JP2001502468A - イオン銃 - Google Patents

イオン銃

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、端部に開口を有する導電性で非磁性の本体と、平坦または最小限に皿型の誘電部材で塞がれている第1端と、この第1端に対向する第2端に電極(6)とを含むプラズマチャンバ(5)と、イオン銃の使用時にプラズマチャンバの壁付近に電子を閉じ込めるために本体の周囲に配列された第1磁石手段(16)と、プラズマチャンバでプラズマを誘導的に発生させるために誘電部材に隣接する基本的に平坦なコイル(12)を含む高周波誘導装置とを備える、イオンビーム加工時に使用する低エネルギーイオン銃(3;103)であって、電極は、第1正電位源に接続するように設けられるとともに、プラズマチャンバでプラズマと接触するように配置された第1マルチアパーチャーグリッド(29;127)と、イオンを第2グリッドに向けて通過加速させるための第1加速場を発生させるように第1電位源よりも低い電位の第2電位源に接続するように設けられた第2マルチアパーチャーグリッド(29a;128)と、イオンを第3グリッドに向けて通過加速させるための第2加速場を発生させるように第2電位源より低い電位の第3電位源に接続するように設けられた第3マルチアパーチャーグリッド(30;129)とを含み、第1、第2および第3グリッドのアパーチャーは、第1グリッドのアパーチャーから抜け出た粒子が、小ビームの状態で、第2グリッドの対応するアパーチャーを通り抜けて続いて第3グリッドの対応するアパーチャーを通り抜け加速されるように整列され、第3グリッドからの複数の小ビームが第3グリッドの下流でビームを形成することを特徴とする低エネルギーイオン統に関わる。

Description

【発明の詳細な説明】 イオン銃 本発明は、荷電粒子ビーム発生用の装置に関し、具体的にはイオンビーム加工 装置に使用されるイオン銃およびそのイオン銃を備えるイオンビーム加工装置に 関するものである。 長い間、イオンビームは、マイクロエレクトロニクス産業での部品製造時や記 憶媒体産業での磁気薄膜装置製造時に使用されてきた。通常、アルゴンイオンビ ーム等のイオンビームには、広領域、高電流および100eVから2keVのエ ネルギーが必要である。ビームは、たとえば、スパッタデポジション、スパッタ エッチング、ミリングや注入により基板表面を加工するために多くの方法で使用 することができる。 典型的なイオンビーム源(イオン銃)では、気体または蒸気を高温陰極と陽極 とを有する低圧放電室に入れてプラズマをつくるが、この低圧放電箱にはプラズ マから電子を取去るとともに、スクリーングリッドまたはグリッドを通って放電 箱より低い圧力にされたターゲット室に進む余分な正に帯電しているイオンを与 える働きがある。イオンは電子衝突イオン化により放電室で生成され、ランダム な熱運動によりイオン銃本体内で動く。したがって、プラズマは、それが接触す る表面の電位より高い正プラズマ電位を示す。グリッドの様々な配列が利用でき 、その電位は個別に制御される。マルチグリッドシステムでは、イオンがぶつか る第1グリッドは、通例、正にバイアスされているが、第2グリッドは負にバイ アスされている。イオン源から生じるイオンを減速して、ほとんど均一なエネル ギーを有するイオンの平行ビームを得るのに、別に他のグリッドを利用してもよ い。イオンスパッタリングを行うには、ター ゲットはイオンビームを当てることができるターゲット室内に通例斜めに置き、 材料をスパッタする基板はスパッタ材が当たる位置に置く。スパッタエッチング 、ミリングまたは注入が行われることになる場合には、基板をイオンビームの進 路に置く。 したがって、一般のイオン銃では、マルチアパーチャー抽出グリッドアセンブ リに達したイオンはまず正バイアスグリッドに衝突する。グリッドはプラズマシ ースと結合する。このシースにわたって、プラズマとグリッドとの電位差は下が る。この加速電位がシース領域のイオンを第1グリッドに引き寄せる。第1グリ ッドのアパーチャーを通って移動し、正にバイアスされた第1グリッドと負にバ イアスされた第2グリッド間の空間に入る何れのイオンも、強力な電場内で激し く加速される。イオンは第2グリッドのアパーチャーを通過してアースされたタ ーゲットに飛ぶにしたがい、減速場を移動することになる。そして、そのイオン はシース電位に加え第1正グリッドの電位に等しいエネルギーでアースされたタ ーゲットに達する。 したがって、従来のイオン銃は、一対のグリッド間で発生した外因的印加電場 で加速される荷電粒子の源を備えている。従来、低エネルギーイオンビーム製造 には3つのグリッドが使用されており、その第1のグリッドは正の電位をとり、 第2のグリッドは最適な発散をもたらすように調節される負の電位をとり、そし て第3のグリッドがあるならば、アース電位すなわちビームが発生するチャンバ の電位をとる。この種のビームは25年以上も前の公開文献に記されている。 幾つかの出願では、最大電流のイオンビームを得ることが好ましいとしている 。しかし、他の出願では、それがビームから成るイオンの発散、というよりはむ しろそれの相対的欠如であり、これは適切な加工処理を達成するのに重要である 。 米国特許第4447773号は、イオン源からのイオンを抽出し加速するイオ ンビーム加速装置を開示している。この装置は60mil(1.524mm)離れて いる一対の平行抽出グリッドを含み、この一対のグリッドは複数のイオン小ビー ムを抽出するために整列された複数の対をなす穴を有している。対をなす穴は、 小ビームが集まりそして合流した小ビームが抽出グリッド対の下流0.6inch( 15.24mm)にある加速電極により加速されるように位置づけされている。抽 出グリッドは多数の小穴で形成されており、イオンの小ビームがそこを通過し、 数百ボルトの電位差を維持される。加速電極は一つの穴を有し、抽出グリッドの 穴のマトリクスの高さより僅かに高くなっており、また抽出グリッド対から抜け 出た集束されたイオンビームを加速するために非常に低い電位で維持されている 。 イオンビーム技術に関する包括的概論および先行技術概観は欧州特許第B−0 462165号に記されている。欧州特許第B−0462165号自体はイオン 銃について述べているものであり、イオンが加速グリッドにより加速されるプラ ズマは略500Vを越えない低い電位であり、また均一な密度のものなので、イ オンビームにおけるおよそ2〜5mA/cm2の高い電流密度を低い電位(すなわ ち、略500V以下)で得られ、また作業中の加速グリッドへの損傷の危険性は 最小限である。この装置はイオン銃を備えており、プラズマを13.56MHz やその倍等の商業使用されている高周波を使用して効率よく発生させることがで きるとともに、そのプラズマは高密度、良好な均一性および比較的低いプラズマ 電位という望ましい特性を有している。 しかし、先行技術で述べられたイオンビーム源に伴う長年の問題は、ビームが 作用を受け易い発散の高いレベルにある。欧州特許第B−0462165号の装 置はそれまでの先行技術のイオンビーム源に伴う多く の問題を解消してはいるが、イオンビーム発散の度合いを減少するようにこの装 置を改善することが未だに強く要望されている。低から中程度のビームエネルギ ーに対する非常に低い発散に対する要望が高まっている。この役割において、ビ ームは、多分長さ1×10μmの深いトレンチを任意にエッチングするイオンミ ルとして一般に説明されている。そのためには、たぶん500eV程度に低い加 工エネルギーで最大比率の拘束により決定されたエネルギーでわずか略1°の発 散を伴うビームが必要である。このエネルギーで作動する従来のイオン銃では、 加工比率に見合うに十分な電流での発散条件に応じることができない。 したがって、本発明は上述した目標が十分に達成される方法での作動可能なイ オン銃を提供することを目的とする。 