JP4268812B2

JP4268812B2 - イオンエネルギー分析器の感度補正方法

Info

Publication number: JP4268812B2
Application number: JP2003024365A
Authority: JP
Inventors: 直樹水谷; 裕次郎黒川; 俊雄林; 寧永田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: JP2004235090A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体や電子部品、その他の基板上の物質をエッチングするエッチング装置や、その基板上に膜を堆積させるプラズマＣＶＤやスパッタリング装置等に用いられるプロセスプラズマ用のイオンエネルギー分析器の感度補正法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマプロセス装置の高周波バイアス電極に入射するイオンのエネルギー分析器のエネルギーフィルターとしては、同軸型（例えば、特許文献１参照）とセクター型（例えば、特許文献２参照）がある。
【０００３】
同軸型では分析器の構成が簡単で電極の数も少ないために製作しやすく、コストも低く、計測時の操作も簡便であるという利点がある半面、感度がエネルギーに依存するために、低エネルギー域での信号強度と高エネルギー域での信号強度を比較することができず、従って正確なエネルギー分布を得ることができないという欠点がある。
【０００４】
他方、セクター型では、感度がエネルギーに依存しないので、低エネルギー域での信号強度と高エネルギー域での信号強度を比較することができ、従って正確なエネルギー分布を得ることができるという特長がある半面、分析器の構成が複雑で電極の数も多いために製作が困難で、コストも高く、計測時の操作も複雑であるという欠点がある。
【０００５】
添付図面の図１に同軸型の構成を示す。
図示していないプラズマ発生室内に配置されたプラズマ発生用電極（図示していない）に対向して基板電極１が設けられ、基板電極１は、プラズマ発生室内に発生するプラズマに接する位置にイオン引き込み用の開口すなわちオリフィス１ａを備えており、そしてバイアス用高周波電源２に接続されている。
【０００６】
基板電極１の外側にはエネルギー分析器３が配置され、このエネルギー分析器３は、真空容器すなわちエンベロープ４内に配置された引き込み電極５、レンズ電極６、外筒電極７及び内筒電極８を備え、これらの各電極は図示したようにそれぞれの電源に接続されている。エネルギー分析器３の後段には穴電極９を介して四重極型の質量分析計１０及びイオン検出器１１が配置されている。エンベロープ４の先端には絶縁碍子１２を介してベースフランジ１３が結合されている。
【０００７】
引き込み電極５の電位は基板電極１の電位より数１０Ｖから１００Ｖ程度低く設定され、それにより、数１０ｅＶ以下の低エネルギーイオン束が空間電荷効果で広がるのを防いでいる。プラズマ密度と基板電極１のオリフィス１ａの径で決まるイオン電流値が大きく（１０^−７Ａ程度以上）空間電荷効果が無視できない場合に、引き込み電極５による引き込みを行わないと、イオン束が広がりすぎるために低エネルギー域で感度が低下する。レンズ電極６はイオン軌道を修正し感度の低下を軽減するように作用する。外筒電極７及び内筒電極８との間の電場によりイオン軌道を曲げ、穴電極９を通過させ、特定のエネルギーのイオンのみがエネルギー分析器３を通過し、質量分析計１０へと運ばれる。Ｖｏｕｔを一定にし、Ｖｓｃａｎを掃引することでエネルギー分析が行われる。エネルギー分析には４つの電源が必要である。
【０００８】
図２にセクター型のエネルギー分析器の構成を示す。図２において２１は図示していないプラズマ発生室内に配置されたプラズマ発生用電極（図示していない）に対向して設けられた基板電極であり、この基板電極２１は、プラズマ発生室内に発生するプラズマに接する位置にイオン引き込み用の開口すなわちオリフィス２１ａを備えており、そしてバイアス用高周波電源２２に接続されている。基板電極２１の外側には、引き込み電極２３、レンズ効果を発生するレンズ電極２４、輸送管２５、輸送管２５内に配列された四つの偏向電極２６、低エネルギーイオンの軌道を広げないままセクター部まで運ぶ輸送管２５の下端に設けられ、レンズ効果を発生する電極２７、セクター部を形成しているセクター内側電極２８及びセクター外側電極２９が順に設けられている。また３０は穴電極であり、この穴電極３０を介して図示していない四重極型の質量分析計及びイオン検出器へ接続される。これらの各電極には図示したようにそれぞれの電源が接続されている。
