JP3140248B2 - Method and apparatus for controlling ion energy - Google Patents

Method and apparatus for controlling ion energy

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JP3140248B2
JP3140248B2 JP05075303A JP7530393A JP3140248B2 JP 3140248 B2 JP3140248 B2 JP 3140248B2 JP 05075303 A JP05075303 A JP 05075303A JP 7530393 A JP7530393 A JP 7530393A JP 3140248 B2 JP3140248 B2 JP 3140248B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、イオン・エネルギーの
制御方法およびその装置に関し、さらに詳細には、プラ
ズマ中に位置させた被処理材に衝突するイオン・エネル
ギーを制御するイオン・エネルギーの制御方法およびそ
の装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for controlling ion energy, and more particularly, to a method and apparatus for controlling ion energy which collides with a workpiece placed in a plasma. A method and an apparatus therefor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、半導体などのドライ・エッチ
ングあるいは成膜などの技術分野においては、プラズマ
中のイオンを用いることが行われている。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a technical field such as dry etching or film formation of a semiconductor or the like, ions in plasma are used.

【0003】即ち、プラズマ中に位置させた被処理材
は、電気的に絶縁させた状態では通常は負にバイアスさ
れるため、プラズマ中のイオンは被処理材に向かって加
速されることになる。こうして加速されたイオンのイオ
ン・エネルギーが、ドライ・エッチングあるいは成膜な
どの処理において重要な役割を担っている。
That is, since the material to be treated located in the plasma is normally negatively biased when electrically insulated, ions in the plasma are accelerated toward the material to be treated. . The ion energy of the accelerated ions plays an important role in processes such as dry etching and film formation.

【0004】現在、こうしたイオン・エネルギーを制御
するためには、外部の電源から被処理材の導電性に応じ
て直流(DC)電圧あるいは高周波(RF)電圧などの
バイアス電圧を印加し、外部のバイアス電圧によって被
処理材表面の電位を変化させることにより行っていた。
つまり、被処理材が電気的に導体である場合には、外部
のバイアス電圧としてDC電圧が用いられ、被処理材が
電気的に絶縁体である場合には、外部のバイアス電圧と
してRF電圧を用いられていた。
At present, in order to control such ion energy, a bias voltage such as a direct current (DC) voltage or a high frequency (RF) voltage is applied from an external power supply according to the conductivity of the material to be processed, and an external power supply is applied. This has been performed by changing the potential of the surface of the material to be processed by a bias voltage.
That is, when the material to be processed is an electrically conductive material, a DC voltage is used as an external bias voltage, and when the material to be processed is an electrically insulating material, an RF voltage is used as an external bias voltage. Was used.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような外部のバイアス電圧たるDC電圧あるいはRF
電圧の被処理材への印加は、被処理材表面のプラズマを
乱すことになると考えられており、好ましくないことが
指摘されていた。
However, the above-described DC voltage or RF as an external bias voltage is used.
It is considered that application of a voltage to the material to be treated disturbs the plasma on the surface of the material to be treated, and it has been pointed out that it is not preferable.

【0006】また、導体へのDC電圧の印加は、被処理
材がドライ・エッチングによく用いられるような導体の
上に絶縁物マスクがあるものである場合には、被処理材
表面の電位と絶縁物マスクとの電位とが異なるようにな
り、被処理材表面と絶縁物マスクとの間の電界に歪みを
生じるようになっていた。このため、被処理材へのイオ
ンの入射軌道を曲げてしまうという問題点があった。
In addition, when a DC voltage is applied to a conductor, the potential of the surface of the material to be processed is different from the potential of the surface of the material to be processed when the material to be processed has an insulator mask on the conductor which is often used for dry etching. The potential of the insulator mask is different from that of the insulator mask, and the electric field between the surface of the workpiece and the insulator mask is distorted. For this reason, there is a problem in that the incident trajectory of ions to the material to be processed is bent.

【0007】さらに、絶縁体へRF電圧を印加した場合
には、RF電圧のピーク電圧においては、必要以上の電
圧が被処理材に印加されてしまうという問題点があっ
た。
Furthermore, when an RF voltage is applied to the insulator, there is a problem that an excessive voltage is applied to the material to be processed at the peak voltage of the RF voltage.

【0008】さらにまた、こうした外部のバイアス電圧
を用いるということは、新たな電源が別途必要になるも
のであり、製造コストの増大を招来するという問題点が
あった。
Further, the use of such an external bias voltage necessitates a new power supply separately, which causes a problem of increasing the manufacturing cost.

