JP7433652B2 - ガス分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス分析装置に関するものである。

特許文献１には、長寿命を担保できる熱電子放出用フィラメントを提供すること、及びこの熱電子放出用フィラメントを使用した質量分析計の分析精度を向上することに関する技術が開示されている。そのため、電流が流れる芯材と、前記芯材の表面を覆うように形成された電子放出層とを具備する熱電子放出用フィラメントであって、前記電子放出層がガスを実質的に遮断する緻密さを有することを特徴とすることが開示されている。

特許文献２には、グロー放電発光分析装置（ＧＤ－ＯＥＳ、Glow discharge optical emission spectrometry）において、試料ホルダは、試料固定面を有する電極（第２電極）と、試料固定面を内側に配置した外筒部及び内筒部（当接部）とを備える。グロー放電管の開口部から試料が離れた状態で、内筒部の開口端が開口部の周縁に当接される。連通したグロー放電管と外筒部及び内筒部との内部を減圧し、アルゴンガスを供給する。次に、内筒部を外筒部に対して動かして試料をグロー放電管の陽極（第１電極）の円筒部（端部）の先端に近づけ、流路（冷却部）に冷媒を流して試料を冷却し、電極に電圧を印加して、グロー放電発光分析を行うことが記載されている。

特開２０１７－１０７８１６号公報 特開２０１６－２７３２７号公報

より寿命が長く、腐食性のガスを含むサンプルガスであっても長期間にわたり、精度よく分析できるガス分析装置が要望されている。

本発明の一態様は、誘電性の壁体構造を備え、測定対象のサンプルガスのみが流入するサンプルチャンバーと、誘電性の壁体構造を介して電場および／または磁場により、減圧されたサンプルチャンバー内でプラズマを生成するプラズマ生成機構と、生成されたプラズマを介してサンプルガスを分析する分析ユニットとを有するガス分析装置である。このガス分析装置においては、測定対象のサンプルガスのみが流入するサンプルチャンバーでプラズマを生成するので、グロー放電用のアルゴンガスやプラズマトーチを生成するためのアルゴンガスなどの、サンプルガス以外のガスを用いずにプラズマを生成できる。したがって、分析ユニットにより、生成されたプラズマを介してサンプルガスを分析することにより、サンプルガスに含まれる成分をより精度よく、また、定量的に測定することが可能となる。

また、サンプルチャンバーにおいて誘電性の壁体構造を介して電場および／または磁場を用いてプラズマを生成することにより、グロー放電用のカソードや、熱電放出用のフィラメントなどの腐食に対する耐性の低い部品を排除できる。このため、腐食性のガスを含むサンプルガスであっても長期間にわたり、精度よく分析できるガス分析装置を提供できる。

ガス分析装置は、サンプルチャンバーに、プロセスからのサンプルガスのみが流入するように構成されたガス入力ユニットを備えていてもよい。プロセス、特に、エッチング、膜生成などのプラズマプロセスを含むプロセスからのサンプルガスは、アルゴンガスなどのアシストなしでプラズマを生成しやすく、このガス分析装置が適用されるアプリケーションの１つである。

誘電性の壁体構造は、石英（Ｑｕａｒｔｚ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および窒化ケイ素（ＳｉＮ_３）の少なくともいずれかを含んでもよい。プラズマ生成機構は、誘電結合プラズマ（ＩＣＰ、Inductively Coupled Plasma）、誘電体バリア放電（ＤＢＤ、Dielectric Barrier Discharge）および電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ、Electron Cyclotron Resonance）の少なくともいずれかによりプラズマを発生する機構を含んでもよい。

サンプルチャンバーは小型されたミニチュアチャンバーであってもよい。大型のプロセスチャンバーとは独立した小型のチャンバー内で安定した測定用のプラズマを生成できる。例えば、サンプルチャンバーの全長が１－１００ｍｍ、直径が１－１００ｍｍであってもよい。全長および直径は、５ｍｍ以上であってもよく、１０ｍｍ以上であってもよく、８０ｍｍ以下であってもよく、５０ｍｍ以下であってもよく、３０ｍｍ以下であってもよい。サンプルチャンバーの容量は、１ｍｍ^３以上であってもよく、１０^５ｍｍ^３以下であってもよい。サンプルチャンバーの容量は、１０ｍｍ^３以上であってもよく、３０ｍｍ^３以上であってもよく、１００ｍｍ^３以上であってもよい。サンプルチャンバーの容量は、１０^４ｍｍ^３以下であってもよく、１０^３ｍｍ^３以下であってもよい。

分析ユニットは、サンプルチャンバー内で生成されるプラズマの発光を光学的に検出する発光分析ユニットであってもよい。発光分析ユニットは、光学的なスペクトロメータを備えていてもよい。分析ユニットは、プラズマ中のイオン化したガスをフィルタリングするフィルターユニットと、フィルタリングされたイオンを検出するディテクタユニットとを含んでもよい。ガス分析装置は、フィルターユニットとサンプルチャンバーとの間に配置されたエネルギーフィルタをさらに有していてもよい。

本発明の他の態様の１つは、上記のガス分析装置を有するプロセスモニタリング装置である。このモニタリング装置は、プロセスチャンバーとは異なるサンプルチャンバーを含み、プロセスチャンバー内に生成されるプロセスプラズマと独立したプラズマをサンプルチャンバーに生成できる。したがって、プロセスチャンバー内の生成されるプロセスプラズマを測定する従来のプロセスモニター（プラズマプロセスモニター）とは異なり、ガス分析に適した条件のプラズマを生成し、プロセスチャンバー内のガスの状態を精度よくモニタリングできる。