本発明によれば、低エネルギー荷電粒子ビーム発生用の装置を提供し、この装 置は、プラズマチャンバと、第1極性の粒子と第2極性の相対の荷電粒子とを備 えるプラズマをプラズマチャンバで発生させる手段と、プラズマチャンバ内に第 1極性の粒子を抑制する手段と、第1電極グリッドに第2極性の第1電位を付与 するために第1電位源へ接続するように設けられていて、プラズマと接触する第 1マルチアパーチャー電極グリッドと、第2電極グリッドに第2電位を付与する ために第2電位源へ接続するように設けられた第2マルチアパーチャー電極グリ ッドであり、第2極性の荷電粒子を第2グリッドに向けて通過加速させるための 第1加速場を第1と第2電極グリッド間に発生させるように第2電位が、小さい 正電位又は小さい負電位にされるという意味で第1電位より小さい第2マルチア パーチャー電極グリッドと、第1極性の第3電位を第3電極グリッドに付与する ために、かつ第2極性の荷電粒子を第3電極グリッドに向かって通過加速させる ための第2加速場を第2と第3電極グリッド間に発生させるために、第3電位源 へ接続するように設けられた第 3マルチアパーチャー電極グリッドとを備え、第1と第2グリッド間のグリッド 間隔は両グリッドの中央部でよりも周辺部で広くなっており、第1、第2および 第3グリッドのアパーチャーは第1グリッドのアパーチャーから抜け出た粒子が 、小ビームの状態で、第2グリッドの対応するアパーチャーを通り抜けて続いて 第3グリッドの対応するアパーチャーを通り抜け加速されるように整列され、そ して第3グリッドからの複数の小ビームが第3グリッドの下流でビームを形成す る。 本発明の装置は、電子ビームを発生させるために使用されてもよく、その場合 には、第1極性の荷電粒子はイオンであり、第2極性の荷電粒子が電子であり、 またはイオンビーム発生のために使用されてもよく、その場合には、第1極性の 荷電粒子が電子であり、第2極性の荷電粒子はイオンである。 したがって、本発明は、端部に開口を有し導電性で非磁性の本体と、平坦また は最小限に皿型の誘電部材で塞がれている第1端と、この第1端に対向する第2 端に電極とを含むプラズマチャンバと、イオン銃の使用時にプラズマチャンバの 壁付近に電子を閉じ込めるために本体の周囲に配列された第1磁石手段と、プラ ズマチャンバでプラズマを誘導的に発生させるために誘電部材に隣接する基本的 に平坦なコイルを含む高周波誘導装置とを備える、イオンビーム加工時に使用す る低エネルギーイオン銃であって、電極は、第1正電位源に接続するように設け られるとともに、プラズマチャンバでプラズマと接触するように配置された第1 マルチアパーチャーグリッドと、イオンを第2グリッドに向けて通過加速させる ための第1加速場を発生させるように第1電位源よりも低い電位の第2電位源に 接続するように設けられた第2マルチアパーチャーグリッドと、イオンを第3グ リッドに向けて通過加速させるための第2加速場を発生させるように第2電位源 より低い電位の第3電位源に接続す るように設けられた第3マルチアパーチャーグリッドとを含み、第1と第2グリ ッド間のグリッド間隔は両グリッドの周辺部が中央部よりも広くなっており、第 1、第2および第3グリッドのアパーチャーは、第1グリッドのアパーチャーか ら抜け出た粒子が、小ビームの状態で、第2グリッドの対応するアパーチャーを 通り抜けて続いて第3グリッドの対応するアパーチャーを通り抜け加速されるよ うに整列され、第3グリッドからの複数の小ビームが第3グリッドの下流でビー ムを形成することを特徴とする低エネルギーイオン銃を提供するものである。 第1および第2グリッド間にグリッドの中央部でよりも周辺部で広くなるグリ ッド間隔の形成は、本発明の実施形態の重要な特長点である。好ましくは、グリ ッド間隔の変化を第1および第2グリッドの隣接する表面のうち片方か両方を曲 線輪郭にすることにより得る。そこで、好適な一実施形態において、第2グリッ ドの周辺部ではほとんど平坦な表面になっているが、その中央部においては第1 グリッドに向かって外側に膨らんでいる。グリッド表面間のグリッド間隔に変化 をつけることは、第1グリッドに近づくビームのプラズマ密度がビームの表面に 向かって小さくなる傾向にあることを認めている。各小ビームが第1グリッドを 通過して経る加速場は、グリッド間隔に依存しており、第1グリッドの周辺部か らであろうと中央部からであろうと、各小ビームの発散を最適にするように選択 されてよい。 本発明の一実施形態では、第3電位源が第3グリッドに負電位を付与するよう に設けられていてもよい。または、第3電位源は第3グリッドをアースするよう に設けられていてもよい。この場号、第4グリッドが設置され、アースと接続す るように設けられていてもよい。 本発明はさらに、端部に開口を有し導電性で非磁性の本体と、平坦または最小 限に皿型の誘電部材で塞がれている第1端と、この第1端に対 向する第2端に電極とを含むプラズマチャンバと、イオン銃の使用時にプラズマ チャンバの壁付近に電子を閉じ込めるために本体の周囲に配列された第1磁石手 段と、プラズマチャンバ内にプラズマを誘導的に発生させるために誘電部材に隣 接する基本的に平坦なコイルを含む高周波誘導装置とを備える、イオンビーム加 工時に使用する低エネルギーイオン銃であって、電極は、第1正電位源に接続す るように設けられるとともに、プラズマチャンバ内でプラズマと接触するように 配置された第1マルチアパーチャーグリッドと、イオンを第2グリッドに向けて 通過加速させるための第1加速場を発生させるように第1電位源よりも低い電位 の第2電位源に接続するように設けられた第2マルチアパーチャーグリッドと、 イオンを第3グリッドに向けて通過加速させるための第2加速場を発生させるよ うに負電位源に接続するように設けられた第3マルチアパーチャーグリッドと、 アースに接続するように設けられた第4マルチアパーチャーグリッドとを含み、 第1、第2、第3および第4グリッドのアパーチャーは、第1グリッドのアパー チャーから抜け出た粒子が、小ビームの状態で、第2グリッドの対応するアパー チャーを通り抜けて、第3グリッドの対応するアパーチャーを通り抜けて続いて 第4グリッドの対応するアパーチャーを通り抜け加速されるように整列され、第 4グリッドからの複数の小ビームが第4グリッドの下流でビームを形成すること を特徴とする低エネルギーイオン銃を提供する。 また本発明に基づいて、端部に開口を有し導電性で非磁性の本体と、平坦また は最小限に皿型の誘電部材で塞がれている第1端と、この第1端に対向する第2 端に電極とを含むプラズマチャンバと、電子イオン銃の使用時にプラズマチャン バの壁付近にイオンを閉じ込めるために本体の周囲に配列された第1磁石手段と 、プラズマチャンバ内でプラズマを誘導的に発生させるために誘電部材に隣接す る基本的に平坦なコイルを 含む高周波誘導装置とを備える、電子ビーム加工時に使用する低エネルギー電子 銃であって、電極は、第1負電位源に接続するように設けられるとともに、プラ ズマチャンバ内でプラズマと接触するように配置された第1マルチアパーチャー グリッドと、電子を第2グリッドに向けて通過加速させるための第1加速場を発 生させるように第1電位源よりも小さい負電位の第2負電位源に接続するように 設けられた第2マルチアパーチャーグリッドと、電子を第3グリッドに向けて通 過加速させるための第2加速場を発生させるように第2電位源より高い電位の第 3電位源に接続するように設けられた第3マルチアパーチャーグリッドとを含み 、第1、第2および第3グリッドのアパーチャーは、第1グリッドのアパーチャ ーから抜け出た電子が、小ビームの状熊で、第2グリッドの対応するアパーチャ ーを通り抜けて、続いて第3グリッドの対応するアパーチャーを通り抜け加速さ れるように整列され、第3グリッドからの複数の小ビームが第3グリッドの下流 でビームを形成することを特徴とする低エネルギー電子銃を提供する。 また、本発明は低エネルギーイオンビーム発生方法も提供するものであり、こ れは次のステップを含む。 (a)上述した説明に基づくイオン銃を用意して、 (b)プラズマ形成気体をプラズマチャンバに供給して、 (c)プラズマチャンバ内でプラズマが発生するように高周波誘導装置を励磁 して、 (d)プラズマが第1グリッドのアウトレット面方向に第1グリッドを通過す るようにそのインレット面にプラズマを供給して、 (e)プラズマが第2グリッドのアウトレット面方向に第2グリッドを通過す るようにそのインレット面と第1グリッドのアウトレット向との間でプラズマを 加速させて、 (f)プラズマが第3グリッドのアウトレット方向に第3グリッドを通過する ようにそのインレット面と第2正グリットのアウトレット面との間でプラズマを さらに加速させて、 (g)第3グリッドのアウトレット面からの複数のイオン小ビームを回収する 。 