JP5938592B2 - Measuring method, measuring apparatus, and film forming apparatus for impurities in plasma - Google Patents

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本発明は、プラズマ中に存在する不純物の密度を計測する不純物の計測方法、計測装置、及び成膜装置に関する。   The present invention relates to an impurity measuring method, a measuring apparatus, and a film forming apparatus for measuring the density of impurities present in plasma.

現在、例えば半導体やガラス基板に対する成膜において、いわゆるプラズマ処理が積極的に用いられている。このようなプラズマ処理において所望の膜特性を得るには、プラズマ自体に不純物が混入しないことが重要である。例えば、プラズマALD(Atomic Layer Deposition)などのプロセス中に、酸素等が膜中に取り込まれ、膜特性を低下させる。特に、誘導結合プラズマ方式を用い、成膜容器の壁に石英等の誘電体が設けられた成膜装置では、プラズマにより石英等の誘電体の壁面がスパッタリングされ、酸素が不純物として膜中に取り込まれ易い。   Currently, for example, so-called plasma treatment is actively used in film formation on semiconductors and glass substrates. In order to obtain desired film characteristics in such plasma processing, it is important that no impurities are mixed into the plasma itself. For example, during a process such as plasma ALD (Atomic Layer Deposition), oxygen or the like is taken into the film and the film characteristics are deteriorated. In particular, in a film forming apparatus using a dielectric such as quartz on the wall of a film forming container using an inductively coupled plasma method, the wall surface of the dielectric such as quartz is sputtered by the plasma, and oxygen is taken into the film as an impurity. It is easy.

このような成膜において、例えばシリコンチッ化膜を基板に成膜するとき、酸素(酸素原子)が不純物として膜中に取り込まれることは好ましくない。成膜容器内の不純物である酸素(酸素原子)の発生源を調べるために、プラズマ中の酸素(酸素原子)の密度を求めることは有効である。
プラズマ中の酸素原子等の不純物原子の発光強度とプラズマに添加されたトレースガスの発光強度を計測し、その発光強度の比から酸素原子等の基底状態の密度を算出する発光分光法では、低圧かつ高密度プラズマにおいては比較的感度良く計測できるが、プラズマ中で発光に起因する原子の励起状態の原子の密度は電子エネルギーに強く依存するため、算出された基底状態の原子の密度には高い信頼性が得られにくい。
これに対して、生成中のプラズマにレーザ光を照射したとき酸素原子が発生する蛍光を受光して酸素原子の密度を求めるレーザ光誘起蛍光法(LIF法)が知られている(下記特許文献1)。
In such film formation, for example, when a silicon nitride film is formed on a substrate, it is not preferable that oxygen (oxygen atoms) be taken into the film as an impurity. It is effective to obtain the density of oxygen (oxygen atoms) in the plasma in order to investigate the source of oxygen (oxygen atoms) that are impurities in the film formation container.
In emission spectroscopy, which measures the emission intensity of impurity atoms such as oxygen atoms in the plasma and the emission intensity of the trace gas added to the plasma, and calculates the density of the ground state of oxygen atoms from the ratio of the emission intensity, In high-density plasma, it can be measured with relatively high sensitivity. However, the density of excited atoms in the plasma caused by light emission is strongly dependent on the electron energy, so the calculated density of atoms in the ground state is high. Reliability is difficult to obtain.
On the other hand, there is known a laser light induced fluorescence method (LIF method) for receiving the fluorescence generated by oxygen atoms when the plasma being generated is irradiated with laser light to obtain the density of oxygen atoms (the following patent document). 1).

“Detection of atomic oxygen: Improvement of actinometry and comparison with laser spectroscopy”, H. M. Katsch et al., Journal Of Applied Physics, 88, Number 11 (2000),pp6232“Detection of atomic oxygen: Improvement of actinometry and comparison with laser spectroscopy”, H. M. Katsch et al., Journal Of Applied Physics, 88, Number 11 (2000), pp6232.

しかし、上記LIF法では、発光種(発光する原子の種類)がレーザにより励起される粒子に限られるため、励起される原子の種類の密度が低い場合には、誘起蛍光が微弱になり、十分なS/N比が得られなくなるといった検出感度の問題が生じる。
このように、現在、酸素原子等の不純物原子の密度が低い場合であっても。酸素原子の密度の信頼性のある算出結果を得ることができる方法は、知られていない。
However, in the above LIF method, since the luminescent species (types of light emitting atoms) are limited to particles excited by a laser, when the density of the type of excited atoms is low, the induced fluorescence becomes weak and sufficient As a result, a problem of detection sensitivity occurs such that a high S / N ratio cannot be obtained.
Thus, even if the density of impurity atoms such as oxygen atoms is low at present. A method that can obtain a reliable calculation result of the density of oxygen atoms is not known.

そこで、本発明は、生成したプラズマ中に存在する不純物の原子(以降、不純物原子ともいう)の密度を、信頼性を持って算出することができる不純物計測方法、計測装置、及び、この計測装置を用いた成膜装置を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides an impurity measurement method, a measurement apparatus, and the measurement apparatus that can reliably calculate the density of impurity atoms (hereinafter also referred to as impurity atoms) present in the generated plasma. An object of the present invention is to provide a film forming apparatus using the above.

本発明の一態様は、プラズマ中の不純物を計測する計測方法である。当該方法は、
プラズマを生成するプラズマ生成ステップと、
前記プラズマ中のガスの励起状態から準安定状態への下方遷移により生じる発光強度と、前記プラズマ中の不純物の励起状態から準安定状態への下方遷移により生じる発光強度とを計測する第1計測ステップと、
前記プラズマにレーザ光を照射して、レーザ光のうち、前記ガスに吸収されることなく前記プラズマを透過した透過光の強度と、レーザ誘起による前記ガスの蛍光強度を計測する第2計測ステップと、
前記第2計測ステップで得られた前記透過光の強度から算出される前記ガスの光吸収係数と前記ガスの蛍光強度とを用いて、前記ガスの準安定状態の密度を求め、前記ガスの励起状態からの下方遷移により生じる発光強度と前記プラズマ中の不純物の励起状態からの下方遷移により生じる発光強度との間の発光強度比と、前記密度と、を用いて、前記不純物の密度を算出する算出ステップと、を有する。
One embodiment of the present invention is a measurement method for measuring impurities in plasma. The method is
A plasma generation step for generating plasma;
A first measurement step of measuring emission intensity caused by a downward transition from an excited state of a gas in the plasma to a metastable state and emission intensity caused by a downward transition of an impurity in the plasma from the excited state to a metastable state. When,
A second measuring step of irradiating the plasma with laser light and measuring the intensity of transmitted light that has passed through the plasma without being absorbed by the gas, and the fluorescence intensity of the gas induced by laser; ,
Using the light absorption coefficient of the gas calculated from the intensity of the transmitted light obtained in the second measurement step and the fluorescence intensity of the gas, the density of the metastable state of the gas is obtained, and the excitation of the gas The density of the impurity is calculated by using the emission intensity ratio between the emission intensity caused by the downward transition from the state and the emission intensity caused by the downward transition from the excited state of the impurity in the plasma, and the density. A calculation step.

前記第1計測ステップでは、前記発光強度比が、前記プラズマ中の分布として計測され、
前記第2計測ステップでは、前記ガスの蛍光強度が、前記レーザ光の光路に沿った分布として計測され、
前記算出ステップでは、前記不純物の密度が前記プラズマ中の分布として算出される、ことが好ましい。
In the first measurement step, the emission intensity ratio is measured as a distribution in the plasma,
In the second measurement step, the fluorescence intensity of the gas is measured as a distribution along the optical path of the laser beam,
In the calculating step, the density of the impurities is preferably calculated as a distribution in the plasma.

前記算出ステップでは、前記第2計測ステップで得られた前記ガスの光吸収係数と前記ガスの蛍光強度から、前記ガスの準安定状態の密度が求められ、当該ガスの準安定状態の密度から前記プラズマ中の電子温度が算出される、ことが好ましい。   In the calculation step, the density of the metastable state of the gas is obtained from the light absorption coefficient of the gas obtained in the second measurement step and the fluorescence intensity of the gas, and the density of the metastable state of the gas is calculated from the density of the gas. It is preferred that the electron temperature in the plasma is calculated.

前記不純物の密度は、例えば、前記発光強度比と、前記ガスの密度と、前記ガスの準安定状態の密度と、前記電子温度と、前記不純物原子の密度とを関係付けた下記式(4)を用いて算出され得る。   The density of the impurity is, for example, the following formula (4) that relates the emission intensity ratio, the density of the gas, the density of the metastable state of the gas, the electron temperature, and the density of the impurity atoms. Can be calculated using

Figure 0005938592
Figure 0005938592

前記ガスは、例えば、アルゴンガスであり、前記不純物は例えば酸素である。
このとき、前記アルゴンの励起状態からの下方遷移により生じる発光強度は、777.2nmの光強度であり、前記酸素の励起状態から下方遷移により生じる発光強度は、777nmの光強度であり、前記プラズマに照射するレーザ光の波長は696.54nmであり、前記ガスの蛍光強度の波長は772.4nmである。
The gas is, for example, argon gas, and the impurity is, for example, oxygen.
At this time, the emission intensity generated by the downward transition from the excited state of argon is a light intensity of 777.2 nm, the emission intensity generated by the downward transition from the excited state of oxygen is a light intensity of 777 nm, and the plasma The wavelength of the laser beam applied to the gas is 696.54 nm, and the wavelength of the fluorescence intensity of the gas is 772.4 nm.