本発明のさらに異なる他の態様の１つは、上記のガス分析装置と、プラズマプロセスが実施されるプロセスチャンバーであって、ガス分析装置にサンプルガスが供給されるプロセスチャンバーとを有するシステムである。腐食性のガスに対する耐性が高く、アルゴンガスなどのサポートガスを用いずにプラズマを生成するガス分析装置により、プラズマプロセスを長時間にわたり精度よく監視できる。このシステムは、プロセスモニタリング装置を含んでもよい。

このシステムは、プロセスチャンバー内で実施される少なくとも１つのプラズマプロセスを、ガス分析装置の測定結果に基づいて制御するプロセス制御ユニットを有していてもよい。プロセス制御ユニットは、少なくとも１つのプラズマプロセスのエンドポイントを、少なくとも１つのプラズマプロセスの副生成物のガス分析装置による測定結果により判断するユニットを含んでもよい。

本発明のさらに異なる他の態様の１つは、プラズマプロセスを実施するプロセスチャンバーを有するシステムの制御方法である。システムは、プロセスチャンバーからのサンプルガスのみが流入する、プロセスチャンバーとは異なるサンプルチャンバーを含むガス分析装置を有する。プロセスチャンバーで形成されるプラズマをモニタリングするこの方法は、ガス分析装置の測定結果に基づいてプロセスチャンバー内で実施されるプラズマプロセスを制御することを有する。プラズマプロセスを制御することは、少なくとも１つのプラズマプロセスのエンドポイントを、少なくとも１つのプラズマプロセスの副生成物のガス分析装置による測定結果により判断することを含んでもよい。少なくとも１つのプラズマプロセスは、エッチング、膜生成、およびクリーニングの少なくとも１つを含んでもよい。

この制御方法において、ガス分析装置は、サンプルチャンバー内で熱電子によりイオン化されたイオンを測定するものであってもよい。この制御方法は、サンプルチャンバーにおいてプロセスチャンバーとは独立したプラズマを生成することを有していてもよい。より継続的、精度よくプロセスチャンバー内の状態をモニタリングでき、安定した制御が可能となる。

本発明のさらに異なる他の態様の１つは、プラズマプロセスを実施するプロセスチャンバーを有するシステムを制御するプログラムである。プログラムは、ガス分析装置の測定結果に基づいてプロセスチャンバー内で実施されるプラズマプロセスを制御する命令を有する。プログラムは、サンプルチャンバーにおいてプロセスチャンバーとは独立したプラズマを生成する命令をさらに有していてもよい。プログラムまたはプログラム製品は、適当な記録媒体に記録して提供されてもよい。

ガス分析装置の一例を示すブロック図。 プラズマイオン化を行うガス分析装置を含むシステムの一例を示す図。 システムの制御の一例を示すフローチャートである。 プラズマイオン化を行う質量分析装置の他の例を示す図。

本発明の１つの実施形態はガス分析装置であり、その一例は質量分析装置である。半導体製造プロセスのモニタリングなどの、腐食性ガスが用いられる環境におけるアプリケーションにおいては、腐食に対する耐性の高いセンサーが求められている。

図１を参照して、ガス分析装置の一例として四重極型質量分析計の概要を説明する。四重極質量分析計（質量分析装置）９９は、分析対象のガス（ガスサンプル、サンプルガス）９をイオン化するイオン化装置（イオン化ユニット、イオン源）９０と、イオン化されたガス８を分析する分析ユニット（ガス分析セクション）２１とを含む。ガス分析ユニット２１は、フィルターユニット２０である四重極部と、四重極の各電極間を通って到達するガスイオン８を捕集するディテクタユニット（検出部、例えばファラデーカップ）３０とを含む。フィルターユニット２０の四重極部は、周方向に所定間隔で配置された上下方向に延びる複数本、典型的には４本の円柱状の電極を含む。質量分析装置９９は、イオン化装置９０およびガス分析ユニット２１を収納する真空容器（ハウジング）４０を含み、ハウジング４０に流入したガス９をイオン化装置９０によりイオン化する。ガス分析装置９９は、ハウジング４０を負圧（真空）に維持する排気システム６０を含む。排気システム６０は、真空ポンプとしてターボモレキュラポンプ（ＴＭＰ）６１およびルーツポンプ（ＲＰ）６２を含んでもよい。

イオン化装置９０は、グリッド９１と、熱電子（電子流）９３を供給するカソードとして機能するフィラメント９２とを含む。グリッド９１の一例は、金属細線を格子状でかつ円筒形状に組み付けて構成される。フィラメント９２は、支持フレームに周方向に所定間隔で設置された金属製の支持ピンに接続されており、グリッド９１の外周に配置される。フィラメント９２の一例は、イリジウムからなる母材の表面を電着処理により酸化イットリウムで被覆したものである。フィルターユニット２０とイオン化装置９０との間には、四重極部へ向かうイオンが効率よく収束するフォーカス電極２５が介設されている。フォーカス電極２５は、例えば、フィラメント９２の支持ピンと電気的に接続されており、フィラメント９２の電位とフォーカス電極２５の電位とを同等としている。

