JP4086979B2 - プラズマ処理装置における炭素原子ラジカル測定用炭素原子光発生装置 - Google Patents
プラズマ処理装置における炭素原子ラジカル測定用炭素原子光発生装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマを利用して被処理体上にカーボン薄膜を成膜したり、エッチング処理するプラズマ処理装置における炭素原子ラジカル測定用炭素原子光発生装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人は、特願平８−２５７６１７号において、少なくとも炭素原子を含有した原料ガスをプラズマ化し、被処理体上に炭素含有薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理するプラズマ処理方法において、プラズマ化した原料ガスに対して発光線発生手段から出射される炭素原子発光線を照射し、炭素原子発光線の出射量とプラズマの透過量とに基づいてプラズマ中の炭素原子ラジカル密度を測定し、該炭素原子ラジカル密度に基づいてプラズマ処理する炭素原子による成膜及びエッチング処理方法、少なくとも炭素原子を含有した原料ガスをプラズマ化し、被処理体上に炭素含有薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理するプラズマ処理方法において、発光線発生手段から出射される炭素原子発光線をプラズマ処理装置内のプラズマに照射し、該プラズマを透過した炭素原子発光線を発光線検出手段により検出してプラズマ中の炭素原子ラジカル密度を測定し、測定された炭素原子ラジカル密度に基づいてプラズマ強度を制御する制御手段を備えた炭素原子による成膜及びエッチング処理装置、少なくとも炭素原子を含有した材料にプラズマ或いは電磁波又は粒子を照射し、該材料から発生する炭素原子を用いて被処理体上に炭素含有薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理するプロセスにおいて、該プロセス中に発生する炭素原子に対して発光線発生手段から出射される炭素原子発光線を照射し、炭素原子発光線の出射量と透過量とに基づいて炭素原子ラジカル密度を測定し、該炭素原子ラジカル密度に基づいて成膜及びエッチング処理を行う炭素原子による成膜及びエッチング処理方法、少なくとも炭素原子を含有した材料にプラズマ或いは電磁波又は粒子を照射し、該材料から発生する炭素原子を用いて被処理体上に炭素含有薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理するプロセスにおいて、該プロセス中に発生する炭素原子に対して発光線発生手段から出射される炭素原子発光線を照射し、炭素原子発光線の出射量と透過量とに基づいて炭素原子ラジカル密度を測定し、該炭素原子ラジカル密度に基づいて前記プラズマ或いは電磁波又は粒子の照射強度を制御する制御手段を備えた炭素原子による成膜及びエッチング処理装置を夫々提案した。
【０００３】
上記した何れの発明にあっても、発光線発生手段から発光された炭素原子発光線をプラズマ中に透過させ、プラズマ中における炭素ラジカルによる炭素原子発光線の吸収量に基づいて炭素原子ラジカル密度を測定している。
【０００４】
上記発光線発生手段としては、接地されたステンレス等の金属ケース内に設けられたガラス管内に、光学的窓に対向する上面中心部に所定の内径及び深さの孔を有したカーボン電極を取付けると共にアルゴンガスと酸素ガス若しくは炭素原子を含んだＣＯガス或いはＣＯ２の混合ガスを導入しながら排気してケース内を所定の圧力に保った状態でカーボン電極に電流を印加してカーボン電極の孔内にプラズマを発生させて炭素を含有した陰電極（以下、カーボン電極という）から炭素原子ラジカルを叩き出して炭素原子ラジカルを発光させることにより炭素原子光を得ている。
【０００５】
しかしながら、上記した発光線発生手段は、金属製ケースを陽電極、カーボン電極を陰極とし、直流放電を行っている。この場合、所望するカーボン電極孔内での放電以外に、ケース内周面とカーボン電極間にて放電が生じる。該放電は、時間的、場所的にランダムな放電（スパーク）であり、発光線を得る陰電極孔内プラズマが不安定化する結果、安定した強度の炭素原子光が得られない問題を有している。
【０００６】
基準発光線の強度が不安定であると、プラズマ中を透過した結果から得られる発光線の強度変化が、プラズマによる吸収量であるか、基準発光線によるものであるか区別不可能である。これは、高精度な炭素原子ラジカル密度の測定を困難にする。
【０００７】
又、カーボン電極孔内以外にて放電が生じるため、所望するカーボン電極孔内での放電が弱くなり、炭素原子発光線の強度も弱くなる。これは、プラズマを透過した原子光強度の変化が小さいとき、その変化を検出できないことを意味し、炭素原子ラジカル密度の検出限界の向上を困難にする。
【０００８】
更に、プラズマ中の炭素原子ラジカル密度の測定において、更なる検出限界の向上が必要である。検出限界の向上のためには原子発光線強度を大きくすることが必要であるが、陽電極とカーボン電極に印加する直流電流を大きくすると、自己吸収現象（所望する原子光スペクトルの形状を乱す現象）が生じ、原子ラジカル密度の算出の際に必要となる原子光スペクトルの形状決定が不可能になって正確な密度算出ができなくなる。又、カーボン電極の消耗が進み、原子光発生装置としての寿命も短くなる。従って、陽電極とカーボン電極に印加する直流電流を大きくすることでの原子発光線強度を均一化させると共に該原子光発光線強度の増加は適切な方法ではない。
【０００９】
本発明は、上記した従来の欠点を解決するために発明されたものであり、その課題とする処は、プラズマの発生を安定化させて炭素原子光の発光強度を均一化させると共に該原子光強度を増加させることができるプラズマ処理装置における炭素原子ラジカル測定用炭素原子光発生装置を提供することにある。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】
このため請求項１は、少なくとも内面が電気的に絶縁され、一方の開口に光学的窓が気密状態に設けられると共に他方の開口が気密に閉止され、ガス導入口及び排気装置に接続される排気口が設けられたケースと、該ケース内にて電気的絶縁状態で所定の間隔をおいて相対して設けられ、中心部に透孔が形成されたリング状の陽電極と、ケース内にて電気的絶縁状態で設けられ、陽電極への相対面中心部に所定の内径及び深さの孔が形成されると共に陽電極に対する非相対面が電気的に絶縁された炭素原子を含有した陰電極とからなり、ケース内を炭素原子を含有したガスと酸素ガス及び稀ガスの混合ガスを所定の分圧に設定して陽電極及び陰電極間に直流電流を印加して陰電極の孔内表面を荷電粒子でスパッタ或いは反応性スパッタさせて陰電極孔内プラズマに炭素原子ラジカルを生じさせて炭素原子光を発生させることを特徴とする。
