JPH03155038A - 荷電粒子分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は荷電粒子分析装置に係り、特に大面積のイオン
ビーム、あるいはプラズマ中の荷電粒子の分析に好適な
荷電粒子分析装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、半導体集積回路の微細化、各種薄膜デバイスの高
性能化に伴ない、イオンビームやプラズマを用いた加工
や成膜が広く用いられるようになってきた。イオンビー
ムやプラズマ中のイオンは、様々のエネルギーを持つば
かりでなく、それらの中には様々のイオン種が含まれる
。

加工や成膜の高精度化をはかるためには、イオンビーム
やプラズマ中イオンのエネルギーとイオン種を測定する
ことが不可欠である。

このような測定を行なえる従来の装置としては、フィジ
カル、レビュー１３１　（１）（１９６３年）第２１９
頁から第２２８頁（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ、
１３１　（１）（１９６３）ＰＰ、２１９−２２８）に
おいて論じられている。

すなわち、第８図（ａ）に示すように、プラズマ装置８
１にて発生したプラズマ８２から、同装置の一部に開け
た小孔を通してイオン８３を引出し、エネルギー分析器
（静電型）８４でエネルギーを分析した後、さらに磁場
型の質量分析器８５で質量を分析するようにしたもので
ある。

このような装置は、第８図（ｂ）に示す手順で使用され
る。同図（ｂ）のステップ９０にてイオンの採取が行な
われ、次のステップ９１にて前記エネルギー分析器８４
によるエネルギー分析を行なう。この場合、エネルギー
に対する粒子数の分布に関するデータが得られる。次に
、ステップ９２にて質量分析器８５による質量分析を行
ない、質量に対する粒子数の分布に関するデータが得ら
れる。そして、上記各データは前記プラズマ装置８１の
動作パラメータ（たとえば投入電力、ガス流量等）の最
適化を図るために用いられる。一方。

エネルギー分析後にあっては、ステップ９３にて質量分
析器８５による質量分離を行ない、所望のイオン種のみ
を分離する。そして、ステップ９４にて分離したイオン
の試料への打込みを行なう。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上述した従来の装置にあっては、イオンを捕ら
えるエネルギー分析装置はその定（固定）位置のみで、
イオンの特性量を測定するのみであった・ このため、イオンの特性量の空間分布におけるデータが
得られないことはいうまでもなく、それ故、上記装置を
用いた加工あるいは成膜は限られた次元での均一化にあ
まんしなければならなかった。

一方、近年にあっては大面積にわたって、均一な薄膜の
加工あるいは成膜が要望され、イオンの特性量を空間的
に均一化することが要望されてきている。

それ故、本発明は、このような事情によりなされたもの
であり、その目的とするところのものは、空間的に広が
りをもつイオンビームやプラズマ中のイオンのエネルギ
ー分析、および質量分析を複数の位置で行なうことがで
きるようにし、これにより上記イオンの特性量の空間分
布を測定でき、かつ、これによりイオンの特性量を空間
的に均一化するようにした荷電粒子分析装置を提供する
にある。

〔課題を解決するための手段〕

このような目的を達成するために、本発明は、プラズマ
装置、エネルギ分析器および質量分析器を備えてなる荷
電粒子分析装置において、前記エネルギ分析器および質
量分析器をともにその相対的位置を変えずして前記プラ
ズマ装置からのプラズマ照射方向に対する垂直な面内で
移動できる手段を備えてなり、該エネルギ分析器および
質量分析器の移動に際し任意の複数個所におけるデータ
を収集し、前記プラズマ装置のパラメータを変更するよ
うにしたことを基本とするものである。

すなわち、第１図（ａ）に示すように、真空容器１があ
り、この真空容器１の上部にはプラズマ装置２０が配置
されている。このプラズマ装置２０からのイオンは小孔
を通して、前記真空容器１の下部に照射されるようにな
っている。前記イオンが照射される真空容器１内にはエ
ネルギー分析器３および質量分析器４が一体的に形成さ
れ、このエネルギー分析器３および質量分析器４は、前
記プラズマ装置２０からのプラズマ照射方向に対する垂
直な面内で移動できるようになっている。

