JP3887237B2

JP3887237B2 - Sheath width detection method between plasma and boundary

Info

Publication number: JP3887237B2
Application number: JP2002006620A
Authority: JP
Inventors: 治高井; 一行大江; スタマーテユージェン
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: JP2003208998A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ中に基板等を設置した時のプラズマと基板との境界に生じるシース幅の検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、低圧グロー放電（直流、交流、高周波、マイクロウエーブ放電）は電子ディバイスの製作、薄膜製作に用いられているが、一般的にこれらの基板はプラズマ中に設置されて製作される。この時プラズマパラメータ（プラズマ電圧、プラズマ密度、電子温度等）はラングミュアープローブ（探針）で計測される。また、基板上のプロセスに重要な励起種、正イオン、負イオン等は質量分析装置で計測され、これらの計測値によりプラズマを制御して最適条件を求めている。
【０００３】
無限の平面の基板又は壁においては、図６（Ａ）に示すように、プラズマ中では電荷が中性であるため、電子と正イオン数が同数（負イオンを含む場合は、電子密度ｎ_e ＋負イオン密度＝正イオン密度ｎ_i ）になる。ところが、基板又は壁近傍では電子が軽いため、壁に早く到達し壁が負の電位となる。また、この電子が早く壁に到達することにより壁の近くに電子の非常に少ない領域が生じ、プラズマと基板（又は容器壁）の間にシースが形成される。シースの形状は印加電圧、プラズマパラメータ、基板の形状に依存する。
【０００４】
また、有限の平板ディスク状の基板においては、図６（Ｂ）に示すように、該基板をプラズマ中に設置して該有限の平板ディスク状の基板に対して負電位を印加すると、無限の平面の基板の時と同様に印加電圧とプラズマパラメータに対応する大きさのシースが形成される。
【０００５】
プラズマ中に基板を設置して電子ディバイスを製作する時には、イオンはこれらのプロセスで最も重要な動きをし、シースは正イオンにとって加速領域となるため、シースの存在はプロセスでは重要な問題であり、シース幅の正確な測定が求められてきた。従来、シース幅の測定には電子ビームの反射を利用する方法、レーザ誘起法、プローブ法、エミッシブプローブ法、イオン音波タイムフライト法などの多数の方法が知られているが、これらは直接法で且つ接触的である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の電子ビーム法およびプローブ法はプローブを基板から電気的に絶縁することが必要であり、そのための絶縁物の存在が、プラズマ中に基板等を設置した時のプラズマと基板との境界に生じるシースの電位分布を変え、そのことが基板へのイオン流束も変える要因となる。また、これはシースの検出に大きな誤差を生じる。このように、これまで適当な測定方法がないために、実測されず理論的な推定がなされてきた。このため、上述の従来の方法の空間分解能は悪く、小さい寸法（２〜３０ｍｍより小）の基板には適応不可能である等の不都合があった。