JP3948857B2 - ビーム源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度プラズマから高指向性で且つ高密度のイオンビーム又は中性粒子ビーム等を発生するビーム源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路、ハードディスク等の情報記憶媒体、或いはマイクロマシーン等の分野において、その加工パターンが著しく微細化されている。係る分野の加工においては、成膜又はエッチングなどの加工技術に、直進性が高く（高指向性であり）、且つ比較的大口径で高密度の中性粒子ビーム又はイオンビーム等のエネルギービームの照射が要請されている。係る用途に適したビーム源として、既に本発明者等により以下の構成のビーム源が開示されている。
【０００３】
第１に、放電管内にガスを供給するガス供給ノズルを上流側に備え、放電管の下流側に複数のビーム放出孔を有するビーム放出電極を備え、放電管内に複数の電極を備えたビーム源である。そして、これらの電極に印加する電圧の種類が、高周波電圧、直流電圧、アース電圧の組合せ、及び放電管内に導入されるガスの種類を変化させることで、正イオン、負イオン、中性粒子、ラジカル粒子等の異なったエネルギー状態のビームを生成するものである。係る構成のビーム源によれば、比較的小型でマニュピレータ等に載置して、任意の照射部位にビームを照射して、被照射物上の局所の成膜、エッチング、接合、接着などの加工を行うことができる。
【０００４】
第２に、同様に円筒形の放電管の上流側にガス導入ノズルと、下流側に複数のビーム放出孔を有するビーム放出電極（陰極電極）とを備え、放電管内の上流側に陽極電極を配置し、その陽極電極と陰極電極間に直流電圧を印加する機構と、放電管内の両電極間のガスをプラズマ化する誘導結合型プラズマ発生機構とを備えたビーム源である。係る構成の中性粒子ビーム源によれば、誘導結合型高周波プラズマ発生機構によって、放電管内に導入されたガスから高密度プラズマが生成され、２枚の平行平板状電極によってプラズマ中の正イオンを陰極電極側に加速し、下流側の陰極電極の高速原子放出孔中で電荷交換を行い、中性粒子ビームを放出するものである。
【０００５】
この中性粒子ビーム源によれば、上述した直流放電型のビーム源と異なり、プラズマ生成部と加速電圧部とを備えているので、低エネルギーで且つ高密度プラズマの発生が可能である。そして２枚の電極間に任意に印加する電圧は、低電圧から高電圧まで印加可能であるため、低エネルギーから高エネルギーまでの任意のエネルギーレベルの中性粒子ビームを発生することができる。そして、陰極及び陽極が平行平板型であるため、指向性（直進性）が高く、高速原子放出孔中での孔の長さのコントロールにより比較的中性化率の高い中性粒子ビームを発生することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高密度プラズマを形成し、そのプラズマから効率よく、高指向性で且つ高密度のイオンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギービームを取り出すビーム源としては、上述したビーム源は必ずしも十分なものではなかった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、効率よく、指向性が高く、比較的大口径で且つ高密度のエネルギービームを発生することができるビーム源を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のビーム源は、放電管内にガスを導入するガス導入ポートと、該ガス導入ポートの下流側の前記放電管内に配置された３枚の電極を備え、上流側の電極は前記ガスを流通させる多数の開口を有した電極であり、中間の電極は厚さが１ｍｍ以下、メッシュ孔のアスペクト比が１以下、開口率が８５％以下のメッシュ状の電極であり、下流側の電極は多数のビーム放出孔を有したビーム放出電極であり、前記上流側の２枚の電極間の前記放電管の外部には、前記放電管内に導入されたガスをプラズマ化する手段を備え、前記下流側の２枚の電極は平行平板状に配置されており、該電極間にビームを加速して前記下流側のビーム放出電極から放出するための電圧印加手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】
上述した本発明によれば、上流側の２枚の電極間で放電管内に導入されたガスからプラズマ形成手段により高密度プラズマが形成される。中間の電極が多数の開口を有して且つ厚さが薄いメッシュ電極であることから、当該電極の上流側に形成された高密度プラズマが効率よく下流側の２枚の電極間に導入される。そして、下流側の２枚の電極が平行平板電極であり、その間に印加された電圧により荷電粒子が加速され、放電管下流側に配置された多数のビーム放出孔を有する電極を通して放出される。これにより、効率的に高密度プラズマからイオンビームが取り出され、指向性が高く且つ高密度で、比較的大口径のビームが生成される。
【００１０】
又、前記上流側の２枚の電極が同電位であり、前記下流側の電極の電位はビームが放出されるチャンバと同電位であることを特徴とする。上流側の２枚の電極を同電位とすることで、この電極間に形成されるプラズマの電位を安定化させ、且つ任意の電位に制御することができる。又、下流側の電極の電位はビームが放出されるチャンバと同電位であることから、下流側の２枚の電極間で加速されたイオンをそのままビーム放出チャンバ内にイオンビーム或いは中性粒子ビーム等のエネルギービームとして放出することができる。
【００１１】
又、前記メッシュ状の電極は、薄板の導電材からなり、多数の開口を有し、該開口部の開口率が８５％以下であることが好ましい。これにより、上述したように、シース長が比較的短い高密度プラズマから容易に下流側の２枚の電極間に荷電粒子のビームを形成することができる。
【００１２】
又、前記下流側の２枚の電極間の距離が５ｍｍ以上であり、好ましくは１０乃至３０ｍｍであることが好ましい。これにより、微細加工に好適な比較的低エネルギーのビームを高密度プラズマから効率的に取り出すことができる。
