JP2000068227A - Method for processing surface and device thereof - Google Patents

Method for processing surface and device thereof

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JP2000068227A
JP2000068227A JP10253246A JP25324698A JP2000068227A JP 2000068227 A JP2000068227 A JP 2000068227A JP 10253246 A JP10253246 A JP 10253246A JP 25324698 A JP25324698 A JP 25324698A JP 2000068227 A JP2000068227 A JP 2000068227A
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JP
Japan
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porous electrode
plasma
surface treatment
bias voltage
processed
Prior art date
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JP10253246A
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Japanese (ja)
Inventor
Koji Miyake
浩二 三宅
Tsukasa Hayashi
司 林
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Nissin Electric Co Ltd
Original Assignee
Nissin Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve uniformity of irradiation ion energy to an object to be processed, to increase ion irradiation amounts, and to increase the upper limit of the irradiation ion energy by suppressing the spread of an ion sheath formed between a plasma and the object to be processed. SOLUTION: This device is provided with a porous electrode 40, arranged so as to face the processing face of an object 6 to be processed with an interval (a distance D) in between, and this porous electrode 40 is fixed through an electrode supporting body 46 to a ground potential. The porous electrode 40 can be provided with plural small holes, and plural metal thin wires can be arranged as mesh-like or interdigital wanner. A negative pulse-shaped bias voltage VB is impressed from a bias power source 26 to the object 6 to be processed, which is supported by the supporting body 8.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、被処理物の近傍
にプラズマを生成し、かつ被処理物に例えば負パルス状
等のバイアス電圧を印加することによって、プラズマ中
のイオンを被処理物に照射して、被処理物にイオン注
入、表面改質、エッチング等の処理を施す表面処理方法
および装置に関し、より具体的には、プラズマと被処理
物との間に形成されるイオンシースの広がりを抑制し
て、被処理物に入射するイオンのエネルギーの均一性、
イオン照射量等を改善する手段に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for generating plasma in the vicinity of an object to be processed and applying a bias voltage, for example, in the form of a negative pulse, to the object to cause ions in the plasma to flow to the object. The present invention relates to a surface treatment method and apparatus for irradiating and performing processes such as ion implantation, surface modification, and etching on an object to be processed, and more specifically, the spread of an ion sheath formed between the plasma and the object to be processed. The energy of the ions incident on the workpiece,
The present invention relates to means for improving the amount of ion irradiation and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】被処理物にイオンを照射して被処理物を
処理する技術の一つに、プラズマイマージョン(Plasma
Immersion Ion Implantation:PIII)法またはプラズマ
ソースイオン注入(Plasma Source Ion Implantation:P
SII )法と呼ばれるものがある。この方法による表面処
理装置の一例を図16に示す。
2. Description of the Related Art Plasma immersion (Plasma immersion) is one of the techniques for treating an object by irradiating the object with ions.
Immersion Ion Implantation: PIII method or Plasma Source Ion Implantation: P
There is something called the SII) method. FIG. 16 shows an example of a surface treatment apparatus according to this method.

【0003】この図16の表面処理装置は、真空排気装
置4によって真空に排気される真空容器2と、この真空
容器2内に設けられていて被処理物6を支持する導電性
の支持体8と、真空容器2内にプラズマ生成用のガス1
2を供給するガス供給部10と、このガス12を真空容
器2内で電離させて支持体8上の被処理物6の近傍にプ
ラズマ20を生成するプラズマ生成手段と、支持体8上
の被処理物6に負のパルス状のバイアス電圧VB を印加
するバイアス電源26とを備えている。真空容器2は接
地されている。32および34は絶縁物である。
The surface treatment apparatus shown in FIG. 16 includes a vacuum container 2 evacuated by a vacuum exhaust device 4 and a conductive support 8 provided in the vacuum container 2 and supporting an object 6 to be processed. And a gas 1 for plasma generation in a vacuum vessel 2.
A gas supply unit 10 for supplying the gas 2, a plasma generating means for ionizing the gas 12 in the vacuum vessel 2 to generate a plasma 20 near the object 6 on the support 8, the treated 6 and a bias power source 26 for applying a negative pulsed bias voltage V B. The vacuum vessel 2 is grounded. 32 and 34 are insulators.

【0004】プラズマ生成手段は、この例では、真空容
器2内に設けた高周波コイル14に高周波電源16から
整合回路18を介して高周波電力RFを供給して、高周
波コイル14の周辺部における高周波放電によってガス
12を電離させることによって、上記プラズマ20を定
常的に(連続的に)生成する構成をしている。高周波電
源16からは、例えば13.56MHzの周波数の正弦
波状の高周波電力RFが出力される。
In this example, the plasma generating means supplies a high-frequency power RF from a high-frequency power supply 16 to a high-frequency coil 14 provided in the vacuum vessel 2 via a matching circuit 18, and discharges a high-frequency power in a peripheral portion of the high-frequency coil 14. The plasma 20 is generated in a steady (continuous) manner by ionizing the gas 12. The high frequency power supply 16 outputs a high frequency power RF having a sinusoidal shape with a frequency of 13.56 MHz, for example.

【0005】プラズマ20を生成した状態で、バイアス
電源26から被処理物6に負のパルス状のバイアス電圧
B を印加すると、プラズマ20中の正イオンが被処理
物6に向けて加速されて被処理物6に照射される。これ
によって、被処理物6の表面(この明細書においては表
層部を含む。)に、イオン注入、表面改質等の処理を施
すことができる。
When a negative pulse-like bias voltage V B is applied to the object 6 from the bias power supply 26 while the plasma 20 is generated, positive ions in the plasma 20 are accelerated toward the object 6. The object 6 is irradiated. Thus, the surface of the workpiece 6 (including the surface layer in this specification) can be subjected to processes such as ion implantation and surface modification.

【0006】上記のような表面処理方法または装置は、
次のような長所を有している。
[0006] The surface treatment method or apparatus as described above includes:
It has the following advantages.

【0007】プラズマ20中のイオンを、イオン源等
を用いずにそのまま被処理物6に入射させるため、単位
時間当たりのイオン照射量が比較的高い。
Since the ions in the plasma 20 are directly incident on the object 6 without using an ion source or the like, the ion irradiation amount per unit time is relatively high.

【0008】被処理物6に多方向からイオンを入射さ
せることができるので、複雑な3次元形状をした被処理
物6に対しても、比較的均一にイオンを照射して比較的
均一に処理を施すことができる。
Since ions can be made to enter the object 6 from multiple directions, the object 6 having a complicated three-dimensional shape can be irradiated with ions relatively uniformly so as to be processed relatively uniformly. Can be applied.

【0009】イオン源、それ用の各種電源等が不要な
ので、装置構成が簡単で安価である。
Since an ion source and various power supplies for the ion source are not required, the apparatus configuration is simple and inexpensive.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】上記表面処理方法また
は装置には、次のような課題がある。
The above-mentioned surface treatment method or apparatus has the following problems.

【0011】被処理物6に入射するイオンのエネルギ
ーの幅が広い。即ち、イオンエネルギーの均一性が悪
い。
The energy range of ions incident on the workpiece 6 is wide. That is, the uniformity of ion energy is poor.

【0012】被処理物6に対するイオン照射量をより
高めたいという要望があるけれども、それを簡単に高め
ることができない。
Although there is a demand to increase the amount of ion irradiation on the workpiece 6, it cannot be easily increased.

【0013】被処理物6に照射することのできるイオ
ンエネルギーの上限があまり高くない。即ち、被処理物
6にあまり高エネルギーのイオン照射は困難である。
The upper limit of the ion energy with which the object 6 can be irradiated is not so high. That is, it is difficult to irradiate the workpiece 6 with ions of too high energy.

【0014】上記課題を図17および図18を参照して
詳述する。図18Aは、バイアス電源26から出力する
負のパルス状のバイアス電圧VB の波形の一例を示した
ものであり、現実的には完全な方形波ではなく、この例
のように立上り時間tr および立下り時間td が存在す
る。
The above problem will be described in detail with reference to FIGS. 18A is an illustration of an example of a negative pulse-shaped bias voltage V B of the waveform output from the bias power source 26, practically is not a perfect square wave, the rise time t r, as in this example And a fall time t d .

【0015】被処理物6に上記バイアス電圧VB が印加
される前は、プラズマ20と被処理物6との間にイオン
シース22は形成されていない(図17A参照)。
Before the bias voltage V B is applied to the object 6, no ion sheath 22 is formed between the plasma 20 and the object 6 (see FIG. 17A).

【0016】被処理物6に上記バイアス電圧VB が印加
されると、その電界によって質量の小さい電子は被処理
物6の周囲から急激に弾き飛ばされ、プラズマ20と被
処理物6との間のイオンシース22が急速に広がる(図
17B参照)。換言すれば、プラズマ20とイオンシー
ス22との境界面であるイオンシース面22aが急速に
被処理物6から遠ざかる。この間に、イオンシース22
に残された正イオン24aがまず被処理物6に入射し、
被処理物6に急激に電流Iが流れ始める(図18B中の
a参照)。しかし、バイアス電源26からのバイアス電
圧VB はプラズマ20と被処理物6との間に印加される
ため、イオンシース22では電位勾配が生じており、従
ってイオンシース22内に残存する正イオン24aに印
加される電圧は、バイアス電圧VB よりも低い。勿論こ
の間にも、プラズマ20から正イオン24bが正規のバ
イアス電圧VB で加速されて被処理物6に入射する。し
かも、実際のバイアス電圧VB は図18Aに示すように
有限の立上り時間tr (例えば5μsec程度)がある
ため、この間に被処理物6に入射するイオンのエネルギ
ーは、バイアス電圧VB の定常値VBMに相当するものよ
りも低い。上記のような理由から、立上り時間tr 程度
の時間内に被処理物6に入射するイオンのエネルギー
は、定常値VBMに相当するものよりも低く、しかも不揃
いである。これが上記に示した、イオンのエネルギー
の幅が広いという課題の理由である。イオンのエネルギ
ーの幅が広いと、例えば、イオンの注入深さが不揃いに
なる。これは、特に半導体への不純物注入には不都合で
ある。
When the bias voltage V B is applied to the object 6, electrons having a small mass are rapidly blown off from the periphery of the object 6 by the electric field, and the electrons between the plasma 20 and the object 6 are removed. Spreads rapidly (see FIG. 17B). In other words, the ion sheath surface 22a, which is the boundary surface between the plasma 20 and the ion sheath 22, rapidly moves away from the workpiece 6. During this time, the ion sheath 22
The positive ions 24a left in the firstly enter the object 6 to be processed,
The current I suddenly starts flowing through the object 6 (see a in FIG. 18B). However, since the bias voltage V B from the bias power supply 26 is applied between the plasma 20 and the processing target 6, a potential gradient occurs in the ion sheath 22, and therefore, the positive ions 24 a remaining in the ion sheath 22. voltage applied to is lower than the bias voltage V B. Of course during this time also, incident from the plasma 20 by positive ions 24b are accelerated in a normal bias voltage V B to the object to be processed 6. Moreover, because of the actual bias voltage V B is finite rise time t r, as shown in FIG. 18A (for example, about 5 .mu.sec), the energy of ions incident on the object to be processed 6 during this time, the constant bias voltage V B Lower than that corresponding to the value V BM . For the reasons described above, the ion energy incident on the object to be processed 6 is within the rise time t r of about time, lower than those corresponding to steady-state value V BM, yet is irregular. This is the reason for the above-mentioned problem that the energy width of ions is wide. When the energy width of the ions is wide, for example, the ion implantation depths become uneven. This is inconvenient especially for impurity implantation into a semiconductor.

【0017】バイアス電圧VB が定常値VBMに達する程
度の時間が経過すると、イオンシース22の広がり速度
は弱まるけれども、なお広がり続ける(図17C参
照)。この間も、イオンシース22内に残存する正イオ
ン24aは不揃いのエネルギーで被処理物6に入射する
けれどもそれはかなり減少しており、被処理物6に流れ
る電流Iの大部分は、プラズマ20から正規の(即ち定
常値VBMに相当する)エネルギーで加速される正イオン
24bによるものである。
When the time for the bias voltage V B to reach the steady value V BM elapses, the spreading speed of the ion sheath 22 decreases, but continues to spread (see FIG. 17C). During this time, the positive ions 24a remaining in the ion sheath 22 are incident on the object 6 with irregular energy, but they are considerably reduced. Most of the current I flowing through the object 6 is ( I.e. , corresponding to the steady-state value VBM ).

