JPH04303599A - プラズマの診断方法 - 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】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、近年工業的に広く利用
されている放電プラズマに係わるものである。

【０００２】

【従来の技術】正負の正味の電荷量が釣合った状態のプ
ラズマの中、いわゆる弱電離プラズマを利用するプロセ
ス技術がドライプロセスと呼ばれており、その恩恵を受
けている分野としては半導体プロセス技術など多く、そ
の用途はプラズマＣＶＤや微細加工技術などさまざまで
ある。弱電離プラズマを発生する一つの手段としては、
磁場を印加する性能を持った電極構造を持つマグネトロ
ンを利用したプラズマ即ちマグネトロン放電プラズマが
ある。

【０００３】マグネトロン放電プラズマも真空チャンバ
ー内で発生するものであり、内部状態を変化せずに観測
するのは困難であるが、プラズマからの発光即ち、ある
粒子の電子衝突などで励起され、それが解消する際に発
する光を観測する発光分光法が知られており、どのよう
な励起状態の粒子がどのように分布しているかを測定す
る方法である。

【０００４】従って、弱電離プラズマの発光分光測定は
、平行極板に平行な面内の任意に一点だけの測定が行わ
れており、多くの場合、光学レンズやコンデンサーレン
ズなどから成る集光光学系を用いて、平行極板中心軸上
をフォーカッシングしたような比較的低い空間分解能の
測定によりプラズマの特性を調査することに終始してい
た。

【０００５】また、プロセス用プラズマでは、大面積を
処理するプラズマが求められており、その診断には、プ
ラズマの発光を利用したとして、位置分解を必要としな
い場合と、プラズマの位置分解を必要とする場合更に、
プラズマ内の観測点に焦点を合せたレンズを用いる場合
がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】工業的に多用されてい
るマグネトロン放電プラズマにおいても、プラズマを診
断して、放電構造を確め理論的に解析するのが不可欠で
あり、その上にプラズマ制御を行うことが望ましい。

【０００７】本発明は、このような事情により成された
もので、特に、マグネトロン放電プラズマの定量的な診
断を行うことを目的とするものである。

【０００８】［発明の構成］

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるプラズマ
の診断方法の第１の発明の特徴は、プラズマの発光強度
を観測平面内の２方向から測定し、測定データからＣＴ
技法により観測面内の発光分布を再構成することにある
。

【００１０】第２の発明の特徴は、微小断面積の直線光
路内の発光だけを検出する検出器を備える測定装置を具
備することにあり、更に、第３の発明の特徴は、プラズ
マの観測面内と同一面内で検出器の角度及び位置を可動
することによりチャンバーに取付ける覗き窓によりプラ
ズマを観測面内の広い範囲で測定する測定装置を付加す
る点にあり、更にまた、第４の発明の特徴は、検出した
光を特定波長に分光し、プラズマの観測面内の特定ガス
の励起種またはイオン種の発光を測定する点にある。

【００１１】

【作用】一般的に放電ブラズマでは、不均一な状態が形
成されるので３次元的な空間構造の調査が不可欠である
。このため本発明では真空チャンバー内に設けた電極に
、直流または高周波（ＲＦ）電力を供給してプラズマを
発生する。しかも不均一に形成するプラズマの空間構造
を効果的に測定するのにＣＴ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＴｏｍ
ｏｇｒａｐｈｙ）を応用して空間分光測定を行うことに
より、発光の３次元空間分布を測定した。この手法は、
少ない２箇所の観測位置からのスキャン計測により放電
空間全域にわたる発光状態を観測できるのが特徴である
。

【００１２】

【実施例】本発明に係わる実施例を図１乃至図６を参照
して説明する。即ち、マグネトロン放電プラズマを例と
する本発明方法にとって不可欠な放電を行う真空装置は
、図１及び図２に明らかなように真空チャンバ１内に例
えば直径１００ｍｍの平行極板２、３を配置し、このほ
ぼ中央の延長線上に位置しかつ互いに直角な方向に観測
窓４、５を設けるが、内側にはＡｌの堆積を防止する目
的でルーパ−（図示せず）を設置する。

