【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は真空容器の所望領域内における荷電粒子と中性粒子との衝突頻度をモニタするモニタ装置に関し、特に荷電粒子と中性粒子との多重散乱確率をモニタ可能なモニタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば真空容器内でイオン（荷電粒子）を基板に衝突させることによって基板上にイオンによる成膜を行うイオンを用いた各種成膜方法においては、真空容器の所望領域内で荷電粒子が中性粒子に衝突する頻度をモニタすることが成膜条件や品質等を決定する上で重要である。
【０００３】
ところで、均一な電位空間内を荷電粒子が中性粒子と衝突を繰り返しながら飛行するとき、荷電粒子の質量が中性粒子の質量に比べて充分に大きく、衝突後も衝突前と同じ方向に飛行すると仮定できる場合には、長さＤの区間でＮ回衝突する確率は、次の数式１のポアッソン分布で与えられることが知られている。
【０００４】
【数１】
【０００５】
ここで、荷電粒子の平均自由行程Ｌは、中性粒子の密度ｎと、荷電粒子と中性粒子との衝突断面積σから、次の数式２で表わされる。
【０００６】
【数２】
【０００７】
この中性粒子の密度ｎは、所望領域内の中性粒子のガス圧力Ｐを測定することによって求められ、衝突断面積σは、衝突後も変化しないとして定数として扱われる。
【０００８】
そこで、従来のモニタ装置においては、ガス圧力Ｐと衝突断面積σから数式１を用いて衝突確率を算出することによって、真空容器の所望領域内における荷電粒子と中性粒子との衝突頻度（衝突確率）をモニタするようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のモニタ装置にあっては、荷電粒子が均一な電位空間内を飛行することを前提として、衝突断面積σを定数として扱っているので、荷電粒子が不均一電位空間を飛行するとき、すなわち衝突断面積σが変化したときには、数式１が成り立たなくなるため、衝突確率を正確に算出することができないという課題がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、所望領域内のガス圧力を測定するガス圧力測定手段と、前記所望領域内の電位分布を測定する電位分布測定手段と、予め前記荷電粒子と中性粒子との衝突断面積の既知データを格納した格納手段と、前記ガス圧力測定手段の測定結果、電位分布測定手段の測定結果及び格納手段に格納された衝突断面積の既知データに基づいて前記所望領域内の衝突頻度を算出する衝突頻度算出手段とを備えた。
【００１１】
【作用】
衝突断面積が場所ｘに依存する際において、ガス圧力測定手段で所望領域内のガス圧力Ｐを測定し、電位分布測定手段で所望領域内の電位分布Ｖ（ｘ）を測定し、衝突頻度算出手段によって、これらの各測定結果と格納手段に格納された加速エネルギーｅＶでの衝突断面積σ（ｅＶ）の既知データとに基づいて、所望領域内の荷電粒子と中性粒子との衝突頻度を算出する。
【００１２】
すなわち、衝突断面積が場所ｘで変化する際、一般的には、衝突係数κ（ｘ）が場所ｘで変化すると考えると、距離Ｄの区間でＮ回衝突する確率ＰＮは、次の数式３で与えられる。
【００１３】
【数３】
【００１４】
この数式３を場所ｘに依存する衝突断面積σ（ｘ）を用いて書き直すと、数式４となる。
【００１５】
【数４】
【００１６】
すなわち、距離Ｄの区間でＮ回衝突する確率ＰＮは、数式４から、場所ｘ０での平均自由行程Ｌ、場所ｘ０での衝突断面積σ０、場所ｘでの衝突断面積σ（ｘ）によって求めることができる。
ここで、荷電粒子として一価イオンを例にすると、場所ｘでの加速エネルギーが電位分布Ｖ（ｘ）からｅＶ（ｘ）と表わされるので、加速エネルギーｅＶでの衝突断面積σ（ｅＶ）と電位分布Ｖ（ｘ）を与えると、衝突断面積σ（ｘ）がσ（ｅＶ（ｘ））として場所ｘの関数で表わされる。
また、場所ｘ０での平均自由行程Ｌは、中性粒子の密度ｎと場所ｘ０での衝突断面積σ０から、数式５で表わされる。なお、中性粒子の密度ｎは、前記のように所望領域内の中性粒子のガス圧力Ｐを測定することから求められる。
【００１７】
【数５】
【００１８】
したがって、ガス圧力測定手段で所望領域内のガス圧力Ｐを測定し、電位分布測定手段で所望領域内の電位分布Ｖ（ｘ）を測定することによって、これらの各測定結果と格納手段に格納された加速エネルギーｅＶでの衝突断面積σ（ｅＶ）の既知データとに基づいて所望領域内の荷電粒子と中性粒子との衝突頻度を算出することができる。