【0018】プラズマから引き出すことのできるイオン
電流は、一般的にチャイルド・ラングミュアの式と呼ば
れる次式の空間電荷制限電流Jで表される。ここで、V
P は印加電圧、qはイオンの電荷量、sは被処理物とプ
ラズマ端面(イオンシース面)間の距離、mはイオンの
質量、ε0 は真空の誘電率である。
The ion current that can be extracted from the plasma is represented by the following space charge limiting current J, which is generally called the child Langmuir equation. Where V
P is the applied voltage, q is the amount of charge of the ions, s is the distance between the object to be processed and the plasma end surface (ion sheath surface), m is the mass of the ions, and ε 0 is the dielectric constant of vacuum.

【0019】[0019]

【数1】J=(4/9)・ε0 (2q/m)1/2 ・VP
3/2 /s2
J = (4/9) · ε 0 (2q / m) 1/2 · V P
3/2 / s 2

【0020】即ち、イオンシース22が上記のように広
がるにつれて、その距離sの2乗に反比例して、プラズ
マ20から引き出される正イオン24bの量が減衰する
ため、図18B中のbに示すように、被処理物6に流れ
る電流Iは急激に減衰する。即ち、被処理物6に入射す
るイオンの量は急激に減衰する。これが上記に示し
た、イオン照射量を高めることができないという課題の
一因を成している。
That is, as the ion sheath 22 spreads as described above, the amount of the positive ions 24b extracted from the plasma 20 attenuates in inverse proportion to the square of the distance s, and as shown in FIG. Then, the current I flowing through the workpiece 6 attenuates rapidly. That is, the amount of ions incident on the processing object 6 rapidly attenuates. This contributes to the above-mentioned problem that the ion irradiation amount cannot be increased.

【0021】仮にバイアス電圧VB の定常値VBM=10
0kVとすると、プラズマ密度にもよるけれども、バイ
アス電圧VB 印加時点から例えば10μsec後には、
イオンシース面22aは被処理物6から5cm以上遠ざ
かる。バイアス電圧VB はプラズマ20と被処理物6と
の間に印加されているが、ここで異常放電の問題が起こ
る。この異常放電が起こる電圧Vは、パッシェンの法則
によって次式で表される。ここで、pは圧力、γは被処
理物6からの二次電子放出係数、λは圧力1Torrに
おける電子の平均自由行程、uは導入ガスのイオン化ポ
テンシャル、A=1/λ、B=u/λ、dは電界が形成
されている距離である。
Suppose that the steady value V BM of the bias voltage V B = 10
At 0 kV, although it depends on the plasma density, for example, 10 μsec after the bias voltage V B is applied,
The ion sheath surface 22a is separated from the object 6 by 5 cm or more. Although the bias voltage V B is applied between the plasma 20 and the processing object 6, a problem of abnormal discharge occurs here. The voltage V at which this abnormal discharge occurs is expressed by the following equation according to Paschen's law. Here, p is a pressure, γ is a secondary electron emission coefficient from the workpiece 6, λ is a mean free path of electrons at a pressure of 1 Torr, u is an ionization potential of an introduced gas, A = 1 / λ, and B = u / λ and d are distances at which the electric field is formed.

【0022】[0022]

【数2】V=Bpd/[ln(pd)+ln{A/ln
(1+1/γ)}]
V = Bpd / [ln (pd) + ln {A / ln
(1 + 1 / γ)}]

【0023】上記数2から、例えば窒素ガス中では2電
極間の距離dとガス圧力pとの積pdが2×10-2To
rr・cm以上では、2電極間に100kVの電圧が印
加されると、2電極間で異常放電(具体的にはアーク放
電)が生じることになる。つまり、バイアス電圧VB
定常値VBMを100kVとし、4mTorrの窒素ガス
圧とすると、イオンシース面22aが被処理物6から5
cm以上離れると、イオンシース22でパルス的な異常
放電が生じ、正常なイオン照射が困難になる。甚だしい
場合には、持続放電となり、バイアス電源26等を破損
することになる。
From the above equation (2), for example, in a nitrogen gas, the product pd of the distance d between the two electrodes and the gas pressure p is 2 × 10 -2 To.
Above rr · cm, when a voltage of 100 kV is applied between the two electrodes, abnormal discharge (specifically, arc discharge) occurs between the two electrodes. That is, when the steady value V BM of the bias voltage V B is 100 kV and the nitrogen gas pressure is 4 mTorr, the ion sheath surface 22 a
If the distance is more than 1 cm, abnormal pulse-like discharge occurs in the ion sheath 22, and normal ion irradiation becomes difficult. If it is severe, sustain discharge will occur, and the bias power supply 26 and the like will be damaged.

【0024】上記パッシェンの法則は、基本的には真空
中での法則であり、上記イオンシース22では、被処理
物6からの二次電子が大量に、しかもプラズマ20に向
けて加速されながら存在しているので、より異常放電が
生じやすい状況になる。
The above-mentioned Paschen's law is basically a law in a vacuum. In the above-mentioned ion sheath 22, a large amount of secondary electrons from the processing object 6 exist while being accelerated toward the plasma 20. As a result, abnormal discharge is more likely to occur.

【0025】このように、従来技術では、イオンシース
面22aが移動して(即ちイオンシース22の幅sが広
がって)異常放電が生じやすくなるため、被処理物6に
印加するバイアス電圧VB の大きさ(定常値VBM)およ
びパルス幅Wをあまり大きくすることができない。バイ
アス電圧VB の大きさをあまり大きくできないことが、
上記に示した、高エネルギーのイオン照射が困難であ
るという課題の理由である。パルス幅Wをあまり大きく
できないのは、その間にイオンシース22が広がり続け
るからであり、これが上記に示した、イオン照射量を
高めることができないという課題の他の要因を成してい
る。例えば、従来の装置では、典型的には、定常値VBM
が100kV程度、パルス幅Wが10μsec程度が限
度である。
As described above, in the prior art, since the ion sheath surface 22a moves (that is, the width s of the ion sheath 22 increases) and abnormal discharge easily occurs, the bias voltage V B applied to the workpiece 6 is increased. (Stationary value V BM ) and the pulse width W cannot be made too large. The fact that the magnitude of the bias voltage V B cannot be increased so much
This is the reason for the above-described problem that high-energy ion irradiation is difficult. The reason why the pulse width W cannot be made too large is that the ion sheath 22 continues to expand during that time, which constitutes another factor of the above-mentioned problem that the ion irradiation amount cannot be increased. For example, in a conventional device, typically, the steady-state value V BM
Is about 100 kV and the pulse width W is about 10 μsec.

【0026】このように、プラズマと被処理物との間に
形成されるイオンシースの広がりの大きいことが、上記
〜に示した課題の主な理由である。
As described above, the large spread of the ion sheath formed between the plasma and the object to be processed is the main reason for the above-mentioned problems.

【0027】そこでこの発明は、プラズマと被処理物と
の間に形成されるイオンシースの広がりを抑制すること
によって、被処理物に対する照射イオンエネルギーの均
一性の向上、イオン照射量の増大および照射イオンエネ
ルギーの上限の拡大を可能にすることを主たる目的とす
る。
Therefore, the present invention suppresses the spread of the ion sheath formed between the plasma and the object to be processed, thereby improving the uniformity of the ion energy applied to the object to be processed, increasing the ion irradiation amount, and irradiating the object. The main purpose is to allow the upper limit of ion energy to be increased.

【0028】[0028]

【課題を解決するための手段】この発明に係る表面処理
方法の一つは、前記被処理物の処理面に間隔をあけて対
向していて接地電位または正電位に電位の固定された多
孔電極を設けておき、かつ前記被処理物にパルス状また
は直流のバイアス電圧を印加することを特徴としている
(請求項1)。
According to one aspect of the present invention, there is provided a surface treatment method comprising: a porous electrode which is opposed to a treatment surface of an object to be treated with a space therebetween and has a fixed potential of a ground potential or a positive potential. And a pulsed or DC bias voltage is applied to the object to be processed (claim 1).

【0029】この発明に係る表面処理装置の一つは、前
記被処理物の処理面に間隔をあけて対向していて接地電
位または正電位に電位の固定された多孔電極を備えてお
り、かつ前記バイアス電源は、前記支持体に支持された
被処理物にパルス状または直流のバイアス電圧を印加す
るものであることを特徴としている(請求項7)。
One of the surface treatment apparatuses according to the present invention is provided with a porous electrode which is opposed to the treatment surface of the object to be treated at an interval and whose potential is fixed to a ground potential or a positive potential, and The bias power supply is configured to apply a pulsed or direct-current bias voltage to an object to be processed supported on the support (claim 7).

【0030】上記構成によれば、被処理物にバイアス電
圧が印加されていない状態では、プラズマは多孔電極の
開口部を通して被処理物の近傍にまで存在している。
According to the above configuration, when no bias voltage is applied to the object, the plasma exists near the object through the opening of the porous electrode.

【0031】被処理物に例えば負のパルス状のバイアス
電圧を印加すると、その電界がプラズマに及んでプラズ
マ中の電子が被処理物の周囲から弾き飛ばされて、プラ
ズマと被処理物との間にイオンシースが形成され、しか
もこのイオンシースは急激に広がるけれども、イオンシ
ース面が多孔電極の位置まで来ると、今度は電界は被処
理物と多孔電極との間に印加されるようになって、プラ
ズマ中の電子を弾き飛ばす作用はなくなるので、イオン
シースの広がりは止まる。この状態では、プラズマか
ら、多孔電極の開口部を通して、イオンが引き出され、
それが被処理物に照射される。この照射イオンのエネル
ギーは、被処理物に印加されるバイアス電圧の大きさに
ほぼ対応している。
When a negative pulse-like bias voltage is applied to the object to be processed, for example, the electric field reaches the plasma, and electrons in the plasma are repelled from the periphery of the object to be processed. Although an ion sheath is formed and this ion sheath expands rapidly, when the ion sheath surface comes to the position of the porous electrode, an electric field is applied between the object to be processed and the porous electrode. Since the effect of repelling electrons in the plasma is eliminated, the spread of the ion sheath stops. In this state, ions are extracted from the plasma through the opening of the porous electrode,
It is irradiated on the workpiece. The energy of the irradiation ions substantially corresponds to the magnitude of the bias voltage applied to the object.

【0032】このように、多孔電極によってイオンシー
スの広がりを抑制することができるので、被処理物に対
する照射イオンエネルギーの均一性の向上、イオン照射
量の増大および照射イオンエネルギーの上限の拡大が可
能になる。
As described above, since the spread of the ion sheath can be suppressed by the porous electrode, it is possible to improve the uniformity of the irradiation ion energy with respect to the object to be processed, increase the ion irradiation amount, and increase the upper limit of the irradiation ion energy. become.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】図1は、この発明に係る表面処理
装置の一例を示す断面図である。図16の従来例と同一
または相当する部分には同一符号を付し、以下において
は当該従来例との相違点を主に説明する。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a surface treatment apparatus according to the present invention. Portions that are the same as or correspond to those in the conventional example in FIG. 16 are denoted by the same reference numerals, and differences from the conventional example will be mainly described below.

【0034】この実施例の表面処理装置は、前述した被
処理物6の処理面(例えば上面)に間隔(距離D)をあ
けて対向するように配置された多孔電極40を備えてい
る。この多孔電極40は、この例では、導電性(例えば
金属製)の電極支持体46の上部に取り付けられてお
り、この電極支持体46を介して接地電位に固定されて
いる。電極支持体46は、接地された真空容器2に取り
付けられていて接地電位にある。
The surface treatment apparatus of this embodiment includes a porous electrode 40 arranged so as to face the processing surface (for example, the upper surface) of the above-mentioned workpiece 6 with an interval (distance D) therebetween. In this example, the porous electrode 40 is mounted on a conductive (for example, metal) electrode support 46, and is fixed to the ground potential via the electrode support 46. The electrode support 46 is attached to the grounded vacuum vessel 2 and is at ground potential.

