プラズマ電位及びイオン速度計測方法、プラズマ電位及びイオン速度計測装置及びプラズマ処理装置並びに記録媒体及びプログラム
【課題】プラズマ処理にあたって、安価でコンパクトなプラズマ電位やイオン速度等のプラズマ状態の計測方法及び装置を提供する。
【解決手段】プラズマと該分析器の間に印加した電圧と質量分析器において同一イオンが検出された条件との関係からイオン速度とプラズマ電位との関係を算出し、さらに該質量分析器をシングルプローブに見立てて、質量分析器とプラズマ間に連続的あるいは断続的に負から正の電圧を印加し、これらの関係からプラズマ電位を算出し、前記イオン速度とプラズマ電位との関係と算出したプラズマ電位との関係からプラズマ中のイオン速度を算出する。
【解決手段】プラズマと該分析器の間に印加した電圧と質量分析器において同一イオンが検出された条件との関係からイオン速度とプラズマ電位との関係を算出し、さらに該質量分析器をシングルプローブに見立てて、質量分析器とプラズマ間に連続的あるいは断続的に負から正の電圧を印加し、これらの関係からプラズマ電位を算出し、前記イオン速度とプラズマ電位との関係と算出したプラズマ電位との関係からプラズマ中のイオン速度を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマを用いて被処理物品に膜形成、イオン注入、エッチング、表面清浄化処理等の処理を施すにあたり、所望の目的とする処理を施すために、プラズマの状態を示すパラメータの一つであるプラズマ電位及びイオン速度を計測する方法及び装置、さらにプラズマ処理装置に関し、さらに、該方法の実施に用いるプログラム及びそれを記録した記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマを応用した膜形成（成膜）、イオン注入、エッチング、表面清浄化処理等の処理においては、所望の目的とする処理を施すために、プラズマ中のイオン種やラジカル種、プラズマ電位などの制御が重要であり、そのためにはこれらのモニタリングが不可欠である。例えばイオン種計測には、一般的には、質量分析器を用いた質量分析が実施される。
【０００３】
図５は、真空チャンバ１内に設置した被処理物品Ｓにプラズマ２のもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置ＰＡにおいてプラズマに所謂Ｅ×Ｂ型質量分析器を用いて質量分析を実施している例を示している。図５に示すように、真空チャンバ１内にプラズマ２が形成される場合、このプラズマに接するようにＥ×Ｂ型質量分析器３が設置されている。
【０００４】
Ｅ×Ｂ型質量分析器３にはバイアス電源１０によって通常は負電圧を印加し、プラズマ２から正イオン５を入口スリット４を通して分析器３内に引き込む。Ｅ×Ｂ型質量分析器３の内部には図示省略の磁界発生手段により磁界１６が形成されており、引き込まれたイオン５は磁界の影響で図５において下向き方向１７へ力を受ける。
【０００５】
一方、互いに平行な、対向する偏向板６及び偏向板７が磁界１６の磁力線方向に平坦面を揃えて配置されている。偏向板６に偏向電源８から正電位が印加されるとともに偏向板７に偏向電源９から負電位が印加され、これにより、磁界の磁力線方向を横切る方向に（図５において上向き方向１８に）電界が形成される。イオン５はこの電界により上向き方向１８にも力を受ける。
【０００６】
このようにしてイオン５には下向き方向１７の力と上向き方向１８の力とが加わり、これら二つのちからが釣り合っているときのみイオン５は直進し、ＦＣスリット１１を通過してファラデーカップ１３に入り、電流計１５により検出される。
【０００７】
この時、ファラデーカップ１３から２次電子が放出され、正確なイオン電流が計測されない場合があるので、その影響を抑制するために、ＦＣスリット１１とファラデーカップ１３との間にサプレッサ１２を設置し、これにサプレッサ電源１４から負電圧を印加し、放出される２次電子を再度ファラデーカップ１３へ押し返すようにしている。
【０００８】
図６は、真空チャンバ１内に設置した被処理物品Ｓにプラズマ２のもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置ＰＢにおいてプラズマに磁場偏向型質量分析器１９を用いて質量分析を実施している例を示している。図６に示すように、真空チャンバ１内にプラズマ２が形成される場合、このプラズマに接するように磁場偏向型質量分析器１９が設置される。
【０００９】
磁場偏向型質量分析器１９にはバイアス電源２２から通常は負電圧を印加し、プラズマ２から正イオン２１を入口スリット２０に通して分析器１９内へ引き込む。磁場偏向型質量分析器１９の内部には磁界２８が形成されており、引き込まれたイオン２１はこの磁界の影響で方向２９へ力を受け、円軌道を描いて飛行する。
【００１０】
イオン２１の軌道半径ｒは磁界２８の強さによって決まるので、一定の軌道半径上にＦＣスリット２３、ファラデーカップ２５を設置しておき、最終的に電流計２７によってイオンを検出する。
【００１１】
この時、Ｅ×Ｂ型質量分析器３の場合と同様に、ファラデーカップ２５から２次電子が放出され、正確なイオン電流が計測されない場合があるので、その影響を抑制するために、ＦＣスリット２３とファラデーカップ２５の間にサプレッサ２４を設置し、これにサプレッサ電源２６から負電圧を印加し、放出される２次電子を再度ファラデーカップ２５へ押し返すようにしてある。
【００１２】
以上説明したＥ×Ｂ型質量分析器は例えば特開平４−２１２３００号公報に記載されており、磁場偏向型質量分析器は、例えば特開２０００−４６６８０号公報に記載されている。
【００１３】
プラズマ中のイオンエネルギーの計測には例えば静電エネルギーアナライザーが用いられる。その構造は、ここでは図示を省略するが、数枚のグリッドとイオンが流入するコレクターなどから構成され、グリッドやコレクターに電圧を印加するための電源などからシステムが構成されている。静電エネルギーアナライザーで計測されるのはイオンのエネルギーであるが、イオン種、つまりイオンの質量がわかればイオンのエネルギーをE、イオンの質量をｍとすれば、E＝１/２ｍｖ２ からイオンの速度ｖを算出することができる。
【００１４】
プラズマ電位の計測には一般的にはプローブ法が用いられる。それ自体既によく知られているのでここでは図示を省略するが、プローブ法には、シングルプローブ法、浮遊電位系にも対応できるダブルプローブ法、さらに瞬時計測が可能なトリプルプローブ法などがある。これら三つの方法の中でプラズマ電位を計測できるのはシングルプローブ法である。
【００１５】
これらプローブ法については、例えば、平成３年８月５日株式会社アイピーシー発行、河合良信編著の「最新プラズマ発生技術」に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平４−２１２３００号公報
【特許文献２】特開２０００−４６６８０号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】平成３年８月５日株式会社アイピーシー発行、河合良信編著「最新プラズマ発生技術」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
以上の説明から分かるように、イオン速度計測とプラズマ電位計測の両方を実施するには、質量分析器と静電エネルギーアナライザー及びプローブ計測器のすべてが必要である。しかし、それらすべてをチャンバ内に設置するとすれば、チャンバ内にそのための設置スペースが必要となり、チャンバサイズが大型化してプラズマ処理装置の設置面積が増大し、またプラズマ処理装置のコストアップを招く。
【００１９】
そこで本発明は、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン速度の分析と併せて計測でき、プラズマ電位とイオン速度計測の双方を行え、かつ安価に済むプラズマ電位計測方法を提供することを第１の課題とする。
【００２０】
また本発明は、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン速度の分析と併せて計測でき、イオン速度とプラズマ電位計測の双方を行え、かつ簡素化された安価なプラズマ電位計測装置を提供することを第２の課題とする。
【００２１】
さらに本発明は、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマのもとで被処理物品に目的とする処理を施すプラズマ処理装置であって、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン速度の分析と併せて計測でき、イオン速度分析とプラズマ電位計測の双方を行え、大型化することなく、安価に済むプラズマ処理装置を提供することを第３の課題とする。
【００２２】
また本発明は、第１の課題を解決できるプラズマ電位及びイオン速度計測方法の実施のためのプログラム及び該プログラムを記録した記録媒体を提供することを第４、第５の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は前記第１の課題を解決するため、
プラズマ電位測定対象プラズマに対して該プラズマ中のイオンの質量分析を行える質量分析器を配置すること、
該質量分析器と該プラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたっては、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めること及び
かくして得た、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、予め導いておいた式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）（ｋはｍv02／２Ｚeであり、ｍ、v0、Ｚはそれぞれイオンの質量、プラズマ中の初速度、価数であり、eは電気素量である。Ｖｐは前記電位測定対象プラズマのプラズマ電位である。）を回帰式として該回帰式に最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該回帰式におけるａ及びｋ+Ｖｐをそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求めることと、
前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、
該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法による解析から前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めること、
を含むプラズマ電位計測方法を提供する。
【００２４】
本発明は前記第２の課題を解決するため、
電位測定対象プラズマに対して配置されるべき、該プラズマ中のイオンの質量分析を行える質量分析器と、
該質量分析器と該プラズマとの間に電圧を印加するためのバイアス電源と、
プラズマ電位算出部とを含んでおり、
前記プラズマの電位を計測するにあたり、前記バイアス電源に、前記質量分析器と前記プラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加させて該質量分析器に該プラズマ中のイオンの質量分析を実施させ、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めることができ、
前記プラズマ電位算出部は、かくして得られる、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、予め設定された式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）（ｋはｍv02／２Ｚeであり、ｍ、v0、Ｚはそれぞれイオンの質量、プラズマ中の初速度、価数であり、eは電気素量である。Ｖｐは前記電位測定対象プラズマのプラズマ電位である。）を回帰式として該回帰式に最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該回帰式におけるａ及びｋ+Ｖｐをそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求めることと、
前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めることができるプラズマ電位及びイオン速度計測装置を提供する。
【００２５】
本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測装置において、前記プラズマの電位及びイオン速度を計測するにあたり、前記電圧印加部に、前記質量分析器と前記プラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加させて該質量分析器に該プラズマ中のイオンの質量分析を実施させ、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂごとに、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めるにあたっては、プラズマ電位及びイオン速度計測装置のユーザーが前記電圧印加部を操作して前記電圧を質量分析器とプラズマとの間に印加させて質量分析を実施し、質量分析条件Ｘを求め、さらにそのデータをユーザーがプラズマ電位及びイオン速度を算出するようにしてもよい。
また、前記質量分析器をシングルプローブとみたて、プラズマ電位及びイオン速度計測装置のユーザーが、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めてもよい。
【００２６】