さらに、本発明が提供するのは、 (1)減圧チャンバと、 (2)減圧チャンバ内にイオンビームを投じるように配置されたイオン銃と、 (3)イオンビーム内に電子を投じるためのイオンビーム中性化装置と、 (4)イオンビームの進路にあるターゲットまたは基板用の支持部とを備える 低エネルギーイオンビーム加工装置であって、 イオン銃は、 開口を有し導電性で非磁性の本体と、平坦または最小限に皿型の誘電部材で塞 がれている第1端と、この第1端に対向する第2端に電極とを含むプラズマチャ ンバと、 イオン銃の使用時にプラズマチャンバの壁付近に電子を閉じ込めるために本体 の周囲に配列された第1磁石手段と、 プラズマチャンバ内でプラズマを誘導的に発生させるために誘電部材に隣接す る基本的に平坦なコイルを含む高周波誘導装置とを備えて、 電極が、第1正電位源に接続するように設けられるとともに、プラズマチャン バ内でプラズマと接触するように配置された第1マルチアパーチャーグリッドと 、 イオンを第2グリッドに向けて通過加速させるための第1加速場を発生させる ように第1電位源よりも低い電位の第2電位源に接続するよう に設けられた第2マルチアパーチャーグリッドと、 イオンを第3グリッドに向けて通過加速させるための第2加速場を発生させる ようにアースまたは負電位源に接続するように設けられた第3マルチアパーチャ ーグリッドとを含み、第1、第2および第3グリッドのアパーチャーは、第1グ リッドのアパーチャーから抜け出た粒子が、小ビームの状態で、第2グリッドの 対応するアパーチャーを通り抜けて、続いて第3グリッドの対応するアパーチャ ーを通り抜け加速されるように整列され、第3グリッドからの複数の小ビームが 第3グリッドの下流でビームを形成することを特徴としている。 「低エネルギー」とは、およそ10kVまで、例えば5kVかそれ以下のこと である。通例、本発明の装置によって発生されるイオンビームは1kVかそれ以 下のエネルギーを有している。 本発明のイオン銃はこれまで達成可能であったものより著しく低い発散量のイ オンビームを発生できる。本発明に基づく銃で発生した500eVイオンビーム の発散は小さく、1°である。これは従来例の3グリッド電極グリッド構造を利 用した従来のイオンビームの3°から5°の値とは全く対照的である。驚くこと に、従来例では超低発散イオンビームの基本的設計基準が認められていないこと が分かった。欧州特許第B−0462165号で例示されるように、先行技術の 基礎は、簡素な2/3グリッド従来加速構造およびそのバランスをビームの自然 空間電荷斥力で支える静電レンズ原理にある。この斥力はその様な構造に発散最 低限界を引き起こす。従来例のイオンビームは第1正荷電グリッドおよび第2負 荷電グリッドによりもたらされる強力な加速力で強力に圧縮される。第1および 第2グリッド間の電位差はおよそ1000Vのオーダーである。ビームが第2グ リッドを通過すると、空間電荷力は頂点に達し、ビームが第2グリッドを越えて 延びるにしたがい発散させるようにビー ムに作用する。空間電荷力はビーム電流の増加、ビーム径の減少およびビームエ ネルギーの減少に伴い増加する。経験的には、産業加工に実用可能なビーム電流 での3グリッド加速器の500eVビームの発散の下限は3°から5°の間であ ることが分かっている。しかし、本発明のイオン銃は1°の発散値をもたらすこ とができる。 本発明においてビームの角発散を最小限にし得るひとつの好適な方法は、第2 と第3グリッド間のよりも第1と第2グリッド間の加速場を穏やかにすることに よる。この事は小ビームをより広い正味面積で伝えるので、加速グリッド構造自 体の内部の空間電荷斥力を減らせる。 本発明のイオン銃が3つ以上のグリッドを備えてよいのは当然である。たとえ ば、それぞれが上流側に隣接するグリッドよりも低い正バイアスにされている、 3つ、4つ若しくはそれ以上の正バイアスグリッドを使用してもよい。または、 若しくは更には、複数の負バイアスグリッドまたはアースグリッドがグリッド構 造体の下流端方向に組み込まれてもよい。しかし、大部分の利用においては、3 または4グリッド構造が適していることが予想される。3グリッド構造では、第 1および第2グリッドが正にバイアスされ、第1グリッドはプラズマチャンバ内 でプラズマと接触し、第2グリッドは第1グリッドより低い正バイアスであり、 第3グリッドが負にバイアスされるかアースされてもよい。4グリッド構造では 、上述したように、第1と第2グリッドが正にバイアスされる一方で、第3グリ ッドは負にバイアスされ、第4グリッドがアースされるか又は負にバイアスされ てもよい。したがって、本発明の好適な一実施形態においては、電極の第3グリ ッドは負電位源に接続するように設けられ、電極はアースに接続するように設け られた第4グリッドを含むものである。第4グリッドをイオンビームの加速と発 散の比率の特別な抑制をするのに使用してもよい。 好ましくは、各グリッドの機械的離間はビームの発散を決定する上で大きな役 割を果たすので、グリッド配置を厳密にする。たとえば、2つのグリッド間の距 離の10%かそれ以上の変化は、広い面積ビームの正味発散に甚大な影響を与え ることがある。さらには、ビーム発散とグリッド間の間隔幅との関係は実質的に リニアではない。 しかし、ビーム発散はビームの局所イオン電流密度の作用でもある。ビームの 断面面積が増えると、ビーム断面での電流密度は、略10%まで変化し得る。電 流密度はビーム表面に向かって下がる。 本発明の一実施形態において、グリッドは互いに平行な配列で配置されている 。隣接するグリッドの隙間は略0.5mmから略3.0mmの間、通例略1.00 mmが好ましい。 しかし、好適な実施形態において、隣接する一対のグリッドの片方は、2つの グリッド間の隙間が両グリッドの中央部方向よりも両グリッドの周辺部方向で広 くなるような曲線に輪郭形成されている。例えば、一対の中央部での隙間はおよ そ1.00mmでよいが、その周辺部での隙間はおよそ1.3mmである。好まし くは、第2グリッドが曲線輪郭形成される。 ビーム中の電流密度の変化は常に一定で反復可能であり、これが大きなビーム 中の最適な平均発散を得るために利用されてもよい。数値シミュレーションが、 隣接するグリッド間の内部隙間の大きさおよびビームの電流密度に対しての変化 を確かめるために利用されてもよい。 本発明の好適な一実施形態では、4つのグリッドが設けられ、各グリッド間の 隙間は、その中央部で、略1.00mmである。好ましくは、一つかそれ以上の グリッドは上述したように曲線に輪郭形成されている。さらに好ましくは、第2 グリッドのみが曲線に輪郭形成されている。 本発明のイオン銃は、一般にイオンミリング応用に使用される、アル ゴン等の重イオンの低エネルギービームを発生するための特定の値のものである 。空間電荷力はイオン速度に反比例して増加するので、500eVでのアルゴン イオンビームの発散の影響は、比較可能なビーム電流の50KeVでの水素イオ ンビームのものに比べて50倍以上である。イオンミリング応用に一般に使用さ れるその他の重イオンとしては、クリプトン、キセノン、H2、O2、Cl2、N2 、CO2、SF6、C26,またはC26/CHF3混合物から抽出されたイオン を含む。 本発明のイオン銃において、誘導高周波結合がプラズマチャンバでプラズマを 発生するのに使われている。発生したプラズマは、大抵、プラズマチャンバの電 位またはその内表面の最高電位の電位以上わずか数十ボルトであるプラズマ電位 を示す。これは、プラズマを発生するための静電容量高周波結合を利用し、また 数百ボルトのプラズマ電位でプラズマを形成するイオン銃の多くの従来例の設計 とは対照的である。 壁手段は導電性材料で構成されてもよい。しかし、例えば、金属イオン不純物 によるイオンビームの汚染の可能性を避ける必要があるならば、壁手段は誘電性 材料で構成してもよい。 