JP2005072363A - Ecr apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、各種半導体集積回路等の半導体微細素子の製造工程中で用いられるイオン注入や、種々のプラズマ処理等を行う際に、プラズマを作る装置として用いられるECR装置に関する。 The present invention relates to an ECR apparatus used as an apparatus for generating plasma when performing ion implantation and various plasma treatments used in the manufacturing process of semiconductor microelements such as various semiconductor integrated circuits.
従来、例えば特許文献1にあるように、イオン源として、または反応性ガスをプラズマ化してドライエッチングやCVDを行うためのプラズマ発生装置がある。このプラズマ発生装置のプラズマ発生方法は、電磁石を用いて磁場を形成し、この磁場中にマイクロ波を放射し、電子サイクロトロン共鳴(以下、ECRという)を利用してプラズマを発生させるものである。ここで用いられるマイクロ波は、一般に2.45GHzの工業用周波数であり、この周波数のマイクロ波を用いた場合のECR条件を満たす磁場の強さは、875Gaussである。
Conventionally, as disclosed in
さらに特許文献1、2では、導波管内で発生するマイクロ波のモードがTE11モードを基本として、チャンバ内にプラズマを発生させ、ECR条件を満たすようにしている。
Further, in
上記従来の技術の装置において、より高エネルギーのイオンビームやプラズマを得ようとすると、より高電圧の加速用電極が必要であったり、より高出力の電磁石を必要とするなど、エネルギー効率が良くないものであった。高エネルギーのイオンビームを得るには、高電圧で加速するか、多価のイオンを含むイオンビームを引き出せばよいが、高電圧を印可するものはエネルギー効率が悪く、多価のイオンを効率的に生成することが求められている。 In the above prior art apparatus, when trying to obtain a higher energy ion beam or plasma, a higher voltage acceleration electrode is required, a higher output electromagnet is required, and the energy efficiency is improved. It was not. To obtain a high-energy ion beam, it is only necessary to accelerate with a high voltage or to extract an ion beam containing polyvalent ions. To be generated.
また、通常真空チャンバ内で所望のモードを立てる場合、モード変換器によって外部で特定モードを作り、石英窓等を通してそのモードのマイクロ波を導入するということが行われていた。しかしながら、所定の電磁界モードを別の場所で立てて導入することにより、変換時及び導入時の損失があった。 Further, when a desired mode is set in a normal vacuum chamber, a specific mode is created outside by a mode converter, and a microwave of that mode is introduced through a quartz window or the like. However, there is a loss during conversion and introduction by introducing a predetermined electromagnetic field mode standing up in another place.
この発明は、上記従来の技術に鑑みなされたもので、効率的に高エネルギーのプラズマや多価イオンを生成させることができるECR装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional technique, and an object thereof is to provide an ECR apparatus that can efficiently generate high-energy plasma and multivalent ions.
この発明は、金属円筒状のチャンバと、このチャンバの側方に配置され上記チャンバ内に磁場を形成する磁石と、上記チャンバ内にマイクロ波を導くアンテナとを備え、上記チャンバを共振器としてそのチャンバ内に電子サイクロトロン共鳴によるプラズマを発生させるECR装置であって上記チャンバ内で上記チャンバの中心軸方向両側に上記マイクロ波のTE01モードの管内波長のn/2(nは自然数)倍の間隔を隔てて、上記マイクロ波を遮蔽する遮蔽部材を設け、上記チャンバ内のマイクロ波の電磁界モードのうち、上記チャンバ中心軸方向のTE01モードの電界強度の定在波の分布の中で、電界強度がほぼ最大となる位置に上記アンテナを設置し、上記チャンバ内での上記磁石による外部磁界の磁力線の向きと上記チャンバ内の上記マイクロ波によるTE01モードの電界の向きがほぼ直交する位置であって、上記チャンバ内のTE01モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置で、上記磁石による上記チャンバ内での外部磁界の強さがECR条件にほぼ合致するように上記磁石を設定したECR装置である。 The present invention comprises a metal cylindrical chamber, a magnet disposed on the side of the chamber and forming a magnetic field in the chamber, and an antenna for guiding microwaves into the chamber, wherein the chamber serves as a resonator. An ECR apparatus for generating plasma by electron cyclotron resonance in a chamber, wherein an interval of n / 2 (n is a natural number) times the in-tube wavelength of the TE01 mode of the microwave is provided on both sides in the central axis direction of the chamber in the chamber. A shielding member for shielding the microwave is provided, and among the microwave electromagnetic field modes in the chamber, the electric field strength is within the standing wave distribution of the electric field strength of the TE01 mode in the chamber central axis direction. The antenna is installed at a position where the maximum is approximately the maximum, the direction of the magnetic field lines of the external magnetic field by the magnet in the chamber and the inside of the chamber The direction of the electric field in the TE01 mode by the microwave is substantially orthogonal, and the position of the electric field strength in the TE01 mode in the chamber is substantially maximum. This is an ECR device in which the magnet is set so that the strength substantially matches the ECR condition.
