JP4127435B2

JP4127435B2 - 原子状ラジカル測定方法及び装置

Info

Publication number: JP4127435B2
Application number: JP29550498A
Authority: JP
Inventors: 後藤俊夫; 明廣河野; 勝堀; 昌文伊藤; 勝實米田; 成剛高島
Original assignee: NU Eco Engineering Co Ltd
Current assignee: NU Eco Engineering Co Ltd
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: JP2000123996A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原料ガスをプラズマ化して被処理体に原料ガス成分の薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理する際に、プラズマ化した原料ガスに対して原子光発生装置から原子光を照射し、プラズマ透過前の基準原子光の強度とプラズマを透過した原子光線の強度に基づいてプラズマ中における原子状ラジカル密度を測定する原子状ラジカル測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
従来、シリコン等の原子状ラジカル測定に用いられてきた原子光発生装置は、陰極に数ｍｍ程度の内径を持つ孔があり、圧力数Ｔｏｒｒという低圧下での放電現象により生ずる発光を利用していた。プラズマ中の原子状ラジカル測定においてはレンズ系により該発光を分光器のスリット上に結像させるが、発光面積が大きいため、孔内で生じた発光を全て分光器を入力することができなかった。このことは分光器にて検出される発光強度信号が小さいことを意味し、プラズマを透過した原子光強度の変化が小さいときには、その変化を検出することが困難であった。
【０００３】
即ち、原子光の輝度が小さい場合は、ラジカル原子密度の検出限界の向上が困難であった。尚、この欠点は放電パワー（電流）を大きくして該原子光発生装置の原子光強度を大きくすることにより解決し得るが、放電パワーを大きくすると、後述する自己吸収現象を生じたり、電極の消耗が激しく、装置寿命が極端に短くなる問題を有しているため、放電パワーを大きくすることは適切な方法ではない。
【０００４】
水素原子ラジカル測定に関して言えば、従来は原子光発生装置に電子サイクロトロン共鳴（以下、ＥＣＲ）放電を用いたものがある（臼井、他：第４５回応用物理学関係連合講演会）。この手法も発光面が数ｍｍ以上あり、前述した通り発光を有効利用することができない。
【０００５】
又、放電圧力が数ｍＴｏｒｒという低圧での放電であるため、後述する原料ガスからの解離性発光による原子光スペクトルの拡がりが生じている。又、装置的にも大がかりになって高コスト化している。
【０００６】
原料ガスからの解離性発光による原子光スペクトルの拡がりを水素分子を例に説明すると、水素ガスをプラズマ化し、解離発光させる場合の反応を以下に示す。
【０００７】
原子が高い速度のまま、
Ｈ_２＋ｅ⁻→Ｈ_２（高速：発光）＋Ｈ（高速）＋ｅ⁻
発光すると、スペクトル幅が拡がる結果、原子状ラジカル密度の検出限界が低下している。
【０００８】
又、原子状ラジカル密度を算出する際、原子光のスペクトル形状を仮定する必要があるが、この解離性発光による原子光スペクトルの形状近似は非常に困難で、高精度な原子状ラジカル密度の測定が困難であった。
【０００９】
更に、前述した原子光発生装置ではプラズマ化を支配する電子の密度が小さく（ＥＣＲプラズマの場合、電子密度は１０^１２［ｃｍ^−３］程度であるが、本発明による原子光発生手法では、１０^１３［ｃｍ^−３］以上）、原料ガスのプラズマ化が充分行われず、所望の原子光強度が小さくなっていた。そして原料ガスの解離が不充分なため、プラズマ内に原料ガス分子等における被測定原子以外の粒子が多く残留し、所望の原子光スペクトルに原料ガス分子等における被測定原子以外の粒子のスペクトルが重畳することがある。このため、原子光強度が小さいことは原子状ラジカル密度の検出限界の向上を困難にし、又原子光スペクトルと他スペクトルとの重畳は、分光器によりそれらスペクトルを分離できないため、正確なプラズマ透過前の基準原子光の強度を求めることが不可能であり、高精度な原子状ラジカル密度の測定が困難であった。
【００１０】
いずれにしても、現時点においてはプラズマ中における原子状ラジカルを高精度で高感度に測定する簡便な方法がなかった。
【００１１】
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、プラズマ中における原子状ラジカル密度を高精度及び高感度で簡便に測定することができる原子状ラジカル測定方法及びその装置を提供することにある。
【００１２】
【問題点を解決するための手段】