【0009】本発明は、従来の技術の有するこのような
種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的と
するところは、被処理材へ外部からバイアス電圧を印加
することなく、被処理材へ入射されるイオン・エネルギ
ーを制御することのできるイオン・エネルギーの制御方
法およびその装置を提供しようとするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned various problems of the prior art, and an object of the present invention is to apply a bias voltage to a material to be processed without applying a bias voltage from the outside. An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for controlling ion energy capable of controlling ion energy incident on a processing material.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によるイオン・エネルギーの制御方法は、被
処理材を位置させるとともに所定の反応ガス雰囲気とさ
れたイオン生成領域内へ電子ビームを照射してプラズマ
を発生させ、プラズマ中のイオンを被処理材表面のイオ
ンシースにかかる電圧により加速して、被処理材に衝突
させる際のイオン・エネルギーの制御方法において、電
子ビームが被処理材に入射する際の入射角を変化するこ
とにより、被処理材表面に衝突する電子の数を制御して
被処理材表面の浮動電位を変化し、浮動電位の変化に基
づいてイオンシースにかかる電圧を変化させて、イオン
・エネルギーを制御するようにしたものである。
In order to achieve the above object, a method for controlling ion energy according to the present invention comprises the steps of: positioning an object to be processed and setting an electron beam into an ion generation region in a predetermined reaction gas atmosphere; In the method of controlling ion energy when the plasma is generated by accelerating ions in the plasma by the voltage applied to the ion sheath on the surface of the workpiece and colliding with the workpiece, the electron beam is irradiated with the electron beam. By changing the angle of incidence at the time of incidence on the material, the number of electrons colliding with the surface of the material to be processed is controlled to change the floating potential on the surface of the material to be processed, and the floating potential is applied to the ion sheath based on the change in the floating potential. By changing the voltage, the ion energy is controlled.

【0011】また、本発明によるイオン・エネルギーの
制御方法は、被処理材を位置させるとともに所定の反応
ガス雰囲気とされたイオン生成領域内へ電子ビームを照
射してプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンを被処
理材表面のイオンシースにかかる電圧により加速して、
被処理材に衝突させる際のイオン・エネルギーの制御方
法において、電子ビームをイオン生成領域内へ照射する
際の加速度を変化することにより、被処理材表面に衝突
する電子の数を制御して被処理材表面の浮動電位を変化
し、浮動電位の変化に基づいてイオンシースにかかる電
圧を変化させて、イオン・エネルギーを制御するように
したものである。
Further, in the ion energy control method according to the present invention, a plasma is generated by irradiating an electron beam into an ion generation region having a predetermined reaction gas atmosphere while positioning a material to be processed. The ions are accelerated by the voltage applied to the ion sheath on the surface of the workpiece,
In the method of controlling the ion energy when colliding with the workpiece, the number of electrons colliding with the surface of the workpiece is controlled by changing the acceleration when irradiating the electron beam into the ion generation region. The floating potential on the surface of the processing material is changed, and the voltage applied to the ion sheath is changed based on the change in the floating potential to control the ion energy.

【0012】さらに、本発明によるイオン・エネルギー
の制御装置は、所定の反応ガス雰囲気とされたイオン生
成室と、イオン生成室内に電子ビームを照射してプラズ
マを発生させる電子ビーム照射手段とを有し、プラズマ
中のイオンをイオン生成室内に位置させた被処理材表面
のイオンシースにかかる電圧により加速して、被処理材
に衝突させる電子ビーム励起イオン照射装置におけるイ
オン・エネルギーの制御装置において、被処理材を回転
自在に支持する支持装置を備え、電子ビームが被処理材
に入射する際の入射角が可変となるようにしたものであ
る。
Further, the ion energy control apparatus according to the present invention has an ion generation chamber in a predetermined reaction gas atmosphere, and electron beam irradiation means for irradiating the ion generation chamber with an electron beam to generate plasma. Then, the ion in the plasma is accelerated by the voltage applied to the ion sheath on the surface of the workpiece placed in the ion generation chamber, and the ion energy control device in the electron beam excited ion irradiator that collides with the workpiece, A supporting device is provided for rotatably supporting the material to be processed, so that the angle of incidence when the electron beam is incident on the material to be processed is variable.

【0013】さらにまた、本発明によるイオン・エネル
ギーの制御装置は、所定の反応ガス雰囲気とされたイオ
ン生成室と、イオン生成室内に電子ビームを照射してプ
ラズマを発生させる電子ビーム照射手段とを有し、プラ
ズマ中のイオンをイオン生成室内に位置させた被処理材
表面のイオンシースにかかる電圧により加速して、被処
理材に衝突させる電子ビーム励起イオン照射装置におけ
るイオン・エネルギーの制御装置において、電子ビーム
の加速度を制御するための電圧を可変制御できる電子ビ
ーム加速用電源を備え、電子ビームをイオン生成室内へ
照射する際の加速度が可変となるようにしたものであ
る。
Further, the ion energy control apparatus according to the present invention includes an ion generation chamber having a predetermined reaction gas atmosphere, and an electron beam irradiation means for irradiating the ion generation chamber with an electron beam to generate plasma. In the ion energy control device in the electron beam excited ion irradiation device, the ions in the plasma are accelerated by the voltage applied to the ion sheath on the surface of the workpiece placed in the ion generation chamber and collide with the workpiece. A power supply for electron beam acceleration capable of variably controlling the voltage for controlling the acceleration of the electron beam, so that the acceleration at the time of irradiating the electron beam into the ion generation chamber is variable.

