JP4881775B2

JP4881775B2 - 光源

Info

Publication number: JP4881775B2
Application number: JP2007080340A
Authority: JP
Inventors: 勝堀; 浩之加納; 昭治田
Original assignee: Nagoya University NUC; Katagiri Engineering Co Ltd; NU Eco Engineering Co Ltd; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Nagoya University NUC; Katagiri Engineering Co Ltd; NU Eco Engineering Co Ltd; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: JP2008243492A; US8310673B2; US20100201978A1; WO2008123196A1

Description

本発明は、プラズマ雰囲気の原子又は分子などの粒子の密度を測定するために、プラズマを生成する反応室に挿入して使用する光源に関する。

原料ガスをラジカル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場合に、これらの処理を精密に制御するためには、プラズマ雰囲気のラジカルなどの原子密度を測定して、プラズマの発生を制御することが必要である。このためには、光をプラズマ雰囲気に照射して、この光の吸光特性から、原子密度を測定することが行われている。

この粒子密度を測定するためには、光源が必要である。その光源は、下記特許文献１に開示されているように、反応室の外に設けて、外側からプラズマ生成ガスと同一ガスの放電により得られた光をプラズマ雰囲気中に照射して、このプラズマ雰囲気を通過させて、原子ラジカルに吸収された光を反応室の外部に設けた分光装置で分光する方法がある。

特開２０００−１２３９９６

しかし、この方法では、光のプラズマ雰囲気への照射位置を走査することが困難であるために、プラズマ雰囲気における粒子密度の空間分布を正確に測定することは困難である。これを解消するためには、プラズマ雰囲気中に移動可能に光源を挿入して、これに対向して移動可能に配設さたプローブで、プラズマ雰囲気を透過した光を受光することが必要である。

そこで、本発明の目的は、プラズマ雰囲気の状態を乱すことなく、プラズマ雰囲気中に挿入可能な光源を実現することである。

第１の発明はプラズマ雰囲気を生成する反応室に挿入して、原子又は分子密度を吸光分光により測定するための光源において、管状の筐体と、該筐体の内壁に沿って該筐体の軸方向に設けられ、筐体の根元部から筐体の先端に向けて冷却媒体を供給する往路と先端から根元部に向けて冷却媒体を帰還させる復路とを有した、冷却媒体を流通させる冷却媒体流通路と、筐体の先端に配設されたレンズと、レンズの手前であって、筐体内部において、その筐体の軸に垂直に、相互に平行に、配設された第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に配設された絶縁スペーサと、第１電極、絶縁スペーサ及び第２電極の中央部を軸の方向に貫通する孔と、冷却媒体流通路の壁面に沿って筐体の軸方向に形成され、筐体の根元部から筐体の先端に向けて、放電ガスを、レンズの裏面に向かって導入する往路と、放電ガスをレンズで反射させて、孔を通して、放電ガスを根元部に流通させる復路とを有する放電ガス流通路とを有することを特徴とする光源である。

ここで、冷却媒体流通路は、管状の筐体の側壁の中に、埋め込まれたもの、管状の管体の内側に間隙を設けて管状の管体を挿入して端面を封止し、この間隙を冷却媒体流通路としたもの、管状の筐体の外側又は内側にラセン状の管を設けたものなどで構成することができる。筐体の先端に設けられたレンズは、電極間での放電による光を透過して、平行光線とするレンズである。

プラズマは、電子、原子ラジカル、分子ラジカル、原子イオン、分子イオンなどの中性粒子や荷電粒子の集合体である。本発明は、特定のスペクトルの吸光特性を有する粒子のプラズマ雰囲気における密度を測定するための光源である。筐体を管状のロッドで構成でき、その先端から光が出力されるので、筐体の径を極めて小さく構成でき、プラズマ雰囲気に挿入して、プラズマの状態を乱すことなく、プラズマ雰囲気の粒子密度分布を正確に測定することができる。