そこで本発明は、実測によりプラズマ中に基板等を設置した時に生じる、プラズマと境界の間のシース幅の高精度で簡便な検出方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の請求項１に係るプラズマと境界の間のシース幅検出方法は、平板金属ディスクをプラズマ中に設置し、第１のガスプラズマ中で前記ディスク材料と異なる導電性の薄膜を該金属ディスク上に作成して、金属板プローブを作成し、次に、計測する第２のガスプラズマ中に該金属板プローブを設置し、所定の電圧を印加して所定時間プラズマに曝すことにより、印加電圧に対応して該金属板プローブの外周の内側に明るいリングを形成し、該金属板プローブの外周端ｒ_p から明るいリングの外縁ｒ_imp までの距離（ｒ_p −ｒ_imp ）を計測し、演算式によりシース幅Ｄ_CLを検出するような構成とした。
【０００８】
この発明の請求項２に係るプラズマと境界の間のシース幅検出方法は、平板金属ディスクをプラズマ中に設置し、第１のガスプラズマ中で前記ディスク材料と異なる導電性の薄膜を該金属ディスク上に作成して、金属板プローブを作成し、次に、計測する第２のガスプラズマ中に該金属板プローブを設置し、所定の電圧を印加して所定時間プラズマに曝すことにより、印加電圧に対応して該金属板プローブの外周の内側に明るいリングを形成し、該金属板プローブの外周端ｒ_p から明るいリングの外縁ｒ_imp までの距離（ｒ_p −ｒ_imp ）を計測し、演算式Ｄ_CL≒１０（ｒ_p −ｒ_imp ）によりシース幅Ｄ_CLを検出するような構成とした。
【０００９】
この発明の請求項３に係るプラズマと境界の間のシース幅検出方法は、金、白金、銅、ステンレス、アルミ等で形成されている平板金属ディスクをプラズマ中に設置し、第１のガスプラズマ中で前記ディスク材料と異なる導電性の薄膜を該金属ディスク上に作成して、金属板プローブを作成し、次に、計測する第２のガスプラズマ中に該金属板プローブを設置し、所定の電圧を印加して所定時間プラズマに曝すことにより、印加電圧に対応して該金属板プローブの外周の内側に明るいリングを形成し、該金属板プローブの外周端ｒ_p から明るいリングの外縁ｒ_imp までの距離（ｒ_p −ｒ_imp ）を計測し、演算式Ｄ_CL≒１０（ｒ_p −ｒ_imp ）によりシース幅Ｄ_CLを検出するような構成とした。
【００１０】
これにより、予めプラズマ中で金、白金、銅、ステンレス、アルミ等で形成されている金属ディスク上に作成された、前記金属材料異なる導電性の薄膜が形成された金属板プローブを、計測する反応ガスのプラズマに曝すことにより、印加電圧に対応して該金属板プローブの外周の内側に形成される明るいリングの外縁と該金属板プローブの外周端までの距離を計測することにより、実測によりプラズマ中に基板等を設置した時に生じる、プラズマと境界の間のシース幅を演算して得ることができ、空間分解能を良好にし、小さい寸法（２〜３０ｍｍより小）の基板等にも適応可能とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１乃至図５に基づいて以下に詳述する。まず、図１（Ａ）（Ｂ）のプラズマ装置によるシース形成図により本発明の原理を説明する。
【００１２】
図１（Ａ）において、一次元で無限の金属板が、電子密度ｎ_e ＝正イオン密度ｎ_i 、電子温度Ｔ_e のプラズマ中に設置され、−Ｖ₀ の電圧が印加された時、シース幅Ｄ_CLは理論的に
【数１】