【0035】多孔電極40は、この例のように接地電位
に固定するのが、電源が不要なので好ましいけれども、
要は電位が固定されていれば良いので、一定の正電位に
固定しても良い。但し、多孔電極40を負電位に固定す
ると、それにプラズマ20中の正イオンが引き込まれて
スパッタリングによって多孔電極40からスパッタ粒子
が叩き出されるので、負電位に固定するのは好ましくな
い。
It is preferable that the porous electrode 40 is fixed to the ground potential as in this example, since a power supply is unnecessary.
In short, since it is sufficient that the potential is fixed, the potential may be fixed at a constant positive potential. However, if the porous electrode 40 is fixed at a negative potential, the positive ions in the plasma 20 are drawn into the negative electrode, and sputtered particles are sputtered out of the porous electrode 40 by sputtering.

【0036】多孔電極40は、例えば、図2に示す例の
ように多数の小孔42を有するものでも良いし、図3に
示す例のように多数の例えば直径が1mm以下の金属細
線44を格子状に(メッシュ状に)配置したものでも良
いし、図4に示す例のように多数の例えば直径が1mm
以下の金属細線44を互いに平行に(すだれ状に)配置
したものでも良い。要は、導電部材間に多数の開口部を
有しておれば良い。
The porous electrode 40 may have, for example, a large number of small holes 42 as shown in FIG. 2 or a large number of fine metal wires 44 having a diameter of 1 mm or less as shown in FIG. They may be arranged in a lattice (in a mesh) or may be arranged in a large number, for example, 1 mm in diameter as shown in FIG.
The following metal thin wires 44 may be arranged in parallel (interdigital). In short, what is necessary is just to have many openings between conductive members.

【0037】前述したバイアス電源26は、この例で
は、負の直流電圧を出力する直流電源28と、この直流
電源28から出力される直流電圧を断続して負のパルス
状のバイアス電圧VB を出力するスイッチ30とを備え
ている。
In this example, the bias power supply 26 includes a DC power supply 28 for outputting a negative DC voltage and a DC voltage output from the DC power supply 28 intermittently to generate a negative pulse-like bias voltage V B. And an output switch 30.

【0038】上記表面処理装置において、真空容器2内
に前述したようにしてプラズマ20を生成したとき、被
処理物6にバイアス電圧VB が印加されていない状態で
は、プラズマ20は多孔電極40の開口部を通して被処
理物6の近傍にまで拡散して存在している。
In the above-described surface treatment apparatus, when the plasma 20 is generated in the vacuum vessel 2 as described above, and when the bias voltage V B is not applied to the workpiece 6, the plasma 20 is applied to the porous electrode 40. It is diffused through the opening to the vicinity of the workpiece 6 and exists.

【0039】被処理物6に、例えばこの例のように負の
パルス状のバイアス電圧VB を印加すると、前述したよ
うに、その電界がプラズマ20に及んでプラズマ20中
の電子が被処理物6の周囲から弾き飛ばされて、プラズ
マ20と被処理物6との間にイオンシース22(図5参
照)が形成され、しかもこのイオンシース22は急激に
広がるけれども、図5に示すように、イオンシース面2
2aが多孔電極40の位置まで来ると、今度は電界は被
処理物6と多孔電極40との間に印加されるようになっ
て、プラズマ20中の電子を弾き飛ばす作用はなくなる
ので、イオンシース22の広がりは止まる。この状態で
は、プラズマ20から、多孔電極40の開口部を通し
て、正イオン24が引き出され、それが被処理物6に照
射される。この多孔電極40を通して引き出されて被処
理物6に照射される正イオン24は、被処理物6と多孔
電極40との間に印加されるバイアス電圧VB によって
加速されるので、この照射イオン24のエネルギーは、
被処理物6に印加されるバイアス電圧VB の大きさにほ
ぼ対応している。即ちほぼVB [eV]になる。
When a negative pulse-like bias voltage V B is applied to the object 6, for example, as in this example, the electric field reaches the plasma 20 and the electrons in the plasma 20 are removed as described above. 6, an ion sheath 22 (see FIG. 5) is formed between the plasma 20 and the workpiece 6, and the ion sheath 22 spreads rapidly, but as shown in FIG. Ion sheath surface 2
When the electrode 2a reaches the position of the porous electrode 40, an electric field is applied between the object 6 to be processed and the porous electrode 40, and there is no action to repel electrons in the plasma 20. The spread of 22 stops. In this state, the positive ions 24 are extracted from the plasma 20 through the opening of the porous electrode 40, and the positive ions 24 are irradiated on the workpiece 6. This drawn through the porous electrode 40 by positive ions 24 which is delivered to the object 6 is accelerated by the bias voltage V B to be applied between the object to be processed 6 and the perforated electrode 40, the irradiated ion 24 The energy of
Substantially corresponds to the magnitude of the bias voltage V B applied to the article to be treated 6. That is, it is almost V B [eV].

【0040】このように、多孔電極40によってイオン
シース22の広がり(即ちイオンシース面22aの移
動)を抑制することができるので、被処理物6に対す
る照射イオンエネルギーの均一性の向上、イオン照射
量の増大および照射イオンエネルギーの上限の拡大が
可能になる。
As described above, the spread of the ion sheath 22 (that is, the movement of the ion sheath surface 22a) can be suppressed by the porous electrode 40, so that the uniformity of the irradiation ion energy with respect to the object 6 to be processed and the ion irradiation amount can be improved. And the upper limit of the irradiation ion energy can be increased.

【0041】これを詳述すると、イオンシース22の広
がりを抑制することによって、イオンシース22のボリ
ューム(体積)を従来例に比べて小さく抑えることがで
きるので、その分、イオンシース22内に残存していて
バイアス電圧VB よりも小さい加速エネルギーで加速さ
れて被処理物6に入射するイオン(図17に示した正イ
オン24a参照)の量を少なくすることができる。その
分、被処理物6に入射するイオンのエネルギーの不揃い
を少なくすることができる。これが、被処理物6に対す
る照射イオンエネルギーの均一性を向上させることがで
きる理由の一つである。
More specifically, by suppressing the spread of the ion sheath 22, the volume (volume) of the ion sheath 22 can be suppressed smaller than that of the conventional example, and accordingly, the volume of the ion sheath 22 remains in the ion sheath 22. the amount of ions (see positive ions 24a shown in FIG. 17) which are incident on the object to be processed 6 is accelerated with a smaller acceleration energy than the bias voltage V B can be reduced. As a result, it is possible to reduce the irregularity of the energy of ions incident on the processing target 6. This is one of the reasons why the uniformity of the irradiation ion energy with respect to the processing target 6 can be improved.

【0042】例えば、従来例ではイオンシース22の幅
は5cm〜10cm程度にまで広がっていたけれども、
この例では多孔電極40と被処理物6との間の距離Dを
1cm〜2cm程度にすることができ、そのようにする
と、イオンシース22のボリュームは従来例に比べて非
常に小さくなるので、バイアス電圧VB 以下のエネルギ
ーで被処理物6に入射するイオンを非常に少なくするこ
とができる。
For example, in the conventional example, the width of the ion sheath 22 is widened to about 5 cm to 10 cm.
In this example, the distance D between the porous electrode 40 and the processing target 6 can be set to about 1 cm to 2 cm. In such a case, the volume of the ion sheath 22 becomes very small as compared with the conventional example. the ions incident to the object to be processed 6 with energy below the bias voltage V B can be very small.

【0043】また、イオンシース22の広がりを抑制す
ることによって、上記数1中の距離sの増大を防止する
ことができるので、空間電荷制限電流Jの低下を防止す
ることができ、従って図6B中のbに示すように、被処
理物6に流れる電流Iの減衰を抑制することができる。
被処理物6に対するイオン照射量は、この電流Iと時間
との積(即ち図6B中または図18B中のカーブで囲ま
れた領域の面積S)に比例しており、この実施例によれ
ばこの面積Sが従来例(図18B参照)に比べて増大す
るので、被処理物6に対するイオン照射量を簡単に増大
させることができる。
Further, by suppressing the spread of the ion sheath 22, it is possible to prevent an increase in the distance s in the above equation (1), so that it is possible to prevent a decrease in the space charge limiting current J. As shown by b in the figure, the attenuation of the current I flowing through the processing target 6 can be suppressed.
The ion irradiation dose to the object 6 is proportional to the product of the current I and the time (that is, the area S of the region surrounded by the curve in FIG. 6B or FIG. 18B). Since the area S is increased as compared with the conventional example (see FIG. 18B), the amount of ion irradiation on the workpiece 6 can be easily increased.

【0044】しかもこのように面積Sが増大すると、バ
イアス電圧VB の立上り時間tr 中に低いエネルギーで
被処理物6に照射されるイオンの量(図6B中および図
18B中の面積Sr )が相対的に減ることになるので、
即ち被処理物6に照射されるイオン中に占めるエネルギ
ー不揃いイオンの量が減るので、この理由からも、被処
理物6に対する照射イオンエネルギーの均一性が向上す
る。
[0044] Moreover Thus the area S increases, the area in the bias voltage V amount of ions is delivered to the object 6 at a low energy during the rise time t r and B (Fig. And in Fig. 6B 18B S r ) Will be relatively reduced,
That is, since the amount of non-uniform energy ions in the ions irradiated to the processing target 6 is reduced, the uniformity of the irradiation ion energy to the processing target 6 is also improved for this reason.

【0045】更に、イオンシース22の広がりを抑制す
ることによって、上記数2中の距離dの増大を防止する
(即ち前記距離Dで止める)ことができるので、異常放
電が起こる電圧Vを高めることができる。その結果、被
処理物6に印加するバイアス電圧VB の定常値VBMを従
来例よりも大きくして、被処理物6により高エネルギー
のイオン照射が可能になる。即ち照射イオンエネルギー
の上限を拡大することができ、100keV以上の高エ
ネルギーのイオン照射も可能になる。
Further, by suppressing the spread of the ion sheath 22, it is possible to prevent the distance d in the above equation (2) from increasing (that is, stop at the distance D). Can be. As a result, the steady value V BM of the bias voltage V B applied to the processing target 6 is made larger than in the conventional example, so that the processing target 6 can perform high-energy ion irradiation. That is, the upper limit of the irradiation ion energy can be expanded, and ion irradiation of high energy of 100 keV or more can be performed.

【0046】また、イオンシース22の広がりを抑制す
ることによって、上記数2中の距離dを一定に止める
(即ち前記距離Dで止める)ことができるので、異常放
電防止の必要上から来るバイアス電圧VB の印加時間の
制限は、従来例と違って無くなる。即ち、バイアス電圧
B のパルス幅Wの上限が無くなり、パルス幅Wを長く
することができる。この理由からも、図6からも分かる
ように、被処理物6に対するイオン照射量を簡単に増大
させることができる。しかも、パルス幅Wを長くする
と、前述した低エネルギーイオン照射の行われる面積S
r の相対的な割合が更に減るので、被処理物6に照射さ
れるイオン中に占めるエネルギー不揃いイオンの量が減
り、照射イオンエネルギーの均一性が更に向上する。
Further, by suppressing the spread of the ion sheath 22, the distance d in the above equation (2) can be kept constant (that is, stopped at the distance D). application time limit of V B is eliminated unlike the conventional example. That is, there is no upper limit of the pulse width W of the bias voltage V B, it is possible to lengthen the pulse width W. For this reason as well, as can be seen from FIG. 6, it is possible to easily increase the amount of ion irradiation on the object 6 to be processed. Moreover, when the pulse width W is increased, the area S where the low-energy ion irradiation is performed is performed.
Since the relative ratio of r is further reduced, the amount of non-uniform energy ions in the ions irradiated to the processing target 6 is reduced, and the uniformity of the irradiation ion energy is further improved.

【0047】バイアス電圧VB のパルス幅Wは、上記の
ように異常放電防止の観点からは制限がないので、被処
理物6、支持体8および多孔電極40の熱許容範囲内で
あれば、極端に長くすることも可能であり、バイアス電
圧VB として直流電圧を印加することも可能である。
Since the pulse width W of the bias voltage V B is not limited from the viewpoint of preventing abnormal discharge as described above, if it is within the allowable heat range of the object 6, the support 8 and the porous electrode 40, it is also possible to extremely long, it is also possible to apply a DC voltage as the bias voltage V B.