しかし、前記電圧Ｖｂとそれに対応する前記質量分析条件Ｘのデータを集める部分及びプラズマ電位及びイオン速度算出部を含むプラズマ電位及びイオン速度計測部を設け、プラズマ電位及びイオン速度を計測するにあたり、該データを集める部分が、前記電圧印加部に、前記質量分析器と前記プラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加させて該質量分析器に該プラズマ中のイオンの質量分析を実施させ、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求め、前記プラズマ電位及びイオン速度算出部が、かくして得られる、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、前記式Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）を最小二乗法を用いてフィッティングさせることにより、該式におけるａ及びｋ+Ｖｐをそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求め、次に前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるようにしてもよい。
【００２７】
いずれにしても、プラズマ電位及びイオン速度算出部或いはプラズマ電位及びイオン速度計測部としては、本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測装置専用のものとして設けられてもよいし、例えば外部のコンピュータを利用するものであってもよい。プラズマ電位及びイオン速度計測装置専用のものの場合もコンピュータを利用したものとすることができる。
【００２８】
なお、本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測方法及び装置において、質量分析器とプラズマとの間に印加する電圧とは、図１に示す質量分析例で言えば、バイアス電源１０により印加される電圧にほぼ相当する電圧であり、正確には、図４に示す質量分析例で言えば、バイアス電源１０により印加される電圧にプラズマ電位を加えた電圧である。
【００２９】
本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測方法及び装置によると、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の同定とプラズマ電位及びイオン速度計測を安価な装置で行える・
【００３０】
本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測方法及び装置における質量分析器としては、代表例として図１に例示するタイプのＥ×Ｂ型質量分析器や図４に例示するタイプの磁場偏向型質量分析器を挙げることができる。
【００３１】
Ｅ×Ｂ型質量分析器を採用する場合には、質量分析器で同一イオンが検出された電界強度Ｅと磁界の磁束密度Ｂの比Ｅ／Ｂとの関係から、また、磁場偏向型質量分析器を採用する場合には、質量分析器で同一イオンが検出された磁界の磁束密度Ｂとイオンの軌道半径ｒの積ｒＢの関係から、プラズマ電位を算出する。
【００３２】
Ｅ×Ｂ型質量分析器を採用する場合についてさらに説明すると、プラズマ電位及びイオン速度計測方法及びプラズマ電位及びイオン速度計測装置においても、
前記質量分析器はＥ×Ｂ型質量分析器であり、前記質量分析条件Ｘは電界強度Ｅと磁束密度Ｂとの比（Ｅ／Ｂ）であり、前記回帰式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、電気素量をｅとすると、（ｍ／Ｚ）／２ｅであり、前記Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（ｍ／Ｚ）／２ｅ〕×（Ｅ／Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）
である。
【００３３】
磁場偏向型質量分析器を採用する場合には、前記質量分析器は磁場偏向型質量分析器であり、前記質量分析条件Ｘは磁束密度Ｂと該質量分析器によるイオンの飛行軌道半径ｒの積（ｒ×Ｂ）であり、前記回帰式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、電気素量をｅとすると、（Ｚ／ｍ）×ｅ／２であり、前記Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（Ｚ／ｍ）×ｅ／２〕×（ｒ×Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）
である。
【００３４】
本発明は前記第３の課題を解決するため、
真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマのもとで被処理物品に目的とする処理を施すことができるプラズマ処理装置であり、本発明に係るプラズマ電位計測装置を含んでいるプラズマ処理装置を提供する。
【００３５】
本発明に係るプラズマ処理装置は、本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測装置を含んでいるので、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位及びイオン速度を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位計測の双方を行え、かつ大型化することなく、安価に提供できる。
【００３６】
本発明に係るプラズマ処理装置として、例えば、膜形成、イオン注入、エッチング及び物品表面清浄化処理のうちから選ばれた１又は２以上の処理を行えるプラズマ処理装置を例示できる。
【００３７】
本発明は、前記第４の課題を解決するため、本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記質量分析器とプラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたって、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めることで得られる該各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータを読み込むステップ及び
読み込んだ該データに前記式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該式におけるａ及びａＸ2
−Ｖｐをそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求めるステップと該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法による解析から前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出するステップ、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるステップ、
をコンピュータに実行させるためのプログラムも提供する。
【００３８】
また本発明は、前記第５の課題を解決するため、本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、前記質量分析器とプラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたって、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めることで得られる該各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータを読み込むステップ及び
読み込んだ該データに前記式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求めるステップ、前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加するステップ、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測するステップ、
該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出するステップ、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるステップ、
をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も提供する。
【発明の効果】
【００３９】
以上説明したように本発明によると、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位及びイオン速度を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位及びイオン速度計測の双方を行え、かつ安価に済むプラズマ電位及びイオン速度計測方法を提供することができる。
【００４０】
また本発明によると、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の同定と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位及びイオン速度計測の双方を行え、かつ簡素化された安価なプラズマ電位計測装置を提供することができる。
【００４１】
さらに本発明によると、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマのもとで被処理物品に目的とする処理を施すことができるプラズマ処理装置であって、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の同定と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位及びイオン速度計測の双方を行え、かつ大型化することなく、安価に済むプラズマ処理装置を提供することができる。
【００４２】
また本発明によると、上記プラズマ電位及びイオン速度計測方法の実施のためのプログラム及び該プログラムを記録した記録媒体であって、イオン種を同定し、プラズマ電位を求め、イオン速度を求めることを容易化するものを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測装置の１例を備えたプラズマ処理装置例を示す図である。
【図２】図１に示すＢ×Ｅ型質量分析器による質量分析例における検出イオン電流と偏向電界（偏向電界強度）との関係を示す図である。
【図３】質量分析器とプラズマとの間に印加するバイアス電圧及び該電圧に対応する検出イオン電流ピークを示す偏向電界のデータを示す図である。
【図４】本発明に係るプラズマ電位計測装置の他の例を備えたプラズマ処理装置例を示す図である。
【図５】所謂Ｅ×Ｂ型質量分析器を用いて質量分析を実施している従来例を示す図である。
【図６】所謂磁場偏向型質量分析器を用いて質量分析を実施している従来例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測装置例を備えたプラズマ処理装置の１例を示している。
図１に示すプラズマ処理装置ＰＡはプラズマ電位及びイオン速度計測装置Ａを備えている。プラズマ電位及びイオン速度計測装置Ａは図５に示す質量分析器と同じＥ×Ｂ型質量分析器３を含んでいるとともに、本発明に係るプログラムの１例を記録した記録媒体Ｍ１から該プログラムを読み込み、プラズマ電位及びイオン種同定のためのファクタを算出するプラズマ電位及びイオン速度算出部例としてのパーソナルコンピュータＰＣ１を含んでいる。
【００４５】
図１に示す各部等であって、図５に示す各部等と実質上同じものについては、図５で使用されている参照符号と同じ参照符号を付してある。すなわち、
ＰＡはプラズマ処理装置〔本例では図示省略のバイアス電源からバイアス電圧が印加される被処理物品Ｓにプラズマのもとで目的とする処理（例えばアルゴンイオン等のイオン照射による清浄化処理）を施す装置〕である。
プラズマ２は、例えば、チャンバ１内を図示省略の排気装置で排気減圧してガスプラズマ生成圧に維持しつつ、チャンバ１内に図示省略のガス供給装置からガス（例えばアルゴンガス）を供給し、図示省略の熱陰極型アーク放電によって生成することができる。
【００４６】
質量分析器３は図５の質量分析器と同様に質量分析を行える。
図１のプラズマ電位及びイオン速度計測装置Ａによると、プラズマ２の電位とともにプラズマにおけるイオン種の同定のためのファクタも求めることができる。
すなわち、質量分析器３とプラズマ２との間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたっては、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、質量分析器２に応じた質量分析条件Ｘを求め、
かくして得た、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、予め導いておいた式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）（ｋはｍv02／２Ｚeであり、ｍ、v0、Ｚはそれぞれイオンの質量、初速度、価数、eは電気素量である。Ｖｐは前記電位測定対象プラズマのプラズマ電位である。）を回帰式として該回帰式を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該回帰式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求めることができる。
次に、前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、
該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により（段落００１７記載の非特許文献１：ｐ２１１〜ｐ２１８参照）前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めることができる。
ここで、「前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し」とは、一般にプラズマ電位はプラズマ容器に対して１０〜５０Ｖ程度高く、従ってプラズマ電位より十分低い−１００Ｖから十分高い１００Ｖ程度まで連続的あるいは断続的に印加することを例示できる。
【００４７】