本発明の他の態様は、プラズマ中の不純物を計測する計測装置である。当該計測装置は、
プラズマを生成するプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器内でプラズマを生成するプラズマ生成ユニットと、
前記プラズマ中の前記ガスの励起状態から準安定状態への下方遷移により生じる発光強度と、前記プラズマ中の不純物の励起状態から準安定状態への下方遷移により生じる発光強度を計測するともに、レーザ光の誘起により発する前記ガスの蛍光の蛍光強度を計測する第1計測ユニットと、
前記プラズマにレーザ光を照射して、レーザ光のうち、前記ガスに吸収されることなく前記プラズマを透過した透過光の強度と、レーザ誘起による前記ガスの蛍光強度を計測する第2計測ユニットと、
前記第2計測ユニットで得られた前記ガスの光吸収係数と前記第1計測ユニットで得られた前記ガスの蛍光強度を用いて前記ガスの準安定状態の密度を求め、前記ガスの励起状態からの下方遷移により生じる発光強度と前記プラズマ中の不純物の励起状態からの下方遷移により生じる発光強度との間の発光強度比と、求めた前記密度とを用いて、前記不純物の密度を算出する算出ユニットと、を有する。
Another aspect of the present invention is a measuring device that measures impurities in plasma. The measuring device is
A plasma generation vessel for generating plasma;
A plasma generation unit for generating plasma in the plasma generation vessel;
The light emission intensity generated by the downward transition from the excited state of the gas in the plasma to the metastable state and the light emission intensity generated by the downward transition of the impurity in the plasma from the excited state to the metastable state are measured. A first measurement unit for measuring the fluorescence intensity of the fluorescence of the gas emitted by the induction of
A second measuring unit that irradiates the plasma with laser light, and measures the intensity of the transmitted light that has passed through the plasma without being absorbed by the gas, and the fluorescence intensity of the gas induced by the laser; ,
Using the light absorption coefficient of the gas obtained by the second measurement unit and the fluorescence intensity of the gas obtained by the first measurement unit, the density of the metastable state of the gas is obtained, and from the excited state of the gas The calculation of calculating the density of the impurity using the emission intensity ratio between the emission intensity caused by the lower transition of the light emission and the emission intensity caused by the lower transition from the excited state of the impurity in the plasma and the obtained density And a unit.

その際、前記第1計測ユニットは、前記発光強度比を、前記プラズマ中の分布として計測し、
前記第2計測ユニットは、前記ガスの蛍光強度を、前記レーザ光の光路に沿った分布として計測し、
前記算出ユニットは、前記不純物の密度を前記プラズマ中の分布として算出する、ことが好ましい。
At that time, the first measurement unit measures the emission intensity ratio as a distribution in the plasma,
The second measurement unit measures the fluorescence intensity of the gas as a distribution along the optical path of the laser light,
It is preferable that the calculation unit calculates the density of the impurity as a distribution in the plasma.

前記算出ユニットは、計測された前記ガスの光吸収係数と前記ガスの蛍光強度から、前記ガスの準安定状態の密度を求め、当該ガスの準安定状態の密度を用いて、前記プラズマ中の電子温度を算出する、ことが好ましい。   The calculation unit obtains the metastable density of the gas from the measured light absorption coefficient of the gas and the fluorescence intensity of the gas, and uses the metastable density of the gas to calculate the electrons in the plasma. It is preferable to calculate the temperature.

前記算出ユニットは、前記発光強度比と、前記ガスの密度と、前記ガスの準安定状態の密度と、前記電子温度と、前記不純物の密度とを関係付けた下記式(4)を用いて、前記不純物の密度を算出することができる。   The calculation unit uses the following equation (4) that relates the emission intensity ratio, the gas density, the gas metastable state density, the electron temperature, and the impurity density: The density of the impurities can be calculated.

Figure 0005938592
Figure 0005938592

本発明の他の態様は、前記計測装置を備えた、基板に薄膜を生成する成膜装置である。当該成膜装置では、
前記プラズマ生成容器に、成膜用原料ガスが前記プラズマ生成用のガスとともに導入され、前記プラズマ生成容器に配置された基板を成膜し、
さらに、算出された前記不純物の密度に応じて、前記不純物の密度が低下するように、前記プラズマの生成のための条件を変更する制御装置を有する。
Another aspect of the present invention is a film forming apparatus that includes the measurement device and generates a thin film on a substrate. In the film forming apparatus,
A source gas for film formation is introduced into the plasma generation container together with the gas for plasma generation, and a substrate disposed in the plasma generation container is formed into a film,
Furthermore, a control device is provided that changes the conditions for generating the plasma so that the impurity density is reduced in accordance with the calculated impurity density.

上述の不純物計測方法、計測装置では、発光分光法により不純物原子の基底状態の密度を求める際に、励起状態と基底状態の密度の関係をより厳密に決定することができるので、生成したプラズマ中に存在する不純物原子の密度を信頼性を持って算出することができる。このため、生成されたプラズマ中の不純物の密度を制御して不純物の混入し難い成膜を行うことができる成膜装置を提供することができる。   In the impurity measurement method and the measurement apparatus described above, the relationship between the excited state and the ground state density can be determined more precisely when the density of the ground state of the impurity atoms is determined by emission spectroscopy. It is possible to calculate the density of impurity atoms present in the substrate with reliability. Therefore, it is possible to provide a film forming apparatus that can control the density of impurities in the generated plasma and perform film formation in which impurities are hardly mixed.

本実施形態の計測方法を実施する成膜装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the film-forming apparatus which implements the measuring method of this embodiment. 本実施形態の成膜装置に用いる計測システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the measuring system used for the film-forming apparatus of this embodiment. 本実施形態である不純物原子の密度の算出方法のフローチャートである。It is a flowchart of the calculation method of the density of impurity atoms which is this embodiment. (a)は、アルゴン原子の遷移の例を示す図であり、(b)は、酸素原子の遷移の例を示す図である。(A) is a figure which shows the example of transition of an argon atom, (b) is a figure which shows the example of transition of an oxygen atom. 本実施形態の方法により求められた、プラズマ中に混在する酸素原子の密度分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the density distribution of the oxygen atom mixed in the plasma calculated | required by the method of this embodiment. 本実施形態及び従来の方法により得られる、不純物である酸素原子の平均密度の算出結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the average density of the oxygen atom which is an impurity obtained by this embodiment and the conventional method. アルゴン原子の遷移の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of transition of an argon atom.

以下、本発明のプラズマ中の不純物の計測方法、計測装置、及び成膜装置の一実施形態について詳細に説明する。
プラズマ中の不純物の計測方法及び不純物の計測装置は、プラズマにより成膜容器の壁材がスパッタされることにより、プラズマ中に不純物の原子が含まれた時、この不純物の原子の密度を計測する方法である。本実施形態では、プラズマ中のプラズマ生成用のガスの発光強度と不純物の原子の発光強度との発光強度比を求めるプラズマ発光分光法と、レーザ光をプラズマに照射したとき、プラズマ中のプラズマ生成用のガスの発する蛍光の蛍光強度を計測するレーザ光誘起蛍光法(LIF法)を用いて、不純物の原子の密度を算出する。
以下の説明では、プラズマ生成用のガスとしてアルゴンガスを例として挙げて説明するが、アルゴンガスに限定されない。少量の添加で成膜プロセスに影響を与えないガスであればよく、例えばヘリウムガスなどの希ガスを用いることもできる。不純物の原子の例として、酸素原子を挙げて説明するが、本発明においては、酸素原子に限定されない。プラズマ発光分光法を行うことができるものであればよく、例えば、フッ素原子や窒素原子を対象とすることができる。
Hereinafter, an embodiment of a method for measuring impurities in plasma, a measuring apparatus, and a film forming apparatus according to the present invention will be described in detail.
The impurity measuring method and the impurity measuring apparatus in plasma measure the density of atoms of impurities when the wall of the film forming container is sputtered by the plasma and when the atoms of impurities are contained in the plasma. Is the method. In the present embodiment, plasma emission spectroscopy for obtaining a light emission intensity ratio between the light emission intensity of plasma generating gas in plasma and the light emission intensity of impurity atoms, and plasma generation in plasma when laser light is irradiated to the plasma. The density of impurity atoms is calculated using a laser light induced fluorescence method (LIF method) that measures the fluorescence intensity of the fluorescence emitted by the gas for use.
In the following description, argon gas is taken as an example of the plasma generation gas, but the plasma generation gas is not limited to argon gas. Any gas that does not affect the film formation process with a small amount of addition may be used. For example, a rare gas such as helium gas may be used. As an example of an impurity atom, an oxygen atom will be described. However, the present invention is not limited to an oxygen atom. Any device capable of performing plasma emission spectroscopy may be used. For example, fluorine atoms and nitrogen atoms can be targeted.