又、前記下流側のビーム放出電極のビーム放出孔は、その孔径と孔の長さの比が２以上であることことが好ましい。これにより、下流側の２枚の電極間で加速されたビームを、高指向性、高密度性を損なうことなく、放出することができる。
【００１３】
前記電圧印加手段は、パルス状の正負の電圧の印加手段であり、正イオンと負イオン、又は正イオンと電子を交互に照射するものとしてもよい。これにより、ガラスやセラミック材料等の絶縁物の加工に際しては、表面にチャージアップという問題が生じるが、正イオンと負イオン（電子）の交互照射によりチャージアップ量を小さく保ちながら、高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態のビーム源を用いた加工装置の全体的な構成を示す。ビーム源１０は、放電管１１とその外部に配置されたプラズマ形成手段（具体的にはコイル２０等）により構成され、ガス導入ポート１２から導入されるガスを該プラズマ形成手段によりプラズマ化する。チャンバ１５及び放電管１１内はターボ分子ポンプ１８及びロータリポンプ１９により高真空に排気される。放電管１１には、その外周に誘導結合型のコイル２０を備え、これに高周波電源２１から例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力がマッチングボックス２２を介して供給され、放電管１１内に導入されたガスをプラズマ状態とする。このコイル２０は例えば水冷パイプのコイルであり、８ｍｍφ程度の外径を有するコイルが２ターン程度巻回されている。
【００１６】
放電管内では該形成されたプラズマ中から陽イオン又は陰イオン等の荷電粒子を加速して、下流側の電極１４からビーム放出チャンバ１５内にイオンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギービームとして放出する。放電管１１内には、ガス導入パイプ１３により、ＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等のガスが導入され、これらのガスからそれぞれの元素又は分子のイオンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギービームが形成される。形成されたビームは、チャンバ１５内を直進して、試料台１６に載置された試料１７に照射される。
【００１７】
図２は、本発明の第１の実施の形態のビーム源の構成を示す。円筒状の放電管１１は、石英ガラス又はセラミック管等により構成され、その上端部に放電管内にガスを導入する導入ポート１２と、その下端部に放電管内で形成されたビームを放出する多数のビーム放出孔を備えたビーム放出電極１４とで閉塞された構造となっている。放電管１１内には、上流側からガスを流通させる多数の開口を有する上流側電極２３と、薄板に多数の開口を有するメッシュ電極２４とが配置されている。そして上流側電極２３と中間のメッシュ電極２４との間に導入されたガスをプラズマ化するための手段を備えている。この手段は、この実施例では誘導結合型のプラズマを形成するための高周波コイル２０であり、電源２１から例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電流を供給することで、放電管内部に高周波磁界が形成され、導入されたガスがこれにより励起されてプラズマ化する。尚、プラズマ発生手段としては上述したＩＣＰ発生用コイルを用いることのほかに、ＥＣＲ、ヘリコン波プラズマ用コイル、電磁コイル、マイクロ波等を用いてもよい。又、使用する周波数領域も、１３．５６ＭＨｚに限らず、１ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの領域を用いてもよい。
【００１８】
コイル２０に高周波電流を供給することにより、電極２３，２４間のプラズマ室２５内には、高周波電流による磁場が形成され、これがガス導入ポート１２から導入されたガスＧと結合して電子密度１０１１〜１０１２／ｃｍ３の高密度プラズマが形成される。図示するように上流側電極２３とメッシュ電極２４とは配線２６により電気的に接続され、略同一電位に保たれる。これにより、電極２３，２４間のプラズマ室２５に形成されるプラズマの電位は、上流側電極２３とメッシュ電極２４とに印加される電位と同程度となる。一例として、導入されるガスはＳＦ６であり、入力される高周波電力は１５０Ｗ程度である。尚、放電管１１の径は、５０ｍｍφである。また、放電管１１の径は１０〜３００ｍｍφが可能である。
【００１９】
上流側電極２３とメッシュ電極２４とを接続する配線２６と、下流側のビーム放出電極１４との間には配線２７が設けられ、加速電圧付与手段２８が接続されている。図２に示す例では、この加速電圧付与手段２８は、正の高電圧であり、メッシュ電極２４付近に存在する正イオンに対してビーム放出電極１４に向かう加速エネルギーを付与する。即ち、プラズマ室２５に形成されたプラズマのプラズマ電位とビーム放出電極１４との間には加速電圧付与手段２８により電位差が与えられる。そしてこのような状態で、メッシュ電極２４から加速空間側に漏れ出た正負のイオンや電子等の荷電粒子が、ビーム放出電極１４に向けて加速されて、ビーム放出電極１４の放出孔１４ａを通過して、ビームＢとして外部に放出される。ここで、図２に示すビーム源の構成によれば、メッシュ電極２４とビーム放出電極１４との間の距離を任意に設定することができる。これにより、高密度プラズマを用いたときでも、加速距離を任意に設定することが可能となり、高指向性、高密度で、且つエネルギーレベルの制御可能なビームを形成することができる。
【００２０】
図３は、プラズマの電子密度とシース長との関係を示す。図示するようにプラズマ電位（印加電圧）が高いほど、シース長が長くなり、又、電子密度が低いほどシース長が長くなる傾向にある。プラズマシースによるイオンの加速を利用するビーム発生方式では、このシース長がビームの指向性に大きく影響する。シース長が長い方が、原理的に指向性の高いビームの発生が可能である。尚、図３においては電子温度は、１．４ｅＶの場合である。
