JP4724325B2

JP4724325B2 - Method and apparatus for measuring electron energy distribution in plasma

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Publication number: JP4724325B2
Application number: JP2001253611A
Authority: JP
Inventors: 春雄進藤; 孝之深澤
Original assignee: 春雄進藤
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2021-08-23
Also published as: JP2002141194A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電力で生成されるプラズマ中の電子エネルギー分布の測定方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プラズマＣＶＤ法やプラズマスパッタリング法による半導体デバイスの酸化膜の形成など、プラズマを利用した反応生成物の成膜装置においては、安定で再現性の良いプラズマの発生が不可欠であり、そのためにはプラズマ中の電子エネルギー分布の測定及び制御が極めて重要である。特に、これらのプラズマはほとんどの場合、高周波電力で生成されるが、この高周波プラズマ中での電子エネルギー分布の測定及び制御がとりわけ重要である。
そこで、従来からプラズマの発生雰囲気中にプローブ或いは加熱プローブを挿入し、これによって捕集された電子電流がプローブのバイアス電圧及びプラズマエネルギーの１つであるプラズマ電子温度と一定の関係を有することを利用してプラズマ電子温度を測定する方法が広く採用されている。
【０００３】
しかしながら、これらの方法には、プラズマ中に常に存在する高周波電位振動のプローブへの影響を除去するために複雑な防御回路を設置する必要があるなどの欠点がある。
すなわち、プローブによりプラズマから電子電流を捕集することにより電子温度を決定する従来法においては、プローブの電圧−電流特性が、本来非線形であるために、電源電圧の高周波振動にともなってプラズマ電位が振動すると、整流電流が同時にプローブに捕集されてしまう。このため、プローブにより捕集される電流は、電子温度を正しく反映している電子電流とは大きく相違したものとなり、これによる電子温度の測定は原理的に不可能となる。
【０００４】
そのため、従来方法ではこの整流電流を除去するために、プローブ回路に新たに高周波電流除去回路を付け、プラズマ中の振動電圧と同じ大きさで逆位相の高周波電圧をプローブに印加することにより、整流電流の流れることを防止している。しかしながら、この方法では、プローブに印加すべき逆位相の電圧値がプローブとプラズマ間に存在するシースの容量に依存するため、正確に求めることは難しく、広いプラズマ領域においてプラズマ電位と正確に同値で逆位相の電圧をプローブ回路に印加することは不可能に近い。
そこで、本発明者は、先の出願（特開平２−３００９８号公報）において、プローブから熱電子を放出し得るような状態に維持し、これに交流の半波電圧を印加して、有電圧期と無電圧期のよう浮動電位差を求め、これに基づいてプラズマ電子温度を測定する方法を提案した。
【０００５】
しかしながら、この方法によれば、マックスウェル分布において平均エネルギーに相当する電子温度しか測ることができず、それ以外の一般的な電子エネルギー分布に関しては測定することができない、といった問題があった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、高周波プラズマ中の電子エネルギー分布を求めることができる電子エネルギー分布の測定方法及びその装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、高周波電力で生成されたプラズマ中の電子エネルギー分布の測定方法において、前記プラズマ中に通電によって加熱される加熱プローブを挿入し、前記加熱プローブの熱時定数より短い周期を持つパルス電圧を前記加熱プローブに加えて熱電子を放出する程度に加熱して前記放出した熱電子の有するプラズマ振動数が前記高周波電力の周波数よりも高い状態にすると共に前記パルス電圧の有電圧期と無電圧期における浮動電位差を、前記パルス電圧の電位を種々変更しつつ検出し、この検出値に基づいて前記プラズマ中の電子エネルギー分布を求めるようにしたことを特徴とするプラズマ中の電子エネルギー分布の測定方法である。
請求項２に係る発明は、上記方法発明を実施するための装置発明であり、高周波電力によって生成されるプラズマ中の電子エネルギー分布の測定装置において、前記プラズマ中に挿入される加熱プローブと、前記加熱プローブにパルス高さが可変になされたパルス電圧を印加して熱電子を放出する程度に前記加熱プローブを加熱するパルス電源と、前記パルス電圧の有電圧期と無電圧期における浮動電位差を検出する検出手段と、前記検出手段の検出値に基づいて前記プラズマ中の電子エネルギー分布を求める演算手段とを備えたことを特徴とするプラズマ中の電子エネルギー分布の測定装置である。
請求項３に規定する発明は、高周波電力によって生成されるプラズマ領域中の電子エネルギー分布を測定する測定装置において、前記プラズマ領域中に挿入され、パルス電圧の印加により加熱されるプローブ部を有する加熱プローブと、前記加熱プローブにパルス電圧を印加して、前記プローブ部を熱電子が放出可能な状態まで加熱するバッテリーを電源とするパルス電源と、１つの基板上に集積化された回路素子により構成され、前記パルス電圧の有電圧期（Ｈレベル）と無電圧期（Ｌレベル）における浮遊電位差を検出する検出部と、前記検出部に一体的若しくは別体の基板上に構成され、前記検出部で求められた測定データをデジタル化するＡ／Ｄ変換部と、電気信号と光信号の相互変換機能と通信機能を有し、前記Ａ／Ｄ変換部からの測定データを光信号に変更して送信する、若しくは、受信した光信号の制御信号を電気信号に変換する第１の光信号変換部と、電気信号と光信号の相互変換機能と通信機能を有し、前記第１の光信号変換部より送信された測定データを電気信号に変換する、若しくは、制御信号を光信号に変換する第２の光信号変換部と、前記第２の光信号変換部により与えられた測定データに基づいて、前記プラズマ領域中の電子エネルギー分布を求める演算部と、前記演算部により求められた電子エネルギー分布を表示する表示部とを備えた事を特徴とするプラズマ中の電子エネルギー分布の測定装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るプラズマ中の電子エネルギー分布の測定方法及びその装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明方法で用いるエミッシブプローブ法を説明するための原理図、図２はプラズマを生成する高周波電力の電圧が正位相の時と逆位相の時のプローブ電流を示すグラフ、図３は加熱プローブにパルス電圧を印加した時のプローブ電流の変化を示すグラフ、図４は本発明の電子エネルギー分布の測定装置を示すブロック構成図、図５は加熱プローブにパルス電圧が印加された時の状態を示す図、図６は本発明方法の原理を説明するための説明図である。
【０００８】
まず、本発明の特徴とするところは次の点にある。すなわち、図１に示すように真空引き可能になされた高周波プラズマ発生容器２内にて発生したプラズマＰ中に円弧状に露出された加熱プローブ（フィラメント）４を浮動状態で差し込む。ここで先の特開平２−３００９８号公報の技術では、この加熱プローブ４に交流半波電圧を印加していたが、本発明では上記交流半波電圧に代えてパルス電圧Ｖ_PPを印加し、更に、このパルス高さＶ_H を種々変更して、その都度、データを取るようにしている。この場合、例えばパルス幅Ｗ１及びパルス間幅Ｗ２はそれぞれ１０〜１５μｓｅｃ及び２０〜３５μｓｅｃに設定され、その周波数は２０〜３０ｋＨｚ程度になっている。すなわち、本発明では、上記加熱プローブ４に有電圧期と無電圧期とを有する上記パルス電圧Ｖ_PP（周期はフィラメント熱時定数より充分短いもの）を加えて加熱し、加熱プローブ４から熱電子放出させ、この放出電子数が充分で加熱プローブ４の浮動電位がプラズマＰ中に存在する高周波電位振動に追随できる条件下で、被測定量はこの放出電子電流の影響を受けないように上記パルス電圧Ｖ_PPの有電圧期と無電圧期における加熱プローブ４の浮動電位の差ΔＶ_F とすることにより、前記従来法の各種の欠点の一掃を図ったものである。次に、本発明の測定原理について説明する。
【０００９】
図１に示すように、プラズマ発生容器２内に各周波数ω_S の高周波電力で生成されたプラズマＰがあり、その中に加熱プローブ４を挿入し、パルス高さがＶ_H のパルス電圧Ｖ_PPで加熱する。この時、放出電子飽和電流Ｉ_ESが以下に示す数１の式の条件を満足していれば、加熱プローブ４の浮動電位はプラズマ中の高周波電位振動に追随できる。
【００１０】
【数１】