第２の発明は、第１の発明において、第２電極を絶縁スペーサに押圧する導電性バネを有して、このバネを介して第２電極に電圧を印加することを特徴とする。

第３の発明は、第１電極、絶縁スペーサ及び第２電極を支持し、筐体内部に軸に平行に挿入された電極ホルダーであって、該電極ホルダーの外壁と冷却媒体流通路の壁面との間に間隙を設けて、軸方向に移動可能に配設された管状の電極ホルダーを有し、間隙及びこの電極ホルダーの内部空間を放電ガス流通路としたことを特徴とする。

第１の発明によると、冷却媒体により、冷却媒体流通路が冷却されて、この冷却媒体流通路に接して、供給される放電ガスが冷却される。この放電ガスは、第１電極と第２電極の孔に供給されて、それらの電極が冷却される。この放電ガスによる電極の冷却効果により、継続して安定した放電が実現する。したがって、光量の変動が小さい安定した光源が実現され、粒子密度の測定精度が向上する。また、放電ガスは、レンズの裏面に向かって供給され、このレンズで反射された放電ガスが電極の孔に向かって流れる。したがって、放電ガスのプラズマ粒子がレンズの裏面に向かって飛散する方向と、放電ガス流の方向とは、反対方向になるので、プラズマ粒子がレンズの裏面に付着することが防止される。これにより、光の強度を一定とすることができ、粒子密度を正確に測定することができる。

第２の発明によると、第２電極への通電は、バネを介して行っているので、第２電極への給電を良好に行うことができる。また、絶縁スペーサを厚さの異なるものに交換した場合でも、バネにより第２電極を絶縁スペーサに押圧しているので、安定した給電が可能となる。また、第２電極はバネにより絶縁スペーサに固定しているので、絶縁スペーサの交換が容易となる。

第３の発明によると、電極ホルダーの先端に第１電極、絶縁スペーサ、第２電極が配設されているが、この電極ホルダーは、筐体に対して、移動可能になっている。レンズの焦点距離は、水素原子、酸素原子、窒素原子などの放電ガスの放電により得られる光の発光波長により変化する。発光波長に応じて、電極の孔とレンズの相対的距離を調整することで、発光波長を変化させても、平行度の高い平行光線を得ることができ、粒子密度の測定精度を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書において特に言及している内容以外の技術的事項であって本発明の実施に必要な事項は、従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書によって開示されている技術内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

以下、実施例に基づいて、本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではなく、その実施例から把握される技術的思想が、発明の範囲である。

図１は、本実施例に係る光源の全体を示した構成図であり、図２は、その先端部の拡大図である。本実施例の光源１０は、ステンレス製の外径９ｍｍφの管状の筐体１２を有し、その根元部には、フランジ１４が、筐体１２の軸に垂直に設けられている。この筐体１２は、反応室２０の壁面２１に形成されているポート２２に取り付けられた窓材２６から、反応室２０に、挿入されている。この筐体１２のフランジ１４は、良く知られたＸＹＺチルト機構２４に設置されている。このＸＹＺチルト機構２４は、反応室２０の内部における筐体１２の先端のＸＹＺ座標を移動でき、また、筐体１２の軸を任意方向に傾斜できる機構である。

筐体１２の壁の内部には、図２に示すように、壁面に沿って、筒状の冷却媒体流通路３０が形成されている。この冷却媒体流通路３０は、１８０度の半円リング形状の往路３０１と半円リング形状の復路３０２とを形成するために、リングの直径方向に仕切り板（図示略）が設けられている。この仕切り板は、冷却媒体流通路３０の底部３０ａ付近まで、軸方向に伸びており、底部３０ａにおいて、往路３０１と復路３０２とは連通している。供給された冷却媒体は、レンズ５０に向かって往路３０１に沿って供給されて、この冷却媒体流通路３０の底部３０ａに至った後、復路３０２に沿って、帰還するように構成されている。この冷却媒体流通路３０は、フランジ１４に設けられた給水口１６と排水口１８に接続されている。冷却水は、この給水口１６から供給されて、冷却媒体流通路３０の往路３０１を、筐体１２の先端に向けて流れ、冷却媒体流通路３０の復路３０２をフランジ１４の方向に戻り、排水口１８から排水されるように構成されている。この冷却水の循環により、筐体１２は冷却される。なお、冷却媒体は、冷却水の他、ガルデンやフロリナートなどの冷却溶媒、冷却したガスを用いることができる。

