JPH0513194A - Method for measuring negative ion in plasma - Google Patents

Method for measuring negative ion in plasma

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JPH0513194A
JPH0513194A JP3161607A JP16160791A JPH0513194A JP H0513194 A JPH0513194 A JP H0513194A JP 3161607 A JP3161607 A JP 3161607A JP 16160791 A JP16160791 A JP 16160791A JP H0513194 A JPH0513194 A JP H0513194A
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negative ions
measuring
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宏 雨宮
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Abstract

PURPOSE:To provide a method for measuring a negative ion in a plasma, where density of the negative ion in the plasma is locally measured with accuracy. CONSTITUTION:A probe P1 is disposed in a desired measuring portion in a plasma. A laser 5 is irradiated in the vicinity of the probe P1 of the plasma. An electron, which is photodesorbed from a negative ion in the plasma by radiation of the laser 5, is collected by the probe P1 so that a photodesorbed electron current is measured. Consequently, density of the negative ion is locally measured.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、エッチングや成膜に用
いられるプロセス用プラズマ、負イオン源等において、
ラジカルを含む各種負イオンの状態を計測するためのプ
ラズマ中の負イオン測定方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a process plasma used for etching and film formation, a negative ion source, etc.
The present invention relates to a method for measuring negative ions in plasma for measuring the state of various negative ions including radicals.

【0002】[0002]

【従来の技術】本発明者等は、従来からプロセスプラズ
マの状態を計測するための研究を重ねており、例えば、
負イオンを含むプラズマ生成法とこのプラズマ中でのプ
ローブ測定法について(H.Amemiya:J.Phys.D,23(1990)
999. )、あるいはレーザー光ガルバノ法を用いた酸素
等のRF放電中の負イオン(O- 、O2 - )についての
分光計測結果(T.Suzuki and T.Kasuya:Phys.Rev.,A36
(1987) 2129.)等について発表を行っている。
2. Description of the Related Art The inventors of the present invention have been conducting research to measure the state of process plasma, and, for example,
Plasma generation method including negative ions and probe measurement method in this plasma (H. Amemiya: J. Phys. D, 23 (1990)
999.) or the results of spectroscopic measurement of negative ions (O , O 2 ) in RF discharge such as oxygen using laser light galvano method (T.Suzuki and T.Kasuya: Phys.Rev., A36).
(1987) 2129.) and so on.

【0003】これまでの光ガルバノ法による負イオン計
測としては電子親和力の大きいハロゲンおよびその誘導
体の計測が先行してきた。これらの場合、短波長レーザ
ーが要求されるためこれを可能にするパルスレーザーが
主として用いられてきた。例えばI- 、Cl- に対して
はN2 励起パルス色素レーザー、Cl- 、BCl3 -
対してはN2 パルスレーザー、Cl- に対してはエキシ
マレーザー励起パルス色素レーザーが挙げられる。ま
た、核融合プラズマ加熱用中性ビーム照射用負イオン源
の研究として、従来H- 源の研究が行われ、その中のH
- をルビーレーザーを用いてパルス測定することが行わ
れている。さらに、N2 レーザーを用いてSF6 - を含
むプラズマ中の測定も行われている。
As a conventional method for measuring negative ions by the optical galvanometer method, halogen and its derivatives having a large electron affinity have been measured. In these cases, short-wavelength lasers are required, and pulsed lasers that enable this have been mainly used. For example I -, Cl - for the N 2 excitation pulse dye lasers, Cl -, BCl 3 - For N 2 pulsed laser, Cl - include excimer laser pumped pulsed dye laser for. In addition, as a research on the negative ion source for neutral beam irradiation for heating of fusion plasma, the research on the H source has been performed conventionally.
- it is pulsed measured using a ruby laser has been carried out. Further, measurement in plasma containing SF 6 using N 2 laser is also performed.

【0004】なお、従来の光ガルバノ法による負イオン
計測では、光脱離された電子を陽極ないし陰極を用いて
捕集しており、インピダンスの変化を観測するもので局
所的な密度計測ではない。
Incidentally, in the conventional negative ion measurement by the optical galvano method, photo-desorbed electrons are collected by using an anode or a cathode, and a change in impedance is observed, not a local density measurement. .

【0005】上述したレーザーのうち、N2 レーザーは
パルス幅が短いうえパルス高が不安定なためプラズマ雑
音を吸収し良好な信号対雑音比(S/N)でデータを得
るのは困難である。一般に、測定の信頼度を上げる上で
は、パルス光よりも連続(cw)発振光の方が各種フィ
ルターやロックイン法等の雑音抑制手段が適用できる上
で望ましい場合が多い。前述のO- についての測定は、
色素CWレーザーを用い、出力200mW でS/N比約300
が得られている。
Among the above-mentioned lasers, the N 2 laser has a short pulse width and an unstable pulse height, so that it is difficult to absorb plasma noise and obtain data with a good signal-to-noise ratio (S / N). . In general, in order to increase the reliability of measurement, continuous (cw) oscillation light is often preferable to pulsed light because noise suppression means such as various filters and lock-in methods can be applied. The above measurement for O is
Using dye CW laser, output 200mW, S / N ratio about 300
Has been obtained.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の方法では、負イオンから光脱離された電子を捕
集するのに、陽極ないし陰極を用いているので、電子が
これらの電極に達するまでに衝突効果により消費されて
しまうためS/N比が悪く、また、プラズマ中のどの位
置の計測をしているかわからず局所性が得られないとい
う問題がある。
However, in the above-mentioned conventional method, since the anode or the cathode is used to collect the electrons photo-desorbed from the negative ions, the electrons reach these electrodes. Since it is consumed by the collision effect up to that point, the S / N ratio is poor, and there is a problem that it is not possible to obtain locality without knowing which position in the plasma is being measured.

【0007】さらに、プラズマ中の負イオンは多成分に
及ぶことがあるが、従来の方法ではどの負イオン種を測
定しているのかが曖昧であり、負イオン密度の決定にお
いて大きな誤りが生じる可能性があるという問題があっ
た。
Further, although negative ions in plasma may have many components, it is unclear which negative ion species is being measured by the conventional method, which may cause a large error in determining the negative ion density. There was a problem that there is a property.