【００１１】
ここでω_PEは放出電子が持つプラズマ振動数（電子密度ｎ_E ）、ε_O は真空中の誘電率、ｅ及びｍは電子電荷及び質量、Ａ_P はプローブ表面積、Ｔ_W はプローブ温度、ｋはボルツマン定数である。
上記数１の関係は放出電子のプラズマ振動数が、プラズマ中の電位振動数よりも充分大きいことを意味するが、この条件下ではプラズマ中の振動電位に放出電子はすみやかに追随し、加熱プローブ４とプラズマＰ間には高周波の電位振動が存在しなくなる。この様子を図２に示した。図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ高周波電源電圧が正位相及び逆位相の時の放出電子電流Ｉ_E 及び捕集電子電流Ｉ_C の特性を示したものである。ここで放出電子電流とはフィラメントから放出される熱電子の作る電流であり、捕集電子電流とはプラズマ電子がフィラメントプローブに到達して形成される電流であり、これらの両電流の方向は互いに逆向きである。プラズマ電位がそれぞれの位相に応じてＶ_P1からＶ_P2に変化しても数１の条件下では放出電子がすみやかにプラズマ電位の振動に追随し、放出電子電流及び捕集電子電流特性は横幅に沿って平行移動した形となる。尚、図２中において、いずれか一方の電流、例えば放出電子電流Ｉ_E の正負は、本発明の理解を容易にするために逆に記載されている。
【００１２】
従って、プローブが浮動状態にある場合には、プラズマ電位がＶ_P1からＶ_P2間で振動するとその浮動電位はＶ_F1とＶ_F2 間で振動する。それ故に、プローブとプラズマ間には高周波の振動電位差は存在しなくなり、プラズマから捕集される電子は振動電位を見ずに常に同一の電位差Ｖ_P1−Ｖ_F1（＝Ｖ_P2−Ｖ_F2）を見ることから捕集電子電流は高周波振動電圧の影響を受けなくなるので、この捕集電流は正しく電子温度（電子エネルギー）を反映していることになる。
このような条件下でパルス電圧Ｖの有電圧期と無電圧期におけるプローブの浮動電位差ΔＶ_F の値は図３に示すようにＩ_ES＜Ｉ_CS（Ｉ_CSは捕集電子飽和電流）の領域では捕集電子電流−電圧特性の勾配に依存する。この勾配は、電子温度がＴ_e であれば１／ｋ・Ｔ_e の値であるので結局、図３のようにＶ_H に対する浮動電位差ΔＶ_F を測定することにより電子温度は次の数２の式より求めることができる。
【００１３】
【数２】

