JP2900768B2 - イオン処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばイオン注入装
置のように、真空中で基板にイオンビームを照射してそ
れにイオン注入等の処理を施すイオン処理装置に関し、
より具体的には、その基板の帯電（チャージアップ）を
抑制する手段の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来のイオン処理装置の一例を
部分的に示す図である。この装置は、基本的には、真空
容器（図示省略）内に収納されたホルダ４に保持された
基板（例えばウェーハ）６にイオンビーム２を照射して
それにイオン注入等の処理を施すよう構成されている。

【０００３】ホルダ４は、バッチ処理用のウェーハディ
スクの場合と、枚葉処理用のプラテンの場合とがあり、
図示のものは前者の場合の例であり、真空容器内で矢印
Ａ方向に回転および紙面の表裏方向に並進させられる。

【０００４】イオンビーム２の経路上には、ファラデー
系を構成するものとして、イオンビーム２がホルダ４等
に当たった際に放出される二次電子を受けてそれのアー
スへの逃げを防止するファラデーカップ８および同二次
電子の上流側への逃げを防止するサプレッサ電極２２が
ホルダ４の上流側に、更にこの例ではホルダ４が外に並
進したときにそれの代わりにイオンビーム２を受けるキ
ャッチプレート１４がホルダ４の下流側に、それぞれ設
けられており、イオンビーム２はサプレッサ電極２２お
よびファラデーカップ８内を通してホルダ４上の基板６
に照射される。サプレッサ電極２２にはサプレッサ電源
２４から負電圧が印加される。更にこの例では、必須で
はないが、ファラデーカップ８およびキャッチプレート
１４の側端部にも、二次電子のアースへの逃げを防止す
るサイドサプレッサ電極１０および１２が設けられてお
り、これらにはサイドサプレッサ電源１６から負電圧が
印加される。

【０００５】そしてホルダ４とキャッチプレート１４は
互いに電気的に並列接続され、かつホルダバイアス電源
１８を介してファラデーカップ８にも並列接続され、こ
れらがビーム電流計測器２０に接続されており、それに
よってイオンビーム２のビーム電流の計測を正確に行え
るようにしている。ホルダバイアス電源１８は、ファラ
デーカップ８に対してホルダ４およびキャッチプレート
１４を数Ｖ程度正にバイアスして、イオンビーム照射に
伴ってホルダ４等から放出される二次電子をホルダ４側
に引き戻すと共に、後述する中性化用の電子をホルダ４
側に引き込みやすくするためのものである。

【０００６】また、イオンビーム２の照射に伴って基板
６の表面が、特に当該表面が絶縁物の場合、正に帯電し
て放電等の不具合が発生するのを防止するために、ファ
ラデーカップ８の側壁部にスリット状の孔７を設け、そ
の外側にフィラメント９０を設けている。そしてこのフ
ィラメント９０から放出させた一次電子９１を引出し電
源９６で高エネルギー（例えば約３００ｅＶ程度）に加
速してそれをファラデーカップ８の対向面に衝突させて
そこから二次電子９２を放出させ、この二次電子９２を
ホルダ上のイオンビーム照射領域における基板６に供給
してその表面でのイオンビーム２による正電荷を中和さ
せるようにしている。９４はフィラメント９０を加熱す
るためのフィラメント電源である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記ファラ
デーカップ８の壁面から放出される二次電子９２のエネ
ルギー分布を測定してみると、２〜３ｅＶ程度のところ
にピークを持つが、それ以外に引出し電源９６の電圧に
相当する高エネルギー（例えば約３００ｅＶ程度）領域
にもピークがあり、従ってこの二次電子９２には高エネ
ルギーの電子が多数含まれている。

【０００８】従って上記のような従来のイオン処理装置
では、この高エネルギーの電子が基板６に入射して、基
板６に逆に負の帯電を惹き起こし、それによって基板６
上で絶縁破壊を生じさせる恐れがあるという問題があっ
た。

【０００９】そこでこの発明は、低エネルギーの電子を
基板に過不足なく供給して、イオンビーム照射に伴う基
板の帯電を効果的に抑制することができるようにしたイ
オン処理装置を提供することを主たる目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明のイオン処理装置は、前記ファラデーカッ
プの壁面の一部に設けられた孔と、この孔の外側に設け
られていて、内部にガスが導入され、かつファラデーカ
ップ側に小孔を有する第１プラズマ生成容器と、この第
１プラズマ生成容器内に設けられたフィラメントと、前
記第１プラズマ生成容器の小孔の出口側近傍に設けられ
ていて前後に小孔を有する第２プラズマ生成容器と、こ
の第２プラズマ生成容器のファラデーカップ側の小孔の
出口側近傍に設けられていて、小孔を有しかつファラデ
ーカップと同電位にされた引出し電極と、この引出し電
極と前記ファラデーカップの孔との間を連結する連結筒
と、前記第１プラズマ生成容器の小孔付近から連結筒内
にかけての領域に、それらの軸方向に沿う磁束を発生さ
せる磁束発生手段と、前記ファラデーカップ内にそれか
ら絶縁して設けられていて、当該ファラデーカップ内の
前記孔が設けられた部分の周囲を当該孔の部分を除いて
覆うリフレクタ電極と、前記フィラメントを加熱するフ
ィラメント電源と、前記第２プラズマ生成容器とフィラ
メントとの間に前者を正側にして接続された直流のプラ
ズマ生成用電源と、前記第２プラズマ生成容器と第１プ
ラズマ生成容器との間に接続された制限抵抗と、前記フ
ァラデーカップとフィラメントとの間に前者を正側にし
て接続された直流の引出し電源と、前記リフレクタ電極
とファラデーカップとの間に前者を負側にして接続され
た直流のリフレクタ電源とを備えることを特徴とする。

