JP3599564B2 - イオン流形成方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，プラズマ装置に関する。
【０００２】
さらに，本発明は，例えばプラズマ処理装置において，正イオンのみをプラズマから引き出し，電子や負イオンはプラズマ側に追い返し，被処理物に向かう正イオン流を形成する方法及び装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
従来より，プラズマ処理装置としては，プラズマエッチング装置，プラズマＣＶＤ装置，プラズマアッシング装置，プラズマクリーニング装置などが，広く知られている。これらのプラズマ処理装置（以下，プラズマ装置という）としては，平行平板型のプラズマ処理装置のようにプラズマ発生室とプラズマ処理室が一体化されている装置，及びＥＣＲプラズマ装置のようにプラズマ発生室とプラズマ処理室とが分離された装置とがある。
【０００４】
このプラズマ発生室とプラズマ処理室とが分離されたプラズマ装置においては，プラズマ発生室で形成されたプラズマを，或いはプラズマ中の荷電粒子（例．イオン）をプラズマ処理室に導く機構が必要である。図６にはＥＣＲプラズマエッチング装置が示されている。ＥＣＲプラズマエッチング装置において，処理室１００は、気密で開閉自在な処理容器１０２内に形成されている。この処理容器１０２内に載置台１０４が設置され、この載置台１０４上に静電チャック１０６などの吸着手段を介して被処理体Ｗ（例．半導体ウェハ，ＬＣＤガラス基板など）が載置されている。静電チャック１０６は、ポリイミド樹脂などの絶縁素材性の薄膜間に板状電極１０６ａを装着したもので、この板状電極１０６ａに直流電源１０６ｂより高圧電力を印加することによって、ウェハＷはクーロン力により載置台に吸着される。
【０００５】
載置台１０４には、ウェハＷを所定の温度に調節するために，冷却装置１０８や、ヒータ１１０などからなる温度調節手段が設けられている。載置台１０４内には伝熱ガス供給手段１１２が設けられており、静電チャック１０６上の複数の孔から伝熱ガス（例．へリウムガス）がウエハＷの裏面から供給され，載置台１０４からウェハＷに至る伝熱効率が高められる。載置台１０４には、マッチング回路１１４を介して高周波電源１１６が接続され，バイアス用高周波電力が載置台に印加される。
【０００６】
上記処理容器１０２の上部側壁には、処理室１００内へ所定の処理ガス（例．フッ化炭素ガス、酸素ガス及びアルゴンガスなどの混合ガス）Ａを導入するための導入管１１８が設けられている。上記処理容器１０２の下部には，真空引き手段（不図示）に通じる排気管１２０が接続されている。
【０００７】
上記処理室１００の上部には、ＥＣＲプラズマを発生するプラズマ発生室１２２が連結されている。このプラズマ発生室１２２には，導波管１３０を介して，マイクロ波発生室１３４が連結されている。上記プラズマ発生室１２２の上壁には、プラズマ発生用のガス（例．アルゴンガス）Ｂを導入するための導入管１２４が設けられている。処理室１００及びプラズマ発生室１２２内の気体は，該真空引き手段によって上記排気管１２０を介して排気されるとともに，上記導入管１１８及び１２４から所定の処理ガスが、上記各室に導入される。
上記プラズマ発生室１２２の側壁裏面部には、冷却手段１２６が設けられており、上記プラズマ発生室１２２内で発生した熱は放熱される。さらに、冷却手段１２６の外部には、磁気コイル１２８がプラズマ発生室１２２を取り囲むように設けられている。
【０００８】
上記プラズマ発生室１２２には、マイクロ波を伝搬するための導波管１３０を介してマイクロ波発生室１３４が接続されている。マイクロ波発生室１３４のマグネトロン（不図示）により発振されたマイクロ波（例．２．４５ＧＨｚのマイクロ波）は導波管１３０および絶緑壁１３２を介して，該プラズマ発生室１２２に伝搬される。該プラズマ発生室１２２内において、この伝搬されたマイクロ波により放電が励起される。該プラズマ発生室１２２内には，磁気コイル１２８により例えば８７５ガウスの磁界が与えられ、該放電中で電子はサイクロトロン運動し，プラズマ発生用ガスＢのＥＣＲプラズマが生成される。
【０００９】
上記処理室内には，所定の処理ガスＡが導入されているため，上記プラズマ発生室１２２内で生じたプラズマ（電子）の作用により，処理ガス中の反応ガスは解離してラジカルが生じる。
【００１０】
一方上記処理室１００内の載置台１０４には，高周波電源１１６からエッチング回路１１４を介してバイアス用高周波電力が印加され，さらに上記処理室１００内は，排気管１２０を介して排気されているため，上記プラズマ発生室１２２内で生じたプラズマ及び該ラジカルは，上記載置台１０４上に誘導される。上記載置台１０４上に載置されたウエハＷ上の被処理膜（例．シリコン酸化膜）は，これらプラズマ及び該ラジカルによりエッチングされる。
【００１１】
このＥＣＲプラズマ処理装置は、従来の平行平板型プラズマ処理装置などと比較して、被処理体の高度な微細加工に適した装置である。このＥＣＲプラズマ処理装置は、異方性エッチングから完全等方性エッチングまでのエッチング形状を制御することが容易である。さらに，イオン化率が高いため、低イオンエネルギーで損傷の少ない高速エッチングが可能である。さらに，処理室内では無電極放電を利用するため、汚染が少ない。
【００１２】
このような，プラズマ発生室とプラズマ処理室とが分離されたプラズマ処理装置においては，そのプラズマ処理の効率を高める上から，プラズマ発生室で形成したプラズマ中のイオンを処理室内に効率良く引き出すことが必要である。しかしながら，図６に示されたような装置においては，プラズマ発生室からは，プラズマ処理に必要なイオンのみならず電子も同時に拡散して引き出され，プラズマ処理室内の被処理体に導入される。
【００１３】
それらイオンと電子との間には，電気的中性状態を維持するべく力が働いているため，それらを分離し，イオンのみを処理室に効率よく導入することは非常に困難である。電子とイオン（荷電粒子）が混在している状態において，電極を組み合わせた機構により，荷電粒子のみを制御することは容易ではない。この点から，プラズマからイオンのみを分離することの利点が生ずる。プラズマイオン源においては，プラズマからイオンのみを分離して取り出すことは前提条件である。プラズマＣＶＤでは高エネルギーの入射イオンは膜を緻密にするよい働きもする。しかし，イオンのエネルギーが高すぎたり量が多すぎると逆に膜に多くの損傷を与えるという欠点も生ずる。別の観点では，イオンは成膜速度を上昇させる効果も及ぼす（ｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）。しかしイオンエッチングの効果が大きすぎると，下地にある異なる膜も削られ，汚染の原因にもなる。従って，いずれにしても入射イオンエネルギーの制御は重要な問題である。イオン源においては当然ながら，入射イオンエネルギーの制御は必須である。
【００１４】
さらに，図６に示されたような装置において，電子と混在したイオンを所望の状態に制御，すなわちイオンを所望の方向に入射させることは困難である。このため，プラズマ処理室内に所定の電界を発生させる電界発生手段などの各種のイオンの流れを制御する手段が必要である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は，プラズマ発生機構で形成されたプラズマから，イオンを効果的に引き出し，該イオンをウエーハ（基板）に向けることを目的とする。
【００１６】
さらに，本発明は，プラズマ発生室とプラズマ処理室とが分離されたプラズマ処理装置において，プラズマ発生機構で形成されたプラズマから，イオンを効果的に引き出し，該イオンを被処理物に向けることを目的とする。
【００１７】
本発明は，従来のプラズマ処理装置及びそのプラズマ処理方法における，上記のような問題点を解決することを目的する。
【００１８】
本発明は，プラズマ発生室内で発生されたプラズマ中のイオンのみを選択的にプラズマ処理室内に向け，該イオンによって被処理物を効率良く処理することを目的とする。
【００１９】
さらに，本発明は，相対的に少ない電力で相対的に多くのイオンを引き出すことが可能な，新規かつ改良されたイオン流形成方法及び導入装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
イオンを引き出す箇所に継続的に一定の電位勾配をかけ続けた場合，以下の問題点がある。自由運動を経て電極上に達したイオンは，ある程度引き出しの為の力を受け始める。従ってイオンは電子に引きずられるような逆方向の力をも受ける。このためにこの場合には，イオンはなかなか引き出せない。本発明は，電極間で以下のような操作を反復することにより，この問題を解決する。
【００２１】
１）両極性拡散（熱的拡散）：電位勾配なし
２）電化分離（イオン加速）：電位勾配つき
電極間に導入されたプラズマからイオンのみが効率的に荷電分離される。
【００２２】
本発明により形成されたイオン流れは，種々の用途に使用され得る。例えば，インプランテーション用には，径が絞ぼられたイオン流が使用され得る。成膜 （ＥＣＲ ＣＶＤ）用には，径が広げられたイオン流が使用され得る。
【００２３】
本願発明の第１番目の観点に従って，(a) プラズマ拡散出口を有するプラズマ発生室内にプラズマを発生させる工程と；(b) 該プラズマ発生室内で発生されたプラズマを拡散により、プラズマ発生室の外に配置した２つの電極の間の空間に移動させる拡散工程と；
(c) 該プラズマ発生室の外に移動した該プラズマに，プラズマ中の電子はプラズマ拡散出口の方向に戻し，該プラズマ中のイオンはその逆の方向に引き出す作用を及ぼす向きの電界を該両工程に比して短時間印加する，イオン引き出し工程と；及び
(d) 該引き出されたイオンを被処理物に向けるイオン流形成工程と，
を具備することを特徴とする，プラズマ発生室内で発生されたプラズマからイオンを引き出し，該イオンの流を形成するイオン流形成方法が提供される。
【００２４】
本願発明の第２番目の観点に従って，上記第１番目の観点に従ったイオン流形成方法において，該工程(a) 乃至(d) が，この順序で反復して実施されることを特徴とする，イオン流形成方法が提供される。
本願発明の第３番目の観点に従って，上記第１番目の観点に従ったイオン流形成方法において，
該工程(a)が，常時実施されることを特徴とする，イオン流形成方法が提供される。
【００２５】
本願発明の第４番目の観点に従って，上記第１番目の観点に従ったイオン流形成方法において，
該イオン引き出し工程（ｃ） は，該プラズマ発生室のプラズマ拡散出口に設置された，２つの電極に異なる電圧を印加することにより実施されることを特徴とする，イオン流形成方法，が提供される。
【００２６】
本願発明の第５番目の観点に従って，上記第４番目の観点に従ったイオン流形成方法において，
該イオン引き出し工程（ｃ） は，該プラズマ発生室のプラズマ拡散出口に設置された，２つの電極に異なる電圧をパルス状に印加することにより実施され，
該イオン流形成工程（ｄ） は，該イオンが該二つの電極間の空間から引き出された後で，該２つの電極への該電圧の印加を停止することにより実施される，ことを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
【００２７】
本願発明の第６番目の観点に従って，上記第１及び３のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成方法において，
該工程（ｂ） と該工程（ｃ） との間に，該工程（ｃ） よりはるかに短い時間の工程 （ｅ）を含み，
該工程（ｅ）では，イオンを制御対象として第１電極に，該工程（ｃ）とは逆方向の電界が生じるようにバイアスが印加される，ことを特徴とする方法が提供される。
本願発明の第７番目の観点に従って，上記第１及び３のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成方法において，
