JP2001028244A - ビーム源 - Google Patents
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- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
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- H01J37/08—Ion sources; Ion guns
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- Plasma Technology (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 効率よく、指向性が高く、比較的大口径で且
つ高密度のエネルギービームを発生することができるビ
ーム源を提供する。 【解決手段】 放電管１１内にガスを導入するガス導入
ポート１２と、該ガス導入ポートの下流側の放電管内に
配置された３枚の電極を備え、上流側の電極はガスを流
通させる多数の開口を有した電極２３であり、中間の電
極はメッシュ状の電極２４であり、下流側の電極は多数
のビーム放出孔を有したビーム放出電極１４であり、上
流側の２枚の電極間の放電管の外部には、放電管内に導
入されたガスをプラズマ化する手段２０を備え、下流側
の２枚の電極は平行平板状に配置されており、該電極間
にビームを加速して下流側のビーム放出電極から放出す
るための電圧印加手段２８を備えた。
つ高密度のエネルギービームを発生することができるビ
ーム源を提供する。 【解決手段】 放電管１１内にガスを導入するガス導入
ポート１２と、該ガス導入ポートの下流側の放電管内に
配置された３枚の電極を備え、上流側の電極はガスを流
通させる多数の開口を有した電極２３であり、中間の電
極はメッシュ状の電極２４であり、下流側の電極は多数
のビーム放出孔を有したビーム放出電極１４であり、上
流側の２枚の電極間の放電管の外部には、放電管内に導
入されたガスをプラズマ化する手段２０を備え、下流側
の２枚の電極は平行平板状に配置されており、該電極間
にビームを加速して下流側のビーム放出電極から放出す
るための電圧印加手段２８を備えた。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高密度プラズマか
ら高指向性で且つ高密度のイオンビーム又は中性粒子ビ
ーム等を発生するビーム源に関する。
ら高指向性で且つ高密度のイオンビーム又は中性粒子ビ
ーム等を発生するビーム源に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体集積回路、ハードディスク
等の情報記憶媒体、或いはマイクロマシーン等の分野に
おいて、その加工パターンが著しく微細化されている。
係る分野の加工においては、成膜又はエッチングなどの
加工技術に、直進性が高く（高指向性であり）、且つ比
較的大口径で高密度の中性粒子ビーム又はイオンビーム
等のエネルギービームの照射が要請されている。係る用
途に適したビーム源として、既に本発明者等により以下
の構成のビーム源が開示されている。
等の情報記憶媒体、或いはマイクロマシーン等の分野に
おいて、その加工パターンが著しく微細化されている。
係る分野の加工においては、成膜又はエッチングなどの
加工技術に、直進性が高く（高指向性であり）、且つ比
較的大口径で高密度の中性粒子ビーム又はイオンビーム
等のエネルギービームの照射が要請されている。係る用
途に適したビーム源として、既に本発明者等により以下
の構成のビーム源が開示されている。
【０００３】第１に、放電管内にガスを供給するガス供
給ノズルを上流側に備え、放電管の下流側に複数のビー
ム放出孔を有するビーム放出電極を備え、放電管内に複
数の電極を備えたビーム源である。そして、これらの電
極に印加する電圧の種類が、高周波電圧、直流電圧、ア
ース電圧の組合せ、及び放電管内に導入されるガスの種
類を変化させることで、正イオン、負イオン、中性粒
子、ラジカル粒子等の異なったエネルギー状態のビーム
を生成するものである。係る構成のビーム源によれば、
比較的小型でマニュピレータ等に載置して、任意の照射
部位にビームを照射して、被照射物上の局所の成膜、エ
ッチング、接合、接着などの加工を行うことができる。
給ノズルを上流側に備え、放電管の下流側に複数のビー
ム放出孔を有するビーム放出電極を備え、放電管内に複
数の電極を備えたビーム源である。そして、これらの電
極に印加する電圧の種類が、高周波電圧、直流電圧、ア
ース電圧の組合せ、及び放電管内に導入されるガスの種
類を変化させることで、正イオン、負イオン、中性粒
子、ラジカル粒子等の異なったエネルギー状態のビーム
を生成するものである。係る構成のビーム源によれば、
比較的小型でマニュピレータ等に載置して、任意の照射
部位にビームを照射して、被照射物上の局所の成膜、エ
ッチング、接合、接着などの加工を行うことができる。
【０００４】第２に、同様に円筒形の放電管の上流側に
ガス導入ノズルと、下流側に複数のビーム放出孔を有す
るビーム放出電極（陰極電極）とを備え、放電管内の上
流側に陽極電極を配置し、その陽極電極と陰極電極間に
直流電圧を印加する機構と、放電管内の両電極間のガス
をプラズマ化する誘導結合型プラズマ発生機構とを備え
たビーム源である。係る構成の中性粒子ビーム源によれ
ば、誘導結合型高周波プラズマ発生機構によって、放電
管内に導入されたガスから高密度プラズマが生成され、
２枚の平行平板状電極によってプラズマ中の正イオンを
陰極電極側に加速し、下流側の陰極電極の高速原子放出
孔中で電荷交換を行い、中性粒子ビームを放出するもの
である。
ガス導入ノズルと、下流側に複数のビーム放出孔を有す
るビーム放出電極（陰極電極）とを備え、放電管内の上
流側に陽極電極を配置し、その陽極電極と陰極電極間に
直流電圧を印加する機構と、放電管内の両電極間のガス
をプラズマ化する誘導結合型プラズマ発生機構とを備え
たビーム源である。係る構成の中性粒子ビーム源によれ
ば、誘導結合型高周波プラズマ発生機構によって、放電
管内に導入されたガスから高密度プラズマが生成され、