【００１１】上記引出し電源は、ファラデーカップと第
２プラズマ生成容器との間に前者を負側にして接続して
も良い。

【００１２】

【作用】上記構成によれば、第１プラズマ生成容器内に
おいて、そこに導入されたガスとフィラメントからの熱
電子との衝突によってプラズマが生成される。

【００１３】第２プラズマ生成容器と第１プラズマ生成
容器間は制限抵抗で接続されているので、第１プラズマ
生成容器内でプラズマが生成されると、両プラズマ生成
容器間に電位差が生じ、この電位差によって、かつそれ
と磁束発生手段による磁界との協働によって、第１プラ
ズマ生成容器内のプラズマ中の電子が第２プラズマ生成
容器内に引き出され、そこで、第１プラズマ生成容器か
ら流れて来たガスと衝突して、第２プラズマ生成容器内
に第１プラズマ生成容器内のプラズマよりも高密度のプ
ラズマが生成される。

【００１４】第２プラズマ生成容器内で生成されたプラ
ズマ中のイオンは、引出し電極との間の加速電界および
磁束発生手段による磁界との協働によって連結筒内に引
き出され、更に当該連結筒内の磁束によってガイドされ
て、ファラデーカップ内にその孔を通して導入される。
このとき、第２プラズマ生成容器内のプラズマ中の電子
は、上記のようにして引き出されるイオンの電界によっ
て引っ張られて、同イオンと共にそれと同様にして引き
出されてファラデーカップ内に導入される。このように
して引き出されるイオンと電子は、互いに混在していて
プラズマ状態にある。

【００１５】つまり、連結筒内には、第２プラズマ生成
容器内で生成されたプラズマが引き出され、これが磁束
によってガイドされてファラデーカップ内に導入される
ことになる。このようにしてファラデーカップ内に導入
されるプラズマ中の電子のエネルギーは、高々１０ｅＶ
程度以下の低エネルギーである。

【００１６】ファラデーカップ内に導入されたプラズマ
中のイオンは、負電位のリフレクタ電極に吸引され捕ら
えられる。一方、同プラズマ中の電子は、同リフレクタ
電極によってファラデーカップの中央部に押し返され、
ファラデーカップ内を通過しているイオンビーム内にそ
の電界によって引き込まれる。

【００１７】基板が帯電している場合にそれによってイ
オンビームの軸方向に電位勾配が生じるため、イオンビ
ーム内に引き込まれた電子は、この電位勾配によって基
板に引き寄せられ、基板表面のイオンビーム照射に伴う
正電荷を中和する。正電荷が中和されれば、電子の基板
への引き込みは自動的に止む。このようにして、電子が
基板に過不足なく供給されるので、イオンビーム照射に
伴う基板の正の帯電を効果的に抑制することができる。

【００１８】しかも、電子による基板表面の電位は、そ
こに入射される電子のエネルギーより負側に高くならな
いので、低エネルギーの電子をファラデーカップ内に導
入することにより、基板の負の帯電をも抑制することが
できる。

【００１９】以上のような作用によって、低エネルギー
の電子を基板に過不足なく供給することができるので、
イオンビーム照射に伴う基板の帯電を効果的に抑制する
ことができる。

【００２０】

【実施例】図１は、この発明の一実施例に係るイオン処
理装置を示す図である。図７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。

【００２１】この実施例においては、前述したようなフ
ァラデーカップ８の壁面の一部に孔９が設けられてお
り、この孔９の外側の部分に、後述するような第２プラ
ズマ生成容器４８、引出し電極５６および連結筒６１等
を介在させて、第１プラズマ生成容器２６が設けられて
いる。

【００２２】第１プラズマ生成容器２６は、そのファラ
デーカップ８側の部分に小孔２８を有しており、かつガ
ス導入管３０を経由して内部に例えばキセノンガス等の
電離用のガス３２が導入される。また、この第１プラズ
マ生成容器２６内に、この実施例ではＵ字状をしたフィ
ラメント３４が設けられており、第１プラズマ生成容器
２６の小孔２８付近はこのフィラメント３４に沿って丸
められている。フィラメント３４の両端には、その加熱
用のフィラメント電源３８が接続されている。３６は絶
縁物である。

【００２３】第１プラズマ生成容器２６の小孔２８の出
口側近傍には、前後に小孔５０および５２を有する第２
プラズマ生成容器４８が設けられている。両小孔５０、
５２は互いに一直線上にあり、かつ小孔５０は第１プラ
ズマ生成容器２６の小孔２８に対向している。この第２
プラズマ生成容器４８と第１プラズマ生成容器２６との
間は、リング状の絶縁物４６によって絶縁されている。

