JP4073174B2 - 中性粒子ビーム処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中性粒子ビーム処理装置、特に高密度プラズマから高指向性で且つ高密度の粒子ビームを生成し、被処理物を加工する中性粒子ビーム処理装置に関するものである。
【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、ある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。かかる分野の加工においては、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イオンビーム等のエネルギービームを照射して被処理物の成膜又はエッチングなどを施す技術が注目されている。
【０００３】
このようなエネルギービームのビーム源としては、正イオン、負イオン、ラジカル粒子等の各種のビームを生成するものが知られている。このような正イオン、負イオン、ラジカル粒子等のビームをビーム源から被処理物の任意の部位に照射することで、被処理物の局所的な成膜やエッチング、表面改質、接合、接着などを行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
正イオンや負イオンなどの荷電粒子を被処理物に照射するビーム源においては、被処理物に電荷が蓄積するため絶縁物を処理することができない（チャージアップ現象）。また、空間電荷効果でイオンビームが発散してしまうため微細な加工をすることができない。
【０００５】
これを防ぐためにイオンビームに電子を注ぎ込むことで電荷を中和することも考えられているが、この方法では全体的な電荷のバランスは取れるものの、局所的には電荷のアンバランスが生じており、やはり微細な加工をすることができない。
【０００６】
また、プラズマ源からイオンを引き出して被処理物に照射する場合において、プラズマから発生する紫外線などの放射光が被処理物に照射されると被処理物に悪影響を与えることとなるので、プラズマから放出される紫外線などの放射光を遮蔽する必要がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、安価且つコンパクトな構成で大口径のビームを被処理物に照射することができると共に高い中性化率を得ることができ、チャージフリー且つダメージフリーな中性粒子ビーム処理装置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】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の一態様は、被処理物を保持する保持部と、高周波電圧の印加と印加の停止とを交互に繰り返すことにより、真空チャンバ内に正イオンと負イオンとを含むプラズマを生成するプラズマ生成部と、上記真空チャンバ内であって、上記プラズマ生成部と上記被処理物との間に配置され、上記プラズマから放出される紫外線を遮蔽するオリフィス電極と、上記真空チャンバ内に上記オリフィス電極に対して上流側に配置されたグリッド電極と、上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間に４００ｋＨｚの低周波電圧を印加することで、上記プラズマ生成部により生成されたプラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出す電圧印加部とを備え、上記電圧印加部によりプラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出して上記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させることで、該正イオンと該負イオンを該オリフィス内で中性化させることを特徴とする中性粒子ビーム処理装置である。
【０００９】
このような構成により、正イオンと負イオンとを交互に引き出し、これらを中性化して中性粒子ビームとして被処理物に照射することができる。
【００１１】
本発明の他の一態様は、被処理物を保持する保持部と、真空チャンバ内に配置され、プラズマから放出される紫外線を遮蔽するオリフィス電極と、上記真空チャンバ内に上記オリフィス電極に対して上流側に配置されたグリッド電極と、上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間に高周波電圧の印加と印加の停止とを交互に繰り返すことで、上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間に正イオンと負イオンとを含むプラズマを生成すると共に、上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間に４００ｋＨｚの低周波電圧を印加することで上記プラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出す電圧印加部とを備え、上記電圧印加部によりプラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出して上記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させることで、該正イオンと該負イオンを該オリフィス内で中性化させることを特徴とする中性粒子ビーム処理装置である。
【００１２】
このような構成により、正イオンと負イオンとを交互に引き出し、これらを中性化して中性粒子ビームとして被処理物に照射することができる。特に、電圧印加部を正イオンと負イオンとをプラズマ中から引き出す手段としてだけでなく、プラズマを生成する手段としても利用することができる。従って、上記のように構成した場合には、プラズマを生成するためのプラズマ生成部を別に設ける必要がなくなる。このため、装置をよりコンパクトにして安価にビームを大口径化することが可能となる。
【００１４】
また、正イオンと負イオンとを交互に引き出し、これらを中性化して電荷を持たず大きな並進運動エネルギーを持つ中性粒子線によって被処理物を加工することが可能となるので、チャージアップ量を小さく保ちつつ高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。また、正イオンの中性化による中性粒子と負イオンの中性化による中性粒子とを交互に照射することで、２種類の処理を交互に行うことができる。例えば、真空チャンバ内に導入するガスをＣｌ２とＸｅとした場合、正イオンの中性化によるＸｅを用いてＸｅスパッタを行い、負イオンの中性化による塩素を用いて塩素エッチングを行うことができるので、ケミカルスパッタリング作用でエッチレートを高めることができる。また、例えば、塩素ビームを照射して塩素と被処理物とが弱い結合力になっている数原子層を形成し、そこに、その弱い結合力の原子層は除去できるが被処理物自体の強い結合力は切ることができない程度のエネルギーを持つＸｅビームでスパッタリング除去するというように、適切な反応プロセスとエネルギー制御を行えば、被処理物の原子の結晶構造を破壊することなくエッチングすることが可能となる。
【００１５】
上記電圧印加部は、上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間に可変電圧を印加することで、上記プラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出して上記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させる。このように構成すれば、上述の電圧印加部を正イオンと負イオンとをプラズマ中から引き出す手段としてだけでなく、正イオン及び負イオンを中性化する手段としても利用することができる。この場合において、中性化する手段としてオリフィス電極を用いることによって高い中性化率が得られるので、装置を大型化せずに安価にビームを大口径化することが可能となる。更に、生成されたプラズマと被処理物とはオリフィス電極によって遮断されるので、プラズマから発生する放射光は被処理物に照射されず、被処理物に損傷を与えるような紫外線などの被処理物への影響を低減することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るビーム処理装置の第１の実施形態について図１乃至図３を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態におけるビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【００１７】
図１に示すように、ビーム処理装置は、中性粒子ビームを生成するビーム生成室１と半導体基板、ガラス、有機物、セラミックスなどの被処理物Ｘの加工を行う処理室２とを有する円筒状の真空チャンバ３を備えている。この真空チャンバ３は、ビーム生成室１側が石英ガラス又はセラミックなどにより構成され、処理室２側が金属製のメタルチャンバなどにより構成されている。
【００１８】