該イオン流形成工程（ｄ） は，さらに，該２つの電極と被処理物との間に設置された第３の電極に，イオン加速用の電圧及びイオンビーム収束用の電圧の内の少なくとも一つを印加することにより実施される，ことを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
【００２８】
本願発明の第８番目の観点に従って，上記第４の観点に従ったイオン流形成方法において，
該イオン流形成工程（ｄ） は，該イオンが該２つの電極から被処理物に至る経路において，該イオンの流れを分散する工程，を備えていることを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
【００２９】
本願発明の第９番目の観点に従って，上記第８の観点に従ったイオン流形成方法において，
該工程（ｃ） は，該イオンに所定の質量とは異なる質量を有するイオンが含まれる場合においては，イオン加速時間／プラズマ拡散時間のパルス比を変更せずに周期を周波数変調及び振幅変調のいずれか一つで変更することにより，該異なる質量のイオンも引出す，ことを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
【００３０】
本願発明の第１０番目の観点に従って，上記第１，４，及び５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成方法において，
イオン流形成工程（ｄ） において，該引き出されたイオンが向けられる被処理物は回路パターンが形成されたシリコンウエハである，ことを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
【００３１】
本願発明の第１１番目の観点に従って，上記第１，４，及び５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成方法において，
プラズマを発生させる工程（ａ） は，電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発生する工程である，ことを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
【００３２】
本願発明の第１２番目の観点に従って，上記第１１の観点に従ったイオン流形成方法において，
該イオン引き出し工程(c) においては，ＥＣＲプラズマ形成用のマイクロ波の導入及び外部磁場の少なくとも一つを遮断する，ことを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
本願発明の第１３番目の観点に従って，
プラズマ拡散出口を有するプラズマ発生室と；
該プラズマ拡散出口に対抗して配置された，被処理物を収容した処理室と；
該プラズマ発生室の該プラズマ拡散出口と，該処理室内の被処理物との間に配置された，２つの電極と；
該２つの電極の電位を制御する電位制御装置であって，該電位制御装置は，
該プラズマ発生室内で発生されたプラズマを拡散により該プラ ズマ発生室の外に配置した２つの電極の間の空間に移動させる拡 散工程においては，該２つの電極の電位は，等電位になるように， 制御し；
該プラズマ発生室の外に拡散し，該２つの電極間の空間に移動 した該プラズマに，プラズマ中の電子はプラズマ発生室の方向に 戻し，該プラズマ中のイオンは処理室の方向に引き出すイオン引 き出し工程においては，該イオン引き出し工程が実施され得るよ うな電界が該２つの電極間の空間に形成されるように，該２つの 電極にパルス状に異なる電圧を印加し；及び
該引き出されたイオンを処理室に収容された被処理物に向ける イオン流れ形成工程においては，該引き出されたイオンが該プラ ズマ中に再度引き戻される作用を及ぼす電界が生じないように， 該電極の電位を制御する，
ことを特徴とする，プラズマ発生室内で発生されたプラズマからイオンを引き出し，該イオンの流を形成する，ことを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
【００３３】
本願発明の第１４番目の観点に従って，上記第１３の観点に従ったイオン流形成装置において，該プラズマの発生と，該プラズマの拡散と，イオンの引き出しと，及びイオン流れ形成とが順に反復されることを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
【００３４】
本願発明の第１６番目の観点に従って，上記第１４及び１５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成装置において，
該拡散工程と，該イオン引き出し工程の間に，該拡散工程よりはるかに短い時間の工程を含み，
該短い時間の工程では，イオンを制御対象として第１電極に，該イオン引き出し工程とは逆方向の電界を生じるようにバイアスが印加される，ことを特徴とする装置が提供される。
【００３５】
本願発明の第１７番目の観点に従って，上記第１３の観点に従ったイオン流形成装置において，
該電位制御装置は，該二つの電極に加えて，プラズマ発生室，及び処理室の電位をも制御することを特徴とする，イオン流形成装置が提供される。
【００３６】
本願発明の第１８番目の観点に従って，上記第１３の観点に従ったイオン流形成装置において，
該被処理物を収容した処理室は，
該電極と被処理物との間に，イオンの流れを分散させるための電極を備える，ことを特徴とする，イオン流形成装置が提供される。
【００３７】
本願発明の第１９番目の観点に従って，上記第１８の観点に従ったイオン流形成装置において，該イオン流は，イオンインプランテーション以外の処理のために使用される，ことを特徴とする，イオン流形成装置が提供される。
【００３８】
本願発明の第２１番目の観点に従って，上記第１３の観点に従ったイオン流形成装置において，
該電極ｓは，荷電粒子が通過する開口部に近付く程その厚さが薄くされている，ことを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
【００３９】
本願発明の第２２番目の観点に従って，上記第１３の観点に従ったイオン流形成装置において，
該イオン流れ形成工程は，該イオンに所定の質量とは異なる質量を有するイオンが含まれる場合においては，イオン加速時間／プラズマ拡散時間のパルス比を変更せずに周期を周波数変調及び振幅変調のいずれか一つで変更することにより，該異なる質量のイオンも引出す，ことを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
本願発明の第２３番目の観点に従って，上記第１，１４，及び１５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成装置において，該処理室に収容される被処理物はシリコンウエハである，ことを特徴とするイオン流形成装置が提供される。 本願発明の第２４番目の観点に従って，上記第１１，１４，及び１５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成装置において，該処理室に収容される被処理物は回路パターンが形成されたシリコンウエハである，ことを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
【００４０】
本願発明の第２５番目の観点に従って，上記第１１，１４，及び１５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成装置において，該プラズマ発生室は，電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発生する機構を備た，ことを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
【００４１】
本願発明の第２６番目の観点に従って，上記第１１，１４，及び１５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成装置において，
該プラズマ発生室は，電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発生する機構を備え，
イオン引き出しにおいては，ＥＣＲプラズマ形成用のマイクル波の導入及び外部磁場の印加の少なくとも一つ遮断することを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
【００４２】
【発明の実施の形態】
従来のプラズマ処理装置において，プラズマ発生室で形成されたプラズマを処理室に導入することによる，上述した課題を解決するために，本発明においては，プラズマ発生室で形成されたプラズマ中のイオンは，後述されるイオン流形成装置により，引き出され，該イオンは処理室に導入され，被処理物に向けられる。さらに，本願発明においては，上記イオン流形成装置により，プラズマ中の電子はイオンとは逆の方向に戻され，すなわちプラズマ発生室に戻され，プラズマ発生室でのプラズマの発生効率は向上される。
【００４３】
図１を参照して，本願発明のイオン流形成方法及び装置におけるイオン流形成機構を説明する。
プラズマ室２０２はプラズマ発生機構（図には示されていない）と，該プラズマ発生機構により発生されたプラズマが室外に両極性拡散（イオン，電子及びラジカルが共存された状態での拡散）するためのプラズマ拡散出口２０３を備えている。
【００４４】
プラズマ室２０２に対する位置に，イオン導入口２０５を備えた処理室２０４が設置される。この処理室内には，被処理物が収容されている。
【００４５】
これらプラズマ室２０２と処理室２０４の間に，荷電粒子が通過し得る２つの電極（第１電極２０６，第２電極２０８）が設置される。これらの電極は，荷電粒子が通過し得る電極であればいずれの構造の電極でも採用されうる。例えば，第１電極２０６として図示された電極のように，その中央部に ａ開口を有する電極や，第２電極２０８として図示された電極のように，多数の小開口を有する電極が採用されうる。
【００４６】
これらの第１及び第２電極２０６，２０８には，制御装置２０９による制御の下で，電圧源２１８から電圧が印加される。この電圧源２１８と制御装置２０９とにより電位制御装置が構成される。プラズマ発生室と処理室の外壁面を該電圧源２１８に接続し，制御装置２０９により，これらプラズマ発生室と処理室の外壁面の電位も制御することも可能である。これらプラズマ室２０２，第１電極２０６，第２電極２０８，処理室２０４の配置は，一例であって，他の配置も採用されることができる。例えば，プラズマ室２０２のプラズマ拡散出口２０３と処理室２０４のイオン導入口２０５とを接近又は密着させ，第１電極２０６及び第２電極２０８は処理室２０４の内に設置されることもできる。
【００４７】
図１に示されたイオン流形成機構では，下記のステップ（ａ）〜（ｄ）が繰り返し実施される。
【００４８】
ステップ（ａ）では，プラズマ発生室２０２にプラズマが形成される。プラズマ発生室２０２はプラズマ発生用のガス（図６のガスＢ）が導入され，上記されたプラズマ発生機構により該ガスのプラズマが形成される。このプラズマ発生機構は，前述されたように，高周波電力を使用する方式，マイクロ波を使用する方式，電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を使用する方式など，プラズマを発生するためのいずれの方式も採用され得る。このプラズマ発生工程においては，プラズマ発生室２０２，第１電極２０６，第２電極２０８の各電圧は，同電位とされ得る。これにより，プラズマ発生室内に形成されるプラズマは，プラズマ拡散口に向かって両極性拡散する。
【００４９】
ステップ（ｂ）では，プラズマ発生室２０２内に形成されたプラズマが拡散する。該プラズマは，プラズマ拡散口２０３を出て，該プラズマ発生室２０２と該第１電極２０６との間の空間にゆっくりと拡散し，次いで第１電極２０６と第２電極２０８との間の空間に拡散する。この拡散のために，上記両空間は電界が形成されていない環境とされるのが好ましい。このために，プラズマ発生室２０２，第１電極２０６，第２電極２０８及び処理室２０４は同電位（例．接地電位）とされる。プラズマ発生室２０２内に形成されたプラズマは，イオン，電子及びラジカルを含んでいるが，該プラズマは，これらイオン，電子及びラジカルが共存した状態で分子拡散（両極性拡散）する。