同図（ａ）の場合には、エネルギー分析器３および質量
分析器４は、Ｘ軸方向において往復動ができるようにな
っている。

〔作用〕

このように構成される荷電粒子分析装置は、第１図（ｂ
）に示すようにして使用できる。まず、ステップ１０１
にてイオンの採取をするが、このときエネルギー分析器
３の初期位置ｘ＝ｘ、を設定し、この位置での採取を行
なう。そして従来と同様、ステップ１０２．ステップ１
０３にてそれぞれエネルギー分析、質量分析を行なう。

さらにステップ１０４にて前記エネルギー分析器３を移
動させその位置をＸ＝Ｘ、に固定させ、再びステップ１
０５、ステップ１０６にてそれぞれエネルギー分析、質
量分析を行なう。このような工程をｘ＝ｘ２．Ｘ、・・
・・・・Ｘｎの位置で順次行ない、ステップ１０７にて
、それぞれの位置で得られるエネルギー分析値および質
量分析値のデータに基づき、各位置に対するエネルギー
広がり、すなわち特性量の空間分布を算出する。次にス
テップ１０８にて前記特性量の空間分布が均一となるよ
う前記プラズマ装置２０のパラメータを変更する。この
ようにすれば前記荷電粒子分析装置は、特性量が空間的
に均一なイオンが得られるため、空間的に均一な加工あ
るいは成膜を達成することができるようになる（ステッ
プ１０９）。

［実施例］ 以下、本発明による荷電粒子分析装置の実施例を図面を
用いて説明する。

第２図は本発明による荷電粒子分析装置の一実施例を示
す全体構成図である。同図において、真空容器１があり
、この真空容器１は主排気装置２に接続され、かつその
上部にはイオン源となるプラズマ装置２０が配置されて
いる。なお、このプラズマ装置２０はガス供給装置２１
からガスが供給されるようになっている。このプラズマ
装置２０内で発生するプラズマ３０からのイオン２２は
前記真空容器１内に配置されるエネルギー分析器（静電
型）３に照射されるようになっており、このエネルギー
分析器３は、やはり前記真空容器１内に配置された質量
分析器４に連結されている。

前記エネルギー分析器３および質量分析装置４はともに
真空内走行トレーＳ上に搭載されたものであり、この真
空内走行トレー５は車５０を介してレール５１上を走行
できるようになっている。

また、前記エネルギー分析器３はその走行方向に延在（
前記質量分析器４と反対側）して排気管６が設けられて
おり、前記真空容器１外に突出している。この排気管６
は真空容器１外の中継排気室１０に接続され、この中継
排気室１ｏは、これを内包する枠体５２に取付けたハン
ドル９の回転により、前記排気管６の軸方向、ひいては
前記エネルギー分析器３および質量分析器４の走行可能
方向へ往復移動できるようになっている。そして。

前記真空容器１と中継排気室１０との間における排気管
６の部分は、前記真空容器１と中継排気室１０にそれぞ
れ両端を固着させたベローズ７によって内包されている
。これにより前記真空容器１内への大気の侵入を防ぐと
ともに前記中継排気室１０の移動を可能ならしめている
。なお前記中継排気室１０には差動排気用排気装置８が
一体に取付けられ、前記排気管６を介してエネルギー分
析器３および質量分析器４内を真空にできるようになっ
ている。

第３図は、静電型の前記エネルギー分析器３の主要部を
あられす斜視図（１部破断図）である。

このエネルギー分析器３は、９０°偏向の球面状静電型
エネルギー分析器で、ボックス１１、半径２５ＩＩｆＩ
＋の外側球面電極１２、半径２０ｍｍの内側球面電極１
３より成り１両球面電極の間隔は絶縁物のボールを挟む
ことにより５１１１ｎに保たれている。

両線面電極間の電圧Ｖｐ、ボックスの電圧ｖｂを調整す
ることにより、特定のエネルギーを持ったイオン２５の
み円軌道を描く運動をさせ、出射口を通過させることに
よりエネルギーを分析する。

また、四重極の前記質量分析器４は、図では省略してい
るが、エネルギー分析器３及び真空内走行トレー５と電
気的に絶縁されている。質量分析器４と制御装置をつな
ぐケーブルは、真空用のケーブル２６と大気用のケーブ
ル２７を真空容器１に形成された連結フランジ２８で結
合している。