と与えられる。
【００１３】
上記式中、ε₀ は真空中の誘電率、ｅは電荷、ｍ_i はイオンの質量、ｋはボルツマン定数である。従って、正イオン密度ｎ_i 、電子温度Ｔ_e をラングミュアプローブ等で検出すれば、印加電圧Ｖ₀ は既知であるから、シース幅Ｄ_CLが推測できる（但し、測定はできない）。
【００１４】
また、半径ｒ_p の有限のディスク金属板をプラズマ中に設置し、表面だけがプラズマに曝されているとすると、印加電圧Ｖ₀ に依存して図１（Ｂ）に示すようなシースが形成される。
【００１５】
この時、ディスク金属板上へのイオンの入射を考慮するため、シース内の等電位面と電気力線を求める必要がある。今、ディスクの中心をＯとして半径方向の距離をｒ、ディスク板より高さ方向への距離をｚとすると、ｚ、ｒ点の電圧は夫々次式で与えられる。
【数２】

【００１６】
一例として、半径ｒ_P ＝５ｍｍ、電子温度Ｔ_e ＝１ｅＶ、正イオン密度ｎ_i ＝５×１０¹⁴ｍ^-3、印加電圧Ｖ₀ ＝−３００Ｖの時の等電位面と電気力線の計算例を図２に示す。図よりディスク板の端（１）におかれたイオン（初速度＝０）の軌路を運動量保存とエネルギー保存式を用いて計算することができる。
【００１７】
その結果は図中の実線（１）の軌跡となる。この時のイオンのディスクの半径上の到達点をｒ_imp とする。（１）から（２）の間のイオンは図示されたように、ディスク位置のｒ方向の狭い範囲（ｒ_imp とｒ₂ の間）に集中する。一方、ｒ_p−ｒ_imp 間はイオンの到達しない領域となる。また、ｒ₂ ＞ｒ≧ｏでは比較的イオンは平均に到達する。
【００１８】
従って、予めディスク板面に薄い薄膜をディポジットさせておき、これを所定の基板等が設置されたプラズマの近傍に配置する。この時、適当な時間（数分間）所定のプラズマに曝すと、ｒ_p −ｒ_imp 間は元のまままで、ｒ_imp −ｒ₂ 間の膜はイオン衝突によってエッチングされる。この時、ｒ₂ ＞ｒ＞ｏ間はイオン衝突は受けるが、ｒ_imp −ｒ₂ 間に比べて小さくなる。
【００１９】
この結果、図３に示すように、ディスク板面の外周から中心に向かって、ｒ_p −ｒ_imp 間の元の薄膜領域、ｒ_imp −ｒ₂ 間の明るいリング領域、ｒ₂ ＞ｒ＞ｏ間の幾分かエッチングされた領域が形成される。
【００２０】
次に、ディスク板面の外周から明るいリングまでのｒ_p −ｒ_imp の距離を測定し、シース幅Ｄ_exp を求める手法について説明する。印加電圧Ｖ₀ は外部から設定するので既知な値である。一方、イオン密度ｎ_i 、電子温度Ｔ_e はラングミュアプローブ等で計測できるが、ここではラングミュアプローブ等は設置されていないものとする。
【００２１】
従って、イオン密度ｎ_i 、電子温度Ｔ_e は未知であるので、このままでは（１）式を用いて、シース幅Ｄ_CL（≒Ｄ_exp ）を求めることはできない。そこで、ｎ_i 、Ｔ_e を適当に与えて図２に示すような計算図を得る。図２の計算図より、ディスク板の外周端ｒ_p でのイオンの軌跡を求めｒ_imp を求める。この過程を繰り返して測定されたｒ_imp と計算されたｒ_imp が一致するようにイオン密度ｎ_i 、電子温度Ｔ_e を決定する。
【００２２】
これにより、シース幅Ｄ_CL（≒Ｄ_exp ）が求められる。実際のプラズマで求められるＤ_exp とｒ_p −ｒ_imp の関係を図４に示す。この図を参照することより、Ｄ_exp ≒１０（ｒ_p −ｒ_imp ）となることが解かる。即ち、シース幅Ｄ_CLは
【数３】

