JP2002289399A - 中性粒子ビーム処理装置 - Google Patents

中性粒子ビーム処理装置

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JP2002289399A JP2001088866A JP2001088866A JP2002289399A JP 2002289399 A JP2002289399 A JP 2002289399A JP 2001088866 A JP2001088866 A JP 2001088866A JP 2001088866 A JP2001088866 A JP 2001088866A JP 2002289399 A JP2002289399 A JP 2002289399A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価且つコンパクトな構成で大口径のビーム
を被処理物に照射することができると共に高い中性化率
を得ることができ、チャージフリー且つダメージフリー
な中性粒子ビーム処理装置を提供する。 【解決手段】 被処理物Ｘを保持する保持部２０と、真
空チャンバ３内にプラズマを生成するプラズマ生成部
と、被処理物Ｘとプラズマ生成部との間に配置されたオ
リフィス電極５と、グリッド電極４と、誘電体を介して
オリフィス電極５とグリッド電極４との間に電圧を印加
することで、生成されたプラズマから正イオン６を引き
出してオリフィス電極５に形成されたオリフィス５ａを
通過させる交流電源１００とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、中性粒子ビーム処
理装置、特に高密度プラズマから高指向性で且つ高密度
の中性粒子ビームを生成し、被処理物を加工する中性粒
子ビーム処理装置に関するものである。
【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、ある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。かかる分野の加工においては、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イオンビー
ム等のエネルギービームを照射して被処理物の成膜又は
エッチングなどを施す技術が注目されている。
【０００３】このようなエネルギービームのビーム源と
しては、正イオン、負イオン、ラジカル粒子等の各種の
ビームを生成するものが知られている。このような正イ
オン、負イオン、ラジカル粒子等のビームをビーム源か
ら被処理物の任意の部位に照射することで、被処理物の
局所的な成膜やエッチング、表面改質、接合、接着など
を行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】正イオンや負イオンな
どの荷電粒子を被処理物に照射するビーム源において
は、被処理物に電荷が蓄積するため絶縁物を処理するこ
とができない（チャージアップ現象）。また、空間電荷
効果でイオンビームが発散してしまうため微細な加工を
することができない。
【０００５】これを防ぐためにイオンビームに電子を注
ぎ込むことで電荷を中和することも考えられているが、
この方法では全体的な電荷のバランスは取れるものの、
局所的には電荷のアンバランスが生じており、やはり微
細な加工をすることができない。
【０００６】また、プラズマ源からイオンを引き出して
被処理物に照射する場合において、プラズマから発生す
る紫外線などの放射光が被処理物に照射されると被処理
物に悪影響を与えることとなるので、プラズマから放出
される紫外線などの放射光を遮蔽する必要がある。
【０００７】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたもので、安価且つコンパクトな構成で大
口径のビームを被処理物に照射することができると共に
高い中性化率を得ることができ、チャージフリー且つダ
メージフリーな中性粒子ビーム処理装置を提供すること
を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】このような従来技術にお
ける問題点を解決するために、本発明の一態様は、被処
理物を保持する保持部と、真空チャンバ内にプラズマを
生成するプラズマ生成部と、前記被処理物と前記プラズ
マ生成部との間に配置されたオリフィス電極と、前記真
空チャンバ内に上記オリフィス電極に対して上流側に配
置されたグリッド電極と、誘電体を介して前記オリフィ
ス電極と前記グリッド電極との間に電圧を印加すること
で、前記プラズマ生成部により生成されたプラズマから
正イオンを引き出して前記オリフィス電極に形成された