上記アンテナの位置は、上記遮蔽部材の一方から他方の遮蔽部材側に向かって、上記マイクロ波の管内波長の1/4の長さの箇所が好ましい。また、上記遮蔽部材は、円板状に形成され上記チャンバ内壁とはわずかの隙間を空けて位置している。上記遮蔽部材のうちの一方の遮蔽部材は固定され、他方の遮蔽部材は上記チャンバの中心軸方向に位置調整可能に設けられている。上記遮蔽部材のうち、固定された遮蔽部材には、上記チャンバ内のイオンを引き出して加速させる引き出し電極を備えるものである。 The position of the antenna is preferably a portion having a length of 1/4 of the in-tube wavelength of the microwave from one of the shielding members to the other shielding member side. The shielding member is formed in a disc shape and is located with a slight gap from the chamber inner wall. One of the shielding members is fixed, and the other shielding member is provided so that its position can be adjusted in the central axis direction of the chamber. Among the shielding members, the fixed shielding member includes an extraction electrode that extracts and accelerates ions in the chamber.
上記磁石は、上記チャンバの外周で所定間隔を隔てて嵌合した一対の電磁石から成り、さらにその一対の電磁石間には、同様に環状の電磁石が設けられ、上記チャンバ外側面には所定間隔で永久磁石を設けたものである。 The magnet is composed of a pair of electromagnets fitted at a predetermined interval on the outer periphery of the chamber, and an annular electromagnet is similarly provided between the pair of electromagnets. A permanent magnet is provided.
または、上記磁石は、上記チャンバの一方の側方に設けられた永久磁石であり、この永久磁石に上記遮蔽部材の一方が設けられたものである。 Alternatively, the magnet is a permanent magnet provided on one side of the chamber, and one of the shielding members is provided on the permanent magnet.
この発明によれば、真空チャンバ自体を共振器としてTE01モードの電磁界モードを単独でチャンバ内に立てることができ、マイクロ波によるTE01モードの電界の強さがほぼ最大となる位置で、外部磁界によるECRゾーンの磁力線の方向と、マイクロ波によるTE01モードの電界の向きが直交することにより、高効率に高エネルギーの荷電粒子を発生させることができる。 According to the present invention, the TE01 mode electromagnetic field mode can be independently set up in the chamber by using the vacuum chamber itself as a resonator, and the external magnetic field is at a position where the TE01 mode electric field strength by the microwave is substantially maximized. The direction of the magnetic lines of force in the ECR zone due to and the direction of the electric field of the TE01 mode by the microwave are orthogonal to each other, so that high-energy charged particles can be generated with high efficiency.
また、この発明はチャンバ内にアンテナを導入して直接TE01モードをチャンバ内で励振させ、マイクロ波とプラズマを直接カップリングするようにしているので、損失が極めて少なく、この点からも効率的である。 In addition, the present invention introduces an antenna in the chamber and directly excites the TE01 mode in the chamber so that the microwave and the plasma are directly coupled. Therefore, the loss is extremely small and efficient from this point. is there.
これにより、高密度なプラズマや多価イオンを効率よく発生させることができ、装置の小型化や省エネルギー化にも寄与するものである。そして、各種半導体集積回路等の半導体微細素子の製造工程中で用いられるイオン注入や、種々のプラズマ処理等を行う場合において、高効率にプラズマや荷電粒子を発生させることができる。さらに、これにより得られるプラズマや多価イオンは、原子核物理分野における加速器のイオン源、生化学や医学分野におけるイオン源としても利用できるものである。 Thereby, high-density plasma and multivalent ions can be generated efficiently, which contributes to downsizing and energy saving of the apparatus. And when performing ion implantation used in the manufacturing process of semiconductor microelements, such as various semiconductor integrated circuits, and various plasma treatments, plasma and charged particles can be generated with high efficiency. Furthermore, the plasma and multivalent ions obtained thereby can be used as an ion source for accelerators in the field of nuclear physics and an ion source in the fields of biochemistry and medicine.