【００２４】この第２プラズマ生成容器４８のファラデ
ーカップ８側の小孔５２の出口側近傍には、当該小孔５
２に対向する位置に小孔５８を有する引出し電極５６が
設けられている。この引出し電極５６と第２プラズマ生
成容器４８との間には、リング状の絶縁物５５が設けら
れている。

【００２５】この引出し電極５６とファラデーカップ８
の孔９との間には、両者間を連結する金属製の連結筒６
１が絶縁物を介することなく設けられている。従って、
この連結筒６１および引出し電極５６は、ファラデーカ
ップ８と同電位にされている。なお、この連結筒６１と
引出し電極５６とは、この実施例のように別体にしても
良いし、一体にしても良い。

【００２６】第１プラズマ生成容器２６の先端部から連
結筒６１の外側にかけての部分に、それらとの間にリン
グ状の絶縁物６４、６６をそれぞれ介在させて、金属製
の支持筒６２が設けられている。この実施例では、この
支持筒６２と第２プラズマ生成容器４８とを互いに接続
して同電位になるようにしているが、これは第２プラズ
マ生成容器４８に後述するプラズマ生成用電源７４等を
接続しやすくするためである。なお、この支持筒６２と
第２プラズマ生成容器４８とは、図１では一体のように
図示されているが、実際上は別体のものである。

【００２７】この支持筒６２の外側には、磁場電源７０
が接続されたコイル６８が巻かれており、これによっ
て、第１プラズマ生成容器２６の小孔２８付近から連結
筒６１内にかけての領域内に、それらの軸方向に沿う磁
束Ｂを発生させる。即ちこの実施例では、このコイル６
８および磁場電源７０によって、磁束発生手段を構成し
ている。なお、磁束Ｂの向きは、図示とは逆に第１プラ
ズマ生成容器２６側へ向いていても良く、要は連結筒６
１等の軸方向に沿っていれば良い。

【００２８】ファラデーカップ８内には、その孔９が設
けられた部分の周囲を、当該孔９の部分を除いて覆うリ
フレクタ電極７８が絶縁物８０を介して設けられてい
る。より具体的には、リフレクタ電極７８はファラデー
カップ８に対応した筒状（例えば四角筒状）をしていて
孔９に対応する部分に孔７９を有しており、その部分
に、この例ではファラデーカップ８につながるリング状
の突出部８４がリフレクタ電極７８に接しないように設
けられている。このリフレクタ電極７８とファラデーカ
ップ８との間には、前者を負側にして、直流のリフレク
タ電源８２が接続されている。このリフレクタ電源８２
の出力電圧（即ちリフレクタ電圧Ｖ_R ）は、後述するよ
うにしてファラデーカップ８内に導入されるプラズマ５
４中の電子を押し返すに足りる電圧、例えば２０Ｖ程度
にしている。

【００２９】前記第２プラズマ生成容器４８とフィラメ
ント３４との間には、この実施例では前述したように支
持筒６２を経由して、第２プラズマ生成容器４８側を正
側にして直流のプラズマ生成用電源７４が接続されてい
る。このプラズマ生成用電源７４の出力電圧（即ちプラ
ズマ生成電圧Ｖ_A ）は、この実施例では０〜３５Ｖの範
囲で可変である。

【００３０】第２プラズマ生成容器４８と第１プラズマ
生成容器２６との間、換言すればプラズマ生成用電源７
４の正側と第１プラズマ生成容器２６との間には、制限
抵抗７２が接続されている。この制限抵抗７２の値は、
例えば１５０Ω程度である。

【００３１】更に、ファラデーカップ８とフィラメント
３４との間には、前者を正側にして、直流の引出し電源
７６が接続されている。この引出し電源７６の出力電圧
（即ち引出し電圧Ｖ_E ）は、この実施例では５〜２０Ｖ
の範囲内で調整後固定するようにしている。

【００３２】なお、このイオン処理装置では、第１プラ
ズマ生成容器２６内にプラズマ生成用のガス３２を導入
するが、第１プラズマ生成容器２６とファラデーカップ
８との間には、第１プラズマ生成容器２６、第２プラズ
マ生成容器４８および引出し電極５６の小孔２８、５
０、５２および５８（いずれも直径は例えば２ｍｍφ程
度）を介して連結されており、これらの小孔２８、５
０、５２および５８においてガスに対するコンダクタン
スが十分低下するので、第１プラズマ生成容器２６内へ
ガス３２を導入することによるファラデーカップ８内の
真空度の低下は小さい。

【００３３】このイオン処理装置においては、第２プラ
ズマ生成容器４８と第１プラズマ生成容器２６とは制限
抵抗７２を介して接続されており、第１プラズマ生成容
器２６内でプラズマ４０が点灯するまでは、第２プラズ
マ生成容器４８と第１プラズマ生成容器２６とは同電位
になっており、第１プラズマ生成容器２６とフィラメン
ト３４間にはプラズマ生成用電源７４からプラズマ生成
電圧Ｖ_A がそのまま印加される。従って、フィラメント
３４から放出された熱電子は、プラズマ生成電圧Ｖ_A に
よって第１プラズマ生成容器２６側に引き寄せられ、そ
の途中で、第１プラズマ生成容器２６内に導入されたガ
ス３２と衝突してそれを電離させ、これによって第１プ
ラズマ生成容器２６内にプラズマ４０が生成される。こ
のとき、前述したようにコイル６８の磁束が小孔２８付
近でもその軸方向に沿うように発生されているので、こ
の磁束がプラズマ４０の発生および維持に寄与する。