ビーム生成室１の外周には誘導結合型のコイル１０が配置されている。このコイル１０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ターン程度ビーム生成室１に巻回されている。このコイル１０は、マッチングボックス１００を介して高周波電源１０１に接続されており、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧がコイル１０に印加される。これらのコイル１０、マッチングボックス１００、高周波電源１０１によってプラズマ生成部が構成されている。即ち、コイル１０に高周波電流を流すことで誘導磁場を生じさせ、その変位電流によりガス中の原子・分子が電離されプラズマが生成する。
【００１９】
ビーム生成室１の上部には、真空チャンバ３内にガスを導入するガス導入ポート１１が設けられており、このガス導入ポート１１はガス供給配管１２を介してガス供給源１３に接続されている。このガス供給源１３からはＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等などのガスが真空チャンバ３内に供給される。
【００２０】
処理室２には、被処理物Ｘを保持する保持部２０が配置されており、この保持部２０の上面に被処理物Ｘが載置されている。処理室２にはガスを排出するためのガス排出ポート２１が設けられており、このガス排出ポート２１はガス排出配管２２を介して真空ポンプ２３に接続されている。この真空ポンプ２３によって処理室２は所定の圧力に維持される。
【００２１】
ビーム生成室１の下端には、グラファイトなどの導電体で形成されたオリフィス板（オリフィス電極）４が配置されており、このオリフィス電極４は接地電位とされる。このオリフィス電極４は第１の電極及び中性化手段として機能するものである。また、このオリフィス電極４の上方には、同様に導電体で形成された薄板グリッド状のグリッド電極（第２の電極）５が配置されている。このグリッド電極５はバイポーラ電源１０２（電圧印加部）に接続されている。このバイポーラ電源１０２によって例えば４００ｋＨｚの低周波電圧がグリッド電極５に印加される。図２は、オリフィス電極４及びグリッド電極５の斜視図（図２（ａ））と部分縦断面図（図２（ｂ））である。図２に示すように、オリフィス電極４には多数のオリフィス４ａが形成されており、同様にグリッド電極５には多数のグリッド穴５ａが形成されている。なお、グリッド電極５はメッシュ網やパンチングメタルなどであってもよい。
【００２２】
コイル１０に接続される高周波電源１０１とバイポーラ電源１０２とにはそれぞれ変調装置１０３、１０４が接続されている。高周波電源１０１とバイポーラ電源１０２とは変調装置１０３、１０４を介して互いに接続されており、変調装置１０３、１０４間の同期信号によって、高周波電源１０１による電圧印加のタイミングとバイポーラ電源１０２による電圧印加のタイミングとが同期される。
【００２３】
次に、本実施形態におけるビーム処理装置の動作について説明する。図３は、本実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。図３において、Ｖａはコイル１０の電位、Ｔｅはビーム生成室１内の電子温度、ｎｅはビーム生成室１内の電子密度、ｎｉ−はビーム生成室１内の負イオン密度、Ｖｂはグリッド電極５の電位をそれぞれ示している。なお、図３のタイムチャートは模式的なものであって、例えば図示されている周期は実際の周期とは異なる。
【００２４】
まず、真空ポンプ２３を作動させることにより、真空チャンバ３内を真空排気した後に、ガス供給源１３からＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等などのガスを真空チャンバ３の内部に導入する。そして、図３に示すように、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を高周波電源１０１によって１０μ秒間コイル１０に印加する。この高周波電圧の印加によってビーム生成室１内には高周波電界が形成される。真空チャンバ３内に導入されたガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、ビーム生成室１内に高密度プラズマが生成される。このときに形成されるプラズマは、主として正イオンと加熱された電子とからなるプラズマである。
【００２５】
そして、高周波電源１０１による高周波電圧の印加を１００μ秒間停止する。高周波電源１０１による高周波電圧の印加の停止後は、再び高周波電源１０１による１０μ秒間の高周波電圧の印加によってビーム生成室１内においてプラズマ中の電子が加熱され、上述したサイクルが繰り返される。即ち、高周波電界の印加（１０μ秒間）と印加の停止（１００μ秒間）を交互に繰り返す。この高周波電界の印加停止時間（１００μ秒間）は、プラズマ中の電子が残留している処理ガスに付着して負イオンが生成されるのに要する時間よりも十分に長く、且つプラズマ中の電子密度が低下してプラズマが消滅するよりも十分に短い時間である。高周波電界の印加時間（１０μ秒間）は、この高周波電界の印加を停止している間に低下したプラズマ中の電子のエネルギーを回復させるのに十分な時間である。
【００２６】
このプラズマ中の電子のエネルギーを高めた後の高周波電界の印加停止により、負イオンを効率よく且つ継続して生成することができる。即ち、通常のプラズマは正イオンと電子とからなる場合が多いが、正イオンと共に負イオンが共存した状態のプラズマを効率的に形成することができる。なお、ここでは、高周波電界の印加停止時間を１００μ秒に設定する例について述べたが、５０μ秒乃至１００μ秒に設定することで、プラズマ中に正イオンのみならず負イオンを多量に生成することができる。
【００２７】
高周波電源１０１による電圧の印加の停止から５０μ秒後に、バイポーラ電源１０２によって４００ｋＨｚの低周波電圧をグリッド電極５に５０μ秒間印加する。この低周波電圧の印加において、グリッド電極５の電位Ｖｂがオリフィス電極４の電位（接地電位）よりも高いとき（例えば図３のＡで示す部分）には、オリフィス電極４とグリッド電極５との間に、オリフィス電極４を陰極、グリッド電極５を陽極とした電位差が生じる。従って、グリッド電極５からオリフィス電極４側に漏れ出た正イオン６（図２（ｂ）参照）は、この電位差によってオリフィス電極４に向けて加速され、オリフィス電極４に形成されたオリフィス４ａに入っていく。
【００２８】
このとき、オリフィス電極４のオリフィス４ａの内部を通過する正イオン６は、主として、オリフィス４ａの周壁の固体表面近傍において中性化されるか、オリフィス４ａの内部に残留しているガスとの電荷交換によって中性化されるか、あるいは、オリフィス電極４の表面から放出された電子と衝突して再結合することによって中性化され、中性粒子７となる。
【００２９】
一方、グリッド電極５の電位Ｖｂがオリフィス電極４の電位（接地電位）よりも低いとき（例えば図３のＢで示す部分）には、オリフィス電極４とグリッド電極５との間に、オリフィス電極４を陽極、グリッド電極５を陰極とした電位差が生じる。従って、グリッド電極５からオリフィス電極４側に漏れ出た負イオンは、この電位差によってオリフィス電極４に向けて加速され、オリフィス電極４に形成されたオリフィス４ａに入っていく。オリフィス電極４のオリフィス４ａの内部を通過する負イオンは、主として、オリフィス４ａの周壁の固体表面近傍において中性化され、あるいは、オリフィス４ａの内部に残留しているガスとの電荷交換によって中性化され、中性粒子７となる。
【００３０】
このようにして、オリフィス４ａの通過中に中性化された正イオン又は負イオン（中性粒子）は、交互にエネルギービームとして処理室２の内部に放射される。この中性粒子７は、処理室２の内部を直進して保持部２０に載置された被処理物Ｘに照射され、この中性粒子７によってエッチング、クリーニング、窒化処理や酸化処理などの表面改質、成膜などの処理を行うことが可能となる。
【００３１】
このように正イオンの中性化による中性粒子と負イオンの中性化による中性粒子とを交互に照射することで、２種類の処理を交互に行うことができる。例えば、真空チャンバ３内に導入するガスをＣｌ２とＸｅとした場合、正イオンの中性化によるＸｅを用いてＸｅスパッタを行い、負イオンの中性化による塩素を用いて塩素エッチングを行うことができるので、ケミカルスパッタリング作用でエッチレートを高めることができる。
【００３２】
また、例えば、塩素ビームを照射して塩素と被処理物とが弱い結合力になっている数原子層を形成し、そこに、その弱い結合力の原子層は除去できるが被処理物自体の強い結合力は切ることができない程度のエネルギーを持つＸｅビームでスパッタリング除去するというように、適切な反応プロセスとエネルギー制御を行えば、被処理物の原子の結晶構造を破壊することなくエッチングすることが可能となる。
【００３３】
この場合において、オリフィス電極は、イオンを中性化する手段としてだけではなく、プラズマから発生する放射光が被処理物に照射されるのを防止する手段としても機能する。即ち、プラズマが生成されるビーム生成室１と被処理物Ｘとはオリフィス電極４によって遮断されているので、プラズマから発生する放射光は被処理物Ｘに照射されず、被処理物Ｘに損傷を与えるような紫外線などの被処理物Ｘへの影響を低減することができる。