【００１３】平行極板２、３の内、上方に位置しアノー
ド電極として機能するものは接地し、下側のそれに負バ
イアスを印加する直流電源６を電気的に接続する。また
陰極として機能する平行極板３の背面には永久磁石即ち
磁界装置７…がＮ極を外側に向けて放射状に配置して電
極間用としての磁界を発生させるが、発生状況を図３に
示した。図１では簡略化した磁界装置７…の断面形状を
示すのみである。

【００１４】図３では、横軸に半径方向をセンチメータ
で、縦軸に軸方向を同じくセンチメータで示しており、
中心方向に磁力線が集中しているのが明らかである。

【００１５】真空チャンバ１には図示しない減圧機構８
に連結する排気孔９を設置しており、減圧機構例えばタ
ーボ分子ポンプ（Ｔｕｒｂｏ　　Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　
　Ｐｕ−ｍｐ）やロータリポンプなどまでの排気経路１
０には、当然真空計測器例えばピラニーゲイジ（Ｐｉｒ
ａｎｉＧａｕｇｅ）や電離真空計（Ｉｏｎｉｚａｔｉｏ
ｎＶａｃｕｕｍ　　Ｇａｕｇｅ）を設置して真空チャン
バ１の真空度をチェックする。

【００１６】真空チャンバ１には、排気孔８の上側に取
付けたガス導入口１１、１１から、マスフローコントロ
ーラ（図示せず）により流量を調整したガス例えばＡｒ
が流入し、ピラニーゲイジなどにより数十ｍトール以下
に維持した真空チャンバー１内の真空度を測定する。ま
た、電離真空計は例えば１Ｐａ以下などの比較的低い圧
力の測定に用いた。

【００１７】観測窓４、５に対応する真空チャンバ−１
外には、回転可能なミラーボックス１２、１２を互いに
直角な方向に取付けて光路を決定し、オプティカルファ
イバ１３に導かれる。オプティカルファイバ１３は、分
光器入口に取付けた出射用ファイバコリメータを通して
分光器へ入射して波長を選択する。選択した波長をもっ
た光は図１に示すフォトマルチプライヤーに入って電気
信号に変換してフォトンのシグナル信号となる。次にア
ンプならびにディスクリミネータにより信号成分の抽出
を行ってから、フォトカウンタとマルチチャンネルアナ
ライザ−によりカウントされる。また、マルチチャンネ
ルアナライザ−は、千個以上のメモリチャンネルを備え
たカウンタメモリであり、各チャンネルが百万個程度の
カウンターとして機能する。

【００１８】ミラーボックス１２には、回転可能なミラ
−１４と図示していないコリメータと第２のミラー１５
が配置されており、この両者の間に位置するミラーボッ
クス１２壁面にピンホール１６を形成し、オプティカル
ファイバ１１用コネクター（図示せず）を介してオプテ
ィカルファイバ１１に接続する。即ち、少ない観測で、
広い空間にわたっての情報を小測定回数で測定すること
ができるようになった。また、観測光路は、コリメータ
の角度制御により扇状に走査することができ、放電の発
光領域のほとんど全てにわたって観測できる。

【００１９】更にピンホール１６により光路の大きさを
制限して大体の位置の分解能能力を決定するが、ピンホ
ール１６からの光がコリメータによりオプティカルファ
イバ１３に導かれるのは前述の通りである。更にまた、
コリメータにより平行光を集光することができ、装置と
しての分解能を高めており、ピンホール１６の直径とオ
プティカルファイバ１３のコアのそれは同径である。

【００２０】コリメータには図示しない制御ユニット即
ち、ＤＣ駆動方式によるガルバノスキャナが取付けられ
ている。これは通常レーザプリンターのヘッドなど、主
に半導体レーザースポットのポインティング制御に用い
られるもので、非常に高精度でかつ高速制御が可能にな
っており、数ＫＨｚの正弦波入力にも追随可能になって
いる。それは、スキャナがパルスモータ制御でなく、ア
ナログの入力電圧に比例した振れ角が得られるためであ
る。従って、このスキャナの駆動には、アナログＤＣ電
圧を操作するために、実際の駆動にはＤ／Ａコンバータ
を用い、パーソナルコンピュータによって振れ角の制御
を行った。