従来の質量分析装置９９は、純粋なガス、すなわち、腐食性ガスではない環境を対象とした条件で稼働するように設計されている。この条件に対応したカソード材料（フィラメント材料）としては、Ｙ_２Ｏ_３／Ｉｒ、すなわち、芯材がイリジウムＩｒからなり、電子放出層が酸化イットリウム（イットリア、Ｙ_２Ｏ_３）からなるフィラメントがある。このフィラメント９２は、Ｙ_２Ｏ_３のイットリウムＹはフッ素Ｆまたはフッ素系のガスと反応し、フッ化イットリウムＹＦ_３またはオキシフッ化イットリウムＹＯＦとなり、これらは蒸発性である。フッ化炭素ＣＦｘを成分として含むガスに対しては、タングステンＷ材料がフィラメント材料（カソード材料）として有効であるとされている。しかしながら、タングステンＷは、四塩化炭素ＣＣｌ_４、塩酸ＨＣｌ、フッ化タングステンＷＦ_６、塩化タングステンＷＣＬ_６等のガスまたは環境においては十分な寿命があるとは言えない。

また、シリコンオイルが含まれる環境下では、特に、質量分析装置９９の起動、停止時に、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ＳｉＮなどでフィラメント９２がコーティングされ、機能が阻害されることがある。フッ化メタンＣＦ_４、フッ化窒素ＮＦ_３などを含む腐食性のガスによりクリーニングすることも可能であるが、それによりフィラメント９２の寿命はさらに短くなる可能性がある。

グリッド９１としてはインコネル６００が多く用いられている。グリッド９１に一部のガスが堆積して絶縁膜となる要因となり、イオナイザ／イオン光学領域で正しい電位分布を作成しない可能性がある。

質量分析装置９９のイオン化法としては、現状は電子衝撃イオン源が主に用いられている。この方式では、電子エミッタとして熱フィラメント９２が必要であり、フィラメント９２がサンプルガス９や、その副産物と反応する可能性がある。また、フィラメント９２が周囲の部品を加熱するために、化学反応速度が増加してしまう可能性がある。加熱部分を持たないプラズマイオン化源を用いることを検討することができる。しかしながら、プラズマ源となるプラズマトーチを生成するためにアルゴンガスなどのサポートガスを導入する必要があり、サンプルガス９とともにガス分析の対象となってしまう。グロー放電などのように、プラズマ生成のために熱電子を用いると、フィラメント（カソード）が必要となり、熱電子によるイオン化と同様に腐食に対する耐性の問題がある。さらに、フィラメントの蒸発物や化学反応物がガス分析の対象となる可能性がある。

図２に、本発明の実施形態の１つを示している。図２に示したシステム８０は、プラズマプロセスが実施されるプロセスチャンバー７１を含むプロセス装置７０と、プロセスチャンバー７１において実施される各プロセスを監視するプロセスモニタリング装置（プロセスモニター）５０とを含む。プロセス装置７０は、化学工業を含む加工・製造産業において様々な製品を製造および／または加工するために用いられる装置である。本例のプロセス装置７０は、プラズマプロセスを用いて製品を製造または加工する装置を含み、典型的には、様々な種類の膜あるいは層を基板７８の上に生成する工程や、基板７８をエッチングする工程を実施する装置である。プロセス装置７０の一例は、ＣＶＤ（化学蒸着、Chemical Vapor Deposition）またはＰＶＤ（物理蒸着、Physical Vapor Deposition）を行うシステムである。プロセス装置７０の一例は、半導体を基板７８としてプロセスを実施する装置である。プロセス装置７０の異なる一例は、レンズ、フィルターなどの光学部品を基板７８として様々な種類の薄膜を積層するプロセスを実施する装置である。プロセス装置７０はこれらの例に限定されない。

プロセス装置７０は、加工対象の基板が設置されるチャンバー（プロセスチャンバー）７１と、プロセスチャンバー７１に加工用のガスを供給するガス供給装置７２と、プロセスチャンバー７１内に成膜用および／またはエッチング用のプラズマ（プロセスプラズマ）の生成を制御する機能を含むプロセス制御ユニット７５とを含む。プロセス制御ユニット７５は、さらに、プロセスチャンバー７１の内部をクリーニングするためのクリーニングプラズマを生成するための制御を行う機能を備えていてもよい。

プロセスモニター５０は、プロセスチャンバー７１から供給されるガス（サンプルガス）９を分析するガス分析装置１と、ガス分析装置１を制御してプロセスチャンバー７１の内部の状態を監視するモニター制御ユニット５１とを含む。ガス分析装置１は、プロセス装置７０から供給される測定対象のサンプルガス９のプラズマ１８を生成するプラズマ生成ユニット１０と、生成されたプラズマ１８を介してサンプルガス９を分析する分析ユニット２１とを含む。プラズマ生成ユニット１０は、誘電性の壁体構造１２を備え、測定対象のサンプルガス９のみが流入するチャンバー（サンプルチャンバー）１１と、誘電性の壁体構造１２を介して電場および／または磁場により、減圧されたサンプルチャンバー１１内でプラズマ１８を生成するプラズマ生成機構１３とを含む。

