JPH0945494A - 電気制御式の幾何学的フィルタを有するイオンエネルギ分析器 - Google Patents

電気制御式の幾何学的フィルタを有するイオンエネルギ分析器

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JPH0945494A JP8068720A JP6872096A JPH0945494A JP H0945494 A JPH0945494 A JP H0945494A JP 8068720 A JP8068720 A JP 8068720A JP 6872096 A JP6872096 A JP 6872096A JP H0945494 A JPH0945494 A JP H0945494A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 幾何学的フィルタリング特性を電気的に制御
できるマイクロチャンネルプレートを有するイオンエネ
ルギ分析器を提供すること。 【解決手段】 イオンエネルギ分析器は金属製コレク
タ、制御グリッド及びマイクロチャンネルプレートを含
む。コレクタ、制御グリッド及びマイクロチャンネルプ
レートは積重体に構成され、絶縁性ワッシャによって互
いに分離されている。各アパーチャの臨界角を制御する
ために、マイクロチャンネルプレートの各アパーチャ内
部に制御要素が形成されている。制御要素に電圧が印加
されると、電界が各マイクロチャンネル内で生じる。電
界の大きさを変えることによって、マイクロチャンネル
プレートの臨界角は電気的に制御可能であり、したがっ
て、あるイオン飛跡を選び出してイオンエネルギ分析器
の内部に導入することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェハ処理
システムのための検査・計測装置に関し、より詳細に
は、電気的に制御可能な幾何学的フィルタを有するイオ
ンエネルギ分析器に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】イオン
エネルギは、半導体処理システム内の反応チャンバによ
って含まれるプラズマの重要なパラメータである。半導
体のエッチングプロセス中、イオンエネルギはエッチン
グの選択性、エッチング速度均一性、及びエッチング残
留物制御に影響を及ぼす。このパラメータはエッチング
プロセスにとってとても重要なので、反応チャンバ内の
所定の場所でのイオンエネルギの計測が、半導体ウェハ
を処理する際において、プラズマの効率を特徴づけるの
に重要になる。
【０００３】ウェハの表面に垂直なイオン衝撃が向けら
れた状態では、プラズマエッチングはウェハ表面の異方
性エッチングを生じさせるのが一般的である。異方性エ
ッチングの他に、ウェハの表面近傍におけるイオンによ
って高められた化学反応(ionenhanced chemical reacti
on)の結果として、自発的な化学変化がウェハの表面の
等方性エッチングを生じさせるのが一般的である。その
ような場合、プラズマエッチングプロセス中、イオンは
ウェハの格子構造、又はウェハの表面上の反応物種にエ
ネルギを与える。エッチング速度均一性だけでなくエッ
チング収率も、イオン衝撃の角度と衝撃イオンのエネル
ギとの関数である。したがって、ウェハ表面に対しての
イオンエネルギ及びイオン飛跡角度(ion trajectory an
gle)は、プラズマを特徴づけるのに重要である。したが
って、プラズマエッチングプロセスにおいてプラズマを
十分に特徴づけるためには、エッチング中にウェハの表
面に衝突するイオンのエネルギ及び角度の分布を定量化
することが必要である。
【０００４】典型的には、イオンエネルギ分析器が半導
体ウェハの支持構造物の中に埋め込まれており、例え
ば、上述の支持構造物はウェハチャック、サセプタ、又
はウェハペディスタルとして知られている。イオンエネ
ルギ分析器は、プラズマ中のイオンのエネルギ特性を決
定するための周知の装置である。格子型の(gridded)典
型的なイオンエネルギ分析器の詳細な記述については、
参照文献にすることで本明細書に援用されるアール・エ
ル・ステンツェル(R.L. Stenzel, et al.)他著による
「新奇な方向性イオンエネルギ分析器(Novel Direction
al Ion Energy Analyzer)」，レビュー・オブ・サイエ
ンティフィック・インスツルメンツ(Rev. Sci. Instru
m.)，53(7), 1982年7月，pp.1027-1031を参照された
い。上述したように、伝統的な格子型イオンエネルギ分
析器は金属製のコレクタ、制御グリッド(control gri
d)、及びフローティンググリッド(floating grid)を含
み、これらの全てが円柱状の積重体の形に構成され、そ
こではコレクタと各グリッドとがセラミック製の絶縁ワ
ッシャによって分離されている。より詳細に述べるなら
ば、コレクタは負にバイアスされた金属製の円盤であ
る。この負のバイアスは電子をコレクタから反発し、且
つ、コレクタにイオンを引きつける。制御グリッドは正
にバイアスされているので、その正のバイアスを上回ら
ないエネルギを持ったイオンは、当該分析器によって退
けられる。上記において、制御グリッドは特定のエネル
ギレベルよりも大きいエネルギレベルを有する収集用の
イオンを選び出し、残りの全てを退けるために用いられ
ている。バイアスされない（フローティング）グリッド
は、バイアスされていないメッシュ状のスクリーンであ
