JP3550457B2

JP3550457B2 - 浮遊電位基板入射イオンのエネルギー及び質量の分析法及び装置

Info

Publication number: JP3550457B2
Application number: JP07715996A
Authority: JP
Inventors: 章久保; 俊雄林
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: JPH09265937A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、プラズマを利用して、半導体や電子部品、その他の基板上の物質をエッチングするエッチング装置や、その基板上に膜を堆積させるプラズマＣＶＤ装置のプラズマ発生装置におけるイオンのエネルギー及び質量分析に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術の構成
従来の技術におけるプラズマ中のイオンエネルギー及び質量の測定法例を図５及び図６に示す。図５はＣｏｂｕｒｎなどによって報告された正イオンのエネルギー及び質量の測定法である（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４３（１９７２）４９６５参照）。この例では質量分析器の取付けられている電極が接地電極になっているので、プラズマ中の正イオンはプラズマ電位と接地電位の差のエネルギーで質量分析器に入射する。一方、図６には、反応性イオンエッチングに用いられているプラズマの正イオンの測定を目的として、高周波電力が印加されている浮遊電極に取付けられた例である。この例では、イオンエネルギー分析器及び質量分析器に浮遊電極電位の直流成分に等しい電位が印加されている。
【０００３】
従来の技術の作用及び動作
図５に示すＣｏｂｕｒｎ等によって報告された測定法では、質量分析器の取り付けられている電極が接地電極になっているので、プラズマ中の正イオンはプラズマ電位と接地電位の差のエネルギーで質量分析器に入射する。この方法により、陽極結合のプラズマエッチングやプラズマＣＶＤ等のように接地電位基板に入射する正イオンのエネルギー及び質量が分り、ラジカルによるエッチング機構やプラズマＣＶＤの成膜機構を解明する上で大いに有益な情報が得られている。
【０００４】
一方、図６に示す例のような反応性イオンエッチングにおいては浮遊電位基板電極に交番電場或いは高周波電場を印加し、負の自己バイアスを発生させ、プラズマ電位と基板電位とに大きな電位差を発生させて、大きな正イオンのエネルギーを得て、基板をエッチングしている。この時、基板電極は自己バイアスされた直流成分と印加されている高周波電場の交流成分で合成された電位になっている。図６の例では、イオン分析器及び質量分析器の電位は浮遊電位である基板電極の直流成分に等しくなっているが、正確に基板電極の電位とは等しくない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
正イオンは、生成された場所の電位と飛翔先の電位差で飛来し入射する。従って、正イオンはプラズマ電位と基板電位の差のエネルギーをもって基板に入射することになる。基板電位は自己バイアス電位と高周波電位の合成電位になっている。従って、エネルギー分析の電位を自己バイアス電位に等しくしただけでは、基板電位の高周波成分の電位を含んでいないため、正確なイオンエネルギー分析ができない。
イオンのシース内運動はモデル的にＣｈｉｌｄ−Ｌａｎｇｍｕｉｒの式

と運動方程式により表される。Ｊ_ｉが一定であると仮定すると、シースの厚みｄ_ｓが高周波振動するシース電位の関数として求められる。
高周波電場内でのイオンの運動方程式