【0014】[0014]

【作用】電子ビームが被処理材に入射する際の入射角が
変化することにより、被処理材表面に到達する電子の数
が変化し、被処理材表面の浮動電位が変化する。このこ
とにより、イオンシースにかかる電圧が変化される。こ
のため、イオンシースにかかる電圧により加速されて被
処理材表面に入射されるイオン・エネルギーを、電子ビ
ームの被処理材への入射角を変化することにより制御で
きる。
When the angle of incidence of the electron beam upon the material to be processed changes, the number of electrons reaching the surface of the material to be processed changes, and the floating potential on the surface of the material to be processed changes. This changes the voltage applied to the ion sheath. For this reason, the ion energy accelerated by the voltage applied to the ion sheath and incident on the surface of the workpiece can be controlled by changing the angle of incidence of the electron beam on the workpiece.

【0015】電子ビームが被処理材に入射する際の加速
度が変化することにより、被処理材表面に到達する電子
の数が変化し、被処理材表面の浮動電位が変化する。こ
のことにより、イオンシースにかかる電圧が変化され
る。このため、イオンシースにかかる電圧により加速さ
れて被処理材表面に入射されるイオン・エネルギーを、
電子ビームを被処理材へ入射する際の加速度を変化する
ことにより制御できる。
By changing the acceleration when the electron beam is incident on the material to be processed, the number of electrons reaching the surface of the material to be processed changes, and the floating potential on the surface of the material to be processed changes. This changes the voltage applied to the ion sheath. Therefore, the ion energy accelerated by the voltage applied to the ion sheath and incident on the surface of the material to be treated is
It can be controlled by changing the acceleration when the electron beam is incident on the workpiece.

【0016】[0016]

【実施例】以下、図面に基づいて、本発明によるイオン
・エネルギー制御方法およびその装置の実施例を詳細に
説明するものとする。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an ion energy control method and apparatus according to the present invention;

【0017】図1には、本発明の一実施例によるイオン
・エネルギー制御装置を備えた電子ビーム励起イオン照
射装置10が示されている。
FIG. 1 shows an electron beam excited ion irradiation apparatus 10 provided with an ion energy control apparatus according to one embodiment of the present invention.

【0018】この電子ビーム励起イオン照射装置10
は、直径約95mmで全長約110mmの密閉容器12
内に、例えば、タングステンやモリブデンなどの高融点
金属などからなるアノード電極14および電子ビーム加
速用電極16を、約1mmの備間隔で配設している。こ
れらアノード電極14および電子ビーム加速用電極16
は、直径数cm、厚さ0.2mm乃至0.5mm程度の
円板状に形成され、その周辺部を除く領域に、直径0.
5mm乃至1.0mm程度の透孔14a、16bが多数
穿設されている。
This electron beam excited ion irradiation apparatus 10
Is a sealed container 12 having a diameter of about 95 mm and a total length of about 110 mm.
An anode electrode 14 and an electron beam accelerating electrode 16 made of, for example, a refractory metal such as tungsten or molybdenum are arranged at intervals of about 1 mm. The anode electrode 14 and the electron beam accelerating electrode 16
Is formed in the shape of a disk having a diameter of several cm and a thickness of about 0.2 mm to 0.5 mm.
A large number of through holes 14a and 16b of about 5 mm to 1.0 mm are formed.

【0019】密閉容器12内のアノード電極14と対向
する一方の側壁12aには、熱フィラメントよりなるカ
ソード電極18が、アノード電極14に向けて突出する
ように配設されている。
On one side wall 12a facing the anode electrode 14 in the sealed container 12, a cathode electrode 18 made of a hot filament is provided so as to project toward the anode electrode 14.

【0020】また、カソード電極18とアノード電極1
4との間には、貫通孔20aが穿設された電極20が設
けられている。電極20は、熱フィラメントよりなるカ
ソード電極18領域のガス圧を高めることにより、カソ
ード電極18とアノード電極14との間の放電を安定に
したり、後述するイオン生成領域におけるイオン生成の
ための作動ガスとして酸素などの活性ガスを用いた場合
に、カソード電極18領域に導入されるAr(アルゴ
ン)ガスのガス圧を高めて、酸素などの活性ガスが流入
することを防止し、カソード電極18の熱フィラメント
を保護するための隔壁としての作用をする。
The cathode electrode 18 and the anode electrode 1
4, an electrode 20 having a through-hole 20a is provided. The electrode 20 stabilizes the discharge between the cathode electrode 18 and the anode electrode 14 by increasing the gas pressure in the region of the cathode electrode 18 made of a hot filament, or operates gas for generating ions in the ion generation region described later. When an active gas such as oxygen is used as the gas, the gas pressure of Ar (argon) gas introduced into the region of the cathode electrode 18 is increased to prevent the active gas such as oxygen from flowing into the region, and the heat of the cathode electrode 18 is reduced. Acts as a barrier to protect the filament.

【0021】なお、カソード電極18とアノード電極1
4との間のガス圧は、0.1Torr程度に設定され
る。
The cathode electrode 18 and the anode electrode 1
4 is set to about 0.1 Torr.