このように構成した荷電粒子分析装置において、まず５
真空容器１を１×１０−Ｔ　ｏｒｒ程度に排気する。ガ
ス供給装置２１から、例えばアルゴンガスをイオン源２
０に供給しながら、放電によりプラズマ３０を発生させ
、そこからイオンビーム２２を引出す。この時の真空容
器のガス圧はｌＸ１Ｏ−４Ｔｏｒｒ程度である。イオン
ビームは、小孔よりエネルギー分析器３に入り、先に説
明したように、９０°偏向球面状静電型エネルギー分析
器により、エネルギーの分析を行なう。

第４図（ａ）はアルゴンガスをプラズマ装置２０に導入
して、引出し電圧２００Ｖ、１００Ｖ。

２０Ｖの３通りについて、イオンエネルギーの分布を示
したものである。測定に用いたイオン源の場合は、引出
し電圧で決まるほぼ単一のエネルギーのイオンが引出さ
れていることがわかる。なお。

この測定例ではイオンビームの中心から４０ｍｍで、取
込んだイオンのエネルギー分析を行なっているが、真空
内走行トレー５の位置を変えることにより、任意の位置
（但し、１直線」二）でのエネルギー分析が行なえる。

エネルギー分析器３で特定のエネルギーのイオンのみが
選別され、四重極質量分析器４に送られ質量が分析され
る。本装置では、質量／電荷比が１〜３６０原子質量単
位が分析できるものを使用した。第４図（ｂ）は、アル
ゴンのプラズマからイオンエネルギー１００電子ボルト
のイオンのみを取り出して、質量スペクトルを調べたも
ので、１価及び２価のアルゴン、窒素や水のイオンが検
出された。なお、この測定例はビーム中心から３０ｍの
位置での質量スペクトルであるが、真空内走行トレー５
の位置を変えることにより、任意の位置での質量分析が
行なえる。調べるイオンのエネルギーが大きい場合（例
えば５００＠子ボルト）、質量スペクトルにおいて信号
に対する雑音の比率が大きくなる。その場合、四重極質
量分析器４全体を直流電圧でバイアスすることにより、
分析器に入射するイオンの実効的なエネルギーを下げ、
雑音を小さくすることができる。

エネルギー分析器３、四重極質量分析器４内の圧力は、
ｌ　Ｏ−’　Ｔｏｒｒ以下であり、イオンの大半は中性
化されず、比較的少量のイオンビーム（例えば１ｎＡ）
も分析できる。

このように、上述した実施例のように、ある広がりをも
ったイオンビームを、エネルギー分析器３および質量分
析器４を搭載した真空内走行トレーを移動させながら測
定を行なうことにより、−直線上の任意の位置でのイオ
ンビームのエネルギ分析および質量分析を行なうことが
できる。したかって−直線上の任意の位置でのイオンビ
ームの各分析を順次行なうことにより空間分布における
特性量を算出できその特性量を一定にする等の制御を可
能とする。

上述した実施例では、質量分析器として、質量分解能が
高い四重極質量分析器を用いでいるが、質量分解能はや
や低いが、小型で安価な質量分析器として、第５図に示
す１８０°磁場偏向型質量分析器を用いてもよい。同分
析器は、入射スリットの切っであるアパーチャ１４、ケ
ース１５．１８０°偏向管１６、イオン電流を検出する
コレクタ１７．更に１８０°偏向管１６に均一な磁界を
印加するための継鉄１８及び永久磁石１９から成ってい
る。

１８０”偏向管には、約１０００ガウスのほぼ−様な磁
界が印加されている。特定の質量をもつイオンのみが円
軌道（軌道の半径はイオンのラーモア半径として計算で
きる。）を描き、コレクタ１６に流入し、電流として検
出される。ケース１５．１８００偏向管１６の電位を調
整することにより、偏向管内を通過するイオンの通過エ
ネルギーを変えながら、コレクタ１日のイオン電流を調
べると、イオンの通過エネルギーに対応した質量のイオ
ン電流が検出でき、質量スペクトルが得られる。上述の
磁場偏向型質量分析器を用いても、ある広がりを持った
イオンビームについて、１直線上の任意の位置で、エネ
ルギー分析及び質量分析が行なえる。