第1磁石手段は、プラズマチャンバの複数の壁領域、例えばプラズマチャンバ の壁の実質的垂直に延びる壁領域、の各部上にアーチを形成するようにプラズマ チャンバの壁からそこに戻るカーブで延びる磁束線をプラズマチャンバ内に発生 させるように配置された複数の磁石を含んでもよい。希土類磁石の使用が好まし い。第1磁石手段の具体的配置は欧州特許第B−0462165号で述べられて おり、当業者にははっきりと理解される。 できるだけほぼ平坦な誘電部材の使用が好ましい。したがって、誘電部材の最 小限の皿型は適している。しかし、減圧装置の保全性が維持され、また作動中に 誘電部材にかかる圧力差による誘電部材の破損の全て の危険性が実質的に予防されることが確実にされるはずであり、誘電部材の全皿 型を避けることは実際的でないかもしれない。 誘電部材に結合された高周波エミッター手段は、好ましくは誘電部材に隣接す るかその内部に埋め込まれた実質的に平坦な渦巻き型コイルを含む。したがって 、コイルは平坦か、実用可能な限りに略平坦が好ましい。そのようなコイルは、 水等の冷媒を通すことができる、例えば銅のような電導性材料の管の形態をとっ てもよい。コイルのタイプおよびその利点は欧州特許第B−0462165号で 述べられている。 通例、誘電部材と結台された高周波エミッター手段は、略1MHzから略45 MHzまでの範囲の周波数で、たとえばおよそ2MHzでか、より好ましくは、 この周波数の範囲内の工業用に割り当てられている周波帯の一つ、例えば13. 56MHz、27.12MHzまたは40.68MHz、で作動する高周波電源に 接続するように配置されている。 螺旋駆動コイルの形状の適切な選択により、またプラズマチャンバ内の磁場力 及び/又は分布を変えることにより、Ar、O2又はN2等の様々な気体の放出の 励起を調整することが可能である。 好適な形態において、本発明のイオン銃は、高周波付勢コイルまたは高周波エ ミッター手段の他の形態を貫通する磁気ダイポール場を発生させるために高周波 エミッター手段と結合された第2磁石手段をさらに含む。 上記第1磁石手段の多重極配列により発生される場に加えて長手レンジ軸場を 追加するためにさらに別の磁石手段(以下、第3磁石手段)を設けることも可能 である。そのような第3磁石手段は、例えば、その軸がプラズマチャンバの軸と 実質的に重なるか、平行になるように配置された、プラズマチャンバを囲む電磁 行の形態をとることができる。 本発明に係わるイオンビーム装置において、イオンビームに投じられ る電子のビームを発生する高周波エネルギー源により作動するイオンビーム中性 化装置を利用することが好ましい。好都合なことに、そのような高周波エネルギ ー源はイオン銃の高周波発生手段と同じ周波数で作動する。 そこで、本発明では、端部に開口を有するプラズマ源室と、プラズマ源チャン バにプラズマ形成気体を入れる手段と、プラズマを発生させるプラズマ源チャン バを囲む高周波発生コイルと、負電位源に接続するように設けられた第1グリッ ドおよび、電子を抽出グリッド構造の第2グリッドに向かって通過加速させるた めの加速場を発生させるように正電位源に接続するように設けられた第2グリッ ドを含んで、プラズマ源チャンバの開口部に架かる抽出グリッド構造とを含むイ オンビーム中性化装置を利用してもよい。そのようなイオンビーム中性化装置は 、不活性ガス、反応性ガス、または不活性ガスと反応性ガスの混合物をプラズマ 形成気体として使用してもよい。 本発明を明確に理解しかつ容易に実施するために、イオンビーム加工装置の好 適な形態を、例を挙げて、添付の概略図を参照して説明する。 図1は、イオンビーム加工装置の縦断面図である。 図2は、図1に示す装置のイオン銃を上から見た平面図である。 図3は、図1および2に示した装置のプラズマ箱の部分横断面図である。 図4は、図3の一部を拡大した図である。 図5は、図1から図4の装置の第1磁石配列の図である。 図6は、図1から図5の装置の制御グリッド構造を拡大した縦断面図である。 図7は、図1および図2に示されたイオン銃の第2磁石により作られた磁場の 説明である。 図8は、本発明に基づき組立てられたイオン銃の第2の形態の縦断面図である 。 図9は、図8のイオン銃の上面図である。 図10および11のそれぞれは、図9のA−A線およびB−B線での断面図で ある。 図12および13は、それぞれ、図8のイオン銃本体の部分破断側面図および 上面図である。 図14および15のそれぞれは、図12のC−C線およびD−D線での断面図 である。 図16は、図8のイオン銃本体の部分の拡大断面図である。 図17は、高周波エミッターコイルが形成される管の軸の模式図である。 図18および19のそれぞれは、高周波エミッターコイルの断面図および側面 図である。 図20は、比較目的のために、従来の3グリッド電極構造を有する従来例のイ オン銃におけるイオンビームの発散の概念作用を示している。 図21は、本発明に関わる4グリッド電極イオン銃におけるイオンビームの発 散の概念作用を、図20に示した概念作用と直接的に比較して、示している。 図22は、本発明のイオン銃に使用される電極グリッドの上面図である。 図23は、本発明に基づき組立てられたイオン銃の第3の形態の縦断面図であ り、第2グリッドが形成される電極グリッド配列を示している。 図面の図1から図7において、イオンビーム加工装置1は、イオン銃3がその 上に設置されている減圧チャンバ(2で図示)を備えている。イオン銃3は、端 部に開口を有するプラズマチャンバ5の上に設置され たプラズマ発生器4を備え、端部に開口を有するプラズマチャンバ5の下端は制 御グリッド構造体6で塞がれている。制御グリッド構造体6については後に詳説 する。プラズマ中性装置7は、イオン銃3の下端部から流出するイオンビーム8 を中性化するために、減圧チャンバ2に設けられている。ターゲット9はイオン ビーム8の進路に置かれている。 プラズマ発生器4は、プラズマチャンバ5の開口上端を塞ぐ誘電部材10を備 えている。矢印11で示されるように、多数のガスインレットノズルが設けられ ており、このノズルを通って、アルゴン等のプラズマ形成気体、または、プラズ マ形成気体と酸素等の反応性ガスとの混合物がプラズマチャンバ5に入ることが できる。高周波コイル12は部材10の上に設置され、例えば13.56MHz で作動する適切な高周波電源に接続されている。磁石13と14とは、後で詳説 する目的のために設けられている。 プラズマチャンバ5は、アルミニウム製、アルミ合金製またはその他の導電性 で非磁性体製の端部に開口を有する金属製本体15を備えており、複数の第1棒 磁石16がその中に設置されている。組立てを容易にするためには、本体15を 2つの部分、すなわち内側部17と外側部18とで構成し、第1磁石16がその 2つの部分の間に設置される。 図3から分かるように、32個の第1棒磁石16が内側部17の筒状の外面に 縦方向に固定されている。入手し易い強力な磁石、例えば、サマリウムコバルト 磁石等の希土類磁石の使用が好ましい。通常そのような磁石は、およそ1〜2k Gaussの磁界強度を示す。図3には、第1磁石16は32個ある。しかし、 第1磁石16の数が偶数ならば、より多くのまたは少ない、例えば、30個かそ れ以下(例、24個)または40個までかそれ以上(例、48個)の第1磁石を 使用してもよい。そして、第1磁石16は、その最長寸法がプラズマチャンバ5 の軸との 実質的に平行に配置されて、内側部17の外周面に沿って均一な間隔を置いて配 置されている。しかし、図4に示すように、第1磁石16の磁気軸がプラズマチ ャンバ5に対して放射状に並べられているので、各磁石16の北極と南極と(図 4ではそれぞれNとSとで表示)は、磁石16の最短寸法方向に分けられており 、第1磁石16は内側部17の周面に沿って磁極性を交互に並べている。 第1磁石16の上には環状溝19が、そしてそれに対応して、下側には環状溝 20がある。溝19と20とは、隣接する第1磁石16間の空間21を介して、 互いに連通する。溝19と20および空間21は、使用時に第1磁石16および 本体15を冷却する冷媒流体(例えば、水)の通路を形成している。参照番号2 2と22aとは、環状部材23に設けられた冷媒流体供給源および排出管を示し ている。冷媒流体を所定経路に導くために、図5から分かるように、バフル24 および25が溝19および20に設けられている。 