【0022】さらに、電子ビーム加速用電極16と対向
する他方の側壁12bとの間のイオン生成室12c内に
は、被処理材22を電気的に絶縁した状態で支持する支
持装置24が配設されている。支持装置24は、図2に
示すように、軸心O−O周りに回動自在とされていて、
被処理材22を密封容器12に対して回動自在に支持し
ている。
Further, in the ion generation chamber 12c between the electron beam accelerating electrode 16 and the other side wall 12b facing the electron beam accelerating electrode 16, a support device 24 for supporting the material to be processed 22 in an electrically insulated state is provided. Have been. The support device 24 is rotatable around an axis O-O as shown in FIG.
The processing target material 22 is supported rotatably with respect to the sealed container 12.

【0023】さらに、熱電子を放出させるために、カソ
ード電極18としてのフィラメントを約1500°C乃
至1600°Cに加熱するための電圧Vhを印加する直
流あるいは交流のヒータ電源26と、カソード電極18
とアノード電極14との間に放電電圧Vdを印加するた
めの放電電源28と、電子ビーム加速用電源に電子ビー
ムの加速電圧Vaを印加するための電子ビーム加速用電
源30とを備えている。
Further, in order to emit thermoelectrons, a DC or AC heater power supply 26 for applying a voltage Vh for heating a filament as the cathode electrode 18 to about 1500 ° C. to 1600 ° C .;
A discharge power supply 28 for applying a discharge voltage Vd between the power supply and the anode electrode 14 and an electron beam acceleration power supply 30 for applying an electron beam acceleration voltage Va to the electron beam acceleration power supply are provided.

【0024】以上の構成において、密閉容器12の側壁
12aと電極20との間に配設されたバルブ(図示せ
ず)を介して、密閉容器12内に放電用ガスとしてAr
ガスが導入される。カソード電極18とアノード電極1
4との間には、放電電源28から約60V乃至100V
の低エネルギーの放電電圧Vdが印加されて放電が起こ
され、カソード電極18とアノード電極14との間で放
電プラズマが生成される。
In the above configuration, Ar gas is discharged as a discharge gas into the sealed container 12 through a valve (not shown) provided between the side wall 12a of the sealed container 12 and the electrode 20.
Gas is introduced. Cathode electrode 18 and anode electrode 1
4 between about 60V to 100V from the discharge power supply 28
Is applied to generate a discharge, and a discharge plasma is generated between the cathode electrode 18 and the anode electrode 14.

【0025】即ち、カソード電極18とアノード電極1
4との間が、放電電源28により電子ビーム源となる電
子を含むプラズマを生成する領域たるプラズマ領域とな
る。
That is, the cathode electrode 18 and the anode electrode 1
The area between the area 4 and the area 4 is a plasma area, which is an area where the discharge power supply 28 generates plasma containing electrons serving as an electron beam source.

【0026】この際に、カソード電極18は加熱電源2
6からの加熱電圧Vhにより約1500°C乃至160
0°Cに加熱されて熱電子を放出しており、カソード電
極18とアノード電極14との間の放電開始を容易にし
いる。このために、放電電源28からの約60V乃至1
00Vの低エネルギーの放電電圧Vdにより放電を開始
することができる。
At this time, the cathode electrode 18 is connected to the heating power source 2
1500 to 160 ° C depending on the heating voltage Vh from 6
It is heated to 0 ° C. to emit thermoelectrons, thereby facilitating the start of discharge between the cathode electrode 18 and the anode electrode 14. For this purpose, about 60 V to 1
Discharge can be started with a low energy discharge voltage Vd of 00V.

【0027】また、アノード電極14に対して約1mm
の間隔で設けられた電子ビーム加速用電極16には、電
子ビーム加速用電源30により加速電圧Vaが印加され
ていて、カソード電極18とアノード電極14との間で
生成された放電プラズマから電子を引き出して加速し、
電子ビームをイオン生成室12c内に入射する。従っ
て、アノード電極14と電子ビーム加速用電極16との
間が、電子ビーム加速用電源30により電子を加速する
領域たる電子ビーム加速領域となる。
The anode electrode 14 is about 1 mm
An acceleration voltage Va is applied to the electron beam accelerating electrodes 16 provided at intervals of from the electron beam accelerating power supply 30, and electrons are generated from discharge plasma generated between the cathode electrode 18 and the anode electrode 14. Pull out and accelerate,
An electron beam enters the ion generation chamber 12c. Therefore, a region between the anode electrode 14 and the electron beam acceleration electrode 16 is an electron beam acceleration region in which electrons are accelerated by the electron beam acceleration power supply 30.

【0028】なお、アノード電極14と電子ビーム加速
用電極16との間は、例えば、0.03Torr程度の
ガス圧とされている。
The gas pressure between the anode electrode 14 and the electron beam accelerating electrode 16 is, for example, about 0.03 Torr.