(計測方法の概略説明)
本実施形態の不純物の計測方法では、
(A)プラズマ生成用のガス、例えば発光観測用に添加するトレーサガス(以降、単にガスということもある)を用いてプラズマを生成する。
(B)次に、生成したプラズマ中のガスの励起状態から準安定状態への下方遷移(例えば、アルゴンガスであれば、4p’[1/2]→4s’[1/2] )により生じる発光強度と、プラズマ中の不純物(不純物原子)の励起状態から準安定状態への下方遷移(例えば、酸素原子であれば、3pP→3s )により生じる発光強度を計測する(第1計測)。
(C)さらに、生成中のプラズマにレーザ光を照射して、レーザ光のうち、プラズマ生成用のガスに吸収されることなくプラズマを透過した透過光の強度と、レーザ誘起による前記ガスの蛍光強度を計測する(第2計測)。このとき、レーザ光は、上述したプラズマ生成用のガスが励起状態に励起するような波長が選択される。
(D)第2計測で得られた透過光の強度から求められるガスの光吸収係数と前記ガスの蛍光強度とを用いて、このプラズマ中の前記ガスの準安定状態の密度を求める。さらに、このガスの励起状態から準安定状態への下方遷移により生じる発光強度とプラズマ中の不純物の励起状態から準安定状態への下方遷移により生じる発光強度との間の発光強度比と、求めた前記密度と、及び電子温度と、を用いて、不純物(不純物原子)の密度を算出する。
(Overview of measurement method)
In the impurity measurement method of this embodiment,
(A) Plasma is generated using a plasma generation gas, for example, a tracer gas (hereinafter sometimes simply referred to as a gas) added for light emission observation.
(B) Next, a downward transition from an excited state of a gas in the generated plasma to a metastable state (for example, 4p ′ [1/2] 1 → 4s ′ [1/2] O 0 in the case of argon gas). ) And the emission intensity caused by the downward transition from the excited state of the impurities (impurity atoms) in the plasma to the metastable state (for example, 3p 5 P → 3s 5 S O 2 if oxygen atoms). Measure (first measurement).
(C) Furthermore, the plasma being generated is irradiated with laser light, and the intensity of transmitted light that has passed through the plasma without being absorbed by the plasma generation gas in the laser light, and the fluorescence of the gas induced by the laser. The intensity is measured (second measurement). At this time, the wavelength of the laser beam is selected such that the above-described plasma generation gas is excited to an excited state.
(D) The metastable density of the gas in the plasma is obtained using the light absorption coefficient of the gas obtained from the intensity of transmitted light obtained in the second measurement and the fluorescence intensity of the gas. Furthermore, the emission intensity ratio between the emission intensity caused by the downward transition from the excited state of the gas to the metastable state and the emission intensity caused by the downward transition of the impurity in the plasma from the excited state to the metastable state was determined. The density of impurities (impurity atoms) is calculated using the density and the electron temperature.

図1は、上記計測方法を実施する成膜装置10の概略構成図である。図2は、成膜装置10の計測システム30の概略構成図である。
成膜装置10は、プラズマ生成容器である成膜容器12と、サセプタ14と、成膜対象用の基板16と、排気ユニット18と、ガス供給バルブ20と、原料ガス源22と、キャリアガス源24と、プラズマ生成ユニット26と、計測システム30と、制御装置40と、を有する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a film forming apparatus 10 that implements the measurement method. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the measurement system 30 of the film forming apparatus 10.
The film forming apparatus 10 includes a film forming container 12, which is a plasma generating container, a susceptor 14, a substrate 16 for film forming, an exhaust unit 18, a gas supply valve 20, a source gas source 22, and a carrier gas source. 24, a plasma generation unit 26, a measurement system 30, and a control device 40.

成膜容器12は、成膜容器12の内部を真空に排気することが可能な真空チャンバであり、例えば1〜100Pa程度に保持される。
サセプタ14は、成膜対象用の基板16を載置し、図示されない昇降機構により、図1中の紙面上下方向に昇降自在に移動する。
排気ユニット18は、例えばロータリーポンプやターボ分子ポンプを含む、成膜容器12の減圧雰囲気を一定の圧力に維持する他、所望の圧力に調整することができる。
ガス供給バルブ20は、原料ガス及びキャリアガスであるアルゴンガスを所定の流量に調整することが可能なバルブであり、成膜容器12内に原料ガス及びキャリアガスであるアルゴンガスを導入する。原料ガスとして、例えばSiNを成膜する場合、シランガス−窒素ガス、シランガス−アンモニア、あるいは、シランガス−窒素ガス−アンモニアが用いられる。原料ガスが複数種類の場合、原料ガス源22は、複数種類の原料ガス毎に用いられる。キャリアガス源24は、原料ガスを成膜容器12内に導入するとともに、プラズマ生成用のガス、例えばアルゴンガスを貯蔵したガス源である。
原料ガス及びキャリアガスが同時に成膜容器12内に導入され、プラズマ生成ユニット26の動作により、成膜容器12内でプラズマが生成される。すなわち、本実施形態の成膜は、プラズマを用いた成膜(PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)である。しかし、本実施形態の成膜装置、計測方法及び計測装置は、所定の原料ガスを基板16に流して、原子層単位で基板上に原料ガスの成分を吸着させ、この後、反応ガスをプラズマで活性化させて基板に吸着した原子層単位の原料ガスの成分の吸着層と反応させて膜を形成するようなプラズマを用いた原子層積層(PAALD:Plasma Assisted Atomic Layer Deposition)に適用することもできる。
The film forming container 12 is a vacuum chamber capable of exhausting the inside of the film forming container 12 to a vacuum, and is held at, for example, about 1 to 100 Pa.
The susceptor 14 mounts a substrate 16 for film formation, and moves up and down in a vertical direction on the paper surface in FIG. 1 by an elevator mechanism (not shown).
The exhaust unit 18 can be adjusted to a desired pressure in addition to maintaining the reduced pressure atmosphere of the film forming container 12 including a rotary pump or a turbo molecular pump at a constant pressure.
The gas supply valve 20 is a valve capable of adjusting the source gas and the argon gas that is the carrier gas to a predetermined flow rate, and introduces the argon gas that is the source gas and the carrier gas into the film forming container 12. For example, when forming a SiN film as the source gas, silane gas-nitrogen gas, silane gas-ammonia, or silane gas-nitrogen gas-ammonia is used. When there are a plurality of types of source gases, the source gas source 22 is used for each of the plurality of types of source gases. The carrier gas source 24 is a gas source that introduces a source gas into the film formation container 12 and stores a gas for generating plasma, such as argon gas.
The source gas and the carrier gas are simultaneously introduced into the film formation container 12, and plasma is generated in the film formation container 12 by the operation of the plasma generation unit 26. That is, the film formation of this embodiment is a film formation using plasma (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). However, the film forming apparatus, the measuring method, and the measuring apparatus of the present embodiment flow a predetermined source gas to the substrate 16 to adsorb the components of the source gas on the substrate in units of atomic layers, and then convert the reaction gas into plasma. Applied to atomic layer deposition (PAALD) using plasma that forms a film by reacting with the adsorption layer of the component gas component of the atomic layer activated by the substrate and adsorbed on the substrate You can also.

プラズマ生成ユニット26は、高周波電源26Aと、マッチングボックス26Bと、電極板26Cとを有する。
高周波電源26Aは、例えば13.56MHzの高周波電力を出力する。マッチングボックス26Bは、高周波電源26Aと電極板26Cとの間のインピーダンス整合を行う。電極板26Cは、幅広薄板形状の導体板であり、電極板26Cの一方の端、図1の例では図1中の右端から給電される。電極板26Cに高周波電流が流れることにより、高周波の磁場が成膜容器12内に形成され、この磁場の形成により成膜容器12内でプラズマが生成される。成膜容器12内の壁面には、電極板26Cがプラズマに直接晒されず、磁場に影響を与えないように、石英からなる誘電体板26Dが用いられる。電極板26Cの他方の端、図1の例では図1中の左端は接地されている。
図1で用いられるプラズマ生成ユニット26は、電極板26Cを用いたICP(Inductively-coupled Plasmas)方式であるが、本発明では、これに限定されない。プラズマ生成ユニット26に、例えばCCP(Capacitively-Coupled Plasma)方式やSWAP(Surface Wave-excited Plasma)方式のような低圧力高密度プラズマ源を用いることができる。
The plasma generation unit 26 includes a high frequency power supply 26A, a matching box 26B, and an electrode plate 26C.
The high frequency power supply 26A outputs high frequency power of 13.56 MHz, for example. The matching box 26B performs impedance matching between the high frequency power supply 26A and the electrode plate 26C. The electrode plate 26C is a wide thin plate-shaped conductor plate, and power is supplied from one end of the electrode plate 26C, that is, the right end in FIG. 1 in the example of FIG. When a high frequency current flows through the electrode plate 26 </ b> C, a high frequency magnetic field is formed in the film forming container 12, and plasma is generated in the film forming container 12 by the formation of this magnetic field. A dielectric plate 26D made of quartz is used on the wall surface in the film forming container 12 so that the electrode plate 26C is not directly exposed to plasma and does not affect the magnetic field. The other end of the electrode plate 26C, the left end in FIG. 1 in the example of FIG. 1, is grounded.
The plasma generation unit 26 used in FIG. 1 is an ICP (Inductively-coupled Plasmas) system using an electrode plate 26C, but is not limited to this in the present invention. For the plasma generation unit 26, for example, a low-pressure high-density plasma source such as a CCP (Capacitively-Coupled Plasma) method or a SWAP (Surface Wave-excited Plasma) method can be used.