欣に、本発明による荷電粒子分析装置の他の実施例を第
６図に示す。本装置はエツチングやスパッタ成膜に用い
られる平行平板型の高周波プラズマ装置を測定対象とし
ている。本装置は、真空容器１内の一部に高周波プラズ
マを生成させるための、上部高周波電極３１．測定用の
小孔を一直線上に開けた下部高周波電極３２を配置し、
測定装置については、第２図の実施例と同様、エネルギ
ー分析器３、画電極質量分析器４、真空内走行トレー５
が同容器内に置かれており、面分析器は差動排気用排気
装置８により、真空容器１内よりも高真空に保たれてい
る。絶縁物３３で真空容器１と電気的に絶縁した上部、
下部高周波電極３１゜３２には、マツチングボックス３
４を介して、高周波電源３５が接続されている。

真空容器１は、主排気装置２により、１×１Ｏ−６Ｔｏ
ｒｒ程度に排気する。アルゴンガスを供給しながら（放
電部でＩ　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ程度）、高周波電圧（
１３，５６ＭＨｚ）を上部高周波電極３１に印加し、下
部高周波電極３２を接地電位とすれば、アルゴンのプラ
ズマ３０が生成される。

プラズマ３０の電位と接地電位である上部高周波電極３
１の電位差で、イオンは下方に引出され、小孔を通過し
たものが、エネルギー分析器３に入射する。エネルギー
分析の方法については、第２図の実施例と同様である。

エネルギーを分析した後のイオンは、画電極質量分析器
４で、第１図の実施例と同様に質量分析が行なわれる。

真空内走行トレー５は、ステッピングモータ３６によっ
て移動でき、高周波電極に小孔が開いている任意の位置
で、イオンのエネルギー、質量分析ができる。

さらに、本発明による荷電粒子分析装置の他の実施例を
第７図を用いて説明する。

本装置はプラズマＣＶＤによる成膜やエツチングに用い
られる同軸円筒型の高周波プラズマ装置を測定対象とし
ている。本装置は、真空容器１内に高周波プラズマを生
成するための、円筒状の外側高周波電極４０と自速高周
波電極４１が置かれ、画電極にはマツチングボックス３
４を介して、高周波電源３５が接続されている。内側高
周波電極４１には、エネルギー分析器３にイオンを取込
むための小孔が直線上に開けられており、内側電極昇降
装置４３で上下に移動できる。エネルギー分析器３、画
電極質量分析器４、排気管６、中継排気室１０は気密を
保って連結されていて、更に。

差動排気用排気装置８が接続されている。差動排気した
分析器部分全体は１分析器昇降装置４２によって上下に
移動するが、正確に垂直方向に移動させるため、ガイド
４４を設けである。

このような構成において、真空容器１を１×１０−’Ｔ
ｏｒｒに排気し、ガスを供給しながら（例えば放電空間
で０　、　Ｉ　Ｔｏｒｒ）　、外側高周波電極４０に高
周波電圧（１３、５６ＭＨｚ）を印加し、内側高周波電
極４１に接地電位を与えると、高周波放電によりプラズ
マ３０が生成される。内側高周波電極４１上の小孔を通
過したイオンは、エネルギー分析器３更に画電極質量分
析器４で、エネルギー及び質量が分析される。本装置で
も、分析器昇降装置４２で上下に移動させながら分析が
できる。なお、本装置では、放電部のガス圧が比較的高
いため、差動排気用排気装置としては、第２図の実施例
の場合に比較して、排気容量の大きなものを必要とする
。

これまで述べた実施例では、静電型エネルギー分析器と
しては、９０’偏向型球面状分析器を用いているが、そ
の他の偏向角度（１２７’　、１８０°等）の分析器、
円筒電極を用いた分析器を用いてもよい。

また、放電用の導入ガスとしては、Ｗ３単のためアルゴ
ンを使用して説明した。しかし、導入ガスは、反応性の
ガス（ＣＦｌ、ＣＨＦ３，０２．等）や混合ガス（ヘリ
ウムで希釈したフォスフイン等）でも良い。

なお、本発明の装置は、イオンビームやプラズマを用い
た薄膜加工装置、成膜装置のプロセス監視装置として応
用できる。

この場合、上述したと同様の過程を経ることによって、
空間的に均一な加工あるいは成膜を達成できることから
、その監視においても一元的に定めることができるよう
になる。