【0029】イオン生成室12cには、イオン生成のた
めの作動ガスとして、例えば、酸素(O2)あるいはA
rガスが供給されている。そして、イオン生成室12c
内に導入された電子ビームは、イオン生成のための作動
ガスのガス分子に衝突し、濃いプラズマを発生する。こ
うして、電離断面積の大きなエネルギーを有する電子ビ
ームを用いて、ガス圧の少ない領域でプラズマが発生さ
れる。つまり、イオン生成室12c内のガス分子に高速
の電子を衝突させ、ガス分子をプラズマ化してイオンを
生成するものである。
In the ion generation chamber 12c, for example, oxygen (O 2 ) or A
r gas is supplied. And the ion generation chamber 12c
The electron beam introduced therein collides with gas molecules of a working gas for generating ions, and generates a dense plasma. In this manner, plasma is generated in a region with a low gas pressure by using an electron beam having a large ionization cross-sectional area and energy. That is, high-speed electrons collide with gas molecules in the ion generation chamber 12c, and the gas molecules are turned into plasma to generate ions.

【0030】従って、電子ビーム加速用電極16から側
壁12cまでの領域が、電子ビームによりプラズマを生
成する領域たるイオン生成領域となる。
Accordingly, the region from the electron beam accelerating electrode 16 to the side wall 12c is an ion generation region which is a region for generating plasma by the electron beam.

【0031】なお、イオン生成領域のガス圧は、真空ポ
ンプによって10-4Torr乃至0.1Torr程度に
設定される。
The gas pressure in the ion generation region is set to about 10 -4 Torr to 0.1 Torr by a vacuum pump.

【0032】上記のようにしてイオン生成室12c内で
発生されたプラズマ中のイオンが、支持装置24に支持
された被処理材22に衝突し、被処理材に対してエッチ
ングなどの処理を行うことになる。
The ions in the plasma generated in the ion generation chamber 12c as described above collide with the workpiece 22 supported by the support device 24, and perform processing such as etching on the workpiece. Will be.

【0033】この際に、支持装置24を回動操作するこ
とにより、電子ビームと被処理材22の表面との間の角
度(θ)を垂直から平行まで変化させることにより、被
処理材22に入射されるイオン・エネルギーを変化させ
るように制御できる。
At this time, by rotating the support device 24, the angle (θ) between the electron beam and the surface of the workpiece 22 is changed from vertical to parallel, so that the workpiece 22 is It can be controlled to change the incident ion energy.

【0034】また、加速電源30を制御して、電子ビー
ムの加速電圧Vaを変化させることによっても、被処理
材22に入射されるイオン・エネルギーを変化させるよ
うに制御できる。
Also, by controlling the acceleration power supply 30 to change the acceleration voltage Va of the electron beam, it is possible to control so as to change the ion energy incident on the workpiece 22.

【0035】即ち、プラズマ中に位置された被処理材2
2は、支持装置24によって電気的に絶縁された状態で
支持されている。このため被処理材22は、電子とイオ
ンとの拡散係数の差に起因して、通常は負にバイアスさ
れ、被処理材22の表面にイオンシースが形成される。
このときの被処理材22表面の電位は浮動電位Vfと称
され、イオン生成室12c内のプラズマの空間電位Vs
と浮動電位Vfとの電位差がイオンシースにかかる電圧
となる(図3)。
That is, the material to be processed 2 positioned in the plasma
2 is supported by the support device 24 in an electrically insulated state. For this reason, the target material 22 is normally negatively biased due to the difference in diffusion coefficient between electrons and ions, and an ion sheath is formed on the surface of the target material 22.
The potential on the surface of the material to be processed 22 at this time is called a floating potential Vf, and the spatial potential Vs of the plasma in the ion generation chamber 12c.
The potential difference between the voltage and the floating potential Vf is the voltage applied to the ion sheath (FIG. 3).

【0036】イオン生成室12c内のプラズマ中のイオ
ンは、このイオンシースにかかる電圧で加速されるた
め、被処理材22の表面に入射するイオン・エネルギー
をEiとすると、 Ei=q(Vs−Vf) q:電荷 となる。
Since the ions in the plasma in the ion generation chamber 12c are accelerated by the voltage applied to the ion sheath, the ion energy incident on the surface of the workpiece 22 is Ei, and Ei = q (Vs- Vf) q: electric charge.

【0037】従って、被処理材22の表面に入射するイ
オン・エネルギーEiは、空間電位Vsが一定であれ
ば、浮動電位Vfを制御することにより制御できる。
Therefore, the ion energy Ei incident on the surface of the workpiece 22 can be controlled by controlling the floating potential Vf if the space potential Vs is constant.

【0038】ところで浮動電位Vfは、プラズマ中の絶
縁物表面での電位であり、その表面では電流は流れない
ので、表面に到達した電子とイオンとは、表面再結合で
電荷を失うことになり、単位時間に到達する電子とイオ
ンとの数は等しくなければならない。即ち、電子電流と
イオン電流とが等しい電位が、浮動電位Vfとなる。
By the way, the floating potential Vf is a potential on the surface of an insulator in plasma, and no current flows on that surface, so that electrons and ions arriving at the surface lose charge due to surface recombination. , The number of electrons and ions reaching a unit time must be equal. That is, the potential at which the electron current and the ion current are equal becomes the floating potential Vf.