図4では、第1磁石16が生じる磁気力の線26を示している。この力の線は 、本体15の内側表面からプラズマチャンバ5のキャビティー27内に延び、そ して、本体5の軸と平行に延びる領域28を越えるアーチを描いて、キャビティ ー27の壁に戻る。 図1に戻って、プラズマチャンバ5の下端は、大幅に拡大した図6に詳細に示 されている制御グリッド構造体6により塞がれている。グリッド構造体6は、3 つのグリッド29、29aおよび30から成り、各グリッドには整列された穴3 1、31aおよび32が形成されている。グリッド29が正にバイアスされてい る一方で、グリッド30は負にバイアスされるかアースされている。グリッド2 9aは正にバイアスされているが、グリッド29と29a間およびグリッド29 aと30間に二つの加速場を引き起こし、イオンがグリッド29aと30とに向 かって通 過加速するように、グリッド29より弱くバイアスされている。このようなグリ ッドは、モリブテンまたはモリブテン合金からか、炭素シートからか、又は適当 なアルミ合金から製造できる。アルミニウムには重金属不純物を防ぐ特有の利点 がある。通常、グリッド29には印加される略1000Vまでの正電位があるが 、ゼロから略200Vの負電位がグリッド30に印加される。グリッド29aは 、印加される850Vまでかそれ以上、例えば750の正電位を有する。このグ リッド配置で発生されるイオンビームについては詳しく後に述べる。 さて、イオンビーム中性装置7については、例えばアルゴンとか酸素の気体が 、ライン34を通って中空絶縁電極アセンブリ35に、矢印33で示すように供 給される。電極アセンブリ35の開口は、一対のグリッド36と37とで覆われ ている。高周波発生コイル38が電極アセンブリ35を囲んでいる。良い事には 、これは高周波発生コイル12と同じ周波数、例えば13.56MHzで駆動さ れる。グリッド36は負にバイアスされているが、グリッド37は正にバイアス されていて、グリッド36と37間に加速場をつくり、電子をグリッド37に向 かって通過加速させている。 図2は高周波発生コイル12に対する任意の第2磁石13と14の位置を平面 図で示している。第2磁石は付勢コイル12を貫通する磁気ダイポール場をつく る。この磁場の形状は図7に概略的に示されている。図7から分かるように、磁 石13と14は、北極か南極かのどちらかが誘電部材10と対向するように、か つ力の線47が高周波発生コイル12を貫通して誘電部材10の内面を越えてア ーチを形成するように配置された磁化の軸を有している。 参照番号48は、コイル12に接続された高周波電源を示しており、この電源 はまたコイル38に接続してもよい。または、コイル38は専 用の高周波電源を有することもできる。線49と50のそれぞれは、電極17お よびグリッド29への正電気供給リード線を示している。都合の良いことに、電 極17とグリッド29とは同じ正電位である。参照番号51はグリッド30に負 バイアス電位を供給するための負電気供給リード線を示している。 ライン53を介して減圧チャンバ2に接続された適切な真空ポンプ機構52に より、減圧チャンバ2を排気することができる。 イオンビーム加工装置1の使用時には、減圧チャンバ2は、一般には略10-5 ミリバールから略10-5パスカル(10-7ミリバール)の圧力に排気される。ア ルゴン等のプラズマ形成気体か、反応性気体か、または、O2、CO2、Cl2、 SF6、C22又はC26/CHF3混合物等のプラズマ形成気体と反応性気体と の混合物が、インレット11を経由して入れられる。そして、高周波コイル12 がプラズマを発生させるために励磁される。このプラズマは多くても数十ボルト 、例えばグリッド29の電位以上のおよそ+10V(ボルト)のプラズマ電位を 有しており、これは、通常、電極17と同じ電位である。放出された電子は磁力 線26によって領域28内に閉じ込められる。グリッド29が略900Vの正電 位にバイアスされる一方で、グリッド29aは725Vの正電位にバイアスされ 、グリッド30はおよそ−100Vの負電位にバイアスされる。キャビティー2 8内のイオンはグリッド29に向かって加速されて通過した後、グリッド29と 29a間の電場によって緩やかに加速され、そしてグリッド29aと30間の電 場によってさらに加速されて、規定エネルギーの平行イオンビーム8の状態で出 て来る。グリッド30を通過後、アースされたターゲット9へ飛ぶイオンは減速 場で移動する。イオンは、シース電位に第1正グリッド29の電位を加えたもの と同等かまたは略同等なエネルギーで、アースされたターゲット9 に達する。したがって、+900Vのバイアスがプラズマに浸されたグリッド2 9に印加されると、第3グリッド30に印加される負電位の程度に関わりなく、 イオンは略910Vの電位でターゲットに達する。グリッド29aは、グリッド の領域に対して制御された変動の分離をもたらすような形状になっている。これ により、後で図23を参照して詳しく述べるように、プラズマ密度の変化が局所 ビーム拡散に対する最小の作用で応じられる。 アルゴン等のプラズマ形成気体、反応性気体、またはプラズマ形成気体と反応 性気体との混合物が、1分につき略1cm3から1分につき略5cm3の率で、多 くの場合、この範囲の高い方の率で、管34を介して中性化装置7に入れられる 。高周波発生コイル38が電子放電の開始のために作動される。電子放電が始ま ると、それは、1分につき略1cm3まで管33のガス流速の低下に続いて、略 20Vから略40Vの管理電位の使用により維持される。 コイル12からの高周波信号の影響を受けて、インレット11経由で供給され た気体はプラズマチャンバ5でイオンのプラズマと自由電子とを形成するように 解離され、イオンはチャンバ5の中央部を満たし、電子は磁力線26によりチャ ンバ5の壁付近に捕らえられる。プラズマチャンバ5の磁気的閉じ込め領域のゾ ーン28からの高周波発生コイル12の幾何学的隔たりのために、プラズマチャ ンバ5の中央部のプラズマは継続的に均一であり、比較的低いプラズマ電位を有 する。この事は、プラズマからイオンを抽出し、そのイオンを制御グリッド構造 体6に向かって通過加速させるために、比較的低い加速電位のみが必要とされて いることを意味する。したがって、制御グリッド構造体6、特にグリッド29へ の損傷またはオーバーヒートの危険性が最小限に抑えられる。 中性化装置7はイオンビーム8の進路に電子流を送り、ターゲット9 での電流中和を起こす。 高温カソードがプラズマを発生させるのに使用されていないため、説明した装 置は不活性ガスまたは反応性ガスの何れのタイプにでも使用できる。典型的に使 用される気体は、アルゴン、クリプトン、キセノン、H2、O2、Cl2、SF6、 CO2、CF4、C26、CHF3、およびそれらの2つかそれ以上の混合物を含 む。 説明したように、イオンビーム加工装置1はイオンビームミリング用にできて いる。スパッタデポジション用の装置に変形できることは当然のことであり、こ の場合、ターゲットが基板9に取って代わり、傾斜角のイオンビーム8が当たる ように配置されるが、ターゲットはイオンビームの進路から外れ、結果として生 じるスパッタ材料の進路内に置かれる。 図8は、本発明に基づき構成されたイオン銃100の他の形態の縦断面図であ る。これはオーステナイト系ステンレス鋼製本体101を備え、イオン銃100 の周面に対して対称配置された20個の棒磁石102が本体101の周囲に設置 されている。(図1〜7の実施形態よりも本実施形態の磁石の数が少ないのは、 本体101の直径が図1〜7のイオン銃のものより小さいからである)。通常、 磁石102はサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石であり、およそ0、1Tか らおよそ0、2T(1キロガウスから略2キロガウス)の範囲の磁界強度を有し ている。図8からわかるように、各磁石の磁気軸は、イオン銃100の軸に対し て放射状に置かれ、また磁石102の最短寸法に相応するように整列されている 。磁石102は、イオン銃100の周面に沿って交互の極性で配置されているの で、図8に示されたひとつの磁石の両隣の磁石はイオン銃100の軸方向と対向 する北極(南極ではなく)を有し、その隣の磁石は、イオン銃100の軸と対向 する南極を有するというふうになる。 