JPH0644931A

JPH0644931A - 阻止電位型エネルギー分析器

Info

Publication number: JPH0644931A
Application number: JP4214690A
Authority: JP
Inventors: Kei Ikeda; 圭池田
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】グリッド表面近傍の電位分布を改善して、エ
ネルギー分析の精度及び分解能を改善する。【構成】トップグリッド１０を接地電位とし、セカン
ドグリッド１２とラストグリッド１６には負の電圧を印
加する。サードグリッド１４には正の電圧を印加し、こ
の電圧を変化させてイオンの通過量の変化を測定するこ
とにより、イオンのエネルギー分布を測定することがで
きる。各グリッドは、厚さが０．０１ｍｍの金属板に多
数の貫通孔をあけて形成したものである。これにより、
従来のワイヤで編んだメッシュグリッドと比較して、グ
リッド表面近傍における電位分布が均一化し、その結
果、エネルギー分布の精度と分解能が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマや荷電ビ−ム
に含まれる荷電粒子のエネルギ−を測定するためのエネ
ルギ−分析器に関し、特に、グリッドに印加する直流電
圧を変化させて、グリッドを通過する荷電粒子による電
流の変化を検出することにより、荷電粒子のエネルギ−
を分析する、いわゆる阻止電位型エネルギ−分析器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、薄膜処理装置等で生成されるプラ
ズマや荷電ビ−ムの中の正又は負の荷電粒子のエネルギ
−を測定するために、阻止電位型のエネルギ−分析器が
利用されてきた。この阻止電位型エネルギ−分析器で
は、測定したい荷電粒子に対してハイパスフィルタ−と
なるメッシュグリッドを設け、このグリッドに印加する
直流電圧を変化させて、通過した電流値の変化率を求め
ることにより、荷電粒子のエネルギ−分布を求めること
ができる。

【０００３】荷電粒子のエネルギ−を求めるために提案
されてきた従来の阻止電位型エネルギ−分析器では、ワ
イヤを編んで構成したメッシュグリッドをオリフィスに
張り付けてグリッド電極としていた。使用されるメッシ
ュの粗さは、例えば＃４００のように表され、これは、
１インチ当たり４００本のワイヤが並んでいる。そし
て、上記メッシュ粗さとワイヤの線幅とによってメッシ
ュの開口寸法が定まる。

【０００４】エネルギ−分析器で使用するメッシュグリ
ッドを選ぶ際は、測定対象のプラズマや荷電ビ−ムのデ
バイ長さを考慮することによって、グリッドの開口寸法
の最大値をどれぐらいにしたらよいか見積もることがで
きる。例えば、ドライエッチング装置に利用されている
比較的高密度のプラズマの１つとして知られているＥＣ
Ｒプラズマを例にして説明すると次のようになる。この
プラズマの電子温度を５ｅＶ、電子密度を１×１０¹¹個
／ｃｍ³と仮定すると、デバイ長さは０．０５３ｍｍと
なる。阻止電位型のエネルギ−分析においては、メッシ
ュグリッドの開口幅はデバイ長さの２倍よりも短い必要
がある。さらに、開口部の空間の電位にたわみが生じ
て、そこからプラズマがしみ出す可能性があることを考
慮すると、現実には、デバイ長さと同程度以下の開口幅
とするのが好ましい。そのためには＃４００程度のメッ
シュ（ワイヤの線幅が０．０３ｍｍの場合、開口幅は
０．０３３５ｍｍ）が必要なことがわかる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】通常の薄膜処理装置や
半導体製造装置で利用するプラズマは、基板処理を行な
う上で、イオンのエネルギ−を測定、制御する必要があ
り、最近では１ｅＶ程度の精度と分解能が要求されはじ
めている。ところが、実際には、通常用いられているワ
イヤを編んだメッシュグリッドの場合、分析器の精度、
及び分解能（すなわちエネルギ−分布の半値幅）は、お
よそ２〜３ｅＶであり、十分な性能を満足してはいな
い。

【０００６】現在使用されているメッシュグリッドは、
ワイヤを編んで作られているために、電位分布の不均一
性を生じており、そのためにエネルギ−分析器の性能を
悪くしていることが考えられる。

【０００７】本発明の目的は、グリッド表面近傍の電位
分布を改善して、エネルギー分析の精度及び分解能を改
善した阻止電位型エネルギ−分析器を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る阻止電位型
エネルギ−分析器は、グリッドに印加する直流電圧を変
化させて、グリッドを通過する荷電粒子による電流の変
化を検出することにより、荷電粒子のエネルギ−を分析
する阻止電位型エネルギ−分析器において、前記グリッ
ドを、金属の薄い板に多数の貫通孔をあけて形成したも
のである。