って、半導体ウェハの表面を擬したものである。
【０００５】作用について説明すると、ペディスタルに
埋め込まれたこのイオンエネルギ分析器は、ウェハをペ
ディスタルの上に配置させることに先立ってイオンエネ
ルギを測定するために用いられたり、或いは、当該エネ
ルギ分析器をプラズマに露出させるために穴を有する、
特別に設計されたウェハがペディスタルの上に配置され
たりする。いったんプラズマがチャンバ内で生成される
と、制御グリッドバイアスを上回るエネルギを有するイ
オンは、コレクタプレートによって集められ、コレクタ
プレートに接続された電流計内で電流を生み出す。プラ
ズマ中のイオンのエネルギは、制御グリッドのバイアス
を調整し且つ電流計によって測定された電流を観察する
ことによって、決定される。
【０００６】特異な飛跡を有するイオンがイオンエネル
ギ分析器によって捕捉されるように固定幾何学的フィル
タリング(fixed geometric filtering)を提供するため
には、マイクロチャンネルプレートが前述したイオンエ
ネルギ分析器のフローティンググリッドの代わりに設け
られる。マイクロチャンネルプレートは、一般的に、プ
レートを貫通して固定されたパターンで構成された複数
の毛管チャンネルを含む。斯くして、マイクロチャンネ
ルプレートはイオンエネルギ分析器の方向に各通路に対
して奥行を与え、従って、イオン飛跡の識別を可能にす
る。すなわち、そのプレートが厚ければ厚い程、分析器
は幾何学的により多く識別し、入射するイオンが受け入
れられる角度がより狭くなる。
【０００７】より詳細に述べるならば、プレートは、典
型的にはガラスから製作されており、そこには、複数の
穴（マイクロチャンネル、又はマイクロキャピラリとし
て知られている）がハチの巣模様にプレートを貫通して
形成されている。特に、プレートの厚さ及びマイクロチ
ャンネルの直径は、与えられたマイクロチャンネルの長
軸(long axis)から測定された臨界角を定義する。臨界
角よりも大きい飛跡角度でマイクロチャンネルに入射す
るイオンは、マイクロチャンネルの壁体に衝突し、イオ
ンエネルギ分析器に入り込まない。他方、臨界角以下の
飛跡角度を有したイオンは、さらなる識別に向かって、
すなわち、ディスクリミネータグリッドによるエネルギ
識別に向かって、上記分析器の中に進む。イオンエネル
ギ分析器内のマイクロチャンネルプレートに関する従来
の一利用形態において、各マイクロチャンネルは、臨界
角が約0.6度に定められる直径が0.015mm、長さが0.6mm
であった。アール・エル・ステンツェル(R.L. Stenzel,
et al.)他著による「新奇な方向性イオンエネルギ分析
器(Novel Directional Ion Energy Analyzer)」，レビ
ュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメン
ツ，53(7), 1982年7月，pp.1027-1031を参照されたい。
もちろん、円柱状の穴のために、臨界角は球面角(spher
ical angle)である。また、マイクロチャンネルを、プ
レートの表面に対してある角度（垂直以外の角度）で形
成し、前記の臨界角にプラス、又はマイナスにした特定
の飛跡角度を有するイオンが計測のために幾何学的に選
び出されるようにしている。更に、イオンがイオンエネ
ルギ分析器の中へ受入れられる角度を変えるために、そ
のイオンエネルギ分析器全体が特定の飛跡角度を有する
幾らかのイオンを選び出すために物理的に回転されるよ
うにすることもできる。
【０００８】イオン飛跡角度に関してイオンエネルギを
決定する、上記とは別の従来のイオンエネルギ分析器に
おいては、分析器内部の制御グリッド及びコレクタプレ
ートが凹面形状を有する。ジェイ・リュウ(J.Liu)他著
による「高周波プラズマ中でのイオン衝撃(Ion Bombart
ment in R.F. Plasmas)」, ジャーナル・オブ・アプラ
イド・フィジックス，68(8), 15 1990年10月, pp.3916-
3933を参照されたい。この従来のイオンエネルギ分析器
においては、コレクタプレートが同心の複数の導電性の
環として形成され、各々の環は特定の環に衝突するイオ
ンエネルギを個々に測定可能である。制御グリッド及び
コレクタプレートが凹面形状であるために、特定の飛跡
角度を有するイオンは特定のコレクタ環に衝突する。か
かる場合において、複数のイオンエネルギレベルは各々
の環に対して測定可能で、それぞれの環において測定さ
れたイオンエネルギは特定の飛跡角度でのイオンエネル
ギを表す。したがって、このイオンエネルギ分析器は特
定のイオン飛跡角度での多くのイオンエネルギを測定す
る。したがって、上記分析器は上述した飛跡角度につい
て、イオンエネルギ分布を決定する。従来の上記分析器
では、コレクタ及び制御グリッドの物理的な凹面が臨界
角を定める。
【０００９】従来技術のイオンエネルギ分析器各々につ
いて、イオンの角飛跡の選別が分析器の物理的な動き、
又は分析器の物理的な設計構造によって達成される。有
害なことに、分析器の物理的な動きは正確に制御しにく
く、矛盾した飛跡の測定に導くことがある。様々な飛跡
のイオンを測定することができる分析器を物理的な設計
構造は複雑であることが多く、高価なイオンエネルギ分
析器となる。それゆえ、種々の飛跡のイオンを測定のた
めに電気的に選び出すイオンエネルギ分析器の必要性
が、当該技術分野にはある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】従来技術に係るこれまで
