JPH1074481A

JPH1074481A - イオンエネルギー測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH1074481A
Application number: JP8248854A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Araki; 陽一荒木; Hiroo Ono; 博夫小野; Yukinori Hanada; 幸紀花田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 1998-03-17
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: JP3396015B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＲＦ電力が印加されている測定対象物上のイ
オンエネルギーを測定するイオンエネルギー測定方法及
び装置を提供する。【解決手段】サセプタ１０６上にイオンエネルギー検
出器１５０を設けて、ダミーウェハＷ上に生じるイオン
を、ダミーウェハＷの貫通孔Ｗａを介してイオンエネル
ギー検出器１５０内に導入する。そのイオンが、グリッ
ド１５２を通過してセンサ１５４に到達すると、そのセ
ンサ１５４に接続されている電流計１６６によりイオン
の電流値が測定される。この電流値と、セカンドグリッ
ド１５２ｂに印加されている可変直流電力の電圧等とか
ら、センサ１５４におけるイオンエネルギーを時間分解
的に求め、それを演算手段により各時間ごとのダミーウ
ェハＷ上のイオンエネルギーに変換した後、合成するこ
とによりダミーウェハＷ上のイオンエネルギーを求める
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオンエネルギー
測定方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェハやＬＣＤ基板などを製造す
る半導体製造工程において用いられるプラズマ処理装置
では、気密に構成された処理室内に反応性プラズマを励
起または導入することにより、処理室内の載置台（サセ
プタ）に載置された被処理体に対して、所定のプラズマ
処理を施している。そして、被処理体が載置されるサセ
プタに対して、バイアス用の高周波電力を印加し、処理
室内のプラズマが、被処理体の被処理面に効果的に引き
込まれて、所望のプラズマ処理を行うことができるよう
に構成されている。

【０００３】ところで、被処理体に対して所望のプラズ
マ処理を行うためには、プラズマ空間で生じるイオンが
イオンシース空間で加速され、被処理体に到達する際の
エネルギー分布を正確に測定し、その結果に基づいてプ
ラズマ処理装置の種々のパラメータの調整、例えば高周
波電力やバイアス用高周波電力等の調整を行わなくてな
らない。

【０００４】そのため、従来より、例えば特開平６−４
４９３１号に開示から提案されているような阻止電位型
エネルギー分析器が用いられている。かかる阻止電位型
エネルギー分析器では、被処理体上に入射するイオンエ
ネルギーを直接測定せずに、処理室内に生じたプラズマ
の近傍に、４個のグリッドとファラデーカップとから成
る測定器を設けて、間接的に測定している。

【０００５】すなわち、プラズマ側からファラデーカッ
プ側にかけて設けられている４個のグリッドのうち、プ
ラズマ側から３個目のグリッドに印加する直流電力を変
化させて、４個目のグリッドを通過してファラデーカッ
プ内に入射してきたイオンの電流値を電流計により測定
し、イオン電流値の変化からその変化率を求めて、イオ
ンエネルギーを求めている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、バイア
ス用の高周波電力を用いるプラズマ処理の場合には、従
来のイオンエネルギー分析器では、そのバイアス用の高
周波電力の交流成分により、サセプタ上の被処理体に入
射するイオンエネルギー分布を正確に測定することが困
難であった。したがって、実際の被処理体上のイオンエ
ネルギー分布と分析器により求めた被処理体上のイオン
エネルギー分布との間に、大きな差が生じることがあ
り、精度の高いプラズマ処理を行うことができなかっ
た。

【０００７】また、上記従来のイオンエネルギー分布測
定装置は、プラズマの近傍に設けなくてはならないた
め、実際のイオンエネルギーに近い値を測定するには、
当該分析器をプラズマ中、特にプラズマ密度の高い空間
に曝さなくては成らず、その寿命を低下させる要因とな
っていた。

【０００８】逆に、イオンエネルギー分布測定装置の寿
命を向上させるため、プラズマから距離を置くと、実際
のイオンエネルギー分布と測定したイオンエネルギー分
布との間に大きな差が生じてしまうことが問題となって
いた。

【０００９】本発明は、従来のイオンエネルギー測定方
法及び装置が有する上記のような問題点に鑑みてなされ
たものであり、被処理体に入射するイオンのイオンエネ
ルギー分布を直接測定し、正確な被処理体上のイオンエ
ネルギー分布を得ることが可能な、新規かつ改良された
イオンエネルギー測定方法及び装置を提供することを目
的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１によると、測定対象物に対して所定距離を
置いた位置に配されるコレクタ手段を少なくとも備えた
測定系により、ＲＦ電力の電界の影響を受ける測定対象
物上のイオンエネルギーを測定するイオンエネルギー測
定方法であって、上記測定対象物を通過したイオンのイ
オンエネルギーを上記コレクタ手段により時間分解的に
測定する第１ステップと、上記各測定時点について、上
記測定値に基づいて上記測定対象物上でのイオンエネル
ギーを求める第２ステップと、上記各測定時点でのイオ
ンエネルギーを合成して、上記測定対象物上でのイオン
エネルギーを求める第３ステップとを少なくとも含むこ
とを特徴としている。