【０００９】
図２に示す構成では引き込み電極２３、レンズ電極２４の他、低エネルギーイオンの軌道を広げないままセクター部まで運ぶための輸送管２５が設けられ、その電位も基板電極２２より数１０Ｖから１００Ｖ程度低く設定される。セクター部でイオン軌道が曲がるために質量分析計は曲がって取り付けられるため、取り付けのスペースの問題から基板電極２２から質量分析計までを離さざるを得ず、そのために輸送管２５が必要になる。輸送部が長くなるとイオンビームの軸調整が必要になり、そのためにＸとＹ方向それぞれに正と負の向き用に四つの偏向電極２６が設けられている。輸送管２５とセクター部は電位が異なるために、その間でレンズ効果が発生するので、それを考慮に入れたＶｓｃａｎ、Ｖｔｕｂｅの掃引が必要になる。セクター部での電場でイオン軌道を曲げ特定のエネルギーのイオンのみ通過させ、Ｖｓｃａｎの掃引によりエネルギー分析がなされる。従って１０個の電極及び電源が必要となり、同軸型に比べ複雑でコストも高くなる。
なお同軸型及びセクター型のいずれにおいても、引き込み電極に透過率の低いメッシュを重ねて張りイオン電流を下げることで空間電荷効果を低減することが可能である。
【００１０】
図３及び図４にはシースで衝突がない場合の入射角度分布の例を示す。垂直入射を０度としている。図４はφで積分した後の角度分布である。無衝突イオンの入射角度分布はイオンシース端での横方向の速度分布、即ち、イオン横温度に起因し決まる（例えば、非特許文献１参照）。イオンシース端でのイオン横温度は０．１ｅＶ程度であり、図３及び図４における横軸の１目盛りは１度のオーダーである。電荷交換衝突で生成されたイオンの入射角度はそれより小さく（横温度０．０３ｅＶ程度）、弾性衝突を起こしたイオンの入射角度はそれより大きい（例えば、非特許文献１、２参照）。
【００１１】
一般に質量分析計の手前に設置するエネルギーフィルター型の分析器では、分析可能な入射角度範囲は数度以内であるので、ここでは無衝突イオンと電荷交換衝突で生成されたイオンを考える。
【００１２】
セクター型では図５に示すように、数度以内ならあらゆるエネルギーで一様な感度で取り込むことができる（例えば、特許文献２参照）。即ち、あらゆるエネルギーの入射イオンを全て取り込むので、感度のエネルギー依存性の問題はない。しかし、上述のように装置構成、装置の操作は複雑で困難なものとなり、製作コストも高くなる。
【００１３】
一方、同軸型ではその分析器の形状からして、角度分布の一部しか取り込んでいない。空間電荷効果がなく、かつ、オリフィス以降の電場が基板電極に平行の場合には、取り込み範囲は、図６に示すように角度分布と相似の関係でエネルギーに対して変化する。この場合には、エネルギーに依存する取り込み範囲を明確に示せれば有効な測定データとなり得る。しかし、実際には、オリフィス電極裏面の構造に起因する電場の構成分やレンズに起因する構成分が存在し、図６のようにはならない。仮に、それらをなくしたとしても、空間電荷効果を完全になくすのは困難であり、図７に示すように取り込む範囲はエネルギーに依存し、無衝突の角度分布に対する相似の関係もなくなる。従って、「角度分布の一部しか取り込んでおらず、その取り込み範囲も明確ではない」との状況に陥り、「何を測定したのか分からない」ということになる。このことは分析器の軸のずれがある場合にも同様のことが起きると考える。
【００１４】
【特許文献１】
特開平９−２６５９３７号公報
【特許文献２】
特開平１１−２５０８５４号公報
【非特許文献１】
N. Mizutani et al., J. Vac. Sci. Technol. A 19, 1298 (2001)
【非特許文献２】
N. Mizutani et al., Jpn. J. Appl. Phys. 38, (1999) 4206.,
【非特許文献３】