【００２１】コンピュータから出力した１２ビットのデ
ィジタル信号が、Ｄ／Ａコンバータによって−１０〜＋
１０Ｖのアナログ信号として出力され、この出力はガル
バノスキャナコントロールユニットのＥＸＴ．ＩＮ端子
に入力され、ガルバノスキャナに対して、±５Ｖの信号
に変換される。スキャナはこの電圧に比例して±２５°
の角度に振れる。

【００２２】コントロールユニットにはまた、スキャナ
の振れ角をモニターする端子が備えられ、実際のミラー
のふれ角に応じた±５Ｖの電圧を出力するが、電圧はデ
ジタル電圧計によって測定する。

【００２３】ミラーボックス１２は、縦方向に移動可能
なＺステージと、観測窓４、５の面に平行に移動できる
Ｘステージ上に設置し、Ｚステージは、平行極板２、３
間の任意な位置での測定を行うものであり、Ｘステージ
はＣＴ測定に使用する。

【００２４】本来は、観測対象のマグネトロン放電プラ
ズマの発光を、光路を平行に移動しながら測定するのが
望ましいが、真空チャンバー１の観測窓４、５からは、
平行極板２、３間の発光をすべて観測できない。そこで
、コリメーターの角度制御により、扇型に計測すること
で、平行極板２、３の大きさ程度に観測範囲を広げるこ
とができる。しかし、ミラーボックス１２の位置が平行
極板２、３の中央から離れた位置に置かれているために
、観測角度が非常に小さくなり制御が難しくなる。この
ためにＸステージを設置し、図４のように観測角度θに
対応して　　Ｘｏｆｆｓｅｔ＝ｄ０　ｔａｎθ　　のよ
うにステージ位置を変化させれば、実際のコリメーター
の回転軸よりもｄ０　だけ平行極板２、３中心に近い位
置に論理的な観測点を求めることができる（図５参照）
。また、Ｘステージによってミラーボックス１２位置の
横方向の微動も可能になる。

【００２５】以上の真空装置による測定に入る前に以下
の予備実験を行った。先ず、前記観測系ではコンピュー
タにより連動した制御動作が多いので、どの機器をどの
ような順番で制御するかが問題となるために、自動制御
テスト及び連動テストにより動作確認を行った。

【００２６】ミラーの角度制御特性は測定の要求に十分
耐える程度の線形性が得られるかミラー制御部を較正後
、計測系が設計値通りの特性をもっているかどうかをレ
ーザーや水銀ランプにより計測した。更にまた発光分光
測定、縦方向位置分解分光測定、ＣＴ分光測定を行い、
ＡＲＴアルゴリズムの検証を施した。

【００２７】ＡＲＴアルゴリズムは、基本的な再構成画
像の計算手法であり、様々な研究成果において計算結果
が示されている。しかし、本発明のように２方向だけの
観測データから再構成を行った例はない。従って、２方
向だけのデータから、ＡＲＴアルゴリズムによる再構成
がどの程度可能かどうかを検証する必要がある。ここで
はδ関数的に立上がったステップ状分布、直線分布、ガ
ウス分布のそれぞれを、適当な軸からの距離を変数に採
った回転体状の軸対象な２変数関数を作り、それを仮想
的に計測した場合のデータを求め、ＡＲＴアルゴリズム
によって、もとの分布を再構成することが可能か否かを
検証した。この結果を図５に示しており、ガウス分布を
実線で、再構成した値をプロットで明らかにした。