【００１１】また、請求項２によると、上記測定系は、
さらに、上記測定対象物と上記コレクタ手段の間に順次
配される複数のグリッド手段を備えており、上記第１ス
テップは、上記グリッド手段に印加する直流電圧を変化
させて、上記グリッド手段を通過する上記イオンの電流
の変化を検出することにより、上記測定対象物に印加さ
れている上記ＲＦ電力の各位相ごとのイオンのイオンエ
ネルギーを測定することを特徴としている。

【００１２】従って、測定対象物に入射するイオンのイ
オンエネルギーが、その測定対象物に印加されているＲ
Ｆ電力の交流成分により時間的に変化しても、時間分解
的に測定する第１ステップにより測定可能となり、その
第１ステップにおいて測定された各時間のイオンエネル
ギーから、各時間の測定対象物上のイオンエネルギーを
求め、それらを合成することによって、ＲＦ電力が印加
されている測定対象物上のイオンエネルギーを求めるこ
とができる。

【００１３】また、請求項３によると、上記グリッド手
段に印加する上記直流電圧は、上記ＲＦ電力の印加によ
って上記測定対象物に発生する自己バイアス電圧によっ
て基準電位が与えられることを特徴としているため、自
己バイアス電圧値が大きい時でも、小さい時でも、正確
にイオンエネルギーを測定することができる。

【００１４】さらに、請求項４によると、上記第１ステ
ップは、さらに測定されたイオンエネルギーからピーク
値を選択し、そのピーク値に基づいてピーク分布を求め
る工程を含むことを特徴としているため、測定されたイ
オンエネルギーの中で不要なものを排除して、所望のイ
オンエネルギーを測定することができる。

【００１５】さらにまた、請求項５によると、上記第２
ステップは、少なくとも上記第１ステップにおいて選択
された上記ピーク値と上記測定系の固有値から、上記測
定対象物上のイオンエネルギーを測定することを特徴と
しているため、測定系の中でグリッド手段に印加する直
流電圧のみを変化させることにより、所望のイオンエネ
ルギーを測定することができる。

【００１６】また、請求項６によると、測定対象物に対
して所定距離を置いた位置に配されるコレクタ手段と上
記測定対象物とコレクタ手段の間に順次配される複数の
グリッド手段とを少なくとも備えた測定系により、ＲＦ
電力の電界の影響を受ける測定対象物上のイオンエネル
ギーを測定するイオンエネルギー測定方法であって、上
記グリッド手段に印加される直流電圧を変化させるステ
ップと、上記グリッド手段を通過する上記イオンの電流
の変化を上記コレクタ手段により検出して、上記コレク
タ手段におけるイオンエネルギーを測定するステップ
と、その測定された上記イオンエネルギーと上記測定系
の固有値に基づいて上記測定対象物上のイオンエネルギ
ーを求めるステップと、から成ることを特徴としてい
る。

【００１７】従って、測定対象物に入射するイオンのイ
オンエネルギーが、その測定対象物に印加されているＲ
Ｆ電力の交流成分により時間的に変化しても、その変化
に応じてグリッド手段に印加する直流電圧を変化させる
とともに、その直流電圧のみの調整だけで他の測定系を
調整することなく、所望の正確なイオンエネルギーを測
定することができる。

【００１８】また、請求項７によると、処理室内におい
てＲＦ電力が印加される載置台上に載置される測定対象
物に照射されるイオンのイオンエネルギーを測定するイ
オンエネルギー測定装置であって、上記載置台内に、少
なくとも測定対象物に対して所定距離を置いた位置に配
されるコレクタ手段と、上記測定対象とコレクタ手段の
間に順次配される複数のグリッド手段とを設けたことを
特徴としている。

【００１９】従って、測定対象物近傍にイオンエネルギ
ー測定装置を備えることができるとともに、測定対象物
に入射するイオンのイオンエネルギーのみを測定するこ
とが可能となるため、実際の測定対象物上のイオンエネ
ルギーと実質的に同一の測定対象物上のイオンエネルギ
ーを測定することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照しながら、
本発明にかかるイオンエネルギー測定方法及び装置を平
行平板型エッチング装置に適用した、実施の一形態につ
いて詳細に説明する。なお、以下の説明において、略同
一の機能及び構成を有する構成要素については、同一番
号を付することにより、重複説明を省略することにす
る。

【００２１】まず、図１に示したエッチング装置１００
の全体構成について説明する。エッチング装置１００の
処理室１０２は、導電性素材、例えば表面が陽極酸化処
理されたアルミニウムから成る、気密で閉塞自在な略円
筒形状の処理容器１０４内に形成されている。