質量分析器としてＥ×Ｂ型質量分析器３を採用している本例では、前記Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）における質量分析条件Ｘは電界強度Ｅと磁束密度Ｂとの比（Ｅ／Ｂ）であり、ａは（ｍ／Ｚ）／２ｅである（ｍは質量分析器により検出される同一イオンの質量、Ｚはイオンの価数、ｅは電気素量）。従ってＶｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（ｍ／Ｚ）／２ｅ〕×（Ｅ／Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）となる。
【００４８】
Ｖｂ＝〔（ｍ／Ｚ）／２ｅ〕×（Ｅ／Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）を採用する理由を以下に説明する。
電源１０から質量分析器３に印加されるバイアス電圧をＶｂ、プラズマ２のプラズマ電位をＶｐとし、例えば、膜形成を行う真空アーク蒸着法のように、蒸発面近傍でのプラズマ２中でプラズマ電位が高い場合、プラズマ２中のイオンは初速度を持つので、プラズマ２中のイオンの初速度をv0とすると次式(1)が成り立つ。
【００４９】
【数１】
【００５０】
上記式(1) において、ｍはイオンの質量、ｖは質量分析器に入射するときのイオン速度、v0はプラズマ中のイオンの初速度、Ｚはイオンの価数、ｅは電気素量である。 なお、本例の場合、バイアス電圧は負電圧、プラズマ電位は正電位であるが、いずれも絶対値で記載している。
【００５１】
Ｅ×Ｂ型質量分析器３において、イオンの検出条件は、磁界（磁束密度Ｂ）と電界（電界強度）から受ける力が釣り合う場合であるから、次の式(2)から導かれる式(3)のようになる。
【数２】
【数３】
【００５２】
式(3)を前記式(1)に代入して整理すると、次式(4) が得られる。
【数４】
式(4) は、バイアス電圧Ｖｂが電界（偏向電界強度Ｅ）と磁界（磁束密度Ｂ）との比（Ｅ／Ｂ）の２次式であることを示している。
【００５３】
図２は次のことを示している。すなわち、
チャンバ１内を図示省略の排気装置で排気減圧してアルゴンガスプラズマ生成圧に維持しつつ、チャンバ１内に図示省略のガス供給装置からアルゴンガスを供給し、図示省略の真空アーク放電によってプラズマを生成し、これを質量分析器３で分析した場合の例を示している。図２において縦軸は電流計１５で検出されるイオン電流、横軸はイオンを検出したピーク偏向電界強度Ｅを示している。
【００５４】
この場合のバイアス電圧Ｖｂは３８０Ｖとし、磁束密度Ｂは０．１０２Ｔで固定したところ、イオンを検出したピーク偏向電界強度Ｅは４．４２ｋＶ／ｍであった。
バイアス電圧Ｖｂを変化させ、同様に計測を実施し、バイアス電圧Ｖｂとピーク偏向電界強度Ｅの関係を調べた結果を図３に黒丸で示す。
図３の黒丸で示す座標（Ｖｂ，Ｅ）は、（380, 4.42)、(330,4.12)、(280,3.82)である。
【００５５】
プラズマ電位及びイオン速度算出部としてのコンピュータＰＣ１には、記録媒体Ｍ１から次のプログラムを読み込ませてある。すなわち、
バイアス電圧Ｖｂとそれに対応するピーク偏向電界強度Ｅと磁束密度Ｂの比（Ｅ／Ｂ）のデータ、図２で言えば、少なくとも二つの黒丸に相当するＶｂとＥ／Ｂの組み合わせデータのキーボードからの入力に応じて該データを読み込み、読み込んだ該データに前記式(4)を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該式におけるイオン種同定のための（ｍ／Ｚ）／２ｅ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出するプログラムである。ここで、ｋはｍv02／２Ｚeである。
【００５６】
従って、質量分析器３によりプラズマを質量分析することで、少なくとも二つのバイアス電圧Ｖｂをそれぞれ印加するとともに各電圧Ｖｂに対応する（Ｅ／Ｂ）を得て（なお、本例ではＢは既知の０．１０２Ｔ）、これらデータをコンピュータＰＣ１に入力して、（ｋ+Ｖｐ）及びイオン種同定のための（ｍ／Ｚ）／２ｅを求めることができる。
さらに、コンピュータＰＣ１には、記録媒体Ｍ１から次のプログラムも読み込ませてある。
すなわち、前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して記録媒体Ｍ１に記録し、プラズマ電位及びイオン速度算出部にて、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度をそれぞれ算出するプログラムである。
このようにしてＶｐ等を算出したところ、プラズマ電位Ｖｐは１１．８〔Ｖ〕であった。（ｍ／Ｚ）／２ｅを（ｍ／Ｚ）／（２ｅ×Ｂ2 ）として算出したところ、２０．１であった。いずれにしても、イオン種同定については、ｅも既知であるから、ｍ／Ｚを求めることができ、それにより、イオン種を同定できる。プログラムには、算出した（ｍ／Ｚ）／２ｅからさらにｍ／Ｚを算出する手順が含まれていてもよい。
【００５７】
また、本例では、Ｂを固定しているため、実際には比（Ｅ／Ｂ）についてはＥを入力することで足りるようにしておき、ＶｂとＥの図３に示される組み合わせのうちから少なくとも二つを入力することで、（ｍ／Ｚ）／（２ｅ×Ｂ2
）とＶｐを算出することができるようにしておいてもよい。
【００５８】
（ｍ／Ｚ）／（２ｅ×Ｂ2 ）のうち、ｅ及びＢは既知であるから、（ｍ／Ｚ）を算出することができ、これからイオン種を同定することができる。プログラムには、算出した（ｍ／Ｚ）／（２ｅ×Ｂ2
）からさらにｍ／Ｚを算出する手順が含まれていてもよい。
【００５９】
以上説明した例では、比（Ｅ／Ｂ）のうちＢを固定して電界強度Ｅを変化させたが、逆にＥを固定して磁束密度Ｂを変化させてもよく、両者を変化させてもよい。
また、例えば、コンピュータＰＣ１で各電源へ電圧印加のオン、オフの指示を出すようにするとともに電流計１５で検出される情報を読み込むようにし、コンピュータＰＣ１において各バイアス電圧Ｖｂとそれに対応するピークイオン電流を検出したときの偏向電界強度Ｅのデータを収集し、そのデータに基づいて（ｋ+Ｖｐ）及びイオン種同定のためのｍ／Ｚを算出できるようにしてもよい。
【００６０】
図４は本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測装置の他の例を備えたプラズマ処理装置の例を示している。
図４に示すプラズマ処理装置ＰＢはプラズマ電位及びイオン速度計測装置Ｂを備えている。プラズマ電位及びイオン速度計測装置Ｂは、図６に示す質量分析器と同じ磁場偏向型質量分析器１９を含んでいるとともに、本発明に係るプログラムの他の例を記録した記録媒体Ｍ２から該プログラムを読み込み、プラズマ電位及びイオン速度、イオン種同定のためのファクタを算出するプラズマ電位及びイオン速度算出部例としてのパーソナルコンピュータＰＣ２を含んでいる。
【００６１】
図４に示す各部等であって、図６に示す各部等と実質上同じものについては、図６で使用されている参照符号と同じ参照符号を付してある。すなわち、ＰＢはプラズマ処理装置〔本例では図示省略のバイアス電源からバイアス電圧が印加される被処理物品Ｓにプラズマのもとで目的とする処理（例えばアルゴンイオン等のイオン照射による清浄化処理）を施す装置〕である。
装置ＰＢにおいても、プラズマ２は、例えば、チャンバ１内を図示省略の排気装置で排気減圧してガスプラズマ生成圧に維持しつつ、チャンバ１内に図示省略のガス供給装置からガス（例えばアルゴンガス）を供給し、図示省略の熱陰極型アーク放電によって生成することができる。
【００６２】
質量分析器１９は図６の質量分析器と同様に質量分析を行える。
図４のプラズマ電位及びイオン速度計測装置Ｂによると、プラズマ２の電位とともにプラズマにおけるイオン種の同定のためのファクタも求めることができる。
すなわち、質量分析器１９とプラズマ２との間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたっては、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、質量分析器１９に応じた質量分析条件Ｘを求め、
かくして得た、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、予め導いておいた式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）（ｋはｍv02／２Ｚeであり、ｍ、v0、Ｚはそれぞれイオンの質量、プラズマ中の初速度、価数、eは電気素量である。Ｖｐは前記電位測定対象プラズマのプラズマ電位である。）を回帰式として該回帰式を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該回帰式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求めることができる。
次に前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、
該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法による解析により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めることができる。
【００６３】
質量分析器として磁場偏向型質量分析器１９を採用している本例では、前記Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）における質量分析条件Ｘは磁束密度Ｂと該質量分析器によるイオンの飛行軌道半径ｒの積（ｒ×Ｂ）であり、前記式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、該イオンの電荷素量をｅとすると、
（Ｚ／ｍ）×ｅ／２であり、前記Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（Ｚ／ｍ）×ｅ／２〕×（ｒ×Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）となる。
【００６４】
Ｖｂ＝〔（Ｚ／ｍ）×ｅ／２〕×（ｒ×Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）が導かれる理由は次の通りである。
バイアス電源２２から質量分析器１９に印加されるバイアス電圧をＶｂ、プラズマ２のプラズマ電位をＶｐとすると、Ｅ×Ｂ型質量分析器の場合と同様に次式(5)が成り立つ。
【００６５】
【数５】
【００６６】
上記式(5) において、ｍはイオン質量、ｖは分析器に入射するときの速度、Ｚはイオンの価数、ｅは電荷素量である。なお、本例の場合も、バイアス電圧は負電圧、プラズマ電位は正電位であるが、いずれも絶対値で記載している。
【００６７】
磁場偏向型質量分析器１９において、イオンの検出条件は、磁界（磁束密度Ｂ）によりイオンが受ける力が遠心力と釣り合う場合であるから、次の式(6) から導かれる式(7)のようになる。
【数６】
【数７】
【００６８】
(7)式を前記(5)式に代入して整理すると、次式(8)が得られる。
【数８】
式(8) は、バイアス電圧Ｖｂが磁界（磁束密度Ｂ）とイオンの軌道半径ｒとの積（ｒ×Ｂ）の２次式であることを示している。
【００６９】
そこで、例えばイオンの軌道半径ｒを固定し、図１のプラズマ電位及びイオン速度計測の場合と同様に、質量分析器１９とプラズマ２との間にバイアス電源２２から少なくとも二つの異なるバイアス電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、各バイアス電圧Ｖｂとそのバアイス電圧のときにイオンを検出した磁束密度Ｂとイオンの軌道半径の積（ｒ×Ｂ）の組み合わせデータを少なくとも二組求め、それらデータをプラズマ電位算出部としてのコンピュータＰＣ２に入力して、（ｋ+Ｖｐ）及びイオン種を同定するためのファクタを算出させることができる。
次に、前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度をそれぞれ算出するプログラムである。
【００７０】
コンピュータＰＣ２には、記録媒体Ｍ２から次のプログラムを読み込ませてある。すなわち、
少なくとも二つの異なるバイアス電圧Ｖｂと、各バイアス電圧に対応する磁束密度Ｂとイオン軌道半径ｒの積（ｒ×Ｂ）の組み合わせデータのキーボードからの入力に応じて該データを読み込み、読み込んだ該データに前記式(8)
を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該式におけるイオン種同定のための（Ｚ／ｍ）×ｅ／２及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出するプログラムである。
さらに、コンピュータＰＣ１には、記録媒体Ｍ１から次のプログラムも読み込ませてある。
すなわち、前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して記録媒体Ｍ１に記録し、プラズマ電位及びイオン速度算出部にて、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度をそれぞれ算出するプログラムである。
【００７１】
従って、質量分析器１９によりプラズマを質量分析することで、少なくとも二つのバイアス電圧Ｖｂと、各電圧Ｖｂに対応する（ｒ×Ｂ）を得て、これらデータをコンピュータＰＣ２に入力して、（ｋ+Ｖｐ）及びイオン種同定のための（Ｚ／ｍ）×ｅ／２を求めることができる。イオン種同定については、ｅが既知であるから、（Ｚ／ｍ）を求めることができ、それによりイオン種を同定できる。プログラムには、算出した（Ｚ／ｍ）×ｅ／２からさらにＺ／ｍを算出する手順が含まれていてもよい。
【００７２】
また、本例では、ｒを固定しているため、実際には積（ｒ×Ｂ）についてはＢを入力することで足りるようにしておき、ＶｂとＢの組み合わせのうちから少なくとも二つを入力することで、（Ｚ／ｍ）×ｅ×ｒ2
／２とＶｐを算出することができるようにしておいてもよい。
【００７３】
（Ｚ／ｍ）×ｅ×ｒ2 ／２のうち、ｅ及びｒは既知であるから、ｍ／Ｚを算出することができ、これからイオン種を同定することができる。プログラムには、算出した（Ｚ／ｍ）×ｅ×ｒ2