【００３４】上記のようにして第１プラズマ生成容器２
６内でプラズマ４０が生成されると、このプラズマ４０
を通して第１プラズマ生成容器２６とフィラメント３４
間に電流が流れるので、制限抵抗７２において電圧降下
が生じ、第２プラズマ生成容器４８と第１プラズマ生成
容器２６間に例えば十数Ｖ程度の電位差ΔＶが生じる。
これによって、第１プラズマ生成容器２６に印加される
電圧が下がるので、第１プラズマ生成容器２６内に生成
されるプラズマ４０は比較的薄いものとなる。

【００３５】第２プラズマ生成容器４８と第１プラズマ
生成容器２６間には上記電位差ΔＶが生じているので、
それによる加速電界によって、第１プラズマ生成容器２
６内のプラズマ４０中の電子４２は、第２プラズマ生成
容器４８内に引き出される。この電子４２のエネルギー
は、フィラメント３４から出るときの加速エネルギー
（これは、Ｖ_A またはＶ_A にフィラメント電源３８の電
圧を加えたもので、例えば２０〜２５ｅＶ程度）からガ
ス３２の電離エネルギー（例えば１０ｅＶ程度）を差し
引いた十数ｅＶに、上記電位差ΔＶに相当するエネルギ
ー（即ち十数ｅＶ程度）を加えた、３０ｅＶ程度の低エ
ネルギーであるが、前述したようにコイル６８の磁束Ｂ
が小孔２８付近から連結筒６１内にかけてそれらの軸方
向に沿うように発生されているので、電子４２はこの磁
束Ｂにガイドされて磁束Ｂに沿って第２プラズマ生成容
器４８内に効率良く引き出される。

【００３６】第２プラズマ生成容器４８内には、第１プ
ラズマ生成容器２６側からガス３２が流れ込んで来てお
り、第２プラズマ生成容器４８内に引き出された電子４
２はこのガスと衝突してそれを電離させ、この第２プラ
ズマ生成容器４８内で再びプラズマ５４が作られる。ガ
ス３２の電離エネルギーは１０ｅＶ程度であるので、３
０ｅＶ程度のエネルギーの電子４２によってそれを十分
電離させることができる。しかも、この第２プラズマ生
成容器４８内では、電子４２は磁束Ｂの周りを旋回運動
する過程でガス分子と多重衝突するので、ガス３２の電
離能率が高く、従って第２プラズマ生成容器４８内で
は、第１プラズマ生成容器２６内のプラズマ４０よりも
高密度の（例えば３〜４倍程度の高密度の）プラズマ５
４が生成される。

【００３７】つまり、このイオン処理装置のように、二
つのプラズマ生成容器２６および４８を用いることによ
って次のような効果が得られる。即ち、ファラデーカッ
プ８内に十分な量の電子を供給するためには、プラズマ
の密度も濃いものにしなければならない。その場合仮
に、第２プラズマ生成容器４８を設けずに、第１プラズ
マ生成容器２６内で濃いプラズマ４０を作りこれをファ
ラデーカップ８内へ供給しようとすると、そのためには
フィラメント３４から放出させる電子の量およびプラズ
マ生成用のガス３２の量を増加させる必要がある。しか
しながら、そのようにすると、フィラメント３４の消耗
が早まり、しかも多量のガス３２がファラデーカップ８
内へ漏れ出るため、ファラデーカップ８内の真空度も悪
化してしまう。

【００３８】これに対して、このイオン処理装置では、
第１プラズマ生成容器２６内で生成するプラズマ４０は
薄いもので良く、このプラズマ４０中の電子４２を利用
して第２プラズマ生成容器４８内で濃いプラズマ５４を
生成させ、それを引き出してファラデーカップ８内へ供
給するようにしている。その結果、フィラメント３４か
ら放出させる電子の量を少なくすることができるので、
フィラメント３４の消耗を遅くしてその寿命を長くする
ことができる。しかも、第１プラズマ生成容器２６内に
供給するガス３２の量を少なくすることができると共
に、第１プラズマ生成容器２６から第２プラズマ生成容
器４８内へ漏れ出たガス３２をそこで再びプラズマ化す
るので、また小孔２８、５０、５２および５８において
ガスに対するコンダクタンスが十分に低下するので、フ
ァラデーカップ８内へ漏れ出るガスの量は非常に少な
く、従ってファラデーカップ８内の真空度低下（即ちガ
ス圧上昇）を非常に小さく抑えることができる。その結
果、イオンビーム２とガス分子とが衝突して中性粒子が
発生して注入量誤差等の不具合が生じるのを防止するこ
とができる。