本例のガス分析装置１は、質量分析型であり、分析ユニット２１は、プラズマ生成装置１０でプラズマ１８として生成されたイオン化されたサンプルガス（サンプルガスイオン）８を質量電荷比によりフィルタリングするフィルターユニット（本例においては四重極部）２０と、プラズマ１８の一部をイオン流８として引き込むフォーカス電極２５と、フィルタリングされたイオンを検出するディテクタユニット３０と、分析ユニット２１を収納した真空容器（ハウジング）４０とを有する。ガス分析装置１は、ハウジング４０の内部を適当な負圧条件（真空条件）に維持する排気システム６０を含む。本例の排気システム６０は、ターボモレキュラポンプ（ＴＭＰ）６１と、ルーツポンプ６２とを含む。排気システム６０は、プラズマ生成装置１０のサンプルチャンバー１１の内圧も制御する。

ガス分析装置１は、さらに、プラズマ生成ユニット１０のサンプルチャンバー１１に、プロセス装置７０からのサンプルガス９のみが流入するように構成されたガス入力ユニット１９を有する。排気システム６０により減圧されたサンプルチャンバー１１にはプロセス７０からのサンプルガス９のみが流入し、サンプルチャンバー１１の内部でプラズマ１８が形成される。すなわち、プラズマ生成ユニット１０においては、アルゴンガスなどのアシストガス（サポートガス）は用いられずに、サンプルガス９のみにより分析用のプラズマ１８が生成される。サンプルチャンバー１１の壁体１２は誘電性の部材（誘電体）から構成されており、その一例は、石英（Ｑｕａｒｔｚ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および窒化ケイ素（ＳｉＮ_３）などのプラズマに対して耐久性が高い誘電体である。

プラズマ生成ユニット１０のプラズマ生成機構１３は、サンプルチャンバー１１の内部で、電極を用いずに、また、プラズマトーチを用いずに、誘電性の壁体構造１２を介して電場および／または磁場によりプラズマ１８を生成する。プラズマ生成機構１３の一例は高周波（ＲＦ、Radio Frequency）電力でプラズマ１８を励起する機構である。ＲＦプラズマとしては、誘電結合プラズマ（ＩＣＰ、Inductively Coupled Plasma）、誘電体バリア放電（ＤＢＤ、Dielectric Barrier Discharge）、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ、Electron Cyclotron Resonance）などの方式を挙げることができる。これらの方式のプラズマ生成機構１３は、高周波電源１５とサンプルチャンバー１１に沿って配置されたコイル１４とを含む。

サンプルチャンバー（容器）１１の内圧は、ガス分析装置１と共通の排気システム６０、独立した排気システム、またはプロセス装置７０と共通の排気システムなどを用いて、適当な負圧に制御される。サンプルチャンバー１１の内圧は、プラズマが生成しやすい圧力、例えば、０．０１－１ｋＰａの範囲であってもよい。プロセスチャンバー７１の内圧が１－数１００Ｐａ程度に管理される場合、サンプルチャンバー１１の内圧は、それより低い圧力、例えば、０．１－数１０Ｐａ程度に管理されてもよく、０．１Ｐａ以上、または０．５Ｐａ以上、１０Ｐａ以下、または５Ｐａ以下に管理されてもよい。例えば、サンプルチャンバー１１は内部が、１－１０ｍＴｏｒｒ（０．１３－１．３Ｐａ）程度に減圧されてもよい。サンプルチャンバー１１を上記の程度の減圧に維持することにより、サンプルガス９のみで、低温でプラズマ１８を生成することが可能である。

プロセスモニター５０において、監視対象はプラズマプロセスを実施するプロセスチャンバー７１から供給されるサンプルガス９である。このため、サンプルチャンバー１１内において、アーク放電あるいはプラズマトーチなどを用いずに、適当な条件でＲＦ電力を供給することにより、サンプルガス９を導入するだけでプラズマ１８を維持できる。プラズマ１８をチャンバー１１内に生成して閉じ込めるために磁場と電場とを併用してもよい。サンプルガス９を、消耗する電極を要しないプラズマ生成によりイオン化することにより、電極の消耗にともなう寿命の問題を解決でき、より測定寿命の長く、安定した測定が可能なガス分析装置１を提供できる。

さらに、アルゴンガスなどのサポートガスを不要とすることにより、サンプルガス９のみが電離したプラズマ１８を生成して、ガス分析ユニット２１に供給できる。このため、サンプルガス９の測定精度が高く、ガス成分のみならず、成分の定量測定を可能とするガス分析装置１を提供できる。このため、ガス分析装置１を搭載するプロセスモニター（プロセスモニタリング装置）５０においては、プロセス装置７０のプロセスチャンバー７１の内部の状態を、長期間にわたり、安定して、精度よく監視することができる。

また、プロセスモニター５０においては、プロセスチャンバー７１とは独立した、ガス分析専用のサンプルチャンバー１１によりサンプルガス９のプラズマ１８を生成できる。したがって、プロセスチャンバー７１とは異なる条件で、サンプリングおよびガス分析のために適した条件でサンプルチャンバー１１内にプラズマ１８を生成できる。このため、プロセスチャンバー７１にプロセスプラズマあるいはクリーニングプラズマが生成されていないときでも、プロセスチャンバー７１の内部の状態をサンプルガス９を介して監視できる。

サンプルチャンバー１１は、プラズマ１８を生成できる程度の小型の、例えば、数ｍｍから数１０ｍｍ程度のチャンバー（ミニチュアチャンバー）であってもよい。サンプルチャンバー１１の容量を小さくすることにより、リアルタイム性に優れたガス分析装置１を提供できる。また、ガス分析ユニット２１として光学的なスペクトロメータを備えた発光分析型のユニットを採用する場合であっても、長さが数ｍｍから数１０ｍｍ程度のプラズマ１８を維持することによりガス分析が可能である。