【００３４】
なお、一部の荷電粒子もオリフィス電極４のオリフィス４ａを通過する場合があるが、このような荷電粒子が被処理物Ｘに照射されることを防止するために、オリフィス電極４の下流側にディフレクタや電子トラップを設けることとしてもよい。ディフレクタは、真空チャンバ３の径方向に電圧を印加することによって荷電粒子の進行方向を変化させて、荷電粒子の被処理物Ｘへの照射を防止するものである。また、電子トラップは、径方向に磁界を形成することによって荷電粒子の進行方向を変化させて、荷電粒子の被処理物Ｘへの照射を防止するものである。
【００３５】
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、このように中性化された中性粒子を照射すること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。なお、被処理物の処理の内容に応じてガスの種類を使い分ければよく、ドライエッチングでは被処理物の違いに応じて酸素やハロゲンガスなどを使い分けることができる。
【００３６】
本実施形態では、グリッド電極５をコイル１０の下流側に配置した例を説明したが、グリッド電極をコイル１０の上流側に配置することもできる。この場合は、グリッド電極に穴が１つも形成されていなくてもよい。図４はグリッド電極５０をコイル１０の上流側に配置した場合のビーム処理装置の全体構成を示す図である。この場合には、ビーム生成室１内に生成されたプラズマ中の正イオン及び負イオンはグリッド電極５０とオリフィス電極４との間で加速されることとなる。
【００３７】
また、本実施形態では、中性化手段としてオリフィス電極を用いた例を説明したが、これに限られず他の中性化手段を用いることもできる。例えば、▲１▼プラズマから引き出されたイオンに電子ビームを照射することで中性化する、▲２▼引き出されたイオンの経路上に中性ガスを導入して中性ガスの圧力の高い領域を形成し、この領域を通過させることでイオンを中性化する、▲３▼イオンに光を照射することで中性化する、▲４▼イオンを高周波電場で揺さぶることで中性化する、▲５▼引き出されたイオンの経路上に電子雲を形成し、この電子雲中を通過させることで中性化する、など各種の中性化手段を適用することができる。また、オリフィス電極の代わりにスリットやハニカム構造を有する電極を用いることとしてもよい。
【００３８】
次に、本発明に係るビーム処理装置の第２の実施形態について図５及び図６を参照して詳細に説明する。なお、上述の第１の実施形態における部材又は要素と同一の作用又は機能を有する部材又は要素には同一の符号を付し、特に説明しない部分については第１の実施形態と同様である。図５は、本発明の第２の実施形態におけるビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【００３９】
本実施形態における真空チャンバ３０は金属で形成されたメタルチャンバであり、その内部の上流側に導電体で形成された薄板グリッド状のグリッド電極（第２の電極）８を備えている。真空チャンバ３０とグリッド電極８とは電気的に接続されており、これらは接地電位とされている。
【００４０】
また、オリフィス電極（第１の電極）４には、図５に示すように、交流電源１０５と交流電源１０６とが並列に接続されている。これらの電源１０５、１０６にはそれぞれ変調装置１０７、１０８が接続されている。また、交流電源１０５の変調装置１０７と直流電源１０６の変調装置１０８とは、同期信号によって互いに同期をとることができるようになっている。これらの交流電源１０５、１０６、変調装置１０７、１０８により電圧印加部が構成されている。なお、真空チャンバ３０とオリフィス電極４とは絶縁物（図示せず）によって電気的に絶縁されている。
【００４１】
次に、本実施形態におけるビーム処理装置の動作について説明する。図６は、本実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。図６において、Ｖｃは交流電源１０５における電位、Ｔｅはビーム生成室１内の電子温度、ｎｅはビーム生成室１内の電子密度、ｎｉ−はビーム生成室１内の負イオン密度、Ｖｄは交流電源１０６の電位、Ｖｅはオリフィス電極４の電位をそれぞれ示している。なお、図６のタイムチャートは模式的なものであって、例えば図示されている周期は実際の周期とは異なる。
【００４２】
まず、真空ポンプ２３を作動させることにより、真空チャンバ３０内を真空排気した後に、ガス供給源１３からガスを真空チャンバ３０の内部に導入する。そして、図６に示すように、交流電源１０５により１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を１０μ秒間オリフィス電極４に印加する。この高周波電圧の印加によってビーム生成室１内には高周波電界が形成される。真空チャンバ３０内に導入されたガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、ビーム生成室１内に高密度プラズマが生成される。
【００４３】
そして、交流電源１０５による高周波電圧の印加を１００μ秒間停止する。高周波電圧の印加の停止後は、再び交流電源１０５による１０μ秒間の高周波電圧の印加によってビーム生成室１内においてプラズマ中の電子が加熱され、上述したサイクルが繰り返される。即ち、高周波電界の印加（１０μ秒間）と印加の停止（１００μ秒間）を交互に繰り返す。
【００４４】
このプラズマ中の電子のエネルギーを高めた後の高周波電界の印加停止により、負イオンを効率よく且つ継続して生成することができる。即ち、通常のプラズマは正イオンと電子とからなる場合が多いが、正イオンと共に負イオンが共存した状態のプラズマを効率的に形成することができる。
【００４５】
交流電源１０５による電圧の印加の停止から５０μ秒後に、交流電源１０６によって４００ｋＨｚの低周波電圧をオリフィス電極４に５０μ秒間印加する。上述の第１の実施形態と同様に、この低周波電圧による電位差によって、正イオンと負イオンとが交互にオリフィス電極４に向けて加速され、オリフィス電極４に形成されたオリフィス４ａに入っていく。
【００４６】
オリフィス電極４のオリフィス４ａの内部を通過する正イオン又は負イオンは、上述の第１の実施形態と同様に中性化されて交互に中性粒子となり、エネルギービームとして交互に処理室２の内部に放射される。この中性粒子は、処理室２の内部を直進して保持部２０に載置された被処理物Ｘに照射される。
【００４７】
上述したように、本実施形態では、オリフィス電極４とグリッド電極８との間に高周波電圧と低周波電圧を交互に印加することによって、プラズマを生成すると共に生成されたプラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出すことができ、プラズマを生成するためのプラズマ生成部を別に設ける必要がなくなる。このため、装置をよりコンパクトにして安価にビームを大口径化することが可能となる。
【００４８】
次に、ビーム処理装置の参考例について図７乃至図９を参照して詳細に説明する。なお、上述の第１の実施形態における部材又は要素と同一の作用又は機能を有する部材又は要素には同一の符号を付し、特に説明しない部分については第１の実施形態と同様である。図７は、本参考例におけるビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【００４９】
本参考例では、ビーム生成室３１のコイル１０の下流域に電子が残留ガスに付着して負イオンが生成される負イオン生成室３１ａが形成されている点が上述の第１の実施形態と異なる。このように本実施形態では、生成されたプラズマの下流域に負イオン生成室３１ａを形成したいわゆるダウンストリーム方式のビーム処理装置が構成されている。
【００５０】
この負イオン生成室３１ａには、必要に応じて、負イオン生成室３１ａ内に電子雲を形成する電子雲形成手段を設けることができる。具体的には、図８に示すように、真空チャンバ３の円周方向に永久磁石９を所定の間隔で配置する。このとき隣り合う永久磁石９の磁極は反対となるように配置する。このように永久磁石９を配置することで、真空チャンバ３内に磁界が形成されてプラズマ中の電子が図８のＣで示す軌道を周回するようになり、電子雲が形成される。このような電子雲形成手段は、永久磁石を用いる場合に限られず、負イオン生成室３１ａ内に電界をかけることによっても構成することができる。
【００５１】
グリッド電極５には、例えば４００ｋＨｚの低周波電圧を印加する低周波電源１０９が接続されている。なお、本参考例においては、第１の実施形態とは異なり変調装置が設けられていない。
【００５２】
次に、本参考例におけるビーム処理装置の動作について説明する。図９は、本参考例における動作状態を示すタイムチャートである。Ｖｆはコイル１０における電位、Ｖｇはグリッド電極５の電位をそれぞれ示している。なお、図９のタイムチャートは模式的なものであって、例えば図示されている周期は実際の周期とは異なる。
【００５３】