【００３９】上記のようにして第２プラズマ生成容器４
８内で生成されたプラズマ５４中のイオンは、第２プラ
ズマ生成容器４８と引出し電極５６との間の電位差（Ｖ
_A −Ｖ_E ）による加速電界およびコイル６８による磁束
Ｂとの協働によって連結筒６１内に引き出され、更に当
該連結筒６１内の磁束Ｂによってガイドされて、ファラ
デーカップ８内にその孔９を通して導入される。このと
き、第２プラズマ生成容器４８内のプラズマ５４中の電
子は、上記のようにして引き出されるイオンの電界によ
って引っ張られて、同イオンと共にそれと同様にして引
き出されてファラデーカップ８内に導入される。このよ
うにして引き出されてファラデーカップ８内に導入され
るイオンと電子は、互いに混在していてプラズマ状態に
ある。

【００４０】つまり、連結筒６１内には、第２プラズマ
生成容器４８内で生成されたプラズマ５４が引き出さ
れ、これが磁束Ｂによってガイドされてファラデーカッ
プ８内に導入されることになる。

【００４１】第２プラズマ生成容器４８内でプラズマ５
４を作るのに使われる電子４２のエネルギーは、前述し
たように３０ｅＶ程度であるから、プラズマ５４中の電
子のエネルギーは、この３０ｅＶからガス３２の電離に
要するエネルギー１０ｅＶ程度を差し引いた２０ｅＶ程
度以下に分布している。このようなエネルギー分布の電
子の内、１０ｅＶ〜２０ｅＶ程度のエネルギーを持った
電子が、引出し電極５６を通して連結筒６１内に、イオ
ンと共に、このイオンの電界とコイル６８による磁束Ｂ
のガイドとにより、プラズマとして引き出される。この
とき、上記電子は、第２プラズマ生成容器４８と引出し
電極５６間の電位差（Ｖ_A −Ｖ_E ）によって減速され、
この電位差を例えば１０Ｖとすると、連結筒６１内にイ
オンと共に引き出された電子のエネルギーは、０〜１０
ｅＶ程度に分布している。

【００４２】以上のような理由から、連結筒６１内にイ
オンと共に引き出される電子のエネルギーは、高々１０
ｅＶ程度以下の低エネルギーである。このような低エネ
ルギーの電子は、基板の帯電防止に非常に都合が良い。
これは、基板の帯電の問題は、基板表面に形成する素子
の集積度が上がるに従って顕著になるので、帯電抑制の
ために用いられる電子のエネルギーも、電子による負帯
電のことを考慮すると低いほど良く、一般的に言えば２
０ｅＶ以下に抑える必要があるからである。

【００４３】上記のようにして引き出されたプラズマ５
４中の低エネルギーの電子は、そのままでは発散しやす
く連結筒６１の壁面等に当たって消滅しやすい。そこで
このイオン処理装置では、前述したようにコイル６８に
よって、第１プラズマ生成容器２６の小孔２８付近から
連結筒６１内にかけての領域にそれらの軸方向に沿う磁
束Ｂを発生させるようにしており、その結果、プラズマ
５４中の低エネルギーの電子は、この磁束Ｂの周りを旋
回運動しながら磁束Ｂにガイドされて磁束Ｂに沿ってフ
ァラデーカップ８の方へ効率良く導かれ、ファラデーカ
ップ８内にその孔９を通して効率良く導入される。即
ち、この磁束Ｂの存在によって、電子が連結筒６１の壁
面等に当たって消滅するのが抑制されるので、プラズマ
５４中の電子はそのエネルギーが低くても効率良くファ
ラデーカップ８内に導かれる。

【００４４】このように、上記コイル６８およびその磁
場電源７０は、第１プラズマ生成容器２６および第２プ
ラズマ生成容器４８内においてプラズマ４０および５４
を効率良くかつ安定して発生させる手段と、連結筒６１
内の低エネルギーの電子をファラデーカップ８内へ効率
良く輸送する手段とを兼ねている。

【００４５】上記のようにしてファラデーカップ８内に
導入されたプラズマ５４中のイオンは、負電位（例えば
前述したように−２０Ｖ）のリフレクタ電極７８に吸引
され捕らえられる。一方、同プラズマ５４中の電子は、
同リフレクタ電極７８によってファラデーカップ８の中
央部に押し返され、ファラデーカップ８内を通過してい
るイオンビーム２内にその電界によって引き込まれる。

【００４６】上記のようにして、低エネルギーの電子の
みが、イオンビーム２内にその電界によって引き込まれ
る。そして、基板６が帯電している場合にそれによって
イオンビーム２の軸方向に電位勾配が生じるため、イオ
ンビーム２内に引き込まれた電子は、この電位勾配によ
って基板６に引き寄せられ、基板表面のイオンビーム照
射に伴う正電荷を中和する。正電荷が中和されれば、電
子の基板６への引き込みは自動的に止む。このようにし
て、電子が基板６に過不足なく供給されるので、イオン
ビーム照射に伴う基板６の正の帯電を効果的に抑制する
ことができる。

【００４７】しかも、電子による基板表面の電位は、そ
こに入射される電子のエネルギーより負側に高くならな
いので、上記のようにして低エネルギーの電子をファラ
デーカップ８内に導入することにより、基板６の負の帯
電をも抑制することができる。

【００４８】以上のような作用によって、低エネルギー
の電子を基板６に過不足なく供給することができるの
で、イオンビーム照射に伴う基板６の帯電を効果的に抑
制することができる。