オリフィスを通過させる電圧印加部とを備えたことを特
徴とする中性粒子ビーム処理装置である。
【０００９】このような構成により、電荷を持たず大き
な並進運動エネルギーを持つ中性粒子線によって被処理
物を加工することが可能となるので、チャージアップ量
を小さく保ちつつ高精度のエッチングや成膜加工が可能
となる。特に、正イオンを中性化する手段としてオリフ
ィス電極を用いることによって高い中性化率が得られる
ので、装置を大型化せずに安価にビームを大口径化する
ことが可能となる。更に、生成されたプラズマと被処理
物とはオリフィス電極によって遮断されるので、プラズ
マから発生する放射光は被処理物に照射されず、被処理
物に損傷を与えるような紫外線などの被処理物への影響
を低減することができる。
【００１０】本発明の他の一態様は、被処理物を保持す
る保持部と、真空チャンバ内に配置されたオリフィス電
極と、前記真空チャンバ内に前記オリフィス電極に対し
て上流側に配置されたグリッド電極と、誘電体を介して
前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間に高周波
電圧を印加することで前記オリフィス電極と前記グリッ
ド電極との間にプラズマを生成すると共に、該生成され
たプラズマから正イオンを引き出して前記オリフィス電
極に形成されたオリフィスを通過させる電圧印加部とを
備えたことを特徴とする中性粒子ビーム処理装置であ
る。
【００１１】このように、オリフィス電極は正イオンを
中性化する手段としてだけでなく、プラズマを生成する
手段としても利用することができる。従って、上記のよ
うに構成した場合には、オリフィス電極による高い中性
化率を得ることができるだけでなく、プラズマを生成す
るためのプラズマ生成部を別に設ける必要がなくなり、
装置をよりコンパクトにして安価にビームを大口径化す
ることが可能となる。
【００１２】また、本発明の好ましい一態様において
は、前記誘電体が前記オリフィス電極の表面を被覆する
誘電膜であることを特徴とする。このようにオリフィス
電極の表面に誘電体を形成すると、オリフィス電極の誘
電膜には通常よりも多くの電子がオリフィス電極の表面
と弱い結合エネルギーで帯電しているため、オリフィス
の内部を通過する正イオンがこれらの電子と再結合する
確率が高くなり、正イオンの中性化率を更に高めること
ができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る中性粒子ビー
ム処理装置の第１の実施形態について図１乃至図３を参
照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形
態における中性粒子ビーム処理装置の全体構成を示す図
である。
【００１４】図１に示すように、中性粒子ビーム処理装
置は、中性粒子ビームを生成するビーム生成室１と半導
体基板、ガラス、有機物、セラミックスなどの被処理物
Ｘの加工を行う処理室２とを有する円筒状の真空チャン
バ３を備えている。この真空チャンバ３は金属で形成さ
れたメタルチャンバであり、その内部の上流側に導電体
で形成された薄板グリッド状のグリッド電極４を備えて
いる。真空チャンバ３とグリッド電極４とは電気的に接
続されており、これらは接地電位とされている。なお、
グリッド電極４はメッシュ網やパンチングメタルなどで
あってもよい。
【００１５】ビーム生成室１の上部には、真空チャンバ
３内にガスを導入するガス導入ポート１１が設けられて
おり、このガス導入ポート１１はガス供給配管１２を介
してガス供給源１３に接続されている。このガス供給源
１３からはＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，
Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等などのガスが真空チャンバ３内
に供給される。
【００１６】処理室２には、被処理物Ｘを保持する保持
部２０が配置されており、この保持部２０の上面に被処
理物Ｘが載置されている。処理室２にはガスを排出する
ためのガス排出ポート２１が設けられており、このガス
排出ポート２１はガス排出配管２２を介して真空ポンプ
２３に接続されている。この真空ポンプ２３によって処
理室２は所定の圧力に維持される。
【００１７】ビーム生成室１の下端には、アルミニウム
などの導電体で形成されたオリフィス板（オリフィス電
極）５が配置されており、オリフィス電極５には、交流
電源（電圧印加部）１００が接続されている。なお、真
空チャンバ３とオリフィス電極５とは絶縁物（図示せ
ず）によって電気的に絶縁されている。
【００１８】図２は、オリフィス電極５の斜視図（図２
（ａ））と部分縦断面図（図２（ｂ））である。図２に
示すように、オリフィス電極５には多数のオリフィス５