【００１９】
【実施例】
以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るモニタ装置で真空容器内の荷電粒子と中性粒子との衝突頻度をモニタする場合の模式的構成図である。
【００２０】
真空容器１内には試料台２を配置して試料３を設置し、イオンビーム発生装置４から試料３に対して正イオン（荷電粒子）５を射出する場合に、真空容器１の所望領域内での正イオン５と中性粒子６との衝突頻度をモニタするために、真空容器１の所望領域内のガス圧力Ｐを測定するガス圧力測定手段としてのガス圧力計７と、真空容器１の所望領域内の電位分布Ｖ（ｘ）を測定する電位分布測定手段としてイオンビーム発生装置４のイオンビームの電位を測定する電位計８、及び電源９から試料台２に印加する電位を測定する電位計１０と、加速エネルギーｅＶでの衝突断面積σ（ｅＶ）の既知データを格納した格納手段であるメモリ１１と、これらのガス圧力計７の測定結果、電位計８，１０の測定結果及びメモリ１１に格納した加速エネルギーｅＶでの衝突断面積σ（ｅＶ）の既知データとに基づいて、前記数式４を用いて衝突頻度を算出する衝突頻度算出手段である演算器１２とを備えると共に、演算器１２の演算結果を表示する表示装置１３を設けている。
【００２１】
ここで、イオンビーム発生装置４で発生した正イオン５が試料３まで飛行する区間の距離をＤとして、この距離Ｄは予め演算器１２に与えている。また、イオンビーム発生装置４のイオンビームの電位を測定する電位計８の測定結果と、試料台２に印加する電位を測定する電位計１０の測定結果との差、すなわち電位差は区間の距離Ｄに比例して発生している。
【００２２】
以上のように構成したモニタ装置を用いて真空容器１の所望領域内での荷電粒子である正イオン５と中性粒子６との衝突頻度をモニタした。このときのモニタ条件は、数式４の積分部分式である数式６の算出値Ｓが、０．５で、Ｄ／Ｌが１の場合であった。
【００２３】
【数６】
【００２４】
この結果、１回散乱確率Ｐ１、２回散乱確率Ｐ２、３回散乱確率Ｐ３についての表示装置１３の表示値は、Ｐ１＝０．３０３、Ｐ２＝０．０７６、Ｐ３＝０．０１３であった。
【００２５】
これに対して、従来の数式１によって算出した散乱確率は、Ｐ１＝０．３６８、Ｐ２＝０．１８４、Ｐ３＝０．０６１となり、上記モニタ装置によるモニタ結果と大幅に異なり、この傾向は、衝突断面積の加速エネルギー依存性が大きくなるに従って顕著になる。
【００２６】
このように、このモニタ装置によれば、不均一電位空間内を飛行する荷電粒子が中性粒子に衝突して多重散乱される際の衝突頻度、多重散乱確率を正確にモニタすることができ、特に衝突断面積の加速エネルギー依存性が大きくなるほどその効果は大きくなる。
【００２７】
なお、上記実施例では、一価イオンを例にして説明したが、多価イオンではその加速エネルギーに応じた衝突断面積のデータを用いることによって、多重散乱確率をモニタすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、真空容器の所望領域のガス圧力及び電位分布の測定結果と衝突断面積の既知データに基づいて荷電粒子と中性粒子との衝突頻度をモニタするので、荷電粒子が不均一電位空間内で中性粒子と何回衝突したかをモニタすることができ、荷電粒子による成膜等の品質を向上することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るモニタ装置で真空容器内の荷電粒子と中性粒子との衝突頻度をモニタする場合の模式的構成図
【符号の説明】
１…真空容器、２…試料台、３…試料、４…イオンビーム発生装置、５…正オン、６…中性粒子、７…ガス圧力計、８，１０…電位計、１１…メモリ（格納手段）、１２…演算器（衝突頻度算出手段）、１３…表示装置。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a monitor that monitors the frequency of collision between charged particles and neutral particles in a desired region of a vacuum vessel, and more particularly to a monitor that can monitor the multiple scattering probability of charged particles and neutral particles.