の不利な点は、本発明の、電気制御式の幾何学的フィル
タを有するイオンエネルギ分析器によって克服される。
【００１１】詳細に言うと、本発明は幾何学的なフィル
タリング特性が電気的に制御されるマイクロチャンネル
プレートを有したイオンエネルギ分析器である。イオン
エネルギ分析器は金属製のコレクタ、制御グリッド、及
びマイクロチャンネルプレートを含み、これら全ては円
柱状の積重状態、すなわちコレクタ、ディスクリミネー
タ（又は制御）グリッド、及びマイクロチャンネルプレ
ートがセラミック製の絶縁ワッシャ（環状の絶縁体）に
よって分離されている状態に構成されている。特に、コ
レクタは負にバイアスされる金属製の円盤である。負の
バイアスはコレクタの方から電子を放ち、コレクタにイ
オンを引きつける。ディスクリミネータグリッドは正に
バイアスされ、正のバイアスを上回らないエネルギを持
ったイオンが分析器によって退けられるようにしてい
る。斯くして、ディスクリミネータグリッドは、特定の
エネルギレベルより大きいエネルギレベルを有する収集
用のイオンを選び出し、且つ、他の全てを退けるために
用いられる。マイクロチャンネルプレートの各マイクロ
チャンネルには制御要素が取り付けられている。制御要
素がマイクロチャンネルプレートの各マイクロチャンネ
ル内部に電界を生じさせるよう、電圧がその制御要素に
印加される。電界の大きさは各マイクロチャンネルの臨
界角を制御する。
【００１２】本発明の第１の実施態様においては、制御
要素は、マイクロチャンネルプレートの各マイクロチャ
ンネルの壁体を導電性材料で部分的に（例えば、半円柱
状に）メッキすることによって提供される。バイアスさ
せる電圧が各マイクロチャンネルのメッキされた部分に
印加され、マイクロチャンネルのメッキされていない部
分とメッキされている部分との間に、電界が発生するよ
うになっている。電界の大きさを変えることにより、マ
イクロチャンネルプレートの臨界角は電気的に制御され
ることが可能であって、このような場合には、特定のイ
オン飛跡が選び出されてイオンエネルギ分析器の中へ入
る。したがって、部分的にメッキされたマイクロチャン
ネルプレートはイオンネルギ分析器の電気的に制御可能
な幾何学的フィルタを形成するものである。
【００１３】或いは、本発明の第２の実施態様におい
て、マイクロチャンネルプレートを貫通した円柱状マイ
クロチャンネルのそれぞれは、その内部に同軸に配置さ
れた円柱状の導電性の棒体を含む。導電性の各棒体はあ
る電圧でもってバイアスされ、棒体とマイクロチャンネ
ルの壁体との間に電界を設定する。電界の大きさはマイ
クロチャンネルの臨界角、及び全体としてイオンエネル
ギ分析器の臨界角を制御する。本発明によるこの第２の
実施態様によれば、角度的イオンエネルギ分布に関して
の方位角方向の積分測定(azimuthally integrated meas
urement)が可能となる。
【００１４】本発明の上記いずれの実施態様を利用する
ことは、イオンエネルギ分析器が測定されるべきイオン
飛跡角度を電気的に選び出すことを許容する。したがっ
て、イオンエネルギ分析器の物理的な動き及び物理的な
変形はプラズマ内のイオンを選択的に幾何学的にフィル
タするのに必要はない。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の教示内容は、添付図面と
共に以下の詳細な説明を考察することにより容易に理解
され得るであろう。なお、理解を容易にするために、可
能な場合には、同一の参照符号を用いて、各図に共通で
ある同一の要素を示すこととした。
【００１６】図１は、基板１０２の上に支持されたイオ
ンエネルギ分析器１００の断面図を表している。図２
は、図１のイオンエネルギ分析器１００に含まれたマイ
クロチャンネルプレート１０４の斜視図である。本発明
を適切に理解するために、読者は図１及び図２を同時に
参考にすべきである。
【００１７】詳説するならば、基板１０２は、典型的に
は、それが半導体処理システム内で置き代わる半導体ウ
ェハと同等の大きさを有する、陽極処理されたアルミニ
ウム製の円盤である。詳細には、基板の直径及び厚さは
半導体ウェハと同じであり、基板の下面が上記処理シス
テム内のチャック、又はウェハペディスタルに据え付け
られるようにしている。チャックはそのとき、上記処理
システム内のある位置で基板を支持するが、その位置で
は、半導体ウェハが同一の位置で受けるであろうイオン
衝撃をプラズマから基板は確実に受けることとなる。こ
の場合において、基板に取り付けられたあらゆる測定器
具が半導体ウェハ処理システム内の環境を計測するが、
この環境は半導体ウェハの近傍で本来生み出されるもの
である。本発明を適用することが可能であって、半導体
ウェハ処理システムの一つとしては、例えば、アプライ
ドマテリアルズ社（カリフォルニア州サンタクララ）製
のモデルCentura DPSのメタルエッチングシステムがあ
る。
【００１８】典型的には、プラズマ内のイオンエネルギ
を十分に特徴づけするために、基板は複数のイオンエネ
ルギ分析器１００を支持する。また、本願出願人に譲渡
された出願日が1994年10月31日、発明の名称が”半導体
ウェハ処理システムのための複合診断用ウェハ”である
米国特許出願出願第08/331,836号（本明細書では、参照
することで、これを援用する）に開示されているよう
に、上記基板は、複合診断用ウェハ(Composite Diagnos