２枚の平行平板状電極によってプラズマ中の正イオンを
陰極電極側に加速し、下流側の陰極電極の高速原子放出
孔中で電荷交換を行い、中性粒子ビームを放出するもの
である。
【０００５】この中性粒子ビーム源によれば、上述した
直流放電型のビーム源と異なり、プラズマ生成部と加速
電圧部とを備えているので、低エネルギーで且つ高密度
プラズマの発生が可能である。そして２枚の電極間に任
意に印加する電圧は、低電圧から高電圧まで印加可能で
あるため、低エネルギーから高エネルギーまでの任意の
エネルギーレベルの中性粒子ビームを発生することがで
きる。そして、陰極及び陽極が平行平板型であるため、
指向性（直進性）が高く、高速原子放出孔中での孔の長
さのコントロールにより比較的中性化率の高い中性粒子
ビームを発生することができる。
直流放電型のビーム源と異なり、プラズマ生成部と加速
電圧部とを備えているので、低エネルギーで且つ高密度
プラズマの発生が可能である。そして２枚の電極間に任
意に印加する電圧は、低電圧から高電圧まで印加可能で
あるため、低エネルギーから高エネルギーまでの任意の
エネルギーレベルの中性粒子ビームを発生することがで
きる。そして、陰極及び陽極が平行平板型であるため、
指向性（直進性）が高く、高速原子放出孔中での孔の長
さのコントロールにより比較的中性化率の高い中性粒子
ビームを発生することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高密度
プラズマを形成し、そのプラズマから効率よく、高指向
性で且つ高密度のイオンビーム又は中性粒子ビーム等の
エネルギービームを取り出すビーム源としては、上述し
たビーム源は必ずしも十分なものではなかった。
プラズマを形成し、そのプラズマから効率よく、高指向
性で且つ高密度のイオンビーム又は中性粒子ビーム等の
エネルギービームを取り出すビーム源としては、上述し
たビーム源は必ずしも十分なものではなかった。
【０００７】本発明は、上記事情に鑑みて為されたもの
で、効率よく、指向性が高く、比較的大口径で且つ高密
度のエネルギービームを発生することができるビーム源
を提供することを目的とする。
で、効率よく、指向性が高く、比較的大口径で且つ高密
度のエネルギービームを発生することができるビーム源
を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のビーム源は、放
電管内にガスを導入するガス導入ポートと、該ガス導入
ポートの下流側の前記放電管内に配置された３枚の電極
を備え、上流側の電極は前記ガスを流通させる多数の開
口を有した電極であり、中間の電極はメッシュ状の電極
であり、下流側の電極は多数のビーム放出孔を有したビ
ーム放出電極であり、前記上流側の２枚の電極間の前記
放電管の外部には、前記放電管内に導入されたガスをプ
ラズマ化する手段を備え、前記下流側の２枚の電極は平
行平板状に配置されており、該電極間にビームを加速し
て前記下流側のビーム放出電極から放出するための電圧
印加手段を備えたことを特徴とする。
電管内にガスを導入するガス導入ポートと、該ガス導入
ポートの下流側の前記放電管内に配置された３枚の電極
を備え、上流側の電極は前記ガスを流通させる多数の開
口を有した電極であり、中間の電極はメッシュ状の電極
であり、下流側の電極は多数のビーム放出孔を有したビ
ーム放出電極であり、前記上流側の２枚の電極間の前記
放電管の外部には、前記放電管内に導入されたガスをプ
ラズマ化する手段を備え、前記下流側の２枚の電極は平
行平板状に配置されており、該電極間にビームを加速し
て前記下流側のビーム放出電極から放出するための電圧
印加手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】上述した本発明によれば、上流側の２枚の
電極間で放電管内に導入されたガスからプラズマ形成手
段により高密度プラズマが形成される。中間の電極が多
数の開口を有して且つ厚さが薄いメッシュ電極であるこ
とから、当該電極の上流側に形成された高密度プラズマ
が効率よく下流側の２枚の電極間に導入される。そし
て、下流側の２枚の電極が平行平板電極であり、その間
に印加された電圧により荷電粒子が加速され、放電管下
流側に配置された多数のビーム放出孔を有する電極を通
して放出される。これにより、効率的に高密度プラズマ
からイオンビームが取り出され、指向性が高く且つ高密
度で、比較的大口径のビームが生成される。
電極間で放電管内に導入されたガスからプラズマ形成手
段により高密度プラズマが形成される。中間の電極が多
数の開口を有して且つ厚さが薄いメッシュ電極であるこ
とから、当該電極の上流側に形成された高密度プラズマ
が効率よく下流側の２枚の電極間に導入される。そし
て、下流側の２枚の電極が平行平板電極であり、その間
に印加された電圧により荷電粒子が加速され、放電管下
流側に配置された多数のビーム放出孔を有する電極を通
して放出される。これにより、効率的に高密度プラズマ
からイオンビームが取り出され、指向性が高く且つ高密
度で、比較的大口径のビームが生成される。
【００１０】又、前記上流側の２枚の電極が同電位であ
り、前記下流側の電極の電位はビームが放出されるチャ
ンバと同電位であることを特徴とする。上流側の２枚の
電極を同電位とすることで、この電極間に形成されるプ
ラズマの電位を安定化させ、且つ任意の電位に制御する
ことができる。又、下流側の電極の電位はビームが放出
されるチャンバと同電位であることから、下流側の２枚
の電極間で加速されたイオンをそのままビーム放出チャ
ンバ内にイオンビーム或いは中性粒子ビーム等のエネル
ギービームとして放出することができる。
り、前記下流側の電極の電位はビームが放出されるチャ
ンバと同電位であることを特徴とする。上流側の２枚の
電極を同電位とすることで、この電極間に形成されるプ
ラズマの電位を安定化させ、且つ任意の電位に制御する
ことができる。又、下流側の電極の電位はビームが放出
されるチャンバと同電位であることから、下流側の２枚
の電極間で加速されたイオンをそのままビーム放出チャ
ンバ内にイオンビーム或いは中性粒子ビーム等のエネル
ギービームとして放出することができる。
【００１１】又、前記メッシュ状の電極は、薄板の導電