【００１４】
尚、数２を用いて電子温度を測定する方法については、特願昭６２−２１８３７３号にて既に出願済である。また、浮動電位を測定する場合には、パルス電圧Ｖ_H による変化以外にプラズマ電位の振動に呼応した電位振動が浮動電位に含まれるので、この振動成分をフィルター等で除去しなければならない。通常、高周波電源の各周波数ω_S とパルス電圧Ｖ_H の周波数は、極端に相違するのでこのフィルターリングは容易である。
上記説明は、先の出願（特開平２−３００９８号公報）においても説明されたように、電子温度を測定するための方法であるが、本発明では電子のエネルギー分布を測定するために前述したように、パルス電圧Ｖ_PPのパルス高さＶ_H を種々変更させる。この測定装置を図４に示す。
【００１５】
図４中において、２は真空引き可能になされた高周波プラズマ発生容器（以下、チャンバーとも称す）であり、この容器２内に例えば１３．５６ＭＨｚや２７ＭＨｚの高周波電源６に接続された平行平板電極８が設置されている。そして、この容器２内にプラズマガスとして例えばＡｒガスを導入し、両電極８、８間にプラズマＰが立てられる。
そして、この発生容器２の側壁に、先に図２を参照して説明した加熱プローブ４が絶縁体１０を介して浮動的に取り付けられ、このタングステンフィラメントよりなる加熱プローブ４は、プラズマＰ内に挿入される。そして、この加熱プローブ４にパルス電源１４が接続され、上記加熱プローブ４に図１にて説明したようなパルス電圧Ｖを印加して加熱するようになっている。
【００１６】
一方、加熱プローブ４の浮動電位がどの程度の高周波振動に追随できるかは外部回路にも依存し、これは加熱プローブ４の回路全体がアースに対して持つ浮遊容量によって決まる。従って、加熱プローブ４の浮動電位ができる限り高い周波数でも振動し得るようにするためには、この浮遊容量による影響を極力除去する必要がある。その一つの方策として図４に示す回路例では、上記パルス電源１４に接続されたダミープローブ１８を設置している。そして、上記加熱プローブ４の浮動電位の測定は差動電圧増幅器１９を通して、ダミープローブ１８との差電位を、浮動電位差を検出するための検出手段であるシンクロスコープ２０で測定する方法を用いている。このように、ダミープローブ１８との差電位を取ることにより、加熱プローブ４がアースに対して持つ浮遊容量の影響を除去することができる。尚、フィルター２２は加熱プローブ４に現れる高周波振動を除去し、またプラズマ自体が発するノイズを除去するためのものである。このようにして、シンクロスコープ２０に加熱プローブ４の加熱電圧による浮動電圧の変化の波形が得られ、この浮動電位差やパルス電圧やプローブ浮動電位などから、後述するように電子のエネルギー分布を求める。
【００１７】
この時の電子のエネルギー分布を求める演算は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる演算部２４で行なわれ、その結果は、例えば液晶パネル等よりなる表示部２６に表示される。
さて、このような測定装置を用いて行なわれる電子エネルギー分布の測定方法について説明する。
図５は上記加熱プローブ４とこれに印加されるパルス電圧Ｖ_PPを模式的に示す模式図であり、これは図１に対応するものである。図６はパルス電圧Ｖ_H とプローブ電流ｉとの関係を示すグラフであり、これは図３に対応するものである。
まず、図５に基づいてエミッシブプローブ法の原理からプローブ捕集電流（電流密度）−電圧特性ｉ（Ｖ）を求める方法について説明する。
ここで、Ｖ_H はパルス電圧のパルス高さ、Ｖ_F はプローブ浮動電位、ΔＶ_F は浮動電位差である。
まず、加熱プローブ４の長さをＬ、プローブフィラメントの直径を２ｒとすると、プローブの電位は常に浮遊状態にある。このため、パルス電圧Ｖ_PPの有電圧期（Ｈレベル）と無電圧期（Ｌレベル）におけるプローブ全捕集電流はどちらの場合とも、プローブ放出電流と同じ値にならなければならない。プローブの電位がプラズマ電位Ｖ_P より低い領域では、この放出電流は、プローブの電位に無関係に一定値ｉ_ES（放出電子飽和電流）となるため、両捕集電流の間の関係は、下記の数３の式のように表すことができる。
【００１８】
【数３】

【００１９】
ｉ（Ｖ）は、図１から図３において説明に用いているプローブ捕集電流Ｉ_C と同義であるが、ここでの原理説明をできる限り明確にするためにｉ（Ｖ）を用いている。また、同様な理由により、放出電流にはｉ_ESを用いている。
数３の左辺はパルス電圧Ｖ_PPがＶ_H の時（有電圧期）のプローブ全捕集電流を示し、右辺はパルス電圧が０ボルトの時（無電圧期）のプローブ全捕集電流を示す。また、ｒは加熱プローブ４の半径を示す。
上記数３の左辺を変形すると以下の数４の式のようになる。
【００２０】
【数４】

【００２１】
従って、数３の右辺と数４との関係より、下記の数５の式が求まる。
【００２２】
【数５】

【００２３】
そして、上記数５を変形すると、下記の数６の式が求まる。
【００２４】
【数６】

【００２５】
ここで、図６を用いてエミッシブプローブ法の解析を行なう。
まず、点Ａの電流Ｉ（Ｖ_F ，Ｖ_H ）は以下の数７の式のように定まる。
【００２６】
【数７】

【００２７】
更に、点Ｂの電流Ｉ（Ｖ_F ＋ΔＶ_F ，Ｖ_H ）は以下の数８の式のように定まる。
【００２８】
【数８】

【００２９】
従って、上記数７及び数８との関係より以下の数９の式が定まる。
【００３０】
【数９】

【００３１】
そして、以上のようにして求められた上記数６或いは数９にて求められた一般式を変形して微分形式にすると以下の数１０の式が求まる。
【００３２】
【数１０】

【００３３】
この数１０よりＶ_H に対するΔＶ_F 、Ｖ_F の各測定値を用いてｉ（Ｖ）の形を求めることができる。ここで前述のように、パルス電圧Ｖ_PPのパルス高さＶ_H は例えば５〜５０ボルトの範囲で適宜種々の値に変更され、その都度、ΔＶ_F 、Ｖ_F を測定する。この場合、パルス高さＶ_H は、例えば５０ミリボルト単位で少しずつ増加、或いは減少させてその都度、ΔＶ_F やＶ_F の測定を行なう。
このようにして、ｉ（Ｖ）が求まると、電子のエネルギー分布の関数Ｆ（Ｅ）は次の数１１の式により求まる。
【００３４】
【数１１】