計測システム30は、図2に示されるように、第1計測ユニット32と、第2計測ユニット用光源34と、第2計測ユニット用受光部36と、算出ユニット38と、ディスプレイ41と、プリンタ42と、を有する。第2計測ユニット用光源34と、第2計測ユニット用受光部36とにより、第2計測ユニットが形成されている。図2は、図1中のX−X’線に沿って成膜容器12を切断した断面図である。
第1計測ユニット32は、成膜容器12内で生成されるプラズマの発光強度や蛍光強度を画像として撮像するICCD(Intensified Charged Coupled Device)カメラである。第1計測ユニット32は、プラズマ中のアルゴンガス等のプラズマ生成用のガスの励起状態からの下方遷移により生じる発光強度と、プラズマ中の酸素原子等の不純物の原子の励起状態からの下方遷移により生じる発光強度を撮像するともに、後述するレーザ光の誘起により発するアルゴンガス等のプラズマ生成用のガスの蛍光の蛍光強度の像を撮像する。撮像された発光画像及び蛍光画像は算出ユニット38に送られる。
すなわち、成膜容器12には、計測用の窓32Aが設けられ、窓32Aを透過したプラズマの発光及び蛍光を撮像により計測することができるようになっている。第1計測ユニット32は、予め定められた異なる波長帯域の光を透過するようにフィルタ32Bが用いられる。フィルタ32Bが切り替えられることにより、異なる波長帯域の発光及び蛍光の画像をICCDカメラが受光するように構成されている。フィルタ32Bとしては、例えば、干渉フィルタが用いられる。
As shown in FIG. 2, the measurement system 30 includes a first measurement unit 32, a second measurement unit light source 34, a second measurement unit light receiving unit 36, a calculation unit 38, a display 41, and a printer 42. And having. The second measurement unit light source 34 and the second measurement unit light receiver 36 form a second measurement unit. FIG. 2 is a cross-sectional view of the film forming container 12 taken along the line XX ′ in FIG.
The first measurement unit 32 is an ICCD (Intensified Charged Coupled Device) camera that captures the emission intensity and fluorescence intensity of plasma generated in the film formation container 12 as an image. The first measuring unit 32 is based on the emission intensity generated by the downward transition from the excited state of the plasma generating gas such as argon gas in the plasma and the downward transition from the excited state of the atoms of impurities such as oxygen atoms in the plasma. In addition to imaging the generated emission intensity, an image of the fluorescence intensity of the fluorescence of a gas for plasma generation such as argon gas emitted by the induction of laser light described later is captured. The captured emission image and fluorescence image are sent to the calculation unit 38.
That is, the film forming container 12 is provided with a measurement window 32A, and the emission and fluorescence of plasma transmitted through the window 32A can be measured by imaging. The first measurement unit 32 uses a filter 32B so as to transmit light of different wavelength bands determined in advance. By switching the filter 32B, the ICCD camera is configured to receive light emission and fluorescence images in different wavelength bands. For example, an interference filter is used as the filter 32B.

第2計測ユニット用光源34は、プラズマにレーザ光を照射するように構成されている。成膜容器12には、石英等の透明性を有する窓34Eが設けられ、窓34Eを通して、成膜容器12内にレーザ光が入射されるようになっている。
第2計測ユニット用光源34は、レーザ光源ユニット34Aと、反射ミラー34Bと、レンズ系34Cと、入射窓34Dと、を有する。
レーザ光源ユニット34Aは、YAGレーザ、ダイレーザを用いて所定の波長のレーザ光、例えば、696.54nmのレーザ光を出射する。レーザ光は、反射ミラー34Bで反射され、シリンドリカルレンズを組み合わせたレンズ系34Cを通して、一定の幅を有する平行光Lを生成する。平行光Lは、成膜容器12の一方の端に設けられた入射窓34Dを通して成膜容器12内に入り、成膜容器12内のプラズマを照射する。成膜容器12の入射窓34Dと反対側の端には、出射窓36Aが設けられており、プラズマにより吸収されること無く透過した平行光Lは、出射窓36Aを通して第2計測ユニット用受光部36に受光される。
The second measuring unit light source 34 is configured to irradiate the plasma with laser light. The film forming container 12 is provided with a transparent window 34E made of quartz or the like, and laser light is incident on the film forming container 12 through the window 34E.
The second measurement unit light source 34 includes a laser light source unit 34A, a reflection mirror 34B, a lens system 34C, and an incident window 34D.
The laser light source unit 34A emits laser light having a predetermined wavelength, for example, laser light having a wavelength of 696.54 nm, using a YAG laser or a die laser. The laser light is reflected by the reflection mirror 34B, and generates parallel light L having a certain width through a lens system 34C in which cylindrical lenses are combined. The parallel light L enters the film forming container 12 through an incident window 34D provided at one end of the film forming container 12, and irradiates the plasma in the film forming container 12. An exit window 36A is provided at the end of the film formation container 12 opposite to the entrance window 34D, and the parallel light L transmitted without being absorbed by the plasma passes through the exit window 36A and is received by the second measurement unit light receiving unit. 36 receives light.

第2計測ユニット用受光部36は、光電変換器、例えばPINフォトダイオードやフォトトランジスタ等の光電変換器が用いられ、光電変換器がプラズマ生成用のガスであるアルゴンガスにより吸収されること無くプラズマを透過した特定の波長、例えば696.54nmの透過光を受光するように、光電変換器の受光面の前面にフィルタが設けられる。勿論、第2計測ユニット用受光部36はレーザ光を受光するので、ND(Neutral Density)フィルタや偏光板が用いられて透過光の強度を下げて第2計測ユニット用受光部36は受光する。第2計測ユニット用受光部36の受光により生成された受光信号は、算出ユニット38に送られる。
また、レーザ光をプラズマに照射するとき、第1計測ユニット32は、レーザ光のプラズマへの照射によってプラズマ生成用のガスの原子の発する、所定の波長の蛍光、例えば772.4nmの蛍光画像を受光する。第1計測ユニット32の受光により得られた蛍光画像は算出ユニット38に送られる。
The second measurement unit light receiving unit 36 uses a photoelectric converter, for example, a photoelectric converter such as a PIN photodiode or a phototransistor, and the photoelectric converter is not absorbed by argon gas, which is a plasma generating gas. A filter is provided on the front surface of the light receiving surface of the photoelectric converter so as to receive transmitted light having a specific wavelength transmitted through the light, for example, 696.54 nm. Of course, since the second measurement unit light receiving unit 36 receives laser light, an ND (Neutral Density) filter or polarizing plate is used to reduce the intensity of transmitted light, and the second measurement unit light receiving unit 36 receives light. The light reception signal generated by the light reception of the second measurement unit light receiver 36 is sent to the calculation unit 38.
In addition, when the laser beam is irradiated to the plasma, the first measurement unit 32 displays a fluorescence image of a predetermined wavelength, for example, a fluorescence image of 772.4 nm, emitted from the atoms of the plasma generating gas when the laser beam is irradiated to the plasma. Receive light. The fluorescence image obtained by light reception by the first measurement unit 32 is sent to the calculation unit 38.

算出ユニット38は、第1計測ユニット32で得られたプラズマ生成用のガスの発光画像と、不純物原子の発光画像と、第1計測ユニット32で得られたプラズマ生成用のガスの蛍光画像と、第2計測ユニット用受光部36で得られた受光信号と、に基いて、不純物の原子の密度を算出する。
算出ユニット38は、例えばCPU,メモリを備えたコンピュータによって構成され、上述した機能を発揮するソフトウェアを起動することで形成されるソフトウェアモジュールである。
具体的には、算出ユニット38は、第2計測ユニット用受光部36で受光した透過光の光強度の、プラズマに照射したレーザ光の光強度に対する比を用いて得られるプラズマ生成用のガスの光吸収係数を算出し、この光吸収係数と、蛍光画像とから、プラズマ生成用のガスの準安定状態の密度の分布を算出する。すなわち、算出ユニット38は、第2計測ユニット用受光部36で得られた受光信号の値を、レーザ光の光強度に対応する値を除算することで光吸収係数を得る。レーザ光の光吸収係数は、レーザ光の光路に沿った光吸収の値である。算出ユニット38は、この光吸収係数を用いて、光路中のプラズマ生成用のガスの原子(以降、ガス原子という)の準安定状態の平均化した密度nを下記式(1)に基いて算出する。
The calculation unit 38 is a plasma emission gas emission image obtained by the first measurement unit 32, an impurity atom emission image, a plasma generation gas fluorescence image obtained by the first measurement unit 32, and The density of the impurity atoms is calculated based on the light reception signal obtained by the second measurement unit light receiving unit 36.
The calculation unit 38 is a software module that is configured by, for example, a computer including a CPU and a memory, and is formed by starting software that exhibits the above-described functions.
Specifically, the calculation unit 38 uses the ratio of the light intensity of the transmitted light received by the light receiving unit 36 for the second measurement unit to the light intensity of the laser light irradiated to the plasma. A light absorption coefficient is calculated, and from this light absorption coefficient and a fluorescence image, a metastable state density distribution of the plasma generation gas is calculated. That is, the calculation unit 38 obtains the light absorption coefficient by dividing the value of the light reception signal obtained by the light receiving unit 36 for the second measurement unit by the value corresponding to the light intensity of the laser light. The light absorption coefficient of the laser light is a value of light absorption along the optical path of the laser light. The calculation unit 38 uses this light absorption coefficient to calculate the average density n of metastable states of atoms of plasma generating gas in the optical path (hereinafter referred to as gas atoms) based on the following formula (1). To do.

Figure 0005938592
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ここで、lの値は、算出ユニット38の図示しないメモリに予め記憶されており、算出ユニット38は、このメモリに記憶されているlの値を読み出して用いる。   Here, the value of l is stored in advance in a memory (not shown) of the calculation unit 38, and the calculation unit 38 reads and uses the value of l stored in the memory.

また、プラズマ生成用のガス原子の準安定状態からの吸収断面積σ(ν)は、照射したレーザ光の中心波長(より明確には、準安定状態のプラズマ生成用のガス原子が吸収する光の中心波長)ν=νにおいて、下記式(2)になるように定まる。 Further, the absorption cross section σ (ν) from the metastable state of the gas atoms for plasma generation is the center wavelength of the irradiated laser beam (more specifically, the light absorbed by the gas atoms for metastable state plasma generation) In the case of ν = ν 0 , the following equation (2) is established.

Figure 0005938592
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上記式(2)のΔνは、準安定状態のプラズマ生成用のガス原子の温度Tとの関係において、下記関係式(3)が成立する。式(3)中のMはプラズマ生成用のガス原子の質量であり、kはボルツマン定数である。 In relation to Δν d in the above formula (2) and the temperature T of the gas atom for plasma generation in the metastable state, the following relational expression (3) is established. M in the formula (3) is the mass of the gas atoms for plasma generation, and k is the Boltzmann constant.