これまでの実施例では、すべてイオンのエネルギーを分
析した後、質量を分析しているが、いずれか一方を省略
したり、分析の順序を逆にしても発明の主旨に反するも
のではない。

〔発明の効果〕

このように構成される荷電粒子分析装置は、まず、イオ
ンの採取をするが、このときエネルギー分析器の初期位
置ｘ＝ｘｏを設定し、この位置での採取を行ない、エネ
ルギー分析、質量分析を行なう。さらにそれぞれ前記エ
ネルギー分析器を移動させその位置をｘ　＝　ｘ□に固
定させ、再びそれぞれエネルギー分析、質量分析を行な
う。このような工程をｘ＝ｘ２．　Ｘ、・・・・・・Ｘ
ｎの位置で順次行ない、それぞれの位置で得られるエネ
ルギー分析値および質量分析値のデータに基づき、各位
置に対するエネルギー広がり、すなわち特性量の空間分
布を算出する。前記特性量の空間分布が均一となるよう
前記プラズマ装置のパラメータを変更すれば前記荷電粒
子分析装置は、特性量が空間的に均一なイオンが得られ
るため、空間的に均一な加工あるいは成膜を達成するこ
とができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明による荷電粒子分析装置
の概要を示す説明図、第２図は前記荷電粒子分析装置の
一実施例を示す構成図、第３図は前記荷電粒子分析装置
に組込まれているエネルギー分析器の一実施例を示す構
成図、第４図（ａ）。 （ｂ）は前記荷電粒子分析装置から得られるデータを示
す図、第５図は前記荷電粒子分析装置に組込まれる質量
分析器の他の実施例を示す構成図、第６図および第７図
はそれぞれ本発明による荷電粒子分析装置の他の実施例
を示す構成図、第８図は従来の荷電粒子分析装置の概要
を示す説明図である。 １・・・真空容器、　　　　　　　２・・・主排気装置
。 ３・・・静電型エネルギー分析器、 ４・・・画電極質量分析器、 ５・・・真空的走行トレー ６・・・差動排気用排気装置、 ２０・・・イオン源、 ３１・・・上部高周波電極、 ３２・・・下部高周波電極、 ３５・・・高周波電源。 ４０・・・外側高周波電極、 ４１・・・内側高周波電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラズマ装置、エネルギ分析器および質量分析器を
   備えてなる荷電粒子分析装置において、前記エネルギ分
   析器および質量分析器をともにその相対的位置を変えず
   して前記プラズマ装置からのプラズマ照射方向に対する
   垂直な面内で移動できる手段を備えてなり、該エネルギ
   分析器および質量分析器の移動に際し任意の複数個所に
   おけるデータを収集し、前記プラズマ装置のパラメータ
   を変更するようにしたことを特徴とする荷電粒子分析装
   置。 ２、請求項１記載において、前記エネルギ分析器および
   質量分析器は真空容器内に配置されており、かつ該エネ
   ルギ分析器および質量分析器を連結する排気管は前記真
   空容器外に取り出され、該真空容器外にてその長手方向
   へ移動できるとともに、前記真空容器と排気管との間に
   は蛇腹を介して気密性を保っていることを特徴とする荷
   電粒子分析装置。 ３、請求項に記載において、前記プラズマ装置は平行平
   板型であり、エネルギ分析および質量分析器とともに真
   空容器内に配置されていることを特徴とする荷電粒子分
   析装置。 ４、請求項２記載において、エネルギ分析器および質量
   分析器はそれらを連結する排気管とともに垂直に配置さ
   れていることを特徴とする荷電粒子分析装置。 ５、エッチングプロセス監視装置として用いた請求項第
   １記載ないし第４記載のうちいずれかの荷電粒子分析装
   置。 ６、成膜プロセス監視装置として用いた請求項第１記載
   ないし第４記載のうちいずれかの荷電粒子分析装置。 ７、プラズマ装置、エネルギ分析器および質量分析器を
   備えてなる荷電粒子分析装置において、前記エネルギ分
   析器および質量分析器をともにその相対的位置を変えず
   して前記プラズマ装置からのプラズマ照射方向に対する
   垂直な面内で位置を変えずに移動させ、その際のデータ
   を順次収集し、前記プラズマ装置のパラメータを変更す
   るようにしたことを特徴とする荷電粒子分析装置の調整
   方法。