tic Wafer)を形成するよう、一つ以上のイオンエネルギ
分析器と一つ以上の電流測定子とを支持し得る。このよ
うな配置では、分析器及び測定子はアレイ状に配置され
てプラズマの特性がウェハの表面全体について最適に測
定され得る。
【００１９】より詳細に説明すると、コレクタ１１６が
接着剤を用いて基板１０２に取り付けられている。コレ
クタは、例えば、タングステン或いはステンレス鋼のよ
うな導電性材料からなる円盤である。コレクタは電線
（図示せず）で電源に接続されており、調整可能な負の
電位でコレクタにバイアスをかけるようになっている。
【００２０】コレクタ１１６の上面には、アパーチャ１
２２を含む環状の絶縁体１１４が配置されている。アパ
ーチャはコレクタの直径よりもわずかに小さい直径を有
し、例えば、このアパーチャは0.2〜0.4インチ(5.08〜1
0.16mm)までの直径を有する。環状の絶縁体が、コレク
タの外縁部上に載置していることにより、コレクタの厚
みによって基板の表面とは間隔を置いて配置されてい
る。絶縁体１１４の上には、二次電子反跳グリッド(sec
ondary electron repelling grid)１１２が置かれてお
り、これは、典型的には、タングステン若しくはステン
レス鋼からなるワイヤメッシュ、又はエッチングされた
ニッケル箔から製作されている。このグリッドは約４ミ
ル（約 0.1016mm）の厚さを有し、インチ当たり約２０
０本の線からなるメッシュを含んでいる。アパーチャ１
２２の内部では、二次電子反跳グリッドはコレクタに対
して平行な離隔関係を有している。グリッド及び絶縁体
は、エネルギ分析器１００の他の構成要素と同様に、接
着剤によって互いに取り付けられる。或いは、エネルギ
分析器の構成要素は、互いにクランプ止め又はネジ止め
されてもよい。
【００２１】二次電子反跳グリッド１１２をこの実施形
態で詳細に説明しているが、このグリッドとそれを支持
する絶縁体１１４は実際には任意なものである。概し
て、係る二次電子反跳グリッド１１２は高いイオンエネ
ルギ、例えば10eV以上のエネルギを受けるエネルギ分析
器で用いられるにすぎない。従って、本明細書では本発
明が高イオンエネルギ環境において適用されているもの
と仮定する。しかしながら、本発明が低イオンエネルギ
環境において適用される場合、二次電子反跳グリッドと
それを支持する絶縁体とがエネルギ分析器内へ組込まれ
る必要はないことは当業者ならば理解できるだろう。
【００２２】図１及び図２に示された実施形態に関して
引続いて、他の（第２の）環状の絶縁体１１０が二次電
子反跳グリッド１１２の上面に積み重ねられている。絶
縁体１１０は、二次電子反跳グリッド１１４のアパーチ
ャ１２２と同軸に一直線に並べられたアパーチャ１２０
を有している。絶縁体１１０上には、ディスクリミネー
タグリッド１０８（制御グリッドとしても知られてい
る）が配置されている。このディスクリミネータグリッ
ドは、通常、タングステン若しくはステンレス鋼からな
るワイヤメッシュ、又はエッチングされたニッケル箔と
して製作される。ディスクリミネータグリッド１０８上
には、第３の環状の絶縁体１０６が配置されている。第
３の絶縁体１０６もまた、下側にある絶縁体１１０，１
１４のアパーチャ１２０，１２２と同軸に一直線に並べ
られたアパーチャ１１８を同様に含んでいる。エネルギ
分析器を完全なものにするために、マイクロチャンネル
プレート１０４が第３の環状の絶縁体１０６上に配置さ
れている。このプレートは、一般的に、ガラスから製作
され、当該プレートを貫通してハチの巣パターン模様で
もって形成された複数の穴（マイクロチャンネル）１２
４を有している。マイクロチャンネルは通常円柱状であ
るけれども、他の形状が、例えば正方形、長方形、長円
形、多角形等が用いられ得る。前述のマイクロチャンネ
ルプレートを用いることは幾何学的フィルタとして知ら
れる飛跡識別を行なう。
【００２３】詳細には、プレートの厚さとマイクロチャ
ンネルの直径は、ある任意のマイクロチャンネルの長軸
１２８から測定された臨界角１２６を定める。臨界角よ
り大きい飛跡角度で、ある任意のマイクロチャンネルに
入るイオンは、マイクロチャンネルの壁体に衝突し、イ
オンエネルギ分析器には入らない。他方、臨界角以下の
飛跡角度を有するイオンは分析器内に進み、ディスクリ
ミネータグリッドによるさらなる識別（エネルギ識別）
へ向かう。もちろん、円柱状の穴にとっては、臨界角は
任意のマイクロチャンネルの長軸を中心とした球面角で
ある。
【００２４】臨界角の制御をするために、制御要素が各
マイクロチャンネルに製作される。より詳細に述べる
と、各マイクロチャンネルの壁体の半円柱状部分２００
がアルミニウムのような導電性材料でメッキされてい
る。メッキされた壁体の半円柱状部分２００は電源（図
示せず）に接続されている。操作の際には、プラズマ生
成の間に用いられる高周波電界のためにガラス製のマイ
クロチャンネルプレートの表面には、電荷が集まる。マ
イクロチャンネルのメッキされた壁体２００に直流バイ
アス電圧を印加することにより、各マイクロチャンネル
内部で、メッキされていない壁体２０２とメッキされた
壁体２００との間に電界Ｅが生じる。プレート上の電荷
に応じて直流バイアス電圧を調整することにより、電界
の大きさが変わり、マイクロチャンネルの臨界角が変わ
る。電圧調整に応じて、マイクロチャンネルは選択され
た臨界角以内の飛跡を有するイオンを選び出してイオン
エネルギ分析器に入るようにしている。各マイクロチャ
ンネルの内部では、電界がイオン飛跡を実際に変える