【００５０】
次のステップ（ｃ）で，プラズマからイオンを効率良く引出すために，該プラズマは上記空間内に十分拡散されることが重要である。このためには，該プラズマ中のイオンと電子が再結合せず一種のアフターグローが継続する程度の拡散時間が確保されることが必要である。この拡散時間（Ｔｏ ）は，実験により設定することもできるが，係数を無視して下記の式により概算することも可能である。
Ｔｏ ＝Ｌｏ ／ｖ （１）
ｖ２ ＝ｋＴｉ ／ｍｉ （２）
ここで、 Ｔｏ …拡散時間
Ｌｏ …イオンの電極間への進入距離
ｖ …熱速度
Ｔｉ …イオン温度
ｋ …Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ 定数
ｍｉ …イオンの質量
ステップ（ｃ）では，該プラズマからイオンが引き出される。上記両グリツド電極間に到達したプラズマ中のイオンは，その電荷により電子と引きつけ合い，電子とは分かれにくい傾向を持つ。イオンは電子を引きずりながら移動しようとする。従って，熱エネルギ−による拡散によって上記両電極間の空間に「迷い込んだ」プラズマ中のイオンが，載置台に印加されるバイアス電位により加速され，処理室に引き出される効率は低く，プラズマからイオンが効率良く引き出されることは難しい。以上の状況は，金属から電子を引き出す際には仕事関数の値だけ余計にエネルギーを必要とするという状況と類似しているものと考えられる。
【００５１】
本発明は，このプラズマから，イオンを効率良く引出すために，上記両電極間にパルス状に電界を形成する。このため，電圧源２１８から，第１電極２０６と第２電極２０８には，図２に示されるような大きさの，パルス制御されたイオン引き出し用電圧が供給される。ここで，Ｖｃ ，Ｖ１ ，Ｖ２ ，Ｖｓ は，図１に示すように，プラズマ発生室，第１電極，第２電極，及び処理室の各々に印加されるパルス制御された電位である。また，Ｚｃ は引き出し口の位置（チャンバ−（ｃｈａｍｂｅｒ） ），Ｚ１ 及びＺ２ は電極１及び電極２の位置，Ｚｓ はウエハ（基板）の位置である。図２において，（Ｚｃ，Ｖｃ），（Ｚ１，Ｖ１ ） ，（Ｚ２，Ｖ２ ） 及び（Ｚｓ，Ｖｃ）を辿るケース１においては（Ｖｃ ＝Ｖｓ ），イオン加速時間は短すぎても長すぎてもよくない。（Ｚｃ，Ｖｃ），（Ｚ１，Ｖ１ ） ，（Ｚ２，Ｖ２ ） 及び（Ｚｓ，Ｖ２ ） を辿るケース２においては（Ｖ２ ＝Ｖｓ ），加速時間は長すぎても問題はない。これらのイオン引き出し用電圧が各部に供給されることにより，イオンは第２電極２０８の方に引きつけられ，電子は第１電極２０６の方に引きつけられる力が作用するような電界が両電極間に形成される。パルス状に制御されたこれら電圧により，瞬間的に形成された該電界の作用により，該プラズマ中のイオンと電子は，容易かつ効率的に引き離されイオンは第２電極に向け加速され，該第２電極を通過して処理室２０４のイオン導入口に導かれる。
【００５２】
すなわち，イオンを引き出す箇所に継続的に一定の電位勾配をかけ続けた場合，以下の問題点がある。自由運動を経て電極上に達したイオンは，ある程度引き出しの為の力を受け始める。従ってイオンは電子に引きずられるような逆方向の力をも受ける。このために，この場合には，イオンはなかなか引き出せないこととなる。本発明は，電極間で以下のような操作を反復することにより，この課題を解決する。
【００５３】
１）両極性拡散（熱的拡散）：電位勾配なし
２）電化分離（イオン加速）：電位勾配つき
電極間に導入されたプラズマからイオンのみが効率的に荷電分離される。
【００５４】
一方，プラズマ中の電子群は，第１電極とプラズマ発生室との間の空間において，両端の電極に印加された電圧（Ｖｃ ，Ｖ１）により形成された電界の作用により，拡大分散することなくプラズマ拡散出口２０３に追い返される。従って，電子はプラズマ発生室のプラズマ拡散出口の縁に衝突することなく，プラズマ発生室内に追い返される。電子がプラズマ発生室内に追い返される結果，プラズマ発生室内の電子密度は高くなり，プラズマ発生機構によりプラズマが発生される効率が向上する。また，この電子密度が高くなることから，プラズマ発生室の電位（Ｖｃ）は変化する。しかし，第１電極２０６に印加された正電位（Ｖ１ ）による電子が戻される効果自体は大きく変化しない。
【００５５】
ステップ（ｄ）では，処理室２０４のイオン導入口に導かれたイオンが被処理物に入射せしめられる。ステップ（ｃ）において，プラズマから引出され，第２電極に向けて加速されたイオンは，第２電極を通過し，処理室２０４のイオン導入口２０５に向かう。イオンが第２電極からイオン導入口２０５に向かう期間，第２電極２０８の電位Ｖ２ と処理室（及び被処理物）の電位Ｖｓが図２に示されたレベルに維持されると，このＶ２ とＶｓ により形成される電界の作用により，第２電極２０８を通過したイオンは，減速される。従って，イオンが最高速度近辺に達した時点（例．該イオンの集団が第２電極を通過した直後の時点）で，上記電界を消すか，該イオンをイオン流導入口に加速する方向の電界を形成することが必要である。少なくとも電圧Ｖ２ とＶｓを同電位にすることで，上記電界は消されることができるが，他の電圧Ｖｃ，Ｖ１ からの影響も無くす観点からは，これら全部位の電圧Ｖｃ，Ｖ１ ，Ｖ２ 及びＶｓを同電位にすることが好ましい。また，該イオンをイオン導入口に加速する方向の電界を形成するために，電圧Ｖ２ はＶｓよりも高い電位とすることができる。
【００５６】
このように，上記電界を消すか，逆の方向の電界を形成することにより，イオンは電界による減速を受けることなく，被処理物に入射される。この過程で，或いは電子のエネルギー分布の高いェネルギー成分が電極によって形成されるポテンシャル障壁を越えることによって，被処理物の表面に電子がある程度チャージアップしても，後に入射されるイオンにより，該電子は中和される。イオンのみが選択的にウェハに入射されることから，電子によってイオンの入射方向が乱されることはない。また，入射されるイオンが電子と再結合して消滅することがなく，イオン密度が増加するためウェハを均−に処理することができる。
【００５７】
ここで，上記工程（ａ）乃至（ｄ）を，さらに詳細に説明する。
【００５８】
上記ステップ（ａ）において，上記プラズマ発生機構は，プラズマを発生させる機構のいずれの機構も採用され得る。例えば，高周波プラズマ発生機構，容量結合型プラズマ発生機構，平行平板型プラズマ発生機構，誘導結合型プラズマ発生機構，マイクロ波プラズマ発生機構，ＥＣＲプラズマ発生機構など，も採用され得るが，特に図６が参照されて説明されたＥＣＲプラズマ発生機構は，好ましい機構の一つである。
【００５９】
上記ステップ（ｂ）において，充分にプラズマが生成された状態で，マイクロ波などの導入を中止する（磁場印加を中止する）ことにより，自由な状態で該プラズマを拡散させることもできる。
【００６０】
上記ステップ（ｃ）において，プラズマからイオンが引出される間，プラズマ発生用のマイクロ波などがプラズマ発生室に導入されない（例．磁場印加を中止する）ようにすることもできる。
【００６１】
上記工程（ｂ）の拡散による移動時間と，工程（ｃ）の電界加速のための時間の２種類の時間の比は，イオンの質量に依存せず，イオン温度（熱速度）とバイアス電圧のみによって決定される。従って，任意のイオンに関して，イオン温度とバイアス電圧による同一のパラメータにより，パルス状バイアス電圧の時間比を決定できる。このため，パルス状のバイアス電圧の制御方法が簡単化される。従って，異なる質量のイオンが混合している場合には，波形を変えずに周波数及び／又は振幅を変調させる制御を行うこともできる。重いイオンに対しては大振幅長周期の変調中の瞬間が有効となる。
【００６２】
上記ステップ（ｄ）において，第２電極２０８又は処理室（被処理物）のどちらかに，負の電位が印加されることができる。第２電極２０８に負の電位が印加される場合，ここから被処理物までのイオンの運動を，第三の電極１１０（図３参照）により制御して，イオンの被処理物への入射方向を変更することができる。被処理物に負の電位を印加する場合，電極間で加速されたイオンは何回か互いに衝突する圧力領域を採用する場合が多い。しかし，電子は分離されているため，再結合は殆ど生じない。起きても荷電変換程度である。第三の電極１１０にバイアス電圧を印加する場合，電界加速のない状態を基礎としないと，そのバイアス電位が設定され難い。
【００６３】
上記ステップ（ｄ）において，イオンの入射方向を分散させる為の電極構造として，異なった電位を有する２種類の針状電極３０６を，図４に示されるように，交互に配置することもできる。ここで白丸○の針状電極は定電位を保持するための電極であり，黒丸●の針状電極はイオンを引きつける為の電極である。イオンを引きつける工程では，電極電位は負電位に固定する。こうすれば電極表面のイオン引き付け効果は弱まらない。それは負電荷を持つ電子が，負電位の電極と反発するためである。一方，イオンを跳ね返す工程では電極は正電位に保たれる。この場合，イオンと電極は反発し合うので，イオンによる電極のスパッタエッチングは少ない。
【００６４】
この電極構造の例としては，Ｂ−Ｃ 間の電極は紙面の前後方向にイオン軌道を振るための電極とし，ｃ−Ｄ 間の電極は紙面上の左右の方向にイオン軌道を振るための電極とされることができる。各電極の電位は，Ｖ１ ＝Ｖｃ （ｃ＝ｃｈａｍｂｅｒ），Ｖ２ ＝Ｖｓ （ｓ＝ｓｕｂｓｔｒａｔｅ），○＝Ｖ２ ，●＝Ｖ３ ，Ｖ１ 〉Ｖ２ 〉Ｖ３ とされることができる。また，Ｖ２ 〈Ｖ３ とされることもできる。
【００６５】
また，電子は処理室に侵入することなく，プラズマ発生室に追い返され，プラズマ発生室の電子密度は高められるから，プラズマ発生室内での電離度が増加し，プラズマの生成効率が高められる。
【００６６】
上記工程（ａ）乃至（ｄ）は，所定時間間隔で反復される。この反復時間は，拡散領域内に電子，イオンを伴ったプラズマが十分に拡散する時間と，拡散領域内のイオンのみを選択的に効率よく引き出すことができる時間とから算出され，設定される。そして，例えばイオン引き出し工程（ｃ）の時間がプラズマ拡散工程の時間よりも相対的に短く設定されることにより，拡散領域内に電子，イオンを伴ったプラズマが所望の状態で拡散され，かつ効率よくイオンが第２電極２０８の方向に引き出される。
【００６７】
パルス状制御を止め，イオン引き出し工程の時間をプラズマ拡散工程の時間と同程度にとると処理時間が約２倍になるという欠点が生ずる。
【００６８】
第１電極と第２電極の間にイオン引き出し用の電位が印加され，プラズマ中よりイオンが引き出されるに要する時間（Ｔ１ ） は，下記の式で求められる。
【００６９】
Ｔ１ ２ ＝２Ｌｇ ／ａ （３）
ａ＝（ｅ／ｍｉ ）（Ｖ／Ｌｇ ） （ただし，Ｌｏ 〈Ｌｇ ）（４）
ここで，Ｔ１ …プラズマ中よりイオンが引き出されるに要する時間
Ｌｇ …電極間距離
ａ…イオンの加速度
ｅ…素電荷（１．６×１０−１９ （ｃ） ）
ｍｉ…イオンの質量
Ｖ…バイアス（加速）電圧
プラズマの拡散時間（Ｔ０ ）とプラズマ中よりイオンが引き出されるに要する時間（Ｔ１ ）との時間比（相対的パルス幅）は，下記の式で求められる。
【００７０】
ここで， Ｌｇ …電極間距離
Ｍｉ …イオンの質量
ｅ …素電荷
Ｖ …バイアス（加速）電圧
ｋ …Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ 定数
Ｌｏ …イオンの電極間への進入距離
Ｔｉ …イオン温度
第１電極２０６と第２電極２０８間に印加されるパルス制御されたイオン引き出し電圧の相対的パルス幅の下限値は，イオンの質量には，依存しない。実施のパルス幅の設定に当たっては，どの程度までイオンを電極間に進入させるのかという判断に従って係数Ｌｇ ／Ｌｏ の値を変化させれば良い。以上の２種類の距離Ｌｇ ，Ｌｏ をはっきりと区別すればパルス幅は範囲を持ったものとして導出される。パルス幅の周波数の下限は電極間距離などにもよるが，おおよそ３〜１０ＫＨｚ となる。従って，１００ＫＨｚ程度の値に設定しても，この値は特に大きすぎることはない。