【００２２】処理室１０２底部には、測定対象Ｗを載置
可能な、略円筒形の導電性素材、例えば表面が陽極酸化
処理されたアルミニウムから成るサセプタ１０６が設け
られている。このサセプタ１０６の表面は、絶縁性素
材、例えばポリイミドから成る高分子フィルム１１０に
より覆われており、そのサセプタ１０６上に測定対象Ｗ
が載置されている。測定対象Ｗは、例えば、１２インチ
の半導体ウェハに相当するダミーウェハＷであり、その
被測定面には、図３に関連して後述するように、イオン
透過用の孔が穿設されている。さらに、サセプタ１０６
には、図２および図４に関連して後述するように、本発
明に基づいて使用されるイオンエネルギー検出器１５０
が埋め込まれている。なお、図１に示したエッチング装
置１００の断面図は、概略的に記載されているため、図
４中の直流電源１５８、１６０、１６４や電流計１６６
等は省略されている。

【００２３】さらに、ダミーウェハＷが載置されるサセ
プタ１０６には、整合器１１４を介して、高周波電源１
１６が接続されている。この高周波電源１１６から、プ
ラズマ生成用およびバイアス用の所定の高周波電力（以
下、「ＲＦ電力」とする。）、例えば１３．５６ＭＨｚ
の高周波電力が、整合器１１４を介してサセプタ１０６
に印加されると、後述の上部電極１２４との間でプラズ
マが生成され、プラズマ中のイオンを、効果的に引き込
むことができる。

【００２４】処理室１０２の側壁下方には、排気管１２
０が接続されており、さらにこの排気管１２０には、例
えばターボ分子ポンプから成る真空引き手段（Ｐ）１２
２が接続されている。従って、真空引き手段１２２の作
動により排気管１２０を介して、処理室１０２内は所定
の減圧雰囲気、例えば１〜１００ｍＴｏｒｒまでの任意
の減圧度にまで、真空引きできるように構成されてい
る。

【００２５】一方、処理室１０２上部のサセプタ１０６
に対向する位置には、サセプタ１０６と略同径の導電性
素材、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムか
ら成る、上部電極１２４が設けられている。この上部電
極１２４は、接地されているとともに、ガス供給管１２
６が接続されており、このガス供給管１２６は、バルブ
１２８及びガスの流量調節のためのマスフローコントロ
ーラＭＦＣ１３０を介して、ガス供給源１３２に接続さ
れている。

【００２６】さらに、上部電極１２４の内部は、中空部
１２４ａを有する中空構造となっており、ウェハＷに対
向する面１２４ｂには、多数の吐出口１２４ｃが形成さ
れている。従って、ガス供給源１３２から所定の処理ガ
ス、例えばＣ₄Ｆ₈ガスがマスフローコントローラＭＦＣ
１３０、バルブ１２８及びガス供給管１２６を介して、
上部電極１２４内の中空部１２４ａに導入された後、吐
出口１２４ｃから処理室１０２内に均一に導入されるよ
うに構成されている。

【００２７】次に、本実施の形態にかかるイオンエネル
ギー測定装置の構成について、図２〜図４を参照しなが
ら説明する。

【００２８】サセプタ１０６の載置面には、図２に示し
たように、その略中心から周縁部方向に放射状に延びる
略十文字状に、例えば高さ１ｃｍ、直径１ｃｍの略管状
のイオンエネルギー検出器１５０が、例えば９個設けら
れている。その配置は、サセプタ１０６の載置面の略中
心に１個、さらにこのイオンエネルギー検出器１５０か
ら上記略十文字状にサセプタ１０６の外周方向に向かっ
て、略等間隔、例えば６ｃｍずつの等間隔で、それぞれ
２個ずつ設けられている。

【００２９】また、イオンエネルギー測定時に使用す
る、本実施の形態にかかるダミーウェハＷは、図３に示
したように、導電性素材、例えば表面がシリコン酸化膜
で覆われたシリコンから成る、例えば１２インチの略円
盤状で、サセプタ１０６上に載置した際、イオンエネル
ギー検出器１５０に対応する位置に、イオンエネルギー
検出器１５０の直径と略同径、例えば直径１ｃｍの略円
内に多数の貫通孔Ｗａが設けられている。

【００３０】この貫通孔Ｗａは、ダミーウェハＷに入射
するイオンを、効率よくサセプタ１０６上のイオンエネ
ルギー検出器１５０に透過させることができ、かつプラ
ズマの状態に影響を与えない程度の孔が設けられること
が好ましい。そして、サセプタ１０６上にダミーウェハ
Ｗを載置した際には、ダミーウェハＷを通過したイオン
が、イオンエネルギー検出器１５０に入る構成となって
いる。

【００３１】イオンエネルギー検出器１５０は、図４に
示したように、サセプタ１０６に埋め込まれており、そ
の上部はダミーウェハＷと近接している。また、イオン
エネルギー検出器１５０は、略管状であり、その内部に
は、ダミーウェハＷからサセプタ１０６方向にかけて、
例えば３個のグリッド１５２（１５２ａ、１５２ｂ、１
５２ｃ）と、コレクタの役割を果たす、例えばファラデ
ーカップから成るセンサ１５４が設けられている。