材からなり、多数の開口を有し、該開口部の開口率が８
５％以下であることが好ましい。これにより、上述した
ように、シース長が比較的短い高密度プラズマから容易
に下流側の２枚の電極間に荷電粒子のビームを形成する
ことができる。
材からなり、多数の開口を有し、該開口部の開口率が８
５％以下であることが好ましい。これにより、上述した
ように、シース長が比較的短い高密度プラズマから容易
に下流側の２枚の電極間に荷電粒子のビームを形成する
ことができる。
【００１２】又、前記下流側の２枚の電極間の距離が５
ｍｍ以上であり、好ましくは１０乃至３０ｍｍであるこ
とことが好ましい。これにより、微細加工に好適な比較
的低エネルギーのビームを高密度プラズマから効率的に
取り出すことができる。又、前記下流側のビーム放出電
極のビーム放出孔は、その孔径と孔の長さの比が２以上
であることことが好ましい。これにより、下流側の２枚
の電極間で加速されたビームを、高指向性、高密度性を
損なうことなく、放出することができる。
ｍｍ以上であり、好ましくは１０乃至３０ｍｍであるこ
とことが好ましい。これにより、微細加工に好適な比較
的低エネルギーのビームを高密度プラズマから効率的に
取り出すことができる。又、前記下流側のビーム放出電
極のビーム放出孔は、その孔径と孔の長さの比が２以上
であることことが好ましい。これにより、下流側の２枚
の電極間で加速されたビームを、高指向性、高密度性を
損なうことなく、放出することができる。
【００１３】前記電圧印加手段は、パルス状の正負の電
圧の印加手段であり、正イオンと負イオン、又は正イオ
ンと電子を交互に照射するものとしてもよい。これによ
り、ガラスやセラミック材料等の絶縁物の加工に際して
は、表面にチャージアップという問題が生じるが、正イ
オンと負イオン（電子）の交互照射によりチャージアッ
プ量を小さく保ちながら、高精度のエッチングや成膜加
工が可能となる。
圧の印加手段であり、正イオンと負イオン、又は正イオ
ンと電子を交互に照射するものとしてもよい。これによ
り、ガラスやセラミック材料等の絶縁物の加工に際して
は、表面にチャージアップという問題が生じるが、正イ
オンと負イオン（電子）の交互照射によりチャージアッ
プ量を小さく保ちながら、高精度のエッチングや成膜加
工が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、添付図面を参照しながら説明する。
て、添付図面を参照しながら説明する。
【００１５】図１は、本発明の実施の形態のビーム源を
用いた加工装置の全体的な構成を示す。ビーム源１０
は、放電管１１とその外部に配置されたプラズマ形成手
段（具体的にはコイル２０等）により構成され、ガス導
入ポート１２から導入されるガスを該プラズマ形成手段
によりプラズマ化する。チャンバ１５及び放電管１１内
はターボ分子ポンプ１８及びロータリポンプ１９により
高真空に排気される。放電管１１には、その外周に誘導
結合型のコイル２０を備え、これに高周波電源２１から
例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力がマッチングボッ
クス２２を介して供給され、放電管１１内に導入された
ガスをプラズマ状態とする。このコイル２０は例えば水
冷パイプのコイルであり、８ｍｍφ程度の外径を有する
コイルが２ターン程度巻回されている。
用いた加工装置の全体的な構成を示す。ビーム源１０
は、放電管１１とその外部に配置されたプラズマ形成手
段（具体的にはコイル２０等）により構成され、ガス導
入ポート１２から導入されるガスを該プラズマ形成手段
によりプラズマ化する。チャンバ１５及び放電管１１内
はターボ分子ポンプ１８及びロータリポンプ１９により
高真空に排気される。放電管１１には、その外周に誘導
結合型のコイル２０を備え、これに高周波電源２１から
例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力がマッチングボッ
クス２２を介して供給され、放電管１１内に導入された
ガスをプラズマ状態とする。このコイル２０は例えば水
冷パイプのコイルであり、８ｍｍφ程度の外径を有する
コイルが２ターン程度巻回されている。
【００１６】放電管内では該形成されたプラズマ中から
陽イオン又は陰イオン等の荷電粒子を加速して、下流側
の電極１４からビーム放出チャンバ１５内にイオンビー
ム又は中性粒子ビーム等のエネルギービームとして放出
する。放電管１１内には、ガス導入パイプ１３により、
ＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，
Ｎ ２，Ｃ４Ｆ８等のガスが導入され、これらのガスから
それぞれの元素又は分子のイオンビーム又は中性粒子ビ
ーム等のエネルギービームが形成される。形成されたビ
ームは、チャンバ１５内を直進して、試料台１６に載置
された試料１７に照射される。
陽イオン又は陰イオン等の荷電粒子を加速して、下流側
の電極１４からビーム放出チャンバ１５内にイオンビー
ム又は中性粒子ビーム等のエネルギービームとして放出
する。放電管１１内には、ガス導入パイプ１３により、
ＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，
Ｎ ２，Ｃ４Ｆ８等のガスが導入され、これらのガスから
それぞれの元素又は分子のイオンビーム又は中性粒子ビ
ーム等のエネルギービームが形成される。形成されたビ
ームは、チャンバ１５内を直進して、試料台１６に載置
された試料１７に照射される。
【００１７】図２は、本発明の第１の実施の形態のビー
ム源の構成を示す。円筒状の放電管１１は、石英ガラス
又はセラミック管等により構成され、その上端部に放電
管内にガスを導入する導入ポート１２と、その下端部に
放電管内で形成されたビームを放出する多数のビーム放
出孔を備えたビーム放出電極１４とで閉塞された構造と
なっている。放電管１１内には、上流側からガスを流通
させる多数の開口を有する上流側電極２３と、薄板に多
数の開口を有するメッシュ電極２４とが配置されてい
る。そして上流側電極２３と中間のメッシュ電極２４と
の間に導入されたガスをプラズマ化するための手段を備
えている。この手段は、この実施例では誘導結合型のプ