【００７１】
イオン引き出し用バイアスＶと，”電界加速のための時間（Ｔ１ ）／熱拡散による移動時間（Ｔｏ）“の比の数値例を下記に示す。
【００７２】
【表１】
【００７３】
以上のように，本発明に関わるイオン流形成機構の一つの実施の形態が説明された。次に，他の実施の形態として，このイオン流形成機構が採用されたプラズマ処理装置が説明される。このイオン流形成機構は，種々の形式のプラズマ処理装置，種々の被処理物を処理するプラズマ処理装置に採用されることができる。ここでは，典型的な実施の形態として，半導体ウエハ上に薄膜を形成するための，ＥＣＲプラズマ薄膜形成装置を説明する。
図５を参照して，同図に示されたＥＣＲプラズマ薄膜形成装置は，その処理室２０４内に，図１に示されたような第１電極２０６と第２電極２０８が設置され，これらの電極には制御装置により制御される電源（図５には示されていない）が接続される。さらに，該電源はプラズマ発生室と処理室にも接続され，これら両室に所定の電圧を印加することもできる。このＥＣＲプラズマ薄膜形成装置は，これら電極，制御装置，及び電源以外は，基本的に図６に示された装置と略同一の構成となっている。
【００７４】
制御装置による制御の下で，電源から第１電極２０６と第２電極２０８（さらには，プラズマ発生室と処理室）への電圧は，制御装置により，同期して供給される。
【００７５】
プラズマ処理時には，図１で説明されたと同様の下記のステップが実施される。
【００７６】
ステップ（ａ）では，プラズマ発生室２０２にプラズマが形成される。
【００７７】
ステップ（ｂ）では，プラズマ発生室２０２内に形成されたプラズマが拡散する。制御装置によって，第１電極２０６，及び第２電極２０８には，電圧は印加されない。これらの電極間には電界が無く，プラズマはが両極性拡散する環境が形成される。この環境は，プラズマが両電極間に充分に拡散する時間，維持される。
【００７８】
ステップ（ｃ）では，該プラズマからイオンが引き出される。ステップ（ｂ）で，両電極間にプラズマが充分に拡散した後，第１グリット電極２０６と第２電極２０８とに，プラズマからイオンを引出すための電圧が印加される。その結果，該プラズマから引出されたイオンは第２電極２０８の方に加速され，電子は第１電極２０６の方に戻される。
【００７９】
ステップ（ｄ）では，処理室２０４のイオン導入口に導かれたイオンが被処理物に入射せしめられる。該プラズマから引出され，第２電極２０８の方に加速されたイオンは，プラズマ室の壁と処理対象物の電位が同一にされた場合には，第２電極を通過した後，第２電極により形成された電界の作用で，第２電極の方に引き戻される方向の作用を受ける。この作用を無くするために，イオンの集団が第２グリッド電極を通過した後，第１電極２０６及び第２電極２０８への電圧の印加を中止することができる。
【００８０】
上記（ａ）〜（ｄ）の工程により，処理室へはイオンのみが導入されるから，処理室内での薄膜形成，エッチングなどの処理は，イオンの振る舞いのみに注目して制御されれば良く，該制御は正確に実行されることができる。薄膜形成においては，入射イオン密度を高くするために，基板に不要に大きなバイアスを掛ける必要がなくなる。
【００８１】
この実施の形態においては，イオンを被処理物に導く為に，さらに第３電極 （図には示されていない）が設けられる得る。イオンは第３電極を通過した後，該第３電極には，該電源からイオンを被処理物に向かわせる作用を生じるような電圧が印加される。
【００８２】
また，イオンの流れ方向を分散させる為の電極構造として，図４に示されるような，異なった電位を有する２種類の針状電極３０６を，交互に配置することもできる。
【００８３】
本発明にかかわるイオン流形成機構が採用された結果，上記実施の形態におけるＥＣＲプラズマ薄膜形成装置では，プラズマ中のイオンと電子を効果的に分離でき，プラズマから効率よくイオンは引き出され，高密度のイオンは所望の入射角度で被処理物に入射される。
【００８４】
また，プラズマから分離された電子は再びプラズマ発生室内に戻されるため，プラズマ発生室２０２にはさらに多くの電子が供給され，高密度プラズマを発生させることができる。プラズマ拡散工程（ｂ）に対して，イオン引き出し工程 （ｄ）を相対的に短時間でパルス的に処理することができるため，必要とする量のイオンが短期間に確保されることができ，なめらかな波形による制御と比較して，スループットは向上されることができる。
【００８５】
プラズマ処理室内に配置された被処理物は，高密度のイオンのみにより所望の均−な処理を施されることができる。イオンはウエハー上の溝や穴のようなパターンの肩を削り，堆積速度を向上させる働きする。処理室内に導入されたプラズマ中のラジカルは電界の影響を受けずに拡散されつづける。該ラジカルは，イオンによって活性化された被処理物の表面上に比較的ゆっくりと付着していく。電極電位制御の１周期の処理によって被処理物の表面上に処理ガス成分が堆積する量は１０原子層未満であり，多くて数原子層である。表面反応確率，すなわち付着係数が小さい場合には，１原子層以下の場合も充分に想定される。すなわち，大部分の粒子がイオンによって活性化された面上に到達する現象が想定される。このため，被処理物の表面上に処理ガス成分が付着する率がイオンによって充分に向上される。従って，被処理物の表面上に効率良く薄膜が形成される。
【００８６】
以上，本発明の好適な実施の形態について，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。
【００８７】
例えば，上記実施の形態において，パルス制御されたイオン引き出し用電圧とイオン加速用電圧が使用されたが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，例えば半波整流された交流電力を用いても本発明は実施可能である。従って，本発明において，プラズマからイオンを引出すために印加するパルス状の電界は，矩形的にパルス状の電界が好ましいが，これにかぎられるものではない。矩形状でなくとも，所定の期間中継続する電圧であればよく，半波整流された交流電力により形成される電界などでもよい。
【００８８】
さらに，上記実施の形態において，半導体ウェハの表面に薄膜を形成するＥＣＲプラズマ薄膜形成装置が説明された。本発明はかかる実施の形態にに限定されるものではなく，例えば，プラズマエッチング装置，プラズマスパッタ装置やイオン注入装置などの各種のプラズマ処理装置に適用されることができる。また，被処理物に関しても，シリコンウエハに限らず，ＬＣＤ用ガラス基板などの電子部品なども処理されることもできる。
【００８９】
さらなる特徴及び変更は，当該技術分野の当業者には着想されるところである。それゆえに，本発明はより広い観点に立つものであり，特定の詳細な及びここに開示された代表的な実施例に限定されるものではない。したがって，添付されたクレームに定義された広い発明概念及びその均等物の解釈と範囲において，そこから離れることなく，種々の変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関するイオン流形成装置を示した概略的な説明図である。
【図２】図１に示したイオン流形成装置において，イオン引き出し工程において各電極等に印加する電圧を示した図である。
【図３】図１に示したイオン流形成装置に，さらに第３電極が配置された装置の概略的な説明図である。
【図４】図１に示したイオン流形成装置に，さらにイオンを分散させる装置が配置された装置の概略的な説明図である。
【図５】図１に示したイオン流形成機構が適用されたＥＣＲプラズマ薄膜形成装置の概略的な説明図である。
【図６】関連技術としての，ＥＣＲプラズマ薄膜形成装置の概略的な説明図である。
【符号の説明】
１０２…処理容器， １０４…載置台， １０８…冷却装置，
１１０…ヒータ，１１６…高周波電源，１１４…マッチング回路，
１２０…排気管，１２４…導入管，１２８…磁気コイル，１３０…導波管
１３２…絶縁壁，１３４…プラズマ波発生室
２０２…プラズマ発生室，２０３…プラズマ拡散出口，２０４…処理室，
２０５…イオ 導入口，２０６…第１電極，２０８…第２電極，
２０９…制御装置，２１８…電圧源， ３０６…針状電極
【発明の属する技術分野】
本発明は，プラズマ装置に関する。
【０００２】
さらに，本発明は，例えばプラズマ処理装置において，正イオンのみをプラズマから引き出し，電子や負イオンはプラズマ側に追い返し，被処理物に向かう正イオン流を形成する方法及び装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
従来より，プラズマ処理装置としては，プラズマエッチング装置，プラズマＣＶＤ装置，プラズマアッシング装置，プラズマクリーニング装置などが，広く知られている。これらのプラズマ処理装置（以下，プラズマ装置という）としては，平行平板型のプラズマ処理装置のようにプラズマ発生室とプラズマ処理室が一体化されている装置，及びＥＣＲプラズマ装置のようにプラズマ発生室とプラズマ処理室とが分離された装置とがある。
【０００４】
このプラズマ発生室とプラズマ処理室とが分離されたプラズマ装置においては，プラズマ発生室で形成されたプラズマを，或いはプラズマ中の荷電粒子（例．イオン）をプラズマ処理室に導く機構が必要である。図６にはＥＣＲプラズマエッチング装置が示されている。ＥＣＲプラズマエッチング装置において，処理室１００は、気密で開閉自在な処理容器１０２内に形成されている。この処理容器１０２内に載置台１０４が設置され、この載置台１０４上に静電チャック１０６などの吸着手段を介して被処理体Ｗ（例．半導体ウェハ，ＬＣＤガラス基板など）が載置されている。静電チャック１０６は、ポリイミド樹脂などの絶縁素材性の薄膜間に板状電極１０６ａを装着したもので、この板状電極１０６ａに直流電源１０６ｂより高圧電力を印加することによって、ウェハＷはクーロン力により載置台に吸着される。
【０００５】
載置台１０４には、ウェハＷを所定の温度に調節するために，冷却装置１０８や、ヒータ１１０などからなる温度調節手段が設けられている。載置台１０４内には伝熱ガス供給手段１１２が設けられており、静電チャック１０６上の複数の孔から伝熱ガス（例．へリウムガス）がウエハＷの裏面から供給され，載置台１０４からウェハＷに至る伝熱効率が高められる。載置台１０４には、マッチング回路１１４を介して高周波電源１１６が接続され，バイアス用高周波電力が載置台に印加される。
【０００６】
上記処理容器１０２の上部側壁には、処理室１００内へ所定の処理ガス（例．フッ化炭素ガス、酸素ガス及びアルゴンガスなどの混合ガス）Ａを導入するための導入管１１８が設けられている。上記処理容器１０２の下部には，真空引き手段（不図示）に通じる排気管１２０が接続されている。
【０００７】
上記処理室１００の上部には、ＥＣＲプラズマを発生するプラズマ発生室１２２が連結されている。このプラズマ発生室１２２には，導波管１３０を介して，マイクロ波発生室１３４が連結されている。上記プラズマ発生室１２２の上壁には、プラズマ発生用のガス（例．アルゴンガス）Ｂを導入するための導入管１２４が設けられている。処理室１００及びプラズマ発生室１２２内の気体は，該真空引き手段によって上記排気管１２０を介して排気されるとともに，上記導入管１１８及び１２４から所定の処理ガスが、上記各室に導入される。
上記プラズマ発生室１２２の側壁裏面部には、冷却手段１２６が設けられており、上記プラズマ発生室１２２内で発生した熱は放熱される。さらに、冷却手段１２６の外部には、磁気コイル１２８がプラズマ発生室１２２を取り囲むように設けられている。
【０００８】
上記プラズマ発生室１２２には、マイクロ波を伝搬するための導波管１３０を介してマイクロ波発生室１３４が接続されている。マイクロ波発生室１３４のマグネトロン（不図示）により発振されたマイクロ波（例．２．４５ＧＨｚのマイクロ波）は導波管１３０および絶緑壁１３２を介して，該プラズマ発生室１２２に伝搬される。該プラズマ発生室１２２内において、この伝搬されたマイクロ波により放電が励起される。該プラズマ発生室１２２内には，磁気コイル１２８により例えば８７５ガウスの磁界が与えられ、該放電中で電子はサイクロトロン運動し，プラズマ発生用ガスＢのＥＣＲプラズマが生成される。