【００３２】なお、グリッド１５２（１５２ａ、１５２
ｂ、１５２ｃ）は、ダミーウェハＷ側からトップグリッ
ド１５２ａ、セカンドグリッド１５２ｂ、ラストグリッ
ド１５２ｃと呼ぶこととする。

【００３３】まず、グリッド１５２（１５２ａ、１５２
ｂ、１５２ｃ）について説明すると、それぞれトップグ
リッド１５２ａ、セカンドグリッド１５２ｂ及びラスト
グリッド１５２ｃは、イオンエネルギー検出器１５０の
内壁に設けられた略環状の導電性素材、例えばタングス
テンから成る電極板１５６ａ、１５６ｂ及び１５６ｃに
それぞれ張り付けられている。

【００３４】各グリッド１５２間の間隔は、プラズマの
イオンの平均自由工程の数分の一以下が好ましく、処理
室１０２内の圧力が、例えば１ｍＴｏｒｒ程度の時に
は、その平均自由工程は数ｃｍであることから、例えば
１ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。

【００３５】また、各グリッド１５２は、例えば直径２
０μｍのタングステン線により、例えば２５４μｍ間隔
のメッシュ状となっている。

【００３６】そして、トップグリッド１５２ａが取り付
けられている電極板１５６ａと、ラストグリッド１５２
ｃが取り付けられている電極板１５６ｃには、それぞれ
直流電源１５８及び１６０が接続されており、それらか
ら負の直流電圧、例えば−６０Ｖの直流電圧が、それぞ
れに印加される構成となっている。

【００３７】また、セカンドグリッド１５２ｂが取り付
けられている電極板１５６ｂには、可変電圧直流電源１
６２が接続されており、それから正の可変直流電圧が印
加されるように構成となっている。

【００３８】ここで、各グリッド１５２（１５２ａ、１
５２ｂ、１５２ｃ）の働きについて説明する。まず、ト
ップグリッド１５２ａは、処理室１０２内に生じたプラ
ズマ中の電子がイオンエネルギー測定器１５０内に進入
することを阻止するために設けられている。

【００３９】従って、その電子のエネルギーよりも相対
的に大きな負電位をトップグリッド１５２ａに印加する
必要がある。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、例えば６０Ｖよりも大きな負
電位をトップグリッド１５２ａに印加することが好まし
い。

【００４０】次に、ラストグリッド１５２ｃは、セカン
ドグリッド１５２ｂを通過してきたイオンが、センサ１
５４にイオンが衝突したときに発生する２次電子を阻止
するために設けられている。

【００４１】従って、その２次電子のエネルギーよりも
相対的に大きな負電位をラストグリッド１５２ｃに印加
する必要がある。本実施の形態にかかるイオンエネルギ
ー測定器１５０においては、例えば６０Ｖ程度の負電位
をラストグリッド１５２ｃに印加することが好ましい。

【００４２】また、セカンドグリッド１５２ｂは、トッ
プグリッド１５２ａを通過してきたイオンのうち、セカ
ンドグリッド１５２ｂに印加される正の直流電圧よりも
大きなエネルギーを持ったイオンのみが、このセカンド
グリッド１５２ｂを通過するように構成されている。

【００４３】そして、グリッド１５２（１５２ａ、１５
２ｂ、１５２ｃ）を通過してセンサ１５４に入射してき
たイオンの電流値を、センサ１５４とイオン捕集用の直
流電源を１６４を介して接続されている電流計１６６で
測定する。

【００４４】この際、セカンドグリッド１５２ｂに印加
する正の直流電圧を変化させることで、センサ１５４に
到達するイオンの通過量を変化させて、電流計１６６に
おいてセンサ１５４でのイオンの電流値を測定し、その
変化率からセンサ１５４でのイオンのイオンエネルギー
を測定することができる。

【００４５】なお、電流計１６６には、センサ１５４か
らの電気的経路の他に、グリッド１５２（１５２ａ、１
５２ｂ、１５２ｃ）にそれぞれ直流電圧を印加する直流
電源１５８、１６０及び可変直流電源１６２が１つの電
気的経路として接続されており、さらにその経路は、ダ
ミーウェハＷ上の信号から高周波電力の自己バイアス電
圧を抽出する自己バイアス電圧抽出回路１６８を介し
て、ダミーウェハＷに接続されている。

【００４６】次に、電流計１６６における測定値から、
測定対象上のイオンエネルギー分布を求める過程につい
て説明する。

【００４７】まず、サセプタ１０６上に測定対象である
ダミーウェハＷを載置するとともに、所定の減圧雰囲
気、例えば１ｍＴｏｒｒの減圧雰囲気が保たれている処
理室１０２内に、所定の処理ガス、例えばＣ₄Ｆ₈ガスを
導入し、サセプタ１０６に対して所定の高周波電力、例
えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加すると、処理
室１０２内にプラズマが生成する。