【００４９】この場合、仮にファラデーカップ８内に電
子のみを供給しようとすると、空間電荷制限によって十
分な量の電子を供給することは困難になる。しかもこの
空間電荷制限は、電子のエネルギーが小さいほど厳しく
なる。これに対して、このイオン処理装置では、上記の
ように、低エネルギーの電子をイオンと共にプラズマ状
態で連結筒６１内に引き出してこれをファラデーカップ
８内に導入するようにしているので、イオンによって電
子の空間電荷制限を緩和することができ、それによっ
て、イオンビーム照射に伴う基板６の帯電を防止するの
に十分な量の低エネルギー電子をファラデーカップ８内
に供給することが可能である。なお、ファラデーカップ
８内では、リフレクタ電極７８によって、イオンは吸引
捕捉され、電子のみがイオンビーム２側に供給されるの
は前述のとおりである。

【００５０】また、従来のイオン処理装置では、イオン
ビーム２を引き出すイオン源側において電極間で放電が
発生する等してイオンビーム２が途切れたときでも、一
定量の二次電子９２が基板６に入射され続けるので、こ
のような原因によっても基板６が負に帯電することがあ
るという問題があったが、このイオン処理装置の場合
は、ファラデーカップ８内に導入されるのは低エネルギ
ーの電子であり、これは前述したように主としてイオン
ビーム２の電界によってイオンビーム２と共に基板６側
へ導かれるので、イオンビーム２が途切れれば、基板６
に供給される電子の量も自然に減少するので、イオンビ
ーム２が途切れた場合の基板６の負の帯電を自動的に防
止することができる。

【００５１】また、この実施例では、ファラデーカップ
８の孔９付近の周りを取り囲むように、例えば軟鉄のよ
うな強磁性体から成るリング８６を設けている。このよ
うなリング８６を設けておくと、コイル６８から出た磁
力線はこのリング８６に引き込まれてその中を通るよう
になるので、連結筒６１の出口から孔９付近にかけての
磁束Ｂは、その広がりが抑えられ、連結筒６１の軸に平
行に近づく。即ち、磁束Ｂを長い距離に亘ってその軸に
平行に近づけることができる。その結果、連結筒６１内
に上記のようにして引き出されたプラズマ５４中の低エ
ネルギーの電子が、連結筒６１の出口付近の壁面や孔９
の部分のファラデーカップ８に当たって消滅することを
より確実に防止することができるので、低エネルギーの
電子のファラデーカップ８内への輸送効率を簡単に高め
ることができる。

【００５２】次に、上記のようなイオン処理装置におけ
るターゲット電流Ｉ_T およびビーム電流密度分布の測定
結果の一例を説明する。ターゲット電流Ｉ_T は、ホルダ
４をファラデーカップ８外に移動させておいて、イオン
ビーム２およびファラデーカップ８内に導入された電子
をキャッチプレート１４で受け、そのときにキャッチプ
レート１４に流れる電流を図１中のＣ点で測定したもの
であり、イオンビーム２による電流と、その逆向きに流
れる電子による電流とを加算したものである。このター
ゲット電流Ｉ_T は、図１中の矢印の向きを正としてお
り、それが正の場合はイオンビーム２による電流の方が
大きいことを示している。ビーム電流密度分布は、キャ
ッチプレート１４の入口部に多点のビームプロファイル
モニタを設けておき、ホルダ４をファラデーカップ８外
に移動させておいて、このビームプロファイルモニタの
各測定点に流れるビーム電流密度の分布を測定したもの
である。

【００５３】図２は、イオンビーム２が入射している場
合の引出し電圧Ｖ_E をパラメータとするターゲット電流
Ｉ_T の測定結果の一例を示すものである。このときの測
定条件は、フィラメント３４に供給する電圧、電流が６
Ｖ、２９Ａ、第１プラズマ生成容器２６内に供給するガ
ス３２がＸe ガスで流量が０．１９ｃｃｍ、第１プラズ
マ生成容器２６内のガス圧が約８．９×１０^-6Ｔｏｒ
ｒ、コイル６８に供給する電圧、電流が３Ｖ、１２．５
Ａ、リフレクタ電圧Ｖ_R が２０Ｖであった（これは図３
においても同様）。また、イオンビーム２には、エネル
ギー５０ＫｅＶ、ビーム電流１２ｍＡのＡs イオンを用
いた。

【００５４】この図において、プラズマ生成電圧Ｖ_A を
上昇させて行くとあるところで（図２では２３Ｖ付近
で）ターゲット電流Ｉ_T が負に転じているのは、そこで
第１プラズマ生成容器２６内でプラズマ４０が点灯し
て、前述したような作用でファラデーカップ８内に電子
が導入され始めたからである（図３および図４において
も同様）。この図２から、キャッチプレート１４に電子
がどの程度流入しているかが分かる。例えば引出し電圧
Ｖ_E が５Ｖの場合、電子による電流は、１２＋１５＝２
７ｍＡ程度である。また、引出し電圧Ｖ_E を大きくすれ
ば電子の量が増えることも分かる。