【０００９】
上記処理室内には，所定の処理ガスＡが導入されているため，上記プラズマ発生室１２２内で生じたプラズマ（電子）の作用により，処理ガス中の反応ガスは解離してラジカルが生じる。
【００１０】
一方上記処理室１００内の載置台１０４には，高周波電源１１６からエッチング回路１１４を介してバイアス用高周波電力が印加され，さらに上記処理室１００内は，排気管１２０を介して排気されているため，上記プラズマ発生室１２２内で生じたプラズマ及び該ラジカルは，上記載置台１０４上に誘導される。上記載置台１０４上に載置されたウエハＷ上の被処理膜（例．シリコン酸化膜）は，これらプラズマ及び該ラジカルによりエッチングされる。
【００１１】
このＥＣＲプラズマ処理装置は、従来の平行平板型プラズマ処理装置などと比較して、被処理体の高度な微細加工に適した装置である。このＥＣＲプラズマ処理装置は、異方性エッチングから完全等方性エッチングまでのエッチング形状を制御することが容易である。さらに，イオン化率が高いため、低イオンエネルギーで損傷の少ない高速エッチングが可能である。さらに，処理室内では無電極放電を利用するため、汚染が少ない。
【００１２】
このような，プラズマ発生室とプラズマ処理室とが分離されたプラズマ処理装置においては，そのプラズマ処理の効率を高める上から，プラズマ発生室で形成したプラズマ中のイオンを処理室内に効率良く引き出すことが必要である。しかしながら，図６に示されたような装置においては，プラズマ発生室からは，プラズマ処理に必要なイオンのみならず電子も同時に拡散して引き出され，プラズマ処理室内の被処理体に導入される。
【００１３】
それらイオンと電子との間には，電気的中性状態を維持するべく力が働いているため，それらを分離し，イオンのみを処理室に効率よく導入することは非常に困難である。電子とイオン（荷電粒子）が混在している状態において，電極を組み合わせた機構により，荷電粒子のみを制御することは容易ではない。この点から，プラズマからイオンのみを分離することの利点が生ずる。プラズマイオン源においては，プラズマからイオンのみを分離して取り出すことは前提条件である。プラズマＣＶＤでは高エネルギーの入射イオンは膜を緻密にするよい働きもする。しかし，イオンのエネルギーが高すぎたり量が多すぎると逆に膜に多くの損傷を与えるという欠点も生ずる。別の観点では，イオンは成膜速度を上昇させる効果も及ぼす（ｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）。しかしイオンエッチングの効果が大きすぎると，下地にある異なる膜も削られ，汚染の原因にもなる。従って，いずれにしても入射イオンエネルギーの制御は重要な問題である。イオン源においては当然ながら，入射イオンエネルギーの制御は必須である。
【００１４】
さらに，図６に示されたような装置において，電子と混在したイオンを所望の状態に制御，すなわちイオンを所望の方向に入射させることは困難である。このため，プラズマ処理室内に所定の電界を発生させる電界発生手段などの各種のイオンの流れを制御する手段が必要である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は，プラズマ発生機構で形成されたプラズマから，イオンを効果的に引き出し，該イオンをウエーハ（基板）に向けることを目的とする。
【００１６】
さらに，本発明は，プラズマ発生室とプラズマ処理室とが分離されたプラズマ処理装置において，プラズマ発生機構で形成されたプラズマから，イオンを効果的に引き出し，該イオンを被処理物に向けることを目的とする。
【００１７】
本発明は，従来のプラズマ処理装置及びそのプラズマ処理方法における，上記のような問題点を解決することを目的する。
【００１８】
本発明は，プラズマ発生室内で発生されたプラズマ中のイオンのみを選択的にプラズマ処理室内に向け，該イオンによって被処理物を効率良く処理することを目的とする。
【００１９】
さらに，本発明は，相対的に少ない電力で相対的に多くのイオンを引き出すことが可能な，新規かつ改良されたイオン流形成方法及び導入装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
イオンを引き出す箇所に継続的に一定の電位勾配をかけ続けた場合，以下の問題点がある。自由運動を経て電極上に達したイオンは，ある程度引き出しの為の力を受け始める。従ってイオンは電子に引きずられるような逆方向の力をも受ける。このためにこの場合には，イオンはなかなか引き出せない。本発明は，電極間で以下のような操作を反復することにより，この問題を解決する。
【００２１】
１）両極性拡散（熱的拡散）：電位勾配なし
２）電化分離（イオン加速）：電位勾配つき
電極間に導入されたプラズマからイオンのみが効率的に荷電分離される。
【００２２】
本発明により形成されたイオン流れは，種々の用途に使用され得る。例えば，インプランテーション用には，径が絞ぼられたイオン流が使用され得る。成膜 （ＥＣＲ ＣＶＤ）用には，径が広げられたイオン流が使用され得る。
【００２３】
本願発明の第１番目の観点に従って，(a) プラズマ拡散出口を有するプラズマ発生室内にプラズマを発生させる工程と；(b) 該プラズマ発生室内で発生されたプラズマを拡散により、プラズマ発生室の外に配置した２つの電極の間の空間に移動させる拡散工程と；
(c) 該プラズマ発生室の外に移動した該プラズマに，プラズマ中の電子はプラズマ拡散出口の方向に戻し，該プラズマ中のイオンはその逆の方向に引き出す作用を及ぼす向きの電界を該両工程に比して短時間印加する，イオン引き出し工程と；及び
(d) 該引き出されたイオンを被処理物に向けるイオン流形成工程と，
を具備することを特徴とする，プラズマ発生室内で発生されたプラズマからイオンを引き出し，該イオンの流を形成するイオン流形成方法が提供される。
【００２４】
本願発明の第２番目の観点に従って，上記第１番目の観点に従ったイオン流形成方法において，該工程(a) 乃至(d) が，この順序で反復して実施されることを特徴とする，イオン流形成方法が提供される。
本願発明の第３番目の観点に従って，上記第１番目の観点に従ったイオン流形成方法において，
該工程(a)が，常時実施されることを特徴とする，イオン流形成方法が提供される。
【００２５】
本願発明の第４番目の観点に従って，上記第１番目の観点に従ったイオン流形成方法において，
該イオン引き出し工程（ｃ） は，該プラズマ発生室のプラズマ拡散出口に設置された，２つの電極に異なる電圧を印加することにより実施されることを特徴とする，イオン流形成方法，が提供される。
【００２６】
本願発明の第５番目の観点に従って，上記第４番目の観点に従ったイオン流形成方法において，
該イオン引き出し工程（ｃ） は，該プラズマ発生室のプラズマ拡散出口に設置された，２つの電極に異なる電圧をパルス状に印加することにより実施され，
該イオン流形成工程（ｄ） は，該イオンが該二つの電極間の空間から引き出された後で，該２つの電極への該電圧の印加を停止することにより実施される，ことを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
【００２７】
本願発明の第６番目の観点に従って，上記第１及び３のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成方法において，
該工程（ｂ） と該工程（ｃ） との間に，該工程（ｃ） よりはるかに短い時間の工程 （ｅ）を含み，
該工程（ｅ）では，イオンを制御対象として第１電極に，該工程（ｃ）とは逆方向の電界が生じるようにバイアスが印加される，ことを特徴とする方法が提供される。
本願発明の第７番目の観点に従って，上記第１及び３のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成方法において，
該イオン流形成工程（ｄ） は，さらに，該２つの電極と被処理物との間に設置された第３の電極に，イオン加速用の電圧及びイオンビーム収束用の電圧の内の少なくとも一つを印加することにより実施される，ことを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
【００２８】
本願発明の第８番目の観点に従って，上記第４の観点に従ったイオン流形成方法において，
該イオン流形成工程（ｄ） は，該イオンが該２つの電極から被処理物に至る経路において，該イオンの流れを分散する工程，を備えていることを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
【００２９】
本願発明の第９番目の観点に従って，上記第８の観点に従ったイオン流形成方法において，
該工程（ｃ） は，該イオンに所定の質量とは異なる質量を有するイオンが含まれる場合においては，イオン加速時間／プラズマ拡散時間のパルス比を変更せずに周期を周波数変調及び振幅変調のいずれか一つで変更することにより，該異なる質量のイオンも引出す，ことを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
【００３０】
本願発明の第１０番目の観点に従って，上記第１，４，及び５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成方法において，
イオン流形成工程（ｄ） において，該引き出されたイオンが向けられる被処理物は回路パターンが形成されたシリコンウエハである，ことを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
【００３１】
本願発明の第１１番目の観点に従って，上記第１，４，及び５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成方法において，
プラズマを発生させる工程（ａ） は，電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発生する工程である，ことを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
【００３２】
本願発明の第１２番目の観点に従って，上記第１１の観点に従ったイオン流形成方法において，
該イオン引き出し工程(c) においては，ＥＣＲプラズマ形成用のマイクロ波の導入及び外部磁場の少なくとも一つを遮断する，ことを特徴とするイオン流形成方法が提供される。
本願発明の第１３番目の観点に従って，
プラズマ拡散出口を有するプラズマ発生室と；
該プラズマ拡散出口に対抗して配置された，被処理物を収容した処理室と；
該プラズマ発生室の該プラズマ拡散出口と，該処理室内の被処理物との間に配置された，２つの電極と；
該２つの電極の電位を制御する電位制御装置であって，該電位制御装置は，
該プラズマ発生室内で発生されたプラズマを拡散により該プラ ズマ発生室の外に配置した２つの電極の間の空間に移動させる拡 散工程においては，該２つの電極の電位は，等電位になるように， 制御し；
該プラズマ発生室の外に拡散し，該２つの電極間の空間に移動 した該プラズマに，プラズマ中の電子はプラズマ発生室の方向に 戻し，該プラズマ中のイオンは処理室の方向に引き出すイオン引 き出し工程においては，該イオン引き出し工程が実施され得るよ うな電界が該２つの電極間の空間に形成されるように，該２つの 電極にパルス状に異なる電圧を印加し；及び
該引き出されたイオンを処理室に収容された被処理物に向ける イオン流れ形成工程においては，該引き出されたイオンが該プラ ズマ中に再度引き戻される作用を及ぼす電界が生じないように， 該電極の電位を制御する，
ことを特徴とする，プラズマ発生室内で発生されたプラズマからイオンを引き出し，該イオンの流を形成する，ことを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
【００３３】
