JP3368790B2 - イオン源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波放電により
生成したプラズマから多孔式電極を介して面ビーム状の
イオンビームが引出されるイオン源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコン膜等の成膜や、イオン注
入，イオンスパッタ等の大面積で均一な面ビーム状のイ
オンビームが要求される分野においては、いわゆる多孔
式電極を備えたイオン源装置が用いられる。

【０００３】この多孔式電極を備えたイオン源装置は、
フィラメントを用いた直流放電でプラズマを生成する
と、活性ガス使用時において、フィラメント寿命が短か
くなったり不純物混入等の悪影響が生じるため、図６に
示すように非磁性体の筐体１と蓋体２との間に高周波電
源３を印加し、例えば容量結合型の高周波放電により筐
体１が形成するプラズマ室４内にシラン，酸素，フッ
素，塩素等の原料ガス（活性ガス）のプラズマ５を生成
する。

【０００４】このとき、筐体１及び蓋体２の外側に配設
された複数の永久磁石６によりプラズマ室４内にカスプ
磁場が形成され、この磁場により筐体壁に接触する面積
が減少しプラズマ５が閉込められてその密度が高められ
る。

【０００５】そして、プラズマ５から多孔式電極７を介
してプラズマ室４に連通した図の下方の成膜室等の処理
室（図示せず）に、面ビーム状のイオンビームが引出さ
れ、このイオンビームが処理室の基板等に照射される。

【０００６】なお、筐体１は第１の直流電源８により正
電位に直流バイアスされて基板等より高電位に保たれ
る。

【０００７】また、多孔式電極７は筐体１に電気的に接
続された第１の電極７ａ，第２の直流電源９により負電
位に直流バイアスされた第２の電極７ｂ及び接地電位の
第３の電極７ｃからなる。さらに、図中の１０は絶縁体
である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記図６の従来装置の
場合、高周波放電により生成されるプラズマ５の密度
（プラズマ密度）が直流放電やマイクロ波放電により生
成される場合より低く、プラズマ５のイオン密度を十分
に高めることができず、イオンビームを一層高密度にす
ることができない問題点がある。

【０００９】なお、マイクロ波放電のプラズマ生成の場
合、直流放電のプラズマ生成の場合のような活性ガスへ
の悪影響は生じないが、磁場を用いなければ大面積のプ
ラズマの生成が困難で大面積のイオンビームを引出すこ
とができず、磁場を用いたとしても、大面積かつ、均一
なプラズマを生成するには極めて大形の磁場発生用の永
久磁石やコイル等を要し、装置が著しく大形化して実用
的でない。本発明は、高周波放電により生成したプラズ
マのイオン密度を十分に高くして面ビーム状のイオンビ
ームの一層の高密度，大面積化が図られるようにするこ
とを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明のイオン源装置においては、高周波放電に
より主プラズマを生成する主プラズマ室を形成し，主プ
ラズマから多孔式電極を介して面ビーム状のイオンビー
ムが引出される主筐体と、主プラズマ室に連通した副プ
ラズマ室を形成し，マイクロ波放電により副プラズマ室
内に主プラズマより高密度の副プラズマを生成し，副プ
ラズマから主プラズマにイオンを補給する副筐体とを備
える。

【００１１】したがって、主筐体が形成する主プラズマ
室内では、従来装置と同様の高周波放電により主プラズ
マが生成される。

【００１２】また、副筐体が形成する副プラズマ室内で
は、マイクロ波放電により主プラズマより高密度の副プ
ラズマが生成される。

【００１３】そして、高密度の副プラズマの電位（プラ
ズマ電位）が主プラズマより高くなって副プラズマから
主プラズマに正電荷のイオンが補給され、主プラズマの
イオン密度が従来より著しく高められる。

【００１４】さらに、この高イオン密度の主プラズマか
ら多孔式電極を介して面ビーム状のイオンビームが引出
される。

【００１５】このとき、主プラズマのイオン密度が十分
に高いため、従来より高密度，大面積のイオンビームを
引出すことができる。

【００１６】そして、副プラズマを主プラズマのイオン
補給に用いるため、副プラズマは直接イオンビームを引
出す程に大面積にする必要がなく、副プラズマの生成に
大形の磁場発生用の永久磁石やコイル等を要しない。