N. Mizutani et al., Thin Solid Films 374 (2000) 167
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、簡便な同軸型でもセクター型と同等の性能すなわち垂直入射から数度以内の範囲の入射イオン、即ち、シースでの無衝突イオンと電荷交換衝突で生成されたイオンを全て取り込んだ場合に得られる正確なエネルギー分布を測定できるようにする、イオンエネルギー分析器の感度の補正方法を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、プラズマプロセス装置のプラズマから入射するイオンのエネルギーを計測する、同軸型のエネルギーフィルターを備えたイオンエネルギー分析器におけるエネルギーに依存する感度を補正する方法において、
イオン電流の測定値をΙ_ｉｏｎ（ε）^ｍｅａｓとし、イオンエネルギー分析器の感度（Ｓ）のエネルギー（ε）への依存性をＳ（ε）とするとき、イオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の面積を表す式
∫_０ ^∞Ι_ｉｏｎ（ε）^ｍｅａｓ／Ｓ（ε）ｄε
で求めたイオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の面積の値が、基板電極に印加されるバイアス電力に対して一定になるようにイオンエネルギー分析器の感度（Ｓ）のエネルギー（ε）への依存性Ｓ（ε）を求め、それによりイオンエネルギー分析器の感度（Ｓ）を補正することを特徴としている。
【００１７】
本発明による方法においては、同軸型において一部しか取り込んでいないという概念は、感度が低下しているという概念であると考え、入射角度範囲の一部しか取り込んでいない同軸型で、垂直入射から数度以内の範囲のイオンを全て取り込んだ結果を得るように補正しようとするものである。
【００１８】
同軸型のイオンエネルギー分析器において、感度Ｓのエネルギーεへの依存性Ｓ（ε）を求めておき、それを用いて測定結果を補正する。Ｓ（ε）は以下のようにして求める。
プロセスプラズマ装置のプラズマソース側で主にプラズマを生成し、バイアス側でイオンを引き込む場合には、イオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の面積はバイアス側電源の電極によらず一定となる。他方、イオンエネルギー分布（ＩＥＤ）のエネルギーに対する位置はバイアス側の電力に応じて変化する。イオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の面積は、イオン電流値をΙ_ｉｏｎ（ε）とすると、式
∫_０ ^∞Ι_ｉｏｎ（ε）ｄε （１）
で表される。
【００１９】
従って、感度補正した後のイオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の面積は、イオン電流の測定値をΙ_ｉｏｎ（ε）^ｍｅａｓとすると下式で表される。
∫_０ ^∞Ι_ｉｏｎ（ε）^ｍｅａｓ／Ｓ（ε）ｄε （２）
【００２０】
Ｓ（ε）は、式（２）で与えられる値がバイアス電力に対して一定になるようにして求められる。この場合、Ｓ（ε）の導出は、Ｓ（ε）の関数形を仮定しておき、式（２）により感度補正後のＩＥＤの面積を各バイアス電力値について求めて比較し、それらが一致するようにＳ（ε）の関数形を変えながらＳ（ε）を求めることにより行われ得る。
こうしてＳ（ε）が求まれば、Ι_ｉｏｎ（ε）^ｍｅａｓ／Ｓ（ε）が感度補正されたイオン電流値であり、従ってエネルギーに対してプロットすれば感度補正されたイオンエネルギー分布（ＩＥＤ）となる。
【００２１】
また、Ｓ（ε）の導出には、シースでの電荷交換衝突により生成されたイオンの電流値のエネルギー依存性を利用することができる。衝突頻度があまり大きくない場合には、その電流値のベースラインはエネルギーにはほとんど依存しないことが分かっている（例えば、非特許文献２、３参照）ので、このことをＳ（ε）の導出に利用できる。
【００２２】