【0008】本発明は、かかる従来の事情に対処してな
されたもので、プラズマ中の負イオンの密度を正確に測
定することのできるプラズマ中の負イオン測定方法プを
提供しようとするものである。
The present invention has been made in consideration of such conventional circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for measuring negative ions in plasma capable of accurately measuring the density of negative ions in plasma. is there.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項1記載
の発明は、プラズマ中の所望の測定部にプローブを配置
するとともに、このプラズマの前記プローブの近傍にレ
ーザーを照射し、このレーザーの照射によって前記プラ
ズマ中の負イオンから光脱離した電子を、前記プローブ
によって捕集して光脱離電子電流を測定することによ
り、負イオンの密度を測定することを特徴とする。
That is, according to the invention of claim 1, a probe is arranged at a desired measuring portion in plasma, and a laser is irradiated in the vicinity of the probe of the plasma, and the laser is irradiated. Electrons photo-desorbed from the negative ions in the plasma are collected by the probe and the photo-desorption electron current is measured to measure the density of the negative ions.

【0010】また、請求項2記載の発明は、プラズマ中
に複数種の波長のレーザーを順次照射して、これらのレ
ーザーの照射に応じた光脱離電子電流をそれぞれ測定
し、各負イオン種の光脱離断面積から前記プラズマ中の
負イオン種の同定および密度の決定を行うことを特徴と
する。
According to the second aspect of the present invention, plasma is sequentially irradiated with lasers of a plurality of types of wavelengths, and photodesorption electron currents corresponding to the irradiations of these lasers are measured. It is characterized in that the negative ion species in the plasma are identified and the density is determined from the photodetachment cross-section of the above.

【0011】[0011]

【作用】上記構成の請求項1記載の発明では、プラズマ
中の所望の測定部に配置したプローブ近傍にレーザーを
照射し、プラズマ中の負イオンから光脱離した電子をプ
ローブで捕集して光脱離電子電流を測定することによっ
て、負イオンの密度を測定する。このため、局所性が得
られるのみならず、プローブ電圧を適宜変化させプラズ
マ電位に対し最適な正バイアスをかけることにより、感
度を上げることができ、S/N比を向上させて負イオン
の密度を局所的に正確に測定することができる。
According to the first aspect of the present invention having the above-mentioned structure, a laser is irradiated in the vicinity of the probe arranged at a desired measuring portion in the plasma, and the electrons photo-desorbed from the negative ions in the plasma are collected by the probe. The density of negative ions is measured by measuring the photodetached electron current. Therefore, not only locality can be obtained, but also by appropriately changing the probe voltage and applying an optimum positive bias to the plasma potential, the sensitivity can be increased, and the S / N ratio can be improved to increase the density of negative ions. Can be locally and accurately measured.

【0012】また、請求項2記載の発明では、プラズマ
に2 種以上のcwないしパルスレーザーを波長掃引する
等して照射し、その光応答によりプラズマ中の各負イオ
ン種から光脱離する電子に基づく電流を測定する。そし
て、各負イオン種の光脱離断面積からプラズマ中の負イ
オン種の同定および密度の決定を行う。したがって、プ
ラズマ中に複数の負イオン種が存在する場合であって
も、その負イオン種を同定して、その密度を正確に求め
ることができる。
According to the second aspect of the invention, plasma is irradiated with two or more types of cw or pulse lasers by wavelength sweeping, and the photoresponse causes electrons to be desorbed from each negative ion species in the plasma. Measure the current based on. Then, the negative ion species in the plasma are identified and the density is determined from the photodetachment cross section of each negative ion species. Therefore, even when a plurality of negative ion species are present in the plasma, the negative ion species can be identified and the density thereof can be accurately obtained.

【0013】[0013]

【実施例】以下、本発明のプラズマ中の負イオン測定方
法の詳細を、図面を参照して実施例について説明する。
The details of the method for measuring negative ions in plasma according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0014】図1は、本発明の一実施例における測定シ
ステムの構成を示すもので、図において1はレーザー光
源であり、本実施例においてはこのレーザー光源1とし
て、cwアルゴンイオンレーザーおよびcw色素レーザ
ーを用いた。
FIG. 1 shows the structure of a measuring system according to an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a laser light source. In this embodiment, the laser light source 1 is a cw argon ion laser and a cw dye. A laser was used.

【0015】また、同図において2は円筒状に形成され
た放電管であり、放電管2内には、管軸方向に沿ってカ
ソードKとアノードAが設けられ、電源Vaから電圧を
印加することにより、これらのカソードKとアノードA
との間にプラズマを生じさせるよう構成されている。さ
らに、この放電管2内には、図中矢印で示すように、放
電管2の径方向に移動可能に構成された電子捕集用のプ
ローブPが挿入されている。なお、本実施例では、放電
管2の管軸方向に間隔を設けて2つのプローブP1 、P2
が設けられている。
In the figure, reference numeral 2 denotes a discharge tube formed in a cylindrical shape. Inside the discharge tube 2, a cathode K and an anode A are provided along the tube axis direction, and a voltage is applied from a power supply Va. By these, these cathode K and anode A
Is configured to generate a plasma between and. Further, in the discharge tube 2, as shown by an arrow in the figure, a probe P for electron collection which is configured to be movable in the radial direction of the discharge tube 2 is inserted. In this embodiment, the two probes P1 and P2 are provided with a space in the tube axis direction of the discharge tube 2.
Is provided.

【0016】この放電管2の両端には、光透過窓3、4
が設けられており、レーザー光源1からのレーザー5
は、チョッパー6、ミラー7、集光用のレンズ8を介し
て光透過窓3から放電管2内に入射し、反対側の光透過
窓4から外部へ出るように構成されている。上記ミラー
7は、角度を調節可能に構成されており、このミラー7
の角度を調節して放電管2内の所望方向にレーザー5を
向け、レンズ8で集束位置を管軸方向に移動させること
により、レーザー5を放電管2内の所望部位に集束させ
ることができるよう構成されている。
At both ends of the discharge tube 2, light transmitting windows 3, 4 are provided.
Is provided, and the laser 5 from the laser light source 1 is provided.
Is configured to enter the discharge tube 2 through the light transmission window 3 through the chopper 6, the mirror 7, and the condenser lens 8 and to exit to the outside through the light transmission window 4 on the opposite side. The mirror 7 is configured so that its angle can be adjusted.
The laser 5 can be focused on a desired site in the discharge tube 2 by adjusting the angle of the laser beam 5 to direct the laser 5 in a desired direction in the discharge tube 2 and moving the focusing position by the lens 8 in the tube axis direction. Is configured.