【０００９】グリッドの貫通孔の断面寸法は、測定すべ
きプラズマや荷電ビームに含まれる荷電粒子のデバイ長
さのオーダーにするのが好ましいので、その寸法は、例
えば０．１ｍｍ以下になるのが普通である（もちろん、
測定すべき荷電粒子のデバイ長さに依存するが）。ま
た、貫通孔の厚さ（すなわち金属の薄い板の厚さ）は、
できるだけ薄くするのが好ましく、少なくとも貫通孔の
断面寸法よりは薄い方が好ましい。したがって、グリッ
ドを構成する「金属の薄い板」の厚さは、例えば０．１
ｍｍ以下となる。貫通孔の断面形状は、円形や矩形など
任意の形状とすることができる。

【００１０】グリッドは、金、白金、銅、タンタル、タ
ングステン、モリブデン、およびステンレス鋼からなる
群から選ばれたいずれか一つの材質で形成するのが好ま
しい。

【００１１】

【作用】本発明に係る阻止電位型エネルギ−分析器で
は、金属の薄い板に多数の貫通孔をあけた形状であるた
めに、ワイヤで編んだメッシュグリッドと比較して、グ
リッド表面近傍における電位分布が均一化し、その結
果、エネルギー分析の精度と分解能が向上する。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の一実施例の構成図である。こ
のエネルギー分析器は、プラズマ２０中のイオン（すな
わち正の荷電粒子）のエネルギーを分析するためのもの
であり、４個のグリッド１０、１２、１４、１６を備え
ている。これらグリッドは、それぞれ、トップグリッド
１０、セカンドグリッド１２、サードグリッド１４、ラ
ストグリッド１６と呼ぶことにする。各グリッドは電極
板１８に形成されたオリフィス（円形の貫通孔）に張り
付けられている。グリッド相互の間隔は、プラズマ２０
中のイオンの平均自由行程の数分の１以下が好ましく、
例えば、圧力が１×１０^-3Ｔｏｒｒ程度の時、平均自由
行程は数ｃｍであり、グリッド間隔は数ｍｍから１０ｍ
ｍ程度が望ましい。もし対象としているプラズマ２０が
１×１０^-3Ｔｏｒｒよりも高い圧力のもとで生成されて
いる場合は、差動排気を行なってエネルギ−分析器の内
部の圧力を１×１０^-3Ｔｏｒｒ以下にして測定を行な
う。図１ではプラズマ２０を生成するための装置は省略
してある。４個のグリッドを通過したイオンはファラデ
ーカップ２２で捕捉され、イオンの全体の通過量が電流
計２４で測定される。

【００１３】図２は、トップグリッド１０の一部を拡大
して示した斜視図である。このグリッド１０は厚さが
０．０１ｍｍの金属板２６に多数の貫通孔２８を形成し
たものである。貫通孔２８の断面は一辺が０．０３３５
ｍｍの矩形であり、隣り合う貫通孔２８の間の距離は
０．０３ｍｍである。したがって、貫通孔２８は縦横方
向に０．０６３５ｍｍのピッチで開けられている。この
グリッド１０は、ワイヤ寸法が０．０３ｍｍで＃４００
の粗さのメッシュグリッドと光学的に同等の開口割合及
び開口形状を備えている。このグリッド１０を直径３ｍ
ｍのオリフィスに張り付けてある。他のグリッド１２、
１４、１６についても同じ構造である。

【００１４】図２に示した形状のグリッドは次のように
して作ることができる。まず、基板の上にメッキや真空
蒸着によって金属膜を厚さ０．０１ｍｍに堆積する。次
にエッチングによって金属膜に多数の貫通孔を開ける。
最後に、基板だけを溶かして金属の薄い板を得る。グリ
ッドに使うことのできる金属の材料としては、測定する
プラズマやビ−ムに対して耐熱性があり、かつ低抵抗、
高熱伝導であることが望まれる。また、ガスに活性なも
のを用いた場合には、耐腐食性を持つものが望まれる。
これらの要求を一部でも満たす材料としては、金、白
金、銅、タンタル、タングステン、モリブデン、ステン
レス鋼が好ましい。なお、特に磁場中で測定を行なう場
合は、非磁性の材料を選ぶことが望ましい。

【００１５】次に、図１を参照して、プラズマ２０中の
イオンのエネルギーを分析するときの動作を説明する。
エネルギ−分析器内部の圧力が所定の圧力以下の状態に
おいて、トップグリッド１０は接地電位とし、セカンド
グリッド１２とラストグリッド１６には直流電源３０か
ら負の電圧（例えばマイナス６０Ｖ）を印加する。サー
ドグリッド１４には可変電圧直流電源３２から正の電圧
を印加する。この電圧を変化させてイオンの通過量の変
化を測定することによりイオンのエネルギー分布を測定
することができる。