このため請求項１は、原料ガスをプラズマ化して被処理体に原料ガス成分の薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理する際に、プラズマ化した原料ガスに対して原子光発生装置から原子光を照射し、プラズマ透過前の基準原子光の強度とプラズマを透過した原子光線の強度に基づいてプラズマ中における原子状ラジカル密度を測定する方法において、原子光発生装置は容器内に、一部に所定の内径からなる孔が形成された陰極板を設け、容器内における少なくとも上記ガス中の被測定原子を含むガス及び希ガスを所定の圧力にし、陰電極及び先端部が陰電極の孔に近接して設けられた陽電極に電流を印加して陰電極の孔内にて上記ガスをプラズマ化して発光させることにより生成される所望原子光を得ることを特徴とする。
【００１３】
請求項２は、原料ガスをプラズマ化して被処理体に原料ガス成分の薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理する際に、プラズマ化した原料ガスに対して原子光発生装置から原子光を照射し、プラズマ透過前の基準原子光の強度とプラズマを透過した原子光線の強度に基づいてプラズマ中における原子状ラジカル密度を測定する方法において、原子光発生装置は、容器内に少なくとも被測定原子を含有し、一部に所定の内径からなる孔が形成された陰極板を設け、容器内における希ガスを所定の圧力にし、陰電極及び先端部が陰電極の孔に近接して設けられた陽電極に電流を印加して陰電極の孔内にて上記ガスをプラズマ化して陰電極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該陰電極孔内の原子を発光させることにより所望原子光を得ることを特徴とする。
【００１４】
請求項３は、原料ガスをプラズマ化して被処理体に原料ガス成分の薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理する際に、プラズマ化した原料ガスに対して原子光発生装置から原子光を照射し、プラズマ透過前の基準原子光の強度とプラズマを透過した原子光線の強度に基づいてプラズマ中における原子状ラジカル密度を測定する装置において、原子光発生装置は容器内に設けられ、一部に所定の内径からなる孔が形成された陰極板と、容器内にて先端が陰極板の孔に相対して設けられた陽電極とからなり、容器内における少なくとも上記ガス中の被測定原子を含むガス及び希ガスを所定の圧力にし、陰電極及び先端部が陰電極の孔に近接して設けられた陽電極に電流を印加して陰電極の孔内にて上記ガスをプラズマ化して発光させることにより生成される所望原子光を得ることを特徴とする。
【００１５】
請求項４は、原料ガスをプラズマ化して被処理体に原料ガス成分の薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理する際に、プラズマ化した原料ガスに対して原子光発生装置から原子光を照射し、プラズマ透過前の基準原子光の強度とプラズマを透過した原子光線の強度に基づいてプラズマ中における原子状ラジカル密度を測定する装置において、原子光発生装置は、容器内に設けられ、少なくとも被測定原子を含有し、一部に所定の内径からなる孔が形成された陰極板と、容器内にて先端が陰極板の孔に相対して設けられた陽電極とからなり、容器内における希ガスを所定の圧力にし、陰電極及び先端部が陰電極の孔に近接して設けられた陽電極に電流を印加して陰電極の孔内にて上記ガスをプラズマ化して陰電極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該陰電極孔内の原子を発光させることにより所望の原子光を得ることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る原子状ラジカル測定方法及びその装置を、水素を使用した実施形態に基づいて説明する。
実施形態１
図１は水素原子光発生装置の概略を示す概略断面図である。
図２は原子光発生率と水素ガス濃度の関係を示すグラフである。
図３及び図４は原子光スペクトルの形状と水素ガス濃度の関係を示す図である。
図５は原子光の自己吸収と陰極板と陽電極に印加する電流の関係を示すグラフである。
図６は原子状ラジカル測定方法及びその装置を高周波を使用した誘導結合型プラズマ処理装置に用いた場合の概略断面図である。
図７はプラズマ処理装置の制御概略を示す説明図である。
図８はプラズマ中における水素原子ラジカル密度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。
【００１７】
水素原子光発生装置２５を記述すると、水素原子光発生装置２５のケース３３はステンレス等の金属製で、真空容器３側の内部には光学的レンズ３５が取付けられ、該光学的レンズ３５より外方に位置するケース３３内には陰極板３７が隔壁状に設けられている。該陰極板３７は厚さが０．５ｍｍ程度の銅等の金属板からなり、中心部には内径０．１ｍｍ程度の孔３７ａが形成されている。該陰極板３の厚さ及び孔３７ａの内径は、装置構成等により放電条件が異なるため、所望する原子スペクトルが得られるように各サイズを設定すればよい。
【００１８】
尚、後述するように陰極板３７の両側には発光ガス排気口４１及び発光ガス導入口４３が夫々設けられているため、陰極板３７を中心とする左右室内にて圧力差が生じて変形するおそれがある。このため、陰極板３７としては厚手状の金属板を使用するのが望ましいが、この場合にあっては孔３７ａ箇所をテーパ状に形成して厚さ方向の中間部を薄手状化し、孔３７ａの軸線幅を上記した所望する原子光スペクトルが得られるサイズにすればよい。