【００１７】そのため、著しく高密度，大面積の面ビー
ム状のイオンビームを引出し得る実用的なイオン源装置
を提供することができる。

【００１８】そして、イオンビームを均一にしかも一層
効率よく生成するため、主筐体の外側に主プラズマ室に
カスプ磁場を形成する複数の磁石を配設し、主筐体の同
磁極に配設された２磁石間の位置に副筐体を取付け、両
磁石の磁力線がマイクロ波放電の磁力線に沿って副プラ
ズマ室を通るようにすることが望ましい。

【００１９】この場合、カスプ磁場により主プラズマが
高密度かつ均一に生成されるとともに、カスプ磁場を形
成する磁界によるイオンの不用意なトラップ等が防止さ
れ、主プラズマが一層高密度かつ均一に形成され、イオ
ンビームの一層の高密度，大面積化及び均一化が図られ
る。

【００２０】さらに、副プラズマ室から主プラズマ室へ
のマイクロ波の伝搬を防止し主プラズマに影響を与えず
にイオンを補給するため、主プラズマ室と副プラズマ室
との連通部に、主筐体に電気的に接続された第１のイオ
ン注入電極と、副筐体に電気的に接続された第２のイオ
ン注入電極とを、絶縁体を介して対向するように配置す
ることが好ましい。

【００２１】この場合、主プラズマ，第１のイオン注入
電極，副プラズマ，第２のイオン注入電極の順に電位が
低くなり、副プラズマのイオンは両イオン注入電極を介
して主プラズマに注入される。

【００２２】つぎに、少ない部品数で副プラズマから主
プラズマへのイオン補給効率の向上を図るときは、主プ
ラズマ室と副プラズマ室との連通部に、副筐体に電気的
に接続されて主筐体から電気的に絶縁されたイオン注入
電極を設ければよい。

【００２３】この場合、イオン注入電極を介した主プラ
ズマと副プラズマとのシース間の電位差で主プラズマか
ら副プラズマにイオンが注入されて補給される。

【００２４】つぎに、イオン補給量を一層増大するた
め、副筐体を主筐体より高電位に直流バイアスすること
が望ましい。

【００２５】この場合、主，副プラズマの電位差が大き
くなり、副プラズマから主プラズマへのイオンの補給量
が増大する。

【００２６】

【実施例】本発明の実施の形態について、図１ないし図
５を参照して説明する。

【００２７】（第１の形態）本発明の実施の第１の形態
について、図１ないし図３を参照して説明する。図１に
おいて、図６と同一符号は同一のものを示し、１１は図
６の筐体１に相当する非磁性体の主筐体であり、上部に
絶縁体１２を介して非磁性体の蓋体１３が取付けられ、
下部の開放端に多孔式電極７が設けられ、図６のプラズ
マ室４と同様の主プラズマ室１４を形成する。

【００２８】１５は主筐体１１及び蓋体１３の外側に配
設されたカスプ磁場発生用の複数の永久磁石である。

【００２９】そして、主筐体１１の外側の各永久磁石１
５は、例えば主筐体１１の長手方向（上下方向）に伸び
た直方体形状であり、図２に示すように主筐体１１の外
周の後述の連通口を除く部分に、主筐体１１に面した磁
極をＮ，Ｓに交互に変えてほぼ等間隔に配設されてい
る。

【００３０】なお、連通口の両隣りの永久磁石１５は、
主筐体１１に面した磁極が同極（図２ではＮ極）になっ
ている。

【００３１】また、蓋体１３の外側の各永久磁石１５
は、蓋体１３の表面に例えば図３の（ａ）に示す放射状
又は同図の（ｂ）に示す平行配列状にほぼ等間隔に設け
られ、蓋体１３に面した磁極がＮ，Ｓに交互に異なる。

【００３２】１６は主筐体１１の周部の同磁極の２個の
永久磁石１５間の本来は永久磁石が設けられてカスプ磁
場の磁極になる位置に形成された連通口であり、図２に
おいては主筐体１１にＮ極が面した２個の永久磁石１５
間に形成されている。

