JPH05299194A - 2電流法プローブによるプラズマ診断装置 - Google Patents

2電流法プローブによるプラズマ診断装置

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JPH05299194A
JPH05299194A JP4124155A JP12415592A JPH05299194A JP H05299194 A JPH05299194 A JP H05299194A JP 4124155 A JP4124155 A JP 4124155A JP 12415592 A JP12415592 A JP 12415592A JP H05299194 A JPH05299194 A JP H05299194A
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JP
Japan
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plasma
current
probe
circuit
probes
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JP4124155A
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English (en)
Inventor
Nobuchika Tsutsumii
信力 堤井
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Nihon Koshuha Co Ltd
Original Assignee
Nihon Koshuha Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマの主要なパラメーターである電子密
度、電子温度を簡単な方法で測定し、プラズマの診断を
行うプラズマ診断装置の提供。 【構成】 プラズマ内に設けた2つのプローブ、プロー
ブの電流電圧特性にイオン電流補正を行う回路、該2つ
のプローブからの電流の比を用いてプラズマの電子温
度、電子密度を計算する回路を有するプラズマ診断装
置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、プラズマの主要なパラ
メータである電子温度、電子密度を簡単な方法で直読ま
たはモニターできるプラズマ診断法及びプラズマ診断装
置関する。
【0002】
【従来の技術】プラズマは半導体ICのエッチング、C
VDによる薄膜生成等に用いられ、その応用範囲は急速
に広まっている。製品品質の均一化は、プラズマの安定
化に依存するので、プラズマの主要パラメータである電
子温度、電子密度の診断およびモニターは極めて必要に
なってきている。従来のシングルプローブ法及びダブル
プローブ法によるプラズマ診断装置は、ともに電流一電
圧特性を求め、それを解析処理しなければならないの
で、プラズマパラメータの直読、モニターには不向きで
ある。電子温度、電子密度が直読可能な方法として、従
来からトリプルプローブ法がある。(堤井信力著、”プ
ラズマ基礎工学”、第3章参照、内田老鶴圃出版) トリプルプローブ法は浮動電位を挟んで3本のプローブ
を同時に用い、3本のプローブ間で回路を構成して、流
れる電流またはプローブ間に生ずる電圧の瞬時値から電
子温度、電子密度を決定するものであり、プラズマパラ
メータの直読、モニターが可能な優れた方法である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしトリプルプロー
ブ法は原理的には浮動電位付近の情報しか得られないと
いう欠点のほか、3本のプローブを同時に用いなければ
ならないので、(1)空間的分解能に劣る、(2)正確
な測定のためには3本のプローブの位置における空間電
位差の補正が必要になる、(3)反応性プラズマ中では
被膜汚染が起こり易く、プローブ間の絶縁度が低下す
る、などの問題がある。空間電位差の補正や、絶縁度低
下防止のため、種々の工夫が必要であり、その結果装置
が高価になる嫌いがある。
【0004】本発明は、トリプルプローブ法によるプラ
ズマ診断装置とは異なった原理と、簡単な装置で、電子
温度、電子密度を直読およびモニターできるプラズマ診
断法及びプラズマ診断装置を提供することを目的とす
る。即ちプローブを2本(スイッチ切換えによる交互測
定の場合には1本)のみを用い、プローブを任意の適当
な電位に設定し、そのとき同時に流れる2電流(1本の
みの場合は交互に流れる2電流)の比からプラズマパラ
メータを決定するので、上述のトリプルプローブ法の欠
点や問題点はすべて解決できる。
【0005】
【課題を解決するための手段】本件発明は、プラズマ内
に設置した2つのプローブ、プローブの電流電圧特性に
イオン電流補正を行う回路、該2つのプローブからの電