【0017】上記構成の測定システムを用い、本実施例
では、プローブP1 (あるいはプローブP2 )を所望の
測定部位に配置し、ミラー7およびレンズ8によってレ
ーザー5をこのプローブP1 の近傍に集束させるように
して、プローブP1 の近傍のプラズマにレーザー5を照
射する。そして、プローブ電源Vp によってプローブP
1 に所定のバイアス電圧を与え、レーザー5の照射によ
って負イオンから光脱離した電子をこのプローブP1 で
捕集する。レーザー5の照射による電流の変化分(光離
脱電子電流)△Ip は、抵抗Rp の両端に生ずる電圧降
下の変化分として、ロックインアンプ9によって検出す
る。すなわち、ロックインアンプ9は、△Ip ・Rp を
ノイズフィルタ10を介して入力し、チョッパー6から
の信号を参照信号として、レーザー光有無の場合の差を
位相敏感検波することによって取り出している。
In the present embodiment, the probe P1 (or the probe P2) is arranged at a desired measurement site by using the measuring system having the above-mentioned structure, and the laser 5 is focused by the mirror 7 and the lens 8 in the vicinity of the probe P1. Then, the laser 5 is applied to the plasma in the vicinity of the probe P1. Then, the probe P is supplied by the probe power source Vp.
A predetermined bias voltage is applied to 1, and the electrons photo-desorbed from the negative ions by the irradiation of the laser 5 are collected by this probe P1. A change in current (light-exiting electron current) ΔIp due to irradiation of the laser 5 is detected by the lock-in amplifier 9 as a change in voltage drop across the resistor Rp. That is, the lock-in amplifier 9 inputs .DELTA.Ip.multidot.Rp through the noise filter 10 and extracts the difference in the presence or absence of laser light by phase sensitive detection using the signal from the chopper 6 as a reference signal.

【0018】なお、図1のシステムでは、ロックインア
ンプ9の入力を、アノードAからの△I・Ra に切り替
えて、比較のため、負イオンから光脱離した電子をアノ
ードAで捕集して測定することもできるよう構成されて
いる。また、放電管2内を透過したレーザー5を、ミラ
ー11で反射し、パワーモニタ12に入射させて、この
透過光のパワーをモニタすることができるよう構成され
ている。
In the system of FIG. 1, the input of the lock-in amplifier 9 is switched to ΔI · Ra from the anode A, and for comparison, the electrons photo-desorbed from the negative ions are collected by the anode A. It is configured so that it can also be measured. Further, the laser 5 transmitted through the discharge tube 2 is reflected by the mirror 11 and is incident on the power monitor 12, so that the power of the transmitted light can be monitored.

【0019】ここで、パワーPk 、周波数νk のレーザ
ー5が、プラズマ中のある点に集光されると、その部分
の負イオンは光脱離を起こし電子を発生し、その確率は
σi (hνk )で与えられる。ここで、hはプランク定
数、σi はi種の負イオンの光脱離断面積である。プラ
ズマ中の各負イオン種の密度をni とすると、上記(k
種とする)レーザー5により光脱離されて発生する電子
の発生率Γk は次式で与えられる。
Here, when the laser 5 with power P k and frequency ν k is focused on a certain point in the plasma, the negative ions in that portion cause photodesorption to generate electrons, and the probability is σ. It is given by i (hν k ). Here, h is the Planck's constant, and σ i is the photodetachment cross section of the i-type negative ion. When each negative ion species density in the plasma and n i, the (k
The generation rate Γ k of electrons generated by photodetachment by the laser 5 (seed) is given by the following equation.

【0020】 ここで、bはレーザー5のビームの半径である。
(1)式の物理的意味は、毎秒単位面積当りの光子(P
k /πb2 hνk )が、確率σi で単位体積当りni
負イオンから電子を光脱離するということである。
[0020] Here, b is the radius of the beam of the laser 5.
The physical meaning of the equation (1) is that photons per unit area per second (P
k / πb 2 hν k) is that the elimination light electrons from the negative ions of the probability sigma i in unit volume per n i.

【0021】プローブPが電子を捕集する長さをLとす
ると、その捕集体積はπb2 Lとなり、プローブPに流
れる電流増加分△Ip は、eを電子の電荷として、 で与えられる。この(2)式により、△Ip から負イオ
ン種の密度をni を算出することができる。なお、
(2)式では、ビーム径bは消失する。
Assuming that the length of the probe P that collects electrons is L, the collection volume is πb 2 L, and the increased current ΔIp flowing through the probe P is such that e is the electron charge. Given in. This equation (2), a negative ion species density from △ Ip can be calculated n i. In addition,
In the equation (2), the beam diameter b disappears.

【0022】次に、図2ないし図5を参照して、図1の
測定システムにおいて各種測定を行った結果について説
明する。
Next, with reference to FIGS. 2 to 5, the results of various measurements performed in the measurement system of FIG. 1 will be described.

【0023】図2は、レーザー光源1として、cwアル
ゴンイオンレーザーを用いた場合のプローブ電流(ip
)−電圧(Vp )特性と光ガルバノ信号△Ip との関
係を示すグラフである。レーザー入力パワー100mW に換
算してプロットしてある。このグラフから解るように、
△Ip はVp とともに増加する。特に、空間電位Vs よ
り上での増加は光脱離電子の速度が加速により増加する
ためで、この増幅作用によりS/N比が向上する。さら
にVp を上げると、プローブ電流は絶縁破壊領域に入り
電子増合作用により光脱離電子の効果が見えなくなり、
△Ip は零に降下する。したがって、適当なVp を選ぶ
ことにより電子の捕集の効率を上げることができる。
FIG. 2 shows a probe current (ip) when a cw argon ion laser is used as the laser light source 1.
) -Voltage (Vp) characteristics and optical galvano signal ΔIp. Laser input power is converted to 100mW and plotted. As you can see from this graph,
ΔIp increases with Vp. In particular, the increase above the space potential Vs is because the speed of photodetached electrons is increased due to the acceleration, and this amplification action improves the S / N ratio. If Vp is further increased, the probe current enters the dielectric breakdown region and the effect of photodesorption electrons disappears due to the electron multiplication effect,
ΔIp drops to zero. Therefore, the efficiency of electron collection can be improved by selecting an appropriate Vp.