以上の方法により、同軸型のイオンエネルギー分析器においてＳ（ε）を導出し、測定結果をΙ_ｉｏｎ（ε）^ｍｅａｓ／Ｓ（ε）と補正すれば、装置構成及び計測操作が簡便な同軸型のイオンエネルギー分析器においても、正しいイオンエネルギー分布を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面の図８〜図１１を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
図８には、「シース長」と「背景ガス原子、分子との衝突の平均自由行程」の関係で決まる「シースでの衝突頻度」が小さい場合のイオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の例を示す。バイアス周波数は２ＭＨｚであり、バイアス電力値は３つの値に変えられている。バイアス電力の増加に従い、図中の実線、破線、点線と変化する。横軸の１目盛りは、５０から５００ｅＶのオーダーであり、プラズマ装置、用いるガス、投入電力など条件により異なる。ソース側で主にプラズマを生成し、バイアス側では生成に寄与していない場合には、図８に示すようにイオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の面積は変化しないはずである。従って、もし、測定結果が図９に示すようであれば、高エネルギー域で感度が低下していると判断できる。
【００２５】
本発明の方法ではすでに述べたように、式（２）
∫_０ ^∞Ι_ｉｏｎ（ε）^ｍｅａｓ／Ｓ（ε）ｄε
が３つのイオンエネルギー分布（ＩＥＤ）で等しくなるようにＳ（ε）を求めればよく（図１０）、こうして求めたＳ（ε）を用いてΙ_ｉｏｎ（ε）^ｍｅａｓ／Ｓ（ε）を求めれば、それが感度補正された正しいイオンエネルギー分布（ＩＥＤ）となる。
【００２６】
なお、イオンエネルギー分布（ＩＥＤ）は３つに限ることなく、数が多ければそれだけ精度よくＳ（ε）を求めることができる。また、高エネルギー域での感度低下の例を示したが、任意のエネルギー域での感度低下に対しても同様に対応可能である。
【００２７】
図１１にはシースで電荷交換衝突がある場合の例を示す。垂直入射から数度以内の範囲のイオンを全て取り込んだ場合である。無衝突イオンと電荷交換衝突で生成されたイオンはその範囲に入る。低エネルギー域すなわち無衝突イオンに起因する鞍型の分布形状よりも低エネルギーをもつ領域での拡大である。バイアス周波数が２ＭＨｚでは図示したようにピークはなく、衝突頻度があまり大きくない場合には、ほぼフラットな分布となる。周波数が高くなるとピークが現れるが、そのベースラインはやはりほぼフラットである。
【００２８】
従って、この領域での電荷交換衝突に起因するイオン電流値の測定結果がもしフラットでなければ、感度Ｓ（ε）がエネルギーに対して一定ではなく変化していると判断できる。イオン電流値の測定結果はＳ（ε）に比例しているので、この領域でのイオン電流測定値のεに対する振る舞いは、Ｓ（ε）のそれを直接反映し示している。このように電荷交換衝突を感度Ｓ（ε）の導出に利用すれば、Ｓ（ε）をより精度よく導出できる。
【００２９】
本発明では、入射角度範囲の一部しか取り込んでいない同軸型で、垂直入射から数度以内の範囲のイオンを全て取り込んだ結果を得るように補正しようとするものである。バイアス電力が異なり、エネルギー分布が異なると空間電荷効果も変わるので、あるエネルギーでの取り込み角度範囲も変化する可能性はある。従って、完全に矛盾なく補正することは不可能であり、そのことは測定原理に起因する避けられない問題である。しかしながら、実際に同軸型で測定し、それを本発明により補正した結果は、セクター型での測定結果と特に差はなく、実際にはこの補正方法が十分使えると認められる。同軸型で測定し本発明で補正した結果が計算結果ともよく合い、エネルギーと角度の両方を測定した結果、即ち、広い入射角度範囲のイオンを全て取り込んだ正しい測定結果ともよく合うことからも、本発明の補正方法の有効性を認めることができる。
【００３０】
例えセクター型であっても、空間電荷効果を無くせない場合、すなわちプラズマ密度が高く、かつ、堆積製のプラズマのためオリフィス径を小さくできないなどの場合には、低エネルギー域でイオンビームが広がるので、低エネルギー域での感度低下が起こ得るが、そのような場合にも、本発明の方法により感度を補正することが可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によるイオンエネルギー分析器におけるイオンエネルギー感度補正方法においては、