流の比を用いてプラズマの電子温度、電子密度を計算す
る回路を有することを特徴とするプラズマ診断装置であ
る。
【0006】
【作用】一般にプローブの電流−電圧特性は、図2のよ
うに示される。同図において、Iはプローブ電流、Vは
プローブ電圧、Vs はプラズマ空間電位、Vf は浮動電
圧、Ie は電子電流、Ii はイオン電流、ΔVはプロー
ブ電流がI1 とI2 となる電位差、Ieoは空間電位にお
ける電子電流、Ii は空間電位におけるイオン電流であ
る。プローブに流れる電流Iは、同図に示す点線Bであ
るが、それは実線Aで示される電子電流Ie と実線Cで
示されるイオン電流Ii の代数和なので、電子のエネル
ギーがマクスウェル分布であれば、任意の電位V1 とV
2 において流れるプローブ電流I1 とI2 の比は、 I1 /I2=〔−exp(−eV1 /kTe)+1.5
3(me/mi)1/2 〕/〔−exp(−eV2 /kT
e)+1.53(me/mi)1/2 〕 で表される(以下式1という。)。ここでTeは電子温
度、kはボルツマン定数、eは電子の電荷、V1 とV2
はプラズマ空間電位を基準として負方向に測った電位、
meとmiは夫々電子及びイオンの質量である。イオン
電流が電子電流に比べて十分小さい領域では、式1の右
辺第2項目は無視できるので、 I1 /I2 =exp(e(V2 −V1 )/kTe) となり、2電流比から電子温度Teが求まる。どの辺の
電位まで、イオン電流が無視できるかは式1を計算する
ことによって、推定できる。Arプラズマについて、式
1で計算した電流比I1 /I2 とeV1 /kTeの関係
の一例を図3に示す。図3では、η=eΔV/kTe
(但し、ΔV=V2 −V1 )をパラメータとしてある
が、η=0.1の場合、Arプラズマでは、eV1 /k
Te=4、即ち空間電位からTeの約4倍相当電位まで
電流比I1 /I2 は一定であり、イオン電流の影響が無
視できることが判る。イオン電流の影響はηが大きい
程、即ち電位差ΔV=V2 −V1 が大きいほど顕著にな
る。
【0007】以上はイオン電流の補正を行わなかった場
合であるが、電流I1 、I2 にそれぞれ、ある値のバイ
アス加算値xをバイアス補正することによって、イオン
電流の影響をさらに軽減または消去することが可能であ
る。即ち、式1の上下に、ある適当な値xを減算する
と、 I1 −x/I2 −x=〔exp(−eV1 /kTe)+
1.53(me/mi)1/2 −x〕/〔exp(−eV
2 /kTe)+1.53(me/mi)1/2 −x〕 となり、バイアスされた2つの電流比(I1 −x)/
(I2 −x)を用いることにより、より広い電圧範囲で
使用可能となることが判る。電子密度Neに関しては、
測定された2電流I1 、I2 を用いて、イオン電流Ii
は、 Ii=〔I1 exp(−eΔV/kTe)−I2 〕/
〔1−exp(−eΔV/kTe)〕 と表わされる。またシースの生成条件から、 Ii =0.61・Ne・e(kTe/mi)1/2 ・S (Sはプローブ表面積)であるので、両式から最終的に
Neが求まる。
【0008】
【実施例】本発明を実施例によってさらに説明する。図
1は、2本のプローブを用いて、実際にプラズマ診断ま
たはモニターする場合の手順を示す回路概念図である。
プラズマ1中に設置された2本のプローブ2(P1 )と
3(P2 )はそれぞれ接地された基準電極4に対しV1
およびV2 =V1 +ΔVにバイアスされる。V1 および
ΔV(P1 とP2 の電位差)は可変である。或る1組の
1 およびΔVの値に対して、流れる電流I1 とI
2 は、電圧変換用の抵抗R1 とR2 によって電圧変換さ
れ、それぞれ絶縁的にバイアス加算回路6、7に入力さ
れる。絶縁増幅器としては、光アイソレータまたはDC
コンバータなどが有効である。バイアス加算された信号
は、除算回路8、演算回路9を経て、最終的に電子温度
Teの値を表示する。
【0009】一方、プローブ電流I1 とI2 は別のIi
演算回路5にも導入され、得られたTeの値を入力する
ことによって電子密度Neの値を表示する。実際の測定
では、ΔV、V1 およびバイアス加算値x(プローブ電
流の補正値)を変えることによって、Te、Neの値が
変化するが、前述のように、イオン電流が無視できる範
囲では一定値となるので、その値を真値として読み取れ
ば良い。また、一定値となる範囲の中心部分にV1 の値
を設定すれば、長時間の連続モニターが可能となる。
【0010】アルゴン放電プラズマ中で直径0.3m
m、長さ3mmの白金製円筒プローブを用いたTeの実
施例を図4に示す。シングルプローブで測定したTeの
値は気圧P=0.08TorrでTe=1.41eV、
気圧P=1.5TorrでTe=0.76eVである
が、それぞれ点線D、Eで示してある。イオン電流のほ
ぼ半分の値でバイアス補正を行った2電流法による値を
三角印と丸印で示してある。同図から判るように、V1
=0、即ち空間電位付近では、むしろプローブ特性の肩