【００１６】次に、各グリッドの働きを説明する。トッ
プグリッド１０は、エネルギ−分析器内部にプラズマ２
０が漏れてくるのを防ぐ役割を果たす。セカンドグリッ
ド１２は、プラズマ２０中の電子をリタード（阻止）す
るためのものであり、したがって、電子のエネルギ−よ
りも絶対値の大きなマイナス電位が必要である。例え
ば、通常のドライエッチング装置におけるプラズマに対
しては、絶対値が６０Ｖよりも大きなマイナス電位とす
るのが望ましい。ラストグリッド１６は、サ−ドグリッ
ド１４を通過してきたイオンがグリッドに衝突した時に
発生した２次電子や、ファラデ−カップ２２に衝突した
時に発生した２次電子をリタ−ドするために置かれてい
る。サ−ドグリッド１４に印加する電圧は、トップグリ
ッド１０とセカンドグリッド１２を通過してきたイオン
に対してハイパスフィルタ−として働く。すなわち、サ
ードグリッド１４に印加した電圧よりも大きなエネルギ
ーをもったイオンだけがサードグリッド１４を通過する
ことになる。最後に、４個のグリッドを通過してファラ
デ−カップ２２に入射してきたイオンの電流値を電流計
２４で測定する。そして、サードグリッド１４に印加す
る電圧を変化させてイオン電流値の変化を測定し、その
変化率を求めることにより、イオンのエネルギ−分布を
知ることができる。

【００１７】図３は、図１のエネルギ−分析器の性能評
価に用いたイオン源の構成図である。このイオン源は熱
陰極型イオン源である。このイオン源は、絶縁物で作ら
れた容器３４の中に巻かれたフィラメント３６に数Ａの
電流を流して、フィラメント表面から放出された熱電子
によって生成されたプラズマ３８を、絶縁スペーサ４１
を介した２枚の電極４０、４２により引き出すことによ
って、アルゴンのイオンビ−ムを得るものである。

【００１８】このイオン源の動作は次の通りである。イ
オン源を内部に設置した図示しない真空容器に、図示し
ないガス導入機構よりアルゴンガスを流し、前記真空容
器内部の圧力を、およそ１×１０^-3Ｔｏｒｒに保つ。次
に電源４４より数Ａの電流をフィラメント３６に流し、
容器３４内に設置されたフィラメント３６の表面から十
分な熱電子を放出させる。そして、放電電源４６を動作
させることにより、容器３４内にアルゴンプラズマ３８
を発生させる。この時、アルゴンプラズマ３８の電位
は、加速電源４８により制御され、内部電極４０のオリ
フィスから染み出したアルゴンプラズマのみが、接地電
位にされた外部電極４２との間で加速され、アルゴンの
イオンビ−ムとなって外部電極４２のオリフィスから引
き出される。この時、アルゴンプラズマ３８のエネルギ
−は、加速電源４８の電圧に、フィラメント３６の表面
から放出される熱エネルギ−（約０．２ｅＶ）を加えた
値となり、ほぼ加速電源４８の加速電圧に等しくなる。
また、染み出たイオンのみを加速、引出した結果、イオ
ンのエネルギ−が揃ったビ−ムが得られ、そのエネルギ
−分布の半値幅は、イオン源の構成条件を良くした場合
では１ｅＶ以下となる。このようなエネルギーの揃った
イオンビームを利用してエネルギ−分析器の評価を行な
った。

【００１９】図４は、サ−ドグリッド１４に印加した電
圧Ｖ_g3を変化させたときの、ファラデ−カップ２２で測
定されたイオン電流値Ｉ_cを示す。電圧Ｖ_g3を上げるに
つれて、その電位を乗り越えられないエネルギ−を持っ
たイオンの通過が阻止され、その結果として電流値が減
少する。

【００２０】図５は、図４における変化率△Ｉ_c／△Ｖ
_g3をプロットしたものであり、これにより、サ−ドグリ
ッド１４を通過してファラデ−カップ２２に入射するイ
オンのエネルギ−分布が示される。使用したイオン源に
関する上述の説明からわかるように、イオンの持つエネ
ルギ−分布は、図３の加速電源４８の加速電圧Ｖ_acの値
をピ−クにしてその両側に広がった分布を持つと考えら
れるから、加速電圧Ｖ_acの値と、図５のエネルギ−分布
のピーク電圧Ｖ_pとを比較することにより、エネルギ−
分析器の精度を評価することができる。また、エネルギ
−分布の半値全幅ＦＷＨＭ（full width at half maxim
um）を求めることにより、エネルギー分析器の分解能を
評価することができる。