【0048】また、従来例では前述したようにイオンシ
ース22の広がりが5〜10cm程度にもなるため、被
処理物6の周囲にこれ以上の空間を設けておく必要があ
り、その分、真空容器2が大型化して装置の占有面積が
大きいという課題もあったけれども、この発明では前述
したようにイオンシース22の広がりを多孔電極40で
抑制することができるので、被処理物6の周囲に従来例
ほどの空間を設けておく必要はなく、その分、装置の占
有面積を小さくすることができる。
In the conventional example, as described above, the spread of the ion sheath 22 is about 5 to 10 cm. Therefore, it is necessary to provide a further space around the object 6 to be processed, and the vacuum Although there was a problem that the size of the container 2 was large and the area occupied by the apparatus was large, in the present invention, the spread of the ion sheath 22 can be suppressed by the porous electrode 40 as described above. It is not necessary to provide a space as in the conventional example, and the area occupied by the device can be reduced accordingly.

【0049】なお、当然のことながら、被処理物6と多
孔電極40との間の上記距離Dは、上記数2に示したパ
ッシェンの法則から導き出される距離以下として、多孔
電極40と被処理物6との間で異常放電が起こらないよ
うにしておく。即ち、上記距離Dは次式で決定される値
以下にしておく。
It should be noted that the distance D between the object 6 and the porous electrode 40 is, as a matter of course, less than or equal to the distance derived from Paschen's law shown in Equation 2 above. 6 so that abnormal discharge does not occur. That is, the distance D is set to be equal to or less than the value determined by the following equation.

【0050】[0050]

【数3】V[ln(pD)+ln{A/ln(1+1/
γ)}]=BpD
V [ln (pD) + lnpA / ln (1 + 1 /
γ)}] = BpD

【0051】但し、この距離Dがあまり小さくて多孔電
極40が被処理物6に近づき過ぎると、多孔電極40の
陰になってイオンが殆ど照射されない領域が被処理物6
上に生じるので好ましくない。これは、多孔電極40を
前述した金属細線44で構成することによってかなり防
止することができる。例えば、直径が0.5mm程度以
下の金属細線44で多孔電極40を形成し、それを被処
理物6から1cm〜2cm程度の距離Dの位置に配置す
るのが好ましく、そのようにすれば、上記陰の問題は無
視し得る程度になる。
However, if the distance D is so small that the porous electrode 40 is too close to the object 6, a region to which the ions are hardly irradiated due to the shadow of the porous electrode 40 is formed.
It is not preferable because it occurs above. This can be considerably prevented by forming the porous electrode 40 with the thin metal wires 44 described above. For example, it is preferable to form the porous electrode 40 with a thin metal wire 44 having a diameter of about 0.5 mm or less, and arrange it at a position of a distance D of about 1 cm to 2 cm from the workpiece 6. The shadow problem is negligible.

【0052】多孔電極40は、プラズマ20に曝されて
おり、このプラズマ20からの熱によって多孔電極40
の歪みが問題になる場合は、例えば、多孔電極40の周
縁部を水冷等によって冷却したり、被処理物6にバイア
ス電圧VB を印加しないときはプラズマ20の生成を停
止する等の、多孔電極40に対する熱入力を軽減する手
段を講じるのが好ましい。後述するプラズマ生成をオン
オフする実施例(図7等参照)は、多孔電極40に対す
るプラズマ20からの熱入力を軽減する効果も奏する。
The porous electrode 40 is exposed to the plasma 20, and the heat from the plasma 20 causes the porous electrode 40 to be exposed.
If the distortion of a problem, for example, such as or cooled by water cooling or the like periphery of the porous electrode 40, when no bias voltage is applied to V B to be treated 6 is to stop the generation of the plasma 20, porous Preferably, measures are taken to reduce the heat input to the electrodes 40. The embodiment of turning on / off the plasma generation described later (see FIG. 7 and the like) also has an effect of reducing the heat input from the plasma 20 to the porous electrode 40.

【0053】上記多孔電極40や電極支持体46は、接
地電位(または正電位)に維持され、プラズマ20から
の加速イオンの入射によるスパッタは受けないので、不
純物を発生する要因ではないが、ごく微量の不純物発生
でも問題になる場合は、上記多孔電極40および/また
は電極支持体46を、被処理物6に混入しても問題のな
い物質で構成するか、またはそのような物質で被覆して
おくのが好ましい。被処理物6に入射しても問題のない
物質とは、より具体的には被処理物6と同系の物質であ
る。例えば、被処理物6がシリコン基板の場合は、シリ
コンまたはシリコン系の物質である。
The porous electrode 40 and the electrode support 46 are maintained at a ground potential (or a positive potential) and are not subjected to sputtering due to the incidence of accelerated ions from the plasma 20. If the generation of a small amount of impurities causes a problem, the porous electrode 40 and / or the electrode support 46 may be made of a material which does not cause a problem even if it is mixed into the processing object 6, or coated with such a material. It is preferable to keep it. The substance that does not cause a problem even if it enters the processing target 6 is, more specifically, a substance having the same system as the processing target 6. For example, when the object 6 is a silicon substrate, it is silicon or a silicon-based material.

【0054】不純物発生要因になるのは、むしろ、負の
バイアス電圧VB を印加する場合の支持体8であり、そ
の場合は、上記と同様、この支持体8を被処理物6に混
入しても問題のない物質、より具体的には被処理物6と
同系の物質で構成するかまたは被覆しておくのが好まし
い。
[0054] become impurity generation factor, but rather, a support 8 in the case of applying a negative bias voltage V B, case, as described above, mixed with the support 8 to be treated 6 However, it is preferable that the material to be treated is composed of a substance having no problem, more specifically, a substance having the same system as that of the object 6 to be treated or coated.

【0055】被処理物6は、例えば半導体基板等の平板
状の基板であり、その場合は多孔電極40も平板状で良
い。被処理物6が3次元形状をしている場合は、多孔電
極40をこの被処理物6の形状に沿う形状にすれば良
い。そのようにすれば、3次元形状の被処理物6に対し
ても、前述した種々の効果を奏するイオン照射を行うこ
とができる。
The object 6 is a flat substrate such as a semiconductor substrate. In this case, the porous electrode 40 may be flat. When the object 6 has a three-dimensional shape, the porous electrode 40 may have a shape conforming to the shape of the object 6. By doing so, it is possible to perform ion irradiation that exhibits the various effects described above even on the three-dimensionally processed object 6.

【0056】上記図1に示した実施例の装置や方法の好
適な用途の一つに半導体基板への不純物注入がある。半
導体装置分野では年々微細化が進み、近い将来、50n
m以下のごく浅い領域に不純物をドーピング(注入)す
ることが求められる。このためには1keV程度以下の
低エネルギーでイオンを注入しなければならないが、従
来のイオン源を用いたイオン注入装置では、引出し電圧
の低下に起因するビーム電流の低下(簡単に言えば、ビ
ーム電流は引出し電圧の3/2乗に比例する)とビーム
発散の増大とによってビーム電流が低下し、十分なスル
ープットが得られない。
One suitable application of the apparatus and method of the embodiment shown in FIG. 1 is for impurity implantation into a semiconductor substrate. In the field of semiconductor devices, miniaturization progresses year by year, and in the near future, 50 n
It is required to dope (implant) impurities into a very shallow region of m or less. For this purpose, ions must be implanted with a low energy of about 1 keV or less. However, in an ion implantation apparatus using a conventional ion source, a reduction in beam current due to a reduction in extraction voltage (in short, the beam current). The current is proportional to the 3/2 power of the extraction voltage) and the beam divergence increases, so that the beam current decreases, and a sufficient throughput cannot be obtained.

【0057】これに対して、図16に示した従来のプラ
ズマイマージョン法による表面処理装置によれば、上記
のような低エネルギーイオン注入の場合でも比較的高い
スループットを得ることができる。更に図1に示した実
施例の装置や方法によれば、上記のような低エネルギー
イオン注入の場合でも、前述したようにイオン照射量を
簡単に増大させることができるので、スループットを簡
単に更に高めることができる。しかも、前述したように
照射イオンエネルギーの均一性が良いので、注入深さの
制御性にも優れている。
On the other hand, according to the surface treatment apparatus using the conventional plasma immersion method shown in FIG. 16, a relatively high throughput can be obtained even in the case of the low energy ion implantation as described above. Further, according to the apparatus and method of the embodiment shown in FIG. 1, even in the case of the low energy ion implantation as described above, the ion irradiation amount can be easily increased as described above, so that the throughput can be further reduced. Can be enhanced. In addition, since the irradiation ion energy has good uniformity as described above, the controllability of the implantation depth is excellent.

【0058】次に、他の実施例を説明する。但し、以下
においては、上記実施例との相違点、または各実施例間
の相違点を主体に説明する。
Next, another embodiment will be described. However, the following mainly describes differences from the above-described embodiments or differences between the embodiments.

【0059】図7の実施例は、図1の実施例を更に発展
させて、プラズマ生成をオンオフすると共に、オン期間
中に負のパルス状のバイアス電圧VB を被処理物6に印
加するものである。
[0059] Example 7 is further development of the embodiment of FIG. 1, the turning on and off the plasma generation, a negative pulsed bias voltage V B during the on-period shall be applied to the article to be treated 6 It is.

【0060】即ち、この実施例では、上記プラズマ生成
手段によるプラズマ20の生成を周期的にオンオフ(断
続)させるスイッチング手段として、この例では、高周
波電源16に直列にスイッチ48を挿入しており、この
スイッチ48によって、支持体8と高周波コイル14と
の間に供給する高周波電力RFをオンオフしてプラズマ
生成をオンオフするようにしている。
That is, in this embodiment, a switch 48 is inserted in series with the high-frequency power supply 16 as switching means for periodically turning on and off (intermittently) the generation of the plasma 20 by the plasma generating means. The switch 48 turns on / off the high-frequency power RF supplied between the support 8 and the high-frequency coil 14 to turn on / off the plasma generation.

【0061】更に、上記スイッチ48およびバイアス電
源26内のスイッチ30を、互いに同期させて、しかも
スイッチ48のオン時点から所定の期間内にスイッチ3
0がオンするというタイミング(時間差)で、周期的に
オンオフさせるタイミング制御回路50を設けている。
Further, the switch 48 and the switch 30 in the bias power supply 26 are synchronized with each other, and the switch 3 is turned on within a predetermined period after the switch 48 is turned on.
A timing control circuit 50 that periodically turns on and off at a timing (time difference) when 0 turns on is provided.

【0062】図7の実施例における高周波電力RF、プ
ラズマ20からの発光強度IP 、プラズマ密度NP およ
びバイアス電圧VB の時間変化の一例を図8に示す。高
周波電力RFのオン直後に発光強度IP およびプラズマ
密度NP は急激に上昇し、時間t3 経過後に定常状態に
移行する。プラズマ密度NP は、高周波電力RFのオン
時点から時間t1 後に定常状態の値以上になり、時間t
2 後に最大値に達する。t1 は約5〜10μsec、t
2 は約100〜200μsec、t3 は約500μse
c〜1msecである。
FIG. 8 shows an example of changes over time of the high-frequency power RF, the emission intensity I P from the plasma 20, the plasma density N P and the bias voltage V B in the embodiment of FIG. Immediately after the high-frequency power RF is turned on, the light emission intensity I P and the plasma density N P rapidly increase, and shift to a steady state after a lapse of time t 3 . The plasma density N P becomes equal to or higher than the value in the steady state after time t 1 from the time when the high-frequency power RF is turned on.
After 2 the maximum is reached. t 1 is about 5 to 10 μsec, t
2 about 100~200μsec, t 3 is about 500μse
c to 1 msec.