サンプルチャンバー１１の全長は、１－１００ｍｍ、直径が１－１００ｍｍであってもよい。サンプルチャンバー１１の全長および直径は、５ｍｍ以上であってもよく、１０ｍｍ以上であってもよく、８０ｍｍ以下であってもよく、５０ｍｍ以下であってもよく、３０ｍｍ以下であってもよい。サンプルチャンバー１１の容量は、１ｍｍ^３以上であってもよく、１０^５ｍｍ^３以下であってもよい。サンプルチャンバー１１の容量は、１０ｍｍ^３以上であってもよく、３０ｍｍ^３以上であってもよく、１００ｍｍ^３以上であってもよい。サンプルチャンバー１１の容量は、１０^４ｍｍ^３以下であってもよく、１０^３ｍｍ^３以下であってもよい。

プロセスモニター５０のモニター制御ユニット５１は、プラズマ生成ユニット１０の制御を行うプラズマ制御ユニット（プラズマ制御機能）５２と、フィルターユニット２０の制御を行うフィルター制御ユニット（フィルター制御機能）５３と、ディテクタユニット３０の制御を行うディテクタ制御ユニット（ディテクタ制御機能）５４とを含む。モニター制御ユニット５１は、メモリおよびＣＰＵを含むコンピュータ資源を備えていてもよく、モニター制御ユニット５１の機能はプログラム５９で提供されてもよい。プログラム（プログラム製品）５９は、適当な記録媒体に記録して提供されてもよい。

プラズマ制御ユニット５２は、サンプルチャンバー１１においてプラズマ１８を生成するための高周波電源１５の周波数、電圧などを制御する機能と、ガス入力ユニット１９に設けられた流量制御弁１９ａによりサンプルガス９の流入量を制御する機能と、排気システム６０との接続ラインに設けられた圧力制御弁６５によりサンプルチャンバー１１の内圧を制御する機能とを備えていてもよい。これらのファクターを制御することにより、プロセスチャンバー７１において実施されるプロセスの種類が変わったり、プロセスの状態が変化しても、サンプルチャンバー１１内にプラズマ１８を安定して生成することができ、継続してプロセス装置７０からサンプルガス９を分析および監視できる。

本例の分析ユニット２１は質量分析型、特に、四重極質量分析型であり、フィルターユニット２０は四重極フィルターである。このため、フィルター制御ユニット５３は、四重極に対して高周波および直流を印加する駆動ユニット（ＲＦ／ＤＣユニット）としての機能を含む。フィルターユニット２０は、イオン化されたサンプルガス８を質量電荷比によりフィルタリングする。

ディテクタ制御ユニット５４は、フィルターユニット２０を通過したイオンによりディテクタユニット（検出ユニット、コレクターユニット）３０、例えば、ファラデーカップで生成されるイオン電流を捉えてサンプルガス９に含まれる成分を検出する。フィルターユニット２０により、所定のａｍｕ（原子質量単位、Atomic Mass Unit）の範囲をスキャンし、ディテクタユニット３０により、スキャンされた範囲のイオン強度を求めることにより、サンプルガス９に含まれる原子（分子）を定量測定することが可能である。このため、モニター制御ユニット５１においては、サンプルガス９に含まれるガス成分と濃度とを測定結果あるいはモニタリングの結果として出力（表示）することができる。モニター制御ユニット５１は、これらの測定結果（監視結果）を表示あるいは出力するユニット（機能）５５を含む。

プロセス装置７０のプロセス制御ユニット７５は、プラズマプロセスが実施されるプロセスチャンバー７１であって、ガス分析装置１にサンプルガス９が供給されるプロセスチャンバー７１内で実施される少なくとも１つのプラズマプロセスを、ガス分析装置１の測定結果に基づいて制御する。プロセス制御ユニット７５は、少なくとも１つのプラズマプロセスのエンドポイントを、少なくとも１つのプラズマプロセスの副生成物のガス分析装置１による測定結果により判断する機能（エンドポイント制御ユニット）７６を含む。

プロセス制御ユニット７５は、さらに、エッチングプロセスを制御する機能（エッチング制御ユニット）７４ａと、成膜（膜生成）プロセスを制御する機能（成膜制御ユニット）７４ｂと、クリーニングプロセスを制御する機能（クリーニング制御ユニット）７４ｃとを含み、それぞれのプロセスの終了時点をエンドポイント制御ユニット（エンドポイント制御機能）７６が制御する。プロセス制御ユニット７５は、メモリおよびＣＰＵを含むコンピュータ資源を備えていてもよく、プロセス制御ユニット７５の機能はプログラム７９で提供されてもよい。プログラム（プログラム製品）７９は、適当な記録媒体に記録して提供されてもよい。

エッチング制御ユニット７４ａは、例えば、半導体基板７８に対して、プロセスチャンバー７１に、フッ化炭素ＣＦｘ、六フッ化硫黄ＳＦ_６、フッ化窒素ＮＦ_３、四フッ化ケイ素ＳｉＦ_４などのエッチングガスを導入してプロセスプラズマを生成し、基板７８をエッチングする。エッチングプロセスのエンドポイントは、エンドポイント制御ユニット７６において、エッチングプロセスの副生成物であるエッチングされる層の成分、例えば、酸化シリコンＳｉＯ_２のサンプルガス９中における濃度のガス分析装置１の測定結果により判断することができる。このプロセスの場合、副生成物であるＳｉＯ_２の濃度は、エッチングされた面積と相関、例えば比例関係があり、所定の深さあるいは広さの領域のエッチングが終了したことを精度よく判断できる。特に、耐腐食性の高いガス分析装置１を用いることによりエッチングプロセスの監視することにより、プロセスの制御を安定して精度よく行うことができる。