で求めることができる。
【００２３】
本発明の原理を用いた実施形態は、主たるプラズマ装置の構成は一般的に使用されているプラズマ装置を用い、それに一部改良を加えることにより達成される。その例を図５の本発明のプラズマ装置の概略図によって説明する。図において、１はプラズマ装置の容器を構成するステンレスでなる壁、２はタングステン線でなる陰極、３は直流電源（直流１００Ｖ，１０Ａ）、４は放電用可変電源（直流２００Ｖ，２００ｍＡ）であり、これらでプラズマ発生部５を構成し容器の一側面に配置する。
【００２４】
また、６はラングミュアプローブの探針、７はプローブ電圧印加用可変電源、８は電流検出用抵抗であり、ラングミュアプローブ部９を構成し、容器の他の側面に配置される。１０は平板プローブのための金属でなるディスク板（金属ディスク）、１１はプローブ電圧印加用可変電源（直流４００Ｖ，５０ｍＡ）であり、これらでシース幅検出用平板プローブ部１２を構成し容器の底面に配置する。印加電圧Ｖは演算用パソコン（図示なし）に送出される。更に、図示されていないが、反応ガスの供給・排出を行なうためのバルブその他の手段を当然備えている。
【００２５】
このように構成されたプラズマ装置において、１〜１０ｍＴ_orr 程度の圧力のＡ_ｒガスのもとで、ステンレス容器１を陽極とし、タングステン線でなる陰極２に対して電圧を印加（電圧１５０Ｖ、電流１００〜２００ｍＡ程度）して加熱、放電させる。
【００２６】
ステンレス容器１の外壁には永久磁石の列（図示なし）をＮＳ各列ごとに交互に設置されているので、ステンレス容器１の外壁に近いほど磁場が強くなる効果によって、プラズマが低圧（１ｍＴ_orr 以下）でも維持される。また、ステンレス容器内でプラズマが一様に維持される。この時、プラズマのパラメータ（電位、密度、電子温度等）はラングミュアプローブ部９のラングミュアプローブの探針６で計測し、得られた電圧ｖ及び電流Ｉを演算用パソコン（図示なし）に送出する。
【００２７】
計測に供する平板プローブのディスク型金板（金属板プローブ）１０を作成するために、金、白金、銅、ステンレス、アルミ等の金属ディスクをプラズマ中に設置する。この時、ディスクの表面に予め薄膜を作成するために、Ｏ₂ ガスを用いてプラズマを生成して、タングステン等の導電性の薄膜を平板プローブ用のディスク型金板（金属ディスク）１０上に作成する。
【００２８】
次に、測定しようとするＡ_r プラズマを作成して、その中にこの金板（金属板プローブ）１０を設置し、所定の電圧を印加して所定時間プラズマに曝すことにより、印加電圧に対応して、図３に示すように、金板（金属板プローブ）の外周の内側に明るいリングを観測することができる。金板（金属板プローブ）の外周端から明るいリングの外縁までの距離（ｒ_p −ｒ_imp ）を計測し、上記（４）式に挿入することにより、シース幅Ｄ_CLを計測することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明のプラズマと境界の間のシース幅検出方法は、正イオンの衝撃によるプラズマ表面処理技術において、最重要パラメータであるターゲット表面のシース幅を、受動面の寸法より簡単なモデルから検出することにより、ターゲット表面の一様性を改良するためのプラズマパラメータおよびターゲットのバイアスを簡単に最適化することを可能にする。また、本発明はプラズマとターゲット間の相互作用を直接制御する方法であり、多くのプラズマによる表面処理分野に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ装置によるシース形成状態図。
【図２】等電位面と電気力線の計算図。
【図３】ディスク板面の薄膜領域図。
【図４】シース幅とディスク板面上の距離との相関関係図。
【図５】本発明のプラズマ装置の概略図。
【図６】通常のプラズマ装置によるシース形成状態図。
【符号の説明】
１ステンレス壁
２陰極
３直流電源
４放電用可変電源
５プラズマ発生部
６ラングミュアプローブの探針
７プローブ電圧印加用可変電源
８電流検出用抵抗
９ラングミュアプローブ部
１０平板プローブのディスク板
１１プローブ電圧印加用可変電源
１２シース幅検出用平板プローブ部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for detecting a sheath width generated at the boundary between a plasma and a substrate when a substrate or the like is placed in the plasma.
[0002]
[Prior art]
Recently, low-pressure glow discharge (direct current, alternating current, high frequency, microwave discharge) has been used to manufacture electronic devices and thin films, but these substrates are generally manufactured by being installed in plasma. At this time, plasma parameters (plasma voltage, plasma density, electron temperature, etc.) are measured with a Langmuir probe. In addition, excited species, positive ions, negative ions, and the like that are important for the process on the substrate are measured by a mass spectrometer, and plasma is controlled by these measured values to obtain optimum conditions.
[0003]
On an infinite plane substrate or wall, as shown in FIG. 6 (A), since the charge is neutral in the plasma, the number of electrons and the number of positive ions is the same (in the case of including negative ions, the electron density n _e + Negative ion density = positive ion density n _i ). However, since electrons are light in the vicinity of the substrate or the wall, it reaches the wall early and the wall becomes a negative potential. Further, when the electrons reach the wall quickly, a region with very few electrons is generated near the wall, and a sheath is formed between the plasma and the substrate (or the container wall). The shape of the sheath depends on the applied voltage, the plasma parameters, and the shape of the substrate.
[0004]
Further, in a finite flat disk-shaped substrate, as shown in FIG. 6B, when the substrate is placed in plasma and a negative potential is applied to the finite flat disk-shaped substrate, an infinite number is obtained. A sheath having a size corresponding to the applied voltage and plasma parameters is formed as in the case of a planar substrate.
[0005]
The presence of the sheath is an important issue in the process when the substrate is placed in a plasma to produce an electronic device, since the ions move most importantly in these processes and the sheath is an acceleration region for positive ions. There has been a need for accurate measurement of the sheath width. Conventionally, many methods such as a method using the reflection of an electron beam, a laser induced method, a probe method, an emissive probe method, and an ion acoustic wave time flight method are known for measuring the sheath width. And contact.