【0063】従って、スイッチ48のオン時点からスイ
ッチ30のオン時点までの時間t4を、t1 ≦t4 ≦t
3 とすることによって、具体的にはt4 を好ましくは5
μsec〜1msec、より好ましくは10μsec〜
500μsecにすることによって、定常プラズマより
も高密度のプラズマ20からイオンを引き出してそれを
被処理物6に照射することができるので、被処理物6に
対するイオン照射量を簡単により増大させることができ
る。例えば、他の条件を同じにした場合、図1の実施例
よりもイオン照射量を10〜30%程度増大させること
ができる。
Accordingly, the time t 4 from the time when the switch 48 is turned on to the time when the switch 30 is turned on is defined as t 1 ≦ t 4 ≦ t
By setting it to 3 , specifically, t 4 is preferably 5
μsec to 1 msec, more preferably 10 μsec to
By setting the time to 500 μsec, ions can be extracted from the plasma 20 having a higher density than that of the steady plasma and can be irradiated to the object 6, so that the amount of ion irradiation on the object 6 can be easily increased. . For example, when other conditions are the same, the ion irradiation amount can be increased by about 10 to 30% as compared with the embodiment of FIG.

【0064】なお、高周波電力RFをオンオフしてプラ
ズマ生成をオンオフする周波数およびバイアス電圧VB
をオンオフする周波数(共に図8では1/T)は、あま
り高いとオフ期間中にプラズマ20が消滅しきれず、図
8で説明したプラズマ生成に伴う発光強度IP の急上昇
およびプラズマ密度NP の上昇が得られず、実験結果か
ら、100kHzが上限である。また、上記周波数があ
まり低いと生産性が極端に低下するので、10Hz以上
が適当である。即ち、上記周波数は、10Hz〜100
kHzの範囲内が好ましく、100Hz〜1kHzの範
囲内がより好ましい。
The frequency and the bias voltage V B at which the high-frequency power RF is turned on and off to turn on and off the plasma generation.
Frequency (both 1 / T in FIG. 8) for turning on and off the can, not completely extinguished plasma 20 in too high an off period, the spike and the plasma density N P of the emission intensity I P with the plasma generation described with reference to FIG. 8 No increase was obtained, and from experimental results, 100 kHz is the upper limit. Further, if the frequency is too low, the productivity is extremely reduced, so that 10 Hz or more is appropriate. That is, the frequency is 10 Hz to 100
It is preferably in the range of kHz, more preferably in the range of 100 Hz to 1 kHz.

【0065】図9の実施例は、図7の実施例を更に発展
させて、CVD(化学気相成長)装置として利用するの
に好適な実施例である。
The embodiment of FIG. 9 is a further development of the embodiment of FIG. 7 and is suitable for use as a CVD (chemical vapor deposition) apparatus.

【0066】即ちこの実施例では、基板のような被処理
物6を加熱する加熱手段の一例としてランプヒータ54
を設けている。電極支持体46には、このランプヒータ
54からの熱を通す複数の穴52を設けている。真空容
器2内へはガス12として原料ガスを導入する。
That is, in this embodiment, the lamp heater 54 is used as an example of a heating means for heating the workpiece 6 such as a substrate.
Is provided. The electrode support 46 has a plurality of holes 52 through which heat from the lamp heater 54 passes. A source gas is introduced into the vacuum vessel 2 as the gas 12.

【0067】この実施例によれば、プラズマ20による
TiCl4 等の原料ガス12の解離および被処理物6へ
の堆積と同時に、被処理物6に負のパルス状のバイアス
電圧VB を印加して正イオンを照射することが可能であ
り、これによって、密着性、結晶性、配向性等を制御し
ながら、被処理物6上に薄膜を堆積させることができ
る。
According to this embodiment, simultaneously with the dissociation of the source gas 12 such as TiCl 4 by the plasma 20 and the deposition on the workpiece 6, a negative pulse-like bias voltage V B is applied to the workpiece 6. Thus, it is possible to deposit a thin film on the workpiece 6 while controlling adhesion, crystallinity, orientation, and the like.

【0068】しかも、多孔電極40を有していて、前述
したように照射イオンエネルギーの不揃いを防止してイ
オンエネルギーを高精度で制御することができるので、
上記膜特性を高精度でしかも再現性良く制御することが
できる。
Further, since the porous electrode 40 is provided, it is possible to control the ion energy with high accuracy by preventing the irradiation ion energy from being irregular as described above.
The film characteristics can be controlled with high accuracy and high reproducibility.

【0069】また、SiH4 等のように、原料ガス12
の種類によっては、プラズマ20中に微粒子が発生し、
膜特性に悪影響を及ぼす場合があるけれども、プラズマ
生成を周期的にオンオフすることにより、微粒子の成長
を抑制できることが知られている。従ってこの実施例で
は、プラズマ生成を周期的にオンオフして微粒子の成長
を抑制すると共に、オン期間中に被処理物6に正イオン
を照射して上記のような膜特性の制御を行うことができ
る。
Further, the raw material gas 12 such as SiH 4 is used.
Depending on the type, fine particles are generated in the plasma 20,
It is known that the growth of fine particles can be suppressed by periodically turning on and off the plasma generation, although this may adversely affect the film properties. Therefore, in this embodiment, the generation of fine particles is suppressed by periodically turning on and off the plasma generation, and the above-described film characteristics are controlled by irradiating the processing target 6 with positive ions during the on period. it can.

【0070】図10の実施例は、図7の実施例を変形し
て、プラズマ生成を周期的にオンオフし、オフ期間中に
被処理物6に正のパルス状のバイアス電圧VB を印加し
て、被処理物6に負イオンを照射するものである。
The embodiment of FIG. 10 is a modification of the embodiment of FIG. 7, in which plasma generation is periodically turned on and off, and a positive pulse-like bias voltage V B is applied to the object 6 during the off period. Thus, the workpiece 6 is irradiated with negative ions.

【0071】そのためにこの実施例では、上記バイアス
電源26中の直流電源28の極性を反対にして、支持体
8に支持された被処理物6に正のパルス状のバイアス電
圧VB を印加するバイアス電源27を、上記バイアス電
源26の代わりに設けている。また、上記のようなタイ
ミング制御回路50の代わりに、上記二つのスイッチ4
8およびバイアス電源27内のスイッチ30を、互いに
同期させて、しかもスイッチ48のオフ時点から所定の
期間内にスイッチ30がオンするというタイミング(時
間差)で、周期的にオンオフさせるタイミング制御回路
51を設けている。
For this purpose, in this embodiment, the polarity of the DC power supply 28 in the bias power supply 26 is reversed, and a positive pulse-like bias voltage V B is applied to the workpiece 6 supported on the support 8. A bias power supply 27 is provided instead of the bias power supply 26. Also, instead of the timing control circuit 50 as described above, the two switches 4
8 and the switch 30 in the bias power supply 27 are synchronized with each other, and a timing control circuit 51 for periodically turning on and off at a timing (time difference) that the switch 30 is turned on within a predetermined period from the time when the switch 48 is turned off. Provided.

【0072】図10の実施例における高周波電力RF、
プラズマ20中の電子密度NE 、負イオン密度NI およ
びバイアス電圧VB の時間変化の一例を図11に示す。
高周波電力RFのオフに伴ってプラズマ20内の電子密
度NE は急速に(5μsec程度で)低下し、1〜2e
V程度の低エネルギー電子が支配的なプラズマとなる。
これに分子あるいは励起分子が付着解離して、負イオン
が生成される。電子密度NE は負イオン密度NI と逆比
例するかのように急速に減衰し(即ち負イオン密度NI
は急速に増大し)、高周波電力RFオフ後、約10μs
ec以降では、正イオンと負イオンが支配的な特異なプ
ラズマが形成される。負イオン密度NIは、高周波電力
RFオフ後約30〜40μsecで最大値に達し、その
後徐々に減衰し、高周波電力RFオフ後1msec程度
でほぼ0になる。
The high-frequency power RF in the embodiment of FIG.
Electron density N E in the plasma 20, an example of time change of the negative ion density N I and the bias voltage V B shown in FIG. 11.
Electron density N E radio frequency power RF in the plasma 20 with the off rapidly decreases (at about 5μsec), 1~2e
Low-energy electrons of about V become dominant plasma.
Molecules or excited molecules are attached to and dissociated from this, generating negative ions. Electron density N E is rapidly attenuated as the negative ion density N I and either inversely proportional to (i.e. negative ion density N I
Rapidly increases), and after the RF power RF is turned off, about 10 μs
After ec, a unique plasma in which positive ions and negative ions are dominant is formed. Negative ion density N I reaches a maximum at about 30~40μsec after high-frequency power RF off, then gradually attenuates, becomes substantially zero at 1msec about after high-frequency power RF off.

【0073】電子が豊富なプラズマ20のときに被処理
物6に正のバイアス電圧VB を印加しても、被処理物6
に入射するのは軽くて移動度の高い電子が殆どであり、
被処理物6に負イオン照射を行うことはできない。とこ
ろが、上記のようにプラズマ生成をオンオフすることに
よって特異なプラズマを形成し、その負イオン密度NI
の高い期間内に、具体的には電子密度NE が負イオン密
度NI の概ね1/10以下となる期間内に、より具体的
には高周波電力RFオフ時点から10μsec後〜1m
sec後の期間内に、被処理物6に正のパルス状のバイ
アス電圧VB を印加することによって、被処理物6に負
イオン照射を行うことができる。そのために、タイミン
グ制御回路51は、スイッチ48のオフから時間t5
け遅れさせてスイッチ30をオンさせるようにしてい
る。この時間t5 は、上記のように10μsec〜1m
secが好ましく、20μsec〜200μsecがよ
り好ましい。後者の方が、被処理物6に対する負イオン
の照射量をより増大させることができる。
Even when a positive bias voltage V B is applied to the object 6 when the plasma 20 is rich in electrons, the object 6
Most of the electrons that are incident on are light and have high mobility,
The workpiece 6 cannot be irradiated with negative ions. However, by turning on and off the plasma generation as described above, a unique plasma is formed, and its negative ion density N I
More specifically, within a period in which the electron density N E becomes approximately 1/10 or less of the negative ion density N I , more specifically, 10 μsec to 1 m after the high-frequency power RF is turned off.
within a period of post-sec, by applying a positive pulse-shaped bias voltage V B to the object to be processed 6, it is possible to perform the negative ion irradiated to the article to be treated 6. Therefore, the timing control circuit 51 is so as to turn the switch 30 from OFF switch 48 let delayed time t 5. This time t 5 is 10 μsec to 1 m as described above.
sec is preferable, and 20 μsec to 200 μsec is more preferable. In the latter case, the irradiation amount of the negative ions on the object 6 can be further increased.

【0074】しかも、図10の実施例のように多孔電極
40を設けておくことにより、前述した理由から、負イ
オン照射においても、照射イオンエネルギーの均一性の
向上、イオン照射量の増大および照射イオンエネルギー
の上限の拡大が可能になる。
Further, by providing the porous electrode 40 as in the embodiment of FIG. 10, for the reasons described above, the uniformity of the irradiation ion energy, the increase of the ion irradiation amount, and the irradiation The upper limit of the ion energy can be increased.

【0075】上記図10に示した装置や方法は、例え
ば、Si基板、SiC基板、SiGe基板等のSiを
含む基板に酸素イオンを注入することによって、基板中
に埋め込み酸化膜層を形成してSIMOX(Separated
by IMplanted OXygen )基板を作製する方法、または
Si基板、SiC基板、SiGe基板等のSiを含む基
板に水素イオンを注入し、その後380℃以上に加熱す
ることによって基板中にボイド(空孔)を形成する方
法、等に利用することができる。
In the apparatus and method shown in FIG. 10, for example, a buried oxide film layer is formed in a substrate by injecting oxygen ions into a substrate containing Si, such as a Si substrate, a SiC substrate, or a SiGe substrate. SIMOX (Separated
by IMplanted OXygen) A method of fabricating a substrate, or implanting hydrogen ions into a substrate containing Si such as a Si substrate, a SiC substrate, or a SiGe substrate, and then heating the substrate to 380 ° C. or higher to form voids (voids) in the substrate. It can be used for a forming method and the like.