ａが形成されている。また、図２（ｂ）に示すように、
オリフィス電極５の表面は誘電膜（誘電体）５ｂで覆わ
れている。この誘電膜５ｂとしては、例えばアルミ酸化
膜などを用いることができ、その他にも窒化膜や酸化膜
を形成したシリコンや導電体材料に絶縁膜を溶射したも
のなどを用いることができる。
【００１９】次に、本実施形態における中性粒子ビーム
処理装置の動作について説明する。図３は、本実施形態
におけるプラズマ電位とオリフィス電極電位の変化を示
すグラフある。図３においてＴは周期を示している。
【００２０】まず、真空ポンプ２３を作動させることに
より、真空チャンバ３内を真空排気した後に、ガス供給
源１３からＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，
Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等などのガスを真空チャンバ３の
内部に導入する。そして、１３．５６ＭＨｚの高周波電
圧を交流電源１００によってオリフィス電極５に印加す
る。この高周波電圧の印加によってビーム生成室１内に
は高周波電界が形成される。真空チャンバ３内に導入さ
れたガスは、この高周波電界によって加速された電子に
より電離され、ビーム生成室１内に高密度プラズマが生
成される。このときに形成されるプラズマは、主として
正イオンと加熱された電子とからなるプラズマである。
【００２１】このとき、イオンより移動速度が１０００
倍大きい電子が先に陰極に到達して陰極が負に帯電す
る。この電位によって正イオンが引き寄せられる。ここ
で、オリフィス電極５は誘電膜５ｂによって絶縁されて
いるため、オリフィス電極５の誘電膜５ｂの表面には電
子が帯電する状態となる。従って、高周波電界の数サイ
クル後には定常状態となり、オリフィス電極５に過剰な
電子が流入するのが抑えられ、オリフィス電極５の上流
側にいわゆるシースが生じる。正イオンは、このシース
の平均的な電位（自己バイアス）によって加速される。
【００２２】そして、シースによって加速された正イオ
ン６（図２（ｂ）参照）は、オリフィス電極５に形成さ
れたオリフィス５ａに入っていく。このとき、オリフィ
ス電極５のオリフィス５ａの内部を通過する正イオン６
は、主として、オリフィス５ａの周壁の固体表面近傍に
おいて中性化されるか、オリフィス５ａの内部に残留し
ているガスとの電荷交換によって中性化されるか、ある
いは、オリフィス電極５の誘電膜５ｂに帯電した電子と
再結合することによって中性化され、中性粒子７とな
る。この場合において、オリフィス電極５の表面には誘
電膜５ｂが形成されているため通常よりも多くの電子が
帯電しており、オリフィス５ａの内部を通過する正イオ
ン６がこれらの電子と再結合する確率が高くなる。従っ
て、正イオン６の中性化率を高めることができる。
【００２３】オリフィス５ａの通過中に中性化された正
イオン６（中性粒子７）は、エネルギービームとして処
理室２の内部に放射される。この中性粒子７は、処理室
２の内部を直進して保持部２０に載置された被処理物Ｘ
に照射され、この中性粒子７によってエッチング、クリ
ーニング、窒化処理や酸化処理などの表面改質、成膜な
どの処理を行うことが可能となる。
【００２４】この場合において、オリフィス電極は、正
イオンを中性化する手段としてだけではなく、プラズマ
から発生する放射光が被処理物に照射されるのを防止す
る手段としても機能する。即ち、プラズマが生成される
ビーム生成室１と被処理物Ｘとはオリフィス電極５によ
って遮断されているので、プラズマから発生する放射光
は被処理物Ｘに照射されず、被処理物Ｘに損傷を与える
ような紫外線などの被処理物Ｘへの影響を低減すること
ができる。
【００２５】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、このように中性化された中性粒子を照射することに
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。なお、被処理物の処
理の内容に応じてガスの種類を使い分ければよく、ドラ
イエッチングでは被処理物の違いに応じて酸素やハロゲ
ンガスなどを使い分けることができる。
【００２６】次に、本発明に係る中性粒子ビーム処理装
置の第２の実施形態について図４及び図５を参照して詳
細に説明する。なお、上述の第１の実施形態における部
材又は要素と同一の作用又は機能を有する部材又は要素
には同一の符号を付し、特に説明しない部分については
第１の実施形態と同様である。図４は、本発明の第２の
実施形態における中性粒子ビーム処理装置の全体構成を
示す図である。
【００２７】第１の実施形態における真空チャンバはメ
タルチャンバであったが、本実施形態における真空チャ