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional electron beam method and probe method require that the probe be electrically insulated from the substrate, and the presence of the insulator for that purpose is the boundary between the plasma and the substrate when the substrate is installed in the plasma. This changes the potential distribution of the sheath that occurs in the substrate, which also changes the ion flux to the substrate. This also causes a large error in sheath detection. Thus, since there is no appropriate measurement method so far, theoretical estimation has been made without actual measurement. For this reason, the spatial resolution of the above-described conventional method is poor, and there is a disadvantage that it cannot be applied to a substrate having a small dimension (smaller than 2 to 30 mm). Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly accurate and simple method for detecting a sheath width between a plasma and a boundary, which is generated when a substrate or the like is installed in the plasma by actual measurement.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method for detecting a sheath width between a plasma and a boundary according to claim 1 of the present invention is different from the disk material in a first gas plasma in which a flat metal disk is installed in the plasma. A conductive thin film is formed on the metal disk to form a metal plate probe. Next, the metal plate probe is placed in a second gas plasma to be measured, and a predetermined voltage is applied for a predetermined time. By exposing to plasma, a bright ring is formed inside the outer periphery of the metal plate probe corresponding to the applied voltage, and the distance from the outer peripheral edge r _p of the metal plate probe to the outer edge r _{imp of the} bright ring (r _p − r _imp ) is measured, and the sheath width _DCL is detected by an arithmetic expression.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for detecting a sheath width between a plasma and a boundary, wherein a flat metal disk is installed in the plasma , and a conductive thin film different from the disk material in the first gas plasma is applied to the metal disk. Create a metal plate probe, then install the metal plate probe in the second gas plasma to be measured, apply a predetermined voltage and expose to the plasma for a predetermined time, A bright ring is formed on the inside of the outer periphery of the metal plate probe corresponding to the distance from the outer edge r _p of the metal plate probe to the outer edge r _{imp of the} bright ring (r _p −r _imp ). was such as to detect the sheath width D _CL constituted by formula _{_{D CL ≒ 10 (r p -r}} imp).
[0009]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for detecting a sheath width between a plasma and a boundary, wherein a flat metal disk formed of gold, platinum, copper, stainless steel, aluminum or the like is placed in the plasma , and the first gas plasma is provided. A conductive thin film different from the disk material is formed on the metal disk to form a metal plate probe, and then the metal plate probe is installed in a second gas plasma to be measured. By applying a voltage and exposing to plasma for a predetermined time, a bright ring is formed inside the outer periphery of the metal plate probe corresponding to the applied voltage, and the outer edge r _{imp of the} bright ring from the outer peripheral edge r _p of the metal plate probe. measuring the distance to the (r _p -r _imp), was such as to detect the sheath width D _CL constituted by an arithmetic expression _{_{D CL ≒ 10 (r p -r}} imp).
[0010]
Thus, pre-gold in the plasma, platinum, copper, stainless steel, was created on the metal disk is made of aluminum or the like, the metal plate probes metallic material different conductive thin film is formed, to measure the reaction By measuring the distance from the outer edge of the metal plate probe to the outer edge of the metal plate probe by measuring the distance between the outer edge of the bright plate formed on the inner side of the outer periphery of the metal plate probe corresponding to the applied voltage, It can be obtained by calculating the sheath width between the plasma and the boundary that occurs when a substrate etc. is installed inside, and it can be applied to substrates with small dimensions (less than 2 to 30 mm) with good spatial resolution. can do.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to FIGS. First, the principle of the present invention will be described with reference to the sheath formation diagram of the plasma apparatus of FIGS.
[0012]
In FIG. 1 (A) when the endless metal plates in one dimension, the electron density n _e = positive ion density n _i, is placed in the plasma electron temperature T _e, the voltage of -V ₀ is applied, the sheath The width _DCL is theoretically