軟鉄または軟磁性体製の極片103が、本体101と磁石102とを囲んでいる 。 本体101は、アルミナ製の誘電性端板104で塞がれた開口上端を有してい る。または、端板104はシリカ等の他の誘電性材料でつくることもできる。 端板104の上には、完璧に4回転した渦巻き形銅管状の高周波発生コイル1 05がある。(明快表現のために、図9において高周波発生コイルのコイルの表 示を省略したが、コイル105の構造については後述するように図17〜19に 詳しく示してある)。水が冷却のためにコイル105を通って送られる。コイル 105の両端部は参照番号106および107で示してある。 先端リング108が端板104を位置的に保持し、さらに、コイル105用の クランプ109を支持している。先端リング108は、ソケットヘッドボルト1 10により固定されている。O型リング111は端板104と先端リング108 間を密封する役目をしている。 イオン銃100は、図1〜8の装置の減圧チャンバ2と同様に、減圧チャンバ に設けられ、この減圧チャンバは参照番号112で示されていて、減圧チャンバ 2と大体似ている。特に、これは、図示しない真空ポンプに接続され、図示しな いイオンビーム中性化装置とやはり図示しないターゲットを備えている。銃10 0はスペーサ113、クランプ114およびボルト115により減圧チャンバ1 12の本体に設けられている。O型リング116には極片103とスペーサ11 3間を真空シールする働きがある。 図12〜15では、本体101の構造をより詳細に示している。本体101は 、その外面に設けられた20個のスロット117を有し、各スロットは対応する 棒磁石102を収納するようになっている。本体10 1の下端には、複数、全部で5つ、の小溝118が加工されており、本体101 の周囲に沿って均等に間隔を置いて設けられている。また、4つの溝119が本 体101の上端にあるが、これらは溝118とはずれている。垂直ボア120が 溝118と119とに接続している。ボア121と122とは溝118と119 およびボア120によって形成された蛇行経路への流出入路を確保している。図 8から分かるように、溝118は、本体101の下端に溶接されたスプリットリ ング123により塞がれ、そしてまた本体101の上端には差込板124(図1 3参照)が溶接されていて、溝119を塞いでいる。この様にして、水等の冷媒 用の密閉通路が本体101に形成されており、隣接する対の磁石102間を通る 蛇行経路に追従している。流出入口接続部125および126がボア121およ び122と連通するように設けられている。 本体101は、第1グリッド127と、第2グリッド128と第3グリッド1 29とを備える制御グリッド構造体を、その下端部で支持している。グリッド1 27は本体101に直接ボルトで固定されるとともに、本体101と電気的に接 触している。グリッド128および129は本体101の周囲に沿った3点で、 適当な支持部材129a(内1つのみ図示)によって支持されている。図10に 示すように、グリッドは、それぞれ、端子130および130aにリード線13 1および131aで接続されており、リード線131および131aは、それぞ れ、絶縁支柱132および132aを通り、その後ボア134および134aに 設けられた絶縁管133および133aを通るとともに、グリッド127の一つ または複数の穴に位置するスペーサ136または136aを通る各貫通接続部1 35又は135aによって、各々のグリッド128および129に電気的に接続 されている。ナット137か137aおよびワッシャー138か138aがそれ ぞれのグリッド128および129へ の接続を仕上げている。この配列で、グリッド127は本体101の電位を受け 入れており、またグリッド128と129とはそれぞれの端子130か130a への適切な電位印加により、別々にバイアスされることができる。 図8、10、11および12から分かるように、本体101は、誘電性部材1 04の端の下に位置する溝139を有している。これは、斜め横のボア140( 図16参照)によって、さらに先のボア141と連通している。参照番号142 はボア140の外側の端を閉じるプラグを指している。プラズマ気体供給用接続 部143(図9参照)がボア140にねじで固定されている。そのようなプラズ マ気体は、誘電性部材104の下側にある隙間145(図16にさらに明確に図 示)を介して溝139からの漏れにより、本体101内のプラズマチャンバ14 4に入ることができる。 図8と9の参照番号146は端子を示し、この端子を使って適切な電位、大抵 正電位、が本体101に、従ってグリッド127に印加される。 図17および19は、高周波螺旋コイル105の構造をさらに詳細に示してい る。図17には、コイル105の管の軸だけが図示されている。コイルは部10 6と107間で完全な4回転をなしている。 図8〜19のイオン銃の使用にあたっては、水がインレット125およびアウ トレット126によりコイル105を通って、次に本体101内の蛇行経路を通 るとともに、減圧チャンバ112は、例えば10-3Paから10-5Pa(10-5 ミリバールから10-7ミリバール)の適切な低圧力に排気される。本体101が 、例えば+900Vの適切な電位にバイアスされる一方で、グリッド128は例 えば+725Vに、またグリッド129は−100Vにバイアスされる。そして 、アルゴン等のプラズマ形成気体またはアルゴンと反応性気体(例、酸素)との 混合 物がインレット43経由で減圧チャンバ112内に流れ出ると同時におよそ10-1 Paからおよそ10-2Pa(略10-3ミリバールから略10-4ミリバール)の 範囲で圧力を維持する。例えば13.56MHzの適切な高周波数をコイル10 5に加えると、プラズマがプラズマチャンバ144内で発生する。典型的にはこ れは本体101とグリッド127の電位を超えるおよそ10ボルトのプラズマ電 位で平衡を保つ。イオンは熱拡散によりグリッド127付近に移動すると考えら れ、グリッド127を通過すると、二つのグリッド127および128の間の電 位差(例、およそ175ボルト)により生じた電場によってグリッド128に緩 やかに向かって通過加速される。グリッド128を通過後、イオンは、さらに速 く、(約825ボルトの電位差で)グリッド129に向かって通過加速される。 グリッド129を通過後、イオンは、通常はアースされているターゲット(図1 のターゲット9と類似しているが、図示せず)に向かって減圧チャンバ112内 を移動し続ける。図1の中性化装置7に似ているイオンビーム中性化装置(図示 せず)が減圧チャンバ112に配置されてもよい。グリッド129は、グリッド 129を通過したイオンがターゲットに当たる前に通過する減速場をつくるよう にさらに作用する。このようにして、上述した配置での本体101と、常に、ほ ぼ同じ電位である適切なビーム電位を持つイオンビームが生成される。 図20において、欧州特許第B−0462165号による従来例の3グリッド システムのイオンビーム発散に対する効果が示されている。参照番号147で示 すイオンビームはプラズマ体148からおよそ500Vの正電位に保たれている グリッド29(p)に向かって加速される。そして、急速な加速がフィールド線 149で示す電場により生じ、この電場がおよそ−500Vの電位に保たれてい るグリッド30(p)でイオンビームを発散ビームになるように集束する。グリ ッド31(p)は アースに接続されている。グリッド29(p)と30(p)間の1000Vの電 位差によるイオンビームの大加速は、グリッド30(p)の範囲に非常に強力な 空間電荷斥力を起こす。この斥力は、およそ79.3mrad(つまり、およそ 4°)の、150で示された、強力な発散の原因である。 それに反して、図21は本発明に基づく電極グリッド配列の効果を示している 。第1グリッド29が正電位900Vに保たれ、第2グリッド29aはそれより 低い正電位725Vに保たれている。第2グリッド29aは図23に示されるよ うな輪郭に形成されているので、第1と第2グリッド間のグリッド間隔はグリッ ドの中央部に向かってよりもその周辺部に向かって広くなる。