【００１９】
陰極板３７より外側に位置するケース３３の中心部には陽電極３９が、電気的絶縁状態で、かつその先端が陰極板３７の孔３７ａ中心に近接して取付けられている。該陽電極３９は直径が孔３７ａと同程度で、タングステン（Ｗ）等の金属線ワイヤからなる。
【００２０】
陰極板３７より陽電極３９側のケース３３には発光ガス排気口４１が、又陰極板３７より光学的レンズ３５側のケース３３には発光ガス導入口４３が夫々設けられ、発光ガス導入口４３から水素ガス及びヘリウムガスの混合ガスを導入しながら発光ガス排気口４１からケース３３内を排気してケース３３内を所定の圧力に設定する。ケース３３内の圧力は、以下に示すような条件により設定されるものであり、該圧力範囲で要求される水素原子光を得ることができる。
【００２１】
水素原子発光寿命＞水素原子平均衝突時間
水素原子ドップラー幅＞水素原子ローレンツ幅
【００２２】
上段の式は、容器内圧力の下限を規定するもので解離性発光による原子光スペクトルの拡がりが生じない条件である。解離性発光による原子光スペクトルの拡がりの原因は、高速な原子が発光するために生ずる現象であり、高速な原子が発光するまでの時間（水素原子発光寿命）よりも、高速な原子が他粒子と衝突し、減速するまでの時間（水素原子平均衝突時間）が小さくなるように容器内圧力を設定すればよいことを意味している。
【０００１】
下段の式は、容器内圧力の上限を規定するものである。通常、プラズマ中の原子光スペクトルの拡がりは該原子の熱運動による拡がり（ドップラー幅）を持つが、前述した解離性発光の影響が生じない圧力においては、高圧なために生ずる原子光スペクトルの拡がり（ローレンツ幅）が生じてくる。従ってローレンツ幅がドップラー幅を超えない容器内圧力に設定すればよいことを意味している。又、容器内の圧力設定方法としては、所定のガスを導入しながら排気して陰電極を境界に陽電極側と非陽電極側に以下に示す圧力差を設けて所定の圧力に設定するのが望ましいが、
陽電極側圧力＜非陽電極側圧力
該ガスを導入しながら排気して陰電極を境界に陽電極側と非陽電極側とをほぼ等しい所定の圧力にして設定又は所定の圧力に封じ切って上記圧力差を設けた場合と大差のない所望するスペクトルが得られた。
【００２３】
混合ガスは水素ガスに希釈ガスとしてヘリウムガス（Ｈｅ）を混入して水素ガス濃度を希釈する。尚、希釈ガスとしては、ヘリウムのように質量が水素原子と大差のないガスが望ましいが、これ以外にも例えばアルゴン等の希ガスであってもよい。又、水素ガスの代わりに水素原子を含有したガスであってもよい。
【００２４】
そして陰極板３７及び陽電極３９間に所定電圧を印加すると、孔３７ａ内の水素ガスをプラズマ化して波長１２１．６ｎｍの水素原子光を発光させる。
【００２５】
小さな容積の孔３７ａ内でガスをプラズマ化することは、従来の手法と比べ、プラズマ化を支配する電子が集中して電子密度が増え、ガスの解離が進む。このため、ガス分子の発光が減少し、所望する原子光の発光が増加する。これは入力した電子が所望する原子光の発光に有効に使われ、従来の手法に比べ、原子光の発光が増加することを意味する。又、上記した圧力範囲にて孔３７ａ内でプラズマ化を行うには、孔３７ａの内径が微小であることが必要である。そして発光面が微小であり、所望する原子光の輝度が大きく、吸収分光用光源としては最適である。これは、高感度な原子状ラジカル密度測定を可能にすることを意味している。
【００２６】
図２は混合ガスの水素ガス濃度を変化させたときの水素原子光強度と重畳する水素分子の発光の比率である。水素ガス濃度を約０．４％以下にすることで水素分子発光の影響の少ない良好な水素原子光スペクトルが得られる。
【００２７】
図３及び図４は水素ガス濃度２０％と０．４％の場合の水素原子光スペクトルであるが、水素ガス濃度を０．４％にすることで水素ガス濃度２０％でみられる水素原子光スペクトルと水素分子光スペクトルとの重畳をなくすことができ、測定に使用する原子光スペクトルのみを得ることができた。これは高精度で高感度な原子状ラジカル密度測定が可能であることを意味している。
【００２８】
該原子光発生方法及び装置には、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）が生ずることがあり、高精度で高感度な原子状ラジカル密度測定を困難にする。原子光発生においては、水素ガス濃度を低くしたり、例えばヘリウム等の希ガスで水素ガスを希釈したり、陰極板と陽電極に印加する電流を小さくすることで自己吸収現象を低減できる。水素濃度を低くしたり、印加する電流を小さくすることで所望する原子光の強度が小さくなるが、原子状ラジカル密度計測においては充分な強度であった。
【００２９】
図５は陰極板と陽電極に印加する電流を小さくすることで自己吸収現象を低減できたことを示している。
以下、原子状ラジカル測定方法及びその装置を高周波を使用した誘導結合型プラズマ処理装置に用いた場合について図６及び図７に基づいて説明する。尚、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。
【００３０】