まず、真空ポンプ２３を作動させることにより、真空チャンバ３内を真空排気した後に、ガス供給源１３からＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等などのガスを真空チャンバ３の内部に導入する。そして、図９に示すように、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を高周波電源１０１によってコイル１０に印加する。この高周波電圧の印加によってビーム生成室３１内には高周波電界が形成される。真空チャンバ３内に導入されたガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、ビーム生成室３１内に高密度プラズマが生成される。このときに形成されるプラズマは、主として正イオンと加熱された電子とからなるプラズマである。
【００５４】
上述したように、本参考例では、プラズマの下流域に負イオン生成室３１ａが設けられており、この負イオン生成室３１ａにおいて低い電子温度になった電子が残留ガスに付着して負イオンが生成される。従って、この負イオン生成室３１ａは、正イオン、負イオン、電子とが存在する領域となっている。
【００５５】
高周波電源１０１による高周波電圧の印加と同時に、低周波電源１０９により４００ｋＨｚの低周波電圧をグリッド電極５とオリフィス電極４との間に印加する。上述の実施形態と同様に、この低周波電圧による電位差によって、負イオン生成室３１ａ内の正イオンと負イオンとが交互にオリフィス電極４に向けて加速され、オリフィス電極４に形成されたオリフィス４ａに入っていく。
【００５６】
オリフィス電極４のオリフィス４ａの内部を通過する正イオン又は負イオンは、上述の第１の実施形態と同様に中性化されて交互に中性粒子となり、エネルギービームとして交互に処理室２の内部に放射される。この中性粒子は、処理室２の内部を直進して保持部２０に載置された被処理物Ｘに照射される。
【００５７】
本参考例においても、グリッド電極をコイル１０の上流側に配置することができる。図１０はグリッド電極５０をコイル１０の上流側に配置した場合のビーム処理装置の全体構成を示す図である。この場合には、負イオン生成室３１ａ内のプラズマ中の正イオン及び負イオンはグリッド電極５０とオリフィス電極４とに印加される電圧によって加速されることとなる。
【００５８】
また、上述した実施形態においては、正イオンと負イオンとを交互に引き出し、これを中性化した例を説明したが、正イオンと負イオンとを交互に引き出し、これを中性化せずにそのまま正イオンビーム又は負イオンビームとして交互に被処理物に照射することもできる。
【００５９】
図１１は、上述した第１の実施形態において、中性化を行わずに正イオンと負イオンとをエネルギービームとして交互に被処理物Ｘに照射する場合の全体構成を示す図である。図１１に示す例では、オリフィス電極の代わりに導電体で形成された薄板グリッド状のグリッド電極（第２の電極）５１が配置されている。このグリッド電極５１は第１の実施形態におけるオリフィス電極と同様に接地電位とされている。このような構成において、第１の実施形態と同様に、高周波電圧を高周波電源１０１によって１０μ秒間コイル１０に印加してビーム生成室３１内に高密度プラズマを生成し、高周波電源１０１による電圧の印加の停止から５０μ秒後に、バイポーラ電源１０２によって低周波電圧をグリッド電極５１に５０μ秒間印加すると、正イオンと負イオンとが交互にグリッド電極５１から飛び出し、被処理物Ｘに照射される。
【００６０】
また同様に、図４に示す実施形態、図７に示す参考例、図１０に示す参考例においても、中性化を行わずに正イオンと負イオンとを交互に被処理物Ｘに照射することができ、これらの場合における装置の全体構成をそれぞれ図１２、図１３、図１４に示す。
【００６１】
なお、上述した実施形態及び参考例においては、ＩＣＰ型コイルを用いてプラズマを生成した例を説明したが、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）、ヘリコン波プラズマ用コイル、マイクロ波等を用いてプラズマを生成することとしてもよい。また、高周波の周波数領域も、１３．５６ＭＨｚに限られるものではなく、１ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの領域を用いてもよい。また、低周波の周波数領域も、４００ｋＨｚに限られるものではない。例えば、図１５に示すように、矩形状の電圧を低周波電圧の代わりに印加することとしてもよい。
【００６２】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００６３】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、正イオンと負イオンとを交互に引き出し、これらを中性化して中性粒子ビームとして被処理物に照射、あるいは、そのまま正イオンビーム又は負イオンビームとして被処理物に照射することができる。
【００６４】
特に、電圧印加部により引き出された正イオンと負イオンとを交互に中性化する中性化手段を備えることとすれば、電荷を持たず大きな並進運動エネルギーを持つ中性粒子線によって被処理物を加工することができるので、チャージアップ量を小さく保ちつつ高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。この場合には、正イオンの中性化による中性粒子と負イオンの中性化による中性粒子とを交互に照射することで、２種類の処理を交互に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示すオリフィス電極及びグリッド電極を示す図であり、特に正イオンが中性化される状態を示している。
【図３】本発明の第１の実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態におけるビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態におけるビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。
【図７】 参考例としてのビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図８】 図７に示す参考例における電子雲形成手段を示す断面図である。
【図９】 図７に示す参考例における動作状態を示すタイムチャートである。
【図１０】 他の参考例としてのビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態において、中性化を行わずに正イオンと負イオンとを交互に被処理物に照射する場合の全体構成を示す図である。
【図１２】図４に示す実施形態において、中性化を行わずに正イオンと負イオンとを交互に被処理物に照射する場合の全体構成を示す図である。
【図１３】 図７に示す参考例において、中性化を行わずに正イオンと負イオンとを交互に被処理物に照射する場合の全体構成を示す図である。
【図１４】 図１０に示す参考例において、中性化を行わずに正イオンと負イオンとを交互に被処理物に照射する場合の全体構成を示す図である。
【図１５】低周波電圧の代わりに印加する電圧の一例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
Ｘ 被処理物
１、３１ ビーム生成室
２ 処理室
３、３０ 真空チャンバ
４ オリフィス電極（中性化手段）
４ａ オリフィス
５、８、５０、５１ グリッド電極
６ 正イオン
７ 中性粒子
９ 永久磁石（電子雲形成手段）
１０ コイル
１１ ガス導入ポート
１２ ガス供給配管
１３ ガス供給源
２０ 保持部
２１ ガス排出ポート
２２ ガス排出配管
２３ 真空ポンプ
３１ａ 負イオン生成室
１００ マッチングボックス
１０１ 高周波電源
１０２ バイポーラ電源（電圧印加部）
１０３、１０４、１０７、１０８ 変調装置
１０５ 交流電源（第１の電圧印加部）
１０６ 直流電源（第２の電圧印加部）
１０９ 低周波電源
【発明の属する技術分野】
本発明は、中性粒子ビーム処理装置、特に高密度プラズマから高指向性で且つ高密度の粒子ビームを生成し、被処理物を加工する中性粒子ビーム処理装置に関するものである。
【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、ある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。かかる分野の加工においては、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イオンビーム等のエネルギービームを照射して被処理物の成膜又はエッチングなどを施す技術が注目されている。
【０００３】
このようなエネルギービームのビーム源としては、正イオン、負イオン、ラジカル粒子等の各種のビームを生成するものが知られている。このような正イオン、負イオン、ラジカル粒子等のビームをビーム源から被処理物の任意の部位に照射することで、被処理物の局所的な成膜やエッチング、表面改質、接合、接着などを行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