ラズマを形成するための高周波コイル２０であり、電源
２１から例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電流を供給す
ることで、放電管内部に高周波磁界が形成され、導入さ
れたガスがこれにより励起されてプラズマ化する。尚、
プラズマ発生手段としては上述したＩＣＰ発生用コイル
を用いることのほかに、ＥＣＲ、ヘリコン波プラズマ用
コイル、電磁コイル、マイクロ波等を用いてもよい。
又、使用する周波数領域も、１３．５６ＭＨｚに限ら
ず、１ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの領域を用いてもよい。
ム源の構成を示す。円筒状の放電管１１は、石英ガラス
又はセラミック管等により構成され、その上端部に放電
管内にガスを導入する導入ポート１２と、その下端部に
放電管内で形成されたビームを放出する多数のビーム放
出孔を備えたビーム放出電極１４とで閉塞された構造と
なっている。放電管１１内には、上流側からガスを流通
させる多数の開口を有する上流側電極２３と、薄板に多
数の開口を有するメッシュ電極２４とが配置されてい
る。そして上流側電極２３と中間のメッシュ電極２４と
の間に導入されたガスをプラズマ化するための手段を備
えている。この手段は、この実施例では誘導結合型のプ
ラズマを形成するための高周波コイル２０であり、電源
２１から例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電流を供給す
ることで、放電管内部に高周波磁界が形成され、導入さ
れたガスがこれにより励起されてプラズマ化する。尚、
プラズマ発生手段としては上述したＩＣＰ発生用コイル
を用いることのほかに、ＥＣＲ、ヘリコン波プラズマ用
コイル、電磁コイル、マイクロ波等を用いてもよい。
又、使用する周波数領域も、１３．５６ＭＨｚに限ら
ず、１ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの領域を用いてもよい。
【００１８】コイル２０に高周波電流を供給することに
より、電極２３，２４間のプラズマ室２５内には、高周
波電流による磁場が形成され、これがガス導入ポート１
２から導入されたガスＧと結合して電子密度１０１１〜
１０１２／ｃｍ３の高密度プラズマが形成される。図示
するように上流側電極２３とメッシュ電極２４とは配線
２６により電気的に接続され、略同一電位に保たれる。
これにより、電極２３，２４間のプラズマ室２５に形成
されるプラズマの電位は、上流側電極２３とメッシュ電
極２４とに印加される電位と同程度となる。一例とし
て、導入されるガスはＳＦ６であり、入力される高周波
電力は１５０Ｗ程度である。尚、放電管１１の径は、５
０ｍｍφである。また、放電管１１の径は１０〜３００
ｍｍφが可能である。
より、電極２３，２４間のプラズマ室２５内には、高周
波電流による磁場が形成され、これがガス導入ポート１
２から導入されたガスＧと結合して電子密度１０１１〜
１０１２／ｃｍ３の高密度プラズマが形成される。図示
するように上流側電極２３とメッシュ電極２４とは配線
２６により電気的に接続され、略同一電位に保たれる。
これにより、電極２３，２４間のプラズマ室２５に形成
されるプラズマの電位は、上流側電極２３とメッシュ電
極２４とに印加される電位と同程度となる。一例とし
て、導入されるガスはＳＦ６であり、入力される高周波
電力は１５０Ｗ程度である。尚、放電管１１の径は、５
０ｍｍφである。また、放電管１１の径は１０〜３００
ｍｍφが可能である。
【００１９】上流側電極２３とメッシュ電極２４とを接
続する配線２６と、下流側のビーム放出電極１４との間
には配線２７が設けられ、加速電圧付与手段２８が接続
されている。図２に示す例では、この加速電圧付与手段
２８は、正の高電圧であり、メッシュ電極２４付近に存
在する正イオンに対してビーム放出電極１４に向かう加
速エネルギーを付与する。即ち、プラズマ室２５に形成
されたプラズマのプラズマ電位とビーム放出電極１４と
の間には加速電圧付与手段２８により電位差が与えられ
る。そしてこのような状態で、メッシュ電極２４から加
速空間側に漏れ出た正負のイオンや電子等の荷電粒子
が、ビーム放出電極１４に向けて加速されて、ビーム放
出電極１４の放出孔１４ａを通過して、ビームＢとして
外部に放出される。ここで、図２に示すビーム源の構成
によれば、メッシュ電極２４とビーム放出電極１４との
間の距離を任意に設定することができる。これにより、
高密度プラズマを用いたときでも、加速距離を任意に設
定することが可能となり、高指向性、高密度で、且つエ
ネルギーレベルの制御可能なビームを形成することがで
きる。
続する配線２６と、下流側のビーム放出電極１４との間
には配線２７が設けられ、加速電圧付与手段２８が接続
されている。図２に示す例では、この加速電圧付与手段
２８は、正の高電圧であり、メッシュ電極２４付近に存
在する正イオンに対してビーム放出電極１４に向かう加
速エネルギーを付与する。即ち、プラズマ室２５に形成
されたプラズマのプラズマ電位とビーム放出電極１４と
の間には加速電圧付与手段２８により電位差が与えられ
る。そしてこのような状態で、メッシュ電極２４から加
速空間側に漏れ出た正負のイオンや電子等の荷電粒子
が、ビーム放出電極１４に向けて加速されて、ビーム放
出電極１４の放出孔１４ａを通過して、ビームＢとして
外部に放出される。ここで、図２に示すビーム源の構成
によれば、メッシュ電極２４とビーム放出電極１４との
間の距離を任意に設定することができる。これにより、
高密度プラズマを用いたときでも、加速距離を任意に設
定することが可能となり、高指向性、高密度で、且つエ
ネルギーレベルの制御可能なビームを形成することがで
きる。
【００２０】図３は、プラズマの電子密度とシース長と
の関係を示す。図示するようにプラズマ電位（印加電
圧）が高いほど、シース長が長くなり、又、電子密度が
低いほどシース長が長くなる傾向にある。プラズマシー
スによるイオンの加速を利用するビーム発生方式では、
このシース長がビームの指向性に大きく影響する。シー
ス長が長い方が、原理的に指向性の高いビームの発生が
可能である。尚、図３においては電子温度は、１．４ｅ