（飛跡を曲げる）ため、バイアス電圧を変えることによ
り、マイクロチャンネルの物理的大きさによって定めら
れた臨界角以内となるよう様々なイオン飛跡角度が選び
出される。本発明のこの実施形態においては、選別され
た飛跡角度はマイクロチャンネルの長軸に対する角度で
あって、電界を有する面（面２０４によって示される
面）内にある。角度の選別が単一の方向、例えば電界を
有する面内にあることに注目されたい。
【００２５】特定の電圧が印加されたマイクロチャンネ
ルの臨界角はイオンのエネルギに依存し、例えば、比較
的高いエネルギを有したイオンは、所定の電界では、比
較的低いエネルギレベルを有したイオン程曲げられな
い。したがって、イオンエネルギとイオン飛跡角度の正
確に測定するためには、エネルギ及び角度が逆演算(dec
onvolve)されなければならない。電界を有する面内にお
いて、あらゆる三次元的な効果を無視するならば、エネ
ルギ及び角度が以下の式（電界はZ-X平面内にあり、イ
オンはZ-X平面内で進むと仮定している）によって一般
的に互いに関係づけられ、
【数１】 式１を用いると、特定の電圧(V)に対する臨界角は定め
られたイオンエネルギ(Ei)対して計算され得る。したが
って、イオン飛跡角度及びイオンエネルギの分布は決定
され得る。式１はイオン飛跡角度及びイオンエネルギを
それぞれ求める（ディコンボリューションする）ための
説明上の単なる一例である。当業者ならば、ディコンボ
リューションについての多くの他のより複雑な方法が利
用でき、又そのような方法が本発明の範囲内にあること
は理解されよう。
【００２６】図３は、電気制御式の幾何学的フィルタを
構成するマイクロチャンネルプレート３０２内にあるマ
イクロチャンネル３００の他の実施形態を示している。
この実施形態においては、制御要素を形成するために、
各マイクロチャンネルはマイクロチャンネルプレートを
貫通した円柱状の穴となっている。また、円柱状の各穴
の内部には、これらと同軸に、導電性の棒体３０４が設
けられている。棒体３０４はその一端で支持部３０６に
よって支持されている。支持部は導体３０８を囲んだ絶
縁体である。導体は棒体の前記一端に接続されている。
したがって、導体はバイアス電圧を棒体に供給する。作
用について述べると、直流バイアス電圧が導体３０８を
通して導電性の棒体に印加されると、電界が導電性の棒
体とマイクロチャンネルの内壁との間で径方向に生じ
る。分析器が作動している際、プラズマ生成中に用いら
れる高周波電界によって、ガラス製のマイクロチャンネ
ルプレートの表面に電荷が集まる。プレートの荷電され
た表面に対する直流バイアス電圧の大きさを調節するこ
とによって、電界の大きさが調節されて臨界角が変わ
る。この実施形態では電界は半径方向の電界であるの
で、臨界角は球面角である。よって、イオンエネルギか
らイオン飛跡をディコンボリューションするためには、
式１を部分修正して極座標系に適応させるようにすれば
よい。
【００２７】図４はエネルギ分析器１００をバイアスす
るために用いらる回路４００の概略図を示している。マ
イクロチャンネルプレート１０４はバイアスされず、係
る状態では、反応チャンバ内でチャックをバイアスして
いる高周波エネルギにさらされていることに基づいて半
導体ウェハの表面が直流バイアスを蓄積するのと同じ形
で、それがバイアスを蓄積する。もし、なんらかの理由
のために、プレートが半導体ウェハを模擬するのに妥当
なバイアスを蓄積しないならば、電圧VREFがプレートを
正しくバイアスするために使用され得る。ディスクリミ
ネータグリッド１０８は、典型的には電源V1からのラン
プ制御直流電圧(ramped DC voltage)によって、電圧V
REFに対して正にバイアスされる。ランプ制御電圧は、
通常、ゼロボルトから始まり、チャックをバイアスする
のに用いられる高周波電圧の大きさを加えたウェハ上の
予期される直流バイアスの合計よりも大きな電圧で終わ
る大きさを有している。掃引（ランプ制御）されるディ
スクリミネータグリッド電圧を有することによって、測
定装置はイオンエネルギ分布を決定する。もちろん、他
の電圧波形がディスクリミネータグリッドに上記のラン
プ制御された電圧に加えて印加され得る。
【００２８】二次電子反跳グリッド１１２はコレクタよ
りも幾分負にしてバイアスされ、一般的には約-200ボル
ト(VBIAS)までバイアスされる。二次電子反跳グリッド
上に上述のバイアスをかけることによって、イオンによ
るコレクタの衝撃によりコレクタから放出されるあらゆ
る電子が、グリッド１１２によってコレクタの方に戻さ
れる。各グリッドはキャパシタC1を介してコレクタに結
線され、グリッドがコレクタと高周波結合されることを
保証するようにしている。インダクタL及びキャパシタC
2の各組合わせはローパスフィルタを形成し、高周波エ
ネルギが測定装置（例えば、電流計Ａ）、又は電源（例
えば、VBIAS,VREF,及び電源V1,V2）に影響を及ぼすのを
妨げるようにしている。
【００２９】コレクタ１１６によって集められたイオン
は、コレクタに接続された電線内に電流を生じさせる。
イオンのエネルギ分布を決めるために、電流を分析する
装置（例えば、電流計Ａ）がローパスフィルタ４０２を
介して、コレクタ１１６に接続される。ディスクリミネ
ータグリッド１１２上の電圧が掃引されると、電圧V2に
よって設定された臨界角以内にあり且つディスクリミネ
ータグリッドによって生成された反発力に打ち勝つエネ
ルギレベルを有するイオンのみを、コレクタ１１６は集
めることができる。