グリッド29と2 9a間のイオン加速は、図20の従来例のグリッドのものよりも穏やか(電位差 はわずか175V)である。これは、第3グリッド30の範囲の空間電荷斥力に 影響され難く、その結果わずか15.7mrad(1°以下)の発散を示すさら に安定した平行ビームの形成を可能にしている。図21に示される実施形態にお いては4電極グリッドが使用されている。第3グリッド30は−100Vの負電 位に保たれているが、第4グリッド30aはアースに接続されている。 図22は穴31、31aまたは32を見ることができる適切なグリッドを示し ている。 図23は本発明によるグリッド配置の好適な形熊をさらに明確に示しており、 第2グリッド29a;128が曲線形成されている。各穴を通過したイオンビー ムはある程度互いに反発する。中間グリッドが断面アーチ形状だと、イオンビー ムを一点に集束する傾向はあるが、直線でかつ互いに平行にする傾向もある。例 示したイオン銃が、プラズマチャンバとイオンビーム中性化装置とに 供給される気体の適切な選択により、不活性ガスイオンビームエッチングに;反 応性イオンビームエッチングに、または化学的補助によるイオンビームエッチン グに使用可能なことを、当業者には十分理解されるだろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(GH,KE,LS,MW,S D,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG ,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM,AT ,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA, CH,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,ES,F I,GB,GE,GH,HU,ID,IL,IS,JP ,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR, LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN,M W,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD ,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM,TR, TT,UA,UG,US,UZ,VN,YU,ZW 【要約の続き】 3電位源に接続するように設けられた第3マルチアパー チャーグリッド(30;129)とを含み、第1、第2 および第3グリッドのアパーチャーは、第1グリッドの アパーチャーから抜け出た粒子が、小ビームの状態で、 第2グリッドの対応するアパーチャーを通り抜けて続い て第3グリッドの対応するアパーチャーを通り抜け加速 されるように整列され、第3グリッドからの複数の小ビ ームが第3グリッドの下流でビームを形成することを特 徴とする低エネルギーイオン統に関わる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.低エネルギー荷電粒子ビーム発生用装置(3;103)であって、 プラズマチャンバ(5)と、 第1極性の粒子と第2極性の相対の荷電粒子とを備えるプラズマを前記プ ラズマチャンバ内で発生させる手段(12)と、 前記プラズマ室(5)に前記第1極性の粒子を抑制する手段(16)と、 第2極性の第1電位を付与するために第1電位源へ接続するように設けら れていて、プラズマと接触する第1マルチアパーチャー電極グリッド(29;1 27)と、 第2電位を付与するために第2電位源へ接続するように設けられた第2マ ルチアパーチャー電極グリッド(29a;128)であり、第2極性の荷電粒子 を当該第2グリッドに向けて通過加速させるための第1加速場を前記第1と第2 電極グリッド間に発生させるように第2電位が第1電位より小さい第2マルチア パーチャー電極グリッド(29a;128)と、 第3マルチアパーチャー電極グリッド(30;129)であって、 第1極性の第3電位を付与するために、かつ第2極性の荷電粒子を当該第3電極 グリッドに向かって通過加速させるための第2加速場を前記第2と第3電極グリ ッド間に発生させるために、第3電位源へ接続するように設けられた第3マルチ アパーチャー電極グリッド(30;129)とを備え、 前記第1と第2グリッド間のグリッド間隔は両グリッドの中央部でよりも 周辺部で広くなっており、前記第1、第2および第3グリッドのアパーチャーは 、前記第1グリッドのアパーチャーから抜け出た粒子 が、小ビームの状態で、前記第2グリッドの対応するアパーチャーを通り抜けて 続いて前記第3グリッドの対応するアパーチャーを通り抜け加速されるように整 列され、そして前記第3グリッドからの複数の小ビームが前記第3グリッドの下 流でビームを形成することを特徴とする装置。 2.請求項1に記載の装置において、前記第1極性の荷電粒子はイオンであり 、前記第2極性の荷電粒子が電子であることを特徴とする装置。 3.請求項1に記載の装置において、前記第1極性の荷電粒子は電子であり、 前記第2極性の荷電粒子がイオンであることを特徴とする装置。 4.端部に開口を有し導電性で非磁性の本体と、平坦または最小限に皿型の誘 電部材で塞がれている第1端と、この第1端に対向する第2端に電極(6)とを 含むプラズマチャンバ(5)と、 イオン銃の使用時に前記プラズマチャンバ内の壁付近に電子を閉じ込める ために前記本体の周囲に配列された第1磁石手段(16)と、 前記プラズマチャンバ内でプラズマを誘導的に発生させるために前記誘電 部材に隣接する基本的に平坦なコイル(12)を含む高周波誘導装置とを備える 、イオンビーム加工時に使用する低エネルギーイオン銃(3;103)であって 、 前記電極は、第1正電位源に接続するように設けられるとともに、前記プ ラズマチャンバ内でプラズマと接触するように配置された第1マルチアパーチャ ーグリッド(29;127)と、第2マルチアパーチャーグリッド(29a;1 28)であって、イオンを当該第2グリッドに向けて通過加速させるための第1 加速場を発生させるように前記第1電位源よりも低い電位の第2電位源に接続す るように設けられたものと、 第3マルチアパーチャーグリッド(30;129)であってイオンを当該第3グ リッドに向けて通過加速させるための第2加速場を発生させるように前記第2電 位源より低い電位の第3電位源に接続するように設けられたものとを含み、前記 第1と第2グリッド間のグリッド間隔は両グリッドの周辺部の方が中央部よりも 広くなっており、前記第1、第2および第3グリッドのアパーチャーは、前記第 1グリッドのアパーチャーから抜け出た粒子が、小ビームの状態で、前記第2グ リッドの対応するアパーチャーを通り抜けて続いて前記第3グリッドの対応する アパーチャーを通り抜け加速されるように整列され、前記第3グリッドからの複 数の小ビームが前記第3グリッドの下流でビームを形成することを特徴とするイ オン銃。 5.請求項4に記載のイオン銃(3;100)において、前記第3電位源は前 記第3グリッド(30;129)に負電位を付与するように設けられていること を特徴とするイオン銃。 6.請求項4に記載のイオン銃(3;100)において、前記第3電位源は前 記第3グリッド(30;129)をアースするように設けられていることを特徴 とするイオン銃。 7.請求項6に記載のイオン銃(3;100)において、第4グリッドが設置 され、アースと接続するように設けられていることを特徴とするイオン銃。 8.