Ｖの場合である。
の関係を示す。図示するようにプラズマ電位（印加電
圧）が高いほど、シース長が長くなり、又、電子密度が
低いほどシース長が長くなる傾向にある。プラズマシー
スによるイオンの加速を利用するビーム発生方式では、
このシース長がビームの指向性に大きく影響する。シー
ス長が長い方が、原理的に指向性の高いビームの発生が
可能である。尚、図３においては電子温度は、１．４ｅ
Ｖの場合である。
【００２１】従来の技術において説明した直流放電方式
では、通常１０９〜１０１０／ｃｍ ３程度の電子密度
で、プラズマ電位が５００Ｖ〜５ｋＶ程度で使用される
場合が多い。このような場合には、シース長は１０ｍｍ
程度以上を容易に得ることができる。一方で高周波（Ｒ
Ｆ）放電等を用いた高密度プラズマの形成では、１０１
１〜１０１２／ｃｍ３の電子密度を得ることができるの
で、加速されるイオン量が多く得られ、即ち、高密度ビ
ームが得られる。しかしながら、ビームの加速電圧は、
５００Ｖ程度以下の低エネルギービームが要請される場
合が多く、そのシースの電位差を用いる場合には、得ら
れるシース長は０．１〜３ｍｍ程度となる。一方でビー
ムの放出孔は、通常１ｍｍφ程度が用いられる。従っ
て、シース長即ち加速距離が０．１〜３ｍｍ程度しかな
い場合では、ビーム放出孔の影響によるシース長の電界
の歪みが大きく影響を及ぼすことになり、指向性の高い
加速が困難となる。一方で上述した直流放電等によって
形成されるプラズマにおいては、シース長が長い場合、
例えば１０〜３０ｍｍ程度であればビーム放出孔による
シース長の電界の歪みの影響は小さくなり、指向性の高
いビーム放出が可能となる。
では、通常１０９〜１０１０／ｃｍ ３程度の電子密度
で、プラズマ電位が５００Ｖ〜５ｋＶ程度で使用される
場合が多い。このような場合には、シース長は１０ｍｍ
程度以上を容易に得ることができる。一方で高周波（Ｒ
Ｆ）放電等を用いた高密度プラズマの形成では、１０１
１〜１０１２／ｃｍ３の電子密度を得ることができるの
で、加速されるイオン量が多く得られ、即ち、高密度ビ
ームが得られる。しかしながら、ビームの加速電圧は、
５００Ｖ程度以下の低エネルギービームが要請される場
合が多く、そのシースの電位差を用いる場合には、得ら
れるシース長は０．１〜３ｍｍ程度となる。一方でビー
ムの放出孔は、通常１ｍｍφ程度が用いられる。従っ
て、シース長即ち加速距離が０．１〜３ｍｍ程度しかな
い場合では、ビーム放出孔の影響によるシース長の電界
の歪みが大きく影響を及ぼすことになり、指向性の高い
加速が困難となる。一方で上述した直流放電等によって
形成されるプラズマにおいては、シース長が長い場合、
例えば１０〜３０ｍｍ程度であればビーム放出孔による
シース長の電界の歪みの影響は小さくなり、指向性の高
いビーム放出が可能となる。
【００２２】本発明においては、高密度プラズマを用い
た場合でも、高い指向性のビーム放出を可能とする電極
構造を採用している。即ち、本発明では図２に示すよう
に、プラズマ室２５を区画するメッシュ電極２４の採用
と、メッシュ電極２４とビーム放出電極間の距離を適当
量に保持することにより、係る問題点を解決している。
この実施例では、一例として線幅０．３ｍｍで線間距離
０．８ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのクロスメッシュが採用さ
れている。
た場合でも、高い指向性のビーム放出を可能とする電極
構造を採用している。即ち、本発明では図２に示すよう
に、プラズマ室２５を区画するメッシュ電極２４の採用
と、メッシュ電極２４とビーム放出電極間の距離を適当
量に保持することにより、係る問題点を解決している。
この実施例では、一例として線幅０．３ｍｍで線間距離
０．８ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのクロスメッシュが採用さ
れている。
【００２３】図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、メッシュ電極
の形状例を示す。メッシュ電極は、（ａ）（ｃ）に示す
ような金属又はグラファイト等の導電薄板に開口を設け
たものでも、（ｂ）に示すような金属線を編んで構成し
たものでもどちらでもよい。メッシュ電極の形状によっ
て、得られるビームの特性やビームの被照射体の加工特
性に大きな影響を与える。メッシュ電極２４は、厚さが
１ミリ以下、好ましくは０．１〜０．５ｍｍ程度であ
り、多数のメッシュ状の開口を有しその開口率が８５％
以下である。開口パターンの形状としては、例えば図示
するような碁盤状になっているものが一般的であるが、
これに限定するものではない。尚、メッシュ孔のアスペ
クト比は１以下である。又、厚さが厚すぎるとイオンの
失活量が多くなるので、効率が低下する。
の形状例を示す。メッシュ電極は、（ａ）（ｃ）に示す
ような金属又はグラファイト等の導電薄板に開口を設け
たものでも、（ｂ）に示すような金属線を編んで構成し
たものでもどちらでもよい。メッシュ電極の形状によっ
て、得られるビームの特性やビームの被照射体の加工特
性に大きな影響を与える。メッシュ電極２４は、厚さが
１ミリ以下、好ましくは０．１〜０．５ｍｍ程度であ
り、多数のメッシュ状の開口を有しその開口率が８５％
以下である。開口パターンの形状としては、例えば図示
するような碁盤状になっているものが一般的であるが、
これに限定するものではない。尚、メッシュ孔のアスペ
クト比は１以下である。又、厚さが厚すぎるとイオンの
失活量が多くなるので、効率が低下する。
【００２４】メッシュの開口割合の大小に対して、ビー
ム量、指向性、加工速度は次の関係にある。即ち、メッ
シュの開口割合が大きいほど、ビーム量は多くなり指向
性は低下し、加工速度は早くなる。これに対してメッシ
ュの開口割合が小さくなると、ビーム量は少なくなり、
指向性は高くなり、加工速度は遅くなる。又、ビームの
被照射体の加工形状は、図５に示すように、メッシュの
開口割合が小さいと（ａ）に示すように斜形状となり、
メッシュの開口割合が適切であると（ｂ）に示すように
適正な異方性のエッチングが可能となり、メッシュの開
口割合が大きくなると（ｃ）に示すように等方性のエッ
チングとなる。