【００４８】そして、高周波電力の印加によって発生し
た自己バイアス電圧により、処理室１０２内に生じたプ
ラズマ中のイオンが、ダミーウェハＷに引き込まれる。

【００４９】このプラズマ中のイオンと電子のうち、上
記で説明したように、イオンのみがセンサ１５４に到達
する。この際、セカンドグリッド１５２ｂに印加する直
流電圧を変化させて、センサ１５４に到達するイオンの
通過量を変化させて、そのイオンの電流を電流計１６６
で測定する。

【００５０】そして、セカンドグリッド１５２ｂに印加
した可変直流電圧の電圧値と、センサ１５４に到達した
イオンの電流値から曲線を求め、それを一次微分するこ
とにより、センサ１５４におけるイオンのイオンエネル
ギー分布を得ることができる。

【００５１】しかしながら、サセプタ１０６には、ＲＦ
電力が印加されているため、そのＲＦ電力の交流成分の
影響により、センサ１５４におけるイオンのイオンエネ
ルギー分布は時間的に変化してしまう。

【００５２】しかし、この時間的変化は、ＲＦ電力の交
流成分の周期と略同一の周期で変化するため、例えば不
図示のデジタルオシロスコープやボックスカー積分器等
により、時間分解して各位相ごとに分け、センサ１５４
におけるイオンのイオンエネルギー分布を得ることがで
きる。

【００５３】そこで、図５に示したように、センサ１５
４におけるイオンのイオンエネルギーを時間分解して、
各位相ごと、例えばＲＦ電力の交流成分の１周期当た
り、８ポイント（同図中Ｐ１〜８）のセンサ１５４にお
けるイオンのイオンエネルギー分布を得ることとする。

【００５４】まず、各位相ごとに得られるセンサ１５４
におけるイオンのイオンエネルギー分布においては、図
６に示したように、それぞれの各ピークは通常いわゆる
ブロードであり、さらに小さなピークをいくつも含むこ
とが多いため、各ピークを分解して、図７に示したよう
に、各位相ごとのイオンエネルギー分布を単純化し、ピ
ークの大きいもののみにする。

【００５５】次に、上記のようにして得られた、各位相
ごとに単純化されたセンサ１５４におけるイオンのイオ
ンエネルギー分布であるピークを、以下で説明する本実
施の形態にかかる演算手段により、各位相ごとのダミー
ウェハＷ上のイオンエネルギーに変換する。

【００５６】なお、ダミーウェハＷとトップグリッド１
５２ａ間には、ＲＦ電力によってＲＦ電界が生じるた
め、イオンのイオンエネルギー分布はＲＦ電界の影響を
受ける。しかし、トップグリッド１５２ａからセンサ１
５４間は静電界であり、ＲＦ電界の影響を受けない。従
って、センサ１５４におけるイオンのイオンエネルギー
からダミーウェハＷ上のイオンエネルギーへの変換は、
トップグリッド１５２ａを境にして２つに分けられる。

【００５７】まず、ダミーウェハＷとトップグリッド１
５２ａとの間の電界は、ダミーウェハＷの電位とトップ
グリッド１５２ａの電位の差を、ダミーウェハＷとトッ
プグリッド１５２ａとの間の距離で割ったものとする。

【００５８】ダミーウェハＷの電位をＶ_(t)’=Ｖ₀ｓｉ
ｎ（ω（ｔ＋ｔ₀））とし、トップグリッド１５２ａの
電位をＶ₁とすれば、ダミーウェハＷとトップグリッド
１５２ａとの間の電位差Ｖ_(t)は、Ｖ_(t)=Ｖ_(t)’−Ｖ₁=Ｖ₀ｓｉｎ（ω（ｔ＋ｔ₀））−Ｖ₁ となる。なお、ωはＲＦ電力の周波数を表し、ｔ₀はイ
オンがダミーウェハＷを通過するときの時刻を表す。

【００５９】これをダミーウェハＷとトップグリッド１
５２ａとの間の距離ｌで割り、Ｖ₀／ｌをＥ₀及びＶ₁／
ｌをＥ₁とすると、ダミーウェハＷとトップグリッド１
５２ａとの間の電界は次の式で表すことができる。Ｅ_(t)=Ｅ₀ｓｉｎ（ω（ｔ＋ｔ₀））−Ｅ₁ なお、Ｅ₀はＲＦ電力による電界の振幅を表し、Ｅ₁はダ
ミーウェハＷとトップグリッド１５２ａとの間の電界の
直流成分を表す。

【００６０】次に、トップグリッド１５２ａからセンサ
１５４の間でのイオンの運動について説明する。トップ
グリッド１５２ａからセンサ１５４の間では、グリッド
１５２（１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ）及びセンサ１
５４間の静電界によってイオンが加速あるいは減速され
て運動する。