／２からさらにｍ／Ｚを算出する手順が含まれていてもよい。
【００７４】
以上説明した例では、積（ｒ×Ｂ）のうちｒを固定して磁束密度Ｂを変化させたが、逆にＢを固定してイオン軌道半径ｒを変化させてもよく、両者を変化させてもよい。イオンの軌道半径ｒはファラデーカップ２５、サプレッサ２４及びＦＣスリット２３を移動させることで変化させることができる。
また、例えば、コンピュータＰＣ２から各電源へ電圧印加のオン、オフの指示を出すとともに、図示省略の出力可変の磁界発生手段に磁界発生を指示するようにするとともに、電流計２７で検出される情報を読み込むようにし、コンピュータＰＣ２において各バイアス電圧Ｖｂとそれに対応する磁束密度Ｂのデータを収集し、そのデータに基づいて（ｋ+Ｖｐ）及びイオン種同定のためのｍ／Ｚを算出できるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明はプラズマを用いる膜形成、イオン注入、エッチング等の処理において、質量分析器を利用して、プラズマの質量分析を行えるとともに、プローブ計測器を用いないで、プラズマ電位及びイオン速度を求めることに利用できる。
【符号の説明】
【００７６】
ＰＡ、ＰＢ プラズマ処理装置
Ａ、Ｂ プラズマ電位及びイオン速度計測装置
１ 真空チャンバ
２ プラズマ
３ Ｂ×Ｅ型質量分析器
４ 質量分析器入口スリット、
５ 正イオン、
６、７ 偏向板、
８、９ 偏向電源
１０ バイアス電源、
１１ イオン出口のＦＣスリット、
１２ サプレッサ
１４ サプレッサ電源
１３ ファラデーカップ
１５ 電流計（イオン電流計測器）
１６ 磁界
１７ 磁界がイオンに及ぼす力の方向（下向き方向）
１８ 偏向板６、７間の電界がイオンに及ぼす力の方向（上向き方向）
ＰＣ１、ＰＣ２ 外部コンピュータ
Ｍ１、Ｍ２ 記録媒体
１９ 磁場偏向型質量分析器、
２０ 質量分析器入口スリット、
２１ 正イオン、
２２ バイアス電源、
２３ イオン出口のＦＣスリット、
２４ サプレッサ
２５ ファラデーカップ
２６ サプレッサ電源
２７ 電流計（イオン電流計測器）
２８ 磁界
２９ 磁界がイオンに及ぼす力の方向
ｒ イオンの飛行円軌跡の半径
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマを用いて被処理物品に膜形成、イオン注入、エッチング、表面清浄化処理等の処理を施すにあたり、所望の目的とする処理を施すために、プラズマの状態を示すパラメータの一つであるプラズマ電位及びイオン速度を計測する方法及び装置、さらにプラズマ処理装置に関し、さらに、該方法の実施に用いるプログラム及びそれを記録した記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマを応用した膜形成（成膜）、イオン注入、エッチング、表面清浄化処理等の処理においては、所望の目的とする処理を施すために、プラズマ中のイオン種やラジカル種、プラズマ電位などの制御が重要であり、そのためにはこれらのモニタリングが不可欠である。例えばイオン種計測には、一般的には、質量分析器を用いた質量分析が実施される。
【０００３】
図５は、真空チャンバ１内に設置した被処理物品Ｓにプラズマ２のもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置ＰＡにおいてプラズマに所謂Ｅ×Ｂ型質量分析器を用いて質量分析を実施している例を示している。図５に示すように、真空チャンバ１内にプラズマ２が形成される場合、このプラズマに接するようにＥ×Ｂ型質量分析器３が設置されている。
【０００４】
Ｅ×Ｂ型質量分析器３にはバイアス電源１０によって通常は負電圧を印加し、プラズマ２から正イオン５を入口スリット４を通して分析器３内に引き込む。Ｅ×Ｂ型質量分析器３の内部には図示省略の磁界発生手段により磁界１６が形成されており、引き込まれたイオン５は磁界の影響で図５において下向き方向１７へ力を受ける。
【０００５】
一方、互いに平行な、対向する偏向板６及び偏向板７が磁界１６の磁力線方向に平坦面を揃えて配置されている。偏向板６に偏向電源８から正電位が印加されるとともに偏向板７に偏向電源９から負電位が印加され、これにより、磁界の磁力線方向を横切る方向に（図５において上向き方向１８に）電界が形成される。イオン５はこの電界により上向き方向１８にも力を受ける。
【０００６】
このようにしてイオン５には下向き方向１７の力と上向き方向１８の力とが加わり、これら二つのちからが釣り合っているときのみイオン５は直進し、ＦＣスリット１１を通過してファラデーカップ１３に入り、電流計１５により検出される。
【０００７】
この時、ファラデーカップ１３から２次電子が放出され、正確なイオン電流が計測されない場合があるので、その影響を抑制するために、ＦＣスリット１１とファラデーカップ１３との間にサプレッサ１２を設置し、これにサプレッサ電源１４から負電圧を印加し、放出される２次電子を再度ファラデーカップ１３へ押し返すようにしている。
【０００８】
図６は、真空チャンバ１内に設置した被処理物品Ｓにプラズマ２のもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置ＰＢにおいてプラズマに磁場偏向型質量分析器１９を用いて質量分析を実施している例を示している。図６に示すように、真空チャンバ１内にプラズマ２が形成される場合、このプラズマに接するように磁場偏向型質量分析器１９が設置される。
【０００９】
磁場偏向型質量分析器１９にはバイアス電源２２から通常は負電圧を印加し、プラズマ２から正イオン２１を入口スリット２０に通して分析器１９内へ引き込む。磁場偏向型質量分析器１９の内部には磁界２８が形成されており、引き込まれたイオン２１はこの磁界の影響で方向２９へ力を受け、円軌道を描いて飛行する。
【００１０】
イオン２１の軌道半径ｒは磁界２８の強さによって決まるので、一定の軌道半径上にＦＣスリット２３、ファラデーカップ２５を設置しておき、最終的に電流計２７によってイオンを検出する。
【００１１】
この時、Ｅ×Ｂ型質量分析器３の場合と同様に、ファラデーカップ２５から２次電子が放出され、正確なイオン電流が計測されない場合があるので、その影響を抑制するために、ＦＣスリット２３とファラデーカップ２５の間にサプレッサ２４を設置し、これにサプレッサ電源２６から負電圧を印加し、放出される２次電子を再度ファラデーカップ２５へ押し返すようにしてある。
【００１２】
以上説明したＥ×Ｂ型質量分析器は例えば特開平４−２１２３００号公報に記載されており、磁場偏向型質量分析器は、例えば特開２０００−４６６８０号公報に記載されている。
【００１３】
プラズマ中のイオンエネルギーの計測には例えば静電エネルギーアナライザーが用いられる。その構造は、ここでは図示を省略するが、数枚のグリッドとイオンが流入するコレクターなどから構成され、グリッドやコレクターに電圧を印加するための電源などからシステムが構成されている。静電エネルギーアナライザーで計測されるのはイオンのエネルギーであるが、イオン種、つまりイオンの質量がわかればイオンのエネルギーをE、イオンの質量をｍとすれば、E＝１/２ｍｖ２ からイオンの速度ｖを算出することができる。
【００１４】
プラズマ電位の計測には一般的にはプローブ法が用いられる。それ自体既によく知られているのでここでは図示を省略するが、プローブ法には、シングルプローブ法、浮遊電位系にも対応できるダブルプローブ法、さらに瞬時計測が可能なトリプルプローブ法などがある。これら三つの方法の中でプラズマ電位を計測できるのはシングルプローブ法である。
【００１５】
これらプローブ法については、例えば、平成３年８月５日株式会社アイピーシー発行、河合良信編著の「最新プラズマ発生技術」に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平４−２１２３００号公報
【特許文献２】特開２０００−４６６８０号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】平成３年８月５日株式会社アイピーシー発行、河合良信編著「最新プラズマ発生技術」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
以上の説明から分かるように、イオン速度計測とプラズマ電位計測の両方を実施するには、質量分析器と静電エネルギーアナライザー及びプローブ計測器のすべてが必要である。しかし、それらすべてをチャンバ内に設置するとすれば、チャンバ内にそのための設置スペースが必要となり、チャンバサイズが大型化してプラズマ処理装置の設置面積が増大し、またプラズマ処理装置のコストアップを招く。
【００１９】
そこで本発明は、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン速度の分析と併せて計測でき、プラズマ電位とイオン速度計測の双方を行え、かつ安価に済むプラズマ電位計測方法を提供することを第１の課題とする。
【００２０】
また本発明は、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン速度の分析と併せて計測でき、イオン速度とプラズマ電位計測の双方を行え、かつ簡素化された安価なプラズマ電位計測装置を提供することを第２の課題とする。
【００２１】
さらに本発明は、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマのもとで被処理物品に目的とする処理を施すプラズマ処理装置であって、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン速度の分析と併せて計測でき、イオン速度分析とプラズマ電位計測の双方を行え、大型化することなく、安価に済むプラズマ処理装置を提供することを第３の課題とする。
【００２２】
また本発明は、第１の課題を解決できるプラズマ電位及びイオン速度計測方法の実施のためのプログラム及び該プログラムを記録した記録媒体を提供することを第４、第５の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は前記第１の課題を解決するため、
プラズマ電位測定対象プラズマに対して該プラズマ中のイオンの質量分析を行える質量分析器を配置すること、
該質量分析器と該プラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたっては、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めること及び
かくして得た、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、予め導いておいた式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）（ｋはｍv02／２Ｚeであり、ｍ、v0、Ｚはそれぞれイオンの質量、プラズマ中の初速度、価数であり、eは電気素量である。Ｖｐは前記電位測定対象プラズマのプラズマ電位である。）を回帰式として該回帰式に最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該回帰式におけるａ及びｋ+Ｖｐをそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求めることと、
前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、
該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法による解析から前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めること、
を含むプラズマ電位計測方法を提供する。
【００２４】
本発明は前記第２の課題を解決するため、
電位測定対象プラズマに対して配置されるべき、該プラズマ中のイオンの質量分析を行える質量分析器と、
該質量分析器と該プラズマとの間に電圧を印加するためのバイアス電源と、
プラズマ電位算出部とを含んでおり、
前記プラズマの電位を計測するにあたり、前記バイアス電源に、前記質量分析器と前記プラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加させて該質量分析器に該プラズマ中のイオンの質量分析を実施させ、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めることができ、
前記プラズマ電位算出部は、かくして得られる、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、予め設定された式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）（ｋはｍv02／２Ｚeであり、ｍ、v0、Ｚはそれぞれイオンの質量、プラズマ中の初速度、価数であり、eは電気素量である。Ｖｐは前記電位測定対象プラズマのプラズマ電位である。）を回帰式として該回帰式に最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該回帰式におけるａ及びｋ+Ｖｐをそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求めることと、
前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めることができるプラズマ電位及びイオン速度計測装置を提供する。
【００２５】
本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測装置において、前記プラズマの電位及びイオン速度を計測するにあたり、前記電圧印加部に、前記質量分析器と前記プラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加させて該質量分析器に該プラズマ中のイオンの質量分析を実施させ、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂごとに、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めるにあたっては、プラズマ電位及びイオン速度計測装置のユーザーが前記電圧印加部を操作して前記電圧を質量分析器とプラズマとの間に印加させて質量分析を実施し、質量分析条件Ｘを求め、さらにそのデータをユーザーがプラズマ電位及びイオン速度を算出するようにしてもよい。