以下、この発明の実施の形態について図面を基にして説明する。この実施形態のECR装置は、従来と同様に、例えば2.45GHzのマイクロ波を利用したECR(電子サイクロトロン共鳴)装置である。この実施形態のECR装置10は、図1〜図3に示すように、アルミニウム等の非磁性体の導体により形成された円筒状のチャンバ12と、このチャンバ12内にECRプラズマを発生させるための磁界を形成する一対の電磁石20,21を備える。一対の電磁石20,21は、各々チャンバ12の側面の円周方向に環状に巻かれている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The ECR apparatus of this embodiment is an ECR (Electron Cyclotron Resonance) apparatus using a microwave of 2.45 GHz, for example, as in the prior art. As shown in FIGS. 1 to 3, the
チャンバ12は、細長い円筒状に形成され、後述するマイクロ波の空洞共振器としても機能する。チャンバ12の内部は密閉され、図示しない真空ポンプに接続されて、真空に近い状態で所定の原子のプラズマやイオンを生成する。電磁石20,21は、チャンバ12の両端部にほぼ位置して設けられている。チャンバ12の一端部12aには、真空ポンプとの接続部等が設けられている。また他端部12bには、生成したイオンを引き出して加速する引出部16が設けられ、他端部12bの内部には、イオンを加速させる引出電極18が設けられている。
The
一対の電磁石20,21に対応するチャンバ12内の所定箇所には、チャンバ12内での上記マイクロ波の管内波長のn/2(nは自然数)倍の間隔を隔てて、マイクロ波の遮蔽部材である遮蔽板22,23が設けられている。遮蔽板22,23は金属製の円板で、円筒状のチャンバ12の内壁とはわずかの隙間を空けて位置している。遮蔽板22は、引出電極18のチャンバ内側先端部に取り付けられ、引出電極18の先端部開口に対応した開口を有し固定されている。遮蔽板23は、チャンバ12内で位置調整可能に設けられている。
A microwave shielding member is provided at a predetermined position in the
チャンバ12の引出電極18に近い位置の側面には、マイクロ波をチャンバ12内に放射するアンテナ26が取り付けられている。アンテナ26の位置は、遮蔽板22からマイクロ波の管内波長の1/4の長さ離れた位置に固定されている。このアンテナ26の位置は、チャンバ12内のマイクロ波の電磁界モードのうち、TE01モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置である。アンテナ26の先端部26aは、図3(a)に示すようにチャンバ12の半径に延出し円周方向に湾曲して折れている。
An
また、一対の電磁石20,21間には、環状の補助電磁石28が設けられている。さらに、チャンバ12の外側面には、図1の仮想線で示すように、所定間隔で永久磁石30が設けられている。
An annular auxiliary electromagnet 28 is provided between the pair of
この実施形態によるECR装置10は、一対の電磁石20,21により形成されるチャンバ12内のチャンバ中心軸方向(以下、z軸方向という)の磁束密度が、図4の(1)の波形に示すような強さとなっている。また、補助電磁石28にも電流を流した場合のチャンバ12内の磁束密度は、図4(2)に示すグラフの形となる。チャンバ12内の磁束密度が最低となる位置は、チャンバ12内での外部磁界の強さがECR条件にほぼ合致する位置である。そして、チャンバ12内での各磁石20,21,28等による外部磁界の磁力線の向きと、チャンバ12内のマイクロ波によるTE01モードの電界の向きがほぼ直交する位置であって、チャンバ12内のz軸方向のマイクロ波のTE01モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置である。
In the
この実施形態のECR装置10の動作は、先ず、チャンバ12内を真空ポンプにより真空引きし、所定のガス供給装置よりArガス等を注入する。そして、マイクロ波電力供給装置よりマイクロ波をアンテナ26に供給すると、アンテナ26からマイクロ波が放射される。放射された2.45GHzのマイクロ波により、チャンバ12内のマイクロ波の電磁界分布モードは、図5に示すTE01モードである。また、このときのチャンバ12内の電界の強さは、図2(b)に示すような分布波形を呈している。そして、電磁石20、21等による磁界のECR条件である875Gaussの強さの位置が、図4の波形の谷間の部分であり、この位置は、チャンバ12内のマイクロ波の電磁界モードのうちTE01モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置である。
In the operation of the
チャンバ12内で成り立ち得るマイクロ波の電磁界モードは、図5に示すようなTEモードやTMモードがある。この各モードにおいて、図6、図7に示すように、下記の式(1)により、チャンバ12の内径によるマイクロ波の管内波長λgが決定され、
1/λ2=1/λg2+1/λc2 (1)
である。ここで、λは自由空間波長、λcは遮断波長である。
λcは、λc=2πa/χ (2)
χは、TEモードおよびTMの固有値である。また、チャンバ12内でマイクロ波の定在波が安定に形成されるチャンバ12の長さlは、
l=sλg/2(sは自然数) (3)
である。図7は、チャンバ12の半径aと管内波長λgとの関係を各モード毎に示すグラフである。図7からわかるように、チャンバ12が一定の半径以下となると、マイクロ波の管内波長λgが急激に長くなり、実質的に所望のモードを形成することができなくなる。この実施形態では、半径aを80mm程度とすることにより、そのチャンバ12内で立ち得る電磁界モードは、TE01モード、TM11モード、TE11モード、TE21モード、TM01モードである。
The microwave electromagnetic field modes that can be established in the
1 / λ 2 = 1 / λg 2 + 1 / λc 2 (1)
It is. Here, λ is a free space wavelength, and λc is a cutoff wavelength.