【００６１】このため、その間のイオンの加速度ａは、
電界がイオンに及ぼす力から求めることができる。ま
た、イオンがトップグリッド１５２ａからセカンドグリ
ッド１５２ｂ間、セカンドグリッド１５２ｂからラスト
グリッド１５２ｃ間、ラストグリッド１５２ｃからセン
サ１５４間を通過する時間は、それぞれｔ２、ｔ３、ｔ
４とし、グリッド１５２（１５２ａ、１５２ｂ、１５２
ｃ）を通過する際の速度を初速度とすると、例えば、

【００６２】

【数１】

【００６３】として、グリッド１５２（１５２ａ、１５
２ｂ、１５２ｃ）及びセンサ１５４間の距離と関係づけ
られる。なお、ｌ₂はトップグリッド１５２ａとセカン
ドグリッド１５２ｂとの距離を表し、ａ₂はトップグリ
ッド１５２ａとセカンドグリッド１５２ｂとの間での加
速度を表し、ｖ₁はトップグリッド１５２ａを通過する
ときのイオンの速度を表す。よって、式（１）から各時
間を求めて積算すれば、イオンがトップグリッド１５２
ａからセンサ１５４までに到達する時間を求めることが
できる。

【００６４】次に、トップグリッド１５２ａからセンサ
１５４の間での電位差によるイオンエネルギーの変化に
ついて説明する。トップグリッド１５２ａからセンサ１
５４の間は、静電界であるため、トップグリッド１５２
ａとセンサ１５４との間の電位差により計算すればよ
い。

【００６５】まず、上記と同様に、イオンがダミーウェ
ハＷを通過した時の時刻をｔ₀とし、その時のイオンエ
ネルギーをＫ₀とする。また、イオンが距離ｌのダミー
ウェハＷとトップグリッド１５２ａとの間を、時間ｔ₁
で通過した後のイオンエネルギーをＫ₁とした。

【００６６】そして、ダミーウェハＷとトップグリッド
１５２ａとの間の電界は、上記の通り、Ｅ_(t)=Ｅ₀ｓｉｎ（ω（ｔ＋ｔ₀））−Ｅ₁ で表される。また、イオンに作用する加速度ａと電界Ｅ
は、ｍａ=ｅＥで表されるため、加速度ａ_(t)は、

【００６７】

【数２】

【００６８】で表すことができる。なお、ｍはイオンの
質量、ｅはイオンの電荷である。そして、イオンがこの
電界中で時間ｄｔの間に受けるエネルギー変化ｄＫは、
電界がイオンに対して行う仕事と等しいため、ｄＫ＝ｆ_(t)ｄｌで表すことができる。上式中のｆ_(t)はイオンが受ける
力、ｄｌはイオンがｄｔの間に移動した距離で、それぞ
れ次のように表される。

【００６９】

【数３】

【００７０】なお、ｄｔの２次の項は省略される。ま
た、ｖ_(t)は時刻ｔにおけるイオンの速度であり、次の
ようになる。

【００７１】

【数４】

【００７２】従って、ｄＫとｄｌは次式で表せる。

【００７３】

【数５】

【００７４】次に、時間ｔ₁間でのエネルギーの変化量
ΔＫは、式（２）を積分することで得られる。

【００７５】

【数６】

【００７６】なお、Ｖ₀はダミーウェハＷ上の電位を表
し、Ｋ₀はダミーウェハＷを通過したときのエネルギー
を表し、Ｋはトップグリッド１５２ａでのエネルギーを
表す。また、これ以降の式において特に断らない限り、
エネルギーの単位は、[ｅＶ]で表すものとする。一方、
ダミーウェハＷとトップグリッド１５２ａとの間の距離
ｌは、式（３）を積分することにより、次式のように表
される。

【００７７】

【数７】

【００７８】式（５）を整理するため、式（４）を変形
してＫ₀を表す式とし、式（５）からＫ₀を消去する。

【００７９】

【数８】

【００８０】

【数９】

【００８１】これらの式が、本実施の形態にかかる、ダ
ミーウェハＷ上のイオンエネルギー分布を算出するため
の、中心となる式である。

【００８２】しかし、式（８）及び（９）中のξ及びＫ
は、未知数があるため、以下で説明する式により導くこ
とが必要である。イオンが、トップグリッド１５２ａか
らセンサ１５４に到達するまでに要する時間Δｔは、ｔ
₂、ｔ₃、ｔ₄の和として表される。例えば、ｔ₂を計算す
る場合には、数１の式でｔ₂について解けばよい。

【００８３】

【数１０】

【００８４】ここで、ａ₂は、トップグリッド１５２ａ
とセカンドグリッド１５２ｂとの間のイオンの加速度で
ある。また、ｖ₁は、イオンがトップグリッド１５２ａ
を通過する際の速度で、この領域においては初速度とし
て扱われる。そして、ｔ₃、ｔ₄についても、同様に計算
することで、それぞれの時間を算出することができる。
上式で算出されたｔ₂、ｔ₃、ｔ₄を加算すると次のよう
になる。