を組合せると、シースにおけるイオンの挙動を数値計算することができる。そのようにして求めたのが図７である。シースの高周波成分は４００ｓｉｎ（ωｔ）［Ｖ］、正のイオン種はＡｒとした。図７から判ることは、イオンエネルギーが３８０〜４２０Ｖになること及び約８００ｎｓｅｃでプラズマのシース端から電極に到達することである。
【０００６】
この時のイオンエネルギーは、高周波振動するシースに入射するイオンを追跡することによって求められる。その結果、イオンのエネルギー分布はプラズマシース端への入射位相によって異なることが判った。つまり、どの位相の時にシースにイオンが入射するかによって受ける高周波摂動の大きさが異なり、加速時間に差が発生し基板に到達するイオンのエネルギーに分布ができるのである。
図８は横軸にイオンの入射位相をとり、縦軸にイオンのエネルギーをとって、各位相で入射したイオンが時間と共にどのように加速されるかを計算した例を示している。基板に到達する直前までは３５０°付近の位相でシースに入射したイオンが加速されて大きなエネルギーをもつが、基板に到達した時には２５０°付近の位相でシースに入射したイオンの方が大きなエネルギーをもつ。これは、基板へ到達するタイミングで決まる。図８の横軸は入射位相であるが同時に入射する粒子数でもある。従って、同じエネルギーをもつ粒子数を数えて縦軸に表示し、エネルギーを横軸に取るとエネルギー分布が得られる。このようにして得られたエネルギー分布は図９に示されるように高エネルギー側と低エネルギー側に二つのピーク（いわゆる“ｄｏｕｂｌｅｐｅａｋ”）をもつ。
【０００７】
一方、負イオンは、基板の自己バイアスが負になっているので、２ＭＨｚ以上のバイアス周波数を基板に印加している時には基板に到達できない。しかし、２ＭＨｚ以下になると、負イオンも高周波電場の摂動を受け（追従できるようになり）、長い距離を飛翔するようになる。特にアフターグロー領域では中性分子（ラジカル）への電子の付着により負イオンの相対密度は増加し、シース電位が減少することから、基板への負イオン入射が多くなると考えられる。上述の運動方程式により、２ＭＨｚにおけるＡｒイオンの振幅はＥ_０＝５００Ｖ／ｍｍの時０．７５ｍｍとなり、４００ｋＨｚの時には１９ｍｍと計算される。シースの厚みはプラズマ密度にもよるが０．１ｍｍから１０ｍｍの間にある。このことからも、負イオンの基板への入射が充分可能であることが判る。
負イオンにおいても、正イオンの時と同様に、基板電極から小孔を通ってエネルギー分析器に至る間に高周波電場の摂動を受けて正確なエネルギー分析ができないと考えられる。
高周波電力印加電極に入射する正負のイオン種及びイオンエネルギーの分析は、特に反応性イオンエッチングの分野においては、基板上における物理・化学的機構解明の上で大変重要である。しかし、これまでの方法においてはイオンと高周波電位との関わりの点からの考察が充分ではなく、基板と分析器間の正確な電位印加状態となっていなかった。
【０００８】
そこで本発明は、上記のような従来法及び従来装置に伴う問題点を解決して、浮遊電位基板に入射するイオンのエネルギー及び質量を正確に測定できる方法及び装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の発明によれば、プラズマを発生させ、プラズマに接する開口を備えた基板電極にコンデンサを通して交番電力または高周波電力を印加し、基板電極の開口を通ってプラズマ中の正負のイオンをエネルギー分析器及び質量分析器に導き、イオンのエネルギー及び質量を分析するようにした方法において、基板電極、イオンエネルギー分析器及び質量分析器を同一の基板電位に保つことを特徴としている。
また本発明の第２の発明によれば、プラズマを発生させるプラズマ発生室と、プラズマ発生室中のプラズマに接する位置に配置され、プラズマ中の正負のイオンを通す開口を備えた基板電極と、基板電極の開口を通って入ってきたイオンのエネルギー及び質量をそれぞれ分析するエネルギー分析器及び質量分析器とを有し、イオンのエネルギー及び質量を分析するようにした装置において、エネルギー分析器及び質量分析器の制御電源の基準電位を接地電位ではなく浮遊状態に置かれたプラズマによって発生した自己バイアス電位及びコンデンサを通じて印加された重畳された高周波電位をもつ基板電極の電位に保持するように構成したことを特徴としている。
【００１０】
【作用】
イオンエネルギー制御電源及び質量分析用制御電源は全て基板電極のバイアス高周波電源の出力と接続されており、基板電極と同電位になっている。従って、基板電極の開口を通ってエネルギー分析器に入り込むイオンは、基板電極とエネルギー分析器が同電位になっているため、何の摂動を受けることもなくエネルギー分析される。
エネルギー分析器が基板電極の直流成分のみに等しくなっている時は、基板電極とエネルギー分析器間に高周波成分の摂動が働き、高周波電場を飛翔するイオンのエネルギースペクトルは高周波電場の摂動を受ける。このように基板電極とエネルギー分析器間に高周波電位が印加されていると、イオンに摂動が掛かり、スペクトル形状に影響を与えると考えられる。本発明では直流電位、高周波電位とも同電位にすることでこの問題は解決され、正確なイオンのスぺクトルが得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下添附図面の図１〜図４に示す実施例に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
【実施例】
図１には本発明の一実施例を示し、１はプラズマ発生室で、このプラズマ発生室１内にはプラズマ発生用電極２が配置され、このプラズマ発生用電極２はマッチングボツクス３を介して高周波電源４に接続されている。プラズマ発生室１内のプラズマ発生用電極２に対向して基板電極５が絶縁碍子６を介してプラズマ発生室１に取り付けられている。基板電極５は、プラズマ発生室１内に発生するプラズマに接する位置にイオン引き込み用の開口５ａを備えており、そしてコンデンサ７及びマッチングボツクス８を介してバイアス用高周波電源９に接続されている。