また、前記質量分析器をシングルプローブとみたて、プラズマ電位及びイオン速度計測装置のユーザーが、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めてもよい。
【００２６】
しかし、前記電圧Ｖｂとそれに対応する前記質量分析条件Ｘのデータを集める部分及びプラズマ電位及びイオン速度算出部を含むプラズマ電位及びイオン速度計測部を設け、プラズマ電位及びイオン速度を計測するにあたり、該データを集める部分が、前記電圧印加部に、前記質量分析器と前記プラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加させて該質量分析器に該プラズマ中のイオンの質量分析を実施させ、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求め、前記プラズマ電位及びイオン速度算出部が、かくして得られる、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、前記式Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）を最小二乗法を用いてフィッティングさせることにより、該式におけるａ及びｋ+Ｖｐをそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求め、次に前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるようにしてもよい。
【００２７】
いずれにしても、プラズマ電位及びイオン速度算出部或いはプラズマ電位及びイオン速度計測部としては、本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測装置専用のものとして設けられてもよいし、例えば外部のコンピュータを利用するものであってもよい。プラズマ電位及びイオン速度計測装置専用のものの場合もコンピュータを利用したものとすることができる。
【００２８】
なお、本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測方法及び装置において、質量分析器とプラズマとの間に印加する電圧とは、図１に示す質量分析例で言えば、バイアス電源１０により印加される電圧にほぼ相当する電圧であり、正確には、図４に示す質量分析例で言えば、バイアス電源１０により印加される電圧にプラズマ電位を加えた電圧である。
【００２９】
本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測方法及び装置によると、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の同定とプラズマ電位及びイオン速度計測を安価な装置で行える・
【００３０】
本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測方法及び装置における質量分析器としては、代表例として図１に例示するタイプのＥ×Ｂ型質量分析器や図４に例示するタイプの磁場偏向型質量分析器を挙げることができる。
【００３１】
Ｅ×Ｂ型質量分析器を採用する場合には、質量分析器で同一イオンが検出された電界強度Ｅと磁界の磁束密度Ｂの比Ｅ／Ｂとの関係から、また、磁場偏向型質量分析器を採用する場合には、質量分析器で同一イオンが検出された磁界の磁束密度Ｂとイオンの軌道半径ｒの積ｒＢの関係から、プラズマ電位を算出する。
【００３２】
Ｅ×Ｂ型質量分析器を採用する場合についてさらに説明すると、プラズマ電位及びイオン速度計測方法及びプラズマ電位及びイオン速度計測装置においても、
前記質量分析器はＥ×Ｂ型質量分析器であり、前記質量分析条件Ｘは電界強度Ｅと磁束密度Ｂとの比（Ｅ／Ｂ）であり、前記回帰式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、電気素量をｅとすると、（ｍ／Ｚ）／２ｅであり、前記Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（ｍ／Ｚ）／２ｅ〕×（Ｅ／Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）
である。
【００３３】
磁場偏向型質量分析器を採用する場合には、前記質量分析器は磁場偏向型質量分析器であり、前記質量分析条件Ｘは磁束密度Ｂと該質量分析器によるイオンの飛行軌道半径ｒの積（ｒ×Ｂ）であり、前記回帰式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、電気素量をｅとすると、（Ｚ／ｍ）×ｅ／２であり、前記Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（Ｚ／ｍ）×ｅ／２〕×（ｒ×Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）
である。
【００３４】
本発明は前記第３の課題を解決するため、
真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマのもとで被処理物品に目的とする処理を施すことができるプラズマ処理装置であり、本発明に係るプラズマ電位計測装置を含んでいるプラズマ処理装置を提供する。
【００３５】
本発明に係るプラズマ処理装置は、本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測装置を含んでいるので、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位及びイオン速度を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位計測の双方を行え、かつ大型化することなく、安価に提供できる。
【００３６】
本発明に係るプラズマ処理装置として、例えば、膜形成、イオン注入、エッチング及び物品表面清浄化処理のうちから選ばれた１又は２以上の処理を行えるプラズマ処理装置を例示できる。
【００３７】
本発明は、前記第４の課題を解決するため、本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記質量分析器とプラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたって、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めることで得られる該各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータを読み込むステップ及び
読み込んだ該データに前記式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該式におけるａ及びａＸ2
−Ｖｐをそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求めるステップと該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法による解析から前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出するステップ、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるステップ、
をコンピュータに実行させるためのプログラムも提供する。
【００３８】
また本発明は、前記第５の課題を解決するため、本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、前記質量分析器とプラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたって、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めることで得られる該各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータを読み込むステップ及び
読み込んだ該データに前記式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求めるステップ、前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加するステップ、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測するステップ、
該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出するステップ、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるステップ、
をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も提供する。
【発明の効果】
【００３９】
以上説明したように本発明によると、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位及びイオン速度を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の分析と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位及びイオン速度計測の双方を行え、かつ安価に済むプラズマ電位及びイオン速度計測方法を提供することができる。
【００４０】
また本発明によると、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の同定と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位及びイオン速度計測の双方を行え、かつ簡素化された安価なプラズマ電位計測装置を提供することができる。
【００４１】
さらに本発明によると、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマのもとで被処理物品に目的とする処理を施すことができるプラズマ処理装置であって、プラズマの状態を示すパラメータであるプラズマ電位を、プローブ計測器に頼ることなく、質量分析器を応用して、イオン種の同定と併せて計測でき、質量分析とプラズマ電位及びイオン速度計測の双方を行え、かつ大型化することなく、安価に済むプラズマ処理装置を提供することができる。
【００４２】
また本発明によると、上記プラズマ電位及びイオン速度計測方法の実施のためのプログラム及び該プログラムを記録した記録媒体であって、イオン種を同定し、プラズマ電位を求め、イオン速度を求めることを容易化するものを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測装置の１例を備えたプラズマ処理装置例を示す図である。
【図２】図１に示すＢ×Ｅ型質量分析器による質量分析例における検出イオン電流と偏向電界（偏向電界強度）との関係を示す図である。
【図３】質量分析器とプラズマとの間に印加するバイアス電圧及び該電圧に対応する検出イオン電流ピークを示す偏向電界のデータを示す図である。
【図４】本発明に係るプラズマ電位計測装置の他の例を備えたプラズマ処理装置例を示す図である。
【図５】所謂Ｅ×Ｂ型質量分析器を用いて質量分析を実施している従来例を示す図である。
【図６】所謂磁場偏向型質量分析器を用いて質量分析を実施している従来例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測装置例を備えたプラズマ処理装置の１例を示している。
図１に示すプラズマ処理装置ＰＡはプラズマ電位及びイオン速度計測装置Ａを備えている。プラズマ電位及びイオン速度計測装置Ａは図５に示す質量分析器と同じＥ×Ｂ型質量分析器３を含んでいるとともに、本発明に係るプログラムの１例を記録した記録媒体Ｍ１から該プログラムを読み込み、プラズマ電位及びイオン種同定のためのファクタを算出するプラズマ電位及びイオン速度算出部例としてのパーソナルコンピュータＰＣ１を含んでいる。
【００４５】
図１に示す各部等であって、図５に示す各部等と実質上同じものについては、図５で使用されている参照符号と同じ参照符号を付してある。すなわち、
ＰＡはプラズマ処理装置〔本例では図示省略のバイアス電源からバイアス電圧が印加される被処理物品Ｓにプラズマのもとで目的とする処理（例えばアルゴンイオン等のイオン照射による清浄化処理）を施す装置〕である。
プラズマ２は、例えば、チャンバ１内を図示省略の排気装置で排気減圧してガスプラズマ生成圧に維持しつつ、チャンバ１内に図示省略のガス供給装置からガス（例えばアルゴンガス）を供給し、図示省略の熱陰極型アーク放電によって生成することができる。
【００４６】
質量分析器３は図５の質量分析器と同様に質量分析を行える。
図１のプラズマ電位及びイオン速度計測装置Ａによると、プラズマ２の電位とともにプラズマにおけるイオン種の同定のためのファクタも求めることができる。
すなわち、質量分析器３とプラズマ２との間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたっては、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、質量分析器２に応じた質量分析条件Ｘを求め、
かくして得た、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、予め導いておいた式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）（ｋはｍv02／２Ｚeであり、ｍ、v0、Ｚはそれぞれイオンの質量、初速度、価数、eは電気素量である。Ｖｐは前記電位測定対象プラズマのプラズマ電位である。）を回帰式として該回帰式を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該回帰式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求めることができる。