【００８５】

【数１１】

【００８６】ここで、Ｋｃはセンサ１５４でのイオンエ
ネルギーであり、ΔＶはトップグリッド１５２ａとセン
サ１５４との間の電位の差である。また、Ｖ₄はセンサ
１５４での電位を表し、φはセンサ１５４での位相を表
す。

【００８７】よって、式（１０）及び（１１）によって
求められたξ及びＫを式（８）及び（９）の各式に代入
して、それらの式を計算することにより、各位相ごとの
ダミーウェハＷ上のイオンエネルギーＫ₀を求めること
ができる。

【００８８】以上のようにして求められたダミーウェハ
Ｗ上のイオンエネルギーＫ₀は、各位相ごとに求められ
ているため、これらを合成することによりダミーウェハ
Ｗ上のイオンエネルギー分布を求めることができる。

【００８９】例えば、ある位相でのダミーウェハＷ上の
イオンエネルギーが図８に示すようになり、その他の位
相のダミーウェハＷ上のイオンエネルギーがそれぞれ図
９及び１０に示すようになった場合には、それら各位相
のダミーウェハＷ上のイオンエネルギーを合成、すなわ
ち重ね合わせることにより、図１１に示したようなダミ
ーウェハＷ上のイオンエネルギー分布を求めることがで
きる。

【００９０】なお、ここでは説明のため、３ポイントの
位相でのダミーウェハＷ上のイオンエネルギーからダミ
ーウェハＷ上のイオンエネルギー分布を求めたが、本実
施の形態においては８ポイントでの各位相のダミーウェ
ハＷ上のイオンエネルギーからダミーウェハＷ上のイオ
ンエネルギー分布を求める構成となっている。

【００９１】以上説明したように、サセプタ１０６を介
してダミーウェハＷにＲＦ電力が印加されている場合
に、そのＲＦ電力の各位相でのセンサ１５４上のイオン
エネルギー分布を時間分解的に測定し、得られた測定値
の中から任意の主なピークのみに単純化して、このピー
ク値から各位相でのダミーウェハＷ上のイオンエネルギ
ー分布を算出し、それらを合成することにより、ダミー
ウェハＷ上のイオンエネルギー分布を得ることができ
る。

【００９２】以上、本発明の好適な実施の一形態につい
て、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかか
る構成に限定されない。特許請求の範囲に記載された技
術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更
例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及
び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと
了解される。

【００９３】上記実施の形態において、イオンエネルギ
ー検出器１５０をサセプタ１０６上に９個設けた構成を
例に挙げて説明したが、本発明はかかる構成に限定され
るものではなく、イオンエネルギー検出器１５０の数
は、本発明を適用する装置構成や、必要とするデータの
精度に応じて増減してもよい。

【００９４】上記実施の形態において、イオンエネルギ
ー検出器１５０をサセプタ１０６上に略十文字状に設け
た構成を例に挙げて説明したが、本発明はかかる構成に
限定されるものではなく、例えば略渦巻き状に設けた構
成としてもよい。

【００９５】上記実施の形態において、イオンエネルギ
ー検出器１５０をサセプタ１０６に埋設した例を挙げて
説明したが、本発明はかかる構成に限定されるものでは
なく、イオンエネルギー検出器を載置台に埋設しなくと
も本発明は実施可能である。

【００９６】上記実施の形態において、イオンエネルギ
ー検出器１５０内にグリッド１５２を３個設けた構成を
例に挙げて説明したが、本発明はかかる構成に限定され
るものではなく、イオンエネルギーを測定可能であれ
ば、いかなる個数のグリッドを設けた構成としてもよ
い。

【００９７】上記実施の形態において、センサ１５０に
おけるイオンのイオンエネルギーを時間分解する際、Ｒ
Ｆ電力の交流成分の１周期において８ポイントに分解し
た例を挙げて説明したが、時間分解するポイント数は、
本発明はかかる構成に限定されるものではなく、必要と
される測定対象物上のイオンエネルギー分布の精度に応
じて増減させてもよい。

【００９８】上記実施の形態において、サセプタ１０６
にＲＦ電力を印加する平行平板型エッチング装置を例に
挙げて説明したが、本発明はかかる構成に限定されるも
のではなく、被処理体にバイアス用ＲＦ電力を印加する
プラズマ処理装置であれば、いかなる装置においても適
用することが可能である。

【００９９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかるイ
オンエネルギー測定方法及び装置においては、測定対象
に入射するイオンのイオンエネルギーが、その測定対象
に印加されているＲＦ電力の交流成分により時間的に変
化しても、時間分解的に測定する測定手段により測定可
能となり、その測定手段において測定された各時間のイ
オンエネルギーから、各時間の測定対象の被測定表面上
のイオンエネルギーを演算し、それらを合成することに
よって、ＲＦ電力が印加されている測定対象上の被測定
表面上のイオンエネルギー分布を求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用可能なプラズマ処理装置の実施の
一形態を示す概略的な断面図である。