基板電極５内にはエネルギー分析器１０が配置され、このエネルギー分析器１０は検出しようとするイオンエネルギーレベルより低いエネルギーのイオンをカットするメッシュ電極１０ａと外筒電極１０ｂと内筒電極１０ｃとを備えており、これらの各電極はイオンエネルギー制御電源１１に接続されている。
また１２は四重極型の質量分析器で、各電極は質量分析用制御電源１３に接続されている。１４はイオン検出器であり、質量分析器１２と共に、真空容器１５内に挿置されている。真空容器１５は基板電極５の開放端に絶縁碍子１６を介して結合されている。なお図１において１７はフォトカプラー、１８は光ファイバー、１９は測定用回路、２０は掃引電位であり、図示したように接続されている。
【００１３】
基板電極５、エネルギー分析器１０及び質量分析器１２はバイアス高周波電源９の浮遊電位部側に接続されており、全て同一電位を基準して作動するようにされている。エネルギー分析器１０及び質量分析器１２の制御電源１１、１３もバッテリー（図示しないが実際には例えば４８Ｖ）を通して接続され、一般の電力供給ラインとは電気的に分離されており、接地電位に対し浮遊電位としている。
【００１４】
このような構成においては、基板電極５とエネルギー分析器１０及び質量分析器１２が直流的にも高周波的にも同電位になっているので、基板に入射して基板電極５の開口５ａを通過したイオンは基板と同電位のエネルギー分析器１０及び質量分析器１２を通過して検出されるため何の摂動を受けることもなく検出され、イオンのエネルギー分布が正確に計算される。
【００１５】
図２のＡ、Ｂにはイオン検出器１４の印加電位の例を示す。Ａは正イオン検出時、Ｂは負イオン検出時の印加電位の例である。負イオンの検出時には図１のイオンエネルギー制御電源１１の極性も変えてイオンを検出する。
【００１６】
図３には、基板電極５のみに１３．５６ＭＨｚの高周波を３００Ｗ印加してプラズマを形成した時の基板電極５に入射した正イオン（Ａｒ^＋）の測定例を示す。圧力は０．４Ｐａ、この時のＶｄｃは約４００Ｖであった。ほぼ対称形のエネルギースペクトル分布が得られている。
【００１７】
ところで図１に示す実施例では高周波電力印加電極に取り付けて測定した例を示したが、高周波電力を印加せずに単に浮遊電極にして自己バイアスを発生させて行なう場合においても利用できる。その場合には図１の基板バイアス用高周波電源９及びマッチングボックス８を取除いた構成にすれば、高周波電力を印加せず単に浮遊電位になっている電極に入射する正負のイオンを測定することができる。
【００１８】
図４にはイオンエネルギー分析器１０の前部に中性分子のイオン化室２１を設けた実施例を示し、２２はイオン化電源を示し、図示したように接続されている。その他の構成は図１の場合と実質的に同じであり、同じ符号で示す。この構成ではプラズマ中のイオンのみに限らずラジカルを含む中性原子・分子をも測定することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、基板電極、イオンエネルギー分析器及び質量分析器を同一の交番電場または高周波電場に保つことにより高周波印加基板へ入射するイオンの種類及びそのエネルギー分布が正確に測定できるので、基板上で起こっている物理・化学的機構を解明する上で大きな威力を発揮することができるようになり、特に半導体や電子部品加工に用いられている反応性イオンエッチングプロセスの機構を解明するのに大きな貢献を奏するするものとなり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す概略構成図。
【図２】Ａは図１の装置における正イオン検出時の電位状態を示す図。
Ｂは図１の装置における負イオン検出時の電位状態を示す図。
【図３】基板電極に入射した正イオン（Ａｒ^＋）の測定例を示すグラフ。
【図４】本発明の別の実施例を示す概略構成図。
【図５】接地電位部に接続された従来のイオンエネルギー分析器及び質量分析器の一例を示す概略構成図。
【図６】別の従来例を示す概略構成図。
【図７】運動方程式によるイオンのシース内挙動の計算例を示すグラフ。
【図８】シースに入射したイオンのエネルギー入射位相依存性を示すグラフ。
【図９】図７及び図８と同じ条件下でのイオンエネルギー分布の計算例を示すグラフ。
【符号の説明】
１：プラズマ室
２：プラズマ発生用高周波コイル
４：プラズマ発生用高周波電源
５：基板電極
５ａ：基板電極のイオン引き込み用開口
９：基板バイアス用高周波電源
１０：イオンエネルギー分析器
１１：イオンエネルギー制御電源
１２：質量分析器
１３：質量分析用制御電源
１４：イオン検出器

Claims

プラズマを発生させ、プラズマに接する開口を備えた基板電極にコンデンサを通して交番電力または高周波電力を印加し、基板電極の開口を通ってプラズマ中の正負のイオンをエネルギー分析器及び質量分析器に導き、イオンのエネルギー及び質量を分析するようにした方法において、基板電極、イオンエネルギー分析器及び質量分析器を同一の基板電位に保つことを特徴とする浮遊電位基板入射イオンのエネルギー及び質量分析法。
プラズマを発生させるプラズマ発生室と、プラズマ発生室中のプラズマに接する位置に配置され、プラズマ中の正負のイオンを通す開口を備えた基板電極と、基板電極の開口を通って入ってきたイオンのエネルギー及び質量をそれぞれ分析するエネルギー分析器及び質量分析器とを有し、イオンのエネルギー及び質量を分析するようにした装置において、エネルギー分析器及び質量分析器の制御電源の基準電位を接地電位ではなく浮遊状態に置かれたプラズマによって発生した自己バイアス電位及びコンデンサを通じて印加された重畳された高周波電位をもつ基板電極の電位に保持するように構成したことを特徴とする浮遊電位基板入射イオンのエネルギー及び質量分析装置。