【0024】図3のグラフは、レーザースポットをプロ
ーブに対して上下方向および横方向に振らせた場合の一
定Vp における光ガルバノ信号△Ip の変化を示す。レ
ーザー入力パワーは100mW に換算してある。このグラフ
から解るように、レーザースポットをプローブPの周り
のシース端に焦点を合わせて照射する場合が一番効率良
く信号が得られる。これはシース端に存在する負イオン
から光脱離した電子が直ちにシースに入り、シース電圧
で加速され、プローブPに到達するからである。このよ
うに、本実施例では、アノードAあるいはカソードKか
らガルバノ信号をピックアップする場合に比べ感度を上
げることができる。また、プローブPおよびレーザー5
を移動することにより、局所的な測定を実施できる。
The graph of FIG. 3 shows changes in the optical galvano signal ΔIp at a constant Vp when the laser spot is swung in the vertical and horizontal directions with respect to the probe. Laser input power is converted to 100mW. As can be seen from this graph, the signal can be obtained most efficiently when the laser spot is focused and irradiated on the sheath end around the probe P. This is because the electrons photo-desorbed from the negative ions existing at the end of the sheath immediately enter the sheath, are accelerated by the sheath voltage, and reach the probe P. As described above, in this embodiment, the sensitivity can be increased as compared with the case where the galvano signal is picked up from the anode A or the cathode K. Also, the probe P and the laser 5
By moving the, local measurements can be performed.

【0025】図4のグラフは、レーザー光源1としてc
wアルゴンイオンレーザーを用いた場合のプローブPか
らの光ガルバノ信号△Ip と、アノードAからの光ガル
バノ信号△Iの放電電流Iに対する変化を表している。
なお、レーザー入力パワーは100mW に換算してある。こ
のグラフから解るように、プローブPからの光ガルバノ
信号△Ip はアノードAからの光ガルバノ信号△Iに比
し2 桁近く大きいことが分かる。また、電流依存性に見
られる△Ip と△Iの間の差は、△Iが放電全体の平均
的な負イオン密度を表しているのに比し、△Ip はプロ
ーブ付近の局所的な負イオン密度を表していることによ
るものである。
In the graph of FIG. 4, the laser light source 1 is c
2 shows changes of the optical galvano signal ΔIp from the probe P and the optical galvano signal ΔI from the anode A with respect to the discharge current I when the w argon ion laser is used.
The laser input power is converted to 100mW. As can be seen from this graph, the optical galvano signal ΔIp from the probe P is larger than the optical galvano signal ΔI from the anode A by almost two digits. In addition, the difference between ΔIp and ΔI seen in the current dependence is that ΔIp represents the average negative ion density of the entire discharge, and ΔIp is the local negative ion density near the probe. This is because it represents the ion density.

【0026】図5のグラフは、レーザー光源1としてc
w色素レーザーを用い、レーザーの波長を掃引した場合
の一定放電電流、一定プローブ電圧における光ガルバノ
信号出力△Ip の変化を表している。色素レーザーの場
合、波長により出力が異なるので、各波長の光ガルバノ
信号△Ip は一定のパワーに換算してプロットしてあ
る。この場合、j番目周波数νj でのレーザーパワー、
光ガルバノ信号をそれぞれPj 、△Ij と表すと、 △Ij =(Pj /hνj ){σ1 (νj )n1 +σ2 (νj )n2 } (3) なる関係式を得る。ここで、酸素プラズマ中の主要な負
イオンはO- とO2 - であると考え、n1 、n2 はそれ
ぞれの密度、σ1 (νj )、σ2 (νj )はνj におけ
る各イオンの光脱離断面積である。
In the graph of FIG. 5, the laser light source 1 is c
It shows changes in the optical galvano signal output ΔIp at a constant discharge current and a constant probe voltage when the wavelength of the laser is swept using a w dye laser. In the case of a dye laser, since the output differs depending on the wavelength, the optical galvano signal ΔIp of each wavelength is converted into a constant power and plotted. In this case, the laser power at the jth frequency ν j ,
An optical galvanometer signal respectively P j, △ expressed and I j, △ I j = ( P j / hν j) {σ 1 (ν j) n 1 + σ 2 (ν j) n 2} (3) becomes equation To get Here, it is considered that the main negative ions in the oxygen plasma are O and O 2 , n 1 and n 2 are their respective densities, and σ 1j ) and σ 2j ) are at ν j . It is the photodetachment cross section of each ion.

【0027】(3)式により、複数のνj における△I
j から、最小二乗法によってn1 、n2 が決定できる。
原理的には2 つの式からでも決定できるが、多くの波長
の出力を用いる方が精度が向上する。
From equation (3), ΔI at a plurality of ν j
From j , n 1 and n 2 can be determined by the method of least squares.
In principle, it can be determined from two equations, but the accuracy is improved by using the output of many wavelengths.

【0028】次に、図6を参照して第2の実施例につい
て説明する。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG.

【0029】図6において20はダイオードレーザーで
あり、21はこのダイオードレーザー20を駆動するた
めのレーザ駆動回路である。このダイオードレーザー2
0としては、例えば波長 0.9μm 、0.83μm 、0.78μm
、0.67μm のものを用いる。また、このダイオードレ
ーザー20には、ペルチエ素子を用いた温度制御機構が
設けられており、レーザ駆動回路21には、光変調機構
による位相敏感検波機能が設けられている。これにより
レーザー出力の安定化等を図り、感度向上を実現してい
る。なお、ダイオードレーザー20の温度は、20℃ない
し40℃で可変制御される。
In FIG. 6, 20 is a diode laser, and 21 is a laser drive circuit for driving the diode laser 20. This diode laser 2
0 is, for example, wavelength 0.9 μm, 0.83 μm, 0.78 μm
, 0.67 μm is used. Further, the diode laser 20 is provided with a temperature control mechanism using a Peltier element, and the laser drive circuit 21 is provided with a phase sensitive detection function by an optical modulation mechanism. As a result, the laser output is stabilized and the sensitivity is improved. The temperature of the diode laser 20 is variably controlled at 20 ° C to 40 ° C.