【００３０】マイクロチャンネルプレートの各マイクロ
チャンネルはローパスフィルタ４０４を通して電圧V2に
だけバイアスされる。この電圧は200mVから１Vのオーダ
であって電圧VREF以上である。イオンがマイクロチャン
ネルを貫通するとき、この比較的小さい電圧レベルでは
全イオンエネルギがごく僅かしか変化しない、というこ
とが重要である。したがって、測定されたイオンエネル
ギレベルは、上記の電気制御式の幾何学的フィルタを用
いてもほとんど変化しない。
【００３１】
【発明の効果】本発明を用いることにより、特定のイオ
ン飛跡角度を選び出すために分析器の位置を物理的に変
えることなく、イオン飛跡角度を正確に選び出すことが
できる。より詳細に言うと、本発明は、電気的に差別化
された様々なイオン飛跡角度を識別する改良型イオンエ
ネルギ分析器である。この改良型イオンエネルギ分析器
は、従来のイオンエネルギ分析器に比してあまり複雑で
はなく、したがって、従来一般の分析器より相当安価で
ある。さらに、飛跡角度の選別は、電気的に制御される
ので、飛跡角度を物理的に選び出すために従来に用いら
れていた、複雑で、正確な物理的動作制御装置は、もは
や必要ない。したがって、本発明のイオンエネルギ分析
器は従来のイオンエネルギ分析器を上回って相当改良さ
れたものである。
【００３２】以上、本発明の概念を有する種々の実施形
態について詳細に説明したが、当業者ならばその概念を
有する多くの多様な実施形態を容易に創案できるであろ
う。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施形態にしたがった電気的に
制御可能な幾何学的フィルタを有するイオンエネルギ分
析器を示す断面図である。
【図２】（ａ）は図１に表されたマイクロチャンネルプ
レートの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）における２Ｂの
拡大図であって、プレートの単一のマイクロチャンネル
を示す詳細斜視図である。
【図３】（ａ）はマイクロチャンネルプレートの他の実
施形態の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）における３Ｂの
拡大図であって、プレートの単一のマイクロチャンネル
を示す詳細斜視図である。
【図４】図１のイオンエネルギ分析器内における種々の
グリッドにバイアスをかけるための回路であって、幾何
学的フィルタを制御するものの概要図である。
【符号の説明】
１００…イオンエネルギ分析器、１０２…基板、１０４
…マイクロチャンネルプレート、１０６…第３の環状の
絶縁体、１０８…ディスクリミネータグリッド、１１０
…第２の環状の絶縁体、１１２…二次電子反跳グリッ
ド、１１４…環状の絶縁体、１１６…コレクタ、１１８
…アパーチャ、１２０…アパーチャ、１２２…アパーチ
ャ、１２４…穴（マイクロチャンネル）、１２６…臨界
角、１２８…長軸、２００…半円柱状部分、２０２…壁
体、２０４…面、３００…マイクロチャンネル、３０２
…マイクロチャンネルプレート、３０４…棒体、３０６
…支持部、３０８…導体、４００…回路、４０２…ロー
パスフィルタ、４０４…ローパスフィルタ。
フロントページの続き (72)発明者 ジェラルド ツェヤオ イン アメリカ合衆国， カリフォルニア州 94089， サニーヴェール， モース ア ヴェニュー 1063 ナンバー17−205

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 イオンエネルギ分析器に用いられる電気
    制御式の幾何学的フィルタでにおいて、 前記イオンエネルギ分析器内のイオン入口アパーチャに
    配置されたマイクロチャンネルプレートと、 前記マイクロチャンネルプレートに接続され、前記マイ
    クロチャンネルプレートの臨界角を電気的に制御する電
    気制御手段と、を備える電気制御式の幾何学的フィル
    タ。
  2. 【請求項２】 前記電気制御手段は、前記マイクロチャ
    ンネルプレートにおける少なくとも１つのマイクロチャ
    ンネル内に電界を発生させる電界発生手段をさらに備え
    る請求項１に記載の電気制御式の幾何学的フィルタ。
  3. 【請求項３】 前記電界発生手段は、 前記マイクロチャンネルの壁体の半円柱状部分を覆う導
    電性のメッキと、 前記メッキ及び前記マイクロチャンネルプレートに接続
    され、前記メッキ及び前記マイクロチャンネルプレート
    の間に電圧を印加して前記マイクロチャンネルを横切っ
    て電界を生じさせるようにするための電源と、 をさらに備える請求項２に記載の電気制御式の幾何学的
    フィルタ。
  4. 【請求項４】 前記電界発生手段は、 前記マイクロチャンネルと同軸に配置されている導電性
    の棒体と、 前記導電性の棒体及び前記マイクロチャンネルプレート
    に接続され、前記導電性の棒体及び前記マイクロチャン
    ネルの壁体の間に電圧を印加して前記棒体と前記マイク
    ロチャンネルの壁体との間に電界を径方向に生じさせる
    ようにするための電源と、をさらに備える請求項２に記
    載の電気制御式の幾何学的フィルタ。
  5. 【請求項５】 基板に取り付けられたコレクタプレート
    と、 前記コレクタプレートに取り付けられ、前記コレクタプ
    レートの中心と整列された中央アパーチャを有するディ
    スクリミネータグリッド用環状絶縁体と、 前記ディスクリミネータグリッド用環状絶縁体に取り付