【0039】ここにおいて、電子飽和電流Iesとイオ
ン飽和電流Iisとの比は、 Ies/Iis=0.66(mi/me)1/2 mi:イオンの質量、me:電子の質量 であり、例えば、Arガスでは両者の比は約180と大
きな値である。
Here, the ratio between the electron saturation current Ies and the ion saturation current Iis is as follows: Ies / Iis = 0.66 (mi / me) 1/2 mi: mass of ions, me: mass of electrons. , Ar gas has a large ratio of about 180.

【0040】従って、イオン飽和電流Iisは電子飽和
電流Iesに比べて非常に小さいため、被処理材22の
表面に到達するイオンシースの電位差より大きなエネル
ギーを持つ電子の数を少し制御するだけで、浮動電位V
fを変化でき、イオンシースの電位差を制御できること
になる。
Accordingly, since the ion saturation current Iis is much smaller than the electron saturation current Ies, the number of electrons having energy larger than the potential difference of the ion sheath reaching the surface of the material to be processed 22 is controlled only slightly. Floating potential V
f can be changed, and the potential difference of the ion sheath can be controlled.

【0041】即ち、図3に示すように、ビーム電子が被
処理材22に対して角度θをもつときは、ビーム電子は
同じ角度でイオンシースに入射する。このとき、イオン
シースに入射したビーム電子はイオンシースの中の逆電
場により反発され、被処理材22の表面に対して垂直な
成分のエネルギーが逆電場より大きい電子だけが、被処
理材22の表面に到達するようになる。その結果、図4
に示すようにイオンシースの電位差(Vs−Vf)を制
御できるようになる。
That is, as shown in FIG. 3, when the beam electrons have an angle θ with respect to the workpiece 22, the beam electrons enter the ion sheath at the same angle. At this time, the beam electrons incident on the ion sheath are repelled by the reverse electric field in the ion sheath, and only the electrons whose energy of the component perpendicular to the surface of the material to be processed 22 is larger than the reverse electric field are reduced. To reach the surface. As a result, FIG.
As shown in (2), the potential difference (Vs-Vf) of the ion sheath can be controlled.

【0042】即ち、図4は、被処理材22へのビーム電
子の入射の角度θに対する、被処理材22の浮動電位V
fの依存性を示している(空間電位Vsは一定であ
る。)。この図4より、浮動電位Vfは、角度θを変化
させることにより制御できることがわかる。
That is, FIG. 4 shows the floating potential V of the workpiece 22 with respect to the incident angle θ of the beam electrons to the workpiece 22.
This shows the dependence of f (the space potential Vs is constant). 4 that the floating potential Vf can be controlled by changing the angle θ.

【0043】従って、プラズマの空間電位Vsはアース
電位付近であるので、被処理材22に入射するイオン
は、空間電位Vsと浮動電位Vfとの電位差により加速
されるため、被処理材22に入射されるイオン・エネル
ギーを制御できる。
Therefore, since the space potential Vs of the plasma is near the ground potential, the ions entering the material to be processed 22 are accelerated by the potential difference between the space potential Vs and the floating potential Vf. Ion energy to be controlled.

【0044】また、加速電圧Vaを変化させてビーム電
子の加速度を制御することによっても、被処理材22の
表面に到達する電子の数を制御できる。このため、加速
電圧Vaを変化させると浮動電位Vfも変化し、図4に
示すようにイオンシースの電位差(Vs−Vf)を制御
できるようになる。
The number of electrons reaching the surface of the workpiece 22 can also be controlled by controlling the acceleration of the beam electrons by changing the acceleration voltage Va. Therefore, when the acceleration voltage Va is changed, the floating potential Vf also changes, and as shown in FIG. 4, the potential difference (Vs-Vf) of the ion sheath can be controlled.

【0045】なお、電子ビームが被処理材22に到達し
ないとイオン・エネルギーを制御できないため、イオン
生成領域12c内の作動ガスのガス圧ならびに電子ビー
ム加速用電極16から被処理材22までの距離に制限が
ある。
Since the ion energy cannot be controlled unless the electron beam reaches the workpiece 22, the gas pressure of the working gas in the ion generation region 12c and the distance from the electron beam accelerating electrode 16 to the workpiece 22 are controlled. There are restrictions.

【0046】即ち、図5に示すように、イオン生成領域
12c内の作動ガスのガス圧(pressure)が高
いと、電子ビームが作動ガスのガス分子と衝突する確率
が極めて高くなり、被処理材22まで到達する電子の存
在確率が極めて低くなる。また、電子ビーム加速用電極
16から被処理材22までの距離が長い場合にも、電子
ビームが作動ガスのガス分子と衝突する確率が極めて高
くなるので、電子が被処理材22まで到達できなくなる
確率が極めて高くなる。従って、ガス圧を所定のレベル
以下に維持するとともに、電子ビーム加速用電極16か
ら被処理材22までの距離を、電子と原子との衝突の平
均自由行程の長さの数倍より短く設定することが必要に
なる。
That is, as shown in FIG. 5, when the gas pressure (pressure) of the working gas in the ion generation region 12c is high, the probability that the electron beam collides with the gas molecules of the working gas becomes extremely high. The existence probability of the electrons reaching 22 becomes extremely low. Further, even when the distance from the electron beam accelerating electrode 16 to the workpiece 22 is long, the probability that the electron beam collides with the gas molecules of the working gas becomes extremely high, so that the electrons cannot reach the workpiece 22. The probability becomes extremely high. Therefore, the gas pressure is maintained at a predetermined level or less, and the distance from the electron beam accelerating electrode 16 to the workpiece 22 is set to be shorter than several times the length of the mean free path of collision between electrons and atoms. It becomes necessary.