【0030】上記レーザ駆動回路21には、発振器22
が接続されており、この発振器22から数kHz の正弦波
信号を導入することにより、ダイオードレーザー20を
同じ周波数でオンオフさせることができるよう構成され
ている。したがって、ロックインアンプ9には、参照信
号としてこの発振器22の信号が入力される。また、ロ
ックインアンプ9の出力を記録紙に描かせるとプラズマ
の雑音のためにレーザー照射のない場合の零レベルにゆ
らぎが生じる。そこで、本実施例ではレーザー照射によ
る出力を明確化する目的で、ミラー7とレンズ8との間
にシャッタ23を入れ、レーザー24の照射を約2分毎
に切り換えるようにした。
The laser drive circuit 21 includes an oscillator 22.
The diode laser 20 can be turned on and off at the same frequency by introducing a sine wave signal of several kHz from the oscillator 22. Therefore, the signal of the oscillator 22 is input to the lock-in amplifier 9 as a reference signal. Further, when the output of the lock-in amplifier 9 is drawn on a recording paper, fluctuations occur in the zero level when there is no laser irradiation due to plasma noise. Therefore, in this embodiment, for the purpose of clarifying the output due to laser irradiation, a shutter 23 is inserted between the mirror 7 and the lens 8 and the irradiation of the laser 24 is switched about every two minutes.

【0031】このようにして、本実施例では、圧力0.6T
orr 、放電電流1mA で、酸素プラズマを発生させ、この
酸素プラズマに波長0.78μm のレーザー24を照射する
ことにより、アノードAから平均出力信号として△I=
4nA を得ることができた。なおこの時、感度を向上させ
るため、放電管2の出口側にミラー25を配設し、放電
管2内を通って出てきたレーザー24を反射させて、再
び放電管2内に導入し、入射レーザー光出力をほぼ2 倍
に増大させた。
Thus, in this embodiment, the pressure is 0.6T.
Oxygen plasma is generated with orr and discharge current of 1 mA, and this oxygen plasma is irradiated with a laser 24 having a wavelength of 0.78 μm, so that the average output signal from the anode A is ΔI =
We were able to obtain 4nA. At this time, in order to improve the sensitivity, a mirror 25 is provided on the outlet side of the discharge tube 2 to reflect the laser 24 emitted through the discharge tube 2 and introduce it again into the discharge tube 2. Incident laser light output was increased almost twice.

【0032】次に、波長0.83μm のダイオードレーザー
20に置き換えて同様の測定を行った結果、波長0.78μ
m の場合に比べて1/3 の出力信号を得た。
Next, the same measurement was carried out by replacing the diode laser 20 with a wavelength of 0.83 μm with the result that the wavelength was 0.78 μm.
The output signal of 1/3 was obtained compared with the case of m.

【0033】上記酸素プラズマ中の主要な負イオンはO
- とO2 - である。ここで、O- の密度をn1 、O2 -
の密度をn2 、波長0.78μmのレーザーのパワーを
1 、その周波数をν1 、波長0.83μm のレーザーのパ
ワーをP2 、その周波数をν2 、各レーザーに対するO
- の光脱離断面積をσ1 (ν1 )、σ1 (ν2 )、各レ
ーザーに対するO2 - の光脱離断面積をσ2 (ν1 )、
σ2 (ν2 )、各レーザーに対する出力を△I1 、△I
2 とすると次式が成り立つ。
The main negative ions in the oxygen plasma are O
- and O 2 - is. Here, the density of O is n 1 , O 2
The density of n 2 , the power of the laser of wavelength 0.78 μm is P 1 , the frequency is ν 1 , the power of the laser of wavelength 0.83 μm is P 2 , the frequency is ν 2 , and O for each laser is
- an optical de-transection area sigma 1 of (ν 1), σ 1 ( ν 2), O 2 for each laser - of the optical de-transection area σ 21),
σ 22 ), the output for each laser is ΔI 1 , ΔI
Then , the following equation holds.

【0034】 △I1 =(P1 /hν1 ){σ1 (ν1 )n1 +σ2 (ν1 )n2 } (4a) △I2 =(P2 /hν2 ){σ1 (ν2 )n1 +σ2 (ν2 )n2 } (4b) この(4a)、(4b)式に、 P1 =40mW P2 =60mW hν1 =1.59eV hν2 =1.49eV σ1 (ν1 )=4.2 ×10-18 cm2 σ2 (ν1 )=1.0 ×10-18 cm2 σ1 (ν2 )=2.2 ×10-18 cm2 σ2 (ν2 )=0.85×10-18 cm2 △I1 =4 nA △I2 =(△I1 /3 )nA を代入すると n1 =2.1 ×109 cm-32 =3.3 ×109 cm-3 を得る。これによって、O- とO2 - の各密度が決定で
きた。
ΔI 1 = (P 1 / hν 1 ) {σ 11 ) n 1 + σ 21 ) n 2 } (4a) ΔI 2 = (P 2 / hν 2 ) {σ 1 ( ν 2) n 1 + σ 2 (ν 2) n 2} (4b) this (4a), in expression (4b), P 1 = 40mW P 2 = 60mW hν 1 = 1.59eV hν 2 = 1.49eV σ 1 (ν 1 ) = 4.2 × 10 -18 cm 2 σ 21 ) = 1.0 × 10 -18 cm 2 σ 12 ) = 2.2 × 10 -18 cm 2 σ 22 ) = 0.85 × 10 -18 obtaining cm 2 △ I 1 = 4 nA △ I 2 = (△ I 1/3) substituting nA n 1 = 2.1 × 10 9 cm -3 n 2 = 3.3 × 10 9 cm -3. By this, each density of O and O 2 could be determined.