【００２１】
従来の技術において説明した直流放電方式では、通常１０９〜１０１０／ｃｍ３程度の電子密度で、プラズマ電位が５００Ｖ〜５ｋＶ程度で使用される場合が多い。このような場合には、シース長は１０ｍｍ程度以上を容易に得ることができる。一方で高周波（ＲＦ）放電等を用いた高密度プラズマの形成では、１０１１〜１０１２／ｃｍ３の電子密度を得ることができるので、加速されるイオン量が多く得られ、即ち、高密度ビームが得られる。しかしながら、ビームの加速電圧は、５００Ｖ程度以下の低エネルギービームが要請される場合が多く、そのシースの電位差を用いる場合には、得られるシース長は０．１〜３ｍｍ程度となる。一方でビームの放出孔は、通常１ｍｍφ程度が用いられる。従って、シース長即ち加速距離が０．１〜３ｍｍ程度しかない場合では、ビーム放出孔の影響によるシース長の電界の歪みが大きく影響を及ぼすことになり、指向性の高い加速が困難となる。一方で上述した直流放電等によって形成されるプラズマにおいては、シース長が長い場合、例えば１０〜３０ｍｍ程度であればビーム放出孔によるシース長の電界の歪みの影響は小さくなり、指向性の高いビーム放出が可能となる。
【００２２】
本発明においては、高密度プラズマを用いた場合でも、高い指向性のビーム放出を可能とする電極構造を採用している。即ち、本発明では図２に示すように、プラズマ室２５を区画するメッシュ電極２４の採用と、メッシュ電極２４とビーム放出電極間の距離を適当量に保持することにより、係る問題点を解決している。この実施例では、一例として線幅０．３ｍｍで線間距離０．８ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのクロスメッシュが採用されている。
【００２３】
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、メッシュ電極の形状例を示す。メッシュ電極は、（ａ）（ｃ）に示すような金属又はグラファイト等の導電薄板に開口を設けたものでも、（ｂ）に示すような金属線を編んで構成したものでもどちらでもよい。メッシュ電極の形状によって、得られるビームの特性やビームの被照射体の加工特性に大きな影響を与える。メッシュ電極２４は、厚さが１ミリ以下、好ましくは０．１〜０．５ｍｍ程度であり、多数のメッシュ状の開口を有しその開口率が８５％以下である。開口パターンの形状としては、例えば図示するような碁盤状になっているものが一般的であるが、これに限定するものではない。尚、メッシュ孔のアスペクト比は１以下である。又、厚さが厚すぎるとイオンの失活量が多くなるので、効率が低下する。
【００２４】
メッシュの開口割合の大小に対して、ビーム量、指向性、加工速度は次の関係にある。即ち、メッシュの開口割合が大きいほど、ビーム量は多くなり指向性は低下し、加工速度は早くなる。これに対してメッシュの開口割合が小さくなると、ビーム量は少なくなり、指向性は高くなり、加工速度は遅くなる。又、ビームの被照射体の加工形状は、図５に示すように、メッシュの開口割合が小さいと（ａ）に示すように斜形状となり、メッシュの開口割合が適切であると（ｂ）に示すように適正な異方性のエッチングが可能となり、メッシュの開口割合が大きくなると（ｃ）に示すように等方性のエッチングとなる。
【００２５】
同様に、成膜やエッチング等の微細加工に際して加工性の良好な比較的低エネルギーのビームの場合、即ち、１ｋＶ以下の加速電圧の時、メッシュ電極とビーム放出電極との間には、適切な距離Ｌが存在する。図６は、横軸にメッシュ電極とビーム放出電極間の距離であり、縦軸は被照射体の加工速度を示す。図６に示すように、Ｌ＝１０〜３０ｍｍ程度を用いることで、被照射体に対する加工性の良好なビームを生成することができる。又、この距離Ｌは小さすぎると、加速空間で十分な加速ができないため、少なくとも５ｍｍ以上あることが好ましい。尚、同一条件においても、メッシュ電極とビーム放出電極間の距離Ｌにより加工速度が異なってくることは勿論である。
【００２６】
又、ビーム放出電極１４のビーム放出孔１４ａの長さにより、放出されるビームの特性が大きく異なる。このため、ビーム放出孔の長さも使用目的に応じて、選択する必要がある。孔径の１〜５倍程度までは、電子・イオン・ラジカル・低中性化率の中性粒子等を放出でき、ビーム放出孔の下流において、ビームの広がりが大きい。また、孔の長さが、孔径の５倍〜１０倍では、ビームの指向性が良くなり、ラジカルや電子線の照射領域を局所にすることが可能となる。また、中性粒子ビームの中性化率もおおよそ３０％〜７０％程度が得られる。孔長が、孔径の１０倍以上になると、より指向性の高いビームが得られ、中性化率が、約７０％以上の中性粒子ビームが得られる。この実施例の場合は、ビーム放出電極の板厚が２ｍｍであり、そのビーム放出孔は、その孔径と孔の長さの比が、２以上であることが好ましい。
【００２７】
加速電圧付与手段２８を負の高電圧とすることで、プラズマ室２５に形成されるプラズマの電位は負の高電位となる。そして、ビーム放出電極１４を接地電位にしておくことで、プラズマで形成された負イオンを加速して負イオンビームの放出を行うことが可能となる。この場合のガスとしては、Ｏ２，Ｃｌ２，ＳＦ６，ＣＨＦ３，Ｃ４Ｆ８等の負イオンを生成しやすいガスを用いることが好ましい。これらのガスを用いて高周波誘導結合等により高密度プラズマを発生すると、プラズマ中に多数の負イオンが発生し、負イオンのビームを容易に形成することができる。上述の諸元のビーム源において、ＳＦ６ガスを用いて、加速電圧＋５０Ｖ〜＋１ｋＶで異方性加工が可能な正イオンビームが発生し、その加工速度は、シリコン基板に対して５００Å／ｍｉｎ以上であり、加速電圧−５０Ｖ〜−１ｋＶで負イオンビームが発生する。
【００２８】