【００３５】
尚、ｋ１は比例定数である。
以上の各数式の演算は前述のように演算部２４（図４参照）で行なわれ、また、求められた関数Ｆ（Ｅ）は、例えば表示部２６にて表示することができる。
以上のようにして電子のエネルギー分布の関数Ｆ（Ｅ）を求めると、例えば図７に示すように表される。図７中において、横軸はエネルギー（Ｅ）、縦軸は電子数（ｎ）をそれぞれとっている。図７に示すように、電子温度の分布はマックスウェル分布に従っているが、本発明方法で求めた電子のエネルギー分布はマックスウェル分布とは大きくずれており、電子のより正確なエネルギー分布を反映している。
【００３６】
尚、前述した実施形態では、測定装置は、ＣＶＤ装置やスパッタリング装置等の成膜装置に搭載することを想定して説明を行っていたが、勿論、これに限定されるものではなく、エッチング装置やアニール装置など高周波電力を印加することによりプラズマを発生させて種々のプラズマ処理を行う装置に搭載して、同等の効果が容易に得られることは勿論である。これらの処理装置のチャンバー（プラズマ領域を生成するチャンバー）の電位に対して、絶縁された状態で加熱プローブと取り付けられて、電位的には浮動状態となっている。
以上説明したように、本発明のプラズマ中の電子エネルギー分布の測定方法及びその装置によれば、加熱プローブに印加するパルス電圧のパルス高さを適宜変更しつつ浮動電位差を求めることにより、高周波プラズマ中の電子のエネルギー分布を適正に求めることができる。
【００３７】
次に、図８を参照して、前述した実施形態における第１の変形例について説明する。ここで、図８に示す構成部位で前述した図４に示した構成部位と同等のものには、同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
この第１の変形例は、電子エネルギー分布を求めるための浮動電位差やパルス電圧やプローブ浮動電位等を測定データとして求める測定部４０と、この測定部４０による測定データをワイヤレスで通信するための光通信ボード３４と、着信した光通信ボード３４からの測定データを演算して電子エネルギー分布を求めるためのマイクロコンピュータ等よりなる演算部２４と、表示部２６とで構成される。
【００３８】
前述した図４に示した測定部は、パルス電源１４、ダミープローブ１８、フィルター２２及びシンクロスコープ２０（検出部）等てせ構成していた。これに対して、測定部４０、パルス電源１４、高性能バッテリー３１、検出部２２、Ａ／Ｄ変換ボード３２及び光通信ボード３３で構成している。高性能バッテリー３１は、パルス電源１４に電源を供給する。
また検出部２２は、１つの基板上に集積化された回路素子により構成され、高速処理によりパルス電圧の有電圧期と無電圧期における浮動電位差を検出する。Ａ／Ｄ変換ボードは、検出部２２に一体若しくは別体の基板上に構成され、検出部２２で求められた測定データをデジタル化する。
【００３９】
光通信ボード３３は、Ａ／Ｄ変換ボード３２によりデジタル化された測定データを電気信号から光信号に変更して送信する。また、光通信ボード３４から受信した光信号からなる制御信号を電気信号に変更して、検出部２２の動作を制御することもできる。これは演算部２４をパソコン等により構築することにより、演算処理だけでなく、各測定用部位の制御もすることにより、測定の遠隔化が実現でき、装置の小型化、配置の自由度など種々のメリットが生まれる。
【００４０】
特に、この測定部４０の幾何学的寸法が極力小さくなるように構成して、測定部４０が有するアース電位に対する浮遊容量を極限まで小さくする。また、光通信ボード３３と光通信ボード３４との間で光通信により測定データを伝搬して、演算部２４へ入力する。演算部２４では測定データから電子エネルギー分布が求められ、適宜、その電子エネルギー分布が数値表やグラフとして表示部２６に表示される。このように測定データの伝搬に光通信を用いたことで、測定部４０と演算部２４とが有線接続されていないため、測定部４０のアース電位に対する浮遊容量をさらに小さく（極小化）することができる。
このような浮遊容量の極小化は、プラズマ発生用電源の周波数の測定上限を大きくするものであり、現行に使用する周波数である１３．５６ＭＨｚ及び２７ＭＨｚは、勿論こと、６０ＭＨｚやそれ以上の周波数で生成されるプラズマにおける電子エネルギー分布も測定可能となる。
さらに、測定部４０と演算部２４とのワイヤレス化は、装置構成上で構成部位の配置の分散化や遠隔化ができる他、種々のメリットを得ることができ、高性能、高機能な測定装置を提供する。
【００４１】
次に、図９を参照して、前述した実施形態における第２の変形例について説明する。ここで、図９に示す構成部位で前述した図８に示した構成部位と同等のものには、同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
この測定装置では、チャンバー２が絶縁物２ａで形成されている例である。本発明が提案する電子エネルギー分布の測定方法は、プローブの電位が恒に浮遊状態であり、原理的にプラズマからのプローブ電流を供給して測定する必要が無く、プラズマを発生させるためのチャンバー２が絶縁性の部材により形成されていても測定することができる。例えば、プラズマエッチング装置におけるプラズマを発生させるためのチャンバーは、アルミナ等の絶縁性の部材により形成されている。このような場合でも電子エネルギー分布を測定することもできる。
これは、本発明の電子エネルギー分布の測定がアース電位に対して浮遊状態にある電位のプローブを用いて測定を行っているために実現するものである。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ中の電子エネルギー分布の測定方法及びその装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
加熱プローブに印加するパルス電圧のパルス高さを適宜変更しつつ浮動電位差を求めることにより、高周波プラズマ中の電子のエネルギー分布を適正に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法で用いるエミッシブプローブ法を説明するための原理図である。
【図２】プラズマを生成する高周波電力の電圧が正位相の時と逆位相の時のプローブ電流を示すグラフである。
【図３】加熱プローブにパルス電圧を印加した時のプローブ電流の変化を示すグラフである。
【図４】本発明の電子エネルギー分布の測定装置を示すブロック構成図である。
【図５】加熱プローブにパルス電圧が印加された時の状態を示す図である。
【図６】本発明方法の原理を説明するための説明図である。
【図７】電子のエネルギー（Ｅ）と電子数（ｎ）との関係の一例を示すグラフである。
【図８】本発明による第１の変形例の構成を示す図である。
【図９】本発明による第２の変形例の構成を示す図である。
【符号の説明】
２プラズマ発生器
４加熱プローブ
６高周波電源
８平行平板電極
１４パルス電源
１８ダミープローブ
２０シンクロスコープ（検出手段）
２４演算部
Ｐプラズマ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for measuring electron energy distribution in plasma generated with high frequency power.
[0002]
[Prior art]
In general, it is indispensable to generate stable and reproducible plasma in a reaction product deposition apparatus using plasma, such as the formation of an oxide film of a semiconductor device by plasma CVD or plasma sputtering. Measurement and control of the electron energy distribution in the plasma is extremely important. In particular, these plasmas are most often generated with high-frequency power, but the measurement and control of the electron energy distribution in this high-frequency plasma is particularly important.
Therefore, a probe or a heating probe is conventionally inserted in the plasma generation atmosphere, and the electron current collected thereby has a certain relationship with the plasma electron temperature, which is one of the probe bias voltage and plasma energy. A method of measuring the plasma electron temperature by using it is widely adopted.
[0003]
However, these methods have a drawback in that it is necessary to install a complicated protection circuit in order to remove the influence of the high-frequency potential oscillation always present in the plasma on the probe.
That is, in the conventional method in which the electron temperature is determined by collecting the electron current from the plasma by the probe, the voltage-current characteristic of the probe is inherently nonlinear. When it vibrates, the rectified current is simultaneously collected by the probe. For this reason, the current collected by the probe is greatly different from the electron current that correctly reflects the electron temperature, and it is impossible in principle to measure the electron temperature.
[0004]
Therefore, in the conventional method, in order to remove this rectified current, a new high-frequency current removal circuit is newly added to the probe circuit, and a high-frequency voltage having the same magnitude as the oscillation voltage in the plasma and opposite in phase is applied to the probe. It prevents current from flowing. However, in this method, the voltage value of the reverse phase to be applied to the probe depends on the capacitance of the sheath existing between the probe and the plasma, so it is difficult to obtain it accurately, and it is exactly the same value as the plasma potential in a wide plasma region. It is almost impossible to apply an antiphase voltage to the probe circuit.
Therefore, in the previous application (Japanese Patent Laid-Open No. 2-30098), the present inventor maintains a state in which thermionic electrons can be emitted from the probe, applies an AC half-wave voltage thereto, We proposed a method to measure the plasma electron temperature based on the floating potential difference between the period and no-voltage period.
[0005]
However, according to this method, only the electron temperature corresponding to the average energy in the Maxwell distribution can be measured, and other general electron energy distributions cannot be measured.