筐体１２には、その軸方向に移動可能に、筒状のステンレス製の電極ホルダー４０が挿入されている。電極ホルダー４０の根元部には、フランジ４１が、電極ホルダー４０の軸に垂直に設けられている。電極ホルダー４０の先端部４０ａは、図３に示すように、軸方向に伸びた８個の凸部４０２が形成されており、それらの隣接する凸部間に、８個の溝４０１とが形成されている。８個の凸部４０２が、筐体１２の内壁面１３と接触して、電極ホルダー４０が軸方向に摺動可能に、筐体１２に保持されている。また、電極ホルダー４０の根元部４０ｂは、図５に示すように、軸方向に伸びた８個の凸部４０４が形成されており、隣接する凸部４０４間が８個の溝４０３を構成している。この８個の凸部４０４が、筐体１２に連設されたフランジ１４の中心孔１７の内壁面に当接して、電極ホルダー４０は軸方向に摺動可能に、筐体１２に保持されている。

フランジ１４の中心孔１７のフランジ４１に近い側の内壁面には、Ｏリング１４０が設けられており、これにより、筐体１２の内部の機密性を保持して、電極ホルダー４０が軸方向に摺動可能になっている。電極ホルダー４０の外壁面４９と、筐体１２の内壁面１３との間には、筒状の間隙１５が形成されている。また、フランジ１４には、放電ガスを供給する吸気口４２が設けられ、フランジ４１には、筐体１2内に供給された放電ガスを、排気する排気口４３が設けられている。吸気口４２から供給された放電ガスは、電極ホルダー４０の根元部４０ｂの溝４０３から、上記の筒状の間隙１５に供給される。放電ガスは、この間隙１５を流通し、放電ガスは筐体１２の内壁面１３を介して冷却される。間隙１５は、放電ガス流通路の一部を構成している。

筐体１２の先端には、レンズ５０が配設されている。筐体１２の筒の内側には螺子５４が形成され、外壁に螺子５５が形成されたリング状のフランジ５２が、螺子５４にこの螺子５５により螺子締めされている。また、筐体１２には、リング状のフランジ５６が形成されている。そして、このフランジ５６とフランジ５２との間に、両側から、Ｏリング５３、５１を介して、レンズ５０が固定されている。フランジ５２を螺子締めすることで、レンズ５０はフランジ５６に固定される。

電極ホルダー４０の先端には、カソード電極である第１電極４４とアノード電極である第２電極４５と、それらの間に介在するセラミックス製の厚さが０．２〜０．５ｍｍの範囲の任意の厚さである絶縁スペーサ４６が固定されている。第１電極４４、絶縁スペーサ４６、第２電極４５のそれぞれの中心部には、内直径０．１ｍｍ〜１ｍｍφの範囲の任意の内径を有した孔が連続して形成されて、連通孔４７が形成されている。電極ホルダー４０の先端には、筒の内部にリング状に突出して、筒の内壁に螺子込みされたフランジ６１が固定されている。第１電極４４、絶縁スペーサ４６及び第２電極４５は、コイルバネ６０により、フランジ６１の方向に付勢されて、フランジ６１に固定されている。コイルバネ６０の他端は、金属シャフト６３の先端に形成された平板状のフランジ６２が接触している。この金属シャフト６３は絶縁体６４で被覆されており、金属シャフト６３の根元部がフランジ４１の貫通孔４８を貫通してフランジ４１に固定されている。この金属シャフト６３は、反応室２０の外部に設けられた放電用パルス電源６５から給電されて、フランジ６２、導電性のコイルバネ６０を介して、第２電極４５に通電される。また、連通孔４７は、電極ホルダー４０の内部の空隙６７を介して、フランジ４１の排気口４３に接続されている。レンズ５０と第１電極４４との間の空隙、連通孔４７、空隙６７は、放電ガス流通路の一部を構成している。