又、図７（ａ）に示すように加速電圧印加手段を正及び負の電圧を切替可能に接続することで、負イオンと正イオンのビームを交互に生成して被加工体に照射することができる。そして加速電圧を可変電圧とすることにより、異なるエネルギーレベルのビームを時間を変えて照射することができる。又、図７（ｂ）に示すように正負の加速電圧をパルス的に与えるようにしてもよい。これにより、正イオンのビームと負イオンのビームとをパルス的に交互に照射することができる。負イオンが生成されにくいガス（例えば、アルゴンガス）を用いるときには、電子と正イオンのビームを交互に放出することが可能となる。例えば、図８に示すように、＋３００Ｖを２０ｍｓ与え、−５０Ｖを５ｍｓ与え、これを繰り返す。ビーム源からは＋３００ｅＶのエネルギーの正イオンビームが２０ｍｓの間放出され、次に−５０ｅＶのエネルギーの負イオンビーム（又は電子）が５ｍｓの間放出され、これが繰りかえされる。ガラスやセラミック材料等の絶縁物の加工に際しては、表面にチャージアップという問題が生じるが、正イオンと負イオン（又は電子）の交互照射によりチャージアップ量を小さく保ちながら、高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。このように、エネルギーをパルス的に変化させることが可能であり、上記の正負イオン照射に限らず、同電荷（例えば正イオン）でもパルス的にエネルギーの異なるビームをパルス的に照射することが可能となる。例えば、１ｋｅＶの正イオンと、１０ｅＶの正イオンのビームを交互に照射することができる。
【００２９】
図９は、本発明の第２の実施の形態のビーム源を示す。この場合は、上流側電極３０が図２に示すような平板状ではなく、一部が円筒状となっている。このように上流側電極３０の表面積が大きくしてあることにより、プラズマ室２５に形成されるプラズマとの接触面積が増加し、荷電粒子の電極表面での反応量を多くすることができ、プラズマ電位を安定化させることができる。その他の構成は、図２に示すビーム源と同様であり、その動作も同様である。
【００３０】
上述したビーム源から放出されるエネルギービームの利用形態例について簡単に説明する。エネルギービームの一例としては、成膜性を有する反応性ガス粒子のラジカルビーム、或いは低エネルギーの中性粒子ビームが用いられる。例えば、エネルギービーム源の原料ガスとしてメタンガスを用いることにより、炭素（Ｃ）を含むラジカルビームが形成され、接着材として好適なグラファイト、ダイアモンドライクカーボン等が生成される。
【００３１】
又、エネルギービーム源に供給するガスとしては、上述したメタンガスの他にフッ化タングステン、塩化アルミ、塩化チタン等の金属を含有するガス、或いは上述したメタン等のＣ又はＣ−Ｈを含有する炭素系又は炭化水素系ガスなども用いることができる。これにより、タングステン膜、アルミ膜、チタン膜、グラファイト膜、ダイアモンドライクカーボン膜、炭化水素含有高分子膜等を被照射体に成膜させることができる。
【００３２】
尚、上記実施の形態においては、円筒状の放電管内に上流側電極とメッシュ電極とビーム放出電極とを平行平板状に配置する例について説明したが、放電管は必ずしも円筒状である必要はなく、楕円状又は角柱状であってもよい。又、下流側のメッシュ電極とビーム放出電極とが平行平板状に配置されていればよく、上流側電極は必ずしもこれらと平行平板状でなくてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高密度プラズマから高指向性で且つ高密度のビームの生成を効率的に行うことができる。これにより、半導体、高密度記録媒体、マイクロマシン等の微細加工に好適な、イオンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギービームを照射可能なビーム源を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ビーム源を用いた微細加工装置の全体的な構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態のビーム源の構成を示す図である。
【図３】プラズマの電子密度とシース長の関係を示す図である。
【図４】メッシュ電極の形状例を示す図であり、（ａ）は金属薄板に角形の開口を設けたものであり、（ｂ）は金属線を編んで構成したものであり、（ｃ）はシリコン又はグラファイト等の導電性材料の薄板に円形の開口を設けたものである。
【図５】メッシュの開口割合と被照射体の加工形状との関係を示す図である。
【図６】メッシュ電極とビーム放出電極間の距離と被照射体の加工速度との関係を示す図である。
【図７】加速電圧印加手段の構成例を示す図である。
【図８】正負の加速電圧をパルス的に与える例を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の第２の実施の形態のビーム源の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ ビーム源
１１ 放電管
１２ ガス導入ポート
１４ ビーム放出電極
２０ コイル
２１ 高周波電源
２３ 上流側電極
２４ メッシュ電極
２６，２７ 配線
２８ 加速電圧印加手段
Ｇ ガス
Ｂ ビーム
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度プラズマから高指向性で且つ高密度のイオンビーム又は中性粒子ビーム等を発生するビーム源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路、ハードディスク等の情報記憶媒体、或いはマイクロマシーン等の分野において、その加工パターンが著しく微細化されている。係る分野の加工においては、成膜又はエッチングなどの加工技術に、直進性が高く（高指向性であり）、且つ比較的大口径で高密度の中性粒子ビーム又はイオンビーム等のエネルギービームの照射が要請されている。係る用途に適したビーム源として、既に本発明者等により以下の構成のビーム源が開示されている。
【０００３】