ガス分析装置１においては、副生成物とともに、エッチングガスの成分も測定することが可能である。したがって、プロセスモニター５０により、エッチングガスの状態の監視と、エンドポイントの監視とを含めた複数の監視項目でプロセスの状態をモニタリングできる。エッチング制御ユニット７４ａは、プロセスモニター５０から得られる複数の監視項目に基づき、エッチングプロセスの進行を制御することを機械学習したモデル（人工知能、ＡＩ）を含んでいてもよい。以下の各プロセス制御においても同様である。

エッチングプロセスのエンドポイントは、エンドポイント層が設けられている基板７８においては、エンドポイント層の成分を副生成物としてプロセスモニター５０が検出したことをエンドポイント制御ユニット７６が判断して定めてもよく、エンドポイントの検出方法は、上述した方法に限定されものではない。従来のプラズマプロセスモニターを用いたエンドポイントの監視は、プロセスチャンバー７１内のプラズマの状態を光学的に判断して検出するものである。これに対し、ガス分析装置１を用いたエンドポイントの監視は、実際の副生成物の濃度を、プロセスプラズマとは別に生成されるプラズマを介して、リアルタイムで監視することを含み、さらに精度よくエンドポイントの判断を行うことができる。

成膜制御ユニット７４ｂを用いた成膜プロセスにおいては、成膜用のプラズマによる副生成物を検出することでエンドポイントを判断できる。成膜プロセス（膜生成プロセス）では、例えば、半導体基板７８に対して、プロセスチャンバー７１に、ＳｉＯ_２層を成膜する場合はＴＥＯＳプラズマ（オルトケイ酸テトラエチル、テトラエトキシシラン、Tetraethyl orthosilicate）が生成され、窒化シリコンＳｉＮｘ層を成膜する場合は、シランＳｉＨ_４およびアンモニアＮＨ_３を含むプラズマが生成される。成膜プロセスのエンドポイントは、エンドポイント制御ユニット７６において、成膜プロセスにおける副生成物、例えば、水素化物（水分）、炭化水素、酸化炭素のサンプルガス９中における濃度のガス分析装置１の測定結果により判断することができる。

成膜プロセスの場合、副生成物の濃度は、成膜された面積あるいは厚みとの相関、例えば比例関係があり、所定の面積または厚みの膜の生成が終了したことを精度よく判断できる。同時に、成膜プロセス中のプロセスプラズマの状態をプロセスモニター５０により監視できること、また、プロセスモニター５０の監視結果を用いてＡＩにより成膜プロセスを制御できることは上述したエッチング制御と同様である。また、コーティングなどによる影響の少ないガス分析装置１を用いてプロセスを監視することにより、成膜プロセスを安定して精度よく制御できる。

クリーニング制御ユニット７４ｃを用いたクリーニングプロセスでは、クリーニングプラズマにより生成される副生成物によりエンドポイントを判断できる。プロセスチャンバー７１でＳｉＯ_２層を成膜した後にクリーニングする場合は、フッ化窒素ＮＦ_３などの腐食性のガスを含むクリーニングプラズマを生成する。クリーニングプロセスのエンドポイントは、この例におけるクリーニングプラズマの副生成物である四フッ化ケイ素ＳｉＦ_４を、サンプルガス９を介してガス分析装置１により、リアルタイムで精度よく検出することで判断できる。

図３に、本例のガス分析装置１を搭載したプロセスモニター５０を有するシステム８０の制御の一例をフローチャートにより示している。ステップ１０１において、プロセス装置７０におけるプラズマプロセスを開始する。ステップ１０２において、プロセスチャンバー７１に接続されたガス分析装置１の監視し、ステップ１０３において、ガス分析装置１の測定結果に基づいてプロセスチャンバー７１内で実施されるプラズマプロセスを制御する。その過程において、ステップ１０４において、プラスマプロセスの副生成物のガス分析装置１の測定結果により、実施中のプラズマプロセスのエンドポイントが判明すると、ステップ１０５においてプラズマプロセスを終了する。ステップ１０６において、プロセス装置７０の半導体基板などのワーク対象物の製造または加工過程において次のプラズマプロセスが必要であれば、ステップ１０１に戻って次のプラズマプロセスを開始する。このような制御方法を含む製造方法あるいは加工方法により、プロセス装置７０を用いて最小の加工時間で高品質の製品を製造し、提供できる。

図４に、本発明の実施形態の他の例を示している。このシステム８０の基本的な構成は図２に示したシステム８０と共通する。ガス分析装置１は、プラズマ生成ユニット１０を含む。ガス分析装置１は、さらに、プラズマ生成ユニット１０とフィルターユニット（本例では四重極ユニット）２０との間に、エネルギーフィルタ２７を含む。本例においては、ベッセルボックス（Ｂｅｓｓｅｌ－Ｂｏｘ）タイプのエネルギーフィルタ（エネルギー分析器）を用いているが、ＣＭＡ（Cylindrical Mirror Analyzer）であってもよい。エネルギーフィルタ２７は，円筒電極と円筒電極の中心部に配置した円板形電極（円筒電極と同電位）、円筒電極の両端に配置した電極とから構成され、円筒電極と両端電極の電位差Ｖｂａによって作られる電場と円筒電極の電位Ｖｂｅとによって特定の運動エネルギーを持つイオンのみを通過させるバソドパスフィルターとして動作する。プラズマ生成の際に発生する軟Ｘ線や気体イオン化の際に発生する光が円筒電極中心に配置されている円板形電極により直接イオン検出器（ディテクタ）３０に入射することを阻止でき、ノイズを低減できる。また、イオン生成部内及び外部で生成され中心軸と平行に入射するイオンや中性粒子なども検出されない構造となっている。