【００３３】１７は開口端が連通口１６に重合するよう
に絶縁体１８を介して主筐体１１に取付けられた非磁性
体の副筐体であり、主プラズマ室１４に連通した副プラ
ズマ室１９を形成する。

【００３４】２０は副筐体１７の外周に設けられたマイ
クロ波放電用の例えば環状の永久磁石、２１は副プラズ
マ室１９に設けられたマイクロ波導入用のアンテナであ
り、給電リード２２が絶縁体２３を介して副筐体１７の
外部に引出され、給電リード２２にアンテナ２１をフロ
ート電位にする直流カット用のコンデンサ２４を介して
マイクロ波電源２５が接続されている。

【００３５】２６，２７は主プラズマ室１４と副プラズ
マ室１９との連通部に絶縁体１８を介して対向するよう
に配設された多孔式電極状の第１，第２のイオン注入電
極であり、第１のイオン注入電極２６は主筐体１１に取
付けられて電気的に接続され、第２のイオン注入電極２
７は副筐体１７に取付けられて電気的に接続されてい
る。

【００３６】そして、主，副プラズマ室１４，１９に原
料ガスが導入され、主プラズマ室１４においては、主筐
体１１と蓋体１３との間の高周波電源３の印加により、
容量結合型の高周波放電で原料ガスの主プラズマ２８が
生成される。

【００３７】このとき、各永久磁石１５により主プラズ
マ室１４に図２の実線の磁力線に示すカスプ磁場が形成
され、この磁場の閉込め作用により、主プラズマ２８が
高密度に形成される。

【００３８】一方、副プラズマ室１９においては、マイ
クロ波電源２５の高周波電力がコンデンサ２４，アンテ
ナ２１を介して供給される。

【００３９】そして、永久磁石２０が形成する図２の破
線の磁力線により、副プラズマ室１９に電子サイクロト
ロン共鳴（ＥＣＲ）条件以上の磁場が形成され、ＥＣＲ
マイクロ波放電により副プラズマ室１９に原料ガスの副
プラズマ２９が生成される。

【００４０】このとき、マイクロ波放電により生成され
た副プラズマ２９は、高周波放電により生成された主プ
ラズマ２８よりプラズマ密度が高く、高電位になる。

【００４１】そして、主，副プラズマ２８，２９の電位
差（プラズマ電位差）に基づき、イオン注入電極２６，
２７を設けなくても主，副プラズマ２８，２９のシース
間でイオン，電子が輸送されて主プラズマ２８に原料ガ
スの正電荷のイオンが補給されるが、この実施の形態に
あっては、主プラズマ２８に積極的にイオンを注入して
補給するとともに副プラズマ室１９から主プラズマ室１
４へのマイクロ波の伝搬を防止して主プラズマ２８の制
御性向上も図るため、主，副プラズマ室１４，１９の連
通部にいわゆるグリッド電極を形成する第１，第２のイ
オン注入電極２６，２７を設ける。

【００４２】このとき、主筐体１１に接続された第１の
イオン注入電極２６は主プラズマ２８より低電位にな
り、副筐体１７に接続された第２のイオン注入電極２７
は副プラズマ２９より低く主プラズマ２８よりは高い電
位になる。

【００４３】そのため、副プラズマ２９，第２のイオン
注入電極２７，主プラズマ２８，第１のイオン注入電極
２６の順に電位が低くなり、副プラズマ２９のイオンは
両イオン注入電極２６，２７のグリッド作用により主プ
ラズマ室１９に引出されて主プラズマ２８に効率よく補
給される。

【００４４】そして、主プラズマ２８のイオン密度が大
きくなると、主プラズマ２８から多孔式電極７を介して
引出されるイオンビームの電流密度が大きくなり、イオ
ンビーム電流が増大して従来より高密度，大面積かつ均
一な面ビーム状のイオンビームが得られる。

【００４５】このとき、高周波放電で生成された主プラ
ズマ２８に、マイクロ波放電で生成された副プラズマ２
９からイオンを補給する構成であるため、マイクロ波放
電のプラズマ生成のみによってイオンビームを引出す場
合のように永久磁石２０等が大型化せず、実用的な大き
さの装置で従来は得られなかった大面積で均一な面ビー
ム状のイオンビームが得られる。