【００１１】
請求項２は、少なくとも内面が電気的に絶縁され、一方の開口に光学的窓が気密状態に設けられると共に他方の開口が気密に閉止され、ガス導入口及び排気装置に接続される排気口が設けられたケースと、該ケース内にて電気的絶縁状態で所定の間隔をおいて相対して設けられ、中心部に透孔が形成されたリング状の陽電極と、ケース内にて電気的絶縁状態で設けられ、陽電極への相対面中心部に所定の内径及び深さの孔が形成されると共に陽電極に対する非相対面が電気的に絶縁された陰電極とからなり、ケース内を炭素原子を含有したガスと酸素ガス及び稀ガスの混合ガスを所定の分圧に設定して陽電極及び陰電極間に直流電流を印加して陰電極孔内にて混合ガスをプラズマ化した炭素原子ラジカルの発光により炭素原子光を発生させることを特徴とする
特徴とする。
【００１２】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施形態を図に従って説明する。
実施形態１
図１は炭素原子光発生装置の概略を示す縦断面図である。
図２は炭素原子発光線の強度とカーボン電極の孔形状の関係を示したグラフである。
図３は炭素原子発光線の強度と酸素原子を含有したガスの関係を示したグラフである。
図４は炭素原子発光線の強度と導入する酸素とアルゴンの混合比の関係を示したグラフである。
図５は炭素原子光発生装置によりプラズマ中の炭素原子ラジカルが測定されるプラズマ処理装置の概略を示す説明図である。
図６はプラズマ処理装置の制御概略を示す説明図である。
図７は炭素分子ラジカル密度と炭素原子ラジカル密度の比と高周波アンテナに印加される高周波電力との関係を示すグラフである。
【００１３】
炭素原子光発生装置１のケース３はほぼ円筒状の電気的導電体である金属製又は石英等の電気的絶縁体からなる。該ケース３を金属製とする場合には放電に伴うガス放出が少ないステンレス等の金属が適している。又、ケース３を金属製とした場合には、内面に電気的絶縁物を取付けたり、コーティングして電気的絶縁状態にする必要がある。
【００１４】
ケース３の出射側には光学的窓５が気密状に取付けられる。該光学的窓５としては、波長が紫外領域の２９６．７ｎｍの炭素原子光にあってはＳｉＯ２製のものが、又波長が真空紫外領域の１６５．６ｎｍ、１５６．１ｎｍの炭素原子光にあってはフッ化リチウム（ＬｉＦ）或いはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）製のものが適している。
【００１５】
ケース３の基端側にはガス放出の少ないステンレス製のベース７が気密状に取付けられ、該ベース７の中心部には円筒形のカーボン電極９が、その軸線がケース３の軸線に一致して取付けられている。光学的窓５に相対するカーボン電極９の上面中央部には孔９ａが設けられている。図２はカーボン電極の孔形状を変えることで炭素原子光強度が変化することを示している。該孔９ａとしては内径が約３ｍｍ、深さが約１５ｍｍが望ましいが、該電極の材質等により放電条件が異なるため、最大の原子光発光強度が得られる孔形状に設定すればよい。又、該孔９ａは内径を小さくし、例えば内径０．５ｍｍ、複数個形成してもよい。この場合、放電条件が異なってくるので、深さや圧力は適切な値に設定すればよい。更に、カーボン電極９は材質としてグラファイトを用いたが、炭素原子を含有したものであればよく、その際は発光強度が最大となるように各パラメータを設定すればよい。
【００１６】
上面を除いたカーボン電極９の外周面には絶縁被覆体１１が設けられている。該絶縁被覆体１１としてはテトラフルオルエチレンとヘキサフルオルプロピレンの重合体であるテフロン（商品名 デュポン社製）が適しているが、電気的絶縁物で該電極に被覆可能なものであればよい。
【００１７】
又、カーボン電極９の外周側には円筒絶縁体１２が、外周面との間に微小の間隙を設けて覆うように取付けられる。この円筒絶縁体１２の軸線方向長さはカーボン電極９の軸線方向長さより若干長く設定されている。円筒絶縁体１２とケース３の間隔は１０〜１５ｍｍが望ましいが、円筒絶縁体１２及びケース３の材質により放電条件が異なるため、安定な放電が得られるように設定すればよい。
【００１８】
カーボン電極９の上方には陽電極１３が所定の間隔をおいて設けられている。該陽電極１３はカーボン電極９の上面と同程度の大径で、中心部に透孔１３ａを有したリング状に形成されている。又、カーボン電極９上面と陽電極１３との間隔は約５〜１０ｍｍが望ましいが、陽電極１３の形状等により放電条件が異なるため、安定な放電が得られるように設定すればよい。陽電極１３の材質としては、ガス放出の少ない金属、例えばステンレス等がよい。
【００１９】
更に、陽電極１３と光学的窓５との間隔は、これを広くした場合には孔９ａ内にて発光する炭素原子光が外部に出射される際の減衰度が大きくなり、反対に狭くした場合にはカーボン電極９から放出される炭素原子により光学的窓５が汚れやすくなる。このため、上記間隔は５〜１０ｍｍ程度が望ましいが、この場合は光学レンズとカーボン電極９の間隔は光学レンズの仕様から決まる所定の間隔にする。
【００２０】
尚、図中の符号９ｂはカーボン電極９の、又１３ｂは陽電極１３の各リード線である。
【００２１】
ベース７にはガス導入口１５及び排気装置（図示せず）に接続された排気口１７がケース３内部と連通して設けられている。ガス導入口１５から導入されるガスとしては酸素原子を含有するガスと希ガスの混合ガスからなるが、図３に示すように酸素原子を含有するガスとしては、炭素原子光強度及び安全性を考え酸素が望ましく、希ガスとしては安価なアルゴンガスが望ましい。尚、ネオンは紫外領域の炭素原子光とスペクトルが重なるため望ましくない。
【００２２】
混合ガス中における酸素とアルゴンガスの分圧比について図４により説明する。プラズマ中の炭素原子ラジカルを測定するに際し、該原子光発生装置の発光強度は、あるレベル以上であることが要求される。それは測定対象であるプラズマも該原子光と同波長を発光するため、原子光発生装置からの測定用原子光強度が小さいと、測定用原子光の強度がプラズマからの発光に埋もれてしまい、測定用原子光の吸収による変化を検出できない。
【００２３】
プラズマ中の炭素原子光ラジカル密度の測定において必要とされる該原子光の発光強度は図４において破線で示されている約１０００である。従って、混合ガスの分圧比は発光強度１０００以上が得られる酸素分圧約１．５Ｔｏｒｒに対し、アルゴン分圧約０．５〜０．７５Ｔｏｒｒ又は酸素分圧約１Ｔｏｒｒに対し、アルゴン分圧約０．７５〜１．５Ｔｏｒｒが望ましい。尚、ガス導入口１５から混合ガスを導入しながら排気口１７から排気してケース３内を上記圧力にする方法以外にガス導入口１５から混合ガスを導入してケース３内の圧力を所定の圧力にした後にガス導入口１５を閉鎖して混合ガスを封じ込める方法であってもよい。