本願発明の第１４番目の観点に従って，上記第１３の観点に従ったイオン流形成装置において，該プラズマの発生と，該プラズマの拡散と，イオンの引き出しと，及びイオン流れ形成とが順に反復されることを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
【００３４】
本願発明の第１６番目の観点に従って，上記第１４及び１５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成装置において，
該拡散工程と，該イオン引き出し工程の間に，該拡散工程よりはるかに短い時間の工程を含み，
該短い時間の工程では，イオンを制御対象として第１電極に，該イオン引き出し工程とは逆方向の電界を生じるようにバイアスが印加される，ことを特徴とする装置が提供される。
【００３５】
本願発明の第１７番目の観点に従って，上記第１３の観点に従ったイオン流形成装置において，
該電位制御装置は，該二つの電極に加えて，プラズマ発生室，及び処理室の電位をも制御することを特徴とする，イオン流形成装置が提供される。
【００３６】
本願発明の第１８番目の観点に従って，上記第１３の観点に従ったイオン流形成装置において，
該被処理物を収容した処理室は，
該電極と被処理物との間に，イオンの流れを分散させるための電極を備える，ことを特徴とする，イオン流形成装置が提供される。
【００３７】
本願発明の第１９番目の観点に従って，上記第１８の観点に従ったイオン流形成装置において，該イオン流は，イオンインプランテーション以外の処理のために使用される，ことを特徴とする，イオン流形成装置が提供される。
【００３８】
本願発明の第２１番目の観点に従って，上記第１３の観点に従ったイオン流形成装置において，
該電極ｓは，荷電粒子が通過する開口部に近付く程その厚さが薄くされている，ことを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
【００３９】
本願発明の第２２番目の観点に従って，上記第１３の観点に従ったイオン流形成装置において，
該イオン流れ形成工程は，該イオンに所定の質量とは異なる質量を有するイオンが含まれる場合においては，イオン加速時間／プラズマ拡散時間のパルス比を変更せずに周期を周波数変調及び振幅変調のいずれか一つで変更することにより，該異なる質量のイオンも引出す，ことを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
本願発明の第２３番目の観点に従って，上記第１，１４，及び１５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成装置において，該処理室に収容される被処理物はシリコンウエハである，ことを特徴とするイオン流形成装置が提供される。 本願発明の第２４番目の観点に従って，上記第１１，１４，及び１５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成装置において，該処理室に収容される被処理物は回路パターンが形成されたシリコンウエハである，ことを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
【００４０】
本願発明の第２５番目の観点に従って，上記第１１，１４，及び１５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成装置において，該プラズマ発生室は，電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発生する機構を備た，ことを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
【００４１】
本願発明の第２６番目の観点に従って，上記第１１，１４，及び１５のいずれか一つの観点に従ったイオン流形成装置において，
該プラズマ発生室は，電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発生する機構を備え，
イオン引き出しにおいては，ＥＣＲプラズマ形成用のマイクル波の導入及び外部磁場の印加の少なくとも一つ遮断することを特徴とするイオン流形成装置が提供される。
【００４２】
【発明の実施の形態】
従来のプラズマ処理装置において，プラズマ発生室で形成されたプラズマを処理室に導入することによる，上述した課題を解決するために，本発明においては，プラズマ発生室で形成されたプラズマ中のイオンは，後述されるイオン流形成装置により，引き出され，該イオンは処理室に導入され，被処理物に向けられる。さらに，本願発明においては，上記イオン流形成装置により，プラズマ中の電子はイオンとは逆の方向に戻され，すなわちプラズマ発生室に戻され，プラズマ発生室でのプラズマの発生効率は向上される。
【００４３】
図１を参照して，本願発明のイオン流形成方法及び装置におけるイオン流形成機構を説明する。
プラズマ室２０２はプラズマ発生機構（図には示されていない）と，該プラズマ発生機構により発生されたプラズマが室外に両極性拡散（イオン，電子及びラジカルが共存された状態での拡散）するためのプラズマ拡散出口２０３を備えている。
【００４４】
プラズマ室２０２に対する位置に，イオン導入口２０５を備えた処理室２０４が設置される。この処理室内には，被処理物が収容されている。
【００４５】
これらプラズマ室２０２と処理室２０４の間に，荷電粒子が通過し得る２つの電極（第１電極２０６，第２電極２０８）が設置される。これらの電極は，荷電粒子が通過し得る電極であればいずれの構造の電極でも採用されうる。例えば，第１電極２０６として図示された電極のように，その中央部に ａ開口を有する電極や，第２電極２０８として図示された電極のように，多数の小開口を有する電極が採用されうる。
【００４６】
これらの第１及び第２電極２０６，２０８には，制御装置２０９による制御の下で，電圧源２１８から電圧が印加される。この電圧源２１８と制御装置２０９とにより電位制御装置が構成される。プラズマ発生室と処理室の外壁面を該電圧源２１８に接続し，制御装置２０９により，これらプラズマ発生室と処理室の外壁面の電位も制御することも可能である。これらプラズマ室２０２，第１電極２０６，第２電極２０８，処理室２０４の配置は，一例であって，他の配置も採用されることができる。例えば，プラズマ室２０２のプラズマ拡散出口２０３と処理室２０４のイオン導入口２０５とを接近又は密着させ，第１電極２０６及び第２電極２０８は処理室２０４の内に設置されることもできる。
【００４７】
図１に示されたイオン流形成機構では，下記のステップ（ａ）〜（ｄ）が繰り返し実施される。
【００４８】
ステップ（ａ）では，プラズマ発生室２０２にプラズマが形成される。プラズマ発生室２０２はプラズマ発生用のガス（図６のガスＢ）が導入され，上記されたプラズマ発生機構により該ガスのプラズマが形成される。このプラズマ発生機構は，前述されたように，高周波電力を使用する方式，マイクロ波を使用する方式，電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を使用する方式など，プラズマを発生するためのいずれの方式も採用され得る。このプラズマ発生工程においては，プラズマ発生室２０２，第１電極２０６，第２電極２０８の各電圧は，同電位とされ得る。これにより，プラズマ発生室内に形成されるプラズマは，プラズマ拡散口に向かって両極性拡散する。
【００４９】
ステップ（ｂ）では，プラズマ発生室２０２内に形成されたプラズマが拡散する。該プラズマは，プラズマ拡散口２０３を出て，該プラズマ発生室２０２と該第１電極２０６との間の空間にゆっくりと拡散し，次いで第１電極２０６と第２電極２０８との間の空間に拡散する。この拡散のために，上記両空間は電界が形成されていない環境とされるのが好ましい。このために，プラズマ発生室２０２，第１電極２０６，第２電極２０８及び処理室２０４は同電位（例．接地電位）とされる。プラズマ発生室２０２内に形成されたプラズマは，イオン，電子及びラジカルを含んでいるが，該プラズマは，これらイオン，電子及びラジカルが共存した状態で分子拡散（両極性拡散）する。
【００５０】
次のステップ（ｃ）で，プラズマからイオンを効率良く引出すために，該プラズマは上記空間内に十分拡散されることが重要である。このためには，該プラズマ中のイオンと電子が再結合せず一種のアフターグローが継続する程度の拡散時間が確保されることが必要である。この拡散時間（Ｔｏ ）は，実験により設定することもできるが，係数を無視して下記の式により概算することも可能である。
Ｔｏ ＝Ｌｏ ／ｖ （１）
ｖ２ ＝ｋＴｉ ／ｍｉ （２）
ここで、 Ｔｏ …拡散時間
Ｌｏ …イオンの電極間への進入距離
ｖ …熱速度
Ｔｉ …イオン温度
ｋ …Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ 定数
ｍｉ …イオンの質量
ステップ（ｃ）では，該プラズマからイオンが引き出される。上記両グリツド電極間に到達したプラズマ中のイオンは，その電荷により電子と引きつけ合い，電子とは分かれにくい傾向を持つ。イオンは電子を引きずりながら移動しようとする。従って，熱エネルギ−による拡散によって上記両電極間の空間に「迷い込んだ」プラズマ中のイオンが，載置台に印加されるバイアス電位により加速され，処理室に引き出される効率は低く，プラズマからイオンが効率良く引き出されることは難しい。以上の状況は，金属から電子を引き出す際には仕事関数の値だけ余計にエネルギーを必要とするという状況と類似しているものと考えられる。
【００５１】
本発明は，このプラズマから，イオンを効率良く引出すために，上記両電極間にパルス状に電界を形成する。このため，電圧源２１８から，第１電極２０６と第２電極２０８には，図２に示されるような大きさの，パルス制御されたイオン引き出し用電圧が供給される。ここで，Ｖｃ ，Ｖ１ ，Ｖ２ ，Ｖｓ は，図１に示すように，プラズマ発生室，第１電極，第２電極，及び処理室の各々に印加されるパルス制御された電位である。また，Ｚｃ は引き出し口の位置（チャンバ−（ｃｈａｍｂｅｒ） ），Ｚ１ 及びＺ２ は電極１及び電極２の位置，Ｚｓ はウエハ（基板）の位置である。図２において，（Ｚｃ，Ｖｃ），（Ｚ１，Ｖ１ ） ，（Ｚ２，Ｖ２ ） 及び（Ｚｓ，Ｖｃ）を辿るケース１においては（Ｖｃ ＝Ｖｓ ），イオン加速時間は短すぎても長すぎてもよくない。（Ｚｃ，Ｖｃ），（Ｚ１，Ｖ１ ） ，（Ｚ２，Ｖ２ ） 及び（Ｚｓ，Ｖ２ ） を辿るケース２においては（Ｖ２ ＝Ｖｓ ），加速時間は長すぎても問題はない。これらのイオン引き出し用電圧が各部に供給されることにより，イオンは第２電極２０８の方に引きつけられ，電子は第１電極２０６の方に引きつけられる力が作用するような電界が両電極間に形成される。パルス状に制御されたこれら電圧により，瞬間的に形成された該電界の作用により，該プラズマ中のイオンと電子は，容易かつ効率的に引き離されイオンは第２電極に向け加速され，該第２電極を通過して処理室２０４のイオン導入口に導かれる。
【００５２】
すなわち，イオンを引き出す箇所に継続的に一定の電位勾配をかけ続けた場合，以下の問題点がある。自由運動を経て電極上に達したイオンは，ある程度引き出しの為の力を受け始める。従ってイオンは電子に引きずられるような逆方向の力をも受ける。このために，この場合には，イオンはなかなか引き出せないこととなる。本発明は，電極間で以下のような操作を反復することにより，この課題を解決する。
【００５３】
１）両極性拡散（熱的拡散）：電位勾配なし
２）電化分離（イオン加速）：電位勾配つき
電極間に導入されたプラズマからイオンのみが効率的に荷電分離される。
【００５４】
一方，プラズマ中の電子群は，第１電極とプラズマ発生室との間の空間において，両端の電極に印加された電圧（Ｖｃ ，Ｖ１）により形成された電界の作用により，拡大分散することなくプラズマ拡散出口２０３に追い返される。従って，電子はプラズマ発生室のプラズマ拡散出口の縁に衝突することなく，プラズマ発生室内に追い返される。電子がプラズマ発生室内に追い返される結果，プラズマ発生室内の電子密度は高くなり，プラズマ発生機構によりプラズマが発生される効率が向上する。また，この電子密度が高くなることから，プラズマ発生室の電位（Ｖｃ）は変化する。しかし，第１電極２０６に印加された正電位（Ｖ１ ）による電子が戻される効果自体は大きく変化しない。