【００５５】図３は、イオンビーム２が入射していない
場合の引出し電圧Ｖ_E をパラメータとするターゲット電
流Ｉ_T の測定結果の一例を示すものである。この図か
ら、イオンビーム２がないと、キャッチプレート１４に
は電子が殆ど流入しないことが分かる。例えば、引出し
電圧Ｖ_E が５Ｖの場合、電子による電流は約３ｍＡであ
り、図２の場合の１／９である。これは、前述したよう
に、低エネルギーの電子は、イオンビーム２の電界によ
ってイオンビーム２と共に基板６側へ（この実験例の場
合はキャッチプレート１４側へ）導かれるからである。
なお、この図３で、イオンビーム２がないのに電子が少
しキャッチプレート１４に流入しているのは、前述した
ホルダバイアス電源１８の電圧による引き込み作用を受
けているからであると思われる。

【００５６】図４は、コイル６８に流すコイル電流Ｉ_C
をパラメータとするターゲット電流Ｉ_T の測定結果の一
例を示すものである。このときの測定条件は、フィラメ
ント３４に供給する電圧、電流が６Ｖ、２９Ａ、第１プ
ラズマ生成容器２６内に供給するガス３２がＸe ガスで
流量が０．１９ｃｃｍ、第１プラズマ生成容器２６内の
ガス圧が約８．９×１０^-6Ｔｏｒｒ、引出し電圧Ｖ_E が
１０Ｖ、リフレクタ電圧Ｖ_R が２０Ｖであった。また、
イオンビーム２には、エネルギー５０ＫｅＶ、ビーム電
流１２ｍＡのＡs イオンを用いた。

【００５７】この図４から、コイル電流Ｉ_C が５Ａ以下
ではプラズマ生成電圧Ｖ_A を上昇させても第１プラズマ
生成容器２６内でプラズマ４０がうまく発生せず、発生
してもすぐに消える、１０Ａではプラズマ４０は発生す
るがプラズマ生成電圧Ｖ_A の大きさによっては不安定に
なる、１５Ａ以上ではプラズマ４０は安定して発生して
いる、ということが分かる。また、コイル電流Ｉ_C を大
きくするほど、プラズマ４０の点灯が開始するプラズマ
生成電圧Ｖ_A を下げられることが分かる。即ち、コイル
６８は、前述したように、低エネルギーの電子をファラ
デーカップ８内へ効率良く輸送する手段の他に、第１プ
ラズマ生成容器２６内においてプラズマ４０を効率良く
かつ安定して発生させる手段を兼ねていることが分か
る。

【００５８】もっとも、コイル電流Ｉ_C を何Ａ流すのが
好ましいかは、第１プラズマ生成容器２６、第２プラズ
マ生成容器４８、引出し電極５６およびコイル６８等の
配置、大きさ等によって変わるので一概には言えない
が、この実施例の場合は十数Ａ〜２０Ａ程度で十分であ
ると言える。

【００５９】図５は、ファラデーカップ８内に電子を導
入しない場合のキャッチプレート１４の入口部における
ビーム電流密度分布の測定結果の一例を示すものであ
る。図中の各丸印が各測定点を表しており、丸印内の数
字等がその点での電流密度（ｍＡ／ｃｍ² ）の大きさ
を、図中下部に示すような意味で表している（図６にお
いても同様）。この図５から、電子を導入せずにイオン
ビーム２のみを照射した場合は、測定領域の中央部付近
に正の電流密度の特に高い領域があり、この付近では正
のチャージアップが生じやすいことが分かる。

【００６０】図６は、イオンビーム２を照射すると共
に、ファラデーカップ８内に上記のような手段によって
低エネルギーの電子を導入した場合のキャッチプレート
１４の入口部におけるビーム電流密度分布の測定結果の
一例を示すものであり、この図から、広い領域において
電流密度が０近くになっており、低エネルギーの電子に
よってイオンビーム２の正電荷が万遍なく中和されてい
ることが分かる。

【００６１】なお、前述した引出し電源７６は、図１の
ように接続する代わりに、ファラデーカップ８と第２プ
ラズマ生成容器４８との間に前者を負側にして接続して
も良い。その場合は、この引出し電源７６の出力電圧
（引出し電圧）Ｖ_E がそのまま、第２プラズマ生成容器
４８と引出し電極５６間の電圧となる。先に図２の説明
のところで、引出し電圧Ｖ_E を大きくした方がファラデ
ーカップ８内に引き出される電子の量が増えるという説
明をしたが、これはそのようにすると図１の接続の場合
は第２プラズマ生成容器４８と引出し電極５６間の電位
差（Ｖ_A −Ｖ_E ）が小さくなるからである。従って、こ
こで説明しているような接続の場合は、引出し電圧Ｖ_E
がそのまま第２プラズマ生成容器４８と引出し電極５６
間の電圧となるので、引出し電圧Ｖ_E を小さくする方が
ファラデーカップ８内に引き出される電子の量が増える
ことになる。

【００６２】また、上記コイル６８および磁場電源７０
の代わりに、複数の永久磁石を支持筒６２の外側に設け
て上記のような磁束Ｂを発生させるようにし、これによ
って磁束発生手段を構成しても良い。