プロセスよりも低圧でプラズマを生成するプラズマ生成ユニット１０においては、アルゴンプラズマなどサポートガスの注入が不要であり、プロセスから採取されるサンプルガスの定量分析を精度よく行うことが可能である。また、電極を用いたパルス放電によるプラズマ生成ではなく、連続してプラズマが生成可能であり、パルスのデューティなどによる変動を抑制でき、この点でもノイズを低減して、分析精度を向上できる。さらに、直接イオン化することにより、イオン化電流を低減できるとともにフラグメントの発生も抑制できる。

また、プラズマ生成ユニット１０を低圧で稼働させることにより、反応性の高いコンポーネントが、イオン化ユニット、およびそれを経由してガス分析装置（質量分析装置）１に流入することを抑制でき、腐食性の高い成分を含むサンプルガス９の分析も含めた測定寿命を長くできる。さらに、プラズマイオン化においては正イオンのみならず、負イオンも形成されるので、正負のイオンをフィルタリングしてガス中の成分の検出が可能であり、より精度の高い分析が可能となる。また、サンプルガス９がイオン化される際に、サンプルチャンバー１１内に閉じ込められた状態となるので、イオン化の面積を増加でき、イオン化効率も向上できる。それとともに、チャンバー１１内およびガス分析装置１に、プラズマ化された大量のラジカルが供給されることとなり、酸化物などの堆積も抑制できる。

また、ガス分析装置１のハウジング４０を含めた多くの部分がＦｅ－Ｎｉ材料で形成されている場合、最悪のケースでは、ＨＦ、ＨＣＬ、ＷＦｘ、ＷＣＬｘなどがＦｅ－Ｎｉ材料と反応して消滅する可能性が有る。ＣＦｘなどの腐食性の高いガスによるプラズマをクリーニング用のプラズマとしてガス分析装置１に引き込んでクリーニングすることが可能であるが、ガス分析装置１の多くの部品が金属で構成されている場合、金属が腐食してガス分析装置１の寿命が低下する可能性がある。このため、ガス分析装置１を構成する部品を、金属の代わりに、あるいは金属の表面に、熱分解カーボン（熱分解グラファイト、ＰＧ）を装着したり、コーティングしておくことは有効である。

なお、上記では、四重極タイプの質量分析装置を例に説明しているが、フィルター部２０は、イオントラップ型であってもよく、ウィーンフィルターなどの他のタイプであってもよい。また、フィルター部２０は、質量分析型に限らず、イオン移動度などの他の物理量を用いてガスの分子または原子をフィルタリングするものであってもよい。また、ガス分析ユニットは、発光分析ユニットなどの光学分析装置であってもよい。
上記には、誘電性の壁体構造を備え、測定対象のサンプルガスのみが流入するサンプルチャンバーと、前記誘電性の壁体構造を介して電場および／または磁場により、減圧された前記サンプルチャンバー内でプラズマを生成するプラズマ生成機構と、生成された前記プラズマを介して前記サンプルガスを分析する分析ユニットとを有するガス分析装置が開示されている。ガス分析装置は、前記サンプルチャンバーに、プロセスからの前記サンプルガスのみが流入するように構成されたガス入力ユニットを有してもよい。前記誘電性の壁体構造は、石英、酸化アルミニウムおよび窒化ケイ素の少なくともいずれかを含んでもよい。前記プラズマ生成機構は、誘電結合プラズマ、誘電体バリア放電および電子サイクロトロン共鳴の少なくともいずれかによりプラズマを発生する機構を含んでもよい。前記サンプルチャンバーは全長が１－１００ｍｍ、直径が１－１００ｍｍであってもよい。前記分析ユニットは、前記プラズマ中のイオン化したガスをフィルタリングするフィルターユニットと、フィルタリングされたイオンを検出するディテクタユニットとを含んでもよい。ガス分析装置は、前記フィルターユニットと前記サンプルチャンバーとの間に配置されたエネルギーフィルタをさらに有してもよい。
上記には、上記に記載のガス分析装置を有するプロセスモニタリング装置が開示されている。上記には、上記に記載のガス分析装置と、プラズマプロセスが実施されるプロセスチャンバーであって、前記ガス分析装置に前記サンプルガスが供給されるプロセスチャンバーとを有するシステムが開示されている。システムは、前記プロセスチャンバー内で実施される少なくとも１つのプラズマプロセスを、前記ガス分析装置の測定結果に基づいて制御するプロセス制御ユニットを有してもよい。前記プロセス制御ユニットは、前記少なくとも１つのプラズマプロセスのエンドポイントを、前記少なくとも１つのプラズマプロセスの副生成物の前記ガス分析装置による測定結果により判断するユニットを含んでもよい。
上記にはプラズマプロセスを実施するプロセスチャンバーを有するシステムの制御方法が開示されている。前記システムは、前記プロセスチャンバーからのサンプルガスのみが流入する、前記プロセスチャンバーとは異なるサンプルチャンバーを含むガス分析装置を有し、当該方法は、前記ガス分析装置の測定結果に基づいて前記プロセスチャンバー内で実施されるプラズマプロセスを制御することを有する。前記プラズマプロセスを制御することは、少なくとも１つのプラズマプロセスのエンドポイントを、前記少なくとも１つのプラズマプロセスの副生成物の前記ガス分析装置による測定結果により判断することを含んでもよい。前記少なくとも１つのプラズマプロセスは、エッチング、膜生成、およびクリーニングの少なくとも１つを含んでもよい。この制御方法は、前記サンプルチャンバーにおいて前記プロセスチャンバーとは独立したプラズマを生成することを有してもよい。
さらに、上記には、プラズマプロセスを実施するプロセスチャンバーを有するシステムを制御するプログラムが開示されている。前記システムは、前記プロセスチャンバーからのサンプルガスのみが流入する、前記プロセスチャンバーとは異なるサンプルチャンバーを含むガス分析装置を有し、当該プログラムは、前記ガス分析装置の測定結果に基づいて前記プロセスチャンバー内で実施されるプラズマプロセスを制御する命令を有する。