λc is λc = 2πa / χ (2)
χ is the eigenvalue of TE mode and TM. Further, the length l of the
l = sλg / 2 (s is a natural number) (3)
It is. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the radius a of the
そして、マイクロ波による電磁界モードがチャンバ12内にTE01モードが単体で立つのは、遮蔽部材22,23の間隔がマイクロ波のTE01モードの管内波長のn/2(nは自然数)倍の間隔に設定されており、他のモードとの波長の違いによりTE01モードが優勢となるためと、遮蔽部材22,23がチャンバ12の内壁から僅かに離れて位置しているため、TMモードを打ち消すためである。
The TE01 mode stands alone in the
チャンバ12内の電界の強さを測定した結果、チャンバ12の円筒の中心軸方向(z軸方向)に図8に示す結果が得られ、1点鎖線に示す理論値にほぼ沿った位置に、黒丸印の折れ線に示すように、電界の強さのピーク値が得られ、TE01モードが単体で立っていることが確かめられた。また、遮蔽板22,23の間隔を、マイクロ波の管内波長のn/2(nは自然数)倍の間隔から外した場合は、図8の黒三角の折れ線で示すように、電界強度のピーク値が低いものとなった。なお、図8において、点線(1)は固定遮蔽板22及び引出電極18の位置、(2)はアンテナ26の位置、(3)は可動式の遮蔽板23の位置であって、固定遮蔽板22との間隔をマイクロ波の管内波長のn/2(nは自然数)倍の位置、(4)は可動式の遮蔽板23の位置を、固定遮蔽板22に対してマイクロ波の管内波長のn/2(nは自然数)倍から外した間隔にした位置である。
As a result of measuring the strength of the electric field in the
また、チャンバ12内の円周方向(z軸と直交するx−y軸方向)の電界の強さは、図3(b)、(c)に示すように、チャンバ12内のマイクロ波の電磁界モードのうちTE01モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置で、各々チャンバ12内で環状にピーク値の範囲が形成されていることが分かる。
The strength of the electric field in the circumferential direction in the chamber 12 (in the xy axis direction orthogonal to the z axis) is the electromagnetic wave of the microwave in the
この実施形態のECR装置10は、一対の遮蔽板22,23の間隔を、マイクロ波の管内波長のn/2(nは自然数)倍の間隔とし、チャンバ12内での電磁石20,21等による外部磁界の磁力線の向きと、チャンバ12内のマイクロ波によるTE01モードの電界の向きがほぼ直交する位置であって、チャンバ12内のマイクロ波の電磁界モードのうちTE01モードでのz軸方向における電界強度の値がほぼ最大となる位置で、電磁石20,21等によるチャンバ12内での外部磁界の強さがECR条件にほぼ合致するように電磁石20,21等を設定したので、効率よくプラズマにマイクロ波の電力が投入される。これにより、効率的に高エネルギーのプラズマや多価イオンを形成することができる。また、チャンバ12自体が共振器となるため、チャンバ12内の電界強度が高く、これによっても生成するプラズマをより高エネルギーのものにすることができ、より低圧力での放電維持が可能となる。さらに、アンテナ26のチャンバ12内での突出位置が、一方の遮蔽板22から、マイクロ波の管内波長の4分の1の長さを空けた位置としたので、マイクロ波をTE01モードで効率よくチャンバ12内へ放射することができる。
In the
なお、この発明のECR装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、図9に示しようなECRを利用したエッチング等のプラズマ処理装置に利用することもできる。このプラズマ処理装置40は、真空チャンバ12の上方にリング状の永久磁石41,42を同心状に配置し、環状の外側永久磁石41から内側の永久磁石42に向かって磁束が走る構造としている。この場合、チャンバ12内のマイクロ波遮蔽板43から、マイクロ波の管内波長のほぼ1/4波長分離れた位置に、永久磁石41,42と同心の曲面形状のECRゾーンRが形成される。そしてこの位置は、チャンバ12内のマイクロ波の電磁界モードのうちTE01モードでの電界強度Eの値がほぼ最大となる位置であり、アンテナ26が設置された位置である。また他方のマイクロ波遮蔽部材44上には、プラズマによりエッチング等が成される基板46が載置されている。
Note that the ECR apparatus of the present invention is not limited to the above embodiment, and can also be used in a plasma processing apparatus such as etching using ECR as shown in FIG. The