ム量、指向性、加工速度は次の関係にある。即ち、メッ
シュの開口割合が大きいほど、ビーム量は多くなり指向
性は低下し、加工速度は早くなる。これに対してメッシ
ュの開口割合が小さくなると、ビーム量は少なくなり、
指向性は高くなり、加工速度は遅くなる。又、ビームの
被照射体の加工形状は、図５に示すように、メッシュの
開口割合が小さいと（ａ）に示すように斜形状となり、
メッシュの開口割合が適切であると（ｂ）に示すように
適正な異方性のエッチングが可能となり、メッシュの開
口割合が大きくなると（ｃ）に示すように等方性のエッ
チングとなる。
【００２５】同様に、成膜やエッチング等の微細加工に
際して加工性の良好な比較的低エネルギーのビームの場
合、即ち、１ｋＶ以下の加速電圧の時、メッシュ電極と
ビーム放出電極との間には、適切な距離Ｌが存在する。
図６は、横軸にメッシュ電極とビーム放出電極間の距離
であり、縦軸は被照射体の加工速度を示す。図６に示す
ように、Ｌ＝１０〜３０ｍｍ程度を用いることで、被照
射体に対する加工性の良好なビームを生成することがで
きる。又、この距離Ｌは小さすぎると、加速空間で十分
な加速ができないため、少なくとも５ｍｍ以上あること
が好ましい。尚、同一条件においても、メッシュ電極と
ビーム放出電極間の距離Ｌにより加工速度が異なってく
ることは勿論である。
際して加工性の良好な比較的低エネルギーのビームの場
合、即ち、１ｋＶ以下の加速電圧の時、メッシュ電極と
ビーム放出電極との間には、適切な距離Ｌが存在する。
図６は、横軸にメッシュ電極とビーム放出電極間の距離
であり、縦軸は被照射体の加工速度を示す。図６に示す
ように、Ｌ＝１０〜３０ｍｍ程度を用いることで、被照
射体に対する加工性の良好なビームを生成することがで
きる。又、この距離Ｌは小さすぎると、加速空間で十分
な加速ができないため、少なくとも５ｍｍ以上あること
が好ましい。尚、同一条件においても、メッシュ電極と
ビーム放出電極間の距離Ｌにより加工速度が異なってく
ることは勿論である。
【００２６】又、ビーム放出電極１４のビーム放出孔１
４ａの長さにより、放出されるビームの特性が大きく異
なる。このため、ビーム放出孔の長さも使用目的に応じ
て、選択する必要がある。孔径の１〜５倍程度までは、
電子・イオン・ラジカル・低中性化率の中性粒子等を放
出でき、ビーム放出孔の下流において、ビームの広がり
が大きい。また、孔の長さが、孔径の５倍〜１０倍で
は、ビームの指向性が良くなり、ラジカルや電子線の照
射領域を局所にすることが可能となる。また、中性粒子
ビームの中性化率もおおよそ３０％〜７０％程度が得ら
れる。孔長が、孔径の１０倍以上になると、より指向性
の高いビームが得られ、中性化率が、約７０％以上の中
性粒子ビームが得られる。この実施例の場合は、ビーム
放出電極の板厚が２ｍｍであり、そのビーム放出孔は、
その孔径と孔の長さの比が、２以上であることが好まし
い。
４ａの長さにより、放出されるビームの特性が大きく異
なる。このため、ビーム放出孔の長さも使用目的に応じ
て、選択する必要がある。孔径の１〜５倍程度までは、
電子・イオン・ラジカル・低中性化率の中性粒子等を放
出でき、ビーム放出孔の下流において、ビームの広がり
が大きい。また、孔の長さが、孔径の５倍〜１０倍で
は、ビームの指向性が良くなり、ラジカルや電子線の照
射領域を局所にすることが可能となる。また、中性粒子
ビームの中性化率もおおよそ３０％〜７０％程度が得ら
れる。孔長が、孔径の１０倍以上になると、より指向性
の高いビームが得られ、中性化率が、約７０％以上の中
性粒子ビームが得られる。この実施例の場合は、ビーム
放出電極の板厚が２ｍｍであり、そのビーム放出孔は、
その孔径と孔の長さの比が、２以上であることが好まし
い。
【００２７】加速電圧付与手段２８を負の高電圧とする
ことで、プラズマ室２５に形成されるプラズマの電位は
負の高電位となる。そして、ビーム放出電極１４を接地
電位にしておくことで、プラズマで形成された負イオン
を加速して負イオンビームの放出を行うことが可能とな
る。この場合のガスとしては、Ｏ２，Ｃｌ２，ＳＦ６，
ＣＨＦ３，Ｃ４Ｆ８等の負イオンを生成しやすいガスを
用いることが好ましい。これらのガスを用いて高周波誘
導結合等により高密度プラズマを発生すると、プラズマ
中に多数の負イオンが発生し、負イオンのビームを容易
に形成することができる。上述の諸元のビーム源におい
て、ＳＦ６ガスを用いて、加速電圧＋５０Ｖ〜＋１ｋＶ
で異方性加工が可能な正イオンビームが発生し、その加
工速度は、シリコン基板に対して５００Å／ｍｉｎ以上
であり、加速電圧−５０Ｖ〜−１ｋＶで負イオンビーム
が発生する。
ことで、プラズマ室２５に形成されるプラズマの電位は
負の高電位となる。そして、ビーム放出電極１４を接地
電位にしておくことで、プラズマで形成された負イオン
を加速して負イオンビームの放出を行うことが可能とな
る。この場合のガスとしては、Ｏ２，Ｃｌ２，ＳＦ６，
ＣＨＦ３，Ｃ４Ｆ８等の負イオンを生成しやすいガスを
用いることが好ましい。これらのガスを用いて高周波誘
導結合等により高密度プラズマを発生すると、プラズマ
中に多数の負イオンが発生し、負イオンのビームを容易
に形成することができる。上述の諸元のビーム源におい
て、ＳＦ６ガスを用いて、加速電圧＋５０Ｖ〜＋１ｋＶ
で異方性加工が可能な正イオンビームが発生し、その加
工速度は、シリコン基板に対して５００Å／ｍｉｎ以上
であり、加速電圧−５０Ｖ〜−１ｋＶで負イオンビーム
が発生する。
【００２８】又、図７（ａ）に示すように加速電圧印加
手段を正及び負の電圧を切替可能に接続することで、負
イオンと正イオンのビームを交互に生成して被加工体に
照射することができる。そして加速電圧を可変電圧とす
ることにより、異なるエネルギーレベルのビームを時間
を変えて照射することができる。又、図７（ｂ）に示す
ように正負の加速電圧をパルス的に与えるようにしても
よい。これにより、正イオンのビームと負イオンのビー
ムとをパルス的に交互に照射することができる。負イオ
ンが生成されにくいガス（例えば、アルゴンガス）を用
いるときには、電子と正イオンのビームを交互に放出す
ることが可能となる。例えば、図８に示すように、＋３
００Ｖを２０ｍｓ与え、−５０Ｖを５ｍｓ与え、これを