また、上記においては、本発明の特定の実施形態を説明したが、様々な他の実施形態および変形例は本発明の範囲および精神から逸脱することなく当業者が想到し得ることであり、そのような他の実施形態および変形は以下の請求の範囲の対象となり、本発明は以下の請求の範囲により規定されるものである。

１ ガス分析装置、 ９ サンプルガス、
１１ チャンバー、 １２ 壁体構造、 １３ プラズマ生成機構
１８ プラズマ

Claims (16)

1. プラズマプロセスを実施するプロセスチャンバーからのサンプルガスのみが流入するサンプルチャンバーと、
   前記サンプルチャンバーとの接続ラインを介して前記サンプルチャンバーの内圧を負圧にする排気システムと、
   電場および／または磁場により前記サンプルチャンバー内でプラズマを生成するプラズマ生成機構と、
   生成された前記プラズマを介して前記サンプルガスを分析する分析ユニットとを有する、ガス分析装置。
2. 請求項１において、
   前記プロセスチャンバーから前記サンプルチャンバーへの前記サンプルガスの流入量を制御する機能を有する、ガス分析装置。
3. 請求項１において、
   前記接続ラインは、前記サンプルチャンバーの前記内圧を制御する機能を含む、ガス分析装置。
4. 請求項１において、
   前記分析ユニットは、前記プラズマ中のイオン化したガスをフィルタリングするフィルターユニットと、
   フィルタリングされたイオンを検出するディテクタユニットとを含む、ガス分析装置。
5. 請求項４において、
   前記分析ユニットを収容するハウジングと、
   前記ハウジングを負圧に維持する第２の排気システムとを有する、ガス分析装置。
6. 請求項４において、
   前記分析ユニットを収容するハウジングであって、前記サンプルチャンバーと共通の前記排気システムにより負圧に維持されるハウジングを有する、ガス分析装置。
7. 請求項１において、
   前記分析ユニットは、前記サンプルチャンバー内で生成されるプラズマの発光を光学的に検出する発光分析ユニットを含む、ガス分析装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載のガス分析装置を有する、プロセスモニタリング装置。
9. 請求項１ないし７のいずれかに記載のガス分析装置と、
   前記プロセスチャンバーとを有するシステム。
10. 請求項９において、
    前記プロセスチャンバー内で実施される少なくとも１つのプラズマプロセスを、前記ガス分析装置の測定結果に基づいて制御するプロセス制御ユニットを有する、システム。
11. 請求項１０において、
    前記プロセス制御ユニットは、前記少なくとも１つのプラズマプロセスのエンドポイントを、前記少なくとも１つのプラズマプロセスの副生成物の前記ガス分析装置による測定結果により判断するユニットを含む、システム。
12. プラズマプロセスを実施するプロセスチャンバーを有するシステムの制御方法であって、
    前記システムは、前記プロセスチャンバーからのサンプルガスのみが流入する、前記プロセスチャンバーとは異なるサンプルチャンバーと、前記サンプルチャンバーと接続された排気システムとを含むガス分析装置を有し、
    当該方法は、
    前記排気システムにより前記サンプルチャンバーの内圧を負圧にして前記サンプルガスを流入させることと、
    前記サンプルチャンバー内で前記サンプルガスによるプラズマを生成することと、
    前記サンプルチャンバー内で生成された前記サンプルガスのプラズマを介した前記ガス分析装置の測定結果に基づいて前記プロセスチャンバー内で実施されるプラズマプロセスを制御することとを有する、方法。
13. 請求項１２において、
    前記プロセスチャンバーから前記サンプルチャンバーへの前記サンプルガスの流入量を制御することを有する、方法。
14. 請求項１２において、
    前記サンプルチャンバーの前記内圧を制御することを有する、方法。
15. 請求項１２ないし１４のいずれかにおいて、
    前記プラズマプロセスを制御することは、少なくとも１つのプラズマプロセスのエンドポイントを、前記少なくとも１つのプラズマプロセスの副生成物の前記ガス分析装置による測定結果により判断することを含む、方法。
16. 請求項１５において、
    前記少なくとも１つのプラズマプロセスは、エッチング、膜生成、およびクリーニングの少なくとも１つを含む、方法。

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