【0047】図5に示す実験例においては、ガス圧がお
よそ0.01Torr以上となると、空間電位Vsと浮
動電位Vfとの電位差が小さくなり、イオン・エネルギ
ーの制御が困難になっている。
In the experimental example shown in FIG. 5, when the gas pressure becomes about 0.01 Torr or more, the potential difference between the space potential Vs and the floating potential Vf becomes small, and it becomes difficult to control the ion energy.

【0048】なお、上記実施例において、イオン生成領
域における作動ガスに不活性ガスを用いるときは、熱フ
ィラメントよりなるカソード電極18を保護する必要が
ないので、電極20を設けなくともよい。
In the above embodiment, when an inert gas is used as the working gas in the ion generation region, it is not necessary to protect the cathode electrode 18 made of a hot filament, so that the electrode 20 need not be provided.

【0049】また、上記実施例においては、プラズマ領
域で生成される放電プラズマとして、直流の放電電源2
8により生成される直流放電プラズマを用いたが、プラ
ズマ領域から電子を引き出して電子ビーム加速領域にお
いて電子を加速できればよいものであるため、高周波
(RF)放電プラズマ、マイクロ波放電プラズマあるい
はECR(Electron Cyclotron L
esonance)プラズマ(電子サイクロトロン共鳴
プラズマ)などを用いてもよい。
In the above embodiment, a DC discharge power source 2 is used as the discharge plasma generated in the plasma region.
8 is used, it is only necessary to extract electrons from the plasma region and accelerate the electrons in the electron beam acceleration region. Therefore, high-frequency (RF) discharge plasma, microwave discharge plasma, or ECR (Electron) is used. Cyclotron L
(esonance) plasma (electron cyclotron resonance plasma) or the like may be used.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。
Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.

【0051】電子ビームの被処理材への入射角を変化し
たり、あるいは電子ビームが被処理材へ入射する際の加
速度を変化することにより、被処理材表面に入射される
イオン・エネルギーを制御するようにしたため、被処理
材へ外部からバイアス電圧を印加する必要がないので、
被処理材表面のプラズマを乱れなどの外部からバイアス
電圧に起因する問題点を解決することができ、しかも製
造コストを抑制することができる。
The ion energy incident on the surface of the material to be processed is controlled by changing the angle of incidence of the electron beam on the material to be processed or the acceleration when the electron beam is incident on the material to be processed. Since there is no need to apply a bias voltage to the material to be treated from the outside,
It is possible to solve a problem caused by an external bias voltage such as disturbance of the plasma on the surface of the material to be processed, and to suppress the manufacturing cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例によるイオン・エネルギー制
御装置を備えた電子ビーム励起イオン照射装置の構成説
明図である。
FIG. 1 is a configuration explanatory view of an electron beam excited ion irradiation device provided with an ion energy control device according to one embodiment of the present invention.

【図2】支持装置の拡大説明図である。FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a support device.

【図3】被処理材への電子ビームの入射状態を示す説明
図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an electron beam incident state on a material to be processed.

【図4】被処理材への電子ビームの入射角度θならびに
電子ビームの加速電圧Vaとイオンシースの電位差との
関係を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a relationship between an incident angle θ of an electron beam to a material to be processed, an acceleration voltage Va of the electron beam, and a potential difference of an ion sheath.

【図5】イオン生成領域の作動ガスのガス圧力と空間電
位Vsならびに浮動電位Vfとの関係を示すグラフであ
る。
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a gas pressure of a working gas in an ion generation region, a space potential Vs, and a floating potential Vf.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 電子ビーム励起イオン照射装置 12 密閉容器 14 アノード電極 14a 透孔 16 電子ビーム加速用電極 16a 透孔 18 カソード電極 20 電極 20a 貫通孔 22 被処理材 24 支持装置 26 加熱電源 28 放電電源 30 加速電源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electron beam excitation ion irradiation apparatus 12 Hermetic container 14 Anode electrode 14a Through hole 16 Electron beam accelerating electrode 16a Through hole 18 Cathode electrode 20 Electrode 20a Through hole 22 Material to be treated 24 Support device 26 Heating power supply 28 Discharge power supply 30 Acceleration power supply