次に、前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、
該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により（段落００１７記載の非特許文献１：ｐ２１１〜ｐ２１８参照）前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めることができる。
ここで、「前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し」とは、一般にプラズマ電位はプラズマ容器に対して１０〜５０Ｖ程度高く、従ってプラズマ電位より十分低い−１００Ｖから十分高い１００Ｖ程度まで連続的あるいは断続的に印加することを例示できる。
【００４７】
質量分析器としてＥ×Ｂ型質量分析器３を採用している本例では、前記Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）における質量分析条件Ｘは電界強度Ｅと磁束密度Ｂとの比（Ｅ／Ｂ）であり、ａは（ｍ／Ｚ）／２ｅである（ｍは質量分析器により検出される同一イオンの質量、Ｚはイオンの価数、ｅは電気素量）。従ってＶｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（ｍ／Ｚ）／２ｅ〕×（Ｅ／Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）となる。
【００４８】
Ｖｂ＝〔（ｍ／Ｚ）／２ｅ〕×（Ｅ／Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）を採用する理由を以下に説明する。
電源１０から質量分析器３に印加されるバイアス電圧をＶｂ、プラズマ２のプラズマ電位をＶｐとし、例えば、膜形成を行う真空アーク蒸着法のように、蒸発面近傍でのプラズマ２中でプラズマ電位が高い場合、プラズマ２中のイオンは初速度を持つので、プラズマ２中のイオンの初速度をv0とすると次式(1)が成り立つ。
【００４９】
【数１】
【００５０】
上記式(1) において、ｍはイオンの質量、ｖは質量分析器に入射するときのイオン速度、v0はプラズマ中のイオンの初速度、Ｚはイオンの価数、ｅは電気素量である。 なお、本例の場合、バイアス電圧は負電圧、プラズマ電位は正電位であるが、いずれも絶対値で記載している。
【００５１】
Ｅ×Ｂ型質量分析器３において、イオンの検出条件は、磁界（磁束密度Ｂ）と電界（電界強度）から受ける力が釣り合う場合であるから、次の式(2)から導かれる式(3)のようになる。
【数２】
【数３】
【００５２】
式(3)を前記式(1)に代入して整理すると、次式(4) が得られる。
【数４】
式(4) は、バイアス電圧Ｖｂが電界（偏向電界強度Ｅ）と磁界（磁束密度Ｂ）との比（Ｅ／Ｂ）の２次式であることを示している。
【００５３】
図２は次のことを示している。すなわち、
チャンバ１内を図示省略の排気装置で排気減圧してアルゴンガスプラズマ生成圧に維持しつつ、チャンバ１内に図示省略のガス供給装置からアルゴンガスを供給し、図示省略の真空アーク放電によってプラズマを生成し、これを質量分析器３で分析した場合の例を示している。図２において縦軸は電流計１５で検出されるイオン電流、横軸はイオンを検出したピーク偏向電界強度Ｅを示している。
【００５４】
この場合のバイアス電圧Ｖｂは３８０Ｖとし、磁束密度Ｂは０．１０２Ｔで固定したところ、イオンを検出したピーク偏向電界強度Ｅは４．４２ｋＶ／ｍであった。
バイアス電圧Ｖｂを変化させ、同様に計測を実施し、バイアス電圧Ｖｂとピーク偏向電界強度Ｅの関係を調べた結果を図３に黒丸で示す。
図３の黒丸で示す座標（Ｖｂ，Ｅ）は、（380, 4.42)、(330,4.12)、(280,3.82)である。
【００５５】
プラズマ電位及びイオン速度算出部としてのコンピュータＰＣ１には、記録媒体Ｍ１から次のプログラムを読み込ませてある。すなわち、
バイアス電圧Ｖｂとそれに対応するピーク偏向電界強度Ｅと磁束密度Ｂの比（Ｅ／Ｂ）のデータ、図２で言えば、少なくとも二つの黒丸に相当するＶｂとＥ／Ｂの組み合わせデータのキーボードからの入力に応じて該データを読み込み、読み込んだ該データに前記式(4)を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該式におけるイオン種同定のための（ｍ／Ｚ）／２ｅ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出するプログラムである。ここで、ｋはｍv02／２Ｚeである。
【００５６】
従って、質量分析器３によりプラズマを質量分析することで、少なくとも二つのバイアス電圧Ｖｂをそれぞれ印加するとともに各電圧Ｖｂに対応する（Ｅ／Ｂ）を得て（なお、本例ではＢは既知の０．１０２Ｔ）、これらデータをコンピュータＰＣ１に入力して、（ｋ+Ｖｐ）及びイオン種同定のための（ｍ／Ｚ）／２ｅを求めることができる。
さらに、コンピュータＰＣ１には、記録媒体Ｍ１から次のプログラムも読み込ませてある。
すなわち、前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して記録媒体Ｍ１に記録し、プラズマ電位及びイオン速度算出部にて、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度をそれぞれ算出するプログラムである。
このようにしてＶｐ等を算出したところ、プラズマ電位Ｖｐは１１．８〔Ｖ〕であった。（ｍ／Ｚ）／２ｅを（ｍ／Ｚ）／（２ｅ×Ｂ2 ）として算出したところ、２０．１であった。いずれにしても、イオン種同定については、ｅも既知であるから、ｍ／Ｚを求めることができ、それにより、イオン種を同定できる。プログラムには、算出した（ｍ／Ｚ）／２ｅからさらにｍ／Ｚを算出する手順が含まれていてもよい。
【００５７】
また、本例では、Ｂを固定しているため、実際には比（Ｅ／Ｂ）についてはＥを入力することで足りるようにしておき、ＶｂとＥの図３に示される組み合わせのうちから少なくとも二つを入力することで、（ｍ／Ｚ）／（２ｅ×Ｂ2
）とＶｐを算出することができるようにしておいてもよい。
【００５８】
（ｍ／Ｚ）／（２ｅ×Ｂ2 ）のうち、ｅ及びＢは既知であるから、（ｍ／Ｚ）を算出することができ、これからイオン種を同定することができる。プログラムには、算出した（ｍ／Ｚ）／（２ｅ×Ｂ2
）からさらにｍ／Ｚを算出する手順が含まれていてもよい。
【００５９】
以上説明した例では、比（Ｅ／Ｂ）のうちＢを固定して電界強度Ｅを変化させたが、逆にＥを固定して磁束密度Ｂを変化させてもよく、両者を変化させてもよい。
また、例えば、コンピュータＰＣ１で各電源へ電圧印加のオン、オフの指示を出すようにするとともに電流計１５で検出される情報を読み込むようにし、コンピュータＰＣ１において各バイアス電圧Ｖｂとそれに対応するピークイオン電流を検出したときの偏向電界強度Ｅのデータを収集し、そのデータに基づいて（ｋ+Ｖｐ）及びイオン種同定のためのｍ／Ｚを算出できるようにしてもよい。
【００６０】
図４は本発明に係るプラズマ電位及びイオン速度計測装置の他の例を備えたプラズマ処理装置の例を示している。
図４に示すプラズマ処理装置ＰＢはプラズマ電位及びイオン速度計測装置Ｂを備えている。プラズマ電位及びイオン速度計測装置Ｂは、図６に示す質量分析器と同じ磁場偏向型質量分析器１９を含んでいるとともに、本発明に係るプログラムの他の例を記録した記録媒体Ｍ２から該プログラムを読み込み、プラズマ電位及びイオン速度、イオン種同定のためのファクタを算出するプラズマ電位及びイオン速度算出部例としてのパーソナルコンピュータＰＣ２を含んでいる。
【００６１】
図４に示す各部等であって、図６に示す各部等と実質上同じものについては、図６で使用されている参照符号と同じ参照符号を付してある。すなわち、ＰＢはプラズマ処理装置〔本例では図示省略のバイアス電源からバイアス電圧が印加される被処理物品Ｓにプラズマのもとで目的とする処理（例えばアルゴンイオン等のイオン照射による清浄化処理）を施す装置〕である。
装置ＰＢにおいても、プラズマ２は、例えば、チャンバ１内を図示省略の排気装置で排気減圧してガスプラズマ生成圧に維持しつつ、チャンバ１内に図示省略のガス供給装置からガス（例えばアルゴンガス）を供給し、図示省略の熱陰極型アーク放電によって生成することができる。
【００６２】
質量分析器１９は図６の質量分析器と同様に質量分析を行える。
図４のプラズマ電位及びイオン速度計測装置Ｂによると、プラズマ２の電位とともにプラズマにおけるイオン種の同定のためのファクタも求めることができる。
すなわち、質量分析器１９とプラズマ２との間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたっては、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、質量分析器１９に応じた質量分析条件Ｘを求め、
かくして得た、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、予め導いておいた式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）（ｋはｍv02／２Ｚeであり、ｍ、v0、Ｚはそれぞれイオンの質量、プラズマ中の初速度、価数、eは電気素量である。Ｖｐは前記電位測定対象プラズマのプラズマ電位である。）を回帰式として該回帰式を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該回帰式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出することで、イオン種を同定するためのａを求めることができる。
次に前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、
該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法による解析により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めることができる。
【００６３】
質量分析器として磁場偏向型質量分析器１９を採用している本例では、前記Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）における質量分析条件Ｘは磁束密度Ｂと該質量分析器によるイオンの飛行軌道半径ｒの積（ｒ×Ｂ）であり、前記式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、該イオンの電荷素量をｅとすると、
（Ｚ／ｍ）×ｅ／２であり、前記Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（Ｚ／ｍ）×ｅ／２〕×（ｒ×Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）となる。
【００６４】
Ｖｂ＝〔（Ｚ／ｍ）×ｅ／２〕×（ｒ×Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）が導かれる理由は次の通りである。
バイアス電源２２から質量分析器１９に印加されるバイアス電圧をＶｂ、プラズマ２のプラズマ電位をＶｐとすると、Ｅ×Ｂ型質量分析器の場合と同様に次式(5)が成り立つ。
【００６５】
【数５】
【００６６】
上記式(5) において、ｍはイオン質量、ｖは分析器に入射するときの速度、Ｚはイオンの価数、ｅは電荷素量である。なお、本例の場合も、バイアス電圧は負電圧、プラズマ電位は正電位であるが、いずれも絶対値で記載している。
【００６７】
磁場偏向型質量分析器１９において、イオンの検出条件は、磁界（磁束密度Ｂ）によりイオンが受ける力が遠心力と釣り合う場合であるから、次の式(6) から導かれる式(7)のようになる。
【数６】
【数７】
【００６８】
(7)式を前記(5)式に代入して整理すると、次式(8)が得られる。
【数８】
式(8) は、バイアス電圧Ｖｂが磁界（磁束密度Ｂ）とイオンの軌道半径ｒとの積（ｒ×Ｂ）の２次式であることを示している。
【００６９】
そこで、例えばイオンの軌道半径ｒを固定し、図１のプラズマ電位及びイオン速度計測の場合と同様に、質量分析器１９とプラズマ２との間にバイアス電源２２から少なくとも二つの異なるバイアス電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、各バイアス電圧Ｖｂとそのバアイス電圧のときにイオンを検出した磁束密度Ｂとイオンの軌道半径の積（ｒ×Ｂ）の組み合わせデータを少なくとも二組求め、それらデータをプラズマ電位算出部としてのコンピュータＰＣ２に入力して、（ｋ+Ｖｐ）及びイオン種を同定するためのファクタを算出させることができる。
次に、前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度をそれぞれ算出するプログラムである。
【００７０】
コンピュータＰＣ２には、記録媒体Ｍ２から次のプログラムを読み込ませてある。すなわち、
少なくとも二つの異なるバイアス電圧Ｖｂと、各バイアス電圧に対応する磁束密度Ｂとイオン軌道半径ｒの積（ｒ×Ｂ）の組み合わせデータのキーボードからの入力に応じて該データを読み込み、読み込んだ該データに前記式(8)
を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該式におけるイオン種同定のための（Ｚ／ｍ）×ｅ／２及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出するプログラムである。
さらに、コンピュータＰＣ１には、記録媒体Ｍ１から次のプログラムも読み込ませてある。