Figure 0005938592
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このように、算出ユニット38は、式(1)を用いて、プラズマ生成用のガス原子の準安定状態の平均化した密度nを求める。
求めた平均化した密度nは、絶対的な値であり、光路長lに沿ってならした値であるので、算出ユニット38は、平均化した密度nを蛍光画像の光路に対応する各位置における蛍光画像の値に比例して、密度の値に高低を与えることにより、プラズマ生成用のガス原子の準安定状態の密度の分布を生成する。以降この密度nを密度n と記載する。このとき、密度n の分布を光路に沿って平均化したとき、平均化した値は、求めた平均化した密度の値になるように規格化されている。これにより、プラズマ生成用のガス原子の準安定状態の密度n の分布が求められる。
Thus, the calculation unit 38 obtains the average density n of the metastable state of the gas atoms for plasma generation using the equation (1).
Since the obtained average density n is an absolute value and is a value along the optical path length l, the calculation unit 38 calculates the average density n at each position corresponding to the optical path of the fluorescence image. A density distribution of metastable states of gas atoms for plasma generation is generated by giving a high or low density value in proportion to the value of the fluorescence image. Hereinafter, this density n is described as density n 1 M. At this time, when the distribution of density n 1 M is averaged along the optical path, the averaged value is normalized so as to be the averaged density value obtained. Thereby, the distribution of the metastable density n 1 M of gas atoms for plasma generation is obtained.

また、算出ユニット38は、成膜容器12内に導入されたプラズマ生成用のガスの量を用いて基底状態のガス原子の密度を得る。
算出ユニット38は、基底状態のプラズマ生成用のガス原子の密度と、計測により得られた準安定状態のプラズマ生成用のガス原子の密度n の各位置における値を用いて、プラズマ中の電子温度の分布を算出する。詳細は、後述する。
算出ユニット38は、得られた電子温度を用いて、下記式(4)を用いて、不純物原子の密度であるn2を算出する。
Further, the calculation unit 38 obtains the density of gas atoms in the ground state by using the amount of plasma generation gas introduced into the film formation container 12.
The calculation unit 38 uses the value at each position of the density of gas atoms for generating plasma in the ground state and the density n 1 M of gas atoms for generating plasma in the metastable state obtained by measurement, in the plasma. Calculate the distribution of electron temperature. Details will be described later.
The calculation unit 38 uses the obtained electron temperature to calculate n 2 that is the density of impurity atoms using the following formula (4).

Figure 0005938592
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上記式(4)は、励起状態のプラズマ生成用のガス原子が準安定状態との間で行う発光過程を含む下記式(5)に示すレート方程式と、励起状態の不純物原子が準安定状態との間で行う発光過程を含む下記式(6)に示すレート方程式と、を用い、プラズマ発生中の安定状態では、励起状態のプラズマ生成用のガス原子の密度および励起状態の不純物の原子の密度が一定であることを考慮して、励起状態のプラズマ生成用のガス原子の密度に関する式及び励起状態の不純物の原子の密度に関する式をそれぞれ導出し、この2つの式を用いて、プラズマ生成用のガス原子の発光強度Iと不純物原子の発光強度Iの式(下記式(7)、(8))をそれぞれ求め、この比をとることにより、上記式(4)を得ることができる。式(5)、(6)におけるtは時間であり、n は、プラズマ生成用のガス原子の励起状態の密度であり、n は、不純物原子の励起状態の密度である。nは、プラズマ中の電子密度である。 The above equation (4) includes a rate equation shown in the following equation (5) including a light emission process performed between a gas atom for generating plasma in an excited state and a metastable state, and an impurity atom in an excited state being in a metastable state. In the stable state during plasma generation, the density of gas atoms for generating plasma in the excited state and the density of atoms of the impurity in the excited state are used. In consideration of the fact that is constant, an equation relating to the density of gas atoms for generating excited state plasma and an equation relating to the density of impurity atoms in excited state are derived, respectively. The above formula (4) can be obtained by obtaining the formulas (the following formulas (7) and (8)) of the emission intensity I 1 of the gas atoms and the emission intensity I 2 of the impurity atoms, respectively, and taking this ratio. . In equations (5) and (6), t is time, n 1 * is the density of excited states of gas atoms for plasma generation, and n 2 * is the density of excited states of impurity atoms. ne is the electron density in the plasma.

Figure 0005938592
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Figure 0005938592
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ここで、発光強度比I/Iは、上述の第1計測ユニット32の計測結果により求めることができる値であり、不純物の発光強度をプラズマ生成用のガスの発光強度で除算した値である。また、kex (s)(s=1又は2)、kex (1)Mは、算出された電子温度から一意的に値を算出することができる。ここで、kex (s)、kex (1)Mは、いずれも、下記式(9)、(10)で表される。 Here, the emission intensity ratio I 2 / I 1 is a value that can be obtained from the measurement result of the first measurement unit 32 described above, and is a value obtained by dividing the emission intensity of the impurity by the emission intensity of the plasma generating gas. is there. Further, k ex (s) (s = 1 or 2) and k ex (1) M can be uniquely calculated from the calculated electron temperature. Here, k ex (s) and k ex (1) M are both represented by the following formulas (9) and (10).

Figure 0005938592
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Figure 0005938592
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上記式(9)、(10)において、σex (s)(ν)、σex (1)M(ν)は、既知である。f(ν)はマクスウェル分布関数であり、電子温度が上述したように算出されているので、マクスウェル分布関数も既知である。したがって、kex (s)(s=1又は2)、kex (1)Mは、いずれも既知の値となっている。一方、式(4)中のg、Aij (s)、A (s)、nは既知の値である。n は、上述したように算出ユニット38で既に求められているので、式(4)では、不純物の原子の密度n以外は既知となっている。したがって、式(4)に基いて、算出ユニット38は、不純物原子の密度であるnを算出することができる。
計測されて得られた発光強度比I/Iは、2つの発光画像の値から求められたものであるので、各位置の値を有する。さらに、プラズマ生成用のガス原子の準安定状態の密度n も、各位置の値を有する。また、算出された電子温度も各位置の値を有する。このため、算出された不純物原子の密度であるnも、各位置の値を有する分布として求められる。すなわち、算出ユニット38は、発光強度比I/I及び蛍光画像の取得範囲において、不純物原子の密度であるnも各位置の値を有する分布として得られる。このような不純物の原子の密度を、算出ユニット38は、分布として、ディスプレイ41あるいはプリンタ42に出力する。
このように、算出ユニット38は、不純物原子の密度を算出することができる。算出された不純物原子の密度は、制御装置40に送られる。
In the above formulas (9) and (10), σ ex (s) (ν) and σ ex (1) M (ν) are known. f (ν) is a Maxwell distribution function, and since the electron temperature is calculated as described above, the Maxwell distribution function is also known. Therefore, k ex (s) (s = 1 or 2) and k ex (1) M are both known values. On the other hand, g s , A ij (s) , A i (s) and n 1 in the formula (4) are known values. Since n 1 M has already been obtained by the calculation unit 38 as described above, except for the density n 2 of impurity atoms in the equation (4), it is already known. Therefore, based on the equation (4), the calculation unit 38 can calculate n 2 that is the density of impurity atoms.
Since the emission intensity ratio I 2 / I 1 obtained by measurement is obtained from the values of the two emission images, it has a value at each position. Further, the metastable density n 1 M of the gas atoms for plasma generation also has a value at each position. The calculated electron temperature also has a value at each position. For this reason, n 2 which is the calculated density of impurity atoms is also obtained as a distribution having values at each position. That is, the calculation unit 38 obtains a distribution in which n 2 that is the density of impurity atoms also has a value at each position in the emission intensity ratio I 2 / I 1 and the fluorescence image acquisition range. The calculation unit 38 outputs the density of such impurity atoms to the display 41 or the printer 42 as a distribution.
Thus, the calculation unit 38 can calculate the density of impurity atoms. The calculated density of impurity atoms is sent to the control device 40.

制御装置40は、送られてきた不純物原子の密度に応じて、不純物原子の密度が低下するように、高周波電源26Aの高周波電力あるいはガス供給バルブ20におけるプラズマ生成用のガスの供給量などのプラズマの生成のための条件を変更する。具体的には、不純物原子の密度と高周波電力あるいはガスの供給量との間の関係を予め実験等により取得しておき、算出ユニット38から送られた不純物原子の密度分布に応じて、高周波電力あるいはガスの供給量を制御する。これにより、プラズマ中に含まれる不純物の量を低減することができる。   The control device 40 controls the plasma such as the high-frequency power of the high-frequency power supply 26A or the supply amount of the plasma generating gas in the gas supply valve 20 so that the density of the impurity atoms is lowered according to the density of the impurity atoms sent. Change the conditions for generating Specifically, the relationship between the density of impurity atoms and the supply amount of high-frequency power or gas is acquired in advance by experiments or the like, and the high-frequency power is determined according to the density distribution of impurity atoms sent from the calculation unit 38. Alternatively, the gas supply amount is controlled. Thereby, the amount of impurities contained in the plasma can be reduced.