【0076】上記のボイドを形成する方法では、水素
イオン注入の代わりにヘリウムイオン注入を行っても良
いけれども、ヘリウムは負イオンが生成されないため、
ヘリウムイオン注入を行う場合は、図1等に示した正イ
オンを照射・注入する装置や方法を用いれば良い。
In the above method for forming voids, helium ions may be implanted instead of hydrogen ions, but helium does not generate negative ions.
When helium ion implantation is performed, an apparatus or method for irradiating and implanting positive ions shown in FIG. 1 and the like may be used.

【0077】更に近年はエッチング分野、特に半導体の
エッチング分野においても負イオンが注目されている。
これは、正イオンによるエッチングに比べて負イオンに
よるエッチングの方がエッチングレートが数倍高いこと
が明らかになってきたからである。従ってこのようなエ
ッチング分野における負イオン照射にも、上記図10に
示した装置や方法を用いれば好都合である。
Further, in recent years, negative ions have attracted attention in the field of etching, particularly in the field of etching semiconductors.
This is because it has become clear that the etching rate is several times higher in etching with negative ions than in etching with positive ions. Therefore, it is convenient to use the apparatus and method shown in FIG. 10 for negative ion irradiation in the field of etching.

【0078】特に近年は、半導体装置の高集積化に伴っ
て、エッチングの難しい高・強誘電体やPt等の電極材
料を高速度でエッチングする要求が高まっているが、図
10あるいは次の図12の実施例の構成で、Cl- 、F
- 等の負イオンを高精度でエネルギー制御して大量に照
射することにより、高速度かつ制御性の良いエッチング
が可能となる。
In particular, in recent years, with the increase in the degree of integration of semiconductor devices, there has been an increasing demand for high-speed etching of electrode materials such as high / ferroelectric materials and Pt which are difficult to etch. In the configuration of the twelfth embodiment, Cl , F
- By mass irradiated with energy control negative ions with high precision, such as, it is possible to speed and controllability good etching.

【0079】負イオン生成に関しては、他の手段とし
て、プラズマ生成領域と基板(被処理物)との間に多孔
電極を設け、これに通電して当該多孔電極面内で100
ガウス以下の磁場を形成したり、この多孔電極の電位を
0V〜−50Vまたは浮遊電位にすることによって、多
孔電極と基板との間に1〜2eV以下の低エネルギーの
電子が豊富なプラズマを生成し、負イオンの生成を効率
的にして負イオンが高密度のプラズマを生成する技術が
既に提案されている。例えば、"Electron and Ion Ener
gy Control in a Radio Frequency Discharge Plasma w
ith Silane", Jpn. J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp4547-4
550 Part1,No.7B,July 1997 参照。
As for the negative ion generation, as another means, a porous electrode is provided between the plasma generation region and the substrate (object to be processed), and a current is supplied to the porous electrode within the surface of the porous electrode.
By generating a magnetic field of less than Gauss or setting the potential of this porous electrode to 0 V to -50 V or a floating potential, a plasma rich in low-energy electrons of 1 to 2 eV or less is generated between the porous electrode and the substrate. However, techniques for efficiently generating negative ions and generating plasma with high density of negative ions have already been proposed. For example, "Electron and Ion Ener
gy Control in a Radio Frequency Discharge Plasma w
ith Silane ", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997) pp4547-4
See 550 Part1, No. 7B, July 1997.

【0080】図12の実施例は、言わば、図10の実施
例に、上記負イオンが高密度のプラズマを生成する技術
を組み合わせたものである。
The embodiment shown in FIG. 12 is a combination of the embodiment shown in FIG. 10 and the technique for generating a plasma in which the above-mentioned negative ions are dense.

【0081】即ちこの実施例では、前述した多孔電極4
0の被処理物6とは反対側に第2多孔電極60を多孔電
極40から離して設け、この第2多孔電極60に直流電
源66から0V〜−50Vの直流電圧を印加してバイア
スするようにしている。第2多孔電極60は、例えば筒
状の絶縁物70によって多孔電極40から離して支持さ
れている。68は絶縁物である。
That is, in this embodiment, the porous electrode 4 described above is used.
The second porous electrode 60 is provided on the opposite side of the object 6 to be treated away from the porous electrode 40, and a DC voltage of 0 V to −50 V is applied to the second porous electrode 60 from the DC power supply 66 to bias the second porous electrode 60. I have to. The second porous electrode 60 is supported apart from the porous electrode 40 by, for example, a cylindrical insulator 70. 68 is an insulator.

【0082】この第2多孔電極60も、前述した多孔電
極40と同様、多数の小孔を有するものでも良いし、金
属細線を格子状またはすだれ状に配置したものでも良
い。
The second porous electrode 60 may have a large number of small holes as in the case of the above-described porous electrode 40, or may have a thin metal wire arranged in a grid or in a comb.

【0083】このような第2多孔電極60を設けてこれ
を上記電位にバイアスしておくと、プラズマ20の生成
中に、多孔電極40と第2多孔電極60との間に、1〜
2eV以下の低エネルギーの電子が豊富なプラズマが生
成され、それによって負イオンの生成が効率的になり、
負イオンが高密度のプラズマ72が生成される。
When such a second porous electrode 60 is provided and biased to the above potential, during the generation of the plasma 20, between the porous electrode 40 and the second porous electrode 60,
A low-energy electron-rich plasma of 2 eV or less is generated, which makes the generation of negative ions efficient,
A plasma 72 having a high density of negative ions is generated.

【0084】しかも、プラズマ20の生成をオンオフす
ることによって、前述した理由から(図11の説明参
照)、オフ時点から10μsec後〜1msec後の期
間内にプラズマ20および72中の負イオン密度が大き
く上昇する。そしてこの期間内にバイアス電源27から
正のパルス状のバイアス電圧VB を被処理物6に印加す
ることによって、被処理物6に対してより高密度の負イ
オン照射が可能になる。
Further, by turning on and off the generation of the plasma 20, the negative ion density in the plasmas 20 and 72 is increased within a period of 10 μsec to 1 msec after the off time for the reason described above (see the description of FIG. 11). To rise. And by applying the bias power source 27 within the time a positive pulse-shaped bias voltage V B to the object to be processed 6, allowing higher density of the negative ion irradiated to the article to be treated 6.

【0085】上記第2多孔電極60は、浮遊電位にして
も良い。また、図13に示す例のように、第2多孔電極
60を金属細線64で構成してそれに図示しない直流電
源から電流ID を流すことによって、当該第2多孔電極
60の面内で0ガウスより大かつ100ガウス以下の磁
場65を形成するようにしても良い。
The second porous electrode 60 may have a floating potential. Also, as shown in FIG. 13, the second porous electrode 60 is formed of a thin metal wire 64, and a current ID is supplied from a DC power supply (not shown) to the second porous electrode 60 so that 0 gauss is generated in the plane of the second porous electrode 60. A larger magnetic field 65 of 100 Gauss or less may be formed.

【0086】図12に示す技術を、MOCVD(有機金
属化学気相成長)法による薄膜形成に用いる場合の実施
例を図14に示す。
FIG. 14 shows an embodiment in which the technique shown in FIG. 12 is used for forming a thin film by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).

【0087】半導体装置の分野では、微細化の進展に伴
い、キャパシタ材料の高誘電率化が図られている。ま
た、BST(即ち(Ba,Sr)TiO3 )薄膜は、次
世代キャパシタ材料の最有力候補として注目されてお
り、段差被覆性の優位性から、MOCVD法での研究が
進められている。
In the field of semiconductor devices, with the progress of miniaturization, the dielectric constant of capacitor materials has been increased. Also, a BST (ie, (Ba, Sr) TiO 3 ) thin film is attracting attention as a leading candidate for a next-generation capacitor material, and research on the MOCVD method is being promoted due to its superior step coverage.

【0088】従来の通常のMOCVD法では、基板を5
00℃程度以上に加熱しなければならず、この基板温度
を下げるために、ECRプラズマ(電子サイクロトロン
共鳴を利用して生成したプラズマ)で酸素ラジカルや準
安定状態の酸素分子を作り、これを基板に入射させるこ
とによって基板温度の低温化を図る試みが成されてい
る。
In the conventional ordinary MOCVD method, the substrate is
In order to lower the temperature of the substrate, oxygen radicals and metastable oxygen molecules are produced by ECR plasma (plasma generated by using electron cyclotron resonance). Attempts have been made to lower the substrate temperature by making the light incident on the substrate.

【0089】しかし、このようなECRプラズマで酸素
ラジカルを作る方法では、気相中でBa(DPM)2
Sr(DPM)2 等の有機原料(DPMは、ジピバロイ
ルメタン)が混ざり、これが酸素ラジカルと結合して微
粒子が大量に発生して基板上に堆積し、これが膜の結晶
性、組成比等を悪化させて、誘電率等の膜特性を低下さ
せる原因になっている。
However, in the method of producing oxygen radicals using such ECR plasma, organic materials (DPM is dipivaloylmethane) such as Ba (DPM) 2 and Sr (DPM) 2 are mixed in the gas phase, This combines with oxygen radicals to generate a large amount of fine particles and deposits on the substrate, which deteriorates the crystallinity, composition ratio and the like of the film and causes deterioration of film characteristics such as dielectric constant.

【0090】これに対して、図14の実施例では、原料
ガス供給部76からのBa(DPM)2 、Sr(DP
M)2 等の有機金属原料ガス78を、前述した多孔電極
40と第2多孔電極60との間の領域に導入するように
構成している。74は筒体である。前述したガス供給部
10からは、ガス12としてO2 ガス、N2Oガス等を
導入する。その他の構成は図12の実施例と同様であ
る。
On the other hand, in the embodiment of FIG. 14, Ba (DPM) 2 , Sr (DP
M) An organic metal source gas 78 such as 2 is introduced into the region between the porous electrode 40 and the second porous electrode 60 described above. 74 is a cylinder. O 2 gas, N 2 O gas or the like is introduced as the gas 12 from the gas supply unit 10 described above. Other configurations are the same as those of the embodiment of FIG.

【0091】図12の実施例で説明したように、多孔電
極40と第2多孔電極60間の領域では電子温度が1〜
2eV以下と低いため、有機金属原料ガス78の解離は
抑制される。微粒子は発生するけれども、プラズマ20
の生成を周期的にオンオフすることにより、微粒子の成
長を抑制し、オフ期間に被処理物(例えば基板)6に例
えば1kV以下の正のパルス状のバイアス電圧VB を印
加することによって、被処理物6に負イオンを照射す
る。これによって、O- 、O2 - 等の酸素負イオンが被
処理物6に照射され、前述したBST等の膜組成物の酸
化が促進されるので、基板温度をより低温化することが
可能になる。
As described in the embodiment of FIG. 12, in the region between the porous electrode 40 and the second porous electrode 60, the electron temperature is 1 to
Since it is as low as 2 eV or less, dissociation of the organometallic raw material gas 78 is suppressed. Although fine particles are generated, the plasma 20
By turning on and off the generation of periodic, by suppressing the growth of the fine particles, applying a bias voltage V B of the object (e.g., a substrate) 6, for example, 1kV following positive pulse-shaped in the OFF period, the The processing object 6 is irradiated with negative ions. Thereby, O -, O 2 - is irradiated oxygen negative ions are to be treated 6 such, since oxidation of the coating composition such as BST described above is promoted, to be capable of a lower temperature of the substrate temperature Become.

【0092】しかも、微粒子は負イオンが高密度なプラ
ズマ72中で負に帯電しているため、成長途上にある
(即ち成長前の)微粒子を被処理物6に正バイアス電圧
B で引き込み、膜特性上問題となる大きな微粒子の発
生・堆積を抑制することができる。
[0092] Moreover, the fine particles are negative ions are negatively charged in high-density plasma 72, the in growth developing (i.e. before growth) fine particles to be treated 6 pull a positive bias voltage V B, The generation and deposition of large fine particles, which are problematic in film characteristics, can be suppressed.

【0093】更に、膜中の炭素系不純物が問題となる場
合もあるが、酸素負イオン照射によって炭素をCOx
ガスとして離脱させることができるので、炭素系不純物
低減の効果も期待できる。
Further, carbon-based impurities in the film may cause a problem. However, since carbon can be released as a CO x -based gas by irradiating oxygen negative ions, an effect of reducing carbon-based impurities can be expected.