すなわち、前記質量分析器をシングルプローブとみたて、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器の間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測して記録媒体Ｍ１に記録し、プラズマ電位及びイオン速度算出部にて、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法により前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出し、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度をそれぞれ算出するプログラムである。
【００７１】
従って、質量分析器１９によりプラズマを質量分析することで、少なくとも二つのバイアス電圧Ｖｂと、各電圧Ｖｂに対応する（ｒ×Ｂ）を得て、これらデータをコンピュータＰＣ２に入力して、（ｋ+Ｖｐ）及びイオン種同定のための（Ｚ／ｍ）×ｅ／２を求めることができる。イオン種同定については、ｅが既知であるから、（Ｚ／ｍ）を求めることができ、それによりイオン種を同定できる。プログラムには、算出した（Ｚ／ｍ）×ｅ／２からさらにＺ／ｍを算出する手順が含まれていてもよい。
【００７２】
また、本例では、ｒを固定しているため、実際には積（ｒ×Ｂ）についてはＢを入力することで足りるようにしておき、ＶｂとＢの組み合わせのうちから少なくとも二つを入力することで、（Ｚ／ｍ）×ｅ×ｒ2
／２とＶｐを算出することができるようにしておいてもよい。
【００７３】
（Ｚ／ｍ）×ｅ×ｒ2 ／２のうち、ｅ及びｒは既知であるから、ｍ／Ｚを算出することができ、これからイオン種を同定することができる。プログラムには、算出した（Ｚ／ｍ）×ｅ×ｒ2
／２からさらにｍ／Ｚを算出する手順が含まれていてもよい。
【００７４】
以上説明した例では、積（ｒ×Ｂ）のうちｒを固定して磁束密度Ｂを変化させたが、逆にＢを固定してイオン軌道半径ｒを変化させてもよく、両者を変化させてもよい。イオンの軌道半径ｒはファラデーカップ２５、サプレッサ２４及びＦＣスリット２３を移動させることで変化させることができる。
また、例えば、コンピュータＰＣ２から各電源へ電圧印加のオン、オフの指示を出すとともに、図示省略の出力可変の磁界発生手段に磁界発生を指示するようにするとともに、電流計２７で検出される情報を読み込むようにし、コンピュータＰＣ２において各バイアス電圧Ｖｂとそれに対応する磁束密度Ｂのデータを収集し、そのデータに基づいて（ｋ+Ｖｐ）及びイオン種同定のためのｍ／Ｚを算出できるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明はプラズマを用いる膜形成、イオン注入、エッチング等の処理において、質量分析器を利用して、プラズマの質量分析を行えるとともに、プローブ計測器を用いないで、プラズマ電位及びイオン速度を求めることに利用できる。
【符号の説明】
【００７６】
ＰＡ、ＰＢ プラズマ処理装置
Ａ、Ｂ プラズマ電位及びイオン速度計測装置
１ 真空チャンバ
２ プラズマ
３ Ｂ×Ｅ型質量分析器
４ 質量分析器入口スリット、
５ 正イオン、
６、７ 偏向板、
８、９ 偏向電源
１０ バイアス電源、
１１ イオン出口のＦＣスリット、
１２ サプレッサ
１４ サプレッサ電源
１３ ファラデーカップ
１５ 電流計（イオン電流計測器）
１６ 磁界
１７ 磁界がイオンに及ぼす力の方向（下向き方向）
１８ 偏向板６、７間の電界がイオンに及ぼす力の方向（上向き方向）
ＰＣ１、ＰＣ２ 外部コンピュータ
Ｍ１、Ｍ２ 記録媒体
１９ 磁場偏向型質量分析器、
２０ 質量分析器入口スリット、
２１ 正イオン、
２２ バイアス電源、
２３ イオン出口のＦＣスリット、
２４ サプレッサ
２５ ファラデーカップ
２６ サプレッサ電源
２７ 電流計（イオン電流計測器）
２８ 磁界
２９ 磁界がイオンに及ぼす力の方向
ｒ イオンの飛行円軌跡の半径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ電位測定対象プラズマに対して該プラズマ中のイオンの質量分析が行える質量分析器を配置し、該質量分析器と該プラズマとの間にバイアス電源により、少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたっては、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂごとに、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めるステップと
かくして得た、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、予め導いておいた式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）（ｋはｍv02／２Ｚeであり、ｍ、v0、Ｚはそれぞれイオンの質量、初速度、価数、eは電気素量である。）Ｖｐは前記電位測定対象プラズマのプラズマ電位である。）を回帰式として該回帰式に最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該回帰式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出するステップと、
算出されたａよりイオン種を同定するステップと、
前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器との間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測するステップと、
該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係からシングルプローブ法による解析から前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出するステップと、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるステップと、
を含むプラズマ電位及びイオン速度計測方法。
【請求項２】
前記質量分析器はＥ×Ｂ型質量分析器であり、前記質量分析条件Ｘは電界強度Ｅと磁束密度Ｂとの比（Ｅ／Ｂ）であり、前記回帰式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、電気素量をｅとすると、（ｍ／Ｚ）（１／２ｅ）であり、前記Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（ｍ／Ｚ）／２ｅ）〕×（Ｅ／Ｂ）2 −（ｍv02／２Ｚe+Ｖｐ）
である請求項１記載のプラズマ電位及びイオン速度計測方法。
【請求項３】
前記質量分析器は磁場偏向型質量分析器であり、前記質量分析条件Ｘは磁束密度Ｂと該質量分析器によるイオンの飛行軌道半径ｒの積（ｒ×Ｂ）であり、前記回帰式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、該イオンの電気素量をｅとすると、（Ｚ／ｍ）×ｅ／２であり、前記Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（Ｚ／ｍ）×ｅ／２〕×（ｒ×Ｂ）2 −（ｍv02／２Ｚe+Ｖｐ）
である請求項１記載のプラズマ電位及びイオン速度計測方法。
【請求項４】
電位測定対象プラズマに対して配置されるべき、該プラズマ中のイオンの質量分析を行える質量分析器と、
該質量分析器と該プラズマとの間に電圧を印加するためのバイアス電源と、
プラズマ電位及びイオン速度算出部とを含んでおり、
前記プラズマの電位を計測するにあたり、前記バイアス電源に、前記質量分析器と前記プラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加させて該質量分析器に該プラズマ中のイオンの質量分析を実施させ、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めることができ、
前記プラズマ電位及びイオン速度算出部は、かくして得られる、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、予め設定された式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）（ｋはｍv02／２Ｚeであり、ｍ、v0、Ｚはそれぞれイオンの質量、初速度、荷数、eは電気素量である。）Ｖｐは前記電位測定対象プラズマのプラズマ電位である）を回帰式として該回帰式に最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該回帰式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出するとともに、
さらに前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器との間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測し、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法による解析から前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるができることを特徴とするプラズマ電位及びイオン速度計測装置。
【請求項５】
前記電圧Ｖｂとそれに対応する前記質量分析条件Ｘのデータを集める部分及び前記プラズマ電位及びイオン速度算出部を含むプラズマ電位及びイオン速度計測部が設けられており、該データを集める部分は、前記プラズマの電位を計測するにあたり、前記バイアス電源に、前記質量分析器と前記プラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加させて該質量分析器に該プラズマ中のイオンの質量分析を実施させ、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求め、
前記プラズマ電位算出部は、かくして得られる、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、前記式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）に最小二乗法を用いてフィッティングさせることにより、該式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出することで、該（ｋ+Ｖｐ）を求め、併せてイオン速度を算出するためのａ及びｋを求める請求項４記載のプラズマ電位及びイオン速度計測装置。
【請求項６】
前記質量分析器はＥ×Ｂ型質量分析器であり、前記質量分析条件Ｘは電界強度Ｅと磁束密度Ｂとの比（Ｅ／Ｂ）であり、前記回帰式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、該イオンの電荷素量をｅとすると、（ｍ／Ｚ）／２ｅであり、前記Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（ｍ／Ｚ）／２ｅ〕×（Ｅ／Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）
である請求項４又は５記載のプラズマ電位及びイオン速度計測装置。
【請求項７】
前記質量分析器は磁場偏向型質量分析器であり、前記質量分析条件Ｘは磁束密度Ｂと該質量分析器によるイオンの飛行軌道半径ｒの積（ｒ×Ｂ）であり、前記回帰式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、該イオンの電荷素量をｅとすると、（Ｚ／ｍ）×ｅ／２であり、前記Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（Ｚ／ｍ）×ｅ／２〕×（ｒ×Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）
である請求項４又は５記載のプラズマ電位及びイオン速度計測装置。
【請求項８】
真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマのもとで被処理物品に目的とする処理を施すことができるプラズマ処理装置であり、請求項４から７のいずれかに記載のプラズマ電位及びイオン速度計測装置を含んでいることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
膜形成、イオン注入、エッチング及び物品表面清浄化処理のうちから選ばれた１又は２以上の処理を行える装置である請求項８記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
請求項１、２又は３記載のプラズマ電位及びイオン速度計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムであり、前記質量分析器とプラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたって、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂごとに、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めることで得られる該各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータを読み込むステップ及び
読み込んだ該データに前記式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出することで、さらに、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器との間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測し、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法による解析から前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１１】