【００２８】テストデータは分散が１０のガウス分布で
、中央から３０ｍｍ離れたところにピークがくるリング
状である。

【００２９】ところで、プラズマ中には、無数の荷電粒
子が存在し、その運動の様子や相互作用によって、プラ
ズマの性質が決定するのが、一様な磁場中での荷電粒子
には、磁界によるローレンツ力がかかる。次に電界及び
磁界を印加する空間での運動を考えると、正荷電を帯び
た粒子は、電界によって下向きに加速され、磁界の影響
を受けるために次第に大きなラモーア半径で旋回する。 このように運動方向を変えた荷電粒子は、電界により今
度は上向きに減速しながら旋回運動を行う。この結果と
して、粒子の運動は、旋回しながらＥ×Ｂ方向に移動し
ていき、これがＥ×Ｂドリフトと呼ばれる現象である。

【００３０】ｖｄ　＝ｃ（Ｅ×Ｂ）／Ｂ２　で表され、
粒子の質量や電荷にはよらないが、プラズマ中では、こ
れに加えて衝突による効果を考える必要がある。しかし
、マグネトロン放電プラズマのように非常に低い圧力で
の放電にあっては、Ｅ×Ｂドリフトによる効果が大きく
みられ、多くの粒子は磁界の電界平行成分が多い部分に
トラップされ、平行極板型ではリング状に荷電粒子密度
の高い領域ができると予想できる。

【００３１】エミッションＣＴ技法を使用する本発明方
法では、いわゆるラドン変換の理論を経由することなく
再構成の手法を適用する。再構成の手法としては、Ａｌ
ｇｅｂｒａｉｃ　　Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　　
Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ（ＡＲＴ）法を用いた。先ず、陰極
からｚｍｍの平面上に陰極の中心を原点とした座標軸を
考えた上で、発光が観測される領域を細かい画素のメッ
シュに分割する。夫々の画素ｐｉｘｅｌ（ｘｉｙｉ）に
初期値ｆ　　（ｘｉｙｉ）を設定する。また、観測光路
はミラーボックスの原点からの距離をρ、Ｘ軸からの角
度をβ（β＝０、π／２）として、

【００３２】

【数１】 と表される。測定データは、この光路に沿った発光強度
の線積分で、

【００３３】

【数２】

【００３４】

【数３】

【００３５】

【数４】

【００３６】

【数５】 となる。ここで（３）は、各光路がｐｉｘｅｌ（ｘｉ、
ｙｉ）を横切る長さに比例した重みである。この（４）
と測定データＲ（β、θ）の差を再び光路に沿って分配
して（５）を作る。この反復によって、この断面上の発
光強度分布を求めることができる。ｚをパラメータとし
て複数の断面上でのプロファイルを求めれば、から空間
の３次元発光分布を求めることができる。

【００３７】真空チャンバー１に各種の部品を設けた真
空装置に、以下の条件でＣＴ分光を行った。真空チャン
バー１に純Ａｒ１（原子線のスペクトル記号）をフロー
レイト（Ｆｌｏｗ　　Ｒａｔｅ）３ｓｃｃｍで導入し、
真空チャンバー１の圧力を２３ｍＴｏｒｒとする。

【００３８】また、電圧２５４Ｖ、電流２０〜３０ｍＡ
、パワーデンシティ（ＰｏｗｅｒＤｅｎｓｉｔｙ）１．
４ｍＷ／ｃｍのように低くして観測窓４、５への堆積を
できるだけ避けた結果、図６に示した曲線が得られた。

【００３９】図３に明らかなように、平行極板２、３間
にスタティックな磁界がかかっており、かつ平行極板２
、３の中心から３２〜３４ｍｍの位置で平行極板２、３
にほぼ平行に磁界が印加し、ここでＥ×Ｂドリフトが最
大になっている。

【００４０】図５には平行極板２，３の中心から上方の
通路に沿った平行極板２，３間に存在するＡｒ１（λ＝
４１９．８）からのエミッションの分布を明らかにした
。即ち、エミッションは、平行極板２、３からｚ＝８ｍ
ｍの位置にピークがあり、図５に示したＡ、Ｂ、Ｃ及び
Ｄ点で再構成法によるＣＴ分光を行い、ＡｒＩのエミッ
ション映像（図示せず）を撮った。この映像にはε　　
１４．５７ｅＶの高エネルギー電子の空間密度分布に対
応したエミッション映像が得られ、平行極板の中心から
約３４ｍｍの位置にエミッションピークのようなリング
状の輪が形成され、このピークは電磁界領域に一致する
。