第１に、放電管内にガスを供給するガス供給ノズルを上流側に備え、放電管の下流側に複数のビーム放出孔を有するビーム放出電極を備え、放電管内に複数の電極を備えたビーム源である。そして、これらの電極に印加する電圧の種類が、高周波電圧、直流電圧、アース電圧の組合せ、及び放電管内に導入されるガスの種類を変化させることで、正イオン、負イオン、中性粒子、ラジカル粒子等の異なったエネルギー状態のビームを生成するものである。係る構成のビーム源によれば、比較的小型でマニュピレータ等に載置して、任意の照射部位にビームを照射して、被照射物上の局所の成膜、エッチング、接合、接着などの加工を行うことができる。
【０００４】
第２に、同様に円筒形の放電管の上流側にガス導入ノズルと、下流側に複数のビーム放出孔を有するビーム放出電極（陰極電極）とを備え、放電管内の上流側に陽極電極を配置し、その陽極電極と陰極電極間に直流電圧を印加する機構と、放電管内の両電極間のガスをプラズマ化する誘導結合型プラズマ発生機構とを備えたビーム源である。係る構成の中性粒子ビーム源によれば、誘導結合型高周波プラズマ発生機構によって、放電管内に導入されたガスから高密度プラズマが生成され、２枚の平行平板状電極によってプラズマ中の正イオンを陰極電極側に加速し、下流側の陰極電極の高速原子放出孔中で電荷交換を行い、中性粒子ビームを放出するものである。
【０００５】
この中性粒子ビーム源によれば、上述した直流放電型のビーム源と異なり、プラズマ生成部と加速電圧部とを備えているので、低エネルギーで且つ高密度プラズマの発生が可能である。そして２枚の電極間に任意に印加する電圧は、低電圧から高電圧まで印加可能であるため、低エネルギーから高エネルギーまでの任意のエネルギーレベルの中性粒子ビームを発生することができる。そして、陰極及び陽極が平行平板型であるため、指向性（直進性）が高く、高速原子放出孔中での孔の長さのコントロールにより比較的中性化率の高い中性粒子ビームを発生することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高密度プラズマを形成し、そのプラズマから効率よく、高指向性で且つ高密度のイオンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギービームを取り出すビーム源としては、上述したビーム源は必ずしも十分なものではなかった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、効率よく、指向性が高く、比較的大口径で且つ高密度のエネルギービームを発生することができるビーム源を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のビーム源は、放電管内にガスを導入するガス導入ポートと、該ガス導入ポートの下流側の前記放電管内に配置された３枚の電極を備え、上流側の電極は前記ガスを流通させる多数の開口を有した電極であり、中間の電極は厚さが１ｍｍ以下、メッシュ孔のアスペクト比が１以下、開口率が８５％以下のメッシュ状の電極であり、下流側の電極は多数のビーム放出孔を有したビーム放出電極であり、前記上流側の２枚の電極間の前記放電管の外部には、前記放電管内に導入されたガスをプラズマ化する手段を備え、前記下流側の２枚の電極は平行平板状に配置されており、該電極間にビームを加速して前記下流側のビーム放出電極から放出するための電圧印加手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】
上述した本発明によれば、上流側の２枚の電極間で放電管内に導入されたガスからプラズマ形成手段により高密度プラズマが形成される。中間の電極が多数の開口を有して且つ厚さが薄いメッシュ電極であることから、当該電極の上流側に形成された高密度プラズマが効率よく下流側の２枚の電極間に導入される。そして、下流側の２枚の電極が平行平板電極であり、その間に印加された電圧により荷電粒子が加速され、放電管下流側に配置された多数のビーム放出孔を有する電極を通して放出される。これにより、効率的に高密度プラズマからイオンビームが取り出され、指向性が高く且つ高密度で、比較的大口径のビームが生成される。
【００１０】
又、前記上流側の２枚の電極が同電位であり、前記下流側の電極の電位はビームが放出されるチャンバと同電位であることを特徴とする。上流側の２枚の電極を同電位とすることで、この電極間に形成されるプラズマの電位を安定化させ、且つ任意の電位に制御することができる。又、下流側の電極の電位はビームが放出されるチャンバと同電位であることから、下流側の２枚の電極間で加速されたイオンをそのままビーム放出チャンバ内にイオンビーム或いは中性粒子ビーム等のエネルギービームとして放出することができる。
【００１１】
又、前記メッシュ状の電極は、薄板の導電材からなり、多数の開口を有し、該開口部の開口率が８５％以下であることが好ましい。これにより、上述したように、シース長が比較的短い高密度プラズマから容易に下流側の２枚の電極間に荷電粒子のビームを形成することができる。
【００１２】
又、前記下流側の２枚の電極間の距離が５ｍｍ以上であり、好ましくは１０乃至３０ｍｍであることが好ましい。これにより、微細加工に好適な比較的低エネルギーのビームを高密度プラズマから効率的に取り出すことができる。
又、前記下流側のビーム放出電極のビーム放出孔は、その孔径と孔の長さの比が２以上であることことが好ましい。これにより、下流側の２枚の電極間で加速されたビームを、高指向性、高密度性を損なうことなく、放出することができる。
【００１３】