【0035】なお、上記実施例においては、2 種類のダ
イオードレーザー20を用いたが、他の波長のレーザー
をもう一つないしそれ以上用いて△Iを測定してもよ
い。そのような場合には、2 つの未知数に対し2 つ以上
の方程式から最小二乗法によりn1 、n2 が決定でき
る。上記実施例では、市販の近赤外ダイオードを用いて
いるが、ダイオードレーザーの二倍波による短波長化が
実現されれば負イオン種への適用範囲は増大する。本方
法は比較的低い装置コストで実現できるので経済性も高
い。
Although two types of diode lasers 20 are used in the above embodiment, ΔI may be measured by using one or more lasers having other wavelengths. In such a case, n 1 and n 2 can be determined by the least squares method from two or more equations for two unknowns. Although a commercially available near-infrared diode is used in the above-mentioned embodiment, the range of application to negative ion species will be increased if the wavelength shortening by the double wave of the diode laser is realized. The method is economical because it can be realized with relatively low equipment cost.

【0036】なお、この実施例ではアノードAによって
光脱離電子電流の測定を行ったが、プローブP1 、P2
を用いても、同様にして測定を行うことができ、この場
合は、前述した実施例と同様な効果も得ることができ
る。
In this embodiment, the photodetachment electron current was measured by the anode A, but the probes P1 and P2 were used.
The same measurement can be performed by using, and in this case, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.

【0037】図7は、パルスレーザーを用いた第3の実
施例における測定システムの構成を示すもので、同図に
おいて30はYAGレーザーを示しており、例えば波長
1.06μm 、0.53μm 、 0.353μm 等のレーザー31を射
出する。また、32は色素レーザーであり、波長は近紫
外から近赤外に亘る。この色素レーザー32は、YAG
レーザー30から、ミラー33、集光用のレンズ34、
ミラー35を介して入射するレーザー31によって励起
される。なお、同図においてA1 およびA2 はダンパー
である。
FIG. 7 shows the structure of a measuring system in the third embodiment using a pulse laser. In FIG. 7, reference numeral 30 denotes a YAG laser.
A laser 31 of 1.06 μm, 0.53 μm, 0.353 μm, etc. is emitted. Reference numeral 32 is a dye laser, which has a wavelength ranging from near ultraviolet to near infrared. This dye laser 32 is a YAG
From the laser 30, a mirror 33, a condenser lens 34,
It is excited by the laser 31 which is incident through the mirror 35. In the figure, A1 and A2 are dampers.

【0038】このような、システムにおいて、エネルギ
ーWk 、周波数νk のレーザー36がプラズマ中のある
点に集光されると、その部分の負イオンは光脱離を起こ
し電子を発生し、その断面積はσi (hνk )で与えら
れる。ここで、プラズマ中の各負イオン種の密度をni
とすると、上記(k種とする)レーザー光により光脱離
されて発生する電子の発生数に基づく電流増加分は次式
で与えられる。
In such a system, when the laser 36 having energy W k and frequency ν k is focused on a certain point in the plasma, the negative ions in that portion cause photodetachment to generate electrons, The cross-sectional area is given by σ i (hν k ). Here, the density of each negative ion species in the plasma is defined as n i
Then, the amount of current increase based on the number of electrons generated by photodetachment by the laser light (k type) is given by the following equation.

【0039】 △Ii =Ii [1−exp {−σi (νk )Wk /(hνk πb2 )}] (5) ここで、Ii は△Ii の最大レベル、bはビーム半径で
ある。上式の物理的意味は単位面積当りの光子Wk /h
νk πb2 が、単位体積当りni から電子を光脱離する
ことである。
ΔI i = I i [1−exp {−σ ik ) W k / (hν k πb 2 )}] (5) where I i is the maximum level of ΔI i , and b is The beam radius. The physical meaning of the above formula is photons W k / h per unit area.
ν k πb 2 is that light leaving the electrons from the unit volume per n i.

【0040】光のエネルギーが大きくなるに従い△Ii
はIi に向かって飽和する。ここでは飽和の生じない線
形の領域を適用することにする。プローブおよび電極が
電子を捕集する長さをLとすると、その捕集体積はπb
2 Lとなり、プローブおよび電極に流れるが取り囲む電
荷分Qは で与えられる。ここで、Qi はi種負イオンによる電荷
分であり、eを電子の電荷として、 Qi =ni πb2 Le である。図7のシステムでは、放電管2のカソードKの
長さに亘りレーザー36および負イオン密度が一定と仮
定し、光脱離した電子をアノードAで捕集する。Va は
アノードAにバイアスを与える電圧で、レーザー照射に
よる電流の変化分△Iは抵抗Ra の両端に生ずる電圧降
下の変化分として取り出し、デジタルオッシロスコープ
37に△I・Rを入力する。また、デジタルオッシロス
コープ37には、YAGレーザー30からの信号が入力
され、この信号をトリガー信号として出力信号波形Sを
取り出している。
As the energy of light increases, ΔI i
Becomes saturated towards I i . Here, a linear region where saturation does not occur is applied. Let L be the length by which the probe and electrode collect electrons. The collection volume is πb.
2 L, which flows to the probe and electrode, but the surrounding charge Q Given in. Here, Q i is the charge component due to the i-type negative ion, and where e is the electron charge, Q i = n i πb 2 Le. In the system of FIG. 7, assuming that the laser 36 and the negative ion density are constant over the length of the cathode K of the discharge tube 2, the photo-desorbed electrons are collected by the anode A. Va is a voltage for applying a bias to the anode A, and a change amount ΔI of the current due to laser irradiation is taken out as a change amount of the voltage drop generated across the resistor Ra, and ΔI · R is input to the digital oscilloscope 37. A signal from the YAG laser 30 is input to the digital oscilloscope 37, and the output signal waveform S is extracted using this signal as a trigger signal.