(プラズマ中の電子温度の算出)
算出ユニット38は、上述したプラズマ中の電子温度を下記方法により求める。
プラズマ中のプラズマ生成用のガス原子の準安定状態のレート方程式から、プラズマ発生中の安定状態では、準安定状態のプラズマ生成用のガス原子の密度が一定であることを考慮して、準安定状態のプラズマ生成用のガス原子の密度に関する式を導出し、下記式(11)を得ることができる。
ここで、kdex は、準安定状態のプラズマ生成用のガス原子と電子との衝突によってプラズマ生成用のガス原子の準安定状態が消滅する反応の速度係数であり、例えば、2×10−7cm/秒、3.5×10−7cm/秒のように既知である(上記2つの値は、異なる準安定状態における値を示している)。したがって、式(11)におけるn 、n及びkdex は既知である。kex (1)は、式(9)により表され、σex (1)(ν)は既知であるので、マクスウェル分布関数f(ν)に含まれる電子温度を算出することができる。算出ユニット38は、このように、基底状態のプラズマ生成用のガス原子の密度nと、上述した計測により得られた準安定状態のプラズマ生成用のガス原子の密度n を用いて、プラズマ中の電子温度を算出することができる。
このような電子温度の算出方法については、公知の方法であり、例えば、特許4933860号公報に詳細に記載されている。
(Calculation of electron temperature in plasma)
The calculation unit 38 obtains the electron temperature in the plasma described above by the following method.
From the rate equation of metastable state of gas atoms for plasma generation in plasma, in the stable state during plasma generation, considering that the density of gas atoms for metastable plasma generation is constant, metastable The following equation (11) can be obtained by deriving an equation relating to the density of gas atoms for plasma generation in the state.
Here, k dex e is a rate coefficient of the reaction in which the metastable state of the gas atom for plasma generation disappears due to collision between the gas atom for plasma generation in the metastable state and the electron, for example, 2 × 10 − It is known as 7 cm 3 / sec, 3.5 × 10 −7 cm 3 / sec (the above two values indicate values in different metastable states). Therefore, n 1 M , n 1 and k dex e in formula (11) are known. Since k ex (1) is expressed by Equation (9) and σ ex (1) (ν) is known, the electron temperature included in the Maxwell distribution function f (ν) can be calculated. Thus, the calculation unit 38 uses the density n 1 of the gas atom for generating plasma in the ground state and the density n 1 M of the gas atom for generating plasma in the metastable state obtained by the above-described measurement, The electron temperature in the plasma can be calculated.
Such a calculation method of the electron temperature is a known method, and is described in detail in, for example, Japanese Patent No. 4933860.

Figure 0005938592
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(不純物原子の密度の算出方法)
図3は、不純物原子の密度の算出方法のフローチャートである。図3に示す例では、プラズマ生成用のガスとしてアルゴンガスを用い、不純物の原子として酸素原子を用いている。
(Calculation method of impurity atom density)
FIG. 3 is a flowchart of a method for calculating the density of impurity atoms. In the example shown in FIG. 3, argon gas is used as plasma generation gas, and oxygen atoms are used as impurity atoms.

まず、成膜容器12にアルゴンガスを導入してプラズマを生成する。その際、プラズマ中では、石英からなる誘電体板26Dがスパッタされて、誘電体板26Dの成分である酸素がプラズマ中に酸素原子として混入する。この酸素原子は、アルゴン原子と同様に、プラズマ中の電子と衝突して励起され、発光する。   First, argon gas is introduced into the film formation container 12 to generate plasma. At that time, the dielectric plate 26D made of quartz is sputtered in the plasma, and oxygen as a component of the dielectric plate 26D is mixed as oxygen atoms in the plasma. These oxygen atoms collide with electrons in plasma and are excited to emit light, like argon atoms.

第1計測ユニット32は、このプラズマ中の励起状態のアルゴン原子Ar及び励起状態の酸素原子Oの発光を計測する。
図4(a)は、アルゴン原子の遷移の例を示す図である。アルゴン原子は、アルゴン原子の基底状態から4p’[1/2]に励起し、その後、下方遷移して準安定状態4S’[1/2] に落ちる。このとき、アルゴン原子は、772.4nm]の光を発する。また、アルゴン原子は、アルゴン原子の基底状態から4p[3/2]に励起し、その後、下方遷移して準安定状態4S[3/2] に落ちる。このとき、アルゴン原子は、772.4nm]の光を発する。
図4(b)は、酸素原子の遷移の例を示す図である。酸素原子は、酸素原子の基底状態3pから3pPに励起し、その後下方遷移して準安定状態3s に落ちる。このとき、酸素原子は、777nmの光を発する。
The first measurement unit 32 measures the emission of excited argon atoms Ar * and excited oxygen atoms O * in the plasma.
FIG. 4A is a diagram illustrating an example of the transition of argon atoms. The argon atom is excited from the ground state 1 S 0 of the argon atom to 4p ′ [1/2] 1 , and then transitions downward to the metastable state 4S ′ [1/2] O 0 . At this time, the argon atoms emit light of 772.4 nm]. In addition, the argon atom is excited from the ground state 1 S 0 of the argon atom to 4p [3/2] 1 and then transitions downward to fall into the metastable state 4S [3/2] O 2 . At this time, the argon atoms emit light of 772.4 nm].
FIG. 4B is a diagram illustrating an example of transition of oxygen atoms. The oxygen atom is excited from the ground state 3p 2 to 3p 5 P of the oxygen atom, and then transitions downward to fall into the metastable state 3s 5 S 0 2 . At this time, the oxygen atoms emit light of 777 nm.

このように第1計測ユニット32は、異なる波長の発光を計測するために、フィルタ32Bが用いられる。
第1計測ユニット32は、アルゴン原子Ar及び酸素原子Oの発光強度の画像を撮像するので、画像データが算出ユニット38に送られる。算出ユニット38は、同じ位置における画像の値の比を求めることで、アルゴン原子Ar及び酸素原子Oの発光強度比を算出する(ステップS10)。
As described above, the first measurement unit 32 uses the filter 32B in order to measure light emission of different wavelengths.
Since the first measurement unit 32 captures an image of the emission intensity of argon atoms Ar * and oxygen atoms O * , the image data is sent to the calculation unit 38. The calculation unit 38 calculates the ratio of the image values at the same position, thereby calculating the emission intensity ratio of the argon atom Ar * and the oxygen atom O * (step S10).

次に、レーザ光源34Aがレーザ光を出射する。このとき、プラズマ中のアルゴン原子はレーザ誘起蛍光を発生する。具体的には、アルゴン原子を、準安定状態4S[3/2] から状態4p’[1/2]に励起させるように、696.54nmのレーザ光を出射させる。励起状態である4p’[1/2]は一例である。このように、プラズマ中のアルゴン原子を所望の状態に励起させるために、所望の波長のレーザ光を出射できるダイレーザを用いることが好ましい。
照射したレーザ光のうちプラズマを透過した透過光は、第2計測ユニット用受光部36で受光され、この受光により生成された受光信号は、算出ユニット38に送られる。また、第1計測ユニット32は、レーザ光の経路に沿ってアルゴン原子のレーザ誘起蛍光の蛍光画像を撮像する。撮像された蛍光画像の画像データは算出ユニット38に送られる。
Next, the laser light source 34A emits laser light. At this time, argon atoms in the plasma generate laser-induced fluorescence. Specifically, a laser beam of 696.54 nm is emitted so that argon atoms are excited from the metastable state 4S [3/2] O 2 to the state 4p ′ [1/2] 1 . The excited state 4p ′ [1/2] 1 is an example. Thus, in order to excite the argon atoms in the plasma to a desired state, it is preferable to use a die laser that can emit laser light having a desired wavelength.
Of the irradiated laser light, the transmitted light that has passed through the plasma is received by the second measurement unit light receiving unit 36, and the light reception signal generated by this light reception is sent to the calculation unit 38. The first measurement unit 32 captures a fluorescence image of laser-induced fluorescence of argon atoms along the laser beam path. The image data of the captured fluorescent image is sent to the calculation unit 38.

算出ユニット38は、送られてきた受光信号を用いて、第2計測ユニット用受光部36で受光した透過光の光強度の、プラズマに照射したレーザ光の光強度に対する比であるレーザ光の光吸収係数を算出する。プラズマに照射したレーザ光の光強度は予め所定の強度に制御されており、既知であるので、算出ユニット38は、第2計測ユニット用受光部36で得られる透過光の受光信号から、レーザ光の光強度に対応する値で除算することにより、レーザ光の光吸収係数を算出することができる。
さらに、算出ユニット38は、算出したレーザ光の光吸収係数から準安定状態のアルゴンガスのレーザ光の光路上に沿った平均化した密度を求める。求めた平均化した密度は、絶対的な値であり、光路長lに沿って積分した値であるので、算出ユニット38は、平均化した密度を蛍光画像の光路に対応する各位置における蛍光画像の値に比例して、密度の値に高低を与えることにより、光路に沿った密度の分布を生成する。このようにして算出ユニット38は、アルゴンの準安定状態の原子密度の分布を取得する(ステップS20)。
The calculation unit 38 uses the received light signal to send the light of the laser light, which is the ratio of the light intensity of the transmitted light received by the light receiving unit 36 for the second measurement unit to the light intensity of the laser light irradiated to the plasma. Calculate the absorption coefficient. Since the light intensity of the laser light applied to the plasma is controlled to a predetermined intensity in advance and is known, the calculation unit 38 calculates the laser light from the light reception signal of the transmitted light obtained by the light receiving unit 36 for the second measurement unit. The light absorption coefficient of the laser light can be calculated by dividing by a value corresponding to the light intensity of.
Further, the calculation unit 38 obtains an averaged density along the optical path of the laser light of the metastable argon gas from the calculated light absorption coefficient of the laser light. Since the obtained averaged density is an absolute value and is an integrated value along the optical path length l, the calculation unit 38 uses the averaged density for the fluorescence image at each position corresponding to the optical path of the fluorescence image. A density distribution along the optical path is generated by giving a high or low density value in proportion to the value of. In this way, the calculation unit 38 acquires the distribution of atomic density in the metastable state of argon (step S20).

次に、算出ユニット38は、基底状態のアルゴンのガス原子の密度nと準安定状態のアルゴンのガス原子の密度n の分布用い、さらに、式(11)を用いて、プラズマ中の電子温度の分布を取得する(ステップS30)。基底状態のアルゴンのガス原子の密度nは、成膜容器12内に導入されたアルゴンガスの量から求められる。 Subsequently, the computing unit 38 uses the distribution of the density n 1 M between the density n 1 of the gas atoms in the ground state argon metastable argon gas atoms, further, using Equation (11), in the plasma An electron temperature distribution is acquired (step S30). The density n 1 of argon gas atoms in the ground state is obtained from the amount of argon gas introduced into the film formation container 12.