本実施例の光源は、以上のように構成されている。次に、本光源の作用について説明する。まず、冷却水が、フランジ１４の給水口１６、筐体１２の壁面内に設けられた冷却媒体流通路３０の往路３０１に、レンズ５０の側に向けて供給される。冷却水は冷却媒体流通路３０の復路３０２を通り、フランジ１４の排水口１８を介して排水される。このように、冷却媒体流通路３０に冷却水を循環させることで、筐体１２が冷却される。

次に、放電ガスがフランジ１４の吸気口４２から、８個の溝４０３を通過して、電極ホルダー４０の外壁面４９と筐体１２の内壁面１３との間に形成されている筒状の間隙１５に供給される。この筒状の間隙１５を放電ガスが通過する間に、筐体１２の内壁面１３により、放電ガスは冷却される。この冷却された放電ガスは、さらに、レンズ５０の裏面５７に向かって流れ、その裏面５７に沿って、中心軸方向に流れる。そして、第１電極４４、絶縁スペーサ４６、第２電極４５に形成された連通孔４７に吸引されてる。さらに、放電ガスは、金属シャフト６３と電極ホルダー４０の内壁面６６との間に形成されている空隙６７を介して、吸引され、フランジ４１の排気口４３から排気される。そして、連通孔４７の第１電極４４の部分において、放電が発生する。この時、放電ガスは冷却されているので、第１電極４４と第２電極４５とが、異常に加熱することが防止される。この結果、放電が安定し、強度の安定した発光が得られる。また、放電ガスは、レンズ５０の裏面５７に沿って流れるので、この裏面５７を清掃する作用をし、裏面５７が汚染されることがない。また、放電ガスは、レンズ５０から第１電極４４に向けての流れとなるので、第１電極４４の連通孔４７で発生したプラズマが、レンズ５０の裏面５７に向かって流れることがない。この結果、レンズ５０の裏面５７が汚染されることがなく、レンズ５０が曇ることがないために、レンズ５０を通過した光の強度が安定したものとなる。よって、粒子密度を精密に測定することができる。

本実施例に係る光源は、上記の作用効果の他に、以下の作用効果を奏する。まず、ＸＹＺチルト機構２４により、反応室２０内における筐体１２の先端の位置を制御できる。したがって、光源の位置を変化させることにより、プラズマ雰囲気の粒子密度の空間分布を正確に測定することが可能となる。また、筒状の筐体１２の外径は９ｍｍφであるので、プラズマの状態を乱すことがなく、粒子密度分布を正確に測定することができる。冷却媒体により筐体１２が冷却されていることから、第１電極４４、第２電極４５、レンズ５０、Ｏレンズ５１、５３、コイルスプリング６０を劣化させることがない。また、本光源１０を構成している各部品が冷却されているので、熱膨張が抑制されて、組み付け精度が向上する。コイルスプリング６０により第２電極４５を絶縁スペーサ４６に押圧していることから、電気的接触が安定し、電極に対する給電を安定化することができる。また、電極ホルダ４０は筐体１２に対して軸方向に移動可能であるので、レンズ５０と第１電極４４との距離が調整可能である。このため、この距離を、発光波長に最適な距離とすることができ、発光波長を変化させても、精度の高い平行光線を得ることができる。すなわち、水素ラジカル、酸素ラジカル、窒素カラジカルの密度を測定するためには、放電ガスには、水素ガス、酸素ガス、窒素ガスが、それぞれ、用いられるが、これらの発光の波長が変化する場合であっても、共通の本実施例の光源を用いることができる。