【００２４】
次に、上記炭素原子光発生装置１による炭素原子光の発光作用を説明すると、カーボン電極９と陽電極１３との間に直流電流（約１０ｍＡ）を印加すると、カーボン電極９の孔９ａ内にプラズマが発生し、混合ガス中の酸素原子をイオン化してカーボン電極９に衝突させる。これによりカーボン電極９から叩き出される炭素原子ラジカルがプラズマ中て励起されて発光する。更に、混合ガス中の酸素分子がプラズマ中で酸素原子ラジカルとなり、カーボン電極９の炭素原子と化学的に反応し、炭素と酸素の化合物になってプラズマ中に入り込む。該化合物は、プラズマ中で再度炭素原子ラジカルと酸素原子ラジカルに分かれ、その内の炭素原子ラジカルが励起されて発光する。主に、これら２つの作用により炭素原子光が発生する。両作用を効率的に両立できる条件が上記混合ガス比及び圧力であり、従来の手法よりも大きな炭素原子光強度が得られる。
【００２５】
又、プラズマ中の酸素原子ラジカルは、陽電極１３に付着して放電を不安定にしたり、光学的窓５に付着して炭素原子光を減少させる炭素原子を化学的反応で除去できる。
【００２６】
放電の際、陽電極１３に相対する上面を除いたカーボン電極９の外周面全体が絶縁被覆体１１及び円筒絶縁体１２により電気的に絶縁され、又ケース３内周面が絶縁体であるため、陽電極１３とカーボン電極９の孔９ａ内でのみ放電が生じ、それ以外でのランダムな放電（スパーク）が生じない。従って、孔９ａ内のプラズマ自体が安定化し、炭素原子光の強度を安定化させると共に強度の減少も防ぐことができた。
【００２７】
そして孔９ａ内にて発光する炭素原子光は陽電極１３の透孔１３ａを通過した後に光学的窓５を透過して外部へ出射される。
【００２８】
次に、上記した炭素原子光発生装置１が取付けられるプラズマを利用して被処理体に成膜処理したり、エッチング処理するプラズマ処理装置の概略を説明する。ここでは本発明をプラズマに用いた場合を示すが、プラズマに限らず熱解離等で得られる原子状ラジカルが存在する対象であってもよい。
【００２９】
成膜処理或いはエッチング処理に使用するプロセス処理装置としてのプラズマ処理装置３１を構成する真空容器３３の上部には石英管製の放電室３５が設けられ、該放電室３５の周囲には高周波電源３７に接続された高周波アンテナ３９が設けられている。この高周波アンテナ３９は高周波電源３７から印加される高周波電力により放電室３５及び真空容器３３内にプラズマを生成させる。
【００３０】
上記した高周波としてはＲＦ帯域（１３．５６ＭＨz）、ＶＨＦ帯域〔１００ＭＨz）或いはＵＨＦ帯域（５００ＭＨz）の何れであってもよく、又本発明はマイクロ波（２．４５ＧＨz）或いは直流電力によりプラズマを生成してもよい。
【００３１】
真空容器３３の上部には混合ガスの導入口４３が設けられている。導入される混合ガスとしては、被処理体４５をＳｉＯ２／Ｓｉ選択エッチングする場合にはフルオロカーボンガスに水素を含有したガスを添加した混合ガス、又ダイヤモンド薄膜を成膜する場合には炭素原子を含有したガスと水素を含有した混合ガスを使用する。
【００３２】
真空容器３３内には電極としての載置台４７が設けられ、該載置台４７上には半導体ウェハーやＬＣＤ用ガラス基板等の被処理体４５が、必要に応じて静電チャック４９等の保持部材を介して載置される。尚、載置台４７には液体窒素等の冷媒を循環させて冷却する冷却手段或いは加熱ヒーター（何れも図示せず）が必要に応じて設けられ、被処理体４５を所望の温度に調整する。
【００３３】
載置台４７にはバイアス電源５１が接続され、該バイアス電源５１は任意のパルス幅のバイアス電圧を載置台４７に印加してマイナスのバイアスを生じさせている。又、載置台４７には真空排気装置（図示せず）に接続された排気管５３が設けられ、導入口４３から原料ガスを導入しながら排気管５３から真空容器３３内を排気して真空容器３３及び放電室３５内を所定のガス圧に保っている。
【００３４】
真空容器３３の側壁には、炭素原子光発生装置１及び炭素原子光発生装置１から出射されて真空容器３３内のプラズマ中を通過した炭素原子光を検出する炭素原子光検出装置５５が相対して設けられている。
【００３５】
これら炭素原子光発生装置１及び炭素原子光検出装置５５と基準原子光検出装置５７は炭素原子光発生装置１から出射される炭素原子光強度とプラズマ中を透過して炭素原子光検出装置５５に受光される炭素原子光強度に基づいてプラズマ中における炭素原子ラジカル密度を測定する。
【００３６】
そして炭素原子光検出装置５５により測定されたプラズマ中における炭素原子ラジカル密度に関する測定データを制御手段５９へ転送し、制御手段５９はこの測定データに基づいて高周波アンテナ３９に印加される高周波電力等の放電パラメータ（他にガス流量、容器内圧力等）、載置台４７に印加されるバイアス電圧を夫々制御してプラズマ中における炭素原子ラジカル密度を均一化させる。
【００３７】
尚、炭素原子光発生装置１及び炭素原子光検出装置５５の配置位置は炭素原子光が被処理体４５の反応面直上、例えば１０mm上方を通過する位置が好ましい。又、炭素原子光発生装置１及び炭素原子光検出装置５５は真空容器３３の側壁に設けられた窓又はレンズを介して配置してもよい。この場合、炭素原子光は紫外領域であるため、材質としてはＳｉＯ２が適している。
【００３８】
一方、炭素原子光発生装置１の前面にはチョッパー６１及び半透鏡６３が夫々設けられ、チョッパー６１は炭素原子光発生装置１から炭素原子光検出装置５５に向かって出射される炭素原子光をＯＮ−ＯＦＦさせる。この際、該原子光のＯＮ−ＯＦＦはチョッパーを用いず、該原子光発生装置に印加する電圧をＯＮ−ＯＦＦして該原子光をＯＮ−ＯＦＦしてもよい。
【００３９】
又、半透鏡６３は炭素原子光発生装置１から出射された炭素原子光の一部を、真空容器３３に至る途中に設けられた基準原子光検出装置５７へ入射して炭素原子光発生装置１から出射される炭素原子光の基準原子光強度を測定する。
【００４０】
炭素原子光発生装置１に相対して設けられた炭素原子光検出装置５５の前面には光学的レンズ６５が設けられ、該光学的レンズ６５により炭素原子光発生装置１から出射されて放電室３５と載置台４７の間に発生したプラズマ中を透過した炭素原子光を分光器（図示せず）のスリット幅に応じたスポット光に収束させる。
【００４１】
そして炭素原子光検出装置５５は放電室３５及び載置台４７間に発生するプラズマ中を透過した炭素原子光強度を検出する。尚、上記光学的レンズ６５としては炭素原子光が紫外領域であるため、材質としてはＳｉＯ２が適している。
【００４２】
次に、上記のように構成されたプラズマ処理装置３１による処理方法を説明する。
【００４３】
先ず、被処理体４５に炭素薄膜を成膜するには導入口４３から炭素を含有したガス、例えばＣＨ４やＣＯガス等の原料ガスを導入させると共に高周波アンテナ３９に高周波電力を印加させると、混合ガスは高周波電界により反応性プラズマ化し、該反応性プラズマに含まれる炭素原子ラジカルを被処理体４５上に堆積させてダイヤモンド薄膜、硬質炭素薄膜或いは炭化珪素薄膜等を合成させる。