【００４６】ところで、この実施の形態においては、副
筐体１７を主筐体１１の本来はカスプ磁場の磁力線が集
中する磁極（節）の位置に取付け、図２の実線に示すカ
スプ磁場の磁力線が永久磁石２０が形成するマイクロ波
放電の磁力線に沿って副プラズマ室１９を通るようにし
たため、副筐体１７を図中の１点鎖線に示すカスプ磁場
の磁力線のいわゆる腹の位置に取付けた場合のような磁
場のイオントラップ等による損失が少なく、主プラズマ
２８にイオンが効率よく補給され、しかも、永久磁石２
０の極性の設定等に基づき、副プラズマ室１９を通るカ
スプ磁場の磁力線とマイクロ波放電の磁力線の向きを揃
えることにより、相互に磁力が強め合って磁場の有効利
用等が図られる利点もある。

【００４７】なお、副筐体１７の取付位置のカスプ磁場
が弱くなるのを防止するため、例えば副筐体１７の両隣
りの永久磁石１５の間隔を他の永久磁石１５の間隔より
狭くする等の対策を施すことが好ましい。

【００４８】（第２の形態）つぎに、本発明の実施の第
２の形態について、図４を参照して説明する。

【００４９】図４において、図１と同一符号は同一のも
のを示し、図１と異なる点は、正，負極が副筐体１７，
主筐体１１に接続されたバイアス用の第３の直流電源３
０を付加した点である。

【００５０】この場合、副筐体１７が主筐体１１より高
電位に直流バイアスされ、主プラズマ２８に対して副プ
ラズマ２９が一層高電位になり、副プラズマ２９から主
プラズマ２８へのイオン注入量（補給量）が増大して主
プラズマ２８のイオン密度が図１の場合より一層大きく
なり、多孔式電極７から引出されるイオンビームが増大
してその一層の大面積化が図られる。

【００５１】（第３の形態）つぎに、本発明の実施の第
３の形態について、図５を参照して説明する。

【００５２】図５において、図４と同一符号は同一もし
くは相当するものを示し、図４と異なる点はつぎの
（ｉ），（ii）の点である。

【００５３】（ｉ）図４の２枚のイオン注入電極２６，
２７を省き、代わりに主，副プラズマ室１４，１９の連
通部に、副筐体１７に電気的に接続されて主筐体１１か
ら絶縁された１枚のイオン注入電極３１を設け、グリッ
ド電極を１枚にした点。

【００５４】（ii）第１の直流電源８の正極を副筐体１
７に接続し、第１の直流電源８の電圧を第３の直流電源
３０の正，負極を介して主筐体１１に印加するようにし
た点。

【００５５】したがって、図５の構成の場合、主プラズ
マ室１４と副プラズマ室１９との間に図４の第２のイオ
ン注入電極２７に相当するイオン注入電極３１のみが介
在し、主，副プラズマ２８，２９のシース間の電位差に
より、図中の実線矢印に示すように副プラズマ２９から
主プラズマ２８に効率よくイオンが加速されて注入さ
れ、同時に、図中の破線矢印に示すように主プラズマ２
８の電子が副プラズマ室１９に放出される。

【００５６】この場合、図４の第１のイオン注入電極２
６に相当する電極が設けられないため、主プラズマ室１
４から副プラズマ室１９に電子が流出するが、部品数が
少なくなって構成の簡素化，コストダウン等が図れる。

【００５７】なお、第１の直流電源８の電圧は第３の直
流電源３０の電圧より高く、第１の直流電源８により主
筐体１１は基板等より高電位に保たれる。

【００５８】そして、第１の直流電源８の正極を図４の
ように主筐体１１に直接接続してもよいのは勿論であ
る。

【００５９】ところで、前記各形態において、高周波放
電の周波数はほぼ１００KHz 帯〜MHz 帯の周波数であ
り、マイクロ波放電の周波数はＧHz帯の周波数であり、
それぞれの具体的な周波数の１例は、高周波放電の周波
数が１３．５６MHz ，マイクロ波放電の周波数が２．５
４GHz である。