第１電極４４と第２電極４５との間には、薄いセラミックス製の絶縁スペーサ４６が設けられているので、電極間の異常放電を防止でき、電極の消耗を防止できる。また、この絶縁スペーサ４６により、第１電極４４と第２電極４５との精度の高い平行度を得ることができるので、放電が安定する。さらに、絶縁スペーサ４６の厚さを、放電ガスなどに応じて最適化することにより、放電を安定化し、安定した強度の光を得ることができる。また、第１電極４４の幅を、連通孔４７の位置では、１ｍｍ程度と狭くし、軸から外径方向に離れた位置では、２ｍｍ程度と厚くすることで、発光輝度を向上させることができると共に、第１電極４４の放熱特性を良好にすることができる。

また、第１電極４４と第２電極４５とに無酸素銅を用いることにより、発光源のプラズマに不純物が混入することが防止されるので、発光波長を所望の純粋なものとすることができる。また、放熱特性を良好とすることができる。光源は、筐体１２の先端部分に位置するために、筐体１２の反応室２０における位置を変化させても、同一の発光強度を得ることができ、粒子密度の空間分布を正確に測定することができる。
また、レンズ５０には、段付きレンズを用いていることか、組立精度を向上させることができる。本実施例の光源１０の構成部品を組み付け前に、真空でベーキングすることで、これらの部品から不純物ガスが放出されることが防止でき、発光スペクトルを純粋なものとすることができる。

本発明は、プラズマ処理装置やプラズマを用いた成膜、エッチングを精度良く実行するためにプラズマ雰囲気の粒子密度を正確に測定することに用いることができる。

本発明の具体的な一実施例に係る粒子密度測定のための光源を示した構成図。同実施例に係る光源の拡大図。同実施例に係る光源の電極ホルダーの先端の構成図。同実施例に係る光源の電極ホルダーの根元部及びフランジの構成図。同実施例に係る光源の電極ホルダーの根元部の構成図。

１０…光源
１２…筐体
１４…フランジ
１５…間隙
３０…冷却媒体流通路
４０…電極ホルダー
４１…フランジ
４３…排気口
４４…第１電極
４５…第２電極
４６…絶縁スペーサ
４７…連通孔
５０…レンズ
６０…コイルスプリング
６３…金属シャフト
４２…吸気口

Claims

プラズマ雰囲気を生成する反応室に挿入して、原子又は分子密度を吸光分光により測定するための光源において、
管状の筐体と、
該筐体の内壁に沿って該筐体の軸方向に設けられ、前記筐体の根元部から前記筐体の先端に向けて冷却媒体を供給する往路と前記先端から前記根元部に向けて冷却媒体を帰還させる復路とを有した、冷却媒体を流通させる冷却媒体流通路と、
前記筐体の先端に配設されたレンズと、
前記レンズの手前であって、前記筐体内部において、その筐体の軸に垂直に、相互に平行に、配設された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配設された絶縁スペーサと、
前記第１電極、前記絶縁スペーサ及び前記第２電極の中央部を前記軸の方向に貫通する孔と、
前記冷却媒体流通路の壁面に沿って前記筐体の軸方向に形成され、前記筐体の前記根元部から前記筐体の前記先端に向けて、放電ガスを、前記レンズの裏面に向かって導入する往路と、前記放電ガスを前記レンズで反射させて、前記孔を通して、放電ガスを前記根元部に流通させる復路とを有する放電ガス流通路と
を有することを特徴とする光源。
前記第２電極を前記絶縁スペーサに押圧する導電性バネを有して、該バネを介して前記第２電極に電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の光源。
前記第１電極、前記絶縁スペーサ及び前記第２電極を支持し、前記筐体内部に前記軸に平行に挿入された電極ホルダーであって、該電極ホルダーの外壁と前記冷却媒体流通路の壁面との間に間隙を設けて、軸方向に移動可能に配設された管状の電極ホルダーを有し、前記間隙及び該電極ホルダーの内部空間を前記放電ガス流通路としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源。