ンバ３０は、ビーム生成室１側が石英ガラス又はセラミ
ックなどにより構成され、処理室２側が金属製のメタル
チャンバなどにより構成されている。また、ビーム生成
室１の外周には誘導結合型のコイル１０が配置されてい
る。このコイル１０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
ビーム生成室１に巻回されている。このコイル１０は、
高周波電源１０２に接続されており、例えば、１３．５
６ＭＨｚの高周波電圧がコイル１０に印加される。これ
らのコイル１０及び高周波電源１０２によってプラズマ
生成部が構成されている。即ち、コイル１０に高周波電
流を流すことで誘導磁場を生じさせ、その変位電流によ
りガス中の原子・分子が電離されプラズマが生成する。
【００２８】また、オリフィス電極５には、低周波電源
１０３（電圧印加部）が接続されており、例えば、４０
０ｋＨｚの低周波電圧が誘電膜で覆われた誘電体で形成
されたオリフィス電極５に印加される。また、コイル１
０の上流側には、導電体で形成された薄板グリッド状の
グリッド電極４０が配置されており、このグリッド電極
４０は接地電位とされる。
【００２９】次に、本実施形態における中性粒子ビーム
処理装置の動作について説明する。図５は、本実施形態
における動作状態を示すタイムチャートである。図５に
おいて、Ｖａはコイル１０の電位、Ｖｂはオリフィス電
極５の電位をそれぞれ示している。なお、図５のタイム
チャートは模式的なものであって、例えば図示されてい
る周期は実際の周期とは異なる。
【００３０】まず、真空ポンプ２３を作動させることに
より、真空チャンバ３０内を真空排気した後に、ガス供
給源１３からガスを真空チャンバ３０の内部に導入す
る。そして、図５に示すように、高周波電源１０２によ
り１３．５６ＭＨｚの高周波電圧をコイル１０に印加す
る。この高周波電圧の印加によってビーム生成室１内に
は高周波電界が形成される。真空チャンバ３０内に導入
されたガスは、この高周波電界によって加速された電子
により電離され、ビーム生成室１内に高密度プラズマが
生成される。
【００３１】また、高周波電源１０２による高周波電圧
の印加と同時に、低周波電源１０３により４００ｋＨｚ
の低周波電圧をグリッド電極４０とオリフィス電極５と
の間に印加する。オリフィス電極５に正電圧が印加され
ているとき（例えば図５のＡで示す部分）には、生成さ
れたプラズマ中の電子がオリフィス電極５に引き寄せら
れ、オリフィス電極の表面は電子で帯電される。一方、
オリフィス電極５に負電圧が印加されているとき（例え
ば図５のＢで示す部分）には、正イオンがオリフィス電
極５に引き寄せられ、オリフィス電極５に形成されたオ
リフィス５ａを通過する。オリフィス電極５のオリフィ
ス５ａの内部を通過する正イオンは、上述の第１の実施
形態と同様に中性化されて中性粒子となり、エネルギー
ビームとして処理室２の内部に放射される。この中性粒
子は、処理室２の内部を直進して保持部２０に載置され
た被処理物Ｘに照射される。
【００３２】なお、上述した実施形態においては、ＩＣ
Ｐ型コイルを用いてプラズマを生成した例を説明した
が、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）、ヘリコ
ン波プラズマ用コイル、マイクロ波等を用いてプラズマ
を生成することとしてもよい。また、高周波の周波数領
域も、１３．５６ＭＨｚに限られるものではなく、１Ｍ
Ｈｚ〜２０ＧＨｚの領域を用いてもよい。また、低周波
の周波数領域も、４００ｋＨｚに限られるものではな
い。例えば、図６に示すように、矩形状の電圧をオリフ
ィス電極５に印加することとしてもよい。
【００３３】また、上述した実施形態においては、オリ
フィス電極に誘電膜が形成された例について述べたが、
誘電体としてブロッキングコンデンサを図１の交流電源
１００とオリフィス電極５との間、あるいは、図４の低
周波電源１０３とオリフィス電極５との間に挿入するこ
ととしてもよい。
【００３４】これまで本発明の一実施形態について説明
したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技
術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施され
てよいことは言うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、電荷
を持たず大きな並進運動エネルギーを持つ中性粒子線に
よって被処理物を加工することが可能となるので、チャ
ージアップ量を小さく保ちつつ高精度のエッチングや成
膜加工が可能となる。特に、正イオンを中性化する手段
としてオリフィス電極を用いることによって高い中性化