【００４１】本実施例では、磁界と電界を印加するマグ
ネトロン放電プラズマを平行極板により発生する例を示
したが、この外に直流放電ブラズマ、高周波放電ブラズ
マ及びマイクロ波放電ブラズマなどのプロセス用プラズ
マの診断に本発明方法を利用することができることを付
記する。更に、プラズマの発生は、平行極板でなく、単
一の電極とチャンバーにより発生することができること
も付記する。

【００４２】更にまた、前記実施例に記載した各手段の
他に適用できるものを以下に示す。先ず、プラズマ内の
発光を観測する手段としては、電子やイオンの衝突によ
る励起発光と、レーザによる発光も利用できる。

【００４３】発光の測定法としては、観測する面内のあ
る一方向からの光の強度測定と、測定経路内の全発光量
を測定法があり、スキャン手段には、鏡、ファイバーま
たチャンバーがある。

【００４４】分光方法としては、グレーティング法、プ
リズム法及びフィルター法が適用でき、光信号から電気
信号への変換手段には、フォトマル、フォトセル、ＣＣ
Ｄが適用可能である。

【００４５】更にまた、ディジタル信号への変換として
は、フォトカウンターとＡ／Ｄコンバーターが利用でき
る。

【００４６】最後になったが再構成は前記実施例ではＡ
ｒｔ法を利用したが、Ｒａｄｏｎ変換を利用するＦＢＰ
（Ｆｉｌｔｅｒｅｄ　　Ｂａｃｋ　　Ｐｒｏｊｅｃｔｉ
ｏｎ）法も利用可能であることを付記する。

【００４７】

【発明の効果】マグネトロン放電プラズマにおける３次
元空間分布をＣＴ技術を使って初めて測定し、マグネト
ロンに附随する磁界の分布に非常に関係することが判明
した。半導体プロセス分野をはじめとする各分野では、
経験的なパラメーターでなく理論的なそれによりプラズ
マの制御が可能になり、製品の歩留り向上に資するとこ
ろが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するのに使用する真空装置の
要部を示す断面図である。

【図２】真空装置の一部を拡大して示す断面図である。

【図３】真空装置に取付ける磁界装置の磁力線分布を示
す図である。

【図４】真空装置を利用する測定に於けるアクチャルの
観測点と論理観測原点の関係を示す図である。

【図５】本発明方法における再構成の分布を明らかにす
る図である。

【図６】本発明方法の効果をエミッションの集積線と陰
極からの距離を両軸に採り、両者の関係を示す曲線図で
ある。

【符号の説明】

１：真空チャンバー、 ２、３：平行極板、 ４、５：観測窓、 ６：直流電源、 ７：永久磁石、 ８：排気孔、 ９：減圧機構、 １０：排気経路、 １１：ガス導入孔、 １２：ミラーボックス、 １３：オプチカルフアィバー、 １４：ミラー １５：第２のミラー、 １６：ピンホール。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　プラズマの発光強度を観測平面内の２
   方向から測定し、測定データからＣＴ技法により観測面
   内の発光分布を再構成することから成るプラズマの診断
   方法
2. 【請求項２】　　微小断面積の直線光路内の発光だけを
   検出する検出器を備える測定装置を具備することを特徴
   とするプラズマの診断方法
3. 【請求項３】　　プラズマの観測面内と同一面内で検出
   器の角度及び位置を可動することによりチャンバーに取
   付ける覗き窓によりプラズマを観測面内の広い範囲で測
   定する測定装置を付加することを特徴とするプラズマの
   診断方法
4. 【請求項４】　　検出した光を特定波長に分光し、プラ
   ズマの観測面内の特定ガスの励起種またはイオン種の発
   光を測定することを特徴とするプラズマの診断方法