繰り返す。ビーム源からは＋３００ｅＶのエネルギーの
正イオンビームが２０ｍｓの間放出され、次に−５０ｅ
Ｖのエネルギーの負イオンビーム（又は電子）が５ｍｓ
の間放出され、これが繰りかえされる。ガラスやセラミ
ック材料等の絶縁物の加工に際しては、表面にチャージ
アップという問題が生じるが、正イオンと負イオン（又
は電子）の交互照射によりチャージアップ量を小さく保
ちながら、高精度のエッチングや成膜加工が可能とな
る。このように、エネルギーをパルス的に変化させるこ
とが可能であり、上記の正負イオン照射に限らず、同電
荷（例えば正イオン）でもパルス的にエネルギーの異な
るビームをパルス的に照射することが可能となる。例え
ば、１ｋｅＶの正イオンと、１０ｅＶの正イオンのビー
ムを交互に照射することができる。
手段を正及び負の電圧を切替可能に接続することで、負
イオンと正イオンのビームを交互に生成して被加工体に
照射することができる。そして加速電圧を可変電圧とす
ることにより、異なるエネルギーレベルのビームを時間
を変えて照射することができる。又、図７（ｂ）に示す
ように正負の加速電圧をパルス的に与えるようにしても
よい。これにより、正イオンのビームと負イオンのビー
ムとをパルス的に交互に照射することができる。負イオ
ンが生成されにくいガス（例えば、アルゴンガス）を用
いるときには、電子と正イオンのビームを交互に放出す
ることが可能となる。例えば、図８に示すように、＋３
００Ｖを２０ｍｓ与え、−５０Ｖを５ｍｓ与え、これを
繰り返す。ビーム源からは＋３００ｅＶのエネルギーの
正イオンビームが２０ｍｓの間放出され、次に−５０ｅ
Ｖのエネルギーの負イオンビーム（又は電子）が５ｍｓ
の間放出され、これが繰りかえされる。ガラスやセラミ
ック材料等の絶縁物の加工に際しては、表面にチャージ
アップという問題が生じるが、正イオンと負イオン（又
は電子）の交互照射によりチャージアップ量を小さく保
ちながら、高精度のエッチングや成膜加工が可能とな
る。このように、エネルギーをパルス的に変化させるこ
とが可能であり、上記の正負イオン照射に限らず、同電
荷（例えば正イオン）でもパルス的にエネルギーの異な
るビームをパルス的に照射することが可能となる。例え
ば、１ｋｅＶの正イオンと、１０ｅＶの正イオンのビー
ムを交互に照射することができる。
【００２９】図９は、本発明の第２の実施の形態のビー
ム源を示す。この場合は、上流側電極３０が図２に示す
ような平板状ではなく、一部が円筒状となっている。こ
のように上流側電極３０の表面積が大きくしてあること
により、プラズマ室２５に形成されるプラズマとの接触
面積が増加し、荷電粒子の電極表面での反応量を多くす
ることができ、プラズマ電位を安定化させることができ
る。その他の構成は、図２に示すビーム源と同様であ
り、その動作も同様である。
ム源を示す。この場合は、上流側電極３０が図２に示す
ような平板状ではなく、一部が円筒状となっている。こ
のように上流側電極３０の表面積が大きくしてあること
により、プラズマ室２５に形成されるプラズマとの接触
面積が増加し、荷電粒子の電極表面での反応量を多くす
ることができ、プラズマ電位を安定化させることができ
る。その他の構成は、図２に示すビーム源と同様であ
り、その動作も同様である。
【００３０】上述したビーム源から放出されるエネルギ
ービームの利用形態例について簡単に説明する。エネル
ギービームの一例としては、成膜性を有する反応性ガス
粒子のラジカルビーム、或いは低エネルギーの中性粒子
ビームが用いられる。例えば、エネルギービーム源の原
料ガスとしてメタンガスを用いることにより、炭素
（Ｃ）を含むラジカルビームが形成され、接着材として
好適なグラファイト、ダイアモンドライクカーボン等が
生成される。
ービームの利用形態例について簡単に説明する。エネル
ギービームの一例としては、成膜性を有する反応性ガス
粒子のラジカルビーム、或いは低エネルギーの中性粒子
ビームが用いられる。例えば、エネルギービーム源の原
料ガスとしてメタンガスを用いることにより、炭素
（Ｃ）を含むラジカルビームが形成され、接着材として
好適なグラファイト、ダイアモンドライクカーボン等が
生成される。
【００３１】又、エネルギービーム源に供給するガスと
しては、上述したメタンガスの他にフッ化タングステ
ン、塩化アルミ、塩化チタン等の金属を含有するガス、
或いは上述したメタン等のＣ又はＣ−Ｈを含有する炭素
系又は炭化水素系ガスなども用いることができる。これ
により、タングステン膜、アルミ膜、チタン膜、グラフ
ァイト膜、ダイアモンドライクカーボン膜、炭化水素含
有高分子膜等を被照射体に成膜させることができる。
しては、上述したメタンガスの他にフッ化タングステ
ン、塩化アルミ、塩化チタン等の金属を含有するガス、
或いは上述したメタン等のＣ又はＣ−Ｈを含有する炭素
系又は炭化水素系ガスなども用いることができる。これ
により、タングステン膜、アルミ膜、チタン膜、グラフ
ァイト膜、ダイアモンドライクカーボン膜、炭化水素含
有高分子膜等を被照射体に成膜させることができる。
【００３２】尚、上記実施の形態においては、円筒状の
放電管内に上流側電極とメッシュ電極とビーム放出電極
とを平行平板状に配置する例について説明したが、放電
管は必ずしも円筒状である必要はなく、楕円状又は角柱
状であってもよい。又、下流側のメッシュ電極とビーム
放出電極とが平行平板状に配置されていればよく、上流
側電極は必ずしもこれらと平行平板状でなくてもよい。
放電管内に上流側電極とメッシュ電極とビーム放出電極
とを平行平板状に配置する例について説明したが、放電
管は必ずしも円筒状である必要はなく、楕円状又は角柱
状であってもよい。又、下流側のメッシュ電極とビーム
放出電極とが平行平板状に配置されていればよく、上流
側電極は必ずしもこれらと平行平板状でなくてもよい。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
密度プラズマから高指向性で且つ高密度のビームの生成
を効率的に行うことができる。これにより、半導体、高
密度記録媒体、マイクロマシン等の微細加工に好適な、
イオンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギービーム
を照射可能なビーム源を提供できる。
密度プラズマから高指向性で且つ高密度のビームの生成
を効率的に行うことができる。これにより、半導体、高
密度記録媒体、マイクロマシン等の微細加工に好適な、
イオンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギービーム
を照射可能なビーム源を提供できる。
【図１】ビーム源を用いた微細加工装置の全体的な構成
を示す図である。
を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態のビーム源の構成を
示す図である。
示す図である。
【図３】プラズマの電子密度とシース長の関係を示す図
である。
である。
【図４】メッシュ電極の形状例を示す図であり、（ａ）
は金属薄板に角形の開口を設けたものであり、（ｂ）は
金属線を編んで構成したものであり、（ｃ）はシリコン
又はグラファイト等の導電性材料の薄板に円形の開口を
設けたものである。
は金属薄板に角形の開口を設けたものであり、（ｂ）は
金属線を編んで構成したものであり、（ｃ）はシリコン
又はグラファイト等の導電性材料の薄板に円形の開口を
設けたものである。
【図５】メッシュの開口割合と被照射体の加工形状との
関係を示す図である。
関係を示す図である。
【図６】メッシュ電極とビーム放出電極間の距離と被照
射体の加工速度との関係を示す図である。
射体の加工速度との関係を示す図である。
【図７】加速電圧印加手段の構成例を示す図である。
【図８】正負の加速電圧をパルス的に与える例を示すタ
イムチャートである。
イムチャートである。
【図９】本発明の第２の実施の形態のビーム源の構成を
示す図である。
示す図である。
１０ ビーム源 １１ 放電管 １２ ガス導入ポート １４ ビーム放出電極 ２０ コイル ２１ 高周波電源 ２３ 上流側電極 ２４ メッシュ電極 ２６，２７ 配線 ２８ 加速電圧印加手段 Ｇ ガス Ｂ ビーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 賢治 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 佐竹 徹 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 Ｆターム(参考） 5C030 DD01 DE04 DE09 DG01 DG06 DG07
Claims (5)
- 【請求項１】 放電管内にガスを導入するガス導入ポー
トと、該ガス導入ポートの下流側の前記放電管内に配置
された３枚の電極を備え、上流側の電極は前記ガスを流
通させる多数の開口を有した電極であり、中間の電極は
メッシュ状の電極であり、下流側の電極は多数のビーム
放出孔を有したビーム放出電極であり、前記上流側の２
枚の電極間の前記放電管の外部には、前記放電管内に導
入されたガスをプラズマ化する手段を備え、前記下流側
の２枚の電極は平行平板状に配置されており、該電極間
にビームを加速して前記下流側のビーム放出電極から放
出するための電圧印加手段を備えたことを特徴とするビ
ーム源。 - 【請求項２】 前記上流側の２枚の電極が同電位であ
り、前記下流側のビーム放出電極の電位はビームが放出
されるチャンバと同電位であることを特徴とする請求項
１に記載のビーム源。 - 【請求項３】 前記下流側の２枚の電極間の距離が５ｍ
ｍ以上であり、好ましくは１０乃至３０ｍｍであること
を特徴とする請求項１に記載のビーム源。 - 【請求項４】 前記下流側のビーム放出電極のビーム放
出孔は、その孔径と孔の長さの比が２以上であることを
特徴とする請求項１に記載のビーム源。 - 【請求項５】 前記電圧印加手段は、パルス状の正負の
電圧の印加手段であり、正イオンと負イオン、又は正イ
オンと電子を交互に照射するものであることを特徴とす
る請求項１に記載のビーム源。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20098999A JP3948857B2 (ja) | 1999-07-14 | 1999-07-14 | ビーム源 |
| US10/030,087 US6949735B1 (en) | 1999-07-14 | 2000-07-14 | Beam source |
| PCT/JP2000/004744 WO2001006534A1 (fr) | 1999-07-14 | 2000-07-14 | Source de faisceaux |
| EP00946335A EP1220272A4 (en) | 1999-07-14 | 2000-07-14 | SOURCE OF BEAMS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20098999A JP3948857B2 (ja) | 1999-07-14 | 1999-07-14 | ビーム源 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001028244A true JP2001028244A (ja) | 2001-01-30 |
| JP3948857B2 JP3948857B2 (ja) | 2007-07-25 |
Family
ID=16433666
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20098999A Expired - Fee Related JP3948857B2 (ja) | 1999-07-14 | 1999-07-14 | ビーム源 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6949735B1 (ja) |
| EP (1) | EP1220272A4 (ja) |
| JP (1) | JP3948857B2 (ja) |
| WO (1) | WO2001006534A1 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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