The present invention has been devised to pay attention to the above problems and to effectively solve them. An object of the present invention is to provide an electron energy distribution measuring method and apparatus capable of obtaining an electron energy distribution in a high-frequency plasma.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1, in the measurement method of the electron energy distribution in the generated frequency power plasma, and insert the heating probe which is heated by energization in the plasma, by the thermal time constant of the heating probe Litan before SL pulse voltage with plasma frequency having a pulse voltage having a have periodic thermoelectric element described above released by heating to a degree that emits thermal electrons in addition to the heating probe is in a state higher than the frequency of the high frequency power The plasma is characterized in that a floating potential difference between a voltage period and a non-voltage period is detected while variously changing the potential of the pulse voltage, and an electron energy distribution in the plasma is obtained based on the detected value. It is a measuring method of the electron energy distribution in the inside.
The invention according to claim 2 is an apparatus invention for carrying out the method invention described above, and in an apparatus for measuring electron energy distribution in plasma generated by high-frequency power, a heating probe inserted in the plasma, Pulse power supply that heats the heating probe to the extent that a pulse voltage with a variable pulse height is applied to the heating probe to emit thermoelectrons, and a floating potential difference between the voltage period and the non-voltage period of the pulse voltage is detected An apparatus for measuring an electron energy distribution in plasma, comprising: detecting means for performing the calculation; and calculating means for obtaining an electron energy distribution in the plasma based on a detection value of the detecting means.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a measuring apparatus for measuring an electron energy distribution in a plasma region generated by a high-frequency power, wherein the heating unit has a probe portion inserted into the plasma region and heated by applying a pulse voltage. a probe, by applying a pulse voltage to the heating probe, a pulse power source to the probe unit thermionic powered by a battery that is heated to a state capable of releasing one integrated circuit element on a substrate is constituted by a detecting section for detecting a floating potential difference chromatic voltage period (H level) and the no-voltage period (L level) of the pulse voltage, it is constructed on a substrate of an integral or separate to the detection unit, An A / D conversion unit that digitizes measurement data obtained by the detection unit, an interconversion function and a communication function of an electric signal and an optical signal, and from the A / D conversion unit A first optical signal converter that converts measurement data into an optical signal and transmits it, or converts a control signal of the received optical signal into an electrical signal, and has an electrical signal and optical signal interconversion function and a communication function. A second optical signal converter that converts the measurement data transmitted from the first optical signal converter into an electrical signal, or converts a control signal into an optical signal, and the second optical signal converter. Characterized in that it comprises a calculation unit for obtaining an electron energy distribution in the plasma region based on the measurement data given by a display unit, and a display unit for displaying the electron energy distribution obtained by the calculation unit. This is a device for measuring the electron energy distribution .
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of a method and apparatus for measuring electron energy distribution in plasma according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a principle diagram for explaining an emissive probe method used in the method of the present invention, FIG. 2 is a graph showing a probe current when the voltage of the high-frequency power generating plasma is in the positive phase and the reverse phase, and FIG. Is a graph showing a change in probe current when a pulse voltage is applied to the heating probe, FIG. 4 is a block diagram showing an electron energy distribution measuring apparatus according to the present invention, and FIG. 5 is a diagram when the pulse voltage is applied to the heating probe. FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the principle of the method of the present invention.
[0008]
First, the features of the present invention are as follows. That is, as shown in FIG. 1, a heating probe (filament) 4 exposed in an arc shape is inserted into a plasma P generated in a high-frequency plasma generating vessel 2 that can be evacuated in a floating state. Here, in the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-30098, an AC half-wave voltage is applied to the heating probe 4, but in the present invention, a pulse voltage V _PP is applied instead of the AC half-wave voltage, Further, the pulse height V _H is changed variously, and data is taken every time. In this case, for example, the pulse width W1 and the pulse width W2 are set to 10 to 15 μsec and 20 to 35 μsec, respectively, and the frequency is about 20 to 30 kHz. That is, in the present invention, the heating probe 4 is heated by applying the pulse voltage V _PP (the cycle is sufficiently shorter than the filament thermal time constant) having a voltage period and a no-voltage period, and the heating probe 4 Under the condition that the number of emitted electrons is sufficient and the floating potential of the heating probe 4 can follow the high-frequency potential oscillation existing in the plasma P, the pulse is measured so that the measured quantity is not affected by the emitted electron current. By setting the difference ΔV _F of the floating potential of the heating probe 4 between the voltage period and the non-voltage period of the voltage V _PP , various drawbacks of the conventional method are eliminated. Next, the measurement principle of the present invention will be described.
[0009]
As shown in FIG. 1, there is a plasma P generated with high frequency power of each frequency ω _S in a plasma generating vessel 2, a heating probe 4 is inserted therein, and a pulse voltage V _PP having a pulse height of V _H. Heat with. At this time, if the emission electron saturation current I _ES satisfies the condition of the following equation (1), the floating potential of the heating probe 4 can follow the high-frequency potential oscillation in the plasma.
[0010]
[Expression 1]