正イオンや負イオンなどの荷電粒子を被処理物に照射するビーム源においては、被処理物に電荷が蓄積するため絶縁物を処理することができない（チャージアップ現象）。また、空間電荷効果でイオンビームが発散してしまうため微細な加工をすることができない。
【０００５】
これを防ぐためにイオンビームに電子を注ぎ込むことで電荷を中和することも考えられているが、この方法では全体的な電荷のバランスは取れるものの、局所的には電荷のアンバランスが生じており、やはり微細な加工をすることができない。
【０００６】
また、プラズマ源からイオンを引き出して被処理物に照射する場合において、プラズマから発生する紫外線などの放射光が被処理物に照射されると被処理物に悪影響を与えることとなるので、プラズマから放出される紫外線などの放射光を遮蔽する必要がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、安価且つコンパクトな構成で大口径のビームを被処理物に照射することができると共に高い中性化率を得ることができ、チャージフリー且つダメージフリーな中性粒子ビーム処理装置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】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の一態様は、被処理物を保持する保持部と、高周波電圧の印加と印加の停止とを交互に繰り返すことにより、真空チャンバ内に正イオンと負イオンとを含むプラズマを生成するプラズマ生成部と、上記真空チャンバ内であって、上記プラズマ生成部と上記被処理物との間に配置され、上記プラズマから放出される紫外線を遮蔽するオリフィス電極と、上記真空チャンバ内に上記オリフィス電極に対して上流側に配置されたグリッド電極と、上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間に４００ｋＨｚの低周波電圧を印加することで、上記プラズマ生成部により生成されたプラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出す電圧印加部とを備え、上記電圧印加部によりプラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出して上記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させることで、該正イオンと該負イオンを該オリフィス内で中性化させることを特徴とする中性粒子ビーム処理装置である。
【０００９】
このような構成により、正イオンと負イオンとを交互に引き出し、これらを中性化して中性粒子ビームとして被処理物に照射することができる。
【００１１】
本発明の他の一態様は、被処理物を保持する保持部と、真空チャンバ内に配置され、プラズマから放出される紫外線を遮蔽するオリフィス電極と、上記真空チャンバ内に上記オリフィス電極に対して上流側に配置されたグリッド電極と、上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間に高周波電圧の印加と印加の停止とを交互に繰り返すことで、上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間に正イオンと負イオンとを含むプラズマを生成すると共に、上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間に４００ｋＨｚの低周波電圧を印加することで上記プラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出す電圧印加部とを備え、上記電圧印加部によりプラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出して上記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させることで、該正イオンと該負イオンを該オリフィス内で中性化させることを特徴とする中性粒子ビーム処理装置である。
【００１２】
このような構成により、正イオンと負イオンとを交互に引き出し、これらを中性化して中性粒子ビームとして被処理物に照射することができる。特に、電圧印加部を正イオンと負イオンとをプラズマ中から引き出す手段としてだけでなく、プラズマを生成する手段としても利用することができる。従って、上記のように構成した場合には、プラズマを生成するためのプラズマ生成部を別に設ける必要がなくなる。このため、装置をよりコンパクトにして安価にビームを大口径化することが可能となる。
【００１４】
また、正イオンと負イオンとを交互に引き出し、これらを中性化して電荷を持たず大きな並進運動エネルギーを持つ中性粒子線によって被処理物を加工することが可能となるので、チャージアップ量を小さく保ちつつ高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。また、正イオンの中性化による中性粒子と負イオンの中性化による中性粒子とを交互に照射することで、２種類の処理を交互に行うことができる。例えば、真空チャンバ内に導入するガスをＣｌ２とＸｅとした場合、正イオンの中性化によるＸｅを用いてＸｅスパッタを行い、負イオンの中性化による塩素を用いて塩素エッチングを行うことができるので、ケミカルスパッタリング作用でエッチレートを高めることができる。また、例えば、塩素ビームを照射して塩素と被処理物とが弱い結合力になっている数原子層を形成し、そこに、その弱い結合力の原子層は除去できるが被処理物自体の強い結合力は切ることができない程度のエネルギーを持つＸｅビームでスパッタリング除去するというように、適切な反応プロセスとエネルギー制御を行えば、被処理物の原子の結晶構造を破壊することなくエッチングすることが可能となる。
【００１５】
上記電圧印加部は、上記オリフィス電極と上記グリッド電極との間に可変電圧を印加することで、上記プラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出して上記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させる。このように構成すれば、上述の電圧印加部を正イオンと負イオンとをプラズマ中から引き出す手段としてだけでなく、正イオン及び負イオンを中性化する手段としても利用することができる。この場合において、中性化する手段としてオリフィス電極を用いることによって高い中性化率が得られるので、装置を大型化せずに安価にビームを大口径化することが可能となる。更に、生成されたプラズマと被処理物とはオリフィス電極によって遮断されるので、プラズマから発生する放射光は被処理物に照射されず、被処理物に損傷を与えるような紫外線などの被処理物への影響を低減することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るビーム処理装置の第１の実施形態について図１乃至図３を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態におけるビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【００１７】
図１に示すように、ビーム処理装置は、中性粒子ビームを生成するビーム生成室１と半導体基板、ガラス、有機物、セラミックスなどの被処理物Ｘの加工を行う処理室２とを有する円筒状の真空チャンバ３を備えている。この真空チャンバ３は、ビーム生成室１側が石英ガラス又はセラミックなどにより構成され、処理室２側が金属製のメタルチャンバなどにより構成されている。
【００１８】
ビーム生成室１の外周には誘導結合型のコイル１０が配置されている。このコイル１０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ターン程度ビーム生成室１に巻回されている。このコイル１０は、マッチングボックス１００を介して高周波電源１０１に接続されており、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧がコイル１０に印加される。これらのコイル１０、マッチングボックス１００、高周波電源１０１によってプラズマ生成部が構成されている。即ち、コイル１０に高周波電流を流すことで誘導磁場を生じさせ、その変位電流によりガス中の原子・分子が電離されプラズマが生成する。
【００１９】
ビーム生成室１の上部には、真空チャンバ３内にガスを導入するガス導入ポート１１が設けられており、このガス導入ポート１１はガス供給配管１２を介してガス供給源１３に接続されている。このガス供給源１３からはＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等などのガスが真空チャンバ３内に供給される。
【００２０】
処理室２には、被処理物Ｘを保持する保持部２０が配置されており、この保持部２０の上面に被処理物Ｘが載置されている。処理室２にはガスを排出するためのガス排出ポート２１が設けられており、このガス排出ポート２１はガス排出配管２２を介して真空ポンプ２３に接続されている。この真空ポンプ２３によって処理室２は所定の圧力に維持される。