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05H 1/24 H05H 1/46 H01L 21/3065 C23F 16/50 C23C 4/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H05H 1/24 H05H 1/46 H01L 21/3065 C23F 16/50 C23C 4/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 被処理材を位置させるとともに所定の反
応ガス雰囲気とされたイオン生成領域内へ電子ビームを
照射してプラズマを発生させ、前記プラズマ中のイオン
を前記被処理材表面のイオンシースにかかる電圧により
加速して、前記被処理材に衝突させる際のイオン・エネ
ルギーの制御方法において、 前記電子ビームが前記被処理材に入射する際の入射角を
変化することにより、前記被処理材表面に衝突する電子
の数を制御して前記被処理材表面の浮動電位を変化し、
前記浮動電位の変化に基づいて前記イオンシースにかか
る電圧を変化させて、前記イオン・エネルギーを制御す
るようにしたことを特徴とするイオン・エネルギーの制
御方法。
An ion beam is irradiated to an ion generation region in a predetermined reaction gas atmosphere by locating a material to be processed to generate plasma, and ions in the plasma are ion-sheathed on the surface of the material to be processed. In the method for controlling ion energy when the electron beam is made to collide with the material to be processed by accelerating by the voltage applied to the material to be processed, by changing an incident angle when the electron beam is incident on the material to be processed, Changing the floating potential of the surface of the material to be processed by controlling the number of electrons colliding with the surface,
A method for controlling ion energy, wherein the voltage applied to the ion sheath is changed based on the change in the floating potential to control the ion energy.
【請求項2】 被処理材を位置させるとともに所定の反
応ガス雰囲気とされたイオン生成領域内へ電子ビームを
照射してプラズマを発生させ、前記プラズマ中のイオン
を前記被処理材表面のイオンシースにかかる電圧により
加速して、前記被処理材に衝突させる際のイオン・エネ
ルギーの制御方法において、 前記電子ビームを前記イオン生成領域内へ照射する際の
加速度を変化することにより、前記被処理材表面に衝突
する電子の数を制御して前記被処理材表面の浮動電位を
変化し、前記浮動電位の変化に基づいて前記イオンシー
スにかかる電圧を変化させて、前記イオン・エネルギー
を制御するようにしたことを特徴とするイオン・エネル
ギーの制御方法。
2. A method for locating a material to be processed and irradiating an electron beam into an ion generation region in a predetermined reaction gas atmosphere to generate plasma, and dissociating ions in the plasma with an ion sheath on the surface of the material to be processed. In the method for controlling ion energy at the time of colliding with the workpiece by accelerating by the voltage applied to the workpiece, by changing the acceleration at the time of irradiating the electron beam into the ion generation region, The number of electrons hitting the surface is controlled to change the floating potential on the surface of the workpiece, and the voltage applied to the ion sheath is changed based on the change in the floating potential to control the ion energy. A method for controlling ion energy, characterized in that:
【請求項3】 所定の反応ガス雰囲気とされたイオン生
成室と、前記イオン生成室内に電子ビームを照射してプ
ラズマを発生させる電子ビーム照射手段とを有し、前記
プラズマ中のイオンを前記イオン生成室内に位置させた
被処理材表面のイオンシースにかかる電圧により加速し
て、前記被処理材に衝突させる電子ビーム励起イオン照
射装置におけるイオン・エネルギーの制御装置におい
て、 前記被処理材を回転自在に支持する支持装置を備え、前
記電子ビームが前記被処理材に入射する際の入射角を可
変としたことを特徴とするイオン・エネルギーの制御装
置。
3. An ion generating chamber having a predetermined reaction gas atmosphere, and an electron beam irradiating means for irradiating the ion generating chamber with an electron beam to generate plasma, wherein ions in the plasma are In the ion energy control device in the electron beam excited ion irradiation device, which is accelerated by a voltage applied to the ion sheath on the surface of the workpiece positioned in the generation chamber and collides with the workpiece, the workpiece is rotatable. A control device for controlling the ion energy, wherein the incident angle of the electron beam incident on the workpiece is variable.
【請求項4】 所定の反応ガス雰囲気とされたイオン生
成室と、前記イオン生成室内に電子ビームを照射してプ
ラズマを発生させる電子ビーム照射手段とを有し、前記
プラズマ中のイオンを前記イオン生成室内に位置させた
被処理材表面のイオンシースにかかる電圧により加速し
て、前記被処理材に衝突させる電子ビーム励起イオン照
射装置におけるイオン・エネルギーの制御装置におい
て、 前記電子ビームの加速度を制御するための電圧を可変制
御できる電子ビーム加速用電源を備え、前記電子ビーム
を前記イオン生成室内へ照射する際の加速度を可変とし
たことを特徴とするイオン・エネルギーの制御装置。
4. An ion generating chamber having a predetermined reaction gas atmosphere, and an electron beam irradiating means for irradiating the ion generating chamber with an electron beam to generate plasma, wherein ions in the plasma are In the ion energy control device in the electron beam excited ion irradiation device, which is accelerated by a voltage applied to the ion sheath on the surface of the material to be processed positioned in the generation chamber and collides with the material to be processed, the acceleration of the electron beam is controlled. An electron beam acceleration power supply capable of variably controlling a voltage for activating the ion beam, wherein an acceleration when irradiating the electron beam into the ion generation chamber is variable.
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