【００５５】
ステップ（ｄ）では，処理室２０４のイオン導入口に導かれたイオンが被処理物に入射せしめられる。ステップ（ｃ）において，プラズマから引出され，第２電極に向けて加速されたイオンは，第２電極を通過し，処理室２０４のイオン導入口２０５に向かう。イオンが第２電極からイオン導入口２０５に向かう期間，第２電極２０８の電位Ｖ２ と処理室（及び被処理物）の電位Ｖｓが図２に示されたレベルに維持されると，このＶ２ とＶｓ により形成される電界の作用により，第２電極２０８を通過したイオンは，減速される。従って，イオンが最高速度近辺に達した時点（例．該イオンの集団が第２電極を通過した直後の時点）で，上記電界を消すか，該イオンをイオン流導入口に加速する方向の電界を形成することが必要である。少なくとも電圧Ｖ２ とＶｓを同電位にすることで，上記電界は消されることができるが，他の電圧Ｖｃ，Ｖ１ からの影響も無くす観点からは，これら全部位の電圧Ｖｃ，Ｖ１ ，Ｖ２ 及びＶｓを同電位にすることが好ましい。また，該イオンをイオン導入口に加速する方向の電界を形成するために，電圧Ｖ２ はＶｓよりも高い電位とすることができる。
【００５６】
このように，上記電界を消すか，逆の方向の電界を形成することにより，イオンは電界による減速を受けることなく，被処理物に入射される。この過程で，或いは電子のエネルギー分布の高いェネルギー成分が電極によって形成されるポテンシャル障壁を越えることによって，被処理物の表面に電子がある程度チャージアップしても，後に入射されるイオンにより，該電子は中和される。イオンのみが選択的にウェハに入射されることから，電子によってイオンの入射方向が乱されることはない。また，入射されるイオンが電子と再結合して消滅することがなく，イオン密度が増加するためウェハを均−に処理することができる。
【００５７】
ここで，上記工程（ａ）乃至（ｄ）を，さらに詳細に説明する。
【００５８】
上記ステップ（ａ）において，上記プラズマ発生機構は，プラズマを発生させる機構のいずれの機構も採用され得る。例えば，高周波プラズマ発生機構，容量結合型プラズマ発生機構，平行平板型プラズマ発生機構，誘導結合型プラズマ発生機構，マイクロ波プラズマ発生機構，ＥＣＲプラズマ発生機構など，も採用され得るが，特に図６が参照されて説明されたＥＣＲプラズマ発生機構は，好ましい機構の一つである。
【００５９】
上記ステップ（ｂ）において，充分にプラズマが生成された状態で，マイクロ波などの導入を中止する（磁場印加を中止する）ことにより，自由な状態で該プラズマを拡散させることもできる。
【００６０】
上記ステップ（ｃ）において，プラズマからイオンが引出される間，プラズマ発生用のマイクロ波などがプラズマ発生室に導入されない（例．磁場印加を中止する）ようにすることもできる。
【００６１】
上記工程（ｂ）の拡散による移動時間と，工程（ｃ）の電界加速のための時間の２種類の時間の比は，イオンの質量に依存せず，イオン温度（熱速度）とバイアス電圧のみによって決定される。従って，任意のイオンに関して，イオン温度とバイアス電圧による同一のパラメータにより，パルス状バイアス電圧の時間比を決定できる。このため，パルス状のバイアス電圧の制御方法が簡単化される。従って，異なる質量のイオンが混合している場合には，波形を変えずに周波数及び／又は振幅を変調させる制御を行うこともできる。重いイオンに対しては大振幅長周期の変調中の瞬間が有効となる。
【００６２】
上記ステップ（ｄ）において，第２電極２０８又は処理室（被処理物）のどちらかに，負の電位が印加されることができる。第２電極２０８に負の電位が印加される場合，ここから被処理物までのイオンの運動を，第三の電極１１０（図３参照）により制御して，イオンの被処理物への入射方向を変更することができる。被処理物に負の電位を印加する場合，電極間で加速されたイオンは何回か互いに衝突する圧力領域を採用する場合が多い。しかし，電子は分離されているため，再結合は殆ど生じない。起きても荷電変換程度である。第三の電極１１０にバイアス電圧を印加する場合，電界加速のない状態を基礎としないと，そのバイアス電位が設定され難い。
【００６３】
上記ステップ（ｄ）において，イオンの入射方向を分散させる為の電極構造として，異なった電位を有する２種類の針状電極３０６を，図４に示されるように，交互に配置することもできる。ここで白丸○の針状電極は定電位を保持するための電極であり，黒丸●の針状電極はイオンを引きつける為の電極である。イオンを引きつける工程では，電極電位は負電位に固定する。こうすれば電極表面のイオン引き付け効果は弱まらない。それは負電荷を持つ電子が，負電位の電極と反発するためである。一方，イオンを跳ね返す工程では電極は正電位に保たれる。この場合，イオンと電極は反発し合うので，イオンによる電極のスパッタエッチングは少ない。
【００６４】
この電極構造の例としては，Ｂ−Ｃ 間の電極は紙面の前後方向にイオン軌道を振るための電極とし，ｃ−Ｄ 間の電極は紙面上の左右の方向にイオン軌道を振るための電極とされることができる。各電極の電位は，Ｖ１ ＝Ｖｃ （ｃ＝ｃｈａｍｂｅｒ），Ｖ２ ＝Ｖｓ （ｓ＝ｓｕｂｓｔｒａｔｅ），○＝Ｖ２ ，●＝Ｖ３ ，Ｖ１ 〉Ｖ２ 〉Ｖ３ とされることができる。また，Ｖ２ 〈Ｖ３ とされることもできる。
【００６５】
また，電子は処理室に侵入することなく，プラズマ発生室に追い返され，プラズマ発生室の電子密度は高められるから，プラズマ発生室内での電離度が増加し，プラズマの生成効率が高められる。
【００６６】
上記工程（ａ）乃至（ｄ）は，所定時間間隔で反復される。この反復時間は，拡散領域内に電子，イオンを伴ったプラズマが十分に拡散する時間と，拡散領域内のイオンのみを選択的に効率よく引き出すことができる時間とから算出され，設定される。そして，例えばイオン引き出し工程（ｃ）の時間がプラズマ拡散工程の時間よりも相対的に短く設定されることにより，拡散領域内に電子，イオンを伴ったプラズマが所望の状態で拡散され，かつ効率よくイオンが第２電極２０８の方向に引き出される。
【００６７】
パルス状制御を止め，イオン引き出し工程の時間をプラズマ拡散工程の時間と同程度にとると処理時間が約２倍になるという欠点が生ずる。
【００６８】
第１電極と第２電極の間にイオン引き出し用の電位が印加され，プラズマ中よりイオンが引き出されるに要する時間（Ｔ１ ） は，下記の式で求められる。
【００６９】
Ｔ１ ２ ＝２Ｌｇ ／ａ （３）
ａ＝（ｅ／ｍｉ ）（Ｖ／Ｌｇ ） （ただし，Ｌｏ 〈Ｌｇ ）（４）
ここで，Ｔ１ …プラズマ中よりイオンが引き出されるに要する時間
Ｌｇ …電極間距離
ａ…イオンの加速度
ｅ…素電荷（１．６×１０−１９ （ｃ） ）
ｍｉ…イオンの質量
Ｖ…バイアス（加速）電圧
プラズマの拡散時間（Ｔ０ ）とプラズマ中よりイオンが引き出されるに要する時間（Ｔ１ ）との時間比（相対的パルス幅）は，下記の式で求められる。
【００７０】
Ｍｉ …イオンの質量
ｅ …素電荷
Ｖ …バイアス（加速）電圧
ｋ …Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ 定数
Ｌｏ …イオンの電極間への進入距離
Ｔｉ …イオン温度
第１電極２０６と第２電極２０８間に印加されるパルス制御されたイオン引き出し電圧の相対的パルス幅の下限値は，イオンの質量には，依存しない。実施のパルス幅の設定に当たっては，どの程度までイオンを電極間に進入させるのかという判断に従って係数Ｌｇ ／Ｌｏ の値を変化させれば良い。以上の２種類の距離Ｌｇ ，Ｌｏ をはっきりと区別すればパルス幅は範囲を持ったものとして導出される。パルス幅の周波数の下限は電極間距離などにもよるが，おおよそ３〜１０ＫＨｚ となる。従って，１００ＫＨｚ程度の値に設定しても，この値は特に大きすぎることはない。
【００７１】
イオン引き出し用バイアスＶと，”電界加速のための時間（Ｔ１ ）／熱拡散による移動時間（Ｔｏ）“の比の数値例を下記に示す。
【００７２】
【表１】
以上のように，本発明に関わるイオン流形成機構の一つの実施の形態が説明された。次に，他の実施の形態として，このイオン流形成機構が採用されたプラズマ処理装置が説明される。このイオン流形成機構は，種々の形式のプラズマ処理装置，種々の被処理物を処理するプラズマ処理装置に採用されることができる。ここでは，典型的な実施の形態として，半導体ウエハ上に薄膜を形成するための，ＥＣＲプラズマ薄膜形成装置を説明する。
図５を参照して，同図に示されたＥＣＲプラズマ薄膜形成装置は，その処理室２０４内に，図１に示されたような第１電極２０６と第２電極２０８が設置され，これらの電極には制御装置により制御される電源（図５には示されていない）が接続される。さらに，該電源はプラズマ発生室と処理室にも接続され，これら両室に所定の電圧を印加することもできる。このＥＣＲプラズマ薄膜形成装置は，これら電極，制御装置，及び電源以外は，基本的に図６に示された装置と略同一の構成となっている。
【００７４】
制御装置による制御の下で，電源から第１電極２０６と第２電極２０８（さらには，プラズマ発生室と処理室）への電圧は，制御装置により，同期して供給される。
【００７５】
プラズマ処理時には，図１で説明されたと同様の下記のステップが実施される。
【００７６】
ステップ（ａ）では，プラズマ発生室２０２にプラズマが形成される。
【００７７】
ステップ（ｂ）では，プラズマ発生室２０２内に形成されたプラズマが拡散する。制御装置によって，第１電極２０６，及び第２電極２０８には，電圧は印加されない。これらの電極間には電界が無く，プラズマはが両極性拡散する環境が形成される。この環境は，プラズマが両電極間に充分に拡散する時間，維持される。
【００７８】
ステップ（ｃ）では，該プラズマからイオンが引き出される。ステップ（ｂ）で，両電極間にプラズマが充分に拡散した後，第１グリット電極２０６と第２電極２０８とに，プラズマからイオンを引出すための電圧が印加される。その結果，該プラズマから引出されたイオンは第２電極２０８の方に加速され，電子は第１電極２０６の方に戻される。
【００７９】
ステップ（ｄ）では，処理室２０４のイオン導入口に導かれたイオンが被処理物に入射せしめられる。該プラズマから引出され，第２電極２０８の方に加速されたイオンは，プラズマ室の壁と処理対象物の電位が同一にされた場合には，第２電極を通過した後，第２電極により形成された電界の作用で，第２電極の方に引き戻される方向の作用を受ける。この作用を無くするために，イオンの集団が第２グリッド電極を通過した後，第１電極２０６及び第２電極２０８への電圧の印加を中止することができる。
【００８０】
上記（ａ）〜（ｄ）の工程により，処理室へはイオンのみが導入されるから，処理室内での薄膜形成，エッチングなどの処理は，イオンの振る舞いのみに注目して制御されれば良く，該制御は正確に実行されることができる。薄膜形成においては，入射イオン密度を高くするために，基板に不要に大きなバイアスを掛ける必要がなくなる。
【００８１】
この実施の形態においては，イオンを被処理物に導く為に，さらに第３電極 （図には示されていない）が設けられる得る。イオンは第３電極を通過した後，該第３電極には，該電源からイオンを被処理物に向かわせる作用を生じるような電圧が印加される。
【００８２】
また，イオンの流れ方向を分散させる為の電極構造として，図４に示されるような，異なった電位を有する２種類の針状電極３０６を，交互に配置することもできる。
【００８３】
本発明にかかわるイオン流形成機構が採用された結果，上記実施の形態におけるＥＣＲプラズマ薄膜形成装置では，プラズマ中のイオンと電子を効果的に分離でき，プラズマから効率よくイオンは引き出され，高密度のイオンは所望の入射角度で被処理物に入射される。
【００８４】
また，プラズマから分離された電子は再びプラズマ発生室内に戻されるため，プラズマ発生室２０２にはさらに多くの電子が供給され，高密度プラズマを発生させることができる。プラズマ拡散工程（ｂ）に対して，イオン引き出し工程 （ｄ）を相対的に短時間でパルス的に処理することができるため，必要とする量のイオンが短期間に確保されることができ，なめらかな波形による制御と比較して，スループットは向上されることができる。