率が得られるので、装置を大型化せずに安価にビームを
大口径化することが可能となる。更に、生成されたプラ
ズマと被処理物とはオリフィス電極によって遮断される
ので、プラズマから発生する放射光は被処理物に照射さ
れず、被処理物に損傷を与えるような紫外線などの被処
理物への影響を低減することができる。
【００３６】また、オリフィス電極の表面に誘電体を形
成すると、オリフィス電極の誘電膜には通常よりも多く
の電子が帯電しているため、オリフィスの内部を通過す
る正イオンがこれらの電子と再結合する確率が高くな
り、正イオンの中性化率を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における中性粒子ビー
ム処理装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示すオリフィス電極を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ電位
とオリフィス電極電位の変化を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態における中性粒子ビー
ム処理装置の全体構成を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における動作状態を示
すタイムチャートである。
【図６】オリフィス電極に印加する電圧の一例を示すタ
イムチャートである。
【符号の説明】
Ｘ 被処理物 １ ビーム生成室 ２ 処理室 ３、３０ 真空チャンバ ４、４０ グリッド電極 ５ オリフィス板（オリフィス電極） ５ａ オリフィス ５ｂ 誘電膜 ６ 正イオン ７ 中性粒子 １０ コイル １１ ガス導入ポート １２ ガス供給配管 １３ ガス供給源 ２０ 保持部 ２１ ガス排出ポート ２２ ガス排出配管 ２３ 真空ポンプ １００ 交流電源（電圧印加部） １０２ 高周波電源 １０３ 低周波電源（電圧印加部）
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｍ Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ (72)発明者 桧山 浩国 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 寒川 誠二 宮城県仙台市青葉区片平２丁目１番１号 東北大学内 Ｆターム(参考） 2G085 AA20 BA20 BB20 CA30 4K029 DE00 DE01 DE02 5F004 AA06 BA11 BA20 BB13 BD04 DA00 DA01 DA04 DA16 DA18 DA23 DA26 5F045 AA08 AB32 AB33 BB16 EF05 EH04 EH06 EH11 EH20

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被処理物を保持する保持部と、 真空チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ生成部
    と、 前記被処理物と前記プラズマ生成部との間に配置された
    オリフィス電極と、 前記真空チャンバ内に前記オリフィス電極に対して上流
    側に配置されたグリッド電極と、 誘電体を介して前記オリフィス電極と前記グリッド電極
    との間に電圧を印加することで、前記プラズマ生成部に
    より生成されたプラズマから正イオンを引き出して前記
    オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させる電
    圧印加部とを備えたことを特徴とする中性粒子ビーム処
    理装置。
  2. 【請求項２】 被処理物を保持する保持部と、 真空チャンバ内に配置されたオリフィス電極と、 前記真空チャンバ内に前記オリフィス電極に対して上流
    側に配置されたグリッド電極と、 誘電体を介して前記オリフィス電極と前記グリッド電極
    との間に高周波電圧を印加することで前記オリフィス電
    極と前記グリッド電極との間にプラズマを生成すると共
    に、該生成されたプラズマから正イオンを引き出して前
    記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させる
    電圧印加部とを備えたことを特徴とする中性粒子ビーム
    処理装置。
  3. 【請求項３】 前記誘電体は前記オリフィス電極の表面
    を被覆する誘電膜であることを特徴とする請求項１又は
    ２に記載の中性粒子ビーム処理装置。
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