【００２１】
ビーム生成室１の下端には、グラファイトなどの導電体で形成されたオリフィス板（オリフィス電極）４が配置されており、このオリフィス電極４は接地電位とされる。このオリフィス電極４は第１の電極及び中性化手段として機能するものである。また、このオリフィス電極４の上方には、同様に導電体で形成された薄板グリッド状のグリッド電極（第２の電極）５が配置されている。このグリッド電極５はバイポーラ電源１０２（電圧印加部）に接続されている。このバイポーラ電源１０２によって例えば４００ｋＨｚの低周波電圧がグリッド電極５に印加される。図２は、オリフィス電極４及びグリッド電極５の斜視図（図２（ａ））と部分縦断面図（図２（ｂ））である。図２に示すように、オリフィス電極４には多数のオリフィス４ａが形成されており、同様にグリッド電極５には多数のグリッド穴５ａが形成されている。なお、グリッド電極５はメッシュ網やパンチングメタルなどであってもよい。
【００２２】
コイル１０に接続される高周波電源１０１とバイポーラ電源１０２とにはそれぞれ変調装置１０３、１０４が接続されている。高周波電源１０１とバイポーラ電源１０２とは変調装置１０３、１０４を介して互いに接続されており、変調装置１０３、１０４間の同期信号によって、高周波電源１０１による電圧印加のタイミングとバイポーラ電源１０２による電圧印加のタイミングとが同期される。
【００２３】
次に、本実施形態におけるビーム処理装置の動作について説明する。図３は、本実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。図３において、Ｖａはコイル１０の電位、Ｔｅはビーム生成室１内の電子温度、ｎｅはビーム生成室１内の電子密度、ｎｉ−はビーム生成室１内の負イオン密度、Ｖｂはグリッド電極５の電位をそれぞれ示している。なお、図３のタイムチャートは模式的なものであって、例えば図示されている周期は実際の周期とは異なる。
【００２４】
まず、真空ポンプ２３を作動させることにより、真空チャンバ３内を真空排気した後に、ガス供給源１３からＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等などのガスを真空チャンバ３の内部に導入する。そして、図３に示すように、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を高周波電源１０１によって１０μ秒間コイル１０に印加する。この高周波電圧の印加によってビーム生成室１内には高周波電界が形成される。真空チャンバ３内に導入されたガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、ビーム生成室１内に高密度プラズマが生成される。このときに形成されるプラズマは、主として正イオンと加熱された電子とからなるプラズマである。
【００２５】
そして、高周波電源１０１による高周波電圧の印加を１００μ秒間停止する。高周波電源１０１による高周波電圧の印加の停止後は、再び高周波電源１０１による１０μ秒間の高周波電圧の印加によってビーム生成室１内においてプラズマ中の電子が加熱され、上述したサイクルが繰り返される。即ち、高周波電界の印加（１０μ秒間）と印加の停止（１００μ秒間）を交互に繰り返す。この高周波電界の印加停止時間（１００μ秒間）は、プラズマ中の電子が残留している処理ガスに付着して負イオンが生成されるのに要する時間よりも十分に長く、且つプラズマ中の電子密度が低下してプラズマが消滅するよりも十分に短い時間である。高周波電界の印加時間（１０μ秒間）は、この高周波電界の印加を停止している間に低下したプラズマ中の電子のエネルギーを回復させるのに十分な時間である。
【００２６】
このプラズマ中の電子のエネルギーを高めた後の高周波電界の印加停止により、負イオンを効率よく且つ継続して生成することができる。即ち、通常のプラズマは正イオンと電子とからなる場合が多いが、正イオンと共に負イオンが共存した状態のプラズマを効率的に形成することができる。なお、ここでは、高周波電界の印加停止時間を１００μ秒に設定する例について述べたが、５０μ秒乃至１００μ秒に設定することで、プラズマ中に正イオンのみならず負イオンを多量に生成することができる。
【００２７】
高周波電源１０１による電圧の印加の停止から５０μ秒後に、バイポーラ電源１０２によって４００ｋＨｚの低周波電圧をグリッド電極５に５０μ秒間印加する。この低周波電圧の印加において、グリッド電極５の電位Ｖｂがオリフィス電極４の電位（接地電位）よりも高いとき（例えば図３のＡで示す部分）には、オリフィス電極４とグリッド電極５との間に、オリフィス電極４を陰極、グリッド電極５を陽極とした電位差が生じる。従って、グリッド電極５からオリフィス電極４側に漏れ出た正イオン６（図２（ｂ）参照）は、この電位差によってオリフィス電極４に向けて加速され、オリフィス電極４に形成されたオリフィス４ａに入っていく。
【００２８】
このとき、オリフィス電極４のオリフィス４ａの内部を通過する正イオン６は、主として、オリフィス４ａの周壁の固体表面近傍において中性化されるか、オリフィス４ａの内部に残留しているガスとの電荷交換によって中性化されるか、あるいは、オリフィス電極４の表面から放出された電子と衝突して再結合することによって中性化され、中性粒子７となる。
【００２９】
一方、グリッド電極５の電位Ｖｂがオリフィス電極４の電位（接地電位）よりも低いとき（例えば図３のＢで示す部分）には、オリフィス電極４とグリッド電極５との間に、オリフィス電極４を陽極、グリッド電極５を陰極とした電位差が生じる。従って、グリッド電極５からオリフィス電極４側に漏れ出た負イオンは、この電位差によってオリフィス電極４に向けて加速され、オリフィス電極４に形成されたオリフィス４ａに入っていく。オリフィス電極４のオリフィス４ａの内部を通過する負イオンは、主として、オリフィス４ａの周壁の固体表面近傍において中性化され、あるいは、オリフィス４ａの内部に残留しているガスとの電荷交換によって中性化され、中性粒子７となる。
【００３０】
このようにして、オリフィス４ａの通過中に中性化された正イオン又は負イオン（中性粒子）は、交互にエネルギービームとして処理室２の内部に放射される。この中性粒子７は、処理室２の内部を直進して保持部２０に載置された被処理物Ｘに照射され、この中性粒子７によってエッチング、クリーニング、窒化処理や酸化処理などの表面改質、成膜などの処理を行うことが可能となる。
【００３１】
このように正イオンの中性化による中性粒子と負イオンの中性化による中性粒子とを交互に照射することで、２種類の処理を交互に行うことができる。例えば、真空チャンバ３内に導入するガスをＣｌ２とＸｅとした場合、正イオンの中性化によるＸｅを用いてＸｅスパッタを行い、負イオンの中性化による塩素を用いて塩素エッチングを行うことができるので、ケミカルスパッタリング作用でエッチレートを高めることができる。
【００３２】
また、例えば、塩素ビームを照射して塩素と被処理物とが弱い結合力になっている数原子層を形成し、そこに、その弱い結合力の原子層は除去できるが被処理物自体の強い結合力は切ることができない程度のエネルギーを持つＸｅビームでスパッタリング除去するというように、適切な反応プロセスとエネルギー制御を行えば、被処理物の原子の結晶構造を破壊することなくエッチングすることが可能となる。
【００３３】
この場合において、オリフィス電極は、イオンを中性化する手段としてだけではなく、プラズマから発生する放射光が被処理物に照射されるのを防止する手段としても機能する。即ち、プラズマが生成されるビーム生成室１と被処理物Ｘとはオリフィス電極４によって遮断されているので、プラズマから発生する放射光は被処理物Ｘに照射されず、被処理物Ｘに損傷を与えるような紫外線などの被処理物Ｘへの影響を低減することができる。
【００３４】
なお、一部の荷電粒子もオリフィス電極４のオリフィス４ａを通過する場合があるが、このような荷電粒子が被処理物Ｘに照射されることを防止するために、オリフィス電極４の下流側にディフレクタや電子トラップを設けることとしてもよい。ディフレクタは、真空チャンバ３の径方向に電圧を印加することによって荷電粒子の進行方向を変化させて、荷電粒子の被処理物Ｘへの照射を防止するものである。また、電子トラップは、径方向に磁界を形成することによって荷電粒子の進行方向を変化させて、荷電粒子の被処理物Ｘへの照射を防止するものである。
【００３５】
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、このように中性化された中性粒子を照射すること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。なお、被処理物の処理の内容に応じてガスの種類を使い分ければよく、ドライエッチングでは被処理物の違いに応じて酸素やハロゲンガスなどを使い分けることができる。
【００３６】
本実施形態では、グリッド電極５をコイル１０の下流側に配置した例を説明したが、グリッド電極をコイル１０の上流側に配置することもできる。この場合は、グリッド電極に穴が１つも形成されていなくてもよい。図４はグリッド電極５０をコイル１０の上流側に配置した場合のビーム処理装置の全体構成を示す図である。この場合には、ビーム生成室１内に生成されたプラズマ中の正イオン及び負イオンはグリッド電極５０とオリフィス電極４との間で加速されることとなる。