の丸みから、真値より高い値となっているが、その後は
Teの約3乃至4倍の電圧範囲まで、ほぼ一定の値を示
し、測定可能であることが判った。バイアス補正をしな
かった場合、一定値となる電圧範囲が約半分であったの
で、バイアス補正が極めて有効であることも判った。ま
たこの一定値となる電圧の中心付近にプローブ電圧V1
を設定することによって、気圧変化に伴う空間電圧の多
少の変動があっても、プラズマの長時間連続モニターが
可能であることが判った。
【0011】上記基準電極は、通常、放電電極またはプ
ラズマ容器壁等を利用して設けられるが、表面積が十分
大きいプローブであって、測定系全体を電位的に浮動状
態にしたものであってもよい。又、上記2本のプローブ
を設ける代わりに、1本のプローブを設け、手動又は自
動的切換え回路によって異なるバイアス電圧状態におい
て電流値を測定できるように、交互に切換え、それらの
電流値を測定して電流比を求める如く構成してもよい。
【0012】I1 /I2 の電流比から求まる電子温度T
eはイオン電流のため、浮動電位に近づく程見かけ上小
さくなるが、空間電位の近くでは、イオン電流の影響は
無視でき、電子温度の約1〜2倍の電圧範囲でほぼ一定
の値を示すことが判った。この電子温度がほぼ一定を示
す電圧区間は、プローブ電流に適当なバイアスを印加
し、加算することによって更に約2〜3倍程度に拡大で
きる。従って、電子温度が一定を示す電圧区間の中心付
近に2本のプローブ(又は、スイッチ切換えを行えば1
本のプローブでもよい。)の電位を設定されれば、ある
程度空間電位の変動があってもTeとNeの値を直読で
きる。
【0013】
【発明の効果】本発明は、簡単な装置で、且つスイッチ
切り換えによっては1本のプローブのみで、電子温度、
電子密度を直読またはモニターすることが可能であるの
で、設備の簡素化、低コスト化を必要とする産業分野に
おいて極めて大きな効果をもたらすものと考える。プラ
ズマ応用装置では、プラズマの安定化が今後とくに重要
な問題となってくるが、本発明においてプラズマのモニ
ターと制御が容易に実現されるので、製品の均質化、高
品質化に対する寄与が期待される。
【0014】本発明は、トリプルプローブ法に基づくプ
ラズマ診断装置に比べ汎用性の点で劣るが、プラズマの
空間電位分布があらかじめ推定できる場合であれば、プ
ローブが2本又は1本で構成されるから、空間的分解能
がよい。又、被膜汚染によるプローブ間の撹乱や絶縁低
下の問題が避けられ、空間電位付近での情報が得られる
などの利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプラズマ診断装置の実施例の回路概念
図。
【図2】プローブの電流−電圧特性図。
【図3】アルゴンガスについて計算された式1の電流比
1 /I2 とeV1 /kTeの関係。
【図4】本発明の実施例によるTeの測定値とバイアス
補正された2電流法による値との比較。
【符号の説明】
1 プラズマ 2、3 プローブ 4 基準電極 5 Ii 演算回路 6、7 バイアス加算回路 8 除算回路 9 演算回路

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プラズマ内に設置した2つのプローブ、
    プローブの電流電圧特性にイオン電流補正を行う回路、
    該2つのプローブからの電流の比を用いてプラズマの電
    子温度、電子密度を計算する回路を有することを特徴と
    するプラズマ診断装置。
  2. 【請求項2】 プラズマ内に設置した2つのプローブか
    らのそれぞれの電流を、イオン電流補正を行い、それら
    の電流比を用いてプラズマの電子温度、電子密度を測定
    する方法。
  3. 【請求項3】 2つのプローブは、プラズマ内の基準電
    極に対して、異なる電位にバイアスされた請求項1記載
    のプラズマ診断装置。
  4. 【請求項4】 プラズマ内に設置した基準電極と1本の
    プローブ、プローブの電流電圧特性にイオン電流補正を
    行う補正回路、プローブを基準電極に対して異なる電位
    にバイアスした状態で電流を測定する回路、該回路とプ
    ローブの接続を該異なるバイアス電位に切換える切換回
    路を有することを特徴とするプラズマ診断装置。
  5. 【請求項5】 基準電極は、プローブである請求項3又
    は請求項4記載のプラズマ診断装置。
JP4124155A 1992-04-17 1992-04-17 2電流法プローブによるプラズマ診断装置 Pending JPH05299194A (ja)

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Date Code Title Description
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 19950328