【0094】図14の装置や方法は、上記BST薄膜形
成以外にも、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)薄膜、S
BT(ビスマスストロンチウムタンタレート)薄膜、酸
化物系誘電体薄膜等の形成にも勿論適用することができ
る。
The apparatus and method shown in FIG. 14 can be used for forming a PZT (lead zirconate titanate) thin film,
Of course, the present invention can be applied to the formation of a BT (bismuth strontium tantalate) thin film, an oxide-based dielectric thin film and the like.

【0095】ところで、負イオンは正イオンと比較し
て、電荷の相違だけでなく、生成されるイオン種比率が
異なるという点も特徴的である。上述のSIMOX基板
の作製もこれを利用しているが、例えばシリコンを含む
基板中に水素イオンを注入し、その後380℃以上に加
熱することによって基板中にボイド(空孔)を形成する
場合、水素正イオンはH2 + (分子イオン)、H+ (原
子イオン)等複数種が存在し、このためプラズマイマー
ジョン法のように非質量分離でイオン注入すると、注入
深さ方向における注入量の分布では複数のピークが現れ
てしまう。
By the way, the negative ions are not only different from the positive ions in the charge, but also characterized in that the generated ion species ratio is different. The above-mentioned SIMOX substrate is also used for the production. For example, when hydrogen ions are implanted into a substrate containing silicon and then heated to 380 ° C. or more to form voids (voids) in the substrate, There are a plurality of types of hydrogen positive ions such as H 2 + (molecular ions) and H + (atomic ions). Therefore, when ions are implanted by non-mass separation such as plasma immersion, the distribution of the implantation amount in the implantation depth direction Then, multiple peaks appear.

【0096】これに対して、水素の負イオンは物理的に
- (原子イオン)しか存在しないため、上記図10や
図12の実施例を用いて負イオン注入を行えば、注入量
分布には単一のピークしか現れず、非常に制御性の良い
(即ち高精度の)注入が可能になる。しかも、前述した
多孔電極40の作用によって、注入エネルギー(即ち注
入深さ)を揃えることも可能になる。
On the other hand, since the negative ions of hydrogen are physically only H (atomic ions), if the negative ions are implanted by using the embodiment of FIG. 10 or FIG. Shows only a single peak, which allows very controllable (ie, high precision) injection. Moreover, the action of the porous electrode 40 described above makes it possible to make the implantation energy (that is, the implantation depth) uniform.

【0097】このような水素負イオン注入を利用して、
例えばSi基板中やSi薄膜中のSi未結合手をH原子
と結合させることによって、欠陥を修復する、いわゆる
パッシベーションの高精度な制御も可能になる。特に近
年は、TFT−LCD(薄膜トランジスタ方式液晶ディ
スプレイ)の製造分野において、多結晶シリコン(p−
Si)薄膜の水素系プラズマによるパッシベーションに
よってリーク電流を低減する研究や、太陽電池セル用の
多結晶シリコン基板のパッシベーションによって光電変
換効率を高める試みが成されているが、このような分野
に上記図10や図12の技術を用いれば、水素イオンの
注入深さや注入量を高精度で制御することができるた
め、水素欠陥を高効率で修復することが可能になる。
Using such hydrogen negative ion implantation,
For example, by bonding Si unbonded hands in a Si substrate or a Si thin film to H atoms, it is possible to repair defects, that is, to control so-called passivation with high accuracy. Particularly in recent years, in the field of manufacturing TFT-LCDs (thin film transistor type liquid crystal displays), polycrystalline silicon (p-
Studies have been made to reduce leakage current by passivating Si) thin films with hydrogen-based plasma, and to increase photoelectric conversion efficiency by passivating polycrystalline silicon substrates for solar cells. If the technique of FIG. 10 or FIG. 12 is used, the implantation depth and the implantation amount of hydrogen ions can be controlled with high accuracy, so that hydrogen defects can be repaired with high efficiency.

【0098】前述したバイアス電圧VB が印加される支
持体8は、例えば図15に示す例のように、被処理物支
持部を除く部分を、支持体8との間に間隔(距離L)を
あけて、導電性(例えば金属製)で接地電位の遮蔽容器
47で覆っておくのが好ましい。この例では、この遮蔽
容器47が前述した電極支持体46を兼ねている。
The support 8 to which the above-described bias voltage V B is applied is, for example, as shown in FIG. It is preferable to cover with a shielding container 47 which is conductive (for example, made of metal) and has a ground potential. In this example, the shielding container 47 also serves as the electrode support 46 described above.

【0099】このような遮蔽容器47を設けていない場
合、仮に前述したプラズマ20が生成されていないとき
に支持体8に高電圧の(例えば10kV以上の)バイア
ス電圧VB が印加された場合、上記数2に示したパッシ
ェンの法則から分かるように、前述した電界が形成され
ている距離dが非常に大きくなるので、支持体8と真空
容器2との間で異常放電が起こり、それによって大電流
が流れてバイアス電源26、27等を破損する恐れがあ
る。これに対しては、上記のような遮蔽容器47を設け
ておき、それと支持体8との間の距離Lを、上記数2に
示したパッシェンの法則から導き出される距離より十分
短くしておくのが好ましい。即ち、上記距離Lを次式で
決定される値より十分小さくしておくのが好ましい。例
えば、100kVのバイアス電圧VB を印加する場合
は、上記距離Lを10mm以下に設定しておくのが好ま
しい。
When such a shielding container 47 is not provided, if a high voltage (for example, 10 kV or more) bias voltage V B is applied to the support 8 when the above-described plasma 20 is not generated, As can be seen from Paschen's law shown in the above equation (2), since the distance d where the electric field is formed becomes very large, abnormal discharge occurs between the support 8 and the vacuum vessel 2, thereby causing a large discharge. A current may flow and damage the bias power supplies 26, 27 and the like. In order to cope with this, the shielding container 47 as described above is provided, and the distance L between the shielding container 47 and the support 8 is set to be sufficiently shorter than the distance derived from Paschen's law shown in Expression 2 above. Is preferred. That is, it is preferable to make the distance L sufficiently smaller than the value determined by the following equation. For example, when applying a bias voltage V B of 100kV is to keep setting the distance L to 10mm or less.

【0100】[0100]

【数4】V[ln(pL)+ln{A/ln(1+1/
γ)}]=BpL
V [ln (pL) + lnpA / ln (1 + 1 /
γ)}] = BpL

【0101】上記のようにしておくことによって、支持
体8の周辺のプラズマの有無に拘わらず、支持体8と真
空容器2間の異常放電を確実に防止することができるの
で、安全性が向上する。
By performing the above, abnormal discharge between the support 8 and the vacuum vessel 2 can be reliably prevented regardless of the presence or absence of plasma around the support 8, thereby improving safety. I do.

【0102】また、上記パッシェンの法則から分かるよ
うに、圧力の小さい方がより異常放電を起こしにくいの
で、遮蔽容器47内を局所排気する真空排気手段を更に
設けておいても良く、そのようにすれば安全性をより高
めることができる。図15の例は、遮蔽容器47に接続
した排気配管80およびそれにつながる図示しない真空
排気装置によって、上記真空排気手段を構成している。
Further, as can be seen from the above-mentioned Paschen's law, since the smaller the pressure, the more the abnormal discharge is less likely to occur, a vacuum exhaust means for locally exhausting the inside of the shielding container 47 may be further provided. If you do so, you can improve safety. In the example of FIG. 15, the evacuation unit is constituted by an evacuation pipe 80 connected to the shielding container 47 and a not-shown evacuation device connected thereto.

【0103】なお、プラズマ生成手段は、上記各例に示
した例以外のもの、例えば、2枚の高周波電極を用いて
プラズマを生成する平行平板型(容量結合型)のプラズ
マ生成手段、マイクロ波を用いてプラズマを生成するマ
イクロ波放電型のプラズマ生成手段、フィラメントを用
いてプラズマを生成する直流放電型のプラズマ生成手段
等を用いても良い。
The plasma generating means may be other than the examples shown in the above examples, for example, a parallel plate type (capacitively coupled type) plasma generating means for generating plasma using two high frequency electrodes, a microwave For example, a microwave discharge type plasma generation unit that generates plasma by using a plasma, a DC discharge type plasma generation unit that generates plasma by using a filament, or the like may be used.

【0104】[0104]

【発明の効果】この発明は、上記のとおり構成されてい
るので、次のような効果を奏する。
Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.

【0105】請求項1、2、7および8に記載の発明に
よれば、プラズマと被処理物との間に形成されるイオン
シースの広がりを多孔電極によって抑制することができ
るので、被処理物に対する照射イオンエネルギーの均一
性の向上、イオン照射量の増大および照射イオンエネル
ギーの上限の拡大が可能になる。
According to the first, second, seventh and eighth aspects of the invention, the spread of the ion sheath formed between the plasma and the object can be suppressed by the porous electrode. It is possible to improve the uniformity of irradiation ion energy, increase the amount of ion irradiation, and increase the upper limit of irradiation ion energy.

【0106】また、イオンシースの広がりを多孔電極で
抑制することができるので、被処理物の周囲に従来例ほ
どの空間を設けておく必要はなく、その分、装置の占有
面積を小さくすることができる。
Further, since the spread of the ion sheath can be suppressed by the porous electrode, it is not necessary to provide a space around the object to be processed as in the conventional example, and the area occupied by the apparatus can be reduced accordingly. Can be.

【0107】請求項3および9に記載の発明によれば、
定常状態に移行する前の密度の高い状態のプラズマから
正イオンを引き出してそれを被処理物に入射させること
ができるので、従来の定常的にプラズマを生成する場合
に比べて、被処理物に対するイオン照射量を簡単に増大
させることができる。
According to the third and ninth aspects of the present invention,
Positive ions can be extracted from the plasma in a high-density state before transition to the steady state and can be incident on the object to be processed. The amount of ion irradiation can be easily increased.

【0108】しかも、定常的にプラズマを生成する場合
に比べて、イオンの電離状態が高い高電離イオンの照射
を行うことができるので、深い位置へのイオン注入が容
易になる。
In addition, compared to the case where plasma is constantly generated, irradiation with highly ionized ions having a high ionization state can be performed, so that ion implantation into a deep position becomes easy.

【0109】請求項4および10に記載の発明によれ
ば、負イオン密度の高いプラズマ状態から負イオンを引
き出してそれを被処理物に照射することができる。しか
も、多孔電極を用いることによって、負イオン照射にお
いても、照射イオンエネルギーの均一性の向上、イオン
照射量の増大および照射イオンエネルギーの上限の拡大
が可能になる。
According to the fourth and tenth aspects of the present invention, it is possible to extract negative ions from a plasma state having a high negative ion density and irradiate the same to the object. Moreover, by using the porous electrode, even in the case of negative ion irradiation, it is possible to improve the uniformity of the irradiation ion energy, increase the ion irradiation amount, and increase the upper limit of the irradiation ion energy.

【0110】請求項5、6、11、12および13に記
載の発明によれば、多孔電極と第2多孔電極との間にお
いて負イオンが高密度のプラズマを生成することと、プ
ラズマ生成のオフ後に負イオン密度が上昇することを併
用することができるので、被処理物に対してより高密度
の負イオン照射が可能になる。
According to the fifth, sixth, eleventh, twelfth, and thirteenth aspects of the present invention, it is possible to generate high density plasma of negative ions between the porous electrode and the second porous electrode, and to turn off the plasma generation. Since the increase in the negative ion density can be used later, it is possible to irradiate the workpiece with a higher density of negative ions.

【0111】請求項14に記載の発明によれば、遮蔽容
器を設けることによって、支持体の周辺のプラズマの有
無に拘わらず、支持体と真空容器との間の異常放電を確
実に防止することができるので、安全性が向上する。
According to the fourteenth aspect of the invention, by providing the shielding container, abnormal discharge between the support and the vacuum container can be reliably prevented regardless of the presence or absence of plasma around the support. The safety can be improved.

【0112】請求項15に記載の発明によれば、上記遮
蔽容器内の圧力を小さくして、支持体と遮蔽容器との間
で異常放電がより起こりにくくすることができるので、
安全性がより向上する。
According to the fifteenth aspect of the present invention, the pressure in the shielding container can be reduced to make it more difficult for abnormal discharge to occur between the support and the shielding container.
Safety is further improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明に係る表面処理装置の一例を示す断面
図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a surface treatment apparatus according to the present invention.