【0041】なお、プローブP1 、P2 から信号をピッ
クアップする場合も同様に測定できるが、パルスレーザ
ーでは光がプローブP1 、P2 に直接当たるとアブレー
ションを起こすので、シース端付近にのみ当てるよう注
意する必要がある。
It should be noted that the same measurement can be performed when signals are picked up from the probes P1 and P2, but with a pulsed laser, when the light hits the probes P1 and P2 directly, ablation occurs, so care must be taken to apply it only near the sheath end. There is.

【0042】図8に、図7のシステムにおいて測定を実
施した時のデジタルオッシロスコープ37の出力を示
す。レーザーの波長は0.53μm 、エネルギーは4mJ であ
り、レーザーパルス幅は10nsであるが、プラズマ中に置
かれた電極前面のシースによる影響のために、40μs ま
でパルス波形の延長が生じる。
FIG. 8 shows the output of the digital oscilloscope 37 when the measurement is performed in the system of FIG. The laser wavelength is 0.53 μm, the energy is 4 mJ, and the laser pulse width is 10 ns, but the pulse waveform is extended to 40 μs due to the influence of the sheath in front of the electrode placed in the plasma.

【0043】前述した実施例と同様に、酸素プラズマ中
の主要な負イオンはO- とO2 - であり、O- の密度を
1 、O2 - の密度をn2 とし、波長1.06μm 、0.53μ
m の各レーザーのエネルギーをW1 、W2 、その周波数
をν1 、ν2 、各レーザー光に対するO- の光脱離断面
積をσ1 (ν1 )、σ1 (ν2 )、各レーザー光に対す
るO2 - の光脱離断面積をσ2 (ν1 )、σ
2 (ν2 )、各レーザー照射に対する出力をQ1 、Q2
とすると次式が成り立つ。
Similar to the above-described embodiment, the main negative ions in oxygen plasma are O and O 2 , the density of O is n 1 and the density of O 2 is n 2 , and the wavelength is 1.06 μm. , 0.53μ
The energies of the respective lasers of m are W 1 and W 2 , the frequencies thereof are ν 1 and ν 2 , the photodetachment cross sections of O with respect to the respective laser beams are σ 11 ), σ 12 ), The photodetachment cross section of O 2 − to the laser light is σ 21 ), σ
22 ), output for each laser irradiation is Q 1 , Q 2
Then, the following equation holds.

【0044】 Q1 =(W11/hν1 ){σ1 (ν1 )n1 +σ2 (ν1 )n2 } +(W12/hν2 ){σ1 (ν2 )n1 +σ2 (ν2 )n2 } (7) 同様の式がQ2 についても成り立つ。なおここで、Wii
はi番目のレーザー光の内波長νi 成分のエネルギーで
ある。(7)式に、 W11=20mJ W21=4mJ W12=W21=0 hν1 =1.16eV hν2 =2.34eV σ1 (ν1 )=0 σ2 (ν1 )= 0.8×10-18 cm2 σ1 (ν2 )= 6.5×10-18 cm2 σ2 (ν2 )= 1.5×10-18 cm2 を代入することによってn1 、n2 を算出することがで
き、これによってO- 、O2 - の各密度を決定できる。
Q 1 = (W 11 / hν 1 ) {σ 11 ) n 1 + σ 21 ) n 2 } + (W 12 / hν 2 ) {σ 12 ) n 1 + σ 22 ) n 2 } (7) The same equation holds for Q 2 . Here, W ii
Is the energy of the inner wavelength ν i component of the i-th laser light. In equation (7), W 11 = 20mJ W 21 = 4mJ W 12 = W 21 = 0 hν 1 = 1.16eV hν 2 = 2.34eV σ 11 ) = 0 σ 21 ) = 0.8 × 10 By substituting 18 cm 2 σ 12 ) = 6.5 × 10 -18 cm 2 σ 22 ) = 1.5 × 10 -18 cm 2 , n 1 and n 2 can be calculated. Each density of O and O 2 can be determined.

【0045】なおこの実施例においては、YAGレーザ
ー30を用いたが、他の波長のレーザー、色素レーザー
等を設置し、YAG、N2 レーザー等でポンプして用い
てもよく、その場合には2 つの未知数に対し2 つ以上の
波長に対する各方程式から最小二乗法によりn1 、n2
を決定することができる。
Although the YAG laser 30 is used in this embodiment, a laser of another wavelength, a dye laser or the like may be installed and pumped by a YAG or N 2 laser or the like, and in that case. From each equation for two or more wavelengths for two unknowns, the least squares method is applied to n 1 , n 2
Can be determined.

【0046】以上のようなパルス法の大きな特徴は、瞬
時測定ができることであり、プローブとの組合せによる
局所的測定も可能である。また、市販のYAGレーザ、
色素レーザーを用い、特に酸素負イオン等の測定に好適
であるが、より短波長のものが利用可能になれば、より
付着エネルギーの高い負イオン種へ適用範囲は増大す
る。
The major feature of the pulse method as described above is that instantaneous measurement is possible, and local measurement by combination with a probe is also possible. Also, a commercially available YAG laser,
It is particularly suitable for measurement of oxygen negative ions and the like by using a dye laser, but if shorter wavelengths become available, the range of application will increase to negative ion species with higher attachment energy.

【0047】上記実施例において、もし酸素プラズマが
3 - 、O4 - 等を含むものであれば、4 波長以上のレ
ーザーを用いることにより、4 つ以上の(4)または
(7)式と同様の方程式から各負イオン種の密度を決定
することができる。
In the above embodiment, if the oxygen plasma contains O 3 , O 4 −, etc., by using a laser with four or more wavelengths, four or more formulas (4) or (7) can be obtained. The density of each negative ion species can be determined from a similar equation.

【0048】以上のように、これらの実施例によれば、
プラズマ中の負イオンの局所的な密度の測定、および複
数の負イオン種が存在する場合は、そのイオン種を同定
して密度を測定することができ、プラズマの精密化およ
び再現性の向上を図ることができる。
As described above, according to these embodiments,
It is possible to measure the local density of negative ions in the plasma and, if multiple negative ion species are present, to identify the ion species and measure the density, improving the precision and reproducibility of the plasma. Can be planned.