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１を構成する真空容器３の上部には石英管製の放電室５が設けられ、該放電室５の周囲には高周波電源７に接続された高周波アンテナ９が設けられている。この高周波アンテナ９は高周波電源７から印加される高周波電力により放電室５及び真空容器３内にプラズマを生成させる。
【００３１】
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）或いは直流電力或いは熱によりプラズマを生成してもよい。
【００３２】
真空容器３の上部には混合ガスの導入口１３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１７をＳｉＯ_２／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、又非結晶シリコン薄膜、微結晶シリコン薄膜及び多結晶シリコン薄膜を成膜する場合にはシリコン原子を含有したガスと水素原子を含有したガスの混合ガス、更に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。
【００３３】
真空容器３内には電極としての載置台１５が設けられ、該載置台１５上には半導体ウェハーやＬＣＤ用ガラス基板等の被処理体１７が、必要に応じて静電チャック１９等の保持部材を介して載置される。尚、載置台１５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１７を所望の温度に調整する。
【００３４】
載置台１５にはバイアス電源２１が接続され、該バイアス電源２１は任意のパルス幅のバイアス電圧を載置台１５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１５には真空排気装置（図示せず）に拡径された排気管２３が設けられ、導入口１３から原料ガスを導入しながら排気管２３から真空容器３内を排気して真空容器３及び放電室５内を所定のガス圧に保っている。
【００３５】
真空容器３の側壁には、水素原子光発生装置２５及び水素原子光発生装置２５から出射されて真空容器３内のプラズマ中を通過した水素原子光を検出する水素原子光検出装置２７が相対して設けられている。水素原子光検出装置２７としては、真空紫外分光器を用いてもよいし、所望する原子光のみを検出する検出器を用いてもよい。
【００３６】
これら水素原子光発生装置２５及び水素原子光検出装置２７と基準原子光検出装置２９は水素原子光発生装置２５から出射される水素原子光強度とプラズマ中を透過して水素原子光検出装置２７に受光される水素原子光強度に基づいてプラズマ中における水素ラジカル密度（濃度）を測定する。そして水素原子光検出装置２７により計測されたプラズマ中における水素ラジカル密度に関する測定データを制御手段３１へ転送し、制御手段３１はこの測定データに基づいて高周波アンテナ９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１５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水素原子ラジカル密度を均一化させる。
【００３７】
尚、水素原子光発生装置２５及び水素原子光検出装置２７の配置位置は水素原子光が被処理体１７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、水素原子光発生装置２５及び水素原子光検出装置２７は真空容器３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、水素原子光は真空紫外領域であるため、材質としてはフッ化リチウム（ＬｉＦ）又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）が適している。
【００３８】
一方、水素原子光発生装置２５の前面にはチョッパー４５及び半透鏡４７が夫々設けられ、チョッパー４５は水素原子光発生装置２５から水素原子光検出装置２７に向かって出射される水素原子光を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。又、半透鏡４７は水素原子光検出装置２７から出射された水素原子光の一部を、水素原子光発生装置２５と真空容器３に至る途中に設けられた基準原子光検出装置２９へ入射して水素原子光発生装置２５から出射される水素原子光の基準原子光強度を測定する。
【００３９】
水素原子光発生装置２５に相対して設けられた水素原子光検出装置２７の前面には光学的レンズ５１が設けられ、該光学的レンズ５１により水素原子光発生装置２５から出射されて放電室５と載置台１５の間に発生したプラズマ中を透過した水素原子光を分光器（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。そして水素原子光検出装置２７は放電室５及び載置台１５間に発生するプラズマ中を透過した水素原子光強度を検出する。尚、上記光学的レンズ３５及び光学的レンズ５１としては水素原子光が真空紫外領域であるため、材質としてはフッ化リチウム（ＬｉＦ）又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）が適している。
【００４０】
次に、上記のように構成されたプラズマ処理装置１による処理方法を説明する。