さらに、算出ユニット38は、上述したように、式(4)と、アルゴン原子Ar及び酸素原子Oの発光強度比と、算出した電子温度と、基底状態のアルゴンのガス原子の密度nと、準安定状態のアルゴンのガス原子の密度n とを用いて、酸素原子Oの密度nを分布として算出する(ステップS40)。 Further, as described above, the calculation unit 38 calculates the equation (4), the emission intensity ratio of the argon atom Ar * and the oxygen atom O * , the calculated electron temperature, and the density n 1 of the argon gas atoms in the ground state. Then, using the metastable argon gas atom density n 1 M , the density n 2 of oxygen atoms O is calculated as a distribution (step S40).

図5(a),(b)は、本実施形態の方法により求められたアルゴンを用いたプラズマ中に混在する酸素原子の密度分布の例を示す図である。図5(a)は、電極板26Cに低電力を与えてプラズマを生成させたときの密度分布であり、図5(b)は、電極板26Cに高電力を与えてプラズマを生成させたときの密度分布である。概略、低電圧時に比べて酸素原子の密度は上昇するとともに、酸素原子の密度分布にも変化が見られる。具体的には、図5(a)に示す低電力時、給電側の領域Aで密度が高くなった分布が、図5(b)に示す高電力時、接地端側の領域Bで密度が高くなっている。このように電極板26Cに与える電力に応じて、酸素原子の密度分布に変化が生じることがわかる。また、図5(a),(b)に示すように、1012個/cmの密度であっても、安定した分布を算出することができる。 FIGS. 5A and 5B are diagrams showing examples of the density distribution of oxygen atoms mixed in the plasma using argon obtained by the method of the present embodiment. FIG. 5A shows the density distribution when plasma is generated by applying low power to the electrode plate 26C, and FIG. 5B is when plasma is generated by applying high power to the electrode plate 26C. Density distribution. In general, the density of oxygen atoms increases and the density distribution of oxygen atoms changes as compared to the case of low voltage. Specifically, when the power is low as shown in FIG. 5A, the distribution in which the density is high in the region A on the power feeding side is high, and when the power is high as shown in FIG. 5B, the density is in the region B on the ground end side. It is high. Thus, it can be seen that the density distribution of oxygen atoms changes according to the power applied to the electrode plate 26C. Further, as shown in FIGS. 5A and 5B, a stable distribution can be calculated even at a density of 10 12 pieces / cm 3 .

図6(a)は、本実施形態、及び、上記従来の方法(“Detection of atomic oxygen: Improvement of actinometry and comparison with laser spectroscopy”)により得られる不純物である酸素原子の平均密度の算出結果を示す図である。図6(a)に示すグラフの横軸は、電極板26Cに与える電力である。図6(a)に示すように、本実施形態では、準安定状態のアルゴンの原子からの励起を考慮して不純物である酸素原子の密度分布を算出するので、より正確に求めることができる。図6(a)では、従来の方法に比べて20%程度高く酸素原子の平均密度が得られる。   FIG. 6A shows the calculation result of the average density of oxygen atoms as impurities obtained by this embodiment and the conventional method (“Detection of atomic oxygen: Improvement of actinometry and comparison with laser spectroscopy”). FIG. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 6A is the power applied to the electrode plate 26C. As shown in FIG. 6A, in the present embodiment, since the density distribution of oxygen atoms as impurities is calculated in consideration of excitation from metastable argon atoms, it can be obtained more accurately. In FIG. 6A, an average density of oxygen atoms is obtained that is about 20% higher than the conventional method.

図6(b)は、長さ15cm、幅7.5cm、厚さ2cmのアルミニウム製の電極板26Cに電力1200Wを与えてプラズマを生成したときの、不純物である酸素原子の密度の分布の算出結果である。図6(b)によると、密度自体が20%程度高く算出される他、領域Cにおいて、本実施形態の方法では密度が盛り上がる分布を示していることがわかる。一方、従来の方法では、密度の盛り上がりが小さい。これは、従来の方法では求めていない準安定状態のアルゴン原子の密度分布を本実施形態の方法では考慮していることによる、ものと考えられる。これより、本実施形態の方法は、生成したプラズマ中に存在する不純物の原子の密度を、信頼性を持って算出することができるといえる。   FIG. 6B shows the calculation of the density distribution of oxygen atoms as impurities when plasma is generated by applying power 1200 W to an aluminum electrode plate 26C having a length of 15 cm, a width of 7.5 cm, and a thickness of 2 cm. It is a result. According to FIG. 6B, it can be seen that, in addition to the density itself being calculated to be about 20% higher, in the region C, the method of this embodiment shows a distribution in which the density rises. On the other hand, in the conventional method, the rise of density is small. This is considered to be due to the fact that the method of this embodiment takes into account the density distribution of metastable argon atoms that has not been obtained by the conventional method. From this, it can be said that the method of the present embodiment can calculate the density of the impurity atoms present in the generated plasma with reliability.

本実施形態では、アルゴン原子の基底状態から4p’[1/2]に励起し、その後、下方遷移して準安定状態4S’[1/2] に落ちるときに発する772.4nm]の光、あるいは、アルゴン原子の基底状態から4p[3/2]に励起し、その後、下方遷移して準安定状態4S[3/2] に落ちるときに発する772.4nm]の光を利用するが、この他に、図7に示すような、826nmの光を利用することもできる。図7は、アルゴン原子の遷移の他の例を示す図である。具体的には、アルゴン原子の基底状態から4p’[1/2]に励起し、その後、下方遷移して準安定状態4S’[1/2] に落ちるときに発する826nmの光を利用することもできる。この場合、レーザ誘起蛍光においても、レーザ光の誘起により、準安定状態4S’[1/2] から4p’[1/2]に励起させるような波長のレーザ光を用いるとよい。 In this embodiment, 772 is generated when the ground state 1 S 0 of the argon atom is excited to 4p ′ [1/2] 1 and then transitions downward to fall into the metastable state 4S ′ [1/2] O 0. .4 nm] light or when excited from the ground state 1 S 0 of argon atoms to 4p [3/2] 1 and then transitions down to the metastable state 4S [3/2] O 2 772.4 nm] is used, but in addition to this, 826 nm light as shown in FIG. 7 can also be used. FIG. 7 is a diagram showing another example of the transition of argon atoms. Specifically, it is emitted from the ground state 1 S 0 of the argon atom to 4p ′ [1/2] 1 , and then emits when it transitions downward and falls to the metastable state 4S ′ [1/2] O 1. It is also possible to use the light. In this case, also in the laser-induced fluorescence, it is preferable to use a laser beam having such a wavelength as to be excited from the metastable state 4S ′ [1/2] O 1 to 4p ′ [1/2] 1 by the induction of the laser beam.

このように、本実施形態では、不純物の密度がプラズマ中の分布として算出されるので、密度の高い領域を特定することにより、不純物質の発生源を特定することができる。
本実施形態では、プラズマ生成用のガスの吸収係数とこのガスの蛍光強度から、プラズマ中の電子温度が算出され、この電子温度を用いて、プラズマ生成用のガスの下方遷移した状態の密度が求められるので、精度の高い算出結果を得ることができる。
As described above, in this embodiment, since the density of impurities is calculated as a distribution in plasma, it is possible to identify a source of impurity by specifying a high density region.
In the present embodiment, the electron temperature in the plasma is calculated from the absorption coefficient of the plasma generating gas and the fluorescence intensity of the gas, and the density of the state in which the plasma generating gas has transitioned downward is calculated using this electron temperature. Therefore, a highly accurate calculation result can be obtained.

成膜容器の装置構成や成膜容器の内壁面の汚れによって、プラズマ中の不純物の混入は変化するので、現状の成膜容器12で生成されるプラズマ中の不純物原子の密度の分布を本実施形態は精度良く算出することができる。このため、現状の成膜容器12において、不純物原子の密度が最も少なくなるように、プラズマ生成時の条件、例えば、電極板26Cに与える電力、あるいはアルゴンガスの成膜容器12への導入量等を操作することができる。   Since the contamination of impurities in the plasma changes depending on the device configuration of the film formation container and the contamination of the inner wall surface of the film formation container, the present distribution of the density of impurity atoms in the plasma generated in the current film formation container 12 is implemented. The form can be calculated with high accuracy. For this reason, in the present film formation container 12, the conditions at the time of plasma generation, for example, the power applied to the electrode plate 26C, or the amount of argon gas introduced into the film formation container 12 so that the density of impurity atoms is minimized. Can be operated.

以上、本発明のプラズマ中の不純物の計測方法、計測装置、及び成膜装置について詳細に説明したが、本発明のプラズマ中の不純物の計測方法、計測装置、及び成膜装置は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。   As described above, the impurity measurement method, measurement apparatus, and film formation apparatus of plasma of the present invention have been described in detail. However, the impurity measurement method, measurement apparatus, and film formation apparatus of the present invention are the same as those in the above embodiment. Of course, various improvements and modifications may be made without departing from the scope of the present invention.