前記電圧印加手段は、パルス状の正負の電圧の印加手段であり、正イオンと負イオン、又は正イオンと電子を交互に照射するものとしてもよい。これにより、ガラスやセラミック材料等の絶縁物の加工に際しては、表面にチャージアップという問題が生じるが、正イオンと負イオン（電子）の交互照射によりチャージアップ量を小さく保ちながら、高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態のビーム源を用いた加工装置の全体的な構成を示す。ビーム源１０は、放電管１１とその外部に配置されたプラズマ形成手段（具体的にはコイル２０等）により構成され、ガス導入ポート１２から導入されるガスを該プラズマ形成手段によりプラズマ化する。チャンバ１５及び放電管１１内はターボ分子ポンプ１８及びロータリポンプ１９により高真空に排気される。放電管１１には、その外周に誘導結合型のコイル２０を備え、これに高周波電源２１から例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力がマッチングボックス２２を介して供給され、放電管１１内に導入されたガスをプラズマ状態とする。このコイル２０は例えば水冷パイプのコイルであり、８ｍｍφ程度の外径を有するコイルが２ターン程度巻回されている。
【００１６】
放電管内では該形成されたプラズマ中から陽イオン又は陰イオン等の荷電粒子を加速して、下流側の電極１４からビーム放出チャンバ１５内にイオンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギービームとして放出する。放電管１１内には、ガス導入パイプ１３により、ＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等のガスが導入され、これらのガスからそれぞれの元素又は分子のイオンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギービームが形成される。形成されたビームは、チャンバ１５内を直進して、試料台１６に載置された試料１７に照射される。
【００１７】
図２は、本発明の第１の実施の形態のビーム源の構成を示す。円筒状の放電管１１は、石英ガラス又はセラミック管等により構成され、その上端部に放電管内にガスを導入する導入ポート１２と、その下端部に放電管内で形成されたビームを放出する多数のビーム放出孔を備えたビーム放出電極１４とで閉塞された構造となっている。放電管１１内には、上流側からガスを流通させる多数の開口を有する上流側電極２３と、薄板に多数の開口を有するメッシュ電極２４とが配置されている。そして上流側電極２３と中間のメッシュ電極２４との間に導入されたガスをプラズマ化するための手段を備えている。この手段は、この実施例では誘導結合型のプラズマを形成するための高周波コイル２０であり、電源２１から例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電流を供給することで、放電管内部に高周波磁界が形成され、導入されたガスがこれにより励起されてプラズマ化する。尚、プラズマ発生手段としては上述したＩＣＰ発生用コイルを用いることのほかに、ＥＣＲ、ヘリコン波プラズマ用コイル、電磁コイル、マイクロ波等を用いてもよい。又、使用する周波数領域も、１３．５６ＭＨｚに限らず、１ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの領域を用いてもよい。
【００１８】
コイル２０に高周波電流を供給することにより、電極２３，２４間のプラズマ室２５内には、高周波電流による磁場が形成され、これがガス導入ポート１２から導入されたガスＧと結合して電子密度１０１１〜１０１２／ｃｍ３の高密度プラズマが形成される。図示するように上流側電極２３とメッシュ電極２４とは配線２６により電気的に接続され、略同一電位に保たれる。これにより、電極２３，２４間のプラズマ室２５に形成されるプラズマの電位は、上流側電極２３とメッシュ電極２４とに印加される電位と同程度となる。一例として、導入されるガスはＳＦ６であり、入力される高周波電力は１５０Ｗ程度である。尚、放電管１１の径は、５０ｍｍφである。また、放電管１１の径は１０〜３００ｍｍφが可能である。
【００１９】
上流側電極２３とメッシュ電極２４とを接続する配線２６と、下流側のビーム放出電極１４との間には配線２７が設けられ、加速電圧付与手段２８が接続されている。図２に示す例では、この加速電圧付与手段２８は、正の高電圧であり、メッシュ電極２４付近に存在する正イオンに対してビーム放出電極１４に向かう加速エネルギーを付与する。即ち、プラズマ室２５に形成されたプラズマのプラズマ電位とビーム放出電極１４との間には加速電圧付与手段２８により電位差が与えられる。そしてこのような状態で、メッシュ電極２４から加速空間側に漏れ出た正負のイオンや電子等の荷電粒子が、ビーム放出電極１４に向けて加速されて、ビーム放出電極１４の放出孔１４ａを通過して、ビームＢとして外部に放出される。ここで、図２に示すビーム源の構成によれば、メッシュ電極２４とビーム放出電極１４との間の距離を任意に設定することができる。これにより、高密度プラズマを用いたときでも、加速距離を任意に設定することが可能となり、高指向性、高密度で、且つエネルギーレベルの制御可能なビームを形成することができる。
【００２０】
図３は、プラズマの電子密度とシース長との関係を示す。図示するようにプラズマ電位（印加電圧）が高いほど、シース長が長くなり、又、電子密度が低いほどシース長が長くなる傾向にある。プラズマシースによるイオンの加速を利用するビーム発生方式では、このシース長がビームの指向性に大きく影響する。シース長が長い方が、原理的に指向性の高いビームの発生が可能である。尚、図３においては電子温度は、１．４ｅＶの場合である。
【００２１】
従来の技術において説明した直流放電方式では、通常１０９〜１０１０／ｃｍ３程度の電子密度で、プラズマ電位が５００Ｖ〜５ｋＶ程度で使用される場合が多い。このような場合には、シース長は１０ｍｍ程度以上を容易に得ることができる。一方で高周波（ＲＦ）放電等を用いた高密度プラズマの形成では、１０１１〜１０１２／ｃｍ３の電子密度を得ることができるので、加速されるイオン量が多く得られ、即ち、高密度ビームが得られる。しかしながら、ビームの加速電圧は、５００Ｖ程度以下の低エネルギービームが要請される場合が多く、そのシースの電位差を用いる場合には、得られるシース長は０．１〜３ｍｍ程度となる。一方でビームの放出孔は、通常１ｍｍφ程度が用いられる。従って、シース長即ち加速距離が０．１〜３ｍｍ程度しかない場合では、ビーム放出孔の影響によるシース長の電界の歪みが大きく影響を及ぼすことになり、指向性の高い加速が困難となる。一方で上述した直流放電等によって形成されるプラズマにおいては、シース長が長い場合、例えば１０〜３０ｍｍ程度であればビーム放出孔によるシース長の電界の歪みの影響は小さくなり、指向性の高いビーム放出が可能となる。