端部に開口を有し導電性で非磁性の本体と、平坦または最小限に皿型の誘 電部材で塞がれている第1端と、この第1端に対向する第2端 に電極(6)とを含むプラズマチャンバ(5)と、 イオン銃の使用時に前記プラズマチャンバの壁付近に電子を閉じ込めるた めに前記本体の周囲に配列された第1磁石手段(16)と、 前記プラズマチャンバ内でプラズマを誘導的に発生させるために前記誘電 部材に隣接する基本的に平坦なコイル(12)を含む高周波誘導装置とを備える 、イオンビーム加工時に使用する低エネルギーイオン銃(3;103)であって 、 前記電極は、第1正電位源に接続するように設けられるとともに、前記プ ラズマチャンバ内でプラズマと接触するように配置された第1マルチアパーチャ ーグリッド(29;127)と、第2マルチアパーチャーグリッド(29a;1 28)であってイオンを当該第2グリッドに向けて通過加速させるための第1加 速場を発生させるように前記第1電位源よりも低い電位の第2電位源に接続する ように設けられたものと、第3マルチアパーチャーグリッド(30;129)で あってイオンを当該第3グリッドに向けて通過加速させるための第2加速場を発 生させるように負電位源に接続するように設けられたものと、アースに接続する ように設けられた第4マルチアパーチャーグリッド(30a)とを含み、前記第 1、第2、第3および第4グリッドのアパーチャーは、前記第1グリッドのアパ ーチャーから抜け出た粒子が、小ビームの状態で、前記第2グリッドの対応する アパーチャーを通り抜けて、前記第3グリッドの対応するアパーチャーを通り抜 けて続いて前記第4グリッドの対応するアパーチャーを通り抜け加速されるよう に整列され、前記第4グリッドからの複数の小ビームが前記第4グリッドの下流 でビームを形成することを特徴とするイオン銃。 9.請求項8に記載のイオン銃において、前記第2および第3グリッ ド間の電位差は、前記第1および第2グリッド間の電位差より大きいので、前記 第1加速場は前記第2加速場より穏やかであることを特徴とするイオン銃。 10.請求項8または請求項9に記載のイオン銃(3;100)において、前記 第1および第2グリッド間のグリッド間隔は両グリッドの中央部でより周辺部で の方が広いことを特徴とするイオン銃。 11.請求項10に記載のイオン銃(3;100)において、前記グリッドの周 辺部でのグリッド間隔が、前記グリッドの中央部でのグリッド間隔よりもおよそ 30%広いことを特徴とするイオン銃。 12.請求項16に記載のイオン銃(3;100)において、前記第1および第 2グリッドの少なくとも片方は、両グリッドの周辺部に比較してその中央部方向 に狭くなるグリッド間隔を持つような輪郭に形成されていることを特徴とするイ オン銃。 13.請求項8から12の何れか一つに記載のイオン銃(3;100)において 、前記各グリッドは、直径2mmから6mmの等間隔に配列されたアパーチャー を備えることを特徴とするイオン銃。 14.請求項13に記載のイオン銃(3;100)において、各アパーチャーの 直径が4mmであることを特徴とするイオン銃。 15.請求項8から14の何れか一つに記載のイオン銃(3;100)において 、前記グリッドは隣接するグリッドの中央部における隣接する アパーチャーの間のグリッド間隔が0.5mmから3.0mmであることを特徴 とするイオン銃。 16.請求項15に記載のイオン銃(3;100)において、前記グリッドは隣 接するグリッドの中央部における隣接するアパーチャーの間のグリッド間隔が略 1mmであることを特徴とするイオン銃。 17.請求項8から16の何れか一つに記載のイオン銃(3;100)において 、前記各グリッドは硬質材料製であることを特徴とするイオン銃。 18.請求項8から17の何れか一つに記載のイオン銃(3;100)において 、前記誘電部材(10:104)が平坦であることを特徴とするイオン銃。 19.請求項8から18の何れか一つに記載のイオン銃(3;100)において 、前記コイル(12;105)は、前記誘電部材(10;104)の外側に隣接 して設置されているか、または前記誘電部材(10;104)内に埋め込まれて いることを特徴とするイオン銃。 20.請求項8から19の何れか一つに記載のイオン銃(3;100)において 、前記コイル(12;105)が、およそ1MHzからおよそ40MHzの範囲 の周波数で作動するように設けられていることを特徴とするイオン銃。 21.請求項8から20の何れか一つに記載のイオン銃(3;100) において、前記第1磁石手段は、前記プラズマチャンバ(5)の複数の壁領域の 各部上にアーチを形成するように前記プラズマチャンバ(5)の壁からそこに戻 るカーブを描いて延びる磁束線を前記プラズマチャンバ(5)内に発生させるよ うに配置された複数の磁石(16;102)を含むことを特徴とするイオン銃。 22.請求項21に記載のイオン銃(3;100)において、前記壁領域が、前 記プラズマチャンバ(5)の壁の上下に、前記チャンバ(5)の一端から他端に 延びることを特徴とするイオン銃。 23.請求項8から22の何れか一つに記載のイオン銃(3;100)において 、前記第1磁石手段は、前記プラズマチャンバの周面に沿って延びる少なくとも 横1列を含む配列の偶数の数の磁石(16;102)を含み、前記配列の各磁石 (16;102)はその磁気軸が実質的に横平面に延びる状態で配置されるとと もに、前記プラズマチャンバ(5)に向かってその磁石と隣接する磁石(16; 102)の極とは反対の極性の極を有することを特徴とするイオン銃。 24.請求項23に記載のイオン銃(3;100)において、前記磁石(16; 102)の配列は前記プラズマチャンバの周面に沿って延びる磁石(16;10 2)の複数の横列を含み、当該横列の各磁石(16;102)は、前記プラズマ チャンバ(5)に向かって、それが隣接する横列のいずれの隣接する磁石(16 ;102)の極とは反対の極性の極を有することを特徴とするイオン銃。 25.請求項8から24の何れか一つに記載のイオン銃(3;100) において、前記高周波エミッターコイル(12)を貫通する磁気ダイポール場を 発生させるために前記高周波エミッターコイル(12)と結合された第2磁石手 段(13、14)をさらに含むことを特徴とするイオン銃。 26.(a)請求項8から25の何れか一つに記載のイオン銃を用意して、 (b)プラズマ形成気体を前記プラズマチャンバに供給して、 (c)前記プラズマチャンバ内でプラズマが発生するように前記高周波誘 導装置を励磁して、 (d)プラズマが前記第1グリッドのアウトレット面方向に前記第1グリ ッドを通過するようにそのインレット面にプラズマを供給して、 (e)プラズマが前記第2グリッドのアウトレット面方向に前記第2グリ ッドを通過するようにそのインレット面と前記第1グリッドのアウトレット面と の間でプラズマを加速させて、 (f)プラズマが前記第3グリッドのアウトレット方向に前記第3グリッ ドを通過するようにそのインレット面と前記第2正グリッドのアウトレット面と の間でプラズマをさらに加速させて、 (g)前記第3グリッドのアウトレット面からの複数のイオン小ビームを 回収することを特徴とする低エネルギーイオンビーム発生方法。 27.(1)減圧チャンバ(2)と、 (2)前記減圧チャンバ(2)内にイオンビームを投じるように配置され たイオン銃(3)と、 (3)イオンビーム内に電子を投じるためのイオンビーム中性化装置(7 )と、 (4)イオンビームの進路にあるターゲット(9)または基板用の支持部 とを備える低エネルギーイオンビーム加工装置(1)であって、 前記イオン銃(3)が請求項8から25の何れか一つに記載のイオン銃で あることを特徴とするイオンビーム加工装置。 28.請求項27に記載のイオンビーム加工装置において、前記イオンビーム中 性化装置(7)は高周波エネルギー源(38)によって作動させられることを特 徴とするイオンビーム加工装置。 29.請求項27または請求項28に記載のイオンビーム加工装置において、前 記イオンビーム中性化装置(7)は、端部に開口を有するプラズマ源チャンバ( 35)と、前記プラズマ源チャンバ(35)にプラズマ形成気体を入れる手段( 34)と、プラズマを誘導的に発生させる前記プラズマ源チャンバ(35)を囲 む高周波発生コイル(38)と、電位源に接続するように設けられた第1グリッ ド(36)および、第2グリッド(37)であって電子を抽出グリッド構造の当 該第2グリッド(37)に向かって通過加速させるための加速場を発生させるよ うに正電位源に接続するように設けられたものとを含んで、前記プラズマ源室( 35)の開口部に架かる抽出グリッド構造(36、37)とを含むことを特徴と するイオンビーム加工装置。
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