【００４４】
又、被処理体４５をエッチングするプロセス処理においては、導入口４３からフルオロカーボンガス等の原料ガスを導入して上記と同様に反応性プラズマ化させた状態で載置台４７にバイアス電圧を印加すると、反応性プラズマ中から陽イオンを飛び出させて被処理体４５に衝突させると共に反応性プラズマ中に生成された炭素原子ラジカル、フッ素原子ラジカル及びＣＦｘ分子ラジカルとの表面反応により被処理体４５をエッチング処理する。
【００４５】
上記したようなエッチング処理及び成膜処理時においては混合ガスのプラズマ中に炭素原子ラジカルを生じさせる。該原子ラジカルはエッチング処理及び成膜処理に大きく寄与している。
【００４６】
このため、上記処理時においては、プラズマ中における炭素原子ラジカル密度を測定し、この測定結果により高周波アンテナ３９に印加される高周波電力を制御したり、載置台４７に印加されるバイアス電圧を制御することにより反応性プラズマ中の炭素原子ラジカル密度を制御することにより成膜される薄膜の厚さを調整したり、エッチングの選択比、加工精度を調整することができる。
【００４７】
そして以下のようにして炭素原子光発生装置１から炭素原子光を、真空容器３３内のプラズマ中に透過し、プラズマ中における炭素原子ラジカルによる炭素原子光の吸収量により炭素原子ラジカル密度を測定する。
【００４８】
即ち、先ず、高周波アンテナ３９に高周波電力が印加されていない、従ってプラズマが発生していない状態で、炭素原子光発生装置１からの炭素原子光を半透鏡６３により２つに分けて炭素原子光検出装置５５及び基準原子光検出装置５７に夫々入射させて強度を測定し、その強度比Ｉ００／Ｉｒ０＝ａを求める。
【００４９】
次に、高周波アンテナ３９に高周波電力を印加してプラズマを発生させた状態で、先ず、チョッパー６１を閉じた状態で該プラズマ中の炭素原子が発光する炭素原子光の強度Ｉ１を炭素原子光検出装置５５により測定する。
【００５０】
次に、チョッパー６１を開いてプラズマ中の炭素原子が発光する強度Ｉ１と炭素原子光発生装置１から出射され、プラズマ中で一部が吸収された炭素原子光の強度Ｉ０’との和である強度Ｉ２を測定する。
【００５１】
そして強度Ｉ１及びＩ２を測定する間中、常に基準原子光検出装置５７により炭素原子光発生装置１から出射される炭素原子光の強度Ｉｒを測定し、該強度Ｉｒと上記の式Ｉ００／Ｉｒ０で求められた強度比ａとにより炭素原子光発生装置１から出射され、プラズマ中の炭素原子ラジカルに吸収されない場合に炭素原子光検出装置５５に入射される強度Ｉ０、従ってＩ０＝ａ・Ｉｒを求め、この強度Ｉ０をプラズマ中の炭素原子ラジカルによる吸収量を測定する基準強度とする。
【００５２】
そして上記の各強度から式（Ｉ２−Ｉ１）／Ｉ０、従って式Ｉ０’／Ｉ０からプラズマ中の炭素原子ラジカルによる炭素原子光の吸収量を測定して炭素原子ラジカル密度を測定する。
【００５３】
前述の方法にてプラズマ中における炭素原子光吸収率から求めた炭素原子ラジカル密度は、例えば１．４×１０１４［ｃｍ−３］であった。更に、該炭素原子光発生装置１からは炭素分子（Ｃ２）光も得られ、プラズマ中における炭素分子ラジカル密度と炭素原子ラジカル密度の同時測定が可能であった。図７は炭素分子ラジカル密度と炭素原子ラジカル密度の比と高周波アンテナに印加される高周波電力との関係を示す。
【００５４】
実施形態２
上記した実施形態１の炭素原子光発生装置１は、陰電極をカーボン電極９で形成し、ケース３内に酸素原子を含有したガスと希ガスの混合ガスを導入して孔９ａ内に発生するプラズマによりイオン化したアルゴン及びラジカル化した酸素によりカーボン電極９から炭素原子をプラズマ中に発生させて該炭素原子ラジカルの発光にて炭素原子光を得るものとしたが、本実施形態はガス放出の少ないステンレス等の金属製の陰電極を使用すると共に炭素原子を含有したガス、酸素原子を含有したガス及び希ガスとの混合ガスをケース３内に所定の混合比にて導入して陰電極孔内に発生するプラズマにより混合ガス中の炭素原子ラジカルを直接発光させることにより炭素原子光を得た。
【００５５】
【発明の効果】
このため本発明は、プラズマを安定化させて炭素原子光の発光強度を安定化させると共に該発光強度を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭素原子光発生装置の概略を示す縦断面図である。
【図２】炭素原子発光線の強度とカーボン電極の孔形状の関係を示したグラフである。
【図３】炭素原子発光線の強度と酸素原子を含有したガスの関係を示したグラフである。
【図４】炭素原子発光線の強度と導入する酸素とアルゴンの混合比の関係を示したグラフである。
【図５】炭素原子光発生装置によりプラズマ中の炭素原子ラジカルが測定されるプラズマ処理装置の概略を示す説明図である。
【図６】プラズマ処理装置の制御概略を示す説明図である。
【図７】炭素分子ラジカル密度と炭素原子ラジカル密度の比と高周波アンテナに印加される高周波電力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 炭素原子光発生装置、３ ケース、５ 光学的窓、９ 陰電極としてのカーボン電極、９ａ 孔、１３ 陽電極、１３ａ 透孔、１５ ガス導入口、１７ 排気口
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマを利用して被処理体上にカーボン薄膜を成膜したり、エッチング処理するプラズマ処理装置における炭素原子ラジカル測定用炭素原子光発生装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人は、特願平８−２５７６１７号において、少なくとも炭素原子を含有した原料ガスをプラズマ化し、被処理体上に炭素含有薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理するプラズマ処理方法において、プラズマ化した原料ガスに対して発光線発生手段から出射される炭素原子発光線を照射し、炭素原子発光線の出射量とプラズマの透過量とに基づいてプラズマ中の炭素原子ラジカル密度を測定し、該炭素原子ラジカル密度に基づいてプラズマ処理する炭素原子による成膜及びエッチング処理方法、少なくとも炭素原子を含有した原料ガスをプラズマ化し、被処理体上に炭素含有薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理するプラズマ処理方法において、発光線発生手段から出射される炭素原子発光線をプラズマ処理装置内のプラズマに照射し、該プラズマを透過した炭素原子発光線を発光線検出手段により検出してプラズマ中の炭素原子ラジカル密度を測定し、