    けられ、前記中央アパーチャ全体にわたり配設され、且
    つ、前記コレクタプレートから間隔を置いて配置されて
    いるディスクリミネータグリッドと、 前記ディスクリミネータグリッドに取り付けられ、前記
    ディスクリミネータグリッド用環状絶縁体の前記中央ア
    パーチャの中心と整列された中央アパーチャを有するマ
    イクロチャンネルプレート用環状絶縁体と、 前記マイクロチャンネルプレート用環状絶縁体に取り付
    けられ、前記マイクロチャンネルプレート用環状絶縁体
    の前記中央アパーチャ全体にわたり配設され、且つ、前
    記ディスクリミネータグリッドから間隔を置いて配置さ
    れているマイクロチャンネルプレートと、 前記マイクロチャンネルプレートの臨界角を電気的に制
    御するための電気制御手段と、を備えるイオンエネルギ
    分析器。
  6. 【請求項６】 前記コレクタプレート及びディスクリミ
    ネータグリッド環状絶縁体の間に配置され、前記コレク
    タプレートの中心と整列された中央アパーチャを有する
    二次電子反跳グリッド環状絶縁体と、 前記二次電子反跳グリッド環状絶縁体に取り付けられ、
    それの前記中央アパーチャ全体にわたり配設され、且
    つ、前記コレクタプレート及び前記ディスクリミネータ
    グリッドから間隔を置いて配置された二次電子反跳グリ
    ッド用と、をさらに備える請求項５に記載のイオンエネ
    ルギ分析器。
  7. 【請求項７】 前記電気制御手段は、前記マイクロチャ
    ンネルプレートの少なくとも１つのマイクロチャンネル
    内に電界を発生させる電界発生手段をさらに備える請求
    項５に記載のイオンエネルギ分析器。
  8. 【請求項８】 前記電界発生手段は、 前記マイクロチャンネルの壁体の半円柱状部分を覆う導
    電性のメッキと、 前記メッキ及び前記マイクロチャンネルに接続され、前
    記マイクロチャンネルを横切って電界を生じさせるため
    に前記メッキ及び前記マイクロチャンネルの間に電圧を
    印加する電源と、をさらに備える請求項７に記載のイオ
    ンエネルギ分析器。
  9. 【請求項９】 前記電界発生手段は、 前記マイクロチャンネル内で同軸に配置された導電性の
    棒体と、 前記導電性の棒体及び前記マイクロチャンネルに接続さ
    れ、前記メッキ及び前記マイクロチャンネルの間に電界
    を半径方向に電界を生じさせるために、前記メッキと前
    記マイクロチャンネルとの間に電圧を印加する電源と、
    をさらに備える請求項７に記載のイオンエネルギ分析
    器。
  10. 【請求項１０】 イオンエネルギ分析器に用いられる電
    気制御式の幾何学的フィルタにおいて、 マイクロチャンネルプレートと、電極とを備えており、 フィルタリング及び通路用として前記分析器の内部へ向
    かう荷電粒子を受容するマイクロチャンネルプレートで
    あって、前記マイクロチャンネルプレートは前記マイク
    ロチャンネルプレートの表面に対して一般に横切る軸を
    有する複数の貫通したチャンネルを画成しており、それ
    の各チャンネルは前記チャンネルが貫通した通路に関し
    て、荷電粒子を受容する受容可能な荷電粒子の飛跡角度
    範囲を幾何学的に予め決める入口アパーチャを有してい
    る前記マイクロチャンネルプレートと、 一般に前記チャンネルの軸方向に配向された前記各チャ
    ンネル内の少なくとも１つの電極であって、前記電極の
    面積は可変可能な電源からの制御信号を受容するために
    適合されており、前記電極は前記チャンネルの軸方向に
    対して一般に横切る電界を設定できて、又、受容可能な
    粒子の飛跡の、幾何学的に予め決められた前記範囲は前
    記電界を前記制御信号に応じて電気的に可変できる電極
    と、を備えるイオンエネルギ分析器用の電気制御式の幾
    何学的フィルタ。
  11. 【請求項１１】 前記電極は前記各チャンネルの半円柱
    状部分を覆っている導電性のメッキをさらに備え、前記
    メッキと前記マイクロチャンネルとの間に制御信号を印
    加するために、電位を変えることのできる前記電源は前
    記メッキと前記マイクロチャンネルプレートとに接続さ
    れている請求項１０に記載のイオンエネルギ分析器。
  12. 【請求項１２】 前記電極は前記各チャンネル内で同軸
    に配置された導電性の棒体をさらに備え、前記棒体と前
    記マイクロチャンネルとの間に制御信号を印加するため
    に、電位を変えることのできる前記電源は前記棒体と前
    記マイクロチャンネルプレートとに接続されている請求
    項１０に記載のフィルタ。
  13. 【請求項１３】 基板に取り付けられたコレクタプレー
    トと、 前記コレクタプレートに取り付けられ、前記コレクタプ
    レートの中心と整列された中央アパーチャを有するディ
    スクリミネータグリッド用環状絶縁体と、 前記ディスクリミネータグリッド用環状絶縁体に取り付
    けられ、前記中央アパーチャ全体にわたり配設され、且
    つ、前記コレクタプレートから間隔を置いて配置された
    ディスクリミネータグリッドと、 前記ディスクリミネータグリッドに取り付けられ、前記
    ディスクリミネータグリッド用環状絶縁体の前記中央ア
    パーチャの中心と整列された中央アパーチャを有するマ