請求項１、２又は３記載のプラズマ電位及びイオン速度計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であり、
前記質量分析器とプラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたって、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めることで得られる該各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータを読み込むステップ及び
読み込んだ該データに前記式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）に最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出するステップと、
前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器との間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測し、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法による解析から前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと、前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項１】
プラズマ電位測定対象プラズマに対して該プラズマ中のイオンの質量分析が行える質量分析器を配置し、該質量分析器と該プラズマとの間にバイアス電源により、少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたっては、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂごとに、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めるステップと
かくして得た、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、予め導いておいた式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）（ｋはｍv02／２Ｚeであり、ｍ、v0、Ｚはそれぞれイオンの質量、初速度、価数、eは電気素量である。）Ｖｐは前記電位測定対象プラズマのプラズマ電位である。）を回帰式として該回帰式に最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該回帰式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出するステップと、
算出されたａよりイオン種を同定するステップと、
前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器との間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測するステップと、
該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係からシングルプローブ法による解析から前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐを算出するステップと、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるステップと、
を含むプラズマ電位及びイオン速度計測方法。
【請求項２】
前記質量分析器はＥ×Ｂ型質量分析器であり、前記質量分析条件Ｘは電界強度Ｅと磁束密度Ｂとの比（Ｅ／Ｂ）であり、前記回帰式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、電気素量をｅとすると、（ｍ／Ｚ）（１／２ｅ）であり、前記Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（ｍ／Ｚ）／２ｅ）〕×（Ｅ／Ｂ）2 −（ｍv02／２Ｚe+Ｖｐ）
である請求項１記載のプラズマ電位及びイオン速度計測方法。
【請求項３】
前記質量分析器は磁場偏向型質量分析器であり、前記質量分析条件Ｘは磁束密度Ｂと該質量分析器によるイオンの飛行軌道半径ｒの積（ｒ×Ｂ）であり、前記回帰式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、該イオンの電気素量をｅとすると、（Ｚ／ｍ）×ｅ／２であり、前記Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（Ｚ／ｍ）×ｅ／２〕×（ｒ×Ｂ）2 −（ｍv02／２Ｚe+Ｖｐ）
である請求項１記載のプラズマ電位及びイオン速度計測方法。
【請求項４】
電位測定対象プラズマに対して配置されるべき、該プラズマ中のイオンの質量分析を行える質量分析器と、
該質量分析器と該プラズマとの間に電圧を印加するためのバイアス電源と、
プラズマ電位及びイオン速度算出部とを含んでおり、
前記プラズマの電位を計測するにあたり、前記バイアス電源に、前記質量分析器と前記プラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加させて該質量分析器に該プラズマ中のイオンの質量分析を実施させ、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めることができ、
前記プラズマ電位及びイオン速度算出部は、かくして得られる、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、予め設定された式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）（ｋはｍv02／２Ｚeであり、ｍ、v0、Ｚはそれぞれイオンの質量、初速度、荷数、eは電気素量である。）Ｖｐは前記電位測定対象プラズマのプラズマ電位である）を回帰式として該回帰式に最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該回帰式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出するとともに、
さらに前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器との間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測し、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法による解析から前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるができることを特徴とするプラズマ電位及びイオン速度計測装置。
【請求項５】
前記電圧Ｖｂとそれに対応する前記質量分析条件Ｘのデータを集める部分及び前記プラズマ電位及びイオン速度算出部を含むプラズマ電位及びイオン速度計測部が設けられており、該データを集める部分は、前記プラズマの電位を計測するにあたり、前記バイアス電源に、前記質量分析器と前記プラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加させて該質量分析器に該プラズマ中のイオンの質量分析を実施させ、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求め、
前記プラズマ電位算出部は、かくして得られる、各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータに、前記式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）に最小二乗法を用いてフィッティングさせることにより、該式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出することで、該（ｋ+Ｖｐ）を求め、併せてイオン速度を算出するためのａ及びｋを求める請求項４記載のプラズマ電位及びイオン速度計測装置。
【請求項６】
前記質量分析器はＥ×Ｂ型質量分析器であり、前記質量分析条件Ｘは電界強度Ｅと磁束密度Ｂとの比（Ｅ／Ｂ）であり、前記回帰式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、該イオンの電荷素量をｅとすると、（ｍ／Ｚ）／２ｅであり、前記Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（ｍ／Ｚ）／２ｅ〕×（Ｅ／Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）
である請求項４又は５記載のプラズマ電位及びイオン速度計測装置。
【請求項７】
前記質量分析器は磁場偏向型質量分析器であり、前記質量分析条件Ｘは磁束密度Ｂと該質量分析器によるイオンの飛行軌道半径ｒの積（ｒ×Ｂ）であり、前記回帰式におけるａは、該質量分析器により検出される同一イオンの質量をｍ、該イオンの価数をＺ、該イオンの電荷素量をｅとすると、（Ｚ／ｍ）×ｅ／２であり、前記Ｖｂ＝ａＸ2
−（ｋ+Ｖｐ）は、
Ｖｂ＝〔（Ｚ／ｍ）×ｅ／２〕×（ｒ×Ｂ）2 −（ｋ+Ｖｐ）
である請求項４又は５記載のプラズマ電位及びイオン速度計測装置。
【請求項８】
真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマのもとで被処理物品に目的とする処理を施すことができるプラズマ処理装置であり、請求項４から７のいずれかに記載のプラズマ電位及びイオン速度計測装置を含んでいることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
膜形成、イオン注入、エッチング及び物品表面清浄化処理のうちから選ばれた１又は２以上の処理を行える装置である請求項８記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
請求項１、２又は３記載のプラズマ電位及びイオン速度計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムであり、前記質量分析器とプラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたって、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂごとに、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めることで得られる該各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータを読み込むステップ及び
読み込んだ該データに前記式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）を最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出することで、さらに、前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器との間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測し、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法による解析から前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと、
前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１１】
請求項１、２又は３記載のプラズマ電位及びイオン速度計測方法を実施する手順の少なくとも一部をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であり、
前記質量分析器とプラズマとの間に少なくとも二つの異なる電圧をそれぞれ印加して質量分析を実施し、該質量分析実施にあたって、該少なくとも二つの異なる電圧の各電圧Ｖｂ毎に、該少なくとも二つの異なる電圧のうちの他の電圧の場合と同一のイオンを検出できる、該質量分析器に応じた質量分析条件Ｘを求めることで得られる該各電圧Ｖｂと該電圧に対応する前記質量分析条件Ｘのデータを読み込むステップ及び
読み込んだ該データに前記式Ｖｂ＝ａＸ2 −（ｋ+Ｖｐ）に最小二乗法を用いてフィッティングすることにより、該式におけるａ及び（ｋ+Ｖｐ）をそれぞれ算出するステップと、
前記プラズマ電位測定対象プラズマと前記質量分析器との間に、該質量分析器の電位が前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位より低くなる電圧から高くなる電圧まで連続的あるいは断続的に印加し、該印加電圧と前記バイアス電源に流れる電流を計測し、該印加電圧と前記質量分析器に流れる電流の関係から、シングルプローブ法による解析から前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと、前記プラズマ電位測定対象プラズマの電位Ｖｐと前記ａ、ｋとの関係から前記プラズマ電位測定対象プラズマ中のイオン速度を求めるステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−８９３６５（Ｐ２０１２−８９３６５Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３５３８３（Ｐ２０１０−２３５３８３）
【出願日】平成２２年１０月２０日（２０１０．１０．２０）
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２０日（２０１０．１０．２０）
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【Ｆターム（参考）】
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