【００３７】
また、本実施形態では、中性化手段としてオリフィス電極を用いた例を説明したが、これに限られず他の中性化手段を用いることもできる。例えば、▲１▼プラズマから引き出されたイオンに電子ビームを照射することで中性化する、▲２▼引き出されたイオンの経路上に中性ガスを導入して中性ガスの圧力の高い領域を形成し、この領域を通過させることでイオンを中性化する、▲３▼イオンに光を照射することで中性化する、▲４▼イオンを高周波電場で揺さぶることで中性化する、▲５▼引き出されたイオンの経路上に電子雲を形成し、この電子雲中を通過させることで中性化する、など各種の中性化手段を適用することができる。また、オリフィス電極の代わりにスリットやハニカム構造を有する電極を用いることとしてもよい。
【００３８】
次に、本発明に係るビーム処理装置の第２の実施形態について図５及び図６を参照して詳細に説明する。なお、上述の第１の実施形態における部材又は要素と同一の作用又は機能を有する部材又は要素には同一の符号を付し、特に説明しない部分については第１の実施形態と同様である。図５は、本発明の第２の実施形態におけるビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【００３９】
本実施形態における真空チャンバ３０は金属で形成されたメタルチャンバであり、その内部の上流側に導電体で形成された薄板グリッド状のグリッド電極（第２の電極）８を備えている。真空チャンバ３０とグリッド電極８とは電気的に接続されており、これらは接地電位とされている。
【００４０】
また、オリフィス電極（第１の電極）４には、図５に示すように、交流電源１０５と交流電源１０６とが並列に接続されている。これらの電源１０５、１０６にはそれぞれ変調装置１０７、１０８が接続されている。また、交流電源１０５の変調装置１０７と直流電源１０６の変調装置１０８とは、同期信号によって互いに同期をとることができるようになっている。これらの交流電源１０５、１０６、変調装置１０７、１０８により電圧印加部が構成されている。なお、真空チャンバ３０とオリフィス電極４とは絶縁物（図示せず）によって電気的に絶縁されている。
【００４１】
次に、本実施形態におけるビーム処理装置の動作について説明する。図６は、本実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。図６において、Ｖｃは交流電源１０５における電位、Ｔｅはビーム生成室１内の電子温度、ｎｅはビーム生成室１内の電子密度、ｎｉ−はビーム生成室１内の負イオン密度、Ｖｄは交流電源１０６の電位、Ｖｅはオリフィス電極４の電位をそれぞれ示している。なお、図６のタイムチャートは模式的なものであって、例えば図示されている周期は実際の周期とは異なる。
【００４２】
まず、真空ポンプ２３を作動させることにより、真空チャンバ３０内を真空排気した後に、ガス供給源１３からガスを真空チャンバ３０の内部に導入する。そして、図６に示すように、交流電源１０５により１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を１０μ秒間オリフィス電極４に印加する。この高周波電圧の印加によってビーム生成室１内には高周波電界が形成される。真空チャンバ３０内に導入されたガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、ビーム生成室１内に高密度プラズマが生成される。
【００４３】
そして、交流電源１０５による高周波電圧の印加を１００μ秒間停止する。高周波電圧の印加の停止後は、再び交流電源１０５による１０μ秒間の高周波電圧の印加によってビーム生成室１内においてプラズマ中の電子が加熱され、上述したサイクルが繰り返される。即ち、高周波電界の印加（１０μ秒間）と印加の停止（１００μ秒間）を交互に繰り返す。
【００４４】
このプラズマ中の電子のエネルギーを高めた後の高周波電界の印加停止により、負イオンを効率よく且つ継続して生成することができる。即ち、通常のプラズマは正イオンと電子とからなる場合が多いが、正イオンと共に負イオンが共存した状態のプラズマを効率的に形成することができる。
【００４５】
交流電源１０５による電圧の印加の停止から５０μ秒後に、交流電源１０６によって４００ｋＨｚの低周波電圧をオリフィス電極４に５０μ秒間印加する。上述の第１の実施形態と同様に、この低周波電圧による電位差によって、正イオンと負イオンとが交互にオリフィス電極４に向けて加速され、オリフィス電極４に形成されたオリフィス４ａに入っていく。
【００４６】
オリフィス電極４のオリフィス４ａの内部を通過する正イオン又は負イオンは、上述の第１の実施形態と同様に中性化されて交互に中性粒子となり、エネルギービームとして交互に処理室２の内部に放射される。この中性粒子は、処理室２の内部を直進して保持部２０に載置された被処理物Ｘに照射される。
【００４７】
上述したように、本実施形態では、オリフィス電極４とグリッド電極８との間に高周波電圧と低周波電圧を交互に印加することによって、プラズマを生成すると共に生成されたプラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出すことができ、プラズマを生成するためのプラズマ生成部を別に設ける必要がなくなる。このため、装置をよりコンパクトにして安価にビームを大口径化することが可能となる。
【００４８】
次に、ビーム処理装置の参考例について図７乃至図９を参照して詳細に説明する。なお、上述の第１の実施形態における部材又は要素と同一の作用又は機能を有する部材又は要素には同一の符号を付し、特に説明しない部分については第１の実施形態と同様である。図７は、本参考例におけるビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【００４９】
本参考例では、ビーム生成室３１のコイル１０の下流域に電子が残留ガスに付着して負イオンが生成される負イオン生成室３１ａが形成されている点が上述の第１の実施形態と異なる。このように本実施形態では、生成されたプラズマの下流域に負イオン生成室３１ａを形成したいわゆるダウンストリーム方式のビーム処理装置が構成されている。
【００５０】
この負イオン生成室３１ａには、必要に応じて、負イオン生成室３１ａ内に電子雲を形成する電子雲形成手段を設けることができる。具体的には、図８に示すように、真空チャンバ３の円周方向に永久磁石９を所定の間隔で配置する。このとき隣り合う永久磁石９の磁極は反対となるように配置する。このように永久磁石９を配置することで、真空チャンバ３内に磁界が形成されてプラズマ中の電子が図８のＣで示す軌道を周回するようになり、電子雲が形成される。このような電子雲形成手段は、永久磁石を用いる場合に限られず、負イオン生成室３１ａ内に電界をかけることによっても構成することができる。
【００５１】
グリッド電極５には、例えば４００ｋＨｚの低周波電圧を印加する低周波電源１０９が接続されている。なお、本参考例においては、第１の実施形態とは異なり変調装置が設けられていない。
【００５２】
次に、本参考例におけるビーム処理装置の動作について説明する。図９は、本参考例における動作状態を示すタイムチャートである。Ｖｆはコイル１０における電位、Ｖｇはグリッド電極５の電位をそれぞれ示している。なお、図９のタイムチャートは模式的なものであって、例えば図示されている周期は実際の周期とは異なる。
【００５３】
まず、真空ポンプ２３を作動させることにより、真空チャンバ３内を真空排気した後に、ガス供給源１３からＳＦ６，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｏ２，Ｎ２，Ｃ４Ｆ８等などのガスを真空チャンバ３の内部に導入する。そして、図９に示すように、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を高周波電源１０１によってコイル１０に印加する。この高周波電圧の印加によってビーム生成室３１内には高周波電界が形成される。真空チャンバ３内に導入されたガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、ビーム生成室３１内に高密度プラズマが生成される。このときに形成されるプラズマは、主として正イオンと加熱された電子とからなるプラズマである。
【００５４】
上述したように、本参考例では、プラズマの下流域に負イオン生成室３１ａが設けられており、この負イオン生成室３１ａにおいて低い電子温度になった電子が残留ガスに付着して負イオンが生成される。従って、この負イオン生成室３１ａは、正イオン、負イオン、電子とが存在する領域となっている。
【００５５】
高周波電源１０１による高周波電圧の印加と同時に、低周波電源１０９により４００ｋＨｚの低周波電圧をグリッド電極５とオリフィス電極４との間に印加する。上述の実施形態と同様に、この低周波電圧による電位差によって、負イオン生成室３１ａ内の正イオンと負イオンとが交互にオリフィス電極４に向けて加速され、オリフィス電極４に形成されたオリフィス４ａに入っていく。