【００８５】
プラズマ処理室内に配置された被処理物は，高密度のイオンのみにより所望の均−な処理を施されることができる。イオンはウエハー上の溝や穴のようなパターンの肩を削り，堆積速度を向上させる働きする。処理室内に導入されたプラズマ中のラジカルは電界の影響を受けずに拡散されつづける。該ラジカルは，イオンによって活性化された被処理物の表面上に比較的ゆっくりと付着していく。電極電位制御の１周期の処理によって被処理物の表面上に処理ガス成分が堆積する量は１０原子層未満であり，多くて数原子層である。表面反応確率，すなわち付着係数が小さい場合には，１原子層以下の場合も充分に想定される。すなわち，大部分の粒子がイオンによって活性化された面上に到達する現象が想定される。このため，被処理物の表面上に処理ガス成分が付着する率がイオンによって充分に向上される。従って，被処理物の表面上に効率良く薄膜が形成される。
【００８６】
以上，本発明の好適な実施の形態について，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。
【００８７】
例えば，上記実施の形態において，パルス制御されたイオン引き出し用電圧とイオン加速用電圧が使用されたが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，例えば半波整流された交流電力を用いても本発明は実施可能である。従って，本発明において，プラズマからイオンを引出すために印加するパルス状の電界は，矩形的にパルス状の電界が好ましいが，これにかぎられるものではない。矩形状でなくとも，所定の期間中継続する電圧であればよく，半波整流された交流電力により形成される電界などでもよい。
【００８８】
さらに，上記実施の形態において，半導体ウェハの表面に薄膜を形成するＥＣＲプラズマ薄膜形成装置が説明された。本発明はかかる実施の形態にに限定されるものではなく，例えば，プラズマエッチング装置，プラズマスパッタ装置やイオン注入装置などの各種のプラズマ処理装置に適用されることができる。また，被処理物に関しても，シリコンウエハに限らず，ＬＣＤ用ガラス基板などの電子部品なども処理されることもできる。
【００８９】
さらなる特徴及び変更は，当該技術分野の当業者には着想されるところである。それゆえに，本発明はより広い観点に立つものであり，特定の詳細な及びここに開示された代表的な実施例に限定されるものではない。したがって，添付されたクレームに定義された広い発明概念及びその均等物の解釈と範囲において，そこから離れることなく，種々の変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関するイオン流形成装置を示した概略的な説明図である。
【図２】図１に示したイオン流形成装置において，イオン引き出し工程において各電極等に印加する電圧を示した図である。
【図３】図１に示したイオン流形成装置に，さらに第３電極が配置された装置の概略的な説明図である。
【図４】図１に示したイオン流形成装置に，さらにイオンを分散させる装置が配置された装置の概略的な説明図である。
【図５】図１に示したイオン流形成機構が適用されたＥＣＲプラズマ薄膜形成装置の概略的な説明図である。
【図６】関連技術としての，ＥＣＲプラズマ薄膜形成装置の概略的な説明図である。
【符号の説明】
１０２…処理容器， １０４…載置台， １０８…冷却装置，
１１０…ヒータ，１１６…高周波電源，１１４…マッチング回路，
１２０…排気管，１２４…導入管，１２８…磁気コイル，１３０…導波管
１３２…絶縁壁，１３４…プラズマ波発生室
２０２…プラズマ発生室，２０３…プラズマ拡散出口，２０４…処理室，
２０５…イオ 導入口，２０６…第１電極，２０８…第２電極，
２０９…制御装置，２１８…電圧源， ３０６…針状電極
Claims (24)
- (a)プラズマ拡散出口を有するプラズマ発生室内にプラズマを発生させる工程と；
(b)該プラズマ発生室内で発生されたプラズマを拡散により、プラズマ発生室の外に配置した２つの電極の間の空間に移動させる拡散工程と；
(c)該プラズマ発生室の外に移動した該プラズマに，プラズマ中の電子はプラズマ拡散出口の方向に戻し，該プラズマ中のイオンはその逆の方向に引き出す作用を及ぼす向きの電界を前記両工程に比して短時間印加する，イオン引き出し工程と；及び
(d)該引き出されたイオンを被処理物に向けるイオン流形成工程と，
を具備することを特徴とする，プラズマ発生室内で発生されたプラズマからイオンを引き出し，該イオンの流を形成するイオン流形成方法。 - 請求項１に記載されたイオン流形成方法において，
前記工程(a) 乃至(d) が，この順序で反復して実施されることを特徴とする，イオン流形成方法。 - 請求項１に記載されたイオン流形成方法において，
前記工程(a)が，常時実施されることを特徴とする，イオン流形成方法。 - 請求項１に記載されたイオン流形成方法において，
前記イオン引き出し工程(c) は，該プラズマ発生室のプラズマ拡散出口に設置された，２つの電極に異なる電圧を印加することにより実施されることを特徴とする，イオン流形成方法。 - 請求項４に記載されたイオン流形成方法において，
前記イオン引き出し工程(c)は，該プラズマ発生室のプラズマ拡散出口に設置された，２つの電極に異なる電圧をパルス状に印加することにより実施され，
前記イオン流形成工程(d)は，該イオンが前記２つの電極間の空間から引き出された後で，前記２つの電極への前記電圧の印加を停止することにより実施される，ことを特徴とするイオン流形成方法。 - 請求項１及び３のいずれか一つ記載されたイオン流形成方法において，前記工程(b)と前記工程(c)との間に，前記工程(c)よりはるかに短い時間の工程（ｅ）を含み，
前記工程（ｅ）では，イオンを制御対象として第１電極に，前記工程（ｃ）とは逆方向の電界が生じるようにバイアスが印加される，ことを特徴とする方法。 - 請求項５に記載されたイオン流形成方法において，
前記イオン流形成工程(d)は，さらに，前記２つの電極と被処理物との間に設置された第３の電極に，イオン加速用の電圧及びイオンビーム収束用の電圧の内の少なくとも一つを印加することにより実施される，ことを特徴とするイオン流形成方法。 - 請求項４に記載されたイオン流形成方法において，
前記イオン流形成工程(d)は，該イオンが前記２つの電極から被処理物に至る経路において，該イオンの流れを分散する工程，を備えていることを特徴とするイオン流形成方法。 - 請求項８に記載されたイオン流形成方法において，
前記工程(c)は，該イオンに所定の質量とは異なる質量を有するイオンが含まれる場合においては，イオン加速時間／プラズマ拡散時間のパルス比を変更せずに周期を周波数変調及び振幅変調のいずれか一つで変更することにより，前記異なる質量のイオンも引出す，ことを特徴とするイオン流形成方法。 - 請求項１，４，及び５のいずれか一つに記載されたイオン流形成方法において，イオン流形成工程(d) において，該引き出されたイオンが向けられる被処理物は回路パターンが形成されたシリコンウエハである，
ことを特徴とするイオン流形成方法。 - 請求項１，４，及び５のいずれか一つに記載されたイオン流形成方法において，プラズマを発生させる工程(a) は，電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発生する工程である，
ことを特徴とするイオン流形成方法。 - 請求項１１に記載されたイオン流形成方法において，
該イオン引き出し工程(c)においては，ＥＣＲプラズマ形成用のマイクロ波の導入及び外部磁場の少なくとも一つを遮断する，ことを特徴とするイオン流形成方法。 - プラズマ拡散出口を有するプラズマ発生室と；
該プラズマ拡散出口に対抗して配置された，被処理物を収容した処理室と；
該プラズマ発生室の該プラズマ拡散出口と，該処理室内の被処理物との間に配置された，２つの電極と；
前記２つの電極の電位を制御する電位制御装置であって，該電位制御装置は，
該プラズマ発生室内で発生されたプラズマを拡散により該プラズ マ発性室の外に配置した２つの電極の間の空間に移動させる拡散工 程においては，該２つの電極の電位は，等電位になるように，制御 し；
該プラズマ発生室の外に拡散し，前記２つの電極間の空間に移動 した該プラズマに，プラズマ中の電子はプラズマ発生室の方向に戻 し，該プラズマ中のイオンは処理室の方向に引き出すイオン引き出 し工程においては，該イオン引き出し工程が実施され得るような電 界が前記２つの電極間の空間に形成されるように，前記２つの電極 にパルス状に異なる電圧を印加し；及び
該引き出されたイオンを処理室に収容された被処理物に向けるイ オン流れ形成工程においては，該引き出されたイオンが前記プラズ マ中に再度引き戻される作用を及ぼす電界が生じないように，該二 つの電極の電位を制御する，
ことを特徴とする，プラズマ発生室内で発生されたプラズマからイオンを引き出し，該イオンの流を形成する，ことを特徴とするイオン流形成装置。 - 請求項１３に記載されたイオン流形成装置において，
該プラズマの発生と，該プラズマの拡散と，イオンの引き出しと，及びイオン流れ形成とが，順に反復されることを特徴とするイオン流形成装置。 - 請求項１４に記載されたイオン流形成装置において，
前記拡散工程と，前記イオン引き出し工程の間に，前記拡散工程よりはるかに短い時間の工程を含み，
前記短い時間の工程では，イオンを制御対象として第１電極に，前記イオン引き出し工程とは逆方向の電界を生じるようにバイアスが印加される，ことを特徴とする装置。 - 請求項１３に記載されたイオン流形成装置において，
前記電位制御装置は，前記２つの電極に加えて，プラズマ発生室，及び処理室の電位をも制御することを特徴とする，イオン流形成装置。 - 請求項１３に記載されたイオン流形成装置において，
前記被処理物を収容した処理室は，
前記電極と被処理物との間に，イオンの流れを分散させるための電極を備える，ことを特徴とする，イオン流形成装置。 - 請求項１７に記載されたイオン流形成装置において，
前記イオン流は，イオンインプランテーション以外の処理のために使用される，ことを特徴とする，イオン流形成装置。 - 請求項１３に記載されたイオン流形成装置において、前記電極は、荷電粒子が通過する開口部に近づく程その厚さが薄くされている、ことを特徴とするイオン流形成装置。
- 請求項１３に記載されたイオン流形成装置において，
前記イオン流れ形成工程は，該イオンに所定の質量とは異なる質量を有するイオンが含まれる場合においては，イオン加速時間／プラズマ拡散時間のパルス比を変更せずに周期を周波数変調及び振幅変調のいずれか一つで変更することにより，前記異なる質量のイオンも引出す，ことを特徴とするイオン流形成装置。 - 請求項１１及び１４のいずれか一つに記載されたイオン流形成装置において，前記処理室に収容される被処理物はシリコンウエハである，ことを特徴とするイオン流形成装置。
- 請求項１１及び１４のいずれか一つに記載されたイオン流形成装置において，前記処理室に収容される被処理物は回路パターンが形成されたシリコンウエハである，ことを特徴とするイオン流形成装置。
- 請求項１１及び１４のいずれか一つに記載されたイオン流形成装置において，前記プラズマ発生室は，電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発生する機構を備えた，ことを特徴とするイオン流形成装置。
- 請求項１１及び１４のいずれか一つに記載されたイオン流形成装置において，
前記プラズマ発生室は，電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発生する機構を備え，
イオン引き出しにおいては，ＥＣＲプラズマ形成用のマイクロ波の導入及び外部磁場の印加の少なくとも一つ遮断することを特徴とするイオン流形成装置。
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