[0011]
Where ω _PE is the plasma frequency (electron density n _E ) of the emitted electrons, ε _O is the dielectric constant in vacuum, e and m are the electronic charge and mass, _AP is the probe surface area, _TW is the probe temperature, k Is the Boltzmann constant.
The relationship of the above equation 1 means that the plasma frequency of the emitted electrons is sufficiently larger than the potential frequency in the plasma. Under these conditions, the emitted electrons quickly follow the oscillation potential in the plasma, and the heating probe No high-frequency potential oscillation exists between 4 and the plasma P. This is shown in FIG. FIGS. 2A and 2B show the characteristics of the emitted electron current I _E and the collected electron current I _C when the high-frequency power supply voltage is in the positive phase and the reverse phase, respectively. Here, the emitted electron current is the current generated by the thermoelectrons emitted from the filament, and the trapped electron current is the current formed when the plasma electrons reach the filament probe. The reverse direction. Even if the plasma potential changes from V _P1 to V _P2 according to each phase, the emitted electrons immediately follow the oscillation of the plasma potential under the condition of Equation 1, and the emitted electron current and the collected electron current characteristics are laterally wide. The shape is translated along. In FIG. 2, the sign of either one of the currents, for example, the emitted electron current _IE is reversed to facilitate the understanding of the present invention.
[0012]
Therefore, when the probe is in a floating state, when the plasma potential oscillates between V _P1 and V _P2 , the floating potential oscillates between V _F1 and V _F2 . Therefore, there is no high-frequency oscillation potential difference between the probe and the plasma, and electrons collected from the plasma always have the same potential difference V _P1 −V _F1 (= V _P2 −V _F2 ) without looking at the oscillation potential. Since the collected electron current is not affected by the high-frequency oscillating voltage, the collected current correctly reflects the electron temperature (electron energy).
Under these conditions, the value of the floating potential difference ΔV _F of the probe during the voltage period and the no-voltage period of the pulse voltage V 1 is in the region of I _ES <I _CS (I _CS is the collected electron saturation current) as shown in FIG. Then, it depends on the gradient of the collected electron current-voltage characteristics. This gradient, eventually the electron temperature is a value 1 / k · T _e, if T _e, electron temperature by measuring the floating potential difference [Delta] V _F for V _H as in Figure 3 of the following Formula 2 It can be obtained from the equation.
[0013]
[Expression 2]