【００６０】そして、前記各形態においては、主プラズ
マ２８を容量結合型の高周波放電により生成したが、例
えば主プラズマ室１４にうず巻状のコイルを設けてＴＣ
Ｐ等の誘導結合型の高周波放電により主プラズマ２８を
生成するようにしてもよい。

【００６１】また、主筐体１１に副筐体１７を複数個取
付けて主プラズマ室１４と複数の副プラズマ室１９とが
連通するようにしてもよく、この場合は主プラズマ２８
に複数の副プラズマ２９からイオンが補給されて主プラ
ズマ２８のイオン密度が一層高くなる。

【００６２】さらに、副筐体にマイクロ波導入用のアン
テナを複数本設けてもよく、副筐体へのマイクロ波の導
入にアンテナの代わりに導波管を用いてもよい。

【００６３】つぎに、各永久磁石１５，２０の配置，個
数等は各形態のものに限られるものではなく、各永久磁
石１５，２０は、主，副筐体１１，１７等の外側に、カ
スプ磁場等の所期の磁場を形成するように適当数配設す
ればよい。

【００６４】このとき、各永久磁石１５，２０の形状や
磁極面の配置等が各実施の形態の場合と異なっていても
よく、例えば主筐体１１の外側の各永久磁石１５が上，
下の端面を磁極面とする構成であってもよい。

【００６５】さらに、各永久磁石１５，２０の代わりに
磁場発生用のコイルを設け、カスプ磁場発生用の磁石等
をコイルにより形成してもよい。

【００６６】つぎに、主，副筐体１１，１７は断面円形
でなくてもよく、内壁がガラスで形成されていてもよ
く、また、誘導結合型で主プラズマが生成される場合は
主，副筐体１１，１７がガラス製であってもよい。

【００６７】そして、本発明は大面積で均一な面ビーム
状のイオンビームが要求される種々の分野のイオン源装
置に適用することができる。

【００６８】

【発明の効果】本発明は、以下に記載する効果を奏す
る。まず、主プラズマ室１４を形成する主筐体１１と、
主プラズマ室１４に連通した副プラズマ室１９を形成す
る副筐体１７とを備え、主プラズマ室１４内で従来装置
と同様の高周波放電により主プラズマ２８を生成し、副
プラズマ室１９内でマイクロ波放電により主プラズマ２
８より高密度の副プラズマ２９を生成したため、高密度
の副プラズマ２９の電位（副プラズマ電位）が主プラズ
マ２８のプラズマ電位より高くなり、副プラズマ２９か
ら主プラズマ２８に正電荷のイオンを補給して、主プラ
ズマ２８のイオン密度を従来より高めることができる。

【００６９】そして、高イオン密度の主プラズマ２８か
ら多孔式電極７を介して面ビーム状のイオンビームを引
出すことができ、このとき、主プラズマ２８のイオン密
度が十分に大きいため、従来より高密度，大面積のイオ
ンビームを引出すことができる。

【００７０】そして、副プラズマ２９を主プラズマ２８
のイオン補給に用いる構成であるため、副プラズマ２９
は直接イオンビームを引出す程に大面積にする必要がな
く、副プラズマ２９の生成に大形の磁場発生用の永久磁
石やコイル等を要しない。

【００７１】そのため、従来より高密度，大面積の面ビ
ーム状のイオンビームを引出し得る実用的なイオン源装
置を提供することができる。

【００７２】つぎに、主筐体１１の外側に主プラズマ室
１４にカスプ磁場を形成する複数の磁石（永久磁石１
５）を配設し、主筐体１１の同磁極に配設された２磁石
間の位置に副筐体１７を取付け、該両磁石の磁力線がマ
イクロ波放電の磁力線に沿って副プラズマ室１９を通る
ようにすると、カスプ磁場により主プラズマ２８が高密
度かつ均一に生成されるとともに、カスプ磁場を形成す
る磁界によるイオンの不用意なトラップ等が防止され、
主プラズマを一層高密度かつ均一に形成してイオンビー
ムの一層の大面積化，均一化を図ることができる。