イオン電流の測定値をΙ_ｉｏｎ（ε）^ｍｅａｓとし、イオンエネルギー分析器の感度（Ｓ）のエネルギー（ε）への依存性をＳ（ε）とするとき、イオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の面積を表す式
∫_０ ^∞Ι_ｉｏｎ（ε）^ｍｅａｓ／Ｓ（ε）ｄε
で求めたイオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の面積の値がバイアス電力に対して一定になるようにイオンエネルギー分析器の感度（Ｓ）のエネルギー（ε）への依存性Ｓ（ε）を求め、それによりイオンエネルギー分析器の感度（Ｓ）を補正するので、簡便な同軸型のイオンエネルギー分析器でも正確なイオンエネルギー分布を計測でき、すなわち垂直入射から数度以内のイオンを全て取り込んだ場合と同様のイオンエネルギー分布が得られるという効果を奏する。これにより、装置構成が複雑なセクター型のイオンエネルギー分析器を必要とせず、小型化が可能になり、電極の数が少なくなるため製作コストを削減でき、計測の操作も簡単になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】同軸型のイオンエネルギー分析器の構成図。
【図２】セクター型のイオンエネルギー分析器の構成図。
【図３】入射角度の定義と２０ｅＶと２００ｅＶでの角度分布（φでの積分の前）の概略を示すグラフ。
【図４】２０ｅＶと２００ｅＶでの入射角度分布（φでの積分の後）の概略を示すグラフ。
【図５】セクター型のイオンエネルギー分析器で２０ｅＶと２００ｅＶでの取り込める入射角度範囲の概略を示すグラフ。
【図６】同軸型のイオンエネルギー分析器で、空間電荷効果やレンズ効果が全くない理想的な場合の、２０ｅＶと２００ｅＶでの取り込める入射角度範囲の概略を示すグラフ。
【図７】同軸型のイオンエネルギー分析器で、空間電荷効果やレンズ効果が存在する実際の場合の、２０ｅＶと２００ｅＶでの取り込める入射角度範囲の概略を示すグラフ。
【図８】シースでの衝突頻度が小さく、バイアス周波数が２ＭＨｚで、垂直入射から数度以内の無衝突イオンと電荷交換衝突で生成されたイオンの全てを取り込んだイオンエネルギー分布の、異なる３つのバイアス電力での概略図。
【図９】図８と同じプラズマ及びバイアス条件で、同軸型で測定して、高エネルギー域で感度が低下している場合の概略図。
【図１０】図９の測定結果から、図８の理想的な矛盾のない複数のエネルギー分布を得るように求めた感度Ｓ（ε）の概略図。
【図１１】イオンエネルギー分布の低エネルギー域の拡大図。

Claims

プラズマプロセス装置のプラズマから入射するイオンのエネルギーを計測する、同軸型のエネルギーフィルターを備えたイオンエネルギー分析器におけるエネルギーに依存する感度を補正する方法において、
イオン電流の測定値をΙ_ｉｏｎ（ε）^ｍｅａｓとし、イオンエネルギー分析器の感度（Ｓ）のエネルギー（ε）への依存性をＳ（ε）とするとき、イオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の面積を表す式
∫_０ ^∞Ι_ｉｏｎ（ε）^ｍｅａｓ／Ｓ（ε）ｄε
で求めたイオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の面積の値が、基板電極に印加されるバイアス電力に対して一定になるようにイオンエネルギー分析器の感度（Ｓ）のエネルギー（ε）への依存性Ｓ（ε）を求め、それによりイオンエネルギー分析器の感度（Ｓ）を補正することを特徴とするイオンエネルギー分析器の感度補正方法。
イオンエネルギー分析器の感度（Ｓ）のエネルギー（ε）への依存性Ｓ（ε）が、複数の異なるバイアス電力値の各々に対するイオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の面積を上記式により求めて比較し、それらが一致するようにＳ（ε）の関数形を変えることにより求められることを特徴とする請求項１に記載のイオンエネルギー分析器の感度補正方法。