測定された炭素原子ラジカル密度に基づいてプラズマ強度を制御する制御手段を備えた炭素原子による成膜及びエッチング処理装置、少なくとも炭素原子を含有した材料にプラズマ或いは電磁波又は粒子を照射し、該材料から発生する炭素原子を用いて被処理体上に炭素含有薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理するプロセスにおいて、該プロセス中に発生する炭素原子に対して発光線発生手段から出射される炭素原子発光線を照射し、炭素原子発光線の出射量と透過量とに基づいて炭素原子ラジカル密度を測定し、該炭素原子ラジカル密度に基づいて成膜及びエッチング処理を行う炭素原子による成膜及びエッチング処理方法、少なくとも炭素原子を含有した材料にプラズマ或いは電磁波又は粒子を照射し、該材料から発生する炭素原子を用いて被処理体上に炭素含有薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理するプロセスにおいて、該プロセス中に発生する炭素原子に対して発光線発生手段から出射される炭素原子発光線を照射し、炭素原子発光線の出射量と透過量とに基づいて炭素原子ラジカル密度を測定し、該炭素原子ラジカル密度に基づいて前記プラズマ或いは電磁波又は粒子の照射強度を制御する制御手段を備えた炭素原子による成膜及びエッチング処理装置を夫々提案した。
【０００３】
上記した何れの発明にあっても、発光線発生手段から発光された炭素原子発光線をプラズマ中に透過させ、プラズマ中における炭素ラジカルによる炭素原子発光線の吸収量に基づいて炭素原子ラジカル密度を測定している。
【０００４】
上記発光線発生手段としては、接地されたステンレス等の金属ケース内に設けられたガラス管内に、光学的窓に対向する上面中心部に所定の内径及び深さの孔を有したカーボン電極を取付けると共にアルゴンガスと酸素ガス若しくは炭素原子を含んだＣＯガス或いはＣＯ２の混合ガスを導入しながら排気してケース内を所定の圧力に保った状態でカーボン電極に電流を印加してカーボン電極の孔内にプラズマを発生させて炭素を含有した陰電極（以下、カーボン電極という）から炭素原子ラジカルを叩き出して炭素原子ラジカルを発光させることにより炭素原子光を得ている。
【０００５】
しかしながら、上記した発光線発生手段は、金属製ケースを陽電極、カーボン電極を陰極とし、直流放電を行っている。この場合、所望するカーボン電極孔内での放電以外に、ケース内周面とカーボン電極間にて放電が生じる。該放電は、時間的、場所的にランダムな放電（スパーク）であり、発光線を得る陰電極孔内プラズマが不安定化する結果、安定した強度の炭素原子光が得られない問題を有している。
【０００６】
基準発光線の強度が不安定であると、プラズマ中を透過した結果から得られる発光線の強度変化が、プラズマによる吸収量であるか、基準発光線によるものであるか区別不可能である。これは、高精度な炭素原子ラジカル密度の測定を困難にする。
【０００７】
又、カーボン電極孔内以外にて放電が生じるため、所望するカーボン電極孔内での放電が弱くなり、炭素原子発光線の強度も弱くなる。これは、プラズマを透過した原子光強度の変化が小さいとき、その変化を検出できないことを意味し、炭素原子ラジカル密度の検出限界の向上を困難にする。
【０００８】
更に、プラズマ中の炭素原子ラジカル密度の測定において、更なる検出限界の向上が必要である。検出限界の向上のためには原子発光線強度を大きくすることが必要であるが、陽電極とカーボン電極に印加する直流電流を大きくすると、自己吸収現象（所望する原子光スペクトルの形状を乱す現象）が生じ、原子ラジカル密度の算出の際に必要となる原子光スペクトルの形状決定が不可能になって正確な密度算出ができなくなる。又、カーボン電極の消耗が進み、原子光発生装置としての寿命も短くなる。従って、陽電極とカーボン電極に印加する直流電流を大きくすることでの原子発光線強度を均一化させると共に該原子光発光線強度の増加は適切な方法ではない。
【０００９】
本発明は、上記した従来の欠点を解決するために発明されたものであり、その課題とする処は、プラズマの発生を安定化させて炭素原子光の発光強度を均一化させると共に該原子光強度を増加させることができるプラズマ処理装置における炭素原子ラジカル測定用炭素原子光発生装置を提供することにある。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】
このため請求項１は、少なくとも内面が電気的に絶縁され、一方の開口に光学的窓が気密状態に設けられると共に他方の開口が気密に閉止され、ガス導入口及び排気装置に接続される排気口が設けられたケースと、該ケース内にて電気的絶縁状態で所定の間隔をおいて相対して設けられ、中心部に透孔が形成されたリング状の陽電極と、ケース内にて電気的絶縁状態で設けられ、陽電極への相対面中心部に所定の内径及び深さの孔が形成されると共に陽電極に対する非相対面が電気的に絶縁された炭素原子を含有した陰電極とからなり、ケース内を炭素原子を含有したガスと酸素ガス及び稀ガスの混合ガスを所定の分圧に設定して陽電極及び陰電極間に直流電流を印加して陰電極の孔内表面を荷電粒子でスパッタ或いは反応性スパッタさせて陰電極孔内プラズマに炭素原子ラジカルを生じさせて炭素原子光を発生させることを特徴とする。
【００１１】
請求項２は、少なくとも内面が電気的に絶縁され、一方の開口に光学的窓が気密状態に設けられると共に他方の開口が気密に閉止され、ガス導入口及び排気装置に接続される排気口が設けられたケースと、該ケース内にて電気的絶縁状態で所定の間隔をおいて相対して設けられ、中心部に透孔が形成されたリング状の陽電極と、ケース内にて電気的絶縁状態で設けられ、陽電極への相対面中心部に所定の内径及び深さの孔が形成されると共に陽電極に対する非相対面が電気的に絶縁された陰電極とからなり、ケース内を炭素原子を含有したガスと酸素ガス及び稀ガスの混合ガスを所定の分圧に設定して陽電極及び陰電極間に直流電流を印加して陰電極孔内にて混合ガスをプラズマ化した炭素原子ラジカルの発光により炭素原子光を発生させることを特徴とする
特徴とする。
【００１２】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施形態を図に従って説明する。
実施形態１
図１は炭素原子光発生装置の概略を示す縦断面図である。
図２は炭素原子発光線の強度とカーボン電極の孔形状の関係を示したグラフである。
図３は炭素原子発光線の強度と酸素原子を含有したガスの関係を示したグラフである。
図４は炭素原子発光線の強度と導入する酸素とアルゴンの混合比の関係を示したグラフである。
図５は炭素原子光発生装置によりプラズマ中の炭素原子ラジカルが測定されるプラズマ処理装置の概略を示す説明図である。
図６はプラズマ処理装置の制御概略を示す説明図である。
