５電
圧・電流特性は歪みのない理想的な曲線を示し、プラズ
マ・探針５間に印加されるバイアス電圧値が零の時に
は、探針５に流れ込む電流値も理論どおり零であった。
このようにガラス製の容器を用いた場合は直接プラズ
マ雰囲気中にプラズマ電位検出端子を挿入しなくても、
プラズマパラメーターを正確に再現性よく（３％以内）
を求めることができた。
マ雰囲気中にプラズマ電位検出端子を挿入しなくても、
プラズマパラメーターを正確に再現性よく（３％以内）
を求めることができた。
実施例１において、プラズマ電位検出回路９を遮断し
て、プラズマパラメータ計測回路のみを用いて、探針５
により電圧・電流特性を求めた。この電圧・電流特性は
全電圧領域にて歪んだ、ノイズの多い曲線を示した。ま
た、プラズマ・探針５間に印加するバイアス電圧値が零
の時にも、探針５に電流が流れ込み、零とならなかっ
た。この探針５の電圧・電流特性から得られた電子密
度、イオン密度、電子温度等の値の大きくばらつき、再
現性に乏しいものであった。
て、プラズマパラメータ計測回路のみを用いて、探針５
により電圧・電流特性を求めた。この電圧・電流特性は
全電圧領域にて歪んだ、ノイズの多い曲線を示した。ま
た、プラズマ・探針５間に印加するバイアス電圧値が零
の時にも、探針５に電流が流れ込み、零とならなかっ
た。この探針５の電圧・電流特性から得られた電子密
度、イオン密度、電子温度等の値の大きくばらつき、再
現性に乏しいものであった。
以上の実施例ならびに比較例から明らかなように、本
方法を用いて測定されたプラズマパラメータの再現性は
極めて高く、プラズマの制御性、安定性が著しく向上す
る。その結果、本発明を適用した成膜、スパッタ、エッ
チング、洗浄その他表面改質などの再現性も著しく高ま
った、また、制御性の向上により、成膜プロセスも精微
に制御可能となり、薄膜の品質改善や構造制御に大きく
貢献するものである。このように、本発明はプロセシン
グプラズマにとって、きわめて有用な発明である。
方法を用いて測定されたプラズマパラメータの再現性は
極めて高く、プラズマの制御性、安定性が著しく向上す
る。その結果、本発明を適用した成膜、スパッタ、エッ
チング、洗浄その他表面改質などの再現性も著しく高ま
った、また、制御性の向上により、成膜プロセスも精微
に制御可能となり、薄膜の品質改善や構造制御に大きく
貢献するものである。このように、本発明はプロセシン
グプラズマにとって、きわめて有用な発明である。
第１図および第２図は本発明を実施するための、プラズ
マ装置と測定回路の一例を示す説明図である。 図中１……高周波電源、２……コンデンサー、３……高
周波電極、４……アース電極、５……複探針、６……容
量型探針、７……電流検出器、８……バイアス電源、９
……高周波電位検出回路、10……高インピーダンス回
路、11……増幅器、12……ステンレス製反応器、13……
石英ガラス製容器、14……金属板電極。
マ装置と測定回路の一例を示す説明図である。 図中１……高周波電源、２……コンデンサー、３……高
周波電極、４……アース電極、５……複探針、６……容
量型探針、７……電流検出器、８……バイアス電源、９
……高周波電位検出回路、10……高インピーダンス回
路、11……増幅器、12……ステンレス製反応器、13……
石英ガラス製容器、14……金属板電極。
Claims (2)
- 【請求項１】プラズマパラメーターを探針により測定す
る方法において、プラズマパラメータ計測手段に接続さ
れたプラズマ電位計測手段により検出される交流電圧
を、該プラズマパラメーター計測回路に重畳することを
特徴とするプラズマパラメーターの測定方法。 - 【請求項２】容量型探針をプラズマ電位計測手段として
用いる特許請求の範囲（１）項記載のプラズマパラメー
ターの測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1199257A JP2859308B2 (ja) | 1989-08-02 | 1989-08-02 | プラズマパラメーターの測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1199257A JP2859308B2 (ja) | 1989-08-02 | 1989-08-02 | プラズマパラメーターの測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0364897A JPH0364897A (ja) | 1991-03-20 |
| JP2859308B2 true JP2859308B2 (ja) | 1999-02-17 |
Family
ID=16404779
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1199257A Expired - Fee Related JP2859308B2 (ja) | 1989-08-02 | 1989-08-02 | プラズマパラメーターの測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2859308B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002250799A (ja) * | 2001-02-23 | 2002-09-06 | Ushio Inc | 電子ビーム処理装置 |
| JP3773189B2 (ja) * | 2002-04-24 | 2006-05-10 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 窓型プローブ、プラズマ監視装置、及び、プラズマ処理装置 |
| JP4867241B2 (ja) * | 2005-09-08 | 2012-02-01 | 富士電機株式会社 | プラズマ計測装置 |
| KR101606734B1 (ko) | 2008-07-07 | 2016-03-28 | 램 리써치 코포레이션 | 플라즈마 프로세싱 챔버에서 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 패시브 용량성-커플링된 정전식 (ｃｃｅ) 프로브 장치 |
| JP5734185B2 (ja) | 2008-07-07 | 2015-06-17 | ラム リサーチ コーポレーションＬａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ | プラズマ処理チャンバ内のプラズマ不安定性事象を検出するための構成、及び、プラズマ不安定性事象を検出する方法 |
| CN102610480B (zh) * | 2012-02-22 | 2015-07-22 | 北京交通大学 | 一种真空放电等离子体参数的测量装置及方法 |
-
1989
- 1989-08-02 JP JP1199257A patent/JP2859308B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0364897A (ja) | 1991-03-20 |
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