図9に示すECR装置においても、チャンバ12内のマイクロ波の電磁界モードのうちTE01モードでのz軸方向における電界強度の値がほぼ最大となる位置で、チャンバ12内での磁石41,42による磁界の磁力線の向きとチャンバ12内のマイクロ波によるTE01モードの電界の向きがほぼ直交し、磁石41,42によるチャンバ12内での磁界の強さがECR条件にほぼ合致するように磁石41,42を設定することにより、効率よく高エネルギーのプラズマや多価イオンを形成することができる。
Also in the ECR apparatus shown in FIG. 9, the
またこの発明の電磁石や永久磁石の数や位置も、適宜設定可能なものであり、マイクロ波の周波数、発生させるプラズマやイオンの種類も適宜選択できる。また、アンテナの形状も上記実施形態の他、直線状やL字状のロッドアンテナ、ダイポールアンテナ、ループアンテナ等適宜選択し得る。 The number and position of the electromagnets and permanent magnets of the present invention can also be set as appropriate, and the frequency of the microwave and the type of plasma or ions to be generated can be selected as appropriate. In addition to the above embodiment, the shape of the antenna can be appropriately selected from a linear or L-shaped rod antenna, a dipole antenna, a loop antenna, or the like.
10 ECR装置
12 チャンバ
16 引出部
18 引出電極
20,21 電磁石
22,23 遮蔽部材
26 アンテナ
28 補助電磁石
DESCRIPTION OF
Claims (7)
上記チャンバ内で上記チャンバの中心軸方向両側に上記マイクロ波のTE01モードの管内波長のn/2(nは自然数)倍の間隔を隔てて、上記マイクロ波を遮蔽する遮蔽部材を設け、上記チャンバ内のマイクロ波の電磁界モードのうち、上記チャンバ中心軸方向のTE01モードの電界強度の定在波の分布の中で、電界強度がほぼ最大となる位置に上記アンテナを設置し、上記チャンバ内での上記磁石による外部磁界の磁力線の向きと上記チャンバ内の上記マイクロ波によるTE01モードの電界の向きがほぼ直交する位置であって、上記チャンバ内のTE01モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置で、上記磁石による上記チャンバ内での外部磁界の強さがECR条件にほぼ合致するように上記磁石を設定したことを特徴とするECR装置。 A metal cylindrical chamber, a magnet that is disposed on the side of the chamber, forms a magnetic field in the chamber, and an antenna that guides microwaves into the chamber. In an ECR apparatus that generates plasma by cyclotron resonance,
A shielding member for shielding the microwave is provided on both sides in the central axis direction of the chamber in the chamber at intervals of n / 2 (n is a natural number) times the guide wavelength of the microwave in the TE01 mode. Among the microwave electromagnetic field modes, the antenna is installed at a position where the electric field strength is substantially maximum in the distribution of the standing wave of the electric field strength of the TE01 mode in the chamber central axis direction. The direction of the magnetic field lines of the external magnetic field by the magnet and the direction of the electric field of the TE01 mode by the microwave in the chamber are almost perpendicular to each other, and the electric field strength value in the TE01 mode in the chamber is almost the maximum. Wherein the magnet is set so that the strength of the external magnetic field in the chamber by the magnet substantially matches the ECR condition. R equipment.
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