先ず、被処理体１７にシリコン薄膜を成膜するプロセス処理においては、排気管２３から真空容器３内の空気を排出しながら導入口１３からシリコン原子を含有したガス、例えばシランガス（ＳｉＨ_４）と水素ガスを混合した原料ガスを導入して真空容器３内を所定の圧力にした状態で高周波アンテナ９に高周波電力を印加して高周波電界により混合ガスを反応性プラズマ化させる。これにより該反応性プラズマ中のシリコン原子を被処理体１７上に堆積させてシリコン薄膜を成膜させる。又、被処理体１７をエッチングするプロセス処理においては、導入口１３からフルオロカーボンガス等と水素ガスとを混合した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１５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１７に衝突させることにより被処理体１７をエッチング処理する。尚、エッチングにはラジカル種も関与する。
【００４１】
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中の水素ガスはプラズマ中においてラジカル化してエッチング処理及び成膜処理に大きく寄与している。このため、上記処理時においては、プラズマ中における水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９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）を制御したり、載置台１５に印加されるバイアス電圧を制御したり、更に原子ラジカル源（図示せず）により水素原子ラジカルを真空容器３内に注入することにより反応性プラズマ中の水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。
【００４２】
このため、本実施形態は水素原子光発生装置２５から水素原子光を、真空容器３内のプラズマ中に透過し、プラズマ中における水素原子ラジカルによる水素原子光の吸収量により水素原子ラジカル密度を測定する。
【００４３】
プラズマ中の水素原子ラジカル密度は以下のように測定する。
即ち、先ず、高周波アンテナ９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、水素原子光発生装置２５からの水素原子光を半透鏡４７により２つに分けて水素原子光検出装置２７及び基準原子光検出装置２９に夫々入射させて強度を測定し、その強度比Ｉ_００／Ｉ_ｒ０＝ａを求める。次に、高周波アンテナ９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４５を閉じた状態で該プラズマ中の水素原子が発光する水素原子光の強度Ｉ_１を水素原子光検出装置２７により測定する。次に、チョッパー４５を開いてプラズマ中の水素原子が発光する強度Ｉ_１と水素原子光発生装置２５から出射され、プラズマ中で一部が吸収された水素原子光の強度Ｉ_０’との和である強度Ｉ_２を測定する。
【００４４】
そして強度Ｉ_１及びＩ_２を測定する間中、常に基準原子光検出装置２９により水素原子光発生装置２５から出射される水素原子光の強度Ｉ_ｒを測定し、該強度Ｉ_ｒと上記の式Ｉ_００／Ｉ_ｒ０で求められた強度比ａとにより水素原子光発生装置２５から出射され、プラズマ中の水素原子ラジカルに吸収されない場合に水素原子光検出装置２７に入射される強度Ｉ_０、従ってＩ_０＝ａ・Ｉ_ｒを求め、この強度Ｉ_０をプラズマ中の水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。そして上記の各強度から式（Ｉ_２−Ｉ_１）／Ｉ_０、従って式Ｉ_０’／Ｉ_０からプラズマ中の水素原子ラジカルによる水素原子光の吸収量を測定して水素原子ラジカル密度を測定する。
【００４５】
図８は前述の方法にて測定したプラズマ中における水素原子光の吸収率から求めた水素ラジカル密度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し、高周波電力を多くすることによりプラズマ中における水素原子ラジカルを高密度化することができる。
【００４６】
陰極板に水素を含有した水素吸蔵合金を使用した場合も、高輝度で自己吸収のない所望する水素原子光が得られた。該原子光発生装置を用いてプラズマ中における水素原子光の吸収率から求めた水素ラジカル密度と高周波アンテナに印加される高周波電力との関係は、図８と同様の結果が得られた。
【００４７】
又、測定に使用する波長近辺では原料ガス分子等の電離吸収が生じる可能性があるが、この場合、該波長近辺でブロードな発光を持つ光源にて電離吸収率を測定し、前述の水素原子光により測定した吸収率から該吸収率を差し引けばよい。ここで、ブロードな発光を持つ光源としては、水素原子光発光装置に希ガスをマイクロ波放電する等の手法で得られるが、それらの内、適したものを用いればよい。
【００４８】
尚、高周波アンテナ９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）や載置台１５に印加されるバイアス電圧をフィードバック制御するため、水素原子ラジカル密度の基準値は、被処理体の種類、プロセスの種類、プロセス条件等によって大きく異なるため、これらの条件に応じてその都度設定することが望ましい。