【００２２】
本発明においては、高密度プラズマを用いた場合でも、高い指向性のビーム放出を可能とする電極構造を採用している。即ち、本発明では図２に示すように、プラズマ室２５を区画するメッシュ電極２４の採用と、メッシュ電極２４とビーム放出電極間の距離を適当量に保持することにより、係る問題点を解決している。この実施例では、一例として線幅０．３ｍｍで線間距離０．８ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのクロスメッシュが採用されている。
【００２３】
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、メッシュ電極の形状例を示す。メッシュ電極は、（ａ）（ｃ）に示すような金属又はグラファイト等の導電薄板に開口を設けたものでも、（ｂ）に示すような金属線を編んで構成したものでもどちらでもよい。メッシュ電極の形状によって、得られるビームの特性やビームの被照射体の加工特性に大きな影響を与える。メッシュ電極２４は、厚さが１ミリ以下、好ましくは０．１〜０．５ｍｍ程度であり、多数のメッシュ状の開口を有しその開口率が８５％以下である。開口パターンの形状としては、例えば図示するような碁盤状になっているものが一般的であるが、これに限定するものではない。尚、メッシュ孔のアスペクト比は１以下である。又、厚さが厚すぎるとイオンの失活量が多くなるので、効率が低下する。
【００２４】
メッシュの開口割合の大小に対して、ビーム量、指向性、加工速度は次の関係にある。即ち、メッシュの開口割合が大きいほど、ビーム量は多くなり指向性は低下し、加工速度は早くなる。これに対してメッシュの開口割合が小さくなると、ビーム量は少なくなり、指向性は高くなり、加工速度は遅くなる。又、ビームの被照射体の加工形状は、図５に示すように、メッシュの開口割合が小さいと（ａ）に示すように斜形状となり、メッシュの開口割合が適切であると（ｂ）に示すように適正な異方性のエッチングが可能となり、メッシュの開口割合が大きくなると（ｃ）に示すように等方性のエッチングとなる。
【００２５】
同様に、成膜やエッチング等の微細加工に際して加工性の良好な比較的低エネルギーのビームの場合、即ち、１ｋＶ以下の加速電圧の時、メッシュ電極とビーム放出電極との間には、適切な距離Ｌが存在する。図６は、横軸にメッシュ電極とビーム放出電極間の距離であり、縦軸は被照射体の加工速度を示す。図６に示すように、Ｌ＝１０〜３０ｍｍ程度を用いることで、被照射体に対する加工性の良好なビームを生成することができる。又、この距離Ｌは小さすぎると、加速空間で十分な加速ができないため、少なくとも５ｍｍ以上あることが好ましい。尚、同一条件においても、メッシュ電極とビーム放出電極間の距離Ｌにより加工速度が異なってくることは勿論である。
【００２６】
又、ビーム放出電極１４のビーム放出孔１４ａの長さにより、放出されるビームの特性が大きく異なる。このため、ビーム放出孔の長さも使用目的に応じて、選択する必要がある。孔径の１〜５倍程度までは、電子・イオン・ラジカル・低中性化率の中性粒子等を放出でき、ビーム放出孔の下流において、ビームの広がりが大きい。また、孔の長さが、孔径の５倍〜１０倍では、ビームの指向性が良くなり、ラジカルや電子線の照射領域を局所にすることが可能となる。また、中性粒子ビームの中性化率もおおよそ３０％〜７０％程度が得られる。孔長が、孔径の１０倍以上になると、より指向性の高いビームが得られ、中性化率が、約７０％以上の中性粒子ビームが得られる。この実施例の場合は、ビーム放出電極の板厚が２ｍｍであり、そのビーム放出孔は、その孔径と孔の長さの比が、２以上であることが好ましい。
【００２７】
加速電圧付与手段２８を負の高電圧とすることで、プラズマ室２５に形成されるプラズマの電位は負の高電位となる。そして、ビーム放出電極１４を接地電位にしておくことで、プラズマで形成された負イオンを加速して負イオンビームの放出を行うことが可能となる。この場合のガスとしては、Ｏ２，Ｃｌ２，ＳＦ６，ＣＨＦ３，Ｃ４Ｆ８等の負イオンを生成しやすいガスを用いることが好ましい。これらのガスを用いて高周波誘導結合等により高密度プラズマを発生すると、プラズマ中に多数の負イオンが発生し、負イオンのビームを容易に形成することができる。上述の諸元のビーム源において、ＳＦ６ガスを用いて、加速電圧＋５０Ｖ〜＋１ｋＶで異方性加工が可能な正イオンビームが発生し、その加工速度は、シリコン基板に対して５００Å／ｍｉｎ以上であり、加速電圧−５０Ｖ〜−１ｋＶで負イオンビームが発生する。
【００２８】
又、図７（ａ）に示すように加速電圧印加手段を正及び負の電圧を切替可能に接続することで、負イオンと正イオンのビームを交互に生成して被加工体に照射することができる。そして加速電圧を可変電圧とすることにより、異なるエネルギーレベルのビームを時間を変えて照射することができる。又、図７（ｂ）に示すように正負の加速電圧をパルス的に与えるようにしてもよい。これにより、正イオンのビームと負イオンのビームとをパルス的に交互に照射することができる。負イオンが生成されにくいガス（例えば、アルゴンガス）を用いるときには、電子と正イオンのビームを交互に放出することが可能となる。例えば、図８に示すように、＋３００Ｖを２０ｍｓ与え、−５０Ｖを５ｍｓ与え、これを繰り返す。ビーム源からは＋３００ｅＶのエネルギーの正イオンビームが２０ｍｓの間放出され、次に−５０ｅＶのエネルギーの負イオンビーム（又は電子）が５ｍｓの間放出され、これが繰りかえされる。ガラスやセラミック材料等の絶縁物の加工に際しては、表面にチャージアップという問題が生じるが、正イオンと負イオン（又は電子）の交互照射によりチャージアップ量を小さく保ちながら、高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。このように、エネルギーをパルス的に変化させることが可能であり、上記の正負イオン照射に限らず、同電荷（例えば正イオン）でもパルス的にエネルギーの異なるビームをパルス的に照射することが可能となる。例えば、１ｋｅＶの正イオンと、１０ｅＶの正イオンのビームを交互に照射することができる。