図７は炭素分子ラジカル密度と炭素原子ラジカル密度の比と高周波アンテナに印加される高周波電力との関係を示すグラフである。
【００１３】
炭素原子光発生装置１のケース３はほぼ円筒状の電気的導電体である金属製又は石英等の電気的絶縁体からなる。該ケース３を金属製とする場合には放電に伴うガス放出が少ないステンレス等の金属が適している。又、ケース３を金属製とした場合には、内面に電気的絶縁物を取付けたり、コーティングして電気的絶縁状態にする必要がある。
【００１４】
ケース３の出射側には光学的窓５が気密状に取付けられる。該光学的窓５としては、波長が紫外領域の２９６．７ｎｍの炭素原子光にあってはＳｉＯ２製のものが、又波長が真空紫外領域の１６５．６ｎｍ、１５６．１ｎｍの炭素原子光にあってはフッ化リチウム（ＬｉＦ）或いはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）製のものが適している。
【００１５】
ケース３の基端側にはガス放出の少ないステンレス製のベース７が気密状に取付けられ、該ベース７の中心部には円筒形のカーボン電極９が、その軸線がケース３の軸線に一致して取付けられている。光学的窓５に相対するカーボン電極９の上面中央部には孔９ａが設けられている。図２はカーボン電極の孔形状を変えることで炭素原子光強度が変化することを示している。該孔９ａとしては内径が約３ｍｍ、深さが約１５ｍｍが望ましいが、該電極の材質等により放電条件が異なるため、最大の原子光発光強度が得られる孔形状に設定すればよい。又、該孔９ａは内径を小さくし、例えば内径０．５ｍｍ、複数個形成してもよい。この場合、放電条件が異なってくるので、深さや圧力は適切な値に設定すればよい。更に、カーボン電極９は材質としてグラファイトを用いたが、炭素原子を含有したものであればよく、その際は発光強度が最大となるように各パラメータを設定すればよい。
【００１６】
上面を除いたカーボン電極９の外周面には絶縁被覆体１１が設けられている。該絶縁被覆体１１としてはテトラフルオルエチレンとヘキサフルオルプロピレンの重合体であるテフロン（商品名 デュポン社製）が適しているが、電気的絶縁物で該電極に被覆可能なものであればよい。
【００１７】
又、カーボン電極９の外周側には円筒絶縁体１２が、外周面との間に微小の間隙を設けて覆うように取付けられる。この円筒絶縁体１２の軸線方向長さはカーボン電極９の軸線方向長さより若干長く設定されている。円筒絶縁体１２とケース３の間隔は１０〜１５ｍｍが望ましいが、円筒絶縁体１２及びケース３の材質により放電条件が異なるため、安定な放電が得られるように設定すればよい。
【００１８】
カーボン電極９の上方には陽電極１３が所定の間隔をおいて設けられている。該陽電極１３はカーボン電極９の上面と同程度の大径で、中心部に透孔１３ａを有したリング状に形成されている。又、カーボン電極９上面と陽電極１３との間隔は約５〜１０ｍｍが望ましいが、陽電極１３の形状等により放電条件が異なるため、安定な放電が得られるように設定すればよい。陽電極１３の材質としては、ガス放出の少ない金属、例えばステンレス等がよい。
【００１９】
更に、陽電極１３と光学的窓５との間隔は、これを広くした場合には孔９ａ内にて発光する炭素原子光が外部に出射される際の減衰度が大きくなり、反対に狭くした場合にはカーボン電極９から放出される炭素原子により光学的窓５が汚れやすくなる。このため、上記間隔は５〜１０ｍｍ程度が望ましいが、この場合は光学レンズとカーボン電極９の間隔は光学レンズの仕様から決まる所定の間隔にする。
【００２０】
尚、図中の符号９ｂはカーボン電極９の、又１３ｂは陽電極１３の各リード線である。
【００２１】
ベース７にはガス導入口１５及び排気装置（図示せず）に接続された排気口１７がケース３内部と連通して設けられている。ガス導入口１５から導入されるガスとしては酸素原子を含有するガスと希ガスの混合ガスからなるが、図３に示すように酸素原子を含有するガスとしては、炭素原子光強度及び安全性を考え酸素が望ましく、希ガスとしては安価なアルゴンガスが望ましい。尚、ネオンは紫外領域の炭素原子光とスペクトルが重なるため望ましくない。
【００２２】
混合ガス中における酸素とアルゴンガスの分圧比について図４により説明する。プラズマ中の炭素原子ラジカルを測定するに際し、該原子光発生装置の発光強度は、あるレベル以上であることが要求される。それは測定対象であるプラズマも該原子光と同波長を発光するため、原子光発生装置からの測定用原子光強度が小さいと、測定用原子光の強度がプラズマからの発光に埋もれてしまい、測定用原子光の吸収による変化を検出できない。
【００２３】
プラズマ中の炭素原子光ラジカル密度の測定において必要とされる該原子光の発光強度は図４において破線で示されている約１０００である。従って、混合ガスの分圧比は発光強度１０００以上が得られる酸素分圧約１．５Ｔｏｒｒに対し、アルゴン分圧約０．５〜０．７５Ｔｏｒｒ又は酸素分圧約１Ｔｏｒｒに対し、アルゴン分圧約０．７５〜１．５Ｔｏｒｒが望ましい。尚、ガス導入口１５から混合ガスを導入しながら排気口１７から排気してケース３内を上記圧力にする方法以外にガス導入口１５から混合ガスを導入してケース３内の圧力を所定の圧力にした後にガス導入口１５を閉鎖して混合ガスを封じ込める方法であってもよい。
【００２４】
次に、上記炭素原子光発生装置１による炭素原子光の発光作用を説明すると、カーボン電極９と陽電極１３との間に直流電流（約１０ｍＡ）を印加すると、カーボン電極９の孔９ａ内にプラズマが発生し、混合ガス中の酸素原子をイオン化してカーボン電極９に衝突させる。これによりカーボン電極９から叩き出される炭素原子ラジカルがプラズマ中て励起されて発光する。更に、混合ガス中の酸素分子がプラズマ中で酸素原子ラジカルとなり、カーボン電極９の炭素原子と化学的に反応し、炭素と酸素の化合物になってプラズマ中に入り込む。該化合物は、プラズマ中で再度炭素原子ラジカルと酸素原子ラジカルに分かれ、その内の炭素原子ラジカルが励起されて発光する。主に、これら２つの作用により炭素原子光が発生する。両作用を効率的に両立できる条件が上記混合ガス比及び圧力であり、従来の手法よりも大きな炭素原子光強度が得られる。
【００２５】
又、プラズマ中の酸素原子ラジカルは、陽電極１３に付着して放電を不安定にしたり、光学的窓５に付着して炭素原子光を減少させる炭素原子を化学的反応で除去できる。
【００２６】
放電の際、陽電極１３に相対する上面を除いたカーボン電極９の外周面全体が絶縁被覆体１１及び円筒絶縁体１２により電気的に絶縁され、又ケース３内周面が絶縁体であるため、陽電極１３とカーボン電極９の孔９ａ内でのみ放電が生じ、それ以外でのランダムな放電（スパーク）が生じない。従って、孔９ａ内のプラズマ自体が安定化し、炭素原子光の強度を安定化させると共に強度の減少も防ぐことができた。
【００２７】
そして孔９ａ内にて発光する炭素原子光は陽電極１３の透孔１３ａを通過した後に光学的窓５を透過して外部へ出射される。