【００４９】
即ち、プラズマ中における水素原子ラジカル密度をリアルタイムで計測し、その密度がほぼ一定となるように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）やバイアス電圧を制御することにより成膜される薄膜の厚さをほぼ均一にさせたり、水素原子ラジカルをほぼ一定にしてエッチング処理における選択比、加工精度を良好にすることができ、プロセスの信頼性を向上させることができる。
【００５０】
そこで上記測定方法にてプラズマ中の水素原子ラジカル密度をリアルタイムで測定しつつ、高周波電力を制御したところ、水素原子ラジカル密度を一定に保つことができた。
【００５１】
このようにエッチングや薄膜形成に重要な反応性プラズマ中の水素原子ラジカル密度を水素原子光によりリアルタイムに測定し、その測定結果に基づいて高周波アンテナ９に印加される高周波電力や載置台１５に印加されるバイアス電圧をフィードバック制御することによりプラズマ中の水素原子ラジカル密度を高精度に制御して再現性に優れた高精度エッチング及び薄膜形成を可能にしている。
【００５２】
尚、水素原子ラジカル密度を測定する方法としては、高周波アンテナ９に印加される高周波電力を所望のデューティにパルス変調し、該パルスがＬＯＷ（オフ）で非プラズマ状態のとき、水素原子光発生装置２５から出射されて水素原子光検出装置２７に入射される水素原子光強度を計測し、又該パルスがＨＩＧＨ（オン）でプラズマ状態のとき、水素原子光検出装置２７に入射される水素原子光強度を測定してプラズマ中の水素原子ラジカルの水素原子光吸収量を演算する処理を繰り返して測定すればよい。これにより水素原子光発生装置２５から出射される水素原子光の出射強度が不安定であっても、水素原子ラジカルによる水素原子光の吸収量を高精度で、かつ安定的に測定することができる。
【００５３】
又、上記したオン、オフは、例えば周期１００ｍ秒においてオン５０ｍ秒、オフ５０ｍ秒程度でパルス変調放電を行っている。この場合においても、水素原子光発生装置２５の前段にチョッパー４５を設け、チョッパー出力をトリガーにして信号を演算してもよい。
【００５４】
更に、水素原子光発生装置２５から出射される水素原子光の発生直後の光をチョッパー４５によりオン・オフ変調し、この変調した光を出射してプラズマ中を透過した光をチョッパー４５の周期に同期させて位相検波或いはこれをトリガーとして演算してもよい。
【００５５】
実施形態２
本実施形態は、原子光発生装置を使用して実施形態１におけるプラズマ処理装置１に原料ガスとして窒素ガスを導入してプロセス処理する際の窒素原子ラジカルを測定する方法及び装置に関する。
【００５６】
この場合、原子光発生装置は、水素原子光発生装置２５と同種の原子光発生装置に窒素を含有したガスと希ガスの混合ガスを導入して窒素原子光を発生させてプラズマ中の窒素原子ラジカルを測定する。
【００５７】
原子光発生装置に窒素ガスとネオンを水素の場合と同様に導入しながら排気して陰極板を境界に陽電極側と非陽電極側に圧力差を設けて所定の圧力に設定し、陰極板と陽電極に電流を印加したところ、所望する高輝度で自己吸収のない窒素原子光スペクトル（例えば波長１２０ｎｍ）を得た。希ガスとしては、ネオンのように質量が窒素源と大差のないガスが望ましいが、これ以外の希ガスであってもよい。容器内圧力の設定は、水素原子の場合と同様に、所定のガスを導入しながら排気して陰極板を境に陽電極側と非陽電極側とをほぼ等しい圧力に設定或いは所定の圧力に封じ切っても上記圧力差を設けた場合と大差のない所望するスペクトルが得られた。又、陰極板に窒素原子を含有した導電性材料を使用してもよい。
【００５８】
原子光発生装置を用いることで窒化膜成膜プラズマ（電子サイクロトロン共鳴ＳｉＨ_４，Ｎ_２混合ガスプラズマ）中の窒素原子ラジカル密度を測定できた。
【００５９】
又、原子光発生装置を用いることで、例えばシリコン酸化膜成膜プラズマ（誘導結合型酸素プラズマ、基板はシリコンウェハ）中の酸素原子ラジカル密度、アルミニウムエッチングプラズマ（誘導結合型塩素プラズマ、基板はアルミニウム）中の塩素原子ラジカル密度、シリコン系薄膜成膜プラズマ（誘導結合型シラン、水素混合ガスプラズマ）中のケイ素原子ラジカル密度及びダイヤモンド成膜プラズマ（誘導結合型メタン、水素混合ガスプラズマ）中の炭素原子ラジカル密度の測定が原理的に充分可能であることはいうまでもない。
【００６０】
その際、原子光発生装置に、酸素原子ラジカル密度の測定の場合は酸素を含有したガスと希ガス、例えば酸素ガスとネオンの混合ガス、塩素原子ラジカル密度の測定の場合には塩素を含有したガスと希ガス、例えば塩素ガスとアルゴンの混合ガス、ケイ素原子ラジカル密度の測定の場合にはケイ素を含有したガスと希ガス、例えばシランガスとアルゴンの混合ガス及び炭素原子ラジカル密度測定の場合には炭素を含有したガスと希ガス、例えばメタンガスとネオンの混合ガスを導入し、陰極板と陽電極に電流を印加することで、それぞれの原子状ラジカルの測定に使用可能な所望する高輝度で自己吸収のない原子光スペクトル、例えば酸素原子光は波長１３０ｎｍ、塩素原子光は波長１３５ｎｍ、ケイ素原子光は波長２５２ｎｍ及び炭素原子光は波長２９７ｎｍが得られる。又、陰極板に上記被測定原子を含有した導電性材料を用いてもよい。