    イクロチャンネルプレート用環状絶縁体と、 前記マイクロチャンネルプレート用環状絶縁体に取り付
    けられ、前記マイクロチャンネルプレート用環状絶縁体
    の前記中央アパーチャ全体にわたり配設され、且つ、前
    記ディスクリミネータグリッドから間隔を置いて配置さ
    れたマイクロチャンネルプレートと、 電極と、を備えており、 前記マイクロチャンネルプレートには複数のチャンネル
    が貫通形成されており、これらのチャンネルは前記マイ
    クロチャンネルプレートの表面と交わる軸をそれぞれ有
    しており、各チャンネルは受容可能な荷電粒子の飛跡角
    度範囲を幾何学的に予め決める入口アパーチャを有し、
    当該チャンネルはこの角度範囲において荷電粒子を受容
    してそこを貫通させるようになっており、 前記電極は、前記各チャンネル内に当該チャンネルの前
    記軸方向に沿って少なくとも１つ設けられ、前記電極の
    部分は、電位を変えることのできる電源からの制御信号
    を受けるようになっており、前記電極は、前記軸方向に
    対して横向きの電界を生成することが可能であり、且
    つ、 受容可能な粒子の飛跡の前記角度範囲は前記制御信号に
    応じて前記電界を変えることにより電気的に変動可能と
    なっている、電気制御式の幾何学的フィルタ。
  14. 【請求項１４】 前記電極は前記各チャンネルの半円柱
    状部分を覆っている導電性のメッキをさらに備え、前記
    メッキと前記マイクロチャンネルとの間に制御信号を印
    加するために、電位を変えることのできる前記電源は前
    記メッキと前記マイクロチャンネルプレートとに接続さ
    れている請求項１３に記載のイオンエネルギ分析器。
  15. 【請求項１５】 前記電極は前記各チャンネル内で同軸
    に配置された導電性の棒体をさらに備え、前記棒体と前
    記マイクロチャンネルとの間に制御信号を印加するため
    に、電位を変えることのできる前記電源は前記棒体と前
    記マイクロチャンネルプレートとに接続されている請求
    項１３に記載のイオンエネルギ分析器。
  16. 【請求項１６】 イオンエネルギ分析器に用いられる電
    気制御式の幾何学的フィルタの製造方法において、 マイクロチャンネルプレートにアパーチャを形成するス
    テップと、 前記アパーチャに、当該アパーチャの臨界角を制御する
    ための要素を形成する制御要素形成ステップと、を備え
    ることを特徴とする電気制御式の幾何学的フィルタの製
    造方法。
  17. 【請求項１７】 電圧を前記要素に印加するステップ
    と、 前記アパーチャの臨界角を制御するために前記電圧を変
    えるステップと、をさらに備える請求項１６に記載の電
    気制御式の幾何学的フィルタの製造方法。
  18. 【請求項１８】 前記制御要素形成ステップは、 導電性材料でアパーチャの半円柱状部分をメッキするス
    テップと、 前記マイクロチャンネルプレートと前記メッキとに電圧
    を印加して、アパーチャを横切って電界を生じさせるよ
    うにするステップと、をさらに備える請求項１６に記載
    の電気制御式の幾何学的フィルタの製造方法。
  19. 【請求項１９】 前記制御要素形成ステップは、 前記アパーチャ内で同軸に、導電性材料からなる棒体を
    形成するステップと、 前記マイクロチャンネルプレートと前記棒体とに電圧を
    印加して、前記棒体と前記アパーチャの壁体との間に径
    方向に電界を生じさせるようにするステップと、をさら
    に備える請求項１６に記載の電気制御式の幾何学的フィ
    ルタの製造方法。
  20. 【請求項２０】 前記制御要素形成ステップは、前記マ
    イクロチャンネルプレートに複数のアパーチャを形成す
    るステップをさらに備え、且つ、前記制御要素形成ステ
    ップは、各アパーチャの内部において、前記各アパーチ
    ャの臨界角を同時に制御するための要素を製造するステ
    ップをさらに備える請求項１６に記載の電気制御式の幾
    何学的フィルタの製造方法。
  21. 【請求項２１】 前記制御要素形成ステップは、 前記各アパーチャの半円柱状部分を導電性材料でメッキ
    するステップと、 前記マイクロチャンネルプレートと前記各アパーチャの
    前記メッキとに電圧を印加して、前記各アパーチャを横
    切って電界を生じさせるようにするステップと、をさら
    に備える請求項２０に記載の電気制御式の幾何学的フィ
    ルタの製造方法。
  22. 【請求項２２】 前記制御要素形成ステップは、 前記各アパーチャ内で同軸に、導電性材料からなる棒体
    を形成するステップと、 前記マイクロチャンネルプレートと前記各アパーチャ内
    の前記棒体とに電圧を印加して、前記棒体と前記各アパ
    ーチャの壁体との間に径方向に電界を生じさせるように
    するステップと、をさらに備える請求項２０に記載の電
    気制御式の幾何学的フィルタの製造方法。
  23. 【請求項２３】 電圧を前記各アパーチャ内の各要素に
    印加するステップと、 前記各アパーチャの臨界角を制御するために前記電圧を
    変えるステップと、をさらに備える請求項２０に記載の
    電気制御式の幾何学的フィルタの製造方法。
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