【００２９】
図９は、本発明の第２の実施の形態のビーム源を示す。この場合は、上流側電極３０が図２に示すような平板状ではなく、一部が円筒状となっている。このように上流側電極３０の表面積が大きくしてあることにより、プラズマ室２５に形成されるプラズマとの接触面積が増加し、荷電粒子の電極表面での反応量を多くすることができ、プラズマ電位を安定化させることができる。その他の構成は、図２に示すビーム源と同様であり、その動作も同様である。
【００３０】
上述したビーム源から放出されるエネルギービームの利用形態例について簡単に説明する。エネルギービームの一例としては、成膜性を有する反応性ガス粒子のラジカルビーム、或いは低エネルギーの中性粒子ビームが用いられる。例えば、エネルギービーム源の原料ガスとしてメタンガスを用いることにより、炭素（Ｃ）を含むラジカルビームが形成され、接着材として好適なグラファイト、ダイアモンドライクカーボン等が生成される。
【００３１】
又、エネルギービーム源に供給するガスとしては、上述したメタンガスの他にフッ化タングステン、塩化アルミ、塩化チタン等の金属を含有するガス、或いは上述したメタン等のＣ又はＣ−Ｈを含有する炭素系又は炭化水素系ガスなども用いることができる。これにより、タングステン膜、アルミ膜、チタン膜、グラファイト膜、ダイアモンドライクカーボン膜、炭化水素含有高分子膜等を被照射体に成膜させることができる。
【００３２】
尚、上記実施の形態においては、円筒状の放電管内に上流側電極とメッシュ電極とビーム放出電極とを平行平板状に配置する例について説明したが、放電管は必ずしも円筒状である必要はなく、楕円状又は角柱状であってもよい。又、下流側のメッシュ電極とビーム放出電極とが平行平板状に配置されていればよく、上流側電極は必ずしもこれらと平行平板状でなくてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高密度プラズマから高指向性で且つ高密度のビームの生成を効率的に行うことができる。これにより、半導体、高密度記録媒体、マイクロマシン等の微細加工に好適な、イオンビーム又は中性粒子ビーム等のエネルギービームを照射可能なビーム源を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ビーム源を用いた微細加工装置の全体的な構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態のビーム源の構成を示す図である。
【図３】プラズマの電子密度とシース長の関係を示す図である。
【図４】メッシュ電極の形状例を示す図であり、（ａ）は金属薄板に角形の開口を設けたものであり、（ｂ）は金属線を編んで構成したものであり、（ｃ）はシリコン又はグラファイト等の導電性材料の薄板に円形の開口を設けたものである。
【図５】メッシュの開口割合と被照射体の加工形状との関係を示す図である。
【図６】メッシュ電極とビーム放出電極間の距離と被照射体の加工速度との関係を示す図である。
【図７】加速電圧印加手段の構成例を示す図である。
【図８】正負の加速電圧をパルス的に与える例を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の第２の実施の形態のビーム源の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ ビーム源
１１ 放電管
１２ ガス導入ポート
１４ ビーム放出電極
２０ コイル
２１ 高周波電源
２３ 上流側電極
２４ メッシュ電極
２６，２７ 配線
２８ 加速電圧印加手段
Ｇ ガス
Ｂ ビーム
Claims (8)
- 放電管内にガスを導入するガス導入ポートと、該ガス導入ポートの下流側の前記放電管内に配置された３枚の電極を備え、
上流側の電極は前記ガスを流通させる多数の開口を有した電極であり、
中間の電極は、厚さが１ｍｍ以下、メッシュ孔のアスペクト比が１以下、開口率が８５％以下のメッシュ状の電極であり、
下流側の電極は多数のビーム放出孔を有したビーム放出電極であり、
前記上流側の２枚の電極間の前記放電管の外部には、前記放電管内に導入されたガスをプラズマ化する手段を備え、
前記下流側の２枚の電極は平行平板状に配置されており、該電極間にビームを加速して前記下流側のビーム放出電極から放出するための電圧印加手段を備えたことを特徴とするビーム源。 - 前記上流側の２枚の電極が同電位であり、前記下流側のビーム放出電極の電位はビームが放出されるチャンバと同電位であることを特徴とする請求項１に記載のビーム源。
- 前記下流側の２枚の電極間の距離が５ｍｍ以上であり、好ましくは１０乃至３０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のビーム源。
- 前記下流側のビーム放出電極のビーム放出孔は、その孔径と孔の長さの比が２以上であることを特徴とする請求項１に記載のビーム源。
- 前記電圧印加手段は、パルス状の正負の電圧の印加手段であり、正イオンと負イオン、又は正イオンと電子を交互に照射するものであることを特徴とする請求項１に記載のビーム源。
- 前記メッシュ状の電極の厚さが０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のビーム源。
- 前記メッシュ状の電極が金属又はグラファイト等の導電薄板に開口を設けたものであることを特徴とする請求項１に記載のビーム源。
- 前記メッシュ状の電極が金属線を編んで構成したものであることを特徴とする請求項１に記載のビーム源。
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