【００６１】
更に、巻思考発生装置にフッ素ガスを含有したガスと稀ガス、例えばフルオロカーボンガスとネオンの混合ガスを導入し、陰極板と陽電極に電流を印加することで所望する高輝度で自己吸収のないフッ素原子光（例えば、波長９５ｎｍ）が得られた。又、陰極板にフッ素原子をが有した導電性材料を用いてもよい。
【００６２】
尚、フッ素原子光（波長９５ｎｍ）は前述した原子光と異なり、光学的窓として透過可能な材質がない。この場合にあっては、光学的窓の代わりにキャピラリプレート（ＳｉＯ_２製、キャピラリー孔径１０μｍ、開口率５０％）を用い、更に原子光発生装置及び原子光検出装置と真空容器を差動排気することによりこれらの間で様々な粒子の流入・流出を防止できる。
【００６３】
上記方法及び装置において、ＳｉＯ_２／Ｓｉ選択エッチングプラズマ（誘導結合型フルオロカーボン、水素混合ガスプラズマ）中のフッ素原子ラジカル密度の測定が可能であった。
【００６４】
従って原子光発生装置に所望の被測定原子を含有したガスと稀ガス若しくは所望する原子を含有する陰極板を使用することで、ほぼすべての原子状ラジカルを測定することができる。
【００６５】
実施形態３
本実施形態は、実施形態１の原子光発生装置を使用してプラズマ中の複数の原子状ラジカルを同時測定した例を示す。
【００６６】
この場合、原子光発生装置は水素原子光発生装置２５と同種の原子光発生装置に複数の原子を含有したガスと稀ガスを導入して同時に複数の所望する原子光を得る。例えば原子光発生装置にＮＨ_３ガスとヘリウムガスを導入して、例えば圧力６６０Ｔｏｒｒ、ＮＨ_３濃度０．５％）、陰極板と陽電極との間に例えば１０ｍＡの電流を印加したところ、所望する高輝度で自己吸収のない水素原子光スペクトル（例えば波長１２２ｎｍ）及び窒素原子光スペクトル（例えば波長１２０ｎｍ）が得られた。
【００６７】
複数の原子状ラジカル測定方法及び装置について高周波を使用した誘導結合型プラズマ処理装置に用いた場合を図９に従って説明する。
【００６８】
基本構成及びプラズマの生成法等は図６に示す例と同様である。原子光発生装置２５から出射された２種の原子光（例えば窒素と水素）を、半透鏡４７０・４７１により一部を基準原子光検出装置２９０・２９１に入射して原子光発生装置２５から出射される２種の原子光の一方（例えば窒素原子光）を基準原子光検出装置２９０にて、又他方の原子光（水素原子光）を基準原子光検出装置２９１にて測定する。
【００６９】
プラズマを透過した２種の原子光は、半透鏡５１０により一部を原子光検出装置２７１に、半透鏡５１０を透過した原子光は原子光検出装置２７０に入射し、一方の原子光（例えば窒素原子光）を原子光検出装置２７０にて、又他方の原子光（水素原子光）を原子光検出装置２７１にてそれぞれ測定する。
【００７０】
尚、半透鏡４７０，４７１，５１０としては原子光が真空紫外領域の場合には材質としてフッ化リチウム（ＬｉＦ）又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２〉が適しており、紫外領域の場合にはＳｉＯ_２が適している。
【００７１】
それぞれの原子光（例えば窒素と水素の吸収量を測定することで、それぞれの原子ラジカル密度を同時測定できるが、その方法は実施形態１と同様である。尚、上記にて２種の原子ラジカルの同時測定を説明したが、複数の原子状ラジカルを同時測定する場合には、該当するだけの半透鏡と原子光検出装置を使用すればよい。又、適宜、原子光検出装置にＣＣＤアレイ等を使用したマルチチャンネル型の分光器（複数の波長の強度を同時測定可能）を用いてもよい。こり場合、装置構成は図６と同様に１台の原子光検出装置及び基準原子光検出装置で対応できる。
【００７２】
上記方法及び装置にてシリコン窒化膜成膜プラズマ（電子サイクロトロン共鳴ＳｉＨ_４，Ｎ_２混合ガスプラズマ）中の窒素原子ラジカル及び水素原子ラジカル密度を同時測定することができた。
【００７３】
又、陰極板に複数の被測定原子を含有した導電性材料を使用した例を説明する。
【００７４】
原子光発生装置に、水素化アモルファスシリコン製の陰極板を設置し、アルゴンを導入しながら所定の圧力（例えば６００Ｔｏｒｒ）に設定し、陰極板と陽電極に電流（例えば１０ｍＡ）を印加すると、陰極板の孔内にプラズマが生じる。該陰極板孔内にて荷電粒子（例えばアルゴンイオン）が孔内表面をスバッタし、水素原子及びケイ素原子をプラズマ内に生じさせ、両原子を発光させることで所望する両原子光スペクトルが得られる。又、所望する複数の原子光スペクトルの強度比（該原子光発生装置の場合は水素とケイ素の２つの原子光スペクトル強度比）は、適宜、陰極板の材料の組成比（該原子光発生装置の場合は水素化アモルファス中の水素ととケイ素の組成比）を変化させることにより可変することが可能であった。
【００７５】
上記原子光発生装置にて所望する高輝度で自己吸収のない水素原子光（例えば波長１２２ｎｍ）及びケイ素原子光（例えば波長２５２ｎｍ）が得られた。該原子光発生装置を使用してシリコン系薄膜成膜プラズマ（誘導結合型シラン、水素混合ガスプラズマ）中の水素原子ラジカル及びケイ素原子ラジカル密度の同時測定が可能であった。
【００７６】
【発明の効果】