【図２】図１に示したプラズマ処理装置におけるサセプ
タを示した概略的な正面図である。

【図３】図１に示したプラズマ処理装置におけるダミー
ウェハを示した概略的な正面図である。

【図４】図１に示したプラズマ処理装置におけるイオン
エネルギー検出器を示した概略的な断面図である。

【図５】本実施の形態にかかるセンサにおけるイオンの
イオンエネルギーを時間分解した地点を示した概略的な
説明図である。

【図６】本実施の形態にかかる時間分解後のセンサにお
けるイオンのイオンエネルギーを示した概略的な説明図
である。

【図７】本実施の形態にかかる単純化された時間分解後
のセンサにおけるイオンのイオンエネルギーを示した概
略的な説明図である。

【図８】本実施の形態にかかる時間分解されているダミ
ーウェハ上のイオンエネルギーを示した概略的な説明図
である。

【図９】本実施の形態にかかる時間分解されているダミ
ーウェハ上のイオンエネルギーを示した概略的な説明図
である。

【図１０】本実施の形態にかかる時間分解されているダ
ミーウェハ上のイオンエネルギーを示した概略的な説明
図である。

【図１１】本実施の形態にかかるダミーウェハ上のイオ
ンエネルギー分布を示した概略的な説明図である。

【符号の説明】

１０２処理室１０４処理容器１０６サセプタ１１６高周波電源１２４上部電極１３２ガス供給源１５０イオンエネルギー検出器１５２グリッド１５４センサ１５６電極板１６２可変直流電源１６６電流計１６８自己バイアス電圧抽出回路ＷダミーウェハＷａ貫通孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物に対して所定距離を置いた位
置に配されるコレクタ手段を少なくとも備えた測定系に
より、ＲＦ電力の電界の影響を受ける測定対象物上のイ
オンエネルギーを測定するイオンエネルギー測定方法で
あって：前記測定対象物を通過したイオンのイオンエネ
ルギーを前記コレクタ手段により時間分解的に測定する
第１ステップと、前記各測定時点について、前記測定値に基づいて前記測
定対象物上でのイオンエネルギーを求める第２ステップ
と、前記各測定時点でのイオンエネルギーを合成して、前記
測定対象物上でのイオンエネルギーを求める第３ステッ
プとを少なくとも含むことを特徴とする、イオンエネル
ギー測定方法。
【請求項２】前記測定系は、さらに、前記測定対象物
と前記コレクタ手段の間に順次配される複数のグリッド
手段を備えており、前記第１ステップは、前記グリッド手段に印加する直流
電圧を変化させて、前記グリッド手段を通過する前記イ
オンの電流の変化を検出することにより、前記測定対象
物に印加されている前記ＲＦ電力の各位相ごとのイオン
のイオンエネルギーを測定することを特徴とする、請求
項１に記載のイオンエネルギー測定方法。
【請求項３】前記グリッド手段に印加する前記直流電
圧は、前記ＲＦ電力の印加によって前記測定対象物に発
生する自己バイアス電圧によって基準電位が与えられる
ことを特徴とする、請求項２に記載のイオンエネルギー
測定方法。
【請求項４】前記第１ステップは、さらに測定された
イオンエネルギーからピーク値を選択し、そのピーク値
に基づいてピーク分布を求める工程を含むことを特徴と
する、請求項２または３に記載のイオンエネルギー測定
方法。
【請求項５】前記第２ステップは、少なくとも前記第
１ステップにおいて選択された前記ピーク値と前記測定
系の固有値から、前記測定対象物上のイオンエネルギー
を測定することを特徴とする、請求項１、２、３または
４のいずれかに記載のイオンエネルギー測定方法。
【請求項６】測定対象物に対して所定距離を置いた位
置に配されるコレクタ手段と前記測定対象物とコレクタ
手段の間に順次配される複数のグリッド手段とを少なく
とも備えた測定系により、ＲＦ電力の電界の影響を受け
る測定対象物上のイオンエネルギーを測定するイオンエ
ネルギー測定方法であって：前記グリッド手段に印加さ
れる直流電圧を変化させるステップと；前記グリッド手
段を通過する前記イオンの電流の変化を前記コレクタ手
段により検出して、前記コレクタ手段におけるイオンエ
ネルギーを測定するステップと；その測定された前記イ
オンエネルギーと前記測定系の固有値に基づいて前記測
定対象物上のイオンエネルギーを求めるステップと；か
ら成ることを特徴とする、イオンエネルギー測定方法。
【請求項７】処理室内においてＲＦ電力が印加される
載置台上に載置される測定対象物に照射されるイオンの
イオンエネルギーを測定するイオンエネルギー測定装置
であって：前記載置台内に、少なくとも測定対象物に対
して所定距離を置いた位置に配されるコレクタ手段と、
前記測定対象とコレクタ手段の間に順次配される複数の
グリッド手段とを設けたことを特徴とする、イオンエネ
ルギー測定装置。