【００６３】また、ホルダ４は、上記例はバッチ処理用
のウェーハディスクであるけれども、枚葉処理用のプラ
テンであっても良いのは前述したとおりである。

【００６４】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、第２プ
ラズマ生成容器内でプラズマを生成し、そこからイオン
と低エネルギー電子とを両者が混在したプラズマ状態で
連結筒内に引き出し、これを磁場でガイドしながらファ
ラデーカップ内に導入し、そこでリフレクタ電極によっ
てイオンを捕捉除去し、低エネルギー電子のみをイオン
ビーム側に供給するようにしたので、低エネルギーの電
子をファラデーカップ内に効率良く導入することがで
き、この低エネルギーの電子はイオンビーム内にその電
界によって引き込まれて、基板の帯電に応じた量の電子
がイオンビームと共に基板に入る。その結果、低エネル
ギーの電子を基板に過不足なく供給することができ、そ
れによってイオンビーム照射に伴う基板の帯電を効果的
に抑制することができる。

【００６５】しかも、プラズマを第１プラズマ生成容器
内と第２プラズマ生成容器内との２段階で発生させるよ
うにしていて、第１プラズマ生成容器内のプラズマが薄
くても第２プラズマ生成容器内で濃いプラズマを生成す
ることができるので、第１プラズマ生成容器内のフィラ
メントから放出させる電子の量を少なくすることがで
き、フィラメントの寿命を長くすることができる。しか
も、第１プラズマ生成容器内に供給するガスの量を少な
くすることができると共に、第２プラズマ生成容器内へ
漏れ出たガスをそこで再びプラズマ化するので、また第
１プラズマ生成容器、第２プラズマ生成容器および引出
し電極の各小孔においてガスに対するコンダクタンスが
十分に低下するので、第１プラズマ生成容器内へガスを
導入することによるファラデーカップ内の真空度低下を
非常に小さく抑えることができる。その結果、イオンビ
ームとガス分子とが衝突して中性粒子が発生して注入量
誤差等の不具合が生じるのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係るイオン処理装置を示
す図である。

【図２】イオンビームが入射している場合の引出し電圧
をパラメータとするターゲット電流の測定結果の一例を
示す図である。

【図３】イオンビームが入射していない場合の引出し電
圧をパラメータとするターゲット電流の測定結果の一例
を示す図である。

【図４】コイル電流をパラメータとするターゲット電流
の測定結果の一例を示す図である。

【図５】ファラデーカップ内に電子を導入していない場
合のキャッチプレート入口部におけるビーム電流密度分
布の測定結果の一例を示す図である。

【図６】ファラデーカップ内に電子を導入した場合のキ
ャッチプレート入口部におけるビーム電流密度分布の測
定結果の一例を示す図である。

【図７】従来のイオン処理装置の一例を示す図である。

【符号の説明】

２ イオンビーム ４ ホルダ ６ 基板 ８ ファラデーカップ ９ 孔 ２６ 第１プラズマ生成容器 ３２ ガス ３４ フィラメント ３８ フィラメント電源 ４０ プラズマ ４８ 第２プラズマ生成容器 ５４ プラズマ ５６ 引出し電極 ６１ 連結筒 ６８ コイル ７０ 磁場電源 ７２ 制限抵抗 ７４ プラズマ生成用電源 ７６ 引出し電源 ７８ リフレクタ電極 ８２ リフレクタ電源

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を保持するホルダと、このホルダの
   上流側に設けられていて二次電子のアースへの逃げを防
   止するファラデーカップとを備え、このファラデーカッ
   プ内を通してイオンビームをホルダ上の基板に照射して
   当該基板を処理するイオン処理装置において、前記ファ
   ラデーカップの壁面の一部に設けられた孔と、この孔の
   外側に設けられていて、内部にガスが導入され、かつフ
   ァラデーカップ側に小孔を有する第１プラズマ生成容器
   と、この第１プラズマ生成容器内に設けられたフィラメ
   ントと、前記第１プラズマ生成容器の小孔の出口側近傍
   に設けられていて前後に小孔を有する第２プラズマ生成
   容器と、この第２プラズマ生成容器のファラデーカップ
   側の小孔の出口側近傍に設けられていて、小孔を有しか
   つファラデーカップと同電位にされた引出し電極と、こ
   の引出し電極と前記ファラデーカップの孔との間を連結
   する連結筒と、前記第１プラズマ生成容器の小孔付近か
   ら連結筒内にかけての領域に、それらの軸方向に沿う磁
   束を発生させる磁束発生手段と、前記ファラデーカップ
   内にそれから絶縁して設けられていて、当該ファラデー
   カップ内の前記孔が設けられた部分の周囲を当該孔の部
   分を除いて覆うリフレクタ電極と、前記フィラメントを
   加熱するフィラメント電源と、前記第２プラズマ生成容
   器とフィラメントとの間に前者を正側にして接続された
   直流のプラズマ生成用電源と、前記第２プラズマ生成容
   器と第１プラズマ生成容器との間に接続された制限抵抗
   と、前記ファラデーカップとフィラメントとの間に前者
   を正側にして接続された直流の引出し電源と、前記リフ
   レクタ電極とファラデーカップとの間に前者を負側にし
   て接続された直流のリフレクタ電源とを備えることを特
   徴とするイオン処理装置。
2. 【請求項２】 前記直流の引出し電源を、前記ファラデ
   ーカップとフィラメントとの間に前者を正側にして接続
   する代わりに、前記ファラデーカップと前記第２プラズ
   マ生成容器との間に前者を負側にして接続した請求項１
   記載のイオン処理装置。