【0049】なお、本発明方法は、エッチング等のプロ
セス用プラズマ、負イオン源、無電子的プラズマ(イオ
ンのみのプラズマ)等におけるラジカルを含む負イオン
の測定に適用することができ、測定も比較的簡単で、小
型なシステムによって行うことができる。また、ホロー
カソードガルバトロンを測定の規準管として適用するこ
とにより、可搬性のある規準化された放電管が提供さ
れ、各種プラズマの測定において信号の比較に用いるこ
とができる。
The method of the present invention can be applied to the measurement of negative ions including radicals in plasmas for processes such as etching, negative ion sources, electronless plasmas (plasma containing only ions), and the measurements are also compared. It is simple and can be done by a small system. Further, by applying the hollow cathode galvatron as a standard tube for measurement, a portable standardized discharge tube is provided and can be used for signal comparison in various plasma measurements.

【0050】また、本発明方法では、アルゴンイオン、
色素、レーザーダイオード等の連続レーザー、あるい
は、エキシマ、YAG、色素、ルビー等のパルスレーザ
ー等各種のレーザーを用いることができ、連続レーザー
を用いた場合はロックイン技法を用いて高精度測定を行
うことができ、パルスレーザーを用いた場合はデジタル
オッシロによる瞬時測定、アベレージング測定、ボクス
カー積分器による高精度測定を行うことができる。
In the method of the present invention, argon ions,
Various lasers such as continuous lasers such as dyes and laser diodes, or pulsed lasers such as excimer, YAG, dyes and ruby can be used. When continuous lasers are used, high precision measurement is performed using lock-in technique. When a pulsed laser is used, it is possible to perform instantaneous measurement with a digital oscilloscope, averaging measurement, and high precision measurement with a Boxker integrator.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上説明したように、本発明方法によれ
ば、プラズマ中の負イオンの局所的な密度の測定、およ
び複数の負イオン種が存在する場合は、そのイオン種を
同定して密度を測定することができ、プラズマの精密化
および再現性の向上を図ることができる。
As described above, according to the method of the present invention, the local density of negative ions in plasma is measured, and if there are a plurality of negative ion species, the ion species are identified. The density can be measured, and the precision and reproducibility of plasma can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例の測定システムの構成を示す
図。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a measurement system according to an embodiment of the present invention.

【図2】光ガルバノ信号とプローブ特性との関係を示す
グラフ。
FIG. 2 is a graph showing a relationship between an optical galvanometer signal and probe characteristics.

【図3】光ガルバノ信号のレーザー光照射位置依存性を
示すグラフ。
FIG. 3 is a graph showing laser light irradiation position dependency of an optical galvano signal.

【図4】アノードによる光ガルバノ信号とプローブによ
る光ガルバノ信号との関係を示すグラフ。
FIG. 4 is a graph showing a relationship between an optical galvano signal from an anode and an optical galvano signal from a probe.

【図5】色素レーザー波長掃引の場合の光ガルバノ信号
を示すグラフ。
FIG. 5 is a graph showing an optical galvano signal in the case of wavelength sweep of a dye laser.

【図6】cwダイオードレーザーを用いた実施例の測定
システムの構成を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a measurement system of an example using a cw diode laser.

【図7】パルスレーザーを用いた実施例の測定システム
の構成を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a measurement system of an example using a pulse laser.

【図8】パルスレーザーによる光ガルバノ信号を示すグ
ラフ。
FIG. 8 is a graph showing an optical galvano signal by a pulse laser.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザー光源 2 放電管 3,4 光透過窓 5 レーザー 6 チョッパー 7,11 ミラー 8 レンズ 9 ロックインアンプ 10 ノイズフィルタ 12 パワーモニタ K カソード A アノード Va,Vp 電源 P1 ,P2 プローブ Ra,Rp 抵抗 1 laser light source 2 discharge tubes 3,4 light transmission window 5 laser 6 chopper 7,11 Mirror 8 lenses 9 Lock-in amplifier 10 noise filter 12 Power monitor K cathode A anode Va, Vp power supply P1 and P2 probes Ra, Rp resistance

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プラズマ中の所望の測定部にプローブを
配置するとともに、このプラズマの前記プローブの近傍
にレーザーを照射し、このレーザーの照射によって前記
プラズマ中の負イオンから光脱離した電子を、前記プロ
ーブによって捕集して光脱離電子電流を測定することに
より、負イオンの密度を測定することを特徴とするプラ
ズマ中の負イオン測定方法。
1. A probe is arranged at a desired measuring portion in plasma, and a laser is irradiated to the vicinity of the probe of the plasma, and electrons emitted from the negative ions in the plasma are desorbed by the laser irradiation. A method for measuring negative ions in plasma, characterized in that the density of negative ions is measured by collecting with the probe and measuring a photodetached electron current.
【請求項2】 プラズマ中に複数種の波長のレーザーを
順次照射して、これらのレーザーの照射に応じた光脱離
電子電流をそれぞれ測定し、各負イオン種の光脱離断面
積から前記プラズマ中の負イオン種の同定および密度の
決定を行うことを特徴とするプラズマ中の負イオン測定
方法。
2. A plasma is sequentially irradiated with lasers of a plurality of types of wavelengths, and photodesorption electron currents corresponding to the irradiations of these lasers are measured. A method for measuring negative ions in plasma, which comprises identifying negative ion species in plasma and determining density.
【請求項3】 前記レーザーは、cwレーザーであっ
て、色素レーザー、またはアルゴンイオンレーザー、あ
るいは半導体レーザーであることを特徴とする請求項1
または請求項2記載のプラズマ中の負イオン測定方法。
3. The laser is a cw laser, a dye laser, an argon ion laser, or a semiconductor laser.
Alternatively, the method for measuring negative ions in plasma according to claim 2.
【請求項4】 前記レーザーは、パルスレーザーであっ
て、YAGレーザー、またはルビーレーザー、または波
長が近紫外から赤外に亘るエキシマレーザー、あるいは
色素レーザーであることを特徴とする請求項1または請
求項2記載のプラズマ中の負イオン測定方法。
4. The laser is a pulse laser, which is a YAG laser, a ruby laser, an excimer laser having a wavelength range from near ultraviolet to infrared, or a dye laser. Item 2. A method for measuring negative ions in plasma according to Item 2.
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