【００５６】
オリフィス電極４のオリフィス４ａの内部を通過する正イオン又は負イオンは、上述の第１の実施形態と同様に中性化されて交互に中性粒子となり、エネルギービームとして交互に処理室２の内部に放射される。この中性粒子は、処理室２の内部を直進して保持部２０に載置された被処理物Ｘに照射される。
【００５７】
本参考例においても、グリッド電極をコイル１０の上流側に配置することができる。図１０はグリッド電極５０をコイル１０の上流側に配置した場合のビーム処理装置の全体構成を示す図である。この場合には、負イオン生成室３１ａ内のプラズマ中の正イオン及び負イオンはグリッド電極５０とオリフィス電極４とに印加される電圧によって加速されることとなる。
【００５８】
また、上述した実施形態においては、正イオンと負イオンとを交互に引き出し、これを中性化した例を説明したが、正イオンと負イオンとを交互に引き出し、これを中性化せずにそのまま正イオンビーム又は負イオンビームとして交互に被処理物に照射することもできる。
【００５９】
図１１は、上述した第１の実施形態において、中性化を行わずに正イオンと負イオンとをエネルギービームとして交互に被処理物Ｘに照射する場合の全体構成を示す図である。図１１に示す例では、オリフィス電極の代わりに導電体で形成された薄板グリッド状のグリッド電極（第２の電極）５１が配置されている。このグリッド電極５１は第１の実施形態におけるオリフィス電極と同様に接地電位とされている。このような構成において、第１の実施形態と同様に、高周波電圧を高周波電源１０１によって１０μ秒間コイル１０に印加してビーム生成室３１内に高密度プラズマを生成し、高周波電源１０１による電圧の印加の停止から５０μ秒後に、バイポーラ電源１０２によって低周波電圧をグリッド電極５１に５０μ秒間印加すると、正イオンと負イオンとが交互にグリッド電極５１から飛び出し、被処理物Ｘに照射される。
【００６０】
また同様に、図４に示す実施形態、図７に示す参考例、図１０に示す参考例においても、中性化を行わずに正イオンと負イオンとを交互に被処理物Ｘに照射することができ、これらの場合における装置の全体構成をそれぞれ図１２、図１３、図１４に示す。
【００６１】
なお、上述した実施形態及び参考例においては、ＩＣＰ型コイルを用いてプラズマを生成した例を説明したが、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）、ヘリコン波プラズマ用コイル、マイクロ波等を用いてプラズマを生成することとしてもよい。また、高周波の周波数領域も、１３．５６ＭＨｚに限られるものではなく、１ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの領域を用いてもよい。また、低周波の周波数領域も、４００ｋＨｚに限られるものではない。例えば、図１５に示すように、矩形状の電圧を低周波電圧の代わりに印加することとしてもよい。
【００６２】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００６３】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、正イオンと負イオンとを交互に引き出し、これらを中性化して中性粒子ビームとして被処理物に照射、あるいは、そのまま正イオンビーム又は負イオンビームとして被処理物に照射することができる。
【００６４】
特に、電圧印加部により引き出された正イオンと負イオンとを交互に中性化する中性化手段を備えることとすれば、電荷を持たず大きな並進運動エネルギーを持つ中性粒子線によって被処理物を加工することができるので、チャージアップ量を小さく保ちつつ高精度のエッチングや成膜加工が可能となる。この場合には、正イオンの中性化による中性粒子と負イオンの中性化による中性粒子とを交互に照射することで、２種類の処理を交互に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示すオリフィス電極及びグリッド電極を示す図であり、特に正イオンが中性化される状態を示している。
【図３】本発明の第１の実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態におけるビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態におけるビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における動作状態を示すタイムチャートである。
【図７】 参考例としてのビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図８】 図７に示す参考例における電子雲形成手段を示す断面図である。
【図９】 図７に示す参考例における動作状態を示すタイムチャートである。
【図１０】 他の参考例としてのビーム処理装置の全体構成を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態において、中性化を行わずに正イオンと負イオンとを交互に被処理物に照射する場合の全体構成を示す図である。
【図１２】図４に示す実施形態において、中性化を行わずに正イオンと負イオンとを交互に被処理物に照射する場合の全体構成を示す図である。
【図１３】 図７に示す参考例において、中性化を行わずに正イオンと負イオンとを交互に被処理物に照射する場合の全体構成を示す図である。
【図１４】 図１０に示す参考例において、中性化を行わずに正イオンと負イオンとを交互に被処理物に照射する場合の全体構成を示す図である。
【図１５】低周波電圧の代わりに印加する電圧の一例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
Ｘ 被処理物
１、３１ ビーム生成室
２ 処理室
３、３０ 真空チャンバ
４ オリフィス電極（中性化手段）
４ａ オリフィス
５、８、５０、５１ グリッド電極
６ 正イオン
７ 中性粒子
９ 永久磁石（電子雲形成手段）
１０ コイル
１１ ガス導入ポート
１２ ガス供給配管
１３ ガス供給源
２０ 保持部
２１ ガス排出ポート
２２ ガス排出配管
２３ 真空ポンプ
３１ａ 負イオン生成室
１００ マッチングボックス
１０１ 高周波電源
１０２ バイポーラ電源（電圧印加部）
１０３、１０４、１０７、１０８ 変調装置
１０５ 交流電源（第１の電圧印加部）
１０６ 直流電源（第２の電圧印加部）
１０９ 低周波電源
Claims (3)
- 被処理物を保持する保持部と、
高周波電圧の印加と印加の停止とを交互に繰り返すことにより、真空チャンバ内に正イオンと負イオンとを含むプラズマを生成するプラズマ生成部と、
前記真空チャンバ内であって、前記プラズマ生成部と前記被処理物との間に配置され、前記プラズマから放出される紫外線を遮蔽するオリフィス電極と、
前記真空チャンバ内に前記オリフィス電極に対して上流側に配置されたグリッド電極と、
前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間に４００ｋＨｚの低周波電圧を印加することで、前記プラズマ生成部により生成されたプラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出す電圧印加部とを備え、
前記電圧印加部によりプラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出して前記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させることで、該正イオンと該負イオンを該オリフィス内で中性化させることを特徴とする中性粒子ビーム処理装置。 - 被処理物を保持する保持部と、
真空チャンバ内に配置され、プラズマから放出される紫外線を遮蔽するオリフィス電極と、
前記真空チャンバ内に前記オリフィス電極に対して上流側に配置されたグリッド電極と、
前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間に高周波電圧の印加と印加の停止とを交互に繰り返すことで、前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間に正イオンと負イオンとを含むプラズマを生成すると共に、前記オリフィス電極と前記グリッド電極との間に４００ｋＨｚの低周波電圧を印加することで前記プラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出す電圧印加部とを備え、
前記電圧印加部によりプラズマから正イオンと負イオンとを交互に引き出して前記オリフィス電極に形成されたオリフィスを通過させることで、該正イオンと該負イオンを該オリフィス内で中性化させることを特徴とする中性粒子ビーム処理装置。 - 前記真空チャンバには、Ｃｌ２とＸｅが導入されることを特徴とする請求項１又は２に記載の中性粒子ビーム処理装置。
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