【００２１】図６は、エネルギー分析器の精度を評価す
るグラフであり、横軸に熱陰極型イオン源の加速電圧Ｖ
_acを、縦軸にイオンエネルギ−分析器で得られたイオン
エネルギ−分布のピ−ク値Ｖ_pと熱陰極型イオン源の加
速電圧Ｖ_acとの差を示す。このグラフでは、従来のグリ
ッドを使用した場合と本実施例のグリッドを使用した場
合を比較しており、従来のグリッドとしては０．０３ｍ
ｍのワイヤを編んで作った＃４００の粗さのメッシュグ
リッドを使用した。この従来のグリッドをワイヤグリッ
ドと呼ぶことにし、本実施例で使用したグリッドを板状
グリッドと呼ぶことにする。図６において、ワイヤグリ
ッドと板状グリッドを比較すると、どちらも、加速電圧
Ｖ_acを上げるとＶ_p−Ｖ_acの値がわずかではあるが大き
くなる傾向がある。しかしながら、Ｖ_p−Ｖ_acの絶対値
は、板状グリッドの方が非常に小さく、およそ１ｅＶで
ある。すなわち、本実施例でのエネルギ−分析器では、
板状グリッドを用いた結果、エネルギーが１００ｅＶ程
度のイオンに対して約１ｅＶの精度でエネルギー測定が
可能であることがわかる。

【００２２】図７は、エネルギー分析器の分解能を評価
するグラフであり、横軸に熱陰極型イオン源の加速電圧
Ｖ_acを、縦軸にイオンエネルギ−分析器で得られたイオ
ンエネルギ−分布の半値幅ＦＷＨＭを示す。このグラフ
から、板状グリッドではＦＷＨＭが１Ｖ程度に収まって
いることがわかる。使用した熱陰極型イオン源でのイオ
ンエネルギ−分布の広がりは、上述の通り１ｅＶ以下と
考えられることから、板状グリッドの場合は、ほぼ元の
エネルギ−分布を再現していると考えられる。これに対
して、ワイヤグリッドではＦＷＨＭが２Ｖ以上になって
おり、加速電圧Ｖacの増加に伴うＦＷＨＭの増加の度合
も、板状グリッドの場合と比較して大きくなっている。
したがって、ワイヤグリッドを使用したものはエネルギ
−分析器としての分解能が板状グリッドを使用したもの
より悪化していることがわかる。

【００２３】以上説明したように、図６と図７に示した
評価結果により、エネルギ−分析器としての性能は、精
度の点でも分解能の点でも、ワイヤグリッドよりも板状
グリッドを用いた方が良いことは明らかである。板状グ
リッドでは、そのグリッド表面がワイヤグリッドよりも
平坦かつ平滑であるために、グリッド表面近傍における
電位分布が一様であり、その結果として性能向上につな
がったと考えられる。

【００２４】上述の実施例では、イオンすなわち正の荷
電粒子のエネルギー分析を行っていたが、電子などの負
の荷電粒子のエネルギー分析を行なう場合は、図１に示
す場合と電圧のかけ方が逆となる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、グリッドを、金属の薄
い板に多数の貫通孔をあけた形状としたことにより、ワ
イヤで編んだメッシュグリッドと比較して、グリッド表
面近傍における電位分布が均一化し、その結果、エネル
ギー分析の精度と分解能が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図である。

【図２】グリッドの一部を拡大して示した斜視図であ
る。

【図３】図１の実施例を評価するのに用いた熱陰極型イ
オン源の構成図である。

【図４】サ−ドグリッドに印加した電圧を変化させた時
のイオン電流値の変化を示すグラフである。

【図５】図４のグラフの変化率を求めたグラフである。

【図６】エネルギー分析器の精度を評価するグラフであ
る。

【図７】エネルギー分析器の分解能を評価するグラフで
ある。

【符号の説明】

１０、１２、１４、１６…グリッド２０…プラズマ２２…ファラデーカップ２４…電流計２６…金属板２８…貫通孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】グリッドに印加する直流電圧を変化させ
て、グリッドを通過する荷電粒子による電流の変化を検
出することにより、荷電粒子のエネルギ−を分析する阻
止電位型エネルギ−分析器において、前記グリッドを、金属の薄い板に多数の貫通孔をあけて
形成したことを特徴とする阻止電位型エネルギ−分析
器。
【請求項２】前記グリッドは、金、白金、銅、タンタ
ル、タングステン、モリブデン、およびステンレス鋼か
らなる群から選ばれたいずれか一つの材質で形成されて
いることを特徴とする請求項１記載の阻止電位型エネル
ギ−分析器。