[0002]
[Prior art]
For example, in various film deposition method using an ion for forming a film by ion on a substrate by the collision of the ions (charged particles) onto a substrate in a vacuum chamber, the charged particles in a desired region of the vacuum vessel is neutral It is important to monitor the frequency of collision with particles in determining film forming conditions, quality, and the like.
[0003]
By the way, when a charged particle flies repeatedly in a uniform potential space while colliding with a neutral particle, the mass of the charged particle is sufficiently larger than the mass of the neutral particle, and after the collision, it flies in the same direction as before the collision. If so, it is known that the probability of colliding N times in a section of length D is given by the Poisson distribution of the following Equation 1.
[0004]
(Equation 1)
[0005]
Here, the mean free path L of the charged particles is expressed by the following formula 2 from the density n of the neutral particles and the collision cross section σ between the charged particles and the neutral particles.
[0006]
(Equation 2)
[0007]
The density n of the neutral particles is obtained by measuring the gas pressure P of the neutral particles in the desired region , and the collision cross-sectional area σ is treated as a constant because it does not change after the collision.
[0008]
Therefore, in the conventional monitoring device, the collision frequency between the charged particles and the neutral particles in the desired region of the vacuum vessel (the collision frequency) is calculated by calculating the collision probability from the gas pressure P and the collision cross section σ using Expression 1. Probability) is monitored.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional monitoring device, the collision cross section σ is treated as a constant on the assumption that the charged particles fly in a uniform potential space, so that the charged particles fly in a non-uniform potential space. That is, when the collision cross-sectional area σ changes, Equation 1 does not hold, so that there is a problem that the collision probability cannot be accurately calculated.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a gas pressure measuring means for measuring a gas pressure in a desired area, a potential distribution measuring means for measuring a potential distribution in the desired area, and the charged particles and neutral particles in advance. Storage means for storing known data of the collision cross-section area, and the measurement result of the gas pressure measurement means, the measurement result of the potential distribution measurement means and the known data of the collision cross-section area stored in the storage means. And a collision frequency calculating means for calculating the collision frequency.
[0011]
[Action]
When the collision cross section depends on the location x, the gas pressure measuring means measures the gas pressure P in the desired area, the potential distribution measuring means measures the potential distribution V (x) in the desired area, and calculates the collision frequency. The collision frequency between the charged particles and the neutral particles in the desired region is determined by the means based on each of these measurement results and the known data of the collision cross section σ (eV) at the acceleration energy eV stored in the storage means. calculate.
[0012]
That is, when it is considered that the collision coefficient κ (x) generally changes at the location x when the collision cross section changes at the location x, the probability P N of colliding N times in the section of the distance D is expressed by the following equation. Given by 3.
[0013]
(Equation 3)
[0014]
Rewriting Equation 3 using the collision cross section σ (x) depending on the location x gives Equation 4.
[0015]
(Equation 4)
[0016]
That is, the distance the probability P N of collision N times in the interval from D, Equation 4, the mean free path at locations x 0 L, collision cross section sigma 0 at location x 0, the collision cross section at the place x sigma ( x).
Here, as an example the monovalent ions as charged particles, since the acceleration energy of the place x represented the potential distribution V (x) and eV (x), the collision cross section of an acceleration energy eV sigma and (eV) Given the potential distribution V (x), the collision cross section σ (x) is represented as σ (eV (x)) as a function of location x.
Further, the mean free path L in place x 0 from collision cross section sigma 0 at a density n and location x 0 neutral particles, represented by Equation 5. In addition, the density n of the neutral particles is determined by measuring the gas pressure P of the neutral particles in the desired region as described above.