10 成膜装置
12 成膜容器
14 サセプタ
16 基板
18 排気ユニット
20 ガス供給バルブ
22 原料ガス源
24 キャリアガス源
26 プラズマ生成ユニット
26A 高周波電源
26B マッチングボックス
26C 電極板
26D 誘電体板
30 計測システム
32 第1計測ユニット
34 第2計測ユニット用光源
36 第2計測ユニット用受光部
38 算出ユニット
40 制御装置
41 ディスプレイ
42 プリンタ
40制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Film-forming apparatus 12 Film-forming container 14 Susceptor 16 Substrate 18 Exhaust unit 20 Gas supply valve 22 Raw material gas source 24 Carrier gas source 26 Plasma generation unit 26A High frequency power supply 26B Matching box 26C Electrode plate 26D Dielectric plate 30 Measurement system 32 1st Measurement unit 34 Light source for second measurement unit 36 Light receiver for second measurement unit 38 Calculation unit 40 Control device 41 Display 42 Printer 40 Control device

Claims (11)

プラズマ中の不純物を計測する計測方法であって、
プラズマ生成用のガスを用いてプラズマを生成するプラズマ生成ステップと、
前記プラズマ中の前記ガスの励起状態からの下方遷移により生じる発光強度と、前記プラズマ中の不純物の励起状態からの下方遷移により生じる発光強度とを計測する第1計測ステップと、
前記プラズマにレーザ光を照射して、レーザ光のうち、前記ガスに吸収されることなく前記プラズマを透過した透過光の強度と、レーザ誘起による前記ガスの蛍光強度を計測する第2計測ステップと、
前記第2計測ステップで得られた前記透過光の強度から算出される前記ガスの光吸収係数と前記ガスの蛍光強度とを用いて、前記ガスの下方遷移した状態の密度を求め、前記ガスの励起状態からの下方遷移により生じる発光強度と前記プラズマ中の不純物の励起状態からの下方遷移により生じる発光強度との間の発光強度比と、前記密度と、を用いて、前記不純物の密度を算出する算出ステップと、を有することを特徴とする計測方法。
A measurement method for measuring impurities in plasma,
A plasma generation step of generating plasma using a plasma generation gas;
A first measurement step of measuring emission intensity caused by a downward transition from an excited state of the gas in the plasma and emission intensity caused by a downward transition from an excited state of impurities in the plasma;
A second measuring step of irradiating the plasma with laser light and measuring the intensity of transmitted light that has passed through the plasma without being absorbed by the gas, and the fluorescence intensity of the gas induced by laser; ,
Using the light absorption coefficient of the gas calculated from the intensity of the transmitted light obtained in the second measurement step and the fluorescence intensity of the gas, the density of the gas that has transitioned downward is obtained, The density of the impurity is calculated using the emission intensity ratio between the emission intensity caused by the downward transition from the excited state and the emission intensity caused by the downward transition of the impurity in the plasma from the excited state, and the density. And a calculating step.
前記第1計測ステップでは、前記発光強度比が、前記プラズマ中の分布として計測され、
前記第2計測ステップでは、前記ガスの蛍光強度が、前記レーザ光の光路に沿った分布として計測され、
前記算出ステップでは、前記不純物の密度が前記プラズマ中の分布として算出される、請求項1に記載の計測方法。
In the first measurement step, the emission intensity ratio is measured as a distribution in the plasma,
In the second measurement step, the fluorescence intensity of the gas is measured as a distribution along the optical path of the laser beam,
The measurement method according to claim 1, wherein in the calculating step, the density of the impurities is calculated as a distribution in the plasma.
前記算出ステップでは、前記第2計測ステップで得られた前記ガスの光吸収係数と前記ガスの蛍光強度から、前記プラズマ中の電子温度が算出され、当該電子温度を用いて、前記ガスの下方遷移した状態の密度が求められる、請求項1または2に記載の計測方法。   In the calculation step, the electron temperature in the plasma is calculated from the light absorption coefficient of the gas obtained in the second measurement step and the fluorescence intensity of the gas, and the downward transition of the gas is performed using the electron temperature. The measurement method according to claim 1, wherein the density of the processed state is obtained. 前記不純物の密度は、前記発光強度比と、前記ガスの密度と、前記ガスのうち下方遷移した状態の密度と、前記不純物原子の密度とを関係付けた下記式(4)を用いて算出される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の計測方法。
Figure 0005938592
The density of the impurities is calculated using the following equation (4) that relates the emission intensity ratio, the density of the gas, the density of the gas in the state of lower transition, and the density of the impurity atoms. The measurement method according to any one of claims 1 to 3.
Figure 0005938592
前記ガスは、アルゴンガスであり、前記不純物は酸素である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の計測方法。   The measurement method according to claim 1, wherein the gas is an argon gas, and the impurity is oxygen. 前記アルゴンの励起状態からの下方遷移により生じる発光強度は、777.2nmの光強度であり、前記酸素の励起状態から下方遷移により生じる発光強度は、777nmの光強度であり、
前記プラズマに照射するレーザ光の波長は696.54nmであり、前記ガスの蛍光強度の波長は772.4nmである、請求項5に記載の計測方法。
The emission intensity generated by the downward transition from the excited state of argon is a light intensity of 777.2 nm, the emission intensity generated by the downward transition from the excited state of oxygen is a light intensity of 777 nm,
The measurement method according to claim 5, wherein a wavelength of laser light applied to the plasma is 696.54 nm and a wavelength of fluorescence intensity of the gas is 772.4 nm.
プラズマ中の不純物を計測する計測装置であって、
プラズマ生成用のガスを用いてプラズマを生成するプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器内でプラズマを生成するプラズマ生成ユニットと、
前記プラズマ中の前記ガスの励起状態からの下方遷移により生じる発光強度と、前記プラズマ中の不純物の励起状態からの下方遷移により生じる発光強度を計測するともに、レーザ光の誘起により発する前記ガスの蛍光の蛍光強度を計測する第1計測ユニットと、
前記プラズマにレーザ光を照射して、レーザ光のうち、前記ガスに吸収されることなく前記プラズマを透過した透過光の強度と、レーザ誘起による前記ガスの蛍光強度を計測する第2計測ユニットと、
前記第2計測ユニットで得られた前記ガスの光吸収係数と前記第1計測ユニットで得られた前記ガスの蛍光強度を用いて前記ガスの下方遷移した状態の密度を求め、前記ガスの励起状態からの下方遷移により生じる発光強度と前記プラズマ中の不純物の励起状態からの下方遷移により生じる発光強度との間の発光強度比と、求めた前記密度とを用いて、前記不純物の密度を算出する算出ユニットと、を有することを特徴とする計測装置。
A measuring device for measuring impurities in plasma,
A plasma generation container for generating plasma using a plasma generation gas;
A plasma generation unit for generating plasma in the plasma generation vessel;
The emission intensity caused by the downward transition from the excited state of the gas in the plasma and the emission intensity caused by the downward transition from the excited state of the impurity in the plasma are measured, and the fluorescence of the gas emitted by the induction of laser light A first measurement unit for measuring the fluorescence intensity of
A second measuring unit that irradiates the plasma with laser light, and measures the intensity of the transmitted light that has passed through the plasma without being absorbed by the gas, and the fluorescence intensity of the gas induced by the laser; ,
Using the light absorption coefficient of the gas obtained by the second measurement unit and the fluorescence intensity of the gas obtained by the first measurement unit, the density of the gas that has transitioned downward is obtained, and the excited state of the gas The density of the impurity is calculated using the emission intensity ratio between the emission intensity caused by the downward transition from the emission intensity and the emission intensity caused by the downward transition from the excited state of the impurity in the plasma, and the obtained density. And a calculation unit.
前記第1計測ユニットは、前記発光強度比を、前記プラズマ中の分布として計測し、
前記第2計測ユニットは、前記ガスの蛍光強度を、前記レーザ光の光路に沿った分布として計測し、
前記算出ユニットは、前記不純物の密度を前記プラズマ中の分布として算出する、請求項7に記載の計測装置。
The first measurement unit measures the emission intensity ratio as a distribution in the plasma,
The second measurement unit measures the fluorescence intensity of the gas as a distribution along the optical path of the laser light,
The measurement apparatus according to claim 7, wherein the calculation unit calculates the density of the impurity as a distribution in the plasma.
前記算出ユニットは、計測された前記ガスの光吸収係数と前記ガスの蛍光強度から、前記プラズマ中の電子温度を算出し、当該電子温度を用いて、前記ガスの下方遷移した状態の密度を求める、請求項7または8に記載の計測装置。   The calculation unit calculates an electron temperature in the plasma from the measured light absorption coefficient of the gas and the fluorescence intensity of the gas, and uses the electron temperature to obtain a density of a state in which the gas has transitioned downward. The measuring device according to claim 7 or 8. 前記算出ユニットは、前記発光強度比と、前記ガスの密度と、前記ガスのうち下方遷移した状態の密度と、前記不純物の密度とを関係付けた下記式(4)を用いて、前記不純物の密度を算出する、請求項7〜9のいずれか1項に記載の計測装置。
Figure 0005938592
The calculation unit uses the following formula (4) that relates the emission intensity ratio, the density of the gas, the density of the gas that has been transitioned downward, and the density of the impurity, and The measuring apparatus according to claim 7, wherein the density is calculated.
Figure 0005938592
請求項7〜10のいずれか1項に記載の計測装置を備えた、基板に薄膜を生成する成膜装置であって、
前記プラズマ生成容器に、成膜用原料ガスが前記プラズマ生成用のガスとともに導入され、前記プラズマ生成容器に配置された基板を成膜し、
さらに、算出された前記不純物の密度に応じて、前記不純物の密度が低下するように、前記プラズマの生成のための条件を変更する制御装置を有する、ことを特徴とする成膜装置。

A film forming apparatus for generating a thin film on a substrate, comprising the measuring apparatus according to claim 7.
A source gas for film formation is introduced into the plasma generation container together with the gas for plasma generation, and a substrate disposed in the plasma generation container is formed into a film,
The film forming apparatus further includes a control device that changes a condition for generating the plasma so that the impurity density decreases in accordance with the calculated impurity density.

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