[0014]
A method for measuring the electron temperature using Equation 2 has already been filed in Japanese Patent Application No. 62-218373. Further, when measuring the floating potential, since the potential oscillation corresponding to the oscillation of the plasma potential is included in the floating potential in addition to the change due to the pulse voltage V _H , this oscillation component must be removed by a filter or the like. Usually, the frequency ω _S of the high-frequency power source and the frequency of the pulse voltage V _H are extremely different, and therefore this filtering is easy.
The above description is a method for measuring the electron temperature as described in the previous application (Japanese Patent Laid-Open No. 2-30098). In the present invention, the method described above is used to measure the electron energy distribution. As described above, the pulse height V _H of the pulse voltage V _PP is variously changed. This measuring apparatus is shown in FIG.
[0015]
In FIG. 4, reference numeral 2 denotes a high-frequency plasma generation container (hereinafter also referred to as a chamber) that can be evacuated, and a parallel plate electrode 8 connected to a high-frequency power source 6 of 13.56 MHz or 27 MHz, for example, in the container 2. Is installed. Then, Ar gas, for example, is introduced into the container 2 as a plasma gas, and a plasma P is established between the

electrodes

8 and 8.
The heating probe 4 described above with reference to FIG. 2 is floatingly attached to the side wall of the generating container 2 via the insulator 10, and the heating probe 4 made of this tungsten filament is placed in the plasma P. Inserted. A pulse power source 14 is connected to the heating probe 4, and the heating probe 4 is heated by applying the pulse voltage V as described in FIG.
[0016]
On the other hand, how much high-frequency oscillation the floating potential of the heating probe 4 can follow depends on the external circuit, which is determined by the floating capacitance that the entire circuit of the heating probe 4 has with respect to the ground. Therefore, in order to allow the floating potential of the heating probe 4 to vibrate at the highest possible frequency, it is necessary to eliminate the influence of the floating capacitance as much as possible. As one of the measures, in the circuit example shown in FIG. 4, a dummy probe 18 connected to the pulse power source 14 is provided. The measurement of the floating potential of the heating probe 4 uses a method of measuring the difference potential with the dummy probe 18 through the differential voltage amplifier 19 with a synchroscope 20 which is a detecting means for detecting the floating potential difference. . In this way, by taking the potential difference from the dummy probe 18, the influence of the stray capacitance that the heating probe 4 has on the ground can be eliminated. The filter 22 is for removing high-frequency vibrations appearing on the heating probe 4 and removing noise generated by the plasma itself. In this way, a waveform of a change in the floating voltage due to the heating voltage of the heating probe 4 is obtained in the synchroscope 20, and the energy distribution of electrons is obtained from the floating potential difference, the pulse voltage, the probe floating potential, and the like as described later.
[0017]
The calculation for obtaining the electron energy distribution at this time is performed by the calculation unit 24 made of, for example, a microcomputer, and the result is displayed on the display unit 26 made of, for example, a liquid crystal panel.
Now, a method for measuring an electron energy distribution performed using such a measuring apparatus will be described.
FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the heating probe 4 and the pulse voltage V _PP applied thereto, and this corresponds to FIG. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the pulse voltage V _H and the probe current i, which corresponds to FIG.
First, a method for obtaining the probe collection current (current density) -voltage characteristic i (V) from the principle of the emissive probe method will be described with reference to FIG.
Here, V _H is the pulse height of the pulse voltage, V _F is the probe floating potential, and ΔV _F is the floating potential difference.
First, when the length of the heating probe 4 is L and the diameter of the probe filament is 2r, the probe potential is always in a floating state. For this reason, the probe total collection current in the voltage period (H level) and the non-voltage period (L level) of the pulse voltage V _PP must be the same value as the probe emission current in both cases. In the region where the probe potential is lower than the plasma potential V _P , this emission current becomes a constant value i _ES (emitted electron saturation current) regardless of the probe potential. It can be expressed as the following equation.
[0018]
[Equation 3]

[0019]
i (V) is synonymous with the probe collection current I _C used in the description in FIGS. 1 to 3, but i (V) is used in order to clarify the principle explanation here as much as possible. . For the same reason, i _ES is used as the emission current.
The left side of Equation 3 indicates the total probe collection current when the pulse voltage V _PP is V _H (voltage period), and the right side indicates the total probe collection current when the pulse voltage is 0 volts (no voltage period). . R represents the radius of the heating probe 4.
When the left side of Equation 3 is modified, the following Equation 4 is obtained.
[0020]
[Expression 4]

[0021]
Therefore, from the relationship between the right side of Equation 3 and Equation 4, the following Equation 5 is obtained.
[0022]
[Equation 5]

[0023]
Then, by transforming the above formula 5, the following formula 6 is obtained.
[0024]
[Formula 6]

[0025]
Here, the emissive probe method is analyzed with reference to FIG.
First, the current I (V _F , V _H ) at the point A is determined by the following equation (7).
[0026]
[Expression 7]

[0027]
Further, the current I (V _F + ΔV _F , V _H ) at the point B is determined by the following equation (8).
[0028]
[Equation 8]

[0029]
Therefore, the following equation 9 is determined from the relationship with the above equations 7 and 8.
[0030]
[Equation 9]

[0031]
Then, when the general formula obtained in the above formula 6 or 9 is transformed into the differential form, the following formula 10 is obtained.
[0032]
[Expression 10]

[0033]
From this equation 10, the form of i (V) can be obtained using the measured values of ΔV _F and V _{F with} respect to V _H. Here, as described above, the pulse height V _H of the pulse voltage V _PP is appropriately changed to various values within a range of 5 to 50 volts, for example, and ΔV _F and V _F are measured each time. In this case, the pulse height V _H is increased or decreased little by little, for example, in units of 50 millivolts, and ΔV _F and V _F are measured each time.
Thus, when i (V) is obtained, the function F (E) of the electron energy distribution is obtained by the following equation (11).
[0034]
[Expression 11]