And given.
[0013]
In the above formula, ε ₀ is the dielectric constant in vacuum, e is the electric charge, _mi is the mass of the ion, and k is the Boltzmann constant. Thus, the positive ion density n _i, by detecting the electron temperature T _e at Langmuir probe or the like, since the applied voltage V ₀ is known, the sheath width D _CL can be estimated (but not be measured).
[0014]
If a finite disk metal plate with a radius r _p is installed in the plasma and only the surface is exposed to the plasma, a sheath as shown in FIG. 1B is formed depending on the applied voltage V ₀ . Is done.
[0015]
At this time, in order to consider the incidence of ions on the disk metal plate, it is necessary to obtain an equipotential surface and electric lines of force in the sheath. Now, assuming that the center of the disk is O, the distance in the radial direction is r, and the distance in the height direction from the disk plate is z, the voltages at the z and r points are given by the following equations, respectively.
[Expression 2]

[0016]
As an example, a calculation example of equipotential surface and electric lines of force when radius r _P = 5 mm, electron temperature T _e = 1 eV, positive ion density n _i = 5 × 10 ¹⁴ m ⁻³ , and applied voltage V ₀ = −300 V Is shown in FIG. From the figure, the trajectory of ions (initial velocity = 0) placed at the end (1) of the disk plate can be calculated using the momentum conservation and energy conservation equations.
[0017]
The result is the locus of the solid line (1) in the figure. Let r _{imp be} the arrival point on the radius of the disk of ions at this time. As shown in the figure, ions between (1) and (2) are concentrated in a narrow range (between r _imp and r ₂ ) in the r direction of the disk position. On the other hand, the region between r _{p and} r _imp is a region where ions do not reach. Further, when r ₂ > r ≧ o, the ions relatively reach the average.
[0018]
Therefore, a thin thin film is deposited in advance on the disk plate surface, and this is disposed in the vicinity of the plasma on which a predetermined substrate or the like is installed. At this time, when exposed to a predetermined plasma for an appropriate time (several minutes), the film between r _{imp and} r ₂ is etched by ion bombardment until r _p −r _imp remains unchanged. At this time, ion collision is received between r ₂ >r> o, but is smaller than that between r _imp −r ₂ .
[0019]
As a result, as shown in FIG. 3, toward the center from the outer periphery of the disc plate surface, r _p original thin region between -r _imp, bright ring region between _{_{_{r imp -r 2, r 2>}}} r> o A somewhat etched region in between is formed.
[0020]
Next, a method for _obtaining the sheath width D _exp by measuring the distance r _p −r _imp from the outer periphery of the disk plate surface to the bright ring will be described. The applied voltage V ₀ is a known value because it is set from the outside. On the other hand, the ion density n _i, the electron temperature T _e may be measured by Langmuir probe or the like, it is assumed that no such Langmuir probe is placed.
[0021]
Accordingly, since the ion density n _i and the electron temperature _Te are unknown, the sheath width D _CL (≈D _exp ) cannot be obtained using the equation (1) as it is. Therefore, n _i and _Te are appropriately given to obtain a calculation diagram as shown in FIG. From the calculation diagram of FIG. 2, the trajectory of ions at the outer peripheral edge r _p of the disk plate is obtained and r _imp is obtained. Ion density n _i as r _imp calculated and measured r _imp Repeat this process to match, it determines the electron temperature T _e.
[0022]
Thereby, the sheath width D _CL (≈D _exp ) is obtained. FIG. 4 shows the relationship between D _exp and r _p −r _imp obtained with actual plasma. By referring to this figure, it is understood that D _exp ≈10 (r _p −r _imp ). That is, the sheath width _DCL is:

Can be obtained.
[0023]
In the embodiment using the principle of the present invention, the main plasma apparatus is configured by using a commonly used plasma apparatus and adding a part of the improvement to the plasma apparatus. An example of this will be described with reference to the schematic diagram of the plasma apparatus of the present invention shown in FIG. In the figure, 1 is a wall made of stainless steel constituting the vessel of the plasma apparatus, 2 is a cathode made of tungsten wire, 3 is a DC power supply (DC 100 V, 10 A), and 4 is a discharge variable power supply (DC 200 V, 200 mA). These constitute the plasma generator 5 and are arranged on one side of the container.
[0024]
Reference numeral 6 denotes a probe of the Langmuir probe, 7 denotes a variable power supply for applying a probe voltage, and 8 denotes a current detection resistor. The Langmuir probe section 9 is configured and arranged on the other side of the container. 10 is a disk plate (metal disk) made of metal for a flat probe, and 11 is a variable power supply (DC 400 V, 50 mA) for applying a probe voltage, which constitutes a flat probe section 12 for sheath width detection and forms the bottom surface of the container. To place. The applied voltage V is sent to a computing personal computer (not shown). Further, although not shown in the drawing, a valve or other means for supplying and discharging the reaction gas is naturally provided.
[0025]
In thus constructed plasma apparatus, 1～10MT _orr about under A _r gas pressure, the stainless steel container 1 as an anode and applying a voltage to the cathode 2 made of a tungsten wire (voltage 150 V, current About 100 to 200 mA) and heated and discharged.
[0026]
Since the outer wall of the stainless steel container 1 is installed alternately rows of permanent magnets (not shown) for each NS columns, the effect of higher magnetic field close to the outer wall of the stainless steel container 1 is increased, the plasma is a low pressure (1 mT _orr The following is also maintained. In addition, the plasma is maintained uniformly in the stainless steel container. At this time, plasma parameters (potential, density, electron temperature, etc.) are measured by the Langmuir probe probe 6 of the Langmuir probe section 9, and the obtained voltage v and current I are sent to a computing personal computer (not shown). .
[0027]
In order to create a disk-type metal plate (metal plate probe) 10 of a flat plate probe used for measurement, a metal disk such as gold, platinum, copper, stainless steel, or aluminum is placed in plasma. At this time, in order to create a thin film in advance on the surface of the disk, plasma is generated using O ₂ gas, and a conductive thin film such as tungsten is deposited on a disk-type metal plate (metal disk) 10 for a flat probe. create.
[0028]
Next, an _Ar plasma to be measured is prepared, and this metal plate (metal plate probe) 10 is set therein, and a predetermined voltage is applied and exposed to the plasma for a predetermined time to cope with the applied voltage. Then, as shown in FIG. 3, a bright ring can be observed inside the outer periphery of the metal plate (metal plate probe) . The sheath width _DCL can be measured by measuring the distance (r _p −r _imp ) from the outer peripheral edge of the metal plate (metal plate probe) to the outer edge of the bright ring and inserting it into the above equation (4). .
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for detecting the sheath width between the plasma and the boundary according to the present invention, the sheath width of the target surface, which is the most important parameter, is simpler than the dimension of the passive surface. By detecting from the model, it is possible to easily optimize plasma parameters and target bias to improve target surface uniformity. Further, the present invention is a method for directly controlling the interaction between the plasma and the target, and is effective in the field of surface treatment using many plasmas.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a state diagram of sheath formation by the plasma apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a calculation diagram of equipotential surfaces and electric lines of force.
FIG. 3 is a thin film region diagram of a disk plate surface.
FIG. 4 is a correlation diagram between a sheath width and a distance on a disk plate surface.
FIG. 5 is a schematic view of the plasma apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a state diagram of sheath formation by a normal plasma apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stainless steel wall 2 Cathode 3 DC power supply 4 Variable power supply for discharge 5 Plasma generating part 6 Probe of Langmuir probe 7 Variable power supply for probe voltage application 8 Current detection resistor 9 Langmuir probe part 10 Flat probe disk plate 11 Probe voltage application Variable power supply 12 Sheath width detection flat probe

Claims

A flat metal disk is placed in the plasma , a conductive thin film different from the disk material is formed on the metal disk in the first gas plasma , a metal plate probe is formed, and then a second measurement is performed. The metal plate probe is placed in the gas plasma , and a predetermined voltage is applied and exposed to the plasma for a predetermined time to form a bright ring inside the outer periphery of the metal plate probe corresponding to the applied voltage, The distance (r _p −r _imp ) from the outer peripheral edge r _p of the metal plate probe to the outer edge r _{imp of the} bright ring is measured, and the sheath width _DCL is detected by an arithmetic expression. Sheath width detection method.

The arithmetic expression of the sheath width _{_{D CL ≒ 10 (r p -r}} imp) sheath width detection method between the plasma and the boundary of claim 1, wherein the a.

3. The sheath width detecting method according to claim 1, wherein the flat metal disk is made of gold, platinum, copper, stainless steel, aluminum or the like.