【００７３】つぎに、主プラズマ室１４と副プラズマ室
１９との連通部に、主筐体１１に電気的に接続された第
１のイオン注入電極２６と、副筐体に電気的に接続され
た第２のイオン注入電極２７とを、絶縁体１８を介して
対向するように配置すると、両イオン注入電極２６，２
７のグリッド電極としての作用により副プラズマ２９の
イオンは両イオン注入電極２６，２７を介して主プラズ
マ２８に効率よく注入される。

【００７４】また、主プラズマ室にマイクロ波の伝搬が
生じず、主プラズマの制御性能が向上して効率よく均一
に主プラズマを生成することができ、イオンビームのよ
り一層の大面積化，均一化を図ることができる。

【００７５】つぎに、主プラズマ室１４と副プラズマ室
１９との連通部に、副筐体１７に電気的に接続されて主
筐体１１から電気的に絶縁されたイオン注入電極３１を
設けると、このイオン注入電極３１を介して，主プラズ
マ２８と副プラズマ２９とのシース間の電位差で主プラ
ズマ２８から副プラズマ２９にイオンが注入されて補給
され、１枚のイオン注入電極３１を設けた簡単な構成で
副プラズマ２９から主プラズマ２８へのイオン補給効率
の向上を図ることができる。

【００７６】つぎに、副筐体１７を主筐体１１より高電
位に直流バイアスすると、主，副プラズマ２８，２９の
電位差が大きくなり、副プラズマ２９から主プラズマ２
８へのイオンの補給量が一層増大し、イオンビームのさ
らに一層の大面積化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第１の形態の切断正面図であ
る。

【図２】図１の副筐体の取付位置の説明図である。

【図３】（ａ），（ｂ）は図１の蓋板の磁石配置の１
例，他の例の説明図である。

【図４】本発明の実施の第２の形態の切断正面図であ
る。

【図５】本発明の実施の第３の形態の切断正面図であ
る。

【図６】従来装置の切断正面図である。

【符号の説明】

１１ 主筐体 １４ 主プラズマ室 １５ 永久磁石 １６ 連通口 １７ 副筐体 １８ 絶縁体 １９ 副プラズマ室 ２６，２７，３１ イオン注入電極 ２８ 主プラズマ ２９ 副プラズマ

フロントページの続き (72)発明者 岸田 茂明 京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電 機株式会社内 (72)発明者 緒方 潔 京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電 機株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−114433（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−159937（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 27/18 H01J 27/14 H01J 37/08

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波放電により主プラズマを生成する
   主プラズマ室を形成し，前記主プラズマから多孔式電極
   を介して面ビーム状のイオンビームが引出される主筐体
   と、 前記主プラズマ室に連通された副プラズマ室を形成し，
   マイクロ波放電により前記副プラズマ室内に前記主プラ
   ズマより高密度の副プラズマを生成し，前記副プラズマ
   から前記主プラズマにイオンを補給する副筐体とを備え
   たことを特徴とするイオン源装置。
2. 【請求項２】 主筐体の外側に主プラズマ室にカスプ磁
   場を形成する複数の磁石を配設し、 前記主筐体の同磁極に配設された２磁石間の位置に副筐
   体を取付け、 前記両磁石の磁力線がマイクロ波放電の磁力線に沿って
   副プラズマ室を通るようにしたことを特徴とする請求項
   １記載のイオン源装置。
3. 【請求項３】 主プラズマ室と副プラズマ室との連通部
   に、主筐体に電気的に接続された第１のイオン注入電極
   と、副筐体に電気的に接続された第２のイオン注入電極
   とを、絶縁体を介して対向するように配設したことを特
   徴とする請求項１又は請求項２記載のイオン源装置。
4. 【請求項４】 主プラズマ室と副プラズマ室との連通部
   に、副筐体に電気的に接続されて主筐体から電気的に絶
   縁されたイオン注入電極を設けたことを特徴とする請求
   項１又は請求項２記載のイオン源装置。
5. 【請求項５】 副筐体を主筐体より高電位に直流バイア
   スしたことを特徴とする請求項１，請求項２，請求項３
   又は請求項４記載のイオン源装置。