【００２８】
次に、上記した炭素原子光発生装置１が取付けられるプラズマを利用して被処理体に成膜処理したり、エッチング処理するプラズマ処理装置の概略を説明する。ここでは本発明をプラズマに用いた場合を示すが、プラズマに限らず熱解離等で得られる原子状ラジカルが存在する対象であってもよい。
【００２９】
成膜処理或いはエッチング処理に使用するプロセス処理装置としてのプラズマ処理装置３１を構成する真空容器３３の上部には石英管製の放電室３５が設けられ、該放電室３５の周囲には高周波電源３７に接続された高周波アンテナ３９が設けられている。この高周波アンテナ３９は高周波電源３７から印加される高周波電力により放電室３５及び真空容器３３内にプラズマを生成させる。
【００３０】
上記した高周波としてはＲＦ帯域（１３．５６ＭＨz）、ＶＨＦ帯域〔１００ＭＨz）或いはＵＨＦ帯域（５００ＭＨz）の何れであってもよく、又本発明はマイクロ波（２．４５ＧＨz）或いは直流電力によりプラズマを生成してもよい。
【００３１】
真空容器３３の上部には混合ガスの導入口４３が設けられている。導入される混合ガスとしては、被処理体４５をＳｉＯ２／Ｓｉ選択エッチングする場合にはフルオロカーボンガスに水素を含有したガスを添加した混合ガス、又ダイヤモンド薄膜を成膜する場合には炭素原子を含有したガスと水素を含有した混合ガスを使用する。
【００３２】
真空容器３３内には電極としての載置台４７が設けられ、該載置台４７上には半導体ウェハーやＬＣＤ用ガラス基板等の被処理体４５が、必要に応じて静電チャック４９等の保持部材を介して載置される。尚、載置台４７には液体窒素等の冷媒を循環させて冷却する冷却手段或いは加熱ヒーター（何れも図示せず）が必要に応じて設けられ、被処理体４５を所望の温度に調整する。
【００３３】
載置台４７にはバイアス電源５１が接続され、該バイアス電源５１は任意のパルス幅のバイアス電圧を載置台４７に印加してマイナスのバイアスを生じさせている。又、載置台４７には真空排気装置（図示せず）に接続された排気管５３が設けられ、導入口４３から原料ガスを導入しながら排気管５３から真空容器３３内を排気して真空容器３３及び放電室３５内を所定のガス圧に保っている。
【００３４】
真空容器３３の側壁には、炭素原子光発生装置１及び炭素原子光発生装置１から出射されて真空容器３３内のプラズマ中を通過した炭素原子光を検出する炭素原子光検出装置５５が相対して設けられている。
【００３５】
これら炭素原子光発生装置１及び炭素原子光検出装置５５と基準原子光検出装置５７は炭素原子光発生装置１から出射される炭素原子光強度とプラズマ中を透過して炭素原子光検出装置５５に受光される炭素原子光強度に基づいてプラズマ中における炭素原子ラジカル密度を測定する。
【００３６】
そして炭素原子光検出装置５５により測定されたプラズマ中における炭素原子ラジカル密度に関する測定データを制御手段５９へ転送し、制御手段５９はこの測定データに基づいて高周波アンテナ３９に印加される高周波電力等の放電パラメータ（他にガス流量、容器内圧力等）、載置台４７に印加されるバイアス電圧を夫々制御してプラズマ中における炭素原子ラジカル密度を均一化させる。
【００３７】
尚、炭素原子光発生装置１及び炭素原子光検出装置５５の配置位置は炭素原子光が被処理体４５の反応面直上、例えば１０mm上方を通過する位置が好ましい。又、炭素原子光発生装置１及び炭素原子光検出装置５５は真空容器３３の側壁に設けられた窓又はレンズを介して配置してもよい。この場合、炭素原子光は紫外領域であるため、材質としてはＳｉＯ２が適している。
【００３８】
一方、炭素原子光発生装置１の前面にはチョッパー６１及び半透鏡６３が夫々設けられ、チョッパー６１は炭素原子光発生装置１から炭素原子光検出装置５５に向かって出射される炭素原子光をＯＮ−ＯＦＦさせる。この際、該原子光のＯＮ−ＯＦＦはチョッパーを用いず、該原子光発生装置に印加する電圧をＯＮ−ＯＦＦして該原子光をＯＮ−ＯＦＦしてもよい。
【００３９】
又、半透鏡６３は炭素原子光発生装置１から出射された炭素原子光の一部を、真空容器３３に至る途中に設けられた基準原子光検出装置５７へ入射して炭素原子光発生装置１から出射される炭素原子光の基準原子光強度を測定する。
【００４０】
炭素原子光発生装置１に相対して設けられた炭素原子光検出装置５５の前面には光学的レンズ６５が設けられ、該光学的レンズ６５により炭素原子光発生装置１から出射されて放電室３５と載置台４７の間に発生したプラズマ中を透過した炭素原子光を分光器（図示せず）のスリット幅に応じたスポット光に収束させる。
【００４１】
そして炭素原子光検出装置５５は放電室３５及び載置台４７間に発生するプラズマ中を透過した炭素原子光強度を検出する。尚、上記光学的レンズ６５としては炭素原子光が紫外領域であるため、材質としてはＳｉＯ２が適している。
【００４２】
次に、上記のように構成されたプラズマ処理装置３１による処理方法を説明する。
【００４３】
先ず、被処理体４５に炭素薄膜を成膜するには導入口４３から炭素を含有したガス、例えばＣＨ４やＣＯガス等の原料ガスを導入させると共に高周波アンテナ３９に高周波電力を印加させると、混合ガスは高周波電界により反応性プラズマ化し、該反応性プラズマに含まれる炭素原子ラジカルを被処理体４５上に堆積させてダイヤモンド薄膜、硬質炭素薄膜或いは炭化珪素薄膜等を合成させる。
【００４４】
又、被処理体４５をエッチングするプロセス処理においては、導入口４３からフルオロカーボンガス等の原料ガスを導入して上記と同様に反応性プラズマ化させた状態で載置台４７にバイアス電圧を印加すると、反応性プラズマ中から陽イオンを飛び出させて被処理体４５に衝突させると共に反応性プラズマ中に生成された炭素原子ラジカル、フッ素原子ラジカル及びＣＦｘ分子ラジカルとの表面反応により被処理体４５をエッチング処理する。
【００４５】
上記したようなエッチング処理及び成膜処理時においては混合ガスのプラズマ中に炭素原子ラジカルを生じさせる。該原子ラジカルはエッチング処理及び成膜処理に大きく寄与している。
【００４６】
このため、上記処理時においては、プラズマ中における炭素原子ラジカル密度を測定し、この測定結果により高周波アンテナ３９に印加される高周波電力を制御したり、載置台４７に印加されるバイアス電圧を制御することにより反応性プラズマ中の炭素原子ラジカル密度を制御することにより成膜される薄膜の厚さを調整したり、エッチングの選択比、加工精度を調整することができる。
【００４７】
そして以下のようにして炭素原子光発生装置１から炭素原子光を、真空容器３３内のプラズマ中に透過し、プラズマ中における炭素原子ラジカルによる炭素原子光の吸収量により炭素原子ラジカル密度を測定する。
【００４８】