本発明は、測定される反応性プラズマ中の原子ラジカル密度を高精度及び高感度で簡便に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水素原子光発生装置の概略を示す概略断面図である。
【図２】原子光発生率と水素ガス濃度の関係を示すグラフである。
【図３】原子光スペクトルの形状と水素ガス濃度の関係を示す図である。
【図４】原子光スペクトルの形状と水素ガス濃度の関係を示す図である。
【図５】原子光の自己吸収と陰極板と陽電極に印加する電流の関係を示すグラフである。
【図６】原子状ラジカル測定方法及びその装置を高周波を使用した誘導結合型プラズマ処理装置に用いた場合の概略断面図である。
【図７】プラズマ処理装置の制御概略を示す説明図である。
【図８】プラズマ中における水素原子ラジカル密度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。
【図９】原子状ラジカル測定方法及びその装置を高周波を使用した誘導結合型プラズマ処理装置に用いた場合の概略断面図である。
【符号の説明】
１７−被処理体、２５−水素原子光発生装置、２９−基準原子光検出装置、３３−ケース、３７−陰電極、３７ａ−孔、３９−陽電極、４１−発光ガス排気口、４３−発光ガス導入口

Claims

原料ガスをプラズマ化して被処理体に原料ガス成分の薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理する際に、プラズマ化した原料ガスに対して原子光発生装置から原子光を照射し、プラズマ透過前の基準原子光の強度とプラズマを透過した原子光線の強度に基づいてプラズマ中における原子状ラジカル密度を測定する方法において、
原子光発生装置は容器内に、一部に所定の内径からなる孔が形成された陰極板を設け、容器内における少なくとも上記ガス中の被測定原子を含むガス及び希ガスを所定の圧力にし、陰電極及び先端部が陰電極の孔に近接して設けられた陽電極に電流を印加して陰電極の孔内にて上記ガスをプラズマ化して発光させることにより生成される所望原子光を得ることを特徴とする原子状ラジカル測定方法。
原料ガスをプラズマ化して被処理体に原料ガス成分の薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理する際に、プラズマ化した原料ガスに対して原子光発生装置から原子光を照射し、プラズマ透過前の基準原子光の強度とプラズマを透過した原子光線の強度に基づいてプラズマ中における原子状ラジカル密度を測定する方法において、
原子光発生装置は、容器内に少なくとも被測定原子を含有し、一部に所定の内径からなる孔が形成された陰極板を設け、容器内における希ガスを所定の圧力にし、陰電極及び先端部が陰電極の孔に近接して設けられた陽電極に電流を印加して陰電極の孔内にて上記ガスをプラズマ化して陰電極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該陰電極孔内の原子を発光させることにより所望原子光を得ることを特徴とする原子状ラジカル測定方法。
原料ガスをプラズマ化して被処理体に原料ガス成分の薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理する際に、プラズマ化した原料ガスに対して原子光発生装置から原子光を照射し、プラズマ透過前の基準原子光の強度とプラズマを透過した原子光線の強度に基づいてプラズマ中における原子状ラジカル密度を測定する装置において、
原子光発生装置は容器内に設けられ、一部に所定の内径からなる孔が形成された陰極板と、容器内にて先端が陰極板の孔に相対して設けられた陽電極とからなり、容器内における少なくとも上記ガス中の被測定原子を含むガス及び希ガスを所定の圧力にし、陰電極及び先端部が陰電極の孔に近接して設けられた陽電極に電流を印加して陰電極の孔内にて上記ガスをプラズマ化して発光させることにより生成される所望原子光を得ることを特徴とする原子状ラジカル測定装置。
原料ガスをプラズマ化して被処理体に原料ガス成分の薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理する際に、プラズマ化した原料ガスに対して原子光発生装置から原子光を照射し、プラズマ透過前の基準原子光の強度とプラズマを透過した原子光線の強度に基づいてプラズマ中における原子状ラジカル密度を測定する装置において、
原子光発生装置は、容器内に設けられ、少なくとも被測定原子を含有し、一部に所定の内径からなる孔が形成された陰極板と、容器内にて先端が陰極板の孔に相対して設けられた陽電極とからなり、容器内における希ガスを所定の圧力にし、陰電極及び先端部が陰電極の孔に近接して設けられた陽電極に電流を印加して陰電極の孔内にて上記ガスをプラズマ化して陰電極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該陰電極孔内の原子を発光させることにより所望の原子光を得ることを特徴とする原子状ラジカル測定装置。
被測定原子は水素、窒素、酸素、塩素、フッ素、ケイ素、炭素のいずれか若しくは複数であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の原子状ラジカル測定方法。