[0017]
(Equation 5)
[0018]
Therefore, the gas pressure P in the desired area is measured by the gas pressure measuring means, and the potential distribution V (x) in the desired area is measured by the potential distribution measuring means. The collision frequency between the charged particles and the neutral particles in the desired region can be calculated based on the known data of the collision cross section σ (eV) at the acceleration energy eV.
[0019]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram when the frequency of collision between charged particles and neutral particles in a vacuum vessel is monitored by the monitor device according to the present invention.
[0020]
A sample table 2 is placed in a vacuum vessel 1, a sample 3 is placed, and when positive ions (charged particles) 5 are emitted from the ion beam generator 4 to the sample 3, the sample 3 is placed in a desired region of the vacuum vessel 1. In order to monitor the frequency of collision between the positive ions 5 and the neutral particles 6 in the vacuum vessel 1, a gas pressure gauge 7 as a gas pressure measuring means for measuring a gas pressure P in a desired region of the vacuum vessel 1; A potential meter 8 for measuring the potential of the ion beam of the ion beam generator 4 as a potential distribution measuring means for measuring a potential distribution V (x) in a desired region, and a potential for measuring a potential applied to the sample stage 2 from a power supply 9 10, a memory 11 as storage means for storing known data of a collision cross section σ (eV) at an acceleration energy eV, a measurement result of the gas pressure gauge 7, a measurement result of the electrometers 8 and 10, and a memory Acceleration energy stored in 11 A computing unit 12 which is a collision frequency calculating means for calculating the collision frequency by using the above formula 4 based on the known data of the collision cross-sectional area σ (eV) at the rugged eV. Is displayed.
[0021]
Here, assuming that the distance of a section where the positive ions 5 generated by the ion beam generator 4 flies to the sample 3 is D, the distance D is given to the calculator 12 in advance. Also, the difference between the measurement result of the electrometer 8 for measuring the potential of the ion beam of the ion beam generator 4 and the measurement result of the electrometer 10 for measuring the potential applied to the sample stage 2, that is, the potential difference is the distance D of the section. Occur in proportion to
[0022]
The collision frequency between the positive ions 5 as charged particles and the neutral particles 6 in the desired region of the vacuum vessel 1 was monitored using the monitoring device configured as described above. The monitoring condition at this time was a case where the calculated value S of Expression 6 which is an integral sub-expression of Expression 4 was 0.5 and D / L was 1.
[0023]
(Equation 6)
[0024]
As a result, the display values of the display device 13 for the one-time scattering probability P 1 , the two-time scattering probability P 2 , and the three-time scattering probability P 3 are P 1 = 0.303, P 2 = 0.076, and P 3 = It was 0.013.
[0025]
On the other hand, the scattering probabilities calculated by the conventional formula 1 are P 1 = 0.368, P 2 = 0.184, and P 3 = 0.061, which are significantly different from the results of monitoring by the above-mentioned monitoring device. The tendency becomes remarkable as the acceleration energy dependence of the collision cross section increases.
[0026]
Thus, according to this monitoring device, it is possible to accurately monitor the collision frequency and the multiple scattering probability when the charged particles flying in the non-uniform electric potential space collide with the neutral particles and are multiply scattered, In particular, the effect increases as the acceleration energy dependence of the collision cross section increases.
[0027]
In the above embodiment has been described with the monovalent ions in examples of the polyhydric ions by using data collision cross sections in accordance with the acceleration energy, it is possible to monitor the multiple scattering probability.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the collision frequency between the charged particles and the neutral particles is monitored based on the measurement result of the gas pressure and the potential distribution in the desired region of the vacuum vessel and the known data of the collision cross section, The number of times the charged particles collide with the neutral particles in the non-uniform potential space can be monitored, and the quality of film formation by the charged particles can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram in a case where the frequency of collision between charged particles and neutral particles in a vacuum vessel is monitored by a monitor device according to the present invention.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum container, 2 ... Sample table, 3 ... Sample, 4 ... Ion beam generator, 5 ... Positive ON, 6 ... Neutral particles, 7 ... Gas pressure gauge, 8, 10 ... Electrometer, 11 ... Memory (storage) Means), 12 ... Calculator (collision frequency calculating means), 13 ... Display device.