即ち、先ず、高周波アンテナ３９に高周波電力が印加されていない、従ってプラズマが発生していない状態で、炭素原子光発生装置１からの炭素原子光を半透鏡６３により２つに分けて炭素原子光検出装置５５及び基準原子光検出装置５７に夫々入射させて強度を測定し、その強度比Ｉ００／Ｉｒ０＝ａを求める。
【００４９】
次に、高周波アンテナ３９に高周波電力を印加してプラズマを発生させた状態で、先ず、チョッパー６１を閉じた状態で該プラズマ中の炭素原子が発光する炭素原子光の強度Ｉ１を炭素原子光検出装置５５により測定する。
【００５０】
次に、チョッパー６１を開いてプラズマ中の炭素原子が発光する強度Ｉ１と炭素原子光発生装置１から出射され、プラズマ中で一部が吸収された炭素原子光の強度Ｉ０’との和である強度Ｉ２を測定する。
【００５１】
そして強度Ｉ１及びＩ２を測定する間中、常に基準原子光検出装置５７により炭素原子光発生装置１から出射される炭素原子光の強度Ｉｒを測定し、該強度Ｉｒと上記の式Ｉ００／Ｉｒ０で求められた強度比ａとにより炭素原子光発生装置１から出射され、プラズマ中の炭素原子ラジカルに吸収されない場合に炭素原子光検出装置５５に入射される強度Ｉ０、従ってＩ０＝ａ・Ｉｒを求め、この強度Ｉ０をプラズマ中の炭素原子ラジカルによる吸収量を測定する基準強度とする。
【００５２】
そして上記の各強度から式（Ｉ２−Ｉ１）／Ｉ０、従って式Ｉ０’／Ｉ０からプラズマ中の炭素原子ラジカルによる炭素原子光の吸収量を測定して炭素原子ラジカル密度を測定する。
【００５３】
前述の方法にてプラズマ中における炭素原子光吸収率から求めた炭素原子ラジカル密度は、例えば１．４×１０１４［ｃｍ−３］であった。更に、該炭素原子光発生装置１からは炭素分子（Ｃ２）光も得られ、プラズマ中における炭素分子ラジカル密度と炭素原子ラジカル密度の同時測定が可能であった。図７は炭素分子ラジカル密度と炭素原子ラジカル密度の比と高周波アンテナに印加される高周波電力との関係を示す。
【００５４】
実施形態２
上記した実施形態１の炭素原子光発生装置１は、陰電極をカーボン電極９で形成し、ケース３内に酸素原子を含有したガスと希ガスの混合ガスを導入して孔９ａ内に発生するプラズマによりイオン化したアルゴン及びラジカル化した酸素によりカーボン電極９から炭素原子をプラズマ中に発生させて該炭素原子ラジカルの発光にて炭素原子光を得るものとしたが、本実施形態はガス放出の少ないステンレス等の金属製の陰電極を使用すると共に炭素原子を含有したガス、酸素原子を含有したガス及び希ガスとの混合ガスをケース３内に所定の混合比にて導入して陰電極孔内に発生するプラズマにより混合ガス中の炭素原子ラジカルを直接発光させることにより炭素原子光を得た。
【００５５】
【発明の効果】
このため本発明は、プラズマを安定化させて炭素原子光の発光強度を安定化させると共に該発光強度を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭素原子光発生装置の概略を示す縦断面図である。
【図２】炭素原子発光線の強度とカーボン電極の孔形状の関係を示したグラフである。
【図３】炭素原子発光線の強度と酸素原子を含有したガスの関係を示したグラフである。
【図４】炭素原子発光線の強度と導入する酸素とアルゴンの混合比の関係を示したグラフである。
【図５】炭素原子光発生装置によりプラズマ中の炭素原子ラジカルが測定されるプラズマ処理装置の概略を示す説明図である。
【図６】プラズマ処理装置の制御概略を示す説明図である。
【図７】炭素分子ラジカル密度と炭素原子ラジカル密度の比と高周波アンテナに印加される高周波電力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 炭素原子光発生装置、３ ケース、５ 光学的窓、９ 陰電極としてのカーボン電極、９ａ 孔、１３ 陽電極、１３ａ 透孔、１５ ガス導入口、１７ 排気口
Claims (6)
- 少なくとも内面が電気的に絶縁され、一方の開口に光学的窓が気密状態に設けられると共に他方の開口が気密に閉止され、ガス導入口及び排気装置に接続される排気口が設けられたケースと、
該ケース内にて電気的絶縁状態で所定の間隔をおいて相対して設けられ、中心部に透孔が形成されたリング状の陽電極と、
ケース内にて電気的絶縁状態で設けられ、陽電極への相対面中心部に所定の内径及び深さの孔が形成されると共に陽電極に対する非相対面が電気的に絶縁された炭素原子を含有した陰電極とからなり、
ケース内を炭素原子を含有したガスと酸素ガス及び稀ガスの混合ガスを所定の分圧に設定して陽電極及び陰電極間に直流電流を印加して陰電極の孔内表面を荷電粒子でスパッタ或いは反応性スパッタさせて陰電極孔内プラズマに炭素原子ラジカルを生じさせて炭素原子光を発生させる
ことを特徴とするプラズマ処理装置における炭素原子ラジカル測定用の炭素原子光発生装置。 - 少なくとも内面が電気的に絶縁され、一方の開口に光学的窓が気密状態に設けられると共に他方の開口が気密に閉止され、ガス導入口及び排気装置に接続される排気口が設けられたケースと、
該ケース内にて電気的絶縁状態で所定の間隔をおいて相対して設けられ、中心部に透孔が形成されたリング状の陽電極と、
ケース内にて電気的絶縁状態で設けられ、陽電極への相対面中心部に所定の内径及び深さの孔が形成されると共に陽電極に対する非相対面が電気的に絶縁された陰電極とからなり、
ケース内を炭素原子を含有したガスと酸素ガス及び稀ガスの混合ガスを所定の分圧に設定して陽電極及び陰電極間に直流電流を印加して陰電極孔内にて混合ガスをプラズマ化した炭素原子ラジカルの発光により炭素原子光を発生させる
ことを特徴とするプラズマ処理装置における炭素原子ラジカル測定用の炭素原子光発生装置。 - 前記ケースは電気的絶縁材料からなる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置における炭素原子ラジカル測定用の炭素原子光発生装置。 - 前記ケースは金属材料からなると共に内面に電気的絶縁材料を設けた
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置における炭素原子ラジカル測定用の炭素原子光発生装置。 - 前記陰電極の孔の内径及び深さは３ｍｍ、１５ｍｍからなる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置における炭素原子ラジカル測定用の炭素原子光発生装置。 - 前記混合ガスの所定の分圧は、酸素原子を含有したガス１．５Ｔｏｒｒに対して稀ガス約０．５〜０．７５Ｔｏｒｒ及び酸素原子を含有したガス１Ｔｏｒｒに対して稀ガス約０．７５〜１．５Ｔｏｒｒの何れか一方からなる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置における炭素原子ラジカル測定用の炭素原子光発生装置。
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