【図2】多孔電極の一例を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing an example of a porous electrode.

【図3】多孔電極の他の例を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing another example of a porous electrode.

【図4】多孔電極の他の例を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing another example of a porous electrode.

【図5】図1の装置の多孔電極の部分を拡大して示す図
である。
FIG. 5 is an enlarged view showing a portion of a porous electrode of the apparatus of FIG. 1;

【図6】図1の装置におけるバイアス電圧および被処理
物に流れる電流の波形の一例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a waveform of a bias voltage and a current flowing through an object to be processed in the apparatus of FIG. 1;

【図7】この発明に係る表面処理装置の他の例を示す断
面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing another example of the surface treatment apparatus according to the present invention.

【図8】図7の装置における高周波電力、プラズマ発光
強度、プラズマ密度およびバイアス電圧の時間変化の一
例を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a temporal change of a high-frequency power, a plasma emission intensity, a plasma density, and a bias voltage in the apparatus of FIG. 7;

【図9】この発明に係る表面処理装置の他の例を示す断
面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing another example of the surface treatment apparatus according to the present invention.

【図10】この発明に係る表面処理装置の他の例を示す
断面図である。
FIG. 10 is a sectional view showing another example of the surface treatment apparatus according to the present invention.

【図11】図10の装置における高周波電力、プラズマ
中の電子密度、プラズマ中の負イオン密度およびバイア
ス電圧の時間変化の一例を示す図である。
11 is a diagram showing an example of a change over time in high-frequency power, electron density in plasma, negative ion density in plasma, and bias voltage in the apparatus of FIG.

【図12】この発明に係る表面処理装置の他の例を示す
断面図である。
FIG. 12 is a sectional view showing another example of the surface treatment apparatus according to the present invention.

【図13】第2多孔電極に電流を流した状態の一例を示
す図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a state in which a current is applied to a second porous electrode.

【図14】この発明に係る表面処理装置の他の例を示す
断面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing another example of the surface treatment apparatus according to the present invention.

【図15】遮蔽容器を局所排気する例を示す断面図であ
る。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example in which the shielding container is locally exhausted.

【図16】従来の表面処理装置の一例を示す断面図であ
る。
FIG. 16 is a sectional view showing an example of a conventional surface treatment apparatus.

【図17】図16の装置におけるイオンシースの生成過
程を示す図である。
FIG. 17 is a view showing a process of generating an ion sheath in the apparatus of FIG. 16;

【図18】図16の装置におけるバイアス電圧および被
処理物に流れる電流の波形の一例を示す図である。
18 is a diagram illustrating an example of a bias voltage and a waveform of a current flowing through an object to be processed in the apparatus in FIG. 16;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 真空容器 6 被処理物 8 支持体 10 ガス供給部(ガス供給手段) 14 高周波コイル(プラズマ生成手段) 16 高周波電源(プラズマ生成手段) 20 プラズマ 26、27 バイアス電源 40 多孔電極 48 スイッチ(スイッチング手段) 50、51 タイミング制御回路(タイミング制御手
段) 60 第2多孔電極
Reference Signs List 2 vacuum vessel 6 workpiece 8 support 10 gas supply unit (gas supply unit) 14 high-frequency coil (plasma generation unit) 16 high-frequency power supply (plasma generation unit) 20 plasma 26, 27 bias power supply 40 porous electrode 48 switch (switching unit) 50, 51 Timing control circuit (timing control means) 60 Second porous electrode

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 真空容器内において被処理物の近傍にプ
ラズマを生成し、かつ被処理物にバイアス電圧を印加し
て、前記プラズマ中のイオンを被処理物に入射させる表
面処理方法において、前記被処理物の処理面に間隔をあ
けて対向していて接地電位または正電位に電位の固定さ
れた多孔電極を設けておき、かつ前記被処理物にパルス
状または直流のバイアス電圧を印加することを特徴とす
る表面処理方法。
In a surface treatment method, a plasma is generated in the vicinity of an object to be processed in a vacuum vessel, and a bias voltage is applied to the object to cause ions in the plasma to be incident on the object. Providing a porous electrode facing the processing surface of the processing object at an interval and having a fixed potential of the ground potential or the positive potential, and applying a pulsed or DC bias voltage to the processing object A surface treatment method characterized by the above-mentioned.
【請求項2】 前記被処理物に負のパルス状のバイアス
電圧を印加する請求項1記載の表面処理方法。
2. The surface treatment method according to claim 1, wherein a negative pulse-like bias voltage is applied to the object.
【請求項3】 前記プラズマ生成を周期的にオンオフ
し、かつこのオンオフに同期して、しかもオン時点から
10μsec後〜500μsec後の期間内に、前記被
処理物に負のパルス状のバイアス電圧を印加する請求項
2記載の表面処理方法。
3. A method of periodically turning on and off the plasma generation, and applying a negative pulse-like bias voltage to the object to be processed within a period of 10 μsec to 500 μsec after the on time in synchronization with the on / off. 3. The surface treatment method according to claim 2, wherein the application is performed.
【請求項4】 前記プラズマ生成を周期的にオンオフ
し、かつこのオンオフに同期して、しかもオフ時点から
10μsec後〜1msec後の期間内に、前記被処理
物に正のパルス状のバイアス電圧を印加する請求項1記
載の表面処理方法。
4. A positive pulse-like bias voltage is applied to the object to be processed by periodically turning on and off the plasma generation and synchronizing with the on / off, and within a period of 10 μsec to 1 msec after the off time. The surface treatment method according to claim 1, wherein the application is performed.
【請求項5】 前記多孔電極の被処理物とは反対側に第
2多孔電極を前記多孔電極から離して設け、かつこの第
2多孔電極に電流を流して当該第2多孔電極の面内で0
ガウスより大かつ100ガウス以下の磁場を形成する請
求項4記載の表面処理方法。
5. A second porous electrode is provided on the opposite side of the porous electrode from an object to be treated, separated from the porous electrode, and an electric current is applied to the second porous electrode so that the second porous electrode is in the plane of the second porous electrode. 0
The surface treatment method according to claim 4, wherein a magnetic field larger than Gauss and 100 Gauss or less is formed.
【請求項6】 前記多孔電極の被処理物とは反対側に第
2多孔電極を前記多孔電極から離して設け、この第2多
孔電極の電位を0V〜−50Vまたは浮遊電位にする請
求項4記載の表面処理方法。
6. A second porous electrode is provided on the opposite side of the porous electrode from the object to be treated, and is separated from the porous electrode, and the potential of the second porous electrode is set to 0 V to −50 V or a floating potential. The surface treatment method described.
【請求項7】 真空容器と、この真空容器内を真空排気
する真空排気装置と、前記真空容器内に設けられていて
被処理物を支持する支持体と、前記真空容器内にガスを
供給するガス供給手段と、このガスを電離させて前記支
持体に支持された被処理物の近傍にプラズマを生成する
プラズマ生成手段と、前記支持体に支持された被処理物
にバイアス電圧を印加するバイアス電源とを備える表面
処理装置において、前記被処理物の処理面に間隔をあけ
て対向していて接地電位または正電位に電位の固定され
た多孔電極を備えており、かつ前記バイアス電源は、前
記支持体に支持された被処理物にパルス状または直流の
バイアス電圧を印加するものであることを特徴とする表
面処理装置。
7. A vacuum vessel, a vacuum exhaust device for evacuating the vacuum vessel, a support provided in the vacuum vessel for supporting an object to be processed, and supplying a gas into the vacuum vessel. Gas supply means, plasma generation means for ionizing this gas to generate plasma in the vicinity of the object supported by the support, and a bias for applying a bias voltage to the object supported by the support In a surface treatment apparatus comprising a power supply, a porous electrode that is opposed to the processing surface of the object to be processed at an interval and is fixed at a ground potential or a positive potential, and the bias power supply is A surface treatment apparatus for applying a pulsed or DC bias voltage to an object to be processed supported by a support.
【請求項8】 前記バイアス電源は、前記支持体に支持
された被処理物に負のパルス状のバイアス電圧を印加す
るものである請求項7記載の表面処理装置。
8. The surface treatment apparatus according to claim 7, wherein the bias power supply applies a negative pulsed bias voltage to the workpiece supported by the support.
【請求項9】 前記プラズマ生成手段によるプラズマ生
成を周期的にオンオフさせるスイッチング手段と、この
スイッチング手段によるオンオフに同期して、しかもオ
ン時点から10μsec後〜500μsec後の期間内
に、前記バイアス電源から前記負のパルス状のバイアス
電圧を出力させるタイミング制御手段とを更に備える請
求項8記載の表面処理装置。
9. A switching means for periodically turning on / off the plasma generation by said plasma generation means, and said bias power supply being synchronized with on / off by said switching means and within a period of 10 μsec to 500 μsec after the on time. 9. The surface treatment apparatus according to claim 8, further comprising: timing control means for outputting the negative pulse-like bias voltage.
【請求項10】 前記バイアス電源を、前記支持体に支
持された被処理物に正のパルス状のバイアス電圧を印加
するものとしており、かつ前記プラズマ生成手段による
プラズマ生成を周期的にオンオフさせるスイッチング手
段と、このスイッチング手段によるオンオフに同期し
て、しかもオフ時点から10μsec後〜1msec後
の期間内に、前記バイアス電源から前記正のパルス状の
バイアス電圧を出力させるタイミング制御手段とを更に
備える請求項7記載の表面処理装置。
10. A switching device for applying a positive pulse-like bias voltage to an object supported on the support, wherein the bias power supply is configured to periodically turn on and off plasma generation by the plasma generation means. Means for outputting the positive pulsed bias voltage from the bias power supply in synchronization with the on / off of the switching means and within a period of 10 μsec to 1 msec from the off time. Item 7. A surface treatment apparatus according to item 7.
【請求項11】 前記多孔電極の被処理物とは反対側に
前記多孔電極から離して設けられた第2多孔電極と、こ
の第2多孔電極に電流を流して当該第2多孔電極の面内
で0ガウスより大かつ100ガウス以下の磁場を形成す
る直流電源とを更に備える請求項10記載の表面処理装
置。
11. A second porous electrode provided on the opposite side of the porous electrode from the object to be treated and separated from the porous electrode, and a current is supplied to the second porous electrode to cause the in-plane of the second porous electrode to flow. The surface treatment apparatus according to claim 10, further comprising: a DC power supply that generates a magnetic field greater than 0 Gauss and 100 Gauss or less.
【請求項12】 前記多孔電極の被処理物とは反対側に
前記多孔電極から離して設けられた第2多孔電極と、こ
の第2多孔電極の電位を0V〜−50Vにバイアスする
直流電源とを更に備える請求項10記載の表面処理装
置。
12. A second porous electrode provided on the opposite side of the porous electrode from an object to be processed and separated from the porous electrode, and a DC power supply for biasing the potential of the second porous electrode to 0V to -50V. The surface treatment apparatus according to claim 10, further comprising:
【請求項13】 前記多孔電極の被処理物とは反対側に
前記多孔電極から離して設けられた浮遊電位の第2多孔
電極を更に備える請求項10記載の表面処理装置。
13. The surface treatment apparatus according to claim 10, further comprising a second porous electrode having a floating potential provided on the opposite side of the porous electrode from the object to be processed, and provided at a distance from the porous electrode.
【請求項14】 前記支持体の被処理物支持部を除く部
分を当該支持体との間に間隔をあけて覆う接地電位の導
電性の遮蔽容器を更に備える請求項7ないし13のいず
れかに記載の表面処理装置。
14. The conductive container according to claim 7, further comprising: a conductive shielding container having a ground potential, which covers a portion of the support other than the object support portion with a space between the support and the support. The surface treatment apparatus as described in the above.
【請求項15】 前記遮蔽容器内を局所排気する真空排
気手段を更に備える請求項14記載の表面処理装置。
15. The surface treatment apparatus according to claim 14, further comprising vacuum evacuation means for locally evacuating the inside of the shielding container.
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