[0035]
K1 is a proportionality constant.
The calculation of each of the above mathematical expressions is performed by the calculation unit 24 (see FIG. 4) as described above, and the obtained function F (E) can be displayed on the display unit 26, for example.
When the function F (E) of the electron energy distribution is obtained as described above, for example, it is expressed as shown in FIG. In FIG. 7, the horizontal axis represents energy (E) and the vertical axis represents the number of electrons (n). As shown in FIG. 7, the electron temperature distribution follows the Maxwell distribution, but the electron energy distribution obtained by the method of the present invention is significantly different from the Maxwell distribution, reflecting the more accurate energy distribution of the electrons. ing.
[0036]
In the above-described embodiment, the description has been made on the assumption that the measuring apparatus is mounted on a film forming apparatus such as a CVD apparatus or a sputtering apparatus. Of course, it is possible to easily obtain the same effect by mounting it on an apparatus for generating various plasmas by applying high-frequency power such as an annealing apparatus or the like. A heating probe is attached in an insulated state with respect to the potential of a chamber (chamber for generating a plasma region) of these processing apparatuses, and is in a floating state in terms of potential.
As described above, according to the method and apparatus for measuring the electron energy distribution in plasma of the present invention, the high-frequency plasma is obtained by obtaining the floating potential difference while appropriately changing the pulse height of the pulse voltage applied to the heating probe. The energy distribution of the electrons inside can be obtained appropriately.
[0037]
Next, a first modification of the above-described embodiment will be described with reference to FIG. Here, the components shown in FIG. 8 that are the same as the components shown in FIG. 4 described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
This first modification is a measurement unit 40 for obtaining a floating potential difference, a pulse voltage, a probe floating potential, etc. for obtaining an electron energy distribution as measurement data, and a light for wirelessly communicating measurement data by the measurement unit 40. The communication board 34, the calculation part 24 which consists of a microcomputer etc. for calculating | requiring the electronic energy distribution by calculating the measurement data from the incoming optical communication board 34, and the display part 26 are comprised.
[0038]
The measurement unit shown in FIG. 4 described above is configured with a pulse power supply 14, a dummy probe 18, a filter 22, a synchroscope 20 (detection unit), and the like. In contrast, the measuring unit 40, the pulse power supply 14, the high-performance battery 31, the detection unit 22, the A / D conversion board 32, and the optical communication board 33 are configured. The high-performance battery 31 supplies power to the pulse power source 14.
The detection unit 22 is composed of circuit elements integrated on one substrate, and detects a floating potential difference between the voltage period and the non-voltage period of the pulse voltage by high-speed processing. The A / D conversion board is configured on the substrate that is integral with or separate from the detection unit 22, and digitizes the measurement data obtained by the detection unit 22.
[0039]
The optical communication board 33 changes the measurement data digitized by the A / D conversion board 32 from an electric signal to an optical signal, and transmits it. In addition, the control signal composed of the optical signal received from the optical communication board 34 can be changed to an electric signal to control the operation of the detection unit 22. By constructing the calculation unit 24 with a personal computer or the like, it is possible not only to perform calculation processing but also to control each measurement site, thereby making it possible to achieve remote measurement, reducing the size of the apparatus, the degree of freedom of arrangement, etc. The benefits of are born.
[0040]
In particular, the geometrical dimension of the measurement unit 40 is configured to be as small as possible, and the stray capacitance with respect to the ground potential of the measurement unit 40 is minimized. Further, the measurement data is propagated by optical communication between the optical communication board 33 and the optical communication board 34 and is input to the arithmetic unit 24. The calculation unit 24 obtains an electron energy distribution from the measurement data, and appropriately displays the electron energy distribution on the display unit 26 as a numerical table or a graph. As described above, since optical communication is used for propagation of measurement data, the measurement unit 40 and the calculation unit 24 are not connected by wire, so that the stray capacitance with respect to the ground potential of the measurement unit 40 can be further reduced (minimized). Can do.
Such minimization of stray capacitance increases the measurement upper limit of the frequency of the power source for plasma generation. Of course, 13.56 MHz and 27 MHz which are currently used frequencies are 60 MHz and higher. The electron energy distribution in the generated plasma can also be measured.
Furthermore, the wireless connection between the measurement unit 40 and the calculation unit 24 can be distributed and remote from the arrangement of components on the device configuration, and can provide various merits. I will provide a.
[0041]
Next, a second modification example of the above-described embodiment will be described with reference to FIG. Here, the components shown in FIG. 9 that are the same as the components shown in FIG. 8 described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
This measuring apparatus is an example in which the chamber 2 is formed of an insulator 2a. The electron energy distribution measuring method proposed by the present invention is such that the probe potential is constantly floating, and in principle there is no need to supply and measure the probe current from the plasma, and the chamber 2 for generating plasma. Can be measured even if formed by an insulating member. For example, a chamber for generating plasma in a plasma etching apparatus is formed of an insulating member such as alumina. Even in such a case, the electron energy distribution can be measured.
This is achieved because the measurement of the electron energy distribution of the present invention is performed using a probe having a potential that is in a floating state with respect to the ground potential.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the method and apparatus for measuring the electron energy distribution in plasma of the present invention, the following excellent effects can be achieved.
By obtaining the floating potential difference while appropriately changing the pulse height of the pulse voltage applied to the heating probe, the energy distribution of electrons in the high-frequency plasma can be obtained appropriately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle diagram for explaining an emissive probe method used in the method of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the probe current when the voltage of the high-frequency power generating plasma is in the positive phase and in the reverse phase.
FIG. 3 is a graph showing changes in probe current when a pulse voltage is applied to a heating probe.
FIG. 4 is a block diagram showing an electron energy distribution measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a state when a pulse voltage is applied to a heating probe.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the principle of the method of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing an example of the relationship between electron energy (E) and the number of electrons (n).
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a first modification according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a second modification according to the present invention.
[Explanation of symbols]
2 Plasma generator 4 Heating probe 6 High frequency power supply 8 Parallel plate electrode 14 Pulse power supply 18 Dummy probe 20 Synchroscope (detection means)
24 arithmetic unit P plasma

Claims

In the method of the electron energy distribution in the generated plasma frequency power, and insert the heating probe which is heated by energization in the plasma, the pulse voltage having a thermal time constant by Litan have a period of the heating probe the Yes voltage period and no-voltage phase before Symbol pulse voltage with plasma frequency included in the thermoelectric element described above released in addition to the heating probe is heated enough to emit thermal electrons to higher than the frequency of the high frequency power The method of measuring the electron energy distribution in the plasma is characterized in that the floating potential difference in the plasma is detected while variously changing the potential of the pulse voltage, and the electron energy distribution in the plasma is obtained based on the detected value .

In a device for measuring electron energy distribution in plasma generated by high-frequency power, a heating probe inserted into the plasma and a pulse voltage with a variable pulse height applied to the heating probe to emit thermoelectrons A pulse power source that heats the heating probe to the extent that it is, detection means for detecting a floating potential difference between a voltage period and a non-voltage period of the pulse voltage, and an electron energy distribution in the plasma based on a detection value of the detection means And an electron energy distribution measuring device in plasma.

In a measuring device that measures the electron energy distribution in the plasma region generated by high-frequency power,
A heating probe having a probe portion inserted into the plasma region and heated by application of a pulse voltage;
By applying a pulse voltage to the heating probe, a pulse power source to the probe unit thermionic powered by a battery heating to ready release,
Is constituted by a single integrated circuit elements on a substrate, a detector for detecting a floating potential difference chromatic voltage period (H level) and the no-voltage period (L level) before SL pulse voltage,
An A / D conversion unit configured to be integrated with the detection unit or on a separate substrate and digitize measurement data obtained by the detection unit;
It has an electrical signal and optical signal mutual conversion function and communication function, and changes the measurement data from the A / D converter to an optical signal and transmits it, or converts the control signal of the received optical signal into an electrical signal A first optical signal converter that
A second function of converting the measurement data transmitted from the first optical signal conversion unit into an electrical signal or converting the control signal into an optical signal; An optical signal converter;
A calculation unit for obtaining an electron energy distribution in the plasma region based on the measurement data given by the second optical signal conversion unit;
An apparatus for measuring an electron energy distribution in plasma, comprising: a display unit that displays the electron energy distribution obtained by the arithmetic unit.